(57)【要約】【課題】脱分極が起こり難くかつ高耐久性を有する圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供する。【解決手段】振動板上に複数の変位素子５、５７が設けられてなる圧電アクチュエータであって、前記振動板３、５５の少なくとも一部に放熱部材１３を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板上に複数の変位素子が設けられてなる圧電アクチュエータであって、前記振動板の少なくとも一部に放熱部材を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記放熱部材は、前記複数の変位素子が配置されている領域よりも平面方向に広範囲に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記放熱部材が、熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記変位素子が、表面に設けられた個別電極と、内部電極とで圧電セラミック層を挟持してなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
変位素子密度が５０個／ｃｍ２以上であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれか記載の圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータの有する少なくとも前記個別電極に接続されたフレキシブルフラットケーブルと、液体吐出口を有する液体加圧室が設けられ、該液体加圧室と前記個別電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記振動板に取り付けられた流路部材とを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ及び液体吐出装置に関し、特に、放熱性を高めることのできる圧電アクチュエータと、それを備えた液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、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やインクジェット記録ヘッド（液体吐出装置）として応用されている。
【０００４】
図４は液体吐出装置の断面図である。インクジェット方式を利用した液体吐出装置は、例えば図４（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ５１が、流路部材５３の上に設けられ構成されている。
【０００５】
流路部材５３は、複数の液体加圧室５３ａが隔壁５３ｂによって仕切られ、液体加圧室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。
【０００６】
圧電アクチュエータ５１は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板５５上に圧電セラミック層５４が設けられ、その圧電セラミック層５４の上面側に個別電極５６が設けられている。
【０００７】
個別電極５６は、図４（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、複数の圧電変位部である変位素子５７を形成するとともに、前記液体加圧室５３ａの直上に各々位置するように配置されている。
【０００８】
上記のように構成された液体吐出装置は、共通電極５５と所定の個別電極５６との間に電圧を印加して該個別電極５６直下の圧電セラミック層５４を変位させることにより、液体加圧室５３ａ内の液体を加圧して、流路部材５３の底面に開口した液体吐出口５８より液滴を吐出する（例えば、特許文献１）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような液体吐出装置に用いられる圧電アクチュエータ５１は、変位素子５７が変位する際に発熱することが知られているが、特に駆動周波数の高まりによって発熱量が大きくなり、このため圧電セラミック層５４に脱分極が起こり変位量が低下し耐久性が劣化するという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、脱分極が起こり難くかつ高耐久性を有する圧電アクチュエータ及びそれを用いた液体吐出装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のような課題について鋭意検討した結果、圧電アクチュエータを構成する振動板の少なくとも一部に放熱部材を設けることにより、変位素子を駆動する際の周波数を大きくしても、圧電アクチュエータの発熱による温度上昇を抑制し、圧電アクチュエータの脱分極による変位量の低下を防止することができ、また耐久性の高い圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供するという目的を達成できることを見出した。
【００１３】
即ち、本発明の圧電アクチュエータは、振動板上に複数の変位素子が設けられてなる圧電アクチュエータであって、前記振動板の少なくとも一部に放熱部材を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、上記圧電アクチュエータでは、前記放熱部材は、前記複数の変位素子が配置されている領域よりも平面方向に広範囲に形成されていることが望ましく、熱伝導率は１５Ｗ／ｍＫ以上であることが望ましい。
【００１５】
また、上記圧電アクチュエータでは、前記変位素子が、表面に設けられた個別電極と内部電極とで圧電セラミック層を挟持してなることが好ましく、特に、変位素子の密度が５０個／ｃｍ２以上であることが望ましい。
【００１６】
本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータの有する少なくとも前記個別電極に接続されたフレキシブルフラットケーブルと、液体吐出口を有する液体液体が設けられ、該液体液体と前記個別電極との位置を揃えて、前記圧電アクチュエータの有する最下層の前記振動板に取り付けられた流路部材とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電アクチュエータおよび液体吐出装置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ものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【００１８】
本発明の圧電アクチュエータ１は、振動板３上に、複数の変位素子５が設けられ構成されている。変位素子５は、共通電極７、圧電セラミック層９および個別電極１１が、この順に積層され、圧電セラミック層９の表面上において２次元的かつ規則的に複数配列され構成されている。そして、振動板３は、少なくともその一部に放熱部材１３を設けることが重要である。
【００１９】
この放熱部材１３は、圧電アクチュエータ１を構成する複数の変位素子５のいずれからの熱をも逃がしやすくするという点で前記複数の変位素子５が配置されている領域よりも広範囲に形成されていることが望ましい。
【００２０】
また、この放熱部材１３は、圧電アクチュエータ１からの熱を逃がしやすくするという点で、より変位素子５に近いところに配置されることが望ましいが、圧電アクチュエータ１の反りを抑制するという理由から、変位素子５を構成する共通電極７に対して厚み方向に略対称の配置とすることが望ましい。ここで本発明における略対称の配置とは、圧電アクチュエータの上面から共通電極７までの間隔ｔ１と、下面からの放熱部材１３までの間隔ｔ２との比ｔ１／ｔ２が０．８〜１．２の範囲にある場合をいう。
【００２１】
図２は、他の圧電アクチュエータを示す概略平面図であり、（ａ）は、本図（ｂ）、（ｃ）の該当箇所を示す圧電アクチュエータの概略平面図、（ｂ）は振動板の周縁部に形成した放熱板を示す概略断面図、（ｃ）は振動板の側面部に形成した放熱板を示す概略断面図である。図２に示すように、本発明では、放熱部材１３は振動板３の略全面に形成するだけでなく、所望の放熱性が得られる範囲で一部の箇所に形成しても良い。例えば、振動板３の周縁部や側面部に形成することもできる。
【００２２】
放熱部材１３の厚みは、放熱性を高めるという点で、２μｍ以上、特に５μｍ以上、更には８μｍ以上であることが好ましいが、共通電極７との厚み方向の対称性を高め、圧電アクチュエータ１の反りを抑制するという理由から、上限としては、２０μｍ以下、特に、１０μｍ以下がより好ましい。
【００２３】
放熱部材１３の熱伝導率は、１５Ｗ／ｍＫ以上、特に、１５０Ｗ／ｍＫ以上、さらには２５０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。
【００２４】
このような放熱部材１３としては、具体的には、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属又は合金、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスを好適に用いることができる。これらの中でも、高い熱伝導率を有しかつ低コストである点でＣｕが好ましい。また、共通電極としてＡｇ−Ｐｄを用い、製造コストの安価な大気中での焼成が行えるという理由から、ＡｇやＰｄ、あるいはそれらの合金を用いることが好ましい。さらには、高い熱伝導率を有するとともに熱膨張係数がＰＺＴに近いという点でＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３が好ましい。
【００２５】
本発明の圧電アクチュエータ１の厚みは、振動板３、共通電極７、圧電セラミック層９および個別電極１１を含めた厚みを示すものであり、１００μｍ以下であることが好ましい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、また、低電圧で高効率の駆動を実現できる。従って、特に最近のカラープリンタの性能向上に伴う高速化及び高精度化の要求に対して、本発明においては、１００μｍ以下の厚みにすることにより、その要求に対応することができ、圧電アクチュエータ１及びそれを用いた液体吐出装置の高性能化に寄与することができる。特に、圧電アクチュエータ１としての特性をさらに高めるため、その厚みは８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が好ましい。
【００２６】
また、圧電アクチュエータ１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、３０μｍ、より好適には４０μｍであることが好ましい。
【００２７】
圧電セラミック層９の厚みは、上記したように高い変位を有するという点および小型薄型化という点で、好ましくは２０μｍ以下にするのがよく、取扱中や作動中に破損しない程度の機械的強度を有し、印加される電圧に耐えうるようにするために、より好ましくは１０〜２０μｍの範囲であるのがよい。
【００２８】
共通電極７の厚みは０．５μｍ以上、好ましくは、１μｍ以上であるのがよい。これにより、圧電アクチュエータ１の剛性を向上させて反り変形の抑制効果をさらに高めることができる。
【００２９】
本発明の圧電アクチュエータ１を構成する圧電セラミック層９には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛化合物（ＰｂＺｒＴｉＯ３系化合物（ＰＺＴ系））、チタン酸鉛化合物、チタン酸バリウム化合物などのペロブスカイト結晶構造型の圧電材料が好適に用いられる。これらのうち、大きな変位を得られるという点で、ＰＺＴ系を用いるのが好ましい。
【００３０】
本発明の圧電アクチュエータ１を構成する振動板３としては、種々のセラミックスや金属あるいはこれらの複合体を用いることができるが、前記圧電セラミック層９との接合強度を高めかつ熱膨張係数差を小さくできるという点で、振動板３にも前記圧電セラミック層９と同一材料を使用することが望ましく、特に、これらの変位素子５および振動板３を構成する圧電セラミック層９は同時焼成により形成されることが両層の振動モードを単一化するという点および両層の接合強度を高めるという点から望ましい。
【００３１】
変位素子５および振動板３を構成する圧電セラミック層９は、それぞれ１層で構成されていてもよく、複数の層から構成されていてもよい。
【００３２】
本発明の圧電アクチュエータ１では、上記放熱部材１３の放熱性を高めるために、接合されている振動板３中に、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３の群から選ばれる少なくとも１種のフィラー粉末を含有させることもできる。
【００３３】
個別電極１１としては、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属またはこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金などを用いるのが好ましく、薄層化しても高い導電性が得られるという点で、特にＡｕを用いるのがより好ましい。
【００３４】
共通電極７としても、個別電極１１も同様、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属またはこれらの少なくとも１種以上を主成分とする合金などを用いるのが好ましいが、密着強度を高めるという点で、特にＡｇ−Ｐｄ合金に、さらに、圧電セラミック層９と同一材料を添加して用いるのがより好ましい。
【００３５】
次に、本発明の圧電アクチュエータの製造方法について説明する。
【００３６】
まず、前記した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を主成分とする圧電セラミック粉体を準備する。この圧電セラミック粉体の平均粒径は１μｍ以下であることが望ましく、特に０．７μｍ以下、更には０．５μｍ以下であることが好ましい。圧電セラミック粉体の平均粒径を１μｍ以下にすることにより焼結時の均一な焼成収縮が得られ均質な圧電セラミック層を得ることができる。この圧電セラミック粉末と有機バインダ成分を混合し、シート成形用のスラリを調製する。ついで、この成形用スラリを用いてロールコータ法、スリットコータ法、ドクターブレード法等の一般的なシート成形法によりグリーンシートを作製する（成形工程）。
【００３７】
次に、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）。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、静水圧加圧法等を用いることができる。このように、シート成形後にグリーンシートの加圧処理を行うことで、シートの密度を高め、厚みばらつきや密度ばらつきを低減することができる。
【００３８】
加圧圧力は、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。ここで加圧工程によって得られた各グリーンシートの厚みばらつきは１５％以下、特に１０％以下にすることが、焼成後に形成される圧電セラミック層９の厚みばらつきや、それらが積層されて形成される変位素子５の厚みばらつきを低減するとともに反り変形を防止することが容易となる。
【００３９】
次に、前記した電極材料からなる導体ペーストを用いて、加圧工程で得られたグリーンシートの一方の面に、焼成後に、共通電極７となる金属パターンをスクリーン印刷により形成する。この場合の厚みは２〜５μｍ、厚みばらつき（あるいは差）は１〜２μｍになるように調整することが望ましい。
【００４０】
本発明において、圧電アクチュエータ１を構成する放熱部材１３は、振動板３として圧電セラミックス層７を適用する場合、焼成後に振動板３の圧電セラミック層７となるグリーンシート上に放熱部材１３を介装させて前記変位素子５の圧電セラミックス層９となるグリーンシートと同時焼成して形成される。つまり、焼成後に圧電セラミックス層９となるグリーンシート上に、焼成後に放熱部材１３となるペーストを印刷する。この場合の放熱部材１３となるペースト膜は、面一な膜状であることが放熱性を高めるという点で望ましいが、所望の放熱性が得られる範囲でペースト膜をグリーンシート上に点在させても良い。
【００４１】
次に、得られたグリーンシートを例えば図１に示す構成で積層し、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、加圧だけで密着させる方法等を例示できる。
【００４２】
積層工程で得られた積層成形体は、所望の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、酸素雰囲気中において、９００〜１２００℃において焼成し、図１に示したような圧電アクチュエータ１を得る（焼成工程）。
【００４３】
なお、本発明の圧電アクチュエータ１を作製する焼成工程においては、積層工程で得られた積層成形体をジルコニアもしくはマグネシアからなる試料台板を介して複数段積みにし、さらに、この段積みされた積層成形体上に重しを置いて焼成することが望ましい。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、圧電アクチュエータ１の反り変形が抑制され、厚み１００μｍ以下の薄層の焼結体からなる圧電アクチュエータ１を提供できる。
【００４４】
なお、本発明の圧電アクチュエータ１を構成する個別電極１１は、上記したように共通電極７とともに同時焼成する場合に限らず、共通電極７を内層した積層成形体を焼成した後に、個別電極１１を焼き付けで形成することもできる。この場合も、金属成分としては上記した種々の金属を好適に用いることができる。
【００４５】
また、変位素子５と振動板３に同じく圧電セラミックス層９を用いる場合においては、予め別々に焼成して形成した変位素子５と振動板３とを、放熱板１３とともに接合剤を用いて接合して形成することもできる。
【００４６】
さらには、上記のように変位素子５と振動板３とを焼成後に接合する工法においては、振動板３として、熱膨張係数が近ければ、圧電セラミックス層９以外のセラミックスや金属の部材を用いることもできる。
【００４７】
この場合のセラミックスとしては、例えば、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等、金属としては、Ｗ、Ｍｏ、４−２アロイ等が挙げられる。
【００４８】
図３は、本発明の圧電アクチュエータを備えた液体吐出装置を示す断面図である。同図に示すように、この液体吐出装置は、圧電アクチュエータ１を構成する振動板３側を、液体吐出口２１を有する複数の液体加圧室２３が隔壁２４を介して配列された流路部材２５上に、液体加圧室２３と個別電極１１との位置を揃えて取り付けられ、一方。個別電極１１側には制御回路と結線するフレキシブルフラットケーブル（図示なし）が設けられている。
【００４９】
そして、この圧電アクチュエータ１では圧電振動に伴って振動板３も変位素子５に当接する部位を中心にして変位をし、液体加圧室２３の容積を変化させるため、その時に発生する圧力で液体加圧室２３に溜めてある液体を液体吐出口２１から吐出させることができる。
【００５０】
流路部材２５は、厚さ３０〜１００μｍ程度の複数の金属箔で構成される積層体からなり、各金属箔にエッチングや金型による打ち抜き等によって液体加圧室２３、液体吐出口２１、隔壁２４等がそれぞれ形成される。使用する金属箔としては、例えばステンレス箔、アルミニウム箔、モリブデン箔などがあげられる。このような液体吐出装置では、薄型であっても反り変形が矯正された圧電アクチュエータ１を備えているので、液体吐出量のばらつきを低減することができる。
【００５１】
以上、本発明の実施形態について示したが、本発明は上述した実施形態のみに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更や改良したものにも適用できることは言うまでもない。
【００５２】
例えば、上記実施形態では、共通電極７を１層設けた場合について説明したが、
必要に応じて２層以上設けることもできる。同様に、放熱部材１３も２層以上設けてもよい。
【００５３】
【実施例】
以下のようにして試料Ｎｏ．１〜１１の圧電アクチュエータを作製した。
【００５４】
まず、平均粒径が０．５μｍのＰｂＺｒＴｉＯ３系粉末とバインダとそのバインダを溶解する有機溶剤とを所定量混合してスラリを調製し、このスラリを用いてロールコータ法にて厚み２５μｍのグリーンシートを作製した。ついで、Ａｇ−Ｐｄ（混合比は質量比で７：３）粉末と有機粘結剤と溶媒とを所定量混合して導電性ペーストを調製した。
【００５５】
次に、得られたグリーンシートの表面に導電性ペーストを印刷して、焼成後に共通電極となるパターンを形成した。
【００５６】
次に、振動板として上記のグリーンシートを用い、このグリーンシートを同時焼成して得られる複数の圧電セラミックス層間、あるいは、この圧電セラミックス層の側面に放熱部材を形成する場合には、表１に示す成分を同表に示す形状になるようにスクリーン印刷、もしくは履け塗りにて形成した。尚、本実施例にて使用した放熱部材の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）は、Ａｇ−Ｐｄが２５０、Ｃｕが３８０、Ａｌ２Ｏ３が１５、ＡｌＮが１８０およびＳｉＣが１５０であった。
【００５７】
次いで、上記のグリーンシートを、変位素子を構成する圧電セラミックス層の層数を１層、振動板を構成する圧電セラミックス層の層数を２層とした母体積層体を形成し、この母体積層体を切断して積層体を形成し、酸素雰囲気中、１０００℃、２時間の焼成を行い圧電アクチュエータ本体を形成した。このとき圧電セラミックス層の厚みは２０μｍ、共通電極の厚みは２μｍであった。放熱部材の厚みは表１に示す厚みになるように調整した。また、圧電アクチュエータの上面から共通電極７までの間隔ｔ１と、下面からの放熱部材１３までの間隔ｔ２との比ｔ１／ｔ２を１とした。
【００５８】
次に、この圧電アクチュエータ本体の一方の面にＡｕを主成分とする金属ペーストを印刷して７３０℃で焼付けを行い、図１に示したような圧電アクチュエータを作製した。個別電極の厚みは１μｍであった。また、試料面積は１５ｍｍ×２０ｍｍであった。個別電極の密度は５０個／ｃｍ２とした。
【００５９】
この後、共通電極と個別電極間に３ｋＶ／ｍｍの直流電界を１５分間印加して分極処理を行った。圧電アクチュエータの変位量は共通電極と個別電極間に２０Ｖの直流電圧を印加し、さらにこの圧電アクチュエータに室温において０〜＋２０ＶのＳｉｎ駆動波形を２０ｋＨｚの周波数にて印加して１×１０９サイクルまで駆動した際の変位量を測定すると共に、そのばらつき（σ／ｘ）を求めた。その結果を表１に示す。
【００６０】
なお、比較のため、振動板の少なくとも一部に放熱部材を形成していない試料を作製して本発明の試料と同様の評価を行い、その結果を表１に併せて示した。
【００６１】
【表１】
2005027402.tif 000003
【００６２】
表１から明らかなように、振動板の少なくとも一部に放熱部材を設けた試料Ｎｏ．２〜１１では、最大変位量を６９ｎｍ以上、変位量のばらつきを１３％以下とすることができた。特に、放熱部材の熱伝導率を１５０Ｗ／ｍＫ以上とした試料Ｎｏ．２〜８、１０、１１では、最大変位量を７２ｎｍ以上、変位量のばらつきを１０％以下にまで低減できた。一方、振動板の少なくとも一部に放熱部材を設けなかった試料Ｎｏ．１では、最大変位量が６６ｎｍと小さく、変位量のばらつきが３０％と高かった。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電アクチュエータを構成する振動板の少なくとも一部に放熱部材を設けることにより、変位素子を駆動する際の周波数を大きくしても、圧電アクチュエータの発熱による温度上昇を抑制し、圧電アクチュエータの脱分極による変位量の低下を防止することができ、また耐久性の高い圧電アクチュエータ及び液体吐出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本実施形態の圧電アクチュエータを示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【図２】図２は、他の圧電アクチュエータを示す概略平面図であり、（ａ）は、本図（ｂ）、（ｃ）の該当箇所を示す圧電アクチュエータの概略平面図、（ｂ）は振動板の周縁部に形成した放熱板を示す概略断面図、（ｃ）は振動板の側面部に形成した放熱板を示す概略断面図である。
【図３】本発明の液体吐出装置の概略断面図である。
【図４】従来の液体吐出装置の構造を示すもので、（ａ）概略断面図、（ｂ）平面図である。
【符号の説明】
１、５１・・・圧電アクチュエータ
３、５５・・・振動板
５、５７・・・変位素子
７・・・・・・共通電極
９、５４・・・圧電セラミック層
１１、５６・・個別電極
１３・・・・・放熱部材
２１、５８・・液体吐出口
２３、５３ａ・液体加圧室
２４、５３ｂ・隔壁
【図１】
2005027402.tif 000004
【図２】
2005027402.tif 000005
【図３】
2005027402.tif 000006
【図４】
2005027402.tif 000007