(57)【要約】【課題】表面電極のパターンの局所的な細線化や、断線がなく、またスルホール導体を介した内部電極との接続信頼性が高い圧電アクチュエータの製造方法を提供する。【解決手段】振動板と、該振動板表面に形成された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層を挟持する一対の電極を具備してなる圧電素子を具備する圧電アクチュエータの製造方法において、前記圧電セラミック層の表面電極を、Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を含有する有機金属ペーストを印刷塗布後、焼き付けして形成したことを特徴とする。特に、前記Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を、主金属成分１００質量部に対して、酸化物換算で１〜１０質量部以上含有すること、主金属が、金、銀、またはその合金の群から選ばれる少なくとも１種からなること、前記Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物をが、酸塩、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種からなることが望ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、該振動板表面に形成された圧電セラミック層と、該圧電セラミック層を挟持する一対の電極を具備してなる圧電素子を具備する圧電アクチュエータの製造方法において、前記圧電セラミック層の表面電極を、Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を含有する有機金属ペーストを印刷塗布後、焼き付けして形成したことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を、前記主金属成分１００質量部に対して、酸化物換算で１〜１０質量部以上含有することを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記主金属が、金、銀、またはその合金の群から選ばれる少なくとも１種からなる請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物が、酸化物、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種からなる請求項１乃至請求項３のいずれか記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記有機金属ペーストが、８２５℃以下で焼成することを特徴とする特許請求範囲１または請求項２記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記表面電極のパターンの最小線幅が７５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記表面電極の一部が、前記圧電セラミック層を貫通して形成されたビアホール導体を介して他方の電極と接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
インク室の壁面の一部に、振動板上に圧電セラミック層を挟持する一対の電極を具備してなる圧電素子を載置した圧電アクチュエータを取着してなる印刷ヘッドの製造方法において、前記圧電アクチュエータが、請求項１乃至請求項７のいずれか記載の方法によって作製してなることを特徴とする印刷ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度センサ、ノッキングセンサ、ＡＥセンサ等の圧電センサ、燃料噴射用インクジェクタ、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタ等に適し、特に広がり振動、伸び振動、厚み立て振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる圧電アクチュエータの製造方法及びそれを用いた印刷ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（発振子を含む）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度が１０−６秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられるアクチュエータ等に応用されている。
【０００４】
一般に、インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば図３に示したように、流路部材３３に、複数のインク室３３ａが隔壁３３ｂを介して並設に複数個形成され、各インク室３３ａの上に圧電アクチュエータ３４が設けられている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
圧電アクチュエータ３４は、共通電極の役割を兼ねた導電性の振動板３２上に、圧電セラミック層３５及び表面電極３７がこの順に積層され、表面電極３７が圧電セラミック層３５の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位部が形成されたものである。この圧電アクチュエータ３４は、インク室３３ａの上に表面電極３７が位置するようにして流路部材３３上に積層されている。
【０００６】
上記のような印刷ヘッドは、共通電極３２と所定の表面電極３７との間に電圧を印加して該表面電極３７下の圧電セラミック層３５を変位させることにより、インク室３３ａ内のインクを加圧して、流路部材３３の底面に開口したインク吐出口３３ｃよりインク滴を吐出する。
【０００７】
このような印刷ヘッドにおける圧電アクチュエータは、圧電性のセラミックグリーンシートの表面に任意の導体ペーストを電極パターンに印刷塗布して形成した後、積層一体化し、焼成することにより得られる。
【０００８】
上記焼成時の電極成分の圧電セラミック層への拡散によって電極が細くなり過ぎたり或いは切れたりすることを防ぎ、また、デラミネーションを防ぐために、アクチュエータの表面電極の厚みを０．７〜５μｍとした積層圧電体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
特許文献１によれば、この電極パターンの形成にあたっては、金属材料とバインダーや溶剤と混練してペースト化にし、スクリーン印刷を用いて形成する手法が開示されており、０．７〜５μｍの厚みの電極を形成する方法として、（１）ペースト粘度を下げてグリーンシートに供給されるペースト量を少なくする、（２）金属成分以外の有機成分を増やして焼成後に残るもののグリーンシートに供給される量を少なくする方法が記載されている。
【００１０】
そこで、同じ厚膜工法によって０．７〜５μｍの薄い膜を形成する手段として、有機金ペーストを用いて８３０℃で焼き付ける方法が提案されている（特許文献２参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２２５２６９号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平５−１４４３１８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記（１）の方法は、にじみ、かすれの原因となり、しかも同時焼成である為に、その不具合が電極が細くなり過ぎたり、或いは電極が切れてしまうという問題になってしまう。
【００１４】
また、上記（２）の方法も、乾燥膜中の金属成分の充填密度が低下することから、焼成収縮率が大きくなるため、厚みばらつきを発生しやすい、ひいてはかすれの原因になりやすく、均質な膜を形成する上で、不適切な方法である。また、有機成分を増加させることは、脱バインダしにくくすることとなり、電極とセラミックスとの界面にボイドを発生させ、密着強度の低下につながる。
【００１５】
また、特許文献２に記載の条件で、圧電アクチュエータに応用した場合、焼成時に内部の電極との接続部が反応してカーケンドールボイドを発生させ、断線するという問題があった。
【００１６】
また、銀系の金属材料からなる電極と、有機金属で形成する電極とを組み合わせた場合も、両電極の間で相互拡散が起こり、カーケンドールボイドが発生して断線を引き起こすという問題があった。
【００１７】
従って、本発明は、表面電極のパターンの局所的な細線化や、断線がなく、またスルーホール導体を介した内部電極との接続信頼性が高い圧電アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、表面に電極パターンが形成された圧電アクチュエータの製造方法において、圧電材料からなるグリーンシートを作製する工程と、該グリーンシートの表面に電極を形成する工程と、該電極を形成したグリーンシートを積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を焼成する工程と、を具備するものであって、前記積層成形体における少なくとも表面に形成された電極が、主金属成分と、Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を含有する有機金属ペーストを印刷塗布して形成してなることを特徴とするものである。
【００１９】
かかる構成においては、前記Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を、前記主金属成分１００質量部に対して、酸化物換算で１〜１０質量部以上含有することが最適である。
【００２０】
また、前記主金属は、金、銀またはその合金の群から選ばれる少なくとも１種からなることによって、電極の導電率を高めることができる。
【００２１】
また、前記Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物をが、酸化物、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種からなることによって、圧電セラミック層に対する電極の密着性を高めることができる。
【００２２】
また、上記有機金属の金属成分は、金であることが好ましい。これにより、使用時の酸化、硫化に伴う腐食の問題を解決できるとともに、近接電極間のマイグレーションの問題も解決できる。
【００２３】
さらに、上記有機金属ペーストは、８２５℃以下で焼成することが好ましい。
これにより、内部電極が廉価な材料である銀を使用した際の接続部の信頼性が確保できる。
【００２４】
また、前記有機金属ペーストにより形成された表面電極が、前記グリーンシートを貫通して形成されたビアホール導体を介して前記積層成形体の内部に形成された電極と接続されていることが望ましい。これにより、最低限の面積で内部電極と接続が出来るので高集積化ができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明における圧電アクチュエータの基本構造を説明するための概略断面図である。
【００２６】
図１によれば、本発明の圧電アクチュエータ１によれば、振動板２と、この振動板２の一方の表面に、圧電セラミック層３の両面に一対の電極４、５が形成された圧電素子６が一体的に設けられたものである。また、圧電セラミック層３の表面側には、内部の電極５に電圧を印加するために、圧電セラミック層３を貫通するビアホール導体７が形成され、表面に形成された電極８と電気的に接続されている。
【００２７】
本発明の圧電アクチュエータ１を構成する圧電セラミック層３としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、またはこれらの少なくとも１種を主成分とする圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、圧電セラミック層３は厚み方向に互いに相対する方向に分極してある。圧電セラミック層５の厚みは、８〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍであるのがよい。
【００２８】
電極４、５、またビアホール導体は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｎｉの単独もしくは２種以上の組み合わせ、好適にはＡｇ−Ｐｄ系合金によって形成されることが望ましく、この圧電セラミック層３と電極４，５とは同時焼成される。電極４，５の厚みは、０．５〜５μｍ、好ましくは１〜３μｍであるのがよい。特に、表面側の電極４、８は、Ａｕ系材料によって形成されることによって近接する電極間のマイグレーションを抑制することができる。
【００２９】
また、振動板２としては、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、チタニア、ガラスセラミックスの群から選ばれる少なくとも１種によって形成され、特に、製造の面からは、この振動板２は、前記圧電セラミックスと同時焼成によって形成可能なセラミックスによって形成することが望ましく、さらには、圧電セラミック層３と同じセラミックスによって形成することが望ましい。これによって、振動板２および圧電素子６とをすべて同時焼成によって形成することができる。
【００３０】
このような圧電アクチュエータ１の製造方法について説明する。まず、前記した圧電材料からなるグリーンシートを作製する。このグリーンシートは、圧電材料に対して、メタクリル酸系樹脂などの有機結合剤とともに、トルエンなどの有機溶媒を添加混合してスラリーを調製した後、このスラリーを、ドクターブレード法などの周知のシート成形方法によって成形する。
【００３１】
次に、かかるグリーンシートに対して、パンチングやレーザー加工によって５０〜５００μｍの孔径のビアホールを開口した後、このビアホール内に導体ペースを充填する。
【００３２】
次に、かかるグリーンシートの表面に、内部電極のパターンを形成する。この内部電極は、金属成分と有機結合剤と有機溶媒を含有する電極ペーストをスクリーン印刷法などの方法によって印刷形成することによって形成することができる。
【００３３】
その後、電極を形成したグリーンシートを積層して積層成形体を作製する。
【００３４】
この時に、振動板を前記圧電セラミック層と同時焼成が可能なセラミックスによって形成する場合には、同様に振動板を形成するセラミック材料を用いてグリーンシートを作製した後、上記の圧電アクチュエータを形成する積層成形体ともに、積層し一体化すればよい。
【００３５】
その後、この積層成形体を所定の形状に切断した後、９００〜１１００℃程度で焼成することによって圧電アクチュエータ本体を形成する。
【００３６】
最後に、この圧電アクチュエータ本体の表面に、表面電極を形成する。この表面電極は、所定の導体ペーストを印刷して、６００〜８００℃程度で焼き付け処理を施すことによって、圧電アクチュエータ１を得ることができる。
【００３７】
本発明によれば、かかる圧電アクチュエータの製造方法において、圧電アクチュエータの表面電極を形成するにあたり、導体ペーストとして、主金属成分と、Ｂｉ化合物および／またはＰｂ化合物を含有する有機金属ペーストを印刷塗布して形成することが重要である。
【００３８】
この有機金属ペーストとは、導体路を形成する金属成分が、金属粉末ではなく、メルカプタン、サルフィド、アビエチン酸、デカン酸、ナオデカン酸、ロジン酸、２−エチルヘキサン酸の群から選ばれる少なくとも１種の化合物として、添加含有されたものである。
【００３９】
本発明によれば、このような有機金属ペーストを用いることによって、従来の金属粉末を用いた導体ペーストを印刷、塗布、焼き付けする場合に比較して、電極の膜厚を均一化することができるために圧電特性のバラツキを低減することができる。
【００４０】
また、この有機金属ペースト中には、Ｂｉ化合物、Ｐｂ化合物のうちの少なくとも１種を含有することが重要である。このＢｉ化合物、Ｐｂ化合物は、特に、他の金属化合物に比較して圧電セラミックスとの反応性を有することから電極の圧電セラミック層との密着性を高めることができる。
【００４１】
このＢｉ化合物、Ｐｂ化合物のうちの少なくとも１種は、合計で、主金属成分１００質量部あたり、酸化物換算（Ｂｉ２Ｏ３，ＰｂＯ）で１〜１０質量部の割合で添加することが最適である。
【００４２】
また、このＢｉ化合物、Ｐｂ化合物は、酸化物、有機塩の群から選ばれる少なくとも１種の形態で添加することができ、特に、有機塩の形態で添加することが望ましい。
【００４３】
次に、上記本発明の圧電アクチュエータの応用例として印刷ヘッドに用いた例を図２をもとに、説明する。
【００４４】
この印刷ヘッドは、上側に圧電駆動に供する圧電アクチュエータ１０と、下側にインクを吐出するため流路部材１１とから構成されている。
【００４５】
ここで用いられる圧電アクチュエータ１０は、図１と同様に、積層された複数の圧電セラミック層１２と、これら圧電セラミック層１２の間に配置された少なくとも１層の共通電極１３と、最上層の前記圧電セラミック層１２の表面に複数配列された表面電極１４により構成されており、電圧印加により圧電振動する圧電素子１２ａと電圧印加しても圧電振動しない振動板１２ｂとを焼結により一体化して構成したものであることが望ましい。
【００４６】
また、圧電アクチュエータ１０においては、共通電極１３は、圧電セラミック層１２ａを貫通して形成されたビアホール導体１５を介して表面電極１６と電気的に接続されている。
【００４７】
流路部材１１は、開口部を揃えて積層された複数の金属板により構成され、インク室１７が形成されている。インク室はインク吐出孔１７ａとインク加圧室１７ｂとが一対となり隔壁１８を介して複数形成されている。
【００４８】
そして、この流路部材１１におけるインク室１７の壁面の一部，図２では、上側の開口部に圧電アクチュエータ１０が取着されている。即ち、インク吐出孔１７ａおよびインク加圧室１７ｂと、圧電アクチュエータ１０の最表面に形成された表面電極１４とは位置を揃えて形成されている。
【００４９】
このような印刷ヘッドでは、圧電アクチュエータ１０の電極１３、１４間に、外部から駆動電圧が印加して、この表面電極１４直下の圧電セラミック層１２ａを変位させることにより、振動板１２ｂに伝達され、この振動板１２ｂがインク加圧室１７ｂ内のインクを加圧して、流路部材１１の底面に開口したインク吐出口１７ａよりインク滴を吐出する。上記のような機構を有する印刷ヘッドはプリンタなどの電子機器に好適に用いることができる。
【００５０】
なお、流路部材１１を構成する材質は、機械的強度、インクに対する耐食性を高めるという理由から、金属、好ましくは、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、ＷＣ−ＴｉＣ系の群から選ばれる少なくとも１種の金属、より好ましくは、Ｆｅ−Ｃｒ系の金属であることがよい。
【００５１】
なお、流路部材１１を構成する金属板同士、並びに、流路部材１１と圧電アクチュエータ１とは、種々の熱硬化性樹脂を含む接着剤、特にエポキシ系接着剤によって接着一体化される。
【００５２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を説明する。ここでは、図１に示すような圧電アクチュエータを以下の方法で作製した。
【００５３】
まず、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする粒径が０．５〜３．０μｍの圧電セラミック粉体１００質量部に対し、アクリル系樹脂１０質量部およびトルエン４０質量部を添加し、平均粒径が１０ｍｍのセラミックボール２００質量部を用いたボールミルで３０時間混合してスラリーを調製した。
【００５４】
得られたスラリーを用いて引き上げ法により厚さ３０μｍのＰＥＴフィルム上に、圧電セラミック層１となる厚さ３５〜３７μｍのグリーンシートを成形した。
【００５５】
次に、得られたグリーンシートをＰＥＴフィルムと共に５０ｍｍ×５０ｍｍに裁断して２枚１組に分類した後、２枚１組のうち１枚のグリーンシートの略全面に共通電極（内部電極）となる金属ペーストをスクリーン印刷法によって印刷し、乾燥機を用いて５０℃で２０分間乾燥させた。
【００５６】
残りの１枚のグリーンシートには金型を用いて直径１２５μｍの丸穴（スルーホール）を一箇所開口した。導体ペーストには、平均粒径が２〜４μｍの銀粉末とパラジウム粉末を７対３の比率で混合したものを有機ビヒクルに分散させたものを用いた。
【００５７】
そして、上記導体ペーストを印刷した面に、他の１枚のグリーンシートを重ね合わせた後、６０℃の温度で５ＭＰａの圧力を加えながら６０秒間保持することにより熱圧着してグリーンシートの積層体を形成した。しかる後、予め形成したスルーホール内に前記導体ペーストを充填し、乾燥機中で１００〜３００℃まで毎時８℃の昇温レートで２５時間加熱して脱脂した後，室温まで冷却し、さらに焼成炉でピーク温度１１００℃で２時間保持して焼成し、厚さ５８μｍ、比誘電率２５００の圧電セラミック層１の内部に内部電極が形成され、また直径が１００μｍのビアホール径が内蔵された圧電セラミック積層板を得た。
【００５８】
次に、得られた圧電セラミック積層板表面の所定箇所に、表面電極を形成するために、表１に示す有機金属化合物を含有する導体ペーストを調製した。ペースト調製にあたっては、α−ターピネオールメルカプタン金１００質量部に、表１に示す添加物を表１に示す比率で添加し、さらにアクリル系樹脂からなる有機結合剤を１５質量部、溶媒としてα−ターピネオール３０質量部添加混合した。この導体ペーストを用いて、焼き付け後の厚みが表１に示すように印刷塗布した。
なお、評価用の表面電極パターンとしては、ビアホール導体と接続される直径が１５０μｍのランド部を有するパターンを形成した。
【００５９】
その後、これを大気雰囲気中で、８２５℃で１時間焼き付け処理を行った。
【００６０】
また、比較として、平均粒径が１μｍの金粉末を用いた導体ペーストを用いて上記と同様な方法で表面電極を印刷塗布後、焼き付け処理を行った。
【００６１】
作製した圧電アクチュエータにおける表面電極パターンのランド部の半田接合強度を調べた。測定では、軟銅線をランド部に共晶半田を用いて接合し、ピール強度を測定した。
【００６２】
【表１】
2005051840.tif 000003
【００６３】
表１の結果から、明らかなように、表面電極形成にあたり、従来の金属粉末を用いた導体ペーストを用いて形成した試料Ｎｏ．５ではピール強度が０．０５ｋｇｆ以下であった。
【００６４】
これに対して、本発明に従い、有機金属ペーストを用いることによって、ランド部の接合強度を０．０５ｋｇｆ以上とすることができた。特に、有機金属ペーストとして、Ｂｉ化合物およびＰｂ化合物を用いることによって、接合強度を０．０９ｋｇｆ以上にすることができた。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、圧電アクチュエータの表面に形成される表面電極のパターンの局所的な細線化や断線がなく、しかもビアホール導体との接合強度が高く、信頼性の高い圧電アクチュエータを提供することができる。これによって、印刷ヘッドにおける圧電アクチュエータの駆動信頼性が高まる結果、印刷ヘッドの信頼性も高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの概略断面図を示す。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの応用例としての印刷ヘッドの概略断面図を示す。
【図３】従来の印刷ヘッドの概略断面図を示す。
【符号の説明】
１  圧電アクチュエータ
２  振動板
３  圧電セラミック層
４、５  電極
６  圧電素子
【図１】
2005051840.tif 000004
【図２】
2005051840.tif 000005
【図３】
2005051840.tif 000006