JP4333686B2 - アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板上に変位可能に設けられた圧電素子を有するアクチュエータ装置及びアクチュエータ装置を用いた液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置に関する。
アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体層を、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものがある。このようなアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。
ここで、圧電素子は、シリコン単結晶基板上に密着層と白金層と拡散防止層とを積層して形成した下電極上と、圧電材料からなる圧電体前駆体膜を形成して焼成することで結晶化された圧電体膜からなる圧電体層と、上電極とを順次積層することによって形成されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、圧電素子の下電極が柔らかい材料の場合、優れた変位特性を有する圧電素子では、圧電素子の繰り返し駆動による歪みによって下電極の展性が失われて塑性変形してしまい、圧電素子の変位特性が低下してしまうという問題がある。例えば、下電極として純粋な白金（Ｐｔ）を用いた場合、圧電素子を繰り返し駆動することによって、振動板を５００ｎｍ程度変位させた際に、圧電素子は約４０％の変位低下が発生してしまう。
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の変位低下を防止したアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、基板上に変位自在に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備すると共に、前記下電極のヤング率が２００Ｇｐａ以上であることを特徴とするアクチュエータ装置。
かかる第１の態様では、下電極をヤング率が２００ＧＰａ以上の高硬度とすることで、圧電素子を繰り返し駆動することによって、下電極の展性が失われて塑性変形することなく、圧電素子の変位低下を防止することができる。
かかる第１の態様では、下電極をヤング率が２００ＧＰａ以上の高硬度とすることで、圧電素子を繰り返し駆動することによって、下電極の展性が失われて塑性変形することなく、圧電素子の変位低下を防止することができる。
本発明の第２の態様は、前記下電極が、白金、酸素及びその他の金属で構成される合金からなることを特徴とする第１の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第２の態様では、下電極として、白金、酸素及びその他の金属の合金を用いることで、所望の硬度の下電極とすることができると共に、優れた導電性を保持させることができる。
かかる第２の態様では、下電極として、白金、酸素及びその他の金属の合金を用いることで、所望の硬度の下電極とすることができると共に、優れた導電性を保持させることができる。
本発明の第３の態様は、前記その他の金属がチタンからなると共に、前記チタンの前記白金に対する含有率が３〜３０％であることを特徴とする第２の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第３の態様では、下電極に用いる合金の白金とチタンとの比を規定することで、所望の硬度を得ることができる。
かかる第３の態様では、下電極に用いる合金の白金とチタンとの比を規定することで、所望の硬度を得ることができる。
本発明の第４の態様は、前記その他の金属が鉛からなると共に、前記鉛の前記白金に対する含有率が１〜１２％であることを特徴とする第２の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第４の態様では、下電極に用いる合金の白金と鉛との比を規定することで、所望の硬度を得ることができる。
かかる第４の態様では、下電極に用いる合金の白金と鉛との比を規定することで、所望の硬度を得ることができる。
本発明の第５の態様は、前記下電極の主成分が、モリブデン、タンタル、イリジウム、バナジウム、タングステン及びクロムから選択される少なくとも一種の金属であることを特徴とする第１の態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第５の態様では、下電極に所定の金属を用いることで、所望の硬度の下電極とすることができると共に、優れた導電性を保持させることができる。
かかる第５の態様では、下電極に所定の金属を用いることで、所望の硬度の下電極とすることができると共に、優れた導電性を保持させることができる。
本発明の第６の態様は、前記圧電素子が前記基板上に振動板を介して設けられていると共に、前記下電極が前記振動板の一部として機能することを特徴とする第１〜５の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第６の態様では、所定硬度の下電極を振動板の一部として機能させることで、圧電素子の優れた変位を維持させることができる。
かかる第６の態様では、所定硬度の下電極を振動板の一部として機能させることで、圧電素子の優れた変位を維持させることができる。
本発明の第７の態様は、前記圧電素子の各層が、成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とする第１〜６の何れかの態様のアクチュエータ装置にある。
かかる第７の態様では、優れた変位特性を有する圧電素子を得ることができると共に、圧電素子の高密度化を図ることができる。
かかる第７の態様では、優れた変位特性を有する圧電素子を得ることができると共に、圧電素子の高密度化を図ることができる。
本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様のアクチュエータ装置をノズル開口から液体を噴射させるための圧力変化を生じさせる圧力発生手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第８の態様では、圧電素子の変位低下による液滴の噴射特性の低下を防止して、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
かかる第８の態様では、圧電素子の変位低下による液滴の噴射特性の低下を防止して、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
本発明の第９の態様は、第８の態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第９の態様では、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
かかる第９の態様では、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
また、流路形成基板１０の開口面側には、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、後述するマスク膜５１を介して接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなり厚さが例えば、約０．３〜０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．１〜０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室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何れか一方の電極及び圧電体層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３２０という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００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、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、本実施形態では、下電極膜６０を複数の圧電素子３００の並設方向に亘って設け、下電極膜６０の圧力発生室１２の長手方向の端部を、圧力発生室１２に相対向する位置となるように設けた。また、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。
また、下電極膜６０としては、本実施形態では、ヤング率が２００ＧＰａ以上の例えば、金属、セラミック等が挙げられる。具体的には、下電極膜６０が金属の場合には、白金（Ｐｔ）、酸素（Ｏ）及びその他の金属で構成される合金や、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つを主成分とする金属などが挙げられる。
例えば、下電極膜６０として、白金（Ｐｔ）、酸素（Ｏ）及びその他の金属を用いた場合、その他の金属としては、例えば、チタン（Ｔｉ）や鉛（Ｐｂ）などが挙げられる。また、下電極膜６０として、白金、酸素及びチタンで構成される合金を用いた場合には、チタンの白金に対する含有率は３〜３０％とするのが好ましい。さらに、下電極膜６０として、白金、酸素及び鉛で構成される合金を用いた場合には、鉛の白金に対する含有率は、１〜１２％が好ましい。このように、白金に対するその他の金属の含有率を規定することで、ヤング率が２００ＧＰａの下電極膜６０を形成することができる。
また、このような下電極膜６０は、例えば、絶縁体膜５５上に、密着層と、密着層上にチタンからなる金属層と、白金からなる白金層と順次積層して形成した後、詳しくは後述する製造方法によって圧電体層７０を焼成により形成した際に、これらの各層も同時に加熱されることによって、合金化された下電極膜６０が形成される。なお、下電極膜６０として、白金、鉛及び酸素で構成される合金を用いる場合には、例えば、絶縁体膜５５上に直接、合金からなる下電極膜６０を形成するようにしてもよい。勿論、その他の金属として、チタンを用いる場合にも、白金、チタン及び酸素からなる合金を絶縁体膜５５上に直接形成するようにしてもよい。また、密着層としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも一つの金属を主成分とするものが挙げられる。そして、密着層としてチタン（Ｔｉ）を用い、下電極膜６０として、白金、チタン及び酸素で構成される合金を用いる場合には、チタンからなる密着層が下電極膜６０の合金を構成するようにしてもよい。
このように、下電極膜６０として、ヤング率が２００ＧＰａ以上の金属又はセラミック等を用いることで、圧電素子３００の繰り返し駆動による歪みに耐えることができ、圧電素子３００の繰り返し駆動による歪みによって下電極膜６０の展性が失われるのを防止して塑性変形を防止することができる。すなわち、圧電素子３００が撓み変形することによって、下電極膜６０には２００ＧＰａの応力が印加される。そして、圧電素子３００を繰り返し駆動することによって、ヤング率の低い下電極膜６０は塑性変形してしまう。このため、本実施形態のヤング率が２００ＧＰａ以上の下電極膜６０を用いた圧電素子３００は、圧電素子３００の繰り返し駆動によって塑性変形することなく、圧電素子３００の変位低下を防止することができる。特に、本実施形態のヤング率が２００ＧＰａ以上の下電極膜６０を用いた圧電素子３００は、圧電素子３００を２００億回繰り返し駆動しても、変位低下を防止することができる。
なお、本実施形態の振動板として機能する二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５の靭性は６ＭＮ／ｍ２／３であるため、下電極膜６０も二酸化ジルコニウムと同程度以上の靭性、すなわち、６ＭＮ／ｍ２／３であるのが好ましい。
また、圧電体層７０は、下電極膜６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。
そして、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００を構成する下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０（圧電体能動部３２０）を覆うように耐湿性を有する保護膜１２０が設けられている。なお、保護膜１２０としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いるのが好ましい。保護膜１２０として、アルミナを用いた場合には、保護膜１２０の膜厚を１００ｎｍ程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができると共に、圧電素子３００の変形を阻害することがない。
この保護膜１２０上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、保護膜１２０に設けられた接続孔１２１を介して一端部が上電極膜８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０の端部近傍まで延設され、延設された先端部は、詳しくは後述する圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００と接続配線２１０を介して接続されている。
さらに、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２を有する保護基板３０が、接着剤３５によって接合されている。なお、圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
また、保護基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３１が設けられており、このリザーバ部３１は、上述したように、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の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１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、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣや半導体集積回路等からなる駆動回路２００が固定されており、駆動回路２００とリード電極９０とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。
保護基板３０としては、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。
保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板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。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）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。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、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した後、駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層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。
ここで、インクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図６を参照して説明する。なお、図３〜図６は、圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５２を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
次に、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。
次に、図４（ａ）に示すように、密着層６１及び白金層６２からなる下電極膜６０を形成する。具体的には、まず、絶縁体膜５５上に、チタン（Ｔｉ）からなり厚さが５〜５０ｎｍの密着層６１を形成する。本実施形態では、密着層６１を１０μｍの厚さで形成した。このように下電極膜６０の最下層に密着層６１を設けることによって、絶縁体膜５５と下電極膜６０との密着力を高めることができる。
次いで、密着層６１上に白金（Ｐｔ）からなり厚さが５０〜５００ｎｍの白金層６２を形成する。本実施形態では、白金層６２を１３０ｎｍの厚さで形成した。これにより、密着層６１及び白金層６２からなる下電極膜６０が形成される。
ここで、詳しくは後述するが、後の工程で圧電体層７０を焼成して形成した際に、チタン（Ｔｉ）からなる密着層６１と白金（Ｐｔ）からなる白金層６２とが同時に加熱されて、下電極膜６０はチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び酸素（Ｏ）で構成される合金となる。このとき、下電極膜６０のヤング率を２００ＧＰａ以上とするには、チタンの白金に対する含有率が３〜３０％となるように、予め密着層６１及び白金層６２の厚さを変更するのが好ましい。
次いで、下電極膜６０上にチタン（Ｔｉ）からなり厚さが１〜２０ｎｍ、本実施形態では厚さが４ｎｍのチタン層６３を形成する。このように下電極膜６０の上にチタン層６３を設けることにより、後の工程で下電極膜６０上にチタン層６３を介して圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の優先配向方位を（１００）または（１１１）に制御することができ、電気機械変換素子として好適な圧電体層７０を得ることができる。なお、チタン層６３は、圧電体層７０が結晶化する際に、結晶化を促進させるシードとして機能し、圧電体層７０の焼成後にはチタン層６３の一部又は全部が圧電体層７０内に拡散するものである。
なお、このような下電極膜６０の各層６１、６２及びチタン層６３は、例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって形成することができる。
次に、圧電体層７０を形成する。ここで、本実施形態では、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、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成している。なお、圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。また、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等を用いてもよい。
具体的には、まず、図４（ｂ）に示すように、パターニングする前の下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７１を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を１７０〜１８０℃で８〜３０分保持することで乾燥することができる。また、乾燥工程での昇温レートは０．５〜１．５℃／ｓｅｃが好適である。なお、ここで言う「昇温レート」とは、加熱開始時の温度（室温）と到達温度との温度差の２０％上昇した温度から、温度差の８０％の温度に達するまでの温度の時間変化率と規定する。例えば、室温２５℃から１００℃まで５０秒で昇温させた場合の昇温レートは、（１００−２５）×（０．８−０．２）／５０＝０．９［℃／ｓｅｃ］となる。
次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７１を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等として離脱させることである。また、脱脂工程では、昇温レートを０．５〜１．５℃／ｓｅｃとするのが好ましい。
次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。焼成工程では、圧電体前駆体膜７１を６８０〜９００℃に加熱するのが好ましいが、下電極膜６０の各層６１、６２が同時に加熱されて合金化されるため、７００℃以下が好ましい。これにより、ヤング率が２００ＧＰａ以上の高強度の合金からなる下電極膜６０を形成することができる。本実施形態では、６８０℃で５〜３０分間加熱を行って圧電体前駆体膜７１を焼成して圧電体膜７２を形成した。ここで、焼成工程における上電極膜８０の加熱方法は特に限定されないが、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法等を用いて、昇温レートを比較的速くすることが好ましい。例えば、本実施形態では、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いて、圧電体膜を比較的速い昇温レートで加熱した。なお、圧電体膜を焼成する際の昇温レートは、５０℃／ｓｅｃ以上である。
そして、図４（ｄ）に示すように、下電極膜６０上に圧電体膜７２の１層目を形成した段階で、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２を同時にパターニングする。
ここで、例えば、下電極膜６０の上にチタン層６３を形成した後にパターニングしてから１層目の圧電体膜７２を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして下電極膜６０をパターニングするために、チタン層６３が変質してしまい、変質したチタン層６３上に１層目の圧電体膜７２を形成しても当該圧電体膜７２の結晶性が良好なものではなくなり、１層目の圧電体膜７２の上に形成される他の圧電体膜７２も、１層目の圧電体膜７２の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体膜７２が形成されない。
それに比べ、１層目の圧電体膜７２を形成した後に下電極膜６０と同時にパターニングすれば、１層目の圧電体膜７２はチタン層６３に比べて２層目以降の圧電体膜７２を良好に結晶成長させる種（シード）としても性質が強く、たとえパターニングで表層に極薄い変質層が形成されていても２層目以降の圧電体膜７２の結晶成長に大きな影響を与えない。
そして、パターニング後に上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことで、図４（ｅ）に示すように複数層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。例えば、ゾルの１回あたりの膜厚が０．１μｍ程度の場合には、例えば、１０層の圧電体膜７２からなる圧電体層７０全体の膜厚は約１．１μｍ程度となる。
なお、上述のように下電極膜６０上に圧電体膜７２の１層目を形成した段階でこれらを同時にパターニングすることで、２層目の圧電体膜７２を形成する際に、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７２が形成された部分とそれ以外の部分との境界近傍において、下地の違いによる２層目の圧電体膜７２の結晶性への悪影響を小さく、すなわち、緩和することができる。これにより、下電極膜６０とそれ以外の部分との境界近傍において、２層目の圧電体膜７２の結晶成長が良好に進み、結晶性に優れた圧電体層７０を形成することができる。
このように圧電体層７０を形成した際に、下電極膜６０も同時に加熱され、チタン（Ｔｉ）からなる密着層６１と白金（Ｐｔ）からなる白金層６２と、酸素（Ｏ）とで構成される合金からなる下電極膜６０が形成される。このとき、本実施形態では、厚さが１０ｎｍの密着層６１と、厚さが１３０ｎｍの白金層６２とを形成したため、下電極膜６０のチタンの白金に対する含有率は約７．７％となる。このように、下電極膜６０のチタンの白金に対する含有率を３〜３０％とすることで、下電極膜６０をヤング率が２００ＧＰａ以上の高硬度で形成することができ、下電極膜６０が圧電素子３００の繰り返し駆動によって塑性変形することなく、圧電素子３００の変位低下を防止することができる。
そして、図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示す工程によって圧電体層７０を形成した後は、図５（ａ）に示すように、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って保護膜１２０を形成すると共に所定形状にパターニングして接続孔１２１を形成する。保護膜１２０としては、耐湿性を有する材料、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いるのが好ましい。
次に、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングする。
次に、図５（ｄ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接着剤３５を介して接合する。なお、この保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するため、保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
次に、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、さらにフッ硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、約７０μｍ厚になるように流路形成基板用ウェハ１１０をエッチング加工した。
次いで、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５１を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をマスク膜５１を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
その後は、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の保護基板用ウェハ１３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、密着層６１としてチタン（Ｔｉ）を用いたため、下電極膜６０として、密着層６１及び白金層６２を設けるようにしたが、密着層６１としてチタン（Ｔｉ）以外の金属、例えば、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びタングステン（Ｗ）等を用いた場合には、密着層６１上にチタン（Ｔｉ）からなり厚さが５〜５０ｎｍの金属層を設けるようにすれば、上述した実施形態１と同様に、下電極膜６０のチタンの白金に対する含有率を３〜３０％とすることができる。
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、密着層６１としてチタン（Ｔｉ）を用いたため、下電極膜６０として、密着層６１及び白金層６２を設けるようにしたが、密着層６１としてチタン（Ｔｉ）以外の金属、例えば、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びタングステン（Ｗ）等を用いた場合には、密着層６１上にチタン（Ｔｉ）からなり厚さが５〜５０ｎｍの金属層を設けるようにすれば、上述した実施形態１と同様に、下電極膜６０のチタンの白金に対する含有率を３〜３０％とすることができる。
また、上述した実施形態１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、圧電体層７０を焼成して形成する際に、下電極膜６０が同時に加熱されて合金化されるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、合金からなる下電極膜６０を形成した後、下電極膜６０上に圧電体層７０を形成するようにしてもよい。
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、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。図７は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
図７に示すように、インクジェット式記録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。
また、上述した実施形態１及び２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を挙げて説明したが、本発明は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することができる。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が挙げられる。なお、本発明は、液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド等）に搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、あらゆる装置に搭載されるアクチュエータ装置に適用できることは言うまでもない。
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ リザーバ部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １３０ 保護膜、 ３００ 圧電素子、 ３２０ 圧電体能動部
Claims (6)
- 基板上に振動板を介して変位自在に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備し、
前記下電極のヤング率が２００Ｇｐａ以上であって、前記下電極の靭性（MＮ／m ２／３ ）が前記振動板の靭性（MＮ／m ２／３ ）以上であることを特徴とするアクチュエータ装置。 - 前記下電極が、白金、酸素及びその他の金属で構成される合金からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
- 前記下電極の主成分が、モリブデン、タンタル、イリジウム、バナジウム、タングステン及びクロムから選択される少なくとも一種の金属であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
- 前記圧電素子の各層が、成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のアクチュエータ装置。
- 請求項１〜４の何れかに記載のアクチュエータ装置をノズル開口から液体を噴射させるための圧力変化を生じさせる圧力発生手段として具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項５記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
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