JP2011142280A - アクチュエーター装置、アクチュエーター装置の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法および液体噴射装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置およびその製造方法、このアクチュエーター装置を用いた液体噴射ヘッドの製造方法および液体噴射装置の製造方法を得ること。
【解決手段】上電極８０の第１層８１形成時におけるＰＺＴを含む圧電体層７０の温度が２５０℃以下なので、ＰＺＴの酸素欠陥の発生を抑えることができる。また、基板としての圧電体層７０の温度が２５０℃以下で、Ｉｒを含む第１層８１を圧電体層７０上に形成すると、第１層８１に圧縮応力が生じる。圧縮応力の生じた第１層８１に対して、引っ張り応力を有する第２層８２を形成することにより圧電体素子３００全体として撓みをなくすことができる。したがって、初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少を抑えることができ、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
【選択図】図４
【解決手段】上電極８０の第１層８１形成時におけるＰＺＴを含む圧電体層７０の温度が２５０℃以下なので、ＰＺＴの酸素欠陥の発生を抑えることができる。また、基板としての圧電体層７０の温度が２５０℃以下で、Ｉｒを含む第１層８１を圧電体層７０上に形成すると、第１層８１に圧縮応力が生じる。圧縮応力の生じた第１層８１に対して、引っ張り応力を有する第２層８２を形成することにより圧電体素子３００全体として撓みをなくすことができる。したがって、初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少を抑えることができ、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
【選択図】図４
Description
本発明は、圧電体層の変位を利用したアクチュエーター装置およびその製造方法、このアクチュエーター装置を用いた液体噴射ヘッドの製造方法および液体噴射装置の製造方法に関する。
圧電体層の変位を利用したアクチュエーター装置が知られている。例えば、圧電体層の変位により振動板を変形させるアクチュエーター装置がある。
また、圧力発生室の一部を弾性膜で構成し、この弾性膜の表面に圧電体素子を形成して、圧電体層の変位により弾性膜を含む振動板を変形させるアクチュエーター装置を備え、圧力発生室内の液体を噴射する液体噴射ヘッドおよびこの液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置が知られている。
圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等に代表される結晶を含んでいる。圧電体素子は、圧電体層を下電極と上電極とで挟んで形成される。下電極と上電極との間に電圧を印加することによって、圧電体素子を駆動し変形させる。
また、圧力発生室の一部を弾性膜で構成し、この弾性膜の表面に圧電体素子を形成して、圧電体層の変位により弾性膜を含む振動板を変形させるアクチュエーター装置を備え、圧力発生室内の液体を噴射する液体噴射ヘッドおよびこの液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置が知られている。
圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等に代表される結晶を含んでいる。圧電体素子は、圧電体層を下電極と上電極とで挟んで形成される。下電極と上電極との間に電圧を印加することによって、圧電体素子を駆動し変形させる。
圧電体素子としての圧電振動子を、圧力発生室の体積が増えるように凸に撓ましてその後凹に変形させることによって、変位量を向上させるアクチュエーター装置、液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドおよび液体噴射装置であるインクジェット式記録装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１３は、アクチュエーター装置３２０の動きを示す概念図である。図中には、印加電圧が０Ｖ、−２Ｖ、２３Ｖの場合を示している。
図１３において、印加電圧が０Ｖの初期の状態で、アクチュエーター装置３２０は圧力発生室１２の体積が増える方向に凸に撓んでいる。例えば、圧力発生室１２に液体を充填するためにバイアス電圧−２Ｖを印加してさらに凸に撓まし、その後、２３Ｖを印加して圧力発生室１２の体積が減るように凹に撓まし、圧力発生室１２内の液体を噴射させる。
図１３は、アクチュエーター装置３２０の動きを示す概念図である。図中には、印加電圧が０Ｖ、−２Ｖ、２３Ｖの場合を示している。
図１３において、印加電圧が０Ｖの初期の状態で、アクチュエーター装置３２０は圧力発生室１２の体積が増える方向に凸に撓んでいる。例えば、圧力発生室１２に液体を充填するためにバイアス電圧−２Ｖを印加してさらに凸に撓まし、その後、２３Ｖを印加して圧力発生室１２の体積が減るように凹に撓まし、圧力発生室１２内の液体を噴射させる。
アクチュエーター装置３２０がパルスの印加により繰り返し変位することによって、凸であった振動板の撓み量が減少し変位量が減少する。例えば、初期の撓み量ｄ１が９４ｎｍであったものが、１９０億パルス分変位した後では、４０ｎｍに減少する。バイアス印加時の振動板の撓み量ｄ２も、初期値９６ｎｍから同パルス印加後５７ｎｍに減少する。一方で、液体を噴射する際には振動板の撓みは凹になるがその時の最大撓み量ｄ３は、初期値２０５ｎｍからパルス印加後では２０３ｎｍであり、あまり変化しない。従って、バイアス印加時の撓みと液体噴射時の撓みの絶対値の和である変移量は、パルスの印加につれて徐々に小さくなってくる傾向がある。
本願の課題の一つは、このパルス印加による変移量の変化を低減させることである。
また、パルスの印加毎に振動板の撓みが凸から凹に変わるため、圧電体素子に無理な応力が加わりクラックが発生したり、下電極と上電極との間に膜剥がれが生じたりする。
本願の課題の一つは、このパルス印加による変移量の変化を低減させることである。
また、パルスの印加毎に振動板の撓みが凸から凹に変わるため、圧電体素子に無理な応力が加わりクラックが発生したり、下電極と上電極との間に膜剥がれが生じたりする。
本発明は、上述の課題のうち少なくとも一つを解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
ＰＺＴを含む圧電体層を下電極とＩｒを含む上電極とで狭持した圧電体素子を備えたアクチュエーター装置の製造方法であって、前記圧電体層の温度が２５０℃以下の温度で、前記圧電体層上に前記上電極の第１層を形成する第１層形成工程と、前記第１層上に引っ張り応力を有する第２層を形成する第２層形成工程とを備えたことを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
ＰＺＴを含む圧電体層を下電極とＩｒを含む上電極とで狭持した圧電体素子を備えたアクチュエーター装置の製造方法であって、前記圧電体層の温度が２５０℃以下の温度で、前記圧電体層上に前記上電極の第１層を形成する第１層形成工程と、前記第１層上に引っ張り応力を有する第２層を形成する第２層形成工程とを備えたことを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
この適用例によれば、上電極の第１層形成時におけるＰＺＴを含む圧電体層の温度が２５０℃以下なので、ＰＺＴの酸素欠陥の発生が抑えられる。また、基板としての圧電体層の温度が２５０℃以下で、Ｉｒを含む第１層を圧電体層上に形成すると、第１層に圧縮応力が生じる。圧縮応力の生じた第１層に対して、引っ張り応力を有する第２層を形成することにより圧電体素子全体として撓みをなくす。したがって、初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少が抑えられ、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
また、撓みが凸から凹に変わることがないため、圧電体素子に無理な応力が加わらずクラックの発生が抑えられ、下電極と上電極との間の膜剥がれが抑えられたアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
ここで、撓みがない状態とは、初期の状態で圧電体素子が平坦な状態であり、製造工程で生じるばらつきによる撓みも含まれる状態をいう。
また、撓みが凸から凹に変わることがないため、圧電体素子に無理な応力が加わらずクラックの発生が抑えられ、下電極と上電極との間の膜剥がれが抑えられたアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
ここで、撓みがない状態とは、初期の状態で圧電体素子が平坦な状態であり、製造工程で生じるばらつきによる撓みも含まれる状態をいう。
［適用例２］
上記アクチュエーター装置の製造方法において、前記第２層の形成温度が、３５０℃以上であることを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
この適用例では、Ｉｒを含む第２層の形成温度が３５０℃以上であれば、引っ張り応力を有する第２層が得られ、第２層を形成することによって、圧縮応力の生じた第１層の撓みが減少する。したがって、前述の効果を有するアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
上記アクチュエーター装置の製造方法において、前記第２層の形成温度が、３５０℃以上であることを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
この適用例では、Ｉｒを含む第２層の形成温度が３５０℃以上であれば、引っ張り応力を有する第２層が得られ、第２層を形成することによって、圧縮応力の生じた第１層の撓みが減少する。したがって、前述の効果を有するアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
［適用例３］
上記アクチュエーター装置の製造方法において、前記第１層の厚みは１０ｎｍで、前記第２層の厚みが４０ｎｍであることを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
この適用例では、第２層の厚みが第１層よりも厚いので、第２層の引っ張り応力が支配的になり、Ｉｒを含んだ上電極において、第１層の厚みを１０ｎｍとし、第２層の厚みを４０ｎｍとすることで、圧電体素子全体として撓みがなくなる。したがって、上述の効果を有するアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
上記アクチュエーター装置の製造方法において、前記第１層の厚みは１０ｎｍで、前記第２層の厚みが４０ｎｍであることを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。
この適用例では、第２層の厚みが第１層よりも厚いので、第２層の引っ張り応力が支配的になり、Ｉｒを含んだ上電極において、第１層の厚みを１０ｎｍとし、第２層の厚みを４０ｎｍとすることで、圧電体素子全体として撓みがなくなる。したがって、上述の効果を有するアクチュエーター装置の製造方法が得られる。
［適用例４］
上記に記載のアクチュエーター装置の製造方法の製造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。
上記に記載のアクチュエーター装置の製造方法の製造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。
この適用例によれば、前述の効果を有する液体噴射ヘッドの製造方法が得られる。
［適用例５］
上記に記載の液体噴射ヘッドの製造方法の製造工程を含むことを特徴とする液体噴射装置の製造方法。
上記に記載の液体噴射ヘッドの製造方法の製造工程を含むことを特徴とする液体噴射装置の製造方法。
この適用例によれば、前述の効果を有する液体噴射装置の製造方法が得られる。
［適用例６］
ＰＺＴを含む圧電体層を下電極とＩｒを含む上電極とで狭持した圧電体素子を備えたアクチュエーター装置であって、前記上電極は、第１層と第２層とを備え、前記圧電体素子の撓みがないことを特徴とするアクチュエーター装置。
ＰＺＴを含む圧電体層を下電極とＩｒを含む上電極とで狭持した圧電体素子を備えたアクチュエーター装置であって、前記上電極は、第１層と第２層とを備え、前記圧電体素子の撓みがないことを特徴とするアクチュエーター装置。
この適用例によれば、圧電体素子の初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少が抑えられる。したがって、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置が得られる。
［適用例７］
上記アクチュエーター装置において、前記第１層の厚みは１０ｎｍで、前記第２層の厚みが４０ｎｍであることを特徴とするアクチュエーター装置。
この適用例では、第１層の厚みが１０ｎｍ、第２層の厚みが４０ｎｍにおいて、前述の効果を有するアクチュエーター装置が得られる。
上記アクチュエーター装置において、前記第１層の厚みは１０ｎｍで、前記第２層の厚みが４０ｎｍであることを特徴とするアクチュエーター装置。
この適用例では、第１層の厚みが１０ｎｍ、第２層の厚みが４０ｎｍにおいて、前述の効果を有するアクチュエーター装置が得られる。
以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、実施形態における液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置１０００の一例を示す概略図である。インクジェット式記録装置１０００は、記録媒体である記録シートＳに液体としてのインクを噴射して記録を行う装置である。
図１において、インクジェット式記録装置１０００は、液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド１を有する記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂを備えている。記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂには、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａおよび２Ｂが着脱可能に設けられている。
ここで、インクジェット式記録ヘッド１は、記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂの記録シートＳと対向する側に設けられており、図１においては図示されていない。
図１は、実施形態における液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置１０００の一例を示す概略図である。インクジェット式記録装置１０００は、記録媒体である記録シートＳに液体としてのインクを噴射して記録を行う装置である。
図１において、インクジェット式記録装置１０００は、液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド１を有する記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂを備えている。記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂには、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａおよび２Ｂが着脱可能に設けられている。
ここで、インクジェット式記録ヘッド１は、記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂの記録シートＳと対向する側に設けられており、図１においては図示されていない。
記録ヘッドユニット１Ａおよび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および１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物およびカラーインク組成物を吐出するものである。
そして、駆動モーター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および１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動する。
一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラー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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラー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に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
以下、図２、図３および図４を参照して、インクジェット式記録ヘッド１について詳細に説明する。
図２は、インクジェット式記録ヘッド１の概略を示す分解斜視図であり、図３（ａ）は、インクジェット式記録ヘッド１の部分平面図、図３（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図である。また、図４には、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ概略部分断面図を示した。図は、わかり易くするために、一部誇張したり寸法比を変えたりして描いてある。
図２は、インクジェット式記録ヘッド１の概略を示す分解斜視図であり、図３（ａ）は、インクジェット式記録ヘッド１の部分平面図、図３（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ概略断面図である。また、図４には、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ概略部分断面図を示した。図は、わかり易くするために、一部誇張したり寸法比を変えたりして描いてある。
図２、図３および図４において、インクジェット式記録ヘッド１は、流路形成基板１０とノズルプレート２０と保護基板３０とを備えている。
流路形成基板１０は、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコンからなる、厚さ０．５０μｍ〜２．００μｍの弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０は、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコンからなる、厚さ０．５０μｍ〜２．００μｍの弾性膜５０が形成されている。
シリコン単結晶基板を、弾性膜５０が形成された面に対向する面側から異方性エッチングすることにより、この流路形成基板１０には、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が複数並設されている。このとき、弾性膜５０はエッチングストッパーとして働く。
また、圧力発生室１２の並設方向（幅方向でＹ軸方向とする）とは直交する方向（長手方向でＸ軸方向とする）の一方の端部の外側には、保護基板３０の後述するリザーバ部３２と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
また、圧力発生室１２の並設方向（幅方向でＹ軸方向とする）とは直交する方向（長手方向でＸ軸方向とする）の一方の端部の外側には、保護基板３０の後述するリザーバ部３２と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
また、流路形成基板１０の弾性膜５０が形成された面に対向する面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスク膜５１が設けられており、このマスク膜５１上には、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が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
一方、このような流路形成基板１０とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．４０μｍの絶縁体膜５５が形成され、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２０μｍの下電極６０と、平均の厚さが例えば、約０．８０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極８０とが積層形成されて、圧電体素子３００を構成している。
なお、圧電体素子３００とは、下電極６０、圧電体層７０および上電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電体素子３００のいずれか一方の電極を共通電極とし、他方の電極および圧電体層７０を圧力発生室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いずれか一方の電極および圧電体層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。いずれの場合においても、圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。
実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５および下電極６０が振動板５６として作用し、圧電体素子３００の駆動により変形が生じる。
また、ここでは、圧電体素子３００と圧電体素子３００の駆動により変形が生じる部分を含む振動板５６と振動板５６とを合わせてアクチュエーター装置３１０と称する。
ここで、下電極６０だけで振動板を構成してもよい。この場合、圧電体素子３００がアクチュエーター装置となる。
また、ここでは、圧電体素子３００と圧電体素子３００の駆動により変形が生じる部分を含む振動板５６と振動板５６とを合わせてアクチュエーター装置３１０と称する。
ここで、下電極６０だけで振動板を構成してもよい。この場合、圧電体素子３００がアクチュエーター装置となる。
振動板５６を構成する弾性膜５０および絶縁体膜５５は、酸化シリコンのほかに、例えば、酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも一種の層、またはこれらの層の積層体とすることができる。
圧力発生室１２の形成は、少なくとも圧電体層７０を形成した後に行う。少なくとも圧電体層７０を形成した後に、マスク膜５１を介して流路形成基板１０のエッチングを行い、圧力発生室１２を形成すると、圧電体層７０等の持つ応力により、圧力発生室１２の体積が増える方向に凸に撓む。
振動板５６は、圧電体素子３００が駆動することによって振動する機能を有する。振動板５６は、圧電体素子３００の動作によって変形し、圧力発生室１２の体積を変化させる。インクが充填された圧力発生室１２の体積が小さくなれば、圧力発生室１２内部の圧力が大きくなり、ノズルプレート２０のノズル開口２１よりインク滴が噴射される。
下電極６０の材質は、導電性を有する限り特に限定されず、例えばニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例えば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物、ランタンとニッケルの複合酸化物などを用いることができる。
下電極６０は、上電極８０と対になり、圧電体層７０を挟む一方の電極として機能する。下電極６０は、例えば、複数の圧電体素子３００の共通電極とすることができる。下電極６０は、図示しない外部回路と電気的に接続されている。
下電極６０は、上電極８０と対になり、圧電体層７０を挟む一方の電極として機能する。下電極６０は、例えば、複数の圧電体素子３００の共通電極とすることができる。下電極６０は、図示しない外部回路と電気的に接続されている。
圧電体層７０としては、一般式ＡＢＯ3で示されるペロブスカイト型酸化物を好適に用いることができる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以下、「ＰＺＴ」と略す。）からなるのが好ましいが、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3）（以下、「ＰＺＴＮ（登録商標）」と略すことがある。）、およびチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ3）などが含まれていてもよい。
圧電体層７０は、下電極６０および、上電極８０によって電界が印加されることで伸縮変形し、機械的な出力を行うことができる。
圧電体層７０は、下電極６０および、上電極８０によって電界が印加されることで伸縮変形し、機械的な出力を行うことができる。
図３および図４において、上電極８０は、圧電体層７０の上に形成され、第１層８１および第２層８２を備えている。上電極８０は、Ｉｒ（イリジュウム）からなっていてもよいし、Ｉｒを主に含んでいてもよい。
以下に、アクチュエーター装置３１０の製造方法について詳しく説明する。
図５は、アクチュエーター装置３１０の製造方法の一部を示すフローチャート図である。
アクチュエーター装置３１０の製造方法は、圧電体層形成工程であるステップ１（Ｓ１）と、上電極８０形成工程としての第１層形成工程であるステップ２（Ｓ２）および第２層形成工程であるステップ３（Ｓ３）とを含む。
図５は、アクチュエーター装置３１０の製造方法の一部を示すフローチャート図である。
アクチュエーター装置３１０の製造方法は、圧電体層形成工程であるステップ１（Ｓ１）と、上電極８０形成工程としての第１層形成工程であるステップ２（Ｓ２）および第２層形成工程であるステップ３（Ｓ３）とを含む。
また、図６は、アクチュエーター装置３１０の圧電体素子形成工程のうち、主に上電極８０の製造方法を示す概略部分断面図である。ここで、この概略部分断面図は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面に相当する。
図６（ａ）は圧電体層形成工程（Ｓ１）を、図６（ｂ）は第１層形成工程（Ｓ２）を、図６（ｃ）は第２層形成工程（Ｓ３）を図示している。
図６（ａ）は圧電体層形成工程（Ｓ１）を、図６（ｂ）は第１層形成工程（Ｓ２）を、図６（ｃ）は第２層形成工程（Ｓ３）を図示している。
図６（ａ）において、圧電体層形成工程（Ｓ１）では、流路形成基板１０上に形成された下電極６０に、圧電体層７０を形成する。
図３および図４において、流路形成基板１０には、弾性膜５０および絶縁体膜５５が形成されており、下電極６０は、絶縁体膜５５上に形成する。実施形態では、下電極６０と弾性膜５０と絶縁体膜５５とで振動板５６を構成している。
振動板５６の一部である弾性膜５０および絶縁体膜５５は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。
図３および図４において、流路形成基板１０には、弾性膜５０および絶縁体膜５５が形成されており、下電極６０は、絶縁体膜５５上に形成する。実施形態では、下電極６０と弾性膜５０と絶縁体膜５５とで振動板５６を構成している。
振動板５６の一部である弾性膜５０および絶縁体膜５５は、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で形成することができる。
下電極６０は、下電極形成工程によって形成する。下電極６０は、弾性膜５０および絶縁体膜５５上の全面に、スパッタ法、真空蒸着、ＣＶＤ法などの方法で導電体の層を形成した後、フォトリソグラフィー等によりパターニングして形成することができる。また、下電極６０は、印刷法などのパターニングが不要な方法によって形成してもよい。
下電極６０の厚みは、例えば０．１０μｍ〜０．３０μｍとすることができる。また、下電極６０は、前述の材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
下電極６０の厚みは、例えば０．１０μｍ〜０．３０μｍとすることができる。また、下電極６０は、前述の材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
圧電体層７０は、ゾルゲル法やＣＶＤ法などによって形成することができる。ゾルゲル法においては、原料溶液塗布、予備加熱、結晶化アニールの一連の作業を複数回繰り返して所定の膜厚にしてもよい。
例えば、圧電体層７０を形成する場合は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むゾルゲル溶液を用いて、スピンコート法、印刷法などにより形成することができる。
圧電体層７０の厚みは、０．５０μｍ〜１．５０μｍとすることができる。
例えば、圧電体層７０を形成する場合は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを含むゾルゲル溶液を用いて、スピンコート法、印刷法などにより形成することができる。
圧電体層７０の厚みは、０．５０μｍ〜１．５０μｍとすることができる。
図６（ｂ）において、第１層形成工程（Ｓ２）では、圧電体層７０が２５０℃以下の温度で、圧電体層７０上にＩｒを含む上電極８０の第１層８１を形成する。２５０℃以下の温度とは、例えば室温であってもよい。
図７は、層が形成される基板温度の違い（形成温度）による圧電特性の様子をヒステリシス特性として表した図である。横軸が電圧で、縦軸が分極である。基板温度が２５０℃と３５０℃とを比較すると、３５０℃の場合、残留分極が小さくなり酸素欠陥によりＰＺＴの結晶にダメージを与えていると考えられる。
図７は、層が形成される基板温度の違い（形成温度）による圧電特性の様子をヒステリシス特性として表した図である。横軸が電圧で、縦軸が分極である。基板温度が２５０℃と３５０℃とを比較すると、３５０℃の場合、残留分極が小さくなり酸素欠陥によりＰＺＴの結晶にダメージを与えていると考えられる。
図８は、第１層８１における圧電体層７０を基板としての基板温度と膜応力との関係を示した図である。形成膜厚は５０ｎｍである。横軸が基板温度で、縦軸が応力を表している。ここで、負の符号が付されたものが圧縮応力を表している。
膜応力は、基板温度の増加とともに小さくなり、３００℃と３５０℃との間で、圧縮応力から引っ張り応力に変化することがわかる。黒丸で示したデーターは、単層での応力を表している。一方、白丸は第１層８１を１０ｎｍおよび第２層８２を４０ｎｍ形成したときの上電極８０の応力を示した。
第１層形成工程（Ｓ２）では、圧電体層７０を基板として、基板温度を２５０℃以下で第１層８１を形成する。したがって、第１層８１に生じる応力は圧縮応力である。
第１層８１は、スパッタ法、真空蒸着等を用いて形成することができる。第１層８１の厚みは、例えば１０ｎｍとすることができる。
膜応力は、基板温度の増加とともに小さくなり、３００℃と３５０℃との間で、圧縮応力から引っ張り応力に変化することがわかる。黒丸で示したデーターは、単層での応力を表している。一方、白丸は第１層８１を１０ｎｍおよび第２層８２を４０ｎｍ形成したときの上電極８０の応力を示した。
第１層形成工程（Ｓ２）では、圧電体層７０を基板として、基板温度を２５０℃以下で第１層８１を形成する。したがって、第１層８１に生じる応力は圧縮応力である。
第１層８１は、スパッタ法、真空蒸着等を用いて形成することができる。第１層８１の厚みは、例えば１０ｎｍとすることができる。
図６（ｃ）において、第２層形成工程（Ｓ３）では、圧縮応力を有する第１層８１上に引っ張り応力を有する第２層８２を形成し、圧電体素子３００の撓み量をなくす。
引っ張り応力を有する第２層８２を形成するには、圧電体層７０および第１層８１を基板として、基板温度を３５０℃以上で形成する。圧電体素子３００の撓み量をなくすには、基板温度と厚みとを調整して行なう。
第２層８２の厚みは、例えば４０ｎｍとすることができる。
引っ張り応力を有する第２層８２を形成するには、圧電体層７０および第１層８１を基板として、基板温度を３５０℃以上で形成する。圧電体素子３００の撓み量をなくすには、基板温度と厚みとを調整して行なう。
第２層８２の厚みは、例えば４０ｎｍとすることができる。
図９に、上電極８０の応力と撓み量との関係を表す図を示した。横軸が撓み量で、縦軸が応力を表している。撓み量は、ここで、負の符号が付されたものが圧縮応力を表している。
図９において、上電極８０の応力が０の場合、撓み量もほぼ０になる。上電極８０の応力が０の場合に撓みがわずかに残っているのは、下電極６０および圧電体層７０の応力の影響による。
以上説明した圧電体素子形成工程を含む工程により、アクチュエーター装置３１０が得られる。
図９において、上電極８０の応力が０の場合、撓み量もほぼ０になる。上電極８０の応力が０の場合に撓みがわずかに残っているのは、下電極６０および圧電体層７０の応力の影響による。
以上説明した圧電体素子形成工程を含む工程により、アクチュエーター装置３１０が得られる。
図２および図３において、圧電体素子３００には、上電極８０に電気的に接続するリード電極９０が設けられている。例えば、リード電極９０は、上電極８０と電気的に接続し延出して設けることができ、リード電極９０は、回路素子等に接続されている。
圧電体素子３００が保護膜を有する場合は、保護膜にスルーホールを形成し、上電極８０とリード電極９０とを接続してもよい。
圧電体素子３００が保護膜を有する場合は、保護膜にスルーホールを形成し、上電極８０とリード電極９０とを接続してもよい。
流路形成基板１０の圧電体素子３００側には、圧電体素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電体素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤を介して接合されている。圧電体素子３００は、この圧電体素子保持部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。
なお、圧電体素子保持部３１は、空間が密封されていてもよいし密封されていなくてもよい。
なお、圧電体素子保持部３１は、空間が密封されていてもよいし密封されていなくてもよい。
また、保護基板３０には、リザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、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。また、保護基板３０の圧電体素子保持部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が設けられている。そして、各圧電体素子３００から引き出されたリード電極９０は、その端部近傍が貫通孔３３内で露出されている。
さらに、このような保護基板３０上には、封止膜４１および固定板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。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。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。
このようなインクジェット式記録ヘッド１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す。その後、図示しない駆動ＩＣからの駆動信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極６０と上電極８０との間に駆動電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極６０および圧電体層７０を撓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。
ウェーハー状態で圧電体層７０、上電極８０、リード電極９０等の形成を行い、最終的にウェーハー状態から分割することによって、複数のインクジェット式記録ヘッド１、圧電体素子３００、アクチュエーター装置３１０を得ることができる。インクジェット式記録ヘッド１を組み込むことにより、インクジェット式記録装置１０００を得ることができる。
図１０、図１１および図１２は、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合のそれぞれヒステリシス特性、撓み低下推移、変位低下率を示す図である。
図１０において、横軸が電圧で、縦軸が分極である。ヒステリシス特性を比較すると、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合とでほとんど差は見られない。従って図７と異なり、この場合は、酸素欠損によりＰＺＴの結晶にダメージを与えていないと考えられる。
図１１において、横軸が印加パルス数で、縦軸が撓み量である。また、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合を黒丸で、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合を白丸で示した。
初期の撓み量からの低下が、１９０億パルスにおいて、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合では、３７ｎｍであるのに対し、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合は、２４ｎｍであった。
初期の撓み量からの低下が、１９０億パルスにおいて、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合では、３７ｎｍであるのに対し、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合は、２４ｎｍであった。
図１２において、横軸が印加パルス数で、縦軸が変位低下率である。また、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合を黒丸で、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合を白丸で示した。
変位低下率においても、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合が、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と比較して低いことがわかる。
変位低下率においても、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合が、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と比較して低いことがわかる。
また、Ｉｒを含む上電極８０の結晶性は、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合が、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と比較して半価幅が小さく、結晶性が向上する。
さらに、Ｉｒを含む上電極８０のシート抵抗値は、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合が、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と比較して抵抗値が小さくなる。
さらに、Ｉｒを含む上電極８０のシート抵抗値は、上電極８０として第１層８１を２５０℃で１０ｎｍ、第２層８２を３５０℃で４０ｎｍ形成した場合が、上電極としてＩｒを２５０℃で５０ｎｍ形成した場合と比較して抵抗値が小さくなる。
以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）上電極８０の第１層８１形成時におけるＰＺＴを含む圧電体層７０の温度が２５０℃以下なので、ＰＺＴの酸素欠陥の発生を抑えることができる。また、基板としての圧電体層７０の温度が２５０℃以下で、Ｉｒを含む第１層８１を圧電体層７０上に形成すると、第１層８１に圧縮応力が生じる。圧縮応力の生じた第１層８１に対して、引っ張り応力を有する第２層８２を形成することにより圧電体素子３００全体として撓みをなくすことができる。したがって、初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少を抑えることができ、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
また、撓みが凸から凹に変わることがないため、圧電体素子３００に無理な応力が加わらずクラックの発生を抑えることができ、下電極６０と上電極８０との間の膜剥がれが抑えられたアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
（１）上電極８０の第１層８１形成時におけるＰＺＴを含む圧電体層７０の温度が２５０℃以下なので、ＰＺＴの酸素欠陥の発生を抑えることができる。また、基板としての圧電体層７０の温度が２５０℃以下で、Ｉｒを含む第１層８１を圧電体層７０上に形成すると、第１層８１に圧縮応力が生じる。圧縮応力の生じた第１層８１に対して、引っ張り応力を有する第２層８２を形成することにより圧電体素子３００全体として撓みをなくすことができる。したがって、初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少を抑えることができ、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
また、撓みが凸から凹に変わることがないため、圧電体素子３００に無理な応力が加わらずクラックの発生を抑えることができ、下電極６０と上電極８０との間の膜剥がれが抑えられたアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
（２）Ｉｒを含む第２層８２の形成温度が３５０℃以上であれば、引っ張り応力を有する第２層８２を得ることができ、第２層８２を形成することによって、圧縮応力の生じた第１層８１の撓みを減少できる。したがって、前述の効果を有するアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
（３）第２層８２の厚みが第１層８１よりも厚いので、第２層８２の引っ張り応力が支配的になり、Ｉｒを含んだ上電極８０において、第１層８１の厚みを１０ｎｍとし、第２層８２の厚みを４０ｎｍとすることで、圧電体素子３００全体として撓みをなくすことができる。したがって、上述の効果を有するアクチュエーター装置３１０の製造方法を得ることができる。
（４）前述の効果を有するインクジェット式記録ヘッド１の製造方法およびインクジェット式記録装置１０００の製造方法を得ることができる。
（５）圧電体素子３００の初期の撓みが少ないので、繰り返し変位することによる凸であった撓みの撓み量の減少を抑えることができる。したがって、変位量の減少が抑えられたアクチュエーター装置３１０を得ることができる。
（６）第１層８１の厚みが１０ｎｍ、第２層８２の厚みが４０ｎｍにおいて、前述の効果を有するアクチュエーター装置３１０を得ることができる。
上述した実施形態以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、アクチュエーター装置３１０の基板としては、流路形成基板１０に限らず、例えば、半導体基板、樹脂基板などを用途に応じて任意に用いることができる。
また、振動板５６は、例えば、ステンレス鋼等の金属の層が積層されていてもよい。
例えば、アクチュエーター装置３１０の基板としては、流路形成基板１０に限らず、例えば、半導体基板、樹脂基板などを用途に応じて任意に用いることができる。
また、振動板５６は、例えば、ステンレス鋼等の金属の層が積層されていてもよい。
また、上述した実施形態では、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１を挙げて説明したが、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用できる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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。
１…液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド、６０…下電極、７０…圧電体層、８０…上電極、８１…第１層、８２…第２層、３００…圧電体素子、３１０…アクチュエーター装置、１０００…液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置。
Claims (7)
- ＰＺＴを含む圧電体層を下電極とＩｒを含む上電極とで狭持した圧電体素子を備えたアクチュエーター装置の製造方法であって、
前記圧電体層の温度が２５０℃以下の温度で、前記圧電体層上に前記上電極の第１層を形成する第１層形成工程と、
前記第１層上に引っ張り応力を有する第２層を形成する第２層形成工程とを備えた
ことを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。 - 請求項１に記載のアクチュエーター装置の製造方法において、
前記第２層の形成温度が、３５０℃以上である
ことを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。 - 請求項１または請求項２に記載のアクチュエーター装置の製造方法において、
前記第１層の厚みは１０ｎｍで、前記第２層の厚みが４０ｎｍである
ことを特徴とするアクチュエーター装置の製造方法。 - 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のアクチュエーター装置の製造方法の製造工程を含む
ことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 - 請求項４に記載の液体噴射ヘッドの製造方法の製造工程を含む
ことを特徴とする液体噴射装置の製造方法。 - ＰＺＴを含む圧電体層を下電極とＩｒを含む上電極とで狭持した圧電体素子を備えたアクチュエーター装置であって、
前記上電極は、第１層と第２層とを備え、
前記圧電体素子の撓みがない
ことを特徴とするアクチュエーター装置。 - 請求項６に記載のアクチュエーター装置において、
前記第１層の厚みは１０ｎｍで、前記第２層の厚みが４０ｎｍである
ことを特徴とするアクチュエーター装置。
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