壓電致動器以及具備該壓電致動器的噴墨頭的制作方法
【專利摘要】使配置于基板（11）中所形成的壓力室（21）的振動板（12）朝向壓力室（21）振動的壓電致動器（1）具備在振動板（12）上依次層疊的下電極（13）、壓電體（14）以及上電極（15），在壓力室（21）的側(cè)壁上方的壓電體（14）上的一部分形成有從壓力室（21）上方的上電極（15）引出的上電極引出部（15a），在上電極引出部（15a）的下方，壓電體（14）由基板（11）中的壓力室（21）的側(cè)壁（21a）與壓力室（21）的邊界面上方的空隙部（S）切斷。
【專利說明】壓電致動器以及具備該壓電致動器的噴墨頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及作為電氣機械轉(zhuǎn)換元件的壓電致動器、以及具備該壓電致動器的噴墨頭。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于高速印刷、低噪音、高清晰印刷、低成本等的理由，噴墨打印機迅速普及。在該噴墨打印機中設(shè)置有使墨水以適當(dāng)?shù)牧颗懦龅膰娔^。作為該噴墨頭，存在有例如專利文獻I所公開的噴墨頭。
[0003]在專利文獻I的噴墨頭中，在基板上形成壓力室，并且按照覆蓋該壓力室的方式在基板上形成振動板。而且，在振動板上依次形成下電極、壓電體、上電極。在該結(jié)構(gòu)中，若向上電極和下電極施加電壓，則產(chǎn)生由壓電體的伸縮造成的壓電應(yīng)變(壓電位移)，振動板發(fā)生彎曲形變。由于該振動板的彎曲形變，壓力室內(nèi)的壓力增大，從而從噴嘴排出墨水滴。
[0004]這時，從壓力室的上方向壓力室的側(cè)壁上方同時引出上電極和壓電體，由此能夠向壓力室的上方的上電極通電。另外，通過同時引出上電極和壓電體，能夠容易地進行上電極的引出。該理由如下。
[0005]例如，在從壓力室的上方僅引出上電極的情況下，考慮有從壓力室上方的壓電體的上表面沿壓電體的側(cè)面來引出上電極的方法。然而，由于壓電體的側(cè)面相對于上表面大致垂直，尤其在壓電體的厚度較厚的情況下，通過蒸鍍或濺射而使形成上電極的金屬材料附著于壓電體的側(cè)面變得困難，克服壓電體的厚度對應(yīng)的階差而引出上電極變得困難。與此相對，在同時引出上電極和壓電體的結(jié)構(gòu)中，由于僅在壓電體的上表面形成上電極即可，所以通過蒸著等的上電極的形成變得容易。即，克服壓電體的厚度對應(yīng)的階差的那樣的上電極的形成變得不需要，上電極的引出變得容易。
[0006]然而，如上所述，在同時引出上電極和壓電體的結(jié)構(gòu)中，由于在壓力室的上方和壓力室的側(cè)壁上方壓電體是連接的，所以伴隨著壓力室上方的壓電體的伸縮，在壓力室上方的壓電體和壓力室的側(cè)壁上方的壓電體的邊界附近、即在壓電體中位于壓力室的側(cè)壁面上方的部分彎曲負載發(fā)生作用，從而應(yīng)力集中于該部分。因此，在壓電體的上述邊界附近產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致上電極的斷裂。另外，由于壓力室上方的壓電體的壓電位移被壓力室的側(cè)壁上方的壓電體阻礙，所以不能避免壓電位移的低下。
[0007]關(guān)于這一點，在專利文獻2的噴墨頭中，在壓力室和壓力室的側(cè)壁的邊界面上方，在振動板和壓電體之間設(shè)置空間部，并且按照跨越該空間部的方式引出壓電體和上電極。由此，避免在上述邊界面上方的應(yīng)力集中，并且防止上電極的斷裂。
[0008]專利文獻1:日本特開2009-182195號公報(參照圖4等)
[0009]專利文獻2:日本特開2001-96747號公報(參照技術(shù)方案1、第0010段、圖2等)
[0010]然而，在專利文獻2中，即使通過跨越空間部來設(shè)置壓電體的結(jié)構(gòu)能夠防止上電極的斷裂，但由于只要壓力室上方的壓電體和壓力室的側(cè)壁上方的壓電體是連接的，壓力室上方的壓電體的壓電位移很多因由壓力室的側(cè)壁上方的壓電體而受到阻礙，所以與專利文獻I相同，不能避免壓電位移的低下。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明是為了解決上述的問題點而完成的，其目的在于提供一種能夠避免壓電位移的低下、并且能夠防止由壓電體的裂紋而造成的上電極的斷裂、而且即使在壓電體的厚度較大的情況下也能夠容易地引出上電極的壓電致動器，以及具備該壓電致動器的噴墨頭。
[0012]本發(fā)明的I種結(jié)構(gòu)的壓電致動器的特征在于，是使設(shè)置于基板中所形成的壓力室的振動板朝向上述壓力室發(fā)生形變的壓電致動器，在使上述振動板位于上述壓力室之上的狀態(tài)下，在上述振動板上依次層疊下電極、壓電體以及上電極，且在上述壓力室的側(cè)壁上方的上述壓電體上的一部分形成有從上述壓力室上方的上述上電極引出的上電極引出部，且在上述上電極引出部的下方，上述壓電體被上述基板中的上述壓力室的側(cè)壁與上述壓力室的邊界面上方的空隙部切斷。
[0013]在基板上按覆蓋壓力室的上部的方式形成振動板，并且在該振動板上依次形成下電極、壓電體、上電極。通過向上電極和下電極施加電壓，使壓力室上部的壓電體伸縮，從而使壓力室上部的振動板振動。因此，通過振動板的振動能夠使氣體或液體從壓力室排出，在該情況下，能夠?qū)弘娭聞悠髯鳛楸脕硎褂?。與此相反，通過檢測由振動板的振動而產(chǎn)生的電場，能夠?qū)弘娭聞悠髯鳛閭鞲衅鱽硎褂谩?br>
[0014]這里，在壓力室的側(cè)壁上方的壓電體上的一部分形成從壓力室上方的上電極引出的上電極引出部，并且在上電極引出部的下方，壓電體被基板中的壓力室的側(cè)壁與壓力室的邊界面上方的空隙部切斷。由此，壓力室的側(cè)壁上方的壓電體不會阻礙壓力室上方的壓電體的位移，從而能夠避免壓電位移的低下。另外，由于在因應(yīng)力集中而最容易產(chǎn)生裂紋的部分不存在壓電體，而是成為空隙部，所以能夠防止因壓電體的裂紋而造成的上電極(尤其是上電極引出部)的斷裂。另外，該結(jié)構(gòu)通過例如在壓電體之上形成構(gòu)成上電極和上電極引出部的電極層之后，由壓電體的圖案化時的側(cè)蝕來除去形成空隙部的壓電體能夠容易地實現(xiàn)。因此，與從壓電體的上表面沿側(cè)面引出上電極的現(xiàn)有技術(shù)相比，即使在壓電體的厚度較大的情況下，也能夠容易且可靠地引出上電極。
[0015]在本發(fā)明的I種結(jié)構(gòu)的壓電致動器中，也可以將上述空隙部上的上述上電極引出部的寬度設(shè)為對上述壓電體進行圖案化時的側(cè)蝕量的2倍以下。
[0016]在該情況下，即使在壓電體上形成構(gòu)成上電極和上電極引出部的電極層之后，也能夠通過側(cè)蝕來可靠地除去上電極引出部的下層的壓電體(位于空隙部的壓電體)，從而能夠可靠地實現(xiàn)按跨越空隙部的方式來形成上電極引出部的結(jié)構(gòu)。
[0017]上述空隙部上的上述上電極引出部也可以在與上述上電極的層疊面平行的平面內(nèi)彎曲形成。
[0018]在該結(jié)構(gòu)中，空隙部上的上電極引出部當(dāng)壓力室上方的壓電體伸長時壓縮、當(dāng)上述壓電體壓縮時伸長。由此，能夠緩和基于壓電體的伸縮的應(yīng)力(伸長時為壓縮應(yīng)力、收縮時為拉伸應(yīng)力)，并且能夠可靠地防止由壓電體的伸縮造成的上電極引出部的斷裂。與此相反，相對于壓力室上方的壓電體，由于能夠減輕基于上電極引出部的負荷，所以能夠可靠地避免壓電位移的低下。[0019]上述空隙部上的上述上電極引出部也可以形成為在上述壓電體的位移前的初始狀態(tài)下向上述空隙部內(nèi)彎曲。
[0020]在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)壓力室上部的壓電體伸長時，上電極引出部因壓縮應(yīng)力而更加彎曲，當(dāng)壓電體壓縮時，因拉伸應(yīng)力上電極引出部的彎曲量減少。無論是哪種情況，因為都能通過上電極引出部來緩和基于壓力室上部的壓電體伸縮的應(yīng)力，所以能夠更加可靠地防止因壓電體的伸縮而造成的上電極引出部的斷裂。
[0021]上述壓電體由上述空隙部切斷成位于上述壓力室的上方的第I壓電體、和在上述壓力室的側(cè)壁的上方按包圍上述第I壓電體的方式形成的第2壓電體，并且上述上電極引出部也可以通過將上述壓力室的上方的上述上電極從相對于上述壓力室的中心呈點對稱的各位置跨越上述空隙部向相互相反方向引出而形成。
[0022]在該結(jié)構(gòu)中，能夠使由第I壓電體的伸縮所造成的振動板的振動方向接近于相對于基板的面垂直的方向，從而提高了作為致動器的特性。尤其是，將上述結(jié)構(gòu)的壓電致動器應(yīng)用于例如超聲波探測器的發(fā)送接收元件時，能夠以均勻的球面波發(fā)射超聲波，并且能夠使元件的性能提升。
[0023]在上述壓力室的上方的上述上電極中，當(dāng)將相互相反側(cè)的端部分別作為第I端部、第2端部時，也可以將上述上電極引出部從上述壓力室的上方的上述上電極的第I端部開始通過上述壓力室的上方的上述壓電體的外側(cè)而引導(dǎo)至第2端部側(cè)，然后進而向與上述第I端部相反方向行進，向上述壓力室的側(cè)壁上方的上述壓電體上引出。
[0024]在該結(jié)構(gòu)中，與從壓力室上方的上電極直線地引出上電極引出部的結(jié)構(gòu)相比，能夠獲得在壓力室上方的壓電體的外側(cè)、即不存在壓電體的區(qū)域的上電極引出部的長度。由此，即使與直線地引出上電極引出部的結(jié)構(gòu)相比將壓力室上方的壓電體和壓力室的側(cè)壁上方的壓電體的距離設(shè)為較短，也能夠緩和相同程度的應(yīng)力。因此，能夠在小型化致動器的同時緩和上電極引出部的應(yīng)力來防止其斷裂。
[0025]本發(fā)明的I種結(jié)構(gòu)的噴墨頭也可以具備上述結(jié)構(gòu)的壓電致動器、和具有上述壓電致動器的壓力室中所填充的墨水的排出口的噴嘴板來構(gòu)成。
[0026]在該結(jié)構(gòu)中，通過壓電位移的低下的避免和上電極引出部的斷裂防止，能夠?qū)崿F(xiàn)噴墨頭的低耗電化和長壽命化。
[0027]根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，通過由空隙部切斷壓電體，壓力室的側(cè)壁上方的壓電體不會阻礙壓力室上方的壓電體的位移。因此，能夠避免壓電位移的低下。另外，由于在因應(yīng)力集中而最容易產(chǎn)生裂紋的部分不存在壓電體，所以能夠防止因壓電體的裂紋而造成的上電極引出部的斷裂。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1 (a)是示意性表示本發(fā)明的一實施方式所涉及的壓電致動器I的簡要結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖1 (b)是圖1 (a)的A_A’箭頭視首I]面圖。
[0029]圖2 (a)?(d)是順序表示壓電致動器I的制造工序的剖面圖。
[0030]圖3 (a)?(d)是順序表示壓電致動器I的制造工序的剖面圖。
[0031]圖4 (a)?(d)是順序表示壓電致動器I的制造工序的剖面圖。
[0032]圖5是表示在壓電致動器I的制造工序中的圖4 (b)的工序下形成抗蝕圖案后的狀態(tài)的俯視圖。
[0033]圖6是表示應(yīng)用了壓電致動器I的噴墨頭的簡要的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0034]圖7 (a)是示意性表示壓電致動器I的其他結(jié)構(gòu)I的俯視圖，圖7 (b)是圖7 (a)的A-A’箭頭視剖面圖。
[0035]圖8是示意性表示壓電致動器I的其他結(jié)構(gòu)2的俯視圖。
[0036]圖9 Ca)是使用SOI基板而制作的壓電致動器I的俯視圖，圖9 (b)是壓電致動器I的剖面圖。
[0037]圖10 Ca)?(d)是表示空隙部上的上電極引出部的形狀變化的俯視圖。
[0038]圖11是表示壓電致動器I的其他結(jié)構(gòu)3的圖，并且是表示上述上電極引出部的另外的其他形狀的剖面圖。
[0039]圖12是表示壓電致動器I的其他結(jié)構(gòu)4的圖，并且是表示上述上電極引出部的另外的其他形狀的俯視圖。
[0040]圖13是表示壓電致動器I的其他結(jié)構(gòu)5的圖，并且是表示上述上電極引出部的另外的其他形狀的俯視圖。
【具體實施方式】
[0041]若基于附圖來對本發(fā)明的一實施方式進行說明，則如以下所述。
[0042](壓電致動器的結(jié)構(gòu))
[0043]圖1 (a)是示意性表示本實施方式的壓電致動器I的簡要的結(jié)構(gòu)的俯視圖，圖1(b)是圖1 (a)的A-A’箭頭視剖面圖。壓電致動器I由在基板11上依次層疊振動板12、下電極13、壓電體14、上電極15而形成。在下面，為方便起見，以振動板12位于壓力室之上的狀態(tài)進行說明，但是并不限定于上下方向，在使用時朝向任何方向均可。
[0044]基板11以由單晶Si單體形成的半導(dǎo)體基板或者SOI (Silicon on Insulator)基板構(gòu)成。在該基板11中形成收容氣體或液體的壓力室21，并且基板11中的壓力室21以外的部分成為壓力室21的側(cè)壁21a。在本實施方式中，與壓力室21的基板11的面平行的截面形狀是圓形，但也可以是例如橢圓形或多邊形等。
[0045]振動板12是基于壓電體14的伸縮而振動的彈性體，并且按照覆蓋形成于基板11的壓力室21及其側(cè)壁21a的方式形成于基板11上。該振動板12例如由對基板11的表面進行熱氧化而得到的熱氧化膜(SiO2)構(gòu)成，但是也可以由上述的熱氧化膜和基板11的厚度方向的一部分的Si層來構(gòu)成振動板12。
[0046]下電極13例如通過層疊Ti層和Pt層而構(gòu)成。Ti層是用于提高振動板12 (熱氧化膜)和Pt層的密接性的密接層。上電極15例如通過層疊Cr層和Au層而構(gòu)成。Cr層是用于提高壓電體14和Au層的密接性的密接層。
[0047]壓電體14由PZT (鋯鈦酸鉛)等的壓電材料構(gòu)成，并且圖案化形成在下電極13上。壓電體14由基板11中的壓力室21的側(cè)壁21a與壓力室21的邊界面的上方的空隙部S切斷。即，壓電體14通過位于壓力室21的側(cè)壁面上方的空隙部S切斷成位于壓力室21的上方的壓電體14a和位于壓力室21的側(cè)壁21a的上方的壓電體14b。空隙部S在壓電體14a的外側(cè)(周圍)形成為例如環(huán)狀，在該空隙部S的更加外側(cè)形成有壓電體14b。
[0048]上述的上電極15按照跨越空隙部S的方式從壓力室21的上方引出至壓力室21的側(cè)壁21a的上方的壓電體14b上。在下面將引出至該壓電體14b上的上電極15稱為上電極引出部15a。上電極引出部15a以及下電極13與未圖不的電壓施加部相連接。
[0049]在上述的結(jié)構(gòu)中，若向上電極引出部15a和下電極13施加電壓，則上電極15和下電極13所夾持的、壓力室21上方的壓電體14a向水平方向伸縮，并且在壓電體14a中發(fā)生壓電應(yīng)變(壓電位移)，由此振動板12向上下方向振動。因此,通過這樣的振動板12的振動，能夠使氣體或液體從壓力室21排出，并且在這種情況下，能夠?qū)弘娭聞悠鱅作為泵來使用。與此相反，若使振動板12振動，則由于壓電體14a的伸縮而產(chǎn)生電場，所以通過上電極15和下電極13來檢測此時的電場的大小或檢測信號的頻率，能夠?qū)弘娭聞悠鱅作為傳感器來使用。
[0050](壓電致動器的制造方法)
[0051]接下來，對上述結(jié)構(gòu)的壓電致動器I的制造方法進行說明。圖2 Ca)?圖2 (d)、圖3 (a)?圖3 (d)、圖4 (a)?圖4 (d)是按順序表示本實施方式的壓電致動器I的制造工序的剖面圖。
[0052]首先，如圖2 Ca)所示，對由Si構(gòu)成的基板11 (例如厚度為200 μ m)的表面和背面進行熱氧化，分別在這些表面形成SiO2層Ila (例如厚度為I μ m)和SiO2層Ilb (例如厚度為Iy m)。另外，也可以使用最初SiO2層Ila.Ilb就附著于兩面的基板11。另外，基板11的表面?zhèn)鹊腟iO2層Ila構(gòu)成前述的振動板12。
[0053]然后，如圖2 (b)所示，通過將TEOS (四乙氧基甲硅烷)作為原料氣體而使用的TEOS-CVD法，在基板11的背面?zhèn)冗M一步成膜SiO2層，SiO2層Ilb的厚度例如增加至2 μ m。
[0054]接下來，如圖2 (c)所示，在基板11的背面?zhèn)鹊腟iO2層Ilb上涂敷抗蝕劑，進行曝光、顯影從而獲得抗蝕圖案31。該抗蝕圖案31用于在基板11形成壓力室21 (參照圖4(d))，具有例如直徑為200 μ m的圓形的孔31a。另外，孔31a的形狀并不限定于上述的圓形，也可以是其他的形狀(例如橢圓形、多邊形)。
[0055]接下來，如圖2 (d)所示，將抗蝕圖案31作為掩膜，對基板11的背面?zhèn)鹊腟iO2層Ilb進行干式蝕刻。該干式蝕刻例如通過在RIE (反應(yīng)離子刻蝕:Reactive 1n Etching)裝置使用CHF3 (三氟甲烷)氣體來進行。通過該干式蝕刻，除去沒有被抗蝕圖案31保護的SiO2 層 lib。
[0056]然后，如圖3 (a)所示，在基板11的表面?zhèn)鹊腟iO2層Ila上通過濺射依次成膜Ti層(例如厚度為20nm)和Pt層(例如厚度為lOOnm)，從而形成下電極13。Ti層是用于使SiO2層Ila和Pt層密接的密接層。
[0057]這之后，如圖3 (b)所示，在下電極13上通過濺射在600°C的溫度下成膜PZT，從而形成壓電體14 (例如厚度為3μπι)。壓電體14形成能夠獲得良好的壓電特性的鈣鈦礦構(gòu)造，并且晶格的中心的Ti或者Zr的離子向(111)方向偏移。通過按使該(111)方向與基板11的面垂直的方式來形成壓電體14，從而與例如按使(001)方向與基板11的面垂直的方式來形成壓電體14的情況相比極化較大，所以能夠獲得較大的壓電位移。
[0058]接下來，如圖3 (C)所示，通過濺射在壓電體14上依次成膜Cr層和Au層，從而形成上電極15 (例如厚度為0.2 μ m)。Cr層是用于使壓電體14和Au層密接的密接層。
[0059]然后，如圖3 (d)所示，在上電極15上涂敷抗蝕劑，進行曝光、顯影，從而形成用于圖案化上電極15的抗蝕圖案32。這時，對于成為上電極引出部15a的部分的上部的抗蝕圖案32而言,其寬度形成為例如5μηι。另外,抗蝕圖案32的上述的寬度5μηι是由考慮后述的壓電體14的側(cè)蝕量、即側(cè)蝕的寬度方向的長度(例如為3 μ m)而決定的。
[0060]然后，如圖4 Ca)所示，將抗蝕圖案32作為掩膜，對上電極15進行濕式蝕刻。由此，上電極15成為從形成壓力室21的部分的上方向形成壓力室21的側(cè)壁21a的部分的上方沿壓電體14的上表面而引出的形狀。這時，位于形成壓力室21的側(cè)壁21a的部分的上方的上電極引出部15a的寬度根據(jù)抗蝕圖案32例如成為5 μ m。
[0061]接下來，如圖4(b)所示，在壓電體14和上電極15上涂敷蝕刻劑，進行曝光、顯影，從而形成用于圖案化壓電體14的抗蝕圖案33。這時，上述的抗蝕圖案33還包含上電極引出部15a的上部而形成。在本實施方式中，示出了在于壓電體14中形成空隙部S的部分的上方的上電極引出部15a上沒有涂敷抗蝕劑的例子，但也可以在形成空隙部S的部分的上方的上電極引出部15a上也涂敷抗蝕劑。
[0062]然后，如圖4 (C)所示，用氫氟酸硝酸對壓電體14進行濕式蝕刻。由此，在被例如寬度為40 μ m的槽(已除去壓電體14后的部分)切斷的狀態(tài)下形成例如直徑為180 μ m的壓電體14a、和其外側(cè)的壓電體14b。
[0063]這里，當(dāng)進行壓電體14的濕式蝕刻時，進行垂直方向的蝕刻同時還進行水平方向的蝕刻(側(cè)蝕)。通過該側(cè)蝕，因為也從水平方向蝕刻且除去上電極引出部15a的下部的壓電體14，所以在上電極引出部15a和下電極13之間，形成不存在壓電體14的空隙部S。因此，上電極引出部15a形成為從壓電體14a的上方向壓電體14b的上方跨越空隙部S。
[0064]這時，若壓電體14的側(cè)蝕量設(shè)為例如3 μ m，則由于上電極引出部15a的寬度是壓電體14的側(cè)蝕量的2倍以下的5 μ m，所以能夠通過從上電極引出部15a的寬度方向的兩側(cè)進行的側(cè)蝕可靠地除去位于上電極引出部15a之下的壓電體14。
[0065]另外，在壓電體14的側(cè)蝕量設(shè)為例如3 μ m的情況下，如果形成與寬度為34 μ m的槽相對應(yīng)的抗蝕圖案33，則由于槽的兩側(cè)(壓電體14a偵彳、壓電體14b側(cè))分別蝕刻3 μ m，所以能夠最終形成寬度為40 μ m的槽。
[0066]圖5是示意性表示在圖4 (b)的狀態(tài)下在壓電體14和上電極15上已形成抗蝕圖案33的狀態(tài)的俯視圖?？刮g圖案33形成于以同圖中的斜線部的陰影線所示的部分，但通過從沒有涂敷抗蝕劑的部分的側(cè)蝕，抗蝕圖案33的下方的壓電體14僅除去側(cè)蝕量el、e2。另外，通過將上電極引出部15a的寬度設(shè)為壓電體14的側(cè)蝕量的2倍以下，由于位于上電極引出部15a之下的壓電體14從上電極引出部15a的寬度方向的兩方被側(cè)蝕(將側(cè)蝕量設(shè)為e3、e4)，所以能夠可靠地除去該部分的壓電體14。
[0067]接下來，如圖4 (d)所示，將基板11的背面?zhèn)鹊腟iO2層Ilb的圖案作為掩膜，在ICP (電感稱合等離子體:Inductive Coupled Plasma)裝置的槽處理中深加工基板11,從而形成例如直徑為200 μ m的壓力室21。由此，完成壓電致動器I。這時,基板I中的壓力室21以外的部分構(gòu)成壓力室21的側(cè)壁21a。并且，上述的壓電體14a與位于壓力室21的上方的壓電體相對應(yīng)，壓電體14b與位于壓力室21的側(cè)壁21a的上方的壓電體相對應(yīng)。
[0068](壓電致動器的應(yīng)用例)
[0069]本實施方式的壓電致動器I例如能夠應(yīng)用于噴墨頭。圖6是表不噴墨頭50的簡要的結(jié)構(gòu)的剖面圖。在通過蝕刻處理除去壓電致動器I的基板11的背面?zhèn)鹊腟iO2層Ilb之后，隔著例如厚度為200 μ m的玻璃基板41，通過陽極接合將例如厚度為300 μ m的由Si形成的噴嘴板42貼合在基板11的背面?zhèn)龋纱四軌蛑谱鲊娔^50。在上述的玻璃基板41形成例如直徑為100 μ m的孔41a，在噴嘴板42形成由直徑為50 μ m、直徑為20 μ m的2段孔構(gòu)成的排出口 42a。因此，填充于壓力室21中的墨水，通過振動板12的振動，經(jīng)由玻璃基板41的孔41a從噴嘴板42的排出口 42a排出。
[0070]另外，本實施方式的壓電致動器I也可以應(yīng)用于超聲波傳感器、即超聲波探測器的發(fā)送接收元件。例如，通過向壓電致動器I的上電極15和下電極13之間施加與發(fā)送的超聲波的頻率相當(dāng)?shù)念l率的交流電壓，能夠發(fā)送超聲波。另外，在接收時，由被檢測體反射的超聲波入射至壓電致動器I的壓力室21，使壓力室21上部的振動板12振動，因基于振動產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，在壓電體14中產(chǎn)生電場。通過經(jīng)由下電極13和上電極15來檢測該電場的振幅、周期、相位，能夠獲得2維的超聲波圖像，從而能夠使壓電致動器I作為超聲波探測器的接收元件來發(fā)揮作用。
[0071]像以上那樣，本實施方式的壓電致動器I的壓電體14在上電極引出部15a的下方，由空隙部S切斷成壓力室21的上方的壓電體14a、和壓力室21的側(cè)壁21a的上方的壓電體14b。由此，因為壓電體14b不會阻礙壓電體14a的位移，所以能夠避免壓電體14a的壓電位移的低下。另外，由于在因由應(yīng)力集中而最容易發(fā)生裂紋的部分、即在壓電體14中位于壓力室21與側(cè)壁21a的邊界面的上方的部分形成空隙部S，在該部分不存在壓電體14，所以能夠防止由壓電體14的裂紋而造成的上電極引出部15a的斷裂。
[0072]另外，在本實施方式中，上電極引出部15a按跨越空隙部S的方式形成，但如上所述，通過利用壓電體14的圖案化時的側(cè)蝕來除去上電極引出部15a的下部的壓電體14從而能夠容易地實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)。因此，與從壓電體14的上表面沿側(cè)面引出上電極15的結(jié)構(gòu)相t匕，即使是在壓電體14的厚度較大的情況下，也能夠容易且可靠地引出上電極15。
[0073]另外，根據(jù)本實施方式的壓電致動器1，因為能夠像上述那樣避免壓電位移的低下，所以也可以說能夠降低用于獲得相同壓電位移的施加電壓。根據(jù)這一點和上電極引出部15a的斷裂防止的觀點，通過將該壓電致動器I應(yīng)用于噴墨頭50，能夠?qū)崿F(xiàn)噴墨頭50的低耗電化和長壽命化。
[0074](壓電致動器的其他的結(jié)構(gòu)例)
[0075]圖7 Ca)是模式性表示本實施方式的壓電致動器I的其他結(jié)構(gòu)I的俯視圖，圖7(b)是圖7 (a)的A-A’箭頭視剖面圖。壓電體14不需要與下電極13的形成范圍相對應(yīng)來形成，也可以僅形成于壓力室21的上方、和在壓力室21的側(cè)壁21a的上方中引出上電極引出部15a的部分。
[0076]另外，圖8是示意性表示壓電致動器I的另外的其他結(jié)構(gòu)2的俯視圖。如同圖所示，對上電極引出部15a的引出長度L (空隙部S上的引出方向的長度)而言，因為其越長，越能夠緩和當(dāng)壓電體14a的伸縮時而施加至上電極引出部15a的應(yīng)力，所以優(yōu)選。
[0077]下面，根據(jù)仿真結(jié)果對上電極引出部15a的引出長度L與施加至上電極引出部15a的應(yīng)力的關(guān)系進行說明。另外，在下面，將SOI基板用作基板11來制作壓電致動器I且進行仿真，但是即使是將Si基板用作基板11的情況，認為也具有相同的傾向。
[0078]圖9 (a)是以與上述的其他結(jié)構(gòu)I相同的形狀使用SOI基板而制作的壓電致動器I的俯視圖，圖9 (b)是上述壓電致動器I的剖面圖。作為基板11的SOI基板是在Si基板61上隔著由SiO2形成的絕緣膜62形成Si基板63的基板。若將SOI基板用作基板11，則在挖掘基板11來形成壓力室21時，絕緣膜62作為蝕刻阻擋件來發(fā)揮作用，從而能夠在厚度方向上高精度地形成壓力室21。
[0079]這里，振動板12由基板11的表面?zhèn)鹊腟iO2層Ila和Si基板63構(gòu)成。因此，如果將SOI基板的剩余部分、即Si基板61和絕緣膜62看成基板11’，則可以認為振動板12形成于基板11’上。
[0080]現(xiàn)在，將振動板12的厚度設(shè)為tl μ m、作為壓電體14的PZT的厚度設(shè)為t2 μ m、壓力室21的直徑設(shè)為wl μ m、壓力室21上方的壓電體14a的PZT直徑設(shè)為w2 μ m、壓力室21上方的上電極15的直徑設(shè)為w3 μ m、上電極引出部15a下部的壓電體14b (引出部PZT)的寬度設(shè)為《4μπκ上電極引出部15a的寬度設(shè)為w5ym、空隙部S上的上電極引出部15a的引出長度設(shè)為L μ m。
[0081]初始應(yīng)力僅考慮PZT的應(yīng)力(例如設(shè)為lOOMPa)，并且將PZT的壓電常數(shù)(d31)的絕對值設(shè)為150pm/V、PZT的驅(qū)動電壓設(shè)為15V、PZT的楊氏模量設(shè)為60GPa。表1表示在這樣的條件下在上電極引出部15a中使空隙部S的上方的引出長度L變化時的壓電位移和應(yīng)力變化。
[0082]【表1】
[0084]在表1中，組N0.1是引出長度L = O、即壓電體14沒有被空隙部S切斷的現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)。另外，組N0.2~6是壓電體 14由空隙部S切斷的本實施方式的結(jié)構(gòu)。根據(jù)組N0.1~6的結(jié)果可知，在壓電體14由空隙部S切斷的結(jié)構(gòu)中，與沒有被切斷的結(jié)構(gòu)相比，壓電體14a的壓電位移al增大。另外，根據(jù)組N0.2~6可知，空隙部S上的引出長度L越長，施加至上電極引出部15a的應(yīng)力最大值越低下，可以說上電極引出部15a的斷裂防止的效果越高。
[0085]另外，在組N0.1中，施加至上電極的引出部的應(yīng)力的最大值比組N0.2等低，但這是壓電體中不產(chǎn)生裂紋的情況下的值，若在壓電體中產(chǎn)生裂紋，則可知組N0.2的值以上的應(yīng)力被施加。
[0086] (關(guān)于上電極引出部的形狀變化)
[0087]接下來，對上電極引出部15a的形狀變化進行說明。圖10 (a)~圖10 (d)是表示空隙部S上的上電極引出部15a的形狀變化的俯視圖。像這些這樣，期望空隙部S上的上電極引出部15a在與上電極的層疊面平行的平面內(nèi)彎曲而形成。在圖10 (a)的例子中，在空隙部S上方，寬度變窄了的上電極引出部15a按在圖中向上下方向蜿蜒的方式而形成。在圖10(b)的例子中，由于上電極引出部15a的一部分寬度變窄，并且在其左右部分設(shè)置有孔，成為字母H的形狀，所以作為結(jié)果在空隙部S上方上電極引出部15a成為彎曲的形狀。在圖10 (c)的例子中，在圖10 (b)的形狀中的左右的孔的中間位置，形成在中央有孔的寬度較寬的部分。在圖10 (d)的例子中，上電極引出部15a整體的寬度較窄，且按在圖中向上下方向彎曲而成為字母U的形狀的方式形成。
[0088]在該情況下，當(dāng)壓力室21上方的壓電體14a伸長時，上電極引出部15a在圖中沿左右方向壓縮，當(dāng)壓電體14a壓縮時，上電極引出部15a沿左右方向伸長。由此，能夠緩和因由壓電體14a的伸縮而施加至上電極引出部15a的應(yīng)力，并且能夠可靠地防止上電極引出部15a的斷裂。另外，對于壓電體14a，由于能夠降低基于上電極引出部15a的負荷，所以能夠可靠地避免壓電位移的低下。圖10 (a)~圖10 (d)是表示上電極引出部15a的形狀變化的一部分例子的圖，只要是伴隨壓電體14a的位移能夠壓縮?伸長的形狀，就并不限定于上述的形狀，能夠設(shè)成其他的各種各樣的形狀。
[0089]另外，當(dāng)將上電極引出部15a設(shè)為在與上電極15的層疊面平行的平面內(nèi)彎曲的形狀時，能夠通過將上電極引出部15a設(shè)為壓電體14的側(cè)蝕量的2倍以下的寬度，并且利用側(cè)蝕可靠地除去成為空隙部S的壓電體14，從而按跨越該空隙部S的方式可靠地形成上電極引出部15a。
[0090]圖11是表示壓電致動器I的另外的其他結(jié)構(gòu)3的圖，并且是表示上電極引出部15a的另外的其他形狀的剖面圖。如同圖所示，空隙部S上的上電極引出部15a也可以按照在壓電體14a的位移前的初始狀態(tài)下向空隙部S內(nèi)彎曲的方式形成。
[0091]該結(jié)構(gòu)，例如能夠通過在于壓電體14上通過濺射來成膜上電極15(包含上電極引出部15a)之前，蝕刻成為空隙部S的壓電體14的表面以使其稍微凹陷，并且在其上形成上電極15之后，通過側(cè)蝕來除去成為空隙部S的壓電體14來實現(xiàn)。另外，能夠通過用ZrO2來形成基板11、用Pt來形成上電極15，從而構(gòu)成為上電極引出部15a相對于基板11而言成為壓縮應(yīng)力，通過這樣也能夠在壓電體14a的位移前的初始狀態(tài)下，使空隙部S上的上電極引出部15a彎曲。然后，通過相對于基板11用熱膨脹系數(shù)較小的材料來形成上電極15，也能夠構(gòu)成為上電極引出部15a相對于基板11而言成為壓縮應(yīng)力。這樣的結(jié)構(gòu)能夠例如通過用SUS304、N1、Mg0或者ZrO2構(gòu)成基板11、用Pt構(gòu)成上電極15來實現(xiàn)。
[0092]像這樣，如果上電極引出部15a在初始狀態(tài)下向空隙部S內(nèi)彎曲，則當(dāng)壓力室21的上部的壓電體14a伸長時，上電極引出部15a因壓縮應(yīng)力而更加彎曲，與此相反，當(dāng)壓電體14a壓縮時，因拉伸應(yīng)力上電極引出部15a的彎曲量減少。無論是哪種情況，因為基于壓電體14a的伸縮的應(yīng)力通過上電極引出部15a而得到緩和，所以能夠更加可靠地防止由壓電體14a的伸縮而造成的上電極引出部15a的斷裂。尤其是，由于壓電體14a的壓縮，緩和了施加于配線(上電極引出部15a)的拉伸應(yīng)力，所以能夠防止配線的斷裂。
[0093]另外，圖12是表示壓電致動器I的另外其他結(jié)構(gòu)4的圖，并且是表示上電極引出部15a的另外的其他形狀的俯視圖。如同圖所示，在壓電體14由環(huán)狀的空隙部S切斷成位于壓力室21的上方的壓電體14a (第I壓電體)、和在壓力室21的側(cè)壁21a的上方包圍壓電體14a而形成的壓電體14b (第2壓電體)的情況下，也可以通過將壓力室21的上方的上電極15從相對于壓力室21的中心O呈點對稱的各位置Pl.P2跨越空隙部S而向相互相反方向引出而形成上電極引出部15a。
[0094]在該結(jié)構(gòu)中，能夠使由壓電體14a的伸縮引起的振動板21的振動方向接近于相對于基板11的平面垂直的方向，從而提高作為致動器的特性。因此，尤其是在超聲波探測器的發(fā)送接收元件中，壓電致動器I的上述結(jié)構(gòu)非常有效。
[0095]即，在超聲波探測器的發(fā)送接收元件中，從按陣列狀排列的各振子(與振動板12相當(dāng))發(fā)射具有一定放射角的球面波狀的超聲波。另外，通過控制各振子的相位，能夠收斂(聚焦)、掃描從各振子發(fā)射的球面波狀的超聲波(也可稱為波束形成)。
[0096]若振子具有非對稱性，則超聲波的放射方向從中心軸偏移，不能獲得均勻的球面波。其結(jié)果，對波束形成造成以下那樣的障礙，從而造成畫質(zhì)的低下。
[0097](I)不能得到所希望的聚焦精度。
[0098](2)不能得到所希望的掃描角度。
[0099](3)因意外的旁瓣或光柵波瓣的產(chǎn)生而生成贗品(本來不存在的圖像出現(xiàn)在畫面上)。
[0100]但是，因為通過像上述那樣引出上電極引出部15a，能夠使振動板12的振動方向接近于垂直方向，所以能夠避免在超聲波探測器的發(fā)送接收元件中的上述不便，從而獲得較高的發(fā)送接收性能。
[0101]另外，圖13是表示壓電致動器I的另外的其他結(jié)構(gòu)5的圖，并且是表示上電極引出部15a的另外的其他形狀的俯視圖。其中，在同圖中，示出了壓力室21的上方的上電極15按與壓電體14a相同大小(直徑)而形成的情況。在壓力室21的上方的上電極15中，將相互相反側(cè)的端部分別設(shè)為第I端部15A、第2端部15B。這時，也可以將上電極引出部15a從上電極15的第I端部15A開始通過壓力室21的上方的壓電體14a的外側(cè)而引導(dǎo)至第2端部15B側(cè)，然后進而向與第I端部15A相反方向行進，向壓力室21的側(cè)壁21a的上方的壓電體14b上引出。
[0102]在該結(jié)構(gòu)中，因為上電極引出部15a通過壓力室21的上方的壓電體14a的周圍而引出，所以與將上電極引出部15a從壓力室21的上方的上電極15直線地引出的結(jié)構(gòu)相比，能夠獲得在不存在壓電體14的區(qū)域上的上電極引出部15a的長度。因此，實質(zhì)上，能夠獲得與使壓電體14a.14b的距離(空隙部S上的上電極引出部15a的長度)變長的相同的效
果O
[0103]S卩，即使與將上電極引出部15a直線地引出的結(jié)構(gòu)相比將壓力室21的上方的壓電體14a和壓力室21的側(cè)壁21a的上方的壓電體14b的距離設(shè)為較短，也能夠?qū)崿F(xiàn)與直線地引出的結(jié)構(gòu)相同程度的應(yīng)力的緩和。因此，能夠在小型化致動器的同時緩和上電極引出部15a的應(yīng)力從而防止其斷裂。
[0104]其中，在圖13中，上電極引出部15a按從上電極15的第I端部15A開始向相互相反方向環(huán)繞上電極15的周圍的方式引出2根，但上電極引出部15a的根數(shù)也可以是I根。但是，在能夠較為平衡地進行上電極引出部15a的引出、且能夠使壓力室21的上方的壓電體14a較為平衡地進行伸縮的方面，期望像上述那樣引出2根上電極引出部15a。
[0105](其他)
[0106]像本實施方式那樣，在上電極引出部15a跨越空隙部S而形成的情況下，由于上電極引出部15a隔著空隙部S與下電極13對置，所以根據(jù)壓電體14的驅(qū)動頻率(針對電極的施加電壓的頻率)的不同，可能會造成上電極引出部15a發(fā)生共振而與下電極13接觸。因此，期望通過改變上電極引出部15a的固有頻率來避免壓電體14的驅(qū)動時的上電極引出部15a和下電極13的接觸。其中，例如通過調(diào)節(jié)上電極引出部15a的長度，能夠容易地改變上電極引出部15a的固有頻率。
[0107]作為上電極15的底層的Cr層易于被壓電體14的蝕刻液腐蝕，但通過代替上述的Cr層而形成W (鎢)層，能夠減輕由蝕刻液而造成的腐蝕。
[0108]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0109]本發(fā)明的壓電致動器可利用于例如噴墨頭或者超聲波探測器的發(fā)送接收元件。
[0110]圖中符號說明:1…壓電致動器;11…基板;11，…基板;12…振動板;13…下電極；14…壓電體；14a…壓電體(第 I壓電體)；14b…壓電體(第2壓電體);15…上電極;15A…第I端部；15B...第2端部；15a…上電極引出部；21...壓力室；21a…側(cè)壁；42...噴嘴板；S…空隙部；el、e2、e3、e4…側(cè)蝕量。
【權(quán)利要求】
1.一種壓電致動器，使配置于在基板形成的壓力室的振動板朝向所述壓力室發(fā)生形變，該壓電致動器的特征在于，在成為所述振動板位于所述壓力室之上的狀態(tài)下， 在所述振動板上依次層疊下電極、壓電體以及上電極， 在所述壓力室的側(cè)壁上方的所述壓電體上的一部分形成有從所述壓力室上方的所述上電極引出的上電極引出部， 所述壓電體在所述上電極引出部的下方被所述基板中的所述壓力室的側(cè)壁與所述壓力室的邊界面上方的空隙部切斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電致動器，其特征在于， 所述空隙部上的所述上電極引出部的寬度是對所述壓電體進行圖案化時的側(cè)蝕量的2倍以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電致動器，其特征在于， 所述空隙部上的所述上電極引出部在與所述上電極的層疊面平行的平面內(nèi)彎曲形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的壓電致動器，其特征在于， 所述空隙部上的所述上電極引出部以在所述壓電體的位移前的初始狀態(tài)下向所述空隙部內(nèi)彎曲的方式形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的壓電致動器，其特征在于， 所述壓電體被所述空隙部切斷成位于所述壓力室的上方的第I壓電體、和在所述壓力室的側(cè)壁的上方按包圍所述第I壓電體的方式形成的第2壓電體， 通過將所述壓力室的上方的所述上電極從相對于所述壓力室的中心呈點對稱的各位置跨越所述空隙部向相互相反方向引出而形成所述上電極引出部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項所述的壓電致動器，其特征在于， 當(dāng)在所述壓力室的上方的所述上電極分別將相互相反側(cè)的端部作為第I端部、第2端部時， 所述上電極引出部從所述壓力室的上方的所述上電極的第I端部通過所述壓力室的上方的所述壓電體的外側(cè)而被引導(dǎo)至第2端部側(cè)，然后進一步向與所述第I端部相反方向行進，從而被引出至所述壓力室的側(cè)壁上方的所述壓電體上。
7.—種噴墨頭，其特征在于，具備: 權(quán)利要求1至6中任意一項所述的壓電致動器；和 具有被填充至所述壓電致動器的壓力室中的墨水的排出口的噴嘴板。
【文檔編號】H01L41/08GK103477459SQ201280018994
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月18日
【發(fā)明者】鮫島幸一, 東野楠 申請人:柯尼卡美能達株式會社