JP2000299511A - 圧電アクチュエータ及びこれを用いたインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の材料に制限されずに高い圧電特性をも
つ圧電アクチュエータを作製することを目的とする。 【解決手段】 振動板１１上に共通電極１２、圧電膜１
３、上部電極１４の順に積層したものを設け、共通電極
１２には、メッキ法を用いてメッキ膜を形成する。この
メッキ膜は結晶質からなり、かつ、少なくとも一つの結
晶面に優先配向させて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電アクチュエータ
及びこれを用いたインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、インクジェットヘッドに使用され
る圧電アクチュエータは特開平１−９６３６８号公報に
記載されたものが知られている。

【０００３】圧電膜を成膜後、アニーリングのような分
極処理をせずに高い圧電特性をもつようにするためには
圧電膜の自発分極を大きくする必要がある。そのために
自発分極軸が大きくなるＣ軸、つまり結晶面が（００
１）面に単一配向もしくは優先配向されている必要があ
る。配向面が（１１０）面や（１１１）面であっても良
いが、より大きな圧電特性を得やすいのは（００１）面
である。

【０００４】ここでは（００１）面に配向させることに
重点をおき、圧電膜としてＰｂを含む金属セラミック材
料の代表としてＰｂ（Ｚｒ_X，Ｔｉ_1-X）Ｏ₃（但し、０
＜ X＜１。以下、ＰＺＴと記す）を用いた場合の従来例
を説明する。

【０００５】ＰＺＴ（００１）面に優先配向させるため
には、基板がＰＺＴ（００１）面の粒形、格子定数に非
常に近い数値の粒形、格子定数をもつ結晶面のものを用
いる必要がある。代表的な基板はＭｇＯ（１００）単結
晶基板である。これを基板として使用し、その基板上に
積層する電極に白金（Ｐｔ）を用いた場合、白金（Ｐ
ｔ）はＰＺＴ（００１）面と近い粒形、格子定数となる
Ｐｔ（１００）面に単一配向または優先配向させて作製
し、その白金（Ｐｔ）上にＰＺＴを成膜するという方法
をとっていた。

【０００６】図４に従来のインクジェットヘッドの代表
的な圧電アクチュエータ部分の概略断面図を示す。１０
０はＭｇＯ〔（１００）単結晶〕基板（圧力室と接着後
ＭｇＯ基板は除去）、１１４は上部電極、１１３は圧電
膜、１１２は共通電極、１１１は振動板、１０１は圧力
室形成基板である。

【０００７】次にこの従来の圧電アクチュエータ部分の
製造方法について、図５を用いて説明する。 （ａ）ＭｇＯ〔（１００）単結晶〕基板１００上に、上
部電極（Ｐｔ膜）１１４をスパッタ法により形成する。 （ｂ）上部電極（Ｐｔ膜）１１４上に圧電膜１１３をス
パッタ法により形成する。 （ｃ）圧電膜１１３上に共通電極１１２をスパッタ法に
より形成する。 （ｄ）共通電極１１２上に振動板１１１をスパッタ法に
より形成する。（振動板１１１が金属材料からなり、導
電性がある場合、共通電極１１２を兼ねる。よって、こ
の場合は（ｃ）工程が省略される。また、（ａ）から
（ｄ）の工程において、形成方法をスパッタ法としたが
ＣＶＤやゾルゲルといった他の方法を用いてもよい。） （ｅ）（ａ）から（ｄ）の工程によりＭｇＯ〔（１０
０）単結晶〕基板１００上に形成した圧電アクチュエー
タとなる部分１０２と圧力室形成基板１０１とを接着す
る。 （ｆ）ＭｇＯ〔（１００）単結晶〕基板１００の除去
（エッチング）を行なう。 （ｇ）アクチュエータ部分１０２の表面に露出した上部
電極（Ｐｔ膜）１１４を電極パターンに加工（エッチン
グ）する。

【０００８】この後、図５には記載していないがインク
流路形成部品などとを接着、上部電極（Ｐｔ膜）１１４
上への配線等の処理をしてインクジェットヘッドを作製
していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の圧
電アクチュエータでアニーリングなどのような分極処理
をせずに高い圧電特性を持つ圧電膜を作製するために
は、圧電膜を（００１）面に結晶成長させることが必要
不可欠であり、またそのためには、圧電膜が（００１）
面に結晶成長しやすくなる粒形、格子定数をもったＭｇ
Ｏ（１００）単結晶のような基板を用いる必要があっ
た。

【００１０】本発明では基板の材料に制限されずに高い
圧電特性をもつ圧電膜を作製することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】基板の材料に制限される
という課題を解決するために本発明は、圧電膜の下地層
となる共通電極をメッキ法により、圧電膜が（００１）
面に結晶成長しやすい粒形、格子定数をもった結晶面に
故意的に成長、作製することを備えたものである。具体
的には以下の構成としている。

【００１２】請求項１記載の発明においては、振動板、
共通電極、圧電膜、上部電極を備えた圧電アクチュエー
タで、共通電極がメッキ法により形成され、そのメッキ
膜は結晶質からなり、かつ、ある方向に優先配向してい
ることを特徴としている。

【００１３】上記構成により、以下の作用がなされる。
共通電極がメッキ法により形成されるために、スパッタ
法などの他の成膜方法に比べ、装置費などの面によりコ
ストが軽減できる。また、成膜する基板の大面積化、均
一な膜圧等に優れたものができる。さらに、メッキ膜が
結晶化し、優先配向して形成されることにより、共通電
極の優先配向した結晶面の格子定数、粒形に近似した圧
電膜の結晶面に圧電膜を優先配向させやすいので、メッ
キ膜の優先配向を制御して、圧電膜を高い圧電特性をも
つ結晶面に結晶化させることができる。つまり、メッキ
膜が制御されていればよく、この制御については基板制
限が少ないため、基板材料の制限が軽減できる。

【００１４】請求項２記載の発明においては、メッキ膜
が圧電膜の（００１）面、（１１０）面、（１１１）面
のいずれかの格子定数に近似した格子定数の結晶面に優
先配向して形成されることを特徴としている。

【００１５】上記構成により、以下の作用がなされる。
メッキ膜が、高い圧電特性をもつ圧電膜の（００１）
面、（１１０）面、（１１１）面のいずれかの格子定数
に近似した格子定数の結晶面に優先配向して形成される
ことにより、圧電膜を（００１）面、（１１０）面、
（１１１）面のいずれかに結晶成長させやすくし、高い
圧電特性の圧電膜の作製が可能となる。また、請求項１
と同様、基板材料制限の軽減が可能である。

【００１６】請求項３記載の発明においては、メッキ膜
に白金（Ｐｔ）を材料として使用し、かつ、Ｐｔ（１０
０）面、あるいはＰｔ（１１１）面に優先配向して形成
することを特徴としている。

【００１７】上記構成により、以下の作用がなされる。
電極材料として白金（Ｐｔ膜）を使用することにより、
電極パターンに加工する場合の加工性が良く、また、Ｐ
ｔ（１００）面もしくは（１１１）面上に積層したＰＺ
Ｔを代表とする圧電膜は、高い圧電特性の期待できる
（００１）面や（１１０）面、（１１１）面に結晶化さ
せることができ、これにより、高い圧電特性をもった圧
電アクチュエータの作製ができる。

【００１８】請求項４記載の発明においては、共通電極
に白金（Ｐｔ）を使用し、かつ、振動板材料はＣｒ、Ｎ
ｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ、のいずれかを用いることを特徴
としている。

【００１９】上記構成により、以下の作用がなされる。
メッキ法で作製した白金（Ｐｔ）はＣｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−
Ｃｒ、Ｔｉと密着力等の相性がよく、歩留まり良く作製
することができる。

【００２０】請求項５記載の発明においては、圧電材料
としてＰＺＴを使用して圧電膜が形成されることを特徴
としている。

【００２１】上記構成により、以下の作用がなされる。
Ｐｔ（１００）もしくはＰｔ（１１１）上に形成される
ＰＺＴは、高い圧電特性の期待できる（００１）面や
（１１０）面、（１１１）面に結晶化させることがで
き、これにより、高い圧電特性をもった圧電アクチュエ
ータの作製ができる。

【００２２】請求項６記載の発明においては、圧電アク
チュエータをインクジェットヘッドに応用させることを
特徴としている。

【００２３】上記構成により、以下の作用がなされる。
より高い圧電特性を持つ圧電アクチュエータの形成が可
能であるため、インクジェットヘッドとしての特性の向
上ができ、基板材料の制限がないことから従来用いてい
たＭｇＯ基板と比較して材料費が軽減できる。

【００２４】請求項７記載の発明においては、振動板、
共通電極、圧電膜、上部電極を備えた圧電アクチュエー
タで、上部電極がメッキ法により形成され、そのメッキ
膜は結晶質からなり、かつ、ある方向に優先配向し、さ
らには前記振動板、共通電極、圧電膜、上部電極を積層
する時の基板を除去する工程を含んでいることを特徴と
している。

【００２５】上記構成により、以下の作用がなされる。
上部電極がメッキ法により形成されるために、スパッタ
法などの他の成膜方法に比べ、装置費などの面によりコ
ストが軽減、成膜する基板の大面積化、均一な膜圧等に
優れたものができる。さらに、メッキ膜の優先配向を制
御して、圧電膜を高い圧電特性をもつ結晶面に結晶化さ
せることができる。つまり、メッキ膜が制御されていれ
ばよく、この制御については基板制限が少ないため、基
板材料の制限が軽減できる。そして、基板上には上部電
極、圧電膜、共通電極、振動板の順に積層していくとい
った、従来のＭｇＯ基板を用いた製造方法の積層順序を
そのまま応用することができる。

【００２６】請求項８記載の発明においては、メッキ膜
が白金（Ｐｔ）によって（１００）面、あるいは（１１
１）面に優先配向して形成され、かつ、振動板がＣｒ、
Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉのいずれかを用いて形成される
ことを特徴としている。

【００２７】上記構成により、請求項４と同様の効果が
得られる。

【００２８】請求項９記載の発明においては、圧電膜の
少なくとも一部がＰｂ（ＺｒＸ，Ｔｉ１−Ｘ）Ｏ３（但
し、０＜ X＜１）によって形成されることを特徴として
いる。

【００２９】上記構成により、請求項５と同様の効果が
得られる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態に
基づいて説明する。

【００３１】（第１の実施の形態）従来の技術でも記載
しているが、成膜後にアニーリングなどの分極処理をせ
ずに高い圧電特性を持つ圧電膜を作るためには、圧電膜
を（００１）面や（１１０）面、（１１１）面に結晶成
長させることが必要不可欠であり、これを可能にするの
が基板の影響であった。

【００３２】圧電材料としてＰＺＴを用いた場合、主に
前記３つの結晶面のうち、特に高い圧電特性が期待でき
るＰＺＴ（００１）面に優先配向させやすい結晶面を持
ったＭｇＯ〔（１００）単結晶〕基板の代替えとなるの
が本発明のメッキ膜である。

【００３３】図１は、本発明に係わる圧電アクチュエー
タの断面図を示したものである。図１において本発明に
係わる部分は共通電極１２、および圧電膜１３から構成
される。この共通電極１２は図１に示すように、振動板
１１上に配設されたメッキ膜からなるものであり、その
上に圧電膜１３、上部電極膜１４が積層されている。こ
の時、振動板１１、圧電膜１３、上部電極１４の積層方
法はスパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等いずれの手法
を用いてもよい。

【００３４】共通電極１２、および上部電極１４は圧電
膜１３に電圧を印加するためのもので、圧電膜と密着力
等、相性の良いものであり、導電性があればいずれのも
のでもよく、具体的にはＰｔのほか、ＡｕやＴｉ、Ｎ
ｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ等がある。

【００３５】圧電膜１３は圧電効果の作用を発生させる
もので、圧電効果を示す材料であればいずれのものでも
よく、具体的にはＰｂ（Ｚｒ_X，Ｔｉ_1-X）Ｏ₃（但し、
０＜Ｘ＜１）を代表とするＰｂを含んだ金属セラミック
材料等がある。

【００３６】振動板１１は圧電膜１３が圧電効果を示す
時に発生する伸縮の作用に反発し、圧電アクチュエータ
２５をたわますといった機械的動作を作用させるための
もので、圧電膜よりも硬質の材料であり、また、メッキ
法を用いるために導電性をもったものであればいずれの
材料でもよく、具体的にはＣｒや、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、
Ｔｉ、等がある。

【００３７】共通電極を作製するメッキ法は無電解めっ
き法等、いくつかの手段があるがこの時、メッキ膜の下
地層もしくは基板となるものは金属からなるもの、つま
り導電性のあるものを用いなければならない。振動板に
導電性がある場合、共通電極を兼ねた振動板として用い
ることも可能である。もちろん、この時の振動板は共通
電極を作製する時と同様、高い圧電特性をもつ圧電膜の
（００１）面、（１１０）面、（１１１）面のいずれか
の格子定数に近似した格子定数の結晶面に優先配向して
形成しなければならない。

【００３８】また、メッキ膜として白金（Ｐｔ）を用
い、その下地層となる振動板材料がＣｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−
Ｃｒ、またはＴｉを用いたとき、特にメッキ膜と振動板
との密着力及び圧電特性が優れていることを確認した。

【００３９】図２は、図１に示す振動板１１、共通電極
１２、圧電膜１３、上部電極１４を備えた圧電アクチュ
エータにおいて、共通電極１２の材料としてＰｔを使用
してメッキ膜を作製し、その上に圧電膜１３となるＰＺ
Ｔを積層した場合の、ＸＲＤ回折結果を示している。こ
の図２から、Ｐｔの結晶化および結晶面が、どの程度Ｐ
ＺＴの結晶化および結晶面へ影響するかの関係を確認す
ることができる。図２（ａ）はＰｔがアモルファス（非
晶質）である上にＰＺＴを積層した場合、図２（ｂ）は
Ｐｔが（１１１）面に優先配向している上にＰＺＴを積
層した場合、図２（ｃ）はＰｔが（１００）面に優先配
向している上にＰＺＴを積層した場合の、それぞれＰｔ
の結晶質の違いによるＰＺＴの結晶化への影響を示した
ものである。

【００４０】図２（ａ）からＰｔがアモルファスである
時は、その上に積層するＰＺＴは結晶化していないこと
がわかり、また、図2（ｂ）からＰｔが（１１１）面に
優先配向している上に積層するＰＺＴは（１１０）面に
優先配向していることがわかり、さらに、図２（ｃ）か
らＰｔが（１００）面に優先配向している上に積層する
ＰＺＴは（００１）面に優先配向（この場合、ほぼ単一
配向）していることがそれぞれわかる。この図２からわ
かるように、Ｐｔがアモルファス（非晶質）である場
合、ＰＺＴは結晶化しにくく、Ｐｔの結晶面によってＰ
ＺＴの結晶化する結晶面も変わってくること言える。つ
まり、本実施の形態のようにＰＺＴ代表とするＰｂを含
む金属セラミック材料を圧電膜として用いる時、その下
地層となるＰｔが（１００）面に優先配向していれば、
より高い圧電特性が期待できる（００１）面に圧電膜を
優先配向させることが可能であると言える。またこのよ
うな、より高い圧電特性をもった圧電アクチュエータを
インクジェットヘッドに応用することにより、インクジ
ェットヘッドとしての特性の向上ができ、また、基板材
料の制限がないことから従来用いていたＭｇＯ基板と比
較して材料費が軽減できる。

【００４１】（第２の実施の形態）図１において、第１
の実施の形態における共通電極１２のメッキ膜が共通電
極１２の一部に存在している場合でも同様の効果が得ら
れる。図３は共通電極層３１の中にメッキ膜からなる共
通電極１２−Ｂが一部、存在している場合の例をいくつ
か示している。図３（ａ）は振動板１１上に、スパッタ
法などのメッキ法以外の手段により一面に共通電極１２
−Ａが配設され、その上にメッキ法により形成されたメ
ッキ膜からなる共通電極１２−Ｂが積層され、多層の共
通電極層３１となった上に圧電膜１３、上部電極１４の
順にそれぞれが一面に積層されたもの、図３（ｂ）は図
３（ａ）と同様の積層過程をしているが、メッキ膜から
なる共通電極１２−Ｂが一面ではなく、ある一部にのみ
積層されもの、図３（ｃ）は振動板１１上にメッキ膜か
らなる共通電極１２−Ｂがある一部分にのみ配設され、
その上に圧電膜１３、上部電極１４の順にそれぞれが一
面に積層されたものを示している。

【００４２】このようなメッキ膜からなる共通電極１２
−Ｂの積層の仕方をした場合においても、圧電アクチュ
エータとして圧電膜１３を使用する部分の直接下にあた
る箇所を、優先配向したメッキ膜からなる共通電極１２
−Ｂが存在していれば、その圧電膜１３の部分は圧電特
性を持ったものが形成され、第１の実施の形態と同様の
効果が得られる。

【００４３】（第３の実施の形態）第１の実施の形態に
おいて、圧電アクチュエータをインクジェットヘッドと
して用いる場合、基板上に振動板、共通電極、圧電膜、
上部電極の順で積層する構成をすることにより、この時
の基板をそのまま圧力室形成基板として応用することも
できる。この時の基板材料は加工性のよいものであれば
いずれのものでもよく、具体的にはＳｉ、ＳＵＳ、感光
性ガラス等がある。代表例としてＳｉを基板材料として
使用する場合の説明をする。Ｓｉを圧力室形成基板とし
て用いるためには、Ｓｉを圧力室形状に加工しなければ
ならない。Ｓｉの加工方法（エッチング方法）はウェッ
トプロセス、ドライプロセスのいずれを用いてもよい。
また、圧電アクチュエータを作製する時の一連の過程で
Ｓｉの加工順序に関しては、いずれの順序で行なっても
よいが、歩留まりの向上等を理由に圧電アクチュエータ
部分の積層が終わった後に基板であるＳｉの加工をする
方が望ましい。圧力室形状加工をした後、インク流路形
成部品、ノズルプレート等と接着をしてインクジェット
ヘッドとして使用することができる。

【００４４】これにより、従来、圧電アクチュエータと
圧力室形成基板との接着時に生じていた接着強度の改善
ができ、さらに圧力室と圧電アクチュエータが一体化し
たインクジェットヘッドの作製が可能となる。

【００４５】（第４の実施の形態）第１の実施の形態の
ような振動板上にメッキ膜からなる共通電極、圧電膜、
上部電極といった積層順序とは逆の構成パターンでも形
成することが可能である。つまり、従来例で示した図５
と同様の製造過程において、上部電極１１４がメッキ膜
からなり、このメッキ膜が高い圧電特性をもつ圧電膜の
（００１）面、（１１０）面、（１１１）面のいずれか
の格子定数に近似した格子定数の結晶面に優先配向して
形成されていれば、積層構成が逆であっても第１の実施
の形態と同様の効果が得られる。この場合、基板（図5
ではＭｇＯ基板１００）は後に除去することになる。積
層過程が同様であるので、メッキ膜からなる上部電極を
除けばＭｇＯ基板を用いる従来の工法をそのまま応用す
ることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、基板の
材料に制限されずに高い圧電特性をもった圧電アクチュ
エータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における圧電アクチ
ュエータの断面図

【図２】Ｐｔからなる共通電極上に積層した圧電膜のＸ
ＲＤ回折結果を示す図で、 （ａ）はＰｔがアモルファス（非晶質）である上に積層
した場合を示す図 （ｂ）はＰｔが（１１１）面に優先配向している上に積
層した場合を示す図 （ｃ）はＰｔが（１００）面に優先配向している上にＰ
ＺＴを積層した場合を示す図

【図３】本発明の第２の実施の形態における圧電アクチ
ュエータの断面図で、 （ａ）は振動板１１上に、スパッタ法などのメッキ法以
外の手段により一面に共通電極１２−Ａが配設され、そ
の上にメッキ法により形成されたメッキ膜からなる共通
電極１２−Ｂが積層された場合を示す図 （ｂ）は（ａ）と同様の積層過程をしているが、メッキ
膜からなる共通電極１２−Ｂが一面ではなく、ある一部
にのみ積層された場合を示す図 （ｃ）は振動板１１上にメッキ膜からなる共通電極１２
−Ｂがある一部分にのみ配設された場合を示す図

【図４】従来のインクジェットヘッド構造の代表的な圧
電アクチュエータ部分の概略断面図

【図５】（ａ）〜（ｇ）は従来の圧電アクチュエータの
ある製造方法を示した工程図

【符号の説明】 １００ ＭｇＯ基板（後に除去する） １０１ 圧力室形成基板 １０２ 圧電アクチュエータ １１，１１１ 振動板 １２，１１２ 共通電極 １２−Ａ メッキ法以外の手段により形成された共通電
極 １２−Ｂ メッキ膜からなる共通電極 １３，１１３ 圧電膜 １４，１１４ 上部電極 ３１ 共通電極層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C057 AF51 AF93 AG12 AG44 AG55 AG92 AG93 AG94 AP02 AP14 AP25 AP31 AP52 AP53 AP55 BA14

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動板上に配設された共通電極と、前記
   共通電極上に積層された圧電膜と、前記圧電膜上に積層
   された上部電極からなる圧電アクチュエータにおいて、
   前記共通電極の少なくとも一部がメッキ法によって製作
   されたメッキ膜を有するものであり、前記メッキ膜は結
   晶質からなり、かつ、少なくとも一つの結晶面に優先配
   向して形成される圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 メッキ膜が圧電膜の（００１）面、（１
   １０）面、（１１１）面のいずれかの格子定数に近似し
   た格子定数の結晶面に優先配向して形成される請求項１
   記載の圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 メッキ膜が白金（Ｐｔ）によって形成さ
   れ、かつ、（１００）面、あるいは（１１１）面に優先
   配向して形成される請求項１記載の圧電アクチュエー
   タ。
4. 【請求項４】 振動板がＣｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ
   のいずれかを用いて形成された請求項３記載の圧電アク
   チュエータ。
5. 【請求項５】 圧電膜の少なくとも一部がＰｂ（Ｚ
   ｒ_X，Ｔｉ_1-X）Ｏ₃（但し、０＜ X＜１）によって形成
   される請求項３記載の圧電アクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか一つに記載の圧
   電アクチュエータを用いたインクジェットヘッド。
7. 【請求項７】 基板上に上部電極を形成し、前記上部電
   極上に圧電膜を積層し、前記圧電膜上に共通電極を積層
   し、前記共通電極上に振動板を積層した後、前記基板を
   除去する圧電アクチュエータ製造方法において、前記上
   部電極の少なくとも一部にメッキ法によって、結晶質
   で、かつ、少なくとも一つの結晶面に優先配向したメッ
   キ膜を製作する圧電アクチュエータの製造方法。
8. 【請求項８】 メッキ膜に白金（Ｐｔ）を用い、前記メ
   ッキ膜を（１００）面、あるいは（１１１）面に優先配
   向して形成し、かつ、振動板にＣｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃ
   ｒ、Ｔｉのいずれかを用いて作製する請求項７記載の圧
   電アクチュエータの製造方法。
9. 【請求項９】 圧電膜の少なくとも一部にＰｂ（Ｚ
   ｒ_X，Ｔｉ_1-X）Ｏ₃（但し、０＜ X＜１）を用いて製作
   する請求項７記載の圧電アクチュエータの製造方法。