JP5001534B2 - 圧電アクチュエータおよび吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータおよび吐出装置に関し、より詳しくは、例えば燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、およびＡＥセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータおよび吐出装置に関する。

従来から、圧電性セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。これらの中で、圧電アクチュエータは電気信号に対する応答速度が１０^-6秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用圧電アクチュエータや、圧電方式を利用したインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。

圧電方式を利用したインクジェットプリンタに用いられる印刷ヘッドは、例えば図３示すように、複数のインク流路１０１が並設され、各インク流路１０１を仕切る壁として隔壁１０２を形成した流路部材１０３上に圧電アクチュエータ１０４が設けられた構造を有する（特許文献１参照）。

圧電アクチュエータ１０４は、上面にコモン電極１１０が設けられた圧電振動板１０５上に、圧電セラミックス層１０６および駆動電極１０７がこの順に積層され、駆動電極１０７が圧電セラミックス層１０６の表面に複数配列されることにより、複数の変位素子１０８が形成されたものである。この圧電アクチュエータ１０４は、流路部材１０３上に、インク流路１０１と駆動電極１０７との位置を揃えて取り付けられている。

上記のような印刷ヘッドは、コモン電極１１０と所定の駆動電極１０７との間に電圧を印加して該駆動電極１０７直下の圧電セラミックス層１０６を変位させることにより、インク流路１０１内のインクを加圧して、流路部材１０３の底面に開口したインク吐出口１０９よりインク滴を吐出する。

ところで、圧電アクチュエータ１０４は、圧電活性部（変位素子１０８）と圧電非活性部（変位素子１０８を除く部位）とが同一平面（圧電振動板１０５）上に設けられた構成となっている。このような圧電アクチュエータ１０４を高変位量で駆動させるためには、圧電セラミックスの抗電界を越えた高い駆動電圧を印可し、９０°ドメイン反転に伴う非線形変位を伴う必要がある。
しかしながら、圧電セラミックスの抗電界を超えた高い駆動電圧で長時間にわたって駆動し続けると、変位量の低下が生じるという問題がある。

上記問題を解決する方法として、特許文献２には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のＰｂサイトの一部にＬａを置換し、Ｔｉ・ＺｒサイトにＮｂ、Ｔａ、Ｓｂのうちの少なくとも一種を置換してＰＺＴをソフト化して変位量を大きくし、かつ酸化クロムを添加して耐久性を向上させた圧電磁器組成物が記載されている。

しかしながら、この文献に記載されているような圧電磁器組成物を用いたとしても、圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータの場合には、繰り返し駆動させると、変位が劣化するおそれがある。
特開平１１−３１３２１号公報 特開平１０−７４６０号公報

本発明の課題は、繰り返し駆動による変位劣化を抑制し、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータおよび吐出装置を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、圧電セラミックスに抗電界を超えた高い駆動電圧を印可すると、主に１８０°ドメイン反転に伴う線形変位と、９０°ドメイン反転に伴う非線形変位が発生することが知られているが、このうち９０°ドメイン反転に伴う非線形変位においては、元々電圧に対する応答性が悪いことに加え、上記のような圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータに、圧電セラミックスの抗電界を超えた高い駆動電圧を印可すると、圧電活性部の圧電振動が該圧電活性部周囲の非活性部により拘束され、さらに、圧電活性部直下の非活性層（圧電振動板）にも拘束されるので、電圧に対する応答性が著しく低下する。そして、この応答性の低下に起因して、連続した電圧印加によって電荷の蓄積が生じ、その結果、圧電セラミックスの圧電活性部の結晶配向が変化したまま戻らなくなり、変位量が徐々に低下するという新たな耐久劣化メカニズムを見出した。

また、圧電活性部に厚み方向に電圧を印可すると、圧電活性部が面方向に縮み、厚み方向に伸びる振動をする。このとき、圧電振動板の圧電活性部に面する部分と、同一面内の圧電活性部周囲の非活性部に振動が拘束されることになる。これは、振動の拘束は９０°ドメイン（格子が横方向から縦方向へ変化）の動きの拘束であり、電荷の動き（電界に対する応答性）を鈍くする事につながる。電荷の動き（電界に対する応答性）をよくするには、拘束力を小さく必要があり、振動板自体を柔らかく（振動板の弾性コンプライアンスＳ₁）すれば拘束力が小さくなるという知見を見出した。

そこで、圧電振動板と圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスを所定の関係にすることで、繰り返し駆動による変位劣化を抑制することに成功し、圧電アクチュエータの駆動耐久性を向上することが可能となった。

すなわち、本発明の圧電アクチュエータおよび吐出装置は、以下の構成からなる。
（１）圧電振動板上に、コモン電極、圧電セラミックス層および駆動電極がこの順に積層されており、前記駆動電極は前記圧電セラミックス層の表面に複数配列されていて、この駆動電極と前記コモン電極とで前記圧電セラミックス層を挟持することで構成されている複数の変位素子を、前記コモン電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加することで変位させる圧電アクチュエータであって、前記圧電振動板の弾性コンプライアンスＳ₁が、前記圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスＳ₂よりも大きく、且つＳ ₁ が１．３５×１０ ^-11 〜１．５１×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎであり、Ｓ ₂ が１．３１×１０ ^-11 〜１．４７×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）Ｓ ₁／Ｓ₂が、１．０３以上である前記（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記圧電振動板および前記圧電セラミックス層の主成分が同一であり、前記圧電振動板の気孔率が２〜９％であり、前記圧電セラミックス層の気孔率が２％以下である前記（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４）前記圧電振動板および前記圧電セラミックス層がチタン酸ジルコン酸鉛であり、前記圧電振動板の格子定数比をｃ₁／ａ₁、前記圧電セラミックス層の格子定数比をｃ₂／ａ₂としたときに、ｃ₂／ａ₂が１．０１０〜１．０１６であり、且つｃ₁／ａ₁の値よりも大きい前記（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
（５）前記変位素子を、前記圧電セラミックス層の抗電界に対して１．０〜１．５倍の駆動電圧で変位させる前記（１）〜（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
（６）前記（１）〜（５）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする吐出装置。
（７）印刷ヘッドに用いる前記（６）記載の吐出装置。

本発明によれば、圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータにおいて、圧電振動板の弾性コンプライアンスＳ₁が、圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスＳ₂よりも大きいので、上記した圧電活性部の圧電振動の拘束が低減され、電圧印加による９０°ドメイン反転の応答性を向上させることができ、連続した電圧印加による電荷の蓄積が抑制されるので、繰り返し駆動による変位劣化が抑制され、駆動耐久性および長期信頼性に優れた圧電アクチュエータおよび印刷ヘッドに好適な吐出装置が得られるという効果がある。しかも、変位に寄与する９０°ドメイン反転量を多くすることができるので、上記（５）記載のように、駆動電圧を小さく設定しても、大きな変位量を示すことができる。また、振動板を高弾性にしておくことは、振動板として撓みやすくなるという効果が得られる。

上記（３）記載によれば、前記圧電振動板の気孔率が３〜８％であるので、圧電活性部の圧電振動の拘束を低減し、十分な弾性体として機能すると共に、圧電振動板としての強度を確保することができる。また、前記圧電セラミックス層の気孔率を２％以下とすることによって、大きな変位量を得るための圧電材料の圧電定数を保持することができる。しかも、圧電振動板と圧電セラミックス層に略同一の圧電材料組成を用いることができる。上記（４）記載によれば、略同一の圧電材料組成を用いることが可能となり、例えばＺｒ、Ｔｉの組成比を変えること等によって、格子定数比を上記の範囲に設定することができるので、簡単にドメイン反転の応答性を向上することができる。

＜圧電アクチュエータ＞
以下、本発明の圧電アクチュエータの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、圧電振動板２、コモン電極３、圧電セラミックス層４および駆動電極５で構成されており、圧電振動板２上に、コモン電極３、圧電セラミックス層４および駆動電極５をこの順に積層したものである。

コモン電極３および駆動電極５は、圧電アクチュエータ１の電極を構成するものであり、駆動電極５は、圧電セラミックス層４の表面に、それぞれ独立した状態で複数形成されている。これにより、コモン電極３および駆動電極５で圧電セラミックス層４を挟持して構成される変位素子６が、圧電振動板２上に複数配列される。

上記のような圧電アクチュエータ１は、圧電活性部（変位素子６）と圧電非活性部（変位素子６を構成しない部分のコモン電極３および圧電セラミックス層４）とが同一平面（圧電振動板２）上に設けられた構成であり、駆動電極５にリード線を接続し、該リード線を外部電源と電気的に接続し、コモン電極３および駆動電極５の間に駆動電圧を印加することにより変位素子６が変位する。

圧電アクチュエータ１の高さは、特に限定されるものではないが、好ましくは１００μｍ以下であるのがよい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、圧電アクチュエータ１としての特性を十分に発揮できる点で、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。一方、高さの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止するため、３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは２０μｍであるのがよい。また、圧電振動板２および圧電セラミックス層４の高さは５〜５０μｍ程度、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。

圧電振動板２としては、絶縁性の高いものであればよいが、好ましくは圧電セラミックスからなる圧電セラミックス層で構成されるのがよく、より好ましくは、圧電活性部および非活性部を備える圧電セラミックス層４と主成分が略同一の材料からなるのがよい。該主成分としてはＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含むことが、高い変位を得るために好ましい。

本発明における圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、例えばＢｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。

即ち、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、且つ、Ｂサイト構成元素としてＺｒ及び／又はＴｉを含有する結晶であり、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いｄ定数を有する安定な圧電焼結体を得るために好ましい。

また、上記圧電セラミックスが、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１）を得ることができ、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃及びＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃とを固溶してなるものを例示できる。

特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては、特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが特に耐応力性が高く、大きな変位を得るのに有効である。

上記のような圧電セラミックスとしては、例えば、Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋αｗｔ％Ｐｂ_1/2ＮｂＯ₃（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で表されものが挙げられる。

本発明にかかる圧電振動板２の弾性コンプライアンスＳ₁は、圧電セラミックス層４の弾性コンプライアンスＳ₂よりも大きい。これにより、圧電活性部と圧電非活性部とが同一平面上に設けられた構成の圧電アクチュエータであっても、圧電活性部の圧電振動の拘束が低減され、電圧印加による９０°ドメイン反転の応答性が向上し、連続した電圧印加による電荷の蓄積が抑制され、繰り返し駆動による変位劣化が抑制される。具体的には、例えば圧電セラミックス層４の弾性コンプライアンスＳ₂に対する圧電振動板２の弾性コンプライアンスＳ₁の比Ｓ₁／Ｓ₂が１．０３以上、好ましくは１．０３〜１．１６、より好ましくは１．１０〜１．１６であるのがよい。

また、圧電振動板２の弾性コンプライアンスＳ₁は１．３５×１０ ^-11 〜１．５１×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎ、好ましくは１．３５×１０ ^-11 〜１．４０×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎであり、圧電セラミックス層４の弾性コンプライアンスＳ₂は１．３１×１０ ^-11 〜１．４７×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎ、好ましくは１．３１×１０ ^-11 〜１．３８×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎであるのがよく、これらの範囲内で弾性コンプライアンスＳ₁，Ｓ₂を上記の関係にすればよい。本発明における前記弾性コンプライアンスとは、圧電セラミックスの柔らかさを意味するものであり、インピーダンスゲインフェーズアナライザーで測定される共振周波数と圧電セラミックスの体積、重量から得られる密度とから算出される値である。

弾性コンプライアンスＳ₁，Ｓ₂を所定の関係にした本発明にかかる圧電アクチュエータ１は、変位に寄与する９０°ドメイン反転量を多くすることができるので、駆動電圧を小さく設定しても、大きな変位量を示すことができる。具体的には、例えば圧電アクチュエータ１にかかる変位素子６は、変位素子６の抗電界に対して１．０〜１．５倍、好ましくは１．０〜１．２倍の駆動電圧で、所定の変位量で変位することができる。

ここで、圧電振動板２と圧電セラミックス層４の主成分が略同一の材料からなる場合において、圧電振動板２の弾性コンプライアンスＳ₁を圧電セラミックス層４の弾性コンプライアンスＳ₂より大きくするには、例えば圧電振動板２と圧電セラミックス層４の気孔率を所定の値にすればよい。

具体的には、圧電振動板２の気孔率が２〜９％、好ましくは３〜８％であり、圧電セラミックス層４の気孔率が２％以下であるのがよい。これにより、圧電振動板２と圧電セラミックス層４の主成分が略同一の材料からなる場合であっても、弾性コンプライアンスＳ₁，Ｓ₂を上記の関係にすることができる。また、簡単に上記比Ｓ₁／Ｓ₂を１．０３以上とすることができ、圧電活性部の圧電振動の拘束を低減し、十分な弾性体として機能する圧電振動板２を得ることができる。なお、圧電振動板２の気孔率の上限値を９％とするのは、振動板としての曲げ強度を確保するためである。

圧電振動板２の気孔率を２〜９％とするには、圧電セラミックスの一次原料混合粉末を仮焼合成する際に、焼成温度の約９４〜９７％以上（対焼成温度比０．９４〜０．９７以上）の温度で仮焼合成を行えばよく、圧電セラミックス層４の気孔率を２％以下にするには、焼成温度の約８５〜９３％（対焼成温度比０．８５〜０．９３）の温度で仮焼合成を行えばよい。このように、仮焼合成温度を変えることによって、焼結性を変えることができ、その結果、簡単に気孔率を変えることができる。なお、本発明における仮焼温度の設定は、これに限るものではなく、圧電セラミックスの組成、原料粒径等によって当然変わり得るものである。

前記気孔率は、圧電振動板２，圧電セラミックス層４を切断し、その断面に鏡面加工を施し、倍率２０００倍の断面鏡面画像から画像処理によって気孔面積を算出して得られる値である。

また、圧電振動板２と圧電セラミックス層４の主成分が略同一の材料からなる場合において、弾性コンプライアンスＳ₁，Ｓ₂を上記した所定の関係にするには、上記した気孔率に代えて、例えば圧電振動板２と圧電セラミックス層４の格子定数比を所定の値および関係にすればよい。

具体的には、圧電セラミックス層４の格子定数比ｃ₂／ａ₂が１．０１０〜１．０１６であり、かつ圧電振動板２の格子定数比ｃ₁／ａ₁の値よりも大きいのが好ましい。各格子定数比を、このような値および関係にすることで、弾性コンプライアンスＳ₁，Ｓ₂を上記の関係にすることができる。なお、前記格子定数比は、同じ圧電材料組成をもちいた場合には、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）組成中のＺｒとＴｉの比を変えることによって、簡単に前記格子定数比にすることができ、それぞれの圧電セラミックス層に対応する組成比を選択することによって得られる。

ここで、圧電振動板２の格子定数比ｃ₁／ａ₁の値は１．００８〜１．０１３、好ましくは１．００８〜１．０１０であるのがよい。また、格子定数比ｃ₁／ａ₁およびｃ₂／ａ₂は、圧電振動板２および圧電セラミックス層４のそれぞれをＸＲＤ（Ｘ線回折法）測定から得られたピークチャートよりａ軸配向を示す（２００）配向面の面間隔［ｄ（２００）］と、ｃ軸配向を示す（００２）配向面の面間隔［ｄ（００２）］を導出し、その比率［ｄ（００２）］／［ｄ（２００）］から算出される値である。

コモン電極３としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｎｉの単独又はこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金を用いることができ、合金としては、例えばＡｇ−Ｐｄ合金等が例示できる。また、コモン電極３の高さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に０．５〜５μｍ程度、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。

駆動電極５としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、上記コモン電極３で例示したものと同じものが挙げられる。また、駆動電極５の高さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、例えば０．１〜２μｍ程度、好ましくは０．１〜１．０μｍ、より好ましくは０．１〜０．５μｍであるのがよい。

＜圧電アクチュエータの製造方法＞
次に、本発明の圧電アクチュエータの製造方法について説明する。
（第１の工程）
まず、原料として、例えばＰｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋αｗｔ％Ｐｂ_1/2ＮｂＯ₃（０≦x≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で示される組成になるように一次原料を秤量し、ボールミルにて混合粉砕を行い、一次原料混合粉末を調製する。ここで、平均粒子径は１μｍ以下、より望ましくは０．７μｍ以下としておくと、一次原料がより均一に混合される上で好ましい。

次に、上記で調製した一次原料混合粉末を、所定の仮焼温度で仮焼合成し、ついで、ボールミルにて粉砕して複数の所定の仮焼粉末を調製する。仮焼粉末の平均粒子径は、上記一次原料混合粉末と同様に１μｍ以下、より望ましくは平均粒子径０．７μｍ以下であるのがよい。

ここで、上述の通り、仮焼温度を変えることにより、一次原料混合粉末から複数の所定の仮焼粉末を得ることができる。また、上記式中のａ，ｂ，ｃを調整して組成を変更した複数の一次原料混合粉末を用意し、これら複数の一次原料混合粉末を、それぞれ所定の仮焼温度で仮焼合成し、ボールミルにて粉砕して複数の仮焼粉末を調製てもよい。

（第２の工程）
上記で調製した各仮焼粉末と有機バインダ成分を混合し、シート成形用のスラリーを調製する。ついで、この成形用スラリーを用いてロールコータ法、スリットコータ法、ドクターブレード法等の一般的なシート成形法によりテープ状の各グリーンシートを必要枚数作製する。なお、前記グリーンシートは、圧電セラミックス層となり得るグリーンシートと、圧電振動板となり得るグリーンシートに分けて用いられる。

（第３の工程）
次に、上記コモン電極で例示した電極材料を含有するコモン電極ペーストを作製する。このコモン電極ペーストには、電極材料（Ａｕ、Ａｇなど）の他、エチルセルロースなどの有機ビヒクルなどの成分が含まれる。そして、上記で作製したグリーンシートのうち、焼成により圧電振動板となるグリーンシートの一方の表面に、コモン電極ペーストをスクリーン印刷等の方法で印刷する。

（第４の工程）
第２の工程および第３の工程で作製したグリーンシートを積層し、密着させて積層体を作製する。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液使用による方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧だけで密着させる方法等が例示できる。

（第５の工程）
第４の工程で得られた積層体を１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを４００℃程度で脱バインダーを行い、ついで、（高濃度）酸素雰囲気中において、９００〜１１００℃において焼成して圧電アクチュエータ本体を得る。

（第６の工程）
第５の工程で得られた圧電アクチュエータ本体の表面に、駆動電極パターンをスクリーン印刷等の方法で印刷し、５００〜８００℃、好ましくは６５０〜８００℃で焼き付け処理を行うことにより、個別電極が形成される。そして、圧電セラミックス層を分極して積層圧電体である圧電アクチュエータが得られる。

＜吐出装置・印刷ヘッド＞
本発明の圧電アクチュエータは駆動耐久性に優れていると共に、一基板（振動板）上に複数の変位素子を備えているので、該圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなる吐出装置に好適に用いることができる。このような吐出装置としては、例えばインクジェット方式を利用した記録装置に用いられる印刷ヘッド等が挙げられる。以下、本発明の圧電アクチュエータを備えた印刷ヘッドの一実施形態について説明する。

図２（ａ）は、本実施形態の印刷ヘッド示す概略断面図であり、図２（ｂ）は、その平面図である。なお、図２（ａ），（ｂ）においては、前述した図１の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、インクジェット用の印刷ヘッド２０は、複数のインク加圧室１３ａが並設され、各インク加圧室１３ａを仕切る壁として隔壁１３ｂを形成した流路部材１３上に上記で説明した圧電アクチュエータ１が接合されている。

流路部材１３は圧延法等により得られ、インク吐出孔１８およびインク加圧室１３ａはエッチングにより所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材１３は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましく、特に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く、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

流路部材１３と圧電アクチュエータ１との接合は、圧電振動板２がインク流路１３ａの空間と当接するように接着剤等を用いて行い、より具体的には、変位素子６の各駆動電極５と、各インク流路１３ａとが対応するように接合される。

すなわち、このインクジェット用の印刷ヘッド２０は、圧電振動板２上に、コモン電極３、圧電セラミックス層４および駆動電極５がこの順に積層され、圧電アクチュエータ１をインク流路１３ａの直上に駆動電極５が配置されるように流路部材１３に接着したものである。

そして、外部の駆動回路によりコモン電極３と所定の駆動電極５との間に電圧が印加されると、電圧が印加された駆動電極５直下の圧電セラミックス層４が変位して、インク加圧室１３ａ内のインクが加圧され、インク吐出孔１８よりインク滴が吐出される。

このような印刷ヘッド２０のアクチュエータとして、本発明の積層圧電体である圧電アクチュエータを用いることによって、安価なＩＣを用いて印刷ヘッドを実現することができる。この印刷ヘッドは変位特性に優れるので、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、その結果、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば上記の印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成することができる。

なお、上記で説明した実施形態では、気孔率と格子定数比をそれぞれ別々に適用し、圧電振動板２の弾性コンプライアンスＳ₁が、圧電セラミックス層４の弾性コンプライアンスＳ₂よりも大きい関係とする場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、気孔率と格子定数比を組み合わせて、弾性コンプライアンスＳ₁，Ｓ₂を所定の関係にしてもよい。

また、圧電振動板２と圧電セラミックス層４の主成分が略同一の材料からなる場合において、気孔率や格子定数比を所定の値や関係とする場合について説明したが、圧電振動板２と圧電セラミックス層４の主成分が異なる場合であっても、特に制限されることなく、気孔率や格子定数比を上記した所定の値や関係にしてもよい。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例］
＜圧電アクチュエータの作成＞
まず、原料として表１に示す原料組成で純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含有する圧電セラミックス粉末（一次原料混合粉末）を準備した。そして、準備したセラミックス粉末を表１に示す仮焼温度で仮焼合成し、各仮焼粉末を調製した。

上記で調製した各仮焼粉末を用いて、グリーンシート（圧電セラミックス層用および圧電振動板用）を作製した。すなわち、各仮焼粉末に、水系バインダーとしてポリブチルメタクリレート、分散剤にポリカルボン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロピルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクターブレード法によりキャリアフィルム上に塗布して、厚さ３０μｍのシート形状にて各グリーンシートをそれぞれ作製した（表１中のＮｏ．Ａ〜Ｉ）。

ついで、上記で作製した各グリーンシートを表２に示す組み合わせで用いた。すなわち、コモン電極ペーストを、圧電振動板用のグリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、コモン電極を形成した。更に、コモン電極が印刷された面を上向きにして圧電振動板用グリーンシートの上に圧電セラミックス層用グリーンシートを積層し、加圧プレスして積層体を得た。

この積層体を脱脂処理した後に、９８０℃、酸素９９％以上の雰囲気中で４時間保持して焼結し、圧電アクチュエータ本体を作製した。ついで、このアクチュエータ本体の表面の片側に駆動電極を形成した。駆動電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布した。これを６００〜８００℃で大気中で焼付けて形成した。最後に、該駆動電極にリード線を半田で接続し、図１に示すような形状の圧電素子である圧電アクチュエータを作製した（表２の試料Ｎｏ．１〜２７）。なお、表２中の「Ｓ₁／Ｓ₂」は、圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスＳ₂に対する圧電振動板の弾性コンプライアンスＳ₁の比Ｓ₁／Ｓ₂を示している。

表１中のＮｏ．Ａ〜Ｉの焼結体の格子定数比ｃ／ａ、気孔率および弾性コンプライアンスは以下の方法で測定した。その測定結果を表１に示す。
（格子定数比ｃ／ａ）
格子定数比ｃ／ａは、ＸＲＤ（Ｘ線回折法）測定から得られたピークチャートよりａ軸配向を示す（２００）配向面の面間隔［ｄ（２００）］と、ｃ軸配向を示す（００２）配向面の面間隔［ｄ（００２）］を導出し、その比率［ｄ（００２）］／［ｄ（２００）］から求めた。

（気孔率）
気孔率は、各焼結体を切断し、その断面に鏡面加工を施し、倍率２０００倍の断面鏡面画像から画像処理によって得られた気孔面積を視野面積に対する百分比率で示したものである。

（弾性コンプライアンス）
弾性コンプライアンスは、作製した積層焼結体の各層を水中での電気分解を利用したコモン電極（内部電極）と圧電セラミックス層の剥離を行い、それぞれの層の弾性コンプライアンスを測定した。剥離した圧電セラミックス層の表裏面にＡｕ蒸着を１００ｎｍ程度形成した後、外辺を２．５ｍｍ×１０ｍｍに加工し、試験片を作製した。測定はアジレントテクノロジー社製インピーダンスゲインフェーズアナライザ４１９４ａから測定される共振周波数と、体積と重量より算出される密度を測定し、下記式（Ｉ）から算出した。

＜圧電アクチュエータの評価＞
上記で得られた圧電アクチュエータ（表２の試料Ｎｏ．１〜２７）について、変位劣化を評価した。評価方法を以下に示すと共に、その結果を表２に示す。
（変位劣化の評価方法）
上記で得られた圧電アクチュエータを８ｍｍ×８ｍｍの大きさに加工し、１ｍｍ×１ｍｍの孔を空けた１０ｍｍ×１０ｍｍの外形の金属基板に接着し、変位測定用サンプルとした。さらに、コモン電極と駆動電極間の厚み方向に３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して分極を行った。ついで、２ｋV／ｍｍの電圧を印加して変位素子を５０時間変位させ、変位初期（０分後）と５０時間後の変位を、式：［１−（５０時間後の変位／変位初期）］×１００に当てはめ、変位劣化率（％）を算出した。なお、変位はドップラー変位計で測定した。

表２から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１，６，７，１１〜１３、１６〜１９、２１〜２７は、５０時間耐久後の変位劣化率が５％以下であった。このことから、繰り返し駆動による変位劣化が抑制され、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータが得られているのがわかる。これに対し、本発明の範囲外の試料は、本発明の範囲内の試料に対して変位劣化率の値が高く、特に、試料Ｎｏ．５，１５，２０は劣化率が１０％を超えており、大きな劣化を示しているのがわかる。

本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態にかかるインクジェット用の印刷ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。 従来のインクジェット用の印刷ヘッドを示す概略断面図である。

符号の説明

１ 圧電アクチュエータ
２ 圧電振動板
３ コモン電極
４ 圧電セラミックス層
５ 駆動電極
６ 変位素子
１３ 流路部材
１３ａ インク加圧室
１３ｂ 隔壁
１８ インク吐出孔
２０ 印刷ヘッド

Claims (7)

1. 圧電振動板上に、コモン電極、圧電セラミックス層および駆動電極がこの順に積層されており、前記駆動電極は前記圧電セラミックス層の表面に複数配列されていて、この駆動電極と前記コモン電極とで前記圧電セラミックス層を挟持することで構成されている複数の変位素子を、前記コモン電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加することで変位させる圧電アクチュエータであって、
   前記圧電振動板の弾性コンプライアンスＳ₁が、前記圧電セラミックス層の弾性コンプライアンスＳ₂よりも大きく、且つＳ ₁ が１．３５×１０ ^-11 〜１．５１×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎであり、Ｓ ₂ が１．３１×１０ ^-11 〜１．４７×１０ ^-11 ｍ ² ／Ｎであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. Ｓ ₁／Ｓ₂が、１．０３以上である請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記圧電振動板および前記圧電セラミックス層の主成分が同一であり、前記圧電振動板の気孔率が２〜９％であり、前記圧電セラミックス層の気孔率が２％以下である請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記圧電振動板および前記圧電セラミックス層がチタン酸ジルコン酸鉛であり、前記圧電振動板の格子定数比をｃ₁／ａ₁、前記圧電セラミックス層の格子定数比をｃ₂／ａ₂としたときに、ｃ₂／ａ₂が１．０１０〜１．０１６であり、且つｃ₁／ａ₁の値よりも大きい請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記変位素子を、前記圧電セラミックス層の抗電界に対して１．０〜１．５倍の駆動電圧で変位させる請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする吐出装置。
7. 印刷ヘッドに用いる請求項６記載の吐出装置。

Images