JP4984026B2

JP4984026B2 - 圧電素子ユニットの製造方法及び固定治具

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Publication number: JP4984026B2
Application number: JP2006052793A
Authority: JP
Inventors: 潤也等々力
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007234765A

Description

本発明は、圧電材料層に電圧を印加することによって変位する圧電素子を具備する圧電素子ユニットの製造方法及びそれに用いられる固定治具に関する。

圧電素子を用いた装置としては、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室の液体、例えば、インクを加圧してノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド等が挙げられ、その一つとして、軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電素子（圧電振動子）を使用したものがある。このような縦振動モードの圧電素子としては、共通内部電極と個別内部電極とを圧電材料を挟んで積層した圧電素子形成部材（圧電振動板）を固定基板に固定し、圧電素子形成部材をワイヤソー装置によって櫛歯状に切り分けることによって形成したものがある。すなわち、縦振動モードの圧電素子としては、複数の圧電素子が一体的に形成された圧電素子（圧電振動子）ユニットとして構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この圧電素子ユニットは、上述したようにワイヤソー装置によって圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けることによって形成される。一般的には、例えば、圧電素子ユニットを複数並設した状態で固定し、複数の圧電素子ユニット（圧電素子形成部材）を同時に加工している。しかしながら、このように複数の圧電素子ユニットを同時に加工すると、ワイヤが圧電素子形成部材との接触による負荷によって撓んでしまい、各圧電素子ユニットでスリットの深さにばらつきが生じてしまうという問題がある。このようなスリットの深さのばらつきは、圧電素子ユニットの移動を停止した状態で加工を行う、いわゆる停止切りを行うことで解消することはできるが、各圧電素子の幅にばらつきが生じてしまう虞がある。すなわち、停止切りを行うことで、初期段階で所定深に形成されたスリットでは、実質的に同一カ所を長時間加工することになり、スリットの幅が部分的に広がってしまい、圧電素子の幅にばらつきが生じてしまう虞がある。

なお、このような問題を解消するために、ワイヤのテンションを上げることが考えられるが、ワイヤが切れやすくなってしまうため好ましくない。また、加工速度を低下することも考えられるが、ワイヤがぶれてしまい圧電素子の幅にばらつきが生じやすくなるため好ましくない。また、ワイヤが巻きかけられているローラの間隔を短くすることも考えられるが、装置自体を変更する必要があり、さらには一度に製造できる圧電素子ユニットの数も少なくなり、コストが増加してしまうため好ましくない。

特開平１１−１２９４７４号公報

本発明は、このような事情に鑑み、複数の圧電素子形成部材を一度に良好に櫛歯状に切り分けることができる圧電素子ユニットの製造方法及びそれに好適に用いられる固定治具を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、個別電極層及び共通電極層と圧電材料層とを有する圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けた圧電素子の列を具備する圧電素子ユニットの製造方法であって、複数の圧電素子形成部材を並列させて固定治具によりテーブル上に固定してこれら複数の圧電素子形成部材に一対のローラに巻きかけられたワイヤを接触走行させることによって各圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けて前記圧電素子の列を形成し、その際、前記一対のローラ間の中央部に配置される前記圧電素子形成部材の前記テーブルに対する高さが、両端部側に配置される前記圧電素子形成部材の前記テーブルに対する高さよりも高くなるようにしたことを特徴とする圧電素子ユニットの製造方法にある。
かかる第１の態様では、圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分ける際に形成される各スリットの深さを均一化することができる。すなわち、停止切りをすることなく圧電素子の列を形成することができる。したがって、各圧電素子の変位特性を向上することができると共に、変位特性の均一化を図ることができる。

本発明の第２の態様は、前記圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けるときの前記ワイヤの各圧電素子形成部材に対応する位置での撓み量に基づいて、並列された各圧電素子形成部材の少なくとも高さをそれぞれ補正したことを特徴とする第１の態様の圧電素子ユニットの製造方法にある。
かかる第２の態様では、圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分ける際に形成される各スリットの深さをより確実に均一化することができる。

本発明の第３の態様は、前記ワイヤの撓み量が大きい程、前記圧電素子形成部材の前記テーブルに対する高さが高くなるようにしたことを特徴とする第２の態様の圧電素子ユニットの製造方法にある。
かかる第３の態様では、圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分ける際に形成される各スリットの深さをより確実に均一化することができる。

本発明の第４の態様は、各圧電素子形成部材を前記テーブルに対して傾斜した状態で当該圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分け、且つその際に、各圧電素子形成部材の前記ワイヤとの交差角度が同一となるように各圧電素子形成部材の角度をさらに補正したことを特徴とする第１〜３の何れかの態様の圧電素子ユニットの製造方法にある。
かかる第４の態様では、圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分ける際に形成される各スリットの深さをより確実に均一化することができる。

本発明の第５の態様は、個別電極層及び共通電極層と圧電材料層とを有する圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けた圧電素子の列を具備する圧電素子ユニットの製造に用いられて、複数の前記圧電素子形成部材に一対のローラに巻きかけられたワイヤを接触走行させることによって各圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けて前記圧電素子の列を形成する際に、これら複数の圧電素子形成部材をテーブル上に固定するための固定治具であって、前記圧電素子形成部材がそれぞれ配置される複数の固定部を有し、且つ各固定部の前記テーブルに対する高さがそれぞれ独立して調整できるようになっていることを特徴とする固定治具にある。
かかる第５の態様では、固定部の高さを調整することで、各圧電素子形成部材の高さを容易に調整することができる。

本発明の第６の態様は、前記固定部を有する複数の固定部材が連結されてなることを特徴とすることを特徴とする第５の態様の固定治具にある。
かかる第６の態様では、固定部の高さを容易に調整することができる。

以下に、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の製造方法によって製造された圧電素子ユニットの一例を示す斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。

図１及び図２に示すように、圧電素子ユニット１０は、複数の圧電素子１１がその幅方向に並設された列１２を有する圧電素子形成部材１３と、圧電素子形成部材１３の基端部と接合されて先端部を自由端として固定する固定基板１４とを有し、例えば、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載される。

圧電素子形成部材１３は、個別電極層及び共通電極層と圧電材料層とからなる。例えば、本実施形態では、圧電素子形成部材１３は、圧電材料層１５と、圧電素子１１の２つの極を構成する内部電極、すなわち、隣接する圧電素子１１と電気的に独立する個別電極を構成する内部電極１６と、隣接する圧電素子１１と電気的に共通する共通電極を構成する内部電極１７とを交互に挟んで積層することにより形成されている。勿論、圧電素子形成部材１３は、本実施形態の構成に限定されるものではなく、個別電極層及び共通電極層と圧電材料層とを有するものであればよい。そして、この圧電素子形成部材１３には、詳しくは後述するが、ワイヤソー装置によって複数のスリット１８を形成することで、すなわち櫛歯状に切り分けることで、圧電素子１１の列１２が形成されている。また、圧電素子１１の列１２の両側には、圧電素子１１と同様に圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分けることによって形成され、各圧電素子１１よりも広い幅を有する位置決め部１９が設けられている。なお、この位置決め部１９は、圧電素子ユニット１０をインクジェット式記録ヘッド等に組み込む際に、圧電素子ユニット１０を高精度に位置決めするために設けられている。

ここで、各圧電素子１１の個別電極となる内部電極１６は、基本的には圧電素子形成部材１３の略全面に亘って設けられているが、固定基板１４の端面近傍に対向する領域で先端側と基端部側とが分離して設けられている。一方、共通電極となる内部電極１７も、基本的に圧電素子形成部材１３の略全面に亘って設けられているが、圧電素子１１の先端部近傍で内部電極１６と同様に分離されている。すなわち、圧電素子１１の固定基板１４に接合される領域は、振動に寄与しない不活性領域となっており、圧電素子１１を構成する両極の内部電極１６，１７間に電圧を印加すると、固定基板１４に接合されていない先端部側のみが振動する。

また、圧電素子形成部材１３の外表面には、内部電極１６，１７と接続される外部電極層２０が形成されている。また、圧電素子形成部材１３の少なくとも圧電素子１１の列１２に対応する領域の基端部側には、外部電極層２０が存在しない電極非形成部２１が存在する。そして、この電極非形成部２１に対向する領域に達する長さで複数のスリット１８が形成され、外部電極層２０はこのスリット１８及び電極非形成部２１によって、圧電素子１１毎に分離され、隣接する圧電素子１１と電気的に独立する個別外部電極２２と、隣接する圧電素子１１と電気的に共通する共通外部電極２３とを構成する。

以下、このような圧電素子ユニットの形成方法について説明する。なお、図３は、圧電素子ユニットの製造工程を示す断面図であり、図４は、ワイヤソー装置の一例を示す概略図であり、図５は、固定治具に固定された圧電素子形成部材の加工状態を示す概略図である。

まず、図３（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料層１５と内部電極１６，１７とを交互にサンドイッチ状に挟んで積層して圧電素子形成部材１３を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、このように積層形成した圧電素子形成部材１３の表面に外部電極層２０を形成する。例えば、本実施形態では、所定パターンのマスク部材を介して外部電極用材料を蒸着することにより、圧電素子形成部材１３の表面の所定領域に外部電極層２０を形成した。なお、圧電材料層１５の材料は、勿論、チタン酸ジルコン酸鉛に限定されるものではない。

次に、図３（ｃ）に示すように、圧電素子形成部材１３の基端部側の底面に固定基板１４を接合して圧電素子ユニット１０を形成する。なお、この固定基板１４は、特性の問題から比重が重く且つ硬い材料、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）又はタングステン合金等の金属を用いることが好ましい。

また、この段階では、圧電素子形成部材１３には圧電素子が形成されておらず、最終的に圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分けることによって、圧電素子１１の列１２を有する圧電素子ユニット１０となる。すなわち、圧電素子形成部材１３を固定基板１４に接合した後、この圧電素子形成部材１３にワイヤソー装置によって複数のスリット１８を形成することによって圧電素子ユニット１０が形成される。

そして、本発明では、このように圧電素子形成部材１３に複数のスリット１８を形成する工程、すなわち、圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分ける工程を、複数の圧電素子ユニット１０（圧電素子形成部材１３）を並列して配置した状態で行っている。

ここで、圧電素子形成部材１３の加工に用いられるワイヤソー装置１００は、例えば、図４に示すように、第１〜第３のローラ１０１〜１０３とこれら第１〜第３のローラ１０１〜１０３に巻きかけられたワイヤ１０４とを有し、第１のローラ１０１と第２のローラ１０２との間に巻きかけられたワイヤ１０４の下側には、加工対象である複数の圧電素子形成部材１３が固定治具２００によって固定されるテーブル１０５を有する。ワイヤ１０４は、圧電素子形成部材１３に形成される各スリット１８に対応して第１のローラ１０１と第２のローラ１０２とに一定間隔で巻きかけられており、圧電素子形成部材１３の両端部に対応する部分等、スリット１８を形成しない部分では、第１〜第３のローラ１０１〜１０３に巻きかけられている。なお、本実施形態では、１本のワイヤ１０４が、第１〜第３のローラ１０１〜１０３に螺旋状に巻きかけられたワイヤソー装置１００を例示したが、勿論、複数のワイヤが、第１及び第２のローラ１０１，１０２に各スリットに対応して巻きかけられたワイヤソー装置であってもよい。

そして、図５に示すように、固定治具２００によってテーブル１０５上に固定された複数の圧電素子形成部材１３に、一対のローラ、すなわち、第１のローラ１０１と第２のローラ１０２とに巻きかけられたワイヤ１０４を接触走行させることによって、各圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分けることで圧電素子１１の列１２を形成する。すなわち、第１〜第３のローラ１０１〜１０３を回転させて、ワイヤ１０４を図中矢印で示す方向に移動させながら、テーブル１０５を図中上方に移動させ、スラリーを供給しながらワイヤ１０４を圧電素子形成部材１３に接触させることによって複数のスリット１８を形成する。

このとき本発明では、第１及び第２のローラ１０１，１０２間の中央部に配置される圧電素子形成部材１３の高さが、両端部に配置される圧電素子形成部材１３の高さよりも高くなるようにしている。

例えば、本実施形態では、各圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分ける際の、各圧電素子形成部材１３に対応する位置でのワイヤ１０４の撓み量に基づいて、並列された各圧電素子形成部材１３のテーブル１０５に対する高さをそれぞれ補正するようにしている。なお、ここでいう圧電素子形成部材１３のテーブル１０５に対する高さとは、固定治具２００に固定された状態での高さであり、例えば、本実施形態では、テーブル１０５表面から固定治具２００の圧電素子ユニット１０（圧電素子形成部材１３）が載置される固定部２０１の先端部までの高さｈ１を基準としている。そして、ワイヤ１０４の撓み量が大きいほど各圧電素子形成部材１３のテーブル１０５からの高さが高くなるように、固定治具２００の各固定部２０１の高さを補正している。

ここで、本実施形態に係る固定治具２００は、図５に示すように、圧電素子ユニット１０が所定角度で傾斜した状態で載置される固定部２０１を有する固定部材２０２が複数連結されてなる。具体的には、固定部２０１の先端部までの高さが異なる複数種類の固定部材２０２を用意しておき、ワイヤ１０４の撓み量に応じて所定の固定部材２０２を選択し、それらを連結させることによって固定治具２００としている。このように複数の固定部材２０２が連結されてなる固定治具２００であれば、各固定部２０１の高さを極めて容易に調整することができる。なお、固定治具２００は、ワイヤ１０４の撓み量に応じて固定する圧電素子形成部材１３のテーブル１０５に対する高さを調整できるものであれば、勿論、その構造は特に限定されるものではない。

そして、具体的には次のようにして各固定部２０１の高さを補正している。まず、各圧電素子形成部材１３の高さを一定とした状態で、これら圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分ける工程を実施し、各圧電素子形成部材１３に形成されるスリット１８の深さを測定する。このスリット１８の深さは、ワイヤ１０４の撓み量に応じて変化し、中央部に位置する圧電素子形成部材１３のものほど浅くなる（図６参照）。なお、この例では、圧電素子ユニット１０（圧電素子形成部材１３）を１１個並列させており、横軸は圧電素子ユニット１０の並び順を示す番号である。次いで、このようなスリット１８の深さデータに基づいて、すなわち、ワイヤ１０４の撓み量に基づいて、例えば、図７のグラフに示すように圧電素子形成部材１３の高さｈ１の補正値を決定する。そして、この補正値に基づいて、上述したように固定部材２０２を選択して連結して固定治具２００を形成することで、各固定部２０１の高さを補正している。例えば、この例では、各固定部２０１の高さ、すなわち、圧電素子形成部材１３の高さに、最大で０．０８５ｍｍの差を生じさせることになる。

このように圧電素子形成部材１３の高さｈ１の補正を行った状態で、圧電素子形成部材１３を櫛歯状に切り分けることで、テーブル１０５（圧電素子形成部材１３）の移動を停止した状態で加工を行ういわゆる停止切りを実施しなくても、図８のグラフに示すように、各圧電素子形成部材１３のスリット１８の深さをほぼ一定にすることができる。また、停止切りを行う必要がないため、各スリット１８の幅も略一定、すなわち、各圧電素子１１の幅が略一定となる。したがって、本発明によれば、各圧電素子ユニット１０の各圧電素子１１の変位特性を向上することができると共に、変位特性の均一化を図ることができる。

また、圧電素子形成部材１３に形成されるスリット１８の深さのばらつきが低減されるため、加工スピードを上げることもできる。例えば、従来４μｍ／ｓｅｃで加工する必要があったものを、本発明の方法を採用することで５μｍ／ｓｅｃ程度に加工スピードを上げることが可能となる。

なお、本実施形態では、ワイヤ１０４の撓み量に基づいて圧電素子形成部材１３の高さを補正するようにしたが、例えば、ワイヤ１０４の撓み量を基づかなくても、中央部に配置される圧電素子形成部材１３の高さが端部側に配置される圧電素子形成部材１３の高さよりも高くなるようにすれば、停止切りの時間を短くすることができるため、各圧電素子３００の変位特性を向上させることはできる。

また、本実施形態では、ワイヤ１０４の撓み量に基づいて圧電素子形成部材１３の高さのみを調整するようにしたが、これに限定されず、例えば、ワイヤ１０４の各圧電素子形成部材１３との接触角度が略同一となるように、各圧電素子形成部材１３の傾斜角度をさらに補正するようにしてもよい。ワイヤ１０４の撓みによりワイヤ１０４の各圧電素子形成部材１３との接触角度は若干異なり、この違いがスリット１８の深さにも多少影響することが考えられるが、圧電素子形成部材の傾斜角度、例えば、テーブル１０５表面に対する固定部２０１の傾斜角度を補正することで、各スリット１８の深さをより均一化することができる。

なお、このように形成された圧電素子ユニット１０には、その後、圧電素子１１を駆動するための信号を供給する駆動配線が接続されて、インクジェット式記録ヘッド等に搭載される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。

本発明の製造方法で製造された圧電素子ユニットの斜視図である。本発明の製造方法で製造された圧電素子ユニットの平面図及び断面図である。圧電素子ユニットの製造工程を示す断面図である。ワイヤソー装置の一例を示す概略図である。固定治具に固定された圧電素子形成部材の加工状態を示す概略図である。高さ補正なしでの加工によるスリットの深さを示すグラフである。圧電素子形成部材の高さの補正量を示すグラフである。高さ補正ありでの加工によるスリットの深さを示すグラフである。

符号の説明

１０圧電素子ユニット、１１圧電素子、１３圧電素子形成部材、１４固定基板、１８スリット、１００ワイヤソー装置、１０１第１のローラ、１０２第２のローラ、１０３第３のローラ、１０４ワイヤ、１０５テーブル、２００固定治具、２０１固定部、２０２固定部材

Claims

個別電極層及び共通電極層と圧電材料層とを有する圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けた圧電素子の列を具備する圧電素子ユニットの製造方法であって、
複数の圧電素子形成部材を並列させて固定治具によりテーブル上に固定してこれら複数の圧電素子形成部材に一対のローラに巻きかけられたワイヤを接触走行させることによって各圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けて前記圧電素子の列を形成し、その際、前記一対のローラ間の中央部に配置される前記圧電素子形成部材の前記テーブルに対する高さが、両端部側に配置される前記圧電素子形成部材の前記テーブルに対する高さよりも高くなるようにしたことを特徴とする圧電素子ユニットの製造方法。
前記圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けるときの前記ワイヤの各圧電素子形成部材に対応する位置での撓み量に基づいて、並列された各圧電素子形成部材の少なくとも高さをそれぞれ補正したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子ユニットの製造方法。
前記ワイヤの撓み量が大きい程、前記圧電素子形成部材の前記テーブルに対する高さが高くなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の圧電素子ユニットの製造方法。
各圧電素子形成部材を前記テーブルに対して傾斜した状態で当該圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分け、且つその際に、各圧電素子形成部材の前記ワイヤとの交差角度が同一となるように各圧電素子形成部材の角度をさらに補正したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の圧電素子ユニットの製造方法。
個別電極層及び共通電極層と圧電材料層とを有する圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けた圧電素子の列を具備する圧電素子ユニットの製造に用いられて、複数の前記圧電素子形成部材に一対のローラに巻きかけられたワイヤを接触走行させることによって各圧電素子形成部材を櫛歯状に切り分けて前記圧電素子の列を形成する際に、これら複数の圧電素子形成部材をテーブル上に固定するための固定治具であって、
前記圧電素子形成部材がそれぞれ配置される複数の固定部を有し、且つ各固定部の前記テーブルに対する高さがそれぞれ独立して調整できるようになっていることを特徴とする固定治具。
前記固定部を有する複数の固定部材が連結されてなることを特徴とする請求項５に記載の固定治具。