JP5704187B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

従来より、圧電素子の一種として圧電アクチュエータ素子が知られている。たとえば、下記特許文献１には、複数の表面電極と共通電極とを有し、複数の表面電極がマトリクス状に配置された圧電アクチェータ素子が開示されている。

このような圧電アクチュエータ素子は、インクジェットプリンタのヘッドに用いられ、その際、各表面電極の接続部の表面に、外部配線基板の配線が接続される。

特開２００７−９７２８０号公報

しかしながら、従来技術に係る圧電アクチュエータ素子においては、表面電極は、外部配線基板の配線から引張方向の力が加わった場合に、その接続部において剥がれる事態が生じやすかった。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、表面電極が剥がれる事態が抑制された圧電素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電素子は、圧電体と、圧電体の表面に設けられ、圧電体を活性化する活性部と、外部配線に接続される接続部とを有する表面電極とを備え、接続部が、圧電体に埋まるとともに圧電体の側に突出する凸部を有する。

上記圧電素子においては、表面電極の接続部は、凸部によって圧電体との間の接合強度の向上が図られているため、接続部において表面電極が剥がれる事態が抑制されている。

また、表面電極の活性部および接続部が圧電体に埋まっている態様であってもよく、接続部が、圧電体とは反対の側にも突出している態様であってもよい。

本発明に係る圧電素子の製造方法は、圧電体と、圧電体の表面に設けられ、圧電体を活性化する活性部と、外部配線に接続される接続部とを有する表面電極とを備える圧電素子の製造方法であって、圧電体となるべきグリーンシートの表面に、表面電極となるべき電極パターンを形成する電極形成工程と、電極パターンが形成されたグリーンシートを、その厚さ方向に沿ってプレスするプレス工程と、プレス工程においてプレスされたグリーンシートを焼成する工程とを含み、電極形成工程において、接続部となる箇所の電極パターンの厚さを、活性部となる箇所の電極パターンの厚さよりも厚くする。

上記圧電素子の製造方法においては、電極形成工程において、接続部となる箇所の電極パターンの厚さを、活性部となる箇所の電極パターンの厚さよりも厚くすることで、後段のプレス工程において接続部となる箇所の電極パターンがグリーンシート側に突出する。その後、焼成工程を経ることで、グリーンシート側に突出した部分が圧電体に埋まった凸部となる。この凸部が、表面電極の接続部と圧電体との間の接合強度を高めることで、接続部において表面電極が剥がれる事態が抑制される。

また、電極形成工程の際、接続部となる箇所の電極パターンの厚さを、パターン形成を複数回繰り返して厚くする態様であってもよい。

本発明によれば、表面電極が剥がれる事態が抑制された圧電素子およびその製造方法が提供される。

図１は、本発明の実施形態に圧電素子を示す断面図である。 図２は、図１に示す圧電素子の表面電極の平面形状を示した図である。 図３は、図１に示す圧電素子の共通電極の平面形状を示した図である。 図４は、図１の圧電素子の製造方法の一工程を示した図である。 図５は、図１を用いたインクジェットプリンタのヘッドを示した概略断面図である。 図６は、異なる態様の圧電素子を示した断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１〜３を参照しつつ、本発明の実施形態に係る圧電素子である圧電アクチュエータ素子１について説明する。

圧電アクチュエータ素子１は、アレイ構造の薄型アクチュエータ素子であり、２層の圧電層１１、１２、複数の表面電極２１および共通電極２４が積層された積層構造を有している。圧電アクチュエータ素子１の外形寸法は、一例として、縦幅２０ｍｍ、横幅２５ｍｍである。

２層の圧電体層１１、１２はそれぞれ圧電セラミック材料によって構成されている。圧電セラミック材料としては、主成分であるチタン酸ジルコン酸鉛に、ＮｂやＳｒなどの元素を添加した圧電セラミック材料を用いることができる。２層の圧電体層１１、１２は、後述する共通電極２４を挟んで、上下に重なっている。一例として、圧電体層１１の厚さは２５μｍであり、圧電体層１２の厚さは１５μｍである。

各表面電極２１は、上側の圧電体層１１の表面１１ａに設けられている。図２に示すように、各表面電極２１は、長方形状の活性部２２と、活性部２２の短辺側から長辺方向に延出する半月状の接続部２３とによって構成されている。表面電極２１の外形寸法は、一例として、０．４ｍｍ×０．２ｍｍである。表面電極２１の構成材料には、Ａｇ−Ｐｂ合金（Ｐｄ３０％、Ａｇ７０％）が用いられる。ただし、ＰｄとＡｇの比率はこれに限らず、また、Ｐｄの代わりにＰｔを用いたり、Ａｇの代わりにＡｕを用いたりすることもでき、さらに、Ｃｕで構成される電極を使用することも可能である。

複数の表面電極２１は、圧電体層１１上において、マトリクス状に所定間隔で整列されており（たとえば、横方向に７５個および縦方向に８列の合計６００個）、また、集積度を高めるために図２のように上下に隣り合う表面電極２１は接続部２３側が向かい合わせになっている。なお、圧電体層１１の周縁部にダミー電極を設けて、後述する外部配線基板６０との張り合わせ時にバランスを取りやすくしてもよい。

図１に戻って、表面電極２１の接続部２３は、その厚さＤ１が活性部２２の厚さＤ２よりも厚く（Ｄ１＞Ｄ２）、また、活性部２２の下面よりも下側（圧電体層１１の側）に突出する凸部２３ａを有している。各表面電極２１は、図１に示すように、活性部２２も接続部２３もその下側が圧電体層１１に埋まっており、上記凸部２３ａも圧電体層１１に埋まっている。また、各表面電極２１は、活性部２２も接続部２３もその上側が圧電体層１１の表面１１ａから露出しており、接続部２３は活性部２２の上面よりも上側（圧電体層１１とは反対の側）に突出している。なお、表面電極２１の厚さはたとえば１〜２μｍであり、接続部２３の厚さは２μｍ、活性部２２の厚さＤ２を１μｍとすることができる。

共通電極２４は、上側の圧電体層１１と下側の圧電体層１２との間に介在している。共通電極２４は、図３に示すように、圧電体層１１と圧電体層１２との間のほぼ全域に亘って形成されており、かつ、表面電極２１の接続部２３に対応する箇所にスリット２４ａを有している。共通電極２４の厚さは表面電極２１の厚さよりも厚く、好ましくは表面電極２１の厚さよりも５〜５０％だけ厚く、より好ましくは１０〜３０％だけ厚い。このようにすることで、後述する焼成工程において、素子の反りが発生しにくくなる。共通電極２４は、表面電極２１と同じ材料で構成することができる。

上述した圧電アクチュエータ素子１においては、表面電極２１の接続部２３に後述する外部配線基板６０の配線６２を電気的に接続して、個別電極である表面電極２１と共通電極２４との間に電圧が印加される。なお、配線６２と共通電極２４との導通には、図２のスルーホール２５が用いられる。それにより、表面電極２１の活性部２２と共通電極２４との間の圧電体層１１が活性化されて変位する。

次に、上述した圧電アクチュエータ素子１を作製する手順について、図４を参照しつつ説明する。

圧電アクチュエータ素子１を作製する際には、まず、準備工程として、圧電体層１１、１２となるべき圧電グリーンシート３１、３２を準備する。圧電グリーンシート３１、３２は、上述した圧電体層１１、１２を構成する圧電セラミック粉にバインダや有機溶剤などの成分を加えてペースト化し、例えばドクターブレード法によって所定厚さに作製される。なお、圧電グリーンシート３１には、スルーホール２５のための貫通孔がたとえばＹＡＧレーザにより設けられる。

次に、電極形成工程として、上側の圧電体層１１となるべき圧電グリーンシート３１上に、表面電極２１となるべき電極パターン４１を形成するとともに、下側の圧電体層１２となるべき圧電グリーンシート３２上に、共通電極２４となるべき電極パターン４４を形成する。電極パターン４１、４４の形成には、たとえば電極ペーストを塗布するスクリーン印刷が採用され得る。電極ペーストは、Ａｇ−Ｐｂ合金（Ｐｄ３０％、Ａｇ７０％）を含むペーストである。

このとき、電極パターン４１は、図４に示すように、圧電グリーンシート３１の表面３１ａ上において、接続部２３となる箇所の電極パターン４３の厚さが、活性部２２となる箇所の電極パターン４２の厚さよりも厚くなるように印刷される。このように、接続部２３となる箇所の電極パターン４３の厚さを厚くする方法としては、電極パターン４３の部分のみを２度印刷する方法（すなわち、２度塗り）がある。なお、電極パターン４３をより厚くしたい場合には印刷回数を増やしてもよい。

その後、プレス工程として、電極パターン４１が形成された圧電グリーンシート３１と、電極パターン４４が形成された圧電グリーンシート３２とを重ね合わせて、その積層方向（すなわち、圧電グリーンシート３１の厚さ方向）に沿ってプレスする。プレス方法としては、温間等方圧プレス（ＷＩＰ）等の等方圧プレスや、一軸プレスを用いることができる。

等方圧プレスの場合、電極パターン４１にも電極パターン４１で覆われていない圧電グリーンシート３１にもほぼ同時に圧力がかかり、電極パターン４１は、下側に位置する圧電グリーンシート３１に完全には埋まらず、電極パターン４１の一部は表面３１ａより上側に存在し、接続部２３となる箇所の電極パターン４３は、凸部２３ａが形成されるように下側に突出し、かつ、上側にも突出する。プレス条件は、一例として、水温６５℃、圧力８０ＭＰａである。

最後に、焼成工程として、プレスされた圧電グリーンシート３１、３２を焼成することで、図１に示した圧電アクチュエータ素子１が得られる。より詳しくは、焼成工程において、プレスされた圧電グリーンシート３１、３２を安定化ジルコニアで構成されたセッターに載せて脱バインダ処理をおこなった後、そのセッターをマグネシア質の匣鉢に入れて、１１００℃にて焼成する。なお、焼成後は、分極処理（たとえば、１００℃で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を３分間印加）する。

続いて、上述した圧電アクチュエータ素子１のインクジェットプリンタのヘッドへの適用について、図５を参照しつつ説明する。

インクジェットプリンタのヘッドに適用するときには、流路部材５０上に、圧電アクチュエータ素子１を接合する。流路部材５０には、上述した表面電極２１に対応する領域に、互いに隔壁で仕切られた複数のインク室５１が設けられている。

そして、圧電アクチュエータ素子１上には、圧電アクチュエータ素子１の表面に対面するように、フレキシブルプリント基板である外部配線基板６０がＣＯＦ（チップオンフィルム）実装される。外部配線基板６０は、各圧電アクチュエータ素子１に駆動電圧を印加するためのリード線等の配線６２を複数備えている。配線６２は、表面電極２１の接続部２３と対面する位置において、導電ペースト６３を介して、表面電極２１と電気的に接続される。導電ペースト６３としては、たとえば異方性導電樹脂ペースト（ＡＣＰ）が用いられる。

圧電アクチュエータ素子１は、外部配線基板６０の配線６２により、個別電極である表面電極２１と共通電極２４との間に電圧が印加されると、表面電極２１の活性部２２と共通電極２４との間の圧電体層１１が活性化されて変位する。すると、インク室５１内に供給されたインクが加圧されて、吐出孔からインク滴が吐出される。このようなインクジェットプリンタのヘッドは、高速で高精度なインク吐出が可能であり、高速印刷に好適である。

以上で説明したとおり、圧電アクチュエータ素子１は、圧電体層１１と、圧電体層１１の表面１１ａに設けられ、圧電体層１１を活性化する活性部２２と、外部配線６２に接続される接続部２３とを有する表面電極２１とを備え、接続部２３が、圧電体層１１に埋まるとともに圧電体層１１の側に突出する凸部２３ａを有している。

ここで、マトリクス型の圧電アクチュエータ素子１は、装置の小型化のため、変位部位の面積を縮小し、かつ変位部位の数が増やされる。また、アクチュエータとして各変位部位を駆動するためには、各々の変位部位に対して配線６２が必要であるが、配線６２を接続する接続部２３は変位の妨げになるため活性部２２とは異なる部分にあることが好ましい。さらに、変位部位をできるだけ多く設けるためには、接続部２３の面積ができるだけ小さいことが好ましい。

しかしながら、接続部２３の面積が小さくなると、表面電極２１が圧電体層１１から剥離し、その結果、接続部２３に接続された配線６２も剥離してしまう。特に、ＣＯＦ実装で、一度に多数の部位に配線６２を接続する場合は、このような剥離の問題が顕著であった。

圧電アクチュエータ素子１の表面電極２１においては、凸部２３ａにより、接続部２３と圧電体層１１との間の接触面積が効果的に拡大されて、より大きなアンカー効果が得られ、それにより接続部２３と圧電体層１１との間の接合強度が高められている。そのため、たとえば、表面電極２１は、外部配線基板６０と接続されたときに、接続部２３と配線６２とを電気的に接続する導電ペースト６３がその硬化時等において、接続部２３を上方向に引っ張る事態が生じても、接続部２３において表面電極２１が剥がれる事態が抑制されている。

なお、活性部２２を厚く形成した場合には、電極の負荷(応力)となって厚い活性部２２が変位量を阻害するため、凸部２３ａは変位量に影響しない接続部２３に設けるとともに、活性部２２の厚さＤ２は可能な限り薄くすることが好ましい。

圧電アクチュエータ素子１においては、表面電極２１の接続部２３が、上側に突出しているため、図５に示すように、接続部２３が、導電ペースト６３が付着される外部配線基板６０の凹部に入り込み、ＣＯＦ実装する際の外部配線基板６０の位置合わせが容易になっている。

なお、本発明は上述した実施形態に限らず、様々な変形が可能である。

たとえば、プレス工程では、等方圧プレスの代わりに、一軸プレスを用いてもよい。この場合、図６に示すように、圧電体層１１の表面１１ａと表面電極２１の表面とが同一平面上に存在する。このような圧電アクチュエータ素子１Ａであっても、凸部２３ａが、接続部２３と圧電体層１１との間の接合強度を高めるため、上述した効果と同様の効果を奏する。

また、上述した実施形態では、圧電体層が２層である積層構造のみを示したが、層数は適宜変更可能であり、電極２１、２４の層数も適宜変更可能である。また、圧電体層の厚さも適宜変更可能である。さらに、ダミー層を挿入してもよい。

１、１Ａ…圧電素子、１１、１２…圧電体層、２１…表面電極、２２…活性部、２３…接続部、２３ａ…凸部、２４…共通電極、３１、３２…圧電グリーンシート、４１、４４…電極パターン、６０…外部配線基板、６２…配線。

Claims (4)

1. 圧電体と、
   前記圧電体の表面に設けられ、前記圧電体を活性化する活性部と、外部配線に接続される接続部とを有し、前記活性部と前記接続部とが一体的に形成された表面電極とを備え、
   前記接続部が、前記圧電体に埋まるとともに前記圧電体の側に突出する凸部を有し、
   前記表面電極の前記活性部および前記接続部が前記圧電体に埋まっている、圧電素子。
2. 前記接続部が、前記圧電体とは反対の側にも突出している、請求項１に記載の圧電素子。
3. 圧電体と、
   前記圧電体の表面に設けられ、前記圧電体を活性化する活性部と、外部配線に接続される接続部とを有する表面電極と、
   を備える圧電素子の製造方法であって、
   前記圧電体となるべきグリーンシートの表面に、前記表面電極となるべき電極パターンを形成する電極形成工程と、
   前記電極パターンが形成された前記グリーンシートを、その厚さ方向に沿ってプレスするプレス工程と、
   前記プレス工程においてプレスされた前記グリーンシートを焼成する工程とを含み、
   前記電極形成工程において、前記接続部となる箇所の電極パターンの厚さを、前記活性部となる箇所の電極パターンの厚さよりも厚くし、
   前記プレス工程において、前記活性部となる箇所の電極パターンと前記接続部となる箇所の電極パターンとが前記グリーンシートに埋まる、圧電素子の製造方法。
4. 前記電極形成工程の際、前記接続部となる箇所の電極パターンの厚さを、パターン形成を複数回繰り返して厚くする、請求項３に記載の圧電素子の製造方法。

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