JP2011142153A - 薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】変位量が大きく、且つ信頼性の高い薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】基板１０１と、基板１０１の上に形成され、両端または周縁が基板１０１に固定された下電極膜１０３と、下電極膜１０３の上に形成され、駆動信号により膜面に沿った方向に伸縮する圧電体膜１０４と、圧電体膜１０４の上に形成された上電極膜１０５と、を有する薄膜アクチュエータ１であって、上電極膜１０５は、複数の電極膜から構成され、複数の電極膜のうち、圧電体膜１０４に接する電極膜は、初期応力としての引張応力を有し、圧電体膜１０４に接する電極膜の上層の電極膜は、引張応力よりも小さい初期応力を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドに関する。

従来、微小変位を発生させる為のマイクロアクチュエータとして、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）等の圧電材料からなる圧電体層と、該圧電体層の厚み方向両面にそれぞれ設けられた２つの電極層とで構成されたアクチュエータが知られている。例えば、インクジェット式記録装置のインクジェットヘッドにおいては、圧電体層の周縁を基板に固定したダイヤフラム構造とし、該圧電体層の圧電効果により振動層を厚み方向に変位させて圧力室内のインクを吐出させるアクチュエータとして用いられている。

ところで、近年、電子機器の小型化が進展するに伴って、このようなアクチュエータに対しても小型化が強く要求されるようになってきている。この要求を満足させる為に、従来、圧電体層に用いられていたバルク材を薄膜化し、各層を積層した薄膜アクチュエータの研究開発が盛んになってきている。

しかしながら、薄膜アクチュエータは、各膜の材料、熱膨張係数、膜厚、成膜方法、成膜条件等により、成膜時に内部応力が発生し、非駆動時の初期的な撓み（初期変位）が生じ易い。その結果、駆動時の変位量が抑えられる、あるいは、より大きな駆動電圧が必要になる、といった問題がある。この為、薄膜アクチュエータにおいては、内部応力の発生を抑え、初期変位を抑えることが非常に重要である。

そこで、特許文献１では、圧電体薄膜を形成する工程において、成膜時における圧電体薄膜に圧縮応力を付与することにより、成膜後の冷却時に基板と圧電体薄膜との収縮量の差によって圧電体薄膜に生じる引張応力を緩和する。これにより、初期変位を抑える方法が提案されている。

特開２００４−１１９７０３号公報

ところで、このような薄膜アクチュエータにおいては、前述のように内部応力の発生を抑えると同時に、各膜間の密着力を高めることも重要である。

圧電体を薄膜化した場合、サイズ効果等によりバルク材とは異なる特性を示すものがあり、圧電体膜と圧電体膜の上に形成される上電極膜との密着力の低下もそのうちの１つである。これは、薄膜化された圧電体とバルク材の圧電体とは、それぞれの結晶性が異なることによるものであると考えられる。この為、薄膜アクチュエータにおいては、内部応力の発生を抑えると同時に、とりわけ上電極膜と圧電体膜との密着力を高め、信頼性を向上させることが重要である。

しかしながら、特許文献１においては、該密着力を高めることに関しては考慮されておらず、密着力の低下により、信頼性の低下を招くといった問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、変位量が大きく、且つ信頼性の高い薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１から７の何れか１項に記載の発明によって達成される。

１．基板と、
前記基板の上に形成され、両端または周縁が該基板に固定された下電極膜と、
前記下電極膜の上に形成され、駆動信号により膜面に沿った方向に伸縮する圧電体膜と、
前記圧電体膜の上に形成された上電極膜と、を有する薄膜アクチュエータであって、
前記上電極膜は、複数の電極膜から構成され、
前記複数の電極膜のうち、前記圧電体膜に接する電極膜は、初期応力としての引張応力を有し、前記圧電体膜に接する電極膜の上層の電極膜は、前記引張応力よりも小さい初期応力を有していることを特徴とする薄膜アクチュエータ。

２．前記圧電体膜に接する電極膜の上層の電極膜は、初期応力としての圧縮応力を有していることを特徴とする前記１に記載の薄膜アクチュエータ。

３．前記複数の電極膜の初期応力は、前記圧電体膜から遠ざかるにつれて、次第に小さくなっていることを特徴とする前記１または２に記載の薄膜アクチュエータ。

４．前記上電極膜を構成する前記複数の電極膜は、スパッタ法を用いて形成され、
前記複数の電極膜の前記初期応力は、スパッタ時のガス圧力、バイアス電圧、前記電極膜の材料であるターゲットと被成膜層との距離、のうち少なくとも１つにより、それぞれの前記電極膜に対応して付与されていることを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。

５．前記基板の材料は、シリコンであることを特徴とする前記１から４の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。

６．前記圧電体膜の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする前記１から５の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。

７．前記１から６の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータを備えたインクジェットヘッドであって、
前記基板は、開口が形成され、
前記基板の裏面に接合され、前記開口に連通しインクを吐出するノズル孔が形成されたノズル基板と、を有し、
前記開口の内部は、前記インクを収容し、前記圧電体膜の変位により圧力を発生する圧力室であることを特徴とするインクジェットヘッド。

本発明によれば、上電極膜を構成する複数の電極膜のうち、圧電体膜に接する電極膜は、初期応力としての引張応力を有する構成とした。これにより、上電極膜と圧電体膜との密着力を高めることができる。

一方、圧電体膜に接する電極膜の上層の電極膜は、圧電体膜に接する電極膜が有する引張応力よりも小さい初期応力を有する構成とした。これにより、上電極膜全体としての初期応力が抑えられ、初期変位を抑えることができる。

これらの結果、変位量が大きく、且つ信頼性の高い薄膜アクチュエータを得ることができる。

本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータの製造工程、及び薄膜アクチュエータの概略構成を示す断面模式図である。 薄膜アクチュエータの駆動変形の態様を示す断面模式図である。 上電極膜の内部応力と上電極膜と圧電体膜との密着力の関係を示す模式図である。 スパッタ法によるガス圧力と薄膜に発生する内部応力の関係を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す断面模式図である。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータ、及びインクジェットヘッドを説明する。尚、本発明は該実施の形態に限られない。

最初に、本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータの構成、及びその製造方法を図１を用いて説明する。図１（ａ）〜図１（ｈ）は、薄膜アクチュエータ１の製造工程、及び薄膜アクチュエータ１の概略構成を示す断面模式図である。

最初に、基板１０１を準備する（図１（ａ））。基板１０１の材料としては、シリコンやガラス、セラミックス等を用いることができるがＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等に広く用いられている結晶シリコン（Ｓｉ）が好適であり、本実施形態においては結晶シリコンを用いた例を説明する。

次に、基板１０１を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して加熱し、基板１０１の表面に振動板１０２となる熱酸化膜（石英：ＳｉＯ_２）を形成する（図１（ｂ））。

次に、振動板１０２が形成された基板１０１を常温まで冷却した後。振動板１０２の表面に、図示しない密着層、電極膜をこの順に成膜した下電極膜１０３を形成する（図１（ｃ））。密着層の材料としては、例えばチタンを用いることができる。電極膜の材料としては、例えば白金を用いることができる。密着層、電極膜の形成方法としては、例えばスパッタ法を用いることができる。

次に、下電極膜１０３が形成された基板１０１を再度加熱炉に入れ、６００℃程度に所定時間保持して加熱し、下電極膜１０３の表面に、圧電体膜１０４を形成する（図１（ｄ））。形成された圧電体膜１０４は、圧電特性が得られるペロブスカイト層の＜１１１＞に配向している。圧電体膜１０４の材料としては、例えば圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることができる。圧電体膜１０４の形成方法としては、例えばスパッタ法を用いることができる。

次に、圧電体膜１０４が形成された基板１０１を常温まで冷却した後、圧電体膜１０４の表面に、第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３をこの順に成膜した上電極膜１０５を形成する（図１（ｅ））。第１電極膜１１１の材料としては、例えばクロムを用いることができる。第２電極膜１１２、第３電極膜１１３の材料としては、例えば金を用いることができる。第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３の形成方法としては、例えばスパッタ法を用いることができる。尚、第１電極膜１１１は、密着層として機能するものである。

第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３をスパッタ法を用いて成膜する際には、スパッタガス（アルゴン等の希ガス）の圧力、バイアス電圧、ターゲットと被成膜対象の距離等の成膜条件を調整することで、第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３に、初期応力として、それぞれ引張応力、引張応力、圧縮応力を発生させる。尚、第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３に、それぞれ発生させる初期応力の詳細は後述する。

次に、基板１０１の裏面に感光性樹脂をスピンコート法を用いて塗布し、レジスト膜８０を成膜する（図１（ｆ））。続いて、フォトマスクを介して露光しレジスト膜８０をパターン化する（図１（ｇ））。

次に、反応性イオンエッチング法を用いて基板１０１をエッチングし、開口１０１ａを形成し（図１（ｈ））、薄膜アクチュエータ１を完成させる。この時、振動板１０２の周縁が基板１０１に固定された状態となり、振動板１０２、下電極膜１０３、圧電体膜１０４、上電極膜１０５等から構成される薄膜層１０がダイヤフラム構造となる。

次に、薄膜アクチュエータ１の駆動時の変形について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、薄膜アクチュエータ１の非駆動時の態様を示す断面模式図、図２（ｂ）は、薄膜アクチュエータ１の駆動時の態様を示す断面模式図である。

ＰＺＴからなる圧電体膜１０４は、膜面に垂直な方向に誘電分極している（図２（ａ）；矢印Ｐ）。上電極膜１０５と下電極膜１０３の間にＡＣ電圧を印加すると（図２（ｂ）；矢印Ｅ）、圧電体膜１０４は、膜面に垂直な方向に伸縮するとともに、膜面に沿った方向に反対の位相で伸縮する（図２（ｂ）；矢印Ｘ）。圧電体膜１０４が膜面に沿った方向に伸縮することは、内部応力が増減することに等しく、圧電体膜１０４は、膜面に垂直な方向に変位する（図２（ｂ）；矢印Ｙ）。

ここで、上電極膜１０５に付与する内部応力について説明する。本願発明者は、上電極膜１０５と圧電体膜１０４との密着力について鋭意検討した結果、図３に示すように、上電極膜１０５の引張応力が大きいほど密着力が高まることを見出した。尚、図３は、上電極膜１０５の内部応力と上電極膜１０５と圧電体膜１０４との密着力の関係を示す模式図である。しかしながら、上電極膜１０５が内部応力を有すると、圧電体膜１０４の駆動時の変位を妨げる為、上電極膜１０５があまり大きな引張応力を有することは好ましくない。

そこで、本発明に係る実施形態においては、上電極膜１０５を複数の電極膜（第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３）から構成する。そして、圧電体膜１０４に接する下層の電極膜に、内部応力としての引張応力を付与することで密着力を高める。一方、圧電体膜１０４に接する電極膜の上層の電極膜には、圧電体膜１０４に接する電極膜が有する引張応力よりも小さい内部応力を付与することで上電極膜１０５全体としての内部応力を抑えるようにした。

ここで、内部応力の制御について説明する。スパッタ法を用いて薄膜を成膜する際には、成膜条件を制御することによって内部応力を制御することができる。スパッタ法での成膜において、内部応力が変化する要因としては、結晶粒子の成長とターゲット粒子のピーニング効果や結晶成長等が挙げられる。ターゲット粒子が被成膜対象に到達した際のエネルギーが大きいほど、ピーニング効果による圧縮応力が優勢に、エネルギーが小さいと結晶成長によって起こる引張応力が優勢となる。このことから、ターゲット粒子が被成膜対象に到達する時のターゲット粒子のエネルギーを大きくすれば圧縮応力に、小さくすれば引張応力とすることができる。

ターゲット粒子のエネルギーを制御する成膜条件としては。成膜時のスパッタガス（例えば、アルゴン等の希ガス）の圧力、バイアス電圧、ターゲットと被成膜対象との距離等が挙げられる。例えば、スパッタガス圧力の場合、ターゲット粒子は被成膜対象に到達するまでにスパッタガスに衝突することでエネルギーを失っていく。スパッタガスの圧力が大きくなると装置内のスパッタガス分子が増加する為、ターゲット粒子は被成膜対象に到達するまでにスパッタガス分子に衝突する回数も増え、被成膜対象に到達時のエネルギーはより小さくなる。

図４に、スパッタ法によるガス圧力と薄膜に発生する内部応力の関係を模式的に示す。図４に示すように、スパッタガスの圧力を大きくすると引張応力が大きくなり、スパッタガスの圧力を小さくすると引張応力が小さくなり、さらに小さくすると圧縮応力へと変化する。

以上のように、上電極膜１０５をスパッタ法を用いて成膜する際に、成膜条件を制御することで、圧電体膜１０４との密着性を高めながら、圧電体膜１０４の駆動時の変位を妨げないように内部応力を制御することができる。

このように、本発明の実施形態に係る薄膜アクチュエータ１においては、上電極膜１０５を構成する複数の電極膜（第１電極膜１１１、第２電極膜１１２、第３電極膜１１３）のうち、圧電体膜１０４に接する電極膜（密着層して機能する第１電極膜１１１を含む第２電極膜１１２）は、初期応力としての引張応力を有する構成とした。これにより、上電極膜１０５と圧電体膜１０４との密着力を高めることができる。

一方、圧電体膜１０４に接する電極膜の上層の電極膜（第３電極膜１１３）は、圧電体膜１０４に接する電極膜が有する引張応力よりも小さい初期応力（この場合、圧縮応力）を有する構成とした。これにより、上電極膜１０４全体としての初期応力が抑えられ、初期変位を抑えることができる。

これらの結果、変位量が大きく、且つ信頼性の高い薄膜アクチュエータを得ることができる。

次に、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を図５を用いて説明する。図５は、インクジェットヘッド１Ａの概略構成を示す断面模式図である。

インクジェットヘッド１Ａは、図５に示すように、ノズル基板２、中間ガラス基板３、及びボディ基板（基板）１０１、振動板１０２、共通電極膜（下電極膜）１０３、圧電体膜１０４、駆動電極膜（上電極膜）１０５等を有する前述の薄膜アクチュエータ１等から構成される。

ノズル基板２には、インクを吐出する複数の２段構成のノズル孔２ａが形成されている。ノズル基板２の材料としては、シリコン、ガラス、セラミックス材料等を用いることができるがシリコンが好適である。

ノズル基板２の上面側には、ノズル基板２のノズル孔２ａに対応した位置に孔３ａが形成された中間ガラス基板３が接合されている。中間ガラス基板２０の材料としては、硼珪酸ガラス等を用いることができる。

中間ガラス基板３の上面側には、薄膜アクチュエータ１のボディ基板１０１が接合されている。ボディ基板１０１の内側には、中間ガラス基板３を介してノズル基板２を接合することにより構成される圧力室（開口）１０１ａや図示しないインク供給路等が形成されている。圧力室１０１ａは、複数のノズル孔２ａに対応してそれぞれ形成されインクを収容する。

尚、ノズル基板２と中間ガラス基板３及びボディ基板１０１の接合には、例えば、特開２００８−９４０号公報に開示されている陽極接合技術等を用いることができる。

駆動電極膜１０５と共通電極膜１０３の間に、外部の図示しない駆動回路から駆動信号が印加されると、圧電体膜１０４は振動し、この振動がボディ基板１０１に形成されインクを収容する圧力室１０１ａの圧力を変化させ、ノズル基板２に形成されたノズル孔２ａからインク滴を吐出させる。

インクジェットヘッド１Ａの駆動素子として、前述の変位量が大きく信頼性の高い薄膜アクチュエータ１を用いることにより、インク液滴を効率よく安定して吐出することができる。

前述の図１に示した製造工程に沿って、薄膜アクチュエータ１を製造した。製造した薄膜アクチュエータ１を構成する各部材の材料、膜厚、成膜条件、及び初期応力等を下記表１に示す。尚、表１中、初期応力の＋符号は引張応力、−符号は圧縮応力を示す。

表１に示すように、上電極膜１０５の第１電極膜１１１、第２電極膜１１２を成膜する際には、ガス圧力を１．５Ｐａとすることで、何れも＋１５００ＭＰａの引張応力を、また、第３電極膜１１２を成膜する際には、ガス圧力を０．６Ｐａとすることで、−５００ＭＰａの圧縮応力を発生させた。すなわち、上電極膜１０５と圧電体膜１０４との密着力を高める為に第１電極膜１１１、第２電極膜１１２には、＋１５００ＭＰａの引張応力を付与した。

一方、上電極膜１０５全体としての応力は、凡そ（各膜の応力×膜厚）／（上電極膜１０５全体の膜厚）で求められることから、その応力は、（０．０１×（＋１５００）＋０．０２×（＋１５００）＋０．０６×（−５００））／（０．０１＋０．０２＋０．０６）＝＋１６７ＭＰａの引張応力なる。

すなわち、上電極膜１０５全体としての応力を、上電極膜１０５と圧電体膜１０４との密着力を高める為に第１電極膜１１１、第２電極膜１１２に付与した引張応力（＋１５００ＭＰａ）よりも小さい引張応力（＋１６７ＭＰａ）とすることができ、初期変位を抑えることができた。

これらにより、大きな変位量を安定して得られることが確認できた。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。

例えば、前述の実施形態においては、振動板１０２としてＳｉＯ_２膜を用いたが、Ｓｉを窒化したＳｉＮ膜や他の金属膜、絶縁膜等を用いてもよい。また、圧電体膜１０４としてＰＺＴを用いたが、チタン酸バリウム等の圧電膜を用いてもよい。

また、上電極膜１０５は、それぞれ初期応力を有する３層構成としたが、４層以上、あるいはスパッタ時のアルゴンガスの圧力を連続的に制御して、初期応力が連続的に変化している上電極膜であってもよい。

また、上電極膜１０５を構成する各電極膜への所定の初期応力の付与方法として、スパッタ時のガス圧力により制御する方法を用いたが、これに限定されることなく、ターゲット粒子が被成膜対象に到達する時のターゲット粒子のエネルギーを制御できればよいので、バイアス電圧、ターゲットと被成膜対象間の距離等の成膜条件等によって制御してもよい。

また、前述の実施形態においては、薄膜層１０はダイヤフラム構造としたが、薄膜層１０の両端を固定した両もち梁構造であってもよい。この場合もダイヤフラム構造の場合と同様の効果を得ることができる。

１Ａ インクジェットヘッド
１ 薄膜アクチュエータ
１０ 薄膜層
１０１ 基板（ボディ基板）
１０１ａ 開口（圧力室）
１０２ 振動板
１０３ 下電極膜（共通電極膜）
１０４ 圧電体膜
１０５ 上電極膜（駆動電極膜）
１１１ 第１電極膜
１１２ 第２電極膜
１１３ 第３電極膜
２ ノズル基板
２ａ ノズル孔
３ 中間ガラス基板
３ａ 孔

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成され、両端または周縁が該基板に固定された下電極膜と、
   前記下電極膜の上に形成され、駆動信号により膜面に沿った方向に伸縮する圧電体膜と、
   前記圧電体膜の上に形成された上電極膜と、を有する薄膜アクチュエータであって、
   前記上電極膜は、複数の電極膜から構成され、
   前記複数の電極膜のうち、前記圧電体膜に接する電極膜は、初期応力としての引張応力を有し、前記圧電体膜に接する電極膜の上層の電極膜は、前記引張応力よりも小さい初期応力を有していることを特徴とする薄膜アクチュエータ。
2. 前記圧電体膜に接する電極膜の上層の電極膜は、初期応力としての圧縮応力を有していることを特徴とする請求項１に記載の薄膜アクチュエータ。
3. 前記複数の電極膜の初期応力は、前記圧電体膜から遠ざかるにつれて、次第に小さくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜アクチュエータ。
4. 前記上電極膜を構成する前記複数の電極膜は、スパッタ法を用いて形成され、
   前記複数の電極膜の前記初期応力は、スパッタ時のガス圧力、バイアス電圧、前記電極膜の材料であるターゲットと被成膜層との距離、のうち少なくとも１つにより、それぞれの前記電極膜に対応して付与されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。
5. 前記基板の材料は、シリコンであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。
6. 前記圧電体膜の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータ。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載の薄膜アクチュエータを備えたインクジェットヘッドであって、
   前記基板は、開口が形成され、
   前記基板の裏面に接合され、前記開口に連通しインクを吐出するノズル孔が形成されたノズル基板と、を有し、
   前記開口の内部は、前記インクを収容し、前記圧電体膜の変位により圧力を発生する圧力室であることを特徴とするインクジェットヘッド。

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