(57)【要約】【課題】厚みの面内バラツキを低減し、且つ１００μｍ以下の薄層の積層圧電体とその製造方法を提供する。【解決手段】複数のセラミック層２ａからなるセラミック基板２の主面に、一対の電極５、６が圧電層４を挟持してなる変位素子７が複数設けられた積層圧電体において、前記セラミック層２ａ及び前記圧電層４の厚みｔがそれぞれ５０μｍ以下、全体厚みＴが１００μｍ以下、該全体厚みＴの面内バラツキが１０％以下であることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック層からなるセラミック基板の主面に、一対の電極が圧電層を挟持してなる変位素子が複数設けられた積層圧電体において、前記セラミック層及び前記圧電層の厚みがそれぞれ５０μｍ以下、全体厚みが１００μｍ以下、該全体厚みの面内バラツキが１０％以下であることを特徴とする積層圧電体。
【請求項２】
前記電極の厚みが０．５〜５μｍであることを特徴とする請求項１記載の積層圧電体。
【請求項３】
前記セラミック層及び前記圧電層の厚みがそれぞれ５〜１５μｍ、全体厚みが２０〜６０μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の積層圧電体。
【請求項４】
平均粒径が１μｍ以下の圧電セラミック粉体と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する混合工程と、該混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、テープ成形を行ってグリーンシートを形成する成形工程と、該成形工程で得られたグリーンシートを加圧する加圧工程と、該加圧工程で得られたグリーンシートに電極を塗布した後、該グリーンシートを積層して積層成形体を得る積層工程と、該積層工程で得られた積層成形体を焼成する焼成工程を具備することを特徴とする積層圧電体の製造方法。
【請求項５】
前記加圧工程において、ロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法の少なくとも１種の方法を用いて加圧することを特徴とする請求項４記載の積層圧電体の製造方法。
【請求項６】
前記加圧工程における加圧圧力が１０〜１００ＭＰａであることを特徴とする請求項４又は５記載の積層圧電体の製造方法。
【請求項７】
前記加圧工程における加圧温度が０〜３００℃であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の積層圧電体の製造方法。
【請求項８】
前記加圧工程で得られたグリーンシートの厚みバラツキが１５％以下であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の積層圧電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細なインク吐出孔からインク滴を吐出して文字や画像を印刷する各種プリンタや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置に搭載されるインクジェット印刷ヘッド等に、アクチュエータとして好適に使用される積層圧電体及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、マルチメディアの浸透に伴い、インパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般家庭分野において広がりつつある。
【０００３】
かかるノンインパクト方式の記録装置のなかでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いことから将来性が注目されている。
【０００４】
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、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、アクチュエータが設けられた構造を有する。
【０００５】
即ち、圧電層２４の一方の主面に共通電極２５を形成するとともに、他方の主面に複数の個別電極２６を形成し、複数の変位素子２７が設けられてなるアクチュエータが、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を配置するように、アクチュエータと流路部材２３とを接着する。
【０００６】
共通電極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するような構造になっている。
【０００７】
また、図３（ｂ）に示したように、圧電層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するとともに、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。
【０００８】
ところが、近年、インクジェットプリンタは、高速化高精度化が追求されており、その結果、インク吐出に直接関係する変位素子２７、特に圧電層２４に対して、薄層化と高精度な圧電特性が必要となり、具体的には特性のバラツキが少ない圧電アクチュエータが必要となっている。
【０００９】
ところで、セラミック層や圧電層の厚みを均一にする手段としては、乾燥での厚みバラツキを低減させるために、予め、テープ成形用のスラリー中の溶媒量を従来の１／３程度に減らし、且つ、該スラリーを複数のロール間を通過させ厚みを均一としたところで乾燥工程に投入し、厚み５００μｍのグリーンシートのバラツキを低減する試みが行なわれている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報図１
【特許文献２】
特開２０００−２３２０３５号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、溶媒量を低減する特許文献２の方法では、テープ成形用のスラリーは粘度が高く成形されるテープの厚みが大きくなり、更に、乾燥収縮も少ない為に、原理的に数百μｍ以上の厚層のテープ成形しか行えず、５０μｍ以下、特に数十μｍレベルの薄層のテープ成形は行えないという問題があった。
【００１２】
逆に、薄層のテープ成形を行おうとすると、テープ成形用のスラリーの溶媒量を増やさなければならず、その結果、乾燥工程において厚みバラツキを発生させてしまうことになり、結論的に厚みバラツキの少ない薄層のテープ成形は行えないという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、厚みの面内バラツキを低減し、且つ１００μｍ以下の薄層の積層圧電体とその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１００μｍ以下の積層圧電体において、セラミック基板の主面に多数設けられた変位素子の変位バラツキを低減するためには、積層圧電体の厚みの面内バラツキを抑制することが重要であることを知見するとともに、それを実現するためには、微細な原料粉体を用いてテープ成形を行うとともに、グリーンシートを加圧することによって、全体厚みの面内バラツキを低減し、圧電特性の優れた積層圧電体を製造できるという新規な知見に基づくもので、これにより、薄層の圧電磁器を作製でき、しかもインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いることによって高速、高精彩、高精度のプリンタを実現することが可能となる。
【００１５】
即ち、本発明の積層圧電体は、複数のセラミック層からなるセラミック基板の主面に、一対の電極が圧電層を挟持してなる変位素子が複数設けられた積層圧電体において、前記セラミック層及び前記圧電層の厚みがそれぞれ５０μｍ以下、全体厚みが１００μｍ以下、該全体厚みの面内バラツキが１０％以下であることを特徴とするものである。
【００１６】
特に、前記電極の厚みが０．５〜５μｍであることが好ましい。これにより、部分的に形成される電極厚みの面内バラツキをさらに低減し、変位の面内バラツキをさらに抑制することが可能となる。
【００１７】
また、前記セラミック層及び前記圧電層の厚みがそれぞれ５〜１５μｍ、全体厚みが２０〜６０μｍであることが好ましい。このように各層の厚みと全体の厚みとを制御することにより、変位量のバラツキ及び各層及び全体の厚みの面内バラツキをさらに向上し、安定した変位を示す積層圧電体を得ることが可能となる。
【００１８】
また、本発明の積層圧電体の製造方法は、平均粒径が１μｍ以下の圧電セラミック粉体と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する混合工程と、該混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、テープ成形を行ってグリーンシートを形成する成形工程と、該成形工程で得られたグリーンシートを加圧する加圧工程と、該加圧工程で得られたグリーンシートに電極を塗布した後、該グリーンシートを積層して積層成形体を得る積層工程と、該積層工程で得られた積層成形体を焼成する焼成工程を具備することを特徴とするものである。これによって、上記の積層圧電体を得ることができる。
【００１９】
特に、前記加圧工程において、ロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法の少なくとも１種の方法を用いて加圧することが好ましい。これにより、より均一な厚み制御を可能とし、しかも容易に厚み制御を行うことができる。
【００２０】
また、前記加圧工程における加圧圧力が１０〜１００ＭＰａであることが好ましい。この圧力範囲で加圧を行うことによって、グリーンシートの厚みバラツキを低減し、厚みを均一化することができるとともに、焼結性を向上することによる組成バラツキ抑制効果があり、さらなる変位のバラツキ低減に寄与できる。
【００２１】
さらに、前記加圧工程における加圧温度が０〜３００℃であることを特徴とすることが好ましい。これにより、グリーンシート厚みを均一に制御することが可能となり、また、同時に生密度の均質化も行える。
【００２２】
さらにまた、前記加圧工程で得られたグリーンシートの厚みバラツキが１５％以下であることが好ましい。これにより、積層工程で得られた積層成形体の厚みバラツキを１５％以下に抑制することが容易となり、焼成工程で得られた積層圧電体の厚みの面内バラツキを１０％以下にすることも容易となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の積層圧電体を、インクジェット印刷ヘッドに採用したアクチュエータに用いる場合を例として説明する。
【００２４】
本発明の積層圧電体は、図１に示すように、セラミック層２ａが積層されてなるセラミック基板２の表面に、圧電層４が共通電極５と個別電極６とで挟持されるように設けられた変位素子７が形成されてなるものであり、積層圧電体全体の厚みがＴ、各セラミック層２ａ及び圧電層４の厚みがｔで示される。
【００２５】
本発明の積層圧電体は、セラミック層２ａが積層されてなるものであり、例えば、４層のセラミック層２ａからなるセラミック基板２の表面に、圧電層４と共通電極５と個別電極６からなる変位素子７が複数形成されている。そして、各圧電層及び圧電層の厚みｔは、用いられる材料の材料特性、素子寸法等により適宜決定される。
【００２６】
具体的には、積層圧電体の厚み、即ちアクチュエータの総厚みＴは、大きな変位を得るために、１００μｍ以下であることが重要であり、特に８０μｍ以下、更には６０μｍ以下であることが好ましい。また、セラミック基板２及び圧電層４を積層体とするのは、積層圧電体の内部に電気回路を組み込むことが容易となるためであり、積層体を構成するセラミック層２ａの各層及び圧電層４の厚みｔを５０μｍ以下にすることが重要であり、特に３５μｍ以下、更には２０μｍ以下であることが好ましい。特に、ｔを２０μｍ以下、Ｔを６０μｍ以下とすることがアクチュエータとしての優れた特性を得るために好適である。
【００２７】
なお、積層圧電体の厚みＴは、変位を大きくする観点からは小さいほど好ましいが、厚みＴが小さくなると機械的強度及び耐電圧が低下するため、アクチュエータの全体厚みＴの下限値は、取扱い中や作動中に破壊しない程度の機械的強度を有し、印加する電圧に耐えるため、１０μｍ、特に１５μｍ、更には２０μｍであることが好ましい。
【００２８】
また、ｔの下限値も、取扱い中や作動中に破壊しない程度の機械的強度及び耐電圧が必要で、具体的には５μｍ、特に７μｍであることが好ましい。そして、変位量のバラツキ及び各層及び全体の厚みバラツキをさらに向上し、ｔを５〜１５μｍの範囲、Ｔを２０〜６０μｍの範囲にして組み合わせることが、安定した変位を示す積層圧電体を得ることが可能となるために、より望ましい。
【００２９】
また、変位素子７は、セラミック基板２の表面に多数形成され、しかも２次元的に規則正しく配列していることが精彩度、精度を高めるために好ましい。そして、それら複数の変位素子７は、厚みの面内バラツキが１０％以下であることが重要であり、特に８％以下、更には６％以下であることが好ましい。
【００３０】
このように厚みの面内バラツキを制御することにより、インクの吐出量を精密に制御することが可能となり、その結果、高速、高精彩、高精度の印刷ヘッド及びインクジェットプリンタを実現することができる。
【００３１】
ここで、厚みの面内バラツキとは、図１に図示したように、圧電層４、電極５、６及びセラミック基板２の総厚みを示すものであるが、個別電極６の設けられた部位と設けられてない部位との差を言うのではなく、個別電極６の設けられた部位同士の比較、及び個別電極６の設けられてない部位同士の比較を行うものであり、設計上同一となる厚みの分布を意味するものである。
【００３２】
また、変位バラツキとは、全変位素子７に所定の電圧を順次印加し駆動させてそれぞれの変位素子の変位量を測定して平均値を算出し、各測定データと平均値との差が最大のものを選定し、この最大差を平均値で除した値を変位バラツキとして示す。積層圧電体内における変位素子７の変位量を測定する方法は、例えばレーザードップラー振動計を用い、変位素子７の変位量を任意の１０箇所で測定し、平均変位量との差の最大の値を平均変位量で除して評価することができる。
【００３３】
変位素子７を構成する圧電層４は、チタン酸ジルコン酸鉛化合物、チタン酸鉛化合物、チタン酸バリウム化合物など、ペロブスカイト結晶構造型の材料が好適に用いられる。これらの中でも、特にＰｂＺｒＴｉＯ３系化合物（ＰＺＴ）が大きな変位を発生させる点で好ましい。なお、圧電層４は、１層であっても、複数層から構成されていても良い。
【００３４】
個別電極６、共通電極５の材質としては、導電性を有するものならば良く、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などを用いることができる。また、電極の厚みとしては、導電性を有し且つ変位を妨げない程度であるのが良く、０．５〜５μｍ、特に１〜２μｍが好ましい。
【００３５】
このような構成により、圧電積層体の厚みの面内バラツキが抑制されるため、圧電積層体を構成する多数の変位素子７の変位バラツキがそれぞれ抑制され、その結果、例えば図２のような印刷ヘッドを形成する印刷ヘッドを作製することができ、その結果、吐出ムラの少ない、高品位なインクジェット用に好適な印刷ヘッドを実現することが可能となる。
【００３６】
なお、図２の印刷ヘッドは、複数の溝からなるインク流路１３ａと、インク流路１３ａを分離するための隔壁１３ｂとを具備する流路部材１３の上に、アクチュエータ１１が設けられた構成となっている。このアクチュエータ１１は、本発明の積層圧電体からなり、セラミック層１２ａが積層されてなるセラミック基板１２の上に、インク流路１３ａの直上に個別電極１６が配置するように変位素子１７が配置された構造を有する。
【００３７】
次に、本発明の積層圧電体の製造方法を説明する。
【００３８】
先ず、圧電セラミック粉体の平均粒径が１μｍ以下であることが重要であり、特に０．７μｍ以下、更には０．５μｍ以下であることが好ましい。平均粒径が１μｍ以下にすることにより、焼結時の活性度を高め、その結果、焼結温度を低減することができる。特に鉛を含む圧電セラミックスの場合には、焼結温度が低下すると鉛の蒸発が起こり、組成の面内バラツキを低減し、変位素子の変位バラツキを小さくすることができる。
【００３９】
このような原料粉末と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する（混合工程）。次いで、混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、ロールコーター法、スリットコーター法、ドクターブレード法等の一般的なテープ成形法によりグリーンシートを作製する（成形工程）。
【００４０】
次に、成形工程で得られたグリーンシートを加圧することが重要である（加圧工程）。加圧法として公知の手法を採用することができるが、均一な厚みにすることが容易である点で、加圧には特にロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法等のことができる。このように、テープ成形後にグリーンシートの加圧処理を行うことで、テープの厚みバラツキを低減することができる。これは、乾燥後のテープは、スラリー溶媒が抜けた空隙が存在し、その空隙の大小の差によりテープの厚みがばらつく原因となる。この空隙を加圧により潰す事で、テープは均質となり、厚みバラツキも小さくなる。
【００４１】
加圧する圧力は、材料組成、有機バインダ量、グリーンシート厚み等によって異なるが、グリーンシートの厚みバラツキを低減し、厚みを均一化するとともに、生密度を高めるため、１０〜１００ＭＰａ、特に２０〜５０ＭＰａ、更には３０〜４０ＭＰａの圧力で加圧することが好ましい。
【００４２】
加圧を行う時の温度は、高すぎる場合、加圧による変形が大きくなり過ぎることがあり、バインダに適度の粘性を発現させ、気孔を除去するためには、用いるバインダにもよるが、３００℃以下、特に２５０℃以下、更には２００℃以下、より好適には１５０℃以下であることが好ましい。また、下限値は、０℃、特に２０℃、更には３５℃、より好適には５０℃である。
【００４３】
なお、加圧を行う型の面は、離型性を向上させるための表面処理を行ったり、テープ面に離型シートを配置して加圧を行っても良い。更に、面内の加圧力を均一にする為の加圧調圧機構も適宜用いることができる。
【００４４】
このような加圧処理は、気孔を除去する効果があるが、さらに生密度を高める効果もあり、セラミック粒子間の接触面積を高めることができ、その結果、焼結速度を向上し、微細粒子であることと相まって、焼結温度を下げることができ、特に鉛を含む圧電セラミックスに関しては、焼結時の鉛の蒸発を抑え、組成バラツキを抑制し、その結果変位バラツキも抑制できる。
【００４５】
加圧工程によって得られた各グリーンシートの厚みバラツキを１５％以下、特に１０％以下にすることが、積層体の厚みバラツキを低減すると共に、焼結体の厚みバラツキを小さくすることが容易となる。
【００４６】
次に、加圧工程で得られたグリーンシートの一部に電極を形成する。即ち、共通電極及び個別電極を印刷法等の公知の手法で形成する。また、所望により電極間を連絡すべくビアホール及びビア導体を形成する。
【００４７】
得られたグリーンシート（電極付、ビアホール付、電極無等）を所望の構成で積層し、密着させて積層成形体を得る（積層工程）。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液使用による方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧力だけで密着させる方法等を例示できる。
【００４８】
積層工程で得られた積層成形体は、所望により脱脂処理により積層成形体中の有機成分の除去を行った後、酸素雰囲気中等において焼成し、積層圧電体を得る（焼成工程）。
【００４９】
なお、有機成分を除去する方法としては、除去を行いたい有機成分の熱分解挙動に合った温度パターンにて加熱処理を行う方法等が採用される。また、焼成雰囲気としては、酸素濃度８０％以上、特に９０％以上が好ましい。このように酸素濃度を高くすることにより、特に鉛を含む圧電セラミックスを焼成する場合、溶解性ガスである酸素の濃度を高くすることで酸素分圧が上がり鉛の分解、ガス化が抑制されると同時に、気孔内圧が低くなることから気孔が収縮しボイド化が抑制される為である。
【００５０】
このような工程を具備する製造方法を採用することにより、組成バラツキが抑制され、且つ気孔を低減することができるため、面内の変位バラツキを低減した厚み１００μｍ以下の薄層の焼結体からなる積層圧電体を提供でき、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に使用することができる。
【００５１】
【実施例】
先ず、圧電セラミック粉体として粒径（Ｄ５０：粉体の平均粒径）が表１に示したチタン酸ジルコン酸鉛粉体を準備し、これにアクリル水溶液を混合してスラリーを作製する混合工程を実施した。
【００５２】
混合工程で得られたスラリーを用いてロールコーター法にて厚みが２０μｍになるようにグリーンシートを成形した（成形工程）。
【００５３】
次いで、成形工程で得られたグリーンシートをロール加圧法、平面加圧法又は静水圧加圧法により表１の加圧条件で加圧した（加圧工程）。
【００５４】
加圧工程で得られたグリーンシートに、Ａｇ：Ｐｄが７０：３０のＡｇ−Ｐｄ電極ペーストを用いて、グリーンシート上に厚み５μｍの共通電極、個別電極をそれぞれ印刷法にて形成した後、個別電極を形成したグリーンシートを上層に、共通電極を形成したグリーンシートを下層となるよう積層し、図１の構造になるように積層し、１５ＭＰａの圧力で加圧密着を行い積層成形体を得る積層工程を実施した。
【００５５】
最後に、得られた積層成形体を大気中４５０℃、５時間の脱脂処理を行い、しかる後に表１に示す温度及び雰囲気において２時間の焼成を行い、積層圧電体を得た（焼成工程）。
【００５６】
得られた積層圧電体の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した写真から各層の厚み及び積層成形体全体の厚みを測定した。そして、積層成形体全体の厚みを積層成形体の面内分布を調べるため、積層圧電体面内の任意の２０箇所で厚みを測定し、バラツキを測定した。バラツキは、２０箇所の厚み平均値を算出し、最大値又は最小値の平均値からの差として算出し、大きいほうをバラツキとして表１に記載した。
【００５７】
アクチュエータのｄ３１は、インピーダンスアナライザーを用いた共振法で１０箇所測定し、その平均値を算出するとともに、各値と平均値の差の最大の値を平均値で除してｄ３１のバラツキとした。結果を表１に示した。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
本発明の試料Ｎｏ．１〜４、６、７及び９〜３３は、アクチュエータ全体の厚みバラツキが８％以下、ｄ定数のバラツキが１０％以下であった。
【００６０】
これに対して、原料粒径が１．５μｍと大きいため、アクチュエータの厚みＴのバラツキが１２％と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．５は、ｄ定数のバラツキが１５％であった。
【００６１】
また、加圧工程を含まないため、アクチュエータの厚みＴのバラツキが１４％と大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．８は、ｄ定数のバラツキが１９％であった。
【００６２】
さらに、アクチュエータ全体の厚みが１５０μｍと大きく本発明の範囲外の試料Ｎｏ．３４は、全体厚みバラツキは５％であったが、ｄ定数が１９９ｐｍ／Ｖと小さく、且つｄ定数のバラツキが１１％であった。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、圧電積層体の厚みの面内バラツキが少なく、且つ高速応答可能な１００μｍ以下の薄層の積層圧電体とその製造方法を提供することが可能となった。
【００６４】
特に、微細な原料粉体を用いるとともに、成形体を加圧して厚みを均一化することによって生密度を高め、厚みの均一になったグリーンシートを得るよって、変位量の面内バラツキが少ない薄層の圧電磁器からなる積層圧電体を製造することができる。
【００６５】
本発明の積層圧電体は、各層及び総厚みが制御され、厚みバラツキが小さいため、インクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いると高速、高精彩、高精度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層圧電体を示す概略断面図である。
【図２】本発明の積層圧電体を採用したインクジェット印刷ヘッドの構造を示す概略断面図である。
【図３】従来の積層圧電体を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【符号の説明】
２、１２・・・セラミック基板
２ａ、１２ａ・・・セラミック層
４、１４・・・圧電層
５、１５・・・共通電極
６、１６・・・個別電極
７、１７・・・変位素子
１１・・・アクチュエータ
１８・・・インク吐出孔
Ｔ・・・積層圧電体の全体厚み
ｔ・・・セラミック層及び圧電層の厚み
【図１】
2004140193.tif 000004
【図２】
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【図３】
2004140193.tif 000006