专利名称：促动器及其制造方法以及打印头的制作方法
技术领域：
本发明涉及由以含Pb、Zr、以及Ti的压电陶瓷层为主成分的薄层烧结体构成的促动器(actuator)及其制造方法、以及适合在用于文字或图象打印的喷墨记录装置中使用的打印头。
背景技术：
近年来，随着个人电脑的普及和多媒体的发展，喷墨方式的记录装置作为将信息输出到记录介质中的记录装置，其利用得到急速发展。
上述的喷墨方式的记录装置中，搭载有打印头。关于这种打印头，普遍知道的是热位差方式和压电方式。热位差方式，是用设置在填充有油墨的油墨流路内的加热器加热油墨，使之沸腾，并通过由此在油墨流路内所产生的气泡加压油墨，使油墨从油墨喷出孔喷出。另一方面，在压电方式中，利用位移元件，使填充有油墨的油墨流路一部分的壁弯曲位移，机械地加压油墨流路内的油墨，使油墨从油墨喷出孔喷出。
用在利用压电方式的油墨记录装置中的打印头，例如公开在特开平10-151739号公报中。即，如图4(a)所示，这种打印头，作为油墨流路23a并排设置多个槽，并且在以各油墨流路23a作为隔板而形成隔壁23b的流路部件23的上部，隔着粘接层21a设置有促动器21。
促动器21，通过在压电层24的一面上形成共用电极25，同时在另一面上形成多个独立电极26，而设置多个位移元件27。粘接促动器21和流路部件23，以使促动器21在流路部件23的开口部的油墨流路23a的正上方设置独立电极26。
此外，通过由驱动电路在共用电极25和独立电极26之间外加驱动电压使位移元件27振动，位移元件27构成油墨流路23a的一部分，所以加压油墨流路23a内的油墨，从开口在流路部件23的底面的油墨喷出孔8喷出墨滴。
在上述的构成中，若向共用电极25和独立电极26外加驱动电压，则压电层24向面方向dx延伸，但与设置在油墨流路23a周围的隔壁23b相接合的压电层24的部位(约束部)被受约束，所以压电层24的没有受约束的部位(非约束部)向厚度方向dY弯曲，向油墨流路23a施加压力，由与油墨流路23a连通的油墨喷出孔28，喷出油墨。
如图4(b)所示，打印头是通过在压电陶瓷层24上，以等间距并列设置多个独立电极26的方式设置多个位移元件27而形成的。各位移元件27通过被独立地控制，可有助于喷墨打印的高速化和高精度化。
在特开平11-34321号公报和特开平7-315923号公报中提出了，通过在上述的促动器中使用作为金属成分含选自Pb、Zr、Ti、Zn、Sb、Ni、Te、Sr、以及Ba中的至少1种的钙钛矿型化合物，可实现耐热性、耐久性、耐温度变化性优异的压电体。
将这种促动器用作喷墨打印机的打印头时，重要的是控制促动器的位移偏差。但是，将烧结体用作压电陶瓷层时，由于特性偏差大，所以存在位移偏差大的问题。其结果，油墨的喷出不均匀，所以被记录的文字或图象的浓淡偏差大，鲜明度恶化，进而不能进行高速打印。
另外，在最近的高精度打印机中，为了使促动器的位移大，常常使之厚度薄。为此，例如为了直接得到100μm以下、特别是60μm以下厚度的压电烧结体，而在1000℃以上的高温烧成时，Pb将从成形体表面蒸发而引起组成的变化，从而使得到的压电烧结体的组成产生偏差。若将这种促动器用作喷墨式打印机的打印头，则位移偏差变大，油墨的喷出不均匀，被记录的文字或图象的鲜明度部分地恶化，进而带来不能进行高速打印的问题。
为了得到100μm以下的促动器，即使从通过烧结得到的厚的压电陶瓷中去除Pb蒸发的表面部而仅利用组成偏差少的中心部分，但在实际上难以把陶瓷磨削成100μm以下的薄厚度。因此，难以制造出由没有组成偏差的薄陶瓷构成的促动器。
另一方面，当促动器21的厚度在100μm以下时，因由烧成收缩时的残余应力，产生变形，所以存在由因隔壁23b的约束而产生的应力，位移元件27的位移量下降的问题。
此外，因没有将粘接层21a控制在特定的厚度，所以若相邻的对应于油墨流路23a的位移元件27N同时发生位移，则应被隔壁23b受约束的压电层24的被约束部位不能呈现充分的约束力，从而存在相邻的位移元件27和27N相互干扰，使位移的偏差变大的问题。这种问题在隔壁23b的厚度小的情况下尤其显著。
发明内容
本发明是基于通过控制含Pb、Zr以及Ti的压电陶瓷中的组成比Pb/(Ti+Zr)，可大幅度降低从表面向厚度方向产生的组成偏差的新的见解，成功地制造了特性偏差小的促动器。
即，本发明之一的促动器基本上由基板、和设置在该基板表面上的由压电陶瓷层和夹持该压电陶瓷层的一对电极而成的位移元件构成，且其总厚度为100μm以下。所述压电陶瓷层和基板以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分。压电陶瓷层的表面和基板内部的组成比Pb/(Ti+Zr)的最大差是0.02以下。
本发明的促动器的制造方法基本上由层叠以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分的未加工片材而制作在内部和表面上设置电极的层压体的工序，和在高浓度氧气氛下烧成该层压体的工序构成。这时，根据本发明，含在上述未加工片材中的Pb量，变得大于相当于上述钙钛矿型结晶的化学计量组成的Pb量。由此，可以制作上述的本发明的促动器。
另一方面，若在薄层压电体上加应力，则其电容下降，这将诱起促动器的特性偏差。因此，若严格地控制构成压电陶瓷层的钙钛矿型化合物的晶格常数比，并使压电陶瓷层的晶相近似于正方晶格格，则即使有压缩应力作用，也可抑制电容的下降。特别是，可实现与具有多个约束部的支撑部件接合并受到压缩应力时，也可维持优异的压电特性的促动器。由此，成功地提供了即使以100μm以下的厚度烧成，组成偏差少的促动器和改善位移偏差的喷墨用的打印头。
因此，本发明之二的促动器基本上由陶瓷基板、和设置在该基板表面上的具备压电陶瓷层和夹持该压电陶瓷层的一对电极的多个位移元件构成，且其总厚度为100μm以下。所述压电陶瓷层是由含Pb、Zr以及Ti的 钙钛矿型化合物构成。该钙钛矿型化合物的晶格常数比c/a是1.013～1.016。
此外，在厚度为100μm以下的促动器的情况下，通过对粘接层厚度和d常数进行控制，可抑制相邻的位移元件的干扰，可具有充分的位移量且可降低位移偏差。
因此，本发明之三的促动器基本上由基板、设置在该基板的一面上的位移元件、和通过粘接层粘接在所述基板的另一面上的多个约束部构成，且所述位移元件分别独立地工作，使在没有被所述约束部受约束地非约束部诱起位移，同时总厚度为100μm以下、d常数为200pm/V以上，所述粘接层的厚度为0.5～5μm。
这样，在厚度为100μm以下的促动器的情况下，由于控制了粘接层的厚度和d常数，所以可防止相邻的位移元件的干扰，可抑制促动器的位移偏差。并且，通过控制隔壁和基板厚度之比，可更加有效地抑制所述干扰。
本发明的打印头是由具有多个油墨流路的流路部件和设置在该流路部件上且形成多个位移元件的上述促动器构成，所述位移元件位于油墨流路的正上方，并通过所述位移元件的位移，喷出油墨。由此，可抑制油墨液滴量和喷出速度的偏差，可以高速、高精度地喷出油墨。
图1(a)是表示本发明的促动器的示意剖视图，图1(b)是其俯视图。
图2(a)是本发明的打印头的示意剖视图，图2(b)是表示位移元件发生位移的状态的示意剖视图。
图3(a)是在促动器设有约束部时的示意剖视图，图3(b)是其俯视图。
图4(a)是以往打印头的示意剖视图，图4(b)是示意俯视图。
具体实施例方式
(实施方式1)如图1(a)所示，本发明的促动器是在陶瓷基板2的表面上设置多个位移元件7而成的。位移元件7具备设置在陶瓷基板2上的共用电极5、设置在共用电极5上的压电陶瓷层4、和设置在压电陶瓷层4上的独立电极6。即，位移元件7构成为，用共用电极5和独立电极4夹持压电陶瓷层4，并且共用电极5被设置在陶瓷基板2的上面。
在陶瓷基板2上设有多个位移元件7，如图1(b)所示，独立电极6以等间距在平面上排列，分别独立地与外部的电子控制电路连接，若在各电极间外加电压，则可使被外加电压的共用电极5和独立电极6夹持的部位的压电陶瓷层4发生位移。
构成位移元件7的压电陶瓷层4，重要的是以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分。例如，作为A位构成元素含有Pb，且作为B位构成元素含有Zr以及Ti的结晶，通过这样的组成，可得到具有高压电常数的压电陶瓷层。
作为上述钙钛矿型结晶，具体可以举出PbZrTiO3。此外，可以混合其他的氧化物。此外，作为补助成分，只要在不影响特性的范围内，可以在A位和/或B位上有其他元素取代。例如，可以作为补助成分，加入Zn、Sb、Ni、以及Te，形成Pb(Zn1/3Sb2/3)O3和Pb(Ni1/2Tc1/2)O3的固溶体。
根据本发明，作为上述钙钛矿型结晶中的A位构成元素，优选进一步含有碱土类元素。作为碱土类元素，可以举出Ba、Sr、Ca等，从可得到高位移的观点出发，特别优选Ba、Sr。由此，介电常数上升，其结果，能够显示更高的压电常数。
具体为，可以举出用Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3+α质量％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)表示的化合物。
此外，可以使用镁铌酸铅(PMN类)、以及镍铌酸铅(PNN类)等含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶。
陶瓷基板2，只要是绝缘性高的就可以，但优选压电体，特别优选具有与压电陶瓷层4近似相同的热膨胀率的。还有，陶瓷基板是压电体，特别优选其组成与压电陶瓷层4近似相同。由此，可进行同时烧成，可容易地防止因热膨胀差异而在烧成时发生的热应力，发生翘曲或变形。
另外，陶瓷基板2可以是单层，但为了控制厚度，控制烧结后的组成偏差或特性偏差，优选是层压体。
本发明的促动器，重要的是将压电陶瓷层4表面的Pb/(Ti+Zr)比和基板2内部的Pb/(Ti+Zr)比的最大差值控制在0.02以下。若该最大差值大于0.02，则由于表面部组成的偏离，将发生位移元件7的特性偏差。
如这样，将组成被控制的促动器，用作压电方式喷墨打印机的打印头时，可抑制油墨的喷出偏差，可有助于大大提高打印速度或鲜明度等的打印特性。
根据本发明，独立电极6可以是单独存在，但为了提高打印速度和打印精度，最好存在多个。
作为共用电极5、独立电极6的材料，只要具有导电性的就可以，可以使用Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Al或它们的合金等。另外，作为电极5和独立电极6的厚度，具有导电性且需要有不妨碍位移程度的厚度，优选0.5～5μm，特别优选1～3μm左右。
本发明的促动器的厚度T在100μm以下，对可得到大的位移且可充分发挥作为促动器的特性方面上重要。厚度T，特别在80μm以下，优选在65μm以下，更优选在50μm以下。促动器的厚度T表示基板2和位移元件7的层厚。并且，促动器的厚度T的下限值，为了具有充分的机械强度和防止在操作和工作中的破坏，为3μm，特别为5μm，优选10μm，更优选为20μm。
另外，位移元件7的气孔率为1％以下，优选在0.5％以下。通过降低气孔率，促动器1的强度提高。用作喷墨打印头时，可有效地抑制因油墨向磁器的渗入引起的油墨的泄漏。
将本发明的促动器用作喷墨打印机的打印头时，作为压电应变常数，例如可以使用d31方式。为了作为喷墨打印机的打印头，发挥充分的喷出能力，并实现高速精细的打印，d31为200pm/V以上，优选在225pm/V以上，更优选在250pm/V以上。
下面，具体以将PbZrTiO3类钙钛矿型结晶应用于喷墨打印机的打印头的情况为例，说明本发明的促动器。
首先，作为原料粉末，准备Pb2O3、ZrO2、TiO2、BaCO3、ZnO、SrCO3、Sb2O3、NiO、TeO2。将这些调制混合成，加入的Pb比相当于钙钛矿型结晶的化学计量组成的Pb量更多的组成。特别是，从降低特性偏差，得到更优异的压电特性的角度出发，优选将Pb量调整为相对于上述化学计量组成，过量1～5重量％，特别是2～4质量％。
将得到的混合粉末，利用辊涂法、缝隙(slit)涂布法等通常的带成形法，进行由压电陶瓷层和有机组合物构成的带的成形，而制作未加工片材(green sheet)。因该未加工片材中的Pb含量大于相当于上述钙钛矿型结晶的化学计量组成的Pb量，所以可大幅度降低烧成后的磁器的组成偏差，对于得到本发明的促动器起重要作用。
在未加工片材的一部分的表面上，通过印刷等方法，形成共用电极和独立电极。并且，根据需要，在未加工片材的一部分上形成通孔，在其内部插入贯通(via)导体。
接着，层压所需要的未加工片材而制作层压体。进而，将加入有机组合物，并使其组成实质上与该未加工片材相同的约束片材，配置在上述层压体的两面或单面上，进行加压密合。
将加压密合后的层压体配置在烧成炉的内部，并在高浓度氧气氛下在烧成温度900℃以上，特别是在950～1100℃进行烧成。由此，可以防止由于层压体中的Pb的蒸发，其组成中的Pb小于上述钙钛矿组成的现象，其结果，可得到组成比Pb/(Ti+Zr)比的最大差在0.02以下的压电体陶瓷。
加压密合后未加工片材的原始密度在4.2g/cm2以上，特别是在4.5g/cm2以上时，可使从内部的Pb蒸发减少，并可更容易地控制Pb的组成偏差，所以优选。
另外，烧成时氧气氛中的氧浓度，在98％以上，特别在99％以上为优选。由此，具有可抑制铅氧化物的分解，进一步降低Pb的蒸发量、抑制组成偏差的效果，可使促动器的位移偏差为更小。
由此制作的促动器是由没有组成偏差的100μm以下的压电陶瓷构成，容易地将位移偏差控制在10％以下，可适合利用为用在喷墨打印机的打印头中的促动器。
本发明的打印头具备流路部件和设置在该流路部件上的上述促动器，且通过构成所述促动器的所述位移元件的位移，喷出填充在设置于所述流路部件的油墨流路中的油墨。
使用图2(a)来说明本发明的打印头的一例。具有作为多个槽的油墨流路13a被隔壁13b隔开的结构的流路部件13，被粘接在本发明的促动器11。即，在流路部件13表面上通过粘接材料粘接有基板12，并在基板12的上面设置有多个位移元件17。此外，分别设置为基板12的与位移元件17接触的部位与流路部件13的开口部油墨流路13a重叠。
位移元件17构成为，在压电陶瓷层14的一方主面上形成共用电极15、并且在另一方的主面上形成独立电极16，且通过一对电极15、16夹持压电陶瓷层14。
另外，位移元件17的共用电极15和独立电极16电连接在外部的驱动电路上。若通过驱动电路向共用电极15和独立电极16之间外加电压，则如图2(b)所示，加压与受到外加的电压而发生位移的位移元件17相对应的油墨流路13a内的油墨，而从开口在流路部件13的一端面上的油墨喷出孔18，喷出墨滴。
此外，如图4(b)所示，在本发明的打印头中，多个位移元件被排列在基板上，且每个位移元件被独立地控制，进行各自的位移。
通过采用这样的结构，可以稳定地以高速、高精度地喷出油墨，可实现以高速得到鲜明的图像的适用于打印机上的打印头。
(实施方式2)图1(a)和(b)中所示的本发明的促动器具有，在陶瓷基板2的与设有位移元件7的面相反侧的面上，通过粘接层设有由金属构成的约束部，在非约束部发生位移的结构时，尤其可以充分地发挥本发明的效果。即，因通过粘接层设置有由金属构成的约束部，所以压电层4受到压缩应力，在非约束部发生位移。
具体地，如图3(a)所示，在本发明的促动器1的陶瓷基板2上固定有支撑部件3，并且在与支撑部件3接合的陶瓷基板2的面上形成有位于槽的开口部的非约束部8b(自由振动部)和通过接合形成的约束部8a(固定部)。另外，一旦在共用电极5和独立电极6之间外加电压，就通过压电陶瓷层4的位移，位移元件7发生位移，其结果，可在非约束部8b进行振动。通过这样的结构，作为位移大的促动器，可充分地发挥其特征。
对于构成位移元件7的压电陶瓷层4来讲，重要的是以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分。例如，作为A位构成元素含有Pb，且作为B位构成元素含有Zr以及Ti的结晶，特别地，是钛锆酸铅类化合物时，可得到具有更高d常数的稳定的压电烧结体，所以优选。
此外，所述压电陶瓷层优选含有选自Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn以及Te中的至少一种。由此，能够得到更稳定的压电烧结体，例如作为补助成分，可以举出固溶Pb(Zn1/3Sb2/3)O3和Pb(Ni1/2Tc1/2)O3而成的固溶体。
特别是，作为A位构成元素，优选进一步含有碱土类元素。作为碱土类元素，从可得到高位移的观点出发，特别优选Ba、Sr。特别是，在正方晶格组成为主体组成的情况下，若含有0.02～0.08mol的Ba以及0.02～0.12mol的Sr，则有利于得到大的位移。
例如，相对于用Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3+α质量％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)表示的组成，使加入的Pb量过量1～5质量％。
若将把Pb调制为化学计量组成的成形体在1000℃烧成2小时，则Pb作为PbO被蒸发掉，而产生表面部组成偏差，容易引起位移元件特性的下降和性能偏差，所以使添加的Pb量比化学计量组成过量，特别是A位过量比在1.005～1.04，特别优选在1.01～1.03。由此，可容易地将位移元件7的厚度方向Pb/(Ti+Zr)比的偏差控制在0.02以下，可进一步降低组成偏差。
另外，A位过剩比(A/B比)，是指将A位全成分的摩尔数之和用B位全成分的摩尔数之和相除后的值。也就是指，当A/B比在化学计量的钙钛矿型氧化物中为1时，在A位上加入比它过量的Pb和其它元素，而使A/B成为大于1的状态。
另外，构成压电陶瓷层4的钙钛矿型化合物，通常具有2种晶形，一般是以菱形晶和正方晶格混合的状态存在。为了提高压电特性，优选采用成为菱形晶和正方晶格的组成相境界(MPB)的组成。但是，若烧成厚度T为100μm以下的促动器，则Pb蒸发，使从促动器表面到内部的压电体组成发生变化，产生特性劣化。相对于此，根据本发明，通过控制晶格常数比c/a，且以特定的比率混合2种晶形，可维持优异的特性且即使在应力环境下也可抑制特性劣化。
即，重要的是压电陶瓷层4的钙钛矿型化合物的晶格常数比c/a被设定在1.013～1.016。由此，可将钙钛矿型化合物的主体作为正方晶格组成。特别是，为了得到稳定的压电特性，晶格常数比c/a为1.0135～1.0155，优选在1.014～1.015。
位移元件7的厚度在100μm以下，对于得到大的位移很重要，从使位移大的角度出发，为80μm以下，优选在60μm以下，进一步优选在50μm以下。另外，为了防止制造时或工作时的破坏，若考虑充分的机械强度，下限值为3μm，优选5μm，进一步优选10μm。
陶瓷基板2，只要是绝缘性高的就可以，但优选压电体，特别优选具有与压电陶瓷层4近似相同的热膨胀率的。进而，陶瓷基板为压电体，特别优选具有与压电陶瓷层4近似相同的热膨胀率的。由此，可进行同时烧成，可容易地防止由于因热膨胀差异而在烧成时发生的热应力，发生翘曲或变形。
另外，陶瓷基板2可以是单层，但为了控制厚度，控制烧结后的组成偏差或特性偏差，优选是层压体。
作为喷墨打印头使用时的压电应变常数，例如是d31。若要作为喷墨打印机的打印头，发挥出充分的喷出能力，d31的大小需要在200pm/V以上。若低于200pm/V，就没有充分的喷出能力，不能用作喷墨打印头。若要实现高速精细的打印，更优选d31为250pm/V以上。
促动器的弹性柔量，为14.0×10-12m2/N以下，优选为13.5×10-12m2/N以下，更优选为13.0×10-12m2/N以下。由此，可容易地抑制对于把促动器安装在支撑部件之后产生的应力的电容的下降。
此外，位移元件7的气孔率在1％以下，优选在0.8％以下，更优选在0.5％以下。由此，可有效地防止油墨等液体的渗入，所以可降低油墨的漏出。
作为独立电极4和共用电极6的材料，只要具有导电性的就可以，可以使用Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Al或它们的合金等。另外，作为电极厚度，需要具有导电性且有不妨碍位移程度的厚度，通常为0.5～5μm左右，优选1～4μm左右。
通过采用这样的结构，可独立且充分地控制促动器各位移元件7的位移大小。因此，可精密地控制油墨的喷出量，所以可进行高精度的对位，其结果，可提供喷出偏差少、高品质的喷墨记录头。
下面，具体以将PbZrTiO3类钙钛矿型结晶应用于喷墨打印机的打印头的情况为例，说明该实施方式的促动器的制造方法。
首先，作为原料粉末，准备Pb2O3、ZrO2、TiO2、BaCO3、ZnO、SrCO3、Sb2O3、NiO、TeO2。将这些调制混合成，加入的Pb比相当于钙钛矿型结晶的化学计量组成的Pb量更多的组成。特别是，从维持优异的压电特性的角度出发，优选将A位过剩比调整为1.005～1.04，特别是1.01～1.03。
将得到的混合粉末，利用辊涂法、缝隙(slit)涂布法等通常的带成形法，进行由压电陶瓷和有机组合物构成的带的成形，而制作未加工片材。
在未加工片材的一部分的表面上，通过印刷等方法，形成共用电极和独立电极。并且，根据需要，在未加工片材的一部分上形成通孔，在其内部插入贯通(via)导体。
接着，层压所需要的未加工片材而制作层压体。进而，将由与该未加工片材实质上相同组成的压电陶瓷和有机组合物构成的约束片材，配置在上述层压体的两面或单面上，进行加压密合。
将加压密合后的层压体配置在烧成炉的内部，并在高浓度氧气氛下在烧成温度900℃以上，特别是在950～1100℃进行烧成。由此，可以防止由于层压体中的Pb的蒸发，其组成中的Pb小于上述钙钛矿组成的现象，其结果，可得到组成比Pb/(Ti+Zr)比的偏差值在0.02以下的压电烧结体。
烧成时的氧浓度，优选在氧气氛下烧成。从抑制Pb的蒸发、降低密度偏差的角度出发，氧浓度在80％以上，优选在90％以上，更优选在95％以上，进一步优选在98％以上。
如图2所示，该实施方式的打印头也是促动器11粘接在流路部件13上而成的。由于该打印头具有高速、高精度的喷墨能力，所以适合使用于高速打印中。其他与上述的实施方式相同。
(实施方式3)如图3(a)所示，该实施方式的促动器1中，基板2接合在支撑部件3上，并且基板2和支撑部件3通过粘接层1a成为一体。此外，在基板2的表面上设置压电层4，在基板2和压电层4之间形成共用电极5，同时在压电层4的表面上设置独立电极6。共用电极5和独立电极6夹持压电层4。
如图3(b)所示，优选以在压电层4上以等间距并列设置多个独立电极6的方式设置多个位移元件7，通过采用这样的结构，在适用于打印头时，可通过分别独立地控制各位移元件7，可有助于喷墨打印机的高速化和高精度化。
独立电极6分别独立地与外部的电子控制电路连接，若分别在独立电极6和共用电极5之间外加电压，则可使被外加电压的共用电极5和独立电极6夹持的部位的陶瓷层4发生位移。
由于基板2被支撑部件3的隔壁3b，被部分固定，所以与支撑部件3接合着的基板2的主面是由通过接合形成、被固定的约束部8a和位于槽3a的开口部的非约束部8b构成，可在非约束部8b进行振动。
构成位移元件7的压电层4，最好以钙钛矿型氧化物为主要成分，作为A位构成元素含有Pb，且作为B位构成元素含有Zr、Ti。另外，作为补助成分，优选固溶Pb(Zn1/3Sb2/3)O3和Pb(Ni1/2Te1/2)O3而成的固溶体。
例如，可以使用以钛锆酸铅作为主成分的压电陶瓷等，但并不限于这些，只要是具有压电性的就可以。作为构成该位移元件的物质，优选压电应变常数d31高的。
特别是，作为钙钛矿型氧化物的A位构成元素，为了使位移大优选进一步含有碱土类元素。作为碱土类元素，有Ba、Sr、Ca等，特别是从可得到大的位移的观点出发，优选Ba、Sr。
具体地，优选用Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1+b-cTicO3+α质量％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)表示组成的压电陶瓷组合物。
本发明的促动器1的总厚度T，从由大的位移量带来高性能化、小型化和低消耗电力化(低电压化)的角度出发，在100μm以下是重要的。为了具有实用上的机械强度和耐电压强度，下限值是5μm，优选10μm，更优选20μm，此外，为了加大位移，上限值是80μm，优选是60μm，更优选是45μm。
另外，基板2和压电层4的气孔率为1％以下，优选为0.8％以下。若气孔率大于1％，则用作喷墨打印头时，由油墨的渗入将有可能引起油墨的漏出，所以不理想。并且，从磁器强度的面上考虑也不理想。
作为共用电极5和独立电极6的材料，有导电性就可以，可使用Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Al或它们的合金。另外，作为电极5、6的厚度，要有导电性且不防碍位移的程度，优选1～5μm。
根据本发明，重要的是促动器1的位移元件7的d常数在200pm/V以上。若d常数小于200pm/V，则喷墨的喷出量下降。特别是，为了喷出性能的稳定化，d常数优选在220pm/V以上，更优选在250pm/V以上。
位移元件7发生变形时，需要防止位移元件在约束部8a中的异常变形，为此，重要的是使粘接层1a的厚度t在0.5～5μm。特别是，为了降低相相邻位移元件之间的干扰，粘接层1a的厚度t的上限在4μm，优选在3μm，更优选在2μm，最优选在1μm。
此外，若在粘接层1a的内部中存在大的气孔，则有时于气孔存在的约束部8a位移元件7的位移量变大。因此，有时相相邻的位移元件7之间的干扰变大。为了防止这一现象，粘接层1a内部气孔的最大气孔直径在10μm以下，优选在7μm以下，更优选在5μm以下。
此外，即使在粘接层1a的厚度t薄的情况下，最好粘接层1a在粘接面的整个面上均匀地形成，且保持耐于振动的充分的粘接强度。
基板2可以是单层，也可以是被层叠的陶瓷，特别优选的是，具有与压电层4近似相同的组成和形状的。这样，当基板2和压电层4具有相同的组成和形状时，可容易地控制烧成时的收缩尺寸，提高大量生产性，并可有助于降低成本。
另外，基板2的厚度可以任意地设定，具体地，基板2的厚度是10～80μm，优选15～70μm，更优选20～50μm。这是为了喷墨的小型化。
下面说明喷墨记录头用的促动器的制造方法。首先，使用公知的成形方法成形PZT等压电粉末原料。从得到均匀的薄层磁器的角度出发，优选利用辊涂法、缝隙(slit)涂布法等通常的带成形法，进行由压电陶瓷和有机组合物构成的带的成形。
为了在得到的未加工片材表面的所需部位上形成电极，用印刷法等涂布导电糊，并且根据需要，形成将这些电极和外部电路电连接的通孔电极，然后将未加工片材按所需的构成层叠，进行加压密合，形成层压体。
在该层压体的上下面铺上约束片材，将它们同时烧成，并利用喷砂或超声波洗涤等方法从得到的烧结体除去约束片材，由此可得到促动器基板。
在所得磁器表面上形成独立电极，然后在磁器上粘接支撑部件。粘接可以通过硅类树脂等的室温粘接或环氧类树脂等的在80～150℃进行的高温粘接等进行。
进行粘接时，优选进行加压，以使粘接层不至于厚。具体为，进行金属加压。并且，作为使粘接层薄的方法，调整粘接剂的粘性，在流动性高的状态下进行粘接。具体为，优选将粘性设定在100～200psi。
并且，为了不在粘接层残留气孔，优选将进行粘接的气氛成为减压状态。具体地，在10kPa以下，优选在1kPa以下，更优选在100Pa以下的真空度进行粘接。另外，降低粘接剂的粘性，也将有效地防止气孔的残留，最好组合粘接剂和粘接法，而适宜地决定减压状态和粘性。
另外，为了提高粘接强度，优选在粘接之前洗涤接合面，特别是进行蚀刻处理而除去表面的氧化层或变质层。除去的量，根据材料而不同，但最好是10～20nm左右。
这样制作的促动器，可将粘接层的厚度控制在0.5～5μm，促动器厚度控制在100μm以下，d常数控制在200pm/V以上，并且即使将支撑部件接合也将显示充分的位移量，可实现位移量的偏差小的促动器。
如图2所示，本发明的打印头是在具有多个油墨流路13a的流路部件13上，通过粘接层11a接合上述促动器11而成的。在设置于促动器11的共用电极15和独立电极16之间外加电压，并通过含压电层14的位移元件17的位移，可从油墨喷出孔18喷出油墨。
可以在独立电极16上设置电极垫片(pad)，向独立电极16供给电力。另外，上述促动器和支撑部件的接合面11a的厚度t优选在0.5～5μm。
此外，在所述粘接层11a中含有的最大气孔直径优选在10μm以下。由此，可以防止各位移元件的位移偏差和相邻位移元件的干扰。
若将这样构成的打印头应用于喷墨型打印机，则可实现能够以高精度进行高速打印的打印机，特别是通过并列设置多个打印头，可实现更加高速和高精度的打印。其他与上述的实施方式1相同。
以上，说明了各实施方式的促动器，但本发明的促动器可以由上述实施方式1～3中的2个或3个组合而成的。即，优选至少将使压电陶瓷层表面和基板内部的组成比Pb/(Ti+Zr)的最大差在0.02以下的实施方式；含Pb、Zr、以及Ti的钙钛矿型化合物的晶格常数比c/a为1.013～1.016的实施方式；所述位移元件分别独立地工作，以使在不被于基板的另一面上通过粘接层被粘接的约束部的约束的非约束部诱起位移，同时d常数为200pm/V以上，所述粘接层的厚度为0.5～5μm的实施方式中的2个或3个组合而成的促动器。
进而，对于本领域技术人员来讲，其他各种变化和变形以及其他用途将是明显的。因此，本发明并不限于具体的公开内容。
以下举例说明本发明的具体实施方式
。
实施例1将作为原料粉末的高纯度Pb2O3、ZrO2、TiO2、BaCO3、ZnO、SrCO3、Sb2O3、NiO、TeO2的各原料粉末，称量一定量，使烧结体成为用Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3(x＝0.04、y＝0.02、a＝0.075、b＝0.005、c＝0.42)表示的组成。进而，在该组成中加入表1所示量的过量Pb。
将上述被调制的粉体，利用球磨机湿式混合20小时。然后，脱水、干燥该混合物。接着，在900℃煅烧3小时，将得到的煅烧物再次用球磨机湿式粉碎。
然后，在该粉碎物中混合有机粘合剂、水、分散剂和增塑剂，制作料浆，然后利用为了成形薄的未加工片材而通常使用的辊涂法，制作预先考虑收缩率的未加工片材，使烧成后的厚度尺寸为表中所示的值。
接着，使用模具，将上述未加工片材冲孔为短形状，准备了多张短形状的片材。然后，采用网版印刷法，并使用由Ag-Pd构成的电极用糊，在该短形状片材的表面上涂布共用电极和独立电极。
接着，将涂布电极的未加工片材和未涂布电极的未加工片材重叠，使之成为如图1所示结构，即，在基板表面上形成多个位移元件，然后加热压接，制作了层压促动器成形体。
最后，在400℃对该成形体脱脂脱粘接剂之后，在表1中所示的条件下进行2小时的烧成，得到了促动器。
用测微计测定了所得促动器的厚度。并且，组成比Pb/(Ti+Zr)是通过切断烧结体，用EPMA观察截面，定量测定压电陶瓷层的表面和所述基板内部的Pb、Ti、Zr而求得，并求出了压电陶瓷层的表面和基板内部的组成比的差值。
另外，气孔率是通过切断烧结体，并将其截面加工成为镜面状态之后，用显微镜观察，求出给定面积内的气孔面积而计算的。促动器的压电特性d31是，用使用阻抗分析器的共振法测定10处，算出其平均值来求得的。
然后，将促动器用于喷墨用打印头中。这时，用激光多普勒振动计测定10处位移元件的位移量，由其平均值算出位移偏差。然后，用平均值除各位移量和平均值的最大差值，用百分率表示后作为偏差。将其结果表示于表1中。
表1
*表示本发明范围之外的试样本发明的试样No.I-2～15、I-17～19以及I-21～25，其d31为200pm/V以上，位移偏差为2％以下。可以确认这些值使喷墨打印机足够发挥作用。
另一方面，Pb以化学计量组成调和的试样No.I-1，由于其Pb/(Ti+Zr)的最大差值较大，为0.04，所以d31较低，为190pm/V，位移偏差较大，为8％。另外，具有较大的促动器厚度即促动器厚度为150μm的试样No.I-16，其d31较低，为150pm/V，作为喷墨打印机打印头的特性不够充分。进而，由于烧成温度较高，为1200℃，所以其组成比Pb/(Ti+Zr)的最大差值较大，为0.035的试样No.I-20，其位移偏差较大，为5.5％。
实施例2将作为原料粉末的高纯度Pb2O3、ZrO2、TiO2、SrCO3、BaCO3、NiO、Sb2O3、ZnO、TeO2的各原料粉末，称量一定量，使之成为表2中所示的组成。进而，加入相对于该组成过量的Pb。表2的组成表示Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)aNi1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3中的x、y、a、b、c的摩尔比。试样No.II-25使用了BaTiO3。
将上述被调制的粉体，利用球磨机湿式混合20小时。然后，脱水、干燥该混合物。接着，在900℃煅烧3小时，将得到的煅烧物再次用球磨机湿式粉碎。
然后，在该粉碎物中混合有机粘合剂、水、分散剂和增塑剂，制作料浆，然后利用辊涂法，制作预先考虑收缩率的未加工片材，使烧成后的厚度尺寸为表2中所示的值。
接着，使用模具，将上述未加工片材冲孔为短形状，准备了多张短形状的片材。然后，将共用电极和独立电极，使用由Ag-Pd构成的电极用糊，利用网版印刷涂布在该短形状片材的表面上。
接着，将涂布电极的未加工片材和未涂布电极的未加工片材重叠，使之成为如图1(b)所示结构，即，在基板表面上形成纵向配列10个、横向排列10个的位移元件，然后加热压接，制作了层压促动器成形体。
最后，在400℃将该成形体脱脂之后，将5种层压体在99％O2气氛、1000℃温度下烧成2小时，得到了5种促动器。
研磨烧结体截面之后，通过利用CCD的キ一エンス制显微镜，测定所得促动器的厚度。并且，组成偏差Pb/(Ti+Zr)是通过切断陶瓷层，用EPMA观察截面，定量测定Pb、Ti、Zr而算出，另外，气孔率是通过切断压电陶瓷层，并将其截面加工成为镜面状态之后，用显微镜观察而求出给定面积内的孔隙的面积，然后用总面积除而得到的。
组成偏差，是根据EPMA将Pb、Zr、Ti量与内部标准试样相比较而测得的。将所得的Pb、Zr、Ti量换算成摩尔量，算出了Pb/(Ti+Zr)比。并且，钙钛矿型化合物的晶格常数比c/a是通过将X光衍射中的d(002)面间隔和d(200)面间隔代入到下式中算出。
1/d2＝h2+k2+(a/c)2l2/a2另外，通过利用阻抗分析器的共振法测定了促动器的d31。并且，根据烧结体密度和共振频率测定了弹性柔量S11E。
接着，把促动器粘接在流路部件上，制作了图2所示的打印头，然后使用阻抗分析器分别测定了粘接前后的电容，并且相对于粘接前的值将粘接后的值作为变化率算出。另外，利用多谱勒测定器测量分别向各位移元件外加电压时的位移，算出了面内的位移偏差。用与平均值之间的最大差值除以平均值，并用百分率表示的该平均值作为偏差。将结果表示于表2中。
表2
*表不本发明范围之外的试样A1Pb0.94Sr0.04Ba0.02(Zn1/3Sb2/3)0.075(Ni1/2T1/2)0.005Zr0.47Ti0.45O3B1Pb(Zn1/3Sb2/3)0.075(Ni1/2Te1/2)0.005Zr0.47Ti0.45O3C1PbZr0.5Ti0.5O3D1BaTiO3本发明的试样No II-2～5、II-7～10、II-12～24以及II-26的电容的变化率在35％以下、平均位移量在22nm以上且其偏差为4％以下。特别是，主相为A1的Pb0.94Sr0.04Ba0.02(Zn1/3Sb2/3)0.075(Ni1/2Te1/2)0.005Zr0.47Ti0.45O3中，平均位移量为35nm以上，偏差为2％。
另外，晶格常数比c/a小于1.013的试样No.II-1，其电容的变化率大，为50％，平均位移量为40nm，但其偏差大，为15％。另外，晶格常数比c/a大于1.016的试样No.II-6，其平均位移量为40nm，但其偏差为20％，较大。
此外，厚度大于100μm的试样No.II-11，其平均位移量为20nm，较小，所以不能作为促动器特别是用于打印头的促动器而予以实用化。
由不含Pb、Zr的钙钛矿型化合物构成的试样No.II-25，其平均位移量为10nm，较小，所以不能作为促动器特别是用于打印头的促动器而予以实用化。
实施例3将作为原料粉末的高纯度Pb2O3、ZrO2、TiO2、BaCO3、 ZnO、SrCO3、Sb2O3、NiO、TeO2的各原料粉末，称量一定量，使烧结体成为用Pb1-x-ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1-a-b-cTicO3(x＝0.04、y＝0.02、a＝0.075、b＝0.005、c＝0.45)表示的组成。进而，加入相对于该组成过量的Pb。然后，利用球磨机等湿式混合20小时。然后，脱水、干燥该混合物。接着，在700～900℃煅烧3小时，将得到的该煅烧物再次用球磨机等湿式粉碎。
然后，在该粉碎物中混合有机粘合剂、水、分散剂和增塑剂，制作料浆，接着利用辊涂法成形厚度为30μm的带。然后，使用70∶30的Ag-Pd电极糊，在带的上下面分别用印刷法形成厚度为5μm的独立电极和共用电极。接着，将没有形成电极的带和在上下面形成由驱动用的位移元件构成的独立电极和共用电极的带相对地层压，以12Mpa的压力进行加压密合，得到了层压体。
最后，在400℃使该成形体脱脂之后，在99％O2气氛、1100℃温度下烧成5小时，得到了促动器基板。
将得到的促动器切断，研磨其截面之后，通过利用CCD的キエンス制显微镜，测定总厚度T和粘接层的厚度t。并且，气孔率是通过切断烧结体，并将其截面加工成为镜面状态之后，用显微镜观察，求出给定面积内的孔隙的面积而得到的。
将上述促动器接合在流路部件，制作了图2所示的喷墨记录头。作为粘接剂使用环氧类粘接剂，在150℃、加压压力1Mpa下进行粘接。
另外，粘接流路部件促动器的d31是，用使用阻抗分析器的共振法测定10处，算出其平均值来求得的。
然后，向喷墨记录头以10KHz频率外加0～20V的交流电场，用激光多普勒位移计测定10处的位移元件位移量，将其平均值作为位移量。此外，用平均值除各位移量和平均值的最大差值，用百分率表示后作为位移偏差。
进而，在一个位移元件上外加40V直流电压时，用多普勒位移计测定其元件(振动元件)的位移和没有外加电压的相邻的位移元件(相邻元件)的位移，从而调查了干扰的影响。将其结果示于表3中。
本发明的试样No.III-1～7、III-10～15以及III-17～23的d31为200pm/V以上，振动元件的位移(平均)为70nm以上，振动元件的位移偏差为2.8％以下，相邻位移元件的位移是5nm以下。
另外，促动器的总厚度T超过100μm的试样No.III-8的d31为150pm/V，较小，振动元件的位移也为48nm，较小。
并且，粘接层的厚度t小于0.5μm的试样No.III-9以及粘接层的厚度t大于5μm的试样No.III-16，其振动元件的位移偏差均为10％以上，其相邻元件的位移也为12nm以上，较大。
表3
*表示本发明范围之外的试样
权利要求
1.一种促动器，由基板、和设置在该基板表面上的位移元件构成，该位移元件由压电陶瓷层和夹持该压电陶瓷层的一对电极构成，所述压电陶瓷层和基板以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分，压电陶瓷层的表面和基板内部的组成比Pb/(Ti+Zr)的最大差是0.02以下，且总厚度为100μm以下。
2.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于多个所述位移元件被设置在所述基板的表面上。
3.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于所述基板和所述压电陶瓷层的气孔率在1％以下。
4.一种促动器的制造方法，由层压以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分的未加工片材而制作在内部和表面上设置电极的层压体的工序，和在高浓度氧气氛下烧成该层压体的工序构成，且含在上述未加工片材中的Pb量大于相当于上述钙钛矿型结晶的化学计量组成的Pb量。
5.根据权利要求4所述的促动器的制造方法，其特征在于含在所述未加工片材中的Pb过剩量是0.99～5重量％。
6.根据权利要求4所述的促动器的制造方法，其特征在于所述未加工片材的密度为4.2g/cm2以上。
7.根据权利要求4所述的促动器的制造方法，其特征在于在900℃～1100℃烧成所述层压体。
8.根据权利要求4所述的促动器的制造方法，其特征在于所述高浓度氧气氛含有98％以上的氧。
9.一种打印头，其特征在于由具有多个油墨流路的流路部件和设置在该流路部件上的、权利要求1所述的促动器构成，并通过所述位移元件的位移，喷出填充于所述油墨流路中的油墨。
10.一种促动器，由陶瓷基板、和设置在该基板表面上的多个位移元件构成，该位移元件由压电陶瓷层和夹持该压电陶瓷层的一对电极构成，所述压电陶瓷层由至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型化合物构成，且该钙钛矿型化合物的晶格常数比c/a是1.013～1.016，其总厚度为100μm以下。
11.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于所述钙钛矿型化合物是钛锆酸铅类化合物。
12.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于所述压电陶瓷层含有选自Sr、Ba、Ni、Sb、Nb、Zn以及Te中的至少一种。
13.根据权利要求12所述的促动器，其特征在于所述压电陶瓷层含0.02～0.08摩尔Ba和0.02～0.12摩尔Sr。
14.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于所述压电陶瓷层中含有的Pb量与根据所述钙钛矿型化合物的化学计量比所要求的Pb量相比为过量，A位过量比在1.005～1.04。
15.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于所述陶瓷基板是压电体。
16.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于在所述陶瓷基板的一部分通过粘接层粘接有约束部，在非约束部发生位移。
17.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于d31的大小为200pm/V以上。
18.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于弹性柔量为14.0×10-12m2/N以下。
19.根据权利要求10所述的促动器，其特征在于压电陶瓷层的表面和基板内部的组成比Pb/(Ti+Zr)的最大差是0.02以下。
20.一种打印头，其特征在于由具有多个油墨流路的流路部件和接合在所述流路部件上面以使构成所述促动器的位移元件位于所述油墨流路正上方的权利要求10所述的促动器构成，并通过所述位移元件的位移，喷出填充于所述油墨流路中的油墨。
21.一种促动器，由基板、设置在该基板的一面上的多个位移元件、和通过粘接层粘接在所述基板的另一面上的多个约束部构成，且所述位移元件分别独立地工作，使在没有被所述约束部受约束的非约束部诱起位移，同时总厚度为100μm以下、d常数为200pm/V以上，所述粘接层的厚度为0.5～5μm。
22.根据权利要求21所述的促动器，其特征在于含在所述粘接层中的最大气孔直径为10μm以下。
23.根据权利要求21所述的促动器，其特征在于所述位移元件由压电层和夹持该压电层的一对电极构成。
24.根据权利要求21所述的促动器，其特征在于构成所述压电层的主成分与构成所述基板的主成分近似相同。
25.一种打印头，其特征在于由基板、设置在该基板的一面上的多个位移元件、和具有在所述基板的另一面上通过粘接层被粘接的多个油墨流路的流路部件构成，所述位移元件位于油墨流路的正上方，各位移元件分别独立地发生位移，同时总厚度为100μm以下、d常数为200pm/V以上，所述粘接层的厚度为0.5～5μm，并通过所述位移元件的位移喷出油墨。
全文摘要
一种促动器，和其制造方法以及打印头，所述促动器在陶瓷基板(2)的表面上设有由压电陶瓷层(4)和夹持该压电陶瓷层(4)的一对电极(5、6)构成的位移元件(7)，且其总厚度为100μm以下，所述压电陶瓷层(4)和所述基板(2)以至少含Pb、Zr以及Ti的钙钛矿型结晶作为主成分，且所述压电陶瓷层(4)的表面和所述基板(2)内部的组成比Pb/(Ti+Zr)的最大差是0.02以下。根据本发明，可使特性偏差小。
文档编号H01L41/187GK1496833SQ200310101418
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月17日 优先权日2002年10月17日
发明者由宇喜裕, 辅, 高桥大辅, 东别府诚, 诚, 岁, 植木千岁, 会田比吕史, 吕史 申请人:京瓷株式会社