DE10348346A1

DE10348346A1 - Aktuator, Herstellungsverfahren und Druckkopf

Info

Publication number: DE10348346A1
Application number: DE10348346A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Kokubu Yuu; Daisuke Kokubu Takahashi; Makoto Kokubu Higashibeppu; Chitoshi Kokubu Ueki; Hiroshi Kokubu Aida
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2004-05-27
Also published as: US20040113995A1; US7044587B2

Abstract

Ein Aktuator 1, worin ein Verschiebungselement 7 eine piezoelektrische Keramikschicht 4 und ein Paar von Elektroden 5, 6 aufweist, die dazwischen die piezoelektrische Keramikschicht aufweisen. Die Gesamtdicke des Aktuators 1 ist 100 mum oder weniger. Die piezoelektrische Keramikschicht 4 und das Substrat haben als Hauptkomponente einen Perovskit-Kristall, umfassend zumindest Pb, Zr und Ti, und die maximale Differenz des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 4 und dem Inneren des Substrates 2 ist 0,02 oder weniger. Dieses vermindert die charakteristische Variation.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Aktuator, der sich aus einem Sinterkörper aus einer dünnen Schicht zusammensetzt, die als Hauptkomponente eine piezoelektrische Keramikschicht mit Pb, Zr und Ti umfaßt, und ein Herstellungsverfahren für den Aktuator, ebenso wie einen Druckkopf, der für Tintenstrahldrucker geeignet ist, der zum Drucken von Buchstaben und Zeichen verwendet wird.

In den letzten Jahren hat sich die Verwendung von Druckern vom Tintenstrahltyp als Drucker, der Informationen auf ein Druckmedium herausgibt, mit der Verbreitung von PC und der Entwicklung von Multimedien stark verbreitet.

Ein Druckkopf ist auf einem solchen Tintenstrahldrucker befestigt. Als Druckkopf dieser Art sind einer vom Thermokopf-Typ und piezoelektrischen Typ im allgemeinen bekannt. Bei dem Thermokopf-Typ wird die Tinte durch einen Erwärmer, der in einer Tintenpassage, die mit Tinte gefüllt ist, angeordnet ist, erwärmt und zum Sieden gebracht, wodurch Blasen in der Tintenpassage verursacht werden, so daß die Tinte unter Druck gesetzt wird und durch eine Tintenauslaßöffnung herausgelassen wird. Beim piezoelektrischen Typ wird die Wand eines Teils einer mit Tinte gefüllten Tintenpassage gebogen und durch Verschiebungselemente abgesetzt, so daß die Tinte in der Tintenpassage mechanisch unter Druck gesetzt und durch eine Tintenauslaßöffnung abgelassen wird.

Ein Druckkopf, der für den Tintenstrahldrucker des piezoelektrischen Typ verwendet wird, ist z.B. in der nichtgeprüften veröffentlichten japanischen Patentanmeldung 10-151739 offenbart. D.h. bei dem Druckkopf dieses Typs ist, wie in 4(a) gezeigt, ein Aktuator 21 über eine Adhäsivschicht 21a auf einem Passagenteil 23 angeordnet, worin eine Vielzahl von Fugen parallel als Tintenpassagen 23a angeordnet ist, und Trennwände 23b sind als eine Wand zum Trennen der individuellen Tintenpassagen 23a gebildet.

Der Aktuator 21 ist mit einer Vielzahl von Verschiebungselementen 27 versehen, die durch Bildung einer gemeinsamen Elektrode 25 auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht 24 und einer Vielzahl von getrennten Elektroden auf der anderen Oberfläche erhalten sind. Der Aktuator 21 und das Passageteil 23 sind miteinander so gebunden, daß die getrennten Elektroden unmittelbar oberhalb der Tintenpassage 23a angeordnet sind, die ein Öffnungsteil des Passagenteils 23 ist.

Durch Auferlegung einer Antriebsspannung von einem Antriebskreislauf zwischen der gemeinsamen Elektrode 25 und der getrennten Elektrode 26 werden die Verschiebungselemente 27 vibriert und sie machen einen Teil der Tintenpassage 23a aus. Dadurch wird die Tinte in der Tintenpassage 23a unter Druck gesetzt und ein Tintentropfen wird von einer Tintenauslaßöffnung 28, die in der Bodenfläche des Passageteils 23 geöffnet ist, herausgelassen.

Bei diesem Aufbau ist, wenn eine Antriebsspannung auf die gemeinsame Elektrode 25 und die getrennte Elektrode 26 auferlegt wird, obwohl sich die piezoelektrische Schicht 24 in die Richtung der planen Richtung d_x erstreckt, ein Teil (Einschränkungsteil) der piezoelektrischen Schicht 24 eingeschränkt, der mit den Trennwänden 23b verbunden ist, die in der Peripherie der Tintenpassage 23a angeordnet sind. Daher verlagert sich ein Teil der piezoelektrischen Schicht 24, der nicht eingeschränkt ist (Nichteinschränkungsteil), in die Richtung der Dickenrichtung d_y, und ein Druck wird auf die Tintenpassage 23a ausgeübt, so daß ein Tintentropfen durch die Tintenauslaßöffnung 28 herausgelassen wird, die in Kommunikation mit der Tintenpassage 23a verbunden ist.

Wie in 4(b) gezeigt ist, wird der Druckkopf durch paralleles Anordnen einer großen Vielzahl von getrennten Elektroden 26 auf der piezoelektrischen Schicht 24 und durch Vorsehen einer großen Anzahl von Verschiebungselementen 27 gebildet. Die unabhängige Kontrolle der einzelnen Verschiebungselemente 27 trägt zu einer höheren Geschwindigkeit und höheren Genauigkeit des Tintenstrahldrucker bei.

Die ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen 11-34321 und 7-315923 offenbaren, daß der erwähnte Aktuator ein piezoelektrisches Element realisieren kann, das eine ausgezeichnete thermische Resistenz, Haltbarkeit und Temperaturänderungsresistenz aufweist, indem eine Perovskit-Verbindung verwendet wird, die als Metallkomponente zumindest eines, ausgewählt aus Pb, Zr, Ti, Zn, Sb, Ni, Tc, Sr und Ba enthält.

Bei Verwendung eines solchen Aktuators als Druckkopf eines Tintenstrahldruckers ist es wichtig, die Verschiebungsvariation in dem Aktuator zu unterdrücken. Wenn jedoch ein Sinterkörper als piezoelektrische Keramikschicht verwendet wird, gibt es das Problem, daß die Verschiebungsvariation wegen großer Variationen der Buchstaben groß ist. Als Ergebnis treten aufgrund der Variationen der Tintenentladung große Variationen bei der Dichte der Buchstaben und Bilder auf, so daß der Kontrast schlecht ist und das Drucken mit hoher Geschwindigkeit unpraktisch ist.

Bei den jüngeren Druckern mit hoher Genauigkeit gibt es eine Tendenz, die Dicke zu vermindern, um die Verschiebung als Aktuator zu erhöhen. Für den direkten Erhalt eines piezoelektrischen Sinterkörpers mit einer Dicke von beispielsweise 100 μm oder weniger, insbesondere 60 μm oder weniger, verdampft beim Feuern bei hohen Temperaturen von 1000°C oder mehr, Pb von der Oberfläche eines Formkörpers, wodurch eine Zusammensetzungsänderung und Variationen in der Zusammensetzung des erhaltenen piezoelektrischen Sinterkörpers verursacht werden. Die Verwendung eines solchen Aktuators als Druckkopf eines Tintenstrahldruckers leidet an dem Problem, daß die Verschiebungsvariation erhöht wird, wodurch Variationen bei dem Tintenabsetzen und eine teilweise Zerstörung des Kontrastes von Buchstaben und Bildern, die gedruckt werden sollen, erhöht wird, wodurch kein Hochgeschwindigkeitsdruck ausgeübt wird.

Für den Erhalt eines Aktuators mit 100 μm oder weniger, wenn versucht wird, nur einen zentralen Teil mit geringerer Zusammensetzungsvariation durch Entfernung eines Oberflächenteils, von dem Pb verdampft worden ist, von einem dicken piezoelektrischen Porzellan, erhalten durch Feuern, zu verwenden, ist es tatsächlich schwierig, Keramiken mit einer geringen Dicke von 100 μm oder weniger zu schneiden. Es ist daher schwierig, einen Aktuator herzustellen, der sich aus einer dünnen Keramik ohne Zusammensetzungsvariation zusammensetzt.

Wenn im Gegensatz dazu die Dicke des Aktuators 21 100 μm oder weniger ist, gibt es das Problem, daß die restliche Spannung während des Feuerns und eine Schrumpfung eine Deformation verursachen, und die Spannung, die durch die Einschränkung der Trennwand 23b verursacht ist, die Verschiebungsmenge des Verschiebungselementes 27 vermindert.

Weil zusätzlich die Adhäsivschicht 21a nicht auf eine bestimmte Dicke eingestellt ist, gibt es zusätzlich das folgende Problem, wenn die Verschiebungselemente 27N, die der benachbarten Tintenpassage 23a entsprechen, eine gleichzeitige Verschiebung verursachen. D.h. der beengte Bereich der piezoelektrischen Schicht 24, der durch die Trennwand 23b eingeschränkt werden muß, übt keine ausreichende Einschränkungskraft aus, so daß die benachbarten Verschiebelemente 27 und 27N miteinander wechselwirken, wodurch eine Verschiebungsvariation erhöht wird. Dieses Problem wird insbesondere dann signifikant, wenn die Trennwand 23b eine kleine Dicke aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung wurde vollendet durch die Erzeugung von Aktuatoren mit geringeren charakteristischen Variationen, basierend auf der neuen Feststellung, daß die Zusammensetzungsvariation, die von der Oberfläche zur Dickenrichtung erzeugt wird, stark vermindert werden kann, indem das Zusammensetzungsverhältnis Pb/(Ti + Zr) in piezoelektrischen Keramiken, die Pb, Zr und Ti enthalten, gesteuert wird.

Spezifisch umfaßt ein erster Aktuator dieser Erfindung grundsätzlich ein Substrat und ein Verschiebungselement, das auf der Oberfläche des Substrates angeordnet ist und sich aus einer piezoelektrischen Keramikschicht und einem Paar von Elektroden zusammensetzt, die die piezoelektrische Keramikschicht dazwischen angeordnet aufweisen. Die Gesamtdicke dieses Aktuators ist 100 μm oder weniger. Die piezoelektrische Keramikschicht und das Substrat haben als hauptsächliche Komponenten einen Perovskit-Kristall, umfassend zumindest Pb, Zr und Ti. Die maximale Differenz in dem Zusammensetzungsverhältnis Pb/(Ti + Zr) zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht und dem Inneren des Substrates ist 0,02 oder weniger.

Ein Herstellungsverfahren des Aktuators dieser Erfindung umfaßt grundsätzlich den Schritt der Erzeugung eines Laminates, das im Inneren und an der Oberfläche mit Elektroden versehen ist, indem Grünblätter gestapelt werden, die als Hauptkomponenten einen Perovskit-Kristall aufweisen, umfassend zumindest Pb, Zr und Ti; und den Schritt des Brennens des Laminates in einer Atmosphäre mit Sauerstoff hoher Konzentration. Zu dieser Zeit ist erfindungsgemäß die Menge an Pb, das in den Grünblättern vorhanden ist, höher als die Menge an Pb, das der stöchiometrischen Zusammensetzung des Perovskit-Kristalls entspricht. Dies ermöglicht die Erzeugung des oben erwähnten Aktuators dieser Erfindung.

Wenn eine Beanspruchung auf ein piezoelektrisches Element mit einer dünnen Schicht ausgeübt wird, erniedrigt sich seine elektrostatische Kapazität, was eine charakteristische Variation des Aktuators induziert. Daher kann eine strikte Kontrolle des Gitterkonstantenverhältnisses der Perovskit-Verbindung und die Annäherung der Kristallphase der piezoelektrischen Keramikschicht an die tetragonale Phase einen Abfall der elektrostatischen Kapazität unterdrücken, selbst wenn eine kompressive Beanspruchung ausgeübt wird. Insbesondere wenn ein Trägerteil mit einer Vielzahl von Einschränkungsteilen verbunden wird und eine Kompressionsbeanspruchung auferlegt wird, wird ein Aktuator realisiert, der eine ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaft aufrecht erhält. Dies führt zu dem Erfolg, daß der Aktuator mit einer geringeren Zusammensetzungsvariation, selbst bei Durchführung des Feuerns in einer Dicke von 100 μm oder weniger, ebenso wie der Druckkopf für Tintenstrahlen mit einer Verbesserung der Verschiebungsvariation erhalten wird.

Demzufolge umfaßt ein zweiter Aktuator der Erfindung grundsätzlich ein Keramiksubstrat und eine Vielzahl von Verschiebungselementen, die auf der Oberfläche dieses Substrates angeordnet sind und mit einer piezoelektrischen Keramikschicht und einem Paar von Elektroden, die dazwischen die piezoelektrische Keramikschicht aufweisen, versehen sind. Die Dicke des Aktuators ist 100 μm oder weniger. Die piezoelektrische Keramikschicht setzt sich aus einer Perovskit-Verbindung mit Pb, Zr und Ti zusammen. Das Gitterkonstantenverhältnis c/a dieser Perovskit-Verbindung ist 1,013 bis 1,016.

Durch Steuerung der Dicke einer Adhäsivschicht und der d-Konstante in einem Aktuator mit einer Dicke von 100 μm oder weniger kann die Interferenz zwischen dem benachbarten Verschiebungselementen unterdrückt werden, unter Erhalt einer ausreichend großen Menge an Verschiebung und kann ebenfalls die Verschiebungsvariation reduzieren.

Demgemäß umfaßt ein dritter Aktuator dieser Erfindung eine Vielzahl von Verschiebungselementen, die auf einer Oberfläche des Substrates angeordnet sind, und eine Vielzahl von Einschränkungsteilen, die über eine Adhäsivschicht mit der anderen Oberfläche des Substrates gebunden sind. Die Verschiebungselemente agieren unabhängig, unter Erzeugung einer Verschiebung an Nichteinschränkungsteilen, die nicht durch die Einschränkungsteile eingeschränkt sind. Die gesamte Dicke dieses Aktuators ist 100 μm oder weniger, die d-Konstante ist 200 pm/V oder mehr und die Dicke der Adhäsivschicht in 0,5 μm bis 5 μm.

Somit werden die Dicke der Adhäsivschicht und d-Konstante in dem Aktuator mit einer Dicke von 100 μm oder weniger gesteuert. Es ist daher möglich, die Interferenz zwischen dem benachbarten Verschiebungselementen zu verhindern und ebenfalls die Verschiebungsvariation des Aktuators zu unterdrücken. Eine solche Interferenz kann effektiver unterdrückt werden, indem das Verhältnis der Trennwanddicke zu der Substratdicke gesteuert wird.

Der Druckkopf dieser Erfindung umfaßt ein Passageteil mit einer Vielzahl von Tintenpassagen und den erwähnten Aktuator, der mit einer Vielzahl von Verschiebungselementen versehen ist, die auf dem Passageteil vorhanden sind. Die Verschiebungselemente sind unmittelbar oberhalb einer Tintenpassage angeordnet, und die Tinte, die in der Tintenpassage geladen ist, wird durch die Verschiebung der Verschiebungselemente entladen. Dies ermöglicht, Variationen in der Menge eines Tintentropfens und der Entladegeschwindigkeit zu unterdrücken, wodurch eine Tintenentladung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit realisiert wird.

1(a) ist eine schematische Schnittansicht eines Aktuators dieser Erfindung, und 1(b) ist eine Planansicht;
2(a) ist eine schematische Schnittansicht eines Druckkopfes gemäß dieser Erfindung und 2(b) ist eine schematische Schnittansicht, die den Zustand anzeigt, daß die Verschiebungselemente verschoben sind.
3(a) ist eine schematische Schnittansicht, wenn ein Einschränkungsteil in einem Aktuator vorgesehen ist, und 3(b) ist dessen Planansicht; und
4(a) ist eine schematische Schnittansicht eine konventionellen Druckkopfes und 4(b) ist die schematische Planansicht.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
<Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
Wie in 1(a) gezeigt ist, ist ein Aktuator dieser Erfindung mit einer Vielzahl von Verschiebungselementen 7 auf der Oberfläche eines Keramiksubstrats 2 versehen. Das Verschiebungselement 7 umfaßt eine gemeinsame Elektrode 5, die auf dem Keramiksubstrat 2 angeordnet ist, eine piezoelektrische Keramikschicht 4, die auf der gemeinsamen Elektrode 5 angeordnet ist, und getrennte Elektroden 6, die auf der piezoelektrischen Keramikschicht 4 angeordnet sind. D.h., das Verschiebungselement 7 ist so konstruiert, daß die gemeinsame Elektrode 5 und getrennte Elektroden 6 dazwischen die piezoelektrische Schicht 4 aufweisen, und die gemeinsame Elektrode 5 ist auf dem Keramiksubstrat 2 angeordnet.
Die Vielzahl der Verschiebungselemente 7 ist auf dem Keramiksubstrat 2 angeordnet. Wie in 1(b) gezeigt ist, sind die getrennten Elektroden 6 bei gleichmäßig beabstandeten Intervallen und in zwei Dimensionen angeordnet, und sie sind unabhängig an externe elektronisch gesteuerte Kreisläufe gebunden. Die Spannungsauferlegung auf jedes Paar von Elektroden kann eine Verschiebung in einem Teil der piezoelektrischen Keramikschicht 4 verursachen, die zwischen den mit Spannung versehenen gemeinsamen Elektroden 5 und den getrennten Elektroden 6 angeordnet ist.
Es ist wichtig, daß die piezoelektrische Keramikschicht 4, die das Verschiebungselement 7 ausmacht, als Hauptkomponente einen Perovskit-Kristall aufweist, der zumindest Pb, Zr und Ti umfaßt. Z.B. umfaßt dieser Kristall Pb als Bestandteilselement an der Stelle A und umfaßt Zr und Ti als Bestandteilselemente an der Stelle B. Eine solche Zusammensetzung ermöglicht eine piezoelektrische Keramikschicht mit einer hohen piezoelektrischen Konstante.
Als spezifisches Beispiel des oben erwähnten Perovskit-Kristalls kann PbZrTiO₃ erläutert werden. Alternativ können andere Oxide darin vermischt sein. Als Subkomponente kann ein anderes Element an der Stelle A und/oder der Stelle B vorhanden sein, solange keine Eigenschaften beeinträchtigt werden. Z.B. können als Subkomponenten Zn, Sb, Ni und Te zugegeben werden, unter Erhalt einer festen Lösung aus Pb(Zn_1/3Sb_2/3)O₃ und Pb(Ni_1/2Te_1/2)O₃.
Gemäß dieser Erfindung ist es gewünscht, daß weiterhin ein Erdalkalimetallelement als Bestandteilselement an der Stelle A in dem oben erwähnten Perovskit-Kristall enthalten ist. Beispiele des Erdalkalimetallelementes sind Ba, Sr, Ca, etc. Insbesondere sind Ba und Sr bevorzugt für den Erhalt einer großen Verschiebung. Dies verbessert die relative dielektrische Konstante, wodurch eine noch höhere piezoelektrische Konstante entfaltet wird.
Als spezifisches Beispiel gibt es eine Verbindung, ausgedrückt durch
Pb_1-x-ySr_xBa_y(Zn_1/3Sb_2/3)_a(Ni_1/2Te_1/2)_bZr_1-a-b-cTi_cO₃ + α Gew.-% Pb_1/2NbO₃ (0 ≦ x ≦ 0,14, 0 ≦ y ≦ 0,14, 0,05 ≦ a ≦ 0,1, 0,02 ≦ b ≦ 0,01, 0,44 ≦ c ≦ 0,50, α = 0,1 bis 1,0).
Es ist ebenfalls möglich, einen anderen Perovskit-Kristall mit Pb, Zr und Ti zu verwenden, wie Bleimagnesiumnioboxid (PMN) und Bleinickelnioboxid (PNN).
Das Keramiksubstrat 2 sollte eine hohe Isolationseigenschaft aufweisen. Es ist bevorzugt ein piezoelektrisches Element, insbesondere eines mit ungefähr der gleichen thermischen Expansionsrate wie bei der piezoelektrischen Keramikschicht 4. Zusätzlich ist das Keramiksubstrat bevorzugt ein piezoelektrisches Element und hat ungefähr die gleiche Zusammensetzung wie die piezoelektrische Keramikschicht 4. Dies ermöglicht das gleichzeitige Feuern und es ist leicht, zu vermeiden, daß eine Wölbung und eine Beanspruchung durch die thermische Beanspruchung verursacht werden, die beim Feuern aufgrund eines Unterschiedes der thermischen Expansion auftritt.
Obwohl das Keramiksubstrat 2 eine einzelne Schicht sein kann, ist es bevorzugt ein Laminat, um die Dicke zu steuern und die Zusammensetzungsvariation und die charakteristische Variation nach dem Sintern zu unterdrücken.
Für den Aktuator dieser Erfindung ist es wichtig, daß der maximale Unterschied zwischen dem Pb/(Ti + Zr)-Verhältnis in der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 4 und dem Pb/(Ti + Zr)-Verhältnis im Inneren des Substrates 2 auf 0,02 oder weniger unterdrückt wird. Wenn der maximale Unterschied größer als 0,02 ist, kann ein Abwandern der Zusammensetzung des Oberflächenteils eine charakteristische Variation in dem Verschiebungselement 7 verursachen.
Wenn der Aktuator mit der so gesteuerten Zusammensetzung auf den Druckkopf eines Tintenstrahldruckers vom piezoelektrischen Typ angewandt wird, kann die Tintenentladungsvariation unterdrückt werden, so daß ein beachtlicher Beitrag zu einer Verbesserung bei Druckeigenschaften wie Druckgeschwindigkeit und Kontrast ermöglicht wird.
Entsprechend dieser Erfindung kann eine einzelne getrennte Elektrode 6 vorgesehen sein, jedoch ist es bevorzugt, eine Vielzahl von getrennten Elektroden 6 anzuordnen, um die Druckgeschwindigkeit und die Druckgenauigkeit zu erhöhen.
Als Material der gemeinsamen Elektrode 5 und der getrennten Elektrode 6 kann irgendein leitendes Material verwendet werden. Z.B. können Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al oder alternativ deren Legierungen verwendet werden. Die gemeinsame Elektrode 5 und die getrennte Elektrode müssen jeweils eine solche Dicke aufweisen, daß die Leitfähigkeit sichergestellt wird und daß die Verschiebung nicht inhibiert wird. Eine bevorzugte Dicke ist ungefähr 0,5 bis 5 μm, insbesondere 1 bis 3 μm.
Das Merkmal, daß die Dicke T des Aktuator dieser Erfindung 100 μm oder weniger ist, ist wichtig für den Erhalt einer großen Verschiebung und der ausreichenden Entfaltung der Aktuatoreigenschaften. Die Dicke T ist insbesondere 80 μm oder weniger, bevorzugt 65 μm oder weniger, mehr bevorzugt 50 μm oder weniger. Hierin zeigt die Dicke T des Aktuators die Gesamtdicke des Substrates 2 und des Verschiebungselementes 7 an. Ein unterer Grenzwert der Dicke T des Aktuators ist 3 μm, insbesondere 5 μm, bevorzugt 10 μm, mehr bevorzugt 20 μm, um eine ausreichende mechanische Stärke zu halten und einen Kurzschluß während der Handhabung und des Betriebs zu verhindern.
Die Porosität des Verschiebungselementes 7 ist 1 % oder weniger, bevorzugt 0,5 % oder weniger. Die Stärke des Aktuators 1 erhöht sich durch Verminderung der Porosität. Bei Verwendung als Tintenstrahldruckkopf kann ein Auslaufen von Tinte aufgrund des Eindringens von Tinte in Porzellan effektiv unterdrückt werden.
Wenn der erfindungsgemäße Aktuator als Druckkopf eines Tintenstrahldruckers verwendet wird, ist beispielsweise der d₃₁-Modus als piezoelektrische Beanspruchungskonstante verwendbar. Für die Entfaltung einer ausreichenden Entladekapazität als Druckkopf des Tintenstrahldruckers und ebenfalls zum Realisieren eines Drucks mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit ist d₃₁ bevorzugt 200 pm/V oder mehr, insbesondere 225 pm/V oder mehr, mehr bevorzugt 250 pm/V oder mehr.
Es folgt ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Aktuators, wobei als spezifisches Beispiel der Fall verwendet wird, daß PbZrTiO₃-Perovskit-Kristall auf den Druckkopf eines Tintenstrahldruckers auferlegt wird.
Zunächst werden Pb₂O₃, ZrO₂, TiO₂, BaCO₃, ZnO, SrCO₃, Sb₂O₃, NiO, TeO₂ als Ausgangsmaterialpulver hergestellt. Diese werden auf eine Zusammensetzung eingestellt, zu der Pb so zugegeben wird, daß es größer ist als die Menge von Pb, die der stöchiometrischen Zusammensetzung des Perovskit-Kristalls entspricht, mit anschließendem Mischen. Insbesondere ist die Einstellung der Menge von Pb auf einen Überschuß von 1 bis 5 Gew.-%, insbesondere einen Überschuß von 2 bis 4 Gew.-% bezüglich der obigen stöchiometrischen Zusammensetzung bevorzugt, um die charakteristische Variation zu vermindern und eine ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaft zu entfalten.
Durch ein normales Bandformverfahren wie Walzenbeschichtungsverfahren oder Schlitzbeschichtungsverfahren wird das erhaltene gemischte Pulver zu einem Band, bestehend aus einer piezoelektrischen Keramikschicht und einer organischen Zusammensetzung geformt, und ein Grünblatt wird hergestellt. Weil der Gehalt von Pb in diesem Grünblatt größer ist als die Menge von Pb, die der stöchiometrischen Zusammensetzung des Perovskit-Kristalls entspricht, kann die Zusammensetzungsvariation in dem Porzellan nach Durchführung des Feuerns beachtlich vermindert werden. Dies ist wichtig für den Erhalt des Aktuators dieser Erfindung.
Eine gemeinsame Elektrode und eine getrennte Elektrode werden durch Drucken, etc. auf der Oberfläche eines Teils des Grünblatts gebildet. Zusätzlich wird nach Wunsch ein Durchgangsloch in einem Teil des Grünblatts gebildet, und ein Durchgangsleiter wird in das Innere des Durchgangsloches eingefügt.
Anschließend wird ein gewünschtes Grünblatt zur Erzeugung eines Laminates gestaffelt. Weiterhin wird ein Einschränkungsblatt, das durch Zugabe einer organischen Zusammensetzung in eine Zusammensetzung erhalten wird, die im wesentlichen die gleiche ist wie die bei dem Grünblatt, auf beide oder auf eine Oberfläche des Laminates angeordnet und dann unter Druck gesetzt und abgedichtet.
Das unter Druck gesetzte und abgedichtete Laminat wird in dem Inneren eines Drehofens angeordnet und bei einer Feuertemperatur von 900°C oder mehr, insbesondere 950 bis 1100°C unter einer Atmosphäre mit hoher Sauerstoffkonzentration gefeuert. Dies vermeidet, daß aufgrund der Verdampfung von Pb in dem Laminat die Zusammensetzung einen Mangel an Pb in bezug auf die oben erwähnte Perovskit-Zusammensetzung aufweist, unter Erhalt einer piezoelektrischen Keramik, bei der die maximale Differenz des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) 0,02 oder weniger ist.
Es ist gewünscht, daß die Dichte des Grünblatte nach dem Unterdrucksetzen und Abdichten 4,2 g/cm² oder mehr, insbesondere 4,5 g/cm² oder mehr ist, damit die Verdampfung von Pb von dem Inneren vermindert wird, um weiterhin die Unterdrückung der Zusammensetzungsvariation von Pb zu erleichtern.
Es ist ebenfalls gewünscht, daß die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffatmosphäre während des Feuerns 98 % oder mehr, insbesondere 99 % oder mehr ist. Dies erzeugt die Wirkung des Unterdrückens der Zersetzung des Bleioxides und der weiteren Verminderung der Verdampfungsmenge von Pb und der Unterdrückung der Zusammensetzungsvariation, was zu einer kleineren Verschiebungsvariation als Aktuator führt.
Der so erzeugte Aktuator setzt sich aus einem piezoelektrischen Porzellan mit 100 μm oder weniger zusammen, das frei von einer Zusammensetzungsvariation ist. Es ist ebenfalls leicht, die Verschiebungsvariation auf 10 % oder weniger zu unterdrücken. Dieser Aktuator kann geeignet als Aktuator dienen, der für den Druckkopf eines Tintenstrahldruckers verwendet wird.
Ein Druckkopf dieser Erfindung umfaßt ein Passageteil und den oben erwähnten Aktuator, der auf dem Passageteil angeordnet ist, worin die Tinte, die in einer Tintenpassage geladen ist, die in dem Passageteil vorgesehen ist, durch die Verschiebung der erwähnten Verschiebungselemente, die den erwähnten Aktuator ausmachen, herausgelassen wird.
Ein Beispiel des Druckkopfes dieser Erfindung wird unter Verwendung von 2(a) beschrieben. Ein Passageteil 13 mit einer solchen Struktur, daß Tintenpassagen 13a, die eine Vielzahl von Fugen darstellen, durch Trennwände 13b getrennt sind, ist mit dem Aktuator 11 dieser Erfindung verbunden. D.h., ein Substrat 12 wird mit einem Adhäsiv an der Oberfläche des Passagenteils 13 verbunden, und eine Vielzahl von Verschiebungselementen 17 wird auf dem Substrat 12 angeordnet. Bereiche, die mit den Verschiebungselementen 17 auf dem Substrat 12 verbunden sind, werden so angeordnet, daß sie mit den Tintenpassagen 13a überlappen, die Öffnungsteile des Passagenteils 13 sind.
Das Verschiebungselement 17 hat eine solche Struktur, daß die gemeinsame Elektrode 15 auf einer Hauptoberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht 14 und getrennte Elektroden 16 auf der anderen Hauptoberfläche gebildet sind, und daß ein Paar der Elektroden 15 und 16 dazwischen die piezoelektrische Keramikschicht 14 aufweisen.
Die gemeinsame Elektrode 15 und eine getrennte Elektrode 16 des Verschiebungselementes 17 ist elektrisch mit einem externen Antriebskreislauf verbunden. Wenn eine Spannung durch den Antriebskreislauf zwischen die gemeinsame Elektrode 15 und die getrennte Elektrode 16 auferlegt wird, wie in 2b gezeigt ist, wird die Tinte in der Tintenpassage 13a, die dem Verschiebungselement 17 entspricht, das durch die Auferlegung einer Spannung verschoben wird, unter Druck gesetzt und ein Tropfen Tinte wird durch eine Tintenauslaßöffnung 18 herausgelassen, die in einer Endoberfläche des Passagenteils 13 geöffnet ist.
Wie in 4(b) gezeigt ist, ist der Druckkopf dieser Erfindung mit einer Vielzahl von Verschiebungselementen versehen, die auf dem Substrat angeordnet sind, und die individuellen Verschiebungselemente werden unabhängig gesteuert, zur Verursachung einer individuellen Verschiebung.
Die Verwendung dieses Aufbaus ergibt eine stabile Entladung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit, was zu einem Druckkopf führt, der für einen Drucker geeignet ist, der Bilder mit hohem Kontrast und mit hoher Geschwindigkeit realisiert.
<Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
Die Wirkung dieser Erfindung kann ausreichend insbesondere entfaltet werden, wenn der Aktuator 1 dieser Erfindung, wie in den 1(a) und 1(b) gezeigt, eine solche Struktur aufweist, daß auf der Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Oberfläche des Keramiksubstrates 2, auf der die Verschiebungselemente 7 angeordnet sind, ein Einschränkungsteil, das sich aus Metall zusammensetzt, über eine adhäsive Schicht so angeordnet ist, daß eine Verschiebung in einem Nicht-Einschränkungsteil verursacht wird. Weil das Einschränkungsteil, das sich aus Metall zusammensetzt, über die Adhäsivschicht, die sich aus Metall zusammensetzt, angeordnet ist, wird bei der piezoelektrischen Keramikschicht 4 eine Kompressionsbeanspruchung ausgeübt und eine Verschiebung tritt in dem Nicht-Einschränkungsteil auf.
Wie in 3(a) gezeigt ist, wird konkret ein Trägerteil 3 mit dem Keramiksubstrat 2 des Aktuators dieser Erfindung fixiert. Das Nicht-Einschränkungsteil 8a (freies Vibrationsteil), das an dem Öffnungsteil einer Fuge lokalisiert ist, und ein Einschränkungsteil 8b (fixiertes Teil), das durch Verbinden gebildet ist, werden auf der Oberfläche des Keramiksubstrates 2, das mit dem Trägerteil 3 verbunden ist, gebildet. Wenn eine Spannung zwischen der gemeinsamen Elektrode 5 und der getrennten Elektrode 6 auferlegt wird, verursacht die Verschiebung der piezoelektrischen Keramikschicht 4 die Verschiebung des Verschiebungselementes 7, so daß eine Vibration an dem Nicht-Einschränkungsteil 8b erfolgt. Diese Struktur ermöglicht die vollständige Verwendung des Merkmals des Aktuators, wodurch eine große Verschiebung verursacht wird.
Es ist wichtig, daß die piezoelektrische Keramikschicht 4, die das Verschiebungselement 7 ausmacht, als Hauptkomponente einen Perovskit-Kristall aufweist, der zumindest Pb, Zr und Ti umfaßt. Z.B. umfaßt dieser Kristall bevorzugt Pb als Bestandteilselement an der Stelle A und umfaßt Zr und Ti als Bestandteilselement an der Stelle B, insbesondere eine Verbindung auf Bleizirkonattitanat-Basis, unter Erhalt eines stabilen piezoelektrischen Sinterkörpers mit einer höheren d-Konstante.
Weiterhin umfaßt die oben erwähnte piezoelektrische Keramikschicht bevorzugt zumindest eines von Sr, Ba, Ni, Sb, Nb, Zn und Te. Dies ermöglicht den Erhalt eines stabileren piezoelektrischen Sinterkörpers. Z.B. wird eine feste Lösung aus Pb(Zn_1/3Sb_2/3)O₃ und Pb(Ni_1/2Te_1/2)O₃ als Subzusammensetzung verwendet.
Es ist insbesondere bevorzugt, daß weiterhin ein Erdalkalimetallelement als Bestandteilselement an der Stelle A vorhanden ist. Als Erdalkalimetallelement sind Ba und Sr angesichts des Erhalts einer großen Verschiebung insbesondere bevorzugt. Es ist insbesondere vorteilhaft, daß Ba in einer Menge von 0,02 bis 0,08 mol und Sr in einer Menge von 0,02 bis 0,12 mol vorhanden sind, für den Erhalt einer großen Verschiebung, insbesondere wenn die Tetragonum-Zusammensetzung die Hauptzusammensetzung ist.
Z.B. wird die Menge an Pb in einem Überschuß von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf eine Verbindung zugegeben, die durch
Pb_1-x-ySr_xBa_y(Zn_1/3Sb_2/3)_a(Ni_1/2Te_1/2)_bZr_1-a-b-cTi_cO₃ + a Gew.-% Pb_1/2N_bO₃ ausgedrückt ist (0 ≦ x ≦ 0,14, 0 ≦ y ≦ 0,14, 0,05 ≦ a ≦ 0,1, 0,02 ≦ b ≦ 0,01, 0,44 ≦ c ≦ 0,50, a = 0,1 bis 1,0).
wenn ein Formkörper, worin Pb auf die stöchiometrische Zusammensetzung eingestellt ist, 2 Stunden bei 1000°C gefeuert wird, wird Pb vollständig als PbO verdampft, und die Verschiebung der Zusammensetzung in dem Oberflächenteil tritt auf. Dies verursacht eine Verschiebung in der Zusammensetzung des Oberflächenteils, so daß sich die Eigenschaften der Verschiebungselemente verschlechtern können und eine charakteristische Variation auftreten kann. Es ist bevorzugt, daß Pb in einem Überschuß der stöchiometrischen Zusammensetzung zugegeben wird, insbesondere daß das Überschußverhältnis an der Stelle A 1,005 bis 1,04, insbesondere 1,01 bis 1,03 ist. Die erleichtert die Unterdrückung des Pb/(Ti + Zr)- Verhältnisses in der Dickenrichtung des Verschiebungselementes 7 auf 0,02 oder weniger, wodurch weiterhin die Zusammensetzungsvariation vermindert wird.
Das "Überschußverhältnis an der Stelle A (A/B-Verhältnis)" wird erhalten durch die Summe der Molzahlen der gesamten Komponente an der Stelle A, die durch die Summe der Molzahlen der gesamten Zusammensetzung an der Stelle B dividiert wird. Dies bedeutet daß dann, wenn das A/B-Verhältnis 1 bei dem stöchiometrischen Perovskitoxid ist, Pb und andere Elemente an der Stelle A in einer größeren Menge als dieses zugegeben sind. Dies ist der Zustand, daß das A/B-Verhältnis größer als 1 ist.
Die Perovskit-Verbindung, die die piezoelektrische Schicht 4 ausmacht, hat normalerweise zwei Arten von Kristallformen, die im allgemeinen in einer Mischung von rhombischen und tetragonalen Formen vorhanden sind. Zur Erhöhung der piezoelektrischen Eigenschaft ist es bevorzugt, eine Zusammensetzungsphase zu verwenden, die eine Grenze zwischen der rhombischen und der tetragonalen Form bildet. Wenn jedoch ein Aktuator mit einer Dicke T von 100 μm oder weniger gebrannt wird, wird Pb verdampft, unter Veränderung der Zusammensetzung des piezoelektrischen Elementes, das sich von der Aktuator-Oberfläche zum Inneren erstreckt, was zu einer Verschlechterung der Eigenschaft führt. Erfindungsgemäß kann im Gegensatz dazu eine ausgezeichnete Eigenschaft beibehalten werden und die Verschlechterung der Eigenschaft kann selbst unter Beanspruchen der Umgebung unterdrückt werden, indem das Gitterkonstantenverhältnis c/a gesteuert und zwei Arten von Kristallformen bei einem spezifischen Verhältnis gemischt werden.
D.h., es ist wichtig, daß das Gitterkonstantenverhältnis c/a der Perovskit-Verbindung der piezoelektrischen Keramikschicht 4 auf 1,013 bis 1,016 eingestellt wird. Die ermöglicht, das Hauptelement der Perovskit-Verbindung in die tetragonale Zusammensetzung zu bringen. Für den Erhalt einer ziemlich stabilen piezoelektrischen Eigenschaft ist das Gitterkonstantenverhältnis c/a 1,0135 bis 1,0155, bevorzugt 1,014 bis 1,015.
Das Merkmal, das die Dicke des Verschiebungselementes 7 100 μm oder weniger ist, ist für den Erhalt einer großen Verschiebung wichtig. Insbesondere sind 80 μm oder weniger, bevorzugt 65 μm oder weniger, mehr bevorzugt 50 μm oder weniger für die Erhöhung der Verschiebung bevorzugt. Der untere Grenzwert ist 3 μm, bevorzugt 5 μm, mehr bevorzugt 10 μm, angesichts der ausreichenden mechanischen Stärke, die zur Verhinderung eines Störfalls während der Herstellung und des Betriebes erforderlich ist.
Das Keramiksubstrat 2 sollte eine hohe Isolationseigenschaft aufweisen, insbesondere ein piezoelektrisches Element sein, das insbesondere ungefähr die gleiche thermische Expansionsrate wie die piezoelektrische Keramikschicht 4 aufweist. Zusätzlich ist das Keramiksubstrat bevorzugt ein piezoelektrisches Element und hat ungefähr die gleiche Zusammensetzung wie die piezoelektrische Keramikschicht 4. Dies ermöglicht das gleichzeitige Brennen, und es ist leicht zu vermeiden, daß eine Wölbung und eine Beanspruchung durch die thermische Beanspruchung verursacht werden, die während des Brennens aufgrund eines Unterschiedes bei der thermischen Expansion auftritt.
Obwohl das Keramiksubstrat 2 eine einzelne Schicht sein kann, ist es bevorzugt ein Laminat, zur Steuerung der Dicke und zur Unterdrückung der Variation der Zusammensetzung und der charakteristischen Variation nach dem Sintern.
Die piezoelektrische Beanspruchungskonstante, die für den Druckkopf eines Tintenstrahldrucker geeignet ist, ist z.B. d₃₁. Für die Entfaltung einer ausreichenden Entladungsfähigkeit als Druckkopf des Tintenstrahldruckers muß die Größenordnung von d₃₁ 200 pm/V oder mehr sein. Wenn sie weniger als 200 pm/V ist, gibt es keine ausreichende Entladungsfähigkeit, wodurch dieses nicht als Tintenstrahldruckkopf verwendet werden kann. Für den Erhalt eines Drucks mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit ist es mehr bevorzugt, daß d₃₁ 250 pm/V oder mehr ist.
Die elastische Nachgiebigkeit des Aktuators ist 14,0 × 10^–12 m²/N oder weniger bevorzugt 13,5 × 10^–12 m²/N oder weniger, mehr bevorzugt 13,0 × 10^–12 m²/N oder weniger. Die erleichtert einen Abfall der elektrostatischen Kapazität auf die Beanspruchung zu unterdrücken, die auftritt, nachdem der Aktuator mit dem Trägerteil verbunden ist.
Die Porosität des Verschiebungselementes 7 ist 1 % oder weniger, bevorzugt 0,8 % oder weniger, mehr bevorzugt 0,5 % oder weniger. Dies ermöglicht die effiziente Verhinderung eines Eindringens von Flüssigkeit wie Tinte, wodurch das Auslaufen von Tinte vermindert wird.
Als Material der gemeinsamen Elektrode 5 und der getrennten Elektrode 6 kann irgendein leitendes Material verwendet werden. Z.B. können Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al oder alternativ deren Legierungen verwendet werden. Die Elektroden müssen eine solche Dicke aufweisen, daß die Leitfähigkeit sichergestellt wird und die Verschiebung nicht inhibiert wird. Im allgemeinen ist sie ungefähr 0,5 bis 5 μm, bevorzugt 1 bis 4 μm.
Die Verwendung dieses Aufbaus ermöglicht, unabhängig und zufriedenstellend die Größenordnung der Verschiebung in den einzelnen Verschiebungselementen 7 des Aktuators zu steuern. Daher kann die Entlademenge von Tinte genau gesteuert werden. Dies ermöglicht eine hochgenaue Ausrichtung und ergibt daher einen Tintenstrahl-Druckkopf mit hoher Qualität, der eine weniger irreguläre Entladung verursacht.
Es folgt ein Herstellungsverfahren des Aktuators dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei als spezifisches Beispiel der Fa11 verwendet wird, daß ein PbZrTiO₃-Perovskit-Kristall für den Druckkopf eines Tintenstrahldruckers verwendet wird.
Zunächst werden Pb₂O₃, ZrO₂, TiO₂, BaCO₃, ZnO, SrCO₃, Sb₂O₃, NiO, TeO₂ als Ausgangsmaterialpulver hergestellt. Diese werden auf eine Zusammensetzung eingestellt, zu der Pb so zugegeben wird, daß es größer ist als die Menge von Pb, die der stöchiometrischen Zusammensetzung des Perovskit-Kristalls entspricht, mit anschließendem Mischen. Insbesondere angesichts des Erhalts einer ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaft ist es bevorzugt, das überschüssige Verhältnis an der Stelle A auf 1,005 bis 1,04, besonders 1,01 bis 1,03 einzustellen.
Durch ein normales Bandformverfahren wie Walzenbeschichtungsverfahren und Schlitzbeschichtungsverfahren wird das erhaltene gemischte Pulver in einem Band geformt, das aus einer piezoelektrischen Keramik und einer organischen Zusammensetzung besteht, und ein Grünblatt wird hergestellt.
Eine gemeinsame Elektrode und getrennte Elektroden werden durch ein Druckverfahren, etc. auf der Oberfläche eines Teils des Grünblattes gebildet. Zusätzlich wird nach Wunsch ein Durchgangsloch in einem Teil des Grünblatts gebildet, und ein Durchgangsleiter wird in das Innere des Durchgangsloches eingeführt.
Anschließend wird ein gewünschtes Grünblatt zur Herstellung eines Laminates gestapelt. Weiterhin wird ein Einschränkungsblatt, das sich aus einer piezoelektrischen Keramik und einer organischen Zusammensetzung zusammensetzt, die im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie das Grünblatt, auf beide oder auf eine Oberfläche des Laminates angeordnet und dann unter Druck gesetzt und abgedichtet.
Das Laminat wird nach dem Unterdrucksetzen und Abdichten im Inneren eines Drehofens angeordnet und bei einer Feuertemperatur von 900°C oder mehr, insbesondere 950 bis 1100°C unter einer Atmosphäre mit hoher Sauerstoffkonzentration gefeuert. Dies vermeidet, daß aufgrund der Verdampfung von Pb in dem Laminat die Zusammensetzung ein Mangel an Pb in bezug auf die erwähnte Perovskit-Zusammensetzung aufweist, unter Erhalt eines piezoelektrischen Sinterkörpers, bei dem die Variationen des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) 0,02 oder weniger ist.
Das Feuern wird bevorzugt in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt. Angesichts der Unterdrückung der Verdampfung von Pb und der Verminderung der Dichtenvariation ist die Sauerstoffkonzentration 80 % oder mehr, insbesondere 90 % oder mehr, bevorzugt 95 % oder mehr, mehr bevorzugt 98 % oder mehr.
Wie in den 2(a) und 2(b) gezeigt ist, ist in dem Druckkopf dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ein Aktuator 11 an ein Passagenteil 13 gebunden. Weil der Druckkopf eine Tintenentladungsleistung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit aufweist, ist er zur Verwendung beim Hochgeschwindigkeitsdruck geeignet. Dieses bevorzugte Ausgangsbeispiel ist ansonsten ähnlich zu dem genannten Ausführungsbeispiel.
<Drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel>
Bei einem Aktuator 1 eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels ist, wie in 3(a) gezeigt, ein Substrat 2 mit einem Trägerteil 3 verbunden, und das Substrat 2 und das Trägerteil 3 werden integral über eine Adhäsivschicht 1a vorgesehen. Eine piezoelektrische Schicht 4 ist auf der Oberfläche des Substrates 2 angeordnet, eine gemeinsame Elektrode 5 ist zwischen dem Substrat 2 und der piezoelektrischen Schicht 4 gebildet, und eine getrennte Elektrode 6 ist auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 4 angeordnet. Die gemeinsame Elektrode 5 und die getrennte Elektrode 6 weisen dazwischen die piezoelektrische Schicht 4 auf.
Wie in 3(b) gezeigt ist, ist es bevorzugt, eine große Anzahl an getrennten Elektroden 6 auf der piezoelektrischen Schicht 4 in gleichmäßig beabstandeten Intervallen und parallel zueinander anzuordnen und eine große Anzahl an Verschiebungselementen 7 vorzusehen. Bei der Verwendung des Aktuators mit dieser Struktur für einen Druckkopf trägt eine unabhängige Kontrolle der einzelnen Verschiebungselemente 7 zu einer höheren Geschwindigkeit und höheren Genauigkeit der Tintenstrahldrucker bei.
Die getrennten Elektroden 6 sind unabhängig mit den externen elektronisch gesteuertem Kreisläufen verbunden. Wenn eine Spannung zwischen der separaten Elektrode 6 und der gemeinsamen Elektrode 5 auferlegt wird, tritt eine Verschiebung an einem Bereich der piezoelektrischen Schicht 4 auf, die zwischen der mit Spannung beaufschlagten gemeinsamen Elektrode und der getrennten Elektrode 6 angeordnet ist.
Weil das Substrat 2 teilweise durch eine Trennwand 3b des Trägerteils 3 fixiert ist, ist die Hauptoberfläche des Substrates 2, das mit dem Trägerteil 3 verbunden ist, durch ein Einschränkungsteil 8a, das durch eine Verbindung gebildet und fixiert ist, und ein Nichteinschränkungsteil 8b konstruiert, das an dem Öffnungsteil einer Fuge 3a lokalisiert ist, so daß es an dem Nicht-Einschränkungsteil 8b vibriert werden kann.
Bevorzugt hat die piezoelektrische Schicht 4, die die Verschiebungselemente 7 ausmacht, ein Perovskitoxid als Hauptkomponente und umfaßt Pb als Bestandteilselement an der Stelle A und Zr und Ti als Bestandteilselemente an der Stelle B. Mehr bevorzugt hat die piezoelektrische Schicht 4 eine feste Lösung aus Pb(Zn_1/3Sb_2/3)O₃ und Pb(Ni_1/2Te_1/2)O₃ als Subkomponente.
Z.B. ist eine piezoelektrische Keramik mit einer Verbindung auf Bleizirkonattitanat-Basis als Hauptkomponente verwendbar. Ohne Beschränkung darauf kann irgendein Material mit einer piezoelektrischen Eigenschaft verwendet werden. Der Bestandteil der obigen Verschiebungselemente hat bevorzugt eine hohe piezoelektrische Beanspruchungskonstante d31• Es ist insbesondere wünschenswert, daß weiterhin ein Erdalkalielement als Bestandteilselement an der Stelle A in dem Perovskitoxid vorhanden ist. Beispiele des Erdalkalielementes sind Ba, Sr, Ca, etc. Insbesondere sind Ba und Sr für den Erhalt einer großen Verschiebung bevorzugt.
Konkret ist es wünschenswert, eine piezoelektrische Porzellanzusammensetzung zu verwenden, die durch
Pb_1-x-ySr_xBa_y(Zn_1/3Sb_2/3)_a(Ni_1/2Te_1/2)_bZr_1-a-b-cTi_cO₃ + α Gew.-%% 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 bis 1,0) ausgedrückt ist.
Es ist wichtig, daß die gesamte Dicke T des Aktuators dieser Erfindung 100 μm oder weniger ist, für den Erhalt einer höheren Leistung, der Miniaturisierung und eines niedrigeren Energieverbrauches (niedrigere Spannung) durch eine große Verschiebungsmenge. Jedoch ist die untere Grenze insbesondere 5 μm, bevorzugt 10 μm, mehr bevorzugt 20 μm, damit eine praktische mechanische Stärke vorhanden ist und einer Spannungsstärke widerstanden werden kann. Der obere Grenzwert ist bevorzugt 80 μm, bevorzugt 60 μm, mehr bevorzugt 45 μm, zur Erhöhung der Verschiebung.
Das Substrat 2 und die piezoelektrische Schicht 4 haben eine Porosität von 1 % oder weniger, bevorzugt 0,8 % oder weniger. Eine Porosität von mehr als 1 % ist ungeeignet, was die Möglichkeit des Durchsickerns von Tinte aufgrund des Durchdringens von Tinte bei Verwendung als Tintenstrahl-Druckkopf gibt. Angesichts der Porzellanstärke ist es ebenfalls ungeeignet.
Als Material der gemeinsamen Elektrode 5 und der getrennten Elektrode 6 kann irgendein leitendes Material verwendet werden. Z.B. können Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al oder alternativ deren Legierungen verwendet werden. Die Elektrode 5 und die getrennte Elektrode 6 müssen ebenfalls eine solche Dicke aufweisen, daß die Leitfähigkeit sichergestellt wird und keine Verschiebung inhibiert wird. Die bevorzugte Dicke ist 1 bis 5 μm.
Entsprechend dieser Erfindung ist wichtig, daß die d-Konstante der Verschiebungselemente 7 des Aktuators 1 200 pm/V oder mehr ist. Wenn die d-Konstante weniger als 200 pm/V ist, wird die Menge der Entladung als Tintenstrahl erniedrigt. Es ist insbesondere bevorzugt, daß die d-Konstante 220 pm/V oder mehr, weiterhin 250 pm/V oder mehr ist, zur Stabilisierung der Entladeleistung.
Es ist erforderlich, die abnormale Deformation der Verschiebungselemente 7 in dem Beschränkungsteil 8a zu verhindern, wenn sie deformiert sind. Es ist daher wichtig, die Dicke t einer Adhäsivschicht 1a auf 0,5 bis 5 μm einzustellen. Insbesondere zur Verminderung der Interferenz zwischen den benachbarten Verschiebungselementen 7 ist es bevorzugt, die obere Grenze der Dicke t der Adhäsivschicht 1a auf 4 μm, weiter 3 μm, mehr geeignet 2 μm, am meisten geeignet 1 μm einzustellen.
In der Gegenwart einer große Pore im Inneren der Adhäsivschicht 1a kann die Menge der Verschiebung des Verschiebungselementes 7 an dem Beschränkungsteil 8a, an dem eine solche große Pore vorhanden ist, erhöht werden. Dies kann die Interferenz zwischen den benachbarten Verschiebungselementen 7 erhöhen. Zur Verhinderung ist der maximale Porendurchmesser der Poren im Inneren der Adhäsivschicht 1a bevorzugt 10 μm oder weniger, insbesondere 7 μm oder weniger, weiterhin 5 μm oder weniger.
Selbst wenn die Adhäsivschicht 1a eine kleine Dicke t hat, wird die Adhäsivschicht 1a bevorzugt gleichmäßig über der gesamten Oberfläche einer Verbindungsoberfläche gebildet und hält ebenfalls eine solche Bindestärke, die ausreichend ist, um einer Vibration zu widerstehen.
Das Substrat 2 kann eine einzelne Schicht oder ein laminierte Keramik sein. Es ist insbesondere bevorzugt, daß das Substrat 2 sich aus einer piezoelektrischen Schicht 4 mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung und ungefähr der gleichen Form wie die piezoelektrische Schicht zusammensetzt. In dem Fall, daß das Substrat 2 und die piezoelektrische Schicht 4 die gleiche Zusammensetzung und die gleiche Form aufweisen, ist es leicht, während des Brennens die Schrumpfungsdimension zu steuern. Dies verbessert die Massenproduktion und trägt zu niedrigen Kosten bei.
Die Dicke des Substrates 2 kann auf irgendeinen Wert eingestellt werden, z.B. 10 bis 80 μm, bevorzugt 15 bis 70 μm, mehr bevorzugt 20 bis 50 μm. Dies dient zur Realisierung der Miniaturisierung von Tintenstrahlen.
Es folgt ein Herstellungsverfahren für einen Aktuator des Tintenstrahl-Druckkopfes. Zunächst wird ein piezoelektrisches Pulver-Ausgangsmaterial wie PZT durch ein bekanntes Formverfahren geformt. Für den Erhalt einer gleichmäßig dünnen Porzellanschicht ist es insbesondere bevorzugt, ein Band zu formen, das sich aus einer piezoelektrischen Keramik und einer organischen Zusammensetzung zusammensetzt, und zwar durch ein normales Band-Formverfahren wie Walzenbeschichtungsverfahren oder Schlitzbeschichtungsverfahren.
Zur Bildung von Elektroden an gewünschten Stellen auf der erhaltenen Grünblattoberfläche wird eine leitende Paste durch ein Druckverfahren oder dgl. aufgetragen. Nach Wunsch werden Durchgangselektroden, die diese Elektroden elektrisch verbinden, und externe elektronische Kreisläufe gebildet. Danach wird das Grünblatt in einer gewünschten Konstruktion gestapelt und dann unter Druck gesetzt und abgedichtet, zur Bildung eines Laminates.
Ein Beschränkungsblatt wird über die obere und untere Oberfläche dieses Laminates verteilt, und diese werden gleichzeitig gebrannt, unter Erhalt eines Sinterkörpers. Ein Sandblasen und Ultraschallreinigung werden mit dem erhaltenen Sinterkörper durchgeführt, zur Entfernung der Beschränkungsblätter, unter Erhalt eines Aktuatorsubstrates.
Getrennte Elektroden werden auf der Oberfläche des erhaltenen Porzellans gebildet, und ein Trägerteil wird dann mit dem Porzellan verbunden. Die Verbindung erfolgt beispielsweise durch Raumtemperaturbinden von z.B. Siliconharz und Binden bei höherer Temperatur, worin die Temperatur des Epoxyharzes 80 bis 150°C ist.
Zum Zeitpunkt der Bindung ist es bevorzugt, die Unterdrucksetzung durchzuführen, um zu vermeiden, daß die Adhäsivschicht dick wird. Z.B. wird eine metallische unter Druck gesetzte Presse verwendet. Als Mittel zur Erzeugung einer dünnen Adhäsivschicht wird die Viskosität des Adhäsivs so eingestellt, daß das Binden in dem Zustand der hohen Fließfähigkeit durchgeführt wird. Es ist bevorzugt, die Viskosität beispielsweise auf 100 bis 200 psi einzustellen.
Zur Verhinderung, daß Poren in der Adhäsivschicht verbleiben, wird die Atmosphäre zur Durchführung der Bindung bevorzugt in den Zustand des reduzierten Drucks gebracht. Konkret wird das Binden bevorzugt in einem Vakuumanteil von 10 kPa oder weniger, insbesondere 1 kPa oder weniger, weiter 100 Pa oder weniger durchgeführt. Die Verminderung der Viskosität des Adhäsiv ist ebenfalls wirksam zur Verhinderung der verbleibenden Poren, und es ist bevorzugt, den reduzierten Druckzustand und die Viskosität entsprechend der Art des Adhäsivs und des Bindeverfahrens zu bestimmen.
Zur Erhöhung der Bindestärke ist es weiterhin bevorzugt, die Bindeoberfläche vor dem Binden zu reinigen und insbesondere ein Ätzverfahren zur Entfernung von jeglicher Oxidschicht und zersetzten Schicht durchzuführen. Obwohl die Menge der Entfernung von dem Material abhängt, ist dies bevorzugt 10 bis 20 nm.
Der so hergestellte Aktuator kann die Adhäsivschicht-Dicke auf den Bereich von 0,5 bis 5 μm, die Aktuatordicke von 10 μm oder weniger und die d-Konstante auf 200 pm/V oder mehr einstellen. Dies ermöglicht die Realisierung eines solchen Aktuators, daß eine ausreichende Menge der Verschiebung entfaltet wird, selbst wenn das Trägerteil daran gebunden wird, wodurch eine geringere Variation der Menge der Verschiebung verursacht wird.
Der Druckkopf dieser Erfindung ist, wie in den 2(a) und 2(b) gezeigt, durch Verbinden des oben erwähnten Aktuators 11 über die Adhäsivschicht 11a mit dem Passagenteil 13 mit einer Vielzahl von Tintenpassagen 13a erhalten. Zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und getrennten Elektrode 16, die in dem Aktuator 11 vorgesehen sind, wird eine Spannung auferlegt, so daß die Verschiebung der Verschiebungselemente 17, einschließlich der piezoelektrischen Schicht 14 erfolgt, so daß Tinte durch die Tintenauslaßöffnung 18 entladen wird.
Ein Elektroden-Pad ist auf der getrennten Elektrode 16 angeordnet, so daß Energie zugeführt wird. Die Dicke t der Adhäsivschicht 11a, die als Bindeoberfläche zwischen dem Aktuator und dem Trägerteil dient, ist bevorzugt 0,5 bis 5 μm.
Es ist ebenfalls bevorzugt, daß der maximale Durchmesser der Poren, die in der Adhäsivschicht 11a enthalten sind, 10 μm oder weniger ist. Dies ermöglicht die Verhinderung der Verschiebungsvariation eines jeden Verschiebungselementes und der Interferenz zwischen den benachbarten Verschiebungselementen.
Die Anwendung des so konstruierten Druckkopfes für Tintenstrahldrucker realisiert Drucker, die einen Druck mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit durchführen können. Ein Druck mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit ist möglich, indem eine Vielzahl der Druckköpfe parallel zueinander angeordnet wird. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist ansonsten ähnlich wie das genannte erste bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Die Aktuatoren gemäß den jeweiligen bevorzugten Ausführungsbeispielen wurden oben beschrieben. Die Aktuatoren dieser Erfindung können eine Kombination von zwei oder drei Aktuatoren gemäß dem ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel sein. D.h. die bevorzugten Aktuatoren sind durch Kombination von zwei oder drei erhältlich, ausgewählt aus (i) dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem zumindest die maximale Differenz des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht und dem Inneren des Substrates 0,02 oder weniger ist; (ii) dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Gitterkonstantenverhältnis c/a einer Perovskit-Verbindung, die Pb, Zr und Ti umfaßt, 1,013 bis 1,016 ist; und (iii) dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das die individuellen Verschiebungselemente unabhängig bedient werden, so daß ein Nicht-Beschränkungsteil nicht durch ein Beschränkungsteil beschränkt ist, das über eine Adhäsivschicht an die äußere Oberfläche des Substrates gebunden ist, die d-Konstante 200 pm/V oder mehr ist und die Dicke der Adhäsivschicht 0,5 bis 5 μm ist.
Zusätzlich werden dem Fachmann viele andere Variationen und Modifizierungen und andere Verwendungen ersichtlich. Daher ist diese Erfindung nicht durch die spezifische Beschreibung hierin, sondern nur durch die beigefügten Patentansprüche beschränkt.
Die folgenden Beispiele erläutern die Art, wie diese Erfindung praktiziert werden kann. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Beispiele nur zur Erläuterung dienen und die Erfindung soll nicht auf irgendwelche spezifische Materialien oder Bedingungen beschränkt werden.
Beispiel I
Ein jedes Ausführungsmaterialpulver aus Pb₂O₃, ZrO₂, TiO₂, BaCO₃, ZnO, SrCO₃, Sb₂O₃, NiO und TeO₂, die Ausgangsmaterialpulver mit hoher Reinheit waren, wurde in einer vorbestimmten Menge gewogen, so daß ein Sinterkörper eine Zusammensetzung aufwies, dargestellt durch
Pb_1-x-ySr_xBa_y(Zn_1/3Sb_2/3)_a(Ni_1/2Te_1/2)_bZr_1-a-b-cTi_cO₃ (x = 0,04, y = 0,02, a = 0,075, b = 0,995 und c = 0,42) ist. Zu dieser Zusammensetzung wurde überschüssiges Pb in einer in Tabelle 1 angegebenen Menge gegeben.
Das hergestellte Pulver wurde im Naßverfahren mit einer Kugelmühle 20 Stunden gemischt. Danach wurde die Mischung entwässert und getrocknet. Dann wurde sie bei 900°C 3 Stunden lang calciniert. Der erhaltene calcinierte Stoff wurde zweimal im Naßverfahren mit einer Kugelmühle zerstoßen.
Anschließend wurden ein organisches Bindemittel, Wasser, Dispersionsmittel und Plasitizierer zu dem zerstoßenen Material gegeben und gemischt, unter Erhalt einer Aufschlämmung. Zum Formen eines dünnen Grünblattes aus dieser Aufschlämmung wurde ein Grünblatt, bei dem sein Schrumpfungsprozentsatz berücksichtigt wurde, so daß die Dicke nach dem Brennen den in Tabelle 1 angezeigten Wert hatte, durch ein allgemein bekanntes Walzenbeschichtungsverfahren hergestellt.
Das erhaltene Grünblatt wurde dann zu einer rechteckigen Form unter Verwendung einer Formel geformt und ein Vielzahl von rechteckigen Blättern wurde hergestellt. Anschließend wurden eine gemeinsame Elektrode und getrennte Elektroden auf jede der rechteckigen Blattoberflächen durch Siebdruck unter Verwendung einer Elektrodenpaste aufgetragen, die sich aus Ag-Pd zusammensetzte.
Dann wurden das Grünblatt, auf das die Elektroden aufgetragen wurden, und das Grünblatt, auf das keine Elektrode aufgetragen wurde, gestapelt unter Erhalt der in den 1(a) und 1(b) gezeigten Struktur, nämlich so daß eine Vielzahl von Verschiebungselementen auf dem Substrat gebildet wurden. Dieses wurde dann unter Erwärmen unter Druck gesetzt, unter Erzeugung eines laminierten Aktuator-Formkörpers.
Schließlich wurde nach Ablösen des Bindemittels bei 400°C das Brennen für zwei Stunden unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen durchgeführt, unter Erhalt eines Aktuators.
Die Dicke des erhaltenen Aktuators wurde mit einem Mikrometer gemessen. Das Sinterkörper wurde geschnitten und sein Querschnitt durch EPMA beobachtet, und die quantitativen Messungen von Pb, Ti und Zr im Inneren des erwähnten Substrates wurden durchgeführt, unter Feststellung des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr). Dann wurde ein Unterschied bei den Zusammensetzungsverhältnissen zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht und dem Inneren des Substrates berechnet.
Nach Schneiden des Sinterkörpers und Bearbeiten des Querschnittes zu einer spiegelbearbeiteten Oberfläche wurde dies mit einem Mikroskop beobachtet, und die Fläche der Poren innerhalb einer vorbestimmten Fläche wurde festgestellt, zur Berechnung der Porosität. Durch das Resonanzverfahren unter Verwendung eines Impedanzanalysegerätes wurden zehn Stellen in der spiegelbearbeiteten Oberfläche gemessen und der Mittelwert wurde berechnet, unter Ermittlung der piezoelektrischen Eigenschaft d₃₁ des Aktuators. Die piezoelektrische Eigenschaft d₃₁ wurde als Absolutwert angezeigt.
Dann wurde der Aktuator für einen Tintenstrahl-Druckkopf verwendet. Mit einem Laser-Doppler-Vibrometer wurden die Verschiebungsmengen der Verschiebungselemente an zehn Stellen gemessen, und der Mittelwert wurde berechnet unter Feststellung einer Verschiebungsvariation zu diesem Zeitpunkt. Für den Erhalt der Variation wurde der größte Wert des Unterschiedes zwischen jeder Verschiebungsmenge und dem Mittelwert durch den Mittelwert dividiert, und das Ergebnis wurde als Prozentsatz ausgedrückt.
Im Hinblick auf die Proben Nrn. I-2 bis I-15, I-17 bis 2-19 und 2-21 bis 2-25 dieser Erfindung war d₃₁ 200 pm/V oder mehr, und die Verschiebungsvariation war 2 % oder weniger. Von diesen Werten wurde bestätigt, daß sie zufriedenstellend als Tintenstrahldrucker fungieren können-.
Bei der Probe I-1, worin Pb als stöchiometrische Zusammensetzung hergestellt wurde, war der maximale Wert des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) 0,04, so daß d₃₁ nur 190 pm/V war und die Verschiebungsvariation war 8 %. Bei der Proben Nr. I-16, die eine Aktuatordicke von 150 μm aufwies, war d₃₁ 150 pm/V, was zu unzureichenden Eigenschaften als Druckkopf eines Tintenstrahldruckers führt. Bei der Probe Nr. I-20 war der maximale Unterschied des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) 0,035, weil die Sintertemperatur 1200°C war, und die Verschiebungsvariation war 5,5 %.
Beispiel II
Jedes Ausgangsmaterialpulver von Pb₂O₃, ZrO₂, TiO₂, BaCO₃, ZnO, SrCO₃, Sb₂O₃, NiO und TeO₂, die Ausgangsmaterialpulver mit hoher Reinheit waren, wurde in einer vorbestimmten Menge gewogen, so daß die in Tabelle 2 gezeigte Zusammensetzung erhalten wurde, und überschüssiges Pb wurde zu dieser Zusammensetzung gegeben. Die Zusammensetzungen von Tabelle 2 zeigen die Molzahlen von x, y, a, b und c in der allgemeinen Formel: Pb_1-x-ySr_xBa_y(Zn_1/3Sb_2/3)_a(Ni_1/2Te_1/2)_bZr_1-a-b-cTi_cO₃ an. Die Probe II-25 verwendete BaTiO₃.
Das hergestellte Pulver wurde im Naßverfahren mit einer Kugelmühle 20 Stunden vermischt. Danach wurde die Mischung entwässert und getrocknet. Diese wurde dann bei 900°C 3 Stunden lang calciniert und der erhaltene calcinierte Stoff wurde zweimal im Naßverfahren mit einer Kugelmühle zerstoßen.
Dann wurden ein organisches Bindemittel, Wasser, Dispersionsmittel und Plastifizierer zu dem zerstoßenen Stoff gegeben und gemischt, unter Erhalt einer Aufschlämmung. Ein Grünblatt, bei dem der Schrumpfungsprozentsatz berücksichtigt wurde, so daß die Dicke nach dem Brennen den in Tabelle 2 angezeigten Wert hatte, wurde durch ein Walzenbeschichtungsverfahren hergestellt.
Das erhaltene Grünblatt wurde dann zu einer rechteckigen Form unter Verwendung einer Form geformt, und eine Vielzahl von rechteckigen Blättern wurde hergestellt. Anschließend wurden eine gemeinsame Elektrode und getrennte Elektroden auf jede der rechteckigen Blattoberflächen durch Siebdruck unter Verwendung einer Elektrodenpaste, die sich aus Ag-Pd zusammensetzte, aufgetragen.
Dann wurden das Grünblatt, auf das die Elektroden aufgetragen waren, und das Grünblatt, bei dem keine Elektroden verwendet gestapelt, unter Erhalt der in den 1(a) und 1(b) gezeigten Struktur, daß nämlich 10 Verschiebungselemente longitudinal und 20 Verschiebungselemente lateral auf der Substratoberfläche gebildet wurden. Dieses wurde dann unter Druck gesetzt, während erwärmt wurde, unter Erzeugung eines laminierten Aktuator-Formkörpers.
Schließlich wurde bei diesem Formkörper das Bindemittel bei 400°C entfernt, 5 Typen von Laminaten wurden in einer Atmosphäre von 99 % O₂ bei 1000°C für 2 Stunden gebrannt, unter Erhalt von 5 Typen von Aktuatoren.
Nach Mahlen des Querschnittes des Sinterkörpers wurde die Dicke eines jeden erhaltenen Aktuators mit einem Mikroskop, erhältlich von Keyence Corp., unter Verwendung von CCD gemessen. Eine piezoelektrische Keramikschicht wurde geschnitten und die quantitative Messung von Pb, Ti und Zr im Querschnitt wurde durchgeführt, unter Ermittlung einer Zusammensetzungsvariation und des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr). Nach Schneiden der piezoelektrischen Keramikschicht und Verarbeiten des Querschnittes zu einer spiegelbearbeiteten Oberfläche wurde dieses mit einem Mikroskop beobachtet. Zur Berechnung der Porosität wurde die Fläche von Löchern innerhalb einer vorbestimmten Fläche ermittelt und durch die gesamte Fläche dividiert.
Die erwähnte Zusammensetzungsvariation wurde mit EPMA durch Vergleich der Mengen an Pb, Zr und Ti mit der einen internen Standardprobe gemessen. Die erhaltenen Mengen an Pb, Zr und Ti wurden in die molare Menge umgewandelt, und ein Pb/(Ti + Zr)-Verhältnis wurde berechnet. Das Gitterkonstantenverhältnis c/a der Perovskit-Verbindung wurde durch Substituieren des d(002) interplanaren Abstandes und d(200) interplanaren Abstandes bei der Röntgenbeugung gemäß folgender Gleichung berechnet: 1/d2 = h2 + k2+ (a/c)2l2/a2
Zusätzlich wurde d₃₁ des Aktuators durch das Resonanzverfahren unter Verwendung eines Impedanzanalysegerätes gemessen. Die elastische Kompleanz S₁₁ ^E wurde gemessen, wobei die Dichte des Sinterkörpers und die Resonanzfrequenz verwendet wurden.
Dann wurde der Aktuator mit einem Passageteil verbunden und ein Druckkopf gemäß 2a wurde hergestellt. Die elektrostatischen Kapazitäten vor und nach dem Binden wurden mit dem Impedanzanalysegerät gemessen. Dann wurde der Nachbindewert gegenüber dem Wert vor dem Binden als Änderungsrate berechnet. Die Verschiebung, die verursacht wurde, wenn die Spannung auf jedes Verschiebungselement auferlegt wurde, wurde mit einer Dopplermeßanlage gemessen, und eine planare Verschiebungsvariation wurde berechnet. Für den Erhalt der Variation wurde die maximale Differenz von einem Mittelwert durch den Mittelwert dividiert, und das Ergebnis wurde als Prozentsatz ausgedrückt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse.
Bei den Proben Nr. II-2 bis II-5, II-7 bis II-10 und II-10 bis II-24 dieser Erfindung war die Änderungsrate der elektrostatischen Kapazität 35 % oder weniger, die mittlere Verschiebungsmenge war 22 nm oder mehr und die Variation war 4 % oder weniger. Insbesondere war bei
Pb_0,94Sr_0,04Ba_0,02(Zn_1/3Sb_2/3)_0,075(Ni_1/2Te_1/2)_0,005Zr_0,47 Ti_0,45O₃, dessen Hauptphase Al war, die mittlere Verschiebungsmenge 35 nm oder mehr und die Variation war 2 %.
In der Probe Nr. II-1, bei der das Gitterkonstantenverhältnis c/a kleiner als 1,013 war, war die Änderungsrate der elektrostatischen Kapazität 50 % und die mittlere Verschiebungsmenge war 40 nm, während die Variation 15 % war. Bei der Probe II-6, bei der das Gitterkonstantenverhältnis c/a größer als 1,016 war, war die mittlere Verschiebungsmenge 40 nm und die Variation war 20 %.
Bei der Probe II-11 mit einer Dicke von mehr als 100 μm war die mittlere Verschiebungsmenge 20 nm. Dies war als Aktuator unpraktisch, insbesondere als Aktuator, der für einen Druckkopf verwendet wird.
Bei der Probe II-25, umfassend eine Perovskit-Verbindung, die kein Pb und Zr enthielt, war die mittlere Verschiebungsmenge 10 nm. Dies war als Aktuator, insbesondere als Aktuator, der für einen Druckkopf verwendet wurde, unpraktisch.
Beispiel III
Jedes Ausgangsmaterialpulver von Pb₂O₃, ZrO₂, TiO₂, BaCO₃, ZnO, SrCO₃, Sb₂O₃, NiO und TeO₂, die Ausgangsmaterialpulver hoher Reinheit darstellten, wurden in einer vorbestimmten Menge gewogen, so daß ein Sinterkörper eine Zusammensetzung erhielt, ausgedrückt als
Pb_1-x-ySr_xBa_y(Zn_1/3Sb_2/3)_a(Ni_1/2Te_1/2)_bZr_1-a-b-cTi_cO₃ (x = 0,04, Y = 0,02, a = 0,075, b = 0,75 und c = 0,45). Zu dieser Zusammensetzung wurde überschüssiges Pb gegeben und im Naßverfahren mit einer Kugelmühle 20 Stunden gemischt. Nach Entwässern und Trocknen der Mischung wurde diese 3 Stunden bei 700 bis 900°C calciniert. Der erhaltene calcinierte Stoff wurde zweimal im Naßverfahren mit einer Kugelmühle oder dgl. zerstoßen.
Dann wurden ein organisches Bindemittel, Wasser, Dispersionsmittel und Plastifizierer zu dem zerstoßenen Stoff gegeben und dann vermischt unter Erhalt einer Aufschlämmung. Ein Band mit einer Dicke von 30 μm wurde beim Walzenbeschichtungsverfahren gebildet. Anschließend wurden eine gemeinsame Elektrode und getrennte Elektroden mit jeweils einer Dicke von 5 μm auf der oberen und unteren Oberfläche des Bandes durch ein Druckverfahren gebildet, wobei eine Elektrodenpaste verwendet wurde, die sich aus Aq-Pd mit 70:30 zusammensetzte. Dann wurde ein Band, das frei von Elektroden war, und ein Band, bei dem die obere und die untere Oberfläche getrennte Elektroden darstellten, die als Verschiebungselemente für den Antrieb dienten, und eine gemeinsame Elektrode gestapelt, so daß sie einander gegenüberlagen. Dies wurde dann unter Druck gesetzt und bei einem Druck von 12 MPa abgedichtet, unter Erhalt eines Laminates.
Schließlich wurde dieser laminierte Formling nach Entfernung des Bindemittels bei 400°C bei 1100°C in einer Atmosphäre mit 99 % O₂ 5 Stunden lang gebrannt, unter Erhalt eines Aktuatorsubstrates.
Nach Schneiden des erhaltenen Aktuators und Mahlen seines Querschnittes wurden die gesamte Dicke T und die Adhäsivschichtdicke t mit einem Mikroskop, erhältlich von Keyence Corp. unter Verwendung von CCD gemessen. Nach Schneiden des Sinterkörpers und Verarbeiten des Querschnittes zu einer spiegelbearbeiteten Oberfläche wurde dieser mit einem Mikroskop beobachtet, und die Fläche der Poren innerhalb einer vorbestimmten Fläche wurde festgestellt, zur Berechnung der Porosität.
Der Aktuator wurde mit einem Passagenteil verbunden, und ein Tintenstrahl-Druckkopf, der in den 2(a) und 2(b) gezeigt ist, wurde hergestellt. Das Binden wurde unter Verwendung von Epoxy-Adhäsiv als Adhäsiv bei 150°C unter einem auferlegten Druck von 1 MPa durchgeführt.
Durch das Resonanzverfahren mit einem Impedanzanalysator wurden d₃₁ an zehn Stellen in dem Aktuator in dem Passageteil gemessen, und der mittlere Wert wurde berechnet.
Dann wurde ein AC-elektrisches Feld mit 0 bis 20 V bei einer Frequenz von 10 KHz auf den Tintenstrahl-Druckkopf auferlegt, und die Verschiebungsmenge der Verschiebungselemente an zehn Stellen wurde durch ein Doppler-Verschiebungsmeßgerät gemessen und der mittlere Wert wurde als Verschiebungsmenge verwendet. Für den Erhalt der Verschiebungsvariation wurde der maximale Wert zwischen jeder Verschiebungsmenge und der Mittelwert durch den Mittelwert dividiert, und das Ergebnis wurde als Prozentsatz ausgedrückt.
Wenn eine DC-Spannung von 40 V auf ein Verschiebungselement auferlegt wurde, wurden zusätzlich die Verschiebung dieses Elementes (vibriertes Element) und die Verschiebung des benachbarten Verschiebungselementes (benachbartes Element) durch das Doppler-Verschiebungsmeßgerät gemessen, und der Einfluß der Interferenz dazwischen wurde untersucht. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse.
Bei den Proben III-1 bis III-7, III-10 bis III-15 und III-17 bis III-23 dieser Erfindung war d₃₁ 200 pm/V oder mehr, die Verschiebung des vibrierten Elementes (Mittelwert) war 70 nm oder mehr, die Verschiebungsvariation des vibrieten Elementes war 2,8 % oder weniger und die Verschiebung des benachbarten Elementes war 5 nm oder weniger.
In der Probe Nr. III-8, bei der die Gesamtdicke des Aktuators mehr als 100 μm ausmachte, war d₃₁ 150 pm/V, und die Verschiebung des vibrierten Elementes war 48 nm.
Bei der Probe III-9, bei der die Dicke t der Adhäsivschicht kleiner als 0,5 μm, war, und bei der Probe III-16, bei der Dicke t der Adhäsivschicht größer als 0,5 μm war, war die Verschiebungsvariation des vibrierten Elementes 10 % oder mehr und die Verschiebung des benachbarten Elementes war 12 nm.

Claims

Aktuator, umfassend ein Substrat und ein Verschiebungselement, das auf der Oberfläche des Substrates angeordnet ist, wobei das Verschiebungselement eine piezoelektrische Keramikschicht und ein Paar von Elektroden, die dazwischen die piezoelektrische Keramikschicht aufweisen, umfaßt, wobei die piezoelektrische Keramikschicht und das Substrat als Hauptkomponente einen Perovskit-Kristall aufweisen, umfassend zumindest Pb, Zr und Ti, wobei der maximale Unterschied des Zusammensetzungsverhältnisses Pb/(Ti + Zr) zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht und dem Inneren des Substrates 0,02 oder weniger ist und die Gesamtdicke des Aktuators 100 μm oder weniger ist.
Aktuator nach Anspruch 1, worin eine Vielzahl der Verschiebungselemente auf der Oberfläche des Substrates angeordnet ist.
Aktuator nach Anspruch 1, worin die Porositäten des Substrates und der piezoelektrischen Keramikschicht 1 % oder weniger sind.
Verfahren zur Erzeugung eines Aktuators, umfassend folgende Schritte: Herstellung eines Laminates durch Stapeln eines Grünblattes, das als Hauptkomponente einen Perovskit-Kristall aufweist, umfassend zumindest Pb, Zr und Ti, und Anordnen einer Elektrode im Inneren und an der Oberfläche des Grünblattes; und Brennen des Laminates unter einer Atmosphäre, die Sauerstoff mit hoher Konzentration umfaßt, wobei die Menge an Pb, das in dem Grünblatt enthalten ist, größer ist als die Menge an Pb, die der stöchiometrischen Zusammensetzung des Perovskit-Kristalls entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die überschüssige Menge an Pb, die in dem Grünblatt enthalten ist, 0,99 bis 5 Gew.-% ist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die Dichte des Grünblattes 4,2 g/cm² oder mehr ist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Laminat bei 900°C bis 1100°C gebrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die Atmosphäre, die Sauerstoff in einer hohen Konzentration enthält, 98 % oder mehr Sauerstoff enthält.
Druckkopf, umfassend ein Passageteil mit einer Vielzahl von Tintenpassagen, und einen Aktuator nach Anspruch 1, der auf dem Passageteil vorgesehen ist, wobei die Tinte, die in der Tintenpassage geladen ist, durch die Verschiebung des Verschiebungselementes, das den Aktuator ausmacht, entladen wird.
Aktuator, umfassend ein Keramiksubstrat und eine Vielzahl von Verschiebungselementen, die auf der Oberfläche des Substrates vorgesehen sind, wobei die Verschiebungselemente eine piezoelektrische Keramikschicht und ein Paar von Elektroden umfassen, die dazwischen die piezoelektrische Keramikschicht aufweisen, wobei die piezoelektrische Keramikschicht eine Perovskit-Verbindung enthält, die Pb, Zr und Ti umfaßt, wobei das Gitterkonstantenverhältnis c/a der Perovskit-Verbindung 1,013 bis 1,016 ist, wobei der Aktuator eine Dicke von 100 μm oder weniger hat.
Aktuator nach Anspruch 10, worin die Perovskit-Verbindung eine Verbindung auf Bleizirkonattitanat-Basis ist.
Aktuator nach Anspruch 10, worin die piezoelektrische Keramikschicht zumindest ein Element enthält, ausgewählt aus Sr, Ba, Ni, Sb, Nb, Zn und Te.
Aktuator nach Anspruch 12, worin die piezoelektrische Keramikschicht Ba in einer Menge von 0,02 bis 0,08 mol und Sr in einer Menge von 0,02 bis 0,12 mol umfaßt.
Aktuator nach Anspruch 10, worin die piezoelektrische Keramikschicht Pb enthält, das die Menge von Pb übersteigt, das für das stöchiometrische Verhältnis der Perovskit-Verbindung erforderlich ist, und daß das überschüssige Verhältnis an der Stelle A 1,005 bis 1,04 ist.
Aktuator nach Anspruch 10, worin das Keramiksubstrat eine piezoelektrisches Element ist.
Aktuator nach Anspruch 10, worin ein Einschränkungsteil über eine Adhäsivschicht mit einem Teil des Keramiksubstrates verbunden ist und die Verschiebung an einem Nicht-Einschränkungsteil auftritt.
Aktuator nach Anspruch 10, worin die Größenordnung von d₃₁ 200 pm/V oder mehr ist.
Aktuator nach Anspruch 10, worin die elastische Kompleanz 14,0 × 10^–12 m/N² oder weniger ist.
Aktuator nach Anspruch 10, worin die maximale Differenz beim Zusammensetzungsverhältnis Pb/(Ti + Zr) zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Keramikschicht und dem Inneren des Keramiksubstrates 0,02 oder weniger ist.
Druckkopf, umfassend ein Passageteil mit einer Vielzahl von Tintenpassagen und einen Aktuator nach Anspruch 10, der auf dem Passageteil so verbunden ist, daß ein Verschiebungselement, das den Aktuator ausmacht, unmittelbar oberhalb der Tintenpassage lokalisiert ist, wobei Tinte, die in der Tintenpassage geladen ist, durch die Verschiebung des Verschiebungselementes entladen wird.
Aktuator, umfassend ein Substrat, eine Vielzahl von Verschiebungselementen, die auf einer Oberfläche des Substrates angeordnet sind, und eine Vielzahl von Einschränkungsteilen, die über eine Adhäsivschicht mit der anderen Oberfläche des Substrates gebunden sind, wobei die Verschiebungselemente unabhängig bedient werden, so daß ein Nicht-Einschränkungsteil, das nicht durch die Einschränkungsteile eingeschränkt sind, eine Verschiebung induziert, wobei der Aktuator eine Gesamtdicke von 100 μm oder weniger und eine d-Konstante von 200 pm/V oder mehr hat und die Adhäsivschicht eine Dicke von 0,5 bis 5 μm hat.
Aktuator nach Anspruch 21, worin der maximale Porendurchmesser, der in der Adhäsivschicht enthalten ist, 10 μm oder weniger ist.
Aktuator nach Anspruch 21, worin das Verschiebungselement eine piezoelektrische Schicht und ein Paar von Elektroden umfaßt, die dazwischen die piezoelektrische Schicht aufweisen.
Aktuator nach Anspruch 21, worin die Hauptkomponente, die die piezoelektrische Schicht ausmacht, ungefähr die gleiche ist wie die Hauptkomponente, die das Substrat ausmacht.
Druckkopf, umfassend ein Substrat, eine Vielzahl von Verschiebungselementen, die auf einer Oberfläche des Substrates angeordnet sind, und ein Passageteil mit einer Vielzahl von Tintenpassagen, das über eine Adhäsivschicht mit der anderen Oberfläche des Substrates gebunden ist, wobei die Verschiebungselemente unmittelbar oberhalb der Tintenpassage angeordnet sind, wobei jedes der Verschiebungselemente unabhängig den Aktuator mit einer Gesamtdicke von 100 μm oder weniger und einer d-Konstante von 200 pm/V oder mehr verschieben, wobei die Adhäsivschicht eine Dicke von 0,5 bis 5 μm aufweist und Tinte durch die Verschiebung der Verschiebungselemente entladen wird.