JP4551061B2

JP4551061B2 - Piezoelectric displacement element and piezoelectric actuator

Info

Publication number: JP4551061B2
Application number: JP2003096622A
Authority: JP
Inventors: 喜裕由宇; 昌一川原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004304028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電変位素子およ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、厚み立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変位素子および圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、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６に示すように、複数のインク流路３３ａが並設され、各インク流路３３ａを仕切る壁として隔壁３３ｂを形成した流路部材３３の上に圧電アクチュエータ３４が設けられた構造を有する（特許文献１参照）。
【０００５】
圧電アクチュエータ３４は、振動板の役割を兼ねた導電性の共通電極３６上に、圧電セラミック層３５および表面電極３７がこの順に積層され、表面電極３７が圧電セラミック層３５の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位素子３８が形成されたものである。この圧電アクチュエータ３４は、インク流路３３ａの上に表面電極３７が位置するようにして流路部材３３上に積層されている。
【０００６】
上記のような印刷ヘッドは、共通電極３６と所定の表面電極３７との間に電圧を印加して該表面電極３７直下の圧電セラミック層３５を変位させることにより、インク流路３３ａ内のインクを加圧して、流路部材３３の底面に開口したインク吐出口３３ｃよりインク滴を吐出する。
【０００７】
このような圧電アクチュエータは、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主結晶相とする圧電セラミックスを用いることにより、圧電歪特性、キュリー温度、耐熱性、耐久性、変位ヒステリシスおよび電圧印加に伴う発生変位の温度変化率の面で優れた圧電体を実現できることが特許文献２に開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には、銀を主成分とし、白金およびパラジウムを含まない電極と、ａＰｂＮｉ_1/3Ｎｂ_2/3Ｏ₂−ｂＰｂＴｉＯ₃−ｃＰｂＺｒＯ₃を主成分とし、厚みが６０μｍ以上の圧電セラミック層からなるセラミック圧電素子が開示されている。このセラミック圧電素子は、安価に製造でき、圧電特性に優れているとされている。また、電極から圧電セラミック層中に銀を粒界拡散させて、該圧電セラミック層に０．００１〜０．１重量％のＡｇを含有させることにより、断線等のない信頼性の高い圧電変位素子を得ることができるとされている。
【０００９】
さらに、特許文献４には、主相と低融点粒界相からなるセラミックスとＡｇを含有する導体からなる内部電極とを有する電子部品が開示されている。この電子部品では、上記セラミックスの粒界相中に存在するＡｇまたはＡｇ酸化物のＡｇに換算した量が、粒界相の金属元素の総和に対して０．５重量％以下である。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報図１
【特許文献２】
特開平７−３１５９２３号公報
【特許文献３】
特開２００１−３０８４０２号公報
【特許文献４】
特開平１１−１７１６４５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年では、機器が小型化、薄型化する傾向にあり、圧電セラミック層も厚さ５０μｍ以下の薄型が要望されている。しかしながら、引用文献３に記載のセラミック圧電素子において、焼成前のテープ（グリーンシート）の厚みが６０μｍ以下で、焼成後の厚みが５０μｍ以下という薄い圧電セラミック層の積層体を用いた場合、圧電特性が低下するという問題があった。例えば、厚みが１１μｍ程度の圧電セラミック層では圧電特性が著しく低下する。
【００１２】
また、引用文献４に記載の電子部品は、Ａｇが粒界相に存在するため、圧電セラミックスの強度が低下するという問題があった。
【００１３】
従って、本発明は、圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下と薄いにもかかわらず、圧電特性に優れ、強度の高い圧電変位素子および圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねる過程で、Ａｇを含有する電極と圧電セラミック層との同時焼成時に圧電セラミック層中へＡｇが拡散すること、およびこの拡散したＡｇは、電極と圧電セラミック層との界面に多く存在するが、この界面から圧電セラミック層の厚さ方向に遠ざかるほど含有量が低下することに着目し、Ａｇの拡散と圧電特性との関係を調べた結果、圧電セラミック層の厚さが薄くなるほどＡｇの拡散の影響が大きくなり、特に５０μｍ以下の薄い圧電セラミック層では、圧電セラミック層中のＡｇ含有量が増大して圧電特性が著しく低下するという事実を見出した。従って、厚さ５０μｍ以下の薄い圧電セラミック層において高い圧電特性を得るためには、圧電セラミック層中のＡｇ含有量を少なくすることが重要であるという知見を得、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明の圧電変位素子は、以下の構成からなる。
(1) ジルコン酸チタン酸鉛を主結晶相とする圧電セラミック層と、この圧電セラミック層の両面に配置され少なくとも一方がＡｇを含有した一対の電極とを備えた圧電変位素子であって、前記圧電セラミック層中の主結晶相にＡｇが固溶し、前記圧電セラミック層の厚みをＷ（μｍ）、該圧電セラミック層の中心部におけるＡｇの含有量をＧ（質量％）とするときに、３≦Ｗ≦５０、Ｇ≦０．０６Ｗの関係を満足することを特徴とする圧電変位素子。
(2) 前記主結晶相が、３価以上の価数を有する元素を含む(1)記載の圧電変位素子。
(3) Ａｇを含む前記電極が、Ａｇを９０体積％以上含み、残部がパラジウムからなる(1)または(2)記載の圧電変位素子。
【００１６】
前記(1)〜(3)の圧電変位素子は、特にインクジェット記録ヘッドなどに用いられる圧電アクチュエータに好適である。すなわち、本発明の圧電アクチュエータは以下の構成からなる。
(4) 振動板上に、共通電極、ジルコン酸チタン酸鉛を主結晶相とする圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層され、前記表面電極が圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記共通電極および／または表面電極がＡｇを含有し、前記圧電セラミック層中の主結晶相にＡｇが固溶し、前記圧電セラミック層の厚みをＷ（μｍ）、該圧電セラミック層の中心部におけるＡｇの含有量をＧ（質量％）とするときに、３≦Ｗ≦５０、Ｇ≦０．０６Ｗの関係を満足することを特徴とする圧電アクチュエータ。
(5) 前記主結晶相が、３価以上の価数を有する元素を含む(4)記載の圧電アクチュエータ。
(6) Ａｇを含む前記内部電極および／または表面電極が、Ａｇを９０体積％以上含み、残部がパラジウムからなる(4)または(5)記載の圧電アクチュエータ。
【００１７】
前記(1)記載の圧電変位素子および前記(4)記載の圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層が３〜５０μｍという薄層であっても、高い圧電特性を得ることができるとともに、薄層であるので小さな電圧で大きな変位を得ることができる。しかも、圧電セラミック層中の主結晶相にＡｇが固溶しているので、ボイド量を低減させて圧電セラミック層の強度が低下するのを防止することができる。なお、前記(1)および(4)の記載において、圧電セラミック層の厚さ方向における中心部とは、圧電セラミック層の厚さ方向の中心から±２μｍの領域をいうものとする。また、Ａｇを圧電セラミック層中の主結晶相に固溶させるには、例えば圧電セラミック層の原料中のガラス量（ＳｉＯ₂量）を５００ｐｐｍ以下、好ましくは４００ｐｐｍ以下、より好ましくは３００ｐｐｍ以下にする。これにより、圧電セラミック層中の粒界相を解消し、結晶相中にＡｇを固溶させることができる。また、下記する３価以上の価数を有する元素を主結晶相に含有させることにより、結晶相中にＡｇを固溶させる効果を高めることができる。
【００１８】
本発明の圧電変位素子および圧電アクチュエータでは、前記(2)および(5)記載のように、主結晶相が３価以上の価数を有する元素を含んでいるのが好ましい。
Ａｇの拡散による圧電特性の低下は、Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ₃で表されるジルコン酸チタン酸鉛のＰｂサイトへのＡｇの置換固溶が原因である。すなわち、２価のＰｂサイトに１価のＡｇが固溶することにより、アクセプタ−効果による酸素空孔量が増大し、圧電特性の低下が起こるためである。そこで、Ａｇ置換による酸素空孔生成を補正するドナー成分（３価以上の元素）をあらかじめ圧電セラミック層に添加しておくことにより、Ａｇが多量に固溶して圧電特性が低下するのを抑制することができる。また、主結晶相に３価以上の元素を含有させておくことにより、Ａｇを粒界相でなく、主結晶相に固溶させて結晶粒子内に閉じ込めておくことにより、圧電変位素子および圧電アクチュエータの強度の低下を防止することができる。
【００１９】
また、本発明では、前記(3)および(6)記載のように、Ａｇを含む前記電極が、Ａｇを９０体積％以上含み、残部がパラジウムからなるのが好ましい。このようにＡｇの比率を高くすることにより、圧電セラミック層を電極と同時焼成する際に、電極の収縮を抑制して圧電変位素子および圧電アクチュエータの残留応力を低減することができる。また、Ａｇの比率を高くすることにより、焼成時に圧電セラミック層中にＡｇを適度に拡散させて圧電セラミック層の焼成温度を低下させることができる。これにより、焼成温度が低温であっても圧電セラミック層の密度を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータ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断面図であり、図２は該圧電アクチュエータを示す平面図である。図１および図２に示すように、この圧電アクチュエータ１は、振動板２上に、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６がこの順に積層され、表面電極６が圧電セラミック層４の表面に等間隔で２次元的に複数配列されており、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６により複数の圧電変位素子７が形成されている。複数の表面電極６は、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続されている。圧電変位素子７は、共通電極５と表面電極６との間に電圧が印加されることにより変位する。
【００２１】
振動板２の圧電変位素子７が設けられた主面と反対側の主面に、金属からなる拘束部が接着層を介して設けられ、非拘束部で変位が発生するような構造を有している場合に、特に本発明の効果を十分に発揮することができる。すなわち、電圧の印加により圧電セラミック層４に圧縮応力が加わったときに、拘束部は変位せず、非拘束部で変位が発生するような構造であるのがよい。
【００２２】
図３は、上記構造の具体例を示す断面図である。同図に示すように、本発明の圧電アクチュエータ１の振動板２には支持部材３が固定されている。この支持部材３と接合している振動板２の主面には、溝の開口部に位置する自由振動部（非拘束部）９ａと、接合によって形成される固定部（拘束部）９ｂとが形成されている。そして、共通電極５と表面電極６との間に電圧が印加されると、圧電セラミック層４の変位によって、圧電変位素子７が変位を起こし、その結果、自由振動部９ａで振動が生じる。このような構造にすることによって、大きな変位を得ることができ、圧電アクチュエータとしてその特徴を十分に活用することができる。
【００２３】
圧電セラミック層４は、Ｐｂ系セラミックスであることが好ましく、少なくともＰｂ、ＺｒおよびＴｉを含むペロブスカイト型結晶を主成分とすることが重要である。例えば、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り、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いｄ定数を有する安定な圧電焼結体を得るために好ましい。
【００２４】
また、圧電セラミック層４は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、ＺｎおよびＴｅのうち少なくとも１種を含んでいるのが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体を得ることができる。これらの元素を含む化合物（副成分）としては、例えばＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃およびＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃とを固溶してなるものが挙げられる。
【００２５】
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特に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モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。例えば、Ｐｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃＋αｗｔ％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）で表されるものが挙げられる。
【００２６】
また、圧電セラミック層４は、主結晶相に３価以上の価数を有する元素を含んでいるのが好ましい。３価以上の価数を有する元素としては、イオン半径がＰｂ、ＺｒおよびＴｉと近く固溶しやすいことから、特にＬａ、ＮｂおよびＷから選ばれる少なくとも１種が好ましい。これらの元素は、圧電セラミック層中に固溶しているＡｇと同程度のモル量含有されているのがよく、具体的には０．０１〜０．５モル％であるのがよい。価数が３価以上の元素の配合量が０．０１モル％より少ないとドナー効果が発揮されず、逆に０．５モル％より多いと結晶相が菱面体結晶側へシフトし、熱的安定性が低下するため、いずれも好ましくない。
【００２７】
圧電セラミック層４の厚みＷは、上限が５０μｍ、好ましくは１５μｍ、より好ましくは１１μｍであるのがよく、下限が３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍであるのがよい。厚みＷが３〜５０μｍであることにより、大きな変位を得ることができるとともに、製造時や作動時の破壊を防止できる十分な機械的強度を備えることができる。
【００２８】
本発明では、圧電セラミック層４の厚さ方向における中心部においてＡｇが主結晶相に固溶しているのが重要であり、また、圧電セラミック層４の厚みをＷ（μｍ）、圧電セラミック層４の中心部におけるＡｇの含有量をＧ（質量％）とするときに、Ｇ≦０．０６Ｗ、好ましくは０．００３Ｗ≦Ｇ≦０．０３Ｗの関係を満足していることが重要である。
【００２９】
圧電セラミック層４中にＡｇが固溶しているか否かは、以下のようにして判断できる。すなわち、圧電セラミック層４の中心部について透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、１０万倍の倍率において粒界にＡｇが実質的に存在しないことを確認し、さらに、電子プローブＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）分析において圧電セラミック層４中にＡｇが存在していることを確認し、さらに、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）においてＡｇおよびＡｇ酸化物の結晶相が存在しない場合に、Ａｇが圧電セラミック層４に固溶していると判断する。
【００３０】
振動板２は、絶縁性の高いものであれば良いが、圧電体であること、特に圧電セラミック層４と略同一の熱膨張率を有するものであることが好ましく、圧電セラミック層４と略同一の組成であることがより好ましい。これにより、同時焼成が可能となり、熱膨張差に起因して焼成時に発生する熱応力によって反りや歪みが生じるのを防止することが容易となる。また、振動板２は、単層でも良いが、厚みを制御し、焼結後の組成ばらつきや特性ばらつきを抑制するため、積層体であることが好ましい。
【００３１】
また、圧電変位素子７は気孔率が１％以下、特に０．８％以下、更には０．５％以下であることが、インク等の液体の染み込みを効果的に防止でき、インク漏れを低減することができるので好ましい。
【００３２】
表面電極６の材質としては、導電性を有するものならば何れでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などが用いられる。表面電極６の厚みは、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、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、特に１〜４μｍが好ましい。
【００３３】
共通電極５は、Ａｇを含有しているのが好ましく、特にＡｇ−Ｐｄ合金であるのがより好ましい。Ａｇ−Ｐｄ合金の場合には、電極材料中のＡｇの比率が９０体積％以上であり、残部がＰｄであるのがよい。これにより、電極の収縮が抑制され、アクチュエータ焼成時の圧縮残留応力を抑制することができる。また、Ａｇの比率を高くすることにより、圧電セラミック層４中にＡｇを適度に拡散させて圧電セラミック層４の焼成温度を低下させて圧電セラミック層４の密度を向上させることができる。共通電極５の厚みとしては、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、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。
【００３４】
圧電セラミック層４と共通電極５とは、同時に焼成されるのが好ましい。同時焼成することにより、共通電極５中のＡｇが圧電セラミック層４のＰｂ等の成分と置換固溶し、共通電極５の密着力が増大し、電極剥離を抑制できる。
【００３５】
上記のような圧電アクチュエータ１は、圧電変位素子７の各々において、変位の大きさを独立してかつ十分に制御できる。したがって、この圧電アクチュエータをインクジェット記録ヘッドに適用することによりインクの吐出量を精密に制御することができるため、高精度な位置合せが可能となり、その結果、吐出ムラの少ない、高品位な印刷が可能となる。
【００３６】
次に、本発明のアクチュエータの製造方法を、圧電セラミック層の主結晶相としてＰｂＺｒＴｉＯ₃系ペロブスカイト型結晶を用いた場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
先ず、原料粉末として、Ｐｂ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、ＺｎＯ、ＳｒＣＯ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＴｅＯ₂を準備する。これらを、ペロブスカイト型結晶の化学量論組成に調整し、混合する。この混合粉末には、３価以上の価数を有する元素を含有させるのが好ましい。３価以上の価数を有する元素としては、前記したように、Ｌａ、Ｎｂ、Ｗなどが挙げられる。これらの元素は、例えばＮｂ₂Ｏ₅、ＷＯ₃、Ｌａ₂Ｏ₃などの酸化物の形態で添加することができる。また、混合粉末中のガラス成分（ＳｉＯ₂）は少ない方が好ましい。具体的には、ＳｉＯ₂含有量は５００ｐｐｍ以下、好ましくは４００ｐｐｍ以下、より好ましくは３００ｐｐｍ以下であるのがよい。ついで、上記のようにして得られた混合粉末を、ロールコーター法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電セラミックスと有機組成物からなるテープの成形を行い、グリーンシートを作製する。
【００３８】
グリーンシートの一部には、その表面に表面電極および共通電極を印刷等により形成する。また、所望により、グリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を充填する。
【００３９】
ついで、所望の枚数のグリーンシートを積層して積層体を作製し、さらに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。
【００４０】
加圧密着した積層体の焼結前積層体密度は４．５ｇ/ｃｍ²以上であるのが好ましい。焼結前積層体密度を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。
【００４１】
ついで、加圧密着後の積層体を焼成炉の内部に配置し、高濃度酸素雰囲気下で焼成温度が９００℃以上、好ましくは９７０〜１０００℃で焼成することにより、本発明の圧電アクチュエータを得ることができる。１０００℃以上になると、電極の融点を越える場合があり、電極の融点を越えると、電極の凝縮がおこり、導体として作用しなくなるおそれがある。９００℃以下では圧電層の焼結が不十分になるおそれがある。
【００４２】
次に、本発明の圧電アクチュエータ１を備えたインクジェット記録ヘッドについて説明する。図４は、該インクジェット記録ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、このインクジェット記録ヘッドは、前記した圧電アクチュエータ１を、インク吐出口１８を有し、隔壁１３ｂにより仕切られた複数のインク流路１３ａが配列された流路部材１３上に、インク流路１３ａと表面電極６との位置を揃えて接着剤により接着したものである。流路部材１３は図３における支持部材３に相当する。
【００４３】
前記したように、共通電極５および表面電極６は、外部の駆動回路（電子制御回路）に電気的に接続されている。この駆動回路より共通電極５と表面電極６との間に電圧が印加されると、変位した圧電変位素子７に対応するインク流路１３ａ内のインクが加圧され、流路部材１３の底面に開口したインク吐出孔１８よりインク滴が吐出される。
【００４４】
流路部材１３は、厚さ３０〜１００μm程度の複数の金属箔がエッチングや金型による打ち抜き等によってインク流路１３ａ、インク吐出口１８等に相当する形状に形成されて積層された積層体からなる。
【００４５】
本発明の圧電アクチュエータを備えたインクジェット記録ヘッドは、高速で高精度な吐出が可能であり、高速印刷に好適である。また、このようなインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録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たプリンタは、高速・高精度印刷を容易に実現することができる。
【００４６】
【実施例】
原料粉末として高純度のＰｂ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＢａＣＯ₃、ＺｎＯ、ＳｒＣＯ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、ＴｅＯ₂の各原料粉末（全ＳｉＯ₂含有量４００ｐｐｍ以下）を、焼結体がＰｂ_1-x-yＳｒ_xＢａ_y（Ｚｒ_1/3Ｓｂ_2/3）_a（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）_bＺｒ_1-a-b-cＴｉ_cＯ₃（ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０２、ａ＝０．０７５、ｂ＝０．００５、ｃ＝０．４．２）で表される組成となるように、所定量秤量した。また、３価以上の価数を有する元素（Ｎｂ、ＷまたはＬａ）の含有量が、後述する圧電セラミック層４の主結晶相中において、表１に示す含有量となるようにＮｂ₂Ｏ₅、ＷＯ₃またはＬａ₂Ｏ₃の粉末を所定量秤量した。
【００４７】
秤量された上記各粉末を、ボールミルにより湿式で２０時間混合し、しかる後に、この混合物を脱水、乾燥した。その後、９００℃で３時間仮焼し、得られた仮焼物を再びボールミルで湿式粉砕した。
【００４８】
その後、この粉砕物に有機バインダー、水、分散剤と可塑剤とを混合し、スラリーを作製し、薄いグリーンシートを成形するために一般的に用いられるロールコーター法により、焼成後の厚さＷが表１に示すサイズになるように予め収縮率を考慮したグリーンシートを作製した。
【００４９】
ついで、金型を用いて上記グリーンシートを矩形状に打ち抜き、複数枚の矩形状のグリーンシートを用意した。次に、このグリーンシート面に、Ａｇ−Ｐｄからなる電極用ペーストを用いて、共通電極パターンおよび表面電極パターンをスクリーン印刷にて形成した。
【００５０】
ついで、電極を塗布したグリーンシートおよび電極を塗布していないグリーンシートを、図１に示す構造になるように重ね合わせ、熱圧着し、圧電アクチュエータ成形体を製作した。最後に、この成形体を４００℃で脱脂した後、１０００℃で２時間の焼成を行い、試料No.１〜２０の圧電アクチュエータ１を得た。
【００５１】
圧電セラミック層４の厚みは、該圧電セラミック層４の断面を研磨後、マイクロスコープによって測定した。また、各試料の圧電セラミック層４の厚み方向の中心部におけるＡｇ含有量は、ＥＰＭＡによる定量分析で測定した。
【００５２】
圧電セラミック層４の中心部におけるＡｇの存在状態は、以下の方法で観察した。すなわち、該中心部をＴＥＭ観察して、１０万倍の倍率において、粒界にＡｇが実質的に存在しないことを確認できた場合に、Ａｇが圧電セラミック層４に固溶していると判断した。
【００５３】
また、圧電セラミック層４の強度は、図５(a),(b)に示す測定装置を用いてボール・オン・スリーボール法により曲げ強度を測定することによって評価した。
具体的には、試料台４３の３つのボール４０上に４mm角の試料４１を配置し、クロスヘッド４２を０．５mm／分で降下させて圧電セラミック層が破壊する応力を測定した。
【００５４】
次いで、圧電アクチュエータ１を図４に示すような流路部材１３に接着し、インクジェット記録ヘッドを作製し、各圧電変位素子７に20Ｖの電圧をそれぞれ印加したときの変位をドップラー測定器によって計測した。圧電アクチュエータ１の変位が４３ｎｍ以上の場合に良品とみなした。評価結果を表１に示す。
【表１】

【００５５】
本発明の範囲外である試料No.１では圧電セラミック層４の厚みが６０μｍであるため、圧電アクチュエータは十分な変位が得られず、変位が４０nm以下であった。本発明の範囲外の試料No.７は圧電セラミック層４の厚みが薄いため磁器設置中に破壊され変位の測定ができなかった。また、本発明の範囲外の試料No.８はＡｇ含有量Ｇと厚さＷとの関係がＧ＞０．０６Ｗ、すなわち（Ｇ／Ｗ）＞０．０６であるため、Ａｇの影響により十分な変位が得られず、変位量は４０ｎｍ以下であった。これに対して、本発明の試料No２〜６、９〜２０は、圧電セラミック層４の厚さが３〜５０μｍの範囲で、Ｇ≦０．０６Ｗ、すなわち（Ｇ／Ｗ）≦０．０６を満足するため、変位が４３ｎｍ以上ありかつ強度にも優れていた。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の圧電変位素子および圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層が３〜５０μｍという薄層であっても、高い圧電特性を得ることができるとともに、薄層であるので小さな電圧で大きな変位を得ることができる。しかも、圧電セラミック層中の主結晶相にＡｇが固溶しているので、ボイド量を低減させて圧電セラミック層の強度が低下するのを防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータを示す平面図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータの適用例を示す断面図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータを備えたインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【図５】 (a)はボールオンスリーボール法に用いる測定装置を示す側面図であり、(b)は該測定装置（クロスヘッドを除く）を示す平面図である。
【図６】従来のインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【符号の説明】
１圧電アクチュエータ
２振動板
４圧電セラミック層
５共通電極
６表面電極
７圧電変位素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric displacement element and a piezoelectric actuator, and more specifically, for example, a piezoelectric sensor such as an acceleration sensor, a knocking sensor, and an AE sensor, a fuel ejection ink ejector, a print head for an inkjet printer, a piezoelectric resonator, an oscillator, and an ultrasonic motor. The present invention relates to a piezoelectric displacement element and a piezoelectric actuator that are suitable for an ultrasonic vibrator, a filter, and the like, and that are particularly suitable for use as a print head using spreading vibration, elongation vibration, and thickness standing vibration.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, products using piezoelectric ceramics include, for example, piezoelectric actuators, filters, piezoelectric resonators (including oscillators), ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric sensors, and the like.
[0003]
Among these, actuators have a very high response speed of ^10-6 seconds for electrical signals, so they can be applied to XY stage positioning actuators in semiconductor manufacturing equipment and actuators used in inkjet printer print heads. Has been.
[0004]
For example, as shown in FIG. 6, the print head using the ink jet system has a plurality of ink flow paths 33a arranged side by side, and a piezoelectric element is formed on the flow path member 33 in which the partition walls 33b are formed as walls that partition the ink flow paths 33a. The actuator 34 is provided (see Patent Document 1).
[0005]
In the piezoelectric actuator 34, a piezoelectric ceramic layer 35 and a surface electrode 37 are stacked in this order on a conductive common electrode 36 that also serves as a diaphragm, and a plurality of surface electrodes 37 are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer 35. Thus, a plurality of piezoelectric displacement elements 38 are formed. The piezoelectric actuator 34 is stacked on the flow path member 33 so that the surface electrode 37 is positioned on the ink flow path 33a.
[0006]
The print head as described above applies a voltage between the common electrode 36 and the predetermined surface electrode 37 to displace the piezoelectric ceramic layer 35 immediately below the surface electrode 37, thereby disposing the ink in the ink flow path 33a. The ink is ejected from an ink ejection port 33 c opened on the bottom surface of the flow path member 33 under pressure.
[0007]
Such a piezoelectric actuator uses piezoelectric ceramics with lead zirconate titanate (PZT) as the main crystal phase, so that piezoelectric strain characteristics, Curie temperature, heat resistance, durability, displacement hysteresis, and generated displacement associated with voltage application Patent Document 2 discloses that a piezoelectric body excellent in terms of the temperature change rate can be realized.
[0008]
Patent Document 3 discloses that an electrode containing silver as a main component and not containing platinum and palladium and a piezoelectric material having aPbNi _1/3 Nb _2/3 O ₂ —bPbTiO ₃ —cPbZrO ₃ as a main component and a thickness of 60 μm or more. A ceramic piezoelectric element comprising a ceramic layer is disclosed. This ceramic piezoelectric element can be manufactured at low cost and is excellent in piezoelectric characteristics. In addition, by diffusing silver from the electrodes into the piezoelectric ceramic layer and containing 0.001 to 0.1% by weight of Ag in the piezoelectric ceramic layer, a highly reliable piezoelectric displacement element without disconnection or the like It is said that you can get.
[0009]
Further, Patent Document 4 discloses an electronic component having a ceramic composed of a main phase and a low melting grain boundary phase and an internal electrode composed of a conductor containing Ag. In this electronic component, the amount of Ag or Ag oxide present in the grain boundary phase of the ceramic is 0.5% by weight or less based on the sum of the metal elements in the grain boundary phase.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-34321 FIG.
[Patent Document 2]
JP-A-7-315923 [Patent Document 3]
JP 2001-308402 A [Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-171645
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent years, devices tend to be smaller and thinner, and the piezoelectric ceramic layer is also required to be thin with a thickness of 50 μm or less. However, in the ceramic piezoelectric element described in Cited Document 3, when a laminate of thin piezoelectric ceramic layers in which the thickness of the tape (green sheet) before firing is 60 μm or less and the thickness after firing is 50 μm or less is used, piezoelectric characteristics There was a problem that decreased. For example, a piezoelectric ceramic layer having a thickness of about 11 μm has a significant decrease in piezoelectric characteristics.
[0012]
Further, the electronic component described in the cited document 4 has a problem that the strength of the piezoelectric ceramic is lowered because Ag exists in the grain boundary phase.
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric displacement element and a piezoelectric actuator that have excellent piezoelectric characteristics and high strength even though the thickness of the piezoelectric ceramic layer is as thin as 50 μm or less.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the process of intensive studies to solve the above problems, the present inventors diffuse Ag into the piezoelectric ceramic layer at the time of simultaneous firing of the electrode containing Ag and the piezoelectric ceramic layer, and the diffused Ag is Although there are many at the interface between the electrode and the piezoelectric ceramic layer, focusing on the fact that the content decreases with increasing distance from the interface in the thickness direction of the piezoelectric ceramic layer, the relationship between Ag diffusion and piezoelectric characteristics was investigated. As a result, the thinner the piezoelectric ceramic layer is, the greater the influence of Ag diffusion becomes. In particular, in the thin piezoelectric ceramic layer of 50 μm or less, the Ag content in the piezoelectric ceramic layer increases and the piezoelectric characteristics are remarkably lowered. I found. Therefore, in order to obtain high piezoelectric characteristics in a thin piezoelectric ceramic layer having a thickness of 50 μm or less, the knowledge that it is important to reduce the Ag content in the piezoelectric ceramic layer has been obtained, and the present invention has been completed. .
[0015]
That is, the piezoelectric displacement element of the present invention has the following configuration.
(1) A piezoelectric displacement element comprising: a piezoelectric ceramic layer having lead zirconate titanate as a main crystal phase; and a pair of electrodes disposed on both sides of the piezoelectric ceramic layer and at least one containing Ag. When Ag is dissolved in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, the thickness of the piezoelectric ceramic layer is W (μm), and the Ag content in the central portion of the piezoelectric ceramic layer is G (mass%), A piezoelectric displacement element characterized by satisfying a relationship of 3 ≦ W ≦ 50 and G ≦ 0.06W.
(2) The piezoelectric displacement element according to (1), wherein the main crystal phase includes an element having a valence of 3 or more.
(3) The piezoelectric displacement element according to (1) or (2), wherein the electrode containing Ag contains 90% by volume or more of Ag and the balance is palladium.
[0016]
The piezoelectric displacement elements (1) to (3) are particularly suitable for piezoelectric actuators used in ink jet recording heads. That is, the piezoelectric actuator of the present invention has the following configuration.
(4) A piezoelectric actuator in which a common electrode, a piezoelectric ceramic layer having lead zirconate titanate as a main crystal phase, and a surface electrode are laminated in this order on the diaphragm, and a plurality of the surface electrodes are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer. The common electrode and / or the surface electrode contains Ag, Ag is dissolved in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, and the thickness of the piezoelectric ceramic layer is W (μm). A piezoelectric actuator characterized by satisfying a relationship of 3 ≦ W ≦ 50 and G ≦ 0.06W when the content of Ag in the central portion of G is G (mass%).
(5) The piezoelectric actuator according to (4), wherein the main crystal phase includes an element having a valence of 3 or more.
(6) The piezoelectric actuator according to (4) or (5), wherein the internal electrode and / or the surface electrode containing Ag contains 90% by volume or more of Ag and the balance is palladium.
[0017]
According to the piezoelectric displacement element described in the above (1) and the piezoelectric actuator described in the above (4), even if the piezoelectric ceramic layer is a thin layer of 3 to 50 μm, high piezoelectric characteristics can be obtained. Therefore, a large displacement can be obtained with a small voltage. In addition, since Ag is dissolved in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, it is possible to reduce the void amount and prevent the piezoelectric ceramic layer from being lowered in strength. In the description of (1) and (4) above, the central portion in the thickness direction of the piezoelectric ceramic layer refers to a region of ± 2 μm from the center in the thickness direction of the piezoelectric ceramic layer. In order to dissolve Ag in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, for example, the glass content (SiO ₂ content) in the raw material of the piezoelectric ceramic layer is 500 ppm or less, preferably 400 ppm or less, more preferably 300 ppm or less. . Thereby, the grain boundary phase in the piezoelectric ceramic layer can be eliminated, and Ag can be dissolved in the crystal phase. Moreover, the effect which makes Ag dissolve into a crystal phase can be heightened by making the main crystal phase contain the element which has a valence more than trivalence described below.
[0018]
In the piezoelectric displacement element and the piezoelectric actuator of the present invention, as described in the above (2) and (5), the main crystal phase preferably contains an element having a valence of 3 or more.
The deterioration of the piezoelectric characteristics due to the diffusion of Ag is caused by substitutional solid solution of Ag in the Pb site of lead zirconate titanate represented by Pb (Zr · Ti) O ₃ . That is, when monovalent Ag is dissolved in the divalent Pb site, the amount of oxygen vacancies due to the acceptor effect is increased, and the piezoelectric characteristics are lowered. Therefore, by adding a donor component (trivalent or higher element) that corrects oxygen vacancy generation due to Ag substitution to the piezoelectric ceramic layer in advance, it is possible to suppress a large amount of Ag from being dissolved and reducing the piezoelectric characteristics. can do. In addition, by containing a trivalent or higher element in the main crystal phase, Ag is dissolved in the main crystal phase, not in the grain boundary phase, and is confined in the crystal particles. A decrease in the strength of the actuator can be prevented.
[0019]
In the present invention, as described in the above (3) and (6), it is preferable that the electrode containing Ag contains 90% by volume or more of Ag and the balance is palladium. By increasing the Ag ratio in this way, when the piezoelectric ceramic layer is simultaneously fired with the electrode, it is possible to suppress the contraction of the electrode and reduce the residual stress of the piezoelectric displacement element and the piezoelectric actuator. Further, by increasing the Ag ratio, it is possible to moderately diffuse Ag in the piezoelectric ceramic layer during firing and to lower the firing temperature of the piezoelectric ceramic layer. Thereby, the density of the piezoelectric ceramic layer can be improved even when the firing temperature is low.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the piezoelectric actuator of this embodiment, and FIG. 2 is a plan view showing the piezoelectric actuator. As shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric actuator 1 includes a diaphragm 2 on which a common electrode 5, a piezoelectric ceramic layer 4, and a surface electrode 6 are laminated in this order, and the surface electrode 6 is a surface of the piezoelectric ceramic layer 4. A plurality of piezoelectric displacement elements 7 are formed by the common electrode 5, the piezoelectric ceramic layer 4, and the surface electrode 6. The plurality of surface electrodes 6 are each independently connected to an external electronic control circuit. The piezoelectric displacement element 7 is displaced by applying a voltage between the common electrode 5 and the surface electrode 6.
[0021]
The main surface of the vibration plate 2 opposite to the main surface on which the piezoelectric displacement element 7 is provided has a structure in which a constraining portion made of metal is provided via an adhesive layer, and displacement occurs in the non-constraining portion. In particular, the effects of the present invention can be sufficiently exerted. That is, it is preferable that the structure is such that when the compressive stress is applied to the piezoelectric ceramic layer 4 by applying a voltage, the restraining portion does not displace but the displacement occurs in the non-restraining portion.
[0022]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a specific example of the above structure. As shown in the figure, a support member 3 is fixed to the diaphragm 2 of the piezoelectric actuator 1 of the present invention. On the main surface of the diaphragm 2 joined to the support member 3, there are a free vibration part (non-restraint part) 9a located at the opening of the groove and a fixed part (restraint part) 9b formed by joining. Is formed. When a voltage is applied between the common electrode 5 and the surface electrode 6, the piezoelectric displacement element 7 is displaced by the displacement of the piezoelectric ceramic layer 4, and as a result, vibration is generated in the free vibration part 9a. With such a structure, a large displacement can be obtained, and the characteristics can be fully utilized as a piezoelectric actuator.
[0023]
The piezoelectric ceramic layer 4 is preferably a Pb-based ceramic, and it is important that the main component is a perovskite crystal containing at least Pb, Zr and Ti. For example, it is a crystal containing Pb as an A site constituent element and Zr and Ti as a B site constituent element, and in particular, a lead zirconate titanate-based compound has a higher d constant. It is preferable for obtaining a piezoelectric sintered body.
[0024]
The piezoelectric ceramic layer 4 preferably contains at least one of Sr, Ba, Ni, Sb, Nb, Zn, and Te. Thereby, a more stable piezoelectric sintered body can be obtained. As a compound (subcomponent) containing these elements, for example, a solid solution of Pb (Zn _1/3 Sb _2/3 ) O ₃ and Pb (Ni _1/2 Te _1/2 ) O ₃ is used. Can be mentioned.
[0025]
In particular, it is desirable to further contain an alkaline earth element as the A site constituent element. As the alkaline earth element, Ba and Sr are particularly preferable in terms of obtaining a high displacement, and 0.02 to 0.08 mol of Ba and 0.02 to 0.12 mol of Sr are contained mainly in the tetragonal composition. It is advantageous to obtain a large displacement in the case of the following composition. For _{_{example, Pb 1-xy Sr x Ba}} y (Zn 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-abc Ti c O 3 + αwt% Pb 1/2 NbO 3 (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 those you express in 1.0) and the like.
[0026]
The piezoelectric ceramic layer 4 preferably contains an element having a valence of 3 or more in the main crystal phase. The element having a valence of 3 or more is particularly preferably at least one selected from La, Nb and W because the ionic radius is close to that of Pb, Zr and Ti and is easily dissolved. These elements are preferably contained in the same molar amount as Ag dissolved in the piezoelectric ceramic layer, and specifically 0.01 to 0.5 mol%. If the compounding amount of the element having a valence of 3 or more is less than 0.01 mol%, the donor effect is not exhibited, and conversely if it exceeds 0.5 mol%, the crystal phase shifts to the rhombohedral crystal side, causing thermal effects. Since stability falls, neither is preferable.
[0027]
The upper limit of the thickness W of the piezoelectric ceramic layer 4 is 50 μm, preferably 15 μm, more preferably 11 μm, and the lower limit is 3 μm, preferably 5 μm, more preferably 10 μm. When the thickness W is 3 to 50 μm, a large displacement can be obtained, and sufficient mechanical strength can be provided to prevent breakage during manufacturing and operation.
[0028]
In the present invention, it is important that Ag is dissolved in the main crystal phase in the central portion of the piezoelectric ceramic layer 4 in the thickness direction. The thickness of the piezoelectric ceramic layer 4 is W (μm), and the piezoelectric ceramic layer When the content of Ag in the central portion of G is G (mass%), it is important that the relationship of G ≦ 0.06W, preferably 0.003W ≦ G ≦ 0.03W is satisfied.
[0029]
Whether or not Ag is dissolved in the piezoelectric ceramic layer 4 can be determined as follows. That is, the central part of the piezoelectric ceramic layer 4 is observed with a transmission electron microscope (TEM), and it is confirmed that Ag is not substantially present at the grain boundary at a magnification of 100,000 times. Further, an electron probe X-ray microanalyzer is used. In the (EPMA) analysis, it is confirmed that Ag is present in the piezoelectric ceramic layer 4, and further, when the crystal phase of Ag and Ag oxide does not exist in the X-ray diffraction method (XRD), Ag is a piezoelectric ceramic. It is judged that it is dissolved in the layer 4.
[0030]
The diaphragm 2 may be any material as long as it has a high insulating property, but is preferably a piezoelectric body, and particularly preferably has a thermal expansion coefficient substantially the same as that of the piezoelectric ceramic layer 4 and is substantially the same as that of the piezoelectric ceramic layer 4. More preferably, the composition is As a result, simultaneous firing becomes possible, and it becomes easy to prevent warping and distortion from being caused by thermal stress generated during firing due to a difference in thermal expansion. The diaphragm 2 may be a single layer, but is preferably a laminate in order to control the thickness and suppress composition variations and characteristic variations after sintering.
[0031]
In addition, the piezoelectric displacement element 7 has a porosity of 1% or less, particularly 0.8% or less, and further 0.5% or less, which can effectively prevent liquid such as ink from penetrating and reduce ink leakage. This is preferable.
[0032]
Any material may be used for the surface electrode 6 as long as it has conductivity, and Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al, and alloys thereof are used. The thickness of the surface electrode 6 needs to be conductive and not to prevent displacement, and is generally about 0.5 to 5 μm, particularly preferably 1 to 4 μm.
[0033]
The common electrode 5 preferably contains Ag, and more preferably an Ag—Pd alloy. In the case of an Ag—Pd alloy, the ratio of Ag in the electrode material is preferably 90% by volume or more, and the balance is Pd. Thereby, contraction of the electrode is suppressed, and compressive residual stress during firing of the actuator can be suppressed. Further, by increasing the Ag ratio, it is possible to improve the density of the piezoelectric ceramic layer 4 by appropriately diffusing Ag in the piezoelectric ceramic layer 4 and lowering the firing temperature of the piezoelectric ceramic layer 4. The thickness of the common electrode 5 needs to be conductive and not to prevent displacement, and is generally about 0.5 to 5 μm, preferably 1 to 4 μm.
[0034]
The piezoelectric ceramic layer 4 and the common electrode 5 are preferably fired simultaneously. By co-firing, Ag in the common electrode 5 is substituted and dissolved with a component such as Pb of the piezoelectric ceramic layer 4, the adhesion force of the common electrode 5 is increased, and electrode peeling can be suppressed.
[0035]
The piezoelectric actuator 1 as described above can independently and sufficiently control the magnitude of displacement in each of the piezoelectric displacement elements 7. Therefore, by applying this piezoelectric actuator to an ink jet recording head, it is possible to precisely control the amount of ink ejected, so that high-precision alignment is possible, and as a result, high-quality printing with less ejection unevenness is possible. It becomes possible.
[0036]
Next, the actuator manufacturing method of the present invention will be described by taking as an example the case where a PbZrTiO ₃ -based perovskite crystal is used as the main crystal phase of the piezoelectric ceramic layer.
[0037]
First, Pb ₂ O ₃ , ZrO ₂ , TiO ₂ , BaCO ₃ , ZnO, SrCO ₃ , Sb ₂ O ₃ , NiO, and TeO ₂ are prepared as raw material powders. These are adjusted to the stoichiometric composition of the perovskite crystal and mixed. This mixed powder preferably contains an element having a valence of 3 or more. Examples of the element having a valence of 3 or more include La, Nb, and W as described above. These elements can be added in the form of oxides such as Nb ₂ O ₅ , WO ₃ and La ₂ O ₃ . Moreover, it is preferable that the glass component (SiO ₂ ) in the mixed powder is small. Specifically, the SiO ₂ content is 500 ppm or less, preferably 400 ppm or less, more preferably 300 ppm or less. Next, the mixed powder obtained as described above is formed into a green sheet by forming a tape composed of piezoelectric ceramics and an organic composition by a general tape forming method such as a roll coater method or a slit coater method. .
[0038]
A surface electrode and a common electrode are formed on a part of the green sheet by printing or the like. If desired, a via hole is formed in a part of the green sheet, and a via conductor is filled in the via hole.
[0039]
Next, a desired number of green sheets are laminated to produce a laminate, and a constraining sheet comprising a piezoelectric ceramic and an organic composition having substantially the same composition as the green sheet is disposed on both sides or one side of the laminate. Then, press contact is performed.
[0040]
The density of the laminate before sintering of the laminate that has been pressure-contacted is preferably 4.5 g / cm ² or more. By increasing the density of the laminate before sintering to 4.5 g / cm ² or more, firing at a lower temperature is possible, and when the green density is further increased, evaporation of Pb can be suppressed.
[0041]
Next, the laminated body after pressure contact is placed inside a firing furnace and fired at a firing temperature of 900 ° C. or higher, preferably 970 to 1000 ° C. in a high-concentration oxygen atmosphere to obtain the piezoelectric actuator of the present invention. be able to. If the temperature exceeds 1000 ° C., the melting point of the electrode may be exceeded, and if the melting point of the electrode is exceeded, the electrode may condense and may not function as a conductor. Below 900 ° C., the piezoelectric layer may be insufficiently sintered.
[0042]
Next, an ink jet recording head provided with the piezoelectric actuator 1 of the present invention will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the ink jet recording head. As shown in the figure, this ink jet recording head has the above-described piezoelectric actuator 1 on a flow path member 13 having an ink discharge port 18 and a plurality of ink flow paths 13a partitioned by a partition wall 13b. The ink flow path 13a and the surface electrode 6 are aligned and bonded with an adhesive. The flow path member 13 corresponds to the support member 3 in FIG.
[0043]
As described above, the common electrode 5 and the surface electrode 6 are electrically connected to an external drive circuit (electronic control circuit). When a voltage is applied between the common electrode 5 and the surface electrode 6 from this drive circuit, the ink in the ink flow path 13 a corresponding to the displaced piezoelectric displacement element 7 is pressurized and applied to the bottom surface of the flow path member 13. Ink droplets are ejected from the opened ink ejection holes 18.
[0044]
The flow path member 13 is composed of a laminated body in which a plurality of metal foils having a thickness of about 30 to 100 μm are formed in a shape corresponding to the ink flow path 13a, the ink discharge port 18 and the like by etching or punching with a mold. Become.
[0045]
An ink jet recording head provided with the piezoelectric actuator of the present invention is capable of high-speed and high-precision ejection and is suitable for high-speed printing. Also, a printer equipped with such an ink jet recording head, an ink tank that supplies ink to the ink jet recording head, and a recording paper transport mechanism for printing on the recording paper easily realizes high-speed and high-precision printing. can do.
[0046]
【Example】
As raw material powder, high-purity Pb ₂ O ₃ , ZrO ₂ , TiO ₂ , BaCO ₃ , ZnO, SrCO ₃ , Sb ₂ O ₃ , NiO, TeO ₂ raw material powders (total SiO ₂ content 400 ppm or less) are baked. sintered body _{_{_{Pb 1-xy Sr x Ba y}}} (Zr 1/3 Sb 2/3) a (Ni 1/2 Te 1/2) b Zr 1-abc Ti c O 3 (x = 0.04, y = 0.02, a = 0.075, b = 0.005, c = 0.4.2), and a predetermined amount was weighed. Further, Nb ₂ O ₅ so that the content of an element having a valence of 3 or more (Nb, W, or La) is the content shown in Table 1 in the main crystal phase of the piezoelectric ceramic layer 4 described later. A predetermined amount of WO ₃ or La ₂ O ₃ powder was weighed.
[0047]
The above-mentioned weighed powders were wet mixed by a ball mill for 20 hours, and then the mixture was dehydrated and dried. Thereafter, the mixture was calcined at 900 ° C. for 3 hours, and the obtained calcined product was wet pulverized again with a ball mill.
[0048]
Thereafter, an organic binder, water, a dispersing agent and a plasticizer are mixed into the pulverized product to prepare a slurry, and a thickness W after firing by a roll coater method generally used for forming a thin green sheet. Was prepared in advance so that the shrinkage rate was taken into consideration so as to be the size shown in Table 1.
[0049]
Next, the green sheet was punched into a rectangular shape using a mold to prepare a plurality of rectangular green sheets. Next, a common electrode pattern and a surface electrode pattern were formed on the green sheet surface by screen printing using an electrode paste made of Ag—Pd.
[0050]
Next, a green sheet coated with an electrode and a green sheet coated with no electrode were superposed so as to have the structure shown in FIG. 1 and thermocompression bonded to produce a piezoelectric actuator molded body. Finally, this molded body was degreased at 400 ° C., and then fired at 1000 ° C. for 2 hours to obtain piezoelectric actuators 1 of sample Nos. 1 to 20.
[0051]
The thickness of the piezoelectric ceramic layer 4 was measured with a microscope after the cross section of the piezoelectric ceramic layer 4 was polished. Moreover, Ag content in the center part of the thickness direction of the piezoelectric ceramic layer 4 of each sample was measured by the quantitative analysis by EPMA.
[0052]
The presence state of Ag in the central portion of the piezoelectric ceramic layer 4 was observed by the following method. That is, when the central portion is observed with a TEM and it is confirmed that Ag is not substantially present at the grain boundary at a magnification of 100,000, it is determined that Ag is dissolved in the piezoelectric ceramic layer 4. did.
[0053]
Further, the strength of the piezoelectric ceramic layer 4 was evaluated by measuring the bending strength by a ball-on-three-ball method using a measuring apparatus shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
Specifically, a 4 mm square sample 41 was placed on the three balls 40 of the sample stage 43, and the stress at which the piezoelectric ceramic layer was broken by measuring the cross head 42 at 0.5 mm / min was measured.
[0054]
Next, the piezoelectric actuator 1 was bonded to a flow path member 13 as shown in FIG. 4 to produce an ink jet recording head, and the displacement when a voltage of 20 V was applied to each piezoelectric displacement element 7 was measured by a Doppler measuring instrument. . When the displacement of the piezoelectric actuator 1 was 43 nm or more, it was regarded as a non-defective product. The evaluation results are shown in Table 1.
[Table 1]

[0055]
In Sample No. 1, which is outside the scope of the present invention, since the thickness of the piezoelectric ceramic layer 4 was 60 μm, the piezoelectric actuator could not obtain a sufficient displacement, and the displacement was 40 nm or less. Sample No. 7 outside the range of the present invention was broken during the installation of the porcelain because the thickness of the piezoelectric ceramic layer 4 was thin, and the displacement could not be measured. Sample No. 8 outside the scope of the present invention has a relationship between the Ag content G and the thickness W of G> 0.06 W, that is, (G / W)> 0.06. Therefore, the amount of displacement was 40 nm or less. On the other hand, Sample Nos. 2 to 6 and 9 to 20 of the present invention satisfy G ≦ 0.06 W, that is, (G / W) ≦ 0.06, when the thickness of the piezoelectric ceramic layer 4 is 3 to 50 μm. In order to satisfy, the displacement was 43 nm or more and the strength was excellent.
[0056]
【The invention's effect】
According to the piezoelectric displacement element and the piezoelectric actuator of the present invention, high piezoelectric characteristics can be obtained even when the piezoelectric ceramic layer is a thin layer of 3 to 50 μm, and a large displacement is obtained with a small voltage because of the thin layer. be able to. Moreover, since Ag is dissolved in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, there is an effect that the amount of voids can be reduced to prevent the piezoelectric ceramic layer from being lowered in strength.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an application example of the piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an ink jet recording head provided with the piezoelectric actuator of the present invention.
5A is a side view showing a measuring device used in the ball-on-three ball method, and FIG. 5B is a plan view showing the measuring device (excluding a crosshead).
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional inkjet recording head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric actuator 2 Diaphragm 4 Piezoelectric ceramic layer 5 Common electrode 6 Surface electrode 7 Piezoelectric displacement element

Claims

A piezoelectric displacement element comprising a piezoelectric ceramic layer having lead zirconate titanate as a main crystal phase and a pair of electrodes disposed on both sides of the piezoelectric ceramic layer and at least one of which contains Ag,
When Ag is dissolved in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, the thickness of the piezoelectric ceramic layer is W (μm), and the Ag content in the central portion of the piezoelectric ceramic layer is G (mass%). 3. A piezoelectric displacement element satisfying a relationship of 3 ≦ W ≦ 50 and G ≦ 0.06W.

The piezoelectric displacement element according to claim 1, wherein the main crystal phase includes an element having a valence of 3 or more.

The piezoelectric displacement element according to claim 1 or 2, wherein the electrode containing Ag contains 90% by volume or more of Ag, and the balance is made of palladium.

A piezoelectric actuator in which a common electrode, a piezoelectric ceramic layer mainly composed of lead zirconate titanate and a surface electrode are laminated in this order on a diaphragm, and a plurality of the surface electrodes are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer. ,
The common electrode and / or the surface electrode contains Ag, Ag dissolves in the main crystal phase in the piezoelectric ceramic layer, the thickness of the piezoelectric ceramic layer is W (μm), and the piezoelectric ceramic layer has a thickness at the center. A piezoelectric actuator characterized by satisfying a relationship of 3 ≦ W ≦ 50 and G ≦ 0.06W when the content of Ag is G (mass%).

The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the main crystal phase includes an element having a valence of 3 or more.

6. The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the internal electrode and / or the surface electrode containing Ag contains 90% by volume or more of Ag and the balance is made of palladium.