JP6166118B2 - 圧電アクチュエータ基板、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータ基板、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置に関するものである。

近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ＥＬディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。

このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

また、このような液体吐出ヘッドには、記録媒体の搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および記録媒体より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる記録媒体に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。

シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する吐出孔の密度を高くする必要がある。

そこで液体吐出ヘッドを、マニホールドおよびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した流路部材と、加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有する圧電アクチュエータ基板とを積層して構成したものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この圧電アクチュエータ基板は、圧電セラミック層とセラミック振動板とを積層したものであり、変位素子は、圧電アクチュエータ基板の内部にある共通電極と、圧電アクチュエータ基板の表面にある複数の個別電極とその間の圧電セラミック層とで構成されている。そして、圧電アクチュエータ基板の中央部に複数の変位素子が配置されている。

特開２００３−３０５８５２号公報

特許文献１に記載されているような圧電アクチュエータ基板の圧電セラミック層における結晶粒径は、変位素子の特性、例えば、変位量や耐久性などを高くすることを主眼として設計していると考えられる。また、特許文献１には、圧電セラミック層の中で結晶粒子の大きさを変えることについて記載はなく、特許文献１の圧電アクチュエータ基板では、
結晶粒径は、圧電セラミック層の中の位置に依らずほぼ一定であると考えられる。

さらに、圧電アクチュエータ基板が外力により破壊される場合には、圧電アクチュエータ基板の周縁部が起点になることが多いが、周縁部の結晶粒径が、変位素子部の結晶粒径と同程度であると、周縁部の機械的強度が低く、圧電アクチュエータ基板が壊れやすいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、破壊され難い圧電アクチュエータ基板、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置を提供することにある。

本発明の圧電アクチュエータ基板は、圧電セラミック層と、該圧電セラミック層を挟むように配置されている一対の電極を複数含む圧電アクチュエータ基板であって、平面視したときに、前記圧電アクチュエータ基板には、前記圧電セラミック層と該圧電セラミック層を挟むように配置されている前記一対の電極とを含む変位素子が複数配置されている中央領域と、前記変位素子が配置されていない周縁領域とが存在し、前記周縁領域における前記圧電セラミック層の平均結晶粒径が、前記中央領域における前記圧電セラミック層の平均結晶粒径より小さいことを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、前記圧電アクチュエータ基板と、該圧電アクチュエータ基板に接着されており、液体を吐出する吐出孔を有する流路部材とを含むことを特徴とする。

本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記圧電アクチュエータ基板を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。

本発明の圧電アクチュエータ基板によれば、周縁領域では、結晶粒径が、中央領域における結晶粒径より小さいことにより機械的強度を高くできる。

本発明の一実施形態に係る記録装置であるプリンタの概略構成図である。 図１の液体吐出ヘッドを構成する流路部材および圧電アクチュエータ基板の平面図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 図２の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。 本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータ基板の部分平面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。

図１は、本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドを含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ１（以下、プリンタ１とする）は、４つの液体吐出ヘッド２を有している。これらの液体吐出ヘッド２は、印刷用紙Ｐの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ１に固定されている。液体吐出ヘッド２は、図１の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。

プリンタ１には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、給紙ユニット１１４、搬送ユニット１２０および紙受け部１１６が順に設けられている。また、プリンタ１には、液体吐出ヘッド２や給紙ユニット１１４などのプリンタ１の各部における動作を制御するための制御部１００が設けられている。

給紙ユニット１１４は、複数枚の印刷用紙Ｐを収容することができる用紙収容ケース１１５と、給紙ローラ１４５とを有している。給紙ローラ１４５は、用紙収容ケース１１５に積層して収容された印刷用紙Ｐのうち、最も上にある印刷用紙Ｐを１枚ずつ送り出すことができる。

給紙ユニット１１４と搬送ユニット１２０との間には、印刷用紙Ｐの搬送経路に沿って、二対の送りローラ１１８ａおよび１１８ｂ、ならびに、１１９ａおよび１１９ｂが配置されている。給紙ユニット１１４から送り出された印刷用紙Ｐは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット１２０へと送り出される。

搬送ユニット１２０は、エンドレスの搬送ベルト１１１と２つのベルトローラ１０６および１０７を有している。搬送ベルト１１１は、ベルトローラ１０６および１０７に巻き掛けられている。搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト１１１は、２つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な２つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら２つの平面のうち、液体吐出ヘッド２に近い方の平面が、印刷用紙Ｐを搬送する搬送面１２７である。

ベルトローラ１０６には、図１に示されるように、搬送モータ１７４が接続されている。搬送モータ１７４は、ベルトローラ１０６を矢印Ａの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ１０７は、搬送ベルト１１１に連動して回転することができる。したがって、搬送モータ１７４を駆動してベルトローラ１０６を回転させることにより、搬送ベルト１１１は、矢印Ａの方向に沿って移動する。

ベルトローラ１０７の近傍には、ニップローラ１３８とニップ受けローラ１３９とが、搬送ベルト１１１を挟むように配置されている。ニップローラ１３８は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ１３８の下方のニップ受けローラ１３９は、下方に付勢されたニップローラ１３８を、搬送ベルト１１１を介して受け止めている。２つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト１１１に連動して回転する。

給紙ユニット１１４から搬送ユニット１２０へと送り出された印刷用紙Ｐは、ニップローラ１３８と搬送ベルト１１１との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の搬送面１２７に押し付けられ、搬送面１２７上に固着する。そして、印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１の回転に従って、液体吐出ヘッド２が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト１１１の外周面１１３に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Ｐを搬送面１２７に確実に固着させることができる。

４つの液体吐出ヘッド２は、搬送ベルト１１１による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各液体吐出ヘッド２は、下端にヘッド本体１３を有している。ヘッド本体１３の下面には、液体を吐出する多数の吐出孔８が設けられている。

１つの液体吐出ヘッド２に設けられた吐出孔８からは、同じ色の液滴（インク）が吐出されるようになっている。各液体吐出ヘッド２には図示しない外部液体タンクから液体が
供給される。各液体吐出ヘッド２の吐出孔８は、一方方向（印刷用紙Ｐと平行で印刷用紙Ｐ搬送方向に直交する方向であり、液体吐出ヘッド２の長手方向）に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。各液体吐出ヘッド２から吐出される液体の色は、それぞれ、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）である。各液体吐出ヘッド２は、ヘッド本体１３の下面と搬送ベルト１１１の搬送面１２７との間にわずかな隙間をおいて配置されている。

搬送ベルト１１１によって搬送された印刷用紙Ｐは、液体吐出ヘッド２と搬送ベルト１１１との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド２を構成するヘッド本体１３から印刷用紙Ｐの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙Ｐの上面には、制御部１００によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。

搬送ユニット１２０と紙受け部１１６との間には、剥離プレート１４０と二対の送りローラ１２１ａおよび１２１ｂならびに１２２ａおよび１２２ｂとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Ｐは、搬送ベルト１１１によって剥離プレート１４０へと搬送される。このとき、印刷用紙Ｐは、剥離プレート１４０の右端によって、搬送面１２７から剥離される。そして、印刷用紙Ｐは、送りローラ１２１ａ〜１２２ｂによって、紙受け部１１６に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Ｐが順次紙受け部１１６に送られ、紙受け部１１６に重ねられる。

なお、印刷用紙Ｐの搬送方向について最も上流側にある液体吐出ヘッド２とニップローラ１３８との間には、紙面センサ１３３が設置されている。紙面センサ１３３は、発光素子および受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Ｐの先端位置を検出することができる。紙面センサ１３３による検出結果は制御部１００に送られる。制御部１００は、紙面センサ１３３から送られた検出結果により、印刷用紙Ｐの搬送と画像の印刷とが同期するように、液体吐出ヘッド２や搬送モータ１７４等を制御することができる。

次に本発明の液体吐出ヘッドを構成するヘッド本体１３について説明する。図２は、図１に示されたヘッド本体１３を示す上面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、ヘッド本体１３の一部である。図３では、説明のため、一部の流路を省略して描いている。図４は、図３と同じ位置の拡大平面図であり、図３とは別の一部の流路を省略して描いている。なお、図３および図４において、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ基板２１の下方にあって破線で描くべき加圧室１０（加圧室群９）、しぼり１２および吐出孔８などを実線で描いている。図５は、圧電アクチュエータ基板２１の部分平面図であり、圧電アクチュエータ基板２１の約半分が示されている。他の半分は、図５で示した構造と略対称な構造をしている。図５でも同様に、共通電極用表面電極３７や貫通孔３８を実線で描いている。図６は、図３のＶ−Ｖ線に沿った縦断面図である。

ヘッド本体１３は、平板状の流路部材４と、流路部材４上に、接着して積層された圧電アクチュエータ基板２１とを有している。圧電アクチュエータ基板２１は台形形状を有しており、その台形の１対の平行対向辺が流路部材４の長手方向に平行になるように流路部材４の上面に配置されている。また、流路部材４の長手方向に平行な２本の仮想直線のそれぞれに沿って２つずつ、つまり合計４つの圧電アクチュエータ基板２１が、全体として千鳥状に流路部材４上に配列されている。流路部材４上で隣接し合う圧電アクチュエータ基板２１の斜辺同士は、流路部材４の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータユニット２１を駆動することにより印刷される領域では、２つの圧電アクチュエータ基板２１により吐出された液滴が混在して着弾することになる。

流路部材４の内部には液体流路の一部であるマニホールド５が形成されている。マニホールド５は流路部材４の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材４の上面にはマニホールド５の開口５ｂが形成されている。開口５ｂは、流路部材４の長手方向に平行な２本の直線（仮想線）のそれぞれに沿って５個ずつ、合計１０個形成されている。開口５ｂは、４つの圧電アクチュエータ基板２１が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド５には開口５ｂを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。

流路部材４内に形成されたマニホールド５は、複数本に分岐している（分岐した部分のマニホールド５を副マニホールド５ａということがある）。開口５ｂに繋がるマニホールド５は、圧電アクチュエータ基板２１の斜辺に沿うように延在しており、流路部材４の長手方向と交差して配置されている。２つの圧電アクチュエータ基板２１に挟まれた領域では、１つのマニホールド５が、隣接する圧電アクチュエータ基板２１に共有されており、副マニホールド５ａがマニホールド５の両側から分岐している。これらの副マニホールド５ａは、流路部材４の内部の各圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域に互いに隣接してヘッド本体１３の長手方向に延在している。

流路部材４は、複数の加圧室１０がマトリクス状（すなわち、２次元的かつ規則的）に形成されている４つの加圧室群９を有している。加圧室１０は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。加圧室１０は流路部材４の上面に開口するように形成されている。これらの加圧室１０は、流路部材４の上面における圧電アクチュエータ基板２１に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの加圧室１０によって形成された各加圧室群９は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室１０の開口は、流路部材４の上面に圧電アクチュエータ基板２１が接着されることで閉塞されている。

本実施形態では、図３に示されているように、マニホールド５は、流路部材４の短手方向に互いに平行に並んだ４列のＥ１〜Ｅ４の副マニホールド５ａに分岐し、各副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に４列配列されている。副マニホールド５ａに繋がった加圧室１０の並ぶ列は副マニホールド５ａの両側に２列ずつ配列されている。

全体では、マニホールド５から繋がる加圧室１０は、等間隔に流路部材４の長手方向に並ぶ加圧室１０の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に１６列配列されている。各加圧室列に含まれる加圧室１０の数は、アクチュエータである変位素子５０の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。吐出孔８もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に６００ｄｐｉの解像度で画像形成が可能となっている。

つまり、流路部材４の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔８を投影すると、図３に示した仮想直線のＲの範囲に、各副マニホールド５ａが繋がっている４つの吐出孔８、つまり全部で１６個の吐出孔８が６００ｄｐｉの等間隔になっている。また、各副マニホールド５ａには平均すれば１５０ｄｐｉに相当する間隔で個別流路３２が接続されている。これは、６００ｄｐｉ分の吐出孔８を４つ列の副マニホールド５ａに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド５ａに繋がる個別流路３２が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド５ａの延在方向、すなわち主走査方向に平均１７０μｍ（１５０ｄｐｉならば２５．４ｍｍ／１５０＝１６９μｍ間隔である）以下の間隔で個別流路３２が形成されているということである。

圧電アクチュエータ基板２１の上面における各加圧室１０および後述のダミー加圧室に
対向する位置には後述する個別電極３５あるいはダミー個別電極４５がそれぞれ形成されている。すなわち、個別電極３５およびは、圧電アクチュエータ基板２１の上面に、第１の方向および第１の方向とは異なる方向に渡って形成されている。個別電極３５およびダミー個別電極４５は加圧室１０より一回り小さく、加圧室１０とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０と対向する領域内に収まるように配置されている。

流路部材４の下面の液体吐出面には多数の吐出孔８が形成されている。これらの吐出孔８は、流路部材４の下面側に配置された副マニホールド５ａと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの吐出孔８は、流路部材４の下面側における圧電アクチュエータ基板２１と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔群７は圧電アクチュエータ基板２１とほぼ同一の形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータ基板２１の変位素子５０を変位させることにより吐出孔８から液滴が吐出できる。吐出孔８の配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の吐出孔８は、流路部材４の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。

以上の流路は、液滴の吐出に直接関係する流路であるが、流路部材４には、図では省略してあるダミー加圧室が設けられている。ダミー加圧室は、加圧室１０が設けられている台形状の領域の周囲に一列形成されている。ダミー加圧室により、加圧室１０のうちの最も外側にある加圧室１０の周囲の流路部材４の剛性などが、他の加圧室１０の状態と近くなるので、液体吐出特性のばらつきを少なくできる。ダミー加圧室の形状は加圧室と同じであるが、他の流路に繋がってはいない。ダミー加圧室の配置は、加圧室１０のマトリクス状の配置を延長するように配置される。

ヘッド本体１３に含まれる流路部材４は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材４の上面から順に、キャビティプレート２２、ベースプレート２３、アパーチャ（しぼり）プレート２４、サプライプレート２５、２６、マニホールドプレート２７、２８、２９、カバープレート３０およびノズルプレート３１である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路３２および副マニホールド５ａを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体１３は、図６に示されているように、加圧室１０は流路部材４の上面に、副マニホールド５ａは内部の下面側に、吐出孔８は下面にと、個別流路３２を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、加圧室１０を介して副マニホールド５ａと吐出孔８とが繋がる構成を有している。

各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第１に、キャビティプレート２２に形成された加圧室１０である。第２に、加圧室１０の一端から副マニホールド５ａへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の入り口）からサプライプレート２５（詳細には副マニホールド５ａの出口）までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート２４に形成されたしぼり１２と、サプライプレート２５、２６に形成された個別供給流路６とが含まれている。

第３に、加圧室１０の他端から吐出孔８へと連通する流路を構成する連通孔である。この連通孔は、以下の記載においてディセンダ（部分流路）と呼称される。ディセンダは、ベースプレート２３（詳細には加圧室１０の出口）からノズルプレート３１（詳細には吐出孔８）までの各プレートに形成されている。第４に、副マニホールド５ａを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート２７〜２９に形成されている。

このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド５ａからの液体の流入口（副マニホ
ールド５ａの出口）から吐出孔８に至る個別流路３２を構成している。副マニホールド５ａに供給された液体は、以下の経路で吐出孔８から吐出される。まず、副マニホールド５ａから上方向に向かって、個別供給流路６を通り、しぼり１２の一端部に至る。次に、しぼり１２の延在方向に沿って水平に進み、しぼり１２の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室１０の一端部に至る。さらに、加圧室１０の延在方向に沿って水平に進み、加圧室１０の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔８へと進む。

圧電アクチュエータ基板２１は、図６に示されるように、２枚の圧電セラミック層２１ａ、２１ｂからなる積層構造を有している。圧電セラミック層２１ａ、２１ｂはそれぞれ１０〜９０μｍ程度で、圧電アクチュエータ基板２１の全体の厚さは２０〜１００μｍである。圧電セラミック層２１ａの厚さは、例えば、２２μｍ、圧電セラミック層２１ｂの厚さは、例えば１８μｍとされる。圧電アクチュエータ基板２１は、流路部材４の加圧室１０の開口している平面状の面に積層されており、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂのいずれの層も複数の加圧室１０を跨ぐように延在している（図３参照）。これらの圧電セラミック層２１ａ、２１ｂは、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系、ニオブ酸カリウムナトリウム系、チタン酸ビスマスナトリウムや、その他のセラミックス材料からなる。

圧電アクチュエータ基板２１は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる、内部電極である共通電極３４、Ａｕ系などの金属材料からなる個別電極３５、個別電極２５の上に形成されているＡｇ系などの金属材料からなる接続ランド３６を有している。個別電極３５だけをＡｇ系の金属材料で形成してもよい。個別電極３５は上述のように圧電アクチュエータ基板２１の上面における加圧室１０およびダミー加圧室と対向する位置に配置されている個別電極本体３５ａと、個別電極本体３５ａから加圧室１０のない位置まで引き出されている接続電極３５ｂとを含んでいる。Ａｕ系導体の形成する場合の個別電極３５の厚さは、０．３〜１μｍであり、Ａｇ系導体の形成する場合の個別電極３５の厚さは、１〜３μｍである。接続電極３５ｂには接続ランド３６が形成されている。接続ランド３６は例えばガラスフリットを含む銀からなり、厚さが５〜１５μｍ程度で凸状に形成されている。また、接続ランド３６には、必要に応じてさらに接続バンプを形成した上、図示されていないＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極３５には、制御部１００からＦＰＣを通じて駆動信号（駆動電圧）が供給される。駆動信号は、印刷媒体Ｐの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。

なお、以上は、圧電アクチュエータ基板２１が２層の圧電セラミック層の場合の構造であるが、３層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極３５と共通電極３４が交互になるように配置してもよい。

圧電アクチェエータ基板２１には、個別電極３５と共通電極３４と、これらに挟まれている部分の圧電セラミック層２１ｂとを含んでいる変位素子５０が複数配置されている。平面視したとき、変位素子５０は、圧電アクチェエータ基板２１の中央領域２１−１に配置されており、圧電アクチェエータ基板２１の周縁領域２１−２には配置されていない。図５の境界線Ｅは、中央領域２１−１と周縁領域２１−２との境界を示している。中央領域２１−１は、すべての変位素子５０を包含し、かつ（凸多角形で）面積の小さくなる領域である。なお、図５に示されている、列Ａ、Ｂ、Ｃ上にあるダミー個別電極４５は、ダミーであり、これらは変位素子５０を構成していない。一部のダミー個別電極４５は、圧電アクチュエータ基板２１の端にかかっていたり、共通電極用表面電極３７などを形成するために、個別電極３５と異なる形状になっている。また、ダミー個別電極４５には、外部から駆動するための電気的配線が接続されていない。さらに、個別電極３５の直下の圧電セラミック層２１ｂが分極されているのに対して、ダミー個別電極４５の直下の圧電セラミック層２１ｂは分極されていない。

中央領域２１−１内では、圧電セラミック層２１ｂの結晶粒子の粒径は、少なくとも平面方向において、部位による粒径のばらつきが小さい状態にされ、平均結晶粒径は、部位によらずほぼ一定にされる。これは、変位素子５０の変位特性などが、変位素子５０の圧電アクチュエータ基板２１内の位置によってばらつかないようにするためである。また、中央領域２１−１における平均結晶粒径は、基本的に変位素子５０の特性を高くするよう設計される。例えば、変位量が大きくしたり、駆動を繰り返した際の変位量の低下を小さくしたり、ショートなどによる破壊が生じ難いようにされる。具体的に好適な粒径は、組成により異なるが、ＰＺＴ系の組成では、例えば平均結晶粒径を３．５〜４．５μｍにするのが好ましい。なお、平均結晶粒径は、インターセプト法などにより測定することができる。インターセプト法は、例えば、圧電セラミック層２１ｂの表面をＳＥＭ（scanning
electron microscope）などで撮影した画像を用いて、１００個以上の結晶粒子を含む測定長さで測定し、１．５×Ｌ／ｎ（ｎ：長さＬ当たりの結晶粒子数、Ｌ：測定長さ）で算出すればよい。

圧電アクチュエータ基板２１は、製造工程や使用中に外力を受けて、割れるなど、破壊されてしまうことがある。その際、圧電アクチュエータ基板２１の端部が、破壊の起点となること多い。また、特に、流路部材４を積層した後には、熱膨張係数差により応力を受ける端部が破壊の起点となる。変位素子５０の特性を向上するために設計された平均結晶粒径では、周縁領域２１−２の機械的強度が低くなるので、圧電アクチュエータ基板２１が破壊され難くするために、周縁領域２１−２の平均結晶粒径を、中央領域２１−１の平均結晶粒径よりも小さくして、周縁領域２１−２の機械的強度を大きくする。このために、周縁領域２１−２は、中央領域２１−１を取り囲み、圧電アクチュエータ基板２１の外周の端部を含む領域となっている。このような構成は、外力によって破壊されやすい、厚さ１００μｍの圧電アクチュエータ基板２１で特に有用である。

例えば、上述のＰＺＴ系の組成では、周縁領域２１−２の平均結晶粒径を２．５〜３．５μｍにするのが好ましい。これにより、中央領域２１−１におけるリング曲げ強度４８ＭＰａに対して、周縁領域２１−２におけるリング曲げ強度を５３ＭＰａと高くすることができ、圧電アクチュエータ基板２１が、端部から破壊される可能性を低くできる。周縁領域２１−２は、必ずしも全体の粒径が大きくなくてもよい。周縁領域２１−２のうち、圧電アクチュエータ基板２１の端部から１００μｍ程度の範囲の平均結晶粒径が、中央領域２１−１の平均化粧粒径より小さければよく、０．５５〜０．８５倍、好ましくは、０．６５〜０．７５倍にされる。

周縁領域２１−２は、圧電アクチュエータ基板２１の端部から幅０．５〜２ｍｍ程度とされる。周縁領域２１−２の、圧電アクチュエータ基板２１の端部側の平均結晶粒径は、上述のように中央領域２１−１の平均結晶粒径と比較して小さくされる。周縁領域２１−２の、中央領域２１−１側の平均結晶粒径は、端部側と同様に中央領域２１−１の平均結晶粒径と比較して小さくされてもよいし、中央領域２１−１の平均結晶粒径と同程度の大きさでもよい。

また、圧電アクチュエータ基板２１では、外部との電気的接続を、個別電極３５（より正確には接続電極３５ｂ）と、共通電極用表面電極３７とで行なっている。共通電極３７の一部は、圧電セラミック層２１ｂを貫通している貫通孔３８の中に入り込んで貫通電極となっており、貫通孔３８の下部で、共通電極用表面電極（貫通電極）３７と共通電極３４とは電気的に接続されている。貫通孔３８の直径は５０〜２００μｍ程度である。

貫通孔３８中の貫通電極を周縁領域２１−２に配置することで、貫通電極が接合している圧電セラミック層２１ｂの強度が強くなり、貫通電極の接合強度が強くなるので、外部から、共通電極用表面電極３７に応力が加わっても、接続が破壊され難い。共通電極用表面電極３７を周縁領域２１−２に配置することで、同様にして、共通電極用表面電極３７の接合強度を強くできる。この場合、周縁領域２１−２における、貫通電極あるいは共通電極用表面電極３７の配置されている部位の平均結晶粒径は、中央領域２１−１の平均結晶粒径より小さくされる。

上述の構成は、別の表現をすれば、変位素子５０を構成する複数の一対の電極が、圧電セラミック層２１ｂの一方の主面に配置されている複数の個別電極３５と、圧電セラミック層２１ｂの他方の主面に、複数の個別電極３５と対向するように配置されている共通電極３４とによって構成されており、周縁領域２１−２に、圧電セラミック層２１ｂを貫通していて、共通電極３４と電気的に接続している貫通電極および共通電極用表面電極３７を備えているということである。

図６に示されるように、共通電極３４と個別電極３５とは、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層２１ｂにおける個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータ基板２１においては、最上層の圧電セラミック層２１ｂのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック２１ａは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータ基板２１はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。

なお、後述のように、個別電極３５に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極３５に対応する加圧室１０内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路３２を通じて、対応する吐出孔８から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータ基板２１における各加圧室１０に対向する部分は、各加圧室１０および吐出孔８に対応する個別の変位素子５０（アクチュエータ）に相当する。つまり、２枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図６に示されているような構造を単位構造とする変位素子５０が加圧室１０毎に、加圧室１０の直上に位置する振動板２１ａ、共通電極３４、圧電セラミック層２１ｂ、個別電極３５により作り込まれており、圧電アクチュエータ基板２１には変位素子５０が複数含まれている。なお、本実施形態において１回の吐出動作によって吐出孔８から吐出される液体の量は５〜７ｐＬ（ピコリットル）程度である。

多数の個別電極３５は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがＦＰＣ上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。

本実施形態における圧電アクチュエータ基板２１の液体吐出時の駆動方法の一例を、個別電極３５に供給される駆動電圧（駆動信号）に関して説明する。個別電極３５を共通電極３４と異なる電位にして圧電セラミック層２１ｂに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時圧電セラミック層２１ｂは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層２１ａは、個別電極３５と共通電極３４とに挟まれた領域を持たない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータ基板２１は、上側（つまり、加圧室１０とは離れた側）の圧電セラミック層２１ｂを、活性部を含む層とし、かつ下側（つまり、加圧室１０に近い側）の圧電セラミック層２１ａを非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている。

この構成において、電界と分極とが同方向となるように、アクチュエータ制御部により個別電極３５を共通電極３４に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層２１ｂの電極に挟まれた部分（活性部）が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層２１ａは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層２１ｂと圧電セラミック層２１ａとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層２１ｂは加圧室１０側へ凸となるように変形（ユニモルフ変形）する。

本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極３５を共通電極３４より高い電位（以下高電位と称す）にしておき、吐出要求がある毎に個別電極３５を共通電極３４と一旦同じ電位（以下低電位と称す）とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極３５が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが元の形状に戻り、加圧室１０の容積が初期状態（両電極の電位が異なる状態）と比較して増加する。このとき、加圧室１０内に負圧が与えられ、液体がマニホールド５側から加圧室１０内に吸い込まれる。その後再び個別電極３５を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層２１ａ、ｂが加圧室１０側へ凸となるように変形し、加圧室１０の容積減少により加圧室１０内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極３５に供給することになる。このパルス幅は、加圧室１０内において圧力波がマニホールド５から吐出孔８まで伝播する時間長さであるＡＬ（Acoustic Length）が理想的である。
これによると、加圧室１０内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。

以上のような液体吐出ヘッド２は、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層２１ａ、２１ｂとなる複数のグリーンシートを作製する。グリーンシートの一部には、貫通孔３８となる孔を、パンチングやレーザーで開ける。また、グリーンシートの一部には、その表面に共通電極３４となる電極ペーストを印刷等により形成する。

ついで、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。この際、共通電極３４の積層方向における位置が、圧電アクチュエータ基板２１となった際に、個別電極３５が配置されている側の主面に近くなるように、グリーンシートの厚さを調整する。例えば、焼成後の圧電セラミック層２１ａの厚さを２２μｍ、圧電セラミック層２１ｂの厚さを１８μｍとする。これにより、共通電極３４の積層方向における位置は、積層厚さの中央よりも個別電極３５が配置されている側の主面に近い側に配置される。

ついで、この積層体を、個別電極３５が形成される側の主面を上にして、ジルコニアなどを主成分とするセラミック製の焼成治具の上に置いて、高濃度酸素雰囲気下、例えば１０５０℃で同時焼成して、圧電アクチュエータ素体を作製する。焼成において、金、銀、銅などを主成分とする共通電極３４は、圧電セラミック層２１ａ、２１ｂと比較して、低い温度で焼結する。共通電極３４が焼結し、ほぼ一体的な構造物となった後、より高温で圧電セラミック層２１ａ、２１ｂが焼成収縮する。この際、共通電極３４の積層方向の位置が、中央より上に位置しているため、中央より上で、積層体の焼成収縮が拘束され、圧電アクチュエータ素体は、端部が下側に下がるように変形する。この状態で焼成が進むため、熱容量の大きな焼成時治具に接している端部付近は、圧電アクチュエータ素体の中央部分と比較して、温度上昇が遅くなり、焼結が進み難くなる。これにより、中央領域２１−１と比較して、周縁領域２１−２では結晶粒径が小さくなる。なお、圧電アクチュエータ基板２１の厚さが厚くなると、圧電アクチュエータ基板２１の下面が焼成治具に接している影響が、圧電アクチュエータ基板２１の上面（個別電極３５が配置されている面）に
までおよび易いように、圧電アクチュエータ基板２１の厚さは１００μｍ以下であることが好ましい。

その後、Ａｇペーストを用いて圧電アクチュエータ素体の表面に個別電極３５および共通電極用表面電極３７を印刷した後、圧電アクチュエータ素体の焼成温度より低い、例えば６５０℃で焼成する。印刷の際、Ａｇペーストの一部は、貫通孔３８に入り込んでおり、焼成により、電極用表面電極３７は、貫通孔３８に入り込んだ部位を通じて共通電極３４と電気的に接続される。なお、焼成の際、Ａｇペーストをグリーンシートの積層体と別焼成することにより、Ａｇペーストの焼成収縮により、圧電アクチュエータ基板２１は、端部が上側に上がるように変形する。このようにすることで、積層体焼成時の下側への変形と、Ａｇペースト焼成時の上側への変形とは相殺され、最終的な圧電アクチュエータ基板２１のそりを小さくできる。

次に、流路部材４を、圧延法等により得られプレート２２〜３１を、接着層を介して積層して作製する。プレート２２〜３１に、マニホールド５、個別供給流路６、加圧室１０およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。

これらプレート２２〜３１は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体としてインクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ基板２１や流路部材４への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ基板２１と流路部材４とを加熱接合することができる。

１・・・プリンタ
２・・・液体吐出ヘッド
４・・・流路部材
５・・・マニホールド
５ａ・・・副マニホールド
５ｂ・・・マニホールドの開口
６・・・個別供給流路
８・・・吐出孔
９・・・加圧室群
１０・・・加圧室
１１ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・加圧室列
１２・・・しぼり
１３・・・液体吐出ヘッド本体
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ・・・吐出孔列
２１・・・圧電アクチュエータ基板
２１ａ・・・圧電セラミック層（セラミック振動板）
２１ｂ・・・圧電セラミック層
２１−１・・・（圧電アクチュエータ基板の）中央領域
２１−２・・・（圧電アクチュエータ基板の）周縁領域
２２〜３１・・・プレート
３２・・・個別流路
３４・・・共通電極（内部電極）
３４ａ・・・（共通電極のうち、貫通孔周囲の厚さの）厚い部位
３５・・・個別電極
３５ａ・・・個別電極本体
３５ｂ・・・接続電極
３６・・・接続ランド
３７・・・共通電極用表面電極
３８・・・貫通孔
４５・・・ダミー個別電極
４６・・・ダミー接続ランド
５０・・・加圧部（変位素子）
Ｅ・・・（圧電アクチュエータ基板の中央領域と周縁領域の）境界線

Claims (6)

1. 圧電セラミック層と、該圧電セラミック層を挟むように配置されている複数対の電極とを含む圧電アクチュエータ基板であって、
   該圧電アクチュエータ基板は、前記複数対の電極のうちの一対の電極と、前記圧電セラミック層における前記一対の電極で挟まれた部分と、で構成された変位素子を複数有しており、
   平面視したときに、
   前記圧電アクチュエータ基板には、前記変位素子が複数配置されている１つの中央領域と、該中央領域を取り囲むように配置されており前記変位素子が配置されていない１つの周縁領域とが存在し、
   前記周縁領域における前記圧電セラミック層の平均結晶粒径が、前記中央領域における前記圧電セラミック層の平均結晶粒径より小さいことを特徴とする圧電アクチュエータ基板。
2. 前記複数対の電極が、前記圧電セラミック層の一方の主面に配置されている複数の個別電極と、前記圧電セラミック層の他方の主面に、前記複数の個別電極と対向するように配置されている共通電極とによって構成されており、
   前記周縁領域に、前記圧電セラミック層を貫通し、前記共通電極と電気的に接続している貫通電極を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ基板。
3. 前記圧電アクチュエータ基板の厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ基板。
4. 前記圧電セラミック層の前記共通電極側の主面に、他の圧電セラミック層が積層されて圧電セラミック積層体を構成しており、
   該記圧電セラミック積層体は、同時焼成されており、前記共通電極は、前記圧電セラミック積層体の積層方向において、前記複数の個別電極が配置されている一方の主面の反対側の主面より、前記一方の主面に近い位置に配置されており、
   前記複数の個別電極は、前記圧電セラミック積層体とは別に焼成されて、焼き付けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ基板。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ基板と、該圧電アクチュエータ基板に接着されており、液体を吐出する吐出孔を有する流路部材とを含むことを特徴とする
   液体吐出ヘッド。
6. 請求項５に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記圧電アクチュエータ基板を制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。

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