(57)【要約】【課題】薄膜圧電素子の外部環境の変化に起因する動作不良を解消して安定した滴吐出特性が得られ、信頼性の高い高画質記録が可能な圧電型アクチュエータを提供する。【解決手段】基板１１上に積層された振動板２０を有して、振動板２０の撓み方向に圧力を発生する圧電型アクチュエータにおいて、振動板２０を、複数のチャネルに分離された圧電体膜２４と、圧電体膜２４の両面側に積層され圧電体膜２４に電圧を印加して撓み振動をさせるための一対の電極膜と、一対の電極膜のうちの基板側１１の一方及び基板１１の間に設けた圧電体膜２４のチャネルに対応する、減圧に密封形成した空隙部１４及び各空隙部１４をはさむ隔壁１５からなる層とから構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層された振動板が、電圧を印加されて撓み振動をすることで該撓み方向に変位する圧電型アクチュエータであって、
前記振動板は、
複数のチャネルに分離された圧電体膜及び該圧電体膜の両面側に形成され、前記圧電体膜に電圧を印加して撓み振動をさせるための一対の電極膜からなる圧電素子と、該一対の電極膜のうちの前記基板側の一方及び前記基板の間に設けた、前記圧電体膜の各チャネルに対応する、減圧に密封形成した空隙部及び各空隙部をはさむ隔壁からなる層と、を有することを特徴とする圧電型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電型アクチュエータにおいて、
前記振動板は、各空隙部を連通する連通路を備えていることを特徴とする圧電型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電型アクチュエータにおいて、
各空隙部を封止する封止口を備えていることを特徴とする圧電型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電型アクチュエータにおいて、前記封止口を封止する封止材は、酸化膜及び窒化膜からなる群から選択されることを特徴とする圧電型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電型アクチュエータにおいて、
前記空隙部には不活性ガスが充填してあることを特徴とする圧電型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項1乃至５の何れか一項に記載の圧電型アクチュエータ及び前記基板からなるアクチュエータ基板と、前記圧電体膜の各チャネルに対応する複数の圧力発生室を有する液室基板と、前記圧力発生室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴ヘッドカートリッジ。
【請求項８】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項９】
請求項７に記載の液滴ヘッドカートリッジを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項１０】
振動板の変形によって液体を輸送するマイクロポンプにおいて、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電型アクチュエータを具備することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１１】
請求項１乃至５に記載の圧電型アクチュエータの製造方法であって、
前記基板上にベースとなる酸化膜を形成し、前記酸化膜の上に、前記空隙部及び前記隔壁を形成するための犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層をエッチングした溝に酸化膜を埋め込む工程と、
前記酸化膜に対し、電極膜、前記圧電体膜、電極膜を順次積層形成すると共にパターニングして前記圧電素子を形成する工程と、
前記圧電素子から前記犠牲層にかけてエッチングホールを形成し、前記犠牲層を除去して前記空隙部を形成すると共に前記エッチングホールを封止する工程と、
を有することを特徴とする圧電型アクチュエータの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の圧電型アクチュエータの製造方法において、
前記犠牲層を除去する工程は、前記エッチングホールから前記犠牲層を除去して前記エッチングホールを封止する時に前記空隙部に不活性ガスを注入する工程を含むことを特徴とする圧電型アクチュエータの製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の圧電型アクチュエータの製造方法において、前記犠牲層が多結晶シリコンであることを特徴とする圧電型アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電型アクチュエータに関し、特に、圧電素子に薄膜の圧電体膜を用いた圧電型アクチュエータ、これを用いた液適吐出ヘッド、液滴ヘッドカートリッジ、液適吐出装置、マイクロポンプ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置（以下、インクジェットプリンタ）は、記録ヘッド（インクジェットヘッド）に設けた吐出口（ノズル）からインクを吐出させて紙等の被記録材に付着させることにより各種情報を記録するものである。このようなインクジェットプリンタは騒音の発生が少なく、かつ高速記録が可能で、被記録材の選択範囲が広い等の多くの利点を有している。
このようなインクジェットヘッドの中で、圧電効果のエネルギーで振動板を駆動しインクに作用させて吐出口からインクを吐出させるタイプの記録ヘッドは、省エネルギーで記録信号に対する応答性が良く、またノズルの高密度マルチ化が容易である等の利点を有している。また圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電型アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電型アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、圧電素子に対しても小型化が強く要求されるようになってきた。また、同時に、より高い印字品質を求めての高精細化が必要となってきている。そうした場合、従来から多く使用されてきた焼結体を圧電素子として用いるのではなく、焼結体に比べて著しく体積を小さくすることができる薄膜圧電素子を用いるのが好適である。
その理由は、焼結体で作製された圧電素子の膜厚は数１０μｍと薄膜圧電素子の３μｍ程度と比べて厚くせざるを得ず、フォトリソグラフィ技術を用いてのエッチングの精度に限界があるからである。所定のエッチングを精度良く行うには、線幅はその膜厚以下にしなければならず、膜厚の薄い薄膜圧電素子を用いることで精度の高い微細加工が可能となる。薄膜圧電素子、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）膜を形成する方法としては、スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition）法（化学蒸着法）、ゾルゲル法などがあり、成膜条件の調節や熱処理条件の工夫によって高性能の薄膜圧電素子が得られるようになってきた。
【０００４】
ところが、圧電素子を湿度の高い雰囲気に長時間さらされた状態で高電圧を印加すると、圧電素子の電気絶縁性が低下して絶縁破壊が起こる。このような現象は、圧電素子における信頼性上の大きな問題の１つとされてきた。特に、膜厚が薄いために異物の影響を受け易い薄膜圧電素子を用いる方が、膜厚の厚い焼結体を圧電素子に用いるよりも絶縁破壊が起こり易くなる。
そこで、この水分の影響を極力抑え、高い信頼性を確保する方法として、種々の方法が提案されている。例えば、乾燥した流体を圧電素子が形成された流路基板と封止キャップ内で作る空間に封入する方法（例えば、特許文献１参照）、発熱手段を併用して圧電素子を含んだ密閉空間に乾燥剤を封入する方法（例えば、特許文献２参照）、圧電素子を絶縁性液体が含浸されている保護部材で覆う方法などが提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の封止方法では、長期信頼性に関して十分なインクジェットヘッドを提供できるとは言い難い。薄膜圧電素子は、露点で−４０℃以下の低湿度状態で動作させなければ絶縁破壊の発生を完全に抑えることはできないと言われており、上述した従来の封止方法ではこの露点−４０℃以下の環境を長時間保つことはできず、最終的には絶縁破壊が起きてしまう。そのため、このインクジェットヘッドを搭載した記録装置は、製品寿命が短く、信頼性の乏しいものになる。
乾燥流体を封入する封止方法を開示している特許文献１においては、封止初期は水分の影響を完全に取り除くことができるが、長期間その状態を維持することはできない。また、時間の経過と共に封止キャップを接続している接着樹脂から水分が浸入して来るため、初期の低湿度状態を保てなくなる。水分透湿率の低い樹脂を採用することで水分の透過量を低減することができるが、樹脂の水分透過率を完全に抑えることは難しく、結局は水分の影響を受けることとなり、絶縁破壊が起きてリーク電流が流れる。
【０００６】
特許文献２に開示されている方法は、特許文献１に開示されている方法と比べると、進入してきた水分を吸湿剤により除去できるので、その分長時間の信頼性を確保できる。しかし、乾燥剤と発熱手段との併用となるため、構造が複雑化し、小型化に対応できない。また、例として挙げられているシリカゲル、消石灰、ＭｇＦ２等の吸湿剤では乾燥性能、乾燥能力共に性能が低い為、圧電素子のリーク電流を完全に抑えることができる露点−４０℃の環境を長時間保持することが難しい。
このように、これまでに提案された方法では、高信頼性を満足できてしかも構造が複雑化せず小型化が可能なインクジェットヘッドを実現することは困難であった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、薄膜圧電素子の外部環境の変化に起因する動作不良を解消して安定した滴吐出特性が得られ、信頼性の高い高画質記録が可能であり、かつその製造方法が複雑とならない圧電型アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド、これを一体化した液体カートリッジ、この液滴吐出ヘッド又は液体カートリッジを搭載した画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するために、請求項１の発明は、基板上に積層された振動板が、電圧を印加されて撓み振動をすることで該撓み方向に圧力を発生する圧電型アクチュエータであって、前記振動板は、複数のチャネルに分離された圧電体膜と、該圧電体膜の両面側に積層され、前記圧電体膜に電圧を印加して撓み振動をさせるための一対の電極膜と、該一対の電極膜のうちの前記基板側の一方及び前記基板の間に設けた、前記圧電体膜の前記チャネルに対応する、減圧に密封形成した空隙部及び各空隙部をはさむ隔壁からなる層と、を有する圧電型アクチュエータを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電型アクチュエータにおいて、前記振動板は、各空隙部を連通する連通路を備えている圧電型アクチュエータを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載の圧電型アクチュエータにおいて、各空隙部を封止する封止口を備えている圧電型アクチュエータを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３に記載の圧電型アクチュエータにおいて、前記封止口を封止する封止材は、酸化膜及び窒化膜からなる群から選択される圧電型アクチュエータを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電型アクチュエータにおいて、前記空隙部には不活性ガスが充填してある圧電型アクチュエータを特徴とする。
【０００８】
また、請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電型アクチュエータ及び前記基板からなるアクチュエータ基板と、前記圧電体膜の各チャネルに対応する複数の圧力発生室を有する液室基板と、前記圧力発生室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を備える液滴吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴ヘッドカートリッジを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項６に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項７に記載の液滴ヘッドカートリッジを備えた液滴吐出装置を特徴とする。
また、請求項１０の発明は、振動板の変形によって液体を輸送するマイクロポンプにおいて、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電型アクチュエータを具備するマイクロポンプを特徴とする。
【０００９】
また、請求項１１の発明は、請求項１乃至５に記載の圧電型アクチュエータの製造方法であって、前記基板上にベースとなる酸化膜を形成し、前記酸化膜の上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層をエッチングした溝に酸化膜を埋め込む工程と、前記酸化膜に対し、前記固定電極、前記圧電体膜及び前記上部電極を順次積層形成すると共にパターニングして前記圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜から前記犠牲層にかけてエッチングホールを形成し、前記犠牲層を除去して前記空隙部を形成すると共に前記エッチングホールを封止する工程と、を有する圧電型アクチュエータの製造方法を特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項１１に記載の圧電型アクチュエータの製造方法において、前記犠牲層を除去する工程は、前記エッチングホールから前記犠牲層を除去して前記エッチングホールを封止する時に前記空隙部に不活性ガスを注入する工程を含む圧電型アクチュエータの製造方法を特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項１１又は１２に記載の圧電型アクチュエータの製造方法において、前記犠牲層が多結晶シリコンである圧電型アクチュエータの製造方法を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る圧電型アクチュエータによれば、圧電素子の変形を阻害しない空間を負圧にすることにより水蒸気圧も低下するため耐湿効果が生まれ、また圧電素子が外部と遮断され、湿度等の外部環境による動作不良を防止できる。さらに圧電素子の信頼性向上が見込め、製品寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の圧電型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の構成の一例を示す分解斜視図。
【図２】本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図。
【図３】本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する図。
【図４】本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する図。
【図５】本発明の第２の実施形態係る圧電型アクチュエータの透視状態平面図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの断面図。
【図７】本発明に係る液体カートリッジを示す図。
【図８】本発明に係るインクジェット記録装置の機構の一例を示す図。
【図９】本発明に係るインクジェット記録装置の機構の一例を示す図。
【図１０】本発明の構成を適用したマイクロポンプの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の圧電型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の構成の一例を示す分解斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の液滴吐出ヘッドは、アクチュエータ基板１０、液室基板３０、ノズル板４０から主に構成されている。
これらに加えて、後述するように、図示しないフレーム、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）、ドライバーＩＣを備えることで、インクカートリッジとして機能する。
以下に、本実施形態の液滴吐出ヘッドを構成する各構成について説明する。
ノズル板４０は、紙面Ｐ側に、例えば撥水膜をコーティングしたポリイミドフィルムであり、液滴を吐出するためのノズル孔４１を有している。なお、このノズル孔４１は、ノズル板４０を液室基板３０に接着したのち、レーザ加工にて開口したものである。
次に、液室基板３０は、結晶軸が＜１１０＞のシリコン基板を用い、ノズル板４０とは反対側の面に、液供給路１６を介して図示しないインクタンクから吐出液（インク）を供給される共通液室３１、流体抵抗部３２、ノズル孔４１からインクを吐出する圧力が発生される圧力発生室３３が形成されている。
【００１３】
また、ノズル孔４１と圧力発生室３３を連通させるための連通管３４が液室基板３０を貫通させて形成されている。このような構成とすることにより、液室基板３０の基板厚みよりも圧力発生室３３の高さを低くすることができ、ハンドリングの容易な厚さの基板を用いたまま、圧力発生室３３の高さを吐出特性面から最適化することが可能となっている。また、結晶軸が＜１１０＞のシリコン基板を用いているので、公知のごとく、圧力発生室等を異方性エッチングにて高精度に加工することが可能となっている。
また、圧力発生室３３その他を形成後、熱酸化により表面に酸化膜を形成し、濡れ性の向上とインクによる基材であるシリコンの腐食防止を図っている。このとき、図示は省略したが、液室基板３０のノズル接着面側には、ダミーパターンを設けておくことで、熱酸化後に酸化膜の内部応力により基板が反ることを防止している。
アクチュエータ基板１０では、結晶軸が＜１００＞のシリコン基板を用い、液室基板３０の圧力発生室３３内に圧力を発生させる圧電型アクチュエータとしての積層振動板２０がシリコン基板１１上に形成されている。
【００１４】
また、積層振動部２０においては、各ノズル孔４１に対応したチャネルの振動領域を確保するために隔壁１５によって隔てられた空隙部１４が形成されている。
このように空隙部１４を隔壁１５によって隔てられる構成としたことにより、積層振動部２０が振動することで発生する空隙側への圧力変化が、隔壁により遮断され、特に隣接するチャネル同士の圧電振動の影響が発生しにくくなる効果がある。
また、各空隙部１４は、連通部２８を介して連通している。
隔壁の存在によって、空隙が狭くなることで発生するダンパー効果によって振動特性に影響を与えるようになってしまうが、連通部２８を設けることにより、空隙をできるだけ広くとることができ、振動特性への影響を抑えることが可能になる。また、連通部２８を設けることで、空隙部を形成した後の工程でも負圧を形成することができるため、工程の自由度が向上する。
【００１５】
図２は、本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図である。（ａ）は、ノズル孔から共通液室の方向における断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−Ｘ線における断面図である。
図２（ｂ）に示すように、振動板（圧電型アクチュエータ）２０は、圧電体膜２３、その両面側に設けた固定電極膜２２及び上部電極膜２４からなる圧電素子２７、空隙部１４から主に形成されている。低消費電力でＭＥＭＳ加工技術を用いて高集積加工が可能である。
また、図２（ａ）に示すように、アクチュエータ基板１０のノズル・液室側と反対の面（以後裏面とする）側から吐出液を供給するため、液供給路１６がシリコン基板１１を貫通して共通液室３１まで形成されている。
なお、上述のように本実施例においては、積層振動板２０は積層膜で形成されていて、空隙部１４側から、以下の６層からなっている。
・空隙側絶縁膜２１（酸化シリコン膜）：圧電素子２７の保護膜になる。あるいは空隙を形成するため犠牲層エッチング（後述する）時のストップ層の役目になる。
・固定電極層２２（白金／チタン）
・圧電体膜２３（ＰＺＴ）：電圧印加により振動板をたわみ振動させ、圧力発生室３３内に圧力を発生させる。
・上部電極層２４（白金）
・引っ張り応力膜２５（窒化シリコン膜）：振動板２０を全体として引っ張り応力とすることで、撓まず張った状態にする。および駆動時の反発力確保。
・犠牲層除去孔封止膜２６（酸化シリコン膜）：後述の犠牲層除去孔の封止。引っ張り応力膜２５（窒化シリコン膜）の割れ防止も兼ねている。接液膜としての機能もある。
【００１６】
本実施例では省略したが、公知のごとく、上部電極層（白金）２４と引っ張り応力膜２５の間に振動板撓み防止膜として酸化シリコン膜を設ける場合もある。
また、固定電極層２２とシリコン基板１１の間にも基板絶縁膜１２として酸化シリコン膜が形成され、固定電極層２２とシリコン基板１１間の絶縁を確保している。
空隙部１４および連通路２８は、ポリシリコンを犠牲層に用いた犠牲層プロセスにて形成した。犠牲層除去孔やその周囲の詳細構造については図示していない。
なお、犠牲層はポリシリコンにて形成されているが、先に述べたように、空隙（となる部分）に面している部分は絶縁膜として設けたシリコン酸化膜で覆われているので、ポリシリコンとシリコン酸化膜で十分な選択性な選択性を有するエッチャント、例えばＴＭＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド））水溶液を用いて犠牲層除去を行うことにより、犠牲層除去時にエッチングされることは無い。
また、上部電極膜２４と固定電極膜２２のどちらか一方をノズル（チャネル）毎に分離した個別電極、他方を複数ノズル（チャネル）、例えば全ノズル（チャネル）、で共通の共通電極とすることで、吐出させるノズル（チャネル）の選択が可能であるが、上部電極膜２４側を共通電極、固定電極膜２２側を個別電極としてもよい。
なお、共通電極は、図１に示す共通電極用の引きだし線１７、個別電極用の各引き出し線１８に接続されて、電極パッド１９に接続されたＦＰＣを介して図示しない電源から電力を供給される構成である。
【００１７】
図３、図４は、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
本発明の一態様に係る圧電型アクチュエータは以下のような方法にて製造することができる。
ここで、シリコン単結晶基板からなるシリコン基板１１上に圧電素子２７及び耐湿負圧空隙を形成するプロセスを、図３を参照しながら説明する。なお、図３は、圧力発生室３３の幅方向の断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１１にはシリコン単結晶基板（例えば＜１００＞）を用い、シリコン基板１１に熱酸化膜（約１１００℃  ０．５ｕｍ）を形成する。これが基板絶縁膜１２となる。
その上にさらに犠牲層膜１３（例えばＬＰＣＶＤポリシリコン０．５ｕｍ）を形成する。犠牲層膜１３の材料は、特に限定されないが、本実施形態では、犠牲層膜１３を除去する際に周囲の絶縁膜（酸化シリコン）とのエッチング選択比の大きな材料が好適である。できるだけ圧電体膜２３、電極材料に影響を及ぼさない薬液で除去できる犠牲層膜１３がよい。圧電体膜２３が振動したときに対面壁に当接することの無いように、またダンパー効果の影響が無いような厚さの犠牲層膜１３を形成する。
【００１８】
次に図３（ｂ）に示すように、個別の振動領域を確保する空隙の幅に合わせて犠牲層膜１３を溝エッチング（溝幅約０．５ｕｍ、ドライエッチ）し、空隙側絶縁膜２１を成膜（ＬＰＣＶＤ、シリコン酸化膜）してエッチングした溝（溝エッチング箇所）を埋め込む。
空隙側絶縁膜２１の材料は、後述する犠牲層膜１３を除去する工程で除去に耐えられる材料であれば特に限定されず、例えば、有機膜、酸化膜又は窒化膜を用いることができる。
次に、図３（ｃ）に示すように、スパッタリング法により、空隙側絶縁膜２１上に、固定電極膜２２を形成すると共にパターニングする。
この時、パターニングにより図示しない配線用電極膜を形成する。この電極膜の材料としては、白金等が好適である。これは、ゾル−ゲル法やＭＯＤ法（Metal Organic Deposition：有機金属熱塗布分解法）で成膜する圧電体膜２３は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、固定電極膜２２の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体膜２３としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００１９】
さらに、圧電体膜２３上に上部電極膜２４をさらに積層して形成する。圧電体膜２３は、ペロブスカイト型結晶構造の酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用い例えば、ゾル−ゲル法又はＭＯＤ法等のスピンコート法により成膜する。本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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膜２３を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体膜２３の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体膜２３の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法等を用いてもよい。
また、上部電極膜２４は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
次に、図３（ｄ）に示すように、圧電体膜２３及び上部電極膜２４のみを、例えば、イオンミリング等でエッチングして圧電体能動部２７のパターニングを行う。
【００２０】
さらに、図４（ｅ）示すように、引っ張り応力膜２５（ＬＰＣＶＤ、窒化シリコン膜）を成膜する。膜厚については圧電素子２７の振動特性（圧電常数、変位量）との兼ね合いで決定する。
続いて、犠牲層膜１３を除去する。ここで、犠牲層膜１３の除去は、振動積層板（引っ張り応力膜２５、上部電極膜２４、圧電体膜２３、固定電極膜２２、空隙側絶縁膜２１、犠牲層膜１３）を貫通する貫通孔Ｔを設け、この貫通孔からＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等のエッチャントを浸透させることにより行った。
その後、貫通孔Ｔを、犠牲層除去孔封止膜２６（ＬＰＣＶＤ、酸化シリコン膜）を減圧で成膜することで埋める。この時、積層振動板２０は若干空隙部方向へ引っ張られるが特性に大きく影響しない。なお、不活性ガスを導入するには成膜時にプロセスガスに混入すると封止時点で減圧で封入される。不活性ガスの材料は、例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスを使用できる。
一方では、パターニングされた保護膜をマスクパターンとして前述したＫＯＨ等のアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板（液室基板）に異方性エッチングを行い液室基板３０を製作する。この工程では、貫通部３４に対応する部分の液室基板３０を完全に除去して圧力発生室３３を形成する。
【００２１】
次に、図４（ｆ）に示すように、圧電型アクチュエータの上に液室基板３０及びノズルプレート４０を接合する。
最後に、図４（ｇ）に示すように、シリコン基板１１から液室基板３０の共通液室３１までを貫通する液供給路１６を形成する。
液供給路１６は、シリコン基板１１の裏面側にシリコン酸化膜あるいはレジストをマスクにしてシリコンドライエッチャーによる異方性エッチングにより基板貫通孔を開け、液供給路１６を形成する。図４（ｅ）（ｆ）には示していないが、犠牲層膜１３の除去をするために、積層振動板に貫通孔を設ける際に、同時に液供給路となる領域においても表面側から加工を施しておく。
以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングでは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの圧電型アクチュエータ１０毎に分割する。また、液室基板３０の開口面とは反対側の面にフレーム、ＦＰＣ、及びコンプライアンス基板（図示せず）を順次一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【００２２】
このように本実施形態では、圧電体能動部２７が振動空隙部１４の密封減圧状態によって外部と遮断され、湿度等の外部環境の変化に起因する動作不良を防止することができる。
また振動空隙部１４が隔壁１５で隔てられているため隣接する圧電体膜２３ひいては弾性膜（振動板）２０の変形を阻害しないため、吐出特性のばらつきを小さくし、安定及び向上を図ることができる。
本発明に係る圧電型アクチュエータによれば、各々の圧電素子２７が振動することで発生する空隙側への圧力変化が隔壁により遮断されるため特に隣接する圧電振動の影響を受けにくくなる利点がある。液体吐出特性のばらつきを小さくすることができる。
本発明に係る圧電型アクチュエータによれば、該空隙が狭いとダンパー効果により振動特性に影響を与えるようになるため連通管を設けることでできるだけ広く取ることができる。また連通管を使うことで後の工程でも負圧を形成することができるため工程の自由度が向上する。
【００２３】
さらに、振動空隙部１４を犠牲層工程で形成しているため、振動空隙部１４をシリコン基板１１上に接着剤等で張り付ける必要がなく、製造工程を簡略化できると共に接着剤等の流出による弾性膜（振動板）２０の変形の阻害を防止できる。
このように構成した液滴吐出ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続した液供給路１６からインクを取り込み、共通液室（リザーバ）３１からノズル孔４１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、固定電極膜２２と上部電極膜２４との間に電圧を印加し、弾性膜としての、積層振動板２０（引っ張り応力膜２５、犠牲層除去孔封止膜２６、両電極膜（固定電極膜２２、上部電極膜２４）及び圧電体膜２３）をたわみ変形させることにより、圧力発生室３３内の圧力が高まりノズル孔４１からインク滴が吐出する。
本発明に係る圧電型アクチュエータの製造方法によれば、空隙を犠牲層で形成し、スリット埋め込みによる分離をするため液室基板上に平坦面を維持しながら形成でき、半導体製造装置を用い容易に微細加工ができるため高集積化が可能となる。
【００２４】
またヘッド全体の組み上げ順番から見た場合、ヘッドの高集積化が進むとノズルと反対側からビルドアップしていく方法、順番の工法の方が接合工程を省け有効である。またマイクロポンプ等インク流路の配置自由度があがる利点がありアプリケーションしやすい。
本発明に係る圧電型アクチュエータの製造方法によれば、また該空隙の封止工程は後工程の振動板の酸化膜成膜（ＬＰＣＶＤ）時にできるため工程簡略化ができるとともに負圧にしながら封止が可能である。
さらに酸化膜成膜（ＬＰＣＶＤ）時に不活性ガスを混合して成膜すれば同時に空隙に封入することが可能であり同時に実施できるので工程簡略できコストを下げることができる。
また、犠牲層の材料がシリコンであるのでエッチングホールから酸化膜に対して選択比の高いアルカリ溶液を用いて犠牲層のエッチングが容易に可能である。
また、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、振動板の振動変位が安定するとともに、滴吐出量および滴吐出速度の安定化が図れ、信頼性に優れ、高画質記録が可能になる。またこのインクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したので、製品の信頼性を確保できると共に、低コスト化を図ることができる。
【００２５】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る圧電型アクチュエータの透視状態平面図である。
本実施形態は、図５に示すように、第１の実施形態と同様に複数の空隙部１４を、連通路２８を設けて繋ぎ、さらに大気開放口２９（２９ａ、２９ｂ）で封止したものである。
この場合、空隙部１４がその自重、圧力によりたわまないように、犠牲層を所望の形状に除去して連通路を形成するものであり、各空隙部１４は少なくとも１箇所以上の連通路を有する。さらに、連通路２８に接続される大気開放部２９を設ければ、空隙部の密封工程を必要な工程、例えばヘッド形成の後に行うことができ、このような構成では、製造工程の自由度を増すことができる。封止のための封止材には水分透湿率の低い樹脂等を用いる。
封止口としての大気解放部を封止する封止口封止材としては、酸化膜あるいは窒化膜からなる緻密な膜であり、透気性が低いため、負圧状態を維持できる。このため、結果的に外部からの空隙への水蒸気の侵入を防ぐことができ、信頼性を向上することができる。
また、各空隙部１４内には、不活性ガスを充填してもよい。こうすることで、空隙内での水蒸気の分圧を極端に下げることができ、湿度対策となるため、さらに信頼性を向上することができる。
【００２６】
次に、実施形態の液滴吐出ヘッドの断面を図６に示す。この実施形態では、実施例３のアクチュエータにインク供給を主目的としたフレーム５０が加工、接合されている。
フレーム５０側から供給されたインクは液供給路１６を通り共通液室３１を通り、流体抵抗部３２で圧力制御され圧力発生室３３まで配液される。
一方ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）５１が配線接合され、圧電体膜２３の両面側の電極に電圧波形形成された信号を所望のビットに印加できるようになっている。
圧電体膜２３に電圧印加すると積層振動板２０がたわみ圧力発生しノズル孔からインクが吐出する。
【００２７】
次に、本発明の液体カートリッジについて図７を参照して説明する。
このインクカートリッジ一体型ヘッド９５は、ノズル孔４１等を有する上記各実施形態のいずれかの液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッド６１と、このインクジェットヘッド６１に対してインクを供給するインクタンク６２とを一体化したものである。
このように本発明に係る液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンク（液体タンク）を一体化することにより、滴吐出特性のバラツキが少なく、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを一体化した液体カートリッジ（インクタンク一体型ヘッド）が低コストで得られる。
また、これら各実施形態の液滴吐出ヘッドは、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。
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００２８】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の機構の一例について図８及び図９を参照して説明する。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体８１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に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２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８６に排紙する。
印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向（紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド９４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９３にはヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。なお、本発明に係るインクカートリッジを搭載する構成とすることもできる。
【００２９】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００３０】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１００を設けている。この印写受け部材１００の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００３１】
また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このように、このインクジェット記録装置においては本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載しているので、インク滴の吐出特性のバラツキが少なく、高い画像品質の画像を記録できる画像形成装置が得られる。
ここまで述べてきたように、本実施形態の例として液滴吐出ヘッドを挙げてきたが、本発明による圧電型アクチュエータは光学走査ミラーや光学バルブなどの光学デバイスとしても利用できるものである。
【００３２】
図１０は、本発明の圧電型アクチュエータの構成を適用したマイクロポンプの構成を示す図である。
かかるマイクロポンプの動作原理を図１０をもとに説明する。
圧力発生室２０３と空隙部２０４が、電極に挟まれた圧電体膜を含む振動板２０１を挟んで対峙しており、この組み合わせが複数設けられており流路２０３の中を流体が流れる構造となっている。図では省略しているが振動板２０１は圧電材料を電極が挟み絶縁膜に挟まれた積層構造になっている。
圧電体膜を含む振動板２０１を図中右側から順次駆動することによって流路２０３内の流体は矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。
本実施例では振動板２０１を複数設けた例を示したが、振動板２０１は一つでも良く、また個別電極２０２は本発明の分割された個別電極２０２が高抵抗部材により接続された構成であるため、振動板２０１が脈動動作を行い、輸送効率を上げる構成になっている。
本実施例では動作原理を簡単に述べたが、第１の実施形態に示した製造方法、構成を本実施例に適用することで大流量の液体を効率よく送液できる駆動力（輸送力）の高いマイクロポンプとすることが出来る。
本発明の構成は液滴吐出ヘッド、マイクロポンプを例としてあげたが、これ以外の液体輸送デバイスにも応用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  アクチュエータ基板、１１  シリコン基板、１２  基板絶縁膜、１３  犠牲層膜、１４  振動空隙部、１６  液供給路、２０  積層振動板、２１  空隙側絶縁膜、２２  固定電極膜、２３  圧電体膜、２４  上部電極膜、２５  応力膜、２６  犠牲層除去孔封止膜、２７  圧電体能動部、２８  連通路、２９  大気開放口、３０  液室基板、３１  共通液室、３２  流体抵抗部、３３  圧力発生室、３４  貫通部、３４  連通管、４０  ノズルプレート、４０  ノズル板、４１  ノズル孔、５０  フレーム、６１  インクジェットヘッド、６２  インクタンク、９５  インクカートリッジ一体型ヘッド、８１  記録装置本体、８２  印字機構部、８３  用紙、８４  給紙カセット、８５  トレイ、８６  排紙トレイ、９１  主ガイドロッド、９２  従ガイドロッド、９３  キャリッジ、９４  記録ヘッド、９５  インクカートリッジ、９７  主走査モータ、９８  駆動プーリ、９９  従動プーリ、１００  タイミングベルト、１０１  給紙ローラ、１０２  フリクションパッド、１０３  ガイド部材、１０４  搬送ローラ、１０５  搬送コロ、１０６  先端コロ、１０７  副走査モータ、１００  部材、１１１  搬送コロ、１１２  拍車、１１３  排紙ローラ、１１４  拍車、１１５  ガイド部材、１１７  回復装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３４】
【特許文献１】特開平１０−３０５５７８号公報
【特許文献２】特開平１１−３００９５７号公報
【図１】
2010214633.tif 000003
【図２】
2010214633.tif 000004
【図３】
2010214633.tif 000005
【図４】
2010214633.tif 000006
【図５】
2010214633.tif 000007
【図６】
2010214633.tif 000008
【図７】
2010214633.tif 000009
【図８】
2010214633.tif 000010
【図９】
2010214633.tif 000011
【図１０】
2010214633.tif 000012