JP2006278668A

JP2006278668A - 圧電積層体及び圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2006278668A
Application number: JP2005095005A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Takahashi; 大輔高橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】電圧印加による変形を繰り返しても変形量の減少が少ない圧電積層体、圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】圧電セラミックスを主体とする圧電体層と導体層とをそれぞれ複数ずつ積層してなる積層体からなり、該積層体の全体厚みＴが５０μｍ以下、前記積層体の全体厚みＴに対する前記導体層の各厚みの合計厚みｔの比ｔ／Ｔが０．１以下、Ｘ線回折測定における前記圧電セラミックスの（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する（００２）面のピーク強度Ｉ（００２）の比Ｉ（００２）／Ｉ（２００）が１．８以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電積層体及び圧電アクチュエータに関し、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圧電積層体、広がり振動、伸び振動、厚みたて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に関する。

近年、パーソナルコンピューターの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出力する記録装置として、インクジェット方式の記録装置の利用が急速に拡大している。

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、インク流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流として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。

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、例えば図３（ａ）に示したように、複数の溝がインク流路２３ａとして並設され、各インク流路２３ａを仕切る壁として隔壁２３ｂを形成した流路部材２３の上に、圧電体層２４と共通電極２５を積層した圧電積層体からなる圧電アクチュエータ２１が設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。

圧電アクチュエータ２１は、圧電体層２４の一方の主面に共通電極２５を形成するとともに、他方の主面に複数の駆動電極２６を形成し、複数の変位素子２７が設けられてなる圧電アクチュエータが、流路部材２３の開口部であるインク流路２３ａの直上に駆動電極２６を配置するように、圧電アクチュエータ２１と流路部材２３とを接着する。

共通電極２５と駆動電極２６との間に電圧を印加して変位素子２７を振動させることによりインク流路２３ａ内のインクを加圧し、流路部材２３の底面に開口させたインク吐出孔２８よりインク滴を吐出させる構造になっている。

また、図３（ｂ）に示すように、圧電体層２４上に駆動電極２６を等ピッチで多数並設し、変位素子２７を多数設けた印刷ヘッドを構成して各変位素子２７を独立して制御することにより、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に寄与することが可能である。

従来、このような印刷ヘッドに用いられる圧電積層体は優れた圧電特性が求められるが、さらに、セラミック層と導体層をそれぞれ複数ずつ積層した圧電積層体は、セラミック層を薄層化していくと、積層セラミック全体に占める導体層の割合が大きくなり、セラミック層と導体層との熱膨張さの影響が大きくなって、両者間に発生する応力が大きくなるため、デラミネーションを生じることが知られている。

このため、セラミック層の厚みに対する導体層の厚みの比を０．１〜０．４にすることによって、セラミック層と導体層間のデラミネーションを防止することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−３４３２１号公報図１特開平１０−３１２９３３

しかしながら、特許文献２に記載の圧電積層体は、デラミネーションの少ない焼結体を得るために有効であるが、積層体の全体厚みが５０μｍ以下と薄い場合、圧電特性が低いという問題があった。

また、このような圧電積層体を利用した圧電アクチュエータは、駆動電圧による変形を繰り返し行うにしたがって、圧電特性、とくに静電容量値が低下していくため、変形量が次第に減少するという問題があった。

従って、本発明は、全体厚みが５０μｍ以下の薄い場合であっても、優れた圧電特性を具備し、デラミネーションの少ない圧電積層体、及び変形を繰り返しても変形量が減少しにくい圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の圧電積層体は、圧電セラミックスを主体とする圧電体層と導体層とを積層してなる積層体からなり、該積層体の全体厚みＴが５０μｍ以下、前記積層体の全体厚みＴに対する前記導体層の合計厚みｔの比ｔ／Ｔが０．１以下、Ｘ線回折測定における前記圧電セラミックスの（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する（００２）面のピーク強度Ｉ（００２）の比Ｉ（００２）／Ｉ（２００）が１．８以下であることを特徴とするものである。

特に、前記積層体の主面に端子電極が設けられ、該端子電極と前記積層体の内部に配置された前記導体層とが電気的に接続されていることが好ましい。

本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電積層体の表面に、複数の表面電極を設け、該表面電極と、前記圧電積層体の内部に設けられた導体層との間に駆動電圧を印加することによって、前記表面電極と前記導体層とで挟持された圧電体層が変形することを特徴とするものである。

従来の積層圧電体の圧電特性が低いのは、セラミック層と導体層との間に発生する残留応力によって９０°分域が減少し、１８０°分域が増加するため、変位量が低減するという現象が起こり、その結果、圧電特性が低下するという問題が発生していた。

そこで、本発明の圧電積層体は、全体厚みにおける導体層の合計厚みと、Ｘ線回折における（２００）面と（００２）面のピーク比を制御することによって、セラミック層と導体層間に発生する応力を抑制することができ、５０μｍ以下の薄い圧電積層体であっても、変形時に、圧電積層体の変形方向と逆方向の応力の発生を抑制するため、応力により圧電特性が低くなることを抑制することができるとの新規な知見を得た。また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層圧電体を使用しているため、変形を繰り返してもその変形量の低下を抑制することができる。

本発明を、図を用いて説明する。図１は、本発明による一実施例の圧電積層体を示す断面図である。

本発明の圧電積層体は、圧電体層と導体層とを積層してなる積層体であり、例えば図１（ａ）に示したように、第１の圧電体層２、共通電極５、第２の圧電体層４、及び駆動電極６が、この順に積層されている。そして、第１の圧電体層２はセラミック振動板として働き、セラミック振動板の上に、圧電体層４を共通電極５と駆動電極６とで挟持してなる変位素子７が複数形成されている。

変位素子７は、第１の圧電体層２上に複数設けられているが、例えば図１（ｃ）に示したように、駆動電極６が等間隔で２次元的に配列され、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され、それぞれの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５と駆動電極６に挟持された部位の圧電体層４が変位することができる。

なお、共通電極５は、圧電積層体１の主面、特にその外周部に形成された端子電極９と電気的に接続され（不図示）、端子電極９を外部回路を通じて接地することができる。圧電積層体１の主面に端子電極９を設けることにより、外部回路と安定した接続を実現でき、接続による異常な応力の発生を抑制する効果も有する。

本発明によれば、圧電積層体の全体厚みＴは５０μｍ以下であることが、大きな変位を得るために重要である。特に、４５μｍ以下、更には４０μｍ以下であることが好ましい。また、製造時や作動時の破壊を防止するため、十分な機械的強度を考慮すると全体厚みＴの下限値は、１０μｍ、更には２５μｍであることが好ましい。

第１の圧電体層２及び圧電体層４の厚みは、取り扱い時の破壊を抑制し、不良率を低減させるために、５〜２０μｍ、特に７〜２０μｍ、更には１０〜２０μｍであることが好ましい。

また、積層体の全体厚みＴに対する導体層の合計厚みｔの比は、図１の場合、積層体の全体厚みＴに対する共通電極５の厚みｔの比ｔ／Ｔに相当し、圧電特性を低下させないためには、ｔ／Ｔを０．１以下にすることが重要である。また、ｔ／Ｔの下限値は、電極厚みが薄くなると共通電極の抵抗値が高くなるという理由で、０．０１以上、更には０．０２以上にすることが好ましい。

本発明によれば、Ｘ線回折測定における前記圧電セラミックス層４の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する（００２）面のピーク強度Ｉ（００２）の比Ｉ（００２）／Ｉ（２００）を１．８以下に制御することが重要である。この構成によって、優れた圧電特性を有し、デラミネーションの少ない圧電積層体を得ることができる。

特に、変形を繰り返しても変形量が減少しにくい圧電積層体を得るためには、特に、Ｉ（００２）／Ｉ（２００）を１．５以下、更には１．２以下にすることが好ましい。また、その下限値は、０．３３、特に０．５、更には０．６であることが好ましい。

変位素子７を構成する圧電体層４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酸ナトリウムなどのＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウムなどの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）、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、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。

特に、Ｐｂ、Ｔｉ及びＺｒのうち少なくとも２種を含有することが好ましく、更には、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物（ＰＺＴ）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安価に得るために好ましい。

また、圧電体層４は、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であるとともに、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ及びＴｅのうち少なくとも１種を含んでもよく、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／2）Ｏ_３とを固溶してなるものを例示できる。

また、第１の圧電体層２は、単層でも良いが、本発明の範囲内であれば、厚みを制御し、焼結後の組成バラツキや特性バラツキを抑制するために、積層体であっても良い。

また、共通電極５及び駆動電極６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やそれらの合金などが用いられる。

さらに、記積層体の端部に端子電極９を形成し、端子電極９と積層体の内部に配設された導体層とが電気的に接続していることが好ましい。これにより、共通電極５の接地を確実にすることが容易になる。

このような構成を採用することにより、圧電積層体の変位素子７の各々において、十分に変位させても、デラミネーションや圧電特性の劣化は発生しない。その結果、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

次に、本発明の圧電積層体の製造方法を、具体的にインクジェットプリンタの印刷ヘッドに応用した場合を例として説明する。

先ず、原料粉末として、Ｐｂ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＢａＣＯ_３、ＺｎＯ、ＳｒＣＯ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＴｅＯ_２を準備する。これらを、ペロブスカイト型結晶の化学量論組成に相当する組成に調整し、混合する。

グリーンシートにおいては、ロールコーター法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電セラミックスと有機組成物からなるテープの成形を行い作製する。

グリーンシートの一部には、その表面に共通電極を印刷法等により形成する。また、所望により、グリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を挿入する。

次いで、所望のグリーンシートを積層して積層体を作製し、さらに該グリーンシートと実質的に同一組成の圧電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。

加圧密着後の積層体を、焼成炉の内部に配置し、高濃度酸素雰囲気下で焼成温度が９００℃以上、特に９２０〜１０５０℃で焼成し、積層体中のＰｂの蒸発によりＰｂ不足になるのを防止することができる。その後、Ａｕペーストを用いて焼成基板表面に駆動電極を印刷、焼成し形成する。

本発明によれば、圧電積層体の全体厚みＴに対する導体層の合計厚みｔの比ｔ／Ｔを０．１以下にするためには、グリーンシートの厚みとその層数、及び導体層の厚み及びその層数を勘案し、決定することができる。

また、本発明によれば、Ｘ線回折測定における上述のピーク強度比Ｉ（００２）／Ｉ（２００）を１．８以下にするためには、導体層の組成、例えば導体層に銀パラジウム合金を用いた場合、銀とパラジウムとの組成比を変えることによってピーク強度比を調整することができる。さらに、焼成の昇温速度、焼成温度、グリーンシートの生密度、加圧条件等の製造条件を変えることによっても上記ピーク強度比を調整することができる。

本発明の圧電積層体を用いた圧電アクチュエータは、図２に示したように、圧電積層体１１が流路部材１３に接着されて使用され、液体吐出装置２１を形成することができる。具体的には、複数の溝であるインク流路１３ａが隔壁１３ｂによって仕切られてなる流路部材１３の表面に、セラミック基板１２が接着材によって接着され、セラミック基板１２の上に複数の変位素子１７が設けられている。

変位素子１７は、圧電体層１４の一方の主面に共通電極１５を、他方の主面に駆動電極１６を形成し、圧電体層１４を一対の電極１５、１６によって挟持された構造となっている。

変位素子１７は、共通電極１５側で流路部材１３の開口部であるインク流路１３ａが設けられた表面に接着され、インク流路の各々の直上に変位素子１７がそれぞれ配置されている。

そして、変位素子１７の共通電極１５及び駆動電極１６は、外部の駆動回路に電気的に接続され、駆動回路より共通電極１５と駆動電極１６との間に電圧を印加し、電圧が印加され変位領域２７ａが変位し、変位素子２７に対応するインク流路１３ａ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ことができる。

このような構成を採用することにより、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、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、上記の印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタを実現することによって、高速・高精度印刷を容易に実現できる。

原料粉末として高純度のＰｂ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、ＮｉＯ、の各原料粉末を所定量秤量し調整した。

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、しかる後に、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、圧電セラミック粉末を得た。

その後、この圧電セラミック粉末に有機バインダー、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。この後、金型を用いて上記グリーンシートを短形状に打ち抜き、複数枚の短形状シートを用意した。

次に、表１に記載の組成を有する銀パラジウム合金粉末を含む電極用ペーストに上記のグリーンシートに用いている圧電セラミック粉末を添加して混合し、スクリーン印刷にてグリーンシート表面に焼成後の厚さが表１に示すサイズになるように予め収縮率を考慮した内部電極パターンを塗布した。

次いで、内部電極を塗布したグリーンシート及び内部電極を塗布していないグリーンシートを重ね、熱を加えて表１の圧力で圧着し、成形体を製作した。

最後に、この成形体を４００℃で脱脂した後、積層体を表１に示した焼成条件で焼成を行って圧電積層体を得た。その後、Ａｕペーストを用いて基板表面に縦１０個、横２０個配列された変位素子が形成されるように駆動電極を印刷、焼成し圧電積層体を形成した。

得られた圧電積層体の総厚みと内部電極層の厚みを、焼結体断面を研磨後、ＣＣＤを利用したキーエンス製マイクロスコープによって測定するとともにデラミネーションの有無を観察した。

また、Ｘ線回折測定によって圧電積層体の（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）及び（００２）面のピーク強度Ｉ（００２）を測定し、ピーク強度比Ｉ（００２）／Ｉ（２００）を算出した。

次いで、圧電積層体を圧電アクチュエータとして流路部材に接着し、図２のような印刷ヘッドを作製し、各変位素子に電圧をそれぞれ印加したときの変位をドップラー測定器によって計測した。

更に、各変位素子に電圧を繰り返し印加したあとの変位を計測し、１０億回の繰り返し電圧印加前後の変位の低下率を調べた。結果を表１に示した。

本発明の試料Ｎｏ．２〜４、７、１０〜２０は平均変位量が５０ｎｍ以上あり、変位の低下率も１０％以内であった。

一方、Ｉ（００２）／Ｉ（２００）が１．８を超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１及び６は変位の低下率が大きく、圧電積層体、特に印刷ヘッドに用いる圧電積層体としては実用に供さないものであった。

また、積層体の全体厚みＴが５０μｍを超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．５及び９は平均変位量が４０ｎｍ以下と小さく、圧電積層体、特に印刷ヘッドに用いる圧電積層体としては実用に供さないものであった。

更に、ｔ／Ｔが０．１を大きく超える本発明の範囲外の試料Ｎｏ．８はデラミネーションが発生していた。

本発明の圧電積層体の構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はアクチュエータとして支持部材に接着した状態の概略断面図、（ｃ）はその平面図である。本発明の液体吐出装置の構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１、２１・・・圧電積層体
２、２２・・・セラミック基板
３・・・支持部材
４、２４・・・圧電体層
５、２５・・・共通電極
６、２６・・・駆動電極
７、２７・・・変位素子
９・・・端子電極
２３・・・流路部材
３ａ、２３ａ・・・インク流路
３ｂ、２３ｂ・・・隔壁
１８・・・吐出孔
Ｔ・・・積層体の全体厚み
ｔ・・・共通電極の厚み

Claims

圧電セラミックスを主体とする圧電体層と導体層とを積層してなる積層体からなり、該積層体の全体厚みＴが５０μｍ以下、前記積層体の全体厚みＴに対する前記導体層の合計厚みｔの比ｔ／Ｔが０．１以下、Ｘ線回折測定における前記圧電セラミックスの（２００）面のピーク強度Ｉ（２００）に対する（００２）面のピーク強度Ｉ（００２）の比Ｉ（００２）／Ｉ（２００）が１．８以下であることを特徴とする圧電積層体。
前記積層体の主面に端子電極が設けられ、該端子電極と前記積層体の内部に配置された前記導体層とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の圧電積層体。
請求項１又は２記載の圧電積層体の表面に、複数の表面電極を設け、該表面電極と、前記圧電積層体の内部に設けられた導体層との間に駆動電圧を印加することによって、前記表面電極と前記導体層とで挟持された圧電体層が変形することを特徴とする圧電アクチュエータ。