(57)【要約】【課題】  従来よりも拡散防止層による変位量の低下が小さい圧電膜型アクチュエータ、及びその圧電膜型アクチュエータを使った十分な吐出量の確保が可能な液滴噴射装置を提供すること。【解決手段】  アルミニウムを含有するステンレス基板１０上に下部電極１３、圧電膜１２、上部電極１１からなる３層構造を有する圧電薄膜型アクチュエータであって、前記３層構造はステンレス基板１０の表面を窒化処理して形成した窒化アルミニウム層からなる拡散防止層５の上に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを含有するステンレス基板上に下部電極、圧電膜、上部電極からなる３層構造を有する圧電薄膜型アクチュエータであって、前記３層構造は前記ステンレス基板の表面を窒化処理して形成した窒化アルミニウム層の上に形成されていることを特徴とする圧電膜型アクチュエータ。
【請求項２】
前記ステンレス基板はアルミニウムを含有するステンレス薄板を複数枚積層して拡散接合もしくは熱圧着によって一体化して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電薄膜型アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電膜はエアロゾルデポジション法により形成されてい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】
前記ステンレス基板の内部に圧力室を含む流路構造が形成され、前記圧力室の上部に前記窒化アルミニウム層および前記３層構造が形成されてなり、前記圧力室の上部の変位を介して前記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請求項１から３のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。
【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、およびその圧電膜型アクチュエータを用いた液滴噴射装置に関し、特にステンレス基板上に圧電膜を形成した圧電膜型アクチュエータ、およびステンレス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、図４は図３のＡ−Ａ断面図の一部分であり、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３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１６が設けられている。圧力室１６の上部には振動板１５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および圧電膜１２との間の相互拡散を防止するための拡散防止層１４が形成されている。さらに振動板１５の上部には拡散防止層１４を介して、下部電極１３、圧電膜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１２に生ずる歪みを利用して圧力室１６に充填された液体に圧力を伝達し、吐出口１７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】
このような圧電膜型アクチュエータにおいては、図３、図４に示すように、圧電膜１２を形成した後、圧電特性を向上させるために熱処理工程を施すのが一般的である。この時に熱処理条件によっては、圧電膜を構成している成分がステンレス基板１０に拡散することがある。これを防止するために、ステンレス基板１０の表面にあらかじめ拡散防止層１４が形成されている。
【００１１】
従来は、ステンレス基板１０を大気中で熱処理を行うことにより表面にステンレス基板１０中に含有するアルミニウムの酸化膜（酸化アルミニウム膜）を形成し、これを拡散防止層１４としていた。しかしながら、通常のステンレスのヤング率がおよそ２００ＧＰａであるのに対して、酸化アルミニウムのヤング率はおよそ４００ＧＰａと約２倍大きいため、圧電膜型アクチュエータが変位しにくくなるという課題があった。
【００１２】
また、この圧電膜型アクチュエータをインクジェットプリンタに適用しようとすると、変位量の低下によって圧力室１６の体積変化量も小さくなってしまうために、インクの吐出量が減少する、もしくは吐出ができなくなるといった課題もあった。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、消費電力の観点からは望ましいことではない。
【００１３】
そこで、本発明の課題は、従来よりも拡散防止層による変位量の低下が小さい圧電膜型アクチュエータ、及びその圧電膜型アクチュエータを使った十分な吐出量の確保が可能な液滴噴射装置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、アルミニウムを含有するステンレス基板上に下部電極、圧電膜、上部電極からなる３層構造を有する圧電薄膜型アクチュエータであって、前記３層構造は前記ステンレス基板の表面を窒化処理して形成した窒化アルミニウム層の上に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記ステンレス基板はアルミニウムを含有するステンレス薄板を複数枚積層して拡散接合もしくは熱圧着によって一体化して形成されていてもよい。
【００１６】
また、前記圧電膜はエアロゾルデポジション法により形成されていてもよい。
【００１７】
本発明による液滴噴射装置は、上記の本発明による圧電膜型アクチュエータを用い、前記ステンレス基板の内部に圧力室を含む流路構造が形成され、前記圧力室の上部に前記窒化アルミニウム層および前記３層構造が形成されてなり、前記圧力室の上部の変位を介して前記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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧電膜型アクチュエータにおいては、拡散防止層として窒化処理によって形成した窒化アルミニウムを使うことにより、従来と同様に拡散防止層としての機能が得られ、従来の拡散防止層として使用していた酸化アルミニウムよりも窒化アルミニウムの方がヤング率が小さいので、圧電膜型アクチュエータの変位量の低下を抑えることができる。また、液滴噴射装置に本発明の圧電膜型アクチュエータを用いることにより、液体噴射に必要な変位量を確保することができる。
【００１９】
以上のように、本発明により、従来よりも拡散防止層による変位量の低下が小さい圧電膜型アクチュエータ、及びその圧電膜型アクチュエータを使った十分な吐出量の確保が可能な液滴噴射装置が得られる。
【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における、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断面図の一部分であり、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１は、アルミニウムを含有するステンレス基板１０上に下部電極１３、圧電膜１２、上部電極１１からなる３層構造を有する圧電薄膜型アクチュエータであって、前記３層構造はステンレス基板１０の表面を窒化処理して形成した窒化アルミニウム層からなる拡散防止層５の上に形成されている。また、圧電膜１２はＡＤ法によって形成されている。そして、圧電膜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。
【００２３】
このように作製された圧電膜型アクチュエータ１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、圧電膜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における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２において、本実施の形態の液滴噴射装置２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１６を含む流路構造が形成され、圧力室１６の上部に拡散防止層５、下部電極１３、圧電膜１２、上部電極１１が順次積層されてなり、圧力室１６の上部の振動板１５の変位を介して圧力室１６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１６が設けられている。圧力室１６の上部には変位を生ずる振動板１５がステンレス基板１０の一部として形成されている。また、圧電膜１２はＡＤ法によって形成されている。そして、圧電膜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膜１２は逆圧電効果によって変位し、それに応じて振動板１５も変位し、振動板１５の変形によって圧力室１６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１７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、本発明の具体的な一実施例の液滴噴射装置を作製し、評価を行った結果について説明する。図１、図２に示すように、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、複数のステンレス薄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１６の大きさは幅０．４ｍｍ、長さ０．６ｍｍ、高さ０．１ｍｍ、振動板１５の厚みは２０μｍである。
【００２８】
このステンレス基板１０の表面にプラズマ窒化法にて窒化アルミニウム層を生成し、それを拡散防止層５とした。拡散防止層５の厚みは約０．１μｍである。次に、拡散防止層５上に下部電極１３として、スパッタ法によりＰｔ膜を約０．５μｍの厚さで形成した。次に下部電極１３上にＡＤ法によって圧電膜１２を約８μｍの厚さで形成した。圧電材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（以下、ＰＺＴ）系材料を用いた。さらに圧電特性の向上のため、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０．５μｍの厚さで形成した。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。
【００２９】
このように作製された液滴噴射装置について、ノズル６０チャンネル分の振動板１５の変位量と液滴吐出の可否を評価した。また、圧電膜１２の成分がステンレス基板中に拡散していないかも確認した。
【００３０】
変位量は上部電極１１と下部電極１３の間に１ｋＨｚ、２０ｐ−ｐの正弦波の電圧を印加した時の振動による最大変化量をレーザドップラー変位計にて測定した。液滴噴射は圧力室１６を含む流路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２０Ｖｐ−ｐ、デューティー比５０％の矩形波の電圧を印加して、吐出口１７からの液滴の吐出状態を観察した。矩形波の周波数は、圧力室１６から吐出口１７の流路構造内での純水のホルムヘルツ共振を考慮し、１０ｋＨｚとした。
【００３１】
表１に本実施例の液滴噴射装置と従来の液滴噴射装置の評価結果を示す。ここで、従来の液滴噴射装置は、拡散防止層を酸化アルミニウム層とした以外の構成は本実施例と同じである。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１において、従来の液滴噴射装置の振動板１５の変位量は平均で５６ｎｍだったのに対し、本実施例のそれは平均で７０ｎｍであり、約２５％変位量が向上した。液滴吐出に関しては、従来の液滴噴射装置では６０チャンネル中１２チャンネルで液滴吐出ができないチャンネルがあったのに対し、本実施例の液滴噴射装置では全てのチャンネルで液滴吐出を確認することができた。また本実施例の液滴噴射装置において、圧電膜成分のステンレス基板への拡散は観察されず、窒化アルミニウム層が拡散防止層として機能していることが確認できた。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。
【００３４】
なお、上記の実施例では窒化処理の方法としてプラズマ窒化法を用いたが、これに限定されるものではなく、ガス窒化法、塩浴窒化法等の他の手段で形成しても構わない。
【００３５】
また、ステンレス基板上への窒化アルミニウム層からなる拡散防止層の形成方法としてはスパッタなどの他の成膜方法も可能であるが、本発明のようにステンレス基板の窒化処理による方法は、低コストで欠陥の少ない安定した品質の薄膜が得られること、基板との密着性が優れることなどの利点があり、圧電膜型アクチュエータに適している。
【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。
【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    圧電膜型アクチュエータ
２、３    液滴噴射装置
５、１４    拡散防止層
１０    ステンレス基板
１１    上部電極
１２    圧電膜
１３    下部電極
１５    振動板
１６    圧力室
１７    吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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