JP2007088449A - Composite material film, piezoelectric actuator, and process for manufacturing inkjet head, and piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合材料膜、圧電アクチュエータ、およびインクジェットヘッドの製造方法、並びに圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a composite material film, a piezoelectric actuator, an inkjet head manufacturing method, and a piezoelectric actuator.
特許文献1(特開2001−54946号公報)には、インクジェットヘッド等に用いられる圧電アクチュエータの一例が開示されている。この圧電アクチュエータは、流路形成体においてノズル開口と連通する圧力室の開口部を閉じるように設けられる基板(振動板)を備え、この基板上に下部電極、圧電層、上部電極を積層したものである。下部電極と上部電極との間に電界を印加すると、圧電層の変形に伴って基板が撓み、圧力室内のインクが加圧されてノズル開口から吐出される。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-54946) discloses an example of a piezoelectric actuator used for an inkjet head or the like. This piezoelectric actuator includes a substrate (vibration plate) provided so as to close an opening of a pressure chamber communicating with a nozzle opening in a flow path forming body, and a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode are laminated on the substrate. It is. When an electric field is applied between the lower electrode and the upper electrode, the substrate is bent as the piezoelectric layer is deformed, and the ink in the pressure chamber is pressurized and ejected from the nozzle opening.
このような圧電アクチュエータの製造方法としては、特許文献1で開示されているエアロゾルデポジション法(AD法)と呼ばれるものがある。これは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの(エアロゾル)を基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させるものである。
ところで、上記のようなAD法により成膜した圧電膜には、基板を十分に撓ませるのに必要な圧電特性を得るために、アニール処理を施す必要がある。 By the way, it is necessary to anneal the piezoelectric film formed by the AD method as described above in order to obtain the piezoelectric characteristics necessary to sufficiently bend the substrate.
しかし、例えば600℃を越えるような高温でアニール処理を行うと、基板に含まれる元素が圧電膜中に拡散し、圧電特性を低下させてしまうことがある。特に、近年、安価で加工性に優れたステンレスを基板として使用したいという要望があるが、ステンレスは圧電膜中に拡散しやすいFe、Cr等の金属元素を含んでいるため、この問題が顕著となる。そこで、圧電特性の向上を図るために、基板と圧電膜との間に拡散防止層としてアルミナなどの絶縁性酸化物の層を設けることが行われている。このような場合には、圧電層に電界を印加するために、拡散防止層と圧電層との間に下部電極が設けられる。 However, if the annealing process is performed at a high temperature exceeding 600 ° C., for example, elements contained in the substrate may diffuse into the piezoelectric film and deteriorate the piezoelectric characteristics. In particular, in recent years, there is a desire to use stainless steel, which is inexpensive and excellent in workability, as a substrate. However, since stainless steel contains metal elements such as Fe and Cr that easily diffuse in the piezoelectric film, this problem is remarkable. Become. Therefore, in order to improve the piezoelectric characteristics, an insulating oxide layer such as alumina is provided as a diffusion preventing layer between the substrate and the piezoelectric film. In such a case, a lower electrode is provided between the diffusion prevention layer and the piezoelectric layer in order to apply an electric field to the piezoelectric layer.
しかし、このように多くの層を積層する場合には、高温のアニール処理を経る間に、各層を構成する材料の熱膨張率に差によって重なり合う層の界面に応力が生じ、剥離が起こりやすくなってしまう。 However, when many layers are laminated in this way, stress is generated at the interface of the overlapping layers due to the difference in the thermal expansion coefficient of the material constituting each layer during the high-temperature annealing treatment, and peeling easily occurs. End up.
また、インクジェットヘッドの製造においては、微細なインク流路が容易に形成できるようにインク流路形成体を金属材料から構成するとともに、このインク流路形成体と接合される圧電アクチュエータの基板については、インク流路形成体へ熱圧着する際の反り等の弊害を避けるために、インク流路形成体と熱膨張率が近いもの、すなわち同種の金属から構成することが好ましい。しかし、このように基板に金属製のものを使用する場合、基板に含まれる金属元素の圧電層への拡散が起こりやすい。このため、基板と圧電層との間に拡散防止層を設けることが必要となるが、このように多くの層を積層する必要がある場合、従来の方法では各層の密着性を確保する事は必ずしも容易ではなかった。 In the manufacture of an inkjet head, the ink flow path forming body is made of a metal material so that a fine ink flow path can be easily formed, and the piezoelectric actuator substrate to be joined to the ink flow path forming body In order to avoid adverse effects such as warpage during thermocompression bonding to the ink flow path forming body, it is preferable that the ink flow path forming body is made of a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the ink flow path forming body, that is, the same kind of metal. However, when a metal substrate is used in this way, the metal element contained in the substrate is likely to diffuse into the piezoelectric layer. For this reason, it is necessary to provide an anti-diffusion layer between the substrate and the piezoelectric layer. When it is necessary to stack a large number of layers in this way, it is not possible to ensure the adhesion of each layer with the conventional method. It was not always easy.
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、互いに重なり合う層間での密着性を改善できる複合材料膜、圧電アクチュエータ、およびインクジェットヘッドの製造方法、並びに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 circumstances, and an object of the present invention is to provide a composite material film, a piezoelectric actuator, a method for manufacturing an ink jet head, and a piezoelectric actuator that can improve adhesion between mutually overlapping layers. There is.
本発明の第1の態様に従えば、導電性材料粒子とセラミックス粒子を混合して混合物を得る工程と、前記混合物を含むエアロゾルを基板に噴き付ける工程とを含む複合材料膜の製造方法が提供される。
こうすることで、導電性材料粒子とセラミックス粒子を含む複合材料膜を容易に製造することができる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for producing a composite material film, comprising: a step of mixing conductive material particles and ceramic particles to obtain a mixture; and a step of spraying an aerosol containing the mixture onto a substrate. Is done.
By doing so, a composite material film including conductive material particles and ceramic particles can be easily manufactured.
本発明の第2の態様に従えば、基板に導電性材料粒子とセラミックス粒子とを含むエアロゾルを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより一の電極層を形成する第1の電極層形成工程と、前記一の電極層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第2の電極層形成工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法が提供される。 According to the second aspect of the present invention, a first electrode layer forming step of forming one electrode layer by spraying an aerosol containing conductive material particles and ceramic particles onto a substrate and attaching these particles. A piezoelectric layer forming step of spraying an aerosol containing particles of piezoelectric material onto the one electrode layer and attaching the particles of the piezoelectric material, and an annealing process for annealing the piezoelectric layer There is provided a method of manufacturing a piezoelectric actuator including a step and a second electrode layer forming step of forming another electrode layer paired with the one electrode layer on the piezoelectric layer.
セラミックス粒子としては特に制限はなく、基板に衝突して食い込みが生じる程度の硬度を持ち、かつ、化学的に安定なものであればよい。具体的には、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ムライト等の酸化物セラミックスを単独で、あるいは2種以上を混合して使用することができる。 There are no particular limitations on the ceramic particles, and any ceramic particles may be used as long as they have a hardness sufficient to cause biting upon collision with the substrate and are chemically stable. Specifically, oxide ceramics such as alumina, silica, zirconia, and mullite can be used alone or in admixture of two or more.
導電性材料粒子は、電極の材料として一般的なものであれば特に制限はなく、例えば、Ag、Pt、Au、Co、Ti、Ni、Pd等を単独で、あるいは2種以上を混合して使用することができる。特に、他の層への拡散が起こりにくいPt、Au等が好ましい。電極としての導電性を確保するとともに、拡散による圧電層の圧電特性の低下を回避するためである。 The conductive material particle is not particularly limited as long as it is a general electrode material. For example, Ag, Pt, Au, Co, Ti, Ni, Pd, etc. may be used alone or in combination of two or more. Can be used. In particular, Pt, Au, or the like that hardly diffuses into other layers is preferable. This is to ensure conductivity as an electrode and to avoid a decrease in piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer due to diffusion.
また、基板および圧電材料としては、圧電アクチュエータの材料として通常に使用可能なものであれば特に制限はなく、例えば基板材料としてはステンレス鋼(SUS430、SUS304等)、42A合金、アルミナ、ジルコニア、チタン等を、圧電材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)等を単独で、あるいは2種以上を混合して使用することができる。 The substrate and the piezoelectric material are not particularly limited as long as they can be used normally as a material for the piezoelectric actuator. For example, the substrate material is stainless steel (SUS430, SUS304, etc.), 42A alloy, alumina, zirconia, titanium. As the piezoelectric material, lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, lead titanate, lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), etc. are used alone or in combination of two or more. Can be used.
この場合、金属などの導電性材料粒子と比較して硬度の大きいセラミックス粒子を混合して基板へ噴き付けるので、このセラミックス粒子が衝突の衝撃によって基板表面に食い込みつつ付着するため、基板と一の電極層との密着性を向上させることができる。さらに、一の電極層には、その表面に積層される圧電層を構成する圧電材料(多くは酸化物セラミックスである)と同質で親和性の高い酸化物セラミックスを含むこととなるため、一の電極層と圧電層との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。これにより、圧電アクチュエータを構成する各層間の密着性を良好なものとすることができる。加えて、セラミックス粒子を混合することにより、比較的高価な導電性材料粒子の使用量を相対的に減らすことができるため、製造コストを削減することができる。 In this case, ceramic particles having a hardness higher than that of conductive material particles such as metal are mixed and sprayed onto the substrate, and the ceramic particles adhere to the surface of the substrate due to impact of collision. Adhesion with the electrode layer can be improved. In addition, since one electrode layer contains oxide ceramics having the same quality and high affinity as the piezoelectric material (mostly oxide ceramics) constituting the piezoelectric layer laminated on the surface thereof, Adhesion between the electrode layer and the piezoelectric layer is also improved, and peeling due to a difference in thermal expansion coefficient is less likely to occur. Thereby, the adhesiveness between each layer which comprises a piezoelectric actuator can be made favorable. In addition, by mixing ceramic particles, the amount of relatively expensive conductive material particles used can be relatively reduced, so that the manufacturing cost can be reduced.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第1の電極層形成工程の前に、前記基板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を規制するセラミックス粒子を含むエアロゾルを前記基板に噴き付けて付着させることにより拡散防止層を形成することを含んでもよい。このように、拡散防止層を構成する粒子として比較的硬いセラミックス粒子を使用すれば、セラミックス粒子が衝突の衝撃によって基板表面に食い込みつつ付着するため、基板上に強く密着する。そして、この拡散防止層の上に形成する一の電極層は、拡散防止層と同質で親和性の高いセラミックス粒子を含有するので、拡散防止層との密着性が良く、熱膨張率の差による剥離が起こりにくい。このようにして、多くの層を積層する場合でも各層間の密着性を確保し、剥離を回避することができる。なお、一の電極層および拡散防止層を構成するセラミックス粒子は同一のものであっても良いし異なる種類のものであっても良いが、異なる種類のものを使用する場合には、上層のもの(後から付着させるもの)ほど硬度が高くなるようにすればよい。セラミックス粒子を付着層の表面に食い込ませて密着性を高めるためである。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, before the first electrode layer forming step, an aerosol containing ceramic particles that regulate diffusion of elements contained in the substrate into the piezoelectric layer is sprayed on the substrate. It may include forming an anti-diffusion layer by adhering. In this way, if relatively hard ceramic particles are used as the particles constituting the diffusion prevention layer, the ceramic particles adhere to the substrate surface by biting into the substrate due to the impact of the collision, and thus strongly adhere to the substrate. And since one electrode layer formed on this diffusion prevention layer contains the same quality and high affinity ceramic particles as the diffusion prevention layer, the adhesiveness with the diffusion prevention layer is good and due to the difference in thermal expansion coefficient. Peeling does not occur easily. In this way, even when many layers are stacked, adhesion between the respective layers can be ensured and peeling can be avoided. The ceramic particles constituting one electrode layer and the diffusion preventing layer may be the same or different types, but if different types are used, the upper layer is used. What is necessary is just to make it hardness so high that it attaches later. This is to increase the adhesion by causing the ceramic particles to bite into the surface of the adhesion layer.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第1の電極層を形成する部分にのみ前記拡散防止層を形成してもよい。この場合、拡散防止層が電極層を形成する部分にのみ形成されているので、拡散防止層が形成されていない部分については基板に含まれる元素が圧電層まで拡散し、圧電性能が落ちる。一方、拡散防止層が形成されている部分については拡散しないため、圧電性能を維持することができ、クロストークを抑制することができる。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, the diffusion prevention layer may be formed only in a portion where the first electrode layer is formed. In this case, since the diffusion preventing layer is formed only in the portion where the electrode layer is formed, the element contained in the substrate diffuses to the piezoelectric layer in the portion where the diffusion preventing layer is not formed, and the piezoelectric performance is deteriorated. On the other hand, since the portion where the diffusion preventing layer is formed does not diffuse, the piezoelectric performance can be maintained and crosstalk can be suppressed.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第1の電極層形成工程の後に、前記一の電極層に含まれる元素の前記圧電層への拡散を規制するセラミックス粒子を含むエアロゾルを前記一の電極層上に噴き付けて付着させることにより拡散防止層を形成することを含んでもよい。この場合、拡散防止層は、一の電極層に含まれるセラミックス粒子と同質で親和性の高いセラミックス粒子により構成されるから、一の電極層との密着性が良く、熱膨張率の差による剥離が起こりにくい。つまり、各層間の密着性を確保し、剥離を回避することができる。本発明においても、一の電極層および拡散防止層を構成するセラミックス粒子は同一のものであっても良いし異なる種類のものであっても良いが、異なる種類のものを使用する場合には、上層のもの(後から付着させるもの)ほど硬度が高くなるようにすればよい。セラミックス粒子を付着層の表面に食い込ませて密着性を高めるためである。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, after the first electrode layer forming step, an aerosol containing ceramic particles that restrict diffusion of elements contained in the one electrode layer into the piezoelectric layer is used as the one electrode. It may include forming a diffusion barrier layer by spraying onto the layer and depositing. In this case, since the diffusion preventing layer is composed of ceramic particles having the same quality and high affinity as the ceramic particles contained in one electrode layer, the adhesion with the one electrode layer is good and peeling due to the difference in thermal expansion coefficient. Is unlikely to occur. That is, it is possible to ensure adhesion between the layers and avoid peeling. Also in the present invention, the ceramic particles constituting one electrode layer and the diffusion prevention layer may be the same or different types, but when using different types, The upper layer (those to be attached later) may have a higher hardness. This is to increase the adhesion by causing the ceramic particles to bite into the surface of the adhesion layer.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記一の電極層形成工程における前記導電性材料粒子の混合比を4重量%〜50重量%としてもよい。このような配合比によれば、導電性材料粒子による電極としての導電性の確保と、セラミックス粒子の下層への食い込みによる密着性の確保との両立を、より確実なものとすることができる。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, a mixing ratio of the conductive material particles in the one electrode layer forming step may be 4 wt% to 50 wt%. According to such a blending ratio, it is possible to further ensure both of ensuring the conductivity as an electrode by the conductive material particles and ensuring the adhesion by biting the ceramic particles into the lower layer.
本発明の第3の態様に従えば、エアロゾルを構成する成分または組成を変えながらエアロゾルをエアロゾルデポジション法で噴き付けて多層膜を形成する工程と、前記多層膜をアニール処理する工程と、前記多層膜上に電極を形成する工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法が提供される。 According to the third aspect of the present invention, the step of spraying aerosol by an aerosol deposition method while changing the component or composition constituting the aerosol to form a multilayer film, the step of annealing the multilayer film, Forming a piezoelectric actuator on the multilayer film.
この場合、エアロゾルの成分やその組成を変えながら連続的に多層膜を形成するので、各層を別個の工程で形成する方法に比べ、効率的に多層膜を形成することができる。したがって、圧電アクチュエータの製造工程の効率化につながる。 In this case, since the multilayer film is continuously formed while changing the components of the aerosol and the composition thereof, the multilayer film can be formed more efficiently than the method of forming each layer in a separate process. Therefore, the manufacturing process of the piezoelectric actuator is improved.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記多層膜を形成する工程は、所定の比率で導電性材料粒子とセラミックス粒子を含むエアロゾル噴き付けて第一の電極層を形成することと、セラミックス粒子のみを含むエアロゾルを噴き付けて第二層を形成することと、所定の比率で導電性材料粒子とセラミックス粒子を含むエアロゾルを噴き付けて第二の電極層を形成することを含んでもよい。この場合、導電性材料粒子とセラミックス粒子の比率を変えながら、第一の電極層、第二層、および第二の電極層を連続的に形成することができる。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, the step of forming the multilayer film includes forming a first electrode layer by spraying an aerosol containing conductive material particles and ceramic particles at a predetermined ratio, and forming only the ceramic particles. Spraying an aerosol containing the second layer to form a second electrode layer, and spraying an aerosol containing conductive material particles and ceramic particles at a predetermined ratio to form the second electrode layer. In this case, the first electrode layer, the second layer, and the second electrode layer can be continuously formed while changing the ratio of the conductive material particles and the ceramic particles.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第二層を形成する際のセラミックス粒子は圧電セラミックス粒子であってもよい。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, the ceramic particles for forming the second layer may be piezoelectric ceramic particles.
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第二の電極層を形成する際のセラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアであり、導電性材料粒子はAgまたはAuの粒子であってもよい。 In the method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention, the ceramic particles for forming the second electrode layer may be alumina or zirconia, and the conductive material particles may be Ag or Au particles.
本発明の第4の態様に従えば、本発明の第2の態様の製造方法によって製造された圧電アクチュエータと、インク流路を備えたインク流路形成体とを接合してなるインクジェットヘッドの製造方法であって、前記基板として金属製基板を使用し、前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属性プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程とを備えるインクジェットヘッドの製造方法が提供される。 According to the fourth aspect of the present invention, an inkjet head manufactured by joining the piezoelectric actuator manufactured by the manufacturing method according to the second aspect of the present invention and an ink flow path forming body provided with an ink flow path. In the method, a metal substrate is used as the substrate, and holes serving as the ink flow paths are formed in each of a plurality of metal plates made of the same kind of metal as the metal substrate, and the plurality of metal plates An ink flow path forming body forming step of forming the ink flow path forming body by laminating and bonding, and a bonding step of bonding the metal substrate to the upper surface of the ink flow path forming body A manufacturing method is provided.
本発明の第5の態様に従えば、前記一の電極形成工程における、前記導電性材料粒子の混合比を4重量%〜50重量%とする製造方法によって製造された圧電アクチュエータと、インク流路を備えたインク流路形成体とを接合してなるインクジェットヘッドの製造方法であって、前記基板として金属製基板を使用し、前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属性プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程とを備えるインクジェットヘッドの製造方法が提供される。 According to the fifth aspect of the present invention, the piezoelectric actuator manufactured by the manufacturing method in which the mixing ratio of the conductive material particles in the one electrode forming step is 4 wt% to 50 wt%, and the ink flow path Each of a plurality of metal plates made of the same kind of metal as the metal substrate, using a metal substrate as the substrate. Forming an ink channel forming body by forming a hole to be the ink channel and laminating and joining the plurality of metallic plates, and the ink channel forming body There is provided an ink jet head manufacturing method comprising a bonding step of bonding the metal substrate to an upper surface of the inkjet head.
これらの場合、微細なインク流路を有するインクジェットヘッドにおいても、圧電アクチュエータを構成する層間での密着性を確保することができる。 In these cases, even in an ink jet head having a fine ink flow path, adhesion between the layers constituting the piezoelectric actuator can be ensured.
本発明の第6の態様に従えば、基板と、前記基板上に形成された第一の電極層と、前記第一の電極層上に形成された圧電層と、前記圧電層上に形成された第二の電極層とを備え、前記第一の電極層にはセラミックス粒子中に導電性材料が分散している圧電アクチュエータが提供される。 According to a sixth aspect of the present invention, a substrate, a first electrode layer formed on the substrate, a piezoelectric layer formed on the first electrode layer, and formed on the piezoelectric layer. And a second electrode layer, and the first electrode layer is provided with a piezoelectric actuator in which a conductive material is dispersed in ceramic particles.
この場合、第一の電極層に含まれるセラミックス粒子が基板の表面に食い込みつつ付着しているため、基板と第一の電極層との密着性が向上する。また、第一の電極層には、その表面に積層される圧電層を構成する圧電材料と同質で親和性の高い酸化物セラミックスを含むことになるので、第一の電極層と圧電層との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。したがって、圧電アクチュエータを構成する各層間の密着性を良好なものとすることができる。さらに、第一の電極層の成分としてセラミックス粒子を混入することにより、比較的高価な導電性材料粒子の使用量を相対的に減らすことができ、製造コストの削減につながる。 In this case, since the ceramic particles contained in the first electrode layer are adhered to the surface of the substrate while being adhered, the adhesion between the substrate and the first electrode layer is improved. In addition, since the first electrode layer includes oxide ceramics having the same quality and high affinity as the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer laminated on the surface, the first electrode layer and the piezoelectric layer Adhesion is also good, and peeling due to the difference in thermal expansion coefficient hardly occurs. Therefore, the adhesion between the layers constituting the piezoelectric actuator can be improved. Furthermore, by mixing ceramic particles as a component of the first electrode layer, the amount of relatively expensive conductive material particles used can be relatively reduced, leading to a reduction in manufacturing costs.
本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記セラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアの粒子であり、導電性材料粒子はAgまたはAuの粒子であってもよい。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the ceramic particles may be alumina or zirconia particles, and the conductive material particles may be Ag or Au particles.
<第1実施形態>
以下、本発明を具体化した第1実施形態について、図1〜図4Bを参照しつつ詳細に説明する。図1には、本実施形態のインクジェットヘッド10を示す。インクジェットヘッド10は、インク20が収容される複数の圧力室16を備えた流路ユニット11(インク流路形成体)と、この流路ユニット11上に圧力室16を閉じるように接合されたアクチュエータプレート1(圧電アクチュエータ)とを備えている。
<First Embodiment>
Hereinafter, a first embodiment embodying the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4B. FIG. 1 shows an
流路ユニット11は、全体として平板状をなしており、ノズルプレート12、マニホールドプレート13、流路プレート14、および圧力室プレート15(それぞれ金属製プレート)を順に積層するとともに、各プレート12、13、14、15を互いにエポキシ系の熱硬化性接着剤にて接合した構成となっている。
The flow path unit 11 has a flat plate shape as a whole, and the
ノズルプレート12は、ポリイミド系の合成樹脂材料にて形成されており、その内部にはインク20を噴射するための複数のインク吐出ノズル19が整列して形成されている。マニホールドプレート13は、例えばステンレス(SUS430)にて形成され、その内部には、インク吐出ノズル19に接続する複数のノズル流路18が設けられている。流路プレート14は、同じくステンレス(SUS430)にて形成されており、内部にノズル流路18に連通した複数のプレッシャ流路17が設けられている。圧力室プレート15は同じくステンレス(SUS430)にて形成され、その内部にはプレッシャ流路17に連通した複数の圧力室16が設けられている。圧力室16は、流路プレート14、マニホールドプレート13に設けられた図示しないマニホールド流路、および共通インク室を介してインクタンクに接続されている。このようにして、インクタンクに接続された共通インク室から、マニホールド流路、圧力室16、プレッシャ流路17およびノズル流路18を経てインク吐出ノズル19へと至るインク流路Fが形成されている。
The
この流路ユニット11に積層されるアクチュエータプレート1は、圧力室16の壁面の一部を構成する振動板2(基板および金属製基板)と、この振動板2上に形成された下部電極3(一の電極層)と、この下部電極3上に積層された圧電層4と、この圧電層4上に設けられた上部電極5(他の電極層)とで構成されている。
The actuator plate 1 stacked on the flow path unit 11 includes a vibration plate 2 (substrate and metal substrate) constituting a part of the wall surface of the
振動板2は、例えばステンレス(SUS430)にて矩形状に形成されており、流路ユニット11の上面に熱圧着により接合されて、流路ユニット11の上面全体を覆う形態となっている。なお、この振動板2は、流路ユニット11を構成するマニホールドプレート13、流路プレート14、および圧力室プレート15と同種の金属材料により形成されており、これにより、振動板2を流路ユニット11に熱圧着する際の反りを防止することができる。なお、振動板2を導電性材料で形成したときは、下部電極3とともに共通電極として作用する。
The
この振動板2において流路ユニット11に接する面と反対側の面には、圧力室16の開口部16Aに対応する位置に、下部電極3が形成されている。下部電極3は、振動板2の面上において各圧力室16の開口部16Aに対応する領域にそれぞれ設けられており、駆動回路IC(図示せず)のグランドに接続されている。この下部電極3は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、電極としての導電性を担保する導電性材料粒子M1と、振動板2に含まれる元素の圧電層4への拡散を防止する拡散防止機能、および圧電層4との密着性を担保するセラミックス粒子M2(図4Bを併せて参照)とで構成されており、拡散防止層を兼ねたものとなっている。
The
圧電層4は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体の圧電セラミックス材料から形成されており、振動板2との間で下部電極3を挟み込むようにしながら、振動板2の表面全体に均一な厚みで積層されている。この圧電層4は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、その厚み方向に分極するように分極処理が施されている。
The piezoelectric layer 4 is made of a ferroelectric piezoelectric ceramic material such as lead zirconate titanate (PZT), and the entire surface of the
この圧電層4の表面(振動板2に密着されている側と逆側の面)には、複数の上部電極5が備えられている。この上部電極5は、各圧力室16の開口部16Aに対応する領域にそれぞれ設けられるとともに、駆動回路ICに接続されており、駆動電極として使用される。
A plurality of upper electrodes 5 are provided on the surface of the piezoelectric layer 4 (the surface opposite to the side in close contact with the diaphragm 2). The upper electrode 5 is provided in a region corresponding to the
印刷を行う際には、駆動回路ICから所定の駆動信号が発せられると、上部電極5の電位が下部電極3よりも高い電位とされ、圧電層4の分極方向(厚み方向)に電界が印加される。すると、圧電層4が厚み方向に膨らむとともに、面方向に収縮する。これにより、圧電層4および振動板2(即ちアクチュエータプレート1)において圧力室16の開口に対応する領域が、圧力室16側に凸となるように局所的に変形する(ユニモルフ変形)。このため、圧力室16の容積が低下して、インク20の圧力が上昇し、インク吐出ノズル19からインク20が噴射される。その後、上部電極5が下部電極3と同じ電位に戻されると、圧電層4と振動板2とが元の形状になって圧力室16の容積が元の容積に戻るので、インク20をインクタンクに連通するマニホールド流路より吸い込む。
When performing printing, when a predetermined drive signal is issued from the drive circuit IC, the potential of the upper electrode 5 is set higher than that of the
さて、下部電極3および圧電層4は、エアロゾルデポジション法によって成膜されるものである。図2に、成膜装置30の概略図を示した。この成膜装置30は、材料粒子Mをキャリアガスに分散させてエアロゾルZを形成するエアロゾル発生器31、およびエアロゾルZを噴射ノズル37から噴出させて基板に付着させるための成膜チャンバ35を備えている。
The
エアロゾル発生器31には、内部に材料粒子Mを収容可能なエアロゾル室32と、このエアロゾル室32に取り付けられてエアロゾル室32を振動する加振装置33とが備えられている。エアロゾル室32には、キャリアガスを導入するためのガスボンベBが導入管34を介して接続されている。導入管34の先端はエアロゾル室32内部において底面付近に位置し、材料粒子M中に埋没するようにされている。キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。
The
成膜チャンバ35には、圧電層を形成する基板を取り付けるためのステージ36と、このステージ36の下方に設けられた噴射ノズル37が備えられている。噴射ノズル37は、エアロゾル供給管38を介してエアロゾル室32に接続されており、エアロゾル室32内のエアロゾルZが、エアロゾル供給管38を通って噴射ノズル37に供給されるようになっている。また、この成膜チャンバ35には、粉体回収装置39を介して真空ポンプPが接続されており、その内部を減圧することができる。
The
次に、この成膜装置30を用いて、インクジェットヘッド10用のアクチュエータプレート1を製造する方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the actuator plate 1 for the
まず、図3Aに示すように、ステンレスにより形成された振動板2を、流路ユニット11における圧力室プレート15の上面に位置合わせした状態で重ねて熱圧着により接合し、振動板2によって各圧力室16を閉鎖する。
First, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3Bに示すように、振動板2上に拡散防止層を兼ねる下部電極3を形成する(第1の電極層形成工程)。下部電極3は、エアロゾルデポジション法(AD法)によって形成する。まず、振動板2の表面において圧力室16の開口部16Aから外れた領域に周知の方法でマスキング(不図示)を施し、成膜装置30のステージ36にセットする。次いで、エアロゾル室32の内部に、材料粒子Mとして導電性材料粒子M1とセラミックス粒子M2との混合物を投入する。
Next, as shown in FIG. 3B, the
そして、ガスボンベBからキャリアガスを導入して、そのガス圧で材料粒子Mを舞い上がらせる。それととともに、加振装置33によってエアロゾル室32を振動することで、材料粒子Mとキャリアガスとを混合してエアロゾルZを発生させる。そして、成膜チャンバ35内を真空ポンプPにより減圧することにより、エアロゾル室32と成膜チャンバ35との間の差圧により、エアロゾル室32内のエアロゾルZを高速に加速しつつ噴射ノズル37から噴出させる。噴出したエアロゾルZに含まれる材料粒子Mは振動板2に衝突して堆積し、下部電極3の層を形成する。
And carrier gas is introduce | transduced from the gas cylinder B, and the material particle M is made to soar by the gas pressure. At the same time, the
このとき、材料粒子Mが比較的柔らかい金属粒子などにより構成されていると、振動板2に衝突した粒子Mが板面にめり込むことができず、十分なアンカー層が形成されないため、下部電極3と振動板2との密着性が弱くなる。概念図としての図4Aに示したように、粒子M1と振動板2を構成する粒子2aとの間には、明確な境界が存在している。しかし本実施形態では、材料粒子Mのうちで適度な硬さをもつセラミックス粒子M2が振動板2の表面に高速で衝突し、これらが粉砕されつつ振動板2に適度にめり込んだ微細構造を取る。図4Bに示したように、下部電極3と振動板2の境界においても、粒子M1およびM2が振動板2の粒子2aにめり込んでいる。これにより、粒界面が緻密で密着性の高い層を作ることができる。
At this time, if the material particles M are composed of relatively soft metal particles or the like, the particles M that have collided with the
続いて、マスキングを除去し、図3Cに示すように、圧電層4をエアロゾルデポジション法(AD法)によって形成する(圧電層形成工程)。まず、下部電極3形成後の振動板2を成膜装置30のステージ36にセットする。次いで、エアロゾル室32の内部に、材料粒子Mとして圧電材料の粒子を投入する。
Subsequently, the masking is removed, and as shown in FIG. 3C, the piezoelectric layer 4 is formed by the aerosol deposition method (AD method) (piezoelectric layer forming step). First, the
そして、上記した第1の電極層形成工程と同様にしてエアロゾルZを発生させ、振動板2に噴き付ける。噴出したエアロゾルZに含まれる材料粒子Mは振動板2に衝突して堆積し、圧電層4を形成する。このとき、下部電極3には、圧電層4を構成する圧電材料である酸化物セラミックスと同質で親和性の良いセラミックス粒子M2を含むこととなるため、下部電極3と圧電層4との密着性も良好となる。
Then, an aerosol Z is generated and sprayed on the
続いて、必要な圧電特性を得るために、形成した圧電層4のアニール処理を行う。このとき、ステンレス製の振動板2に含まれているFe、Cr等の金属元素が圧電層4中に拡散していく。しかし、圧力室16の開口部16Aに対応する領域、すなわち、電圧を印加することによって撓む領域には拡散防止層を兼ねる下部電極3が設けられているから、振動板2の金属元素が圧電層4へ拡散することはない。したがって、電圧の印加によって撓まされる領域において圧電特性を維持することができる。また、下部電極3にセラミックス粒子M2を含むことによって、振動板2−下部電極3間、および下部電極3−圧電層4間が強く密着しているから、熱衝撃による層間の剥離を回避することができる。
Subsequently, in order to obtain necessary piezoelectric characteristics, the formed piezoelectric layer 4 is annealed. At this time, metal elements such as Fe and Cr contained in the
次に、図3Dに示すように、圧電層4の上面に上部電極5、および各上部電極5に接続した複数のリード部(図示せず)を形成する。上部電極5及びリード部を形成するには、例えば、圧電層4上の全域に導体膜を形成した後、フォトリソグラフィ・エッチング法を利用して所定のパターンに形成してもよく、あるいは圧電層4の上面に直接スクリーン印刷により形成しても良い。 Next, as shown in FIG. 3D, the upper electrode 5 and a plurality of lead portions (not shown) connected to each upper electrode 5 are formed on the upper surface of the piezoelectric layer 4. In order to form the upper electrode 5 and the lead portion, for example, a conductor film may be formed over the entire area of the piezoelectric layer 4 and then formed into a predetermined pattern using a photolithography etching method. Alternatively, the piezoelectric layer may be formed. The upper surface of 4 may be formed directly by screen printing.
この後、上部電極5−下部電極3間に通常のインク噴射動作時よりも強い電界を印加して、両電極間の圧電層4を厚み方向に分極する(分極処理)。以上によりアクチュエータプレート1が完成する。
Thereafter, an electric field stronger than that in the normal ink ejection operation is applied between the upper electrode 5 and the
以上のように本実施形態によれば、振動板2に導電性材料粒子M1とセラミックス粒子M2とを含むエアロゾルZを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより、下部電極3を形成する。このように、硬度の大きいセラミックス粒子M2を導電性材料粒子M1に混合して噴き付ければ、このセラミックス粒子M2が衝突の衝撃によって振動板2の表面に食い込みつつ付着するため、振動板2と下部電極3との密着性を向上させることができる。さらに、下部電極3には、圧電層4を構成する材料である酸化物セラミックスと同質の酸化物セラミックスを含むこととなるため、下部電極3と圧電層4との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。このようにして、アクチュエータプレート1を構成する各層間の密着性を良好なものとすることができる。加えて、セラミックス粒子M2を混合することにより、比較的高価な導電性材料粒子M1の使用量を相対的に減らすことができるため、製造コストを削減することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、セラミックス粒子M2として拡散防止効果を有するものを使用する。これにより、下部電極3を、拡散防止層を兼ねるものとすることができるため、別に拡散防止層を形成する工程が必要なくなり、製造工程を簡略化できる。
Further, ceramic particles M2 having a diffusion preventing effect are used. Thereby, since the
<第2実施形態>
以下、本発明の第2実施形態について、図5A〜図6Bを参照しつつ説明する。本実施形態の第1実施形態との相違点は、アクチュエータプレート41において、振動板42と下部電極43との間に拡散防止層46が設けられている点にある。なお、第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
Second Embodiment
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 6B. The difference of this embodiment from the first embodiment is that a
図6Bに示す本実施形態のアクチュエータプレート41は、第1実施形態と同様にインクジェットヘッド用のものであって、圧力室16の壁面の一部を構成する振動板42を備えている。この振動板42上には、拡散防止層46と、この拡散防止層46上に積層された下部電極43と、この下部電極43上に積層された圧電層44と、この圧電層44上に設けられた上部電極45とが設けられている。
The
本実施形態のアクチュエータプレート41を製造するためには、まず、振動板42を第1実施形態と同様に圧力室プレート15の上面に位置合わせした状態で重ねて接合し、振動板42によって各圧力室16を閉鎖する(図5A)。
In order to manufacture the
次に、拡散防止層形成工程において、振動板42上において圧力室16の開口部16Aに対応する領域に、拡散防止層46を形成する。(図5B)。拡散防止層46は、第1実施形態と同様の成膜装置30を用い、エアロゾルデポジション法(AD法)により形成する。材料粒子Mとしては、振動板42に含まれる元素の圧電層44への拡散を防止する拡散防止機能を有する酸化物セラミックスの粒子(例えばアルミナ)を用いる。このとき、セラミックス粒子は比較的硬度が高いので、衝突の衝撃によって振動板42の表面に食い込みつつ付着する。これにより、振動板42と拡散防止層46とが強く密着する。
Next, in the diffusion preventing layer forming step, the
次に、図5Cおよび図5Dに示すように、拡散防止層46を形成した振動板42の面上に、第1実施形態と同様の成膜装置30を用いて、エアロゾルデポジション法(AD法)により下部電極43および圧電層44を形成する。このとき、拡散防止層46は、下部電極3に含まれる酸化物セラミックス(セラミックス粒子M2)と同質で親和性の良い酸化物セラミックスにより構成されるものであるため、拡散防止層46と下部電極43との密着性も良好となる。さらに、第1実施形態でも述べたように、下部電極43には、圧電層44を構成する圧電材料である酸化物セラミックスと同質で親和性の良いセラミックス粒子M2を含むこととなるため、下部電極43と圧電層44との密着性も良好となる。
Next, as shown in FIGS. 5C and 5D, an aerosol deposition method (AD method) is used on the surface of the
続いて図6Aに示すように、形成した圧電層44のアニール処理を行う。このとき、圧力室16の開口部16Aに対応する領域(すなわち、電圧を印加することによって撓む領域)には拡散防止層46が設けられているから、振動板42に含まれる金属元素の圧電層44への拡散が防止される。したがって、第1実施形態と同様、電圧を印加することによって撓まされる領域において圧電特性を維持することができる。また、振動板42と拡散防止層46、拡散防止層46と下部電極43、および、下部電極43と圧電層44がそれぞれ強く密着しているから、熱衝撃による剥離を回避することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 6A, the formed
この後、第1実施形態と同様に上部電極45を形成し(図6B)、分極処理を行ってアクチュエータプレート41が完成する。
Thereafter, the
以上のように本実施形態によれば、拡散防止層46、下部電極43、圧電層44と、多くの層を積層する場合でも、各層間の密着性を確保し、剥離を回避することができる。
As described above, according to the present embodiment, even when many layers are laminated with the
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
<実施例1−1>
1.下部電極および圧電層の形成
(1)下部電極
成膜装置としては基本的には上記実施形態で使用した図2に示した装置と同様であるが、この実施例では図7に示すように第2のエアロゾル発生器41およびボンベを更に有する装置を使用した。なお、第2のエアロゾル発生器41も第1のエアロゾル発生器31と同様に、内部に材料粒子Mを収容可能なエアロゾル室42と、このエアロゾル室42に取り付けられてエアロゾル室42を振動する加振装置43とが備えられ、エアロゾル室42にはキャリアガスを導入するためのガスボンベBが導入管34を介して接続されている。まず基板としては、ステンレス(SUS430)板の表面に厚さ1〜3μmのアルミナ層を形成したものを用い、平均粒子径0.3〜1μmのアルミナ粉末とAg粉末とを99:1の混合比で混合したものを、下部電極材料Mとして第1のエアロゾル室32内に収容した。基板のアルミナ層上に、ノズル開口0.4mm×10mm、成膜チャンバ内圧力200Pa、エアロゾル室内圧力30000Pa、キャリアガス種類He、ガス流量は4.5リットル/min、ノズル−基板間距離10〜20mmとして、第1のエアロゾル発生器31からのエアロゾルの噴き付けを行い、AD法により下部電極層を形成した。下部電極層の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね1〜2μmであった。
(2)圧電層
圧電層を形成するために、図7に示す第1のエアロゾル発生器31と第2のエアロゾル発生器41のノズル37に対する切り換えを、バルブVによって行った。上記のように形成した下部電極層上に、第2のエアロゾル室42に収容された平均粒子径0.3〜1μmのPZT粉末を、上記(1)と同様の条件で第2のエアロゾル発生器41から噴き付けることにより、AD法により圧電層を形成した。圧電層の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね8μmであった。
(3)アニール処理
続いて形成した圧電層のアニール処理を行った。マッフル炉(ヤマト工業株式会社製 FP100)を850℃に昇温し、内部に圧電層形成後の基板を投入した。所定時間保持した後、基板を炉から取り出して自然冷却により室温まで冷却した。
2.試験
下部電極層形成後、および圧電層形成後の成膜状況を目視により観察した。また、抵抗測定器(デジタルマルチメータ CDM−170)により下部電極の表面抵抗を測定した。
<Example 1-1>
1. Formation of Lower Electrode and Piezoelectric Layer (1) Lower Electrode The film forming apparatus is basically the same as the apparatus shown in FIG. 2 used in the above embodiment, but in this example, as shown in FIG. A device further comprising two
(2) Piezoelectric layer In order to form a piezoelectric layer, the
(3) Annealing treatment Subsequently, the formed piezoelectric layer was subjected to an annealing treatment. A muffle furnace (FP100, manufactured by Yamato Kogyo Co., Ltd.) was heated to 850 ° C., and the substrate after forming the piezoelectric layer was put inside. After holding for a predetermined time, the substrate was taken out of the furnace and cooled to room temperature by natural cooling.
2. Test The film formation after the formation of the lower electrode layer and after the formation of the piezoelectric layer was visually observed. Further, the surface resistance of the lower electrode was measured by a resistance measuring instrument (digital multimeter CDM-170).
<実施例1−2>
アルミナ粉末とAg粉末との混合比を98:2とした他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 1-2>
The test was performed by forming the lower electrode and the piezoelectric layer in the same manner as in Example 1-1 except that the mixing ratio of the alumina powder and the Ag powder was set to 98: 2.
<実施例1−3>
アルミナ粉末とAg粉末との混合比を96:4とした他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 1-3>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 1-1 except that the mixing ratio of the alumina powder and the Ag powder was 96: 4.
<実施例1−4>
アルミナ粉末とAg粉末との混合比を90:10とした他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 1-4>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 1-1 except that the mixing ratio of alumina powder and Ag powder was 90:10.
<実施例1−5>
アルミナ粉末とAg粉末との混合比を70:30とした他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 1-5>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 1-1 except that the mixing ratio of the alumina powder and the Ag powder was set to 70:30.
<実施例1−6>
アルミナ粉末とAg粉末との混合比を50:50とした他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 1-6>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 1-1 except that the mixing ratio of the alumina powder and the Ag powder was 50:50.
<実施例2−1>
下部電極材料として、ジルコニア粉末とAg粉末とを99:1の混合比で混合したものを用いた。その他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 2-1>
As the lower electrode material, a mixture of zirconia powder and Ag powder at a mixing ratio of 99: 1 was used. Other than that, the lower electrode and the piezoelectric layer were formed in the same manner as in Example 1-1, and the test was performed.
<実施例2−2>
ジルコニア粉末とAg粉末との混合比を98:2とした他は、実施例2−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 2-2>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 2-1, except that the mixing ratio of zirconia powder and Ag powder was 98: 2.
<実施例2−3>
ジルコニア粉末とAg粉末との混合比を96:4とした他は、実施例2−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 2-3>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 2-1, except that the mixing ratio of zirconia powder and Ag powder was 96: 4.
<実施例2−4>
ジルコニア粉末とAg粉末との混合比を90:10とした他は、実施例2−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 2-4>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 2-1, except that the mixing ratio of zirconia powder and Ag powder was 90:10.
<実施例2−5>
ジルコニア粉末とAg粉末との混合比を70:30とした他は、実施例2−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 2-5>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 2-1, except that the mixing ratio of the zirconia powder and the Ag powder was set to 70:30.
<実施例2−6>
ジルコニア粉末とAg粉末との混合比を50:50とした他は、実施例2−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 2-6>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 2-1, except that the mixing ratio of the zirconia powder and the Ag powder was 50:50.
<実施例3−1>
下部電極材料として、アルミナ粉末とAu粉末とを99:1の混合比で混合したものを用いた。その他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 3-1>
As the lower electrode material, a mixture of alumina powder and Au powder at a mixing ratio of 99: 1 was used. Other than that, the lower electrode and the piezoelectric layer were formed in the same manner as in Example 1-1, and the test was performed.
<実施例3−2>
アルミナ粉末とAu粉末との混合比を98:2とした他は、実施例3−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 3-2>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 3-1, except that the mixing ratio of alumina powder and Au powder was 98: 2.
<実施例3−3>
アルミナ粉末とAu粉末との混合比を96:4とした他は、実施例3−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 3-3>
The test was performed by forming the lower electrode and the piezoelectric layer in the same manner as in Example 3-1, except that the mixing ratio of the alumina powder and the Au powder was 96: 4.
<実施例3−4>
アルミナ粉末とAu粉末との混合比を90:10とした他は、実施例3−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 3-4>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 3-1, except that the mixing ratio of alumina powder and Au powder was 90:10.
<実施例3−5>
アルミナ粉末とAu粉末との混合比を70:30とした他は、実施例3−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 3-5>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 3-1, except that the mixing ratio of the alumina powder and the Au powder was set to 70:30.
<実施例3−6>
アルミナ粉末とAu粉末との混合比を50:50とした他は、実施例3−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Example 3-6>
A test was performed by forming a lower electrode and a piezoelectric layer in the same manner as in Example 3-1, except that the mixing ratio of the alumina powder and the Au powder was 50:50.
<比較例1>
下部電極材料として、アルミナ粉末を混入していないAg粉末を用いた。その他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Comparative Example 1>
As the lower electrode material, Ag powder not mixed with alumina powder was used. Other than that, the lower electrode and the piezoelectric layer were formed in the same manner as in Example 1-1, and the test was performed.
<比較例2>
基板上に、スパッタリングにより厚さ0.5μmのAg薄膜を形成し、これを下部電極層とした。その他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Comparative example 2>
An Ag thin film having a thickness of 0.5 μm was formed on the substrate by sputtering, and this was used as the lower electrode layer. Other than that, the lower electrode and the piezoelectric layer were formed in the same manner as in Example 1-1, and the test was performed.
<比較例3>
基板上に、スパッタリングにより厚さ0.5μmのTiAg薄膜を形成し、これを下部電極層とした。その他は、実施例1−1と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
<Comparative Example 3>
A TiAg thin film having a thickness of 0.5 μm was formed on the substrate by sputtering, and this was used as a lower electrode layer. Other than that, the lower electrode and the piezoelectric layer were formed in the same manner as in Example 1-1, and the test was performed.
[結果と考察]
実施例1−1〜1−6、および比較例1における、アルミナ粉末とAg粉末との混合比、下部電極成膜後、および圧電層成膜後の成膜状況の観察結果、並びに下部電極形成後、およびアニール処理後の表面電気抵抗の測定結果を表1に示した。
[Results and discussion]
In Example 1-1 to 1-6 and Comparative Example 1, the mixing ratio of the alumina powder and the Ag powder, the observation result of the film formation state after the lower electrode film formation and the piezoelectric layer film formation, and the lower electrode formation Table 1 shows the measurement results of the surface electrical resistance after and after annealing.
また、実施例2−1〜2−6、および実施例3−1〜3−6についても、同様に表2および表3に示した。なお、これらの実施例において、アニール処理後に圧電層上にスクリーン印刷等により上部電極を形成して、圧電アクチュエータを完成させることができる。 In addition, Examples 2-1 to 2-6 and Examples 3-1 to 3-6 are also shown in Table 2 and Table 3 in the same manner. In these embodiments, the upper electrode can be formed on the piezoelectric layer by annealing or the like after the annealing process to complete the piezoelectric actuator.
一方、下部電極層の材料としてアルミナ粉末とAg粉末との混合物を用いた場合(実施例1−1〜1−6)には、下部電極層成膜時、および圧電層成膜後ともに剥離は観察されず、基板−下部電極層−圧電層が強く密着していることが分かった。また、下部電極層の表面電気抵抗は、Ag粉末2重量%以上で0.6Ω以下となっており、導電性材料粒子の混合量が2重量%程度で電極としての導電性を充分に確保できることが分かった。また、圧電層のアニール処理後においては、Ag粉末4重量%以上では表面電気抵抗に大きな変化はなかったが、Ag粉末2重量%の場合に表面電気抵抗が20Ω以上に増大していた。これは、Agがアニール処理により圧電層や基板のアルミナ層に拡散したために、下部電極層の導電性が低下してしまったことによると考えられる。したがって、アニール処理による拡散を考慮すれば、導電性材料粒子の比率が4重量%以上となるようにすることが好ましい。 On the other hand, when a mixture of alumina powder and Ag powder was used as the material for the lower electrode layer (Examples 1-1 to 1-6), peeling occurred both during and after the formation of the lower electrode layer. It was not observed, and it was found that the substrate-lower electrode layer-piezoelectric layer was in close contact. Further, the surface electric resistance of the lower electrode layer is 0.6Ω or less when Ag powder is 2% by weight or more, and the conductivity as the electrode can be sufficiently secured when the mixing amount of the conductive material particles is about 2% by weight. I understood. In addition, after annealing of the piezoelectric layer, the surface electrical resistance did not change significantly when the Ag powder was 4 wt% or more, but the surface electrical resistance increased to 20 Ω or more when the Ag powder was 2 wt%. This is considered to be because the conductivity of the lower electrode layer was lowered because Ag diffused into the piezoelectric layer or the alumina layer of the substrate by the annealing treatment. Therefore, in consideration of diffusion due to the annealing treatment, it is preferable that the ratio of the conductive material particles be 4% by weight or more.
さらに、セラミックス粒子については、混合比50%以上で、充分な密着性を得ることができた。比較的高価な導電性材料粒子の使用量を相対的に減らすことによる製造コストの削減効果を考えれば、セラミックス粒子の混合比は、少なくとも50%以上とすることが好ましく、電極としての導電性が損なわれない範囲でできるだけ多くすることが好ましい。 Further, with respect to the ceramic particles, sufficient adhesion could be obtained at a mixing ratio of 50% or more. Considering the effect of reducing the manufacturing cost by relatively reducing the amount of the relatively expensive conductive material particles used, the mixing ratio of the ceramic particles is preferably at least 50% or more, and the conductivity as an electrode is high. It is preferable to increase as much as possible within a range not to be damaged.
また、セラミックス粒子をジルコニア粉末に変えた場合(実施例2−1〜2−6)、および導電性材料粒子をAuに変えた場合(実施例3−1〜3−6)でも、結果に大きな差異はなかった。なお、アニール処理時の拡散量の大きい材料を導電性材料粒子として使用する場合には、導電性材料粒子の比率をAgやAuの場合よりも高くすることが好ましいと考えられる。詳細にはデータを示さないが、例えばFeやCrを使用する場合には、10重量%程度で導電性を確保できるものと考えられる。 In addition, when the ceramic particles are changed to zirconia powder (Examples 2-1 to 2-6) and when the conductive material particles are changed to Au (Examples 3-1 to 3-6), the results are large. There was no difference. When a material having a large diffusion amount during annealing is used as the conductive material particles, it is preferable that the ratio of the conductive material particles be higher than that of Ag or Au. Although data is not shown in detail, for example, when Fe or Cr is used, it is considered that conductivity can be secured at about 10% by weight.
本発明の範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の範囲に含まれる。その他、本発明の範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。 The scope of the present invention is not limited by the above-described embodiments, and, for example, those described below are also included in the scope of the present invention. In addition, the scope of the present invention extends to an equivalent range.
上記各実施形態では、振動板2、42としてステンレス基板を使用したが、基板の材質としては上記各実施形態の限りではなく、例えばアルミナ基板等のセラミックス基板を使用しても良い。この場合、アニール処理時の基板からの拡散がないため、拡散防止層を省略することができる。
In each of the above embodiments, a stainless steel substrate is used as the
上記各実施形態では、下部電極3、43に絶縁性のセラミックス粉末を混合しているため、導電性材料粒子との混合比や導電性材料粒子の拡散の状況等によっては、電極層としての導電パスを確保しにくくなる可能性もある。この問題を回避するため、セラミックス粒子と導電性材料粒子とからなる層の上に、さらにスパッタリング、AD法等により導電性材料の層を積層しても良い。
In each of the above embodiments, since the insulating ceramic powder is mixed in the
上記各実施形態では、下部電極3、43上に直接に圧電層4、44を形成したが、導電性材料粒子を構成する金属が、アニール処理により拡散しやすい材料である場合には、一の電極層と圧電層との間に拡散防止層を設けても良い。
In each of the above embodiments, the
上記実施例では、アルミナ粉末とAg粉末、アルミナ粉末とAu粉末、およびジルコニア粉末とAg粉末の混合物を下部電極の材料として用いたが、PZT粉末とAg粉末、またはPZT粉末とAu粉末の混合物を下部電極の材料として用い、その上に圧電層を形成する際にはPZT粉末のみを材料として用いてもよい。 In the above examples, a mixture of alumina powder and Ag powder, alumina powder and Au powder, and zirconia powder and Ag powder was used as the material of the lower electrode. However, a mixture of PZT powder and Ag powder or PZT powder and Au powder was used. When the piezoelectric layer is formed on the lower electrode material, only PZT powder may be used as the material.
上記各実施形態では、圧電アクチュエータの製造例を挙げて説明してきたが、それに限らず、電池セルの製造や燃料電池に用いられる電解膜の製造、高効率触媒等の機能性コーティングの付与、医療分野で人工骨の製造等、各種複合材料膜の製造にも本発明の方法を用い得る。 In each of the above embodiments, the piezoelectric actuator has been described as an example of manufacturing. However, the present invention is not limited to this, and manufacturing of battery cells, manufacturing of electrolytic membranes used in fuel cells, application of functional coatings such as high-efficiency catalysts, medical The method of the present invention can also be used in the production of various composite material films such as artificial bones in the field.
1…アクチュエータプレート(圧電アクチュエータ)
2、42…振動板(基板、金属製基板)
3、43…下部電極(一の電極層)
4、44…圧電層
5、45…上部電極(他の電極層)
10…インクジェットヘッド
11…流路ユニット(インク流路形成体)
12…ノズルプレート(金属製プレート)
13…マニホールドプレート(金属製プレート)
14…流路プレート(金属製プレート)
15…圧力室プレート(金属製プレート)
46…拡散防止層
F…インク流路
M…材料粒子
M1…導電性材料粒子
M2…セラミックス粒子
Z…エアロゾル
1 ... Actuator plate (piezoelectric actuator)
2, 42 ... Diaphragm (substrate, metal substrate)
3, 43 ... Lower electrode (one electrode layer)
4, 44 ...
10: Inkjet head 11: Channel unit (ink channel forming body)
12 ... Nozzle plate (metal plate)
13 ... Manifold plate (metal plate)
14 ... Channel plate (metal plate)
15 ... Pressure chamber plate (metal plate)
46 ... Diffusion prevention layer F ... Ink channel M ... Material particle M1 ... Conductive material particle M2 ... Ceramic particle Z ... Aerosol
Claims (15)
前記混合物を含むエアロゾルを基板に噴き付ける工程と、
を含む複合材料膜の製造方法。 A step of mixing conductive material particles and ceramic particles to obtain a mixture;
Spraying an aerosol containing the mixture onto a substrate;
A method for producing a composite material film.
前記一の電極層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、
前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第2の電極層形成工程と、
を含む圧電アクチュエータの製造方法。 A first electrode layer forming step of forming one electrode layer by spraying an aerosol containing conductive material particles and ceramic particles on a substrate and attaching these particles;
A piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer by spraying an aerosol containing particles of a piezoelectric material on the one electrode layer and attaching the particles of the piezoelectric material;
An annealing process for annealing the piezoelectric layer;
A second electrode layer forming step of forming another electrode layer paired with the one electrode layer on the piezoelectric layer;
A method for manufacturing a piezoelectric actuator including:
前記多層膜をアニール処理する工程と、
前記多層膜上に電極を形成する工程と、
を含む圧電アクチュエータの製造方法。 A process of forming a multilayer film by spraying an aerosol by an aerosol deposition method while changing components or compositions constituting the aerosol;
Annealing the multilayer film;
Forming an electrode on the multilayer film;
A method for manufacturing a piezoelectric actuator including:
前記基板として金属製基板を使用し、
前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属製プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、
前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程と、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法。 A method for manufacturing an ink jet head comprising a piezoelectric actuator manufactured by the manufacturing method according to claim 4 and an ink flow path forming body including an ink flow path.
Using a metal substrate as the substrate,
The ink flow path forming body is formed by forming a hole to be the ink flow path in each of a plurality of metal plates made of the same type of metal as the metal substrate, and laminating and bonding the plurality of metal plates. An ink flow path forming body forming step to be formed;
A bonding step of bonding the metal substrate to the upper surface of the ink flow path forming body;
A method for manufacturing an inkjet head comprising:
前記基板として金属製基板を使用し、
前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属製プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、
前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程と、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法。 A method for manufacturing an ink-jet head comprising joining a piezoelectric actuator manufactured by the manufacturing method according to claim 7 and an ink flow path forming body including an ink flow path,
Using a metal substrate as the substrate,
The ink flow path forming body is formed by forming a hole to be the ink flow path in each of a plurality of metal plates made of the same type of metal as the metal substrate, and laminating and bonding the plurality of metal plates. An ink flow path forming body forming step to be formed;
A bonding step of bonding the metal substrate to the upper surface of the ink flow path forming body;
A method for manufacturing an inkjet head comprising:
前記基板上に形成された第一の電極層と、
前記第一の電極層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された第二の電極層と、
を備え、前記第一の電極層にはセラミックス粒子中に導電性材料が分散している圧電アクチュエータ。 A substrate,
A first electrode layer formed on the substrate;
A piezoelectric layer formed on the first electrode layer;
A second electrode layer formed on the piezoelectric layer;
A piezoelectric actuator in which a conductive material is dispersed in ceramic particles in the first electrode layer.
15. The piezoelectric actuator according to claim 14, wherein the ceramic particles are alumina or zirconia particles, and the conductive material particles are Ag or Au particles.
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