JP5653024B2

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Publication number: JP5653024B2
Application number: JP2009235828A
Authority: JP
Inventors: 幸一岡本; 川上　祥広; 祥広川上; 祐一戸叶; 光晴千葉
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: JP2011086641A

Description

本発明は、圧電膜に生ずる振動などの変位を利用する圧電膜型アクチュエータ、その圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置、およびそれらの製造方法に関し、特に基板上に圧電膜を形成した圧電膜型アクチュエータ、および基板内に液体の流路構造を有し、圧電膜を変形させることで液滴を噴射する液滴噴射装置、およびそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric film type actuator using a displacement such as vibration generated in a piezoelectric film, a droplet ejecting apparatus using the piezoelectric film type actuator, and a manufacturing method thereof, in particular, a piezoelectric film having a piezoelectric film formed on a substrate. The present invention relates to a film-type actuator, a liquid droplet ejecting apparatus that has a liquid flow channel structure in a substrate, and ejects liquid droplets by deforming a piezoelectric film, and a manufacturing method thereof.

基板上に圧電膜を形成してなる圧電膜型素子は、センサやアクチュエータに広く用いられている。一般に圧電膜型素子は、基板と、その上に形成された圧電膜と、その圧電膜を挟むようにその両面に形成された電極（上部電極、下部電極）とからなる。センサでは圧電膜の変位によりその電極間に発生する電圧を利用して振動などの変位を検出し、アクチュエータでは、その電極間への印加電圧により、圧電膜の膜厚方向もしくは膜厚に垂直な方向に生ずる伸縮による変位を利用して物体の駆動を行う。このようなアクチュエータ、すなわち圧電膜型アクチュエータは、その構造から、小型化可能であり、かつ、低電圧で大きな変位量が得られるのが特徴である。このような圧電膜型アクチュエータの応用例として、液滴を噴射する装置、具体的にはインクジェットプリンタ等がある。 A piezoelectric film type element formed by forming a piezoelectric film on a substrate is widely used for sensors and actuators. In general, a piezoelectric film type element includes a substrate, a piezoelectric film formed on the substrate, and electrodes (upper electrode and lower electrode) formed on both surfaces so as to sandwich the piezoelectric film. The sensor detects the displacement such as vibration using the voltage generated between the electrodes due to the displacement of the piezoelectric film, and the actuator detects the displacement in the direction of the film thickness or perpendicular to the film thickness by the voltage applied between the electrodes. The object is driven using the displacement caused by the expansion and contraction generated in the direction. Such an actuator, that is, a piezoelectric film type actuator, is characterized in that it can be miniaturized and a large displacement can be obtained at a low voltage. As an application example of such a piezoelectric film type actuator, there is a device for ejecting droplets, specifically, an ink jet printer or the like.

圧電膜型アクチュエータなどの圧電素子を使用した液滴噴射装置は圧電素子の歪みを利用して圧力室に充填された液体に圧力を伝達し噴射する原理に基づいて構造が設計されており、ヒーターで液体を加熱して液体を気化させたバブルにより液滴を噴射する原理に基づくバブル式と比較して、液体の種類によらず噴射できるという特徴を有している。そのため、このような圧電方式の液滴噴射装置は液晶ディスプレーのカラーフィルターの色材、有機ＥＬ、バイオ有機物、電極などの材料となる多様な液滴を噴射させる装置として、様々な産業分野での使用が検討されている。 A droplet ejecting device using a piezoelectric element such as a piezoelectric film type actuator is designed based on the principle of transmitting and ejecting pressure to a liquid filled in a pressure chamber using the distortion of the piezoelectric element. Compared with the bubble type based on the principle of ejecting liquid droplets with bubbles obtained by heating the liquid and evaporating the liquid, it has a feature that it can be ejected regardless of the type of liquid. Therefore, such a piezoelectric droplet ejecting device is used in various industrial fields as a device for ejecting various droplets used as materials for color filters of liquid crystal displays, organic EL, bio-organic materials, electrodes, etc. Use is under consideration.

液体を充填する圧力室を含めた流路構造を有する基板は、ステンレス、シリコン、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＺｒＯ_２（ジルコニア）、ガラス、樹脂などを組み合わせた構造で構成されるのが一般的である。具体例としては、上記部材に流路パターンをエッチング加工により形成し、エッチングした部材同士を有機系接着剤で貼り付けることで作製される。A substrate having a flow path structure including a pressure chamber filled with a liquid generally has a structure in which stainless steel, silicon, Al₂ O₃ (alumina), ZrO₂ (zirconia), glass, resin, or the like is combined. Is. As a specific example, a flow path pattern is formed on the member by etching, and the etched members are attached to each other with an organic adhesive.

ステンレス基板やシリコン基板などに形成された流路構造の圧力室に充填された液体を噴射させるためには、圧電素子により液体に圧力を伝達する必要ある。従来は、その圧力を印加する圧電素子としてセラミックスとして焼結されたバルクの圧電体を使用し、それを基板に接着する方法が用いられてきた。 In order to eject the liquid filled in the pressure chamber of the flow path structure formed on the stainless steel substrate or the silicon substrate, it is necessary to transmit the pressure to the liquid by the piezoelectric element. Conventionally, a bulk piezoelectric body sintered as ceramics is used as a piezoelectric element to apply the pressure, and a method of adhering it to a substrate has been used.

しかしながらこの方法では、基板に形成された流路や、圧力室のパターンの位置に合わせて圧電セラミックスを個別に配置する必要があるために、高い機械加工精度が必要なことや電極パターンを圧電セラミックス上に形成する必要があること、圧電セラミックスの焼結時の収縮による寸法精度をコントロールする必要があることなど、製造プロセスが複雑になるという課題がある。 However, in this method, since it is necessary to individually arrange the piezoelectric ceramics in accordance with the flow path formed on the substrate and the position of the pressure chamber pattern, it is necessary to have high machining accuracy and the electrode pattern is made of piezoelectric ceramics. There is a problem that the manufacturing process becomes complicated, such as the necessity to form the upper layer and the control of the dimensional accuracy due to shrinkage during sintering of the piezoelectric ceramic.

そこで、製造プロセスが簡単でパターニング加工が容易な、圧電膜を基板上に形成して圧電膜型アクチュエータとする方法が検討されている。圧電膜を形成する方法としては、化学溶液法、スパッタ法、印刷、電気泳動等様々な方法があり、特許文献１においてはエアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法）が提案されている。ＡＤ法は、亜音速まで加速された微細な粒子を基板に衝突させることで、粒子を破砕、変形させ、新生面の形成や衝撃力に基づく物質移動を介した粒子間結合の形成により、基板面に膜を堆積させるという原理に基づく方法である。ＡＤ法による圧電膜の形成は、成膜速度が速く生産性に優れ、組成変動もなく、他の方式に比べて有利な圧電膜の製造方法である。 Therefore, a method for forming a piezoelectric film actuator on a substrate by forming a piezoelectric film on a substrate, which has a simple manufacturing process and can be easily patterned, has been studied. As a method for forming the piezoelectric film, there are various methods such as a chemical solution method, a sputtering method, printing, and electrophoresis, andPatent Document 1 proposes an aerosol deposition method (hereinafter referred to as AD method). In the AD method, fine particles accelerated to subsonic velocity are collided with the substrate to crush and deform the particles, thereby forming a new surface and forming interparticle bonds through mass transfer based on impact force. This is a method based on the principle of depositing a film. The formation of a piezoelectric film by the AD method is a method for manufacturing a piezoelectric film that is advantageous in comparison with other methods because the film formation rate is high, the productivity is excellent, the composition does not vary.

図３は従来の圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置の一例を示す部分断面斜視図である。図４は図３のＡ−Ａ部分断面図であり、基板内部に設けた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図である。図３および図４において、圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置１では、ステンレス基板１０の内部に液体の流路が略平行に整列して複数形成されており、各流路の一部には圧力室１７が設けられている。圧力室１７の上部には振動板１６がステンレス基板１０の一部として形成されている。ステンレス基板１０の表面にはステンレス基板１０と下部電極１３との間の相互拡散を防止するための拡散防止層１５が形成されている。さらに振動板１６の上部には拡散防止層１５を介して、下部電極１３、圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層され、作製されている。上部電極１１と下部電極１３の間に電圧を印加し、圧電膜である圧電活性層１２に生ずる歪みを利用して圧力室１７に充填された液体に圧力を伝達し、吐出口１８より噴射する。 FIG. 3 is a partial sectional perspective view showing an example of a droplet ejecting apparatus using a conventional piezoelectric film type actuator. 4 is a partial cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3, and is a cross-sectional view showing a pressure chamber provided inside the substrate and a piezoelectric film type actuator portion formed on the pressure chamber. 3 and 4, in the liquiddroplet ejecting apparatus 1 using the piezoelectric film type actuator, a plurality of liquid flow paths are formed in thestainless steel substrate 10 so as to be aligned substantially in parallel, and a part of each flow path is formed. Is provided with apressure chamber 17. Adiaphragm 16 is formed as a part of thestainless steel substrate 10 at the upper part of thepressure chamber 17. Adiffusion prevention layer 15 for preventing mutual diffusion between thestainless steel substrate 10 and thelower electrode 13 is formed on the surface of thestainless steel substrate 10. Further, thelower electrode 13, the piezoelectricactive layer 12, and theupper electrode 11 are sequentially laminated on thevibration plate 16 with thediffusion preventing layer 15 interposed therebetween. A voltage is applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13, pressure is transmitted to the liquid filled in thepressure chamber 17 using the strain generated in the piezoelectricactive layer 12 that is a piezoelectric film, and the liquid is injected from thedischarge port 18. .

特開２００７−２８３７５７号公報JP 2007-283757 A

インクジェットプリンタは印刷画質向上のために、インク吐出口の数を増やしてより高解像度な印刷を可能にすることが望まれている。そのためには圧力室も小型化する必要があり、各圧力室に圧力を伝達させるための圧電膜の面積も小さくなってしまう。その結果、圧電膜型アクチュエータを同じ電圧で駆動しても変位量が小さくなり、変形時の圧力室の体積変化量も小さくなるので、インクの吐出量が減少する、もしくは吐出不可になるという問題が生じる。駆動電圧を上げれば変位量を大きくすることは可能であるが、駆動電圧の上昇は消費電力の観点から望ましいことではない。 In order to improve the printing image quality, an ink jet printer is desired to increase the number of ink discharge ports to enable higher resolution printing. For this purpose, the pressure chambers also need to be miniaturized, and the area of the piezoelectric film for transmitting pressure to each pressure chamber is also reduced. As a result, even if the piezoelectric film type actuator is driven with the same voltage, the amount of displacement becomes small, and the volume change amount of the pressure chamber at the time of deformation also becomes small, so that the amount of ink discharged decreases or becomes impossible to discharge. Occurs. Although it is possible to increase the amount of displacement by increasing the driving voltage, an increase in the driving voltage is not desirable from the viewpoint of power consumption.

同じ駆動電圧で変位量を大きくするために、圧力室に圧力を伝達する振動板を薄くすることが考えられるが、圧電膜を含めた剛性が下がるためにインクからの圧力やインクの振動の押し返しなどの影響を受けやすくなり、インク吐出が不安定になるという問題が生じる。また、振動板が薄くなることで加工が困難になるという問題も生じる。 In order to increase the amount of displacement with the same drive voltage, it is conceivable to reduce the thickness of the diaphragm that transmits pressure to the pressure chamber. However, since the rigidity including the piezoelectric film decreases, the pressure from the ink and the vibration of the ink are pushed back. As a result, there is a problem that ink ejection becomes unstable. Moreover, the problem that processing becomes difficult also arises because a diaphragm becomes thin.

圧電膜を薄くすれば、同じ駆動電圧でも圧電膜に印加される電界強度は大きくなるので変位量は大きくできるが、やはり剛性が下がるので振動板を薄くした場合と同様の問題が生じる。 If the piezoelectric film is made thinner, the electric field strength applied to the piezoelectric film is increased even with the same driving voltage, so that the amount of displacement can be increased. However, since the rigidity is also lowered, the same problem as when the diaphragm is made thinner occurs.

そこで本発明の課題は、単純な構造で、かつ同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる圧電膜型アクチュエータ、および、その圧電膜型アクチュエータを用いて、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能な液滴噴射装置、さらにそれらの製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric film type actuator having a simple structure and capable of increasing the displacement of the diaphragm even with the same driving voltage, and a liquid using the piezoelectric film type actuator even if the pressure chamber is miniaturized. An object of the present invention is to provide a droplet ejecting apparatus capable of obtaining a displacement necessary for ejecting and capable of stably ejecting a droplet, and a manufacturing method thereof.

上記の課題を解決するため、本発明による圧電膜型アクチュエータは、圧電膜からなる圧電活性層に電圧を印加することによって前記圧電活性層に生ずる変位を利用する圧電膜型アクチュエータであって、ステンレス基板上に、圧電膜との相互拡散を防止する拡散防止層、前記圧電膜からなる圧電不活性層、下部電極、前記圧電膜からなる圧電活性層、上部電極が順次直接積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される電圧によって生ずる変位を利用することを特徴とする。To solve the above problems, the piezoelectric film type actuator according to the present invention is a piezoelectric film-type actuator using the displacement occurring in the piezoelectricactive layer by applying a voltage to thepiezoelectric active layer made of a piezoelectric film, stainless on a substrate, the diffusion preventing layerthat prevents mutual diffusion between the piezoelectric film,wherein a piezoelectric film piezoelectric inactive layer, the lower electrode, the piezoelectric active layer composed ofthe piezoelectric film, it is the upper electrode are stacked sequentially directly, the A displacement generated by a voltage applied between the lower electrode and the upper electrode is used.

また、本発明による液滴噴射装置は、上記の圧電膜型アクチュエータを用い、前記ステンレス基板の内部に圧力室を含む流路構造が形成され、前記圧力室の上部に前記拡散防止層、前記圧電不活性層、前記下部電極、前記圧電活性層、前記上部電極が順次直接積層されてなり、前記圧力室の上部の振動を介して前記圧力室内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射することを特徴とする。Further, the droplet ejecting apparatus according to the present invention uses the piezoelectric film type actuator described above, a flow path structure including a pressure chamber is formed inside thestainless steel substrate, and the diffusion preventing layer and the piezoelectric layer are formed on the pressure chamber. inactive layer, the lower electrode, the piezoelectric active layer, the result is the upper electrode are stacked sequentiallydirectly injecting liquid droplets by applying a pressure to the liquid in the pressure chamber via the vibration of the top of the pressure chamber It is characterized by doing.

ここで、前記圧電不活性層は前記圧電活性層を構成する圧電膜と同じ材料から構成されることが望ましい。 Here, the piezoelectric inactive layer is preferably made of the same material as that of the piezoelectric film constituting the piezoelectric active layer.

また、本発明は、ステンレス基板上に、圧電膜との相互拡散を防止する拡散防止層、前記圧電膜からなる圧電不活性層、下部電極、前記圧電膜からなる圧電活性層、上部電極を順次直接積層し、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される電圧によって生ずる変位を利用することを特徴とする圧電膜型アクチュエータの製造方法、または、前記ステンレス基板の内部に圧力室を含む流路構造を形成し、該圧力室の上部に前記拡散防止層、前記圧電不活性層、前記下部電極、前記圧電活性層、前記上部電極を順次直接積層してなり、該圧力室の上部の振動を介して該圧力室内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射することを特徴とする前記圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置の製造方法であって、前記圧電不活性層と前記圧電活性層は同じ材料を用いてエアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする。Further, the present invention is the stainless steel substrate, the diffusion preventing layerthat prevents mutual diffusion between the piezoelectric film, the piezoelectric inactivelayer comprising the piezoelectric film, the lower electrode, the piezoelectric active layer composed ofthe piezoelectric film, an upper electrode sequentially A method of manufacturing a piezoelectric film type actuator characterized by using a displacement generated by a voltage applied between the lower electrode and the upper electrode, or a pressure chamber inside the stainless steel substrate. A flow path structure, and the diffusion prevention layer, the piezoelectric inert layer, the lower electrode, the piezoelectric active layer, and the upper electrode are sequentially laminated on the upper portion of the pressure chamber in order, A method of manufacturing a droplet ejecting apparatus using the piezoelectric film type actuator, wherein a droplet is ejected by applying pressure to a liquid in the pressure chamber through vibration, wherein the piezoelectric inert layer And before Piezoelectrically active layer is characterized by forming with aerosol deposition using the same material.

本発明の液滴噴射装置は、内部に流路構造が形成された基板の振動板上に、拡散防止層、圧電不活性層、下部電極、圧電活性層、上部電極が積層されて構成されている。すなわち、従来の構造と比較して、拡散防止層と下部電極の間に圧電不活性層を入れた点のみが異なっている。本発明は、本発明者等がこの圧電不活性層の挿入により、同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる効果が得られることを見出したことに基づくものである。すなわち、圧電膜型アクチュエータの部分が従来の圧電膜型アクチュエータと比べて同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくでき、これにより圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られるようになった。また、圧電不活性層が増えた分、振動部分の剛性も高くなるので、インクの振動の影響を受けにくくなり安定した液滴噴射が可能になった。また、圧電不活性層を追加するだけの単純な構造であり、圧電活性層の形成と同じプロセスを用いて圧電不活性層を形成することができるので設備投資を抑えることができる。また、圧電不活性層に圧電活性層と同じ材料を用いた場合、熱処理時の熱膨張係数の差による層剥離の問題も発生しないので製造が容易である。以上の結果から、本発明により、安価で、高品質、高信頼性の液滴噴射装置を提供することができる。なお、圧電不活性層を挿入したことにより、変位量を大きくできるのは、原因は明らかではないが、次のように考察できる。一般的に、板（または梁）を曲げた時、凸側に引張応力、凹側に圧縮応力が発生するが、厚み方向に対して、どちらの応力も生じない位置として中立線が存在する。単一材料で、厚み一定の単純な平板であれば、中立線は厚みの半分の位置になる。本発明では、厚みが薄いので電極層は拡散防止層を無視すれば、圧電層（活性層と不活性層両方）とステンレス層の２層構造と考えることにができる。圧電層とステンレス層はヤング率（剛性）が異なる材料のため、中立線の位置が、双方の厚みによって変わる。この中立線の位置によって、曲がりやすい（変位しやすい）位置があり、圧電不活性層を挿入していくことは、中立線の位置を変えて、曲がりやすい位置にきているために、変位が拡大できると考えられる。 The droplet ejection device of the present invention is configured by laminating a diffusion prevention layer, a piezoelectric inactive layer, a lower electrode, a piezoelectric active layer, and an upper electrode on a vibration plate of a substrate having a flow path structure formed therein. Yes. That is, it differs from the conventional structure only in that a piezoelectric inactive layer is inserted between the diffusion preventing layer and the lower electrode. The present invention is based on the finding that the inventors can obtain the effect of increasing the displacement of the diaphragm even with the same driving voltage by inserting the piezoelectric inactive layer. That is, the piezoelectric membrane actuator can increase the displacement of the diaphragm even when the drive voltage is the same as that of the conventional piezoelectric membrane actuator, thereby obtaining the displacement required for liquid ejection even if the pressure chamber is downsized. It came to be able to. In addition, since the rigidity of the vibration portion is increased by the increase of the piezoelectric inactive layer, it is less affected by the vibration of the ink, and stable droplet ejection is possible. In addition, since the piezoelectric inactive layer has a simple structure in which only the piezoelectric inactive layer is added and the piezoelectric inactive layer can be formed using the same process as that for forming the piezoelectric active layer, capital investment can be suppressed. Further, when the same material as the piezoelectric active layer is used for the piezoelectric inactive layer, the problem of delamination due to the difference in the thermal expansion coefficient during the heat treatment does not occur, so that the manufacture is easy. From the above results, according to the present invention, it is possible to provide an inexpensive, high quality and highly reliable droplet ejecting apparatus. The reason why the displacement amount can be increased by inserting the piezoelectric inactive layer is not clear, but can be considered as follows. In general, when a plate (or beam) is bent, tensile stress is generated on the convex side and compressive stress is generated on the concave side, but a neutral line exists as a position where neither stress is generated in the thickness direction. If it is a single material and a simple flat plate with a constant thickness, the neutral line will be half the thickness. In the present invention, since the thickness is small, the electrode layer can be considered as a two-layer structure of a piezoelectric layer (both active layer and inactive layer) and a stainless steel layer if the diffusion preventing layer is ignored. Since the piezoelectric layer and the stainless steel layer are materials having different Young's moduli (rigidity), the position of the neutral line varies depending on the thickness of both. Depending on the position of this neutral line, there is a position that is easy to bend (displaces easily), and inserting the piezoelectric inactive layer changes the position of the neutral line, and the position is easy to bend. It can be expanded.

すなわち、本発明により、単純な構造で、かつ同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる圧電膜型アクチュエータ、および、その圧電膜型アクチュエータを用いて、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能な液滴噴射装置が得られ、さらにそれらの製造方法が得られる。 That is, according to the present invention, a piezoelectric film type actuator having a simple structure and capable of increasing the displacement of the diaphragm even with the same driving voltage, and liquid ejection even if the pressure chamber is miniaturized using the piezoelectric film type actuator. In addition, it is possible to obtain a liquid droplet ejecting apparatus capable of obtaining a necessary displacement amount and capable of stably ejecting liquid droplets, and to obtain a manufacturing method thereof.

本発明による圧電膜型アクチュエータの一実施の形態の構成を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a configuration of an embodiment of a piezoelectric film type actuator according to the present invention.本発明による液滴噴射装置の一実施の形態を示す図であり、基板内部に設けた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図。It is a figure which shows one Embodiment of the droplet ejecting apparatus by this invention, and is sectional drawing which shows the piezoelectric film type actuator part formed in the pressure chamber provided in the inside of a board | substrate, and its upper part.従来の圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置の一例を示す部分断面斜視図。FIG. 6 is a partial cross-sectional perspective view showing an example of a droplet ejecting apparatus using a conventional piezoelectric film type actuator.図３のＡ−Ａ部分断面図であり、基板内部に設けた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図。FIG. 4 is a partial cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3, showing a pressure chamber provided inside the substrate and a piezoelectric film type actuator portion formed on the pressure chamber.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明による圧電膜型アクチュエータの一実施の形態の構成を示す断面図である。図１において、本実施の形態の圧電膜型アクチュエータ２は圧電膜に電圧を印加することによって圧電膜に生ずる変位を利用する圧電膜型アクチュエータであって、ステンレス基板２０上に、拡散防止層１５、圧電不活性層１４、下部電極１３、圧電膜からなる圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層されてなり、下部電極１３と上部電極１１との間に印加される電圧によって生ずる変位を利用するものである。拡散防止層１５はステンレス基板２０と圧電不活性層１４との間での相互拡散を防止するため形成されており、本実施の形態においては拡散防止層１５はステンレス基板２０の表面に形成された酸化皮膜層である。また、圧電不活性層１４は圧電活性層１２を構成する圧電膜と同じ材料から構成され、共にＡＤ法によって形成されている。そして、圧電活性層１２に圧電性を発現させるべく、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加して分極処理が行われる。 FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of a piezoelectric film type actuator according to the present invention. In FIG. 1, a piezoelectricfilm type actuator 2 according to the present embodiment is a piezoelectric film type actuator that utilizes a displacement generated in a piezoelectric film by applying a voltage to the piezoelectric film. The piezoelectricinactive layer 14, thelower electrode 13, the piezoelectricactive layer 12 made of a piezoelectric film, and theupper electrode 11 are sequentially stacked, and the displacement generated by the voltage applied between thelower electrode 13 and theupper electrode 11 is used. To do. Thediffusion prevention layer 15 is formed to prevent mutual diffusion between thestainless steel substrate 20 and the piezoelectricinactive layer 14. In this embodiment, thediffusion prevention layer 15 is formed on the surface of thestainless steel substrate 20. It is an oxide film layer. The piezoelectricinactive layer 14 is made of the same material as the piezoelectric film constituting the piezoelectricactive layer 12, and is formed by the AD method. Then, in order to develop piezoelectricity in the piezoelectricactive layer 12, a predetermined voltage is applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13 to perform polarization processing.

このように作製された圧電膜型アクチュエータは、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加すると、圧電活性層１２は逆圧電効果によって変位し、それに応じてステンレス基板１０も変位し、アクチュエータとして機能する。 In the piezoelectric film type actuator thus manufactured, when a predetermined voltage is applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13, the piezoelectricactive layer 12 is displaced by the inverse piezoelectric effect, and thestainless steel substrate 10 is also displaced accordingly. Functions as an actuator.

図２は本発明による液滴噴射装置の一実施の形態を示す図であり、基板内部に設けられた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図である。図２において、本実施の形態の液滴噴射装置３は、上記の実施の形態と同様な圧電膜型アクチュエータを用い、ステンレス基板１０の内部に圧力室１７を含む流路構造が形成され、圧力室１７の上部に拡散防止層１５、圧電不活性層１４、下部電極１３、圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層されてなり、圧力室１７の上部の振動を介して圧力室１７内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射する。 FIG. 2 is a view showing an embodiment of the droplet ejecting apparatus according to the present invention, and is a cross-sectional view showing a pressure chamber provided in the substrate and a piezoelectric film type actuator portion formed on the pressure chamber. In FIG. 2, thedroplet ejecting apparatus 3 of the present embodiment uses a piezoelectric film type actuator similar to that of the above embodiment, and a flow path structure including apressure chamber 17 is formed inside thestainless steel substrate 10. Adiffusion prevention layer 15, a piezoelectricinactive layer 14, alower electrode 13, a piezoelectricactive layer 12, and anupper electrode 11 are sequentially laminated on the upper portion of thechamber 17, and thepressure chamber 17 is vibrated through vibrations in the upper portion of thepressure chamber 17. Droplets are ejected by applying pressure to the liquid.

本実施の形態の液滴噴射装置のステンレス基板１０の形状は図３の従来の液滴噴射装置のステンレス基板１０と同じであり、図２は図３のＡ−Ａ断面の一部に対応している。すなわち、図３に示すように、ステンレス基板１０の内部には液体の流路が略平行に整列して複数形成されており、各流路の一部には圧力室１７が設けられている。圧力室１７の上部には振動板１６がステンレス基板１０の一部として形成されている。上述のように、拡散防止層１５はステンレス基板２０と圧電不活性層１４との間での相互拡散を防止する目的で形成され、また、圧電活性層１２と圧電不活性層１４は同じ材料から構成され、共にＡＤ法によって形成されている。そして、圧電活性層１２に圧電性を発現させるべく、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加して分極処理が行われている。 The shape of thestainless steel substrate 10 of the liquid droplet ejecting apparatus of the present embodiment is the same as thestainless steel substrate 10 of the conventional liquid droplet ejecting apparatus of FIG. 3, and FIG. 2 corresponds to a part of the AA cross section of FIG. ing. That is, as shown in FIG. 3, a plurality of liquid flow paths are formed in parallel inside thestainless steel substrate 10, and apressure chamber 17 is provided in a part of each flow path. Adiaphragm 16 is formed as a part of thestainless steel substrate 10 at the upper part of thepressure chamber 17. As described above, thediffusion preventing layer 15 is formed for the purpose of preventing mutual diffusion between thestainless steel substrate 20 and the piezoelectricinactive layer 14, and the piezoelectricactive layer 12 and the piezoelectricinactive layer 14 are made of the same material. Both are formed by the AD method. Then, in order to cause the piezoelectricactive layer 12 to exhibit piezoelectricity, a predetermined voltage is applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13 to perform polarization processing.

このように作製された液滴噴射装置は、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加すると圧電活性層１２は逆圧電効果によって変位し、それに応じて振動板１６も変位し、振動板１６の変形によって圧力室１７に充填されている液体に圧力が印加され、その結果図３に示す吐出口１８から液体が噴射する、という機能を有している。 In the droplet ejecting apparatus thus manufactured, when a predetermined voltage is applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13, the piezoelectricactive layer 12 is displaced by the inverse piezoelectric effect, and thediaphragm 16 is also displaced accordingly. A pressure is applied to the liquid filled in thepressure chamber 17 by the deformation of thevibration plate 16, and as a result, the liquid is ejected from thedischarge port 18 shown in FIG.

次に、上記の実施の形態の液滴噴射装置およびその製造方法の具体的な一実施例ついて説明する。 Next, a specific example of the droplet ejecting apparatus and the manufacturing method thereof according to the above embodiment will be described.

図２のステンレス基板１０の材料として、Ａｌを含有したフェライト系ステンレス材を用いた。圧力室を含めた流路構造が構成されるように、複数のステンレス板をエッチング加工により形状を加工し、それらを積層して真空熱圧着し、一体化させて作製した。この時のステンレス基板１０の厚みは０．５２ｍｍ、圧力室１７の大きさは幅０．３５ｍｍ、長さ０．５５ｍｍ、高さ０．１ｍｍ、振動板１６の厚みは２０μｍである。 As a material of thestainless steel substrate 10 in FIG. 2, a ferritic stainless steel material containing Al was used. A plurality of stainless steel plates were processed by etching so that a flow path structure including a pressure chamber was formed, and these were laminated, vacuum thermocompression bonded, and integrated. At this time, the thickness of thestainless steel substrate 10 is 0.52 mm, the size of thepressure chamber 17 is 0.35 mm in width, 0.55 mm in length, 0.1 mm in height, and the thickness of thediaphragm 16 is 20 μm.

その後、ステンレス基板１０を大気中で１１００℃の熱処理を行うことで生成される酸化皮膜を拡散防止層１５とした。拡散防止層１５の厚さは約０．５μｍである。次に、拡散防止層１５上にＡＤ法によって圧電不活性層１４を形成した。材料として、圧電体であるジルコン酸チタン酸鉛（以下、ＰＺＴ）系材料を用いた。次に、下部電極１３として、スパッタ法によりＰｔ膜を厚さ０．５μｍ形成した。圧電活性層１２はＡＤ法によって、圧電不活性層１４と同じＰＺＴ系材料を使用して、厚さ８μｍ形成した。さらに圧電特性向上のため、９５０℃で熱処理を行った。次に、上部電極１１として、スパッタ法によりＡｕ膜を厚さ０．５μｍ形成した。その後、上部電極１１と下部電極１３の間に電圧を印加して分極処理を行って、液滴噴射装置とした。 Thereafter, thediffusion barrier layer 15 was an oxide film produced by performing a heat treatment at 1100 ° C. on thestainless steel substrate 10 in the atmosphere. The thickness of thediffusion preventing layer 15 is about 0.5 μm. Next, the piezoelectricinactive layer 14 was formed on thediffusion preventing layer 15 by the AD method. As a material, a lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) material which is a piezoelectric body was used. Next, a Pt film having a thickness of 0.5 μm was formed as thelower electrode 13 by sputtering. The piezoelectricactive layer 12 was formed by AD method using the same PZT material as the piezoelectricinactive layer 14 to a thickness of 8 μm. Further, heat treatment was performed at 950 ° C. in order to improve the piezoelectric characteristics. Next, an Au film having a thickness of 0.5 μm was formed as theupper electrode 11 by sputtering. Thereafter, a voltage was applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13 to perform polarization treatment, thereby obtaining a droplet ejecting apparatus.

このように作製された液滴噴射装置について、振動板１６の変位量と液滴噴射の可否を評価した。また、振動板、圧電不活性膜などを含めた振動部分の屈曲振動の共振周波数についても測定した。共振周波数は振動部の剛性と相関があり、剛性が高くなれば共振周波数も高くなるので、共振周波数を測定することにより振動部の剛性の高低を評価できる。 With respect to the droplet ejection device thus manufactured, the displacement amount of thediaphragm 16 and the possibility of droplet ejection were evaluated. Further, the resonance frequency of the bending vibration of the vibrating portion including the diaphragm and the piezoelectric inactive film was also measured. The resonance frequency has a correlation with the rigidity of the vibration part, and the higher the rigidity is, the higher the resonance frequency is. Therefore, the height of the vibration part can be evaluated by measuring the resonance frequency.

変位は、上部電極１１と下部電極１３の間に１ｋＨｚ、最大電圧２０Ｖ、最小電圧０Ｖとなる正弦波の電圧を印加した時の振動による最大の変位量をレーザドップラー変位計にて測定した。共振周波数はインピーダンスアナライザを用い、周波数を掃引しながら電圧を印加して上部電極１１と下部電極１３間のインピーダンスを測定し、インピーダンスが極小値となる周波数から求めた。液滴噴射は圧力室１７に純水を満たした状態で、上部電極１１と下部電極１３の間に１０ｋＨｚ、最大電圧２０Ｖ、最小電圧０Ｖ、デューティー比５０％となる矩形波の電圧を印加して、吐出口１８からの噴射状態を観察した。 The displacement was measured by a laser Doppler displacement meter with respect to the maximum displacement caused by vibration when a sine wave voltage of 1 kHz, maximum voltage 20 V, and minimum voltage 0 V was applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13. The resonance frequency was obtained from the frequency at which the impedance became a minimum value by measuring the impedance between theupper electrode 11 and thelower electrode 13 by applying a voltage while sweeping the frequency and using an impedance analyzer. In droplet ejection, a rectangular wave voltage of 10 kHz, maximum voltage 20 V, minimum voltage 0 V, and duty ratio 50% is applied between theupper electrode 11 and thelower electrode 13 while thepressure chamber 17 is filled with pure water. The injection state from thedischarge port 18 was observed.

表１に、圧電不活性層１４の厚さを変えていった場合の、変位量、共振周波数、液滴噴射の可否の評価結果を示す。圧電不活性層１４の厚さは、４μｍ、８μｍ、１２μｍの場合と、比較のため従来の構造の圧電不活性層１４がない場合、すなわち厚さ０μｍの場合について評価を行った。 Table 1 shows the evaluation results of the displacement amount, the resonance frequency, and the possibility of droplet ejection when the thickness of the piezoelectricinactive layer 14 is changed. The thickness of the piezoelectricinactive layer 14 was evaluated in the case of 4 μm, 8 μm, and 12 μm, and for comparison, the case where there was no piezoelectricinactive layer 14 having a conventional structure, that is, the thickness of 0 μm.

従来構造の圧電不活性層１４がない場合、つまり厚さ０μｍの時の変位量が５０ｎｍであるのに対して、本発明の構造である圧電不活性層１４がある場合は、その厚さがそれぞれ、４μｍで６５ｎｍ、８μｍで７２ｎｍ、１２μｍで７４ｎｍと変位量が大きくなっていることが分かり、１２μｍでは変位量はほぼ飽和状態となっている。共振周波数も、圧電不活性層１４の厚さが、０μｍで７３３ｋＨｚ、４μｍで７５６ｋＨｚ、８μｍで７８４ｋＨｚ、１２μｍで８１６ｋＨｚと厚さが増えるに従い共振周波数が高くなっており、圧電不活性層１４があることで剛性が高い構造となっていることが分かる。液滴噴射については従来構造の圧電不活性層１４が０μｍの時では液滴噴射ができなかったが、本発明の構造では、圧電不活性層１４がいずれの厚さにおいても液滴噴射することができた。以上の結果から、本発明の有効性について確認することができた。 When there is no piezoelectricinactive layer 14 having a conventional structure, that is, when the thickness is 0 μm, the displacement is 50 nm, whereas when there is a piezoelectricinactive layer 14 having the structure of the present invention, the thickness is It can be seen that the displacement is large at 65 μm at 4 μm, 72 nm at 8 μm, and 74 nm at 12 μm, and the displacement is almost saturated at 12 μm. The resonance frequency also increases as the thickness of the piezoelectricinactive layer 14 increases to 733 kHz at 0 μm, 756 kHz at 4 μm, 784 kHz at 8 μm, 816 kHz at 12 μm, and the piezoelectricinactive layer 14 is present. This shows that the structure has high rigidity. Regarding droplet ejection, droplet ejection could not be performed when the piezoelectricinactive layer 14 having a conventional structure was 0 μm. However, in the structure of the present invention, the piezoelectricinactive layer 14 ejects droplets at any thickness. I was able to. From the above results, the effectiveness of the present invention could be confirmed.

すなわち、本発明による圧電膜型アクチュエータは同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくでき、その圧電膜型アクチュエータを用いた本発明による液滴噴射装置は、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能であることが確認できた。 That is, the piezoelectric film type actuator according to the present invention can increase the displacement amount of the diaphragm even with the same driving voltage, and the liquid droplet ejecting apparatus using the piezoelectric film type actuator according to the present invention can eject liquid even if the pressure chamber is downsized. As a result, it was confirmed that a necessary amount of displacement was obtained and stable droplet ejection was possible.

なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的に合わせて設計変更可能である。例えば、前述の実施例では圧電材料としてＰＺＴ系を用いたが、これに限定されるものではなく、他の鉛系圧電材料や、チタン酸バリウムなどの非鉛系圧電材料でも構わない。また、基板の材料はステンレス基板以外にも、従来の材料であるシリコン、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ガラスを用いることができる。この場合も、基板の振動板の厚さを薄くしても圧電不活性層があることにより変位量および振動部の剛性を改善することができ本発明の効果を得ることができる。また、圧電不活性層は必ずしも圧電活性層と同じ材料でなくても同様な弾性定数を有する材料であれば本発明の効果が得られる。但し、同じ材料である場合の方が製造は簡単となる。また、本発明の圧電膜型アクチュエータおよび液体噴射装置の製造方法も上記の実施例に限定されるものではない。Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and the design can be changed according to the purpose. For example, although the PZT system is used as the piezoelectric material in the above-described embodiments, the present invention is not limited to this, and other lead-based piezoelectric materials or non-lead-based piezoelectric materials such as barium titanate may be used. In addition to the stainless steel substrate, silicon, Al₂ O₃ , ZrO₂ , and glass, which are conventional materials, can be used as the substrate material. Also in this case, even if the thickness of the diaphragm of the substrate is reduced, the displacement amount and the rigidity of the vibration part can be improved by the presence of the piezoelectric inactive layer, and the effect of the present invention can be obtained. Further, even if the piezoelectric inactive layer is not necessarily the same material as the piezoelectric active layer, the effect of the present invention can be obtained as long as the material has a similar elastic constant. However, manufacturing is easier when the same material is used. In addition, the method for manufacturing the piezoelectric film type actuator and the liquid ejecting apparatus of the present invention is not limited to the above embodiment.

本発明は、液体を圧電素子によって噴射する装置の広い分野で利用することができ、例えば印刷用やその他の産業用のインクジェット装置、医療用マイクロポンプなどで利用できる。また、本発明による圧電膜型アクチュエータは、液滴噴射装置の用途以外に、ミラー用光スキャナーなどの駆動用アクチュエータとしても利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a wide field of apparatuses for ejecting liquid by piezoelectric elements, and can be used in, for example, printing and other industrial inkjet apparatuses, medical micropumps, and the like. Further, the piezoelectric film type actuator according to the present invention can be used as a driving actuator for a mirror optical scanner, in addition to the use of a droplet ejecting apparatus.

１、３液滴噴射装置
２圧電膜型アクチュエータ
１０、２０ステンレス基板
１１上部電極
１２圧電活性層
１３下部電極
１４圧電不活性層
１５拡散防止層
１６振動板
１７圧力室
１８吐出口DESCRIPTION OFSYMBOLS 1, 3Droplet injection apparatus 2 Piezoelectricfilm type actuators 10, 20Stainless steel substrate 11Upper electrode 12 Piezoelectricactive layer 13Lower electrode 14 Piezoelectricinactive layer 15Diffusion prevention layer 16Diaphragm 17Pressure chamber 18 Ejection port

Claims

Translated fromJapanese

ステンレス基板上に、圧電膜との相互拡散を防止する拡散防止層、前記圧電膜からなる圧電不活性層、下部電極、前記圧電膜からなる圧電活性層、上部電極が、順次直接積層されてなり、前記圧電活性層に電圧を印加することによって生ずる変位を利用して物体を駆動することを特徴とする圧電膜型アクチュエータ。On the stainless steel substrate,a diffusion preventing layerfor preventing mutual diffusion with thepiezoelectric film, a piezoelectric inactive layer made of thepiezoelectric film , a lower electrode,a piezoelectric active layer made of thepiezoelectric film , and an upper electrode are sequentially laminated in order., the piezoelectric film type actuator and drives thefront Symbol object using a displacement caused by applying a voltage to the piezoelectricactive layer.

前記圧電不活性層は前記圧電活性層と同じ材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電膜型アクチュエータ。The piezoelectric film type actuator according to claim 1, wherein the piezoelectricinactive layer is made of the same material as the piezoelectricactive layer .

請求項１または２に記載の圧電膜型アクチュエータにおける前記ステンレス基板の内部に圧力室を含む流路構造を形成し、前記圧力室の上部に前記拡散防止層を積層し、前記圧力室の上部の振動を介して前記圧力室内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射することを特徴とする液滴噴射装置。 A flow path structure including a pressure chamber is formed inside the stainless steel substrate in the piezoelectric film type actuator according to claim 1 or 2, the diffusion prevention layer is stacked on the pressure chamber, and an upper portion of the pressure chamber is formed. A droplet ejecting apparatus, wherein a droplet is ejected by applying pressure to a liquid in the pressure chamber through vibration.

前記圧電不活性層と前記圧電活性層はエアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。 3. The method for manufacturing a piezoelectric film type actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric inactive layer and the piezoelectric active layer are formed by an aerosol deposition method.

前記圧電不活性層と前記圧電活性層はエアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする請求項３記載の液滴噴射装置の製造方法。 4. The method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to claim 3, wherein the piezoelectric inactive layer and the piezoelectric active layer are formed by an aerosol deposition method.