JP2006224348A - 圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータ、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた圧電特性を有し、且つ圧電体層と上電極との密着性が向上した圧電アクチュエータの製造方法及び圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】 基板１０上に弾性膜２５を形成する工程と、弾性膜２５上に下電極１３を形成する工程と、下電極１３上に圧電体膜１４を形成する工程と、圧電体膜１４の一部にイオンを打ち込み、上電極形成用膜１５を形成する工程と、圧電体膜１４及び上電極形成用膜１５をパターニングし、圧電体層１６及び上電極１７を形成する工程と、を含んでなる圧電アクチュエータの製造方法である。
【選択図】 図５

Description

本発明は、圧電体膜の圧電効果を利用した圧電アクチュエータの製造方法、圧電アクチュエータ、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

従来から、液体噴射ヘッドの一例として、例えば、インクジェット式記録ヘッドがある。このインクジェット式記録ヘッドでは、プリンタのインク吐出の駆動源として、圧電体膜の圧電効果を利用した圧電アクチュエータを用いている。この圧電アクチュエータは、一般に、液滴（インク滴）を吐出するノズル開口（吐出口）と連通する圧力発生室の一部を構成する振動板と、この振動板上に形成され、かつ下部電極、圧電体層及び上部電極を有する圧電体素子と、を備えて構成されている。このようなインクジェット式記録ヘッドでは、安定した液滴吐出特性が得られ、信頼性を向上することを目的とした様々な改善がなされている。

このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズル開口に連通すると共に複数の隔壁によって画成される圧力発生室の列を少なくとも２列備えた流路形成基板の圧電体膜側に接合され、圧電体層を駆動させる駆動回路が実装される接合基板を有すると共に、この接合基板の前記圧力発生室の列間に対応する部分に当該接合基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が設けられ、各圧電体層の各々から引き出される引き出し配線が、前記貫通孔に対応する部分まで延設されると共に、当該引き出し配線と前記駆動回路を、前記貫通孔を介して延設される導電性ワイヤによって電気的に接続することで、貫通孔の面積を小さく抑え、小型化を達成したものがある。（特許文献１参照）。

前述した従来のインクジェット式記録ヘッドを製造する際は、通常、以下の方法が採用されている。すなわち、流路形成基板となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜を形成する。次に、この弾性膜の全面にスパッタリング法により下電極形成用膜を形成した後、この下電極形成用膜をパターニングして下電極を形成する。次いで、下電極が形成された弾性膜上に圧電体膜をゾル−ゲル法で成膜した後、この圧電体膜を大気雰囲気下または酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる。次に、Ｐｔ、Ｉｒ等をスパッタリング法により成膜して上電極形成用膜を形成し、この上電極形成用膜及び圧電体膜をパターニングして、上電極及び圧電体層を形成する等、所望の工程を行ないインクジェット式記録ヘッドが製造される。
特開２００３−２４６０６５号公報

しかしながら、前述した従来のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電体層と上電極との密着性が十分でなく、上電極が剥がれ易い等の不具合が生じる虞があり、歩留まりや信頼性が低下する可能性があった。そこで、上電極として、圧電体層との密着性が良好なＴｉ、Ａｌ等の金属を使用すると圧電体層との間に誘電層が形成され、十分な圧電特性を得ることが困難となる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、優れた圧電特性を有し、且つ圧電体層と上電極との密着性が向上した圧電アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、優れた圧電特性を有し、且つ圧電体層と上電極との密着性が向上した圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、絶縁膜及び当該絶縁膜上に形成された下電極を含む振動板と、当該振動板上に形成された圧電体層と、当該圧電体層上に形成された上電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に下電極を形成する工程と、前記下電極上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜の一部にイオンを打ち込み、上電極形成用膜を形成する工程と、前記圧電体膜及び上電極形成用膜をパターニングし、圧電体層及び上電極を形成する工程と、を含んでなる圧電アクチュエータの製造方法を提供するものである。

これらの工程を含む圧電アクチュエータの製造方法によれば、圧電体膜の一部にイオンを打ち込むことで、前記圧電体層上に上電極が形成されるため、当該上電極が圧電体層から剥がれることがない。また、圧電体層と上電極との界面に、当該圧電体層の圧電特性を低下させる原因の一つとなる誘電層が形成されることもない。したがって、優れた圧電特性を提供することができる。

また、本発明にかかる圧電アクチュエータの製造方法では、前記上電極形成用膜の表面部が、その下面部よりも高濃度となるように、前記イオンの打ち込みを制御することができる。このようにすることで、前記利点に加え、圧電体層と上電極との界面を一層良好な状態に維持することができる。

そしてまた、本発明は、本発明にかかる圧電アクチュエータの製造方法により製造されてなる圧電アクチュエータを提供するものである。この圧電アクチュエータは、圧電体層と上電極との優れた密着性と、優れた圧電特性の両方を兼ね備えることができる。

また、本発明は、本発明にかかる圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室と、前記圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口と、を備えた液体噴射ヘッドを提供するものである。

さらにまた、本発明は、本発明にかかる液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えた液体噴射装置を提供するものである。

本発明にかかる圧電アクチュエータの製造方法によれば、圧電体膜の一部にイオンを打ち込むことで、前記圧電体層上に上電極が形成されるため、当該上電極が圧電体層から剥がれることがなく、両者は十分な密着性を維持することができる。また、圧電体層と上電極との界面に誘電層が形成されることもなく、優れた圧電特性を維持することができる。この結果、歩留まりを向上することができ、且つ優れた信頼性を備えた圧電アクチュエータを製造することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる圧電アクチュエータ及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本発明の好適な実施の形態にかかる圧電アクチュエータを備えた液体噴射ヘッドの分解斜視図、図２は、図１に示す液体噴射ヘッドの圧電アクチュエータ付近の一部を示す平面図、図３〜図８は、図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図、図９は、図１に示す液体噴射ヘッドが搭載されたインクジェット式記録装置の概略を示す斜視図である。

図１〜図８に示すように、本実施の形態にかかる液体噴射ヘッドは、複数の圧力発生室３０が形成された流路形成基板１０の圧力発生室３０に対応する領域に、圧電アクチュエータ１００が配設されている。本実施の形態では、流路形成基板１０として、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を使用した。この流路形成基板１０の一方の面には、ＳｉＯ₂膜１１及びＺｒＯ₂膜１２からなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜（絶縁膜）２５が形成されている。また、流路形成基板１０の他方の面は、開口面となる。

流路形成基板１０の前記開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより形成された複数の圧力発生室３０が形成され、その長手方向外側には、後述する接合板２１のリザーバ部５１に連通して各圧力発生室３０の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する連通部５２にインク供給路５３を介して連通されている。なお、流路形成基板１０の前記開口面には、圧力発生室３０内に収容されるインクに対する耐性を有した保護膜としての機能を備えたＳｉＯ₂膜３３（図８参照）が形成されている。

さらに、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室３０のインク供給路５３とは反対側で連通するノズル開口３５が穿設されたノズルプレート３６が接合剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。このノズルプレート３６は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート３６は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート３６との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接合剤等を用いて容易に接合することができる。

ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室３０の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口３５の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口３５は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。

一方、流路形成基板１０の前記開口面とは反対側の面に形成された弾性膜２５上であって、圧力発生室３０が形成されている領域上には、図８に示すように、下電極１３と、圧電体層１６と、上電極１７が形成されている。下電極１３は、弾性膜２５と共に振動板を構成し、この弾性膜２５と下電極１３からなる振動板、圧電体層１６及び上電極１７を含む部分によって圧電アクチュエータ１００が構成されている。（図１及び図２参照）。

上電極１７上には、外部からの水分によって圧電体層１６を劣化させないようにするための保護膜１８が形成されており、上電極１７は、保護膜１８に形成されたコンタクトホール１９を介して配線２０と電気的に接続されている。（図７及び図８参照）。

なお、本実施の形態では、下電極１３を圧電アクチュエータ１００の共通電極とし、上電極１７を圧電アクチュエータ１００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、圧力発生室３０毎に圧電アクチュエータ１００が形成されていることになる。

また、流路形成基板１０のノズルプレート３６が配設された面とは反対側の面（図１でいう上面）には、接合板２１が配設されている。この接合板２１には、リザーバの一部を構成するリザーバ部５１が形成されている。このリザーバ部５１は、本実施の形態では、接合板２１を厚さ方向に貫通して圧力発生室３０の幅方向に亘って形成されており、流路形成基板１０の連通部５２と連通されて各圧力発生室３０の共通のインク室となるリザーバを構成している。

また、接合板２１の圧電アクチュエータ１００に対向する領域には、圧電アクチュエータ１００の運動を阻害しない程度の空間を確保した圧電アクチュエータ保持部５４が、圧力発生室３０に対応してそれぞれ設けられている。なお、この空間は密封されていても密封されていなくともよい。

なお、本実施の形態では、圧電アクチュエータ保持部５４が圧電アクチュエータ１００の列毎に設けられているが、この圧電アクチュエータ保持部５４は、圧電アクチュエータ１００毎に独立して設けるようにしてもよい。このような接合板２１は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施の形態では、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。

さらに、接合板２１の略中央部、すなわち、圧力発生室３０の列間に対向する領域には、接合板２１を厚さ方向に貫通する貫通孔５５が設けられている。また、接合板２１の貫通孔５５の両側、すなわち、圧力発生室３０の各列に対応する部分には、各圧電アクチュエータ１００を駆動するための、例えば、回路基板、あるいは半導体集積回路（ＩＣ）等の駆動回路１１０がそれぞれ実装されている。例えば、本実施の形態では、貫通孔５５の両側に実装された各駆動回路１１０は、それぞれの駆動回路１１０に対向する領域に設けられた圧電アクチュエータ１００を駆動するためのものである。

本実施の形態にかかる液体噴射ヘッドは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバからノズル開口３５に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１１０からの記録信号に従い、圧力発生室３０に対応するそれぞれの下電極１３と上電極１７との間に電圧を印加し、圧電体層１６の圧電効果により生じる機械的変位によって、下電極１３及び弾性膜２５からなる振動板をたわみ変形させることにより、圧力発生室３０の内容積を変化させ、各圧力発生室３０内の圧力を高めてノズル開口３５からインク滴が吐出する。

この液体噴射ヘッドは、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。

具体的には、図９に示すように、液体噴射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。これら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等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。

次に、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータを備えた液体噴射ヘッドの製造工程について図面を参照して説明する。

先ず、図３に示す工程のように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板上に、例えば、熱酸化によりＳｉＯ₂膜１１を形成する。次に、このＳｉＯ₂膜１１上に、ＺｒＯ₂膜１２を形成する。なお、本実施の形態では、ＳｉＯ₂膜１１及びＺｒＯ₂膜１２が弾性膜（絶縁膜）２５となる。次いで、弾性膜２５上に下電極形成用膜をスパッタリング法によって形成し、これを所望の形状にパターニングして下電極１３を形成する。なお、下電極１３を構成する材料としては、例えば、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｐｔ等、所望の導電性材料を用いることができる。

次に、図４に示す工程では、下電極１３が形成された流路形成基板１０上に、ゾル−ゲル法により、圧電体前駆体膜を所定の厚さで成膜する。次いで、この圧電体前駆体膜が形成された流路形成基板１０を、大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で、約６００℃以上の温度で焼成して結晶化させる。

ここで、圧電体膜１４は結晶が配向していることが好ましい。このため、本実施の形態では、例えば、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、結晶性を有しない圧電体前駆体膜を形成し、さらに圧電体前駆体膜を高温で焼成することで金属酸化物からなり、結晶性を有する圧電体膜１４を得る。この圧電体膜１４の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料等が好適に使用できる。なお、この圧電体膜１４の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の圧電体前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。

このように成膜された圧電体膜１４は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施の形態では、圧電体膜１４は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、本実施の形態では、圧電体膜１４の厚さを０．２〜５μｍとした。

次に、図５に示す工程では、図４に示す工程で得た圧電体膜１４の上層部にイオンを打ち込む。なお、本実施の形態では、Ａｌイオン、３００ＫｅＶ、１×１０²²個/ｃｍ²の条件でイオン注入を行った。また、打ち込むイオン種としては、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等が挙げられる。このイオンが打ち込まれた領域が、上電極形成用膜１５となる。次いで、イオンが打ち込まれた流路形成基板１０を、例えば、３００〜４００℃程度の温度で、２０分程度の熱処理を行い、上電極形成用膜１５を安定化させる。このように、圧電体膜１４にイオンを打ち込む（注入する）ことにより、上電極形成用膜１５を形成するため、上電極形成用膜１５が圧電体膜１４から剥がれることがなく、この結果、後に形成される圧電体層１６と上電極１７との密着性を向上することができる。

次に、図６に示す工程では、圧電体膜１４及び上電極形成用膜１５をフォトリソ法によりパターニングし、圧電体層１６及び上電極１７を形成する。このようにして、弾性膜２５及び下電極１３からなる振動板と、圧電体層１６と、上電極１７からなる圧電アクチュエータ１００を形成した。

次に、図７に示す工程では、圧電アクチュエータ１００が形成された流路形成基板１０上に、Ａｌ₂Ｏ₃膜からなる保護膜１８を形成する。次いで、保護膜１８の上電極１７との接合部にコンタクトホール１９を開口し、この保護膜１８上に、配線形成用膜を成膜した後、この配線形成用膜をパターニングし、コンタクトホール１９を介して上電極１７と電気的に接続する配線２０を形成する。なお、配線２０を構成する材料としては、例えば、Ａｌ／ＴｉＷ、Ａｕ／ＮｉＣｒ等を好適に使用することができる。

次に、図８に示す工程では、図７に示す工程で得た流路形成基板１０上に接合板２１を接合する。次いで、流路形成基板１０の接合板２１が接合された側の面とは反対側の面を選択的にエッチング除去し、圧力発生室３０を形成する。次に、流路形成基板１０の圧力発生室３０が形成された側の面に、プラズマＣＶＤ法により、圧力発生室３０などに収容されるインクに対する耐性を有するＳｉＯ₂膜３３を、約０．１μｍの膜厚で形成する。その後、流路形成基板１０の接合板２１が接合された側の面とは反対側の面に、ノズル開口３５が穿設されたノズルプレート３６を接合する等、所望の工程を行い、図１に示す液体噴射ヘッドを完成させる。

なお、本実施の形態では、ＳｉＯ₂膜１１及びＺｒＯ₂膜１２の二層構造を備えた弾性膜（絶縁膜）２５を形成する場合について説明したが、これに限らず、弾性膜２５は、絶縁機能を有し、圧電アクチュエータの機能を損なわなければ、形成材料は特に限定されず、また一層構造、三層構造以上等、任意に決定することができる。

また、本実施の形態では、上電極形成用膜１５を形成するためにイオンを打ち込んだが、このイオンは、前述したように、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等の一種のイオンを打ち込む他、Ｍｏ／Ｓｉ、Ｗ／Ｓｉ、Ｔｉ／Ｎ、Ｔｉ／Ｗ等の二種のイオンを打ち込んでもよい。そしてまた、上電極形成用膜１５の下層部分に、第１のイオンを所望の濃度で打ち込み、その上層（表面側）に第２のイオンを第１のイオンよりも高濃度で打ち込んでもよい。この場合、第１のイオンと第２のイオンは、異なったイオンでもよく、同一のイオンでもよい。また、イオン打ち込み（注入）条件は、前述した条件に限定されるものではなく、所望により決定することができる。

また、本実施の形態では、圧力発生室３０内に収容されるインクに対する耐性を有した保護膜としてＳｉＯ₂膜３３を形成した場合について説明したが、これに限らず、この保護膜は、例えば、ＳｉＮ_X膜、ＴａＯ_X膜等、その形成材料は、任意に選択することができる。また、異なった材料膜からなる多層構造とすることもできる。

本実施の形態では、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）に液体吐出手段として搭載されるアクチュエータだけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用することができる。例えば、アクチュエータ装置は、上述したヘッドの他に、センサー等にも適用することができる。また、本実施の形態では、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。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を挙げることができる。

本発明の好適な実施の形態にかかる圧電アクチュエータを備えた液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの圧電アクチュエータ付近の一部を示す平面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 図１に示す液体噴射ヘッドが搭載されたインクジェット式記録装置の概略を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １１ ＳｉＯ₂膜、 １２ ＺｒＯ₂膜、 １３ 下電極、 １４ 圧電体膜、 １５ 上電極形成用膜、 １６ 圧電体層、 １７ 上電極、 ２５ 弾性膜、 ３０ 圧力発生室、 １００ 圧電アクチュエータ

Claims (5)

1. 絶縁膜及び当該絶縁膜上に形成された下電極を含む振動板と、当該振動板上に形成された圧電体層と、当該圧電体層上に形成された上電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
   基板上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜上に下電極を形成する工程と、
   前記下電極上に圧電体膜を形成する工程と、
   前記圧電体膜の一部にイオンを打ち込み、上電極形成用膜を形成する工程と、
   前記圧電体膜及び上電極形成用膜をパターニングし、圧電体層及び上電極を形成する工程と、
   を含んでなる圧電アクチュエータの製造方法。
2. 前記上電極形成用膜の表面部が、その下面部よりも高濃度となるように、前記イオンの打ち込みを行う請求項１記載の圧電アクチュエータの製造方法。
3. 請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータの製造方法により製造されてなる圧電アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータの機械的変位によって内容積が変化する圧力発生室と、
   前記圧力発生室に連通して液滴を吐出する吐出口と、
   を備えた液体噴射ヘッド。
5. 請求項４記載の液体噴射ヘッドと、
   前記液体噴射ヘッドを駆動する駆動装置と、
   を備えた液体噴射装置。
   
   

Images