专利名称：压电驱动器以及喷吐装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及压电驱动器以及喷吐装置，例如适用于燃料喷射用喷射器、喷墨打印机、或压电谐振器、振荡器、超音波电动机、超音波振动器、滤波器、或加速度传感器、震性传感器(knocking sensor)、以及AE传感器等的压电传感器，特别涉及适宜利用在作为利用了扩展振动、伸缩振动、厚度纵振动的打印头的压电驱动器以及喷吐装置。
背景技术：
一直以来，作为利用了压电陶瓷的制品，例如具有压电驱动器、滤波器、压电谐振器(包括振荡器)、超音波振动器、超音波电动机、压电传感器等。其中，例如压电驱动器，因为对电信号的响应速度极高，为μsec级，所以一直被运用在半导体制造装置的XY工作台定位用压电驱动器、或在喷墨打印机的打印头中利用的压电驱动器等。特别是，由于最近彩色打印机的高速化、低价化，便提高了对喷墨打印机等的喷墨用压电驱动器的使用要求。
在这样的压电驱动器中使用了压电元件。例如，提出了所谓的单态(Unimorph)型的压电驱动器，其在作为陶瓷振动板起作用的陶瓷基板上依次设置第1电极层、压电体层、第2电极层(例如，参照国际公开第2002/073710号小册子)。
在所述压电驱动器中，压电元件(形变元件)，其构成为由第1电极层和第2电极层夹持所述压电体层。另外，作为所述陶瓷基板，例如可使用氧化锆、氧化铝、氧化镁、氮化铝、氮化硅等。还有，为了在这样的陶瓷基板上粘接形变元件，一般，利用高温(例如100℃以上)下固化的粘合剂。
但是，由于陶瓷基板和形变元件的线热膨胀系数不同，存在着通过粘接时的加热而使形变元件发生压缩应力，并且通过该压缩应力而显著地降低形变元件的压电特性的问题。
为了解决所述问题，提出了作为陶瓷振动板利用的陶瓷基板，由与构成形变元件的压电体层具有相同组成的压电体所构成的方案(特开2004-165650号公报)。
但是，特开2004-165650号公报所记载的压电驱动器，虽然能够降低压缩应力，但是存在着一旦反复驱动就令形变劣化的问题。因此，存在着在将该压电驱动器运用在例如液体喷吐装置等的情况下，液滴喷出变得不稳定的问题。
发明内容
本发明，提供一种驱动耐久性优异的压电驱动器以及液体喷吐装置。
本发明者，为了解决所述问题而反复精心研讨的结果，获得了以下的见解。即，为了获得高的形变特性，利用压电体的区域旋转应变(domain rotation distortion)是不可缺的。这样，为了获得较大的区域旋转应变，利用变晶相境界(MPBMorphotropic boundary)近旁的菱面体晶侧的组成，或是添加3价或5价以上的施主成分的方法皆是有效的。
但是，如此较大的区域旋转应变的压电体，易于产生由应力引起的结晶取向性的变化。因此，如果将与压电体相同组成的基板作为陶瓷振动板进行利用而反复进行形变，则由于对陶瓷振动板施加了应力，其结晶相的取向状态发生变化。其结果，压电元件(形变元件)的约束状态发生变化而使形变劣化。
再有，在同时将陶瓷振动板和形变元件进行烧成时，为了降低由其热膨胀系数差引起的热应力，优选陶瓷振动板与构成形变元件的压电体层为相同组成的压电体。
但是重要的是，为了兼顾形变和耐久性两者，将进行形变的第2压电陶瓷作成区域旋转成分多的压电体，而且为了抑制结晶取向而将第1压电陶瓷作成区域旋转少的压电体。
本发明的压电驱动器是基于上述见解而完成，由通过第1压电陶瓷构成的陶瓷振动板、和在该陶瓷振动板的表面上设置的多个形变元件构成，该形变元件，由通过第2压电陶瓷构成的压电体层、以及夹持该压电体层的共同电极和驱动电极而构成，所述第1压电陶瓷和所述第2压电陶瓷，其主成分几乎相同，而压电特性不同。
本发明的液体喷吐装置，将上述压电驱动器接合在流路部件上，该流路部件在内部具备液体加压室、和连通该液体加压室的喷嘴孔，由所述压电驱动器对填充在所述液体加压室的液体进行加压，而从所述喷嘴孔喷出液滴。
根据本发明，通过使第1压电陶瓷和第2压电陶瓷的主成分几乎相同，而使压电特性相异，则可以实现驱动耐久性优异的压电驱动器以及喷吐装置。
还有，虽然优选第1以及第2压电陶瓷由相同组成的压电陶瓷构成，但是并非需要两者的组成完全一致；在能够达到本发明的效果即抑制形变劣化而驱动耐久性优异的范围内，也可以让该组成不同。
本发明的其他目的以及优点，可从以下的说明变得清晰。
图1是表示有关本发明一实施方式的压电驱动器的截面图。
图2(a)是表示有关本发明一实施方式的液体喷吐装置的截面图；(b)是其俯视图。
具体实施例方式
(压电驱动器)以下，参照附图对本发明的压电驱动器一实施方式详细进行说明。图1是表示本实施方式的压电驱动器的截面图。如该图所示，该压电驱动器1，在陶瓷振动板2的表面设置多个形变元件7。各形变元件7，通过依次层叠共同电极4、压电体层5以及驱动电极6而构成，并且按由共同电极4和驱动电极6夹持压电体层5的方式进行配置。
在共同电极4接地的同时，从外部对各驱动电极6施加电压。由此，通过在共同电极4和驱动电极6之间施加的电压而使压电体层5形变。
该压电驱动器1，其陶瓷振动板2由第1压电陶瓷构成，其压电体层5由第2压电陶瓷构成，而且，第1压电陶瓷以及第2压电陶瓷由主成分几乎相同而压电特性不同的材料构成。由此，成为驱动耐久性优异的压电驱动器1。
在此，上述压电性陶瓷是指表现出压电性的陶瓷，例如可以举出铋(Bi)层状化合物或钨青铜型(tungsten bronze)结构物质、铌(Nb)酸碱金属化合物的钙钛矿(perovskite)结构化合物、含有铅(Pb)的锆钛酸铅(PZT)或含有钛酸铅等的钙钛矿结构化合物等。在这些当中，含有铅的锆钛酸铅或钛酸铅适宜于提高与电极的湿润性、以及提高与电极的密接强度。
特别是，钛酸铅、钛酸钡在获得高约束力方面有效。即，由于是作为A位置(site)构成元素含有Pb、而且作为B位置构成元素含有Zr以及/或Ti的结晶，特别是锆钛酸铅系列化合物，具有更高的d常数，可以获得较大形变的压电烧结体，因而优选。
为了让第1压电陶瓷和第2压电陶瓷的主成分几乎相同，而压电特性不同，例如为了减少热膨胀系数差而让两者的主成分相同，通过改变添加物而使压电特性相异。再有，通过相同的方法，能够将第2压电陶瓷作成区域旋转成分多的压电体。
所述第1压电陶瓷以及第2压电陶瓷，作为主成分优选包含Pb、Zr、Ti。具体而言，在第1压电陶瓷中优选采用PZT，而第2压电陶瓷中对于主成分的PZT，优选至少含有从Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn、Yb以及Te中选出的一种。由此，能够获得更加稳定的压电驱动器1。还有，与此相反，也可以在第2压电陶瓷中利用PZT；并且针对PZT在第1压电陶瓷中对于主成分的PZT，至少含有从Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn、Yb以及Te中选出的一种。
再有，例如作为副成分，能够示例出将Pb(Zn1/3Sb2/3)O3以及Pb(Ni1/2Te1/2)O3进行固溶而获得的物质。
特别是，作为A位置构成元素，进一步优选含有碱金属类元素。作为碱金属类元素，例如优选Ba、Sr，可获得高形变。如果含有0.02～0.08mol钡(Ba)、0.02～0.12mol锶(Sr)，则正方晶组为主体的组成时，有利于获得较大的形变。
例如，由Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3+αwt％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)所表示。
优选第1压电陶瓷的Zr/Ti比为0.96～0.81，第2压电陶瓷的Zr/Ti比为1.17～0.92，而且第1压电陶瓷的Zr/Ti比与第2压电陶瓷的Zr/Ti比相比要小。由此，能够获得较大的约束力。
第1压电陶瓷的晶格常数比c1/a1为1.013～1.030，优选为1.015～1.017；第2压电陶瓷的晶格常数比c2/a2为1.01～1.016，优选为1.011～1.013；而且优选c1/a1的值比c2/a2的值要小。由此，能够与压电体层在热膨胀上一致。还有，所述c1/a1以及c2/a2，例如如后述，可以通过X射线衍射(XRDX-ray diffraction)求得a轴的晶格常数和c轴的晶格常数的比率。
如上述那样，第1以及第2压电陶瓷的压电特性不同，但是具体而言，优选第1压电陶瓷的压电特性为第2压电陶瓷的压电特性的75％以下、特别是为70％以下。所谓压电特性较低，是指区域旋转较少；而成为约束力更高的压电陶瓷。作为所述压电特性的下限值，可为40％以上。还有，所述压电特性是指压电特性d31。该压电特性d31，例如如后述，能够通过利用了阻抗分析器的谐振法求取。还有，在压电特性d31的值为“-”的情况下，该“-”表示方向；其绝对值高的一方，特性良好。
为了同时烧成进行制作，共同电极4由包含银为87体积％以上，优选为90体积％以上，更优选为93体积％以上的银钯合金构成，并且将烧成后的压电驱动器1的内部所产生的剩余应力的大小控制为100MPa以下。由此，能够期待降低由电极的收缩引起的压缩应力。
为了抑制共同电极4的凝集，优选共同电极4的平均粒子直径为0.1～5.0μm。
为了提高密接强度、降低剩余应力而使压电特性d31更加稳定，优选共同电极4包含压电性陶瓷。共同电极4在将银钯合金的总量设为100体积％时，以10～60体积％、优选18～50体积％、更优选20～30体积％之比包含压电性陶瓷。由此，不仅能够提高共同电极4和压电体层5的密接强度，而且降低剩余应力。
所述压电性陶瓷，为了将剩余应力均匀化，优选其平均结晶粒子直径为0.3～1.0μm。为了抑制缺陷，进一步优选为0.4～0.6μm。由此，即使在发生了剩余应力的情况下，也由于使各形变元件7上所产生的剩余应力均匀化而离散较小，则对压电特性d31的影响变小。
优选在构成极化前的第2压电陶瓷的结晶的a轴方向上取向的a轴取向度为50％以上。由此，能够将形变元件7涉及的压缩应力变小。优选所述a轴取向度为75％以下。所述取向，例如可以通过XRD(X线衍射法)的结晶结构解析来求得。
接着，对压电驱动器1的制造方法，作为一例对将PZT作为压电陶瓷利用的情况进行说明。首先，作为原料，准备作为第1压电陶瓷粉末的PZT粉末；和作为第2压电陶瓷粉末的所述的PZT类材料的1种。然后，对这些压电陶瓷粉末添加适当的有机粘合剂(binder)而成形为带状，从而制作印刷电路基板(green sheet)。
对制作的印刷电路基板的一部分涂布作为共同电极的Ag-Pd膏剂并进行层叠，且在10～50Mpa的压力下进行加压之后，切割为期望的形状。而且，在大致400℃下对此进行脱粘合剂处理，之后进行烧成。烧成后，在表面形成期望的驱动电极并进行极化，获得作为层叠压电体的压电驱动器1。
还有，优选烧结前生密度为4.5g/cm2以上。由此，则可在更低的温度下进行烧成。如果进一步提高生密度，则也易于抑制Pb的蒸发。
(液体喷吐装置)本发明的压电驱动器，如上述已说明那样，因为在一基板(陶瓷振动板)上备有多个形变元件，所以能够适宜在液体喷吐装置中利用。以下，参照附图对将本发明的压电驱动器在液体喷吐装置中利用的一实施方式进行详细说明。
图2(a)是表示有关本发明一实施方式的液体喷吐装置的截面图；(b)是其俯视图。如图2(a)、(b)所示，该液体喷吐装置，将压电驱动器11粘接在流路部件13而构成。流路部件13，在其内部具备液体加压室13a、和与液体加压室13a连通的喷嘴孔18。
因而，通过压电驱动器11对填充在液体加压室13a中的液体进行加压，并使液滴从喷嘴孔18喷出。这样的液体喷吐装置，例如能够适宜作为在利用喷墨方式的记录装置中使用的喷墨用打印头中利用。
具体而言，压电驱动器11构成为在陶瓷振动板12上依次形成共同电极14、压电体层15，进一步在压电体层15的表面形成多个驱动电极16，由此在陶瓷振动板12之上形成多个具有由共同电极14和驱动电极16夹持压电体层15的结构的形变元件17。
该压电驱动器11与流路部件13相连接。该连接是利用粘合剂等连接在流路部件13上，以使陶瓷振动板12与液体加压室13a的空间直接抵接。这时，构成形变元件17的每一个驱动电极16，配置在液体加压室13a的正上方。于是，对液体加压室13a填充墨液。
在所述状态中，如果通过驱动电路对共同电极14和驱动电极16之间施加电压，则对与施加电压而形变的形变元件17对应的液体加压室13a内的墨液进行加压。于是，通过在流路部件13的底面开口的喷嘴孔18喷出墨滴。
如果将本发明的层叠压电体的压电驱动器作为上述那样的打印头的电驱动器利用，则能够利用低价IC而实现打印头。因为该打印头形变特性优异，所以使高速、高精度的喷出成为可能，并且能够提供适用于高速打印的打印头。再有，如果将该打印头搭载在打印机上，例如具备了对所述打印头供给墨液的墨液槽、和用于对记录纸进行打印的记录纸输送机构的打印机，则与以往相比易于达到高速、高精度的印刷。
以下，举出实施例而进一步对本发明进行详细说明，但是本发明并非限定于以下的实施例。
(压电驱动器的制作)首先，作为原料，准备含有纯度99％以上的锆钛酸铅(PZT)的压电陶瓷粉末。然后，利用该压电陶瓷粉末，通过烧成而制作成为如表1所示的第1压电陶瓷以及第2压电陶瓷的陶瓷印刷电路基板。具体而言，在所述压电陶瓷粉末中，作为水性粘合剂添加丁基异丁烯酸盐(butyl-methacrylate)、作为分散剂添加聚羧酸铵盐(poly-carboxylicammonium)、作为溶剂添加异丙醇和纯水而进行混合，获得混合浆(slurry)。通过刮桨刀(doctor blade)法将该混合浆涂布在载体膜(carrierfilm)上，制作厚度30μm的薄片形状的各陶瓷印刷电路基板。
将所述获得的各印刷电路基板以表1所示的组合进行利用，来制作各压电驱动器；具体而言，将共同电极膏剂以4μm的厚度印刷在陶瓷振动板用的印刷电路基板(第1压电陶瓷)的表面而形成共同电极。进一步，在将印刷了共同电极的面朝向上方的陶瓷振动板用的印刷电路基板上，层叠压电体层用的印刷电路基板，并进行加压处理而获得层叠体。
将该层叠体进行脱脂处理之后，在980℃、氧气99％以上的环境中保持4小时并进行烧结，制作由图1所示的压电体层5、陶瓷振动板2、以及共同电极4构成的层叠体。接着，在压电体层5的表面如下形成驱动电极6。即，通过丝网印刷涂布了Au膏剂。并在600～800℃、大气环境中对Au膏剂进行烧结且形成驱动电极6。
最后，利用焊锡将引线连接在驱动电极6，从而获得如图1所示的各压电驱动器(表1中的样品No.1～12)。
表示压电驱动器的物性的晶格常数比c/a以及压电常数d31，分别如以下进行测量。其测量结果在表1中表示。
(晶格常数比c/a)各压电陶瓷层的晶格常数比c/a，通过XRD而求取a轴的晶格常数和c轴的晶格常数的比率。
(压电常数d31)对所述层叠体(烧结后)的表背面进行Au蒸镀，并且将此加工为3mm×12mm的大小。接着，介由表背面的Au电极将4kv/mm的直流电压施加1分钟而进行极化处理。通过利用阻抗分析器的共振法来求得该样品的d31。
(评价)对所述获得的各压电驱动器进行驱动耐久性的评价。评价方法如下所示，而且其结果在表1中表示。
(评价方法)
将各压电驱动器加工为8mm×8mm的大小而制作了试验片。然后，将该试验片粘合在外形为10mm×10mm而开设了4mm×4mm的孔的金属基板上，制成形变测量用样品。然后，在共同电极和驱动电极间的厚度方向施加3kv/mm的直流电压5分钟而进行极化。
接着，在2kv/mm的电压下进行形变。该形变采用多普勒(Doppler)形变仪进行测量。50小时形变之后测量其形变而求得形变的劣化量，并且在表1中作为“耐久性劣化率(％)”表示。还有，表1中的“形变”，意味30分后的形变。
表1
*表示本发明的范围外的样品。
PZT锆钛酸铅PT钛酸铅BT钛酸钡表1表明，本发明的样品No.2～12，其形变为53nm以上；50小时耐久后的耐久性劣化率为5％。
另一方面，作为第1压电陶瓷和第2压电陶瓷相同的本发明的范围外的样品No.1其劣化率大致10％以上。由该结果可知，本发明的样品No.2～12，其驱动耐久性优异。
权利要求
1.一种压电驱动器，由通过第1压电陶瓷构成的陶瓷振动板、和在该陶瓷振动板的表面上设置的多个形变元件构成，该形变元件，由通过第2压电陶瓷构成的压电体层、以及夹持该压电体层的共同电极和驱动电极而构成，所述第1压电陶瓷和所述第2压电陶瓷，其主成分几乎相同，而压电特性不同。
2.根据权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述第1压电陶瓷的压电特性，为所述第2压电陶瓷的压电特性的75％以下。
3.根据权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述第1压电陶瓷和所述第2压电陶瓷，作为主成分含有Pb、Zr、Ti。
4.根据权利要求3所述的压电驱动器，其中，所述第1压电陶瓷以及第2压电陶瓷，作为主成分含有锆钛酸铅；所述第2压电陶瓷至少含有从Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn、Yb以及Te中挑选出的一种。
5.根据权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述第1压电陶瓷的晶格常数比c1/a1为1.013～1.030，所述第2压电陶瓷的晶格常数比c2/a2为1.01～1.016，而且c1/a1的值比c2/a2的值要小。
6.根据权利要求1所述的压电驱动器，其中，所述第1压电陶瓷的Zr/Ti比为0.96～0.81，所述第2压电陶瓷的Zr/Ti比为1.17～0.92，而且所述第1压电陶瓷的Zr/Ti比与所述第2压电陶瓷的Zr/Ti比相比要小。
7.根据权利要求1所述的压电驱动器，其中，在构成极化前的所述第2压电陶瓷的结晶的a轴方向上取向的a轴取向度为50％以上。
8.一种液体喷吐装置，将权利要求1所述的压电驱动器接合在流路部件上，该流路部件在内部具备液体加压室、和连通该液体加压室的喷嘴孔，由所述压电驱动器对填充在所述液体加压室的液体进行加压，而从所述喷嘴孔喷出液滴。
全文摘要
提供一种压电驱动器，由通过第1压电陶瓷构成的陶瓷振动板、和在该陶瓷振动板的表面上设置的多个形变元件构成，该形变元件，由通过第2压电陶瓷构成的压电体层、以及夹持该压电体层的共同电极和驱动电极而构成，所述第1压电陶瓷和所述第2压电陶瓷，其主成分几乎相同，而压电特性不同。这样，能够获得驱动耐久性优异的压电驱动器。
文档编号B41J2/14GK1838443SQ20061006808
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月24日 优先权日2005年3月25日
发明者由宇喜裕 申请人:京瓷株式会社