JP5144912B2 - 積層圧電アクチュエータ、および印刷ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、積層圧電アクチュエータと、その製造方法、並びに文字や画像の印刷に用いるインクジェット式プリンタに搭載される印刷ヘッドに関する。
近年、パーソナルコンピューターの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出力する記録装置として、インクジェット方式の記録装置の利用が急速に拡大している。
かかるインクジェット方式の記録装置には、印刷ヘッドが搭載されており、この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒーターを備え、ヒーターによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、インク流として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインク流として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。
圧電方式を利用したインクジェット記録装置に用いられる印刷ヘッドは、例えば図３（ａ）に示したように、複数の溝がインク流路２３ａとして並設され、各インク流路２３ａを仕切る壁として隔壁２３ｂを形成した流路部材２３の上に、アクチュエータ２１が設けられた構造を有する。
アクチュエータ２１は、圧電セラミック層２４の一方の主面に内部電極２５を形成するとともに、他方の主面に複数の個別電極２６を形成することにより、複数の変位素子２７が設けられてなる。このアクチュエータは、流路部材２３の開口部であるインク流路２３ａの直上に個別電極２６が位置するように、流路部材２３と接着される。
内部電極２５と個別電極２６との間に電圧を印加して変位素子２７を振動させることによりインク流路２３ａ内のインクを加圧し、流路部材２３の底面に開口させたインク吐出孔２８よりインク滴を吐出させる構造になっている。
また、図３（ｂ）に示すように、圧電セラミック層２４上に個別電極２６を等ピッチで多数並設し、変位素子２７を多数設けた印刷ヘッドを構成して各変位素子２７を独立して制御することにより、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に寄与することが可能である。
特許文献１には、上記のような圧電アクチュエータに使用する高耐久性圧電セラミックスが開示されている。この圧電セラミックスは、平均粒径１〜８μｍの圧電性を示すペロブスカイト型結晶構造からなる酸化物セラミックスを主相とし、平均粒径０．５μｍ以下のＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＡｇＯ、Ａｇ、Ｐｔのうちから選ばれる少なくとも１種の微粒子を０．１〜５．０体積％の割合で含有し、２ｋＶ／ｍｍでｌｋＨｚの高電圧正弦波の分極方向への繰り返し印加により、破断又は破壊に至るまでの時間が１００時間以上であり、かつ破断面の５％以上が粒内破断である。
特開２０００−２１１９６８号公報
特許文献１に記載の圧電セラミックスは、結晶中に、圧電性を示すペロブスカイト型結晶構造からなる主相とは異なる特定の成分からなる第２相を有する。そのため、特許文献１に記載の圧電セラミックスを用いて上記のようなアクチュエータを作製した場合、通常、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる内部電極層のＡｇ粒子が粒界に析出している。その結果、圧電セラミックスの絶縁性が著しく低下するという問題がある。
一方、積層圧電アクチュエータを製造する際には、不純物としてＳｉが混入しやすい。具体的には、例えば原料調合で水による湿式粉砕する際の水中に含まれており、原料中に混入しやすい。Ｓｉが混入すると、圧電セラミック層内にＳｉを含む相が析出して絶縁性が低下するという問題がある。
従って、本発明の目的は、絶縁性が向上した圧電セラミックスを備えた積層圧電アクチュエータおよび印刷ヘッドを提供することにある。
上記課題を解決するための本発明の積層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セラミック層を複数積層した積層体の表面および／または内部にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電体であって、圧電セラミック層内に、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出が実質的になく、前記圧電セラミック層のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであり、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上であり、前記圧電セラミック層を粉砕して測定したｃ軸の格子定数が、粉砕前のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
（２）圧電セラミック層の結晶粒径が２．５μｍ以下である上記（１）記載の積層圧電アクチュエータ。
（１）圧電セラミックスからなる圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および／または内部にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電体であって、圧電セラミック層内に、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出が実質的になく、前記圧電セラミック層のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであり、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上であり、前記圧電セラミック層を粉砕して測定したｃ軸の格子定数が、粉砕前のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
（２）圧電セラミック層の結晶粒径が２．５μｍ以下である上記（１）記載の積層圧電アクチュエータ。
（３）圧電セラミックスからなる圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および／または内部にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電体であって、圧電セラミック層内に、Ｓｉを含む相の析出と、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出とが実質的になく、前記圧電セラミック層のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１２０ｎｍであり、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上であり、前記圧電セラミック層を粉砕して測定したｃ軸の格子定数が、粉砕前のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
（４）前記Ｓｉを含む相が、透過型電子顕微鏡の１０万倍の倍率で検出されない（３）記載の積層圧電アクチュエータ。
（４）前記Ｓｉを含む相が、透過型電子顕微鏡の１０万倍の倍率で検出されない（３）記載の積層圧電アクチュエータ。
（５）前記圧電セラミック層がＰｂを含有し、前記Ｓｉを含む相がＰｂ 2 ＳｉＯ 4 相である上記（３）または（４）記載の積層圧電アクチュエータ。
（６）圧電セラミック層の結晶粒径が３．５μｍ以下である上記（３）〜（５）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（７）前記積層圧電体の荷重破壊による破断面において、８０％以上が粒内破壊モードである上記（１）〜（６）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（８）圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下である上記（１）〜（７）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（９）電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％である上記（１）〜（８）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（６）圧電セラミック層の結晶粒径が３．５μｍ以下である上記（３）〜（５）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（７）前記積層圧電体の荷重破壊による破断面において、８０％以上が粒内破壊モードである上記（１）〜（６）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（８）圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下である上記（１）〜（７）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
（９）電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％である上記（１）〜（８）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
本発明の印刷ヘッドは、上記（１）〜（９）のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータが、複数のインク流路を有する流路部材の表面に、該インク流路の直上に前記アクチュエータを構成する変位素子が配置するように接合されてなり、前記変位素子の変位によってインクを吐出させることを特徴とする。
上記（１）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層内に、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出が実質的に存在しない。これは、Ａｇを含む内部電極層からＡｇを結晶粒子内へ拡散させているためである。さらに、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上の正方晶側にシフトし、Ａｇを含む液相生成を抑制し、粒界相の生成を抑制している。また前記圧電セラミック層（積層圧電体磁器）のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであるので、Ａｇの結晶粒子内への置換固溶を抑制しているため、絶縁性が向上し、圧電特性の低下を抑制することができるという効果がある。
また、この積層圧電アクチュエータによれば、積層圧電アクチュエータの積層方向と垂直な方向に、圧縮応力が残留応力として印加されており、積層圧電アクチュエータを駆動する際のクラックの発生を抑制している。圧縮応力の大きさは、圧電セラミック層の格子定数に対するその圧電セラミック層を粉砕した粉末の格子定数の比と相関がある。つまり、粉砕されて粉末になった状態では、残留応力が開放されているので、粉砕前の格子定数に対して粉砕後の格子定数が大きいほど、圧縮応力が大きいといえる。そして、粉砕前の格子定数に対して、粉砕後の格子定数が１．００２倍以上であれば、積層圧電アクチュエータの積層方向と垂直な方向に圧縮応力が加わっており、クラックの発生を大幅に抑制することができる。また、粉砕前の格子定数に対して、粉砕後の格子定数が１．００５倍以下であれば、積層圧電アクチュエータの残留応力が大きいことによる圧電特性の劣化がない。
上記（２）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の結晶粒径が２．５μｍ以下であることにより、圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶を抑制することができる。
また、この積層圧電アクチュエータによれば、積層圧電アクチュエータの積層方向と垂直な方向に、圧縮応力が残留応力として印加されており、積層圧電アクチュエータを駆動する際のクラックの発生を抑制している。圧縮応力の大きさは、圧電セラミック層の格子定数に対するその圧電セラミック層を粉砕した粉末の格子定数の比と相関がある。つまり、粉砕されて粉末になった状態では、残留応力が開放されているので、粉砕前の格子定数に対して粉砕後の格子定数が大きいほど、圧縮応力が大きいといえる。そして、粉砕前の格子定数に対して、粉砕後の格子定数が１．００２倍以上であれば、積層圧電アクチュエータの積層方向と垂直な方向に圧縮応力が加わっており、クラックの発生を大幅に抑制することができる。また、粉砕前の格子定数に対して、粉砕後の格子定数が１．００５倍以下であれば、積層圧電アクチュエータの残留応力が大きいことによる圧電特性の劣化がない。
上記（２）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の結晶粒径が２．５μｍ以下であることにより、圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶を抑制することができる。
上記（３）〜（５）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層内に、Ｓｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）の析出と、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出とが実質的に存在しない。これは、Ａｇを含む内部電極層からＡｇを結晶粒子内へ拡散させているためであり、粒界二面間や３重点界面にＳｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）が存在しないことより、さらに絶縁性を向上することができる。さらに、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上の正方晶側にシフトし、Ａｇを含む液相生成を抑制し、粒界相の生成を抑制している。また前記圧電セラミック層（積層圧電体磁器）のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１２０ｎｍであるので、Ａｇの結晶粒子内への置換固溶を抑制しているため、絶縁性が向上し、圧電特性の低下を抑制することができるという効果がある。
上記（６）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の結晶粒径が３．５μｍ以下であることにより、圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶をさらに抑制することができるとともに、ドメイン回転が抑制されて駆動劣化を抑制することができる。
上記（６）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の結晶粒径が３．５μｍ以下であることにより、圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶をさらに抑制することができるとともに、ドメイン回転が抑制されて駆動劣化を抑制することができる。
上記（７）の積層圧電アクチュエータによれば、積層圧電体の荷重破壊による破断面において８０％以上が粒内破壊モードであるので、粒界のＡｇの析出量が少なくなる。
上記（８）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下であるので、Ａｇの拡散が容易になり、均一な特性が得られるため、粒内破壊をより効果的に実現できる。
上記（９）の積層圧電アクチュエータによれば、電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％であるので、Ａｇの拡散量が低減され、粒内破壊をより効果的に実現できる。
上記（８）の積層圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下であるので、Ａｇの拡散が容易になり、均一な特性が得られるため、粒内破壊をより効果的に実現できる。
上記（９）の積層圧電アクチュエータによれば、電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％であるので、Ａｇの拡散量が低減され、粒内破壊をより効果的に実現できる。
＜積層圧電アクチュエータ＞
以下、本発明の積層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拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１５は、セラミック振動板１（圧電セラミック層）、内部電極２、圧電セラミック層３および表面電極４で構成されており、セラミック振動板１上に、内部電極２、圧電セラミック層３および表面電極４をこの順に積層したものである。
以下、本発明の積層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拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１５は、セラミック振動板１（圧電セラミック層）、内部電極２、圧電セラミック層３および表面電極４で構成されており、セラミック振動板１上に、内部電極２、圧電セラミック層３および表面電極４をこの順に積層したものである。
内部電極２，表面電極４は、圧電アクチュエータ１５の電極を構成するものであり、表面電極４は、圧電セラミック層３の表面に複数形成されている。これにより、内部電極２，表面電極４で圧電セラミック層３を挟持して構成される変位素子５が複数形成される。
そして、圧電セラミック層３を分極し、ついで、内部電極２にリード線を接続すると共に、該リード線を外部電源と電気的に接続し、内部電極２，表面電極４の間に駆動電圧を印加することにより変位素子５が変位し、圧電アクチュエータ１５が駆動する。
前記セラミック振動板１は圧電セラミックスからなり、圧電セラミック層３は、セラミック振動板１と略同一組成の圧電セラミックスからなる。ここで、本発明における前記圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、例えばＢｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）等を含有するペロブスカイト構造化合物、チタン酸バリウム（ＢＴ）等を例示できるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）が、電極（内部電極２，表面電極４）との濡れ性を高めると共に、電極との密着強度を高める点で好適である。
本実施形態では、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るジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のジルコン酸チタン酸鉛系化合物が、より絶対値の高い圧電定数ｄ31を有する安定な圧電焼結体（圧電アクチュエータ１５）を得るうえで好ましい。
特に、本実施形態では、ジルコン酸チタン酸鉛系化合物などの圧電セラミックス（すなわち、圧電セラミック層３およびセラミック振動板１）のＡサイトとＢサイトの組成比が｛Ａサイト／Ｂサイト｝≦１であるのが好ましく、これによりＡｇとＰｂの液相生成を抑制し、粒界相の生成を抑制している。その結果、圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａを１．０１１以上の正方晶側にシフトさせることができる。また、粒界がないため、破断面が粒内破壊モードを示すことができる。なお、前記ｃ／ａは、例えば後述のように、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）からａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めることができる。
圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１５）を得ることがでる。このような圧電セラミック層３およびセラミック振動板１としては、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ1/3Ｓｂ2/3）Ｏ3及びＰｂ（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）Ｏ3を固溶してなるものを例示できる。
また、圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、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、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、正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るうえで有利である。
このような圧電セラミック層３およびセラミック振動板１としては、例えば、Ｐｂ1-x-yＳｒxＢａy（Ｚｎ1/3Ｓｂ2/3）a（Ｎｉ1/2Ｔｅ1/2）bＺｒ1-a-b-cＴｉcＯ3＋α質量％Ｐｂ1/2ＮｂＯ3（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）等で表されものが挙げられる。
圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、ｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであることが必要であり、これによりＡｇの置換固溶を抑制している。ｃ軸の格子定数を上記範囲内に調整するには、例えば、内部電極のＡｇ／ＰｄのＡｇ比率を９０体積％以下にする、あるいはＰＺＴ原料調合時のＡサイトとＢサイトの組成比を１以下にすればよい。
積層圧電アクチュエータの積層方向と垂直な方向に、圧縮応力が残留応力として印加されていること、具体的には、圧電セラミック層を粉砕して測定したｃ軸の格子定数が、粉砕前のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下であることが好ましい。これにより、積層圧電アクチュエータを駆動する際のクラックの発生を抑制することができる。なお、ここで粉砕するとは、乳鉢などにより粉砕し、平均粒径１〜３μｍの粉末の状態にすることである。
積層圧電体磁器である圧電セラミック層３およびセラミック振動板１は、平均結晶粒径が２．５μｍ以下であることが好ましく、これにより、ＰＺＴなどの圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶をより効果的に抑制することができる。結晶粒径を上記範囲にするには、例えばＰＺＴ原料調合時のＡサイトとＢサイトの組成比を１以下にすればよい。（平均）結晶粒径は、例えば後述のように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察し、インターセプト法により求めることができる。
本実施形態の圧電アクチュエータ１５の総厚みＴは１００μｍ以下であることが大きな変位を得るために重要であり、好ましくは６０μｍ以下、より好ましくは４５μｍ以下であるのが変位を大きくする点で好ましい。
さらに、圧電セラミック層３の厚みＶ１と、セラミック振動板１の厚みＶ２の比率Ｖ１／Ｖ２が０．３〜１．５であるのが好ましい。これにより、駆動時の圧電セラミック層３にかかる電圧を低減することが可能であり、耐久劣化を抑制することができる。これに対し、Ｖ１／Ｖ２が０．３より小さいと、非駆動部の影響により変位が低下する。また、Ｖ１／Ｖ２が１．５より大きいと、同様に変位の低下が起こる。
また、本実施形態によれば、同時焼成で作製する電極（内部電極２，表面電極４）が銀を６０〜８５体積％、好ましくは７０〜８０体積％含む銀−パラジウム合金からなることが好ましく、これによりＡｇの拡散量が低減され、粒内破壊をより効果的に実現できる。
次に、積層圧電体である本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法について、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。
まず、原料として純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、ついで、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この内部電極上にグリーンシートを積層し、さらに、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行い、その後焼成する。焼成後、表面に所望の表面電極を形成し、分極して積層圧電体である圧電アクチュエータを得ることができる。
まず、原料として純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、ついで、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この内部電極上にグリーンシートを積層し、さらに、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行い、その後焼成する。焼成後、表面に所望の表面電極を形成し、分極して積層圧電体である圧電アクチュエータを得ることができる。
このように前記圧電セラミック層を内部電極層との同時焼成により作製することにより、内部電極からＡｇをＰＺＴ結晶粒子内に拡散させることにより、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相が実質的に存在しなくなり、絶縁性が向上する。
なお、ここでＡｇを含む第２相の実質的にないとは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１０万倍での観察およびエネルギー分散分析（ＥＤＳ）で検出できないということである。
なお、ここでＡｇを含む第２相の実質的にないとは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１０万倍での観察およびエネルギー分散分析（ＥＤＳ）で検出できないということである。
なお、グリーンシートを積層して積層体を作製する場合には、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とを、上記積層体の両面若しくは片面に配置し、加圧密着を行うことが好ましい。このように、拘束シートで外側のグリーンシートの収縮を抑制することによって、積層体のソリを低減するという効果が期待できる。
さらに、焼結前生密度が４．５ｇ／ｃｍ2以上であることが好ましい。焼結体密度を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。
本実施形態の圧電アクチュエータは、上記の積層圧電体を具備するものであり、このようなアクチュエータは高い変位を有するという特徴を有する。特に、前記積層圧電体が、支持部材に接合されてなるものであることが好ましい。
本実施形態の圧電アクチュエータの駆動は、駆動時の電界強度Ｅと、圧電セラミック層の電界強度Ｅｃとの比率Ｅ／Ｅｃが１より小さい条件で駆動させるのが好ましい。これにより、圧電アクチュエータを長期間安定して駆動することができる。これに対し、１より大きいと、分域回転の寄与が大きくなり、変位劣化しやすくなる。
次に、本発明の積層圧電アクチュエータの他の実施形態について説明する。この実施形態の圧電アクチュエータは、圧電セラミック層内に、Ｓｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）の析出と、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出とが実質的にない。これにより、前記第２相の析出がないことによる効果に加えて、粒界二面間や３重点界面にＳｉを含む相が存在しないことより、絶縁性がより向上する。
なお、ここでＳｉを含む相あるいはＰｂ2ＳｉＯ4相が実質的にないとは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１０万倍での観察およびエネルギー分散分析（ＥＤＳ）で検出できないということである。
なお、ここでＳｉを含む相あるいはＰｂ2ＳｉＯ4相が実質的にないとは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１０万倍での観察およびエネルギー分散分析（ＥＤＳ）で検出できないということである。
本実施形態では、圧電セラミック層およびセラミック振動板がＰｂを含有し、前記Ｓｉを含む相、つまり、圧電セラミック層内に実質的に析出しないＳｉを含む相がＰｂ2ＳｉＯ4相であるのが好ましい。また、上記した実施形態と同様に、前記ＡサイトとＢサイトの組成比が｛Ａサイト／Ｂサイト｝≦１であるのが好ましい。これにより、ＡｇとＰｂの液相生成を抑制し、粒界相の生成を抑制すると共に、ＰｂとＳｉの反応をも抑制し、Ｓｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）の析出を抑制している。その結果、圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａを１．０１１以上の正方晶側にシフトさせることができる。また、粒界がないため、破断面が粒内破壊モードを示すことができる。
本実施形態にかかる圧電セラミック層およびセラミック振動板は、ｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１２０ｎｍであることが必要である。これによりＡｇの置換固溶を抑制すると共に、Ｓｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）の析出を抑制している。ｃ軸の格子定数を上記範囲内に調整するには、上記で説明した実施形態と同様に、例えば内部電極のＡｇ／ＰｄのＡｇ比率を９０体積％以下にする、あるいはＰＺＴ原料調合時のＡサイトとＢサイトの組成比を１以下にすればよい。
本実施形態の圧電セラミック層およびセラミック振動板は、（平均）結晶粒径が３．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、圧電セラミックスへのＡｇの置換固溶をさらに抑制することができるとともに、ドメイン回転が抑制されて駆動劣化を抑制することができる。（平均）結晶粒径を上記範囲にするには、上記で説明した実施形態と同様に、例えばＰＺＴ原料調合時のＡサイトとＢサイトの組成比を１以下にすればよい。
次に、本実施形態の圧電アクチュエータの製造方法について、上記で説明した実施形態と同様に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。
まず、上記実施形態と同様にして、原料として純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、ついで、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この内部電極上にグリーンシートを積層し、さらに、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行い、その後焼成する。焼成後、表面に所望の表面電極を形成し、分極して積層圧電体である圧電アクチュエータを得ることができる。特に、Ｓｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）の析出をなくすためには、ＰＺＴ原料調合に使用する水中のＳｉの含有量を０．１ｐｐｍ以下にすることが重要である。Ｓｉの含有量を０．１ｐｐｍ以下にする方法としては、例えばイオン交換樹脂フィルタによる処理Ｓｉの除去等が挙げられる。
まず、上記実施形態と同様にして、原料として純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、ついで、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布し、この内部電極上にグリーンシートを積層し、さらに、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行い、その後焼成する。焼成後、表面に所望の表面電極を形成し、分極して積層圧電体である圧電アクチュエータを得ることができる。特に、Ｓｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）の析出をなくすためには、ＰＺＴ原料調合に使用する水中のＳｉの含有量を０．１ｐｐｍ以下にすることが重要である。Ｓｉの含有量を０．１ｐｐｍ以下にする方法としては、例えばイオン交換樹脂フィルタによる処理Ｓｉの除去等が挙げられる。
上記で説明した通り、圧電セラミック層を内部電極層との同時焼成により作製することにより、内部電極からＡｇをＰＺＴ結晶粒子内に拡散させ、第２相が存在しなくなり、絶縁性が向上する。特に、本実施形態では、ＰＺＴ原料調合時の水中のＳｉ含有量を０．１ｐｐｍ以下にすることにより、圧電セラミック層内にＳｉを含む相（Ｐｂ2ＳｉＯ4相）が存在しなくなり、その結果、絶縁性がさらに向上する。
なお、上記した以外の構成は、上記した実施形態と同様であるので、説明は省略する。
なお、上記した以外の構成は、上記した実施形態と同様であるので、説明は省略する。
＜印刷ヘッド＞
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（セラミック振動板）上に複数の圧電素子を備えているので、インクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット用印刷ヘッド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印刷ヘッドに用いた一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
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（セラミック振動板）上に複数の圧電素子を備えているので、インクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット用印刷ヘッド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印刷ヘッドに用いた一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図２（ａ）は、本実施形態の印刷ヘッドを示す概略断面図であり、図２（ｂ）は、その平面図である。なお、図２（ａ），（ｂ）においては、前述した図１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２（ａ），（ｂ）に示すように、このインクジェット用印刷ヘッドは、複数のインク流路１６ａが並設され、各インク流路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１５が接合されている。接合は、セラミック振動板１がインク流路１６ａの空間と当接するように接着剤等を用いて行い、より具体的には、変位素子５の各表面電極４と、各インク流路１６ａとが対応するように接合される。
つまり、このインクジェット用印刷ヘッドは、セラミック振動板１上に、内部電極２、圧電セラミック層３および表面電極４がこの順に積層され、表面電極４が圧電セラミック層３の表面に複数配列された圧電アクチュエータ１５を、インク流路１６ａの直上に表面電極４が配置されるように流路部材１６に接着したものである。
そして、表面電極４と内部電極２との間に駆動回路より電圧を印加し、電圧が印加され変位した変位素子５に対応するインク流路１６ａ内のインクを加圧し、圧電アクチュエータ１５を振動させることにより、インク流路１６ａ内のインクを流路部材１６の底面に開口させたインク吐出孔１８よりインク滴を吐出させる。
このような印刷ヘッドのアクチュエータとして本発明の積層圧電体である圧電アクチュエータを用いることによって、安価なＩＣを用いて印刷ヘッドを実現することができる。この印刷ヘッドは変位特性に優れるので、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、その結果、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば上記の印刷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ているプリンタでは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成することができる。
なお、圧電セラミック層３はセラミック振動板１と同一組成の圧電セラミックスからなるのが好ましいが、圧電セラミック層３の組成は、セラミック振動板１の組成と完全に一致している必要はなく、本発明の効果を奏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。
また、上記の実施形態では、セラミック振動板１および圧電セラミック層３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、セラミック振動板および／または圧電セラミック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。
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］
本発明の積層圧電体を作製し、これをアクチュエータとしてインクジェット印刷ヘッドに応用した。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（表１にＺｒ／Ｔｉのモル比およびＡ／Ｂ比を示す）。
本発明の積層圧電体を作製し、これをアクチュエータとしてインクジェット印刷ヘッドに応用した。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（表１にＺｒ／Ｔｉのモル比およびＡ／Ｂ比を示す）。
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、分散剤にポリカルボ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のシート形状に塗布して、グリーンシートを作製した。このグリーンシートは、圧電体層用および振動板用の両方に使用した。
また、Ａｇ−Ｐｄ合金粉末を含有する内部電極ペーストを振動板用の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。更に、内部電極が印刷された面を上向きにして振動板グリーンシートの上に圧電体層用グリーンシートを積層し、加圧プレスし、積層体を得た。
この積層体を脱脂処理した後に、９８０℃、酸素９９％以上の雰囲気中で４時間保持して焼結し、圧電セラミック層と振動板と内部電極とからなる積層体を作製した。次に、圧電セラミック層の表面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ペーストを塗布した。これを大気中において６００〜８００℃で焼付けて形成した。最後に、表面電極にリード線を半田で接続し、図２に示すような形状の圧電アクチュエータ１５を得た（表１中の試料Ｎｏ．１〜１４、１６〜１９）。
また、前記圧電セラミックス粉末にＡｇを１体積％添加した粉末を準備した以外は、前記と同様にして積層体を作製して圧電アクチュエータ１５を得た（表１中の試料Ｎｏ．１５）。不純物としてＳｉＯ2を０．３質量％含むＺｒＯ2を用いて作製したＰＺＴ原料を用いた以外は、前記と同様にして積層体を作製して圧電アクチュエータ１５を得た（表１中の試料Ｎｏ．２０〜２６）。不純物としてＳｉＯ2を０．３質量％含むＺｒＯ2を用いて作製したＰＺＴ原料を用い、前記圧電セラミックス粉末にＡｇを１体積％添加した粉末を準備した以外は、前記と同様にして積層体を作製して圧電アクチュエータ１５を得た（表１中の試料Ｎｏ．２７）。
表１に得られた圧電アクチュエータの詳細を示す。表１において、各評価値は以下のようにして求めた。
（格子定数比ｃ／ａ）
各圧電セラミック層の格子定数比ｃ／ａは、ＸＲＤからａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めた。
（格子定数比ｃ／ａ）
各圧電セラミック層の格子定数比ｃ／ａは、ＸＲＤからａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めた。
（ｃ軸の格子定数）
圧電セラミック層のｃ軸の格子定数（粉砕前）は、圧電アクチュエータのＸ線回折を測定し、ｄ（００２）回折角２閘を求め、Ｂｒａｇｇの関係から式：２ｄｓｉｎθ＝λより求めた。また、粉砕した圧電セラミック層のｃ軸の格子定数（粉砕後）は、圧電セラミック層をメノウ乳鉢で粉砕し、平均粒径２．５μｍの粉末の状態した後、上記と同じ方法で測定した。
圧電セラミック層のｃ軸の格子定数（粉砕前）は、圧電アクチュエータのＸ線回折を測定し、ｄ（００２）回折角２閘を求め、Ｂｒａｇｇの関係から式：２ｄｓｉｎθ＝λより求めた。また、粉砕した圧電セラミック層のｃ軸の格子定数（粉砕後）は、圧電セラミック層をメノウ乳鉢で粉砕し、平均粒径２．５μｍの粉末の状態した後、上記と同じ方法で測定した。
（平均結晶粒径）
各圧電セラミック層の平均結晶粒径は、その表面を３０００倍でＳＥＭ観察し、インターセプト法により求めた。
各圧電セラミック層の平均結晶粒径は、その表面を３０００倍でＳＥＭ観察し、インターセプト法により求めた。
（粒内破壊比率）
圧電アクチュエータを抗折破壊し、破断面をＳＥＭ観察し、２次元の画像から粒内破壊している面積を画像解析装置にて求めた。
圧電アクチュエータを抗折破壊し、破断面をＳＥＭ観察し、２次元の画像から粒内破壊している面積を画像解析装置にて求めた。
（圧電アクチュエータの絶縁抵抗（ＩＲ））
圧電アクチュエータのＩＲは、次のようにして求めた。まず、圧電セラミック層３と振動板１と内部電極層２とからなる積層体の表裏面にＡｕ蒸着を行い、それを３ｍｍ×１２ｍｍの大きさに加工した。ついで、表裏面Ａｕ電極を介して１ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１分間印加した後の絶縁抵抗を絶縁抵抗計で測定した。
圧電アクチュエータのＩＲは、次のようにして求めた。まず、圧電セラミック層３と振動板１と内部電極層２とからなる積層体の表裏面にＡｕ蒸着を行い、それを３ｍｍ×１２ｍｍの大きさに加工した。ついで、表裏面Ａｕ電極を介して１ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１分間印加した後の絶縁抵抗を絶縁抵抗計で測定した。
（Ａｇを含む第２相の有無）
圧電セラミック層内のＡｇを含む第２相析出の有無については、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた１０万倍での観察およびエネルギー分散分析（ＥＤＳ）で検出できたか否かにより測定した。すなわち、第２相をＴＥＭで観察できかつＥＤＳで検出できた場合には「有り」とし、第２相をＴＥＭで観察できずかつＥＤＳで検出できなかった場合には「無し」とした。
圧電セラミック層内のＡｇを含む第２相析出の有無については、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた１０万倍での観察およびエネルギー分散分析（ＥＤＳ）で検出できたか否かにより測定した。すなわち、第２相をＴＥＭで観察できかつＥＤＳで検出できた場合には「有り」とし、第２相をＴＥＭで観察できずかつＥＤＳで検出できなかった場合には「無し」とした。
（Ｐｂ2ＳｉＯ4相の有無）
圧電セラミック層内のＰｂ2ＳｉＯ4相（Ｓｉを含む相）析出の有無については、上記Ａｇを含む第２相の有無と同様にして測定した。
圧電セラミック層内のＰｂ2ＳｉＯ4相（Ｓｉを含む相）析出の有無については、上記Ａｇを含む第２相の有無と同様にして測定した。
これらの試験結果を表１に示す。なお、表１において、試料Ｎｏ．１０、１３〜１５、１９〜２１、２５〜２７は本発明の範囲外であることを示す。また、表１中、「磁器総厚み」とは圧電アクチュエータの総厚みＴを意味する。
１ セラミック振動板
２ 内部電極
３ 圧電セラミック層
４ 表面電極
５ 変位素子
１５ 圧電アクチュエータ
１６ 流路部材
１６ａ インク流路
１６ｂ 隔壁
１８ インク吐出孔
２ 内部電極
３ 圧電セラミック層
４ 表面電極
５ 変位素子
１５ 圧電アクチュエータ
１６ 流路部材
１６ａ インク流路
１６ｂ 隔壁
１８ インク吐出孔
Claims (10)
- 圧電セラミックスからなる圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および／または内部にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電体であって、圧電セラミック層内に、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出が実質的になく、前記圧電セラミック層のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであり、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上であり、前記圧電セラミック層を粉砕して測定したｃ軸の格子定数が、粉砕前のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
- 圧電セラミック層の結晶粒径が２．５μｍ以下である請求項１記載の積層圧電アクチュエータ。
- 圧電セラミックスからなる圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および／または内部にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電体であって、圧電セラミック層内に、Ｓｉを含む相の析出と、圧電性を示す主相とは異なる、Ａｇを含む第２相の析出とが実質的になく、前記圧電セラミック層のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１２０ｎｍであり、前記圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａが１．０１１以上であり、前記圧電セラミック層を粉砕して測定したｃ軸の格子定数が、粉砕前のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下であることを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
- 前記Ｓｉを含む相が、透過型電子顕微鏡の１０万倍の倍率で検出されない請求項３記載の積層圧電アクチュエータ。
- 前記圧電セラミック層がＰｂを含有し、前記Ｓｉを含む相がＰｂ2ＳｉＯ4相である請求項３または４記載の積層圧電アクチュエータ。
- 圧電セラミック層の結晶粒径が３．５μｍ以下である請求項３〜５のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
- 前記積層圧電体の荷重破壊による破断面において、８０％以上が粒内破壊モードである請求項１〜６のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
- 圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下である請求項１〜７のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
- 電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％である請求項１〜８のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータが、複数のインク流路を有する流路部材の表面に、該インク流路の直上に前記アクチュエータを構成する変位素子が配置するように接合されてなり、前記変位素子の変位によってインクを吐出させることを特徴とする印刷ヘッド。
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