JP2003309303A

JP2003309303A - 圧電膜型アクチュエータの製造方法および液体噴射ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2003309303A
Application number: JP2002115808A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Fukui; 哲朗福井; Yutaka Kagawa; 豊香川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】大面積で信頼性が高くかつ低駆動電圧で大変
位が得られ、応答速度が速く、かつ発生力が大きく、高
集積化が可能な圧電膜型アクチュエータおよび液体噴射
ヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】中間転写体２上に多孔質層３を介して形
成された電極４の上に圧電膜１を形成し、圧電膜１と振
動板構造体８を金属、合金、金属酸化物等を成膜した接
合層７ａ、７ｂを介して接合する。その後に、中間転写
体２と電極４との間の多孔質層３を機械的に破壊するこ
とにより、あるいは、中間転写体２側からレーザ光を照
射させることにより、中間転写体２を電極４から剥離さ
せる。このように、圧電膜１を形成する工程と圧電膜１
を振動板構造体８に接合する工程を分離できるとともに
予め成膜した電極４を圧電膜型アクチュエータの上部電
極として利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体噴射ヘッド、
マイクロホン、スピーカーなどの発音体、各種振動子や
発振子、さらにはセンサー等に用いられる圧電膜型アク
チュエータの製造方法、ならびに、圧電膜型アクチュエ
ータを用いた液体噴射ヘッドの製造方法に関するもので
ある。なお、ここで呼称される圧電膜型アクチュエータ
とは、電気エネルギーを機械エネルギーすなわち機械的
な変位や振動または応力に変換する素子およびその逆の
変換を行う素子を意味するものとする。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学や精密加工等の分野におい
て、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する
変位素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素
子が所望されるようになってきており、これに応えるも
のとして、強誘電体の圧電／電歪材料に電界を加えた時
に起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位あ
るいはその逆の現象を利用した素子である圧電膜型アク
チュエータの開発が進められている。

【０００３】また、液体噴射ヘッド等においては、圧電
膜型アクチュエータの構造として、従来からユニモルフ
型やバイモルフ型が好適に採用されている。そこでは、
そのような圧電膜型アクチュエータを用いた液体噴射記
録装置の印字品質や印字速度等の向上が要求されてお
り、それに応えるべく、かかる圧電膜型アクチュエータ
の小型化、高密度化、低電圧駆動化、高速応答性化、お
よび長尺多ノズル化を図るための開発が進められてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したユ
ニモルフ型やバイモルフ型の圧電膜型アクチュエータに
おいては、大きな屈曲変位や発生力あるいは発生電位を
得るために、振動板となる基板の厚さを薄くすることが
重要とされるが、かかる基板の厚さを減少させると、強
度が低下し、平滑性が低下するという問題があった。さ
らに、従来のユニモルフ型やバイモルフ型の圧電膜型ア
クチュエータにおいては、接着剤を用いるために信頼性
が損ねるという問題点もあった。

【０００５】このような問題点を克服するために、特開
昭６２−２１３３９９号公報には、圧電セラミックスと
セラミックス振動板を同時に焼結することで、接着剤を
用いることなく、強固な接合強度をもたらす技術が開示
されている。

【０００６】しかしながら、この方法においては、高温
で異種の材料を焼結することから、振動板および圧電セ
ラミックスそのものが収縮するため、大面積でミクロン
オーダーの寸応精度を合わせることが困難であった。そ
のため信頼性の高い大面積の圧電膜型アクチュエータや
液体噴射ヘッドを得ることが困難であった。

【０００７】そこで、本発明は、前述した従来技術の有
する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、大面
積で信頼性が高く、かつ低駆動電圧で大変位が得られ、
応答速度が速く、高集積化が可能な圧電膜型アクチュエ
ータの製造方法および圧電膜型アクチュエータを用いる
液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方法は、圧
電膜と振動板構造体とが接合された圧電膜型アクチュエ
ータの製造方法において、圧電膜を中間転写体上に形成
された電極上に形成する工程と、中間転写体上の圧電膜
と振動板構造体を接合層を介して接合する工程と、中間
転写体を電極から剥離する工程を含むことを特徴とす
る。

【０００９】本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方
法においては、電極は金属および／または金属酸化物で
あるであることが好ましく、また、圧電膜はパターニン
グされているものが好ましい。

【００１０】本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方
法においては、圧電膜と振動板構造体を接合層を介して
接合する接合層は、金属単体、合金、金属酸化物、金属
窒化物または金属間化合物であり、接合方法としては、
通電加熱、低温加熱、あるいは通電圧接により接合され
ることが好ましく、また、接合層の表面粗度Ｒａは、
０．０１μｍ〜２．５μｍであることが好ましく、より
好ましくは、０．０２μｍ〜１．０μｍである。

【００１１】本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方
法においては、中間転写体を電極から剥離する工程にお
いて、中間転写体側からエキシマレーザ光や赤外レーザ
光等のレーザ光を照射して、該中間転写体を剥離するこ
とが好ましい。

【００１２】本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方
法においては、中間転写体を電極から剥離する工程にお
いて、束状の流体（ウォータージェット）を中間転写体
と電極の間に噴射して、該中間転写体を剥離することが
好ましい。その場合には、中間転写体と電極との間には
多孔質層が形成されていることが好ましい。そして、多
孔質層は金属酸化物を含有しているものが好ましく、多
孔質層としては密度が３０％〜９５％の多孔質層を用い
ることができる。

【００１３】また、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法
は、液吐出口と、該液吐出口に接続された液室と、該液
室の一部に設けられた振動板と圧電膜からなる圧電膜型
アクチュエータとを備え、前記圧電膜型アクチュエータ
を作動させることにより液吐出口から液体を吐出させる
液体噴射ヘッドの製造方法において、中間転写体上に形
成された電極上に圧電膜を形成する工程と、中間転写体
上の圧電膜と振動板構造体を接合層を介して接合する工
程と、中間転写体を電極から剥離する工程を含むことを
特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明によれば、圧電膜を振動板構造体に直接
成膜するのではなく中間転写体を介在させて圧電膜を形
成するものであって、圧電膜を中間転写体に形成する工
程と圧電膜を振動板構造体に接合する工程を分離するこ
とができることから、圧電膜と振動板構造体の接合の加
熱温度を５００℃以下の低温とすることができ、また、
圧電膜の成膜プロセスとアクチュエータの製造プロセス
が機能分離されていることから、アクチュエータとして
の振動板構造体の材料を幅広く選択することができ、さ
らに、圧電膜の性能を任意に調整した膜を得ることがで
きる利点がある。

【００１５】また、圧電膜と振動板構造体の接合に際し
ては、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物または金属
間化合物等からなる接合層を介して、通電加熱、低温加
熱、あるいは通電圧接により接合することによって、さ
らに、接合層の表面粗度Ｒａを０．０１μｍ〜２．５μ
ｍ、より好ましくは０．０２μｍ〜１．０μｍとして接
合することによって、接着剤を用いることなく、接合強
度および耐久性を向上させることができ、信頼性の高い
圧電膜型アクチュエータを得ることができる。

【００１６】また、圧電膜を形成した中間転写体を剥離
する際に、圧電膜上には電極が残された状態で剥離を起
こすため、これを圧電膜型アクチュエータの上部電極と
して利用することができ、プロセス上簡便な方法とな
る。さらに、機械的にあるいはレーザ光の照射によっ
て、圧電膜や電極を損傷させることなく容易に中間転写
体を剥離することができ、これにより、剥離後に圧電膜
上への電極の作製を不要にするとともに中間転写体を再
利用することが可能となる。

【００１７】このように、低駆動電圧で大変位が得ら
れ、応答速度が速く、発生力の大きい、大面積化・高集
積化が可能な圧電膜型アクチュエータを得ることができ
る。

【００１８】さらに、低駆動電圧で大変位が得られ、高
速応答が可能で安定した信頼性の高い長尺で高密度の液
体噴射ヘッドを作製することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２０】図１は、本発明の圧電膜型アクチュエータ
の製造方法の主要工程を示す工程図である。

【００２１】本発明の圧電膜型アクチュエータ（以下、
単にアクチュエータともいう）の製造方法の主要工程
は、図１に示すように、中間転写体上に形成された電極
上に圧電膜を形成する工程と、中間転写体上の圧電膜を
振動板構造体に接合層（７ａ、７ｂ）を介して接合する
工程と、中間転写体を電極および圧電膜から剥離する工
程とから構成されている。

【００２２】第１の工程である圧電膜を中間転写体上に
形成する工程においては、図１の（ａ）に示すように、
中間転写体２上に多孔質層３および電極４を形成し、そ
の上に圧電膜１を形成する。

【００２３】圧電膜１の形成は、焼結法、スパッタ法、
ゾルゲル法、ＣＶＤ法、水熱合成法、レーザーアブレー
ション法、ガスデポジション法等の公知の方法を適宜採
用することができ、用途に応じた特性が取れる圧電膜組
成と製法を選択することができる。圧電膜１の組成とし
ては、鉛、チタンおよびジルコニウムから構成される酸
化物であるペロブスカイト構造を持つチタン酸ジルコン
酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン
酸バリウム、あるいは、それらにＭｎ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｇ
ｅ等の元素を添加した組成でも良い。また、チタン酸亜
鉛酸ニオブ酸鉛やチタン酸マンガン酸ニオブ酸鉛等のリ
ラクサ系組成であっても良い。圧電膜の結晶性として
は、多結晶体でも単結晶体でも良い。また、圧電膜１の
形態は、図１の（ａ）にはパターニングされた形態を図
示するが、用途に応じて種々の形態とすることができ、
パターニングされた形態に限定されるものではない。パ
ターニングする方法としては、ベタ膜をドライあるいは
ウェットでエッチングする方法やサンドブラスト法や機
械的切断処理や成膜時にメタルマスクあるいはレジスト
を形成しておきパターニングする方法がある。さらに
は、光硬化型の樹脂で、高密度の鋳型を形成しその間を
ＰＺＴペーストで埋め込むリフトオフ方式もある。圧電
膜１の膜厚は、０．１μｍ〜２０μｍであり、好ましく
は０．５μｍ〜１２μｍである。

【００２４】中間転写体２に形成する電極４の材料とし
ては、金属および／または金属酸化物を用いることがで
きる。金属としては、例えば、白金、イリジウム、金、
アルミニウム、銅等が用いられる。金属酸化物として
は、１×１０^-1Ω・ｃｍ〜１×１０^-6Ω・ｃｍの導電性
を有する金属酸化物である。例えば、ＬａＮｉＯ₃ 、Ｌ
ａＣｒＯ₃ 、ＳｒＲｕＯ₃ 、Ｌａ_1-x Ｓｒ_x ＣｏＯ₃ 、
Ｌａ_1-x-y Ｓｒ_x Ｃａ_yＲｕＯ₃ 、Ｌａ_1-x Ｓｒ_x Ｔｉ
Ｏ₃ 、Ｎｂ_1-x Ｓｒ_x ＴｉＯ₃ 等の酸化物である。本発
明の電極としては、好ましくは金属酸化物である。

【００２５】また、圧電膜１を形成する中間転写体２と
しては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、サファイ
ア、チタン酸ストロンチウム等の無機酸化物を用いる。
なお、用途に応じては単結晶体であっても良い。また、
中間転写体２の膜厚は１０μｍ〜５ｍｍの厚みが良く、
好ましくは１００μｍ〜２ｍｍである。中間転写体２を
１０μｍ以下の膜厚とすると、圧電膜１の形状保持と次
工程の接合でのハンドリングが悪いという問題があり、
また、５ｍｍ以上の膜厚では、接合後に中間転写体２を
剥離する時に電極４と圧電膜１を損傷させることなく剥
離することが難しくなるという問題があり、好ましくな
い。なお、中間転写体２は、後述するように、中間転写
体２の接合後の剥離工程における剥離手法によりその光
学特性あるいは層構成が限定される場合もある。

【００２６】多孔質層３は、圧電膜１を振動板構造体８
に接合した後に中間転写体２を剥離する際に容易に剥離
することができるように形成するものであり、多孔質層
３は、カーボンまたは未焼結性セラミックスを含有する
材料から形成することが好ましく、例えば、中間転写体
２上にカーボンと金属酸化物含有層を予め作成し、この
カーボン含有層を圧電膜１を焼成する熱により脆弱な金
属酸化物層とすることによって、脆弱な多孔質層３を形
成することができる。このように形成された脆弱な多孔
質層３を破壊させることにより、中間転写体２を電極４
および圧電体１とを分離させ、中間転写体２を容易に剥
離させることができる。また、アルミナ・ジルコニアの
セラミックスの混合層や、主成分がアルミナ層と主成分
がジルコニア層の積層構造も好ましい態様である。な
お、後述するように、剥離手法によっては、例えば、レ
ーザ光の照射により剥離する場合には、多孔質層３を介
在させることなく中間転写体２を剥離することも可能で
ある。

【００２７】第２の工程である圧電膜を振動板構造体に
接合する工程において、振動板構造体８は、図１の
（ｂ）に示すように、アクチュエータを構成する振動板
５と基板部６とからなり、振動板５と基板部６は、一体
成形されたものでも、接合されたものであっても良い。
この振動板構造体８は、圧電膜１に接合する際の熱で変
形しない耐熱性が必要であり、少なくとも１５０℃以上
の耐熱性を持った材質であるものが好ましい。ここで、
１５０℃以上の耐熱性とは１５０℃雰囲気下３０分間の
加熱処理をした後の寸法変位が３％未満であることをい
う。

【００２８】振動板５としては、ヤング率が５０ＧＰａ
以上の材料で、例えばＳＵＳ、Ｔｉ、ジルコニア、Ｓ
ｉ、Ｃｕ、ＳｉＯ₂ 、ガラス、Ｃｒ等が挙げられる。振
動板５は一層構成であっても複数の層構成であっても良
い。複数の層構成の場合でも全体でヤング率が５０ＧＰ
ａ以上であることが必要である。振動板５の膜厚は、
０．５μｍ〜２０μｍで、好ましくは１μｍ〜１０μｍ
である。また、振動板５は、Ｙ，Ｂ等の微量金属でドー
ピングされたものを用いることもできる。

【００２９】振動板構造体８の基板部６の材料は、上記
振動板５の材料と同一であっても良いが、他の材料とし
ては、アルミナ、セルシアン、マグネシアや炭素繊維が
含有されたセラミックス系複合材料などが挙げられる。
このアクチュエータを液体噴射ヘッドに適用する際に
は、基板部６としては、例えば、Ｓｉ基板やＳＵＳ基板
等であって、液室が予め形成された加工済みの基板ある
いは液室を後工程で形成する未加工の基板を用いること
ができる。液体噴射ヘッドの液室は、機械加工あるいは
エッチング等により形成することができる。

【００３０】そして、圧電膜１と振動板構造体８の接合
に際しては、図１の（ｂ）に示すように、接合する圧電
膜１と振動板５の両表面にあるいはいずれか一方の表面
に、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物あるいは
金属間化合物を接合層７（７ａ、７ｂ）として成膜す
る。振動板構造体８と圧電体１の表面に成膜して接合層
７（７ａ、７ｂ）を形成する金属あるいは合金として
は、Ｐｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｇａ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｍ
ｏ，Ｔｉ，Ｚｒ等の金属のうち少なくとも一種類以上の
金属を用いることができ、また、合金としては、例え
ば、ＰｄＩｎ₃ ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｔｉ−Ｎｉ等があり、金
属酸化物としては、例えば、ＳｉＯ₂ ，ＣａＯ₂，Ｔｉ
Ｏ₂ ，ＺｎＯ等があり、金属窒化物としては、例えば、
ＴｉＮ，Ｓｉ₃ Ｎ ₄ 等があり、金属間化合物としては、
例えば、Ｔｉ−Ｎｉ，Ａｇ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｏ，Ｃｒ−
Ｍｏ等がある。このように、振動板構造体８と圧電体１
の接合する両表面あるいはいずれか一方の表面に接合層
７（７ａ、７ｂ）を成膜し、それらを当接させた後に、
通電加熱、通電圧接あるいは低温加熱等により両者を接
合する。

【００３１】ここで、接合する際に用いる通電加熱と
は、導電層を介して電流を流し、自己発熱により接合さ
せる方法である。電流量としては０．５Ａ／ｃｍ² 〜２
００Ａ／ｃｍ² で、好ましくは１Ａ／ｃｍ² 〜５０Ａ／
ｃｍ² である。通電圧接とは、前記通電加熱法に加えさ
らに圧力をかけ、より強固に接合させる方法である。ま
た、低温加熱とは、３００℃以下の温度で合金を形成す
る異種金属を組み合わせて接合面で合金を形成して接合
させる方法である。特に、ＰｄとＩｎの組み合わせは、
２５０℃付近でＰｄＩｎ₃ の合金を形成することができ
ることから、低温で接合するためには好ましい組み合わ
せである。他には、例えば、Ａｇ−Ｎｉ，Ｔｉ−Ｎｉ，
Ｚｒ−Ｃｕ等の組み合わせにより接合することも可能で
ある。

【００３２】なお、圧電膜１と振動板５を金属等からな
る接合層７（７ａ、７ｂ）を介して接合する際には、圧
電膜１および振動板５上にそれぞれ成膜する接合層７
ａ、７ｂの表面粗度Ｒａは、０．０１μｍ〜２．５μｍ
の範囲であることが望ましく、より好ましくは、０．０
２μｍ〜１．０μｍである。接合層７ａ、７ｂの表面粗
度Ｒａは、成膜する圧電膜１や振動板５の表面性に影響
を受けるものの、圧電膜１を振動板構造体８に接合する
（図１の（ｂ）参照）際に、より低温かつ低圧で接合す
ることができるように、そして、アクチュエータの耐久
性を上げるために、上記範囲内の表面粗度Ｒａであるこ
とが好ましい。接合層の表面粗度Ｒａが０．０１μｍ未
満では、接合強度が不足し、後工程の剥離工程で振動板
構造体８と圧電膜１が剥離するという問題が発生する場
合がある。また、接合層の表面粗度Ｒａが２．５μｍを
超えても接合不良が起こり、好ましくない。このよう
に、接合層の表面粗度Ｒａを上記範囲内とすることによ
り、接合強度があがり、特に信頼性の高いアクチュエー
タを得ることができる。また、接合層７ａと７ｂの表面
粗度Ｒａの絶対値の差が０．５μｍ以下であることが望
ましい。なお、表面粗度は、小坂研究所製の表面粗さ計
「サーフコーダー」で測定することができる。

【００３３】第３の工程である中間転写体を電極（およ
び圧電膜）から剥離する工程は、図１の（ｃ）に示すよ
うに、圧電膜１と振動板構造体８が接合されて構成する
アクチュエータから中間転写体２を切り離す工程であ
り、中間転写体２を剥離する手法としては、中間転写体
２と電極４の間に形成されている多孔質層３を機械的に
破壊して中間転写体２を剥離する手法と、多孔質層３を
ウォータージェット法により破壊して中間転写体２を剥
離する手法と、レーザ光を照射し急速加熱により中間転
写体２を剥離する手法等がある。なお、レーザ光を照射
し剥離する手法では、多孔質層３がなくても良い。

【００３４】前者の２手法（機械的剥離とウォータージ
ェット法）においては、圧電膜１と電極４の形成時に、
電極４と中間転写体２の界面に、密度が３０％〜９５
％、好ましくは５０％〜９５％の多孔質層３を形成して
おくことが好ましく、多孔質層３の膜厚は、０．５μｍ
〜２００μｍ、好ましくは、１．０μｍ〜１００μｍと
する。この多孔質層３は、例えば、中間転写体２上にカ
ーボン含有酸化物セラミックス層を予め作成しておき、
圧電膜１が高温で焼成される時に界面にカーボンが燃焼
することにより多孔質層が形成される。このように形成
された脆弱な多孔質層を機械的に破壊することで、電極
４と中間転写体２を容易に剥離することができる。な
お、多孔質の密度は、多孔質層の断面をＴＥＭ（透過電
子顕微鏡）観察し、空隙面積を測定することにより判定
することができる。

【００３５】また、多孔質層３を介して中間転写体２を
剥離する際に、多孔質層３に高圧の束状の流体（ウォー
タージェット）を衝突させることによっても容易に分離
することができる。ウォータージェット法は、一般に、
水を高速でかつ高圧の束状の流れにして対象物に対して
噴射して、セラミックス、金属、樹脂、ゴム、木材等の
切断、加工、あるいは表面の洗浄等を行う方法である。
ウォータージェット法を用いた例としては、Ｋ．Ｏｈｍ
ｉらの「Water Jet Splitting of Thin Porous S
i for ELTRAN」The Japan Society of Applied
Physics，Tokyo，ｐｐ．３４５〜３５５（１９９９）；
Ｒ．Ｈｅｒｉｎｏらの「Microstructure of Porous
Silicon and its Evaluation with Temperature」
Mater．Lett．２，ｐｐ．５１９〜５２３（１９８４）
に記載がある。本発明では、ウォータージェットを多孔
質層３に噴射し、多孔質層３を選択的に崩壊させて中間
転写体２の剥離を行うものである。ウォータージェット
として使用する流体の圧力は、５．０×１０⁴ ｋＰａ〜
８０．０×１０⁴ ｋＰａで、好ましくは、１０．０×１
０⁴ ｋＰａ〜５０．０×１０⁴ ｋＰａである。

【００３６】レーザ光を照射して中間転写体を剥離する
手法においては、中間転写体２上に圧電膜１を形成し
て、これに振動板構造体８を接合した後に、レーザ光を
振動板５の反対側から中間転写体２を通して照射して急
速加熱し、その瞬間的な熱膨張の差あるいは熱分解によ
り、圧電膜１と透明基板である中間転写体２とを分離す
る。レーザ光としては、エキシマレーザ、赤外レーザを
用いることができ、エキシマレーザ光を用いる場合は、
中間転写体２として、波長２３０ｎｍ〜２６０ｎｍの光
の透過率が２０％以上ある材料を用い、また、赤外レー
ザ光を用いる場合は、７００ｎｍ〜１２５０ｎｍの光の
透過率が２０％以上の材料を中間転写体として用いる。
レーザ光の照射エネルギーとしては、好ましくは５０〜
１０００ｍＪ／ｃｍ² である。

【００３７】エキシマレーザ光を用いて剥離する場合、
中間転写体２としては、２３０ｎｍ〜２６０ｎｍ付近に
透光性があり、圧電膜アレイの焼成の際に９００℃以上
の温度に耐えられる材料であれば、本方式の中間転写体
として充分な機能を果たし、例えば、ＭｇＯ基板やアル
ミナ、サファイア、石英ガラス、ＣａＣＯ₃ 、ＬｉＦ等
を使用することができる。また、炭酸ガスレーザ、ＹＡ
Ｇレーザ等の赤外レーザを用いて剥離する場合には、７
００ｎｍ〜１２５０ｎｍ付近に透光性があり、圧電膜ア
レイの焼成の際に９００℃以上の温度に耐えられる材料
であれば、本方式の中間転写体として充分な機能を果た
すことができ、例えば、ＭｇＯ、ＭｇＦ ₂ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、
ＣａＦ₂ 、石英ガラス、アルミナ、サファイア、ＳｒＴ
ｉＯ₃ 単結晶基板等を使用することができる。

【００３８】以上のような工程により、図１の（ｄ）に
示すような圧電膜１と振動板構造体８が接合された圧電
膜型アクチュエータを形成することができる。なお、同
図（ｄ）において、４は、多孔質層３上に成膜されてい
た電極であり、アクチュエータの上部電極として使用さ
れる。

【００３９】以上のように圧電膜型アクチュエータを製
造することにより、圧電膜１を形成する工程と圧電膜１
を振動板構造体８に接合する工程が分離され、圧電膜１
の成膜プロセスとアクチュエータの製造プロセスが機能
分離されていることより、アクチュエータとしての振動
板構造体８の材料を幅広く選択出来ることができ、さら
に圧電膜１の性能を任意に調整した膜を得ることができ
る利点がある。

【００４０】圧電膜と振動板構造体の接合に際して、接
合の加熱温度を５００℃以下の低温とすることができ、
また、接合層の表面粗度Ｒａを０．０１μｍ〜２．５μ
ｍとし、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、または
金属間化合物を介して、通電加熱、低温加熱、あるいは
通電圧接等により接合することによって、接着剤を用い
ることなく、接合強度および耐久性を向上させることが
でき、信頼性の高い圧電膜型アクチュエータを得ること
ができる。さらに、中間転写体を、多孔質層を介して機
械的にあるいはレーザ光の照射により、容易にかつ圧電
膜や電極を損傷させることなく剥離することができ、中
間転写体を再利用することが可能となる。

【００４１】これにより、低駆動電圧で大変位が得ら
れ、応答速度が速く、発生力の大きい、大面積化・高集
積化が可能である素子を得ることができる。このよう
に、信頼性の高い大面積の圧電膜型アクチュエータを作
製することができ、液体噴射ヘッドの他に、マイクロホ
ン、スピーカーなどの発音体、各種振動子・発振子、さ
らには加速度センサー、圧力センサー、振動センサー、
角速度センサー等の各種センサーに好適に用いることが
できる。

【００４２】次に、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法
について、図２ないし図８を参照して説明する。

【００４３】本発明の製造方法により作製される液体噴
射ヘッド１１は、図２の（ａ）および（ｂ）に示すよう
に、複数の液吐出口１２と、各液吐出口１２に対応して
設けられた液室１３と、液室１３に対してそれぞれ設け
られた圧電膜１４と振動板１７からなる圧電膜型アクチ
ュエータ１９を備えて以下のように構成される。なお、
本図面では、液吐出口１２が下面側に設けられている
が、側面側に設けることもできる。

【００４４】液体噴射ヘッド１１において、液吐出口１
２は、ノズルプレート１５に所定の間隔をもって形成さ
れ、液室１３は、基板部１６に液吐出口１２にそれぞれ
対応するように並列して形成されており、各液吐出口１
２とそれに対応する液室１３は、基板部１６に形成され
た液流路１６ａを介して接続される。また、基板部１６
の上面には各液室１３にそれぞれ対応して開口部１６ｂ
が形成され、基板部１６の上面には開口部１６ｂを塞ぐ
ように振動板１７が配置され、この振動板１７の上に各
液室１３に対応して位置するように圧電膜１４が配設さ
れている。

【００４５】また、圧電膜１４は、図２の（ｃ）に示す
ように、その上下の面にそれぞれＰｔ、Ａｕ、Ａｌ、金
属酸化物等の電極１８が位置付けられ、振動板１７上に
配置されている。圧電膜１４の組成としては、前述した
ように、鉛、チタン、ジルコニウムから構成される酸化
物であるペロブスカイト構造をもつチタン酸ジルコン酸
鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸
バリウム、あるいはそれらにＭｎ，Ｎｂ，Ｌａ，Ｇｅ等
を添加した組成でも良い。このように電極１８が形成さ
れた圧電膜１４と振動板１７とによって圧電膜型アクチ
ュエータ（圧電振動部）１９が構成される。

【００４６】液体噴射ヘッド１１は、前述した圧電膜型
アクチュエータの製造方法と同様の方法で製造されるデ
バイスであり、特に、圧電膜は高密度に並列して形成さ
れるとともに、振動板と基板部で構成する振動板構造体
の基板部に形成する液室も圧電膜と同様に高密度に並列
されている。なお、基板部は、アクチュエータの作製時
には、液室が予め形成された加工済みの基板であっても
よく、あるいは、液室が未加工の基板であってもよい。
また、基板部は、振動板と一体成形されたものであって
も良く、振動板に接合されたものでも良い。基板部に形
成する液室は、液体が流れ込む空間として、機械加工、
あるいはエッチングにより作製され、この液室は矩形で
あっても楕円形状等でも良い。また、この液室は液体タ
ンクから液体が供給される液流路と連結される。また、
液室と液体タンクの間には逆流防止の加工がされていて
も良い。

【００４７】また、複数の圧電膜と振動板構造体の液室
はそれぞれ対応するように構成されるが、圧電膜の寸法
精度のばらつきを±５％以内に抑えるように寸法精度の
揃った液体噴射ヘッドを形成することができる。ここ
で、圧電膜の寸法精度とは、圧電膜の幅、長さ、高さに
おいて、各ばらつきが±５％以内にあることをいう。

【００４８】振動板構造体と圧電膜の接合強度およびア
クチュエータや液体噴射ヘッドとしての耐久性を向上さ
せるために、圧電膜を振動板に接合するための接合層の
表面粗度Ｒａが０．０１μｍ〜２．５μｍにあることが
好ましく、接合層の表面粗度Ｒａが前記範囲に入ること
により、各素子間の変位量や振動特性のばらつきの少な
いデバイスを得ることができる。ここで、変位量のばら
つきが少ないとは、振動板の最大変位量のばらつきが±
７％以内に入ることを意味する。また、振動特性のばら
つきが少ないとは、周波数１０ｋＨｚ〜２５ｋＨｚの間
で変位量の増減量が各素子間で一定であることを意味す
る。

【００４９】次に、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法
の詳細について、具体的な実施例を挙げてさらに説明す
る。

【００５０】図３ないし図７は、本発明の液体噴射ヘッ
ドの製造方法の具体的な第１の実施例における各工程を
図示する概略図である。

【００５１】圧電膜を中間転写体上に形成する工程にお
いては、中間転写体２２として、板厚１ｍｍ、縦横５ｃ
ｍ×１ｃｍのＭｇＯ多結晶基板を用いる。ＭｇＯ中間転
写体２２上に、光感光性の樹脂２０ａを用いて、図３の
（ａ）および（ｂ）に示すような３００ｄｐｉの密度間
隔の短冊状の鋳型２０を形成する。

【００５２】ＭｇＯ中間転写体２２上に形成された鋳型
２０の間に、図３の（ｃ）に示すように、先ず、主成分
がアルミナの層と主成分がジルコニアの層を積層して多
孔質層（２３）を形成する。そして、その上にＳｒＲｕ
Ｏ₃ を主成分とした電極ペースト（２４）とＰＺＴ（チ
タン酸ジルコン酸鉛）ペースト（２１）をスクリーン印
刷によりレジストからなる鋳型２０に埋め込み、その後
に、１００℃〜１５０℃で乾燥処理を行い、１２００℃
で本焼成を行う。この本焼成と同時に樹脂２０ａを燃焼
させる。これにより、図４に示すように、３００ｄｐｉ
の密度間隔の短冊状のＰＺＴ圧電膜２１が並列したＰＺ
Ｔアレイを形成した。

【００５３】次の中間転写体上の圧電膜と振動板構造体
を接合する工程において、圧電膜２１に接合する振動板
構造体２８は、図５に図示するように、ＢドープのＳｉ
振動板２５と液室２９が形成されているＳｉ基板部２６
とで構成されており、この振動板構造体２８と図４に示
すように形成されたＰＺＴアレイの接合に際しては、図
６に示すように、ＰＺＴアレイの圧電膜２１の表面にＰ
ｄの接合層３１（表面粗度Ｒａが０．１μｍ）を成膜す
るとともに、Ｓｉ振動板２５の表面にＰｄ層３１とＩｎ
層３２の接合層を順次成膜する。そして、それらを当接
させた後に、２５０℃に加熱してＰｄＩｎ₃ の合金層３
３（図７参照）を形成して圧電膜２１と振動板２５を接
合した。

【００５４】そして、中間転写体を圧電膜から剥離する
工程において、ＭｇＯ中間転写体２２を電極２４および
圧電膜２１から剥離する。本実施例ではＭｇＯ中間転写
体２２と電極２４の間には多孔質層（アルミナとジルコ
ニアの積層）２３を形成してあることにより、機械的に
容易に剥離することが可能であった。また、圧電膜２１
の上には電極層２４が損傷することなく積層されてい
た。

【００５５】本実施例では２５．４ｍｍ（１インチ）当
り３００本のＰＺＴ圧電膜２１のアレイを形成し、それ
を寸法変動なく、振動板構造体２８上に転写接合するこ
とが可能であった。こうして作製したアクチュエータの
寸法のばらつきは±２．５％以内であった。

【００５６】最後に、ノズル（液吐出口）３５を液室２
９に対応するように配列して形成されたシリコン製のノ
ズルプレート３４を、図７に示すように、振動板構造体
２８に接合することで、長尺でかつ高密度の液体噴射ヘ
ッド（図２も参照）が作製できた。なお、図７におい
て、２４はＳｒＲｕＯ₃ からなる上部電極である。

【００５７】また、接合合金層３３として、接合する片
面にそれぞれＰｄ、Ｉｎを単層成膜して接合することも
可能であったし、また、Ｉｎ／Ｐｄの積層を接合する両
面につけて接合することもできた。

【００５８】以上のように作製された液体噴射ヘッドに
おいては、１８Ｖの駆動電圧、１５ｋＨｚの周波数で、
液体を１２ｍ／ｓの速度で安定して吐出させることがで
きた。

【００５９】次に、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法
の具体的な第２の実施例について図８を参照して説明す
る。

【００６０】本実施例における圧電膜を中間転写体上に
形成する工程においては、図８の（ａ）に示すように、
単結晶ＭｇＯの中間転写体（２３０〜２６０ｎｍの平均
透過率６５％）５２上に、約０．４μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ 粒
子と約０．３μｍのＺｒＯ₂粒子を等量混合した分散液
をＳｉのアルコキサイドのゾル液に加えて塗布し、これ
に対して最高温度４３０℃で加熱処理を行い、有機成分
を燃焼除去させて、密度が９２％の９μｍ厚の多孔質層
５３を形成した。

【００６１】この多孔質層５３の上に、１１００℃の焼
結処理により、１２μｍ厚のＬａＮｉＯ₃ 膜（抵抗値１
×１０^-2Ω・ｃｍ）５４とＰＭＮ−ＰＺＴ膜５１を形成
した。この上に表面粗度Ｒａが０．５μｍの１６０ｎｍ
のＰｄ層６１をスパッタ成膜し、さらに９００ｎｍのＩ
ｎ層６２をのせた。

【００６２】また、図８の（ｂ）に示すように、２００
μｍ厚のＳＵＳ基板５６の上に５μｍ厚のＺｒＯ₂ 振動
板（ヤング率：１９２ＧＰａ）５５を積層した振動板構
造体５８を準備した。この振動板５７上に１００ｎｍの
Ｐｄ層６１（表面粗度Ｒａが０．８μｍ）を成膜した。

【００６３】次いで、図８の（ｃ）に示すように、ＰＺ
Ｔ圧電膜５１と振動板構造体５８とを重ね、２×１０³
ｋＰａの圧力をかけ、２００℃で３０分間加熱処理を行
い、ＰｄＩｎ₃ の合金層６３を形成して接合した。

【００６４】その後、図８の（ｄ）に示すように、ウォ
ータージェット法で１５×１０⁴ ｋＰａの圧力でウォー
タージェット６５を多孔質層５３に噴射して、多孔質層
５３を崩壊させた。これにより、ＭｇＯ中間転写体５２
を電極５４の層から容易に剥離することができた（図８
の（ｅ）参照）。

【００６５】その後に、図８の（ｆ）に示すように、振
動板構造体５８の上に接合した圧電膜５１および電極５
４をエッチング処理により１８０ｄｐｉの解像度でパタ
ーニングした後、ＳＵＳ基板５６もエッチングにより圧
電膜５１の下部に液室５９を作製した。そして、液吐出
口（ノズル）６７を液室５９に対応するように配列して
形成されたシリコン製のノズルプレート６６を振動板構
造体５８に接合することで、長尺でかつ高密度の液体噴
射ヘッドデバイスが形成でき、圧電膜型アクチュエータ
を備える液体噴射ヘッド（図２も参照）を得た。ＺｒＯ
₂ 振動板５５と圧電膜５１の接合強度も強固であり、駆
動電圧２０Ｖ、周波数１５ｋＨｚで１０ ⁷ 回の耐久試験
を行っても変位量の低減はほとんどなかった。

【００６６】また、圧電膜５１をパターニングしてアレ
イ状にした後に振動板構造体５８に接合し、ウォーター
ジェット法により中間転写体５２を剥離した場合も、同
様に良好な圧電膜型アクチュエータを得ることができ
た。また、接続層にＳｉＯ₂ を用い４５０℃加熱処理に
より接合させた場合やＳｉ₃ Ｎ₄ を用い５００℃で接合
させた場合も強固な接合強度が得られた。

【００６７】次に、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法
の具体的な第３の実施例について説明する。

【００６８】本実施例においては、ＭｇＯ中間転写体
（２３０〜２６０ｎｍの平均透過率６５％）上に形成し
たアレイ状の圧電膜を用い、前述した第２の実施例と同
様に、このアレイ状圧電膜を振動板構造体に接合した後
にＭｇＯ中間転写体を剥離する手段としてレーザ光を用
いた。

【００６９】ＭｇＯ中間転写体側から圧電膜が付着した
部分に約３００ｍＪ／ｃｍ² のエネルギーでエキシマレ
ーザ光を照射した。すべての圧電膜部分に照射し、室温
下放置した後、ＭｇＯ中間転写体を剥離したところ容易
に圧電膜から分離することができた。また、ＹＡＧレー
ザ光でも４００ｍＪ／ｃｍ² のエネルギーで同様に剥離
が確認できた。

【００７０】その後に、アレイ状の圧電膜にポリマーの
保護膜をつけた後、ＳＵＳ基板をエッチングして液室を
作製し、そして、圧電膜の保護膜を除去した後に、圧電
膜をイオンミリングで洗浄、加熱処理の工程を経て、圧
電膜型アクチュエータを得た。

【００７１】このように作製した圧電膜型アクチュエー
タにおいても、駆動電圧２０Ｖで周波数３０ｋＨｚまで
十分な変位量が確認された。また、駆動電圧の周波数に
対して対応良い変位が確認された。これを前述した実施
例と同様に液体噴射ヘッドヘッドを作製し、吐出検討を
行ったところ、駆動電圧２０Ｖ、周波数１８ｋＨｚで１
３ｍ／ｓの速度で安定して液滴を吐出させることができ
た。

【００７２】次に、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法
の具体的な第４の実施例について説明する。

【００７３】本実施例においては、圧電膜として、前述
した第２の実施例と同様に作製した圧電膜を用いて、振
動板構造体としては第１の実施例と同様に作製した振動
板構造体を用い、これらの接合を通電圧接法により接合
した。圧電膜にＮｉ層の接合層をつけ、振動板側にＡｇ
層を設けたのち、２．０×１０³ ｋＰａの加圧下で振動
板側から圧電膜の端面へ２０Ａの電気を流した。接合処
理後、第２の実施例と同様にウォータージェットを多孔
質層に噴射しウォータージェット法で剥離した。このよ
うにして作製された圧電膜型アクチュエータは、駆動電
圧３０Ｖで十分な変位を示した。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電膜を振動板構造体に直接成膜するのではなく中間転
写体を介在させて圧電膜を形成するものであって、圧電
膜を形成する工程と圧電膜を振動板構造体に接合する工
程が分離され、圧電膜の成膜プロセスとアクチュエータ
の製造プロセスが機能分離されていることより、圧電膜
と振動板構造体の接合の加熱温度を５００℃以下の低温
とすることができ、アクチュエータとしての振動板構造
体の材料を幅広く選択することができ、圧電膜の性能を
任意に調整した膜を得ることができる利点がある。ま
た、圧電膜と振動板構造体の接合に際して、金属、合
金、金属酸化物、金属窒化物、または金属間化合物から
なる接合層を介して、通電加熱、低温加熱、あるいは通
電圧接により接合することによって、そして、接合層の
表面粗度Ｒａを０．０１μｍ〜２．５μｍとして接合す
ることによって、接着剤を用いることなく、接合強度お
よび耐久性を向上させることができ、信頼性の高い圧電
膜型アクチュエータを得ることができる。

【００７５】さらに、圧電膜を形成した中間転写体を剥
離する際に、圧電膜上には電極が残された状態で剥離を
起こすため、これを圧電膜型アクチュエータの上部電極
として利用することができ、プロセス上簡便な方法とな
る。また、機械的にあるいはレーザ光の照射によって、
圧電膜や電極を損傷させることなく容易に中間転写体を
剥離することができ、これにより、剥離後に圧電膜上へ
の電極の作製を不要にするとともに中間転写体を再利用
することが可能となる。

【００７６】このように、低駆動電圧で大変位が得ら
れ、応答速度が速く、発生力の大きい、大面積化・高集
積化が可能な圧電膜型アクチュエータを得ることができ
る。

【００７７】さらに、低駆動電圧で大変位が得られ、高
速応答が可能で安定した信頼性の高い長尺で高密度の液
体噴射ヘッドを作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電膜型アクチュエータの製造方法の
主要工程を示す工程図である。

【図２】（ａ）は本発明の製造方法により作製される液
体噴射ヘッドの斜視図であり、（ｂ）は同（ａ）のＡ−
Ａ線に沿って破断して示す断面図であり、（ｃ）は液体
噴射ヘッドにおける圧電膜型アクチュエータを拡大して
示す部分断面図である。

【図３】本発明の液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例
における中間転写体上に圧電膜を形成する工程を示す図
であり、（ａ）は中間転写体に樹脂パターンを形成した
状態を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）における線Ｂ
−Ｂに沿った断面図であり、（ｃ）は中間転写体上に形
成された鋳型の間に多孔質層、電極ペーストおよび圧電
膜ペーストを埋め込んだ状態を示す断面図である。

【図４】本発明の液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例
における中間転写体上に圧電膜を形成する工程により、
圧電膜をアレイ状に形成した状態を示す斜視図である。

【図５】本発明の液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例
における圧電膜に接合する振動板構造体の斜視図であ
る。

【図６】本発明の液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例
における圧電膜と振動板構造体を接合する工程を示す断
面図である。

【図７】本発明の液体噴射ヘッドの製造方法の一実施例
において作製された液体噴射ヘッドの断面図である。

【図８】本発明の液体噴射ヘッドの製造方法の他の実施
例について主要工程を概略的に示す工程図である。

【符号の説明】

１圧電膜２中間転写体３多孔質層４電極５振動板６基板部７ａ、７ｂ接合層８振動板構造体９接合合金層（下部電極）１１液体噴射ヘッド１２液吐出口１３液室１４圧電膜１５ノズルプレート１６基板部１７振動板１８電極１９（圧電膜型）アクチュエータ２０鋳型２１（ＰＺＴ）圧電膜２２（ＭｇＯ）中間転写体２３多孔質層２４電極２５振動板２６基板部２８振動板構造体２９液室３１、３２接合層３３接合合金層３４ノズルプレート３５液吐出口５１（ＰＺＴ）圧電膜５２（ＭｇＯ）中間転写体５３多孔質層５４電極５５（ＺｒＯ₂ ）振動板５６（ＳＵＳ）基板部５８振動板構造体５９液室６３接合合金層６５ウォータージェット６６ノズルプレート６７液吐出口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者香川豊東京都立川市柴崎町４丁目６番33号Ｆターム(参考） 2C057 AF55 AF65 AF93 AG12 AG44 AP02 AP14 AP21 AP23 AP27 AP31 AQ02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電膜と振動板構造体とが接合された圧
電膜型アクチュエータの製造方法において、圧電膜を中
間転写体上に形成された電極上に形成する工程と、中間
転写体上の圧電膜と振動板構造体を接合層を介して接合
する工程と、中間転写体を電極から剥離する工程を含む
ことを特徴とする圧電膜型アクチュエータの製造方法。
【請求項２】電極が金属および／または金属酸化物で
あることを特徴とする請求項１記載の圧電膜型アクチュ
エータの製造方法。
【請求項３】圧電膜がパターニングされていることを
特徴とする請求項１または２記載の圧電膜型アクチュエ
ータの製造方法。
【請求項４】接合層の表面粗度Ｒａが０．０１μｍ〜
２．５μｍであることを特徴とする請求項１ないし３の
いずれか１項に記載の圧電膜型アクチュエータの製造方
法。
【請求項５】接合層が、金属単体、合金、金属酸化
物、金属窒化物または金属間化合物であることを特徴と
する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電膜型
アクチュエータの製造方法。
【請求項６】中間転写体を電極から剥離する工程にお
いて、中間転写体側からレーザ光を照射して、該中間転
写体を剥離することを特徴とする請求項１ないし５のい
ずれか１項に記載の圧電膜型アクチュエータの製造方
法。
【請求項７】レーザ光が、エキシマレーザ光であるこ
とを特徴とする請求項６記載の圧電膜型アクチュエータ
の製造方法。
【請求項８】レーザ光が、赤外レーザ光であることを
特徴とする請求項６記載の圧電膜型アクチュエータの製
造方法。
【請求項９】中間転写体は波長２３０ｎｍ〜２６０ｎ
ｍの透過率が２０％以上であることを特徴とする請求項
７記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。
【請求項１０】中間転写体は波長７００ｎｍ〜１２５
０ｎｍの透過率が２０％以上であることを特徴とする請
求項８記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。
【請求項１１】中間転写体を電極から剥離する工程に
おいて、束状の流体を中間転写体と電極の間に噴射し
て、該中間転写体を剥離することを特徴とする請求項１
ないし５のいずれか１項に記載の圧電膜型アクチュエー
タの製造方法。
【請求項１２】中間転写体と電極との間に多孔質層が
形成されていることを特徴とする請求項１ないし５およ
び１１のいずれか１項に記載の圧電膜型アクチュエータ
の製造方法。
【請求項１３】多孔質層は金属酸化物を含有すること
を特徴とする請求項１２記載の圧電膜型アクチュエータ
の製造方法。
【請求項１４】液吐出口と、該液吐出口に接続された
液室と、該液室の一部に設けられた振動板と圧電膜から
なる圧電膜型アクチュエータとを備え、前記圧電膜型ア
クチュエータを作動させることにより液吐出口から液体
を吐出させる液体噴射ヘッドの製造方法において、中間
転写体上に形成された電極上に圧電膜を形成する工程
と、中間転写体上の圧電膜と振動板構造体を接合層を介
して接合する工程と、中間転写体を電極から剥離する工
程を含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。