JP4614636B2 - A firing jig for firing piezoelectric ceramics for ink jet printer heads containing Pb or Bi and having a thickness of 100 μm or less, and a piezoelectric ceramics and ink jet printer heads for ink jet printer heads containing Pb or Bi and containing Pb or Bi having a thickness of 100 μm or less Method of manufacturing piezoelectric actuator - Google Patents

A firing jig for firing piezoelectric ceramics for ink jet printer heads containing Pb or Bi and having a thickness of 100 μm or less, and a piezoelectric ceramics and ink jet printer heads for ink jet printer heads containing Pb or Bi and containing Pb or Bi having a thickness of 100 μm or less Method of manufacturing piezoelectric actuator Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、PbまたはBiを含有するインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成などの熱処理する際に用いられる焼成具、及びそれを用いたPbまたはBiを含有するインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスの製造方法、並びにインクジェットプリンタヘッド用圧電アクチュエータの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来技術】
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子(発振子を含む)、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【0003】
これらの中で、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インク吐出用アクチュエータ等に応用されている。
【0004】
このようなアクチュエータに用いられる圧電磁器にはチタン酸ジルコン酸鉛(以下、単にPZTと言うことがある)等の鉛系セラミックスが用いられている。鉛は揮発性が高いため、焼成中に成形体から蒸発して、焼結体の組成変動を引き起こし、組成が不均一になるという問題があった。特に、表面の組成変動は内部に比べて大きかった。
【0005】
そこで、Pbのような揮発成分を含む成形体の焼成には、成形体と同一又は類似で、成形体に含まれる揮発成分を含む組成物(以下、共材と言う)を、成形体と共に容器内に入れ、成形体から揮発成分が蒸発することを抑制し、成形体の組成変動、特に表面付近での組成変動や組織変化を防止し、特性の均一化を行うことが提案されている(例えば、特許文献1)。
【0006】
即ち、多孔質セッターの上に成形体を載置して容器に装填するとともに、成形体の周囲に共材を配置して焼成する。従って、特許文献1に用いられた焼成治具は、容器と、成形体を載置するために該容器内に置かれた多孔質セッターを具備している。
【0007】
【特許文献1】
特開平10−29872号公報図1
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、厚みが数百μm以下のセラミック成形体の積層体を焼成すると、表面が内部に比べて組成が変化しており、表面の変質相を除去する必要があるものの、厚みが薄いため機械加工が困難であるという問題があった。
【0009】
また、焼成時の組成変動により、部位によって収縮率が異なるため、うねり、反りといった変形を生じ、或いはまた、局部的に凹凸が発生し平滑な磁器を得ることが困難であるという問題があった。
【0010】
さらに、組成変動により、圧電特性が表面の部位によって異なる、即ち面内バラツキがあるという問題があり、これをインクジェットプリンタの印刷ヘッド用アクチュエータに用いた場合には、インクの吐出バラツキが大きくなり、画質が低下するという結果になった。
【0011】
従って、本発明の目的は、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器を得ることを可能とする焼成治具を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面が平滑で平坦な部材によって構成した密閉空間に、成形体を挿入し、特に、表面が平滑で平坦な支持板と重量体とで成形体を挟みながら焼成することにより、成形体からの揮発成分の蒸発を抑制し、表面の組成変動を抑えることができるという知見に基づくもので、このような焼成治具を用いることにより、表面の組成変動が小さく、特性バラツキが小さく、平滑な磁器の得られる焼成治具を可能とするものである。
【0013】
また、本発明によれば、密閉空間を形成する焼成治具の当接面を機械加工等によって平滑で、平坦な平面にすることで密性を高め、さらに密閉空間中のデッドスペースを小さくすることにより、共材を使用しなくても揮発成分が蒸発するのを抑制することを可能とする。
【0014】
即ち、本発明のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成するための焼成治具は、主面に成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の前記主面の上に設けられる前記成形体を囲む貫通孔を有するスペーサと、該スペーサの上に設けられる天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記重量体の前記セラミック成形体に当接する一主面とが、気孔率が5%以下であるとともに、3μm以下の表面粗さRa及び20μm以下の平坦度を有することを特徴とするものである。
【0015】
ここで、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面とが、5%以下の気孔率であるので、気孔通じて揮発成分が外部に飛散することを抑制し、さらなる焼成磁器の気密性を高める効果がある。
【0017】
さらに、前記スペーサの前記貫通孔の内壁と前記重量体との間の最大距離が6mm以下であることが好ましい。これにより、焼成具内に形成される密閉空間で、さらに成形体表面からの揮発成分の蒸発抑制効果を高めることができる。
【0019】
また、前記重量体の前記成形体に当接する一主面は、気孔率が5%以下であり、表面粗さRaが3μm以下であり、平坦度が20μm以下であるので、成形体の表面と重量体の表面との当接面に形成される隙間が狭くなり、しかも成形体表面からの蒸発が抑制されるため、焼成で得られた焼結体の特性バラツキを効果的に抑制することができ、且つ局部的な凹凸、反り、うねりをさらに抑制することが可能となる。
【0020】
さらに、前記重量体の重力によって生ずる圧力が1〜500Paであることが好ましい。これにより、磁器の収縮率のバラツキを抑制することができ、磁器の変形を回避することが容易になる。
【0021】
さらにまた、前記支持板及び重量体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Pb系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも1種を含有することが好ましい。これらの材質は、成形体、特に圧電材料との反応を抑制し、磁器と具との付着を抑制することができる。
【0022】
さらに、前記支持板及び前記重量体がセラミックスからなり、該セラミックスを構成する結晶の平均粒径が5〜30μmであることが好ましい。これにより、焼成の加熱時及び冷却時における磁器の変形、破損の効果的な抑制が期待できる。
本発明のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスの製造方法は、支持板の主面に貫通孔を有するスペーサを載置し、該スペーサの前記貫通孔内であって前記支持板の前記主面の上にPbまたはBiを含有する焼成後の厚みが100μm以下となるセラミック成形体を載置し、前記セラミック成形体の上に重量体を載置し、前記スペーサの上に天板を載置した状態で、焼成を行なうPbまたはBiを含有する厚みが100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスの製造方法であって、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記重量体の前記セラミック成形体に当接する一主面とが、気孔率が5%以下とされているとともに、3μm以下の表面粗さRa及び20μm以下の平坦度とされており、前記セラミック成形体が、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板により形成された密閉空間に載置されることを特徴とする。
また、本発明のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電アクチュエータの製造方法は、PbまたはBiを含有する圧電セラミックスとなる粉末とバインダーとを含むグリーンシートが複数積層され、内部に内部電極が形成されている焼成後の厚みが100μm以下となる圧電セラミック成形体を作製する工程と、支持板の主面に貫通孔を有するスペーサを載置し、該スペーサの前記貫通孔内であって前記支持板の前記主面の上に前記圧電セラミック成形体を載置し、前記圧電セラミック成形体の上に重量体を載置し、前記スペーサの上に天板を載置した状態で焼成を行なって、内部電極の形成された圧電磁器を作製する工程と、前記圧電磁器の表面に複数の表面電極を形成する工程と、を具備するPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電アクチュエータの製造方法であって、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記重量体の前記圧電セラミック成形体に当接する一主面とが、気孔率が5%以下とされているとともに、3μm以下の表面粗さRa及び20μm以下の平坦度とされていることを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明を、圧電磁器としてPZTを用いた場合を例として、図を用いて説明する。
【0024】
本発明の焼成治具は、内部に挿入したPbまたはBiを含有するセラミックスの粉末成形体を焼成するために用いるものであって、例えば、図1(a)に示すように、支持板101と、スペーサ102と、天板103とを組み合せて内部に密閉空間104を形成し、支持板101の主面106aに当接するように、密封空間104に成形体105を載置するとともに、重量体107を成形体105の上に載置し、その焼成治具を成形体と共に焼成炉の内部に入れて焼成を行うためのものである。
【0025】
このように、支持板101は、成形体105を載置する主面106aを有し、スペーサ102は、成形体105を内部に収納するように、即ち、成形体105を取り囲むように設けられ、天板103は、スペーサ102の上に設けられる。
【0026】
従って、本発明の焼成治具は、図1(b)に示したように、支持板101と、貫通孔109を有するスペーサ102と、天板103と、重量体107との治具部材で構成され、スペーサ102に設けられた貫通孔109の内部に重量体107を配置するように、これらを組み合せたものである。
【0027】
本発明によれば、支持板101の主面106aと、支持板101の主面106aに当接するスペーサ102の主面106bと、天板103の主面106dと、天板103の主面106dに当接するスペーサ102の主面106cとが、いずれも3μm以下の表面粗さRaと、20μm以下の平坦度とを有することが重要である。
【0028】
これは、例えばPb、Biといった焼成中に揮発しやすい成分を含有した成形体を焼成する際、組み合せた焼成具に大きな隙間があると、揮発成分が治具外に継続的に飛散し、結果的には多量の揮発成分が飛散することとなり、焼結した磁器の特性バラツキが多くなる。従って、このような揮発成分を焼成治具から飛散することを抑制するため、隙間を形成する治具部材間の当接部、即ち、支持板101、スペーサ102及び天板103の当接面である主面106の表面状態を制御することが重要となる。
【0029】
主面106の平坦度が20μmを越えると、表面の歪みによって比較的大きな隙間ができやすく、この隙間を通して揮発成分が飛散しやすくなり、成形体を焼成して得た焼結体の特性バラツキが大きくなる。特に、5〜100μmの薄層の圧電磁器を作製する場合、例えば印刷ヘッド用アクチュエータに用いる圧電磁器を焼成する場合には、反りや表面凹凸が発生しやすく、平坦で平滑な圧電磁器を得ることが困難になる。
【0030】
より平坦で平滑な焼結体を得るため、支持板支持板101、スペーサ102及び天板103の当接面である主面106の平坦度は15μm以下、更には10μm以下が好ましい。
【0031】
また、主面106の表面粗さRaが3μmを越えると、治具部材間の凹凸で形成される拡散経路を介して揮発成分が飛散しやすく、成形体を焼成して得た焼結体の特性バラツキが大きくなる。従って、拡散経路を介した揮発成分の飛散を抑制して焼結体の特性バラツキを小さくするために表面粗さRaを3μmとすることが重要である。
【0032】
拡散経路となる隙間をより小さくすることによって、成形体からの揮発を効果的に抑制するために、支持板101、スペーサ102及び天板103の当接面である主面106の表面粗さRaを、特に2.5μm以下、更には2μm以下にすることが好ましい。
【0033】
本発明によれば、焼成治具の当接面、即ち支持板101の主面106aと、支持板101の主面106aに当接するスペーサ102の主面106bと、天板103の主面106dと、天板103の主面106dに当接するスペーサ102の主面106cと、の表面部が、5%以下、特に1%以下、更には0.5%以下の気孔率を有することが好ましい。
【0034】
このような気孔率を設定することで、多孔質体のように気孔を通して揮発性成分が焼成治具の外部に飛散することを防止することが可能となる。また、上記のように気孔率を小さくすることで、表面粗さを容易に小さくすることが可能となり、焼成治具の密性をさらに高めることができ、その結果、焼結体の平坦度、表面粗さ及び組成バラツキをさらに改善することができる。
【0035】
また、気孔率を小さくすることにより、支持板101の主面106aは従来用いられていた多孔質体のように脱粒が多くないため、主面106aと接する成形体107の表面に脱粒した粒子が付着し、不良品となることを抑制することもできる。
【0036】
なお、治具部材の表面の気孔率を測定するためには、表面を研磨し、研磨面の気孔率を評価するため、実際には研磨に必要な最低限の厚み、例えば数μmの厚みが必要であり、これを本発明では表面部と言う。
【0037】
支持板101、スペーサ102及び天板103は、全体が緻密なものであっても、表面のみが緻密なものであっても、いずれでも使用することができる。
【0038】
例えば、全体が緻密な緻密焼結体は、繰り返し焼成治具として使用して表面が汚れたり、傷ついたりしても、表面を再加工することによって低コストで再生が可能である。
【0039】
表面が緻密で内部が比較的気孔率が高い部材として、焼結時に内部よりも表面部で焼結が容易に進むような焼結体を例示することができる。また、緻密でない表面を有する部材、例えば多孔質体の表面だけを緻密にすることもできる。例えば、表面の気孔率が2〜8%程度のセラミック焼結体表面を研磨加工し、セラミック層を被覆することにより、支持板101、重量体107の主面106a、106bを0.1%以下の気孔率にすることができる。
【0040】
特に、CVD(学気相成長法)により数10μm以上、更には50μm以上、より好適には100μm以上の厚みに形成し、鏡面研磨を行って表面の気孔率を1%以下にすることができる。この方法を用いると、気孔率が0.1%以下で、表面粗さも100nm以下の超緻密、超平滑な表面を得ることができ、密性の高い焼結治具を得ることが可能である。また、この方法は、大型支持板の全体を緻密な焼結体で作製するためのコストが高い場合、或いは緻密な焼結体を合成することが困難な場合、成形体と支持板とが反応しやすい場合に特に有効である。
【0041】
本発明によれば、支持板101の主面106aの上に成形体105を載置すれば、成形体105の上に何があっても良く、例えば、多孔質体を載せても良いが、支持板101と同様の主面を有する重量体107を成形体105の上に載せて、成形体105を支持板101と重量体107とで挟持するように配置するのが、組成のバラツキを効果的に抑制でき、且つ20μm以下の平坦度を容易に得られる点で好ましい。
【0042】
これは、揮発性の高いPb、Biを含む場合、面積の広い一対の主面を平滑で、平坦な表面を有する支持板101と重量体105とで挟むことにより、Pbの蒸発を抑制すると共に、蒸発による面内の組成バラツキを抑制することができる。
【0043】
なお、成形体105を支持板101と重量体105とで挟み込むように配置すると、側面からPbが蒸発するものの、側面の表面部のPb組成バラツキが発生しても、側面部を変位素子として使用しないアクチュエータ等においては、変位特性に影響を及ぼさないため、実質的に組成バラツキは無視できる。
【0044】
また、スペーサ102の内壁108と重量体105との間の最大距離、即ちスペーサ102の貫通孔109の長さSと重量体Wとの差d(d=S−W)が6mm以下、特に4mm以下、更には2mm以下であることが好ましい。重量体105は密閉空間109に配置されるため、重量体105の占有スペースがスペーサの内壁に近いほどデッドスペース(密閉空間の容積から成形体と重量体105の容積を引いた残りの容積)が小さくなり、揮発成分が蒸発してもわずかな量で飽和蒸気圧となり、磁器中の組成変動をさらに小さくすることができる。
【0045】
なお、S−Wの値が小さすぎるとスペーサ102と重量体103との隙間が小さくなりすぎて焼成後にかみ込んで分離が困難になることがないように、d(S−W)の値は0.2mm以上、特に0.4mm以上、更には0.6mm以上であることが好ましい。
【0046】
さらに、スペーサ102の一部に設けられた貫通孔の形状と重量体102の主面の形状が相似形であることが好ましい。重量体105の主面の形状がスペーサ102の貫通孔の形状に近づくほどデッドスペースを縮小することができる。
【0047】
前記重量体によって成形体に加える圧力が1〜500Pa、特に10〜300Paであることが好ましい。このような圧力を成形体に加えることにより、焼結を阻害することなく、焼成時の成形体の変形を効果的に防止することができる。
【0048】
本発明に用いる支持板は、焼成温度に耐えることができ、表面加工が容易で、成形体粉末と反応性が低いものであればどのような材質でも用いることは可能である。
【0049】
特に、焼成治具を圧電体の焼成に用いる場合には、PZT等の圧電セラミック粉末からなる成形体との反応性が低く、圧電体の特性安定化が可能であることから、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Pb系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも1種を含有することが好ましい。
【0050】
これらの中で、特に反応性が低いジルコニア、スピネルが好ましく、更に、10モル%以上のY23、CaO、MgO及び希土類のうち、少なくとも1種を含む安定化ジルコニアであることが、ジルコニアの相変態を抑制するため、治具の割れ、欠け変形、表面粗さの変化を抑制する点で好ましい。
【0051】
さらに、支持板101を構成する結晶の平均粒径は、加熱や冷却による変形を小さくし、また、割れ、欠けが顕著に発生することを防止するため、5〜30μm、特に10〜25μm、更には15〜20μmであることが好ましい。
【0052】
本発明によれば、支持板101、スペーサ102及び天板103を組み立てた焼成治具の最大厚みは、15mm以下であることが好ましい。このような厚みに設定することにより、均熱性を高め、成形体の温度を均一化して、焼成ムラによる特性バラツキをより効果的に抑制することが可能で、特にZrO2等の熱伝導率の低い材料からなる場合に有効である。
【0053】
また、本発明によれば、複数の成形体を焼成するためには、例えば図2(a)に示したように、支持板111と、スペーサ112と、天板113とを組み合せて内部に複数の密閉空間114を形成するとともに、支持板111の主面116aに成形体115を載置し、成形体115を内部に収納するように、即ち、成形体115を取り囲むようにスペーサ112を支持板111の上に設け、さらにスペーサ112の上に天板113を設け、密閉空間114の内部に成形体115と重量体117とを配置すればよい。
【0054】
このように、本発明の焼成治具は、図2(b)に示したように、支持板111と、スペーサ112と、天板113と、重量体117との治具部材で構成され、これらを組み合せたものであり、スペーサ112の貫通孔119の内部に重量体117を配置すれば良い。
【0055】
また、図1や図2の焼成治具を複数重ねた構造にして、さらに多くの成形体を一度に焼成できるようにしても良い。
【0056】
次に、本発明の焼成治具の使用方法について、PZTの焼成を例として説明する。
【0057】
まず、原料に用いる圧電体粉末として、純度99%、平均粒子径1μm以下のPZT粉末を準備する。
【0058】
このPZT粉末に適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、このテープの所望の部位に内部電極を形成するために、導電性ペーストを塗布し、また所望の箇所にビアホールを形成すると共にビアホールの内部に導電性ペーストを埋め込んで電極を形成した。次いで、得られた成形体を積層する。また、所望により、特定の形状に切断する。
【0059】
積層して得られた成形体を、焼成するために、成形体を焼成治具に搭載して焼成炉内に配置する。以下、焼成治具として図1に示した焼成治具を使用する場合を例として説明する。即ち、平坦度が20μm以下、表面粗さRaが3μm以下の支持板101の上に、成形体105を載せ、その成形体を取り囲むように、スペーサ102を載せる。
【0060】
次いで、スペーサ102の貫通孔109の内部に載置された成形体105の上に重量体107を載せる。この時、成形体105を破損しないように、衝撃を与えないように載せる。なお、重量体107を、成形体105を載せた直後、成形体105の上に置いてからスペーサ102を支持板101の上に載せても良い。
【0061】
さらに、スペーサ102の上に天板103を載せ、支持板101と、スペーサ102と、天板103とで密閉空間104を形成し、且つその密閉空間104の内部に成形体105と重量体107とを配置する。
【0062】
このようにして密性の高い密閉空間を形成した焼成治具を焼成炉に挿入し、所望の焼成温度で焼成すれば良い。
【0063】
なお、焼成に先立ち、所望により、成形体を400℃〜900℃程度の温度で脱脂処理を行っても良い。
【0064】
このように焼成して得られた圧電磁器の表面に表面電極を形成し、また、分極してアクチュエータを作製することができる。例えば、このようなアクチュエータは、図3に示したように、圧電磁器からなる圧電板2と、圧電板2の内部に設けられた内部電極5と、圧電板2の主面の一部に設けられた表面電極6とを具備し、圧電板2の表面部に形成された圧電振動層4と内部電極5と表面電極6とで変位素子7を構成したものである。
【0065】
また、例えば図3(b)に示したように、表面電極6が等間隔で2次元的に配列され、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され(図示せず)、それぞれの電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された内部電極5と表面電極6に挟持された部位の圧電振動層4が変位することができる。
【0066】
さらに、印刷ヘッドに応用する場合、図3(c)に示したように、アクチュエータ1を、インク流路3aが隔壁3bによって形成されてなる流路部材3に接合すると、変位素子7が変位することにより、インク流路3aのインクをインクノズル8から吐出させることができる。
【0067】
本発明の焼成治具を焼成に用いれば、図3に示したような厚みが100μm以下の薄層のアクチュエータを製造する時でも、焼成時の揮発性成分の蒸発の影響を顕著に低減でき、収縮バラツキ等による磁器の変形を小さくできるため、流路部材に固定する際に凹凸を矯正して平滑に接合する際に発生する残留応力を小さくすることができる。
【0068】
また、成形体からの揮発成分の蒸発を抑制できるので焼結体表面の組成バラツキが抑制され、アクチュエータを構成する多数の変位素子が、均一な圧電特性を具備するため、変位量のバラツキを顕著に低減することができる。また、このようなアクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッドに適応することで、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に大きく寄与することができる。
【0069】
なお、本発明の焼成治具は圧電磁器に限らず、あらゆる粉末成形体の焼成に用いることができることは言うまでもない。
【0070】
【実施例】
本発明の焼成治具を用いて圧電磁器を焼成し、図3に示したアクチュエータを作製し、特性を評価した。以下に、具体的に説明する。
【0071】
まず、原料として、純度99%以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミックス粉末を準備した。
【0072】
成形体は、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミック材の粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクタープレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ30μm程度のシート形状にて作製した。
【0073】
また、各種の圧電用のセラミックス材の粉末を用いて同様にグリーンシートを作製した。また、Ag−Pd内部電極用の導電ペーストを作製した。得られた導電ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ4μmで印刷し、内部電極を形成した。
【0074】
次いで、内部電極が印刷されたグリーンシートを、内部電極が印刷されていないグリーンシートで挟むように順次積層し、熱圧着して成形体を得た。
【0075】
この成形体を脱脂処理した後に、図2に示したように、成形体を支持板と重量体とで挟み込むように密閉空間に配置した。このように複数の成形体を内部に装填した焼成治具を焼成炉に配置した。
【0076】
これを、酸素99%以上の雰囲気中で、焼成温度1000℃で2時間保持して焼成し、内部電極を具備する圧電磁器を作製した。
【0077】
支持板には表1に示す材料を用いた。安定化ジルコニアを用いた場合、安定化を測定した。この安定化度は、全体の結晶相中の立法晶の割合で表すもので、具体的にはX線回折(XRD)によるピーク強度を測定し、安定化度を下記式から算出したものである。
【0078】
安定化度=100×Vm/Vc
ここで、Vm、Vcはそれぞれ単斜晶、立法晶の体積分率であり、
Vm=(lm(111)+lm(11-1))/(lm(111)+lm(11-1)+lt(111)+lc(111))
Vc=lc(400)/(lc(400)+lt(400)+lt(004))
で表される。なお、lは各反射面の積分強度(ピーク強度)、添字m、t、cはそれぞれ単斜晶、正方晶、立法晶を示す。
【0079】
支持板の気孔率は、鏡面研磨面の顕微鏡写真(200倍)より画像解析にて測定した。また、平坦度はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とX−Yステージを組み合せた装置にて具の長軸方向とその垂直方向にスキャンし最大値で評価した。平均粒径Gは鏡面研磨した後沸騰燐酸によりエッチングし、SEM写真での平均切片長さLから、関係式G=1.5×Lより求めた。
【0080】
支持板の表面のRaは、AFMをもちいて100μm×100μmのエリアを走査して測定し、面内任意の5個所の測定値の平均値より求めた。
【0081】
d=S−Wは、相似形の場合は平均値で、非相似形は最大値で示した。また、重量体による圧力は、その重量から算出した。
【0082】
この際、密閉空間の容積Vは1326mm、重量体の容積Vは625mm、成形体の体積Vは75mmとなるようにした。この時、1.0001≦V/(V+V)≦4.0000、及び0.02≦V/V≦50とすれば、被焼成体からの揮発成分の蒸発をさらに抑制し、圧電特性のバラツキをより効果的に抑制することができる。なお、V 、V はアルキメデス法により求め、V は成形体の外形寸法より求めた。
【0083】
得られた圧電磁器の厚みは50μmであり、これを下記のように評価した。
【0084】
圧電磁器の平坦度は、キーエンス製レーザーフォーカス変位計とX−Yステージの組み合わせ装置により、試料の一端から他端の間を走査して高さの変化よりもとめた。
【0085】
磁器表面の凹凸はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とX−Yステージの組み合わせ装置により、縦2mm、横2mmの範囲を走査して、最大値−最小値より算出した。
【0086】
磁器表面のRaも、上記と同様にAFMを用いて測定した。
【0087】
次に、得られた圧電磁器の表面片側に表面電極を形成した。表面電極は、スクリーン印刷にてAuペーストを塗布し、一基板当たり600点形成した。これを600〜800℃の大気中で焼付け、図3(a)及び(b)に示したアクチュエータを作製した。
【0088】
圧電定数はd31についてインピーダンスアナライザ(アジレントテクノロジー製4194A)を用いた共振法で10箇所測定し、その平均値を算出した。そして、d31の平均値との差を算出し、その差の最大値をd31バラツキとして百分率で表示した。
【0089】
変位の測定は、インクジェットプリンタ用印刷ヘッドとしての使用を考慮し、図4に示したように、溝13aと隔壁13bを有する支持板13に、上記作製したアクチュエータ11を接着し、圧電振動層14を内部電極15と表面電極16で挟持する構造となるように変位素子17を作製した。そして、レーザードップラー変位計により支持板13側から溝13aを通してアクチュエータにレーザービームを照射し、支持板13の溝13aに当接しているアクチュエータの中心部及び周辺部7点を測定して変位を測定し、平均値を算出した。結果を表1に示した。
【0090】
【表1】

Figure 0004614636
【0091】
本発明の試料No.1〜9、10〜15及び17〜45は、圧電定数d31のバラツキが10%以下であった。
【0092】
一方、支持体の平坦度が30μmと大きい焼成治具を使用した本発明の範囲外の試料No.9は、d31のバラツキが14%と大きかった。
【0093】
また、支持板の表面粗さRaが4μm大きい本発明の範囲外の試料No.16は、d31のバラツキが15%と大きかった。
【0094】
【発明の効果】
本発明によれば、表面が平滑で平坦な焼成治具部材によって密閉空間を形成するため、気密性の良好な密閉空間を得ることができ、その内部にPbまたはBiを含有する焼成後の厚みが100μm以下となる成形体と重量体とを挿入し、特に表面が平滑で平坦な支持板と重量体とで成形体を挟みながら焼成することにより、成形体からのPbまたはBiの蒸発を顕著に抑制し、表面の組成変動を抑えることができるという知見に基づくもので、このような焼成治具を用いることにより、厚みが100μm以下であっても、表面の組成変動が小さく、圧電定数のバラツキが小さく、平滑なPbまたはBiを含有するインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを得ることができる。
【0095】
また、密閉空間の機密性が高く、密閉空間中のデッドスペースも小さくすることが可能なため、共材を使用しなくても揮発成分が蒸発するのを抑制しつつ、焼成することができる。
【0096】
本発明によれば、PbまたはBiを含有する、厚み100μm以下の薄層のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを作製する場合、圧電定数のバラツキを少なくすることおよび平坦度と平滑性を向上させることが可能であり、支持板に接合しても圧電体の特性劣化を抑制することができ、圧電振動層の表面組成のバラツキが抑制され、複数の圧電素子の変位バラツキを低減することができるため、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に使用可能なアクチュエータを作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の焼成治具を用いて作成したアクチュエータを示すもので、(a)は概略断面図、(b)は概略平面図、(c)は流路部材を接合した時の概略断面図である。
【図2】本発明の焼成治具を説明するための概略断面図である。
【図3】従来の焼成治具の製造方法を説明するための概略断面図である。
【図4】実施例で用いたアクチュエータを示すもので、流路部材を接合した時の概略断面図である。
【符号の説明】
101・・・棚板
102・・・スペーサ
103・・・天板
104・・・密閉空間
105・・・成形体
106・・・主面
106a・・・棚板の主面
106b・・・スペーサの主面
106c・・・スペーサの主面
106d・・・天板の主面
106e・・・重量体の主面
107・・・重量体
108・・・内壁
109・・・貫通孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention contains Pb or BiPiezoelectric for inkjet printer headceramicTheFiring used for heat treatment such as firingHealingIngredient and containing Pb or Bi using itPiezoelectric for inkjet printer headManufacturing method of ceramics, andPiezoelectric for inkjet printer headActuator manufacturing methodRelatedTo do.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, products using a piezoelectric ceramic include, for example, an actuator, a filter, a piezoelectric resonator (including an oscillator), an ultrasonic vibrator, an ultrasonic motor, a piezoelectric sensor, and the like.
[0003]
Among these, the actuator has a response speed of 10 to an electric signal.-6Since it is very fast, it is applied to an XY stage positioning actuator of a semiconductor manufacturing apparatus, an ink ejection actuator of an ink jet printer, and the like.
[0004]
A piezoelectric ceramic used for such an actuator uses lead-based ceramics such as lead zirconate titanate (hereinafter sometimes simply referred to as PZT). Since lead is highly volatile, there is a problem in that it evaporates from the molded body during firing, causing a compositional variation of the sintered body, resulting in a non-uniform composition. In particular, the composition variation on the surface was large compared to the inside.
[0005]
Therefore, for firing a molded body containing a volatile component such as Pb, a composition (hereinafter referred to as a co-material) containing the volatile component contained in the molded body, which is the same as or similar to the molded body, is used together with the molded body. It has been proposed to suppress the evaporation of volatile components from the molded body, prevent composition fluctuations of the molded body, particularly composition fluctuations and structural changes near the surface, and make the characteristics uniform ( For example, Patent Document 1).
[0006]
That is, a compact is placed on a porous setter and loaded into a container, and a co-material is placed around the compact and fired. Therefore, the firing jig used in Patent Document 1 includes a container and a porous setter placed in the container in order to place the molded body.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-29872 FIG.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a laminate of ceramic molded bodies with a thickness of several hundreds of μm or less is fired, the surface changes in composition compared to the inside, and it is necessary to remove the altered phase on the surface. There was a problem that was difficult.
[0009]
In addition, due to composition fluctuations during firing, the shrinkage rate varies depending on the part, so that deformation such as undulation and warpage occurs, or unevenness is locally generated, making it difficult to obtain a smooth porcelain. .
[0010]
Furthermore, due to the composition variation, there is a problem that the piezoelectric characteristics vary depending on the part of the surface, that is, there is an in-plane variation, and when this is used for an actuator for a print head of an ink jet printer, an ink ejection variation becomes large, As a result, the image quality deteriorated.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a firing jig that can obtain a smooth porcelain having a small surface composition variation and small characteristic variation.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention inserts a molded body into a sealed space constituted by a flat member having a smooth surface, and in particular, forms by sandwiching the molded body between a support plate and a weight body having a smooth and flat surface. It is based on the knowledge that the evaporation of volatile components from the body can be suppressed and the composition fluctuation of the surface can be suppressed. By using such a firing jig, the composition fluctuation of the surface is small, and the characteristic variation is small. A firing jig capable of obtaining a smooth porcelain is made possible.
[0013]
  Further, according to the present invention, the contact surface of the firing jig forming the sealed space is made smooth and flat by machining or the like.spiritBy increasing the density and further reducing the dead space in the sealed space, it is possible to suppress evaporation of volatile components without using a common material.
[0014]
  That is, the thickness of the present invention containing Pb or Bi is 100 μm or less.Piezoelectric for inkjet printer headA firing jig for firing ceramics includes a support plate capable of mounting a molded body on a main surface, and a spacer having a through hole surrounding the molded body provided on the main surface of the support plate And a top plate provided on the spacer and a weight body placed on the molded body, and forming a sealed space by combining the support plate, the spacer and the top plate. The main surface of the support plate, the main surface of the spacer that contacts the main surface of the support plate, the main surface of the top plate, and the main surface of the spacer that contacts the main surface of the top plate The surface and one main surface of the weight body that contacts the ceramic molded body have a porosity of 5% or less, a surface roughness Ra of 3 μm or less, and a flatness of 20 μm or less. Is.
[0015]
  hereA main surface of the support plate, a main surface of the spacer that contacts the main surface of the support plate, a main surface of the top plate, and a main surface of the spacer that contacts the main surface of the top plate, The porosity is 5% or lessBecause, PoresTheThrough this, there is an effect of suppressing the volatile component from being scattered to the outside and further improving the hermeticity of the sintered porcelain.
[0017]
  Furthermore, it is preferable that the maximum distance between the inner wall of the through hole of the spacer and the weight body is 6 mm or less. This makes firingHealingIn the sealed space formed in the tool, the effect of suppressing evaporation of volatile components from the surface of the molded body can be further enhanced.
[0019]
  Further, one main surface of the weight body contacting the molded body has a porosity of 5% or less, a surface roughness Ra of 3 μm or less, and a flatness of 20 μm or less.BecauseSince the gap formed on the contact surface between the surface of the compact and the surface of the weight is narrow, and the evaporation from the surface of the compact is suppressed, the characteristic variation of the sintered compact obtained by firing is effective. And local unevenness, warpage, and undulation can be further suppressed.
[0020]
Furthermore, the pressure generated by the gravity of the weight body is preferably 1 to 500 Pa. Thereby, variation in the shrinkage rate of the porcelain can be suppressed, and deformation of the porcelain can be easily avoided.
[0021]
  Furthermore, the support plate and the weight are made of alumina, beryllia, zirconia, magnesia, mullite, spinel, bismuth layered compound, tungsten bronze structure compound, Pb perovskite structure compound, niobium perovskite structure compound, and tantalum perovskite structure compound. It is preferable to contain at least one of them. These materials suppress the reaction with the molded body, especially the piezoelectric material,HealingAdhesion with tools can be suppressed.
[0022]
  Furthermore, it is preferable that the support plate and the weight body are made of ceramics, and the average particle diameter of crystals constituting the ceramics is 5 to 30 μm. Thereby, the effective suppression of the deformation | transformation and breakage of the porcelain at the time of heating of heating and cooling can be expected.
  Thickness of 100 μm or less containing Pb or Bi of the present inventionPiezoelectric for inkjet printer headThe ceramic manufacturing method includes placing a spacer having a through hole on the main surface of a support plate, and after firing containing Pb or Bi in the through hole of the spacer and on the main surface of the support plate A ceramic molded body having a thickness of 100 μm or less is placed, a weight body is placed on the ceramic molded body, and Pb or Bi is fired in a state where a top plate is placed on the spacer. The thickness to contain is 100 μm or lessPiezoelectric for inkjet printer headA method for manufacturing ceramics, comprising: a main surface of the support plate; a main surface of the spacer that contacts the main surface of the support plate; a main surface of the top plate; and the main surface of the top plate The main surface of the spacer and one main surface of the heavy body that contacts the ceramic molded body have a porosity of 5% or less, a surface roughness Ra of 3 μm or less, and a flatness of 20 μm or less. The ceramic molded body is placed in a sealed space formed by the support plate, the spacer, and the top plate.
  Further, the thickness of the present invention containing Pb or Bi is 100 μm or less.For inkjet printer headA method for manufacturing a piezoelectric actuator is a piezoelectric ceramic in which a plurality of green sheets containing Pb or Bi-containing piezoelectric ceramic powder and a binder are stacked and an internal electrode is formed therein, and the thickness after firing is 100 μm or less. A step of producing a molded body, and a spacer having a through-hole is placed on the main surface of the support plate, and the piezoelectric ceramic molded body is placed on the main surface of the support plate in the through-hole of the spacer. Placing a weight body on the piezoelectric ceramic molded body, firing in a state where a top plate is placed on the spacer, and producing a piezoelectric ceramic in which an internal electrode is formed; Forming a plurality of surface electrodes on the surface of the piezoelectric ceramic, and containing Pb or Bi having a thickness of 100 μm or lessPiezoelectric for inkjet printer headA method for manufacturing an actuator, comprising: a main surface of the support plate; a main surface of the spacer that contacts the main surface of the support plate; a main surface of the top plate; and the main surface of the top plate. The main surface of the spacer and one main surface of the heavy body that contacts the piezoelectric ceramic molded body have a porosity of 5% or less, a surface roughness Ra of 3 μm or less, and a flatness of 20 μm or less. It is characterized by being.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will be described with reference to the drawings, taking as an example the case of using PZT as a piezoelectric ceramic.
[0024]
  The firing jig of the present invention was inserted insideContains Pb or BiceramicSusFor example, as shown in FIG. 1 (a), a support plate 101, a spacer 102, and a top plate 103 are combined to form a sealed space 104. The molded body 105 is placed in the sealed space 104 so as to come into contact with the main surface 106a of the support plate 101, the weight body 107 is placed on the molded body 105, and the firing jig is fired together with the molded body. It is for firing inside the furnace.
[0025]
Thus, the support plate 101 has the main surface 106a on which the molded body 105 is placed, and the spacer 102 is provided so as to accommodate the molded body 105 therein, that is, so as to surround the molded body 105. The top plate 103 is provided on the spacer 102.
[0026]
Therefore, as shown in FIG. 1B, the firing jig of the present invention is constituted by a jig member including a support plate 101, a spacer 102 having a through hole 109, a top plate 103, and a weight body 107. These are combined such that the weight body 107 is disposed inside the through hole 109 provided in the spacer 102.
[0027]
According to the present invention, the main surface 106 a of the support plate 101, the main surface 106 b of the spacer 102 in contact with the main surface 106 a of the support plate 101, the main surface 106 d of the top plate 103, and the main surface 106 d of the top plate 103 It is important that the main surface 106c of the spacer 102 to be in contact has a surface roughness Ra of 3 μm or less and a flatness of 20 μm or less.
[0028]
  This is, for example, combined firing when firing a molded body containing a component that easily volatilizes during firing such as Pb and Bi.HealingIf there is a large gap in the tool, the volatile component will be continuously scattered outside the jig, and as a result, a large amount of the volatile component will be scattered, resulting in a large variation in the characteristics of the sintered porcelain. Therefore, in order to suppress scattering of such volatile components from the firing jig, the contact portions between the jig members forming the gaps, that is, the contact surfaces of the support plate 101, the spacer 102, and the top plate 103 are used. It is important to control the surface state of a certain main surface 106.
[0029]
If the flatness of the main surface 106 exceeds 20 μm, a relatively large gap is likely to be formed due to surface distortion, and volatile components are likely to be scattered through the gap, resulting in variations in the characteristics of the sintered body obtained by firing the molded body. growing. In particular, when a piezoelectric ceramic having a thin layer of 5 to 100 μm is manufactured, for example, when a piezoelectric ceramic used for a print head actuator is fired, warpage and surface unevenness are likely to occur, and a flat and smooth piezoelectric ceramic is obtained. Becomes difficult.
[0030]
In order to obtain a flatter and smoother sintered body, the flatness of the main surface 106 which is a contact surface of the support plate support plate 101, the spacer 102, and the top plate 103 is preferably 15 μm or less, and more preferably 10 μm or less.
[0031]
Further, when the surface roughness Ra of the main surface 106 exceeds 3 μm, volatile components are likely to be scattered through the diffusion path formed by unevenness between the jig members, and the sintered body obtained by firing the molded body Characteristic variation increases. Therefore, it is important to set the surface roughness Ra to 3 μm in order to suppress scattering of volatile components through the diffusion path and reduce the characteristic variation of the sintered body.
[0032]
In order to effectively suppress the volatilization from the molded body by making the gap serving as the diffusion path smaller, the surface roughness Ra of the main surface 106 which is the contact surface of the support plate 101, the spacer 102 and the top plate 103. Is preferably 2.5 μm or less, more preferably 2 μm or less.
[0033]
According to the present invention, the contact surface of the firing jig, that is, the main surface 106 a of the support plate 101, the main surface 106 b of the spacer 102 that contacts the main surface 106 a of the support plate 101, and the main surface 106 d of the top plate 103 It is preferable that the surface portion of the main surface 106c of the spacer 102 contacting the main surface 106d of the top plate 103 has a porosity of 5% or less, particularly 1% or less, and further 0.5% or less.
[0034]
  By setting such a porosity, it is possible to prevent the volatile component from being scattered outside the firing jig through the pores like a porous body. In addition, by reducing the porosity as described above, it becomes possible to easily reduce the surface roughness,spiritThe density can be further increased, and as a result, the flatness, surface roughness and composition variation of the sintered body can be further improved.
[0035]
  In addition, by reducing the porosity, the main surface 106a of the support plate 101 can be crushed like a porous body conventionally used.ManyTherefore, degranulated particles adhere to the surface of the molded body 107 in contact with the main surface 106a.The, Defective productsTo beCan also be suppressed.
[0036]
In order to measure the porosity of the surface of the jig member, in order to polish the surface and evaluate the porosity of the polished surface, the minimum thickness required for polishing, for example, a thickness of several μm is actually required. This is necessary and is referred to as a surface portion in the present invention.
[0037]
The support plate 101, the spacer 102, and the top plate 103 can be used regardless of whether the whole is dense or only the surface is dense.
[0038]
For example, a dense sintered body that is dense as a whole can be regenerated at low cost by reworking the surface even if the surface is soiled or damaged by repeated use as a firing jig.
[0039]
An example of a member having a dense surface and a relatively high porosity inside is a sintered body in which sintering proceeds more easily at the surface portion than at the inside during sintering. Further, only the surface of a member having a non-dense surface, for example, a porous body can be made dense. For example, the surface of the ceramic sintered body having a surface porosity of about 2 to 8% is polished and coated with a ceramic layer, so that the main surfaces 106a and 106b of the support plate 101 and the weight body 107 are 0.1% or less. The porosity can be made as follows.
[0040]
  In particular, CVD (ConversionA thickness of several tens of μm or more, further 50 μm or more, more preferably 100 μm or more can be formed by a chemical vapor deposition method, and the surface porosity can be reduced to 1% or less by mirror polishing. Using this method, it is possible to obtain an ultra-dense and ultra-smooth surface with a porosity of 0.1% or less and a surface roughness of 100 nm or less,spiritIt is possible to obtain a sintered jig with high density. In addition, when the cost for producing the entire large support plate with a dense sintered body is high, or when it is difficult to synthesize the dense sintered body, this method reacts between the molded body and the support plate. It is especially effective when it is easy to do.
[0041]
According to the present invention, if the molded body 105 is placed on the main surface 106a of the support plate 101, there may be anything on the molded body 105, for example, a porous body may be placed. Placing the weight body 107 having the same main surface as the support plate 101 on the molded body 105 and arranging the molded body 105 so as to be sandwiched between the support plate 101 and the weight body 107 is effective for variation in composition. It is preferable in that it can be suppressed and a flatness of 20 μm or less can be easily obtained.
[0042]
When Pb and Bi having high volatility are contained, the pair of main surfaces having a large area are sandwiched between the support plate 101 having a smooth and flat surface and the weight body 105, thereby suppressing the evaporation of Pb. In-plane composition variation due to evaporation can be suppressed.
[0043]
When the molded body 105 is disposed so as to be sandwiched between the support plate 101 and the weight body 105, Pb evaporates from the side surface, but the side surface portion is used as a displacement element even if Pb composition variation occurs on the side surface portion. In the actuators that do not, the displacement characteristics are not affected, so that the compositional variation can be substantially ignored.
[0044]
The maximum distance between the inner wall 108 of the spacer 102 and the weight body 105, that is, the difference d (d = S−W) between the length S of the through hole 109 of the spacer 102 and the weight body W is 6 mm or less, particularly 4 mm. Hereinafter, it is further preferably 2 mm or less. Since the weight body 105 is disposed in the sealed space 109, the dead space (the remaining volume obtained by subtracting the volume of the molded body and the weight body 105 from the volume of the sealed space) becomes closer as the occupied space of the weight body 105 is closer to the inner wall of the spacer. Even if the volatile component evaporates, a small amount of the saturated vapor pressure is obtained even when the volatile component evaporates, and the composition variation in the porcelain can be further reduced.
[0045]
If the SW value is too small, the gap between the spacer 102 and the weight body 103 will not be too small, and the value of d (S−W) will not be difficult to separate after firing. It is preferably 0.2 mm or more, particularly 0.4 mm or more, and more preferably 0.6 mm or more.
[0046]
Furthermore, it is preferable that the shape of the through hole provided in a part of the spacer 102 and the shape of the main surface of the weight body 102 are similar. The dead space can be reduced as the shape of the main surface of the weight body 105 approaches the shape of the through hole of the spacer 102.
[0047]
  The weightTo the bodyThereforeIn addition to the compact1 to 500 Pa, particularly 10 to 300 PaPreferably there is. By applying such a pressure to the molded body, deformation of the molded body during firing can be effectively prevented without inhibiting sintering.
[0048]
The support plate used in the present invention can be made of any material as long as it can withstand the firing temperature, can be easily surface-treated, and has low reactivity with the compact powder.
[0049]
In particular, when a firing jig is used for firing a piezoelectric body, the reactivity with a molded body made of a piezoelectric ceramic powder such as PZT is low, and the characteristics of the piezoelectric body can be stabilized. Therefore, alumina, beryllia, It is preferable to contain at least one of zirconia, magnesia, mullite, spinel, bismuth layered compound, tungsten bronze structure compound, Pb perovskite structure compound, niobium perovskite structure compound and tantalum perovskite structure compound.
[0050]
Of these, zirconia and spinel, which are particularly low in reactivity, are preferred, and more than 10 mol% of Y2OThreeOf these, stabilized zirconia containing at least one of CaO, MgO, and rare earths is preferable in terms of suppressing cracking of the jig, chipping deformation, and change in surface roughness in order to suppress phase transformation of zirconia. .
[0051]
Furthermore, the average particle diameter of the crystals constituting the support plate 101 is 5 to 30 μm, particularly 10 to 25 μm, in order to reduce deformation due to heating and cooling, and to prevent the occurrence of significant cracks and chips. Is preferably 15 to 20 μm.
[0052]
According to the present invention, the maximum thickness of the firing jig in which the support plate 101, the spacer 102, and the top plate 103 are assembled is preferably 15 mm or less. By setting to such a thickness, it is possible to improve the thermal uniformity, make the temperature of the molded body uniform, and more effectively suppress the characteristic variation due to firing unevenness, especially ZrO.2It is effective when it is made of a material with low thermal conductivity such as.
[0053]
In addition, according to the present invention, in order to fire a plurality of molded bodies, for example, as shown in FIG. 2A, a plurality of support plates 111, spacers 112, and a top plate 113 are combined to form a plurality. The molded body 115 is placed on the main surface 116a of the support plate 111 and the molded body 115 is accommodated therein, that is, the spacer 112 is surrounded by the support plate 111 so as to surround the molded body 115. The top plate 113 may be provided on the spacer 112 and the spacer 112, and the molded body 115 and the weight body 117 may be disposed inside the sealed space 114.
[0054]
Thus, as shown in FIG. 2B, the firing jig of the present invention is composed of a jig member including the support plate 111, the spacer 112, the top plate 113, and the weight body 117. The weight body 117 may be disposed inside the through hole 119 of the spacer 112.
[0055]
Also, a plurality of firing jigs shown in FIGS. 1 and 2 may be stacked so that more molded bodies can be fired at once.
[0056]
Next, a method for using the firing jig of the present invention will be described by taking the firing of PZT as an example.
[0057]
First, PZT powder having a purity of 99% and an average particle diameter of 1 μm or less is prepared as a piezoelectric powder used as a raw material.
[0058]
An appropriate organic binder is added to the PZT powder and formed into a tape shape. In order to form an internal electrode at a desired portion of the tape, a conductive paste is applied, and a via hole is formed at a desired location. An electrode was formed by embedding a conductive paste in the via hole. Next, the obtained molded body is laminated. Further, it is cut into a specific shape as desired.
[0059]
In order to fire the molded body obtained by stacking, the molded body is mounted on a firing jig and placed in a firing furnace. Hereinafter, the case where the firing jig shown in FIG. 1 is used as the firing jig will be described as an example. That is, the molded body 105 is placed on the support plate 101 having a flatness of 20 μm or less and a surface roughness Ra of 3 μm or less, and the spacer 102 is placed so as to surround the molded body.
[0060]
Next, the weight body 107 is placed on the molded body 105 placed inside the through hole 109 of the spacer 102. At this time, the molded body 105 is placed so as not to be damaged so as not to be damaged. Note that the spacer 102 may be placed on the support plate 101 after the weight body 107 is placed on the compact 105 immediately after the compact 105 is placed.
[0061]
Further, the top plate 103 is placed on the spacer 102, the sealed space 104 is formed by the support plate 101, the spacer 102, and the top plate 103, and the molded body 105 and the weight body 107 are formed inside the sealed space 104. Place.
[0062]
  In this wayspiritWhat is necessary is just to insert the baking jig | tool in which the sealed space with high density | concentration was formed in a baking furnace, and to bake by desired baking temperature.
[0063]
Prior to firing, if necessary, the molded body may be degreased at a temperature of about 400 ° C. to 900 ° C.
[0064]
A surface electrode can be formed on the surface of the piezoelectric ceramic obtained by firing in this way, and the actuator can be produced by polarization. For example, as shown in FIG. 3, such an actuator is provided on a piezoelectric plate 2 made of a piezoelectric ceramic, an internal electrode 5 provided inside the piezoelectric plate 2, and a part of the main surface of the piezoelectric plate 2. The displacement element 7 is composed of the piezoelectric vibration layer 4 formed on the surface portion of the piezoelectric plate 2, the internal electrode 5, and the surface electrode 6.
[0065]
Further, for example, as shown in FIG. 3B, the surface electrodes 6 are two-dimensionally arranged at equal intervals and are independently connected to an external electronic control circuit (not shown). When a voltage is applied to the piezoelectric vibration layer 4 at a portion sandwiched between the internal electrode 5 to which the voltage is applied and the surface electrode 6 can be displaced.
[0066]
Furthermore, when applied to a print head, as shown in FIG. 3C, when the actuator 1 is joined to the flow path member 3 in which the ink flow path 3a is formed by the partition walls 3b, the displacement element 7 is displaced. As a result, the ink in the ink flow path 3 a can be ejected from the ink nozzle 8.
[0067]
If the firing jig of the present invention is used for firing, even when a thin layer actuator having a thickness of 100 μm or less as shown in FIG. 3 is manufactured, the influence of evaporation of volatile components during firing can be significantly reduced. Since the deformation of the porcelain due to shrinkage variation or the like can be reduced, the residual stress that occurs when the unevenness is corrected and fixed smoothly when fixing to the flow path member can be reduced.
[0068]
In addition, since the evaporation of volatile components from the compact can be suppressed, variations in the composition of the surface of the sintered body are suppressed, and a large number of displacement elements constituting the actuator have uniform piezoelectric characteristics. Can be reduced. In addition, by applying such an actuator to the print head of an ink jet printer, it is possible to greatly contribute to speeding up and high accuracy of the ink jet printer.
[0069]
In addition, it cannot be overemphasized that the baking jig | tool of this invention can be used for baking of not only a piezoelectric ceramic but all the powder compacts.
[0070]
【Example】
The piezoelectric ceramic was fired using the firing jig of the present invention, the actuator shown in FIG. 3 was produced, and the characteristics were evaluated. This will be specifically described below.
[0071]
First, a piezoelectric ceramic powder containing lead zirconate titanate having a purity of 99% or more was prepared as a raw material.
[0072]
The compact is made by adding butyl methacrylate as a water-based binder, ammonium polycarborate as a dispersant, isopropyl alcohol and pure water as a solvent to a piezoelectric ceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate. After mixing, this slurry was produced in a sheet shape having a thickness of about 30 μm on a carrier film by a doctor blade method.
[0073]
Similarly, green sheets were prepared using various piezoelectric ceramic powders. Moreover, the electrically conductive paste for Ag-Pd internal electrodes was produced. The obtained conductive paste was printed on the surface of the green sheet with a thickness of 4 μm to form internal electrodes.
[0074]
Next, the green sheets on which the internal electrodes were printed were sequentially laminated so as to be sandwiched between the green sheets on which the internal electrodes were not printed, and thermoformed to obtain a molded body.
[0075]
After degreasing the molded body, as shown in FIG. 2, the molded body was placed in a sealed space so as to be sandwiched between the support plate and the weight body. Thus, the baking jig | tool which loaded the some molded object inside was arrange | positioned in the baking furnace.
[0076]
This was fired in an atmosphere of 99% oxygen or more at a firing temperature of 1000 ° C. for 2 hours to produce a piezoelectric ceramic having an internal electrode.
[0077]
The material shown in Table 1 was used for the support plate. Stabilization was measured when stabilized zirconia was used. This degree of stabilization is expressed by the proportion of cubic crystals in the entire crystal phase. Specifically, the peak intensity by X-ray diffraction (XRD) is measured, and the degree of stabilization is calculated from the following formula. .
[0078]
Stabilization degree = 100 × Vm / Vc
Where Vm and Vc are monoclinic and cubic volume fractions, respectively.
Vm = (lm (111) + lm (11-1)) / (lm (111) + lm (11-1) + lt (111) + lc (111))
Vc = lc (400) / (lc (400) + lt (400) + lt (004))
It is represented by Here, l represents the integrated intensity (peak intensity) of each reflecting surface, and the subscripts m, t, and c represent monoclinic, tetragonal, and cubic crystals, respectively.
[0079]
  The porosity of the support plate was measured by image analysis from a micrograph (200 times) of the mirror-polished surface. Flatness is measured with a device that combines a KEYENCE laser focus displacement meter and an XY stage.HealingThe tool was scanned in the long axis direction and the vertical direction, and the maximum value was evaluated. The average particle size G was mirror-polished and then etched with boiling phosphoric acid, and was obtained from the relational equation G = 1.5 × L from the average intercept length L in the SEM photograph.
[0080]
Ra of the surface of the support plate was measured by scanning an area of 100 μm × 100 μm using AFM, and was obtained from an average value of measured values at any five points in the plane.
[0081]
d = S−W is an average value in the case of the similar shape, and a maximum value in the case of the non-similar shape. Moreover, the pressure by a weight body was computed from the weight.
[0082]
  At this time,Volume V of closed space11326mm3, Volume V of weight body2Is 625mm3, Volume V of molded body3Is 75mm3It was made to become. At this time, 1.0001 ≦ V1/ (V2+ V3) ≦ 4.0000 and 0.02 ≦ V2/ V3≦ 50 andifFurther, evaporation of volatile components from the body to be fired can be further suppressed, and variations in piezoelectric characteristics can be more effectively suppressed.V 1 , V 2 Is obtained by the Archimedes method and V 3 Was determined from the outer dimensions of the molded body.
[0083]
The thickness of the obtained piezoelectric ceramic was 50 μm, and this was evaluated as follows.
[0084]
The flatness of the piezoelectric ceramic was obtained from a change in height by scanning from one end of the sample to the other end using a combination device of a KEYENCE laser focus displacement meter and an XY stage.
[0085]
The unevenness on the surface of the porcelain was calculated from the maximum value-minimum value by scanning a range of 2 mm in length and 2 mm in width by a combined device of Keyence laser focus displacement meter and XY stage.
[0086]
The Ra on the porcelain surface was also measured using AFM in the same manner as described above.
[0087]
Next, a surface electrode was formed on one side of the surface of the obtained piezoelectric ceramic. The surface electrode was formed by applying Au paste by screen printing to form 600 points per substrate. This was baked in the atmosphere of 600 to 800 ° C. to produce the actuator shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b).
[0088]
The piezoelectric constant is d31Ten points were measured by a resonance method using an impedance analyzer (Agilent Technology 4194A), and the average value was calculated. And d31And calculate the difference from the average value of31Displayed as a percentage as a variation.
[0089]
The displacement is measured in consideration of the use as a print head for an ink jet printer. As shown in FIG. 4, the actuator 11 produced as described above is bonded to the support plate 13 having the grooves 13 a and the partition walls 13 b, and the piezoelectric vibration layer 14. The displacement element 17 was fabricated so that the inner electrode 15 and the surface electrode 16 were sandwiched. Then, a laser beam is irradiated to the actuator from the support plate 13 side through the groove 13a by a laser Doppler displacement meter, and the displacement is measured by measuring the central portion and the peripheral portion of the actuator in contact with the groove 13a of the support plate 13. The average value was calculated. The results are shown in Table 1.
[0090]
[Table 1]
Figure 0004614636
[0091]
Sample No. of the present invention. 1 to 9, 10 to 15, and 17 to 45 are piezoelectric constants d31The variation was 10% or less.
[0092]
On the other hand, the sample No. out of the scope of the present invention using a baking jig having a large flatness of 30 μm of the support was used. 9 is d31Variation was 14%.
[0093]
  Further, the surface roughness Ra of the support plate is 4 μm.WhenSample no. 16 is d31The variation was as large as 15%.
[0094]
【The invention's effect】
  According to the present invention, since the sealed space is formed by the flat and smooth firing jig member, a sealed space with good airtightness can be obtained, and the thickness after firing containing Pb or Bi therein Inserting a molded body and a weight body having a thickness of 100 μm or less, and particularly firing by sandwiching the molded body between a smooth and flat support plate and a weight body, markedly evaporates Pb or Bi from the molded body Is based on the knowledge that the surface composition fluctuation can be suppressed, and by using such a firing jig, the surface composition fluctuation is small even when the thickness is 100 μm or less,Piezoelectric constantSmall variation and contains smooth Pb or BiPiezoelectric for inkjet printer headCeramics can be obtained.
[0095]
Further, since the confidentiality of the sealed space is high and the dead space in the sealed space can be reduced, it can be fired while suppressing evaporation of volatile components without using a common material.
[0096]
  According to the present invention, a thin layer of 100 μm or less containing Pb or BiFor inkjet printer headPiezoelectricCeramicsWhen makingReducing the variation of the piezoelectric constant andIt is possible to improve the flatness and smoothness, and even when bonded to the support plate, the deterioration of the characteristics of the piezoelectric body can be suppressed, the variation in the surface composition of the piezoelectric vibration layer is suppressed, and the plurality of piezoelectric elements Since the variation in displacement can be reduced, an actuator that can be suitably used as a print head of an ink jet printer can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show an actuator created using a firing jig of the present invention, where FIG. 1A is a schematic sectional view, FIG. 1B is a schematic plan view, and FIG. It is sectional drawing.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a firing jig of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional firing jig manufacturing method.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an actuator used in an example when a flow path member is joined.
[Explanation of symbols]
101 ... shelf board
102 ... Spacer
103 ... top plate
104 ... sealed space
105 ... Molded body
106 ... main surface
106a ... Main surface of the shelf board
106b ... Spacer main surface
106c ... Spacer main surface
106d ... Main surface of the top plate
106e ... Main surface of weight body
107 ... weight body
108 ... inner wall
109 ... through hole

Claims (7)

主面に成形体を載置することが可能な支持板と、該支持板の前記主面の上に設けられる前記成形体を囲む貫通孔を有するスペーサと、該スペーサの上に設けられる天板と、前記成形体の上に載置される重量体とからなり、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板を組み合せることによって密閉空間を形成することが可能であり、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記重量体の前記成形体に当接する一主面とが、気孔率が5%以下であるとともに、3μm以下の表面粗さRa及び20μm以下の平坦度を有することを特徴とするPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成するための焼成治具。A support plate capable of mounting the molded body on the main surface, a spacer having a through hole surrounding the molded body provided on the main surface of the support plate, and a top plate provided on the spacer And a weight body placed on the molded body, and it is possible to form a sealed space by combining the support plate, the spacer, and the top plate, and the main surface of the support plate A main surface of the spacer contacting the main surface of the support plate, a main surface of the top plate, a main surface of the spacer contacting the main surface of the top plate, and the molded body of the weight body. One main surface that abuts has a porosity of 5% or less, a surface roughness Ra of 3 μm or less, and a flatness of 20 μm or less, and an ink jet printer having a thickness of 100 μm or less containing Pb or Bi It is firing the piezoelectric ceramic head Firing jig for. 前記スペーサの前記貫通孔の内壁と前記重量体との間の最大距離が6mm以下であることを特徴とする請求項1に記載のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成するための焼成治具。2. The piezoelectric ceramic for an inkjet printer head according to claim 1, wherein the maximum distance between the inner wall of the through hole of the spacer and the weight body is 6 mm or less, and the thickness is 100 μm or less containing Pb or Bi. A firing jig for firing. 前記重量体によって前記成形体に加える圧力が1〜500Paであることを特徴とする請求項1又は2に記載のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成するための焼成治具。The pressure applied to the molded body by the weight body is 1 to 500 Pa, for firing the piezoelectric ceramic for an inkjet printer head having a thickness of 100 μm or less, containing Pb or Bi according to claim 1 or 2 Firing jig. 前記支持板及び前記重量体が、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Pb系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記
載のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成するための焼成治具。
The support plate and the weight body are at least one of alumina, beryllia, zirconia, magnesia, mullite, spinel, bismuth layered compound, tungsten bronze structure compound, Pb perovskite structure compound, niobium perovskite structure compound, and tantalum perovskite structure compound. A firing jig for firing piezoelectric ceramics for an ink jet printer head containing Pb or Bi according to any one of claims 1 to 3, having a thickness of 100 µm or less.
前記支持板及び前記重量体がセラミックスからなり、該セラミックスを構成する結晶の平均粒径が5〜30μmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスを焼成するための焼成治具。5. The Pb or Bi according to claim 1, wherein the support plate and the weight body are made of ceramics, and an average particle diameter of crystals constituting the ceramics is 5 to 30 μm. A firing jig for firing piezoelectric ceramics for an inkjet printer head having a thickness of 100 μm or less. 支持板の主面に貫通孔を有するスペーサを載置し、該スペーサの前記貫通孔内であって前記支持板の前記主面の上にPbまたはBiを含有する焼成後の厚みが100μm以下となる圧電セラミック成形体を載置し、前記圧電セラミック成形体の上に重量体を載置し、前記スペーサの上に天板を載置した状態で、焼成を行なうPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスの製造方法であって、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記重量体の前記セラミック成形体に当接する一主面とが、気孔率が5%以下とされているとともに、3μm以下の表面粗さRa及び20μm以下の平坦度とされており、前記セラミック成形体が、前記支持板、前記スペーサ及び前記天板により形成された密閉空間に載置されることを特徴とするPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電セラミックスの製造方法。A spacer having a through hole is placed on the main surface of the support plate, and the thickness after firing containing Pb or Bi within the through hole of the spacer and on the main surface of the support plate is 100 μm or less. A piezoelectric ceramic molded body is placed, a weight body is placed on the piezoelectric ceramic molded body, and a top plate is placed on the spacer. The thickness of Pb or Bi containing firing is 100 μm. The following manufacturing method of piezoelectric ceramics for an ink jet printer head , wherein the main surface of the support plate, the main surface of the spacer in contact with the main surface of the support plate, the main surface of the top plate, and the top plate The main surface of the spacer that comes into contact with the main surface and the one main surface that comes into contact with the ceramic molded body of the weight body have a porosity of 5% or less and a surface roughness Ra of 3 μm or less, and Flatness of 20 μm or less Are, the ceramic molded body, the support plate, for the spacers and the top ink-jet printer head thickness 100μm following containing Pb or Bi, characterized in that it is placed in the closed space formed by the plate Manufacturing method of piezoelectric ceramics. PbまたはBiを含有する圧電セラミックスとなる粉末とバインダーとを含むグリーンシートが複数積層され、内部に内部電極が形成されている焼成後の厚みが100μm以下となる圧電セラミック成形体を作製する工程と、支持板の主面に貫通孔を有するスペーサを載置し、該スペーサの前記貫通孔内であって前記支持板の前記主面の上に前記圧電セラミック成形体を載置し、前記圧電セラミック成形体の上に重量体を載置し、前記スペーサの上に天板を載置した状態で焼成を行なって、内部電極の形成された圧電磁器を作製する工程と、前記圧電磁器の表面に複数の表面電極を形成する工程と、を具備するPbまたはBiを含有する厚みが100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電アクチュエータの製造方法であって、前記支持板の主面と、該支持板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記天板の主面と、該天板の主面に当接する前記スペーサの主面と、前記重量体の前記圧電セラミック成形体に当接する一主面とが、気孔率が5%以下とされているとともに、3μm以下の表面粗さRaおよび20μm以下の平坦度とされていることを特徴とするPbまたはBiを含有する厚み100μm以下のインクジェットプリンタヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。A step of producing a piezoelectric ceramic molded body having a thickness of 100 μm or less after firing, in which a plurality of green sheets containing powder and a binder containing piezoelectric ceramic containing Pb or Bi and an internal electrode are formed inside; A spacer having a through hole is placed on the main surface of the support plate, and the piezoelectric ceramic molded body is placed on the main surface of the support plate in the through hole of the spacer. A step of producing a piezoelectric ceramic having an internal electrode formed by placing a weight body on the molded body and firing in a state where the top plate is placed on the spacer; and on the surface of the piezoelectric ceramic A method of manufacturing a piezoelectric actuator for an inkjet printer head having a thickness of 100 μm or less, comprising Pb or Bi, comprising a step of forming a plurality of surface electrodes, A main surface of the holding plate; a main surface of the spacer that contacts the main surface of the support plate; a main surface of the top plate; a main surface of the spacer that contacts the main surface of the top plate; The Pb is characterized in that the one main surface in contact with the piezoelectric ceramic molded body has a porosity of 5% or less, a surface roughness Ra of 3 μm or less, and a flatness of 20 μm or less. Or the manufacturing method of the piezoelectric actuator for inkjet printer heads of Bi containing 100 micrometers or less in thickness.
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