JP5130604B2

JP5130604B2 - 圧電素子及び圧電素子の製造方法

Info

Publication number: JP5130604B2
Application number: JP2004215421A
Authority: JP
Inventors: 健一大野; 虎彦神田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP2006041007A

Description

本発明は、圧電素子及び圧電素子の製造方法に関する。

圧電素子は、電気機械変換素子としてセンサやアクチュエータ等に広く利用されている。そして、インクジェット記録ヘッドのインクを吐出するアクチュエータとしても圧電素子が使用されている。

圧電素子の製造方法としては、原料となる微細粒子に高圧を印加して焼結し、微細粒焼結体のインゴットを作り、このインゴットをスライス、薄板化した後、分割して個別の圧電素子とする製造方法がある。

しかし、焼結して作られた微細粒焼結体には空洞が残存する。このような空洞は圧電素子の内部欠陥や孔となり、クラックや破損の原因となる。また、圧電素子の圧電特性を著しく低下させたり、圧電体両面がショートする原因ともなる。

このため、このような内部欠陥や孔を検査し、内部欠陥や孔が発見されると不良品として廃棄している。しかし、内部欠陥や孔を完全に検出することは困難である。また、不良品として廃棄する為、高コストであった。

内部欠陥や孔に対応する方法として、次のような方法が提案されている。

水熱合成法によって形成された圧電体素子の耐電圧特性向上のため、下部電極と上部電極の間に形成された圧電体膜の薄肉欠陥部のみに絶縁性物質を充填する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

あるいは、圧電層及び両電極層を基板上にスパッタリング等により薄膜として形成した際に不純物を核として生じ、少なくとも一方の面に開口した状態の空乏部に、粘度が２０ｃＰ以下の状態の充填部材を流し込んで充填する方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照）。

あるいは、表面を平坦化して、駆動電極の成膜時間を短縮させ、また保護層の電気絶縁性を向上させるため、圧電性基板と駆動用電極との間に金属酸化物薄膜層を設けることが提案されている。（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−３５１２１２号公報特開２００２−０７９６７８号公報特開平１１−２０７９５５号公報

しかし、特開２０００−３５１２１２号公報、特開２００２−０７９６７８号公報、特開平１１−２０７９５５号公報に記載の方法は、いずれも圧電素子の表面に露出した傷や孔に対して、絶縁性物質を充填したり、保護膜を設けるものであり、圧電素子の内部的欠陥については対応できない。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、内部欠陥や孔による不具合を防止する圧電体素子及び圧電素子の製造方法の提供を目的とする。

請求項１に記載の圧電素子の製造方法は、３μｍの微細粒を加圧し焼結して形成された微細粒焼結体のインゴットから作られ、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子の製造方法において、前記インゴットを厚さ１００μｍにスライスし、板状圧電体を形成する工程と、前記板状圧電体を、減圧されたシランカップリング剤からなる絶縁性液剤に浸透させ、前記微細粒を焼結する際に発生する空洞に前記絶縁性液剤を充填する工程と、前記板状圧電体に充填された前記絶縁性液剤を加熱して固化する工程と、前記板状圧電体を３５μｍに薄板化して圧電プレートを形成する工程と、前記圧電プレートを分割し、インクジェット記録ヘッドの圧力室に対応して振動板に接着され、駆動電圧が印加されることによって撓み変形し、前記圧力室を加圧してノズルからインク滴を吐出させる圧電素子を形成する工程と、を備えることを特徴としている。

請求項１に記載の圧電素子の製造方法は、微細粒を加圧して焼結する際に空洞が発生する。しかし、絶縁性液剤を微細粒焼結体に浸透させて、空洞に絶縁性液剤を充填し、そして絶縁性液剤を固化している。このように、空洞には絶縁性溶剤が充填されているので、空洞による不具合、例えば、圧電素子の圧電特性の低下が防止される。また、空洞があっても不良品として廃棄せずに使用できるので、環境的にも良い。

また、板状圧電体を形成し、この板状圧電体を絶縁性液剤に浸透させて空洞に絶縁性液剤を充填している。よって、大きな固まりのインゴットよりも短時間で均一に浸透して空洞に充填されるので、好適である。
また、減圧された絶縁性液体に浸漬している。よって、より短時間で均一に浸透して空洞に充填される。

請求項２に記載の圧電素子は、請求項１に記載の圧電素子の製造方法によって製造されたことを特徴としている。

請求項２に記載の圧電素子は、空洞に絶縁性溶剤が充填されているので、空洞による不具合、例えば、圧電特性の低下がない圧電素子である。

以上説明したように本発明によれば、微細粒を焼結する際に空洞に絶縁性液剤を充填した後、絶縁性液剤を固化しているので、空洞による不具合、例えば、圧電素子の圧電特性の低下が防止される。

本発明に係る圧電素子３６を用いたインクジェット記録ヘッド１１２の構成の概要を説明する。

図１及び図２に示すようにインクジェット記録ヘッド１１２は、マトリックス状に配置されたインク滴を吐出するノズル１０と菱形形状をした圧力室１２と備え、ノズル１０と圧力室１２とはノズル連通路１６で連通されている。

また、図示しないインク供給部から導入されたインクが充填される共通インク流路１４を備えている。そして、共通インク流路１４の開口部２０と圧力室１２とが、インク供給路１８で連通されている。

圧力室１２の上面には振動板３４が接着され、振動板３４の上面には、略長方形の圧電素子３６が接着され、更に圧電素子３６の上面にはボール半田４０を介して配線基板３８が接合されている。

なお、図２（Ａ）に示すように、ノズル１０は圧力室１２の菱形形状の角部に位置し、インク供給路１８はノズル１０の位置と対角線上に反対の角部と連通している。

また、圧電素子３６は駆動部３６Ａと電極パット部３６Ｂとで構成されている。電極パット部３６Ｂは圧力室１２の領域外に延出した部分で、ボール半田４０を介して配線基板３８と接続されている。駆動部３６Ａは圧力室１２に相当する領域の上面に配設された部分で、その大きさは圧力室１２より若干小さく、圧力室１２と略同形状となる。

インクジェット記録ヘッド１１２は、このような構成により、駆動電圧が圧電素子３６の電極パット部３６Ｂに印加されると、圧電素子３６の駆動部３６Ａがたわみ変形して、圧力室１２のインクを加圧し、ノズル１０からインク滴が吐出する。

つぎに、インクジェット記録ヘッド１１２の製造方法の概要を説明する。

図１と図２とに示すように、ノズル１０が形成されるノズルプレート２２と、ノズル連通路１６と共通インク流路１４となる孔が形成されたインクプールプレート２４、２６と、ノズル連通路１６と共通インク流路１４の開口部２０となる孔が形成されたスループレート２８と、インク供給路１８となる孔が形成されたインク供給路プレート３０と、圧力室１２となる孔が形成された圧力室プレート３２とを順番に積層し接合する。

なお、ノズルプレート２２の材質はポリイミドであり、ノズルプレート２２、インクプールプレート２４、２６、スループレート２８、圧力室プレート３２の材質はＳＵＳである。また、圧力室１２等になる各孔は、エッチング加工によって形成されている。

つぎにノズルプレート２２の表面に撥水コート膜（図示せず）を被覆すると共に、エキシマレーザでノズル１０を開ける。

ノズル１０を形成後に圧力室プレート３２に振動板３４を接着し、振動板３４の上面に各圧力室１２に対応した圧電素子３６を接着する
そして、最後に圧電素子３６毎にボール半田４０を形成した配線基板３８を圧電素子３６と接合する。

なお、圧電素子３６の両面には電極層が形成されており圧電素子３６と配線基板３８とは電気的に接続されている。また、配線基板３８と振動板３４とは導電性材にて接続されている。

つぎに圧電素子３６の製造方法について説明する。

図３（Ａ）に示すように、圧電素子３６の原料となる微細粒子２０２（約３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）粒子）を焼結用の円筒炉３００に入れ、加圧しながら焼成する。図３（Ｂ）に示すように、焼結された微細粒焼結体のインゴット２０４を取り出す。図４（Ａ）と図４（Ｂ）とに示すように、インゴット２０４をスライスし、約１００μｍ厚（図４（Ｂ）のｔ１）の微細粒焼結体の板状圧電体２０６とする。そして、図５（Ａ）と図５（Ｂ）とに示すように、板状圧電体２０６を研磨装置（図示省略）で研磨して薄板化し、約３５μｍ厚（図５（Ｂ）のｔ２）の微細粒焼結体の圧電プレート２０８とする。

図示は省略するが、圧電プレート２０８の両面に電極層となる電極膜をスパッタリング等で形成したのち、サンドブラスト加工などによって分割し、圧電素子３６（図２参照）とする。なお、本実施形態の場合は、１枚の圧電プレート２０８から数ヘッド分の圧電素子３６となる。

さて、図３（Ｃ）に示すように、焼結直後のインゴット２０４の内部には、空洞２１０が残存する。そして、図４（Ｂ）に示すように、スライス後の板状圧電体２０６の中にも、この空洞２１０が残り、そして、図５（Ｂ）に示すように、薄板化後の圧電プレート２０８の内部欠陥２１０Ａ（空洞）や孔２１０Ｂとなる。

圧電プレート２０８の内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂは、圧電素子３６への分割工程や、その後のインクジェット記録ヘッド１１２の製造工程においてストレスがかかると、圧電素子３６の破損やクラック発生の原因となる。また、内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂのある圧電素子３６は、圧電特性が著しく低下し、このためインク滴の吐出特性も著しく低下する。更に、駆動電圧を印加した際に圧電素子３６の両面がショートする原因にもなる。

このため、圧電プレート２０８を検査し、内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂが発見された圧電プレート２０８を不良品として廃棄する方法も考えられるが、孔２１０Ｂが小さかったり、圧電プレート２０８の表面に露出していない内部欠陥２１０Ａの検出は困難であり確実性に乏しい。また、内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂが発見された圧電プレート２０８は、不良品として廃棄するので、高コストであり、環境的にも好ましく無い。

よって、本実施形態では、空洞２１０に絶縁性液剤３０４を充填して対応している。

具体的には、図６に示すように、スライス後の板状圧電体２０６を絶縁性液剤３０４に浸漬する。図７に示すように、板状圧電体２０６は微細粒焼結体であるので、絶縁性液剤３０４は微細粒子２０２の粒界に沿って浸透し（図中の３０４Ａを参照）、空洞２１０に絶縁性液剤３０４が充填される（図中の３０４Ｂを参照）。そして、空洞２１０に絶縁性液剤３０４が充填された板状圧電体２０６を取りだして加熱し、絶縁性液剤３０４を固化する。そして、前述したように、研磨して圧電プレート２０８とする。

なお、絶縁性液剤３０４としては、例えば、液状ガラス、シランカップリング剤などが使用できる。

また、図６に示すように、絶縁性液剤３０４が入った容器３０２を、減圧装置５００で減圧した状態で板状圧電体２０６を浸漬すると、浸透がより短時間で均一に行なわれる。その結果、より短時間で確実に空洞２１０に充填される。更に、板状圧電体２０６は約１００μｍと薄いので、空洞２１０への充填が短時間で確実に行われやすい。また、厚みが約１００μｍであり、比較的破損しにくいので、取扱いも容易である。

つぎに、本実施形態の作用を説明する。

今まで説明したように、微細粒を焼結し微細粒焼結体のインゴット２０４とする際に発生する空洞２１０に絶縁性液剤３０４が充填されている。（図７参照）。したがって、圧電プレート２０８を圧電素子３６へ分割する工程やインクジェット記録ヘッド１１２の製造工程において、圧電素子３６の破損やクラックの発生が防止される。また、圧電素子３６の内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂに絶縁性液剤３０４が充填されているので、圧電素子３６の圧電特性が低下しない。よって、インク滴の吐出特性も低下しない。更に、駆動電圧を印加した際のショートも防止される。

また、内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂがある圧電プレート２０８を不良品として廃棄しないので、低コストである。また、廃棄しないので環境的にも良い。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、図６に示すように、約１００μｍにスライスした板状圧電体２０６を絶縁性液剤３０４に浸漬して、空洞２１０に絶縁性液剤３０４を充填したが、これに限定されない。例えば、焼結直後のインゴット２０４（図３（Ｂ）参照）を絶縁性液剤３０４に浸漬しても良い。この場合、１回の浸漬で多数の空洞２１０に充填でき、また、ハンドリング性も良いので、作業効率が良い。あるいは、薄板化後の圧電プレート２０８（図５参照）を絶縁性液剤３０４に浸漬しても良い。この場合、圧電プレート２０８は非常に薄いので、空洞２１０（内部欠陥２１０Ａや孔２１０Ｂ）への充填がより短時間で確実に行われる。

また、例えば、上記実施形態では、焼結・スライス・薄膜化・分割の工程を経て圧電素子３６を形成したが、これに限定されない。圧電素子は微細粒を焼結して形成された微細粒焼結体のインゴットから作られており、インゴットを圧電素子とする製造工程において、絶縁性液剤を浸透させ、微細粒を焼結する際に発生する空洞に絶縁性液剤を充填する工程と、絶縁性液剤を固化する工程と、が備えられていれば良い。

また、例えば、上記実施形態では、圧電素子３６は、インクジェット記録ヘッド１１２に使用した例で説明しているが、これに限定されない。圧電素子は、電気機械変換素子としてセンサやアクチュエータなどとして、その他のものにも適用可能である。また、圧電素子の厚みや形状は対象に応じて最適なものであって良い。

（Ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電素子を使用したインクジェット記録ヘッドの内部を示す部分断面斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＸ部分の拡大図である。（Ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電素子を使用したインクジェット記録ヘッドの内部を平面視した図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面の断面図である。本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法を模式的に示し、（Ａ）は焼結する図であり、（Ｂ）は焼結後のインゴットの図であり、（Ｃ）はインゴットの内部の図である。本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法を模式的に示し、（Ａ）はインゴットをスライスして形成した板状圧電体の図であり、（Ｂ）は板状圧電体の断面図である。本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法を模式的に示し、（Ａ）は板状圧電体を研磨して薄板化した圧電プレートの図であり、（Ｂ）は圧電プレートの断面図である。本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法を模式的に示し、板状圧電体を絶縁性溶剤に浸漬する図である。本発明の実施形態に係る圧電素子の製造方法を模式的に示し、絶縁性溶剤が板状圧電体に浸透し空洞に充填された様子を示す図である。

符号の説明

３６圧電素子
２０２微細粒
２０４インゴット
２０６板状圧電体
２０８圧電プレート
２１０空洞
２１０Ａ内部欠陥
２１０Ｂ孔
３０４絶縁性液剤

Claims

３μｍの微細粒を加圧し焼結して形成された微細粒焼結体のインゴットから作られ、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子の製造方法において、
前記インゴットを厚さ１００μｍにスライスし、板状圧電体を形成する工程と、
前記板状圧電体を、減圧されたシランカップリング剤からなる絶縁性液剤に浸透させ、前記微細粒を焼結する際に発生する空洞に前記絶縁性液剤を充填する工程と、
前記板状圧電体に充填された前記絶縁性液剤を加熱して固化する工程と、
前記板状圧電体を３５μｍに薄板化して圧電プレートを形成する工程と、
前記圧電プレートを分割し、インクジェット記録ヘッドの圧力室に対応して振動板に接着され、駆動電圧が印加されることによって撓み変形し、前記圧力室を加圧してノズルからインク滴を吐出させる圧電素子を形成する工程と、
を備えることを特徴とする圧電素子の製造方法。
請求項１に記載の圧電素子の製造方法によって製造されたことを特徴とする圧電素子。