JP4344554B2

JP4344554B2 - Method for manufacturing piezoelectric actuator and method for manufacturing print head

Info

Publication number: JP4344554B2
Application number: JP2003203406A
Authority: JP
Inventors: 晃井本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005051840A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インクジェクタ、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚み立て振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータの製造方法及びそれを用いた印刷ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が１０^−６秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられるアクチュエータ等に応用されている。
【０００４】
一般に、インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば図３に示したように、流路部材３３に、複数のインク室３３ａが隔壁３３ｂを介して並設に複数個形成され、各インク室３３ａの上に圧電アクチュエータ３４が設けられている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
圧電アクチュエータ３４は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板３２上に、圧電セラミック層３５及び表面電極３７がこの順に積層され、表面電極３７が圧電セラミック層３５の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部が形成されたものである。この圧電アクチュエータ３４は、インク室３３ａの上に表面電極３７が位置するようにして流路部材３３上に積層されている。
【０００６】
上記のような印刷ヘッドは、共通電極３２と所定の表面電極３７との間に電圧を印加して該表面電極３７下の圧電セラミック層３５を変位させることにより、インク室３３ａ内のインクを加圧して、流路部材３３の底面に開口したインク吐出口３３ｃよりインク滴を吐出する。
【０００７】
このような印刷ヘッドにおける圧電アクチュエータは、圧電性のセラミックグリーンシートの表面に任意の導体ペーストを電極パターンに印刷塗布して形成した後、積層一体化し、焼成することにより得られる。
【０００８】
上記焼成時の電極成分の圧電セラミック層への拡散によって電極が細くなり過ぎたり或いは切れたりすることを防ぎ、また、デラミネーションを防ぐために、アクチュエータの表面電極の厚みを０．７〜５μｍとした積層圧電体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
特許文献１によれば、この電極パターンの形成にあたっては、金属材料とバインダーや溶剤と混練してペースト化にし、スクリーン印刷を用いて形成する手法が開示されており、０．７〜５μｍの厚みの電極を形成する方法として、（１）ペースト粘度を下げてグリーンシートに供給されるペースト量を少なくする、（２）金属成分以外の有機成分を増やして焼成後に残るもののグリーンシートに供給される量を少なくする方法が記載されている。
【００１０】
そこで、同じ厚膜工法によって０．７〜５μｍの薄い膜を形成する手段として、有機金ペーストを用いて８３０℃で焼き付ける方法が提案されている（特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２２５２６９号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平５−１４４３１８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記（１）の方法では、にじみ、かすれの原因となり、しかも同時焼成である為に、そのにじみ、かすれの不具合部分の電極が細くなり過ぎたり、或いは電極が切れてしまうという問題があった。
【００１４】
また、上記（２）の方法も、乾燥膜中の金属成分の充填密度が低下することから、焼成収縮率が大きくなるため、厚みばらつきを発生しやすい、ひいてはかすれの原因になりやすく、均質な膜を形成する上で、不適切な方法である。また、有機成分を増加させることは、脱バインダしにくくすることとなり、電極とセラミックスとの界面にボイドを発生させ、密着強度の低下につながる。
【００１５】
また、特許文献２に記載の条件で、圧電アクチュエータに応用した場合、焼成時に内部の電極との接続部が反応してカーケンドールボイドを発生させ、断線するという問題があった。
【００１６】
また、銀系の金属材料からなる電極と、有機金属で形成する電極とを組み合わせた場合も、両電極の間で相互拡散が起こり、カーケンドールボイドが発生して断線を引き起こすという問題があった。
【００１７】
従って、本発明は、表面電極のパターンの局所的な細線化や、断線がなく、またビアホール導体を介した内部電極との接続信頼性が高い圧電アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、振動板と、該振動板表面に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛およびニッケルニオブ酸鉛の少なくとも１種を主成分とする圧電セラミック層と、該圧電セラミック層を挟持する、前記振動板側が表面側よりも大きい一対の電極とを具備してなる圧電素子と、前記圧電セラミック層の表面に前記表面側の電極と並べて形成された表面電極と、前記圧電セラミック層を貫通し、前記一対の電極のうちの前記振動板側の電極と前記表面電極とを接続するＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、ＡｕおよびＮｉの単独もしくは２種以上を含むビアホール導体と、を具備する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記表面電極を、焼成した前記圧電セラミック層および前記ビアホール導体に、金、銀、またはその合金の群から選ばれる少なくとも１種の主金属成分１００質量部に対して、酸化物、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種からなる酸化物換算で１〜１０質量部のＢｉ化合物および／またはＰｂ化合物とを含有する有機金属ペーストを印刷塗布後、焼き付けして形成することを特徴とするものである。
【００２３】
さらに、上記有機金属ペーストは、８２５℃以下で焼成することが好ましい。これにより、内部電極が廉価な材料である銀を使用した際の接続部の信頼性が確保できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明における圧電アクチュエータの基本構造を説明するための概略断面図である。
【００２６】
図１によれば、本発明の圧電アクチュエータ１によれば、振動板２と、この振動板２の一方の表面に、圧電セラミック層３の両面に一対の電極４、５が形成された圧電素子６が一体的に設けられたものである。また、圧電セラミック層３の表面側には、内部の電極５に電圧を印加するために、圧電セラミック層３を貫通するビアホール導体７が形成され、表面に形成された電極８と電気的に接続されている。
【００２７】
本発明の圧電アクチュエータ１を構成する圧電セラミック層３としては、チタン酸ジルコン酸鉛（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）、またはこれらの少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、圧電セラミック層３は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。圧電セラミック層５の厚みは、８〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであるのがよい。
【００２８】
電極４、５、またビアホール導体は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｇ−Ｐｄ系合金によって形成されることが望ましく、この圧電セラミック層３と電極４，５とは同時焼成される。電極４，５の厚みは、０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。特に、表面側の電極４、８は、Ａｕ系材料によって形成されることによって近接する電極間のマイグレーションを抑制することができる。
【００２９】
また、振動板２としては、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、チタニア、ガラスセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種によって形成され、特に、製造の面からは、この振動板２は、前記圧電セラミックスと同時焼成によって形成可能なセラミックスによって形成することが望ましく、さらには、圧電セラミック層３と同じセラミックスによって形成することが望ましい。これによって、振動板２および圧電素子６とをすべて同時焼成によって形成することができる。
【００３０】
このような圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。まず、前記した圧電材料からなるグリーンシートを作製する。このグリーンシートは、圧電材料に対して、メタクリル酸系樹脂などの有機結合剤とともに、トルエンなどの有機溶媒を添加混合してスラリーを調製した後、このスラリーを、ドクターブレード法などの周知のシート成形方法によって成形する。
【００３１】
次に、かかるグリーンシートに対して、パンチングやレーザー加工によって５０〜５００μｍの孔径のビアホールを開口した後、このビアホール内に導体ペースを充填する。
【００３２】
次に、かかるグリーンシートの表面に、内部電極のパターンを形成する。この内部電極は、金属成分と有機結合剤と有機溶媒を含有する電極ペーストをスクリーン印刷法などの方法によって印刷形成することによって形成することができる。
【００３３】
その後、電極を形成したグリーンシートを積層して積層成形体を作製する。
【００３４】
この時に、振動板を前記圧電セラミック層と同時焼成が可能なセラミックスによって形成する場合には、同様に振動板を形成するセラミック材料を用いてグリーンシートを作製した後、上記の圧電アクチュエータを形成する積層成形体ともに、積層し一体化すればよい。
【００３５】
その後、この積層成形体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成することによって圧電アクチュエータ本体を形成する。
【００３６】
最後に、この圧電アクチュエータ本体の表面に、表面電極を形成する。この表面電極は、所定の導体ペーストを印刷して、６００〜８００℃程度で焼き付け処理を施すことによって、圧電アクチュエータ１を得ることができる。
【００３７】
本発明によれば、かかる圧電アクチュエータの製造方法において、圧電アクチュエータの表面電極を形成するにあたり、導体ペーストとして、主金属成分と、Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を含有する有機金属ペーストを印刷塗布して形成することが重要である。
【００３８】
この有機金属ペーストとは、導体路を形成する金属成分が、金属粉末ではなく、メルカプタン、サルフィド、アビエチン酸、デカン酸、ナオデカン酸、ロジン酸、２−エチルヘキサン酸の群から選ばれる少なくとも１種の化合物として、添加含有されたものである。
【００３９】
本発明によれば、このような有機金属ペーストを用いることによって、従来の金属粉末を用いた導体ペーストを印刷、塗布、焼き付けする場合に比較して、電極の膜厚を均一化することができるために圧電特性のバラツキを低減することができる。
【００４０】
また、この有機金属ペースト中には、Ｂｉ化合物、Ｐｂ化合物のうちの少なくとも１種を含有することが重要である。このＢｉ化合物、Ｐｂ化合物は、特に、他の金属化合物に比較して圧電セラミックスとの反応性を有することから電極の圧電セラミック層との密着性を高めることができる。
【００４１】
このＢｉ化合物、Ｐｂ化合物のうちの少なくとも１種は、合計で、主金属成分１００質量部あたり、酸化物換算（Ｂｉ_２Ｏ_３，ＰｂＯ）で１〜１０質量部の割合で添加することが最適である。
【００４２】
また、このＢｉ化合物、Ｐｂ化合物は、酸化物、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種の形態で添加することができ、特に、有機塩の形態で添加することが望ましい。
【００４３】
次に、上記本発明の圧電アクチュエータの応用例として印刷ヘッドに用いた例を図２をもとに、説明する。
【００４４】
この印刷ヘッドは、上側に圧電駆動に供する圧電アクチュエータ１０と、下側にインクを吐出するため流路部材１１とから構成されている。
【００４５】
ここで用いられる圧電アクチュエータ１０は、図１と同様に、積層された複数の圧電セラミック層１２と、これら圧電セラミック層１２の間に配置された少なくとも１層の共通電極１３と、最上層の前記圧電セラミック層１２の表面に複数配列された表面電極１４により構成されており、電圧印加により圧電振動する圧電素子１２ａと電圧印加しても圧電振動しない振動板１２ｂとを焼結により一体化して構成したものであることが望ましい。
【００４６】
また、圧電アクチュエータ１０においては、共通電極１３は、圧電セラミック層１２ａを貫通して形成されたビアホール導体１５を介して表面電極１６と電気的に接続されている。
【００４７】
流路部材１１は、開口部を揃えて積層された複数の金属板により構成され、インク室１７が形成されている。インク室はインク吐出孔１７ａとインク加圧室１７ｂとが一対となり隔壁１８を介して複数形成されている。
【００４８】
そして、この流路部材１１におけるインク室１７の壁面の一部，図２では、上側の開口部に圧電アクチュエータ１０が取着されている。即ち、インク吐出孔１７ａおよびインク加圧室１７ｂと、圧電アクチュエータ１０の最表面に形成された表面電極１４とは位置を揃えて形成されている。
【００４９】
このような印刷ヘッドでは、圧電アクチュエータ１０の電極１３、１４間に、外部から駆動電圧が印加して、この表面電極１４直下の圧電セラミック層１２ａを変位させることにより、振動板１２ｂに伝達され、この振動板１２ｂがインク加圧室１７ｂ内のインクを加圧して、流路部材１１の底面に開口したインク吐出口１７ａよりインク滴を吐出する。上記のような機構を有する印刷ヘッドはプリンタなどの電子機器に好適に用いることができる。
【００５０】
なお、流路部材１１を構成する材質は、機械的強度、インクに対する耐食性を高めるという理由から、金属、好ましくは、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属、より好ましくは、Ｆｅ−Ｃｒ系の金属であることがよい。
【００５１】
なお、流路部材１１を構成する金属板同士、並びに、流路部材１１と圧電アクチュエータ１とは、種々の熱硬化性樹脂を含む接着剤、特にエポキシ系接着剤によって接着一体化される。
【００５２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を説明する。ここでは、図１に示すような圧電アクチュエータを以下の方法で作製した。
【００５３】
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする粒径が０．５〜３．０μmの圧電セラミック粉体１００質量部に対し、アクリル系樹脂１０質量部およびトルエン４０質量部を添加し、平均粒径が１０ｍｍのセラミックボール２００質量部を用いたボールミルで３０時間混合してスラリーを調製した。
【００５４】
得られたスラリーを用いて引き上げ法により厚さ３０μmのＰＥＴフィルム上に、圧電セラミック層１となる厚さ３５〜３７μmのグリーンシートを成形した。
【００５５】
次に、得られたグリーンシートをＰＥＴフィルムと共に５０ｍｍ×５０ｍｍに裁断して２枚１組に分類した後、２枚１組のうち１枚のグリーンシートの略全面に共通電極（内部電極）となる金属ペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、乾燥機を用いて５０℃で２０分間乾燥させた。
【００５６】
残りの１枚のグリーンシートには金型を用いて直径１２５μmの丸穴（スルーホール）を一箇所開口した。導体ペーストには、平均粒径が２〜４μmの銀粉末とパラジウム粉末を７対３の比率で混合したものを有機ビヒクルに分散させたものを用いた。
【００５７】
そして、上記導体ペーストを印刷した面に、他の１枚のグリーンシートを重ね合わせた後、６０℃の温度で５ＭＰａの圧力を加えながら６０秒間保持することにより熱圧着してグリーンシートの積層体を形成した。しかる後、予め形成したスルーホール内に前記導体ペーストを充填し、乾燥機中で１００〜３００℃まで毎時８℃の昇温レートで２５時間加熱して脱脂した後，室温まで冷却し、さらに焼成炉でピーク温度１１００℃で２時間保持して焼成し、厚さ５８μｍ、比誘電率２５００の圧電セラミック層１の内部に内部電極が形成され、また直径が１００μｍのビアホール径が内蔵された圧電セラミック積層板を得た。
【００５８】
次に、得られた圧電セラミック積層板表面の所定箇所に、表面電極を形成するために、表１に示す有機金属化合物を含有する導体ペーストを調製した。ペースト調製にあたっては、α−ターピネオールメルカプタン金１００質量部に、表１に示す添加物を表１に示す比率で添加し、さらにアクリル系樹脂からなる有機結合剤を１５質量部、溶媒としてα−ターピネオール３０質量部添加混合した。この導体ペーストを印刷塗布した。
なお、評価用の表面電極パターンとしては、ビアホール導体と接続される直径が１５０μｍのランド部を有するパターンを形成した。
【００５９】
その後、これを大気雰囲気中で、８２５℃で１時間焼き付け処理を行った。
【００６０】
また、比較として、平均粒径が１μｍの金粉末を用いた導体ペーストを用いて上記と同様な方法で表面電極を印刷塗布後、焼き付け処理を行った。
【００６１】
作製した圧電アクチュエータにおける表面電極パターンのランド部の半田接合強度を調べた。測定では、軟銅線をランド部に共晶半田を用いて接合し、ピール強度を測定した。
【００６２】
【表１】

【００６３】
表１の結果から、明らかなように、表面電極形成にあたり、従来の金属粉末を用いた導体ペーストを用いて形成した試料Ｎｏ．５ではピール強度が０．０５ｋｇｆ以下であった。
【００６４】
これに対して、本発明に従い、有機金属ペーストを用いることによって、ランド部の接合強度を０．０５ｋｇｆ以上とすることができた。特に、有機金属ペーストとして、Ｂｉ化合物およびＰｂ化合物を用いることによって、接合強度を０．０９ｋｇｆ以上にすることができた。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の圧電アクチュエータの製造方法によれば、振動板と、該振動板表面に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛およびニッケルニオブ酸鉛の少なくとも１種を主成分とする圧電セラミック層と、該圧電セラミック層を挟持する、前記振動板側が表面側よりも大きい一対の電極とを具備してなる圧電素子と、前記圧電セラミック層の表面に前記一対の電極のうち前記表面側の電極と並べて形成された表面電極と、前記圧電セラミック層を貫通し、前記一対の電極のうちの前記振動板側の電極と前記表面電極とを接続するＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、ＡｕおよびＮｉの単独もしくは２種以上を含むビアホール導体と、を具備する圧電アクチュエータの製造方法であって、前記表面電極を、焼成した前記圧電セラミック層および前記ビアホール導体に、金、銀、またはその合金の群から選ばれる少なくとも１種の主金属成分と該主金属成分１００質量部に対して、酸化物、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種からなる酸化物換算で１〜１０質量部のＢｉ化合物および／またはＰｂ化合物とを含有する有機金属ペーストを印刷塗布後、焼き付けして形成することにより、圧電アクチュエータの表面に形成される表面電極のパターンの局所的な細線化や断線がなく、しかもビアホール導体との接合強度が高く、信頼性の高い圧電アクチュエータを提供することができる。これによって、印刷ヘッドにおける圧電アクチュエータの駆動信頼性が高まる結果、印刷ヘッドの信頼性も高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの概略断面図を示す。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの応用例としての印刷ヘッドの概略断面図を示す。
【図３】従来の印刷ヘッドの概略断面図を示す。
【符号の説明】
１圧電アクチュエータ
２振動板
３圧電セラミック層
４、５電極
６圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is suitable for piezoelectric sensors such as acceleration sensors, knocking sensors, and AE sensors, ink jets for fuel injection, print heads for inkjet printers, piezoelectric resonators, oscillators, ultrasonic motors, ultrasonic vibrators, filters, etc. The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric actuator suitably used as a print head using spreading vibration, elongation vibration, and thickness standing vibration, and a method for manufacturing a print head using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, products using piezoelectric ceramics include, for example, piezoelectric actuators, filters, piezoelectric resonators (including oscillators), ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric sensors, and the like.
[0003]
Among these, piezoelectric actuators have a very high response speed to electrical signals of the order of 10 ⁻⁶ seconds. Applied.
[0004]
In general, as shown in FIG. 3, for example, a print head using an ink jet system has a plurality of ink chambers 33a formed in parallel in a flow path member 33 via partition walls 33b. A piezoelectric actuator 34 is provided on the top. (For example, refer to Patent Document 1).
[0005]
In the piezoelectric actuator 34, a piezoelectric ceramic layer 35 and a surface electrode 37 are laminated in this order on a conductive diaphragm 32 that also serves as a common electrode, and a plurality of surface electrodes 37 are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer 35. As a result, a plurality of piezoelectric displacement portions are formed. The piezoelectric actuator 34 is stacked on the flow path member 33 so that the surface electrode 37 is positioned on the ink chamber 33a.
[0006]
The print head as described above applies ink between the common electrode 32 and the predetermined surface electrode 37 to displace the piezoelectric ceramic layer 35 under the surface electrode 37, thereby adding ink in the ink chamber 33a. The ink droplets are ejected from the ink ejection port 33 c opened at the bottom surface of the flow path member 33.
[0007]
The piezoelectric actuator in such a print head can be obtained by forming an arbitrary conductive paste on the surface of a piezoelectric ceramic green sheet by printing and applying it to an electrode pattern, and then laminating and integrating them.
[0008]
The thickness of the surface electrode of the actuator is set to 0.7 to 5 μm in order to prevent the electrode from becoming too thin or cut off due to diffusion of the electrode component into the piezoelectric ceramic layer at the time of firing, and to prevent delamination. A laminated piezoelectric material has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
[0009]
According to Patent Document 1, in forming this electrode pattern, a method is disclosed in which a metal material, a binder, or a solvent is kneaded into a paste and formed using screen printing, and has a thickness of 0.7 to 5 μm. (1) Decrease the paste viscosity and reduce the amount of paste supplied to the green sheet. (2) Increase the organic components other than the metal component and supply it to the green sheet that remains after firing. A method of reducing the amount is described.
[0010]
Therefore, as a means for forming a thin film of 0.7 to 5 μm by the same thick film construction method, a method of baking at 830 ° C. using an organic gold paste has been proposed (see Patent Document 2).
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-225269
[Patent Document 2]
JP-A-5-144318
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of the above (1), bleeding, cause of hoarse, yet because of the co-firing, the bleeding, or too thin electrodes of the problem part of the blur, or a problem that the electrode resulting in expired There was .
[0014]
In the method (2), since the packing density of the metal component in the dry film is reduced, the firing shrinkage ratio is increased, so that the thickness variation is likely to occur, and thus it is liable to cause blurring. It is an inappropriate method for forming a film. Further, increasing the organic component makes it difficult to remove the binder, and generates voids at the interface between the electrode and the ceramic, leading to a decrease in adhesion strength.
[0015]
Further, when applied to a piezoelectric actuator under the conditions described in Patent Document 2, there is a problem that a connection portion with an internal electrode reacts during firing to generate a Kirkendall void and breaks.
[0016]
In addition, when an electrode made of a silver-based metal material and an electrode formed of an organic metal are combined, there is a problem that mutual diffusion occurs between the two electrodes, and a Kirkendall void is generated to cause disconnection. .
[0017]
Accordingly, the present invention aims to provide local or thinning of the pattern of the surface electrode, no breakage, also a manufacturing method of the piezoelectric actuator is high connection reliability between the internal electrode through the via hole conductor To do.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a piezoelectric actuator of the present invention includes a diaphragm, a piezoelectric ceramic layer mainly formed of at least one of lead zirconate titanate, lead magnesium niobate, and lead nickel niobate formed on the surface of the diaphragm. A piezoelectric element comprising a pair of electrodes with the diaphragm side being larger than the surface side, sandwiching the piezoelectric ceramic layer, and a surface electrode formed side by side with the surface side electrode on the surface of the piezoelectric ceramic layer Including Ag, Pd, Pt, Rh, Au, and Ni alone or in combination of two or more passing through the piezoelectric ceramic layer and connecting the diaphragm side electrode of the pair of electrodes and the surface electrode. a method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a via-hole conductors, and the surface electrode, the fired the piezoelectric ceramic layer and the via-hole conductors, , Silver or for at least one base metal component 100 parts by weight selected from the group consisting of alloys thereof, oxides, 1 to 10 parts by weight in terms of oxide of at least one selected from the group consisting of organic salts Bi compound and / or Pb compound and after printing applying an organic metal paste containing and is characterized that you formed baking.
[0023]
Furthermore, the organometallic paste is preferably fired at 825 ° C. or lower. Thereby, the reliability of a connection part when the internal electrode uses silver which is an inexpensive material can be secured.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining the basic structure of a piezoelectric actuator according to the present invention.
[0026]
According to FIG. 1, according to the piezoelectric actuator 1 of the present invention, a diaphragm 2 and a piezoelectric element in which a pair of

electrodes

4 and 5 are formed on both surfaces of a piezoelectric ceramic layer 3 on one surface of the diaphragm 2. 6 is provided integrally. In addition, a via-hole conductor 7 that penetrates the piezoelectric ceramic layer 3 is formed on the surface side of the piezoelectric ceramic layer 3 in order to apply a voltage to the internal electrode 5, and is electrically connected to the electrode 8 formed on the surface. Has been.
[0027]
As the piezoelectric ceramic layer 3 constituting the piezoelectric actuator 1 of the present invention, lead zirconate titanate (PZT system), lead magnesium niobate (PMN system), lead nickel niobate (PNN system), or at least one of these Piezoelectric ceramics mainly composed of are preferably used. The piezoelectric ceramic layer 3 is polarized in the direction opposite to each other in the thickness direction. The thickness of the piezoelectric ceramic layer 5 is 8 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm.
[0028]
It is desirable that the

electrodes

4 and 5 and the via-hole conductor are formed of Ag, Pd, Pt, Rh, Au, Ni, or a combination of two or more, preferably an Ag—Pd alloy, and this piezoelectric ceramic layer 3 and the

electrodes

4 and 5 are fired simultaneously. The thickness of the

electrodes

4 and 5 is 0.5-5 micrometers, Preferably it is 1-3 micrometers. In particular, the surface-side electrodes 4 and 8 can be suppressed from migration between adjacent electrodes by being formed of an Au-based material.
[0029]
The diaphragm 2 is formed of at least one selected from the group consisting of lead zirconate titanate, lead magnesium niobate, lead nickel niobate, titania, and glass ceramics. The plate 2 is preferably formed of ceramic that can be formed by simultaneous firing with the piezoelectric ceramic, and more preferably formed of the same ceramic as the piezoelectric ceramic layer 3. Accordingly, the diaphragm 2 and the piezoelectric element 6 can all be formed by simultaneous firing.
[0030]
A method for manufacturing such a piezoelectric actuator 1 will be described. First, a green sheet made of the piezoelectric material described above is produced. This green sheet is prepared by adding and mixing an organic solvent such as toluene together with an organic binder such as a methacrylic acid resin to the piezoelectric material, and then preparing this slurry using a known sheet such as a doctor blade method. Molded by a molding method.
[0031]
Next, a via hole having a hole diameter of 50 to 500 μm is opened on the green sheet by punching or laser processing, and then a conductor pace is filled into the via hole.
[0032]
Next, an internal electrode pattern is formed on the surface of the green sheet. This internal electrode can be formed by printing and forming an electrode paste containing a metal component, an organic binder, and an organic solvent by a method such as a screen printing method.
[0033]
Thereafter, the green sheets on which the electrodes are formed are laminated to produce a laminated molded body.
[0034]
At this time, when the diaphragm is formed of ceramics that can be fired simultaneously with the piezoelectric ceramic layer, the above-described piezoelectric actuator is formed after producing a green sheet using a ceramic material that similarly forms the diaphragm. The laminated molded body may be laminated and integrated.
[0035]
Thereafter, the laminated molded body is cut into a predetermined shape and then fired at about 900 to 1100 ° C. to form a piezoelectric actuator body.
[0036]
Finally, a surface electrode is formed on the surface of the piezoelectric actuator body. This surface electrode can obtain the piezoelectric actuator 1 by printing a predetermined conductive paste and baking it at about 600 to 800 ° C.
[0037]
According to the present invention, in the method of manufacturing a piezoelectric actuator, when forming the surface electrode of the piezoelectric actuator, the main metal component and the organometallic paste containing the Bi compound and / or the Pb compound are printed and applied as the conductor paste. It is important to form.
[0038]
This organometallic paste is not a metal powder but a metal component that forms a conductor track, and is at least one selected from the group of mercaptans, sulfides, abietic acid, decanoic acid, naodecanoic acid, rosinic acid, and 2-ethylhexanoic acid. These compounds are added and contained.
[0039]
According to the present invention, by using such an organic metal paste, the film thickness of the electrode can be made uniform as compared with the case of printing, applying, and baking a conductor paste using a conventional metal powder. Therefore, variation in piezoelectric characteristics can be reduced.
[0040]
In addition, it is important that this organometallic paste contains at least one of a Bi compound and a Pb compound. Since this Bi compound and Pb compound have reactivity with piezoelectric ceramics as compared with other metal compounds, it is possible to improve the adhesion between the electrodes and the piezoelectric ceramic layer.
[0041]
At least one of the Bi compound and Pb compound is optimally added in a ratio of 1 to 10 parts by mass in terms of oxide (Bi ₂ O ₃ , PbO) per 100 parts by mass of the main metal component. It is.
[0042]
Moreover, this Bi compound and Pb compound can be added in at least one form selected from the group of oxides and organic salts, and it is particularly desirable to add them in the form of organic salts.
[0043]
Next, an example in which the piezoelectric actuator of the present invention is applied to a print head will be described with reference to FIG.
[0044]
This print head is composed of a piezoelectric actuator 10 for piezoelectric driving on the upper side and a flow path member 11 for discharging ink on the lower side.
[0045]
As in FIG. 1, the piezoelectric actuator 10 used here includes a plurality of laminated piezoelectric ceramic layers 12, at least one common electrode 13 disposed between the piezoelectric ceramic layers 12, and the uppermost layer of the above-mentioned piezoelectric ceramic layer 12. A plurality of surface electrodes 14 are arranged on the surface of the piezoelectric ceramic layer 12, and a piezoelectric element 12a that vibrates piezoelectrically when a voltage is applied and a diaphragm 12b that does not vibrate when a voltage is applied are integrated by sintering. It is desirable that
[0046]
In the piezoelectric actuator 10, the common electrode 13 is electrically connected to the surface electrode 16 through a via-hole conductor 15 formed so as to penetrate the piezoelectric ceramic layer 12 a.
[0047]
The flow path member 11 is composed of a plurality of metal plates stacked with the openings aligned, and an ink chamber 17 is formed. In the ink chamber, a plurality of ink discharge holes 17 a and ink pressurizing chambers 17 b are paired, and a plurality of ink chambers are formed via the partition wall 18.
[0048]
The piezoelectric actuator 10 is attached to a part of the wall surface of the ink chamber 17 in the flow path member 11, that is, in FIG. That is, the ink discharge holes 17 a and the ink pressurizing chambers 17 b and the surface electrode 14 formed on the outermost surface of the piezoelectric actuator 10 are formed in a uniform position.
[0049]
In such a print head, a driving voltage is applied from the outside between the

electrodes

13 and 14 of the piezoelectric actuator 10 to displace the piezoelectric ceramic layer 12a immediately below the surface electrode 14, thereby being transmitted to the diaphragm 12b. The vibration plate 12b pressurizes the ink in the ink pressurizing chamber 17b, and ejects ink droplets from the ink ejection port 17a opened in the bottom surface of the flow path member 11. A print head having the above-described mechanism can be suitably used for an electronic device such as a printer.
[0050]
The material constituting the flow path member 11 is at least selected from the group consisting of metals, preferably Fe—Cr, Fe—Ni, and WC—TiC based on the reason that mechanical strength and corrosion resistance against ink are enhanced. One kind of metal, more preferably, a Fe-Cr-based metal may be used.
[0051]
Note that the metal plates constituting the flow path member 11 and the flow path member 11 and the piezoelectric actuator 1 are bonded and integrated by adhesives including various thermosetting resins, particularly epoxy adhesives.
[0052]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples. Here, a piezoelectric actuator as shown in FIG. 1 was produced by the following method.
[0053]
First, 10 parts by mass of acrylic resin and 40 parts by mass of toluene are added to 100 parts by mass of piezoelectric ceramic powder having a particle size of 0.5 to 3.0 μm whose main component is lead zirconate titanate, A slurry was prepared by mixing for 30 hours in a ball mill using 200 parts by mass of ceramic balls having a diameter of 10 mm.
[0054]
Using the obtained slurry, a green sheet having a thickness of 35 to 37 μm to be the piezoelectric ceramic layer 1 was formed on a PET film having a thickness of 30 μm by a pulling method.
[0055]
Next, the obtained green sheet is cut into 50 mm × 50 mm together with the PET film and classified into a set of two sheets, and then a common electrode (internal electrode) is formed on substantially the entire surface of one of the two sheets. The resulting metal paste was printed by screen printing and dried at 50 ° C. for 20 minutes using a dryer.
[0056]
In the remaining one green sheet, a circular hole (through hole) having a diameter of 125 μm was opened at one place using a mold. As the conductive paste, a mixture of silver powder having an average particle diameter of 2 to 4 μm and palladium powder mixed at a ratio of 7: 3 and dispersed in an organic vehicle was used.
[0057]
Then, another green sheet is superposed on the surface on which the above-mentioned conductor paste is printed, and then thermocompression-bonded by holding for 60 seconds while applying a pressure of 5 MPa at a temperature of 60 ° C. A laminate of green sheets Formed. After that, the conductor paste is filled in a through hole formed in advance, degreased by heating at 100 ° C. to 300 ° C. at a heating rate of 8 ° C. per hour for 25 hours, cooled to room temperature, and further fired Piezoelectric ceramic in which an internal electrode is formed inside the piezoelectric ceramic layer 1 having a thickness of 58 μm and a relative dielectric constant of 2500, and a via hole diameter of 100 μm is built-in. A laminate was obtained.
[0058]
Next, in order to form a surface electrode at a predetermined location on the surface of the obtained piezoelectric ceramic laminate, a conductor paste containing an organometallic compound shown in Table 1 was prepared. In preparing the paste, to 100 parts by mass of α-terpineol mercaptan gold, the additives shown in Table 1 are added at the ratio shown in Table 1, and 15 parts by mass of an organic binder made of an acrylic resin, and α-terpineol as a solvent. 30 parts by mass was added and mixed. The conductor paste was printed coating.
In addition, as the surface electrode pattern for evaluation, a pattern having a land portion having a diameter of 150 μm connected to the via-hole conductor was formed.
[0059]
Thereafter, this was baked at 825 ° C. for 1 hour in an air atmosphere.
[0060]
For comparison, the surface electrode was printed and applied by the same method as described above using a conductive paste using gold powder having an average particle diameter of 1 μm, and then baked.
[0061]
The solder joint strength of the land portion of the surface electrode pattern in the fabricated piezoelectric actuator was examined. In the measurement, an annealed copper wire was joined to the land portion using eutectic solder, and the peel strength was measured.
[0062]
[Table 1]

[0063]
As is apparent from the results in Table 1, in forming the surface electrode, the sample No. 1 formed using a conductive paste using a conventional metal powder was used. In No. 5, the peel strength was 0.05 kgf or less.
[0064]
On the other hand, according to the present invention, the bonding strength of the land portion could be 0.05 kgf or more by using the organometallic paste. In particular, by using a Bi compound and a Pb compound as the organometallic paste, the bonding strength could be 0.09 kgf or more.
[0065]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the manufacturing method of the present onset Ming piezoelectric actuator, diaphragm and, the formed diaphragm surface a lead zirconate titanate, at least one of lead magnesium niobate, and nickel lead niobate A piezoelectric element comprising a piezoelectric ceramic layer mainly composed of seeds, and a pair of electrodes sandwiching the piezoelectric ceramic layer, the diaphragm side being larger than the surface side, and the pair of electrodes on the surface of the piezoelectric ceramic layer A surface electrode formed side by side with the electrode on the surface side of the electrode, and Ag, Pd penetrating the piezoelectric ceramic layer and connecting the electrode on the diaphragm side of the pair of electrodes and the surface electrode , Pt, Rh, Au, and Ni, or a via-hole conductor containing two or more types, and a method of manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the surface electrode is fired The piezoelectric ceramic layer and the via-hole conductor are selected from the group of oxides and organic salts with respect to at least one main metal component selected from the group of gold, silver, or an alloy thereof and 100 parts by mass of the main metal component. Formed on the surface of the piezoelectric actuator by printing and applying an organometallic paste containing 1 to 10 parts by mass of a Bi compound and / or a Pb compound in terms of oxide consisting of at least one oxide It is possible to provide a highly reliable piezoelectric actuator that is free from local thinning or disconnection of the surface electrode pattern and has high bonding strength with the via-hole conductor. As a result, the driving reliability of the piezoelectric actuator in the print head is increased, so that the reliability of the print head can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of a print head as an application example of the piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a conventional print head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric actuator 2 Diaphragm 3 Piezoelectric

ceramic layer

4, 5 Electrode 6 Piezoelectric element

Claims

A diaphragm , a piezoelectric ceramic layer mainly composed of at least one of lead zirconate titanate, lead magnesium niobate and lead nickel niobate formed on the surface of the diaphragm, and a pair of sandwiching the piezoelectric ceramic layer a piezoelectric element formed by including an electrode, a surface electrode formed on the surface of the piezoelectric ceramic layer, penetrates the piezoelectric ceramic layer, and the vibration plate and the piezoelectric ceramic layer of the pair of electrodes Ag for connecting the electrode and the surface electrode between, Pd, Pt, Rh, met a method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising a via-hole conductors comprising singly or two or Au and Ni, the surface electrode , the fired the piezoelectric ceramic layer and the via-hole conductor, gold, silver or main gold and at least one base metal component selected from the group of the alloy, Against 100 parts by weight of the component oxides, Bi compounds 1 to 10 parts by comprising at least one oxide conversion selected from the group consisting of organic salts and / or organic metal paste printed coating containing a Pb compound Thereafter, the piezoelectric actuator is formed by baking.

Method for manufacturing a piezoelectric actuator of claims 1 Symbol mounting, characterized in baked can with Rukoto the organic metal paste at 825 ° C. or less.

Claim 1 or claim 2 method for manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the minimum line width of the pattern of the surface electrode is 75μm or less.

The piezoelectric actuator in the manufacturing method of the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, the manufacturing method of the print head the piezoelectric actuator, characterized in Rukoto attached to a portion of the wall surface of the ink chamber.