JP2001024248A - 低温焼成法による多層圧電／電歪セラミックアクチュエータの製造方法及びその方法によって製造された多層圧電／電歪セラミックアクチュエータ - Google Patents

低温焼成法による多層圧電／電歪セラミックアクチュエータの製造方法及びその方法によって製造された多層圧電／電歪セラミックアクチュエータ

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Dong-Hun Kim
東勲 金
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高変位で高速駆動が可能な、低温焼成法によ
る多層圧電／電歪セラミックアチュエータ及びその製造
方法を提供する。 【解決手段】 振動板を提供するステップと、振動板の
上部に１００〜５００℃で非爆発性酸化−還元燃焼反応
によって製造され、粒子サイズが５μｍ以下であり、
鉛、チタニウムを基本構成元素とする超微細セラミック
酸化物粉末と、水又は有機溶媒をベースにして製造した
超微細セラミック酸化物粉末と同一又は類似成分のゾル
溶液とを混合して製造したペーストを使用して単一圧電
／電歪膜を成形するステップと、単一圧電／電歪膜を１
００〜８００℃で熱処理するステップと、単一圧電／電
歪膜上に上部電極を形成するステップとを含み、上部電
極上に単一圧電／電歪膜を成形して熱処理するステップ
と、単一圧電／電歪膜上に上部電極を形成するステップ
とを反復することで多層の圧電／電歪膜及び上部電極を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電／電歪セラミ
ックアクチュエータの製造方法及びその方法によって製
造された圧電／電歪セラミックアクチュエータに関し、
より詳しくは、圧電／電歪膜と上部電極とを多層に積層
した圧電／電歪セラミックアクチュエータを製造する方
法及びその方法によって製造された圧電／電歪セラミッ
クアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】インクジェットプリンタヘッドにおい
て、インク液滴を特定の大きさ、特定のスピードで吐出
させるためには、アクチュエータを充分な変位をもって
速い速度で動かすことが必要である。インクジェットプ
リンタヘッドでのアクチュエータは、下部構造と結合さ
れた振動板と、振動板の上部に形成された下部電極と、
下部電極の上部に形成された圧電／電歪膜と、圧電／電
歪膜上に形成された上部電極とで構成されることが一般
的である。
【０００３】前記のような構造のアクチュエータは、上
部電極及び下部電極に電圧が印加されると、それにした
がって電極間に配置された圧電／電歪膜が変形と復元を
繰り返しながら振動するようになる。一般的に使われる
圧電／電歪セラミックアクチエータの構造を図１に図示
した。
【０００４】図１に図示したようなアクチュエータで
は、ジルコニア等で形成したチャンバ板１０と振動板１
２の上部にプラチナ等で下部電極１４を形成し、下部電
極１４の上部には一般的に使われる固相法によって製造
され、高温熱処理が必要なセラミック酸化物粉末で圧電
／電歪膜１６を形成し、圧電／電歪膜１６の上部には銀
等で上部電極１８を形成することが一般的である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このようなアクチュエ
ータでは、１０００℃以上の熱処理が必要なセラミック
酸化物粉末で圧電／電歪膜を形成するために、１０００
℃以上の熱処理に耐えられるジルコニア等の数種類の材
料のみが振動板やチャンバ板の材質に使用可能である。
従って、振動板やチャンバ板に使用することができる構
成材料の種類が制限されるといった短所がある。
【０００６】また、１つの層に形成されているため、適
正な変位を発現するためには一定電圧以上を加えなけれ
ばならず、固相法によって製造されるセラミック酸化物
粉末の粒子の大きさが０．２〜２μｍと比較的大きく、
形成される圧電／電歪膜が２０〜３０μｍの厚さをもつ
薄膜であるため、アクチュエータが変位を発生させるた
めに供給しならなければならない電圧は高くならざるを
得ない。
【０００７】インクジェットヘッド用圧電／電歪セラミ
ックアクチュエータの駆動電圧は、充分な変位及び速度
を得ることができる範囲で決まるが、アクチュエータの
厚さ、圧電／電歪物質の性質、振動板の特性等、アクチ
ュエータを構成する構造体の性質によって変化する。こ
のようなインクジェットヘッド用圧電／電歪セラミック
アクチュエータの駆動電圧は総じて３０〜３０Ｖ内外で
決定される。
【０００８】インクジェットプリンタヘッドが高性能プ
リンタヘッドとして機能するためには、より速い駆動速
度及びより多くの変位が要求される。しかしながら、よ
り速い駆動速度及びより多くの変位を得るために使われ
る通常の方法は、駆動電圧を高くする方法である。この
場合、駆動回路の製造単価が上がり、工程上でも高電圧
に耐える条件を備えなければならないために、不良が発
生するという問題点がある。
【０００９】本発明の目的は、上記の問題点を解決する
ため、低温で圧電／電歪膜を形成することができるセラ
ミックペーストを使用して多層の圧電／電歪セラミック
アクチュエータを製造することで、高速・大変位の振動
が可能な圧電／電歪セラミックアクチュエータを製造す
る方法及びその方法によって製造された圧電／電歪セラ
ミックアクチュエータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の低温焼成法による多層圧電／電歪セラミッ
クアクチュエータの製造方法は、振動板を提供するステ
ップと、前記振動板の上部に（下部電極を形成するステ
ップと、前記下部電極の上部に）１００〜５００℃の低
温で非爆発性酸化−還元燃焼反応によって製造され、粒
子の大きさが５μｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本
構成元素とする超微細セラミック酸化物粉末と、水又は
有機溶媒をベースにして製造した前記超微細セラミック
酸化物粉末と同一又は類似成分のセラミックゾル溶液と
を混合して製造したセラミックペーストを使用して単一
圧電／電歪膜を成形するステップと、前記単一圧電／電
歪膜を１００〜８００℃で熱処理するステップと、前記
単一圧電／電歪膜上に上部電極を形成するステップとを
含み、前記上部電極の上部に単一圧電／電歪膜を成形し
て熱処理するステップと、前記単一圧電／電歪膜上に上
部電極を形成するステップとを繰り返すことで多層の圧
電／電歪膜及び上部電極を形成することに特徴がある。
【００１１】また、本発明の低温焼成法による多層圧電
／電歪セラミックアクチュエータの製造方法は、金属振
動板と、前記振動板の上部に１００〜５００℃の低温で
非爆発性酸化−還元燃焼反応によって製造され、粒子の
大きさが５μｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本構成
元素とする超微細セラミック酸化物粉末と、水又は有機
溶媒をベースにして製造した前記超微細セラミック酸化
物粉末と同一又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混
合して製造したセラミックペーストを使用して形成され
た単一圧電／電歪膜と、前記単一圧電／電歪膜上に形成
された上部電極とからなり、前記単一圧電／電歪膜と上
部電極とが交互に繰り返し積層されて、多層構造を形成
することに特徴がある。
【００１２】また、本発明の低温焼成法による多層圧電
／電歪セラミックアクチュエータの製造方法は、振動板
と、前記振動板の上部に形成された下部電極と、前記下
部電極の上部に１００〜５００℃の低温で非爆発性酸化
−還元燃焼反応によって製造され、粒子の大きさが５μ
ｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本構成元素とする超
微細セラミック酸化物粉末と、水又は有機溶媒をベース
にして製造した前記超微細セラミック酸化物粉末と同一
又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合して製造し
たセラミックペーストを使用して形成された単一圧電／
電歪膜と、前記単一圧電／電歪膜上に形成された上部電
極とからなり、前記単一圧電／電歪膜と上部電極が交互
に繰り返し積層されて、多層構造を形成することに特徴
がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。
【００１４】アクチュエータの振動板としては、金属、
セラミック、又は樹脂類の高分子性有機化合物を使用す
ることができる。
【００１５】金属としては、従来に使われた様々な合金
を使用することができ、その中でも特にステンレススチ
ールやニッケルを使用することが望ましい。
【００１６】セラミック板としては、酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウム、硅素、炭化硅素、窒化硅素、
二酸化硅素、又はガラス系を使用することが望ましい。
樹脂類の高分子性有機化合物としては、ポリエステル
系、ポリイミド系、ポリエチレンイミド系、又はテフロ
ン系の樹脂振動板を使用することが望ましい。
【００１７】金属を振動板に使用する場合には、金属自
体が電導性をもつため、別途の下部電極を形成する必要
はないが、セラミックや樹脂類の高分子性有機化合物を
振動板に使用する場合には別途の下部電極を形成しなけ
ればならない。このとき、下部電極は金、銀、アルミニ
ウム、ニッケル、プラチナ等を材料に使用し、蒸着、ス
パッタリング、又はスクリーン印刷等の方法で形成す
る。下部電極は振動板に全体的に形成することもでき、
マスクを使用して必要とする部分にのみ形成することも
できる。
【００１８】金属振動板の上部、又は下部電極が形成さ
れたセラミックや樹脂振動板上に圧電／電歪膜を形成す
る。このとき、圧電／電歪膜の材料としては、低温での
熱処理が可能な圧電／電歪セラミックペーストを使用す
る。圧電／電歪セラミックペーストは、セラミック酸化
物粉末及びセラミック酸化物粉末と親和性をもつ同一又
は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合して製造す
る。
【００１９】セラミック酸化物粉末自らの反応性を考慮
して低温成形が可能なシステムを確保するためには、セ
ラミック酸化物粉末は微細な粉末を使用することが効果
的なため、セラミック構成成分原料を溶媒又は分散媒に
充分に溶解又は均一に分散させ、セラミック構成元素を
含む溶液又は分散混合物を製造するステップと、前記セ
ラミック構成成分が溶解又は分散された溶液又は分散混
合物に前記セラミック構成元素の陰イオンと酸化−還元
燃焼反応を起こすのに必要な量又はそれ以上のクエン酸
を添加して混合液を製造するステップと、及び前記混合
液を１００〜５００℃で熱処理するステップとを含む製
造方法で製造されたセラミック酸化物粉末を使用する。
【００２０】セラミック構成成分を含む原料としては、
セラミック構成元素の酸化物、炭酸化物若しくは窒酸化
物等のセラミック構成元素と有機物若しくは無機物の
塩、又はセラミック構成元素の錯体の中から、適宜選択
して使用する。
【００２１】前記セラミック構成元素としては、鉛、チ
タニウムを基本構成元素とする圧電／電歪セラミック元
素を使用することが望ましく、特に、前記セラミック構
成元素は、鉛、ジルコニウム、チタニウム又は鉛、マグ
ネシウム、ニオブを含む成分からなるものを使用するこ
とが望ましい。
【００２２】セラミック構成成分原料を溶解又は分散さ
せるための溶媒又は分散媒としては、水、又は有機溶媒
中のセラミック構成成分を含む原料を溶かしたり、分散
することができるものの中から、１つ又はそれ以上を選
択して使用する。有機溶媒中からはジメチルホルムアミ
ド、メトキシエタノール、アセト酸、アルコール類、グ
リコール類等を主に使用する。
【００２３】燃焼調整剤としては、燃焼反応を起こすこ
とができる有機化合物のクエン酸を使用する。従来の方
法でクエン酸は、燃焼調整剤ではない錯体形成剤として
反応の均質性を付与するために使われてきたし、ペチニ
方法のような工程で応用されてきた。また、クエン酸の
可燃性と錯体形成効果を利用することによって、速度が
調節された燃焼反応を誘発することができる。
【００２４】セラミック構成成分が溶解又は分散された
溶液又は分散混合物にクエン酸を加えて混合し、混合液
を製造する。添加するクエン酸の量は、前記セラミック
構成元素の陰イオンと酸化−還元燃焼反応を起こすのに
必要な量、又はそれ以上を添加する。添加するクエン酸
の量により、反応の進行速度を調節できる。
【００２５】クエン酸を加えて混合した混合液を１００
〜５００℃で熱処理する。熱処理温度が高くなるほどセ
ラミック相の結晶性は増すが、熱処理温度が１００℃以
上になれば、クエン酸の燃焼反応は充分に始まる。５０
０℃以上で熱処理しても反応を起こすことができるが、
それ以上の温度で熱処理することは従来の方法と比較す
ると、意味がない。より望ましい熱処理温度は、１５０
〜３００℃であり、この温度範囲は相当、低温での熱処
理でありながらも、セラミック相の結晶性を適切に確保
することができる。
【００２６】前記燃焼反応過程でクエン酸は除去され
る。このとき発生するクエン酸の反応熱によってセラミ
ック酸化物が飛散なく形成される。このような反応でセ
ラミック構成元素外の成分は、充分な時間の燃焼反応に
よって除去されるため、不純物が残留しない純粋な形態
のセラミック酸化物粉末が作られる。
【００２７】上記の方法で作られたセラミック酸化物粉
末は、粒子の大きさが５μｍ以下、特に、０．５μｍ以
下の極めて微細で粒径分布が均一な粉末として、基本粒
子が独立体又は弱い凝集体の形態として存在し、完全に
燃焼したセラミック相であるため、さらに熱処理しても
重量が減少しない。
【００２８】また、表面の反応性に優れ、低温での熱処
理のみで成形が可能であるため、振動板の自由度が高
く、振動板に印刷したり、コーティングする方法を多様
に適用することができる。製造されたセラミック酸化物
粉末の結晶性を高めるためには製造されたセラミック酸
化物粉末を７００〜９００℃でさらに熱処理するステッ
プを加えることもできる。
【００２９】上記の方法によって製造されたセラミック
酸化物粉末にセラミック酸化物粉末と親和性をもつ同一
又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合してセラミ
ックペーストを製造する。
【００３０】このとき、セラミック酸化物粉末として
は、ＰＺＴ、ＰＭＮ又はそれらの固溶体（ＰＺＴ−ＰＭ
Ｎ）を用いることが好ましい。また、前記セラミック酸
化物粉末には、ニッケル、ランタン、バリウム、亜鉛、
リチウム、コバルト、カドミウム、セリウム、クロム、
アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、タングステ
ン、ストロンチウム、カルシウム、蒼鉛、錫、マンガン
のなかで、ひとつ又はそれ以上の元素をさらに含むこと
ができる。
【００３１】セラミックゾル溶液は、水又は有機溶媒を
ベースとし、セラミック構成元素を溶解させて製造す
る。ベースになる有機溶媒は、様々なものを使用するこ
とができるが、主に、アセト酸、ジメチルホルムアミ
ド、メトキシエタノール、アルコール類、グリコール類
の中から適宜選択して使用することが望ましい。セラミ
ックゾル溶液の製造時に使用するセラミック構成元素
は、鉛、ジルコニウム、チタニウムを含む成分を使用す
ることが望ましく、使用するセラミックゾル溶液は、
０．１〜５Ｍの濃度とすることが望ましい。
【００３２】セラミック酸化物粉末とセラミックゾル溶
液を混合するとき、セラミックゾル溶液の含量はセラミ
ック酸化物粉末に対して１〜２００重量部とすることが
好ましい。セラミックゾル溶液の含量が２００重量部以
上の場合には、セラミック酸化物粉末が過度に希釈され
て、混合体の粘度が低く、１重量部未満である場合には
セラミック酸化物粉末の量が多く、粘度が過度に高まる
ためである。
【００３３】セラミック酸化物粉末とセラミックゾル溶
液の２つのシステムを混合すると、液状のセラミックゾ
ル溶液が固相であるセラミック酸化物粉末の表面を均一
にコーティングしつつ、セラミック酸化物粉末粒子を連
結して粉末間の間隙を効果的に満たす。
【００３４】こうして形成された粉末−ゾル混合体でセ
ラミック固有の特性を有するセラミック酸化物粉末は、
これと同一又は類似の成分のセラミックゾル溶液に取り
囲まれ、適当な流動性を有するようになり、セラミック
ゾルがセラミック酸化物粉末の表面で反応する反応媒体
として用いられ、粉末表面の反応性が向上する。
【００３５】また、ゾルに含まれている有機物成分は、
今後この混合体が別途の有機物と接触するとき、接触界
面の安定性を確保することができるようにして、分散性
と均質性を付与するようになる。
【００３６】こうしたシステムによって、低温度でゾル
が熱分解されてセラミック酸化物粉末と同一又は類似の
組成に変換されるために、低温でも粒子間の連結性の向
上したセラミックシステムを得ることができるようにな
る。
【００３７】セラミック酸化物粉末とセラミックゾル溶
液とを混合した混合体の安定性と成形に必要な流動性を
確保するために、物性調節用有機溶媒を添加することも
できる。物性調節用有機溶媒としては、数種類を用いる
ことができるが、特に、エタノール、ポリビニールアル
コール、グリセロール、テルピネオール、ポリエチレン
グリコール等のグリコール類やアルコール類を基本に使
用することが望ましい。
【００３８】セラミック酸化物粉末とセラミックゾル溶
液の混合体に物性調節用有機溶媒を添加する場合、物性
調節用有機溶媒の添加量は、セラミック酸化物粉末に対
して１〜１００重量部にすることが好ましい。これは、
物性調節用有機溶媒の添加量が１重量部未満であると、
物性調節用有機溶媒を添加した効果が得られず、添加量
が１００重量部を超えると、混合体が粘度を維持でき
ず、過度に希釈されて、成形時の成形性が悪くなるため
である。
【００３９】物性調節用有機溶媒の添加量は、セラミッ
ク酸化物粉末に対して１０〜４０重量部とすることが特
に好ましいが、この添加量の範囲では、混合体の粘度を
適切に維持しつつ、物性調節用有機溶媒を添加した効果
が得られる。
【００４０】また、セラミック酸化物粉末とセラミック
ゾル溶液の混合体に物性調節用溶媒を添加した混合体の
分散性と均質性を改善させるために、少量の有機物を添
加することができる。このとき、添加する有機物は、長
鎖アルコール類又は極性有機溶媒を用いることが好まし
い。
【００４１】長鎖アルコール類の中では、ペンタノール
やヘキサノールを用いることが好ましい。また、極性有
機溶媒としては、アセチルアセトン又はメトキシエタノ
ールを用いることが好ましい。
【００４２】有機物の添加量は、セラミック酸化物粉末
に対して１〜１００重量部にすることが好ましい。これ
は、有機物の添加量が１重量部未満であると、有機物を
添加した効果が得られないからであり、添加量が１００
重量部を超えると、混合体が粘度を維持できず、過度に
希釈されて成形性が悪くなるからである。
【００４３】有機物の添加量は、セラミック酸化物粉末
に対して１０〜４０重量部にすることが特に好ましく、
この添加量の範囲では混合体の粘度を適切に維持しつ
つ、有機物の添加の効果を得ることができる。
【００４４】上記の方法によって製造された圧電／電歪
セラミックペーストを使用してゾル−ゲル法、スクリー
ン印刷法、モールディング法、コーティング法等、多様
な厚膜及び薄膜形成方法で単一の圧電／電歪膜を成形し
て、基板の物性及び添加剤の種類によって１００〜８０
０℃で熱処理をする。このとき、単一の圧電／電歪膜の
厚さは、熱処理条件、又は必要によって調節できるが、
０．１〜１０μｍの厚さに形成することが望ましく、特
に１〜６μｍの厚さに形成することが望ましい。
【００４５】従来のセラミック酸化物粉末を使用する場
合には、セラミック酸化物粉末の粒子の大きさが大きい
ために圧電／電歪膜の厚さを薄く形成することができな
かったが、本発明で使用するセラミック酸化物粉末は、
粒子の大きさが微細なため、薄い厚さの単一の圧電／電
歪膜を形成することができる。
【００４６】単一の圧電／電歪膜上に上部電極を形成す
る。上部電極としては、金、銀、アルミニウム、ニッケ
ル、プラチナ等を蒸着、スパッタリング、又はスクリー
ン印刷等の多様な厚膜及び薄膜形成方法で成形した後、
熱処理する。
【００４７】上記の方法によって圧電／電歪膜と上部電
極を形成する工程を繰り返して所望の層数をもった多層
の圧電／電歪セラミックアクチュエータを製造する。ｎ
個の層の多層の圧電／電歪セラミックアクチュエータと
単層の圧電／電歪セラミックアクチュエータを比較して
みると、同じ電圧を加えるとき、ｎ層の多層の圧電／電
歪セラミックアクチュエータは、ｎ倍程度の作動変位及
び速度を得ることができ、１／ｎ程度の電圧のみを加え
るだけで同一の作動変位及び速度を得ることができる。
【００４８】また、多層での単一圧電／電歪膜の厚さを
異なるように形成し、それぞれの圧電／電歪膜にかかる
電界を異ならせることで、様々な振動形態を得ること
ができる。このような形態は、液滴の大きさを調節した
り、メニスカスを安定化させるのに有用に使われる。
【００４９】また、多層の圧電／電歪膜を分極させるこ
とによってアクチュエータの特性を向上させることがで
きる。圧電／電歪膜の分極方向を様々に制御すると、単
層の圧電／電歪膜又は分極されない圧電／電歪膜に比
べ、大きな変位を得ることができる。
【００５０】上記の方法によって製造された多層圧電／
電歪セラミックアクチュエータは、金属を振動板として
使用する場合には、金属振動板と、前記振動板の上部に
１００〜５００℃の低温で非爆発性酸化−還元燃焼反応
によって製造され、粒子の大きさが５μｍ以下であり、
鉛、チタニウムを基本構成元素とする超微細セラミック
酸化物粉末と、水又は有機溶媒をベースにして製造した
前記超微細セラミック酸化物粉末と同一又は類似成分の
セラミックゾル溶液とを混合して製造したセラミックペ
ーストを使用して形成された単一圧電／電歪膜と、前記
単一圧電／電歪膜上に形成された上部電極とからなり、
前記単一圧電／電歪膜と上部電極とが交互に繰り返し積
層されて、多層構造を形成する。
【００５１】また、セラミック又は樹脂類の有機化合物
を振動板として使用する場合には、振動板と、前記振動
板の上部に形成された下部電極と、前記下部電極の上部
に１００〜５００℃の低温で非爆発性酸化−還元燃焼反
応によって製造され、粒子の大きさが５μｍ以下であ
り、鉛、チタニウムを基本構成元素とする超微細セラミ
ック酸化物粉末と、水又は有機溶媒をベースにして製造
した前記超微細セラミック酸化物粉末と同一又は類似成
分のセラミックゾル溶液とを混合して製造したセラミッ
クペーストを使用して形成された単一圧電／電歪膜と、
前記単一圧電／電歪膜上に形成された上部電極とからな
り、前記単一圧電／電歪膜と上部電極が交互に繰り返し
積層されて、多層構造を形成する。
【００５２】図２は、本発明の方法によって５層に積層
された圧電／電歪セラミックアクチュエータを図示した
ものである。図２に図示したように、アクチュエータ
は、チャンバ板２０と結合された振動板２２の上部に下
部電極２４を形成し、下部電極２４の上部に圧電／電歪
膜２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅと上部電極
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅを繰り返し積
層することによって５層に積層された構造で形成されて
いる。
【００５３】図２のように、５層に積層した場合には、
同一の駆動電圧を加えるとき、５倍程度の作動変位及び
速度を得ることができ、１／５程度の駆動電圧で同一の
作動変位及び速度を得ることができる。
【００５４】以下、実施形態によって本発明をより詳細
に説明する。なお、次の実施形態は、本発明を例示する
ものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００５５】（実施形態１）非爆発性酸化−還元燃焼反
応によって製造した粒径０．５μｍ以下のＰＺＴ−ＰＭ
Ｎ系圧電／電歪微細粉末と０．５Ｍ濃度のＰＺＴ−メト
キシエタノールゾル溶液とを１：１の重量比で混合し、
超音波洗浄器で３０分間分散させた。
【００５６】得られた分散液をプラチナが下部電極に蒸
着されたシリコン基板上にスピンコーティングし、常温
で部分乾燥する。部分乾燥した圧電／電歪膜を１２０℃
で完全乾燥した。
【００５７】完全乾燥された圧電／電歪膜を３００℃で
熱処理し、熱処理された圧電／電歪膜上に上部電極を蒸
着した.
【００５８】圧電／電歪膜をコーティング、乾燥及び熱
処理を行い、圧電／電歪膜上に上部電極を蒸着するステ
ップを３回繰り返して３層に積層された圧電／電歪セラ
ミックアクチュエータを製造した。
【００５９】（実施形態２）非爆発性酸化−還元燃焼反
応によって製造した粒径０．１μｍ以下のＰＺＴ系圧電
／電歪微細粉末とトリメチレングリコールとを６：４の
重量比で混合し、自動誘発で６時間、撹拌した。
【００６０】２．０Ｍ濃度のＰＺＴ−アセト酸ゾル溶液
を粉末とトリメチレングリコールの混合液とを５：１の
重量比で混合し、自動誘発で３０分間、さらに撹拌した
後、超音波洗浄器で３０分間分散させた。
【００６１】得られた分散液をステンレススチール基板
上にディップコーティングして常温で部分乾燥し、部分
乾燥された圧電／電歪膜を１００℃で完全乾燥した。
【００６２】完全乾燥された圧電／電歪膜を３００℃で
熱処理し、熱処理された圧電／電歪膜上に上部電極を蒸
着した。
【００６３】圧電／電歪層をコーティング、乾燥及び熱
処理を行い、圧電／電歪層上に上部電極を蒸着するステ
ップを５回繰り返して５層に積層された圧電／電歪セラ
ミックアクチュエータを製造した。
【００６４】（実施形態３）非爆発性酸化−還元燃焼反
応によって製造した粒径０．１μｍ以下のＰＺＴ系圧電
／電歪微細粉末と２Ｍ濃度のＰＺＴ酢酸ゾルとを７：３
の重量比で混合した。ここに、別途、２Ｍ濃度のＰＺＴ
酢酸ゾルに少量の水を加えることで加水分解させ、得ら
れたＰＺＴコロイド懸濁液を微細粉末の２５重量％程度
加えて自動誘発で混合した。適当量の酢酸を加えて、ス
ピンコーティングに適当な粘度を確保し、プラチナの下
部電極が形成されたシリコン基板上にコーティングし
た。
【００６５】コーティングされた圧電／電歪膜を乾燥し
た後、３００℃で熱処理する。熱処理された圧電／電歪
膜上に上部電極を蒸着した。
【００６６】圧電／電歪膜をコーティング、乾燥及び熱
処理を行い、圧電／電歪膜上に上部電極を蒸着するステ
ップを１０回繰り返して１０層に積層された圧電／電歪
セラミックアクチュエータを製造した。
【００６７】（実施形態４）非爆発性酸化−還元燃焼反
応によって製造した粒径０．５μｍ以下のＰＺＴ−ＰＭ
Ｎ系圧電／電歪微細粉末と２Ｍ濃度のＰＺＴ酢酸ゾルと
を７：３の重量比で混合した。ここにポリビニールアル
コールを微細粉末の１０重量％程度加えて、自動誘発で
混合した。適当量のメトキシエタノールを加え、スピン
コーティングに適当な粘度を確保し、プラチナの下部電
極が形成されたシリコン基板上にコーティングした。
【００６８】コーティングされた圧電／電歪膜を３００
℃で乾燥した後、７００℃で熱処理し、熱処理された圧
電／電歪膜上に上部電極を蒸着した。
【００６９】圧電／電歪膜をコーティング、乾燥及び熱
処理を行い、圧電／電歪膜上に上部電極を蒸着するステ
ップを１０回繰り返して１０層に積層された圧電／電歪
セラミックアクチュエータを製造した。
【００７０】
【発明の効果】上記のように、本発明は圧電／電歪膜と
上部電極を多層に積層することによって小さな駆動電圧
変化でも大きな変位と高駆動速度とを得ることができ
る。従って、高変位、高速のアクチュエーティングが可
能で、高画質、高速の印刷が可能となるという効果を奏
する。
【００７１】また、圧電／電歪セラミックアクチュエー
タをアクチュエーティングさせるのに必要な駆動電圧を
画期的に下げることができる。従って、回路を構成、製
作するのに必要とする費用を節減することができる。
【００７２】また、単一圧電／電歪膜の厚さを互いに異
なるように形成することで、薄い膜と厚い膜の電界差に
より様々な変形形態を得ることが可能である。これは、
液滴の大きさを調節したり、メニスカスを安定化させる
のに有用に使用することができる。
【００７３】また、多層に形成された圧電／電歪膜を分
極させることで単層の圧電／電歪膜、又は分極されない
圧電／電歪膜に比べ、より向上したアクチュエータの特
性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の圧電／電歪セラミックアクチュエータ
の構成を模式的に図示した断面図である。
【図２】 本発明の多層圧電／電歪セラミックアクチュ
エータにおける一実施形態の構成を模式的に図示した断
面図である。
【符号の説明】
２２ 振動板、 ２４ 下部電極 ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ 圧電／電歪
膜 ２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ 上部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 李 宗勉 大韓民国京畿道軍浦市烏金洞 堆渓住公ア パートメント354棟1203号 Ｆターム(参考） 2C057 AF03 AF93 AG44 AG49 AG94 AP02 AP15 AP54 AQ02 BA03 BA14

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属振動板を提供するステップと、 前記振動板の上部に１００〜５００℃の低温で非爆発性
    酸化−還元燃焼反応によって製造され、粒子の大きさが
    ５μｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本構成元素とす
    る超微細セラミック酸化物粉末と、水又は有機溶媒をベ
    ースにして製造した前記超微細セラミック酸化物粉末と
    同一又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合して製
    造したセラミックペーストを使用して単一圧電／電歪膜
    を成形するステップと、 前記単一圧電／電歪膜を１００〜８００℃で熱処理する
    ステップと、前記単一圧電／電歪膜上に上部電極を形成
    するステップとを含み、 前記上部電極の上部に単一圧電／電歪膜を成形して熱処
    理するステップと、前記単一圧電／電歪膜上に上部電極
    を形成するステップとを繰り返すことで多層の圧電／電
    歪膜及び上部電極を形成する、低温焼成法による多層圧
    電／電歪セラミックアクチュエータの製造方法。
  2. 【請求項２】 前記単一圧電／電歪膜を０．１〜１０μ
    ｍの厚さで形成することを特徴とする請求項１記載の製
    造方法。
  3. 【請求項３】 前記単一圧電／電歪膜を１〜６μｍの厚
    さに形成することを特徴とする請求項２記載の製造方
    法。
  4. 【請求項４】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが異なるよ
    うに形成することを特徴とする請求項１記載の製造方
    法。
  5. 【請求項５】 前記多層の圧電／電歪膜を分極させるこ
    とを特徴とする請求項１記載の製造方法。
  6. 【請求項６】 振動板を提供するステップと、 前記振動板の上部に下部電極を形成するステップと、 前記下部電極の上部に１００〜５００℃の低温で非爆発
    性酸化−還元燃焼反応によって製造され、粒子の大きさ
    が５μｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本構成元素と
    する超微細セラミック酸化物粉末と、水又は有機溶媒を
    ベースにして製造した前記超微細セラミック酸化物粉末
    と同一又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合して
    製造したセラミックペーストを使用して単一圧電／電歪
    膜を成形するステップと、 前記単一圧電／電歪膜を１００〜８００℃で熱処理する
    ステップと、前記単一圧電／電歪膜上に上部電極を形成
    するステップとを含み、 前記上部電極の上部に単一圧電／電歪膜を成形して熱処
    理するステップと、前記単一圧電／電歪膜上に上部電極
    を形成するステップを繰り返すことで多層の圧電／電歪
    膜及び上部電極を形成することを特徴とする、低温焼成
    法による多層圧電／電歪セラミックアクチュエータの製
    造方法。
  7. 【請求項７】 前記振動板は、セラミック板が使用され
    ることを特徴とする請求項６記載の多層圧電／電歪セラ
    ミックアクチュエータの製造方法。
  8. 【請求項８】 前記セラミックは、酸化アルミニウム、
    酸化ジルコニウム、硅素、炭化硅素、窒化硅素、二酸化
    硅素、又はガラス系を使用することを特徴とする請求項
    ７記載の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記振動板としては、樹脂類の高分子性
    有機化合物を使用することを特徴とする請求項６記載の
    製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記樹脂類の高分子性有機化合物は、
    ポリエステル系、ポリイミド系、ポリエチレンイミド
    系、又はテフロン系樹脂を使用することを特徴とする請
    求項９記載の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記単一圧電／電歪膜を０．１〜１０
    μｍの厚さで形成することを特徴とする請求項６記載の
    製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記単一圧電／電歪膜を１〜６μｍの
    厚さで形成することを特徴とする請求項１１記載の製造
    方法。
  13. 【請求項１３】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが異なる
    ように形成することを特徴とする請求項６記載の製造方
    法。
  14. 【請求項１４】 前記多層の圧電／電歪膜を分極させる
    ことを特徴とする請求項６記載の製造方法。
  15. 【請求項１５】 金属振動板と、 前記振動板の上部に１００〜５００℃の低温で非爆発性
    酸化−還元燃焼反応によって製造され、粒子の大きさが
    ５μｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本構成元素とす
    る超微細セラミック酸化物粉末と、水又は有機溶媒をベ
    ースにして製造した前記超微細セラミック酸化物粉末と
    同一又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合して製
    造したセラミックペーストを使用して形成された単一圧
    電／電歪膜と、 前記単一圧電／電歪膜上に形成された上部電極とからな
    り、 前記単一圧電／電歪膜と上部電極とが交互に繰り返し積
    層されて、多層構造を形成することを特徴とする、低温
    焼成法による多層圧電／電歪セラミックアクチュエー
    タ。
  16. 【請求項１６】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが０．１
    〜１０μｍであることを特徴とする請求項１５記載の多
    層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  17. 【請求項１７】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが１〜６
    μｍであることを特徴とする請求項１６記載の多層圧電
    ／電歪セラミックアクチュエータ。
  18. 【請求項１８】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが異なる
    ように形成されたことを特徴とする請求項１５記載の多
    層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  19. 【請求項１９】 前記多層の圧電／電歪膜が分極された
    ことを特徴とする請求項１５記載の多層圧電／電歪セラ
    ミックアクチュエータ。
  20. 【請求項２０】 振動板と、 前記振動板の上部に形成された下部電極と、 前記下部電極の上部に１００〜５００℃の低温で非爆発
    性酸化−還元燃焼反応によって製造され、粒子の大きさ
    が５μｍ以下であり、鉛、チタニウムを基本構成元素と
    する超微細セラミック酸化物粉末と、水又は有機溶媒を
    ベースにして製造した前記超微細セラミック酸化物粉末
    と同一又は類似成分のセラミックゾル溶液とを混合して
    製造したセラミックペーストを使用して形成された単一
    圧電／電歪膜と、 前記単一圧電／電歪膜上に形成された上部電極とからな
    り、 前記単一圧電／電歪膜と上部電極が交互に繰り返し積層
    されて、多層構造を形成することを特徴とする低温焼成
    法による多層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  21. 【請求項２１】 前記振動板は、セラミック板であるこ
    とを特徴とする低温焼成法による請求項２０記載の多層
    圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  22. 【請求項２２】 前記セラミックは、酸化アルミニウ
    ム、酸化ジルコニウム、硅素、炭化硅素、窒化硅素、二
    酸化硅素、又はガラス系であることを特徴とする請求項
    ２１記載の多層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  23. 【請求項２３】 前記振動板は、樹脂類の高分子性有機
    化合物であることを特徴とする請求項２０記載の多層圧
    電／電歪セラミックアクチュエータ。
  24. 【請求項２４】 前記樹脂類の高分子性有機化合物は、
    ポリエステル系、ポリイミド系、ポリエチレンイミド
    系、又はテフロン系樹脂であることを特徴とする請求項
    ２３記載の多層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  25. 【請求項２５】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが０．１
    〜１０μｍであることを特徴とする請求項２０記載の多
    層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  26. 【請求項２６】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが１〜６
    μｍであることを特徴とする請求項２５記載の多層圧電
    ／電歪セラミックアクチュエータ。
  27. 【請求項２７】 前記単一圧電／電歪膜の厚さが異なる
    ように形成されたことを特徴とする請求項２０記載の多
    層圧電／電歪セラミックアクチュエータ。
  28. 【請求項２８】 前記多層の圧電／電歪膜が分極された
    ことを特徴とする請求項２０記載の多層圧電／電歪セラ
    ミックアクチュエータ。
JP30681699A 1999-07-07 1999-10-28 低温焼成法による多層圧電／電歪セラミックアクチュエータの製造方法及びその方法によって製造された多層圧電／電歪セラミックアクチュエータ Pending JP2001024248A (ja)

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