JP2005244090A

JP2005244090A - 積層圧電体、圧電アクチュエータおよび印刷ヘッド

Info

Publication number: JP2005244090A
Application number: JP2004054643A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yuu; 喜裕由宇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP5096659B2

Abstract

【課題】全体厚みが１００μｍ以下であっても層間剥離を抑制でき、優れた圧電特性が得られ、しかも変位制御が容易な積層圧電体、圧電アクチュエータおよびこれを備えた印刷ヘッドを提供することである。
【解決手段】複数の圧電セラミック層１を積層した積層体と、該積層体の内部に設けられたＡｇ−Ｐｄ合金からなる内部電極２とを備え、厚みが１００μｍ以下であり、内部電極２がセラミックスからなる共材を含有し、該共材の９０％以上がＡｇ−Ｐｄ合金の粒界の３重点に存在する積層圧電体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層圧電体、圧電アクチュエータおよび印刷ヘッドに関し、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、燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等に好適な積層圧電体、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した圧電アクチュエータ、および文字や画像の印刷に用いるインクジェット式プリンタに搭載される印刷ヘッドに関する。

従来から、圧電性セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等がある。これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμ秒オーダー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。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用アクチュエータへの使用要求が高まっている。

この要求に対して、例えば特許文献１には、圧電性セラミックスを主成分とする厚み数百μｍのグリーンシート表面に電極ペーストを塗布・印刷して内部電極を形成し、このグリーンシートを複数枚積層した後、脱バインダー処理してグリーンシートや内部電極に含まれるバインダーを除去し、その後焼結して焼成体を得、さらにこの焼成体に絶縁体、外部電極およびリード線を形成して作製される圧電アクチュエータが開示されている。この圧電アクチュエータにおける内部電極材としては、Ａｇ−Ｐｄ合金が用いられている。

このような圧電アクチュエータは、同時焼成により圧電セラミック層と内部電極の多層積層体を容易にかつ安価に作製できるという特徴を有しており、インクジェットプリンタ用の印刷ヘッド、ＸＹステージ位置決め装置などに好適に使用されている。

ところが、上記のような従来の圧電アクチュエータは、圧電セラミック層と内部電極の密着強度が必ずしも十分ではなく、しかも圧電アクチュエータの使用時には、駆動電圧の印加によって例えば１秒間に１６０００回（１６ｋＨｚ）の速度で変形して変位を発生させるため、圧電セラミック層間および圧電セラミック層と内部電極との間に応力が加わって層間剥離（デラミネーション）が発生するという問題があった。

そこで、特許文献２には、内部電極材料である導電ペースト中に圧電セラミックス層と略同一のセラミックス粉末（共材）を添加することにより、内部電極を介して対向する２層の圧電セラミックス層を連結し、積層体の層間密着強度を高めることが提案されている。

一方、近年進歩の著しい高精度プリンタにおいては大きな変位量が要求される傾向にあるが、特許文献１に記載の圧電アクチュエータでは、圧電セラミック層の厚みおよび全体厚みが厚いため変位量が制限される。したがって、圧電アクチュエータの変位量を大きくするために、近年では全体の厚みを薄くする傾向にあり、特に高速プリンタに対応するためには全体の厚みを１００μｍ以下にする必要がある。

しかも、特許文献２に記載の方法では、圧電アクチュエータのように変位を発生する過酷な使用条件下では必ずしも十分な層間強度を得ることができず、特に上記のような全体厚み１００μｍ以下の薄層の圧電アクチュエータでは、圧電セラミック層の厚みが薄いため、焼成による変形が顕著となり、特に各圧電セラミック層の厚みが２５μｍ以下の圧電積層体では変形を抑制することが極めて困難であった。このような変形によるデラミネーションに起因して変位量のばらつきが大きくなり、特に、同一基板に複数の圧電素子を有する圧電積層体では、アクチュエータとしての変位制御が困難であった。
特開平１１−１２１８２０号公報特開平１０−１７２８５５号公報

本発明の課題は、全体厚みが１００μｍ以下であっても層間剥離を抑制でき、優れた圧電特性が得られ、しかも変位制御が容易な積層圧電体、圧電アクチュエータおよびこれを備えた印刷ヘッドを提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、積層圧電体の電極層を構成するＡｇ−Ｐｄ合金中において、共材の大部分をＡｇ−Ｐｄ合金の粒界の３重点に存在させることで、圧電セラミック層と電極との層間剥離を抑制することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の積層圧電体、圧電アクチュエータおよび印刷ヘッドは、以下の構成からなる。
(1) 複数の圧電セラミック層を積層した積層体と、該積層体の表面および／または内部に設けられたＡｇ−Ｐｄ合金からなる電極層とを備えた厚み１００μｍ以下の積層圧電体であって、前記電極層がセラミックスからなる共材を含有し、該共材の９０％以上が前記Ａｇ−Ｐｄ合金の粒界の３重点に存在することを特徴とする積層圧電体。
(2) 前記Ａｇ−Ｐｄ合金の結晶平均粒径（Ｍ）と前記共材の平均粒径（Ｔ）との比（Ｍ／Ｔ）が２．５以上である(1)記載の積層圧電体。
(3) 前記Ａｇ−Ｐｄ合金がＡｇを７０体積％以上含有する(1)または(2)記載の積層圧電体。
(4) 前記電極層が、前記Ａｇ−Ｐｄ合金を５０〜９０体積％、前記共材を１０〜５０体積％の割合で含有する(1)〜(3)のいずれかに記載の積層圧電体。
(5) 前記共材を構成するセラミックスが、前記圧電セラミック層を構成する圧電性セラミックスと略同一組成である(1)〜(4)のいずれかに記載の積層圧電体。
(6) 前記積層体の内部に少なくとも１層の前記電極層が設けられ、該電極層を介して対向する２層の圧電セラミック層が電極層中の前記共材により連結されている(1)〜(5)のいずれかに記載の積層圧電体。
(7) 前記圧電セラミック層を構成する圧電性セラミックスがＰｂを含有する(1)〜(6)のいずれかに記載の積層圧電体。
(8) 前記圧電セラミック層の厚みが１〜５０μｍの範囲にある(1)〜(7)のいずれかに記載の積層圧電体。
(9) 機械的品質係数（Ｑｍ）の標準偏差σを機械的品質係数（Ｑｍ）の平均値で除し１００倍した値が１０以下である(1)〜(8)のいずれかに記載の積層圧電体。
(10) 前記(1)〜(9)のいずれかに記載の積層圧電体を備えた圧電アクチュエータ。
(11) 前記(10)に記載の圧電アクチュエータが、インク吐出孔を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に取り付けられたことを特徴とする印刷ヘッド。

前記(1)記載の積層圧電体によれば、共材の９０％以上をＡｇ−Ｐｄ合金の粒界の３重点に存在させることで、電極中のポア（空孔）の発生を抑制して、圧電セラミック層と電極との層間剥離を抑制することができるので、圧電特性を表す圧電定数（ｄ３１）を高めて大きな変位量を得ることができるとともに、弾性的特性を表す機械的品質係数（Ｑｍ）のばらつきを抑制することができる。これにより、優れた圧電特性を備え、しかも変位制御が容易な積層圧電体を提供することができる。

前記(2)記載のように、Ａｇ−Ｐｄ合金の結晶平均粒径（Ｍ）と共材の平均粒径（Ｔ）との比（Ｍ／Ｔ）が２．５以上であるときには、共材が粒界の３重点に存在する確率が向上する。一方、比（Ｍ／Ｔ）が上記範囲外、すなわち共材の平均粒径が大きいと、共材が粒界の３重点に存在しにくくなるおそれがある。

前記(3)記載のように、電極層におけるＡｇ−Ｐｄ合金がＡｇを７０体積％以上含有するときは、電極と圧電セラミック層との濡れ性が向上し、これらの密着強度を高めることができる。

前記(4)記載のように、電極層におけるＡｇ−Ｐｄ合金と共材との含有割合が上記範囲にあるときには、共材が粒界の３重点に存在する確率をより向上させ、電極中にポアが発生するのをより確実に抑制できる。

前記(5)記載のように、セラミック粒子が圧電性セラミックスと略同一組成であるときには、圧電セラミック層と電極層の密着強度をより向上させることができる。

前記(6)記載のように、電極層を介して対向する２層の圧電セラミック層が電極層中の共材により連結されているときには、積層体の層間強度をより向上させることができる。

前記(7)記載のように、圧電セラミック層を構成する圧電性セラミックスがＰｂを含有するときには、電極層を構成するＡｇ−Ｐｄ合金との濡れ性を向上させることができる。

前記(8)記載のように、圧電セラミック層の厚み（圧電セラミック層の１層の厚み）が１〜５０μｍの範囲にあるときには、より大きな変位量を得ることができる。

上記の積層圧電体によれば、前記(9)記載のように、Ｑｍの標準偏差σをＱｍの平均値で除し１００倍した値を１０以下にまで低減することができる。これにより、一基板内に複数のアクチュエータを構成する場合、容易に変位制御を行うことが可能になる。

上記のような積層圧電体を備えた前記(10)記載の圧電アクチュエータおよび前記(11)記載の印刷ヘッドは、信頼性が高く、優れた圧電特性を備えている。

以下、本発明の一実施形態にかかる積層圧電体について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の積層圧電体を示す概略断面図である。図１に示すように、この積層圧電体は、２層の圧電セラミック層１，１を積層した積層体と、該積層体の表面および内部に設けられた電極層とを備えたものである。

この電極層は、積層体内部に存在する内部電極２と、積層体表面に存在する複数の表面電極３とからなる。この表面電極３、内部電極２およびこれらの電極の間に配置された圧電セラミック層１により、複数の圧電素子が形成されている。この積層圧電体は、表面電極３にリード線を接続して外部との電気接続を施すことで、圧電アクチュエータとして好適に使用可能である。

積層圧電体の全体厚みＴは、１００μｍ以下であることが重要であり、特に８５μｍ以下、更には７０μｍ以下であるのが好ましい。これにより、各圧電素子の変位を大きくすることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。また、各圧電セラミック層１の厚みｔは、好ましくは１〜５０μｍ、より好ましくは３〜２２μｍ、さらに好ましくは５〜１９μｍ、さらに好ましくは７〜１６μｍであるのが、クラックや破壊を効果的に防止して自形を保ちながら変位を大きくする点でよい。

内部電極２は、Ａｇ−Ｐｄ合金を主成分とし、セラミックスからなる共材を含有している。Ａｇ−Ｐｄ合金としては、好ましくはＡｇを７０体積％以上、より好ましくはＡｇを７０〜９９．９体積％、パラジウムを０．１〜３０体積％の割合で含有するのがよい。このような組成を有する電極は、圧電セラミック層１を構成する圧電性セラミックスとの濡れ性が高く、密着強度を改善できる。特に、Ａｇを９０体積％以上含有するＡｇ−Ｐｄ合金は融点が１０００℃以下と低く、濡れ性および共材の粒界への移動の点で効果的である。

また、内部電極２は、セラミックスからなる共材を含有している。Ａｇ−Ｐｄ合金と共材の含有割合は、Ａｇ−Ｐｄ合金５０〜９０体積％、共材１０〜５０体積％の範囲、好ましくはＡｇ−Ｐｄ合金７０〜８０体積％、共材２０〜３０体積％であるのがよい。これにより、内部電極２と圧電セラミック層１の密着強度をさらに高め、残留応力を低減して圧電特性をより安定化させることができる。内部電極２に厚みは０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。

共材としては、種々のセラミックスを用いることができるが、好ましくは圧電セラミック層１と略同一組成の圧電性セラミックスであるのがよい。これにより、共材と圧電セラミック層１の反応あるいは共材の圧電セラミック層１中への拡散が生じやすくなる。

図２は、内部電極２の表面を拡大した一部拡大平面図である。図２に示すように、内部電極２は、Ａｇ−Ｐｄ合金３０と、該合金３０の粒界に存在する共材４からなる。本発明における内部電極２では、共材４の９０％以上、好ましくは９３％以上が、Ａｇ−Ｐｄ合金３０の粒界の３重点に存在しているのがよい。これにより、内部電極の焼結を抑制して、内部電極２中のポアの発生量を低減することができ、その結果、層間強度を高めることができる。さらに、Ａｇ−Ｐｄ合金の結晶平均粒径（Ｍ）と共材の平均粒径（Ｔ）の比（Ｍ／Ｔ）が２．５以上であることにより、共材を粒界に存在させやすくなる。

また、内部電極２を介して対向する２層の圧電セラミック層１，１が共材（不図示）により連結されているのが好ましい。これにより、圧電アクチュエータとして十分な層間強度が得られる。

表面電極３の材質としては、導電性を有するものならばいずれでも使用でき、具体的には例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやこれらの合金などが挙げられるが、上記した内部電極２と同じＡｇ−Ｐｄ合金を用いてもよい。表面電極３の厚みは、変位時の拘束を抑制するために薄くするのがよく、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは０．１〜０．８μｍであるのがよい。

本発明における圧電セラミック層１を構成する圧電性セラミックスとしては、圧電性を示すセラミックスであればいずれでもよく、例えばＢｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。

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

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

特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。例えば、Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋αｗｔ％Ｐｂ_1/2ＮｂＯ₃（０≧ｘ≧０．１４、０≧ｙ≧０．１４、０．０５≧ａ≧０．１、０．００２≧ｂ≧０．０１、０．４４≧ｃ≧０．５０、α＝０．１〜１．０）で表されものである。

次に、本発明の積層圧電体の製造方法について、圧電性セラミックスとしてＰＺＴを用いた場合を例に挙げて説明する。
まず、原料として、純度９９％、平均粒径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を、圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電性セラミックス粉末に適当な有機バインダーを添加しテープ状に成形してグリーンシートを必要枚数作製する。ついで、作製したグリーンシートの一部に、上記した組成Ａｇ−Ｐｄ合金および共材を含むＡｇ−Ｐｄペーストを塗布して内部電極を形成し、所望の形状にカットする。ついで、各グリーンシートを積層し、これを４００℃程度で脱バインダー処理した後、焼成する。焼成後、表面に所望の電極を形成し分極して積層圧電体を得ることができる。

このようなＡｇ−Ｐｄ合金からなる内部電極２と圧電セラミック層１を組み合わせることによって積層圧電体の弾性的安定性を得ることができ、その結果積層圧電体の機械的品質係数（Ｑｍ）のばらつきが抑制される。変位バラツキを１０%以内に抑制するためには、積層圧電体の機械的品質係数（Ｑｍ）の標準偏差σをその平均値で除し１００倍した値が１０以下であるのがよい。これにより、さらに変位ばらつきが抑制され、変位制御の容易な積層圧電体を得ることができる。

なお、グリーンシートを積層して積層体を作製する場合、該グリーンシートと略同一組成の圧電性セラミックスと有機組成物からなる拘束シートを、上記積層体の両面若しくは片面に配置し、加圧密着を行うことが好ましい。このように拘束シートで外側のグリーンシートの収縮を抑制することによって、積層体のソリを低減するという効果が期待でき、支持部材との接着の際の応力低減を可能にする。

次に、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータおよびこれを備えたインクジェット方式の印刷ヘッドについて説明する。図３(a)は、本実施形態にかかる圧電アクチュエータを備えた印刷ヘッドを示す概略断面図であり、図３(b)は、その平面図である。この圧電アクチュエータは、一基板に複数の圧電素子を備えており、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用印刷ヘッドに好適に用いることができる。

図３(a)に示すように、本実施形態のアクチュエータ１５は、圧電セラミック層１１ａ，１１ｂと、これらの圧電セラミック層１１ａ，１１ｂの間に配置された共通電極１２と、圧電セラミック層１１ｂの表面に格子状に形成された複数の個別電極１３とを備えており、共通電極１２と、複数の個別電極１３と、該個別電極１３と共通電極１２の間に位置する圧電セラミック層１１ｂとにより複数の圧電素子１４が形成されている。各個別電極１３は、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され、電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された共通電極１２と個別電極１３に挟持された部位の圧電セラミック層１１ｂが変位する。圧電セラミック層１１ｂは、振動板の役割を担っている。

圧電セラミック層１１ａ，１１ｂとしては、前記した圧電セラミック層１と同様の材料を用いることができる。また、共通電極１２および個別電極１３は、前記した内部電極２および表面電極３と同様の材料を用いることができる。圧電アクチュエータ１５は、上記積層圧電体と同様にして製造される。

本実施形態の印刷ヘッドは、圧電アクチュエータ１５を、インク吐出孔１６ｃを有する複数のインク流路１６ａが配列された流路部材１６上に、インク流路１６ａと個別電極１３との位置を揃えて取り付けたものである。各インク流路１６ａは、隔壁１６ｂにより仕切られている。

流路部材１６は圧延法等によって得られ、インク吐出孔１６ｃおよびインク流路１６ａはエッチングにより所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材１６は、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましく、特にインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

圧電アクチュエータ１５と流路部材１６とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ１１や流路部材１３への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が１００〜２５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ１５と流路部材１６とを加熱接合することができ、これにより印刷ヘッドを得ることができる。そして、外部の駆動回路により共通電極１２と所定の個別電極１３との間に電圧が印加されると、電圧が印加された個別電極１３直下の圧電セラミック層１１ｂが変位してインク流路１６ａ内のインクが加圧され、インク吐出孔１６ｃよりインク滴が吐出される。

このような構成を採用することにより、高速で高精度にインク滴を吐出させることができ、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドと、インクを収容したインクタンクと、このインクタンクから印刷ヘッドにインクを供給するインク供給部と、紙送り装置とを備えたプリンタ（印刷機）を構成することによって、高速・高精度印刷を実現できる。

以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態のみに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。例えば、上記実施形態では、積層圧電体を圧電アクチュエータおよびインクジェット方式の印刷ヘッドに適用した場合について説明したが、本発明の積層圧電体は、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、燃料噴射用インジェクタ、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等にも適用できる。

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

圧電セラミックス層の原料粉末として高純度のＰｂ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、ＺｎＯ、ＳｒＣＯ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＴｅＯ₂の各原料粉末を、焼結体がＰｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｒ_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＝０．００５、ｃ＝０．４．２）で表される組成となるように、所定量秤量した。その他、同様にしてセラミックス層としてはPbTiO₃、BaTiO₃を準備した。

上記の調製された粉体をボールミルにより湿式で２０時間混合し後、この混合物を脱水、乾燥した。その後、９００℃で３時間仮焼し、得られた仮焼物を再びボールミルで湿式粉砕した。ついで、この粉砕物に有機バインダー、水、分散剤と可塑剤とを混合し、スラリーを作製し、薄いグリーンシートを成形するために一般的に用いられるロールコーター法により、焼成後の厚さが表１に示すサイズになるように予め収縮率を考慮したグリーンシートを作製した。

また、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる内部電極用の電極ペーストを表１の組成に調合し、さらに共材として圧電性セラミックス粉末を表１の組成になるように添加した。共材としての圧電性セラミックス粉末の平均粒径は１．０μｍ以下のものを用いた。これらは、別々に有機バインダーおよび有機溶剤を含むビヒクルで混合し、その後に両者を充分に混練して、内部電極ペーストを作製した。

得られた内部電極ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成した。さらに、内部電極が印刷された面を上向きにしてグリーンシートの２枚の間に内部電極ペーストを印刷しないグリーンシート１枚づつ積層し、加圧プレスし、積層成形体を得た。この積層成形体を脱脂処理した後、９４０〜１０００℃、酸素９９％以上の雰囲気中で２〜４時間保持して焼結し、焼結体を作製した。この焼結体の一方の表面に表面電極３を複数形成した。表面電極３は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布し、一基板当たり６００点形成した。これを６００〜８００℃で大気中で焼付けて形成した。これにより、図４に示すような圧電セラミック層２１ａ，２１ｂ、共通電極２２および個別電極２３とを備え、複数の圧電素子が形成された圧電アクチュエータ２５を得た。この圧電アクチュエータ２５の個別電極２３には、リード線を半田で接続した。

次に、圧電アクチュエータの圧電特性を示すd定数、機械的品質係数（Qm）、および密着強度の評価方法について説明する。上記の圧電アクチュエータを１０ｃｍ×１０ｃｍに切断し、その片側のみを研磨し圧電セラミックス一層のみを残す。ついで、この磁器の両主面にＡｕ蒸着にて電極を形成した。その後、ダイシングにて長辺方向１２ｍｍ、短辺方向３ｍｍに切り出し、シリコンオイル中で厚み方向に３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して分極を行った。この素子をインピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー製４１９４Ａ）にて共振周波数、反共振周波数、共振抵抗、反共振抵抗、および静電容量を測定しアルキメデス法より測定した密度よりQmおよびｄ３１を算出した。そして、Qmの平均値とばらつきの標準偏差（σ）を求め、［｛（Ｑｍのσ）／（Ｑｍの平均値）｝×１００］をばらつきの指標とした。本実施例では、［｛（Ｑｍのσ）／（Ｑｍの平均値）｝×１００］が１０以下である場合を良品とした。

圧電アクチュエータの変位量の測定は、図５に示すように、上記で得られた圧電アクチュエータ２５を、溝２６ａと隔壁２６ｂを有する支持体２６に接着した試料を用いて行った。この試料の溝２６ａ側からアクチュエータにレーザービームを照射し、レーザードップラー変位計により溝２６ａの中心部および周辺部７点の変位量を測定し、変位量の平均値およびばらつきを算出した。変位量のばらつきは、最大変位量から最小変位量との差（最大変位量−最小変位量）とし、このばらつきが１０ｎｍ以下である場合を良品とした。

密着強度については、上記の条件で作製した圧電アクチュエータ２５をSUS３１６の板にエポキシ系接着剤を用いて１２０℃で接着した後、圧電アクチュエータ２５に１．０ｋｇｆ（９．８Ｎ）の荷重でビッカース圧痕を５秒間うち、圧電セラミックス層２１ａ，２１ｂと共通電極層２２との剥離状況を観察した。１つの試料につき、２０箇所圧痕をうち、1個以上剥離が発生したものを層間強度不足と判断した。結果を表１に示す。

共通電極２２中の共材による圧電セラミック層２１ａと圧電セラミック層２１ｂとの間の連結状況は、以下のようにして行った。すなわち、圧電アクチュエータ２５の断面を鏡面研磨した後、走査型電子顕微鏡（SEM）にて２０００倍で観察した。共通電極の１５０μｍ幅の中の連結部分を数え、１０箇所以上の連結部が存在するものを良品とした。また、同様にポアが５個以下のものを良品とした。

電極表面の観察は、以下のようにして行った。すなわち、個別電極２３と共通電極２２の間を水に浸した後、両電極間に４０Vの電圧を印加することにより共通電極２２と圧電セラミックス層２１ａ，２１ｂが電気化学的反応により剥離する。剥離した圧電セラミックス層２１ａ，２１ｂを取り除き、残った共通電極の表面をSEMにて観察した。共通電極の表面の各部を成分分析し、Pbが検出された部分には共材が存在していたと判断した。そして、共材のうち、何％がＡｇ−Ｐｄ合金の３重点に存在するかの評価を、次式｛（３重点に存在する共材の個数／共材の総個数）×１００｝に基づいて行った。各評価結果を表１に示す。

表１から、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．３〜１４およびＮｏ．１６〜１９は、変位ばらつきのレンジが１０ｎｍ以下であるとともに、層間剥離が無く、変位制御が容易に行うことができる積層圧電体であった。

一方、Ａｇが７０体積％より少なく、共材が粒内に多く存在する本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１，２は、変位ばらつきがのレンジが１０ｎｍより大きく、しかも層間剥離が発生していた。また、圧電セラミック層一層の厚みが１００μｍの試料Ｎｏ．１５は、変位が５０ｎｍと小さいものであった。

本発明の積層圧電体を示す概略断面図である。図１の積層圧電体における内部電極の表面を模式的に示す概略平面図である。本発明の圧電アクチュエータを備えた印刷ヘッドを示す概略断面図である。実施例において作製した圧電アクチュエータを示す概略断面図である。実施例において、図４に示す圧電アクチュエータの特性を評価するための構造体を示す概略断面図である。

符号の説明

ｌ，１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２２ｂ圧電セラミック層
２内部電極
３表面電極
１２共通電極
１３個別電極
１４圧電素子
１５アクチュエータ
１６流路部材
１６ａインク流路
１６ｂ隔壁
１６ｃインク吐出孔

Claims

複数の圧電セラミック層を積層した積層体と、該積層体の表面および／または内部に設けられたＡｇ−Ｐｄ合金からなる電極層とを備えた厚み１００μｍ以下の積層圧電体であって、前記電極層がセラミックスからなる共材を含有し、該共材の９０％以上が前記Ａｇ−Ｐｄ合金の粒界の３重点に存在することを特徴とする積層圧電体。
前記Ａｇ−Ｐｄ合金の結晶平均粒径（Ｍ）と前記共材の平均粒径（Ｔ）との比（Ｍ／Ｔ）が２．５以上である請求項１記載の積層圧電体。
前記Ａｇ−Ｐｄ合金がＡｇを７０体積％以上含有する請求項１または２記載の積層圧電体。
前記電極層が、前記Ａｇ−Ｐｄ合金を５０〜９０体積％、前記共材を１０〜５０体積％の割合で含有する請求項１〜３のいずれかに記載の積層圧電体。
前記共材を構成するセラミックスが、前記圧電セラミック層を構成する圧電性セラミックスと略同一組成である請求項１〜４のいずれかに記載の積層圧電体。
前記積層体の内部に少なくとも１層の前記電極層が設けられ、該電極層を介して対向する２層の圧電セラミック層が電極層中の前記共材により連結されている請求項１〜５のいずれかに記載の積層圧電体。
前記圧電セラミック層を構成する圧電性セラミックスがＰｂを含有する請求項１〜６のいずれかに記載の積層圧電体。
前記圧電セラミック層の厚みが１〜５０μｍの範囲にある請求項１〜７のいずれかに記載の積層圧電体。
機械的品質係数（Ｑｍ）の標準偏差σを機械的品質係数（Ｑｍ）の平均値で除し１００倍した値が１０以下である請求項１〜８のいずれかに記載の積層圧電体。
請求項１〜９のいずれかに記載の積層圧電体を備えた圧電アクチュエータ。
請求項１０に記載の圧電アクチュエータが、インク吐出孔を有する複数のインク流路が配列された流路部材上に取り付けられたことを特徴とする印刷ヘッド。