JP5070438B2 - Multilayer piezoelectric element - Google Patents
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Description
本発明は、積層型圧電素子に関する。より詳細には、例えば、単ノズルでの使用に適した、インクジェットヘッド用の積層型圧電素子に関する。 The present invention relates to a multilayer piezoelectric element. More specifically, for example, the present invention relates to a multilayer piezoelectric element for an ink jet head suitable for use with a single nozzle.
インクジェット技術は、印刷記録用に開発され、家庭用プリンターとして広く用いられている。この技術は、必要な箇所に必要な量の材料を配置できるという特徴が評価され、産業用の製造技術としても注目されている。例えば、超微細インクジェットを用いて、金属の超微粒子を含むインク（導電性インク）を吐出することにより、線幅が３０μｍ程度の配線を描画することも可能である。 Inkjet technology has been developed for printing and recording and is widely used as a home printer. This technology is evaluated for the feature that a necessary amount of material can be disposed at a necessary location, and is attracting attention as an industrial manufacturing technology. For example, it is possible to draw a wiring having a line width of about 30 μm by discharging an ink (conductive ink) containing ultrafine metal particles using an ultrafine inkjet.
このようなインクジェット装置においてインクジェットヘッドに用いられる圧電素子は、その一部がインクジェットヘッドに固定され、その先端が各ノズルに対応する振動板に当接され、さらに外部電極が正確に電気接続される必要がある。したがって、その成形や組み立てには、種々の問題がある。 A part of the piezoelectric element used in the ink jet head in such an ink jet apparatus is fixed to the ink jet head, the tip is brought into contact with the diaphragm corresponding to each nozzle, and the external electrode is accurately electrically connected. There is a need. Therefore, there are various problems in the molding and assembly.
一般的な縦振動モードの圧電素子を使用したインクジェットヘッドは、圧力発生室および供給口を備えた流路形成基板と、圧電振動子ユニットとの２つの部材を有し、圧電振動子ユニットを構成している各圧電素子により圧力発生室を膨張および収縮させるものである（例えば、特許文献１参照）。この圧電振動子ユニットは、圧電素子の一端を固定基板に固定し、一定のピッチで配列する圧電素子を櫛歯加工により構成するため、固定領域には、振動変位を生じないように内部電極が形成されていない不活性領域が設けられている。櫛歯加工することにより両側の内部電極が露出し、加工による電極ダレや圧電素子表面のマイグレーションなどによって、短絡などの電気的信頼性を損ないやすい。 An inkjet head using a general longitudinal vibration mode piezoelectric element has two members, a flow path forming substrate having a pressure generating chamber and a supply port, and a piezoelectric vibrator unit, and constitutes a piezoelectric vibrator unit. The pressure generating chamber is expanded and contracted by each piezoelectric element (see, for example, Patent Document 1). In this piezoelectric vibrator unit, one end of the piezoelectric element is fixed to a fixed substrate, and the piezoelectric elements arranged at a constant pitch are configured by comb-teeth processing. Therefore, an internal electrode is provided in the fixed region so as not to cause vibration displacement. An inactive region that is not formed is provided. By combing, internal electrodes on both sides are exposed, and electrical reliability such as a short circuit is likely to be lost due to electrode sagging or migration of the surface of the piezoelectric element.
外部電極との接続については、フレキシブル回路基板との接続の自由度を高めるように構成したものがある（特許文献２）。ここでは、櫛歯状の活性部（自由端側）には圧電プレートの表面に自由端側端面から固定端近傍に達する外部信号電極を、固定端側と一体となっている延長部には圧電プレートの表面に固定端側端面から非活性部の前縁近傍に達する外部共通電極を、それぞれ形成している。また、電気容量の低減を図る目的で、積層型圧電素子の一部を構造物体として用い、必要な部分変化のみを確保した積層型圧電素子を備えたアクチュエータも提案されている（特許文献３）。これらはいずれも、例えば、図５に示すように、外部電極を端面から表面に渡って形成する必要がある。また、外部電極が端面と表面との稜線（角の部分）上にも形成されるため、角部の外部電極膜の厚みが薄くなり易く、電気抵抗が大きくなり、断線の原因となる。さらに、脆性材料である圧電素子は、欠け易いので角部に渡って電極を形成することは好ましくない。 About connection with an external electrode, there exists what was comprised so that the freedom degree of a connection with a flexible circuit board might be raised (patent document 2). Here, the comb-shaped active portion (free end side) has an external signal electrode reaching the fixed end from the free end side end surface on the surface of the piezoelectric plate, and the extension portion integrated with the fixed end side is piezoelectric. External common electrodes are formed on the surface of the plate from the fixed end side end surface to the vicinity of the front edge of the inactive portion. In addition, for the purpose of reducing electric capacity, an actuator including a multilayer piezoelectric element that uses only a part of the multilayer piezoelectric element as a structural object and ensures only necessary partial changes has been proposed (Patent Document 3). . In any of these, for example, as shown in FIG. 5, it is necessary to form the external electrode from the end face to the surface. Further, since the external electrode is also formed on the ridge line (corner portion) between the end surface and the surface, the thickness of the external electrode film at the corner portion is likely to be thin, the electric resistance is increased, and disconnection is caused. Furthermore, since a piezoelectric element which is a brittle material is easily chipped, it is not preferable to form electrodes across corners.
このような外部電極の角部での問題を解決するために、重ならない位置に凸部を有する電極パターンと、それと対照的なパターンを形成して積層することが提案されている（特許文献４および５）。このような構成により、素子同一面から＋および−電極を取り出すことができる。この構成においては、端面のみに外部電極を形成できるという利点があるが、例えば、圧電横効果に基づく縦振動モードの圧電素子を使用したインクジェットヘッドのように、非駆動部を構造体として用いて、駆動部から離れた位置に非駆動部と外部電極とを形成する場合には適していない。 In order to solve such problems at the corners of the external electrode, it has been proposed to form and laminate an electrode pattern having convex portions at positions where they do not overlap and a contrasting pattern (Patent Document 4). And 5). With such a configuration, the + and − electrodes can be taken out from the same surface of the element. In this configuration, there is an advantage that the external electrode can be formed only on the end face. For example, a non-driving part is used as a structure as in an inkjet head using a piezoelectric element in a longitudinal vibration mode based on the piezoelectric lateral effect. This is not suitable when the non-driving part and the external electrode are formed at a position away from the driving part.
また、インクの蒸気や湿気の存在による電流の漏洩やインクの蒸気への曝露によって吐出力発生手段の劣化や耐電圧性が低下して、インク滴の飛翔特性の安定性や信頼性が容易に乏しくなることがある。この問題を解決するために、吐出力発生手段の一部あるいは全面を、電気絶縁性の高分子樹脂によって被覆することが提案されている（特許文献６）。このような特性を得るための被膜形成は難しく、工程も増加する。さらに、駆動部も全体が被覆されてしまうため、駆動特性に影響を与える可能性がある。 In addition, current leakage due to the presence of ink vapor or moisture, or exposure to ink vapor causes deterioration of the ejection force generation means and voltage resistance, facilitating the stability and reliability of ink droplet flight characteristics. It may become scarce. In order to solve this problem, it has been proposed to cover a part or the entire surface of the ejection force generating means with an electrically insulating polymer resin (Patent Document 6). It is difficult to form a film for obtaining such characteristics, and the number of processes increases. Furthermore, since the entire drive unit is covered, the drive characteristics may be affected.
上記の問題を考慮して、積層型圧電体の一方の端を活性部および他方を不活性部とし、各内部電極が不活性部で重ならないように上下に配置し、不活性部で外部電極と接続された、圧電縦効果に基づく振動を利用したインクジェットヘッド用の圧電駆動体（特許文献７）または圧電横効果に基づく振動を利用したインクジェットヘッド用の種々の圧電駆動体（特許文献８〜１０）がある。これらはいずれも、活性部が大きな割合を占め、不活性部も外部電極との接触の役割があるため、実装の際に基板に対して高い剛性で保持することが難しい。
本発明は、外部電極を端面から表面へと角部を渡って形成することのない簡素化された構造を有し、取り扱いやすくかつ信頼性の高い積層型圧電素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a multilayer piezoelectric element that has a simplified structure in which external electrodes are not formed across the corners from the end face to the surface, and is easy to handle and highly reliable. .
本発明は、圧電材料を介して＋側内部電極と−側内部電極とを交互に積層してなる積層型圧電素子であって、
一端側に駆動部および他端側に非駆動部を有し；
該＋側内部電極および該−側内部電極はいずれも、該＋側内部電極と該−側内部電極とが積層方向に重ならないように該駆動部の終端から同方向に該非駆動部へ延在し；
該非駆動部の該＋側内部電極および該−側内部電極のそれぞれの少なくとも一部が、該圧電材料表面に露出し、外部電極と接続され；そして
該外部電極と該駆動部との間に保持部を備える。
The present invention is a multilayer piezoelectric element formed by alternately laminating + side internal electrodes and − side internal electrodes through a piezoelectric material,
A driving part on one end side and a non-driving part on the other end side;
Both the + side internal electrode and the − side internal electrode extend from the end of the drive unit to the non-drive unit in the same direction so that the + side internal electrode and the − side internal electrode do not overlap in the stacking direction. And
At least a part of each of the positive side internal electrode and the negative side internal electrode of the non-driving part is exposed on the surface of the piezoelectric material and connected to the external electrode; and held between the external electrode and the driving part A part.
１つの実施態様では、上記駆動部は圧電横効果に基づく変位により振動する。 In one embodiment, the drive section vibrates due to displacement based on the piezoelectric lateral effect.
他の実施態様では、上記駆動部の端面に、上記内部電極の少なくとも片側が露出していない。 In another embodiment, at least one side of the internal electrode is not exposed on the end face of the drive unit.
さらに他の実施態様では、上記駆動部の少なくとも一方の側面に、上記内部電極の少なくとも片側が露出していない。 In still another embodiment, at least one side of the internal electrode is not exposed on at least one side surface of the drive unit.
さらに他の実施態様では、上記非駆動部の端面に、上記内部電極の少なくとも片側が露出していない。 In still another embodiment, at least one side of the internal electrode is not exposed at the end face of the non-driving unit.
なおさらに他の実施態様では、上記非駆動部の少なくとも一方の側面に、上記内部電極の少なくとも片側が露出していない。 In still another embodiment, at least one side of the internal electrode is not exposed on at least one side surface of the non-driving portion.
本発明はまた、上記のいずれかの積層型圧電素子を備えた、インクジェットヘッドを提供する。 The present invention also provides an ink jet head including any one of the above laminated piezoelectric elements.
本発明の積層型圧電素子は、外部電極を端面から表面へと角部を渡って形成する必要がないため、容易に作成でき、かつ保持部を有するため対象物への取り付け剛性も高い。さらに、角部外部電極の薄膜化やチッピングによる断線を回避することができ、搬送や組み立ての際の取り扱いも容易である。 The multilayer piezoelectric element of the present invention does not need to form external electrodes across the corners from the end surface to the surface, and therefore can be easily formed and has a holding portion, and has high attachment rigidity to the object. Further, disconnection due to thinning and chipping of the corner external electrodes can be avoided, and handling during transportation and assembly is easy.
本発明の積層型圧電素子において、少なくとも片側の内部電極が、駆動部の端面にまたは駆動部の少なくとも一方の側面に露出していない場合、あるいは、非駆動部の端面または非駆動部の少なくとも一方の側面に露出していない場合には、積層型圧電素子の製造工程において、切断工程時の電極ダレによる短絡不良を回避でき、ならびに電極間が狭いことによる圧電素子表面でのマイグレーションを回避することができる。したがって、多数の内部電極パターンを印刷した圧電材料を積層し、これをカットすることにより、短絡不良やマイグレーションのない積層型圧電素子を一度に多数作成することができる。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, when at least one internal electrode is not exposed on the end face of the drive unit or on at least one side surface of the drive unit, or at least one of the end face of the non-drive unit or the non-drive unit If it is not exposed on the side surface, it is possible to avoid short circuit failure due to electrode sagging during the cutting process in the manufacturing process of the laminated piezoelectric element, and to avoid migration on the surface of the piezoelectric element due to the narrow gap between the electrodes. Can do. Therefore, by laminating and cutting a piezoelectric material on which a large number of internal electrode patterns are printed, a large number of laminated piezoelectric elements free from short circuit defects or migration can be produced at a time.
本発明の積層型圧電素子は、駆動部と外部電極との間に保持部が備えられている。この保持部により、駆動部と外部電極（電気接点）とを完全に分離することができる。保持部に外部電極が存在しないので、保持部に外部電極の凹凸がないため、保持に際して、外部電極の段差に影響されることがない。あるいは、保持部全周を保持（固定）することもできる。したがって、高精度に位置決めして剛性の高い組み立てを行うことが可能であり、本発明の積層型圧電素子による安定した駆動特性を得ることができる。保持部に内部電極が露出していない場合は、積層型圧電素子を保持する相手材が導電材料であってもよい。駆動部および保持部を密閉状態に保つことも可能である。特に、駆動部が圧電横効果に基づく変位により振動する場合には、保持部の長さなどを自由に設計できるため、より保持効率が上昇する。 The multilayer piezoelectric element of the present invention includes a holding unit between the driving unit and the external electrode. By this holding portion, the drive portion and the external electrode (electrical contact) can be completely separated. Since there is no external electrode in the holding portion, the holding portion has no irregularities on the external electrode, and therefore, the holding portion is not affected by the step of the external electrode. Alternatively, the entire circumference of the holding portion can be held (fixed). Therefore, it is possible to perform assembly with high rigidity by positioning with high accuracy, and it is possible to obtain stable drive characteristics by the multilayer piezoelectric element of the present invention. When the internal electrode is not exposed in the holding portion, the counterpart material that holds the laminated piezoelectric element may be a conductive material. It is also possible to keep the driving unit and the holding unit in a sealed state. In particular, when the driving unit vibrates due to displacement based on the piezoelectric lateral effect, the holding efficiency can be further increased because the length of the holding unit can be designed freely.
外部電極領域が保持（固定）されないため、電気的接続に自由度を与えることができる。例えば、フレキシブルケーブルなどでの電気接続も容易である。大容量の素子を用いる場合には、許容電流の大きい被覆付き電線などを直接接続することも可能である。 Since the external electrode region is not held (fixed), a degree of freedom can be given to the electrical connection. For example, electrical connection with a flexible cable or the like is easy. When a large-capacity element is used, a covered electric wire having a large allowable current can be directly connected.
（積層型圧電素子の材料）
本発明の積層型圧電素子に用いられる圧電材料としては、セラミック、プラスチック（例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））などが挙げられる。中でもセラミックが好ましく用いられる。好ましいセラミックとしては、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックＭｏＳｉＯ２−Ｍｏ２Ｂ２、耐熱性セラミック、誘電体セラミックが挙げられる。チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、誘電体セラミックが、弾性を有する点でより好ましい。
(Materials for multilayer piezoelectric elements)
Examples of the piezoelectric material used in the multilayer piezoelectric element of the present invention include ceramic and plastic (for example, polyvinylidene fluoride (PVDF)). Of these, ceramic is preferably used. Preferred ceramics include lead zirconate titanate composite perovskite ceramics, structural ceramics MoSiO 2 —Mo 2 B 2 , heat resistant ceramics, and dielectric ceramics. Lead zirconate titanate-based composite perovskite ceramics and dielectric ceramics are more preferable in terms of elasticity.
本発明の積層型圧電素子において内部電極として用いられる導電材料は、特に制限されない。導電材料としては、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属が挙げられ、これらの金属は合金であってもよく、ＡｇＰｄが好ましい。 The conductive material used as the internal electrode in the multilayer piezoelectric element of the present invention is not particularly limited. Examples of the conductive material include metals such as Ag, Pd, Pt, Au, W, Ni, and Cr. These metals may be alloys, and AgPd is preferable.
本発明の積層型圧電素子には、圧電素子の印加時に非駆動部の変形を防止するために、必要に応じて、絶縁材料が使用されてもよい。例えば、絶縁材料は、内部電極と同じ平面上に配置される。絶縁材料は、通常は圧電材料と同じ材料である。絶縁材料と圧電材料とが異なる材料である場合、絶縁材料は圧電材料よりも硬い材料であることが好ましい。このような絶縁材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックＭｏＳｉＯ２−Ｍｏ２Ｂ２、耐熱性セラミック、誘電体セラミックなどが挙げられる。このような組み合わせとしては、圧電材料を誘電体セラミックとし、絶縁材料をチタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック、構造用セラミックＭｏＳｉＯ２−Ｍｏ２Ｂ２、または耐熱性セラミックとする組み合わせである。 In the laminated piezoelectric element of the present invention, an insulating material may be used as necessary in order to prevent deformation of the non-driving portion when the piezoelectric element is applied. For example, the insulating material is disposed on the same plane as the internal electrode. The insulating material is usually the same material as the piezoelectric material. When the insulating material and the piezoelectric material are different materials, the insulating material is preferably a material harder than the piezoelectric material. Examples of such an insulating material include lead zirconate titanate-based composite perovskite ceramics, structural ceramics MoSiO 2 -Mo 2 B 2 , heat resistant ceramics, dielectric ceramics, and the like. As such a combination, a piezoelectric material is a dielectric ceramic, and an insulating material is a lead zirconate titanate-based composite perovskite ceramic, a structural ceramic MoSiO 2 -Mo 2 B 2 , or a heat resistant ceramic.
本発明の積層型圧電素子において外部電極として用いられる導電材料は、当該技術分野で電極として通常用いられる導電材料であり、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属が挙げられ、これらの金属は合金であってもよい。特に、スクリーン印刷で施工される場合には、ＡｇＰｄなどにガラスフリットなどを複合させることによって、密着強度を向上させてもよい。 The conductive material used as the external electrode in the multilayer piezoelectric element of the present invention is a conductive material usually used as an electrode in the technical field, and examples thereof include metals such as Ag, Pd, Pt, Au, W, Ni, and Cr. These metals may be alloys. In particular, in the case of construction by screen printing, the adhesion strength may be improved by combining glass frit or the like with AgPd or the like.
（積層型圧電素子の構造）
本発明の積層型圧電素子は、圧電材料を介して＋側内部電極と−側内部電極とを交互に積層してなる積層型圧電素子であって、
一端側に駆動部および他端側に非駆動部を有し；
該＋側内部電極および該−側内部電極はいずれも、該＋側内部電極と該−側内部電極とが積層方向に重ならないように該駆動部の終端から同方向に該非駆動部へ延在し；
該非駆動部の該＋側内部電極および該−側内部電極のそれぞれの少なくとも一部が、該圧電材料表面に露出し、外部電極と接続されて；そして
該外部電極と該駆動部との間に保持部を備える。
(Structure of multilayer piezoelectric element)
The laminated piezoelectric element of the present invention is a laminated piezoelectric element formed by alternately laminating + side internal electrodes and − side internal electrodes through a piezoelectric material,
A driving part on one end side and a non-driving part on the other end side;
Both the + side internal electrode and the − side internal electrode extend from the end of the drive unit to the non-drive unit in the same direction so that the + side internal electrode and the − side internal electrode do not overlap in the stacking direction. And
At least a part of each of the + side internal electrode and the − side internal electrode of the non-driving part is exposed on the surface of the piezoelectric material and connected to an external electrode; and between the external electrode and the driving part A holding part is provided.
以下、本発明の積層型圧電素子について、図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明の積層型圧電素子は、圧電材料中に＋側内部電極と−側内部電極とが交互に積層しており（図１の側面図および立体透過図を参照のこと）、一端側に駆動部および他端側に非駆動部を有する（図１の平面透過図を参照のこと）。 Hereinafter, the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, + side internal electrodes and − side internal electrodes are alternately stacked in a piezoelectric material (see the side view and the three-dimensional transmission diagram of FIG. 1). A driving part on one end side and a non-driving part on the other end side (refer to the transparent plan view in FIG. 1).
＋側内部電極および−側内部電極はいずれも、駆動部から同方向に非駆動部へ延在する部分を有する形状である。図１の側面図に示すように、駆動部においては、それぞれの内部電極が交互に積層している。駆動部における内部電極は、図１の平面透過図および図２に示すように、圧電素子の幅と同じ幅または圧電素子の幅より少し狭い幅を有し得る。本発明の積層圧電素子の駆動部は、好ましくは、圧電横効果に基づく変位により、図１において中抜き矢印で示す方向（ｄ３１方向）に振動する。 Each of the + side internal electrode and the − side internal electrode has a shape having a portion extending from the drive unit to the non-drive unit in the same direction. As shown in the side view of FIG. 1, in the drive unit, the respective internal electrodes are alternately stacked. The internal electrode in the driving unit may have the same width as the width of the piezoelectric element or a width slightly narrower than the width of the piezoelectric element, as shown in the plan view of FIG. 1 and FIG. The drive unit of the multilayer piezoelectric element of the present invention preferably vibrates in the direction (d31 direction) indicated by the hollow arrow in FIG. 1 due to displacement based on the piezoelectric lateral effect.
一方、非駆動部においては、＋側内部電極同士および−側内部電極同士はそれぞれ積層しているが、＋側内部電極と−側内部電極とは積層されていない。延在する部分の形状は、＋側内部電極と−側内部電極とが積層されない限り特に限定されず、図１に示すようにまっすぐに延びた形状であってもよく、図２（ａ）に示すように凸部を有してもよい。好ましくは、内部電極の延在する部分は、駆動部における内部電極の幅よりも狭い幅を有する。例えば、圧電素子の非駆動部の幅の半分よりも狭い幅を有する。 On the other hand, in the non-driving portion, the + side internal electrodes and the − side internal electrodes are laminated, but the + side internal electrode and the − side internal electrode are not laminated. The shape of the extending portion is not particularly limited as long as the + side internal electrode and the − side internal electrode are not stacked, and may be a shape extending straight as shown in FIG. You may have a convex part as shown. Preferably, the extending portion of the internal electrode has a width narrower than the width of the internal electrode in the driving unit. For example, it has a width narrower than half the width of the non-driving portion of the piezoelectric element.
製造の容易さの点で、好ましくは、＋側内部電極同士および−側内部電極同士はそれぞれが同じ形状であり、より好ましくは、＋側内部電極と−側内部電極とは、長手方向の中心線に対して対称な形状であり得る（図１および図２を参照のこと）。 In terms of ease of manufacture, preferably, the + side internal electrodes and the − side internal electrodes have the same shape, and more preferably, the + side internal electrode and the − side internal electrode are in the longitudinal center. It can be symmetrical with respect to the line (see FIGS. 1 and 2).
内部電極はいずれも、少なくともその一部が、非駆動部の側面および端面の少なくとも一面において圧電材料から露出している。例えば、図１においては、内部電極は、駆動部では両方ともに駆動部端面および両側面に露出し、非駆動部では互いに異なる一方の側面および非駆動部端面に露出している。内部電極の形状および各内部電極が露出する面は、駆動部で＋側内部電極および−側内部電極が交互に積層され、かつ非駆動部で＋側内部電極と−側内部電極とが積層されない限り、特に限定されない。 All of the internal electrodes are exposed from the piezoelectric material on at least one of the side surface and the end surface of the non-driving unit. For example, in FIG. 1, both internal electrodes are exposed on the drive unit end surface and both side surfaces in the drive unit, and are exposed on one side surface and the non-drive unit end surface that are different from each other in the non-drive unit. As for the shape of the internal electrode and the surface from which each internal electrode is exposed, the + side internal electrode and the − side internal electrode are alternately stacked in the drive unit, and the + side internal electrode and the − side internal electrode are not stacked in the non-drive unit. As long as it is not particularly limited.
少なくとも片側の内部電極は、駆動部の端面に露出していないこと、あるいは、駆動部の少なくとも一方の側面に露出していないことが好ましい。同様に、少なくとも片側の内部電極は、非駆動部の端面に露出していないこと、あるいは、非駆動部の少なくとも一方の側面に露出していないことが好ましい。これは、以下で述べる本発明の積層型圧電素子の製造工程において、切断工程時の電極ダレによる短絡不良を回避でき、ならびに電極間が狭いことによる圧電素子表面でのマイグレーションを回避することができるからである。具体的には、図２（ａ）に示すように、＋側内部電極および−側内部電極は、それぞれ異なる非駆動部側面のみに露出していてもよい。あるいは、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、＋側内部電極および−側内部電極は、非駆動部の同一の側面または同一の端面に露出していてもよく、あるいは、図３（ｃ）に示すように、片側の内部電極が非駆動部の端面におよび他方が側面に露出していてもよい。実際の製造における内部電極の積層ズレから生じる素子特性の低下、例えば、変位量や共振点のバラツキなどを考慮すると、図３（ｄ）に示すように、駆動部および非駆動部の側面には内部電極が露出し、そしてそれぞれの側面に外部電極が設けられていることが好ましい。さらに、図３（ｄ）に示すように、積層型圧電素子の駆動部端面および非駆動部端面において、内部電極を露出させないように端面周辺に絶縁部を設けることによって、製造工程中の取り扱い時または積層型圧電素子の組み込み時に生じる端面および角部のカケやキズなどによる積層間の短絡および素子特性の低下を大きく軽減することができる。 It is preferable that at least one of the internal electrodes is not exposed on the end face of the drive unit, or is not exposed on at least one side surface of the drive unit. Similarly, it is preferable that at least one of the internal electrodes is not exposed on the end face of the non-driving part, or is not exposed on at least one side surface of the non-driving part. This can avoid a short circuit failure due to electrode sagging during the cutting process in the manufacturing process of the multilayer piezoelectric element of the present invention described below, and can also avoid migration on the surface of the piezoelectric element due to the narrow gap between the electrodes. Because. Specifically, as illustrated in FIG. 2A, the + side internal electrode and the − side internal electrode may be exposed only on different non-driving unit side surfaces. Alternatively, as shown in FIGS. 3A and 3B, the + side internal electrode and the − side internal electrode may be exposed on the same side surface or the same end surface of the non-driving unit, or FIG. As shown in (c), the internal electrode on one side may be exposed at the end face of the non-driving portion and the other may be exposed on the side face. In consideration of a decrease in element characteristics caused by misalignment of internal electrodes in actual manufacturing, for example, variation in displacement and resonance point, as shown in FIG. Preferably, the internal electrodes are exposed and external electrodes are provided on each side. Further, as shown in FIG. 3D, an insulating portion is provided around the end face so as not to expose the internal electrode on the driving portion end face and the non-driving portion end face of the multilayer piezoelectric element. Alternatively, it is possible to greatly reduce short-circuiting between layers and deterioration of element characteristics due to chipping or scratches at end faces and corners that occur when a multilayer piezoelectric element is incorporated.
本発明の積層型圧電素子は、内部電極が露出した面において、それぞれの内部電極同士を接続する外部電極が形成されている。外部電極の位置は、それぞれの内部電極同士を接続する限り、特に限定されない。駆動部と電気接点とを完全に分離できる点で、外部電極は、好ましくは非駆動部にのみ存在し、より好ましくは非駆動部の端部近傍のみに存在する。このため、図１に示すように、外部電極と駆動部との間に存在する非駆動部を保持部とすることができる。また、内部電極同士の接続は、図２（ｂ）に示すスルーホールのような積層型圧電素子の非駆動部内部に設けられ得る任意の手段によって内部電極露出面以外の部位で行ってもよい。この場合、一部の（または一層の）内部電極露出面のみで外部電極と接続されていてもよく、あるいは、スルーホールの開口表面に、直接外部電極を設けることもできる。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, external electrodes that connect the internal electrodes are formed on the surface where the internal electrodes are exposed. The position of the external electrode is not particularly limited as long as the internal electrodes are connected to each other. The external electrode is preferably present only in the non-driving part, more preferably in the vicinity of the end of the non-driving part, in that the driving part and the electrical contact can be completely separated. For this reason, as shown in FIG. 1, the non-driving part which exists between an external electrode and a drive part can be made into a holding | maintenance part. Further, the connection between the internal electrodes may be performed at a portion other than the exposed surface of the internal electrode by any means that can be provided inside the non-driving portion of the multilayer piezoelectric element such as the through hole shown in FIG. . In this case, only a part (or one layer) of the exposed internal electrode surface may be connected to the external electrode, or the external electrode may be provided directly on the opening surface of the through hole.
保持部に外部電極が存在しないので、保持部に外部電極の凹凸がないため、保持に際して、外部電極の段差に影響されることがない。あるいは、保持部全周の側面を保持（固定）することもできる。さらに、本発明の積層型圧電素子は、非駆動部の長さを調節することによって、保持部を任意の長さに設定できる。したがって、本発明の積層型圧電素子は、高精度に位置決めして剛性の高い組み立てを行うことが可能であり、安定した駆動（振動）特性を得ることができ、信頼性が向上する。 Since there is no external electrode in the holding portion, the holding portion has no irregularities on the external electrode, and therefore, the holding portion is not affected by the step of the external electrode. Alternatively, the side surface of the entire circumference of the holding portion can be held (fixed). Furthermore, in the multilayer piezoelectric element of the present invention, the holding portion can be set to an arbitrary length by adjusting the length of the non-driving portion. Therefore, the multilayer piezoelectric element of the present invention can be positioned with high accuracy and assembled with high rigidity, can obtain stable driving (vibration) characteristics, and improves reliability.
また、本発明の積層型圧電素子において、保持部は、外部電極から離れた位置にあり得る。そのため、外部電極の厚みや位置の精度が高くなくても、圧電素子の保持の障害になることなく、対象物に組み込まれ得る。さらに、駆動部と電気接点とが完全に分離可能なので、駆動部のみをパッケージして、外部電極のみを外部に露出されることも容易にできる。 In the multilayer piezoelectric element of the present invention, the holding portion can be located away from the external electrode. Therefore, even if the accuracy of the thickness and position of the external electrode is not high, the external electrode can be incorporated into the object without obstructing the holding of the piezoelectric element. Furthermore, since the drive unit and the electrical contact can be completely separated, it is possible to easily package only the drive unit and expose only the external electrode to the outside.
上記図３（ｄ）に示す駆動部および非駆動部の側面は、例えば、以下で製造方法に関して詳述するように、カットされた面であり得る。このため、非駆動部の一部である保持部は、機械加工面のみで形成可能である。したがって、本発明の積層型圧電素子は、寸法精度および形状精度が非常に高い保持部を有し、対象物に組み込むときに、高精度な位置決め接合が可能である。 The side surfaces of the drive unit and the non-drive unit shown in FIG. 3D may be cut surfaces, as will be described in detail below with respect to the manufacturing method, for example. For this reason, the holding | maintenance part which is a part of non-driving part can be formed only by a machining surface. Therefore, the multilayer piezoelectric element of the present invention has a holding portion with extremely high dimensional accuracy and shape accuracy, and can be positioned and joined with high accuracy when incorporated into an object.
また、外部電極領域が保持（固定）されないため、電気的接続に自由度を与えることができる。すなわち、外部電極領域における振動方向と直角方向の全周を、外部電極との接続スペースとすることができる。例えば、フレキシブルケーブルなどでの電気接続も容易である。大容量の素子を用いる場合には、許容電流の大きい被覆付き電線などを直接接続することも可能である。 Further, since the external electrode region is not held (fixed), a degree of freedom can be given to the electrical connection. That is, the entire circumference in the direction perpendicular to the vibration direction in the external electrode region can be used as a connection space with the external electrode. For example, electrical connection with a flexible cable or the like is easy. When a large-capacity element is used, a covered electric wire having a large allowable current can be directly connected.
例えば、図２に示すように、保持部に内部電極が露出していない場合は、積層型圧電素子を保持する相手材が導電材料であってもよい。あるいは、外部電極形成部以外の部分をシーリングすることにより、駆動部および保持部を密閉状態に保つことも可能である。 For example, as shown in FIG. 2, when the internal electrode is not exposed in the holding portion, the mating material that holds the stacked piezoelectric element may be a conductive material. Alternatively, the drive unit and the holding unit can be kept in a sealed state by sealing a portion other than the external electrode forming unit.
このように、本発明の積層型圧電素子は、外部電極が存在しない保持部が設けられているので、保持や電気的信頼性などの観点から、より安定した駆動特性を得ることができ、さらに種々の使用形態にも対応できる。 As described above, the multilayer piezoelectric element of the present invention is provided with the holding portion in which no external electrode is present, so that more stable driving characteristics can be obtained from the viewpoint of holding, electrical reliability, and the like. It can be used for various usage forms.
（積層型圧電素子の製造方法）
以下、本発明の積層型圧電素子の製造方法について説明する。まず、表面が平坦な定盤に、所定の層厚みに成形されたグリーンシート状またはペースト状に調製した圧電材料を配置する。次いで、導電材料（例えば、ＡｇＰｄ）を、＋側および−側のいずれか一方の内部電極のパターンで、スクリーン印刷法などの当業者が通常用いる方法を用いて圧電材料上に印刷する。
(Manufacturing method of multilayer piezoelectric element)
Hereinafter, the manufacturing method of the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described. First, a piezoelectric material prepared in a green sheet shape or paste shape having a predetermined layer thickness is placed on a surface plate having a flat surface. Next, a conductive material (for example, AgPd) is printed on the piezoelectric material using a method commonly used by those skilled in the art, such as a screen printing method, with a pattern of internal electrodes on either the + side or the − side.
次に、必要に応じて、絶縁材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック）を、導電材料とほぼ同じ厚さになるように、例えば、スクリーン印刷法などで、導電材料と重ならないように、圧電材料上に印刷する。 Next, if necessary, the insulating material (for example, lead zirconate titanate-based composite perovskite ceramic) is not overlapped with the conductive material by, for example, a screen printing method so as to have the same thickness as the conductive material. Print on the piezoelectric material.
その後、導電材料層（および絶縁材料層）上に、グリーンシート状またはペースト状の圧電材料を配置する。 Thereafter, a green sheet-like or paste-like piezoelectric material is disposed on the conductive material layer (and the insulating material layer).
次に、圧電材料上に、他方の側の内部電極パターンの導電材料を印刷する。必要に応じて、絶縁材料を、導電材料とほぼ同じ厚さになるように、例えば、スクリーン印刷法などで、導電材料と重ならないように、圧電材料上に印刷する。 Next, the conductive material of the internal electrode pattern on the other side is printed on the piezoelectric material. If necessary, the insulating material is printed on the piezoelectric material so as to have substantially the same thickness as the conductive material, for example, by screen printing so as not to overlap the conductive material.
その後、導電材料層（および絶縁材料層）上に、グリーンシート状またはペースト状の圧電材料を配置する。このように、導電材料層（および絶縁材料層）が圧電材料を介して交互に積層される。 Thereafter, a green sheet-like or paste-like piezoelectric material is disposed on the conductive material layer (and the insulating material layer). In this way, the conductive material layers (and the insulating material layers) are alternately stacked via the piezoelectric material.
次いで、得られた積層体の端面または側面に、外部電極を形成する。例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕなどを、物理的蒸着（ＰＶＤ）、鍍金などの方法によって形成する。より簡単に膜厚の外部電極を形成するためには、例えば、ＡｇＰｄ、好ましくはガラスフリットを複合させたものなどをスクリーン印刷法などの方法によって形成する。その他、当業者が通常用いる方法によって形成する。あるいは、必要に応じて、外部電極の付与の前または後に、外部電極が付与される部分を除く駆動部側の全体（駆動部および保持部）を、ディッピング、スプレー、化学的蒸着（ＣＶＤ）、物理的蒸着（ＰＶＤ）、スパッタリング、電気析出などの手段によって絶縁保護膜（例えば、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの電気絶縁性樹脂）でシーリングしてもよい。こうして、本発明の積層型圧電素子が製造される。 Next, external electrodes are formed on the end face or side face of the obtained laminate. For example, Cr, Ni, Au or the like is formed by a method such as physical vapor deposition (PVD) or plating. In order to more easily form an external electrode having a film thickness, for example, AgPd, preferably a composite of glass frit, is formed by a method such as a screen printing method. In addition, it forms by the method normally used by those skilled in the art. Alternatively, if necessary, before or after the application of the external electrode, the entire drive unit side (the drive unit and the holding unit) excluding the portion to which the external electrode is applied can be dipped, sprayed, chemical vapor deposition (CVD), It may be sealed with an insulating protective film (for example, an electrically insulating resin such as polyvinyl chloride, acrylic resin, silicone resin, polyimide resin, epoxy resin) by means such as physical vapor deposition (PVD), sputtering, or electrodeposition. Thus, the multilayer piezoelectric element of the present invention is manufactured.
上記の本発明の積層型圧電素子の製造方法を、圧電材料として誘電体セラミックを用いて圧電素子を作成する例を挙げて、より具体的に説明する。まず、誘電体セラミックとバインダー（例えば、ポリビニルアルコール：ＰＶＡ）を混合し、脱水・乾燥して仮焼成する。仮焼成は、セラミックの結晶構造がペロブスカイト構造の前の段階となるように７００℃〜８００℃で行うことが好ましい。焼成後、粉砕し、さらに脱水・乾燥し、バインダー（ＰＶＡ）を添加してシートに成形する。シートの厚みは、本焼成後の１．２〜１．３倍にすることが好ましい。シート成形後、パンチングなどにより形を整え、＋側および−側のそれぞれの内部電極をスクリーン印刷法により印刷する。 The manufacturing method of the multilayer piezoelectric element of the present invention will be described more specifically by giving an example of creating a piezoelectric element using a dielectric ceramic as a piezoelectric material. First, a dielectric ceramic and a binder (for example, polyvinyl alcohol: PVA) are mixed, dehydrated, dried, and temporarily fired. The preliminary firing is preferably performed at 700 ° C. to 800 ° C. so that the crystal structure of the ceramic is in a stage before the perovskite structure. After firing, it is pulverized, further dehydrated and dried, and a binder (PVA) is added to form a sheet. The thickness of the sheet is preferably 1.2 to 1.3 times that after the main firing. After forming the sheet, the shape is adjusted by punching or the like, and the internal electrodes on the + side and − side are printed by the screen printing method.
＋側および−側のそれぞれの内部電極が印刷された圧電材料を交互に積層し、１１００℃〜１５００℃で焼成する。焼成後、ダイシング加工などにより形状を整える。次いで、＋側および−側のそれぞれの外部電極を、スクリーン印刷により非駆動部端面近傍の側面に付与し、積層型圧電素子が製造される。 Piezoelectric materials on which the internal electrodes on the + side and − side are printed are alternately laminated and fired at 1100 ° C. to 1500 ° C. After firing, shape is adjusted by dicing. Next, the external electrodes on the + side and − side are respectively applied to the side surfaces near the end face of the non-driving unit by screen printing, and the stacked piezoelectric element is manufactured.
図４は、一実施態様における積層型圧電素子の製造工程において、圧電材料上に配置した導電材料の内部電極パターンを示す模式図である。ここでは、＋側内部電極と−側内部電極とは長手方向の中心線に対称な形状である。まず、図４に示すように、＋側内部電極を多数配置した平面パターンを圧電材料上に印刷する（図４の上図）。また、−側内部電極の平面パターンを圧電材料上に印刷する（図４の下図）。それぞれの内部電極パターンが印刷された圧電材料をＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’などがそれぞれ一致するように１ピッチずらして交互に重ね合わせて積層し、図４に破線で示すような線に沿ってカットすることにより、一度に多数の積層型圧電素子を作成することができる。このようなカットを行う時には、カットマークを予め表面に印刷または刻削しておくことにより、正確にカットできる。 FIG. 4 is a schematic diagram showing an internal electrode pattern of a conductive material disposed on a piezoelectric material in the manufacturing process of the multilayer piezoelectric element in one embodiment. Here, the + side internal electrode and the − side internal electrode are symmetrical with respect to the center line in the longitudinal direction. First, as shown in FIG. 4, a planar pattern in which a large number of positive side internal electrodes are arranged is printed on the piezoelectric material (upper view of FIG. 4). Also, a planar pattern of the negative side internal electrode is printed on the piezoelectric material (the lower diagram in FIG. 4). The piezoelectric materials on which the respective internal electrode patterns are printed are stacked one on top of the other so that AA ′, BB ′, etc. coincide with each other, and are overlapped to form a line as shown by a broken line in FIG. By cutting along, a large number of stacked piezoelectric elements can be created at once. When performing such a cut, the cut mark can be accurately cut by printing or cutting on the surface in advance.
（積層型圧電素子を備えるインクジェットヘッド）
本発明の積層型圧電素子は、インクジェットヘッドなどの液滴吐出手段の吐出力発生手段などとして用いられる。インクジェットヘッドに実装する場合には、例えば、得られた積層型圧電素子の非駆動部、好適には保持部、を基台に接着固定し、駆動部端面を振動膜に接着固定してノズル開口部に対応させて配置する。
(Inkjet head with multilayer piezoelectric element)
The multilayer piezoelectric element of the present invention is used as a discharge force generating means of a droplet discharge means such as an ink jet head. When mounting on an ink jet head, for example, the non-driving part, preferably the holding part, of the obtained multilayer piezoelectric element is bonded and fixed to the base, and the end face of the driving part is bonded and fixed to the vibration film to open the nozzle It arranges corresponding to the part.
このようなインクジェットヘッドは、例えば、ＤＮＡマイクロアレイやプロテインマイクロアレイにピコリットルレベルの試料をスポットする場合のように、１ノズルだけの駆動で使用する場合に好適である。また、本発明の積層型圧電素子をマルチノズルインクジェットヘッドに実装する場合は、複数の圧電素子を並べて使用すればよい。いずれの場合も、確実に保持（固定）することができ、かつ電気的接続も容易であるため、組み立て効率がよい。 Such an ink jet head is suitable for use with a drive of only one nozzle, such as when spotting a picoliter level sample on a DNA microarray or protein microarray. When the multilayer piezoelectric element of the present invention is mounted on a multi-nozzle inkjet head, a plurality of piezoelectric elements may be used side by side. In either case, since it can be reliably held (fixed) and electrical connection is easy, the assembly efficiency is good.
本発明の積層型圧電素子は、角部外部電極の薄膜化やチッピングによる断線を回避することができるため、搬送や組み立ての際に取り扱いが容易である。また、駆動部と外部電極との間に保持部が備えられているため、高精度に位置決めし、剛性の高い組み立てを行うことが可能である。さらに、保持部を備えることにより駆動部と電気接点とを完全に分離できる。したがって、積層型圧電素子およびインクジェットヘッド製造工程において、歩留まりが改善され、コストが低減されるだけでなく、電気的信頼性が向上し、安定した駆動特性を得ることができる。 The multilayer piezoelectric element of the present invention can avoid disconnection due to thinning of the corner external electrode and chipping, and thus is easy to handle during transportation and assembly. Further, since the holding portion is provided between the driving portion and the external electrode, it is possible to perform positioning with high accuracy and to perform assembly with high rigidity. Furthermore, the drive unit and the electrical contact can be completely separated by providing the holding unit. Therefore, in the manufacturing process of the multilayer piezoelectric element and the inkjet head, not only the yield is improved and the cost is reduced, but also the electrical reliability is improved and stable driving characteristics can be obtained.
このような本発明の積層型圧電素子は、インクジェットヘッドなどの液滴吐出手段の吐出力発生手段などとして用いられる。例えば、ＤＮＡマイクロアレイやプロテインマイクロアレイにピコリットルレベルの試料をスポットする場合のように、インクジェットヘッドを１ノズルだけで使用する場合に特に、好適である。本発明の積層型圧電素子を複数並べて、マルチノズルインクジェットヘッドに実装することも可能である。複数個並べることにより、従来の櫛歯加工された圧電素子を用いるよりも、電気的信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することができる。 Such a multilayer piezoelectric element of the present invention is used as a discharge force generating means of a droplet discharge means such as an ink jet head. For example, it is particularly suitable when an inkjet head is used with only one nozzle, such as when spotting a picoliter level sample on a DNA microarray or protein microarray. A plurality of the laminated piezoelectric elements of the present invention can be arranged and mounted on a multi-nozzle inkjet head. By arranging a plurality of ink jet heads, it is possible to provide an ink jet head having higher electrical reliability than using a conventional comb-tooth processed piezoelectric element.
Claims (7)
一端側に駆動部および他端側に非駆動部を有し；
該＋側内部電極および該−側内部電極はいずれも、該＋側内部電極と該−側内部電極とが積層方向に重ならないように該駆動部の終端から同方向に該非駆動部へ延在し；
該非駆動部の該＋側内部電極および該−側内部電極のそれぞれの少なくとも一部が、該圧電材料表面に露出し、外部電極と接続され；そして
該外部電極と該駆動部との間に保持部を備え、該保持部は該外部電極上には設けられていない、
積層型圧電素子。 A laminated piezoelectric element in which a + side internal electrode and a − side internal electrode are alternately laminated via a piezoelectric material,
A driving part on one end side and a non-driving part on the other end side;
Both the + side internal electrode and the − side internal electrode extend from the end of the drive unit to the non-drive unit in the same direction so that the + side internal electrode and the − side internal electrode do not overlap in the stacking direction. And
At least a part of each of the positive side internal electrode and the negative side internal electrode of the non-driving part is exposed on the surface of the piezoelectric material and connected to the external electrode; and held between the external electrode and the driving part The holding portion is not provided on the external electrode ,
Multilayer piezoelectric element.
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