JP2006199580A - セラミックス体の製造方法、及び、液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結体の内部に焼結助剤が均一に分散させて熱処理することができるセラミックス体の製造方法の提供。
【解決手段】成所定の真空度に保った成膜室の内部で、セラミックス粉体をガスによって分散させることにより生成されたエアロゾルをノズルから基板上に噴射させることにより成膜する（Ｓ１）。基板を所定の成膜温度に保ち、焼結助剤の成分を含む気体雰囲気において焼結を行う（Ｓ２）。セラミックスはＰＺＴ等の圧電セラミックスを含み、焼結助剤はＰｂＯ，ＬｉＢｉＯ２，ＬｉＦ，Ｌｉ３ＰＯ４，Ｌｉ２ＣＯ３，Ｌｉ２ＳＯ４，Ｌｉ２Ｏ３，Ｂｉ２Ｏ３，Ｌｉ２ＣＯ３−Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３，ＢｉＦ３−ＬｉＦ，ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３，ＰｂＦ２−ＰｂＢｒ２，ＺｒＦ４−ＬｉＦ，ＰｂＯ−Ｂｉ２Ｏ３−Ｖ２Ｏ５，Ｐｂ複合酸化物、Ｂｉ複合酸化物の内のいずれかの成分を含む。セラミックス体を用いて液体吐出ヘッドを製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックスの成形体を熱処理することによって得られるセラミックス体の製造方法に関する。また、本発明は、そのようなセラミックス体の製造方法を用いた液体吐出ヘッド（インクジェットヘッド）の製造方法に関する。

図１０及び図１１を参照しながら、インクジェットプリンタにおいてインクを吐出する液体吐出ヘッドの一般的な構造について説明する。図１０は、インクジェットプリンタの印字部の周辺を示す平面図である。図１０に示すように、印字部１００は、ローラ１０２及び１０３に掛け渡されたベルト１０４に吸着保持されている記録紙１０１の上部に配置されている。記録紙１０１は、制御信号に従って駆動されるローラ１０２及び１０３及びベルト１０４により、矢印の方向に送られる。

印字部１００は、インクを吐出する複数の液体吐出ヘッド１００ａ〜１００ｄを含んでいる。これらの液体吐出ヘッド１００ａ〜１００ｄは、記録紙１０１の紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドである。液体吐出ヘッド１００ａ〜１００ｄの各々は、記録紙１０１の紙送り方向に対して直交する方向に配置された複数のノズル部を含んでおり、供給される制御信号に従って、黒、シアン、マゼンタ、イエローのインクをそれぞれ吐出する。
印字検出部１０５は、印字部１００による印字結果を撮像するためのラインセンサを含んでおり、ラインセンサによって読み取られた画像に基づいて、ノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。

図１１は、液体吐出ヘッドにおけるインク吐出機構を説明するための図であり、液体吐出ヘッドの断面の一部を示している。図１１に示すように、液体吐出ヘッドは、ノズルプレート１１０と、ノズルプレート１１０上の空間を複数の領域に仕切る隔壁１１１と、隔壁１１１上に配置されている振動板１１２とを含んでいる。このノズルプレート１１０と、隔壁１１１と、振動板１１２とによって、複数の圧力室１１３が形成される。この圧力室１１３には、複数の色のインクが充填される。また、ノズルプレート１１０の面内には、複数の圧力室１１３に対応して、複数の吐出口（ノズル部）１１４が形成されている。さらに、振動板１１２上には下部電極１１５が形成されており、その上には、複数の圧電体１１６が複数の圧力室１１３に対応して配置されている。これらの圧電体１１６の各々の上には、上部電極１１７が形成されている。なお、図１１においては、説明を簡単にするために、各圧力室１１３にインクを補給するための機構は省略されている。

印字を行う場合には、制御信号に従って下部電極１１５及び上部電極１１７に電圧を印加する。それにより、圧電体１１６が圧電効果により伸縮して、振動板１１２が変形する。その結果、圧力室１１３の容積が変化するので、内部に充填されているインクが加圧されて吐出部１１４から滴下する。

近年、プリンタの解像度を高くして画質を向上させるために、液体吐出ヘッドの高集積化が進められており、それに伴い液体吐出ヘッドを駆動する圧電体（圧電セラミックス体）についても、微細化及び高集積化、並びに、各圧電体における性能の向上が望まれている。

一般に、セラミックス体を製造するには、セラミックス材料の粉体に有機物のバインダを混合して成形し、成形体を高温で焼成することにより、バインダを飛散させてセラミックス材料を焼結させている。さらに、セラミックスの性能を向上させるために、セラミックスに含まれる結晶粒を成長させて緻密化する焼結（熱処理）も行われる。例えば、上記の液体吐出ヘッド用の圧電アクチュエータに用いられる圧電体を作製する場合には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）等の圧電セラミックスの成形体をジルコニア（ＺｒＯ_２）基板上に配置し、それを９００℃以上の雰囲気中において焼結させる。このような焼結を行う場合には、処理温度が９００℃以上に至るので、セラミックス体が配置される基板に高い耐熱性が要求される。しかしながら、ジルコニアのように高い耐熱性を有する基板は、加工性が低いと共に高価であるので、実用化適性の面において問題となっている。

そこで、より低い温度における焼結を可能とするために、焼結助剤が用いられる。焼結助剤とは、粒界に液相を形成することにより、焼結温度を低温化して結晶粒の成長を促進するための材料であり、低融点を特徴としている。焼結助剤を用いることにより、焼結温度を低温化させることができるので、基板材料の選択の幅が広くなる。例えば、焼結温度が８００℃程度に低下すれば、シリコン（Ｓｉ）基板を使用できるようになり、６００℃まで低下すれば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）基板を使用できるようになる。このように、加工性が良く、安価な材料を選択することにより、製造歩留まりを向上させると共にコストを低減することが可能となる。

関連する技術として、特許文献１には、導電性セラミックス材料において、室温で１０^−１Ω・ｃｍ程度の固有電気抵抗値を有し、酸素プラズマ処理によってその固有抵抗値が低下せしめられず、また、その表面が酸素プラズマ処理によって悪影響を被ることがないようにするために、ＲｕＯ_２、ＲｅＯ_２、ＩｒＯ_２及び特定の固定のペロブスカイト酸化物群から選ばれた酸化物粒子と、ＬｉＦ、Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｌｉ_２ＳＯ_４、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ複合酸化物、ＰｂＯ及びＰｂ複合酸化物から選ばれた助剤粒子とから導電性セラミックス材料を形成することが開示されている。

また、特許文献２には、微細なセラミックス粒子が均一に分散した組織構造を有するとともに、成形性が良好で、且つ、高緻密質で強度の高い成形体を製造するために、（ａ）微粒子相用のセラミックス粉末と焼結助剤粉末との均一混合物を生成し、（ｂ）１２００〜１５００℃の温度範囲において上記微粒子相のセラミックスと上記焼結助剤とが反応してなるバインダー相が出現するまで、上記混合物を熱処理するセラミックス複合粒子の製造方法が開示されている。
特開２００２−２９３６２９号公報（第１頁） 特開平１１−４９５７２号公報（第１頁、図１）

一般に、焼結助剤を用いて焼結を行う場合には、セラミックスの原料の粉体と焼結助剤の粉体とが予め混合された材料を用いてセラミックスの成形体を作製し、その成形体を焼結する手法が採られる。セラミックスを成形する手法としては、グリーンシート法や、粉体プレス法や、エアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法等が考えられるが、いずれを用いる場合においても、混合された材料において焼結助剤の偏析が生じ易い。そのため、焼結後のセラミックス体において組成や構造が不均一となってしまうので、セラミックス体の性能にばらつきが生じて、セラミックス体を含む機器全体の信頼性が低下してしまう。或いは、特許文献２に開示されているように、セラミックスの粉末と焼結助剤とを結合させた複合粒子を用いる場合には、工程が煩雑であると共に、セラミックスの原料と焼結助剤との組み合わせに応じて複合粒子を作製しなければならないので、実用的ではない。また、セラミックスを成形する際に複合粒子が破砕した場合には、やはり焼結助剤の分布が不均一となってしまう。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、焼結助剤をセラミックスの成形体に均一に分散させて熱処理することができるセラミックス体の製造方法を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、そのようなセラミックス体の製造方法を用いた液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係るセラミックス体の製造方法は、セラミックスの成形体を作製する工程（ａ）と、該セラミックスの成形体を、焼結助剤の成分を含む気体雰囲気において熱処理する工程（ｂ）とを具備する。

また、本発明の１つの観点に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、液体が充填される複数の圧力室と、該複数の圧力室に液体を供給するための流路とを含む空間が形成された３次元構造体と、複数の圧力室内の液体をノズルからそれぞれ吐出するための複数の圧電素子とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、基板の第１の主面上に第１の電極を形成する工程（ａ）と、該第１の電極上に、複数の圧電セラミックスの成形体を所定の配列となるように配置する工程（ｂ）と、該複数の圧電セラミックスの成形体を、焼結助剤の成分を含む気体中において熱処理する工程（ｃ）と、複数の圧電セラミックス上に、複数の第２の電極をそれぞれ形成する工程（ｄ）と、基板の第２の主面上に、複数の圧電セラミックスの成形体に対応して、複数の圧力室及び流路を形成する工程（ｅ）とを具備する。

本発明によれば、焼結助剤の成分を含む気体雰囲気においてセラミックスの成形体の熱処理を行うことにより、セラミックスの成形体内に焼結助剤の成分を均一に分散させることができるので、セラミックスの成形体に含まれる結晶粒の成長を均一に促進することができる。従って、組成及び構造が均一で性能の良いセラミックス体を、簡単な工程で製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るセラミックス体の製造方法を示すフローチャートである。
まず、図１の工程Ｓ１において、セラミックス材料の粉体を成形することにより、セラミックスの成形体（セラミックス成形体）を作製する。セラミックスを成形する際には、種々の公知の技術を用いることができるが、本実施形態においては、後述する理由によりエアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法を用いて成形する。

ＡＤ法とは、セラミックス等の成膜材料の粉体を含むエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射することにより、基板上に成膜材料を堆積させる成膜方法である。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。ＡＤ法におけるエアロゾルに含まれる微粒子の径は、成膜材料の種類や基板材料との関係等により様々であるが、本実施形態のようにセラミックス膜を形成する場合には、粒子径を０．１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。このようなエアロゾルは、後述するように、粉体をガスによって分散させることにより生成される。なお、ＡＤ法は、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれている。

図２は、ＡＤ法を用いた成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、ガスボンベ１と、搬送管２ａ及び２ｂと、エアロゾル生成室３と、成膜室４と、排気ポンプ５と、噴射ノズル６と、基板ホルダ７とを含んでいる。
ガスボンベ１には、キャリアガスとして使用される窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、又は、乾燥空気等が充填されている。また、ガスボンベ１には、キャリアガスの供給量を調節するための圧力調整部１ａが設けられている。

エアロゾル生成室３は、成膜材料の粉体（以下において、原料粉ともいう）が配置される容器である。ガスボンベ１から搬送管２ａを介して、エアロゾル生成室３にキャリアガスを導入することにより、そこに配置された原料粉が噴き上げられて分散する。そのようにして生成されたエアロゾルは、搬送管２ｂを介して噴射ノズル６に供給される。また、エアロゾル生成室３は、エアロゾル生成室３に振動等を与えることにより、その内部に配置された原料粉を攪拌するための容器駆動部３ａが設けられている。

成膜室４の内部は、排気ポンプ５によって排気されており、それによって所定の真空度に保たれている。
噴射ノズル６は、所定の形状及び大きさ（例えば、長辺が５ｍｍ程度で、短辺が幅０．５ｍｍ程度の長方形）の開口を有しており、エアロゾル生成室３から供給されたエアロゾルを基板１０に向けて高速で噴射する。

基板ホルダ７は、基板１０を保持している。また、基板ホルダ７には、基板ホルダ７を３次元的に移動させるための基板ホルダ駆動部７ａが設けられている。これにより、噴射ノズル６と基板１０との相対位置及び相対速度が制御される。

図２に示す成膜装置において、原料粉（セラミックス粉体）をエアロゾル生成室３に配置すると共に、基板１０を基板ホルダ７にセットする。また、基板１０を所定の成膜温度に保ち、成膜装置を駆動してノズル６からエアロゾルを噴射する。それにより、高速に加速された原料粉が、基板１０や先に形成された堆積物等の下層に衝突する。それにより、原料粉が下層に食い込むと共に、衝突の際に原料粉が破砕して新たな破砕面が生成される。この破砕面が下層に付着して結合することにより、強固な膜が形成される。このような成膜メカニズムは、メカノケミカル反応と呼ばれている。その間に、基板ホルダ７を所定の速度で移動させて繰り返し走査することにより、所望の領域に所望の厚さを有するセラミックス膜を形成することができる。

次に、図１の工程Ｓ２において、工程Ｓ１において作製されたセラミックス成形体を、焼結助剤の成分を含む気体雰囲気において熱処理する。
図３は、工程Ｓ２において用いられる熱処理装置の構成を示す模式図である。炉２０内に配置されている蒸発皿２１には、粒子状の焼結助剤２２が配置されている。また、炉２０の周辺部には、ヒータ２４が配置されている。さらに、炉２０には、炉２０内の圧力を調節するためのポンプ２５が設けられている。このような炉２０内に、工程Ｓ１において形成されたセラミックス成形体２３を配置する。なお、図３には、セラミックス成形体２３が基板１０上に形成されたままの状態で炉２０内に配置されている様子が示されているが、基板から剥離されたセラミックス成形体を炉２０内に直接配置しても良い。そして、ヒータ２４により炉２０内を所定の温度（例えば、約６００℃〜約１０００℃）まで加熱する。それにより、焼結助剤２２が蒸発して炉２０内に充満し、焼結助剤２０の蒸気（焼結助剤２０の成分を含む気体）がセラミックス成形体２３の内部に浸透する。その結果、セラミックス成形体２３の焼結が促進される。

焼結助剤２２としては、ＰｂＯ、ＬｉＢｉＯ_２、ＬｉＦ、Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｌｉ_２ＳＯ_４、Ｌｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３、ＢｉＦ_３−ＬｉＦ、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３、ＰｂＦ_２−ＰｂＢｒ_２、ＺｒＦ_４−ＬｉＦ、ＰｂＯ−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｖ_２Ｏ_５、Ｐｂ複合酸化物、Ｂｉ複合酸化物等の成分を含む材料を、製造するセラミックス体の原料に応じて単独で、又は、複数種類を混合して用いることができる。

工程Ｓ２においては、常圧のまま熱処理を行っても良いし、炉２０内を加圧した状態で熱処理を行っても良い。炉内を加圧する場合には、焼結助剤の成分をセラミックス成形体２３の内部に効率良く浸透させることができる。特に、セラミックス成形体２３が厚い場合には、焼結助剤の成分をセラミックス成形体２３の内部に確実に浸透させるために、炉内を加圧した状態で熱処理を行うことが望ましい。

また、図３においては、炉内を加熱することにより焼結助剤を気化しているが、焼結助剤に対してエネルギーアシストすることにより、焼結助剤の気化を促進しても良い。それによって焼結助剤の蒸気圧が高くなるので、さらに効率良くセラミックス成形体２３を焼結することができる。エネルギーアシストする手段としては、例えば、焼結助剤に赤外線を照射することにより熱エネルギーを与えたり、紫外線やプラズマを照射することにより焼結助剤の表面を活性化することが挙げられる。或いは、それらの複数のアシスト手段を併用しても良い。
さらに、炉２０内の圧力や、焼結助剤の蒸気圧を制御することにより、セラミックス成形体２３に浸透させる焼結助剤の成分の濃度を調節しても良い。

実施例として、厚さが約１０μｍのＰＺＴ膜を、ＡＤ法によりジルコニア基板上に形成し、焼結助剤としてＰｂＯ成分を含有する気体雰囲気において熱処理を行った。なお、ＡＤ法における成膜温度を、約６００℃とした。ＰＺＴ膜が形成された基板及び焼結助剤が配置された炉内を徐々に加熱したところ、ＰｂＯの融点である約８８０℃付近からＰｂＯ成分を含む蒸気が発生し初め、ＰＺＴ膜内にも浸透した。このような熱処理を、炉内の温度が約１０００℃に至るまで行った後で、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＰＺＴ膜の断面を観察した。その結果、結晶粒の成長が促進されたことが明確に確認された。また、熱処理後のＰＺＴ膜のビッカース硬度は９５０Ｈｖであり、圧電定数ｄ３１は２２０ｐｍ／Ｖであった。

また、比較例として、実施例と同様に、ジルコニア基板上にＰＺＴ膜を形成し、焼結助剤を用いることなく熱処理を行った。そして、約１０００℃の熱処理を行った後で、ＳＥＭを用いてＰＺＴ膜の断面を観察したところ、結晶粒はあまり成長していなかった。また、熱処理後のＰＺＴ膜のビッカース硬度は７００Ｈｖであり、圧電定数ｄ３１は１００ｐｍ／Ｖであった。

以上の結果を比較して明らかなように、焼結助剤の成分を含む気体雰囲気においてＰＺＴ膜の熱処理を行うことにより、結晶粒の成長が大幅に促進されるので、その結果として、ビッカース硬度によって表される膜の緻密度が高くなると共に、圧電性能が大幅に向上する。

また、実施例において、ＡＤ法による成膜時に用いられる原料粉（セラミックス粉体）の粒子径分布を変化させたところ、粒子径分布がより狭い方が、熱処理後の結晶粒の大きさが均一であることが確認された。これは、原料粉の粒子径が均一である方が、熱処理の際に、焼結助剤の成分がＰＺＴ膜の内部に均一に浸透するので、結晶粒の成長も均一に進行するためと考えられる。

次に、本実施形態において、セラミックス成形体を作製する際にＡＤ法を用いる理由について説明する。
本実施形態における熱処理の効果を高くすることにより、セラミックス成形体の良好な特性を得るためには、熱処理前のセラミックス成形体の緻密度を制御することが重要となる。その理由として、本実施形態においては、蒸気の拡散及び浸透を利用することにより、焼結助剤の成分をセラミックス内部に行き渡らせている。そのため、セラミックス成形体の緻密度が高すぎる場合には、焼結助剤の蒸気がセラミックスの内部まで浸透することができないので、セラミックス成形体の表面のみにおいて結晶粒の成長が促進されて、特性が不均一となってしまう。反対に、セラミックス成形体の緻密度が低すぎる場合には、熱処理によって結晶粒が成長したとしても、それによって到達できる緻密度は依然として低いままなので、所望の特性を望むことはできない。

このような観点から、例えば、ＰＺＴ膜について熱処理を行う場合には、熱処理前のＰＺＴ膜において、緻密度を表す指標であるビッカース硬度が３００Ｈｖ〜６００Ｈｖの範囲内にあることが適切である。この点において、ＡＤ法によれば、エアロゾルの噴射速度や原料粉の粒径等の成膜条件を制御することにより、形成される膜の密度が所望の範囲となるように調節することができる。

また、ＡＤ法によれば、不純物を含まない厚膜を、ペーストや溶液等を使用しないドライプロセスにより形成することができる。ドライプロセスが望ましいのは、セラミックス成形体がウェットな状態である場合には、焼結助剤の蒸気の浸透が妨げられ易いからである。なお、ドライプロセスによる成膜方法としては、ＡＤ法の他に固相焼成法が挙げられるが、この方法においては、粉体に印加される圧力を機械的に制御することによって膜の密度を調節するので、密度が均一となるように制御したり、密度を微調整することは困難である。

以上の点を考慮すると、ＡＤ法を用いることが最適であるが、例えば、グリーンシート法によって形成された焼成品や、粉体プレス法によって形成された圧粉体又は焼結体等であっても、適切な緻密度を有していれば、本実施形態における熱処理を適用することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法について説明する。本発明の第１の実施形態においては、図３に示すように、焼結助剤の蒸気生成とセラミックス成形体の熱処理とを同一の炉内において行ったが、本実施形態においては、それらを別の炉において行う。

図４は、図１に示す工程Ｓ２において用いられる熱処理装置の別の構成を示す模式図である。図４に示すように、この熱処理装置は、蒸気生成用炉３０と、焼結用炉３４とを含んでいる。蒸気生成用炉３０には、ヒータ３１及び蒸発皿３２が配置されていると共に、蒸気生成用炉３０内の圧力を調節するためのポンプ３３が設けられている。また、焼結用炉３４には、その周辺部にヒータ３５が配置されていると共に、焼結用炉３４内の圧力を調節するためのポンプ３６が設けられている。これらの蒸気生成用炉３０と焼結用炉３４とは、蒸気用通路３７を介して接続されている。

熱処理を行う際には、基板１０上に形成されたセラミックス成形体２３を焼結用炉３４に配置すると共に、蒸気生成用炉３０内の蒸発皿３２に粒子状の焼結助剤２２を配置する。そして、ヒータ３１によって結助助剤２２を加熱することにより気化して、焼結助剤の成分を含む気体を焼結用炉３４内に導入する。一方、焼結用炉３４内をヒータ３５によって加熱しておく。それにより、焼結助剤の成分を含む気体が焼結用炉３４内に充満してセラミックス成形体２３の内部に浸透し、その結果、セラミックス成形体２３の焼結が促進される。その際には、焼結用炉３４内の圧力を制御することにより、焼結助剤の成分のセラミックス成形体２３内への浸透を調節しても良い。

なお、本実施形態においても、焼結助剤２２を気化させる際に、赤外線や、紫外線や、プラズマを単独で照射し、又は、複数種類を併用して照射することによりエネルギーアシストしても良い。また、蒸気生成用炉３０内の圧力を制御（減圧）することにより、焼結助剤２２の気化を促進させても良い。

以上説明した本発明の第１及び第２の実施形態の変形例として、工程Ｓ２において熱処理を行う際に、セラミックス成形体に対してエネルギーアシストを行っても良い。例えば、図３又は図４に示すセラミックス成形体２３に対して、赤外線や、紫外線や、プラズマを単独で照射し、又は、複数種類を併用して照射する。このように、セラミックス成形体２３に熱エネルギーを与えたり、表面を活性化することにより、セラミックス成形体２３の内部への焼結助剤の成分の浸透を促進することができる。

以上説明したように、本発明の第１及び第２の実施形態によれば、セラミックス成形体中に焼結助剤を均一に分散させることができるので、組成及び構造が均一で性能の良いセラミックス体を容易に製造することができる。また、焼結助剤の蒸気圧を制御することにより、セラミックス体に作用させる焼結助剤の成分の濃度を調節することができるので、極めて簡単な工程で、所望の焼結効果を得ることができる。

次に、本発明の第１又は第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法を用いた圧電素子の製造方法について、図５〜図７を参照しながら説明する。
図５に示すように、シリコン（Ｓｉ）等の基板４０上に、スパッタ法等の公知の技術により下部電極４１を形成する。本実施形態において、下部電極４１は、厚さが約５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層４１ａと、厚さが約５００ｎｍの白金（Ｐｔ）層４１ｂとを含んでいる。チタン層４１ａは、導電層として機能する白金層４１ｂと基板４０との間の密着性を高めると共に、白金の基板４０への不要な拡散を防止するために設けられている。

次に、下部電極４１上に、所定の厚さを有する複数のＰＺＴ膜４２を、ＡＤ法により所定のパターンとなるように形成する。その際には、所定のマスクパターンが形成されたメタルマスクやレジストマスクを用いてエアロゾルの噴射を行うことにより、パターンを形成することができる。

次に、図６に示すように、下部電極４１及び複数のＰＺＴ膜４２が形成された基板４０を炉２０内に配置し、焼結助剤２２の気体雰囲気において熱処理を行う。或いは、炉２０の替わりに、図４に示す炉３４を用いても良い。
次に、図７に示すように、焼結された複数のＰＺＴ膜４２上に、スパッタ法等により複数の上部電極４３をそれぞれ形成する。下部電極４１と、複数のＰＺＴ膜４２と、複数の上部電極４３とが、電圧を印加されることにより伸縮するアレイ状の圧電素子を構成している。

このようなアレイ状の圧電素子は、液体吐出ヘッドを駆動するための圧電アクチュエータや、超音波撮像装置に備えられている超音波用探触子において超音波を送受信する超音波トランスデューサとして利用することができる。先に述べたように、焼結助剤を使用することにより焼結温度の低温化が図られるので、シリコンやＳＵＳ等の加工性が良く安価な基板を使用できるようになると共に、ＰＺＴ膜の性能を向上させることができるので、圧電素子を含む機器の製造コストを低減すると共に、そのような機器に対する信頼性を向上させることが可能となる。

次に、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について、図５〜図９を参照しながら説明する。本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、圧力室にインクを供給するための流路や圧力室からインクを吐出するためのノズルを含む３次元構造体をＡＤ法によって形成することにより、モノリシック（一体的）構造化することを特徴としている。

まず、図５〜図７を参照しながら説明したのと同様に、アレイ状の圧電素子を製造する。その際には、基板４０として、厚さが約３０μのシリコン基板を用いる。また、各ＰＺＴ膜４２の底面サイズを約３００μｍ角、厚さを約１０μｍとし、そのような複数のＰＺＴ膜４２を、約１００μｍ間隔で２次元マトリクス状に配置する。

つぎに、図８の（ａ）に示すように、基板４０において、ＰＺＴ膜４２が配置されているのと反対側の面上に、厚さが約１０μｍの第１のアルミナ層５０を所定のパターンとなるように形成する。第１のアルミナ層５０は、原料粉として、例えば、平均粒子径が約０．３μｍのアルミナ単結晶の粉体を用意して、所定のマスクパターンが形成されたレジストマスクを用いてＡＤ法による成膜を行うことにより形成することができる。この第１のアルミナ層５０により、インクが配置される圧力室５１の領域が画定される。なお、この後で、第１のアルミナ層５０を形成する際に基板４０に生じた熱応力を除去するために、熱処理を行っても良い。

次に、図８の（ｂ）に示すように、圧力室５１内に、犠牲層として溶解材料５２をＡＤ法により配置する。溶解材料５２は、その上にＡＤ法による成膜が可能な程度の硬さを有する材料であり、且つ、ウェットエッチングによって除去可能な材料である。具体的には、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の金属材料や、ポリウレタン系樹脂、ポリウレタンアクリレート、エポキシ系樹脂等の硬質樹脂材料等が挙げられる。

次に、図８の（ｃ）に示すように、第１のアルミナ層５０及び溶解材料５２上において、インクの流路５３を除いた領域に、ＡＤ法により第２のアルミナ層５４を形成する。
次に、図８の（ｄ）に示すように、インクの流路に、ＡＤ法により犠牲層として溶解材料５２を配置する。

さらに、図９の（ａ）に示すように、第３のアルミナ層５５の形成および溶解材料５２の配置、第４のアルミナ層５６の形成及び溶解材料５２の配置、第５のアルミナ層５７の形成および溶解材料５２の配置、第６のアルミナ層（ノズルプレート）５８の形成及び溶解材料５２の配置を順次行う。これらの第３のアルミナ層５５〜第６のアルミナ層５８中に配置されている溶解材料５２は、インクの流路やノズルを形成するための犠牲層となる。

次に、ウェットエッチングにより、第１アルミナ層５０〜第６のアルミナ層５８中に配置されている溶解材料５２を除去する。それにより、図９の（ｂ）に示すように、圧力室５１、インクを吐出するノズル５９、圧力室５１からノズル５９にインクを供給するノズル流路６０、及び、圧力室５１にインクを供給するための共通流路６１が形成される。

なお、圧力室等の構造及び形成方法については、図８及び図９を参照しながら説明したものの他にも、種々の技術を適用することができる。例えば、ノズルが形成されたノズルプレートを別途作製して、接着剤により隔壁５０（図８の（ａ）参照）に貼り付けるようにしても良い。また、３次元構造体のモノリシック構造化については、特願２００４−６０７４４号を参照されたい。

以上説明した本発明の実施形態において、成膜方法としてＡＤ法を用いる際には、エアロゾルを生成する機構は図２に示す構成に限定されない。即ち、原料粉がガス中に分散している状態を生成することができれば、様々な構成を用いることができる。例えば、原料粉を収納している容器（収納容器）にガスを導入するのではなく、収納容器から所定量の原料粉を取り出し、取り出された原料粉についてこれをエアロゾル化する構成としても良い。具体的には、原料粉の収納容器と、回転駆動することにより収納容器から所定のレート（供給速度）で連続的に原料粉の供給を受けてこれを搬送する原料粉供給部（粉末供給盤）と、原料粉供給部によって搬送された原料粉をガスによって分散させることによりエアロゾルを生成するエアロゾル生成部（エアロゾル化部）とを含む構成が挙げられる。このような構成においては、原料粉供給部に、原料粉が投入される所定の幅の溝を形成することにより、安定した量の原料粉を供給することができると共に、原料粉供給部を回転駆動する速度を調整することにより、原料粉の供給量を制御することができる。そして、原料粉の搬送先においてその溝にキャリアガスを導入することにより、濃度の安定したエアロゾルを生成することができる。

また、原料粉の収納容器において原料粉を攪拌すると共に、この収納容器に圧縮ガスを導入することにより、圧縮ガスと混合された所定量の原料粉を収納容器から取り出し、これを細径の穴から外部に排出することにより、圧縮ガスの膨張を利用して原料粉を分散させる構成も挙げられる。さらに、キャリアガスの流路に原料粉を連続的に供給して原料粉をキャリアガスに分散させることにより、エアロゾルを生成する構成を用いても良い。

本発明は、圧電材料を含むセラミックス体の製造方法において利用することが可能であり、さらに、そのようなセラミック体を含み、液体吐出ヘッドを駆動するための圧電アクチュエータや、超音波撮像装置において超音波を送受信する超音波トランスデューサ等の製造方法において利用することが可能である。

本発明の第１及び第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法を示すフローチャートである。 エアロゾルデポジション（ＡＤ）法を用いた成膜装置を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るセラミックス体の製造方法において用いられる熱処理装置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法において用いられる熱処理装置を示す模式図である。 本発明の第１及び第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法を用いた圧電素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１及び第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法を用いた圧電素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１及び第２の実施形態に係るセラミックス体の製造方法を用いた圧電素子アレイの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法における圧電素子の形成工程を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法における圧力室、ノズル流路、及び、共通流路の形成工程を説明するための図である。 インクジェットプリンタの印字部の周辺を示す平面図である。 液体吐出ヘッドにおけるインク吐出機構を説明するための図である。

符号の説明

１ ガスボンベ
１ａ 圧力調整部
２ａ、２ｂ 搬送管
３ エアロゾル生成室
３ａ 容器駆動部
４ 成膜室
５ 排気ポンプ
６ 噴射ノズル
７ 基板ホルダ
７ａ 基板ホルダ駆動部
１０、４０ 基板
２０ 炉
２１、３２ 蒸発皿
２２ 焼結助剤
２３ セラミックスの成形体（セラミックス成形体）
２４、３１、３５ ヒータ
２５、３３、３６ ポンプ
３０ 蒸気生成用炉
３４ 焼結用炉
３７ 蒸気用通路
４１ 下部電極
４１ａ チタン層
４１ｂ 白金層
４２ ＰＺＴ膜
４３ 上部電極
５０ 第１のアルミナ層
５１ 圧力室
５２ 溶解材料
５３ インクの流路
５４ 第２のアルミナ層
５５ 第３のアルミナ層
５６ 第４のアルミナ層
５７ 第５のアルミナ層
５８ 第６のアルミナ層（ノズルプレート）
５９ ノズル
６０ ノズル流路
６１ 共通流路
１１６、１２２ 圧電体
１００ 印字部
１００ａ〜１００ｄ 液体吐出ヘッド
１０１ 記録紙
１０２、１０３ ローラ
１０４ ベルト
１０５ 印字検出部
１１０ ノズルプレート
１１１ 隔壁
１１２ 振動板
１１４ 吐出口（ノズル部）

Claims (14)

1. セラミックスの成形体を作製する工程（ａ）と、
   前記セラミックスの成形体を、焼結助剤の成分を含む気体雰囲気において熱処理する工程（ｂ）と、
   を具備するセラミックス体の製造方法。
2. 前記セラミックスの成形体が、３００Ｈｖ〜６００Ｈｖのビッカース硬度を有する、請求項１記載のセラミックス体の製造方法。
3. 工程（ａ）が、セラミックスの粉体をノズルから基板に向けて噴射して、セラミックスを前記基板上に堆積させることにより、前記セラミックスの成形体を作製することを含む、請求項１又は２記載のセラミックス体の製造方法。
4. 工程（ａ）が、前記セラミックスの粉体をガスによって分散させることにより生成されたエアロゾルをノズルから基板に向けて噴射することにより、前記セラミックスを該基板上に堆積させるエアロゾルデポジション法を用いることを含む、請求項３記載のセラミックス体の製造方法。
5. 前記焼結助剤が、ＰｂＯ、ＬｉＢｉＯ_２、ＬｉＦ、Ｌｉ_３ＰＯ_４、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｌｉ_２ＳＯ_４、Ｌｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２ＣＯ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３、ＢｉＦ_３−ＬｉＦ、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３、ＰｂＦ_２−ＰｂＢｒ_２、ＺｒＦ_４−ＬｉＦ、ＰｂＯ−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｖ_２Ｏ_５、Ｐｂ複合酸化物、及び、Ｂｉ複合酸化物の内のいずれかの成分を含む、請求項１〜４のいずれか１項記載のセラミックス体の製造方法。
6. 前記セラミックスの成形体が、圧電セラミックスを含む、請求項１〜５のいずれか１項記載のセラミックス体の製造方法。
7. 前記セラミックスの成形体が、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む、請求項６記載のセラミックス体の製造方法。
8. 工程（ｂ）が、前記焼結助剤を加熱することにより、前記焼結助剤を気化させることを含む、請求項１〜７のいずれか１項記載のセラミックス体の製造方法。
9. 工程（ｂ）が、前記焼結助剤が配置された炉を減圧することを含む、請求項８記載のセラミックス体の製造方法。
10. 工程（ｂ）が、前記焼結助剤に対して、赤外線と、紫外線と、プラズマとの内のいずれかを照射し、又は、２つ以上を併用して照射することを含む、請求項８又は９記載のセラミックス体の製造方法。
11. 工程（ｂ）が、前記セラミックスの成形体が配置された炉を加圧することを含む、請求項１〜１０のいずれか１項記載のセラミックス体の製造方法。
12. 工程（ｂ）が、前記セラミックスの成形体に対して、赤外線と、紫外線と、プラズマとの内のいずれかを照射し、又は、２つ以上を併用して照射することを含む、請求項１〜１１のいずれか１項記載のセラミックス体の製造方法。
13. 液体が充填される複数の圧力室と、該複数の圧力室に液体を供給するための流路とを含む空間が形成された３次元構造体と、複数の圧力室内の液体をノズルからそれぞれ吐出するための複数の圧電素子とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    基板の第１の主面上に第１の電極を形成する工程（ａ）と、
    前記第１の電極上に、複数の圧電セラミックスの成形体を所定の配列となるように配置する工程（ｂ）と、
    前記複数の圧電セラミックスの成形体を、焼結助剤の成分を含む気体中において熱処理する工程（ｃ）と、
    前記複数の圧電セラミックス上に、複数の第２の電極をそれぞれ形成する工程（ｄ）と、
    前記基板の第２の主面上に、前記複数の圧電セラミックスの成形体に対応して、前記複数の圧力室及び前記流路を形成する工程（ｅ）と、
    を具備する液体吐出ヘッドの製造方法。
14. 前記基板が、シリコン（Ｓｉ）又はＳＵＳ（ステンレス鋼）によって形成されている、請求項１３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
    

Images