(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る圧電/電歪素子を適用したインクジェットヘッド用のアクチュエータについて説明する。ただし、本発明に係る圧電/電歪素子は、発振回路、各種センサ、或いはインジェクター用アクチュエータなど様々な用途に適用可能である。
【0012】
なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0013】
(アクチュエータ100の構成)
アクチュエータ100の構成について、図面を参照しながら説明する。
図1は、アクチュエータ100の構成を示す平面図である。
図2は、
図1のX−X断面図である。
図3は、圧電/電歪素子20の断面を示すSEM画像である。
【0014】
なお、以下の説明では、
図1に示すように、圧電/電歪素子20が延びる方向を“長さ方向”と称し、長さ方向に直交する方向を“幅方向”と称する。また、
図2に示すように、長さ方向及び幅方向に直交する方向を“厚み方向”と称する。
【0015】
アクチュエータ100は、支持体10と、複数の圧電/電歪素子20と、を備える。
【0016】
1.支持体10
支持体10は、板状の焼成体である。支持体10は、絶縁材料によって構成される。支持体10を構成する絶縁材料としては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム及び窒化珪素などが挙げられる。
【0017】
ただし、支持体10を構成する絶縁材料は、セラミックス材料に限られず、ガラス材料や樹脂材料などであってもよい。また、支持体10を構成する粒子は、単結晶、多結晶、或いは非晶質であってもよい。
【0018】
支持体10は、振動膜11と、圧力室12と、吐出ノズル13と、インク導入口14と、を有する。
【0019】
振動膜11は、圧電/電歪素子20を支持する薄板である。振動膜11は、圧電/電歪素子20の伸縮に応じて、厚み方向に振動(変位)する。圧力室12は、振動膜11の下方に設けられた空洞である。圧力室12には、インク導入口14から注入されたインクが貯留される。吐出ノズル13は、圧力室12から下方に延びるように形成される。圧力室12に貯留されたインクは、振動膜11の振動に応じて、吐出ノズル13から吐出される。
【0020】
2.圧電/電歪素子20
圧電/電歪素子20は、支持体10上において、長さ方向に延びるように形成される。複数の圧電/電歪素子20は、互いに平行に並べられる。
【0021】
圧電/電歪素子20は、第1下部電極21と、第2下部電極22と、圧電体23と、スルーホール電極24と、上部電極25と、を有する。本実施形態において、上部電極25は“第1電極”の一例であり、第1下部電極21は“第2電極”の一例であり、第2下部電極22は“第3電極”の一例である。
【0022】
2−1. 第1下部電極21
第1下部電極21は、振動膜11上に配置される薄板状の焼成体である。第1下部電極21は、スルーホール電極24に接続される。第1下部電極21の一端部は、圧電体23の一端部から突出している。第1下部電極21は、第2下部電極22よりも小さいサイズに形成される。第1下部電極21の長さは、例えば1μm〜500μmであり、第1下部電極21の幅は、例えば30μm〜500μmであり、第1下部電極21の厚みは、例えば0.1μm〜10.0μmである。
【0023】
第1下部電極21は、耐酸性の導電材料によって構成される。このような導電材料としては、白金(Pt)などの貴金属のほか導電性高分子や導電性酸化物などが挙げられる。
【0024】
2−2. 第2下部電極22
第2下部電極22は、振動膜11上に配置される薄板状の焼成体である。第2下部電極22は、第1下部電極21から離間しており、スルーホール電極24には接続されていない。第2下部電極22の一端部は、圧電体23の他端部から突出している。第2下部電極22は、第1下部電極21よりも大きいサイズに形成される。第2下部電極22の長さは、例えば500μm〜5000μmであり、第2下部電極22の幅は、例えば30μm〜500μmであり、第2下部電極22の厚みは、例えば0.1μm〜10.0μmである。
【0025】
第2下部電極21は、第1下部電極21と同様の導電材料によって構成される。
【0026】
2−3. 圧電体23
圧電体23は、第1及び第2下部電極21,22上に配置される薄板状の焼成体である。圧電体23は、第1主面23Sと、第2主面23Tと、を有する。第1主面23S上には、上部電極25が配置される。第2主面23T上には、第1及び第2下部電極21,22が配置される。第1及び第2下部電極21,22に電圧を印加すると、上部電極25と第2下部電極22に電圧が印加され、圧電体23は厚み方向に垂直な方向に伸縮する。この圧電体23の伸縮に起因して、振動膜11が厚み方向に振動(変位)する。
【0027】
圧電体23は、第1及び第2下部電極21,22を合わせたサイズ以下に形成される。圧電体23の長さは、例えば500μm〜5000μmであり、圧電体23の幅は、例えば30μm〜500μmであり、圧電体23の厚みは、例えば0.5μm〜20.0μmである。圧電体23は、多結晶の圧電材料によって構成される。このような圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸塩(PZT)などが挙げられる。
【0028】
ここで、圧電体23は、第1主面23Sから第2主面23Tまで貫通するスルーホール23aを有する。スルーホール23aは、1.0μm〜500μm程度の円形に形成することができるが、スルーホール23aの平面形状とサイズは、これに限られるものではない。スルーホール23aは、四角形であってもよいし、ライン状に形成されていてもよい。
【0029】
図3に示すように、スルーホール23aの内側面23Uには、複数の凹部23bが形成されている。凹部23bは、内側面23Uの全面に形成されていることが好ましいが、均一である必要はない。また、凹部23bの形状、開口サイズ及び深さなどは一つ一つ異なっていてもよい。凹部23bの形状は、例えば、円形、楕円形、或いは矩形にすることができるが、これに限られるものではない。凹部23bの開口サイズは、円相当径で0.1μm〜20μmとすることができ、凹部23bの深さは、0.1μm〜30μmとすることができる。
【0030】
このように複数の凹部23bが形成された内側面23Uの算術平均粗さRaは、0.11μmより大きく16μmより小さいことが好ましい。また、内側面23Uの最大高さ粗さRzは、0.2μmより大きく20μmより小さいことが好ましい。算術平均粗さRaと最大高さ粗さRzは、例えば、白色干渉式の非接触表面粗さ計を用いて計測することができる。
【0031】
また、凹部23bの内部は、空洞である。すなわち、凹部23bの内部には、スルーホール電極24が充填されていない。ただし、後述するように、電極材料の塗布工程では、凹部23bの内部に電極材料が充填されているが、その後、電極材料の焼成工程において、凹部23b内の電極材料が外に抜け出る。
【0032】
図3に示すように、スルーホール23aの内側面23Uは、第2主面23Tに対して傾斜している。
図3では、最小二乗法によって内側面23Uに直線フィッティングされた直線L1と、最小二乗法によって第2主面23Tに直線フィッティングされた直線L2が示されている。このように、最小二乗法で表された直線L1と直線L2が成す内角θは、55度以上110度以下であることが好ましい。
【0033】
2−4. スルーホール電極24
スルーホール電極24は、スルーホール23aの内側面23U上に形成される導電材料の焼成膜である。スルーホール電極24は、内側面23Uの全体を被覆していることが好ましい。スルーホール電極24は、第1主面23S側で上部電極25に接続され、第2主面23T側で第1下部電極21に接続されている。本実施形態において、スルーホール電極24は、塗布法によって上部電極25と一体的に形成されている。ここでいう塗布法とは、例えば、スクリーン印刷、スピンコート、スプレーコート、ディスペンサーなどの液体を塗る方法を指す。
【0034】
スルーホール電極24の厚みは、例えば0.01μm〜10μmとすることができる。スルーホール電極24の厚みは、一様であることが好ましいが、局所的に薄く形成された箇所があってもよい。
【0035】
図3に示すように、スルーホール電極24は、内側面23Uの凹部23bには侵入していない。スルーホール電極24は、凹部23bの開口を塞ぐように配置されている。
【0036】
スルーホール電極24は、耐酸性の導電材料によって構成される。このような導電材料としては、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、或いは銅(Cu)などの貴金属やこれらの貴金属の合金が挙げられる。ただし、スルーホール電極24を構成する導電材料は、貴金属に限られず、導電性高分子や導電性酸化物などであってもよい。
【0037】
2−5. 上部電極25
上部電極25は、圧電体23上に配置される薄膜状の焼成体である。上部電極25は、第1主面23Sの略全面を覆うように形成される。上部電極25は、スルーホール電極24と接続されている。本実施形態において、上部電極25は、塗布法によってスルーホール電極24と一体的に形成されている。
【0038】
上部電極25は、平面視において、圧電体23以下のサイズに形成される。上部電極25の長さは、例えば500μm〜5000μmであり、上部電極25の幅は、例えば30μm〜500μmであり、上部電極25の厚みは、例えば0.01μm〜10μmである。上部電極25は、スルーホール電極24と同様の導電材料によって構成することができる。
【0039】
(アクチュエータ100の製造方法)
次に、アクチュエータ100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【0040】
まず、支持体10用の絶縁材料によって構成される複数枚のテープを積層して積層体を作製する。複数枚のテープそれぞれは所定パターンに打ち抜かれており、積層体の内部には圧力室12、吐出ノズル13及びインク導入口に対応する空洞が形成される。
【0041】
次に、
図4(a)に示すように、積層体を焼成して支持体10を作製する。
【0042】
次に、スピンコート法などを用いて、支持体10上にフォトレジスト(ネガ型レジスト)を塗布することによってフォトレジスト膜を形成する。
【0043】
次に、フォトリソグラフィによって、フォトレジスト膜を第1及び第2下部電極21,22に対応する形状にパターニングする。
【0044】
次に、スプレーコート法などを用いて、例えばパラジウムを含む触媒液をフォトレジスト膜の開口部に塗布する。
【0045】
次に、
図4(b)に示すように、フォトレジスト膜を除去した後に、めっき法などを用いて、触媒を下地として第1及び第2下部電極21,22を形成する。
【0046】
次に、圧電体23用のテープを第1及び第2下部電極21,22上に配置する。圧電体23用のテープには、圧電材料のほか、焼結助剤としてのPb
3O
4粉末やBi
2O
3粉末、分散剤及び有機バインダーなどが含まれていてもよい。
【0047】
次に、
図4(c)に示すように、圧電体23用のテープを所定条件(焼成温度800℃〜1200℃、焼成時間0.5h〜5.0h)で焼成して圧電体23を形成する。ただし、ここでは、圧電体23は一枚の大きな板状に形成される。
【0048】
次に、スピンコート法などを用いて、圧電体23上にフォトレジスト(ポジ型レジスト)を塗布することによってフォトレジスト膜R1を形成する。
【0049】
次に、
図5(a)に示すように、フォトリソグラフィによって、フォトレジスト膜R1をスルーホール23aに対応する形状にパターニングする。
【0050】
次に、
図5(b)に示すように、圧電体23の圧電材料用のエッチング液で圧電体23をエッチングすることによってスルーホール23aを形成した後に、フォトレジスト膜R1を除去する。エッチング液には、酸性水溶液(例えば、濃度10%の希塩酸)、微量のフッ化アンモニウム、増粘剤、錯化剤及び界面活性剤等の混合液を用いることができる。
【0051】
このエッチング工程では、エッチング条件を調整することによって、スルーホール23aの形状や凹部23aの数及びサイズを調整することができる。具体的には、液を吐出するノズルの高さ、液の吐出圧、支持体10の揺動周波数、及び処理時間を制御することによって、内側面23Uの算術平均粗さRa、最大高さ粗さRz、及び内角θを調整できる。算術平均粗さRaは0.11μmより大きく16μmより小さく、最大高さ粗さRzは0.2μmより大きくかつ20μmより小さいことが好ましい。また、内角θは55度以上110度以下であることがより好ましい。
【0052】
次に、スピンコート法などを用いて、圧電体23上にフォトレジスト(ポジ型レジスト)を塗布することによってフォトレジスト膜R2を形成する。
【0053】
次に、
図5(c)に示すように、フォトリソグラフィによって、フォトレジスト膜R2を上部電極25に対応する形状にパターニングする。
【0054】
次に、
図6(a)に示すように、スピンコート法などの塗布法を用いて、パターニングされたフォトレジスト膜R2上に導電材料を含む電極材料25aを塗布する。電極材料25aは、圧電体23の表面だけでなく内側面23Uにも連続的に塗布される。この際、上述の通り、スルーホール23aの内側面23Uが適度に荒らされているため、電極材料25aの一部が凹部23aの内部に入り込むことによって、電極材料25aは内側面23Uの全面を覆った状態で維持される。
【0055】
次に、
図6(b)に示すように、フォトレジスト膜R2を除去した後に、電極材料25aを所定条件(焼成温度400℃〜1000℃、焼成時間1min〜2hr)で焼成して、スルーホール電極24と上部電極25を形成する。この焼成工程によって、凹部23bの内部に充填されていた電極材料25aが凹部23bの外に抜け出て、一様な薄膜状のスルーホール電極24が作製される。
【0056】
次に、スピンコート法などを用いて、スルーホール電極24及び上部電極25上にフォトレジスト(ポジ型レジスト)を塗布することによってフォトレジスト膜R3を形成する。
【0057】
次に、
図6(c)に示すように、フォトリソグラフィによって、スルーホール電極24と上部電極25を覆うようにフォトレジスト膜R3をパターニングする。
【0058】
次に、圧電材料用のエッチング液によって圧電体23をエッチングすることによって、
図1に示すように圧電体23をパターニングする。エッチング液には、酸性水溶液(例えば、濃度10%の希塩酸)、微量のフッ化アンモニウム、増粘剤、錯化剤及び界面活性剤等の混合液を用いることができる。
【0059】
以上によって、アクチュエータ100が完成する。
【0060】
(作用及び効果)
スルーホール23aの内側面23Uの算術平均粗さRaは、0.11μmより大きく16μmより小さい。また、内側面23Uの最大高さ粗さRzは、0.2μmより大きくかつ20μmより小さい。
【0061】
このように、スルーホール23aの内側面23Uが適度に荒らされていることで、電極材料25aと内側面23Uの表面張力の関係が改善される。そのため、電極材料25aが濡れやすくなり、電極材料25aの乾燥時にスルーホール電極24が断線することを抑制することができる。
【0062】
(他の実施形態)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【0063】
例えば、上記実施形態では、圧電体23の第1主面23S上に1つの上部電極25が形成され、第2主面23S上に2つの第1及び第2下部電極21,22が形成されることとしたが、電極構造は反対であってもよい。すなわち、第1主面23S上に2つの第1及び第2上部電極が形成され、第2主面23S上に1つの下部電極が形成されていてもよい。この場合には、第1上部電極と下部電極がスルーホール電極24に接続されていればよい。
【実施例】
【0064】
以下において本発明に係る実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【0065】
以下のようにして、サンプルNo.1〜11に係るインクジェットヘッド用アクチュエータを作製した。
【0066】
まず、部分安定化ジルコニアスラリーを成型した複数枚のテープを積層して250μm厚の積層体を作製した。複数枚のテープそれぞれを所定パターンで打ち抜くことで、積層体の内部に圧力室に対応する空洞(長さ1mm、幅80μm、深さ60μm)と吐出ノズルに対応する貫通孔を形成した。
【0067】
次に、積層体を1450℃で2時間焼成して支持体を作製した。
【0068】
次に、スプレーコーターを用いて、支持体の表面上にネガ型レジスト液を塗布して乾燥させて、6μm厚のレジスト膜を形成した。
【0069】
次に、吐出ノズルから圧力室内にカーボンブラックを含む遮光液を注入し、真空チャンバー内で6.7Paで脱泡した。
【0070】
次に、露光装置(ウシオ電機(株)製マルチライト)を用いて、支持体の裏面側から波長365nm、405nm及び436nmの紫外線(積算光量60mJ/cm
2)を1分間当てた。これによって、遮光液をマスクとして露光されてレジスト膜がパターニングされた。
【0071】
次に、スプレーコーターによって、パラジウムを含む触媒液(上村工業製)をフォトレジスト膜の開口部に塗布した。
【0072】
次に、フォトレジスト膜を除去した後に、白金無電解めっき(メタローテクノロジーズジャパン(株)製)によって下部電極を形成した。
【0073】
次に、0.2Bi(Ni
2/3Nb
1/3)O
3+0.8PZT組成からなる圧電粉末、焼結助剤としてPb
3O
4、Bi
2O
3の粉末、及び有機バインダー、分散剤、可塑剤を含むスラリーを成形して8μm厚のグリーンシートを作製した。
【0074】
次に、真空チャンバー内でグリーンシートを下部電極上に貼り付け、脱脂処理を行った。
【0075】
次に、グリーンシートを1000℃で2時間焼成して一枚の板状の圧電体(厚さ3μm)を作製した。
【0076】
次に、スプレーコーターを用いて、圧電体上にポジ型レジスト液(東京応化工業(株)製)を塗布して乾燥させた。
【0077】
次に、ガラスマスクを用いて、表面から露光装置(ウシオ電機(株)製マルチライト)で、波長365nm、405nm及び436nmの紫外線(積算光量60mJ/cm
2)を1分間当てた。これによって、φ30μmの円形状のスルーホールに対応する形状にレジスト膜をパターニングした。
【0078】
次に、表1に示す条件によって、スルーホールを形成した。具体的に、サンプルNo.1,4〜11では、エッチング法によってスルーホールを形成し、サンプルNo.2,3では、ブラスト法によってスルーホールを形成した。サンプルNo.1,4〜11では、濃度10%の希塩酸に微量のフッ化アンモニウムと増粘剤と錯化剤と界面活性剤を添加したエッチャント(フッ素濃度1%未満)を用いた。スルーホールのサイズは全てφ30μmで円形に形成した。
【0079】
このエッチング工程では、エッチング条件とブラスト条件を表1に示すように制御することによって、スルーホールの内側面の表面粗さと内角を調整した。内側面の算術平均粗さRa、最大高さ粗さRz、及び内角θ(
図3参照)は、表1に示す通りであった。なお、算術平均粗さRa及び最大高さ粗さRzの計測には、白色干渉式の非接触表面粗さ計(キャノン(株)製:zygo NewView7300)を用いた。また、走査型電子顕微鏡(加速電圧15kV)でスルーホール断面を撮影して、画像上で内側面と下面に最小二乗法で直線フィッティングをして内角θを計測した。
【0080】
次に、下部電極の形成工程と同様にレジスト膜をパターニングした後に、スプレーコーターを用いて、電極材料を圧電体上に塗布した。電極材料にはAuレジネートペーストを用いた。この際、圧電体の表面からスルーホールの内側面に連なるように電極材料を一様に塗布した。
【0081】
次に、電極材料を600℃で0.5時間焼成して上部電極(幅75μm、厚さ0.1μm)とスルーホール電極を作製した。
【0082】
次に、スプレーコーターを用いて、上部電極上にポジ型レジスト液(東京応化工業(株)製)を塗布して乾燥させた。
【0083】
次に、ガラスマスクを用いてレジスト膜を露光することによって、上部電極を覆うように保護膜を形成した。
【0084】
次に、濃度10%の希塩酸に微量のフッ化アンモニウムと増粘剤と錯化剤と界面活性剤を添加したエッチャント(フッ素濃度1%未満)を準備し、エッチャントと圧電体を40℃に加熱した。
【0085】
次に、基板から8cm離したノズルからエッチャントを2分間噴霧して、圧電体をエッチングした。これによって、圧電体の幅を75μmに整えた。その後、圧電体を純水で洗浄し、110℃で乾燥させた。
【0086】
(スルーホール内側面の表面粗さ)
上述のスルーホール形成工程後において、サンプルNo.1〜11のスルーホールの内側面の算術平均粗さRaと最大高さ粗さRzを測定した。算術平均粗さRaと最大高さ粗さRzの測定には、白色干渉式の非接触表面粗さ計(キャノン(株)製:zygo NewView7300)を用いた。測定結果は表1に示す通りである。
【0087】
(スルーホール内側面の内角)
サンプルNo.1〜11の圧電体の断面を走査型電子顕微鏡(加速電圧15kV)で撮影してSEM画像を取得した。そして、SEM画像上において、内側面と下面それぞれを最小二乗法で直線フィッティングして、両直線の内角θを測定
した。測定結果は表1に示す通りである。
【0088】
(スルーホール電極の断線)
サンプルNo.1〜11のスルーホール電極が断線していないか顕微鏡で確認した。評価結果は表1に示す通りである。表1では、断線が確認されなかったサンプルを○と評価し、断線が確認されたサンプルを×と評価した。
【0089】
【表1】
【0090】
表1に示すとおり、サンプルNo.1,4,6,8では、スルーホール電極の断線が確認されなかった。従って、算術平均粗さRaは0.11μmより大きく16μmより小さく、最大高さ粗さRzは0.2μmより大きくかつ20μmより小さいことが好ましいことが分かった。
【0091】
また、サンプルNo.5では、算術平均粗さRa及び最大高さ粗さRzは適切であるにもかかわらず、スルーホール電極の断線が確認された。従って、内側面と下面が成す内角θは55度以上110度以下であることが好ましいことが分かった。