(57)【要約】【課題】極細な内部空洞形状が精度良く形成でき、簡略なプロセスで特性が良好な圧電素子を得ることができる圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】外側および内側にそれぞれ電極層を有する中空筒状の圧電素子を製造する圧電素子の製造方法において、芯材上に単層金属膜を形成することにより内側電極層を形成する内側電極層形成工程；該単層金属膜上に直接圧電体層を形成する圧電体層形成工程；該圧電体層上に金属層を形成することにより外側電極層を形成する外側電極層形成工程；および該外側電極層形成工程の後に、芯材を除去する芯材除去工程を有する。【選択図】  図６
2004200484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側および内側にそれぞれ電極層を有する中空筒状の圧電素子を製造する圧電素子の製造方法において、
芯材上に単層金属膜を形成することにより内側電極層を形成する内側電極層形成工程；
該単層金属膜上に直接圧電体層を形成する圧電体層形成工程；
該圧電体層上に金属層を形成することにより外側電極層を形成する外側電極層形成工程；および
該外側電極層形成工程の後に、芯材を除去する芯材除去工程
を有する圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子に関する。特に、インク滴を飛翔させ被記録媒体に対して描画を行うインクジェット記録装置、例えばインクジェットプリンタなどに利用される、微小インク粒子を飛翔させるための圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧力発生部材と金属板、セラミックスとの積層で構成される圧力発生器や、液体インクに熱エネルギーを加えることで液体を発泡させ圧力を得る発熱素子などからなる圧力発生器と、飛翔媒体であるインクとインクの吐出穴を備えたノズルプレートとを有し、印加電圧により圧力発生器に圧力を発生させることで、インクを吐出させるオンデマンド方式のインクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
近年これらのインクジェット記録装置を用いることにより、被記録媒体に対して高速にかつ高精度、高精細な描画ができるようになってきており、民生用のプリンターやファクシミリ、捺染、産業用途にいたるまで幅広く利用されるようになってきた。
【０００４】
上記インクジェットヘッドの機構には分野、目的に応じて様々なものが提案されており、インクタンクからノズル穴までの途中に直径０．１〜１ｍｍ程度の細長い円筒形の圧電素子を設け、この部分を加圧ポンプとして機能させることでノズル部からインク滴を吐出させる方式が知られている。
【０００５】
これはグールド型インクジェットヘッドと呼ばれるものであり、図１にその概略図を示す。円筒形状圧電素子１０の内面と外面に電極が形成され、駆動電圧を印加するリード線２が接続されている。円筒形状圧電素子１０の内面電極は、この圧電素子を貫通する中空パイプ３と接着や接合により固着されている。中空パイプ３は、円筒形状圧電素子１０との電気的接触を避けるために、薄膜のガラス等絶縁材料で構成されている。中空パイプの一端にはインクタンク等からインクを供給するためのインクチューブ５が接続され、他端にはインク滴４を吐出するためのインクジェットノズル６が形成される。
【０００６】
また、図１１には特許文献１に開示されたグールド形インクジェットヘッドの圧電素子を示す。ここでは、棒状のプラスチック材の外周面に白金膜およびチタン膜（白金・チタン膜二重層１３）を重ねて形成したものを基盤とし、この基盤のチタン膜表面に水熱合成法によりチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層１を直接形成する。しかる後全体を鉛蒸気雰囲気中１０００℃で加熱して前記棒状プラスチック材を焼成除去し、中空部１２を形成する。更にチタン酸ジルコン酸鉛表面にメッキ法等によって金属膜を形成させることで、内外両電極を備えた円筒形圧電素子を成形している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−３３６９６７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、、特許文献１に記載の圧電素子形成法においては、水熱法による核形成プロセスと結晶成長プロセスとを必要とするため、プラスチック上にチタン層を含む２層の金属膜の成膜、および高温での焼成工程を有し、プロセス上煩雑さを有していた。さらに、水熱法による圧電素子は、表面形状が不均一であるという課題を有していた。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされた圧電素子の製造方法であり、その目的とするところは、極細な内部空洞形状が精度良く形成でき、簡略なプロセスで特性が良好な圧電素子を得ることができる圧電素子の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明により、外側および内側にそれぞれ電極層を有する中空筒状の圧電素子を製造する圧電素子の製造方法において、
芯材上に単層金属膜を形成することにより内側電極層を形成する内側電極層形成工程；
該単層金属膜上に直接圧電体層を形成する圧電体層形成工程；
該圧電体層上に金属層を形成することにより外側電極層を形成する外側電極層形成工程；および
該外側電極層形成工程の後に、芯材を除去する芯材除去工程
を有する圧電素子の製造方法が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、形成される圧電体が芯材の形状を忠実にトレースするために、極細な内部空洞形状を有していても、寸法精度が良好な圧電素子を容易に得ることができる。
【００１２】
〔圧電素子および芯材〕
圧電素子／芯材には、その使用目的および必要とされる特徴によって種々の形状のものを使用することが可能である。
【００１３】
本発明の圧電素子の形態につき、その一例の断面形状を図２に示す。ここでは圧電素子は中空の円筒形状であり、圧電体層１はその外周面に外側電極層１５を有し、内周面に内側電極層１４を有し、内側電極層の内側は中空部１２とされる。このような圧電素子を製造するには円筒状の芯材を使用すればよい。芯材の断面形状を変えることにより、様々な断面形状の中空筒状の圧電素子を得ることができる。
【００１４】
芯材の材質としては、圧電体層形成後に、前記圧電体層が有する物理的・化学的特性を劣化させること無くして、容易に除去可能である特徴を有するものが好ましい。
【００１５】
本発明において、前記芯材が水処理により除去可能な材料からなることが好ましい。水処理条件としては、常温〜１００℃以下の低温において浸漬するだけでよい。芯材には、例えばポリビニルアルコールを主体とした水溶性繊維、ソルブロンを用いることが出来る。このような芯材を用いることにより、１０００℃もの高温の焼成工程によって芯材を除去する必要が無く、製造プロセスが簡略化できる。
【００１６】
上記と同様の理由により、前記芯材がアルカリ処理により除去可能な材料からなることが好ましい。アルカリ処理条件としては、例えば、６ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム溶液中に一晩浸漬したのちに、前記水酸化ナトリウム水溶液から取り出し、約５ｍＬの二硫化炭素を加えた密閉容器中において温度を４０℃から４５℃に保ちながら２時間ほど反応させる。その後、前工程において形成された、芯材を含む圧電体を、２ｍｏｌ／Ｌ水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬させることによって内部の芯材は完全に除去させることができる。この場合芯材には、例えばビスコースレーヨン繊維を用いることができる。
【００１７】
上記と同様の理由により、前記芯材が有機溶剤処理により除去可能な材料からなることが好ましい。有機溶剤処理条件としては、例えば、前工程において形成された、芯材を含む圧電体を常温においてアセトン中に浸漬させる、もしくは浸漬後に超音波振動をかけることによって前記芯材を完全に除去させることができる。この場合、芯材には、例えばＡＢＳ樹脂を主体としたプラスティックを用いることができる。
【００１８】
上記と同様の理由により、前記芯材が超臨界流体処理により除去可能な材料からなることが好ましい。超臨界流体処理条件としては、例えば、温度と圧力を高精度に制御できるチャンバー中に、前工程において形成された芯材を含む圧電体を入れ、前記チャンバーの排気と二酸化炭素の封入を行い、チャンバー内部を二酸化炭素雰囲気とする。その後に温度を６４７．３（Ｋ）以上、圧力を２２．１２（ＭＰａ）以上に設定する。この状態では、二酸化炭素が超臨界状態にあり、表面張力が０となっているため、微細な空洞にも容易に進入し芯材を溶解させることができるため芯材を効率良く除去することが可能である。この場合芯材としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を用いることができる。
【００１９】
上記と同様の理由により、前記芯材が１００℃以上５００℃以下の焼成処理により除去可能な材料からなることが好ましい。焼成に際しては、例えば、温度が制御できるチャンバー中に、前工程において形成された、芯材を含んだ圧電体を投入した後、チャンバー内部を排気し、１０-6Ｔｏｒｒ（１０-4Ｐａ）程度の高真空状態とする。この後に、チャンバー内を芯材の融点以上の温度に昇温、保持することで芯材を効率よく除去することが可能である。また、芯材としては、圧電体層形成時において形状変化を引き起こさない程度、すなわち１００℃以上の融点を持つものが好ましい。また、このような低融点材料からなる芯材を用いることにより、圧電体の電気的性能発現のための焼成工程に影響を及ぼすことなく芯材のみを効率的に除去が可能であり、圧電体焼成工程の最適化が可能である。
【００２０】
〔内側電極層〕
内側電極層は、圧電素子に係る公知の材料を用い、公知の製造方法により製造することができる。ただし、本発明では内側電極層を単層金属膜とする。これにより複数金属膜を設けた際の不具合、すなわち界面での剥離、接触電位差による腐食や酸化を回避できる。内側電極層としては、白金、金、ニッケルなどの貴金属をスパッタ、真空蒸着、めっき法を用いて、１００〜３００ｎｍ形成することが好ましい。
【００２１】
〔圧電体層〕
圧電体層は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）など圧電素子に係る公知の材料を用い、ＣＶＤ法やゾルゲル法など圧電素子に係る公知の製造方法で形成することができる。ただし、本発明においては圧電体層は上記単層金属膜上に直接形成する。
【００２２】
本発明において、前記圧電体層をエアロゾル・ディポジション法（特開昭５９−８０３６１号公報に記載される）により形成することが好ましい。エアロゾルディポジション法を用いることで分散状態の超微粒子を差圧によってエアロゾル化容器からターゲット基板に対して搬送、噴射し、基板を任意の速度で動かすことで成膜を行うことができる。搬送ガスにはヘリウムガスもしくは乾燥エアーを用い、流速１〜１０ＳＬＭ、膜形成室圧力１〜１０Ｔｏｒｒ（１０2〜１０3Ｐａ）、エアロゾル化容器には良好な分散状態を維持するため、振動を加えることが好ましい。この方法によれば従来法と比較し、均一な表面形状を有し、他手法では困難な１０μｍ以上の厚膜圧電体層の形成が可能である。
【００２３】
〔外側電極層〕
外側電極層は、圧電素子に係る公知の材料を用い、公知の製造方法で形成することができる。外側電極層としては、内側電極層と同様に白金、金、ニッケルなどの貴金属をスパッタ、真空蒸着、めっき法を用いて、１００〜３００ｎｍ形成することが好ましい。
【００２４】
〔芯材除去〕
芯材除去については、前工程において形成された圧電体層に対して、その物理的・化学的特性を変化させること無く、簡易に行える方法が好ましい。
【００２５】
〔焼成〕
外側電極層を形成した後、圧電素子の機能発現を目的とした焼成を行うことが好ましい。この焼成は、圧電素子に係る公知の方法で行うことができる。すなわち６５０℃〜８００℃大気雰囲気中もしくは、酸素雰囲気中において行うことが好ましい。また、圧電体層成膜に前述のエアロゾルデポジション法を適用した場合には、ステージを上記温度に加熱した状態で成膜することにより、成膜と圧電素子の機能発現のための焼成を同時に行うこともできる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００２７】
〔実施例１〕
（芯材及び電極層形成）
芯材としては２５０μｍ径を持つプラスチック光学繊維（商品名：エスカ、三菱レイヨン（株）製、融点１５０℃〜２００℃）を用いた。この繊維上に銀ペーストを３μｍの厚みで付与した。これは後に内側電極１４となる。この際、低温での金属粒子の焼結性と、成形された金属膜の緻密性を考慮し銀ナノペーストを用いることが好ましい。本実施例では銀ナノペーストとして独立分散超微粒子（真空冶金（株）製）を用いた。
【００２８】
（圧電体層形成）
金属膜が形成された上記芯材上に直接、ＣＶＤ法やゾルゲル法など従来の方法を用いてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層を形成させる。本実施例においては、ＣＶＤ法によりＰＺＴ成膜を行った。ＣＶＤの条件は、成膜温度５５０℃、真空度１Ｔｏｒｒ（１３０Ｐａ）、成膜レート３ｎｍ／ｍｉｎとした。これにより、圧電体層を２μｍ成膜した。
【００２９】
（外側電極層形成）
上記ＰＺＴ膜上に、外側電極層１５として白金層をイオンスパッタ法により１５０ｎｍ形成した。スパッタ装置は商品名：イオンスパッタ―Ｅ−１０３０（（株）日立製作所製）を用い、スパッタ条件としては、６Ｐａ、放電電流１５ｍＡ、１２０ｓで成膜を行った。
【００３０】
（芯材除去）
芯材であるプラスチック光学繊維の除去を２００℃焼成により行った。この際、芯材上にあった銀ナノペーストが焼結する。これにより、圧電体層１の内側に緻密な内側電極層１４が形成された。
【００３１】
上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図３に示すように内径２４４μｍの中空圧電素子が形成された。
【００３２】
〔実施例２〕
本実施例が実施例１と異なる点は圧電体層１の形成がエアロゾルディポジション法による点である。芯材１６及び電極層１４の形成は実施例１と同様に行った。
【００３３】
（圧電体層形成）
実施例１と同様に金属膜を形成した芯材１６上に、図４に示すようにエアロゾル・ディポジション法を用いて圧電体層１を直接形成させた。圧電体材料にはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）超微粒子（堺化学工業（株）製）を用いた。キャリアガスには乾燥エアーを用い、ガス流量５ＳＬＭで芯材を回転させながらノズル１７から上記ＰＺＴ超微粒子を噴射、成膜を行った。これにより２０μｍ厚の均一な圧電体層１が形成された。
【００３４】
外側電極層１５の形成及び芯材１６の除去は実施例１と同様に行った。上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図５に示すように、圧電体層１を２０μｍ有する内径２４４μｍの中空圧電素子を形成した。
【００３５】
〔実施例３〕
図６はこの発明の更に異なる実施例を示す圧電素子の製造プロセス図である。
【００３６】
（芯材及び内側電極層形成）
芯材１としては実施例１及び実施例２と同様に２５０μｍ径を持つプラスチック光学繊維（商品名：エスカ、三菱レイヨン（株）製、融点１５０℃〜２００℃）を用いた。この芯材１上に内側電極層１４として白金層をイオンスパッタ法により形成した。スパッタ装置は商品名：イオンスパッタ―Ｅ−１０３０（（株）日立製作所製）を用い、スパッタ条件としては、６Ｐａ、放電電流１５ｍＡ、１２０ｓでの条件で芯材を回転させながら成膜した。
【００３７】
圧電体層１の形成及び外側電極層１５の形成は、実施例２と同様に行い２０μｍ厚のＰＺＴ膜と白金電極を形成した。
【００３８】
（芯材除去）
芯材であるプラスチック光学繊維の除去を熱水浴浸漬により行った。
【００３９】
上記のように芯材上に内側電極層、圧電体層、外側電極層を順次形成したものを、図７に示すように８０℃の熱水浴１８に浸漬する。芯材１６はプラスチック光学繊維であるために熱水には耐えずに除去される。上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図８に示すように圧電体層１を２０μｍ有する内径２５０μｍの中空圧電素子を形成した。
【００４０】
〔実施例４〕
芯材及び内側電極層の形成及び圧電体層の形成、外側電極層の形成は実施例３と同様に行った。本実施例が実施例３と異なる点は芯材１６の除去工程が酸処理による点である。芯材はプラスチック光学繊維であるために酸処理には耐えずに溶解除去される。本実施例ではｐＨ３の希塩酸溶液を用いて芯材の除去を行った。上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図８に示すように圧電体層を２０μｍ有する内径２５０μｍの中空圧電素子を形成した。
【００４１】
〔実施例５〕
芯材及び内側電極層の形成及び圧電体層の形成、外側電極層の形成は実施例３と同様に行った。本実施例が実施例３と異なる点は芯材１６の除去工程がアルカリ処理による点である。芯材はプラスチック光学繊維であるためにアルカリ処理には耐えずに溶解除去される。本実施例ではｐＨ１０の水酸化ナトリウム水溶液を用いて芯材の除去を行った。上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図８に示すように圧電体層を２０μｍ有する内径２５０μｍの中空圧電素子を形成した。
【００４２】
〔実施例６〕
芯材及び内側電極層の形成及び圧電体層の形成、外側電極層の形成は実施例３と同様に行った。本実施例が実施例３と異なる点は芯材１６の除去工程が有機溶剤による点である。芯材はプラスチック光学繊維であるために有機溶剤処理には耐えずに溶解除去される。本実施例ではジメチルケトン（アセトン）を用いて芯材の除去を行った。上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図８に示すように圧電体層を２０μｍ有する内径２５０μｍの中空圧電素子を形成した。
【００４３】
〔実施例７〕
芯材及び内側電極層の形成及び圧電体層の形成、外側電極層の形成は実施例３と同様に行った。本実施例が実施例３と異なる点は芯材１６の除去工程が超臨界流体処理による点である。表面張力０である超臨界流体中を用いることで有機物質である芯材の除去が可能であり、本実験では超臨界二酸化炭素流体を用った。上記製造工程の後に圧電素子の機能発現を目的とした焼成を大気雰囲気中６５０℃において５分行うことで、図８に示すように圧電体層を２０μｍ有する内径２５０μｍの中空圧電素子を形成した。
【００４４】
〔実施例８〕
図９は本発明における更に異なる実施の形態を表す図である。ここでは芯材として金属テルルの細径棒を用いた。
【００４５】
（芯材及び電極層形成）
芯材としては５０μｍ径を持つ金属テルルの細径棒１６ａを用いた。テルルは融点が４４９．５℃であることから、一連の圧電素子製造工程の後段に行われる焼成工程において溶融流失させることができる。
【００４６】
内側電極層１４の形成及び圧電体層１の形成、外側電極層１５の形成は実施例３と同様に行った。この後に圧電体層の機能発現を目的として６００℃での焼成を行った。この際テルルの細径金属棒１６ａは溶融流失し、図１０に示す様に圧電体層を２０μｍ有する内径５０μｍの中空圧電素子を形成した。６００℃における焼成は上記圧電体層の機能発現に対して好適な温度であり、低融点金属を用いたことで芯材１６ａの除去と圧電素子の機能向上とを一度に行え、さらなる圧電素子の製造プロセス簡略化が可能となった。
【００４７】
【発明の効果】
本実施例に記載の圧電素子の製造方法によれば、寸法精度が良好な芯材を用いることで、内部空洞形状が精度良く形成され、特性が良好な圧電素子が作製可能となった。また、従来製造が困難であった、１００μｍ以下の極細径筒型圧電素子の製造が容易に行える。芯材として円筒以外のものを用いることで種々の断面形状を有する圧電素子をも得ることもでき、様々な用途目的に対応することもできる。
【００４８】
従来、芯材除去工程は、鉛雰囲気中１０００℃の中で行われていた。しかし、本発明によれば酸、アルカリ、有機溶剤、超臨界流体などの溶液中に浸漬させるだけで芯材の除去が行うことができ、製造プロセスの簡略化が可能となった。
【００４９】
また芯材に５００℃以下の低融点を有する金属を用い、この融点以上で焼成を行えば、圧電素子の機能発現のための焼成と芯材除去とを同時に行うことができ、極めて効率的である。
【００５０】
さらに圧電体層成膜をエアロゾル・ディポジション法により行うことで、従来は製造困難であった１０μｍを超える厚膜の圧電素子の製造が可能となった。これにより前記圧電素子をインクジェットプリンターに適用した場合、その機能向上が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】グールド型インクジェットヘッドの概略図である。
【図２】本発明の圧電素子の一形態の断面を示す模式図である。
【図３】実施例１で作成した圧電素子の概略図である。
【図４】実施例２における圧電体層製造方法を示す模式図である。
【図５】実施例２で作成した圧電素子の概略図である。
【図６】実施例３における圧電素子の製造プロセスを示すブロック図である。
【図７】実施例３における芯材除去方法を示す模式図である。
【図８】実施例３で作成した圧電素子の概略図である。
【図９】実施例８における芯材除去方法を示す模式図である。
【図１０】実施例８で作成した圧電素子の概略図である。
【図１１】従来の他の円筒形状圧電素子を示す模式図である。
【符号の説明】
１    圧電体層
２    リード線
３    中空パイプ
４    インク滴
５    インクチューブ
６    インクジェットノズル
１２    中空部
１３    白金＋チタン膜
１４    内側電極層
１５    外側電極層
１６    芯材
１６ａ  芯材（金属テルル細径棒）
１７    エアロゾル噴射ノズル
１８    熱水浴
【図１】
2004200484.tif 000003
【図２】
2004200484.tif 000004
【図３】
2004200484.tif 000005
【図４】
2004200484.tif 000006
【図５】
2004200484.tif 000007
【図６】
2004200484.tif 000008
【図７】
2004200484.tif 000009
【図８】
2004200484.tif 000010
【図９】
2004200484.tif 000011
【図１０】
2004200484.tif 000012
【図１１】
2004200484.tif 000013