(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料を含有するグリーンシートと電極パターンをと積層して焼成し、ペロブスカイト型結晶粒子からなる圧電磁器層と電極層とを積層してなる積層型圧電素子であって、前記圧電磁器層の厚さが１００μｍ以下であるとともに、誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下であり、かつ前記圧電磁器層のペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が、前記圧電磁器層の厚み方向に配向しており、ｃ軸配向度がロットゲーリング法で２０〜１００％であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
請求項１記載の積層型圧電素子の主面に複数の表面電極を設けてなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載のアクチュエータが、支持基板の上に接着層を介して設けられ、前記支持基板の内部にはインク流路が設けられていることを特徴とする印刷ヘッド。
【請求項４】
焼成後にペロブスカイト型結晶粒子からなる厚さ１００μｍ以下の圧電磁器層となるグリーンシートと電極パターンとを積層した成形体を、焼成治具を用いて焼成する焼成工程を含む積層型圧電素子の製造方法であって、前記焼成工程では、前記成形体を、前記焼成治具の内部の閉空間に納め、かつ気孔率が５％以下の材質からなり、表面粗さＲａが１μｍ以下の平坦な表面部を有する、下部支持体および上部支持体の前記表面部に挟んた状態で、酸素雰囲気で焼成することを特徴とする積層型圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子及びアクチュエータ並びに印刷ヘッドに関し、例えば加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インジェクター、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等に適し、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積層型圧電素子及びアクチュエータ並びに印刷ヘッドに関する。
【０００２】
【従来技術】
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（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【０００３】
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１０−６秒台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。
【０００４】
従来、ゾルゲル法を用いて圧電体を成膜し、電圧を印加しつつ熱処理して結晶化させることにより比較的組成制御が容易でｃ軸配向組織の圧電体膜を得ることができることが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
また、（１１１）配向Ｐｔ膜もしくは（１００）配向Ｐｔ膜が形成された基板上にＰＺＴ膜を形成することにより、それぞれ（１１１）方向、（００１）方向に７０％以上の配向度を持つ圧電体薄膜素子を形成できることが知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−８５７０６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平６−３５０１５４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された圧電磁器では、ペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が、圧電磁器層の厚み方向にある程度配向しているものの、ゾルゲル法で作製した薄層磁器特有の問題である焼結後の磁器密度がバルク体と比較して低く、未だ圧電材料本来の特性を充分に引き出せず、厚み縦振動モード、厚みすべり振動モード、広がり振動モード、屈曲振動モード等といった圧電振動が未だ小さいという問題があった。
【０００９】
また、特許文献２に記載された圧電磁器では、ペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が、圧電磁器層の厚み方向にある程度配向しているものの、圧電磁器層の形成方法がＣＶＤ法といった化学的方法により行っている。このような手法は結晶方向を配向させた圧電薄膜を作製するには有効であるが配向組織を形成するためには、成膜する目的生成物とマッチした結晶配向を有する電極材または基板が必ず必要となり、内部に電極を内蔵した多層積層体を作製することができないという問題があった。
【００１０】
即ち、特許文献１に記載された圧電磁器では、成膜された圧電磁器層の磁器密度が低く、同一組成バルク体と比較して圧電特性が低い。また、特許文献２に記載された圧電磁器では、内部に電極を内蔵した多層積層体を作製することができない。
【００１１】
一方、圧電材料を含有するグリーンシートと電極パターンを積層し大気中で焼成して、ペロブスカイト型結晶粒子からなる圧電磁器層と電極層とを積層した積層型圧電素子が得られるが、このバルク体である圧電磁器層のペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸配向はランダムであり、ｃ軸配向度をロットゲーリング法で測定した場合には、せいぜい０〜５％程度であり、非常に低かった。このため、焼成後に、分極を行う必要があるが、結晶方位が厚み方向に揃う訳ではなく分極反転によるドメインの移動によりｃ軸を厚み方向に近づけるだけであるため、ｃ軸を圧電磁器層の厚み方向に完全に配向させることが困難であり、仮に分極したとしても、圧電磁器層の特性を充分に引き出すことは困難であった。
【００１２】
本発明は、圧電磁器の分極を容易に行うことができるとともに、圧電磁器層の特性を充分に引き出すことができる積層型圧電素子及びアクチュエータ並びに印刷ヘッドを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型圧電素子は、圧電材料を含有するグリーンシートと電極パターンとを積層して焼成し、ペロブスカイト型結晶粒子からなる圧電磁器層と電極層とを積層してなる積層型圧電素子であって、前記圧電磁器層の厚さが１００μｍ以下であるとともに、誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下であり、かつ前記圧電磁器層のペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が、前記圧電磁器層の厚み方向に配向しており、ｃ軸配向度がロットゲーリング法で２０〜１００％であることを特徴とする。
また、本発明の積層型圧電素子の製造方法は、焼成後にペロブスカイト型結晶粒子からなる厚さ１００μｍ以下の圧電磁器層となるグリーンシートと電極パターンとを積層した成形体を、焼成治具を用いて焼成する焼成工程を含む積層型圧電素子の製造方法であって、前記焼成工程では、前記成形体を、前記焼成治具の内部の閉空間に納め、かつ気孔率が５％以下の材質からなり、表面粗さＲａが１μｍ以下の平坦な表面部を有する、下部支持体および上部支持体の前記表面部に挟んた状態で、酸素雰囲気で焼成することを特徴とする。
【００１４】
このような積層型圧電素子では、圧電磁器層のペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が厚み方向にロットゲーリング法で２０〜１００％の割合で配向しているため、分極処理が容易であり、しかも充分に分極することができ、これにより、圧電磁器層が本来有する圧電特性を充分に引き出すことができ、厚み縦振動モード、厚みすべり振動モード、広がり振動モード、屈曲振動モード等といった圧電振動をより大きくすることができる。
【００１５】
本発明のアクチュエータは、上記積層型圧電素子の主面に複数の表面電極を設けてなることを特徴とする。このようなアクチュエータでは、上記したように、積層型圧電素子自体の圧電特性を充分に引き出すことができるので、優れた変位特性のアクチュエータを提供できる。
【００１６】
本発明の印刷ヘッドは、上記アクチュエータが、支持基板の上に接着層を介して設けられ、前記支持基板の内部にはインク流路が設けられていることを特徴とする。このような印刷ヘッドでは、上記したように、アクチュエータの優れた変位特性を引き出すことができるので、優れた吐出特性の印刷ヘッドを実現でき、これをインクジェットプリンタに好適に利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の積層型圧電素子は、図１（ａ）に示すように、圧電基板２と、圧電基板２の内部に設けられた内部電極５（電極層）とから構成されており、アクチュエータは、圧電基板２の主面の一部に表面電極６を設けて構成されている。圧電基板２は、圧電磁器層２ａ、２ｂから構成されている。
【００１８】
圧電磁器層２ａの表面に形成された圧電磁器層２ｂ（圧電振動層ということがある）と内部電極５と表面電極６とで変位素子７が構成されている。
【００１９】
圧電磁器層２ａ、２ｂはペロブスカイト型結晶粒子からなり、圧電磁器層２ａ、２ｂと内部電極５とは同時焼成されている。
【００２０】
圧電磁器層２ａ、２ｂは、それぞれ厚みが１００μｍ以下であることが望ましい。厚みを１００μｍ以下とすることによって、変位の大きな圧電磁器層２ａ、２ｂを得ることができる。変位をより大きくするため、磁器厚みが特に８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が好ましい。
【００２１】
一方、圧電磁器層２ａ、２ｂの厚みの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱い及び作動中の破壊を防止するため、３μｍ、特に５μｍ、更には１０μｍ、より好適には２０μｍであることが好ましい。
【００２２】
本発明によれば、圧電磁器層２ｂの表面の平坦度が２０μｍ以下であることが望ましい。圧電磁器層２ｂの表面の平坦度を２０μｍ以下とすることによって、磁器特性のバラツキを抑制することができる。特性の均一化をより高めるため、特に１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。
【００２３】
また、本発明によれば、圧電基板２の表面の凹凸の最大値が３μｍ以下であることが望ましい。表面の凹凸が小さいと、積層型圧電素子をアクチュエータとして金属基板等に固定する際にアクチュエータの微細な変形も防止することが容易で、残留応力の低減効果を高めることができる。また、表面凹凸を介して蒸発成分が揮発するのを抑制し、組成バラツキをより一層低減する効果がある。
【００２４】
本発明における表面粗さＲａのレンジは３μｍである。局部的な表面の凹凸は２〜１０ｍｍ四方のエリア内での高さの最大、最小の差で表した。また、平坦度は圧電磁器の反りを含む大きなうねりを測定するものであり、上記表面凹凸は表面粗さと平坦度の中間のレンジでの評価であり、このような中間レンジでの評価は、部分的なうねりの大きさを表すものであり、部分的なうねりを小さくすることによって、特性バラツキを改善することが容易となる。
【００２５】
なお、具体的な測定方法は、キーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージを組み合わせた装置により、２〜１０ｍｍ四方をスキャンし、表面の高さをマッピングし、最大と最小の高さ間の距離を凹凸の最大値とするものである。
【００２６】
本発明によれば、誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下である。そして、磁器表面内で誘電率を測定して平均値を算出し、平均値からのバラツキの最大値が平均値の５％以内にすることによって、アクチュエータの基板内圧電特性のバラツキを抑制することができる。
【００２７】
圧電基板２の主面の表面粗さＲａは、３μｍ以下、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが小さいと、圧電体をアクチュエータとして金属基板等に固定する際にアクチュエータの微細な変形も効果的に防止することが容易となり、残留応力の低減効果を高めることができる。また、表面凹凸を介して蒸発成分が揮発するのを抑制し、組成バラツキをより一層低減する効果がある。
【００２８】
本発明における表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡を用いて１００μｍ×１００μｍのエリアを走査して表面の凹凸状態を測定し、最大値を算出し、面内で任意の５個所に関する測定値の平均値を算出したものである。
【００２９】
圧電磁器層は、圧電性を示すセラミックスを用いることができ、具体的には、Ｂｉ層状化合物、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、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、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物質を例示できる。
【００３０】
これらのうち、特に、少なくともＰｂを含むペロブスカイト型化合物であるのが良い。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、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物質が好ましい。このような組成にすることで、高い圧電定数を有する圧電振動層２ｂが得られる。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、より大きな変位を得る上で好適である。
【００３１】
上記ペロブスカイト型結晶の一例として、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Ｔｉを含有する結晶であるＰｂＺｒＴｉＯ３を好適に使用できる。また、他の酸化物を混合しても良く、さらに、副成分として、特性に悪影響がない範囲であれば、Ａサイト及び／又はＢサイトに他元素が置換しても良い。例えば、副成分としてＺｎ、Ｓｂ、Ｎｉ及びＴｅを添加し、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３の固溶体であっても良い。
【００３２】
本発明によれば、上記ペロブスカイト型結晶における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のが望ましい。アルカリ土類元素としてはＢａ、Ｓｒ、Ｃａなどが挙げられ、特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましい。これにより、比誘電率が向上する結果、さらに高い圧電定数を得ることが可能となる。
【００３３】
具体的には、Ｐｂ１−ｘ―ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒ１−ａ−ｂ−ｃＴｉｃＯ３＋α質量％Ｐｂ１／２ＮｂＯ３（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）で表される化合物を例示できる。
【００３４】
圧電磁器層２ａ、２ｂは、カーボンが０．１質量％以下、特に０．０７質量％以下であることが好ましい。カーボンは圧電磁器層２ａ、２ｂの絶縁性に関与し、分極時の絶縁不良の原因になるため、上記の範囲に抑制することにより、分極時に電流が流れることを抑制し、飽和分極状態まで分極できるため、分極不良による変位不良を防止することができる。
【００３５】
圧電磁器層２ａ、２ｂの気孔率は５％以下、特に１％以下、更には０．５％以下であることが好ましい。気孔率を低減させることによって圧電磁器層の強度を高め、厚みが薄い場合であっても破壊するのを抑制でき、また、インクジェット用印刷ヘッドとして用いる場合、磁器へのインクの染み込みによるインク漏れを効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
本発明のアクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッド用アクチュエータとして用いる場合、圧電歪定数として、例えばｄ３１モードを利用することができる。インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして十分な吐出能力を発揮し、高速で精細な印刷を実現するために、ｄ３１が１５０ｐｍ／Ｖ以上、特に２００ｐｍ／Ｖ以上、更には２５０ｐｍ／Ｖ以上であることが好ましい。
【００３７】
本発明のアクチュエータは、例えば図１（ｂ）に示すように、表面電極６が等間隔で２次元的に配列され、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続され、それぞれの電極間に電圧が印加されると、電圧が印加された内部電極５と表面電極６に挟持された部位の圧電振動層２ｂが変位することができる。このように、各変位素子７を独立して制御した印刷ヘッドに応用することにより、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。
【００３８】
圧電基板２の表面の平坦度を２０μｍ以下とすることで、例えば図１（ｃ）に示したように、インク流路３ａが隔壁３ｂによって形成されてなる支持基板３に、表面が平坦な本発明のアクチュエータを接合しても、接合に伴うアクチュエータの変形が小さく、残留応力を低減できるため、変位素子毎の特性バラツキを低減することができる。尚、符号９は接着層を示す。
【００３９】
内部電極５の材質としては、導電性を有するものであればよく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやこれらの合金などが用いられる。これらの中でも、Ａｇは焼結性を高め、且つ導電性に優れ、低コストである点で好ましく、Ｐｄは導電性と耐熱性の点で好ましい。また、圧電磁器層がＰｂを含有する場合には、焼成温度の低温化を促進するため、内部電極５としてＡｇを用いることが好ましい。
【００４０】
内部電極５および表面電極６の厚さは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、０．１〜５μｍ、特に内部電極５は１〜３μｍ程度が好ましく、表面電極６では０．２〜０．５μｍが好ましい。
【００４１】
本発明の印刷ヘッドは、図１（ｃ）に示したように、上記のアクチュエータを支持基板３の表面に接合したものである。この支持基板３は内部にインク流路３ａが隔壁３ｂによって複数形成されており、変位素子７の変位によってインクを加圧し、インクノズル８からインクを吐出することができる。
【００４２】
そして、本発明の積層型圧電素子では、分極前の圧電磁器層２ｂを構成するペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が、圧電磁器層２ｂの厚み方向に配向しており、該ｃ軸配向度がロットゲーリング法で２０〜１００％であることを特徴とする。特に、圧電磁器層２ｂの圧電特性を最大限に引き出すためには、ロットゲーリング法で５０〜１００％であることが望ましい。
【００４３】
ロットゲーリング法でｃ軸配向度を測定するには、圧電磁器層２ｂの厚み方向からＸ線回折測定（ＸＲＤ）を２θ＝１０〜８０°で測定し、同磁器を粉砕してＸＲＤを２θ＝１０〜８０°で測定し以下の式により算出した。
【００４４】
圧電磁器（００Ｘ）＝〔圧電磁器層のＸＲＤの（００Ｘ）面の強度カウントの和〕／〔圧電磁器層のＸＲＤの全ピークの強度カウントの和〕
磁器粉末（００Ｘ）＝〔圧電磁器層のＸＲＤの（００Ｘ）面の強度カウントの和〕／〔圧電磁器層のＸＲＤの全ピークの強度カウントの和〕
磁器粉末のＸＲＤは無配向の基準ｃ軸強度カウントで、これと磁器のＸＲＤのc軸強度カウントとの比をとることでｃ軸配向度を得ることができる。
【００４５】
ｃ軸配向度＝圧電磁器（００Ｘ）／磁器粉末（００Ｘ）×１００
尚、変位素子として機能する圧電磁器層２ｂのみのｃ軸配向度がロットゲーリング法で２０〜１００％であれば良く、圧電磁器層２ａのｃ軸配向度については特に限定するものではない。
【００４６】
このような圧電磁器層２ｂのペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が厚み方向にロットゲーリング法で２０〜１００％の割合で配向しているため、分極処理が容易であり、しかも充分に分極することができる。このような積層型圧電素子のペロブスカイト型結晶の多くは正方晶構造であり、ｃ軸方向に自発分極を持つ。このため、分極方向である厚み方向にｃ軸を配向させることによって厚み方向の自発分極を最大にすることができ、これにより、圧電磁器が本来有する圧電特性を充分に引き出すことができ、厚み縦振動モード、厚みすべり振動モード、広がり振動モード、屈曲振動モード等といった圧電振動をより大きくすることができる。
【００４７】
従って、本発明によれば、数１００個の変位素子が密集した印刷ヘッドであっても、変位ばらつきが少なく、その結果インク吐出特性が均一な印刷ヘッドを提供することができる。
【００４８】
次に、本発明の積層型圧電素子の製法について、印刷ヘッドに用いられるアクチュエータを例として説明する。また、圧電磁器層としてＰＺＴを用いた場合を例として説明する。
【００４９】
まず、原料に用いる圧電体粉末として、純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を準備する。
【００５０】
このＰＺＴ粉末に適当な有機バインダを添加してシート状に成形し、このグリーンシートの所望の部位に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布して電極パターンを形成し、また所望の箇所にビアホールを形成すると共にビアホールの内部に電極を形成した。次いで、得られたグリーンシートを積層して成形体１０２を作成する。また、所望により、特定の形状に切断する。
【００５１】
積層して得られた成形体を焼成するために、成形体を治具に搭載して焼成炉内に配置するが、その配置の一例を図２に示した。即ち、下部支持体１０１ａの上にスペーサ１０５を枠状に載置し、さらにスペーサ１０５の上に天板１０６を載置して、下部支持体１０１ａ、スペーサ１０５及び天板１０６からなる焼成治具によって密封空間１０７を形成し、その内部に成形体１０２を収容して焼成する必要がある。このような密封空間１０７を設けることにより、揮発性成分を含む成形体であっても揮発を抑制できるため、従来のように共材を周囲に載置しなくても焼成することが可能となる。
【００５２】
なお、本発明における密封空間１０７とは、上記の焼成治具を単に組み立てて内部に空間を設けるのではなく、研削や研磨等の機械加工、化学研磨等の方法によって支持体、スペーサ、天板による当接部の隙間を小さくし、揮発成分の飛散を抑制することができるものを言う。例えば、表面が加工されて所定の平行度及び表面粗さを有しているものを挙げることができる。
【００５３】
このような密封空間に成形体１０２を収容して焼成する場合、特に下記の条件を満足することが好ましい。即ち、密閉空間１０７の容積をＶ１、上部支持体１０１ｂの体積をＶ２、成形体１０２の体積Ｖ３とするとき、
１．０００１×（Ｖ２＋Ｖ３）≦Ｖ１≦４．００００×（Ｖ２＋Ｖ３）
０．０２×Ｖ３≦Ｖ２≦５０×Ｖ３
の関係を満たすことが好ましい。
【００５４】
上記範囲に規定する理由は、Ｖ１が１．０００１×（Ｖ２＋Ｖ３）より小さい場合、上部支持体１０１ｂとスペーサ１０５のクリアランスが小さくなり、焼成時の加熱、冷却で生じる膨張・収縮により噛み込みが発生し、著しく作業性が低下する傾向がある。また、Ｖ１が４．００００×（Ｖ２＋Ｖ３）より大きい場合、成形体からの揮発成分の蒸発量が増加して組成変動を起こし、基板内の圧電特性のバラツキを拡大させる傾向がある。また、Ｖ２が０．０２×Ｖ３より小さい場合、焼結体に凹凸が発生する傾向があり、５０×Ｖ３より大きい場合、磁器の収縮率にバラツキが生じ、基板内の圧電特性のバラツキを拡大することがある。
【００５５】
本発明は、下部支持体１０１ａの上に成形体１０２を載置してあれば、成形体１０２の上に何が置いてあっても良く、例えば、多孔質体を載せても良いが、下部支持体１０１ａと同様の主面を有する上部支持体１０１ｂを載せて、成形体１０２を一対の支持体１０１ａ、１０１ｂで挟持するように配置するのが、組成のバラツキを効果的に抑制でき、且つ２０μｍ以下の平坦度を容易に得られる点で好ましい。
【００５６】
本発明によれば、成形体１０２と接触する支持体１０１ａ、１０１ｂの主面１０４の平坦度が２０μｍ以下であることが重要である。支持体１０１は成形体１０２と接触するため、その接触する主面１０４ｂを平坦にすることで、成形体１０２を焼成して得られた焼結体の表面の平坦度を低減でき、表面が平坦な圧電磁器を得ることができる。特に、より平坦度の小さな焼結体を得るため、支持体１０１の主面の平坦度は１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。
【００５７】
また、本発明によれば、成形体１０２と接触する支持体１０１の主面１０４の表面部は、気孔率が５％以下、更には１％以下、更には０．５％以下であることが重要である。気孔率がこのように小さい支持体１０１の主面１０４が緻密であると、脱粒が少なく、成形体表面に付着する粒子も減少し、焼結して得られた圧電磁器の平坦度及び表面粗さを改善することができる。
【００５８】
なお、表面部とは成形体１０２との接触面を形成する主面１０４における表面を意味するが、気孔率を測定するためには研磨が必要なため、実際には研磨に必要な最低限の厚み、例えば数μｍの厚みが必要であり、これを実質的に表面部と言う。
【００５９】
また、多孔質体からなる支持体では、焼成中に成形体１０２から揮発した成分が、支持体の連続した気孔を経由して外部へ飛散するのに対し、少なくとも主面１０４の表面部が緻密な支持体１０１ａを用いているため、揮発成分の飛散を顕著に抑制することが出来る。このように、成形体１０２からの揮発成分の蒸発を抑制することで圧電特性の面内バラツキを更に改善できる。
【００６０】
支持体１０１は全体が緻密であるのが良い。このような緻密体は、表面を加工することによって低コストでの再生が可能である。又は、表面が緻密で内部が比較的気孔率が高い焼結体を使用することもできる。例えば、焼結時に内部よりも表面部で焼結が容易に進む場合、少なくとも表面から０．１ｍｍ、特に０．３ｍｍ、更には０．５ｍｍの表面層の気孔率が５％以下、特に１％以下、更には０．５％以下であるのが良い。
【００６１】
また、所望により表面だけを緻密にすることもできる。例えば、表面の気孔率が２〜８％程度のセラミック焼結体表面を研磨加工し、セラミック層を被覆することにより、支持体１０１の主面１０４を０．１％以下の気孔率にすることができる。特に、ＣＶＤ（化学気相成長法）により数１０μｍ以上、更には５０μｍ以上、より好適には１００μｍ以上の厚みに形成し、鏡面研磨を行って表面の気孔率を１％以下、平坦度を２０μｍ以下にすることができる。これは、大型支持体の全体を緻密な焼結体で作製するためのコストが高い場合、或いは緻密な焼結体を合成することが困難な場合、成形体と支持体とが反応しやすい場合に特に有効である。
【００６２】
支持体１０１の主面１０４の表面粗さＲａは、３μｍ以下、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下であることが好ましい。支持体１０１の表面粗さＲａを上記のようにすることで圧電磁器層の平坦度を更に向上させることができる。また、成形体と支持体との隙間が拡散経路となって成形体からの揮発成分が蒸発し、組成の面内バラツキを抑制することもできる。
【００６３】
本発明に用いる支持体１０１は、アルミナ、ベリリア、ジルコニア、マグネシア、ムライト、スピネル型構造体、ビスマス層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物、Ｐｂ系ペロブスカイト構造化合物、ニオブ系ペロブスカイト構造化合物及びタンタル系ペロブスカイト構造化合物のうち少なくとも１種を含有することが好ましい。これらはいずれも圧電体の同質の物質もしくは反応性に乏しい物質である。このような物質を支持体に用いることにより、圧電体の特性を安定化させることが可能となる。
【００６４】
また、支持体１０１がジルコニアの場合、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、希土類のいずれか１種を含むことが好ましい。これは焼成時の加熱や冷却を行う際にジルコニアの相変態を抑制し、割れ、欠け等の破損、変形、表面粗さの変化を抑制する。
【００６５】
さらに、支持体１０１を構成する結晶の平均粒径は、加熱や冷却による変形を小さくし、また、割れ、欠けが顕著に発生することを防止するため、５〜３０μｍ、特に１０〜２５μｍ、更には１５〜２０μｍであることが好ましい。
【００６６】
なお、複数の成形体を焼成する場合には、幅の大きな支持板１０１の上に複数の成形体を載置しても良いし、また、図３に示したように、支持体１１１ａの上に、スペーサ１１５と、支持体及び天板を兼ねる支持天板１１８と、を交互に重ねて複数の密閉空間１１７を形成し、その密封空間の内部に成形体１１２を載置し、更にその上に上部支持体１１１ｂを載置することもできる。
【００６７】
また、成形体１１２の焼成に先立ち、所望により、４００℃〜９００℃程度の温度で脱脂処理を行っても良い。
【００６８】
そして、本発明の積層型圧電素子は、特に、図２、３の焼成治具で９００〜１０００℃で酸素雰囲気中で焼成することにより、ロットゲーリング法で測定した、厚さ１００μｍ以下の圧電磁器層のペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸配向度を２０〜１００％とすることができる。これは、例えば内部電極に使用するＡｇ／Ｐｄが５００〜６００℃で収縮を開始するのに対して圧電磁器は９００℃より収縮を開始するため磁器側に圧縮応力が生じる。この圧縮応力のため、ペロブスカイト構造のｃ軸方向が磁器厚み方向に配向する。圧縮応力を磁器平面方向で磁器全体に均一にかけることが結晶配向には重要であり、このため図２、３の焼成治具が必要である。
【００６９】
即ち、厚み１００μｍ以下の圧電磁器層を焼成する際に反りうねりといった変形は基板面内の残留応力の不均一の原因となるため、これを防止するため図２に示すように、上部支持体１０１ｂを成形体上に配置する。また、磁器厚みが１００μｍ以下であるため、成形体内の揮発成分が蒸発しやすく、成形体表層から蒸発し、成形体内部と組成差が発生するため収縮にバラツキが発生し、やはり基板面内で残留応力の不均一が発生してしまう。このため図２の焼成治具を用いて極小容積の密閉空間１０７中で酸素雰囲気中で焼成する必要がある。
【００７０】
本願発明では、ｃ軸配向度を２０〜１００％とするためには、図２、３で示す焼成方法で作製し、磁器表層からの揮発成分の蒸発を抑制することが必要であることから、治具の気孔率を５％以下、更には１％以下、更には０．５％以下であることが重要である。また、治具平坦度を、１５μｍ以下、更には１０μｍ以下が好ましい。さらに、治具表面粗さは、３μｍ以下、特に２．５μｍ以下、更には２μｍ以下であることが好ましい。
【００７１】
このような治具で焼成し且つ、焼成する圧電磁器層は磁器内部応力の効果が有効に働くように、圧電磁器層の厚みは１００μｍ以下であることが望ましい。
【００７２】
上述のようにすることにより、作製した圧電基板は、表面粗さＲａが３μｍ以下、平坦度が１５μｍ以下、凹凸が３μｍ以下とすることができる。その結果、磁器内部の圧縮応力が基板内で均一となり結晶のｃ軸配向組織を形成することが可能となる。
【００７３】
さらに、ｃ軸配向度を高めるためには、内部電極厚みを圧電体層厚みの１／５以下とすることが望ましい。
【００７４】
この後、得られた焼結体の表面に表面電極を形成し、分極してアクチュエータを作製することができる。
【００７５】
また、上記実施形態では、圧電アクチュエータを例に挙げて説明したが、本発明の積層型圧電素子は、圧電アクチュエータの他、例えば加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インジェクター、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等に適用することができる。
【００７６】
【実施例】
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。
【００７７】
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ブレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ３０μｍ程度のシート形状に塗布した。
【００７８】
また、内部電極ペーストを作製し、得られた内部電極ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極パターンを形成した。更に、内部電極パターンが印刷された面を上向きにして、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷していないグリーンシートを積層し、加圧プレスし、成形体を得た。
【００７９】
この成形体を脱脂処理した後に、図２に示したように、成形体を一対の支持体にはさみ込むように配置し、その周囲は枠、天板を配置して密閉空間を形成した。このようにして焼成炉に配置した。上部支持体による成形体の被覆率を８０％とした。
【００８０】
支持体の気孔率は、鏡面研磨面の顕微鏡写真（×２００）より画像解析にて測定した。また、支持体の平坦度はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージを組み合わせた装置にて冶具の長軸方向とその垂直方向にスキャンし最大値−最低値の値の大きな方で評価した。
【００８１】
また、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３について、Ｖ１、Ｖ２はアルキメデス法により求め、Ｖ３を成形体の外形寸法より求めたところ、Ｖ１が１３２６ｍｍ３、Ｖ２が６２５ｍｍ３、Ｖ１／（Ｖ２＋Ｖ３）の値が１．８９４、Ｖ２／Ｖ３の値が１７．６８であった。
【００８２】
支持体の表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）をもちいて１００μｍ×１００μｍのエリアを走査して測定し、面内任意の５個所の測定値の平均値より求めた。
【００８３】
支持体の表面にＰｂが含まれるかどうかをエネルギー分散型Ｘ線マイクロアナリシス（ＥＤＳ／ＥＰＭＡ）にて定性分析で確認したところ、表面にＰｂが含まれていた。
【００８４】
成形体を、焼成温度は１０００℃で、酸素９９％以上の雰囲気中で２時間保持して焼成し、圧電磁器層と内部電極とからなる圧電素子を作製した。
【００８５】
なお、試料Ｎｏ．２０は、多孔質支持体の上に厚さ６００μｍのスペーサを置いて、その上に他の多孔質支持体を載せ、上下の支持体の間に積層成形体を載置して焼成炉の中に配置した。
【００８６】
また、試料Ｎｏ．２１は、上記成形体を、緻密な支持体上に圧電セラミック粉末からなる敷粉を介して配置し、これを焼成炉内に収容し、大気中において１０００℃で２時間焼成し、圧電素子を作製した。得られた圧電磁器を下記のように評価した。
【００８７】
圧電磁器層の厚みはマイクロメータで測定し、圧電基板の表面粗さＲａは触針式表面粗さ計で測定した。
【００８８】
表面の凹凸はキーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、縦２ｍｍ、横２ｍｍの範囲を走査して、最大値−最小値より算出した。
【００８９】
圧電振動層の平坦度は、キーエンス製レーザーフォーカス変位計とＸ−Ｙステージの組み合わせ装置により、試料の一端から他端の間を走査して高さの変化よりもとめた。
【００９０】
次に、得られた圧電磁器層の表面片側に表面電極を形成した。表面電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布し、一基板当たり６００点形成した。これを６００〜８００℃の大気中で焼付けた。
【００９１】
誘電率εの測定は、インピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー製４１９４Ａ）を用いて１ｋＨｚの静電容量を測定して断面から測定した磁器厚みより算出した。
【００９２】
圧電定数はｄ３１についてインピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー製４１９４Ａ）を用いた共振法で１０箇所測定し、その平均値を算出した。そして、ｄ３１の平均値との差を算出し、その最大値をｄ３１バラツキとして百分率で表示した。
【００９３】
変位量の測定は、インクジェットプリンタ用印刷ヘッドとしての使用を考慮し、図１（ｃ）に示したように、インク流路３ａと隔壁３ｂを有する支持体３に、上記作製したアクチュエータを接着し、圧電振動層２ｂを内部電極５と表面電極６で挟持する構造となるように変位素子７を作製した。そして、レーザードップラー変位計により支持体３側からインク流路３ａを通してアクチュエータにレーザービームを照射し、支持体３のインク流路３ａに当接しているアクチュエータの中心部及び周辺部７点を測定して変位を測定し、平均値を算出した。
【００９４】
また、圧電磁器層を構成するペロブスカイト型結晶粒子の分極前のｃ軸配向度をロットゲーリング法で測定した。測定は、Ｘ線回折法を用いてＣｕＫαを使用して２θ＝１０〜８０°で測定を行い、ｃ軸配向度は以下に示す算出式より求めた。
【００９５】
圧電磁器（００Ｘ）＝〔圧電磁器層のＸＲＤの（００Ｘ）面の強度カウントの和〕／〔圧電磁器層のＸＲＤの全ピークの強度カウントの和〕
この後、圧電磁器層を粉砕し、磁器粉末のｃ軸配向度を求めた。
【００９６】
磁器粉末（００Ｘ）＝〔圧電磁器層のＸＲＤの（００Ｘ）面の強度カウントの和〕／〔圧電磁器層のＸＲＤの全ピークの強度カウントの和〕
ｃ軸配向度＝〔圧電磁器（００Ｘ）／磁器粉末（００Ｘ）×１００〕
ｃ軸配向度を算出した後、室温で、４ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極した。これらの結果を表１に記載した。
【００９７】
【表１】
0004658459.tif 000002
【００９８】
表１から、本発明の試料では、分極前の圧電磁器層のｃ軸配向度が２０〜１００％であり、分極が容易であり、しかも優れた圧電定数を有することが判る。
【００９９】
これに対して、比較例の試料Ｎｏ．２２では磁器厚みが１０００μｍと厚いため内部電極による圧縮応力が磁器全体に影響せず、ｃ軸配向度は１０％と低くなっている。
【０１００】
また、従来の一般的な方法にて作製した試料Ｎｏ．２１では、焼成後の磁器の平坦度、凹凸が非常に大きく、また、研磨する際に圧電基板が破損したため、印刷ヘッドを作製することが不可能であった。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明の積層型圧電素子によれば、圧電材料を含有するグリーンシートと電極パターンとを積層して焼成し、ペロブスカイト型結晶粒子からなる圧電磁器層と電極層とを積層してなる積層型圧電素子であって、前記圧電磁器層の厚さが１００μｍ以下であるとともに、誘電率の面内バラツキが平均誘電率の５％以下であり、かつ前記圧電磁器層のペロブスカイト型結晶粒子のｃ軸が、前記圧電磁器層の厚み方向に配向しており、ｃ軸配向度がロットゲーリング法で２０〜１００％の割合で配向しているため、分極処理が容易であり、しかも充分に分極することができ、これにより、圧電磁器が本来有する圧電特性を充分に引き出すことができ、厚み縦振動モード、厚みすべり振動モード、広がり振動モード、屈曲振動モード等といった圧電振動をより大きくすることができるとともに、圧電磁器層の圧電特性のバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエータを示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図、（ｃ）は支持基板を接合した印刷ヘッドを示す概略断面図である。
【図２】焼成用冶具内に成形体を収容した状態を示す概略断面図である。
【図３】複数の成形体が収容された焼成用冶具を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２・・・圧電基板
２ａ、２ｂ・・・圧電磁器層
３・・・支持基板
３ａ・・・インク流路
５・・・内部電極（電極層）
６・・・表面電極
７・・・変位素子
９・・・接着層
【図１】
0004658459.tif 000003
【図２】
0004658459.tif 000004
【図３】
0004658459.tif 000005