JP2007013096A - 圧電アクチュエータおよびその駆動方法、並びに印刷ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】変位劣化を抑制し、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータおよびその駆動方法、並びに印刷ヘッドを提供することである。
【解決手段】圧電セラミックスからなるセラミック振動板上１に、共通電極２、圧電セラミック層３および駆動電極４をこの順に積層し、圧電セラミック層３の表面に駆動電極４を複数配列し、駆動電極４，共通電極２で圧電セラミック層３を挟持して変位素子５を複数形成し、圧電セラミック層３を分極してなり、圧電セラミック層３はセラミック振動板１と略同一組成の圧電セラミックスからなり、分極前の圧電セラミック層３を構成する結晶のａ軸配向度が５０％以上であり、圧電セラミックスの抗電界が１１ｋＶ／ｃｍ以上、圧電定数ｄ₃₁が−１６０ｐｍ／Ｖ以下である圧電アクチュエータ１５およびその駆動方法、並びにこれを用いた印刷ヘッドである。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータおよびその駆動方法、並びに印刷ヘッドに関し、より詳しくは、例えば燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ等に適し、特に広がり振動、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およびその駆動方法、並びに印刷ヘッドに関する。

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や、インクジェットプリンタの印刷ヘッド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への使用要求が高まっている。

このような圧電アクチュエータとして、例えば特許文献１には、圧電アクチュエータの振動板として作用するセラミックス基板（セラミック振動板）と、その上に設けられた第１の電極膜（共通電極）、圧電膜（圧電セラミック層）、及び第２の電極膜（駆動電極）からなる膜型の圧電作動部から構成される変位素子が記載されている。

前記セラミック振動板としては、例えば酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素等が用いられるが、この様なセラミック振動板上に変位素子を接合するには、高い温度（例えば１００℃以上）で硬化する熱硬化性接着剤が用いられる。しかしながら、セラミック振動板と変位素子とは線熱膨張係数が異なるため、接着する際の加熱によって変位素子に圧縮応力が発生し、この圧縮応力により変位素子の圧電特性が著しく低下するという問題があった。

上記問題を解決する方法として、特許文献２には、振動板として用いるセラミックス振動板を、変位素子を構成する圧電セラミック層と略同一組成の圧電体で構成することが提案されている。これによると、前記圧縮応力を低減でき、変位素子の圧電特性の低下を抑制できると考えられる。しかしながら、特許文献２に記載されている圧電アクチュエータを繰り返し駆動させると、特に高い電圧で繰り返し駆動した場合には、変位が劣化するおそれがある。

国際公開２００２／０７３７１０号パンフレット 特開２００４−１６５６５０号公報

本発明の課題は、変位劣化を抑制し、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータおよびその駆動方法、並びに印刷ヘッドを提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。すなわち、変位を繰り返すことにより変位が劣化した圧電アクチュエータは、駆動部（変位素子）周辺の圧電セラミック層（非駆動部の圧電セラミック層）の配向がｃ軸配向からａ軸配向に変化する。すなわち、駆動部が変位することにより、非駆動部の圧電セラミック層が前記変位に引っ張られ、非駆動部の圧電セラミック層の配向がｃ軸配向からａ軸配向に変化し、ａ軸方向に固定化されてしまう。その結果、駆動部に圧縮応力がかかり、この圧縮応力により駆動部の圧電セラミック層の変位が低下する。

非駆動部の圧電セラミック層のｃ軸配向からａ軸配向への変化を抑制するには、圧電セラミック層のａ軸配向の比率を初期の段階、すなわち、分極前に所定の値まで高めることにより、駆動部の変位による前記配向変化を抑制することができる。

また、非駆動部の圧電セラミック層におけるａ軸配向の変化は、圧電セラミック層へ抗電界以上の電界をかける事により促進される。このため、この配向変化を抑制するには、抗電界以下の電界で駆動することが重要である。しかし、圧電セラミックスの変位の大きさを示す圧電定数ｄ₃₁の絶対値が所定の値以上でないと十分な変位が得られないので、十分な変位を得るために電圧を上げる必要があり、その結果、駆動時にかける電圧が上記抗電界を超えてしまい、ａ軸配向変化が促進されて変位が劣化する。

すなわち、非駆動部の圧電セラミック層におけるａ軸配向の変化を抑制して変位劣化を抑制し、かつ十分な変位を得るためには、圧電セラミックスの抗電界と圧電定数ｄ₃₁の絶対値が所定の値以上必要である。

本発明の圧電アクチュエータは上記の知見に基づいて完成されたものであって、以下の構成からなる。
（１）圧電セラミックスからなるセラミック振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および駆動電極をこの順に積層し、前記圧電セラミック層の表面に前記駆動電極を複数配列して、この駆動電極と前記共通電極とで前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を複数形成し、前記圧電セラミック層を分極してなり、前記共通電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加して前記変位素子を変位させる圧電アクチュエータであって、前記圧電セラミック層は前記セラミック振動板と略同一組成の圧電セラミックスからなり、分極前の前記圧電セラミック層を構成する結晶のａ軸方向に配向するａ軸配向度が５０％以上であり、前記圧電セラミックスは抗電界が１１ｋＶ／ｃｍ以上であり、圧電定数ｄ３１が−１６０ｐｍ／Ｖ以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
（２）前記圧電セラミックスがＰｂ、ＺｒおよびＴｉを主成分として含有する前記（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記圧電セラミックスがＳｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｙｂ、Ｎｉ，Ｔｅ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するペロブスカイト型複合酸化物である前記（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４）前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１０〜１．０２０である前記（１）〜（３）記載の圧電アクチュエータ。
（５）前記圧電セラミックスの結晶平均粒子径が１．２〜３．５μｍである前記（１）〜（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
（６）前記圧電セラミック層の厚みＶ１と前記セラミック振動板の厚みＶ２の比率Ｖ１／Ｖ２が０．３〜１．５である前記（１）〜（５）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
（７）前記圧電セラミックスのキュリー温度が２００℃以上である前記（１）〜（６）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、抗電界が１１ｋＶ／ｃｍ以上であり、圧電定数ｄ₃₁が−１６０ｐｍ／Ｖ以下である圧電セラミックスからなるセラミック振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および駆動電極をこの順に積層し、前記セラミック振動板と略同一組成の圧電セラミックスからなると共に、分極前の圧電セラミック層を構成する結晶のａ軸方向に配向するａ軸配向度が５０％以上である圧電セラミック層の表面に前記駆動電極を複数配列して、この駆動電極と前記共通電極とで前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を複数形成し、ついで、前記圧電セラミック層を分極し、前記共通電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加して前記変位素子を変位させることを特徴とする。

本発明の印刷ヘッドは、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、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、前記インク流路と前記駆動電極との位置を揃えて取り付けたことを特徴とする。

本発明によれば、圧電セラミック層をセラミック振動板と略同一組成の圧電セラミックスから構成し、且つ分極前の圧電セラミック層を構成する結晶のａ軸方向に配向するａ軸配向度と、圧電セラミックスの抗電界および圧電定数ｄ₃₁の絶対値を所定の値以上にするので、駆動による変位劣化を抑制でき、その結果、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータおよびその駆動方法が得られると共に、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に用いることができる。

また、前記（２）によれば、より絶対値の高い圧電定数ｄ₃₁を得ることができる。前記（３）によれば、高い変位と高い抗電界を得ることができる。前記（４）によれば、高い変位と高い抗電界による耐久性を確保することができる。前記（５）によれば、前記ａ軸配向変化を確実に抑制することができる。前記（６）によれば、駆動時の圧電セラミック層にかかる電圧を低減することが可能であり、耐久劣化を確実に抑制することができる。前記（７）によれば、熱安定性の向上により、耐久劣化を確実に抑制することができる。

＜圧電アクチュエータおよびその駆動方法＞
以下、本発明の圧電アクチュエータの一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１５は、セラミック振動板１、共通電極２、圧電セラミック層３および駆動電極４で構成されており、セラミック振動板１上に、共通電極２、圧電セラミック層３および駆動電極４をこの順に積層したものである。

共通電極２，駆動電極４は、圧電アクチュエータ１５の電極を構成するものであり、駆動電極４は、圧電セラミック層３の表面に複数形成されている。これにより、共通電極２，駆動電極４で圧電セラミック層３を挟持して構成される変位素子５が複数形成される。

そして、圧電セラミック層３を分極し、共通電極２にリード線を接続すると共に、該リード線を外部電源と電気的に接続する。ついで、共通電極２，駆動電極４の間に駆動電圧を印加すると変位素子５が変位して圧電アクチュエータ１５が駆動する。

ここで、セラミック振動板１は圧電セラミックスからなり、圧電セラミック層３は、セラミック振動板１と略同一組成の圧電セラミックスからなる。本発明における前記圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、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（ＰＴ）等を含有するペロブスカイト構造化合物、チタン酸バリウム（ＢＴ）等を例示できる。これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）が、電極（共通電極２，駆動電極４）との濡れ性を高めると共に、電極との密着強度を高める点で好適である。

特に、本発明では、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Ｔｉを含有する結晶であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のジルコン酸チタン酸鉛系化合物が、より絶対値の高い圧電定数ｄ₃₁を有する安定な圧電焼結体（圧電アクチュエータ１５）を得るうえで好ましい。

また、圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｙｂ、Ｎｉ，Ｔｅ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するペロブスカイト型複合酸化物であるのが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１５）を得ることがでる。このような圧電セラミック層３およびセラミック振動板１の圧電セラミックスとしては、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を固溶してなるものを例示できる。

また、圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、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、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、正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るうえで有利である。

また、圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、特に、Ｂサイト構成元素として、Ｙｂ、Ｎｂを含有することが高い抗電界（Ｅｃ）を得る点で望ましい。具体的には、Ｙｂを０．００５〜０．００５モル、Ｎｂを０．００５〜０．０５モル含むことが、高い抗電界（Ｅｃ）を有し、高い耐久性を得るうえで有利である。

このような圧電セラミック層３およびセラミック振動板１としては、例えば、Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（ＹｂＮｂ）_b（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_dＺｒ_1-a-b-c-dＴｉ_cＯ₃＋α重量％Ｐｂ_1/2ＮｂＯ₃（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．０１≦ｂ≦０．１、０．４４≦ｃ≦０．５０、０．００２≦ｄ≦０．０１、α＝０．１〜１．０）等で表されものが挙げられる。

さらに、本発明の圧電セラミックスは、圧電セラミックスの変位の大きさを示す圧電定数ｄ₃₁が−１６０ｐｍ／Ｖ以下である。これにより、低電界強度で十分な変位を得ることができる。ここで、前記−１６０ｐｍ／Ｖの「−」は方向を示しており、絶対値は高い方が、特性が良好である。

また、本発明の圧電セラミックスの抗電界は１１ｋＶ／ｃｍ以上であることが必要である。ここで、抗電界とは、電界―分極履歴曲線において、分極値ゼロに対する電界強度を意味する。圧電セラミックスの変位は、低電界強度の領域では、ほぼ圧電定数と比例するが、高電界強度の領域では、非線形的に変位が向上する。これは、分域回転が変位に寄与することを示しており、抗電界以上の電界強度で圧電セラミックスを駆動させると、変位の劣化が大きくなる。このため、耐久劣化抑制のためには高い絶対値の圧電定数を有し、低電界強度で駆動するとともに、圧電セラミックスの抗電界も高くなければならない。

したがって、本発明の圧電セラミックスは、圧電定数ｄ₃₁が−１６０ｐｍ／Ｖ以下、抗電界が１１ｋＶ／ｃｍ以上である。なお、前記圧電定数ｄ₃₁は、例えば後述のように、インピーダンスアナライザーを用いた共振法により求めることができ、前記抗電界は、ヒステリシスより求めることができる。

圧電アクチュエータ１５は、同一基板（セラミック振動板１）内に駆動部（変位素子５）と非駆動部が存在し、駆動部が非駆動部の拘束を受ける構造である。このような構造を有する圧電アクチュエータの耐久劣化は、前記した通り駆動部が変位することにより、非駆動部が引っ張られる。そして、結晶配向がｃ軸配向からａ軸配向に変化し、この状態で固定化される。その結果、駆動部に圧縮応力がかかり、この応力により駆動部の圧電セラミック層の変位が低下する。このため、引っ張り応力により前記配向が変化しないようにするには、初期の状態から圧電セラミック層３の圧電セラミックスの配向をａ軸配向にしておくことが必要である。具体的には、分極前の圧電セラミック層３を構成する結晶のａ軸方向に配向するａ軸配向度は５０％以上必要である。

前記配向は、例えば後述のように、ＸＲＤ（Ｘ線回折法）による結晶構造解析により求めることができる。ここで、分極前の配向で評価するのは、分極処理により駆動部はｃ軸に配向することになるが、非駆動部はほとんど変化しない。したがって、分極後の配向で評価すると、分極した駆動部と分極されない非駆動部の配向とを混合して評価してしまうからである。

本発明にかかる圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａは、１．０１〜１．０２０の範囲であることが、高い変位と耐久性を確保する点で好ましい。本発明では、特に、変位バラツキの点から１．０１２〜１．０１６の範囲が好ましい。なお、前記ｃ／ａは、例えば後述のように、ＸＲＤからａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めることができる。

また、圧電セラミックスのキュリー温度が高いほど熱安定性に優れ、発熱による劣化に対して高い耐久性を得ることができる。このため、圧電セラミックスのキュリー温度は２００℃以上が好ましい。該キュリー温度の上限値としては、特に限定されるものではないが、４００℃以下であるのが好ましい。キュリー温度とは、誘電率が極大を示す温度を意味する。前記キュリー温度は、例えばＬＣＲメータを用いて誘電率の温度変化を測定して求めることができる。

さらに、上記圧電性セラミックスは耐久性向上のために、その結晶平均粒子径が１．２〜３．５μｍであることが好ましい。結晶平均粒子径が３．５μｍを超えると、変位に対する分域回転の寄与率が増加する。分域回転による変位は、圧縮応力の影響を受けやすく、変位劣化が大きくなるので好ましくない。本発明では、特に、結晶平均粒子径が２．０〜３．０μｍであることが、変位向上のために好ましい。なお、前記結晶平均粒子径は、例えば後述のように、ＳＥＭ観察してインターセプト法により求めることができる。

また、本発明の圧電アクチュエータ１５の総厚みＴは１００μｍ以下であることが大きな変位を得るために重要であり、好ましくは６０μｍ以下、より好ましくは４５μｍ以下であるのが変位を大きくする点で好ましい。

さらに、圧電セラミック層３の厚みＶ１と、セラミック振動板１の厚みＶ２の比率Ｖ１／Ｖ２が０．３〜１．５であるのが好ましい。これにより、駆動時の圧電セラミック層３にかかる電圧を低減することが可能であり、耐久劣化を抑制することができる。これに対し、Ｖ１／Ｖ２が０．３より小さいと、非駆動部の影響により変位が低下する。また、Ｖ１／Ｖ２が１．５より大きいと、同様に変位の低下が起こる。

また、本発明によれば、同時焼成で作製する電極（共通電極２，駆動電極４）が銀を８７体積％以上、好ましくは９０体積％以上、より好ましくは９３体積％以上含む銀−パラジウム合金からなり、焼成後のアクチュエータ１５の内部に発生する残留応力の大きさを１００ＭＰａ以下に制御することが好ましい。このように、銀成分を約９０体積％以上にすることにより、電極（共通電極２，駆動電極４）の収縮による圧縮応力を低減する効果が期待できる。

次に、本発明の積層圧電体である圧電アクチュエータの製造方法について、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。
まず、原料として純度９９％、平均粒子径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。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、ついで、作製したグリーンシートの一部に共通電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この共通電極上にグリーンシートを積層し、さらに、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行い、その後焼成する。焼成後、表面に所望の駆動電極を形成し、分極して積層圧電体である圧電アクチュエータ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には、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とを、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、後述する支持部材［インク流路を形成するステンレス鋼（ＳＵＳ）パーツ］との接着の際の応力低減を可能にする。

さらに、焼結前生密度が４．５ｇ／ｃｍ²以上であることが好ましい。焼結体密度を４．５ｇ／ｃｍ２以上に上げることにより、より低温での焼成が可能であり、さらに生密度を上げると、Ｐｂの蒸発を抑制することが可能である。

本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層圧電体を具備するものであり、このようなアクチュエータは、高い変位を有するという特徴を有する。特に、前記積層圧電体が、支持部材に接合されてなるものであることが好ましい。

本発明の圧電アクチュエータの駆動は、駆動時の電界強度Ｅと、圧電セラミック層の電界強度Ｅｃとの比率Ｅ／Ｅｃが１より小さい条件で駆動させるのが好ましい。これにより、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動することができる。これに対し、１より大きいと、分域回転の寄与が大きくなり、変位劣化しやすくなる。

＜印刷ヘッド＞
本発明の圧電アクチュエータは、上記で説明したように、一基板（セラミック振動板）上に複数の圧電素子を備えているので、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。以下、本発明の圧電アクチュエータを印刷ヘッドに用いた一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２（ａ）は、本実施形態の印刷ヘッド示す概略断面図であり、図２（ｂ）は、その平面図である。なお、図２（ａ），（ｂ）においては、前述した図１の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、このインクジェット用印刷ヘッドは、複数のインク流路１６ａが並設され、各インク流路１６ａを仕切る壁として隔壁１６ｂを形成した流路部材１６上に上記で説明した圧電アクチュエータ１５が接合されている。接合は、セラミック振動板１がインク流路１６ａの空間と当接するように接着剤等を用いて行い、より具体的には、変位素子５の各駆動電極４と、各インク流路１６ａとが対応するように接合される。

つまり、このインクジェット用印刷ヘッドは、セラミック振動板１上に、共通電極２、圧電セラミック層３および駆動電極４がこの順に積層され、駆動電極４が圧電セラミック層３の表面に複数配列された圧電アクチュエータ１５を、インク流路１６ａの直上に駆動電極４が配置されるように流路部材１６に接着したものである。

そして、駆動電極４と共通電極２との間に駆動回路より電圧を印加し、電圧が印加され変位した変位素子５に対応するインク流路１６ａ内のインクを加圧し、圧電アクチュエータ１５を振動させることにより、インク流路１６ａ内のインクを流路部材１６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させる。

このような印刷ヘッドのアクチュエータとして本発明の積層圧電体である圧電アクチュエータを用いることによって、安価なＩＣを用いて印刷ヘッドを実現することができる。この印刷ヘッドは変位特性に優れるので、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、その結果、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をプリンタに搭載することによって、例えば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では、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成することができる。

なお、圧電セラミック層３はセラミック振動板１と同一組成の圧電セラミックスからなるのが好ましいが、圧電セラミック層３の組成は、セラミック振動板１の組成と完全に一致している必要はなく、本発明の効果、すなわち変位劣化を抑制し、優れた駆動耐久性を奏することができる範囲内で、その組成が異なっていてもよい。

また、上記の実施形態では、セラミック振動板１および圧電セラミック層３が、いずれも１層で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セラミック振動板および／または圧電セラミック層が複数層で構成されていてもよい。この場合には、圧電アクチュエータの厚みを簡単に調整することができる。

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

［実施例］
＜圧電アクチュエータの作成＞
まず、原料として純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含有する圧電セラミックス粉末、チタン酸鉛（ＰＴ）を含有する圧電セラミックス粉末およびチタン酸バリウム（ＢＴ）を含有する圧電セラミックス粉末をそれぞれ準備した。そして、準備した各圧電セラミックス粉末を表１に示す組み合わせで用いてグリーンシート（圧電セラミック層用および振動板用）を作製した。すなわち、表１に示す各圧電セラミック粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクターブレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ９〜４５μｍのシート形状にてそれぞれ作製した。

ついで、共通電極用のペーストを、振動板用のグリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、共通電極を形成した。更に、共通電極が印刷された面を上向きにして振動板用グリーンシートの上に圧電セラミック層用グリーンシートを積層し、加圧プレスして積層体を得た。

この積層体を脱脂処理した後に、９８０℃、酸素９９％以上の雰囲気中で４時間保持して焼結し、図１に示すような圧電セラミック層３とセラミック振動板１と共通電極２とからなる積層体を作製した。ついで、この積層体の表面の片側に駆動電極４を形成した。駆動電極４は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布した。これを６００〜８００℃で大気中で焼付けて形成した。最後に、駆動電極４にリード線を半田で接続し、図１に示すような形状の圧電素子である圧電アクチュエータ１５を作製した（表１中の試料Ｎｏ．１〜２３）。

圧電アクチュエータの物性を示すａ軸配向度、抗電解Ｅｃ、圧電定数ｄ₃₁、格子定数比ｃ／ａ、結晶平均粒子径、キュリー温度およびＶ１／Ｖ２は、それぞれ以下のようにして測定した。その測定結果を表１に示す。

（ａ軸配向度）
上記で作製した焼成直後（分極前）の圧電セラミック層のａ軸配向度を測定した。測定は、ＸＲＤによりａ軸の配向を示す（２００）面のピーク強度［Ｉ（２００）］と、ｃ軸配向を示す（００２）面のピーク強度［Ｉ（００２）］とから、式：Ｉ（２００）／［Ｉ（２００）＋Ｉ（００２）］×１００を求め、この値をａ軸配向度とした。

（抗電界）
各圧電セラミック層の抗電界（Ｅｃ）は、ヒステリシスより求めた。
（圧電定数ｄ₃₁）
圧電セラミック層３と振動板１と共通電極２とからなる上記積層体（焼結後）の表裏面にＡｕ蒸着を行い、それを３ｍｍ×１２ｍｍの大きさに加工した。ついで、表裏面のＡｕ電極を介して４ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１分間印加して分極処理を行った。この試料のｄ₃₁を、インピーダンスアナライザーを用いた共振法により求めた。

（格子定数比ｃ／ａ）
各圧電セラミック層の格子定数比ｃ／ａは、上記で説明したａ軸配向度の測定と同様にして、ＸＲＤからａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めた。
（結晶平均粒子径）
各圧電セラミック層の結晶平均粒子径は、その表面を３０００倍でＳＥＭ観察してインターセプト法により求めた。この評価結果を、表１中に「磁器平均粒径」として記載した。

（キュリー温度）
キュリー温度は、ＬＣＲメータを用いて誘電率の温度変化を測定して求めた。
（Ｖ１／Ｖ２）
圧電セラミック層の厚みＶ１とセラミック振動板の厚みＶ２の比率であるＶ１／Ｖ２は、上記で作製した圧電セラミック層の厚みをＶ１、セラミック振動板の厚みをＶ２とし、それぞれの厚みを測定し、ついで、得られた値を式：Ｖ１／Ｖ２に当てはめて算出した。

＜圧電アクチュエータの評価＞
上記で得られた圧電アクチュエータ（表１中の試料Ｎｏ．１〜２３）について、変位劣化を評価した。評価方法を以下に示すと共に、その結果を表１に示す。
（変位劣化の評価方法）
上記で得られた圧電アクチュエータを８ｍｍ×８ｍｍの大きさに加工して試験片を作製し、この試験片を１０ｍｍ×１０ｍｍの外形に４ｍｍ×４ｍｍの孔を空けた金属基板に接着し、変位測定用サンプルとした。そして、共通電極および駆動電極間の厚み方向に３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して分極を行った。ついで、共通電極および駆動電極間に駆動電圧を２０Ｖ印加して変位素子を５０時間変位させ、変位初期（３０分後）と５０時間後の変位を、式：［１−（５０時間後の変位／変位初期）］×１００に当てはめ、５０時間後変位劣化率（％）を算出した。なお、変位はドップラー変位計で測定し、評価結果は変位劣化率１０％以下を良品とした。

表１から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．２〜５、８〜２３は、５０時間駆動後の変位劣化率は１０％以下であった。このことから、変位劣化が抑制され、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータが得られているのがわかる。一方、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１（ａ軸配向度が本発明の範囲外）、試料Ｎｏ．６（抗電界が本発明の範囲外）、および試料Ｎｏ．７（圧電定数ｄ₃₁が本発明の範囲外）は、変位劣化率が１０％以上と大きい結果を示した。

本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態にかかる印刷ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。

符号の説明

１ セラミック振動板
２ 共通電極
３ 圧電セラミック層
４ 駆動電極
５ 変位素子
１５ 圧電アクチュエータ
１６ 流路部材
１６ａ インク流路
１６ｂ 隔壁
１８ インク吐出孔

Claims (9)

1. 圧電セラミックスからなるセラミック振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および駆動電極をこの順に積層し、前記圧電セラミック層の表面に前記駆動電極を複数配列して、この駆動電極と前記共通電極とで前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を複数形成し、前記圧電セラミック層を分極してなり、前記共通電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加して前記変位素子を変位させる圧電アクチュエータであって、
   前記圧電セラミック層は前記セラミック振動板と略同一組成の圧電セラミックスからなり、分極前の前記圧電セラミック層を構成する結晶のａ軸方向に配向するａ軸配向度が５０％以上であり、前記圧電セラミックスは抗電界が１１ｋＶ／ｃｍ以上であり、圧電定数ｄ₃₁が−１６０ｐｍ／Ｖ以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電セラミックスがＰｂ、ＺｒおよびＴｉを主成分として含有する請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記圧電セラミックスがＳｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｙｂ、Ｎｉ，Ｔｅ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するペロブスカイト型複合酸化物である請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１０〜１．０２０である請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記圧電セラミックスの結晶平均粒子径が１．２〜３．５μｍである請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記圧電セラミック層の厚みＶ１と前記セラミック振動板の厚みＶ２の比率Ｖ１／Ｖ２が０．３〜１．５である請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記圧電セラミックスのキュリー温度が２００℃以上である請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
8. 抗電界が１１ｋＶ／ｃｍ以上であり、圧電定数ｄ₃₁が−１６０ｐｍ／Ｖ以下である圧電セラミックスからなるセラミック振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および駆動電極をこの順に積層し、前記セラミック振動板と略同一組成の圧電セラミックスからなると共に、分極前の圧電セラミック層を構成する結晶のａ軸方向に配向するａ軸配向度が５０％以上である圧電セラミック層の表面に前記駆動電極を複数配列して、この駆動電極と前記共通電極とで前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を複数形成し、ついで、前記圧電セラミック層を分極し、前記共通電極および駆動電極の間に駆動電圧を印加して前記変位素子を変位させることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、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、前記インク流路と前記駆動電極との位置を揃えて取り付けたことを特徴とする印刷ヘッド。
   

Images