(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数の圧電／電歪体が櫛歯状に整列配置されてなり、前記圧電／電歪体の変位により駆動する圧電／電歪アクチュエータであって、
隣接する２つの前記圧電／電歪体間の、前記基板と対向する面を、蓋板で塞いでなるセルが、隣接するセルと、蓋板を共通にせず、独立して形成されており、
前記セルを形成し隣接する圧電／電歪体間の最短距離と、前記基板と蓋板との最短距離との比が、１：２〜１：４０であり、
前記セルを形成し隣接する圧電／電歪体間の最短距離が、６０μｍ以下であるとともに、
前記圧電体の分極電界と駆動電界とが、同一方向であり、
前記セルを形成し隣接する圧電／電歪体の両表面に電極膜が形成され、前記電極膜に電圧を印加することにより駆動し、前記圧電／電歪体の変位が前記基板の面方向に対し垂直方向の伸縮であることを特徴とするセル駆動型アクチュエータ。
【請求項２】
前記セルと隣接するセルとの間隔と、前記基板と蓋板との最短距離との比が、１：２〜１：４０である請求項１に記載のセル駆動型アクチュエータ。
【請求項３】
前記セルを形成し対向する圧電／電歪体の壁面の表面粗さＲｔが、１０μｍ以下である請求項１又は２に記載のセル駆動型アクチュエータ。
【請求項４】
前記櫛歯状の圧電／電歪体の幅が、櫛歯奥から櫛歯先端に向けて変化している請求項１〜３の何れか一項に記載のセル駆動型アクチュエータ。
【請求項５】
前記セルを形成し隣接する圧電／電歪体の間隔、乃至、前記セルと隣接するセルとの間隔が、少なくとも２種類の長さを有する請求項１〜４の何れか一項に記載のセル駆動型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のセル駆動型アクチュエータを用いる液体吐出デバイスであって、
セルを液体加圧室として用い、前記圧電体の分極電界と同一方向に駆動電界をかけて、前記圧電体を上下方向に伸縮させ前記液体加圧室を変形させて、前記液体加圧室に充填された液体を、櫛歯先端方向に吐出可能とする液体吐出デバイス。
【請求項７】
基板上に複数の圧電／電歪体が櫛歯状に整列配置されてなり、隣接する２つの前記圧電／電歪体間の、前記基板と対向する面を、蓋板で塞いでなるセルが、隣接するセルと独立して形成されているセル駆動型アクチュエータの、周囲にストリッパを配置したパンチと、ダイと、からなる金型を用いた製造方法であって、
圧電／電歪材料からなる複数のグリーンシートを用意し、
前記パンチにより、第一のグリーンシートに第一のスリット孔を開ける第一の工程と、前記第一のスリット孔から前記パンチを抜き取らない状態で、前記第一のグリーンシートをストリッパに密着させて引き上げる第二の工程と、前記パンチの先端部が引き上げた前記第一のグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、前記パンチを引き上げる第三の工程と、
前記パンチにより、第二のグリーンシートに第二のスリット孔を開ける第四の工程と、前記第二のスリット孔から前記パンチを抜き取らない状態で、前記第二のグリーンシートを前記第一のグリーンシートとともに引き上げる第五の工程と、前記パンチ先端部が引き上げた前記第二のグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、前記パンチを引き上げる第六の工程と、
以降、複数枚のグリーンシートを第四の工程から第六の工程を繰り返して積層し、櫛歯状の圧電／電歪体を形成する過程を含むことを特徴とするセル駆動型アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、セル駆動型の圧電／電歪アクチュエータに関する。より詳細には、２つの圧電／電歪体により個々に独立して形成されたセルを有し、好ましくは、圧電体の分極電界と同一方向、乃至、電歪体のセル壁面と垂直方向、にかけられた駆動電界により、セルを形成する圧電／電歪体が変位するセル駆動型アクチュエータに関する。
背景技術
従来知られた圧電アクチュエータとして、例えば、シェアモード方式で駆動されインクジェットヘッドで使用される圧電アクチュエータがある。これは、図７に示すような構造の圧電アクチュエータ７１であり、基板７２上に、櫛歯７６であって駆動部７４である複数の圧電体が、櫛歯状に形成され、櫛歯７６の間のスリット７５を蓋板７７で閉じて、概ね直方体形状のセル７３を形成している。この圧電アクチュエータ７１の櫛歯先端の開口部を、ノズル８を有するノズル板９で閉塞し、セル７３をインク室として用いるインクジェットヘッド７０を構成し、圧電材料からなり駆動部７４である櫛歯７６の分極電界方向と直交する方向に駆動電界をかけて、櫛歯７６を変形させることによって、セル７３の体積を変化させ、セル７３に充填されたインクを吐出させることが出来る。
尚、圧電体の分極電界方向と直交する方向の駆動電界により変位を生じさせる駆動方式をシェアモード方式という。
このような圧電アクチュエータ７１は、図８（ａ）〜図８（ｅ）に示す手順で作成されていた。先ず、図８（ａ）で圧電材料８６を用意し、図８（ｂ）で焼成する。そして、図８（ｃ）で分極処理し、図８（ｄ）でダイシングソー等を用い微細なスリット形成加工を行って、駆動電界により変位を生じる駆動部７４を、インクを収容する空間となる複数のスリット７５を挟んで、櫛歯状に、整列して形成し、図８（ｅ）でスリット７５内の壁面に電極８８を形成する。その後、図７に示すように、ガラス板等からなる蓋板７７を取り付け、ノズル８を有するノズル板９で櫛歯先端の開口部を閉塞して、インクが充填されるセル７３を形成していた。
しかし、このような製造方法は、焼成した固い圧電材料を機械加工するため、次のような問題があった。
第１の問題は、セルを構成するスリット加工に時間がかかり、量産性に適していないことである。
第２の問題は、スリット加工後は加工用遊離砥粒や加工液で汚染されるため、十分な洗浄工程が必要であるが、スリット加工後の強度は低下するため、満足のいく洗浄を行うには複雑な工程となる上に、乾燥工程も必然的に生じ、更には、洗浄用水及び排水に係る設備及び管理が必要となり、コストが増大することである。
第３の問題は、インクが充填されるセルを構成するスリットは、加工に使用されるダイサーブレードの刃厚で制限を受け、概ね６０μｍ以下の幅には加工出来ず、櫛歯即ち駆動部の厚さも、ダイサーブレードの切削強度が必要であるためスリットの深さに対して限界値が自ずと決定され、例えばアスペクト比が１０以上の、高アスペクト比なセルを形成することが困難なことである。そのため、高密度、あるいは、高強度、高出力のアクチュエータを得ることが出来難い。
尚、一般にアスペクト比とは、孔が円筒形の場合に、その直径と軸長の比をいい、孔が円筒形でない場合、例えば、図８（ｄ）に示される、後に閉じられセルとなるスリット７５においては、スリット７５を形成し対向する２つの櫛歯７６の最短距離、即ち、スリット７５の幅と、スリット７５の深さとの比をいう。高アスペクト比なセルとは、幅に比べて深さの大きなスリットを有するセルを指す。
第４の問題は、ダイサーブレードにより加工するため、直線的、平面的スリット加工しか出来ず、セルを複雑形状にするときには、後工程で部品の接着等を行う必要が生じることである。又、直線的加工を行う結果、駆動時にはノズル板接合端まで圧電応力変形が生じてしまい、接合面の耐久性が低下し易い。
第５の問題は、焼成後に切削加工によりスリットを形成するため、櫛歯状の駆動部７４側面は凸凹になり易く、セルの特性劣化が生じ易いことである。図９（ａ）、図９（ｂ）は、この説明図であり、図９（ａ）は、図８（ｄ）のＱ視端面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＮ部の拡大断面図を示している。ダイシングソーによる切削加工では、櫛歯状の駆動部７４（櫛歯７６）側面は、加工によるマイクロクラックや、特性の低下した粒内破壊粒子が存在し、セルを駆動させたときに、材料本来の性能が得られなかったり、マイクロクラックが伸展し、素子そのもののが破壊したりすることもある。
又、従来の圧電アクチュエータ７１は、シェアモード方式で駆動されるが故の問題も抱えていた。
第５の問題に引き続き第６の問題は、焼成し、分極処理を施した後には、圧電材料の分極が解けてしまうキュリー温度以上の加熱を伴う製造プロセスが適用出来ないことである。従って、アクチュエータを、例えば回路基板に固定・結線する際に、はんだリフロー等によるはんだ付けや加熱接着が行えないか、若しくは、温度の制約を受け、スループットの低下を導き、製造コストの上昇を招く。又、レーザー加工等、熱を発する加工も制約を受ける。
又、第７の問題として、分極電界方向と直交する方向に駆動電界を生じさせるため、分極状態が変化してしまう高い電界強度では駆動出来ず、高い歪み量が得られないことが挙げられる。高い駆動電界強度を生じさせれば、駆動中に徐々に分極状態が変化してしまい、やはり、歪み量の低下をもたらす。従って、アクチュエータとしての基本性能が低下する。
更に、従来の圧電アクチュエータ７１には、上記した製造方法に起因する問題、シェアモード方式で駆動されるが故の問題に加えて、基板、駆動部と、蓋板が一体で成形される構造に起因する問題もあった。
第８の問題は、隣接するセルに同じ動作をさせることが出来ないことである。図１５は、圧電アクチュエータ７１の停止状態と駆動状態の一例を示す断面図である。駆動電界がＯＦＦの時には、圧電体である駆動部７４は変形しておらず、所定の駆動部７４に対して駆動電界をＯＮにすると駆動部７４が変形する。図１５より明らかなように、１つの駆動部７４が２つのセル７３の駆動部を兼ねているため、一方のセルの体積が膨らんだときには、隣接するセルの体積は減少する。例えば、圧電アクチュエータ７１を、図７で示すインクジェットヘッド７０として用いた場合に、隣接するセルから同時にインクを吐出させることが出来ない。従って、被吐出体に最小の間隔でインク粒を当てるのに、少なくとも２回の動作が必要となり、インク吐出処理速度の向上の観点から好ましくない。
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであって、高温加熱プロセスが適用出来、低コストで量産可能であって、セルの断面の形が直線で形成されることに限定されないセル、即ち、例えば櫛歯奥から櫛歯先端に向けて変化したものを含むセルを有し、短手方向の幅が６０μｍ以下のセルを有し、又、高アスペクト比なセルを有し、高い電界強度で駆動出来、更には、小さな電界強度で、より大きな変位を実現し得る圧電／電歪アクチュエータと、その製造方法を提供することを提供することにある。
即ち、圧電／電歪アクチュエータと、その製造方法について、検討が重ねられた結果、以下に示すセル駆動型アクチュエータ及び製造方法により、この課題が解決されるとの知見に基づくものである。
発明の開示
本発明によれば、基板上に複数の圧電／電歪体が櫛歯状に整列配置されてなり、圧電／電歪体の変位により駆動する圧電／電歪アクチュエータであって、隣接する２つの圧電／電歪体間の、基板と対向する面を、蓋板で塞いでなるセルが、隣接するセルと独立して形成されることを特徴とするセル駆動型アクチュエータが提供される。本発明において、圧電／電歪体のうち圧電体を用いるアクチュエータの場合に、その圧電体の分極電界と駆動電界とが、同一方向であることが好ましい。又、セルを形成し隣接する圧電／電歪体の両表面に電極膜が形成され、電極膜に電圧を印加することにより駆動する圧電／電歪アクチュエータであって、圧電／電歪体の変位が上下方向の伸縮であることが好ましい。
本発明のセル駆動型アクチュエータにおいては、セルを形成する圧電／電歪体の表面の結晶粒子状態は、粒内破壊を受けている結晶粒子が１％以下であることが好ましい。又、セルの面の輪郭度が、概ね８μｍ以下であることが好ましく、セルを形成し隣接する圧電／電歪体間の最短距離と、基板と蓋板との最短距離との比が、概ね１：２〜１：４０であることが好ましい。更には、セルと隣接するセルとの間隔と、基板と蓋板との最短距離との比が、概ね１：２〜１：４０であることが好ましく、セルを形成し隣接する圧電／電歪体間の最短距離が、概ね６０μｍ以下であることが好ましく、セルと隣接するセルとの間隔が、概ね５０μｍ以下であることが好ましい。
本発明のセル駆動型アクチュエータにおいては、セルを形成し対向する圧電／電歪体の壁面の表面粗さＲｔが、概ね１０μｍ以下であることが好ましい。櫛歯状の圧電／電歪体の幅が、櫛歯奥から櫛歯先端に向けて変化していることも好ましく、セルを形成し隣接する圧電／電歪体の間隔、乃至、セルと隣接するセルとの間隔が、少なくとも２種類の長さを有することも好ましい。
又、本発明によれば、上記したセル駆動型アクチュエータのうち圧電体を用いる液体吐出デバイスであって、セルを液体加圧室として用い、圧電体の分極電界と同一方向に駆動電界をかけて、圧電体を上下方向に伸縮させ液体加圧室を変形させて、液体加圧室に充填された液体を、櫛歯先端方向に吐出可能とする液体吐出デバイスが提供される。
更に、本発明により、以下に示す２つのセル駆動型アクチュエータの製造方法が提供される。
第１の製造方法は、基板上に複数の圧電／電歪体が櫛歯状に整列配置されてなり、隣接する２つの圧電／電歪体間の、基板と対向する面を、蓋板で塞いでなるセルが、隣接するセルと独立して形成されているセル駆動型アクチュエータの、パンチとダイを用いた製造方法であって、圧電／電歪材料からなる複数のグリーンシートを用意し、パンチにより、全ての前記グリーンシートにスリット孔を開け、位置決めして全てのグリーンシートを積層し、櫛歯状の複数の圧電／電歪層を形成する過程を含むことを特徴とするセル駆動型アクチュエータの製造方法である。
第２の製造方法は、基板上に複数の圧電／電歪体が櫛歯状に整列配置されてなり、隣接する２つの前記圧電／電歪体間の、前記基板と対向する面を、蓋板で塞いでなるセルが、隣接するセルと独立して形成されているセル駆動型アクチュエータの、パンチとダイを用いた製造方法であって、圧電／電歪材料からなる複数のグリーンシートを用意し、パンチにより、第一のグリーンシートに第一のスリット孔を開ける第一の工程と、第一のスリット孔からパンチを抜き取らない状態で、第一のグリーンシートをストリッパに密着させて引き上げる第二の工程と、パンチの先端部が引き上げた第一のグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、パンチを引き上げる第三の工程と、パンチにより、第二のグリーンシートに第二のスリット孔を開ける第四の工程と、第二のスリット孔からパンチを抜き取らない状態で、第二のグリーンシートを第一のグリーンシートとともに引き上げる第五の工程と、パンチ先端部が引き上げた第二のグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、パンチを引き上げる第六の工程と、以降、複数枚のグリーンシートを第四の工程から第六の工程を繰り返して積層し、櫛歯状の複数の圧電／電歪層を形成する過程を含むことを特徴とするセル駆動型アクチュエータの製造方法である。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明のセル駆動型アクチュエータ及び製造方法について、実施の形態を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
尚、本発明にかかるセル駆動型アクチュエータは、セルが、隣接する２つの圧電／電歪体間の基板と対向する面を蓋板で塞いでなり、且つ、隣接するセルと独立して形成され、そのセルが独立して駆動可能な圧電／電歪アクチュエータであり、電界によって誘起される歪みを利用するアクチュエータであって、狭義の意味での、印加電界に概ね比例した歪み量を発生する圧電効果、印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果、を利用する圧電アクチュエータ乃至電歪アクチュエータに限定されるものではなく、強誘電体材料全般に見られる分極反転、反強誘電体材料に見られる反強誘電相−強誘電相転移、等の現象を利用するアクチュエータも含まれる。従って、分極にかかる処理が行われるか否かについては、本発明にかかる圧電／電歪アクチュエータを構成する圧電／電歪素子の圧電／電歪体に用いられる材料の性質に基づいて適宜決定される。例えば、本明細書中において分極電界をかけるという場合には、そのアクチュエータの駆動部は圧電体から構成されていることが前提であると理解されるべきである。
又、本明細書中において、アクチュエータを駆動するとは、少なくとも１つのセルを駆動することを指し、セルを駆動するとは、そのセルを構成する駆動部を駆動電界をかけて変形させ、セルの体積変化を引き起こし、セル内に加圧状態あるいは減圧状態を導くことを指す。
以下、図面を参酌しながら説明する。図１は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの一実施形態を示す斜視図である。セル駆動型アクチュエータ１は、基板２上に櫛歯６であって駆動部４である複数の圧電／電歪体が櫛歯状に形成され、隣接する２つの櫛歯６の間のスリット５を蓋板７で閉じて、概ね長方形状のセル３を形成している。なお、以下の図面においては、下記の符号は、それぞれ以下の内容を示すものと理解されたい。
即ち、１は、セル駆動型アクチュエータ、２、７２、１６２は、基板、３、７３、１１３は、セル、４、７４、１１４、１３４、１６４は、駆動部、５、７５、１２５は、スリット、６、７６、１２６は、櫛歯、７、７７は、蓋板、８は、ノズル、９は、ノズル板、１０は、パンチ、１１は、ストリッパ、１２は、ダイ、１５、２５は、スリット孔、１６、１６ａ〜１６ｃは、グリーンシート、１７は、引離治具、１８、１９、８８は、電極、７０は、インクジェットヘッド、７１は、圧電アクチュエータ、８６は、圧電材料、１００は、液滴吐出デバイス、１３０は、搬送部品、１６０は、マイクロミラーデバイス、１６１は、マイクロミラーをそれぞれ示す。
例えば、図１において、このセル駆動型アクチュエータ１の櫛歯先端の開口部を、ノズル８を有するノズル板９で閉塞し、セル３を液体加圧室として用い、駆動部４が圧電体からなる液体吐出デバイス１００を構成し、駆動部４である櫛歯６の分極電界方向と同じ方向に駆動電界をかけて、櫛歯６を上下方向に伸縮させることによって、セル３の体積を変化させ、セル３に充填された液体を吐出させることが出来る。液体吐出デバイス１００は、例えば、インクジェットプリンタのヘッドや、バイオテクノロジー分野における微量液体の混合・反応操作や遺伝子構造の解析に必要なＤＮＡチップの製造や、半導体製造用のコーティング工程において用いられる微小液滴吐出装置への適用が可能である。
本発明のセル駆動型アクチュエータ１においては、従来の圧電アクチュエータのように、基板、櫛歯が、蓋板と一体化されて、複数のセルが共通の蓋板で形成されたり、１つの櫛歯即ち駆動部が２つのセルの駆動部を兼ねておらず、隣接する２つの櫛歯６間の基板２と対向する面を蓋板７で塞いでなるセル３が、隣接するセル３と独立して形成されているところに特徴がある。又、圧電体を用いた場合に、駆動部４を構成するその圧電体の分極電界と駆動電界とが、同一方向であることにも特徴がある。更には、図１５で示す従来の圧電アクチュエータ７１のように、セル７３を構成する櫛歯７６の屈曲により、圧力を生じさせるのではなく、セル３を形成する櫛歯６の両側面に電極膜が形成され、電極膜に電圧を印加することにより、櫛歯６が上下方向に伸縮することにも特徴がある。
セル３が独立した蓋体７で閉じられ、隣接するセル３と独立して形成されている構造であるが故に、セル３が、個々に、他のセル３から全く独立して駆動し得る。又、隣接するセル３に同じ動作をさせることが出来る。
図１４は、本発明のセル駆動型アクチュエータ１の停止状態と駆動状態の一例を示す断面図である。駆動電界がＯＦＦの時には、圧電／電歪体である駆動部４は変形しておらず、所定の駆動部４に対して駆動電界をＯＮにすると駆動部４が変形する。このとき、セル３は、基板２に配列された２つの駆動部４と、その２つ駆動部４基板２と対向する面のみを塞ぐ蓋板７で形成されている。従って、セル３の駆動と、隣接するセル３の駆動は、互いに変位量を制限することなく独立して行われ、図１４に示されるように、隣接する２つのセル３に同じ動作をさせることが可能である。従って、例えば、同じ変位量を得るために、従来より電界強度は小さくて済む。
又、例えば、セル駆動型アクチュエータ１を、上記した液体吐出デバイス１００として用いた場合に、隣接するセル３から同時に液体を吐出させることが出来ることから、被吐出体に最小の間隔で液体を吐出させるために、従来よりセル３の駆動回数が少なくて済み、液体吐出処理速度の向上が図れる。より具体的には、液体吐出デバイス１００をＤＮＡチップの生産に用いた場合に、製造コストをより低減させることが可能となる。
更に、圧電体を用いた場合に、駆動部４を構成する圧電体の分極電界と駆動電界とが、同一方向であることから、製造工程において、仮の分極用電極を作製し電界をかける必要がなく、スループットの向上が図れる。又、分極処理に関わりなく、キュリー温度以上の高い温度での加熱を伴う製造プロセスを適用することが可能である。従って、圧電アクチュエータであっても、例えば回路基板に固定・結線する際に、はんだリフロー等によるはんだ付けや、熱硬化型接着が実施可能であり、アクチュエータを適用した製品の製造工程を含め、スループットの向上が一層図られ、製造コストの低減が導かれる。そして、高い電界強度で駆動しても、分極状態が変化してしまうことがなく、むしろ、より好ましい分極状態となり得て、安定して高い歪み量を得ることが出来る。従って、よりコンパクトにすることが出来、アクチュエータとして好ましい。
更に又、駆動部４である櫛歯６が伸縮という変形によりセル３に体積変化をもたらし、圧力を生じせしめるので、大きな変位を得るために、駆動部４を薄肉にする必要がなく、従って、剛性が低下しないため、応答性が鈍くなるという問題も生じない。大変位と高速応答性が相反せず両立し得る。
セル駆動型アクチュエータ１においては、セルの面の輪郭度が、概ね８μｍ以下であることが好ましく、又、セルを形成し対向する圧電／電歪体即ち駆動部の壁面の凹凸量が、概ね１０μｍ以下であることが好ましく、更には、セルを形成し対向する圧電／電歪体即ち駆動部の壁面の表面粗さＲｔが、概ね１０μｍ以下であることが好ましい。これらのうち、少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、セルを構成する駆動部のセル内壁面が平滑であるので、駆動時に電界集中や応力集中が生じ難く、各セルで安定した駆動動作を実現することが出来る。
尚、面の輪郭度は、日本工業規格Ｂ０６２１「幾何偏差の定義及び表示」に示されている。面の輪郭とは機能上定められた形状をもつように指定した表面であって、面の輪郭度とは理論的に正確な寸法によって定められた幾何学的輪郭からの面の輪郭の狂いの大きさをいう。本発明において示すセルの面とは、上記したセルを構成する駆動部のセル内壁面を指す。
又、本発明にいう表面粗さとは、日本工業規格Ｂ０６０１「表面粗さ−定義及び表示」による表面粗さを指し、表面粗さＲｔとは、測定表面における最高点と最低点との差にて定義される最大高さＲｍａｘと同義である。
図１に示すセル駆動型アクチュエータ１においては、１つのセルを形成し隣接する圧電／電歪体間の最短距離、即ちセル幅Ｗと、基板と蓋板との最短距離、即ちセル高Ｈとの比が、換言すれば、セルのアスペクト比Ｗ：Ｈが、概ね１：２〜１：４０であることが好ましく、セルを形成し隣接する圧電／電歪体間の最短距離、即ちセル幅Ｗが、概ね６０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、セルのアスペクト比Ｗ：Ｈが、１：１０〜１：２５、セル幅Ｗが、５０μｍ以下である。少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、更に好ましくは２つの条件がともに適うアクチュエータ、即ち薄く背の高いアクチュエータであれば、アクチュエータとして、より高出力化を図ることが容易であり、又、高密度化が図れ、よりコンパクトなアクチュエータを実現することが出来る。
又、図１に示すセル駆動型アクチュエータ１においては、セルと隣接するセルとの間隔と、基板と蓋板との最短距離との比が、概ね１：２〜１：４０であることが好ましく、セルと隣接するセルとの間隔、即ちセル間隔Ｌが、概ね５０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、セルと隣接するセルとの間隔と、基板と蓋板との最短距離との比は、１：１０〜１：２５、セル間隔Ｌが、３０μｍ以下である。少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、更に好ましくは２つの条件がともに適うアクチュエータであれば、セルと隣接するセルとが独立していながら、１つのアクチュエータに多くのセルを備えることが出来、よりコンパクトなアクチュエータを実現することが可能である。
従って、図１に示す本発明のセル駆動型アクチュエータ１を、例えば、液体吐出デバイス１００として用いた場合に、隣接するセル３から同時に液体を吐出させることが出来るとともに、従来の、１つの駆動部が２つのセルの駆動部を兼ねる構造のアクチュエータと比べても、被吐出体に、より高密度に液体を吐出させることが可能である。
以下、引き続き適用例を掲げて、図面を参酌しながら、本発明のセル駆動型アクチュエータについて説明する。
図１１は、本発明のセル駆動型アクチュエータを液体吐出デバイスに適用した他の例を示す断面図であり、セルを形成し隣接する圧電／電歪体の間隔、即ち、セル幅Ｗと、及び、セルと隣接するセルとの間隔、即ち、セル間隔Ｌとが、それぞれ固定された長さではなく、各々少なくとも２種類の長さを有している。換言すれば、セル幅Ｗとセル間隔Ｌとを、任意の長さとすることが出来る。こうすることで、被吐出体の望ましい位置に、所望の量の液滴を吐出することが容易となる。
又、図１２は、本発明のセル駆動型アクチュエータを液体吐出デバイスに適用した更に他の例を示す断面図である（蓋板は図示しない）。櫛歯状の圧電／電歪体のそれぞれの幅が、即ち、各々の櫛歯１２６の幅が、櫛歯奥に比べて櫛歯先端が幅広になるように形成されている。反対に、櫛歯先端において、セルを構成するスリット１２５は狭く形成されている。このように、櫛歯先端部を幅広に形成することで、櫛歯先端面に接着するノズル板（図１２に示さない、図１に示す）との接合部の圧電変形応力を小さく出来、別途部材を介在させることなく長寿命化を図ることが可能である。尚、同様の効果は、電極形成時に櫛歯先端面から所定の距離までマスキングし、電極のない領域を残すことでも得られる。
図１２に示す例のように、本発明のセル駆動型アクチュエータにおいては、櫛歯の幅を、櫛歯奥から櫛歯先端に向けて変化させることにより、目的に応じて最適なスリットの幅を有する最適な特性のアクチュエータを提供することが出来る。他の例として、液体吐出デバイスに適用した場合に、より適切な液体流路形状を形成可能であることが挙げられる。
図１３（ａ）、図１３（ｂ）は、本発明のセル駆動型アクチュエータを搬送装置に適用した場合を示す（蓋板は図示しない、蓋板を外すことも可能である）。図１３（ａ）は、スリットの幅が一定になるように、櫛歯である駆動部１３４を形成し、一定速度での搬送を可能としたものであり、図１３（ｂ）は、スリットの幅に変化を持たせるように、櫛歯である駆動部１３４を形成し、搬送速度が変化するものを示している。搬送部品１３０は、図１３（ａ）に示すように各々の駆動部１３４に電界をかけ、駆動部１３４が伸縮し矢印の方向に変形して、駆動部全体として波打つように変形させることで、その波に裁置した部品を載せるようにして搬送することが可能である。微細加工部品の製造工程においては、その搬送方法が問題となっており、このようにセル駆動型アクチュエータで搬送装置を形成すれば、マイクロマシンの搬送をスムーズに行うことが容易となる。
更に、本発明のセル駆動型アクチュエータは、例えば、光通信網に用いられ光信号の導波路を切り換える光スイッチや、プロジェクタ部品や、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ装置に用いられるレーザーユニットを構成するマイクロミラー等に代表される光を反射するミラーの方向を変化させるアクチュエータとして利用することも可能である。
図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータをマイクロミラーデバイスに適用した場合の一例を示す断面図であり、異なる方向へ光を反射させるべく、光が当たるマイクロミラー１６１の面の方向を変化させた状態を示している。マイクロミラーデバイス１６０は、基板１６２上に圧電／電歪体である複数の駆動部１６４が配置されていて、例えば、２〜４つの駆動部１６４毎に１枚のマイクロミラー１６１が取り付けられ、電界をかけられた所定の駆動部１６４が伸縮することにより、マイクロミラー１６１の角度が変わり、光が反射する方向を変化させ得る。
次に、本発明のセル駆動型アクチュエータの製造方法について、説明する。製造方法には２通りがある。
セル駆動型アクチュエータの第１の製造方法の概略工程の一例を、図４（ａ）〜図４（ｅ）に示す。これは、パンチとダイを用いた製造方法であって、図４（ａ）で、圧電／電歪材料からなる所定枚数のグリーンシート１６を、パンチにより各々櫛歯形状に打ち抜き加工して各グリーンシートにスリット孔１５を開け、図４（ｂ）で、基板２上に位置合わせして積層して、所定の厚さを有する櫛歯状の圧電／電歪体を形成する過程を含む製造方法である。その後、例えば、図４（ｃ）で、焼成して一体化し、図４（ｄ）で、必要に応じ分極処理して、図４（ｅ）で、電極１９等を形成する。グリーンシートの積層時の位置合わせ方法は、例えば、グリーンシートの外形と、概ね同一の内形を有する枠内に、前記グリーンシートを順次重ねるか、若しくは、ガイドピンを立てて、前記グリーンシートに予め開けられたガイド孔を通し順次重ねることにより位置合わせし、例えば加熱加圧して行うことが出来る。尚、この際に、蓋板も同材料のグリーンシートで形成し、積層し、焼成一体化してもよい。
続いて、第２の製造方法について、図面に基づいて説明する。図２（ａ）〜図２（ｅ）は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの第２の製造方法の一例を示す図であり、図２（ａ）〜図２（ｄ）は製造工程の概略を示し、図２（ｅ）は完成したアクチュエータの概略を示している。
第２の製造方法は、先ず、図２（ａ）で、グリーンシート１６（以下、単にシートともいう）にスリット孔１５を形成するとともに、積層を後述する方法により同時に行い、シート１６を積層して櫛歯を形成し、打ち抜きの終了とともに積層も完了させ、所定の厚さを有する櫛歯状の圧電／電歪体を形成する過程を含む製造方法である。
次に、例えば、図２（ｂ）で、別途用意したシートからなる基板２上に、櫛歯を形成するとともに積層したシートを載置し、図２（ｃ）で、加熱加圧して各シートを密着させ、図２（ｄ）で、焼成して全シート及び基板２を一体化して駆動部を完成させる。その後、スリット内の壁面に電極６を形成する等を経て、図２（ｅ）の完成したセル駆動型アクチュエータを得る。尚、グリーンシート１６は、ドクターブレード法等の周知のテープ形成手段によって形成することが出来る。
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、上記した第２の製造方法で行う打抜同時積層の具体的方法を示し、周囲にシート１６の積層操作をするストリッパ１１を配置したパンチ１０とダイ１２から成る金型を用いている。図６（ａ）は、ダイ１２上に最初のシート１６ａを載せた打ち抜き前の状態を示し、図６（ｂ）で、パンチ１０及びストリッパ１１を下降させて、シート１６にスリット孔を打ち抜いて、櫛歯を形成している（第一の工程）。
次に、２枚目のシート１６ｂの打ち抜き準備に入るが、このとき図６（ｃ）に示すように、最初のシート１６ａは、ストリッパ１１に密着させて上方に移動させてダイ１２から離す（第二の工程）。ストリッパ１１にシート１６を密着させる方法は、例えば、ストリッパ１１に吸引孔を形成して真空吸引すること等で実施出来る。
又、２枚目のシート１６ｂの打ち抜き準備に入るために、ダイ１２からパンチ１０及びストリッパ１１を引き上げるが、この引き上げている途中は、パンチ１０の先端部を、一緒に引き上げた最初のシート１６ａのスリット孔の中まで戻さないことが望ましく、又、止める際には、一緒に引き上げた最初のシート１６ａの最下部より僅かに引き込んだところで止めることが肝要である（第三の工程）。パンチ１０を最初のシート１６ａの孔まで戻したり、完全にストリッパ１１の中へ格納してしまうと、シート１６は軟質であるため形成した孔が変形してしまい、シート１６を積層して得られる櫛歯を形成した際に、その側面の平坦性が低下してしまう。
図６（ｄ）は、２枚目のシート１６ｂの打ち抜き工程を示し、最初のシート１６ａをストリッパ１１に密着させることで、ダイ１２上に、２枚目のシート１６ｂを容易に載置出来、図６（ｂ）の工程のように打ち抜き出来、同時に最初のシート１６ａに重ね合わせられる（第四の工程）。
そして、図６（ｃ）、図６（ｄ）の工程を繰り返して、打ち抜かれた最初のシート１６ａと２枚目のシート１６ｂとを重ね合わせて、ストリッパ１１により引き上げ（第五の工程）、３枚目のシート１６ｃの打ち抜き準備に入る。但し、この時も一緒に引き上げたシート１６の最下部より僅かに引き込んだところで止めることが肝要である（第六の工程）。その後、第四の工程から第六の工程を繰り返して必要積層数のシート１６の打ち抜き及び積層を繰り返す。
図６（ｅ）は、打ち抜きを終了した状態を示している。必要な枚数のシート１６の打ち抜き及び積層が終了したら、ストリッパ１１によるシート１６の保持を解除し、打ち抜き積層したシート１６をストリッパ１１から引き離して取り出し可能としている。ストリッパ１１からの引き離しは、図示するように、ストリッパ１１下面に引離治具１７を設けることで確実に行うことが出来る。
以上述べた操作は、特願２０００−２８０５７３明細書に記載の製造方法を適用したものであり、この操作により所定の厚さを有するの櫛歯状マルチスリットの積層体を得ることが出来る。
例えば、この後、圧電／電歪材料であるグリーンシートからなる基板２上に、この積層体を重ね合わせ、加圧積層処理等を施してハンドリング可能な積層体となし、次いで、シートの特性に適した条件でその積層体を焼成一体化することで、セル駆動型アクチュエータを得ることが出来る。
図５（ａ）は、図２（ｄ）のＰ視端面図を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すスリット５壁面のＭ部を拡大した断面模式図を示している。本発明のセル駆動型アクチュエータの製造方法によれば、焼成前に櫛歯を形成するので、後にセルになり得るスリット壁面は焼成面で形成される。圧電／電歪材料を焼成した後にダイサー等でスリット加工した場合には、例えばスリットの壁面に、図９（ｂ）に示されるようなマイクロクラックや粒内破壊が生じるが、本発明のセル駆動型アクチュエータの製造方法によれば、このようなことは生じず、セルを形成する圧電／電歪体である櫛歯の側面の結晶粒子状態は、粒内破壊を受けている結晶粒子が１％以下となり、実質上なしに等しく、特性劣化が生じず、耐久性・信頼性を向上させることが出来る。又、加工中に角部の破損（チッピング）が発生し難いし、ダイサー加工がないため洗浄〜乾燥工程が必要なくなる。
本発明のセル駆動型アクチュエータの第２の製造方法によるグリーンシートの重ね合わせ精度の一例を掲げれば、厚さが５０μｍ、ヤング率が３９Ｎ／ｍｍ２のグリーンシートを、スリット幅５０μｍ、櫛歯幅３０μｍとなるように、櫛歯状に打ち抜きし、１０枚積層した場合に、焼成後の各層間のズレ量は、最大で４μｍ、表面粗さＲｔは概ね７μｍである。図５（ｂ）に示すように、櫛歯の側面を凹凸なく滑らかなものに出来る。そして、櫛歯の側面は焼成面であるため、表面の結晶粒子であっても圧電／電歪体結晶粒子は粒内破壊が発生せず、粒内破壊を受けている結晶粒子を１％以下に抑えることが出来る。尚、焼成後のスリット幅は、焼成収縮により約４０μｍであった。
このように、パンチとダイを用いてグリーンシートにスリット孔を形成すると同時にグリーンシートの積層を行い、パンチ自体をグリーンシートの積層位置合わせ軸として使用して、パンチにより打ち抜いたスリット孔の変形を防止するため、スリット孔の変形が発生せず、グリーンシート積層間のズレ量を５μｍ未満に抑えることが出来、高い精度で積層し、凹凸の少ないスリット壁面を形成することが可能である。そのため、スリット幅が７０μｍ未満の櫛歯であっても、又、アスペクト比１０〜２５程度の、高アスペクト比な、後にセルを形成するスリットを、容易に作成出来、優れた特性のアクチュエータを得ることが出来る。
又、圧電／電歪体である櫛歯の側面に、マイクロクラックや粒内破壊粒子が実質上ないので、圧縮残留応力による特性劣化が生じることが無い。更に、上記の第２の製造方法ではシートを移動させるための治具や積み重ねるスペースが必要ないため、製造ラインも簡略化出来、低コストでの製造が可能である。
更に、上記の第１及び第２の製造方法では、櫛歯状に加工後に焼成するので、スリット幅は、シート打ち抜き時点では、金型のパンチ加工幅とほぼ同等であるが、焼成時に収縮するので、薄肉加工スリットと焼成収縮の組み合わせで、幅が４０μｍ以下の微細スリットを形成することも可能であるし、金型の形状を変更する等の打ち抜き金型の設計次第で、スリットは直線以外であっても容易に形成出来、用途に応じた最適な形状を実現することが出来る。
図３（ａ）〜図３（ｅ）は、本発明のセル駆動型アクチュエータの第２の製造方法の他の一例を示している。先ず、図３（ａ）で、各シート１６の櫛歯状ではないスリット孔２５の形成と積層を同時に行い積層体を得て、シート１６の孔開け及び積層が終了したら、図３（ｂ）で、シートから成る基板２上に、その積層体を重ね合わせ、図３（ｃ）で、例えば加熱加圧して各層を密着させ、図３（ｄ）で、焼成一体化する。ここまでの製造方法は図２の製造方法と同様であるが、この例では、打ち抜きするスリット孔２５は両端が閉塞された長孔であり、焼成した後、図３（ｅ）で、一端を切除して櫛歯状に形成する。その後、電極等を形成することで完成となる。
このような、直接、櫛歯を打ち抜かず、櫛歯両端を連結して積層させる方法においては、焼成後に端部除去加工が必要であるため、除去加工部の洗浄〜乾燥工程が必要となるものの、各シートの櫛歯部分の重ね合わせ精度を、更に上げることが可能である。
産業上の利用可能性
以上、詳述したように、本発明によれば、従来の第１〜第８の問題が解決され、高温加熱プロセスが適用出来、低コストで量産可能であって、スリット部分が直線形状以外のセルを有していても良く、スリット部分が６０μｍ以下の幅のセルを有し、又、高アスペクト比なセルを有し、高い電界強度で駆動出来、更には、小さな電界強度で、より大きな変位を実現し得る、電界によって誘起される歪みの利用を原理とするセル駆動型アクチュエータ及び製造方法が提供されることなる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの一実施形態を示す斜視図である。
図２は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの製造方法の一例を示す概略工程説明図である。
図３は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの製造方法の他の一例を示す概略工程説明図である。
図４は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの製造方法の更に他の一例を示す概略工程説明図である。
図５は、図２（ａ）〜図２（ｅ）に示す本発明に係るセル駆動型アクチュエータの製造方法において、図５（ａ）は図２（ｄ）のＰ視端面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＭ部の断面拡大模式図である。
図６は、図２に示すグリーンシートのスリット孔打抜同時積層を行う方法の一例を示す工程説明図であり、
図６（ａ）は、ダイに最初のグリーンシートを載せた１枚目準備工程を示し、
図６（ｂ）は、最初のグリーンシートの打ち抜き工程を示し、
図６（ｃ）は、２枚目のグリーンシートを載せた２枚目準備工程を示し、
図６（ｄ）は、２枚目のグリーンシートの打ち抜き工程を示し、
図６（ｅ）は、全シートの打ち抜き、積層を終えてストリッパにより積層したグリーンシートを離す打抜完了工程を示す図である。
図７は、従来の圧電／電歪アクチュエータを用いたインクジェットヘッドの一例を示す斜視図である。
図８は、従来の圧電／電歪アクチュエータの製造方法の一例を示す概略工程説明図である。
図９は、図８（ａ）〜図８（ｅ）に示す従来の圧電／電歪アクチュエータの製造方法において、図９（ａ）は図８（ｄ）のＱ視端面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＮ部の断面拡大模式図である。
図１０は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータをマイクロミラーデバイスに適用した場合の一例を示す断面図である。
図１１は、本発明のセル駆動型アクチュエータを液体吐出デバイスに適用した場合の形状を示し、セル幅、及び、セル間隔が同一でなく、それぞれ、少なくとも２種類の長さを有するアクチュエータの一例を示す断面図である。
図１２は、本発明のセル駆動型アクチュエータを液体吐出デバイスに適用した場合の形状を示し、スリットの幅を櫛歯先端に向けて変化させたアクチュエータの一例を示す斜視図である。
図１３は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータを搬送装置に適用した場合の形状を示し、図１３（ａ）はスリットを一定幅で形成した場合の一例を示す断面図であり、図１３（ｂ）はスリットの幅を変化させた場合の一例を示す断面図である。
図１４は、本発明に係るセル駆動型アクチュエータの停止状態と駆動状態の一例を示す断面図である。
図１５は、従来の圧電／電歪アクチュエータの停止状態と駆動状態の一例を示す断面図である。
【図１】
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【図２（ａ）】
0004253508.tif 000003
【図２（ｂ）】
0004253508.tif 000004
【図２（ｃ）】
0004253508.tif 000005
【図２（ｄ）】
0004253508.tif 000006
【図２（ｅ）】
0004253508.tif 000007
【図３（ａ）】
0004253508.tif 000008
【図３（ｂ）】
0004253508.tif 000009
【図３（ｃ）】
0004253508.tif 000010
【図３（ｄ）】
0004253508.tif 000011
【図３（ｅ）】
0004253508.tif 000012
【図４（ａ）】
0004253508.tif 000013
【図４（ｂ）】
0004253508.tif 000014
【図４（ｃ）】
0004253508.tif 000015
【図４（ｄ）】
0004253508.tif 000016
【図４（ｅ）】
0004253508.tif 000017
【図５（ａ）】
0004253508.tif 000018
【図５（ｂ）】
0004253508.tif 000019
【図６（ａ）】
0004253508.tif 000020
【図６（ｂ）】
0004253508.tif 000021
【図６（ｃ）】
0004253508.tif 000022
【図６（ｄ）】
0004253508.tif 000023
【図６（ｅ）】
0004253508.tif 000024
【図７】
0004253508.tif 000025
【図８（ａ）】
0004253508.tif 000026
【図８（ｂ）】
0004253508.tif 000027
【図８（ｃ）】
0004253508.tif 000028
【図８（ｄ）】
0004253508.tif 000029
【図８（ｅ）】
0004253508.tif 000030
【図９（ａ）】
0004253508.tif 000031
【図９（ｂ）】
0004253508.tif 000032
【図１０（ａ）】
0004253508.tif 000033
【図１０（ｂ）】
0004253508.tif 000034
【図１１】
0004253508.tif 000035
【図１２】
0004253508.tif 000036
【図１３（ａ）】
0004253508.tif 000037
【図１３（ｂ）】
0004253508.tif 000038
【図１４】
0004253508.tif 000039
【図１５】
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