(57)【要約】【課題】高速で変位を繰り返しても圧電セラミック層においてクラックが発生するのを抑制することができる積層圧電体およびその製造方法を提供することである。【解決手段】圧電セラミック層１ａ，１ｂと、これらの圧電セラミック層１ａ，１ｂの間に配置された内部個別電極パターン層２と、最上層の圧電セラミック層１ａの表面に、内部個別電極２ａと位置を揃えて配置された表面個別電極パターン層３とを備え、内部個別電極２ａ、表面個別電極３ａおよびこれらの電極間に位置する圧電セラミック層１ａにより形成された複数の変位領域４と、隣り合う変位領域４間に位置する非変位領域５とを有する最上層の圧電セラミック層１ａにおける表面凹凸の最大高低差Ｄが３μｍ以下である積層圧電体である。【選択図】図１
2005244092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の内部個別電極パターン層と、最上層の圧電セラミック層の表面に、前記内部個別電極パターンと位置を揃えて配置された表面個別電極パターン層とを備え、前記内部個別電極、表面個別電極およびこれらの電極間に位置する圧電セラミック層により形成された複数の変位領域と、隣り合う変位領域間に位置する非変位領域とを有する積層圧電体であって、前記最上層の圧電セラミック層における表面凹凸の最大高低差が３μｍ以下であることを特徴とする積層圧電体。
【請求項２】
前記最上層の圧電セラミック層のうち、前記変位領域における圧電セラミック層の厚みが、前記非変位領域における圧電セラミック層の厚みよりも薄い請求項１記載の積層圧電体。
【請求項３】
前記最上層の圧電セラミック層のうち、前記変位領域における圧電セラミック層の厚みが３０μｍ以下である請求項１または２記載の積層圧電体。
【請求項４】
全体厚みが１００μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の積層圧電体。
【請求項５】
圧電性セラミックス粉体と有機バインダ成分を混合し、シート成形用材料を作製する混合工程と、
該シート成形用材料を用いて複数のグリーンシートを成形するグリーンシート形成工程と、
少なくとも一部の前記グリーンシートに内部個別電極パターンを形成する電極形成工程と、
該電極形成工程で作製されたグリーンシート表面における前記内部個別電極パターンが形成されていない部位に前記シート成形用材料を補填し、グリーンシート表面を略平坦にする補填工程と、
各グリーンシートを積層して積層成形体を作製する積層工程と、
前記積層成形体を焼成する焼成工程とを備えたことを特徴とする積層圧電体の製造方法。
【請求項６】
前記補填工程では、前記電極形成工程で作製されたグリーンシート表面全体に前記シート成形用材料を塗布して前記内部個別電極パターンが形成されていない部位に前記シート成形用材料を補填する請求項５記載の積層圧電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、記録計、ファクシミリ、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記録ヘッド、特に複数列のインク吐出孔群を備え、高速で高画質の印刷が可能なインクジェット記録ヘッドに用いられる圧電アクチュエータに好適な積層圧電体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。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。このようなインクジェット方式の記録装置に搭載されるインクジェット記録ヘッドは、圧電アクチュエータを備えている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された複数層の内部個別電極パターン層および内部共通電極層と、最上層の圧電セラミック層の表面に、前記内部個別電極パターンと位置を揃えて配置された表面個別電極パターン層とを備えた圧電アクチュエータ（積層圧電体）を、インク噴射用オリフィスを有する複数のインク室が配列されたキャピティプレート上に、インク室と前記個別電極パターンとの位置を揃えて取り付けたインクジェット記録ヘッドが提案されている。この記録ヘッドでは、電極間に駆動電圧を印加すると、これらの電極と該電極間に配置された圧電セラミック層とで構成される変位領域が変位し、この変位により対応するインク室が加圧されてオリフィスからインクが吐出される。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の記録ヘッドでは、積層圧電体に２０ｋＨｚ程度の駆動電圧が印加され、変位領域が高速で変位を繰り返した場合、積層圧電体の圧電セラミック層にクラックが発生することがあり、信頼性に問題があった。
【特許文献１】特開２００２−２２５２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、高速で変位を繰り返しても圧電セラミック層においてクラックが発生するのを抑制することができる積層圧電体およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、複数の圧電セラミック層の層間に内部個別電極パターンが形成された積層圧電体では、内部個別電極の厚みの影響で最上層のセラミック層の表面に大きな凹凸が生じており、高速で変位を繰り返すとこの凹凸部分、特に凹凸の境界部分に大きな応力が集中し、該凹凸部分が起点となってクラックが発生するという知見を得た。そして、この知見を基にして、さらに研究を重ねた結果、この表面凹凸の最大高低差を所定の範囲内に収めて凹凸を低減することで、高速で変位を繰り返しても圧電セラミック層においてクラックが発生するのを抑制できるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の積層圧電体およびその製造方法は、以下の構成からなる。
(1)  複数の圧電セラミック層と、これらの圧電セラミック層の間に配置された少なくとも１層の内部個別電極パターン層と、最上層の圧電セラミック層の表面に、前記内部個別電極パターンと位置を揃えて配置された表面個別電極パターン層とを備え、前記内部個別電極、表面個別電極およびこれらの電極間に位置する圧電セラミック層により形成された複数の変位領域と、隣り合う変位領域間に位置する非変位領域とを有する積層圧電体であって、前記最上層の圧電セラミック層における表面凹凸の最大高低差が３μｍ以下であることを特徴とする積層圧電体。
(2)  前記最上層の圧電セラミック層のうち、前記変位領域における圧電セラミック層の厚みが、前記非変位領域における圧電セラミック層の厚みよりも薄い(1)記載の積層圧電体。
(3)  前記最上層の圧電セラミック層のうち、前記変位領域における圧電セラミック層の厚みが３０μｍ以下である(1)または(2)記載の積層圧電体。
(4)  全体厚みが１００μｍ以下である(1)〜(3)のいずれかに記載の積層圧電体。
(5)  圧電性セラミックス粉体と有機バインダ成分を混合し、シート成形用材料を作製する混合工程と、該シート成形用材料を用いて複数のグリーンシートを成形するグリーンシート形成工程と、少なくとも一部の前記グリーンシートに内部個別電極パターンを形成する電極形成工程と、該電極形成工程で作製されたグリーンシート表面における前記内部個別電極パターンが形成されていない部位に前記シート成形用材料を補填し、グリーンシート表面を略平坦にする補填工程と、各グリーンシートを積層して積層成形体を作製する積層工程と、前記積層成形体を焼成する焼成工程とを備えたことを特徴とする積層圧電体の製造方法。
(6)  前記補填工程では、前記電極形成工程で作製されたグリーンシート表面全体に前記シート成形用材料を塗布して前記内部個別電極パターンが形成されていない部位に前記シート成形用材料を補填する(5)記載の積層圧電体の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
前記(1)記載の積層圧電体によれば、最上層の圧電セラミック層における表面凹凸の最大高低差を上記範囲内とすることにより高速で変位を繰り返しても圧電セラミック層においてクラックや層間剥離が発生するのを抑制することができるので、機械的な信頼性を高めるとともに、積層圧電体の寿命を延ばすことができる。
【０００９】
前記(2)，(3)に記載のように、最上層の圧電セラミック層のうち、内部個別電極と表面個別電極の間に位置する部分の厚みを薄くし、さらに前記(4)記載のように全体厚みを１００μｍ以下とすることにより該圧電セラミック層におけるクラックをより効果的に抑制することができる。
【００１０】
上記のような積層圧電体は、従来の製造工程に加えて、さらに前記(5)，(6)に記載の補填工程を設けることで得ることができる。すなわち、前記補填工程において、内部個別電極パターンが形成されていない部位にシート成形用材料を補填してグリーンシート表面を略平坦にしておくことにより、その後の積層工程で各グリーンシートを積層しても内部個別電極の厚みの影響で最上層のセラミック層に大きな凹凸が生じるのを抑制でき、信頼性が高く長寿命の積層圧電体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態にかかる積層圧電体について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の積層圧電体を示す概略断面図である。図１に示すように、この積層圧電体は、圧電セラミック層１ａ，１ｂと、これらの圧電セラミック層１ａ，１ｂの間に配置された複数の内部個別電極２ａからなる内部個別電極パターン層２と、最上層の圧電セラミック層１ａの表面に、各内部個別電極２ａと位置を揃えて配置された複数の表面個別電極３ａからなる表面個別電極パターン層３とを備えている。
【００１２】
この積層圧電体は、内部個別電極２ａと表面個別電極３ａとこれらの電極間に配置された圧電セラミック層１ａにより複数の変位領域４を有し、これらの変位領域４の間に複数の非変位領域５を有している。
【００１３】
このように複数の圧電セラミック層間に内部個別電極パターン層が設けられた積層圧電体では、内部個別電極の厚みの影響で最上層の圧電セラミック層に表面凹凸が生じやすいが、本発明では、この最上層の圧電セラミック層における表面凹凸の最大高低差Ｄが３μｍ以下、好ましくは２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下であるのが重要である。これにより、積層圧電体内、特に最上層の圧電セラミック層における変位領域４と非変位領域５の境界付近に集中する応力を低減してクラックが生じるのを抑制することができる。
【００１４】
また、最上層の圧電セラミック層１ａのうち、内部個別電極２ａと表面個別電極１ａの間に位置する部分の厚みＴ１は、好ましくは他の部分の厚みＴ２よりも薄く、より好ましくは３０μｍ以下であるのがよい。さらに、積層圧電体の全体厚みＡは、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは８０μｍ以下、さらに好ましくは２０〜５０μｍであるのがよい。このように、Ｔ１，Ａが薄い場合には、強度が低くなるため、従来の積層圧電体ではクラックが容易に生じていまうが、本発明の構造にすることで、クラックの発生を顕著に抑制することができるとともに、大きな変位量を得ることができる。
【００１５】
各電極の材質としては、導電性を有するものならばいずれでも使用でき、具体的には例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやこれらの合金などが挙げられる。圧電セラミック層を構成する圧電性セラミックスとしては、圧電性を示すセラミックスであればいずれでもよく、例えば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。
【００１６】
以下、本実施形態の積層圧電体の製造方法について説明する。図２(a)〜(c)は、該製造方法の概略を示す断面図である。まず、圧電性セラミックス粉体と有機バインダ成分を混合し、シート成形用材料（テープ成形用スラリー）を作製する（混合工程）。圧電性セラミックス粉体の平均粒径は、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは０．７μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下であるのよい。これは、グリーンシートを成形するに際し、平均粒径が１μｍ以上であると、グリーンシートの厚みバラツキ比率（一般にＣ値：標準偏差を平均値で除した値）が大きくなり、特性上悪影響を及ぼすおそれがある。また、鉛を含む圧電性セラミックスの場合には、焼結時の活性度が下がり、焼結温度を上げなければならなくなる。その結果、鉛の蒸発が起こり、組成のバラツキが大きくなる。一方、平均粒径を１μｍ以下とすることで、これらの問題は抑制される。
【００１７】
次に、混合工程で得られたシート成形用材料を用いて、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、図２(a)に示すように、複数のグリーンシート１ａ，１ｂを成形する（グリーンシート形成工程）。
【００１８】
このグリーンシート形成工程の後、シートの強度を向上させ、内部個別電極ペーストによるシートアタックを抑制し、セラミック粒子間の接触面積を高めることで焼結速度を向上させ、焼結温度を下げ、また鉛を含む圧電性セラミックスの場合には焼結時の鉛の蒸発を抑え、組成バラツキを抑制することなどを目的とした、テープ加圧工程を必要に応じて設けるのがよい。
【００１９】
次に、図２(a)に示すように、グリーンシート１ｂに、公知のスクリーン印刷などの手法により複数の内部個別電極２ａからなる内部個別電極パターン層２を形成する（電極形成工程）。この電極形成工程で作製されたグリーンシート１ｂ表面に、スクリーン印刷などの公知の手法によりシート成形用材料を補給し、内部個別電極２ａが形成されていない部位にシート成形用材料６を補填し、グリーンシート表面を略平坦にする（補填工程）。
【００２０】
次に、図２(b)に示すように、各グリーンシート１ａ，１ｂを所望の構成で積層し、密着させて積層成形体を作製する（積層工程）。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。
【００２１】
積層工程で得られた積層成形体は、必要に応じて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、大気中若しくは酸素雰囲気中において焼成する（焼成工程）。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。
【００２２】
また、鉛を含むセラミックスを焼成する場合は、溶解性ガスである酸素の濃度を高くする（９０％以上）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、空隙内圧が低くなることから空隙が収縮しボイド化が抑制される。特に、グリーンシートの表面に電極パターンを形成し、このようなグリーンシートを複数積層する場合、グリーンシート上の電極の端部に空隙が発生しやすくなり、機械的強度を低下させ、クラック発生を助長するため、グリーンシートの段階で表面を平坦にすることが、積層成形体内部に発生する空隙を低減して積層圧電体の強度を高める点で効果が高い。
【００２３】
また、シート成形用材料の補填によって、積層工程における層間のエアー混入、積層されるグリーンシートの変形や伸びが低減され、クラックや層間剥離の発生を抑制し機械的な信頼性を高めることができ、その結果、積層圧電体の寿命を延ばすことができる。
【００２４】
シート成形用材料の補填については、内部個別電極２ａの形成されてない部位にシート成形用材料（補填材料）６を上記したような公知の手法で補填することができるが、この場合、位置合せ精度が必要となってくる。したがって、このような高精度の位置合わせが不要な手法として、ドクターブレードなどの従来の手法でシート成形用材料を内部電極パターン層２を形成したグリーンシート１ｂの表面全体に塗布する方法が挙げられる。全面に塗布されたシート成形用材料により、内部電極パターンによる凹凸を平滑にでき、更に、グリーンシート上の電極端部の空隙をほぼ完全に無くすことができる。
【００２５】
最後に、図２(c)に示すように、焼成工程で得られた焼結体の表面に表面個別電極パターンを公知の方法により形成する。これにより、表面凹凸が少なく、かつ、強度上の信頼性が高い積層圧電体を提供できる。
【００２６】
なお、本発明の積層圧電体は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば圧電セラミック層が３層以上あってもよく、また内部個別電極パターン層が２層以上あってもよい。また、特許文献１に記載のように、内部個別電極に加えて、内部共通電極を備えたものであってもよい。さらに、各圧電セラミック層および各電極は、要求される諸特性に応じて、寸法、材料等を適宜選定すればよい。
【００２７】
また、本発明の積層圧電体は、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、燃料噴射用インジェクタ、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等にも適用できる。特に、本発明の積層圧電体は、例えば同一平面に複数の圧電変位素子を形成してなる圧電アクチュエータとして好適に適応することができ、機械的な信頼性を高めるとともに、積層圧電体の寿命を延ばすことができる。
【実施例】
【００２８】
まず、平均粒子径（Ｄ５０）が０．５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電性セラミックス粉体と、アクリル水溶液を混合しスラリー化を行い、ロールコーターにて厚み３０μｍのグリーンシートを複数成形した。次に、７０：３０のＡｇ-Ｐｄ合金電極ペーストを用いて、グリーンシート上に厚み５μｍの内部個別電極パターンをスクリーン印刷法にて形成した。次に、内部個別電極パターンが形成されていない部位にグリーンシートと同材質の補填材料を、スクリーン印刷法にて補填した。その後、単体のグリーンシートと、内部個別電極パターンおよび補填材料の設けられたグリーンシートとを、１５０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で加圧密着を行い積層成形体を得た。
【００２９】
次に、積層成形体を大気中４５０℃、５時間の脱脂処理を行い、濃度９０％酸素雰囲気中で温度１１００℃２時間の焼成を行い焼結体を得た。得られた焼結体の表面にスクリーン印刷法にて表面電極を形成し、大気中７００℃、３０分間で焼付を行って積層圧電体を得た。
【００３０】
この積層圧電体を駆動用の回路に接続し、周波数２０ｋＨｚ、印加電圧１０Ｖをかけ、全素子（変位領域）について１億回の駆動を行った。その後、金属顕微鏡を用いて、積層圧電体表面全面を５００倍で観察した結果、クラックの発生は認められなかった。また、観察後、積層圧電体を９分割して走査型電子顕微鏡にて断面観察を行い、表面凹凸の最大高低差Ｄの測定を行った。その結果、９分割の何れの場所においても凹凸最大高低差Ｄは２．７μｍ以下であった。
【００３１】
［比較例］
内部個別電極パターンが形成されていない部位に補填材料を補填しなかった他は、実施例と同様にして積層圧電体を作製し、１億回の駆動を行い、表面断面を行った。その結果、表面に６点のクラックの発生が確認された。観察後、積層圧電体を９分割して走査型電子顕微鏡にて断面観察を行い、表面の凹凸最大差Ｄの測定を行った。その結果、９分割の何れの場所においても凹凸最大差Ｄは４．０μｍ以上であった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の積層圧電体を示す概略断面図である。
【図２】(a)，(b)は本発明の積層圧電体の製造方法を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１ａ，１ｂ  圧電セラミック層
２  内部個別電極パターン層
２ａ  内部個別電極
３  表面個別電極パターン層
３ａ  表面個別電極
４  変位領域
５  非変位領域
６  補填材料
【図１】
2005244092.tif 000003
【図２】
2005244092.tif 000004