JPH11261127A - 圧電部品、圧電センサおよび圧電アクチュエータ、ならびにインクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶構造による圧電特性の異方性を利用して
単結晶材料からの基板の切り出し角度を規定することに
より、小型、高感度の圧電部品を提供する。 【解決手段】 結晶構造３ｍ型の単結晶である少なくと
も１枚の圧電板と、前記圧電板を挟み込むように前記圧
電板の主面に形成された少なくとも１対の電極とを有
し、前記圧電板の主面が前記単結晶のＸ軸を回転軸とし
て前記単結晶のＹ軸を＋５°〜＋４５°回転させた軸に
垂直な面である圧電部品とする。この圧電部品の性能に
影響する歪み量ξ₂₁およびξ₂₃は上記角度で共に大きな
絶対値を示す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電単結晶材料を用
いた圧電部品に関し、さらに同材料を用いた圧電セン
サ、圧電アクチュエータおよびインクジェットプリンタ
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、状態検出のためのセンサや、電気
エネルギーを力学的エネルギーに変換するアクチュエー
タが組み込まれた携帯用の電子機器が急速に普及してき
ている。圧電材料を用いたセンサやアクチュエータは小
型で高性能であるため、電子機器の小型化、高性能化の
流れに沿うものとして広範に活用されている。圧電材料
を用いたセンサとしては、加速度センサ、衝撃センサ、
圧力センサ等が挙げられる。例えば、加速度センサは、
ハードディスクにおける書き込み動作中のヘッドの位置
ずれによるデータの書き込みエラーやヘッドの破損を防
止するために用いられている。また、加速度センサは、
自動車のエアバック装置を作動させるための衝撃検知用
センサとしても使用されている。

【０００３】従来、圧電セラミック等の圧電材料を用い
た加速度センサは、圧電材料の電気−機械変換特性を利
用することによって、高い検出感度を実現している。こ
のような加速度センサとしては、特開平２−２４８０８
６号公報に示されているような片持ち梁型構造の矩形状
バイモルフ型振動子が知られている。このバイモルフ型
振動子５１は、図１１に示すように電極５７、５８を形
成した圧電セラミック板５２，５３をエポキシ樹脂等の
接着剤でシム材５４に貼合わせて形成したものである。
圧電セラミック板５２，５３には、振動子の厚み方向に
分極処理が為され、分極方向が反対になるようにシム材
５４に接着されている。

【０００４】圧電セラミックは、電界を加えることによ
り分極を発生して圧電効果を有するようになる。分極発
生のために加えられる電界は、圧電振動子となるセラミ
ック板の両面に設けられた電極から印加される。従っ
て、分極方向（軸）は振動子の厚み方向と同方向にな
る。このような圧電セラミックは、分極軸に直交する面
内方向については異方性を示さないため、振動子の保持
方向に拘わらず一定の特性を示すことになる。例えば加
速度センサとして用いた場合には、保持方向にかかわら
ず一定の感度を安定して有することになる。

【０００５】なお、振動子の保持方法としては、図１１
に示すようなバイモルフ構造の圧電振動子の片端を導電
性接着剤等で接着固定して片持ち梁型構造とする方法の
他に、振動子の両端を固定して両持ち梁型構造とする方
法がある。片持ち梁型構造のバイモルフ素子は、共振周
波数が低いために比較的低い周波数成分を持つ加速度を
測定するために使用されている。

【０００６】圧電材料を用いた圧電アクチュエータは、
プリンタヘッド、圧電モータ、圧電ブザー等として用い
られている。例えば、インクジェット型のプリンタヘッ
ドに用いられる圧電素子は、電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換することにより電子信号に応じて規定量の
インクを押し出して飛翔させる。このタイプのプリンタ
ヘッドとしては、例えば米国特許第３９４６３９８号に
開示されているような圧電バイモルフを用いたカイザー
型プリンタヘッドが知られている。図１２に示すよう
に、このカイザー型プリンタヘッド６１は、電極６７を
有する圧電セラミック板６２を接着した金属からなる振
動板６４とベース６６とを備え、ベース６６の一端には
ノズル６５が、他端にはインク供給路６８が設けられた
ものである。電極６７と振動板６４との間に電圧が加え
られると、圧電板６２は面内方向に縮退する。圧電板６
２は振動板６４に接着されているため、圧電板６２と振
動板６４との接合体は下方に凸となるように屈曲する。
この結果、圧電板６２と振動板６４とにより囲まれたイ
ンク室６９の容量は減少し、ノズル６５からインクが飛
滴となって押し出される。このようなカイザー型プリン
タヘッドにおいても、上記加速度センサーと同様、圧電
素子の分極方向は厚み方向と同方向になるため、圧電素
子の保持方向に拘わらず面内方向については一定の特性
が得られることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電セラミックは、ＰＺＴ等の焼成セラミックであ
るために、薄板化や小型化には一定の限度があった。圧
電センサの感度や圧電アクチュエータの性能は、圧電素
子の圧電定数と厚み、面積とに依存する。一般に、焼成
セラミックの圧電定数は、８０〜９０×１０^-12[C/N]程
度である。一方、圧電単結晶は、小型化の観点からは焼
成セラミックよりも好ましいが、圧電定数が焼成セラミ
ックと比べて小さいという問題があった。

【０００８】本発明は、上記問題を解決するべく、小
型、高感度の圧電部品を提供し、さらにこの圧電部品を
利用した圧電センサ、圧電アクチュエータおよびインク
ジェットプリンタヘッドを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、三方晶系に
属する３ｍ型結晶の結晶構造に着目し、この構造を有す
る単結晶圧電材料を好ましいカット角度で切り出した圧
電板を用いることにより、上記目的が達成されることを
見い出した。

【００１０】即ち、本発明の第１の圧電部品は、結晶構
造３ｍ型の単結晶である少なくとも１枚の圧電板と、前
記圧電板を挟み込むように前記圧電板の主面に形成され
た少なくとも１対の電極とを有し、前記圧電板の主面が
前記単結晶のＸ軸を回転軸として前記単結晶のＹ軸を＋
５°〜＋４５°回転させた軸に垂直であることを特徴と
する。

【００１１】また、本発明の第２の圧電部品は、結晶構
造３ｍ型の単結晶である少なくとも１枚の圧電板と、前
記圧電板を挟み込むように前記圧電板の主面に形成され
た少なくとも１対の電極と、少なくとも前記電極が形成
された領域において前記圧電板がその厚さ方向に変位可
能となるように前記圧電板を支持する支持部材とを有
し、前記圧電板の主面が前記単結晶のＸ軸に略垂直であ
って、前記Ｘ軸を回転軸として前記単結晶のＹ軸を＋５
°〜＋５７°回転させた軸に沿って前記圧電板が前記支
持部材により支持されることを特徴とする。

【００１２】このような角度の規定により圧電定数を大
きくとることができるため、本発明によれば、焼成セラ
ミックに比べて圧電定数が小さいという圧電単結晶の欠
点を補うことができる。

【００１３】ここで、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸、ならびに
軸の回転方向は、当業者に慣用の方法、具体的には、IE
EE Standardsに定められた表記方法に従って定められ
る。この方法による三方晶の結晶系の表記によれば、例
えば立方晶系のように結晶軸ａ，ｂ，ｃをそのままＸ，
Ｙ，Ｚ軸とするのではなく、３回回転軸がＺ軸とされ、
結晶軸ａ₁，ａ₂，ａ₃軸の１つがＸ軸とされ、さらに右
手直交になるようにＹ軸が定められる。また、回転方向
は、結晶軸の正負に基づいて定められ、例えば、Ｘ軸を
中心として＋Ｙ軸を＋Ｚ軸方向に回転させる場合に、＋
Ｙ軸の回転方向は＋と表記される。

【００１４】上記圧電部品の支持方法は、片持ち梁型お
よび両持ち梁型のいずれかに限られるものではない。例
えば、上記第２の圧電部品は、前記Ｘ軸を回転軸として
前記単結晶のＺ軸を＋５°〜＋５７°回転させた軸に沿
って配置される少なくとも２つの領域において前記圧電
板に反対方向の電界を印加できるように、前期領域ごと
に前記電極が少なくとも１つの対を形成し、前記少なく
とも２つの領域を挟む位置において、前記Ｘ軸を回転軸
として前記Ｙ軸を＋５°〜＋５７°回転させた軸に沿っ
て前記圧電板が前記支持部材により支持され、両持ち梁
型として用いられる。

【００１５】また、本発明によれば、前記圧電部品を用
いた加速度センサ、圧力センサ等の圧電センサや圧電ア
クチュエータが提供される。具体的には、本発明の圧電
センサは、前記圧電部品と、前記１対の電極間を接続す
る検知手段とを備え、前記１対の電極が形成された領域
における前記圧電板の厚さ方向への変位を前記１対の電
極間の電位の変化として前記検知手段により検出するこ
とを特徴とする。また、本発明の圧電アクチュエーター
は、前記圧電部品と、前記１対の電極間を接続する電圧
源とを備え、前記電圧源から前記１対の電極間に電圧を
印加することにより、前記１対の電極が形成された領域
において前記圧電板を厚さ方向に変位させることを特徴
とする。さらに、本発明によれば、前記圧電アクチュエ
ータと、インク室構造体と、前記圧電アクチュエータお
よび前記インク室構造体により囲まれ、少なくともイン
ク吐出口により外部と接続するインク室とを備えたイン
クジェットプリンタヘッドが提供される。なお、本発明
の圧電部品は、特に上記用途においてその優れた特性が
活用されるが、用途が上記に限定されるものではない。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づいて説明する。 （実施の形態１）図１は、本発明によるインクジェット
プリンタヘッドを構成する圧電アクチュエータ１の例を
示す斜視図である。図１に示すように、圧電アクチュエ
ータ１は、２枚の単結晶基板である圧電板２，３を貼り
合わせた圧電振動子４を有するバイモルフ型のアクチュ
エータである。圧電振動子４の相対する主面には１対の
電極７，８が形成され、圧電振動子４の厚さ方向に電圧
を印加することができるようになっている。また、圧電
振動子４は、電極７，８が形成された領域の周囲におい
て箱形形状のインク室構造体６と接着されている。この
ように、圧電振動子４は、電極が形成された領域におい
て厚さ方向に弾性的に変形できるように支持される。イ
ンク室構造体６と圧電板４とにより囲まれた空間はイン
ク室９となる。また、インク室構造体６の側面には切り
欠きが設けられ、この切り欠き部分と圧電板４とに囲ま
れた穴がインク吐出口５となる。図示されていないが、
この圧電アクチュエータ１にはインク供給口も設けられ
ている。

【００１７】圧電板には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）等の結晶構
造３ｍ型の単結晶圧電材料を用いることができる。この
ような圧電材料を切り出した基板が貼り合わされてバイ
モルフ型の圧電素子となる。基板の貼り合わせ方法は、
特に限定されるものではなく例えば接着剤を用いてもよ
いが、接着剤を用いない直接接合法によることが好まし
い。以下、直接接合法についてニオブ酸リチウムを例に
とって説明する。

【００１８】まずニオブ酸リチウム基板の両面を鏡面研
磨する。この基板をアンモニア、過酸化水素および水を
含む処理液（例えばアンモニア水：過酸化水素水：水＝
１：１：６（容量比））で洗浄することにより親水化処
理を施す。この親水化処理により、基板表面は水酸基
（−ＯＨ基）で終端されて親水性となる。親水化処理し
た２枚のニオブ酸リチウム基板の主面を分極方向が反対
方向となるように（図２参照）重ね合わせる。表面が−
ＯＨ基で終端されているため、２枚の基板は水素結合等
の作用により接合し、さらに２５０℃程度の熱処理によ
り化学的に結合し、強固に接合する。この熱処理は、特
性の劣化を防止するため、キュリー点（ニオブ酸リチウ
ムの場合１２１０℃）以下の温度で実施することが好ま
しい。

【００１９】このような直接接合法によれば、共有結
合、イオン結合等の化学結合により圧電板が強力に接着
されることになる。強力かつ直接的な結合は、圧電部品
の強度を向上させるばかりではなく圧電部品の振動ロス
を回避する観点からも好ましい。なお、ウェハ材料によ
っては直接接合の処理中に接合界面に酸化膜が形成さ
れ、この酸化膜がバッファ層となる場合もある。

【００２０】接合された圧電板の主面には、電極７，８
として金属膜が形成される。金属膜は、例えば真空蒸着
法により形成されたクロム−金が用いられる。電極７，
８が形成された圧電振動子４は、インク室構造体６と接
着され、さらに電圧源と接続されて圧電バイモルフ型プ
リンタヘッドとなる。なお、電極はクロム−金に限られ
るものではなく、その形成方法も、スパッタリング法や
ＣＶＤ法等の気相成膜法、メッキ、印刷等の方法を用い
てもよい。

【００２１】上記のように、圧電基板２，３には、ニオ
ブ酸リチウム等の結晶構造３ｍ型の単結晶材料が用いら
れる。この単結晶材料を基板とするべく切り出す際のカ
ット角度について以下に説明する。

【００２２】結晶構造３ｍ型単結晶基板の厚さ方向を
Ｙ’軸とすると、電極に印加された電圧は圧電基板の
Ｙ’軸方向に作用するため、伸長、縮退等の歪みはＸ’
軸およびＺ’軸方向（主面の面内方向）に発生すること
になる。バイモルフ型の圧電部品においては、この伸
長、縮退が利用され、図２に示すように圧電振動子４の
厚さ方向に変位が生み出される（図２はＺ’軸方向の伸
長および縮退を示すがＸ’軸についても同様）。このと
きに発生する歪み量ξは、圧電定数ｄと弾性定数Ｓとに
依存する。具体的には、Ｙ’軸を厚さ方向としたときの
圧電振動子の変形量に大きく関与するξ₂₁とξ₂₃とは以
下の式（１）および（２）により表すことができる。

【００２３】

【化１】

【００２４】ξ₂₁およびξ₂₃の大きさは、結晶軸に対し
て切断する方向をどのように規定するかにより変化す
る。従って、ξ₂₁およびξ₂₃の大きさが共に大きくなる
方向にカット角を選択することが求められる。

【００２５】ここで、上記のようにＹ’軸を圧電板の厚
さ方向として切り出す場合に、Ｙ’軸とＹ軸とがなす角
度と、ξ₂₁およびξ₂₃の大きさとの関係について検討す
る。図３に示すように、上記当業者に慣用の表記方法に
より単結晶のＸ、Ｙ、Ｚ軸を定め、Ｘ軸を中心としてＹ
軸をθ（０°≦θ＜３６０°）だけ回転させてＹ’軸を
定め、同様の回転移動によりＺ軸を移動させてＺ’軸と
する。図３において圧電板は、Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’軸に沿
った辺を有する直方体として切り出されることになる。
この直方体には、Ｘ’Ｚ’面に平行な２つの面（主面）
に電極が形成され、Ｙ’軸方向（厚さ方向）に電圧が印
加されることになる。

【００２６】θが変化するにつれてξ₂₁およびξ₂₃の大
きさも変化する。図４にθとξ₂₁およびξ₂₃との関係を
示す。図４に示すように、θが＋５°〜＋４５°の範
囲、および＋１８５°〜＋２２５°の範囲で、ξ₂₁およ
びξ₂₃の絶対値が共に大きくなる。上記両範囲において
ξ₂₁およびξ₂₃の値が対応する値を有するのは、結晶の
対称性に由来する。

【００２７】注目すべきことには、図４に示したよう
に、感度が大きくなる最適カット角近傍では、ξのθ依
存性が小さくなっている。これは、厳密にカット角を規
定するための加工の高精度化や、バラツキを抑えるため
の工程の複雑化を回避できることを意味している。従っ
て、本発明によれば、加工費用の増加や歩留まりの悪化
による単価の増加が実質的には問題になることなく、圧
電部品の高性能化を実現することができる。

【００２８】実際に切り出し角度θを変えて、図１に示
したような圧電アクチュエータを上記で説明したような
方法に基づいて作製した。角度θと最大変位量との関係
を表１に示す。

【００２９】（表１） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− カット角度（θ）［°］ 最大変位量［μｍ］ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ０ ０．０５ ５ ０．０９ １５ ０．１５ ２５ ０．２０ ３５ ０．１５ ４５ ０．１０ ５０ ０．０８ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ただし、圧電板には単結晶ニオブ酸リチウムを用い、２
枚のニオブ酸リチウム基板の厚さはそれぞれ５０μｍ、
同基板の大きさは４ｍｍ角、基板主面中央部に形成した
１対の電極の大きさはそれぞれ２ｍｍ角、インク室の大
きさは３ｍｍ角とした。また、電極間に印加する電圧は
１００Ｖに設定した。

【００３０】表１に示すように、カット角度を２５°と
することにより最も大きな変位量が得られたが、カット
角度を１５〜３５°としても最善の結果の７０％以上で
あってカット角が０°のときの３倍程度の変位量が得ら
れた。

【００３１】なお、本実施の形態においてはインクジェ
ットプリンタを例示したため、電極が形成された領域を
囲むように圧電振動子をインク室構造体により支持する
例を示したが、圧電振動子の支持方法はこの例に限られ
ることはない。ただし、圧電振動子は、電極形成領域が
圧電振動子の厚さ方向に変位可能なように支持される。
圧電振動子は、少なくとも互いに直交する主面面内の２
方向における圧電振動子の伸長および縮退を制限するよ
うに支持されることが好ましい。

【００３２】また、本実施形態においては、結晶基板の
好ましい接合方法として直接接合法を例示したが、従来
技術として説明したような他の接合方法を用いてもよ
い。また、結晶基板の間に電極を介在させ、分極方向が
同じ方向となるように接合することにより、パラレル型
の圧電振動子として利用してもよい。

【００３３】（実施の形態２）上記実施形態において
は、電圧を加えることにより変位が発生する圧電アクチ
ュエータを示したが、逆に変位により電圧が発生するセ
ンサとしても、同様の効果が得られることは明らかであ
る。図５にこのような圧電センサーの構造の例を示す。
図５に示した圧電センサ１１には、図１の圧電アクチュ
エータと同様に、ニオブ酸リチウム等からなる２枚の単
結晶圧電基板１２，１３を貼合わせた圧電振動子１４の
相対する主面に１対の電極１７，１８が形成されてい
る。また、圧電振動子１４と圧力室構造体１６とによ
り、圧力室１９が形成され、この圧力室１９に圧力検出
口１５が形成されている点でも、類似の構造を有してい
る。

【００３４】この圧電センサ１１においては、例えば、
圧力室１９に正圧が負荷された場合には圧電振動子１４
は図５において上方に屈曲することとなる。図２に示し
たと同様に、圧電振動子１４は２枚の基板が分極方向が
反転するように接合されているため、両電極１７，１８
間には圧力に応じた電圧が発生することとなる。実施形
態１で説明したようにカット角を規定した圧電振動子１
４を用いれば、圧電定数を改善することができ、外部か
らの気圧の変化を敏感に感知する圧力センサとすること
ができる。

【００３５】このようにカット角度を規定した圧電板を
利用する本発明の圧電部品は、上記両実施形態に示した
例に限られることなく、同様の構造を有する圧電センサ
および圧電アクチュエータにも適用できる。

【００３６】（実施の形態３）図６は、本発明による圧
電アクチュエータの別の例の斜視図である。図６に示す
ように、圧電アクチュエータ２１は、相対する主面に電
極２７，２８が形成された単結晶圧電板２４と、この圧
電板２４をその端部で支持する支持部材２６とを備えて
いる。

【００３７】この圧電アクチュエータ２１は、例えば、
ニオブ酸リチウムである単結晶基板を所定の形状に切断
研磨して圧電板２４とし、この圧電板の相対する主面上
に、クロム−金を真空蒸着法により形成して電極２７，
２８とし、この圧電板２４の端部を、金属等からなる支
持部材３６と接着することにより作製することができ
る。

【００３８】本実施形態の圧電アクチュエータ２１は、
図１に示したアクチュエータと異なり、圧電板２４に生
ずる剪断歪みが利用される。このようなアクチュエータ
に適した単結晶材料の切り出し角度を以下に説明する。

【００３９】電極２７，２８に電圧を印加した場合、圧
電板２４には電圧に応じた剪断歪みが発生する。この剪
断歪みにより、一方の端部においてのみ支持されている
圧電板２４は、図７に示すようにその端部を基準にして
上方または下方に変位する。ここで、図７に示すように
圧電板２４の厚さ方向をＸ’軸、支持部材による支持方
向と平行な面内方向をＹ’軸、同支持方向と垂直な面内
方向をＺ’軸とすると、この圧電板に発生する変位量δ
は式（３）で示すことができる。

【００４０】 δ＝Ｓ₅×Ｌ＝ｄ’₁₅×Ｖ×Ｌ／Ｈ （３） ここで、Ｓ₅は剪断歪み、Ｌは電極の長さ（図７参
照）、ｄ’₁₅は圧電定数、Ｖは電極間に印加された電
圧、Ｈは圧電基板の厚さである。このｄ’₁₅の大きさ
は、結晶軸に対して切断する方向をどのように規定する
かにより変化する。従って、ｄ’₁₅の大きさが大きくな
る方向にカット角を選択することが求められる。

【００４１】ここで、上記のようにＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸
を定める場合に、Ｙ’軸とＹ軸とが為す角度と、ｄ’₁₅
の大きさとの関係について検討する。上記当業者に慣用
の方法により単結晶のＸ、Ｙ、Ｚ軸を定め、Ｘ軸を中心
としてＹ軸をθ（０°≦θ＜３６０°）だけ回転させて
Ｙ’軸を定めると、θが変化するにつれてｄ’₁₅の大き
さも変化する。図８にθとｄ’₁₅との関係を示す。図８
に示すように、θが＋５°〜＋５７°の範囲、および＋
１８５°〜＋２３７°の範囲で、ｄ’₁₅の絶対値が大き
くなっている。上記両範囲においてｄ’₁₅の値が対応す
る値を有するのは、結晶の対称性に由来する。また、実
施の形態１と同様、図８においても最適カット角近傍で
は、ｄのθ依存性が小さくなっている。

【００４２】実際に切り出し角度を変えて、図８に示し
たような圧電アクチュエータを上記で説明した方法に基
づいて作製した。角度θと最大変位量との関係を表２に
示す。

【００４３】（表２） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− カット角度（θ）［°］ 最大変位量［μｍ］ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ０ ０．３０ ５ ０．３７ ２０ ０．４２ ３０ ０．４４ ３１ ０．４５ ４０ ０．４２ ５７ ０．３７ ６５ ０．３０ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ただし、圧電板には単結晶ニオブ酸リチウムを用い、ニ
オブ酸リチウム基板の厚さは５０μｍ、同基板の大きさ
はＺ’軸方向４ｍｍ、Ｙ’軸方向１ｍｍ、１対の電極の
大きさはそれぞれＺ’軸方向３ｍｍ、Ｙ’軸方向１ｍ
ｍ、保持部による支持部分長さは１ｍｍとした。また、
電極間に印加する電圧は１００Ｖに設定した。

【００４４】表２に示すように、カット角度を３１°と
することにより最も大きな変位量が得られたが、カット
角度を２０〜４０°としても最善の結果の９０％以上で
あってカット角が０°のときの１．４倍程度の変位量が
得られた。

【００４５】なお、上記実施形態においては、電圧を加
えることにより変位が発生する圧電アクチュエータを示
したが、逆に変位により電圧が発生するセンサとして
も、同様の効果が得られることは明らかである。

【００４６】（実施の形態４）図９は、本発明による圧
電アクチュエータのさらに別の例の斜視図である。図９
に示すように、圧電アクチュエータ３１は、相対する主
面に電極３７，３８、３９が形成されたニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯ₃）等の圧電板３４と、この圧電板３４
をその両端部で支持する保持部材３６ａ、３６ｂとから
なっている。形成された電極は、電極３７、３９と電極
３８，３９とがそれぞれ対を形成し、この２つの電極対
が保持部材３６ａ、３６ｂ間に配置されている。

【００４７】この圧電アクチュエータ３４の電極３７，
３８、３９には、図１０に示すように、２つの電極対間
に逆方向の電界が生じるように電圧が印加され、実施の
形態３で説明したような圧電板３４の剪断歪みによる変
位の方向が対称となって、全体として厚さ方向に凸また
は凹となるように変形する。

【００４８】このような構造を有する圧電アクチュエー
タ３１には実施の形態３で説明したと同様のカット角に
より切り出された単結晶圧電板を用いることが好まし
い。

【００４９】実際に切り出し角度を変えて、図９に示し
たような圧電アクチュエータを作製した。角度θと最大
変位量との関係を表３に示す。

【００５０】（表３） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− カット角度（θ）［°］ 最大変位量［μｍ］ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ０ ０．３０ ５ ０．３７ ２０ ０．４２ ３０ ０．４４ ３１ ０．４５ ４０ ０．４２ ５７ ０．３７ ６５ ０．３０ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ただし、ニオブ酸リチウム基板の厚さは５０μｍ、同基
板の大きさはＺ’軸方向４ｍｍ、Ｙ’軸方向１ｍｍ、基
板上面に設ける２つの電極の大きさはそれぞれＺ’軸方
向３ｍｍ、Ｙ’軸方向１ｍｍ、基板下面に設ける電極の
大きさはＺ’軸方向７ｍｍ、Ｙ’軸方向１ｍｍ、保持部
による支持部分長さは１ｍｍとして圧電アクチュエータ
ーとし、さらに電極間に印加する電圧は１００Ｖに設定
した。

【００５１】このように、実施の形態３、４で説明した
圧電部品は、片持ち型構造および両持ち型構造のいずれ
かに支持方法が限定されるものではなく、電極形成領域
が圧電板の厚さ方向に変形可能なように支持されていれ
ばよい。ただし、少なくともＹ’軸方向に支持され、
Ｚ’軸方向における圧電板の厚さ方向の変位が制限され
ないように支持されていることが好ましい。また、単板
からなる圧電板を例示したが、２枚以上の圧電板を接合
して用いても構わない。

【００５２】実施の形態３，４で説明した圧電部品は、
剪断歪みを利用するために、実施形態１で説明した圧電
部品とは異なり、直線的な変位形状が得られるという特
徴を有する。この圧電部品も、実施形態３，４に示した
例に限られることなく、同様の構造を有する圧電センサ
および圧電アクチュエータに適用できる。

【００５３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、焼成セラミックと比較して圧電定数が小さいとい
う単結晶圧電結晶の欠点を補い、小型で高性能の圧電部
品が提供され、この圧電部品を利用した圧電センサ、圧
電アクチュエータおよびインクジェットプリンタヘッド
が提供される。しかも本発明によれば、カット角度を厳
密に制御することなく安定した性能を有する圧電部品を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるプリンタヘッドを構成する圧電
アクチュエータの例を示す斜視図である。

【図２】 バイモルフ型の圧電板の屈曲を示す図であ
る。

【図３】 単結晶材料から基板を切り出すときのカット
角度を説明するための図である。

【図４】 図３に示した角度θによる歪み量ξの変化を
示す図である。

【図５】 本発明による圧電センサの例をを示す斜視図
である。

【図６】 本発明による圧電アクチュエータの別の例を
示す斜視図である。

【図７】 圧電板の剪断歪みを示す図である。

【図８】 図３に示した角度θによる圧電定数ｄ’₁₅の
変化を示す図である。

【図９】 本発明による圧電アクチュエータのさらに別
の例を示す斜視図である。

【図１０】 圧電板の剪断歪みを示す図である。

【図１１】 従来の片持ち梁型構造の矩形状バイモルフ
型振動子を用いた加速度センサを示す図である。

【図１２】 従来のカイザー型プリンタヘッドを示す図
である。

【符号の説明】

１、２１、３１ 圧電アクチュエー
タ １１ 圧電センサ ２、３、１２、１３、２４、３４ 圧電板 ４、１４ 圧電振動子 ７、８、１７、１８、２７、２８、３７、３８、３９
電極

フロントページの続き (72)発明者 杉本 雅人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 岡野 祐幸 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川▲崎▼ 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶構造３ｍ型の単結晶である少なくと
   も１枚の圧電板と、前記圧電板を挟み込むように前記圧
   電板の主面に形成された少なくとも１対の電極とを有
   し、前記圧電板の主面が前記単結晶のＸ軸を回転軸とし
   て前記単結晶のＹ軸を＋５°〜＋４５°回転させた軸に
   垂直であることを特徴とする圧電部品。
2. 【請求項２】 結晶構造３ｍ型の単結晶である少なくと
   も１枚の圧電板と、前記圧電板を挟み込むように前記圧
   電板の主面に形成された少なくとも１対の電極と、少な
   くとも前記電極が形成された領域において前記圧電板が
   その厚さ方向に変位可能となるように前記圧電板を支持
   する支持部材とを有し、前記圧電板の主面が前記単結晶
   のＸ軸に略垂直であって、前記Ｘ軸を回転軸として前記
   単結晶のＹ軸を＋５°〜＋５７°回転させた軸に沿って
   前記圧電板が前記支持部材により支持されることを特徴
   とする圧電部品。
3. 【請求項３】 前記Ｘ軸を回転軸として前記単結晶のＺ
   軸を＋５°〜＋５７°回転させた軸に沿って配置される
   少なくとも２つの領域において前記圧電板に反対方向の
   電界を印加できるように、前記領域ごとに前記電極が少
   なくとも１つの対を形成し、 前記少なくとも２つの領域において、前記Ｘ軸を回転軸
   として前記Ｙ軸を＋５°〜＋５７°回転させた軸に沿っ
   て前記圧電板が前記支持部材により支持される請求項２
   に記載の圧電部品。
4. 【請求項４】 主面で接合した少なくとも２枚の圧電板
   を有する請求項１〜３のいずれかに記載の圧電部品。
5. 【請求項５】 前記圧電板が少なくとも直接接合により
   接合している請求項４に記載の圧電部品。
6. 【請求項６】 分極方向が反対となるように接合した２
   枚の圧電板を含む請求項４に記載の圧電部品。
7. 【請求項７】 前記単結晶がニオブ酸リチウムまたはタ
   ンタル酸リチウムである請求項１〜６のいずれかに記載
   の圧電部品。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の圧電部
   品と、前記１対の電極間を接続する検知手段とを備え、
   前記１対の電極が形成された領域における前記圧電板の
   厚さ方向への変位を前記１対の電極間の電位の変化とし
   て前記検知手段により検出する圧電センサ。
9. 【請求項９】 請求項１〜７のいずれかに記載の圧電部
   品と、前記１対の電極間を接続する電圧源とを備え、前
   記電圧源から前記１対の電極間に電圧を印加することに
   より、前記１対の電極が形成された領域において前記圧
   電板を厚さ方向に変位させる圧電アクチュエータ。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の圧電アクチュエータ
    と、インク室構造体と、前記圧電アクチュエータおよび
    前記インク室構造体により囲まれ、少なくともインク吐
    出口により外部と接続するインク室とを備えたインクジ
    ェットプリンタヘッド。