JP4086535B2 - アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4086535B2
JP4086535B2 JP2002116052A JP2002116052A JP4086535B2 JP 4086535 B2 JP4086535 B2 JP 4086535B2 JP 2002116052 A JP2002116052 A JP 2002116052A JP 2002116052 A JP2002116052 A JP 2002116052A JP 4086535 B2 JP4086535 B2 JP 4086535B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
actuator
crystal
piezoelectric film
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002116052A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2003309304A (ja
Inventor
俊博 伊福
堅義 松田
明生 池末
哲朗 福井
Original Assignee
キヤノン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by キヤノン株式会社 filed Critical キヤノン株式会社
Priority to JP2002116052A priority Critical patent/JP4086535B2/ja
Publication of JP2003309304A publication Critical patent/JP2003309304A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4086535B2 publication Critical patent/JP4086535B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1607Production of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/161Production of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Production of nozzles manufacturing processes
    • B41J2/1623Production of nozzles manufacturing processes bonding and adhesion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Production of nozzles manufacturing processes
    • B41J2/1626Production of nozzles manufacturing processes etching
    • B41J2/1628Production of nozzles manufacturing processes etching dry etching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Production of nozzles manufacturing processes
    • B41J2/1626Production of nozzles manufacturing processes etching
    • B41J2/1629Production of nozzles manufacturing processes etching wet etching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Production of nozzles manufacturing processes
    • B41J2/1632Production of nozzles manufacturing processes machining
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Production of nozzles manufacturing processes
    • B41J2/1632Production of nozzles manufacturing processes machining
    • B41J2/1634Production of nozzles manufacturing processes machining laser machining
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, e.g. INK-JET PRINTERS, THERMAL PRINTERS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/16Production of nozzles
    • B41J2/1621Production of nozzles manufacturing processes
    • B41J2/164Production of nozzles manufacturing processes thin film formation
    • B41J2/1642Production of nozzles manufacturing processes thin film formation thin film formation by CVD [chemical vapor deposition]
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L41/00Piezo-electric devices in general; Electrostrictive devices in general; Magnetostrictive devices in general; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L41/22Processes or apparatus specially adapted for the assembly, manufacture or treatment of piezo-electric or electrostrictive devices or of parts thereof
    • H01L41/31Applying piezo-electric or electrostrictive parts or bodies onto an electrical element or another base
    • H01L41/312Applying piezo-electric or electrostrictive parts or bodies onto an electrical element or another base by laminating or bonding of piezo-electric or electrostrictive bodies
    • H01L41/313Applying piezo-electric or electrostrictive parts or bodies onto an electrical element or another base by laminating or bonding of piezo-electric or electrostrictive bodies by metal fusing or with adhesives
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L41/00Piezo-electric devices in general; Electrostrictive devices in general; Magnetostrictive devices in general; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L41/08Piezo-electric or electrostrictive devices
    • H01L41/09Piezo-electric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. actuators, vibrators
    • H01L41/0926Piezo-electric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. actuators, vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H01L41/0973Membrane type
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L41/00Piezo-electric devices in general; Electrostrictive devices in general; Magnetostrictive devices in general; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L41/22Processes or apparatus specially adapted for the assembly, manufacture or treatment of piezo-electric or electrostrictive devices or of parts thereof
    • H01L41/31Applying piezo-electric or electrostrictive parts or bodies onto an electrical element or another base
    • H01L41/314Applying piezo-electric or electrostrictive parts or bodies onto an electrical element or another base by depositing piezo-electric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H01L41/316Applying piezo-electric or electrostrictive parts or bodies onto an electrical element or another base by depositing piezo-electric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H01L41/00Piezo-electric devices in general; Electrostrictive devices in general; Magnetostrictive devices in general; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L41/22Processes or apparatus specially adapted for the assembly, manufacture or treatment of piezo-electric or electrostrictive devices or of parts thereof
    • H01L41/33Shaping or machining of piezo-electric or electrostrictive bodies
    • H01L41/332Shaping or machining of piezo-electric or electrostrictive bodies by etching, e.g. lithography

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法において、単結晶基板上の圧電膜を振動板構造体に接合し、単結晶基板を除去するアクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法に関する。特に、大面積のアクチュエータおよびインクジェットヘッドを作成する場合に有効な製造方法に関する。また、大面積・高密度のアクチュエータ及びインクジェットヘッドを作製出来る製造方法である。例えば、圧電/電歪膜型素子、中でも主にインクジェットプリントヘッド、マイクロホン、発音体(スピーカーなど)、各種振動子や発振子、更にはセンサー等に用いられるユニモルフ型やバイモルフ型等の屈曲変位を発生させるタイプの圧電/電歪膜型素子等の製造方法に好適に用いることが出来る。なお、ここで呼称される素子とは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換、即ち機械的な変位または応力または振動に変換する素子の他、その逆の変換を行う素子をも意味するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光学や精密加工等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位素子や微小変位を電気的変化として検知する検出素子が所望されるようになってきており、これに応えるものとして、強誘電体の圧電/電歪材料に電界を加えた時に起こる逆圧電効果や電歪効果に基づくところの変位あるいはその逆の現象を利用した素子である、アクチュエータやセンサーの如き圧電/電歪素子の開発が進められている。
【0003】
ところで、インクジェットプリントヘッド等においては、そのような圧電/電歪素子構造として、従来から知られているユニモルフ型やバイモルフ型が、好適に採用されている。そして、そこでは、そのような素子を用いたプリンターの印字品質・印字速度等の向上が要求されており、それに応えるべく、かかる圧電/電歪膜型素子の小型高密度化、低電圧駆動化、高速応答性化、長尺多ノズル化を図るための開発が進められている。
【0004】
また、それらユニモルフ型やバイモルフ型の圧電/電歪素子においては、大きな屈曲変位や発生力或いは発生電位を得るために、振動板となる基板の厚さを薄くすることが重要とされるが、かかる基板の厚さを減少させると、強度が低下したり、平滑性が低下するという問題があった。しかも、従来のユニモルフ型やバイモルフ型の圧電/電歪素子においては、接着剤を用いるために信頼性を損ねるという問題点もあった。
【0005】
それらの克服のために、特開昭62-213399号公報には、圧電スピーカーとして、圧電セラミックスとセラミックス振動板を同時に焼結することで強固な接合強度をもたらす技術が開示されている。しかしながら、この方法は高温で異種の材料を焼結することから、振動板の選択が制限され最適な設計が出来ないこと、振動板及び圧電セラミックスそのものが収縮するため、大面積でミクロンオーダーの寸応精度を合わせることが困難であるという問題があった。そのため信頼性の高い大面積の圧電/電歪素子(アクチュエータ)やインクジェットヘッドを得ることが困難であった。
また、より高密度のヘッドを得るために単結晶系圧電膜を作製し、インクジェットヘッドを得る方法として、特開平11-348285号公報には、単結晶PbTiO3上に成膜された単結晶Pb(Zr,Ti)O3をインクジェットヘッドに利用する方法が記載されているが、圧電膜上に作製する振動板の緻密性に劣り、耐久性の良いヘッドを得ることが出来なかった。また、特開2001-113712号公報には、複数枚の単結晶MgO基板を用いて長尺のインクジェットヘッドを製造する方法が記載されている。しかし、この方法では、基板を配置した場合に起こる基板間の間隙の関係から、高密度なヘッドを作製することは不可能であった。また、大面積の単結晶MgO基板は安定的に製造出来ないことから、単結晶基板上に作製した単結晶または単一配向結晶の圧電膜を大面積のアクチュエーター及びインクジェットヘッドに利用することは不可能であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題点を解決した圧電/電歪膜型素子、特に、アクチュエーター及びインクジェットヘッドに好適な新規製造方法を提供することにある。特に、単結晶圧電膜あるいは単一配向の多結晶膜を利用した大面積・長尺のアクチュエーター及びインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
大面積・長尺のアクチュエータ及びインクジェットヘッドを作製する方法として、振動板構造体に直接圧電膜を成膜した後、加工・成型しデバイスを作製する方法が一般的であるが、振動板構造体の格子定数、熱膨張係数の関係で望む特性の圧電膜を成膜出来ない場合がある。本発明は上記問題も解決した製造方法であり、所望の特性を有する圧電膜を大面積・長尺のデバイスに応用することが出来る。
本発明の目的は、上記課題を解決するものであり、その製造方法により大面積で特性のばらつきの少ない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にある。これらは、インクジェットヘッド以外にマイクロホン、発音体(スピーカー等)、各種振動子・発振子、更には加速度センサー、圧力センサー、振動センサー、角速度センサー等に好適に用いられる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータの製造方法は、
振動板構造部材と振動板構造部材上に設けられる圧電膜とを有するアクチュエータを製造するアクチュエータの製造方法であって、組成が同じである複数枚の単結晶基板を互いに直接接合した接合部を有し、X線回折測定でのロッキングカーブ測定によって主ピークと主ピークとは異なる一本以上の他のピークとが測定される単結晶基板であって、主ピークと他のピークとの位置が0.13 °から0.31 °離れている単結晶基板の上に、複数枚の単結晶基板に共通に圧電膜を形成する工程と、圧電膜を振動板構造部材上に接合する工程と、接合部を有する単結晶基板を除去する工程と、を有する。
また、位置が 0.13 °から 0.16 °離れていてもよい。
また、接合部の幅が3μm以下である前記単結晶基板を用いてもよい。
また、接合部を介して測定した単結晶基板の表面粗度Raが15nm以下であってもよい。
また、単結晶基板がMgO基板、STO基板、BaTiO3基板、Yまたは希土類がドープされていても良いZrO2基板のうちいずれかであってもよい。
また、単結晶基板の厚みが0.05mmから2.5mmであってもよい。
本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、
振動板構造部材と振動板構造部材上に設けられる圧電膜とを有するインクジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法であって、組成が同じである複数枚の単結晶基板を互いに直接接合した接合部を有し、X線回折測定でのロッキングカーブ測定によって主ピークと主ピークとは異なる一本以上の他のピークとが測定される単結晶基板であって、主ピークと他のピークとの位置が0.13 °から0.31 °離れている単結晶基板の上に、複数枚の単結晶基板に共通に圧電膜を形成する工程と、圧電膜を振動板構造部材上に接合する工程と、接合部を有する単結晶基板を除去する工程と、を有する。
また、位置が 0.13 °から 0.16 °離れていてもよい。
従って、本発明の製造方法は、高密度で長尺で特性の良い圧電アクチュエーターおよびインクジェットヘッドを製造できる。また、本発明の製造方法は、単結晶基板を用いて圧電特性の良い圧電膜を選択でき、かつ、デバイスサイズが大きくなっても適応できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法は、複数枚の接合された単結晶基板上の圧電膜を振動板構造体に接合する工程、単結晶基板を除去する工程を含む製造方法である。
本発明の製造方法は、単結晶基板上に圧電膜を成膜する工程、圧電膜を振動板構造部材に接合する工程、基板を除去する工程を有する。
図1は本発明の工程を図示したものである。図1の(a)は基板▲1▼上に圧電膜▲2▼を成膜した状態を示す。(b)は、デバイスの必要性に応じて圧電膜をパターニングした状態を示す。この工程は必須ではないが、インクジェットヘッドのデバイス化には好ましい態様である。(c)は、パターニングされた圧電膜を振動板構造部材▲3▼に接合した状態を示す。▲4▼は接合に使用した接合層で主に金属材料でできている。(d)は、接合後に基板を除去した状態である。
【0009】
本発明で用いられる基板▲1▼としては、単結晶基板であり、例えば、MgO, STO(SrTiO3), BaTiO3、Yあるいは希土類でドープされていても良いZrO2基板等が用いられる。希土類としてはPr,Nd,Eu,Tb,Dy,Ho,Yb,,Sm,Gd,Er,Laなどである。好ましい結晶面は(100)、(111)あるいは(101)である。好ましい基板は、MgO基板、STO基板またはドープされたZrO2基板である。また、
本発明で用いられる基板は、複数枚の基板が接合されたものである。そのため、
XRD測定でロッキングカーブ測定した場合、主ピークから数度異なる一本以上のピークが測定される。特に本発明で使用される単結晶基板のロッキングカーブ測定では、主ピークと他のピークの位置が0.05°から0.3°異なるものである。これに対して、単板の単結晶基板では一本のピークしか観測されない(単結晶性の不良な基板では主ピークから10°以上離れた位置にピークが出る場合がある。)が、本発明の基板は接合面での若干の方位のずれが生じるため、このようなXRDピークが観測される。接合される単板単結晶基板のロッキングカーブ測定では、ピークの位置のずれは0.3°以下が好ましく、このような数度の方位ずれがあるにもかかわらず、その上に成膜される圧電膜は十分特性が良いばかりか、この方位のずれにより大面積成膜をした場合も膜中の応力が適度に分散され均一な圧電膜が成膜されている可能性がある。
本発明で用いられる基板の膜厚は、0.05mmから2.5mm、好ましくは、0.1mmから1.2mmである。基板の膜厚が0.05mm未満の場合は基板面積が大きくなった場合(例えば、500mm2以上等)に平面性が保持されにくいこと、強度に劣ることより好ましくない。平面性が保持されない場合には、単結晶基板上へ圧電膜を成膜する場合に良好な圧電膜を成膜できにくくなる。また、膜厚が2.5mmを超えるとアクチュエーターあるいはインクジェットヘッドを作製する工程で基板を除去する際に作業性に劣ることより好ましくない。
【0010】
本発明で用いられる基板▲1▼の作成方法について例示する。図2は、基板の作成工程を図示したものである。図2(a)は、単結晶バルク体を4部重ねたものであり、各接触面(イ)での単結晶体の表面は研摩されている。これを加圧下で、高温処理することにより、(b)の接合体になる。(ロ)は、接合部である。この接合部(ロ)は、光学的に認識することが出来る。こうして接合された単結晶体を切断することにより本発明で使用される接合部を有する大面積の単結晶基板(ハ)を得ることが出来る。
【0011】
次工程のデバイス化で均一な圧電特性の良好なデバイスを得るために接合部(ロ)の幅は3μm以下の物を用いることが好ましい。より好ましくは、2.2μm以下である。接合部の幅の測定は、SEM観察により測定することが出来る。
単結晶基板の接合部は屈折率の違いからか、あるいは格子ミスマッチングからか目視あるいは光学顕微鏡で接合部の有無の確認は出来る。この接合部を横断するように表面粗度を測定した時に、本発明で用いられる好ましい基板のRaは、15nm以下であり、より好ましくは10nm以下である。
測定方法は、例えば、ケーエルエー・テンコール社(KLA Tencor)のテンコールP-10で、探針圧5mg、スキャン速度5μm/秒、データー取得周波数500Hzで接合部を挟んで300μm長を測定することによりされる。
接合部の幅が3μmを超える場合や、Raが15nmを超えると基板内での圧電膜の結晶性が不良となり、デバイスにした場合に均一性の良いデバイスが得られにくくなる。
【0012】
次工程で、接合された単結晶基板面上に圧電膜を成膜する。本発明で用いられる圧電膜は単結晶膜、あるいは単一配向した多結晶膜である。単一配向した多結晶膜とは、XRD法(X線回折法)で測定した時に、圧電膜の特定ピーク強度膜が90%以上ある膜であり、好ましくは、95%以上である。圧電膜の結晶構造は、正方晶、菱面体晶、斜方晶のいずれかである。好ましい結晶方位は<001>、<111>である。
【0013】
これらの圧電膜を作製する方法としては、焼結法、スパッタリング法、MBE(分子線ビームエピタキシー)法、MOCVD法、ゾルゲル法、ガスデポ法、水熱法等があるが、好適には、スパッタ法、MBE法、MOCVD法、ゾルゲル法、水熱法である。基板上に成膜される圧電膜の膜厚としては、0.8μmから50μm、好ましくは、1.0μmから10μmである。0.8μm未満では、アクチュエーターとしての変位力に劣り、基板2を変位させる十分な力を出せない。また、50μmを超えると、圧電膜自身の剛性が大きくなり変位量を大きく出来なくなる事や駆動電圧が大きくなる事等のため好ましくない。
【0014】
用いられる圧電膜としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)、マグネシウムニオブ酸鉛、マグネシウムニオブチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、亜鉛ニオブチタン酸鉛等である。これらの材料に微量のドーパントを添加させても良い。
【0015】
図1(b)のパターニングは必須の工程ではないが、長尺のインクジェットヘッドを作製する場合には、好ましい態様であり、圧電膜と振動板構造部材の熱膨張係数が異なる材料でも安定してデバイス化することが出来る。
パターニング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング、レジストリフトオフ、メタルマスクによる方法等が用いられる。
【0016】
圧電膜▲2▼と振動板構造部材▲3▼との接合方法としては、直接接合、拡散接合、活性金属法、圧接などの接合方法を採ることが出来る。好ましくは、活性金属法であり、用いる金属としてはIn,Pd,Au,Cr,Ni,Cu,Sn,Mo,Ti,Zr,Ag,Pb等の金属を用いることが出来る。接合時の温度は80℃から500℃で、より好ましくは、100℃から300℃である。また加圧は、0.5kg/mm2から20kg/mm2であり、好ましくは0.8kg/mm2から5kg/mm2である。活性金属法で接合層に利用した層を電極として利用しても良い。
また、直接接合法としては、例えば「信学技報US95-24,EMD95-20,CPM95-32」記載の方法等がある。
【0017】
本発明の振動板構造部材とは、加工可能性の基板(積層体も含む)であるか、既に加工された振動板が作成された物である。振動板構造部材としては、好ましくは前者である。
振動板構造部材▲3▼に用いられる材料としては、Si, SUS, Ni、Tiなどの金属材料、ジルコニア、アルミナ、ガラスなどのセラミックス材料である。好ましくは、金属材料であり、より好ましくは、Si材料である。特にSi基板の結晶方位が{110}の基板が好ましい。Si基板としては、SOI基板、SOS基板などを用いても良い。
【0018】
基板▲1▼の除去方法としては、ウェットエッチング法あるいは剥離法がある。ウェットエッチング法は基板▲1▼が溶解する液媒体を用いて基板▲1▼を溶解除去する方法である。好ましくは基板が再利用出来る剥離法である。剥離法としては、レーザー光剥離、ウォータージェット法、機械的剥離があるが、好ましくは、レーザー光剥離、機械的剥離である。レーザー光剥離とは圧電膜界面にレーザー光を照射し、急激な温度上昇による熱分解あるいは基板間の熱膨張率の差を利用して単結晶基板から圧電膜を剥がす方法である。使用するレーザーとしては、エキシマーレーザー、YAGレーザー、He-Neレーザー、ガスレーザー、半導体レーザー等である。機械的剥離とは物理的機械力を利用して剥離する方法であり、基板▲1▼と圧電膜▲2▼との間に機械的応力を作用させ基板▲1▼を剥離する方法である。
【0019】
本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、上記方法と同様の方法で得られたアクチュエーターに圧力室と、圧力室と連通したインク供給路及びインク吐出口となるノズル部を形成する製造方法である。図3にはインクジェットヘッド作成の工程を図示した。図3(a)は、図1(d)で説明したアクチュエーターであり、これにインク室▲5▼を作製する(図3(b))。▲6▼はインク室隔壁である。インク室の作成方法としては、Si基板をエッチングしてインク室を作成する方法、あるいはインク室を形成した基板と接合する方法、あるいはインク室隔壁部▲6▼を成膜し作製する方法があり、いずれの方法を採っても良い。▲7▼はインクジェットヘッドの振動板および不図示の下部電極であり、厚みは0.5〜15μm、好ましくは、1〜5μmである。このような薄膜をウェットエッチングによって均一に残すためには、振動板構造部材▲3▼としては、SOI基板を用いることが好ましい。また、ドライエッチングでインク室を作成しても良い。
図3(c)では、上部電極▲9▼とインク室を形成したアクチュエーター部にノズル部▲8▼が形成された部材を接合したインクジェットヘッドが図示されている。ノズル部を構成する部材は単層基板であっても多層基板であっても良い。
【0020】
また、本発明の製造方法は、圧電膜上にCr,Niなどの金属膜を成膜し、これらを電極および振動板として利用する製造方法であっても良い。この場合の金属振動板の厚みは、圧電膜に対して0.5倍から2.0倍の厚みが好ましい。
このような方法を採る場合は、振動板構造部材としては、振動板にあたる部分がない部材を用いる事が出来る。
【0021】
本発明で得られるインクジェットヘッドは、ユニモルフタイプのベンダー型ヘッドを容易に安定して得ることが出来るが、振動板構造部材▲3▼をシムとして利用し振動板構造部材の両側に圧電膜を接合してバイモルフタイプのインクジェットヘッドを作成しても良い。
【0022】
以下に本発明を実施例を挙げて説明する。
(実施例1)
一辺が10mmの立方体SrTiO3(100)単結晶バルク体10体を接合・切断し、作製された10mm×100mmのSTO(SrTiO3)基板(厚み0.15mm・接合部の幅1.2μm・接合部を介しての表面粗度Ra=5nm)上にスパッタ法でPZT(001)膜を2.5μm成膜した。PZT膜は[001]方位に配向されたの単結晶膜であった。この接合されたSTO基板のXRD測定でのロッキングカーブ測定では主ピークと0.13°から0.16°ずれた位置にピークが確認された。STO基板上のPZT膜上にTi層(20nm厚)を成膜したのちAu層(200nm厚)を成膜し接合層を作製した。これらをウェットで180dpiの密度になるようエッチングした。エッチング後のPZTの一素子の大きさは、幅88μm、長さ2.8mmであり、STO基板上にこのPZT素子を680本並べられている。振動板構造部材としてBがドーピングされたSi層が3μm、SiO2層が0.5μmのSi(110)層の厚みが約400μmのSOI基板(Ra=0.02μm、)上に接合層としてCr(30nm)、Au(200nm)を成膜した。PZT上のAu層とSOI基板上のAu層を重ね、10-3Paの減圧下及び0.3kgf/mm2の加圧下、150℃で1時間加熱して接合した。SOI基板上のAu層上にPZT膜が密着性良く接合された。これにエキシマーレーザー光(KrF)をSTO基板側から約350mJ/cm2の照射量で照射したところ、STO基板とPZTが剥離し、SOI基板上にPZTパターニング体を転写することが出来た。上部電極をAuペーストで作成して、接合後の圧電膜のPrを測定したところ、約40μC/cm2と良好な特性であった。
Si基板の圧電膜の反対面側からSiO2層をエッチストップ層としてウェットエッチングにより、各圧電膜の下部に幅100μm、長さ2mmのインク室を形成し本発明によるアクチュエーターを得た。これに25μmΦのノズルを開けたSi基板とインク流路を形成した2枚のSUS基板を重ね、ノズル部がインク室の端部にくるよう張り合わせインクジェットヘッドを得た。これから5kHzで液体を吐出させると、約20plの液滴を15m/sの速度で吐出させる事が出来た。
【0023】
(実施例2)
圧電膜の厚みを4μmとした以外は、実施例1と同様にして圧電膜のパターニング体を作成し、厚み20μmのTi基板の両側から圧電膜を同時に接合した。その後、STO基板を剥離し、バイモルフタイプのアクチュエーターを得た。Ti基板を電極として利用し、両側の圧電膜には同じ電位を負荷させ、実施例1と同様の方法で変位量をレーザー変位計で測定したところ、1kHzで1.25μm、10kHzでは0.45μmの変位量を測定した。また、各素子間のばらつきが少なく良好な特性を示した。
【0024】
(実施例3)
接合されたMgO基板(厚み0.5mm、接合部の幅400nm以下)上へPbTiO3を成膜後、PZTの単結晶膜を成膜した。この場合のMgO基板の方位ずれはロッキングカーブ測定で(400)のピークが0.13°異なる二本のピークの観測により確認した(図4参照)。この基板上のPZTの膜質はXRD測定(θ―2θ測定)によりピーク強度比から98%以上の単一配向膜であった。続いて、PbTiO3層をエッチング除去した以外は実施例1と同様の方法でアクチュエーターを作製したところ、同様に特性の良いアクチュエーターを得た。
また、ロッキングカーブ測定で0.31°の方位ずれのある基板でも同様に圧電膜の成膜を行ったところ、PZTの膜質は90%の単一配向膜であったが、作製したアクチュエーターの特性は若干の変位量は劣るものの、実用性のある変位であった。
(実施例4)
STO基板でRaが16nm以上の基板を用いて実施例1と同様にインクジェットヘッドを作成した。実施例1と同様の評価の結果、ノズル間の吐出ばらつきは若干大きいものであったが、優れた液体吐出能力が確認された。
【0025】
(比較例1)
実施例1と同じスペックのインクジェットヘッドを一辺が10mmのSTO基板を10枚用いて行った。各基板上にスパッタ法でPZT(001)単結晶膜を2.5μm厚で成膜し、デバイス化したところ、基板間のつなぎの部分でのヘッドを作成することが出来ず、180dpiで一連にノズルが連続で配列されたヘッドにはならなかった。また、各基板毎での圧電膜の膜厚も若干異なったため、基板位置ごとでインク吐出能力が変わり、液量、液滴吐出速度の異なる制御の困難なデバイスとなった。
【0026】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明には、以下の効果がある。
本発明の製造方法は、高密度で長尺で特性の良い圧電アクチュエーターおよびインクジェットヘッドを製造できるという効果がある。
また、本発明の製造方法は、単結晶基板を用いて圧電特性の良い圧電膜を選択でき、かつ、デバイスサイズが大きくなっても適応できるという効果がある。
【0027】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法の工程を示す図である。
【図2】本発明の基板の作成工程を示す図である。
【図3】本発明のインクジェットヘッドの作成工程を示す図である。
【図4】 MgO基板の方位ずれがロッキングカーブ測定で(400)のピークが0.13°異なる二本のピークの観測により確認されたことを示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 圧電膜
3 振動板構造部材
4 接合層
5 インク室
6 インク室隔壁
7 インクジェットヘッドの振動板
8 ノズル部
9 上部電極
イ 接触面
ロ 接合部
ハ 単結晶基板

Claims (8)

  1. 振動板構造部材と該振動板構造部材上に設けられる圧電膜とを有するアクチュエータを製造するアクチュエータの製造方法であって、
    組成が同じである複数枚の単結晶基板を互いに直接接合した接合部を有し、X線回折測定でのロッキングカーブ測定によって主ピークと該主ピークとは異なる一本以上の他のピークとが測定される単結晶基板であって、前記主ピークと前記他のピークとの位置が0.13 °から0.31 °離れている当該単結晶基板の上に、前記複数枚の単結晶基板に共通に前記圧電膜を形成する工程と、
    前記圧電膜を前記振動板構造部材上に接合する工程と、
    前記接合部を有する単結晶基板を除去する工程と、
    を有することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
  2. 前記位置が 0.13 °から 0.16 °離れていることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータの製造方法。
  3. 前記接合部の幅が3μm以下である前記単結晶基板を用いることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアクチュエータの製造方法。
  4. 前記接合部を介して測定した前記単結晶基板の表面粗度Raが15nm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアクチュエータの製造方法。
  5. 前記単結晶基板がMgO基板、STO基板、BaTiO3基板、Yまたは希土類がドープされていても良いZrO2基板のうちいずれかであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のアクチュエータの製造方法。
  6. 前記単結晶基板の厚みが0.05mmから2.5mmであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のアクチュエータの製造方法。
  7. 振動板構造部材と該振動板構造部材上に設けられる圧電膜とを有するインクジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法であって、
    組成が同じである複数枚の単結晶基板を互いに直接接合した接合部を有し、X線回折測定でのロッキングカーブ測定によって主ピークと該主ピークとは異なる一本以上の他のピークとが測定される単結晶基板であって、前記主ピークと前記他のピークとの位置が0.13 °から0.31 °離れている当該単結晶基板の上に、前記複数枚の単結晶基板に共通に前記圧電膜を形成する工程と、
    前記圧電膜を前記振動板構造部材上に接合する工程と、
    前記接合部を有する単結晶基板を除去する工程と、
    を有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
  8. 前記位置が 0.13 °から 0.16 °離れていることを特徴とする請求項7に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
JP2002116052A 2002-04-18 2002-04-18 アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法 Expired - Fee Related JP4086535B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002116052A JP4086535B2 (ja) 2002-04-18 2002-04-18 アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002116052A JP4086535B2 (ja) 2002-04-18 2002-04-18 アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法
US10/412,395 US6927084B2 (en) 2002-04-18 2003-04-14 Method of manufacturing actuator and ink jet head

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003309304A JP2003309304A (ja) 2003-10-31
JP4086535B2 true JP4086535B2 (ja) 2008-05-14

Family

ID=29207733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002116052A Expired - Fee Related JP4086535B2 (ja) 2002-04-18 2002-04-18 アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US6927084B2 (ja)
JP (1) JP4086535B2 (ja)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100590902C (zh) * 2003-01-31 2010-02-17 佳能株式会社 压电元件
US7215067B2 (en) * 2003-02-07 2007-05-08 Canon Kabushiki Kaisha Ferroelectric thin film element, piezoelectric actuator and liquid discharge head
US7059711B2 (en) * 2003-02-07 2006-06-13 Canon Kabushiki Kaisha Dielectric film structure, piezoelectric actuator using dielectric element film structure and ink jet head
JP4717344B2 (ja) * 2003-12-10 2011-07-06 キヤノン株式会社 誘電体薄膜素子、圧電アクチュエータおよび液体吐出ヘッド
JP4539090B2 (ja) * 2003-12-10 2010-09-08 富士ゼロックス株式会社 画像記録装置
US7262544B2 (en) * 2004-01-09 2007-08-28 Canon Kabushiki Kaisha Dielectric element, piezoelectric element, ink jet head and method for producing the same head
TWI255057B (en) * 2004-02-27 2006-05-11 Canon Kk Dielectric element, piezoelectric element, ink jet head and ink jet recording apparatus and manufacturing method of same
JP2005244133A (ja) * 2004-02-27 2005-09-08 Canon Inc 誘電体素子、圧電素子、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置、並びにこれらの製造方法
US7235917B2 (en) * 2004-08-10 2007-06-26 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric member element and liquid discharge head comprising element thereof
JP2006069152A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc インクジェットヘッド及びその製造方法
US20070046153A1 (en) * 2005-08-23 2007-03-01 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substrate, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus
US7998362B2 (en) * 2005-08-23 2011-08-16 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance, piezoelectric element, liquid discharge head using piezoelectric element, liquid discharge apparatus, and production method of piezoelectric element
US7521845B2 (en) * 2005-08-23 2009-04-21 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance, piezoelectric element, liquid discharge head using piezoelectric element, and liquid discharge apparatus
US7591543B2 (en) * 2005-08-23 2009-09-22 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric member, piezoelectric member element, liquid discharge head in use thereof, liquid discharge apparatus and method of manufacturing piezoelectric member
US7528530B2 (en) * 2005-08-23 2009-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance, piezoelectric substance element, liquid discharge head, liquid discharge device and method for producing piezoelectric substance
US8142678B2 (en) * 2005-08-23 2012-03-27 Canon Kabushiki Kaisha Perovskite type oxide material, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus using the same, and method of producing perovskite type oxide material
US7528532B2 (en) * 2005-08-23 2009-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance and manufacturing method thereof, piezoelectric element and liquid discharge head using such piezoelectric element and liquid discharge apparatus
US7984977B2 (en) * 2006-07-14 2011-07-26 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric element, manufacturing method for piezoelectric body, and liquid jet head
JP5265973B2 (ja) * 2007-07-27 2013-08-14 富士フイルム株式会社 圧電素子及び液体吐出装置
KR101068261B1 (ko) * 2009-03-02 2011-09-28 삼성전기주식회사 잉크젯 헤드 및 그 제조방법
JP6365347B2 (ja) * 2015-02-27 2018-08-01 コニカミノルタ株式会社 圧電デバイス、圧電デバイスの製造方法、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドの製造方法およびインクジェットプリンタ
JP2017063138A (ja) 2015-09-25 2017-03-30 株式会社リコー 圧電体膜、圧電デバイス、圧電体膜の製造方法
FR3083004B1 (fr) * 2018-06-22 2021-01-15 Commissariat Energie Atomique Dispositif transducteur piezoelectrique et procede de realisation d'un tel dispositif

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62213399A (en) 1986-03-12 1987-09-19 Omron Tateisi Electronics Co Piezoelectric ceramic unit
JPH11348285A (ja) 1998-06-10 1999-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd インクジェット記録装置とその製造方法
JP2001113712A (ja) 1999-08-06 2001-04-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd インクジェットヘッドの製造方法、インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置
JP3796394B2 (ja) * 2000-06-21 2006-07-12 キヤノン株式会社 圧電素子の製造方法および液体噴射記録ヘッドの製造方法
JP3512379B2 (ja) * 2000-09-20 2004-03-29 日本碍子株式会社 圧電体素子、及びその製造方法
JP3833070B2 (ja) * 2001-02-09 2006-10-11 キヤノン株式会社 液体噴射ヘッドおよび製造方法
JP3754897B2 (ja) * 2001-02-09 2006-03-15 キヤノン株式会社 半導体装置用基板およびsoi基板の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US6927084B2 (en) 2005-08-09
US20030196745A1 (en) 2003-10-23
JP2003309304A (ja) 2003-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8646180B2 (en) Method for producing electromechanical transducer, electromechanical transducer produced by the method, liquid-droplet jetting head, and liquid-droplet jetting apparatus
US7574787B2 (en) Methods to make piezoelectric ceramic thick film array and single elements with a reusable single layer substrate structure
US7083270B2 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus
US8030828B2 (en) Piezoelectric device, process for producing the piezoelectric device, and liquid discharge device
US6895645B2 (en) Methods to make bimorph MEMS devices
US6584660B1 (en) Method of manufacturing a piezoelectric device
EP1585180B1 (en) Dielectric member, piezoelectric member, ink jet head, ink jet recording apparatus, and production methods thereof
CA2351199C (en) Structure of piezoelectric element and liquid discharge recording head, and method of manufacture therefor
US7215067B2 (en) Ferroelectric thin film element, piezoelectric actuator and liquid discharge head
US6158847A (en) Laminated ink-jet recording head, a process for production thereof and a printer equipped with the recording head
JP5423414B2 (ja) 電気機械変換膜の製造方法、電気機械変換膜、電気機械変換膜群、電気機械変換素子の製造方法、電気機械変換素子、電気機械変換素子群、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、画像形成装置
EP1846960B1 (en) Piezoelectric substance element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus
KR100748727B1 (ko) 유전체 소자, 압전 소자, 잉크젯 헤드 및 잉크젯 기록 장치, 및 그 제조 방법
JP3666177B2 (ja) インクジェット記録装置
KR101046829B1 (ko) 압전소자 및 그 제조방법, 그리고 그 압전소자를 구비한잉크젯헤드, 잉크젯식 기록장치 및 각속도 센서
US7235917B2 (en) Piezoelectric member element and liquid discharge head comprising element thereof
US7320163B2 (en) Method of manufacturing an actuator device
US8082640B2 (en) Method for manufacturing a ferroelectric member element structure
US7670652B2 (en) Method of manufacturing patterned film
EP1367658B1 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and ink jet type recording apparatus
CN100479216C (zh) 压电元件、液体喷射头和液体喷射设备
US7312558B2 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, and ink jet recording apparatus
EP2549558B1 (en) Epitaxial oxide film, piezoelectric film, piezoelectric film element, liquid discharge head using the piezoelectric film element, and liquid discharge apparatus
KR100715406B1 (ko) 압전 구조체, 액체 토출 헤드 및 그 제조 방법
US6969157B2 (en) Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, method for manufacturing the same, and ink jet recording apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20050415

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050415

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20070727

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070822

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071017

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071114

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080111

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080206

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080219

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110228

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120229

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130228

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140228

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees