(57)【要約】  【課題】  内部電極の周囲にクラックが生じにくく、剥離が生じにくい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。  【解決手段】  セラミック振動板２上に、変位素子６を形成してなる圧電アクチュエータであって、前記変位素子６と前記セラミック振動板２との境界部に針状粒子を含有せしめたことを特徴とし、また、セラミック振動板２上に、内部電極３、圧電セラミック層４及び駆動電極５をこの順に積層し、前記駆動電極５と前記内部電極３とで前記圧電セラミック層４を挟持して構成される変位素子６を、前記内部電極３及び前記駆動電極５の間に駆動電圧を印加して変位させる圧電アクチュエータであって、前記内部電極３と前記セラミック振動板２との境界部に針状粒子を含有せしめたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック振動板上に、変位素子を形成してなる圧電アクチュエータであって、前記セラミック振動板と前記変位素子との境界部に前記セラミック振動板と前記変位素子とに渡って伸びた針状粒子を配置したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
セラミック振動板上に、内部電極、圧電セラミック層及び駆動電極をこの順に積層し、前記内部電極と前記駆動電極とで前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を、前記内部電極及び前記駆動電極の間に駆動電圧を印加して変位させる圧電アクチュエータであって、前記セラミック振動板と前記内部電極との境界部に前記セラミック振動板と前記内部電極とに渡って伸びた針状粒子を配置したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記針状粒子がセルシアン結晶、炭化珪素結晶、窒化珪素結晶及びアルミナ結晶の少なくとも１種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】
前記針状粒子が結晶粒子の集合体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。
【請求項５】
前記内部電極及び前記セラミック振動板の少なくとも一方がガラスセラミックスを含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記針状粒子の平均長径が前記内部電極の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記内部電極が、前記圧電セラミックスを構成する結晶相を含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記セラミック振動板が圧電セラミックスを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記変位素子が、前記セラミック振動板の上に複数配列して形成されてなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１１】
インクジェット用印刷ヘッドとして用いることを特徴とする請求項１０記載の液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ及び液体吐出装置に関し、より詳しくは、例えば燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、及びＡＥセンサ等の圧電センサなどに適し、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圧電アクチュエータ及び液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電性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。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、圧電方式を利用した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。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。
【０００３】
圧電アクチュエータを利用した印刷ヘッドは、例えば図３示すように、複数の液体流路１０１が並設され、各液体流路１０１を仕切る壁として隔壁１０２を形成した流路部材１０３上に圧電アクチュエータ１０４が設けられた構造を有する（特許文献１参照）。
【０００４】
圧電アクチュエータ１０４は、上面に内部電極１１０が設けられたセラミック振動板１０５上に、圧電セラミック層１０６及び駆動電極１０７がこの順に積層され、駆動電極１０７が圧電セラミック層１０６の表面に複数配列されることにより、複数の変位素子１０８が形成されたものであり、セラミック振動板１０５上に変位素子１０８を複数配置してなるものである。この圧電アクチュエータ１０４は、流路部材１０３上に、液体流路１０１と駆動電極１０７との位置を揃えて取り付けられている。
【０００５】
上記の印刷ヘッドは、内部電極１１０と所定の駆動電極１０７との間に電圧を印加して該駆動電極１０７直下の圧電セラミック層１０６を変位させることにより、液体流路１０１内のインクを加圧して、流路部材１０３の底面に開口したインク吐出口１０９よりインク滴を吐出する。
【特許文献１】特開平１１−３１３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、変位素子１０８を繰り返し変位させると、その変位によって内部電極１１０とそれを挟持する圧電セラミック層１０６及びセラミック振動板１０５とが変形するため、内部電極１１０と隣接するセラミック振動板１０５との界面に大きな応力が加わり、セラミック振動板１０５と変位素子１０８との界面、具体的にはセラミック振動板１０５と内部電極１１０との界面にクラックが生じるという問題があった。
【０００７】
例えば、内部電極１１０が流路部材１０３側に凸に変形する場合には、内部電極１１０とセラミック振動板１０５との境界に応力が集中し、内部電極１１０がセラミック振動板１０５から剥離するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、変位素子とセラミック振動板との境界或いは内部電極の周囲にクラックが生じにくく、剥離が生じにくい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である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電アクチュエータは、セラミック振動板上に、変位素子を形成してなる圧電アクチュエータであって、前記セラミック振動板と前記変位素子との境界部に前記セラミック振動板と前記変位素子とに渡って伸びた針状粒子を配置したことを特徴とするものである。また、本発明の他の圧電アクチュエータは、セラミック振動板上に、内部電極、圧電セラミック層及び駆動電極をこの順に積層し、前記内部電極と前記駆動電極とで前記圧電セラミック層を挟持して構成される変位素子を、前記内部電極及び前記駆動電極の間に駆動電圧を印加して変位させる圧電アクチュエータであって、前記セラミック振動板と前記内部電極との境界部に前記セラミック振動板と前記内部電極とに渡って伸びた針状粒子を配置したことを特徴とするものである。
【００１０】
前記針状粒子がセルシアン結晶、炭化珪素結晶、窒化珪素結晶及びアルミナ結晶の少なくとも１種であることが好ましい。
【００１１】
前記針状粒子が結晶粒子の集合体であることが好ましい。
【００１２】
前記内部電極及び前記セラミック振動板の少なくとも一方がガラスセラミックスを含むことが好ましい。
【００１３】
前記針状粒子の平均長径が前記内部電極の厚みよりも大きいことが好ましい。
【００１４】
前記内部電極が、前記圧電セラミックスを構成する結晶相を含むことが好ましい。
【００１５】
前記セラミック振動板が圧電セラミックスを含むことが好ましい。
【００１６】
前記変位素子が、前記セラミック振動板の上に複数配列して形成されてなることが好ましい。
【００１７】
本発明の液体吐出装置は、上記の圧電アクチュエータを、圧力発生室と、液体流路と、液体吐出口とを有する流路部材上に取り付けてなることを特徴とする液体吐出装置。
【００１８】
インクジェット用印刷ヘッドとして用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、変位素子とセラミック振動板とが接している場合に、その境界部に針状粒子を含有せしめることによって、変位素子とセラミック振動板との間におけるクラックや剥離の発生を抑制する効果がある。また、内部電極がセラミック振動板と当接する場合には、セラミック振動板と内部電極との境界部に針状粒子を含有せしめることによって、セラミック振動板と内部電極との間にクラックや剥離が生じるのを抑制することができる。
【００２０】
特に、内部電極からセラミック振動板に渡って針状粒子が存在するように、針状粒子を配置せしめることによって、セラミック振動板と内部電極との界面での応力に対して容易に耐えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の圧電アクチュエータの一実施形態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拡大概略断面図である。同図に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、セラミック振動板２、内部電極３、圧電セラミックスからなる圧電セラミック層４及び駆動電極５で構成されており、セラミック振動板２上に、内部電極３、圧電セラミック層４及び駆動電極５をこの順に積層したものである。
【００２２】
内部電極２３、駆動電極５は、圧電アクチュエータ１の電極を構成するものであり、駆動電極５は、圧電セラミック層４の表面に複数形成されている。これにより、内部電極３、駆動電極５で圧電セラミック層４を挟持して構成される変位素子６が複数形成される。
【００２３】
そして、圧電セラミック層４を分極し、ついで、内部電極３にリード線を接続すると共に、該リード線を外部電源と電気的に接続し、内部電極３、駆動電極５の間に駆動電圧を印加することにより変位素子６が変位し、圧電アクチュエータ１が駆動する。
【００２４】
セラミック振動板２は絶縁性を有する材料を使用することができる。例えば、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア又はチタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックスを用いることができる。また、金属材料を用い、内部電極３との間に絶縁性部材を挿入して一体化しても良い。
【００２５】
また、セラミック振動板２機械特性を考慮すれば圧電セラミック層４の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料が好ましく、特に圧電セラミック層４と同一又は類似の圧電セラミックスを用いることが好ましい。これにより、セラミック振動板２として、これらの材料の成形体を、圧電セラミック層４や内部電極３等と同時焼成により一体化しても残留応力が大きくなることを抑制することができる。
【００２６】
なお、「類似の圧電セラミックス」とは同一の組成系であって組成が異なるもの、又は同一の組成系に強度向上のための分散粒子や焼結助剤等の添加物を、熱膨張係数が大きく異ならないように、例えば熱膨張係数の増加を１０％以下、特に７％以下さらには５％以下に抑制するように、加えたものである。
【００２７】
圧電セラミック層４は、圧電セラミックスからなるものである。ここで、本発明における圧電セラミックスとは、圧電性を示すセラミックスを意味し、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（ＰＴ）等を含有するペロブスカイト構造化合物、チタン酸バリウム（ＢＴ）等を例示できるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（ＰＴ）が、電極（内部電極２、駆動電極４）との濡れ性を高めると共に、電極との密着強度を高める点で好適である。
【００２８】
特に、本発明では、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ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等のチタン酸ジルコン酸鉛系化合物が、より高い圧電定数ｄ３１を有する安定な圧電焼結体（圧電アクチュエータ１）を得るうえで好ましい。
【００２９】
また、圧電セラミック層４に用いる圧電セラミックスが、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体（圧電アクチュエータ１）を得ることがでる。このような圧電セラミック層４としては、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３を固溶してなるものを例示できる。
【００３０】
また、圧電セラミック層４は、特に、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ことが望ましい。アルカリ土類元素としては、Ｂａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが、正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るうえで有利である。
【００３１】
このような圧電セラミック層４としては、例えば、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）等で表されものを例示できる。
【００３２】
さらに、本発明の圧電セラミック層４を構成する圧電セラミックスは、圧電セラミックスの変位の大きさを示す圧電定数ｄ３１が−１３０ｐｍ/Ｖ以上であることが好ましい。これにより、低電界強度で十分な変位を得ることができる。
【００３３】
また、本発明の圧電セラミック層４を構成する圧電セラミックスの格子定数比ｃ／ａは、１．０１〜１．０１３の範囲であることが、高い変位と耐久性を確保する点で好ましい。本発明では、変位バラツキを抑制する点で１．０１２〜１．０１４の範囲が特に好ましい。なお、ｃ／ａは、例えば後述のように、ＸＲＤからａ軸の格子定数とｃ軸の格子定数の比率を求めることができる。
【００３４】
さらに、上記圧電性セラミックスは、耐久性向上のために、その結晶平均粒子径が１．０〜２．０μｍであることが好ましい。平均粒子径が２．０μｍを超えると、変位に対する分域回転の寄与率が増加する。分域回転による変位は、圧縮応力の影響を受けやすく、変位劣化が大きくなるので好ましくない。本発明では、特に、平均粒子径が１．２〜１．８μｍであることが、磁器強度向上のために好ましい。なお、結晶平均粒子径は、例えば後述のように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で写真撮影し、インターセプト法により求めることができる。
【００３５】
内部電極３は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属またはこれらのうち少なくとも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４と同じ材料（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。
【００３６】
圧電アクチュエータ１の表面に設けられた外部接続部（不図示）、内部電極３と外部接続部とを電気的に連結するためのビア電極（不図示）も、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ことができ、好ましくはＡｕまたはＡｇを主成分とする金属（若しくは合金）であるのがよい。
【００３７】
内部電極３の厚みとしては、導電性を有し且つ界面でのクラック発生や剥離発生を抑制するために、０．５〜７μｍ程度、特に１〜５μｍ、更には１．５〜３μｍが好ましい。なお、本発明における内部電極３の厚みとは、導電性材料の厚みを示すものであり、結晶粒径の大きなセラミックスを含有していても、導電性材料の厚みがセラミックスより小さい場合は導電性材料の厚みが内部電極３の厚みとなる。
【００３８】
駆動電極５の厚みとしては、導電性を有し且つ変位を妨げない程度に設定するのが好ましく、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、特に１〜４μｍが好ましい。
【００３９】
本発明では、セラミック振動板２と変位素子６との境界部に針状粒子を含有せしめること、即ち、セラミック振動板２と内部電極３との境界部にセラミック振動板２と内部電極３とに渡って伸びた針状粒子を介在せしめることが重要である。これによって、セラミック振動板２と内部電極３との間、即ちセラミック振動板２と変位素子６との間にクラックや剥離が生じるのを抑制する効果がある。つまり、針状粒子がセラミック振動板２と内部電極３とが剥離しようとするさいに補強材としての役割を果たし、セラミック振動板２と内部電極３との界面での応力によるクラックや剥離に対して抵抗力を高める効果があると考えられる。
【００４０】
本発明によれば、セラミック振動板２と内部電極３との境界部に針状粒子を介在させれば良いが、そのためには少なくともセラミック振動板２と内部電極３との一方に針状粒子を含有させる必要があり、特にセラミック振動板２と内部電極３との双方に針状粒子を含有せしめることによって、セラミック振動板２と内部電極３との界面に針状粒子を存在せしめることが、セラミック振動板２と内部電極３との境界部に針状粒子を確実に配置することができる。
【００４１】
なお、本発明における境界部とは、セラミック振動板２と内部電極３との境界付近を意味するものであり、具体的には境界から内部電極３側とセラミック振動板２側とにそれぞれ約０．１μｍの領域を言う。また、本発明における針状粒子とは、セラミック振動板２と内部電極３とを連結する楔のように働いているものと考えられる。従って、針状粒子は一方向に長い形状、例えば円柱形状、多角形形状及びこれらに近似した形状であることが好ましく、セラミック振動板２と内部電極３とを強固に連結するためには、短径に対する長径の比であるアスペクト比を３以上、特に５以上、さらには７以上にすることが好ましい。
【００４２】
針状粒子としては、針状結晶であっても結晶粒子の集合体であっても良い。針状結晶としてはセルシアン結晶、炭化珪素結晶、窒化珪素結晶及びアルミナ結晶を例示でき、これらの少なくとも１種を用いることができる。
【００４３】
炭化珪素結晶はα型炭化珪素を、窒化珪素結晶はα型窒化珪素を、アルミナ結晶はα型アルミナを用いることができる。これらをウィスカーとして成形体中の内部電極３及びセラミック振動板２となる部位の少なくとも一方、好ましくは両方に加え、焼成し、境界部に針状粒子であるウィスカーを配置することができる。このような異方性結晶、特にウィスカーを用いることによってセラミック振動板２と内部電極３とを連結する効果を高めることができる。
【００４４】
なお、上記の針状粒子を内部電極３に含有せしめると、セラミック振動板２と内部電極３との密着力を高めるのに加えて、内部電極３と圧電セラミックス層４との密着性も強化することができる。即ち、針状粒子が内部電極３と圧電セラミック層４との境界部にも針状粒子が存在し、内部電極３と圧電セラミック層４との密着性を高めることが可能となる。
【００４５】
また、セルシアン（ＢａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８）結晶はアスペクト比が３以上の結晶を成形体中に直接加えても良いが、ガラスセラミックスとして成形体中に加え、焼成中にセルシアン結晶を析出させることが好ましい。焼成中に針状結晶を析出させると、長軸の成長する方向が特定の方向に偏らず、あらゆる方向に長軸方向が向くためより強固な連結を行うことが容易になる。
【００４６】
このようにガラスセラミックスをセラミック振動板２と内部電極３との界面部に介在させるためには、成形体中の内部電極３及びセラミック振動板２となる部位の少なくとも一方にガラスセラミックスを加えておき、ガラスに流動性を持たせる温度で焼成すれば境界部にガラスが浸透又は拡散し、境界部に針状結晶を析出せしめることができる。
【００４７】
特に、ガラスセラミックスを内部電極３に含有せしめると、内部電極３と圧電セラミックス層４との境界部にもガラスが浸透又は拡散し、境界部に針状結晶を析出する。これにより内部電極３と圧電セラミック層４との境界部に針状粒子が存在し、これらの密着性を高めることも可能となる。
【００４８】
ガラスセラミックスを成形体中の内部電極３及びセラミック振動板２となる部位の両方に加えておき、セラミック振動板２と内部電極３との双方に針状結晶を析出せしめることによって、境界部の連結をより強固にしやすくせしめるのみならず、内部電極３自体及びセラミック振動板２自体の強度も高めることができ、圧電アクチュエータ１の寿命低下を抑制する点で効果的である。
【００４９】
例えば、ＳｉＯ２を１０〜３５質量％、Ａｌ２Ｏ３を１〜２０質量％、ＭｇＯ又はＺｎＯを０．６〜２５質量％、Ｂ２Ｏ３を５〜３０質量％及びＢａＯを１０〜４０質量％混合したものを、圧電セラミックスであるＰＺＴに０．５〜２０質量％、特に１〜１質量％、更には３〜１０質量％添加して８００〜１１００℃で焼成し、焼成中にアスペクト比が３以上、特に５以上、更には７以上のセルシアン針状結晶を析出することができる。
【００５０】
なお、ガラスセラミックスとしては、セルシアン針状結晶意外に、ガーナイトやスピネル等の結晶相が析出しても良い。ただ、ガラスセラミックスの含有量を少なくとも導電性材料の含有量とセラミックフィラーの含有量との合計よりも少なくすることが熱膨張係数を圧電セラミックスの熱膨張係数に近似させるてんで好ましい。
【００５１】
針状粒子として用いる結晶粒子の集合体としては、繊維状の炭素繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維又は窒化珪素繊維等を用いることができる。また、酸化チタン粒子、炭化珪素粒子又はアルミナ粒子等のセラミック粒子を押出成形などの成形方法を用いて繊維状に成形したものや、これを焼成したものを用いることも可能である。
【００５２】
針状粒子の平均長径は内部電極３の厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、内部電極とセラミック振動板間の密着力を強化することが容易になる。
【００５３】
内部電極３は、圧電セラミックスを構成する結晶相を含むことが好ましい。例えば、セラミック振動板２に含まれる圧電セラミックスと同じ結晶粒子が内部電極３に含まれ、特に内部電極３の厚みよりも大きい結晶粒子が含まれることにより、セラミック振動板２と内部電極３とに存在する圧電セラミック結晶同士が焼結し密着性をより高めることが可能となる。
【００５４】
なお、本発明をユニモルフタイプの圧電アクチュエータを例にとって説明したが、変形によって変位素子とセラミック振動板のように異なる等のような不変位素子とが一体となった圧電アクチュエータバイモルフ等においても、
次に、本発明の積層圧電体である圧電アクチュエータの製造方法について、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。
【００５５】
まず、原料として純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を圧電性セラミックス粉末として準備する。この圧電セラミックス粉末に、適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、グリーンシートを作製する（グリーンシート作製工程）。
【００５６】
また、導電性材料粉末と、針状粒子となる粉末と、所望によりＰＺＴ等の圧電セラミック粉末を混合し、導電性ペーストを作製する（ペースト作製工程）。導電性材料粉末としては、上述したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属またはこれらのうち少なくとも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。さらに、密着強度を高めるために、特に銀パラジウム合金（以下、Ａｇ−Ｐｄ合金と言うことがある）に圧電セラミック層４と同じ材料（例えばペロブスカイト結晶構造型の圧電セラミック）を少量添加して用いるのがより好ましい。
【００５７】
なお、針状粒子となる粉末としてガラスセラミック粉末を用い、焼成中に針状粒子を析出せしめることができる。また、針状粒子となる粉末としてウィスカーや繊維状焼結体等を用いても良い。
【００５８】
上記グリーンシート作製工程で得られたグリーンシートの主面に、上記ペースト作製工程で得られた導電性ペーストを所望のパターンに塗布し、内部電極となる電極パターンを形成する（パターン形成工程）。
【００５９】
さらに、電極パターンを形成したグリーンシートの上に電極パターンを形成していないグリーンシートを積層し、所望により積層時に１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧することができる（積層工程）。
【００６０】
得られた積層体を所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱脂し、その後８００〜１１００℃、特に８５０〜１０５０℃、更には９００〜１０００℃の温度で焼成して積層焼結体を作製する（焼成工程）。
【００６１】
焼成後に、積層焼結体の表面に導電性ペーストを塗布し、熱処理を行って駆動電極を作製して圧電アクチュエータを得ることができる（駆動電極作製工程）。
【００６２】
なお、上述したように、本発明をグリーンシート作製工程、ペースト作製工程、パターン形成工程、積層工程、焼成工程、駆動電極作製工程を具備する製造方法を用いて説明したが、本発明は説明した製造方法に限定されるものではなく、セラミック振動板２と内部電極３との境界部に針状粒子を配設せしめることが可能な製造方法であれば、どのような製造方法であっても良い。
【００６３】
本発明の圧電アクチュエータ１は液体吐出装置として好適に使用できる。特に、上述したように、本発明の圧電アクチュエータ１はセラミック振動板２の表面に複数の変位素子６を備えているので、インクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット用印刷ヘッド（以下単に印刷ヘッドと言うことがある）に好適に用いることができる。以下、本発明の液体吐出装置を印刷ヘッドに用いた一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００６４】
図２（ａ）は、本実施形態の印刷ヘッド２０を示す概略断面図であり、図２（ｂ）は、その平面図である。なお、図２（ａ）、（ｂ）においては、前述した図１の構成と同一または同等な部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００６５】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、この印刷ヘッド２０は、複数の液体流路１３ａが並設され、各液体流路１３ａを仕切る壁として隔壁１３ｂを形成した流路部材１３上に上記で説明した圧電アクチュエータ１が接合されている。接合は、セラミック振動板２が液体流路１３ａの空間と当接するように接着剤等を用いて行い、より具体的には、変位圧電素子５の各駆動電極４と、各液体流路１３ａとが対応するように接合される。
【００６６】
つまり、このインクジェット用印刷ヘッド２０は、セラミック振動板２上に、内部電極３、圧電セラミック層４及び駆動電極５がこの順に積層され、駆動電極５が圧電セラミック層４の表面に複数配列された圧電アクチュエータ１を、液体流路１３ａの直上に駆動電極５が配置されるように流路部材１３に接着したものである。
【００６７】
そして、内部電極３と駆動電極５との間に駆動回路より電圧を印加し、電圧が印加され変位した変位素子６に対応する液体流路１３ａ内のインクを加圧し、圧電アクチュエータ１を振動させることにより、液体流路１３ａ内のインクを流路部材１３の底面に開口させたインク吐出孔１８よりインク滴を吐出させる。
【００６８】
このような液体吐出装置の一実施形態である印刷ヘッド２０は、本発明の圧電アクチュエータ１を用いることによって、内部電極３の周囲にクラックが生じにくく、剥離が生じにくい印刷ヘッド２０を実現することができる。この印刷ヘッド２０は電極のクラックや剥離の発生が抑制されるので、液体の吐出を安定して維持できるという特徴が得られ、その結果、印刷ヘッドを長寿命とすることが可能となる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば上記の印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタでは、従来に比べて安定した印刷を長期にわたって達成することができる。
【実施例１】
【００６９】
まず、原料として、純度９９．５％で平均粒径が０．７μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミック粉末を準備した。その組成は、Ｐｂ０．８Ｓｒ０．１Ｂａ０．１（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）０．０８（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）０．０７Ｚｒ０．４Ｔｉ０．４５Ｏ３を９９．５質量％と、Ｐｂ１／２ＮｂＯ３を０．５質量％と含有してあった。なお、原料粉末の平均粒径の測定はレーザ回折散乱法によって、散乱光の強度と散乱角度から求めた
上記圧電セラミック粉末に、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約３０μｍのグリーンシートを作製した。
【００７０】
次いで、銀を７０質量％含有する銀パラジウム合金を９５重量％及びＰＺＴを５重量％含有する主成分１００質量部に対して、ＳｉＯ２を２５質量％、Ａｌ２Ｏ３を１０質量％、ＭｇＯを１０質量％、ＺｎＯを５質量％、Ｂ２Ｏ３を２０質量％及びＢａＯを３０質量％からなるガラスセラミック粉末を１０重量部の割合で混合し、内部電極用の導体ペーストを作製した。
【００７１】
得られたグリーンシートを矩形形状に切断し、一部のグリーンシートの表面に導体ペーストを厚さ３μｍとなるように印刷し、内部電極層を形成した。次いで内部電極層が印刷された面を上向きにしたグリーンシートの上に導体ペーストを塗布してないグリーンシートを積層し、加圧して積層成形体を得た。
【００７２】
この積層成形体を４００℃、１０時間脱脂処理した後に、温度制御精度±２％の精度を有する焼成炉にて９５０℃焼成し、得られた焼結体の表面に金ペーストをスクリーン印刷にて塗布した。次いで、これを７００℃で熱処理して駆動電極を０．８μｍの厚みに形成し、圧電アクチュエータを作製した。
【００７３】
得られた圧電アクチュエータの圧電素子とセラミック振動板との境界部、即ち、内部電極とセラミック振動体との境界部には平均アスペクト比が７のセルシアン結晶が針状結晶として存在していた。
【００７４】
得られた上記圧電アクチュエータを図２の流路部材に、圧電アクチュエータの駆動電極と流路部材の液体流路とが対応するようにエポキシ樹脂を用いて接着した。そして、耐久試験として、駆動電極と内部電極との間に２５Ｖの電圧を１８ｋＨｚの早さで印加と印加解除とを繰り返し、圧電アクチュエータの内部電極の周囲にクラック又は剥離がないかどうかを顕微鏡で観察した。
【００７５】
次に、比較例として導体ペーストにガラスセラミックスを含有させない以外は上記実施例と同様にして圧電アクチュエータを作製した。
【００７６】
本発明の圧電アクチュエータは１０億回の駆動でもクラックや剥離が観察されなかったが、比較例の圧電アクチュエータは、１億回の駆動後に表面を顕微鏡で観察したところ、駆動電極の一部に白く変色した部位が観察され、断面を観察したところ剥離が認められた。
【実施例２】
【００７７】
実施例１において、セラミック振動板となるグリーンシートにもガラスセラミック粉末を１５質量％含有させた以外は実施例１と同様にして圧電アクチュエータを作製した。
【００７８】
実施例１と同様に行った耐久試験において、１０億回の駆動でも圧電アクチュエータにクラックや剥離が観察されなかった。
【実施例３】
【００７９】
実施例１において、導体ペーストを作製する際に、ガラスセラミック粉末の代わりに、アスペクト比が２１の炭化珪素ウィスカーを含有せしめた以外は実施例１と同様にして圧電アクチュエータを作製した。なお、主成分１００質量部に対して炭化珪素ウィスカーを５重量部の割合で混合し、内部電極用の導体ペーストを作製した。
【００８０】
得られた圧電アクチュエータの内部電極には、内部電極の厚み２．５μｍよりも長い３．２μｍの平均長径を有する炭化珪素ウィスカーが存在していた。
【００８１】
実施例１と同様に行った耐久試験において、１０億回の駆動でも圧電アクチュエータにクラックや剥離が観察されなかった。
【実施例４】
【００８２】
実施例３において、導体ペーストを作製する際に、炭化珪素ウィスカーの代わりに、アスペクト比がそれぞれ１２、１５のアルミナ繊維、窒化珪素繊維をそれぞれ別個に含有せしめた以外は実施例３と同様にして圧電アクチュエータを作製した。これらの繊維は、押出成形によって得られた繊維状成形体を焼成したものである。
【００８３】
実施例１と同様に行った耐久試験において、いずれの繊維を加えたアクチュエータでも１０億回の駆動でクラックや剥離が観察されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】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拡大概略断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態にかかる印刷ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図３】従来の圧電アクチュエータを示す拡大概略断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１・・・圧電アクチュエータ
２・・・セラミック振動板
３・・・内部電極
４・・・圧電セラミック層
５・・・駆動電極
６・・・変位素子
１３・・・流路部材
１３ａ・・・液体流路
１３ｂ・・・隔壁
１８・・・インク吐出孔
２０・・・印刷ヘッド
【図１】
2007123483.tif 000003
【図２】
2007123483.tif 000004
【図３】
2007123483.tif 000005