JP2005159275A - セル駆動型圧電アクチュエータ、及びセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークの更なる低減、変位効率の更なる向上、駆動信頼性の向上、実装性の向上、が実現され、近時の印刷機器に求められる解像度、印刷速度等の要望に応え得るインクジェットヘッドの提供。
【解決手段】壁部２２と、その壁部２２によって形成されたセル３と、を有する複数のセル駆動体２０を備え、その複数のセル駆動体２０の各々が、壁部２２において、圧電体１４と、少なくとも一対の電極１８，１９と、からなる圧電作動部４を具備し、その圧電作動部４の変位によってセル３の容積が変化するセル駆動型圧電アクチュエータ１をインクジェットヘッドとして適用する。セル駆動型圧電アクチュエータ１は、少なくとも一対の支持体２１を備え、複数のセル駆動体２０が互いに完全に独立して少なくとも一対の支持体２１を架け渡して連設されるとともに、セル駆動体２０と支持体２１とが焼成一体化されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、壁部によって形成されたセルを有し、その壁部に備わる圧電作動部の発生変位によってセルの容積変化を生じさせ、所定のはたらきを実現するセル駆動型の圧電アクチュエータに関する。

プリンタ、ファクシミリ、コピー機、その他の印刷機器に、インクジェットヘッドが採用されるようになって久しい。近時は、特に小型のプリンタの殆どにノンインパクト方式が採用され、高性能なインクジェットヘッドによって銀塩写真の如く鮮明な画像が紙の上に再現されるようになってきている。

ノンインパクト方式の印刷機器とは、インクをノズルから吐出して印字媒体（主に紙）に印刷する機器であり、インクを吐出するインクジェットヘッドの形式によって、主に圧電方式とサーマルジェット（バブルジェット（登録商標）等）方式とが知られている。このうち圧電方式とは、インクジェットヘッドとして圧電アクチュエータが用いられる印刷機器であり、インクジェットヘッドは、主に、ノズルと、インク供給路に連通するインク室と、そのインク室に容積変化を生じさせる圧電素子と、から構成される。圧電方式の印刷機器は、インクジェットヘッドが圧電素子に駆動電圧を印加してインク室に容積変化を発生させインクをノズルから吐出させることにより、印字、印刷を行う。圧電方式のインクジェットヘッドは、サーマルジェット方式がインクを加熱するに比してそれを行わないため、インク選択の自由度が高く、制御性が優れる、という長所を有する。

一方、印刷機器に対するより鮮明なより速い印刷の実現という要望は限りがなく、圧電方式のインクジェットヘッドに対しても、インク吐出力の更なる向上と、圧電素子及びインク室の配置密度の更なる向上と、が求められている。そして、このような要求に応えるため、従来より提案がなされている。例えば、特許文献１には、高い吐出力を有するインクジェットヘッドが開示されている。特許文献１の図１に示されるように、提案されたインクジェットヘッドは、互いに圧電体細片により分離された個室（チャネル）の１本おきにインクを充填してインク室（インクチャネル）とし、その間をダミー室（ダミーチャネル）とし、そのインク室の両側の圧電体細片を伸縮モードにより変形させ、インク室中のインクをノズル穴を通して吐出せしめるインクジェットヘッドである。このインクジェットヘッドは、圧電体細片を個室に向かう方向に分極し、少なくとも各圧電体細片の個室面側（側面）に電極を形成して（圧電素子を構成し）、インクを吐出するインク室の両側の圧電体細片の各電極に、その圧電体細片の分極方向に対応した極性の駆動電圧を印加することにより、圧電体細片に変位を発生させ伸縮させて、インク室の容積を変えることによりインクを吐出する。圧電体細片の高さを高くすれば、駆動電圧を上げることなく、圧電体細片の幅を大きくする（配置密度を低下させる）ことなく、インク室の容積変化を増大させられ、インク吐出力の向上が図れるとしている。

又、特許文献２には、インク吐出力やクロストークの問題を解決したインクジェット（記録）ヘッドの開示がなされている。特許文献２の図１に示されるように、提案されたインクジェットヘッドは、圧電体基体（プレート）に内面に保護層で被覆された電極を有し上側が蓋（トッププレート）で覆われた溝を形成し、その溝を１本おきにインクを充填したインク室（インクチャネル）とインクを充填しないダミー室（ダミーチャネル）とし、インク室に連通するノズルを有するノズル板（プレート）を備え、インク室を構成する両側の圧電体側壁（電極が形成された圧電素子）に変位を発生させ変形させて、インクをノズルから吐出させるインクジェットヘッドである。このインクジェットヘッドは、蓋はダミー室の上にノズル板まで貫通するスリットを有し、且つダミー室の深さがインク室の深さより大きく、インク室を構成する圧電体側壁の変形によってダミー室の底部のすべり変形が発生しない深さであるため、クロストークが低減されるとしている。
特開平６−１４３５６４号公報 特許第３２１７００６号公報

しかしながら、上記従来のインクジェットヘッドには、いくつかの課題があると考えられた。先ず、特許文献１にかかるインクジェットヘッドについては、第１の課題としてクロストークの発生が挙げられる。特許文献１の図１に示されるように、開示されたインクジェットヘッドは、全ての圧電体細片が上側の蓋と下側の絶縁性支持基板とで拘束されているため、その蓋及び絶縁性支持基板を通じて、一の圧電体細片の伸縮が他の圧電体細片の変形を引き起こし、クロストークが発生してしまうと考えられた。その結果、インク室から吐出されるインクの液滴の径や吐出速度が不均一になり、印字、印刷の品質向上に限界を生じ得る。

又、上記した全ての圧電体細片が上側の蓋と下側の絶縁性支持基板とで拘束されているという態様は、インク室を構成する圧電体細片の変位を阻害する要因になる。これが、変位効率の向上にかかり限界があるという第２の課題である。変位効率とは、例えば圧電体の変位量／駆動電圧で表すことが出来る。即ち、駆動電圧に対する圧電体が生じる変位量の比を指す。圧電体の変位量が増せばインク室の容積変化も増大する。特許文献１では、圧電体細片の高さを高めれば、駆動電圧を上げることなくインク室の容積変化を増大させられるとしているが、圧電体細片が発生させる変位は、蓋と絶縁性支持基板とで抑えられるので、駆動電圧あたりの変位量を増大させるのは困難であると考えられる。

第３の課題は、近時のインクジェットヘッドに対する高密度化要求に伴う駆動信頼性の低下である。インクとして導電性液体を採用する場合には、電極を絶縁するために保護膜の形成が不可欠になり、更に、駆動極性によっては、インクが導電性を有するか否かに関わらず、インクの電気分解防止のために保護膜の形成が必要となる。特許文献１には製造方法が具体的に示されていないのであるが、保護膜の形成手段として、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相堆積）等を採用する場合に、圧電体細片の間隔を狭め高密度化していくと、圧電体細片の間のインク室及びダミー室は狭い閉空間となっていくので、保護膜の材料の表面張力等に起因して、均一且つ均質な信頼性の高い保護膜の形成が困難になる。そうなると、電極の短絡等の問題が生じ易くなり、駆動信頼性の低下を招来する。又、電極の形成についても、保護膜の材料の表面張力等に起因して同様な理由で均一且つ均質な信頼性の高い形成が困難になり、電極の導通不良を生じ、駆動信頼性の低下を招来するおそれがある。

第４の課題は、近時のインクジェットヘッドに対する高密度化要求に起因する実装性の低下である。実装性とは、より具体的にはインクジェットヘッドに駆動回路や電源回路を接続乃至接合する際の位置決めの精度やそれらの確実性を意味する。インクジェットヘッド自体が、吐出力を向上させ、高い密度のインク室乃至圧電素子の配置を可能とし、解像度、印刷速度等の向上を導き得るものであったとしても、実装性が劣っては、長期にわたり高い信頼性を確保することは困難である。

上記した特許文献１にかかるインクジェットヘッドの第１〜第４の課題は、近時の印刷機器に求められる解像度、印刷速度を考慮すると、特許文献２にかかるインクジェット（記録）ヘッドにも該当する。なるほど、特許文献２で開示されたインクジェットヘッドは、蓋がダミー室の上にノズル板まで貫通するスリットを有し、更に、ダミー室の深さがインク室の深さより大きく、インク室を構成する圧電体側壁の変形によってダミー室の底部のすべり変形が発生しない深さであるため、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドに比して、クロストーク（第１の課題）、及び、変位効率（第２の課題）の点で改善されていると考えられる。しかし、圧電体基体に溝を形成し、その溝をインク室とダミー室にしたものであり、基本的に変位発生部である圧電体側壁が底部で繋がっている構造をなすため、解像度の向上を図るために配置密度を向上させ、複数の圧電体側壁どうしが極近に配設される態様では、クロストークの低減及び変位効率の向上にかかる効果は、満足出来るレベルではないものと思われる。尚、上記第３、第４の課題については、特許文献２にかかるインクジェットヘッドでは言及がなく、何ら解決されないと考えられる。

本発明は、上記した従来技術の抱える課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、近時の印刷機器に求められる解像度、印刷速度等の要望に対応すべく、クロストークの更なる低減、変位効率の更なる向上、駆動信頼性の向上、実装性の向上、のうち少なくとも何れか、好ましくは全て、が実現されたインクジェットヘッドを提供することである。検討が重ねられた結果、以下に示す圧電アクチュエータをインクジェットヘッドとして適用することにより、上記目的が達成されることが見出された。

又、本発明は、上記目的が達成可能な圧電アクチュエータを、より簡素でスループットの向上が図られた製造工程によって、より高い歩留まりで作製可能な、新たな圧電アクチュエータの製造方法を提供することを、別の目的としている。この目的は、以下に示す圧電アクチュエータの製造方法により達成される。

即ち、本発明によれば、壁部とその壁部によって形成されたセルとを有する複数のセル駆動体を備え、その複数のセル駆動体の各々が、壁部において、圧電体と少なくとも一対の電極とからなる圧電作動部を具備し、その圧電作動部の変位によってセルの容積が変化するアクチュエータであって、少なくとも一対の支持体を備え、複数のセル駆動体が互いに完全に独立して少なくとも一対の支持体を架け渡して連設されるとともに、セル駆動体と支持体とが焼成一体化されているセル駆動型圧電アクチュエータが提供される。

構成の説明上、セル駆動体及び支持体と表現されるが、それらは、焼成一体化されているのでセル駆動型圧電アクチュエータの一部分をなすものである。又、少なくとも一対の電極及び少なくとも一対の支持体と表現されるが、少なくとも一対とは２つ以上であればよく奇数個であってもよい。例えば、３つの電極が備わるとき、ある１つの電極が他の２つの電極とそれぞれ対をなす場合が含まれる。支持体も同様である。圧電作動部は圧電体と電極とからなるので圧電素子とも表現出来るが、本明細書では、セルを形成する壁部の更に一部分を構成する圧電作動部とよぶ。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、圧電と称しているが、電界によって誘起される歪みを利用するアクチュエータであって、狭義の意味での、印加電界に概ね比例した歪み量を発生する圧電効果を利用する圧電アクチュエータに限定されるものではなく、印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果、強誘電体材料全般にみられる分極反転、反強誘電体材料にみられる反強誘電相−強誘電相転移、等の現象を利用するアクチュエータも含まれる。本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータにおいて、より好ましいものは材料強度面に優れるセラミックアクチュエータである。又、分極にかかる処理が行われるか否かについては、本発明に係る圧電アクチュエータを構成する圧電作動部の圧電体に用いられる材料の性質に基づいて適宜決定される。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータにおいて、複数のセル駆動体が互いに完全に独立し、とは、少なくとも圧電作動部を含みセルを形成する全ての壁部が、それぞれが壁部によってセルを形成した複数のセル駆動体の間で、互いに独立していることを示す。これは、一のセルを形成する壁部を変形させる圧電作動部が、他のセルにかかる圧電作動部から、完全に独立していることを意味する。例えば、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドは、隣接するセル（チャネル）を形成する壁部（圧電体細片）が蓋と絶縁性支持基板とで繋がっている。又、特許文献２に開示されたインクジェット（記録）ヘッドでは、隣接するセル（チャネル）を形成する壁部（側壁）が圧電体基体で繋がっている。このように、従来、セルを形成する全ての壁部が完全に独立した圧電アクチュエータ（インクジェットヘッド）は存在していなかったのである。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータにおいては、セル駆動体の形状、即ち、壁部によって形成されるセルの形状、は限定されるものではなく、角筒形状、円筒形状、等が採用出来る。より好ましいセルの形状は、以下に示す高さに比して幅の狭い角筒形状、即ちスリット状である。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい第１の態様として、複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、その２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で壁部を構成して、スリット状のセルを形成し、少なくとも２つの側壁の各々に備わる圧電作動部が、側壁の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体と、少なくとも一対の電極と、を有し、圧電縦効果により変位を発生する態様を挙げることが出来る。

層状の圧電体の数は限定されず、１乃至複数であってよい。圧電作動部の最小構成は、１層の圧電体を挟んで一対の電極が形成される態様であるが、変位効率を向上させるためには、圧電体は、より薄く、多層であることが好ましい。層状の圧電体、と表現されるが、好ましい第２の態様における、板状の圧電体、と対比させて表したものであり、層状及び板状の語が圧電体の厚さを限定するわけではない。又、側壁の高さ方向、と表現されるが、好ましい第２の態様における、側壁の幅方向、と対比させ相対的な方向として表したものであり、高さ及び幅の語が絶対的な方向を示すわけではない。即ち、必ずしも重力方向の反対方向が高さ方向ではない。

本明細書において、スリット状のセルとは、それを形成する壁部の構成要素のうち、相対的に２つの側壁が長く天井壁及び底壁が短いことを表している。壁部がそれぞれ、側、天井、底、の語で修飾され表現されるが、絶対的な、方向乃至位置関係を示すものではない。即ち、必ずしも重力方向に位置する壁部が底壁であるわけではない。又、本明細書において、側壁の各々に備わる圧電作動部、と表現され、側壁の一部に圧電作動部が備わっていてもよいが、側壁全体が圧電作動部を構成することが好ましい。更に、本明細書において、限定はされないが、好ましい電極は、薄い膜状の電極である。

上記第１の態様では、限定されるものではないが、少なくとも一対の電極の端部が、少なくともセルの内側において、圧電体内に埋設されていることが好ましい。更に、この態様では、限定されるものではないが、少なくとも一対の電極の端部が、セルの外側において、圧電体から露出していることが好ましい。

電極の端部がセルの内側において圧電体内に埋設されている、とは、電極の端部がセルの内側において圧電体から露出していないことを指し、セルの内側からみて電極の端部が見えない状態を意味する。本明細書において、セルとは実体部分である壁部（圧電体を含む）によって形成された空間であり、セルの内側とは壁部を基準として当該壁部が形成するセル側を意味する。セルの外側とは壁部からみてセルとは反対の側、即ち壁部を基準として当該壁部で形成されない隣接するセルの側を意味する。

又、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい第２の態様として、複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、その２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で壁部を構成して、スリット状のセルを形成し、少なくとも２つの側壁の各々に備わる圧電作動部が、板状の圧電体と、その圧電体の側面に形成された少なくとも一対の電極と、を有し、圧電横効果により変位を発生する態様を挙げることが出来る。

１つの壁部あたりの板状の圧電体の数は限定されず、１乃至複数であってよい。圧電作動部の最小構成は、１枚の圧電体を挟んで、その両側面に一対の電極が形成される態様である。圧電体が複数備わる場合には側壁の幅方向に積層され、複数の圧電体の間の面にも電極が形成される。既に述べたように、板状の圧電体と表現されるが、圧電体の厚さは限定されない。

上記第２の態様では、限定されるものではないが、圧電体が複数備わることが好ましい。変位効率が向上するからである。圧電体が複数備わる場合には、電極は圧電体の側面に形成され、圧電体と圧電体との間の面にも形成されるので、圧電体と少なくとも一対の電極とが、側壁の幅方向に交互に積層をされる態様となる。

更に、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい第３の態様として、複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、その２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で壁部を構成して、スリット状のセルを形成し、２つの側壁と天井壁と底壁のうち何れか３つ又は全てに、圧電作動部が備わる態様が挙げられる。尚、第３の態様は、上記第１の態様又は第２の態様を兼ねる場合がある。

上記第３の態様のうち、特に、２つの側壁と天井壁と底壁の全てに圧電作動部が備わる態様は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータが、壁部によってセルを形成した複数のセル駆動体を互いに完全に独立させているからこそ、実現し得る態様である。既に述べたように、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドや特許文献２に開示されたインクジェット（記録）ヘッドでは、隣接するセルを形成する壁部が、何れかの形で繋がっているため、その繋がる壁部では変位発生部である圧電作動部を構成することは困難であるが、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、セルを形成する全ての壁部、即ち２つの側壁と天井壁と底壁の全てが複数のセル駆動体の間で互いに独立し、それぞれが変位発生可能（駆動可能）であるため、その全てに圧電作動部が備わる態様を実現可能にしている。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータにおいて、セルの好ましい形状はスリット状である。そのスリット状とは、本明細書において、セルを形成する壁部の構成要素のうち、相対的に２つの側壁が長く天井壁及び底壁が短いことを表す、ことは既に記したが、より具体的には、１つのセルを形成する側壁間の最短距離（セル幅という）と、底壁と天井壁との最短距離（セル高という）の比（セルのアスペクト比という）が、概ね１：２〜１：５０であることが好ましい。又、セル幅は概ね６０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、セルのアスペクト比が１：１０〜１：３０、セル幅が５０μｍ以下である。少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、更に好ましくは２つの条件がともに適うアクチュエータ、即ち薄く背の高いセル駆動体を有するアクチュエータであれば、アクチュエータとしてより高出力化を図ることが容易であり、又、高密度化が図れ、よりコンパクトなアクチュエータを実現することが可能である。

又、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータにおいては、一のセルと隣接する他のセルとの距離（セル間隔という）と、セル高との比が、概ね１：２〜１：５０であることが好ましく、セル間隔が概ね６０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、セル間隔とセル高との比は、１：１０〜１：２５、セル間隔が５０μｍ以下である。一のセルと隣接する他のセルとの距離は、セル駆動体間の距離に相当するから、少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、更に好ましくは２つの条件がともに適うアクチュエータであれば、一のセル駆動体と隣接する他のセル駆動体とが完全に独立していながら、より多くのセル駆動体を備えるアクチュエータを得ることが出来、よりコンパクトなアクチュエータを実現することが可能である。

次に、本発明によれば、以下に示す３つの製造方法が提供される。本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法は、壁部によって形成された複数のセルを有し、壁部は、２つの側壁と、その２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で構成され、少なくとも２つの側壁に圧電作動部が備わり、その圧電作動部は、板状の圧電体と、その圧電体の側面に形成された少なくとも一対の電極と、を有し、圧電横効果により変位を発生するアクチュエータを製造する方法であって、圧電材料を主成分とする３以上のセラミックグリーンシートを用意する第１の工程と、その３以上のセラミックグリーンシートの各々に、少なくとも２つのビアホール乃至スルーホールを形成して、加工済セラミックグリーンシートＡを得る第２の工程と、その加工済セラミックグリーンシートＡの各々に、複数のキャビティと、その複数のキャビティを形成する面の各々に露出され且つビアホール乃至スルーホールに接続される導体膜と、を形成して、複数の加工済セラミックグリーンシートＢを得る第３の工程と、その複数の加工済セラミックグリーンシートＢを積層し圧着して、複数の加工済セラミックグリーンシートＢの各々に形成された複数のキャビティがそれぞれ連通してなる複数の貫通孔が備わるセラミックグリーン積層体を形成する第４の工程と、そのセラミックグリーン積層体を焼成して一体化し、焼成積層体を得る第５の工程と、を有する製造方法である。

導体膜が露出するキャビティを形成する面とは、一定の厚さを有する加工済セラミックグリーンシートＢ（キャビティが形成される前はＡ）に設けられたキャビティに接する面であり、加工済セラミックグリーンシートＢの厚さ方向の面である。キャビティを形成する面は、複数の加工済セラミックグリーンシートＢが積層されることによって、貫通孔を形成する。キャビティは複数形成されるから貫通孔も複数備わる。その複数の貫通孔は、のちに、セル、又は、セルとセルとの間、を構成する空間である。２つのビアホール（乃至スルーホール）を形成して、とは、正極用と負極用のビアホールを設けることを指し、少なくとも２つとは、複数の圧電作動部が設けられる場合に、個別に変位を発生させるため、例えば負極は共通のビアホールを用い、正極は圧電作動部毎に個別のビアホールを用いることを意味する。例えば６つの圧電作動部があるセル駆動型圧電アクチュエータでは、（１＋６＝）７つのビアホールを形成することが好ましい。又、１つのセルを構成する壁部に複数の圧電作動部が備わる場合には、共通の負極用ビアホールの他に、セル毎に１つの正極用ビアホールを設けてもよい。例えば３つのセルを有するセル駆動型圧電アクチュエータでは、（１＋３＝）４つのビアホールを形成する態様をとることが出来る。

尚、複数の加工済セラミックグリーンシートＢを積層し圧着して形成されるセラミックグリーン積層体は、セル駆動型圧電アクチュエータにおいて圧電作動部が備わる２つの側壁部分を構成するものである。天井壁及び底壁は別途の考慮により作製すればよく、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法は、天井壁及び底壁の形成にかかる手段乃至過程を限定するものではない。例えば、天井壁及び底壁に相当するシートを、別途、用意し、最外層になるように、複数の加工済セラミックグリーンシートＢと合わせて積層し、焼成して一体化することにより、２つの側壁を接続する天井壁及び底壁とで構成されるセルを有するアクチュエータを製造することが出来る。天井壁及び底壁に相当するシートは圧電材料を主成分とするものであってよいが、天井壁及び底壁に圧電作動部を設けない場合には、そうでない材料であってもよい。

上記した本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法として好適な手段であるが、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを作製する場合にのみ有用となる手段ではなく、複数のセルを有する圧電アクチュエータであって、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータではなく、複数のセルを形成する壁部が互いに独立していない態様の圧電アクチュエータを作製する手段としても有用である。複数のセルを形成する壁部が互いに独立していない態様とは、例えば、天井壁乃至底壁が、蓋や基板として複数のセルで共有されるものであり、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドや特許文献２に開示されたインクジェット（記録）ヘッドが、該当する。一方、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法とは異なる方法、例えば、セル駆動体と一対の支持体とを別個に作製し、接合、焼成一体化する手段によって、製造することが可能である。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい第１の態様を製造する方法であって、少なくとも２つの側壁を、圧電材料を主成分とするセラミック材料で構成し、天井壁又は底壁に、１又は２以上の細孔を設けて、セルを形成した後に、細孔を通じてセルの中へ流体からなる絶縁体材料を導入し、壁部のセル形成面に絶縁体材料を密着させて、セル形成面に、保護膜を形成する工程を有する製造方法である。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第３の製造方法は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい第２の態様を製造する方法であって、少なくとも２つの側壁を、圧電材料を主成分とするセラミック材料で構成し、天井壁又は底壁に、１又は２以上の細孔を設けて、セルを形成した後に、細孔を通じてセルの中へ流体からなる導体材料又は絶縁体材料を導入し、壁部のセル形成面に導体材料又は絶縁体材料を密着させて、セル形成面に、電極、又は、電極を絶縁する保護膜を形成する工程を有する製造方法である。尚、本明細書において、セル形成面とは、空間であるセルを形成する壁部の面であって、セルに接している面を指す。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法及び第３の製造方法においては、壁部の天井壁又は底壁に細孔を形成する手段、工程は限定されず、何れかの方法で、セルの中へ流体からなる導体材料又は絶縁体材料を導入する前に、形成しておけばよい。絶縁体材料（乃至導体材料）の導入にかかる手段は限定されず、例えば、導体材料を液状乃至ベーパーにして細孔からセルの中へ送り込むことが出来る（メッキ法、ＣＶＤ法、等）。

上記した本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法及び第３の製造方法は、ともに、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造するための好適な方法であるが、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法乃至第３の製造方法とは異なる方法によって作製することも可能である。例えば、圧電作動部を備えた２つの側壁を個別に作製し、それら独立した側壁に対して、少なくともセル形成面に絶縁体材料を塗布して保護膜を形成した後に、別途用意した天井壁及び底壁とともに、セル駆動体を組み立て、得られたセル駆動体を更に別途用意した一対の支持体と接合し、焼成一体化する手段によって、製造することが可能である。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法と第２の製造方法、又は、第１の製造方法と第３の製造方法は、それぞれ独立して利用し得るものであるが、セル駆動型圧電アクチュエータを作製するために、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法と、第２の製造方法又は第３の製造方法は、同時に利用し得る手段である。本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法は、グリーンシート積層法に基づき配線の作製に特徴を有するものであり電極や保護膜の作製にかかる手段乃至過程を限定するものではなく、一方、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法及び第３の製造方法は、電極乃至保護膜の形成に特徴を有するものでありセル駆動体及び支持体を作製するための手段としてグリーンシート積層法を採用し得て且つ配線の作製にかかる手段乃至過程を限定するものではないからである。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、複数のセル駆動体が互いに完全に独立していて、それぞれが壁部によってセルを形成した複数のセル駆動体の間で、少なくとも圧電作動部を含む壁部では繋がっていない。そのため、圧電作動部が生じた変位によって起こる一のセルの壁部の変形が、他のセルを形成する壁部に対して及ぼす干渉は、従来より大幅に抑制され、クロストークの問題が、生じ難い。

又、複数のセル駆動体が互いに完全に独立していて、それぞれが壁部によってセルを形成した複数のセル駆動体の間で、少なくとも圧電作動部を含む壁部では繋がっていないことから、圧電作動部が発生する変位を阻害され難く、一定の駆動電圧あたりに、バルク体に近い、従来より大きな変位量が得られる。更に、複数のセル駆動体の間が、従来のダミー室（ダミーチャネル）のように、行き止まりの空間ではないため、製造時に電極乃至保護膜を形成するための材料が滞留し難く、セル外側において、電極乃至保護膜の一体性及び連続性が向上しており、優れた駆動信頼性を有する。尚更に、複数のセル駆動体の間を、治具等が突き抜け得るため、把持し易く、又、位置決めし易く、他の部材等への実装性が向上している。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータでは、好ましい態様（第３の態様）として、複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、その２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で壁部を構成して、スリット状のセルを形成し、２つの側壁と天井壁と底壁のうち何れか３つ又は全てに、圧電作動部が備わる態様を採用し得るので、一定の駆動電圧によって、より大きなセルの容積変化を得られ、変位効率をより向上させることが可能である。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい態様（第１の態様）は、圧電作動部が、側壁の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体と、少なくとも一対の電極と、を有し、圧電縦効果により変位を発生する態様であるため、圧電効果に基づく歪みを直接利用出来、変位の発生力が大きく、且つ、応答速度も速い。従って、クロストークの低減、変位効率の向上の効果が大きい。

又、第１の態様における更に好ましい態様は、（各々のセル駆動体が、）少なくともセルの内側において、電極の端部を圧電体内に埋設させる態様であるため、セルに充填される流体が接する面は、通常、化学的に極安定なセラミックス等の圧電体で構成され得て、利用する流体が殆ど制限されなくなる。更に、セルに充填される流体に電極が接触しないことから、利用流体によらず電極を絶縁するための保護膜の形成が不要となり、製造工程が大幅に短縮可能となる。電極の端部を、セルの内側のみならずセルの外側においても圧電体内に埋設させ、且つ、共通電極乃至配線を圧電体の側壁に電極を形成しない態様を採用すれば、電極の導通信頼性の低下を招来することなく、複数のセル駆動体は、より高密度に、支持体を架け渡して連設され得る。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい態様（第２の態様）は、圧電作動部が、板状の圧電体と、その圧電体の側面に形成された少なくとも一対の電極と、を有し、圧電横効果により変位を発生する態様であり、その第２の態様における更に好ましい態様は、（各々のセル駆動体において、）板状の圧電体が複数備わり、その複数の圧電体は、それぞれ電極に挟まれて側壁の幅方向に積層をされる態様である。この態様により、圧電体の各々を、より薄く形成出来、一定の駆動電圧あたりに、より大きな変位量、より高い発生力を発現することが可能である。又、板状の圧電体が積層されて合板状になることにより、機械強度が向上する。従って、より高い耐久性が備わる圧電アクチュエータとなる。尚、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、第１、第２の態様に限定されず、シェアモード（圧電体の分極電界方向と直行する方向の駆動電圧により変位を発生）を使用する態様でもよい。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法では、グリーンシート積層法を採用し、キャビティを形成した各シートに対し、それを積層する前に、ビアホール（又はスルーホール）と、そのビアホールに接続され且つキャビティを形成する面の各々に露出される導体膜と、を形成する。こうすると、各シートを積層して得られるセラミックグリーン積層体（又は焼成後の焼成積層体）に対し、キャビティが連通してなる貫通孔の側面に電極を形成するだけで、配線が完了し、焼成積層体を得た後に煩わしい配線作業を施す必要がなくなり、より簡素な製造工程になる。又、貫通孔の側面に形成された電極は、各シート毎に形成された複数の導体膜でビアホールに接続されるので、導通不良を招来せず、駆動信頼性が向上する。貫通孔の側面に形成される電極は、各シートの導体膜を通じてビアホールに接続され、焼成積層体の表面に現れるビアホールにまで導通する。そのビアホールに接続するように、必要に応じて、端子電極を設けることが出来、圧電アクチュエータと電源等の他の機器との接続も容易となる。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法及び第３の製造方法は、細孔が備わる他は閉じた空間であるセルを得て、そのセルの中へ、細孔を通じて流体からなる導体材料乃至絶縁体材料（第２の製造方法では後者のみ）を導入し、壁部のセル形成面に導体材料乃至絶縁体材料を密着させて、セル形成面に、電極乃至保護膜（第２の製造方法では後者のみ）を形成する工程を有する。概ね閉じた空間であるセルを形成した後で、そのセル形成面に電極乃至保護膜を形成出来るので、例えば第１の製造方法の如くグリーンシート積層法を採用した場合において、シートを積層する過程で電極乃至保護膜の形成にかかる工程を挿入する必要がなく、製造工程の繁雑さが軽減される。又、電極乃至保護膜の一体性及び連続性が向上し、駆動信頼性に優れたアクチュエータを得られる。特に、第３の製造方法、即ち本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの好ましい第２の態様を作製する場合においては、壁部のセル形成面全体に電極を形成しても差し支えないので、電極形成を避けるためのマスキングやリソグラフィパターニング（フォトレジスト）が不要となり、より簡素な製造工程になる。

以下、本発明のセル駆動型圧電アクチュエータ、及びセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。

図１及び図８は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの一実施形態を示す図である。図１は構造が理解し易くなるように構成要素を分解して表した説明図であり、図８は、図１に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ１を、切断線５０に沿って切断した場合の稍拡大した断面図である。

図示されるセル駆動型圧電アクチュエータ１は、構成要素として４つのセル駆動体２０と一対の支持体２１とを備え、４つのセル駆動体が互いに完全に独立して、一対の支持体２１を架け渡して連設されている。図１では、セル駆動体２０と支持体２１は分離して表されているが、セル駆動型圧電アクチュエータ１は、セル駆動体２０と支持体２１とが焼成一体化されてなるものである。セル駆動体２０は、壁部２２と、その壁部２２によって形成されたセル３とを有し、壁部２２は、更に、２つの側壁６と、天井壁７及び底壁２で構成され、セル３は断面が細長いスリット状を呈している。

セル駆動型圧電アクチュエータ１は、セル駆動体２０の２つの側壁６において、それぞれ板状の圧電体１４とそれを挟むように側面に形成された一対の電極１８，１９とからなる圧電作動部４を具備し、その圧電作動部４が圧電横効果に基づき発生する変位によって、セル３の容積を変化させるアクチュエータである。側壁６において圧電作動部４を具備し、と表現されるが、これは、本発明においては側壁全体が圧電作動部ではない場合があることを示す表現であり、セル駆動型圧電アクチュエータ１では圧電作動部４が側壁６を構成している。

例えば、このセル駆動型圧電アクチュエータ１に、特許文献１乃至特許文献２と同様に、セル３に通じる（図示しない）インク供給口及びノズルを設ければ、インクジェットヘッドとして適用することが可能である。圧電作動部４で構成された側壁６が、その分極電界方向と同じ方向に駆動電界をかけられることによって、図８において縦方向、即ち側壁６の高さ方向に伸縮し、セル３の容積を変化させ、セル３に充填されたインクを吐出させることが出来る。

セル駆動型圧電アクチュエータ１は、図８に明示されるように、圧電作動部４を構成する側壁６を含んでセル３を形成する全ての壁部２２が、４つのセル駆動体２０の間で、少なくとも圧電作動部４を含む壁部２２（側壁６）では繋がっておらず、互いに完全に独立している。従って、一のセル駆動体２０のセル３を形成する側壁６（壁部２２）を構成するとともにこれを変形させる圧電作動部４の生じた変位によって起こる側壁６の変形は、他のセル駆動体２０のセル３を形成する壁部２２に対して、殆ど干渉を及ぼさず、クロストークの問題は従来より大幅に抑制されている。又、複数のセル駆動体２０の間で、圧電作動部４が発生する変位は互いに阻害され難く、駆動電圧あたりに発生し得る変位量は、従来より大きくなっている。

セル駆動型圧電アクチュエータ１のセル駆動体２０は、側壁６に備わる圧電作動部４が板状の圧電体１４とその圧電体４の側面に形成された一対の電極１８，１９とを有する態様であり圧電横効果により変位を発生するものであるが、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、セル駆動体として、他に種々の態様のものを採用出来る。

以下に、図９〜図１２に断面が表されるセル駆動体の他例を説明する。これらのセル駆動体は、壁部と、その壁部によって形成されたセルとを有し、壁部は、更に、２つの側壁と、天井壁及び底壁で構成され、セルは断面が細長いスリット状を呈している点で、セル駆動体２０と概ね等しい態様をなす。そして、図９、図１０に示されるセル駆動体９０，１００は、セル駆動体２０と同様に、側壁に備わる圧電作動部が板状の圧電体とその圧電体の側面に形成された一対の電極とを有する態様であり圧電横効果により変位を発生するものである。一方、図１１、図１２に示されるセル駆動体１１０，１３０は、側壁に備わる圧電作動部が、側壁の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体と一対の電極とを有する態様をなし圧電縦効果により変位を発生するものである。

セル駆動体９０は、壁部の全て、即ち、２つの側壁６に加えて天井壁７と底壁２にも、圧電作動部４が備わるところがセル駆動体２０と異なる。壁部の全てが変形し得るので、駆動電圧を一定とすれば、セルの容積をより大きく変化させることが出来、変位効率は、更に向上する。この態様のセル駆動体では、天井壁７と底壁２を長くして、スリット状ではなく、断面が正方形に近い角筒状のセルとしてもよい。

セル駆動体１００は、２つの側壁６を構成する板状の圧電体１４が２層であり、その２層の圧電体１４は、それぞれ電極１８，１９に挟まれて側壁６の幅方向（図１０において横方向）に積層をされて圧電作動部２４を形成しているところがセル駆動体２０と異なる。側壁６の厚さ（幅）が同じセル駆動体と比較すると、１層の圧電体１４はより薄くなり、一定の駆動電圧あたりに、より大きな変位量、より高い発生力を発現することが出来る。又、図示される如く合板状の側壁６になるので、機械強度が向上し、耐久性が高められる。

セル駆動体１１０は、２つの側壁６の各々に圧電作動部３４が備わり、その圧電作動部３４は、側壁６の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体１１４と電極２８，２９とを有し、圧電縦効果により変位を発生する。圧電体１１４は、側壁６において９層備わり（図１１参照）で、その圧電体１１４を挟んで極性の異なる電極２８，２９が合計１０層（９対）積層されている。又、セル駆動体１１０では、圧電作動部３４が天井壁７にも備わり、天井壁７における圧電作動部３４は、天井壁７の長さ方向（図１１において横方向）に交互に積層をされた、２層の圧電体１１４と、３層（２対）の電極２８，２９とを有し、圧電縦効果により変位を発生する。

圧電作動部３４は、その分極電界方向と同じ方向に駆動電界をかけられることによって、側壁６では高さ方向（図１１において縦方向）に伸縮し、天井壁７では長さ方向（図１１において横方向）に伸縮し、セル３の容積を変化させる。４つの壁部のうち３つが変形し得るので、駆動電圧を一定とすれば、セルの容積を、より大きく変化させることが出来る。この態様のセル駆動体では、少なくとも天井壁７を長くして、スリット状ではなく、断面が正方形に近い角筒状のセルとしてもよい。

セル駆動体１３０は、２つの側壁６の各々に圧電作動部４４が備わり、その圧電作動部４４は、側壁６の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体１１４と電極２８，２９とを有し、圧電縦効果により変位を発生する。圧電作動部４４は、その分極電界方向と同じ方向に駆動電界をかけられることによって、側壁６の高さ方向（図１２において縦方向）に伸縮し、セル３の容積を変化させる。

セル駆動体１３０は、側壁６に備わる圧電作動部４４の電極２８，２９の端部が、セル３の内側、及び、セル３の外側において、圧電体１１４内に埋設されているところが、セル駆動体１１０と異なる。セル駆動体１３０の外見上、側壁６に電極が露出していないので、セル駆動体１３０を支持体間に高密度に連設した場合にも、電極の短絡が生じない。又、側壁６（壁部２２）のセル３を形成する面（セル形成面）にも、電極が露出せず、セル形成面は通常化学的に極安定な圧電体１１４で構成されるため、例えばインクジェットヘッドとして利用する場合に、インク材料を制限することがなく、更に、インク材料によらず電極を絶縁するための保護膜の形成が不要である。尚、後述する例（図７（ａ）参照）と同じように、セル３の外側は電極２８，２９を圧電体１１４から露出させてもよい。こうすると、変位を発生する部分が拡大し、変位効率は向上する。

セル駆動体１３０では、側壁６においてはセル駆動体１１０と同様に、圧電体１１４が（図中で）９層備わり、その圧電体１１４を挟んで極性の異なる電極２８，２９が合計１０層（９対）積層されている。圧電作動部３４，４４の如く圧電縦効果に基づく変位を生じる圧電作動部では、層数は、用途、目的によって適宜決められる。アクチュエータ特性の安定面、製造容易性を考慮し、好ましい圧電体の積層数は２〜１００層である。圧電体の変位は、電界誘起歪みを直接利用しているので、発生力が大きく応答速度も速い。１層の圧電体が発現する変位量は大きなものではないが、圧電体の層数と一対の膜状の電極からなる組の数に比例した変位量となるので、層数を増やすことにより大変位を得ることが可能である。又、圧電体の１層当たりの厚さを、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは１０〜８０μｍとすることによって、より低電圧で駆動することが可能である。

以上、セル駆動型圧電アクチュエータについて説明したが、次に、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法について、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法として、詳細に説明する。尚、本明細書において、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法には、セル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第２の製造方法、及び、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第３の製造方法があるが、これらをそれぞれ単に第１の製造方法、第２の製造方法、第３の製造方法ともよび、明示しない場合には、全てを指すものとする。又、本明細書において、セラミックグリーンシートを、単にシートとも記す。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、セル駆動体とそれを架け渡す支持体とを別々に作製し、貼り合わせた後に、焼成し一体化する、という工程で製造することが可能である。しかし、このような方法は、セル駆動体のハンドリング、セル駆動体と支持体との位置決め、等が困難であり、又、生産性に劣る。そこで、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造するにあたっては、セラミックグリーンシート積層法を採用し、焼成前からセル駆動体と支持体とを一体化する工程を採用することが好ましい。本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの第１の製造方法は、この好ましい条件に合致する。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法の概略工程の一例を、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示す。作製対象は、図３に断面が示されるセル駆動型圧電アクチュエータ３０１である。図３は、以下に説明する工程で得られた、図２（ｃ）に斜視図が示されるセル駆動型圧電アクチュエータ３０１を、切断線３５０に沿って切断した場合の断面図である。図２（ｃ）及び図３に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ３０１は、既に説明したセル駆動型圧電アクチュエータ１と同様に、セル駆動体１４０が側壁６に圧電作動部４を備え、その圧電作動部４が板状の圧電体１４とその圧電体１４の側面に形成された一対の電極１８，１９とを有する態様をなし、圧電横効果により変位を発生するものであり、底壁２に細孔４３を有するアクチュエータである。セル駆動型圧電アクチュエータ３０１には、支持体が３つ（２対）備わり、それらに架け渡された１列あたり５つの連設されたセル３（セル駆動体１４０）が２列（セル３（セル駆動体１４０）が合計１０）備わっている。

以下、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３に基づき、製造工程について説明する。先ず、圧電材料を主成分とする所定枚数のセラミックグリーンシート３１６を用意する（第１の製造方法の第１の工程）。セラミックグリーンシートは、従来知られたセラミックス製造方法により作製出来る。例えば、圧電材料粉末を用意し、これにバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法、リバースドクターロールコーター法等のシート成形法によって、シートを形成することが可能である。

そして、のちに底壁となるものを除いて、残りのシート３１６に、図２（ａ）に示されるように、セルの数と同数の個別配線用の１０つのビアホール１２８と共通配線用の１つのビアホール１２９を形成する（第１の製造方法の加工済セラミックグリーンシートＡを得る第２の工程）。

次に、ビアホール１２８，１２９を形成したシート３１６のうち、のちに天井壁となるものを除いて、他の６枚のシートの各々に、複数のキャビティ６０５，６２５を開け、その複数のキャビティ６０５，６２５を形成する面の各々に露出され且つビアホール１２８，１２９に接続される導体膜３１８，３１９（導体材料からなる膜）と、を形成し、シート３１４を得る（第１の製造方法の加工済セラミックグリーンシートＢを得る第３の工程）。

シート３１４において、キャビティ６０５はのちにセルを構成する孔であり、５つずつ２列になるように配置され、キャビティ６２５に対し相対的に大きく開けられる。キャビティ６２５は、のちにセルを構成せずセルとセルとの間の空間を構成する孔であり、キャビティ６０５を挟むように、６つずつ２列になるように配置されて開けられる。キャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート実体部分が、のちに積層されて側壁を構成する。導体膜３１９は個別配線に用いられ、のちにセルを構成するキャビティ６０５を形成する面に露出されるように設けられる。導体膜３１８は共通配線に用いられ、のちにセルを構成しないキャビティ６２５を形成する面に露出されるように設けられる。尚、導体膜はスクリーン印刷等の手法により所定のパターンで形成出来る。又、キャビティは、例えばパンチとダイによる打抜加工により形成することが可能である。

ビアホール１２８，１２９を形成したシート３１６のうち、のちに天井壁となるものには、複数のキャビティ６２５が開けられ、ビアホール１２８，１２９に接続した端子電極１２０，１２１が形成されて、１枚のシート３０７が得られる（図２（ｂ）参照）。又、のちに底壁となるビアホール１２８，１２９を形成しなかったシート３１６には、複数のキャビティ６２５が開けられ、セルあたり２つ、即ち（１０×２＝）２０の細孔４３が形成されて、シート３０２が得られる。細孔４３は、シート３０２がシート３１４と積層されたときに、シート３１４のキャビティ６０５に連通する位置に、２つずつ設けられる。尚、図２（ｂ）ではシート３０２が厚く描かれているが、限定されず、シート３０７，３１４と同じであってもよい。このことは、後述する他の製造方法においても同様である。

次に、シート３０２，３０７を最外層として、シート３０２，３１４，３０７を積層し圧着して、図示しないセラミックグリーン積層体を得る（シート３１４の積層が第１の製造方法の第４の工程に相当）。得られたセラミックグリーン積層体には、６枚のシート３１４の各々に形成された複数のキャビティ６０５が、それぞれ連通してなる複数の貫通孔が備わる。

そして、セラミックグリーン積層体を焼成して一体化し、図示しない焼成積層体を得る（第１の製造方法の第５の工程）。この焼成積層体は、シート３１４のキャビティ６０５を連通させてなる貫通孔が、焼成されてセル３となり、そのセル３は１列あたり５つずつ、２列合計１０設けられたものである（積層前を示す図２（ｂ）、及び図３参照）。このセル３の列部分はセル駆動体１４０に相当し、セル３の列の両外側と列間が支持体に相当する。

次いで、焼成積層体に対して、シート３０２相当部分に形成された細孔４３を通じてセル３の中へ流体からなる導体材料を導入し、セル３を形成する面（セル形成面）に導体材料を密着させ（第３の製造方法）、必要に応じ、乾燥、焼成を行い、電極１８，１９を形成する（図３参照）。そして、同様にして、細孔４３を通じてセル３の中へ流体からなる絶縁体材料を導入し、電極１８，１９の上に絶縁体材料を密着させ（第３の製造方法）、必要に応じ、乾燥、焼成を行い、保護膜を形成し、必要に応じて分極処理を施せば、セル駆動型圧電アクチュエータ３０１が得られる（図２（ｃ））。

以下に、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法の他例について説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に、その概略工程を示す。作製対象は、図５（ａ）に断面が示されるセル駆動型圧電アクチュエータ５０１である。図５（ａ）は、以下に説明する工程で得られた、図４（ｃ）に斜視図が示されるセル駆動型圧電アクチュエータ５０１を、切断線５５０に沿って切断した場合の断面図である。図４（ｃ）及び図５（ａ）に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ５０１は、そのセル駆動体１５０が、既に説明したセル駆動体１１０と同様に、２つの側壁６に圧電作動部３４を備え、その圧電作動部３４は、側壁６の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体１１４と電極２８，２９とを有する態様をなし、圧電縦効果により変位を発生するものであり、底壁２に細孔４３を有するアクチュエータである。セル駆動型圧電アクチュエータ５０１は、セル駆動型圧電アクチュエータ３０１と同様に、支持体が３つ（２対）備わり、それらに架け渡された１列あたり５つの連設されたセル３（セル駆動体１５０）が２列（セル３（セル駆動体１５０）が合計１０）備わっている。

以下、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）に基づき、製造工程について説明する。先ず、既に説明した方法等により、圧電材料を主成分とする所定枚数のセラミックグリーンシート５１６を用意する。そして、のちに底壁となるものを除いて、残りのシート５１６に、図４（ａ）に示されるように、セルの数である個別配線用の１０つのビアホール１２８と、共通配線用の１つのビアホール１２９を形成する。

次に、ビアホール１２８，１２９を形成したシート５１６のうち、のちに天井壁となるものを除いて、１０枚のシートのうち半数の５枚のシートに、複数のキャビティ６０５，６２５が開けられ、ビアホール１２８に接続される所定のパターンの導体膜５１９（導体材料からなる膜）が形成されて、シート５１４が得られる（図４（ａ）参照）。更に、半数の５枚のシートには、複数のキャビティ６０５，６２５が開けられ、ビアホール１２９に接続される所定のパターンの導体膜５１８が形成されて、シート５１５が得られる。

シート５１４，５１５において、キャビティ６０５はのちにセルを構成する孔であり、５つずつ２列になるように配置され、キャビティ６２５に対し相対的に大きく開けられる。キャビティ６２５は、のちにセルを構成せずセルとセルとの間の空間を構成する孔であり、キャビティ６０５を挟むように、６つずつ２列になるように配置されて開けられる。キャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート実体部分が、のちに積層されて側壁を構成する。シート５１４の導体膜５１９は、キャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート面を覆うように形成され、のちにその一部が個別電極である電極２９を構成する。又、個別配線として用いられる。シート５１５の導体膜５１８は、キャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート面を覆うように形成され、のちにその一部が共通電極である電極２８を構成する。又、共通配線として用いられる。

ビアホール１２８，１２９を形成したシート５１６のうち、のちに天井壁となるものには、複数のキャビティ６２５が開けられ、ビアホール１２８，１２９に接続した端子電極１２０，１２１が形成されて、１枚のシート５０７が得られる（図４（ｂ）参照）。又、のちに底壁となるビアホール１２８，１２９を形成しなかったシート５１６には、複数のキャビティ６２５が開けられ、セルあたり２つ、即ち（１０×２＝）２０の細孔４３が形成されて、シート５０２が得られる。細孔４３は、シート５０２がシート５１４，５１５と積層されたときに、シート５１４，５１５のキャビティ６０５に連通する位置に、２つずつ設けられる。

次に、シート５０２，５０７を最外層として、且つ、シート５１４とシート５１５とが交互に重なるように、シート５０２，５１４，５１５，５０７を積層し圧着して、図示しないセラミックグリーン積層体を得る。このとき、グリーンシートの積層状態（一体性）を向上させる目的で、接合補助層をグリーンシートに形成しておくことが好ましい。又、導体膜が形成されたグリーンシートは、程度に差があるものの、そのパターンに応じてシート表面に凹凸を形成することになるので、その凹凸を埋める目的で、接合補助層を設けてもよい。そのような凹凸は、接合補助層で平らに出来る他、積層・圧着を行う前に表面が平らになるように、シートに対しプレス機等で加圧処理を行うことでも平らに出来る。勿論、接合補助層の形成と加圧処理を併用すると、より好ましい。尚、図４（ｂ）において、シート５１４，５１５は一部省略して描かれている。得られたセラミックグリーン積層体には、５枚ずつ積層されたシート５１４，５１５の各々に形成された複数のキャビティ６０５が、それぞれ連通してなる複数の貫通孔が備わる。

そして、セラミックグリーン積層体を焼成して一体化し、図示しない焼成積層体を得る。得られた焼成積層体では、シート５１４，５１５のキャビティ６０５を連通させてなる貫通孔が、焼成されてセル３となり、そのセル３は１列あたり５つずつ、２列合計１０設けられたものである。このセル３の列部分はセル駆動体１５０に相当し、セル３の列の両外側と列間が支持体に相当する。

次いで、焼成積層体に対して、シート５０２相当部分に形成された細孔４３を通じてセル３の中へ流体からなる絶縁体材料を導入し、セル３を形成する面（セル形成面）に絶縁体材料を密着させ（第２の製造方法）、必要に応じ、乾燥、焼成を行い、保護膜を形成する。そして、必要に応じて分極処理を施せば、セル駆動型圧電アクチュエータ５０１が得られる（図４（ｃ））。尚、同様な手段で、図５（ｂ）に示される、底壁２のみが張り出したセル駆動体１６０を有する態様のセル駆動型圧電アクチュエータ４０１を作製することが可能である。

以下に、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法の更なる他例について説明する。図６（ａ）〜図６（ｅ）に、その概略工程を示す。作製対象は、図７（ａ）に断面が示されるセル駆動型圧電アクチュエータ６０１である。図７（ａ）は、以下に説明する工程で得られた、図６（ｅ）に斜視図が示されるセル駆動型圧電アクチュエータ６０１を、切断線７５０に沿って切断した場合の断面図である。図６（ｅ）及び図７（ａ）に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ６０１は、そのセル駆動体１７０が、２つの側壁６に圧電作動部５４を備え、その圧電作動部５４は、側壁６の高さ方向に交互に積層をされた、層状の圧電体１１４と電極２８，２９とを有する態様をなし、圧電縦効果により変位を発生するものであり、底壁２に細孔４３を有するアクチュエータである。セル駆動型圧電アクチュエータ６０１のセル駆動体１７０は、電極２８，２９の端部が、セル３の内側において、圧電体１１４内に埋設されており、側壁６のセル３を形成する面（セル形成面）に電極２８，２９が露出していない。従って、セル形成面に保護膜を形成する工程は省略することが出来る。又、セル駆動型圧電アクチュエータ６０１は、支持体が２つ（１対）備わり、それらに架け渡された３つの連設されたセル３（セル駆動体１７０）が１列（セル３（セル駆動体１７０）が合計３つ）備わっている。

以下、図６（ａ）〜図６（ｅ）、図７（ａ）に基づき、製造工程について説明する。先ず、既に説明した方法等により、圧電材料を主成分とする所定枚数のセラミックグリーンシート６１６を用意する。そして、のちに天井壁及び底壁となるものを除いて、６枚のシートのうち半数の３枚のシートに、所定のパターンの導体膜６１９（導体材料からなる膜）を形成する（図６（ａ）参照）。更に、半数の３枚のシートには、所定のパターンの導体膜６１８を形成する。

次に、図６（ｂ）に示されるように、導体膜を形成していないシート６１６に、のちにセルを構成しないキャビティ６２５を開けて、のちに天井壁となるシート６０７を得、同じく導体膜を形成していないシート６１６に、セルを構成しないキャビティ６２５と細孔４３を開けて、のちに底壁となるシート６０２を得る。細孔４３は、シート６０２がシート６１４，６１５と積層されたときに、シート６１４，６１５のキャビティ６０５に連通する位置に、２つずつ設けられる。同様にして、先に導体膜６１８を形成したシートと導体膜６１９を形成したシートには、それぞれのちにセルを構成するキャビティ６０５及びのちにセルを構成しないキャビティ６２５を開けて、シート６１４，６１５を得る。このシート６１４，６１５におけるキャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート実体部分がのちに側壁を構成する。

セル駆動型圧電アクチュエータ６０１は、層状の圧電体１１４と電極２８，２９とが交互に積層されてなる圧電作動部５４において、その電極２８，２９の端部が、セル３の内側において、圧電体１１４内に埋設されているものであるから、上記図６（ｂ）に示される工程において、シート６１４，６１５を得る際に、キャビティ６０５は、導体膜６１８，６１９に接しないような位置に開けられる。勿論、キャビティ６０５と導体膜６１８，６１９とが接するか否かは相対的な位置関係で決まるので、上記図６（ａ）に示される工程において、のちにキャビティ６０５が開けられる位置から離して、導体膜６１８，６１９を形成することも同義である。

シート６１４の導体膜６１９は、上記したようにキャビティ６０５と離れる必要があるがキャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート面を覆うように形成され、のちにその一部が個別電極である電極２９を構成する。又、個別配線として用いられる。シート６１５の導体膜６１８は、同じくキャビティ６０５と離れる必要があるがキャビティ６０５とキャビティ６２５との間のシート面を覆うように形成され、のちにその一部が共通電極である電極２８を構成する。又、共通配線として用いられる。

次に、図６（ｃ）に示すように、シート６０７とシート６０２の間にシート６１４，６１５を交互に積層し、圧着して所定の厚さを有する図示しないセラミックグリーン積層体を得る。得られたセラミックグリーン積層体には、３枚ずつ積層されたシート６１４，６１５の各々に形成された複数のキャビティ６０５が、それぞれ連通してなる複数の貫通孔が備わる。次に、セラミックグリーン積層体を焼成一体化して焼成積層体６１０を得る。得られた焼成積層体６１０では、シート６１４，６１５のキャビティ６０５を連通させてなる貫通孔が、焼成されてセル３となる。セル３は１列に３つ設けられるが、このセル３の列部分はセル駆動体１７０に相当し、セル３の列の両外側が支持体に相当する。

次いで、焼成積層体６１０に対し、シート６１４，６１５に形成した導体膜６１８，６１９が焼成されてなる電極が現れるように、ワイヤーソー加工等の手段により、切断線６５０に沿って切断し、不要部分を除去する（図６（ｄ））。そして、焼成積層体６１０の上面及び側面に、その現れた電極に接続させて、端子電極１２０，１２１を形成する。端子電極１２０，１２１は、圧電作動部５４で構成される２つの側壁６と異なる部分（シート６１４，６１５におけるキャビティ６０５及びキャビティ６２５又はそれらの間のシート実体部分と離れたところ）で一層おきに導通される、換言すれば、導体膜６１８が焼成されてなる電極どうし、及び、導体膜６１９が焼成されてなる電極どうしが、それぞれ導通される。その後、必要に応じて分極処理を行えば、セル駆動型圧電アクチュエータ６０１が得られる。尚、同様な手段で、図７（ｂ）に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ７０１を作製することが可能である。セル駆動型圧電アクチュエータ７０１は、セル駆動体２３０において、圧電作動部６４の電極２８，２９の端部が、セル３の内側のみならずセル３の外側（隣接するセルの側）においても圧電体１１４内に埋設されている態様のアクチュエータである。

次に、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータに用いられる材料について説明する。先ず、圧電体の材料（圧電材料）について説明する。材料としては、圧電効果若しくは電歪効果等の電界誘起歪みを起こす材料であれば、問われるものではない。結晶質でも非晶質でもよく、又、半導体セラミックスや強誘電体セラミックス、あるいは反強誘電体セラミックスを用いることも可能である。用途に応じて適宜選択し採用すればよい。又、分極処理が必要な材料であっても必要がない材料であってもよい。具体的には、好ましい材料として、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、マグネシウムタングステン酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、チタン酸ビスマスネオジウム（ＢＮＴ）、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、銅タングステンバリウム、鉄酸ビスマス、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。又、これらの材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。更に、上記材料等に、ビスマス酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料、例えば、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、及びマグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物に、ビスマス酸リチウム乃至ゲルマン酸鉛を添加した材料は、圧電体の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現出来るので好ましい。尚、圧電材料の低温焼成化は、ガラス（例えば珪酸塩ガラス、硼酸塩ガラス、燐酸塩ガラス、ゲルマン酸鉛ガラス、又はそれらの混合物）の添加によっても実現させることが出来る。但し、過剰な添加は、材料特性の劣化を招くため、要求特性に応じて添加量を決めることが望ましい。

次に、電極の材料としては、導電性の金属が採用される。例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウム、銀−パラジウム等を１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化セリウム、ガラス、又は圧電材料等との混合物、サーメットであってもよい。これらの材料の選定にあたっては、圧電材料の種類に応じて選択することが好ましい。

又、保護膜の材料としては、二酸化珪素、窒化珪素、硼酸−燐酸−珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、燐酸−珪酸ガラス（ＰＳＧ）等が用いられる。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、印刷機器のインクジェットヘッドとして適用される他に、本出願人による国際出願にかかる国際公開公報、ＷＯ ０２／０８４７５１ Ａ１に記されているように、ＤＮＡチップ製造装置、光スイッチ、マイクロミラー、マイクロマシン搬送装置のアクチュエータ部（例えばリニアモータ）としての利用が可能である。更に、マイクロポンプ、半導体製造用のコーティング装置、複雑で微細な３次元構造体の作製装置、製薬分野における薬品合成装置、成膜装置等のアクチュエータ部としても好ましく採用され得る。

本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの一実施形態を示す図であり、構造が理解し易くなるように構成要素を分解して表した説明図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法の概略工程の一例を示す図である。 図２（ｃ）に示されるセル駆動型圧電アクチュエータを切断した場合の断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法の概略工程の他例を示す図である。 図４（ｃ）に示されるセル駆動型圧電アクチュエータを切断した場合の断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｅ）は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法の概略工程の更なる他例を示す図である。 図７（ａ）は、図６（ｅ）に示されるセル駆動型圧電アクチュエータを切断した場合の断面図であり、図７（ｂ）は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの一例を示す断面図である。 本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの一実施形態を示す図であり、図１に示されるセル駆動型圧電アクチュエータを切断した場合の稍拡大した断面図である。 本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータが備えるセル駆動体の一例を示す断面図である。 本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータが備えるセル駆動体の他例を示す断面図である。 本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータが備えるセル駆動体の更なる他例を示す断面図である。 本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータが備えるセル駆動体の更なる他例を示す断面図である。

符号の説明

１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１…セル駆動型圧電アクチュエータ、２…底壁、３…セル、４，２４，３４，４４，５４，６４…圧電作動部、６…側壁、７…天井壁、１４，１１４…圧電体、１８，１９…電極、２０，９０，１００，１１０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，２３０…セル駆動体、２１…支持体、２２…壁部、２８，２９…電極、４３…細孔、５０，３５０，５５０，７５０…切断線、１２０，１２１…端子電極、１２８，１２９…ビアホール、３０２，３０７，３１４，３１６，５０２，５０７，５１４，５１５，５１６，６０２，６０７，６１４，６１５，６１６…セラミックグリーンシート、６０５，６２５…キャビティ、５１８，５１９，６１８，６１９…導体膜。

Claims (10)

1. 壁部と前記壁部によって形成されたセルとを有する複数のセル駆動体を備え、前記複数のセル駆動体の各々が、前記壁部において、圧電体と少なくとも一対の電極とからなる圧電作動部を具備し、前記圧電作動部の変位によって前記セルの容積が変化するアクチュエータであって、
   少なくとも一対の支持体を備え、前記複数のセル駆動体が互いに完全に独立して前記少なくとも一対の支持体を架け渡して連設されるとともに、前記セル駆動体と前記支持体とが焼成一体化されているセル駆動型圧電アクチュエータ。
2. 前記複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、前記２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で前記壁部を構成して、スリット状の前記セルを形成し、
   少なくとも前記２つの側壁の各々に備わる前記圧電作動部が、側壁の高さ方向に交互に積層をされた、層状の前記圧電体と、前記少なくとも一対の電極と、を有し、圧電縦効果により前記変位を発生する請求項１に記載のセル駆動型圧電アクチュエータ。
3. 前記少なくとも一対の電極の端部が、少なくとも前記セルの内側において、前記圧電体内に埋設されている請求項２に記載のセル駆動型圧電アクチュエータ。
4. 前記少なくとも一対の電極の端部が、前記セルの外側において、前記圧電体から露出している請求項３に記載のセル駆動型圧電アクチュエータ。
5. 前記複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、前記２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で前記壁部を構成して、スリット状の前記セルを形成し、
   少なくとも前記２つの側壁の各々に備わる前記圧電作動部が、板状の前記圧電体と、前記圧電体の側面に形成された前記少なくとも一対の電極と、を有し、圧電横効果により前記変位を発生する請求項１に記載のセル駆動型圧電アクチュエータ。
6. 前記板状の圧電体が複数備わる請求項５に記載のセル駆動型圧電アクチュエータ。
7. 前記複数のセル駆動体の各々が、２つの側壁と、前記２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で前記壁部を構成して、スリット状の前記セルを形成し、
   前記２つの側壁と天井壁と底壁のうち何れか３つ又は全てに、前記圧電作動部が備わる請求項１〜６の何れか一項に記載のセル駆動型圧電アクチュエータ。
8. 壁部によって形成された複数のセルを有し、前記壁部は、２つの側壁と、前記２つの側壁を接続する天井壁及び底壁と、で構成され、少なくとも前記２つの側壁に圧電作動部が備わり、前記圧電作動部は、板状の圧電体と、前記圧電体の側面に形成された少なくとも一対の電極と、を有し、圧電横効果により変位を発生するアクチュエータを製造する方法であって、
   圧電材料を主成分とする３以上のセラミックグリーンシートを用意する第１の工程と、
   前記３以上のセラミックグリーンシートの各々に、少なくとも２つのビアホール乃至スルーホールを形成して、加工済セラミックグリーンシートＡを得る第２の工程と、
   前記加工済セラミックグリーンシートＡの各々に、複数のキャビティと、前記複数のキャビティを形成する面の各々に露出され且つ前記ビアホール乃至スルーホールに接続される導体膜と、を形成して、複数の加工済セラミックグリーンシートＢを得る第３の工程と、前記複数の加工済セラミックグリーンシートＢを積層し圧着して、前記複数の加工済セラミックグリーンシートＢの各々に形成された複数のキャビティがそれぞれ連通してなる複数の貫通孔が備わるセラミックグリーン積層体を形成する第４の工程と、
   前記セラミックグリーン積層体を焼成して一体化し、焼成積層体を得る第５の工程と、を有するセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法。
9. 請求項２に記載のセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法であって、
   少なくとも前記２つの側壁を、圧電材料を主成分とするセラミック材料で構成し、前記天井壁又は底壁に、１又は２以上の細孔を設けて、前記セルを形成した後に、
   前記細孔を通じて前記セルの中へ流体からなる絶縁体材料を導入し、前記壁部のセル形成面に前記絶縁体材料を密着させて、前記セル形成面に、保護膜を形成する工程を有するセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法。
10. 請求項５に記載のセル駆動型圧電アクチュエータを製造する方法であって、
    少なくとも前記２つの側壁を、圧電材料を主成分とするセラミック材料で構成し、前記天井壁又は底壁に、１又は２以上の細孔を設けて、前記セルを形成した後に、
    前記細孔を通じて前記セルの中へ流体からなる導体材料又は絶縁体材料を導入し、前記壁部のセル形成面に前記導体材料又は絶縁体材料を密着させて、前記セル形成面に、電極、又は、前記電極を絶縁する保護膜を形成する工程を有するセル駆動型圧電アクチュエータの製造方法。

Images