(57)【要約】【課題】互いに重なり合う層間での密着性を改善できる圧電アクチュエータおよびインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。【解決手段】振動板２に導電性材料粒子Ｍ１とセラミックス粒子Ｍ２とを含むエアロゾルＺを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより下部電極３を形成する。このように、硬度の大きいセラミックス粒子Ｍ２を導電性材料粒子Ｍ１に混合して吹き付ければ、このセラミックス粒子Ｍ２が衝突の衝撃によって振動板２表面に食い込みつつ付着するため、振動板２と下部電極３との密着性を向上させることができる。さらに、下部電極３には、圧電層４を構成する材料である酸化物セラミックスと同質の酸化物セラミックスを含むこととなるため、下部電極３と圧電層４との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料粒子とセラミックス粒子を混合して混合物を得る工程と、
前記混合物を含むエアロゾルを基板に噴き付ける工程と、
を含む複合材料膜の製造方法。
【請求項２】
基板に導電性材料粒子とセラミックス粒子とを含むエアロゾルを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより一の電極層を形成する第１の電極層形成工程と、
前記一の電極層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、
前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第２の電極層形成工程と、
を含む圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記セラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアの粒子であり、前記導電性材料粒子はＡｇまたはＡｕの粒子である請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記第１の電極層形成工程の前に、前記基板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を規制するセラミックス粒子を含むエアロゾルを前記基板に噴き付けて付着させることにより拡散防止層を形成することを含む請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記第１の電極層を形成する部分にのみ前記拡散防止層を形成する請求項４に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記第１の電極層形成工程の後に、前記一の電極層に含まれる元素の前記圧電層への拡散を規制するセラミックス粒子を含むエアロゾルを前記一の電極層上に噴き付けて付着させることにより拡散防止層を形成することを含む請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記一の電極層形成工程において、前記導電性材料粒子の混合比を４重量％〜５０重量％とする請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
エアロゾルを構成する成分または組成を変えながらエアロゾルをエアロゾルデポジション法で噴き付けて多層膜を形成する工程と、
前記多層膜をアニール処理する工程と、
前記多層膜上に電極を形成する工程と、
を含む圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項９】
前記多層膜を形成する工程は、所定の比率で導電性材料粒子とセラミックス粒子を噴き付けて第一の電極層を形成することと、セラミックス粒子のみを含むエアロゾルを噴き付けて第二層を形成することと、所定の比率で導電性材料粒子とセラミックス粒子を噴き付けて第二の電極層を形成することとを含む請求項８に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１０】
前記第二層を形成する際のセラミックス粒子は圧電セラミックス粒子である請求項９に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１１】
前記第二の電極層を形成する際のセラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアであり、導電性材料粒子はＡｇまたはＡｕの粒子である請求項９に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１２】
請求項４に記載の製造方法によって製造された圧電アクチュエータと、インク流路を備えたインク流路形成体とを接合してなるインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板として金属製基板を使用し、
前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属製プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、
前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程と、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１３】
請求項７に記載の製造方法によって製造された圧電アクチュエータと、インク流路を備えたインク流路形成体とを接合してなるインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板として金属製基板を使用し、
前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属製プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、
前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程と、
を備えるインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１４】
基板と、
前記基板上に形成された第一の電極層と、
前記第一の電極層上に形成された圧電層と、
前記圧電層上に形成された第二の電極層と、
を備え、前記第一の電極層にはセラミックス粒子中に導電性材料が分散している圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
前記セラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアの粒子であり、前記導電性材料粒子はＡｇまたはＡｕの粒子である請求項１４に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料膜、圧電アクチュエータ、およびインクジェットヘッドの製造方法、並びに圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特開２００１−５４９４６号公報）には、インクジェットヘッド等に用いられる圧電アクチュエータの一例が開示されている。この圧電アクチュエータは、流路形成体においてノズル開口と連通する圧力室の開口部を閉じるように設けられる基板（振動板）を備え、この基板上に下部電極、圧電層、上部電極を積層したものである。下部電極と上部電極との間に電界を印加すると、圧電層の変形に伴って基板が撓み、圧力室内のインクが加圧されてノズル開口から吐出される。
【０００３】
このような圧電アクチュエータの製造方法としては、特許文献１で開示されているエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）と呼ばれるものがある。これは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの（エアロゾル）を基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させるものである。
【特許文献１】特開２００１−５４９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のようなＡＤ法により成膜した圧電膜には、基板を十分に撓ませるのに必要な圧電特性を得るために、アニール処理を施す必要がある。
【０００５】
しかし、例えば６００℃を越えるような高温でアニール処理を行うと、基板に含まれる元素が圧電膜中に拡散し、圧電特性を低下させてしまうことがある。特に、近年、安価で加工性に優れたステンレスを基板として使用したいという要望があるが、ステンレスは圧電膜中に拡散しやすいＦｅ、Ｃｒ等の金属元素を含んでいるため、この問題が顕著となる。そこで、圧電特性の向上を図るために、基板と圧電膜との間に拡散防止層としてアルミナなどの絶縁性酸化物の層を設けることが行われている。このような場合には、圧電層に電界を印加するために、拡散防止層と圧電層との間に下部電極が設けられる。
【０００６】
しかし、このように多くの層を積層する場合には、高温のアニール処理を経る間に、各層を構成する材料の熱膨張率に差によって重なり合う層の界面に応力が生じ、剥離が起こりやすくなってしまう。
【０００７】
また、インクジェットヘッドの製造においては、微細なインク流路が容易に形成できるようにインク流路形成体を金属材料から構成するとともに、このインク流路形成体と接合される圧電アクチュエータの基板については、インク流路形成体へ熱圧着する際の反り等の弊害を避けるために、インク流路形成体と熱膨張率が近いもの、すなわち同種の金属から構成することが好ましい。しかし、このように基板に金属製のものを使用する場合、基板に含まれる金属元素の圧電層への拡散が起こりやすい。このため、基板と圧電層との間に拡散防止層を設けることが必要となるが、このように多くの層を積層する必要がある場合、従来の方法では各層の密着性を確保する事は必ずしも容易ではなかった。
【０００８】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、互いに重なり合う層間での密着性を改善できる複合材料膜、圧電アクチュエータ、およびインクジェットヘッドの製造方法、並びに圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の態様に従えば、導電性材料粒子とセラミックス粒子を混合して混合物を得る工程と、前記混合物を含むエアロゾルを基板に噴き付ける工程とを含む複合材料膜の製造方法が提供される。
こうすることで、導電性材料粒子とセラミックス粒子を含む複合材料膜を容易に製造することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に従えば、基板に導電性材料粒子とセラミックス粒子とを含むエアロゾルを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより一の電極層を形成する第１の電極層形成工程と、前記一の電極層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第２の電極層形成工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法が提供される。
【００１１】
セラミックス粒子としては特に制限はなく、基板に衝突して食い込みが生じる程度の硬度を持ち、かつ、化学的に安定なものであればよい。具体的には、アルミナ、シリカ、ジルコニア、ムライト等の酸化物セラミックスを単独で、あるいは２種以上を混合して使用することができる。
【００１２】
導電性材料粒子は、電極の材料として一般的なものであれば特に制限はなく、例えば、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ等を単独で、あるいは２種以上を混合して使用することができる。特に、他の層への拡散が起こりにくいＰｔ、Ａｕ等が好ましい。電極としての導電性を確保するとともに、拡散による圧電層の圧電特性の低下を回避するためである。
【００１３】
また、基板および圧電材料としては、圧電アクチュエータの材料として通常に使用可能なものであれば特に制限はなく、例えば基板材料としてはステンレス鋼（ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４等）、４２Ａ合金、アルミナ、ジルコニア、チタン等を、圧電材料としてはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）等を単独で、あるいは２種以上を混合して使用することができる。
【００１４】
この場合、金属などの導電性材料粒子と比較して硬度の大きいセラミックス粒子を混合して基板へ噴き付けるので、このセラミックス粒子が衝突の衝撃によって基板表面に食い込みつつ付着するため、基板と一の電極層との密着性を向上させることができる。さらに、一の電極層には、その表面に積層される圧電層を構成する圧電材料（多くは酸化物セラミックスである）と同質で親和性の高い酸化物セラミックスを含むこととなるため、一の電極層と圧電層との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。これにより、圧電アクチュエータを構成する各層間の密着性を良好なものとすることができる。加えて、セラミックス粒子を混合することにより、比較的高価な導電性材料粒子の使用量を相対的に減らすことができるため、製造コストを削減することができる。
【００１５】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第１の電極層形成工程の前に、前記基板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を規制するセラミックス粒子を含むエアロゾルを前記基板に噴き付けて付着させることにより拡散防止層を形成することを含んでもよい。このように、拡散防止層を構成する粒子として比較的硬いセラミックス粒子を使用すれば、セラミックス粒子が衝突の衝撃によって基板表面に食い込みつつ付着するため、基板上に強く密着する。そして、この拡散防止層の上に形成する一の電極層は、拡散防止層と同質で親和性の高いセラミックス粒子を含有するので、拡散防止層との密着性が良く、熱膨張率の差による剥離が起こりにくい。このようにして、多くの層を積層する場合でも各層間の密着性を確保し、剥離を回避することができる。なお、一の電極層および拡散防止層を構成するセラミックス粒子は同一のものであっても良いし異なる種類のものであっても良いが、異なる種類のものを使用する場合には、上層のもの（後から付着させるもの）ほど硬度が高くなるようにすればよい。セラミックス粒子を付着層の表面に食い込ませて密着性を高めるためである。
【００１６】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第１の電極層を形成する部分にのみ前記拡散防止層を形成してもよい。この場合、拡散防止層が電極層を形成する部分にのみ形成されているので、拡散防止層が形成されていない部分については基板に含まれる元素が圧電層まで拡散し、圧電性能が落ちる。一方、拡散防止層が形成されている部分については拡散しないため、圧電性能を維持することができ、クロストークを抑制することができる。
【００１７】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第１の電極層形成工程の後に、前記一の電極層に含まれる元素の前記圧電層への拡散を規制するセラミックス粒子を含むエアロゾルを前記一の電極層上に噴き付けて付着させることにより拡散防止層を形成することを含んでもよい。この場合、拡散防止層は、一の電極層に含まれるセラミックス粒子と同質で親和性の高いセラミックス粒子により構成されるから、一の電極層との密着性が良く、熱膨張率の差による剥離が起こりにくい。つまり、各層間の密着性を確保し、剥離を回避することができる。本発明においても、一の電極層および拡散防止層を構成するセラミックス粒子は同一のものであっても良いし異なる種類のものであっても良いが、異なる種類のものを使用する場合には、上層のもの（後から付着させるもの）ほど硬度が高くなるようにすればよい。セラミックス粒子を付着層の表面に食い込ませて密着性を高めるためである。
【００１８】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記一の電極層形成工程における前記導電性材料粒子の混合比を４重量％〜５０重量％としてもよい。このような配合比によれば、導電性材料粒子による電極としての導電性の確保と、セラミックス粒子の下層への食い込みによる密着性の確保との両立を、より確実なものとすることができる。
【００１９】
本発明の第３の態様に従えば、エアロゾルを構成する成分または組成を変えながらエアロゾルをエアロゾルデポジション法で噴き付けて多層膜を形成する工程と、前記多層膜をアニール処理する工程と、前記多層膜上に電極を形成する工程とを含む圧電アクチュエータの製造方法が提供される。
【００２０】
この場合、エアロゾルの成分やその組成を変えながら連続的に多層膜を形成するので、各層を別個の工程で形成する方法に比べ、効率的に多層膜を形成することができる。したがって、圧電アクチュエータの製造工程の効率化につながる。
【００２１】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記多層膜を形成する工程は、所定の比率で導電性材料粒子とセラミックス粒子を含むエアロゾル噴き付けて第一の電極層を形成することと、セラミックス粒子のみを含むエアロゾルを噴き付けて第二層を形成することと、所定の比率で導電性材料粒子とセラミックス粒子を含むエアロゾルを噴き付けて第二の電極層を形成することを含んでもよい。この場合、導電性材料粒子とセラミックス粒子の比率を変えながら、第一の電極層、第二層、および第二の電極層を連続的に形成することができる。
【００２２】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第二層を形成する際のセラミックス粒子は圧電セラミックス粒子であってもよい。
【００２３】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法において、前記第二の電極層を形成する際のセラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアであり、導電性材料粒子はＡｇまたはＡｕの粒子であってもよい。
【００２４】
本発明の第４の態様に従えば、本発明の第２の態様の製造方法によって製造された圧電アクチュエータと、インク流路を備えたインク流路形成体とを接合してなるインクジェットヘッドの製造方法であって、前記基板として金属製基板を使用し、前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属性プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程とを備えるインクジェットヘッドの製造方法が提供される。
【００２５】
本発明の第５の態様に従えば、前記一の電極形成工程における、前記導電性材料粒子の混合比を４重量％〜５０重量％とする製造方法によって製造された圧電アクチュエータと、インク流路を備えたインク流路形成体とを接合してなるインクジェットヘッドの製造方法であって、前記基板として金属製基板を使用し、前記金属製基板と同種の金属からなる複数の金属製プレートのそれぞれに前記インク流路となる孔を形成し、前記複数の金属性プレートを積層して接合することにより前記インク流路形成体を形成するインク流路形成体形成工程と、前記インク流路形成体の上面に前記金属製基板を接合する接合工程とを備えるインクジェットヘッドの製造方法が提供される。
【００２６】
これらの場合、微細なインク流路を有するインクジェットヘッドにおいても、圧電アクチュエータを構成する層間での密着性を確保することができる。
【００２７】
本発明の第６の態様に従えば、基板と、前記基板上に形成された第一の電極層と、前記第一の電極層上に形成された圧電層と、前記圧電層上に形成された第二の電極層とを備え、前記第一の電極層にはセラミックス粒子中に導電性材料が分散している圧電アクチュエータが提供される。
【００２８】
この場合、第一の電極層に含まれるセラミックス粒子が基板の表面に食い込みつつ付着しているため、基板と第一の電極層との密着性が向上する。また、第一の電極層には、その表面に積層される圧電層を構成する圧電材料と同質で親和性の高い酸化物セラミックスを含むことになるので、第一の電極層と圧電層との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。したがって、圧電アクチュエータを構成する各層間の密着性を良好なものとすることができる。さらに、第一の電極層の成分としてセラミックス粒子を混入することにより、比較的高価な導電性材料粒子の使用量を相対的に減らすことができ、製造コストの削減につながる。
【００２９】
本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記セラミックス粒子はアルミナまたはジルコニアの粒子であり、導電性材料粒子はＡｇまたはＡｕの粒子であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
＜第１実施形態＞
以下、本発明を具体化した第１実施形態について、図１〜図４Ｂを参照しつつ詳細に説明する。図１には、本実施形態のインクジェットヘッド１０を示す。インクジェットヘッド１０は、インク２０が収容される複数の圧力室１６を備えた流路ユニット１１（インク流路形成体）と、この流路ユニット１１上に圧力室１６を閉じるように接合されたアクチュエータプレート１（圧電アクチュエータ）とを備えている。
【００３１】
流路ユニット１１は、全体として平板状をなしており、ノズルプレート１２、マニホールドプレート１３、流路プレート１４、および圧力室プレート１５（それぞれ金属製プレート）を順に積層するとともに、各プレート１２、１３、１４、１５を互いにエポキシ系の熱硬化性接着剤にて接合した構成となっている。
【００３２】
ノズルプレート１２は、ポリイミド系の合成樹脂材料にて形成されており、その内部にはインク２０を噴射するための複数のインク吐出ノズル１９が整列して形成されている。マニホールドプレート１３は、例えばステンレス（ＳＵＳ４３０）にて形成され、その内部には、インク吐出ノズル１９に接続する複数のノズル流路１８が設けられている。流路プレート１４は、同じくステンレス（ＳＵＳ４３０）にて形成されており、内部にノズル流路１８に連通した複数のプレッシャ流路１７が設けられている。圧力室プレート１５は同じくステンレス（ＳＵＳ４３０）にて形成され、その内部にはプレッシャ流路１７に連通した複数の圧力室１６が設けられている。圧力室１６は、流路プレート１４、マニホールドプレート１３に設けられた図示しないマニホールド流路、および共通インク室を介してインクタンクに接続されている。このようにして、インクタンクに接続された共通インク室から、マニホールド流路、圧力室１６、プレッシャ流路１７およびノズル流路１８を経てインク吐出ノズル１９へと至るインク流路Ｆが形成されている。
【００３３】
この流路ユニット１１に積層されるアクチュエータプレート１は、圧力室１６の壁面の一部を構成する振動板２（基板および金属製基板）と、この振動板２上に形成された下部電極３（一の電極層）と、この下部電極３上に積層された圧電層４と、この圧電層４上に設けられた上部電極５（他の電極層）とで構成されている。
【００３４】
振動板２は、例えばステンレス（ＳＵＳ４３０）にて矩形状に形成されており、流路ユニット１１の上面に熱圧着により接合されて、流路ユニット１１の上面全体を覆う形態となっている。なお、この振動板２は、流路ユニット１１を構成するマニホールドプレート１３、流路プレート１４、および圧力室プレート１５と同種の金属材料により形成されており、これにより、振動板２を流路ユニット１１に熱圧着する際の反りを防止することができる。なお、振動板２を導電性材料で形成したときは、下部電極３とともに共通電極として作用する。
【００３５】
この振動板２において流路ユニット１１に接する面と反対側の面には、圧力室１６の開口部１６Ａに対応する位置に、下部電極３が形成されている。下部電極３は、振動板２の面上において各圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域にそれぞれ設けられており、駆動回路ＩＣ（図示せず）のグランドに接続されている。この下部電極３は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、電極としての導電性を担保する導電性材料粒子Ｍ１と、振動板２に含まれる元素の圧電層４への拡散を防止する拡散防止機能、および圧電層４との密着性を担保するセラミックス粒子Ｍ２（図４Ｂを併せて参照）とで構成されており、拡散防止層を兼ねたものとなっている。
【００３６】
圧電層４は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体の圧電セラミックス材料から形成されており、振動板２との間で下部電極３を挟み込むようにしながら、振動板２の表面全体に均一な厚みで積層されている。この圧電層４は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、その厚み方向に分極するように分極処理が施されている。
【００３７】
この圧電層４の表面（振動板２に密着されている側と逆側の面）には、複数の上部電極５が備えられている。この上部電極５は、各圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域にそれぞれ設けられるとともに、駆動回路ＩＣに接続されており、駆動電極として使用される。
【００３８】
印刷を行う際には、駆動回路ＩＣから所定の駆動信号が発せられると、上部電極５の電位が下部電極３よりも高い電位とされ、圧電層４の分極方向（厚み方向）に電界が印加される。すると、圧電層４が厚み方向に膨らむとともに、面方向に収縮する。これにより、圧電層４および振動板２（即ちアクチュエータプレート１）において圧力室１６の開口に対応する領域が、圧力室１６側に凸となるように局所的に変形する（ユニモルフ変形）。このため、圧力室１６の容積が低下して、インク２０の圧力が上昇し、インク吐出ノズル１９からインク２０が噴射される。その後、上部電極５が下部電極３と同じ電位に戻されると、圧電層４と振動板２とが元の形状になって圧力室１６の容積が元の容積に戻るので、インク２０をインクタンクに連通するマニホールド流路より吸い込む。
【００３９】
さて、下部電極３および圧電層４は、エアロゾルデポジション法によって成膜されるものである。図２に、成膜装置３０の概略図を示した。この成膜装置３０は、材料粒子Ｍをキャリアガスに分散させてエアロゾルＺを形成するエアロゾル発生器３１、およびエアロゾルＺを噴射ノズル３７から噴出させて基板に付着させるための成膜チャンバ３５を備えている。
【００４０】
エアロゾル発生器３１には、内部に材料粒子Ｍを収容可能なエアロゾル室３２と、このエアロゾル室３２に取り付けられてエアロゾル室３２を振動する加振装置３３とが備えられている。エアロゾル室３２には、キャリアガスを導入するためのガスボンベＢが導入管３４を介して接続されている。導入管３４の先端はエアロゾル室３２内部において底面付近に位置し、材料粒子Ｍ中に埋没するようにされている。キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。
【００４１】
成膜チャンバ３５には、圧電層を形成する基板を取り付けるためのステージ３６と、このステージ３６の下方に設けられた噴射ノズル３７が備えられている。噴射ノズル３７は、エアロゾル供給管３８を介してエアロゾル室３２に接続されており、エアロゾル室３２内のエアロゾルＺが、エアロゾル供給管３８を通って噴射ノズル３７に供給されるようになっている。また、この成膜チャンバ３５には、粉体回収装置３９を介して真空ポンプＰが接続されており、その内部を減圧することができる。
【００４２】
次に、この成膜装置３０を用いて、インクジェットヘッド１０用のアクチュエータプレート１を製造する方法について説明する。
【００４３】
まず、図３Ａに示すように、ステンレスにより形成された振動板２を、流路ユニット１１における圧力室プレート１５の上面に位置合わせした状態で重ねて熱圧着により接合し、振動板２によって各圧力室１６を閉鎖する。
【００４４】
次に、図３Ｂに示すように、振動板２上に拡散防止層を兼ねる下部電極３を形成する（第１の電極層形成工程）。下部電極３は、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって形成する。まず、振動板２の表面において圧力室１６の開口部１６Ａから外れた領域に周知の方法でマスキング（不図示）を施し、成膜装置３０のステージ３６にセットする。次いで、エアロゾル室３２の内部に、材料粒子Ｍとして導電性材料粒子Ｍ１とセラミックス粒子Ｍ２との混合物を投入する。
【００４５】
そして、ガスボンベＢからキャリアガスを導入して、そのガス圧で材料粒子Ｍを舞い上がらせる。それととともに、加振装置３３によってエアロゾル室３２を振動することで、材料粒子Ｍとキャリアガスとを混合してエアロゾルＺを発生させる。そして、成膜チャンバ３５内を真空ポンプＰにより減圧することにより、エアロゾル室３２と成膜チャンバ３５との間の差圧により、エアロゾル室３２内のエアロゾルＺを高速に加速しつつ噴射ノズル３７から噴出させる。噴出したエアロゾルＺに含まれる材料粒子Ｍは振動板２に衝突して堆積し、下部電極３の層を形成する。
【００４６】
このとき、材料粒子Ｍが比較的柔らかい金属粒子などにより構成されていると、振動板２に衝突した粒子Ｍが板面にめり込むことができず、十分なアンカー層が形成されないため、下部電極３と振動板２との密着性が弱くなる。概念図としての図４Ａに示したように、粒子Ｍ１と振動板２を構成する粒子２ａとの間には、明確な境界が存在している。しかし本実施形態では、材料粒子Ｍのうちで適度な硬さをもつセラミックス粒子Ｍ２が振動板２の表面に高速で衝突し、これらが粉砕されつつ振動板２に適度にめり込んだ微細構造を取る。図４Ｂに示したように、下部電極３と振動板２の境界においても、粒子Ｍ１およびＭ２が振動板２の粒子２ａにめり込んでいる。これにより、粒界面が緻密で密着性の高い層を作ることができる。
【００４７】
続いて、マスキングを除去し、図３Ｃに示すように、圧電層４をエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって形成する（圧電層形成工程）。まず、下部電極３形成後の振動板２を成膜装置３０のステージ３６にセットする。次いで、エアロゾル室３２の内部に、材料粒子Ｍとして圧電材料の粒子を投入する。
【００４８】
そして、上記した第１の電極層形成工程と同様にしてエアロゾルＺを発生させ、振動板２に噴き付ける。噴出したエアロゾルＺに含まれる材料粒子Ｍは振動板２に衝突して堆積し、圧電層４を形成する。このとき、下部電極３には、圧電層４を構成する圧電材料である酸化物セラミックスと同質で親和性の良いセラミックス粒子Ｍ２を含むこととなるため、下部電極３と圧電層４との密着性も良好となる。
【００４９】
続いて、必要な圧電特性を得るために、形成した圧電層４のアニール処理を行う。このとき、ステンレス製の振動板２に含まれているＦｅ、Ｃｒ等の金属元素が圧電層４中に拡散していく。しかし、圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域、すなわち、電圧を印加することによって撓む領域には拡散防止層を兼ねる下部電極３が設けられているから、振動板２の金属元素が圧電層４へ拡散することはない。したがって、電圧の印加によって撓まされる領域において圧電特性を維持することができる。また、下部電極３にセラミックス粒子Ｍ２を含むことによって、振動板２−下部電極３間、および下部電極３−圧電層４間が強く密着しているから、熱衝撃による層間の剥離を回避することができる。
【００５０】
次に、図３Ｄに示すように、圧電層４の上面に上部電極５、および各上部電極５に接続した複数のリード部（図示せず）を形成する。上部電極５及びリード部を形成するには、例えば、圧電層４上の全域に導体膜を形成した後、フォトリソグラフィ・エッチング法を利用して所定のパターンに形成してもよく、あるいは圧電層４の上面に直接スクリーン印刷により形成しても良い。
【００５１】
この後、上部電極５−下部電極３間に通常のインク噴射動作時よりも強い電界を印加して、両電極間の圧電層４を厚み方向に分極する（分極処理）。以上によりアクチュエータプレート１が完成する。
【００５２】
以上のように本実施形態によれば、振動板２に導電性材料粒子Ｍ１とセラミックス粒子Ｍ２とを含むエアロゾルＺを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより、下部電極３を形成する。このように、硬度の大きいセラミックス粒子Ｍ２を導電性材料粒子Ｍ１に混合して噴き付ければ、このセラミックス粒子Ｍ２が衝突の衝撃によって振動板２の表面に食い込みつつ付着するため、振動板２と下部電極３との密着性を向上させることができる。さらに、下部電極３には、圧電層４を構成する材料である酸化物セラミックスと同質の酸化物セラミックスを含むこととなるため、下部電極３と圧電層４との密着性も良好となり、熱膨張率の差による剥離が起こりにくくなる。このようにして、アクチュエータプレート１を構成する各層間の密着性を良好なものとすることができる。加えて、セラミックス粒子Ｍ２を混合することにより、比較的高価な導電性材料粒子Ｍ１の使用量を相対的に減らすことができるため、製造コストを削減することができる。
【００５３】
また、セラミックス粒子Ｍ２として拡散防止効果を有するものを使用する。これにより、下部電極３を、拡散防止層を兼ねるものとすることができるため、別に拡散防止層を形成する工程が必要なくなり、製造工程を簡略化できる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について、図５Ａ〜図６Ｂを参照しつつ説明する。本実施形態の第１実施形態との相違点は、アクチュエータプレート４１において、振動板４２と下部電極４３との間に拡散防止層４６が設けられている点にある。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
図６Ｂに示す本実施形態のアクチュエータプレート４１は、第１実施形態と同様にインクジェットヘッド用のものであって、圧力室１６の壁面の一部を構成する振動板４２を備えている。この振動板４２上には、拡散防止層４６と、この拡散防止層４６上に積層された下部電極４３と、この下部電極４３上に積層された圧電層４４と、この圧電層４４上に設けられた上部電極４５とが設けられている。
【００５６】
本実施形態のアクチュエータプレート４１を製造するためには、まず、振動板４２を第１実施形態と同様に圧力室プレート１５の上面に位置合わせした状態で重ねて接合し、振動板４２によって各圧力室１６を閉鎖する（図５Ａ）。
【００５７】
次に、拡散防止層形成工程において、振動板４２上において圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域に、拡散防止層４６を形成する。（図５Ｂ）。拡散防止層４６は、第１実施形態と同様の成膜装置３０を用い、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により形成する。材料粒子Ｍとしては、振動板４２に含まれる元素の圧電層４４への拡散を防止する拡散防止機能を有する酸化物セラミックスの粒子（例えばアルミナ）を用いる。このとき、セラミックス粒子は比較的硬度が高いので、衝突の衝撃によって振動板４２の表面に食い込みつつ付着する。これにより、振動板４２と拡散防止層４６とが強く密着する。
【００５８】
次に、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、拡散防止層４６を形成した振動板４２の面上に、第１実施形態と同様の成膜装置３０を用いて、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により下部電極４３および圧電層４４を形成する。このとき、拡散防止層４６は、下部電極３に含まれる酸化物セラミックス（セラミックス粒子Ｍ２）と同質で親和性の良い酸化物セラミックスにより構成されるものであるため、拡散防止層４６と下部電極４３との密着性も良好となる。さらに、第１実施形態でも述べたように、下部電極４３には、圧電層４４を構成する圧電材料である酸化物セラミックスと同質で親和性の良いセラミックス粒子Ｍ２を含むこととなるため、下部電極４３と圧電層４４との密着性も良好となる。
【００５９】
続いて図６Ａに示すように、形成した圧電層４４のアニール処理を行う。このとき、圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域（すなわち、電圧を印加することによって撓む領域）には拡散防止層４６が設けられているから、振動板４２に含まれる金属元素の圧電層４４への拡散が防止される。したがって、第１実施形態と同様、電圧を印加することによって撓まされる領域において圧電特性を維持することができる。また、振動板４２と拡散防止層４６、拡散防止層４６と下部電極４３、および、下部電極４３と圧電層４４がそれぞれ強く密着しているから、熱衝撃による剥離を回避することができる。
【００６０】
この後、第１実施形態と同様に上部電極４５を形成し（図６Ｂ）、分極処理を行ってアクチュエータプレート４１が完成する。
【００６１】
以上のように本実施形態によれば、拡散防止層４６、下部電極４３、圧電層４４と、多くの層を積層する場合でも、各層間の密着性を確保し、剥離を回避することができる。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
【００６３】
＜実施例１−１＞
１．下部電極および圧電層の形成
（１）下部電極
成膜装置としては基本的には上記実施形態で使用した図２に示した装置と同様であるが、この実施例では図７に示すように第２のエアロゾル発生器４１およびボンベを更に有する装置を使用した。なお、第２のエアロゾル発生器４１も第１のエアロゾル発生器３１と同様に、内部に材料粒子Ｍを収容可能なエアロゾル室４２と、このエアロゾル室４２に取り付けられてエアロゾル室４２を振動する加振装置４３とが備えられ、エアロゾル室４２にはキャリアガスを導入するためのガスボンベＢが導入管３４を介して接続されている。まず基板としては、ステンレス（ＳＵＳ４３０）板の表面に厚さ１〜３μｍのアルミナ層を形成したものを用い、平均粒子径０．３〜１μｍのアルミナ粉末とＡｇ粉末とを９９：１の混合比で混合したものを、下部電極材料Ｍとして第１のエアロゾル室３２内に収容した。基板のアルミナ層上に、ノズル開口０．４ｍｍ×１０ｍｍ、成膜チャンバ内圧力２００Ｐａ、エアロゾル室内圧力３００００Ｐａ、キャリアガス種類Ｈｅ、ガス流量は４．５リットル／ｍｉｎ、ノズル−基板間距離１０〜２０ｍｍとして、第１のエアロゾル発生器３１からのエアロゾルの噴き付けを行い、ＡＤ法により下部電極層を形成した。下部電極層の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね１〜２μｍであった。
（２）圧電層
圧電層を形成するために、図７に示す第１のエアロゾル発生器３１と第２のエアロゾル発生器４１のノズル３７に対する切り換えを、バルブＶによって行った。上記のように形成した下部電極層上に、第２のエアロゾル室４２に収容された平均粒子径０．３〜１μｍのＰＺＴ粉末を、上記（１）と同様の条件で第２のエアロゾル発生器４１から噴き付けることにより、ＡＤ法により圧電層を形成した。圧電層の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね８μｍであった。
（３）アニール処理
続いて形成した圧電層のアニール処理を行った。マッフル炉（ヤマト工業株式会社製  ＦＰ１００）を８５０℃に昇温し、内部に圧電層形成後の基板を投入した。所定時間保持した後、基板を炉から取り出して自然冷却により室温まで冷却した。
２．試験
下部電極層形成後、および圧電層形成後の成膜状況を目視により観察した。また、抵抗測定器（デジタルマルチメータ  ＣＤＭ−１７０）により下部電極の表面抵抗を測定した。
【００６４】
＜実施例１−２＞
アルミナ粉末とＡｇ粉末との混合比を９８：２とした他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００６５】
＜実施例１−３＞
アルミナ粉末とＡｇ粉末との混合比を９６：４とした他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００６６】
＜実施例１−４＞
アルミナ粉末とＡｇ粉末との混合比を９０：１０とした他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００６７】
＜実施例１−５＞
アルミナ粉末とＡｇ粉末との混合比を７０：３０とした他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００６８】
＜実施例１−６＞
アルミナ粉末とＡｇ粉末との混合比を５０：５０とした他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００６９】
＜実施例２−１＞
下部電極材料として、ジルコニア粉末とＡｇ粉末とを９９：１の混合比で混合したものを用いた。その他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７０】
＜実施例２−２＞
ジルコニア粉末とＡｇ粉末との混合比を９８：２とした他は、実施例２−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７１】
＜実施例２−３＞
ジルコニア粉末とＡｇ粉末との混合比を９６：４とした他は、実施例２−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７２】
＜実施例２−４＞
ジルコニア粉末とＡｇ粉末との混合比を９０：１０とした他は、実施例２−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７３】
＜実施例２−５＞
ジルコニア粉末とＡｇ粉末との混合比を７０：３０とした他は、実施例２−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７４】
＜実施例２−６＞
ジルコニア粉末とＡｇ粉末との混合比を５０：５０とした他は、実施例２−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７５】
＜実施例３−１＞
下部電極材料として、アルミナ粉末とＡｕ粉末とを９９：１の混合比で混合したものを用いた。その他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７６】
＜実施例３−２＞
アルミナ粉末とＡｕ粉末との混合比を９８：２とした他は、実施例３−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７７】
＜実施例３−３＞
アルミナ粉末とＡｕ粉末との混合比を９６：４とした他は、実施例３−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７８】
＜実施例３−４＞
アルミナ粉末とＡｕ粉末との混合比を９０：１０とした他は、実施例３−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００７９】
＜実施例３−５＞
アルミナ粉末とＡｕ粉末との混合比を７０：３０とした他は、実施例３−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００８０】
＜実施例３−６＞
アルミナ粉末とＡｕ粉末との混合比を５０：５０とした他は、実施例３−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００８１】
＜比較例１＞
下部電極材料として、アルミナ粉末を混入していないＡｇ粉末を用いた。その他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００８２】
＜比較例２＞
基板上に、スパッタリングにより厚さ０．５μｍのＡｇ薄膜を形成し、これを下部電極層とした。その他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００８３】
＜比較例３＞
基板上に、スパッタリングにより厚さ０．５μｍのＴｉＡｇ薄膜を形成し、これを下部電極層とした。その他は、実施例１−１と同様にして下部電極および圧電層を形成し、試験を行った。
【００８４】
［結果と考察］
実施例１−１〜１−６、および比較例１における、アルミナ粉末とＡｇ粉末との混合比、下部電極成膜後、および圧電層成膜後の成膜状況の観察結果、並びに下部電極形成後、およびアニール処理後の表面電気抵抗の測定結果を表１に示した。
【００８５】
また、実施例２−１〜２−６、および実施例３−１〜３−６についても、同様に表２および表３に示した。なお、これらの実施例において、アニール処理後に圧電層上にスクリーン印刷等により上部電極を形成して、圧電アクチュエータを完成させることができる。
【００８６】
【表１】
2007088449.tif 000003
【００８７】
【表２】
2007088449.tif 000004
【００８８】
【表３】
2007088449.tif 000005
下部電極層の材料としてアルミナ粉末を混入していないＡｇ粉末を用いた場合（比較例１）においては、ＡＤ法によってＡｇ粉末が基板のアルミナ層に密着せず、成膜を行うことができなかった。また、スパッタリングにより下部電極層を形成した場合（比較例２、３）には、上部に圧電膜を成膜した際に、下部電極層と基板のアルミナ層との間で剥離を生じた。これは、圧電膜形成時の圧電粒子の衝突応力のためであると考えられ、このことから、下部電極層と基板との密着力が充分ではないことがわかる。
【００８９】
一方、下部電極層の材料としてアルミナ粉末とＡｇ粉末との混合物を用いた場合（実施例１−１〜１−６）には、下部電極層成膜時、および圧電層成膜後ともに剥離は観察されず、基板−下部電極層−圧電層が強く密着していることが分かった。また、下部電極層の表面電気抵抗は、Ａｇ粉末２重量％以上で０．６Ω以下となっており、導電性材料粒子の混合量が２重量％程度で電極としての導電性を充分に確保できることが分かった。また、圧電層のアニール処理後においては、Ａｇ粉末４重量％以上では表面電気抵抗に大きな変化はなかったが、Ａｇ粉末２重量％の場合に表面電気抵抗が２０Ω以上に増大していた。これは、Ａｇがアニール処理により圧電層や基板のアルミナ層に拡散したために、下部電極層の導電性が低下してしまったことによると考えられる。したがって、アニール処理による拡散を考慮すれば、導電性材料粒子の比率が４重量％以上となるようにすることが好ましい。
【００９０】
さらに、セラミックス粒子については、混合比５０％以上で、充分な密着性を得ることができた。比較的高価な導電性材料粒子の使用量を相対的に減らすことによる製造コストの削減効果を考えれば、セラミックス粒子の混合比は、少なくとも５０％以上とすることが好ましく、電極としての導電性が損なわれない範囲でできるだけ多くすることが好ましい。
【００９１】
また、セラミックス粒子をジルコニア粉末に変えた場合（実施例２−１〜２−６）、および導電性材料粒子をＡｕに変えた場合（実施例３−１〜３−６）でも、結果に大きな差異はなかった。なお、アニール処理時の拡散量の大きい材料を導電性材料粒子として使用する場合には、導電性材料粒子の比率をＡｇやＡｕの場合よりも高くすることが好ましいと考えられる。詳細にはデータを示さないが、例えばＦｅやＣｒを使用する場合には、１０重量％程度で導電性を確保できるものと考えられる。
【００９２】
本発明の範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の範囲に含まれる。その他、本発明の範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
【００９３】
上記各実施形態では、振動板２、４２としてステンレス基板を使用したが、基板の材質としては上記各実施形態の限りではなく、例えばアルミナ基板等のセラミックス基板を使用しても良い。この場合、アニール処理時の基板からの拡散がないため、拡散防止層を省略することができる。
【００９４】
上記各実施形態では、下部電極３、４３に絶縁性のセラミックス粉末を混合しているため、導電性材料粒子との混合比や導電性材料粒子の拡散の状況等によっては、電極層としての導電パスを確保しにくくなる可能性もある。この問題を回避するため、セラミックス粒子と導電性材料粒子とからなる層の上に、さらにスパッタリング、ＡＤ法等により導電性材料の層を積層しても良い。
【００９５】
上記各実施形態では、下部電極３、４３上に直接に圧電層４、４４を形成したが、導電性材料粒子を構成する金属が、アニール処理により拡散しやすい材料である場合には、一の電極層と圧電層との間に拡散防止層を設けても良い。
【００９６】
上記実施例では、アルミナ粉末とＡｇ粉末、アルミナ粉末とＡｕ粉末、およびジルコニア粉末とＡｇ粉末の混合物を下部電極の材料として用いたが、ＰＺＴ粉末とＡｇ粉末、またはＰＺＴ粉末とＡｕ粉末の混合物を下部電極の材料として用い、その上に圧電層を形成する際にはＰＺＴ粉末のみを材料として用いてもよい。
【００９７】
上記各実施形態では、圧電アクチュエータの製造例を挙げて説明してきたが、それに限らず、電池セルの製造や燃料電池に用いられる電解膜の製造、高効率触媒等の機能性コーティングの付与、医療分野で人工骨の製造等、各種複合材料膜の製造にも本発明の方法を用い得る。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】第１実施形態のインクジェットヘッドの断面図である。
【図２】第１実施形態の成膜装置の概略図である。
【図３】図３Ａは第１実施形態のアクチュエータプレートの製造工程において、振動板をインク流路形成体に接合した様子を示す断面図、図３Ｂは下部電極を形成した様子を示す断面図、図３Ｃは圧電層を形成した様子を示す断面図、図３Ｄは上部電極を形成した様子を示す断面図である。
【図４】図４Ａはセラミックス粒子を混入しない場合の振動板と下部電極との界面の一部拡大断面図、図４Ｂはセラミック粒子を混入した場合の振動板と下部電極との界面の一部拡大断面図である。
【図５】図５Ａは第２実施形態のアクチュエータプレートの製造工程において、振動板をインク流路形成体に接合した様子を示す断面図、図５Ｂは拡散防止層を形成した様子を示す断面図、図５Ｃは下部電極を形成した様子を示す断面図、図５Ｄは圧電層を形成した様子を示す断面図である。
【図６】図６Ａは第２実施形態のアクチュエータプレートの製造工程において、アニール処理を施した様子を示す断面図、図６Ｂは上部電極を形成した様子を示す断面図である。
【図７】実施例において使用した成膜装置の概略図である。
【符号の説明】
【００９９】
１…アクチュエータプレート（圧電アクチュエータ）
２、４２…振動板（基板、金属製基板）
３、４３…下部電極（一の電極層）
４、４４…圧電層
５、４５…上部電極（他の電極層）
１０…インクジェットヘッド
１１…流路ユニット（インク流路形成体）
１２…ノズルプレート（金属製プレート）
１３…マニホールドプレート（金属製プレート）
１４…流路プレート（金属製プレート）
１５…圧力室プレート（金属製プレート）
４６…拡散防止層
Ｆ…インク流路
Ｍ…材料粒子
Ｍ１…導電性材料粒子
Ｍ２…セラミックス粒子
Ｚ…エアロゾル
【図１】
2007088449.tif 000006
【図２】
2007088449.tif 000007
【図３】
2007088449.tif 000008
【図４】
2007088449.tif 000009
【図５】
2007088449.tif 000010
【図６】
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【図７】
2007088449.tif 000012