(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に配置された下部電極上に圧電材料をスクリーン印刷し、その後前記圧電材料を加熱・焼成して圧電体を形成する際、前記圧電材料及び基体を遮蔽体によって挟み込むことにより、加熱・焼成雰囲気中での前記圧電材料の構成元素又は分子の蒸気圧を高くすることを特徴とする圧電素子ユニットの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記遮蔽体は酸化マグネシウム，アルミナ，セラミックスや、イットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミック板であることを特徴とする圧電素子ユニットの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記セラミック板は平面度０.０５ｍｍ以内、表面荒さ（Ｒｍａｘ）７μｍ以下であることを特徴とした圧電素子ユニットの製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記遮蔽体は、基体上に予め印刷形成された圧電材料層に対応して、電極パターンを印刷したグリーンシートを張り合わせて形成しかつ、上部電極を同時に形成するものであることを特徴とする圧電素子ユニットの製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記基体がシリコン単結晶であり、かつ前記基体と圧電素子ユニット間に１層以上からなる中間層を配置させたことを特徴する圧電素子ユニットの製造方法。
【請求項６】
吐出するインクを保持する圧力室が形成された基体を用い、請求項１乃至５のいずれかに記載された圧電素子ユニットの製造方法によって圧電素子ユニットを製造した後、前記圧電体上に上部電極層を形成し、前記圧力室に対応してノズルプレートを接合することを特徴するインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は信頼性が高く、効率よく圧電体の電気機械変換を伝達する圧電素子ユニットの製造方法、及び、該圧電素子ユニットの製造方法を用いたインクジェットヘッドの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子ユニット、例えば、インクジェットヘッドの場合、多数の圧電素子を高密度に可動板に形成する必要がある。以前はそれぞれの圧電素子を形成後、可動板に接着されていたため、接着時の取扱上の制約から、圧電素子を小さくすることが困難であり、ヘッドの小型化を進める上で障壁となっていた。圧電素子を電気−機械変換層形成法において周知の真空成膜法であるスパッタ，ＣＶＤやゾルーゲルなどは全面デポによるパターニングにより工程が煩雑になり、コストが高くなる。特開平８−２８１９４４号公報に示されるゾル−ゲル（ｓｏｌ−ｇｅｌ）法により圧電膜を形成する場合、特に、ゾルーゲル法では１回の塗布による膜厚が０．１μｍ以下と小さいために、加圧室基板をたわませるだけの膜厚を形成するには、多数回塗布する必要があり、作製工程がさらに多くなる。またこれらの方法で形成された膜は、膜厚方向における組成の均一化が難しく、圧電特性の再現性が悪い。国際公開第９３／２２１４０号パンフレット（１９９７）に示されるスパッタリング法による圧電膜の場合、成膜速度が稼げず、所望する膜厚を得ようとする場合、膨大な時間を必要とする。
【０００３】
そこで、特開平５−２９６７５号公報に示されるように、最新ではＰＺＴ等圧電体の仮焼粉をペースト加工し、スクリーン印刷法により形成する方法が提案されている。スクリーン印刷はパターニング工程が不要であり、可動版上に圧電素子を低コストで簡便に形成することができる。
【０００４】
一方、小型な圧電体を用いて、かつ大きな変異量を得るためには、圧電定数の大きな圧電体を作製する必要がある。結晶粒径の大きな誘電率や圧電定数の大きな圧電体を得るために、焼成温度を高くして圧電体を焼成する必要がある。しかし、スクリーン印刷で作製される圧電素子は、体積に対する表面積の割合が高いため、温度上昇に伴い圧電体から鉛が抜けやすく、結晶形が崩れ誘電率や圧電定数が減少するという欠点がある。
【０００５】
そこで、圧電体からの鉛抜けを防止するために、鉛雰囲気中で圧電体を加熱・焼成する方法が考えられている。従来は、（１）焼成炉内に鉛粉末を入れた容器を設置して圧電体が印刷された基板とともに焼成・加熱する方法、（２）鉛を含むＰｂＯペーストを圧電体を形成する同じシリコンウエハなどの基板又は別の媒体用基板上に印刷する方法（特開平７−２０５４３１号公報参照）、又は、（３）前記ペーストを印刷した媒体用基板と圧電体を印刷した基板を交互に基板台に配置し、焼成炉中で加熱・焼成を行うといった製造方法が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記（１）の焼成炉内に鉛粉末を入れた容器を設置して圧電体が印刷された基板とともに焼成・加熱する方法では焼成のバッチ毎に鉛粉末の入った容器を設置する必要がある。前記（２）の鉛を含むＰｂＯペーストを圧電体を形成する同じシリコンウエハなどの基板上又は別の媒体用基板上に印刷する方法及び，前記（３）の前記ペーストを印刷した媒体用基板と圧電体を印刷した基板を交互に基板台に配置し、焼成炉中で加熱・焼成を行う方法については、前者は基板上に前記ペーストを形成するため、一枚の基板から取り出すことのできる素子数を減少させてしまうため、量産性に乏しく、後者は別に媒体用基板を設ける必要があるため、焼成炉中で一度に加熱・焼成できる基板の数が少なくなる。さらに、上記ペーストを印刷するという製造工程が増える。その結果、材料コスト・製造時間が上昇し、ヘッドの生産コストを押し上げるという結果になっている。よって低コストで高品質の圧電素子ユニットの製造のためには、簡易かつ効率的に圧電体からの鉛抜けを抑制する製造方法または構成の実現が必要である。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、信頼性が高く、効率よく圧電体の電気機械変換を伝達する圧電素子ユニットの製造方法に関して、焼成時における圧電体からの構成部分の蒸発を抑制し、圧電定数の大きい優れた圧電体を直接形成することが可能で、かつ製造工程・コストを少なくすることが可能となる圧電素子ユニットの製造方法及びインクジェットヘッドの製造方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、基体上に配置された下部電極上に圧電材料をスクリーン印刷し、その後前記圧電材料を加熱・焼成して圧電体を形成する際、前記圧電材料及び基体を遮蔽体によって挟み込むことにより、加熱・焼成雰囲気中での前記圧電材料の構成元素又は分子の蒸気圧を高くする圧電素子ユニットの製造方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記遮蔽体は酸化マグネシウム，アルミナ，セラミックスや、イットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミック板である圧電素子ユニットの製造方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２に記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記セラミック板は平面度０．０５ｍｍ以内、表面荒さ（Ｒｍａｘ）７μｍ以下である圧電素子ユニットの製造方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１に記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記遮蔽体は、基体上に予め印刷形成された圧電材料層に対応して、電極パターンを印刷したグリーンシートを張り合わせて形成しかつ、上部電極を同時に形成するものである圧電素子ユニットの製造方法である。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれに記載された圧電素子ユニットの製造方法において、前記基体がシリコン単結晶であり、かつ前記基体と圧電素子ユニット間に１層以上からなる中間層を配置させた圧電素子ユニットの製造方法である。
【００１３】
請求項６の発明は、吐出するインクを保持する圧力室が形成された基体を用い、請求項１乃至５のいずれかに記載された圧電素子ユニットの製造方法によって圧電素子ユニットを製造した後、前記圧電体上に上部電極層を形成し、前記圧力室に対応してノズルプレートを接合するインクジェットヘッドの製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の構成を説明する。
図１に本発明が適用可能な圧電素子ユニットの概略図を示す。基体１上に、上下電極２，３間に挟まれた電気−機械変換効果を示す圧電材料層４が形成され、電界印加に対して基体の一部を変形させる。さらに、図２に示すように、基板１の一部に圧電素子に対応して圧力室５を形成し、ノズルプレート６を接合することによって、電極への電界印加によって圧力室中のインクがノズル７から吐出されるインクジェット圧電ヘッドが構成される。
【００１６】
基体１は加工性に優れ、機械的強度が高く、熱処理・焼成温度で不活性の材料であれば、特に規制されるものではなく、シリコン基板であっても、セラミックスであっても、金属であってもよく、また複数の材料による構造体から構成されていてもよい。
【００１７】
電極材料としては、熱処理・焼成温度での高温酸化雰囲気に耐える導体であればよく、白金や白金族元素（Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ）などの高温融点貴金属類、およびそれらの合金を主成分とする電極材料が安定性の点からもっとも好ましい。
【００１８】
下部電極層上の圧電材料層４にはＰＺＴ系セラミックスが好ましい。またＰＺＴに第三成分を加えたマグネシウムニオブ酸鉛系，ニッケルニオブ酸鉛系，マンガンニオブ酸鉛系，アンチモンスズ酸鉛系，チタン酸鉛系、更には、これらの複合材料が用いられる。なお、ＰＺＴ系の材料に、ランタン，バリウム，ニオブ，亜鉛，セリウム，クロム，コバルト，ストロンチウム，イットリウム，タンタル，タングステン，ニッケル，マンガン等の酸化物やそれらの化合物を添加した材料も好適である。スクリーン印刷法により、一回の印刷工程で１０ないし２０μｍの膜厚を形成できる。乾燥後、圧電材料層４を基体１で挟むように遮蔽体８を配置し、９００〜１１００℃の温度で大気中にて焼成させる。
【００１９】
遮蔽体８には、ＰＺＴ焼成温度において十分耐性を持ち、鉛蒸気に対して気密性が高く、反応性が低い材料、例えば、酸化マグネシウム，アルミナ，セラミックスやイットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシウムの酸化物を少なくとも一つ含んだ部分安定化または完全安定化された酸化ジルコニウム等のセラミック板が望ましい。この遮蔽板は一般にセッターと呼ばれるものに相当する。そのセッターの平面性，表面性は焼成するセラミックスの形状的変動を大きく支配する。平面度が悪い場合には部分的な接触により、焼成中のセラミックス収縮に不均一なところを与えてしまう。また表面粗さも同様な不具合を生じてしまう。本発明では、これら平面度，表面粗さの最適化を行い、８０ｍｍ角の面積において、平面度０．０５ｍｍ以内、表面粗さ（Ｒｍａｘ）７μｍ以下であれば何等支障がないことがわかった。
【００２０】
（実施例１）
日本ファインセラミックス社製ＹＳＺ（セラフレックスＡ）基板１に、白金ペーストをスクリーン印刷し、下部電極２を５μｍ形成する。続いて、下部電極上にＰＺＴ、例えば、Ｎｂ０．５ｍｏｌ添加  Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３をスクリーン印刷し、１５０℃で３０分間乾燥する。乾燥後、図５に示す遮蔽体８として、８０ｍｍ角で板厚１ｍｍのＹＳＺ板を圧電材料４上に接するように配置し、焼成炉において大気中で９００〜１２００℃の温度で２時間焼成した。ＰＺＴ焼成後、上部電極層３をスクリーン印刷で焼き付けにより形成した。
その結果いずれのセラミック板を用いた場合も、遮蔽体を用いない場合に比べＰＺＴの結晶性が向上し、圧電定数が増加した。
【００２１】
（実施例２）
さらにそれぞれのセラミック板の鉛との反応性を調べるため、３０回のＰＺＴ焼成を行った後の深さ方向の鉛拡散について調べた。その結果を図３に示す。酸化マグネシウムがもっとも鉛拡散が少なく、アルミナは他の二つのセラミックに比べ、鉛が深く拡散した。しかし、酸化マグネシウムは温度変化に対して不安定で、スループットの点で好ましくない。よって酸化ジルコニウムが信頼性の点でも鉛拡散抑制の点でより好ましい。
【００２２】
（実施例３）
次に、セラミックの表面性（平面度，表面粗さ）と、ＰＺＴの鉛抜け抑制の効果について相関を調べた。その結果を表１に示すように、表面粗さが７０μｍと２０μｍの遮蔽板は、あまりＰＺＴからの鉛抜け抑制の効果は見られなかったが、表面粗さ７μｍで平面度が０．０５μｍ以下のセラミック板では遮蔽効果がよく確認できた。
【００２３】
【表１】
0003592057.tif 000002
【００２４】
（実施例４）
図４（Ａ）に示すように、ＰＺＴ焼成時の遮蔽体として、上部電極層３が印刷されたグリーンシート９を用いることも可能である。
グリーンシート９は、例えば、ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３に、バインダ：ポリビニルブチラール、溶媒：トルエン、可塑剤：ブチルフタリルブチルグリコレートなどを混合したスラリーをドクターブレード装置を用いてグリーンシートを形成する。グリーンシート上に上部電極層３となる白金電極層をスクリーン印刷によって、圧電材料層４に対応して５μｍ形成する。
【００２５】
図４（Ｂ）のＰＺＴペースト乾燥後の下部構造（ＰＺＴ圧電材料層／下部電極層／基体）に上部構造（グリーンシート／上部電極層）を貼り合わせ、これら積層体を１４０℃、６０ｋｇ／ｃｍ２で６０分間熱圧着した後、焼成炉において大気中で９００〜１１００℃で２時間焼成する。
グリーンシートによって上電極／圧電材料層／下電極が覆われることにより、ＰＺＴからの鉛抜けを抑制でき、かつ上下電極間に短絡を防止することができる。
【００２６】
（実施例５）
図５に本発明が適用可能なインクジェット圧電ヘッドの概略図を示す。
インクジェットヘッドの圧力室を形成する基板は、水晶でも酸化マグネシウムでも、単結晶であれば異方性エッチングが可能であり、セラミックスでもＩＣＰエッチングにより微少な加工が可能である。一方、圧力室を形成基板にシリコン基板を用いる場合、シリコン異方性エッチングがマイクロマシニング技術で確立されており、容易に圧力室を形成することができる利点がある。
【００２７】
厚さが３００μｍ、面方位が（１１０）面のシリコン基板（基体）１にインクを吐出させるための圧力室５を形成する。耐シリコンエッチング膜となる酸化シリコン膜を熱酸化法により形成後、膜上にレジストをスピンコートにより塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いて凹部を形成するためのレジストパターンを形成する。耐シリコンエッチング膜には酸化シリコンだけでなく、窒化シリコン，金属等シリコンエッチング液に対して耐食性を示す膜であればよい。フッ酸系エッチング液にて酸化シリコン膜をエッチング後、さらに９０℃の４０％ＫＯＨ水溶液に浸し、異方性エッチングで２９５μｍエッチングし、凹部を形成する。残ったシリコン基板上の酸化シリコン膜はフッ酸系エッチング液にて剥離する。エッチング量はあらかじめＫＯＨ水溶液の濃度，温度，浸透時間を制御することにより、凹部のエッチング量を制御することができる。
【００２８】
圧力室が形成されたシリコン基板上に、鉛拡散防止の中間層１０を形成する。中間層１０としては圧電材料層に含有される鉛等の拡散を防ぐ緻密な材料であるだけでなく、高い靭性・機械的強度，シリコン基板との密着性を持つことが求められ、イットリウム，セリウム，マグネシウム，カルシウムの酸化物で安定化された酸化ジルコニウム膜が好ましい。酸化ジルコニウム膜の形成は、ターゲッドに焼結体イットリウム安定化ジルコニウム８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２を用いて、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより行う。ガス圧０．１Ｐａ〜２Ｐａ（ＡｔとＯ２を導入）、放電圧力８０〜１５０Ｗ、基板温度７５０〜８５０℃の成膜条件で、膜厚０．２〜２μｍ形成する。
【００２９】
中間層上に、白金ペーストをスクリーン印刷し、下部電極２を５μｍ形成する。続いて下部電極上にＰＺＴ、例えば、Ｎｂ０．５ｍｏｌ％添加Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３を厚さ２０μｍスクリーン印刷し、１５０℃で３０分間乾燥する。乾燥後、イットリウム等によって部分安定化または完全安定化された板厚１ｍｍの酸化ジルコニウム板を電圧材料層４上に接するように配置する。ＰＺＴ上に配置する酸化ジルコニウム板８の表面特性は、接触面において十分な鉛蒸気圧を保つため、平面度０．０５ｍｍ以内、表面粗さ（Ｒｍａｘ）０．００７ｍｍ以下であることが望ましい。その後焼成炉において、大気中で９００〜１１００℃の温度で２時間焼成する。ＰＺＴ焼成後、上部電極層３をスクリーン印刷で焼き付けにより形成したり、また、金，銅，スズ等のメッキ可能材料を成膜後、金−スズ、鉛−スズ等のメッキを施す。
そして、ステンレス等で作成されたノズルプレート６を圧力室に対応して接合し、インクジェット圧電ヘッドを作成することができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に対応する効果：遮蔽体により圧電素子ユニットを挟み込んで加熱・焼成するため、焼成時に発生する圧電材料から構成する元素または分子の抜けを抑制することができ、圧電定数が大きく高性能の圧電素子ユニットを低コストで提供することができる。
【００３１】
請求項２に対応する効果：遮蔽体に焼成温度で安定性の高いセラミック材料からなる板を用いることにより、容易に信頼性の高い圧電素子ユニットを得ることができる。
【００３２】
請求項３に対応する効果：遮蔽板に表面性の良いセラミック板を用いることにより、より信頼性の高い圧電素子ユニットを提供することができる。
【００３３】
請求項４に対応する効果：遮蔽体にグリーンシート等を用いて、圧電材料を遮蔽することにより、より効果的に焼成時に発生する圧電材料から構成する元素または分子の抜けを抑制することができ、高性能で信頼性の高い圧電素子ユニットを提供することができる。
【００３４】
請求項５に対応する効果：シリコン基体と圧電素子ユニット間に１層以上からなる中間層を配置させたため、シリコン基体中への鉛の拡散を防止することができる。
【００３５】
請求項６に対応する効果：インクジェット（圧電）ヘッドを、請求項１〜５のいずれかに記載された製造方法で製造された圧電素子ユニットを用いて製造することにより、低コストで信頼性の高いインクジェットヘッドの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な圧電素子ユニットの概略断面図図である。
【図２】本発明の圧電素子ユニットを用いたインクジェット圧電ヘッドの概略断面図である。
【図３】セラミック板中の鉛の深さ方向とＰｂ濃度との関係を示す図である。
【図４】遮蔽体としてグリーンシートを用いた圧電素子ユニットの概略断面図である。図４（Ａ）はグリーンシートの形成を、また、図４（Ｂ）はグリーンシトを持った圧電素子ユニットの製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明を適用可能な他のインクジェット圧電ヘッドの概略断面図である。
【符号の説明】
１…基体、２，３…電極、４…圧電材料層（圧電体）、５…圧力室、６…ノズルプレート、７…ノズル、８…遮蔽体、９…グリーンシート、１０…中間層。
【図１】
0003592057.tif 000003
【図２】
0003592057.tif 000004
【図３】
0003592057.tif 000005
【図４】
0003592057.tif 000006
【図５】
0003592057.tif 000007