JP2012061705A - 圧電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、画像形成装置、及び圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜した状態で引張応力膜となっている圧電体を用いた圧電アクチュエータの変位効率を向上させる。
【解決手段】空間部を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記空間部上に設けられた圧電素子とを備え、前記圧電素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、前記弾性膜を前記圧電素子の撓み方向に変位させる圧電型アクチュエータであって、前記弾性膜は、前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有し、前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有することにより上記課題を解決する。
【選択図】図８

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、画像形成装置、及び圧電アクチュエータの製造方法に関する。

従来から、例えばインクジェット記録装置等の画像形成装置に搭載された液滴吐出ヘッドには、ノズルから液滴を吐出させるための圧力発生手段としてのアクチュエータが用いられている。液滴吐出ヘッドのアクチュエータは、例えばインク液を収容する加圧液室の一面に設けられた振動板（弾性膜）と、振動板の加圧液室上に設けられた圧電素子とを備え、圧電素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、振動板を圧電素子の撓み方向に変位させ、加圧液室のインク液に圧力を加える。

このようなアクチュエータの変位効率を向上させるためには、アクチュエータを構成する振動板の初期撓み量や、圧電素子の初期応力等を低減させること、振動板と、圧電素子を構成する圧電体膜の厚さ（中立面の位置）、剛性等の関係が重要となることが知られている。

また、上述した圧電体膜は、例えば生産性の高いゾルゲル法等を用いて形成されるが、ゾルゲル法によって圧電体膜を形成した場合には、焼成時に揮発性物質が抜け、焼き締まるため、引張応力が大きくなりやすい。したがって、圧電素子に電圧を印加していない初期の状態において、圧電体膜がこのような引張応力を有している場合には、引張応力を有していない場合と比較して、アクチュエータの圧電特性が低下し、破壊が起こりやすい等の課題を有する。よって、このような圧電体内部の初期引張応力を緩和することも求められている。

なお、従来では、振動板の初期撓み量を低減し、撓み量が増加したときの圧電特性の低下を防ぐことにより、アクチュエータの変位効率の向上を図るため、圧電素子の両側に引張膜を形成したり、圧電素子両側の圧縮応力膜を薄くしたり、除去する方法が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、振動板、圧電素子を構成する下部電極、圧電体層、上部電極により生じる膜応力を圧縮応力とすることで振動板を撓みやすくして変位効率を向上させる方法も知られている（例えば、特許文献４参照）。

しかしながら、特許文献１〜３の上述した手法では、振動板の初期撓み量は抑えられても圧電体の初期引張応力は緩和されず、むしろ大きくなってしまう。また、特許文献４の手法は、振動板全体の応力に注目したものであり、アクチュエータの幅方向で振動板の応力に分布を持たせる構成のものではない。

また、上述した特許文献１では、特に、圧電体の初期引張応力が大きい場合には、弾性膜に圧縮応力膜を用いて、圧電体に対向する部分に凹部を形成することにより、振動板の初期撓み量の低減と、圧電体の初期引張応力の緩和の両方を改善しようとしている。しかしながら、このような構成では、凹部を形成した部分の弾性体の剛性が低下し、発生力（振動板の反発力）が低減してしまう。また、凹部の形成の深さ等によっては、アクチュエータの変位効率が低下する場合もある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、成膜した状態で引張応力膜となっている圧電体を用いた圧電アクチュエータの変位効率を向上させる圧電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、画像形成装置、及び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。

本発明は、上記目的を達成するために、空間部を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記空間部上に設けられた圧電素子とを備え、前記圧電素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、前記弾性膜を前記圧電素子の撓み方向に変位させる圧電型アクチュエータであって、前記弾性膜は、前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有し、前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有することを特徴とする。

また、本発明は、液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔に対応して形成された吐出室と、前記吐出室を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記吐出室上に設けられた圧電素子とを備える液滴吐出ヘッドであって、前記弾性膜は、前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有し、前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有することを特徴とする。

また、本発明は、上述した液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置であって、前記液滴吐出ヘッドから吐出する液滴により画像を形成することを特徴とする。

また、本発明は、空間部を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記空間部上に設けられた圧電素子とを備え、前記圧電素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、前記弾性膜を前記圧電素子の撓み方向に変位させる圧電型アクチュエータの製造方法であって、前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有する引張応力膜を形成する引張応力膜形成工程と、前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有する圧縮応力膜を形成する圧縮応力膜形成工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、成膜した状態で引張応力となっている圧電体を用いた圧電アクチュエータの変位効率を向上させることを可能とする。

第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。 図１に示す第一の基板、第二の基板、ノズル基板の透視状態平面配置図である。 図２の部分拡大図（第二の基板のみ表示）である。 図２のＸ１−Ｘ１′断面図である。 図２のＸ２−Ｘ２′断面図である。 図２のＹ１−Ｙ１′断面図である。 図２のＹ２−Ｙ２′断面図である。 図４のアクチュエータ部付近拡大図である。 図６のアクチュエータ部付近拡大図である。 第１実施形態に係る圧電アクチュエータ製造工程図である。 第２実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第３実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第３実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。 第４実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第５実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第６実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第６実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。 第７実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第７実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。 第８実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第８実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。 第９実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。 第９実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。 第１０実施形態に係る画像形成装置の斜視図である。 第１０実施形態に係る画像形成装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態について、図１〜図９を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図２は、図１に示す第一の基板、第二の基板、ノズル基板の透視状態平面配置図であり、図３は、図２の部分拡大図（第二の基板のみ表示）である。また、図４は、図２のＸ１−Ｘ１′断面図であり、図５は、図２のＸ２−Ｘ２′断面図である。また、図６は、図２のＹ１−Ｙ１′断面図であり、図７は、図２のＹ２−Ｙ２′断面図である。また、図８は、図４のアクチュエータ部付近拡大図であり、図９は、図６のアクチュエータ部付近拡大図である。

第１実施形態は、本発明のアクチュエータを圧力発生手段として使用した液滴吐出ヘッドである。以下、図１〜図９を適宜参照しながら、本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッド１について説明する。なお、図は、いずれも便宜上一部分のみ図示しているが、実際には、例えば一列当たり１００ノズル以上のノズル列が複数列配置された構成とすることが多い。また、図は、デフォルメされ、細かい部分は省略され、縮尺は統一されてない。

図１に示す第１実施形態の液滴吐出ヘッド１は、第一の基板１０と、第二の基板２０と、ノズル板３０と、図示されていないフレーム・ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）・ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等とを備えるように構成されている。

第一の基板１０は、第二の基板２０の圧電素子等を保護する保護基板であり、インク液を供給するための液供給路１１等を備えるように構成されている。第一の基板１０は、第二の基板２０と熱膨張係数が大きく違わない材料を用いることが好ましく、第一の基板１０は、例えばガラス基板等を用いて形成される。液供給路１１は、例えばサンドブラストにより形成されるが、例えばレーザ加工等で形成しても良く、基板の材料によって機械加工やエッチング加工等によって形成しても良い。

第二の基板２０は、例えばシリコン単結晶基板からなり、インク液の流路が形成された流路形成基板である。また、第二の基板２０は、第一の基板１０側の面に形成された弾性膜（振動板）２１と、インク液が収容される空間（空隙）部としての加圧液室２２と、弾性膜２１上の加圧液室２２に対応した部分の内側に形成された圧電素子２３と、配線層２４と、流体抵抗部２５と、共通液室２６等を備えるように構成されている。なお、例えば図４に示すように、第二の基板２０は、第一の基板１０と、エポキシ系又はポリイミド系の接着剤１２により接着されている。

弾性膜２１は、例えば１．５〔μｍ〕程度の厚さを有している。圧電素子２３は、例えば、図８に示すように、共通電極である下電極２３ａと、圧電体２３ｂと、個別電極である上電極２３ｃとから形成される。また、下電極２３ａ、圧電体２３ｂ、上電極２３ｃの側面を覆うように、絶縁膜２７が形成されている。

また、図９に示すように、下電極２３ａ及び上電極２３ｃには、配線層２４が接続されている。下電極２３ａ及び上電極２３ｃには、外部から電極へ電圧を印加するための接続部である電極端子部分２４Ａから、配線層２４を介して電圧が印加される。

なお、絶縁膜２７の一部には、配線層２４との接続孔が開孔され、配線層２４と一体的に形成された電極端子部分２４Ａと接続されている。また、図２及び図８等に示すように、絶縁膜２７は、圧電素子２２の上電極２３ｃが露出するように、開口部を備えている。

また、例えば図６等に示すように、第一の基板１０と配線層２４とは、封止材１３によって封止されている。また、下電極２３ａは、圧電体能動部以外の部分（配線層２４との接続部付近以外）は除去するが、例えば隣接するアクチュエータ間の部分は残した構造としても良い。

上述した下電極２３ａは、例えばスパッタリング法等によって、厚さ約０．１〔μｍ〕の白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の比較的導電性の高い材料から形成される。圧電体２３ｂは、例えばゾルゲル法等によって、厚さ１．０〔μｍ〕程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等から形成される。

上電極２３ｃは、例えばスパッタリング法等によって、厚さ約０．０５〜０．１〔μｍ〕の白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等から形成される。なお、これらの厚みは、用いる材料やアクチュエータの目標仕様等により適宜調整するのが望ましい。

配線層２４には、電気伝導性、耐腐蝕性に優れた、例えば金（Ａｕ）等を用いる。絶縁膜２７には、水分の透過・吸収の少なく電気的絶縁性に優れた、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や四窒化三硅素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる約０．２〔μｍ〕の厚さのものを用いる。

なお、配線層２４と、絶縁膜２７、下電極２３ａ、及び上電極２３ｃとの界面には密着層としてクロム（Ｃｒ）を敷いている。

また、図１及び図２に示すように、流体抵抗部２５は、加圧液室２２と一体的に形成されている。共通液室２６は、液供給路１１に対応した部分に形成されている。

ノズル板３０は、インク液滴を吐出するノズル孔３１等を有している。ノズル板３０は、例えば厚さ３０〔μｍ〕のステンレス等を用いて、プレス加工によりノズル孔３１を開口した後、液の出口側の面に、撥液膜としてフッ素系の樹脂を蒸着にて成膜している。なお、ノズル板３０には、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板等を用いても良い。また、ノズル板３０は、第二の基板２０と接着剤により貼り合わせている。

第１実施形態では、上述のように構成される液滴吐出ヘッドにおいて、例えば図８等に示すように、弾性膜２１は、第二の基板２０の一方の面に設けられ、圧電素子２３が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子２３が形成される周辺部分に圧縮応力を有するように、圧縮応力膜２１ａ及び引張応力膜２１ｂを備える。

具体的には、圧縮応力膜２１ａは、例えば成膜状態で圧縮応力を有し、アクチュエータの幅方向全体にわたって形成されている。また、圧縮応力膜２１ａには、加圧液室２２上の概ね圧電素子２３が形成される部分に凹部が形成されている。

引張応力膜２１ｂは、例えば成膜状態で引張応力を有し、圧縮応力膜２１ａ上に形成された凹部と凹部周辺を覆うように形成されている。また、引張応力膜２１ｂ上には、圧電素子２３が形成されている。

なお、圧縮応力膜２１ａには、例えば熱酸化膜を用いて、引張応力膜２１ｂには、例えばプラズマＣＶＤにより形成するシリコン窒化膜を用いるが、本発明においてはこれに限定されず、他の膜を用いても良い。また、上述した成膜状態とは、例えば加圧液室２２を形成し、アクチュエータ構成とする前の状態である。

上述したように、弾性膜２１は、圧電素子が形成された部分では引張応力膜２１ｂが主たる構成材料となるように形成され、その両側の部分では圧縮応力膜２１ａが主たる構成材料となるように形成される。これにより、弾性膜２１は、圧電素子が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有する。

＜第１実施形態：製造工程＞
次に、図１０を用いて、第１実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程について説明する。図１０は、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ製造工程図である。

図１０（Ａ）に示すように、第二の基板２０に、例えばウェット酸化法等により、例えば圧縮応力膜２１ａとなる熱酸化膜を成膜する。

次に、図１０（Ｂ）に示すように、例えばフォトリソ・エッチング等により、第二の基板２０に形成された圧縮応力膜２１ａの一部に凹部を形成する。ここで、圧縮応力膜２１ａに形成される凹部は、例えば第２の基板２０において加圧液室２２が形成される部分上の、概ね圧電素子が形成される部分に形成する。

なお、圧縮応力膜２１ａに形成する凹部は、フォトリソ・エッチングを用いることで、容易に形成することが可能である。

次に、図１０（Ｃ）に示すように、凹部が形成された圧縮応力膜２１ａを覆うように、例えばプラズマＣＶＤ等により、引張応力膜２１ｂとなるシリコン窒化膜を成膜する。

次に、図１０（Ｄ）に示すように、引張応力膜２１ｂ上に、圧電素子２３となる下電極２３ａと、圧電体２３ｂと、上電極２３ｃとを成膜する。なお、例えば下電極２３ａ及び上電極２３ｃはスパッタリング法を用いて成膜し、例えば圧電体２３ｂは、ゾルゲル法を用いて成膜する。

次に、図１０（Ｅ）に示すように、加圧液室２２が形成される部分に対応するように、例えばフォトリソ・エッチング等により、上電極２３ｃと、圧電体２３ｂと、下電極２３ａをパターニングする。

次に、図１０（Ｆ）に示すように、圧縮応力膜２１ａに形成された凹部と凹部周辺が覆われるように引張応力膜２１ｂを、例えばフォトリソ・エッチング等により、パターニングする。

次に、図１０（Ｇ）に示すように、第２の基板２０上に形成された圧縮応力膜２１ａ等を覆うように絶縁膜２７を成膜したのち、上電極２３ｃ上の中央部（端部付近以外）の絶縁膜２７を除去する。

次に、図１０（Ｈ）に示すように、第二の基板２０に、加圧液室２２と、流体抵抗部２５と、共通液室２６等を例えばアルカリ溶液による異方性エッチング又はドライエッチングにより一体的に形成する。

このとき、同時に、加圧液室２２に対応する部分の弾性膜２１が振動板となる。

また、第二の基板２０は、上述したように単結晶シリコンからなり、圧縮応力膜２１ａは熱酸化膜により形成されている。したがって、上述のように第二の基板２０をエッチングして加圧液室２２等を形成する際には、圧縮応力膜２１ａ界面で精度良くエッチングをストップさせることが可能となる。

ここで、加圧液室２２を形成すると、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂと圧電体２３ｂの内部応力が開放されるが、第１実施形態によれば、その方向はいずれも圧電体２３ｂが縮む方向で、圧電体２３ｂの成膜時点での引張応力が緩和される方向で協調して働く。

これにより、圧縮応力膜２１ａに凹部を形成しただけの構成よりも、より圧電体２３ｂ内部の応力を緩和することが可能となる。また、振動板の初期撓みもより小さく抑えることが可能となる。更に、圧電体２３ｂに対応する振動板の厚みも十分に確保して、十分な発生力（振動板反発力）を得ることが可能となる。

なお、上述した圧縮応力膜２１ａに凹部を形成するときに、凹部の圧縮応力膜２１ａを全て除去することも可能である。しかしながら、この場合には、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂとの接触面積が極めて小さくなり、振動板の破壊強度が大きくなるので、圧縮応力膜２１ａを一部残しておくことが望ましい。

＜第２実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図１１を用いて、第２実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。図１１は、第２実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

第２実施形態は、第１実施形態と概ね同様な構成であるが、圧縮応力膜２１ａの下に低応力膜２１ｃを設けている点で異なる。第２実施形態では、低応力膜２１ｃとして、例えばボロンをドープしたポリシリコン等を用いる。また、圧縮応力膜２１ａには、例えばプラズマＣＶＤ等により形成する酸化膜を用いる。

なお、本発明においてはこれに限定されず、その他の膜を用いても良いが、例えば低応力膜２１ｃに対して圧縮応力膜２１ａを選択的にエッチングすることが可能な組み合わせにしておくことが望ましい。

第２実施形態では、低応力膜２１ｃに対する圧縮応力膜２１ａのエッチングの選択比が十分取れるようにすることで、第１実施形態よりも凹部の深さを精度良く形成することが可能となる。

また、凹部の圧縮応力膜２１ａを全て除去することで、圧電体２３ｂの応力をより緩和させることが可能となる。また、振動板の初期撓み量もより低減することが可能となる。なお、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂとが直接接触する面積は小さくなるが、それぞれが低応力膜２１ｃと大きな面積で接することにより、振動板２１の十分な破壊耐性を得ることが可能となる。

また、図１１に示すように、第２実施形態では、加圧液室２２をエッチングする際のエッチングストップ層２８を、第二の基板２０に低応力膜２１ｃを形成する前に形成しておくと良い。

＜第３実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図１２を用いて、第３実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。図１２は、第３実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図１２に示す第３実施形態の圧電アクチュエータは、第２実施形態と概ね同様な構成であるが、低応力２１ｃを圧縮応力膜２１ａ及び引張応力膜２１ｂ上、すなわち圧電素子２３側に設けている点で異なる。これにより、第３実施形態では、圧電素子２３との積層部において、膜厚方向の応力のバランスが比較的対称となるため、より振動板における初期撓みの低減が可能となる。

また、下電極２３ａに低応力を有する膜を用いることにより、下電極２３ａを低応力膜２１ｃと兼ねることも可能となる。

＜第３実施形態：製造工程＞
次に、図１３を用いて、第３実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程について説明する。図１３は、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ製造工程図である。

図１３に示す製造工程は、図１３（Ａ）に示すように、圧縮応力膜２１ａに凹部を形成して、凹部の圧縮応力膜２１ａを全て除去する。次に、図１３（Ｂ）に示すように、引張応力膜２１ｂを成膜し、パターニングする。次に、図１３（Ｃ）に示すように、低応力膜２１ｃと、圧電素子２３となる積層膜とを成膜して、圧電素子２３を加工する。

第３実施形態では、第１実施形態とは異なり、引張応力膜２１ｂのパターニングの際、その後の圧電素子２３の加工が容易となるよう、引張応力膜２１ｂの端部がテーパ形状となるように形成する。

＜第４実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図１４を用いて、第４実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。図１４は、第４実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図１４に示す第４実施形態の圧電アクチュエータは、弾性膜２１において、引張応力膜２１ｂが加圧液室２２直上の圧電素子２３が形成される部分に設けられている。また、圧縮応力膜２１ａは、引張応力膜２１ｂの両側に形成され、引張応力膜２１ｂ上の圧電素子２３が形成される部分は、圧縮応力膜２１ａが薄く形成されている。このような構成により、弾性膜２１は、圧電素子２３が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子２３が形成される周辺部分に圧縮応力を有する。

第４実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程では、第１実施形態〜第３実施形態とは逆に、まず、第２の基板２０に引張応力膜２１ｂを成膜し、加圧液室２２直上の圧電素子２３が形成される部分のみ残してパターニングする。次に、圧縮応力膜２１ａを成膜し、圧電素子２３の積層膜が形成される部分をパターニングする。

第４実施形態では、第１実施形態と比較して、圧電素子２３との積層部において、膜厚方向の応力のバランスが比較的対称になるため、振動板２１の初期撓み量をより低減することが可能となる。

＜第５実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図１５を用いて、第５実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。図１５は、第５実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図１５に示す第５実施形態の圧電アクチュエータは、第３実施形態とほぼ同様な構成であるが、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂの成膜、パターニングの順番を、第３実施形態とは逆にしたものである。

すなわち、第５実施形態では、引張応力膜２１ｂが加圧液室２２直上の圧電素子２３が形成される部分に設けられている。また、圧縮応力膜２１ａは、引張応力膜２１ｂの両側部分に形成され、引張応力膜２１ｂとの重なり部分は、引張応力膜２１ｂを覆うように形成されている。また、低応力膜２１ｃが、圧縮応力膜２１ａを覆うように形成されている。このような構成により、弾性膜２１は、圧電素子２３が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子２３が形成される周辺部分に圧縮応力を有する。

第５実施形態では、膜の種類によって、上述の順番の方が加工し易い場合に、このような構成とすることが可能である。

＜第６実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図１６を用いて、第６実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。図１６は、第６実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図１６に示す第６実施形態の圧電アクチュエータは、引張応力膜２１ｂが加圧液室２２直上の圧電素子２３が形成される部分に設けられている。また、圧縮応力膜２１ａは、引張応力膜２１ｂの両側部分に形成されているが、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂとの重なり部分はなく、重ならないように隙間を形成した隙間部分を低応力膜２１ｃが埋め込まれている。また、低応力膜２１ｃは、圧電素子２３側の圧縮応力膜２１ａ及び引張応力膜２１ｂの表面を覆うように形成されている。このような構成により、弾性膜２１は、圧電素子２３が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子２３が形成される周辺部分に圧縮応力を有する。

＜第６実施形態：製造工程＞
次に、図１７を用いて、第６実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程について説明する。図１７は、第６実施形態に係る圧電アクチュエータ製造工程図である。

図１７（Ａ）に示すように、第２の基板２０の一方の面に、圧縮応力膜２１ａ、引張応力膜２１ｂを成膜し、パターニングする。なお、どちらを先に成膜し、パターニングするかの順番は、加工しやすい順番にすると良い。

次に、図１７（Ｂ）に示すように、圧縮応力膜２１ａ及び引張応力膜２１ｂを覆うよう低応力膜２１ｃを形成する。

次に、図１７（Ｃ）に示すように、低応力膜２１ｃを必要に応じてエッチバックすることにより膜圧調整する。

次に、図１７（Ｄ）に示すように、引張応力膜２１ｂが形成された部分の低応力膜２１ｃ上に圧電素子２３となる積層膜を成膜して、圧電素子２３を加工する。

第６実施形態では、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂの段差が小さい状態で、圧電素子２３を加工することが可能となる。また、第６実施形態では、振動板の膜厚も概ね一定とすることが可能となる。

＜第７実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図１８を用いて、第７実施形態に係る圧電アクチュエータについて説明する。図１８は、第７実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図１８に示す第７実施形態の圧電アクチュエータは、引張応力膜２１ｂの両側に形成されている圧縮応力膜２１ａが、引張応力膜２１ｂと異なる成分の添加物が添加されることにより圧縮応力を有する膜として形成されたものである。また、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂとの間には遷移領域としての低応力膜２１ｃが形成されている。このような構成により、弾性膜２１は、圧電素子２３が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子２３が形成される周辺部分に圧縮応力を有する。

＜第７実施形態：製造工程＞
次に、図１９を用いて、第７実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程について説明する。図１９は、第７実施形態に係る圧電アクチュエータ製造工程図である。

図１９（Ａ）に示すように、第２の基板２０に、圧縮応力膜２１ａとなる部分も含め、振動板となる部分全体にわたり、一旦、引張応力膜２１ｂを成膜する。また、引張応力膜２１ｂ上に圧電素子２３となる積層膜を形成する。

次に、図１９（Ｂ）に示すように、圧電素子２３をパターニングし、パターニングした圧電素子２３上にレジストを形成する。

次に、図１９（Ｃ）に示すように、圧電素子２３と自己整合的なイオンの打ち込みにより、引張応力膜２１ｂの膜に添加物を添加する。

これにより、第７実施形態では、図１９（Ｄ）に示すように、引張応力膜２１ｂを、圧縮応力膜２１ａへと改質し、圧縮応力膜２１ａと引張応力膜２１ｂとの間に遷移領域としての低応力膜２１ｃが形成される。なお、打ち込むイオンは、公知例に示したものを用いることができる。

第７実施形態では、少ない工程で、振動板を一体的に形成することが可能となると共に、振動板２１と圧電素子２３との重ね合わせ精度の高い、バラツキのより小さなアクチュエータを得ることが可能となる。

＜第８実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図２０を用いて、第８実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。図２０は、第８実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図２０に示す圧縮応力膜２１ａは、熱酸化膜であり、耐酸化性の高いシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）である引張応力膜２１ｂを耐酸化マスクとした選択酸化（ＬＯＣＯＳ）により形成される。

また、引張応力膜２１ｂには、ＬＰ−ＣＶＤで成膜したシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いる。なお、引張応力膜２１ｂは、膜単層で所望の厚さを成膜するとクラックが発生するため、引張応力膜２１ｂに、低応力膜２１ｃであるシリコン酸窒化膜（ＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ、Ｘ，Ｙは低応力になるように調整）を積層する。これにより、第８実施形態では、クラックを防止することが可能となる。

引張応力膜２１ｂと低応力膜２１ｃを積層した積層膜は、全体としては引張応力となる。なお、引張応力膜２１ｂには、引張応力であり、耐酸化性があり、単層で所望の厚さを成膜してもクラックが発生しない膜であれば、積層構成ではなく単層構成としても良い。このような構成により、弾性膜２１は、圧電素子２３が形成される部分に引張応力を有し、圧電素子２３が形成される周辺部分に圧縮応力を有する。

＜第８実施形態：製造工程＞
次に、図２１を用いて、第８実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程について説明する。図２１は、第８実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。

図２１（Ａ）に示すように、第二の基板２０に、薄い熱酸化膜と、耐酸化マスクでもあるシリコン窒化膜からなる引張応力膜２１ｂと、シリコン酸窒化膜からなる低応力膜２１ｃと、耐酸化マスクでもあるシリコン窒化膜からなる引張応力膜２１ｂとを積層する。次に、薄い熱酸化膜以外の積層膜を、例えばフォトリソ・エッチングプロセスによりパターニングする。

最初に成膜した薄い熱酸化膜は、その後の選択酸化により成長した部分とともに圧縮応力膜２１ａになるとともに、引張応力膜２１ｂとの密着層、局所的な応力緩和層となり、図２１（Ｄ）に示す液室形成時にはエッチングストップ層となる。

次に、図２１（Ｂ）に示すように、先にパターニングした引張応力膜２１ｂと低応力膜２１ｃの積層膜をマスクに、選択酸化を行い、圧縮応力膜２１ａとなる熱酸化膜を積層膜形成部以外の部分で成長させる。

次に、図２１（Ｃ）に示すように、圧電素子２３を形成する下電極２３ａと、圧電体２３ｂと、上電極２３ｃとを成膜する。下電極２３ａ及び上電極２３ｃは、例えばスパッタリング法により成膜し、圧電体２３ｂは、例えばゾルゲル法により成膜する。次に、成膜した下電極２３ａと、圧電体２３ｂと、上電極２３ｃとを、例えばフォトリソ・エッチングプロセスによりパターニングする。

図２１（Ｄ）に示すように、第１実施形態と同様に、絶縁膜２７を成膜し、上電極２３ｃ上の中央部（端部付近以外）の絶縁膜２７を除去する。次に、第２の基板２０の反対側に、例えばアルカリ溶液による異方性エッチング又はドライエッチングを用いて、加圧液室２２等を形成する。このとき、加圧液室２２に対応する部分の弾性膜２１が振動板となる。

＜第９実施形態：圧電アクチュエータ＞
次に、図２２を用いて、第９実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。図２２は、第９実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図である。

図２２に示す第９実施形態の圧電アクチュエータは、上述した第８実施形態と概ね同様の方法を用いて作成される。しかしながら、第８実施形態では、圧縮応力膜２１ａを選択酸化にて成長させた後、圧電素子２３を形成するが、第９実施形態では、圧電素子２３を形成した後に選択酸化を行い、圧縮応力膜２１ａを成長させる。

＜第９実施形態：製造工程＞
次に、図２３を用いて、第９実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程について説明する。図２３は、第９実施形態に係る圧電アクチュエータの製造工程図である。

第９実施形態の製造工程では、基板表面が平坦な状態で圧電体２３ｂが形成される。したがって、膜厚のより均一な圧電体２３ｂを得ることが可能である。また、絶縁膜２７に耐酸化マスク性の高い膜を用いることにより、引張応力膜２１ｂ等は耐酸化マスク性の比較的低い膜を用いることが可能となる。

具体的には、図２３（Ａ）に示すように、第二の基板２０に、薄い熱酸化膜と、耐酸化マスクでもあるシリコン窒化膜からなる引張応力膜２１ｂと、シリコン酸窒化膜からなる低応力膜２１ｃと、耐酸化マスクでもあるシリコン窒化膜からなる引張応力膜２１ｂとを積層する。

次に、圧電素子２３となる下電極２３ａと、圧電体２３ｂと、上電極２３ｃとを成膜し、例えばフォトリソ・エッチングプロセスにより上電極２３ｃと、圧電体２３ｂと、下電極２３ａとを順次パターニングする。

次に、図２３（Ｂ）に示すように、全体を覆うように絶縁膜２７を成膜する。次に、図２３（Ｃ）に示すように、圧電素子２３を覆った部分、圧縮応力膜２１ａを成長させる部分以外の領域を残すように絶縁膜２７をパターニングする。次に、同一のマスクで、先に形成した引張応力膜２１ｂと、低応力膜２１ｃをパターニングする。

次に、図２３（Ｄ）に示すように、先にパターニングした積層膜をマスクに選択酸化を行い、圧縮応力膜２１ａとなる熱酸化膜を成長させる。

次に、図２４（Ｅ）に示すように、上電極２３ｃ上の中央部（端部付近以外）の絶縁膜２７を除去する。次に、第２の基板２０の反対側に、例えばアルカリ溶液による異方性エッチング又はドライエッチングを用いて、加圧液室２２等を形成する。このとき、加圧液室２２に対応する部分の弾性膜２１が振動板となる。

＜第１０実施形態：画像形成装置＞
次に、本発明に係る圧電アクチュエータを圧力発生手段とした液滴吐出ヘッドを搭載した画像記録装置の一例について図２４及び図２５を参照して説明する。

図２４は、第１０実施形態に係る画像形成装置の斜視図である。また、図２５は、第１０実施形態に係る画像形成装置の断面図である。

図２４〜図２５に示すように、画像形成装置としてのインクジェット記録装置４０は、記録装置本体４１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施した液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへ記録液を供給する液カートリッジ等で構成される印字機構部４２等を収納し、装置本体４１の下方部には前方側から多数枚の用紙４３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）４４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙４３を手差しで給紙するための手差しトレイ４５を開倒することができ、給紙カセット４４或いは手差しトレイ４５から給送される用紙４３を取り込み、印字機構部４２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ４６に排紙する。

上述したインクジェット記録装置４０は、ヘッドの性能が、直接画像記録装置の性能に直接的につながる。したがって、上述した各実施形態における変位効率の改善されたアクチュエータを圧力発生手段として用いることで、低コスト、低消費電力の画像記録装置を得ることが可能となる。

上述したように、本発明によれば、圧電素子が形成された部分では引張応力膜が主たる構成材料となるように形成され、その両側の部分では圧縮応力膜が主たる構成材料となるように形成された弾性膜を用いることにより、成膜した状態で引張応力となっている圧電体を用いた圧電アクチュエータの変位効率を向上させることが可能となる。

また、上述のように圧電アクチュエータを製造することで、工程数を低減した高精度の加工が可能となり、より低コスト・高精度のアクチュエータ装置を得ることが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施例に基づき具体的に説明したが、本
発明は上記実施例で説明したものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能である。

１ 液滴吐出ヘッド
１０ 第一の基板
１１ 液供給路
１２ 接着層
１３ 封止材
２０ 第二の基板
２１ 弾性膜
２１ａ 圧縮応力膜
２１ｂ 引張応力膜
２１ｃ 低応力膜
２２ 加圧液室
２３ 圧電素子
２３ａ 下電極
２３ｂ 圧電体
２３ｃ 上電極
２４ 配線層
２５ 流体抵抗部
２６ 共通液室
２７ 絶縁膜
２８ エッチングストップ膜
３０ ノズル板
３１ ノズル孔
４０ インクジェット記録装置
４１ 記録装置本体
４２ 印字機構部
４３ 用紙
４４ 給紙カセット
４５ 手差しトレイ
４６ 排紙トレイ

特許第３０１９８４５号公報 特許第３６０３９３３号公報 特許第４２０２４６７号公報 特開２００９−２７４２２６号公報

Claims (6)

1. 空間部を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記空間部上に設けられた圧電素子とを備え、前記圧電素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、前記弾性膜を前記圧電素子の撓み方向に変位させる圧電型アクチュエータであって、
   前記弾性膜は、前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有し、前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧縮応力膜は、熱酸化膜を含み、
   前記引張応力膜は、シリコン窒化膜を含み、
   前記圧縮応力膜は、前記引張応力膜とは異なる成分の添加物が添加されて圧縮応力を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル板と、前記ノズル孔に対応して形成された吐出室と、前記吐出室を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記吐出室上に設けられた圧電素子とを備える液滴吐出ヘッドであって、
   前記弾性膜は、前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有し、前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項３に記載の液滴吐出ヘッドを備え、前記液滴吐出ヘッドから吐出する液滴により画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
5. 空間部を有する基板の一方の面に設けられた弾性膜と、前記弾性膜の前記空間部上に設けられた圧電素子とを備え、前記圧電素子に電圧が印加されて撓み振動することにより、前記弾性膜を前記圧電素子の撓み方向に変位させる圧電型アクチュエータの製造方法であって、
   前記圧電素子が形成される部分に引張応力を有する引張応力膜を形成する引張応力膜形成工程と、
   前記圧電素子が形成される周辺部分に圧縮応力を有する圧縮応力膜を形成する圧縮応力膜形成工程とを備えることを特徴とする圧電型アクチュエータ製造方法。
6. 前記圧縮応力膜形成工程は、前記圧電素子に自己整合的なイオンの打ち込みにより、前記引張応力膜形成工程により形成された引張応力膜に異なる添加物を添加することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ製造方法。

Images