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JP2005223354A - Manufacturing method of multilayer piezoelectric body - Google Patents

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JP2005223354A
JP2005223354A JP2005095002A JP2005095002A JP2005223354A JP 2005223354 A JP2005223354 A JP 2005223354A JP 2005095002 A JP2005095002 A JP 2005095002A JP 2005095002 A JP2005095002 A JP 2005095002A JP 2005223354 A JP2005223354 A JP 2005223354A
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green sheet
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pressing
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JP2005095002A
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Shinichi Handa
真一 半田
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a multilayer piezoelectric body by which thin layers of not more than 100 μm are formed while reducing in-plane variations in thickness. <P>SOLUTION: This manufacturing method of the multilayer piezoelectric body comprises following processes of: mixing a piezoelectric ceramic powder of not more than 1 μm in average particle diameter and an organic binder component, and then producing slurry for tape formation; forming a green sheet by performing tape formation by using the slurry obtained in the mixing process; pressing the green sheet formed in the forming process; laminating the green sheets to form a laminate article; and baking the laminate article obtained in the lamination process. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、微細なインク吐出孔からインク滴を吐出して文字や画像を印刷する各種プリンタや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置に搭載されるインクジェット印刷ヘッド等に、アクチュエータとして好適に使用される積層圧電体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to various printers, recorders, facsimiles for printing characters and images by ejecting ink droplets from fine ink ejection holes, or printing apparatuses such as printing machines used for pattern formation in the textile and ceramic industries. The present invention relates to a method for manufacturing a laminated piezoelectric material that is suitably used as an actuator for an inkjet print head or the like to be mounted.

近年、マルチメディアの浸透に伴い、インパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般家庭分野において広がりつつある。   In recent years, with the penetration of multimedia, non-impact recording devices using inkjet and thermal transfer methods have been developed in place of impact recording devices, and the range of use is expanding in various industrial and general household fields. is there.

かかるノンインパクト方式の記録装置のなかでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いことから将来性が注目されている。   Among such non-impact recording apparatuses, a recording apparatus using an ink-jet system is attracting attention because it is easy to increase the number of gradations and colors and has a low running cost.

インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、例えば図3(a)に示したように、複数の溝がインク流路23aとして並設され、各インク流路23aを仕切る壁として隔壁23bを形成した流路部材23の上に、アクチュエータが設けられた構造を有する。   For example, as shown in FIG. 3A, a print head using an ink jet system has a plurality of grooves arranged in parallel as ink flow paths 23a, and a flow path in which partition walls 23b are formed as walls that partition the ink flow paths 23a. An actuator is provided on the member 23.

即ち、圧電層24の一方の主面に共通電極25を形成するとともに、他方の主面に複数の個別電極26を形成し、複数の変位素子27が設けられてなるアクチュエータが、流路部材23の開口部であるインク流路23aの直上に個別電極26を配置するように、アクチュエータと流路部材23とを接着する。   That is, an actuator in which a common electrode 25 is formed on one main surface of the piezoelectric layer 24 and a plurality of individual electrodes 26 are formed on the other main surface and a plurality of displacement elements 27 are provided is provided in the flow path member 23. The actuator and the flow path member 23 are bonded so that the individual electrode 26 is disposed immediately above the ink flow path 23a, which is the opening of the ink.

共通電極25と個別電極26との間に電圧を印加して変位素子27を振動させることによりインク流路23a内のインクを加圧し、流路部材23の底面に開口させたインク吐出孔28よりインク滴を吐出するような構造になっている。   By applying a voltage between the common electrode 25 and the individual electrode 26 to vibrate the displacement element 27, the ink in the ink flow path 23 a is pressurized, and the ink discharge hole 28 opened on the bottom surface of the flow path member 23. It is structured to eject ink droplets.

また、図3(b)に示したように、圧電層24上に個別電極26を等ピッチで多数並設し、変位素子27を多数設けた印刷ヘッドを構成するとともに、各変位素子27を独立して制御することにより、インクジェットプリンタの高速化及び高精度化に寄与することが可能である。   Further, as shown in FIG. 3B, a print head is provided in which a large number of individual electrodes 26 are arranged in parallel on the piezoelectric layer 24 at an equal pitch, and a large number of displacement elements 27 are provided. Thus, it is possible to contribute to speeding up and high accuracy of the ink jet printer.

ところが、近年、インクジェットプリンタは、高速化高精度化が追求されており、その結果、インク吐出に直接関係する変位素子27、特に圧電層24に対して、薄層化と高精度な圧電特性が必要となり、具体的には特性のバラツキが少ない圧電アクチュエータが必要となっている。   However, in recent years, inkjet printers have been pursuing higher speed and higher accuracy. As a result, the displacement element 27, particularly the piezoelectric layer 24, which is directly related to ink ejection, has a thin layer and high-precision piezoelectric characteristics. Specifically, there is a need for a piezoelectric actuator with little variation in characteristics.

ところで、セラミック層や圧電層の厚みを均一にする手段としては、乾燥での厚みバラツキを低減させるために、予め、テープ成形用のスラリー中の溶媒量を従来の1/3程度に減らし、且つ、該スラリーを複数のロール間を通過させ厚みを均一としたところで乾燥工程に投入し、厚み500μmのグリーンシートのバラツキを低減する試みが行なわれている。
特開平11−34321号公報図1 特開2000−232035号公報
By the way, as a means for making the thickness of the ceramic layer and the piezoelectric layer uniform, in order to reduce the thickness variation in drying, the amount of solvent in the slurry for tape forming is reduced to about 1/3 of the conventional one, and Attempts have been made to reduce the variation of a 500 μm thick green sheet by passing the slurry between a plurality of rolls and making it uniform when it is made uniform.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-34321 FIG. Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2332035

ところが、溶媒量を低減する特許文献2の方法では、テープ成形用のスラリーは粘度が高く成形されるテープの厚みが大きくなり、更に、乾燥収縮も少ない為に、原理的に数百μm以上の厚層のテープ成形しか行えず、50μm以下、特に数十μmレベルの薄層のテープ成形は行えないという問題があった。   However, in the method of Patent Document 2 for reducing the amount of solvent, the slurry for tape molding has a high viscosity and the thickness of the tape to be molded is increased, and further, the drying shrinkage is small. There is a problem that only thick-layer tape molding can be performed, and thin-layer tape molding of 50 μm or less, especially several tens of μm level cannot be performed.

逆に、薄層のテープ成形を行おうとすると、テープ成形用のスラリーの溶媒量を増やさなければならず、その結果、乾燥工程において厚みバラツキを発生させてしまうことになり、結論的に厚みバラツキの少ない薄層のテープ成形は行えないという問題があった。   Conversely, if a thin layer tape is to be formed, the amount of solvent in the tape forming slurry must be increased, resulting in a thickness variation in the drying process. There was a problem that it was not possible to form a thin layer tape with a small amount.

本発明の目的は、厚みの面内バラツキを低減し、且つ100μm以下の薄層の積層圧電体の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for producing a laminated piezoelectric material having a thin layer of 100 μm or less with reduced in-plane thickness variation.

本発明は、100μm以下の積層圧電体において、セラミック基板の主面に多数設けられた変位素子の変位バラツキを低減するためには、積層圧電体の厚みの面内バラツキを抑制することが重要であることを知見するとともに、それを実現するためには、微細な原料粉体を用いてテープ成形を行うとともに、グリーンシートを加圧することによって、全体厚みの面内バラツキを低減し、圧電特性の優れた積層圧電体を製造できるという新規な知見に基づくもので、これにより、薄層の圧電磁器を作製でき、しかもインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いることによって高速、高精彩、高精度のプリンタを実現することが可能となる。   In the present invention, in a multilayer piezoelectric body of 100 μm or less, it is important to suppress the in-plane variation of the thickness of the multilayer piezoelectric body in order to reduce the displacement variation of a plurality of displacement elements provided on the main surface of the ceramic substrate. In order to realize this and to realize it, tape molding is performed using fine raw material powder, and in-plane variation of the overall thickness is reduced by pressurizing the green sheet to reduce the piezoelectric properties. Based on the new knowledge that it can produce excellent multilayer piezoelectric materials, it can produce thin-layer piezoelectric ceramics, and realize high-speed, high-definition, and high-precision printers by using them in the print heads of inkjet printers. It becomes possible to do.

即ち、本発明の積層圧電体の製造方法は、平均粒径が1μm以下の圧電セラミック粉体と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する混合工程と、該混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、テープ成形を行ってグリーンシートを形成する成形工程と、該成形工程で得られたグリーンシートを加圧する加圧工程と、該加圧工程で得られたグリーンシートに電極を塗布した後、該グリーンシートを積層して積層成形体を得る積層工程と、該積層工程で得られた積層成形体を焼成する焼成工程を具備することを特徴とするものである。   That is, the method for producing a laminated piezoelectric material of the present invention was obtained by mixing a piezoelectric ceramic powder having an average particle size of 1 μm or less and an organic binder component to produce a tape-forming slurry, and the mixing step. A tape forming slurry is used to form a green sheet by tape forming, a pressure step for pressing the green sheet obtained in the molding step, and a green sheet obtained in the pressure step. It is characterized by comprising a laminating step of laminating the green sheets to obtain a laminated molded body after applying the electrode, and a firing step of firing the laminated molded body obtained in the laminating step.

これによって、上記の積層圧電体を得ることができる。 As a result, the laminated piezoelectric material can be obtained.

特に、前記加圧工程において、ロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法の少なくとも1種の方法を用いて加圧することが好ましい。これにより、より均一な厚み制御を可能とし、しかも容易に厚み制御を行うことができる。   In particular, in the pressurizing step, it is preferable to pressurize using at least one method of a roll pressurization method, a plane pressurization method, and a hydrostatic pressure pressurization method. As a result, more uniform thickness control is possible, and thickness control can be easily performed.

また、前記加圧工程における加圧圧力が10〜100MPaであることが好ましい。この圧力範囲で加圧を行うことによって、グリーンシートの厚みバラツキを低減し、厚みを均一化することができるとともに、焼結性を向上することによる組成バラツキ抑制効果があり、さらなる変位のバラツキ低減に寄与できる。   Moreover, it is preferable that the pressurization pressure in the said pressurization process is 10-100 Mpa. By applying pressure in this pressure range, the thickness variation of the green sheet can be reduced and the thickness can be made uniform, and there is an effect of suppressing composition variation by improving sinterability, further reducing variation variation. Can contribute.

さらに、前記加圧工程における加圧温度が0〜300℃であることを特徴とすることが好ましい。これにより、グリーンシート厚みを均一に制御することが可能となり、また、同時に生密度の均質化も行える。   Furthermore, it is preferable that the pressurization temperature in the said pressurization process is 0-300 degreeC. Thereby, the green sheet thickness can be controlled uniformly, and at the same time, the green density can be homogenized.

さらにまた、前記加圧工程で得られたグリーンシートの厚みバラツキが15%以下であることが好ましい。これにより、積層工程で得られた積層成形体の厚みバラツキを15%以下に抑制することが容易となり、焼成工程で得られた積層圧電体の厚みの面内バラツキを10%以下にすることも容易となる。   Furthermore, it is preferable that the thickness variation of the green sheet obtained by the said pressurization process is 15% or less. Thereby, it becomes easy to suppress the thickness variation of the laminated molded body obtained in the laminating process to 15% or less, and the in-plane variation of the thickness of the laminated piezoelectric body obtained in the firing process can be made 10% or less. It becomes easy.

本発明は、圧電積層体の厚みの面内バラツキが少なく、且つ高速応答可能な100μm以下の薄層の積層圧電体の製造方法を提供することが可能となった。   The present invention has made it possible to provide a method for producing a laminated piezoelectric material having a thin layer of 100 μm or less that is capable of high-speed response with little in-plane variation in the thickness of the piezoelectric laminate.

特に、微細な原料粉体を用いるとともに、成形体を加圧して厚みを均一化することによって生密度を高め、厚みの均一になったグリーンシートを得るよって、変位量の面内バラツキが少ない薄層の圧電磁器からなる積層圧電体を製造することができる。   In particular, a fine raw material powder is used and the green body is pressed to make the thickness uniform, thereby increasing the green density and obtaining a green sheet with a uniform thickness. A laminated piezoelectric body composed of piezoelectric ceramic layers can be manufactured.

本発明の製法によって作製した積層圧電体は、各層及び総厚みが制御され、厚みバラツキが小さいため、インクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いると高速、高精彩、高精度を実現することができる。   Since the laminated piezoelectric material manufactured by the manufacturing method of the present invention is controlled in each layer and the total thickness and has little variation in thickness, when used in a print head of an inkjet printer, high speed, high definition, and high accuracy can be realized.

本発明の製法によって作製した積層圧電体を、インクジェット印刷ヘッドに採用したアクチュエータに用いる場合を例として説明する。   The case where the laminated piezoelectric material manufactured by the manufacturing method of the present invention is used for an actuator employed in an ink jet print head will be described as an example.

本発明の製法によって作製した積層圧電体は、図1に示すように、セラミック層2aが積層されてなるセラミック基板2の表面に、圧電層4が共通電極5と個別電極6とで挟持されるように設けられた変位素子7が形成されてなるものであり、積層圧電体全体の厚みがT、各セラミック層2a及び圧電層4の厚みがtで示される。   As shown in FIG. 1, the laminated piezoelectric material manufactured by the manufacturing method of the present invention has the piezoelectric layer 4 sandwiched between the common electrode 5 and the individual electrode 6 on the surface of the ceramic substrate 2 on which the ceramic layer 2 a is laminated. The displacement element 7 provided as described above is formed, and the thickness of the entire laminated piezoelectric body is indicated by T, and the thickness of each ceramic layer 2a and the piezoelectric layer 4 is indicated by t.

本発明の製法によって作製した積層圧電体は、セラミック層2aが積層されてなるものであり、例えば、4層のセラミック層2aからなるセラミック基板2の表面に、圧電層4と共通電極5と個別電極6からなる変位素子7が複数形成されている。そして、各圧電層及び圧電層の厚みtは、用いられる材料の材料特性、素子寸法等により適宜決定される。   The laminated piezoelectric material manufactured by the manufacturing method of the present invention is formed by laminating ceramic layers 2a. For example, the piezoelectric layer 4 and the common electrode 5 are individually provided on the surface of the ceramic substrate 2 composed of four ceramic layers 2a. A plurality of displacement elements 7 composed of electrodes 6 are formed. The thickness t of each piezoelectric layer and piezoelectric layer is determined as appropriate depending on the material characteristics, element dimensions, and the like of the material used.

具体的には、積層圧電体の厚み、即ちアクチュエータの総厚みTは、大きな変位を得るために、100μm以下であることが重要であり、特に80μm以下、更には60μm以下であることが好ましい。また、セラミック基板2及び圧電層4を積層体とするのは、積層圧電体の内部に電気回路を組み込むことが容易となるためであり、積層体を構成するセラミック層2aの各層及び圧電層4の厚みtを50μm以下にすることが重要であり、特に35μm以下、更には20μm以下であることが好ましい。特に、tを20μm以下、Tを60μm以下とすることがアクチュエータとしての優れた特性を得るために好適である。   Specifically, the thickness of the laminated piezoelectric body, that is, the total thickness T of the actuator is important to be 100 μm or less, particularly 80 μm or less, and more preferably 60 μm or less in order to obtain a large displacement. The reason why the ceramic substrate 2 and the piezoelectric layer 4 are formed as a laminate is that it is easy to incorporate an electric circuit in the laminate piezoelectric body, and each layer of the ceramic layer 2a and the piezoelectric layer 4 constituting the laminate. It is important that the thickness t is 50 μm or less, particularly 35 μm or less, more preferably 20 μm or less. In particular, t is preferably 20 μm or less and T is 60 μm or less in order to obtain excellent characteristics as an actuator.

なお、積層圧電体の厚みTは、変位を大きくする観点からは小さいほど好ましいが、厚みTが小さくなると機械的強度及び耐電圧が低下するため、アクチュエータの全体厚みTの下限値は、取扱い中や作動中に破壊しない程度の機械的強度を有し、印加する電圧に耐えるため、10μm、特に15μm、更には20μmであることが好ましい。   The thickness T of the laminated piezoelectric body is preferably as small as possible from the viewpoint of increasing the displacement. However, the lower the thickness T, the lower the mechanical strength and withstand voltage. In order to have mechanical strength that does not break during operation and to withstand the applied voltage, it is preferably 10 μm, particularly 15 μm, and more preferably 20 μm.

また、tの下限値も、取扱い中や作動中に破壊しない程度の機械的強度及び耐電圧が必要で、具体的には5μm、特に7μmであることが好ましい。そして、変位量のバラツキ及び各層及び全体の厚みバラツキをさらに向上し、tを5〜15μmの範囲、Tを20〜60μmの範囲にして組み合わせることが、安定した変位を示す積層圧電体を得ることが可能となるために、より望ましい。   Further, the lower limit value of t needs to have a mechanical strength and a withstand voltage that do not break during handling or operation. Specifically, it is preferably 5 μm, particularly 7 μm. Then, the variation in displacement amount and the variation in thickness of each layer and the whole are further improved, and a laminated piezoelectric material exhibiting stable displacement is obtained by combining t in the range of 5 to 15 μm and T in the range of 20 to 60 μm. Is more desirable because it is possible.

また、変位素子7は、セラミック基板2の表面に多数形成され、しかも2次元的に規則正しく配列していることが精彩度、精度を高めるために好ましい。そして、それら複数の変位素子7は、厚みの面内バラツキが10%以下であることが重要であり、特に8%以下、更には6%以下であることが好ましい。   Further, it is preferable that the displacement elements 7 are formed in large numbers on the surface of the ceramic substrate 2 and are regularly arranged two-dimensionally in order to increase the saturation and accuracy. The plurality of displacement elements 7 are important to have an in-plane thickness variation of 10% or less, particularly 8% or less, and more preferably 6% or less.

このように厚みの面内バラツキを制御することにより、インクの吐出量を精密に制御することが可能となり、その結果、高速、高精彩、高精度の印刷ヘッド及びインクジェットプリンタを実現することができる。   By controlling the in-plane variation of the thickness in this way, it becomes possible to precisely control the ink discharge amount, and as a result, a high-speed, high-definition, high-precision print head and inkjet printer can be realized. .

ここで、厚みの面内バラツキとは、図1に図示したように、圧電層4、電極5、6及びセラミック基板2の総厚みを示すものであるが、個別電極6の設けられた部位と設けられてない部位との差を言うのではなく、個別電極6の設けられた部位同士の比較、及び個別電極6の設けられてない部位同士の比較を行うものであり、設計上同一となる厚みの分布を意味するものである。   Here, the in-plane variation in thickness indicates the total thickness of the piezoelectric layer 4, the electrodes 5, 6 and the ceramic substrate 2 as shown in FIG. It does not say the difference from the part not provided, but compares the parts provided with the individual electrodes 6 and compares the parts not provided with the individual electrodes 6 and is the same in design. This means the thickness distribution.

また、変位バラツキとは、全変位素子7に所定の電圧を順次印加し駆動させてそれぞれの変位素子の変位量を測定して平均値を算出し、各測定データと平均値との差が最大のものを選定し、この最大差を平均値で除した値を変位バラツキとして示す。積層圧電体内における変位素子7の変位量を測定する方法は、例えばレーザードップラー振動計を用い、変位素子7の変位量を任意の10箇所で測定し、平均変位量との差の最大の値を平均変位量で除して評価することができる。   Displacement variation means that a predetermined voltage is sequentially applied to all the displacement elements 7 and driven to measure the displacement amount of each displacement element to calculate an average value, and the difference between each measurement data and the average value is the maximum. A value obtained by dividing the maximum difference by the average value is shown as displacement variation. For example, a laser Doppler vibrometer is used to measure the amount of displacement of the displacement element 7 in the laminated piezoelectric body, and the amount of displacement of the displacement element 7 is measured at any 10 locations, and the maximum difference from the average displacement is obtained. It can be evaluated by dividing by the average displacement.

変位素子7を構成する圧電層4は、チタン酸ジルコン酸鉛化合物、チタン酸鉛化合物、チタン酸バリウム化合物など、ペロブスカイト結晶構造型の材料が好適に用いられる。これらの中でも、特にPbZrTiO3系化合物(PZT)が大きな変位を発生させる点で好ましい。なお、圧電層4は、1層であっても、複数層から構成されていても良い。   The piezoelectric layer 4 constituting the displacement element 7 is preferably made of a perovskite crystal structure type material such as a lead zirconate titanate compound, a lead titanate compound, or a barium titanate compound. Among these, a PbZrTiO3 compound (PZT) is particularly preferable in that a large displacement is generated. The piezoelectric layer 4 may be a single layer or a plurality of layers.

個別電極6、共通電極5の材質としては、導電性を有するものならば良く、例えばAu、Ag、Pd、Pt、Cu、Alやそれらの合金などを用いることができる。また、電極の厚みとしては、導電性を有し且つ変位を妨げない程度であるのが良く、0.5〜5μm、特に1〜2μmが好ましい。   The material of the individual electrode 6 and the common electrode 5 may be any material as long as it has conductivity. For example, Au, Ag, Pd, Pt, Cu, Al, or an alloy thereof can be used. Further, the thickness of the electrode should be such that it has conductivity and does not hinder displacement, and is preferably 0.5 to 5 μm, particularly preferably 1 to 2 μm.

このような構成により、圧電積層体の厚みの面内バラツキが抑制されるため、圧電積層体を構成する多数の変位素子7の変位バラツキがそれぞれ抑制され、その結果、例えば図2のような印刷ヘッドを形成する印刷ヘッドを作製することができ、その結果、吐出ムラの少ない、高品位なインクジェット用に好適な印刷ヘッドを実現することが可能となる。   With such a configuration, in-plane variations in the thickness of the piezoelectric laminate are suppressed, and therefore, the displacement variations of the large number of displacement elements 7 constituting the piezoelectric laminate are each suppressed. As a result, for example, printing as shown in FIG. A print head for forming the head can be manufactured. As a result, it is possible to realize a print head suitable for high-quality inkjet with little discharge unevenness.

なお、図2の印刷ヘッドは、複数の溝からなるインク流路13aと、インク流路13aを分離するための隔壁13bとを具備する流路部材13の上に、アクチュエータ11が設けられた構成となっている。このアクチュエータ11は、本発明の製法によって作製した積層圧電体からなり、セラミック層12aが積層されてなるセラミック基板12の上に、インク流路13aの直上に個別電極16が配置するように変位素子17が配置された構造を有する。   2 has a configuration in which the actuator 11 is provided on a flow path member 13 including an ink flow path 13a including a plurality of grooves and a partition wall 13b for separating the ink flow path 13a. It has become. The actuator 11 is made of a laminated piezoelectric material manufactured by the manufacturing method of the present invention, and a displacement element is arranged such that an individual electrode 16 is disposed directly on an ink flow path 13a on a ceramic substrate 12 on which a ceramic layer 12a is laminated. 17 has a structure arranged.

次に、本発明の積層圧電体の製造方法を説明する。   Next, the manufacturing method of the laminated piezoelectric material of this invention is demonstrated.

先ず、圧電セラミック粉体の平均粒径が1μm以下であることが重要であり、特に0.7μm以下、更には0.5μm以下であることが好ましい。平均粒径が1μm以下にすることにより、焼結時の活性度を高め、その結果、焼結温度を低減することができる。特に鉛を含む圧電セラミックスの場合には、焼結温度が低下すると鉛の蒸発が起こり、組成の面内バラツキを低減し、変位素子の変位バラツキを小さくすることができる。   First, it is important that the average particle size of the piezoelectric ceramic powder is 1 μm or less, particularly 0.7 μm or less, more preferably 0.5 μm or less. By setting the average particle size to 1 μm or less, the activity during sintering can be increased, and as a result, the sintering temperature can be reduced. In particular, in the case of piezoelectric ceramics containing lead, when the sintering temperature is lowered, lead evaporates, reducing the in-plane variation of the composition and reducing the displacement variation of the displacement element.

このような原料粉末と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する(混合工程)。次いで、混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、ロールコーター法、スリットコーター法、ドクターブレード法等の一般的なテープ成形法によりグリーンシートを作製する(成形工程)。   Such a raw material powder and an organic binder component are mixed to produce a tape-forming slurry (mixing step). Next, a green sheet is produced by a general tape forming method such as a roll coater method, a slit coater method, a doctor blade method, etc., using the tape forming slurry obtained in the mixing step (forming step).

次に、成形工程で得られたグリーンシートを加圧することが重要である(加圧工程)。加圧法として公知の手法を採用することができるが、均一な厚みにすることが容易である点で、加圧には特にロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法等のことができる。このように、テープ成形後にグリーンシートの加圧処理を行うことで、テープの厚みバラツキを低減することができる。これは、乾燥後のテープは、スラリー溶媒が抜けた空隙が存在し、その空隙の大小の差によりテープの厚みがばらつく原因となる。この空隙を加圧により潰す事で、テープは均質となり、厚みバラツキも小さくなる。   Next, it is important to pressurize the green sheet obtained in the molding process (pressurizing process). A publicly known method can be adopted as the pressurizing method, but a roll pressurizing method, a plane pressurizing method, a hydrostatic pressurizing method, etc. can be particularly used for pressurization because it is easy to obtain a uniform thickness. Thus, the thickness variation of a tape can be reduced by performing the pressurization process of a green sheet after tape shaping | molding. This is because the tape after drying has voids from which the slurry solvent is removed, and the thickness of the tape varies due to the size of the voids. By crushing this gap by pressurization, the tape becomes homogeneous and the variation in thickness is reduced.

加圧する圧力は、材料組成、有機バインダ量、グリーンシート厚み等によって異なるが、グリーンシートの厚みバラツキを低減し、厚みを均一化するとともに、生密度を高めるため、10〜100MPa、特に20〜50MPa、更には30〜40MPaの圧力で加圧することが好ましい。   The pressure to be applied varies depending on the material composition, the amount of the organic binder, the thickness of the green sheet, and the like. Further, it is preferable to pressurize at a pressure of 30 to 40 MPa.

加圧を行う時の温度は、高すぎる場合、加圧による変形が大きくなり過ぎることがあり、バインダに適度の粘性を発現させ、気孔を除去するためには、用いるバインダにもよるが、300℃以下、特に250℃以下、更には200℃以下、より好適には150℃以下であることが好ましい。また、下限値は、0℃、特に20℃、更には35℃、より好適には50℃である。   If the temperature at the time of pressurization is too high, deformation due to pressurization may become excessively large. In order to cause the binder to exhibit an appropriate viscosity and to remove pores, depending on the binder used, 300 It is preferable that the temperature is not higher than ° C, particularly not higher than 250 ° C, more preferably not higher than 200 ° C, and more preferably not higher than 150 ° C. Moreover, a lower limit is 0 degreeC, especially 20 degreeC, Furthermore, 35 degreeC, More preferably, it is 50 degreeC.

なお、加圧を行う型の面は、離型性を向上させるための表面処理を行ったり、テープ面に離型シートを配置して加圧を行っても良い。更に、面内の加圧力を均一にする為の加圧調圧機構も適宜用いることができる。   Note that the surface of the mold to be pressed may be subjected to a surface treatment for improving releasability, or may be pressed by disposing a release sheet on the tape surface. Furthermore, a pressure-regulating mechanism for making the in-plane applied pressure uniform can be used as appropriate.

このような加圧処理は、気孔を除去する効果があるが、さらに生密度を高める効果もあり、セラミック粒子間の接触面積を高めることができ、その結果、焼結速度を向上し、微細粒子であることと相まって、焼結温度を下げることができ、特に鉛を含む圧電セラミックスに関しては、焼結時の鉛の蒸発を抑え、組成バラツキを抑制し、その結果変位バラツキも抑制できる。   Such pressure treatment has the effect of removing pores, but also has the effect of increasing the green density, and can increase the contact area between the ceramic particles, resulting in improved sintering speed and fine particles. In combination with this, the sintering temperature can be lowered. In particular, for piezoelectric ceramics containing lead, evaporation of lead during sintering can be suppressed, compositional variation can be suppressed, and as a result, displacement variation can also be suppressed.

加圧工程によって得られた各グリーンシートの厚みバラツキを15%以下、特に10%以下にすることが、積層体の厚みバラツキを低減すると共に、焼結体の厚みバラツキを小さくすることが容易となる。   When the thickness variation of each green sheet obtained by the pressurizing step is 15% or less, particularly 10% or less, it is easy to reduce the thickness variation of the laminate and to reduce the thickness variation of the sintered body. Become.

次に、加圧工程で得られたグリーンシートの一部に電極を形成する。即ち、共通電極及び個別電極を印刷法等の公知の手法で形成する。また、所望により電極間を連絡すべくビアホール及びビア導体を形成する。   Next, an electrode is formed on a part of the green sheet obtained in the pressing step. That is, the common electrode and the individual electrode are formed by a known method such as a printing method. In addition, via holes and via conductors are formed to communicate between the electrodes as desired.

得られたグリーンシート(電極付、ビアホール付、電極無等)を所望の構成で積層し、密着させて積層成形体を得る(積層工程)。なお、密着を行う手法としては、接着成分の含まれた密着液使用による方法、加熱によりグリーンシート中の有機バインダ成分に接着性を持たせて密着する方法、加圧力だけで密着させる方法等を例示できる。   The obtained green sheets (with electrodes, with via holes, without electrodes, etc.) are laminated in a desired configuration and brought into close contact to obtain a laminated molded body (lamination step). In addition, as a method of performing adhesion, there are a method using an adhesion liquid containing an adhesive component, a method of adhering to the organic binder component in the green sheet by heating, a method of adhering only by applying pressure, and the like. It can be illustrated.

積層工程で得られた積層成形体は、所望により脱脂処理により積層成形体中の有機成分の除去を行った後、酸素雰囲気中等において焼成し、積層圧電体を得る(焼成工程)。   The laminated molded body obtained in the laminating step is subjected to degreasing treatment to remove organic components in the laminated molded body, if desired, and then fired in an oxygen atmosphere or the like to obtain a laminated piezoelectric body (firing step).

なお、有機成分を除去する方法としては、除去を行いたい有機成分の熱分解挙動に合った温度パターンにて加熱処理を行う方法等が採用される。また、焼成雰囲気としては、酸素濃度80%以上、特に90%以上が好ましい。このように酸素濃度を高くすることにより、特に鉛を含む圧電セラミックスを焼成する場合、溶解性ガスである酸素の濃度を高くすることで酸素分圧が上がり鉛の分解、ガス化が抑制されると同時に、気孔内圧が低くなることから気孔が収縮しボイド化が抑制される為である。   In addition, as a method of removing an organic component, the method of heat-processing with the temperature pattern according to the thermal decomposition behavior of the organic component to remove is employ | adopted. The firing atmosphere is preferably an oxygen concentration of 80% or more, particularly 90% or more. By increasing the oxygen concentration in this way, especially when firing piezoelectric ceramics containing lead, increasing the concentration of oxygen, which is a soluble gas, increases the oxygen partial pressure and suppresses the decomposition and gasification of lead. At the same time, since the pore internal pressure is lowered, the pores contract and void formation is suppressed.

このような工程を具備する製造方法を採用することにより、組成バラツキが抑制され、且つ気孔を低減することができるため、面内の変位バラツキを低減した厚み100μm以下の薄層の焼結体からなる積層圧電体を提供でき、インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして好適に使用することができる。   By adopting the manufacturing method including such a process, composition variation is suppressed and pores can be reduced. Therefore, from a thin layer sintered body having a thickness of 100 μm or less with reduced in-plane displacement variation. The laminated piezoelectric material can be provided and can be suitably used as a print head for an ink jet printer.

先ず、圧電セラミック粉体として粒径(D50:粉体の平均粒径)が表1に示したチタン酸ジルコン酸鉛粉体を準備し、これにアクリル水溶液を混合してスラリーを作製する混合工程を実施した。   First, a mixing step in which a lead zirconate titanate powder having a particle size (D50: average particle size of powder) shown in Table 1 is prepared as a piezoelectric ceramic powder, and an aqueous acrylic solution is mixed with the powder to produce a slurry. Carried out.

混合工程で得られたスラリーを用いてロールコーター法にて厚みが20μmになるようにグリーンシートを成形した(成形工程)。   Using the slurry obtained in the mixing step, a green sheet was formed by a roll coater method so as to have a thickness of 20 μm (forming step).

次いで、成形工程で得られたグリーンシートをロール加圧法、平面加圧法又は静水圧加圧法により表1の加圧条件で加圧した(加圧工程)。   Next, the green sheet obtained in the molding step was pressed under the pressurization conditions shown in Table 1 by a roll pressurization method, a plane pressurization method, or a hydrostatic pressurization method (pressurization step).

加圧工程で得られたグリーンシートに、Ag:Pdが70:30のAg−Pd電極ペーストを用いて、グリーンシート上に厚み5μmの共通電極、個別電極をそれぞれ印刷法にて形成した後、個別電極を形成したグリーンシートを上層に、共通電極を形成したグリーンシートを下層となるよう積層し、図1の構造になるように積層し、15MPaの圧力で加圧密着を行い積層成形体を得る積層工程を実施した。   After forming a common electrode and an individual electrode having a thickness of 5 μm on the green sheet by a printing method using an Ag—Pd electrode paste with an Ag: Pd of 70:30 on the green sheet obtained in the pressing step, A green sheet on which individual electrodes are formed is laminated on the upper layer, and a green sheet on which a common electrode is formed is laminated on the lower layer, laminated so as to have the structure shown in FIG. The resulting lamination process was performed.

最後に、得られた積層成形体を大気中450℃、5時間の脱脂処理を行い、しかる後に表1に示す温度及び雰囲気において2時間の焼成を行い、積層圧電体を得た(焼成工程)。   Finally, the resulting laminated molded body was degreased at 450 ° C. for 5 hours in the air, and then fired for 2 hours at the temperature and atmosphere shown in Table 1 to obtain a laminated piezoelectric body (firing step). .

得られた積層圧電体の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した写真から各層の厚み及び積層成形体全体の厚みを測定した。そして、積層成形体全体の厚みを積層成形体の面内分布を調べるため、積層圧電体面内の任意の20箇所で厚みを測定し、バラツキを測定した。バラツキは、20箇所の厚み平均値を算出し、最大値又は最小値の平均値からの差として算出し、大きいほうをバラツキとして表1に記載した。   From the photograph which observed the cross section of the obtained laminated piezoelectric material with the scanning electron microscope (SEM), the thickness of each layer and the thickness of the whole laminated molded object were measured. Then, in order to examine the in-plane distribution of the multilayer molded body with respect to the thickness of the entire multilayer molded body, the thickness was measured at any 20 locations in the plane of the multilayer piezoelectric body, and the variation was measured. The variation is calculated as an average thickness value at 20 locations, calculated as a difference from the average value of the maximum value or the minimum value, and the larger one is shown in Table 1 as the variation.

アクチュエータのd31は、インピーダンスアナライザーを用いた共振法で10箇所測定し、その平均値を算出するとともに、各値と平均値の差の最大の値を平均値で除してd31のバラツキとした。結果を表1に示した。

Figure 2005223354
The d31 of the actuator was measured at 10 locations by a resonance method using an impedance analyzer, the average value was calculated, and the maximum value of the difference between each value and the average value was divided by the average value to obtain d31 variation. The results are shown in Table 1.
Figure 2005223354

本発明の試料No.1〜4、6、7及び9〜33は、アクチュエータ全体の厚みバラツキが8%以下、d定数のバラツキが10%以下であった。   Sample No. of the present invention. In 1-4, 6, 7, and 9-33, the thickness variation of the entire actuator was 8% or less, and the d constant variation was 10% or less.

これに対して、原料粒径が1.5μmと大きいため、アクチュエータの厚みTのバラツキが12%と大きい本発明の範囲外の試料No.5は、d定数のバラツキが15%であった。   On the other hand, since the raw material particle size is as large as 1.5 μm, the variation in the thickness T of the actuator is as large as 12%. No. 5 had a d constant variation of 15%.

また、加圧工程を含まないため、アクチュエータの厚みTのバラツキが14%と大きい本発明の範囲外の試料No.8は、d定数のバラツキが19%であった。   In addition, since the pressurizing step is not included, the sample No. 5 outside the scope of the present invention has a large variation in the actuator thickness T of 14%. No. 8 had a d constant variation of 19%.

さらに、アクチュエータ全体の厚みが150μmと大きく本発明の範囲外の試料No.34は、全体厚みバラツキは5%であったが、d定数が199pm/Vと小さく、且つd定数のバラツキが11%であった。   Furthermore, the thickness of the entire actuator is as large as 150 μm, and sample No. No. 34 had an overall thickness variation of 5%, but the d constant was as small as 199 pm / V, and the variation of the d constant was 11%.

本発明の製法によって作製した積層圧電体を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the laminated piezoelectric material produced by the manufacturing method of this invention. 本発明の製法によって作製した積層圧電体を採用したインクジェット印刷ヘッドの構造を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the inkjet print head which employ | adopted the laminated piezoelectric material produced by the manufacturing method of this invention. 従来の製法によって作製した積層圧電体を示すもので、(a)は概略断面図、(b)は概略平面図である。The laminated piezoelectric material produced by the conventional manufacturing method is shown, (a) is a schematic sectional drawing, (b) is a schematic plan view.

符号の説明Explanation of symbols

2、12・・・セラミック基板
2a、12a・・・セラミック層
4、14・・・圧電層
5、15・・・共通電極
6、16・・・個別電極
7、17・・・変位素子
11・・・アクチュエータ
18・・・インク吐出孔
T・・・積層圧電体の全体厚み
t・・・セラミック層及び圧電層の厚み
2, 12 ... Ceramic substrates 2a, 12a ... Ceramic layers 4, 14 ... Piezoelectric layers 5, 15 ... Common electrodes 6, 16 ... Individual electrodes 7, 17 ... Displacement element 11 ..Actuator 18 ... Ink ejection hole T ... Total thickness t of laminated piezoelectric material t ... Thickness of ceramic layer and piezoelectric layer

Claims (5)

平均粒径が1μm以下の圧電セラミック粉体と有機バインダ成分を混合し、テープ成形用スラリーを作製する混合工程と、該混合工程で得られたテープ成形用スラリーを用いて、テープ成形を行ってグリーンシートを形成する成形工程と、該成形工程で得られたグリーンシートを加圧する加圧工程と、該加圧工程で得られたグリーンシートに電極を塗布した後、該グリーンシートを積層して積層成形体を得る積層工程と、該積層工程で得られた積層成形体を焼成する焼成工程を具備することを特徴とする積層圧電体の製造方法。 A tape forming is performed using a mixing step of mixing a piezoelectric ceramic powder having an average particle size of 1 μm or less and an organic binder component to produce a tape forming slurry, and a tape forming slurry obtained in the mixing step. A green sheet forming step, a pressurizing step for pressing the green sheet obtained in the forming step, an electrode is applied to the green sheet obtained in the pressurizing step, and then the green sheet is laminated. A method for producing a laminated piezoelectric body comprising: a lamination step for obtaining a laminated molded body; and a firing step for firing the laminated molded body obtained in the lamination step. 前記加圧工程において、ロール加圧法、平面加圧法、静水圧加圧法の少なくとも1種の方法を用いて加圧することを特徴とする請求項1記載の積層圧電体の製造方法。 2. The method of manufacturing a multilayer piezoelectric body according to claim 1, wherein in the pressing step, the pressing is performed by using at least one method of a roll pressing method, a plane pressing method, and a hydrostatic pressing method. 前記加圧工程における加圧圧力が10〜100MPaであることを特徴とする請求項1又は2記載の積層圧電体の製造方法。 The method for producing a laminated piezoelectric material according to claim 1 or 2, wherein the pressurizing pressure in the pressurizing step is 10 to 100 MPa. 前記加圧工程における加圧温度が0〜300℃であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の積層圧電体の製造方法。 The method for producing a laminated piezoelectric material according to any one of claims 1 to 3, wherein a pressurizing temperature in the pressurizing step is 0 to 300 ° C. 前記加圧工程で得られたグリーンシートの厚みバラツキが15%以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の積層圧電体の製造方法。

The method for manufacturing a multilayer piezoelectric body according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness variation of the green sheet obtained in the pressing step is 15% or less.

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