JP2005169965A - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転写基板上に積層された圧電素子および振動板を、流路基板上に金属結合によって低温で転写する。
【解決手段】転写基板１１上に、下電極１４、圧電膜１３、上電極１２からなる圧電素子層と、振動板１５、金属層１７を積層して第１の積層体１０を製作する。流路２４を形成した流路基板２１上の金属層２３に、転写基板１１上の金属層１７を重ねて、２つの積層体１０、２０を金属同士の圧着結合によって接合したうえで、転写基板１１をエッチングによって除去する。金属同士の圧着結合を２００℃以下で行うことによって、圧電膜１３や振動板１５に与える影響を抑える。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電膜による圧電駆動部を有する液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。

一般に、プリンターやファクシミリ等の記録装置に搭載される液体吐出ヘッドは、微小な液滴を吐出するノズル（吐出口）、ノズルと連通する加圧室である個別液室（流路）、個別液室内のインク等液体を加圧しノズルから液滴として吐出させるための吐出エネルギー発生手段等から構成されている。

吐出エネルギー発生手段としては、加圧室内に設置された発熱体により液体を発泡させて液滴を吐出させるバブル型のもの、個別液室の一部を形成している振動板を圧電素子により変形させることで液滴を形成させるピエゾ型のもの、静電気力で振動板を変形させることで液滴を吐出させる静電型と大きく３つに分類される。

上記３つのうち、振動板を用いるピエゾ型の液体吐出ヘッドにおいては、高密度化、長尺化が求められており、そのために振動板や圧電素子の薄膜化、大面積化が必須である。

例えば、特許文献１に開示された構成では、図８に示すように、シリコン基板１０１上に振動板１１１、圧電素子１１２を形成した後、シリコン基板１０１の一部を裏側からウエットエッチングして、ノズルプレート１３１のノズル（吐出口）１３２に連通する加圧室１０２を形成している。このように、シリコンの微細加工技術により高密度の液体吐出ヘッドを形成している。

また、特許文献２に開示されたものは、シリコンの異方性エッチングを利用してインク流路等に相当する連通する溝を形成したシリコン製の流路基板に、ほう珪酸ガラス板を静電接合し、所定の厚さまで研磨して振動板を形成している。その後、振動板上に導電層を設けて、導電層の上に圧電素子を接着し、接着された圧電素子を所定の厚さまで研磨し、研磨された圧電素子の表面に導電性を形成している。最後に圧電素子をインク流路の位置に合わせて不要部分を除去し細分化し、個々の記録ヘッドに切断するという工程で液体吐出ヘッドを作製している。この方法は、シリコン製の流路基板の作製に際して、シリコン基板の両面から加工できるので、ノズルや加圧室を比較的自由な形状にすることができる。
特開平１０−２８６９５３号公報 特開平９−９４９６５号公報

しかしながら特許文献１に記載された構成は振動板の形成後に圧電素子を形成しているため、温度等の成膜条件が振動板に加わることにより、これら影響を考慮して振動板材料を選択しなければならない。またシリコン基板を片側からウエットエッチングして個別液室等の流路を形成していることにより、流路の加工に制限が加わり、自由に流路を設計することが難しい。

また、特許文献２に開示されたものは、シリコンの両面から加工して流路を形成しているが、圧電素子を接着する構成であることや、振動板をガラス板の研磨により形成しているので精度が悪く、高密度で長尺のインクジェットヘッド等を想定した際、素子間の厚みにばらつきが生じ作製の安定性に欠ける。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、液体吐出ヘッドの高密度化および長尺化が容易であり、しかも用途に応じて流路の設計が自在であり、かつ圧電素子や振動板の材料選択の自由度も高く、従って、高密度で長尺かつ素子間のばらつきの少ない液体吐出ヘッドを精度よく安価に作製できる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、圧電駆動力によって流路の液体を加圧しノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、第１の基板に圧電膜を有する圧電素子層と振動板と金属層を積層し、圧電素子積層体を作成する工程と、流路を形成する第２の基板に金属層を積層した流路構造体を作成する工程と、圧電素子積層体の金属層と流路構造体の金属層を金属同士の圧着結合によって接合する工程と、圧電素子積層体から第１の基板を除去する工程と、を有することを特徴とする。

また、圧電駆動力によって流路の液体を加圧しノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、第１の基板に圧電膜を有する圧電素子層と金属製の振動板を積層し、圧電素子積層体を作成する工程と、流路を形成する第２の基板に金属層を積層した流路構造体を作成する工程と、圧電素子積層体の振動板と流路構造体の金属層を金属同士の圧着結合によって接合する工程と、圧電素子積層体から第１の基板を除去する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法でもよい。

金属層が、貴金属または貴金属合金であるとよい。

流路構造体の金属層が、流路を形成するときのマスク材として用いられたものであるとよい。

圧電素子積層体の金属層または振動板と、流路構造体の金属層を２００℃以下の温度で圧着結合させるとよい。

ドライエッチングまたはウエットエッチングによって圧電素子積層体の第１の基板を除去するとよい。

流路構造体と振動板を含む圧電素子積層体の接合を、金属同士の圧着結合によって低温で行うことで、振動板や圧電膜に発生する熱歪を抑えて優れた圧電特性や変位特性を保ち、高密度かつ長尺であってしかも耐久性に優れた液体吐出ヘッドを安定して製造できる。

また、圧電膜の成膜基板である第１の基板上に、圧電膜や電極層からなる圧電素子層を形成したうえで、振動板を積層するものであるため、圧電膜の材料や成膜方法等を振動板材料によって制約されることなく自由に選択することが可能であり、さらに、圧電膜の焼成時の高温によって振動板が影響を受けることがないため、振動板の材料選択性も増大し、大面積で厚みの調整も自在な振動板を得ることができる。

その結果、高密度かつ長尺であり、アクチュエータ変位量が大きくて、耐久性に優れており、しかも材料選択性が高く従って安価である液体吐出ヘッドを実現できる。

図１に示すように、第１の基板である転写基板１１に、順次上電極１２、圧電膜１３、下電極１４を積層して圧電素子層を形成後、振動板１５を形成し、その上に密着層１６を介して金属層１７を積層して圧電素子積層体である第１の積層体１０を形成する第１工程と、図２に示すように、第２の基板である流路基板２１上に密着層２２を介して金属層２３を成膜し、これらをパターニングしたマスクを用いて加圧室等の流路２４を形成することで流路構造体である第２の積層体２０を作成する第２工程と、図３に示すように、前記２つの積層体１０、２０を、それぞれの金属層１７、２３を介して、金属同士の圧着結合によって例えば２００℃以下の低温で接合する第３工程と、第１の積層体１０から転写基板１１を除去する第４工程を有し、さらに、振動板１５上の圧電素子層をパターニングすることで、図４に示すように、複数の圧電素子１８に分割し、ノズルプレート３１を流路基板２１に接合することで液体吐出ヘッドが完成する。

詳しく説明すると、上記第１工程においては、まず、別基板である転写基板１１を圧電素子１８の成膜基板として、上電極１２を成膜し、次に圧電膜１３をスパッタ法、ＭＯＣＶＤ法等で成膜する。圧電膜１３に焼成が必要な場合は続けて焼成も行う。圧電膜１３の成膜後、下電極１４、振動板１５を積層し、最後に金属層１７を成膜する。

このように振動板１５の積層前に圧電膜１３を形成するものであるため、圧電膜１３の成膜の自由度が高い。さらに、圧電膜１３の成膜にあたり、図５の（ｂ）に示すように、下地基板としてバッファー層１１ａを設けることもできる。また、圧電膜１３の成膜時および焼成時の温度が振動板１５に影響を与えることがないため、振動板１５の材料選択性を高くすることができる。

例えば図５および図７に示すように、金属製の振動板４５を用いることで、その上に積層する金属層を省略することができる。

そして振動板１５、４５を成膜で形成することより、厚みの調整が可能でかつ均一な厚みの振動板を大面積で形成することができる。

高密度の液体吐出ヘッドになるにつれて、圧電素子の幅を狭くせざるを得ず、アクチュエータとしての変位量も減る。このため、前述のように圧電膜の成膜において制限が少なく、圧電定数のなるべく大きい圧電膜を成膜できることはきわめて重要である。また圧電膜の圧電定数とともに液体吐出ヘッドの変位量を決定するパラメータの一つである振動板の材料の選択の自由度が高いことは、圧電素子を用いた液体吐出ヘッドを作製するにあたり大きな利点である。

上記第２工程においては、液体吐出ヘッドの流路基板２１を例えばシリコン基板とし、シリコン基板の上面から、ドライエッチングで加圧室等の流路２４を形成する。振動板１５、４５との接合面となる流路２４以外のシリコン面には金属層２３が形成され、金属層２３をマスク材として流路２４をエッチングする。

シリコン基板である流路基板２１の上下両面から加工できることより、シリコン基板の下面からの片側のみの加工に比べて流路形状を自由に設計することができる。

図３の（ａ）に示す第３工程においては、第１工程で作製した圧電素子層が形成された転写基板１１からなる第１の積層体１０と、第２工程で作製した流路基板２１を含む第２の積層体２０とを金属層１７、２３の圧着結合によって接合する。

金属同士の圧着接合であるから低温で接合させることが可能であり、圧電素子や振動板に熱がかからず、圧電特性を劣化させる心配がない。

図３の（ｂ）に示す第４工程においては、圧電膜１３の成膜時に用いた転写基板１１を除去する。転写基板１１がシリコン基板である場合はドライエッチングで容易に除去できる。またその他の基板でもウエットエッチング等で除去することができる。

転写基板１１を除去した後、図４に示すように、上電極１２と圧電膜１３を流路のピッチに合わせてパターニングし、各圧電素子１８を形成する。最後に流路基板２１の底部にノズル３２を有するノズルプレート３１を接合する。

このように、成膜により形成された薄膜を用いて圧電素子を形成するものであるため、加圧室等の流路を構成する流路構造体と、アクチュエータを構成する圧電膜や電極、振動板をすべて半導体プロセスを利用して作製することが可能となる。従って、高密度で長尺な液体吐出ヘッドの作製が容易であり、また圧電素子形成の自由度が高く、振動板材料の選択性があることにより、変位量の大きいアクチュエータを形成することが可能である。加えて、流路等をシリコン基板等の両側から加工できるため、用途に合わせて自在に流路形状を設計することができる。

図１ないし図４に示す方法で液体吐出ヘッドを製作する。まず図１の（ａ）に示すように、シリコン基板からなる転写基板１１を用意し、図１の（ｂ）に示すように、上電極１２となるＰｔ電極膜をスパッタ法で１５０ｎｍ成膜する。Ｐｔ成膜前に密着層としてＴｉ膜を４ｎｍ程成膜しても構わない。

次に図１の（ｃ）に示すように、圧電膜１３を成膜する。圧電膜１３としては鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃ ペロブスカイト型酸化物（ＰＺＴ）をスパッタ法で例えば３μｍの厚さに成膜する。スパッタ装置から取り出した後、酸素雰囲気中で７００℃で焼成を行い、ＰＺＴ膜を結晶化させる。すなわち、良好な圧電性を得るため、ＰＺＴ膜の組成がＰｂ（Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48）Ｏ₃ となるようにする。ＰＺＴ膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成でも構わない。その後、図１の（ｄ）に示すように、厚さ１００ｎｍのＰｔ電極膜を成膜し下電極１４とする。

次に図１の（ｅ）に示すように、振動板１５となるＣｒ膜をスパッタで法で例えば４μｍの厚さに成膜する。振動板材料としてはＣｒに限らず、ＺｒＯ₂ やＳｉＯ₂ 、Ｗ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔなどスパッタ法等で低温成膜できるものであれば構わない。また必要に応じて、下電極１４と振動板１５との間に絶縁膜を設けてもよい。

最後に図１の（ｆ）に示すように、密着層１６となるＴｉを４ｎｍ成膜した後に、（ｇ）に示すように、金属層１７となるＡｕ膜を１００ｎｍの厚さに成膜し、図４に示す圧電素子１８を構成する圧電素子層と振動板１５を含む第１の積層体１０を作製する。金属層１７としてはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ等の貴金属がよい。あるいはそれらを含む合金であっても構わない。

一方、図２の（ａ）に示すように、シリコン基板からなる流路基板２１を用意し、図2の（ｂ）に示すように、密着層２２であるＴｉ膜を４ｎｍの厚さに成膜した後、Ａｕ膜を１５０ｎｍの厚さに成膜して金属層２３を形成し、これらをエッチングし、パターニングされたマスクを形成する。

次に金属層２３のマスクを用いて、ドライエッチングで加圧室となる流路２４の一部を形成する。続いて、流路基板２１の裏側からドライエッチングを行い、流路２４の残りを形成し、第２の積層体２０を作製する。なお金属層２３であるＡｕ膜は、はじめに５００ｎｍ程の厚さに形成しておき、マスク材として用いて流路２４を形成した後に、ドライエッチングで１００ｎｍ程度の厚さに薄くしても構わない。

次に図３の（ａ）に示すように、第１の積層体１０の金属層１７と第２の積層体２０の金属層２３を密着させ、押し付けあうように加圧する。圧力は３ｋｇ／ｃｍ² とする。次に加圧した状態で１５０℃に加熱し、３分間保持した後室温に冷却する。このようにして金属同士の圧着結合によって２つの積層体１０、２０を接合し、その後、図３の（ｂ）に示すように、転写基板１１をドライエッチングで除去する。Ｐｔ膜の上電極１２がエッチストップ層となり圧電素子層の成膜基板となった転写基板１１を容易に除去することができる。

圧電素子層等を流路基板２１に転写後、図４の（ａ）に示すように、上電極１２および圧電膜１３をパターニングし、流路に対応した個別の圧電素子１８を作製する。最後に図４の（ｂ）に示すように、ＳＵＳなどで形成されたノズルプレート３１を接着または他の接合方法で結合させる。

図５ないし図７に示す方法で液体吐出ヘッドを製作する。まず図５の（ａ）に示すように、ＭｇＯ基板からなる転写基板１１を用意し、図５の（ｂ）に示すように、圧電素子成膜時のバッファー層１１ａとなるＢａＰｂＯ₃ 膜を成膜する。その後、図５の（ｃ）に示すように、上電極１２となるＰｔ膜をスパッタ法で厚さ１００ｎｍに成膜する。Ｐｔ成膜前に密着層としてＴｉを４ｎｍ程成膜しても構わない。

次に図５の（ｄ）に示すように、圧電膜１３となるＰＺＴ膜を２μｍに成膜する。バッファー層１１ａがあることにより、結晶性が良好で圧電定数の大きいＰＺＴ膜を得ることができる。なおバッファー層１１ａはＢａＰｂＯ₃ 膜以外のものでもよい。また良好な圧電膜１３を得るために、転写基板１１とバッファー層１１ａの組み合わせは自由に選択してよい。

その後、図５の（ｅ）に示すように、厚さ１００ｎｍのＰｔ電極膜を成膜し下電極１４とする。

次に図５の（ｆ）に示すように、密着層４４となるＴｉを４ｎｍの厚さに成膜した後に、図５の（ｇ）に示すように、金属層の役割を兼ね備えた金属製の振動板４５としてＡｕ膜を３μｍの厚さに成膜し第１の積層体４０を作製する。なお下電極１４と振動板４５との間に絶縁層を設けてもよい。また、下電極１４を省略し、振動板４５が金属層と下電極の役割を兼ねてもよい。

一方、図６の（ａ）に示すように、シリコン基板からなる流路基板２１を用意して、図６の（ｂ）に示すように、Ａｌ膜を３００ｎｍの厚さに形成し、これらエッチングし、マスク層２１ａを形成する。

次に図６の（ｃ）に示すように、マスク層２１ａをマスクとして、ドライエッチングで流路２４の一部を形成する。続いて、図６の（ｄ）に示すように、流路基板２１の裏側からドライエッチングを行い、流路の残りを形成し、その後めっき法でＡｌのマスク層２１ａ上にＡｕの金属層２３を１５０ｎｍの厚さで形成し、第２の積層体５０を作製する。

次に図７の（ａ）に示すように、第１の積層体４０の金属層を兼ねた振動板４５と第２の積層体５０の金属層２３を密着させた後、押し付けあうように加圧する。圧力は５ｋｇ／ｃｍ² とする。次に加圧した状態で１００℃に加熱し、５分間保持した後室温に冷却する。次に図７の（ｂ）に示すように、圧電素子層の成膜基板となった転写基板１１をリン酸溶液でウエットエッチングし、さらにバッファー層１１ａを除去する。

その後、上電極１２および圧電膜１３をパターニングし、流路に対応した個別の圧電素子１８を作製し、最後にＳＵＳなどで形成されたノズルプレートを接合する。

上記の実施例１、２によれば、圧電膜の成膜の自由度が高く、圧電定数の大きい圧電素子を形成することができる。また、振動板の材料や流路形状を自由に選択することが可能であり、高密度で長尺かつ素子間のばらつきの少ない液体吐出ヘッドを精度よく作製することができる。

一実施の形態により転写基板上に電極、圧電膜、振動板、金属層を形成する工程を説明する工程図である。 流路基板上に流路等を形成する工程を説明する工程図である。 転写基板上の積層体を流路基板に転写する工程を説明する工程図である。 圧電素子層を個別の圧電素子に分割するパターニング工程とノズルプレートを接合する工程を説明する図である。 一変形例により転写基板上に電極、圧電膜、振動板を形成する工程を説明する工程図である。 一変形例により流路基板上に流路等を形成する工程を説明する工程図である。 上記変形例による転写基板上の積層体を流路基板に転写する工程を説明する工程図である。 一従来例による液体吐出ヘッドを説明する図である。

符号の説明

１０、２０、４０、５０ 積層体
１１ 転写基板
１２ 上電極
１３ 圧電膜
１４ 下電極
１５、４５ 振動板
１６、２２ 密着層
１７、２３ 金属層
１８ 圧電素子
２１ 流路基板
２４ 流路
３１ ノズルプレート
３２ ノズル

Claims (6)

1. 圧電駆動力によって流路の液体を加圧しノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   第１の基板に圧電膜を有する圧電素子層と振動板と金属層を積層し、圧電素子積層体を作成する工程と、
   流路を形成する第２の基板に金属層を積層した流路構造体を作成する工程と、
   圧電素子積層体の金属層と流路構造体の金属層を金属同士の圧着結合によって接合する工程と、
   圧電素子積層体から第１の基板を除去する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
2. 圧電駆動力によって流路の液体を加圧しノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   第１の基板に圧電膜を有する圧電素子層と金属製の振動板を積層し、圧電素子積層体を作成する工程と、
   流路を形成する第２の基板に金属層を積層した流路構造体を作成する工程と、
   圧電素子積層体の振動板と流路構造体の金属層を金属同士の圧着結合によって接合する工程と、
   圧電素子積層体から第１の基板を除去する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 金属層が、貴金属または貴金属合金であることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 流路構造体の金属層が、流路を形成するときのマスク材として用いられたものであることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 圧電素子積層体の金属層または振動板と、流路構造体の金属層を２００℃以下の温度で圧着結合させることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. ドライエッチングまたはウエットエッチングによって圧電素子積層体の第１の基板を除去することを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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