JP6123073B2 - 圧電素子及びそれを用いたインクジェット装置とその方法 - Google Patents
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Description
本発明は、積層型圧電体及び圧電アクチュエータに関し、例えば、インクジェットヘッドに用い得る積層型圧電体及び圧電アクチュエータに関する。
近年、インクジェット技術を用いて電子デバイスを製造する方法が注目を集めている。電子デバイスの高密度化に伴い、インクジェットヘッドの高密度化が必要となってきている。
従来から、インクジェットヘッドを駆動するには、積層型圧電体（圧電素子）あるいは、薄膜型圧電体が用いられている。先行特許文献１にもある従来の圧電素子の一例を図１１〜図１３を参照して説明する。
先行特許文献１の圧電素子は、高密度化のために構成された圧電素子である。以下、その構造を説明する。図１１、図１３は、斜視図であり、図１２は、断面図である。
図１１、図１２に示したように複数の圧電素子５０からなる圧電素子群５１と、圧電素子５０に対応した複数の振動凸部１０を有するとともに圧電素子５０で発生する振動を、振動凸部１０を介して伝達する振動板１２と、圧電素子５０に対応した複数のノズル孔１４を有するとともに振動凸部１０を介して伝達された圧電素子５０の振動に応じてノズル孔１４のそれぞれからインクを吐出する。
図１１、図１２に示したように複数の圧電素子５０からなる圧電素子群５１と、圧電素子５０に対応した複数の振動凸部１０を有するとともに圧電素子５０で発生する振動を、振動凸部１０を介して伝達する振動板１２と、圧電素子５０に対応した複数のノズル孔１４を有するとともに振動凸部１０を介して伝達された圧電素子５０の振動に応じてノズル孔１４のそれぞれからインクを吐出する。
図１１で、圧電素子５０は、Ｘ方向に、誘電体が積層されている（図１１中の斜線）。Ｘ方向に電圧を印加し、Ｚ方向へ伸び、縮じみし、インクを、Ｚ方向へ吐出していた。ノズル孔１４が、Ｘ方向で異なる位置で、互い違いとなっている。
図１２は、図１１のａ−ｂ線縦断面図を表したものである。圧電素子５０からの駆動力が振動凸部１０を介して、流路２０に伝達し、ノズルプレート１８上に存在するノズル孔１４からインク滴Ｉｄを吐出させている。流路構成部材２２は、インクの流路を表している。基板１６は、流路構成部材２２と、ノズルプレート１８とを合わせたものである。
図１３は、図１１で、ノズル孔５６の配置が異なるものである。図１３に示したように振動凸部５２、振動板５４を介して、３個のノズル孔５６から同時にインク滴を吐出させる場合、ノズルプレート６０と流路構成部材６４とからなる基板５８の剛性の不足により、中央の流路６２の変形が最大となるため、中央の流路６２の流路内体積減少率が両側の流路６２に比べて低下してしまうことにある。したがって、体積減少を抑制するために千鳥上に配置を実現させている。
今後の電子デバイスの高密度化に伴い、セルサイズが小さくなるとともに、より高密度なインクジェットヘッドが必要となり、低粘度から高粘度までのインク粘度範囲が広いインクを飛翔させる必要がある。
図１４において、圧電素子の分極方向３００に平行に電場を加えた場合、一直線に並んだ電気双極子に回転力が生じ、これにより単結晶に長さの変化が生じる。電場と同じ方向には結晶体が長くなり、電場に直行する方向には結晶体が短くなる。結晶体が長くなる方向をｄ３３モード３０１、短くなる方向をｄ３１モード３０２とよび、一般的にはｄ３３モードの変化の方が大きいことが知られている。
従来の圧電素子は、圧電素子の駆動をｄ３１モードに駆動させて圧電素子を形成していた。従来の図１１で、圧電素子５０は、Ｘ方向に、誘電体が積層されている。Ｘ方向に電圧を印加し、Ｚ方向へ伸び、縮じみし、インクを吐出していた。
また、固定用の圧電素子の支柱がなく、隣接に存在する圧電素子の振動の影響を受けやすい構造となっていた。
本発明では、駆動方向に対して直角に圧電素子を積層して、圧電素子の変位量を大きくすると共に、ｄ３３モードに圧電素子を駆動させ、千鳥上に配置したものである。また、駆動圧電素子の隣接部には固定用の圧電素子を配置する構造をとり、隣接駆動ノズルの振動が低減できる構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、セラミックグリーンシートには少なくとも、２辺の端部まで第１電極形成された第１シートと、少なくとも２辺の端部まで形成された第２シートと、を積層した四角柱の圧電素子がある。第１シート、第２シートともに長手方向の端部から電極パターンが形成されており、形成されたパターンには少なくとも２種類以上の幅が異なる電極パターンが存在する。第１シート、第２シートで形成された電極パターンは、長手方向に対して、互いに異なる端面から形成する。第１シート、第２シートで形成した電極パターンは、第１シートで幅の異なる電極シートと第２シートで幅の異なる電極を重ね合わせるときに、幅の狭い電極部と幅の広い電極部の一部が互いに重なりあうように積層させる。
本発明によれば、セラミックグリーンシートを積層、焼成後に圧電素子を、ダイシングして分割し、最大変位する場所が異なる圧電素子を形成し、駆動する部分が千鳥配置となるものを実現することができる。この圧電素子をインクジェットヘッドに適用することにより、隣接で圧電素子を駆動させても近接ノズルから出る液滴の吐出速度、体積に影響しあうことなく、単独のノズルで駆動させたときと同じような高精度のインクジェット塗布を実現することができる。つまり、ヘッドごとの液滴量のバラツキが少ない高密度、高精度で均一性のあるインクジェットヘッド塗布を実現することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）、（ｂ）は、発明の圧電素子に用いる第１セラミックグリーンシート１００、第２セラミックグリーンシート１１０、第３セラミックグリーンシート１２０の上面図である。第１セラミックグリーンシート１００上には、第１電極１０１と、第１非電極領域１０２が配置され、第２セラミックグリーンシート１１０には、第２電極１１１と、第２非電極領域１１２が配置され、第３セラミックグリーンシートは第３非電極領域１２２が配置されている。電極パターンは、銀ペースト等を用い、スクリーン印刷等でパターン印刷される。また、グリーンシート１枚の厚さは５〜１００μｍ、望ましくは１０〜５０μｍが望ましい。
（実施の形態１）
図１（ａ）、（ｂ）は、発明の圧電素子に用いる第１セラミックグリーンシート１００、第２セラミックグリーンシート１１０、第３セラミックグリーンシート１２０の上面図である。第１セラミックグリーンシート１００上には、第１電極１０１と、第１非電極領域１０２が配置され、第２セラミックグリーンシート１１０には、第２電極１１１と、第２非電極領域１１２が配置され、第３セラミックグリーンシートは第３非電極領域１２２が配置されている。電極パターンは、銀ペースト等を用い、スクリーン印刷等でパターン印刷される。また、グリーンシート１枚の厚さは５〜１００μｍ、望ましくは１０〜５０μｍが望ましい。
図１（ａ）で、電極の形状は、細長い１つの大きな第２長方形１６２と、複数の小さな第１長方形１６１とからなっている。第２長方形１６２は、セラミックグリーンシートの１辺まで形成され、複数の小さな第１長方形１６１は、前記１辺に対向するセラミックグリーンシーの辺へ向かって、第２長方形１６２から、伸びている。複数の第１長方形１６１は、第２長方形１６２の長手方向に並んでいる。
図１（ｂ）でも、小さな第３長方形１６３と大きな第４長方形１６４があり、図１（ａ）と同様の形状である。
実施の形態１では、この電極形状は、第１セラミックグリーンシート１００と、第２セラミックグリーンシート１１０とで同じである。
これらのグリーンシートを下部層に第３セラミックグリーンシート１２０を積層し、その後、第１セラミックグリーンシート１００および第２セラミックグリーンシート１１０を交互に積層していく。最後に第３セラミックグリーンシート１２０を積層して焼結したものが、図２の圧電素子１４０である。
なお、圧電素子下部１４１の第３セラミックグリーンシート１２０と圧電素子上部１４２の第３セラミックグリーンシート１２０の積層厚みはほぼ同じであることが好ましい。これは、圧電素子の焼結時に圧電素子が反ることを抑制するためである。
図２は、圧電素子１４０の斜視図を示す。左側面１４０ｄ、および、右側面１４０ｂの両側面から、圧電素子１４０の焼結後の第１非電極領域１０２、第２非電極領域１１２を非破壊で観察することができる。第１電極１０１、第２電極１１１も観察できる。
また、圧電素子下部１４１として、電極のない上記厚みの異なる第３セラミックグリーンシート１２０を用いてもよいし、圧電素子上部１４２にも、電極のない上記厚みの異なる第３セラミックグリーンシート１２０を用いてもよい。
圧電素子１４０を積層、焼成後の圧電素子に、スパッタ等の方法を用いて、図２の圧電素子上面１４３を除くすべての面に、例えば、クロム１〜１０ｎｍ、金１００〜８００ｎｍ等の導電部を形成する。なお、クロムの代わりにチタン電極、金電極の代わりに銀電極、プラチナ電極等を用いてもよい。
次に、１４０ａ面の下部の圧電素子を除去する。除去した圧電素子は図３のようになる。あるいは、図４に示したように圧電素子下部をマスクして導電部を形成させてもよい。斜線部分が導電膜である。
このような構成により、背面１４０ｃの第２電極１１１を正面１４０ａにもってくることができ、正面左部コーナー部１４５、または、正面右部コーナー部１４６の導電膜に、電気的に接続される。この導電膜と、第１電極１０１とに外部電極を接続することで、圧電素子が機能する。正面１４０ａの１面から、両電極が取り出せる。導電膜は、側面でなく底面に設けて、背面１４０ｃと正面左部コーナー部１４５、または、正面右部コーナー部１４６の一部をつないでもよい。電流量が多いときは、圧電素子１４０の下面１４０ｅにも導電膜を設けるとよい。
本実施例では、導電膜形成前に、左側面１４０ｄ、および、右側面１４０ｂの両側面から、圧電素子１４０の焼結後の第２電極１１１、第１電極１０１を非破壊で観察することができる。そのために圧電素子１４０の最大変位する場所と最大変位量を検査することが可能となる。したがって、圧電素子１４０を、インクジェット等に用いる場合には、この検査により、圧電素子１４０を選別することが可能となり、インクジェットの液滴量のばらつきを抑制することができ、高精度な塗布が実現することが可能となる。
次に、図３の圧電素子１４０をダイサーによりダイシングすることにより、溝１４４を設け、図５（ａ）に示す圧電素子を製作する。このとき、ダイシングによる切り込み量は、導電部より斜線部はスパッタ等により電極が形成されている領域を示す。次に圧電素子の正面１４０ａ側から見たものが図５（ｂ）である。
図５（ｂ）において、断面１４０ｇ、断面１４０ｈをそれぞれ図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）と図６（ｂ）では、電極の重なり合う部分がそれぞれ異なっている。したがって、圧電素子駆動時には互いに異なる領域で変位をすることになる。つまり、駆動部が千鳥配置の圧電素子を実現することが可能となる。
図１に示した第１セラミックグリーンシート１００上の第１電極１０１と第２セラミックグリーンシート１１０上の第２電極１１１が積層したときの、電極の重なる部分１２５ａ、１２５ｂを図７（ａ）に示す。
図７（ａ）は、圧電素子の上面から見た図である。図７（ａ）において、第１電極１０１と第２電極１１１とが重なる部分１２５ａ、１２５ｂが駆動部に相当する。これらのセラミックグリーンシートを積層、焼成後、ダイシングにて加工することにより、図７（ｂ）を得ることができる。駆動圧電素子１４７、駆動圧電素子１４８は駆動部の圧電素子を示しており、それらの駆動部は互いに異なっている。
つまり、駆動部である重なる部分１２５ａと重なる部分１２５ｂの２種類が存在する。さらに、駆動圧電素子１４７、駆動圧電素子１４８とは、直接隣に位置せず、駆動させない非駆動圧電素子１５２を間に設けている。駆動圧電素子１４７と駆動圧電素子１４８との伸縮の影響がそれぞれにでないようになる。
この重なる部分の１つは、図１（ａ）、（ｂ）で示すところの、第２長方形１６２の先端と第４長方形１６４とが重なるところである。もう１つは、第１長方形１６１と第３長方形１６３の先端とが重なるところである。それぞれの重なる部分の中心を結ぶと、点線で示すように、２つの直線となる。溝１４９がダイシングにより加工された場所を表す。
また、圧電素子１４０を介して伝達する駆動力を最小にするために図８に示すように圧電素子１５０の上部の異なる駆動領域間の上に相当する部分に、溝１５１を入れてもよい。
溝１５１を入れることにより、隣接圧電素子が駆動したときの伝達力を低減させることが可能となる。また同じ電圧を印加した場合の圧電素子の変位を上げることも可能となる。
溝１５１は、重なる部分１２５ａ同士の中心を結んだ線と、重なる部分１２５ｂ同士の中心を結んだ線との間の、圧電素子の上面に位置する。
なお、上記例では、第１電極１０１、第２電極１１１がグリーンシートの３辺に達するまで設けたが、少なくとも２辺ならよい。２つの方向から、非電極形成領域の幅を確認できる。各電極が、圧電素子１４０の異なる２つの表面の一部に現れ、圧電素子１４０の表面を利用し、一方の電極をもう一方の面でまで、導電膜でつなげればよい。
圧電素子は、原則四角柱であるが、四角柱以外でもよい。
圧電素子は、原則四角柱であるが、四角柱以外でもよい。
このような構成で圧電素子を形成することにより、駆動部が千鳥配置となる。また、圧電素子の変位が、電圧の方向と一致し、上下方向となる。結果、ｄ３３方向（図１４）の変位を実現することが可能となる。ｄ３３方向の変位を実現することにより、最小の駆動電力で最大の変位を実現することが可能となる。
（実施の形態２）
実施の形態２では、図９に示した第１電極２０１と第１非電極領域２０２を有する第４セラミックグリーンシート２００と、第２電極２１１と第２非電極領域２１２を有する第５セラミックグリーンシート２１０と、第６セラミックグリーンシート２２０とを積層して、加圧して焼成して積層した。
（実施の形態２）
実施の形態２では、図９に示した第１電極２０１と第１非電極領域２０２を有する第４セラミックグリーンシート２００と、第２電極２１１と第２非電極領域２１２を有する第５セラミックグリーンシート２１０と、第６セラミックグリーンシート２２０とを積層して、加圧して焼成して積層した。
この実施の形態２では、実施の形態１の図１と異なり、図９（ａ）（ｂ）に示したように第４セラミックグリーンシートの第１電極２０１と第５セラミックグリーンシートの第２電極２１１の形状を変えたもので積層する。つまり、第１長方形１６１と第３長方形１６３の幅が、異なるものである。
第４セラミックグリーンシート２００の第１長方形１６１の幅が、第５セラミックグリーンシート２１０の第１長方形１６１の幅より細い。
下部に第６セラミックグリーンシート２２０を積層し、その上に、第４セラミックグリーンシート２００および第５セラミックグリーンシート２１０を交互に積層していく。その上に第６セラミックグリーンシート２２０を積層して焼結する。
積層方向での第１電極２０１と第２電極２１１との重なりの様子を、図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）は、圧電素子の上面からみた、電極間の重なりである。重なり領域２２５ａ、重なり領域２２５ｂを図１０（ａ）に示す。
また、実施の形態１と同様に、ダイシングにて加工することにより、図１０（ａ）は、図１０（ｂ）の状態となる。溝２４９がダイシングにより加工された場所を表す。駆動圧電素子２４７、駆動圧電素子２４８は駆動部の圧電素子を示しており、それらの駆動領域（重なり領域２２５ａ，２２５ｂ）は互いに異なっている。
つまり、電極の幅が異なっていても、ダイシング後の重なり領域２２５ａ、２２５ｂが２種類でき、実施の形態１と同様に駆動部が千鳥配置の圧電素子を実現することが可能となる。
なお、上記では、第１長方形１６１、第３長方形１６３のように、電極形状を長方形としたが、長方形に限られない、台形、三角形などでもよい。積層状態で、それら先端部分のみが、第２長方形１６２、第４長方形１６４にそれぞれ、重なればよい。
また、第２長方形１６２と第４長方形１６４とは、積層状態で、一部分の重なり領域があってもよいが、大部分の領域では重なってはいけない。複数の重なり領域２２５ａ、２２５ｂの領域を確保するためである。
重なり部分は２種類であったが、３種類でも、それ以上でもよい。形状は、上記以外でもよい、積層状態で、重なり領域が、独立して、点在していればよい。
なお、上記圧電素子をピエゾ方式インクジェット装置に用いることができる。
上記圧電素子をインクの詰まった微細管に取り付け、この圧電素子に電圧を加えて変形させることでインクを管外へと吐出させる。液晶のカラーフィルター、ＥＬの生産に用いることができる。インクは、色成分を含むインク、中間層、ホール輸送層の塗布に適用可能である。
上記圧電素子をインクの詰まった微細管に取り付け、この圧電素子に電圧を加えて変形させることでインクを管外へと吐出させる。液晶のカラーフィルター、ＥＬの生産に用いることができる。インクは、色成分を含むインク、中間層、ホール輸送層の塗布に適用可能である。
本発明は、圧電素子に利用できる。また、その圧電素子はインクジェット装置に利用できる。
１０ 振動凸部
１２ 振動板
１４、５６ ノズル孔
１６、５８ 基板
１８ ノズルプレート
２０ 流路
５０ 圧電素子
５１ 圧電素子群
５２ 振動凸部
５４ 振動板
６０ ノズルプレート
６２ 流路
２２、６４ 流路構成部材
１００ 第１セラミックグリーンシート
１０１ 第１電極
１０２ 第１非電極領域
１１０ 第２セラミックグリーンシート
１１１ 第２電極
１１２ 第２非電極領域
１２０ 第３セラミックグリーンシート
１２２ 第３非電極領域
１２５ａ、１２５ｂ 重なる部分
１４０、１５０ 圧電素子
１４１ 圧電素子下部
１４２ 圧電素子上部
１４０ａ 正面
１４０ｂ 右側面
１４０ｃ 背面
１４０ｄ 左側面
１４０ｅ 下面
１４０ｇ、１４０ｈ 断面
１４３ 圧電素子上面
１４５ 正面左部コーナー部
１４６ 正面右部コーナー部
１４７、１４８ 駆動圧電素子
１４４、１４９、１５１ 溝
１５２ 非駆動圧電素子
１６１ 第１長方形
１６２ 第２長方形
１６３ 第３長方形
１６４ 第４長方形
２００ 第４セラミックグリーンシート
２０１ 第１電極
２０２ 第１非電極領域
２１０ 第５セラミックグリーンシート
２１１ 第２電極
２１２ 第２非電極領域
２２０ 第６セラミックグリーンシート
２２５ａ、２２５ｂ 重なり領域
２４７、２４８ 駆動圧電素子
２４９ 溝
３００ 分極方向
３０１ ｄ３３モード
３０２ ｄ３１モード
Ｉｄ インク滴
１２ 振動板
１４、５６ ノズル孔
１６、５８ 基板
１８ ノズルプレート
２０ 流路
５０ 圧電素子
５１ 圧電素子群
５２ 振動凸部
５４ 振動板
６０ ノズルプレート
６２ 流路
２２、６４ 流路構成部材
１００ 第１セラミックグリーンシート
１０１ 第１電極
１０２ 第１非電極領域
１１０ 第２セラミックグリーンシート
１１１ 第２電極
１１２ 第２非電極領域
１２０ 第３セラミックグリーンシート
１２２ 第３非電極領域
１２５ａ、１２５ｂ 重なる部分
１４０、１５０ 圧電素子
１４１ 圧電素子下部
１４２ 圧電素子上部
１４０ａ 正面
１４０ｂ 右側面
１４０ｃ 背面
１４０ｄ 左側面
１４０ｅ 下面
１４０ｇ、１４０ｈ 断面
１４３ 圧電素子上面
１４５ 正面左部コーナー部
１４６ 正面右部コーナー部
１４７、１４８ 駆動圧電素子
１４４、１４９、１５１ 溝
１５２ 非駆動圧電素子
１６１ 第１長方形
１６２ 第２長方形
１６３ 第３長方形
１６４ 第４長方形
２００ 第４セラミックグリーンシート
２０１ 第１電極
２０２ 第１非電極領域
２１０ 第５セラミックグリーンシート
２１１ 第２電極
２１２ 第２非電極領域
２２０ 第６セラミックグリーンシート
２２５ａ、２２５ｂ 重なり領域
２４７、２４８ 駆動圧電素子
２４９ 溝
３００ 分極方向
３０１ ｄ３３モード
３０２ ｄ３１モード
Ｉｄ インク滴
Claims (8)
- 少なくとも２辺の端部まで第１電極が形成された第１シートと、
少なくとも２辺の端部まで第２電極が形成された第２シートと、を積層した圧電素子であり、
前記第１電極が形成されている前記圧電素子の第１面と、前記第２電極が形成された前記圧電素子の第２面とが異なる面であり、
前記第１面と前記第２面とに渡る複数の溝により、前記第１電極が分離され、
前記第２面の第２電極と前記第１面の前記分離された一部の第１電極とを電気的に結ぶ、前記圧電素子の表面に形成された導電膜を有し、
前記圧電素子の前記積層の方向から見た場合に、前記第１電極と前記第２電極とが重なり合う領域の中心を結ぶ直線が複数存在し、
前記第１シートと前記第２シートとが四角形であり、
前記第１電極の形状が、前記第１シートの１辺に及ぶ第２領域と、前記第２領域とつながり、前記１辺に対向する辺へ向かって形成された複数の第１領域とからなり、
前記第２電極の形状が、前記第２シートの１辺に及ぶ第４領域と、前記第４領域とつながり、前記１辺に対向する辺へ向かって形成された複数の第３領域とからなる圧電素子。 - 前記一部の第１電極は、前記分離された第１電極のうち、前記圧電素子のコーナー部にある前記第１電極である請求項１記載の圧電素子。
- 前記第１電極と前記第２電極の形状が異なる請求項１記載の圧電素子。
- 前記重なり合う領域が、前記第１領域の先端と前記第４領域とが重なった第５領域と、前記第２領域の先端と前記第３領域とが重なった第６領域と、からなる請求項３記載の圧電素子。
- 前記第５領域を含む圧電素子駆動部分と、前記第６領域を含む圧電素子駆動部との間に、前記圧電素子として駆動しない部分が位置する請求項４に記載の圧電素子。
- 前記第１シートは、３辺まで前記第１電極が形成され、１辺には、電極が形成されていない第１非電極領域が位置し、
前記第２シートは、３辺まで前記第２電極が形成され、１辺には、電極が形成されていない第２非電極領域が位置する請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電素子。 - 請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電素子を用い、インクを被塗布物に塗布するインクジェット装置。
- 請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電素子を用い、インクを被塗布物に塗布する塗布方法。
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| US14/290,381 US9033473B2 (en) | 2013-05-29 | 2014-05-29 | Piezoelectric device, inkjet equipment using the piezoelectric device, and the inkjet printing method |
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| JP3852309B2 (ja) * | 2001-07-24 | 2006-11-29 | 株式会社村田製作所 | 積層型圧電体素子及びその製造方法、並びに、圧電アクチュエータ |
| JP4145760B2 (ja) * | 2002-10-03 | 2008-09-03 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電アクチュエータユニット及びその製造方法 |
| JP3925650B2 (ja) * | 2003-03-06 | 2007-06-06 | ブラザー工業株式会社 | インクジェットプリンタヘッド |
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- 2014-05-26 KR KR1020140063085A patent/KR20140140499A/ko not_active Application Discontinuation
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