(57)【要約】【課題】圧電型マイクロポンプの液体を充填とする圧力室の圧電体層と積層された振動板（ダイヤフラムの振動膜）層側の壁は従来、接着剤で接合していたので、接着剤のはみ出しなどにより圧力室壁の精度が低くなり、その結果、圧力室から吐出される液体量のバラツキの原因となっていた。【解決手段】マイクロポンプの振動板層に、無電解めっき法で、接着剤無しに直接的に、振動特性に影響を及ぼさない高さまで、圧力室壁の一部分を形成し、その上に、有機接着剤を用いて、従来の圧力室基板を継いで接合した構造の圧力室をもつ構成にしてマイクロポンプを製造する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が充填される圧力室と、孔をもつ圧力室板と、その圧力室板の一方の面に圧電体層、電極層および振動板層を含む層が積層されて接合され、さらに上記圧力室板の他方の端の面に液体を吐出できるノズル孔を配したノズル孔板が接合されてなり、上記圧力室の容積が減少するように上記積層方向に変形して前記圧力室内の液体を吐出させる圧電素子を備えたマイクロポンプであって、第１の電極層上に圧電体層を設け、前記圧電体層上に第２の電極層を設けて圧電素子を形成し、前記圧電素子の第２の電極層上に振動板層を設け、前記第２の電極層が形成されていない側の振動板層の表面に圧力室板を接合し、前記圧力室板に液体を供給する流路が形成された基板で液体を押し出すノズル孔基板とが接着されたマイクロポンプにおいて、
前記圧力室は、振動板層上に圧力室下地層が配置され、前記圧力室下地層上に、接着剤を介さずに直接，第１の圧力室部材が配置され、前記第１の圧力室部材上に、第２の圧力室部材が第１の接着層を介して接合され、前記第２の圧力室部材上に、第２の接着層を介して液体吐出ノズル孔を有するノズル板と接合された構造である、ことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
第１の圧力室部材がＮｉ，Ｃｕ、Ａｕ，Ｐｔのいずれかの金属で作成されたことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
第１の圧力室部材の厚みが１１から３０（ｍで有ることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
第１の圧力室部材が無電解めっき法により作られた金属材料であることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
シリコン基板上に第１の電極層を形成し、前記第１の電極層上に圧電体層を設け、前記圧電体層上に第２の電極層を設けて圧電素子を形成し、前記圧電素子の第２の電極層上に振動板層を設け、前記第２の電極層が形成されていない側の振動板層の表面に、圧力室下地層を形成し、前記圧力室下地層上に、接着剤を介さずに直接，第１の圧力室部材を形成し、前記第１の圧力室部材の表面に接着剤を塗布して第１の接着層を形成し、第２の圧力室部材を第１の接着層を介して接合し、第２の圧力室部材の表面に接着剤を塗布して第２の接着層を形成し、前記第２の接着層を介して液体吐出ノズル孔を有するノズル板と接合することを特徴とするマイクロポンプの製造方法。
【請求項６】
第１の圧力室部材が無電解めっき法によって形成されたことを特徴とする請求項５記載のマイクロポンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気機械変換機能を呈する圧電薄膜材料を用い、液体が充填される圧力室と、この圧力室の容積が減少するように変形して圧力室の液体を吐出させる圧電素子とを備えたマイクロポンプおよびその製造方法に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、液体のある一定量を精度良く、吐出させるマイクロポンプとして、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する圧電素子を備えたものが知られている。この圧電素子は、ペロブスカイト型の結晶構造のチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）（以下、「ＰＺＴ」と記す）などからなる圧電体層と、この圧電体層の厚み方向両表面にそれぞれ形成された二つの電極層と、この一方の電極層表面に接して設けられた振動板層とが積層されて構成されている（なお、振動板層が導電性材料の場合は一方の電極層を兼ねる場合もある）。上記の二つの電極層の間に電圧が印加されて圧電素子がその積層方向（厚み方向）に対して垂直な方向に伸縮すると、その伸縮が振動板層に拘束されることで圧電素子は圧力室側に凸状態に撓んで変位する。この撓み変形で圧力室内に圧力が生じ、この圧力で圧力室内に充填されている液体が、この圧力室に連通するノズル孔より外部へ吐出されるようになっている。
【０００３】
上記のようなマイクロポンプの一例として、このマイクロポンプの集合体のインクジェットヘッドを製造する方法としては、単結晶ＭｇＯからなる下地基板上に、電極膜（個別電極膜）、圧電体膜、電極膜（共通電極膜）および振動板膜を順次スパッタリングにより形成して圧電素子を作製し、その後、この圧電素子の振動板層表面に、圧力室を構成するための圧力室形状の孔を有する圧力室部材基板をアライメントして接着剤により接合し、次いで、上記の下地基板をエッチング除去する方法で、マイクロポンプの集合体のインクジェットヘッドが作られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−７１４４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の接着方法の場合、マイクロポンプの集合体は、圧電素子の振動板表面への圧力室部材基板の接着において、圧力室の隔壁と振動板表面の隙間をきっちりと接着できずに接着剤がはみ出したり、少なすぎたりすることや、接着層が柔らかい材料でできているために振動板の振動の節を精密に規制することができなくなり、圧力室のそれぞれのマイクロポンプの振動の周波数特性や変位量のばらつきが大きくなり易くなり、その結果、マイクロポンプの液体の吐出量にばらつきが生じ易くなるという欠点があった。
【０００６】
また、上記の接着剤を用いない場合、電鋳法で２００μｍ近くの厚みまで金属膜を形成するので、電鋳成膜時の基板への電界のかかり方が異なるため、電鋳金属膜の成長速度が場所場所のよって異なり、結果的に下地基板の上に成長した圧力室金属部材の厚みにばらつきがおこるという欠点があり、圧力室の厚みを均一にするためには、圧力室の電鋳金属膜を形成後、表面を精密に研磨して厚みを一定にする必要があり、工程が複雑になり、歩留まり良く作るのが困難であるという欠点があった。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的にするところは、圧電素子上に圧力室部材を形成してなるマイクロポンプやその集合体が、常に一定の液体吐出ができる精密ポンプとして提供することであり、それを製造できる方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、ポンプの駆動による液体吐出精度にかかわる圧電素子の振動部分の大きさが精密に規制できるように、接着剤を用いずに、所定量の厚みの液体が保持される孔形状の第１の圧力室部材を直接的に圧電素子の一方の表面に形成し、さらに、前記圧力室部材上に、接着剤を用いて上記の液体が保持される孔と同形状の孔を有する第２の圧力室部材を張り合わせで圧力室を形成し、その上に、接着剤を用いて、液体吐出ノズル孔を有するノズル板を接着した構造のマイクロポンプである。
【０００９】
ここで、第１の圧力室部材の厚みは１１μｍから３０μｍの範囲であることが望ましい。
【００１０】
また、第一の圧力室部材の材質は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔから選ばれた金属材料が望ましい。
【００１１】
また、第一の圧力室部材の材質は、無電解めっき法でつくられた金属材料が望ましい。
【００１２】
また、第１の圧力室部材と第２の圧力室部材を接着して形成される圧力室の厚みは１００μｍから３００μｍの範囲にあることが望ましい。
【００１３】
さらに、本発明は、ポンプの駆動による液体吐出精度にかかわる圧電素子の振動部分の大きさが精密に規制できるように、接着剤を用いずに、ある一定量の厚みの液体が保持される孔形状の第１の圧力室部材を直接的に圧電素子の一方の表面に形成し、さらに、前記圧力室部材の上に、接着剤を用いて上記の液体が保持される孔と同形状の孔を有する第２の圧力室部材を張り合わせで圧力室を形成し、その上に、接着剤を用いて、液体吐出ノズル孔を有するノズル板を接着してつくられるマイクロポンプ製造方法である。
【００１４】
ここで、第１の圧力室部材の形成方法として、無電解めっき法が望ましい。
【００１５】
上記の発明により、液体吐出特性のばらつきが少ないマイクロポンプが歩留まり良く量産することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態におけるマイクロポンプを示す平面図である。表側平面図１（ａ）と裏側平面図１（ｂ）を示す。本実施の形態の圧電マイクロポンプ２０は、縦２．４ｍｍ、横１．４ｍｍで、高さ９５８μｍの大きさの四連の液体吐出機構をもつ構造体である。このマイクロポンプをＩ―ＩＩで切った断面図を図２に示す。また、ＩＩＩ―ＩＶで切った断面図を図３に示す。マイクロポンプ２０は、表側表面から厚み０．１μｍのＰｔ膜からなる第１の電極層１、厚み３．０μｍのＰＺＴ薄膜からなる圧電薄膜２、厚み０．１μｍのＰｔ膜からなる第２の電極層３、厚み５．０μｍのクロム合金からなる振動板層４の圧電素子構造体１０が配置されており、それに接してＰｄなどの金属材料の薄膜からなる厚み０．１μｍの圧力室形成下地層５があり、その下に液体を貯める長さ１３００μｍで幅１００μｍの４つの同形状の孔が存在する厚み２０μｍのＮｉ薄膜からなる第１の圧力室部材６と、その下に第１の圧力室部材６と同形状の孔が形成された厚み２２０μｍの板形状ガラス製の第２の圧力室部材８が配置されており、これらの圧力室部材６，８は、第１の接着層７（厚み５μｍ）で接合されており、さらに、第２の圧力室部材８は、第２の接着層９（厚み５μｍ）により、液体供給のためにあらかじめ流路室が加工され、かつノズル孔の外気と接する側に撥水膜処理された厚み７００μｍのノズル孔部材１１が接合された構造になっている。なお、圧電薄膜２とその上の第１の電極層１は、第２の電極層３と振動板層４の積層膜を挟んで、第１の圧力室部材６に形成されている孔の丁度真上に位置するように精密に配置されており、第２の電極層３の表面で、圧電薄膜２の無い部分は、一部分を除いて厚み３μｍの有機樹脂からなる電気絶縁膜１２でコーティングされている。さらに、この電気絶縁膜１２の表面上に、第１の電極層１の一端から素子の縁にＡｕ膜からなる上部引き出し電極１３が形成され、素子の反対側縁部分の電気絶縁膜１２の存在しない部分の第２の電極層３のむき出しになった部分の上部にＡｕ膜からなる下部引き出し電極１４が形成されている。
【００１８】
このマイクロポンプ２０では、吐出させたい液体は、流路室１５を通って素子外部から供給され、圧力室１６に送り込まれる。電圧を第１の電極層１と第２の電極層３に印加することにより圧電薄膜２の伸縮が起こり、それにより圧電素子構造体１０が、圧力室１６に入っている液体を押し出すように変位して、液体がノズル孔１７から吐出される。印加する電圧の大きさに正確に比例して圧電素子構造体の変位量が変化するので、印加する電圧の大きさで精密に液体の吐出量をコントロールできることになる。
【００１９】
次に、マイクロポンプ２０の製造方法について、図４を参照しながら説明する。図４は本発明の実施の形態におけるマイクロポンプの製造方法を示す工程図である。
【００２０】
まず、図４（ａ）に示すように、５ｍｍ角で厚み０．３０ｍｍの（００１）面が研磨されたシリコン基板３０の上に、縦２．４ｍｍで横１．４ｍｍの長方形の開口部をもつステンレス製マスク（厚み０．２ｍｍ）を用いて、ＲＦスパッタ法によって、厚さ０．１μｍのＰｔ膜からなる第１の電極層１を形成し、第１の電極層１の表面に正確に、同様の大きさの縦２．４ｍｍで横１．４ｍｍの長方形の開口部をもつステンレス製マスク（厚み０．２ｍｍ）を用いて、ＲＦスパッタ法によって、厚み３．０μｍのＰＺＴ薄膜からなる圧電体層２を形成した。ここで、ＰＺＴ薄膜の圧電体層２の製造方法については、後で詳細に説明する。さらに圧電体層２の表面に正確に、同様の大きさのステンレス製マスクを用いてＲＦスパッタ法によってＰｔからなる厚み０．１μｍの第２の電極層３を形成した。続いて、第２の電極層３の表面に正確に、同様の大きさのステンレス製マスクを用いてＲＦスパッタ法によってクロム合金からなる厚み５．０μｍの振動板層４を形成した（図４（ａ））。
【００２１】
圧電体層２は以下のようにして作製した。ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用い、成膜室内で、第１の電極層１が形成されたシリコン基板３０を６００℃まで加熱保持し、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ０．５３Ｔｉ０．４７Ｏ３）に酸化鉛（ＰｂＯ）をモル比で５モル％ＰｂＯを過剰に加えて調合した焼結体ターゲットを用いて、６００Ｗの高周波電力を印加して１２５分間スパッタリングすることによって、圧電体層を形成した。成膜時は、アルゴンと酸素の混合ガス（ガス体積比Ａｒ：Ｏ２＝１９：１）をスパッタリングガスとして用い、そのトータルガス圧力を０．３Ｐａに保持した。
【００２２】
次いで、上記と同様の大きさの長方形の開口部をもつステンレス製マスクを用いて、ＲＦマグネトロンスパッタ法によって、厚み０．１μｍのＰｄ膜からなる圧力室形成下地膜５を形成し、さらにその上に、ラミネータ装置を用いて、感光性ドライフィルムレジスト（厚さ４０μｍ）３１をコーティングした（図４（ｂ））。
【００２３】
次いで、長さ１，３００μｍ幅１００μｍの４つの同形状のパターン部分が残るようにつくられたフォトマスクを用いて、感光し、現像して、図４（ｃ）に示すように、短冊形状の樹脂膜３２を形成した。
【００２４】
続いて、この樹脂膜３１を持つ積層膜形成のシリコン基板をそのままＮｉ無電解めっき槽に入れて、８０℃で８時間、無電解めっきすることで、接着剤なしに直接に、厚み２０μｍのＮｉ膜による第１の圧力室部材６を形成した（図４（ｄ））。その後、ＫＯＨ水溶液を用いて、樹脂膜３２を除去した（図４（ｅ））。
【００２５】
次に、第１の圧力室部材６の上に、エポキシ系接着剤を用いて印刷法で塗布して、第１の接着層７を形成し、その上に正確に、感光性ガラスによって作成された第２の圧力室部材８を重ねて１０５℃に加熱して接着硬化した（図４（ｆ））。
【００２６】
次に、ＳＦ６ガスを用いて、プラズマ反応エッチング装置を使って、ドライエッチングを行い、シリコン基板３０を除去した（図４（ｇ））。
【００２７】
次に、シリコン基板３０がなくなり表面を現した、第２の電極層３と振動板層４の積層膜を挟んで、第１の圧力室部材６に形成されている孔の丁度真上に位置するように両面アライナー装置を用いて、精密にパターンして、フォトリソグラフィ工程（第１の電極層のＰｔ膜はドライエッチングでパターン除去し、圧電薄膜のＰＺＴ膜は希フッ酸によるウエットエッチングでパターン除去）を用いて、第１の電極層１とその下の圧電薄膜２を加工した（図４（ｈ））。
【００２８】
次に、圧電薄膜がパターン除去された第２の電極層３の表面上に、塗布法でポリイミド樹脂からなる電気絶縁膜１２を形成し（図４（ｉ））、続いて、上述と同様のエポキシ系接着剤を印刷法で塗布して、第２の接着層９を形成し、その上にあらかじめ流路室が加工され、かつノズル孔の外気と接する側に撥水膜処理された厚さ７００μｍのノズル孔部材１１を重ねて、１０５℃で圧着熱硬化して接合して（図４（ｊ））、さらに、ステンレス製マスクを用いて、蒸着法で厚さ０．１μｍのＡｕ膜の上部引き出し電極１３と下部引き出し電極１４を形成してマイクロポンプ２０を製造した。
【００２９】
上記のようにして作製した本発明のマイクロポンプ試料の圧電変位のばらつきを評価した。マイクロポンプ試料の流路室に純水を供給し、上部引き出し電極１３と下部引き出し電極１４を介して第１の電極層１と第２の電極層３との間に０Ｖからー１０Ｖの三角波電圧を印加し、駆動するマイクロポンプ試料の上部の第１の電極層１の中心部分の変位量をレーザードップラー測定装置を用いて測定した。周波数１００Ｈｚの電圧を印加した場合における変位量は、この試料の個々のノズルをもつ４つのポンプの１番目ポンプ，２番目ポンプ，３番目ポンプ，４番目ポンプの第１の電極のそれぞれが、０Ｖからー１０Ｖの電圧を印加した場合、２７．４ｎｍ、２７．４ｎｍ、２７．４ｎｍ．２７．４ｎｍとばらつきなく、変位していた。また、上記の１番目ポンプ，２番目ポンプ，３番目ポンプ，４番目ポンプの共振周波数を測定したが、それぞれ、２１１５ｋＨｚ、２１１４ｋＨｚ、２１１３ｋＨｚ、２１１５ｋＨｚとばらつきが非常に少ないことがわかった。
【００３０】
なお、第１の圧力室部材の材料は、無電解めっき法で作られたＮｉ以外に、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕであっても、同様な結果が得られ、また、その厚みも１１から３０μｍの範囲なら同様な結果が得られた。厚みが１０μｍ以下の場合は、共振周波数にばらつきが生じる場合があった。また厚みが３０μｍ以上の場合は、無電解めっき法で作られる第１の圧力室部材の厚みが面内でばらつきを生じる場合があった。その形成方法も、スパッタ法のような真空プロセスでも同じ結果が得られることがわかった。
【００３１】
次に、比較例として、以下に示す従来型のマイクロポンプの試料を作製した。
【００３２】
従来型の比較例試料は、作製工程の一部分を特開２０００−７１４４７号公報に従い、感光性ガラス製の圧力室部材（厚み２４０μｍ）を、接着剤で振動板層に直接に接合して作製した。上記の本発明のマイクロポンプとは、圧力室下地層５と第１の圧力室部材６が無いことと、厚み２２０μｍの感光性ガラス製の第２の圧力室部材８の代わりに、圧力室の容積が変わらないようにおなじ感光性ガラス製の圧力室部材で厚さが２４０μｍの部材を用いた点が異なるだけである。
【００３３】
本発明のマイクロポンプ試料と同様な評価の結果、周波数１００Ｈｚの電圧を印加した場合における変位量は、この試料の個々のノズルをもつ４つのポンプの１番目ポンプ，２番目ポンプ，３番目ポンプ，４番目ポンプの第１の電極のそれぞれが、０Ｖからー１０Ｖの電圧を印加した場合の変位量は、２７．３ｎｍ、２５．３ｎｍ、２５．９ｎｍ．２６．８ｎｍとばらつきが大きかった。また、上記の１番目ポンプ，２番目ポンプ，３番目ポンプ，４番目ポンプの共振周波数を測定したが、それぞれ、２１０１ｋＨｚ、２２２５ｋＨｚ、２１９０ｋＨｚ、２１５０ｋＨｚとばらつきが大きいことがわかった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、両側の電極層への電圧印加によって機械的変位する圧電体層とそれに接する振動板層と液体を充填する圧力室板と液体吐出ノズル孔のあるノズル板からなるマイクロポンプの圧力室部分が、圧電体層側を接着剤を用いずに直接に第１の圧力室部材を作り、続いて接着剤を用いて、第２の圧力室部材を接合し、さらにノズル板を貼り付けて構成にすることによって、圧電体層の振動の変位の節は正確に決まるので、変位のばらつきや共振周波数が一定にすることができ、その結果、液体吐出量のばらつきおよび信頼性の良好なマイクロポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるマイクロポンプの平面図
【図２】本発明の実施の形態におけるマイクロポンプの断面図で第１図のＩ―ＩＩの切断面を示す図
【図３】本発明の実施の形態におけるマイクロポンプの断面図で第１図のＩＩＩ―ＩＶの切断面を示す図
【図４】本発明の実施の形態におけるマイクロポンプの製造方法を示す工程図
【符号の説明】
１  第１の電極層
２  圧電薄膜
３  第２の電極層
４  振動板層
５  圧力室形成下地層
６  第１の圧力室部材
７  第１の接着層
８  第２の圧力室部材
９  第２の接着層
１０  圧電素子構造体
１１  ノズル孔部材
１２  電気絶縁膜
１３  上部引き出し電極
１４  下部引き出し電極
１５  流路室
１６  圧力室
１７  ノズル孔
２０  マイクロポンプ
３０  シリコン基板
３１  感光性ドライフィルムレジスト
３２  樹脂膜
【図１】
2004181884.tif 000003
【図２】
2004181884.tif 000004
【図３】
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【図４】
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