JP4428945B2

JP4428945B2 - 圧電アクチュエータの評価方法及び液滴吐出装置の製造方法

Info

Publication number: JP4428945B2
Application number: JP2003183600A
Authority: JP
Inventors: 誠東別府
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005019757A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電変位素子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、燃料噴射用インクジェクター、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、超音波モーター、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、厚み縦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体アクチュエータの評価方法及び液滴吐出装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
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（発信子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等がある。
【０００３】
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】
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば、図８（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ５１が、流路部材５３の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。流路部材５３は、複数のインク加圧室５３ａが隔壁５３ｂによって仕切られ、インク加圧室５３ａは圧電アクチュエータ５１に当接するように並設されている。
【０００５】
圧電アクチュエータ５１は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板５５上に圧電セラミック層５４が設けられ、圧電セラミック層５４の上に表面電極５６（個別電極を含む）が設けられている。表面電極５６は、図８（ｂ）に示したように、圧電セラミック層５４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部５７が形成されたものである。この圧電アクチュエータ５１はインク加圧室５３ａの直上に表面電極５６が位置するようにして流路部材５３上に配置されている。
【０００６】
そして、上記のような印刷ヘッドでは、共通電極５５と所定の表面電極５６との間に電圧を印加して該表面電極５６直下の圧電セラミック層５４を変位させることにより、インク加圧室５３ａ内のインクを加圧して、流路部材５３の底面に開口したインク吐出口５８よりインク滴の吐出が行われる。
【０００７】
また、このような印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータの変位量を評価する場合には、まず、複数の変位素子を有する圧電アクチュエータを支持部材に接着し、この圧電アクチュエータの電極部と支持基板の配線パターンとを導電性接着剤等で電気的に接続する。その後、個々の圧電素子に一定の電圧を印加して、各変位素子の変位量を測定することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報図１
【０００９】
【特許文献２】
特開２００３−３９６５７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載の評価方法では、圧電アクチュエータを支持部材に接合してから圧電アクチュエータの不良の判別を行うため、製造工数が増えるとともに、不良が発生した時には支持部材自体や圧電アクチュエータを支持部材に接合する工程が無駄になりコスト上昇の大きな要因となっていた。
【００１１】
また、径方向振動モードｄ_３１を利用した変位素子が基板表面に複数並んだ圧電アクチュエータの場合には、支持部材を接合しないで変位量を評価すると、隣接する変位素子が振動の干渉を起こして、電圧を印加していないのに変位してしまい正確な変位量の測定が困難であるという問題があった。
【００１２】
従って、本発明は、支持部材に接合しなくても、簡便な方法で正確な測定の可能な圧電アクチュエータの評価方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧電アクチュエータの自己分極Pと圧電定数又は変位量とに相関関係があることを知見し、自発分極Ｐを測定することによって、その値から圧電特性を算出するか又は予測して圧電アクチュエータの圧電特性及びその分布情報を得るものであり、これにより支持部材に接合しなくても、簡便な方法で正確な測定を可能とすることを見いだし、本発明に至った。
【００１４】
即ち、本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータの評価方法であって、該圧電アクチュエータを、前記変位素子が非拘束部となり、前記変位素子以外の部位が拘束部となるように保持部材に固定し、非拘束部となっている前記変位素子について、圧電定数ｋ３１を測定することにより、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定し、前記変位素子の圧電定数ｄ３１を評価することを特徴とするものである。
【００１５】
従来技術では支持部材を接合してから変位を測定もしくは圧電定数を測定していたのに対し、個々の変位素子について、圧電定数ｋ３１を測定することにより、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定し、径方向振動モードを利用した変位素子を複数個有する圧電アクチュエータを評価する場合においても、振動の干渉を抑制し、支持部材への接合無しで、かつ圧電素子を切断することなく、個々の変位素子の圧電特性を精度良く簡便に測定することが可能となる。これにより圧電アクチュエータの不良判別を迅速に且つ正確に行うことができ、また、そのプロセスを簡略化し、低コスト化に寄与することが可能となる。
【００１６】
また、この評価方法は、圧電アクチュエータが振動板上に、共通電極、圧電セラミック層及び複数の個別電極が順次形成され、前記共通電極、前記個別電極および共通電極と個別電極とで挟持された圧電セラミック層により前記変位素子が形成されたものに好適である。本発明は、このような構成を有する圧電アクチュエータであっても支持部材に接合することなく、より簡便に圧電特性を評価することが容易となる。
【００１７】
さらに、圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下に薄層化された焼結磁器であっても、容易且つ迅速に、しかも確実に測定評価を行うことができる。
【００１９】
なお固定する場合には、圧電アクチュエータを、真空チャックを用いて固定することが好ましい。また、圧電アクチュエータを、保持部材を介して固定することが好ましい。これにより、圧電アクチュエータを簡便に且つ容易に脱着でき、しかも薄いアクチュエータであっても安全に保持することが可能となる。
【００２０】
本発明の液滴吐出装置の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの評価方法で評価した圧電アクチュエータを、前記複数の変位素子が非拘束部となるように流路部材に固定することを特徴とするものである。圧電アクチュエータの評価方法によって圧電定数を評価して不良品を排除すれば、簡便でしかも短時間で正確な測定を行えることから、工程を簡略化でき、製造コストを低減し、歩留りの向上を図ることができる。製造する液滴吐出装置は、特に印刷ヘッドであることが好ましく、この製造方法をインクジェット方式のプリンタ、印刷機等に好適に適応することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は、複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータの評価方法に関するものである。例えば、図１に示したように、振動板３の上に複数の変位素子７が形成されている圧電アクチュエータを評価するものである。このような圧電アクチュエータの構造の一例を図２に示した。
【００２２】
本発明の圧電アクチュエータ１１は、振動板１３上に、内部電極１５、圧電セラミック層１４、及び複数の表面電極１６が、この順に積層され構成されている。変位素子１７は表面電極１６と内部電極１５とで挟持された圧電セラミック層１４とから構成されるものである。
【００２３】
このような変位素子１７の大きさは、例えば、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの振動板１３の上に、２個以上、特に５０個以上、更には１００個以上、より好適には２００個以上集積されており、これらの変位特性とそのばらつきを精度良く、しかも簡便な方法によって評価することが必要となっている。
【００２４】
本発明によれば、圧電アクチュエータ１１の厚みが１００μｍ以下、特に８０μｍ以下、更には６０μｍ以下であることが好ましい。このような薄層の圧電アクチュエータ１１であっても容易に評価することができ、しかも迅速に評価することができる。さらに破壊や欠損もなく正確な測定評価を行うことができる。
【００２５】
なお、本発明のアクチュエータの評価方法は、前記した単層品に限定されるものではなく、共通電極と個別電極が複数ずつ繰り返し積層された積層体からなっていても、本発明を好適に適応することが可能である。例えば、図３に示したように、圧電アクチュエータ２１は、圧電セラミック層２４の内部又は表面に複数の電極が設けられ、共通電極２５と個別電極２６とが交互に設けられている。また、厚み方向に対して同じ位置に配置された個別電極２６は、お互いに電気的に接続され、共通電極２５と個別電極２６とこれらの電極に挟持された圧電セラミック層２４とで変位素子２７が形成されている。
【００２６】
従って、厚み方向に対して同じ位置に配置された個別電極２６はすべて同電位となり、また、共通電極２５も全てが電気的に連結されて同電位となるとともに、共通電極２５と個別電極２６との間で変位が生じ、複数の層が変位するため、変位量が助長され、大きな変位を発生することができる。このような圧電アクチュエータも、本発明の評価方法を好適に適応することが可能である。
【００２７】
次に、圧電アクチュエータの保持方法については、基板や治具の上に載置しても良いし、或いは、クランプ等により機械的に保持しても良いが、特に、真空チャックを用いて圧電アクチュエータを固定することが好ましい。真空チャックを用いれば、圧電アクチュエータの脱着が容易で、しかも吸着力を制御すれば薄い圧電アクチュエータであっても破壊することが少なく歩留りを高め、その結果コスト削減に寄与することが容易となる。
【００２８】
なお、真空チャックとは、圧電アクチュエータの一方の主面を減圧にして、その際の吸引力によって圧電アクチュエータを保持するものである。
【００２９】
また、圧電アクチュエータは、測定に先立って固定される際に、保持部材を用いて固定されるのが好ましい。例えば、図４に示したように、減圧容器１２３の試料固定部１２４と真空ポンプに連結された排気管（図示せず）に接続された真空排気口１２５を通して減圧容器１２３の内部が減圧状態になる。従って、圧電アクチュエータ１２１、保持部材１２２を減圧容器１２３の試料固定部１２４の上に載置すると、保持部材１２２に設けられた吸引孔１２８を介して圧電アクチュエータ１２１の一部が吸引され、その吸引力で圧電アクチュエータ１２１が保持される。
【００３０】
保持部材１２２に設けられた吸引孔１２８は、表面電極１２６（個別電極を含む）又は変位素子１２７を囲うようにして変位素子１２７の外周部を固定するものであり、保持部材１２２に設けられた振動溝１２９によって変位素子１２７が自由に変位することができるようになっている。
【００３１】
このように、圧電アクチュエータ１２１の保持には、圧電アクチュエータ１２１を拘束し、且つ圧電アクチュエータ１２１に設けられた変位素子１２７の変位を可能にすることが好ましく、複数の変位素子１２７のうち、一部の変位素子１２７の外周部を個々に拘束することができる手段を備えることが望ましい。
【００３２】
また、本発明における保持方法は、上述したように、変位素子１２７を非拘束部とし、変位素子１２７以外の部位を拘束部となるように保持部材によって圧電アクチュエータ１２１を固定することが好ましい。これにより、実際に流路部材に接着剤等で固定した時と同じ状態を再現することができ、さらに正確な測定が期待できる。例えば、１００μｍ以下の薄い圧電アクチュエータ１２１は、割れを防止するために、特定の保持具に固定するのが良い。
【００３３】
また、保持部材１２２として、複数の吸引孔及び／又は溝を備えた保持板を用い、その上に圧電アクチュエータを載置した状態で保持するのが良い。このような保持部材１２２は、印刷ヘッドに用いる流路部材と類似の材質や類似の形状及び大きさを有していることが、印刷ヘッドとして使用する状態を再現することによって、より正確な評価を行う上で好ましい。
【００３４】
そして、上述したように、隣接点との干渉を抑制するために、個々の変位素子１２７の外周部を固定することが好ましい。全ての変位素子１２７を測定しない場合であっても、測定する変位素子１２７の外周部を固定させ、振動させることが、より正確な評価のために必要であり、更に全ての変位素子１２７を外周部で固定させることが望ましい。
【００３５】
例えば、変位素子１２７の外周部に保持部材１２２の複数の吸引孔１２８が配置するように、圧電アクチュエータを保持部材に載置し、減圧して保持することができる。これは、いわゆる真空チャックであり、多数の変位素子１２７をその外周部で同時に保持することが容易であり、その結果、隣接する変位素子１２７との干渉を抑制でき、変位特性をより精度良く評価することが可能となる。
【００３６】
このような多数の変位素子１２７が設けられた構造に対しては、本発明の評価方法を用いることによって短時間で、正確な評価を行うことが可能となり、特に測定する変位素子１２７の数が多いほどその効果が大きい。
【００３７】
そして、本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、複数の変位素子のＤ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定し、その値から圧電特性を評価するものである。
【００３８】
具体的には、測定する変位素子の圧電特性として、ソーヤタワー回路を用いて所定の電圧を印加したときの自発分極Ｐを測定する。本発明によれば、駆動に利用している圧電アクチュエータの振動モードは径方向振動であるので本来、圧電定数としてはｄ_３１で評価すべきであるが上述したように同一基板内に複数の変位素子を有する場合、隣接する素子の振動干渉でｄ_３１を正確に評価することが困難であるため、種々の評価手法に関して検討した結果、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線より算出した自発分極Ｐと径方向振動モードにおける圧電定数は密接な関連があることを見出した。
【００３９】
図５は、本発明の圧電アクチュエータを構成する変位素子のＤ−Ｅヒステリシス曲線である。即ち、電圧Ｖ（Ｅ）に対する自発分極Ｐ（Ｄ）の関係を示すものである。図６はｋ３１と自発分極Ｐとの関係を示したものであり、両者には直線関係がある。ｋ３１とは、分極方向に対して垂直方向の電気機械結合係数をいう。従って、予め、これらを比較して校正曲線を作成しておけば、自発分極Ｐを測定することによって製品としての圧電アクチュエータのｄ３１を簡便に且つ正確に評価することができる。尚、ｄ３１＝ｋ３１（ε_３３ ^Ｔ・Ｓ_１１ ^Ｅ）^１／２で表されることから、自発分極Ｐを測定することによってｄ３１を評価することができる。
【００４０】
測定方法に関しては、図７に示すように、圧電アクチュエータ１５１を保持装置１５２に固定し、圧電アクチュエータ１５１の個々の変位素子に正極、負極を設け、自発分極測定装置１５４を用いて圧電アクチュエータの両極にそれぞれ触診用プローブ１５３のプローブ端子を接続する。また、所望により、端子の接続を確認するため、ＣＣＤカメラ１５５による映像をモニタ１５６で確認しながら作業を行うことができる。
【００４１】
この操作は、単独の変位素子についての測定であっても良いし、複数の変位素子についての測定であっても良い。例えば、複数の変位素子に対して、それぞれ電気的に接続し、同時に、或いは順次これらの変位素子についてＤ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定すれば良い。
【００４２】
このように、平面上に複数の変位素子が形成されている場合、特に、支持部材に接合しなくても、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定することによって圧電特性を評価することが容易にできる。
【００４３】
本発明の液滴吐出装置の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの評価方法によって評価した圧電定数に基づいて不良品を排除し、しかる後に良品である圧電アクチュエータのみを流路部材に接着し、固定することが重要である。この製造方法は、特に印刷ヘッドの製造方法として好適である。即ち、圧電アクチュエータを流路部材に接着する前に、圧電アクチュエータの個々の変位素子の圧電特性のバラツキ、異常素子を検査確認できるため、圧電アクチュエータ単体での性能を保証することが可能となるとともに部材コストの低減を図ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータの評価方法であって、該圧電アクチュエータを、前記変位素子が非拘束部となり、前記変位素子以外の部位が拘束部となるように保持部材に固定し、非拘束部となっている前記変位素子について、圧電定数ｋ３１を測定することにより、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定し、前記変位素子の圧電定数ｄ３１を評価するものである。これにより、圧電アクチュエータを製品となるように流路部材に接合することなく、また、圧電アクチュエータを切断することなく、簡便な方法によって、個々の圧電素子のＤ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定することによって、変位や圧電定数ｄ３１を精度よく評価することが可能となり、また、本発明の液滴吐出装置の製造方法を用いると、圧電アクチュエータの不良の判別後に流路部材と圧電アクチュエータを接着するので、不良を低減し、コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの評価方法の対象となる圧電アクチュエータの側面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの評価方法の対象となる圧電アクチュエータの構造を示すための断面図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータの評価方法の対象となる他の圧電アクチュエータの構造を示すための断面図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータの固定方法を示すための斜視図である。
【図５】本発明の圧電アクチュエータにおける電圧Ｖと自発分極Ｐの関係を示したものである。
【図６】本発明の圧電アクチュエータにおけるｋ３１と自発分極Ｐの関係を示したものである。
【図７】本発明の圧電アクチュエータの自発分極Ｐの測定ブロック図を示したものである。
【図８】従来の印刷ヘッドの構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、１２１・・・圧電アクチュエータ
３、１３・・・・・・・・・・振動板
７、１７、２７、１２７・・・変位素子
１４、２４・・・・・・・・・圧電セラミック層
１５、２５・・・・・・・・・共通電極
１６、２６、１２６・・・・・個別電極

Claims

複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータの評価方法であって、該圧電アクチュエータを、前記変位素子が非拘束部となり、前記変位素子以外の部位が拘束部となるように保持部材に固定し、非拘束部となっている前記変位素子について、圧電定数ｋ３１を測定することにより、Ｄ−Ｅヒステリシス曲線における自発分極Ｐを測定し、前記変位素子の圧電定数ｄ３１を評価することを特徴とする圧電アクチュエータの評価方法。
前記圧電アクチュエータとして、振動板上に、共通電極、圧電セラミック層及び複数の個別電極が順次形成され、前記共通電極、前記個別電極および前記共通電極と前記個別電極とで挟持された前記圧電セラミック層により前記変位素子が形成されている圧電アクチュエータを用いることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータの評価方法。
前記圧電アクチュエータとして、厚みが１００μｍ以下の圧電アクチュエータを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータの評価方法。
前記圧電アクチュエータを、真空チャックを用いて前記保持部材に固定して測定す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アクチュエータの評価方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの評価方法で評価した圧電アクチュエータを、前記複数の変位素子が非拘束部となるように流路部材に固定することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。