(57)【要約】【課題】大きな変位量を有する圧電アクチュエータおよびこれを備えた液体吐出装置を提供すること。【解決手段】振動板２上に、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６がこの順に積層され、表面電極６が圧電セラミック層５の表面に複数配列された圧電アクチュエータ１であって、表面電極６の平面形状が略円形又は五角形以上の多角形である。また、この圧電アクチュエータ１８を、加圧室部材１３上に、液体加圧室１４と表面電極６との位置を揃えて取り付けた液体吐出装置であり、液体加圧室１４の平面形状が、表面電極６と略相似形である。【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、共通電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層され、前記表面電極が前記圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記表面電極の平面形状が略円形又は五角形以上の多角形である圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記表面電極の平面形状における長さをａ、幅をｂとするとき、０．７≦ｂ／ａ≦１．０であ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。
【請求項３】
前記表面電極の平面形状が、正六角形以上の正多角形であ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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、液体吐出口を有する複数の液体加圧室が配列された加圧室部材上に、前記液体加圧室と前記表面電極との位置を揃えて取り付けた液体吐出装置であって、
前記液体加圧室の平面形状が、前記表面電極と略相似形である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およびこれを備えた液体吐出装置に関し、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およびこれを備えた液体吐出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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４（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ２１が、加圧室部材２３の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。加圧室部材２３は、それぞれ下部に液体吐出口２８が形成された複数の液体加圧室２３ａが隔壁２３ｂによって仕切られることにより設けられ、この液体加圧室２３ａは圧電アクチュエータ２１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２１は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板２５上に圧電セラミック層２４が積層され、この圧電セラミック層２４の上に複数の表面電極２６が設けられている。通常、表面電極２６は、図４（ｂ）に示したように、長方形の形状をしており、圧電セラミック層２４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部２７が形成されたものである。この圧電アクチュエータ２１は、液体加圧室２３ａの直上に表面電極２６が位置するようにして加圧室部材２３上に配置されている。
【０００６】
また、図５に示すように、平行四辺形からなる表面電極３１を有し、圧電セラミック層２９上に表面電極３１を等ピッチで多数並設し、変位素子３０を多数設けた印刷ヘッドも用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９２８６０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような表面電極は細長い形状の為、通電した際に撓み変形量が小さくなり、大きな変位量を確保するためには、圧電定数の大きな圧電材料が必要であったり、振動板の厚さを薄くする必要があり、技術的に困難であるという問題があった。また、表面電極の最密充填が出来ない為にヘッドの小型化が出来ないという問題があった。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、大きな変位量を有する圧電アクチュエータおよびこれを備えた液体吐出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の圧電アクチュエータは以下の構成からなる。
（１）振動板上に、共通電極、圧電セラミック層および表面電極がこの順に積層され、前記表面電極が前記圧電セラミック層の表面に複数配列された圧電アクチュエータであって、前記表面電極の平面形状が略円形又は五角形以上の多角形である圧電アクチュエータ。
（２）前記表面電極の平面形状における長さをａ、幅をｂとするとき、０．７≦ｂ／ａ≦１．０であることを特徴とする（１）記載の圧電アクチュエータ。
（３）前記表面電極の平面形状が、正六角形以上の正多角形であることを特徴とする（１）又は（２）記載の圧電アクチュエータ。
【００１１】
前記（１）〜（３）に記載の圧電アクチュエータは、特に、液体吐出装置に好適である。すなわち、本発明の液体吐出装置は以下の構成からなる。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、液体吐出口を有する複数の液体加圧室が配列された加圧室部材上に、液体加圧室と表面電極との位置を揃えて取り付けた液体吐出装置であって、液体加圧室の平面形状が、表面電極と略相似形であることを特徴とする液体吐出装置。
【００１２】
前記（１）、（３）記載の圧電アクチュエータによれば、表面電極の形状を略円形又は五角形以上の多角形にすることで、通常の矩形状の表面電極を使用した場合に比べて、通電時の撓み変形量を大きくすることができ、それにより変位量の大きな圧電アクチュエータを得ることができる。また、表面電極が略円形又は五角形以上の多角形に形成されていることにより、表面電極を高密度に配置することができ、圧電アクチュエーターを小型化できる。
【００１３】
前記（２）記載の圧電アクチュエータにおいて、長さａおよび幅ｂは、表面電極の平面形状により異なる。表面電極の平面形状が円形の場合、長さａと幅ｂの値は同じであり、ｂ／ａ＝１である。平面形状が楕円形の場合、長さａとは長軸の長さであり、幅ｂとは短軸の長さである。また、平面形状が五角形以上の多角形である場合、長さａとは長さ方向の最長部であり、幅ｂとは幅方向の最長部である。
【００１４】
前記（４）記載の液体吐出装置は、液体加圧室の平面形状が、略円形又は五角形以上の多角形である表面電極と略相似形であることにより、大きな変位量を確保することができ、安定した液体吐出性能を得ることができる。また、表面電極および液体加圧室を高密度に配置して液体吐出装置を小型化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータについて図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本実施形態の圧電アクチュエータを示す概略断面図および平面図である。同図に示すように、圧電アクチュエータ１は、振動板２上に共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６がこの順に積層され、円形の表面電極６が圧電セラミック層４の表面に複数配列されており、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６により圧電変位素子７が形成されている。この圧電変位素子７は、共通電極５と表面電極６との間に電圧を印加することにより撓み変形する。
【００１６】
表面電極６は、図１（ｂ）に示すように、円形状に形成されており、圧電セラミック層４の表面に等間隔で複数配置されている。表面電極６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。表面電極６の厚みは、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、好ましくは０．２〜１．０μｍであるのがよい。
【００１７】
圧電アクチュエータ１の厚みＴは、振動板２と圧電変位素子７の総厚みを示すものであり、１００μｍ以下であるのが好ましい。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、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、圧電アクチュエータ１としての特性を十分に発揮できる点で、好ましくは８０μｍ以下、より好ましくは６５μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下であるのがよい。一方、厚みＴの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱いおよび作動中の破壊を防止するため、３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは２０μｍであることがよい。
【００１８】
圧電セラミック層４の厚みは、５０μｍ以下であるのが好ましい。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、低電圧で高効率の駆動を実現できる。特に、圧電アクチュエータ１としての特性を十分に発揮できる点で、好ましくは２５μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下であり、下限は１μｍ、好ましくは３μｍ、より好ましくは５μｍであるのがよい。
【００１９】
圧電セラミック層４としては、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（層状ペロブスカイト型化合物）、タングステンブロンズ型化合物、およびＮｂ系ペロブスカイト型化合物（Ｎｂ酸ナトリウムなどのＮｂ酸アルカリ化合物（ＮＡＣ）、Ｎｂ酸バリウムなどのＮｂ酸アルカリ土類化合物（ＮＡＥＣ））、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）、チタン酸鉛等のペロブスカイト型化合物を含有する物質を例示できる。
【００２０】
共通電極５および表面電極６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、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１３と同一材料（例えばペロブスカイト結晶構造型の圧電セラミック）を微量添加して用いるのがより好ましい。
【００２１】
振動板２としては、圧電セラミック層４の材料として上記で例示したものと同様のものを使用することができる。振動板２の厚みは、５０μｍ以下、好ましくは２５μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下であるのがよく、下限は１μｍ、好ましくは３μｍ、より好ましくは５μｍ、さらに好ましくは２０μｍであるのがよい。
【００２２】
次に、本発明の圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。
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主成分とするグリーンシートを必要枚数作製する。この得られた振動板２となるグリーンシートの一方の表面に、前記した電極材料からなる導体ペーストを用いて、焼成後に共通電極５となる金属パターンをスクリーン印刷により形成する。
【００２３】
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。さらに、この積層体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成して圧電アクチュエータ本体を形成する。
【００２４】
最後に、この圧電セラミック層４の表面にスクリーン印刷により導電ペーストを印刷して所定の位置に表面電極パターンを形成し、６００〜８５０℃程度で熱処理する。これにより圧電アクチュエータ１８を得ることができる。
【００２５】
なお、上記実施形態では、円形の表面電極６を使用したが、圧電セラミック層４の表面に高密度に配置することができる限りは円形に限定されるものではなく、楕円形の表面電極を使用してもよい。また、例えば図２に示す正六角形の表面電極９のように、五角形以上の多角形、好ましくは正六角形以上の正多角形の表面電極を使用してもよい。
【００２６】
このような平面形状が略円形又は五角形以上の多角形の表面電極を使用した場合、長さをａ、幅をｂとするとき、０．７≦ｂ／ａ≦１．０、好ましくは０．８≦ｂ／ａ≦１．０であるのがよい。これにより、撓み変形量を大きくすることができ、それにより変位量の大きな圧電アクチュエータを得ることができる。この長さａおよび幅ｂは、上述したように、表面電極の平面形状によってそれぞれ異なる。
【００２７】
また、上記製造方法では、圧電セラミック層４および振動板２がそれぞれ１層ずつ形成された圧電アクチュエータを例に挙げて説明したが、本発明では圧電セラミック層および振動板の積層数は上記に限定されるものではなく、それぞれ２層以上としてもよい。
【００２８】
次に、本発明の圧電アクチュエータ１を備えた液体吐出装置について説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施形態にかかる液体吐出装置を示す断面図および平面図である。図３（ａ）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、液体吐出口１２を有する複数の液体加圧室１４が配列された加圧室部材１３上に、液体加圧室１４と表面電極６との位置を揃えてエポキシ樹脂などにより接合したものである。加圧室部材１３は、隔壁１５により仕切られて液体加圧室１４が配置されて構成されている。
【００２９】
加圧室部材１１は、厚み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１４、液体吐出口１２、隔壁１５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。また、加圧室部材１１は、シリコンなどで形成することもできる。
【００３０】
液体加圧室１４は、図３（ｂ）に示すように、表面電極６と略相似形に形成されている。これにより、電圧を印加した際に、変位量のばらつきを抑えることができる。また、表面電極６および液体加圧室１４を高密度に配置することができるため、液体吐出装置を小型化することができる。
【００３１】
圧電アクチュエータ１の上部には、フレキシブル配線基板（図示せず）が配設され、接続端子を介して表面電極６と接続されている。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。
【００３２】
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。例えば、本発明の圧電アクチュエータは、上記した液体吐出装置の他、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、圧電共振子、発振器、超音波モーター、超音波振動子、フィルタなどに適用することができる。
【００３３】
【実施例】
以下のようにして試料Ｎｏ．１〜６の圧電アクチュエータを作製した。
まず、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圧電材料のスラリを調製し、このスラリを用いてロールコータ法にてグリーンシートを作製した。一方、Ａｇ−Ｐｄ混合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。
【００３４】
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スクリーン印刷により印刷して、焼成後に共通電極および導体層となるそれぞれの金属パターンを形成した。ついで、導電性ペーストを印刷したグリーンシートを所定の総数積層、加熱加圧して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、酸素雰囲気中で焼成を行い圧電アクチュエータ本体を形成した。この圧電アクチュエータを流路部材に接着剤にて接合し、図３に示すようなインクジェット記録ヘッドを得た。
【００３５】
次に、この圧電アクチュエータ本体の一方の表面にＡｕを主成分とする金属ペーストを印刷して焼付けを行って複数の表面電極を形成し、圧電アクチュエータを作製した。試料Ｎｏ．１は、表面電極はほぼ真円（ｂ／ａ＝１）であり、試料Ｎｏ．２〜６は徐々に円形のｂ／ａの値が小さくなるようにした。また、各試料では、表面電極の長さをａ、幅をｂとしたときのｂ／ａの値を表１に示す寸法に調整した。
【００３６】
この後、共通電極と表面電極との間に直流電圧を所定時間印加して分極処理を行った。そして、圧電アクチュエータの変位量は、共通電極と表面電極との間にの直流電圧を印加したときの変位量をレーザー変位計にて測定した。その結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
【発明の効果】
本発明の圧電アクチュエータによれば、圧電セラミック層の表面に複数配列された表面電極が略円形又は五角形以上の多角形であることにより、表面電極に通電した際の撓み変形量を大きくすることができ、それにより変位量の大きな圧電アクチュエータを得ることができるという効果がある。また、表面電極が略円形状に形成されていることにより、表面電極を高密度に配置することができ、圧電アクチュエーターを小型化できる。したがって、この圧電アクチュエータを備えた液体吐出装置では、大きな変位量を確保することができ、安定した液体吐出性能を得ることができる。また、表面電極が略円形状に形成され、かつ液体加圧室の形状が、表面電極と略相似形であることにより、電圧を印加した際に、変位量のばらつきを抑え、表面電極および液体加圧室を高密度に配置して液体吐出装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施形態にかかる圧電アクチュエータを示す断面図および平面図である。
【図２】他の表面電極の配置を示す平面図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施形態にかかる液体吐出装置を示す断面図および平面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は従来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および平面図である。
【図５】従来の圧電アクチュエータにおける表面電極の配置の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１    圧電アクチュエータ
２    振動板
４    圧電セラミック層
５    共通電極
６    表面電極
７    変位素子
１１  加圧室部材
１２  液体吐出口
１３  加圧室部材
１４  液体加圧室
１５  隔壁
【図１】
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【図２】
2005021779.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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