JP2019204834A - Method for manufacturing piezoelectric device, piezoelectric device, liquid injection head, and liquid injection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば液体噴射ヘッドに利用される圧電デバイスに関する。 The present invention relates to a piezoelectric device used for, for example, a liquid ejecting head.
圧力室の壁面を構成する振動板を圧電素子により振動させることで圧力室内の液体をノズルから噴射する液体噴射ヘッドが、従来から提案されている。例えば特許文献１には、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成された第１層と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で形成された第２層との積層により振動板を形成した構成が開示されている。振動板の面上には、第１電極と圧電体層と第２電極とを積層した圧電素子が形成される。圧電体層は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料で形成される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a liquid ejecting head that ejects liquid in a pressure chamber from a nozzle by vibrating a diaphragm constituting a wall surface of the pressure chamber with a piezoelectric element has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which a diaphragm is formed by stacking a first layer formed of silicon oxide (SiO 2 ) and a second layer formed of zirconium oxide (ZrO 2 ). . A piezoelectric element in which the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode are stacked is formed on the surface of the diaphragm. The piezoelectric layer is formed of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), for example.
特許文献１の技術では、圧電素子の製造工程のなかで圧電体層が加熱される。圧電体層の加熱により拡散した鉛（Ｐｂ）が振動板の第１層に到達して反応し、鉛ガラスが形成される場合がある。振動板に形成された鉛ガラスはクラックの原因となり得る。 In the technique of Patent Document 1, the piezoelectric layer is heated during the manufacturing process of the piezoelectric element. In some cases, lead (Pb) diffused by heating the piezoelectric layer reaches the first layer of the diaphragm and reacts to form lead glass. Lead glass formed on the diaphragm can cause cracks.
他方、特に４００ｄｐｉ（dots per inch）以上の高密度で複数のノズルが配列された構成では、振動板の変位量を充分に確保するために振動板を薄くする必要がある。しかし、例えば振動板の第２層のうち厚さ方向の一部を除去することで振動板を薄くした場合には、加熱工程において圧電体層が拡散した鉛が振動板の第２層を通過し易くなり、第１層における鉛ガラスの形成が顕在化する。以上に説明した通り、振動板の変位量を確保しながら、圧電体層から拡散した成分と振動板の酸化ケイ素との反応に起因した振動板のクラックを抑制する、という観点から、特許文献１の技術には更なる改善の余地がある。 On the other hand, in particular, in a configuration in which a plurality of nozzles are arranged at a high density of 400 dpi (dots per inch) or more, it is necessary to make the diaphragm thin in order to ensure a sufficient amount of displacement of the diaphragm. However, for example, when the diaphragm is thinned by removing a part of the second layer of the diaphragm in the thickness direction, lead diffused by the piezoelectric layer passes through the second layer of the diaphragm in the heating process. The formation of lead glass in the first layer becomes obvious. As described above, from the viewpoint of suppressing the crack of the diaphragm caused by the reaction between the component diffused from the piezoelectric layer and the silicon oxide of the diaphragm while ensuring the displacement amount of the diaphragm, Patent Document 1 There is room for further improvement in this technology.
以上の課題を解決するために、本発明の好適な態様に係る圧電デバイスの製造方法は、酸化ケイ素で形成された第１振動層と、前記第１振動層とは異なる絶縁材料で前記第１振動層の面上に形成された第２振動層とを含む振動板と、前記第２振動層の面上に形成され、第１電極と、圧電体層と、第１電極層および第２電極層を積層した第２電極とを含む圧電素子とを具備する圧電デバイスの製造方法であって、前記第２振動層の面上に形成された前記第１電極を被覆する圧電材料層を圧電材料により形成する第１工程と、前記圧電材料層の面上に導電層を形成する第２工程と、前記第２工程の実施後に前記圧電材料層を加熱する第３工程と、前記第３工程の実施後に、前記導電層および前記圧電材料層のパターニングにより前記第１電極層および前記圧電体層をそれぞれ形成する工程であって、前記第２振動層のうち平面視で前記圧電体層に重ならない部分について厚さ方向の一部を前記パターニングにより除去する第４工程と、前記第１電極層を被覆する前記第２電極層を形成する第５工程とを含む。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a piezoelectric device according to a preferred aspect of the present invention includes a first vibration layer formed of silicon oxide and the first vibration layer made of an insulating material different from that of the first vibration layer. A diaphragm including a second vibration layer formed on the surface of the vibration layer, and a first electrode, a piezoelectric layer, a first electrode layer, and a second electrode formed on the surface of the second vibration layer. A method of manufacturing a piezoelectric device including a piezoelectric element including a second electrode in which layers are laminated, wherein the piezoelectric material layer covering the first electrode formed on the surface of the second vibration layer is a piezoelectric material. A first step of forming a conductive layer on the surface of the piezoelectric material layer, a third step of heating the piezoelectric material layer after performing the second step, and a third step of After the implementation, the first electrode layer and the piezoelectric material layer are patterned by patterning the conductive layer and the piezoelectric material layer. A step of forming each of the piezoelectric layers, wherein a part of the second vibrating layer that does not overlap the piezoelectric layer in plan view is removed by the patterning, And a fifth step of forming the second electrode layer covering the first electrode layer.
また、本発明の好適な態様に係る圧電デバイスは、酸化ケイ素で形成された第１振動層と、前記第１振動層とは異なる絶縁材料で前記第１振動層の面上に形成された第２振動層とを含む振動板と、前記第２振動層の面上に形成され、第１電極と、圧電体層と、第１電極層および第２電極層を積層した第２電極とを含む圧電素子とを具備し、前記第２振動層のうち平面視で前記圧電体層に重ならない部分の厚さは４０ｎｍ以下であり、前記第１電極層と前記第２電極層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が介在し、前記第１振動層と前記第２振動層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が存在しない。 The piezoelectric device according to a preferred aspect of the present invention includes a first vibration layer formed of silicon oxide and a first vibration layer formed on a surface of the first vibration layer with an insulating material different from that of the first vibration layer. A vibration plate including two vibration layers, a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode in which the first electrode layer and the second electrode layer are stacked, formed on a surface of the second vibration layer. A thickness of a portion of the second vibrating layer that does not overlap the piezoelectric layer in plan view is between the first electrode layer and the second electrode layer. The compound of the component contained in the piezoelectric layer is interposed, and the compound of the component contained in the piezoelectric layer does not exist between the first vibration layer and the second vibration layer.
本発明の好適な態様に係る液体噴射ヘッドは、液体を収容する圧力室と、前記圧力室の壁面を構成する振動板と、前記振動板の面上に形成され、第１電極と、圧電体層と、第１電極層および第２電極層を積層した第２電極とを含む圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記振動板は、酸化ケイ素で形成された第１振動層と、前記第１振動層とは異なる絶縁材料で前記第１振動層の面上に形成された第２振動層とを含み、前記第２振動層のうち平面視で前記圧電体層に重ならない部分の厚さは４０ｎｍ以下であり、前記第１電極層と前記第２電極層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が介在し、前記第１振動層と前記第２振動層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が存在しない。 A liquid ejecting head according to a preferred aspect of the present invention includes a pressure chamber that contains a liquid, a vibration plate that forms a wall surface of the pressure chamber, a surface of the vibration plate, a first electrode, and a piezoelectric body. And a piezoelectric element including a second electrode obtained by stacking a first electrode layer and a second electrode layer, wherein the diaphragm includes a first vibration layer formed of silicon oxide, And a second vibration layer formed on the surface of the first vibration layer with an insulating material different from that of the first vibration layer, and a portion of the second vibration layer that does not overlap the piezoelectric layer in plan view Is 40 nm or less, and a compound of a component contained in the piezoelectric layer is interposed between the first electrode layer and the second electrode layer, and the first vibrating layer and the second electrode layer are interposed between the first electrode layer and the second electrode layer. There is no compound of the component contained in the piezoelectric layer between the vibration layer.
＜液体噴射装置の構造＞
図１は、本発明の好適な形態に係る液体噴射装置１００を例示する構成図である。本実施形態の液体噴射装置１００は、液体の例示であるインクを媒体（噴射対象）１２に噴射するインクジェット方式の印刷装置である。媒体１２は、典型的には印刷用紙であるが、樹脂フィルムまたは布帛等の任意の材質の印刷対象が媒体１２として利用される。図１に例示される通り、液体噴射装置１００には、インクを貯留する液体容器１４が設置される。例えば液体噴射装置１００に着脱可能なカートリッジ、可撓性のフィルムで形成された袋状のインクパック、またはインクを補充可能なインクタンクが液体容器１４として利用される。
<Structure of liquid ejecting apparatus>
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a liquid ejecting
図１に例示される通り、液体噴射装置１００は、制御ユニット２０と搬送機構２２と移動機構２４と液体噴射ヘッド２６とを具備する。制御ユニット２０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の処理回路と半導体メモリー等の記憶回路とを含み、液体噴射装置１００の各要素を統括的に制御する。搬送機構２２は、制御ユニット２０による制御のもとで媒体１２をＹ方向に搬送する。
As illustrated in FIG. 1, the
移動機構２４は、制御ユニット２０による制御のもとで液体噴射ヘッド２６をＸ方向に往復させる。Ｘ方向は、媒体１２が搬送されるＹ方向に交差（典型的には直交）する方向である。本実施形態の移動機構２４は、液体噴射ヘッド２６を収容する略箱型の搬送体２４２（キャリッジ）と、搬送体２４２が固定された搬送ベルト２４４とを具備する。なお、複数の液体噴射ヘッド２６を搬送体２４２に搭載した構成、または、液体容器１４を液体噴射ヘッド２６とともに搬送体２４２に搭載した構成も採用され得る。
The
液体噴射ヘッド２６は、液体容器１４から供給されるインクを制御ユニット２０による制御のもとで複数のノズル（噴射孔）から媒体１２に噴射する。搬送機構２２による媒体１２の搬送と搬送体２４２の反復的な往復とに並行して各液体噴射ヘッド２６が媒体１２にインクを噴射することで、媒体１２の表面に所望の画像が形成される。
The liquid ejecting
図２は、液体噴射ヘッド２６の分解斜視図であり、図３は、図２におけるIII-III線の断面図（Ｘ-Ｚ平面に平行な断面）である。図２に例示される通り、Ｘ-Ｙ平面（例えば媒体１２の表面に平行な平面）に垂直な方向を以下ではＺ方向と表記する。各液体噴射ヘッド２６によるインクの噴射方向（典型的には鉛直方向）がＺ方向に相当する。
2 is an exploded perspective view of the
図２および図３に例示される通り、液体噴射ヘッド２６は、Ｙ方向に長尺な略矩形状の流路基板３２を具備する。流路基板３２のうちＺ方向における負側の面上には、圧力室基板３４と振動板３６と複数の圧電素子３８と筐体部４２と封止体４４とが設置される。他方、流路基板３２のうちＺ方向における正側の面上には、ノズル板４６と吸振体４８とが設置される。液体噴射ヘッド２６の各要素は、概略的には流路基板３２と同様にＹ方向に長尺な板状部材であり、例えば接着剤を利用して相互に接合される。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, the liquid ejecting
図２に例示される通り、ノズル板４６は、Ｙ方向に配列する複数のノズルＮが形成された板状部材である。各ノズルＮは、インクが通過する貫通孔である。なお、流路基板３２と圧力室基板３４とノズル板４６とは、例えばシリコン（Ｓi）の単結晶基板をエッチング等の半導体製造技術により加工することで形成される。ただし、液体噴射ヘッド２６の各要素の材料や製法は任意である。Ｙ方向は、複数のノズルＮが配列する方向とも換言され得る。本実施形態の液体噴射ヘッド２６においては、１インチあたり４００個以上（すなわち４００ｄｐｉ以上）の高密度で複数のノズルＮが形成される。さらに好適な態様では、１インチあたり６００個以上の高密度で複数のノズルＮが形成される。
As illustrated in FIG. 2, the
流路基板３２は、インクの流路を形成するための板状部材である。図２および図３に例示される通り、流路基板３２には、開口部３２２と供給流路３２４と連通流路３２６とが形成される。開口部３２２は、複数のノズルＮにわたり連続するようにＺ方向からの平面視でＹ方向に沿う長尺状に形成された貫通孔である。他方、供給流路３２４および連通流路３２６は、ノズルＮ毎に個別に形成された貫通孔である。また、図３に例示される通り、流路基板３２のうちＺ方向における正側の表面には、複数の供給流路３２４にわたる中継流路３２８が形成される。中継流路３２８は、開口部３２２と複数の供給流路３２４とを連通させる流路である。
The
筐体部４２は、例えば樹脂材料の射出成形で製造された構造体であり、流路基板３２のうちＺ方向における負側の表面に固定される。図３に例示される通り、筐体部４２には収容部４２２と導入口４２４とが形成される。収容部４２２は、流路基板３２の開口部３２２に対応した外形の凹部であり、導入口４２４は、収容部４２２に連通する貫通孔である。図３から理解される通り、流路基板３２の開口部３２２と筐体部４２の収容部４２２とを相互に連通させた空間が液体貯留室（リザーバー）Ｒとして機能する。液体容器１４から供給されて導入口４２４を通過したインクが液体貯留室Ｒに貯留される。
The
吸振体４８は、液体貯留室Ｒ内の圧力変動を吸収するための要素であり、例えば弾性変形が可能な可撓性のシート部材（コンプライアンス基板）を含んで構成される。具体的には、流路基板３２の開口部３２２と中継流路３２８と複数の供給流路３２４とを閉塞して液体貯留室Ｒの底面を構成するように、流路基板３２のうちＺ方向における正側の表面に吸振体４８が設置される。
The
図２および図３に例示される通り、圧力室基板３４は、相異なるノズルＮに対応する複数の圧力室Ｃが形成された板状部材である。複数の圧力室Ｃは、Ｙ方向に沿って配列する。各圧力室Ｃ（キャビティ）は、平面視でＸ方向に沿う長尺状の開口である。Ｘ方向の正側における圧力室Ｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の供給流路３２４に重なり、Ｘ方向の負側における圧力室Ｃの端部は平面視で流路基板３２の１個の連通流路３２６に重なる。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, the
圧力室基板３４のうち流路基板３２とは反対側の表面には振動板３６が設置される。振動板３６は、弾性的に変形可能な板状部材である。図３に例示される通り、本実施形態の振動板３６は、第１振動層３６１と第２振動層３６２との積層で構成される。第２振動層３６２は、第１振動層３６１からみて圧力室基板３４とは反対側に位置する。第１振動層３６１は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成される。第２振動層３６２は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で形成される。
A
図３から理解される通り、流路基板３２と振動板３６とは、各圧力室Ｃの内側で相互に間隔をあけて対向する。圧力室Ｃは、流路基板３２と振動板３６との間に位置し、当該圧力室Ｃ内に充填されたインクに圧力を付与するための空間である。液体貯留室Ｒに貯留されたインクは、中継流路３２８から各供給流路３２４に分岐して複数の圧力室Ｃに並列に供給および充填される。以上の説明から理解される通り、振動板３６は、圧力室Ｃの壁面を構成する。
As understood from FIG. 3, the
図２および図３に例示される通り、振動板３６のうち圧力室Ｃとは反対側の表面（すなわち第２振動層３６２の表面）には、相異なるノズルＮに対応する複数の圧電素子３８が設置される。各圧電素子３８は、駆動信号の供給により変形するアクチュエーターであり、平面視でＸ方向に沿う長尺状に形成される。複数の圧電素子３８は、複数の圧力室Ｃに対応するようにＹ方向に配列する。圧電素子３８の変形に連動して振動板３６が振動すると、圧力室Ｃ内の圧力が変動することで、圧力室Ｃに充填されたインクが連通流路３２６とノズルＮとを通過して噴射される。
As illustrated in FIGS. 2 and 3, a plurality of
図２および図３の封止体４４は、複数の圧電素子３８を保護するとともに圧力室基板３４および振動板３６の機械的な強度を補強する構造体であり、振動板３６の表面に例えば接着剤で固定される。封止体４４のうち振動板３６との対向面に形成された凹部の内側に複数の圧電素子３８が収容される。
2 and 3 is a structure that protects the plurality of
図３に例示される通り、振動板３６の表面には、例えば配線基板５０が接合される。配線基板５０は、制御ユニット２０または電源回路（図示略）と液体噴射ヘッド２６とを電気的に接続するための複数の配線（図示略）が形成された実装部品である。例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）やＦＦＣ（Flexible Flat Cable）等の可撓性の配線基板５０が好適に採用される。圧電素子３８を駆動するための駆動信号が配線基板５０から各圧電素子３８に供給される。
As illustrated in FIG. 3, for example, a
振動板３６と圧電素子３８とは、駆動信号の供給により振動する圧電デバイスとして機能する。液体噴射ヘッド２６は、インクを収容する圧力室Ｃと、圧力室Ｃからインクを噴射させる圧電デバイスとを具備する。
The
各圧電素子３８の具体的な構成を以下に詳述する。図４は、複数の圧電素子３８の平面図である。なお、図４では、任意の１個の要素の奥側に位置する要素の周縁も便宜的に実線で図示されている。また、図５は、図４におけるＶ-Ｖ線の断面図である。
A specific configuration of each
図４および図５に例示される通り、圧電素子３８は、概略的には、第１電極５１と圧電体層５２と第２電極５３との積層で構成される。なお、本明細書において「要素Ａと要素Ｂとが積層される」という表現は、要素Ａと要素Ｂとが直接的に接触する構成に限定する趣旨ではない。すなわち、要素Ａと要素Ｂとの間に他の要素Ｃが介在する構成も、「要素Ａと要素Ｂとが積層される」という概念に包含される。また、「要素Ａの面上に要素Ｂが形成される」という表現も同様に、要素Ａと要素Ｂとが直接的に接触する構成には限定されない。すなわち、要素Ａの表面に要素Ｃが形成され、要素Ｃの表面に要素Ｂが形成された構成でも、要素Ａと要素Ｂとの少なくとも一部が平面視で重なる構成であれば、「要素Ａの面上に要素Ｂが形成される」という概念に包含される。
As illustrated in FIGS. 4 and 5, the
第１電極５１は、振動板３６の面上に形成される。第１電極５１は、圧電素子３８毎に相互に離間して形成された個別電極である。具体的には、Ｘ方向に延在する複数の第１電極５１が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列する。各圧電素子３８の第１電極５１には、当該圧電素子３８に対応するノズルＮからのインクの噴射を制御するための駆動信号が配線基板５０を介して印加される。
The
圧電体層５２は、第１電極５１の面上に形成される。圧電体層５２は、複数の圧電素子３８にわたり連続するようにＹ方向に延在する帯状の誘電膜である。図４に例示される通り、圧電体層５２のうち相互に隣合う各圧力室Ｃの間隙に平面視で対応する領域には、Ｘ方向に長尺な切欠５２１（スリット）が形成される。切欠５２１は、圧電体層５２を貫通する貫通孔である。以上の構成によれば、各圧電素子３８は圧力室Ｃ毎に個別に変形し、圧電素子３８の相互間における振動の伝播が抑制される。したがって、各ノズルＮによるインクの噴射特性を高精度に制御することが可能である。噴射特性は、例えば噴射量、噴射方向または噴射速度である。
The
第２電極５３は、圧電体層５２の面上に形成される。具体的には、第２電極５３は、複数の圧電素子３８にわたり連続するようにＹ方向に延在する帯状の共通電極である。第２電極５３には所定の基準電圧が印加される。
The
図５に例示される通り、第２電極５３は、第１電極層５３１と第２電極層５３２との積層で構成される。第１電極層５３１は、圧電体層５２の面上に形成される。具体的には、第１電極層５３１は、圧電体層５２と同様の平面形状に形成されて圧電体層５２の表面に接触する導電パターンである。第２電極層５３２は、圧電体層５２と第１電極層５３１とが形成された振動板３６の表面を被覆する導電パターンである。具体的には、第２電極層５３２は、第１電極層５３１の表面および側面と圧電体層５２の側面と、圧電体層５２の切欠５２１の内側に露出する振動板３６の表面とを被覆する。
As illustrated in FIG. 5, the
第１電極５１に印加される基準電圧と第２電極５３に供給される駆動信号との電圧差に応じて圧電体層５２が変形する。すなわち、第１電極５１と第２電極５３とが圧電体層５２を挟んで相互に対向する部分が圧電素子３８として機能する。圧力室Ｃ毎に圧電素子３８が個別に形成される。具体的には、Ｘ方向に長尺状に形成された複数の圧電素子３８が、相互に間隔をあけてＹ方向に配列する。各圧電素子３８のＹ方向の寸法（すなわち幅）は、圧力室ＣのＹ方向の寸法を下回る。
The
図５に例示される通り、振動板３６の第２振動層３６２は、第１部分Ｑ1と第２部分Ｑ2とを含む。第１部分Ｑ1は、第２振動層３６２のうち圧電体層５２に平面視で重なる部分である。第２部分Ｑ2は、第２振動層３６２のうち第１部分Ｑ1以外の部分である。すなわち、第２部分Ｑ2は、圧電体層５２に平面視で重ならない領域である。
As illustrated in FIG. 5, the
第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2は、第１部分Ｑ1の膜厚Ｔ1を下回る。すなわち、第２部分Ｑ2は第１部分Ｑ1と比較して薄く形成される。したがって、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2が第１部分Ｑ1と同等の膜厚に形成された構成と比較して、振動板３６を効率的に振動させることが可能である。例えば複数のノズルＮが４００ｄｐｉ以上の高密度で配列された構成では、振動板３６の変位量を充分に確保することが特に困難である。本実施形態によれば、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2を薄くすることで、４００ｄｐｉ以上の高密度の液体噴射ヘッド２６においても振動板３６の変位量を充分に確保することが可能である。
The film thickness T2 of the second portion Q2 of the
＜圧電デバイスの製造方法＞
本実施形態における液体噴射ヘッド２６の製造工程のうち圧電デバイスを製造する手順について説明する。図６は、圧電デバイスの製造方法を例示する工程図である。
<Piezoelectric device manufacturing method>
A procedure for manufacturing a piezoelectric device in the manufacturing process of the
最初の工程Ｐ0では、振動板３６の面上に第１電極５１が形成される。前述の通り、振動板３６は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成された第１振動層３６１と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）で形成された第２振動層３６２との積層で構成される。第１電極５１の材料または製法は任意である。例えば、白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の各種の導電材料の薄膜をスパッタリング等の公知の成膜技術により形成し、エッチング等の公知の加工技術により当該薄膜をパターニングすることで、第１電極５１が形成される。
In the
工程Ｐ0の実施後の工程Ｐ1では、振動板３６の面上に形成された第１電極５１を被覆する圧電材料層７１が圧電材料により形成される。圧電材料層７１は、各圧電素子３８の圧電体層５２を形成するための誘電膜であり、振動板３６の全面にわたり略均等な膜厚に形成される。圧電材料層７１の材料および製法は任意である。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性の圧電材料をスパッタリング等の各種の成膜技術により成膜することで圧電材料層７１が形成される。なお、酸化ニッケルまたは酸化マグネシウム等の金属酸化物をチタン酸ジルコン酸鉛に添加した材料で圧電体層５２を形成してもよい。以上に説明した工程Ｐ1は、「第１工程」の具体例である。
In the process P1 after the implementation of the process P0, the
工程Ｐ1の実施後の工程Ｐ2では、圧電材料層７１の面上に導電層７２が形成される。導電層７２は、第２電極５３の第１電極層５３１を形成するための導電膜であり、圧電材料層７１の全面にわたり略均等な膜厚に形成される。導電層７２の材料および製法は任意である。例えば、白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の導電材料をスパッタリング等の各種の成膜技術により成膜することで導電層７２が形成される。以上に説明した工程Ｐ2は、「第２工程」の具体例である。
In the process P2 after the process P1, the
工程Ｐ2における導電層７２の形成の過程では、圧電材料層７１の表面に結晶特性の変質等のダメージが発生し得る。圧電材料層７１の結晶特性を改善するために、工程Ｐ2の実施後の工程Ｐ3では、圧電材料層７１が加熱により焼成（アニール）される。すなわち、圧電材料層７１が所定の時間にわたり所定の温度に加熱される。例えば、工程Ｐ3では、圧電材料層７１が６分間にわたり７２０℃に加熱される。工程Ｐ3での加熱（すなわちポストアニール）により圧電材料層７１の結晶特性が改善されるから、圧電特性が良好な圧電素子３８が形成される。以上に説明した工程Ｐ3は、「第３工程」の具体例である。
In the process of forming the
圧電材料層７１の加熱の過程では、圧電材料の成分である鉛（Ｐｂ）が圧電材料層７１から周囲に拡散する。本実施形態では、圧電材料層７１と振動板３６の第１振動層３６１との間に第２振動層３６２が介在するから、工程Ｐ3の加熱により圧電材料層７１から拡散した鉛が第１振動層３６１まで到達する可能性が、第２振動層３６２により阻害される。すなわち、第２振動層３６２は、圧電材料層７１から第１振動層３６１に対する鉛の拡散を阻害する要素として機能する。
In the process of heating the
工程Ｐ3の実施後の工程Ｐ4では、導電層７２および圧電材料層７１がパターニングされる。導電層７２のパターニングにより各圧電素子３８における第２電極５３の第１電極層５３１が形成され、圧電材料層７１のパターニングにより各圧電素子３８の圧電体層５２が形成される。圧電体層５２の切欠５２１は、工程Ｐ4におけるパターニングにより形成される。以上の例示の通り、導電層７２と圧電材料層７１とは共通の工程で一括的にパターニングされるから、第１電極層５３１と圧電体層５２とは共通の平面形状に形成される。すなわち、第１電極層５３１には、圧電体層５２の切欠５２１と同様の切欠が形成される。導電層７２および圧電材料層７１のパターニングには、エッチング等の加工技術が利用される。以上に説明した工程Ｐ4は、「第４工程」の具体例である。
In the process P4 after the implementation of the process P3, the
工程Ｐ4では、導電層７２および圧電材料層７１の選択的な除去に加えて、振動板３６の第２振動層３６２のうち平面視で圧電体層５２に重ならない第２部分Ｑ2についても厚さ方向の一部が除去される。すなわち、工程Ｐ4では、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2が所定の膜厚Ｔ2で残存するようにパターニングが実行される。具体的には、工程Ｐ4では、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2が４０ｎｍ以下となるように厚さ方向の一部が除去される。他方、第２振動層３６２の第１部分Ｑ1は圧電体層５２により被覆されるから、工程Ｐ4のパターニングでは除去されない。したがって、前述の通り、第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2は、第１部分Ｑ1の膜厚Ｔ1を下回る。以上の例示の通り、本実施形態の工程Ｐ4では、導電層７２と圧電材料層７１と第２振動層３６２とが一括的にパターニングされる。
In the process P4, in addition to the selective removal of the
工程Ｐ4の実施後の工程Ｐ5では、工程Ｐ4で形成された第１電極層５３１を被覆する第２電極層５３２が形成される。第２電極層５３２の材料および製法は任意である。例えば、白金（Ｐｔ）またはイリジウム（Ｉｒ）等の各種の導電材料の薄膜をスパッタリング等の各種の成膜技術により形成し、エッチング等の加工技術により当該薄膜をパターニングすることで、第２電極層５３２が形成される。以上に説明した工程Ｐ5は、「第５工程」の具体例である。
In the process P5 after the implementation of the process P4, the
以上に説明した通り、本実施形態では、圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3の実施後に圧電材料層７１および導電層７２をパターニングしたが、圧電材料層７１および導電層７２のパターニングの実行後に圧電材料層７１を加熱する製造方法（以下「対比例」という）も想定される。図７は、対比例における圧電デバイスの製造方法の工程図である。対比例では、本実施形態における工程Ｐ3および工程Ｐ4が、図７の工程ＰAおよび工程ＰBに置換される。
As described above, in this embodiment, the
工程Ｐ2の実施後の工程ＰAでは、導電層７２および圧電材料層７１がパターニングされる。導電層７２のパターニングにより第２電極５３の第１電極層５３１が形成され、圧電材料層７１のパターニングにより圧電体層５２が形成される。工程ＰAでは、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2のうち厚さ方向の一部が除去される。したがって、工程ＰAを実施した段階では、第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2が第１部分Ｑ1の膜厚Ｔ1を下回る。工程ＰAの実施後の工程ＰBでは、圧電体層５２を加熱することで結晶特性が改善される。
In the process PA after the process P2, the
工程ＰBにおける圧電材料層７１の加熱の過程では、図７に破線の矢印で図示される通り、圧電材料の成分である鉛（Ｐｂ）が圧電材料層７１からが拡散する。工程ＰBの段階では、第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚が低減された状態にある。したがって、圧電材料層７１から拡散した鉛は、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2を通過して第１振動層３６１に到達し得る。そして、第１振動層３６１の酸化ケイ素に圧電材料層７１からの鉛が反応することで鉛ガラスが形成される。以上のように振動板３６の内部に形成された鉛ガラスはクラックの原因となり得る。
In the process of heating the
以上に説明した対比例とは対照的に、本実施形態では、図６の例示の通り、圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3の実施後に導電層７２および圧電材料層７１のパターニングが実行される。すなわち、圧電材料層７１の加熱の段階では、第１振動層３６１と圧電材料層７１との間に充分な膜厚Ｔ1の第２振動層３６２が介在する。したがって、圧電材料層７１の加熱により発生した鉛の拡散は、第２振動層３６２により有効に阻止され、第１振動層３６１までは到達しない。すなわち、圧電材料層７１から拡散した鉛と第１振動層３６１の酸化ケイ素との反応により鉛ガラスが生成される可能性が低減される。したがって、本実施形態によれば、第２振動層３６２の膜厚を低減することで振動板３６の変位量を確保しながら、圧電材料層７１から拡散した成分と振動板３６を構成する酸化ケイ素との反応に起因した振動板３６のクラックを抑制することが可能である。
In contrast to the above-described comparison, in the present embodiment, patterning of the
なお、圧電体層５２の側面には、圧電材料層７１のパターニングに起因した結晶特性の変質等のダメージが発生し得る。圧電材料層７１のパターニングの実行後に圧電体層５２を加熱する対比例の手順では、工程ＰAでのパターニングに起因したダメージが工程ＰBでの加熱により改善される。他方、本実施形態では、工程Ｐ3における圧電材料層７１の加熱後に当該圧電材料層７１がパターニングされるから、工程Ｐ4でのパターニングに起因したダメージは圧電体層５２の側面に残存する。しかし、圧電体層５２の側面に残存したダメージは、圧電素子３８の駆動に実質的には関与しないから、当該ダメージは特段の問題にならない。
Note that damage such as alteration of crystal characteristics due to patterning of the
図８は、圧電材料層７１のパターニングの実行後に圧電体層５２を加熱する対比例の製造方法において、第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2と、第１振動層３６１に形成される鉛ガラスの膜厚δとの関係を示すグラフである。第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2が小さいほど、圧電体層５２から拡散した鉛が第２振動層３６２を通過し易く、結果的に第１振動層３６１における鉛ガラスの膜厚δが大きくなる、という傾向が図８から確認できる。具体的には、第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2が４０ｎｍ以下であると、第１振動層３６１に鉛ガラスが発生する。以上の傾向を考慮すると、対比例のもとで鉛ガラスの発生を回避するには、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2について４０ｎｍを上回る膜厚Ｔ2を確保する必要がある。
FIG. 8 shows a film thickness T2 of the second portion Q2 of the
他方、本実施形態によれば、前述の通り、圧電材料層７１の加熱後に導電層７２および圧電材料層７１をパターニングすることで鉛ガラスの発生が抑制される。すなわち、第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2を４０ｎｍ以下に設定することで振動板３６の変位量を充分に確保した場合でも、第１振動層３６１における鉛ガラスの発生を防止できる。以上の説明から理解される通り、対比例と比較した本実施形態の効果は、第２振動層３６２のうち第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2を４０ｎｍ以下とした構成において格別に顕著である。
On the other hand, according to the present embodiment, as described above, generation of lead glass is suppressed by patterning the
＜製造方法に起因した構造上の特徴＞
図６に例示した本実施形態の製造方法に起因して圧電デバイスに発生する構造上の特徴について説明する。
<Structural features resulting from the manufacturing method>
Structural features that occur in the piezoelectric device due to the manufacturing method of this embodiment illustrated in FIG. 6 will be described.
工程Ｐ3において圧電材料層７１を加熱する過程では、圧電材料層７１に過剰に含有された鉛が圧電材料層７１から拡散する。圧電材料層７１から拡散した鉛は、図９に例示される通り、第１電極層５３１となる導電層７２を通過し、導電層７２の表面上で凝集することで酸化鉛等の鉛化合物を構成する。具体的には、導電層７２の表面に鉛化合物の複数の突起７３が形成される。なお、図５および図６においては複数の突起７３の図示が便宜的に省略されている。
In the process of heating the
図９に例示した複数の突起７３は、工程Ｐ4における導電層７２のパターニング後にも維持される。すなわち、図１０に例示される通り、第２電極５３の第１電極層５３１の表面には鉛化合物の複数の突起７３が形成される。以上の説明から理解される通り、第１電極層５３１の表面に鉛化合物で形成された複数の突起７３は、圧電材料層７１の面上に導電層７２が形成された状態で当該圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3に起因した構造である。すなわち、鉛化合物を含有する複数の突起７３が第１電極層５３１と第２電極層５３２との間に介在する液体噴射装置１００は、圧電材料層７１の面上に導電層７２が形成された状態で当該圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3を経て製造されたと推定できる。
The plurality of
前述の通り、図６に例示した製造方法では、工程Ｐ3における圧電材料層７１の加熱後に導電層７２および圧電材料層７１のパターニングが実行されるから、圧電体層５２の成分である鉛と第１振動層３６１の酸化ケイ素とが反応した鉛ガラスは、振動板３６の第１振動層３６１には存在しない。したがって、振動板３６の第１振動層３６１が鉛ガラスを含有しない液体噴射装置１００は、導電層７２および圧電材料層７１をパターニングする工程Ｐ4の実施前に、圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3が実施され、または、圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3が実施されていない、と推定できる。
As described above, in the manufacturing method illustrated in FIG. 6, the
以上の説明から理解される通り、鉛化合物を含有する複数の突起７３が第１電極層５３１と第２電極層５３２との間に介在し、かつ、振動板３６の第１振動層３６１が鉛ガラスを含有しない液体噴射装置１００については、導電層７２および圧電材料層７１をパターニングする工程Ｐ4の実施前に、圧電材料層７１を加熱する工程Ｐ3が実施されたと推定できる。以上の手順のもとでは、圧電材料層７１の加熱の段階において、第１振動層３６１と圧電材料層７１との間に充分な膜厚Ｔ1の第２振動層３６２が介在するから、圧電材料層７１の加熱により拡散した鉛は第１振動層３６１まで到達しない。したがって、前述の通り、第２振動層３６２の膜厚を低減することで振動板３６の変位量を確保しながら、圧電材料層７１から拡散した成分と振動板３６を構成する酸化ケイ素との反応に起因した振動板３６のクラックを抑制することが可能である。
As understood from the above description, a plurality of
＜変形例＞
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。なお、以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。
<Modification>
Each form illustrated above can be variously modified. Specific modes of modifications that can be applied to the above-described embodiments are exemplified below. Note that two or more aspects arbitrarily selected from the following examples can be appropriately combined as long as they do not contradict each other.
（１）前述の形態では、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2が所定の膜厚Ｔ2で残存するようにパターニングを実行したが、図１１に例示される通り、工程Ｐ4において第２振動層３６２の第２部分Ｑ2を完全に除去してもよい。図１１の構成では、圧電体層５２の切欠５２１の内側において振動板３６の第１振動層３６１と第２電極５３の第２電極層５３２とが直接的に接触する。すなわち、第１振動層３６１と第２電極層５３２との間に第２振動層３６２は介在しない。図１１の構成によれば、振動板３６の変位量を確保し易いという利点がある。以上の例示の通り、好適な態様において、第２振動層３６２の第２部分Ｑ2の膜厚Ｔ2は、０ｎｍ以上かつ４０ｎｍ以下に設定される。
(1) In the above-described embodiment, the patterning is performed so that the second portion Q2 of the
他方、図５の例示のように工程Ｐ4において第２振動層３６２の第２部分Ｑ2を膜厚Ｔ2だけ残存させる構成によれば、振動板３６の機械的な強度を維持し易いという利点がある。以上の例示から理解される通り、工程Ｐ4は、導電層７２および圧電材料層７１のパターニングにより第１電極層５３１および圧電体層５２をそれぞれ形成する工程であって、第２振動層３６２のうち平面視で圧電体層５２に重ならない第２部分Ｑ2について厚さ方向の一部をパターニングにより除去する工程として包括的に表現される。
On the other hand, as illustrated in FIG. 5, according to the configuration in which the second portion Q2 of the
（２）振動板３６の第２振動層３６２の材料は、前述の形態で例示した酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）に限定されない。例えば、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の金属酸化物により第２振動層３６２を形成してもよい。以上の例示から理解される通り、第２振動層３６２は、第１振動層３６１とは異なる絶縁材料で形成される。
(2) The material of the
（３）前述の各形態では、第１電極５１が個別電極であり第２電極５３が共通電極である構成を例示したが、第１電極５１を、複数の圧電素子３８にわたり連続する共通電極とし、第２電極５３を圧電素子３８毎に個別の個別電極としてもよい。また、第１電極５１および第２電極５３の双方を個別電極としてもよい。
(3) In each of the above-described embodiments, the configuration in which the
（４）前述の各形態では、液体噴射ヘッド２６を搭載した搬送体２４２を往復させるシリアル方式の液体噴射装置１００を例示したが、複数のノズルＮが媒体１２の全幅にわたり分布するライン方式の液体噴射装置にも本発明を適用することが可能である。
(4) In each of the above-described embodiments, the serial-type
（５）前述の各形態で例示した液体噴射装置１００は、印刷に専用される機器のほか、ファクシミリ装置やコピー機等の各種の機器に採用され得る。もっとも、本発明の液体噴射装置の用途は印刷に限定されない。例えば、色材の溶液を噴射する液体噴射装置は、液晶表示装置のカラーフィルターを形成する製造装置として利用される。また、導電材料の溶液を噴射する液体噴射装置は、配線基板の配線や電極を形成する製造装置として利用される。
(5) The
（６）振動板３６と圧電素子３８とを具備する圧電デバイスは、液体噴射ヘッド２６以外に、超音波センサー、超音波トランスデューサーまたは超音波モーター等の装置にも適用することができる。
(6) The piezoelectric device including the
１００…液体噴射装置、１２…媒体、１４…液体容器、２０…制御ユニット、２２…搬送機構、２４…移動機構、２６…液体噴射ヘッド、３２……流路基板、３４……圧力室基板、３４２…除去部、３６……振動板、３６１…第１振動層、３６２…第２振動層、３８……圧電素子、４２……筐体部、４４……封止体、４６……ノズル板、Ｎ……ノズル、４８……吸振体、５０……配線基板、５１…第１電極、５２…圧電体層、５３…第２電極、５３１…第１電極層、５３２…第２電極層、７１…圧電材料層、７２…導電層、７３…突起、Ｃ…圧力室、Ｒ…液体貯留室。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第２振動層の面上に形成され、第１電極と、圧電体層と、第１電極層および第２電極層を積層した第２電極とを含む圧電素子と
を具備する圧電デバイスの製造方法であって、
前記第２振動層の面上に形成された前記第１電極を被覆する圧電材料層を圧電材料により形成する第１工程と、
前記圧電材料層の面上に導電層を形成する第２工程と、
前記第２工程の実施後に前記圧電材料層を加熱する第３工程と、
前記第３工程の実施後に、前記導電層および前記圧電材料層のパターニングにより前記第１電極層および前記圧電体層をそれぞれ形成する工程であって、前記第２振動層のうち平面視で前記圧電体層に重ならない部分について厚さ方向の一部を前記パターニングにより除去する第４工程と、
前記第１電極層を被覆する前記第２電極層を形成する第５工程と
を含む圧電デバイスの製造方法。 A diaphragm including a first vibration layer formed of silicon oxide and a second vibration layer formed on a surface of the first vibration layer with an insulating material different from that of the first vibration layer;
Manufacturing of a piezoelectric device comprising: a first electrode, a piezoelectric layer, and a piezoelectric element formed on the surface of the second vibration layer, and a second electrode in which the first electrode layer and the second electrode layer are stacked. A method,
A first step of forming a piezoelectric material layer covering the first electrode formed on the surface of the second vibration layer with a piezoelectric material;
A second step of forming a conductive layer on the surface of the piezoelectric material layer;
A third step of heating the piezoelectric material layer after performing the second step;
After the third step, the first electrode layer and the piezoelectric layer are formed by patterning the conductive layer and the piezoelectric material layer, respectively, and the piezoelectric layer in the plan view of the second vibration layer. A fourth step of removing a portion in the thickness direction of the portion not overlapping the body layer by the patterning;
And a fifth step of forming the second electrode layer covering the first electrode layer.
請求項１の圧電デバイスの製造方法。 The method for manufacturing a piezoelectric device according to claim 1, wherein in the fourth step, the patterning is performed such that a portion of the second vibration layer that does not overlap the piezoelectric layer in a plan view remains.
請求項１または請求項２の圧電デバイスの製造方法。 In the fourth step, a portion of the second vibration layer that does not overlap the piezoelectric layer in plan view is removed in the thickness direction to a film thickness of 40 nm or less by the patterning. A method for manufacturing a piezoelectric device.
前記第２振動層の面上に形成され、第１電極と、圧電体層と、第１電極層および第２電極層を積層した第２電極とを含む圧電素子とを具備し、
前記第２振動層のうち平面視で前記圧電体層に重ならない部分の厚さは４０ｎｍ以下であり、
前記第１電極層と前記第２電極層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が介在し、
前記第１振動層と前記第２振動層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が存在しない
圧電デバイス。 A diaphragm including a first vibration layer formed of silicon oxide and a second vibration layer formed on a surface of the first vibration layer with an insulating material different from that of the first vibration layer;
A piezoelectric element formed on the surface of the second vibration layer and including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode obtained by stacking the first electrode layer and the second electrode layer;
The thickness of the portion of the second vibration layer that does not overlap the piezoelectric layer in plan view is 40 nm or less,
Between the first electrode layer and the second electrode layer, a compound of a component contained in the piezoelectric layer is interposed,
A piezoelectric device in which a component compound contained in the piezoelectric layer does not exist between the first vibration layer and the second vibration layer.
前記圧力室の壁面を構成する振動板と、
前記振動板の面上に形成され、第１電極と、圧電体層と、第１電極層および第２電極層を積層した第２電極とを含む圧電素子と
を具備する液体噴射ヘッドであって、
前記振動板は、
酸化ケイ素で形成された第１振動層と、
前記第１振動層とは異なる絶縁材料で前記第１振動層の面上に形成された第２振動層とを含み、
前記第２振動層のうち平面視で前記圧電体層に重ならない部分の厚さは４０ｎｍ以下であり、
前記第１電極層と前記第２電極層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が介在し、
前記第１振動層と前記第２振動層との間には、前記圧電体層に含有される成分の化合物が存在しない
液体噴射ヘッド。 A pressure chamber containing liquid;
A diaphragm constituting a wall surface of the pressure chamber;
A liquid ejecting head, comprising: a piezoelectric element formed on a surface of the diaphragm and including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode in which the first electrode layer and the second electrode layer are stacked. ,
The diaphragm is
A first vibration layer formed of silicon oxide;
A second vibration layer formed on a surface of the first vibration layer with an insulating material different from that of the first vibration layer;
The thickness of the portion of the second vibration layer that does not overlap the piezoelectric layer in plan view is 40 nm or less,
Between the first electrode layer and the second electrode layer, a compound of a component contained in the piezoelectric layer is interposed,
A liquid ejecting head, wherein the compound of the component contained in the piezoelectric layer does not exist between the first vibrating layer and the second vibrating layer.
A liquid ejecting apparatus comprising the liquid ejecting head according to claim 5.
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