JP4299578B2

JP4299578B2 - 圧電磁器及びその製造方法、アクチュエータ及び印刷ヘッド

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Publication number: JP4299578B2
Application number: JP2003133743A
Authority: JP
Inventors: 修三岩下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP2004342630A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器及びその製造方法、アクチュエータ及び印刷ヘッドに関し、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ー、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磁器及びその製造方法、アクチュエータ及び印刷ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電磁器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、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、例えば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】
従来、このような用途に用いられる圧電磁器は、厚みが数百μｍのセラミックグリーンシートを、多孔質焼結体からなる一対のセッターに直接挟むように配置して焼成することによって作製されていた。
【０００５】
また、多孔質体からなるセッター台の上にスペーサを配置し、該スペーサの上に多孔質体からなるセッター蓋を載せることによって形成される空間にグリーンシートを配置し、該グリーンシートと前記セッター蓋の隙間が３０〜１００μｍとなるように空間を設けた状態で焼成することによって焼結体の平坦度を３０〜１００μｍに調整することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
このようにして得られたセラミックス体を圧電体に応用すると、磁器の平滑度を一定値以下に確保できるため、アクチュエータをプリンタ内に固定するため金属板などの平面上に固定する際の破損を回避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プリンタヘッド、又はＸＹステージ位置決め用アクチュエータ等として好適に使用されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２８１４５３号公報（図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多孔質体でグリーンシートを挟持するように配置して焼成する特許文献１の方法では、気孔を介して蒸発しやすい成分が揮発し、特に厚みが１００μｍ以下のアクチュエータを得る場合、組成の面内バラツキが大きくなると共に、多孔質体の表面状態を制御し難くいため、得られた圧電磁器の平坦度が大きくなり、またセッターから脱粒した粒子の付着によりさらに焼結体の平坦度や表面粗さが大きくなった。
【０００９】
また、特許文献１に記載された薄層グリーンシートの焼成方法はセッターとグリーンシート間の隙間が少なくとも３０μｍはあり、厚みが１００μｍ以下のアクチュエータを得る場合、厚みに対して磁器の平坦性が大きくなった。
【００１０】
このように平坦度が大きい場合には、支持基板へアクチュエータを固定する際に、圧電磁器の曲面状態を平面状態に矯正するように圧電磁器が伸ばされるため、圧電基板内に不均一な残留応力が発生する。特に、圧電基板上に複数の変位素子を設けた、厚みが１００μｍ以下のアクチュエータの場合、その圧電定数が変位素子によって大きく変動するという問題があった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、平坦度が小さく、圧電定数の面内バラツキが小さい圧電磁器及びその製造方法、アクチュエータ及び印刷ヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面が緻密で平坦な支持体にグリーンシートを接触させながら、特に、支持体でグリーンシートを挟みながら、焼成することにより、グリーンシートの変形を抑制することができ、且つグリーンシートからの蒸発を抑制することができるという知見に基づくもので、この方法により、平坦度が小さく、誘電率のバラツキが小さい圧電磁器を作製でき、その結果、圧電定数の面内バラツキを小さくすることができる。
【００１３】
即ち、本発明の圧電磁器は、全体厚みが１００μｍ以下、表面の平坦度が２０μｍ以下、表面の凹凸の最大値が３μｍ以下、且つ誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下であることを特徴とするものである。この圧電磁器をアクチュエータとして応用すれば、圧電磁器の変形による変位バラツキを抑制することができ、その結果、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとしてインク吐出量のバラツキを抑制することができる。
【００１４】
特に、前記圧電磁器の主面の表面粗さＲａが３μｍ以下が好ましい。これにより、圧電磁器をアクチュエータとして金属板等に固定する際に矯正によるアクチュエータの変形量をさらに低減できるため、アクチュエータ内部に発生する残留応力を更に抑制することができ、その結果、支持基板に固定してもアクチュエータのｄ定数の面内バラツキを効果的に低減することができる。
【００１５】
また、前記圧電磁器が少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であることが好ましい。これにより、変位が大きく、低電圧で駆動が可能なアクチュエータを作製することができ、その結果、プリンタの高速化、高精度化、低コスト化に対して更なる寄与を望むことができる。
【００１６】
さらに、前記圧電磁器に含まれるカーボンが０．１質量％以下であることが好ましい。これにより、圧電磁器の絶縁性を確保することができ、分極処理時の分極不良を防止し変位不良を防止できる。
【００１７】
さらにまた、前記圧電体磁器のｄ₃₁の平均値が１５０ｐｍ／Ｖ以上、該ｄ₃₁の面内バラツキが前記平均値の１０％以下であることが好ましい。これにより、アクチュエータとして用いた場合に大きな変位を得ることが可能となり、インクジェットプリンタの印刷ヘッドに好適に用いることができる。
【００１８】
また、本発明の圧電磁器の製造方法は、圧電セラミック粉末からなる成形体を、表面部の気孔率が５％以下、平坦度が２０μｍ以下の主面を有する支持体の該主面に接触させながら焼成することを特徴とするものである。これにより、上記の圧電磁器を作製することができる。
【００１９】
特に、前記支持体の主面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることが好ましい。これにより、焼成後の圧電磁器の平坦度を更に向上させて残留応力を低減し、組成バラツキも抑制することができる。
【００２０】
また、前記成形体を一対の前記支持体で挟持するように配置して焼成することが好ましい。これにより、圧電磁器の厚みが１００μｍ以下の薄肉の圧電磁器でも２０μｍ以下の平坦度を容易に得ることができる。
【００２１】
さらに、前記支持体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル型構造体、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。これにより、グリーンシートとの反応性を抑制することができる。
【００２２】
さらにまた、前記支持体が、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、希土類のいずれか１種を含むジルコニアであることが好ましい。これにより、ジルコニアの相変態が抑制され焼成時の加熱・冷却による冶具の割れ、変形、表面粗さの変化を抑制することができる。
【００２３】
また、前記の結晶の平均粒径が５〜３０μｍであることが好ましい。これにより、加熱・冷却時の変形、破損の抑制が期待できる。
【００２４】
さらに、前記成形体が、Ｐｂを含むペロブスカイト型化合物からなる原料粉末からなり、該成形体を密閉空間の中に挿入して焼成することが好ましい。これにより、揮発成分であるＰｂを含有する成形体であっても、特性バラツキの少ない圧電磁器を得ることが容易になる。
【００２５】
体積Ｖ₃の成形体と、該成形体の上に該成形体より大きい面積を有し、表面粗さＲａが１μｍ以下、平面度が２０μｍ以下、容積Ｖ₂の重量体とを容積Ｖ₁の密閉空間内に載置して
１．０００１×（Ｖ₂＋Ｖ₃）≦Ｖ₁≦４．００００×（Ｖ₂＋Ｖ₃）
０．０２×Ｖ₃≦Ｖ₂≦５０×Ｖ₃
の関係を満たすことが好ましい。被焼成体からの揮発成分の蒸発を抑制し、圧電特性のバラツキをより効果的に抑制することができる。
【００２６】
本発明のアクチュエータは、上記の圧電磁器からなる圧電基板と、該圧電基板の主面に設けられた複数の表面電極と、該圧電基板の内部に設けられた内部電極とを具備することを特徴とする。これにより、平坦度が小さく、支持基板に接合しても圧電定数の面内バラツキが小さいアクチュエータを実現できる。
【００２７】
特に、前記圧電磁器がＰｂを含み、且つ内部電極がＡｇを含むことが好ましい。これにより、特にＰｂを含有する圧電体の場合焼成温度の低温化が可能となる。
【００２８】
本発明の印刷ヘッドは、上記のアクチュエータが、支持基板の上に接着層を介して設けられ、該支持基板の内部にはインク流路が設けられてなることを特徴とするものである。これにより、安定した印刷を可能とする印刷ヘッドを実現でき、これをインクジェットプリンタに好適に利用することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電磁器は、厚みが１００μｍ以下であることが重要である。厚みを１００μｍ以下とすることによって、変位の大きな圧電磁器を得ることができる。変位をより大きくするため、磁器厚みが特に８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が好ましい。
【００３０】
一方、圧電磁器の厚みの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱い及び作動中の破壊を防止するため、３μｍ、特に５μｍ、更には１０μｍ、より好適には２０μｍであることが好ましい。
【００３１】
本発明によれば、表面の平坦度が２０μｍ以下であることも重要である。磁器の表面の平坦度を２０μｍ以下とすることによって、磁器特性のバラツキを抑制することができる。特性の均一化をより高めるため、特に１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。
【００３２】
また、本発明によれば、圧電磁器表面の凹凸の最大値が３μｍ以下であることが重要である。表面の凹凸が小さいと、圧電体をアクチュエータとして金属基板等に固定する際にアクチュエータの微細な変形も防止することが容易で、残留応力の低減効果を高めることができる。また、表面凹凸を介して蒸発成分が揮発するのを抑制し、組成バラツキをより一層低減する効果がある。
【００３３】
本発明における表面粗さＲａのレンジは１００μｍで、表面の凹凸を示すものであり、また、平坦度は圧電磁器の反りを含む大きなうねりを測定するものであり、上記表面凹凸は両者の中間のレンジでの評価であり、このような中間レンジでの評価は、部分的なうねりの大きさを表すものであり、部分的なうねりを小さくすることによって、特性バラツキを改善することが容易となる。
【００３４】
なお、具体的な測定方法は、キーエンス（株）製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージを組み合わせた装置により、２〜１０ｍｍ四方をスキャンし、表面の高さをマッピングし、最大と最小の高さ間の距離を凹凸の最大値とするものである。
【００３５】
本発明によれば、誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下であることも重要である。このように磁器表面内で誘電率を測定して平均値を算出し、平均値からのバラツキの最大値が平均値の５％以内にすることによって、アクチュエータの基板内圧電特性のバラツキを抑制をすることができる。
【００３６】
圧電磁器の主面の表面粗さＲａは、３μｍ以下、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが小さいと、圧電体をアクチュエータとして金属基板等に固定する際にアクチュエータの微細な変形も効果的に防止することが容易となり、残留応力の低減効果を高めることができる。また、表面凹凸を介して蒸発成分が揮発するのを抑制し、組成バラツキをより一層低減する効果がある。
【００３７】
本発明における表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡を用いて１００μｍ×１００μｍのエリアを走査して表面の凹凸状態を測定し、最大値を算出し、面内で任意の５個所に関する測定値の平均値を算出したものである。
【００３８】
圧電磁器は、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、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、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を例示できる。
【００３９】
これらのうち、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良い。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。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振動層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、より大きな変位を得る上で好適である。
【００４０】
上記ペロブスカイト型結晶の一例として、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及びＴｉを含有する結晶であるＰｂＺｒＴｉＯ₃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サイト及び／又はＢサイトに他元素が置換しても良い。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、Ｎｉ及びＴｅを添加し、Ｐｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃及びＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃の固溶体であっても良い。
【００４１】
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などが挙げられ、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。
【００４２】
具体的には、Ｐｂ_1-x _― _yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋α質量％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）で表される化合物を例示できる。
【００４３】
圧電磁器は、カーボンが０．１質量％以下、特に０．０７質量％以下であることが好ましい。カーボンは圧電体の絶縁性に関与し、分極時の絶縁不良の原因になるため、上記の範囲に抑制することにより、分極時に電流が流れることを抑制し、飽和分極状態まで分極できるため、分極不良による変位不良を防止することができる。
【００４４】
圧電磁器の気孔率が５％以下、特に１％以下、更には０．５％以下であることが好ましい。気孔率を低減させることによって圧電磁器の強度を高め、厚みが薄い場合であっても破壊するのを抑制でき、また、インクジェット用印刷ヘッドとして用いる場合、磁器へのインクの染み込みによるインク漏れを効果的に抑制することが可能となる。
【００４５】
本発明の圧電磁器をインクジェットプリンタの印刷ヘッド用アクチュエータとして用いる場合、圧電歪定数として、例えばｄ₃₁モードを利用することができる。インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして十分な吐出能力を発揮し、高速で精細な印刷を実現するために、ｄ₃₁が１５０ｐｍ／Ｖ以上、特に２００ｐｍ／Ｖ以上、更には２５０ｐｍ／Ｖ以上であることが好ましい。
【００４６】
次に、本発明の圧電磁器の製造方法について、印刷ヘッドに用いられるアクチュエータに応用した場合の圧電磁器を例として説明する。また、圧電磁器としてＰＺＴを用いた場合を例として説明する。
【００４７】
まず、原料に用いる圧電体粉末として、純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を準備する。
【００４８】
このＰＺＴ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、このテープの所望の部位に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、また所望の箇所にビアホールを形成すると共にビアホールの内部に電極を形成した。次いで、得られたグリーンシートを積層して成形体を作成する。また、所望により、特定の形状に切断する。
【００４９】
積層して得られた成形体を、焼成するために、成形体を治具に搭載して焼成炉内に配置するが、その配置の一例を図１（ａ）に示した。即ち、下部支持体１０１aの上に成形体１０２を載置する。ここで、下部支持体１０１aは、その主面１０４ａの気孔率が５％以下、平坦度が２０μｍ以下で、この主面１０４ａを成形体１０２と接触させることが重要である。
【００５０】
また、図１（ｂ）に示したように、下部支持体１０１aの上にスペーサ１０５を載置し、さらにスペーサ１０５の上に天板１０６を載置して、下部支持体１０１a、スペーサ１０５及び天板１０６からなる焼成治具によって密封空間１０７を形成し、その内部に成形体１０２を挿入して焼成してもよい。このような密封空間１０７を設けることにより、揮発性成分を含む成形体であっても揮発を抑制できるため、従来のように共材を周囲に載置しなくても焼成することが可能となる。
【００５１】
なお、本発明における密封空間１０７とは、上記の焼成治具を単に組に立てて内部に空間を設けるのではなく、研削や研磨等の機械加工、化学研磨等の方法によって支持体、スペーサ、天板による当接部の隙間を小さくし、揮発成分の飛散を抑制することができるものを言う。例えば、表面が加工されて所定の平行度及び表面粗さを有しているものを挙げることができる。
このような密封空間に成形体を挿入して焼成する場合、特に下記の条件を満足することが好ましい。即ち、密閉空間１０７の容積をＶ₁、上部支持体１０１ｂの容積をＶ₂、成形体１０２の体積Ｖ₃とするとき、
１．０００１×（Ｖ₂＋Ｖ₃）≦Ｖ₁≦４．００００×（Ｖ₂＋Ｖ₃）
０．０２×Ｖ₃≦Ｖ₂≦５０×Ｖ₃
の関係を満たすことが好ましい。
【００５２】
上記範囲に規定する理由は、Ｖ₁が１．０００１×（Ｖ₂＋Ｖ₃）より小さい場合、上部支持体１０１ｂとスペーサ１０５のクリアランスが小さくなり、焼成時の加熱、冷却で生じる膨張・収縮により噛み込みが発生し、著しく作業性が低下する傾向がある。また、Ｖ₁が４．００００×（Ｖ₂＋Ｖ₃）より大きい場合、成形体からの揮発成分の蒸発量が増加して組成変動を起こし、基板内の圧電特性のバラツキを拡大させる傾向がある。また、Ｖ₂が０．０２×Ｖ₃より小さい場合、焼結体に凹凸が発生する傾向があり、５０×Ｖ₃より大きい場合、磁器の収縮率にバラツキが生じ、基板内の圧電特性のバラツキを拡大することがある。
【００５３】
本発明は、下部支持体１０１aの上に成形体１０２を載置してあれば、成形体１０２の上に何が置いてあっても良く、例えば、多孔質体を載せても良いが、下部支持体１０１aと同様の主面を有する上部支持体１０１ｂを載せて、成形体１０２を一対の下部支持体１０１a、１０１ｂで挟持するように配置するのが、組成のバラツキを効果的に抑制でき、且つ２０μｍ以下の平坦度を容易に得られる点で好ましい。
【００５４】
本発明によれば、下部支持体１０１a、１０１ｂが成形体１０２と接触する主面１０４の平坦度が２０μｍ以下であることが重要である。支持体１０１は成形体１０２と接触するため、その接触する主面１０４ｂを平坦にすることで、成形体１０２を焼成して得られた焼結体の表面の平坦度を低減でき、表面が平坦な圧電磁器を得ることができる。特に、より平坦度の小さな焼結体を得るため、支持体１０１の主面の平坦度は１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。
【００５５】
また、本発明によれば、支持体１０１が成形体１０２と接触する主面１０４の表面部は、気孔率が５％以下、更には１％以下、更には０．５％以下であることが重要である。気孔率がこのように小さい支持体１０１の主面１０４が緻密であると、脱粒が少なく、成形体表面に付着する粒子も減少し、焼結して得られた圧電磁器の平坦度及び表面粗さを改善することができる。
【００５６】
なお、表面部とは成形体１０２との接触面を形成する主面１０４における表面を意味するが、気孔率を測定するためには研磨が必要なため、実際には研磨に必要な最低限の厚み、例えば数μｍの厚みが必要であり、これを実質的に表面部と言う。
【００５７】
また、多孔質体からなる従来の支持体では、焼成中に成形体１０２から揮発した成分が、支持体の連続した気孔を経由して外部へ飛散するのに対し、少なくとも主面１０４の表面部が緻密な支持体１０１ａを用いているため、揮発成分の飛散を顕著に抑制することが出来る。このように、成形体１０２からの揮発成分の蒸発を抑制することで圧電特性の面内バラツキを更に改善できる。
【００５８】
支持体１０１は、全体が緻密であるのが良い。このような緻密体は、表面を加工することによって低コストでの再生が可能である。又は、表面が緻密で内部が比較的気孔率が高い焼結体を使用することもできる。例えば、焼結時に内部よりも表面部で焼結が容易に進む場合、少なくとも表面から０．１ｍｍ、特に０．３ｍｍ、更には０．５ｍｍの表面層の気孔率が５％以下、特に１％以下、更には０．５％以下であるのが良い。
【００５９】
また、所望により表面だけを緻密にすることもできる。例えば、表面の気孔率が２〜８％程度のセラミック焼結体表面を研磨加工し、セラミック層を被覆することにより、支持体１０１の主面１０４を０．１％以下の気孔率にすることができる。特に、ＣＶＤ（化学気相成長法）により数１０μｍ以上、更には５０μｍ以上、より好適には１００μｍ以上の厚みに形成し、鏡面研磨を行って表面の気孔率を１％以下、平坦度を２０μｍ以下にすることができる。これは、大型支持体の全体を緻密な焼結体で作製するためのコストが高い場合、或いは緻密な焼結体を合成することが困難な場合、成形体と支持体とが反応しやすい場合に特に有効である。
【００６０】
支持体１０１の主面１０４の表面粗さＲａは、３μｍ以下、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下であることが好ましい。支持体１０１の表面粗さＲａを上記のようにすることで圧電磁器の平坦度を更に向上させることができる。また、成形体と支持体との隙間が拡散経路となって成形体からの揮発成分が蒸発し、組成の面内バラツキを抑制することもできる。
【００６１】
本発明に用いる支持体１０１は、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル型構造体、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。これらはいずれも圧電体の同質の物質もしくは反応性に乏しい物質である。このような物質を支持体に用いることにより、圧電体の特性を安定化させることが可能となる。
【００６２】
また、支持体１０１がジルコニアの場合、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、希土類のいずれか１種を含むことが好ましい。これは焼成時の加熱や冷却を行う際にジルコニアの相変態を抑制し、割れ、欠け等の破損、変形、表面荒さの変化を抑制する。
【００６３】
さらに、支持体１０１を構成する結晶の平均粒径は、加熱や冷却による変形を小さくし、また、割れ、欠けが顕著に発生することを防止するため、５〜３０μｍ、特に１０〜２５μｍ、更には１５〜２０μｍであることが好ましい。
【００６４】
なお、複数の成形体を焼成する場合には、幅の大きな支持板１０１の上に複数の成形体を載置しても良いし、また、図１（ｂ）に示した焼成治具を複数重ねて用いても良い。さらに、図２に示したように、支持体１１１ａの上に、スペーサ１１５と、支持体及び天板を兼ねる支持天板１１８と、を交互に重ねて複数の密閉空間１１７を形成し、その密封空間の内部に成形体１１２を載置し、更にその上に上部支持体１１１ｂを載置することもできる。
【００６５】
また、成形体１０２の焼成に先立ち、所望により、４００℃〜９００℃程度の温度で脱脂処理を行っても良い。
【００６６】
得られた焼結体の表面に表面電極を形成し、また、分極してアクチュエータを作製することができる。
【００６７】
このように、本発明の圧電磁器の製造方法を採用すれば、厚みが１００μｍ以下の薄層からなるアクチュエータを製造する時でも、焼成時の収縮バラツキによって生じる圧電磁器の変形を小さくできるため、流路部材等の支持体に固定する際に発生する残留応力を小さくすることができ、アクチュエータを構成する多数の変位素子のｄ定数が均一となり、変位量のバラツキを顕著に低減することができる。また、このようなアクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッドに適応することで、高速、高精度な特性を改善することができる。
【００６８】
また、上記実施形態では、圧電アクチュエータを例に挙げて説明したが、本発明の圧電変位素子は、圧電アクチュエータの他、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ー、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、フィルタ等に適用することができる。
【００６９】
本発明のアクチュエータは、上記の圧電磁器からなる圧電基板と、該圧電基板の主面に設けられた複数の表面電極と、該圧電基板の内部に設けられた内部電極とを具備することを特徴とするものである。
【００７０】
例えば、図３（ａ）に示したように、圧電磁器からなる圧電基板２と、圧電基板２の内部に設けられた内部電極５と、圧電基板２の主面の一部に設けられた表面電極６とを具備しており、圧電基板２の表面部に形成された圧電振動層４と内部電極５と表面電極６とで変位素子７が構成される。
【００７１】
そして、アクチュエータは、例えば図３（ｂ）に示したように、表面電極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、電圧が印加された内部電極５と表面電極６に挟持された部位の圧電振動層４が変位することができる。このように、各変位素子７を独立して制御した印刷ヘッドに応用することにより、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。
【００７２】
圧電基板２の表面の平坦度、即ち圧電振動層４の主面の平坦度を２０μｍ以下とすることで、例えば図３（ｃ）に示したように、溝３ａが隔壁３ｂによって形成されてなる支持基板３に、表面が平坦な本発明のアクチュエータ１を接合しても、接合に伴うアクチュエータ１の変形が小さく、残留応力を低減できるため、変位素子毎の特性バラツキを低減することができる。
【００７３】
内部電極５の材質としては、少なくともＡｇを含有し、導電性を有するものであればよく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやこれらの合金などが用いられる。これらの中でも、Ａｇは焼結性を高め、且つ導電性に優れ、低コストである点で好ましく、Ｐｄは導電性と耐熱性の点で好ましい。また、圧電磁器がＰｂを含有する場合には、焼成温度の低温化を促進するため、内部電極５としてＡｇを用いることが好ましい。
【００７４】
内部電極５および表面電極６の厚さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、０．１〜５μｍ、特に内部電極は１〜３μｍ程度が好ましい表面電極では０．２〜０．５μｍが好ましい。
【００７５】
本発明の印刷ヘッドは、図３（ｃ）に示したように、上記のアクチュエータ１を支持基板３の表面に接合したものである。この支持基板３は内部にインク流路３ａが隔壁３ｂによって複数形成されており、変位素子の変位によってインクを加圧し、インクノズル８からインクを吐出することができる。
【００７６】
本発明によれば、数１００個の変位素子が密集した印刷ヘッドであっても、変位ばらつきが少なく、その結果インク吐出特性が均一な印刷ヘッドを提供することができる。
【００７７】
【実施例】
まず、原料として、純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミックス粉末を準備した。
【００７８】
グリーンシートは、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミック材の粉末に、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プレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ３０μｍ程度のシート形状にて作製した。
【００７９】
また、各種の圧電用のセラミックス材の粉末を用いて同様にグリーンシートを作製した。また、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。更に、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、成形体を得た。
【００８０】
この成形体を脱脂処理した後に、図１に示したように、成形体を一対の支持体にはさみ込むように配置し、その周囲は枠を配置して密閉空間を形成する。このようにして焼成炉に配置した。
【００８１】
支持体がジルコニアである場合の安定化度とは、全体の結晶相中の立法晶の割合で表すもので、具体的にはＸ線回折（ＸＲＤ）によるピーク強度を測定し、安定化度を下記式から算出した。
安定化度＝１００×Ｖｍ／Ｖｃ
ここで、Ｖｍ、Ｖｃはそれぞれ単斜晶、立法晶の体積分率であり、
Ｖｍ＝(lm(111)+lm(11-1))/(lm(111)+lm(11-1)+lt(111)+lc(111))
Ｖｃ＝lc(400)/(lc(400)+lt(400)+lt(004))
で表される。なお、ｌは各反射面の積分強度（ピーク強度）、添字ｍ、ｔ、ｃはそれぞれ単斜晶、正方晶、立法晶を示す。
【００８２】
支持体の気孔率は、鏡面研磨面の顕微鏡写真（×２００）より画像解析にて測定した。また、平坦度はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージを組み合わせた装置にて冶具の長軸方向とその垂直方向にスキャンし最大値−最低値の値の大きな方で評価した。平均粒径Ｇは鏡面研磨した後沸騰燐酸によりエッチングしＳＥＭ写真での平均切片長さＬから、関係式Ｇ＝１．５×Ｌより求めた。
【００８３】
また、Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃について、Ｖ₁、Ｖ₂はアルキメデス法により求めた。Ｖ₃は、成形体の外形寸法より求めた。
【００８４】
支持体の表面のＲａは、ＡＦＭをもちいて１００μｍ×１００μｍのエリアを走査して測定し、面内任意の５個所の測定値の平均値より求めた。
【００８５】
支持体の表面にＰｂが含まれるかどうかをエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナリシス（ＥＤＳ／ＥＰＭＡ）にて定性分析で確認し、有り又は無しで記載した。
【００８６】
これを、試料Ｎｏ．１〜５４は１０００℃、Ｎｏ．５５は１１３０℃、Ｎｏ．５６〜５８は１２００℃、酸素９９％以上の雰囲気中で２時間保持して焼成し、圧電振動層と内部電極とからなる圧電磁器を作製した。
【００８７】
なお、試料Ｎｏ．５９は、多孔質支持体の上に厚さ６００μｍのスペーサを置いて、その上に他の多孔質支持体を載せ、上下の支持体の間に積層成形体を載置して焼成炉の中に配置した。
【００８８】
得られた圧電磁器を下記のように評価した。
【００８９】
アクチュエータの厚みはマイクロメータで測定し、アクチュエータの表面粗さＲａは触針式表面粗さ計で測定した。
【００９０】
表面の凹凸はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、縦２ｍｍ、横２ｍｍの範囲を走査して、最大値−最小値より算出した。
【００９１】
圧電磁器の平坦度は、キーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、試料の一端から他端の間を走査して高さの変化よりもとめた。
【００９２】
圧電磁器の表層にＡｇがあるかどうかをＥＤＳ／ＥＰＭＡの定性分析によって確認し有り無しを確認した。
【００９３】
次に、得られた圧電磁器の表面片側に表面電極を形成した。表面電極は、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℃の大気中で焼付けた。
【００９４】
誘電率εの測定は、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）を用いて１ｋＨｚの静電容量を測定して断面から測定した磁器厚みより算出した。
【００９５】
圧電定数はｄ₃₁について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）を用いた共振法で１０箇所測定し、その平均値を算出した。そして、ｄ₃₁の平均値との差を算出し、その最大値をｄ₃₁バラツキとして百分率で表示した。
【００９６】
変位量の測定は、インクジェットプリンタ用印刷ヘッドとしての使用を考慮し、図４に示したように、溝１３ａと隔壁１３ｂを有する支持体１３に、上記作製したアクチュエータ１１を接着し、圧電振動層１４を内部電極１５と表面電極１６で挟持する構造となるように変位素子１７を作製した。そして、レーザードップラー変位計により支持体１３側から溝１３ａを通してアクチュエータにレーザービームを照射し、支持体１３の溝１３ａに当接しているアクチュエータの中心部及び周辺部７点を測定して変位を測定し、平均値を算出した。結果を表１、２に示した。
【００９７】
【表１】

【００９８】
【表２】

【００９９】
本発明の試料Ｎｏ．１〜４、６〜９、１１〜４４及び４６〜５９は、圧電磁気としてＰｂＺｒＴｉＯ₃（ＰＺＴ）を主成分としたもので、ｄ₃₁のバラツキが１０％以下、変位量が７０ｎｍ以上であった。
【０１００】
一方、支持体の気孔率が６．５％と大きい焼成治具を使用したため、誘電率のばらつきが７％と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．５は、ｄ₃₁のバラツキが１２％と大きかった。
【０１０１】
また、支持体の平坦度が３０μｍと大きい焼成治具を使用したため、誘電率のばらつきが８％と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１０は、ｄ₃₁のバラツキが１４％と大きかった。
【０１０２】
さらに、全体の厚みが１０００μｍ（１ｍｍ）と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．４５は、変位が２０ｎｍと小さく圧電特性が非常に低いものであった。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明は、表面部の気孔率を５％以下に制御した支持体に、成形体を接触するように配置し、特に一対の支持体で成形体を挟持するように配置し、成形体を焼成することにより、厚み１００μｍ以下の薄層の試料でも平坦度が２０μｍ以下にするとともに、表面粗さ及び誘電体の面内バラツキを制御することができ、特に、密閉空間内に成形体支持体と重量体を載置して焼成することにより、特性の均一な圧電磁気を得ることができる。
【０１０４】
そして、圧電磁気を接合した際に発生する残留応力を低減し、圧電体の変形を防止するとともに、同一基板内に設けられた複数の圧電素子の変位バラツキを容易に制御でき、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電磁気の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の圧電磁気の他の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明のアクチュエータを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図、（ｃ）は支持基板を接合した時の概略断面図である。
【図４】実施例で用いたアクチュエータを示すもので、支持基板を接合した時の概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・アクチュエータ
２・・・圧電基板
３・・・支持基板
３ａ・・・インク流路
３ｂ・・・隔壁
４・・・圧電振動層
５・・・内部電極
６・・・表面電極
７・・・変位素子
８・・・インクノズル
Ｔ・・・アクチュエータの厚み
１０１、１１１・・・支持体
１０１ａ・・・下部支持体
１０１ｂ・・・上部支持体
１０２、１１２・・・成形体
１０４・・・支持体の主面
１０４ａ、１１４ａ・・・支持体の主面
１０４ｂ、１１４ｂ・・・天板の主面
１０５、１１５・・・スペーサ
１０６・・・天板
１０７、１１７・・・密封空間
１１８・・・支持天板

Claims

厚みが１００μｍ以下、表面の平坦度が２０μｍ以下、表面の凹凸の最大値が３μｍ以下、且つ誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下であることを特徴とする圧電磁器。
前記圧電磁器の主面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の圧電磁器。
前記圧電磁器がＰｂを含むペロブスカイト型化合物であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電磁器。
前記圧電磁器に含まれるカーボンが０．１質量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電磁器。
前記圧電体磁器のｄ₃₁の平均値が１５０ｐｍ／Ｖ以上、該ｄ₃₁の面内バラツキが前記平均値の１０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電磁器。
圧電セラミック粉末からなる成形体を、表面部の気孔率が５％以下、平坦度が２０μｍ以下の主面を有する支持体の該主面に接触させながら焼成することを特徴とする圧電磁器の製造方法。
前記支持体の主面の表面粗さＲａが３μｍ以下であることを特徴とする請求項６記載の圧電磁器の製造方法。
前記成形体を一対の前記支持体で挟持するように配置して焼成することを特徴とする請求項６又は７記載の圧電磁器の製造方法。
前記支持体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル型構造体、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種の結晶を含有することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法。
前記支持体が、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、希土類のいずれか１種を含むジルコニアであることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法。
前記支持体を構成する結晶の平均粒径が５〜３０μｍであることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法。
前記成形体が、Ｐｂを含むペロブスカイト型化合物からなる原料粉末からなり、該成形体を密閉空間の中に挿入して焼成することを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の圧電磁器の製造方法。
体積Ｖ₃の成形体と、該成形体の上に、表面粗さＲａが１μｍ以下、平面度が２０μｍ以下、容積Ｖ₂の重量体とを容積Ｖ₁の密閉空間内に載置して
１．０００１×（Ｖ₂＋Ｖ₃）≦Ｖ₁≦４．００００×（Ｖ₂＋Ｖ₃）
０．０２×Ｖ₃≦Ｖ₂≦５０×Ｖ₃
の関係を満たすことを特徴とする請求項１２記載の圧電磁器の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の圧電磁器からなる圧電基板と、該圧電基板の主面に設けられた複数の表面電極と、該圧電基板の内部に設けられた内部電極とを具備することを特徴とするアクチュエータ。
前記圧電磁器がＰｂを含み、且つ内部電極がＡｇを含むことを特徴とする請求項１３記載のアクチュエータ。
請求項１４又は１５に記載のアクチュエータが、支持基板の上に接着層を介して設けられ、該支持基板の内部にはインク流路が設けられてなることを特徴とする印刷ヘッド。