(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料と導電材料とが交互に積層された圧電素子であって、該圧電材料の一端には導電材料の層が、他端には絶縁材料の層が設けられており、該絶縁材料が該圧電材料より硬い材料であり、該導電材料の層と該絶縁材料の層が交互に圧電材料を介して積層するように構成された、圧電素子。
【請求項２】
前記絶縁材料と圧電材料とがともにセラミックスである、請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電素子が液体射出ヘッドに組み込まれた液体射出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドなどの液滴を射出する液体射出ヘッドなどのアクチュエータとして使用する積層圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液滴射出ヘッド、例えば、図１に示されるインクジェットヘッド１５は、ノズル１、液室２、液体供給流路３、振動膜２１で形成され、振動膜２１には、圧電素子４の一端が固定され、圧電素子４の他端は基台２０に固定されている。圧電素子４には、電極５、６が設けられ、この電極５、６に電流を流す電気配線７、８が取り付けられている。圧電素子４は、接着剤９を介して、基台２０に固定されている。電気配線７、８に電流を流し、電圧を印加することにより圧電素子４に電荷を蓄積させて変形を起こし、この蓄電の後放電することで振動膜２１をＡ方向に押し、それによって、液室２の液滴２２をノズル１から射出する。このように、圧電素子４を用いる液滴射出ヘッド（例えば、インクジェットヘッド）は、圧電素子４の変形量に応じた所定量の液体を射出することができるので、プリンターなどの画像作成装置などに用いられる。
【０００３】
ところで、近年の技術の発達に伴い、プリンターなどの小型化が避けて通れなくなっている。その上、圧電素子を用いる液体射出へッドにおいては、液滴の形成効率や飛翔力が大きいことが望まれている。しかし、圧電素子の単位長さおよび単位電圧当たりの伸縮率は極めて小さい為、液体射出に要求される液体の飛翔力を得るには高い電圧を印加することが必要になり、駆動回路や電気絶縁対策が複雑化するという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するため、特開昭６３−２９５２６９号公報に示されているように電極と圧電材料とを交互にサンドイッチ状に積層した液体射出ヘッド用の圧電素子が提案されている。この圧電素子によれば電極間距離を小さくすることができるため、駆動信号の電圧を下げることができるという効果がある。
【０００５】
ところで、液体射出ヘッドは、圧電素子の一端を基台に固定し、他端を振動膜に固定し、印加電圧により変形で振動膜を押すように形成されているので、固定する部分は電圧を印加した時に変形しないことが必要となる。つまり、固定側は、電荷が加わっても変形しないようにする必要がある。
【０００６】
しかし、特開昭６３−２９５２６９号公報に記載された積層型圧電素子は、固定部分が変形するという問題がある。さらに、このような積層型圧電素子は、小型化することが困難であり、その用途が制限されるという問題がある。
【０００７】
他方で、圧電材料を交互に積層し、その電極構造の一部に電圧のかからないダミー電極を設けた圧電素子が特開平４−２３５０４１号公報に記載されている。この方法で作成された圧電素子は、長さ方向、幅方向の反り、うねりを１０ミクロン以内に納めたと記載されている。
【０００８】
しかしながら、この方法で得られる圧電素子は、荷電したときに固定部分で変形を起すために、インクジェットヘッドの精度が必ずしもよいとは言えない。さらに、導電材料の層に圧電材料層を積層し、その圧電材料上にダミー電極と導電材料の層を設けているので、必ずしも、圧電素子が小型化したとはいい難い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、荷電したときに固定部分で変形を起すことがなく、小型化された圧電素子が求められている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、積層された圧電素子において、電圧をかけないダミー導電層を設ける代りに両端に絶縁層を設け、電圧が圧電素子の層間にかかる部分だけに蓄電され変形する部分が生じるようにし、基台との固定部分および振動膜との固定部分には、電圧がかかった時に変形が起こらないようにすることができることを見出し、本発明を完成させた。
【００１１】
本発明は、圧電材料と導電材料とが交互に積層された圧電素子であって、該圧電材料の一端には導電材料の層が、他端には絶縁材料の層が設けられており、該導電材料の層と該絶縁材料の層が交互に圧電材料を介して積層するように構成された圧電素子に関する。
【００１２】
さらに好ましい実施態様においては、前記絶縁材料と圧電材料とがともにセラミックスである。
【００１３】
好ましい実施態様においては、前記絶縁材料が前記圧電材料より硬い材料である。
【００１４】
本発明は、さらに、前記いずれかの圧電素子が液体射出へッドに組み込まれた液体射出ヘッドに関する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電素子は、図２（７）に示すように、圧電材料１０の一端には導電材料の層１１が、他端には絶縁材料の層１２が設けられており、導電材料の層１１と絶縁材料の層１２が交互に圧電材料１０を介して積層するように構成されている。
【００１６】
圧電材料としては、セラミックス、プラスチック（例えば、熱硬化性樹脂）などが好ましく用いられる。中でもセラミックスが好ましく用いられる。好ましいセラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックスＭｏＳｉＯ２−Ｍｏ２Ｂ２、耐熱性セラミックス、誘電体セラミックスが挙げられるが、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、誘導体セラミックが、弾性などの点でより好ましい。
【００１７】
導電材料としては、特に制限はないが、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ等の金属が好ましく、Ａｇ、Ｐｄがより好ましい。
【００１８】
絶縁材料としては、圧電材料と同じか、圧電材料よりも硬度が高い絶縁材料が好ましく用いられる。チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックスＭｏＳｉＯ２−Ｍｏ２Ｂ２、耐熱性セラミックス、誘電体セラミックなどが挙げられる。
【００１９】
絶縁材料は、圧電材料より硬い材料であることが、圧電素子の印加時に固定部分の変形を防止するために好ましい。圧電材料と絶縁材料は、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。異なる材料である場合、絶縁材料は圧電材料よりも硬い材料であることが好ましい。このような組み合わせとしては、圧電材料を誘電体セラミックとし、絶縁材料をチタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックスＭｏＳｉＯ２−Ｍｏ２Ｂ２、または耐熱性セラミックスとする組み合わせである。
【００２０】
以下、本発明の圧電素子の製造を、図２に基づいて説明する。図２（１）に示すように定盤にグリーンシート状または、ペースト状に調製した第１の圧電材料１０ａ（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ノベロプスカイトセラミックス等）を配置し、その上に第１の導電材料１１ａとして、例えば、Ａｇ、Ｐｄ等の導電ペーストを厚膜印刷法などの方法を用いて、図２（１）に示すように第１の圧電材料１０ａの右側に印刷する。
【００２１】
次に、図２（２）に示すように、第１の絶縁材料１２ａ（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック）を、第１の導電材料１１ａとほぼ同じ厚さになるように、例えば、厚膜印刷法、シルク印刷法などで、第１の導電材料１１ａと重ならないように、第１の圧電材料１０ａの左側に印刷する。
【００２２】
その後、図２（３）のように、図２（２）で得られた第１の絶縁材料１２ａの層と第１の導電材料１１ａの層上に、第２の圧電材料１０ｂを配置する。
【００２３】
次に、図２（４）に示すように、この第２の圧電材料１０ｂの左側に、第２の導電材料１１ｂを、第１の導電材料１１ａと同じように配置する。右側に第２の絶縁材料１２ｂを第１の絶縁材料１２ａと同じように配置する。すなわち、導電材料と絶縁材料が図２（２）とは逆の位置関係になるように配置する。
【００２４】
そして、図２（５）のように、図２（４）で得られた第２の導電材料１１ｂと第２の絶縁材料１２ｂの層上に、第３の圧電材料１０ｃを配置し、図２（６）に示すように、この第３の圧電材料１０ｃの上に、図２（２）と同様に、第３の絶縁材料１２ｃ、第３の導電材料１１ｃを配置し、その上に、第４の圧電材料１０ｄを配置する。
【００２５】
このように、導電材料１１と絶縁材料１２が圧電材料１０を介して交互に積層されるように重ねることにより、図２（７）に示される積層された圧電素子が得られる。
【００２６】
図３は、得られた圧電素子４に交互に組み込まれた導電材料（即ち、電極）に外部から電流を流す目的で、例えば、金電極５、６をスパッタリング、鍍金で形成することにより、圧電素子としての形が完成する。ところで、本発明の圧電素子４は、図３に示すように、絶縁材料１２と導電材料１１とが圧電材料１０を介して交互に配置された領域Ｘと、導電材料１１と圧電材料１０が交互に配置された領域Ｙと、絶縁材料１２と導電材料１１とが圧電材料１０を介して交互に配置された領域Ｚの３つの領域が存在する。領域Ｘと領域Ｚは、同じ材料が積層されたところなので、その機械的な性質（硬度、弾性係数など）がほぼ同じであるが、領域Ｙは、圧電材料と導電材料とから形成されているので、領域Ｘ、領域Ｚと比べて硬度は高くない。チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミックを圧電材料に用いた場合、Ｈｖ４００〜６００である。
【００２７】
変位を作り出す領域Ｙの部分の剛性は、従来とほとんど変わらないか、やわらかいが、振動膜を直接押す領域Ｘおよび領域Ｚの硬度が、領域Ｙの硬度より高ければ、図１における液室２の液体に加えられる力が増すことになる。つまり基台および振動膜に固定される部分（領域Ｘあるいは領域Ｚ）の硬度を上げることにより、圧電素子の変形によって生じる力を液体に十分伝えることができるようになる。
【００２８】
例えば、圧電材料として誘電体セラミックを用い、絶縁材料１２として、誘電体セラミックスより硬度の高い構造用セラミックス、耐熱性セラミックス（Ｈｖ２０００〜３４００）を用いることにより、領域Ｘまたは領域Ｚの硬度を実質的に高くすることができる。特に、圧電材料として誘電体セラミックスを用い、絶縁材料として、構造用セラミックスを用いた場合、これらの材料は相溶性があるため、焼成により溶融してより強固に接着できる。従って、平坦でかつ端が固く強い圧電素子が作成される。
【００２９】
このように、圧電素子の両端を硬く構成することにより、より粘度の高い液体を射出させることができるようになる。
【００３０】
このように形成された圧電素子の上記各領域Ｘ、Ｙ、およびＺの硬度を示す模式図が図３（ｂ）であり、領域Ｘと領域Ｚの硬度が領域Ｙの硬度より高いことを示している。このように構成することで、圧電素子の領域Ｙが、電圧が印加された場合に、特定の固有振動を持って変形する動きが増幅されるという効果も生じる。
【００３１】
図４は、絶縁材料１２を積層しなかった場合について説明する図である。図４（ｂ）に示す領域Ｌおよび領域Ｎは、導電材料１１を積層しないので、その分、領域Ｍに比べて厚みが不足し、図４（ｂ）に示すように、真中の領域Ｍの部分が厚く、両側の領域Ｌおよび領域Ｎが薄い形になる。このような積層体を加熱、加圧、焼成して圧電素子を作成する工程において、圧力が積層体に均等にかからず、圧電素子自体の強度が低下し、層の剥離が起こるなど、圧電素子として致命的な欠陥がおこる原因になる。しかも、変形が領域Ｌおよび領域Ｎの外側部分に生じるので、ねじれ、反りなどが発生する。
【００３２】
図５は、圧電素子の一つの製造方法を示す模式図であり、圧電材料上に導電材料と絶縁材料の配置を図５のように行うことにより、中央で分割して一度に２つの圧電素子が形成できるようにしたものである。このようなパターンを平面に多数作成し、大きな印刷マスクパターンを作成し、カットすることにより、１回で多数の圧電素子を作成することができる。このようなカットを行う時には、カットマークを予め表面に印刷または刻削しておくと、正確にカットできる。
【００３３】
また、本発明の圧電素子は、図６に示すような層構造を有するように配置させることもできる。この場合、硬度の高い部分は、片側だけになるが、このような仕様にする場合もあり得る。
【００３４】
本発明の圧電素子は、圧電材料と誘電材料から製造される。圧電材料として、誘電体セラミックスを用い、絶縁材料として構造用セラミックスを用いて圧電素子を作成する例を説明する。まず、誘電体セラミックスとバインダー（例えば、ポリビニルアルコール：ＰＶＡ）を混合し、脱水・乾燥して仮焼成する。仮焼成は、セラミックスの結晶構造がペロブスカイト構造の前の段階となるように７００℃〜８００℃で行うことが好ましい。焼成後、粉砕し、さらに脱水・乾燥し、バインダー（ＰＶＡ）を添加してシートに成形する。シートの厚みは、本焼成後の１．２〜１．３倍にすることが好ましい。シート成形後、パンチングなどにより形を整え、内部電極をシルク印刷する。
【００３５】
絶縁材料として、構造用セラミックスを用いた、圧電材料と同様にして、シート成形し、パンチングなどにより形を整える。内部電極は印刷しない。
【００３６】
圧電材料と絶縁材料とを、図２に示されるように積層し、１１００℃〜１５００℃で焼成する。焼成後、加工し、形状を整えて、圧電素子が製造される。
【００３７】
本発明の圧電素子が用いられる液体射出ヘッドなどは、ヘッドのピッチを微細にしている場合が多く、アクチュエータとしての圧電素子も細くカットして使用される場合が多い。従来の圧電素子は、電極となる導電材料が各層に存在するため、このカットの時に電極の端の部分は、導電材料部分での剥離がおこり、圧電素子の端部に欠けが発生することが多く、ヘッドの歩留まりに多大な影響をあたえていた。本発明では、導電材料と絶縁材料とを交互に設けるため、電極層が従来のほぼ半分にすることができ、しかも、圧電素子の端部の硬度を上げることができるので、カット時に剥離が発生する可能性も少なくすることができるので圧電素子をカットする歩留まりも良くなる。
【００３８】
得られた圧電素子の一端を基台に接着固定し、他端を振動膜に接着固定してノズル開口部に対応させて配置すると液滴射出ヘッドが得られる。
【００３９】
【作用】
本発明の圧電素子は、導電材料層と絶縁材料層とを圧電材料上に設け、導電材料と絶縁材料とが圧電材料を介して交互に積層されているので、従来の圧電素子と比べて、厚みが小さくされている（すなわち、小型化されている）ばかりでなく、中間領域の変形する部分は従来と同様またはそれより柔軟に構成され、かつ、電極および／または振動板に固定される部分（圧電素子の端部）を従来のものより硬くすることができるので、固定部における圧電素子の変形を抑制し、変形による圧力を振動板に伝える精度が高くなる。
【００４０】
本発明の圧電素子の一端を基台に接着固定し、他端を振動膜に接着固定してノズル開口部に対応させて配置すると液滴射出ヘッドが得られる。本発明の圧電素子を用いることにより、変形を伝える精度が高く、かつ小型化された液滴射出ヘッドが提供される。小型の、粘性が高い液滴を射出する液滴射出ヘッドとして利用できる。
【００４１】
【実施例】
圧電材料として、誘電体セラミックスを用い、絶縁材料として構造用セラミックスを用いて圧電素子を作成した。まず、誘電体セラミックスとバインダー（ＰＶＡ）を混合し、脱水・乾燥して、７５０℃で仮焼成した。焼成後、粉砕し、さらに脱水・乾燥し、バインダー（ＰＶＡ）を添加してシートに成形した。シート成形後、パンチングにより形を整え、内部電極をシルク印刷した。
【００４２】
他方で、絶縁材料として、構造用セラミックスを用い、圧電材料と同様にして、シート成形し、パンチングにより成形した。得られた圧電材料と絶縁材料とを、図２に示されるように積層し、１３００℃で焼成した。焼成後、加工し、形状を整えて図３（ａ）に示すような圧電素子を得た。
【００４３】
得られた圧電素子の硬度を、マイクロビッカーズ硬度計を用いて測定した。積層し、複合化された素子はマイクロビッカーズ硬度計では直接測定できない。そこで、まず、マイクロビッカーズ硬度計のＨｖ値が既知のセラミックのレーザー変位を、波形の時速を測定して求め、検量線を作成した。ついで、得られた圧電素子の測定部位の波形の時速を測定し、マイクロビッカーズ硬度計の値に換算した。得られた圧電素子の中央部（図３のＹ部）のＨｖ値は６４０であったが、両端部（図３のＸ部、Ｚ部）のＨｖ値は、それぞれ、２４００と２５００であった。すなわち、図３（ｂ）に示されるような、両端が非常に硬くほとんど変化しないが、中央部（図３のＹ部）の硬度が両端より低く、中央部のみが変化できる圧電素子が得られた。
【００４４】
なお、得られた圧電素子の、図３のＸ部に相当する部分は２ｍｍであり、Ｙ部に相当する部分は３．５ｍｍであり、Ｚ部に相当する部分は１．５ｍｍであった。Ｙ部の変位量は１μｍであったが、Ｘ部、Ｚ部の変位は計測されなかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の圧電素子は、導電材料層と絶縁材料層とが、圧電材料を介して交互に配置されるように構成されている。絶縁材料として硬度の高い材料を用いことにより、圧電素子の両端は中央部よりも硬くなるように構成され、かつ、圧電素子は小型化される。そして、電圧をかけたとき、中央部（コンデンサー部分）は変形するが両端は変形しにくい構造になっているので、変形による圧力が、精度よく伝達される。粘性の高い液体でも射出することができる。
【００４６】
しかも、製造が比較的簡単であるので、マスクパターンで多数個取りすることもできるため製造コストも低下する上、製造時の導電材料部分の剥離、欠けなど生じにくいので、生産効率が大幅にアップする。
【００４７】
さらに、本発明の圧電素子は、特開平４−２３５０４１号公報に記載された圧電素子のダミー電極の代わりにセラミックスを用いることでアクチュエーターとして使用するときの力の伝達速度が増し、さらに、このセラミックスがＰＺＴ材そのものとして使用できるので、圧電素子の焼成時の熱歪みをなくすことができる。そのうえ、数億回の使用においても内部電極の剥離の可能性が減少し、寿命が長く、信頼性が向上する。
【００４８】
本発明の圧電素子は、単に液滴射出ヘッド（例えば、インクジェットヘッド）だけでなく、あらゆる圧電素子を利用するものに応用できるので工業的な効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体射出ヘッドの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の圧電素子の断面および各領域の硬度を示す模式図である。
【図４】絶縁材料を使用しない場合の圧電素子の断面図である。
【図５】本発明の圧電素子を多数個同時に作成する場合の模式図である。
【図６】本発明の圧電素子の別の態様である。
【符号の説明】
１  ノズル
２  液室
３  液体供給路
４  圧電素子
５、６  電極
７、８  電気配線
９  接着剤
１０  圧電材料
１１  導電材料
１２  絶縁材料
２０  基台
２１  振動膜
２２  液滴
【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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【図６】
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