JP3999044B2

JP3999044B2 - 圧電／電歪膜型アクチュエータ及び製造方法

Info

Publication number: JP3999044B2
Application number: JP2002150408A
Authority: JP
Inventors: 睦北川; 伸夫高橋; 幸久武内
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: EP1365457A3; JP2003347617A; DE60336284D1; EP1365457B1; EP1365457A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電／電歪アクチュエータ及び製造方法に関する。より詳細には、変位制御素子、個体素子モータ、インクジェットヘッド、リレー、スイッチ、シャッター、ポンプ、フィン等に用いられ、素子の変位に基づいて作動し、機械エネルギーと電気エネルギーとを変換し得るトランスデューサであって、より高速な応答とより高いエネルギー変換効率を実現し、高い屈曲変位を発現し得る膜型の圧電／電歪アクチュエータと、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アクチュエータの基体内部に形成した加圧室内の圧力を上昇させる機構の一つとして、加圧室壁に設けた圧電／電歪素子の変位によって、該加圧室の体積を変化させるようにしたものが知られている。そして、そのような圧電／電歪アクチュエータは、例えばインクジェットプリンタに使用されるプリントヘッドのインクポンプ等として利用されており、インクが供給され、充填された加圧室内の圧力を圧電／電歪素子の変位によって上昇させることにより、加圧室に連通するノズル孔からインク粒子（液滴）を打ち出して、印字するようになっている。
【０００３】
例えば、特開平６−４００３５号公報には、図４及び図５に示すような圧電／電歪アクチュエータを用いたインクジェットプリントヘッドの一例が開示されている。
【０００４】
インクジェットプリントヘッド１４０は、インクノズル部材１４２と圧電／電歪膜型アクチュエータ１４５とが接合一体化されることによって形成されており、圧電／電歪膜型アクチュエータ１４５内に形成されたキャビティ１４６に供給されたインクが、インクノズル部材１４２に設けられたノズル孔１５４を通じて、噴出されるようになっている。
【０００５】
より詳細には、圧電／電歪膜型アクチュエータ１４５は、セラミックス基体１４４とセラミックス基体１４４に一体的に形成された圧電／電歪素子１７８とからなる。又、セラミックス基体１４４は、それぞれ薄い平板形状を呈する閉塞プレート１６６と接続プレート１６８が、スペーサプレート１７０を挟んで重ね合わされてなる構造をもって、一体的に形成されている。
【０００６】
接続プレート１６８には、インクノズル部材１４２のオリフィスプレート１５０に形成された通孔１５６及びオリフィス孔１５８に対応する位置に、第一の連通用開口部１７２及び第二の連通用開口部１７４が、それぞれ形成されている。尚、第一の連通用開口部１７２は、通孔１５６と略同一乃至若干大きめの内径とされている一方、第二の連通用開口部１７４は、オリフィス孔１５８よりも所定寸法大径とされている。
【０００７】
又、スペーサプレート１７０には、長手矩形状の窓部１７６が、複数個、形成されている。そして、それら各窓部１７６に対して、接続プレート１６８に設けられた各一つの第一の連通用開口部１７２及び第二の連通用開口部１７４が開口せしめられるように、かかるスペーサプレート１７０が、接続プレート１６８に対して重ね合わされている。
【０００８】
更に、このスペーサプレート１７０における、接続プレート１６８が重ね合わされた側とは反対側の面には、閉塞プレート１６６が重ね合わされており、この閉塞プレート１６６にて、窓部１７６の開口が覆蓋されている。それによって、かかるセラミックス基体１４４の内部には、第一及び第二の連通用開口部１７２，１７４を通じて外部に連通されたキャビティ１４６が、形成されている。
【０００９】
しかしながら、そのような圧電／電歪膜型アクチュエータ１４５にあっては、より大きな液滴を打ち出せるように大きな変位を得るためには、キャビティ１４６の上壁部である振動板を形成する閉塞プレート１６６の厚さを薄く、又、矩形状のキャビティ１４６の短手方向の幅を広くするのが有効であるが、そうすると剛性が低下して高速応答性が損なわれるという問題があった。
【００１０】
より優れた高速応答性を得るために剛性を高めるには閉塞プレート１６６の厚さを厚くして、又、長手矩形状の窓部１７６（キャビティ１４６）の短手方向の幅を狭くするのが有効であるが、閉塞プレート１６６が厚いことは即ち振動板が厚くなり、変位が小さくなり必要量の液滴を打ち出せないという問題が生じた。即ち、圧電／電歪アクチュエータの更なる高性能化の要求の中で、寸法の最適化のみによって大変位と高速応答性を両立させていくことは困難であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
これらの問題を解決すべく、本出願人は圧電／電歪膜と電極膜とを層状に複数積層してなる圧電／電歪素子が基体上に設けられた圧電／電歪膜型アクチュエータを提案している（国際出願番号ＰＣＴ／ＪＰ０２／０２２９０）。提案したアクチュエータは、キャビティ４６を有するセラミックス基体４４の上に、電極膜７３，７５，７７と複数（２層）の圧電／電歪膜７９とを積層した圧電／電歪素子７８が設けられた図７に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ７１と同様のものである。圧電／電歪素子７８は、圧電／電歪膜が１層だけの圧電／電歪素子と比較して、より高い剛性が得られることから応答速度が高められ、又、複数の圧電／電歪膜で駆動されるので、全体として大きな発生力が得られ、高剛性でありながら相対的に大きな変位を得ることが出来る。それが故に、例えばインクジェットプリントヘッドとして応用した場合に、より高速に必要量の液滴を吐出することが可能である。
【００１２】
本発明は、上記先の提案を補い充足するものである。即ち、上記先の提案に示した圧電／電歪膜と電極膜とを複数積層した圧電／電歪素子において、圧電／電歪膜と電極膜とを積層した後に一括焼成して作製する場合には、焼成中に圧電／電歪膜の表面、即ち最上層の圧電／電歪膜が、図７に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ７１に表す分解部８０の如く、部分的に分解して異相を生成し絶縁耐圧が低くなり易いという改善すべき課題があることがわかってきた。
【００１３】
より具体的には、例えば代表的な圧電材料であるＰＺＴの場合、焼成中に成分の中で蒸気圧の高いＰｂが蒸発してＰＺＴ結晶が分解し、Ｚｒ及びＴｉを多く含むガラスライクな（ＰＺＴと異なる）物質が残るクレーター状の痕跡となる。このような箇所は圧電／電歪膜の膜厚が薄い上に、誘電率の異なる物質が存在することから、分極時や駆動電圧印加時に電界集中を生じて絶縁破壊に至り易い、即ち、絶縁耐圧を低下させる原因となる。
【００１４】
又、セラミックス基体に最も近い最下層の圧電／電歪膜は、焼成収縮時に、セラミックス基体（閉塞プレート）による収縮阻害の抵抗を最も受け、加えて焼成後の冷却時にも熱膨張収縮差によるセラミックス基体（閉塞プレート）からの熱応力を最も受ける結果、本来の圧電性能の発揮が阻害され屈曲変位の発現が抑制されてしまうという課題があることも明らかになってきた。そこで、これらを解決する必要が生じ、本発明が導き出された。
【００１５】
従って、本発明の目的とするところは、上記課題を解決することにあり、換言すれば、絶縁耐圧が低くなり易い点を解決し、屈曲変位の発現を、より有効に発現することが可能な圧電／電歪膜型アクチュエータを提供することにある。課題解決のため、圧電／電歪素子を構成する複数の圧電／電歪膜の厚さに着目し研究を重ねた結果、以下に示す手段により、上記目的が達成されることが見出された。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明によれば、セラミックス基体とセラミックス基体上に設けられ圧電／電歪膜と電極膜とを有する圧電／電歪素子とを備え、圧電／電歪素子の変位により駆動する圧電／電歪膜型アクチュエータであって、圧電／電歪素子は、その最上層及び最下層が電極膜になるように、圧電／電歪膜と電極膜とが交互に積層され、圧電／電歪膜が２層備わり、２層の圧電／電歪膜に挟まれた界面には圧電／電歪膜を構成する圧電／電歪材料が分解した異相を含むポアが無く、２層の圧電／電歪膜は下層より上層が厚く形成され、且つ、最下層の電極膜は２層の圧電／電歪膜の中間の電極膜より短手方向の幅が広いことを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエータが提供される。
【００１７】
本発明においては、上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが次の２式の少なくとも何れかを満たすことが好ましい。
【００１８】
【数１】
ｔ_U≧ｔ_B×1．1
【００１９】
【数２】
ｔ_U≧ｔ_B＋１（μｍ)
【００２０】
又、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータは、セラミックス基体の内部にはキャビティが形成され、圧電／電歪素子の変位により、圧電／電歪素子と接合した振動板（キャビティの上壁部）を変形させて、キャビティを加圧せしめる態様をとることが可能である。この場合、振動板の厚さｔ_Wと上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが次式（数３）を満たすことが好ましい。尚、振動板の厚さｔ_Wは５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３〜１２μｍである。
【００２１】
【数３】
ｔ_U＋ｔ_B≧２×ｔ_W
【００２２】
このような本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータは、インクジェットプリンタに備わるプリンタヘッドのインクポンプとして、好適に使用され得る。
【００２３】
加えて、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、上層乃至下層の圧電／電歪膜の１層あたりの厚さが１５μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは３〜１０μｍである。又、圧電／電歪膜の少なくとも１層が、電気泳動堆積法により形成されることが、より好ましい。更に、２以上の複数の圧電／電歪素子が、同一のセラミックス基体上に配列されてなることが好ましい。
【００２４】
又、上記した如く、セラミックス基体の内部にキャビティが形成され、圧電／電歪素子が振動板を変形させて、キャビティを加圧せしめる機構を付与したときに、セラミックス基体は、複数層の薄板を集成してなることが好ましい。より好ましくは、セラミックス基体を、２〜３層の薄板を集成して得ることである。
【００２５】
次に、本発明によれば、セラミックス基体とセラミックス基体上に設けられ圧電／電歪膜と電極膜とを有する圧電／電歪素子とを備え、セラミックス基体の内部にはキャビティが形成され、圧電／電歪素子の変位により、圧電／電歪素子と接合した振動板を変形させて、キャビティを加圧せしめる圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法であって、少なくとも１枚のグリーンシートと、少なくとも１個の孔部が形成された１枚若しくは複数枚のグリーンシートとからなり、孔部の形成されていない少なくとも１枚のグリーンシートを外表面にして積層したグリーンシート積層体を用意し、グリーンシート積層体を焼成してセラミックス積層体を得る工程Ａと、得られたセラミックス積層体の外表面に膜形成法により下部の電極膜を形成し焼成する工程Ｂと、下部の電極膜の上に膜形成法により下層の圧電／電歪膜を形成し、下層の圧電／電歪膜の上に膜形成法により中間の電極膜を形成し、中間の電極膜の上に膜形成法により下層の圧電／電歪膜より厚い上層の圧電／電歪膜を形成する工程Ｃと、積層した圧電／電歪膜及び中間の電極膜を一括焼成する工程Ｄと、上層の圧電／電歪膜の上に膜形成法により上部の電極膜を形成して焼成する工程Ｅと、を有することを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法が提供される。
【００２６】
本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法においては、上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが、上記の式（数１乃至数２）を満たすことが好ましい。
【００２７】
又、圧電／電歪膜及び電極膜を、１層あたり複数回の膜形成法を施して形成することが出来る。又、膜形成法として、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動堆積法の群から選ばれる少なくとも一の厚膜形成法を用いることが出来る。例えば、圧電／電歪膜の膜形成法として、初回にスクリーン印刷法を用い、２回目以降に電気泳動堆積法を用いることも好ましい。
【００２８】
本発明の製造方法により得られる圧電／電歪膜型アクチュエータは、インクジェットプリンタに備わるプリンタヘッドのインクポンプとして好適に用いることが可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータ及び製造方法について実施の形態を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
【００３０】
先ず、本発明にかかる圧電／電歪膜型アクチュエータについて説明する。圧電／電歪素子の変位により駆動する圧電／電歪膜型アクチュエータの構造は、セラミックス基体と、そのセラミックス基体上に設けられた圧電／電歪素子からなり、更に、その圧電／電歪素子は、圧電／電歪膜と電極膜とから構成される。
【００３１】
本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、圧電／電歪素子が、その最上層及び最下層が電極膜になるように、圧電／電歪膜と電極膜とが交互に積層されていて、圧電／電歪膜を２層有し、その２層の圧電／電歪膜に挟まれた界面には圧電／電歪膜を構成する圧電／電歪材料が分解した異相を含むポアが無く、且つ、その２層の圧電／電歪膜は下層より上層が厚く形成されていることに特徴を有する。
【００３２】
下層の圧電／電歪膜より上層の圧電／電歪膜が厚く形成されていることにより、上層の（より厚い）圧電／電歪膜の焼成中に生じ易い分解部が存在しても十分な絶縁性を維持することが出来る。又、セラミックス基体（閉塞プレート）に近い下層の（より薄い）圧電／電歪膜が、焼成収縮時に、セラミックス基体による収縮阻害の抵抗を受け、あるいは、焼成後の冷却時にも熱膨張収縮差によるセラミックス基体からの熱応力を最も大きく受ける結果、本来の圧電性能の発揮が阻害されて上層に比較して性能低下していても、膜厚が薄いことから駆動時の電界が相対的に高まり、圧電性能の性能低下を補って、大きな屈曲変位を発現することが可能である。
【００３３】
下層より上層が厚いという点において、好ましい条件は、上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが、上記式（数１乃至数２）を満たすことである。
【００３４】
又、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、セラミックス基体の内部にキャビティを形成し、圧電／電歪素子の変位により、圧電／電歪素子と接合した振動板を変形させて、キャビティを加圧せしめる態様をとることが出来る。振動板はキャビティの上壁部に相当し、通常は閉塞プレートにより形成される。この場合、振動板の厚さｔ_Wと上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが上記式（数３）を満たすことが好ましい。又、振動板の厚さｔ_Wは５０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは３〜１２μｍである。
【００３５】
更に、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、圧電／電歪膜の１層当たりの厚さを、例えば１５μｍ以下（より詳細に例示すれば上層が９μｍ、下層が８μｍ）と薄くした膜状の圧電／電歪素子とすることが出来る。そして、積層することによって、１層当たりの厚さが同じで、圧電／電歪膜が１層だけの圧電／電歪素子と比較すると、屈曲変位する部分に、より高い剛性が得られる結果、応答速度が高まり、又、２層の圧電／電歪膜が駆動されるので、より大きな発生力が得られ、高剛性でありながら相対的に大きな変位を得ることが出来る。又、圧電／電歪素子トータルの厚さが同じで、１層当たりの厚さが厚い、圧電／電歪膜が１層だけの圧電／電歪素子と比較すると、同一駆動電圧でも電界強度が高くなり、相対的により大きな変位と発生力を得ることが出来る。
【００３６】
以下、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータを、図面を参照しながら、詳細に説明する。
【００３７】
先ず、圧電／電歪膜型アクチュエータの実施態様を例示して説明する。図１、図２、及び図６は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータにかかる実施態様の一例を示す断面図であり、図３は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの構造を説明するための分解斜視図である。
【００３８】
図２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１は、セラミックス基体４４と、セラミックス基体４４と一体的に形成された圧電／電歪素子７８からなる。又、セラミックス基体４４は、薄い平板状の閉塞プレート６６と接続プレート６８とが、スペーサプレート７０を介して重ね合わせられる構造を呈している。
【００３９】
接続プレート６８には、連通用孔部７２，７４が形成されている。又、スペーサプレート７０には、図３に示すように、水平断面形状が概ね矩形である開口部７６が複数個形成されている。そして、各々の開口部７６に対して、連通用孔部７２，７４がそれぞれ開口するように、スペーサプレート７０が接続プレート６８に重ね合わせられる。
【００４０】
スペーサプレート７０において、接続プレート６８が重ね合わさる面と反対側の面には、閉塞プレート６６が重ね合わせられていて、この閉塞プレート６６がスペーサプレート７０の開口部７６を覆蓋している。このようにして、セラミックス基体４４の内部には、図２に示すような連通用孔部７２，７４を通じて外部と連通するキャビティ４６が、同一のセラミックス基体内部に複数個形成されている。
【００４１】
図１に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１は、上記した圧電／電歪膜型アクチュエータ２１から接続プレート６８を省いた構造をなしている。即ち、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１はセラミックスの薄板を２層重ねてなり、圧電／電歪膜型アクチュエータ２１はセラミックスの薄板を３層重ねてなる基体を有している。
【００４２】
圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１は、上記したセラミックス基体４４の閉塞プレート６６の外面には、好ましくは複数個備わるキャビティ４６に対応する位置に、それぞれ圧電／電歪素子７８が複数個設けられている。圧電／電歪素子７８は、閉塞プレート６６上に、下から順に、下部の電極膜７７、下層の圧電／電歪膜７９、中間の電極膜７３、下層より厚い上層の圧電／電歪膜７９、上部の電極膜７５からなり、膜形成法によって形成される。
【００４３】
このような構造の圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１において、下から奇数番目の電極膜（下部の電極膜７７と上部の電極膜７５）と偶数番目の電極膜（中間の電極膜７３）との間に従来と同様に通電すれば、それぞれの圧電／電歪膜７９に電界作用が生じ、その電界に基づき圧電／電歪膜７９の電界誘起歪みが誘起されて、その横効果によってセラミックス基体４４に垂直方向の屈曲変位や発生力が発現せしめられる。
【００４４】
図６は圧電／電歪膜型アクチュエータ６１の断面図である。圧電／電歪膜型アクチュエータ６１は、セラミックス基体４４と、セラミックス基体４４と一体的に形成された圧電／電歪素子７８からなり、スクリーン印刷手法を用いて製造されたものであり、スクリーン印刷工程における圧電／電歪材料のペーストの流動性により、短手方向のパターン端へ近づくに従い膜厚が薄くなっている。又、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１と同様に、２層の圧電／電歪膜７９を有し、上層の圧電／電歪膜７９が下層の圧電／電歪膜７９より厚く形成されている。上層の圧電／電歪膜７９の厚さｔ_Uと下層の圧電／電歪膜７９の厚さｔ_Bとの好ましい関係は、上記式（数１乃至数２）を満たすものであり、上記圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１においても同様である。
【００４５】
上層の圧電／電歪膜７９が下層の圧電／電歪膜７９より厚く形成されている態様が好ましい理由は、第１に、上層膜厚を厚くすることにより、絶縁抵抗を高く保つことが出来るからである。第２に、下層膜厚を上層膜厚より薄くすることにより、例え下層の圧電／電歪膜が本来の圧電性能の発揮が阻害され性能低下していても、同一駆動電圧で一括に駆動する際に、より下層には上層よりも高い駆動電界を作用させて、その性能低下を補うことで、より高い屈曲変位を得ることが出来るからである。
【００４６】
圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１，６１のように、２層の圧電／電歪膜７９を含む全５層に積層することによって、水平方向の幅に対して垂直方向の高さの比が大きい、所謂高アスペクト比の圧電／電歪素子を形成することが容易になる。高アスペクト比の圧電／電歪素子では、屈曲変位する部分に高い剛性が得られることにより応答速度が高まり、又、複数の圧電／電歪膜が駆動されるので、全体として大きな発生力が得られ、高剛性でありながら相対的に大きな変位を得ることが出来る。
【００４７】
尚、本発明においては、アクチュエータや、その構成要素である各膜の形状や配置は特に限定されるわけでなく、用途に合わせて如何なる形状及び配置であっても構わない。形状は、三角形、四角形等の多角形や、円、楕円等の円形だけでなく、格子状等の特殊形状であってもよい。用途がインクジェットプリンタのプリントヘッドのインクポンプである場合には、例えば、概ね矩形であり同じ形の複数のキャビティ及び圧電／電歪素子が、同一の基体において一定間隔で同一方向に向けて配列されることが好ましい。
【００４８】
次いで、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータを構成する各要素について形状、材料等を、個別具体的に説明する。
【００４９】
先ず、セラミックス基体について説明する。図２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１において、セラミックス基体４４は、可撓性を有する基板状の部材であって、表面に配設した圧電／電歪素子７８の変位を受けて撓み、例えば、キャビティ４６が変形して、その内部に圧力変動が生じる。セラミックス基体４４の形状や材料は、可撓性を有し、撓み変形によって破損しない程度の機械的強度を有するものであれば足り、適宜選択することが出来る。
【００５０】
セラミックス基体４４において、キャビティ４６の上壁部が振動板となる閉塞プレート６６の板厚は、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３〜１２μｍ程度である。又、接続プレート６８の板厚は、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上であり、更に、スペーサプレート７０の板厚は、５０μｍ以上とすることが好ましい。セラミックス基体の形状として、特に矩形形状に限られるものではなく、円形でも構わず、三角形等の四角形以外の多角形でも構わない。
【００５１】
セラミックス基体を構成する材料としては、セラミックスを用いることが出来、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、窒化珪素を、好適に使用出来る。又、酸化ジルコニウムの中でも、完全安定化酸化ジルコニウムを主成分とする材料と部分安定化酸化ジルコニウムを主成分とする材料は、薄肉としても機械的強度が大きいこと、靭性が高いこと、圧電／電歪膜や電極膜の材料との反応性が小さいことから最も好適に採用される。
【００５２】
次に、圧電／電歪素子について説明する。
【００５３】
圧電／電歪素子は、少なくとも圧電／電歪膜と、圧電／電歪膜に電圧を印加させるための一対の電極膜とからなるものであり、図２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１においては、下層より上層が厚く形成された２層の圧電／電歪膜７９と、それらを挟むように、下部の電極膜７７、中間の電極膜７３、上部の電極膜７５から構成されている。
【００５４】
図２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１の如く、圧電／電歪素子７８は、セラミックス基体４４の外面側に形成するほうがキャビティ４６内をより大きく圧力変動させ駆動させることが出来る点において、又、作製し易い点において、好ましいが、必ずしも限定されるわけではなく、セラミックス基体４４内のキャビティ４６内面側に形成してもよく、双方に形成してもよい。
【００５５】
圧電／電歪膜の材料としては、圧電若しくは電歪効果等の電界誘起歪みを起こす材料であれば、問われるものではない。結晶質でも非晶質でもよく、又、半導体やセラミックスや強誘電体セラミックス、あるいは反強誘電体セラミックスを用いることも可能である。用途に応じて適宜選択し採用すればよい。
【００５６】
具体的な材料としては、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、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、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ系）、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス等を単独、混合物あるいは固溶体として含有するセラミックスが挙げられる。特に、高い電気機械結合係数と圧電定数を有し、圧電／電歪膜の焼結時におけるセラミックス基体との反応性が小さく、安定した組成のものが得られる点おいて、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）、及び、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする材料、若しくは、チタン酸ナトリウムビスマスを主成分とする材料が好適に用いられる。
【００５７】
圧電／電歪膜の１層当たりの厚さは、より低電圧で大きな変位を得ることが出来るように薄いことが好ましく、１５μｍ以下で設計される。より好ましくは３〜１０μｍ程度である。
【００５８】
圧電／電歪素子の電極膜の材料については、室温で固体であり、後述する製造工程に示す焼成温度程度の高温酸化雰囲気に耐えられ、導電性に優れた金属で構成されていることが好ましい。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の金属単体、若しくは、これらの合金が用いられ、更に、これらに圧電／電歪膜、あるいは、上記したセラミックス基体と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよい。
【００５９】
電極膜が厚いと、少なからず圧電／電歪素子の変位を低下させる要因ともなるので、例えば、図２に示す本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータ２１において、上部の電極膜７５及び中間の電極膜７３については、焼成後に緻密でより薄い膜が得られる有機金属ペースト、例えば、金レジネートペースト、白金レジネートペースト、銀レジネートペースト等の材料を用いることが好ましい。
【００６０】
電極膜の厚さは、アクチュエータとして駆動させる変位量を確保するために薄いことが好ましい。通常は１５μｍ以下で設計され、より好ましくは５μｍ以下である。
【００６１】
続いて、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法について説明する。
【００６２】
本発明にかかる圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法では、セラミックス基体についてはグリーンシート積層法を用いて製造し、圧電／電歪素子は膜形成法を用いて製造する。セラミックス基体と圧電／電歪素子との接合信頼性はアクチュエータの特性を左右する非常に重要なポイントであるが、グリーンシート積層法によれば、セラミックス基体を一体的に成形することが可能であり、圧電／電歪素子との接合部の経時的な状態変化が殆ど生じないため、その接合部位の信頼性が高く剛性確保が容易である。
【００６３】
以下、より詳細に、図２に側面断面を表す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１を作製する場合を例にとり、セラミックス積層体の製造方法から順を追って説明する。
【００６４】
先ず、酸化ジルコニウム等のセラミックス粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製する。そして、これを脱泡処理した後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法を用いて、所定の厚さを有するグリーンシートを得る。
【００６５】
次いで、得られたグリーンシートを、金型による打抜加工、レーザー加工等の方法により、主として焼成後に閉塞プレート６６（図３参照）となるグリーンシートＡと、長方形状の開口部７６を少なくとも１個形成され焼成後にスペーサプレート７０（図３参照）となるグリーンシートＢと、連通用孔部７２，７４が少なくとも１個ずつ形成され焼成後に接続プレート６８（図３参照）となるグリーンシートＣとを得る。連通用孔部７２，７４の形状は、例えば、インクジェットプリンタのプリンタヘッドのインクポンプとして用いる場合には、図３に示すように、連通用孔部７２，７４毎に個別に外部空間と連通せしめる概ね開口断面が円形の孔部とする。グリーンシートＢにおいて開口部７６は後のキャビティ４６に対応し、これを複数個形成することにより複数個のアクチュエータを一度に得ることが可能となる。
【００６６】
次いで、グリーンシートＡとグリーンシートＣとの間に、少なくとも１個の開口部７６が形成された少なくとも１枚のグリーンシートＢとを積層して、グリーンシート積層体を作製する。そして、得られたグリーンシート積層体を、例えば１２００〜１６００℃程度の温度で焼成しセラミックス積層体を得る。
【００６７】
続いて、圧電／電歪素子の製造方法について説明する。
【００６８】
本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法においては、圧電／電歪素子の製造にかかり、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動堆積法等の厚膜形成法、又は、イオンビーム法、スパッタリング法、真空蒸着、イオンプレーティング法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、メッキ等の薄膜形成法を用いることが出来る。これら膜形成法により、セラミックス積層体の表面に圧電／電歪素子を形成すれば、接着剤を用いることなく圧電／電歪素子とセラミックス基体とを一体的に接合、配設することが出来る結果、高い信頼性が確保される。尚、圧電／電歪膜については、圧電セラミックスの粒子を主成分とするペーストやスラリー、又は、サスペンションやエマルション、ゾル等を用いて圧電／電歪膜を形成し、良好な作動特性が得られることから、より好ましくは厚膜形成法を用いる。
【００６９】
より具体的には、例えばスクリーン印刷法により、得られたセラミックス積層体の表面の所定位置に下部の電極膜７７を印刷し、焼成する。次いで、下層の圧電／電歪膜７９を印刷し、中間の電極７３を印刷してから、更に、下層より厚くなるように上層の圧電／電歪膜７９を印刷した後に、所定の温度で焼成する。その後に上部の電極７５を印刷、焼成して圧電／電歪素子７８を形成する。この後に、電極膜を駆動回路に接続するための電極リードを印刷、焼成する。尚、圧電／電歪膜及び電極膜の焼成温度は、これを構成する材料によって適宜定められるが、一般には、８００〜１４００℃である。
【００７０】
もし下層の圧電／電歪膜７９と上層の圧電／電歪膜７９とを個別に焼成した場合には下層の圧電／電歪膜７９の表面に、局所的に圧電／電歪膜を構成する圧電／電歪材料の分解した異相を含む凹部が生じ、最終的に圧電／電歪膜の内部にポアとして残留してしまう。しかし本発明の如く下層及び上層の圧電／電歪膜７９と中間の電極７３とを一括焼成することにより、圧電／電歪膜の内部に圧電／電歪材料の分解した異相を含むポアが残存することを回避出来る。
【００７１】
スクリーン印刷手法を用いて本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータを製造する場合には、スクリーン印刷工程における圧電／電歪材料のペーストの流動性により、具体的には先に説明した図６に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ６１の如く、短手方向のパターン端へ近づくに従い膜厚が薄くなるような形態となる。
【００７２】
又、圧電／電歪膜７９の焼成工程において、圧電／電歪膜が短手方向に収縮するために、図８の如く閉塞プレート６６の中央部がキャビティ４６の方向へ屈曲した形状をとることがある。
【００７３】
更に、圧電／電歪膜７９の上部と下部との焼成収縮開始タイミングや焼成収縮量、更には閉塞プレート６６の形状を調整することにより、図９の如く閉塞プレート６６がＷ字形状とすることが出来る。このような形状は、図８の如き単純形状に比較して、屈曲変位を発現し易い。この理由は定かでないが、圧電／電歪膜が焼成収縮する際の歪みが開放され易く、圧電／電歪材料の特性を劣化させる残留応力が低減されるためである可能性が考えられる。
【００７４】
圧電／電歪膜７９の短手方向の寸法が２００μｍ以下と短い場合には、図１０の如く、電極層を下層から上層へ行くに従い、幅を広くすることでも、やはり上部に形成される圧電／電歪膜のほうが、下部に形成される圧電／電歪膜より大きく歪むようにすることが出来、曲げ効率を高め、屈曲変位をより有効に発現することが出来る（図１０においてＷＥ１＜ＷＥ２＜ＷＥ３）。幅を広くする量は、電界分布を考慮して最適化することが望ましく、例えば下層乃至上層の圧電／電歪膜７９の層厚の２倍程度が好適である。
【００７５】
但し、圧電／電歪膜型アクチュエータの駆動電圧を高めることにより大きな屈曲変位を得る場合には、図１１、図１２の如く、電極膜７３の幅と電極膜７５、７７の幅との差を変えることが望ましい（図１１においてＷＥ１，ＷＥ３＜ＷＥ２、図１２においてＷＥ２＜ＷＥ１，ＷＥ３）。こうすることで、圧電／電歪膜７９の層厚が薄くなり易い短手方向端部近傍で電界が加わることを回避する効果を得られる。
【００７６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明により提供される圧電／電歪膜型アクチュエータは、２層の圧電／電歪膜を有すること、及び、接着剤を用いて積層した構造を持たないこと等から、同一駆動電圧で大きな変位が得られ、応答速度が速く、発生力が大きい、優れた特性を備えるアクチュエータである。加えて、２層の圧電／電歪膜のうち上層の圧電／電歪膜をより厚くしているので絶縁抵抗を高く保つことが出来、長期にわたる信頼性が高められており、又、下層の圧電／電歪膜を上層より薄くしていることから、下層の圧電／電歪膜において例え本来の屈曲変位の発現が抑制されていても、同一の駆動電圧で一括に駆動する際には、上層の圧電／電歪膜よりも高い駆動電界が作用し、相対的により高い屈曲変位が得られるようになっており、２層の圧電／電歪膜を有し一括焼成して得られるアクチュエータが抱えていた問題点を解決している。
【００７７】
本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータは、変位制御素子、個体素子モータ、インクジェットヘッド、リレー、スイッチ、シャッター、ポンプ、フィン等として利用することが出来、特にインクジェットプリンタに用いられるプリントヘッドのインクポンプとして好適に利用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／電歪膜型アクチュエータの一実施態様を示す断面図である。
【図２】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の実施態様を示す断面図である。
【図３】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの構造を説明するための分解斜視図である。
【図４】従来のアクチュエータの一例を示す断面図である。
【図５】従来のアクチュエータの一例を示す図で、図４のＡＡ’断面図である。
【図６】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の実施態様を示す断面図である。
【図７】従来の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の一例を示す断面図である。
【図８】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの実際の形状例を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
【図９】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの実際の形状例を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
【図１０】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの実際の形状例を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
【図１１】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの実際の形状例を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
【図１２】本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの実際の形状例を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
【符号の説明】
１１，２１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１，１２１…圧電／電歪膜型アクチュエータ、４４，１４４…セラミックス基体、４６，１４６…キャビティ、６６，１６６…閉塞プレート、６８，１６８…接続プレート、７０，１７０…スペーサプレート、７２，７４…連通用孔部、７３，７５，７７，１７３，１７５，１７７…電極膜、７６…開口部、７８，１７８…圧電／電歪素子、７９，１７９…圧電／電歪膜、８０…分解部、１４０…インクジェットプリントヘッド、１４２…インクノズル部材、１５０…オリフィスプレート、１５４…ノズル孔、１５６…通孔、１５８…オリフィス孔、１７２…第一の連通用孔部、１７４…第二の連通用孔部、１７６…窓部。

Claims

セラミックス基体と、前記セラミックス基体上に設けられ圧電／電歪膜と電極膜とを有する圧電／電歪素子と、を備え、前記圧電／電歪素子の変位により駆動する圧電／電歪膜型アクチュエータであって、
前記圧電／電歪素子は、その最上層及び最下層が前記電極膜になるように、前記圧電／電歪膜と前記電極膜とが交互に積層され、
前記圧電／電歪膜が２層備わり、前記２層の圧電／電歪膜に挟まれた界面には圧電／電歪膜を構成する圧電／電歪材料が分解した異相を含むポアが無く、前記２層の圧電／電歪膜は下層より上層が厚く形成され、且つ、前記最下層の電極膜は前記２層の圧電／電歪膜の中間の電極膜より短手方向の幅が広いことを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエータ。
前記上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと前記下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが次式、
ｔ_U≧ｔ_B×1．1 乃至ｔ_U≧ｔ_B＋１（μｍ)
を満たす請求項１に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
前記セラミックス基体の内部にはキャビティが形成され、前記圧電／電歪素子の変位により、前記圧電／電歪素子と接合した振動板を変形させて、前記キャビティを加圧せしめる請求項１又は２に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
前記振動板の厚さｔ_Wと前記上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと前記下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが次式、
ｔ_U＋ｔ_B≧２×ｔ_W
を満たす請求項３に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
セラミックス基体と、前記セラミックス基体上に設けられ圧電／電歪膜と電極膜とを有する圧電／電歪素子と、を備え、
前記セラミックス基体の内部にはキャビティが形成され、前記圧電／電歪素子の変位により、前記圧電／電歪素子と接合した振動板を変形させて、前記キャビティを加圧せしめる圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法であって、
少なくとも１枚のグリーンシートと、少なくとも１個の孔部が形成された１枚若しくは複数枚のグリーンシートとからなり、孔部の形成されていない少なくとも１枚のグリーンシートを外表面にして積層したグリーンシート積層体を用意し、前記グリーンシート積層体を焼成してセラミックス積層体を得る工程Ａと、
得られた前記セラミックス積層体の外表面に膜形成法により下部の電極膜を形成し焼成する工程Ｂと、
前記下部の電極膜の上に膜形成法により下層の圧電／電歪膜を形成し、前記下層の圧電／電歪膜の上に膜形成法により中間の電極膜を形成し、前記中間の電極膜の上に膜形成法により前記下層の圧電／電歪膜より厚い上層の圧電／電歪膜を形成する工程Ｃと、
前記積層した圧電／電歪膜及び中間の電極膜を一括焼成する工程Ｄと、
前記上層の圧電／電歪膜の上に膜形成法により上部の電極膜を形成して焼成する工程Ｅと、を有することを特徴とする圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法。
前記上層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Uと前記下層の圧電／電歪膜の厚さｔ_Bとが次式、
ｔ_U≧ｔ_B×1．1 乃至ｔ_U≧ｔ_B＋１（μｍ)
を満たす請求項５に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法。
前記膜形成法として、スクリーン印刷法、ディッピング法、塗布法、電気泳動堆積法の群から選ばれる少なくとも一の厚膜形成法が用いられる請求項５又は６に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータの製造方法。