JP6110178B2 - 圧電／電歪デバイスとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電／電歪素子を備える圧電／電歪デバイスとその製造方法に関する。

従来、圧電／電歪素子と、複数の支持体を含む流路ユニットと、圧電／電歪素子と流路ユニットの間に形成される接合層と、を備える圧電／電歪デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。各支持体は、接合層を介して圧電／電歪素子に接合されている。

特開２００８−２３００５２号公報

しかしながら、特許文献１の圧電／電歪デバイスでは、圧電／電歪素子の表面にうねりや反りがある場合、接合層による各支持体の支持強度にばらつきが生じて、圧電／電歪デバイスの動作が不安定になるおそれがある。

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、動作安定性を向上可能な圧電／電歪デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電／電歪デバイスは、振動板を有する圧電／電歪素子と、振動板の表面上に配置される接合層と、接合層にそれぞれ食い込む複数の支持体と、を備える。接合層は、樹脂によって構成される。振動板の表面に垂直な断面において、複数の支持体それぞれと接合層との接合長さは、接合長さの平均値の±２５％以内である。

本発明によれば、動作安定性を向上可能な圧電／電歪デバイスを提供する。

アクチュエータの構成を示す平面図 図１のＸ−Ｘ断面図 図２の部分拡大図 アクチュエータの製造方法を説明するための図 アクチュエータの製造方法を説明するための図 アクチュエータの製造方法を説明するための図

以下、図面を参照しながら、本発明に係る圧電／電歪デバイスの一例として、インクジェットヘッド用のアクチュエータについて説明する。ただし、本発明に係る圧電／電歪デバイスは、ジャイロセンサ、発振子、或いはインジェクター用アクチュエータなど様々な用途に適用可能である。

以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきである。

（アクチュエータ１００の構成）
アクチュエータ１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、アクチュエータ１００の構成を示す平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面図である。以下の説明では、図１に示すように、支持体３０が延びる方向を“長さ方向”と称し、長さ方向に直交する方向を“幅方向”と称する。また、図２に示すように、長さ方向及び幅方向に直交する方向を“厚み方向”と称する。

アクチュエータ１００は、圧電／電歪素子１０と、接合層２０と、複数の支持体３０と、を備える。

１．圧電／電歪素子１０
圧電／電歪素子１０は、振動板１１と、複数の圧電体１２と、複数の上部電極１３と、を有する。

振動板１１は、各圧電体１２の伸縮に応じて、厚み方向に振動（変位）する。振動板１１は、下部電極としても機能する。振動板１１には、図２に示すように、うねりや反りがあってもよい。この振動板１１のうねりや反りは、後述する大判の圧電体１２ａ（図４（ａ）参照）のうねりや反りに起因するものである。

振動板１１は、第１主面１１Ｓと、第２主面１１Ｔと、を有する。第１主面１１Ｓ上には、複数の圧電体１２が配置される。第２主面１１Ｔ上には、接合層２０が配置される。

本実施形態において、振動板１１は、本体膜１１ａと、バリア膜１１ｂと、を含む。

本体膜１１ａは、めっき法、蒸着法、或いはスパッタ法によって形成される薄膜である。本体膜１１ａは、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀、タングステンなどの金属、及びこれらを主成分とする合金によって構成することができる。特に、応力緩和作用があり、加熱によって再結晶化しにくいニッケルが好適である。本体膜１１ａの膜厚は、０．１μｍ〜５０μｍとすることができる。

バリア膜１１ｂは、めっき法、蒸着法、或いはスパッタ法によって形成される薄膜である。バリア膜１１ｂは、圧電体１２用のエッチング液に耐性を有する金属材料によって構成される。バリア膜１１ｂの膜厚は、１Å〜１μｍとすることができる。

圧電体１２は、振動板１１の第１主面１１Ｓ上に配置される。圧電体１２は、薄板状の焼成体である。圧電体１２は、振動板１１と上部電極１３に電圧が印加されると、厚み方向に垂直な方向に伸縮する。この圧電体１２の伸縮に起因して、振動板１１が厚み方向に振動する。圧電体１２のサイズは、例えば、長さ１０μｍ〜５０ｍｍ、幅１０μｍ〜５０ｍｍ、厚み０．１μｍ〜１ｍｍとすることができる。特に、本実施形態では、圧電体１２の厚みが１０μｍ以下のケースが想定されている。

圧電体１２は、従来用いられている圧電体用のセラミックス材料によって構成することができる。このようなセラミックス材料としては、例えばジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、及びこれらの混合物が挙げられる。なお、セラミックス材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズなどの酸化物が添加されていてもよい。

上部電極１３は、圧電体１２上に配置される。上部電極１３は、導電材料を焼成することによって形成される薄板である。上部電極１３は、めっき法や蒸着法によって形成される薄膜であってもよい。上部電極１３は、耐酸性の導電材料によって構成することができる。このような導電材料としては、金、銀、白金、或いは銅などの貴金属やこれらの合金が挙げられる。

２．接合層２０
接合層２０は、振動板１１の第２主面１１Ｔ上に配置される。接合層２０には、各支持体３０の上端部が食い込んでいる。接合層２０は、圧電／電歪素子１０に対して支持体３０を固定する。

接合層２０は、熱硬化性樹脂や光（紫外線）硬化性樹脂の有機樹脂によって構成される。このような有機樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などが挙げられる。接合層２０は、後述するように二工程に分けて形成される。

３．支持体３０
支持体３０は、棒状に形成されている。図２に示すように、支持体３０の断面形状は台形であるが、正方形や長方形であってもよい。支持体３０の上端部は接合層２０に食い込んでおり、支持体３０の下端部はベース板（不図示）に固定されている。２つの支持体３０の間には、圧力室３１が形成される。圧力室３１には、インク導入口から注入されたインクが貯留される。圧力室３１に貯留されたインクは、振動板１１の振動に応じて吐出ノズルから吐出される。

１つの支持体３０のサイズは、例えば、長さ１０μｍ〜５０ｍｍ、幅１μｍ〜４９ｍｍ、厚み１μｍ〜１０ｍｍとすることができる。各支持体３０のサイズは互いに同じであるものとする。

（接合層２０と支持体３０の接合）
次に、接合層２０と支持体３０の接合について、図面を参照しながら説明する。図３は、図２の部分拡大図である。

支持体３０は、上面３０Ｓと、第１側面３０Ｔと、第２側面３０Ｕと、を有する。上面３０Ｓは、振動板１１の第２主面１１Ｔと対向する。上面３０Ｓは、全体的に接合層２０に埋設されている。第１側面３０Ｔと第２側面３０Ｕは、上面３０Ｓに連なる。第１側面３０Ｔと第２側面３０Ｕの上端部は、接合層２０に埋設されている。

このように、支持体３０は、上面３０Ｓ、第１側面３０Ｔ及び第２側面３０Ｕにおいて接合層２０と接合している。支持体３０が接合層２０と接合する領域の合計長さＬ（以下、「接合長さＬ」という。）は、上面３０Ｓが接合層２０と接合する長さＬ１と、第１側面３０Ｔが接合層２０と接合する長さＬ２と、第２側面３０Ｕが接合層２０と接合する長さＬ３との合計値である。接合長さＬは、長さ方向に垂直な断面における接合層２０と支持体３０の界面長に等しい。

ここで、接合長さＬは、接合長さの平均値Ｓ_Ｌから平均値Ｓ_Ｌの±２５％以内であることが好ましい。すなわち、接合長さＬと平均値Ｓ_Ｌの差は、平均値Ｓ_Ｌの±２５％以内であることが好ましい。複数の支持体３０それぞれの接合長さＬの平均値Ｓ_Ｌは、３μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。この場合、複数の支持体３０それぞれの接合長さＬの標準偏差は、１．０１μｍ以下であることが好ましい。

また、接合長さＬと支持体３０の長さの積である接合面積Ｍは、接合面積Ｍの平均値Ｓ_Ｍから平均値Ｓ_Ｍの±２２％以内であることが好ましい。すなわち、接合面積Ｍと平均値Ｓ_Ｍの差は、平均値Ｓ_Ｍの±２５％以内であることが好ましい。複数の支持体３０それぞれの接合面積Ｍの平均値Ｓ_Ｍは、０．００５ｍｍ^２以上０．０４５ｍｍ^２以下とすることができる。この場合、複数の支持体３０それぞれの接合面積Ｍの標準偏差は、０．００２ｍｍ^２以下であることが好ましい。

このように、接合長さＬや接合面積Ｍのばらつきを所定範囲に制限することによって、接合層２０による各支持体３０の支持強度の均一化が図られている。

（アクチュエータ１００の製造方法）
次に、アクチュエータ１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

まず、圧電体用のセラミックス材料を含むスラリーを成型することによって、グリーンシートを準備する。グリーンシートの厚みは、１μｍ〜８０μｍとすることができる。

次に、図４（ａ）に示すように、グリーンシートを所定条件（１２００℃、２時間）で焼成することによって、大判の圧電体１２ａを作製する。本実施形態では、圧電体１２ａが１０μｍ以下の極めて薄い場合が想定されているため、大判の圧電体１２ａにはうねりや反りが生じる場合がある。

次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体１２ａの表面上に有機金属化合物を塗布して焼成することによって、或いは、圧電体１２ａの表面上に金属をスパッタすることによって、大判の上部電極１３ａを作製する。

次に、図４（ｃ）に示すように、めっき法、蒸着法、或いはスパッタ法を用いて、圧電体１２ａの裏面上にバリア膜１１ｂと本体膜１１ａを順次成膜することによって、振動板１１を形成する。以上によって、圧電／電歪素子１０が作製される。

次に、図５（ａ）に示すように、振動板１１の第２主面１１Ｔ上に有機樹脂を塗布又は印刷することによって、第１軟質樹脂層２０ａを形成する。第１軟質樹脂層２０ａの硬度は、例えば１０ＧＰａ〜１００ＧＰａとすることができる。

次に、図５（ｂ）に示すように、第１軟質樹脂層２０ａを所定温度（有機樹脂の硬化温度よりも低い温度）で仮硬化することによって、第１硬質樹脂層２０ａ’を形成する。第１硬質樹脂層２０ａ’の硬度は、例えば１００ＧＰａ〜５００ＧＰａとすることができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、第１硬質樹脂層２０ａ’上に有機樹脂を塗布又は印刷することによって、第２軟質樹脂層２０ｂを形成する。第２軟質樹脂層２０ｂには、第１軟質樹脂層２０ａと同種又は異種の有機樹脂を用いることができる。第２軟質樹脂層２０ｂの硬度は、例えば１０ＧＰａ〜１００ＧＰａとすることができる。

次に、冶具に複数の支持体３０をセットし、図６（ａ）に示すように、複数の支持体３０の上面３０Ｓが第１硬質樹脂層２０ａ’に接触するまで、複数の支持体３０を第２軟質樹脂層２０ｂに挿入する。この際、支持体３０の上面３０Ｓの略全面が第１硬質樹脂層２０ａ’に接触するように、支持体３０を第１硬質樹脂層２０ａ’に押し付けてもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、第１硬質樹脂層２０ａ’と第２軟質樹脂層２０ｂを所定温度（各有機樹脂の硬化温度以上の温度）で本硬化することによって、接合層２０を形成する。この本硬化によって、第１硬質樹脂層２０ａ’と第２軟質樹脂層２０ｂは一体となる。

次に、所定パターンのフォトレジスト膜を上部電極１３ａ上に形成した後に、エッチング液によって上部電極１３ａをエッチングすることによって、図６（ｃ）に示すように、上部電極１３ａをパターニングする。

次に、所定パターンのフォトレジスト膜で上部電極１３ａを覆った後に、エッチング液によって圧電体１２ａをエッチングすることによって、図６（ｄ）に示すように、圧電体１２ａをパターニングする。以上によって、アクチュエータ１００が完成する。

（作用及び効果）
（１）実施形態に係るアクチュエータ１００は、振動板１１を有する圧電／電歪素子１０と、振動板１１の表面上に配置される接合層２０と、接合層にそれぞれ挿入された複数の支持体３０と、を備える。接合長さＬと接合長さの平均値Ｓ_Ｌとの差は、平均値Ｓ_Ｌの±２５％以内である。

従って、接合層２０による各支持体３０の支持強度を均一化できるため、アクチュエータ１００の動作安定性を向上させることができる。

（２）実施形態に係るアクチュエータ１００の製造方法は、第１硬質樹脂層２０ａ’に接触するまで支持体３０を第２軟質樹脂層２０ｂに挿入する工程と、第１硬質樹脂層２０ａ’と第２軟質樹脂層２０ｂを本硬化する工程と、を含む。

従って、第１硬質樹脂層２０ａ’を介して、振動板１１に対する各支持体３０の間隔が均一化されため、接合層２０による各支持体３０の支持強度を均一化できる。その結果、アクチュエータ１００の動作安定性を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

（Ａ）上記実施形態において、圧電／電歪素子１０は、下部電極としても機能する振動板１１を有することとしたが、これに限られるものではない。圧電／電歪素子１０は、振動板１１と圧電体１２の間に形成される下部電極を振動板１１とは別に備えていてもよい。この場合、振動板１１は導電性を有している必要がないため、振動板１１の構成材料としてＳｉ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、セラミック材料（ジルコニアやアルミナなど）、及びガラスなどを用いることができる。

（Ｂ）上記実施形態において、アクチュエータ１００が複数の支持体３０を備える場合について説明したが、アクチュエータ１００は少なくとも２個の支持体３０を備えていればよい。この場合であっても、上述の製造方法によれば、２個の支持体３０それぞれと振動板１１との間隔を精度良く均一化することができる。

（Ｃ）上記実施形態では、アクチュエータ１００の製造工程において、第１硬質樹脂層２０ａ’に接触するまで支持体３０を第２軟質樹脂層２０ｂに挿入することとしたが、支持体３０の上面３０Ｓを第１硬質樹脂層２０ａ’に接触させた後に第２軟質樹脂層２０ｂを形成してもよい。この場合であっても、第１硬質樹脂層２０ａ’を介して、振動板１１に対する各支持体３０の間隔を均一化することができる。

以下において本発明に係る実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。

（実施例に係るアクチュエータの作製）
まず、チタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_2／３）Ｏ_３粉末、有機バインダー、分散剤及び可塑剤を含むスラリーを成形してグリーンシートを作製した。

次に、グリーンシートを１２００℃で２時間焼成して大判の圧電体（長さ１ｍｍ、幅１００μｍ、厚み５μｍ）を作製した。

次に、スパッタ法を用いて、圧電体の表面上に金をスパッタすることによって、大判の上部電極を作製した。

次に、めっき法を用いて、圧電体の裏面上にニッケルをめっきすることによって、バリア膜と本体膜を順次成膜することによって、下部電極として機能する振動板を形成した。

次に、スピンコータ法を用いて、振動板上にポリイミド樹脂を塗布することによって、第１軟質樹脂層（厚み２μｍ）を形成した。第１軟質樹脂層の硬度は、３０ＧＰａであった。

次に、第１軟質樹脂層を１５０℃で加熱することによって、第１硬質樹脂層を形成した。第１硬質樹脂層の硬度は、２００ＧＰａであった。

次に、スピンコータ法を用いて、第１硬質樹脂層上にポリイミド樹脂を塗布することによって、第２軟質樹脂層（厚み２μｍ）を形成した。第２軟質樹脂層の硬度は、３０ＧＰａであった。

次に、冶具に４００個の支持体をセットし、支持体の上面が第１硬質樹脂層に接触するまで第２軟質樹脂層に挿入した。

次に、第１硬質樹脂層と第２軟質樹脂層を２８０℃で加熱して本硬化させることによって、接合層を形成した。その後、フォトレジストを用いて、上部電極と圧電体を順次パターニングした。

（比較例に係るアクチュエータの作製）
まず、実施例と同様にして、振動板を形成した。

次に、スピンコータ法を用いて、振動板上にポリイミド樹脂を塗布することによって、単一の軟質樹脂層（厚み４μｍ）を形成した。

次に、冶具に４００個の支持体をセットし、支持体を単一の軟質樹脂層に挿入した。この際、なるべく支持体の上面が振動板に接触しないように調整した。

次に、軟質樹脂層を２８０℃で加熱して本硬化させることによって、接合層を形成した。その後、フォトレジストを用いて、上部電極と圧電体を順次パターニングした。

（接合長さ及び接合面積の測定）
実施例と比較例に係るアクチュエータを厚み方向に切断し、その断面を電子顕微鏡で観察することによって、１３個の支持体と接合層との接合長さを測定した。接合長さの測定結果、平均値、最大最小値、標準偏差、及び平均値からの最大ばらつき割合を表１にまとめて示す。なお、平均値からの最大ばらつき割合とは、最大値と平均値の差、又は、最小値と平均値の差の大きい方の値の平均値に対する割合である。
また、接合長さに支持体の長さを掛け合わせて接合面積を算出した。接合面積の算出結果、平均値、最大最小値、標準偏差、平均値からの最大ばらつき割合を表１にまとめて示す。

表１に示すように、比較例に係るアクチュエータでは、接合長さの平均値からの最大ばらつき割合は８１．５％と大きな値であった。これは、圧電体のうねりや反りに応じて振動板が歪んでいたため、振動板に対する各支持体の間隔が不規則になってしまったことが原因である。その結果、各支持体の接合強度が大きくばらついており、比較例に係るアクチュエータの動作は不安定であった。

なお、比較例に係るアクチュエータでは、接合長さの標準偏差は３．９１と大きな値であり、接合面積の標準偏差も０．００６と大きな値であった。

一方で、実施例に係るアクチュエータでは、接合長さの平均値からの最大ばらつき割合は２４．６％と小さな値であった。これは、支持体の上面を第１硬質樹脂層に接触させた後に第１硬質樹脂層と第２軟質樹脂層を本硬化したため、振動板の歪みに関わりなく、振動板に対する各支持体の間隔を一定にできたことによるものである。その結果、各支持体の接合強度が均一化されており、実施例に係るアクチュエータの動作は安定していることが確認された。従って、接合長さの平均値から±２５％以内に接合長さを制限することによって、アクチュエータの動作を安定させられることが分かった。

なお、実施例に係るアクチュエータでは、接合長さの標準偏差は１．０１と小さな値であり、接合面積の標準偏差も０．００２と小さな値であった。

１０ 圧電／電歪素子
１１ 振動板（下部電極）
１１Ｓ 第１主面
１１Ｔ 第２主面
１１ａ 本体膜
１１ｂ バリア膜
１２ 圧電体
１３ 上部電極
２０ 接合層
２０ａ 第１軟質樹脂層
２０ａ’ 第１硬質樹脂層
２０ｂ 第２軟質樹脂層
３０ 支持体
３０Ｓ 上面
３０Ｔ 第１側面
３０Ｕ 第２側面

Claims (5)

1. 振動板を有する圧電／電歪素子と、
   前記振動板の表面上に配置され、樹脂によって構成される接合層と、
   前記接合層にそれぞれ食い込む複数の支持体と、
   を備え、
   前記表面に垂直な断面において、前記複数の支持体それぞれと前記接合層との接合長さは、前記接合長さの平均値から前記平均値の±２５％以内である、
   圧電／電歪デバイス。
2. 前記複数の支持体それぞれは、前記振動板と対向する上面と、前記上面に連なる一対の側面と、を有し、
   前記接合層は、前記上面と前記側面に接合している、
   請求項１に記載の圧電／電歪デバイス。
3. 前記振動板の前記表面は、第１主面と、前記第１主面の反対側に設けられる第２主面とを含み、
   前記圧電／電歪素子は、前記振動板の前記第１主面上に配置される複数の圧電体と、前記複数の圧電体上に配置される複数の上部電極と、を有し、
   前記接合層は、前記振動板の前記第２主面上に配置されている、
   請求項１又は２に記載の圧電／電歪デバイス。
4. 圧電／電歪素子が有する振動板の表面上に第１樹脂層を形成する工程と、
   前記第１樹脂層を仮硬化させる工程と、
   前記第１樹脂層上に第２樹脂層を形成する工程と、
   前記第１樹脂層に接触するまで複数の支持体を前記第２樹脂層に挿入する工程と、
   前記第１樹脂層と前記第２樹脂層を硬化させる工程と、
   を備える圧電／電歪デバイスの製造方法。
5. 圧電／電歪素子が有する振動板の表面上に第１樹脂層を形成する工程と、
   前記第１樹脂層を仮硬化させる工程と、
   前記第１樹脂層に複数の支持体を接触させる工程と、
   前記第１樹脂層上に第２樹脂層を形成する工程と、
   前記第１樹脂層と前記第２樹脂層を硬化させる工程と、
   を備える圧電／電歪デバイスの製造方法。

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