壓電致動器、噴墨頭以及壓電致動器的製造方法

2023-09-20 22:31:30

壓電致動器、噴墨頭以及壓電致動器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種能夠抑制移位偏差的壓電致動器。頭部(5)具有：基體(21)；和壓電元件(23)，其在厚度方向上相對於基體(21)重疊並固定。壓電元件(23)具有板狀的壓電體(41)以及按照在厚度方向上夾著該壓電體(41)的方式而被配置的公共電極(39)以及單獨電極(43)。基體(21)的熱膨脹係數比壓電體(41)(壓電元件(23))高。壓電體(41)以正方晶為主結晶相，在被公共電極(39)以及單獨電極(43)夾著的區域，c軸向厚度方向的一側(z方向的正側)的取向度在洛特格林因素下為44％以上56％以下，平面方向上的殘留應力在壓縮方向上為0MPa以上35MPa以下。
【專利說明】壓電致動器、噴墨頭以及壓電致動器的製造方法

【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種壓電致動器、噴墨頭以及壓電致動器的製造方法。

【背景技術】
[0002]已知利用壓電元件的變形的壓電致動器以及通過該壓電致動器來向墨液賦予壓力從而噴出墨滴的壓電式的噴墨頭(例如專利文獻I以及2)。
[0003]例如，專利文獻I的噴墨頭的壓電致動器具有:基體，其形成有充滿了墨液的多個凹狀的加壓室；和壓電元件，其按照遮蓋加壓室的方式而被重疊固定在基體。專利文獻I的壓電元件是所謂的單壓電晶片型的元件，從基體側起順序具有:振動板、公共電極、壓電體以及單獨電極，壓電體在厚度方向(層疊方向)上被極化。若通過公共電極以及單獨電極來向壓電體施加電壓，則壓電體在平面方向上收縮，此外，其收縮被振動板限制。其結果，壓電元件向加壓室側撓曲(中央側向加壓室側移位)，並對加壓室的墨液賦予壓力。
[0004]在先技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2006-174618號公報
[0007]專利文獻2:日本特開2010-228145號公報
[0008]發明要解決的課題
[0009]壓電元件與基體的粘接例如是使用熱固化性樹脂並在高溫的狀態下進行的。另一方面，從強度以及加工性等觀點出發，基體由例如金屬構成，熱膨脹係數與壓電體相比較高。因此，若在粘接後將壓電致動器設為常溫，則基體比壓電體更收縮，在壓電體產生平面方向的殘留應力。其結果，由於壓電體即使在電壓未被施加的狀態下也為向平面方向收縮的狀態，因此電壓被施加時的壓電元件的移位降低。
[0010]因此，考慮在常溫下將壓電元件與基體粘接。但是，在這種情況下，在多個加壓室之間，或者在多個壓電致動器(多個噴墨頭)之間，產生移位的偏差。
[0011]因此，優選提供一種能夠抑制移位偏差的壓電致動器、噴墨頭以及壓電致動器的製造方法。


【發明內容】

[0012]解決課題的手段
[0013]本發明的一個方式涉及的壓電致動器具有:基體；和壓電元件，其具有板狀的壓電體以及按照在厚度方向上夾著該壓電體的方式而被配置的I對電極，在厚度方向上相對於所述基體重疊並固定，所述基體的熱膨脹係數比所述壓電元件高，所述壓電體以正方晶為主結晶相，在被所述I對電極夾著的區域，C軸向厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素下為44%以上56%以下，平面方向上的殘留應力在壓縮方向上為OMPa以上35MPa以下。
[0014]本發明的一個方式涉及的噴墨頭具有:基體，其設有對墨液進行收容的凹狀的加壓室；和壓電元件，其具有板狀的壓電體以及按照在厚度方向上夾著該壓電體的方式而被配置的I對電極，按照蓋住所述加壓室的方式來在厚度方向上相對於所述基體重疊並固定，所述基體的熱膨脹係數比所述壓電元件高，所述壓電體以正方晶為主結晶相，在被所述I對電極夾著的區域，C軸向厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素下為44%以上56%以下，平面方向上的殘留應力在壓縮方向上為OMPa以上35MPa以下。
[0015]本發明的一個方式涉及的壓電致動器的製造方法包含:對具有板狀的壓電體以及按照在厚度方向上夾著該壓電體的方式而被配置的I對電極的壓電元件進行準備的工序；對熱膨脹係數比該壓電元件高的基體進行準備的工序；在厚度方向上將所述壓電元件與所述基體重疊並固定的工序；和在所述固定的工序後，將所述壓電元件以及所述基體冷卻到比常溫低的溫度的工序。
[0016]發明效果
[0017]根據上述結構或者順序，能夠抑制移位偏差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是示意性地表示本發明的實施方式涉及的記錄裝置的主要部分的立體圖。
[0019]圖2是圖1的記錄裝置的噴墨頭的一部分的剖視圖。
[0020]圖3(a)以及圖3(b)是表示圖2的頭部的致動器的剖視圖以及俯視圖，圖3 (C)是對該致動器的壓電體的極化方向進行說明的示意圖。
[0021]圖4(a)?圖4(e)是對頭部的製造方法的一個例子進行說明的剖視圖。
[0022]圖5是對圖4 (C)的冷卻處理中的域切換進行說明的概念圖。
[0023]圖6(a)以及圖6(b)是對由壓縮應力導致的取向度的變化以及固定進行說明的圖。
[0024]圖7是表示實施例以及比較例的條件以及作用等的圖表。
[0025]圖8(a)是表示粘接溫度與移位的相關關係的圖，圖8(b)是表示粘接溫度與移位偏差的相關關係的圖。
[0026]圖9(a)是表示溫度差與移位的相關關係的圖，圖9(b)是表示溫度差與移位偏差的相關關係的圖。
[0027]圖10(a)是表示粘接溫度與壓縮應力的相關關係的圖，圖10(b)是表示粘接溫度與取向度的相關關係的圖。
[0028]圖11(a)是表示溫度差與壓縮應力的相關關係的圖，圖11(b)是表示溫度差與取向度的相關關係的圖。
[0029]圖12(a)是表不壓縮應力與移位的相關關係的圖，圖12(b)是表不壓縮應力與移位偏差的相關關係的圖。
[0030]圖13(a)是表示取向度與移位的相關關係的圖，圖13(b)是表示取向度與移位偏差的相關關係的圖。
[0031]圖14是表示除了圖7以外的實施例以及比較例的條件以及作用等的圖表。

【具體實施方式】
[0032]圖1是示意性地表示本發明的實施方式涉及的記錄裝置I的主要部分的立體圖。
[0033]另外，記錄裝置I以及後述的噴墨頭5可以將任意方向設為上方或者下方，但下面，為了方便，定義了正交坐標系xyz，並將z方向的正側(圖1的紙面上方)設為上方，也可以使用上面、下面等用語。
[0034]記錄裝置I例如具有:輸送部3，其將介質(例如紙)101向箭頭yl所示的方向輸送；頭部5，其向被輸送的介質101噴出墨滴；和控制部7，其對輸送部3以及頭部5的動作進行控制。
[0035]輸送部3將例如層疊在未圖不的供給堆棧的多個介質101 —個一個地輸送到未圖示的排出堆棧。輸送部3可以是公知的適當的結構。在圖1中，例示了輸送路徑為直線路徑，並設置有與介質101抵接的輥9和使輥9旋轉的電機11的輸送部。
[0036]頭部5被配置在介質101的輸送路徑的中途，從z方向的正側與介質101對置。頭部5可以是在與介質101的印刷圖像面以及輸送方向正交的方向(主掃描方向，X方向)上進行往復運動的串行頭部，也可以是(幾乎)被固定在該正交的方向的線性頭部。另外，在本實施方式中，舉例說明了頭部5為線性頭部的情況。
[0037]頭部5在X方向的多個位置,使墨滴噴出並附著在介質101。通過隨著介質101的輸送來反覆進行該動作，從而在介質101形成二維圖像。
[0038]控制部7構成為包含例如CPU、R0M、RAM以及外部存儲裝置。控制部7通過向電機用驅動器13輸出控制信號，從而向電機11施加所希望的電壓，來控制電機11。同樣地，控制部7通過向頭部用驅動器15輸出控制信號，從而向頭部5施加所希望的電壓，來控制頭部5。
[0039]頭部用驅動器15或者頭部用驅動器15以及控制部7的一部分構成對包含規定的驅動頻率的驅動脈衝(驅動波形)在內的驅動信號(施加到頭部5的電壓)進行生成並輸出到頭部5的驅動信號輸出部8。驅動信號輸出部8由例如驅動器IC或者電路基板構成。
[0040]另外，在圖1中，將驅動信號輸出部8與頭部5分別進行了圖示。但是，驅動信號輸出部8的一部分或者全部也可以被裝載於頭部5。在這種情況下，也可以說頭部5與驅動信號輸出部8的裝載於頭部5的部分(一部分或者全部)的整體構成了廣義的頭部6。
[0041]圖2是將頭部5的一部分放大來表示的示意性的剖視圖。另外，圖2的紙面下方是與介質101對置的一側。
[0042]頭部5是通過壓電元件的機械性的變形來向墨液賦予壓力的壓電式的頭部。頭部5具有多個噴出墨滴的噴出元件19，圖2表示一個噴出元件19。多個噴出元件19例如被排列在xy平面，各噴出元件19與介質101上的I個點相對應。
[0043]此外，在另一觀點中，頭部5具有:基體21 (流路部件)，其形成存積墨液的空間；和壓電元件23，其用於對存積在基體21中的墨液賦予壓力。雖然未特別圖示，但基體21與壓電元件23通過常溫固化型的粘接劑(例如環氧類樹脂)而被相互固定。多個噴出元件19由基體21以及壓電元件23構成。
[0044]在基體21的內部，形成多個單獨流路25 (圖2中圖示了一個)和通往該多個單獨流路25的公共流路(貯存器reservoir) 27。單獨流路25被針對每個噴出元件19而設置，公共流路27被公共設置在多個噴出元件19。
[0045]各單獨流路25具有:下降部分(部分流路)29，其包含與介質101對置的噴出孔29a ;加壓室31，其通往下降部分29 ;和供給路徑33，其將加壓室31與公共流路27連通。
[0046]多個單獨流路25以及公共流路27中充滿了墨液。通過多個加壓室31的容積變化來向墨液賦予壓力，從而從多個加壓室31向多個下降部分29送出墨液，並從多個噴出孔29a噴出多個墨滴。此外，通過多個供給路徑33來從公共流路27向多個加壓室31補充墨液。
[0047]多個單獨流路25以及公共流路27的剖視形狀或者平面形狀可以被適當地設定。在本實施方式中，加壓室31在z方向上形成為一定的厚度，並且俯視形成為大概菱形(參照圖3(b))。菱形的一個角部與下降部分29連通，其相反側的角部與供給路徑33連通。供給路徑33的一部分是，與流動方向正交的剖面積比公共流路27以及加壓室31小的圈。
[0048]基體21例如通過多個基板35被層疊來構成。在基板35形成構成多個單獨流路25以及公共流路27的貫通孔。多個基板35的厚度以及層疊數可以根據多個單獨流路25以及公共流路27的形狀等來適當地設定。
[0049]多個基板35也可以由適當的材料形成。例如，從加工性以及強度等觀點出發，多個基板35由金屬形成。例如，從耐腐蝕性的觀點出發，金屬優選為不鏽鋼。
[0050]圖3(a)是壓電元件23附近的與圖2不同方向的剖視圖，圖3 (b)是壓電元件23附近的俯視圖。
[0051]圖2以及圖3所示的壓電元件23例如由以撓曲模式進行移位的單壓電晶片(unimorph)型的壓電元件構成。具體來講，例如，壓電元件23具有從加壓室31側起順序層疊的振動板37、公共電極39、壓電體41以及多個單獨電極43。
[0052]振動板37、公共電極39以及壓電體41例如按照覆蓋多個加壓室31的方式，被公共設置在多個加壓室31。另一方面，單獨電極43對每個加壓室31而設置。
[0053]振動板37是厚度一定的板狀部件，按照遮蓋凹狀的加壓室31的方式而與基體21的上表面重疊，並被固定在基體21。振動板37由具有適當的剛性(楊氏模量)的材料形成，例如，由陶瓷、氧化矽或者氮化矽形成。
[0054]公共電極39是厚度一定的層狀電極，與振動板37重疊，並被固定在振動板37。公共電極39由例如銀、鉬或者鈕I形成。
[0055]壓電體41是厚度一定的板狀部件，與公共電極39重疊，並被固定在公共電極39。壓電體41由例如PZT(鋯鈦酸鉛)等陶瓷形成。
[0056]單獨電極43是大概厚度一定的層狀電極，與壓電體41重疊，並被固定在壓電體41。單獨電極43包含:單獨電極主體44，其俯視來看為大概與加壓室31相似的形狀(在本實施方式中為菱形)，比加壓室31的寬度略窄(在加壓室31的中央側展開)；和引出電極45，其與單獨電極主體44的角部連接。單獨電極43由例如銀、鉬或者鈀形成。
[0057]另外，如上所述，由於基體21由金屬構成，因此基體21的熱膨脹係數比壓電體41大,而且，比以壓電體41為主體的壓電元件23大。此外，公共電極39以及單獨電極43的熱膨脹係數比壓電體41大。例如，PZT(壓電體41)的熱膨脹係數為8ppm/°C，不鏽鋼(日本工業標準(JIS)規定的SUS430，基體21)的熱膨脹係數為10ppm/°C，Ag-Pd合金(重量比為70/30，電極)的熱膨脹係數為17ppm/°C。
[0058]圖3(c)是對壓電體41的極化方向進行說明的示意圖。具體來講，圖3(c)示意性地表示壓電體41的代表性的單位晶格(正方晶47)。
[0059]壓電體41如付有「c軸」的箭頭所示，在厚度方向(z方向)上被極化。因此，若向公共電極39以及單獨電極43施加電壓，使電場在極化方向上對壓電體41進行作用，則壓電體41在平面方向(xy平面內)收縮。通過該收縮，振動板37按照向加壓室31側凸出的方式撓曲，其結果，加壓室31的容積變化，壓力被賦予到加壓室31的墨液，從而進行印刷。另外，極化方向的朝向可以是z方向的正側以及負側的任意一個。下面，以極化方向的朝向為z方向的正側的情況為例進行說明。
[0060]這裡，理想上，壓電體41是自發極化的方向為壓電體41的厚度方向的一側(z方向的正側)的單分域結晶，但現實中為多分域結晶。也就是說，所謂極化方向的朝向為z方向的正側，是指自發極化的方向為(大概)X方向的正側的域的比例比自發極化的方向為其他方向的域的任意比例以及/或者其合計的比例高，並且/或者自發極化的方向為其他方向的域的極化是相互抵消的方向以及比例。
[0061]各域是單位晶格以(大概)一定的朝向規則地排列的結晶。單位晶格在規定的面方位(包含等價的方位)將正電荷的重心與負電荷的重心錯開從而產生該單位晶格的自發極化。因此，在與上述不同的觀點中，所謂極化方向的朝向為z方向的正側，是指作為自發極化的方向的面方位是厚度方向的單位晶格的比例比自發極化的方向為其他方向的單位晶格的任意比例以及/或者其合計的比例高，並且/或者自發極化的方向為其他方向的單位晶格的極化是相互抵消的方向以及比例。
[0062]例如，在壓電體41是ZrxTijri的x小於0.525 (數值的邊界線會由於其他添加物而稍微發生變化)的PZT的情況下，單位晶格為正方晶。正方晶的長邊方向(C軸，面方位[002])是自發極化的方向。並且，在壓電體41中，將c軸向著(大概)厚度方向的一側來排列的正方晶47的比例相對較高。優選地，c軸向著厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素(Lotgering factor)下為44%以上56%以下。
[0063]在壓電體41，在平面方向(沿著xy平面的方向)具有殘留應力。但是，該殘留應力如後面所述，與現有相比較變小。優選平面方向的殘留應力為OMPa以上35MPa以下。
[0064]圖4(a)?圖4(e)是對頭部5的製造方法的一個例子進行說明的、相當於圖3 (a)的剖視圖。其中，為了附上表示應力方向的箭頭，剖面的陰影線被省略。
[0065]首先，如圖4 (a)所示，分別準備基體21以及壓電元件23。這些的製作方法可以與公知的一般製作方法相同。
[0066]例如，基體21是通過分別對多個金屬板進行蝕刻或者衝壓加工來形成多個基板35，利用粘接劑來將該多個基板35相互粘合而製作的。
[0067]此外，例如，壓電元件23是通過以下方法來製作的:分別準備成為壓電體41以及振動板37的生片，在這些生片(例如成為壓電體41的生片)上印刷成為公共電極39以及單獨電極43的導電漿料，並將這些生片層疊來燒制。
[0068]另外，公共電極39以及單獨電極43(金屬)的熱膨脹係數比壓電體41以及振動板37 (陶瓷)的熱膨脹係數高。因此，在燒制中(高溫的狀態下)這些被相互固定後，若壓電元件23被設為常溫，則公共電極39等比壓電體41等更收縮。其結果，如箭頭yll所示，在壓電體41，產生平面方向的壓縮應力(殘留應力)。
[0069]接下來，如圖4(b)所示，利用粘接劑來將壓電元件23與基體21固定。該固定是使用常溫固化型的粘接劑並在常溫下進行的。
[0070]另外，在本申請中，所謂常溫，是指例如在日本工業標準(JIS Z 8703)中規定的200C ±15°C (5°C以上35°C以下)的範圍。工業製品的大多數都以在該範圍下被使用為前提。噴墨頭中也是同樣的。但是，由於一般來講，若溫度變高，則墨液的粘度變低，因此為了在粘度低的狀態下進行使用等，在噴墨頭中，在高溫側，在常溫以上也基於墨液的溶劑，但也存在在70°C以下使用的情況。在這樣被使用的噴墨頭中，在使用溫度±15°C下進行粘接，然後進行冷卻並施加壓縮應力即可。此外，在這種情況下，在使用溫度下，c軸向被電極夾著的區域的厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素下為44%以上56%以下，平面方向上的殘留應力在壓縮方向上為OMPa以上35MPa以下即可。
[0071]接下來，如圖4(c)所示，冷卻壓電元件23以及基體21。也就是說，使壓電元件23以及基體21的溫度為比常溫低的溫度。冷卻可以通過適當的方法來進行，例如，通過將這些部件配置在冷卻室，對這些部件送冷風，或者使這些部件與封入了除熱劑的袋子抵接來進行。
[0072]若進行了冷卻，則各部件收縮。另一方面，基體21(金屬)與以陶瓷等為主體的壓電元件23相比，熱膨脹係數較高。因此，如箭頭yl3所示，基體21要比壓電元件23更收縮。其結果，使箭頭yl5比圖4(a)以及圖4(b)的箭頭yll更大，如此所示，壓電體41的壓縮應力變大。
[0073]並且，如圖4(c)的右側所示，正方晶47(域:domain)由於壓縮應力，使c軸的朝向向與壓縮方向正交的方向變換90° (產生90°域切換。)。由此，向c軸的厚度方向(紙面上下方向)上的取向度變高。
[0074]接下來，如圖4(d)所示，結束壓電元件23以及基體21的冷卻(使壓電元件23以及基體21為常溫。)。由於壓電元件23以及基體21為與粘接時同樣的常溫，因此如與圖4(b)的箭頭yll相同的箭頭yll所示，壓電體41的壓縮應力恢復到冷卻前的大小(即使由於產生域切換導致應力不能完全恢復到原來的狀態，其差異也相對於由於溫度變化而產生的應力較小)。
[0075]接下來，如圖4(e)所示，對於壓電體41進行極化處理。具體來講，通過直流電源51來向公共電極39與單獨電極43之間施加直流電壓。此時的電壓是形成超過壓電體41的抗電場的強度的電場的電壓，更優選地，是極化成為飽和狀態的電壓以上的電壓。
[0076]另外，極化處理例如在常溫下進行。此外，雖然粘接與極化處理的工序順序即使反過來也可以，但由於在壓電元件23的厚度為10ym左右以下較薄的情況下，由於極化處理，導致存在壓電元件23產生彎曲，粘接變難的情況，因此優選按照上述的工序順序進行。此外，施加到壓電體41的壓縮應力受頭部5的結構的影響。例如，在位於平面方向的第一端的加壓室10上的壓電體41與位於其他加壓室10之間的加壓室10上的壓電體41，施加的壓縮應力可能產生差異。因此，相比於在(大概)同樣地極化之後，施加壓縮應力，並施加由於結構而導致的偏差，在施加壓縮應力之後，並包含此時產生的偏差在內，按照(大概)同樣的方式來極化更優選。
[0077]壓電體41的正方晶47(域)通過被施加電場，導致c軸的朝向電場被施加的方向(厚度方向的一側，ζ方向正側)。也就是說，壓電體41以厚度方向的一側為極化方向而被極化。然後，在電場的施加被停止之後，一部分的正方晶47保持將c軸朝向厚度方向的一偵U。也就是說，極化殘留。
[0078]此時，c軸向厚度方向的取向度由於通過冷卻處理(圖4(c))而被預先提高，因此與未進行冷卻處理的情況相比變高。另外，在極化處理之後進行冷卻處理的情況下，也同樣地，與未進行冷卻處理的情況相比，C軸向厚度方向的取向度變高。
[0079]圖5是對圖4(c)的冷卻處理中的域切換進行說明的概念圖。
[0080]如在圖5的左側所圖示的那樣，在冷卻處理之前，在壓電體41，多個域(正方晶47)的c軸的朝向是隨機的。另外，在圖5的左側，示例了 c軸朝向ζ方向的正側的正方晶47、c軸相對於ζ方向傾斜45°角度的正方晶47、c軸相對於ζ方向為正交方向的正方晶47。
[0081]並且，如參照圖4(c)來說明的那樣，若由於冷卻處理而產生如箭頭yl5所示的壓縮應力，則各域的c軸的朝向變成如圖5的紙面右側所示的那樣。
[0082]例如，從冷卻處理前將c軸朝向ζ方向的域不使c軸的朝向變化。此外，在冷卻處理前將C軸朝向與ζ方向正交的方向的域通過產生90°域切換，從而將C軸朝向ζ方向。另一方面，在冷卻處理前使c軸相對於ζ方向傾斜了 45°的域即使產生90°域切換，最後也使C軸相對於Z方向傾斜45 °。
[0083]這樣，壓電體41包含對基於90°域切換的c軸向ζ方向的取向度的增加有幫助的域以及沒有幫助的域。
[0084]此外，作為致動器用途的壓電材料，一般選擇被稱為軟材料的準同型相界(MPB:Morphotropic Phase Boundary)附近的組成的材料。在這樣的組成中，正方晶的各向異性(c軸/a軸)小。
[0085]受到這樣的對將c軸朝向特定的方向進行抑制的情況的影響，在進行了冷卻處理(圖4(c))以及極化處理(圖4(e))之後，在進行了壓電體41的極化處理的區域(被公共電極39以及單獨電極43夾著的區域)，一部分的域變為將c軸朝向厚度方向的一側。例如，c軸向厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素下為44%以上56%以下。
[0086]另夕卜，在使用了能夠提高向例如TGG (Templated Grain Growth)法或者RTGG(Reactive Templated Grain Growth)法等的燒制後的特定的方向的取向度的技術的情況下，能夠將取向度提高比上述範圍更高的範圍。但是，這種取向技術的應用導致成本的增大。
[0087]如參照圖4(b)?圖4(d)來說明的那樣，在本實施方式中，對包含壓電體41的壓電元件23與熱膨脹係數比壓電元件23高的基體進行固定，然後，將這些冷卻到比常溫低的溫度。由此，向壓電體41賦予壓縮應力從而提高c軸向ζ方向的取向度。即使結束了冷卻處理也維持其取向度。
[0088]圖6(a)以及圖6(b)是表示通過壓縮應力而導致取向度變化，此外，即使之後除去壓縮應力，取向度也被維持的證據的圖。
[0089]另外，這些圖是用於表示通過壓縮應力而變化的取向度即使在壓縮應力除去後也被維持的圖，雖然試樣的製作方法與本實施方式的製作方法不同，但為了方便說明，存在利用本實施方式的符號的情況。後述的比較例中也是同樣的。
[0090]圖6 (a)以及圖6 (b)表示相對於壓電體41的主面的XRD (X射線衍射(法))結果的例子。
[0091]在該XRD中，相對於壓電體41的主面照射X射線，並測量被反射了的X射線的強度I。主面的側面視下的X射線相對於主面的照射角度Θ (° )被改變。在圖6(a)以及圖6(b)中，橫軸表示2 Θ (° )，縱軸表示強度I。
[0092]在XRD中，在對應於各結晶面的2 Θ的值中產生強度I的峰值。在圖6(a)以及圖6(b)中，假設壓電體41的結晶結構為正方晶，並表示對應於(002)面以及與(200)面的2 Θ值附近的強度I。
[0093]在圖6(a)中，線LI表示將壓電元件23與基體21粘接前的XRD結果，線L2表示將壓電元件23與基體21粘接後的XRD結果。
[0094]壓電元件23與基體21的粘接與本實施方式不同，是在125°C的溫度下使用熱固化性樹脂來進行的，並在常溫下進行XRD的測量。因此，在粘接後將溫度降低到常溫的範圍內時，由於基體21比壓電元件23更收縮，因此在壓電體41產生壓縮應力。
[0095]也就是說，線LI表示產生壓縮應力前的取向度，線L2表示產生壓縮應力後的取向度。
[0096]如線LI以及L2所示，若產生壓縮應力，則在對應於(002)面的2 Θ，強度I變高，在對應於(200)面的2Θ，強度I變低。也就是說，通過壓縮應力，產生使c軸朝向z方向的域切換。
[0097]在圖6 (b)中，線L3表示壓電元件23與基體21粘接著的狀態下的XRD結果，線L4表示將壓電元件23從基體21剝離後的XRD結果。也就是說，線L3表示產生了壓縮應力的狀態下的取向度，線L4表示將其壓縮應力去除後的狀態下的取向度。
[0098]另外，雖然圖6(b)的線L3也與圖6(a)同樣地，表示使用熱固化性樹脂來在高溫下粘接壓電元件23與基體21，並在常溫下進行了 XRD的測量的結果，但由於各個條件與圖6(a)不同，因此與線L2不一致。
[0099]為了在過程中不從外部向壓電體41施加負載，壓電元件23的剝離(正確來講是將壓電體41在公共電極39部分剝離)是通過將壓電元件23以及基體21浸潰在lmol/NaCl水溶液中，通過W探測器來向公共電極39以及單獨電極43施加直流電壓(絕緣耐壓內的電壓)來進行的。
[0100]如線L3以及L4所示，即使將壓電元件23從基體21剝離並從壓電元件23去除壓縮應力，對應於(200)面以及(002)面的2 Θ的強度I也不大幅變化。也就是說，即使壓縮應力被去除，通過壓縮應力而變化的取向度也被維持。
[0101]如上所述，在本實施方式中，通過冷卻處理，來提高c軸向z方向的取向度。其結果，移位偏差被抑制。此外，由於在常溫下進行粘接，因此在常溫下從基體21向壓電元件23賦予壓縮應力被抑制，移位降低被抑制。下面，參照實施例以及比較例來對該效果進行說明。
[0102]
[0103]圖7以及圖14是表示實施例以及比較例的條件以及作用等的圖表。
[0104]「N0.」欄表示適當地對實施例以及比較例賦予的編號。如該欄所示，在實施例以及比較例中，製作了從N0.1到N0.40的40個試樣(將壓電元件23與基體21粘接的試樣)，並進行了各種測量。另外，N0.1是以粘接在基體21前的壓電體41為試樣，一部分的條件或者作用未被記載。
[0105]「實施例」以及「比較例」欄分別表示實施例或者比較例。也就是說，對於實施例，在「實施例」欄計入圓圈或者三角的記號，對於比較例，在「比較例」欄計入圓圈。另外，對於「實施例」欄中圓圈與三角的不同則在後面進行敘述。
[0106](每個實施例以及比較例中不同的條件)
[0107]在圖7 以及圖 14 中，「Zr/Ti」、「Tl(°C ) 」、「T2(°C ) 」 以及「 AT(°C ) 」欄表示每個實施例以及比較例中設定的條件。另外，一部分的實施例彼此或者比較例彼此被設為相同的條件。具體來講，各欄表示下面的條件。
[0108]「Zr/Ti 」欄表示壓電體41的材料的條件。壓電體41的材料被表示為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 為 0.5/0.5 或者 0.495/0.505。在「Zr/Ti 」欄中，表示(l-a-b-c) /c的值。
[0109]「T1(°C )」欄表示將壓電元件23與基體21粘接時的環境的溫度(以及壓電元件23與基體21的溫度)的條件。如該欄所示，粘接溫度Tl在25?120°C的範圍內被各種設定。
[0110]「T2(°C ) 」欄表示粘接後的壓電元件23以及基體21的最低溫度的條件。另外，在實施例中，表示冷卻處理(圖4(c))時的溫度的條件。如該欄所示，在實施例中，最低溫度T2在比常溫(5°C以上35°C以下)低的-70?0°C的範圍內被各種設定，在比較例中，最低溫度T2被設定在常溫的範圍內(主要為25°C )。
[0111]「 ATCC) 」欄表示粘接溫度Tl與最低溫度T2的差(T2-T1)。如該欄所示，溫度差AT在O?180°C之間被各種設定。
[0112](實施例以及比較例的作用)
[0113]在圖7 以及圖 14 中，「 σ (MPa) 」、「 (002)/{(200) + (002)} 」、「LF(% ) 」、「D(nm)，，以及「V(% )」欄表示對每個實施例以及比較例的作用進行表示的值的測量結果。具體來講，如下所述。另外，下面所述的各種測量值是在壓電元件23與基體21粘接著的狀態下得到的。此外，關於測量溫度，在圖7中，所有的值都是在常溫(具體來講為25°C左右)下得到的，在圖14中，「 σ (MPa)，，、「D(nm)，，以及「V(% ) 」是在45°C下得到的，其他是在常溫下得到的。
[0114]「 σ (MPa) 」欄表示在壓電體41中產生的壓縮應力的測量結果。壓縮應力的測量是通過全德拜擬合:2D法來進行的。其是通過在向與對象為相同組成的試樣施加應力的狀態下測量XRD，並測量對象試樣的XRD，來根據基於應力的結晶晶格的變形，對施加的壓縮應力進行測量的。另外，在該欄的數值中，對應於應力為壓縮方向的情況，賦予負號。
[0115]「(002)/{(200)+ (002)}」欄表示與圖6同樣地通過XRD來測量的(002)面的強度I除以(200)面以及(002)面的強度I的值(表示取向度的指標的一種)。
[0116]「LF(% )」欄表示c軸向壓電體41的厚度方向的一側的取向度。具體來講，該欄表示基於通過XRD而測量出的強度I來計算出的洛特格林因素。
[0117]另外，作為XRD測量裝置，使用布魯克AXS株式會社製造的「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:無取向樣本的X射線衍射強度
[0122]X10(hkl):無取向樣本X射線衍射的全衍射強度的和
[0123]Σ 10(OOl):與無取向樣本X射線衍射的c軸垂直的所有面的衍射強度的和
[0124]P = ΣΙ(001)/ΣΙ0Μ)
[0125]1:測量對象樣本的X射線衍射強度
[0126]Σ I (hkl):測量對象樣本X射線衍射的全衍射強度的和
[0127]Σ I (001):與測量對象樣本X射線衍射的c軸垂直的所有面的衍射強度的和
[0128]「D(nm) 」欄表示在將電壓施加到公共電極39與單獨電極43之間並使壓電元件23彎曲時的壓電元件23的中央位置的移位。
[0129]「V(% ) 」欄表示多個噴出元件19之間的上述移位D的偏差。具體來講，移位偏差V表不移位D的標準偏差Do。
[0130](實施例以及比較例公共的條件以及其它條件)
[0131]實施例以及比較例中公共的條件如下。
[0132]壓電體41:
[0133]厚度:20μπι
[0134]振動板37:
[0135]材料:PZT陶瓷
[0136]厚度:20μπι
[0137]公共電極39:
[0138]材料:Ag-Pd合金(重量比為70/30)
[0139]厚度:2μπι
[0140]單獨電極43:
[0141]材料:Ag_Pd合金(重量比為70/30)
[0142]厚度:0.4μπι
[0143]基體21:
[0144]材料:SUS430 (不鏽鋼)。其中，N0.31為42合金。
[0145]厚度:1mm
[0146]加壓室31:
[0147]俯視的形狀以及尺寸:
[0148].長邊對角線長:800 μ m
[0149].短邊對角線長:500 μ m
[0150]?高度:50 μ m
[0151]極化時的施加電壓:40V
[0152]移位測量時的施加電壓:20V
[0153]另外，在N0.2?N0.28以及N0.31?N0.40中，極化處理如實施方式中所說明的那樣，通過在公共電極39與單獨電極43之間施加電壓來進行。
[0154]在N0.29中，極化處理是通過在壓電體41的主面形成極化用偽電極，並在其偽電極與公共電極39之間施加電壓來進行的。因此，壓電體41在其整面在厚度方向上被極化。另外，偽電極在極化處理後被去除。
[0155]在N0.30中，極化處理是通過在單獨電極43的周圍形成極化用偽電極，在公共電極39與單獨電極43之間施加電壓，並在單獨電極43與偽電極之間施加電壓來進行的。因此，壓電體41在單獨電極43的周圍在平面方向上被極化。另外，偽電極在極化處理後被去除。
[0156](針對實施例以及比較例的考察)
[0157]對於實施例以及比較例的大部分，其製造方法的條件僅粘接溫度Tl、最低溫度T2以及溫度差AT不同。另一方面，實施例以及比較例的移位D以及移位偏差V相互不同。也就是說，粘接溫度Tl、最低溫度T2以及溫度差Λ T對移位D以及移位偏差V產生影響。
[0158]下面，基於圖7的數值，來表示溫度等與移位等的關聯，並對溫度對移位的影響及其理由進行說明。另外，在以下的圖8?圖13的關聯圖中，以除溫度以外的條件相同的N0.2?N0.28為對象。
[0159]圖8(a)是表示粘接溫度Tl與移位D的關聯的圖，橫軸表示粘接溫度Tl，縱軸表示移位D。此外，圖8(b)是表示粘接溫度Tl與移位偏差V的關聯的圖，橫軸表示粘接溫度Tl,縱軸表不移位偏差V。
[0160]如該圖所示，粘接溫度Tl與移位D的關聯極高(R2 = 0.98)，另一方面，粘接溫度Tl與移位偏差V的關聯極低(R2 = 0.06)。並且，粘接溫度Tl越低(越接近常溫)，移位D越大。
[0161]圖9 (a)是表示溫度差Λ T與移位D的關聯的圖，橫軸表示溫度差AT，縱軸表示移位D。此外，圖9(b)是表示溫度差AT與移位偏差V的關聯的圖，橫軸表示溫度差AT，縱軸表不移位偏差V。
[0162]如該圖所示，溫度差ΛΤ與移位D的關聯極低(R2 = 0.10)，另一方面，溫度差AT與移位偏差V的關聯極高(R2 = 0.87)。並且，溫度差Λ T越大，移位偏差V越小。
[0163]如上所述，移位D很大取決於粘接溫度Tl。這被認為是由於如已述那樣，若粘接溫度Tl為高溫，則在常溫下由於基體21的收縮導致在壓電體41產生壓縮應力，壓電體41的壓電常量變低。此外，移位偏差V很大取決於溫度差AT。這被認為是由於若溫度差AT大，則如參照圖4(c)所述那樣，在壓電體41產生平面方向上的壓縮應力，c軸向厚度方向的取向度變高。下面，表示確認該作用的關聯圖。
[0164]圖10(a)是表示粘接溫度Tl與壓縮應力σ的關聯的圖，橫軸表示粘接溫度Tl，縱軸表示壓縮應力σ。此外，圖10(b)是表示粘接溫度Tl與c軸向厚度方向的取向度LF的關聯的圖，橫軸表示粘接溫度Tl，縱軸表示取向度LF。
[0165]如該圖所示，粘接溫度Tl與壓縮應力σ的關聯極高(R2 = 0.98)，另一方面，粘接溫度Tl與取向度LF的關聯極低(R2 = 0.06)。並且，粘接溫度Tl越低(越接近常溫)，壓縮應力σ越小。
[0166]圖11(a)是表示溫度差Λ T與壓縮應力σ的關聯的圖，橫軸表示溫度差AT，縱軸表示壓縮應力σ。此外，圖11(b)是表示溫度差AT與c軸向厚度方向的取向度LF的關聯的圖，橫軸表示溫度差Λ Τ，縱軸表示取向度LF。
[0167]如該圖所示，溫度差AT與壓縮應力σ的關聯極低(R2 = 0.12)，另一方面，溫度差AT與取向度LF的關聯極高(R2 = 0.88)。並且，溫度差Λ T越大，取向度LF越高。
[0168]圖12(a)是表不壓縮應力σ與移位D的關聯的圖,橫軸表不壓縮應力σ，縱軸表示移位D。此外，圖12(b)是表示壓縮應力σ與移位偏差V的關聯的圖，橫軸表示壓縮應力σ ,縱軸表示移位偏差V。
[0169]如該圖所示，壓縮應力σ與移位D的關聯極高(R2 = 0.97)，另一方面，壓縮應力σ與移位偏差V的關聯極低(R2 = 0.06)。並且，壓縮應力σ越小，移位D越大。
[0170]圖13(a)是表示c軸向厚度方向的取向度LF與移位D的關聯的圖，橫軸表示取向度LF，縱軸表示移位D。此外，圖13(b)是表示取向度LF與移位偏差V的關聯的圖，橫軸表不取向度LF,縱軸表不移位偏差V。
[0171]如該圖所示，取向度LF與移位D的關聯極低(R2 = 0.03)，另一方面，取向度LF與移位偏差V的關聯極高(R2 = 0.96)。並且，取向度LF越高，移位偏差V越小。
[0172]如上所述，在製造方法中，通過適當地設定粘接溫度Tl、最低溫度Τ2以及溫度差AT，能夠確保移位D較大，並減小移位偏差V。此外，在另一觀點中，在制品中，通過適當地設定取向度LF以及壓縮應力σ，能夠確保移位D較大，並減小移位偏差V。其優選的範圍如下。
[0173]N0.2是在常溫下進行粘接，並之後不進行冷卻處理的比較例(AT = (TC )，其移位偏差V是4.1%。與此相對的，在常溫下進行粘接，並在常溫的範圍內進行冷卻的N0.17中，移位偏差V是3.0 %，在常溫下進行粘接，並在比常溫低一些的溫度下進行冷卻的N0.18中，移位偏差V是2.8%,N0.17以及N0.18的任意一個的移位偏差V都比N0.2的移位偏差V小。
[0174]因此，只要多少進行了冷卻處理，就能夠得到減小移位偏差V的效果。若考慮以製品在常溫的範圍內被處理為前提的情況，若在比常溫低的溫度下進行冷卻處理，則能夠得到在通常的製品中不能起到的效果。
[0175]此外，從得到與在高溫下進行粘接，並從高溫遷移到常溫的過程中賦予壓縮應力來減小移位偏差V的比較例(例如N0.3?N0.10)同等的移位偏差V (2%左右)的觀點出發，如N0.21所示，優選將溫度差Λ T設為65°C以上(若為常溫下的粘接則冷卻到_40°C以下)。
[0176]並且，從不僅減小移位偏差V，還比在高溫下進行粘接的比較例更增大移位D的觀點出發，優選在常溫以及接近常溫的溫度(例如50°C以下。參照N0.26)下進行粘接，更優選在常溫的範圍內的溫度下進行粘接。
[0177]關於這種與比較例同等地減小移位偏差V，並比比較例更增大移位D的實施例的製品所表現的特徵是，壓電體41的c軸向厚度方向的取向度LF為44% (參照N0.21)以上56% (參照N0.26)以下，並且，壓電體41的平面方向的壓縮應力σ為OMPa以上35MPa (參照N0.26)以下。
[0178]另外，在圖7的「實施例」欄中，對該實施例中滿足該取向度LF以及壓縮應力σ的條件實施例賦予圓圈，對除此以外的實施例賦予三角。
[0179]在以上的實施方式等中，壓電元件23以及基體21的組合是壓電致動器的一個例子。
[0180]本發明並不限定於以上的實施方式，可以以各種方式來被實施。
[0181]壓電致動器並不僅限定於被用於噴墨頭，可以被用於各種用途。此外，壓電元件並不僅限定於單壓電晶片型的元件，例如也可以是多壓電晶片型的元件。對於壓電的變形模式，也可以使用除d31以外的d33或者共享模式。
[0182]壓電致動器除了噴墨頭以外，也可以用於例如帶壓電揚聲器、觸摸傳感器的顯示裝置等中的觸感傳遞用的振動源以及通過在行動電話等顯示裝置等中使顯示裝置接觸耳朵等人體的一部分並供給振動從而傳遞聲音信息的振動源等。在這種方式中都對於平板狀的基體，將壓電元件重疊並固定在厚度方向。
[0183]在壓電揚聲器中，基體是聚乙烯、聚醯亞胺、聚丙烯等樹脂或者金屬的膜，基本被用於熱膨脹係數比壓電元件大的部件。膜也可以被張開在如膜的振動的固定端這樣的框體中。壓電元件按照能夠增大膜的振動的方式，基本被固定在膜的中央部。也能夠使顯示裝置的一部分振動並作為壓電揚聲器來起作用，下面結合其他方式來對此進行說明。
[0184]所謂帶觸摸傳感器的顯示裝置中的觸覺傳遞，是指例如在通過手指等來按壓液晶觸摸面板等時，通過振動來向手指傳遞檢測出了按壓。通過振動的方式，也能夠產生如按壓了按鈕那樣模擬的觸覺。在基於接觸的振動下的聲音信息傳遞中，例如通過使液晶面板等振動，按照在內耳作為聲音而被感知的方式，向外耳等賦予振動。可以將其代替通過空氣的振動而被傳遞的聲音，或者作為通過空氣的振動而被傳遞的聲音的輔助。在任意一種情況下，都能夠通過將壓電元件固定在作為顯示裝置的液晶面板等的一部分、即基體，並使其振動來實現。
[0185]在液晶面板等顯示裝置中，基體是玻璃或者丙烯樹脂。這些的熱膨脹係數也基本比壓電元件大。雖然在被使用的玻璃中也存在熱膨脹係數低的材料，但在這樣的情況下，也可以在玻璃與壓電元件之間加入金屬板等熱膨脹係數高的材料，來向壓電元件施加壓縮應力。
[0186]基體可以使用例如厚度為0.1mm以上2.0mm以下的、大小從幾釐米到幾十釐米的材料。在作為液晶面板等而被使用的情況下，由於中央部為了實現其他功能而被使用的情況較多，因此壓電元件基本被固定在基體的端部附近。壓電元件的大小可以使用例如厚度為0.1以上1.0mm以下、長度為1mm以上50mm以下、寬度為1.0mm以上10.0mm以下的尺寸。為了來自基體的應力能夠容易施加於壓電元件整體，優選壓電元件的沿著基體的方向的大小比厚度(從基體起的高度)大。進一步地，優選沿著基體的方向的大小在任意方向上都比厚度大。
[0187]壓電體的材料並不限定於PZT，只要是通過壓縮應力來產生90°域切換的材料即可，例如，可以是以正方晶為主結晶相的材料。此外，在壓電體的材料是由 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)表示的材料的情況下，(l-a-b-c)/c可以被適當地設定，例如，也可以是在實施例中所示的0.5/0.5與0.495/0.505之間的值。
[0188]壓電體在由至少I對電極(公共電極以及單獨電極)夾著的區域，滿足取向度或者壓縮應力的條件即可。例如，壓電體在與加壓室重疊的區域內，即單獨電極主體的外側的區域，可以在平面方向上被極化，可以在厚度方向上被極化，也可以不被極化。
[0189]符號說明:
[0190]5、6...頭部(壓電致動器)，21...基體,39...公共電極,41...壓電體,43...單獨電極。
【權利要求】
1.一種壓電致動器，具有: 基體；和 壓電元件，其具有板狀的壓電體以及按照在厚度方向上夾著該壓電體的方式而被配置的I對電極，所述壓電元件在厚度方向上相對於所述基體重疊並固定， 所述基體的熱膨脹係數比所述壓電元件高， 所述壓電體以正方晶為主結晶相，在被所述I對電極夾著的區域，C軸向厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素下為44%以上且56%以下，平面方向上的殘留應力在壓縮方向上為OMPa以上且35MPa以下。
2.根據權利要求1所述的壓電致動器，其特徵在於， 所述壓電體的材料以鋯鈦酸鉛為主成分。
3.根據權利要求2所述的壓電致動器，其特徵在於， 所述壓電體的材料是在由 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。
4.一種噴墨頭，具有: 基體，其設有對墨液進行收容的凹狀的加壓室；和 壓電元件，其具有板狀的壓電體以及按照在厚度方向上夾著該壓電體的方式而被配置的I對電極，所述壓電元件按照蓋住所述加壓室的方式來在厚度方向上相對於所述基體重疊並固定， 所述基體的熱膨脹係數比所述壓電元件高， 所述壓電體以正方晶為主結晶相，在被所述I對電極夾著的區域，c軸向厚度方向的一側的取向度在洛特格林因素下為44%以上且56%以下，平面方向上的殘留應力在壓縮方向上為OMPa以上且35MPa以下。
5.一種壓電致動器的製造方法，包含: 準備壓電元件的工序，該壓電元件具有板狀的壓電體以及按照在厚度方向上夾著該壓電體的方式而被配置的I對電極； 準備熱膨脹係數比該壓電元件高的基體的工序； 在厚度方向上將所述壓電元件與所述基體重疊並固定的工序；和 在所述固定的工序後，將所述壓電元件以及所述基體冷卻到比常溫低的溫度的工序。
6.根據權利要求5所述的壓電致動器的製造方法，其特徵在於， 在所述固定的工序中，使對所述壓電元件與所述基體進行粘接的粘接劑在常溫下固化。
7.根據權利要求6所述的壓電致動器的製造方法，其特徵在於， 在所述冷卻的工序中，將所述壓電元件以及所述基體冷卻到-40 °C以下。
8.根據權利要求5?7的任意一項所述的壓電致動器的製造方法，其特徵在於， 所述固定的工序與所述冷卻的工序的溫度差為65°C以上。
【文檔編號】H01L41/253GK104185555SQ201380014842
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年3月29日 優先權日:2012年3月30日
【發明者】巖下修三 申請人:京瓷株式會社