(57)【要約】【課題】支持部材に接合しなくても、簡便な方法で正確な測定の可能な圧電アクチュエータの評価方法及び不良の判別を簡便に且つ正確に行う液滴吐出装置の製造方法を提供する。【解決手段】複数の変位素子が並設されてなる圧電アクチュエータの測定方法であって、前記変位素子について厚み縦振動モードを利用した機械的品質係数Ｑｍを測定することにより、前記変位素子の圧電特性を評価することを特徴とし、特に、前記圧電アクチュエータが、平面上に複数の変位素子が並設されていること、また、前記圧電アクチュエータが、振動板の上に共通電極、圧電セラミック層及び複数の個別電極が順次形成され、共通電極と個別電極とで挟持された圧電セラミック層とで変位素子が形成されていることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変位素子が並設されてなる圧電アクチュエータの各変位素子について厚み縦振動モードを利用した機械的品質係数Ｑｍを測定することにより、前記変位素子の圧電特性を評価することを特徴とする圧電アクチュエータの評価方法。
【請求項２】
前記圧電アクチュエータが、絶縁基体表面に複数の変位素子が並設されてい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の評価方法。
【請求項３】
前記圧電アクチュエータが、振動板の上に共通電極、圧電セラミック層及び複数の個別電極を順次形成して構成されており、前記共通電極と各個別電極とで挟持された圧電セラミック層とで変位素子が形成されている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の評価方法。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下である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の評価方法。
【請求項５】
前記変位素子を非拘束部とし、前記変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記圧電アクチュエータを固定する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の評価方法。
【請求項６】
前記拘束部が、前記変位素子の外周部であることを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータの評価方法。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータを、真空チャックを用いて固定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータの評価方法。
【請求項８】
請求項１〜８のいずれかに記載の圧電アクチュエータの評価方法によって圧電特性を評価して不良品を排除し、しかる後に良品である前記圧電アクチュエータを流路部材に固定することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
【請求項９】
前記液滴吐出装置が印刷ヘッドであることを特徴とする請求項８記載の液滴吐出装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電変位素子及び圧電アクチュエータに関し、より詳しくは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、燃料噴射用インクジェクター、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、超音波モーター、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、厚み立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の評価方法及び液滴吐出装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電セラミックス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（発信子を含む）、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、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】
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば図５（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ５１が、流路部材５３の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。流路部材５３は、複数のインク加圧室５３ａが隔壁５３ｂによって仕切られ、インク加圧室５３ａは圧電アクチュエータ５１に当接するように並設されている。
【０００５】
圧電アクチュエータ５１は、共通電極（不図示）を表面に形成した振動板５５上に圧電セラミック層５４を設け、圧電セラミック層５４の上に表面電極５６を設けてなる。表面電極５６は、図６（ｂ）に示したように、圧電セラミック層５４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部５７が形成されたものである。通常は、マトリックス配置をするように表面電極５６が形成される。この圧電アクチュエータ５１は、各インク加圧室５３ａの直上に表面電極５６がそれぞれ位置するようにして流路部材５３上に配置している。
【０００６】
上記のような印刷ヘッドは、共通電極と所定の表面電極５６との間に電圧を印加して該表面電極５６直下の圧電セラミック層５４を変位させることにより、変位領域５７ａが対応するインク加圧室５３ａの方向に凸になるように変形し、インク加圧室５３ａ内のインクを加圧して、流路部材５３の底面に開口したインク吐出口５８よりインク滴を吐出することができる。
【０００７】
このような印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータは、複数の変位素子を支持基板に接着し、積層圧電体素子の電極部と支持基板の配線パターンとを導電性接着剤等で電気的に接続する。その後、個々の圧電素子に一定の電圧を印加し、各変位素子の変位量を測定することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−３４３２１号公報図１
【特許文献２】特開２００３−３９６５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載の評価方法では、圧電アクチュエータを支持部材に接合してから圧電アクチュエータの不良の判別を行うため、製造工数が増えると共に、不良が発生した時には支持部材と、支持部材に接合する工程が無駄になり、コスト上昇の大きな要因となっていた。
【０００９】
ところが、径方向振動モードｄ３１を利用した変位素子が基板表面に複数並んだ圧電アクチュエータの場合には、支持部材を接合しないで変位量を評価すると、隣接する変位素子が振動の干渉を起こして、電圧を印加していないのに変位してしまって、正確な変位量の測定が困難であるという問題があった。
【００１０】
従って、本発明は、支持部材に接合しなくても、簡便な方法で正確な測定の可能な圧電アクチュエータの評価方法及び不良の判別を簡便に且つ正確に行う液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、複数の変位素子が並設されてなる圧電アクチュエータの各変位素子について厚み縦振動モードを利用した機械的品質係数Ｑｍを測定することにより、前記変位素子の圧電特性を評価することを特徴とする。
【００１２】
前記圧電アクチュエータが、絶縁基体表面に複数の変位素子が並設されていることが好ましい。
【００１３】
前記圧電アクチュエータが、振動板の上に共通電極、圧電セラミック層及び複数の個別電極を順次形成して構成されており、前記共通電極と各個別電極とで挟持された圧電セラミック層とで変位素子が形成されていることが好ましい。
【００１４】
前記圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１５】
前記変位素子を非拘束部とし、前記変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記圧電アクチュエータを固定することが好ましい。
【００１６】
前記拘束部が、前記変位素子の外周部であることことが好ましい。
【００１７】
前記圧電アクチュエータを、真空チャックを用いて固定することが好ましい。
【００１８】
本発明の液滴吐出装置の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの評価方法によって圧電特性を評価して不良品を排除し、しかる後に良品である前記圧電アクチュエータを流路部材に固定することを特徴とする。
【００１９】
前記液滴吐出装置が印刷ヘッドであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、圧電アクチュエータの機械的品質係数Ｑｍと、吐出ばらつきに関連する変位量のばらつきと、に相関関係があるというの新規な知見に基づき、その結果、複数の変位素子が表面に形成された圧電アクチュエータの圧電特性及び弾性的な損失さらにその分布情報を得ることが可能となり、これにより、支持部材に接合しなくても、簡便な方法で正確な良品選別を可能とする。
【００２１】
即ち、従来技術では支持部材を接合してから変位を測定もしくは圧電定数を測定していたのに対し、個々の変位素子について厚み縦振動モードの機械的品質係数Ｑｍを測定することにより、径方向の振動による隣接する変位素子の振動の干渉を抑制し、接合無しで、かつ圧電素子を切断することなく個々の圧電素子の圧電特性を精度良く簡便に測定することが可能となり、アクチュエータの不良判別を迅速に且つ正確に行い、そのプロセスを簡略化し、低コスト化に寄与することが可能となる。
【００２２】
特に、前記圧電アクチュエータが、絶縁基体表面に複数の変位素子が並設されている場合、特に、前記圧電アクチュエータが、振動板の上に共通電極、圧電セラミック層及び複数の個別電極を順次形成して構成されており、前記共通電極と各個別電極とで挟持された圧電セラミック層とで変位素子が形成されていることが好ましい。本発明は、このような構成を有する圧電アクチュエータであっても、支持部材に接合することなく、より簡便に圧電特性を評価することが容易となる。
【００２３】
前記圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。このように薄層の焼結磁器であっても、容易且つ迅速に、しかも確実に測定評価を行うことができる。
【００２４】
前記変位素子を非拘束部とし、前記変位素子以外の部位を拘束部となるように保持部材によって前記圧電アクチュエータを固定する場合、特に、前記拘束部が、前記変位素子の外周部である場合、機械的に保持部材に一時的に保持することによって、より効率的な測定が可能となり、より迅速に且つより正確に測定をすることが可能となる。
【００２５】
前記圧電アクチュエータを、真空チャックを用いて固定することが好ましい。これにより、圧電アクチュエータを簡便に且つ容易に脱着でき、しかも薄いアクチュエータであっても、安全に保持することが可能となる。
【００２６】
前記圧電アクチュエータの前記変位素子の外周部を、真空チャックを用いて拘束する場合、固定が容易となる。
【００２７】
本発明の液滴吐出装置の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの評価方法によって圧電定数を評価して不良品を排除し、しかる後に良品である前記圧電アクチュエータを流路部材に固定することを特徴とし、特に前記液滴吐出装置が印刷ヘッドであることが好ましい。これにより、簡便でしかも短時間で正確な測定を行えるので、工程を簡略化でき、製造コストを低減し、歩留りを向上することができる。この製造方法をインクジェット方式のプリンタ、印刷機等に好適に適応することができる。また、本発明の液滴吐出装置を印刷ヘッドに用いると、圧電アクチュエータの不良の判別後に流路部材と圧電アクチュエータを接着するので、不良を低減し、コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、複数の変位素子を具備する圧電アクチュエータの評価方法に関するものである。例えば、図１に示したように、振動板３の上に複数の変位素子７が形成されている圧電アクチュエータ１を評価するものである。その具体的な一例として図２に本発明の評価対象となる圧電アクチュエータの断面構造を示した。
【００２９】
図２によれば、圧電アクチュエータ１１は、振動板１３と、振動板１３上に順次形成された共通電極１５、圧電セラミック層１４、及び複数の表面電極１６とを具備し、変位素子１７が表面電極１６と共通電極１５とで挟持された圧電セラミック層１４とで構成され、振動板１３上には複数の変位素子１７が形成されている。
【００３０】
このような変位素子の大きさは、例えば縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの振動板の上に、２個以上、特に５０個以上、更には１００個以上、より好適には２００個以上集積されており、これらの変位特性とそのばらつきを精度良く、しかも簡便な方法によって評価することが必要となっている。
【００３１】
本発明によれば、圧電アクチュエータ１１の厚みが１００μｍ以下、特に８０μｍ以下、更には６０μｍ以下であることが好ましい。このような薄層の圧電アクチュエータ１１であっても、容易に評価することができ、しかも迅速に評価することができる。さらに、破壊や欠損もなく、正確な測定評価を行うことができる。
【００３２】
なお、共通電極と個別電極が複数ずつ繰り返し積層された積層体からなっていても、本発明を好適に適応することが可能である。例えば、図３に示したように、圧電アクチュエータ２１は、圧電セラミック層２４の内部又は表面に複数の電極が設けられ、共通電極２５と個別電極２６とが交互に設けられている。また、厚み方向に対して同じ位置に配置された個別電極２６は、お互いに電気的に接続され、共通電極２５と個別電極２６とこれらの電極に挟持された圧電セラミック層２４とで変位素子２７が形成されている。
【００３３】
従って、厚み方向に対して同じ位置に配置された個別電極２６はすべて同電位となり、また、共通電極２５も全てが電気的に連結されて同電位となるとともに、共通電極２５と個別電極２６との間で変位が生じ、複数の層が変位するため、変位量が助長され、大きな変位を発生することができる。このような圧電アクチュエータも、本発明の評価方法を好適に適応することが可能である。
【００３４】
圧電アクチュエータの保持方法については、基板や治具の上に載置しても良いし、或いは、クランプ等により機械的に保持しても良いが、特に、真空チャックを用いて圧電アクチュエータを固定することが好ましい。真空チャックを用いれば、圧電アクチュエータの脱着が容易で、しかも吸着力を制御すれば、薄い圧電アクチュエータであっても破壊することが少なく、歩留りを高め、その結果コスト削減に寄与することが容易となる。
【００３５】
このような多数の変位素子が設けられた構造に対しては、本発明の評価方法を用いることによって短時間で、正確な評価を行うことが可能となり、特に測定する変位素子の数が多いほどその効果が大きい。
【００３６】
本発明の圧電アクチュエータの評価方法は、複数の変位素子の機械的品質係数Ｑｍを測定し、その値から圧電特性を評価するものである。
【００３７】
具体的には、測定する変位素子の圧電特性として、インピーダンスアナライザを用いて、厚み縦振動モードにおける静電容量Ｃ及び共振抵抗Ｒｏを測定し、周波数ｆｒを用いて関係式Ｑｍ＝１／（２πｆｒ・Ｃ・Ｒｏ）よりＱｍを算出する。
【００３８】
測定に関しては図４に示すように、圧電アクチュエータ１０１を保持装置１０２に固定し、圧電アクチュエータ１０１の個々の変位素子に対応する正極、負極にそれぞれ触診用プローブ１０３のプローブ端子を接続する。これらのプローブ端子はインピーダンスアナライザ１０４に接続され、インピーダンスアナライザ１０４にて静電容量と共振抵抗Ｒｏとを測定し、Ｑｍを算出することができる。
【００３９】
なお、所望により、端子の接続を確認するため、ＣＣＤカメラ１０５による映像をモニタ１０６で確認しながら作業を行うことができる。
【００４０】
なお、厚み縦振動モードによる共振周波数は圧電アクチュエータの厚みに依存するため、１００μｍ以下の場合、数十ＭＨｚ以上の周波数帯に共振周波数が存在する。従って、測定に当っては、高周波測定時のプローブ端子の校正、特にプローブ等の装置に依存する浮遊容量などの影響を除去して測定することが好ましい。
【００４１】
この操作は、単独の変位素子についての測定であっても良いし、複数の変位素子についての測定であっても良い。例えば、複数の変位素子に対して、それぞれ電気的に接続し、同時に、或いは順次これらの変位素子についてＱｍを測定すれば良い。
【００４２】
このように、平面上に複数の変位素子が形成されている場合、特に、接着剤等を用いて支持部材に接合しなくても、圧電アクチュエータの変位素子の変位分布を、Ｑｍを測定することによって簡便に且つ正確に評価することができる。
【００４３】
本発明の液滴吐出装置の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの評価方法によって評価した圧電定数に基づいて不良品を排除し、しかる後に良品である圧電アクチュエータのみを流路部材に接着し、固定することが重要である。この製造方法は、特に印刷ヘッドの製造方法として好適である。
【００４４】
この方法によれば、圧電アクチュエータを流路部材に接着する前に、圧電アクチュエータの複数の変位素子について、圧電特性のバラツキ、異常素子を検査確認できるため、アクチュエータ単体での性能を保証することが可能となるとともに、接合前に予め不良品を除去するために、高価な流路部材を無駄にすることなく、また、不良品を流路部材に接合する無駄な製造を行うことを防止し、部材コスト及び製造コストの低減を図ることができる。
【実施例】
【００４５】
まず、図２に示した圧電アクチュエータを作製した。即ち、ＰＺＴ系圧電セラミックスを用いた圧電アクチュエータを準備した。その形状は、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍで、その表面に２５０個の変位素子を図６（ｂ）のようにマトリックス状に配置して設けた構造のものを用いた。
【００４６】
このような圧電アクチュエータに対して、図４の測定システムを使用し、共通電極と個別電極の電極間にインピーダンスアナライザを接続して静電容量Ｃ及び共振抵抗Ｒｏを測定した。また、複数の変位素子にレーザードップラー変位計をスキャンし、次々に変位素子の変位量の測定を行った。
【００４７】
全変位素子２５０個中、５０個の変位素子について変位測定を行った結果、Ｑｍは平均５０、ばらつきが１０（平均値の２０％）であった。また、変位は平均変位量が７２ｎｍ、そのばらつきが±１５ｎｍ（平均値の２０．８％）であった。従って、Ｑｍのばらつきがほぼ変位量のばらつきと一致し、Ｑｍを評価することによって変位量を評価するに等しいことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の測定対象となる圧電アクチュエータの概略側面図である。
【図２】本発明の測定対象となる圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の測定対象となる圧電アクチュエータの他の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の測定装置を示す構成図である。
【図５】印刷ヘッドの構造を示すもので、（ａ）が概略断面図、（ｂ）が平面図である。
【符号の説明】
【００４９】
３、１３・・・振動板
４、１４、２４・・・圧電セラミック層
５、１５、２５・・・共通電極
６、１６、２６・・・個別電極
７、１７、２７・・・変位素子
１、１１、２１・・・圧電アクチュエータ
１０１・・・圧電アクチュエータ
１０２・・・保持装置
１０３・・・触針プローブ
１０４・・・電圧印加手段
１０５・・・加圧手段
１０６・・・モニタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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