JP4393068B2 - 圧電／電歪膜型アクチュエータ及び製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、圧電／電歪アクチュエータに関する。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、膜型のトランスデューサであって、素子部のアスペクト比をより容易に高く出来、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た圧電／電歪膜型アクチュエータに関する。
背景技術
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。
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。
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。
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、それぞれ薄肉の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。
そこにおいて、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。
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。
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。
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、閉塞プレート１６６（振動板）の厚さを薄く、又、長手矩形状の窓部１７６（キャビティ）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。
一方、より優れた高速応答性を得るためには剛性を高める必要があり、閉塞プレート１６６（振動板）の厚さを厚く、又、長手矩形状の窓部１７６（キャビティ）の短手方向の幅を狭くするのが有効であるが、そうすると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あった。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。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、接着剤を用いて積層した構造を持たずに、容易に高集積化が可能であり、同一駆動電圧で、より大きな変位が得られ、応答速度が速く、発生力が大きい、優れた圧電／電歪膜型アクチュエータと、その製造方法を提供することにある。
発明の開示
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／電歪膜と電極膜とからなる圧電／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てなり、圧電／電歪膜を複数層有する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。圧電／電歪素子は、圧電／電歪膜を２〜４層有することが好ましい。
本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの圧電／電歪素子においては、下からｎ番目の圧電／電歪膜の厚さｔ_ｎが、次式
ｔ_ｎ≦ｔ_ｎ−１×０．９５
を満たすことが好ましい。又、圧電／電歪膜の１層当たりの厚さは、３０μｍ以下であることが好ましい。
本発明においては、圧電／電歪膜の少なくとも一層が、電気泳動堆積法により形成されることが好ましい。又、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。
上記した圧電／電歪膜型アクチュエータにおいて、セラミックス基体の内部にキャビティが形成され、圧電／電歪素子がキャビティの壁部の一部を変形させて、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。又、このとき、セラミックス基体の薄肉厚部の厚さは、５０μｍ以下であることが好ましい。
本発明においては、セラミックス基体には、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、窒化珪素の何れかを主成分とする材料を好適に用いることが出来る。酸化ジルコニウムは、より詳細には、部分安定化酸化ジルコニウム、若しくは、完全安定化酸化ジルコニウムが、高強度、高靱性という点で好ましい。
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用いることが出来る。
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／電歪膜と電極膜とからなる圧電／電歪素子とからなり、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／電歪素子がキャビティの壁部の一部を変形させて、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であって、基体となる少なくとも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る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て、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電極膜（Ａ）を形成した後に、電極膜（Ａ）の上に膜形成法により圧電／電歪膜（Ａ）を形成し、更に、圧電／電歪膜（Ａ）の上に膜形成法により電極膜（Ｂ）を形成し、この圧電／電歪膜（Ａ）の形成及び電極膜（Ｂ）の形成を、１回若しくは複数回繰り返し行った後に、電極膜（Ｂ）の上に膜形成法により圧電／電歪膜（Ｂ）を形成し、更に、圧電／電歪膜（Ｂ）の上に膜形成法により電極膜（Ｃ）を形成し、圧電／電歪膜又は／及び電極膜の焼成が、電極膜（Ａ）を形成した後から、電極膜（Ｃ）を形成した後の間において、任意のときに所望の回数行われる方法によって作製される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。
本発明においては、ｎ回目に形成される圧電／電歪膜の厚さｔ_ｎが、次式、
ｔ_ｎ≦ｔ_ｎ−１×０．９５
を満たすことが好ましい。
又、電極膜（Ｂ）を形成した後に焼成温度Ｔｍ１（℃）で焼成され、圧電／電歪膜（Ｂ）を形成した後に焼成温度Ｔｍ２（℃）で焼成される場合において、次式、
０≦Ｔｍ２−Ｔｍ１≦３００
が満たされることが好ましい。
上記した方法によって作製される圧電／電歪膜型アクチュエータでは、圧電／電歪膜及び電極膜を、１層当たり複数回の膜形成法を施して、形成することが可能であり、又、膜形成法としては、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種の厚膜形成法を用いることが出来る。更には、圧電／電歪膜の膜形成法としては、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。
又、上記した方法によって作製される圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、少なくとも１個の孔部が形成されたグリーンシートが、２〜３枚積層されることが好ましい。
上記した方法によって作製される圧電／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出来る。
更に続いて、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／電歪膜と電極膜とからなる圧電／電歪素子とからなり、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／電歪素子がキャビティの壁部の一部を変形させて、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、基体となる少なくとも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少なくとも１枚のグリーンシートとからなる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とする工程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電極膜（Ａ）を形成する工程Ｂと、電極膜（Ａ）の上に膜形成法により圧電／電歪膜（Ａ）を形成する工程Ｃと、更に、圧電／電歪膜（Ａ）の上に膜形成法により電極膜（Ｂ）を形成する工程Ｄと、工程Ｃ及び工程Ｄを、１回若しくは複数回繰り返し行った後に、電極膜（Ｂ）の上に膜形成法により圧電／電歪膜（Ｂ）を形成する工程Ｅと、更に、圧電／電歪膜（Ｂ）の上に膜形成法により電極膜（Ｃ）を形成する工程Ｆとを含み、圧電／電歪膜又は／及び電極膜の焼成が、電極膜（Ａ）を形成した後から、電極膜（Ｃ）を形成した後の間において、任意のときに所望の回数行われ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。
本発明においては、ｎ回目に形成される圧電／電歪膜の厚さｔ_ｎが、次式、
ｔ_ｎ≦ｔ_ｎ−１×０．９５
を満たすことが好ましい。
又、電極膜（Ｂ）を形成した後に焼成温度Ｔｍ１（℃）で焼成され、圧電／電歪膜（Ｂ）を形成した後に焼成温度Ｔｍ２（℃）で焼成される場合において、次式、
０≦Ｔｍ２−Ｔｍ１≦３００
が満たされることが好ましい。
本発明の製造方法においては、圧電／電歪膜及び電極膜を、１層当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種の厚膜形成法を用いることが出来る。更に、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可能である。
本発明の製造方法においては、工程Ａが、基体となるグリーンシートに、少なくとも１個の孔部が形成されたグリーンシートを１枚若しくは複数枚積層したものを用意する処理を含むものであることが好ましく、少なくとも１個の孔部が形成されたグリーンシートが、２〜３枚積層されることが、より好ましい。
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。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータ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。
本発明は、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に関する発明である。本発明の圧電／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。
本発明においては、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なっていて、好ましくは圧電／電歪膜を２〜４層有するところに特徴がある。このような、基体上に圧電／電歪膜と電極膜とを層状に積層してなる圧電／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３０μｍ以下と薄くした薄膜状の圧電／電歪素子とすることが出来、且つ、積層することによって厚い、高アスペクト比の圧電／電歪素子とすることが出来る。従って、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。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。更には、２以上の複数の圧電／電歪素子を、同一の基体上に配列することが、より容易となり、高集積化を図ることが出来る。
本発明においては、又、基体となるセラミックス積層体の外表面に膜形成法により電極膜を形成し、その電極膜の上に膜形成法により圧電／電歪膜を形成し、更に、その圧電／電歪膜の上に膜形成法により電極膜を形成し、これら圧電／電歪膜と電極膜の形成を好ましくは複数回繰り返し行い、圧電／電歪膜と電極膜を焼成によって、即ち、熱処理によって一体化し、製造するところにも特徴がある。従来のバイモルフ型等のアクチュエータで採用されたような薄板を接着して一体化する方法を用いていないので、長期使用の安定性に優れ、信頼性が高く、変位量のドリフトを、より抑えることが出来る。圧電／電歪膜と電極膜を焼成するタイミングは限定されるものではなく、最初の電極膜を形成した後から、最後の電極膜を形成した後の間において、任意のときに所望の回数行って構わない。
本発明においては、更に、圧電／電歪膜の少なくとも１層を、好ましくは電気泳動堆積法により形成するところにも特徴がある。原料粒子、例えばセラミックス粒子を含むスラリーに電界をかけて、その原料粒子を所定の場所へ堆積させられる電気泳動堆積法を用いれば、高密度に且つ高い形状精度で、自動的に電極上へ圧電／電歪膜を形成することが可能となり、特に、より微細な配列パターンのときに、あるいは、より高いアスペクト比の膜形成のときに、精度よく量産することが出来る。又、例えば、スクリーン印刷を用いるときのようなアライメントや、基体の焼成収縮率の違いに応じた印刷製版の準備及び管理が不要となり、工程が省け、より省マンパワーとなる。
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説明する。
先ず、実施態様について説明する。
図１及び図２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る。又、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。
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。
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。
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。
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は薄い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は薄い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。後述するような製造工程を経て製造されるため、歩留まり向上のためには、圧電／電歪膜型アクチュエータ２１の様な３層構造が、より好ましい。
即ち、焼成して基体となるグリーンシートは柔軟性を有するため、もともと取り扱いが難しく、例えば、焼成炉への搬入時において支持方法を慎重に行わないと、自重によって歪みが生じ破損したり、焼成後に変形したりし易いといった問題を抱えている。従って、接続プレート６８を備える３層構造の圧電／電歪膜型アクチュエータ２１の方が、積層したグリーンシートにおいて、より剛性が高められるため、接続プレート６８のない２層構造の圧電／電歪膜型アクチュエータ１１に比べて取り扱いが容易で、取り扱いに起因する不良品の発生を抑えることが出来る。更に、セラミックス基体４４の内部にキャビティ４６を高密度に配置したときに、２層構造では殆ど取扱不能となる場合においても、接続プレート６８を備える３層構造の圧電／電歪膜型アクチュエータ２１では、取り扱いが可能となる。
圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１においては、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、圧電／電歪膜７９、中間の電極膜７３、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。
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。
圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１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。
図７及び図６は、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に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ７１は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものであり、図６に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ８１は、圧電／電歪膜型アクチュエータ２１の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。３層の圧電／電歪膜７９を含む全７層に積層することによって、更に高アスペクト比な圧電／電歪素子が形成され、屈曲変位する部分に更に高い剛性が得られることにより、更に応答速度が高まり、又、更に大きな発生力が得ることが出来、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。
図８〜図２３は、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８に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１０８は、下部の電極膜７７及び圧電／電歪膜７９の幅が、キャビティ４６の幅よりも１０パーセント以上狭い、標準的な形態の圧電／電歪膜型アクチュエータである。図９に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１０９は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１０８の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図１０に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１０は、下部の電極膜７７及び圧電／電歪膜７９の幅が、キャビティ４６の幅よりも、数パーセントだけ狭い圧電／電歪膜型アクチュエータである。圧電／電歪膜型アクチュエータ１０８よりも高剛性で変位も大きいが、製造の際には、下部の電極膜の正確な位置決めが必要であり、稍、生産性に劣る。図１１に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１１は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１０の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図１２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１２は、下部の電極膜７７の幅のみがキャビティ４６の幅よりも広い圧電／電歪膜型アクチュエータである。圧電／電歪膜型アクチュエータ１１０よりも、更に高剛性であるが、変位の面では若干不利である。図１３に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１３は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１２の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図１４に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１４は、下部の電極膜７７と１層目の圧電／電歪膜７９の幅のみがキャビティ４６の幅よりも広い圧電／電歪膜型アクチュエータである。圧電／電歪膜型アクチュエータ１１２よりも、更に高剛性であるが、変位の面では若干不利である。図１５に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１５は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１４の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図１６に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１６は、下部の電極膜７７と圧電／電歪膜７９の幅のみがキャビティ４６の幅よりも広い圧電／電歪膜型アクチュエータである。圧電／電歪膜型アクチュエータ１１４よりも、更に高剛性であるが、変位の面では、更に若干不利である。図１７に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１７は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１６の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図１８に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１８は、下部の電極膜７７が隣接する電極膜とつながっていて、下部の電極のパターニングが不要の圧電／電歪膜型アクチュエータである。圧電／電歪膜型アクチュエータ１１８は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１２と、剛性及び変位がほぼ同等である。図１９に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１９は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１８の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図２０に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１２０は、下部の電極膜７７及び１層目の圧電／電歪膜７９が隣接する電極膜とつながっている圧電／電歪膜型アクチュエータである。下部の電極及び１層目の圧電／電歪膜のパターニングが不要で生産性に優れるが、隣接する圧電／電歪素子との干渉（クロストーク）は、稍大きい。又、圧電／電歪膜型アクチュエータ１１４より高剛性であるが、変位の面では若干不利である。図２１に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１２１は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１２０の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
図２２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１２２は、圧電／電歪膜７９が台形状に積み重なっており、電極膜７７の幅も上部にいくほど狭くなっている圧電／電歪膜型アクチュエータである。位置決め精度のマージンが取れることにより、多層構造を比較的容易に作り易いというメリットがある。図２３に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１２３は、圧電／電歪膜型アクチュエータ１２２の圧電／電歪素子７８が圧電／電歪膜７９を２層有するのに対して、１層増やして３層にしたものである。
上記した図８〜図２３に示す圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、セラミックス基体４４には接続プレートを備えていてもよく、接続プレートを省いた構造であっても構わない。又、セラミックス基体４４上には、通常、２以上の複数の圧電／電歪素子７８が配列される。
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。
又、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータにおいては、上記したように、セラミックス基体内に設けられるキャビティとともに、同一のセラミックス基体上に、複数の圧電／電歪素子を配列することが好ましいが、その集積密度は、なるべく高いことが好ましく、例えば、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、隣り合うアクチュエータどうしの間隔の最短距離が１０００μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは５００μｍ以下のピッチである。
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。
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。
セラミックス基体４４の薄肉厚部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。
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。
完全安定化酸化ジルコニウムならびに部分安定化酸化ジルコニウムにおいては、以下に示すとおりに安定化処理されたものが好ましい。即ち、酸化ジルコニウムを安定化せしめる化合物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、酸化カルシウム、及び酸化マグネシウムがあり、少なくともそのうちの一つの化合物を添加、含有せしめることにより、酸化ジルコニウムは部分的にあるいは完全に安定化される。その安定化は一種類の化合物の添加のみならず、それら化合物を組み合わせて添加することによっても、目的とする酸化ジルコニウムの安定化は可能である。
それぞれの化合物の添加量としては、酸化イットリウムや酸化イッテルビウムの場合にあっては、１〜３０モル％、好ましくは１．５〜１０モル％、酸化セリウムの場合にあっては、６〜５０モル％、好ましくは８〜２０モル％、酸化カルシウムや酸化マグネシウムの場合にあっては、５〜４０モル％、好ましくは５〜２０モル％とすることか望ましいが、その中でも特に酸化イットリウムを安定化剤として用いることが好ましく、その場合においては１．５〜１０モル％、更に好ましくは２〜４モル％とすることが望ましい。又、焼結助剤等の添加物としてアルミナ、シリカ、遷移金属酸化物等を０．０５〜２０ｗｔ％の範囲で添加することも好ましい。
上記した機械的強度と安定した結晶相が得られるよう、酸化ジルコニウムの平均結晶粒子径を０．０５〜３μｍ、好ましくは１μｍ以下とすることが望ましい。又、上記のようにセラミックス基体については、酸化ジルコニウムではない種々のセラミックスも用いることが出来るが、好ましくは、実質的に同一の材料を用いて構成することが、接合部の信頼性、デバイスの強度、製造の煩雑さの低減が図られるので好ましい。
次に、圧電／電歪素子について説明する。
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３に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１においては、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。少なくとも１層の圧電／電歪膜と、その上下に電極膜を備えるものであればよいが、圧電／電歪膜が２〜４層積層された、多層構造の圧電／電歪素子とすることが好ましい。
圧電／電歪素子の形式としては、従来公知の圧電／電歪素子を使用することが出来るが、より発生する変位量の安定性に優れ、軽量化に有利であることが好ましく、本例のような膜状に積層された圧電／電歪素子７８は、その点においても好適である。
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方がキャビティ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。
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。
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、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であるいは混合物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。
更に、上記材料に、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ等の酸化物等を、単独で若しくは混合して、添加したセラミックスを用いてもよい。例えば、主成分であるジルコン酸鉛とチタン酸鉛及びマグネシウムニオブ酸鉛にランタンやストロンチウムを含有させることにより、坑電界や圧電特性を調整可能となる等の利点を得られる場合がある。
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、１００μｍ以下で設計される。より好ましくは３〜３０μｍ程度である。又、圧電／電歪膜型アクチュエータの圧電／電歪素子では、複数の圧電／電歪膜を積層する場合に、徐々に薄くして形成することが好ましく、例えば、下からｎ番目の圧電／電歪膜の厚さｔ_ｎが、次式ｔ_ｎ≦ｔ_ｎ−１×０．９５を満たすように形成することが好ましい。
何故ならば、圧電／電歪膜の歪み量は、印加電界が高い程、即ち、同じ駆動電圧では、圧電／電歪膜の厚さが薄い程大きい。上部に形成される圧電／電歪膜が、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で、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からである。
図１、図２、図６、及び、図７における本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１，７１，８１に用いる圧電／電歪膜は、求められるアクチュエータ特性より、圧電定数で、｜ｄ_３１｜が５０×１０^−１２ｍ／Ｖ以上である膜が好ましい。より好ましくは、｜ｄ_３１｜が１００×１０^−１２ｍ／Ｖ以上の膜である。
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。
圧電／電歪素子における電極膜の材料選定は、圧電／電歪膜の形成方法に依存することがある。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においては、セラミックス基体４４上に下部の電極膜７７を形成した後、その電極膜７７の上に圧電／電歪膜７９を焼成により形成する場合には、電極膜７７には、その圧電／電歪膜７９の焼成温度においても変化しない白金等の高融点金属を使用する必要がある。中間の電極膜７３も同様である。しかし、圧電／電歪膜７９を形成した後に、圧電／電歪膜７９上に形成される上部の電極膜７５には、低温で電極膜形成を行うことが出来るので、アルミニウム、金、銀等の低融点金属を使用することも可能である。
電極膜の厚さは、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、特に、圧電／電歪膜焼成後に形成する場合に、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。
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。従って、例えば、図１及び図２に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ１１，２１においては、全５層からなる圧電／電歪素子７８の膜厚は、概ね２４０μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは７０μｍ以下である。
次に、本発明に係る圧電／電歪膜型アクチュエータの圧電／電歪素子に電圧を印加する端子電極を含む電極構成について、添付の図面を参照して説明する。図２４は、圧電／電歪膜型アクチュエータの実施態様を示す図であり、従来の圧電／電歪膜１層のアクチュエータと、本発明に係る圧電／電歪膜２層のアクチュエータとの大きさの差を表す、断面図及び平面図である。
先ず、従来の圧電／電歪膜１層の圧電／電歪膜型アクチュエータ２４１について説明する。圧電／電歪膜型アクチュエータ２４１は、セラミックス基体１４４と、キャビティ１４６に対応する位置に設けられた圧電／電歪素子１７８からなり、圧電／電歪素子１７８は、セラミックス基体１４４側から順に、それぞれ膜形成法によって形成される、下部の電極膜１７７、圧電／電歪膜１７９、上部の電極膜１７５からなる。下部の電極膜１７７に対して端子電極６を配置し、上部の電極膜１７５についてはセラミックス基体１４４上に下部の電極膜１７７と絶縁して設けられた補助電極７を介して端子電極８が配置されている。圧電／電歪素子１７８は、端子電極６，８を通じて電圧の印加が行われることにより駆動する。下部の電極膜１７７と上部の電極膜１７５とが通電し、圧電／電歪膜１７９に電界作用が生じ電界誘起歪みが誘起され、セラミックス基体１４４に垂直方向の屈曲変位や発生力を発現させる。
上部の電極膜１７５と端子電極８と接続に補助電極７を介する理由は、端子電極の材料にはより安価な銀が用いられ、又、上記したように上部の電極膜１７５には多くは金が用いられるため、端子電極８と上部の電極膜１７５とが接した状態で、焼成等の熱処理を施すと、接した部分の金イオンが銀の中へ拡散し消失して断線してしまうからである。そこで、補助電極７を白金製として仲介させ、上部の電極膜１７５の金イオンが、端子電極８の銀の中へ拡散し断線が生じるのを防止している。
しかしながら、上部の電極膜１７５と端子電極８とを直接接続する場合に比較して、補助電極７を中継させるため、その領域だけ圧電／電歪膜型アクチュエータ２４１の１チップ当たりの面積が大きくなってしまうという問題があった。尚、端子電極８材料を白金にすれば、補助電極７は不要となるが、白金は銀に比べ高価であり、且つ、はんだ濡れ性が悪いために好ましくない。
同じく図２４に示す、本発明に係る圧電／電歪膜２層の圧電／電歪膜型アクチュエータ２４２によれば、上記問題は、以下に示すように解決され、アクチュエータの１チップ当たりの面積はより小さく出来る。
圧電／電歪膜型アクチュエータ２４２は、セラミックス基体４４と、キャビティ４６に対応する位置に設けられた圧電／電歪素子７８からなり、圧電／電歪素子７８は、セラミックス基体４４側から順に、それぞれ膜形成法によって形成される、下部の電極膜７７、圧電／電歪膜７９、中間の電極膜７３、圧電／電歪膜７９、上部の電極膜７５からなる。圧電／電歪膜型アクチュエータ２４２においては、下部の電極膜７７及び上部の電極膜７５と、中間の電極膜７３との間に通電すれば、それぞれの圧電／電歪膜７９に電界作用が生じ電界誘起歪みが誘起され、セラミックス基体４４に垂直方向の屈曲変位や発生力を発現させることが出来る。従って、下部の電極膜７７と上部の電極膜７５とが接続され、これに導通した端子電極６が配置され、中間の電極膜７３は端子電極８と接続され、端子電極６，８を通じて電圧の印加が行われる。端子電極６と端子電極８とは、図示するように位置を揃えてもよく、又、対向して配置しても構わないが、圧電／電歪素子７８との接合の信頼性を高めるために、変位を起こすキャビティ４６上に形成せず、圧電／電歪素子７８の配置とは独立させて配置することが好ましい。
中間の電極膜７３には、要求される耐熱性から、熱処理時の金イオンの拡散による消失により断線が生じ難い材料、例えば、白金若しくはパラジウム等を使用するため、結果的に、中間の電極膜７３と端子電極８とは、補助電極なしに直接接続出来る。従って、圧電／電歪膜型アクチュエータ２４１では必要であった電極膜と端子電極との中継に要していた面積が不要となり、図２４に一例を示すように、圧電／電歪膜型アクチュエータ２４１の長手方向の幅Ｗ１に対して、圧電／電歪膜型アクチュエータ２４２の長手方向の幅Ｗ２となり、ΔＷだけ小さく出来る。
尚、この効果を最大限とするためには、従来、キャビティ４６端部から僅かに突出した位置で止めていた圧電／電歪膜７９端部をセラミックス基体４４端まで延長して形成し、その上へ引き延ばした中間の電極膜７３上に端子電極８を形成することが望ましい。この場合、圧電／電歪膜型アクチュエータ１チップを切断して切り出す際に、セラミックス基体４４上に圧電／電歪膜７９が形成された部位を切断することになるが、セラミックス基体４４と圧電／電歪膜７９との界面が強固に結合していないと、切断加工の衝撃により界面剥離が生じる恐れがある。
これに対して、対策を講じた、より好ましい形態の圧電／電歪膜型アクチュエータを図を参照しながら以下に説明する。図２５及び図２６は、圧電／電歪膜型アクチュエータの他の実施態様を示す図であり、本発明に係る圧電／電歪膜２層のアクチュエータの断面図及び平面図である。
図２５に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２５２では、セラミックス基体４４上の切断予定部位に、セラミックス基体４４と圧電／電歪膜７９を強固に結合する結合層９が形成されている。結合層９としては、例えば、白金若しくはパラジウム等の下部の電極膜７７と同等の材料、あるいは、ガラス成分を含むジルコン酸チタン酸鉛等が好適である。
又、図２６に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２６２は、圧電／電歪膜７９の材料として、セラミックス基体４４の材料と反応性の高い組成系のジルコン酸チタン酸鉛を用いてなる。但し、このとき、キャビティ４６上面において、セラミックス基体４４が圧電／電歪膜７９と反応してしまうと、圧電／電歪素子７８の変位を受けて変形するキャビティ４６の壁部の一部に強度低下が生じることになり好ましくない。従って、圧電／電歪膜型アクチュエータ２６２では、セラミックス基体４４のキャビティ４６上の全面を、下部の電極膜７７で覆って、圧電／電歪膜７９が、キャビティ４６上でセラミックス基体４４と直接接しないようにすることが好ましい。
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。
本発明のアクチュエータは、各部材の構成材料をセラミックスとし、アクチュエータの各構成要素としては、セラミックス基体に対しては、グリーンシート積層法を用いて製造することが好ましく、一方、圧電／電歪素子に対しては、薄膜、厚膜等の膜形成法を用いて製造することが好ましい。圧電／電歪膜型アクチュエータのセラミックス基体を一体的に成形することが可能なグリーンシート積層法によれば、各部材の接合部の経時的な状態変化が殆ど生じないため、接合部位の信頼性が高く、且つ、剛性確保に容易な方法である。本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータでは、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。又、本製造方法は、生産性や成形性に優れるため、所定形状のアクチュエータを短時間に、再現性よく作製することも可能である。
先ず、セラミックス積層体の製造方法について説明する。
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し、これを脱泡処理後、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により所定の厚さを有するグリーンシートを作製する。
そして、金型を用いた打ち抜き、レーザー加工等の方法により、グリーンシートを求められる種々の形状に加工する。
例えば、図３に示す圧電／電歪膜型アクチュエータ２１では、主として焼成後に閉塞プレート６６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となるグリーンシートＣが用意される。開口部７６の形状は、すべて同一である必要はなく、所望の機能に応じて決定される。又、連通用孔部７２，７４が外部空間と連通している限りにおいて、連通用孔部７２，７４の形状は特に限定されず、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を並列するように１列以上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。これらグリーンシートＡ，Ｂ，Ｃを予め用意し、基体となる少なくとも２枚のグリーンシートＡ，Ｃと、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とを使用して、例えば、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調製すればよい。勿論、グリーンシート積層体の調製方法、詳細には、グリーンシートＡ，Ｃと、前記少なくとも１個の孔部が形成されたグリーンシートＢとの積層順序には、特に制限がなく、通常は、積層体が後工程に影響を与えない限り、任意の順序で積層可能である。
例えば、グリーンシートＡ，Ｂ，Ｃを順次重ね合わせた後に、圧着によりセラミックグリーン積層体を得る方法でもよく、又、グリーンシートＡ，Ｂを重ね合わせ、圧着により一体化物を得た後に、この一体化物にグリーンシートＣを重ね合わせ、圧着によりグリーンシート積層体を得る方法でもよい。圧着は熱を加えることで、積層性を向上させることも有利に採用出来る。又、セラミックス粉末、バインダを主体としたペースト、スラリー等をグリーンシート上に塗布、印刷し、接合補助層とすることで、グリーンシート界面の積層性を向上出来るので望ましい。上記したセラミックス粉末は、好ましくは、グリーンシートに使用されたセラミックスと同一又は類似した組成が信頼性確保の点で望ましい。
これらはあくまでも例示として示したもので、本発明の製造方法のすべてを示したものではなく、例えば、積層数が４以上の場合においても、圧着回数や順序は特に限定されず、グリーンシート積層体を用意する方法は、これらに限定されるものではない。
得られた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。グリーンシート積層体は、１２００〜１６００℃程度の温度で焼成されるが、その焼成によって得られたセラミックス積層体が、意図しない反りを有したものとなる場合がある。その場合には、前記焼成温度と近い温度で、重しを載せて再焼成（以下、反り修正ともいう）して平坦化することが好ましい。この反り修正にあたっては、平坦なアルミナ等の多孔質なセラミック板を重しとして使用することが好ましい。又、反り修正においては、焼成に引き続いた形で実施する他、焼成時に重しを予め載せて、焼成と同時に平坦化する方法も好ましい。
尚、グリーンシート積層体を焼成せずに、後述する膜形成法によってグリーンシート積層体上に圧電／電歪素子を形成して、その後に焼成する手順であっても構わない。しかしながら、圧電／電歪素子を形成する前に、予め焼結してセラミックス積層体としておいた方が、より寸法精度が高まり、圧電／電歪素子の反りを抑えることが出来るため、好ましい。
続いて、圧電／電歪素子の製造方法について説明する。
本発明の製造方法においては、セラミックス積層体の表面にスクリーン印刷法、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）、メッキ等の薄膜法により圧電／電歪素子を形成することが出来る。そして、上記した膜形成法が１層当たり１回だけでなく複数回施されて、圧電／電歪素子を構成する圧電／電歪膜及び電極膜を形成することも好ましい。
こうして圧電／電歪素子を膜形成法によって形成することにより、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、信頼性、再現性を確保し、集積化を容易とすることが出来る。但し、本発明の製造方法においては、圧電／電歪膜は、厚膜形成法により形成することが好ましい。これらの手法によれば、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電セラミック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／電歪膜を形成することが出来、良好な作動特性が得られるからである。
特に、電気泳動堆積法は、膜を高い密度で、且つ、高い形状精度で形成出来るという利点があり、圧電／電歪膜の形成には好適である。又、技術文献「「ＤＥＮＫＩ ＫＡＧＡＫＵ」、５３、Ｎｏ．１（１９８５）Ｐ６３〜Ｐ６８、安斎和夫著」に記載されているような特徴を有するので、要求精度や信頼性等を考慮して、適宜、手法を選択して用いるとよい。電気泳動堆積法における好ましい条件として、例えば、特開平６−６３９１４号公報に開示されている、電気泳動させる対象であるスラリーを調製するのに、リン酸エステル系界面活性剤を添加した溶媒にセラミックスの原料粒子を分散させ固形分濃度の高いスラリーを得る方法が知られている。このようなスラリーを用いた電気泳動堆積法によれば、高い電圧でなくとも膜を形成することが出来、より低コストで製造出来る。
又、一方、スクリーン印刷法は、膜形成とパターン形成とを同時に出来るため、やはり本発明の製造方法として好ましく採用される。
本発明においては、圧電／電歪素子のうち、圧電／電歪膜の形成手法として、例えば、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といった方法も好適に用いられる。
より具体的には、図２に示す本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータ２１により説明すれば、グリーンシート積層体を所定条件、好ましくは、１２００℃〜１６００℃の温度で焼成した後に、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、好ましくは１２５０℃〜１４５０℃の温度で焼成し、次いで、圧電／電歪膜７９を印刷し、更に、中間の電極７３を印刷してから、好ましくは次に印刷する圧電／電歪膜７９の焼成温度より０℃〜３００℃低い温度で焼成して、又、更に、圧電／電歪膜７９を印刷し、好ましくは１１００℃〜１３５０℃の温度で焼成し、上部の電極７５を印刷し、好ましくは５００℃〜９００℃の温度で焼成して圧電／電歪素子７８を形成することが出来る。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、焼成すればよい。
尚、最初の（下部の）圧電／電歪膜７９の印刷〜中間の電極７３の印刷〜焼成の間を繰り返す繰り返し工程をｍ回行うことによって、圧電／電歪膜型アクチュエータ２１が２層の圧電／電歪膜７９を有するのに対して、ｍ＋１層の圧電／電歪膜７９を有する圧電／電歪膜型アクチュエータを形成することも可能である。このとき、中間の電極７３の印刷後の焼成温度Ｔｍ１は、繰り返し工程を終えた後に、最後に（上部に）形成される圧電／電歪膜７９の焼成温度Ｔｍ２より０℃〜３００℃低い温度であることが好ましい。
これは、最後に（上部に）形成された圧電／電歪膜７９が焼成温度Ｔｍ２で１回だけ焼成されるのに対し、中間に形成したの圧電／電歪膜７９は焼成温度Ｔｍ１で何回か焼成された後に焼成温度Ｔｍ２で１回焼成されるので、焼成温度Ｔｍ１を焼成温度Ｔｍ２より低い温度にすることによって、各圧電／電歪膜の焼成度合いを揃えることが出来るからである。
尚、図８において、このようにして得られる本発明の圧電／電歪膜型アクチュエーターの一実施態様において、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図を模式的に示している。特に、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ー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、具体的には図２７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。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２８の如く閉塞プレート１６６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。
尚、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１６６の形状を調整することにより、図２９の如く閉塞プレート１６６がＷ字形状とすることが出来るが、このような形状は、図２８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。
又、ｎ（ｎ≧２）回目に形成される圧電／電歪膜の厚さｔ_ｎが、次式、
ｔ_ｎ≦ｔ_ｎ−１×０．９５
を満たす厚さとすることも好ましい。
このように、徐々に薄い圧電／電歪膜を形成しながら積層することによって、上部に形成される圧電／電歪膜の方が、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からである。
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３０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３０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。
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３１、図３２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３１においてＷＥ１，ＷＥ３＜ＷＥ２、図３２においてＷＥ２＜ＷＥ１，ＷＥ３）。これは、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持つ。
又、適当な材料を選択することにより、圧電／電歪素子の各電極膜及び圧電／電歪膜と電極リードを逐次印刷した後に、１回で一体焼成することも可能であり、一方、圧電／電歪膜を形成した後に低温で各電極等を設けることも出来る。材料を選択することによって、圧電／電歪膜又は／及び電極膜の焼成は、最初の電極膜を形成した後から、最後の電極膜を形成した後の間において、上記に記載した例によらず任意のときに所望の回数行うことが可能である。
又、グリーンシート積層体に、予め圧電／電歪素子を形成しておき、グリーンシート積層体と圧電／電歪素子とを同時焼成することも好ましい。同時焼成にあたっては、圧電／電歪素子の全構成膜と行うことでもよく、又、下部の電極とグリーンシート積層体のみを同時焼成する方法や、あるいは、上部の電極を除く他の構成膜とグリーンシート積層体とを同時焼成する方法等、種々の方法が挙げられる。圧電／電歪素子とグリーンシート積層体とを同時焼成する方法としては、金型を用いたプレス成形法、あるいは、スラリー原料を用いたテープ成形法等によって圧電／電歪膜を成形し、この焼成前の圧電／電歪膜をグリーンシート積層体に熱圧着等で積層し、同時に焼成してセラミックス基体と圧電／電歪膜とを同時に作製する方法が挙げられる。但し、この方法においては、上記した膜形成法を用いて、圧電／電歪膜に予め電極を形成しておく必要がある。又、グリーンシート積層体にスクリーン印刷により圧電／電歪素子の各構成層である電極及び圧電／電歪膜を形成し、同時に焼成することも出来る。
圧電／電歪膜の焼成温度は、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℃であり、好ましくは１１００℃〜１３５０℃である。この場合、圧電／電歪膜の組成を制御するために、圧電／電歪膜の材料の蒸発源の存在下に焼結することが好ましい。尚、圧電／電歪膜とグリーンシート積層体を同時焼成する場合には、両者の焼成条件を統一することが必要である。
尚、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータは、上記したグリーンシートを用いた作製方法の他に、成形型を用いた加圧成形法や鋳込成形法、射出成形法やフォトリソグラフィ等を用いて作製することも可能である。又、別体として準備された各構成要素たる部材を接合して作製する方法も可能であるが、生産性が低いことに加えて、接合部における破損等の問題が生じ易いことから信頼性の面でも問題がある。
産業上の利用可能性
本発明によれば、従来の圧電／電歪アクチュエータの問題点を解決することが出来る。即ち、接着剤を用いて積層した構造を持たず、容易に高集積化が可能であり、同一駆動電圧で、より大きな変位が得られ、応答速度が速く、発生力が大きい、優れた圧電／電歪膜型アクチュエータが提供される。
この圧電／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出来る。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一の実施態様を示す断面図である。
図２は、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。
図４は、従来のアクチュエータの他の一例を示す断面図である。
図５は、従来のアクチュエータの他の一例を示す図で、図４のＡＡ’断面図である。
図６は、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は、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８は、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は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１０は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１１は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１２は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１３は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１４は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１５は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１６は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１７は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１８は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図１９は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図２０は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図２１は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図２２は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図２３は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図２４は、圧電／電歪膜型アクチュエータの実施態様を示す図であり、従来の圧電／電歪膜１層のアクチュエータと、本発明に係る圧電／電歪膜２層のアクチュエータの、断面図及び平面図である。
図２５は、圧電／電歪膜型アクチュエータの他の一実施態様を示す図であり、本発明に係る圧電／電歪膜２層のアクチュエータの、断面図及び平面図である。
図２６は、圧電／電歪膜型アクチュエータの更に他の一実施態様を示す図であり、本発明に係る圧電／電歪膜２層のアクチュエータの、断面図及び平面図である。
図２７は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一実施例を示す図であり、図８に相当する実施態様の実際の一形状例を示す断面図である。
図２８は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一実施例を示す図であり、図８に相当する実施態様の実際の他の形状例を示す断面図である。
図２９は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一実施例を示す図であり、図８に相当する実施態様の実際の更に他の形状例を示す断面図である。
図３０は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一実施例を示す図であり、実際の形状例を示す圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図３１は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一実施例を示す図であり、実際の他の形状例を示す圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。
図３２は、本発明の圧電／電歪膜型アクチュエータの一実施例を示す図であり、実際の更に他の形状例を示す圧電／電歪膜の短手方向から見た断面図である。

Claims (18)

1. 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／電歪膜と電極膜とからなる圧電／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／電歪素子が前記キャビティの壁部の一部を変形させて、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てなり、前記圧電／電歪膜を複数層有し、短手方向のパターン端に近づくに従い前記圧電／電歪膜の膜厚が薄くなるとともに、
   前記圧電／電歪素子において、下からｎ番目の前記圧電／電歪膜の厚さｔ _n が、次式
   ｔ _n ≦ｔ _n-1 ×０．９５
   を満たす圧電／電歪膜型アクチュエータ。
2. 前記圧電／電歪素子が、前記圧電／電歪膜を２乃至４層有する請求項１に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
3. 前記圧電／電歪膜の１層当たりの厚さが、３０μｍ以下である請求項１又は２に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
4. 前記圧電／電歪膜の少なくとも一層が、電気泳動堆積法により形成される請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
5. ２以上の複数の前記圧電／電歪素子が、同一の前記セラミックス基体上に配列されてなる請求項１〜４の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
6. 前記セラミックス基体が、複数層の薄板を集成してなる請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
7. 前記セラミックス基体が、２乃至３層の薄板を集成してなる請求項６に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
8. 前記セラミックス基体の薄肉厚部の厚さが、５０μｍ以下である請求項６又は７に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
9. 前記セラミックス基体が、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、窒化珪素の何れかを主成分とする材料からなる請求項１〜８の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
10. 前記セラミックス基体が、部分安定化酸化ジルコニウム若しくは完全安定化酸化ジルコニウムの何れかを主成分とする材料からなる請求項１〜８の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
11. 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使用される請求項１〜１０の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
12. 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／電歪膜と電極膜とからなる圧電／電歪素子とからなり、
    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／電歪素子が前記キャビティの壁部の一部を変形させて、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であって、
    基体となる少なくとも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、からなる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て、
    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電極膜（Ａ）を形成した後に、
    前記電極膜（Ａ）の上に膜形成法により圧電／電歪膜（Ａ）を短手方向のパターン端に近づくに従い膜厚が薄くなるように形成し、更に、前記圧電／電歪膜（Ａ）の上に膜形成法により電極膜（Ｂ）を形成し、この圧電／電歪膜（Ａ）の形成及び電極膜（Ｂ）の形成を、１回若しくは複数回繰り返し行った後に、
    前記電極膜（Ｂ）の上に膜形成法により圧電／電歪膜（Ｂ）を短手方向のパターン端に近づくに従い膜厚が薄くなるように形成し、更に、前記圧電／電歪膜（Ｂ）の上に膜形成法により電極膜（Ｃ）を形成し、
    圧電／電歪膜又は／及び電極膜の焼成が、前記電極膜（Ａ）を形成した後から、前記電極膜（Ｃ）を形成した後の間において、任意のときに所望の回数行われる方法によって作製されるものであり、
    ｎ回目に形成される圧電／電歪膜の厚さｔ _n が、次式
    ｔ _n ≦ｔ _n-1 ×０．９５
    を満たす圧電／電歪膜型アクチュエータ。
13. 前記電極膜（Ｂ）形成後に焼成温度Ｔｍ１（℃）で焼成され、前記圧電／電歪膜（Ｂ）形成後に焼成温度Ｔｍ２（℃）で焼成される場合において、次式
    ０≦Ｔｍ２−Ｔｍ１≦３００
    を満たす請求項１２に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
14. 前記圧電／電歪膜及び電極膜が、１層当たり複数回の前記膜形成法が施されて形成される請求項１２又は１３に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
15. 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種の厚膜形成法が用いられる請求項１２〜１４の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
16. 前記圧電／電歪膜の膜形成法として、初回にスクリーン印刷法が用いられ、２回目以降は電気泳動堆積法が用いられる請求項１２〜１５の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
17. 前記少なくとも１個の孔部が形成されたグリーンシートが、２乃至３枚積層される請求項１２に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。
18. 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使用される請求項１２〜１７の何れか一項に記載の圧電／電歪膜型アクチュエータ。

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