JP2006269916A - 圧電アクチュエータ及び吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び吐出装置を提供する。
【解決手段】第１の圧電セラミックスからなるセラミック振動板２の表面に、第２の圧電セラミックスからなる圧電体層５をコモン電極４及び駆動電極６で挟持してなる変位素子７が複数設けられてなり、前記第１の圧電セラミックスと前記第２の圧電セラミックスとは、主成分が略同一で、圧電特性が異なることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及び吐出装置に関し、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、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、及びＡＥセンサ等の圧電センサなどに適し、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として好適に用いられる圧電アクチュエータ及び吐出装置に関するものである。

従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（以下、発振子を含む概念である）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。

これらの中で、例えば圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμｓｅｃオーダー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圧電アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ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には圧電素子が使用されており、例えば、セラミック振動板として作用するセラミックス基板と、その上に第１の電極層、圧電体層、及び第２の電極層をこの順に設けた、所謂ユニモルフ型の圧電アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような圧電アクチュエータのセラミック振動板として用いられているセラミックス基板は酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化珪素などが用いられているが、この様なセラミック振動板に圧電素子を、１００℃以上の高い温度で硬化する接着剤を用いて接着する際には、セラミックス基板と圧電素子の線熱膨張係数が異なるために、圧電素子に圧縮応力が発生する。圧縮応力により、圧電素子の圧電特性が著しく低下するという課題があった。これを解決するために、セラミック振動板として用いるセラミックス基板を同一組成の圧電体で構成することが提案されている（特許文献２）。
Ｗ０２００２／０７３７１０公報 特開２００４−１６５６５０公報

しかしながら、特許文献２に記載されている圧電アクチュエータは、圧縮応力を低減するという利点はあるものの、駆動を繰り返すと、変位が劣化し、その結果、液体吐出が不安定になるという問題があった。

そこで、本発明は、駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び吐出装置を提供することを目的とする。

本発明の圧電アクチュエータは、第１の圧電セラミックスからなるセラミック振動板の表面に、第２の圧電セラミックスからなる圧電体層をコモン電極及び駆動電極で挟持してなる変位素子が複数設けられてなり、前記第１の圧電セラミックスと前記第２の圧電セラミックスとは、主成分が略同一で、圧電特性が異なることを特徴とする。

特に、前記第１の圧電セラミックスの圧電特性が、前記第２の圧電セラミックスの圧電特性の７５％以下であることが好ましい。

前記第１の圧電セラミック及び第２の圧電セラミックスが、主成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含むことを特徴とする。

前記第１の圧電体セラミックスの格子定数比ｃ_１／ａ_１が１．０１３〜１．０３０、前記第２の圧電セラミックスの格子定数比ｃ_２／ａ_２が１．０１〜１．０１６、且つ、ｃ_１／ａ_１の値がｃ_２／ａ_２の値よりも小さいことを特徴とする。

前記第１の圧電体セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が０．９６〜０．８１、前記第２の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が１．１７〜０．９２、且つ、前記第１の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が前記第２の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比より小さいことを特徴とする。

また、本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータを、内部に液体加圧室と、該液体加圧室に連通するノズル孔とを具備する流路部材に接合してなり、前記液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記ノズル孔から液滴を吐出させることを特徴とする。

高い変位特性を得るためには、圧電体の分域回転歪を利用することが不可欠である。この様な、大きな分域回転歪を得るためには、MPB近傍の菱面体晶側の組成を利用する、あるいは３価、あるいは５価以上のドナー成分を添加することが有効である。

しかし、この様な分域回転歪の大きな圧電体は応力による結晶配向性の変化が生じやすいため、圧電体と同一組成の基板をセラミック振動板として用いて変位を繰り返し行うと、セラミック振動板に対して、応力が付与されることにより、結晶の配向状態が変化する。その結果、圧電素子の拘束状態が変化することにより、変位が劣化するという知見を得た。

さらに、圧電体と電極との同時焼成を行う際に、これらの熱膨張係数差による熱応力を低減するために、セラミック振動板は同一組成の圧電体であることが好ましいが、変位と耐久性を両立させるためには、変位を行う第２の圧電セラミックスは分域回転成分の多い圧電体とし、且つ第１の圧電セラミックスは結晶配向を抑制するために、分域回転の少ない圧電体とすることが重要であるという知見を得た。

このように、第１の圧電セラミックスと第２の圧電セラミックスとの主成分を略同一とし、圧電特性を相違させることにより、駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び吐出装置を実現することができる。

本発明を、図を用いて説明する。図１は、本発明による一実施例の圧電アクチュエータを示す断面図である。

図１において、圧電アクチュエータは、セラミック振動板２の表面に変位素子７が複数設けられている。各変位素子７は、コモン電極４、圧電層５及び駆動電極６がこの順に積層されて構成され、圧電体層５をコモン電極４と駆動電極６で挟持するように配置している。なお、コモン電極４は接地されるとともに、各駆動電極６には外部から電圧が印加され、コモン電極４と駆動電極６間に印加された電圧によって圧電体層５が変位することができる。

本発明によれば、セラミック振動板２が第１の圧電セラミックスからなり、圧電体層５が第２の圧電セラミックスからなり、しかも、第１の圧電セラミックス及び第２の圧電セラミックスの主成分が略同一で、且つ圧電特性の異なる材料からなっていることが重要である。このように、第１の圧電セラミックスと第２の圧電セラミックスとの主成分を略同一とし、圧電特性を相違させることにより、駆動耐久性に優れる圧電アクチュエータ及び吐出装置を実現することができる。

本発明における圧電性セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、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）やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。

特に、チタン酸鉛、チタン酸バリウムは高い拘束力を得る点で有効である。即ち、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及び／又はＴｉを含有する結晶であり、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いｄ定数を有し、大きな変位の可能な圧電焼結体を得るために好ましい。

第１の圧電セラミックスと第２の圧電セラミックスの主成分が略同一で、圧電特性が異なるとは、例えば、熱膨張係数差を小さくするために両者の主成分を同一にし、添加物を変えて圧電特性を相違させることができる。また、同様の手法により、第２の圧電セラミックスを分域回転成分の多い圧電体とすることができる。

具体的には、第１の圧電セラミックスにはＰＺＴを用い、第２の圧電セラミックスには主成分のＰＺＴに対して、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含有させ、より安定した圧電焼結体を得ることができる。例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３及びＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３とを固溶してなるものを例示できる。

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特に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モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。

例えば、Ｐｂ_{１−ｘ―ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋αｗｔ％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（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）で表されものである。

また、第２の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が１．１７〜０．９２、第１の圧電体セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が０．９６〜０．８１、且つ、第１の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が第２の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比より小さいことが大きな拘束力を得る点で好ましい。

さらに、第２の圧電セラミックスの格子定数比ｃ_１／ａ_１が１．０１〜１．０１６、好ましくは１．０１１〜１．０１３、第１の圧電体セラミックスの格子定数比ｃ_２／ａ_２が１．０１３〜１．０３０、好ましくは１．０１５〜１．０１７が圧電層と熱膨張をそろえるという点で好ましい。

第１の圧電セラミックスの圧電特性は、第２の圧電セラミックスの圧電特性の７５％以下、特に７０％以下であることが好ましい。圧電特性が低いということは、分域回転が少ないということであり、より拘束力の高い圧電セラミックスとなる。

また、本発明によれば、同時焼成で作製するため、コモン電極４が銀を８７体積％以上、特に９０体積％以上、さらには９３体積％以上含む銀−パラジウム合金からなり、焼成後の圧電アクチュエータ１の内部に発生する残留応力の大きさを１００ＭＰａ以下に制御することが好ましい。このように、コモン電極４の銀成分を８７体積％以上にすることにより電極の収縮による圧縮応力を低減する効果を期待できる。

また、コモン電極４の凝集を抑制する為に、コモン電極４の平均粒子径は０．１〜５．０μｍが好ましく、また、さらに密着強度を高め、残留応力を低減して圧電特性ｄ_３１をより安定化させるため、コモン電極４の少なくとも一部、特にコモン電極４が圧電性セラミックスを含むことが好ましい。この圧電性セラミックスは、銀パラジウム合金の総量を１００体積％とした時に１０〜６０体積％、特に１８〜５０体積％、更には２０〜３０体積％の割合で含まれるのが、コモン電極４と圧電体層５との密着強度を高めながら残留応力を低減させるために良い。

さらに、上記圧電性セラミックスは、残留応力の均質化のため、その平均結晶粒子径が０．３〜１．０μｍであることが好ましい。さらに、欠陥抑制のために０．４〜０．６μｍが好ましい。このように結晶粒子径を制御すると、残留応力が発生した場合でも、複数の変位素子に発生する残留応力の大きさが均一化され、ばらつきが小さいため、圧電特性ｄ_３１への影響が少なくなる。

次に、本発明の積層圧電体の製造方法について、一例として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、第１の圧電セラミック粉末としてＰＺＴ粉末を準備するとともに、第２の圧電セラミック粉末として上述したＰＺＴ系の材料の１種を準備する。

これら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それぞれテープ状に成形し、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布して積層し、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、表面に所望の電極を形成し分極して積層圧電体を形成する。

なお、焼結前生密度は４．５ｇ／ｃｍ^２以上であることが好ましい、焼結体密度を４．５ｇ／ｃｍ^２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も容易となる。

本発明の液体吐出装置は、図２に示したように、内部に液体加圧室１３ａと、液体加圧室１３ａに連通するノズル孔１８とを具備する流路部材１３に接合してなり、液体加圧室１３ａに充填された液体を圧電アクチュエータ１１によって加圧し、ノズル孔１８から液滴を吐出させることを特徴とするもので、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として好適に用いることができる。

なお、圧電アクチュエータ１１は、セラミック振動板１２の上にコモン電極１４、圧電体層１５をこの順に形成し、さらに圧電体層１５の表面に複数の駆動電極１６を形成し、圧電体層１５をコモン電極１４と駆動電極１６とで挟持した構造を有する変位素子１４がセラミック振動板１２の上に複数形成してなるものである。

この圧電アクチュエータ１１が、複数の溝を並設し、溝をインク流路１６ａ、各溝を仕切る隔壁１２を具備する流路部材１３と接合されてなる。接合は、セラミック振動板１２がインク流路１３ａの空間と当接するように流路部材１３に接着剤等を用いて接合するが、変位素子１７を構成する個別電極１６の各々はインク流路１３ａの直上に配置するように設けられている。

そして、コモン電極１４と個別電極１６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１７に対応するインク流路１３ａ内のインクを加圧し、圧電素子１７を振動させることによりインク流路１３ａ内のインクを加圧し、流路部材１３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圧電アクチュエータとして本発明の積層圧電体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。

本発明の印刷ヘッド、変位特性に優れるため、高速で高精度な吐出というという特徴が得られ、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は、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成できる。

本発明の積層圧電体を作製し、これを圧電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。

グリーンシートは、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のシート形状にて作製した。

表２に示す圧電体層用およびセラミック振動板用の２種類の組成のグリーンシートを作製し組み合わせた。

また、内部電極ペーストを、セラミック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セラミック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、圧電体層１とセラミック振動板２と内部電極２とからなる積層体を作製した。それらの表面片側に表面電極３を形成した。表面電極３は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布した。これを６００〜８００℃で大気中で焼付けて形成した。

最後に、表面電極３にリード線を半田で接続し、図１に示すような形状の圧電素子を完成した。

次に、圧電素子の変位評価方法について示す。図１に示す形状の圧電素子を８ｍｍ×８ｍｍの大きさに加工し、この基板を１０ｍｍ×１０ｍｍの外形に４ｍｍ×４ｍｍの孔を空けた金属基板に接着し、変位測定用サンプルとした。さらに、内部電極と表面電極間の厚み方向に３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して分極を行った。２ｋV／ｍｍの電圧下変位を行った。変位はドップラー変位計で測定した。５０時間変位後変位測定し、変位の劣化量を求めた。結果を表１に示した。

本発明の試料Ｎｏ．２〜１２は、変位が５３ｎｍ以上でありが、５０時間の耐久後の変位劣化率が５％以下であった。

一方、第１の圧電セラミックスと第２の圧電セラミックスが同一である本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は劣化率が１０％以上と大きかった。

本発明の圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。 本発明の液体吐出装置の構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１、１１・・・圧電アクチュエータ
２、１２・・・セラミック振動板
４、１４・・・コモン電極
５、１５・・・圧電体層
６、１６・・・表面電極
７、１７・・・変位素子
１３・・・流路部材
１３ａ・・・インク流路
１３ｂ・・・隔壁
１８・・・インク吐出孔

Claims (6)

1. 第１の圧電セラミックスからなるセラミック振動板の表面に、第２の圧電セラミックスからなる圧電体層をコモン電極及び駆動電極で挟持してなる変位素子が複数設けられてなり、前記第１の圧電セラミックスと前記第２の圧電セラミックスとは、主成分が略同一で、圧電特性が異なることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記第１の圧電セラミックスの圧電特性が、前記第２の圧電セラミックスの圧電特性の７５％以下であることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第１の圧電セラミック及び第２の圧電セラミックスが、主成分としてＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第１の圧電体セラミックスの格子定数比ｃ_１／ａ_１が１．０１３〜１．０３０、前記第２の圧電セラミックスの格子定数比ｃ_２／ａ_２が１．０１〜１．０１６、且つ、ｃ_１／ａ_１の値がｃ_２／ａ_２の値よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記第１の圧電体セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が０．９６〜０．８１、前記第２の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が１．１７〜０．９２、且つ、前記第１の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比が前記第２の圧電セラミックスのＺｒ／Ｔｉ比より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、内部に液体加圧室と、該液体加圧室に連通するノズル孔とを具備する流路部材に接合してなり、前記液体加圧室に充填された液体を前記圧電アクチュエータによって加圧し、前記ノズル孔から液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置。

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