JP4337096B2 - 圧電アクチュエータ及びこれを備えた液体噴射装置並びに圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータ及びこれを備えた液体噴射装置並びに圧電アクチュエータの製造方法に関する。
従来から、液体噴射ヘッドの一例として、インク滴を噴射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、この振動板を圧電体素子により変形させて圧力発生室内のインクを加圧してノズル開口からインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドがある。
このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、圧電体素子を高密度に配置すると共に、圧電体素子の耐電圧性を向上させるため、下電極を所定形状にパターニングしてから圧電体薄膜を形成してなるものがある。具体的には、圧力発生室に対向する領域に設けられた実質的な駆動部となる圧電体能動部と、当該圧電体能動部から連続する前記圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部と、を備えた圧電体素子を備えることで、前記圧電体能動部が駆動される際、圧電体非能動部によって圧力発生室と周壁との境界部での変位を抑制し、圧電体層の剥離、クラックの発生等を防止している。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１９８１９７号公報
しかしながら、インクジェット式記録ヘッドでは、絶縁膜上に圧電体素子を構成する下電極の他に、下電極と同一の材料からなり下電極とは電気的に接続しない金属層が形成され、また圧電体素子が形成されていない領域上に形成されている金属層（例えば、白金）上に圧電体素子から引き出されたリード電極が形成されており、このリード電極を構成する材料として、例えばアルミニウムを用いた場合、プロセス中の加熱工程等により、リード電極を構成する材料（アルミニウム）と金属層を構成する材料（例えば、白金）とが反応して、リード電極に欠陥が生じる虞がある。
そこで、リード電極の下にバリア層を設ける等すれば、リード電極と金属層との間に反応が生じることを防止することができるが、エッチング等の工程が増えると共に、リード電極の断面構造が複雑になり、圧電体素子が水分によって破壊されないために当該圧電体素子を覆っている保護膜の密着性が低下し、圧電体素子の耐湿度性が低下する虞がある。
本発明は、このような従来の問題点を解決するものであり、リード電極を構成する材料と、下電極と同一の材料からなり下電極とは電気的に接続しない金属層を構成する材料との間に反応が生じることを防止し、保護膜の密着性を向上させることで、信頼性が向上した圧電アクチュエータ、及びこれを備えた液体噴射装置、並びにこの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。
この目的を達成するため、本発明は、基板の一方の面上に形成され、振動板を構成する絶縁層と、前記絶縁層上の一部に形成された下電極、当該下電極上に形成された圧電体層及び当該圧電体層上に形成された上電極を有する圧電体素子と、前記上電極から前記絶縁層の前記圧電体素子が形成されない領域上に延設されるリード電極と、を備え、前記絶縁層は、前記リード電極の前記圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部が凹状に形成されてなる圧電アクチュエータを提供するものである。
この構成を備えた圧電アクチュエータは、リード電極が、絶縁層の圧電体素子形成領域の外側の領域に延設されており、下電極形成用層上に形成されていないため、例えば、プロセス中の加熱工程等に、リード電極と下電極形成用層との間に反応が生じることがない。また、従来のように、リード電極を構成する材料と、下電極形成用層を構成する材料との間に反応が生じることを防止するために、リード電極の下にバリア層を設ける必要がないため、リード電極の断面構造が複雑化することがなく、保護膜の密着性を向上させることもできる。したがって、圧電アクチュエータの信頼性を向上することができる。
また、絶縁層の前記リード電極と接触する領域が凹状に形成されているため、例えば、この圧電アクチュエータが形成されている基板上に封止板を設ける際に、前記凹部は、両者を接着するための接着剤の逃げとしての役割を果たすという二次的な効果を得ることもできる。
前記絶縁層は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる膜を有し、当該酸化ジルコニウムからなる膜が、前記リード電極と接触するよう構成することもできる。なお、前記圧電体素子形成領域に形成されている絶縁層は、振動板の役割を果たすものであるが、前記絶縁層が、酸化ジルコニウムからなる膜を有することで、さらに良好な弾性機能を得ることができる。
また、本発明にかかる圧電アクチュエータは、前記リード電極をアルミニウムから構成することができる。
そしてまた、本発明にかかる圧電アクチュエータは、前記リード電極及び圧電体素子を、無機絶縁材料からなる保護膜で覆った構成とすることができる。このようにすることで、前記リード電極及び圧電体素子を外部の湿度から効率よく保護することができる。なお、前記無機絶縁材料としては、例えば、酸化アルミニウム等が挙げられる。
また、本発明は、前述した圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータを一方の面上に形成し、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を備えた流路形成基板と、該流路形成基板の一方の面上に形成され、リザーバの少なくとも一部を構成する空間と前記圧電アクチュエータの駆動動作を阻害しない程度の空間を有するリザーバ形成基板と、を備えた液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドを駆動する駆動装置と、を備えてなる液体噴射装置を提供するものである。
この構成を備えた液体噴射装置は、前述した圧電アクチュエータを備えているため、リード電極と下電極形成用層との間に反応が生じることがないことに加え、リード電極の断面構造が複雑化することもなく、保護膜の密着性を向上させることもできる。したがって、圧電アクチュエータの信頼性を向上することができる。
そしてまた、本発明は、基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上に、下電極形成用層を形成する工程と、前記下電極形成用層上に、第１の圧電体層形成用層を形成する工程と、前記第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を選択的にパターニングし、前記絶縁膜の圧電体素子の形成領域上及びリード電極の前記圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部の領域上に形成されている第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を残して、当該第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を選択的に除去する工程と、前記第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を選択的に除去した後、１以上の圧電体層形成用層を前記第１の圧電体層形成用層の上に積層して圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に、上電極形成用層を形成する工程と、前記上電極形成用層及び圧電体層を選択的にパターニングし、上電極、前記圧電体層、下電極からなる圧電体素子を形成する共に、前記リード電極の前記圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部の領域上に形成されている下電極形成用層を露出させる工程と、前記露出した下電極形成用層及び当該露出した下電極形成用層が形成されている前記絶縁層の上層を選択的に除去する工程と、前記上電極から前記絶縁層の上層が除去された部分を経て延設されるリード電極を形成する工程と、を備えてなる圧電アクチュエータの製造方法を提供するものである。
これらの工程を備えた圧電アクチュエータの製造方法によれば、リード電極が、絶縁層の圧電体素子形成領域の外側の領域に延設された構造、すなわち、圧電体素子が形成されていない領域上に下電極形成用層が形成されていない圧電アクチュエータを簡単に製造することができる。また、この製造方法により形成された圧電アクチュエータは、リード電極の断面構造が複雑化することがなく、保護膜の密着性を向上させることもできる。したがって、信頼性が向上した圧電アクチュエータを得ることができる。
また、第１の圧電体層形成用層を焼成する際に、圧電体素子が形成される領域の近傍に形成され、結晶性向上のための下電極形成用層の面積を大きくできるため、第１の圧電体層形成用層（すなわち、第１の圧電体層）の結晶性を向上することができる。
また、この製造方法により形成された圧電アクチュエータは、絶縁層の前記リード電極と接触する領域を凹状に形成することができるため、例えば、この圧電アクチュエータが形成されている基板上に封止板を設ける際に、前記凹部は、両者を接着するための接着剤の逃げとしての役割を果たすという二次的な効果を得ることもできる。
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる圧電アクチュエータ、及びこの圧電アクチュエータ備えた液体噴射装置、並びに圧電アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図面を参照して説明する。
なお、本実施の形態では、液体噴射ヘッドとして、インク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドを、液体噴射装置として、インクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタを例にとって説明する。また、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
図１は、本実施の形態にかかるプリンタを示す斜視図、図２は、図１に示すプリンタに使用されるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図、図３は、図２に示すインクジェット式記録ヘッドの平面図、図４は、図２に示すインクジェット式記録ヘッドを拡大した断面図、図５〜図７は、本実施の形態にかかる圧電アクチュエータ及びインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかるプリンタ１は、複数のインクジェット式記録ヘッド２２０（図２参照）を有するヘッドユニット２００を備え、このヘッドユニット２００には、インク供給手段を構成するカートリッジ１Ａ及び１Ｂが着脱可能に設けられている。なお、本実施の形態では、カートリッジ１Ａは１室からなり、ブラックインク組成物が収容されている。また、カートリッジ１Ｂは例えば３つの部屋に仕切られており、各々の部屋には、シアンインク組成物、マゼンタインク組成物、イエロインク組成物が各々収容されている。これらのカートリッジ１Ａ及び１Ｂが着脱可能に設けられたヘッドユニット２００は、キャリッジ３に搭載されており、このキャリッジ３は、プリンタ本体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。
また、プリンタ本体４には、キャリッジ３を駆動するための駆動モータ６が設けられており、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車及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、ヘッドユニット２００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。
さらに、プリンタ本体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等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上を搬送されるようになっている。そして、ヘッドユニット２００から、所望のインク組成物が、所望のタイミングで記録シートＳに噴射されることで、文字や画像等が印刷される。
本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド２２０は、図２〜図４に示すようにノズル開口２１に連通する圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０（基板）と、流路形成基板１０の一方面側に振動板５０を介して設けられた圧電体素子３００を備えて構成されている。そして、振動板５０及び圧電体素子３００により、圧力発生室１２内の圧力を高め、ノズル開口２１からインク滴を噴射させるための駆動源としての圧電アクチュエータ５００を構成している。
流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板から構成されており、この流路形成基板１０の一方側に形成されている振動板５０は、流路形成基板１０の上に形成される二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなるＳｉＯ2膜５１と、このＳｉＯ2膜５１上に形成される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなるＺｒＯ2膜５２との積層からなる絶縁層から構成されている。なお、振動板５０は、二酸化ケイ素膜、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜等から構成することもできる。
この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、隔壁２２によって区画された圧力発生室１２が複数形成されている。各圧力発生室１２の長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板３０に設けられるリザーバ部３１と連通し、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成する連通部１３が形成されている。この連通部１３は、インク供給路１４を介して各圧力発生室１２の長手方向一端部に各々連通されている。
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とは反対側で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。すなわち、本実施の形態では、１つのインクジェット式記録ヘッド２２０にノズル開口２１の並設されたノズル列２１Ａが２列設けられている。
振動板５０上の、圧力発生室１２に対応する領域上には、所定の形状にパターニングされた下電極３３と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層４３と、上電極４４と、を備えた圧電体素子３００が形成されている。
下電極３３は、振動板５０側からイリジウム層／白金層、白金層／イリジウム層、イリジウム層／白金層／イリジウム層といった積層構造を有していることが好ましい。または、イリジウムと白金の合金からなる膜としてもよい。
圧電体層４３は、第１の圧電体層４３Ａと、この第１の圧電体層４３Ａ上に所定の膜厚で形成された１以上の層数で構成される第２の圧電体層４３Ｂと、から構成されている。なお、本実施の形態では、第１の圧電体層４３Ａと第２の圧電体層４３Ｂは、同じ成分からなるゾルを用い、後に詳述するが、第２の圧電体層４３Ｂは、複数回（本実施の形態では９回）塗布、乾燥、脱脂、焼成工程を繰り返すことによって、所定の膜厚とした。
この圧電体層４３は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3），マグネシウム酸ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）、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）等からなることが好ましい。特に、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）とジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）との二成分系や、マグネシウム酸ニオブ酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）とジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ3）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）との三成分系からなることが好ましい。この圧電体層４３は、結晶面方位が（１００）に優先配向しており、粒径が１００ｎｍ以下であり、本実施の形態では、３０〜５０ｎｍとなっている。したがって、圧電体層４３は、高密度化が達成されており、高い圧電特性を得ることができる。
上電極４４は、通常電極として用いることができる導電性材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、Ｐｔ、ＲｕＯ2、Ｉｒ、ＩｒＯ2等の単層膜又はＰｔ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ、Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ、ＴｉＮ／Ｐｔ／ＴｉＮ、Ｐｔ／Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｔｉ、ＲｕＯ2／ＴｉＮ、ＩｒＯ2／Ｉｒ、ＩｒＯ2／ＴｉＮ等の２層以上の積層膜であってもよい。
また、振動板５０上の、前述した圧電体素子の近傍には、圧電体素子３００を構成している第２の圧電体層４３Ｂよりも薄い膜厚で形成され、圧電体素子を構成しない圧電体層４３Ｃが形成されている。そして、上電極４４から圧電体素子の形成されていない領域に亘って、リード電極６０が延設されている。このリード電極６０は、特に図４に示すように、その一部がＺｒＯ2膜５２と接触するように設けられており、このＺｒＯ2膜５２のリード電極６０と接触する領域は、凹状に形成されている。
また、リード電極６０及び圧電体素子３００は、無機絶縁材料（本実施の形態では、酸化アルミニウム）からなる保護膜７０に覆われている。この保護膜７０には、コンタクトホール７１が開口されており、このコンタクトホール７１を介してパッド７２が接続されている。
この構成を備えた圧電アクチュエータ５００は、振動板５０の圧電体素子が形成されていない領域上に、下電極を構成するための材料からなる層が形成されておらず、リード電極６０が、振動板５０の圧電体素子が形成されていない領域上に延設されている。すなわち、リード電極６０が、下電極を構成するための材料に接触していない。このため、例えば、プロセス中の加熱工程等に、リード電極６０と下電極を構成するための材料との間に反応が生じることがない。また、リード電極６０の断面構造が複雑化することがなく、保護膜７０の密着性を向上させることもできる。したがって、圧電アクチュエータ５００の信頼性を向上することができる。そしてまた、ＺｒＯ2膜５２のリード電極６０と接触する領域が凹状に形成されているため、この圧電アクチュエータ５００が形成されている流路形成基板１０の一方の面（圧電アクチュエータ５００が形成されている面側）上に、リザーバ形成基板３０を設ける際に、凹部が、リザーバ形成基板３０と、流路形成基板１０とを接着するための接着剤の逃げとしての役割を果たすという二次的な効果を得ることもできる。
この圧電アクチュエータ５００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されていることは前述したが、このリザーバ形成基板３０には圧電アクチュエータ５００の駆動動作を阻害しない程度の空間が形成されている。このリザーバ部３１は、本実施の形態では、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述の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。
なお、このようなリザーバ形成基板３０としては、ガラス、セラミック、金属、プラスチック等を挙げることができるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料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。
さらに、リザーバ形成基板３０上には、各圧電体素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１１０が設けられている。この駆動ＩＣ１１０の各端子は、図示しないボンディングワイヤ等を介して各圧電体素子３００の個別電極から引き出された引き出し配線と接続されている。そして、駆動ＩＣ１１０の各端子には、フレキシブルプリントケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線１１１を介して外部と接続され、外部から外部配線１１１を介して印刷信号等の各種信号を受け取るようになっている。
また、このようなリザーバ形成基板３０上には、コンプライアンス基板４０が接合されている。コンプライアンス基板４０のリザーバ１００に対向する領域には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４５が厚さ方向に貫通することで形成されている。また、コンプライアンス基板４０のリザーバ１００に対向する領域のインク導入口４５以外の領域は、厚さ方向に薄く形成された可撓部４６となっており、リザーバ１００は、可撓部４６により封止されている。そして、この可撓部４６により、リザーバ１００内にコンプライアンスを与えている。
このように、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド２２０は、ノズルプレート２０、流路形成基板１０、リザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０の４つの基板で構成されている。そして、このようなインクジェット式記録ヘッド２２０のコンプライアンス基板４０上には、インク導入口４５に連通すると共に、図示しないカートリッジケースのインク連通路に連通して、カートリッジケースからのインクをインク導入口４５に供給するインク供給連通路２３１が設けられたヘッドケース２３０が設けられている。このヘッドケース２３０には、可撓部４６に対向する領域に、図示しない凹部が形成され、可撓部４６の撓み変形が適宜行われるようになっている。また、ヘッドケース２３０には、リザーバ形成基板３０上に設けられた駆動ＩＣ１１０に対向する領域に厚さ方向に貫通した駆動ＩＣ保持部２３３が設けられており、外部配線１１１は、駆動ＩＣ保持部２３３を挿通して駆動ＩＣ１１０と接続されている。
このようなインクジェット式記録ヘッド２２０は、インクカートリッジから供給されるインクをインク導入口４５から取り込み、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ＩＣ１１０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圧電体素子３００に電圧を印加し、振動板５０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力を高め、ノズル開口２１からインク滴を噴射させる。
次に、本実施の形態にかかるインクジェット式記録ヘッド２２０の製造方法について図５〜図７を参照して説明する。
先ず、図５（ａ）に示す工程では、例えば、シリコンからなる流路形成基板１０上に、熱酸化やＣＶＤ法等の成膜法を用いて、流路形成基板１０の一方の表面に、膜厚が１μｍ程度のＳｉＯ2膜５１を、他方の面に、膜厚が１μｍ程度のＳｉＯ2膜５３をそれぞれ形成する。
次に、 HYPERLINK "http://www6.ipdl.jpo.go.jp/Tokujitu/tjitemdrw.ipdl?N0000=231&N0500=1E#N/;%3e;?;%3c9;=///&N0001=50&N0552=9&N0553=000006" \t "tjitemdrw" 図５（ｂ）に示す工程では、ＳｉＯ2膜５１の上に、膜厚が４００ｎｍ程度のＺｒＯ2膜５２を成膜する。ＺｒＯ2膜５２の成膜法としては、ジルコニウムをターゲットとした酸素ガスの導入による反応性スパッタリング法や、酸化ジルコニウムをターゲットとしたＲＦスパッタリング法や、あるいは、ＤＣスパッタリング法でジルコニウムを成膜した後に熱酸化する方法等を用いる。このようにして、ＳｉＯ2膜５１及びＺｒＯ2膜５２からなる振動板５０を形成する。
次に、図５（ｃ）に示す工程では、振動板５０の上に、少なくとも下電極３３を形成するための下電極形成用層４２を形成する。下電極形成用層４２の形成は、ＣＶＤ法、電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いる。例えば、膜厚が２００ｎｍ程度の白金層を形成したり、あるいは、膜厚が１００ｎｍ程度の白金層を形成した後、この上に膜厚が１００ｎｍ程度のイリジウム層を形成する。
次に、図５（ｄ）示す工程では、ＤＣマグネトロンスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法等の成膜法を用いて、下電極形成用層４２の上に種結晶としての種Ｔｉ膜（図示せず）を形成した後、ゾルゲル法やＭＯＤ法（Metal Organic Decomposition）等を用いて、図示しない種Ｔｉ膜の上に第１の圧電体層形成用層３６を成膜する。ゾルゲル法は、金属の水酸化物の水和錯体（ゾル）を、脱水処理してゲルとし、このゲルを加熱焼成して無機酸化物を成膜するというものである。ゾルゲル法を用いると、下電極形成用層４２上に設けられた図示しない種Ｔｉ膜側から上方に向けて順にＰＺＴ結晶が成長していくため、配向性に優れたＰＺＴ膜を成膜することができる。この時、第１の圧電体層形成用層３６を焼成する際に、圧電体能動部近傍の結晶性向上のための下電極形成用層４２の面積を大きくできるため、第１の圧電体層形成用層３６の結晶性を向上させることができる。
具体的には、先ず、チタン、ジルコニウム、鉛、亜鉛等の金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシドもしくはブトキシド等のアルコキシドまたはアセテート化合物を、酸等で加水分解し、ゾルを調整する。次いで、調整したゾルを種Ｔｉ膜の上に塗布する。塗布に際しては、スピンコート、ディップコート、ロールコート、バーコート、フレキソ印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷等の方法を用いる。
前記ゾルを塗布した後、これを一定温度下にて一定時間乾燥させ、ゾルの溶媒を蒸発させる。乾燥温度は、１５０℃以上、２００℃以下であることが好ましく、乾燥時間は、５分以上、１５分以下であることが好ましい。より好ましくは、１８０℃にて１０分乾燥させる。乾燥後、さらに大気雰囲気下において一定の脱脂温度にて一定時間脱脂する。次に、これを焼成して、結晶化させて第１の圧電体層形成用層３６とする。なお、第１の圧電体層形成用層３６は、１００〜１２０ｎｍ程度の膜厚で形成した。焼成には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置や拡散炉等を用いる。焼成温度は、５５０℃以上、７５０℃以下であることが好ましい。５５０℃未満では、下電極側の層の結晶化が十分図られず、一方、７５０℃より大きいと下電極への鉛原子の拡散及び下電極の酸化による特性劣化が生じてしまう。
次に、図５（ｅ）に示す工程では、第１の圧電体層形成用層３６上の、圧力発生室１２が形成されるべき領域、すなわち圧電体素子形成領域上と、この圧電体素子部から連続する圧電体素子を構成しない圧電体層上（圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部の領域上）であって、後に形成されるリード電極６０が振動板５０と接触する領域上に、レジスト膜を形成し、これをマスクとしてイオンミリングによるパターニングを行い、圧電体素子形成領域上に、下電極３３及び第１の圧電体層４３Ａを形成する。また、後に形成されるリード電極６０が振動板５０と接触する領域上に、下電極形成用層４２及び第１の圧電体層形成用層３６を残す。
次に、図６（ａ）に示す工程では、第１の圧電体層形成用層３６を形成するためのゾルと同じ成分のゾルを塗布し、上記と同様に乾燥、脱脂、焼成の工程を適宜行い、第２の圧電体層形成用層４７を成膜する。第２の圧電体層形成用層４７における焼成温度は、７００℃以上、９００℃以下であることが好ましい。７００℃未満では、上電極側の層の結晶化が十分図られず、強誘電体薄膜全体としての圧電特性を十分に確保できない一方、９００℃より大きいと空気中への鉛原子の飛散による特性劣化が生じてしまう。あるいは、鉛原子が初期層を通して下電極に拡散してしまう。なお、本実施の形態では、上記の塗布、乾燥、脱脂、焼成の工程を９回繰り返して、複数層からなる第２の圧電体層形成用層４７を成膜した。
次に、第２の圧電体層形成用層４７上に、上電極形成用層４８を形成する。例えば、イリジウムを１００ｎｍの膜厚となるようにＤＣスパッタ法により成膜する。
次に、図６（ｂ）に示す工程では、上電極形成用層４８上の圧力発生室１２が形成されるべき領域、すなわち圧電体素子形成領域上に、レジスト膜を形成し、これをマスクとして、上電極形成用層４８及び第２の圧電体層形成用層４７にイオンミリングによるパターニングを行い、圧電体素子形成領域上に、下電極３３、第１の圧電体層４３Ａ及び第２の圧電体層４３Ｂからなる圧電体層４３、上電極４４からなる圧電体素子３００を形成する。なお、この状態では、図６（ｂ）に示すように、圧電体素子が形成されない領域には、第２の圧電体層形成用層４７と、下電極形成用層４２が残されている。
次に、図６（ｃ）に示す工程では、後に形成されるリード電極６０が振動板５０と接触する領域上に残存している下電極形成用層４２をイオンミリングによって選択的に除去する。このイオンミリングでは、下電極形成用層４２を完全に除去するために、オーバーエッチングを行うため、ＺｒＯ2膜５２の上層が除去され、図６（ｃ）に示すように、この部分が、１００ｎｍ程度へこんだ凹部４９となる。
次に、図７（ａ）に示す工程では、スパッタ法によりアルミニウム層を成膜し、これを選択的にパターニングしてリード電極６０を形成する。このリード電極６０は、図７（ａ）に示すように、上電極４４から、下電極３３に連設して圧電体素子が形成されない領域に残存している第２の圧電体層形成用層４７及び凹部４９を経て延設されている。
次に、図７（ｂ）に示す工程では、無機絶縁材料である酸化アルミニウムからなる保護膜７０を形成する。次いで、保護膜７０にリード電極６０と接続するためのコンタクトホール７１を開口する。
最後に、図７（ｃ）に示す工程では、コンタクトホール７１を介してリード電極６０に接続されるパッド７２を形成する。その後、流路形成基板１０を予め定められた深さまで選択的にドライエッチングし、圧力発生室１２を形成する。次に、接着剤を用いてノズルプレート２０を、流路形成基板１０に貼り合わせる。この際には、各ノズル開口２１が圧力発生室１２の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せを行う。このようにして、図４示すようなインクジェット記録ヘッド２２０（但し、筐体に取り付けられていない）を得る。
なお、本発明は、上記実施形態によらず種々に変形して適応することが可能である。例えば、本発明で製造した圧電アクチュエータは、上記インクジェット式記録ヘッドのみに限定されず、多くの技術分野に適応することができる。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、インクジェット記録装置に用いられるインクを噴射するヘッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を噴射するヘッド、有機ＥＬディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料を含む液体を噴射するヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を噴射するヘッド等、種々の液体を噴射するヘッドに適用することが可能である。
１ プリンタ、１０ 流路形成基板、１２ 圧力発生室、３３ 下電極、３６ 第１の圧電体層形成用層、４２ 下電極形成用層、４３ 圧電体層、４４ 上電極、４７ 第２の圧電体層形成用層、４８ 上電極形成用層、４９ 凹部、５０ 振動板、６０ リード電極、７０ 保護膜、３００ 圧電体素子、５００ 圧電アクチュエータ
Claims (6)
- 基板の一方の面上に形成された酸化シリコン層と、当該酸化シリコン層上に形成された酸化ジルコニウム層と、を有して構成される振動板と、
前記酸化ジルコニウム層上の一部に形成された下電極、当該下電極上に形成された圧電体層、及び当該圧電体層上に形成され且つ個別電極となる上電極を有する圧電体素子と、
前記上電極から前記酸化ジルコニウム層の前記圧電体素子が形成されない領域上に延設されるリード電極と、
を備え、
前記酸化ジルコニウム層の前記リード電極の前記圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部には凹部が形成されており、
前記凹部は、前記酸化ジルコニウム層の膜厚よりも浅い深さで当該膜厚方向に凹状に形成されてなる圧電アクチュエータ。 - 前記リード電極がアルミニウムからなる請求項１記載の圧電アクチュエータ。
- 前記リード電極及び圧電体素子が、無機絶縁材料からなる保護膜に覆われてなる請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
- 前記無機絶縁材料が、酸化アルミニウムからなる請求項３記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
該圧電アクチュエータを一方の面上に形成し、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を備えた流路形成基板と、該流路形成基板の一方の面上に形成され、リザーバの少なくとも一部を構成する空間と前記圧電アクチュエータの駆動動作を阻害しない程度の空間を有するリザーバ形成基板と、を備えた液体噴射ヘッドと、
前記液体噴射ヘッドを駆動する駆動装置と、
を備えてなる液体噴射装置。 - 基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、下電極形成用層を形成する工程と、
前記下電極形成用層上に、第１の圧電体層形成用層を形成する工程と、
前記第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を選択的にパターニングし、前記絶縁膜の圧電体素子の形成領域上及びリード電極の前記圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部の領域上に形成されている第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を残して、当該第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を選択的に除去する工程と、
前記第１の圧電体層形成用層及び下電極形成用層を選択的に除去した後、１以上の圧電体層形成用層を前記第１の圧電体層形成用層の上に積層して圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層上に、上電極形成用層を形成する工程と、
前記上電極形成用層及び圧電体層を選択的にパターニングし、上電極、前記圧電体層、下電極からなる圧電体素子を形成する共に、前記リード電極の前記圧電体素子が形成されない領域の少なくとも一部の領域上に形成されている下電極形成用層を露出させる工程と、
前記露出した下電極形成用層及び当該露出した下電極形成用層が形成されている前記絶縁層の上層を選択的に除去する工程と、
前記上電極から前記絶縁層の上層が除去された部分を経て延設されるリード電極を形成する工程と、
を備えてなる圧電アクチュエータの製造方法。
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