JP3202757B2 - セラミック圧電層を電極化する方法、セラミック圧電層を有する圧電変換器、およびセラミック圧電層を有するインクジェットプリントヘッド - Google Patents
セラミック圧電層を電極化する方法、セラミック圧電層を有する圧電変換器、およびセラミック圧電層を有するインクジェットプリントヘッドInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本願発明は、セラミック圧電変換器に対する電極群の
取付法に関する。
取付法に関する。
背景技術 圧電（ピエゾ）変換器は、印加電位に応答して変換器
の最大可能な変形を生成できるよう、圧電変換器表面と
十分電気的に結合した電極群を備えていなければならな
い。インクジェット系に用いられる方式のセラミック圧
電変換器、例えば、チタン酸ジルコニウム鉛（PZT）の
ようなセラミック材料から成る薄い板又は層の形をした
歪モード変換器は、一方又は両表面上に密に間隔をとっ
た一組の電極群を備えていなければならない。従来は、
前述のセラミック材料が粒状表面構造であるため、圧電
層に電界をかけて圧電材料を分極（ポーリング）する以
前に、高容量結合を形成できるよう、それらの表面上に
銅又は金のような金属の薄層を蒸着するか又はスパッタ
することにより表面上に電極群を取り付ける必要があっ
た。
の最大可能な変形を生成できるよう、圧電変換器表面と
十分電気的に結合した電極群を備えていなければならな
い。インクジェット系に用いられる方式のセラミック圧
電変換器、例えば、チタン酸ジルコニウム鉛（PZT）の
ようなセラミック材料から成る薄い板又は層の形をした
歪モード変換器は、一方又は両表面上に密に間隔をとっ
た一組の電極群を備えていなければならない。従来は、
前述のセラミック材料が粒状表面構造であるため、圧電
層に電界をかけて圧電材料を分極（ポーリング）する以
前に、高容量結合を形成できるよう、それらの表面上に
銅又は金のような金属の薄層を蒸着するか又はスパッタ
することにより表面上に電極群を取り付ける必要があっ
た。
前述の圧電変換器を対象とした従来のポーリング技術
では、最大の分極を得るためには、前述のように電極金
属を付けることが必要である。そのために、圧電層の反
対表面上の所望の場所に電極群を設けるべく、前もって
付けた電極金属をホトグラフィーエッチング技術でパタ
ーン化してもよい。
では、最大の分極を得るためには、前述のように電極金
属を付けることが必要である。そのために、圧電層の反
対表面上の所望の場所に電極群を設けるべく、前もって
付けた電極金属をホトグラフィーエッチング技術でパタ
ーン化してもよい。
しかし、最近、圧電変換器表面に金属層を予め取り付
ける必要のない、圧電変換器を分極するためのポーリン
グ技術が幾つか開発された。例えば、共同申請中のMoyn
ihan等の出願Serial No.08/460,393（1995年６月２日提
出）及びその親出願Serial No.08/406,297（1995年３月
17日提出）（いずれの開示も参照として本明細書に引
用）において、圧力ポーリングとコロナポーリング技術
が開示されており、これらは、材料をポーリングするの
に変換器材料の表面上に電極群が存在する必要性を排除
するものである。
ける必要のない、圧電変換器を分極するためのポーリン
グ技術が幾つか開発された。例えば、共同申請中のMoyn
ihan等の出願Serial No.08/460,393（1995年６月２日提
出）及びその親出願Serial No.08/406,297（1995年３月
17日提出）（いずれの開示も参照として本明細書に引
用）において、圧力ポーリングとコロナポーリング技術
が開示されており、これらは、材料をポーリングするの
に変換器材料の表面上に電極群が存在する必要性を排除
するものである。
さらに、従来の蒸着又はスパッタリング技術によっ
て、圧電材料の表面に電極材料を取り付けることは、手
順が複雑な上、電極化圧電変換器を作るコストのかなり
の分に相当する故、そのような複雑且つ高価な処理を要
しないで、圧電変換器を電極化できるようにすることは
有益であろう。加えて、在来の圧電変換器には、変換器
の表面領域を越えて拡張することができない電極群があ
り、従って、別の電線によって遠隔動作回路に接続しな
ければならず、このことが製造上の複雑さと費用をさら
に増すことになる。
て、圧電材料の表面に電極材料を取り付けることは、手
順が複雑な上、電極化圧電変換器を作るコストのかなり
の分に相当する故、そのような複雑且つ高価な処理を要
しないで、圧電変換器を電極化できるようにすることは
有益であろう。加えて、在来の圧電変換器には、変換器
の表面領域を越えて拡張することができない電極群があ
り、従って、別の電線によって遠隔動作回路に接続しな
ければならず、このことが製造上の複雑さと費用をさら
に増すことになる。
発明の開示 従って、本願発明の目的は、従来技術のもつ諸々の不
便さを克服する、圧電変換器を電極化する方法を提供す
ることにある。
便さを克服する、圧電変換器を電極化する方法を提供す
ることにある。
本発明の別の目的は、電極化圧電変換器と、従来技術
の複雑且つ高価な電極化処理を必要としないような変換
器を組込んだインクジェット用プリントヘッドとを提供
することにある。
の複雑且つ高価な電極化処理を必要としないような変換
器を組込んだインクジェット用プリントヘッドとを提供
することにある。
本発明のさらに別の目的は、圧電変換器の表面上での
配線接続の必要性を排除するところの、圧電変換器の電
極化方法を提供することにある。
配線接続の必要性を排除するところの、圧電変換器の電
極化方法を提供することにある。
本発明の前記の及びその他の目的は、導体と圧電材料
の表面との間で均一且つ高い電気結合を確保するのに十
分な圧力下で、所望の電極パターンに対応して変形可能
な電極材料のパターンを圧電材料の表面に付けることに
よって達成されるものである。１実施例では、電極導体
のパターンを誘電膜の１つの表面上に形成し、圧電板表
面の粒状のでこぼこ部分に電極材料を合致させるべく十
分均一に圧力をかけてその電極パターンをセラミック圧
電電極板の表面に結合させ、電極パターンと圧電板表面
の局在化した隆起部分（asperities）との間で導通接続
が確保できるようにしている。この目的のため、弾性又
は粘弾性層を通して圧力をかけてもよい。
の表面との間で均一且つ高い電気結合を確保するのに十
分な圧力下で、所望の電極パターンに対応して変形可能
な電極材料のパターンを圧電材料の表面に付けることに
よって達成されるものである。１実施例では、電極導体
のパターンを誘電膜の１つの表面上に形成し、圧電板表
面の粒状のでこぼこ部分に電極材料を合致させるべく十
分均一に圧力をかけてその電極パターンをセラミック圧
電電極板の表面に結合させ、電極パターンと圧電板表面
の局在化した隆起部分（asperities）との間で導通接続
が確保できるようにしている。この目的のため、弾性又
は粘弾性層を通して圧力をかけてもよい。
好ましくは、誘導膜と電極膜は、エポキシ樹脂のよう
な、接着性材料の薄層を使って圧電層の表面に結合させ
る。接着層は、電極層と圧電層間の容量結合に大きな影
響を及ぼす故、該接着層は、十分な結合性を確保しなが
ら、できるだけ薄くすべきである。必要なら、結合材料
は、圧電板の表面に沿って表面伝導を生ずることなく圧
電板の表面と電極間で高い容量結合又は局在化伝導を実
現できるよう、適当なサイズと分布をもった高い誘電性
又は伝導性の材料から成る微粒子を含んでいてもよい。
さらに、必要なら、電極材料と圧電層間の結合を誘電層
と電極材料間の結合より強くして電極を圧電板に結合し
終わった後で誘電膜を電極群から取り除いてもよい。
な、接着性材料の薄層を使って圧電層の表面に結合させ
る。接着層は、電極層と圧電層間の容量結合に大きな影
響を及ぼす故、該接着層は、十分な結合性を確保しなが
ら、できるだけ薄くすべきである。必要なら、結合材料
は、圧電板の表面に沿って表面伝導を生ずることなく圧
電板の表面と電極間で高い容量結合又は局在化伝導を実
現できるよう、適当なサイズと分布をもった高い誘電性
又は伝導性の材料から成る微粒子を含んでいてもよい。
さらに、必要なら、電極材料と圧電層間の結合を誘電層
と電極材料間の結合より強くして電極を圧電板に結合し
終わった後で誘電膜を電極群から取り除いてもよい。
圧電板の表面上の電極群を離れた駆動電圧源に直接接
続できるようにするために、誘電層は、圧電板の端を越
えて延びてよく、且つ誘電膜に付着できる上、圧電層の
選択部分に配置された電極群のための駆動素子群を包含
できる、例えば、集積回路又は駆動チップのような、遠
隔駆動部品に圧電層上の電極パターンを接続するところ
の電極材料から形成される導体を含んでもよい。
続できるようにするために、誘電層は、圧電板の端を越
えて延びてよく、且つ誘電膜に付着できる上、圧電層の
選択部分に配置された電極群のための駆動素子群を包含
できる、例えば、集積回路又は駆動チップのような、遠
隔駆動部品に圧電層上の電極パターンを接続するところ
の電極材料から形成される導体を含んでもよい。
インクジェットヘッドに使えるよう、圧電変換器の１
つの表面に適用される電極化に対応するインク圧力チャ
ンバーで形成されるチャンバー板に電極化圧電変換器を
付着してよく、且つ該チャンバー板は、圧力チャンバー
から液滴射出オリフィスに至る通路を含んでもよい。幾
つかの実施例において、インクジェットヘッドは、上に
引用したMoynihan等の出願に記載されているようなカー
ボンから作ったチャンバー板を包含してよい。さらに、
チャンバー板は、両側にインクチャンバー群が形成され
てよく、且つ電極群が付着された圧電変換器を、その板
に形成されたチャンバー群に合致して電極群が配置され
たカーボン板の両側に載せてもよい。
つの表面に適用される電極化に対応するインク圧力チャ
ンバーで形成されるチャンバー板に電極化圧電変換器を
付着してよく、且つ該チャンバー板は、圧力チャンバー
から液滴射出オリフィスに至る通路を含んでもよい。幾
つかの実施例において、インクジェットヘッドは、上に
引用したMoynihan等の出願に記載されているようなカー
ボンから作ったチャンバー板を包含してよい。さらに、
チャンバー板は、両側にインクチャンバー群が形成され
てよく、且つ電極群が付着された圧電変換器を、その板
に形成されたチャンバー群に合致して電極群が配置され
たカーボン板の両側に載せてもよい。
図面の簡単な説明 本発明のそれ以外の目的と利点は、以下に挙げる添付
図と共に以後の説明を読むことで明らかとなろう： 図１は、本発明の代表的実施例による圧電変換器の表
面とその表面に取り付けられる電極層の一部分を大きく
拡大した形で図解する部分断面の略図であり； 図２は、本発明により圧電層に電極層を付けた後の、
図１の圧電層と電極層の両表面の噛み合いを図解する部
分断面の略図であり； 図３は、本発明の別の実施例による圧電層の表面とそ
の表面に付けられた電極層を図解する部分的な且つ大き
く拡大した断面略図であり； 図４は、表面に電極層を結合した後の、図３の圧電層
の表面と電極層を図解する部分断面の略図であり； 図５は、本発明に従いセラミック圧電部材に電極群を
付けるための代表的方法の処理順序を示す工程系統図で
あり； 図６は、本発明に従いそこに電極群が付着された圧電
変換器を包含するインクジェットプリントヘッドの一部
分を図解する断面略図であり； 図７−９は、図６に示した配置構成の変形を示す。
図と共に以後の説明を読むことで明らかとなろう： 図１は、本発明の代表的実施例による圧電変換器の表
面とその表面に取り付けられる電極層の一部分を大きく
拡大した形で図解する部分断面の略図であり； 図２は、本発明により圧電層に電極層を付けた後の、
図１の圧電層と電極層の両表面の噛み合いを図解する部
分断面の略図であり； 図３は、本発明の別の実施例による圧電層の表面とそ
の表面に付けられた電極層を図解する部分的な且つ大き
く拡大した断面略図であり； 図４は、表面に電極層を結合した後の、図３の圧電層
の表面と電極層を図解する部分断面の略図であり； 図５は、本発明に従いセラミック圧電部材に電極群を
付けるための代表的方法の処理順序を示す工程系統図で
あり； 図６は、本発明に従いそこに電極群が付着された圧電
変換器を包含するインクジェットプリントヘッドの一部
分を図解する断面略図であり； 図７−９は、図６に示した配置構成の変形を示す。
好ましい実施例の説明 図１は、例えば、約１乃至数ミクロンの高さと間隔を
有する粒状隆起部分12によって特徴付けられる上方表面
11を有し、且つその表面にマクロ変化を生ずる窪み14に
よって分離された周期的棟部13を有するチタン酸ジルコ
ニウム鉛（PZT）から作った在来型のセラミック圧電変
換器10の一部分を大きく拡大して図解したものである。
典型的な場合、窪み14は、約10乃至数10ミクロンの深さ
があってよく、且つ棟部は、約100乃至数100ミクロンの
間隔をもっていてもよい。
有する粒状隆起部分12によって特徴付けられる上方表面
11を有し、且つその表面にマクロ変化を生ずる窪み14に
よって分離された周期的棟部13を有するチタン酸ジルコ
ニウム鉛（PZT）から作った在来型のセラミック圧電変
換器10の一部分を大きく拡大して図解したものである。
典型的な場合、窪み14は、約10乃至数10ミクロンの深さ
があってよく、且つ棟部は、約100乃至数100ミクロンの
間隔をもっていてもよい。
セラミック圧電層の表面が、約10ミクロン乃至約100
ミクロンの範囲の高さの差と約100ミクロン乃至約1000
ミクロンの範囲の間隔とを有するマクロ変化を含むよう
にしてもよい。
ミクロンの範囲の高さの差と約100ミクロン乃至約1000
ミクロンの範囲の間隔とを有するマクロ変化を含むよう
にしてもよい。
電極材料の伝導層を十分な電気結合をもたせて表面11
に付けるには、その層は、実質的に全ての隆起部分12と
電気接触をしなければならない。この目的のため、伝導
層は、破壊しないで表面11のマクロ変化に合致し、且つ
隆起部分を押しつぶすか又はセラミック材料を砕くほど
十分大きいであろう圧力を加えることを要せずに良好な
電気接触を十分確保できる程度まで隆起部分12による局
所変形を可能にするよう十分変形できなければならな
い。さらに、セラミック材料の表面への伝導層の確実な
結合が、隆起部分と伝導材料間の電気接触と干渉するこ
となく且つその結合材料にわたって高い容量結合をもっ
て達成されなければならない。
に付けるには、その層は、実質的に全ての隆起部分12と
電気接触をしなければならない。この目的のため、伝導
層は、破壊しないで表面11のマクロ変化に合致し、且つ
隆起部分を押しつぶすか又はセラミック材料を砕くほど
十分大きいであろう圧力を加えることを要せずに良好な
電気接触を十分確保できる程度まで隆起部分12による局
所変形を可能にするよう十分変形できなければならな
い。さらに、セラミック材料の表面への伝導層の確実な
結合が、隆起部分と伝導材料間の電気接触と干渉するこ
となく且つその結合材料にわたって高い容量結合をもっ
て達成されなければならない。
図１及び２に示す本発明の実施例に従い電極材料の層
を表面11に付けるには、ポリエステル、ポリイミド、フ
ッ素化エチレンプロピレンポリマー又はポリテトラフル
オロエチレンのような誘電材料の膜16を、圧延、電着、
蒸着の類のような在来技術により、例えば、適当な電極
パターンを有するアニールされた銅又は金の薄片から成
る金属膜17で被覆し、次いで、その金属膜17を、例え
ば、噴霧により、エポキシ接着剤のような、薄い接着性
の層18で被覆する。金属膜17が１乃至数ミクロン、即
ち、ほぼ隆起部分12の寸法の厚さを有し、隆起部分12を
構成する個々のPZTグレンの圧縮強度より十分低い、約1
0,000psi（704kg/cm2）の降伏強度を有する軟銅の膜で
ある場合、銅膜は、約1000psi（70.4kg/cm2）の付加圧
力で隆起部分により変形させることができ、その結果、
十分に隆起部分が酸化銅を接合して銅材料との良好な接
触を実現する。
を表面11に付けるには、ポリエステル、ポリイミド、フ
ッ素化エチレンプロピレンポリマー又はポリテトラフル
オロエチレンのような誘電材料の膜16を、圧延、電着、
蒸着の類のような在来技術により、例えば、適当な電極
パターンを有するアニールされた銅又は金の薄片から成
る金属膜17で被覆し、次いで、その金属膜17を、例え
ば、噴霧により、エポキシ接着剤のような、薄い接着性
の層18で被覆する。金属膜17が１乃至数ミクロン、即
ち、ほぼ隆起部分12の寸法の厚さを有し、隆起部分12を
構成する個々のPZTグレンの圧縮強度より十分低い、約1
0,000psi（704kg/cm2）の降伏強度を有する軟銅の膜で
ある場合、銅膜は、約1000psi（70.4kg/cm2）の付加圧
力で隆起部分により変形させることができ、その結果、
十分に隆起部分が酸化銅を接合して銅材料との良好な接
触を実現する。
しかし、セラミック左電層10は、前述の負荷の下で
は、その負荷が弾性又は水圧の形でかけられない限り、
即ち、マクロ変化13及び14に起因する表面レベルの不規
則性にも関わらず全表面11にわたって均一にかけられな
い限り、塊状（バルク）材料として存続できない。この
目的のため、セラミック材料10の金属膜17と表面11の間
の変形及び結合圧は、セラミック材料を破損しないで良
好な電気結合を確実にできるよう、本発明に従い図２に
示すような弾力のある材料から作った弾力性の層20を通
してかけてもよい。このやり方が、金属膜17は変形され
て、均一な局所圧力で隆起部分12の上方表面と合致し、
隆起部分と誘電膜16間の領域においてエポキシ接着層18
を均一に分散させて、セラミック層を破壊するに足りる
強さとなるような局所力の印加を生ぜずにセラミック圧
電層の表面11のマクロ変化13及び14に正確に合致させる
ことができる。表面11に対する金属層17の前述の合致性
により、隆起部分12の先端での良好な電気接触と、セラ
ミック圧電材料の全表面にわたる隆起部分間の領域の圧
電層への電極材料の高い均一な容量結合が形成され、よ
って、費用のかかる蒸着又はスパッタリング堆積又はリ
ソグラフィによるパターン化技術を要せずに必要な電気
結合を達成できるのである。
は、その負荷が弾性又は水圧の形でかけられない限り、
即ち、マクロ変化13及び14に起因する表面レベルの不規
則性にも関わらず全表面11にわたって均一にかけられな
い限り、塊状（バルク）材料として存続できない。この
目的のため、セラミック材料10の金属膜17と表面11の間
の変形及び結合圧は、セラミック材料を破損しないで良
好な電気結合を確実にできるよう、本発明に従い図２に
示すような弾力のある材料から作った弾力性の層20を通
してかけてもよい。このやり方が、金属膜17は変形され
て、均一な局所圧力で隆起部分12の上方表面と合致し、
隆起部分と誘電膜16間の領域においてエポキシ接着層18
を均一に分散させて、セラミック層を破壊するに足りる
強さとなるような局所力の印加を生ぜずにセラミック圧
電層の表面11のマクロ変化13及び14に正確に合致させる
ことができる。表面11に対する金属層17の前述の合致性
により、隆起部分12の先端での良好な電気接触と、セラ
ミック圧電材料の全表面にわたる隆起部分間の領域の圧
電層への電極材料の高い均一な容量結合が形成され、よ
って、費用のかかる蒸着又はスパッタリング堆積又はリ
ソグラフィによるパターン化技術を要せずに必要な電気
結合を達成できるのである。
セラミック圧電材料10の表面11が上述のタイプの局所
隆起部分とマクロ変化を有するところの、図１及び２に
示した代表的実施例では、誘電膜16は、例えば、約10乃
至100ミクロン、好ましくは、約20乃至50ミクロン、及
び理想的には、約25乃至30ミクロンの範囲の厚さの、商
標Kaptonで識別される種類の従来型のポリイミド膜から
成ってよく、金属層17は、0.1乃至20ミクロン、好まし
くは、約１乃至10ミクロン、及び望ましくは、約２乃至
５ミクロンの厚さを有するアニールされた銅又は金の薄
片から成る層であってよく、接着層18は、0.5乃至約５
ミクロン、好ましくは、約0.5乃至３ミクロン、及び望
ましくは、約0.5乃至１ミクロンの厚さを有する段階Ｂ
のエポキシ層であってよい。
隆起部分とマクロ変化を有するところの、図１及び２に
示した代表的実施例では、誘電膜16は、例えば、約10乃
至100ミクロン、好ましくは、約20乃至50ミクロン、及
び理想的には、約25乃至30ミクロンの範囲の厚さの、商
標Kaptonで識別される種類の従来型のポリイミド膜から
成ってよく、金属層17は、0.1乃至20ミクロン、好まし
くは、約１乃至10ミクロン、及び望ましくは、約２乃至
５ミクロンの厚さを有するアニールされた銅又は金の薄
片から成る層であってよく、接着層18は、0.5乃至約５
ミクロン、好ましくは、約0.5乃至３ミクロン、及び望
ましくは、約0.5乃至１ミクロンの厚さを有する段階Ｂ
のエポキシ層であってよい。
図２に示すように、全表面11にわたって付加力を均一
に分布させるために弾力層20を使って、接着層18を保持
し且つ誘電膜16によって支持された金属層17を、層20を
通して均一な圧力を加えることで、セラミック圧電層10
の表面11に対して押し付けて、誘電層16が可塑的に変形
されて圧電層10の表面11のマクロ変化に合致するように
し、エポキシ接着剤18を隆起部分12の間の空間に押し込
み、且つ隆起部分の先端の形状に合致するよう金属層17
を隆起部分によって局部的に変形させる。弾力層20は、
表面のマクロ変化にも関わらずセラミック圧電層10の表
面にわたって均一な圧力として垂直に付加される少なく
とも500psi（35.2kg/cm2）の均一負荷を分布するところ
の、約１乃至10mm厚の70durometer Vitonの弾力のある
材料の層であってよい。圧力が加えられている間に、接
着層を少なくとも150℃及び好ましく約165℃まで加熱し
て硬化させる。温度は、約４分でそのレベルまで上げ、
そして約２時間そこで保持する。必要なら、表面11に圧
力が均一に分布されている限りセラミック圧電層を破壊
せずに3,750psi（264kg/cm2）程の高さの圧力を加える
ことができる。
に分布させるために弾力層20を使って、接着層18を保持
し且つ誘電膜16によって支持された金属層17を、層20を
通して均一な圧力を加えることで、セラミック圧電層10
の表面11に対して押し付けて、誘電層16が可塑的に変形
されて圧電層10の表面11のマクロ変化に合致するように
し、エポキシ接着剤18を隆起部分12の間の空間に押し込
み、且つ隆起部分の先端の形状に合致するよう金属層17
を隆起部分によって局部的に変形させる。弾力層20は、
表面のマクロ変化にも関わらずセラミック圧電層10の表
面にわたって均一な圧力として垂直に付加される少なく
とも500psi（35.2kg/cm2）の均一負荷を分布するところ
の、約１乃至10mm厚の70durometer Vitonの弾力のある
材料の層であってよい。圧力が加えられている間に、接
着層を少なくとも150℃及び好ましく約165℃まで加熱し
て硬化させる。温度は、約４分でそのレベルまで上げ、
そして約２時間そこで保持する。必要なら、表面11に圧
力が均一に分布されている限りセラミック圧電層を破壊
せずに3,750psi（264kg/cm2）程の高さの圧力を加える
ことができる。
望まれるなら、金属層をセラミック層10に結合し終わ
った後、誘電膜16をその金属層17から分離してもよい。
前述の分離は、パターン化金属膜17の領域にわたって、
その層とセラミック圧電層の表面11との間の結合がその
層と誘電膜16との間の結合より強いことを確認して行
う。
った後、誘電膜16をその金属層17から分離してもよい。
前述の分離は、パターン化金属膜17の領域にわたって、
その層とセラミック圧電層の表面11との間の結合がその
層と誘電膜16との間の結合より強いことを確認して行
う。
図３と４に図解した代替実施例においては、エポキシ
接着層22をセラミック圧電層10の表面11に付けて、隆起
部分12及びその表面のマクロ変化とほぼ合致するように
する。この場合、粘可塑性の合致層23を金属層17と誘電
膜16との間に挿入し、そして、図４に示すように、表面
11に対して金属層17を押し付けるべく均一な圧力が誘電
膜にかけられると、粘可塑性の層23が変形されて金属層
を表面11の形状と隆起部分12の先端とに合致させると共
に、図１と２の実施例におけるように、エポキシ接着剤
22を隆起部分間の空間に押し付ける。
接着層22をセラミック圧電層10の表面11に付けて、隆起
部分12及びその表面のマクロ変化とほぼ合致するように
する。この場合、粘可塑性の合致層23を金属層17と誘電
膜16との間に挿入し、そして、図４に示すように、表面
11に対して金属層17を押し付けるべく均一な圧力が誘電
膜にかけられると、粘可塑性の層23が変形されて金属層
を表面11の形状と隆起部分12の先端とに合致させると共
に、図１と２の実施例におけるように、エポキシ接着剤
22を隆起部分間の空間に押し付ける。
図１と２の実施例におけるように、図３及び４の配置
により、電極材料の層と隆起部分の先端との間でで優れ
た電気接続が得られると共に、隆起部分間の領域の電極
層17とセラミック圧電材料10との間に、セラミック圧電
材料の破壊を生じ得るかもしれない局在化力の印加を要
せずに均一な容量結合が形成されるのである。
により、電極材料の層と隆起部分の先端との間でで優れ
た電気接続が得られると共に、隆起部分間の領域の電極
層17とセラミック圧電材料10との間に、セラミック圧電
材料の破壊を生じ得るかもしれない局在化力の印加を要
せずに均一な容量結合が形成されるのである。
図３と４に示した代表的実施例では、粘可塑性の層23
は、約１乃至10ミクロン、好ましくは、約２乃至５ミク
ロン、及び望ましくは、約３乃至４ミクロンの厚さを有
するフッ素化エチレンプロピレンポリマー層であってよ
く、一方、接着層22は、約0.5乃至２ミクロン及び好ま
しくは0.5乃至１ミクロンの厚さをもっていてよく、電
極層は、約0.1乃至２ミクロン及び好ましくは約0.2乃至
１ミクロンの厚さを有する軟銅層であってよい。
は、約１乃至10ミクロン、好ましくは、約２乃至５ミク
ロン、及び望ましくは、約３乃至４ミクロンの厚さを有
するフッ素化エチレンプロピレンポリマー層であってよ
く、一方、接着層22は、約0.5乃至２ミクロン及び好ま
しくは0.5乃至１ミクロンの厚さをもっていてよく、電
極層は、約0.1乃至２ミクロン及び好ましくは約0.2乃至
１ミクロンの厚さを有する軟銅層であってよい。
熱及び圧力下で、フッ素化エチレンプロピレンポリマ
ー層は、粘可塑性的にセラミック圧電層10の形状に合致
し、そして金属層と表面11との間の良好な結合を確保す
るため、結合接着剤の流れと硬化は、結合条件下でフッ
素化エチレンプロピレンポリマー材料の流れと釣り合う
べきである。例えば、Shell Epon 826のようなビスフェ
ノールＡエポキシ樹脂は、Air Products Ancamine 2264
のような脂環式アミン硬化剤と共に、200℃で30分間加
熱される時、1,000psi（70.4kg/cm2）の圧力でフッ素化
エチレンプロピレンポリマー材料の流れと釣り合う。
ー層は、粘可塑性的にセラミック圧電層10の形状に合致
し、そして金属層と表面11との間の良好な結合を確保す
るため、結合接着剤の流れと硬化は、結合条件下でフッ
素化エチレンプロピレンポリマー材料の流れと釣り合う
べきである。例えば、Shell Epon 826のようなビスフェ
ノールＡエポキシ樹脂は、Air Products Ancamine 2264
のような脂環式アミン硬化剤と共に、200℃で30分間加
熱される時、1,000psi（70.4kg/cm2）の圧力でフッ素化
エチレンプロピレンポリマー材料の流れと釣り合う。
代替実施例では、伝導性の又は極めて高い誘電率の材
料の粒子を、層17の噛み合い面の及びセラミック圧電層
10の１つの上に分布させるか又は接着層18もしくは22に
分散させてその層を通しての容量結合を強めるようにす
る。結合を助長するために付加される高誘電率の粒子
は、約0.1乃至２ミクロンの粒子サイズと接着性材料に
おける重量で約10乃至15パーセントの濃度を有する、PZ
T、チタン酸バリウム、又はその類であってよい。炭素
粒子のような伝導性粒子が用いられる場合、接着層の側
方向に連続接触を生じないようにそれらを分布させねば
ならない。１実施例に従い、接着層は、金属層17とセラ
ミック圧電層の表面11間の結合線を広げるに十分な大き
さのサイズを有する小分散炭素粒子を、但し、粒子一対
一粒子の伝導を避けられる程十分に低濃度で含有する。
料の粒子を、層17の噛み合い面の及びセラミック圧電層
10の１つの上に分布させるか又は接着層18もしくは22に
分散させてその層を通しての容量結合を強めるようにす
る。結合を助長するために付加される高誘電率の粒子
は、約0.1乃至２ミクロンの粒子サイズと接着性材料に
おける重量で約10乃至15パーセントの濃度を有する、PZ
T、チタン酸バリウム、又はその類であってよい。炭素
粒子のような伝導性粒子が用いられる場合、接着層の側
方向に連続接触を生じないようにそれらを分布させねば
ならない。１実施例に従い、接着層は、金属層17とセラ
ミック圧電層の表面11間の結合線を広げるに十分な大き
さのサイズを有する小分散炭素粒子を、但し、粒子一対
一粒子の伝導を避けられる程十分に低濃度で含有する。
また、その層が電極とセラミック材料間に高い容量結
合を生ずるほど十分に薄い場合、圧電層の表面を完全に
覆う非伝導性接着層を使うことも可能である。例えば、
圧電材料の誘電率が2000であり且つ接着材料の誘電率が
４であり且つ0.1％の渦流損が許容できるなら、例え
ば、金薄片の金属膜とそれが接着層によってそこに結合
されるところのセラミック圧電層の表面11との間の十分
な容量結合は、もし接着性結合層が、ほぼエポキシ粒子
のサイズであるところの、約0.5ミクロン厚であるな
ら、実現することができる。
合を生ずるほど十分に薄い場合、圧電層の表面を完全に
覆う非伝導性接着層を使うことも可能である。例えば、
圧電材料の誘電率が2000であり且つ接着材料の誘電率が
４であり且つ0.1％の渦流損が許容できるなら、例え
ば、金薄片の金属膜とそれが接着層によってそこに結合
されるところのセラミック圧電層の表面11との間の十分
な容量結合は、もし接着性結合層が、ほぼエポキシ粒子
のサイズであるところの、約0.5ミクロン厚であるな
ら、実現することができる。
図５は、本発明により圧電変換器を電極化するための
代表的方法を略図で図解するものである。誘電膜16の１
つの表面上に支持される金属層17における電極群は、圧
電変換器が後で付着される圧力チャンバー板における対
応圧力チャンバーの配置に正確に合致するようセラミッ
ク圧電層10上に精確に配置されなければならない。例え
ば、誘電膜16は、温度及び湿度の変化によって寸法が変
わる故、圧電層上での電極群の所望の配置精度は、温度
と湿度を極めて密に制御しても達成できない。
代表的方法を略図で図解するものである。誘電膜16の１
つの表面上に支持される金属層17における電極群は、圧
電変換器が後で付着される圧力チャンバー板における対
応圧力チャンバーの配置に正確に合致するようセラミッ
ク圧電層10上に精確に配置されなければならない。例え
ば、誘電膜16は、温度及び湿度の変化によって寸法が変
わる故、圧電層上での電極群の所望の配置精度は、温度
と湿度を極めて密に制御しても達成できない。
本発明に従いこの問題を克服するには、電極群を動作
させる変換器の１つ以上のパターン31を誘電膜30に設
け、この場合、その寸法は、セラミック圧電層10に付け
ようとする電極パターンの寸法より数パーセント、例え
ば、ほぼ２パーセント小さいものである。起点マーク32
も、セラミック圧電層10の表面上電極パターン31の所望
の寸法に対応する位置に置かれた起点マーク33に対応す
る誘電膜30上の位置に付ける。接着層22をセラミック圧
電層10に付けた後、電極パターン31付き圧電層の上にそ
の圧電層に面して誘電膜30を載せ、そして、起点マーク
32が圧電層上の起点マーク33と正確に軸が合うまで、図
５の矢印34に示されているように、その誘電膜を引っ張
る。その後、その層を押し付けて接触させ、そして図１
−４に関連して上述した方法で結合する。
させる変換器の１つ以上のパターン31を誘電膜30に設
け、この場合、その寸法は、セラミック圧電層10に付け
ようとする電極パターンの寸法より数パーセント、例え
ば、ほぼ２パーセント小さいものである。起点マーク32
も、セラミック圧電層10の表面上電極パターン31の所望
の寸法に対応する位置に置かれた起点マーク33に対応す
る誘電膜30上の位置に付ける。接着層22をセラミック圧
電層10に付けた後、電極パターン31付き圧電層の上にそ
の圧電層に面して誘電膜30を載せ、そして、起点マーク
32が圧電層上の起点マーク33と正確に軸が合うまで、図
５の矢印34に示されているように、その誘電膜を引っ張
る。その後、その層を押し付けて接触させ、そして図１
−４に関連して上述した方法で結合する。
図５に示すように、誘電膜30は、圧電層10より大きく
且つ誘電膜30に付けられているメタライゼーションに
は、圧電層の領域を越えて延びる導線群の配列35が含ま
れる。これらの導線群は、遠隔場所から電極パターン31
に動作電位を印加できるよう電極パターン31に接続す
る。
且つ誘電膜30に付けられているメタライゼーションに
は、圧電層の領域を越えて延びる導線群の配列35が含ま
れる。これらの導線群は、遠隔場所から電極パターン31
に動作電位を印加できるよう電極パターン31に接続す
る。
図６に図解した実施例では、インクジェットプリント
ヘッド40は、圧電層10と、上述の方法で層10の１つの表
面に結合されるところの図５に示した種類の電極パター
ンを含み且つ遠隔場所から電極パターン31に電気接続で
きるよう圧電層10上に電極パターン31から離れて延びる
導線35の配列を有している誘電膜30とを包含する。イン
クジェットヘッド40は、例えば、Hoisington等の1989年
５月30日付け特許No.4,835,554（その開示は参考として
本明細書に引用）に記述されたような、オリフィス板41
と、インク圧力チャンバー板42と、その圧力チャンバー
板42のチャンバー群にインクを供給し且つそこからイン
クをオリフィス板41に導くためのインク通路を含んでい
るさらに別の板43とを包含する、従来型のプレート実装
設計（plate package deaigh）のものであってよい。加
えて、背面板44は誘電膜30と噛み合い且つプリントヘッ
ド40にホットメルトインクが使われる場合に熱延展体を
構成できるよう付加ヒータを備えていてもよい。
ヘッド40は、圧電層10と、上述の方法で層10の１つの表
面に結合されるところの図５に示した種類の電極パター
ンを含み且つ遠隔場所から電極パターン31に電気接続で
きるよう圧電層10上に電極パターン31から離れて延びる
導線35の配列を有している誘電膜30とを包含する。イン
クジェットヘッド40は、例えば、Hoisington等の1989年
５月30日付け特許No.4,835,554（その開示は参考として
本明細書に引用）に記述されたような、オリフィス板41
と、インク圧力チャンバー板42と、その圧力チャンバー
板42のチャンバー群にインクを供給し且つそこからイン
クをオリフィス板41に導くためのインク通路を含んでい
るさらに別の板43とを包含する、従来型のプレート実装
設計（plate package deaigh）のものであってよい。加
えて、背面板44は誘電膜30と噛み合い且つプリントヘッ
ド40にホットメルトインクが使われる場合に熱延展体を
構成できるよう付加ヒータを備えていてもよい。
図７に示した実施例では、プリントヘッド50は、上述
のMoynihan等の出願（その開示は参考として本明細書に
引用）に記述された種類の炭素圧力チャンバー板51に付
着された圧電変換器10を包含する。炭素板51は、インク
圧力チャンバーを含むと共に、その圧力チャンバーから
オリフィス板52の対応するオリフィスに至る通路も含
む。圧電変換器10を作動させ且つオリフィス板のオリフ
ィスを通してインク液滴を選択的に射出するために、圧
電変換器10は、上述の方法で圧電層に付けられている誘
電膜30の１つの表面上に形成された電極群で作動される
ように配置する。選択的な変換器動作信号は、変換器か
ら間隔を開けた位置にある集積回路駆動チップ53によっ
て生成され、そして図６に示した方式の誘電膜30上の導
線配列35を通して変換器に伝送される。
のMoynihan等の出願（その開示は参考として本明細書に
引用）に記述された種類の炭素圧力チャンバー板51に付
着された圧電変換器10を包含する。炭素板51は、インク
圧力チャンバーを含むと共に、その圧力チャンバーから
オリフィス板52の対応するオリフィスに至る通路も含
む。圧電変換器10を作動させ且つオリフィス板のオリフ
ィスを通してインク液滴を選択的に射出するために、圧
電変換器10は、上述の方法で圧電層に付けられている誘
電膜30の１つの表面上に形成された電極群で作動される
ように配置する。選択的な変換器動作信号は、変換器か
ら間隔を開けた位置にある集積回路駆動チップ53によっ
て生成され、そして図６に示した方式の誘電膜30上の導
線配列35を通して変換器に伝送される。
上述の方法で圧電板10に付着された電極群を有する誘
電膜16は、インパルスエネルギーの実質的損失無しでイ
ンパルスを圧電層から炭素板51の圧力チャンバー群へ伝
送できるほど十分薄く且つしなやかであってよい。この
場合、図８に示すように、上述の方法で動作電極パター
ンと接続導線群とを備えた付着誘電膜16付き圧電変換器
10は炭素板51に付着させてよく、その結果、誘電膜16
が、圧電層10と炭素板51に形成される圧力チャンバー群
と間に挟まれることになる。さらに、圧電層10の動作を
強めるため、電極パターンを有する第二の誘電膜54を、
上述の方法で、誘電膜16の電極群が付着される側とは反
対側の圧電層10の側に付着してもよく、その場合、各誘
電膜上の電極群は、板51の圧力チャンバー群に合わせて
軸調整する。この構成配置で与えられる圧電層10の偏向
が増強されるので、比較的低い変換器動作ポテンシャル
で即ち同じ動作ポテンシャルに対して大きい液滴サイズ
射出によりプリントヘッドを動作させることができる。
電膜16は、インパルスエネルギーの実質的損失無しでイ
ンパルスを圧電層から炭素板51の圧力チャンバー群へ伝
送できるほど十分薄く且つしなやかであってよい。この
場合、図８に示すように、上述の方法で動作電極パター
ンと接続導線群とを備えた付着誘電膜16付き圧電変換器
10は炭素板51に付着させてよく、その結果、誘電膜16
が、圧電層10と炭素板51に形成される圧力チャンバー群
と間に挟まれることになる。さらに、圧電層10の動作を
強めるため、電極パターンを有する第二の誘電膜54を、
上述の方法で、誘電膜16の電極群が付着される側とは反
対側の圧電層10の側に付着してもよく、その場合、各誘
電膜上の電極群は、板51の圧力チャンバー群に合わせて
軸調整する。この構成配置で与えられる圧電層10の偏向
が増強されるので、比較的低い変換器動作ポテンシャル
で即ち同じ動作ポテンシャルに対して大きい液滴サイズ
射出によりプリントヘッドを動作させることができる。
図７と８に示すように遠隔駆動チップ53に動作電極を
接続できるようにすることに加えて、圧電層の表面から
離れて延びる誘電膜上に導線配列35を設けることによっ
て、接地用として又は、例えば、ヒータ又はサーミスタ
への電力の印加用としての、さらに別の導線群を包含さ
せることもできる。
接続できるようにすることに加えて、圧電層の表面から
離れて延びる誘電膜上に導線配列35を設けることによっ
て、接地用として又は、例えば、ヒータ又はサーミスタ
への電力の印加用としての、さらに別の導線群を包含さ
せることもできる。
図９に示す別の実施例では、上述のMoynihan等の出願
に記述されているように、炭素圧力チャンバー板55は、
両側にインク圧力チャンバーが形成される。この場合、
板55はまた、炭素板の端に付着されるオリフィス板にあ
る対応オリフィスにインクを導くべく圧力チャンバーか
ら炭素板の端に至る内部オリフィスの通路56も備えてい
る。この配置では、図６に示した方式の電極群と導線配
列群を有する対応誘電膜30付きセラミック圧電変換器10
は、そこにある圧力チャンバー群と合致して炭素板の両
側に付着される。
に記述されているように、炭素圧力チャンバー板55は、
両側にインク圧力チャンバーが形成される。この場合、
板55はまた、炭素板の端に付着されるオリフィス板にあ
る対応オリフィスにインクを導くべく圧力チャンバーか
ら炭素板の端に至る内部オリフィスの通路56も備えてい
る。この配置では、図６に示した方式の電極群と導線配
列群を有する対応誘電膜30付きセラミック圧電変換器10
は、そこにある圧力チャンバー群と合致して炭素板の両
側に付着される。
本発明は、本明細書において特定実施例を参照して記
述されているが、そこにおける多くの修正と変更も、熟
練した当業者にとっては難なく考え付くことであろう。
従って、前述の変更並びに修正は全て本発明の意図され
た範囲内に含まれる。
述されているが、そこにおける多くの修正と変更も、熟
練した当業者にとっては難なく考え付くことであろう。
従って、前述の変更並びに修正は全て本発明の意図され
た範囲内に含まれる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−235703（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 41/08
Claims (15)
- 【請求項１】セラミック圧電の層表面に電極群を付ける
方法において、変形可能な膜の表面上に変形可能な電極
材料のパターンを形成することと、変形可能な電極材料
のパターンとセラミック圧電層の表面との間に接着層を
挿入することと、セラミック圧電層の表面上にほぼ均一
に加えられる圧力を使って変形可能な電極材料のパター
ンをセラミック圧電層の表面に押し付けることから成る
方法。 - 【請求項２】セラミック圧電層の表面がマクロ変化を有
し、且つ変形可能な膜と変形可能な電極材料のパターン
が、変形可能な電極材料のパターンと変形可能な膜とを
変形させてセラミック圧電層の表面のマクロ変化に合致
させるのに十分な圧力をもってセラミック圧電層の表面
に押し付けられることを特徴とする請求項１記載の方
法。 - 【請求項３】変形可能な膜が、セラミック圧電層の表面
より大きく、且つ変形可能な電極材料のパターンが、セ
ラミック圧電層の表面に結合される電極群のパターン
と、遠隔駆動部材に電極群のパターンを接続するべくセ
ラミック圧電層の表面を越えて延びる導線群のパターン
とを包含することを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項４】変形可能な膜の表面上に形成された変形可
能な電極材料のパターンが、セラミック圧電層の表面上
の電極パターンの所望の寸法より小さい寸法を有し、且
つセラミック圧電層の表面に押し付ける前に電極パター
ンをセラミック圧電層の表面の所望の寸法に合致させる
べく変形可能な電極材料を引き伸ばすステップを包含す
ることを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項５】別の変形可能な電極材料のパターンと別の
挿入接着層とを有する別の変形可能な膜を、変形可能な
電極材料のパターンが既に付けられている表面とは反対
の別のセラミック圧電層の表面に押し付けるステップを
包含する請求項１記載の方法。 - 【請求項６】変形可能な電極材料のパターンとセラミッ
ク圧電層の表面との間に高誘電率の又は伝導性材料の微
粒子を配するステップを包含する請求項１記載の方法。 - 【請求項７】粒状隆起部分を含む表面を有しているセラ
ミック圧電層と、粒状隆起部分の先端の形状に合致させ
るべく変形される部分を有する変形可能な電極材料のパ
ターンと、粒状隆起部分の先端間の領域において変形可
能な電極材料の表面とセラミック圧電層の表面とを結合
する接着層とを含んで成る電極化圧電変換器。 - 【請求項８】さらに、変形可能な電極材料のパターンが
付着される表面を有する変形可能な膜を包含する請求項
７記載の電極化圧電変換器。 - 【請求項９】変形可能な膜の層が対応するセラミック圧
電層の表面の寸法より大きい寸法を有し、該変形可能な
膜の層の表面に付着された導線群の配列を包含し、且つ
変形可能な電極材料のパターン中の電極群をセラミック
圧電層の表面から離れた駆動部材に接続できるようセラ
ミック圧電層の表面を越えて延びることを特徴とする請
求項８記載の電極化圧電変換器。 - 【請求項１０】セラミック圧電層の表面が、約10ミクロ
ン乃至約100ミクロンの範囲の高さの差と約100ミクロン
乃至約1000ミクロンの範囲の間隔とを有するマクロ変化
を含むことを特徴とする請求項７記載の電極化圧電変換
器。 - 【請求項１１】セラミック圧電層の表面が、マクロ変化
を生じさせる窪みによって分離された周期的棟部を有
し、前記窪みは約10乃至数10ミクロンの深さを有し、前
記棟部は約100乃至数100ミクロンの間隔を有することを
特徴とする請求項７記載の電極化圧電変換器。 - 【請求項１２】セラミック圧電層と、該セラミック圧電
層の表面に接着結合された変形可能な電極材料のパター
ンと、該セラミック圧電層に付着されたインク圧力チャ
ンバー群を備えた表面を有するチャンバー板とを含んで
成り、該インク圧力チャンバー群が変形可能な電極材料
のパターン中の電極群の位置に対応する位置で配列され
ることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。 - 【請求項１３】さらに、変形可能な電極材料のパターン
に付着され且つセラミック圧電層の表面の端を越えて延
びる誘電膜と、セラミック圧電層の表面に結合された変
形可能な電極材料のパターン中の対応する電極群に接続
され且つセラミック圧電層の表面の端を越えて延びる誘
電膜の表面上の導線のパターンと、セラミック圧電層の
表面から離れた位置で導線のパターンに接続された駆動
部材とを包含することを特徴とする請求項12記載のイン
クジェットプリントヘッド。 - 【請求項１４】チャンバー板が炭素板である請求項12記
載のインクジェットプリントヘッド。 - 【請求項１５】チャンバー板がその両側にインク圧力チ
ャンバーを備えており、且つ圧力チャンバーを備えた該
チャンバー板の両側の各々に付着されたセラミック圧電
変換器の層を包含していて、該セラミック圧電変換器の
層の各々が、チャンバー板における隣接したインク圧力
チャンバー群の位置に対応する位置に配列された電極群
を含むセラミック圧電層の表面に接着結合された変形可
能な電極材料のパターンを有することを特徴とする請求
項14記載のインクジェットプリントヘッド。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/673,162 US5755909A (en) | 1996-06-26 | 1996-06-26 | Electroding of ceramic piezoelectric transducers |
| US08/673,162 | 1996-06-26 | ||
| PCT/US1997/006825 WO1997049556A1 (en) | 1996-06-26 | 1997-04-21 | Electroding of ceramic piezoelectric transducers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10512106A JPH10512106A (ja) | 1998-11-17 |
| JP3202757B2 true JP3202757B2 (ja) | 2001-08-27 |
Family
ID=24701547
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50293698A Expired - Lifetime JP3202757B2 (ja) | 1996-06-26 | 1997-04-21 | セラミック圧電層を電極化する方法、セラミック圧電層を有する圧電変換器、およびセラミック圧電層を有するインクジェットプリントヘッド |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (3) | US5755909A (ja) |
| EP (2) | EP1667243B1 (ja) |
| JP (1) | JP3202757B2 (ja) |
| KR (2) | KR100349213B1 (ja) |
| CA (1) | CA2228741C (ja) |
| DE (1) | DE69735416T2 (ja) |
| HK (1) | HK1091948A1 (ja) |
| WO (1) | WO1997049556A1 (ja) |
Families Citing this family (60)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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