JP2006093476A - Cell-driven piezoelectric actuator and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の変位によって容積が変化するセルを備えたセル駆動型圧電アクチュエータに関する。より詳しくは、インクジェットヘッドとして使用され、セルで構成されたインク室に充填されたインクを、そのインク室の容積変化によって吐出することが出来るセル駆動型の圧電アクチュエータと、その製造方法に関する。 The present invention relates to a cell driving type piezoelectric actuator provided with a cell whose volume is changed by displacement of a piezoelectric element. More specifically, the present invention relates to a cell driving type piezoelectric actuator that can be used as an ink jet head and can discharge ink filled in an ink chamber composed of cells by changing the volume of the ink chamber, and a manufacturing method thereof.
圧電アクチュエータは、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として採用され、高性能な圧電アクチュエータをインクジェットヘッドとして用いた印刷機器は、銀塩写真の如く鮮明な画像を紙の上に再現出来ることから重用され多用されている。圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドは、主に、インク供給路に連通するインク室(インクチャネル)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、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、インク室に設けたノズルからインクを吐出させることによって、印字、印刷を行う。 Piezoelectric actuators are used as inkjet heads in printers, facsimiles, copiers, and other printing equipment. Printing equipment that uses high-performance piezoelectric actuators as inkjet heads produces clear images such as silver halide photographs on paper. Since it can be reproduced, it has been heavily used. An ink jet head using a piezoelectric actuator is mainly composed of an ink chamber (ink channel) communicating with an ink supply path and a piezoelectric element that causes a volume change in the ink chamber, and applies a drive voltage to the piezoelectric element. Then, a volume change is generated in the ink chamber, and ink is ejected from a nozzle provided in the ink chamber, thereby performing printing and printing.
そして、近年、そのようなインクジェットヘッドを備える印刷機器の分野においては、更なる高速・高機能化の要求があり、それに対しインクジェットヘッドの多ノズル化、高密度化が求められ、それに伴い、インクジェットヘッド用の圧電アクチュエータの小型化、狭ピッチ化が進んでいる。更に、使用するインク種の多様化や、駆動電圧制御による吐出量制御といったニーズに対応すべく、圧電アクチュエータの変位量については、小型、高密度であっても、常に高い特性が求められている。 In recent years, in the field of printing equipment including such an ink jet head, there has been a demand for higher speed and higher functionality, and in response to this, there has been a demand for higher nozzle density and higher density of the ink jet head. The piezoelectric actuators for heads are becoming smaller and narrower in pitch. Furthermore, in order to meet the needs of diversification of ink types to be used and ejection amount control by drive voltage control, the displacement amount of the piezoelectric actuator is always required to have high characteristics even if it is small and high density. .
例えば、特許文献1には圧電アクチュエータを用いたインクジェット(記録)ヘッドが開示されている。特許文献1で提案されているインクジェットヘッドは、インクチャネル(セル相当)とダミーチャネルを圧電体の側壁を介して交互に形成し、各インクチャネルに形成された電極を共通電極とし、各ダミーチャネルに形成された電極を個別電極とし、その個別電極上に形成したパッシベーション膜上にインクを接触させない構成としたことを特徴とし、各チャネル内に形成した電極を用いて電界を印加することにより、インクチャネルを形成する側壁(圧電体)を(圧電横効果に基づく変位により)伸張させ又は縮ませ、インクチャネル内の容積を変化させてインク滴を吐出させるものである。
これら要求に対し、より高変位且つ駆動力も大きく得られる電界誘起歪みの縦効果を利用した圧電アクチュエータを採用するも、これにより生じる不具合が顕在化した。その一つが、電界を加えることにより変位する方向が、電界を加えない状態に比べて伸びる方向となることであり、もう一つは、駆動力が大きくなるが故に生じるクロストーク(ある素子の駆動により生じる振動が他の素子にも及ぶ現象)がより拡大し、圧電アクチュエータの基板全体にまでも影響することである。 In response to these demands, the use of a piezoelectric actuator utilizing the longitudinal effect of electric field induced strain, which can obtain a higher displacement and a larger driving force, has caused problems caused by this. One is that the direction of displacement by applying an electric field is a direction that extends compared to the state in which no electric field is applied, and the other is crosstalk that occurs due to a large driving force (driving of a certain element). The phenomenon in which the vibration caused by the above phenomenon extends to other elements is further expanded and affects the entire substrate of the piezoelectric actuator.
そして、上記したインクジェットヘッドを基幹部品として印刷機器に取り付ける場合には、その変位する方向が伸びる方向であるが故に、取付に煩雑さを伴うという問題が生じた。即ち、特許文献1の図4に示されるように、インクチャネルを形成する側壁が伸張するので、その伸張を妨げないように伸張方向に一定の空間を与えるべく、インクジェットヘッドのトッププレート側(側壁の伸張方向側)の取付面に、座ぐり加工や孔加工等を施す必要が生じ、その手間が印刷機器の生産性を低下させるという解決すべき課題が存在していた。その一方で、クロストークを防止する手段としては、アクチュエータを固定するエリアを広く確保し、より強固に固定する手段を必要とした。 When the above-described ink jet head is attached to a printing device as a basic part, the displacement direction is an extending direction, which causes a problem that the attachment is complicated. That is, as shown in FIG. 4 of Patent Document 1, since the side wall forming the ink channel extends, the top plate side (side wall of the inkjet head) is provided so as to provide a constant space in the extension direction so as not to prevent the extension. There is a problem to be solved that the mounting surface on the extending direction side) needs to be counterbored, drilled, and the like, and the labor of the printing reduces the productivity of the printing apparatus. On the other hand, as means for preventing crosstalk, a means for securing a wider area for fixing the actuator and fixing it more firmly is required.
本発明は、上記した従来技術の抱える問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、インクジェットヘッドとして適用可能な圧電アクチュエータであって、別段の加工等を要せず、且つ、圧電体の伸縮変位を阻害しないように、適用機器に取り付け可能な圧電アクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and the object of the present invention is a piezoelectric actuator applicable as an ink-jet head, which does not require any special processing and the like. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can be attached to an applied device so as not to inhibit expansion and contraction displacement of the piezoelectric body.
研究がなされた結果、セルが備わる駆動部と、取付に用いることが出来る外周部と、を設けておき、駆動部において当該セル(インクチャネル)の容積を変化させるために、特許文献1に開示されたインクジェットヘッドの如く電界誘起歪みの横効果に基づく変位によって圧電体を伸縮させるのではなく、圧電体と(駆動)電極とが交互に積層されてなる圧電素子でセルを形成して電界誘起歪みの縦効果に基づく伸縮変位を利用し圧電素子(圧電体)を伸縮させることとし、加えて、積層される駆動電極のパターン形状とその駆動電極を外部電源に接続するための配線電極のパターン形状との大きさ(幅)にかかる関係を工夫することによって、セルを形成する圧電素子を、即ち駆動部を、外周部より低く形成したセル駆動型の圧電アクチュエータの提供により、上記目的が達成出来ることが見出され、本発明が完成した。 As a result of research, in order to change the volume of the cell (ink channel) in the drive unit by providing a drive unit provided with the cell and an outer peripheral part that can be used for mounting, the disclosure is disclosed in Patent Document 1. Instead of expanding and contracting the piezoelectric body by the displacement based on the lateral effect of the electric field induced strain as in the case of the inkjet head, the cell is formed by the piezoelectric element in which the piezoelectric body and the (drive) electrode are alternately laminated, thereby causing the electric field induction. The piezoelectric element (piezoelectric body) is expanded and contracted using expansion and contraction displacement based on the longitudinal effect of strain, and in addition, the pattern shape of the stacked driving electrodes and the wiring electrode pattern for connecting the driving electrodes to an external power source By devising the relationship between the shape and the size (width), the cell driving type piezoelectric actuator in which the piezoelectric element forming the cell, that is, the driving part is formed lower than the outer peripheral part. By providing over data, the object is found to be achieved, the present invention has been completed.
即ち、先ず、本発明によれば、基板の上に、駆動部と、その外周に位置する外周部と、が備わり、駆動部は、整列配置された2つの側壁を天井壁で接続してなるセルを複数具備し、少なくとも2つの側壁が、複数の層状の圧電体と層状の駆動電極とが交互に積層されてなる圧電素子で構成され、その圧電素子の電界誘起歪みの縦効果に基づく伸縮変位によりセルの容積が変化し得るとともに、少なくともセルの長手方向において、駆動部の高さが外周部より低く、且つ、基板と駆動部と外周部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。 That is, first, according to the present invention, a drive unit and an outer peripheral part located on the outer periphery thereof are provided on a substrate, and the drive unit is formed by connecting two aligned side walls with a ceiling wall. Consists of a plurality of cells, and at least two side walls are composed of piezoelectric elements in which a plurality of layered piezoelectric bodies and layered drive electrodes are alternately stacked, and expansion and contraction based on the longitudinal effect of the electric field induced strain of the piezoelectric elements A cell drive type piezoelectric device in which the volume of the cell can be changed by the displacement, the height of the drive part is lower than the outer peripheral part at least in the longitudinal direction of the cell, and the substrate, the drive part and the outer peripheral part are integrated by firing. An actuator is provided.
本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータでは、少なくともセルの長手方向において駆動部が外周部より低くなっているが、これは基板を基準面とした高さに基づく比較であり、低いとは焼成一体化されて得られた、加工を施されていないセル駆動型圧電アクチュエータとして低いことを意味するのであり、例えば外周部に部材等が後付けされた結果、駆動部が外周部より低くなったものではない。 In the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention, the drive part is lower than the outer peripheral part at least in the longitudinal direction of the cell. This is a comparison based on the height with the substrate as the reference plane. It means that it is low as a cell drive type piezoelectric actuator that has been processed and is not processed.For example, if the drive part is lower than the outer peripheral part as a result of adding a member etc. to the outer peripheral part, Absent.
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、駆動部と外周部との高さの差が、圧電素子の伸縮変位よりも大きく、且つ圧電素子を構成する層状の圧電体の1層あたりの厚さの1/2以下であることが好ましい。 In the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention, the difference in height between the drive unit and the outer peripheral part is larger than the expansion / contraction displacement of the piezoelectric element, and the thickness per layer of the layered piezoelectric body constituting the piezoelectric element. It is preferable that it is 1/2 or less.
これは、駆動部と外周部との高さの差は、その(後に示される)効果から少なくとも圧電素子の変位よりも大きいことが好ましいが、一方、配線電極を保護する観点からは、その高さの差は少ないことが好ましいため、これらの要求から求まる本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータにおける好ましい態様の条件である。 This is because the difference in height between the drive part and the outer peripheral part is preferably at least larger than the displacement of the piezoelectric element due to its effect (to be described later). Since the difference in thickness is preferably small, it is a condition of a preferable aspect in the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention obtained from these requirements.
又、外周部において、圧電素子へ駆動電圧を印加するために駆動電極に接続された配線電極と、幅が200μm以下の帯状のダミー電極とが、複数の層状の圧電体に挟まれて、駆動部の外周を囲むように形成されていることが好ましい。 Further, in the outer peripheral portion, a wiring electrode connected to the driving electrode for applying a driving voltage to the piezoelectric element and a band-like dummy electrode having a width of 200 μm or less are sandwiched between a plurality of layered piezoelectric bodies to drive. It is preferable that it is formed so as to surround the outer periphery of the part.
更に、駆動部における側壁を構成する圧電素子は、複数の層状の駆動電極の全てが、側壁の側面に露出をしていることが好ましい。 Further, in the piezoelectric element constituting the side wall in the driving unit, it is preferable that all of the plurality of layered driving electrodes are exposed on the side surface of the side wall.
そして、この場合には、露出をした層状の駆動電極の、その露出にかかる端面が、打抜きによる破断の後に焼成された面であることが好ましい。 In this case, the exposed end face of the layered drive electrode is preferably a surface fired after fracture by punching.
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、駆動部におけるセルの内壁に絶縁膜が形成されていることが好ましい。 In the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, it is preferable that an insulating film is formed on the inner wall of the cell in the driving unit.
次に、本発明によれば、基板の上に、駆動部と、その外周に位置する外周部と、が備わり、駆動部は、整列配置された2つの側壁を天井壁で接続してなるセルを複数具備し、少なくとも2つの側壁が、複数の層状の圧電体と層状の駆動電極とが交互に積層されてなる圧電素子で構成され、少なくともセルの長手方向において、駆動部の高さが外周部より低く、且つ、基板と駆動部と外周部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を、圧電材料を主成分とし、のちに圧電体となる、複数のセラミックグリーンシートを用意する第1の工程と、複数のセラミックグリーンシートの各々の片面において、駆動部に相当する領域であってのちに側壁となる領域を全て包括する1の所定形状にて、のちに駆動電極となる、導電材料を主成分とする膜(A)をスクリーン印刷法によって形成するとともに、外周部に相当する領域に、外部電源に接続するための配線電極になる、導電材料を主成分とする膜(B)を、膜(A)より狭い幅でスクリーン印刷法によって形成する第2の工程と、複数のセラミックグリーンシートの各々における駆動部に相当する領域に、のちにセルとなるスリットを含む複数のスリットを形成し、そのスリットの形成によって、第2の工程でセラミックグリーンシートに形成した膜(A)の一部を除去する第3の工程と、膜(A)及び膜(B)とスリットが形成された複数のセラミックグリーンシートを複数のスリットの位置を合わせ積層し圧着して、セラミックグリーン積層体を得る第4の工程と、セラミックグリーン積層体を焼成して一体化し、積層焼成体を得る第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が提供される。 Next, according to the present invention, the driving unit and the outer peripheral part located on the outer periphery of the driving unit are provided on the substrate, and the driving unit is a cell formed by connecting two aligned side walls with a ceiling wall. And at least two side walls are composed of piezoelectric elements in which a plurality of layered piezoelectric bodies and layered drive electrodes are alternately stacked, and the height of the drive unit is at least in the longitudinal direction of the cell. Prepare a plurality of ceramic green sheets that have a piezoelectric material as a main component and later become a piezoelectric body. In the first step and on each side of each of the plurality of ceramic green sheets, in one predetermined shape including all the regions corresponding to the drive unit and then the sidewalls, the drive electrodes are later formed. Mainly conductive materials A film (B) containing a conductive material as a main component, which is a wiring electrode for connecting to an external power source, is formed in a region corresponding to the outer peripheral portion. (A) forming a plurality of slits including slits that later become cells in a region corresponding to the drive unit in each of the plurality of ceramic green sheets, and a second step of forming by a screen printing method with a narrower width; By the formation of the slit, a third step of removing a part of the film (A) formed on the ceramic green sheet in the second step, and a plurality of films (A), a film (B) and a plurality of slits formed The ceramic green sheet is laminated by aligning the positions of a plurality of slits and pressure-bonded to obtain a ceramic green laminate, and the ceramic green laminate is fired and integrated, A fifth step of obtaining a layer fired body, the method of manufacturing the cell driving type piezoelectric actuator having a are provided.
第2の工程において、前記駆動部に相当する領域であってのちに側壁となる領域を全て包括する1の所定形状にて、とは、のちに複数の側壁になる領域を、個々に区切られた形状にするのではなく、全ての側壁を含む領域を包括した、例えば1つの長方形からなるベタ形状(の駆動電極)にすることを意味する。 In the second step, the region corresponding to the driving unit and including a region that becomes a side wall afterwards is a predetermined shape that includes all of the regions that become the side walls later. In other words, it means that the region including all the side walls is included, for example, a solid shape (driving electrode) composed of one rectangle.
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おいては、第2の工程において、更に、外周部に相当する領域であって膜(B)を形成する場所以外に、導電材料を主成分とする、膜(A)より狭い幅の膜(C)を、帯状に形成することが好ましい。 In the method for manufacturing the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, in the second step, the conductive material is the main component in addition to the area corresponding to the outer peripheral portion and the place where the film (B) is formed. The film (C) having a narrower width than the film (A) is preferably formed in a strip shape.
又、上記配線電極が、複数のセルの各々を独立して駆動し得るものであり、1つのセルを構成する2つの側壁に含まれる駆動電極毎に分離していることが好ましい。 The wiring electrode is capable of independently driving each of the plurality of cells, and is preferably separated for each of the driving electrodes included in the two side walls constituting one cell.
尚、第5の工程の焼成の前に、第4の工程において、セラミックグリーン積層体を得るに際し、加圧することが望ましいが、この加圧は、例えば積層体表面の凹凸に対して追従する素材のシート等を用いて行うことが好ましい。又、第4の工程において、のちに天井壁になるセラミックグリーンシート及びのちに基板になるセラミックグリーンシートは、1枚のセラミックグリーンシートであってもよいが、複数枚のセラミックグリーンシートを予め積層したものであってもよい。 In addition, it is desirable to pressurize when obtaining the ceramic green laminate in the fourth step before firing in the fifth step, but this pressurization is, for example, a material that follows unevenness on the surface of the laminate. It is preferable to use a sheet or the like. Further, in the fourth step, the ceramic green sheet that later becomes the ceiling wall and the ceramic green sheet that later becomes the substrate may be one ceramic green sheet, but a plurality of ceramic green sheets are laminated in advance. It may be what you did.
更に、上記第3の工程(スリット形成工程)及び第4の工程(セラミックグリーンシート積層工程)において、特開2002−160195号公報に記載の製造方法を適用して、打抜同時積層を行うことが、より好ましい。打抜きを終えたセラミックグリーンシートを金型から取り外すことなく、次のセラミックグリーンシートを打抜き、且つ、同時に積み重ねる操作を繰り返し、金型上で多層の積層体を形成することが可能であり、積層ズレの少ないセラミックグリーンシート積層体を得ることが可能だからである。 Furthermore, in the third step (slit forming step) and the fourth step (ceramic green sheet laminating step), the manufacturing method described in JP-A-2002-160195 is applied to perform simultaneous punching lamination. Is more preferable. Without removing the punched ceramic green sheet from the mold, it is possible to repeat the operations of punching the next ceramic green sheet and stacking them at the same time to form a multilayer laminate on the mold. This is because it is possible to obtain a ceramic green sheet laminate having a low content.
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おいて、導電材料を主成分とする膜(A)は、のちに、作製されたセル駆動型圧電アクチュエータの駆動電極となるが、この駆動電極は、圧電材料を主成分とするセラミックグリーンシートが焼成されてなる圧電体に、電界を加えるものであり、個別電極と共通電極で構成され、膜(A)は、圧電体を挟んで、個別電極(信号印加電極)として、共通電極(GND電極)として、交互に積層されるものである。膜(A)について肝要なことは、駆動部において、整列配置された複数の側壁に対して、個々に区切った形状ではなく、全ての側壁を含む領域を包括した1つの例えば長方形からなるベタ形状の駆動電極として形成し、その後、スリットの形成によって、その一部を除去することにより、各セルを個別に駆動するのに要する層状の個別の駆動電極となり得ることである。 In the method for manufacturing a cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention, the film (A) containing a conductive material as a main component later becomes a drive electrode of the manufactured cell drive type piezoelectric actuator. An electric field is applied to a piezoelectric body formed by firing a ceramic green sheet containing a piezoelectric material as a main component. The piezoelectric body is composed of individual electrodes and a common electrode. The film (A) As a signal application electrode), a common electrode (GND electrode) is alternately stacked. What is important about the film (A) is that the drive unit is not individually divided with respect to a plurality of aligned side walls, but a solid shape made up of, for example, a rectangle including all the side walls. Then, by forming a slit and then removing a part thereof, a layered individual drive electrode required to individually drive each cell can be obtained.
本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、焼成一体化された製品として駆動部が外周部より低くなっているので、別段の加工等を要せず、圧電体の伸縮変位を阻害しないように、容易に適用機器に取り付けることが出来る。加工を不要とするだけでなく、アクチュエータの設計形状に関わらず、取付に係る治具部品を共通化することが可能となる。 In the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention, since the drive unit is lower than the outer peripheral part as a fired and integrated product, no separate processing or the like is required and the expansion and contraction displacement of the piezoelectric body is not hindered. Can be easily attached to applicable equipment. Not only is machining unnecessary, but it is possible to share jig parts for mounting regardless of the design shape of the actuator.
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は、のちに駆動電極となる、導電材料を主成分とする膜(A)を、駆動部において、整列配置された複数の側壁に対し、個々に区切りした形状ではなく、全ての側壁を含む領域を包括した1つの例えば長方形からなるベタ形状の駆動電極として、スクリーン印刷法によって形成する。そして、併せて、駆動部における個々のセルを独立して駆動するために上記駆動電極を外部電源に接続するための配線電極になる、導電材料を主成分とする膜(B)を、外周部に相当する領域に、膜(A)より狭い幅でスクリーン印刷法によって形成する。その結果、両方の印刷パターン(形状)の違いにより、形成される膜(A)の厚さが膜(B)より僅かに薄くなる。そして、膜(A)及び膜(B)を形成したセラミックグリーンシートを多層に積層することから、膜の厚さの差による僅かな差も、積層の後には拡大する。従って、作製されたセル駆動型圧電アクチュエータにおいて、膜(A)とセラミックグリーンシートの積層で構成される駆動部が、膜(B)とセラミックグリーンシートの積層で構成される外周部より、低く形成される。膜(B)は配線電極になるものであるから、駆動部が全ての外周部より低くなるわけではない。しかし、少なくとも配線電極が積層されて存在する外周部よりは低くなるので、この部分で、作製したセル駆動型圧電アクチュエータを、適用機器に取り付ける限り、別段の加工等を要せず、圧電体の伸縮変位を阻害しないように、組み込むことが可能となり、容易に適用機器に取り付けられる。 In the method for manufacturing a cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, a film (A), which is to be a driving electrode later, and which is mainly composed of a conductive material, is individually applied to a plurality of aligned side walls in the driving unit. It is formed by a screen printing method as a solid drive electrode made of, for example, a rectangle including all regions including the side walls, not a segmented shape. In addition, a film (B) mainly composed of a conductive material, which becomes a wiring electrode for connecting the drive electrode to an external power source in order to independently drive each cell in the drive unit, Is formed by screen printing with a width narrower than that of the film (A). As a result, the thickness of the formed film (A) becomes slightly thinner than the film (B) due to the difference in both print patterns (shapes). And since the ceramic green sheet which formed the film | membrane (A) and the film | membrane (B) is laminated | stacked in multiple layers, the slight difference by the difference in the thickness of a film | membrane will also expand after lamination | stacking. Therefore, in the fabricated cell drive type piezoelectric actuator, the drive unit constituted by the lamination of the film (A) and the ceramic green sheet is formed lower than the outer peripheral part constituted by the lamination of the film (B) and the ceramic green sheet. Is done. Since the film (B) serves as a wiring electrode, the drive unit is not lower than all the outer peripheral parts. However, since it is lower than at least the outer peripheral portion where the wiring electrodes are laminated, as long as the produced cell drive type piezoelectric actuator is attached to the applicable device, no special processing or the like is required. It can be incorporated so as not to hinder the expansion and contraction displacement, and can be easily attached to the application device.
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は、その好ましい態様において、外周部に相当する領域であって膜(B)を形成する場所以外に、導電材料を主成分とする、膜(A)より狭い幅の膜(C)を、帯状に形成することとしているから、この場合には、駆動部は、膜(B)又は膜(C)とセラミックグリーンシートとの積層で構成される全ての外周部より、低く形成される。即ち、駆動部が全ての外周部より低くなり、外周部の何れをも取付部分とすることが出来る。そして、別段の加工等を要せず、圧電体の伸縮変位を阻害しないように、容易に、作製したセル駆動型圧電アクチュエータを、適用機器に取り付けることが可能である。 In a preferred embodiment of the method for manufacturing a cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, a film (A) containing a conductive material as a main component in addition to a region corresponding to the outer peripheral portion and forming the film (B). ) Since the film (C) having a narrower width is formed in a strip shape, in this case, the driving unit is all composed of the film (B) or the lamination of the film (C) and the ceramic green sheet. It is formed lower than the outer peripheral part. That is, the drive part is lower than all the outer peripheral parts, and any of the outer peripheral parts can be used as the attachment part. Then, the manufactured cell drive type piezoelectric actuator can be easily attached to an applied device so as not to require a separate process or the like and to prevent the expansion and contraction displacement of the piezoelectric body.
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は、導電材料からなる膜の印刷にかかるパターン(形状)の違いによって、換言すれば、印刷される膜の幅の調節によって、その膜の厚さの違いを生じさせ、積層体としての高低差を生み出しているため、アクチュエータの(圧電素子部分の)微小な変位に最低限必要な、駆動部と外周部との間の微小な高低差を設ける手段として、好適である。 The manufacturing method of the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention is based on the difference in the pattern (shape) for printing a film made of a conductive material, in other words, by adjusting the width of the printed film. This creates a difference in the height of the laminated body, so that there is a minimum height difference between the drive unit and the outer peripheral part, which is the minimum necessary for a minute displacement (of the piezoelectric element) of the actuator. It is suitable as a means.
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は、膜(A)を駆動部に相当する領域の全面に形成し、その後、スリットの形成によって、その一部を除去しているので、その除去によって、のちに駆動電極となる膜(A)を、セルを構成する圧電素子毎の個々の駆動電極として分離することが出来る。従って、複数のセルが備わるセル駆動型圧電アクチュエータを作製する場合に、そのセルを構成する2つの圧電素子(側壁)毎に、信号印加電極を独立させ(個別電極とし)、個々のセルを独立して駆動させることが可能である。 In the manufacturing method of the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, the film (A) is formed on the entire surface corresponding to the driving unit, and then a part thereof is removed by forming a slit. Thus, the film (A) that later becomes the drive electrode can be separated as individual drive electrodes for each piezoelectric element constituting the cell. Therefore, when a cell drive type piezoelectric actuator having a plurality of cells is manufactured, the signal application electrodes are made independent (individual electrodes) for each of the two piezoelectric elements (side walls) constituting the cell, and the individual cells are made independent. Can be driven.
以下に、本発明のセル駆動型圧電アクチュエータ及びその製造方法について、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るものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得る。 Hereinafter, embodiments of a cell driving type piezoelectric actuator and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention should not be construed as being limited thereto. Various changes, modifications, improvements, and substitutions can be added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. For example, the drawings show preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited by the modes shown in the drawings or the information shown in the drawings. In implementing or verifying the present invention, means similar to or equivalent to those described in the specification may be applied.
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を利用する電歪アクチュエータ、あるいは、強誘電体材料全般に見られる分極反転、反強誘電体材料に見られる反強誘電相−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、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータを構成する圧電素子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。 The cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention is called a piezoelectric, but is an actuator that uses strain induced by an electric field, and in a narrow sense, a piezoelectric that generates a strain amount that is roughly proportional to an applied electric field. It is not limited to the piezoelectric actuator that uses the effect, but the electrostrictive actuator that uses the electrostrictive effect that generates a strain amount approximately proportional to the square of the applied electric field, or the polarization reversal that is found in all ferroelectric materials, Also included are actuators that utilize phenomena such as the antiferroelectric phase-ferroelectric phase transition found in antiferroelectric materials. Among the cell drive type piezoelectric actuators according to the present invention, a ceramic actuator excellent in material strength is more preferable. Further, whether or not the polarization processing is performed is appropriately determined based on the properties of the material used for the piezoelectric body of the piezoelectric element constituting the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention.
又、本明細書中において、アクチュエータを駆動するとは、少なくとも1つのセルを駆動することを指し、セルを駆動するとは、そのセル(を構成する側壁)を形成する圧電素子に変位を生じさせ、セルの容積変化を引き起こし、セル内に加圧状態あるいは減圧状態を導くことを指す。 In this specification, driving an actuator means driving at least one cell, and driving a cell causes displacement in a piezoelectric element forming the cell (a side wall constituting the cell), This refers to causing a change in the volume of the cell, leading to a pressurized state or a reduced pressure state in the cell.
本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータは、基板の上に、駆動部と、その外周に位置する外周部と、が備わり、駆動部は、整列配置された2つの側壁を天井壁で接続してなるセルを具備し、少なくとも2つの側壁が、複数の層状の圧電体と層状の電極とが交互に積層されてなる圧電素子で構成され、その圧電素子の電界誘起歪みの縦効果に基づく伸縮変位によりセルの容積が変化し得るアクチュエータであり、少なくともセルの長手方向において、駆動部の高さが外周部より低く、且つ、基板と駆動部と外周部とが焼成一体化されているところに技術的特徴を有している。そして、このような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製造方法が、その製造手段として好適であり、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、作製されるセル駆動型圧電アクチュエータに上記技術的特徴を付与し得る特別な技術的手段が備わっている。そこで、先ず、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、その実施形態を図面を参酌しながら説明することとし、それを通じて、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの具体的な実施形態を示すこととする。 The cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention includes a drive unit and an outer peripheral part located on an outer periphery of the drive unit on a substrate, and the drive unit connects two aligned side walls with a ceiling wall. And at least two side walls are composed of a piezoelectric element in which a plurality of layered piezoelectric bodies and layered electrodes are alternately stacked, and the expansion and contraction displacement is based on the longitudinal effect of the electric field induced strain of the piezoelectric element. It is an actuator that can change the volume of the cell due to the technology, at least in the longitudinal direction of the cell, the height of the drive part is lower than the outer peripheral part, and the substrate, the drive part and the outer peripheral part are integrated by firing. It has special characteristics. For such a cell drive type piezoelectric actuator, the method for manufacturing the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention is suitable as the manufacturing means, and the method for manufacturing the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention includes a manufacturing method. A special technical means capable of imparting the above technical characteristics to the cell driving type piezoelectric actuator is provided. Therefore, first, an embodiment of the method for manufacturing a cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention will be described with reference to the drawings, and through this, a specific embodiment of the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention will be described. Will be shown.
図1(a)、図1(b)、図1(c)は、導電材料を主成分とする膜をセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷によって形成したときに、その膜の形状によって、その厚さに差異が生じる様子を示した図である。図1(a)は、膜の印刷パターン(形状)を表した平面図であり、膜11と膜12とで構成されるパターン(形状)である。膜12は、膜11から蛸足のように伸びた、より狭い幅のパターン(形状)になっている。尚、膜11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において駆動部に相当する領域の全面に形成した膜(A)の一例にあたり、膜12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において外周部に相当する領域に形成した、膜(A)より狭い幅の膜(B)の一例にあたる。即ち、膜11は、のちに圧電体に電圧を印加する役割を担う駆動電極になり得、それから伸びた膜12は配線電極になり得る印刷パターン(形状)である。
1 (a), 1 (b), and 1 (c) show the thickness of a film mainly composed of a conductive material formed on a ceramic green sheet by screen printing depending on the shape of the film. It is the figure which showed a mode that a difference arises. FIG. 1A is a plan view showing a print pattern (shape) of a film, which is a pattern (shape) composed of a
図1(b)は、図1(a)におけるAA’断面を示した図であり、図1(c)は、図1(a)におけるBB’断面を示した図である。このように、印刷法で膜を形成すると、幅の狭い帯状の印刷パターンからなる膜の厚さは、膜11の如く幅の広い形状(ベタ形状ともいう)の印刷パターンからなる膜に比較して、より厚くなる。この理由は、スクリーン印刷法に用いる製版に起因している。製版のパターンを形成する部分に相当する、印刷ペーストが抜けるメッシュ部分に対し、パターンを形成しない部分には乳剤によりマスクを施すと共に、パターンの膜の厚さの制御のために、その乳剤の厚さが調整される。このとき、製版のメッシュは、乳剤による足かせにより、浮いた状態になる。製版上の印刷ペーストは、スキージゴムにより押し出されるが、乳剤により浮いた状態にあるメッシュは、スキージゴムの撓みにより変形する。幅の狭いパターンの場合は乳剤の足の幅も狭いため、その間のメッシュの撓みも少なくなる。ベタ形状の幅の広いパターンの場合には、その効果も得られず、メッシュが撓むと同時に、メッシュに沿って印刷ペーストはスキージゴムにより掻き取られるため、転写される膜の厚さは、端部が高く中央が低いという分布を持つことになる。即ち、図1(b)に示される通り、幅の広い膜では、その印刷パターンの端部(境界部分)に、膜の厚い部分が存在し、その他の中間部分では、相対的に膜が薄くなる。一方、図1(c)に示される通り、細い帯状の膜の厚さは、図1(b)における薄い中間部分が狭くなりやがては存在しなくなった状態であるため、図1(b)における端部のみで形成されることになり、ベタ形状と比較して相対的に膜が厚くなる。
1B is a diagram showing an AA ′ section in FIG. 1A, and FIG. 1C is a diagram showing a BB ′ section in FIG. Thus, when a film is formed by the printing method, the thickness of the film composed of a narrow band-shaped print pattern is larger than that of a film composed of a print pattern having a wide shape (also referred to as a solid shape) like the
このようなスクリーン印刷法によって生じる膜の厚さの差は、僅か数μm程度(実際の積層の際には、電極自体の変形やセラミックグリーンシート自体の変形も伴うため、その差は更に小さくなる。従って、印刷膜厚差×積層層数=駆動部と外周部の高さの差、とはならない)であるが、同じ印刷パターン(形状)の膜を多数積み重ねて積層すれば、積層体としての厚さの差、即ち、高さの違いは、積層数に応じて、大きくなる。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は、その第2の工程において、複数のセラミックグリーンシートの各々の片面において、駆動部に相当する領域の全面に(ベタ形状として)、のちに駆動電極となる、導電材料を主成分とする膜(A)をスクリーン印刷法によって形成するとともに、外周部に相当する領域に、のちに駆動電極を外部電源に接続するための配線電極になる、導電材料を主成分とする膜(B)を、膜(A)より狭い幅で(帯状に)スクリーン印刷法によって形成するため、作製されるセル駆動型圧電アクチュエータは、その駆動部が外周部より低くなるのである。 The difference in the thickness of the film produced by such a screen printing method is only about several μm (the actual difference is further reduced because of the deformation of the electrode itself and the deformation of the ceramic green sheet itself). Therefore, the difference in the printed film thickness x the number of laminated layers = the difference in height between the drive part and the outer peripheral part is not the same), but if a large number of films having the same print pattern (shape) are stacked and laminated, The difference in thickness, that is, the difference in height, increases with the number of stacked layers. In the cell driving type piezoelectric actuator manufacturing method according to the present invention, in the second step, on one side of each of the plurality of ceramic green sheets, the entire surface corresponding to the driving unit is formed (as a solid shape) and then driven. A film (A) mainly composed of a conductive material to be an electrode is formed by a screen printing method, and a conductive electrode that becomes a wiring electrode for connecting a drive electrode to an external power source in a region corresponding to the outer peripheral portion later. Since the film (B) containing the material as a main component is formed by screen printing with a narrower width (in a strip shape) than the film (A), the cell driving type piezoelectric actuator to be manufactured has a driving part lower than the outer peripheral part. It becomes.
図6(a)〜図6(d)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、及び本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの、それぞれの一実施形態を示す図である。図6(a)〜図6(c)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の一実施形態の概略工程を示し、図6(d)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で作製され、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータに該当する、図6(c)に斜視図として示されるセル駆動型圧電アクチュエータ60を、切断線61に沿って切断したときの断面の一部を表した部分断面図である。
FIG. 6A to FIG. 6D are diagrams showing one embodiment of a method for manufacturing a cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention and a cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, respectively. 6 (a) to 6 (c) show schematic steps of an embodiment of a method for manufacturing a cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention, and FIG. 6 (d) shows a cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention. When the cell drive
図6(c)及び図6(d)に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ60は、連通孔8が設けられた基板2の上に、駆動部63と、その外周に位置し、外周部64aと外周部64bとからなる外周部64とが備わり、基板2と駆動部63と外周部64とが焼成一体化されてなるものである。尚、駆動部63と外周部64とは、図6(c)中において便宜上示される境界線62で区分されている。尚、連通孔8は、連通孔8自体がノズルとして機能する場合もあるが、例えばセル駆動型圧電アクチュエータ60をインクジェットヘッドとして利用する場合に、別途、貼り付けられる金属プレート等に設けられたノズルと接続するための孔である。
The cell drive
駆動部63は、整列配置された2つの側壁6を天井壁7で接続してなる複数のセル3を具備し、セル3を形成する2つの側壁6が、複数の層状の圧電体14と層状の駆動電極18,19とが交互に積層されてなる圧電素子34で構成されている。複数のセル3は、その各々が、側壁6(圧電素子34)を共有せず、隣接するセルと独立して形成されている。
The
本実施形態におけるセル駆動型圧電アクチュエータ60は、側壁6を構成する圧電素子34毎に層状の圧電体14を10層有している。本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータでは、層数は、限定されず、用途、目的によって適宜決められることとなるが、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5〜50層である。
The cell drive
セル駆動型圧電アクチュエータ60は、圧電素子34を構成する圧電体14が、例えば駆動電極18から駆動電極19へ向けた方向(図6(d)中において上下方向)に分極されている(挟まれる駆動電極によって層毎に分極方向が異なる)。そして、図示しない電極端子に電源を接続し、例えば駆動電極18側を正、駆動電極19側を負にして駆動電極18,19間に電圧を印加することにより、先に記した分極方向と同じ方向の電界が形成される。換言すれば、セル駆動型圧電アクチュエータ60は、分極が互いに反対方向の層状の圧電体14が駆動電極18,19を挟んで積層されてなり、各々の圧電体14においては、分極と駆動電界とが同一方向になっている。
In the cell drive
その結果、圧電体14には電界誘起歪みが発現し、その電界誘起歪みの縦効果による変位に基づき、圧電素子34は、圧電体14が駆動電極18,19で挟まれる部分においては図6(d)中において概ね上下方向に(基板2に対し垂直に)伸縮する。この圧電体14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。個々の層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、より正確には層状の圧電体と一対の層状の駆動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。
As a result, an electric field induced strain is generated in the
セル駆動型圧電アクチュエータ60においては、圧電体14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5〜80μmとすることによって、より低電圧で駆動出来るようにすることも可能である。
In the cell drive
セル駆動型圧電アクチュエータ60は、セル3をインク室として利用し、セル3毎に2つずつ設けられ基板2に開けられた連通孔8をインクの導入孔及び吐出孔として利用し、圧電素子34に駆動電圧を印加してセル3(インク室)の容積変化を発生させることにより、その容量の増減に呼応してセル3に通じる一の連通孔8からインクを補充し、その後、同じくセル3に通じる他の連通孔8からインクを吐出させることが可能である。即ち、セル駆動型圧電アクチュエータ60は、インクジェットヘッドとして、好ましく適用可能なアクチュエータである。
The cell drive
セル駆動型圧電アクチュエータ60では、駆動部63が外周部64aより低く、外周部64bとは同等の高さである。これは後述する製造方法に示されるように、外周部64aの領域には配線電極を形成し、外周部64bの領域には配線電極を形成していないからである。従って、セル駆動型圧電アクチュエータ60を、印刷機器等に取り付ける際には、より高い外周部64aを取付部として利用することが好ましい。
In the cell drive
以下、図6(a)〜図6(c)に基づき、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の一実施形態につき、その製造工程について説明する。尚、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いう。 Hereinafter, based on FIG. 6 (a) to FIG. 6 (c), the manufacturing process of one embodiment of the manufacturing method of the cell driving type piezoelectric actuator according to the present invention will be described. In this specification, the ceramic green sheet is also simply referred to as a sheet.
(第1の工程)先ず、圧電材料を主成分とする10枚のセラミックグリーンシート616と、それより厚い天井壁7用のセラミックグリーンシート607(薄い複数のシートを積層した積層体でもよい)と、同じく厚い基板2用のセラミックグリーンシート602(薄い複数のシートを積層した積層体でもよい)を用意する。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、セラミックグリーンシートを形成することが可能である。
(First Step) First, ten ceramic
次に、セラミックグリーンシート616のうち半数の5枚のシートに、所定のパターンの導体膜618(導電材料からなる膜)を、スクリーン印刷法で形成し、半数の5枚のシートには、所定のパターンの導体膜619を、スクリーン印刷法で形成する(図6(a)参照)。
Next, a conductive film 618 (film made of a conductive material) having a predetermined pattern is formed on a half of the five sheets of the ceramic
(第2の工程)導体膜618の印刷パターン(形状)は、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ60の駆動部63に相当する領域の全面に形成された、のちに個別電極18となる導体膜618a(膜(A)相当)と、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ60の外周部64の一部分(外周部64a)に相当する領域の更に一部分に形成された、のちに個別電極18を外部電源に接続するための配線電極になる、導体膜618aより狭い幅の、導体膜618b(膜(B)相当)と、で形成される。
(Second Step) The printed pattern (shape) of the
同様に、導体膜619の印刷パターン(形状)は、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ60の駆動部63に相当する領域の全面に形成された、のちに共通電極19となる導体膜619a(膜(A)相当)と、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ60の外周部64の一部分(外周部64a)に相当する領域の更に一部分に形成された、のちに共通電極19を外部電源に接続するための配線電極になる、導体膜619aより狭い幅の、導体膜619b(膜(B)相当)とで形成される。尚、セラミックグリーンシートの性質にもよるが、後に圧着する際の接合力を付加するために、シート全面に接着補助層を追加する場合もある。
Similarly, the printed pattern (shape) of the
(第3の工程)続いて、図6(b)に示されるように、先に導体膜618を形成したシート616において、(作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ60の)駆動部63に相当する領域に、のちにセルを構成するスリット605及びのちにセルを構成しないスリット625を開け、そのスリット605,625の形成により、導体膜618aの一部を除去して、シート614を得る。同様に、先に導体膜619を形成したシート616において、(作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ60の)駆動部63に相当する領域に、のちにセルを構成するスリット605及びのちにセルを構成しないスリット625を開け、そのスリット605,625の形成により、導体膜619aの一部を除去して、シート615を得る。
(Third Step) Subsequently, as shown in FIG. 6B, in the
のちに天井壁7となるシート607には、のちにセルを構成しないスリット625を開け、のちに基板2となるシート602には、細孔43を開ける。細孔43は、のちに連通孔8となる孔であり、シート602がシート614,615と積層されたときに、シート614,615のスリット605に連通する位置に、2つずつ設けられる。
Later, a
シート614,615におけるスリット605とスリット625との間のシートの実体部分が、のちにセル駆動型圧電アクチュエータ60の側壁6(圧電体14)を構成する。シート614の導体膜618は、少なくともスリット605とスリット625との間のシート面を覆うように形成され、既述のように、のちにその一部が個別電極18を構成するとともに個別電極18を外部電源に接続する配線電極として用いられる。シート615の導体膜619は、少なくともスリット605とスリット625との間のシート面を覆うように形成され、既述のように、のちにその一部が共通電極19を構成するとともに共通電極19を外部電源に接続する配線電極として用いられる。
The substantial part of the sheet between the
(第4の工程)次に、シート614,615を交互に積層し、圧着して図示しない複数のスリット状貫通孔が備わるセラミックグリーン積層体を得る。そして、シート607とシート602の間に複数のスリット状貫通孔が備わるセラミックグリーン積層体を挟んで積層し、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。尚、これら積層の際には、セラミックグリーン積層体の表面の凹凸に対して追従する素材のシート等を用いて行うことが好ましい。駆動部の側壁(圧電素子)に座屈や曲がり等の不具合を生じ難くなるからである。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614,615の各々に形成された複数のスリット605が、それぞれ連通してなる複数のスリット状貫通孔が内蔵される。
(Fourth Step) Next, the
(第5の工程)次に、セラミックグリーン積層体を焼成一体化して図示しない積層焼成体を得る。得られた積層焼成体では、シート614,615のスリット605を連通させてなる内蔵されたスリット状貫通孔が、焼成されてセル3となる。セル3は1列に4つ設けられる。次いで、導体膜618b,619bが焼成されて、積層焼成体の両端面に現れた配線電極部分(図6(c)において省略)に接続するように、図示しない端子電極を形成する。そして、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60が得られる。
(Fifth Step) Next, the ceramic green laminated body is fired and integrated to obtain a laminated fired body (not shown). In the obtained laminated fired body, a built-in slit-like through hole formed by communicating the
尚、既述のように、セル駆動型圧電アクチュエータ60は、駆動部63が全ての外周部64より低いわけではなく、少なくともセルの長手方向において、外周部64aより低いが、外周部64bとは同等の高さである。これは、外周部64aの領域には配線電極(導体膜618b,619b)を形成したが、外周部64bの領域には形成しなかったからである。駆動部の外周全てを駆動部より高く全てを外周部より低くするには、上記第2の工程において、シート614,615に対し、外周部64に相当する領域であって導体膜618b,619b(膜(B)相当)を形成した場所以外に、導体膜(膜(C)相当)を、導体膜618aより狭い幅で、帯状に形成すればよい。
As described above, in the cell drive
図3(a)、図3(b)は、駆動電極及び配線電極を形成する場所以外にも、印刷法によって帯状に導体膜を形成したセラミックグリーンシートの一例を示す平面図である。図3(a)に示されるシート314の導体膜の印刷パターン(形状)は、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータの駆動部に相当する領域の全面に形成された、のちに個別電極となる導体膜318a(膜(A)相当)と、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータの外周部の一部分に相当する領域に形成された、のちに個別電極を外部電源に接続するための配線電極になる、導体膜318aより狭い幅の、導体膜318b(膜(B)相当)と、更に加えて、外周部に相当する領域の、導体膜318bを形成した場所以外に形成された、帯状の導体膜318c(膜(C)相当)で構成される。
FIG. 3A and FIG. 3B are plan views showing an example of a ceramic green sheet in which a conductor film is formed in a strip shape by a printing method, in addition to a place where a drive electrode and a wiring electrode are formed. The printed pattern (shape) of the conductor film of the
図3(b)に示されるシート315の導体膜の印刷パターン(形状)は、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータの駆動部に相当する領域の全面に形成された、のちに共通電極となる導体膜319a(膜(A)相当)と、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータの外周部の一部分に相当する領域に形成された、のちに共通電極を外部電源に接続するための配線電極になる、導体膜319aより狭い幅の、導体膜319b(膜(B)相当)と、更に加えて、外周部に相当する領域の、導体膜319bを形成した場所以外に形成された、帯状の導体膜319c(膜(C)相当)で構成される。
The printed pattern (shape) of the conductor film of the
シート314,315を積層すると、導体膜318b,319bの積層部分及び導体膜318c,319cの積層部分は外周部を構成し、導体膜318a,319aの積層部分は駆動部を構成することになる。図2は、シート314,315を積層の順に並べた状態の断面図である。図2では、積層したシート314,315において、帯状の導体膜318c,319cは、導体膜318b,319bと同様に、導体膜318a,319aより膜の厚さが薄く、セル駆動型圧電アクチュエータの駆動部になる駆動部相当部23は、セル駆動型圧電アクチュエータの外周部になる外周部相当部24より低くなっている。尚、図2に現れない側の断面においても、同様であり、駆動部相当部23は、全ての外周部相当部24より低くなっている。
When the
図5は、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータの他の実施形態を示す断面図であり、図4は、図5に示されるセル駆動型圧電アクチュエータ40を作製するために用いたシートのうち個別電極となる導体膜が形成されたシートの平面図である。又、図7は、シートに開けられる、のちにセルを構成するスリットを含むスリットの形状及び位置を示すスリットパターンを表した平面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another embodiment of the cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention, and FIG. 4 shows a sheet used for manufacturing the cell drive
図4に示されるように、シート414は、上記シート314と同様に、それに形成された導体膜の印刷パターン(形状)は、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ40の駆動部に相当する領域の全面に形成された、のちに個別電極となる導体膜418a(膜(A)相当)と、作製しようとするセル駆動型圧電アクチュエータ40の外周部の一部分に相当する領域に形成された、のちに個別電極を外部電源に接続するための配線電極になる、より狭い幅の導体膜418b(膜(B)相当)と、外周部に相当する領域の、導体膜418bを形成した場所以外に形成された、帯状の導体膜418c(膜(C)相当)と、これら導体膜の間を、圧電体と同一の材料からなる圧電ペースト45によって埋めたものである。
As shown in FIG. 4, in the
シート414の他に、シート315に準じて個別電極となる導体膜が形成されたシートを作製し、図7で示されるスリットパターンに従って、それらにスリットを開けた後に、基板となるシートと天井壁となるシートの間に、交互に積層し、焼成することにより、セル駆動型圧電アクチュエータ40が得られる。得られたセル駆動型圧電アクチュエータ40は、基板2の上に、駆動部53とその外周に位置する外周部54とが備わり、図中において圧電素子で構成された縦長の2つの側壁を天井壁で接続してなるセルを7つ具備し、圧電素子の伸縮変位によりセルの容積が変化するアクチュエータである。図5に示されるように、セル駆動型圧電アクチュエータ40は、シート414等を積層した結果、駆動部53が外周部54より低くなっている。
In addition to the
以上、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、及び本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータについて、それぞれの実施形態を説明したが、次に、本発明に係るセル駆動型圧電アクチュエータに用いられる材料について説明する。 As mentioned above, although each embodiment was described about the manufacturing method of the cell drive type piezoelectric actuator which concerns on this invention, and the cell drive type piezoelectric actuator which concerns on this invention, it used for the cell drive type piezoelectric actuator which concerns on this invention next. The material to be used will be described.
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。 First, a piezoelectric material (piezoelectric material) will be described. Any material can be used as long as it causes electric field induced strain such as piezoelectric effect or electrostrictive effect. It may be crystalline or amorphous, and it is also possible to use semiconductor ceramics, ferroelectric ceramics, or antiferroelectric ceramics. What is necessary is just to select suitably according to a use and to employ | adopt. Moreover, even if it is a material which requires a polarization process, the material which is not required may be sufficient.
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。 Specifically, preferable materials include lead zirconate, lead titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, lead nickel tantalate, lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimony stannate, manganese tungstic acid. Lead, lead cobalt niobate, lead magnesium tungstate, lead magnesium tantalate, barium titanate, sodium bismuth titanate, bismuth neodymium titanate (BNT), potassium sodium niobate, strontium bismuth tantalate, barium copper tungsten, iron acid Bismuth or a composite oxide composed of two or more of these can be given. These materials include lanthanum, calcium, strontium, molybdenum, tungsten, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron, yttrium, tantalum, lithium, bismuth, tin, An oxide such as copper may be dissolved.
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。 Furthermore, lithium bismutate or lead germanate is added to a material obtained by adding lithium bismutate, lead germanate, or the like to the above materials, for example, a composite oxide of lead zirconate, lead titanate, and lead magnesium niobate. Such a material is preferable because it can exhibit high material properties while realizing low-temperature firing of the piezoelectric body. The low-temperature firing of the piezoelectric material can also be realized by adding glass (for example, silicate glass, borate glass, phosphate glass, lead germanate glass, or a mixture thereof). However, excessive addition leads to deterioration of material characteristics, so it is desirable to determine the addition amount according to required characteristics.
次に、電極(駆動電極、配線電極、ダミー電極等)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。 Next, a conductive metal is employed as a material for the electrodes (drive electrodes, wiring electrodes, dummy electrodes, etc.). For example, simple metals such as aluminum, titanium, chromium, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, niobium, molybdenum, ruthenium, palladium, rhodium, silver, tin, tantalum, tungsten, iridium, platinum, gold, or lead, or these It is preferable to use an alloy composed of two or more types, for example, one of silver-platinum, platinum-palladium, silver-palladium, etc., alone or in combination of two or more. Also, a mixture or cermet of these materials and aluminum oxide, zirconium oxide, titanium oxide, silicon oxide, cerium oxide, glass, piezoelectric material, or the like may be used. In selecting these materials, it is preferable to select them according to the type of piezoelectric material.
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好適に利用出来る。その他に、マイクロポンプや、バイオテクノロジー分野における微量液体の混合・反応操作や遺伝子構造の解析に必要なDNAチップの製造や半導体製造用のコーティング工程において用いられる微小液滴吐出装置や、医療分野における各種検査に用いられる試薬の微量投入装置等のアクチュエータとして利用可能である。 The cell drive type piezoelectric actuator according to the present invention can be suitably used as an inkjet head of a printing device. In addition, micro-pumps, micro-droplet dispensing devices used in the manufacturing process of DNA chips and semiconductor manufacturing coatings necessary for mixing and reacting with trace amounts of liquids in the biotechnology field and analyzing the genetic structure, and in the medical field The present invention can be used as an actuator for a small amount of reagent supply device used in various tests.
40,60…セル駆動型圧電アクチュエータ、2…基板、3…セル、6…側壁、7…天井壁、8…連通孔、14…圧電体、18,19…駆動電極、23…駆動部相当部、24…外周部相当部、34…圧電素子、45…圧電ペースト、53,63…駆動部、54,64…外周部、61…切断線、314,315,414,602,607,614,615,616…セラミックグリーンシート、605,625…スリット、618,619…導体膜。
40, 60 ... cell drive type piezoelectric actuator, 2 ... substrate, 3 ... cell, 6 ... side wall, 7 ... ceiling wall, 8 ... communication hole, 14 ... piezoelectric body, 18, 19 ... drive electrode, 23 ... drive part
Claims (9)
前記駆動部は、整列配置された2つの側壁を天井壁で接続してなるセルを複数具備し、少なくとも前記2つの側壁が、複数の層状の圧電体と層状の駆動電極とが交互に積層されてなる圧電素子で構成され、その圧電素子の電界誘起歪みの縦効果に基づく伸縮変位により前記セルの容積が変化し得るとともに、
少なくともセルの長手方向において、前記駆動部の高さが前記外周部より低く、且つ、前記基板と前記駆動部と前記外周部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。 On the substrate, there is a drive unit and an outer peripheral part located on the outer periphery,
The driving unit includes a plurality of cells formed by connecting two aligned side walls with a ceiling wall, and a plurality of layered piezoelectric bodies and layered driving electrodes are alternately stacked on at least the two side walls. The volume of the cell can be changed by expansion and contraction displacement based on the longitudinal effect of the electric field induced strain of the piezoelectric element.
A cell drive type piezoelectric actuator in which the height of the drive unit is lower than the outer peripheral part at least in the longitudinal direction of the cell, and the substrate, the drive unit, and the outer peripheral part are integrally fired.
圧電材料を主成分とし、のちに前記圧電体となる、複数のセラミックグリーンシートを用意する第1の工程と、
前記複数のセラミックグリーンシートの各々の片面において、前記駆動部に相当する領域であってのちに側壁となる領域を全て包括する1の所定形状にて、のちに前記駆動電極となる、導電材料を主成分とする膜(A)をスクリーン印刷法によって形成するとともに、前記外周部に相当する領域に、外部電源に接続するための配線電極になる、導電材料を主成分とする膜(B)を、前記膜(A)より狭い幅でスクリーン印刷法によって形成する第2の工程と、
前記複数のセラミックグリーンシートの各々における前記駆動部に相当する領域に、のちに前記セルとなるスリットを含む複数のスリットを形成し、そのスリットの形成によって、第2の工程でセラミックグリーンシートに形成した前記膜(A)の一部を除去する第3の工程と、
前記膜(A)及び膜(B)と前記スリットが形成された複数のセラミックグリーンシートを前記複数のスリットの位置を合わせ積層し圧着して、セラミックグリーン積層体を得る第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、積層焼成体を得る第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。 A driving unit and an outer peripheral part located on the outer periphery of the driving unit are provided on a substrate, and the driving unit includes a plurality of cells formed by connecting two aligned side walls with a ceiling wall, and at least the two One side wall is composed of a piezoelectric element in which a plurality of layered piezoelectric bodies and layered drive electrodes are alternately stacked, and at least in the longitudinal direction of the cell, the height of the drive unit is lower than the outer peripheral part, and A cell drive type piezoelectric actuator in which the substrate, the drive unit, and the outer peripheral part are integrally fired,
A first step of preparing a plurality of ceramic green sheets comprising a piezoelectric material as a main component and later becoming the piezoelectric body;
On one side of each of the plurality of ceramic green sheets, a conductive material, which is a region corresponding to the drive unit and includes a region that is to be a side wall later, and that later includes the drive electrode, A film (B) containing a conductive material as a main component is formed in the region corresponding to the outer peripheral portion and serves as a wiring electrode for connection to an external power source while the film (A) containing the main component is formed by screen printing. A second step of forming by a screen printing method with a narrower width than the film (A);
A plurality of slits including a slit to be the cell later are formed in a region corresponding to the driving unit in each of the plurality of ceramic green sheets, and the slit is formed to form the ceramic green sheet in the second step. A third step of removing a part of the film (A),
A fourth step of obtaining a ceramic green laminate by laminating the plurality of ceramic green sheets formed with the films (A) and (B) and the slits, aligning the positions of the plurality of slits, and press-bonding;
And a fifth step of obtaining the laminated fired body by firing and integrating the ceramic green laminated body.
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JP2011190147A (en) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Fdk Corp | Piezoelectric ceramic material |
JP2011190146A (en) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Fdk Corp | Piezoelectric ceramic material |
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- 2004-09-24 JP JP2004278562A patent/JP2006093476A/en not_active Withdrawn
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