JP5803529B2 - 圧電アクチュエータ、液体噴射装置、圧電アクチュエータの製造方法及び液体噴射装置の製造方法 - Google Patents

圧電アクチュエータ、液体噴射装置、圧電アクチュエータの製造方法及び液体噴射装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電アクチュエータ、液体噴射装置、圧電アクチュエータの製造方法及び液体噴射装置の製造方法に関する。
従来から、電界をかけて圧電層を圧電変形させることによって対象を駆動する圧電アクチュエータが知られている。例えば、特許文献１に記載のインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータは、複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室を備えた、インクジェットヘッドの流路ユニット（基材）に設けられており、流路ユニットの複数の圧力室を覆うように配置された振動板と、振動板に積層された圧電層と、この圧電層の表面に複数の圧力室と対向して設けられた複数の個別電極（駆動電極）とを有している。個別電極は、圧力室と対向しない部分まで引き出されて、その先端部に接点部が形成されている。
複数の個別電極は、複数の圧力室に対応して２列に配列されており、一方の列に属する個別電極において接点部が引き出されている方向と他方の列に属する個別電極において接点部が引き出されている方向とは、それぞれ逆方向を向いている。そして、この接点部に電圧を付与することで、個別電極から引き出された引出電極を介して個別電極に電圧を付与している。
特開２００８−７４０９１号公報（図２）
個別電極に電圧が付与されると、圧電層の個別電極と対向する部分に電界が発生し圧電変形する。このとき、引出電極も個別電極と同材料で形成されれば、当然、圧電層の引出電極と対向している部分（以下、引出部と称す）についても、電界が発生し圧電変形することになる。
ところで、特許文献１に記載のインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータにおいて、例えば、複数の個別電極を一度に形成した場合や、複数の個別電極を形成した圧電層が流路ユニットに対して位置ずれして配置された場合などにおいて、複数の個別電極が流路ユニットに対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして形成されることがある。
このように、複数の個別電極が流路ユニットに対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして配置されたとしても、圧電層の個別電極と対向する部分（以下、活性部と称す）における、圧電層の圧力室と対向する領域（以下、駆動領域と称す）との対向面積は、複数の活性部のそれぞれで同じである。一方、複数の引出電極は、列毎に逆方向に引き出されており、複数の引出電極の引き出されている向きが異なっていると、圧電層の引出部における駆動領域との対向面積は、複数の引出部の列毎で異なることになる。
すると、圧電層の複数の活性部については駆動領域との対向面積にばらつきはないが、圧電層の複数の引出部については駆動領域との対向面積がばらついてしまう。そして、上述したように、活性部を駆動すると、この活性部に対応する引出部も駆動するため、圧電層の複数の引出部における駆動領域との対向面積がばらつくと、圧電層の活性部と引出部とを含めた駆動する全部分における駆動領域との対向面積がばらつくことになり、圧電層の駆動領域と対向する部分における圧電変形量がばらついてしまう。
そこで、本発明の目的は、複数の引出電極の引き出し方向によらず、圧電層の駆動領域と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減した圧電アクチュエータ、液体噴射装置、圧電アクチュエータの製造方法及び液体噴射装置の製造方法を提供することである。
本発明の第１観点に係る圧電アクチュエータは、基材の一表面に配置された圧電層と、前記圧電層の一方の面に配置された複数の駆動電極と、を備え、前記圧電層は、前記複数の駆動電極と対向する領域を含んだ駆動領域の周囲を前記基材に接合されており、前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記駆動領域の外側までそれぞれ延在し、前記複数の駆動電極に電圧を付与するための複数の引出電極を備え、前記複数の引出電極は、一部は所定の第１方向に引き出され、他の一部は前記第１方向と異なる第２方向に引き出されており、前記駆動電極と前記引出電極とは、絶縁材料に金属粒子を含有した導電性材料により形成されており、前記引出電極は、前記駆動電極よりも前記金属粒子の径が大きい導電性材料で形成されている。
１つの金属粒子が圧電層と接触する面積は径によらずほぼ同じである。したがって、圧電層と接触する金属粒子の数が多いほど、圧電層と接触する全面積における金属粒子が圧電層に接触した接触面積の比率は大きいことになる。本発明の第１観点によると、引出電極を駆動電極よりも金属粒子の径が大きい材料で形成することで、圧電層の一方の面と接触する金属粒子の数が少なく、絶縁材料や空気が圧電層の一方の面に多く接触することになり、引出電極と圧電層との間に低誘電層を形成することができる。これにより、駆動電極に電圧を付与するために引出電極に電圧を付与したときには、低誘電層に電圧が集中するため、圧電層の引出電極と対向した部分（以下、引出部と称す）には電圧がほとんどかからなくなる。その結果、圧電層の引出部の圧電変形が小さくなる。
したがって、複数の駆動電極が基材に対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして配置されて、圧電層の引出部における駆動領域との対向面積が、複数の引出部のそれぞれでばらついたとしても、そのばらつきが圧電層の駆動領域と対向する部分における圧電変形に対してさほど影響しない。また、圧電層の駆動電極と対向する部分（以下、駆動部と称す）における駆動領域との対向面積は、複数の駆動部のそれぞれで同じである。以上のことから、圧電層の振動領域と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができる。
本発明の第２観点に係る圧電アクチュエータは、基材の一表面に配置された圧電層と、前記圧電層の一方の面に配置された複数の駆動電極と、を備え、前記圧電層は、前記複数の駆動電極と対向する領域を含んだ駆動領域の周囲を前記基材に接合されており、前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記駆動領域の外側までそれぞれ延在し、前記複数の駆動電極に電圧を付与するための複数の引出電極を備え、前記複数の引出電極は、一部は所定の第１方向に引き出され、他の一部は前記第１方向と異なる第２方向に引き出されており、前記駆動電極と前記引出電極とは、絶縁材料に金属粒子を含有した導電性材料により形成されており、前記引出電極は、前記駆動電極よりも前記金属粒子の配合比率が小さい導電性材料で形成されている。
本発明の第２観点によると、引出電極を駆動電極よりも金属粒子の配合比率が小さい材料で形成することで、圧電層の一方の面と接触する金属粒子の数が少なく、絶縁材料や空気が圧電層の一方の面に多く接触することになり、引出電極と圧電層との間に低誘電層を形成することができる。これにより、駆動電極に電圧を付与するために引出電極に電圧を付与したときには、低誘電層に電圧が集中するため、圧電層の引出部には電圧がほとんどかからなくなる。その結果、圧電層の引出部の圧電変形が小さくなる。
本発明の第３観点に係る圧電アクチュエータは、基材の一表面に配置された圧電層と、前記圧電層の一方の面に配置された複数の駆動電極と、を備え、前記圧電層は、前記複数の駆動電極と対向する領域を含んだ駆動領域の周囲を前記基材に接合されており、前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記駆動領域の外側までそれぞれ延在し、前記複数の駆動電極に電圧を付与するための複数の引出電極を備え、前記複数の引出電極は、一部は所定の第１方向に引き出され、他の一部は前記第１方向と異なる第２方向に引き出されており、且つ、それぞれ導通する前記駆動電極を取り囲んで配置されており、前記圧電層と前記引出電極との間には、前記圧電層の比誘電率よりも比誘電率の低い低誘電層が形成されている。
本発明の第３観点よると、圧電層と引出電極との間に低誘電層が形成されている。これにより、駆動電極に電圧を付与するために引出電極に電圧を付与したときには、低誘電層に電圧が集中するため、圧電層の引出部には電圧がほとんどかからなくなる。その結果、圧電層の引出部の圧電変形が小さくなる。さらに第３観点によると、圧電層の面方向にクラックが生じたときに、このクラックが圧電層の駆動部に到達して、圧電層の駆動部の圧電特性が変動するのを抑制することができる。
さらに、前記引出電極は、前記圧電層の前記一方の面において、導通する駆動電極の表面に乗り上げて形成されていることが好ましい。
これによると、駆動電極と引出電極との接触面積が大きくなり、導通の信頼性を向上させることができる。
本発明の液体噴射装置は、複数のノズルと、前記複数のノズルと連通し、平面的に配置された複数の圧力室を含む液体流路が形成された流路ユニットと、前記流路ユニットに設けられて、前記複数の圧力室内の液体にそれぞれ圧力を付与する、上述した圧電アクチュエータと、を備え、前記圧電アクチュエータは、前記圧電層が、前記複数の圧力室と対向するように配置され、前記複数の駆動電極が、前記圧電層の一方の面において、前記複数の圧力室とそれぞれ対向して配置され、前記複数の引出電極が、前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記複数の圧力室と対向しない領域までそれぞれ延在している。
本発明における液体噴射装置によると、引出電極と圧電層との間に低誘電層が形成されており、駆動電極に電圧を付与するために引出電極に電圧を付与したときには、低誘電層に電圧が集中するため、圧電層の引出電極と対向した部分（以下、引出部と称す）には電圧がほとんどかからなくなる。その結果、圧電層の引出部の圧電変形が小さくなる。
したがって、複数の駆動電極が流路ユニットに対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして配置されて、圧電層の引出部における圧力室との対向面積が、複数の引出部のそれぞれでばらついたとしても、そのばらつきが圧電層の圧力室と対向する部分における圧電変形量に対してさほど影響しない。また、圧電層の駆動電極と対向する部分（以下、駆動部と称す）における、圧力室と対向する部分との対向面積は、複数の駆動部のそれぞれで同じである。以上のことから、圧電層の圧力室と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができ、液体の噴射量を均一にすることができる。
このとき、前記流路ユニットには、前記複数の圧力室に共通に連通し、所定の一方向に延在する共通液室が形成されており、前記複数のノズルは、前記一方向に沿ってノズル列を形成し、このノズル列が平行に複数列並んで配置されており、一部の同じノズル列に属する前記ノズルに対応する前記引出電極は、前記第１方向に引き出されており、他の一部の同じノズル列に属する前記ノズルに対応する前記引出電極は、前記第２方向に引き出されていることが好ましい。
これによると、列間における圧電層の圧力室と対向する部分の圧電変形量のばらつきを低減することができ、列間における被噴射媒体へのノズルからの液体の噴射ムラを低減することができる。
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、上述した圧電アクチュエータの製造方法であって、前記圧電層の前記一方の面における前記駆動電極を形成する部分にマスク材のマスク穴を重ねて、前記マスク穴に導電性材料を堆積させた後、前記マスク材を前記圧電層から取り除くことで、前記複数の駆動電極を一度に形成する駆動電極形成工程と、前記圧電層の前記一方の面における前記引出電極を形成する部分にマスク材のマスク穴を重ねて、前記マスク穴に導電性材料を堆積させた後、前記マスク材を前記圧電層から取り除くことで、前記複数の引出電極を一度に形成する引出電極形成工程と、を備えている。
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、駆動電極形成工程において、複数の駆動電極を一度に形成したときに位置ずれして形成されると、複数の駆動電極が基材に対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして形成される。このような場合において、上述したように、引出電極が、駆動電極に比べて、圧電層に接触する面の導電密度が小さいが小さいことで、圧電層の引出電極と対向した部分の圧電変形は小さい。したがって、振動板の振動領域と対向する圧電層部分における圧電変形量のばらつきを低減することができ、噴射ムラを抑制できるため、歩留まりを向上させることができる。
このとき、前記圧電アクチュエータは、前記圧電層の前記一方の面に配線基板が接続されるものであって、前記圧電層の前記一方の面と反対側の他方の面には、前記圧電層の前記複数の駆動電極と対向する部分にまたがって形成された共通電極と、前記圧電層の前記一方の面において、前記圧電層の前記厚み方向に貫通し、且つ、導電性材料が充填されたスルーホールを介して前記共通電極と導通し、前記配線基板と接続される表面電極と、をさらに備え、前記引出電極及び前記表面電極に前記配線基板と接続される接続端子が設けられており、前記引出電極形成工程と同じ工程において、前記圧電層の前記一方の面に前記表面電極を形成する表面電極形成工程と、を備えていることが好ましい。
これによると、配線基板と接続される接続端子が設けられる、引出電極と表面電極との高さを均一にすることができ、圧電アクチュエータに対する配線基板の接続不良を抑制することができる。
本発明の液体噴射装置の製造方法は、上述した液体噴射装置の製造方法であって、前記圧電アクチュエータを製造する工程として、前記圧電層の前記一方の面に前記複数の駆動電極を形成する駆動電極形成工程と、前記圧電層の前記一方の面に前記複数の引出電極を形成する引出電極形成工程と、を備え、前記流路ユニットと前記圧電アクチュエータとを接合する接合工程を備えている。
本発明の液体噴射装置の製造方法によると、接合工程において、複数の駆動電極を形成した圧電層が流路ユニットに対して位置ずれして接合されると、複数の駆動電極が流路ユニットに対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして配置される。このような場合において、上述したように、引出電極が、駆動電極に比べて、圧電層に接触する面の導電密度が小さいことで、圧電層の引出電極と対向した部分の圧電変形は小さい。したがって、圧電層の圧力室と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができ、液体の噴射量を均一にすることができ、歩留まりを向上させることができる。
複数の駆動電極が基材に対して圧電層の面方向の同じ向きに位置ずれして配置されて、圧電層の引出部における、振動板の駆動領域との対向面積が、複数の引出部のそれぞれでばらついたとしても、そのばらつきが圧電層の駆動領域と対向する部分における圧電変形に対してさほど影響しない。また、圧電層の駆動電極と対向する部分（以下、駆動部と称す）における駆動領域との対向面積は、複数の駆動部のそれぞれで同じである。以上のことから、圧電層の振動領域と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができる。
本実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。 インクジェットヘッドの平面図である。 図２の部分拡大図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 圧電層の引出電極と対向する部分の圧電変形について説明する図である。 個別電極がずれて配置された場合におけるインクジェットヘッドの平面図である。 圧電アクチュエータを製造しＦＰＣと接続するまでの工程図である。 変形例におけるインクジェットヘッドの部分拡大平面図である。 変形例におけるインクジェットヘッドの製造工程図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、記録用紙に対してインクを噴射するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタに本発明を適用した一例である。
まず、本実施形態のインクジェットプリンタの概略構成について説明する。図１は、本実施形態のインクジェットプリンタの概略構成図である。図１に示すように、インクジェットプリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３（液体噴射装置）、搬送ローラ４などを有している。
キャリッジ２は、走査方向（図１の左右方向）に往復移動する。インクジェットヘッド３は、キャリッジ２に搭載されており、その下面に形成されたノズル１５（図３、４参照）からインクを噴射する。搬送ローラ４は、記録用紙Ｐを紙送り方向（図１の手前方向）に搬送する。そして、インクジェットプリンタ１においては、搬送ローラ４により搬送される記録用紙Ｐに、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動するインクジェットヘッド３からインクが噴射されることにより、記録用紙Ｐに画像や文字などが記録される。
次に、インクジェットヘッド３について説明する。図２は、インクジェットヘッドの平面図である。図３は、図２の部分拡大図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。なお、図２、図３においては、図面をわかりやすくするために、インクジェットヘッド３の上面を覆うように配置されるフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）４８を仮想線で示している。図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズル１５や圧力室１０を含むインク流路が形成された流路ユニット６（基材）と、圧力室１０内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ７と、を有している。また、圧電アクチュエータ７の上面には、ＦＰＣ４８が接合される。
そして、図４に示すように、流路ユニット６は、複数枚（ここでは、４枚）のプレートが互いに積層されることによって形成されており、これらのプレートのうち、ノズル１５が形成された最下層のプレートを除くプレートは、ステンレス鋼などの金属材料により形成されている。また、ノズル１５が形成されたプレートはポリイミドなどの合成樹脂材料から形成されている。あるいは、ノズル１５が形成されたプレートも、他のプレートと同様の材料によって構成されていてもよい。
そして、流路ユニット６内において、インク供給口９に連なるマニホールド１１が圧力室１０に連通し、さらに、圧力室１０はノズル１５に連通している。つまり、流路ユニット６には、マニホールド１１から圧力室１０を経てノズル１５に至る個別インク流路１２が複数形成されている。
インク供給口９は、紙送り方向の下流側端部に配置されており、マニホールド１１がインク供給口９に連通し、二手に分岐して紙送り方向に沿って２列延在している。複数の圧力室１０は、２列のマニホールド１１に対応して、紙送り方向に千鳥状に２列に配列されている。そして、走査方向の一方（図２の左方）の列に属する圧力室１０は、その一方側半分がマニホールド１１と重なっており、走査方向の他方（図２の右方）の列に属する圧力室１０は、他方側半分がマニホールド１１と重なっている。また、複数のノズル１５は、複数の圧力室１０に対応して配置されており、紙送り方向に沿って２列に配列された圧力室１０のマニホールド１１と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置されている。
次に、圧電アクチュエータ７について説明する。圧電アクチュエータ７は、複数の圧力室１０を覆うように流路ユニット６の上面に積層された２枚の圧電層４１、４２と、上側の圧電層４１の上面に配置された複数の個別電極４４（駆動電極）及び複数の引出電極４５と、２枚の圧電層４１、４２の間に配置された共通電極４３とを有している。
２枚の圧電層４１、４２は、共に、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料からなり、矩形の同一平面形状をそれぞれ有する。積層された２枚の圧電層４１、４２は、複数の圧力室１０を覆った状態で流路ユニット６の上面に接合されている。なお、上側の圧電層４２は、個別電極４４と共通電極４３との間に所定の分極電圧が印加されることによって、２種類の電極４４、４３に挟まれた圧電層部分が厚み方向に分極されて活性部７０を形成している。なお、本実施形態における圧電層４２の圧力室１０と対向した領域が、本発明における駆動領域に相当する。
なお、圧電層４１は、後述するように圧電アクチュエータ７を駆動させたときに、圧電層４２をユニモルフ変形させるための振動板として動作する。
複数の個別電極４４は、ガラス材料に数１０〜数１００ｎｍのＡｇ−Ｐｄからなる金属粒子を含有した材料からなり、圧電層４２の上面に複数の圧力室１０に対応して配置されている。図２、図３に示すように、個別電極４４は、圧力室１０よりも一回り小さい略楕円の平面形状を有しており、圧力室１０の略中央部と対向している。
複数の引出電極４５は、個別電極４４を形成する材料と比較してガラス材料と金属粒子との配合比率は同じであり、ガラス材料に個別電極４４よりも大径の数ミクロンの金属粒子を含有した導電性材料からなり、圧電層４２の上面に、複数の個別電極４４に対応して２列に並び、圧力室１０と対向しない領域まで楕円状の個別電極４４の長手方向にそれぞれ引き出されている。そして、その引き出された先端部には、複数の接続端子４５ａが形成されている。複数の引出電極４５は、圧力室１０のノズル１５と反対側のマニホールド１１側に引き出されており、その引き出されている向きは列毎に異なっている。具体的には、走査方向の一方（図２の左方）の列に属する引出電極４５は一方側に引き出され、他方（図２の右方）の列に属する引出電極４５は他方側に引き出されている。
また、複数の引出電極４５は、複数の個別電極４４を取り囲んで配置されている。また、引出電極４５の厚みは、個別電極４４よりも厚く形成されている。そして、引出電極４５は、複数の個別電極４４の全周においてその表面に乗り上げて接触して導通している。これにより、個別電極４４と引出電極４５との接触面積が大きくなり、導通の信頼性を向上させることができる。
共通電極４３は、個別電極４４と同様の導電性材料からなり、圧電層４１と圧電層４２との間にそのほぼ全域にわたって形成されており、複数の個別電極４４及び複数の引出電極４５と圧電層４２を挟んで対向している。そして、圧電層４２の個別電極４４と共通電極４３とに挟まれた部分は、厚み方向に分極されて活性部７０を形成している。
図４に示すように、複数の接続端子４５ａには、導電性接着剤からなるバンプ５２がそれぞれ配置され、各接続端子４５ａは、バンプ５２を介して、圧電アクチュエータ７の上面を覆うように配置されるＦＰＣ４８の第１接続電極部５７と接続される。なお、導電性接着剤は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に多数の金属粒子（例えば、銀（Ａｇ）粒子）を含有したものであり、加圧加熱によって硬化しつつ導電性を発現し、２つの接続対象を機械的に接合するとともに、両者を電気的に導通させるものである。そして、複数の個別電極４４のそれぞれには、ＦＰＣ４８に実装されたドライバＩＣ５０（図２参照）から複数の引出電極４５のそれぞれを介して、駆動電位（例えば２０Ｖ程度）及びグランド電位が選択的に付与される。
図２に示すように、圧電層４２の上面（圧電アクチュエータ７の上面）の、走査方向における両端部（縁部）には、縁に沿って紙送り方向に延びる２つの表面電極４６がそれぞれ形成されている。図４に示すように、表面電極４６が形成された領域において、圧電層４２にはスルーホール４２ａが形成されており、このスルーホール４２ａ内に導電性材料が充填されて、表面電極４６と２枚の圧電層４１、４２の間に配置された共通電極４３とが導通している。さらに、各表面電極４６には、その長手方向に沿って適当に間隔を空けて、バンプ５２と同様の導電性接着剤からなる複数のバンプ５３が配置され、表面電極４６は、バンプ５３を介して、ＦＰＣ４８の第２接続電極部５９と接続される。また、共通電極４３は、ＦＰＣ４８に実装されたドライバＩＣ５０に接続され、常にグランド電位に保持されている。
ＦＰＣ４８は、一部が圧電アクチュエータ７の上面と対向するように配置された状態で圧電アクチュエータ７に接合されるとともに、この圧電アクチュエータ７からノズル１５の配列方向の一方（図２の上方）から水平に引き出され、さらに、曲げられて上方へ引き出されている。
次に、圧電アクチュエータ７の駆動方法について説明する。圧電アクチュエータ７は、駆動前には、共通電極４３がドライバＩＣ５０と接続されてグランド電位に保持され、個別電極４４がドライバＩＣ５０と接続された引出電極４５を介して予めグランド電位に保持されている。
そして、圧電アクチュエータ７を駆動させる際には、個別電極４４の電位を所定の駆動電位（例えば、２０Ｖ程度）に切り替える。すると、個別電極４４と共通電極４３との間に電位差が生じ、この電位差によって活性部７０にはその厚み方向の電界が発生する。この電界の方向は活性部７０の分極方向と一致するため、活性部７０は分極方向と直交するその面方向に収縮し、圧電層４１、圧電層４２の圧力室１０と対向する部分が全体として圧力室１０に向かって凸となるように圧電変形（いわゆるユニモルフ変形）する。これにより、圧力室１０の容積が低下して圧力室１０内のインクの圧力が上昇し（圧力室１０内のインクに圧力が付与され）、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが噴射される。
ここで、個別電極４４には、ドライバＩＣ５０から接続端子４５ａ、引出電極４５を介してグランド電位や駆動電位を付与している。そのため、圧電層４２の個別電極４４と対向する部分（活性部７０）に電界が発生し圧電変形するのに加えて、圧電層４２の引出電極４５と対向する部分（以下、引出部７１と称す）についても電界が発生することになる。
そこで、上述したように、引出電極４５は、個別電極４４（共通電極４３）よりも金属粒子の径が大きい材料からなる。図５は、圧電層の引出電極と対向する部分の圧電変形について説明する図であり、（ａ）は圧電層の個別電極と共通電極とに挟まれた部分及び引出電極と共通電極とに挟まれた部分の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の等価回路図である。すると、図５（ａ）に示すように、１つの金属粒子６２が圧電層４２と接触する面積は径によらずほぼ同じである。したがって、圧電層４２と接触する金属粒子６２の数が多いほど、圧電層４２と接触する面において金属粒子６２が圧電層４２と接触している接触面積は大きいことになる。すなわち、引出電極４５を個別電極４４（共通電極４３）よりも金属粒子６２の径が大きい材料で形成することで、圧電層４２と接触する金属粒子６２の数が少なく、絶縁材料や空気が圧電層４２の一方の面に多く接触することになり、金属粒子６２の接触面積が小さくなる。そして、引出電極４５の圧電層４２と接触する部分には、絶縁材料や空気からなる低誘電層４７（図５参照）が存在することになる。なお、本発明における低誘電層４７の比誘電率は、圧電層４２の比誘電率よりも低ければよい。
そして、図５（ｂ）に示すように、圧電層４２の個別電極４４と共通電極４３とに挟まれた部分、及び、圧電層４２の引出電極４５と共通電極４３とに挟まれた部分を等価回路図として記載すると、引出電極４５と共通電極４３とに挟まれた部分については、圧電層４２の引出部７１からなるコンデンサＣ１と上述した低誘電層４７からなるコンデンサＣ２とが直列に接続された回路図となる。また、個別電極４４と共通電極４３とに挟まれた部分については、圧電層４２の活性部７０からなるコンデンサＣ３のみの回路図となる。
そして、本実施形態においては、圧電層４２の厚みが約２０μｍであり、低誘電層４７の厚みが約１μｍとなっている。また、圧電層４２の誘電率は約２０００であり、低誘電層４７の誘電率は約１〜１０となっている。したがって、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２との合成容量は、コンデンサＣ３と比較して非常に小さくなる。したがって、数ｋＨｚの駆動周波数の駆動信号では、コンデンサＣ２に電圧が集中するため、コンデンサＣ１には電圧がほとんど印加されず、圧電層４２の引出部７１には微小な電界が短時間しかかからない。以上のことから、圧電アクチュエータ７を駆動させるために駆動信号を入力したときに、圧電層４２の活性部７０は圧電変形するが、引出部７１は圧電変形しない。なお、個別電極４４の圧電層４２と接触する部分についても、絶縁材料や空気からなり、圧電層４２よりも誘電率の低い層（以下、この層を第２低誘電層と称す。）が存在する場合も考えられる。しかしながら、上述した第２低誘電層は、低誘電層４７にくらべて厚みが薄い。そのため、第２低誘電層は、低誘電層４７に比べて静電容量が大きい。したがって、周波数の高い駆動信号を流した場合、第２低誘電層に加わる電圧は、低誘電層４７に加わる電圧に比べて低くなる。このため、圧電層４２の個別電極４４の下に位置する部分（以下、第１圧電部と称す）に加わる電圧は、圧電層４２の引出電極４５の下に位置する部分に加わる電圧よりも十分大きくなる。よって、駆動信号を流した場合に、所望量のインクを噴射させる十分な圧電変形を起こすための電界が、第１圧電部には印加される。このように、個別電極４４と圧電層４２との間に第２低誘電層が存在したとしても、第１圧電部には十分な電界が印加される。
本実施形態によると、引出電極４５と圧電層４２との間に低誘電層４７が形成されており、個別電極４４に電圧を付与するために引出電極４５に電圧を付与したときには、低誘電層４７に電圧が集中するため、圧電層４２の引出部７１には電圧がほとんどかからなくなる。その結果、圧電層４２の引出部７１の圧電変形が小さくなる。したがって、図６に示すように、複数の個別電極４４が流路ユニット６（圧力室１０）に対して圧電層４２の面方向の同じ向きに位置ずれして配置されて、圧電層４２の引出部７１における圧力室１０との対向面積が、複数の引出部７１のそれぞれでばらついたとしても、そのばらつきが圧電層４２の圧力室１０と対向する部分における圧電変形に対してさほど影響しない。また、圧電層４２の活性部７０における圧力室１０との対向面積は、複数の活性部７０のそれぞれで同じである。以上のことから、圧電層の圧力室１０と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができ、インクの噴射量を均一にすることができる。そして、列間における記録用紙Ｐへのノズル１５からのインクの噴射ムラを低減することができる。
また、圧電層４２の引出電極４５は、個別電極４４を取り囲むように配置されているため、圧電層４２の面方向にクラックが生じたときに、このクラックが圧電層４２の活性部７０に到達して、圧電特性が変動するのを抑制することができる。さらに、接続端子４５ａの配置自由度が上がる。
また、個別電極４４に電圧を印加するためのバンプ５２と、共通電極４３に電圧を印加するためのバンプ５３とは、同じ材料により形成された引出電極４５と表面電極４６とに形成されているため、同一工程で形成すれば、引出電極４５の高さと表面電極４６の高さを均一にすることができ、ＦＰＣ４８の接続不良を抑制することができる。
また、引出電極４５は、個別電極４４と金属粒子の径は異なるが、樹脂との配合比率は同じであるため、低誘電層４７を形成しつつ、抵抗値を小さく維持することができる。
次に、圧電アクチュエータ７を製造し、ＦＰＣ４８と接続するまでの工程について説明する。図７は、圧電アクチュエータを製造しＦＰＣと接続するまでの工程図である。なお、図７（ｂ）、（ｃ）においては、図面のわかりやすさのため、マスク材６５、６６を厚み方向に拡大して図示している。実際には、マスク材６５、６６は、形成したい電極の厚みとほぼ同等である。
まず、図７（ａ）に示すように、圧電層４１の一方の面にスクリーン印刷や蒸着などの方法で共通電極４３を形成し、共通電極４３を挟んで圧電層４１とスルーホール４２ａを形成した圧電層４２とを積層する。そして、スルーホール４２ａに導電材料を充填する。その後、図７（ｂ）に示すように、圧電層４２の表面に、個別電極４４に対応したマスク穴６５ａが形成されたマスク材６５を重ねて、マスク穴６５ａに導電性材料を堆積させた後、マスク材６５を圧電層４２から取り除くことで、個別電極４４を形成する（個別（駆動）電極形成工程）。
続いて、図７（ｃ）に示すように、圧電層４２の表面に、引出電極４５及び表面電極４６に対応したマスク穴６６ａが形成されたマスク材６６を重ねて、マスク穴６６ａに導電性材料を堆積させた後、マスク材６６を圧電層４２から取り除くことで、引出電極４５及び表面電極４６を形成する（引出電極形成工程）。なお、引出電極４５に対応したマスク穴６６ａは、隣接する個別電極４４と対向する領域まで開口しており、引出電極形成工程において形成された引出電極４５は、個別電極４４の表面に乗り上げるように形成される。
その後、図７（ｄ）に示すように、引出電極４５の接続端子４５ａ上にバンプ５２を形成するとともに、表面電極４６上にバンプ５３を形成する（バンプ形成工程）。そして、図７（ｅ）に示すように、圧電層４２の表面を覆うようにＦＰＣ４８を配置して、第１接続電極部５７とバンプ５２とを接合するとともに、第２接続電極部５９とバンプ５３とを接合する。そして、上述したように完成した圧電アクチュエータ７と流路ユニット６とを接合してインクジェットヘッド３が完成する。
この圧電アクチュエータ７の製造方法によると、個別電極形成工程において、複数の個別電極４４を一度に形成したときに位置ずれして形成されると、複数の個別電極４４が流路ユニット６（圧力室１０）に対して圧電層４２の面方向の同じ向きに位置ずれして形成される。このような場合において、上述したように、引出電極４５は、圧電層４２と接触した低誘電層４７を含んでいるため、圧電層４２の引出電極４５と対向した部分の圧電変形は小さい。したがって、圧電層４２の流路ユニット６の圧力室１０と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができ、噴射ムラを抑制できるため、歩留まりを向上させることができる。
また、同一工程で、引出電極４５と表面電極４６を形成しているため、引出電極４５の高さと表面電極４６の高さを均一にすることができ、圧電アクチュエータ７に対するＦＰＣ４８の接続不良を抑制することができる。
次に、本実施形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、本実施形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
本実施形態においては、引出電極４５は個別電極４４を取り囲んで配置され、且つ、所定の方向に引き出されていたが、図８に示すように、引出電極１４５は個別電極４４を取り囲まずに、所定の方向に引き出されているだけでもよい。そして、引出電極１４５の引き出された先端部に接続端子１４５ａが形成されて、接続端子１４５ａ上にバンプ５２が配置される。
また、本実施形態においては、複数の個別電極４４が流路ユニット６（圧力室１０）に対して圧電層４２の面方向の同じ向きに位置ずれして形成される要因として、個別電極形成工程において、複数の個別電極４４を一度に形成したときに位置ずれが生じた場合を例に挙げて説明したが、複数の個別電極４４が圧電層４２の面方向の同じ向きに位置ずれする要因はこれに限らない。以下、例を挙げて説明する。図９は、変形例におけるインクジェットヘッドの製造工程図である。なお、ここでは、流路ユニット６の製造方法については説明を省略し、圧電アクチュエータ７の製造方法及び圧電アクチュエータ７と流路ユニット６の接合方法について説明する。
まず、圧電アクチュエータ７を製造する工程として、図９（ａ）に示すように、圧電層４１の一方の面にスクリーン印刷や蒸着などの方法で共通電極４３を形成し、共通電極４３を挟んで圧電層４１とスルーホール４２ａが形成された圧電層４２とを積層する。そして、スルーホール４２ａに導電材料を充填する。そして、図９（ｂ）に示すように、圧電層４２の表面に共通電極４３と同様の方法で個別電極４４を形成する（個別（駆動）電極形成工程）。その後、図９（ｃ）に示すように、圧電層４２の表面に共通電極４３と同様の方法で引出電極４５及び表面電極４６を形成して（引出電極形成工程）、圧電アクチュエータ７を完成する。
そして、図９（ｄ）に示すように、流路ユニット６の圧力室１０が形成されたプレートと圧電アクチュエータ７の圧電層４１とを熱硬化性の接着剤により加熱接合して（接合工程）、インクジェットヘッド３を完成する。
このインクジェットヘッド３の製造方法によると、接合工程において、複数の個別電極４４を形成した圧電層４２が流路ユニット６に対して位置ずれして接合されると、複数の個別電極４４が流路ユニット６に対して圧電層４２の面方向の同じ向きに位置ずれして形成される。このような場合において、上述したように、引出電極４５は、圧電層４２と接触した低誘電層４７を含んでいるため、圧電層４２の引出電極４５と対向した部分の圧電変形は小さい。したがって、圧電層４２の流路ユニット６の圧力室１０と対向する部分における圧電変形量のばらつきを低減することができ、噴射ムラを抑制できるため、歩留まりを向上させることができる。
また、本実施形態においては、引出電極４５は、個別電極４４を形成する材料と比較してガラス材料と金属粒子との配合比率は同じであり、ガラス材料に個別電極４４よりも大径の数ミクロンの金属粒子を含有した材料からなり、圧電層４２と接触する低誘電層４７を有していたが、引出電極４５は、個別電極４４よりも金属粒子の配合比率が小さい材料で形成されてもよい。この場合においても、引出電極４５は、材料内における金属粒子の配合比率が小さいため、圧電層４２と接触する金属粒子の数が少なく、圧電層４２の引出電極４５との接触界面には、ガラス材料や空気が多く接触することになり、金属粒子の接触面積が小さくなり、圧電層４２に接触した低誘電層４７を形成することができる。
また、引出電極４５の圧電層４２との接触面の表面粗さを粗くすることでも、金属粒子と圧電層４２との接触面積が小さくなり、圧電層４２に接触した低誘電層４７を形成することができる。
さらに、上述した実施形態では、マスク材を用いたスクリーン印刷で複数の個別電極４４を一度に形成していたが、複数の個別電極４４を一度に形成する方法としては、スクリーン印刷に限らず、蒸着などあらゆる方法であってもよい。
また、アクチュエータの変形形式は、ユニモルフ型に限定されず、モノモルフ型、バイモルフ型、マルチモルフ型などの変形形式であってよい。
また、以上では、ノズルからインクを噴射するインクジェットヘッドの圧電アクチュエータに本発明を適用した例について説明したが、これには限られず、インクジェットヘッド以外の種々の装置に用いられる、駆動するための電極を有する圧電アクチュエータ、及び、このような圧電アクチュエータを有する液体噴射装置に本発明を適用することも可能である。
１ インクジェットプリンタ
３ インクジェットヘッド
６ 流路ユニット
７ 圧電アクチュエータ
４１、４２ 圧電層
４４ 個別電極
４５ 引出電極
４７ 低誘電層

Claims (9)

  1. 基材の一表面に配置された圧電層と、
    前記圧電層の一方の面に配置された複数の駆動電極と、を備え、
    前記圧電層は、前記複数の駆動電極と対向する領域を含んだ駆動領域の周囲を前記基材に接合されており、
    前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記駆動領域の外側までそれぞれ延在し、前記複数の駆動電極に電圧を付与するための複数の引出電極を備え、
    前記複数の引出電極は、一部は所定の第１方向に引き出され、他の一部は前記第１方向と異なる第２方向に引き出されており、
    前記駆動電極と前記引出電極とは、絶縁材料に金属粒子を含有した導電性材料により形成されており、
    前記引出電極は、前記駆動電極よりも前記金属粒子の径が大きい導電性材料で形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 基材の一表面に配置された圧電層と、
    前記圧電層の一方の面に配置された複数の駆動電極と、を備え、
    前記圧電層は、前記複数の駆動電極と対向する領域を含んだ駆動領域の周囲を前記基材に接合されており、
    前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記駆動領域の外側までそれぞれ延在し、前記複数の駆動電極に電圧を付与するための複数の引出電極を備え、
    前記複数の引出電極は、一部は所定の第１方向に引き出され、他の一部は前記第１方向と異なる第２方向に引き出されており、
    前記駆動電極と前記引出電極とは、絶縁材料に金属粒子を含有した導電性材料により形成されており、
    前記引出電極は、前記駆動電極よりも前記金属粒子の配合比率が小さい導電性材料で形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  3. 基材の一表面に配置された圧電層と、
    前記圧電層の一方の面に配置された複数の駆動電極と、を備え、
    前記圧電層は、前記複数の駆動電極と対向する領域を含んだ駆動領域の周囲を前記基材に接合されており、
    前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記駆動領域の外側までそれぞれ延在し、前記複数の駆動電極に電圧を付与するための複数の引出電極を備え、
    前記複数の引出電極は、一部は所定の第１方向に引き出され、他の一部は前記第１方向と異なる第２方向に引き出されており、且つ、それぞれ導通する前記駆動電極を取り囲んで配置されており、
    前記圧電層と前記引出電極との間には、前記圧電層の比誘電率よりも比誘電率の低い低誘電層が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  4. 前記引出電極は、前記圧電層の前記一方の面において、導通する駆動電極の表面に乗り上げて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 複数のノズルと、前記複数のノズルと連通し、平面的に配置された複数の圧力室を含む液体流路が形成された流路ユニットと、
    前記流路ユニットに設けられて、前記複数の圧力室内の液体にそれぞれ圧力を付与する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータと、を備え、
    前記圧電アクチュエータは、
    前記圧電層が、前記複数の圧力室と対向するように配置され、
    前記複数の駆動電極が、前記圧電層の一方の面において、前記複数の圧力室とそれぞれ対向して配置され、
    前記複数の引出電極が、前記圧電層の前記一方の面において、前記複数の駆動電極から引き出され、前記複数の圧力室と対向しない領域までそれぞれ延在していることを特徴とする液体噴射装置。
  6. 前記流路ユニットには、前記複数の圧力室に共通に連通し、所定の一方向に延在する共通液室が形成されており、
    前記複数のノズルは、前記一方向に沿ってノズル列を形成し、このノズル列が平行に複数列並んで配置されており、
    一部の同じノズル列に属する前記ノズルに対応する前記引出電極は、前記第１方向に引き出されており、
    他の一部の同じノズル列に属する前記ノズルに対応する前記引出電極は、前記第２方向に引き出されていることを特徴とする請求項５に記載の液体噴射装置。
  7. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
    前記圧電層の前記一方の面における前記駆動電極を形成する部分にマスク材のマスク穴を重ねて、前記マスク穴に導電性材料を堆積させた後、前記マスク材を前記圧電層から取り除くことで、前記複数の駆動電極を一度に形成する駆動電極形成工程と、
    前記圧電層の前記一方の面における前記引出電極を形成する部分にマスク材のマスク穴を重ねて、前記マスク穴に導電性材料を堆積させた後、前記マスク材を前記圧電層から取り除くことで、前記複数の引出電極を一度に形成する引出電極形成工程と、を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
  8. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電層の前記一方の面に配線基板が接続されるものであって、前記圧電層の前記一方の面と反対側の他方の面には、前記圧電層の前記複数の駆動電極と対向する部分にまたがって形成された共通電極と、前記圧電層の前記一方の面において、前記圧電層の前記厚み方向に貫通し、且つ、導電性材料が充填されたスルーホールを介して前記共通電極と導通し、前記配線基板と接続される表面電極と、をさらに備え、前記引出電極及び前記表面電極に前記配線基板と接続される接続端子が設けられており、
    前記引出電極形成工程と同じ工程において、前記圧電層の前記一方の面に前記表面電極を形成する表面電極形成工程と、を備えていることを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
  9. 請求項５に記載の液体噴射装置の製造方法であって、
    前記圧電アクチュエータを製造する工程として、
    前記圧電層の前記一方の面に前記複数の駆動電極を形成する駆動電極形成工程と、
    前記圧電層の前記一方の面に前記複数の引出電極を形成する引出電極形成工程と、を備え、
    前記流路ユニットと前記圧電アクチュエータとを接合する接合工程を備えていることを特徴とする液体噴射装置の製造方法。
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