JP2004085385A

JP2004085385A - 圧電体の評価方法

Info

Publication number: JP2004085385A
Application number: JP2002247322A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Handa; 半田　真一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】スパークが発生せず、信頼性の高い圧電特性の評価を可能とする圧電体の評価方法を提供する。
【解決手段】厚みが１００μｍ以下の圧電体１の主面２ａ及び対向主面２ｂに、該圧電体１を挟持するように一対の電極３が設けられてなる評価用試料に対して、該電極３間に３００Ｖ以下の電圧を印加して圧電特性を測定することを特徴とするもので、前記圧電体１の主面２ａにおいて、縁端部７ａから前記電極３までの最小距離Ｌが少なくとも１００μｍであること、及び前記圧電体１の主面２ａの全面積Ｓ_ｔｏｔに対して、前記電極３の占める面積Ｓの割合Ｓ／Ｓ_ｔｏｔが９５％以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細なインク吐出孔からインク滴を吐出して文字や画像を印刷する各種プリンターや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置に搭載されるインクジェット記録ヘッド等に好適に使用される圧電体の評価方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、マルチメディアの浸透に伴い、インパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般家庭分野において広がりつつある。
【０００３】
かかるノンインパクト方式の記録装置のなかでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いことから将来性が注目されている。
【０００４】
このインクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドの例を図２に示す。インクジェット記録ヘッドは、複数の溝を並設してなり、上記溝をインク流路１１とするとともに、各溝を仕切る壁を隔壁１２とした流路部材１３と、圧電体１４の一方の主面に共通電極１５を、他方の主面に個別電極１６を形成した圧電素子１７を有し、圧電素子１７の共通電極１５側を流路部材１３の開口部１８に接着するとともに、圧電素子１７の個別電極１６の各々はインク流路１１の各々と対応するように設けられている。
【０００５】
そして、駆動回路より個別電極１６に電圧を印加し、インク流路１１を形成する圧電素子１７を振動させることによりインク流路１１内のインクを加圧し、流路部材１３の底面に開口させたインク吐出孔１８よりインク滴を吐出する構造が特開平１０−１５１７３９号公報に提案されている。
【０００６】
ところが、近年、インクジェットプリンターの高速化の要求が高まり、インク吐出に直接関係する圧電素子１７に対して、高い圧電特性が要求されるようになった。そこで、圧電素子１７を構成する圧電体１４自体の圧電特性を評価することが行われるようになった。
【０００７】
例えば、圧電体を挟持するように一対の電極が該圧電セラミックブロック体の主面に設けられてなる評価用試料を作製し、該評価用試料の一対の電極に電圧を印加して共振周波数を測定し、その値から圧電特性を算出する方法（共振法）が日本電子材料工業会標準規格ＥＭＡＳ−６１００に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に記載の評価方法における測定用試料の形状が、実際の形状と大きく異なっているため、実際に圧電体を変位させた場合における圧電特性、具体的には圧電定数と一致しない場合が多く、正確な評価を行うことが困難であるという問題があった。
【０００９】
また、上記の圧電セラミックブロック体を変位させようとすると、少なくとも数ｋＶの電圧を印加することが必要であり、そのため、電流の少なくとも一部が圧電体中を電流が流れずに、圧電体の表面を周り込んで電気が流れ、スパークが発生するという問題があった。
【００１０】
したがって、本発明は、スパークが発生せず、実製品における変位圧電特性と対応する評価を可能とする圧電体の評価方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電体の厚みを１００μｍ以下、印加電圧を３００Ｖ以下に設定することによって、電極間に印加する電圧を大幅に低下せしめることができるため、スパークの発生を顕著に抑制できる。また、表面電流の発生を防止することが可能であり、その結果正確な測定が可能になるという新規な知見に基づくもので、特に圧電体の電極形成面における電極サイズを小さくし、圧電体の内部に設けることでさらに測定の信頼性を高めたものである。
【００１２】
即ち、本発明の圧電体の評価方法は厚みが１００μｍ以下の圧電体の主面及び対向主面に、該圧電体を挟持するように一対の電極が設けられてなる評価用試料に対して、該電極間に３００Ｖ以下の電圧を印加して圧電特性を測定することを特徴とするものである。
【００１３】
特に、前記圧電体の主面において、縁端部から前記電極までの最小距離が少なくとも１００μｍであることが好ましい。また、前記圧電体の主面の全面積に対して、前記電極の占める面積の割合が９５％以下であることが好ましい。これにより、電流の表面周り込みがさらに抑制され、その結果測定精度がさらに向上し、スパークの発生をさらに抑制できる。
【００１４】
さらに、前記圧電特性が、分極方向に対し垂直方向若しくは水平方向に伸び振動を行うモードであることが好ましい。これは、圧電体の厚み方向、辺方向の何れかの変位に関しては、圧電体の厚み１００μｍ以下になっても、評価精度が保てる為である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を、図を用いて説明する。なお、以下に示す評価は、治具を用いて圧電体の測定するものであるが、治具の形状は本例に限定されるものではなく、圧電体の変位を測定できるものであれば良い。
【００１６】
本発明によれば、圧電体の試料は、図１に示したように、圧電体１の主面２ａと対向主面２ｂの表面に、導電性材料からなる一対の電極３が形成された構造となっている。そして、圧電特性の測定のため、電圧を印加するために圧電体１の主面２ａと対向主面２ｂの表面に形成された電極３各々に接続されるように端子電極５が形成された絶縁端子ホルダー４に挟み込み、電圧印加を行うことで変位を発生させている。変位量と印加電圧の関係により圧電特性、具体的には圧電定数が求められる。
【００１７】
変位量の測定は、圧電体の試料の一端が絶縁端子ホルダー４によって固定されているため、他端の変位量を測定することによって試料の変位量とすることができる。その際の変位量測定は、特に限定されないが、レーザードップラー振動計を用いることが、測定の容易性、測定精度の面で好ましい。
【００１８】
なお、図１における試料形状は四角形であるが、円形でも多角形であっても良い。また、電極３の形状も特に図１に図示された形状に制限されるものではなく、電極３に電流を供給できれば良い。
【００１９】
本発明においては、圧電体１の厚みｔが１００μｍ以下であることが重要である。特に、測定に耐え得る強度を確保するため、厚みｔの下限値は、１０μｍ、更には２０μｍであることが好ましい。また、所定の圧電特性を発揮させるためには、単位厚み当たりに印加する電圧値は一定にする必要があり、厚みｔが大きくなる程、印加電圧自体は増大し、スパークが発生し易くなる。そのため上限値は特に７０μｍ、さらには５０μｍであることが好ましい。
【００２０】
また、一対の電極３間に印加する電圧は、３００Ｖ以下であることが重要である。これにより、スパーク発生を抑制できる。特に、２５０Ｖ以下、さらには２００Ｖ以下であることがより好ましい。
【００２１】
また、電流の周り込みを抑制させるという面から、電極３が形成される圧電体１の主面の縁端部７ａと、電極３の端部７ｂとの最小距離Ｌが少なくとも１００μｍであることが好ましい。これは、最小距離Ｌを１００μｍ以上の値にすることで、電流の流路長が大きくなり、その結果リーク電流の流れる流路の抵抗値が増大し、電極３間が十分に絶縁され、スパークの発生をより効果的に低減するためである。
【００２２】
同様に、前記圧電体１の主面２ａの全面積Ｓ_ｔｏｔに対して、前記電極３の占める面積Ｓの割合Ｓ／Ｓ_ｔｏｔが９５％以下、特に９０％以下、さらには８５％以下であることが好ましい。これも上記と同様に、電流の流路面積が狭くなることにより、リーク電流の流れる流路の抵抗値が増大し、電極３間が十分に絶縁され、スパークの発生を効果的に抑制できる。
【００２３】
本発明においては、評価する圧電特性が、分極方向に対して垂直方向に振動するモード（ｄ３１モード）、分極方向に対して水平方向に伸び振動を行うモード（ｄ３３モード）であることが重要である。これは、振動方向が１軸方向のために、変位量の測定が簡単に、精度良く行えるためである。
【００２４】
【実施例】
先ず、圧電セラミックスとしてチタン酸ジルコン酸鉛を用い、アクリル水溶液、分散剤と混合しスラリー化を行った。その後、ロールコーターにて４種類の厚みにテープを作製した。
【００２５】
次に、それぞれのテープの両面に７０：３０のＡｇ−Ｐｄ電極ペーストを用いて、厚み４μｍの平面電極を印刷法にて形成した。その後、各厚みのテープから切断し、所望により積層して作製したからなる成形体を、トップ温度（焼成温度）１２００℃、キープ時間３時間の焼成を行って評価試料を得た。
【００２６】
評価試料の圧電体の厚みをマイクロメータで測定した。また、評価試料の主面の面積、及び平面電極の面積を測定し、主面に占める平面電極の占める割合を算出した。さらに、圧電体の主面において、縁端部から前記電極までの最小距離を測定した。
【００２７】
次いで、それぞれの評価試料を図１と同様の治具に装填し、端子電極に表１に示した電圧を印加し、評価試料の電界強度（Ｅ）が一定になるようにするとともに、レーザードップラー振動計にて変位量の測定を行って、圧電定数を算出した。なお、試料Ｎｏ．１９は、従来法で作製した試料であり、その厚みが１０００μｍ（１ｍｍ）と厚いため、本発明の測定方法では変位量の測定が困難であり、圧電定数をＥＭＡＳ試験（共振法）によって測定した。
【００２８】
また、実際の形状との比較を行なうために、それぞれの評価試料を図２に示す実製品と同様にして流路部材に貼り付け、同様の手法にて圧電定数を求めた。そして、本発明の評価方法による圧電定数に対する実形状での圧電定数の割合を算出し、比率として示した。結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
本発明の試料Ｎｏ．１〜３、５〜１７は、特性評価においてスパークの発生がなく、比率が９０％以上であり、圧電特性の実効値を正確に測定することができた。
【００３１】
一方、厚みが１５０μｍで本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４及び１８は、スパークが発生し、圧電特性の実効値を測定することができなかった。
【００３２】
また、従来の製造方法で作製し、厚みが１０００μｍもある本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１９は、比率が５８．８％と低く、実形状での圧電定数がＥＭＡＳ試験による圧電定数と大きく異なっていた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、圧電体の厚みを１００μｍ以下とすることにより、印加電圧を低減でき、且つリーク電流を著しく低減することができるため、スパークの発生を抑制でき、信頼性の高い圧電特性を評価することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の評価法を実施した一例を示す概要図である。
【図２】インクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電体
２ａ・・・主面
２ｂ・・・対向主面
３・・・電極
４・・・絶縁端子ホルダー
５・・・端子電極
７ａ・・・主面の縁端部
７ａ・・・電極の端部
ｔ・・・圧電体の厚み
Ｌ・・・圧電体の主面の端部との距離
Ｓ・・・電極面積

Claims

厚みが１００μｍ以下の圧電体の主面及び対向主面に、該圧電体を挟持するように一対の電極が設けられてなる評価用試料に対して、該電極間に３００Ｖ以下の電圧を印加して圧電特性を測定することを特徴とする圧電体の評価方法。
前記圧電体の主面において、縁端部から前記電極までの最小距離が少なくとも１００μｍであることを特徴とする請求項１記載の圧電体の評価方法。
前記圧電体の主面の全面積に対して、前記電極の占める面積の割合が９５％以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電体の評価方法。
前記圧電特性が、分極方向に対して垂直方向若しくは水平方向に伸び振動を行うモードであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電体の評価方法。