JP3340043B2 - Piezoelectric actuator and method of manufacturing the same - Google Patents

Piezoelectric actuator and method of manufacturing the same

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JP3340043B2 JP34902996A JP34902996A JP3340043B2 JP 3340043 B2 JP3340043 B2 JP 3340043B2 JP 34902996 A JP34902996 A JP 34902996A JP 34902996 A JP34902996 A JP 34902996A JP 3340043 B2 JP3340043 B2 JP 3340043B2
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いた
ユニモルフ型やバイモルフ型等の、屈折変位を発生させ
るタイプのアクチュエータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a unimorph type or bimorph type actuator using a piezoelectric element, which generates a refractive displacement.

【0002】[0002]

【従来の技術】ユニモルフ型やバイモルフ型のアクチュ
エータは、基板に接合された圧電素子に電圧を印加する
ことにより、該圧電素子を基板と共に屈折変形させ、電
気的エネルギーを機械的エネルギーに容易に変換せしめ
るデバイスである。この圧電アクチュエータは、特に発
音体(スピーカー等)、インクジェットプリンタヘッ
ド、各種振動子等に用いられる。また、この圧電アクチ
ュエータは、圧電素子の変位を拡大して出力することが
可能であり、ミクロンオーダーの優れた位置決め精度を
有する。
2. Description of the Related Art Unimorph and bimorph actuators apply a voltage to a piezoelectric element bonded to a substrate to cause the piezoelectric element to bend and deform together with the substrate, thereby easily converting electrical energy to mechanical energy. It is a device that is running. This piezoelectric actuator is used particularly for a sounding body (such as a speaker), an ink jet printer head, and various vibrators. Further, this piezoelectric actuator is capable of expanding and outputting the displacement of the piezoelectric element, and has excellent positioning accuracy on the order of microns.

【0003】図4に、圧電アクチュエータ10をインク
ポンプとして用いたインクジェットプリンターヘッドの
一例を示す。このヘッドの概略構造は、インク室21と
これに連通するノズル22を備えたヘッド基板20に、
圧電アクチュエータ10を接合してある。この圧電アク
チェータ10は、各インク室21に圧力を加える振動板
となる薄肉の基板1の表面に、上部電極4を有する圧電
素子2を接合層5を介して備えたものである。そして、
上記上部電極4と下部電極を成す基板1との間に電圧を
印加して圧電素子2と基板1を変形させ、インク室21
内の圧力を上昇させることによって、インク(不図示)
をノズル22より噴出させるようになっている。
FIG. 4 shows an example of an ink jet printer head using the piezoelectric actuator 10 as an ink pump. The general structure of this head is as follows: a head substrate 20 having an ink chamber 21 and a nozzle 22 communicating therewith;
The piezoelectric actuator 10 is joined. The piezoelectric actuator 10 is provided with a piezoelectric element 2 having an upper electrode 4 via a bonding layer 5 on the surface of a thin substrate 1 serving as a vibration plate for applying pressure to each ink chamber 21. And
The piezoelectric element 2 and the substrate 1 are deformed by applying a voltage between the upper electrode 4 and the substrate 1 forming the lower electrode, and the ink chamber 21
By increasing the pressure in the ink (not shown)
Is ejected from the nozzle 22.

【0004】なお、上記基板1、ヘッド基板20は金属
材で形成されており、図では1つのインク室21しか示
していないが、同様のものが複数、一列に並んでインク
ジェットヘッドを構成している。
The substrate 1 and the head substrate 20 are formed of a metal material. Although only one ink chamber 21 is shown in the figure, a plurality of similar ones are arranged in a line to constitute an ink jet head. I have.

【0005】また、特開平6−40030号、特開平6
−218929号公報等に示されるように、このインク
ジェットヘッドの材質としてセラミックスを用いること
も提案されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open Nos.
As shown in JP-A-218929 and the like, it has been proposed to use ceramics as a material of the ink jet head.

【0006】例えば図4と同じ構造で、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムのうちのいず
れか一種類を主成分とするセラミックスからなるヘッド
基板20に、酸化ジルコニウムを主成分とするセラミッ
クスからなる基板1を備え、この基板1に、PZTなど
の圧電素子2を上部電極4と下部電極を成す接合層5と
により挟持して接合したものが知られている。
For example, a head substrate 20 having the same structure as that shown in FIG. 4 and made of a ceramic mainly composed of any one of aluminum oxide, magnesium oxide and zirconium oxide is provided on a substrate made of a ceramic mainly composed of zirconium oxide. 1, a piezoelectric element 2 such as PZT is sandwiched between an upper electrode 4 and a bonding layer 5 that forms a lower electrode.

【0007】これらの圧電アクチュエータ10の製造方
法としては、予め所定形状に加工された圧電素子2を、
接着剤や低融点ガラスなどの接合層5により基板1上に
固着する方法や、あるいは上記各公報等に記されるよう
に、基板1を耐熱性に優れたセラミックスとし、その上
に圧電材料のセラミック粒子を主成分とするペーストや
スラリーを用いて、所定形状の膜を形成した後に、焼成
により基板上に結合する方法などが提案されている。
As a method of manufacturing these piezoelectric actuators 10, a piezoelectric element 2 previously processed into a predetermined shape is used.
A method in which the substrate 1 is fixed on the substrate 1 by a bonding layer 5 such as an adhesive or a low melting point glass, or as described in the above publications, the substrate 1 is made of ceramics having excellent heat resistance, and a piezoelectric material A method has been proposed in which a film having a predetermined shape is formed using a paste or slurry containing ceramic particles as a main component, and then bonded to a substrate by firing.

【0008】なお、上記圧電アクチュエータ10は、イ
ンクジェットヘッド以外に、発音体やその他の各種振動
体としても広く使用されている。
The piezoelectric actuator 10 is widely used as a sounding body and other various vibrators in addition to the ink jet head.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の例に
あげたインクジェットプリンターヘッド等においては、
印字品質・印字速度向上という観点から、圧電アクチュ
エータ10の低電圧作動化、高速応答化が要求される。
かかる特性を実現するためには、振動板となる基板1上
の圧電素子2を高密度・高精度に配置し、かつ基板1上
に配される各々の圧電素子2を、ばらつき無く高精度に
小型化する必要がある。また、このような圧電素子2の
小型化は、ユニモルフ型、バイモルフ型の圧電アクチュ
エータ一般において、形状と動作の精密化に寄与するも
のである。
By the way, in the ink jet printer head and the like mentioned in the above example,
From the viewpoint of improving printing quality and printing speed, the piezoelectric actuator 10 is required to operate at a lower voltage and have a higher response speed.
In order to realize such characteristics, the piezoelectric elements 2 on the substrate 1 serving as a vibration plate are arranged with high density and high accuracy, and each of the piezoelectric elements 2 arranged on the substrate 1 is accurately and without variation. It is necessary to reduce the size. Such miniaturization of the piezoelectric element 2 contributes to the refinement of the shape and operation of a general unimorph-type and bimorph-type piezoelectric actuator.

【0010】ところが、上記図4に示す圧電アクチュエ
ータ10では、基板1と圧電素子2との接合部の不均一
により、アクチュエータとしての駆動特性にばらつきが
生じたり、あるいは駆動時に接合層に過度の応力集中が
生じて、圧電素子2の破損や剥離が生じるという問題が
あった。
However, in the piezoelectric actuator 10 shown in FIG. 4, the unevenness of the joint between the substrate 1 and the piezoelectric element 2 causes variations in the drive characteristics of the actuator, or excessive stress on the joint layer during driving. There has been a problem that concentration occurs and the piezoelectric element 2 is damaged or peeled off.

【0011】また、上記の圧電アクチェータの製造方法
では、小型の圧電素子2を高精度に形成することが困難
であり、この結果、アクチュエータ駆動時の信頼性低下
を誘発するという問題があった。
Further, in the above-described method for manufacturing a piezoelectric actuator, it is difficult to form a small-sized piezoelectric element 2 with high precision, and as a result, there is a problem that reliability is reduced when the actuator is driven.

【0012】例えば、所定形状に形成した圧電素子2を
基板1に接合する製造方法の場合、圧電素子2を所定の
小型形状に加工すること自体が難しかった。特に圧電素
子2を薄くした場合、加工時や基板1に接合する際に破
損しやすいことから、製造工程全体を通じて、圧電アク
チュエータの歩留りが低下するという問題があった。さ
らに、多数の圧電素子2を基板1上に配する場合、これ
らの圧電素子2を精度良く位置決めすることが難しかっ
た。
For example, in the case of a manufacturing method in which a piezoelectric element 2 formed in a predetermined shape is joined to a substrate 1, it is difficult to process the piezoelectric element 2 into a predetermined small shape. In particular, when the piezoelectric element 2 is made thinner, it is liable to be broken at the time of processing or bonding to the substrate 1, so that the yield of the piezoelectric actuator is reduced throughout the manufacturing process. Furthermore, when many piezoelectric elements 2 are arranged on the substrate 1, it has been difficult to accurately position these piezoelectric elements 2.

【0013】一方、圧電セラミックを主成分とするペー
ストやスラリーによる膜形成で圧電素子2を形成する製
造方法の場合は、圧電素子2の焼成前の状態における形
状が不安定であり、損傷を受けやすいという問題があっ
た。また、その後の焼成において、圧電素子2を成すセ
ラミック膜の収縮のコントロールが難しく、焼成後に得
られる圧電素子2の寸法上の不良により、歩留りが悪く
なるなどの問題があった。
On the other hand, in the case of the manufacturing method in which the piezoelectric element 2 is formed by forming a film using a paste or slurry containing a piezoelectric ceramic as a main component, the shape of the piezoelectric element 2 before firing is unstable, and the piezoelectric element 2 is damaged. There was a problem that it was easy. Further, in the subsequent firing, it is difficult to control the shrinkage of the ceramic film forming the piezoelectric element 2, and there is a problem that the yield is deteriorated due to a dimensional defect of the piezoelectric element 2 obtained after firing.

【0014】そのため、従来の圧電アクチュエータをイ
ンクジェットヘッドに用いた場合、基板1上に形成され
た各圧電素子2の寸法がばらつくことにより、ノズル毎
にインク吐出性能にばらつきが生じ、ヘッドの駆動性能
に影響を及ぼすという問題があった。
Therefore, when a conventional piezoelectric actuator is used for an ink-jet head, the size of each piezoelectric element 2 formed on the substrate 1 varies, so that the ink ejection performance varies for each nozzle, and the driving performance of the head is reduced. Had the problem of affecting

【0015】本発明は、このような事情を背景に為され
たものであり、その課題とするところは、インクジェッ
トプリンタヘッド、発音体(スピーカー等)、各種振動
子等に用いられる、バイモルフ型、ユニモルフ型の圧電
アクチュエータにおいて、小型化・高精度化を可能とし
つつ、安定した特性を有する圧電アクチュエータと、そ
の安定した生産を実現する製造方法を提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a bimorph type, which is used for an ink jet printer head, a sounding body (such as a speaker), various vibrators, and the like. It is an object of the present invention to provide a unimorph type piezoelectric actuator which has a stable characteristic while enabling miniaturization and high precision, and a manufacturing method for realizing the stable production thereof.

【0016】[0016]

【問題点を解決するための手段】本発明は、基板上に、
電極を有する圧電素子を接合層を介して接合してなる圧
電アクチュエータにおいて、前記接合層の側面に、曲率
半径0.5μm〜80μmの凹曲面部を形成したことを
特徴とする。
[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising:
In a piezoelectric actuator in which a piezoelectric element having electrodes is bonded via a bonding layer, a concave curved surface portion having a radius of curvature of 0.5 μm to 80 μm is formed on a side surface of the bonding layer.

【0017】また本発明は、上記圧電素子は、その側面
が垂直方向に対して0°〜45°の角度を成すように設
定されていることを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the piezoelectric element is set such that the side surface forms an angle of 0 ° to 45 ° with respect to the vertical direction.

【0018】本発明によれば、基板と圧電素子との間に
介在される接合層の側面に、曲率半径0.5μm〜80
μmの凹曲面部を形成したことから、圧電アクチュエー
タの駆動時、圧電素子の変形によって生じる応力が接合
層に印加されたとしても、かかる応力が接合層の側面に
設けられる凹曲面部によって接合層内に良好に分散され
ることとなり、接合層の剥離を有効に防止して圧電素子
を基板上に強固に接合させておくことができる。しかも
この場合、上記凹曲面部が比較的軟らかい接着剤や各種
カップリング剤等からなる接合層に形成されているた
め、凹曲面部を形成する際に接合層に欠けや割れが生じ
るといった不具合が有効に防止され、圧電アクチュエー
タの生産性が高く維持される。
According to the present invention, the side surface of the bonding layer interposed between the substrate and the piezoelectric element has a radius of curvature of 0.5 μm to 80 μm.
Because the concave curved surface portion of μm is formed, even when stress generated by deformation of the piezoelectric element is applied to the bonding layer when the piezoelectric actuator is driven, the stress is applied to the bonding layer by the concave curved surface portion provided on the side surface of the bonding layer. The piezoelectric element can be firmly bonded to the substrate by effectively preventing the bonding layer from peeling off. In addition, in this case, since the concave curved surface portion is formed on the bonding layer made of a relatively soft adhesive or various coupling agents, there is a problem that the bonding layer is chipped or cracked when the concave curved surface portion is formed. This is effectively prevented, and the productivity of the piezoelectric actuator is kept high.

【0019】更に本発明によれば、上記圧電素子の側面
を垂直方向に対して0°〜45°の角度に設定すること
により、端部の破損を防ぎながら、圧電素子の変形を容
易とすることができる。
Further, according to the present invention, by setting the side surface of the piezoelectric element at an angle of 0 ° to 45 ° with respect to the vertical direction, the piezoelectric element can be easily deformed while preventing damage to the ends. be able to.

【0020】また、本発明は、上記圧電素子が、ジルコ
ン酸チタン酸鉛(PZT系)、マグネシウムニオブ酸鉛
(PMN系)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN系)、マン
ガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸
鉛、チタン酸鉛のなかの一種または二種以上を主成分と
する圧電セラミックスからなり、その厚さが1μm〜1
00μmであることを特徴とする。
Further, according to the present invention, the piezoelectric element may include lead zirconate titanate (PZT type), lead magnesium niobate (PMN type), lead nickel niobate (PNN type), lead manganese niobate, antimony stannate. lead, zinc lead niobate, a piezoelectric ceramic to Nakano one or mainly of two or more of lead titanate, its thickness is 1 [mu] m to 1
It is characterized in that it is 00 μm.

【0021】上記の圧電セラミックスは、圧電特性にす
ぐれるのみならず、ブラスト加工に対して、以下に示す
各種基板材料の多くより、良好な被加工性を有する。こ
れにより、基板上の圧電素子をブラスト加工する際に被
加工部の圧電素子を良好に除去することができる。
The above-mentioned piezoelectric ceramics have not only excellent piezoelectric properties but also good workability for blasting, compared with many of the following various substrate materials. Thus, when the piezoelectric element on the substrate is subjected to the blast processing, the piezoelectric element in the processing target portion can be satisfactorily removed.

【0022】更に本発明は、ZrO2 Al23、Si3
4を主成分とするセラミックス、ガラス、またはステ
ンレス、チタン、ニッケル、銅、アルミ合金の金属材
料、または高弾性の樹脂材料のいずれかより成る基板上
に、電極を有する圧電素子を備えてなる圧電アクチュエ
ータにおいて、上記圧電素子と基板との境界部に曲率半
径0.5μm〜80μmの凹曲面部を形成したことを特
徴とする。
Further, the present invention relates to a method for producing ZrO 2 , Al 2 O 3 , Si 3
A piezoelectric element having electrodes is provided on a substrate made of ceramic, glass, or a metal material of stainless steel, titanium, nickel, copper, or aluminum alloy containing N 4 as a main component, or a resin material having high elasticity. In the piezoelectric actuator, a concave curved portion having a radius of curvature of 0.5 μm to 80 μm is formed at a boundary between the piezoelectric element and the substrate.

【0023】なお、基板の材質としては、圧電素子より
もブラスト処理に対して高い耐久性を有する材料を用い
ることが好ましい。
As the material of the substrate, it is preferable to use a material having higher durability against the blasting process than the piezoelectric element.

【0024】また、本発明は、基板上に板状または膜状
の圧電素子を接合した後、該圧電素子にマスクを形成
し、高精度微細ブラスト加工により非マスク部の圧電素
子を除去するとともに、圧電素子と薄肉基板との接合部
の側面を凹曲面状に加工する工程からなる圧電アクチュ
エータの製造方法を特徴とする。
Further, according to the present invention, a plate-shaped or film-shaped piezoelectric element is bonded to a substrate, a mask is formed on the piezoelectric element, and the piezoelectric element in the non-mask portion is removed by high-precision fine blasting. And a method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a step of processing a side surface of a joint between a piezoelectric element and a thin substrate into a concave curved surface.

【0025】即ち、本発明によれば、マスクを形成した
上でブラスト加工を行うことにより、ブラスト加工の条
件を調整することによって、圧電素子と基板の境界部を
所定の曲率半径を持った凹曲面状としたり、圧電素子の
側面を所定の斜面状とすることが容易となる。
That is, according to the present invention, the boundary between the piezoelectric element and the substrate is recessed with a predetermined radius of curvature by adjusting the conditions of the blasting by performing the blasting after forming the mask. It is easy to make the shape of the curved surface or the side surface of the piezoelectric element a predetermined slope.

【0026】しかも、マスクパターンに従う任意の形状
の圧電素子を基板上に形成でき、多数の小型の圧電素子
を、基板上に高密度に精度よく配置することが容易に実
現可能となる。また、インクジェットヘッドに用いる圧
電アクチュエータに本製造方法を適用すれば、基板上に
配置される各圧電素子の寸法、位置決めを極めて高精度
とすることができ、各ノズルのインク吐出性能を均質化
できる。さらに本発明においては、圧電素子を基板上に
固定した後で加工をを行うことにより、圧電素子の基板
上への位置決めや接合時の破損という問題を解消でき
る。
In addition, a piezoelectric element having an arbitrary shape according to the mask pattern can be formed on the substrate, and a large number of small piezoelectric elements can be easily arranged with high density and high precision on the substrate. In addition, if this manufacturing method is applied to a piezoelectric actuator used for an ink jet head, the dimensions and positioning of each piezoelectric element arranged on the substrate can be made extremely high precision, and the ink ejection performance of each nozzle can be made uniform. . Further, in the present invention, by processing after fixing the piezoelectric element on the substrate, the problem of positioning of the piezoelectric element on the substrate and breakage at the time of joining can be solved.

【0027】なお、前述した特開平6−113396号
あるいは特開平7−115232号公報には、ブラスト
加工を用いる製造方法が記載されているが、これは本発
明とは異なっている。即ち、上記公報に示される方法で
は、圧電素子自体の表面粗度や金属製基板の表面粗度を
調整するためにブラスト加工を施しており、本発明のよ
うに圧電素子を所定形状に加工するためのものではな
い。
The above-mentioned JP-A-6-113396 or JP-A-7-115232 describes a manufacturing method using blasting, which is different from the present invention. That is, in the method disclosed in the above publication, blast processing is performed to adjust the surface roughness of the piezoelectric element itself or the surface roughness of the metal substrate, and the piezoelectric element is processed into a predetermined shape as in the present invention. Not for.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態をインク
ジェットヘッドを例にとって図により説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings by taking an ink jet head as an example.

【0029】図1に示すインクジェットヘッドは、イン
ク室21とノズル22が形成されたヘッド基板20の上
面に、圧電アクチュエータ10を接合した構造であり、
この圧電アクチュエータ10は、薄肉の基板1上に接合
層5を介して圧電素子2が接合され、該圧電素子2の上
面に上部電極4が備えられている。なお、各圧電素子2
はインク室21に対応する位置に備えられるとともに、
一方の端部2aが連結した形状となっている。
The ink jet head shown in FIG. 1 has a structure in which a piezoelectric actuator 10 is joined to the upper surface of a head substrate 20 in which an ink chamber 21 and a nozzle 22 are formed.
In the piezoelectric actuator 10, a piezoelectric element 2 is bonded to a thin substrate 1 via a bonding layer 5, and an upper electrode 4 is provided on an upper surface of the piezoelectric element 2. Each piezoelectric element 2
Is provided at a position corresponding to the ink chamber 21,
It has a shape in which one end 2a is connected.

【0030】ここで、基板1を金属等の導電材で形成す
る場合は、基板1自体を下部電極とすることができる
が、その他の場合は、接合層5を導電材で形成して下部
電極と成すことができる。そして、これらの電極間に電
圧を印加すれば圧電素子2及び基板1が変形してインク
室21を加圧し、ノズル22よりインク(不図示)を噴
射させることができる。
Here, when the substrate 1 is formed of a conductive material such as a metal, the substrate 1 itself can be used as a lower electrode. In other cases, the bonding layer 5 is formed of a conductive material and the lower electrode is formed. Can be achieved. When a voltage is applied between these electrodes, the piezoelectric element 2 and the substrate 1 are deformed and pressurize the ink chamber 21, so that ink (not shown) can be ejected from the nozzle 22.

【0031】また、図3に拡大断面図を示すように、基
板1と圧電素子2との境界部には曲率半径Rが0.5〜
80μmの凹曲面部7が形成されており、圧電素子2の
側面2bは垂直方向に対する角度αが45°以下の斜面
状となっている。そのため、圧電アクチュエータ10の
駆動時に、基板1と圧電素子2の接合部に応力が加わっ
ても、凹曲面部7が存在し、圧電素子2の側面2aが斜
面状となっていることから応力集中を緩和し、圧電素子
2の破損や剥離を防止できる。また、圧電素子2の側面
2aが斜面状となっているため、圧電素子2の変形を容
易にすることもできる。
As shown in the enlarged sectional view of FIG. 3, the radius of curvature R at the boundary between the substrate 1 and the piezoelectric element 2 is 0.5 to 0.5.
The concave curved surface portion 7 of 80 μm is formed, and the side surface 2b of the piezoelectric element 2 is a slope having an angle α with respect to the vertical direction of 45 ° or less. Therefore, even when stress is applied to the joint between the substrate 1 and the piezoelectric element 2 when the piezoelectric actuator 10 is driven, the stress concentration occurs because the concave curved surface portion 7 exists and the side surface 2a of the piezoelectric element 2 is inclined. And the breakage or peeling of the piezoelectric element 2 can be prevented. In addition, since the side surface 2a of the piezoelectric element 2 is inclined, the deformation of the piezoelectric element 2 can be facilitated.

【0032】なお、上記凹曲面部7の曲率半径Rを0.
5〜80μmとしたのは、曲率半径Rが0.5μm未満
では応力緩和の効果に乏しく、一方80μmを超えると
圧電素子2が充分に変形しにくくなるためである。
The radius of curvature R of the concave curved surface portion 7 is set to 0.
The reason why the thickness is set to 5 to 80 μm is that if the radius of curvature R is less than 0.5 μm, the effect of relaxing the stress is poor, while if it exceeds 80 μm, the piezoelectric element 2 becomes difficult to sufficiently deform.

【0033】また、この凹曲面部7の曲率半径Rの測定
は、所定の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)等を用い
て200〜20000倍程度に拡大した写真を元にして
測定する。さらに、この凹曲面部7は接合層5及び圧電
素子2の基板1側端部に形成され、基板1と圧電素子2
の接合部の全ての範囲にわたって存在することが好まし
いが、部分的に存在していても良い。
The curvature radius R of the concave curved surface portion 7 is measured based on a photograph obtained by enlarging a predetermined cross section to about 200 to 20000 times using a scanning electron microscope (SEM) or the like. Furthermore, the concave curved surface portion 7 is formed at the end of the bonding layer 5 and the piezoelectric element 2 on the substrate 1 side, and the substrate 1 and the piezoelectric element 2
Is preferably present over the entire range of the joint, but may be partially present.

【0034】このような凹曲面部7は、詳細を後述する
ように、ブラスト加工を施すことによって、所定の曲率
半径Rとなるように容易に形成することができる。
As described in detail later, such a concave curved surface portion 7 can be easily formed to have a predetermined radius of curvature R by performing blasting.

【0035】また、本発明は、上記圧電素子2の材質と
しては、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT系)、マグネシ
ウムニオブ酸鉛(PMN系)、ニッケルニオブ酸鉛(P
NN系)、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、
亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛などの一種又は二種以上を
主成分とする圧電セラミックスを用い、その厚さを1〜
100μmとすることが好ましい。
Further, according to the present invention, as the material of the piezoelectric element 2, lead zirconate titanate (PZT type), lead magnesium niobate (PMN type), lead nickel niobate (P
NN), lead manganese niobate, lead antimony stannate,
Using piezoelectric ceramics containing one or more kinds of lead zinc niobate, lead titanate or the like as main components, the thickness is 1 to
It is preferably 100 μm.

【0036】上記の圧電セラミックスは、圧電特性にす
ぐれるのみならず、ブラスト加工に対して、以下に示す
基板1の各種材料の多くより、良好な被加工性を有す
る。これにより、基板1上の圧電素子2をブラスト加工
する際に被加工部の圧電素子2を良好に除去することが
できる。
The above-described piezoelectric ceramics have not only excellent piezoelectric properties but also good workability for blasting, compared with many of the various materials for the substrate 1 described below. Accordingly, when the piezoelectric element 2 on the substrate 1 is subjected to the blast processing, the piezoelectric element 2 in the processing target portion can be satisfactorily removed.

【0037】一方、上記基板1の材質としては、ZrO
2 、Al2 3 、Si3 4 等を主成分とするセラミッ
クス、ガラス、またはステンレス、チタン、ニッケル、
銅、アルミ合金などの金属材料、または高弾性の樹脂材
料等を用いる。いずれの場合も、上記圧電素子2よりも
ブラスト処理に対して高い耐久性を有する材料を用いる
ことが好ましい。
On the other hand, the material of the substrate 1 is ZrO.
2 , ceramics, glass, or stainless steel, titanium, nickel, mainly containing Al 2 O 3 , Si 3 N 4, etc.
A metal material such as copper or an aluminum alloy, a highly elastic resin material, or the like is used. In any case, it is preferable to use a material having higher durability to blast processing than the piezoelectric element 2 described above.

【0038】また、上部電極4及び下部電極を兼用する
場合の接合層5の材質としては、プラチナ、銀、銀−パ
ラジウム等を用い、下部電極を兼用しない場合の接合層
5の材質としてはガラス、接着剤、各種カップリング剤
等を用いる。
Platinum, silver, silver-palladium, or the like is used as the material of the bonding layer 5 when the upper electrode 4 and the lower electrode are also used, and the material of the bonding layer 5 when the lower electrode is not used is glass. , Adhesives, various coupling agents, and the like.

【0039】次に、本発明の圧電アクチュエータ10と
して、基板1が下部電極を成す場合の製造方法を説明す
る。
Next, a description will be given of a method of manufacturing the piezoelectric actuator 10 of the present invention when the substrate 1 forms a lower electrode.

【0040】まず、図2(a)に示すように、基板1の
表面に接合層5を介して板状の圧電素子2を接合した
後、図2(b)に示すように圧電素子2上に、櫛状パタ
ーンのマスク3を形成する。このマスク3上からSiC
又はAl2 3 等の微粒子6を噴射するブラスト加工を
行えば、マスク3のない部分圧電素子2及び接合層5を
除去することができる。その後、マスク3を除去すれ
ば、図2(c)に示すように、圧電素子2の形状をマス
ク3と同じ櫛状とすることができ、この圧電素子2の上
に上部電極4を形成すれば、図1に示す圧電アクチュエ
ータ10を得ることができる。
First, as shown in FIG. 2A, a plate-shaped piezoelectric element 2 is bonded to the surface of a substrate 1 via a bonding layer 5, and then, as shown in FIG. Next, a mask 3 having a comb-like pattern is formed. SiC from above the mask 3
Alternatively, by performing blast processing for spraying fine particles 6 such as Al 2 O 3, the partial piezoelectric element 2 without the mask 3 and the bonding layer 5 can be removed. After that, if the mask 3 is removed, as shown in FIG. 2C, the shape of the piezoelectric element 2 can be made to be the same comb shape as the mask 3, and the upper electrode 4 can be formed on the piezoelectric element 2. Thus, the piezoelectric actuator 10 shown in FIG. 1 can be obtained.

【0041】以下、上記各工程を詳細に説明する。ま
ず、図2(a)に示す工程では、接合層5を成す接着
剤、各種カップリング剤などを、公知の各種の厚膜形成
法、例えばスクリーン印刷、スプレー、ディッピング、
塗布などの厚膜形成手法により、基板1の表面に形成し
た後、板状の圧電素子2を接着する。
Hereinafter, each of the above steps will be described in detail. First, in the step shown in FIG. 2A, an adhesive forming the bonding layer 5, various coupling agents, and the like are coated with various known thick film forming methods such as screen printing, spraying, dipping, and the like.
After being formed on the surface of the substrate 1 by a thick film forming technique such as coating, the plate-like piezoelectric element 2 is bonded.

【0042】次に、図2(b)に示す工程では、圧電素
子2上に感光性樹脂や金属板等からなるマスク3を形成
する。マスク3として感光性樹脂を用いる場合は、圧電
素子2上の全面に、上記の厚膜形成法により感光性樹脂
を塗布するか、又は予め所定の厚さに形成された感光性
樹脂シートを貼付後、該感光性樹脂層上に所定形状の遮
蔽物を設け、露光させることにより、所定形状のマスク
パターンを形成する。このような方法によれば、極めて
微細な形状のマスク3を高精度で形成することができ、
その結果、微細な形状の圧電素子2を高精度で形成する
ことができる。また、マスク3に金属を用いる場合、あ
らかじめ打ち抜きなどで所定のパターンを形成し、これ
を接着剤などで圧電素子2上に固定する。
Next, in a step shown in FIG. 2B, a mask 3 made of a photosensitive resin, a metal plate or the like is formed on the piezoelectric element 2. When a photosensitive resin is used as the mask 3, the photosensitive resin is applied to the entire surface of the piezoelectric element 2 by the above-described thick film forming method, or a photosensitive resin sheet previously formed to a predetermined thickness is attached. Thereafter, a mask having a predetermined shape is formed by providing a shield having a predetermined shape on the photosensitive resin layer and exposing the mask. According to such a method, the mask 3 having an extremely fine shape can be formed with high accuracy,
As a result, the piezoelectric element 2 having a fine shape can be formed with high accuracy. When a metal is used for the mask 3, a predetermined pattern is formed in advance by punching or the like, and this is fixed on the piezoelectric element 2 with an adhesive or the like.

【0043】この後、マスク3の上からブラスト加工を
施し、圧電素子2を所定形状に加工した後、図2(c)
に示すようにマスク3を除去するが、必要であれば空気
噴射や超音波洗浄により、加工に使用した微粒子6や、
加工した圧電素子2の微粉を除去する。
Thereafter, blasting is performed from above the mask 3 to process the piezoelectric element 2 into a predetermined shape.
The mask 3 is removed as shown in FIG. 3, but if necessary, the fine particles 6 used for processing are removed by air jetting or ultrasonic cleaning.
The fine powder of the processed piezoelectric element 2 is removed.

【0044】その後、圧電素子2の表面に上部電極4を
形成するが、この上部電極4の形成方法は、公知の各種
の膜形成法を用いることができる。例えばスクリーン印
刷、スプレー、ディッピング、塗布などの厚膜形成手
法、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオン
プレーティング、CVD、メッキなどの薄膜形成手法に
よって形成することができる。いずれの方法を用いるか
ということは、基板1の材料、あるいは接合層5の材料
特性、特にその耐熱温度に依存して決定される。
After that, the upper electrode 4 is formed on the surface of the piezoelectric element 2, and the upper electrode 4 can be formed by various known film forming methods. For example, it can be formed by a thick film forming technique such as screen printing, spraying, dipping, or coating, or a thin film forming technique such as ion beam, sputtering, vacuum deposition, ion plating, CVD, or plating. Which method is used is determined depending on the material of the substrate 1 or the material characteristics of the bonding layer 5, particularly, its heat-resistant temperature.

【0045】なお、製造方法の他の形態として、予め図
2(a)の段階で上部電極4まで形成しておき、この上
にマスク3を形成した後、ブラスト加工を施すこともで
きる。この場合、図3に示すようにマスク3のない部分
の上部電極4、圧電素子2、接合層5を除去し、加工後
にマスク3を除去すれば圧電アクチュエータ10を得る
ことができる。
As another form of the manufacturing method, it is possible to form the upper electrode 4 in advance at the stage of FIG. 2A, form the mask 3 thereon, and then perform blast processing. In this case, as shown in FIG. 3, the piezoelectric actuator 10 can be obtained by removing the upper electrode 4, the piezoelectric element 2, and the bonding layer 5 in a portion without the mask 3 and removing the mask 3 after processing.

【0046】さらに製造方法の他の形態として、基板1
を絶縁体で形成し、接合層5を下部電極と兼用させる場
合の製造方法は以下の通りである。
As another embodiment of the manufacturing method, the substrate 1
Is formed of an insulator, and the bonding layer 5 is also used as a lower electrode, in the following manner.

【0047】まず、耐熱絶縁材料からなる基板1上に、
下部電極を兼用する接合層5を成す電極ペーストを上記
各種の膜形成法により塗布し、この上に圧電素子2を成
す圧電セラミックスのペーストまたはスラリーを上記各
種の膜形成方法で形成し、その後、これらを同時焼成す
ることにより、図2(a)に示すように、基板1上に下
部電極を兼用する接合層5と圧電素子2を積層した構造
体を得ることができる。その後は、前述した方法と同様
にすればよい。
First, on a substrate 1 made of a heat-resistant insulating material,
An electrode paste forming the bonding layer 5 also serving as a lower electrode is applied by the above-described various film forming methods, and a piezoelectric ceramic paste or slurry forming the piezoelectric element 2 is formed thereon by the above various film forming methods. By simultaneously firing these, a structure in which the bonding layer 5 also serving as the lower electrode and the piezoelectric element 2 are laminated on the substrate 1 can be obtained as shown in FIG. After that, the same method as described above may be used.

【0048】以上のいずれの製造方法においても、図3
に示すように微粒子6でブラスト加工を施す際に、基板
1と圧電素子2との境界部が凹曲面状となりやすく、凹
曲面部7を容易に形成できる。同様に、圧電素子2の側
面2bを容易に斜面状に形成できる。このとき、微粒子
6の粒径やブラスト加工の条件等を変化させれば、所定
の曲率半径Rを持った凹曲面部7や所定の角度αの側面
2bを形成することができる。
In any of the above manufacturing methods, FIG.
When the blast processing is performed with the fine particles 6 as shown in FIG. 7, the boundary between the substrate 1 and the piezoelectric element 2 tends to have a concave curved surface, and the concave curved surface 7 can be easily formed. Similarly, the side surface 2b of the piezoelectric element 2 can be easily formed into a slope. At this time, if the particle size of the fine particles 6, the conditions of the blasting, and the like are changed, the concave curved surface portion 7 having the predetermined radius of curvature R and the side surface 2b having the predetermined angle α can be formed.

【0049】なお、この時図3(b)に示すように、接
合層5を完全に分断せず、一部がつながった状態として
も良い。
At this time, as shown in FIG. 3B, the bonding layer 5 may be partially connected without being completely divided.

【0050】また、図1に示すインクジェットヘッドの
ように、基板1の下にヘッド基板20を接合する場合
は、予めインク室21及びノズル22を形成したヘッド
基板20を基板1に接合しておき、しかるのち、上記の
方法で基板1上に圧電素子2を形成することができる。
When the head substrate 20 is bonded under the substrate 1 like the ink jet head shown in FIG. 1, the head substrate 20 in which the ink chambers 21 and the nozzles 22 are formed is bonded to the substrate 1 in advance. Thereafter, the piezoelectric element 2 can be formed on the substrate 1 by the above method.

【0051】この場合、基板1のインク室21を覆う部
分で、ブラスト加工の気体圧力により、基板1が損傷を
受ける可能性がある。このような場合は、予め非圧縮性
の液体を注入してインク室21を満たし、インク流路と
ノズル22を塞ぐことによって、インク室21内の液体
によってブラスト加工時の気体圧力を支持することがで
きる。なお、ブラスト加工後には、インク流路とノズル
22を開放し、インク室21内の液体を低温で加熱、ま
たは自然蒸発させれば良い。
In this case, there is a possibility that the substrate 1 may be damaged by the gas pressure of the blasting at the portion of the substrate 1 covering the ink chamber 21. In such a case, the gas pressure during blasting is supported by the liquid in the ink chamber 21 by filling the ink chamber 21 by injecting an incompressible liquid in advance and closing the ink flow path and the nozzle 22. Can be. After the blast processing, the ink flow path and the nozzle 22 may be opened, and the liquid in the ink chamber 21 may be heated at a low temperature or naturally evaporated.

【0052】なお、本発明の圧電アクチュエータ10の
構造や形状は、上記の内容に限定されるものではない。
また、上記実施形態ではインクジェットヘッドに用いた
例について説明したが、本発明の圧電アクチェータ10
は、発音体やその他の各種振動体としてさまざまな分野
に用いることができる。
The structure and shape of the piezoelectric actuator 10 of the present invention are not limited to the above.
In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to an ink jet head has been described.
Can be used in various fields as a sounding body and other various vibrating bodies.

【0053】[0053]

【実施例】本発明の圧電アクチェータ10を図2に示す
製造方法で作製した。
EXAMPLE A piezoelectric actuator 10 of the present invention was manufactured by the manufacturing method shown in FIG.

【0054】チタン酸ジルコン酸塩(PZT)を主成分
とする厚み30μmのセラミックグリーンシートを、金
型により板状に打ち抜いた後、焼成し、板状の圧電素子
2を作製した。なお、このとき、そりを防ぐために、重
りをのせて脱バインダー及び焼成を行った。
A 30-μm-thick ceramic green sheet containing zirconate titanate (PZT) as a main component was punched out in a plate shape by a mold and fired to produce a plate-shaped piezoelectric element 2. At this time, in order to prevent warpage, a binder was removed and baked with a weight.

【0055】次に、図2(a)に示すように、厚み10
μmのステンレス製の基板1の表面に、融点が500℃
以下の低融点ガラスのペーストによる接合層5をスクリ
ーン印刷により形成し、乾燥後、上記板状の圧電素子2
を重ね合わせ、重りをのせて約500℃で約5分間の熱
処理を行い、両者を接合させた。
Next, as shown in FIG.
A melting point of 500 ° C.
A bonding layer 5 made of the following low-melting glass paste is formed by screen printing, and after drying, the plate-shaped piezoelectric element 2 is formed.
Were superimposed, a weight was placed thereon, and a heat treatment was performed at about 500 ° C. for about 5 minutes to join the two.

【0056】次に、圧電素子板2上に感光性樹脂シート
を貼付し、所定のマスクパターンを残すように感光性樹
脂を露光させることによって、図2(b)に示すよう
に、圧電素子2上にマスク3を形成した。このマスク3
の上から、ブラスト加工を施すことにより、マスク3の
内部分の圧電素子2及び接合層5を除去した後、残った
マスク3を除去して、図2(c)に示す形状の圧電素子
2を得た。
Next, a photosensitive resin sheet is stuck on the piezoelectric element plate 2 and the photosensitive resin is exposed so as to leave a predetermined mask pattern, as shown in FIG. A mask 3 was formed thereon. This mask 3
After removing the piezoelectric element 2 and the bonding layer 5 from the inner portion of the mask 3 by performing blasting from above, the remaining mask 3 is removed, and the piezoelectric element 2 having the shape shown in FIG. I got

【0057】その後、圧電素子2上に銀からなる上部電
極4を蒸着し、配線を施して圧電素子2の分極を施し
て、圧電アクチュエータ10を得た。
Thereafter, an upper electrode 4 made of silver was deposited on the piezoelectric element 2, wiring was performed, and polarization of the piezoelectric element 2 was performed to obtain a piezoelectric actuator 10.

【0058】以上のようにして作製された圧電アクチュ
エータ10は、良好に作動し、特に圧電素子2と基板1
の接合面における剥離や圧電素子2縁部の破損が減少
し、信頼性に優れるアクチュエータが実現できた。ま
た、複数の圧電素子2を一枚の基板1上に形成する場合
においても、圧電素子2の形状および駆動特性にばらつ
きが少なくなった。また、圧電素子2を基板1と一体に
して加工することから、取扱いが容易になり、製品の歩
留りが向上した。
The piezoelectric actuator 10 manufactured as described above operates satisfactorily, and particularly the piezoelectric element 2 and the substrate 1
The peeling at the bonding surface of the substrate and the damage to the edge of the piezoelectric element 2 were reduced, and an actuator having excellent reliability was realized. In addition, even when a plurality of piezoelectric elements 2 are formed on one substrate 1, variations in the shape and driving characteristics of the piezoelectric elements 2 are reduced. Further, since the piezoelectric element 2 is processed integrally with the substrate 1, handling is facilitated, and the product yield is improved.

【0059】特に、本発明の圧電アクチュエータ10を
インクジェットヘッドに適用した場合、小型の圧電素子
2を精度よく配置することが可能となり、インクジェッ
トヘッドの高密度化が実現された。
In particular, when the piezoelectric actuator 10 of the present invention is applied to an ink jet head, it is possible to accurately arrange the small piezoelectric elements 2 and realize a high density ink jet head.

【0060】実験例1 次に、上記の圧電アクチュエータ10を図1に示すイン
クジェットヘッドに適用し、基板1と圧電素子2との境
界部の凹曲面部の曲率半径Rを変化させる実験を行っ
た。
EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Next, an experiment was conducted in which the above-described piezoelectric actuator 10 was applied to the ink jet head shown in FIG. 1 and the curvature radius R of the concave curved surface portion at the boundary between the substrate 1 and the piezoelectric element 2 was changed. .

【0061】図1のインク室21に対応する基板1及び
圧電素子2の幅(図面の左右方向)は260μm、長さ
(図面の奥行き方向)は3mmとし、基板1は厚み20
μmのステンレス、接合層5は厚み20μmの低融点ガ
ラスとし、圧電素子2は厚み70μmのPZTで形成し
た。
The width (horizontal direction in the drawing) of the substrate 1 and the piezoelectric element 2 corresponding to the ink chamber 21 in FIG. 1 is 260 μm, the length (the depth direction in the drawing) is 3 mm, and the substrate 1 has a thickness of 20 μm.
The joining layer 5 was formed of low-melting glass having a thickness of 20 μm, and the piezoelectric element 2 was formed of PZT having a thickness of 70 μm.

【0062】また、ブラスト加工の条件を変化させて、
凹曲面部7の曲率半径Rを表1に示すように0〜90μ
mの範囲で変化させた。なお、曲率半径Rの測定は、断
面を走査型顕微鏡で200〜20000倍に拡大した写
真から求めた。各圧電アクチュエータ10に、電圧を1
00V印加した際に、圧電素子2及びに接合層5に生じ
る最大応力をコンピュータシミュレーションによって算
出し、同時に変位量を測定した。
By changing the blasting conditions,
The radius of curvature R of the concave curved surface portion 7 is 0 to 90 μm as shown in Table 1.
m. In addition, the measurement of the curvature radius R was obtained from a photograph whose section was enlarged 200 to 20,000 times by a scanning microscope. A voltage of 1 is applied to each piezoelectric actuator 10.
When a voltage of 00 V was applied, the maximum stress generated in the piezoelectric element 2 and the bonding layer 5 was calculated by computer simulation, and the displacement was measured at the same time.

【0063】結果は表1に示す通りである。この結果よ
り、曲率半径Rを0.5μm以上に大きくすると、応力
集中が抑制されるため、圧電素子2及び接合層5に発生
する応力が110MPa以下に低下する傾向が見られ
た。その一方で、曲率半径Rを80μmよりも大きくす
ると基板1に固定される圧電素子2の非活性部の面積が
増えるため、基板1の変位量が0.5μm以下に小さく
なる傾向が見られる。
The results are as shown in Table 1. From this result, when the radius of curvature R is increased to 0.5 μm or more, stress concentration is suppressed, and thus the stress generated in the piezoelectric element 2 and the bonding layer 5 tends to decrease to 110 MPa or less. On the other hand, if the radius of curvature R is larger than 80 μm, the area of the inactive portion of the piezoelectric element 2 fixed to the substrate 1 increases, so that the displacement of the substrate 1 tends to be reduced to 0.5 μm or less.

【0064】また、ブラストの加工能力から、0.5μ
m以下の曲率半径Rをつけることは困難であり、その一
方で加工できる圧電素子2の厚みは100μm程度が限
界である。また、曲率半径Rが極端に大きくなる場合、
形状のコントロールが難しくなり、圧電素子2の駆動特
性に影響を及ぼすこととなる。
Also, from the processing ability of the blast,
It is difficult to provide a radius of curvature R of less than m, while the thickness of the piezoelectric element 2 that can be processed is limited to about 100 μm. When the curvature radius R becomes extremely large,
It becomes difficult to control the shape, which affects the driving characteristics of the piezoelectric element 2.

【0065】以上の条件を考慮し、応力集中を防ぎ、適
当な変位が得られ、かつ加工を可能とするには、凹曲面
部7の曲率半径Rを0.5〜80μmとすれば良い。
Considering the above conditions, in order to prevent stress concentration, obtain an appropriate displacement, and enable machining, the radius of curvature R of the concave curved surface portion 7 may be set to 0.5 to 80 μm.

【0066】[0066]

【表1】 [Table 1]

【0067】実験例2 次に、圧電素子2の側面2bの垂直方向に対する角度α
を変化させた場合の発生応力と変位の関係を調べた。
Experimental Example 2 Next, the angle α of the side surface 2b of the piezoelectric element 2 with respect to the vertical
The relationship between the generated stress and the displacement when the temperature was changed was investigated.

【0068】上記と同様の圧電アクチュエータ10にお
いて、凹曲面部7の曲率半径Rを0とし、基板1側との
接合面の幅を一定にして、圧電素子2の側面2bの垂直
方向に対する角度αを0〜60°まで変化させた場合
の、各条件における基板1の変位とアクチュエータに生
じる最大応力の関係を表2に示す。
In the same piezoelectric actuator 10 as described above, the curvature radius R of the concave curved surface portion 7 is set to 0, the width of the joint surface with the substrate 1 is fixed, and the angle α of the side surface 2 b of the piezoelectric element 2 with respect to the vertical direction is set. Table 2 shows the relationship between the displacement of the substrate 1 and the maximum stress generated in the actuator under each condition when is changed from 0 to 60 °.

【0069】表2に示すように、角度αの増大に伴って
最大変位量は増加し、角度αが45°を過ぎた後減少に
転じた。一方、最大発生応力は漸次減少していった。こ
れは、圧電素子2の側面2bが斜面状になると、圧電素
子2が基板1側に凸となるように曲がりやすくなる傾向
が現れ、その後角度αが大きくなりすぎると、圧電素子
2の接合面積に対する上部電極4の面積が小さくなり、
圧電素子2の駆動効率が低下するためであると考えられ
る。また、この間の応力の低下傾向は、斜面による圧電
素子2の剛性低下と、後には変位量の減少が同時に影響
したものと考えられる。
As shown in Table 2, the maximum displacement increased with an increase in the angle α, and began to decrease after the angle α passed 45 °. On the other hand, the maximum generated stress gradually decreased. This is because when the side surface 2b of the piezoelectric element 2 is inclined, the piezoelectric element 2 tends to bend so as to be convex toward the substrate 1, and when the angle α becomes too large, the bonding area of the piezoelectric element 2 becomes large. , The area of the upper electrode 4 with respect to
It is considered that this is because the driving efficiency of the piezoelectric element 2 is reduced. The tendency of the stress to decrease during this period is considered to be caused by the decrease in the rigidity of the piezoelectric element 2 due to the slope and the decrease in the displacement later.

【0070】以上の結果より、圧電アクチュエータ10
の発生応力を低減せしめ、同時に変形特性を確保するに
は、圧電素子2の側面2bを斜面状とし、その角度αを
45°以下の範囲とすればよい。
From the above results, the piezoelectric actuator 10
In order to reduce the stress generated at the same time and secure the deformation characteristics at the same time, the side surface 2b of the piezoelectric element 2 may be formed into a slope, and the angle α may be set to 45 ° or less.

【0071】[0071]

【表2】 [Table 2]

【0072】実験例3 次に、ブラストによる材料毎の加工性の違いについて実
験を行った。
EXPERIMENTAL EXAMPLE 3 Next, an experiment was conducted on the difference in workability of each material by blasting.

【0073】圧電素子2を成す平滑なPZT板の表面
に、一辺1cmの正方形部分を残して、感光製樹脂でマ
スクを施し、平均粒径6μmのSiC微粉を、4kgf
/cm2 の気体圧力、40g/分のレートでこのPZT
板に15秒間噴射して正方形の孔を形成した後、形成さ
れた正方形孔の四隅部と中心の深さをダイヤルゲージに
より測定し、その差の平均を求め、加工レートを算出し
た。
The surface of the smooth PZT plate forming the piezoelectric element 2 was masked with a photosensitive resin, leaving a square portion of 1 cm on a side, and 4 kgf of SiC fine powder having an average particle size of 6 μm was applied.
/ Pm 2 at a gas pressure of 40 g / min.
After spraying the plate for 15 seconds to form a square hole, the four corners and the center depth of the formed square hole were measured with a dial gauge, the average of the difference was obtained, and the processing rate was calculated.

【0074】一方、基板1を成す材質として、ステンレ
ス、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックスに
ついても上記と同じ実験を行った。
On the other hand, the same experiment as described above was carried out for stainless steel, alumina ceramics, and zirconia ceramics as the material forming the substrate 1.

【0075】結果は表3に示す通りである。この結果よ
り、ステンレス、アルミナ、ジルコニアの加工性はPZ
Tに劣るものであり、ブラスト加工に対する耐久性が高
いことがわかる。したがって、本発明の圧電アクチュエ
ータ10において、好ましくは、PZTからなる圧電素
子2に対し、よりブラストに対する耐久性を有するステ
ンレス、アルミナ、ジルコニア等の材料を基板1として
使用することにより、ブラスト加工に際して基板1の損
耗をできるかぎり抑制することができる。
The results are as shown in Table 3. From these results, the workability of stainless steel, alumina, and zirconia was PZ
It is inferior to T, indicating that the durability against blasting is high. Therefore, in the piezoelectric actuator 10 of the present invention, it is preferable to use a material such as stainless steel, alumina, zirconia or the like having higher durability against blast for the piezoelectric element 2 made of PZT as the substrate 1 so that the substrate can be used for blast processing. 1 can be suppressed as much as possible.

【0076】[0076]

【表3】 [Table 3]

【0077】[0077]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、基板上
に、電極を有する圧電素子を接合層を介して接合してな
る圧電アクチュエータにおいて、前記接合層の側面に、
曲率半径0.5μm〜80μmの凹曲面部を形成したこ
とから、圧電アクチュエータの駆動時、圧電素子の変形
によって生じる応力が接合層に印加されたとしても、か
かる応力が接合層の側面に設けられる凹曲面部によって
接合層内に良好に分散されることとなり、接合層の剥離
を有効に防止して圧電素子を基板上に強固に接合させて
おくことができ、信頼性の高い圧電アクチュエータを得
ることが可能となる。しかもこの場合、上記凹曲面部が
比較的軟らかい接着剤や各種カップリング剤等からなる
接合層に形成されているため、凹曲面部を形成する際に
接合層に欠けや割れが生じるといった不具合が有効に防
止され、圧電アクチュエータの生産性が高く維持され
る。
As described above, according to the present invention, in a piezoelectric actuator in which a piezoelectric element having electrodes is bonded on a substrate via a bonding layer,
Since the concave curved surface portion having a radius of curvature of 0.5 μm to 80 μm is formed, even when stress generated by deformation of the piezoelectric element is applied to the bonding layer when the piezoelectric actuator is driven, the stress is provided on the side surface of the bonding layer. The concave curved surface portion allows the piezoelectric element to be satisfactorily dispersed in the bonding layer, effectively preventing peeling of the bonding layer, firmly bonding the piezoelectric element to the substrate, and obtaining a highly reliable piezoelectric actuator. It becomes possible. In addition, in this case, since the concave curved surface portion is formed on the bonding layer made of a relatively soft adhesive or various coupling agents, there is a problem that the bonding layer is chipped or cracked when the concave curved surface portion is formed. This is effectively prevented, and the productivity of the piezoelectric actuator is kept high.

【0078】また本発明によれば、基板上に板状または
膜状の圧電素子を接合した後、該圧電素子にマスキング
を施し、高精度微細ブラスト加工により非マスキング部
の圧電素子を除去するとともに、圧電素子と基板との接
合部の側面を凹曲面状に加工する工程から圧電アクチュ
エータを製造することによって、任意形状の圧電素子を
高密度に精度良く基板上に配置するとともに、加工時の
損傷が減り、安定した製造が可能となる。
Further, according to the present invention, after a plate-shaped or film-shaped piezoelectric element is bonded to a substrate, the piezoelectric element is masked, and the piezoelectric element in the non-masked portion is removed by high-precision fine blasting. By manufacturing the piezoelectric actuator from the step of processing the side surface of the joint between the piezoelectric element and the substrate into a concave curved surface, the piezoelectric element of any shape can be arranged on the substrate with high density and high precision, and damage during processing , And stable production becomes possible.

【0079】さらに本発明の圧電アクチュエータをイン
クジェットヘッドに用いることにより、インクジェット
ヘッドの高密度化が実現される。
Further, by using the piezoelectric actuator of the present invention for an ink jet head, the density of the ink jet head can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の圧電アクチェータを用いたインクジェ
ットヘッドを示す一部破断斜視図である。
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an ink jet head using a piezoelectric actuator according to the present invention.

【図2】(a)〜(c)は本発明の圧電アクチュエータ
の製造方法を説明するための斜視図である。
FIGS. 2A to 2C are perspective views for explaining a method of manufacturing a piezoelectric actuator according to the present invention.

【図3】本発明の圧電アクチュエータの製造方法を説明
するための断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a piezoelectric actuator according to the present invention.

【図4】従来の圧電アクチュエータを用いたインクジェ
ットヘッドを示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an ink jet head using a conventional piezoelectric actuator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:基板 2:圧電素子 3:マスク 4:上部電極 5:接合層 6:微粒子 7:凹曲面部 10:圧電アクチュエータ 1: substrate 2: piezoelectric element 3: mask 4: upper electrode 5: bonding layer 6: fine particle 7: concave curved surface portion 10: piezoelectric actuator

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に、電極を有する圧電素子を接合層
を介して接合してなる圧電アクチュエータにおいて、前記接合層の側面に 、曲率半径0.5μm〜80μmの
凹曲面部を形成したことを特徴とする圧電アクチュエー
タ。
A piezoelectric element having an electrode is bonded to a bonding layer on a substrate.
In the piezoelectric actuator formed by joining via the side surface of the bonding layer, the piezoelectric actuator, characterized in that the formation of the concave portions of the curvature radius 0.5 μm ~80μm.
【請求項2】上記圧電素子は、その側面が垂直方向に対
して0°〜45°の角度を成すように設定されているこ
とを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
2. The piezoelectric actuator according to claim 1 , wherein the side surface of the piezoelectric element forms an angle of 0 ° to 45 ° with respect to a vertical direction.
【請求項3】上記圧電素子が、ジルコン酸チタン酸鉛
(PZT系)、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN系)、
ニッケルニオブ酸鉛(PNN系)、マンガンニオブ酸
鉛、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛
なかの一種または二種以上を主成分とする圧電セラミ
ックスからなり、その厚さが1μm〜100μmである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電
アクチュエータ。
3. The piezoelectric element according to claim 1, wherein said piezoelectric element is lead zirconate titanate (PZT type), lead magnesium niobate (PMN type),
Lead nickel niobate (PNN system), lead manganese niobate, lead antimony stannate, lead zinc niobate, a piezoelectric ceramic to Nakano one or mainly of two or more of lead titanate, its thickness is 1 the piezoelectric actuator according to claim 1 or claim 2 characterized in that it is a μm ~100μm.
【請求項4】ZrO2 Al23、Si34を主成分とす
るセラミックス、ガラス、またはステンレス、チタン、
ニッケル、銅、アルミ合金の金属材料、または高弾性の
樹脂材料のいずれかより成る基板上に、電極を有する圧
電素子を備えてなる圧電アクチュエータにおいて、上記
圧電素子と基板との境界部に曲率半径0.5μm〜80
μmの凹曲面部を形成したことを特徴とする圧電アクチ
ュエータ。
4. A ceramic, glass, stainless steel, titanium, or the like containing ZrO 2 , Al 2 O 3 , and Si 3 N 4 as main components.
A pressure plate having electrodes on a substrate made of a metal material such as nickel, copper, aluminum alloy, or a highly elastic resin material
A piezoelectric actuator comprising an electric element;
The radius of curvature is 0.5 μm to 80 at the boundary between the piezoelectric element and the substrate.
A piezoelectric actuator having a concave curved surface portion of μm .
【請求項5】基板上に板状または膜状の圧電素子を接合
した後、該圧電素子にマスクを形成し、高精度微細ブラ
スト加工により非マスク部の圧電素子を除去するととも
に、圧電素子と薄肉基板との境界部を凹曲面状に加工す
る工程からなる圧電アクチュエータの製造方法。
5. After bonding a plate-shaped or film-shaped piezoelectric element onto a substrate, a mask is formed on the piezoelectric element, and the non-masked piezoelectric element is removed by high-precision fine blasting. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, comprising a step of processing a boundary portion with a thin substrate into a concave curved surface.
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