JP4991145B2 - 圧電アクチュエータの検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータおよびその検査方法、並びに液体吐出装置に関し、詳しくは、例えば燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッド等の液体吐出装置として好適に用いることができる圧電アクチュエータおよびその検査方法、並びに液体吐出装置に関する。

従来から、圧電セラミックスを利用した製品として、例えば圧電アクチュエータ、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秒台と非常に高速なので、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用や、インクジェットプリンタの印刷ヘッド（液体吐出装置）等に応用されている。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。

このような圧電アクチュエータとして、例えば特許文献１には、セラミック基板の表面に、圧電セラミック層（圧電体層）と該圧電体層を挟持する一対の電極とを具備する変位素子が複数設けられてなる圧電アクチュエータが記載されている。そして、前記セラミック基板として圧電体、すなわち圧電セラミックスからなる圧電振動板を用い、このアクチュエータを印刷ヘッド（液体吐出装置）に用いている。

図５は、特許文献１に記載されているような圧電アクチュエータを備えた、従来の液体吐出装置を示す概略断面図である。同図に示すように、この液体吐出装置７０は、複数の液体流路５３ａが並設され、各液体流路５３ａを仕切る壁として隔壁５３ｂを形成した流路部材５３の上に、圧電アクチュエータ６１が設けられた構造を有する。

圧電アクチュエータ６１は、圧電振動板６２の表面上に、圧電体層６５と該圧電体層６５を挟持する一対の電極（内部電極６４，表面電極６６）とを具備する変位素子６７が複数設けられてなる。この圧電アクチュエータ６１は、流路部材５３上に、液体流路５３ａと表面電極６６との位置を揃えて取り付けられている。

各液体流路５３ａには、流路部材５３に備えられた共通の液体供給流路（図示せず）が接続されており、外部からの液体がこの液体供給流路から各液体流路５３ａ内に供給され、充填されている。そして、液体が吐出されると、吐出した量の液体が前記供給流路を介して各流路５３ａ内に流れ込むように構成されている。このため、各液体流路５３ａの上方に位置する圧電振動板６２の裏面は、液体流路５３ａに流れる液体と接触した状態となる。

液体吐出装置７０は、表面電極６６と内部電極６４との間に駆動電圧を印加して変位素子６７を変位させることにより、液体流路５３ａの体積を変化させ、流路５３ａ内の液体を加圧し、流路部材５３の底面に開口させた液体吐出孔５８より液体を吐出する。

しかしながら、圧電振動板６２が液体と接した状態で長期にわたり所定の駆動電圧を繰返し印加すると、内部電極６４と圧電振動板６２とが剥離し、駆動耐久性が低下するという問題があった。この問題は、厚みが１００μｍ以下の圧電アクチュエータにおいて、顕著に発生する。
特開２００４−１６５６５０号公報

本発明の主たる課題は、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータを提供することである。
本発明の他の課題は、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータを選別できる検査方法を提供することである。
本発明のさらに他の課題は、駆動耐久性に優れた液体吐出装置を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、内部電極をグランド電極とし、圧電セラミックスからなる圧電振動板の裏面を液体と接触させ、該液体に所定の電圧を印加したとき、前記液体と前記グランド電極との間の絶縁抵抗値が特定の値以上であるとともに、前記液体と前記グランド電極との間に流れる電流値が特定の値以下である場合には、内部電極と圧電振動板との剥離を抑制でき、その結果、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータが得られるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。

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。
（１）圧電セラミックスからなる圧電振動板の表面上に内部電極および圧電体層がこの順に積層され、さらに前記圧電体層の表面に複数の表面電極を配列して表面電極ごとに変位素子を形成し、前記表面電極のそれぞれに独立して駆動電圧を印加することにより前記変位素子を変位させるようにした圧電アクチュエータであって、前記内部電極をグランド電極とし、前記圧電振動板の裏面を液体と接触させ、該液体に０．５〜６０Ｖの電圧を印加したとき、前記液体と前記グランド電極との間の絶縁抵抗値が１００ＭΩ以上であるとともに、前記液体と前記グランド電極との間に流れる電流値が０．０１μＡ以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。

（２）厚さが１００μｍ以下である前記（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記液体がインクである前記（１）または（２）記載の圧電アクチュエータ。
（４）前記圧電振動板の厚みが５〜５０μｍである前記（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

本発明の圧電アクチュエータの検査方法は、圧電セラミックスからなる圧電振動板の表面上に内部電極および圧電体層がこの順に積層され、さらに前記圧電体層の表面に複数の表面電極を配列して表面電極ごとに変位素子を形成し、前記表面電極のそれぞれに独立して駆動電圧を印加することにより前記変位素子を変位させるようにした圧電アクチュエータの検査方法であって、前記内部電極をグランド電極とし、前記圧電振動板の裏面を液体と接触させ、該液体に電圧を印加したとき、前記液体とグランド電極との間に流れる電流値を測定することを特徴とする。

前記圧電アクチュエータの厚さが１００μｍ以下であると、前記剥離の問題が顕著に発生するので、本発明の検査方法の有用性がより向上する。また、前記電圧が０．５〜６０ＶのＤＣ電圧であり、前記電流値が０．０１μＡ以下である場合に良品と判定するのが好ましい。

本発明の液体吐出装置は、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、液体吐出孔を有する複数の液体流路が配列された流路部材上に、前記圧電振動板の裏面が前記液体流路に流れる液体と接するように取り付けてなり、前記圧電アクチュエータの表面電極に駆動電圧を印加して変位素子を変位させることによって前記液体流路の体積を変化させ、前記液体流路に流れる液体を前記液体吐出孔から吐出させるようにしたことを特徴とする。

本発明の液体吐出装置を駆動耐久性に優れた印刷ヘッドとして適用する上で、前記液体がインクであり、該インクを前記液体吐出孔から吐出させ、該液体吐出孔に対向して配置された被表示部材の表面に文字または絵を表示させるのが好ましい。

本発明によれば、内部電極をグランド電極とし、圧電セラミックスからなる圧電振動板の裏面を液体と接触させ、該液体に所定の電圧を印加したとき、前記液体と前記グランド電極との間の絶縁抵抗値が特定の値以上であるとともに、前記液体と前記グランド電極との間に流れる電流値が特定の値以下であるので、圧電振動板が液体と接した状態で長期にわたり所定の駆動電圧を繰返し印加することによる内部電極と圧電振動板との剥離を抑制でき、その結果、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータが得られるという効果がある。また、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータを選別することができる。

＜圧電アクチュエータ＞
以下、本発明の圧電アクチュエータの一実施形態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概略断面図である。図２は、本実施形態にかかる液体とグランド電極との間に流れる電流値を説明するための概略説明図である。

図１に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、圧電振動板２、内部電極３、圧電体層４および表面電極５で構成されており、圧電振動板２の表面上に、内部電極３、圧電体層４および表面電極５をこの順に積層したものである。また、圧電振動板２および圧電体層４は、シート状の部材で構成されており、平面視でほぼ同形状・同サイズに形成されている。

内部電極３および表面電極５は、圧電アクチュエータ１の電極を構成するものであり、表面電極５は、圧電体層４の表面に複数形成されている。これにより、内部電極３および表面電極５で圧電体層４を挟持して構成される変位素子６が、圧電振動板２の表面上に複数配列された構成となる。

圧電アクチュエータ１（変位素子６）の変位に必要な分極方法は、特に限定されるものではなく、要求される変位形態に対応した分極を施せばよいが、特に圧電アクチュエータ１を後述するユニモルフ型のアクチュエータとする上で、少なくとも内部電極３と表面電極５で挟持された圧電体層４の部分が積層方向に分極されているのが好ましい。

そして、表面電極５に外部配線基板が接続され、電極（表面電極５，共通電極３）間に電圧が印加されると、該電圧が印加された表面電極５と内部電極３に挟持された部位の圧電体層４が変位する。具体的には、表面電極５に駆動電極を印加すると、圧電振動板２により面方向（積層方向と直交する方向）の変位が抑制されるので、変位素子６は積層方向に屈曲する、すなわち圧電アクチュエータ１はユニモルフ型のアクチュエータとして動作する。

圧電アクチュエータ１の厚さは、特に限定されるものではないが、１００μｍ以下、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。これにより、大きな変位を得ることができるので、低電圧で高効率の駆動を実現できる。

上述の通り、圧電振動板が液体と接した状態で所定の駆動電圧を繰返し印加すると、内部電極と圧電振動板とが剥離し、駆動耐久性が低下するという問題があり、この問題は、厚みが１００μｍ以下の圧電アクチュエータにおいて顕著であるが、本実施形態にかかる圧電アクチュエータ１は、下記で説明する通り、前記剥離の問題を抑制することができるので、圧電アクチュエータ１の厚さを１００μｍ以下とし、大きな変位を得ることが可能となる。

圧電アクチュエータ１の厚さの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止する上で３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは２０μｍであるのがよい。

ここで、圧電アクチュエータ１は、図２に示すように、内部電極３をグランド電極とし、圧電振動板２の裏面を液体１０と接触させ、該液体１０に０．５〜６０Ｖの電圧を印加したとき、液体１０とグランド電極との間に流れる電流値が０．０１μＡ以下である。これにより、圧電振動板２が液体と接した状態で所定の駆動電圧を繰返し印加することによる内部電極３と圧電振動板２との剥離を抑制することができる。

前記電圧は、変位素子６を変位させる駆動電圧に相当する電圧であり、繰返し印加する前記所定の駆動電圧とは０．５〜６０Ｖの電圧を意味する。この範囲の電圧を表面電極５に印加すると、変位素子６が所定の変位量で変位することができる。これに対し、前記電圧が０．５Ｖより小さいと、変位が小さくなるおそれがあり、６０Ｖを超えると、必要以上に電圧を印加することになり、その結果、前記電流値が０．０１μＡを超えるおそれがある。前記電流値が０．０１μＡを超えると、前記状態で所定の駆動電圧を繰返し印加した際には、内部電極３と圧電振動板２とが剥離する。前記電流値は、電流測定装置で測定して得られる値であり、該装置としては、例えば後述するAgilent Technology社製の「ハイレジスタンスメータ」等が挙げられる。

液体１０とグランド電極との間の絶縁抵抗値は１００ＭΩ以上、好ましくは１０００ＭΩ以上、より好ましくは４０００ＭΩ以上であるのがよい。これにより、液体１０に前記電圧を印加したとき、前記電流値が所定の値以下となる。これに対し、前記絶縁抵抗値が１００ＭΩより小さいと、前記電流値が所定の値を超えるおそれがあるので好ましくない。

前記絶縁抵抗値の上限値としては５００００ＭΩ以下、好ましくは４００００ＭΩ以下であるのがよい。前記絶縁抵抗値が５００００ＭΩを超えると、必要以上に絶縁性を高めることになるので好ましくない。前記絶縁抵抗値は、絶縁抵抗測定装置で測定して得られる値であり、該装置としては、例えば後述するAgilent Technology社製の「ハイレジスタンスメータ」等が挙げられる。

前記剥離を抑制することができる理由としては、下記のような理由が推察される。すなわち、圧電セラミックスからなる圧電振動板２が液体１０と接した状態で所定の駆動電圧を繰返し印加すると、液体１０がプラスに帯電する。これは、圧電セラミックスは絶縁性が低く、しかも、圧電振動板２として駆動させると、内部電極３と液体１０との間で電位差が発生し、その結果、液体１０がプラスに帯電するものと推察される。

液体１０がプラスに帯電すると、圧電振動板２内を液体１０から内部電極３に向かって電流が流れる（電流の流れる方向を矢印Ａで示す）。そして、圧電振動板２と内部電極３との境界部において電気分解反応が発生し、その結果、内部電極３と圧電振動板２とが剥離するものと推察される。そこで、上記した通り、内部電極３をグランド電極とし、圧電振動板２の裏面を液体１０と接触させ、該液体１０に所定電圧を印加したとき、液体１０とグランド電極との間に流れる電流値を特定の値以下とすることにより、前記剥離を抑制できることを見出した。

ここで、圧電振動板２の裏面と液体１０との接触は、液体１０とグランド電極との間に流れる電流値を測定できる面積で接触していればよく、前記面積の範囲内であれば、液体１０とグランド電極１０との接触は、前記裏面の一部分であってもよく、裏面全面であってもよい。また、液体１０は、特に限定されるものではなく、例えば水、インク、液状樹脂等が挙げられるが、圧電アクチュエータ１を後述するインクジェット記録ヘッド等の液体吐出装置に適用する上で、インクであるのが好ましい。該インクとしては、例えば水性染料インク、水性顔料インク、紫外線硬化性のＵＶインク等が挙げられる。

（圧電体層）
圧電体層４としては、圧電性を示すセラミックス（圧電セラミックス）を用いることができ、具体的には、例えばＢｉ層状化合物（層状ペロブスカイト型化合物）、タングステンブロンズ型化合物、Ｎｂ系ペロブスカイト型化合物［Ｎｂ酸ナトリウムなどのＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウムなどのＮｂ酸アルカリ土類化合物（ＮＡＥＣ）］、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛等のペロブスカイト型化合物を含有する物質等が例示できる。

上記のうち、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのが好ましい。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、Ｐｂを含有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有する物質が好ましい。特に、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、かつ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るのがよい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電体層が得られる。これら中でもチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛が、大きな変位を付加する上で好適である。ペロブスカイト型結晶の一例として、ＰｂＺｒＴｉＯ₃を好適に使用できる。

また、圧電セラミックスには、他の酸化物を混合してもよく、さらに、特性に悪影響がない範囲であれば、副成分としてＡサイトおよび／またはＢサイトに他元素が置換していてもよい。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、ＮｉおよびＴｅを添加したＰｂ（Ｚｎ_1/3Ｓｂ_2/3）Ｏ₃およびＰｂ（Ｎｉ_1/2Ｔｅ_1/2）Ｏ₃の固溶体であってもよい。

圧電体層４の厚みは５〜５０μｍ程度、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。これにより、変位素子６が高い変位を示すことができる。これに対し、前記厚みが５μｍより薄いと、機械的強度が低下し、取扱いおよび作動中に破壊するおそれがあり、５０μｍより厚いと、変位が低下するおそれがあるので好ましくない。

（圧電振動板）
圧電振動板２は圧電セラミックスからなり、上記した圧電体層４と略同一の材料であるのがよい。これにより、圧電振動板２と圧電体層４とを同時焼成する際において、圧電アクチュエータ１内の焼成収縮を均等にすることができ、反り変形を抑制することができる。

また、圧電振動板２は、液体１０とグランド電極との間に流れる電流値を所定の値以下とする上で絶縁性の高いものが好ましく、具体的には、絶縁体を含有するのが好ましい。該絶縁体としては、例えばＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｍｇ₂Ａｌ₂Ｏ₅、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄等が挙げられる。

前記絶縁体の含有量としては、液体１０に前記電圧を印加したとき、前記電流値が所定の値以下であり、前記絶縁抵抗値が所定の値以上となる割合で含有するのが好ましく、具体的には圧電振動板総重量に対して１質量％、好ましくは２０質量％であるのがよい。さらに、圧電アクチュエータ１をインクジェット記録ヘッド等の液体吐出装置に適用する場合には、使用するインクに対する耐腐食性や耐水性等の耐インク性に優れた材料であるのがよい。

圧電振動板２の厚みは５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍ程度であるのがよい。これにより、圧電アクチュエータ１をユニモルフ型にすることができる。これに対し、前記厚みが５μｍより薄いと、液体１０に前記電圧を印加したとき、前記電流値が所定の値を超えるおそれがあり、５０μｍより厚いと、変位が低下するおそれがあるので好ましくない。

（内部電極）
内部電極３としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金等を用いることができる。具体的には、例えばＡｇ−Ｐｄ合金が例示できる。また、内部電極３の厚さは、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、通常０．５〜５μｍ程度、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。

（表面電極）
表面電極５としては、上記した内部電極３と同様に導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金等を用いることができる。また、表面電極５の厚さは、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、例えば０．１〜２μｍ程度、好ましくは０．１〜０．５μｍ、より好ましくは０．１〜０．３μｍであるのがよい。

＜製造方法＞
次に、上記で説明した圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。
（第１の工程）
まず、圧電体層４および圧電振動板２の原料となる圧電セラミックス原料粉末を準備する。この圧電セラミックス原料粉末の平均粒子径は１μｍ以下であることが望ましく、特に０．７μｍ以下、更には０．６μｍ以下であるのがよい。圧電セラミックス原料粉末の平均粒子径を１μｍ以下にすることにより、焼結時において、均一な焼成収縮が得られ、均質な圧電体層４および圧電振動板２を得ることができる。この圧電セラミックス原料粉末と有機バインダ成分を混合し、シート成形用のスラリーを調製する。ついで、この成形用スラリーを用いてロールコータ法、スリットコータ法、ドクターブレード法等の一般的なシート成形法によりセラミックグリーンシートを必要枚数作製する。

ここで、液体１０に前記電圧を印加したとき、液体１０とグランド電極との間に流れる電流値を所定の値以下とする上で、圧電振動板２の成形用スラリーには、絶縁体を含有させるのが好ましい。具体的には、前記で例示した絶縁体を圧電セラミックス原料粉末および有機バインダ成分と共に混合し、シート成形用のスラリーを調製すればよい。また、焼成により圧電振動板２となるセラミックグリーンシートの厚さを調整して、前記電流値を所定の値以下としてもよい。この場合には、圧電振動板２の厚みが前記で例示した５〜５０μｍとなる範囲内で、該セラミックグリーンシートの厚さを調整するのが好ましい。

ついで、上記で得られたセラミックグリーンシートを、必要に応じて加圧する。シート成形後にセラミックグリーンシートの加圧処理を行うことで、シートの密度を高め、高さばらつきや、密度ばらつきを低減することができる。加圧方法としては、公知の手法を採用することができるが、均一な高さにすることが容易である点で、ロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法等を用いるのが好ましい。また、加圧する際の圧力は、材料組成、有機バインダ量、グリーンシート高さ等によって異なるが、通常１０〜１００ＭＰａ、好ましくは２０〜５０ＭＰａ、より好ましくは３０〜４０ＭＰａの圧力で加圧するのがよい。また、加圧によって得られた各グリーンシートの高さばらつきは１５％以下、特に１０％以下にすると、焼成後に形成される圧電体層４および振動板２の高さばらつきが低減されると共に、反り変形を防止することができる。

（第２の工程）
次に、上記内部電極で例示した電極材料を含有する内部電極ペーストを作製する。この内部電極ペーストには、電極材料（Ａｕ、Ａｇなど）の他、エチルセルロースなどの有機ビヒクルなどの成分が含まれる。そして、上記で作製したセラミックグリーンシートのうち、焼成により圧電振動板２となるグリーンシートの一方の表面に、内部電極３用の電極ペーストをスクリーン印刷等の方法で印刷する。この場合の厚さは１〜３μｍ、ばらつき（最大値と最小値との差）は０．５〜１μｍになるように調整することが望ましい。また、必要に応じて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挿入してもよい。

（第３の工程）
第１の工程および第２の工程で作製したセラミックグリーンシートを積層し、密着させて積層体を作製する。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液を使用する方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧のみで密着させる方法等が例示できる。

（第４の工程）
第３の工程で得られた積層体は、必要に応じて脱脂処理して積層体中の有機成分の除去を行った後、（高濃度）酸素雰囲気中において、９００〜１２００℃において焼成して積層焼結体を得る。なお、第４の工程（焼成工程）においては、第３の工程で得られた積層体をジルコニアもしくはマグネシアからなる試料台板を介して複数段積みにし、さらに、この段積みされた積層体上に重しを置いて焼成することが望ましい。このような方法を採用することにより、積層焼結体の反り変形が抑制され、厚さ１００μｍ以下の薄層の焼結体からなる圧電アクチュエータを提供できる。

（第５の工程）
次に、上記表面電極で例示した電極材料を含有する表面電極ペーストを作製し、該ペーストを用いて、第４の工程で得られた積層焼結体の表面に表面電極パターンをスクリーン印刷等の方法で印刷する。そして、５００〜８００℃、好ましくは６５０〜８００℃で焼き付け処理を行うことにより、表面電極５が形成される。そして、圧電体層４を分極して積層圧電体である圧電アクチュエータ１が得られる。

＜検査方法＞
次に、本発明にかかる圧電アクチュエータの検査方法の一実施形態について、上記で説明した圧電アクチュエータ１を用いて説明する。この検査方法は、図２に示すように、内部電極３をグランド電極とし、圧電振動板２の裏面を液体１０と接触させ、該液体１０に電圧を印加したとき、液体１０とグランド電極との間に流れる電流値を測定する。これにより、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータ１を選別することができる。

具体的には、前記電圧が０．５〜６０ＶのＤＣ電圧であり、前記電流値が０．０１μＡ以下であるのが好ましい。このような範囲の電圧を印加した際に、前記電流値が０．０１μＡ以下である圧電アクチュエータは、圧電振動板が液体と接した状態で所定の駆動電圧を繰返し印加しても、内部電極と圧電振動板が剥離しにくい、すなわち駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータ１である。これに対し、前記電圧を印加した際に、前記電流値が０．０１μＡを超える圧電アクチュエータは、駆動耐久性が低い。このようにして、駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータ１を選別することが可能となる。

圧電アクチュエータの厚さは、前記剥離の問題が顕著に発生する１００μｍ以下であるのが好ましい。

＜液体吐出装置＞
本発明の圧電アクチュエータは、上記で説明したように、一基板（圧電振動板）上に複数の変位素子を備えているので、インクジェット記録ヘッド等の液体吐出装置に好適に用いることができる。以下、本発明の圧電アクチュエータを備えた液体吐出装置の一実施形態について説明する。図３は、本実施形態の液体吐出装置を示す概略断面図である。なお、図３においては、前述した図１および図２の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。

図３に示すように、この液体吐出装置２０は、液体吐出孔１８を有する複数の液体流路１６ａが並設され、各液体流路１６ａを仕切る壁として隔壁１６ｂを形成した流路部材１６上に上記で説明した圧電アクチュエータ１が接合されている。また、圧電振動板２が各液体流路１６ａの壁の一部を構成している。

上記のように構成された液体流路１６ａには、流路部材１６に備えられた共通の液体供給流路（図示せず）が接続されており、外部からの液体がこの液体供給流路から各液体流路１６ａ内に供給され、充填されている。そして、液体が吐出されると、吐出した量の液体が前記供給流路を介して各流路１６ａ内に流れ込むように構成されている。したがって、圧電アクチュエータ１は流路部材１６上に、各液体流路１６ａの上方に位置する圧電振動板２の裏面が液体流路１６ａに流れる液体と接するように取り付けられている。

流路部材１６は圧延法等により得られ、液体吐出孔１８および液体流路１６ａはエッチング等により所定の形状に加工されて設けられる。この流路部材１６は、Ｆｅ―Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種によって形成されていることが望ましく、特にインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましく、Ｆｅ−Ｃｒ系がより好ましい。

流路部材１６と圧電アクチュエータ１との接合は、圧電振動板２が液体流路１６ａの空間と当接するように、例えば接着層を介して積層接着するのが好ましく、具体的には、変位素子６の各表面電極５と、各液体流路１６ａとが対応するように接合される。

前記接着層としては、各種の公知のものが採用可能であるが、圧電アクチュエータ１や流路部材１６への熱による影響を及ぼさない上で、熱硬化温度が１００〜１５０℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも１種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ１と流路部材１６とを加熱接合することができ、液体吐出装置２０を得ることができる。

そして、圧電アクチュエータ１における複数の表面電極５のうち、所定の表面電極５に駆動電圧を印加し、所定の変位素子６を変位させることによって、液体流路１６ａの体積を変化させ、液体流路１６ａに流れる液体を液体吐出孔１８から吐出させることができる。ここで、上述の通り、圧電アクチュエータ１は駆動耐久性に優れるので、該圧電アクチュエータ１を備えた液体吐出装置２０も、駆動耐久性に優れたものとなる。

また、上記したような構成の液体吐出装置２０は、高速で高精度な吐出が可能であり、インクジェット記録ヘッド（印刷ヘッド）として好適に適用することができる。すなわち、前記液体がインクであり、該インクを液体吐出孔１８から吐出させ、該液体吐出孔１８に対向して配置された被表示部材（図示せず）の表面に文字または絵を表示させるのが好ましい。

以上、本発明の一実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態のみに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。例えば、上記の実施形態では、圧電振動板２および圧電体層４が、いずれも１層で構成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧電振動板および／または圧電体層が複数層で構成されていてもよい。この場合には、圧電アクチュエータの厚みを簡単に調整することができる。

また、上記で説明した通り、圧電振動板２は圧電体層４と略同一の材料であるのが好ましいが、圧電振動板２および圧電体層４の組成は完全に一致している必要はなく、本発明の効果、すなわち駆動耐久性に優れた圧電アクチュエータとすることができる範囲内で、その組成が異なっていてもよい。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例］
＜圧電アクチュエータの製造＞
図１に示したような構成の圧電アクチュエータを製造した。具体的には、まず、圧電セラミックス粉末（ＰｂＺｒＴｉＯ₃系粉末、平均粒径０．５μｍ）に、有機バインダ成分および有機溶剤を加え、混合してシート成形用のスラリーを調製した。このスラリーを用いて、ロールコータ法にて圧電体層用グリーンシートを厚さ４０μｍで調製した。

ついで、絶縁体（ＺｒＯ₂）を、表１〜表３に示す所定の印加電圧において、所定の電流値および絶縁抵抗値となる割合で前記圧電セラミック粉末に加えた以外は、上記圧電体層用グリーンシートと同様にしてスラリーを調製した。ついで、このスラリーを用いて、ロールコータ法にて、焼成後の厚みが表１〜表３に示す厚みとなる厚みで圧電振動板用グリーンシートを調製した。

さらに、Ａｇ−Ｐｄ粉末を、混合比が質量比でＡｇ：Ｐｄ＝７：３となるように配合し、有機粘結剤と溶媒とを所定量混合して内部電極ペーストを調製した。この内部電極ペーストを圧電振動板用グリーンシートに塗布し、内部電極ペーストを塗布した面上に圧電体層用グリーンシートを積層し、熱圧着して積層体を形成した。この積層体を所定形状に切断し、酸素雰囲気中において、１０００℃で２時間の焼成を行い、積層焼結体を調製した。

この積層焼結体の圧電体層側の表面に、Ａｕを主成分とする表面電極ペーストをスクリーン印刷し、７５０℃で焼付けを行って表面電極を形成し、各圧電アクチュエータを調製した（表１〜表３中の試料Ｎｏ．１〜１２）。
なお、各圧電アクチュエータの厚みは、１００μｍ以下であった。

表１中の電流値および絶縁抵抗値は、以下の方法で測定した。その測定結果を、表１に併せて示す。
（電流値および絶縁抵抗値の測定方法）
各圧電アクチュエータを図２に示す状態にした。すなわち、液体としてインク（水性染料インク）を用い、内部電極をグランド電極とし、圧電振動板の裏面を液体（インク）と接触させた状態で、液体（インク）に表１〜表３に示す所定の印加電圧を印加した際に、液体（インク）とグランド電極との間に流れる電流値および絶縁抵抗値を測定した。

ここで、電流値および絶縁抵抗値の測定装置には、所定の電圧を印加でき、電流値を測定する機能と絶縁抵抗値を測定する機能を併せ持つ、Agilent Technology社製の「ハイレジスタンスメータ」を用いた。具体的には、まず、該測定装置が有する２つの端子のうち、一方の端子を液体（インク）に挿入し、他方の端子を圧電振動板の側面に当接させた状態で液体（インク）に所定の電圧を印加し、端子間の電位差から電流値および絶縁抵抗値を測定した。

＜圧電アクチュエータの評価＞
上記で得られた各圧電アクチュエータについて、内部電極と圧電振動板との剥離の発生の有無を評価した。評価方法を以下に示すと共に、その結果を表１〜表３に示す。

（評価方法）
各圧電アクチュエータを図２に示す状態にした。すなわち、液体としてインク（水性染料インク）を用い、内部電極をグランド電極とし、圧電振動板の裏面を液体（インク）と接触させ、該液体（インク）に表１〜表３に示す印加電圧を６００秒印加し、内部電極と圧電振動板との剥離の発生の有無を目視観察により評価した（直流、連続１０分通電試験）。なお、評価基準は以下のように設定した。
評価基準
○：剥離しない
×：剥離した

電流値と印加電圧との関係を図４に示した。表１〜表３および図４から明らかなように、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１，７〜１０は、圧電振動板が液体（インク）と接した状態で所定の駆動電圧を繰返し印加しても、内部電極と圧電振動板との剥離を抑制できているのがわかる。これに対し、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．２〜６，１１，１２は、内部電極と圧電振動板との剥離が発生した。

本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかる液体とグランド電極との間に流れる電流値を説明するための概略説明図である。 本発明の一実施形態にかかる液体吐出装置を示す概略断面図である。 実施例における電流値と印加電圧との関係を示すグラフである。 従来の液体吐出装置を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 圧電アクチュエータ
２ 圧電振動板
３ 内部電極
４ 圧電体層
５ 表面電極
６ 変位素子
１６ 流路部材
１６ａ 液体流路
１６ｂ 隔壁
１８ 液体吐出孔
２０ 液体吐出装置

Claims (2)

1. 圧電セラミックスからなる厚さ５〜５０μｍの圧電振動板の表面上に内部電極および圧電体層がこの順に積層され、さらに前記圧電体層の表面に複数の表面電極を配列して表面電極ごとに変位素子を形成し、前記表面電極のそれぞれに独立して駆動電圧を印加することにより前記変位素子を変位させるようにした圧電アクチュエータの検査方法であって、
   前記内部電極をグランド電極とし、前記圧電振動板の裏面を液体と接触させ、該液体に電圧を印加したとき、前記液体とグランド電極との間に流れる電流値を測定するとともに、
   前記電圧が、前記変位素子を変位させる前記駆動電圧に相当するものであり、かつ０．５〜６０ＶのＤＣ電圧であり、
   前記電流値が、０．０１μＡ以下であるときに良品と判定することを特徴とする圧電アクチュエータの検査方法。
2. 前記圧電アクチュエータの厚さが１００μｍ以下である請求項１記載の圧電アクチュエータの検査方法。

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