JP2005260003A - Manufacturing method of actuator device and liquid injector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板上に圧電体層を有する圧電素子を形成して、圧電素子の変位により振動板を変形させるアクチュエータ装置の製造方法及びアクチュエータ装置を用いて液滴を吐出させる液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing an actuator device in which a part of a pressure generating chamber is configured by a diaphragm, a piezoelectric element having a piezoelectric layer is formed on the diaphragm, and the diaphragm is deformed by the displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to a liquid ejecting apparatus that ejects droplets using an actuator device.
電圧を印加することにより変位する圧電素子を具備するアクチュエータ装置は、例えば、液滴を噴射する液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの液体吐出手段として用いられる。このような液体噴射装置としては、例えば、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置が知られている。 An actuator device including a piezoelectric element that is displaced by applying a voltage is used, for example, as a liquid ejecting unit of a liquid ejecting head mounted on a liquid ejecting apparatus that ejects droplets. As such a liquid ejecting apparatus, for example, a part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening is configured by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element so as to pressurize the ink in the pressure generation chamber and thereby the nozzle opening There is known an ink jet recording apparatus including an ink jet recording head for discharging ink droplets.
インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードのアクチュエータ装置を搭載したものと、たわみ振動モードのアクチュエータ装置を搭載したものの2種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータ装置を使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けることによって各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。 Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those equipped with an actuator device in a longitudinal vibration mode that expands and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those equipped with an actuator device in a flexural vibration mode. As a device using a flexural vibration mode actuator device, for example, a uniform piezoelectric film is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm, and the piezoelectric layer is formed by a lithography method. In some cases, piezoelectric elements are formed so as to be independent for each pressure generating chamber by cutting into shapes corresponding to the above.
この圧電体層(圧電体薄膜)としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体が用いられている。そして、このような圧電体薄膜は、例えば、下部電極上にスパッタ等によりチタン結晶を形成し、このチタン結晶上にゾル−ゲル法により圧電体前駆体膜を形成すると共にこの圧電体前駆体膜を焼成することによって形成される(例えば、特許文献1参照)。 As the piezoelectric layer (piezoelectric thin film), for example, a ferroelectric such as lead zirconate titanate (PZT) is used. Such a piezoelectric thin film is formed, for example, by forming a titanium crystal on the lower electrode by sputtering or the like, and forming a piezoelectric precursor film on the titanium crystal by a sol-gel method. It is formed by baking (for example, refer patent document 1).
このような方法で圧電体層を形成すると、チタン結晶を核として圧電体層の結晶が成長し、比較的緻密で柱状の結晶を得ることができる。しかしながら、圧電体層の結晶性を制御するのは難しく、圧電体層の電気的、あるいは機械的特性を均一化することができないため、圧電素子の変位特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。 When the piezoelectric layer is formed by such a method, the crystal of the piezoelectric layer grows with the titanium crystal as a nucleus, and a relatively dense columnar crystal can be obtained. However, it is difficult to control the crystallinity of the piezoelectric layer, and the electrical or mechanical characteristics of the piezoelectric layer cannot be made uniform, resulting in variations in the displacement characteristics of the piezoelectric elements. . Such a problem exists not only in an actuator device mounted on a liquid ejecting head such as an ink jet recording head but also in an actuator device mounted on another device.
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子を構成する圧電体層の特性を向上でき且つ圧電体層の特性を安定させることができるアクチュエータ装置の製造方法及びそのアクチュエータ装置を用いた液体噴射装置を提供することを課題とする。 In view of such circumstances, the present invention can improve the characteristics of the piezoelectric layer constituting the piezoelectric element and can stabilize the characteristics of the piezoelectric layer, and a liquid ejecting apparatus using the actuator apparatus It is an issue to provide.
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、基板の一方面に振動板を形成する工程と、該振動板上に下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程とを具備するアクチュエータ装置の製造方法であって、前記振動板を形成する工程が、ジルコニウム層を形成すると共に該ジルコニウム層を所定温度で熱酸化することで酸化ジルコニウムからなり前記振動板の最表層を構成する絶縁体膜をその表面粗さが2nm以下となるように形成する工程を含み、且つ前記圧電素子を形成する工程が、前記下電極上にスパッタ法によりチタン(Ti)を塗布して種チタン層を形成する工程と、該種チタン層上に圧電材料を塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に該圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることで前記圧電体層を形成する工程とを含むことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第1の態様では、圧電体層の下地である絶縁体膜の表面粗さが所定値以下となるように制御することで、圧電体層の特性を向上させることができる。
A first aspect of the present invention that solves the above problems includes a step of forming a diaphragm on one surface of a substrate, and a step of forming a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode on the diaphragm. The step of forming the diaphragm includes forming a zirconium layer and thermally oxidizing the zirconium layer at a predetermined temperature to form the outermost layer of the diaphragm. A step of forming the insulating film so as to have a surface roughness of 2 nm or less, and the step of forming the piezoelectric element comprises applying titanium (Ti) on the lower electrode by sputtering and seeding A step of forming a titanium layer, a piezoelectric material is applied on the seed titanium layer to form a piezoelectric precursor film, and the piezoelectric precursor film is baked and crystallized to form the piezoelectric layer. Process Sometimes the method of manufacturing an actuator device according to claim including.
In the first aspect, the characteristics of the piezoelectric layer can be improved by controlling the surface roughness of the insulator film, which is the base of the piezoelectric layer, to be a predetermined value or less.
本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記絶縁体膜を形成する工程では、当該絶縁体膜の表面粗さRaが1nm以下となるようにすることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第2の態様では、圧電体層の特性をさらに向上させることができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, in the step of forming the insulator film, the surface roughness Ra of the insulator film is 1 nm or less. In the manufacturing method.
In the second aspect, the characteristics of the piezoelectric layer can be further improved.
本発明の第3の態様は、第1又は2の態様において、前記絶縁体膜を形成する工程では、前記ジルコニウム層の(002)面配向度が80%以上となるようにすることを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第3の態様では、ジルコニウム層の結晶配向を制御することで、結晶性に優れ所望の表面粗さを有する絶縁体膜を形成することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, in the step of forming the insulator film, the (002) plane orientation degree of the zirconium layer is 80% or more. A method of manufacturing the actuator device.
In the third aspect, by controlling the crystal orientation of the zirconium layer, an insulator film having excellent crystallinity and a desired surface roughness can be formed.
本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様において、前記種チタン層を形成する工程では、チタンをDCスパッタ法により塗布し且つそのときのスパッタ圧力を2〜5(Pa)としたことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第4の態様では、所定のスパッタ圧力で、種チタン層を形成することで、下電極上にチタンが分散され、圧電体層の結晶の核となる多数の種チタンが形成される。したがって、圧電体層の結晶性が向上する。
In a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, in the step of forming the seed titanium layer, titanium is applied by a DC sputtering method, and the sputtering pressure at that time is 2 to 5 (Pa The method of manufacturing an actuator device is characterized in that:
In the fourth aspect, by forming the seed titanium layer at a predetermined sputtering pressure, titanium is dispersed on the lower electrode, and a large number of seed titanium serving as the crystal nucleus of the piezoelectric layer is formed. Accordingly, the crystallinity of the piezoelectric layer is improved.
本発明の第5の態様は、第4の態様において、前記種チタン層を形成する際のパワー密度を1〜4(kW/m2)としたことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第5の態様では、圧電体層の結晶の核となる種チタンがより多く形成されるため、圧電体層の結晶性がさらに向上する。
A fifth aspect of the present invention is the method for manufacturing an actuator device according to the fourth aspect, wherein the power density when forming the seed titanium layer is 1 to 4 (kW / m 2 ). .
In the fifth aspect, since more seed titanium serving as the crystal nucleus of the piezoelectric layer is formed, the crystallinity of the piezoelectric layer is further improved.
本発明の第6の態様は、第1〜5の何れかの態様において、前記種チタン層を形成する工程では、前記下電極上にチタン(Ti)を少なくとも2回以上塗布することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる第6の態様では、圧電体層の結晶の核となる種チタンがより多く形成されるため、圧電体層の結晶性がさらに向上する。
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, in the step of forming the seed titanium layer, titanium (Ti) is applied on the lower electrode at least twice. A method of manufacturing the actuator device.
In the sixth aspect, since more seed titanium is formed as the crystal nucleus of the piezoelectric layer, the crystallinity of the piezoelectric layer is further improved.
本発明の第7の態様は、第1〜6の何れかの製造方法によって製造されたアクチュエータ装置を液体吐出手段とする液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第7の態様では、圧電素子の変位特性が向上し、液滴の吐出特性を向上した液体噴射ヘッドを製造することができる。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including a liquid ejecting head having the actuator device manufactured by any one of the first to sixth manufacturing methods as a liquid ejecting unit.
In the seventh aspect, it is possible to manufacture a liquid jet head in which the displacement characteristics of the piezoelectric element are improved and the droplet discharge characteristics are improved.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板10は、本実施形態では面方位(110)のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ1〜2μmの弾性膜50が形成されている。流路形成基板10には、隔壁11によって画成された複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14を介して連通されている。なお、連通部13は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of FIG. As shown in the figure, the flow
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、後述するマスク膜を介して接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01〜1mmで、線膨張係数が300℃以下で、例えば2.5〜4.5[×10-6/℃]であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。
Further, a
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約1.0μmの二酸化シリコン(SiO2)からなる弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、厚さが例えば、約0.4μmの酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる絶縁体膜55が形成されている。また、この絶縁体膜55上には、厚さが例えば、約0.1〜0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの上電極膜80とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、本実施形態では、弾性膜、絶縁体膜及び下電極膜が振動板として作用するが、勿論、弾性膜及び絶縁体膜のみが振動板として作用するようにしてもよい。
On the other hand, as described above, the
また、このような各圧電素子300の上電極膜80には、リード電極90がそれぞれ接続され、このリード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加されるようになっている。
Further, a
ここで、本発明では、圧電素子300を構成する圧電体層70の下地となる振動板の最表層を構成する絶縁体膜55の表面粗さ(算術平均粗さRa)が2nm以下、好ましくは1nm以下となっている。なお、このような絶縁体膜55上に形成される下電極膜60の表面粗さも2nm以下となっている。詳しくは後述するが、このように絶縁体膜55の表面粗さを比較的小さく抑えることで、この絶縁体膜55上に形成される圧電体層70の特性を向上させることができる。
Here, in the present invention, the surface roughness (arithmetic mean roughness Ra) of the
また、流路形成基板10上の圧電素子300側の面には、圧電素子300に対向する領域に圧電素子保持部31を有する保護基板30が接合されている。圧電素子300は、この圧電素子保持部31内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに、保護基板30には、流路形成基板10の連通部13に対応する領域にリザーバ部32が設けられている。このリザーバ部32は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバ100を構成している。
Further, a
また、保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバ部32との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられ、この貫通孔33内に下電極膜60の一部及びリード電極90の先端部が露出され、これら下電極膜60及びリード電極90には、図示しないが、駆動ICから延設される接続配線の一端が接続される。
In addition, a through
なお、保護基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
In addition, examples of the material of the
また、保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部32の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバ100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
A
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動ICからの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an external ink supply means (not shown), filled with ink from the
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図3〜図6を参照して説明する。なお、図3〜図6は、圧力発生室12の長手方向の断面図である。まず、図3(a)に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ110を約1100℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン膜51を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板10として、膜厚が約625μmと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
Here, a method of manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 3 to 6 are cross-sectional views of the
次いで、図3(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。具体的には、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、DCスパッタ法又はRFスパッタ法等によりジルコニウム(Zr)層を形成する。このとき、ジルコニウム層の表面粗さ(算術平均粗さRa)が2nm以下、好ましくは1nm以下となるようにする。
Next, as shown in FIG. 3B, an
さらに、ジルコニウム層は、その表面の(002)面配向度が80%以上となっていることが好ましい。なお、ここで言う「配向度」とは、X線回折広角法によってジルコニウム層を測定した際に生じる回折強度の比率をいう。具体的には、ジルコニウム層をX線回折広角法により測定すると、(100)面、(002)面及び(101)面に相当する回折強度のピークが発生する。そして、「(002)面配向度」とは、これら各面に相当するピーク強度の和に対する(002)面に相当するピーク強度の比率を意味する。 Furthermore, it is preferable that the (002) plane orientation degree of the surface of the zirconium layer is 80% or more. The “orientation degree” here refers to the ratio of the diffraction intensity generated when the zirconium layer is measured by the X-ray diffraction wide angle method. Specifically, when the zirconium layer is measured by the X-ray diffraction wide angle method, peaks of diffraction intensity corresponding to the (100) plane, the (002) plane, and the (101) plane are generated. The “(002) plane orientation degree” means the ratio of the peak intensity corresponding to the (002) plane to the sum of the peak intensity corresponding to each plane.
そして、このようにジルコニウム層の表面粗さを2nm以下とするためには、ジルコニウム層を形成する際のスパッタ出力を500W以下とすることが好ましい。また、スパッタ時の加熱温度は100℃以上とすることが好ましい。ただし、加熱温度はあまり高すぎると流路形成基板用ウェハ110に割れ等が生じる虞があるため、100〜300℃程度とするのが望ましい。さらに、スパッタ圧力は0.5Pa以下とするのが好ましい。このように成膜条件を適宜選択してジルコニウム層を形成することにより、ジルコニウム層の表面粗さを2nm以下とすることができ、また同時に(002)面配向度を80%以上とすることができる。
And in order to make the surface roughness of a zirconium layer into 2 nm or less in this way, it is preferable that the sputtering output at the time of forming a zirconium layer shall be 500 W or less. The heating temperature during sputtering is preferably 100 ° C. or higher. However, if the heating temperature is too high, cracks or the like may occur in the flow path forming
このようにジルコニウム層を形成した後は、このジルコニウム層を所定温度で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。このとき、加熱温度等の熱酸化条件を調整することで、絶縁体膜55の表面粗さ(算術平均粗さRa)が2nm以下、好ましくは1nm以下となるように形成する。例えば、本実施形態では、約850〜1000℃と比較的高温に加熱された拡散炉内に、300mm/min以上、好ましくは500mm/min以上のスピードで流路形成基板用ウェハ110を挿入してジルコニウム層を熱酸化させるようにした。
After the zirconium layer is thus formed, the zirconium layer is thermally oxidized at a predetermined temperature to form an
これにより、結晶状態が良好な絶縁体膜55が得られ、表面粗さは2nm以下となる。すなわち、絶縁体膜55を構成する酸化ジルコニウムの結晶が比較的大きく且つ下面から上面まで連続的な柱状結晶となることで、表面粗さが2nm以下と極めて小さく抑えられる。
Thereby, the
次いで、図3(c)に示すように、例えば、少なくとも白金とイリジウムとからなる下電極膜60を絶縁体膜55の全面にスパッタ法等により形成後、下電極膜60を所定形状にパターニングする。なお、この下電極膜60の表面粗さRaは、絶縁体膜55の表面粗さRaに依存するため、絶縁体膜55の表面粗さRaが2nm以下であると、下電極膜60の表面粗さRaも2nm以下となる。
Next, as shown in FIG. 3C, for example, a
次に、図3(d)に示すように、下電極膜60及び絶縁体膜55上に、チタン(Ti)をスパッタ法、例えば、DCスパッタ法で2回以上、本実施形態では2回塗布することにより所定の厚さの種チタン層65を形成する。このときのスパッタ圧力は2〜5(Pa)程度とするのが好ましい。さらに、パワー密度は1〜4kW/m2程度とすることが好ましい。これにより、次工程で形成する圧電体層70の結晶の核となる種チタンを多数形成することができる。
Next, as shown in FIG. 3D, on the
次に、このように形成した種チタン層65上に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成する。本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成した。
Next, a
圧電体層70の形成手順としては、まず、図4(a)に示すように、種チタン層65上にPZT前駆体膜である圧電体前駆体膜71を成膜する。すなわち、流路形成基板用ウェハ110上に金属有機化合物を含むゾル(溶液)を塗布する。次いで、圧電体前駆体膜71を、所定温度に加熱して一定時間乾燥させ、ゾルの溶媒を蒸発させることで圧電体前駆体膜71を乾燥させる。さらに、大気雰囲気下において一定の温度で一定時間、圧電体前駆体膜71を脱脂する。なお、ここで言う脱脂とは、ゾル膜の有機成分を離脱させることである。
As a procedure for forming the
そして、このような塗布・乾燥・脱脂の工程を、所定回数、例えば、本実施形態では、2回繰り返すことで、図4(b)に示すように、圧電体前駆体膜71を所定厚に形成し、この圧電体前駆体膜71を拡散炉で加熱処理することによって結晶化させて圧電体膜72を形成する。すなわち、圧電体前駆体膜71を焼成することで種チタン層65を核として結晶が成長して圧電体膜72が形成される。例えば、本実施形態では、約700℃で30分間加熱を行って圧電体前駆体膜71を焼成して圧電体膜72を形成した。なお、このように形成した圧電体膜72の結晶は(100)面に優先配向する。
Then, by repeating such coating, drying, and degreasing processes a predetermined number of times, for example, twice in the present embodiment, the
さらに、上述した塗布・乾燥・脱脂・焼成の工程を、複数回繰り返すことにより、図4(c)に示すように、複数層、本実施形態では、5層の圧電体膜72からなる所定厚さの圧電体層70を形成する。例えば、ゾルの塗布1回あたりの膜厚が0.1μm程度の場合には、圧電体層70全体の膜厚は約1μmとなる。
Further, by repeating the above-described coating, drying, degreasing, and firing steps a plurality of times, as shown in FIG. 4C, a predetermined thickness composed of a plurality of layers, in this embodiment, five layers of
以上のような工程で圧電体層70を形成することにより、圧電体層70の特性を向上させることができ且つ特性を安定させることができる。すなわち、圧電体層70の結晶性、例えば、配向度、強度、粒径等は、その下地の影響を受けやすく、下地が平坦である程、結晶性は向上する傾向にある。本発明では、圧電体層70の下地となる振動板(絶縁体膜55)の表面粗さRaを2nm以下に抑えることで、下電極膜60の表面粗さRaを2nm以下に抑えると共にこの下電極膜60上に形成される圧電体層70の結晶性を向上させている。これにより、電気的及び機械的特性に優れた圧電体層70を形成することができる。また、同一ウェハ内での圧電体層70の特性のばらつきも極めて小さく抑えることができる。さらに、圧電体層70の結晶性をコントロールしやすくなり、所望の特性の圧電体層70を比較的容易に製造することができ、量産性も大幅に向上する。
By forming the
なお、圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1−x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PMN−PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PZN−PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3−PbTiO3(PNN−PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3−PbTiO3(PIN−PT)、Pb(Sc1/3Ta1/2)O3−PbTiO3(PST−PT)、Pb(Sc1/3Nb1/2)O3−PbTiO3(PSN−PT)、BiScO3−PbTiO3(BS−PT)、BiYbO3−PbTiO3(BY−PT)等が挙げられる。また、圧電体層70の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法等を用いてもよい。
As a material of the
また、このように圧電体層70を形成した後は、図5(a)に示すように、例えば、イリジウムからなる上電極膜80を流路形成基板用ウェハ110の全面に形成する。次いで、図5(b)に示すように、圧電体層70及び上電極膜80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子300を形成する。次に、リード電極90を形成する。具体的には、図5(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなる金属層91を形成する。その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して金属層91を各圧電素子300毎にパターニングすることでリード電極90が形成される。
After the
次に、図5(d)に示すように、流路形成基板用ウェハ110の圧電素子300側に、シリコンウェハであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハ130を接合する。なお、この保護基板用ウェハ130は、例えば、400μm程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハ130を接合することによって流路形成基板用ウェハ110の剛性は著しく向上することになる。
Next, as shown in FIG. 5D, a
次いで、図6(a)に示すように、流路形成基板用ウェハ110をある程度の厚さとなるまで研磨した後、更に弗化硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ110を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、約70μm厚になるように流路形成基板用ウェハ110をエッチング加工した。次いで、図6(b)に示すように、流路形成基板用ウェハ110上に、例えば、窒化シリコン(SiN)からなるマスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、このマスク膜52を介して流路形成基板用ウェハ110を異方性エッチングすることにより、図6(c)に示すように、流路形成基板用ウェハ110に圧力発生室12、連通部13及びインク供給路14等を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, after the flow path forming
なお、その後は、流路形成基板用ウェハ110及び保護基板用ウェハ130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ110の保護基板用ウェハ130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハ130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハ110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
After that, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。また、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図7は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図7に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートSがプラテン8上を搬送されるようになっている。
(Other embodiments)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment. Further, the ink jet recording head of the above-described embodiment constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 7 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus. As shown in FIG. 7, in the
なお、上述した実施形態においては、アクチュエータ装置を液体吐出手段として具備し液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを例示したが、本発明は、広くアクチュエータ装置の全般を対象としたものである。したがって、勿論、本発明は、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。また、本発明は、液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用できる。なお、アクチュエータ装置が搭載される他の装置としては、上述した液体噴射ヘッドの他に、例えば、センサー等が挙げられる。 In the above-described embodiment, the ink jet recording head is illustrated as an example of the liquid ejecting head that includes the actuator device as the liquid ejecting unit and is mounted on the liquid ejecting device. It is intended. Therefore, of course, the present invention can also be applied to a liquid ejecting head that ejects liquid other than ink. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (surface emitting displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like. In addition, the present invention can be applied not only to an actuator device mounted on a liquid ejecting head but also to an actuator device mounted on any device. As another device on which the actuator device is mounted, for example, a sensor or the like can be cited in addition to the liquid jet head described above.
10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜、 55 絶縁体膜、 60 下電極膜、 65 種チタン層、 70 圧電体層、 80 上電極膜、 300 圧電素子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記振動板を形成する工程が、ジルコニウム層を形成すると共に該ジルコニウム層を所定温度で熱酸化することで酸化ジルコニウムからなり前記振動板の最表層を構成する絶縁体膜をその表面粗さが2nm以下となるように形成する工程を含み、且つ前記圧電素子を形成する工程が、前記下電極上にスパッタ法によりチタン(Ti)を塗布して種チタン層を形成する工程と、該種チタン層上に圧電材料を塗布して圧電体前駆体膜を形成すると共に該圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させることで前記圧電体層を形成する工程とを含むことを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。 A method for manufacturing an actuator device comprising: a step of forming a diaphragm on one surface of a substrate; and a step of forming a piezoelectric element comprising a lower electrode, a piezoelectric layer and an upper electrode on the diaphragm,
The step of forming the diaphragm forms a zirconium layer and thermally oxidizes the zirconium layer at a predetermined temperature to form an insulator film comprising the outermost layer of the diaphragm with a surface roughness of 2 nm. The step of forming the piezoelectric element includes forming a seed titanium layer by applying titanium (Ti) on the lower electrode by sputtering, and the seed titanium layer. An actuator device comprising: forming a piezoelectric precursor film by applying a piezoelectric material thereon; and forming the piezoelectric layer by firing and crystallizing the piezoelectric precursor film. Manufacturing method.
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