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WO2011142232A1 - 圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッド - Google Patents

圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッド Download PDF

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WO2011142232A1
WO2011142232A1 PCT/JP2011/059914 JP2011059914W WO2011142232A1 WO 2011142232 A1 WO2011142232 A1 WO 2011142232A1 JP 2011059914 W JP2011059914 W JP 2011059914W WO 2011142232 A1 WO2011142232 A1 WO 2011142232A1
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WO
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piezoelectric layer
buffer member
piezoelectric
layer
upper electrode
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PCT/JP2011/059914
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English (en)
French (fr)
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裕子 吉田
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Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
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Publication date
Application filed by Konica Minolta Inc filed Critical Konica Minolta Inc
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    • H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
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    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead-based oxides
    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric actuator that deforms a diaphragm toward a pressure chamber and an inkjet head including the piezoelectric actuator.
  • This ink jet printer is provided with an ink jet head for discharging an appropriate amount of ink.
  • an ink jet head a part of a pressure chamber communicating with a nozzle for ejecting ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize ink in the pressure chamber and eject ink droplets from the nozzle.
  • the method of making it known is known.
  • a pressure chamber is formed on a substrate, and an elastic film constituting a diaphragm is provided on the upper surface thereof.
  • a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode are sequentially laminated on the upper surface of the elastic film, and the insulation between the lead portion and the lower electrode that are electrically connected to the upper electrode is ensured. That is, in order to ensure insulation, a piezoelectric layer is laminated on the upper surface of the lower electrode so as to cover the outer peripheral portion of the lower electrode, and the lead portion extends from the upper surface of the piezoelectric layer along the outer peripheral end surface of the piezoelectric layer, and further elastically It extends to the upper surface of the film. Then, by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode to bend and deform the piezoelectric layer and the diaphragm, the pressure in the pressure chamber increases, and ink droplets are ejected from the nozzle.
  • the piezoelectric actuator needs to be finely processed at high density, and the piezoelectric actuator is manufactured by a film forming method such as vapor deposition or sputtering suitable for such processing.
  • the end surface of the piezoelectric layer has a step corresponding to its thickness.
  • Patent Document 2 a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode are sequentially stacked on a substrate, and each end face of the lower electrode and the piezoelectric layer is inclined, and an insulating layer is provided so as to cover each inclined end face. Is formed. A lead portion is formed on the insulating layer, and the lead portion is electrically connected to the upper electrode.
  • the lead-out portion has a uniform thickness and is easy to form a film, but each end face of the lower electrode and the piezoelectric layer is inclined, and the insulating layer has a non-constant thickness.
  • a deposition method such as vapor deposition or sputtering
  • the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are sequentially stacked on the substrate, and the lower electrode and the upper electrode are located at different positions of the piezoelectric layer.
  • a lead portion extending integrally with each electrode is formed from each end portion of the electrode.
  • a voltage is applied to the lower electrode and the upper electrode through the respective lead portions.
  • the lead-out portion of the upper electrode in order to form the lead-out portion of the upper electrode integrally with the upper electrode, the lead-out portion of the upper electrode is thicker than the upper electrode.
  • the thickness of the electrode and the lead portion formed integrally as described above is locally different, it is difficult to produce the electrode by film formation such as vapor deposition or sputtering, and it is difficult to mass-produce with stable quality.
  • Patent Document 4 a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode are sequentially stacked on a diaphragm, and the piezoelectric layer is continuously arranged across a plurality of pressure chambers. It forms so that it may oppose to the outer side of the side wall of the board
  • JP 2007-6620 (paragraphs [0022], [0023], FIG. 1) JP 2008-227144 A (paragraphs [0025] to [0029], FIG. 1) JP-A-8-116684 (paragraph [0023], FIG. 2) JP 2009-182195 A (paragraphs [0025] to [0031], FIG. 4)
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and enables the upper electrode and its lead-out portion to be stably produced by film formation, and the amount of displacement due to deformation of the piezoelectric layer is reduced. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator that does not have a possibility of being lowered, and that does not cause a crack even if the piezoelectric layer is repeatedly deformed, and an ink jet head including the piezoelectric actuator.
  • a first aspect of the present invention is a piezoelectric actuator for deforming a diaphragm toward a pressure chamber formed on a substrate, wherein the substrate is positioned above the pressure chamber.
  • a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode are stacked in this order on the diaphragm, and the piezoelectric layer is disposed on the inner side of the upper surface of the substrate that constitutes the pressure chamber.
  • a piezoelectric layer is disposed, the upper electrode is disposed to face the piezoelectric layer, and a lead portion that is electrically connected to the upper electrode is formed integrally with the upper electrode.
  • a buffer member having substantially the same thickness as the piezoelectric layer and having a Young's modulus smaller than that of the piezoelectric layer extends to the piezoelectric layer above the side wall surface of the substrate. Characterized by being formed adjacent That. Note that the vertical direction described here is a case where the substrate is arranged so that the diaphragm is located above the pressure chamber, and the direction itself is not an indispensable condition, and the following also applies. It is the same.
  • the second invention is characterized in that, in the piezoelectric actuator, the buffer member has an insulating property.
  • an outer piezoelectric layer adjacent to the outside of the buffer member is formed on the upper surface of the lower electrode, and the outer piezoelectric layer is made of the same material as the piezoelectric layer. It has a thickness, and the lead-out part is formed across the upper surfaces of the buffer member and the outer piezoelectric layer.
  • the buffer member is formed adjacent to the entire circumference of the piezoelectric layer, and the outer piezoelectric layer is adjacent to the entire periphery of the buffer member. It is characterized by being formed.
  • the fifth invention is characterized in that, in the above piezoelectric actuator, the lead-out portion is formed only on the upper surface of the buffer member.
  • the sixth invention is characterized in that, in the piezoelectric actuator, the buffer member is made of a photosensitive resin.
  • a seventh invention is an ink jet head provided with the piezoelectric actuator having the above-described configuration.
  • the piezoelectric layer when a voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode, the piezoelectric layer is flexibly deformed, and the diaphragm is also deformed toward the pressure chamber following the deformation of the piezoelectric layer. At this time, the piezoelectric layer is disposed avoiding the position above the side wall surface of the substrate, and a buffer member having a Young's modulus smaller than that of the piezoelectric layer is disposed adjacent to the piezoelectric layer on the extension above the side wall surface of the substrate.
  • the buffer member is also deformed when the piezoelectric is driven, so that the amount of displacement due to the deformation of the piezoelectric layer does not decrease, and even if the piezoelectric layer is repeatedly deformed, there is no risk of cracks occurring in the piezoelectric layer.
  • the buffer member since the buffer member has substantially the same thickness as the piezoelectric layer, even if the upper electrode and the lead portion are integrally formed on the piezoelectric layer and the buffer member by a film formation method such as vapor deposition or sputtering, the electrical disconnection occurs. Without this, the upper electrode and the lead portion can be stably manufactured.
  • the buffer member since the buffer member has an insulating property, the lead portion can be insulated from the lower electrode.
  • the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer have the same thickness
  • the buffer member is formed in the gap between the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer. It becomes easy to produce uniformly with substantially the same thickness.
  • the lead-out portion is stably formed across the upper surfaces of the buffer member and the outer piezoelectric layer having substantially the same thickness by a film forming method such as vapor deposition or sputtering.
  • the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer are formed by vapor deposition, sputtering, or the like, and the circumferential gap between the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer is filled with the buffer member. It becomes easy to produce the buffer member uniformly with substantially the same thickness as the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer.
  • the lead-out portion is stably formed across the upper surfaces of the buffer member and the outer piezoelectric layer having substantially the same thickness by a film forming method such as vapor deposition or sputtering. Further, since the buffer member and the outer piezoelectric layer are formed over the entire circumference, the piezoelectric layer can be displaced in a balanced manner.
  • the lead-out portion can be stably formed on the upper surface of the buffer member by a film forming method such as vapor deposition or sputtering.
  • the buffer member is made of a photosensitive resin, the buffer member can be easily formed with a predetermined shape and accuracy.
  • an ink jet head including a piezoelectric actuator that can stably produce the portion by film formation can be obtained.
  • Sectional drawing which shows an inkjet head provided with the piezoelectric actuator which is 1st Embodiment of this invention.
  • a top view showing an ink jet head provided with a piezoelectric actuator which is a 1st embodiment.
  • the top view which shows the piezoelectric actuator which is 4th Embodiment Sectional drawing which shows the piezoelectric actuator which is 5th Embodiment
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an ink jet head including a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing the ink jet head including a piezoelectric actuator.
  • the inkjet head 23 includes a piezoelectric actuator 1 for applying pressure to ink in the pressure chamber 20, a substrate 10 that forms the pressure chamber 20, and a hole for ejecting ink in the pressure chamber 20.
  • a glass substrate 21 and a nozzle plate 22 are provided.
  • a pressure chamber 20 is formed in the substrate 10 by the side wall surface 10a.
  • the pressure chamber 20 is formed by a hole having a circular horizontal cross section (see also the side wall surface 10a in FIG. 2).
  • the pressure chamber 20 may be an elliptical or polygonal hole.
  • the glass substrate 21 is formed with an ink discharge hole 21 a communicating with the pressure chamber 20, and the nozzle plate 22 is formed with a nozzle 22 a communicating with the hole 21 a of the glass substrate 21.
  • the nozzle 22a is constituted by a two-stage hole for discharging ink. In this way, an ink flow path from the pressure chamber 20 to the nozzle 22a is formed in the substrate 10, the glass substrate 21, and the nozzle plate 22.
  • the piezoelectric actuator 1 includes a diaphragm 11a, a piezoelectric layer 15, a lower electrode 14, an upper electrode 18, a lead portion 24, and a buffer member 25.
  • the substrate 10 and the like are placed on the pressure chamber 20 so that the piezoelectric actuator 1 including the vibration plate 11a is positioned.
  • the direction and the like are not limited thereto.
  • the piezoelectric layer 15 is made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate) and is formed on the upper surface of the lower electrode 14.
  • the piezoelectric layer 15 is disposed to face the pressure chamber 20. That is, the piezoelectric layer 15 is disposed on the inner side of the surface extending upward from the side wall surface 10a of the substrate 10 forming the pressure chamber 20, and is formed in a circular shape slightly smaller than the pressure chamber 20 (see FIG. 2). If the pressure chamber 20 is an elliptical or polygonal hole, the piezoelectric layer 15 may be formed in the same shape as the pressure chamber 20 and slightly smaller, but does not necessarily have the same shape.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric layer 15 bends and deforms toward the pressure chamber 20 by application of a voltage, and the diaphragm 11 a also deforms toward the pressure chamber 20 following the deformation of the piezoelectric layer 15. As a result, the pressure of the ink in the pressure chamber 20 rises, and the ink is ejected from the nozzle 22 a through the hole 21 a communicating with the pressure chamber 20.
  • the piezoelectric layer 15 may be contracted or expanded (stretched).
  • the lower electrode 14 is made of a conductive material such as platinum (Pt), is formed between the vibration plate 11a and the piezoelectric layer 15, and is formed over almost the entire region of the vibration plate 11a. It becomes a common electrode of the piezoelectric actuator that deforms the.
  • a conductive material such as platinum (Pt)
  • the upper electrode 18 is made of a conductive material such as chromium (Cr) and is formed in a circular shape on the upper surface of the piezoelectric layer 15 in the same manner as the piezoelectric layer 15 (see FIG. 2).
  • the upper electrode 18 is formed to be slightly smaller than the piezoelectric layer 15, but may be formed with substantially the same size as the piezoelectric layer 15. If the piezoelectric layer 15 is elliptical or polygonal, the upper electrode 18 may be formed in the same shape as the piezoelectric layer 15.
  • a lead portion 24 is formed integrally with the upper electrode 18, and the lead portion 24 is led out to a position not facing the piezoelectric layer 15 (see also FIG. 2), and the drawn end portion becomes a connection terminal of a drive circuit (not shown). ing.
  • a driving potential is applied to the upper electrode 18 through the lead-out portion 24, the piezoelectric layer 15 is bent and deformed due to a potential difference between the upper electrode 18 and the lower electrode 14.
  • the buffer member 25 is a material having a smaller Young's modulus than the piezoelectric layer 15 and electrically insulating properties, such as a photosensitive resin such as an epoxy resin or an acrylic resin, or a polyamide resin, a fluororesin, a polycarbonate resin, or a synthetic rubber. Thus, it is formed with substantially the same thickness as the piezoelectric layer 15. Accordingly, the buffer member 25 is formed between the upper surface of the lower electrode 14 and the lower surface of the lead portion 24, whereby the lead portion 24 is insulated from the lower electrode 14. In addition, you may form the buffer member 25 using the material which does not have insulation characteristics, and the material which has insulation characteristics together. In that case, the lead portion 24 is insulated from the lower electrode 14 by forming two or more layers of material layers having no insulation characteristics and material layers having insulation characteristics.
  • the buffer member 25 is disposed in an annular shape adjacent to the outer periphery of the piezoelectric layer 15 (see FIG. 2), whereby the buffer member 25 faces the side wall surface 10a of the substrate 10 forming the pressure chamber 20. That is, it is disposed on the extension above the side wall surface 10 a of the substrate 10.
  • the buffer member 25 having a Young's modulus smaller than that of the piezoelectric layer is provided on the extension above the side wall surface 10a of the substrate 10, the buffer member 25 is also deformed as the piezoelectric layer 15 is deformed during piezoelectric driving.
  • the buffer member 25 is formed with substantially the same thickness as the piezoelectric layer 15. That is, when the difference (step) in the thickness between the buffer member 25 and the piezoelectric layer 15 is equal to or less than the thickness of the lead portion 24 (substantially the same thickness), the lead portion 24 is extended over the upper surfaces of the buffer member 25 and the piezoelectric layer 15. When the film is formed integrally with the electrode 18, the lead portion 24 is not interrupted (disconnected) by the step.
  • the outer piezoelectric layer 15a adjacent to the entire outer periphery of the buffer member 25 is formed (see also FIG. 2).
  • the outer piezoelectric layer 15 a is formed on the upper surface of the lower electrode 14 with the same thickness by the same piezoelectric material as the piezoelectric layer 15.
  • FIG. 3A to FIG. 3N are diagrams schematically showing each manufacturing process of the ink jet head of the present invention.
  • a substrate 10 is prepared.
  • the substrate 10 is a member that becomes the body of the inkjet head and the side wall of the pressure chamber, and Si (silicon) having a thickness of about 200 ⁇ m and high workability is used.
  • Si silicon
  • an upper oxide film 11a and a lower oxide film 11b made of SiO 2 (silicon dioxide) and having a thickness of 2 ⁇ m are formed on the upper and lower surfaces of the substrate 10, respectively.
  • the upper oxide film 11a serves as the above-described diaphragm.
  • a resist 12 is applied to the lower oxide film 11b, exposed and developed to obtain a resist pattern.
  • This pattern is for forming a pressure chamber.
  • the shape of the pattern is a circle having a diameter of 300 ⁇ m. Although it is circular here, the shape is not particularly limited, and a pattern such as an ellipse or a polygon may be used.
  • the lower oxide film 11b is dry-etched with CHF 3 (trifluoromethane) gas by an RIE (Reactive Ion Etching) apparatus. As a result, as shown in FIG. 3C, the lower oxide film 11b not protected by the resist 12 is removed.
  • CHF 3 trifluoromethane
  • the lower electrode adhesion layer 14a is formed on the upper surface of the upper oxide film (vibrating plate) 11a, and the lower electrode layer 14b is formed on the upper surface of the lower electrode adhesion layer 14a.
  • Ti titanium
  • Pt platinum
  • the lower electrode adhesion layer 14 a and the lower electrode layer 14 b become the lower electrode 14.
  • the piezoelectric layer 15 (including the outer piezoelectric layer 15a in FIG. 1) is formed on the upper surface of the lower electrode.
  • a PZT (lead zirconate titanate) layer having a thickness of 5 ⁇ m is formed as the piezoelectric layer 15 by sputtering at a temperature of 600 ° C.
  • the PZT layer is oriented in ⁇ 111> of the perovskite phase that provides piezoelectric characteristics.
  • the piezoelectric layer 15 may be contracted or expanded (stretched) as long as it is deformed by application of a voltage.
  • a resist 16 is applied to the upper surface of the PZT layer (piezoelectric layer 15), exposed and developed to obtain a resist pattern.
  • This pattern is for removing the PZT layer in a predetermined shape and filling the removed portion with the buffer member 25.
  • a circle having an outer diameter of 280 ⁇ m and a circle concentric with the circle and having an inner diameter of 360 ⁇ m on the outer side are combined, and the PZT layer is removed in an annular shape by this pattern.
  • it is removed in an annular shape in accordance with the horizontal cross-sectional shape of the pressure chamber 20, but the shape is not particularly limited. If the horizontal cross-sectional shape of the pressure chamber 20 is an ellipse or a polygon, the resist 16 forms an oval.
  • the PZT layer will be removed in the shape of a strip or polygonal strip.
  • the PZT layer not protected by the resist 16 is removed in an annular shape with a width of 40 ⁇ m as shown in FIG. 3G. .
  • the inner PZT layer removed in an annular shape becomes the piezoelectric layer 15
  • the outer PZT layer removed in an annular shape becomes the outer piezoelectric layer 15a (see FIGS. 1 and 2).
  • a photosensitive resin such as an epoxy resin or an acrylic resin as the buffer member 25 is applied to the upper surfaces of the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a by spin coating.
  • a very thin photosensitive resin film is formed on the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a, and the annular resin groove from which the PZT layer is removed is also filled with the photosensitive resin.
  • the upper surface of the photosensitive resin filled in the annular groove is slightly lower than the height position of the upper surface of the film formed on the piezoelectric layer as shown in FIG. 3H. Is almost equal.
  • the photosensitive resin other than the annular groove is removed as shown in FIG. 3J.
  • the photosensitive resin formed in the annular groove acts as a buffer member 25.
  • the Young's modulus of PZT lead zirconate titanate, piezoelectric layer 15, outer piezoelectric layer 15a
  • the Young's modulus of epoxy resin is The Young's modulus of the buffer member 25 is smaller than that of the piezoelectric layer 15, and the buffer member 25 is more easily deformed than the piezoelectric layer 15.
  • Cr chromium
  • Au gold
  • a resist 19 is applied on the upper surface of the Au film, exposed and developed to obtain a resist pattern.
  • This pattern is for forming the Cr film and the Au film in the shape of the upper electrode 18 and the lead portion 24 shown in FIG.
  • the upper electrode 18 is circular with a diameter of 270 ⁇ m, and the width of the lead portion 24 is set as appropriate.
  • the circular size of the upper electrode 18 is slightly smaller than the diameter (280 ⁇ m) of the piezoelectric layer 15, but may be a circular shape having the same size as the piezoelectric layer 15. Further, if the piezoelectric layer 15 is elliptical or polygonal, an elliptical or polygonal pattern is used for the resist 19.
  • the pressure chamber 20 is formed as shown in FIG. 3N.
  • the pressure chamber 20 is formed by deep processing the substrate 10 to a depth reaching the upper oxide film 11a.
  • the pressure chamber 20 is formed in a circular shape by, for example, a Bosch process of an ICP (Inductive Coupled Plasma) apparatus.
  • the horizontal cross section of the pressure chamber 20 is circular with the same diameter of 300 ⁇ m as the lower oxide film 11b.
  • the glass substrate 21 has a thickness of 200 ⁇ m, and a hole 21 a having a diameter of 100 ⁇ m is formed in the glass substrate 21.
  • the nozzle plate 22 is made of a silicon material having a thickness of 300 ⁇ m, and the nozzle plate 22 is formed with two-stage holes having a diameter of 50 ⁇ m and a diameter of 20 ⁇ m.
  • the glass substrate 21 and the nozzle plate 22 are prepared, the glass substrate 21 is bonded to the lower surface of the substrate 10, and the nozzle plate 22 is bonded to the lower surface of the glass substrate 21 by anodic bonding, thereby completing the ink jet head 23.
  • the piezoelectric actuator 1 deforms the diaphragm 11a toward the pressure chamber 20 formed on the substrate 10.
  • the lower electrode 14, the piezoelectric layer 15, and the upper electrode 18 are laminated in this order on the vibration plate 11a.
  • the piezoelectric layer 15 is disposed on the inner side of the upper surface of the side wall surface 10 a of the substrate 10 constituting the pressure chamber 20, and the upper electrode 18 is disposed to face the piezoelectric layer 15.
  • a lead portion 24 is formed integrally with the upper electrode 18, and a buffer member 25 having substantially the same thickness as the piezoelectric layer 15 and having a Young's modulus smaller than that of the piezoelectric layer is formed between the upper surface of the lower electrode 14 and the lower surface of the lead portion 24.
  • the buffer member 25 formed is provided adjacent to the piezoelectric layer 15 on the upward extension of the side wall surface 10 a of the substrate 10.
  • the piezoelectric layer 15 when a voltage is applied between the upper electrode 18 and the lower electrode 14, the piezoelectric layer 15 is flexibly deformed, and the diaphragm 11 a is also deformed toward the pressure chamber 20 following the deformation of the piezoelectric layer 15. To do. At this time, the piezoelectric layer 15 is disposed so as to avoid the position on the upward extension of the side wall surface 10 a of the substrate 10, and the buffer member 25 having a Young's modulus smaller than that of the piezoelectric layer extends upward of the side wall surface 10 a of the substrate 10.
  • the buffer member 25 Since the buffer member 25 is also deformed at the time of piezoelectric driving, there is no fear that the amount of displacement due to the deformation of the piezoelectric layer 15 is reduced, and even if the piezoelectric layer 15 is repeatedly deformed, the piezoelectric layer 15 is not deformed. There is no risk of cracking. Further, since the buffer 25 having insulating characteristics is formed between the lower electrode 14 and the lead portion 24, the lead portion 24 is insulated from the lower electrode 14 by the buffer member 25. Since the buffer member 25 has substantially the same thickness as the piezoelectric layer 15, the upper electrode 18 and the lead portion 24 are integrally formed on the piezoelectric layer 15 and the buffer member 25 by a film forming method such as vapor deposition or sputtering. However, the upper electrode 18 and the lead portion 24 can be stably manufactured without being electrically disconnected.
  • the buffer member 25 is formed adjacent to the entire circumference of the piezoelectric layer 15, and the outer piezoelectric layer 15 a is formed adjacent to the entire circumference of the buffer member 25.
  • the lead portion 24 is formed across the upper surfaces of the buffer member 25 and the outer piezoelectric layer 15a.
  • the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a are formed with the same thickness, and the buffer member 25 is formed by filling a gap between the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a with the same thickness. Can be easily produced with substantially the same thickness as the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a. Then, the buffer member 25 and the outer piezoelectric layer 15a have substantially the same thickness, and the lead portion 24 is stably manufactured so as to straddle the upper surfaces of the buffer member 25 and the outer piezoelectric layer 15a by a film forming method such as vapor deposition or sputtering. be able to.
  • a film forming method such as vapor deposition or sputtering.
  • the buffer member 25 is made of a photosensitive resin, the buffer member 25 can be easily formed with a predetermined shape and accuracy by exposure to ultraviolet rays.
  • the buffer member 25 is a step of forming the photosensitive resin by ultraviolet exposure.
  • the present invention is not limited to this, and the buffer member 25 is formed of a resin other than the photosensitive resin. May be.
  • the gap between the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a is filled with a squeegee so that an insulating material such as fluororesin, polycarbonate resin, or synthetic rubber does not protrude from the upper surfaces of the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a. Also good.
  • the buffer member 25 can be easily and accurately filled between the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a. Further, as described above, when a material having no insulating property and a material having an insulating property are used in combination as the buffer member 25, the layer of one material is formed by the above filling method and then the other material layer is overlapped. Good.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the piezoelectric actuator according to the second embodiment.
  • description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and different parts will be described.
  • the upper oxide film 11a is formed in the step of deep-drilling the substrate 10 (step of FIG. 3N of the first embodiment). Deep drilling is stopped just before it reaches. This is suitable when the upper oxide film 11a as the vibration plate cannot be thickened.
  • the deep oxide film 11a is stopped by leaving the Si layer 10b, for example, about 2 ⁇ m between the pressure chamber 20 and the upper oxide film 11a.
  • the Si layer 10b is used as a diaphragm.
  • the piezoelectric layer 15 when a voltage is applied between the upper electrode 18 and the lower electrode 14, the piezoelectric layer 15 is flexibly deformed, and following the deformation of the piezoelectric layer 15, a vibration composed of the upper oxide film 11 a and the Si layer 10 b. The plate is also deformed toward the pressure chamber 20. At this time, the piezoelectric layer 15 is disposed so as to avoid the position on the upward extension of the side wall surface 10 a of the substrate 10, and the buffer member 25 having a Young's modulus smaller than that of the piezoelectric layer extends upward of the side wall surface 10 a of the substrate 10.
  • the buffer member 25 Since the buffer member 25 is also deformed at the time of piezoelectric driving, there is no fear that the amount of displacement due to the deformation of the piezoelectric layer 15 is reduced, and even if the piezoelectric layer 15 is repeatedly deformed, the piezoelectric layer 15 is not deformed. There is no risk of cracking.
  • FIG. 5 is a sectional view schematically showing the piezoelectric actuator according to the third embodiment
  • FIG. 6 is a plan view showing the piezoelectric actuator according to the third embodiment.
  • the buffer member 25 is not formed over the entire circumference of the piezoelectric layer 15. That is, the buffer member 25 is formed only on the upper surface of the side wall surface 10 a of the substrate 10 and on the lower surface of the drawer portion 24. On the other upper extension of the side wall surface 10 a of the substrate 10, the buffer member 25 is not formed, and the gap portion 31 where the lower electrode 14 is exposed is formed. As described above, even if a part of the buffer member 25 is formed on the upper extension of the side wall surface 10a of the substrate 10 and the gap portion 31 is formed in the other part, the piezoelectric layer 15 remains in the pressure chamber 20 during piezoelectric driving.
  • the deformation of the piezoelectric layer 15 does not decrease and the amount of displacement due to the deformation of the piezoelectric layer 15 does not decrease. Even if the piezoelectric layer 15 is repeatedly deformed, there is no possibility of cracking in the piezoelectric layer 15.
  • a buffer member 25 is formed between the upper surface of the lower electrode 14 and the lower surface of the lead portion 24 by using a material having an insulating property in part or in whole. Insulated.
  • the PZT layer is removed in an annular shape by wet-etching a PZT (lead zirconate titanate) layer with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid.
  • a photosensitive resin is applied to the annular grooves from which the upper surfaces of the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a and the PZT layer have been removed, masked with a predetermined shape, and exposed to ultraviolet rays, whereby the buffer member 25 is exposed. It is formed.
  • the buffer member 25 having substantially the same thickness as that of the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a is obtained, and the upper electrode 18 and the lead portion 24 are connected to the buffer member 25, the piezoelectric layer 15 and the outer layer by a film forming method such as vapor deposition or sputtering. Even when the piezoelectric layer 15a is formed so as to straddle each upper surface, the upper electrode 18 and the lead portion 24 can be stably manufactured without being electrically disconnected.
  • FIG. 7 is a sectional view schematically showing the piezoelectric actuator according to the fourth embodiment
  • FIG. 8 is a plan view showing the piezoelectric actuator according to the fourth embodiment.
  • the buffer member 25 is formed only on the upper surface of the side wall surface 10 a of the substrate 10 and on the lower surface of the lead portion 24, and the outer piezoelectric layer 15 a is formed only on the lower surface of the lead portion 24.
  • a part of the buffer member 25 is formed on the upper extension of the side wall surface 10a of the substrate 10, and the piezoelectric layer 15 is disposed so as to avoid the upper extension of the side wall surface 10a of the substrate 10. 15 is flexibly deformed in the side wall surface 10a constituting the pressure chamber 20, and the amount of displacement due to the deformation of the piezoelectric layer 15 does not decrease. Even if the piezoelectric layer 15 is repeatedly deformed, cracks are generated in the piezoelectric layer 15. There is no fear.
  • the buffer member 25 is formed between the upper surface of the lower electrode 14 and the lower surface of the lead portion 24 by using a material having an insulating property, in part or in whole, so that the lead portion 24 is located with respect to the lower electrode 14. Insulated.
  • a PZT (lead zirconate titanate) layer is formed on the upper surface of the lower electrode 14 by sputtering at a temperature of 600 ° C.
  • a mask having a predetermined shape is formed on the upper surface of the PZT layer, and the PZT layer is wet-etched with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, whereby the circular piezoelectric layer 15 and the island-shaped outer piezoelectric layer 15a are formed. It is formed.
  • the buffer member 25 is formed by applying a photosensitive resin to the upper surface of the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a and the upper surface of the lower electrode 14, masking it in a predetermined shape and exposing it with ultraviolet rays.
  • the buffer member 25 having substantially the same thickness as the piezoelectric layer 15 and the outer piezoelectric layer 15a is obtained, and the upper electrode 18 and the lead portion 24 are connected to the buffer member 25, the piezoelectric layer 15 and the outer layer by a film forming method such as vapor deposition or sputtering. Even when the piezoelectric layer 15a is formed so as to straddle each upper surface, the upper electrode 18 and the lead portion 24 can be stably manufactured without being electrically disconnected.
  • FIG. 9 is a sectional view schematically showing the piezoelectric actuator according to the fifth embodiment
  • FIG. 10 is a plan view showing the piezoelectric actuator according to the fifth embodiment.
  • the buffer member 25 is formed on the upper extension of the side wall surface 10 a of the substrate 10 and on the lower surface of the drawer portion 24.
  • the outer piezoelectric layer 15a is removed. Accordingly, a part of the buffer member 25 is formed on the extension above the side wall surface 10a of the substrate 10, and the piezoelectric layer 15 is disposed so as to avoid the extension above the side wall surface 10a of the substrate 10, so that at the time of piezoelectric driving
  • the piezoelectric layer 15 bends and deforms in the side wall surface 10a constituting the pressure chamber 20, and the amount of displacement due to the deformation of the piezoelectric layer 15 does not decrease. Even if the piezoelectric layer 15 is repeatedly deformed, the piezoelectric layer 15 is cracked. There is no risk of occurrence.
  • the buffer member 25 is formed between the upper surface of the lower electrode 14 and the lower surface of the lead portion 24 by using a material having an insulating property, in part or in whole, so that the lead portion 24 is located with respect to the lower electrode 14. Insulated.
  • the piezoelectric layer 15 is formed by removing a portion other than the piezoelectric layer 15 with a resist pattern from the PZT layer formed to have a predetermined thickness.
  • a photosensitive resin is applied to the upper surface of the piezoelectric layer 15 and the upper surface of the lower electrode 14, masked with a predetermined shape, and exposed to ultraviolet rays, thereby forming the buffer member 25.
  • the buffer member 25 having substantially the same thickness as that of the piezoelectric layer 15 is obtained, and the upper electrode 18 and the lead portion 24 are straddled over the upper surfaces of the buffer member 25 and the piezoelectric layer 15 by a film forming method such as vapor deposition or sputtering. Even if formed, the upper electrode 18 and the lead portion 24 can be stably manufactured without being electrically disconnected.
  • the present invention can be used for a piezoelectric actuator that deforms a diaphragm toward a pressure chamber and an ink jet head including the piezoelectric actuator.

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Abstract

　圧電層の変形による変位量が低下することなく、また圧電層を繰り返し変形させてもクラックが発生するおそれがなく、更に上電極及びその引き出し部を成膜よって安定して作製することを可能とした圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッドを提供する。圧電アクチュエータ１は、振動板１１ａ上に、下電極１４、圧電層１５、及び上電極１８が順に積層される。圧電層１５は圧力室２０を構成する基板１０の側壁面１０ａの上方への延長面内側に配設され、上電極１８は圧電層１５に対向して配設される。上電極１８に電気的に接続される引き出し部２４が上電極１８と一体に形成され、下電極１４の上面と引き出し部２４の下面との間には、圧電層１５と略同じ厚みで且つ圧電層１５よりヤング率が小さい樹脂からなる緩衝部材２５が形成され、緩衝部材２５は基板１０の側壁面１０ａ上方への延長上に圧電層１５に隣接して設けられる。

Description

圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッド
　本発明は、圧力室に向けて振動板を変形させる圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッドに関するものである。
　近年、インクジェットプリンタが高速印刷、低騒音、高精細印刷、低コストなどの理由により、急速に普及している。このインクジェットプリンタにはインクを適正な量だけ吐出させるインクジェットヘッドが備えられている。インクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと連通する圧力室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電体素子により変形させて圧力室のインクを加圧しノズルからインク滴を吐出させる方式が知られている。
　例えばこの方式として特許文献１では、基板に圧力室が形成され、その上面に振動板を構成する弾性膜が設けられている。弾性膜の上面には下電極、圧電層、及び上電極が順に積層形成され、上電極に電気的接続される引き出し部と下電極との間の絶縁を確保する構成となっている。つまり、絶縁を確保するために、下電極の外周部を覆うように下電極の上面に圧電層を積層し、引き出し部は圧電層の上面から圧電層の外周の端面に沿って延び、更に弾性膜の上面に延びて形成されている。そして、上電極と下電極との間に電圧を印加し圧電層及び振動板をたわみ変形させることにより、圧力室内の圧力が高まりノズルから　インク滴が吐出する。
　通常、圧電アクチュエータは高密度で微細加工を施す必要があり、このような加工に適した蒸着やスパッタ等の成膜法によって圧電アクチュエータを作製する。ところが上記特許文献１の構成では、圧電層の端面はその厚み分の段差がある。蒸着やスパッタ等によって成膜する場合には、圧電層の段差があるところで引き出し部を形成することが難しく、引き出し部は圧電層上の部分と弾性膜上の部分とで繋がらなくなり電気的に断線するおそれがある。
　そこで、特許文献２では、基板上に下電極、圧電層、及び上電極を順に積層し、そして下電極と圧電層との各端面を傾斜させ、この傾斜した各端面を覆うように絶縁層が形成されている。この絶縁層上に引き出し部が形成され、この引き出し部が上電極に電気的に接続されている。
　上記の特許文献２では、引き出し部は均一な厚みとなり成膜しやすくなっているが、下電極及び圧電層の各端面が傾斜し、更に絶縁層はその厚みが一定でない構成となる。このような下電極、圧電層及び絶縁層を蒸着やスパッタ等の成膜法によって安定して作製することが難しく、量産の歩留まりが向上しないという問題がある。
　また、上電極の引き出し部と下電極との絶縁のために、特許文献３では、基板上に下電極、圧電層、及び上電極が順次積層されて、圧電層の異なる位置で下電極及び上電極の各端部から各電極と一体に延出された引き出し部が形成されている。そして、それぞれの引き出し部を介して下電極及び上電極に電圧が印加されるようになっている。
　上記特許文献３では、上電極の引き出し部を上電極と一体に形成するために、上電極の引き出し部は上電極より厚くなっている。このように一体に形成する電極及び引き出し部の厚みが局所的に異なると、蒸着やスパッタ等の成膜によって電極を作製しづらく、安定した品質で量産することが難しくなる。
　一方、特許文献４では、振動板上に下電極、圧電層、及び上電極が順に積層形成され、圧電層は複数の圧力室にまたがって連続的に配置されている、その結果圧電層は圧力室を形成する基板の側壁の外側にまで対向するように形成されている。
　上記特許文献４の構成では、圧電層に電界が発生しても、圧力室に対向する部分の圧電層及び振動板がたわみ変形するだけであるので、圧電層及び振動板の変位量が小さく抑えられることになる。また、インク滴を頻繁に吐出させるために、圧電層が繰り返して変形すると、圧電層には基板の側壁に対向する部分に折り曲げ負荷が発生し、圧電層のその部分にクラックが発生するという問題がある。
特開２００７－６６２０号公報（段落［００２２］、［００２３］、第１図） 特開２００８－２２７１４４号公報（段落［００２５］～［００２９］、第１図） 特開平８－１１６６８４号公報（段落［００２３］、第２図） 特開２００９－１８２１９５号公報（段落［００２５］～［００３１］、第４図）
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、上電極及びその引き出し部を成膜によって安定して作製することを可能にするとともに、圧電層の変形による変位量が低下するおそれがなく、また圧電層を繰り返し変形させてもクラックが発生するおそれがない圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために第１の本発明は、基板に形成された圧力室に向けて振動板を変形させる圧電アクチュエータであって、前記振動板が前記圧力室の上方に位置するよう上記基板を配した状態において、前記振動板上に下電極、圧電層、及び上電極がこの順に積層され、前記圧電層が前記圧力室を構成する前記基板の側壁面の上方への延長面内側に前記圧電層が配設されるとともに、前記上電極は前記圧電層に対向して配設され、前記上電極に電気的に接続される引き出し部が前記上電極と一体に形成されてなり、前記下電極の上面と前記引き出し部の下面との間には、前記圧電層と略同じ厚みで且つ前記圧電層よりヤング率が小さい緩衝部材が前記基板の側壁面上方への延長上で前記圧電層に隣接して形成されることを特徴としている。なお、ここで記載している上下方向は、前記振動板が前記圧力室の上方にくるように基板を配置した場合のものであり、方向それ自体は必須の条件とするものではなく、以下も同様である。
　また第２の発明は、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記緩衝部材は絶縁特性を有することを特徴としている。
　また、第３の発明は、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記下電極の上面には前記緩衝部材の外側に隣接する外側圧電層が形成され、前記外側圧電層は前記圧電層と同じ材料で且つ同じ厚みからなり、前記引き出し部は前記緩衝部材と前記外側圧電層の各上面にまたがって形成されることを特徴としている。
　また、第４の発明は、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記緩衝部材は前記圧電層の全周に亘って隣接して形成され、前記外側圧電層は前記緩衝部材の全周に亘って隣接して形成されることを特徴としている。
　また、第５の発明は、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記引き出し部は前記緩衝部材の上面にのみ形成されることを特徴としている。
　また、第６の発明は、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記緩衝部材は感光性樹脂からなることを特徴としている。
　また、第７の発明は、上記の構成の圧電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドである。
　第１の発明によれば、上電極と下電極との間に電圧を印加すると、圧電層はたわみ変形し、圧電層の変形に追随して、振動板も圧力室に向けて変形する。このときに、圧電層が基板の側壁面上方の位置を避けて配置され、ヤング率が圧電層より小さい緩衝部材が基板の側壁面の上方への延長上で前記圧電層に隣接して配設されるので、圧電駆動時に緩衝部材も変形して、圧電層の変形による変位量が低下するおそれがなく、また、圧電層を繰り返し変形させても圧電層にクラックが発生するおそれがない。また、緩衝部材は圧電層と略同じ厚みであるので、蒸着やスパッタ等の成膜法によって上電極と引き出し部とを圧電層上及び緩衝部材上に一体に形成しても、電気的に断線することなく上電極と引き出し部とを安定して作製することができる。
　また、第２の発明によれば、緩衝部材は絶縁特性を持つので、引き出し部を下電極に対して絶縁することができる。
　また、第３の発明によれば、圧電層と外側圧電層が同じ厚みであり、緩衝部材は圧電層と外側圧電層との隙間に形成されるので、緩衝部材を圧電層及び外側圧電層と略同じ厚みで均一に作製しやすくなる。そして、引き出し部は蒸着やスパッタ等の成膜法によって略同じ厚みの緩衝部材と外側圧電層の各上面にまたがって安定して作製される。
　また、第４の発明によれば、圧電層と外側圧電層が蒸着やスパッタ等によって成膜され、圧電層と外側圧電層との間の周状の隙間に緩衝部材を充填することになり、緩衝部材を圧電層及び外側圧電層と略同じ厚みで均一に作製しやすくなる。そして、引き出し部は蒸着やスパッタ等の成膜法によって略同じ厚みの緩衝部材と外側圧電層の各上面にまたがって安定して作製される。また、緩衝部材および外側圧電層が全周に亘って形成されることにより圧電層をバランスよく変位させることができる。
　また、第５の発明によれば、蒸着やスパッタ等の成膜法によって引き出し部を緩衝部材の上面に安定して作製することができる。
　また、第６の発明によれば、緩衝部材は感光性樹脂からなるので、緩衝部材を所定の形状及び精度で容易に形成することができる。
　また、第７の発明によれば、圧電層の変形による変位量が低下するおそれがなく、また圧電層を繰り返し変形させても圧電層にクラックが発生するおそれがなく、更に上電極及びその引き出し部を成膜によって安定して作製することを可能とした圧電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドにすることができる。
本発明の第１実施形態である圧電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを示す断面図 第１実施形態である圧電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを示す平面図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第１実施形態であるインクジェットヘッドの製造工程を示す図 第２実施形態である圧電アクチュエータを示す断面図 第３実施形態である圧電アクチュエータを示す断面図 第３実施形態である圧電アクチュエータを示す平面図 第４実施形態である圧電アクチュエータを示す断面図 第４実施形態である圧電アクチュエータを示す平面図 第５実施形態である圧電アクチュエータを示す断面図 第５実施形態である圧電アクチュエータを示す平面図 シミュレーション時の構成を示す平面図
　以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこの実施形態に限定されない。また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。
　　（第１実施形態）
　図１は本発明の第１実施形態である圧電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを模式的に示す断面図であり、図２は圧電アクチュエータを備えるインクジェットヘッドを示す平面図である。
　図１に示すように、インクジェットヘッド２３は、圧力室２０内のインクに圧力を付与するための圧電アクチュエータ１と、圧力室２０を形成する基板１０と、圧力室２０内のインクを吐出する孔を有するガラス基板２１及びノズルプレート２２とを備える。
　基板１０、ガラス基板２１及びノズルプレート２２は積層されて構成される。基板１０にはその側壁面１０ａによって圧力室２０が形成されている。圧力室２０は水平断面形状が円形である孔で形成される（図２の側壁面１０ａも参照）。圧力室２０は楕円形や多角形の孔でもよい。ガラス基板２１には圧力室２０に連通するインク吐出用の孔２１ａが形成され、ノズルプレート２２にはガラス基板２１の孔２１ａに連通するノズル２２ａが形成されている。ノズル２２ａはインク吐出用である２段孔で構成される。このように基板１０、ガラス基板２１及びノズルプレート２２には圧力室２０からノズル２２ａまでのインクの流路が形成される。
　圧電アクチュエータ１は、振動板１１ａ、圧電層１５、下電極１４、上電極１８、引き出し部２４及び緩衝部材２５を備えている。以下の説明は、圧力室２０の上に振動板１１ａを含む圧電アクチュエータ１が位置するよう基板１０等を置いた状態として行うが、方向等はこれに限定されるものではない。
　圧電層１５は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなり、下電極１４の上面に形成される。また、圧電層１５は圧力室２０と対向して配設される。つまり、圧電層１５は圧力室２０を形成する基板１０の側壁面１０ａの上方への延長面内側に配設され、圧力室２０より若干小さい円形状に形成される（図２参照）。圧力室２０が楕円形状や多角形状の孔であるなら、圧電層１５も圧力室２０と同じ形状で若干小さく形成するとよいが、必ずしも同一形状である必要はない。
　圧電層１５は電圧の印加により圧力室２０に向けてたわみ変形し、圧電層１５の変形に追随して、振動板１１ａも圧力室２０に向けて変形する。これによって、圧力室２０内のインクの圧力が上昇し、圧力室２０に連通する孔２１ａを介してノズル２２ａからインクが吐出される。圧電層１５は収縮するものでも膨張（伸張）するものでもよい。
　下電極１４は、白金（Ｐｔ）等の導電材料からなり、振動板１１ａと圧電層１５との間に形成され、また振動板１１ａのほぼ全域にわたって形成され、図示しない他の圧力室の振動板を変形させる圧電アクチュエータの共通電極となる。
　上電極１８は、クロム（Ｃｒ）等の導電材料からなり、圧電層１５の上面にて圧電層１５と同様に円形状に形成される（図２参照）。上電極１８は圧電層１５より若干小さく形成されるが、圧電層１５と略同じサイズで形成してもよい。圧電層１５が楕円形状や多角形状なら、上電極１８も圧電層１５と同じ形状に形成するとよい。
　上電極１８には引き出し部２４が一体で形成され、引き出し部２４は圧電層１５に対向しないところまで引き出され（図２も参照）、その引き出した端部が図示しない駆動回路の接続端子となっている。上電極１８には引き出し部２４を介して駆動電位が付与されると、上電極１８と下電極１４との電位差によって、圧電層１５はたわみ変形することになる。
　緩衝部材２５は、エポキシ樹脂やアクリル樹脂等の感光性樹脂、または、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、合成ゴム等の、圧電層１５よりヤング率が小さく、且つ電気的に絶縁特性を有する材料で、圧電層１５と略同じ厚みで形成される。従って、緩衝部材２５が下電極１４の上面と引き出し部２４の下面との間に形成されることによって、引き出し部２４は下電極１４に対して絶縁される。なお、緩衝部材２５は、絶縁特性を持たない材料と絶縁特性を持つ材料を併用して形成してもよい。その場合は、絶縁特性を持たない材料層と絶縁特性を持つ材料層を二層以上重ねて形成することにより、引き出し部２４が下電極１４に対して絶縁される。
　また、緩衝部材２５は圧電層１５の外周に隣接して円環状に配設され（図２参照）、これによって、緩衝部材２５は圧力室２０を形成する基板１０の側壁面１０ａに対向する、つまり基板１０の側壁面１０ａの上方の延長上に配設されることになる。このように、圧電層よりヤング率の小さい緩衝部材２５が基板１０の側壁面１０ａの上方の延長上に設けられると、圧電駆動時に、圧電層１５のたわみ変形にともない、緩衝部材２５も変形するために、圧電層１５が繰り返したわみ変形しても、たわみ変形による折り曲げ負荷が緩衝部材２５によって吸収され、また圧電層にかかる負荷も分散される。これによって、圧電層１５にクラックが発生するおそれがなく、また、圧電層１５の変形による変位量が低下することもない。
　また、緩衝部材２５は圧電層１５と略同じ厚みで形成されている。つまり、緩衝部材２５と圧電層１５の厚みの差（段差）が引き出し部２４の厚み以下（略同じ厚み）であると、緩衝部材２５と圧電層１５の各上面にまたがって引き出し部２４を上電極１８と一体に成膜するとき、引き出し部２４がその段差によって途切れる（断線する）ことがない。
　緩衝部材２５の外周には、その全周に亘って隣接する外側圧電層１５ａが形成される（図２も参照）。外側圧電層１５ａは、下電極１４の上面に圧電層１５と同じ圧電材料によって同じ厚みに形成される。
　図３Ａ～図３Ｎは本発明のインクジェットヘッドの各製造工程を模式的に示す図である。
　まず、図３Ａに示すように、基板１０を用意する。基板１０はインクジェットヘッドのボディ及び圧力室の側壁になる部材であり、厚さ略２００μｍの、加工性が高いＳｉ（シリコン）が用いられる。熱酸化によって、基板１０の上下面にＳｉＯ2（二酸化シリコン）からなる、夫々厚さ２μｍの上酸化膜１１ａと下酸化膜１１ｂを形成する。上酸化膜１１ａは前述の振動板となる。
　次に、図３Ｂに示すように、下酸化膜１１ｂにレジスト１２を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る。このパターンは圧力室を形成するためのものであり、パターンの形状としては直径３００μｍの円形である。ここでは円形とするが、その形状には特に限定はなく、楕円形、多角形等のパターンとしてもよい。
　次に、レジスト１２をマスクにして下酸化膜１１ｂをＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置でＣＨＦ3（トリフルオロメタン）ガスによってドライエッチングする。これによって、図３Ｃに示すように、レジスト１２で保護されていない下酸化膜１１ｂが除去される。
　次に、図３Ｄに示すように、上酸化膜（振動板）１１ａの上面に下電極密着層１４ａを形成し、下電極密着層１４ａの上面に下電極層１４ｂを形成する。これは、スパッタによって下電極密着層１４ａとしてＴｉ（チタン）を厚み０．０２μｍに成膜して、更に、下電極層１４ｂとしてＰｔ（白金）を厚み０．１μｍに成膜する。下電極密着層１４ａと下電極層１４ｂは下電極１４となる。
　次に、図３Ｅに示すように、下電極１４の上面に圧電層１５（図１の外側圧電層１５ａも含めて）を形成する。温度６００℃においてスパッタによって圧電層１５として厚み５μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層を成膜すると、ＰＺＴ層は、圧電特性が得られるペロブスカイト相の〈１１１〉に配向する。圧電層１５は電圧の印加により変形するものであれば、収縮するものでも膨張（伸張）するものでもよい。
　次に、図３Ｆに示すように、ＰＺＴ層（圧電層１５）の上面にレジスト１６を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る。このパターンは、所定の形状でＰＺＴ層を除去して、除去した部分に緩衝部材２５を充填するためのものである。そのパターンの形状としては外径２８０μｍの円形と、この円形と同心でその外側に内径３６０μｍの円形とを組み合わせたものであって、このパターンによって円環状にＰＺＴ層を除去する。ここでは圧力室２０の水平断面形状に合わせて円環状に除去するが、その形状には特に限定はなく、圧力室２０の水平断面形状が楕円形または多角形であるのなら、レジスト１６によって楕円形の帯状に、または多角形の帯状にＰＺＴ層を除去することになる。
　次に、レジスト１６をマスクとしてＰＺＴ層をフッ酸と硝酸との混合液でウエットエッチングすると、図３Ｇに示すように、レジスト１６で保護されていないＰＺＴ層が幅４０μｍで円環状に除去される。円環状に除去された内側のＰＺＴ層は圧電層１５となり、円環状に除去された外側のＰＺＴ層は外側圧電層１５ａとなる（図１、図２参照）。
　次に、図３Ｈに示すように、圧電層１５及び外側圧電層１５ａの上面に緩衝部材２５としてのエポキシ樹脂やアクリル樹脂等の感光性樹脂をスピンコートによって塗布する。これによって、圧電層１５上及び外側圧電層１５ａ上に極めて薄い感光性樹脂の膜が形成されるとともに、ＰＺＴ層を除去した円環状の溝にも感光性樹脂が充填される。この時、円環状の溝部分に充填された感光性樹脂の上面は、図３Ｈのように圧電層上に形成された膜の上面の高さ位置よりも若干低くなるため、圧電層の上面高さと略等しくなる。
　次に、図３Ｉのように感光性樹脂上にマスク１３を配置して紫外線で露光すると、図３Ｊに示すように、円環状の溝以外の感光性樹脂が除去される。円環状の溝に形成された感光性樹脂は緩衝部材２５として作用する。例えば、緩衝部材２５としてエポキシ樹脂を用いた場合には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、圧電層１５、外側圧電層１５ａ）のヤング率が６０Ｇｐａであるのに対して、エポキシ樹脂のヤング率が３Ｇｐａであり、緩衝部材２５のヤング率は圧電層１５より小さく、圧電層１５に比べると、緩衝部材２５は変形しやすくなる。
　次に、図３Ｋに示すように、蒸着によって圧電層１５（外側圧電層１５ａも含めて）及び緩衝部材２５の上面に上電極密着層１８ａ及び引き出し密着層２４ａとしてＣｒ（クロム）を成膜して、更に、Ｃｒ膜の上面に上電極層１８ｂ及び引き出し層２４ｂとしてＡｕ（金）を成膜する。この成膜でＣｒ膜及びＡｕ膜の総厚みを０．２μｍにする。上電極密着層１８ａ及び上電極層１８ｂは上電極１８となり、また、引き出し密着層２４ａ及び引き出し層２４ｂは引き出し部２４となる。
　次に、図３Ｌに示すように、Ａｕ膜の上面にレジスト１９を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る。このパターンは、Ｃｒ膜及びＡｕ膜を図２に示す上電極１８及び引き出し部２４の形状に形成するためのものである。この上電極１８は直径２７０μｍの円形であり、引き出し部２４の幅は適宜設定される。上電極１８の円形サイズは、圧電層１５の直径（２８０μｍ）より若干小さくしているが、圧電層１５と同じサイズの円形にしてもよい。更に、圧電層１５が楕円形または多角形であるのなら、レジスト１９には楕円または多角形のパターンを用いることになる。
　次に、レジスト１９をマスクとしてＣｒ膜及びＡｕ膜をウエットエッチングすると、図３Ｍに示すように、レジスト１９で保護されていないＣｒ膜及びＡｕ膜が除去され、図２に示す形状の上電極１８及び引き出し部２４が形成される。
　次に、図３Ｎに示すように圧力室２０を形成する。圧力室２０は上酸化膜１１ａに達する深さまで基板１０を深堀加工することで形成される。深堀加工として、例えばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）装置のボッシュプロセスによって、圧力室２０を円形に形成する。圧力室２０の水平断面は下酸化膜１１ｂと同じ直径３００μｍの円形である。
　次に、下酸化膜１１ｂをエッチング処理により除去した後、図１に示すガラス基板２１及びノズルプレート２２を基板１０に取り付ける。ガラス基板２１は厚み２００μｍであり、ガラス基板２１には直径１００μｍの孔２１ａが形成されている。ノズルプレート２２は厚み３００μｍのシリコン材からなり、ノズルプレート２２には直径５０μｍと直径２０μｍとの２段孔が形成されている。このガラス基板２１とノズルプレート２２を用意して、基板１０の下面にガラス基板２１を、更にガラス基板２１の下面にノズルプレート２２を陽極接合で貼り合わせることで、インクジェットヘッド２３が完成する。
　上記第１実施形態によれば、圧電アクチュエータ１は基板１０に形成された圧力室２０に向けて振動板１１ａを変形させる。また、圧電アクチュエータ１は、振動板１１ａ上に、下電極１４、圧電層１５、及び上電極１８がこの順に積層される。圧電層１５は圧力室２０を構成する基板１０の側壁面１０ａの上方への延長面内側に配設され、上電極１８は圧電層１５に対向して配設される。引き出し部２４が上電極１８と一体に形成され、下電極１４の上面と引き出し部２４の下面との間には、圧電層１５と略同じ厚みで且つ圧電層よりヤング率が小さい緩衝部材２５が形成され、緩衝部材２５は基板１０の側壁面１０ａの上方への延長上に圧電層１５に隣接して設けられる。
　この構成によると、上電極１８と下電極１４との間に電圧を印加すると、圧電層１５はたわみ変形し、圧電層１５の変形に追随して、振動板１１ａも圧力室２０に向けて変形する。このときに、圧電層１５が基板１０の側壁面１０ａの上方への延長上の位置を避けて配置され、圧電層よりヤング率が小さい緩衝部材２５が基板１０の側壁面１０ａの上方への延長上に配設されるので、圧電駆動時に緩衝部材２５も変形して、圧電層１５の変形による変位量が低下するおそれがなく、また、圧電層１５を繰り返し変形させても、圧電層１５にクラックが発生するおそれがない。また、絶縁特性を有する緩衝２５が下電極１４と引き出し部２４との間に形成されることで、緩衝部材２５によって引き出し部２４は下電極１４に対して絶縁される。また、緩衝部材２５は圧電層１５と略同じ厚みであるので、蒸着やスパッタ等の成膜法によって、上電極１８と引き出し部２４とを圧電層１５上及び緩衝部材２５上に一体に形成しても、電気的に断線することなく上電極１８と引き出し部２４とを安定して作製することができる。
　また、上記第１実施形態によれば、緩衝部材２５は圧電層１５の全周に亘って隣接して形成され、また、外側圧電層１５ａは緩衝部材２５の全周に亘って隣接して形成され、引き出し部２４は緩衝部材２５と外側圧電層１５ａの各上面にまたがって形成される。
　この構成によると、圧電層１５と外側圧電層１５ａが同じ厚みで形成され、緩衝部材２５は同じ厚みの圧電層１５と外側圧電層１５ａとの隙間に充填して形成されるので、緩衝部材２５を圧電層１５及び外側圧電層１５ａと略同じ厚みで均一に作製しやすくなる。そして、緩衝部材２５と外側圧電層１５ａが略同じ厚みとなり、蒸着やスパッタ等の成膜法によって、引き出し部２４を緩衝部材２５と外側圧電層１５ａの各上面にまたがるように安定して作製することができる。
　また、上記第１実施形態によれば、緩衝部材２５は感光性樹脂からなるので、紫外線の露光によって緩衝部材２５を所定の形状及び精度で容易に形成することができる。
　尚、上記第１実施形態では、緩衝部材２５は、感光性樹脂を紫外線露光によって形成する工程を示したが、本発明はこれに限らず、緩衝部材２５を感光性樹脂以外の樹脂で形成してもよい。例えば、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、合成ゴム等の絶縁材料を圧電層１５及び外側圧電層１５ａの各上面からはみ出ないように圧電層１５と外側圧電層１５ａとの隙間にスキージで充填するようにしてもよい。この場合には、圧電層１５と外側圧電層１５ａは同じ厚みであるので、圧電層１５と外側圧電層１５ａの間に緩衝部材２５を簡単に精度よく充填することができる。また、前述のように緩衝部材２５として絶縁特性のない材料と絶縁特性を有する材料を併用する場合は、上記充填方法により一方の材料の層を形成後もう一方の材料の層を重ねるようにするとよい。
　　（第２実施形態）
　図４は第２実施形態である圧電アクチュエータを模式的に示す断面図である。以降の実施形態では第１実施形態と同じ部分の説明を省略し、異なる部分について説明する。
　この実施形態では、基板１０を深堀加工する工程（第１実施形態の図３Ｎの工程）において、圧力室２０を上酸化膜１１ａに達するまで基板１０を深堀加工する替わりに、上酸化膜１１ａに達する直前で深堀加工を止めている。振動板としての上酸化膜１１ａを厚くすることができない場合に好適であり、圧力室２０と上酸化膜１１ａとの間にＳｉ層１０ｂを例えば２μｍ程度残して深堀加工を止め、上酸化膜１１ａとともにＳｉ層１０ｂを振動板として用いる。
　この実施形態において、上電極１８と下電極１４との間に電圧を印加すると、圧電層１５はたわみ変形し、圧電層１５の変形に追随して、上酸化膜１１ａ及びＳｉ層１０ｂからなる振動板も圧力室２０に向けて変形する。このときに、圧電層１５が基板１０の側壁面１０ａの上方への延長上の位置を避けて配置され、圧電層よりヤング率が小さい緩衝部材２５が基板１０の側壁面１０ａの上方への延長上に配設されるので、圧電駆動時に緩衝部材２５も変形して、圧電層１５の変形による変位量が低下するおそれがなく、また、圧電層１５を繰り返し変形させても、圧電層１５にクラックが発生するおそれがない。
　　（第３実施形態）
　図５は第３実施形態である圧電アクチュエータを模式的に示す断面図であり、図６は第３実施形態である圧電アクチュエータを示す平面図である。
　第３実施形態では、緩衝部材２５が圧電層１５の全周に亘って形成されていない。つまり、緩衝部材２５は基板１０の側壁面１０ａの上方への延長上であって、かつ引き出し部２４の下面にのみ形成されている。それ以外の基板１０の側壁面１０ａの上方延長上では、緩衝部材２５が形成されておらず、下電極１４が露出した空隙部３１が形成される。このように基板１０の側壁面１０ａの上方延長上において一部の緩衝部材２５が形成され、それ以外の部分において空隙部３１が形成されていても、圧電駆動時には、圧電層１５が圧力室２０を構成する側壁面１０ａ内でたわみ変形し、圧電層１５の変形による変位量が低下することなく、また、圧電層１５を繰り返し変形させても、圧電層１５にクラックが発生するおそれがない。
　一部または全部に、絶縁特性を有する材料を使用して下電極１４の上面と引き出し部２４の下面との間に緩衝部材２５が形成されることによって、引き出し部２４は下電極１４に対して絶縁される。
　緩衝部材２５の製造工程は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層をフッ酸と硝酸との混合液でウエットエッチングすることによって、ＰＺＴ層を円環状に除去する。次に、圧電層１５及び外側圧電層１５ａの各上面とＰＺＴ層を除去した円環状の溝に感光性樹脂を塗布し、所定の形状でマスクして紫外線で露光することによって、緩衝部材２５が形成される。従って、圧電層１５及び外側圧電層１５ａと略同じ厚みの緩衝部材２５が得られて、蒸着やスパッタ等の成膜法によって、上電極１８と引き出し部２４を緩衝部材２５と圧電層１５及び外側圧電層１５ａの各上面にまたがるように形成しても、電気的に断線することなく上電極１８と引き出し部２４を安定して作製することができる。
　　（第４実施形態）
　図７は第４実施形態である圧電アクチュエータを模式的に示す断面図であり、図８は第４実施形態である圧電アクチュエータを示す平面図である。
　第４実施形態では、緩衝部材２５は基板１０の側壁面１０ａの上方延長上で、且つ、引き出し部２４の下面にのみ形成され、また、外側圧電層１５ａは引き出し部２４の下面にのみ形成される。従って、一部の緩衝部材２５が基板１０の側壁面１０ａの上方延長上に形成され、圧電層１５が基板１０の側壁面１０ａの上方延長上を避けて配置されるので、圧電駆動時に圧電層１５は圧力室２０を構成する側壁面１０ａ内でたわみ変形し、圧電層１５の変形による変位量が低下することなく、また、圧電層１５を繰り返し変形させても、圧電層１５にクラックが発生するおそれがない。
　一部または全部に、絶縁特性を有する材料を使用して緩衝部材２５が下電極１４の上面と引き出し部２４の下面との間に形成されることによって、引き出し部２４は下電極１４に対して絶縁される。
　外側圧電層１５ａと緩衝部材２５の製造工程は、下電極１４の上面に温度６００℃においてスパッタによってＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層を成膜する。次に、ＰＺＴ層の上面にレジストによる所定形状のマスクを施し、ＰＺＴ層をフッ酸と硝酸との混合液でウエットエッチングすることによって、円形状の圧電層１５とともに島状の外側圧電層１５ａが形成される。次に、圧電層１５及び外側圧電層１５ａの上面と下電極１４の上面とに感光性樹脂を塗布し、所定の形状でマスクして紫外線で露光することによって、緩衝部材２５が形成される。
　従って、圧電層１５及び外側圧電層１５ａと略同じ厚みの緩衝部材２５が得られて、蒸着やスパッタ等の成膜法によって、上電極１８及び引き出し部２４を緩衝部材２５、圧電層１５及び外側圧電層１５ａの各上面にまたがるように形成しても、電気的に断線することなく上電極１８と引き出し部２４を安定して作製することができる。
　　（第５実施形態）
　図９は第５実施形態である圧電アクチュエータを模式的に示す断面図であり、図１０は第５実施形態である圧電アクチュエータを示す平面図である。
　第５実施形態では、緩衝部材２５は基板１０の側壁面１０ａの上方の延長上で、且つ、引き出し部２４の下面に形成されている。外側圧電層１５ａは除去されている。従って、一部の緩衝部材２５が基板１０の側壁面１０ａの上方の延長上に形成され、圧電層１５は基板１０の側壁面１０ａの上方の延長上を避けて配置されるので、圧電駆動時に圧電層１５は圧力室２０を構成する側壁面１０ａ内でたわみ変形し、圧電層１５の変形による変位量が低下することなく、また、圧電層１５を繰り返し変形させても、圧電層１５にクラックが発生するおそれがない。
　一部または全部に、絶縁特性を有する材料を使用して緩衝部材２５が下電極１４の上面と引き出し部２４の下面との間に形成されることによって、引き出し部２４は下電極１４に対して絶縁される。
　圧電層１５と緩衝部材２５の製造工程は、所定の厚みに形成されたＰＺＴ層をレジストパターンによって圧電層１５以外の部分を除去することによって、圧電層１５が形成される。次に、圧電層１５の上面と下電極１４の上面とに感光性樹脂を塗布し、所定の形状でマスクして紫外線で露光することによって、緩衝部材２５が形成される。
　従って、圧電層１５と略同じ厚みの緩衝部材２５が得られて、蒸着やスパッタ等の成膜法によって、上電極１８と引き出し部２４を緩衝部材２５と圧電層１５の各上面にまたがるように形成しても、電気的に断線することなく上電極１８と引き出し部２４を安定して作製することができる。
　以上、本発明における実施形態を説明したが、圧電層の一部をヤング率の低い緩衝部材に置き換えた際の効果を図７、図８に示す第４の実施形態でシミュレーションによって確認した結果を以下の表１に示す。
　このシミュレーションでは、基板の側壁面上方の圧電層の一部（図１１における斜線の領域４０）をヤング率の低い材料に変更した場合の圧電変位と応力の変化を確認した。振動板、ＰＺＴ、圧力室、上側電極、領域４０の寸法等は下表に示す条件とした。また、ＰＺＴと置き換える緩衝部材の材料としては、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、エポキシ樹脂、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いた。表１に示すように、ヤング率が低くなるほど圧電変位量が大きく、また引き出し部にかかる応力が小さくなることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明は、圧力室に向けて振動板を変形させる圧電アクチュエータ及びそれを備えたインクジェットヘッドに利用することができる。
　　　１　　圧電アクチュエータ
　　　１０　　基板
　　　１０ａ　　側壁面
　　　１０ｂ　　Ｓｉ層（振動板）
　　　１１ａ　　上酸化膜（振動板）
　　　１１ｂ　　下酸化膜
　　　１２　　レジスト
　　　１３　　マスク
　　　１４　　下電極
　　　１４ａ　　下電極密着層
　　　１４ｂ　　下電極層
　　　１５　　圧電層
　　　１５ａ　　外側圧電層
　　　１６　　レジスト
　　　１８　　上電極
　　　１８ａ　　上電極密着層
　　　１８ｂ　　上電極層
　　　１９　　レジスト
　　　２０　　圧力室
　　　２１　　ガラス基板
　　　２１ａ　　孔
　　　２２　　ノズルプレート
　　　２２ａ　　ノズル
　　　２３　　インクジェットヘッド
　　　２４　　引き出し部
　　　２４ａ　　引き出し密着層
　　　２４ｂ　　引き出し層
　　　２５　　緩衝部材
　　　３１　　空隙部

Claims (7)

  1. 　基板に形成された圧力室に向けて振動板を変形させる圧電アクチュエータであって、前記振動板が前記圧力室の上に位置するようにした状態において、
    　前記振動板上に下電極、圧電層、及び上電極がこの順に積層され、
    　前記圧電層が前記圧力室を構成する前記基板の側壁面の上方への延長面内側に配設されるとともに、前記上電極は前記圧電層に対向して配設され、
    　前記上電極に電気的に接続される引き出し部が前記上電極と一体に形成されてなり、
    　前記下電極の上面と前記引き出し部の下面との間には、前記圧電層に対して略同じ厚みで且つ前記圧電層よりヤング率が小さい緩衝部材が前記基板の側壁面の上方への延長上で前記圧電層に隣接して形成されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 　前記緩衝部材は絶縁特性を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
  3. 　前記下電極の上面には前記緩衝部材の外側に隣接する外側圧電層が形成され、前記外側圧電層は前記圧電層と同じ材料で且つ同じ厚みからなり、前記引き出し部は前記緩衝部材と前記外側圧電層の各上面にまたがって形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 　前記緩衝部材は前記圧電層の全周に亘って隣接して形成され、前記外側圧電層は前記緩衝部材の全周に亘って隣接して形成されることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
  5. 　前記引き出し部は前記緩衝部材の上面にのみ形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
  6. 　前記緩衝部材は感光性樹脂からなることを特徴とする請求項１～請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  7. 　請求項１～請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えるインクジェットヘッド。
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