JP4562379B2

JP4562379B2 - 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

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Publication number: JP4562379B2
Application number: JP2003394566A
Authority: JP
Inventors: 誠東別府
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: JP2004343037A

Description

本発明は、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。

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。

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。

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。

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を設けられている。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上に配置している。

上記のような印刷ヘッドは、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よりインク滴を吐出する。

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は、複数の変位素子を支持基板に接着し、積層圧電体素子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、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）。
特開平１１−３４３２１号公報図１特開２００３−３９６５７号公報

しかしながら、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共に、不良が発生した時には支持部材と、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。

ところが、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って、正確な変位量の測定が困難であるという問題があった。

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を提供することを目的とする。

本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、圧電セラミック層を電極で挟持してなる複数の変位素子を振動板上に具備する圧電アクチュエータの評価方法であって、前記変位素子について厚み縦振動モードを利用した電気機械結合係数ｋ_ｔ、比誘電率ε及び弾性コンプライアンスを測定して、圧電定数ｄ _ｔを求め、予め求めた圧電定数ｄ _ｔと圧電定数ｄ _３１との関係から、前記変位素子の径方向振動モードにおける圧電定数ｄ _３１を評価することを特徴とする。

前記圧電アクチュエータが、前記振動板の上に共通電極、前記圧電セラミック層及び複数の個別電極が順次形成され、前記共通電極と前記個別電極とで前記圧電セラミック層を挟持してなる前記変位素子を前記振動板上に複数形成してなることが好ましい。

前記圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。

前記変位素子を非拘束部とし、前記変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記圧電アクチュエータを固定することが好ましい。

前記拘束部が、前記変位素子の外周部であることが好ましい。

前記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、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圧電定数ｄ _３１を評価して不良品を排除し、しかる後に良品である前記圧電アクチュエータを流路部材に固定することを特徴とする。

前記液滴吐出装置が印刷ヘッドであることが好ましい。

本発明は、電気機械結合係数ｋ_ｔと圧電定数とに相関関係があることを知見し、電気機械結合係数ｋ_ｔを測定することによって、その値から圧電特性を算出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の可能とする。

即ち、本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、圧電セラミック層を電極で挟持してなる複数の変位素子を振動板上に具備する圧電アクチュエータの評価方法であって、前記変位素子について厚み縦振動モードを利用した電気機械結合係数ｋ_ｔ、比誘電率ε及び弾性コンプライアンスを測定して、圧電定数ｄ _ｔを求め、予め求めた圧電定数ｄ _ｔと圧電定数ｄ _３１との関係から、前記変位素子の径方向振動モードにおける圧電定数ｄ _３１を評価することを特徴とするものである。

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厚み縦振動モードの電気機械結合係数ｋ _ｔを測定することにより、径方向の振動による隣接する変位素子の振動の干渉を抑制し、接合無しで、かつ圧電素子を切断することなく個々の圧電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り、アクチュエータの不良判別を迅速に且つ正確に行い、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。

また、前記圧電アクチュエータが、前記振動板の上に共通電極、前記圧電セラミック層及び複数の個別電極が順次形成され、前記共通電極と前記個別電極とで前記圧電セラミック層を挟持してなる前記変位素子を前記振動板上に複数形成してなることが好ましい。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。

さらに、前記圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。このように薄層の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。

また、前記変位素子を非拘束部とし、前記変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記圧電アクチュエータを固定し、電気機械結合係数ｋ_ｔを測定することことが好ましい。特に、前記拘束部が、前記変位素子の外周部であることが好ましい。外周部を固定することが好ましい。圧電アクチュエータを固定しなくても測定は可能であるが、機械的に保持部材に一時的に保持することによって、より効率的な測定が可能となり、より迅速に且つより正確に測定をすることが可能となる。また、このように変位を自由にした状態で測定を行うと、より正確な測定が期待できる。

さらに、前記アクチュエータを、真空チャックを用いて固定することが好ましい。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。

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圧電定数を評価して不良品を排除し、しかる後に良品である前記圧電アクチュエータを流路部材に固定することを特徴とし、特に前記液滴吐出装置が印刷ヘッドであることが好ましい。これにより、簡便でしかも短時間で正確な測定を行えるので、工程を簡略化でき、製造コストを低減し、歩留りを向上することができる。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。また、本発明の液滴吐出装置を印刷ヘッドに用いると、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。

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。

本発明において評価対象となる圧電アクチュエータは、振動板上に複数の変位素子が設けられたものである。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。

圧電アクチュエータ１１は、振動板１３と、振動板１３上に順次形成された内部電極１５、圧電セラミック層１４、及び複数の表面電極１６とを具備し、変位素子１７が表面電極１６と内部電極１５とで挟持された圧電セラミック層１４とで構成され、振動板１３上には複数の変位素子１７が形成されている。

このような変位素子の大きさは、例えば縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの振動板の上に、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。

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。

なお、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とで変位素子が形成されている。

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。

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。

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。

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。

保持部材１２２に設けられた吸引孔１２８は、表面電極１２６又は変位素子１２７よりも僅かに大きい程度の大きさにして変位素子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。

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の変位を可能にすることが好ましく、複数の変位素子のうち、一部の変位素子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。

また、本発明における保持方法は、上述したように、変位素子を非拘束部とし、変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記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。

また、保持部材として、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。

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、個々の変位素子の外周部を固定することが好ましい。全ての変位素子を測定しない場合であっても、測定する変位素子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を外周部で固定させることが望ましい。

例えば、変位素子の外周部に保持部材の複数の吸引孔が配置するように、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。

このような多数の変位素子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の数が多いほどその効果が大きい。

本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、複数の変位素子の電気機械結合係数ｋ _ｔを測定し、その値から圧電特性を評価するものである。

具体的には、測定する変位素子の圧電特性として、インピーダンスアナライザーを用いて、厚み縦振動モードにおける電気機械結合係数ｋ _ｔ、比誘電率ε、弾性定数ｓ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、厚み縦振動モードにおける圧電定数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。

図５はｄ_ｔとｄ_３１の関係を示したものであり、ｄ_ｔとｄ_３１は直線関係がある。また、図６はｄ_ｔと変位素子の変位量を示したものであり、両者には直線関係がある。従って、あらかじめ、これらを比較して校正曲線を作成しておけば、ｄ_ｔ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を、簡便に、且つ正確に評価することができる。

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、インピーダンスアナライザー１５４を用いて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。

なお、厚み縦振動モードによる共振周波数は圧電アクチュエータの厚みに依存するため、１００μｍ以下の場合、数十ＭＨｚ以上の周波数帯に共振周波数が存在する。従って、測定に当っては、高周波測定時のプローブ端子の校正、特にプローブ等の装置に依存する浮遊容量などの影響を除去して測定することが好ましい。

厚み縦振動モードの圧電定数ｄ_ｔは、ｄ _ｔ＝ｋ _ｔ・（ε・ｓ）^１／２の定義を用いて評価した。ここで、ｋ _ｔは厚み縦振動モードにおける電気機械結合係数、εはＰＺＴの比誘電率、ｓは弾性コンプライアンスである。

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_ｔを測定すれば良い。

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_ｔ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。

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、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。

圧電アクチュエータ用評価装置は、図７に示したように、同一平面に複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータ１５１を固定する保持装置１５２と、アクチュエータの個々の変位素子に電圧を印加するための触診用プローブ１５３と、インピーダンスアナライザー１５４とを具備するもので、特に、保持装置１５２が、真空を用いて圧電アクチュエータ１５１を固定することが好ましい。また、所望により、ＣＣＤカメラ１５５で圧電アクチュエータ１５１の微小な部位を撮影し、リアルタイムでモニタ１５６に表示したり、ビデオやメモリ等に記録することも可能である。

このような圧電アクチュエータ用評価装置は、圧電アクチュエータ等の圧電体を支持部材に接合することなく、また、圧電体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ｋ _ｔを測定することによって、変位や圧電定数ｄ_３１を精度よく評価することが可能となる。

インクジェット方式のプリンタや工業用印刷機等の印刷に用いる液体吐出装置に好適に用いることができる。

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。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。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。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。本発明の圧電アクチュエータにおけるｄ_ｔとｄ_３１の関係を示したものである。本発明の圧電アクチュエータにおけるｄ_ｔと変位量の関係を示したものである。圧電アクチュエータ用評価装置の構成を示すもので、装置のブロック図である。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、１５１・・・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
１５２・・・保持装置
１５３・・・触診用プローブ
１５４・・・インピーダンスアナライザー

Claims

圧電セラミック層を電極で挟持してなる複数の変位素子を振動板上に具備する圧電アクチュエータの評価方法であって、前記変位素子について厚み縦振動モードを利用した電気機械結合係数ｋ_ｔ、比誘電率ε及び弾性コンプライアンスを測定して、圧電定数ｄ _ｔを求め、予め求めた圧電定数ｄ _ｔと圧電定数ｄ _３１との関係から、前記変位素子の径方向振動モードにおける圧電定数ｄ _３１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が、前記振動板の上に共通電極、前記圧電セラミック層及び複数の個別電極が順次形成され、前記共通電極と前記個別電極とで前記圧電セラミック層を挟持してなる前記変位素子を前記振動板上に複数形成してな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の厚みが１００μｍ以下であ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。
前記変位素子を非拘束部とし、前記変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記圧電アクチュエータを固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。
前記拘束部が、前記変位素子の外周部であることを特徴とする請求項４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固定することを特徴とする請求項１〜５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１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータの評価方法によって圧電定数ｄ _３１を評価して不良品を排除し、しかる後に良品である前記圧電アクチュエータを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。
前記液滴吐出装置が印刷ヘッドであることを特徴とする請求項７記載の液滴吐出装置の製造方法。