(57)【要約】【課題】  単純な構造で、かつ同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる圧電膜型アクチュエータ、および、その圧電膜型アクチュエータを用いて、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能な液滴噴射装置、さらにそれらの製造方法を提供すること。 【解決手段】  ステンレス基板１０の内部に圧力室１７を含む流路構造が形成され、圧力室１７の上部に拡散防止層１５、圧電不活性層１４、下部電極１３、圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層されてなり、下部電極１３と上部電極１１との間に印加される電圧によって生ずる圧力室１７の上部の振動を介して圧力室１７内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射する。【選択図】図２
2011086641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、拡散防止層、圧電不活性層、下部電極、圧電活性層、上部電極が順次積層されてなり、前記圧電活性層は圧電膜からなり、前記圧電膜に電圧を印加することによって生ずる変位を利用して物体を駆動することを特徴とする圧電膜型アクチュエータ。 
【請求項２】
前記圧電不活性層は前記圧電膜と同じ材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電膜型アクチュエータ。
【請求項３】
前記基板の材料がステンレス、シリコン、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電膜型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電膜型アクチュエータの基板の内部に圧力室を含む流路構造を形成し、該圧力室の上部に前記拡散防止層を積層し、該圧力室の上部の振動を介して該圧力室内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射することを特徴とする液滴噴射装置。 
【請求項５】
前記圧電不活性層と前記圧電活性層はエアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電膜型アクチュエータの製造方法。 
【請求項６】
前記圧電不活性層と前記圧電活性層はエアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする請求項４記載の液滴噴射装置の製造方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電膜に生ずる振動などの変位を利用する圧電膜型アクチュエータ、その圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置、およびそれらの製造方法に関し、特に基板上に圧電膜を形成した圧電膜型アクチュエータ、および基板内に液体の流路構造を有し、圧電膜を変形させることで液滴を噴射する液滴噴射装置、およびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に圧電膜を形成してなる圧電膜型素子は、センサやアクチュエータに広く用いられている。一般に圧電膜型素子は、基板と、その上に形成された圧電膜と、その圧電膜を挟むようにその両面に形成された電極（上部電極、下部電極）とからなる。センサでは圧電膜の変位によりその電極間に発生する電圧を利用して振動などの変位を検出し、アクチュエータでは、その電極間への印加電圧により、圧電膜の膜厚方向もしくは膜厚に垂直な方向に生ずる伸縮による変位を利用して物体の駆動を行う。このようなアクチュエータ、すなわち圧電膜型アクチュエータは、その構造から、小型化可能であり、かつ、低電圧で大きな変位量が得られるのが特徴である。このような圧電膜型アクチュエータの応用例として、液滴を噴射する装置、具体的にはインクジェットプリンタ等がある。
【０００３】
圧電膜型アクチュエータなどの圧電素子を使用した液滴噴射装置は圧電素子の歪みを利用して圧力室に充填された液体に圧力を伝達し噴射する原理に基づいて構造が設計されており、ヒーターで液体を加熱して液体を気化させたバブルにより液滴を噴射する原理に基づくバブル式と比較して、液体の種類によらず噴射できるという特徴を有している。そのため、このような圧電方式の液滴噴射装置は液晶ディスプレーのカラーフィルターの色材、有機ＥＬ、バイオ有機物、電極などの材料となる多様な液滴を噴射させる装置として、様々な産業分野での使用が検討されている。
【０００４】
液体を充填する圧力室を含めた流路構造を有する基板は、ステンレス、シリコン、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＺｒＯ２（ジルコニア）、ガラス、樹脂などを組み合わせた構造で構成されるのが一般的である。具体例としては、上記部材に流路パターンをエッチング加工により形成し、エッチングした部材同士を有機系接着剤で貼り付けることで作製される。
【０００５】
ステンレス基板やシリコン基板などに形成された流路構造の圧力室に充填された液体を噴射させるためには、圧電素子により液体に圧力を伝達する必要ある。従来は、その圧力を印加する圧電素子としてセラミックスとして焼結されたバルクの圧電体を使用し、それを基板に接着する方法が用いられてきた。
【０００６】
しかしながらこの方法では、基板に形成された流路や、圧力室のパターンの位置に合わせて圧電セラミックスを個別に配置する必要があるために、高い機械加工精度が必要なことや電極パターンを圧電セラミックス上に形成する必要があること、圧電セラミックスの焼結時の収縮による寸法精度をコントロールする必要があることなど、製造プロセスが複雑になるという課題がある。
【０００７】
そこで、製造プロセスが簡単でパターニング加工が容易な、圧電膜を基板上に形成して圧電膜型アクチュエータとする方法が検討されている。圧電膜を形成する方法としては、化学溶液法、スパッタ法、印刷、電気泳動等様々な方法があり、特許文献１においてはエアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法）が提案されている。ＡＤ法は、亜音速まで加速された微細な粒子を基板に衝突させることで、粒子を破砕、変形させ、新生面の形成や衝撃力に基づく物質移動を介した粒子間結合の形成により、基板面に膜を堆積させるという原理に基づく方法である。ＡＤ法による圧電膜の形成は、成膜速度が速く生産性に優れ、組成変動もなく、他の方式に比べて有利な圧電膜の製造方法である。
【０００８】
図３は従来の圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置の一例を示す部分断面斜視図である。図４は図３のＡ−Ａ部分断面図であり、基板内部に設けた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図である。図３および図４において、圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置１では、ステンレス基板１０の内部に液体の流路が略平行に整列して複数形成されており、各流路の一部には圧力室１７が設けられている。圧力室１７の上部には振動板１６がステンレス基板１０の一部として形成されている。ステンレス基板１０の表面にはステンレス基板１０と下部電極１３との間の相互拡散を防止するための拡散防止層１５が形成されている。さらに振動板１６の上部には拡散防止層１５を介して、下部電極１３、圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層され、作製されている。上部電極１１と下部電極１３の間に電圧を印加し、圧電膜である圧電活性層１２に生ずる歪みを利用して圧力室１７に充填された液体に圧力を伝達し、吐出口１８より噴射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２８３７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
インクジェットプリンタは印刷画質向上のために、インク吐出口の数を増やしてより高解像度な印刷を可能にすることが望まれている。そのためには圧力室も小型化する必要があり、各圧力室に圧力を伝達させるための圧電膜の面積も小さくなってしまう。その結果、圧電膜型アクチュエータを同じ電圧で駆動しても変位量が小さくなり、変形時の圧力室の体積変化量も小さくなるので、インクの吐出量が減少する、もしくは吐出不可になるという問題が生じる。駆動電圧を上げれば変位量を大きくすることは可能であるが、駆動電圧の上昇は消費電力の観点から望ましいことではない。
【００１１】
同じ駆動電圧で変位量を大きくするために、圧力室に圧力を伝達する振動板を薄くすることが考えられるが、圧電膜を含めた剛性が下がるためにインクからの圧力やインクの振動の押し返しなどの影響を受けやすくなり、インク吐出が不安定になるという問題が生じる。また、振動板が薄くなることで加工が困難になるという問題も生じる。
【００１２】
圧電膜を薄くすれば、同じ駆動電圧でも圧電膜に印加される電界強度は大きくなるので変位量は大きくできるが、やはり剛性が下がるので振動板を薄くした場合と同様の問題が生じる。
【００１３】
そこで本発明の課題は、単純な構造で、かつ同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる圧電膜型アクチュエータ、および、その圧電膜型アクチュエータを用いて、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能な液滴噴射装置、さらにそれらの製造方法を提供することにある。 
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明による圧電膜型アクチュエータは、圧電膜に電圧を印加することによって前記圧電膜に生ずる変位を利用する圧電膜型アクチュエータであって、基板上に、拡散防止層、圧電不活性層、下部電極、圧電膜からなる圧電活性層、上部電極が順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される電圧によって生ずる変位を利用することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による液滴噴射装置は、上記の圧電膜型アクチュエータを用い、前記基板の内部に圧力室を含む流路構造が形成され、該圧力室の上部に前記拡散防止層、前記圧電不活性層、前記下部電極、前記圧電活性層、前記上部電極が順次積層されてなり、該圧力室の上部の振動を介して該圧力室内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射することを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記圧電不活性層は前記圧電活性層を構成する圧電膜と同じ材料から構成されることが望ましい。また、前記基板の材料はステンレス、シリコン、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ガラスのいずれかであってもよい。
【００１７】
また、本発明は、基板上に、拡散防止層、圧電不活性層、下部電極、圧電膜からなる圧電活性層、上部電極を順次積層し、前記下部電極と前記上部電極との間に印加される電圧によって生ずる変位を利用することを特徴とする圧電膜型アクチュエータの製造方法、または、前記基板の内部に圧力室を含む流路構造を形成し、該圧力室の上部に前記拡散防止層、前記圧電不活性層、前記下部電極、前記圧電活性層、前記上部電極を順次積層してなり、該圧力室の上部の振動を介して該圧力室内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射することを特徴とする前記圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置の製造方法であって、前記圧電不活性層と前記圧電活性層は同じ材料を用いてエアロゾルデポジション法で形成することを特徴とする。ここで、前記基板の材料はステンレス、シリコン、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ガラスのいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の液滴噴射装置は、内部に流路構造が形成された基板の振動板上に、拡散防止層、圧電不活性層、下部電極、圧電活性層、上部電極が積層されて構成されている。すなわち、従来の構造と比較して、拡散防止層と下部電極の間に圧電不活性層を入れた点のみが異なっている。本発明は、本発明者等がこの圧電不活性層の挿入により、同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる効果が得られることを見出したことに基づくものである。すなわち、圧電膜型アクチュエータの部分が従来の圧電膜型アクチュエータと比べて同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくでき、これにより圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られるようになった。また、圧電不活性層が増えた分、振動部分の剛性も高くなるので、インクの振動の影響を受けにくくなり安定した液滴噴射が可能になった。また、圧電不活性層を追加するだけの単純な構造であり、圧電活性層の形成と同じプロセスを用いて圧電不活性層を形成することができるので設備投資を抑えることができる。また、圧電不活性層に圧電活性層と同じ材料を用いた場合、熱処理時の熱膨張係数の差による層剥離の問題も発生しないので製造が容易である。以上の結果から、本発明により、安価で、高品質、高信頼性の液滴噴射装置を提供することができる。なお、圧電不活性層を挿入したことにより、変位量を大きくできるのは、原因は明らかではないが、次のように考察できる。一般的に、板（または梁）を曲げた時、凸側に引張応力、凹側に圧縮応力が発生するが、厚み方向に対して、どちらの応力も生じない位置として中立線が存在する。単一材料で、厚み一定の単純な平板であれば、中立線は厚みの半分の位置になる。本発明では、厚みが薄いので電極層は拡散防止層を無視すれば、圧電層（活性層と不活性層両方）とステンレス層の２層構造と考えることにができる。圧電層とステンレス層はヤング率（剛性）が異なる材料のため、中立線の位置が、双方の厚みによって変わる。この中立線の位置によって、曲がりやすい（変位しやすい）位置があり、圧電不活性層を挿入していくことは、中立線の位置を変えて、曲がりやすい位置にきているために、変位が拡大できると考えられる。
【００１９】
すなわち、本発明により、単純な構造で、かつ同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくできる圧電膜型アクチュエータ、および、その圧電膜型アクチュエータを用いて、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能な液滴噴射装置が得られ、さらにそれらの製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による圧電膜型アクチュエータの一実施の形態の構成を示す断面図。
【図２】本発明による液滴噴射装置の一実施の形態を示す図であり、基板内部に設けた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図。
【図３】従来の圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置の一例を示す部分断面斜視図。
【図４】図３のＡ−Ａ部分断面図であり、基板内部に設けた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明による圧電膜型アクチュエータの一実施の形態の構成を示す断面図である。図１において、本実施の形態の圧電膜型アクチュエータ２は圧電膜に電圧を印加することによって圧電膜に生ずる変位を利用する圧電膜型アクチュエータであって、ステンレス基板２０上に、拡散防止層１５、圧電不活性層１４、下部電極１３、圧電膜からなる圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層されてなり、下部電極１３と上部電極１１との間に印加される電圧によって生ずる変位を利用するものである。拡散防止層１５はステンレス基板２０と圧電不活性層１４との間での相互拡散を防止するため形成されており、本実施の形態においては拡散防止層１５はステンレス基板２０の表面に形成された酸化皮膜層である。また、圧電不活性層１４は圧電活性層１２を構成する圧電膜と同じ材料から構成され、共にＡＤ法によって形成されている。そして、圧電活性層１２に圧電性を発現させるべく、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加して分極処理が行われる。
【００２３】
このように作製された圧電膜型アクチュエータは、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加すると、圧電活性層１２は逆圧電効果によって変位し、それに応じてステンレス基板１０も変位し、アクチュエータとして機能する。
【００２４】
図２は本発明による液滴噴射装置の一実施の形態を示す図であり、基板内部に設けられた圧力室とその上部に形成された圧電膜型アクチュエータ部分を示す断面図である。図２において、本実施の形態の液滴噴射装置３は、上記の実施の形態と同様な圧電膜型アクチュエータを用い、ステンレス基板１０の内部に圧力室１７を含む流路構造が形成され、圧力室１７の上部に拡散防止層１５、圧電不活性層１４、下部電極１３、圧電活性層１２、上部電極１１が順次積層されてなり、圧力室１７の上部の振動を介して圧力室１７内の液体に圧力を印加することにより液滴を噴射する。 
【００２５】
本実施の形態の液滴噴射装置のステンレス基板１０の形状は図３の従来の液滴噴射装置のステンレス基板１０と同じであり、図２は図３のＡ−Ａ断面の一部に対応している。すなわち、図３に示すように、ステンレス基板１０の内部には液体の流路が略平行に整列して複数形成されており、各流路の一部には圧力室１７が設けられている。圧力室１７の上部には振動板１６がステンレス基板１０の一部として形成されている。上述のように、拡散防止層１５はステンレス基板２０と圧電不活性層１４との間での相互拡散を防止する目的で形成され、また、圧電活性層１２と圧電不活性層１４は同じ材料から構成され、共にＡＤ法によって形成されている。そして、圧電活性層１２に圧電性を発現させるべく、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加して分極処理が行われている。 
【００２６】
このように作製された液滴噴射装置は、上部電極１１と下部電極１３の間に所定の電圧を印加すると圧電活性層１２は逆圧電効果によって変位し、それに応じて振動板１６も変位し、振動板１６の変形によって圧力室１７に充填されている液体に圧力が印加され、その結果図３に示す吐出口１８から液体が噴射する、という機能を有している。
【実施例】
【００２７】
次に、上記の実施の形態の液滴噴射装置およびその製造方法の具体的な一実施例ついて説明する。
【００２８】
図２のステンレス基板１０の材料として、Ａｌを含有したフェライト系ステンレス材を用いた。圧力室を含めた流路構造が構成されるように、複数のステンレス板をエッチング加工により形状を加工し、それらを積層して真空熱圧着し、一体化させて作製した。この時のステンレス基板１０の厚みは０．５２ｍｍ、圧力室１７の大きさは幅０．３５ｍｍ、長さ０．５５ｍｍ、高さ０．１ｍｍ、振動板１６の厚みは２０μｍである。
【００２９】
その後、ステンレス基板１０を大気中で１１００℃の熱処理を行うことで生成される酸化皮膜を拡散防止層１５とした。拡散防止層１５の厚さは約０．５μｍである。次に、拡散防止層１５上にＡＤ法によって圧電不活性層１４を形成した。材料として、圧電体であるジルコン酸チタン酸鉛（以下、ＰＺＴ）系材料を用いた。次に、下部電極１３として、スパッタ法によりＰｔ膜を厚さ０．５μｍ形成した。圧電活性層１２はＡＤ法によって、圧電不活性層１４と同じＰＺＴ系材料を使用して、厚さ８μｍ形成した。さらに圧電特性向上のため、９５０℃で熱処理を行った。次に、上部電極１１として、スパッタ法によりＡｕ膜を厚さ０．５μｍ形成した。その後、上部電極１１と下部電極１３の間に電圧を印加して分極処理を行って、液滴噴射装置とした。
【００３０】
このように作製された液滴噴射装置について、振動板１６の変位量と液滴噴射の可否を評価した。また、振動板、圧電不活性膜などを含めた振動部分の屈曲振動の共振周波数についても測定した。共振周波数は振動部の剛性と相関があり、剛性が高くなれば共振周波数も高くなるので、共振周波数を測定することにより振動部の剛性の高低を評価できる。
【００３１】
変位は、上部電極１１と下部電極１３の間に１ｋＨｚ、最大電圧２０Ｖ、最小電圧０Ｖとなる正弦波の電圧を印加した時の振動による最大の変位量をレーザドップラー変位計にて測定した。共振周波数はインピーダンスアナライザを用い、周波数を掃引しながら電圧を印加して上部電極１１と下部電極１３間のインピーダンスを測定し、インピーダンスが極小値となる周波数から求めた。液滴噴射は圧力室１７に純水を満たした状態で、上部電極１１と下部電極１３の間に１０ｋＨｚ、最大電圧２０Ｖ、最小電圧０Ｖ、デューティー比５０％となる矩形波の電圧を印加して、吐出口１８からの噴射状態を観察した。
【００３２】
表１に、圧電不活性層１４の厚さを変えていった場合の、変位量、共振周波数、液滴噴射の可否の評価結果を示す。圧電不活性層１４の厚さは、４μｍ、８μｍ、１２μｍの場合と、比較のため従来の構造の圧電不活性層１４がない場合、すなわち厚さ０μｍの場合について評価を行った。
【００３３】
【表１】
2011086641.tif 000003
【００３４】
従来構造の圧電不活性層１４がない場合、つまり厚さ０μｍの時の変位量が５０ｎｍであるのに対して、本発明の構造である圧電不活性層１４がある場合は、その厚さがそれぞれ、４μｍで６５ｎｍ、８μｍで７２ｎｍ、１２μｍで７４ｎｍと変位量が大きくなっていることが分かり、１２μｍでは変位量はほぼ飽和状態となっている。共振周波数も、圧電不活性層１４の厚さが、０μｍで７３３ｋＨｚ、４μｍで７５６ｋＨｚ、８μｍで７８４ｋＨｚ、１２μｍで８１６ｋＨｚと厚さが増えるに従い共振周波数が高くなっており、圧電不活性層１４があることで剛性が高い構造となっていることが分かる。液滴噴射については従来構造の圧電不活性層１４が０μｍの時では液滴噴射ができなかったが、本発明の構造では、圧電不活性層１４がいずれの厚さにおいても液滴噴射することができた。以上の結果から、本発明の有効性について確認することができた。
【００３５】
すなわち、本発明による圧電膜型アクチュエータは同じ駆動電圧でも振動板の変位量を大きくでき、その圧電膜型アクチュエータを用いた本発明による液滴噴射装置は、圧力室が小型化されても液体噴射に必要な変位量が得られ、かつ安定した液滴噴射が可能であることが確認できた。
【００３６】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的に合わせて設計変更可能である。例えば、前述の実施例では圧電材料としてＰＺＴ系を用いたが、これに限定されるものではなく、他の鉛系圧電材料や、チタン酸バリウムなどの非鉛系圧電材料でも構わない。また、基板の材料はステンレス基板以外にも、従来の材料であるシリコン、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ガラスを用いることができる。この場合も、基板の振動板の厚さを薄くしても圧電不活性層があることにより変位量および振動部の剛性を改善することができ本発明の効果を得ることができる。また、圧電不活性層は必ずしも圧電活性層と同じ材料でなくても同様な弾性定数を有する材料であれば本発明の効果が得られる。但し、同じ材料である場合の方が製造は簡単となる。また、本発明の圧電膜型アクチュエータおよび液体噴射装置の製造方法も上記の実施例に限定されるものではない。
【００３７】
本発明は、液体を圧電素子によって噴射する装置の広い分野で利用することができ、例えば印刷用やその他の産業用のインクジェット装置、医療用マイクロポンプなどで利用できる。また、本発明による圧電膜型アクチュエータは、液滴噴射装置の用途以外に、ミラー用光スキャナーなどの駆動用アクチュエータとしても利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１、３    液滴噴射装置
２    圧電膜型アクチュエータ
１０、２０    ステンレス基板
１１    上部電極
１２    圧電活性層
１３    下部電極
１４    圧電不活性層
１５    拡散防止層
１６    振動板
１７    圧力室
１８    吐出口
【図１】
2011086641.tif 000004
【図２】
2011086641.tif 000005
【図３】
2011086641.tif 000006
【図４】
2011086641.tif 000007