JP5030252B2

JP5030252B2 - 圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法及び液体吐出ヘッド

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Publication number: JP5030252B2
Application number: JP2005174155A
Authority: JP
Inventors: 隆満藤井
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Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2025-06-14
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Description

本発明は圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法及び液体吐出ヘッドに係り、特に外力に対する耐久性が高い圧電アクチュエータに関する技術に関する。

従来、圧電体の膜が成膜された圧電アクチュエータにおいて、膜に含まれる結晶体を膜面方向に対して略垂直な柱状の構造することにより圧電特性を高める技術が提案されている。例えば、特許文献１には、多結晶体からなるＰＺＴ膜と、ＰＺＴ膜を挟んで配置される上電極と下電極を備えており、ＰＺＴ膜の結晶体の粒界を、電極面に対して略垂直方向に存在させた圧電体薄膜素子について開示されている。この特許文献１には、結晶体の結晶粒の膜厚方向の幅と、膜面方向の幅との関係が膜面方向の幅／膜厚方向の幅＝１／１０以上１／３以下とすることが好ましいと記載されている。また、特許文献２には、圧電薄膜の結晶粒の縦横比（膜厚方向／膜面方向）が大きくなるにつれて徐々に圧電振動が大きくなる、すなわち、圧電特性が高くなると記載されている。
特開平１０−８１０１６号公報（段落００２８等）特開２００２−４３６４３号公報（段落００２４から００２７）

しかしながら、上記特許文献１及び２に開示された圧電体の膜（圧電膜）は、結晶体が膜面方向に対して略垂直の柱状構造となっているため、膜厚方向の結合力は強いが、膜面方向の結合力が弱い。このため、膜面方向に外力が加えられた場合には、柱状構造の柱の界面に沿ってクラックが生じて破壊するおそれがあった。例えば、上記のような圧電膜をインクジェット記録装置の液体吐出ヘッドに用いた場合には、膜面方向の圧縮・伸長が長時間にわたって繰り返し行われるため、特にクラックが生じやすい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、膜面方向に加えられる外力に対する耐久性が高い圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法、及び上記のような圧電アクチュエータを用いた液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る圧電アクチュエータは、基材と、前記基材上に形成された柱状の結晶体を含む圧電膜であって、前記結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とのなす角が０°より大きく、９０°以下の所定の角度である圧電膜とを備えることを特徴とする。

上記第１の態様に係る圧電アクチュエータによれば、柱状の結晶体が基板に対して傾斜した圧電膜が成膜されているため、圧電膜の膜面方向の結合力を高めることができる。

本発明の第２の態様に係る圧電アクチュエータは、上記第１の態様において、前記圧電膜は、前記基材の法線方向に前記所定の角度以上の傾きを有する柱状の結晶体を含む複数の層から構成されており、前記複数の層のうち少なくとも２つの層の間において、各層の結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とによって張られる平面の前記法線回りの角度が異なることを特徴とする。

上記第２の態様に係る圧電アクチュエータによれば、柱状の結晶体が基板の法線方向に対して傾いているのに加えて、結晶体が基板の法線方向回りに異なる角度をなす層が積層されているため、圧電膜の膜面方向の結合力を更に高めることができる。

本発明の第３の態様に係る圧電アクチュエータは、基材と、柱状の結晶体を含む複数の層から構成される圧電膜であって、前記結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とのなす角が、前記複数の層のうち少なくとも２つの層の間において異なる圧電膜とを備えることを特徴とする。

上記第３の態様に係る圧電アクチュエータによれば、柱状の結晶体が基板に対して傾斜した圧電膜の層が成膜されているため、圧電膜の膜面方向の結合力を高めることができる。

本発明の第４の態様に係る圧電アクチュエータは、上記第１から第３の態様において、前記圧電膜は、前記基材上にスパッタ法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ法又はゾル・ゲル法によって成膜されていることを特徴とする。上記第４の態様は、圧電膜の成膜方法を列挙したものである。

本発明の第５の態様に係る圧電アクチュエータは、上記第４の態様において、前記所定の角度は、４５°以下であることを特徴とする。上記第５の態様は、上記第４の態様における所定の角度を限定したものである。

本発明の第６の態様に係る液体吐出ヘッドは、上記第１から第５の態様に係る圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。

上記第６の態様に係る液体吐出ヘッドには、上記の圧電アクチュエータを備えることにより耐久性が向上するという利点がある。

本発明の第７の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法は、（ａ）基材と、圧電体材料からなるターゲット材とのなす角が０°より大きく、９０°以下の所定の角度となるように保持するステップと、（ｂ）前記ターゲット材をスパッタして、前記基材上に前記圧電体材料を堆積させ、膜を成膜するステップとを備えることを特徴とする。

上記第７の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法によれば、柱状の結晶体が基板に対して傾斜した圧電膜が成膜することができる。これにより、膜面方向の結合力が高く、耐久性の高い圧電膜を成膜できる。

本発明の第８の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法は、（ａ）基材と、圧電体材料からなるターゲット材とのなす角が０°より大きく、９０°以下の所定の角度となるように保持するステップと、（ｂ）前記ターゲット材をスパッタして、前記基材上に前記圧電体材料を堆積させ、膜を成膜するステップと、（ｃ）前記基材と前記ターゲット材とを相対的に回転させるステップと、（ｄ）前記ステップ（ｂ）から（ｃ）を繰り返して、複数の層からなる圧電膜であって、前記複数の層のうち少なくとも２つの層の間において、各層の結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とによって張られる平面の前記法線回りの角度が異なる圧電膜を、前記基材上に成膜するステップとを備えることを特徴とする。

上記第８の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法によれば、柱状の結晶体が基板の法線方向に対して傾いているのに加えて、結晶体が基板の法線方向回りに異なる角度をなす層が積層された圧電膜を成膜できる。これにより、圧電膜の膜面方向の結合力を更に高めることができる。

本発明の第９の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法は、（ａ）基材と、圧電体材料からなるターゲット材とのなす角が０°より大きく、９０°以下の所定の角度となるように保持するステップと、（ｂ）前記ターゲット材をスパッタして、前記基材上に前記圧電体材料を堆積させ、膜を成膜するステップと、（ｃ）基材及び圧電体材料からなるターゲット材のなす角を変更するステップと、（ｄ）前記ステップ（ｂ）から（ｃ）を繰り返して、前記基材上に複数の層からなる圧電膜を成膜するステップとを備えることを特徴とする。

上記第９の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法によれば、柱状の結晶体が基板に対して傾斜した複数の層からなる圧電膜が成膜することができる。これにより、膜面方向の結合力が高く、耐久性の高い圧電膜を成膜できる。

本発明の第１０の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法は、（ａ）第１の基材上に柱状の結晶体を含む圧電膜を形成するステップと、（ｂ）前記圧電膜を前記第１の基材上から剥離するステップと、（ｃ）前記圧電膜に含まれる結晶体の長さ方向に対して０°より大きく、９０°以下の所定の角度をなす平面に沿って前記圧電膜を切断又は研磨するステップと、（ｄ）前記切断又は研磨された圧電膜を第２の基材上に貼り付けるステップとを備えることを特徴とする。

上記第１０の態様に係る圧電アクチュエータの製造方法によれば、柱状の結晶体の基板に対する傾斜角の自由度が増すという利点がある。

本発明に係る圧電アクチュエータによれば、柱状の結晶体が基板に対して傾斜した圧電膜が成膜されているため、圧電膜の膜面方向の結合力を高めることができるとともに、これを用いた液体吐出ヘッドの耐久性の向上を図ることができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る圧電アクチュエータ、圧電アクチュエータの製造方法及び液体吐出ヘッドの好ましい実施の形態について説明する。

まず、本発明に係る液体吐出ヘッドが適用されるインクジェット記録装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、インクジェット記録装置の全体構成図である。

同図に示すインクジェット記録装置１０は、インクの色ごとに設けられた複数の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６とを備えている。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残る（カールする）。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。

図１に示すインクジェット記録装置は、記録紙１６としてロール紙を使用するため、裁断用のカッター（第１のカッター）２８が設けられている。このカッター２８によってロール紙（記録紙１６）は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、この固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されている。固定刃２８Ａは記録紙１６の印字面の裏面側に設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置される。なお、記録紙１６としてカット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラ３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。図１に示すように、ローラ３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ３４が設けられており、この吸着チャンバ３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（不図示）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１上の時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、図２に示すように、インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドにより構成されている。

記録紙１６の搬送方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのラインセンサを含んでいる。このラインセンサによって読み取られた打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックすることができる。

以下、再び図１を参照して説明する。印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段である。記録紙１６の画像面は、この加熱・加圧部４４によって加熱されながら、表面に所定の凹凸形状を有する加圧ローラ４５によって加圧される。これにより、記録紙１６の画像面に加圧ローラ４５の表面の凹凸形状が転写される。

こうして生成されたプリント物はカッター２８によって所定のサイズに切断された後、排紙部２６から排出される。なお、本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出されることが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排紙部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（マスク用カッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法について、図３を参照して説明する。図３は、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す図である。図３（ａ）から図３（ｉ）は、液体吐出ヘッドの製造の段階ごとの断面図である。なお、実際には、１枚の基板から複数の液体吐出ヘッドが作成されるが、図３では１つに省略されている。

まず、図３（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板５０が形成される。このＳＯＩ基板５０は、シリコン（Ｓｉ）基板５２上に、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層５４と、シリコン層５６が形成されたものである。シリコン基板５２、酸化シリコン層５４及びシリコン層５６の厚さは、一例でそれぞれ約２００μｍ、１μｍ、１０μｍである。

次に、図３（ｂ）に示すように、このシリコン層５６上に下部電極５８が形成される。この下部電極５８は、例えば、白金（Ｐｔ）製であり、例えば、スパッタ法により形成される。この下部電極５８の厚さは一例で３００ｎｍである。なお、この下部電極５８には、例えば、リフトオフ法やドライエッチング法により所定のパターン化が施される。

下部電極５８上には、図３（ｃ）に示すように圧電体の膜（圧電膜）６０が成膜される。この圧電膜６０を成膜する成膜装置及び手順の詳細については後述する。この圧電膜６０は、インク室（後述）に対応して約５００μｍ角のサイズになるようにパターン化される。なお、このパターン化は、ドライエッチングやサンドブラストにより行われる。

そして、所定の処理が施された圧電膜６０上には、図３（ｄ）に示すように上部電極６２が形成される。この上部電極６２は、例えば、白金製であり、例えば、リフトオフ法やドライエッチング法により形成される。

シリコン基板５２の図中下面には、図３（ｅ）に示すようにマスク用酸化シリコン層６４が形成される。このマスク用酸化シリコン層６４は、例えば、シリコン基板５２の図中下面に熱酸化処理を施すことにより形成される。また、マスク用酸化シリコン層６４は、シリコン基板５２の図中下面に直接成膜されるようにしてもよい。

このマスク用酸化シリコン層６４上には、フォトレジスト層（不図示）が形成される。このフォトレジスト層には、インク室（後述）の形状に対応するフォトレジストパターンが形成される。そして、図３（ｆ）に示すように、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして、マスク用酸化シリコン層６４がエッチングされる。ここで、マスク用酸化シリコン層６４は、例えば、フッ酸系のエッチング液（例えば、バッファードフッ酸：ＢＨＦ）によりエッチングされ、酸化シリコンパターン６４Ａが形成される。

そして、この酸化シリコンパターン６４Ａをエッチングマスクとして、かつ、酸化シリコン層５４をエッチングストップ層として、シリコン基板５２の露出している部分がエッチングされる。ここでは、例えば、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の溶液を加熱したエッチング液を用いて、シリコン基板５２が異方性エッチングされ、図３（ｇ）に示すようにインク室隔壁５２Ａに囲まれた、オープンプール構造のインク室６６が形成される。なお、エッチングに関しては、プラズマを用いたドライプロセスによる異方性エッチングを用いても構わない。このインク室隔壁５２Ａの太さ（図の横方向の幅）は、一例で３０ｎｍから７０ｎｍである。また、酸化シリコン層５４及びシリコン層５６からなる振動板６８が形成される。これにより、下部電極５８、圧電膜６０及び振動板６８の構造体が得られる。なお、この酸化シリコンパターン６４Ａは、インク室６６が形成された後、図３（ｈ）に示すようにエッチングにより除去される。

最後に、ノズル７０Ａを有するノズルプレート７０が、インク室隔壁５２Ａを挟んで振動板６８と対向する面に接着剤によって貼り付けられて、液体吐出ヘッド７２が作製される（図３（ｉ））。

次に、上記図３（ｃ）における圧電膜を成膜する成膜装置について、図４を参照して説明する。図４は、成膜装置の主要構成を示す図である。同図に示す成膜装置８０は、基材８２上にスパッタ法（ＲＦスパッタ法）により圧電体の膜を成膜する装置であり、基板ホルダ８４、基板ホルダ駆動部８６、ターゲット材ホルダ８８、電源装置９０及び制御装置９２を備える。なお、基板ホルダ８４及びターゲット材ホルダ８８は、真空チャンバ９４内に配置される。

基板ホルダ８４には、圧電膜が成膜される基材８２が載置される。この基材８２は、ＳＯＩ基板５０上に下部電極５８が形成されたものである（図３（ｂ）参照）。基板ホルダ８４は、基板ホルダ駆動部８６によって駆動され、基材８２とターゲット材９６とのなす角度θが可変になっている。また、基板ホルダ８４は、基板ホルダ駆動部８６によって、ターゲット材９６に対して略垂直な回転軸ＡＸ周りに回転可能となっている。

ターゲット材ホルダ８８には、圧電体材料で形成されたターゲット材９６が保持される。このターゲット材９６は板状に加工されている。本実施形態では、ターゲット材９６の圧電体材料としてチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ；Pb (lead) zirconate titanate）を用いる。この圧電体材料としては、上記ＰＺＴのほか、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等の他の元素が添加された変性ＰＺＴ系材料を用いることができる。さらに、圧電体材料としては、複合ペロブスカイト型化合物のＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３と単純ペロブスカイト型化合物ＰｂＴｉＯ_３及びＰｂＺｒＯ_３とを主成分とする磁器組成物や、この磁気組成物において、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３及びＰｂＺｒＯ_３を頂点とする三角座標中、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３をＸモル％、ＰｂＴｉＯ_３をＹモル％、ＰｂＺｒＯ_３をＺモル％とした場合（但し、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）、その組成範囲がＡ点（Ｘ＝４０、Ｙ＝３７、Ｚ＝２３）、Ｂ点（Ｘ＝３６、Ｙ＝３７、Ｚ＝２７）、Ｃ点（Ｘ＝３３、Ｙ＝４０、Ｚ＝２７）及びＤ点（Ｘ＝３７、Ｙ＝４０、Ｚ＝２３）の各組成点を結ぶ線上及びこの４点に囲まれた領域であるものを主成分とする圧電磁器組成物を用いることができる（例えば、特開２００４−５９３６９号公報（第１ページ、図１）参照）。また、ＰｂＭｇ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３−ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３三成分固溶系組成物で、一般式Ｐｂ_ｘ（Ｍｇ_ｙ／３Ｎｂ_２／３）_ａＴｉ_ｂＺｒ_ｃＯ_３に示す組成物を主成分とし、ＮｉＯを全組成物中０．０５〜１０．０重量％含有する磁器組成物からなる圧電体材料を用いることができる（例えば、特開２００４−１５３２５２号公報（第１ページ）参照）。また、ＰＺＴに他の元素を混合した圧電体材料を用いることもできる（例えば、特開２００４−５９３６９号公報（第１ページ、図１）、特開２００４−１５３２５２号公報（第１ページ）及び特開２００４−６７４３７号公報（第１ページ、図１）参照）。また、０．９１Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−０．０９ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＮ−ＰＴ系材料）の単結晶体（例えば、桑田他、「０．９１Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−０．０９ＰｂＴｉＯ_３単結晶の誘電特性及び圧電特性（Dielectric and Piezoelectric Properties of 0.91Pb(Zn_1/3Nb_2/3)0₃-0.09PbTi0₃Single Crystals）」、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS；JJAP）、第２１巻、第９号、１９８２年９月、ｐ．１２９８〜１３０２参照）。なお、本実施形態では、上記のほか、圧電定数ｄ３１が約１００ｐｍ／Ｖ以上の任意の圧電体材料を用いることができる。

電源装置９０は、真空チャンバ９４及びターゲット材９６に電圧を印加する。制御装置９２は、基板ホルダ駆動部８６や電源装置９０等、成膜装置８０の各ブロックを制御する。

真空チャンバ９４には、排気ポンプ９８が配設されている。真空チャンバ９４の内部は、この排気ポンプ９８によって所定の真空度になるまで排気される。ガス導入口１００は、真空チャンバ９４内にアルゴン（Ａｒ）ガス及び酸素（Ｏ_２）ガスを導入するための導入口である。

圧電膜の成膜を行う際には、まず、基材８２及びターゲット材９６がそれぞれ基板ホルダ８４及びターゲット材ホルダ８８に保持される。次に、真空チャンバ９４内が排気されて、アルゴンガス及び酸素ガスが導入される。電源装置９０によって真空チャンバ９４とターゲット材９６に高周波電圧が印加される。すると、真空チャンバ９４は接地されているため、ターゲット材９６側において電子の密度が高くなり、ターゲット材９６がマイナスにバイアスされる。そして、アルゴンのイオンがターゲット材９６に引き寄せられ、ターゲット材９６の表面の圧電体材料（ＰＺＴ）の一部１０２がスパッタされる（跳ね飛ばされる）。こうしてスパッタされたＰＺＴ１０２は、基材８２に衝突して付着する。上述のように、ＰＺＴ１０２が基材８２上に堆積することにより、基材８２上においてＰＺＴの結晶体が成長して、柱状構造の圧電膜（図３の符号６０）が成膜される。ここで、柱状構造とは、一方向に伸びた結晶体（柱状の結晶体）が集まってなる構造である。これにより、柱状の結晶体が集まった構造の圧電膜を有する圧電アクチュエータが作成される。

なお、図４の成膜装置８０では、基板ホルダ８４が駆動されて相互の位置関係が調整されているが、ターゲット材ホルダ８８が駆動されるようにしてもよいし、また、基板ホルダ８４とターゲット材ホルダ８８の両方が駆動されるようにしてもよい。

次に、本発明の圧電アクチュエータの製造方法の実施例について、図５以降を参照して説明する。図５は、本発明の第１の実施例に係る圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャートである。まず、基材８２及びターゲット材９６がそれぞれ基板ホルダ８４及びターゲット材ホルダ８８に保持される。また、真空チャンバ９４内が排気されて、アルゴンガスが導入される。そして、基板ホルダ駆動部８６によって基板ホルダ８４が駆動されて、基材８２とターゲット材９６とのなす角度θが、例えば、約８０°に調整される（ステップＳ１０）。次に、図示せぬ加熱手段によって基材８２の温度が約５７０℃に加熱され、電源装置９０によって真空チャンバ９４とターゲット材９６に高周波電圧が印加されて、圧電膜の成膜が実行される（ステップＳ１２）。ステップＳ１２では、約１０μｍの圧電膜６０が成膜される。これにより、基材８２の表面に対して所定の角度をなす柱状の結晶体から構成される圧電膜６０が成膜される。

図６は、圧電膜の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮像した写真である。図６（ａ）に示す圧電膜（ＰＺＴ膜）６０−１は、本実施例に対応しており、基材８２とターゲット材９６とが互いになす角度θが約８０°になるように保持されて成膜されたものである。また、図６（ｂ）に示す圧電膜６０−２は、基材８２とターゲット材９６とが略平行（θ＝０°）に保持されて成膜されたものである。なお、圧電膜６０−１及び６０−２の膜厚はともに約１０μｍであり、成膜時の基材８２の温度は約５７０℃であった。また、図中の圧電膜６０−１及び６０−２内のスジは柱状の結晶体の界面である。

図６（ａ）に示すように、圧電膜６０−１では、柱状の結晶体が基材８２の表面に対して一様に傾斜していることが観察された。この柱状の結晶体が基材８２の法線方向に対してなす傾斜角αは約４０°であった。また、図６（ｂ）に示すように、圧電膜６０−２では、柱状の結晶体が基材８２の表面に対して略垂直であることが観察された。このように、本実施例によれば、柱状の結晶体が基材８２に対して傾斜した圧電膜を成膜できる。これにより、圧電膜の膜面方向（図の横方向）の結合力を高めることができ、圧電アクチュエータの耐久性を高めることができる。

本実施例の圧電アクチュエータの製造方法では、基材８２とターゲット材９６とのなす角度θを変化させて成膜した場合にも、この傾斜角αの値は角θの約１／２となった。したがって、角度θを０°＜θ≦約９０°の範囲で調整して成膜を行うことにより、結晶体の傾斜角αを０°＜α≦約４５°の範囲で制御することができる。なお、傾斜角αの値は、約１°以上であることが好ましい。

なお、柱状の結晶体が基材８２の法線方向に対して所定の傾斜角αをなす圧電膜を成膜する方法は、上記のように基材８２とターゲット材９６のなす角度θを調整することに限定されるものではない。例えば、適当な基材（一次成膜用基材）上に圧電膜を成膜し、この圧電膜をこの一次成膜用基材から剥離する。そして、この圧電膜内の柱状の結晶体に対して所定の角度をなす平面でこの圧電膜を切断又は研磨して、基材８２上に貼り付けることによっても本実施例と同様の圧電膜を得ることができる。この場合、基材８２とターゲット材９６のなす角度θによって、結晶体の傾斜角αの範囲が制限されることはない。なお、一次成膜用基材の成膜面には、圧電膜を剥離しやすいように、圧電膜に影響を与えない薬品等により容易に除去できる層を設けておくことが好ましい。

次に、本発明の第２の実施例について、図７から図９を参照して説明する。図７は、本発明の第２の実施例に係る圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャートである。まず、基材８２及びターゲット材９６がそれぞれ基板ホルダ８４及びターゲット材ホルダ８８に保持される。また、真空チャンバ９４内が排気されて、アルゴンガスが導入される。そして、基板ホルダ駆動部８６によって基板ホルダ８４が駆動されて、基材８２とターゲット材９６とのなす角度θが、例えば、約１０°に調整される（ステップＳ２０）。次に、図示せぬ加熱手段によって基材８２の温度が約５７０℃に加熱され、電源装置９０によって真空チャンバ９４とターゲット材９６に高周波電圧が印加されて、圧電膜の成膜が実行される（ステップＳ２２）。ステップＳ２２では、約２．５μｍの圧電膜が成膜される。

その次に、基板ホルダ駆動部８６によって基板ホルダ８４が回転軸ＡＸ周りに所定の角度（例えば、約９０°）回転されて（ステップＳ２６）、ステップＳ２２に戻る。そして、ステップＳ２２からＳ２６が所定の回数繰り返されて、圧電膜が所定の膜厚に達すると（例えば、４回繰り返されて膜厚が約１０μｍに達すると）、成膜が終了する（ステップＳ２４のＹｅｓ）。

図８は、本実施例により成膜された圧電膜の断面図である。同図に示す圧電膜６０は、４つの層６０Ａから６０Ｄから構成されており、各層の膜厚は約２．５μｍで、圧電膜６０の合計膜厚は約１０μｍである。上記のように、各層６０Ａから６０Ｄは、角θを約１０°として成膜したものであり、各層６０Ａから６０Ｄの断面を電子顕微鏡により観察したところ、その傾斜角αは約５°であった。

また、上記のように、各層６０Ａから６０Ｄは、基材８２が回転軸ＡＸ周りに約９０°回転されて成膜されたものである。このため、図９に示すように、各層６０Ａから６０Ｄの結晶体の長さ方向に沿った直線と、基材８２の法線方向に沿った直線によって張られる平面は、１層ごとに約９０°回転している。

本実施例によれば、柱状の結晶体が基材８２の法線方向に対して傾いているのに加えて、結晶体が基材８２の法線方向回りに異なる角度をなす層が積層されているため、圧電膜の膜面方向（図８の横方向）の結合力を更に高めることができ、圧電アクチュエータの耐久性を高めることができる。

なお、本実施例では、成膜時に基材８２とターゲット材９６を相対的に回転させて、柱状の結晶がらせん状に配置されるようにしてもよい。

次に、本発明の第３の実施例について、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第３の実施例に係る圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャートである。まず、基材８２及びターゲット材９６がそれぞれ基板ホルダ８４及びターゲット材ホルダ８８に保持される。また、真空チャンバ９４内が排気されて、アルゴンガスが導入される。そして、基板ホルダ駆動部８６によって基板ホルダ８４が駆動されて、基材８２とターゲット材９６とのなす角度θが、例えば、約１０°に調整される（ステップＳ３０）。次に、図示せぬ加熱手段によって基材８２の温度が約５７０℃に加熱され、電源装置９０によって真空チャンバ９４とターゲット材９６に高周波電圧が印加されて、圧電膜の成膜が実行される（ステップＳ３２）。ステップＳ３２では、約２．５μｍの圧電膜が成膜される。

その次に、基板ホルダ駆動部８６によって基板ホルダ８４が駆動されて、基材８２とターゲット材９６とのなす角度θが、例えば、約０°に調整されて（ステップＳ３６）、ステップＳ３２に戻る。そして、角度θが約１０°、約０°と順次変更されて、ステップＳ３２からＳ３６が所定の回数（例えば、合計４回）繰り返される。圧電膜が所定の膜厚に達すると（例えば、４回繰り返されて膜厚が約１０μｍに達すると）、成膜が終了する（ステップＳ３４のＹｅｓ）。

上記のようにして成膜された圧電膜は、図８と同様の層構造を有している。本実施例により成膜された圧電膜６０を電子顕微鏡により観察したところ、層６０Ａでは結晶体の傾斜角αは約５°、層６０Ｂでは結晶体の傾斜角αは約０°、層６０Ｃでは結晶体の傾斜角αは約５°、層６０Ｄでは結晶体の傾斜角αは約０°であった。

本実施例によれば、柱状の結晶体が基材８２の法線方向に対して傾いているため、圧電膜の膜面方向（図８の横方向）の結合力を更に高めることができ、圧電アクチュエータの耐久性を高めることができる。

上記３つの実施例により液体吐出ヘッド７２を製造して、耐久性を評価する実験を行った。この耐久性評価実験は、上記下部電極５８と上部電極６２の間に電圧を印加して、液体吐出ヘッド７２を駆動周波数５０ｋＨｚで駆動し、１０^１１個のドットの連続駆動試験である。表１に耐久性評価実験の結果を示す。なお、表１において、比較例は、上記図６（ｂ）の例に対応している。表１に示すように、上記第１から第３の実施例により製造された液体吐出ヘッド７２は、それぞれ駆動回数１Ｅ１１回以上、５Ｅ１１回以上、５Ｅ１１回以上まで特性劣化を生じることがなかった。一方、比較例は、駆動回数１Ｅ１１回未満で圧電膜６０にクラックが生じて破壊した。これにより、上記第１から第３の実施例により製造された液体吐出ヘッド７２は、従来の方法により製造された比較例と比べて優れた耐久性を有するという結果が得られた。

なお、本実施形態では、上記のＲＦスパッタ法のほか、イオンビームスパッタ法等のほかのスパッタ法を用いてもよい。また、圧電膜を成膜する方法としては、例えば、蒸着法や有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、ゾル・ゲル法等を用いることもできる。

また、本発明の圧電膜の成膜方法は、上述した液体吐出ヘッド７２の製造のほか、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の部品、マイクロポンプ、ロボット等の製造にも応用することができる。

インクジェット記録装置の全体構成図インクジェット記録装置の印字部周辺の主要構成を示す平面図本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す図成膜装置の主要構成を示す図本発明の第１の実施例に係る圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャート圧電膜の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮像した写真本発明の第２の実施例に係る圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャート本発明の第２の実施例により成膜された圧電膜の断面図圧電膜の各層における結晶体の向きを模式的に示す図本発明の第３の実施例に係る圧電アクチュエータの製造方法を示すフローチャート

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…吸着ベルト搬送部、２４…印字検出部、２６…排紙部、２８…裁断用のカッター（第１のカッター）、３０…加熱ドラム、３１、３２…ローラ、３３…ベルト、３４…吸着チャンバ、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４２…後乾燥部、４４…加熱・加圧部、４５…加圧ローラ、４８…カッター（マスク用カッター）、５０…ＳＯＩ基板、５２…シリコン基板、５２Ａ…インク室隔壁、５４…酸化シリコン層、５６…シリコン層、５８…下部電極、６０…圧電膜、６２…上部電極、６４…マスク用酸化シリコン層、６４Ａ…酸化シリコンパターン、６６…インク室、６８…振動板、７０…ノズルプレート、７０Ａ…ノズル、７２…液体吐出ヘッド、８０…成膜装置、８２…基材、８４…基板ホルダ、８６…基板ホルダ駆動部、８８…ターゲット材ホルダ、９０…電源装置、９２…制御装置、９４…真空チャンバ、９６…ターゲット材、９８…排気ポンプ、１００…ガス導入口、１０２…スパッタされた圧電体材料（ＰＺＴ）の一部

Claims

基材と、
前記基材上に形成された柱状の結晶体を含む複数の層から構成された圧電膜であって、前記柱状の結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とのなす角が０°より大きく、９０°以下の所定の角度である圧電膜とを備え、
前記複数の層のうち少なくとも２つの層の間において、各層の結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とによって張られる平面の前記法線回りの角度が異なることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記複数の層の結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とによって張られる平面が１層ごとに９０°回転していることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電膜は、前記基材上にスパッタ法、蒸着法、ＭＯＣＶＤ法又はゾル・ゲル法によって成膜されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
前記所定の角度は、４５°以下であることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータ。
請求項１から４のいずれか１項記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
（ａ）基材と、圧電体材料からなるターゲット材とのなす角が０°より大きく、９０°以下の所定の角度となるように保持するステップと、
（ｂ）前記ターゲット材をスパッタして、前記基材上に前記圧電体材料を堆積させ、層を形成するステップと、
（ｃ）前記基材と前記ターゲット材とを相対的に回転させるステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｂ）から（ｃ）を繰り返すことにより、複数の層からなる圧電膜であって、前記複数の層のうち少なくとも２つの層の間において、各層の結晶体の長さ方向に沿う直線と前記基材の法線とによって張られる平面の前記法線回りの角度が異なる圧電膜を、前記基材上に成膜するステップと、
を備えることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。