專利名稱：壓電執(zhí)行器、其制造方法以及噴墨記錄頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的各個(gè)方面涉及壓電執(zhí)行器、制造該壓電執(zhí)行器的方法以及噴墨記錄頭，特別涉及用來定位各種器件或者通過產(chǎn)生微小位移來加壓的層疊壓電執(zhí)行器、制造該壓電執(zhí)行器的方法以及具有該壓電執(zhí)行器的噴墨記錄頭。
背景技術(shù)：
采用壓電陶瓷的產(chǎn)品的相關(guān)實(shí)例包括壓電執(zhí)行器、過濾器、壓電諧振器(包括振蕩器)、超聲波振動(dòng)器、超聲馬達(dá)和壓電傳感器。在這些產(chǎn)品中，因?yàn)閴弘妶?zhí)行器對(duì)電信號(hào)具有很高的響應(yīng)速度，大約是10-6秒，所以壓電執(zhí)行器被用作定位半導(dǎo)體制造裝置的XY工作臺(tái)的壓電執(zhí)行器和噴墨打印機(jī)的噴墨記錄頭的壓電執(zhí)行器。
另一方面，隨著噴墨記錄頭的點(diǎn)密度的增加，以高密度排列用于噴墨記錄頭的壓電執(zhí)行器是必需的。因此，建議使用其中獨(dú)立電極以矩陣排列在壓電體的表面上的壓電執(zhí)行器(例如，見JP-A-11-34313)。
圖3A是示出了包括JP-A-11-34313中公開的壓電執(zhí)行器的有關(guān)噴墨記錄頭的平面圖，圖3B是沿圖3A的III-III線的截面圖。如圖中所示，用在噴墨記錄裝置中并采用壓電方法的噴墨記錄頭70具有壓電執(zhí)行器61被布置在液流通路部件53上的結(jié)構(gòu)，在所述液流通路部件53中，形成多個(gè)凹槽作為墨水加壓室53a并且形成隔離壁53b作為隔離墨水加壓室53a的壁。
在壓電執(zhí)行器61中，壓電陶瓷層65和獨(dú)立電極66以這種順序堆疊在振動(dòng)板62上，其中在振動(dòng)板62的上表面上形成有公共電極64。獨(dú)立電極64以多個(gè)的形式排列在壓電陶瓷層65的表面上，因此形成了多個(gè)位移元件67。壓電執(zhí)行器61貼附于液流通路部件53，使得墨水加壓室53a與獨(dú)立電極66相對(duì)應(yīng)。
在噴墨記錄頭70中，墨水加壓室53a中的墨水通過在公共電極64和獨(dú)立電極66上施加驅(qū)動(dòng)電壓并且由此振動(dòng)位移元件67來加壓，從而從在液流通路部件53的下表面開口的墨水噴射孔58中噴射墨水液滴。
另外，通過構(gòu)造噴墨記錄頭70(壓電執(zhí)行器61)，使得獨(dú)立電極66等間距地排列在壓電陶瓷層上以布置多個(gè)位移元件67并獨(dú)立地控制位移元件67，這能夠有助于增加噴墨打印機(jī)的速度和精度。
每一個(gè)獨(dú)立電極66包括對(duì)位移元件67的位移有貢獻(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電極66a和用于施加驅(qū)動(dòng)電壓的連接端(島)66b。用于施加驅(qū)動(dòng)電壓的外部電路板(未示出)通過焊接或者壓接接觸部件的方式被電連接到連接端66b。
因?yàn)檫B接端66b形成在墨水加壓室53a的區(qū)域的外面，所以認(rèn)為壓電執(zhí)行器61具有出色的變形特性。此外，認(rèn)為變形的效率的減少是很小的并且變形量的變化也很小。

發(fā)明內(nèi)容
近來，隨著獨(dú)立電極66的密度的增加，獨(dú)立電極66和外部電路板之間可能出現(xiàn)連接故障。
本發(fā)明的各方面提供了在布置于壓電陶瓷層的表面上的獨(dú)立電極與外部電路板之間具有卓越的連接可靠性的壓電執(zhí)行器，以及制造該壓電執(zhí)行器的方法。
而且，本發(fā)明的各方面提供了獨(dú)立電極能夠以高密度被布置在壓電陶瓷層的表面上的壓電執(zhí)行器，以及制造該壓電執(zhí)行器的方法。
此外，本發(fā)明的各方面提供了具有小尺寸并且能夠高速進(jìn)行打印的噴墨記錄頭。


圖1A是示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的壓電執(zhí)行器的平面圖，圖1B是沿圖1A的I-I線的截面圖；圖2A是示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的噴墨記錄頭的平面圖，圖2B是沿圖2A的II-II線的截面圖；以及圖3A是示出了現(xiàn)有噴墨記錄頭的平面圖，圖3B是沿圖3A的III-III線的截面圖。
具體實(shí)施例方式
<總述>
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)以下問題。也就是，當(dāng)連接端之間的間距相對(duì)較大時(shí)，連接到獨(dú)立電極的連接端的高度變化可以被布置在其上的外部電路板的翹曲所吸收。然而，當(dāng)連接端之間的間距隨著獨(dú)立電極的密度增加而減小時(shí)，使獨(dú)立電極之間的外部電路板足夠的翹曲將會(huì)變得困難。因此，當(dāng)連接端的高度變化很大時(shí)，連接端之間可能產(chǎn)生連接故障。
因此，通過將獨(dú)立電極的連接端之間的最大高度差設(shè)定為預(yù)定值或者更小，連接端和外部電路板之間的連接可靠性會(huì)增強(qiáng)，并且可靠地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立電極的密度增長。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種壓電執(zhí)行器，包括振動(dòng)板；形成在振動(dòng)板上的公共電極；形成在公共電極上的壓電陶瓷層；以及形成在壓電陶瓷層的表面上的多個(gè)獨(dú)立電極，每一個(gè)獨(dú)立電極形成了通過對(duì)獨(dú)立電極施加驅(qū)動(dòng)電壓來產(chǎn)生位移的位移元件，其中每一個(gè)獨(dú)立電極包括位移相應(yīng)位移元件的驅(qū)動(dòng)電極；以及布置在驅(qū)動(dòng)電極的一端的連接端，其中連接端之間的高度的最大差是4μm或者更小。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，多個(gè)獨(dú)立電極以每平方厘米50到200個(gè)的密度排列在壓電陶瓷層的表面上。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，壓電執(zhí)行器還包含形成在連接端和外部電路板之間的連接層，其中連接層包括各向異性導(dǎo)電材料。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，各向異性導(dǎo)電材料包括各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)或各向異性導(dǎo)電膜(ACF)。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，各向異性導(dǎo)電材料中包含的導(dǎo)電顆粒的平均顆粒直徑是20μm或者更小。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，一種制造壓電執(zhí)行器的方法，包括在振動(dòng)板上形成公共電極；在公共電極上形成壓電陶瓷層；在壓電陶瓷層的表面上形成多個(gè)獨(dú)立電極，每個(gè)獨(dú)立電極包含驅(qū)動(dòng)電極和連接端；以及在連接端的表面上執(zhí)行平坦化工藝，使得連接端之間的最大高度差為4μm或者更小。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，平坦化工藝包括切割工藝、使用加壓的整平工藝和拋光工藝中的至少一種。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，該方法還包括在平坦化工藝之后，將外部電路板布置在連接端的表面上，其間插有各向異性導(dǎo)電材料；以及固化各向異性導(dǎo)電材料，以便在連接端和外部電路板之間形成連接層。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，各向異性導(dǎo)電材料包括各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)或各向異性導(dǎo)電膜(ACF)。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，提供一種噴墨記錄頭，包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的壓電執(zhí)行器；以及包含多個(gè)墨水加壓室的液流通路部件，其中壓電執(zhí)行器被貼附在液流通路部件上，使得墨水加壓室和獨(dú)立電極彼此定位，并且其中通過對(duì)壓電執(zhí)行器的獨(dú)立電極施加驅(qū)動(dòng)電壓來改變墨水加壓室的容量。
根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，因?yàn)楠?dú)立電極的連接端之間的高度的最大差是4μm或者更小，所以即使當(dāng)獨(dú)立電極以高密度排列在壓電陶瓷層的表面上時(shí)，減少連接端和外部電路板之間的連接故障和提供具有高連接可靠性與卓越質(zhì)量的壓電執(zhí)行器也是可能的。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面的壓電執(zhí)行器中，在壓電陶瓷層的表面上以高密度來排列獨(dú)立電極并且增強(qiáng)獨(dú)立電極和外部電路板之間的連接可靠性是可能的。因此，具有該壓電執(zhí)行器的根據(jù)本發(fā)明的此方面的噴墨記錄頭可以制得很小，并且能夠以高速執(zhí)行打印。
<壓電執(zhí)行器>
接下來，將參考附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明的一方面的壓電執(zhí)行器進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖1A是示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的壓電執(zhí)行器的平面圖，圖1B是沿圖1A的I-I線的截面圖。如圖所示，根據(jù)該方面的壓電執(zhí)行器1包括振動(dòng)板2、公共電極3、壓電陶瓷層4和獨(dú)立電極5，其中公共電極3、壓電陶瓷層4和獨(dú)立電極5以這種順序堆疊在振動(dòng)板2上。振動(dòng)板2和壓電陶瓷層4是片形部件，并且從平面圖來看具有基本相同的形狀和大小。
公共電極3和獨(dú)立電極5構(gòu)成壓電執(zhí)行器1的電極，并且獨(dú)立電極5以多個(gè)的形式形成在壓電陶瓷層4的表面上。因此，在多個(gè)位移元件6中布置有公共電極3和相應(yīng)的獨(dú)立電極5且其間有壓電陶瓷層4，該多個(gè)位移元件6排列在振動(dòng)板2上。這樣，基于獨(dú)立電極5的位置，在片形壓電執(zhí)行器1中形成了多個(gè)位移元件6。這里，振動(dòng)板2和壓電陶瓷層4兩者都形成為單層，但是也可以形成為多層的層疊體，從而能夠容易地進(jìn)行厚度調(diào)整。根據(jù)壓電執(zhí)行器1所需的位移類型來進(jìn)行位移壓電執(zhí)行器1所需的極化方法。為了使壓電執(zhí)行器1具有像單壓電晶片型執(zhí)行器那樣的功能，插入在公共電極3和獨(dú)立電極5之間的至少部分壓電陶瓷層在各層的堆疊方向上被極化。
每一個(gè)獨(dú)立電極5包括有助于相應(yīng)的位移元件6的位移的驅(qū)動(dòng)電極5a、連接到外部電路板的連接端5b，以及用來使驅(qū)動(dòng)電極5a與連接端5b彼此電連接的連接部分5c。獨(dú)立電極5分別通過連接端5b連接到外部電路板。當(dāng)在電極(公共電極3和獨(dú)立電極5)上施加電壓時(shí)，插入在公共電極3和獨(dú)立電極5之間的被施加了電壓的各部分壓電陶瓷層4會(huì)產(chǎn)生位移。在位移元件6(壓電執(zhí)行器1)中，因?yàn)槠渖隙询B了壓電陶瓷層4的振動(dòng)板2限制了壓電陶瓷層4的位移，(更具體地說，在平面內(nèi)方向(垂直于各層的堆疊方向的方向)上的位移)，所以被施加電壓的各部分位移元件6整體地在堆疊方向上彎曲。這樣，壓電執(zhí)行器1可以用作單壓電晶片型執(zhí)行器。
壓電執(zhí)行器1的高度不被特別限制，但是優(yōu)選地為100μm或者更小。通過設(shè)定小的厚度，可以獲得大的位移，因此用低電壓實(shí)現(xiàn)了高效的驅(qū)動(dòng)操作。具體地，為了充分展示壓電執(zhí)行器1的特性，壓電執(zhí)行器的高度優(yōu)選為80μm或者更小，更優(yōu)選為65μm或者更小，再更加優(yōu)選為50μm或者更小。另一方面，為了賦予壓電執(zhí)行器足夠的機(jī)械強(qiáng)度和防止其操作與工作時(shí)壓電執(zhí)行器的損壞，高度的下限優(yōu)選為3μm，更優(yōu)選為5μm，再更加優(yōu)選為10μm并且再更加優(yōu)選為20μm。
(壓電陶瓷層)壓電陶瓷層4可以用具有壓電特性的陶瓷形成，其實(shí)例包括Bi分層化合物(分層的鈣鈦礦化合物)、鎢青銅化合物、Nb鈣鈦礦化合物(諸如鈮酸鈉等堿金屬鈮酸鹽(alkali niobate)化合物(NAC)，諸如鈮酸鋇(barium niobate)等鈮堿土化合物(NAEC)，等等)、含Pb的鈮酸鉀鉛(potassium lead niobate)(PMN)、鈮酸鎳鉛(nickel leadniobate)(PNN)、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate)(PZT)，以及諸如鈦酸鉛(lead titanate)等含鈣鈦礦化合物的材料。
在上述的化合物中，至少含Pb的鈣鈦礦化合物是特別優(yōu)選的。例如，含Pb的鈮酸鉀鉛(PMN)、鈮酸鎳鉛(PNN)、鋯鈦酸鉛(PZT)，以及諸如鈦酸鉛等含鈣鈦礦化合物的材料是優(yōu)選的。具體地說，含有作為A位組成元素的Pb和含有作為B位組成元素的Zr與Ti的晶體是優(yōu)選的。通過使用這種組合物，獲得了具有高壓電常數(shù)的壓電陶瓷層。鋯鈦酸鉛(PZT)或者鈦酸鉛適合產(chǎn)生大的位移。鈣鈦礦晶體的實(shí)例可以包括PbZrTiO3。
其他氧化物可以混合到壓電陶瓷內(nèi)，并且其他元素可以作為次級(jí)成分來代替A位和/或B位。例如，其可以是添加有Zn、Sb、Ni和Te作為次級(jí)成分的Pb(Zn1/3Sb2/3)O3和Pb(Ni1/2Te1/2)O3的固溶體，只要特性沒有嚴(yán)重受影響。
(振動(dòng)板)振動(dòng)板2的材料優(yōu)選地具有高絕緣特性，更優(yōu)選地可以使用壓電陶瓷，并且再更加優(yōu)選地可以使用與壓電陶瓷層4基本相同的材料。當(dāng)壓電執(zhí)行器1被用在噴墨記錄頭中時(shí)，優(yōu)選地可以使用對(duì)使用的墨水具有諸如抗蝕性和抗水性的抗墨性的材料。因此，在同時(shí)燒結(jié)以制造振動(dòng)板2和壓電陶瓷層4的時(shí)候，壓電執(zhí)行器1中的燒結(jié)收縮可以一致，由此抑制翹曲變形。壓電陶瓷層4和振動(dòng)板2的高度優(yōu)選在5到50μm的范圍內(nèi)，更加優(yōu)選在10到30μm的范圍內(nèi)。
(公共電極)公共電極3的材料沒有特別的限制，只要其是導(dǎo)電的，其實(shí)例包括Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Al和它們的合金。其具體實(shí)例是Ag-Pd合金。公共電極3的高度被設(shè)定為維持其導(dǎo)電性而又不阻止位移，優(yōu)選在0.5到5μm的范圍內(nèi)，更加優(yōu)選在1到4μm的范圍內(nèi)。
(獨(dú)立電極)與上述的公共電極相似，獨(dú)立電極5的驅(qū)動(dòng)電極5a、連接端5b和連接部分5c的材料沒有特別的限制，只要它們具有導(dǎo)電性，其實(shí)例包括Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Al和它們的合金。Au優(yōu)選地用于驅(qū)動(dòng)電極5a，Ag優(yōu)選地用于連接端5b。
驅(qū)動(dòng)電極5a的高度被設(shè)定為維持導(dǎo)電性而又不阻止位移，優(yōu)選在0.1到2μm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在0.1到0.5μm范圍內(nèi)，再更加優(yōu)選在0.1到0.3μm的范圍。連接端5b的高度是5μm或者更高，并且優(yōu)選在5到15μm的范圍內(nèi)，以便增強(qiáng)連接到外部電路板的可靠性。從驅(qū)動(dòng)電極5a和連接端5b之間的連接可靠性的觀點(diǎn)來看，連接部分5c的高度優(yōu)選在1到10μm的范圍內(nèi)。
連接端5b之間的最大高度差是4μm或者更小。最大高度差可以如后面講述的通過使用激光移位系統(tǒng)來測量連接端的高度、從測量的高度中選擇出最大高度和最小高度、然后計(jì)算兩者之間的差來計(jì)算。在此，當(dāng)連接端5b之間的高度差很大(例如，大于4μm)并且被連接到外部電路板時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與連接端之間的高度差相對(duì)應(yīng)的扭曲。這是因?yàn)閴弘妶?zhí)行器1和外部電路板是具有剛性的部件。依據(jù)扭曲的大小，不必要的應(yīng)力作用于鄰近的位移元件6，因此改變了壓電執(zhí)行器1的位移特性或者破壞了外部電路板和連接端5b之間的連接部分。為了避免這樣的問題，理想的情況是所有的連接端5b具有相同的高度，但是高度差最大可以是大約4μm。
根據(jù)上面的結(jié)構(gòu)，獨(dú)立電極5和外部電路板之間的連接可靠性可以增強(qiáng)，由此能夠在壓電陶瓷層4的表面上以高密度排列獨(dú)立電極5。在此，“高密度”指的是獨(dú)立電極5以每平方厘米50到200個(gè)的密度排列在壓電陶瓷層4的表面上。另一方面，當(dāng)最大差大于4μm時(shí)，獨(dú)立電極5和外部電路板之間的連接可靠性會(huì)降低。因此，不能以高密度排列獨(dú)立電極5。
(連接層)連接端5b和外部電路板可以通過使用各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)或者各向異性導(dǎo)電膜(ACF)中的導(dǎo)電顆粒以及焊接工藝來彼此連接。在這一方面，使用ACP或者ACF來結(jié)合是優(yōu)選的，因?yàn)檫@種結(jié)合工藝可以在低溫下實(shí)現(xiàn)，這樣能夠防止因加熱造成的壓電體(壓電陶瓷層4)的特性退化。這里，各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)指的是處在漿料狀態(tài)的各向異性導(dǎo)電樹脂，各向異性導(dǎo)電膜(ACF)指的是處在膜狀態(tài)的各向異性導(dǎo)電樹脂。各向異性導(dǎo)電樹脂指的是在厚度方向上具有高導(dǎo)電性而在平面內(nèi)方向上具有高絕緣特性的樹脂。例如，可以用其中分散有導(dǎo)電顆粒的熱硬化樹脂來舉例，諸如丙烯酸樹脂或者酸酐(anhydride)可固化型、酚類可固化型和胺可固化型的環(huán)氧樹脂。導(dǎo)電顆粒的實(shí)例包括諸如金、銀和鎳的金屬顆粒，或者表面已經(jīng)鍍金的樹脂顆粒。
合成橡膠或者熱硬化樹脂都可以被用作其中分散有導(dǎo)電顆粒的樹脂材料，只要不需要耐熱性。任何樹脂材料都可以用作機(jī)械地固定連接部分的粘合劑。在這一方面，考慮到壓電執(zhí)行器1重新極化時(shí)的加熱，使用具有耐熱性的環(huán)氧樹脂。
當(dāng)連接端5b和外部電路板之間形成了由ACP或ACF組成的連接層時(shí)，具有小顆粒直徑的導(dǎo)電顆粒可以被包含在ACP或ACF中。這是因?yàn)檫B接端5b之間的最大高度差是4μm或者更小，這個(gè)差很小。由于這一點(diǎn)，即使連接端5b的面積隨著密度的增加而減小時(shí)，也可以確保足夠數(shù)量的導(dǎo)電顆粒，因此不會(huì)損害連接的可靠性。具體地，導(dǎo)電顆粒的平均顆粒直徑優(yōu)選在20μm或者更小，更加優(yōu)選在3到20μm的范圍內(nèi)，再更加優(yōu)選在5到15μm的范圍內(nèi)。平均顆粒直徑是通過使用顆粒大小分布測量機(jī)來測量導(dǎo)電顆粒的直徑而獲得的值。
熱硬化樹脂中的導(dǎo)電顆粒的含量優(yōu)選在1到25質(zhì)量百分比的范圍內(nèi)，連接層的高度優(yōu)選在3到20μm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在5到15μm的范圍內(nèi)，各向異性導(dǎo)電膜(ACF)的高度等于連接層的高度。
<制造壓電執(zhí)行器的方法>
下面，將會(huì)講述制造壓電執(zhí)行器的方法。
(第一工序)首先，制備壓電陶瓷原料粉末，這些粉末是壓電陶瓷層4和振動(dòng)板2的材料。壓電陶瓷原料粉末的平均顆粒直徑是1μm或者更小，更優(yōu)選是0.7μm或者更小，再更加優(yōu)選是0.6μm或者更小。通過將壓電陶瓷原料粉末的平均顆粒直徑設(shè)定到1μm或者更小，在燒結(jié)時(shí)可以獲得均勻的燒結(jié)收縮，由此獲得同質(zhì)(homogenous)的壓電陶瓷層4和振動(dòng)板2。壓電陶瓷原料粉末與有機(jī)粘合劑成分混合，由此制備了片材成型漿液(sheet-forming slurry)。接下來，使用片形漿液，利用一般片材成形方法制造必要數(shù)量的陶瓷印刷電路基板(green sheet)，所述方法諸如輥涂(roll coater)方法、狹縫涂布(slit coater)方法以及刮刀(doctor blade)方法。
接下來，按需要對(duì)上述獲得的陶瓷印刷電路基板進(jìn)行加壓。通過對(duì)形成片材后的陶瓷印刷電路基板加壓，能夠增加片材的密度，由此減小了高度和密度的偏差。作為加壓的方法，可以采用已知的方法，但優(yōu)選地采用輥式(roll)加壓方法、平面加壓方法、流體靜力加壓方法，等等，因?yàn)橐子谑垢叨染鶆?。加壓壓力根?jù)材料的組成、有機(jī)粘合劑的量和印刷電路基板的高度而不同，但優(yōu)選在10到100MPa的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在20到50MPa的范圍內(nèi)，再更加優(yōu)選在30到40MPa。當(dāng)通過加壓工藝獲得的印刷電路基板的高度變化是15％或者更小，尤其是10％或者更小時(shí)，可以減小在烘焙工藝(baking process)后形成的壓電陶瓷層4和振動(dòng)板2的高度變化，并且可以防止翹曲變形。
(第二工序)接下來，制備含有舉例用于公共電極的電極材料的公共電極漿料。除了電極材料(Au、Ag，等等)之外，公共電極漿料包括有機(jī)媒介物的成分，諸如乙基纖維素。用于公共電極3的電極漿料通過使用絲網(wǎng)印刷方法被印刷到上面制造的陶瓷印刷電路基板當(dāng)中的將通過燒結(jié)而變成振動(dòng)板2的印刷電路基板的一個(gè)表面上。在該情況中，高度優(yōu)選在1到3μm的范圍內(nèi)，并且高度偏差(最大和最小之間的差)在0.5到1.5μm的范圍內(nèi)。根據(jù)需要，通孔可以形成在印刷電路基板的一部分中，并且通孔導(dǎo)體可以嵌入通孔內(nèi)。
(第三工序)第一工序和第二工序中制造的陶瓷印刷電路基板被層疊并使其彼此緊密接觸，由此制造了層疊體。緊密接觸方法的實(shí)例可以包括使用包括粘合成分的緊密接觸溶液的方法、通過加熱來給印刷電路基板中的有機(jī)粘合劑成分賦予粘性的緊密接觸方法，以及只使用加壓工藝的緊密接觸方法。
(第四工序)在第三工序中獲得的層疊體被脫脂，從而從層疊體中去除有機(jī)成分，然后在900到1200℃的溫度下在氧氣(高濃度)氣氛中燒結(jié)，從而獲得了壓電執(zhí)行器。在第四工序(燒結(jié)工序)中，燒結(jié)工序優(yōu)選在如下狀態(tài)下進(jìn)行，所述狀態(tài)是第三工序中獲得的層疊體以多級(jí)堆疊，其間插入有氧化鋯或者氧化鎂制成的樣品底座，并且在多級(jí)堆疊的層疊體上施加重量。通過采用這樣的方法，可以抑制壓電執(zhí)行器體的翹曲變形，從而提供了具有100μm或者更小的高度的層疊燒結(jié)體形成的壓電執(zhí)行器。
(第五工序)通過使用絲網(wǎng)印刷方法在第四工序中獲得的壓電執(zhí)行器體的表面上印刷驅(qū)動(dòng)電極5a的圖形和連接部分5c的圖形、在500到800℃的溫度下并且更優(yōu)選在650到800℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)工序、以與印刷驅(qū)動(dòng)電極5a的圖形和連接部分5c的圖形相同的方式印刷連接端5b的圖形、然后在500到800℃的溫度下并且更優(yōu)選在650到800℃的溫度下再次進(jìn)行燒結(jié)工序，來形成獨(dú)立電極5。這里，含有舉例用于獨(dú)立電極的電極材料作為主要成分的漿料都可以用作驅(qū)動(dòng)電極5a、連接端5b和連接部分5c的各自的電極漿料。
連接部分5c的圖形可以在印刷連接端5b的圖形的工序中印刷，也可以在印刷驅(qū)動(dòng)電極5a的圖形的工序中印刷。通過多次執(zhí)行連接端5b的圖形的印刷，連接端5b可以具有比驅(qū)動(dòng)電極5a和連接部分5c的高度大的高度。通過在印刷驅(qū)動(dòng)電極5a的圖形和連接部分5c的圖形時(shí)印刷連接端5b的圖形、進(jìn)行燒結(jié)工序、在連接端5b的圖形上再次印刷連接端5b的圖形、然后進(jìn)行燒結(jié)工序，形成的連接端5b可以具有比驅(qū)動(dòng)電極5a和連接部分5c的高度大的高度。在該情況中，印刷的次數(shù)不特別限制，并且用于連接端5b的電極漿料在所有印刷中可以不改變，也可以每次印刷都改變。
(第六工序)接下來，對(duì)第五工序中獲得的連接端5b進(jìn)行平坦化工藝，以便最大高度差是4μm或者更小。只要能使最大高度差為4μm或者更小，不特別限制進(jìn)行平坦化工藝的方法。具體地，在這一方面中，能夠優(yōu)選地使用從使用鉆石鉆頭(bit)的切割工藝、對(duì)板施壓的整平工藝和使用拋光板的拋光工藝中選擇的至少一種來高效保證使最大高度差為4μm或者更小。切割工藝、整平工藝和拋光工藝可以單獨(dú)使用，或者兩個(gè)或者更多組合使用，或者例如，切割工藝和整平工藝可以順序進(jìn)行。
(第七工序)將ACP涂布到或者將ACF貼附到第六工序中經(jīng)過平坦化工藝的連接端5b，外部電路板的連接端相對(duì)于連接端5b被定位，并且在施壓狀態(tài)下增加溫度以固化粘合劑(ACP或者ACF)，由此在連接端5b和外部電路板之間形成了由ACP或者ACF形成的連接層。在此，用于固化粘合劑的溫度優(yōu)選在100到150℃的范圍內(nèi)。結(jié)果是，因?yàn)檫M(jìn)行結(jié)合時(shí)的溫度低于使用焊接的焊接工藝的溫度，防止了由于加熱而造成的壓電體(壓電陶瓷層4)的特性的退化。在第七工序中，起連接層作用的ACP或者ACF被布置在壓電執(zhí)行器體的表面上，但也可以事先布置在外部電路板上。
<噴墨記錄頭>
因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的該方面的壓電執(zhí)行器在襯底(振動(dòng)板)上具有多個(gè)位移元件，該壓電執(zhí)行器可以適合地使用在噴墨記錄裝置的噴墨記錄頭中。在下文中，將會(huì)描述具有根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的壓電執(zhí)行器的噴墨記錄頭，圖2A是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的噴墨記錄頭的平面圖，圖2B是沿圖2A中的II-II線的截面圖。在圖2A和2B中，與上述圖1的元件相等或等價(jià)的元件用相同的參考標(biāo)記表示，并且省略了其描述。
如圖2A和2B所示，在噴墨記錄頭20中，上面講到的壓電執(zhí)行器1被結(jié)合到液流通路部件16上，在液流通路部件16中，形成有多個(gè)墨水加壓室16a，并且形成有隔離壁16b，作為用于隔離墨水加壓室16a的壁。振動(dòng)板2構(gòu)成墨水加壓室16a的壁的一部分。形成在液流通路部件16a中的公共墨水通路(未示出)連接到具有上述構(gòu)造的墨水加壓室16a，可以從公共墨水通路分布和提供外部墨水。
使用軋輥(rolling)方法來獲得液流通路部件16，并且通過刻蝕方法加工墨水噴射孔18和墨水加壓室16a并形成預(yù)定形狀。液流通路部件16優(yōu)選地由Fe-Cr合金、Fe-Ni合金以及Wc-Ti合金構(gòu)成的組中選擇的至少一種來形成，更加優(yōu)選地由對(duì)墨水具有極好的抗蝕性的材料形成，再更加優(yōu)選地由Fe-Cr合金形成。
液流通路部件16和壓電執(zhí)行器1可以堆疊并且可以例如通過其間的連接層彼此結(jié)合，從而使振動(dòng)板2與墨水加壓室16a的空間接觸。更具體地，獨(dú)立電極5的驅(qū)動(dòng)電極5a分別與墨水加壓室16a對(duì)應(yīng)，并且連接端5b位于墨水加壓室16a的區(qū)域之外。
可以采用各種已知的連接層作為連接層，還有從由環(huán)氧樹脂、酚樹脂(phenol resin)和聚苯醚(polyphenylene ether)樹脂構(gòu)成的組中選擇的熱硬化樹脂中的至少一種粘合劑，這種粘合劑不會(huì)因?yàn)榧訜岫绊憠弘妶?zhí)行器1或者液流通路部件16，并且具有100到150℃的熱硬化溫度。通過加熱連接層到熱硬化溫度，壓電執(zhí)行器1和液流通路部件16可以被加熱并且彼此結(jié)合。其結(jié)果是，能夠獲得噴墨記錄頭20。這里，因?yàn)閴弘妶?zhí)行器1被固定到用于隔離墨水加壓室16a的液流通路部件16的隔離壁，所以在由于施加電壓而振動(dòng)時(shí)，整個(gè)位移元件6翹曲，從而改變墨水加壓室的容量。
噴墨記錄頭20的連接端5b和用于施加驅(qū)動(dòng)電壓的外部電路板30通過各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)31來彼此電連接。當(dāng)從外部電路板30在公共電極3和預(yù)定的獨(dú)立電極5上施加電壓時(shí)，處于被施加電壓的獨(dú)立電極5的正下方的壓電陶瓷層4產(chǎn)生位移，并且墨水加壓室16a中的墨水被加壓，從而可以從墨水噴射孔18中噴射墨水液滴。噴墨記錄頭20能夠以高精確度高速地噴射墨水液滴，因而適合高速打印工作。
盡管至此已經(jīng)描述了本發(fā)明的各個(gè)方面，但是本發(fā)明不局限在這些方面，而是在不偏離本發(fā)明的主旨的情況下可以包括變化和修改。例如，盡管在這些方面中已經(jīng)描述了每一個(gè)連接端5b被布置在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電極5a的一端，其間具有相應(yīng)的連接部分5c，但是發(fā)明不局限于此，連接端5b也可以直接電連接到驅(qū)動(dòng)電極5a。
接下來，將會(huì)參照實(shí)例來更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的各個(gè)方面，但是本發(fā)明不局限于這些實(shí)例。
<制造噴墨記錄頭>
首先，制造具有如圖1所示結(jié)構(gòu)的壓電執(zhí)行器。也就是，通過將具有平均顆粒直徑為0.5μm的PbZrTiO3粉末與粘合劑和有機(jī)溶劑混合來制備片材成型漿液，然后使用獲得的漿液，通過使用輥涂方法來制備具有15μm高度的印刷電路基板(用于壓電陶瓷層4和振動(dòng)板2)。
另一方面，Ag-Pd粉末以質(zhì)量比為Ag∶Pd＝7∶3的混合比混合，并且有機(jī)粘合劑和溶劑以預(yù)定量混合，從而獲得了公共電極漿料。
接下來，其上被涂布有獲得的公共電極漿料的印刷電路基板和其上沒有被涂布獲得的公共電極漿料的印刷電路基板被層疊并且使其彼此緊密接觸，從而形成了母層疊體。然后，母層疊體被切割以形成層疊體，并且該層疊體在氧氣氣氛、1000℃的溫度下燒結(jié)兩個(gè)小時(shí)，從而形成了壓電執(zhí)行器體。
接下來，包含Au作為主要成分的電極漿料通過使用絲網(wǎng)印刷方法被印刷到壓電執(zhí)行器體的一個(gè)表面上，然后在750℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)工序，從而形成了驅(qū)動(dòng)電極5a、連接端5b和連接部分的圖形。包含Ag作為主要成分的電極漿料通過使用絲網(wǎng)印刷方法被印刷到連接端5b的圖形上，然后在600℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)工序，從而形成了將會(huì)成為連接到外部電路板的連接端的連接端5b。其結(jié)果是，連接端5b的高度大于驅(qū)動(dòng)電極5a和連接部分5c的高度。獨(dú)立電極5以每平方厘米150個(gè)的密度排列在壓電陶瓷層4的表面上。
通過旋轉(zhuǎn)安裝在輪上的鉆石鉆頭，獲得的連接端5b的表面進(jìn)行切割工藝，以得到如表1所示的最大高度差，然后進(jìn)行平坦化工藝。用環(huán)氧粘合劑將壓電執(zhí)行器體結(jié)合到液流通路部件16，然后，使用含有具有8μm的平均顆粒直徑的導(dǎo)電顆粒的導(dǎo)電粘合劑(各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP))使連接端(島)和外部電路板彼此結(jié)合，從而制造了如圖2中所示的噴墨記錄頭(表1中的樣品號(hào)1到5)。
表1中的“最大值”指的是已經(jīng)經(jīng)過平坦化工藝的連接端的最大高度，“最小值”指的是已經(jīng)經(jīng)過平坦化工藝的連接端的最小高度，“最大高度差”指的是最大值與最小值之差。最大值和最小值是使用激光位移系統(tǒng)測量經(jīng)過平坦化工藝的連接端而獲得的值。
<噴墨記錄頭的評(píng)估>
在獲得的噴墨記錄頭(表1中的樣品號(hào)1到5)中，獨(dú)立電極和外部電路板之間的連接可靠性通過溫度循環(huán)測試來進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估方法將會(huì)在下面描述，并且評(píng)估結(jié)果在表1中顯示。
(溫度循環(huán)測試的評(píng)估方法)樣品被放置在0℃下30分鐘和60℃下30分鐘。循環(huán)的次數(shù)設(shè)定為100次。測量在100次循環(huán)后與獨(dú)立電極相對(duì)應(yīng)的壓電體的容量值并且測量連接故障的數(shù)目。對(duì)獨(dú)立電極和外部電路板之間的20個(gè)連接部分進(jìn)行評(píng)估。
表1

標(biāo)記*表示比較實(shí)例。
從表1中可以清晰地看到，連接故障沒有出現(xiàn)在溫度循環(huán)測試后的樣品號(hào)1到3(它們的最大高度差是4μm或者更小)中。從該結(jié)果可以看到，獲得了獨(dú)立電極和外部電路板之間具有極好連接可靠性的壓電執(zhí)行器。相反的，溫度循環(huán)測試后，連接故障出現(xiàn)在樣品號(hào)4和5中，在這些樣品中連接端(島)的最大高度差為5μm或者更大。
權(quán)利要求
1.一種壓電執(zhí)行器，包括振動(dòng)板；形成在振動(dòng)板上的公共電極；形成在公共電極上的壓電陶瓷層；以及形成在壓電陶瓷層的表面上的多個(gè)獨(dú)立電極，每一個(gè)獨(dú)立電極形成一位移元件，通過對(duì)獨(dú)立電極施加驅(qū)動(dòng)電壓來使該位移元件位移，其中每一個(gè)獨(dú)立電極包括位移相應(yīng)的位移元件的驅(qū)動(dòng)電極；以及布置在驅(qū)動(dòng)電極的一端的連接端；并且其中連接端之間的最大高度差為4μm或者更小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電執(zhí)行器，其中多個(gè)獨(dú)立電極以每平方厘米50到200個(gè)的密度排列在壓電陶瓷層的表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的壓電執(zhí)行器，還包括連接端和外部電路板之間的連接層，其中連接層包括各向異性導(dǎo)電材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的壓電執(zhí)行器，其中各向異性導(dǎo)電材料包括各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)或各向異性導(dǎo)電膜(ACF)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的壓電執(zhí)行器，其中各向異性導(dǎo)電材料中包含的導(dǎo)電顆粒的平均顆粒直徑為20μm或者更小。
6.一種制造壓電執(zhí)行器的方法，包括在振動(dòng)板上形成公共電極；在公共電極上形成壓電陶瓷層；在壓電陶瓷層的表面上形成多個(gè)獨(dú)立電極，每一個(gè)獨(dú)立電極包括驅(qū)動(dòng)電極和連接端；以及在連接端的表面上進(jìn)行平坦化工藝，以便使連接端之間的最大高度差為4μm或者更小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中平坦化工藝包括切割工藝、使用加壓的整平工藝和拋光工藝中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，還包括在平坦化工藝之后，將外部電路板布置在連接端的表面上，其間插有各向異性導(dǎo)電材料；以及固化各向異性導(dǎo)電材料，以便在連接端和外部電路板之間形成連接層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中各向異性導(dǎo)電材料包括各向異性導(dǎo)電樹脂漿料(ACP)或各向異性導(dǎo)電膜(ACF)。
10.一種噴墨記錄頭，包括壓電執(zhí)行器，其包括振動(dòng)板；形成在振動(dòng)板上的公共電極；形成在公共電極上的壓電陶瓷層；以及形成在壓電陶瓷層的表面上的多個(gè)獨(dú)立電極，每一個(gè)獨(dú)立電極形成一位移元件，通過對(duì)獨(dú)立電極施加驅(qū)動(dòng)電壓來使該位移元件位移，每一個(gè)獨(dú)立電極包括位移相應(yīng)的位移元件的驅(qū)動(dòng)電極和布置在驅(qū)動(dòng)電極的一端的連接端，其中連接端之間的最大高度差為4μm或者更?。灰约鞍ǘ鄠€(gè)墨水加壓室的液流通路部件，其中壓電執(zhí)行器被貼附在液流通路部件上，使得墨水加壓室和獨(dú)立電極彼此定位，并且其中通過對(duì)壓電執(zhí)行器的獨(dú)立電極施加驅(qū)動(dòng)電壓來改變墨水加壓室的容量。
全文摘要
一種壓電執(zhí)行器，其包括多個(gè)獨(dú)立電極，每一個(gè)獨(dú)立電極包括驅(qū)動(dòng)電極和布置在驅(qū)動(dòng)電極的一端的連接端。連接端之間的最大高度差為4μm或者更小。
文檔編號(hào)B41J2/045GK1941446SQ200610159599
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者渡邊英年, 山本隆行 申請(qǐng)人:兄弟工業(yè)株式會(huì)社