JP5639738B2

JP5639738B2 - 圧電／電歪素子の製造方法

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Publication number: JP5639738B2
Application number: JP2008033035A
Authority: JP
Inventors: 貴昭小泉; 清水　秀樹; 清水　　秀樹
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Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2014-12-10
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Description

本発明は、圧電／電歪特性の劣化を抑制しつつ耐湿性を向上した圧電／電歪素子及び当該圧電／電歪素子の製造方法に関する。

圧電／電歪アクチュエータは、サブミクロンのオーダーで変位を精密に制御することができるという利点を有する。特に、圧電／電歪セラミックスの焼成体を圧電／電歪体として用いた圧電／電歪アクチュエータは、変位を精密に制御することができる他にも、電気機械変換効率が高く、発生力が大きく、応答速度が速く、耐久性が高く、消費電力が少ないという利点も有し、これらの利点を生かして、インクジェットプリンタのヘッドやディーゼルエンジンのインジェクタに採用されている。

しかし、圧電／電歪セラミックスの焼成体を圧電／電歪体として用いた圧電／電歪アクチュエータでは、常湿下においては変位量の低下が問題とならないにもかかわらず、高湿下においては変位量の低下が問題となることがある。このような変位量の低下の原因は、圧電／電歪アクチュエータを分極したり繰り返し駆動したりしたときに圧電／電歪セラミックスの焼成体の粒界やポアなどの機械的強度が弱い部分に応力が集中することにより形成されたマイクロクラックその他の欠陥に水分が浸入して導電パスとなり、圧電／電歪体膜に印加される電界を小さくしてしまうことにあると考えられる。

このような高湿下における変位量の低下を防ぐためには、圧電／電歪体膜と電極膜とを積層した振動積層体の表面にマイクロクラックその他の欠陥を覆う被膜を形成することが有効である。

例えば、特許文献１には、振動積層体（圧電振動子）の表面に被膜（絶縁層１３）を形成することにより耐湿性を向上することが記載されている。また、特許文献２にも、振動積層体（圧電素子３００）の表面に被膜（保護膜１００）を形成することにより耐湿性を向上することが記載されている。

特許第３５５２０１３号公報特開２００７−１７５９８９号公報

しかし、従来の技術では、振動積層体の表面に被膜を形成することにより耐湿性を向上することができるものの、被覆が振動積層体を拘束するため、圧電／電歪アクチュエータの変位量が低下してしまうという問題があった。この問題を緩和するために、特許文献２では、被膜の一部を柔軟な材料で構成することを提案しているが（段落００５１）、そのような対策では十分な効果を得ることはできない。

なお、この問題は、圧電／電歪アクチュエータに限らず、圧電／電歪体膜及び電極膜を積層した振動積層体を備える圧電／電歪素子に共通する問題である。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、圧電／電歪特性の劣化を抑制しつつ耐湿性を向上した圧電／電歪素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１及び請求項２の発明は、圧電／電歪体膜及び電極膜を積層した振動積層体を備える圧電／電歪素子の製造方法であって、(a) 被膜材料成分を含有する電着塗料液を振動積層体に接触させる工程と、(b) 前記振動積層体の表面に露出し前記振動積層体を構成する第１の電極膜に至る欠陥の上に被膜となる被膜材料を選択的に電着させる工程と、を備える。

請求項１の発明においては、前記工程(a)は、前記第１の電極膜に短絡されていない前記振動積層体を構成する第２の電極膜と前記振動積層体とは別体の対向電極とを短絡した状態で前記振動積層体及び前記対向電極に前記電着塗料液を接触させ、前記工程(b)は、前記第１の電極膜と前記対向電極との間に電圧を印加し、前記第１の電極膜と前記対向電極との間に生じる電界を前記欠陥から前記電着塗料液の中に漏れ出させることにより、前記欠陥の上に被膜材料を電着させる。

請求項２の発明においては、前記工程(b)は、前記第１の電極膜と前記第１の電極膜に短絡されていない前記振動積層体を構成する第２の電極膜との間に電圧を印加し、前記第１の電極膜と前記第２の電極膜との間に生じる電界を前記欠陥から前記電着塗料液の中に漏れ出させることにより、前記欠陥の上に被膜材料を電着させる。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の圧電／電歪素子の製造方法において、(c) 前記工程(a)の前に前記欠陥を成長させる工程、をさらに備える。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電／電歪素子の製造方法において、(d) 前記工程(a)の前に振動積層体の表面に対する前記被膜の密着性を向上する表面処理を前記振動積層体に対して行う工程、をさらに備える。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、振動積層体の表面から振動積層体を構成する第１の電極膜へ至る欠陥を被膜で覆うことができるので、圧電／電歪素子の耐湿性を向上することができる。また、振動積層体の表面に選択的に被膜を形成することができるので、被膜による圧電／電歪素子の圧電／電歪特性の劣化を抑制することができる。

請求項１の発明によれば、第２の電極膜の電位が対向電極の電位と等しくなるので、第２の電極膜の表面に被膜材料が付着することを抑制することができる。

請求項２の発明によれば、対向電極が不要になるので、圧電／電歪素子の製造装置を簡略化することができる。

請求項３の発明によれば、後に発生する恐れのある欠陥を事前に成長させて被膜で覆うことができるので、圧電／電歪素子の耐湿性をより向上することができる。

請求項４の発明によれば、振動積層体の表面に対する被膜の密着性を向上することができるので、圧電／電歪素子の耐湿性をより向上することができる。

＜１第１実施形態＞
＜１−１圧電／電歪素子１０の構造＞
｛全体構造｝
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法により製造される圧電／電歪素子１０の模式図である。図１は、圧電／電歪素子１０の断面図となっている。図１に示す圧電／電歪素子１０は、インクジェットプリンタのヘッドに使用されるインク吐出用のアクチュエータの主要部となっている。

図１に示すように、圧電／電歪素子１０は、空洞であるキャビティ１３６の上方において基体１０２の上面に振動積層体１１０を固着した構造を有している。「固着」とは、有機接着剤や無機接着剤を用いることなく、基体１０２と振動積層体１１０との界面における固相反応により基体１０２に振動積層体１１０を接合することをいう。

｛基体１０２｝
基体１０２は、ベース板１０６及び振動板１０８を列記した順序で下から上に積層して一体化した構造を有している。

基体１０２は、絶縁体の構造物である。絶縁体の種類は制限されないが、耐熱性、化学的安定性及び絶縁性の観点から、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群より選択される少なくとも１種類を含むセラミックスの焼成体であることが望ましい。中でも、機械的強度及び靭性の観点から、安定化された酸化ジルコニウムのセラミックスの焼成体であることが望ましい。ここで、「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加によって結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニウムを含む。

ベース板１０６は、細長矩形の平面形状を有するキャビティ１３６を略均一の板厚の板に形成した構造を有している。

振動板１０８は、略均一の板厚の板である。振動板１０８の板厚は、０．５μｍ以上２００μｍ以下であることが望ましい。この範囲を下回ると、振動板１０８が損傷しやすくなるからであり、この範囲を上回ると、振動板１０８の剛性が高くなり圧電／電歪素子１０の屈曲変位の変位量が減少する傾向があるからである。

基体１０２は、例えば、絶縁セラミックスをシート状に成形したグリーンシートを圧着して焼成することにより作製する。

なお、図２の圧電／電歪素子７０の模式図に示すように、ベース板１０６及び振動板１０８と同様のベース板７０６及び振動板７０８の下にインク吐出孔７３８を形成したベース板７０４をさらに積層した構造を有する基体７０２を基体１０２に代えて用いることができる。

｛振動積層体１１０｝
振動積層体１１０は、電極膜１１２、圧電／電歪体膜１１４、電極膜１１６、圧電／電歪体膜１１８及び電極膜１２０を列記した順序で下から上に積層した構造を有している。

電極膜１１２，１１６，１２０は、導電体の膜である。導電体の種類は制限されないが、電気抵抗及び耐熱性の観点から、白金、パラジウム、ロジウム、金若しくは銀等の金属又はこれらを主成分とする合金であることが望ましい。中でも、耐熱性に特に優れる白金又は白金を主成分とする合金であることが望ましい。

電極膜１１２，１１６，１２０の膜厚は、０．１μｍ以上１５μｍ以下であることが望ましい。この範囲を上回ると、電極膜１１２，１１６，１２０の剛性が高くなり、圧電／電歪素子１０の屈曲変位の変位量が減少する傾向があり、この範囲を下回ると、電極膜１１２，１１６，１２０の電気抵抗が上昇する傾向があるからである。

電極膜１１２，１１６，１２０は、導電材料を分散媒に分散させたペーストや導電材料のレジネートを溶媒に溶解させた溶液を塗布してから分散媒又は溶媒を除去し、得られた導電材料膜を焼成することにより形成してもよいし、導電材料を蒸着することにより形成してもよい。ペーストの塗布は、スクリーン印刷等により行うことができ、溶液の塗布は、スピンコート、吹きつけ等により行うことができる。導電材料の蒸着は、スパッタ蒸着、抵抗加熱蒸着等により行うことができる。もちろん、これらの形成方法は一例にすぎず、他の形成方法を採用してもよい。

圧電／電歪体膜１１４，１１８は、圧電／電歪体の膜である。圧電／電歪体の種類は制限されないが、電界誘起歪の観点から、鉛（Ｐｂ）系ペロブスカイト酸化物のセラミックスの焼成体であることが望ましく、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_xＴｉ_1-x）Ｏ₃）又は単純酸化物、複合ペロブスカイト酸化物等を導入したチタン酸ジルコン酸鉛のセラミックスの焼成体であることがさらに望ましい。中でも、チタン酸ジルコン酸鉛とマグネシウム酸ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃）との固溶体に酸化ニッケル（ＮｉＯ）を導入したセラミックスの焼成体やチタン酸ジルコン酸鉛とニッケル酸ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｎｉ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃）との固溶体のセラミックスの焼成体であることが望ましい。

圧電／電歪体膜１１４，１１８の膜厚は、０．２μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。この範囲を下回ると、圧電／電歪体膜１１４，１１８の緻密化が不十分になる傾向があり、この範囲を上回ると、圧電／電歪体膜１１４，１１８の焼結時の収縮応力が大きくなるため振動板１０８の板厚を厚くする必要が生じるからである。

圧電／電歪体膜１１４，１１８は、圧電／電歪材料を分散媒に分散させたペーストを塗布してから分散媒を除去し得られた圧電／電歪材料膜を焼成することにより形成する。ペーストの塗布は、スクリーン印刷等により行うことができる。また、圧電／電歪材料を分散媒に分散させたスラリーに仕掛品を浸漬し圧電／電歪材料を電極膜に向かって電気泳動させ、得られた圧電／電歪材料膜を焼成することにより圧電／電歪体膜１１４，１１８を形成してもよい。もちろん、これらの形成方法は一例にすぎず、他の形成方法を採用してもよい。

電極膜１１２と電極膜１１６とは、圧電／電歪体膜１１４を挟んで対向しており、電極膜１１６と電極膜１２０とは、圧電／電歪体膜１１８を挟んで対向している。なお、図１は、振動積層体１１０が２層の圧電／電歪体膜１１４，１１８を備える場合を示しているが、振動積層体が３層以上の圧電／電歪体膜を備えていてもよい。振動積層体が３層以上の圧電／電歪体膜を備える場合は、振動積層体は、圧電／電歪体膜と電極膜とを交互に積層した構造を有する。このとき、電極膜に挟まれておらず電界が印加されない不活性な圧電／電歪体膜が振動積層体の最下層又は最上層にあってもよい。また、振動積層体が備える圧電／電歪体膜が１層のみであり、当該圧電／電歪体膜の両主面に電極膜を形成した構造を振動積層体が有している場合であっても本発明を適用することは可能である。

電極膜１１２の主要部は、基体１０２と圧電／電歪体膜１１４との間にあるが、電極膜１１２の端部はキャビティ１３６が形成されている領域の外側に引き出されて駆動信号の給電部１４２となっている。また、電極膜１１６の主要部は、圧電／電歪体膜１１４と圧電／電歪体膜１１８との間にあるが、電極膜１１６の端部は圧電／電歪体膜１１４と圧電／電歪体膜１１８との間からキャビティ１３６が形成されている領域の外側に引き出されて駆動信号の給電部１４４となっている。電極膜１１２と電極膜１２０とは、圧電／電歪体膜１１４，１１８の端面に形成された電極膜１２２によって電気的に短絡されている。以下では、これらの電気的に短絡された電極膜１１２，１２０，１２２を外部電極膜１３２と呼び、外部電極膜１３２とは電気的に短絡されていない電極膜１１６を内部電極膜１３４と呼ぶ。

｛被膜１２８｝
図３は、図１のＡ部を拡大した模式図である。図３に示すように、圧電／電歪体膜１１８には多数のマイクロクラックその他の欠陥（以下では、単に「欠陥」という）１５２が存在しており、そのうちの一部の欠陥（以下では、「表面露出欠陥」という）１５４は、振動積層体１１０の表面に露出するとともに、内部電極膜１３４に至っている。圧電／電歪素子１０は、表面露出欠陥１５４を選択的に覆う被膜１２８を備える。もちろん、表面露出欠陥１５４の位置、大きさ、数等は個々の圧電／電歪素子１０によって異なるので、被膜１２８の位置、大きさ、数等も個々の圧電／電歪素子１０によって異なる。このような被膜１２８を振動積層体１１０の表面に形成すれば、表面露出欠陥１５４に水分が浸入して振動積層体１１０の表面と内部電極膜１３４とを結ぶ導電パスを形成することを防ぐことができるので、圧電／電歪素子１０の耐湿性を向上することができる。また、振動積層体１０の表面に選択的に被膜１２８を形成することができるので、被膜１２８による圧電／電歪素子１０の圧電／電歪特性の劣化を抑制することができる。

被膜１２８は、絶縁体の膜である。被膜１２８は、振動積層体１１０の表面に露出している表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を電着して後処理を行うことにより形成する。

｛圧電／電歪素子１０の動作｝
このような構造により、給電部１４２と給電部１４４との間に駆動信号を給電し、圧電／電歪体膜１１４，１１８に電界を印加すると、圧電／電歪体膜１１４，１１８を積層方向と垂直な方向に伸縮させ、一体化された振動板１０８及び振動積層体１１０を屈曲させることができる。この屈曲により、圧電／電歪素子１０は、キャビティ１３６の内部のインクを押圧する。

＜１−２圧電／電歪素子１０の製造方法＞
図４は、第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法を説明するフローチャートである。また、図５は、第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法に使用する電着塗装装置１６０の模式図である。

｛積層構造体１００の作製｝
図４に示すように、圧電素子の製造にあたっては、まず、基体１０２の上面に振動積層体１１０を固着した積層構造体１００を作製する（ステップＳ１０１）。

｛欠陥の成長｝
続いて、給電部１４２と給電部１４４との間に直流電圧を印加して圧電／電歪体膜１１４，１１８を分極するとともに（ステップＳ１０２）、給電部１４２と給電部１４４との間に駆動信号を供給して振動積層体１１０を駆動する（ステップＳ１０３）。電着塗料液１６４に積層構造体１００を浸漬する前に分極及び駆動を行うことは必須ではないが、分極及び駆動を事前に行っておけば、後に発生する恐れのある欠陥を事前に成長させて被膜１２８で覆うことができるので、圧電／電歪素子１０の耐湿性をより向上することができる。欠陥を事前に成長させる処理としては、分極及び駆動の両方を行うことが望ましいが、分極及び駆動のいずれか片方のみを行うことも妨げられない。また、分極及び駆動を行うことに代えて又は分極及び駆動を行うことに加えて、積層構造体１００を低温と高温とに交互に曝すヒートショック試験その他の処理を行ってもよい。この欠陥を成長させる処理は省略することもできる。

｛表面処理｝
続いて、振動積層体１１０の表面に対する被膜１２８の密着性を向上する表面処理を振動積層体１１０に対して行う（ステップＳ１０４）。電着塗料液１６４に積層構造体１００を浸漬する前にこの表面処理を行えば、振動積層体１１０の表面に対する被膜１２８の密着性を向上することができるので、圧電／電歪素子１０の耐湿性をより向上することができる。振動積層体１１０の表面に対する被膜の密着性を向上する表面処理には、プラズマクリーニングにより振動積層体１１０の表面に付着している有機化合物を除去する処理、振動積層体１１０の表面に自己組織化膜を形成する処理等がある。なお、欠陥を成長させる処理を行う前に表面処理を行ってもよい。この表面処理は省略することもできる。

｛被膜材料の電着｝
続いて、図５に示すように、振動積層体１１０とは別体の対向電極１６２と外部電極膜１３２とを電気的に短絡した状態で、被膜材料成分を含有する電着塗料液１６４に積層構造体１００の全体及び対向電極１６２を浸漬し、振動積層体１１０及び対向電極１６２の表面に電着塗料液１６４を接触させる（ステップＳ１０５）。

対向電極１６２は、白金を材質とする平板である。もちろん、対向電極１６２の材質を白金以外の金属としてもよい。対向電極１６２を平板とすることは必須ではなく、図６に示すような曲板である対向電極７６２や図７に示すような積層構造体１００を内部に収容することができるコイルである対向電極８６２を対向電極１６２に代えて用いることができる。

電着塗料液１６４には、被膜材料成分を溶媒に溶解させた溶液及び被膜材料成分を分散媒に分散させた分散液のいずれも使用することができる。電着塗料液１６４は、被膜材料成分が正に帯電しているカチオン型及び被膜材料成分が負に帯電しているアニオン型のいずれであってもよい。被膜材料の例としては、エポキシ樹脂・ポリイミド樹脂・ポリアミドイミド樹脂・アクリル樹脂等の炭素系高分子化合物、シリコーン樹脂等のケイ素系高分子化合物、表面に分散剤を吸着させ帯電させたアルミナ等の酸化物のナノ粒子等を挙げることができる。溶媒又は分散媒の例としては、水等の無機溶媒、アルコール等の有機溶媒を挙げることができる。なお、電着塗料液１６４がブロック化イソシアネート等の硬化剤やスズ化合物等の触媒を含んでいてもよい。

積層構造体１００及び対向電極１６２を電着塗料液１６４に浸漬した後に、内部電極膜１３４と対向電極１６２との間に電圧を印加し、表面露出欠陥１５４に向かって被膜材料成分を電気泳動させ、表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を選択的に電着させる（ステップＳ１０６）。もちろん、電着塗料液１６４がカチオン型ならば、内部電極膜１３４を電源の負極に接続するとともに対向電極１６２を電源の正極に接続し、電着塗料液１６４がアニオン型ならば、内部電極膜１３４を電源の正極に接続するとともに対向電極１６２を電源の負極に接続する。表面露出欠陥１５４の上への選択的な電着が可能であるのは、表面露出欠陥１５４が導電パスとなって内部電極膜１３４と対向電極１６２との間に生じる電界が表面露出欠陥１５４から電着塗料液１６４の中に漏れ出し、漏れ出した電界により被膜材料成分が表面露出欠陥１５４に引き寄せられるからである。

ここで、外部電極膜１３２は対向電極１６２と電気的に短絡され、外部電極膜１３２の電位は対向電極１６２の電位と等しくなっているので、主要部が積層構造体１００の表面にあり電着塗料液１６２と接触していたとしても、外部電極膜１３２の表面には被膜材料が付着しにくくなっている。ただし、このことは、振動積層体１１０を構成する電極膜１１２，１１６，１２０，１２２の一部を対向電極１６２と電気的に短絡して対向電極１６２と同じ極に接続することを必須とするものではなく、電極膜１１２，１１６，１２０，１２２の全てをまとめて対向電極１６２とは逆の極に接続してもよい。

表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を電着した後に、積層構造体１００及び対向電極１６２を電着塗料液１６４から引き上げて振動積層体１１０の表面から電着塗料液１６４を除去し（ステップＳ１０７）、積層構造体１００を対向電極１６２から分離する（ステップＳ１０８）。

｛後処理｝
続いて、対向電極１６２から分離された積層構造体１００に後処理を行い、被膜材料の膜を最終的な被膜１２８にする（ステップＳ１０９）。後処理には、被膜材料の膜をより強固にする処理、被膜材料の膜をより緻密化する処理、被膜材料の膜を振動積層体１１０の表面により強力に定着させる処理、必要のない部分に付着した被膜材料を除去する処理等がある。例えば、被膜材料が樹脂ならば、加熱や光の照射によって重合反応を進行させることが望ましいし、被膜材料が酸化物のナノ粒子ならば、焼成により焼結させることが望ましい。また、外部電極膜１３２を対向電極１６２と電気的に短絡しなかったために対向電極１３２の表面に多量の被膜材料が付着したならば、機械研磨等によりそれを除去することが望ましい。

＜２第２実施形態＞
第２実施形態は、第１実施形態に係る被膜材料の電着方法（ステップＳ１０５〜Ｓ１０８）に代えて採用することができる被膜材料の電着方法に関する。

図８は、第２実施形態に係る被膜材料の電着方法を説明するフローチャートである。また、図９は、第２実施形態に係る被膜材料の電着方法に使用する電着塗装装置２６０の模式図である。

第２実施形態に係る被膜材料の電着方法では、まず、図９に示すように、振動積層体１１０とは別体の対向電極２６２と外部電極膜１３２とを電気的に短絡した状態で、振動積層体１１０の上に電着塗料液２６４の液滴を形成するとともに液滴の上に対向電極２６２を設置し、振動積層体１１０及び対向電極２６２の表面に電着塗料液２６４を接触させる（ステップＳ２０１）。対向電極２６２及び電着塗料液２６４は、第１実施形態に係る被膜材料の電着方法で使用した対向電極１６２及び電着塗料液１６４と同様のものを使用することができる。このように積層構造体１００の表面のうち被膜材料を電着させる必要がある部分のみに電着塗料液２６４を接触させるようにすれば、被膜１２８を形成する必要がない部分に被膜材料が付着することを抑制することができる。

この後に、内部電極膜１３４と対向電極２６２との間に電圧を印加し、表面露出欠陥１５４に向かって被膜材料成分を電気泳動させ、表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を選択的に電着させる（ステップＳ２０２）。表面露出欠陥１５４の上への選択的な電着が可能であるのは、表面露出欠陥１５４が導電パスとなって内部電極膜１３４と対向電極２６２との間に生じる電界が表面露出欠陥１５４から電着塗料液２６４の中に漏れ出し、漏れ出した電界により被膜材料成分が表面露出欠陥１５４に引き寄せられるからである。また、表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を電着した後に、振動積層体１１０の表面から電着塗料液２６４を除去し（ステップＳ２０３）、積層構造体１００を対向電極２６２から分離する（ステップＳ２０４）。

＜３第３実施形態＞
第３実施形態は、第１実施形態に係る被膜材料の電着方法（ステップＳ１０５〜Ｓ１０８）に代えて採用することができる被膜材料の電着方法に関する。

図１０は、第３実施形態に係る被膜材料の電着方法を説明するフローチャートである。また、図１１は、第３実施形態に係る被膜材料の電着方法に使用する電着塗装装置３６０の模式図である。

第３実施形態に係る被膜材料の電着方法では、まず、振動積層体１１０の上に電着塗料液３６４の液滴を形成し、振動積層体１１０の表面に電着塗料液３６４を接触させる（ステップＳ３０１）。電着塗料液３６４は、第１実施形態に係る被膜材料の電着方法で使用した電着塗料液１６４と同様のものを使用することができる。このように積層構造体１００の表面のうち被膜材料を電着させる必要がある部分のみに電着塗料液３６４を接触させるようにすれば、被膜１２８を形成する必要がない部分に被膜材料が付着することを抑制することができる。

この後に、内部電極膜１３４と外部電極膜１３２との間に電圧を印加し、表面露出欠陥１５４に向かって被膜材料成分を電気泳動させ、表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を選択的に電着させる（ステップＳ３０２）。表面露出欠陥１５４の上への選択的な電着が可能であるのは、表面露出欠陥１５４が導電パスとなって内部電極膜１３４と外部電極膜１３２との間に生じる電界が表面露出欠陥１５４から電着塗料液３６４の中に漏れ出し、漏れ出した電界により被膜材料成分が表面露出欠陥１５４に引き寄せられるからである。また、表面露出欠陥１５４の上に被膜材料を電着した後に、振動積層体１１０の表面から電着塗料液３６４を除去する（ステップＳ３０３）。

＜４第４実施形態＞
＜４−１圧電／電歪素子４０の構造＞
図１２は、本発明の第１実施形態〜第３実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により製造される圧電／電歪素子４０の模式図である。図１２は、圧電／電歪素子４０の断面図となっている。図１２に示す圧電／電歪素子４０は、インクジェットプリンタのヘッドに使用されるインク吐出用のアクチュエータの主要部となっている。

図１２に示すように、圧電／電歪素子４０の振動積層体４１０は、圧電／電歪体膜４１２、電極膜４１４、圧電／電歪体膜４１６、電極膜４１８、圧電／電歪体膜４２０、電極膜４２２、圧電／電歪体膜４２４、電極膜４２６及び圧電／電歪体膜４２８を列記した順序で積層した構造を有している。なお、図１２は、振動積層体４１０が５層の圧電／電歪体膜４１２，４１６，４２０，４２４，４２８を備える場合を示しているが、振動積層体が備える圧電／電歪体膜の層数を増減してもよい。もちろん、振動積層体が備える圧電／電歪体膜が１層のみであり、当該圧電／電歪体膜の両主面に電極膜を形成した構造を振動積層体が有している場合であっても本発明を適用することは可能である。

圧電／電歪体膜４１２，４１６，４２０，４２４，４２８及び電極膜４１０，４１４，４１８，４２２，４２６は、それぞれ、第１実施形態に係る圧電／電歪素子１０の圧電／電歪体膜１１４，１１８及び電極膜１１２，１１６，１２０と同様の材料で同様の方法により形成することができる。

電極膜４１４，４２２は、振動積層体４１０の一の側面に露出しており、当該一の側面に形成された電極膜４３０によって電気的に短絡されている。また、電極膜４１８，４２６は、振動積層体４１０の他の側面に露出しており、当該他の側面に形成された電極膜４３２によって電気的に短絡されている。電極膜４３０，４３２の一部は、駆動信号の給電部４４２，４４４となっている。

図１３は、図１２のＢ部を拡大した模式図である。図１３に示すように、振動積層体４１０を構成する圧電／電歪体膜４１８には欠陥４５２が存在しており、そのうちの一部の表面露出欠陥４５４は、振動積層体４１０の表面に露出するとともに、電極膜４２６に至っている。圧電／電歪素子４０は、表面露出欠陥４５４を選択的に覆う被膜４２９を備える。もちろん、表面露出欠陥４５４の位置、大きさ、数等は個々の圧電／電歪素子４０によって異なるので、被膜４２９の位置、大きさ、数等も個々の圧電／電歪素子４０によって異なる。このような被膜４２９を振動積層体４１０の表面に形成すれば、表面露出欠陥４５４に水分が浸入して振動積層体４１０の表面と内部電極膜４３４とを結ぶ導電パスを形成することを防ぐことができるので、圧電／電歪素子４０の耐湿性を向上することができる。

被膜４２９は、絶縁体の膜である。被膜４２９は、振動積層体４１０の表面に露出している表面露出欠陥４５４の上に被膜材料を電着して後処理を行うことにより形成する。

｛圧電／電歪素子４０の動作｝
このような構造により、給電部４４２と給電部４４４との間に駆動信号を給電し、圧電／電歪体膜４１２，４１６，４２０，４２４，４２８に電界を印加すると、圧電／電歪体膜４１２，４１６，４２０，４２４，４２８を積層方向に伸縮させることができる。この伸縮により、圧電／電歪素子４０はインクを押圧する。

｛圧電／電歪素子４０の製造｝
このような圧電／電歪素子４０も、第１実施形態〜第３実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により製造することができる。図１４〜図１６は、第１実施形態〜第３実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により第４実施形態に係る圧電／電歪素子４０を製造する場合に使用する電着塗装装置４６０２，４６０４，４６０６の模式図である。図１４〜図１６に示すように、第１実施形態〜第３実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により圧電／電歪素子４０を製造する場合、給電部４４２，４４４をそれぞれ圧電／電歪素子１０の給電部１４２，１４４の代わりに用いる。

＜５その他＞
上述の説明では、アクチュエータを例として圧電／電歪素子の製造方法を説明したが、同様に製造方法により、センサ、共振子等のアクチュエータ以外の圧電／電歪素子も製造することができ、表面露出欠陥を被膜で選択的に覆った圧電／電歪素子を得ることができる。ただし、アクチュエータの場合、圧電／電歪体膜の変形が大きく表面露出欠陥が生じやすいので、本発明の圧電／電歪素子の製造方法を適用した場合の耐湿性の向上の効果が特に大きい。

｛実施例１｝
実施例１では、第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法により圧電／電歪素子１０を製造した。ただし、実施例１では、ステップＳ１０４の表面処理は省略した。

実施例１では、基体１０２は部分安定化酸化ジルコニウム、電極膜１１２，１１６は白金、電極膜１２０は金、圧電／電歪体膜１１４，１１８はチタン酸ジルコン酸鉛とニッケル酸ニオブ酸鉛との固溶体で構成した。また、電着塗料液１６４は水性のカチオン型とし、被膜材料成分にエポキシ樹脂を用いた。被膜材料を電着するときの電気泳動条件は、温度２５℃、印加電圧４００Ｖ、電圧印加時間２０秒とした。さらに、後処理として、洗浄を行うとともに温度１００℃で１５分間予備乾燥を行った後に、紫外線を照射してエポキシ樹脂を硬化させた。これにより、膜厚が０．３μｍの被膜１２８が形成された。

得られた圧電／電歪素子１０について、温度４０℃、湿度５５％の常湿条件において振動積層体１１０を駆動してレーザドップラー変位計で屈曲変位の変位量を測定するとともに絶縁抵抗計で絶縁抵抗を測定し、その後に、温度４０℃、湿度８５％の高湿条件において同様にして屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗を測定し、試験合格率を調べた。その結果を図１７に示す。

｛実施例２｝
実施例２では、第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により圧電／電歪素子４０を製造した。ただし、実施例２では、ステップＳ１０４の表面処理は省略し、電極膜４３０，４３２のいずれも対向電極１６２には接続せず、まとめて電源の正極に接続した。

実施例２では、電極膜４１２，４１６，４２０，４２４，４２８は銀とパラジウムとの合金、圧電／電歪体膜４１２，４１６，４２０，４２４，４２８はチタン酸ジルコン酸鉛とニッケル酸ニオブ酸鉛との固溶体で構成した。また、電着塗料液１６４は水性のアニオン型とし、被膜材料成分にポリイミド樹脂を用いた。被膜材料を電着するときの電気泳動条件は、温度２５℃、印加電圧４００Ｖ、電圧印加時間２０秒とし、後処理として、洗浄を行うととともに温度１００℃で１５分間予備乾燥を行った後に、温度２１０℃で３０分間加熱しポリイミド樹脂を硬化させた。これにより、膜厚が０．３μｍの被膜４２９が形成された。加えて、実施例２では、電極膜４３０，４３２の表面に付着した被膜材料を機械研磨により除去する作業を被膜４２９の形成後に行った。

得られた圧電／電歪素子４０について、実施例１と同様にして、屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗を測定し、試験合格率を調べた。その結果を図１７に示す。

｛実施例３｝
実施例３では、被膜材料成分にカルボン酸系の分散剤を用いて負に帯電させたアルミナナノ粉末を用い、後処理として、電気炉中で温度９００℃で２時間焼成することによりアルミナナノ粒子を焼結させたことを除いては、実施例１と同様にして圧電／電歪素子１０を製造した。これにより、膜厚が０．２μｍの被膜１２８が形成された。

得られた圧電／電歪素子１０について、実施例１と同様にして、屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗を測定し、試験合格率を調べた。その結果を図１７に示す。

｛実施例４｝
実施例３では、被膜材料成分にシリカ微粒子及びメチル基含有シロキサンオリゴマーを用い、後処理として、温度１２０℃で１５分間熱処理して被膜材料の膜をゲル化させたこと及びステップＳ１０４の表面処理を省略しなかったことを除いては、実施例１と同様にして圧電／電歪素子１０を製造した。これにより、ゲル膜の中にシリカ微粒子が分散した被膜１２８が形成された。

｛比較例１｝
ステップＳ１０３，Ｓ１０５〜Ｓ１０９の処理を省略した点を除いては実施例１と同様にして圧電／電歪素子を製造した。

得られた圧電／電歪素子について、実施例１と同様にして、屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗を測定し、試験合格率を調べた。その結果を図１７に示す。

｛比較例２｝
ステップＳ１０３，Ｓ１０５〜Ｓ１０９の処理を省略した点を除いては実施例２と同様にして圧電／電歪素子を製造した。

｛実施例及び比較例の対比｝
図１７に示すように、常温条件においては、本発明の範囲内の実施例１〜４及び本発明の範囲外の比較例１〜２のいずれでも屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗の合格率は良好であるが、高温条件においては、本発明の範囲内の実施例１〜４では屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗の合格率は良好であるが、高温条件においては不良である。

この発明は詳細に説明されたが、上述した説明は、全ての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。特に、第１実施形態〜第４実施形態において説明したことを組み合わせて使用することは当然に予定されている。

第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法により製造される圧電／電歪素子の断面図である。別例に係る圧電／電歪素子の断面図である。図１のＡ部を拡大した模式図である。第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法を説明するフローチャートである。第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法に使用する電着塗装装置の模式図である。別例に係る電着塗装装置の模式図である。別例に係る電着塗装装置の模式図である。第２実施形態に係る被膜材料の電着方法を説明するフローチャートである。第２実施形態に係る被膜材料の電着方法に使用する電着塗装装置の模式図である。第３実施形態に係る被膜材料の電着方法を説明するフローチャートである。第３実施形態に係る被膜材料の電着方法に使用する電着塗装装置の模式図である。第１実施形態〜第３実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により製造される圧電／電歪素子の断面図である。図１２のＢ部を拡大した模式図である。第１実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により第４実施形態に係る圧電／電歪素子を製造する場合に使用する電着塗装装置の模式図である。第２実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により第４実施形態に係る圧電／電歪素子を製造する場合に使用する電着塗装装置の模式図である。第３実施形態に係る圧電／電歪素子の製造方法と同様の製造方法により第４実施形態に係る圧電／電歪素子を製造する場合に使用する電着塗装装置の模式図である。屈曲変位の変位量及び絶縁抵抗の試験合格率を示す図である。

符号の説明

１０，４０圧電／電歪素子
１１０，４１０振動積層体
１１２，１１６，１２０，４１０，４１４，４１８，４２２，４２６電極膜
１２８，４２９被膜
１５４，４５４表面露出欠陥

Claims

圧電／電歪体膜及び電極膜を積層した振動積層体を備える圧電／電歪素子の製造方法であって、
(a) 被膜材料成分を含有する電着塗料液を振動積層体に接触させる工程と、
(b) 前記振動積層体の表面に露出し前記振動積層体を構成する第１の電極膜に至る欠陥の上に被膜となる被膜材料を選択的に電着させる工程と、
を備え、
前記工程(a)は、
前記第１の電極膜に短絡されていない前記振動積層体を構成する第２の電極膜と前記振動積層体とは別体の対向電極とを短絡した状態で前記振動積層体及び前記対向電極に前記電着塗料液を接触させ、
前記工程(b)は、
前記第１の電極膜と前記対向電極との間に電圧を印加し、前記第１の電極膜と前記対向電極との間に生じる電界を前記欠陥から前記電着塗料液の中に漏れ出させることにより、前記欠陥の上に被膜材料を電着させる、
圧電／電歪素子の製造方法。
圧電／電歪体膜及び電極膜を積層した振動積層体を備える圧電／電歪素子の製造方法であって、
(a) 被膜材料成分を含有する電着塗料液を振動積層体に接触させる工程と、
(b) 前記振動積層体の表面に露出し前記振動積層体を構成する第１の電極膜に至る欠陥の上に被膜となる被膜材料を選択的に電着させる工程と、
を備え、
前記工程(b)は、
前記第１の電極膜と前記第１の電極膜に短絡されていない前記振動積層体を構成する第２の電極膜との間に電圧を印加し、前記第１の電極膜と前記第２の電極膜との間に生じる電界を前記欠陥から前記電着塗料液の中に漏れ出させることにより、前記欠陥の上に被膜材料を電着させる、
圧電／電歪素子の製造方法。
請求項１又は請求項２に記載の圧電／電歪素子の製造方法において、
(c) 前記工程(a)の前に前記欠陥を成長させる工程、
をさらに備える圧電／電歪素子の製造方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電／電歪素子の製造方法において、
(d) 前記工程(a)の前に振動積層体の表面に対する前記被膜の密着性を向上する表面処理を前記振動積層体に対して行う工程、
をさらに備える、
圧電／電歪素子の製造方法。