JP2000351212A - 圧電体素子及びこれを用いた圧電アクチュエータ並びにこれを備えたインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電体素子の耐電圧特性を向上し、信頼性の
高い圧電体素子及び圧電アクチュエータ及びインクジェ
ットプリントヘッドを提供する。 【解決手段】 下部電極と上部電極との間に形成された
圧電体膜の薄肉欠陥部に絶縁性物質を充填した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体素子及びこ
れを用いた圧電アクチュエータ並びにインクジェットプ
リントヘッドに係わり、特に耐電圧特性が向上した圧電
体素子及びこれを用いた圧電アクチュエータ並びにイン
クジェットプリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電体素子を用いた圧電アク
チュエータにより、インクを押圧し、ノズルからインク
を吐出させるインクジェットプリントヘッドが知られて
いる。このようなインクジェットプリントヘッドに用い
られる圧電体素子は、圧電体膜を下部電極と上部電極で
挟み込んだ構造が一般的に使用され、電極に電圧を印加
することによる圧電体膜の変位を利用している。

【０００３】ここで、前記圧電体膜の組成は、一般的
に、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする二成分系、ま
たは、第三成分を加えた三成分系とされている。また、
圧電体素子の高感度化、小型化などの要求から、圧電体
膜の薄膜化が強く要望され、例えば、スパッタリング
法、化学的蒸着方法（ＣＶＤ：chemical vapor deposit
ion）、ゾルーゲル法、水熱合成法等により形成するこ
とができる。

【０００４】このうち、水熱合成法による圧電体膜は、
下部電極を兼ねるチタン膜上に選択的に結晶成長できる
ため、チタン膜をパターニングすることにより、どんな
複雑な形状にも形成することができる。また、合成反応
の温度が１４０℃と低いことから、形成する基板として
プラスチック等を利用できる。また、本法による圧電体
結晶膜は、合成直後の状態で圧電効果を示し、分極処理
の必要のない等の優れた特徴を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記水
熱合成法による薄膜圧電体膜は、成膜時に下部電極を兼
ねるチタン膜表面の欠陥や汚れ、異物、または、合成液
中の異物等の原因によって、ピンホールやピットと呼ば
れる薄肉の欠陥部が生じる問題があった。そして、この
薄肉欠陥部が存在する圧電体膜に、上部電極を形成した
圧電体素子の耐電圧特性は、平均膜厚から推定される本
来の特性と較べて、はるかに劣るものとなる。そして、
この欠陥は、圧電体膜を薄膜化すればするほど切実な問
題点となっている。

【０００６】これを解決する手段として欠陥部に絶縁材
料を埋め込むか、圧電体膜の表面を酸化処理する方法
（特開平１０−１２０４９９号公報）が考えられてい
る。しかしながらこのような処理を行うと圧電体膜と上
部電極間全面にわたりに絶縁層が介在し、耐電圧特性は
向上するものの、圧電アクチュエータとしての変位量が
大きく低減し、実用的でない。

【０００７】本発明は、上記した従来の問題点を解決す
るもので、その課題とするところは、圧電体素子の耐電
圧特性を向上し、信頼性の高くかつ変位量が大きい圧電
体素子を提供することにある。また、この圧電体素子を
用いた圧電アクチュエータ、さらには、この圧電アクチ
ュエータを用いたインクジェットプリントヘッドを提供
することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を達成する
ために本発明は、下部電極と、前記下部電極上に形成さ
れた圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極
とを備えた圧電体素子であって、前記上部電極形成前の
前記圧電体膜表面の薄肉欠陥部のみに絶縁性物質を充填
した圧電体素子を提供するものである。

【０００９】この構造を備えた圧電体素子は、前記薄肉
欠陥部に存在する絶縁性物質の存在によって、圧電体膜
の薄肉欠陥部における下部電極と上部電極との電気的シ
ョートを防いだり、圧電体膜の薄肉部の耐電圧特性を向
上させることができる。

【００１０】また、前記圧電体膜は、水熱合成法によっ
て形成されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分として構成
することができる。

【００１１】本発明は、前記した構成を備えた圧電体素
子を振動子として備えた圧電アクチュエータを提供する
ものである。

【００１２】更に、本発明は、前記圧電アクチュエータ
を備えたインクジェットプリントヘッドを提供するもの
である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
しながら説明する。

【００１４】図１は、本発明の圧電体素子の断面図、図
２は図１に示す圧電体素子を振動子として用いた圧電ア
クチュエータを備えたインクジェットプリントヘッドの
断面図である。

【００１５】図１に示すように、本発明に係わる圧電体
素子５は、下部電極１と、下部電極１上に形成された圧
電体膜２と、圧電体膜２膜上に形成された絶縁性物質３
と、絶縁性物質３が形成された圧電体膜２上に形成され
た上部電極４と、を備えて構成されている。

【００１６】本例に係わるインクジェットプリントヘッ
ドは、図２に示すように、複数のノズル１１を有するノ
ズル基板１０と、インク１２が加圧される圧力室１３を
形成する圧力室基板９と、圧力室１３内にインク１２を
各ノズル１１へ供給するためのリストリクタ基板８と、
圧電体素子５と振動板７とから構成される圧電アクチュ
エータ６と、を備えて構成されている。

【００１７】なお、本例においては、配列ピッチは１８
０分の１インチ、約１４１μｍとし、２列に千鳥状に配
置することによって３６０ドット／インチとしたが、ノ
ズル数、列数、及びユニット構成はどの様な組み合わせ
でも限定されるものではない。

【００１８】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。

【００１９】待機時においては、分極方向が図中のノズ
ル１１に向いている圧電体素子５に撓みはないが、分極
方向と同極性の電圧を印加すると、圧電体膜２は厚み方
向すなわちノズル１１の方向に膨張すると共にその幅方
向に収縮する。この収縮で圧電体素子５と振動板７の界
面に圧縮のせん断応力が働き、圧電アクチュエータ６は
図中のノズル１１の方向に撓む。この撓みにより圧力室
１３の体積が減少し、ノズル１１からインク滴が吐出す
る。その後、電圧印加を止めると、撓んでいた圧電体素
子５が復元し、圧力室１３体積の膨張により図示しない
インク供給路よりインク１２が充填される。

【００２０】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
の一例を図３に基づいて説明する。

【００２１】図３（１）の工程では、振動板７となる１
５μｍ厚のＮｉ板の表面の圧電体膜２を形成する部分に
下部電極１となるチタン膜を０．５μｍ、スパッタ法な
どの薄膜形成法で成膜する。その後、チタン膜のみをフ
ォトリソグラフィ工程によってパターニングを行い、圧
電体膜２を形成する部分以外を除去する。

【００２２】次に、図３（２）の工程で、圧電体膜２の
形成を水熱合成法によって行う。前記下部電極１を形成
した振動板７とオキシ塩化ジルコニウム、硝酸鉛を含む
水溶液をオートクレーブ内に入れ、１４０℃で反応さ
せ、下部電極１のチタン膜表面に圧電体膜の結晶核を生
成する（結晶核生成プロセス）。さらに、この振動板７
を四塩化チタン、オキシ塩化ジルコニウム、硝酸鉛を含
む水溶液をオートクレーブ内に入れ、１４０℃で反応さ
せ、圧電体の結晶核から圧電体の結晶を成長させる（結
晶成長プロセス）。本例では反応時間２４時間で１０μ
ｍの圧電体膜２が形成された。

【００２３】なお、圧電体膜２の原料として四塩化チタ
ンとオキシ塩化ジルコニウムを用いた２成分系の圧電体
膜２でも同様な特性が得られる。

【００２４】また、振動板７の材料としては表面に耐ア
ルカリコーティングを施したチタン、ステンレスなどの
金属板やポリイミド、フェノールなどの各種樹脂、ガラ
スやセラミックス等の絶縁体を用いても良い。但し、振
動板７に金属を用いた場合には、下部電極１はすべて共
通電極となる。

【００２５】電気抵抗を下げるため、下部電極１の下に
他の金属、例えば金、銅などを形成しても良い。

【００２６】更に、上部電極４の材料としてはこの後の
工程で高温加熱工程がないことから導電性の良いいかな
る金属を用いても良い。

【００２７】このように形成される圧電体膜２は、下部
電極１のチタン膜を結晶核として成長させるため、チタ
ン膜の表面状態が、圧電体膜２の善し悪しを決定する。
つまり、チタン膜にピンホールや、表面に異物等がある
と、その部分には正常には結晶核が生成できず、圧電体
膜２にピンホールやピット状の薄肉欠陥部１４ができて
しまう。この薄肉欠陥部１４は、例えば、チタン膜の状
態が悪い場合には、圧電体膜２の表面積１０ｍｍ²当た
り、１個か２個の頻度で発生した。欠陥部１４の形状
は、直径約数μｍの円筒状の穴で、完全に下部電極１で
あるチタン膜が露出しているものや、チタン膜近くまで
の深さの穴形状であった。この状態で、上部電極４をス
パッタ金属膜や導電性ペーストをシルク印刷等で形成す
ると、この欠陥部１４にも電極膜が入り込み、結果とし
て、下部電極１とショートしたり、穴の底の非常に薄い
圧電体膜２の耐電圧特性しか示さない、不良の圧電アク
チュエータ６となる。

【００２８】例えば、面積が０．５×２ｍｍの直方形形
状の圧電体素子５を多数個形成した場合、作成した圧電
アクチュエータ６を必要とする変位が得られる２０〜３
０Ｖで使用すると、２０％以上のものが耐電圧特性不良
となった。この問題を解決するため、上記欠陥部１４の
みに、絶縁性物質３を充填すること考えた。

【００２９】次に、この絶縁性物質３を充填する工程に
ついて説明する。

【００３０】図３（３）の工程により、回転塗布機を用
いて、液状の絶縁性物質３を圧電体膜２上に回転塗布す
る。本例では、絶縁性物質３として耐電圧特性が良好の
ポリイミド樹脂を用いた。このようなポリイミド樹脂
は、例えば、宇部興産製のＵーワニスや日立化成製のＰ
ＩＱ等が適用できる。塗布後、最終的には３００℃で乾
燥する。しかし、この状態では圧電体膜２表面全体にポ
リイミド膜が形成されてしまい、耐電圧特性は向上する
ものの、圧電アクチュエータとしての変位量が大きく低
減してしまう。

【００３１】そこで、図３（４）の工程により、圧電体
膜２の欠陥部１４に充填されたポリイミド膜以外をドラ
イエッチングにより除去する。ドライエッチングには、
日電アネルバ製のＥＣＲ装置を用いた。

【００３２】図４〜図６は、膜厚１０μｍの圧電体膜２
に塗布乾燥後には、約４μｍ厚の絶縁膜が形成できる条
件でポリイミド樹脂を回転塗布、乾燥したものを一定時
間ドライエッチングし、その後、上部電極４を形成した
圧電アクチュエータとしたものの特性を測定したグラフ
である。

【００３３】図４は、約４μｍのポリイミド膜をエッチ
ング加工することができるドライエッチング量で、ポリ
イミド膜を塗布していない圧電アクチュエータと同様の
変位特性を示した。このことは、圧電体膜２表面の絶縁
性物質３は、約４μｍのドライエッチング量でほとんど
除去でき、残っているのは薄肉の欠陥部１４のみのごく
一部分であることを示している。

【００３４】また、このことは、図５の静電容量の測定
結果からも裏付けされている。

【００３５】更に、図６の耐電圧特性からも、ドライエ
ッチング量約４μｍで、圧電体膜２上のポリイミド膜は
ほとんど取り去ることができることが示されている。そ
して、図６においては、ドライエッチング量約１０μｍ
から耐電圧特性が下がっていることから、圧電体膜２の
薄肉欠陥部には、完全に絶縁性物質３が充填されている
ことがわかった。絶縁性物質３に用いたポリイミド樹脂
の絶縁破壊電圧は、圧電体膜の約１５〜２０倍であるこ
とから、薄肉欠陥部１４には、１μｍのポリイミドが充
填されていれば、耐電圧特性としては十分であり、本発
明の有効性が確認できた。

【００３６】以上より、本例では、薄肉欠陥部１４が存
在する圧電体膜２も、ポリイミド樹脂を約４μｍ形成で
きる条件で回転塗布し乾燥後、４μｍのドライエッチン
グを行うと、欠陥部１４が存在しない正常な圧電体膜２
と同じ耐電圧特性に改善することができる。このことに
より、作成した圧電アクチュエータの耐電圧特性の不良
率はほぼ０％とすることができた。

【００３７】なお、高粘度なポリイミド樹脂等の絶縁性
物質３を回転塗布した場合、薄肉欠陥部１４に気泡を巻
き込むという問題も発生する可能性があるが、真空容器
中で脱泡処理を行うことにより解決できる。また、この
問題は、遠心力を利用することにより同様に解決可能で
ある。

【００３８】その他に、薄肉欠陥部１４以外の絶縁性物
質３を除去する方法として、ドライエッチングのほか
に、プラズマアッシャやエキシマレーザ等の装置が利用
できる。また、ポリイミド樹脂を塗布後、乾燥を低温で
行い、Ｎ−メチル−２−ピロリドンやヒドラジンといっ
たエッチング液で、湿式のエッチングを行い、その後、
高温で乾燥することにより、同等の効果を得ることがで
きる。

【００３９】次に、図３（５）の工程により、このよう
に形成された圧電体膜２上に上部電極４となるアルミを
薄膜形成法によって１μｍ形成し、圧電体素子５の形成
が完了する。

【００４０】一方、圧力室基板９及びリストリクタ基板
８はフォトリソグラフィ工程で形成される。

【００４１】まず、図３（６）の工程により、ニッケル
電鋳にて形成された厚さ１００μｍのノズル基板１０上
に厚さ１００μｍの感光性ドライフィルムをラミネート
し、この作業を２回繰り返し、その後、露光、現像によ
って圧力室基板９を形成する。

【００４２】更に、図３（７）の工程で、厚さ５０μｍ
の感光性ドライフィルムを圧力室基板９上にラミネート
し露光、現像の工程を行ってリストリクター基板８を形
成する。本例では、圧力室基板９及びリストリクター基
板８を感光性ドライフィルムで形成したが、ポリイミド
樹脂やプラスチックモールドによって形成しても良い。

【００４３】最後に、図３（８）の工程で、圧電体素子
５とリストリクタ基板８の接着を、大気中１５０℃、１
時間の条件で熱圧着によって接合し、インクジェットプ
リントヘッドを完成する。なお、この工程は感光性ドラ
イフィルムのキュアもかねている。

【００４４】このように作成された圧電体素子５を用い
たインクジェットプリントヘッドは、従来の圧電体素子
を用いたプリントヘッドよりも、耐電圧特性が向上し
た。従来は、駆動電圧３０Ｖ印加により、約２０％の圧
電体素子が絶縁破壊を起こしていたが、本発明により、
０％とすることができた。また、駆動周波数２０ｋＨｚ
で、５０億パルスの電圧印加によっても、何ら特性変化
は認められず、信頼性の高いインクジェットプリントヘ
ッドとすることができた。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、圧電体膜の薄肉欠陥部
に絶縁性物質を充填することによって、圧電体膜のピン
ホール等の欠陥に起因する下部電極と上部電極の電気的
ショートや絶縁破壊電圧の低下を防止し、耐電圧特性が
向上し、歩留まりが高く、高信頼性の圧電体素子が実現
できる。また、この圧電体素子を使用することで、信頼
性の高い圧電アクチュエータ、インクジェットプリント
ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例となる圧電体素子の断面図。

【図２】 本発明の圧電体素子を振動子として用いた圧
電アクチュエータを備えたインクジェットプリントヘッ
ドの断面図。

【図３】 本発明のインクジェットプリントヘッドの製
造工程を示す断面図。

【図４】 本発明の圧電体素子の変位特性を示すグラ
フ。

【図５】 本発明の圧電体素子の静電容量特性を示すグ
ラフ。

【図６】 本発明の圧電体素子の耐電圧特性を示すグラ
フ。

【符号の説明】 図において、１は下部電極、２は圧電体膜、３は絶縁性
物質、４は上部電極、５は圧電体素子、６は圧電アクチ
ュエータ、７は振動板、８はリストリクタ基板、９は圧
力室基板、１０はノズル基板、１１はノズル、１２はイ
ンク、１３は圧力室、１４は薄肉欠陥部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 剛裕 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 木田 仁司 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF52 AF66 AF93 AG93 AG94 AP02 AP14 AP27 AP51 AP57 BA04 BA14

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下部電極と、前記下部電極上に形成された
   圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極とを
   備えた圧電体素子であって、 前記上部電極形成前の前記圧電体膜表面の薄肉部に絶縁
   性物質を充填したことを特徴とする圧電体素子。
2. 【請求項２】前記圧電体膜は、水熱合成法によって形成
   されたチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることを特徴
   とする請求項１記載の圧電体素子。
3. 【請求項３】請求項１記載の圧電体素子を振動子として
   備えた圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】請求項３記載の圧電アクチュエータを備え
   たインクジェットプリントヘッド。