JPH1066360A

JPH1066360A - 接合型アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1066360A
Application number: JP8220878A
Authority: JP
Inventors: Etsuko Fujisawa; 悦子藤沢
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1996-08-22
Publication date: 1998-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】アクチュエータを構成する層間の接着不良に
よる特性の低下をなくし、高い均質性と信頼性を付与し
た接合型アクチュエータを提供すること。【解決手段】基板２上に第１の電極層４と圧電／電歪
／相転移層５と、第２の電極層６とが順次積層せしめら
れてなる接合型アクチュエータにおいて、第１の電極層
４と圧電／電歪／相転移層５の間に応力緩和層３を設け
ストレスを吸収させる。この応力緩和層３は、アクチュ
エータのいずれの層間に設けてもよく、また複数設けて
もよい。また電極材料に接合相手の成分を混合し、その
組成比率を傾斜させるか、または、接合するセラミック
材料の格子定数に近い電極材料を選択し、層間の接着力
を高める。また、表面を粗面とした基板上の電極表面に
平滑化処理を施すことにより変位特性を維持しつつ層間
の接着力を高めるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アクチュエータに
関するものであり、例えば、インクジェットプリンタヘ
ッドに適用可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、アクチュエータの基体内部に形成
した加圧室内の圧力を上昇させる機構の１つとして、加
圧壁に設けた圧電／電歪素子の変位によって、該加圧室
の体積を変化させるようにしたものが知られている。そ
して、そのような圧電／電歪アクチュエータは、例え
ば、インクジェットプリンタに使用されるプリントヘッ
ド等として利用されており、インクが供給され、充填さ
れた加圧室内の圧力を圧電／電歪素子の変位によって上
昇させることにより、加圧室に連通するノズル孔からイ
ンク粒子（液滴）を打ち出して、印字するようになって
いるものである。特開平３−１２８６８１号公報に開示
された「圧電／電歪膜型アクチュエータ」ではセラミッ
ク基板面上に電極膜と圧電／電歪膜とが順次層状に積層
されてなる構造を有する圧電／電歪膜型アクチュエータ
を、また特開平５−２７０９１２号公報に開示された
「圧電／電歪膜型素子」ではセラミック基板の結晶相お
よび基板表面粗さの特性を発明を構成する要件に挙げて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】インクジェトプリンタ
ヘッドとして接合型アクチュエータをインクポンプとし
て用いた場合、数百μm間隔に並んだ微細で、かつ個別
駆動が可能な独立したアクチュエータを集積したマルチ
チャンネル集積化アクチュエータが要求される。その場
合、使用される接合型アクチュエータに要求される特性
は、電気−圧力変換特性が均一であることはもとより構
造的に微小な領域への接合がなされることが必須であ
る。このとき、接合面が微小なため、十分な接合強度が
確保できない上に、各アクチュエータ間のバラツキの発
生や、層の端部から接着剤のはみ出しによって生じるア
クチュエータの変形の発生等の問題を含んでいた。

【０００４】これらの解決方法の１つとして、特開平６
−４００３５号公報に積層構成および一体焼成形成方法
によるアクチュエータが提案されている。しかし、この
ような一体焼成においては、材料の収縮や熱膨張係数差
に起因する残留歪みが圧電／電歪特性にバラツキを与え
てしまう問題がある。また、特開平５−２７０９１２号
公報に開示された圧電／電歪膜素子及び本発明者が先に
提案した相転移セラミックスアクチュエータ等に広く共
通したアクチュエータの構成である基板，電極層，セラ
ミックスアクチュエータ層，及び電極層の各層が接着剤
で貼り合わされた構成においては、前記各層間の接着不
良によってアクチュエータの特性が低下するという問題
が生じている。また、特開平５−２７０９１２号公報に
開示されたものは、セラミック基板の表面に表面粗さＲ
ａが０.０３〜０.９μmである凹凸を付けて、このセラ
ミック基板と圧電／電歪作動部（２つの電極層とそれら
電極層間に形成された膜状の圧電／電歪層から構成され
る）の接合強度（付着強度）を増加させているが、接合
強度をさらに上げるために表面粗さをこれ以上大きくす
ると、圧電／電歪作動部の平坦性が低下するために、圧
電／電歪層に作用する電界に不均一が生じ、素子特性を
低下させる。本発明は、上述の様な実情に鑑みてなされ
たもので、アクチュエータの層間の接着不良における特
性の低下をなくし、高い均質性と高い信頼性を付与した
接合型アクチュエータを提供することをその解決すべき
課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、基板
上に、第１の電極層と、圧電／電歪／相転移層からなる
セラミックスアクチュエータ層と、第２の電極層とが、
順次積層せしめられてなり、前記セラミックスアクチュ
エータ層に電界を印加して電界誘起歪を生じせしめ、前
記基板の少なくとも一部を変形させるようにした接合型
アクチュエータにおいて、前記基板と前記第１の電極層
間，該第１の電極層とセラミックスアクチュエータ層
間，該セラミックスアクチュエータ層と前記第２の電極
層間の少なくとも一つの位置に、駆動時の応力を緩和す
るための応力緩和層を設けるようにしたことを特徴と
し、層間の接着強度を高め、製造時、および駆動時の膜
剥がれや特性の低下を防ぎ、信頼性の高いアクチュエー
タを提供できるようにしたものである。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１記載の接合型
アクチュエータにおいて、前記第１の電極層及び／また
は前記第２の電極層を構成する電極材料は、接合相手の
成分を混合し、その組成比率を層厚方向に傾斜させるよ
うにしたことを特徴とし、製造時の熱膨張・収縮による
膜剥がれや特性の低下を防ぎ、信頼性の高いアクチュエ
ータを提供できるようにしたものである。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１記載の接合型
アクチュエータにおいて、前記第１の電極層及び／また
は前記第２の電極層を構成する電極材料は、前記セラミ
ックスアクチュエータ層を構成するセラミックス材料の
格子定数に近い格子定数の材料を選択するようにしたこ
とを特徴とし、セラミックスアクチュエータ層と電極層
との接着強度を高め、駆動時の膜剥がれや特性の低下を
防ぎ、信頼性の高いアクチュエータを提供できるように
したものである。

【０００８】請求項４の発明は、前記基板の前記第１の
電極層側表面を粗面とした請求項１記載の接合型アクチ
ュエータにおいて、前記第１の電極層の前記セラミック
アクチュエータ層側の表面に平滑化処理が施されてなる
ことを特徴とし、基板と電極層との接着強度を高め、駆
動時の膜剥がれや特性の低下を防ぎ、信頼性の高いアク
チュエータを提供できるようにしたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による接合型アク
チュエータの実施形態を添付された図面を参照して説明
する。なお、実施形態を説明するための全図において、
同一機能を有するものには同一符号を付け、その繰り返
しの説明は省略する。図１は、本発明が適用される接合
型ユニモルフアクチュエータの一実施形態の構成を示す
図で、図中、２はセラミック基板、３は応力緩和層、４
は下部電極層、５は圧電／電歪／相転移層（セラミック
スアクチュエータ層）、６は上部電極層、４′，６′は
リード部である。図２は、本発明が適用される接合型ア
クチュエータの他の実施形態の構成を示す図で、図中、
７は第１電極層、８は第１セラミックスアクチュエータ
層、９は第２電極層、１０は第２セラミックスアクチュ
エータ層、１１は第３電極層、７′，９′，１１′はリ
ード部である。図３は、本発明が適用される接合型アク
チュエータの他の実施形態の構成を示す図である。図４
は、本発明が適用される接合型アクチュエータの他の実
施形態を説明するための基板表面粗さと接着強度及び変
位特性の関係を表す図である。

【００１０】図１に示すように、このアクチュエータ
は、セラミック基板２上に下部電極層４と応力緩和層
３，圧電／電歪／相転移層５（以後、セラミックスアク
チュエータ層と記す）と上部電極層６が順次積層されて
いる。なお、各電極層からリード部４′，６′が引き出
されており、これらを通じて、それぞれの電極層に通電
が行われるようになっている。また、図２に示すもの
は、図１に示した構成体を更に多層化させたもので、基
本的には接合型ユニモルフアクチュエータの電極／セラ
ミックアクチュエータ層／電極を繰り返し積層した構成
を有するものである。このアクチュエータは、セラミッ
ク基板２上に応力緩和層３，第１電極層７，第１セラミ
ックスアクチュエータ層８，第２電極層９，第２セラミ
ックスアクチュエータ層１０，及び第３電極層１１が順
次積層されている。なお、各電極からリード部７′，
９′，１１′が引き出されており、これらを通じて、そ
れぞれの電極層に通電が行われるようになっている。

【００１１】これらのアクチュエータは、振動板の如き
作用板となるセラミック基板２と、セラミックスアクチ
ュエータ層を含む振動部とを熱処理によって接合する
（ここで、前記の振動部は、下部電極層４＋応力緩和層
３＋セラミックスアクチュエータ層５＋上部電極層６、
もしくは応力緩和層３＋第１電極層７＋第１セラミック
アクスチュエータ層８＋第２電極層９＋第２セラミック
スアクチュエータ層１０＋第３電極層１１の層によって
構成される部分として表される）。また、各材料からな
る層３〜１１をセラミック基板２に形成するには、周知
の膜形成技術を用い、例えば、スパッタリング，真空蒸
着，スクリーン印刷，メッキ等の膜形成技術が適宜に選
択される。

【００１２】セラミック基板に用いる材料は加工性に優
れ、機械的強度とじん性が高く、熱処理が可能な絶縁体
が好ましく、一般的にはアルミナ，ジルコニアなどが挙
げられる。また、電極に用いる材料としては、熱処理温
度並びに焼成温度程度の高温酸化雰囲気に耐えられる導
体であれば、特に規制されるものではなく、例えば、金
属単体であっても合金であっても良く、また絶縁性セラ
ミックスやガラス等と金属や合金との混合物であっても
良く、更に、導電性セラミックスや超伝導材料であって
も、何等差し支えない。もっとも、好ましくは白金や白
金属元素（Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ）などの高融点貴金
属類、及びそれらの合金を主成分とする電極材料が用い
られるが、安定性の点から白金もしくはそれら合金が好
適である。

【００１３】セラミックスアクチュエータ層（圧電／電
歪／相転移層）の電気−圧力変換セラミックスとしては
圧電効果を利用したジルコン酸チタン酸鉛（以後、ＰＺ
Ｔと記す）を主成分とする材料，電歪効果を利用したマ
グネシアニオブ酸鉛を主成分とする材料、ニッケルニオ
ブ酸鉛を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主成
分とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材
料、亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、及びチタン酸
鉛を主成分とする材料、電界誘起強制相転移効果を利用
したスズ酸鉛を含む材料から適宜用いられ、さらにはこ
れらの複合材料を用いてもよい。また、この様な圧電／
電歪／相転移材料に周知の各種添加物として、ランタ
ン，バリウム，ニオブ，亜鉛，セリウム，クロム，コバ
ルト，ストロンチウム，イットリウム，タングステン，
ニッケル，マンガンなどの酸化物やそれらの他の化合物
を含有せしめた材料等を適宜に加えたものであっても何
等差し支えない。

【００１４】次いで、図１に示した実施形態をより具体
的に説明する。部分安定化ジルコニアシート基板上に、
スクリーン印刷法にて、下部電極層４として白金電極層
を膜厚８μmで形成する。この上に応力緩和層４として
のグリーンシートを積層するが、このグリーンシートは
Ｐｂ_0.99Ｎｂ_0.02〔(Ｚｒ_0.55Sn_0.45）_0.98Ｔｉ_0.06〕
_0.02Ｏ₃（以後、ＰＮＺＳＴと記す）とポリメチルメタ
クリレイト（以後、ＰＭＭＡと記す）２wt.％から調整
されるセラミックスにポリビニルブチラールをバインダ
ーとして、溶媒にトルエンを使用し、一般的な可塑剤を
添加したスラリーを原料としてドクターブレード装置や
リバースロールコーター装置等の一般的な装置を用いて
形成したものである。更に、このグリーンシートの片面
に上部電極６として白金パラジウム合金を塗布したセラ
ミックスアクチュエータ層をこの白金パラジウム合金層
が表層に出るようにして積層する。そして、この積層体
を１００℃，７５〜１００kg／cm²の条件でプレスし、
鉛雰囲気中にて１０００〜３０００℃で焼結する。以上
の工程を経ることにより応力緩和層３を設けたアクチュ
エータが形成される。このようなＰＮＺＳＴ＋ＰＭＭＡ
からなる応力緩和層３は、上記の焼成工程を経ることに
よりＰＮＺＳＴの粒子間に０.５〜５μmの気孔が生じ、
スポンジのような挙動を示すことによって電極層とセラ
ミックスアクチュエータ層間での製造時における熱膨張
・収縮によるストレス、および駆動時のストレスを緩和
し、アクチュエータを構成する各層の剥れや駆動特性の
低下というような問題をなくすことができるものであ
る。また、本実施形態では、電極層とセラミックスアク
チュエータ層間に応力緩和層を設けたが、この他にもセ
ラミック基板と電極層間に設けてもよく、また複数の応
力緩和層を設けても、何等問題はない。

【００１５】次いで、電極層の組成比率を層厚方向で傾
斜させるようにした接合型アクチュエータの一実施形態
を図３を参照して説明する。基板２上には、下部電極層
４と、セラミックスアクチュエータ層５と上部電極層６
が順次積層されていて、各電極層４，６からリード部
４′，６′が引き出されており、これらを通じて、それ
ぞれの電極層に通電が行われるようになっている。基板
２は、予め焼結された酸化ジルコニウムであり、この表
面に白金インクにＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂，ＰｂＯをそれぞれ
１wt.％，１５wt.％，５wt.％混合した液をスクリーン
印刷にて２μmの膜厚で形成する。次にこの上にＳｉ
Ｏ₂，ＺｒＯ_２，ＰｂＯをそれぞれ０．８wt.％，１０w
t.％，８wt.％混合した白金インクを、更に同様に０.５
wt.％，８wt.％，１１wt.％混合した白金インクを、最
後に０.３wt.％，５wt.％，１５wt.％混合した白金イン
クを各２μm厚で印刷し、４層構成でその組成比率が段
階的に傾斜している下部電極層４を形成させる。次に、
ＰＺＴからなるグリーンシートの片面に上記電極６とし
て白金パラジウム合金を塗布したセラミックスアクチュ
エータ層５のシートを前記白金パラジウムが表層に出る
ようにして積層する。そしてこの積層体を１００℃にて
７５〜１００kg／cm²の加圧力でプレスし、さらに鉛雰
囲気中にて１０００〜１３００℃で焼結する。また、本
実施形態では電極層の組成比率を段階的に傾斜させた
が、セラミックスアクチュエータ層，基板の組成比率を
同様に傾斜させても、何等問題はない。

【００１６】次いで、セラミックスアクチュエータ層の
格子定数に近い格子定数の電極層の材料を選択するよう
にした接合型アクチュエータの一実施形態を説明する。
一般に、薄膜の形成過程における一種の方位成長が起こ
るとき、この現象はエピタキシーと呼ばれ、単結晶基板
で他の物質上が特定の方位をもった成長をすることであ
る。このとき基板の結晶格子定数をｌ₁、薄膜物質の格
子定数をｌ₂とすると、ｍ＝（ｌ₂−ｌ₁）／ｌ₁ で表されるｍがミスフィットといわれる値であり、これ
が小さいほどエピタキシーを起こしやすく、一方、基板
と薄膜の格子間にミスフィットが大きければ転位が生じ
やすいと考えられる。圧電／電歪／相転移材料として単
結晶チタン酸鉛の場合、正方晶の結晶構造ではａ，ｂ軸
の格子定数は３.８９９Å、ｃ軸は４.１５３Åである。
単体金属の場合、白金の格子定数は３.９１３Å、Ｒｅ
は２.７６０Åおよび１.１５８Å、Ｎｉは３.５２４
Å、Ｍｏは３.１４１Å、Ｔａは３.２９１Å、Ｗは３.
１５９Åである。セラミックスアクチュエータ層の電極
との接合界面がｃ軸に平行もしくは垂直であっても、格
子定数は４.１５３Åと３.８９９Åにより近い白金を電
極材料として選択する。この時の電極形成は、真空蒸着
法にて行ない、エピタキシーを発生させるべく好ましく
は７００℃以上の基板温度で１０Å／ｓ以下の蒸着速度
で成膜する。

【００１７】次いで、基板表面を粗面として電極層との
接合強度を上げ、かつ電極層表面を平滑化して駆動安定
性を高めるようにしたアクチュエータの一実施形態を図
４を参照して説明する。平滑化させる処理法の１例とし
て、セラミック基板上にパラジウムを該セラミック基板
の表面粗さ以上、好ましくは５μm以上の厚さにスクリ
ーン印刷により成膜し、０.０１Ｐａ前後の真空槽の中
に入れ、ヒータで１５００℃，５分間加熱保持する。こ
のような操作により液状化したパラジウム層表面を平滑
化させることができる。その後、十分に冷却された後、
Ｐｂ_0.98Ｌａ_0.02〔Ｚｒ_0.45Ｓｎ_0.42Ｔｉ_0.13〕_0.995
Ｏ₃（以後、ＰＬＺＳＴと記す）の厚さ５０μmのグリー
ンシートを乗せ加熱プレスを行い、ここに銀ペーストを
塗り、１３００℃で４時間焼結する。

【００１８】図４は、接触式表面粗さ計（デックタッ
ク）にて１mmスキャンさせたときの基板の表面粗さＲａ
と、引っかき法にて測定した接合強度、及び電界誘起歪
み特性の相関を示すものである。上記の平滑化工程にお
ける電極の処理時間，処理温度および冷却速度を変化さ
せ、各種の表面粗さを有する基板に対して、表面を平滑
化させたパラジウム電極層を準備し、基板の表面粗さＲ
ａと接着強度の関係を求めた。接着強度については、表
面粗さ０.１μmの時の接着強度を１としたときの相対強
度を示したものであり、また、変位特性は上記の基板と
平滑化した電極層を用いてアクチュエータを構成したと
きの４０ｋＶ／cm印加時のセラミックスアクチュエータ
層の歪み△ｌを膜厚ｌで割ったものである。基板表面粗
さＲａが０.１〜１.４μm間では、接着強度は更に向上
し、このときの変位特性は表面粗さＲａが０.１μmのと
きと同様に安定した高い値を維持している。故に接着強
度が高く、駆動特性が低下することのない領域中で０.
９μm以上の表面粗さＲａを有するようにすることが好
ましい。この実施形態においては、電極層表面を平滑化
する処理を行うことにより、セラミックスアクチュエー
タ層に作用する電界の不均一性を考慮することなく、基
板表面を十分な接着強度を得る０.９μm以上の表面粗さ
を確保できる。

【００１９】

【発明の効果】上述した本発明により、以下の効果が得
られる。請求項１の効果：本発明に従う構造を有する接合型ユニ
モルフアクチュエータにおいて、応力緩和層を設けるこ
とによって層間の接着強度を高め、製造時、および駆動
時のアクチュエータ構成層の剥がれや駆動特性の低下を
防ぎ信頼性の高いアクチュエータを提供することが出来
る。請求項２の効果：電極層の組成比率を傾斜させるように
したことにより、製造時の熱膨張・収縮によるアクチュ
エータ構成層の剥がれや駆動の低下を防ぎ、信頼性の高
いアクチュエータを提供することが出来る。請求項３の効果：請求項３において、セラミックアクチ
ュエータ層の格子定数に近い格子定数を有する電極材料
を選択することにより、セラミックアクチュエータ層と
電極層との接着強度を高め、駆動時のアクチュエータ構
成層の剥がれや駆動特性の低下を防ぎ、信頼性の高いア
クチュエータを提供することが出来る。請求項４の効果：表面を粗面とした基板上の電極層表面
を平滑に処理することにより、基板と電極層との接着強
度を高め、かつ駆動時に膜剥がれや特性の低下を防ぎ、
信頼性の高いアクチュエータを提供出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される接合型ユニモルフアクチ
ュエータの一実施形態の構成を示す図である。

【図２】本発明が適用される接合型アクチュエータの
他の実施形態の構成を示す図である。

【図３】本発明が適用される接合型アクチュエータの
他の実施形態の構成を示す図である。

【図４】本発明が適用される接合型アクチュエータの
他の実施形態を説明するための基板表面粗さと接着強度
及び変位特性の関係を表す図である。

【符号の説明】

２…セラミック基板、３…応力緩和層、４…下部電極
層、５…圧電／電歪相転移層（セラミックスアクチュエ
ータ層）、６…上部電極層、４′，６′…リード部、７
…第１電極層、８…第１セラミックスアクチュエータ
層、９…第２電極層、１０…第２セラミックスアクチュ
エータ層、１１…第３電極層、７′，９′，１１′…リ
ード部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、第１の電極層と、圧電／電歪
／相転移層からなるセラミックスアクチュエータ層と、
第２の電極層とが、順次積層せしめられてなり、前記セ
ラミックスアクチュエータ層に電界を印加して電界誘起
歪を生じせしめ、前記基板の少なくとも一部を変形させ
るようにした接合型アクチュエータにおいて、前記基板
と前記第１の電極層間，該第１の電極層とセラミックス
アクチュエータ層間，該セラミックスアクチュエータ層
と前記第２の電極層間の少なくとも一つの位置に、駆動
時の応力を緩和するための応力緩和層を設けるようにし
たことを特徴とする接合型アクチュエータ。
【請求項２】請求項１記載の接合型アクチュエータに
おいて、前記第１の電極層及び／または前記第２の電極
層を構成する電極材料は、接合相手の成分を混合し、そ
の組成比率を層厚方向に傾斜させるようにしたことを特
徴とする接合型アクチュエータ。
【請求項３】請求項１記載の接合型アクチュエータに
おいて、前記第１の電極層及び／または前記第２の電極
層を構成する電極材料は、前記セラミックスアクチュエ
ータ層を構成するセラミックス材料の格子定数に近い格
子定数の材料を選択するようにしたことを特徴とする接
合型アクチュエータ。
【請求項４】前記基板の前記第１の電極層側表面を粗
面とした請求項１記載の接合型アクチュエータにおい
て、前記第１の電極層の前記セラミックアクチュエータ
層側の表面に平滑化処理が施されてなることを特徴とす
る接合型アクチュエータ。