JP2005045892A

JP2005045892A - 圧電アクチュエータ及び液体吐出装置

Info

Publication number: JP2005045892A
Application number: JP2003201748A
Authority: JP
Inventors: Ayumi Matsumoto; 歩松元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】マイグレーションの発生を抑制した圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供する。
【解決手段】圧電セラミック層と電極層とが交互に積層されてなる圧電積層体の主面に表面電極を具備するとともに、前記圧電積層体の側面に、前記電極層が実質的に露出していないことを特徴とし、特に、前記圧電積層体が、振動板２上に、共通電極５、圧電セラミック層４および複数の個別電極６がこの順に積層されてなり、前記共通電極５と前記個別電極６とで前記圧電セラミック層４を挟持してなる圧電変位素子７が、前記圧電積層体の表面に複数設けられていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、液体吐出装置及び電子機器に関し、より詳しくは例えば加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、圧力ポンプ、燃料噴射用インクジェクター、インクジェットプリンタ用印圧電アクチュエータ１の印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モーター、超音波振動子、フィルタ等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚み縦振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータ、及び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好適に使用される印刷ヘッド、接着剤やインク等の精密吐出・液体搬送に用いられるポンプ等に好適に用いられるそれを用いた液体吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発信子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ、圧力ポンプ等がある。
【０００３】
これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が１０^−６秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用圧電アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。
【０００４】
かかるインクジェット方式の記録装置には、印刷ヘッドが搭載されており、この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒーターを備え、ヒーターによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、インク滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインク滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。
【０００５】
圧電方式を利用したインクジェット記録装置に用いられる印刷ヘッドは、ＰＺＴ等のＰｂを含むペロブスカイト系セラミックスからなる圧電変位素子を備え、該圧電変位素子に両側から駆動電圧を印加した時の圧電変位素子の変位を利用して微小な液滴を液体吐出口から吐出させるものである（例えば、特許文献１）。
【０００６】
具体的には、圧電変位素子を複数備える圧電アクチュエータが、液体導入口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材の上に、液体加圧室の直上に圧延変位素子が配置されるように、構成されている。
【０００７】
このような圧電アクチュエータは、全面に内部電極導体を被着形成された圧電セラミックシートを複数枚積層した後、切断加工層を行って内部電極が側面に露出構造を有し、圧電セラミック層と電極層とが交互に設けられ、各電極層は一つおきに左右の側面に設けられた外部電極に接続されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平２−２７２７８１号公報第４図
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２記載の圧電アクチュエータは、その側面に内部電極導体が露出しているため、圧電焼結体の表面に電極が設けられている場合、電極を構成する成分のマイグレーションによって表面の絶縁抵抗が低下し、所望の圧電特性が得られないという問題があった。これは、特に高温高湿の環境下におかれると顕著であった。
【００１１】
従って、本発明は、マイグレーションの発生を抑制した圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電セラミックシート上に形成する内部電極層を、圧電アクチュエータの端面に露出させないように形成することにより、端面全周囲に、実質的に電極層が存在しない圧電アクチュエータを構成することができる。このように、外部に露出する電極層が存在しないため、高温高湿の環境下におかれても、焼結体表面への内部電極成分のマイグレーションを抑制し、圧電特性の劣化を抑制することができる。
【００１３】
即ち、本発明の圧電アクチュエータは、圧電セラミック層と電極層とが交互に積層されてなる圧電積層体の主面に表面電極を具備するとともに、前記電極層が、前記圧電積層体の側面の一部を形成しないことを特徴とするものである。
【００１４】
特に、前記圧電積層体が、振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および複数の個別電極がこの順に積層されてなり、前記共通電極と前記個別電極とで前記圧電セラミック層を挟持してなる圧電変位素子が、前記圧電積層体の表面に複数設けられていることが好ましい。これにより、高温高湿の環境下でも、マイグレーションが発生しないため、電極の電気伝導率、絶縁抵抗の変化、圧電特性の劣化を抑制することができる。
【００１５】
また、前記側面の高さが、１００μｍ以下であることが好ましい。これにより、圧電アクチュエータの変位を大きくすることができる。
【００１６】
さらに、前記圧電セラミック層の端と、前記個別電極との最小距離が１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、圧電アクチュエータの性能が安定したまま、小型化に寄与できる。
【００１７】
また、本発明の液体吐出装置は、液体加圧室と、液体導入口と、液体吐出口とを具備する流路部材の表面に、上記の圧電アクチュエータが設けられていることを特徴とするものである。これにより、高温高湿の環境下でも、安定した吐出が実現できるので、信頼性の高い液体吐出装置を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかる液体吐出装置に用いられた圧電アクチュエータついて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１（ａ）は本実施形態の液体吐出装置の断面図、図１（ｂ）はその平面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、この液体吐出装置は、流路部材３の上に、圧電アクチュエータ１が設けられた構造を有する。
【００２０】
本発明の圧電アクチュエータ１は、例えば図１（ａ）に示したように、振動板２の上に、共通電極５と、振動に関与する部位である圧電セラミック層４と、表面に設けられた表面個別電極６とが順次形成されている。そして、圧電セラミック層４を、共通電極５と表面個別電極６とで挟持してなる圧電変位素子７が、基板２上に複数設けられている。このような構成にすることで、圧電変位素子７の変位量を大きくすることが可能となる。
【００２１】
なお、振動板２を設けることは、圧電変位素子７を保持し、機械的な振動や衝撃から圧電変位素子７を保護するために好ましい。
【００２２】
流路部材３には複数の液体加圧室３ａが並設され、液体加圧室３ａを仕切る壁として隔壁３ｂが形成されている。液体加圧室３ａの開口部の直上に表面個別電極６が配置するように、圧電アクチュエータ１と流路部材３とが接着されている。
【００２３】
共通電極５と表面個別電極６との間に駆動電圧を印加すると、共通電極５と表面個別電極６とで挟持された圧電セラミック層４が変形し、圧電変位素子７が変位する。この変位に伴って、圧電変位素子７と一体化されている振動板２も圧電変位素子７と同一方向に変位し、変位領域７ａが変位することとなり、その結果、液体加圧室３ａの容積を変化させるため、その時に発生する圧力で液体加圧室３ａの液体が液体吐出口８から吐出する。
【００２４】
このような複数の圧電変位素子７が、振動板２の表面に設けられてなる圧電アクチュエータ１は、各圧電変位素子７を独立して制御し、微細な領域に振動を起こすため、例えば微量のインクを特定の微細領域に吐出する印刷ヘッドに好適な構造を有している。
【００２５】
本発明の圧電アクチュエータは、圧電アクチュエータの側面に、電極層が実質的に露出していないことが重要である。圧電アクチュエータの積層成形体上に形成する内部電極層を、圧電アクチュエータの端面に露出しないように印刷形成することで、端面全周囲に、実質的に電極層が存在しない圧電アクチュエータを構成することができる。
【００２６】
また、本発明によれば、圧電セラミック層４の上に個別電極６が設けられているが、圧電セラミック層４の端部４ａから個別電極６までの最小距離Ｄが３ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下、更には１ｍｍ以下であることが好ましい。このように端部４ａから個別電極６までの距離が小さくても、共通電極５が側面９の一部を形成しない、即ち共通電極５が側面９に達し、側壁に共通電極５が露出していないため、共通電極５の露出部から電極が側面９を拡散して表面に達し、更には表面を拡散して個別電極６に至り、電気絶縁性が低下して圧電特性が劣化することがないので、圧電アクチュエータ１を小さくでき、装置の小型化に寄与することができる。
【００２７】
また、圧電アクチュエータの側面９は、圧電セラミックス又はその類似の結晶からなることが好ましく、圧電積層体と一体的に焼成されていることが好ましい。例えば、圧電体の積層成形体を焼結前の状態で生カットを行うことにより、側面９が圧電セラミックス又はその類似の結晶で構成することができる。
【００２８】
圧電アクチュエータ１の厚みＴは、振動板２と圧電変位素子７の総厚みを示すものであり、１００μｍ以下であることが重要である。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が望ましい。
また、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止するため、３μｍ以上、特に５μｍ以上、更には１０μｍ以上、より好適には２０μｍ以上が望ましい。
【００２９】
圧電セラミック層４としては、圧電性を示すセラミックスを用いることができ、具体的には、Ｂｉ層状化合物（層状ペロブスカイト型化合物）、タングステンブロンズ型化合物、およびＮｂ系ペロブスカイト型化合物（Ｎｂ酸ナトリウム等のＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウム等のＮｂ酸アルカリ土類化合物（ＮＡＥＣ））、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム等を主成分とするもの、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えば、ＰＬＺＴ等のＰＺＴ系の圧電材料、チタン酸鉛等のペロブスカイト型化合物を含有する物質を例示できる。
【００３０】
上記のうち、特に、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのがよい。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有する物質が好ましい。特に、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、かつＢサイト構成元素としてＺｒおよびＴｉを含有する結晶であるのがよい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電セラミック層４が得られる。これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛が、大きな変位を付加する上で好適である。
【００３１】
上記ペロブスカイト型結晶の一例として、ＰｂＺｒＴｉＯ_３を好適に使用できる。また、他の酸化物を混合しても良く、さらに、副成分として、特性に悪影響がない範囲であれば、Ａサイトおよび／またはＢサイトに他元素が置換していてもよい。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、ＮｉおよびＴｅを添加した、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３およびＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３の固溶体であってもよい。
【００３２】
本発明によれば、上記ペロブスカイト型結晶におけるＡサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有するのが望ましい。アルカリ土類元素としてはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ等が挙げられ、特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましい。これにより、比誘電率が向上する結果、さらに高い圧電定数を得ることが可能となる。
【００３３】
具体的には、Ｐｂ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋α質量％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で表される化合物を例示できる。
【００３４】
振動板としては、特に限定されるものではなく、金属、合金及びセラミックスのうち少なくとも１種の材料を使用することができる。例えば、金属として、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄及びニッケルを例示でき、合金は上記金属の合金、ステンレス鋼を例示できる。また、セラミック材料として、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア及びＰＺＴを例示できる。
【００３５】
圧電アクチュエータとして、変位を繰り返すため、変位した際の応力により振動板２と共通電極５、圧電セラミック層７と共通電極５が剥離しないために、振動板２、共通電極５、圧電セラミック層７の同時焼成により一体化できるものが好ましい。例えば、振動板２と圧電セラミック層７とをＰＺＴ等のＰｂ含有ペロブスカイト化合物にし、共通電極５を銀−パラジウム合金にすると、これらの積層体を１回の焼成にて焼結させることができ、しかも振動板２、共通電極５、圧電セラミック層７を一体化することができる。
【００３６】
また、同時焼成により圧電積層体を作製することにより、圧電セラミック層７に生じる反り変形を矯正することもできる。
【００３７】
なお、共通電極５の他に、振動板２の内部には導体層１１を設けても良い。これにより、圧電セラミック層７が変位することによって誘導されて発生する振動板３の圧電振動による電力損失を低減することができる。
【００３８】
個別電極６、共通電極５の材質としては、導電性を有するものならば何れでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金等が導電性に優れる点で好ましい。共通電極を形成するために、上記の金属粉末を含む導体ペーストを積層成形体の表面に印刷法等により塗布し、積層後に焼成し、導体ペースト中の金属の粉末を焼結又は溶融させ、圧電体と一体化させることができる。
【００３９】
また、個別電極は、上記と同様の導電性ペーストを、圧電変位素子となる一方の圧電セラミック層の表面に印刷して形成しても良いし、前記の、導電性に優れた金属から成る箔やめっき皮膜、真空蒸着皮膜等によって形成しても良い。
【００４０】
なお、電極の厚みは、導電性を有しつつ、変位を妨げないことが求められ、具体的には、０．１〜５μｍ、特に０．３〜３μｍが好ましい。例えば、モリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケル等の単体金属や、これらの金属の合金、あるいはステンレス鋼等の金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成した、共通電極を兼ねる振動板の片面に、前記と同様の圧電体グリーンシートを積層した状態で焼結して、振動板と圧電体層との積層体を形成した後、この積層体のうち圧電セラミック層の表面に複数の個別電極を形成すると、圧電セラミック層を圧電変位素子とした駆動部が得られる。
【００４１】
本発明の圧電アクチュエータは、例えば、図２（ａ）に示したように、圧電体からなるグリーンシート２４ａの片面に、焼成によって共通電極となる導体層２５を、導電性ペーストを用いて印刷する。一方、グリーンシートに貫通孔を空けてビアホール２８を作製し、ビアホール２８にビア導体を充填してビア電極２９を作成する。そして、印刷されていないグリーンシート２４ｂと、共通電極が印刷されたグリーンシート２４ａと、ビア電極２９を有するグリーンシート２４ｃとを、この順に積層して積層成形体を作製する。次いで、この積層成形体を焼成して積層体３０を形成した後、図２（ｂ）に示したように、この積層体３０の主面に複数の個別電極２６を形成することにより、本発明の圧電アクチュエータを得ることができる。そして、共通電極２５と個別電極２６とで圧電セラミック層２４ｃを挟持した圧電変位素子が複数振動板の上に形成される。
【００４２】
さらに、上記の圧電アクチュエータを、接着剤を用いて基板上に接合することによって固定すると、液体吐出装置を得ることができる。
【００４３】
なお、振動板として金属や合金等の導電性材料を用いた場合には、振動板が共通電極を兼ね、共通電極を省略させることができる。
【００４４】
本発明の液体吐出装置は、液体加圧室と、液体導入口と、液体吐出口とを具備する流路部材の表面に、請求上記の圧電アクチュエータが設けられていることを特徴とするものである。そして、圧電アクチュエータの圧電変位素子は、液体加圧室の直上に設けられ、共通電極と個別電極間に駆動電圧を印加すると、個別電極を共通電極とに挟まれた駆動領域が収縮する。しかし、圧電変位素子は共通電極を介して振動板に固定されているため、結果的に、圧電変位素子が加圧室の方向に撓み、変位することになる。
【００４５】
このため、本発明の液体吐出装置をインクジェットプリンタ用印刷ヘッドに用いた場合、上記の撓みが発生する際の力がインク加圧室内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、インク導入口、インク加圧室、インク吐出口内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が結果的にインク吐出口の外に向かうことによって、インク吐出口内のインクメニスカスが外部へと押し出されて、いわゆるインク柱が形成される。
【００４６】
このインク柱は、やがて振動の速度がノズル部内方向に向かうことによってノズル部内のインクメニスカスに吸収されるが、その際、インク柱の先端部が切り離されて、インク滴となって紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【００４７】
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル部内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、配管、ジョイント部を経由して印刷ヘッドの共通供給路に補給され、さらに個々のインク導入口、インク加圧室、および吐出口に再充填される。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、圧電セラミックシート上に形成する内部電極層を、圧電アクチュエータの端面に露出しない範囲で、印刷形成することにより、端面全周囲に、実質的に電極層が存在しない圧電アクチュエータを構成することができ、外部に露出する電極層が存在しないため、高温高湿の環境下でも、マイグレーションが発生しないため、圧電特性の劣化を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータで、（ａ）は積層構造を示す概略断面図、（ｂ）は圧電体の上に個別電極を形成した圧電アクチュエータの斜視図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの積層状態を示す説明図で、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。

Claims

圧電セラミック層と電極層とが交互に積層されてなる圧電積層体の主面に表面電極を具備するとともに、前記電極層が、前記圧電積層体の側面の一部を形成しないことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記圧電積層体が、振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および複数の個別電極がこの順に積層されてなり、前記共通電極と前記個別電極とで前記圧電セラミック層を挟持してなる圧電変位素子が、前記圧電積層体の表面に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記積層体の高さが、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電セラミック層の端と、前記個別電極の端との最小距離が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２又は３記載の圧電アクチュエータ。
液体加圧室と、液体導入口と、液体吐出口とを具備する流路部材の表面に、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータが設けられていることを特徴とする液体吐出装置。