(57)【要約】  【課題】  絶縁性が向上し、かつ緻密な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液体吐出ヘッドを提供することにある。  【解決手段】  主結晶相としてＰＺＴ相を含む圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および内部の少なくとも一方にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電アクチュエータであって、前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであり、前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数とａ軸の格子定数の比ｃ／ａが１．０１１以上であるとともに、前記圧電セラミック層内に、前記ＰＺＴ相とは異なる、Ａｇを含む第２相を実質的に含まれず、前記ＰＺＴ相の粒界にＺｎ２ＳｉＯ４相が含まれ、かつ、前記ＰＺＴ相の粒界にＰｂ２ＳｉＯ４相が実質的に含まれない。【選択図】図１
2008244138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主結晶相としてＰＺＴ相を含む圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および内部の少なくとも一方にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電アクチュエータであって、前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであり、前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数とａ軸の格子定数の比ｃ／ａが１．０１１以上であるとともに、前記圧電セラミック層内に、前記ＰＺＴ相とは異なる、Ａｇを含む第２相を実質的に含まれず、前記ＰＺＴ相の粒界にＺｎ２ＳｉＯ４相が含まれ、かつ、前記ＰＺＴ相の粒界にＰｂ２ＳｉＯ４相を実質的に含まれないことを特徴とする積層圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記ＰＺＴ相の結晶粒径が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。
【請求項３】
前記圧電セラミック層は、粉砕して平均粒径２．５μｍの粉末にして測定した前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が、粉砕前の前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下になる請求項１または２記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電セラミック層を荷重破壊させたとき、その破断面において、８０％以上が粒内破壊モードになる請求項１〜３のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％である請求項１〜５のいずれかに記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項７】
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が、複数のインク流路を有する流路部材上に接合され、かつ、前記アクチュエータを構成する変位素子が前記流路部材のインク流路上に配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層圧電アクチュエータおよびそれを用いた液体吐出ヘッドに関ものであり、より詳しくは、例えばインクジェットプリンタ、燃料噴射用インジェクタ等に好適に用いられる積層圧電アクチュエータおよびそれを用いた液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
かかるインクジェット方式の記録装置には、液体を吐出する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。
【０００４】
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のうえに、アクチュエータ２１が設けられた構造を有する。
【０００５】
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。アクチュエータ２１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。
【０００６】
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。
【０００７】
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および高精度化に寄与することが可能である。
【０００８】
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の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結晶相とし、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、破断また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。
【特許文献１】特開２０００−２１１９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、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結晶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。
【００１０】
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、原料調合で水による湿式粉砕する際の水の中に含まれており、原料中に混入しやすい。そして、原料中にＳｉが混入すると、圧電セラミック層の圧電性を示す主結晶相の粒界部のＰｂ２ＳｉＯ４相が含まれることがあった。粒界部にＰｂ２ＳｉＯ４相が含まれていると圧電セラミックスは、積層圧電アクチュエータとして用いられる場合、駆動あるいは変位させられることにより粒界部のＰｂ２ＳｉＯ４相が破壊し、積層圧電アクチュエータが電解質の存在する環境下、例えば、水を溶媒とするインクなどに接する環境で使用されていると、電解質が破壊された粒界から浸入し、圧電セラミック層の絶縁性が低下するという問題があった。
【００１１】
さらに、Ｐｂ２ＳｉＯ４相の析出を抑制するためにＳｉの混入を極力抑制し、Ｓｉを含む結晶相を実質的になくした場合、圧電セラミックスの焼結性が低下して、絶縁信頼性を確保できないという問題があった。
【００１２】
従って、本発明の目的は、絶縁性が向上し、かつ緻密な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液体吐出ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の積層圧電アクチュエータは、主結晶相としてＰＺＴ相を含む圧電セラミック層を複数積層した積層体の表面および内部の少なくとも一方にＡｇを含む電極層を設けた積層圧電アクチュエータであって、前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が０．４０８５ｎｍ〜０．４１００ｎｍであり、前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数とａ軸の格子定数の比ｃ／ａが１．０１１以上であるとともに、前記圧電セラミック層内に、前記ＰＺＴ相とは異なる、Ａｇを含む第２相を実質的に含まれず、前記ＰＺＴ相の粒界にＺｎ２ＳｉＯ４相が含まれ、かつ、前記ＰＺＴ相の粒界にＰｂ２ＳｉＯ４相を実質的に含まれないことを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記ＰＺＴ相の結晶粒径が２．５μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
また、前記圧電セラミック層は、粉砕して平均粒径２．５μｍの粉末にして測定した前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が、粉砕前の前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下になることが好ましい。
【００１６】
また、前記圧電セラミック層を荷重破壊させたとき、その破断面において、８０％以上が粒内破壊モードになることが好ましい。
【００１７】
また、前記圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
また、前記電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％であることが好ましい。
【００１９】
本発明の液体吐出ヘッドは、前記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上に接合され、かつ、前記アクチュエータを構成する変位素子が前記流路部材のインク流路上に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明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、主結晶相であるＰＺＴ相の粒界にＰＺＴ相とは異なる、Ａｇを含む第２相を実質的に含まない。これは、Ａｇを含む内部電極層からＡｇが圧電性を示す主結晶相の結晶粒子内に拡散しているためである。さらに、前ＰＺＴ相の格子定数比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、Ａｇを含む粒界相の生成を抑制している。また、前記ＰＺＴ相（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が抑制されるため、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。
【００２１】
また、前記ＰＺＴ相の粒界にＰｂ２ＳｉＯ４相を実質的に含まないことより、積層圧電アクチュエータを駆動中に、Ｐｂ２ＳｉＯ４相を含んだ脆弱な粒界部が破壊されることを防止することができ、積層圧電アクチュエータを電解質が存在する環境下、例えば、水を溶媒とするインクなどに接する環境で使用する場合において、電解質の浸入が抑制され、圧電セラミック層の絶縁性が低下することを抑制できる。
【００２２】
さらに、圧電セラミック層は、前記ＰＺＴ相の粒界にＺｎ２ＳｉＯ４相が含まれるため、ボイドが少なく、緻密にすることができる。
【００２３】
また、前記ＰＺＴ相の結晶粒径が２．５μｍ以下である場合には、圧電セラミック層へのＡｇの置換固溶を抑制することができる。
【００２４】
また、前記圧電セラミック層は、粉砕して平均粒径２．５μｍの粉末にして測定した前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が、粉砕前の前記ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数の１．００２倍以上１．００５倍以下である場合には、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できる。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抑制できる。
【００２５】
また、前記圧電セラミック層を荷重破壊させたとき、その破断面において、８０％以上が粒内破壊モードになる場合には、粒界のＡｇの析出量が少なくなる。
【００２６】
また、前記圧電セラミック層の厚さが５０μｍ以下である場合、拡散でひろがるＡｇの圧電セラミック層内の濃度のバラツキが少なくなり、均一な特性が得られる。
【００２７】
また、前記電極層がＡｇ−Ｐｄ合金からなり、Ａｇの比率が６０〜８５体積％である場合、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。
【００２８】
本発明の液体吐出ヘッドによれば、前記積層圧電アクチュエータを使用していることにより、圧電セラミック層の破壊が抑制され、また、電解質が存在する環境下、例えば、水を溶媒とするインクなどに接する環境で使用する場合においても、圧電セラミック層の絶縁性が低下することが抑制されるので、それらによる液体の不吐出、あるいは、吐出される液体の量などが不安定になることが抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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縦断面図である。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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ともに、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。
【００３２】
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。
【００３３】
この圧電セラミックスは、主結晶相としてＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）相が含まれるものである。ＰＺＴは、圧電定数ｄ３１の絶対値が高く、また、電極（内部電極２、表面電極４）との濡れ性が高いため、電極との密着強度を高められる。
【００３４】
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）のペロブスカイト結晶構造の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、粒界部に析出相が少なく、破断面が粒内破壊モードの確率を高くすることができる。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。
【００３５】
そして、ＰＺＴ相である結晶粒子の粒界部には、圧電性を示す主結晶相とは異なる、Ａｇを含む第２相を実質的に含まないことが重要である。これにより、圧電セラミック層の絶縁性が向上する。
【００３６】
また、ＰＺＴ相の粒界部には、Ｚｎ２ＳｉＯ４相が含まれることが重要である。圧電セラミックス層にＺｎ２ＳｉＯ４相が析出することで、ボイドが少なく、緻密になり、絶縁信頼性が高くなる。また、ＺｎによりＰＺＴ相の安定性が高くなる。
【００３７】
また、ＰＺＴ相の粒界部には、実質的にＰｂ２ＳｉＯ４相が含まれないことが重要である。実質的にＰｂ２ＳｉＯ４相が含まれないため、積層圧電アクチュエータとして、駆動あるいは変位させられることにより粒界部の脆弱なＰｂ２ＳｉＯ４相が破壊されて、積層圧電アクチュエータの変位が不安定になったり、変位しなくなったりすることを抑制できる。具体的には、積層圧電アクチュエータが電解質の存在する環境下、例えば、水を溶媒とするインクなどに接する環境で使用しても、電解質が破壊された粒界から浸入することが抑制でき、圧電セラミック層の絶縁性が低下することがなくなる。
【００３８】
特に圧電セラミック層の厚みが１００μｍ以下の場合には、圧電セラミック層に高い絶縁性、強度が求められるため、上述したように、ＰＺＴ相の粒界部にＺｎ２ＳｉＯ４相が含まれ、Ｐｂ２ＳｉＯ４相が含まれないことが好ましい。
【００３９】
圧電セラミック層３およびセラミック振動板１を形成する圧電セラミックスは、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｙｂおよび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、より安定した圧電セラミックス（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スとしては、上述のＺｎも含めて、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３およびＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３を固溶してなるものを例示できる。
【００４０】
また、圧電セラミックスは、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、ＰＺＴ相が正方晶である組成の場合に大きな変位を得るうえで有利である。
【００４１】
このような圧電セラミックスとしては、例えば、Ｐｂ１−ｘ−ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒ１−ａ−ｂ−ｃＴｉｃＯ３＋α質量％Ｐｂ１／２ＮｂＯ３等で表されもの、ただし、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のものが挙げられる。
【００４２】
圧電セラミックスは、ＰＺＴ相の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。ＰＺＴ相の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。
【００４３】
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ＰＺＴ相のｃ軸の格子定数が、粉砕前のＰＺＴ相の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。
【００４４】
圧電セラミックスは、ＰＺＴ相の平均結晶粒径が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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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説明する。
【００４９】
まず、原料（合成原料）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粉末は、素原料としてＺｒを含むＺｒＯ２などを使用するとともに、調合に使用する素原料および調合に使用する水などに含まれるＳｉ量を調整し、圧電セラミック粉末組成中のＳｉ量を１０ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ以下とする。圧電セラミック粉末中のＳｉ量が１０ｐｐｍ以上であることにより、後述の焼成工程でＺｎ２ＳｉＯ４が、圧電セラミックスの焼結を促進させることにより、ボイドが少なく、緻密な圧電セラミックスが得られる。また、圧電セラミック粉末中のＳｉ量が２００ｐｐｍ以下であることにより、焼成後の圧電セラミックスの粒界に実質的にＰｂ２ＳｉＯ４相がなくなり、積層圧電アクチュエータとして、駆動あるいは変位させられることにより粒界部の脆弱なＰｂ２ＳｉＯ４相が破壊されて、積層圧電アクチュエータの変位が不安定になったり、変位しなくなったりすることを抑制できる。
【００５０】
なお、圧電セラミック粉末中のＳｉ量を上述の範囲にするには、使用する各原料に含まれる不純物Ｓｉ量を管理し、必要であれば、素原料としてＳｉＯ２などを加えればよい。また、素原料以外からのＳｉの混入を少なくするため、調合に使用する溶媒中のＳｉの含有量を管理することが好ましく、溶媒中のＳｉ含有量は０．１ｐｐｍ以下にすることが好ましい。溶媒としては水が好ましく、水の中の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等が挙げられる。
【００５１】
圧電セラミック粉末は、次のように作製する。Ｓｉ不純物量を管理したＰｂＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ３およびＺｎＯと、必要であれば、その他の添加物（必要な元素の酸化物、炭酸塩など）をボールミルで、平均粒径０．５〜０．８μｍまで混合・粉砕する。得られた粉末を９００〜１０００℃で仮焼し、仮焼粉末をボールミルで、平均粒径０．５〜０．８μｍまで粉砕する。
【００５２】
この圧電セラミック粉末に、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。
【００５３】
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、圧電性を示す主結晶相とは異なる、Ａｇを含む第２相を実質的に含まず、絶縁性が向上する。
【００５４】
なお、ここでＡｇを含む第２相を実質的に含まないとは、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。また、Ｐｂ２ＳｉＯ４相を実質的に含まないとは、同様に透過型電子顕微鏡（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。
【００５５】
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、上記積層体の両面も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。
【００５６】
また、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。
【００５７】
本実施形態の積層圧電アクチュエータは、積層圧電アクチュエータであり、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、前記積層圧電アクチュエータが、支持部材に接合されてなるものであることが好ましい。
【００５８】
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。
【００５９】
本発明の圧電アクチュエータは、液体を吐出する液体吐出ヘッドに用いることができるが、上記で説明したように、一基板（セラミック振動板）上に複数の変位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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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】
【００６８】
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およびＺｎを０．４質量％含有した圧電セラミック粉末、を準備した（表１にＺｒ／Ｔｉのモル比、Ａ／Ｂ比および圧電セラミック粉末（合成原料中）のＳｉ量を示す）。
【００６９】
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。なお、純水は、イオン交換樹脂フィルタを用いて、Ｓｉの含有量を０．１ｐｐｍ以下にしたものを使用した。
【００７０】
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。さらに、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うえ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。
【００７１】
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。ただし、試料Ｎｏ．３６のみ焼成温度を１０８０℃とした。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、スクリーン印刷で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、３１、３６および３７）。
【００７２】
また、前記圧電セラミック粉末に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および２７）。不純物としてＳｉＯ２を０．３質量％含むＺｒＯ２を用いて作製した圧電セラミック粉末を用いた以外は、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および２８）。不純物としてＳｉＯ２を０．３質量％含むＺｒＯ２を用いて作製した圧電セラミック粉末を用い、前記圧電セラミック粉末に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）。
【００７３】
さらに、高純度に精製されたＺｒＯ２を用いた圧電セラミック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．３５）。またさらに、上述のＳｉの不純物含有量異なるＺｒＯ２を混合して用いて、Ｓｉ含有量の異なる圧電セラミック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．３０および３２〜３４）。
【００７４】
またさらに、以上にようにして得られた、圧電アクチュエータに図２に示す流路部材１５を接着剤で接合し、液体吐出ヘッドを作製した。
【００７５】
表１に得られた圧電アクチュエータおよび液体吐出ヘッドの詳細を示す。表１において、各評価値は以下のようにして求めた。
【００７６】
（圧電セラミック粉末（合成原料）中のＳｉ含有量）
ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析により測定した。なお、焼成後の圧電セラミックス中のＳｉ含有量は合成原料中のＳｉ含有量と差はなかった。
【００７７】
（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、圧電アクチュエータの圧電セラミックスが露出している部分に測定スポットを当て、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。
【００７８】
（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圧電セラミックスが露出している部分にＸＲのスポットを当てて測定し、ｄ（００２）回折角２θ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の粉末の状態にした後、上記と同じ方法で測定した。
【００７９】
（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。
【００８０】
（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で求めた。
【００８１】
（圧電アクチュエータの絶縁抵抗）
圧電アクチュエータの絶縁抵抗は、次のようにして求めた。前述の積層圧電アクチュエータ（電極間の距離は２０μｍ、表面電極形状は一辺３００μｍの正方形）の表面電極と内部電極との間に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。
【００８２】
（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。
【００８３】
（Ｚｎ２ＳｉＯ４およびＰｂ２ＳｉＯ４相の有無）
圧電セラミック層内のＺｎ２ＳｉＯ４相およびＰｂ２ＳｉＯ４相の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。
【００８４】
（駆動試験）
流路部材に、水を溶媒とするインクを供給し、圧電アクチュエータに、ピーク電圧２５Ｖ、周波数２ｋＨｚ、デューティー比８０％の駆動電圧波形を印加して、連続的に１×１０１０サイクルにわたって駆動させた。
【００８５】
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、１９〜２９、３４および３５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。
【表１】
2008244138.tif 000003
【００８６】
表１から、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜９、１１、１２、１６〜１８、３０〜３３、３６、３７は、ボイド率が低く、駆動試験後においても高い絶縁性を有していることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる積層圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる印刷ヘッドを示す概略縦断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。
【図３】従来の印刷ヘッドの構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００８８】
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
【図１】
2008244138.tif 000004
【図２】
2008244138.tif 000005
【図３】
2008244138.tif 000006