(57)【要約】【課題】  インクジェットに用いられる薄膜圧電体アクチュエータの形成方法において、振動板の支持部分の剛性を高めること、圧電素子の変位を効率良く振動板に伝えること。【解決手段】  基板上に形成された圧電素子と振動板からなり、基板の圧電素子に対応する部分の一部が空間であり、基板上の圧電素子が振動板で覆われているアクチュエータにおいて、振動板と振動板の支持部分がメッキ処理による金属からなること、振動板の厚さより支持部分の厚さが厚いこと、圧電素子の側面が振動板と接していないこと、を特徴とするアクチュエータ。【選択図】  図１
2007185871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された圧電素子と振動板からなり、基板の圧電素子に対応する部分の一部が空間であり、基板上の圧電素子が振動板で覆われているアクチュエータにおいて、
振動板と振動板の支持部分がメッキ処理による金属からなること、
振動板の厚さより支持部分の厚さが厚いこと、
圧電素子の側面が振動板と接していないこと、
を特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
振動板の厚さより支持部分の幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
メッキ処理による金属からなる振動板が多層構成であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項４】
基板上に圧電素子と振動板を形成する方法において、
(1)基板上に導電層を形成する工程と、
(2)基板上に圧電素子を形成する工程と、
(3)圧電素子の側面を覆うように型材となるパターンを形成する工程と、
(4)圧電素子および型材の上面に導電層を形成する工程と、
(5)メッキ処理により基板上の導電層から成長させ型材の周囲に金属膜を形成する工程と、
(6)型材を除去し振動板を形成する工程と、
(7)圧電素子の一部と基板の間に空間を形成する工程
を含み、圧電素子および型材の上面に形成された導電層が、基板上に形成された導電層と接触しないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ形成方法。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータを利用した液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッドに利用されるアクチュエータおよびアクチュエータ製造方法。
【背景技術】
【０００２】
パソコンの印刷装置としてインクジェット記録装置を用いたプリンタが、印字性能が良く、低コストなので広く利用されるようになっている。このインクジェット記録装置には、熱エネルギーによってインクに気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等が開発されている。
【０００３】
上記インクジェット記録装置のうち、圧電素子を用いたものは、インク吐出口に連通したインク流路と、そのインク流路の圧電素子に対応した圧力発生室と、この圧力発生室に対応して設けられた例えば圧電素子と、この圧電素子が接合された振動板膜と、を有する。圧電素子に所定の電圧を印加すると、圧電圧電素子が伸縮することによって、圧電素子と振動板膜とが一体となって振動を起こして圧力発生室内のインクが圧縮され、それによりインク吐出口からインク液滴が吐出するような構成である。熱エネルギーによるものより微小液滴を精度良く吐出することが可能であり、静電力によるものより周波数特性が良い。
【０００４】
ところで、近年、インクジェット記録装置においては印字性能の向上、特に高解像度および高速印字が求められている。このためには、１回のインクの吐出量を少なくし、さらに高速駆動をすることが必要となってくる。これらのことを実現するにあたって特開２００４−２５５８６９では、Ｓｉ基板上にインク流路に対応した型材を設ける工程と、型材を覆う様にインク流路の壁材を設ける工程と、基板の前記圧電素子に対応する部分を除去することにより基板に空間を形成する工程と、型材を除去して前記インク流路を形成する工程をこの順に含む製造方法で実現している。これにより容積が比較的小さい圧力発生室の寸法精度を型材の寸法精度で制御できる。また、基板上に型材が設けられた状態で基板に対する加工（圧電素子に対応する部分の除去）を施すので、強度的に比較的弱い壁材が影響を受けることを防止・低減することができる。これにより、圧力発生室を高精度に形成することができる。
【特許文献１】特開２００４−２５５８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方高速駆動するには、特開２００４−２５５８６９でも同様であるが、成膜技術により圧電材料を形成し、フォトリソグラフィ技術により圧力発生室に対応する形状にパターニングすることが有効である。これにより高速駆動だけでなく精密でかつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができる。
【０００６】
しかしこのようにスパッタ法やＣＶＤ法、蒸着法などの成膜で振動板の薄膜化を行った場合、振動板の支持部分も薄くなり耐久性が低くなるというデメリットが生じる。
【０００７】
また、特開２００４−２５５８６９のように振動板が圧電素子を覆うアクチュエータにおいて、圧電素子の側壁と振動板が接しており変位を阻害するというデメリットがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、インクジェットに用いられる薄膜圧電体アクチュエータの形成方法において、振動板の支持部分の剛性を高めること、圧電素子の変位を効率良く振動板に伝えることである。
【０００９】
本発明の第１は、基板上に形成された圧電素子と振動板からなり、基板の圧電素子に対応する部分の一部が空間であり、基板上の圧電素子が振動板で覆われているアクチュエータにおいて、
振動板と振動板の支持部分がメッキ処理による金属からなること、
振動板の厚さより支持部分の厚さが厚いこと、
圧電素子の側面が振動板と接していないこと、
を特徴とする。
【００１０】
本発明により、振動板の支持部分の剛性を高めることができ、さらにアクチュエータの側面と振動板が接していないので変位の阻害を無くし変位の効率を上げることができる。
【００１１】
本発明の第２は、振動板の厚さより支持部分の幅が大きいことを特徴とする。
【００１２】
本発明により、さらに振動板の支持部分の剛性をあげることができる。
【００１３】
本発明の第３は、メッキ処理による金属からなる振動板が多層構成であることを特徴とする。
【００１４】
本発明により、振動板に適切な特性（ポアソン比、ヤング率など）をあたえることができる。また最表面にＡｕを成膜すれば、振動板の表面がインクに侵されないようにすることができる。
【００１５】
本発明の第４は、基板上に圧電素子と振動板を形成する方法において、
(1)基板上に導電層を形成する工程と、
(2)基板上に圧電素子を形成する工程と、
(3)圧電素子の側面を覆うように型材となるパターンを形成する工程と、
(4)圧電素子および型材の上面に導電層を形成する工程と、
(5)メッキ処理により基板上の導電層から成長させ型材の周囲に金属膜を形成する工程と、
(6)型材を除去し振動板を形成する工程と、
(7)圧電素子の一部と基板の間に空間を形成する工程
を含み、圧電素子および型材の上面に形成された導電層が、基板上に形成された導電層と接触しないことを特徴とする。
【００１６】
本発明により、第１の発明の構成を簡易に作成することができる。
【００１７】
本発明の第５は、上記のアクチュエータを用いた液体吐出ヘッド。
【００１８】
本発明により、振動板の支持部分の剛性が高い、さらにアクチュエータの側面と振動板が接していないので変位の効率を高いアクチュエータを利用しているので、信頼性の高い、吐出効率の高い液体吐出ヘッドを製造することが可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、薄膜圧電体アクチュエータの製法において、金属振動板の支持部分の剛性を高めること、圧電素子の変位を効率良く振動板に伝えることである。また、振動板はＰＺＴを形成してから行うので、膜剥がれや膜の劣化は生じない。
【００２０】
以上のようなアクチュエータを利用することで、信頼性の高い、吐出効率の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明に係る製造方法によって製造された液体吐出ヘッドをインクジェット記録ヘッドの実施態様を示す模式的断面図である。
【００２２】
基板１００１には振動板の背面に空間１００２が空けられている。空間上部には圧電体薄膜１００３、上層電極１００４、下層電極１００５、メッキ処理によって形成された金属振動板１００６等が形成されている。さらにこれらの上に圧力発生室１００７が形成されている。図１の圧力発生室左端には吐出口１００８が形成されている。圧電体薄膜を接合した振動板の変形で生じた圧力によって吐出口からインクは吐出され媒体に印字される。圧力発生室の右端にはインクを供給するための連通孔（インク供給口）１００９が空けられていてインクタンクと繋がっている。
【００２３】
振動板を複数の圧力発生室に作用させることは構成上可能ではあるが微細な描画を行うには個々のノズルについて独立に液体の吐出の有無を調節できることが望ましい。従って、振動板は各圧力発生室ごとに独立している構成をとることが好ましい。
【００２４】
以下に、図面を用いてアクチュエータの形成方法説明する。図２は本発明のアクチュエータの形成方法を模式的に示す工程図である。以下に各工程について説明する。尚、以下の工程（１）〜（１２）は図２（１）〜（１２）に対応する。
【００２５】
（１）基板２００１を用意する。本発明における基板としてはＳｉ基板や石英基板などを用いることができる。所望の強度・耐熱性があればどの基板を用いても構わないが、微細加工技術による高集積・高密度な駆動回路を形成しやすい点や酸化して良質な絶縁膜を形成しやすい点から好適にＳｉ基板を用いる。
【００２６】
Ｓｉ基板に液体供給口や自由空間を形成する方法としては、ＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド）・ＫＯＨ（水酸化カリウム）などのアルカリ系エッチング液による異方性エッチングや、ＲＩＥ・ＤｅｅｐＲＩＥ（ＩＣＰ）などのドライエッチング、サンドブラストなどによる方法が可能であるが、微細加工が容易なのでアルカリ系エッチング液による異方性エッチングやＤｅｅｐＲＩＥ（ＩＣＰ）を好適に用いる。一度に多数の基板を処理を行う場合にはアルカリ系エッチング液をもちいた異方性エッチングを好適に用いる。
【００２７】
基板裏面からアルカリ系エッチング液による異方性エッチングやＤｅｅｐＲＩＥ（ＩＣＰ）を用いて液体供給口を形成する際に、基板を保護するためのエッチングストップ層２００２を形成する。熱酸化やＣＶＤ法などによって形成されるＳｉＯ２（シリコン酸化膜）膜やＳｉＮ（窒化シリコン）膜等が主に用いられる。パターンは基板に対して垂直にエッチング穴があくように、上面から見た図３のように狭角が70.5度をなす平行四辺形とし、平行四辺形の長辺および短辺は｛111｝と等価の面に平行になるように圧電素子を変位させるための空間および供給口を配置する。
【００２８】
また、図示はしていないが供給口を精度良く形成するために、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）のようなＳｉとエッチングに選択性のある材料を犠牲層を形成しても良い。犠牲層は裏面からエッチングが進行してエッチャントが犠牲層に到達するとＳiウエハよりエッチングレートが格段に速いので短時間にエッチングされ、犠牲層パターンに対応した開口部を開けることができるものである。
【００２９】
エッチングストップ層は膜応力の調整や密着性の向上のために２種以上の膜を積層しても良い。
【００３０】
（２）Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕなど低抵抗な金属材料で下層電極２００３を形成する。基板と電極の間にＴｉ、Ｔａなどの密着層を形成しても良い。
【００３１】
（３）電極上にスパッタ等の方法でチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の薄膜を堆積しパターニングして薄膜圧電体2004を形成し、圧電性を確保するために４００℃以上、結晶性を上げるために好ましくは６００℃以上の高温でアニールする。ＰＺＴは焼成前にパターニングしても良いし、後の上電極形成後にパターニングしても良い。
【００３２】
また、振動板の形成はＰＺＴを形成してから行うので、振動板に金属材料を使用することができる。ＰＺＴ焼成前に金属振動板を形成した場合、金属材料の拡散などによって膜剥がれや膜の劣化が生じる場合がある。また、単結晶ＰＺＴを形成する場合には材料の選択範囲が小さい。
【００３３】
（４）シード層となる導電層２００６を形成する。圧電素子の下層電極と接しないよう絶縁層２００５を形成してから導電層を形成する。シード層としてはＰｔ、Ａｕ、Ｃｕなど低抵抗な金属材料で下層電極を用いることができる。Ｔｉ、Ｔａなどの密着層を形成してから成膜しても良い。絶縁層としては、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）膜やＳｉＮ（窒化シリコン）膜等や絶縁性のある樹脂を用いることができる。
【００３４】
（５）圧電素子の周囲を覆うように型材２００７を形成する。型材レジストとしては、ＴＨＢシリーズ（ＪＳＲ製）やＰＭＥＲシリーズ（東京応化工業製）などが使用できる。当然これに限るものではない、メッキ液に耐性があり、後にアルカリ溶液や有機溶剤で除去可能なものであれば良い。圧電素子上にレジストが形成されないようパターニングして除去するか、研磨にて除去する。
【００３５】
（６）Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕなど低抵抗な金属材料で上層電極かつシード層となる導電層２００８を形成する。Ｔｉ、Ｔａなどの密着層を形成しても良い。ここで使用される金属材料はメッキ液に耐性がある必要があり、イオン化傾向の小さいものでなくてはならないこと、またＰｔに比べてＡｕがエッチングが容易であることからＡｕを好適に用いる。
【００３６】
（７）工程（６）で形成した金属膜をパターニングする。パターニングには工程（５）で使用したレジスト２００９と同じものを利用するのが好ましい。現像液、剥離液に同一のものを使用することができるからである。
【００３７】
（８）所望のマスクパターンで露光・現像を行い、圧電素子および型材の上面に形成された上層電極兼シード層が基板上に形成されたシード層と接触しない型材を形成することができる。
【００３８】
（９）メッキ処理により振動板および支持部分２０１０を形成する。メッキの種類としてはＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｕなどの単金属メッキ、合金メッキ、ＰＴＦＥなどを析出させる複合メッキなどがあげられる。
【００３９】
多層にして所望のヤング率・ポアソン比を得ることができる。また最表面にＡｕメッキを形成すれば、振動板の表面がインクに侵されないようにすることができる。
【００４０】
（１０）前工程で作成された基板の表面側をエッチャントから保護するため、耐アルカリ性を持ち後に有機溶剤などで除去可能な樹脂を基板表面に塗布したり、裏面側のみエッチャントに接触させることが可能な治具に基板を装着したりする。
【００４１】
裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分（裏面の平面図：図４参照）に、レーザー加工などによる先導孔４００３を開けても良い。これにより異方性エッチングの際に平行四辺形の狭角から発生する斜めの｛１１１｝面が抑制される。この先導孔はエッチングストップ層に限りなく近くまであけるのが良い。当然基板を貫通してはならない。
【００４２】
この基板をエッチャントに浸漬し、｛１１１｝面が出るように異方性エッチングすれば平面形状が平行四辺形の自由空間およびインク供給口を形成することができる。アルカリ系エッチャントとしてはＫＯＨ、ＴＭＡＨなどがあるが、環境の面からＴＭＡＨが好適に使用される。
【００４３】
エッチング後は、耐アルカリ性の保護膜を利用した場合には有機溶剤などで除去する。治具を使用した場合には基板を治具よりはずす。
【００４４】
（１１）エッチングストップ層をドライまたはウェットエッチングで除去する。
【００４５】
（１２）型材レジストを除去する。
【００４６】
以上で本発明のアクチュエータが完成する。この後、ノズル・液室などの流路構造体が形成された基板を貼り合わせることで本発明のアクチュエータを適用したインクジェット記録ヘッドが完成する。（図１）当然、ノズル・液室などの流路構造体の形成方法についてはこれに限るものではない。
【実施例１】
【００４７】
本実施例のより具体的な実施例に係る製造方法を説明する。基板として厚さ６３５μｍの面方位｛１１０｝を持つ６インチのＳｉ基板を用いた。熱酸化してＳｉ熱酸化膜を１μｍ形成した。基板の裏面のＳｉ熱酸化膜に圧電素子とインク供給口に対応する領域にパターニングを行いエッチングマスクを形成した。この時｛１１１｝面に対して平行に平行四辺形の長辺がくるように形成した。
【００４８】
下電極の密着層としてＴｉを厚さ４ｎｍ、下層電極はＰｔを厚さ１５０ｎｍ、圧電体薄膜はＰＺＴを厚さ４μｍを形成し、パターニングして、酸素雰囲気下で所望の温度・時間で焼成した。絶縁層としてプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮを形成した後、シード層の密着層としてＴｉを厚さ４ｎｍ、下層電極はＡｕを厚さ１５０ｎｍを形成した。
【００４９】
ＰＭＥＲ  ＬＡ−９００ＰＭ（東京応化工業株式会社製）をＰＧＭＥＡで希釈しスピンナで５μｍ形成し乾燥後パターニングした。型材の表面側から見たサイズは短辺８０μｍ、長辺３ｍｍであった。また型材は短辺方向に平行に並べた。スパッタ法により密着層としてＴｉを４ｎｍ成膜した後、上層電極かつシード層となるＡｕを５０ｎｍ成膜した。その後ＰＧＭＥＡで希釈したＰＭＥＲ  ＬＡ−９００ＰＭを使ってパターニングした。さらに露光・現像して、圧電素子および型材の上面に形成された上層電極兼シード層が基板上に形成されたシード層と接触しない型材を形成することができた。
【００５０】
次に電気メッキでＮｉ層を６μｍ形成し、その後無電解メッキによりＮｉを２μｍ形成した。電気メッキと無電解メッキの複数層で形成される４μｍの振動板が形成された。支持部分は８μｍの厚さとなる。
【００５１】
次に基板表面側を保護するために環化ゴム系樹脂のＯＢＣ（東京応化工業製）を塗布した。その後、裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分にレーザー加工で先導孔を開けた。先導孔の深さは基板の厚さの８０％にした。基板に対してＴＭＡＨ２２ｗｔ％、８０℃にて所望の時間、異方性エッチングを行った。その後エッチングストップ層であるＳｉ熱酸化膜をウェットエッチングにて除去し、その後ＯＢＣをキシレンで除去した。最後にダイレクトパス（ダイレクトパスは登録商標です）（荒川化学工業製）を使って型材を除去した。この時、溶剤としてはパインアルファ（パインアルファは登録商標です）ＳＴ−３８０（荒川化学工業株式会社製）を使用した。
【００５２】
厚さ１００μｍの面方位｛１００｝を持つ６インチのＳｉ基板に液室とノズルなどの流路構造体をＩＣＰで形成し、上記アクチュエータが形成された基板に接着剤で貼り合わせた。撥水性・感光性を持つドライフィルムをノズル面に貼りパターニングしノズル面に撥水性を持たせた。
【実施例２】
【００５３】
電気メッキでＮｉ層を６μｍ形成し、その後無電解メッキによりＮｉを２μｍ形成した後、無電解メッキによりＡｕを０・５μｍ形成した以外は実施例１と同様に作成した。これにより、振動板がインクにより侵されることを防ぐことができる（図5）。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明によるインクジェットヘッドの断面模式図
【図２】実施例１のアクチュエータの形成フロー
【図３】本発明による基板の表面模式図
【図４】本発明による基板の裏面模式図
【図５】実施例２のインクジェットヘッドの断面模式図
【符号の説明】
【００５５】
１００１  基板
１００２  振動板背面の空間
１００３  圧電体薄膜
１００４  上層電極
１００５  下層電極
１００６  金属振動板
１００７  圧力発生室
１００８  吐出口
１００９  インクを供給するための連通孔（インク供給口
２００１  基板
２００２  エッチングストップ層
２００３  下層電極
２００４  薄膜圧電体
２００５  絶縁層
２００６  シード層
２００７  導電層
２００８  導電層
２００９  レジスト
２０１０  メッキ処理による振動板および支持部分
３００１  圧電素子に対応する領域
３００２  供給口に対応する領域
４００１  圧電素子に対応する領域
４００２  供給口に対応する領域
４００３  先導孔
５００１  基板
５００２  振動板背面の空間
５００３  圧電体薄膜
５００４  上層電極
５００５  下層電極
５００６  金属振動板
５００７  圧力発生室
５００８  吐出口
５００９  インクを供給するための連通孔（インク供給口）
５０１０  Ａｕ
【図１】
2007185871.tif 000003
【図２】
2007185871.tif 000004
【図３】
2007185871.tif 000005
【図４】
2007185871.tif 000006
【図５】
2007185871.tif 000007