压电致动器、喷墨头以及压电致动器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种能够抑制移位偏差的压电致动器。头部(5)具有：基体(21)；和压电元件(23)，其在厚度方向上相对于基体(21)重叠并固定。压电元件(23)具有板状的压电体(41)以及按照在厚度方向上夹着该压电体(41)的方式而被配置的公共电极(39)以及单独电极(43)。基体(21)的热膨胀系数比压电体(41)(压电元件(23))高。压电体(41)以正方晶为主结晶相，在被公共电极(39)以及单独电极(43)夹着的区域，c轴向厚度方向的一侧(z方向的正侧)的取向度在洛特格林因素下为44％以上56％以下，平面方向上的残留应力在压缩方向上为0MPa以上35MPa以下。
【专利说明】压电致动器、喷墨头以及压电致动器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种压电致动器、喷墨头以及压电致动器的制造方法。
【背景技术】
[0002]已知利用压电元件的变形的压电致动器以及通过该压电致动器来向墨液赋予压力从而喷出墨滴的压电式的喷墨头(例如专利文献I以及2)。
[0003]例如，专利文献I的喷墨头的压电致动器具有:基体，其形成有充满了墨液的多个凹状的加压室；和压电元件，其按照遮盖加压室的方式而被重叠固定在基体。专利文献I的压电元件是所谓的单压电晶片型的元件，从基体侧起顺序具有:振动板、公共电极、压电体以及单独电极，压电体在厚度方向(层叠方向)上被极化。若通过公共电极以及单独电极来向压电体施加电压，则压电体在平面方向上收缩，此外，其收缩被振动板限制。其结果，压电元件向加压室侧挠曲(中央侧向加压室侧移位)，并对加压室的墨液赋予压力。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2006-174618号公报
[0007]专利文献2:日本特开2010-228145号公报
[0008]发明要解决的课题
[0009]压电元件与基体的粘接例如是使用热固化性树脂并在高温的状态下进行的。另一方面，从强度以及加工性等观点出发，基体由例如金属构成，热膨胀系数与压电体相比较高。因此，若在粘接后将压电致动器设为常温，则基体比压电体更收缩，在压电体产生平面方向的残留应力。其结果，由于压电体即使在电压未被施加的状态下也为向平面方向收缩的状态，因此电压被施加时的压电元件的移位降低。
[0010]因此，考虑在常温下将压电元件与基体粘接。但是，在这种情况下，在多个加压室之间，或者在多个压电致动器(多个喷墨头)之间，产生移位的偏差。
[0011]因此，优选提供一种能够抑制移位偏差的压电致动器、喷墨头以及压电致动器的制造方法。
【发明内容】
[0012]解决课题的手段
[0013]本发明的一个方式涉及的压电致动器具有:基体；和压电元件，其具有板状的压电体以及按照在厚度方向上夹着该压电体的方式而被配置的I对电极，在厚度方向上相对于所述基体重叠并固定，所述基体的热膨胀系数比所述压电元件高，所述压电体以正方晶为主结晶相，在被所述I对电极夹着的区域，C轴向厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素下为44%以上56%以下，平面方向上的残留应力在压缩方向上为OMPa以上35MPa以下。
[0014]本发明的一个方式涉及的喷墨头具有:基体，其设有对墨液进行收容的凹状的加压室；和压电元件，其具有板状的压电体以及按照在厚度方向上夹着该压电体的方式而被配置的I对电极，按照盖住所述加压室的方式来在厚度方向上相对于所述基体重叠并固定，所述基体的热膨胀系数比所述压电元件高，所述压电体以正方晶为主结晶相，在被所述I对电极夹着的区域，C轴向厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素下为44%以上56%以下，平面方向上的残留应力在压缩方向上为OMPa以上35MPa以下。
[0015]本发明的一个方式涉及的压电致动器的制造方法包含:对具有板状的压电体以及按照在厚度方向上夹着该压电体的方式而被配置的I对电极的压电元件进行准备的工序；对热膨胀系数比该压电元件高的基体进行准备的工序；在厚度方向上将所述压电元件与所述基体重叠并固定的工序；和在所述固定的工序后，将所述压电元件以及所述基体冷却到比常温低的温度的工序。
[0016]发明效果
[0017]根据上述结构或者顺序，能够抑制移位偏差。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是示意性地表示本发明的实施方式涉及的记录装置的主要部分的立体图。
[0019]图2是图1的记录装置的喷墨头的一部分的剖视图。
[0020]图3(a)以及图3(b)是表示图2的头部的致动器的剖视图以及俯视图，图3 (C)是对该致动器的压电体的极化方向进行说明的示意图。
[0021]图4(a)?图4(e)是对头部的制造方法的一个例子进行说明的剖视图。
[0022]图5是对图4 (C)的冷却处理中的域切换进行说明的概念图。
[0023]图6(a)以及图6(b)是对由压缩应力导致的取向度的变化以及固定进行说明的图。
[0024]图7是表示实施例以及比较例的条件以及作用等的图表。
[0025]图8(a)是表示粘接温度与移位的相关关系的图，图8(b)是表示粘接温度与移位偏差的相关关系的图。
[0026]图9(a)是表示温度差与移位的相关关系的图，图9(b)是表示温度差与移位偏差的相关关系的图。
[0027]图10(a)是表示粘接温度与压缩应力的相关关系的图，图10(b)是表示粘接温度与取向度的相关关系的图。
[0028]图11(a)是表示温度差与压缩应力的相关关系的图，图11(b)是表示温度差与取向度的相关关系的图。
[0029]图12(a)是表不压缩应力与移位的相关关系的图，图12(b)是表不压缩应力与移位偏差的相关关系的图。
[0030]图13(a)是表示取向度与移位的相关关系的图，图13(b)是表示取向度与移位偏差的相关关系的图。
[0031]图14是表示除了图7以外的实施例以及比较例的条件以及作用等的图表。
【具体实施方式】
[0032]图1是示意性地表示本发明的实施方式涉及的记录装置I的主要部分的立体图。
[0033]另外，记录装置I以及后述的喷墨头5可以将任意方向设为上方或者下方，但下面，为了方便，定义了正交坐标系xyz，并将z方向的正侧(图1的纸面上方)设为上方，也可以使用上面、下面等用语。
[0034]记录装置I例如具有:输送部3，其将介质(例如纸)101向箭头yl所示的方向输送；头部5，其向被输送的介质101喷出墨滴；和控制部7，其对输送部3以及头部5的动作进行控制。
[0035]输送部3将例如层叠在未图不的供给堆栈的多个介质101 —个一个地输送到未图示的排出堆栈。输送部3可以是公知的适当的结构。在图1中，例示了输送路径为直线路径，并设置有与介质101抵接的辊9和使辊9旋转的电机11的输送部。
[0036]头部5被配置在介质101的输送路径的中途，从z方向的正侧与介质101对置。头部5可以是在与介质101的印刷图像面以及输送方向正交的方向(主扫描方向，X方向)上进行往复运动的串行头部，也可以是(几乎)被固定在该正交的方向的线性头部。另外，在本实施方式中，举例说明了头部5为线性头部的情况。
[0037]头部5在X方向的多个位置,使墨滴喷出并附着在介质101。通过随着介质101的输送来反复进行该动作，从而在介质101形成二维图像。
[0038]控制部7构成为包含例如CPU、R0M、RAM以及外部存储装置。控制部7通过向电机用驱动器13输出控制信号，从而向电机11施加所希望的电压，来控制电机11。同样地，控制部7通过向头部用驱动器15输出控制信号，从而向头部5施加所希望的电压，来控制头部5。
[0039]头部用驱动器15或者头部用驱动器15以及控制部7的一部分构成对包含规定的驱动频率的驱动脉冲(驱动波形)在内的驱动信号(施加到头部5的电压)进行生成并输出到头部5的驱动信号输出部8。驱动信号输出部8由例如驱动器IC或者电路基板构成。
[0040]另外，在图1中，将驱动信号输出部8与头部5分别进行了图示。但是，驱动信号输出部8的一部分或者全部也可以被装载于头部5。在这种情况下，也可以说头部5与驱动信号输出部8的装载于头部5的部分(一部分或者全部)的整体构成了广义的头部6。
[0041]图2是将头部5的一部分放大来表示的示意性的剖视图。另外，图2的纸面下方是与介质101对置的一侧。
[0042]头部5是通过压电元件的机械性的变形来向墨液赋予压力的压电式的头部。头部5具有多个喷出墨滴的喷出元件19，图2表示一个喷出元件19。多个喷出元件19例如被排列在xy平面，各喷出元件19与介质101上的I个点相对应。
[0043]此外，在另一观点中，头部5具有:基体21 (流路部件)，其形成存积墨液的空间；和压电元件23，其用于对存积在基体21中的墨液赋予压力。虽然未特别图示，但基体21与压电元件23通过常温固化型的粘接剂(例如环氧类树脂)而被相互固定。多个喷出元件19由基体21以及压电元件23构成。
[0044]在基体21的内部，形成多个单独流路25 (图2中图示了一个)和通往该多个单独流路25的公共流路(贮存器reservoir) 27。单独流路25被针对每个喷出元件19而设置，公共流路27被公共设置在多个喷出元件19。
[0045]各单独流路25具有:下降部分(部分流路)29，其包含与介质101对置的喷出孔29a ;加压室31，其通往下降部分29 ;和供给路径33，其将加压室31与公共流路27连通。
[0046]多个单独流路25以及公共流路27中充满了墨液。通过多个加压室31的容积变化来向墨液赋予压力，从而从多个加压室31向多个下降部分29送出墨液，并从多个喷出孔29a喷出多个墨滴。此外，通过多个供给路径33来从公共流路27向多个加压室31补充墨液。
[0047]多个单独流路25以及公共流路27的剖视形状或者平面形状可以被适当地设定。在本实施方式中，加压室31在z方向上形成为一定的厚度，并且俯视形成为大概菱形(参照图3(b))。菱形的一个角部与下降部分29连通，其相反侧的角部与供给路径33连通。供给路径33的一部分是，与流动方向正交的剖面积比公共流路27以及加压室31小的圈。
[0048]基体21例如通过多个基板35被层叠来构成。在基板35形成构成多个单独流路25以及公共流路27的贯通孔。多个基板35的厚度以及层叠数可以根据多个单独流路25以及公共流路27的形状等来适当地设定。
[0049]多个基板35也可以由适当的材料形成。例如，从加工性以及强度等观点出发，多个基板35由金属形成。例如，从耐腐蚀性的观点出发，金属优选为不锈钢。
[0050]图3(a)是压电元件23附近的与图2不同方向的剖视图，图3 (b)是压电元件23附近的俯视图。
[0051]图2以及图3所示的压电元件23例如由以挠曲模式进行移位的单压电晶片(unimorph)型的压电元件构成。具体来讲，例如，压电元件23具有从加压室31侧起顺序层叠的振动板37、公共电极39、压电体41以及多个单独电极43。
[0052]振动板37、公共电极39以及压电体41例如按照覆盖多个加压室31的方式，被公共设置在多个加压室31。另一方面，单独电极43对每个加压室31而设置。
[0053]振动板37是厚度一定的板状部件，按照遮盖凹状的加压室31的方式而与基体21的上表面重叠，并被固定在基体21。振动板37由具有适当的刚性(杨氏模量)的材料形成，例如，由陶瓷、氧化硅或者氮化硅形成。
[0054]公共电极39是厚度一定的层状电极，与振动板37重叠，并被固定在振动板37。公共电极39由例如银、钼或者钮I形成。
[0055]压电体41是厚度一定的板状部件，与公共电极39重叠，并被固定在公共电极39。压电体41由例如PZT(锆钛酸铅)等陶瓷形成。
[0056]单独电极43是大概厚度一定的层状电极，与压电体41重叠，并被固定在压电体41。单独电极43包含:单独电极主体44，其俯视来看为大概与加压室31相似的形状(在本实施方式中为菱形)，比加压室31的宽度略窄(在加压室31的中央侧展开)；和引出电极45，其与单独电极主体44的角部连接。单独电极43由例如银、钼或者钯形成。
[0057]另外，如上所述，由于基体21由金属构成，因此基体21的热膨胀系数比压电体41大,而且，比以压电体41为主体的压电元件23大。此外，公共电极39以及单独电极43的热膨胀系数比压电体41大。例如，PZT(压电体41)的热膨胀系数为8ppm/°C，不锈钢(日本工业标准(JIS)规定的SUS430，基体21)的热膨胀系数为10ppm/°C，Ag-Pd合金(重量比为70/30，电极)的热膨胀系数为17ppm/°C。
[0058]图3(c)是对压电体41的极化方向进行说明的示意图。具体来讲，图3(c)示意性地表示压电体41的代表性的单位晶格(正方晶47)。
[0059]压电体41如付有“c轴”的箭头所示，在厚度方向(z方向)上被极化。因此，若向公共电极39以及单独电极43施加电压，使电场在极化方向上对压电体41进行作用，则压电体41在平面方向(xy平面内)收缩。通过该收缩，振动板37按照向加压室31侧凸出的方式挠曲，其结果，加压室31的容积变化，压力被赋予到加压室31的墨液，从而进行印刷。另外，极化方向的朝向可以是z方向的正侧以及负侧的任意一个。下面，以极化方向的朝向为z方向的正侧的情况为例进行说明。
[0060]这里，理想上，压电体41是自发极化的方向为压电体41的厚度方向的一侧(z方向的正侧)的单分域结晶，但现实中为多分域结晶。也就是说，所谓极化方向的朝向为z方向的正侧，是指自发极化的方向为(大概)X方向的正侧的域的比例比自发极化的方向为其他方向的域的任意比例以及/或者其合计的比例高，并且/或者自发极化的方向为其他方向的域的极化是相互抵消的方向以及比例。
[0061]各域是单位晶格以(大概)一定的朝向规则地排列的结晶。单位晶格在规定的面方位(包含等价的方位)将正电荷的重心与负电荷的重心错开从而产生该单位晶格的自发极化。因此，在与上述不同的观点中，所谓极化方向的朝向为z方向的正侧，是指作为自发极化的方向的面方位是厚度方向的单位晶格的比例比自发极化的方向为其他方向的单位晶格的任意比例以及/或者其合计的比例高，并且/或者自发极化的方向为其他方向的单位晶格的极化是相互抵消的方向以及比例。
[0062]例如，在压电体41是ZrxTijri的x小于0.525 (数值的边界线会由于其他添加物而稍微发生变化)的PZT的情况下，单位晶格为正方晶。正方晶的长边方向(C轴，面方位[002])是自发极化的方向。并且，在压电体41中，将c轴向着(大概)厚度方向的一侧来排列的正方晶47的比例相对较高。优选地，c轴向着厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素(Lotgering factor)下为44%以上56%以下。
[0063]在压电体41，在平面方向(沿着xy平面的方向)具有残留应力。但是，该残留应力如后面所述，与现有相比较变小。优选平面方向的残留应力为OMPa以上35MPa以下。
[0064]图4(a)?图4(e)是对头部5的制造方法的一个例子进行说明的、相当于图3 (a)的剖视图。其中，为了附上表示应力方向的箭头，剖面的阴影线被省略。
[0065]首先，如图4 (a)所示，分别准备基体21以及压电元件23。这些的制作方法可以与公知的一般制作方法相同。
[0066]例如，基体21是通过分别对多个金属板进行蚀刻或者冲压加工来形成多个基板35，利用粘接剂来将该多个基板35相互粘合而制作的。
[0067]此外，例如，压电元件23是通过以下方法来制作的:分别准备成为压电体41以及振动板37的生片，在这些生片(例如成为压电体41的生片)上印刷成为公共电极39以及单独电极43的导电浆料，并将这些生片层叠来烧制。
[0068]另外，公共电极39以及单独电极43(金属)的热膨胀系数比压电体41以及振动板37 (陶瓷)的热膨胀系数高。因此，在烧制中(高温的状态下)这些被相互固定后，若压电元件23被设为常温，则公共电极39等比压电体41等更收缩。其结果，如箭头yll所示，在压电体41，产生平面方向的压缩应力(残留应力)。
[0069]接下来，如图4(b)所示，利用粘接剂来将压电元件23与基体21固定。该固定是使用常温固化型的粘接剂并在常温下进行的。
[0070]另外，在本申请中，所谓常温，是指例如在日本工业标准(JIS Z 8703)中规定的200C ±15°C (5°C以上35°C以下)的范围。工业制品的大多数都以在该范围下被使用为前提。喷墨头中也是同样的。但是，由于一般来讲，若温度变高，则墨液的粘度变低，因此为了在粘度低的状态下进行使用等，在喷墨头中，在高温侧，在常温以上也基于墨液的溶剂，但也存在在70°C以下使用的情况。在这样被使用的喷墨头中，在使用温度±15°C下进行粘接，然后进行冷却并施加压缩应力即可。此外，在这种情况下，在使用温度下，c轴向被电极夹着的区域的厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素下为44%以上56%以下，平面方向上的残留应力在压缩方向上为OMPa以上35MPa以下即可。
[0071]接下来，如图4(c)所示，冷却压电元件23以及基体21。也就是说，使压电元件23以及基体21的温度为比常温低的温度。冷却可以通过适当的方法来进行，例如，通过将这些部件配置在冷却室，对这些部件送冷风，或者使这些部件与封入了除热剂的袋子抵接来进行。
[0072]若进行了冷却，则各部件收缩。另一方面，基体21(金属)与以陶瓷等为主体的压电元件23相比，热膨胀系数较高。因此，如箭头yl3所示，基体21要比压电元件23更收缩。其结果，使箭头yl5比图4(a)以及图4(b)的箭头yll更大，如此所示，压电体41的压缩应力变大。
[0073]并且，如图4(c)的右侧所示，正方晶47(域:domain)由于压缩应力，使c轴的朝向向与压缩方向正交的方向变换90° (产生90°域切换。)。由此，向c轴的厚度方向(纸面上下方向)上的取向度变高。
[0074]接下来，如图4(d)所示，结束压电元件23以及基体21的冷却(使压电元件23以及基体21为常温。)。由于压电元件23以及基体21为与粘接时同样的常温，因此如与图4(b)的箭头yll相同的箭头yll所示，压电体41的压缩应力恢复到冷却前的大小(即使由于产生域切换导致应力不能完全恢复到原来的状态，其差异也相对于由于温度变化而产生的应力较小)。
[0075]接下来，如图4(e)所示，对于压电体41进行极化处理。具体来讲，通过直流电源51来向公共电极39与单独电极43之间施加直流电压。此时的电压是形成超过压电体41的抗电场的强度的电场的电压，更优选地，是极化成为饱和状态的电压以上的电压。
[0076]另外，极化处理例如在常温下进行。此外，虽然粘接与极化处理的工序顺序即使反过来也可以，但由于在压电元件23的厚度为10ym左右以下较薄的情况下，由于极化处理，导致存在压电元件23产生弯曲，粘接变难的情况，因此优选按照上述的工序顺序进行。此外，施加到压电体41的压缩应力受头部5的结构的影响。例如，在位于平面方向的第一端的加压室10上的压电体41与位于其他加压室10之间的加压室10上的压电体41，施加的压缩应力可能产生差异。因此，相比于在(大概)同样地极化之后，施加压缩应力，并施加由于结构而导致的偏差，在施加压缩应力之后，并包含此时产生的偏差在内，按照(大概)同样的方式来极化更优选。
[0077]压电体41的正方晶47(域)通过被施加电场，导致c轴的朝向电场被施加的方向(厚度方向的一侧，ζ方向正侧)。也就是说，压电体41以厚度方向的一侧为极化方向而被极化。然后，在电场的施加被停止之后，一部分的正方晶47保持将c轴朝向厚度方向的一侦U。也就是说，极化残留。
[0078]此时，c轴向厚度方向的取向度由于通过冷却处理(图4(c))而被预先提高，因此与未进行冷却处理的情况相比变高。另外，在极化处理之后进行冷却处理的情况下，也同样地，与未进行冷却处理的情况相比，C轴向厚度方向的取向度变高。
[0079]图5是对图4(c)的冷却处理中的域切换进行说明的概念图。
[0080]如在图5的左侧所图示的那样，在冷却处理之前，在压电体41，多个域(正方晶47)的c轴的朝向是随机的。另外，在图5的左侧，示例了 c轴朝向ζ方向的正侧的正方晶47、c轴相对于ζ方向倾斜45°角度的正方晶47、c轴相对于ζ方向为正交方向的正方晶47。
[0081]并且，如参照图4(c)来说明的那样，若由于冷却处理而产生如箭头yl5所示的压缩应力，则各域的c轴的朝向变成如图5的纸面右侧所示的那样。
[0082]例如，从冷却处理前将c轴朝向ζ方向的域不使c轴的朝向变化。此外，在冷却处理前将C轴朝向与ζ方向正交的方向的域通过产生90°域切换，从而将C轴朝向ζ方向。另一方面，在冷却处理前使c轴相对于ζ方向倾斜了 45°的域即使产生90°域切换，最后也使C轴相对于Z方向倾斜45 °。
[0083]这样，压电体41包含对基于90°域切换的c轴向ζ方向的取向度的增加有帮助的域以及没有帮助的域。
[0084]此外，作为致动器用途的压电材料，一般选择被称为软材料的准同型相界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)附近的组成的材料。在这样的组成中，正方晶的各向异性(c轴/a轴)小。
[0085]受到这样的对将c轴朝向特定的方向进行抑制的情况的影响，在进行了冷却处理(图4(c))以及极化处理(图4(e))之后，在进行了压电体41的极化处理的区域(被公共电极39以及单独电极43夹着的区域)，一部分的域变为将c轴朝向厚度方向的一侧。例如，c轴向厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素下为44%以上56%以下。
[0086]另夕卜，在使用了能够提高向例如TGG (Templated Grain Growth)法或者RTGG(Reactive Templated Grain Growth)法等的烧制后的特定的方向的取向度的技术的情况下，能够将取向度提高比上述范围更高的范围。但是，这种取向技术的应用导致成本的增大。
[0087]如参照图4(b)?图4(d)来说明的那样，在本实施方式中，对包含压电体41的压电元件23与热膨胀系数比压电元件23高的基体进行固定，然后，将这些冷却到比常温低的温度。由此，向压电体41赋予压缩应力从而提高c轴向ζ方向的取向度。即使结束了冷却处理也维持其取向度。
[0088]图6(a)以及图6(b)是表示通过压缩应力而导致取向度变化，此外，即使之后除去压缩应力，取向度也被维持的证据的图。
[0089]另外，这些图是用于表示通过压缩应力而变化的取向度即使在压缩应力除去后也被维持的图，虽然试样的制作方法与本实施方式的制作方法不同，但为了方便说明，存在利用本实施方式的符号的情况。后述的比较例中也是同样的。
[0090]图6 (a)以及图6 (b)表示相对于压电体41的主面的XRD (X射线衍射(法))结果的例子。
[0091]在该XRD中，相对于压电体41的主面照射X射线，并测量被反射了的X射线的强度I。主面的侧面视下的X射线相对于主面的照射角度Θ (° )被改变。在图6(a)以及图6(b)中，横轴表示2 Θ (° )，纵轴表示强度I。
[0092]在XRD中，在对应于各结晶面的2 Θ的值中产生强度I的峰值。在图6(a)以及图6(b)中，假设压电体41的结晶结构为正方晶，并表示对应于(002)面以及与(200)面的2 Θ值附近的强度I。
[0093]在图6(a)中，线LI表示将压电元件23与基体21粘接前的XRD结果，线L2表示将压电元件23与基体21粘接后的XRD结果。
[0094]压电元件23与基体21的粘接与本实施方式不同，是在125°C的温度下使用热固化性树脂来进行的，并在常温下进行XRD的测量。因此，在粘接后将温度降低到常温的范围内时，由于基体21比压电元件23更收缩，因此在压电体41产生压缩应力。
[0095]也就是说，线LI表示产生压缩应力前的取向度，线L2表示产生压缩应力后的取向度。
[0096]如线LI以及L2所示，若产生压缩应力，则在对应于(002)面的2 Θ，强度I变高，在对应于(200)面的2Θ，强度I变低。也就是说，通过压缩应力，产生使c轴朝向z方向的域切换。
[0097]在图6 (b)中，线L3表示压电元件23与基体21粘接着的状态下的XRD结果，线L4表示将压电元件23从基体21剥离后的XRD结果。也就是说，线L3表示产生了压缩应力的状态下的取向度，线L4表示将其压缩应力去除后的状态下的取向度。
[0098]另外，虽然图6(b)的线L3也与图6(a)同样地，表示使用热固化性树脂来在高温下粘接压电元件23与基体21，并在常温下进行了 XRD的测量的结果，但由于各个条件与图6(a)不同，因此与线L2不一致。
[0099]为了在过程中不从外部向压电体41施加负载，压电元件23的剥离(正确来讲是将压电体41在公共电极39部分剥离)是通过将压电元件23以及基体21浸溃在lmol/NaCl水溶液中，通过W探测器来向公共电极39以及单独电极43施加直流电压(绝缘耐压内的电压)来进行的。
[0100]如线L3以及L4所示，即使将压电元件23从基体21剥离并从压电元件23去除压缩应力，对应于(200)面以及(002)面的2 Θ的强度I也不大幅变化。也就是说，即使压缩应力被去除，通过压缩应力而变化的取向度也被维持。
[0101]如上所述，在本实施方式中，通过冷却处理，来提高c轴向z方向的取向度。其结果，移位偏差被抑制。此外，由于在常温下进行粘接，因此在常温下从基体21向压电元件23赋予压缩应力被抑制，移位降低被抑制。下面，参照实施例以及比较例来对该效果进行说明。
[0102]<实施例以及比较例>
[0103]图7以及图14是表示实施例以及比较例的条件以及作用等的图表。
[0104]“N0.”栏表示适当地对实施例以及比较例赋予的编号。如该栏所示，在实施例以及比较例中，制作了从N0.1到N0.40的40个试样(将压电元件23与基体21粘接的试样)，并进行了各种测量。另外，N0.1是以粘接在基体21前的压电体41为试样，一部分的条件或者作用未被记载。
[0105]“实施例”以及“比较例”栏分别表示实施例或者比较例。也就是说，对于实施例，在“实施例”栏计入圆圈或者三角的记号，对于比较例，在“比较例”栏计入圆圈。另外，对于“实施例”栏中圆圈与三角的不同则在后面进行叙述。
[0106](每个实施例以及比较例中不同的条件)
[0107]在图7 以及图 14 中，“Zr/Ti”、“Tl(°C ) ”、“T2(°C ) ” 以及“ AT(°C ) ”栏表示每个实施例以及比较例中设定的条件。另外，一部分的实施例彼此或者比较例彼此被设为相同的条件。具体来讲，各栏表示下面的条件。
[0108]“Zr/Ti ”栏表示压电体41的材料的条件。压电体41的材料被表示为Pb1^ySrxBay (Zn1/3Sb2/3) a (Ni1/2Te1/2) bZr!^cTicO3+ a wt % Pbl72NbO3 (0 彡 x 彡 0.14,0 彡 y 彡 0.14,0.05 彡 a 彡 0.1,0.002 彡 b 彡 0.01,0.44 彡 c 彡 0.50，α = 0.1 以上 1.0以下)，其中(1-a-b-c) /c 为 0.5/0.5 或者 0.495/0.505。在“Zr/Ti ”栏中，表示(l-a-b-c) /c的值。
[0109]“T1(°C )”栏表示将压电元件23与基体21粘接时的环境的温度(以及压电元件23与基体21的温度)的条件。如该栏所示，粘接温度Tl在25?120°C的范围内被各种设定。
[0110]“T2(°C ) ”栏表示粘接后的压电元件23以及基体21的最低温度的条件。另外，在实施例中，表示冷却处理(图4(c))时的温度的条件。如该栏所示，在实施例中，最低温度T2在比常温(5°C以上35°C以下)低的-70?0°C的范围内被各种设定，在比较例中，最低温度T2被设定在常温的范围内(主要为25°C )。
[0111]“ ATCC) ”栏表示粘接温度Tl与最低温度T2的差(T2-T1)。如该栏所示，温度差AT在O?180°C之间被各种设定。
[0112](实施例以及比较例的作用)
[0113]在图7 以及图 14 中，“ σ (MPa) ”、“ (002)/{(200) + (002)} ”、“LF(% ) ”、“D(nm)，，以及“V(% )”栏表示对每个实施例以及比较例的作用进行表示的值的测量结果。具体来讲，如下所述。另外，下面所述的各种测量值是在压电元件23与基体21粘接着的状态下得到的。此外，关于测量温度，在图7中，所有的值都是在常温(具体来讲为25°C左右)下得到的，在图14中，“ σ (MPa)，，、“D(nm)，，以及“V(% ) ”是在45°C下得到的，其他是在常温下得到的。
[0114]“ σ (MPa) ”栏表示在压电体41中产生的压缩应力的测量结果。压缩应力的测量是通过全德拜拟合:2D法来进行的。其是通过在向与对象为相同组成的试样施加应力的状态下测量XRD，并测量对象试样的XRD，来根据基于应力的结晶晶格的变形，对施加的压缩应力进行测量的。另外，在该栏的数值中，对应于应力为压缩方向的情况，赋予负号。
[0115]“(002)/{(200)+ (002)}”栏表示与图6同样地通过XRD来测量的(002)面的强度I除以(200)面以及(002)面的强度I的值(表示取向度的指标的一种)。
[0116]“LF(% )”栏表示c轴向压电体41的厚度方向的一侧的取向度。具体来讲，该栏表示基于通过XRD而测量出的强度I来计算出的洛特格林因素。
[0117]另外，作为XRD测量装置，使用布鲁克AXS株式会社制造的“D8DISC0VER withGADD Super Speed”。
[0118]此外，洛特格林因素“LF(% )”是如下所述而求出的。
[0119]LF(%) = {(p-p0)/(l-p0)} XlOO
[0120]p0 = ΣΙ0 (001)/ΣΙ00Μ)
[0121]10:无取向样本的X射线衍射强度
[0122]X10(hkl):无取向样本X射线衍射的全衍射强度的和
[0123]Σ 10(OOl):与无取向样本X射线衍射的c轴垂直的所有面的衍射强度的和
[0124]P = ΣΙ(001)/ΣΙ0Μ)
[0125]1:测量对象样本的X射线衍射强度
[0126]Σ I (hkl):测量对象样本X射线衍射的全衍射强度的和
[0127]Σ I (001):与测量对象样本X射线衍射的c轴垂直的所有面的衍射强度的和
[0128]“D(nm) ”栏表示在将电压施加到公共电极39与单独电极43之间并使压电元件23弯曲时的压电元件23的中央位置的移位。
[0129]“V(% ) ”栏表示多个喷出元件19之间的上述移位D的偏差。具体来讲，移位偏差V表不移位D的标准偏差Do。
[0130](实施例以及比较例公共的条件以及其它条件)
[0131]实施例以及比较例中公共的条件如下。
[0132]压电体41:
[0133]厚度:20μπι
[0134]振动板37:
[0135]材料:PZT陶瓷
[0136]厚度:20μπι
[0137]公共电极39:
[0138]材料:Ag-Pd合金(重量比为70/30)
[0139]厚度:2μπι
[0140]单独电极43:
[0141]材料:Ag_Pd合金(重量比为70/30)
[0142]厚度:0.4μπι
[0143]基体21:
[0144]材料:SUS430 (不锈钢)。其中，N0.31为42合金。
[0145]厚度:1mm
[0146]加压室31:
[0147]俯视的形状以及尺寸:
[0148].长边对角线长:800 μ m
[0149].短边对角线长:500 μ m
[0150]?高度:50 μ m
[0151]极化时的施加电压:40V
[0152]移位测量时的施加电压:20V
[0153]另外，在N0.2?N0.28以及N0.31?N0.40中，极化处理如实施方式中所说明的那样，通过在公共电极39与单独电极43之间施加电压来进行。
[0154]在N0.29中，极化处理是通过在压电体41的主面形成极化用伪电极，并在其伪电极与公共电极39之间施加电压来进行的。因此，压电体41在其整面在厚度方向上被极化。另外，伪电极在极化处理后被去除。
[0155]在N0.30中，极化处理是通过在单独电极43的周围形成极化用伪电极，在公共电极39与单独电极43之间施加电压，并在单独电极43与伪电极之间施加电压来进行的。因此，压电体41在单独电极43的周围在平面方向上被极化。另外，伪电极在极化处理后被去除。
[0156](针对实施例以及比较例的考察)
[0157]对于实施例以及比较例的大部分，其制造方法的条件仅粘接温度Tl、最低温度T2以及温度差AT不同。另一方面，实施例以及比较例的移位D以及移位偏差V相互不同。也就是说，粘接温度Tl、最低温度T2以及温度差Λ T对移位D以及移位偏差V产生影响。
[0158]下面，基于图7的数值，来表示温度等与移位等的关联，并对温度对移位的影响及其理由进行说明。另外，在以下的图8?图13的关联图中，以除温度以外的条件相同的N0.2?N0.28为对象。
[0159]图8(a)是表示粘接温度Tl与移位D的关联的图，横轴表示粘接温度Tl，纵轴表示移位D。此外，图8(b)是表示粘接温度Tl与移位偏差V的关联的图，横轴表示粘接温度Tl,纵轴表不移位偏差V。
[0160]如该图所示，粘接温度Tl与移位D的关联极高(R2 = 0.98)，另一方面，粘接温度Tl与移位偏差V的关联极低(R2 = 0.06)。并且，粘接温度Tl越低(越接近常温)，移位D越大。
[0161]图9 (a)是表示温度差Λ T与移位D的关联的图，横轴表示温度差AT，纵轴表示移位D。此外，图9(b)是表示温度差AT与移位偏差V的关联的图，横轴表示温度差AT，纵轴表不移位偏差V。
[0162]如该图所示，温度差ΛΤ与移位D的关联极低(R2 = 0.10)，另一方面，温度差AT与移位偏差V的关联极高(R2 = 0.87)。并且，温度差Λ T越大，移位偏差V越小。
[0163]如上所述，移位D很大取决于粘接温度Tl。这被认为是由于如已述那样，若粘接温度Tl为高温，则在常温下由于基体21的收缩导致在压电体41产生压缩应力，压电体41的压电常量变低。此外，移位偏差V很大取决于温度差AT。这被认为是由于若温度差AT大，则如参照图4(c)所述那样，在压电体41产生平面方向上的压缩应力，c轴向厚度方向的取向度变高。下面，表示确认该作用的关联图。
[0164]图10(a)是表示粘接温度Tl与压缩应力σ的关联的图，横轴表示粘接温度Tl，纵轴表示压缩应力σ。此外，图10(b)是表示粘接温度Tl与c轴向厚度方向的取向度LF的关联的图，横轴表示粘接温度Tl，纵轴表示取向度LF。
[0165]如该图所示，粘接温度Tl与压缩应力σ的关联极高(R2 = 0.98)，另一方面，粘接温度Tl与取向度LF的关联极低(R2 = 0.06)。并且，粘接温度Tl越低(越接近常温)，压缩应力σ越小。
[0166]图11(a)是表示温度差Λ T与压缩应力σ的关联的图，横轴表示温度差AT，纵轴表示压缩应力σ。此外，图11(b)是表示温度差AT与c轴向厚度方向的取向度LF的关联的图，横轴表示温度差Λ Τ，纵轴表示取向度LF。
[0167]如该图所示，温度差AT与压缩应力σ的关联极低(R2 = 0.12)，另一方面，温度差AT与取向度LF的关联极高(R2 = 0.88)。并且，温度差Λ T越大，取向度LF越高。
[0168]图12(a)是表不压缩应力σ与移位D的关联的图,横轴表不压缩应力σ，纵轴表示移位D。此外，图12(b)是表示压缩应力σ与移位偏差V的关联的图，横轴表示压缩应力σ ,纵轴表示移位偏差V。
[0169]如该图所示，压缩应力σ与移位D的关联极高(R2 = 0.97)，另一方面，压缩应力σ与移位偏差V的关联极低(R2 = 0.06)。并且，压缩应力σ越小，移位D越大。
[0170]图13(a)是表示c轴向厚度方向的取向度LF与移位D的关联的图，横轴表示取向度LF，纵轴表示移位D。此外，图13(b)是表示取向度LF与移位偏差V的关联的图，横轴表不取向度LF,纵轴表不移位偏差V。
[0171]如该图所示，取向度LF与移位D的关联极低(R2 = 0.03)，另一方面，取向度LF与移位偏差V的关联极高(R2 = 0.96)。并且，取向度LF越高，移位偏差V越小。
[0172]如上所述，在制造方法中，通过适当地设定粘接温度Tl、最低温度Τ2以及温度差AT，能够确保移位D较大，并减小移位偏差V。此外，在另一观点中，在制品中，通过适当地设定取向度LF以及压缩应力σ，能够确保移位D较大，并减小移位偏差V。其优选的范围如下。
[0173]N0.2是在常温下进行粘接，并之后不进行冷却处理的比较例(AT = (TC )，其移位偏差V是4.1%。与此相对的，在常温下进行粘接，并在常温的范围内进行冷却的N0.17中，移位偏差V是3.0 %，在常温下进行粘接，并在比常温低一些的温度下进行冷却的N0.18中，移位偏差V是2.8%,N0.17以及N0.18的任意一个的移位偏差V都比N0.2的移位偏差V小。
[0174]因此，只要多少进行了冷却处理，就能够得到减小移位偏差V的效果。若考虑以制品在常温的范围内被处理为前提的情况，若在比常温低的温度下进行冷却处理，则能够得到在通常的制品中不能起到的效果。
[0175]此外，从得到与在高温下进行粘接，并从高温迁移到常温的过程中赋予压缩应力来减小移位偏差V的比较例(例如N0.3?N0.10)同等的移位偏差V (2%左右)的观点出发，如N0.21所示，优选将温度差Λ T设为65°C以上(若为常温下的粘接则冷却到_40°C以下)。
[0176]并且，从不仅减小移位偏差V，还比在高温下进行粘接的比较例更增大移位D的观点出发，优选在常温以及接近常温的温度(例如50°C以下。参照N0.26)下进行粘接，更优选在常温的范围内的温度下进行粘接。
[0177]关于这种与比较例同等地减小移位偏差V，并比比较例更增大移位D的实施例的制品所表现的特征是，压电体41的c轴向厚度方向的取向度LF为44% (参照N0.21)以上56% (参照N0.26)以下，并且，压电体41的平面方向的压缩应力σ为OMPa以上35MPa (参照N0.26)以下。
[0178]另外，在图7的“实施例”栏中，对该实施例中满足该取向度LF以及压缩应力σ的条件实施例赋予圆圈，对除此以外的实施例赋予三角。
[0179]在以上的实施方式等中，压电元件23以及基体21的组合是压电致动器的一个例子。
[0180]本发明并不限定于以上的实施方式，可以以各种方式来被实施。
[0181]压电致动器并不仅限定于被用于喷墨头，可以被用于各种用途。此外，压电元件并不仅限定于单压电晶片型的元件，例如也可以是多压电晶片型的元件。对于压电的变形模式，也可以使用除d31以外的d33或者共享模式。
[0182]压电致动器除了喷墨头以外，也可以用于例如带压电扬声器、触摸传感器的显示装置等中的触感传递用的振动源以及通过在移动电话等显示装置等中使显示装置接触耳朵等人体的一部分并供给振动从而传递声音信息的振动源等。在这种方式中都对于平板状的基体，将压电元件重叠并固定在厚度方向。
[0183]在压电扬声器中，基体是聚乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯等树脂或者金属的膜，基本被用于热膨胀系数比压电元件大的部件。膜也可以被张开在如膜的振动的固定端这样的框体中。压电元件按照能够增大膜的振动的方式，基本被固定在膜的中央部。也能够使显示装置的一部分振动并作为压电扬声器来起作用，下面结合其他方式来对此进行说明。
[0184]所谓带触摸传感器的显示装置中的触觉传递，是指例如在通过手指等来按压液晶触摸面板等时，通过振动来向手指传递检测出了按压。通过振动的方式，也能够产生如按压了按钮那样模拟的触觉。在基于接触的振动下的声音信息传递中，例如通过使液晶面板等振动，按照在内耳作为声音而被感知的方式，向外耳等赋予振动。可以将其代替通过空气的振动而被传递的声音，或者作为通过空气的振动而被传递的声音的辅助。在任意一种情况下，都能够通过将压电元件固定在作为显示装置的液晶面板等的一部分、即基体，并使其振动来实现。
[0185]在液晶面板等显示装置中，基体是玻璃或者丙烯树脂。这些的热膨胀系数也基本比压电元件大。虽然在被使用的玻璃中也存在热膨胀系数低的材料，但在这样的情况下，也可以在玻璃与压电元件之间加入金属板等热膨胀系数高的材料，来向压电元件施加压缩应力。
[0186]基体可以使用例如厚度为0.1mm以上2.0mm以下的、大小从几厘米到几十厘米的材料。在作为液晶面板等而被使用的情况下，由于中央部为了实现其他功能而被使用的情况较多，因此压电元件基本被固定在基体的端部附近。压电元件的大小可以使用例如厚度为0.1以上1.0mm以下、长度为1mm以上50mm以下、宽度为1.0mm以上10.0mm以下的尺寸。为了来自基体的应力能够容易施加于压电元件整体，优选压电元件的沿着基体的方向的大小比厚度(从基体起的高度)大。进一步地，优选沿着基体的方向的大小在任意方向上都比厚度大。
[0187]压电体的材料并不限定于PZT，只要是通过压缩应力来产生90°域切换的材料即可，例如，可以是以正方晶为主结晶相的材料。此外，在压电体的材料是由 Pb1^ySrxBay (Zn1/3Sb2/3) ,(Nil72Tel72)bZr1^cTicO3+α wt % Pbl72NbO3 (O 彡 x 彡 0.14,
O彡 y 彡 0.14,0.05 彡 a 彡 0.1,0.002 彡 b 彡 0.01,0.44 彡 c 彡 0.50，α = 0.1 以上 1.0以下)表示的材料的情况下，(l-a-b-c)/c可以被适当地设定，例如，也可以是在实施例中所示的0.5/0.5与0.495/0.505之间的值。
[0188]压电体在由至少I对电极(公共电极以及单独电极)夹着的区域，满足取向度或者压缩应力的条件即可。例如，压电体在与加压室重叠的区域内，即单独电极主体的外侧的区域，可以在平面方向上被极化，可以在厚度方向上被极化，也可以不被极化。
[0189]符号说明:
[0190]5、6...头部(压电致动器)，21...基体,39...公共电极,41...压电体,43...单独电极。
【权利要求】
1.一种压电致动器，具有: 基体；和 压电元件，其具有板状的压电体以及按照在厚度方向上夹着该压电体的方式而被配置的I对电极，所述压电元件在厚度方向上相对于所述基体重叠并固定， 所述基体的热膨胀系数比所述压电元件高， 所述压电体以正方晶为主结晶相，在被所述I对电极夹着的区域，C轴向厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素下为44%以上且56%以下，平面方向上的残留应力在压缩方向上为OMPa以上且35MPa以下。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于， 所述压电体的材料以锆钛酸铅为主成分。
3.根据权利要求2所述的压电致动器，其特征在于， 所述压电体的材料是在由 Pb^SrxBay (Zn1/3Sb2/3) a(Nil72Tel72),,Zr1^cTicO3+ a wt %Pbl72NbO3 表示的材料中，(λ 495/0.505 彡(l-a-b_c)/c 彡 0.5/0.5 的材料，其中，O ^ X ^ 0.14,0 ^ y ^ 0.14,0.05 ^ a ^ 0.1,0.002 彡 b 彡 0.01,0.44 彡 c 彡 0.50，α =0.1以上且1.0以下。
4.一种喷墨头，具有: 基体，其设有对墨液进行收容的凹状的加压室；和 压电元件，其具有板状的压电体以及按照在厚度方向上夹着该压电体的方式而被配置的I对电极，所述压电元件按照盖住所述加压室的方式来在厚度方向上相对于所述基体重叠并固定， 所述基体的热膨胀系数比所述压电元件高， 所述压电体以正方晶为主结晶相，在被所述I对电极夹着的区域，c轴向厚度方向的一侧的取向度在洛特格林因素下为44%以上且56%以下，平面方向上的残留应力在压缩方向上为OMPa以上且35MPa以下。
5.一种压电致动器的制造方法，包含: 准备压电元件的工序，该压电元件具有板状的压电体以及按照在厚度方向上夹着该压电体的方式而被配置的I对电极； 准备热膨胀系数比该压电元件高的基体的工序； 在厚度方向上将所述压电元件与所述基体重叠并固定的工序；和 在所述固定的工序后，将所述压电元件以及所述基体冷却到比常温低的温度的工序。
6.根据权利要求5所述的压电致动器的制造方法，其特征在于， 在所述固定的工序中，使对所述压电元件与所述基体进行粘接的粘接剂在常温下固化。
7.根据权利要求6所述的压电致动器的制造方法，其特征在于， 在所述冷却的工序中，将所述压电元件以及所述基体冷却到-40 °C以下。
8.根据权利要求5?7的任意一项所述的压电致动器的制造方法，其特征在于， 所述固定的工序与所述冷却的工序的温度差为65°C以上。
【文档编号】H01L41/253GK104185555SQ201380014842
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】岩下修三 申请人:京瓷株式会社