JP5476901B2 - 圧電アクチュエータの製造方法及び圧電アクチュエータ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータの製造方法、及び、圧電アクチュエータに関する。
従来から、様々な技術分野において、電界が作用したときの圧電層の変形（圧電歪み）を利用して対象を駆動する、圧電アクチュエータが用いられている。このような圧電アクチュエータは、圧電層と、圧電層を挟む２枚の電極と、を有しており、この２枚の電極に電圧が印加されたときに、２枚の電極に挟まれた圧電層の活性部に電界が作用して変形する。
ここで、圧電層を挟む２枚の電極に電圧を印加するためには、この２枚の電極をドライバＩＣなどの駆動部と電気的に接続する必要がある。このとき、２枚の電極を駆動部と電気的に接続するためには、例えば、ドライバＩＣが実装されたフレキシブル配線基板を圧電アクチュエータの上面に接続することが考えられるが、この場合、２枚の電極を圧電アクチュエータの表面に引き出す必要がある。
このような例として、特許文献１には、表面に露出せずに内部に配置された電極をスルーホールを介して表面の引出電極と電気的に接続した圧電アクチュエータについて記載されている。この圧電アクチュエータにおいては、振動板の上面に２枚の圧電層が積層され、振動板の上面、下層の圧電層の上面、及び、上層の圧電層の上面にそれぞれ下部定電位電極、上部定電位電極、及び、個別電極が配置されている。そして、上層の圧電層の上面は、圧電アクチュエータの表面として露出しており、この上面には、個別電極に加えて、第１表面電極及び第２表面電極が配置されている。上部定電位電極及び下部定電位電極は、圧電アクチュエータの表面には露出していないため、圧電層に形成されたスルーホールを介して、第１表面電極及び第２表面電極と電気的に接続されている。
しかしながら、特許文献１に記載の圧電アクチュエータにおいては、製造工程において、圧電層に厚み方向に貫通する孔を形成して、その孔の内面に金属材料などの導体を充填して、スルーホールを形成する工程が必要となり、製造工程が煩雑化してしまう。また、スルーホールの孔内に充填する金属材料が必要となり、コストが増大してしまう。さらに、スルーホールの孔内に十分に金属材料が充填されていない場合には、導通不良を起こしたりして導通の信頼性が低い。
そこで、本発明の目的は、第１電極と引出電極の導通の信頼性を向上させるとともに、製造工程を簡略化し、コストを低減した圧電アクチュエータの製造方法及び圧電アクチュエータを提供することである。
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、金属材料からなる振動板の一表面の一部領域に、拡散防止層を形成する拡散防止層形成工程と、前記拡散防止層の前記振動板と反対側の面及び前記振動板の前記一表面にまたがって、第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極の前記拡散防止層と反対側の面及び前記拡散防止層が設けられていない前記振動板の前記一表面にまたがって、圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極の前記拡散防止層上に形成された領域と重なる領域に、第２電極を形成する第２電極形成工程と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で少なくとも前記拡散防止層と重ならない領域であり且つ前記第２電極を形成する領域と離隔した領域に、引出電極を形成する引出電極形成工程と、前記圧電層形成工程の後において、前記圧電層及び前記振動板を加熱して、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させる加熱工程と、を備えており、前記加熱工程は、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させることで、前記圧電層の平面視で前記拡散防止層と重ならない領域における、前記振動板と当接した表面と、前記振動板と反対側の面とを電気的に導通させて、前記第１電極と前記引出電極とを導通させる。
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、圧電層の第１電極と第２電極とに挟まれた領域は、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されることにより、電界にさらされて圧電変形する活性部となる。すなわち、この圧電層の活性部となる領域は、絶縁性及び圧電特性を保持する必要がある。加熱工程において、圧電層及び振動板を加熱すると、拡散防止層と重ならない領域において振動板の金属原子が圧電層に拡散する。すると、拡散防止層と重ならない領域の圧電層の導電率が上がり、圧電層の振動板と当接した表面と振動板と反対側の面とは導通する。これにより、第１電極を振動板及び圧電層の導電率が上がった高導電領域を介して引出電極と導通させることができる。したがって、例えば、圧電層と拡散防止層の間に設けられた第１電極を圧電アクチュエータの表面に引き出すために、スルーホールを形成する工程が必要なくなり、単に圧電層及び振動板を加熱する加熱工程を行うだけなので、製造工程を簡略化することができる。また、スルーホールの孔内に充填される導体としては金属材料が用いられるが、スルーホールを形成する工程が必要ないことで、この金属材料が必要なくなり、コストを低減することができる。
また、別の観点では、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、金属材料からなる振動板の一表面の一部領域に、拡散防止層を形成する拡散防止層形成工程と、前記拡散防止層の前記振動板と反対側の面における前記拡散防止層の外縁の少なくとも一部に沿った端面を有する第１電極を形成する第１電極形成工程と、前記第１電極の前記拡散防止層と反対側の面及び前記拡散防止層が設けられていない前記振動板の前記一表面にまたがって、圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極の前記拡散防止層上に形成された領域と重なる領域に、第２電極を形成する第２電極形成工程と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で少なくとも前記拡散防止層と重ならない領域であり且つ前記第２電極を形成する領域と離隔した領域に、引出電極を形成する引出電極形成工程と、前記圧電層形成工程の後において、前記圧電層及び前記振動板を加熱して、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させる加熱工程と、を備えており、前記加熱工程は、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させることで、前記圧電層の平面視で前記拡散防止層と重ならない領域における、前記振動板と当接した表面と、前記振動板と反対側の面とを電気的に導通させて、前記第１電極と前記引出電極とを導通させる。
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、加熱工程において、拡散防止層と重ならない領域において振動板の金属原子が圧電層に拡散する。すると、拡散防止層と重ならない領域の圧電層の導電率が上がり、圧電層の振動板と当接した表面と振動板と反対側の面とは導通する。これにより、第１電極の端面を圧電層の導電率が上がった高導電領域の端面と当接させて導通させることで、引出電極とも導通させることができる。したがって、第１電極と引出電極を導通させるスルーホールを形成する工程に比べて、単に加熱工程を行うだけなので、製造工程を簡略化することができる。また、スルーホールの孔内に充填される金属材料が必要なくなり、コストを低減することができる。
また、前記圧電層形成工程において、エアロゾルデポジション法により前記圧電層を形成しており、前記加熱工程は、前記圧電層のアニール処理可能な温度で前記圧電層を加熱することが好ましい。圧電層形成工程において、エアロゾルデポジション法によって圧電層を形成すると、圧電層の圧電特性を向上させるために、アニール処理として圧電層を加熱する工程が必要となる。これによると、加熱工程が、アニール処理工程と第１電極と引出電極を導通させる工程を兼ねているため、製造工程をより簡略化して、工数を削減することができる。
また、前記圧電層形成工程においては、ゾルゲル法により前記圧電層を形成しており、前記加熱工程は、ゲル中の溶媒を除去可能な温度で前記圧電層を加熱してもよい。圧電層形成工程において、ゾルゲル法によって圧電層を形成すると、ゲル中の溶媒を揮発させて除去するために、圧電層を加熱する工程が必要となる。これによると、加熱工程が、ゲル中の溶媒を除去する工程と第１電極と引出電極を導通させる工程を兼ねているため、製造工程をより簡略化して、工数を削減することができる。
さらに、前記引出電極形成工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極と重ならない領域に、前記引出電極を形成することが好ましい。これによると、振動板と引出電極との間には第１電極が介在することなく、圧電層のみが介在することとなる。したがって、加熱工程において、振動板の金属原子を確実に圧電層に拡散させて、振動板と引出電極をより確実に導通させることができる。
加えて、前記第２電極形成工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面に、面方向に離散して複数の前記第２電極を形成しており、前記第１電極は、前記複数の第２電極と対向していることが好ましい。これによると、第１電極は、振動板と導通するが、基準電位を付与する共通電極なので、圧電アクチュエータの駆動に影響をおよぼすことがない。
また、前記拡散防止層形成工程において、前記第１電極と前記第２電極とが対向することとなる領域の縁部から前記拡散防止層の外縁までの距離が前記圧電層の厚みよりも大きくなるように、前記拡散防止層を形成することが好ましい。これによると、圧電層の活性部となる領域に金属拡散がおよぶのを防止することができる。
本発明の圧電アクチュエータは、金属材料からなる振動板と、前記振動板の一表面に配置され、活性部を有する圧電層と、前記振動板と前記圧電層の間の、平面視で少なくとも前記活性部と重なる領域に配置された拡散防止層と、前記拡散防止層の前記圧電層と対向する面及び前記振動板の前記一表面にまたがって配置された第１電極と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極の前記拡散防止層上に形成された領域と重なる領域に配置された第２電極と、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記拡散防止層と重ならない領域であり且つ前記第２電極が配置される領域と離隔した領域に配置された引出電極と、を備えており、前記圧電層の平面視で前記拡散防止層と重ならない領域は、当該領域中に前記振動板の金属原子が拡散して、前記圧電層の前記活性部よりも導電率が高い高導電領域である。
本発明の圧電アクチュエータによると、例えば、第１電極をスルーホールを介して引出電極と導通させる場合に比べて、スルーホールの孔内に充填される導体として用いられる金属材料が必要なくなり、コストを低減することができる。
第１電極と引出電極を導通させるために、スルーホールを形成する工程が必要なくなり、加熱工程を行うだけで第１電極と引出電極を導通可能なので、製造工程を簡略化することができる。また、スルーホールの孔内に充填される金属材料が必要なくなり、コストを低減することができる。
＜第１実施形態＞
以下、本発明の好適な第１実施形態について説明する。図１に示すように、プリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３、用紙搬送ローラ４などを備えている。
以下、本発明の好適な第１実施形態について説明する。図１に示すように、プリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３、用紙搬送ローラ４などを備えている。
キャリッジ２は、図１の左右方向（走査方向）に往復移動する。インクジェットヘッド３は、キャリッジ２の下面に配置されており、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動しながら、その下面に形成されたノズル１５（図４参照）からインクを吐出する。用紙搬送ローラ４は、記録用紙Ｐを図１の手前方向（紙送り方向）に搬送する。そして、プリンタ１においては、用紙搬送ローラ４によって紙送り方向に搬送される記録用紙Ｐに、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動するインクジェットヘッド３からインクが吐出されることにより、記録用紙Ｐに印刷が行われる。また、印刷が完了した記録用紙Ｐは、用紙搬送ローラ４により排出される。
次に、インクジェットヘッド３について説明する。図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド３は、複数の圧力室１０などのインク流路が形成された流路ユニット３１と、流路ユニット３１の上面に配置されており、圧力室１０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３２と、を有している。
まず、流路ユニット３１について説明する。流路ユニット３１は、キャビティプレート２１、ベースプレート２２、マニホールドプレート２３及びノズルプレート２４の４枚のプレートが上から順に積層されることにより構成されている。これら４枚のプレート２１〜２４のうち、ノズルプレート２４を除く３枚のプレート２１〜２３はステンレスなどの金属材料により構成されており、ノズルプレート２４はポリイミドなどの合成樹脂材料により構成されている。なお、ノズルプレート２４も他の３枚のプレート２１〜２３と同様、金属材料により構成されていてもよい。
キャビティプレート２１には、複数の圧力室１０が形成されている。圧力室１０は、走査方向（図２の左右方向）を長手方向とする略楕円の平面形状を有している。複数の圧力室１０は紙送り方向（図２の上下方向）に複数並んで走査方向に２列に配列されている。ベースプレート２２には、平面視で圧力室１０の長手方向の両端に重なる位置に、それぞれ貫通孔１２、１３が形成されている。
マニホールドプレート２３には、紙送り方向に２列に延びて、平面視で図２の左側に配列された圧力室１０の略左半分及び図２の右側に配列された圧力室１０の略右半分にそれぞれ重なるマニホールド流路１１が形成されている。マニホールド流路１１には、インク供給口９からインクが供給される。また、マニホールドプレート２３には、平面視で貫通孔１３に重なる位置に貫通孔１４が形成されている。
ノズルプレート２４には、平面視で貫通孔１４に重なる位置にノズル１５が形成されている。そして、流路ユニット３１においては、マニホールド流路１１が貫通孔１２を介して圧力室１０に連通しており、圧力室１０が貫通孔１３、１４を介してノズル１５に連通している。つまり、流路ユニット３１には、マニホールド流路１１の出口から圧力室１０を経てノズル１５に至る複数の個別インク流路が形成されている。
次に、圧電アクチュエータ３２について説明する。圧電アクチュエータ３２は、複数の圧力室１０を覆うように流路ユニット３１（キャビティプレート２１）の上面に配置され、下から順に、振動板４０、拡散防止層４１、共通電極４２（第１電極）、圧電層４３、並びに、複数の個別電極４４（第２電極）及び引出電極４７が積層されることによって構成されている。
振動板４０は、プレート２１〜２３と同様にステンレスなどの金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。振動板４０は、複数の圧力室１０を覆うようにキャビティプレート２１の上面に接合されている。
拡散防止層４１は、アルミナやジルコニアなどのセラミックスによって構成されており、振動板４０の上面の領域であり、平面視で、流路ユニット３１の複数の圧力室１０と重なる領域に形成されている。また、図６に示すように、拡散防止層４１は、その外縁から平面視で個別電極４４と共通電極４２に挟まれた圧電層４３の領域（活性部）の縁部までの面方向の距離Ｘが、圧電層４３の厚みＹよりも大きくなっている。拡散防止層４１は、後述するアニール処理工程における振動板４０の加熱によって振動板４０の金属原子が圧電層４３に拡散するのを防止する。
図２〜４に戻って、共通電極４２は、白金、パラジウム、金、銀などの導電性材料からなり、拡散防止層４１の上面全域にわたって形成され、さらに、拡散防止層４１の外縁を越えて振動板４０の上面にまたがって形成されている。これにより、共通電極４２は、振動板４０と当接して導通している。
圧電層４３は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料からなる層であり、共通電極４２の上面全域及び拡散防止層４１が形成されていない振動板４０の上面全域にまたがって形成されている。また、圧電層４３は、平面視で拡散防止層４１と重なる領域が誘電体領域４３ａとなっており、拡散防止層４１と重ならない領域が当該領域中に振動板４０の金属原子が拡散して形成された、誘電体領域４３ａよりも導電率が高い高導電領域４３ｂとなっている。
圧電層４３の高導電領域４３ｂは、振動板４０と当接した表面と、引出電極４７と当接した表面が導通している。これにより、振動板４０は、圧電層４３の高導電領域４３ｂを介して引出電極４７と導通している。また、振動板４０は共通電極４２と導通していることから、共通電極４２は引出電極４７と導通している。なお、共通電極４２は、振動板４０との導通にかかわらず、圧電層４３の高導電領域４３ｂと接触して導通していることからも引出電極４７と導通している。また、圧電層４３の誘電体領域４３ａの一部であって、個別電極４４及び共通電極４２に挟まれた領域（活性部）は、予めその厚み方向に分極されている。
複数の個別電極４４は、共通電極４２と同様に白金、パラジウム、金、銀などの導電性材料からなり、圧電層４３の誘電体領域４３ａの上面に面方向に離散して複数の圧力室１０に対応して形成されている。各個別電極４４は、圧力室１０よりも一回り小さい略楕円の平面形状を有しており、平面視で、共通電極４２の拡散防止層４１上に形成された領域の一部と重なる領域であって、圧力室１０の略中央に重なる領域に配置されている。個別電極４４の長手方向に関するノズル１５と反対側の端部は、圧力室１０とは重ならない位置まで延びており、その先端が接点４４ａとなっている。接点４４ａには、個別電極４４に駆動電位を付与する図示しないドライバＩＣとの接続を行うためのフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）５１が接続される。そして、各個別電極４４には、ドライバＩＣによりＦＰＣ５１のランド５２を介して駆動電位が付与される。
複数の引出電極４７は、共通電極４２及び個別電極４４と同様に白金、パラジウム、金、銀などの導電性材料からなり、圧電層４３の高導電領域４３ｂの上面における平面視で拡散防止層４１と重ならない領域であり、且つ、共通電極４２と重ならない領域に形成されている。また、複数の引出電極４７は、平面視で円状に、圧電層４３の四隅に形成されている。引出電極４７は、圧電層４３の高導電領域４３ｂを介して振動板４０及び共通電極４２と導通している。引出電極４７は、ＦＰＣ５１と接続され、ドライバＩＣからＦＰＣ５１のランド５３を介してグランド電位に保持される。すると、共通電極４２は、引出電極４７、圧電層４３の高導電領域４３ｂ及び振動板４０を通じてグランド電位に保持される。また、個別電極４４と引出電極４７は、圧電層４３の同一平面内に形成されているため、ＦＰＣ５１を加熱押圧して接合した際に荷重が均等にかかり、確実にＦＰＣ５１と電気的に接続することができる。
ここで、圧電アクチュエータ３２の駆動方法について説明する。圧電アクチュエータ３２を駆動させるためには、図示しないドライバＩＣにより個別電極４４に駆動電位を付与する。すると、駆動電位が付与された個別電極４４とグランド電位に保持された共通電極４２との間に電位差が発生し、圧電層４３の個別電極４４と共通電極４２とに挟まれた活性部に厚み方向の電界が発生する。この電界の方向は圧電層４３の活性部の分極方向と平行であるので、圧電層４３のこの部分は分極方向と直交する水平方向に収縮する（圧電横効果）。この圧電層４３の収縮によって、振動板４０、拡散防止層４１、共通電極４２及び圧電層４３の圧力室１０に重なる部分が圧力室１０に向かって凸となるように変形する（ユニモルフ変形）。これにより、圧力室１０の容積が減少し、圧力室１０内のインクの圧力が上昇するため、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが吐出される。
次に、圧電アクチュエータ３２の製造方法について説明する。まず、図５（ａ）に示すように、振動板４０の一表面の一部領域に、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によりアルミナやジルコニアなどのセラミックスの粒子を堆積させることにより拡散防止層４１を形成する（拡散防止層形成工程）。なお、振動板４０の一部領域とは、流路ユニット３１とともにインクジェットヘッド３を構成した時における平面視で流路ユニット３１の圧力室１０と重なる領域を含む領域である。
ＡＤ法は、図７に示すように、振動板４０をチャンバー７０内のステージ７１に縁をテープで固定させるなどして保持する。そして、チャンバー７０内を真空にして、チャンバー７０と、拡散防止層４１を形成するセラミックスの粒子と気体（キャリアガス）との混合物（エアロゾル）が封入された図示しないエアロゾル室と、の間の気圧差により、エアロゾル室に連通する噴射ノズル７３からエアロゾルを振動板４０に噴きつけて、アルミナなどの粒子を高速で振動板４０に衝突させるとともに、ステージ７１を水平方向に往復移動させることにより振動板４０上にセラミックスの粒子を堆積させる成膜法である。なお、拡散防止層４１は、ＡＤ法に限らず、スパッタ法や蒸着法などにより形成されてもよい。
次に、図５（ｂ）に示すように、拡散防止層４１の上面（振動板４０と反対側の面）全域、及び、拡散防止層４１の外縁を越えて振動板４０の上面にまたがって、スパッタ法により共通電極４２を形成する（共通電極形成工程：第１電極形成工程）。続いて、図５（ｃ）に示すように、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料を用いて、共通電極４２の表面及び拡散防止層４１が設けられていない振動板４０の上面にまたがって、ＡＤ法により圧電材料の粒子を堆積させることにより圧電層４３を形成する（圧電層形成工程）。
ところで、圧電層形成工程をＡＤ法で行うと、圧電材料の粒子を高速で共通電極４２及び振動板４０の上面に衝突させて圧電層４３を形成しているため、圧電層４３中に粒子の微細化や格子欠陥などが生じて、振動板４０を変形させるのに必要な圧電特性を得られないおそれがある。そこで、圧電材料の粒子結晶を成長させるとともに結晶中の格子欠陥を修復して、圧電特性を向上させるために、図５（ｄ）に示すように、振動板４０、拡散防止層４１、共通電極４２及び圧電層４３を所定温度（例えば、９００℃：以下、アニール温度と称す）に加熱して、圧電層４３に対して熱処理を施す（アニール処理工程：加熱工程）。
このとき、拡散防止層４１上に形成された圧電層４３には、振動板４０の金属原子の拡散が拡散防止層４１で抑制されるため、圧電層４３（誘電体領域４３ａ）の圧電特性は変化しない。
一方、圧電層４３の振動板４０と当接している領域は、振動板４０の金属原子が拡散して誘電体領域４３ａよりも導電率が上がった高導電領域４３ｂとなる。この圧電層４３の高導電領域４３ｂは、振動板４０と接触し、且つ、共通電極４２とも接触し、これらと導通することとなる。つまり、アニール処理工程における圧電層４３の加熱温度及び時間は、圧電層４３の振動板４０と当接している領域の両面を確実に導通させるような加熱温度及び時間となっている。
次に、図５（ｅ）に示すように、圧電層４３の誘電体領域４３ａの上面における、平面視で共通電極４２の拡散防止層４１上に形成された領域と重なる領域の一部にスパッタ法により複数の個別電極４４を形成する（個別電極形成工程：第２電極形成工程）。このとき、個別電極４４を、個別電極４４と共通電極４２が重なる領域の外縁と、この外縁から圧電層４３の面方向に最も距離が短い拡散防止層４１の外縁との距離が、圧電層４３の厚さに対応する距離よりも長くなるように形成する。また、第２電極形成工程と同時に、圧電層４３の高導電領域４３ｂの上面における、平面視で拡散防止層４１と重ならない領域にスパッタ法により引出電極４７を形成し（引出電極形成工程）、圧電アクチュエータ３２が完成する。なお、各種の電極形成工程においては、スパッタ法に限らず、スクリーン印刷や蒸着法により電極を形成してもよい。
引出電極形成工程において形成された引出電極４７は、圧電層４３の高導電領域４３ｂと当接して導通しているため、高導電領域４３ｂと導通している振動板４０及び共通電極４２とも導通していることとなる。これにより、共通電極４２を高導電領域４３ｂを介して引出電極４７と導通させて、圧電層４３の表面に引き出すことができる。
ここで、アニール処理工程前後における、拡散防止層の有無による圧電アクチュエータの圧電層の厚み方向に関する表面間の電気抵抗値変化について説明する。なお、アニール処理工程においては、圧電層４３及び振動板４０を８００℃で２時間加熱している。
ＳＵＳ４３０で形成された振動板４０上に、アルミナで形成された拡散防止層４１（厚さ１μｍ）を配置して、その上面に白金からなる共通電極４２（厚さ０．５μｍ以下）を配置して、その上面にチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料で形成された圧電層４３（厚さ１０μｍ）を配置したときの、圧電層の表面間の電気抵抗値は、アニール処理工程前後ではともに、数ＧΩであった。一方、ＳＵＳ４３０で形成された振動板上に、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料で形成された圧電層（厚さ１０μｍ）を直接配置したときの、圧電層の表面間の電気抵抗値は、アニール処理工程前では、数ＧΩであり、アニール処理工程後では約５００Ωであった。したがって、圧電層を振動板と直接当接している領域においては、アニール処理工程において振動板及び圧電層を加熱することで、振動板の金属原子が圧電層に拡散して、この領域の導電率が上がっていることがわかる。
以上記載した、本実施形態における圧電アクチュエータ３２の製造方法によると、加熱工程によって圧電層４３の、振動板４０と当接している領域の導電率を上げることで、引出電極４７と共通電極４２を導通させることができる。したがって、例えば、共通電極４２を圧電層４３の表面の引出電極４７と導通させるために、圧電層４３に厚み方向に貫通するスルーホールを形成して、そのスルーホールの孔内に導体を充填する工程が必要なくなり、単に圧電層４３及び振動板４０を加熱する加熱工程を行うだけなので、製造工程を簡略化することができる。また、スルーホールの孔内に充填される導体としては金属材料が用いられるが、スルーホールを形成する工程が必要ないことで、この金属材料が必要なくなり、コストを低減することができる。
また、アニール処理工程は、圧電層４３の圧電特性を向上させるために圧電層４３を加熱する工程に加えて、圧電層４３とともに振動板４０も加熱して、振動板４０から圧電層４３に金属原子を拡散させて、振動板４０、共通電極４２及び引出電極４７を導通させる工程を兼ねていることになる。したがって、製造工程をさらに簡略化して、工数を削減することができる。
さらに、引出電極４７は、圧電層４３の高導電領域４３ｂの上面における平面視で共通電極４２と重ならない領域に形成されている。これにより、振動板４０と引出電極４７との間には共通電極４２が介在することなく、圧電層４３のみが介在することとなる。したがって、加熱工程（アニール処理工程）において、振動板４０の金属原子を確実に圧電層４３に拡散させて、振動板４０と引出電極４７をより確実に導通させることができる。
加えて、個別電極形成工程において、個別電極４４を、個別電極４４と共通電極４２が重なる領域の外縁と、この外縁から圧電層４３の面方向に最も距離が短い拡散防止層４１の外縁との距離が、圧電層４３の厚さに対応する距離よりも長くなるように形成している。これにより、活性部を拡散防止層４１の外縁から圧電層４３の面方向に圧電層４３の厚みに対応する距離よりも離れた位置にすることができる。これは、図６に示すように、振動板４０から圧電層４３へ金属原子は、積層方向の一方向だけではなく、放射状に拡散する。したがって、圧電層４３の拡散防止層４１が配置された領域であっても、圧電層４３の拡散防止層４１の端部近傍が配置された領域には、若干拡散がおよんで圧電特性が低下してしまう。そこで、圧電層４３の活性部を拡散防止層４１の外縁から圧電層４３の厚みに対応する距離よりも離れた位置にすることで、圧電層４３の活性部に金属が拡散するのを防止し、その結果、活性部の圧電特性が低下するのを防止することができる。
また、振動板４０の金属原子を拡散させて、圧電層４３の高導電領域４３ｂを形成しているため、引出電極４７及び共通電極４２とともに、振動板４０も導通してしまうが、共通電極４２は常にグランド電位に保持される。そのため、仮に、複数の個別電極４４を振動板４０と導通させたときには、全ての個別電極４４が同電位となってしまうなど、圧電アクチュエータ３２の駆動に影響がおよんでしまうが、振動板４０と導通しているのは共通電極４２であるため、このように圧電アクチュエータ３２の駆動に影響がおよぶことがない。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態とは、共通電極の形成されている領域、すなわち共通電極形成工程が異なっているだけで、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。なお、第１実施形態と同様なものについては、同符号で示し説明を省略する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態とは、共通電極の形成されている領域、すなわち共通電極形成工程が異なっているだけで、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。なお、第１実施形態と同様なものについては、同符号で示し説明を省略する。
図８に示すように、共通電極形成工程において、共通電極１４２は、振動板４０の上面には形成されておらず、拡散防止層４１の上面全域、つまり、拡散防止層４１の外縁までしか形成されていない。このとき、共通電極１４２は、その端面において圧電層４３の高導電領域４３ｂの端面と当接する。また、高導電領域４３ｂは、引出電極４７と導通している。したがって、共通電極１４２は、高導電領域４３ｂを介して引出電極４７と導通する。このように、共通電極１４２を振動板４０と直接当接させて導通させなくても、引出電極４７と導通させることができる。
したがって、第１実施形態と同様に、共通電極１４２を圧電層４３の表面の引出電極４７と接続するために、スルーホールを形成する工程が必要なくなり、単に圧電層４３及び振動板４０を加熱する加熱工程を行うだけなので、製造工程を簡略化することができる。また、スルーホールを形成する工程が必要ないことで、このスルーホールの孔内に充填する金属材料が必要なくなり、コストを低減することができる。なお、共通電極１４２は、拡散防止層４１の外縁の一部に沿った端面を有していれば、拡散防止層４１の上面全域に形成されていなくてもよい。
次に、本実施形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、本実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
本実施形態においては、圧電層形成工程として、圧電層４３をＡＤ法により形成していたが、ゾルゲル法により形成してもよい。このとき、ゲル中の溶媒を揮発させるため、圧電層４３及び振動板４０を６００〜７００℃で加熱する工程が必要となり、この工程が本発明における加熱工程に相当する。また、この工程は、振動板４０の金属原子を拡散させて、圧電層４３に高導電領域４３ｂを形成して、共通電極４２と引出電極４７を導通させる工程を兼ねており、ＡＤ法の場合と同様に、製造工程をさらに簡略化して、工数を削減することができる。
また、圧電層形成工程において、圧電層４３をＡＤ法やゾルゲル法以外のスパッタ法、化学蒸着法、または、水熱合成法などの他の成膜方法により形成してもよい。このとき、圧電層４３及び振動板４０を振動板４０の金属原子が拡散する温度以上に加熱して、振動板４０の金属原子を拡散させて、圧電層４３の拡散防止層４１が形成されていない領域の導電率を上げ、この領域の両表面を導通させる加熱工程が必要となる。
さらに、本実施形態において、図４に示すように、共通電極４２は、拡散防止層４１の上面全域にわたって形成され、さらに、拡散防止層４１の外縁を若干越えて振動板４０の上面にまたがって形成されていたが、拡散防止層４１の配置領域によらず、振動板４０の上面全域に形成されてもよい。つまり、振動板４０と圧電層４３の間に、共通電極４２が介在していてもよい。このとき、共通電極４２は、形成領域が振動板の全面であるため、パターンニングが必要なく容易に形成することができる。
また、本実施形態においては、圧電層形成工程を行った後、アニール処理工程を行って、個別電極形成工程及び引出電極形成工程を行っていたが、圧電層形成工程後のアニール処理工程、個別電極形成工程及び引出電極形成工程はいかなる順序で行ってもよい。
さらに、本実施形態においては、引出電極４７は、圧電層４３の上面における平面視で拡散防止層４１と重ならない領域にのみ形成されていたが、個別電極４４と導通しない位置であれば、拡散防止層４１と重なる領域にまで形成されてもよい。
また、本実施形態においては、図３及び図４に示すように、圧電層４３の上面において、個別電極４４は平面視で圧力室１０の略中央に重なる位置に配置され、引出電極４７は平面視で圧力室１０と重ならない位置に配置されていたが、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、個別電極２４４が平面視で圧力室１０の略中央ではなく、圧力室１０の短手方向の両端部をそれぞれ長手方向に沿って延在して配置され、圧力室１０の長手方向一端部において接続されていてもよい。そして、引出電極２４７は、平面視で圧力室１０と重なる位置に配置されてもよい。このとき、拡散防止層２４１は平面視で個別電極２４４と重なる領域を含むように形成する。この構成における圧電アクチュエータの駆動方法としては、個別電極２４４に駆動電位を付与することで、圧電層４３の平面視で圧力室１０の短手方向の両端部の長手方向に沿った個別電極２４４と重なる領域が水平方向に収縮し、この圧電層４３の収縮によって、振動板４０、拡散防止層２４１、共通電極２４２及び圧電層４３の圧力室１０に重なる部分が圧力室１０と反対側に向かって凸となるように変形した後、個別電極２４４をグランド電位に保持することで、この変形が元に戻り、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが吐出される。
さらに、圧電層４３と振動板４０をアニール処理工程において熱処理した場合に、圧電層４３と振動板４０の熱膨張係数の差によって圧電層４３に熱応力が生じて圧電特性が低下するのを防止するため、振動板４０と圧電層４３の間に応力緩和層となる中間層を配置してもよい。また、振動板４０と共通電極４２間の密着性を高めるために、振動板４０と共通電極４２の間に接着層となる中間層を配置してもよい。例えば、図１０に示すように、振動板４０の上面に２層の圧電層３４３、３４５が配置され、振動板４０と下層の圧電層３４５の間に拡散防止層３４１が配置され、２層の圧電層３４３、３４５の間に共通電極３４２が配置され、上層の圧電層３４３の上面に個別電極３４４及び引出電極３４７が配置された圧電アクチュエータにも本発明は適用することができる。仮に、セラミックスからなる拡散防止層３４１の上面に直接金属材料からなる共通電極３４２を形成しようとすると、線膨張係数の差により熱応力が発生し、拡散防止層３４１と共通電極３４２が剥離しやすくなるため、下層の圧電層３４５は、これらの間に配置され、これらの材料の中間の線膨張係数を有する材料からなる中間層である。
また、従来においては、振動板４０や流路ユニット３１が帯電していると、吐出されるインクの直進性が悪くなるため、振動板４０と流路ユニット３１を共通電極３４２と導通させて、振動板４０と流路ユニット３１をグランド電位に保持している。この場合に、共通電極３４２と振動板４０は、中間層である圧電層３４５が介在しているため、振動板４０の上面及び２層の圧電層３４５の端面に導電性ペーストを塗布して導通させていた。しかしながら、本実施形態においては、加熱工程において、振動板４０の金属原子が２層の圧電層３４３、３４５に拡散するため、２層の圧電層３４３、３４５の平面視で拡散防止層３４１と重なっていない領域は高導電領域３４３ｂ、３４５ｂとなり、導電性ペーストを必要とせず、振動板４０と共通電極３４２を導通させることができる。また、このような圧電アクチュエータの製造工程において、導電性ペーストを形成する工程が必要なくなり、工程を簡略化することができる。また、振動板４０の上面及び２層の圧電層３４５の端面に限らず、任意の位置において振動板４０と共通電極３４２を導通させることができる。
以上、説明した実施形態及びその変更形態では、本発明を、記録用紙Ｐにインクを吐出して画像などを記録するインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータ及びその製造方法に適用したが、本発明の適用対象は、このようなインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに限られず、さまざまな用途に使用される圧電アクチュエータ及びその製造方法に適用することができる。
１ プリンタ
３ インクジェットヘッド
１０ 圧力室
３１ 流路ユニット
３２ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 拡散防止層
４２ 共通電極
４４ 個別電極
４３ 圧電層
４７ 引出電極
４３ｂ 高導電領域
３ インクジェットヘッド
１０ 圧力室
３１ 流路ユニット
３２ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 拡散防止層
４２ 共通電極
４４ 個別電極
４３ 圧電層
４７ 引出電極
４３ｂ 高導電領域
Claims (8)
- 金属材料からなる振動板の一表面の一部領域に、拡散防止層を形成する拡散防止層形成工程と、
前記拡散防止層の前記振動板と反対側の面及び前記振動板の前記一表面にまたがって、第１電極を形成する第１電極形成工程と、
前記第１電極の前記拡散防止層と反対側の面及び前記拡散防止層が設けられていない前記振動板の前記一表面にまたがって、圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極の前記拡散防止層上に形成された領域と重なる領域に、第２電極を形成する第２電極形成工程と、
前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で少なくとも前記拡散防止層と重ならない領域であり且つ前記第２電極を形成する領域と離隔した領域に、引出電極を形成する引出電極形成工程と、
前記圧電層形成工程の後において、前記圧電層及び前記振動板を加熱して、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させる加熱工程と、を備えており、
前記加熱工程は、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させることで、前記圧電層の平面視で前記拡散防止層と重ならない領域における、前記振動板と当接した表面と、前記振動板と反対側の面とを電気的に導通させて、前記第１電極と前記引出電極とを導通させることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 金属材料からなる振動板の一表面の一部領域に、拡散防止層を形成する拡散防止層形成工程と、
前記拡散防止層の前記振動板と反対側の面に、前記拡散防止層の外縁の少なくとも一部に沿った端面を有する第１電極を形成する第１電極形成工程と、
前記第１電極の前記拡散防止層と反対側の面及び前記拡散防止層が設けられていない前記振動板の前記一表面にまたがって、圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極の前記拡散防止層上に形成された領域と重なる領域に、第２電極を形成する第２電極形成工程と、
前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で少なくとも前記拡散防止層と重ならない領域であり且つ前記第２電極を形成する領域と離隔した領域に、引出電極を形成する引出電極形成工程と、
前記圧電層形成工程の後において、前記圧電層及び前記振動板を加熱して、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させる加熱工程と、を備えており、
前記加熱工程は、前記振動板を形成する金属材料の金属原子を前記圧電層に拡散させることで、前記圧電層の平面視で前記拡散防止層と重ならない領域における、前記振動板と当接した表面と、前記振動板と反対側の面とを電気的に導通させて、前記第１電極と前記引出電極とを導通させることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記圧電層形成工程において、エアロゾルデポジション法により前記圧電層を形成しており、
前記加熱工程は、前記圧電層のアニール処理可能な温度で前記圧電層を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記圧電層形成工程においては、ゾルゲル法により前記圧電層を形成しており、
前記加熱工程は、ゲル中の溶媒を除去可能な温度で前記圧電層を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記引出電極形成工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極と重ならない領域に、前記引出電極を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記第２電極形成工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面に、面方向に離散して複数の前記第２電極を形成しており、
前記第１電極は、前記複数の第２電極と対向していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記拡散防止層形成工程において、前記第１電極と前記第２電極とが対向することとなる領域の縁部から前記拡散防止層の外縁までの距離が前記圧電層の厚みよりも大きくなるように、前記拡散防止層を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 金属材料からなる振動板と、
前記振動板の一表面に配置され、活性部を有する圧電層と、
前記振動板と前記圧電層の間の、平面視で少なくとも前記活性部と重なる領域に配置された拡散防止層と、
前記拡散防止層の前記圧電層と対向する面及び前記振動板の前記一表面にまたがって配置された第１電極と、
前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記第１電極の前記拡散防止層上に形成された領域と重なる領域に配置された第２電極と、
前記圧電層の前記振動板と反対側の面における平面視で前記拡散防止層と重ならない領域であり且つ前記第２電極が配置される領域と離隔した領域に配置された引出電極と、を備えており、
前記圧電層の平面視で前記拡散防止層と重ならない領域は、当該領域中に前記振動板の金属原子が拡散して、前記圧電層の前記活性部よりも導電率が高い高導電領域であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
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