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JP2022052115A - 圧電アクチュエーターの製造方法、圧電アクチュエーターおよびロボット - Google Patents

圧電アクチュエーターの製造方法、圧電アクチュエーターおよびロボット Download PDF

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JP2022052115A JP2020158306A JP2020158306A JP2022052115A JP 2022052115 A JP2022052115 A JP 2022052115A JP 2020158306 A JP2020158306 A JP 2020158306A JP 2020158306 A JP2020158306 A JP 2020158306A JP 2022052115 A JP2022052115 A JP 2022052115A
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Abstract

【課題】電気的特性が安定すると共に、設計された特性からのずれを抑制することができる圧電アクチュエーターの製造方法、圧電アクチュエーターおよびロボットを提供する。【解決手段】圧電アクチュエーターの製造方法は、基板と、前記基板上に配置されている第１電極層と、前記第１電極層上に配置されている圧電体層と、前記圧電体層上に配置されている第２電極層と、を有する積層体を準備する工程と、前記圧電体層の輪郭形状を形成する工程と、を含み、前記輪郭形状を形成する工程は、前記圧電体層を前記第２電極層側からドライエッチングし、厚さ方向の途中まで掘り進める工程と、前記ドライエッチングによって前記圧電体層の側面に形成されたドライエッチング面をレジスト膜で覆う工程と、前記圧電体層を前記第２電極層側からウェットエッチングし、前記第１電極層に到達するまで掘り進める工程と、を含む。【選択図】図１０

Description

本発明は、圧電アクチュエーターの製造方法、圧電アクチュエーターおよびロボットに関する。
例えば、特許文献１にはインクジェットヘッドの製造方法が記載されている。この製造方法は、基板４１上に個別電極を形成し、個別電極上に圧電体薄膜を形成し、圧電体薄膜上に共通電極を形成した積層体を得る工程と、個別電極および圧電体薄膜をイオンミリング法や反応性イオンエッチング法等のドライエッチング法にて１つの圧力室３毎に分割すると共に、共通電極の不要部分を除去する工程と、を含む。
特開２００２－１７３７７０号公報
しかしながら、特許文献１に記載されている製造方法では、ドライエッチングによって共通電極までエッチングされてしまうため、共通電極の一部が意図せずに除去され、抵抗値の上昇や断線等が生じるおそれがある。そのため、特許文献１に記載されている製造方法を用いて圧電アクチュエーターを製造すると、製造物の電気的特性が、設計された特性からずれ易いという課題がある。
本適用例の圧電アクチュエーターの製造方法は、基板と、前記基板上に配置されている第１電極層と、前記第１電極層上に配置されている圧電体層と、前記圧電体層上に配置されている第２電極層と、を有する積層体を準備する工程と、
前記圧電体層の輪郭形状を形成する工程と、を含み、
前記輪郭形状を形成する工程は、
前記圧電体層を前記第２電極層側からドライエッチングし、厚さ方向の途中まで掘り進める工程と、
前記ドライエッチングによって前記圧電体層の側面に形成されたドライエッチング面をレジスト膜で覆う工程と、
前記圧電体層を前記第２電極層側からウェットエッチングし、前記第１電極層に到達するまで掘り進める工程と、を含む。
本適用例の圧電アクチュエーターは、基板と、
前記基板上に配置されている第１電極と、
前記第１電極上に配置されている圧電体と、
前記圧電体上に配置されている第２電極と、を有し、
前記圧電体は、
側面がドライエッチング面であるドライエッチング部と、
前記ドライエッチング部よりも前記第１電極側に位置し、側面がウェットエッチング面であるウェットエッチング部と、を有する。
本適用例のロボットは、上記の圧電アクチュエーターを有する。
本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。 圧電モーターが有する圧電アクチュエーターを示す平面図である。 図２中のＡ－Ａ線断面図である。 図２中のＢ－Ｂ線断面図である。 図２中のＣ－Ｃ線断面図である。 圧電アクチュエーターが有する圧電素子を示す断面図である。 圧電アクチュエーターに印加する信号を示す図である。 圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。 圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。 圧電アクチュエーターの製造工程を示すフローチャートである。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図である。
以下、本発明の圧電アクチュエーターの製造方法、圧電アクチュエーターおよびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。図２は、圧電モーターが有する圧電アクチュエーターを示す平面図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図４は、図２中のＢ－Ｂ線断面図である。図５は、図２中のＣ－Ｃ線断面図である。図６は、圧電アクチュエーターが有する圧電素子を示す断面図である。図７は、圧電アクチュエーターに印加する信号を示す図である。図８および図９は、圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。図１０は、圧電アクチュエーターの製造工程を示すフローチャートである。図１１ないし図２１は、圧電アクチュエーターの製造方法を示す断面図である。
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｘ軸方向プラス側を「上」または「上側」とも言い、Ｘ軸方向マイナス側を「下」または「下側」とも言う。
図１に示す圧電モーター１は、円盤状をなしその中心軸Ｏまわりに回転可能な被駆動部材としてのローター２と、ローター２の外周面２１に当接する圧電駆動装置３と、を有する。このような圧電モーター１では、圧電駆動装置３を屈曲振動させるとローター２がＸ軸と平行な中心軸Ｏまわりに回転する。なお、圧電モーター１の構成としては、図１の構成に限定されない。例えば、ローター２の周方向に沿って複数の圧電駆動装置３を配置し、複数の圧電駆動装置３の駆動によってローター２を回転させてもよい。また、圧電駆動装置３は、ローター２の外周面２１ではなく、ローター２の主面２２に当接していてもよい。また、被駆動部材は、ローター２のような回転体に限定されず、例えば、直線移動するスライダーであってもよい。
また、圧電駆動装置３は、圧電アクチュエーター４と、圧電アクチュエーター４をローター２に向けて付勢する付勢部材８と、圧電アクチュエーター４の駆動を制御する制御装置９と、を有する。
図２に示すように、圧電アクチュエーター４は、振動体４１と、振動体４１を支持する支持部４２と、振動体４１と支持部４２とを接続する接続部４３と、振動体４１に接続され、振動体４１の振動をローター２に伝達する凸部４４と、を有する。
振動体４１は、Ｘ軸方向を厚さ方向とし、Ｙ軸およびＺ軸を含むＹ－Ｚ平面に広がる板状をなし、Ｙ軸方向に伸縮しながらＺ軸方向に屈曲することによりＳ字状に屈曲振動する。また、振動体４１は、Ｘ軸方向からの平面視で、伸縮方向であるＹ軸方向を長手とする長手形状となっている。ただし、振動体４１の形状としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。
また、振動体４１は、振動体４１を屈曲振動させるための駆動用の圧電素子６Ａ～６Ｆと、振動体４１の振動を検出するための検出用の圧電素子６Ｇと、を有する。
圧電素子６Ｃ、６Ｄは、それぞれ、振動体４１のＺ軸方向の中央部において、振動体４１の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って配置されている。また、圧電素子６Ｃ、６Ｄに対して振動体４１のＺ軸方向プラス側には圧電素子６Ａ、６Ｂが振動体４１の長手方向に並んで配置され、Ｚ軸方向マイナス側には圧電素子６Ｅ、６Ｆが振動体４１の長手方向に並んで配置されている。これら６つの駆動用の圧電素子６Ａ～６Ｆのうち、圧電素子６Ｃ、６Ｄが電気的に接続され、圧電素子６Ａ、６Ｆが電気的に接続され、圧電素子６Ｂ、６Ｅが電気的に接続されている。後述するように、圧電素子６Ｃ、６Ｄと、圧電素子６Ａ、６Ｆと、圧電素子６Ｂ、６Ｅと、にそれぞれ位相の異なる同周波数の交番電圧を印加し、これらの伸縮タイミングをずらすことにより、振動体４１をその面内においてＳ字状に屈曲振動させることができる。
また、検出用の圧電素子６Ｇは、振動体４１の中央部であって、圧電素子６Ｃ、６Ｄの間に配置されている。圧電素子６Ｇは、圧電素子６Ａ～６Ｆの駆動に伴う振動体４１の振動に応じた外力を受け、受けた外力に応じた信号を出力する。そのため、圧電素子６Ｇから出力される信号に基づいて、振動体４１の振動状態を検知することができる。
なお、駆動用の圧電素子の数および配置は、特に限定されず、同様に、検出用の圧電素子の数および配置も特に限定されない。
また、支持部４２は、振動体４１を支持している。支持部４２は、Ｘ軸方向からの平面視で、振動体４１の基端側を囲むＵ字形状となっている。ただし、支持部４２の形状や配置としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。また、接続部４３は、振動体４１の屈曲振動の節となる部分、具体的には振動体４１のＹ軸方向の中央部と支持部４２とを接続している。接続部４３は、振動体４１に対してＺ軸方向マイナス側に位置する第１接続部４３１と、Ｚ軸方向プラス側に位置する第２接続部４３２と、を有する。ただし、接続部４３の構成は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。
圧電アクチュエーター４は、図３ないし図５に示すように、２つの圧電素子ユニット５を互いに向かい合わせて貼り合わせた構成である。各圧電素子ユニット５は、基板５１と、基板５１上に配置された駆動用の圧電素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆおよび検出用の圧電素子５Ｇと、各圧電素子５Ａ～５Ｇを覆う絶縁性の保護層５２と、を有する。基板５１としては、特に限定されないが、例えば、シリコン基板を用いることができる。以下の説明では、図３から図５に示す２つの圧電素子ユニット５のうち、各図の下方に位置する圧電素子ユニット５を代表にして説明する。
圧電素子５Ａ～５Ｇは、それぞれ、基板５１上に配置された第１電極５３と、第１電極５３上に配置された圧電体５４と、圧電体５４上に配置された第２電極５５と、を有する。第１電極５３は、圧電素子５Ａ～５Ｇに共通に設けられている。一方、圧電体５４および第２電極５５は、それぞれ、圧電素子５Ａ～５Ｇに個別に設けられている。第１電極５３は、振動体４１から接続部４３を通過して支持部４２に引き出された配線５７と電気的に接続されている。また、第２電極５５は、振動体４１から接続部４３を通過して支持部４２に引き出された配線５８と貫通電極５６を介して電気的に接続されている。これにより、第１電極５３および第２電極５５がそれぞれ支持部４２まで引き出され、支持部４２において制御装置９との電気的な接続を図ることができる。なお、後述するように、配線５７、５８は、第１電極５３と共に第１電極層５３０から形成されている。
２つの圧電素子ユニット５は、圧電素子５Ａ～５Ｇが配置されている側の面を対向させた状態で接着剤５９を介して接合されている。なお、圧電素子ユニット５は、それ単独で用いられてもよい。また、貼り合わせる数も、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。
また、各圧電素子５Ａの第１電極５３同士は、圧電アクチュエーター４内または圧電アクチュエーター４外において電気的に接続されている。また、圧電素子５Ａの第２電極５５同士が図示しない配線を介して電気的に接続されている。そして、これら２つの圧電素子５Ａから圧電素子６Ａが構成されている。他の圧電素子５Ｂ～５Ｇについても同様であり、２つの圧電素子５Ｂから圧電素子６Ｂが構成され、２つの圧電素子５Ｃから圧電素子６Ｃが構成され、２つの圧電素子５Ｄから圧電素子６Ｄが構成され、２つの圧電素子５Ｅから圧電素子６Ｅが構成され、２つの圧電素子５Ｆから圧電素子６Ｆが構成され、２つの圧電素子５Ｇから圧電素子６Ｇが構成されている。
圧電体５４の構成材料としては、特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体５４としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。本実施形態では、圧電体５４の構成材料として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いている。これにより、優れた圧電効果を有する圧電体５４となる。
また、圧電体５４の形成方法としては、特に限定されず、バルク材料から形成してもよいし、ゾル・ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよい。本実施形態では、圧電体５４をゾル・ゲル法を用いて形成している。これにより、薄い圧電体５４を低コストで形成することができる。そのため、圧電駆動装置３の薄型化および低コスト化を図ることができる。なお、ゾル・ゲル法とは、有機金属化合物のゾル液をスピンコート等によって基板に塗布し、これを乾燥してゲル膜を得、その後焼成することにより基板上に金属酸化物の膜を得る成膜方法である。
ここで、圧電体５４について詳細に説明する。なお、圧電体５４は、圧電素子５Ａ～５Ｇで同様であるため、以下では、圧電素子５Ａについて代表して説明し、その他の圧電素子５Ｂ～５Ｇについてはその説明を省略する。
図６に示すように、圧電体５４は、第２電極５５側に位置するドライエッチング部５４１と、ドライエッチング部５４１よりも第１電極５３側に位置するウェットエッチング部５４２と、を有する。後述する製造方法でも説明する通り、ドライエッチング部５４１は、ドライエッチングにより形成されており、その側面５４１０がドライエッチング面で構成されている。一方、ウェットエッチング部５４２は、ウェットエッチングにより形成されており、その側面５４２０がウェットエッチング面で構成されている。このように、圧電体５４を第２電極５５側に位置するドライエッチング部５４１と、第１電極５３側に位置するウェットエッチング部５４２と、で構成することにより、圧電体５４の輪郭形成精度を向上させつつ、第１電極５３や配線５７、５８の意図しないエッチングを抑制することができる。そのため、圧電アクチュエーター４の電気的特性が安定すると共に、設計された特性からのずれを抑制することができる。
なお、仮に、圧電体５４をドライエッチングだけで形成した場合、すなわち、圧電体５４がドライエッチング部５４１だけで構成されている場合、優れた精度で圧電体５４の輪郭を形成することができるという利点がある反面、エッチングレートが低く形成速度が遅いという問題と、前述したように、第１電極５３や配線５７、５８の意図しないエッチングが生じるおそれがあるという問題と、がある。反対に、圧電体５４をウェットエッチングだけで形成した場合、すなわち、圧電体５４がウェットエッチング部５４２だけで構成されている場合、エッチングレートが高く形成速度が速い、第１電極５３や配線５７、５８の意図しないエッチングを抑制することができるという利点がある反面で、圧電体５４の輪郭形状が設計からずれ易いという問題がある。つまり、ドライエッチングとウェットエッチングとはトレードオフの関係にある。そのため、本実施形態のように、ドライエッチング部５４１とウェットエッチング部５４２とを組み合わせることにより、これらの効果を組み合わせることができる。
また、ドライエッチング部５４１は、第２電極５５側から第１電極５３側に向けて幅が漸増するテーパー状に形成されている。このように、ドライエッチング部５４１をテーパー状に形成することにより、当該部分を形成するドライエッチング工程において、圧電体５４のキャパシター領域Ｓｃが意図せずに除去されてしまうことを抑制することができる。また、ウェットエッチング部５４２を形成するウェットエッチング工程の際に生じるサイドエッチングにより、ウェットエッチング部５４２がキャパシター領域Ｓｃに侵入してしまうことを抑制することもできる。なお、キャパシター領域Ｓｃとは、第１電極５３と第２電極５５とに挟まれた部分であり、電界が作用する部分を言う。これにより、圧電体５４の圧電効果の低下を抑制することができる。
ドライエッチング部５４１の範囲としては、特に限定されないが、第１電極５３に到達しない限り、なるべく広い範囲とすることが好ましい。具体的には、例えば、圧電体５４の厚さをＴとし、ドライエッチング部５４１の厚さをＴ１としたとき、８０％≦Ｔ１／Ｔ≦９５％であることが好ましく、９０％≦Ｔ１／Ｔ≦９５％であることがより好ましい。これにより、より優れた精度で、圧電体５４の輪郭を形成することができる。また、ドライエッチング面である側面５４１０は、良好な面内均一性を有する。そのため、当該部分からクラック等が入り難い。このような部分をより広く形成することができるため、圧電体５４の機械的強度を高めることもできる。
図１に戻って、凸部４４は、振動体４１の先端部に設けられ、振動体４１からＹ軸方向プラス側へ突出している。そして、凸部４４の先端部は、ローター２の外周面２１と接触している。そのため、振動体４１の振動は、凸部４４を介してローター２に伝達される。凸部４４の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の各種セラミックスが挙げられる。これにより、耐久性に優れた凸部４４となる。なお、凸部４４は、必要に応じて設けられればよく、その他の部材で代替されてもよい。
このような圧電アクチュエーター４において、図７に示す交番電圧Ｖ１を圧電素子６Ａ、６Ｆに印加し、交番電圧Ｖ２を圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加し、交番電圧Ｖ３を圧電素子６Ｂ、６Ｅに印加すると、図８に示すように、振動体４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向に反Ｓ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４の先端が矢印Ａ１で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。このような凸部４４の楕円運動によってローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ１で示すように時計回りに回転する。また、このような振動体４１の振動に対応して、圧電素子６Ｇから検出信号Ｓｓが出力される。
また、交番電圧Ｖ１、Ｖ３を切り換えると、すなわち交番電圧Ｖ１を圧電素子６Ｂ、６Ｅに印加し、交番電圧Ｖ２を圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加し、交番電圧Ｖ３を圧電素子６Ａ、６Ｆに印加すると、図９に示すように、振動体４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向にＳ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４が矢印Ａ２で示すように時計回りに楕円運動する。このような凸部４４の楕円運動によってローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ２で示すように反時計回りに回転する。また、このような振動体４１の振動に対応して、圧電素子６Ｇから検出信号Ｓｓが出力される。
交番電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の圧電素子６Ａ～６Ｆへの印加は、制御装置９により行われる。
以上、圧電モーター１について説明した。次に、圧電アクチュエーター４の製造方法について図１０から図２１に基づいて説明する。圧電アクチュエーター４の製造工程は、図１０に示すように、圧電素子ユニット５を製造する圧電素子ユニット製造工程Ｓ１と、２枚の圧電素子ユニット５を貼り合わせて圧電アクチュエーター４を得る貼合せ工程Ｓ２と、を含む。
さらに、圧電素子ユニット製造工程Ｓ１は、基板５１と、基板５１上に配置された第１電極層５３０と、第１電極層５３０上に配置された圧電体層５４０と、圧電体層５４０上に配置された第２電極層５５０と、を有する積層体５０を準備する積層体形成工程Ｓ１１と、圧電体層５４０をエッチングして圧電素子５Ａ～５Ｇを形成する圧電素子形成工程Ｓ１２と、を含む。
さらに、圧電素子形成工程Ｓ１２は、第２電極層５５０および圧電体層５４０をドライエッチングするドライエッチング工程Ｓ１２１と、ドライエッチングにより形成された圧電体層５４０の側面にレジスト膜Ｒ２を成膜するレジスト膜成膜工程Ｓ１２２と、圧電体層５４０をウェットエッチングするウェットエッチング工程Ｓ１２３と、第１電極層５３０をドライエッチングするドライエッチング工程Ｓ１２４と、保護層５２を形成する保護層形成工程Ｓ１２５と、シリコンウエハ５１０をエッチングし、基板５１を形成する基板形成工程Ｓ１２６と、を有する。
以下、図３に示す断面図に基づいて、圧電アクチュエーター４の製造方法について具体的に説明する。したがって、駆動用の圧電素子６Ｂ、６Ｄ、６Ｆおよび検出用の圧電素子６Ｇについては図示されないが、これらは図示される圧電素子６Ａ、６Ｃ、６Ｅと同様にして形成される。
［圧電素子ユニット製造工程Ｓ１］
（積層体形成工程Ｓ１１）
まず、図１１に示すように、基板５１の母材となるシリコンウエハ５１０を準備し、基板５１の上面に第１電極層５３０、圧電体層５４０および第２電極層５５０を順に成膜し、積層体５０を形成する。なお、図示しないが、１枚のシリコンウエハ５１０からは、複数の積層体５０が一括形成される。
具体的には、まず、基板５１上全体にＰｔ、Ｃｒ等の金属材料をスパッタ法により成膜し、第１電極５３および配線５７、５８の母材となる第１電極層５３０を形成する。
次に、第１電極層５３０上に圧電材料をゾル・ゲル法によって成膜し、圧電体５４の母材となる圧電体層５４０を形成する。ゾル・ゲル法を用いることにより、薄い圧電体層５４０を形成することができる。そのため、圧電アクチュエーター４の薄型化を図ることができる。また、非真空雰囲気で成膜が可能となるため、圧電体層５４０を低コストで形成することができる。なお、圧電材料としては、特に限定されないが、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いている。これにより、優れた圧電効果を有する圧電体５４となる。
次に、図１２に示すように、圧電体層５４０の厚み分布を測定する。厚み分布の計測方法としては、特に限定されず、例えば、光学的な膜厚計測により計測することができる。
次に、図１３に示すように、圧電体層５４０上にＰｔ、Ｃｒ等の金属材料をスパッタ法により成膜し、第２電極５５の母材となる第２電極層５５０を形成する。以上により、積層体５０が得られる。
（圧電素子形成工程Ｓ１２）
＜ドライエッチング工程Ｓ１２１＞
次に、図１４に示すように、第２電極層５５０上に、第２電極５５のパターンに応じたレジスト膜Ｒ１を成膜する。レジスト膜Ｒ１は、ドライエッチング用のマスクである。そのため、レジスト膜Ｒ１の材料としては、ドライエッチング耐性を有していれば、特に限定されない。レジスト膜Ｒ１は、上方に向けて幅が漸減するテーパー状となっている。レジスト膜Ｒ１をテーパー状とすることにより、ドライエッチング時に生じる削りカスがエッチング部分から排除され易くなり、ドライエッチングの精度および速度が向上すると共に、ドライエッチングにより形成される面すなわち側面５４１０がより滑らかとなる。ただし、レジスト膜Ｒ１の形状は、これに限定されず、側面が垂直に立っていてもよい。
次に、図１５に示すように、レジスト膜Ｒ１を介して第２電極層５５０および圧電体層５４０をドライエッチングする。ドライエッチングとしては、特に限定されないが、本実施形態では、イオンビームの照射によってエッチングを行うイオンミリング法を用いている。ただし、これに限定されず、例えば、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）を用いてもよい。
本工程では、圧電体層５４０をその厚さ方向の途中まで掘り進める。つまり、本工程は、圧電体層５４０を厚さ方向の途中まで掘り進めた段階、言い換えると、ドライエッチングにより形成された溝Ｑが第１電極層５３０に到達する前に終了する。金属材料で構成された第１電極層５３０は、本工程のドライエッチングに対する耐性が低い。そのため、溝Ｑが第１電極層５３０に到達する前にドライエッチングを終了することにより、本工程によって、第１電極層５３０が意図せずにエッチング除去されるのを抑制することができる。
仮に、溝Ｑが第１電極層５３０に到達するまでドライエッチングを続けてしまうと、第１電極層５３０が意図せずにオーバーエッチングされ、第１電極５３や配線５７、５８の厚さが減少して電気抵抗が高まったり、ひどい場合には断線してしまったりする。そのため、電気的な特性が設計された特性から大きくずれ、所望の特性を発揮することができなかったり、駆動が不安定だったりする圧電アクチュエーター４となってしまう。また、オーバーエッチングによる配線５７、５８の電気抵抗の増加を抑制することにより、微弱な検出信号Ｓｓを精度よく受信することができる。
なお、本実施形態では、積層体形成工程Ｓ１１において圧電体層５４０の厚さ分布を計測している。そのため、例えば、圧電体層５４０の溝Ｑが形成される領域のうち最も薄い部分、図１２では点Ｐにおいて、当該部分に形成される溝Ｑが第１電極層５３０に到達する前にドライエッチングが終了するようにエッチング時間を設定すればよい。なお、ドライエッチング装置、本実施形態ではイオンミリング装置によっては、例えば、ウエハ中央部よりも外周部の方がエッチングレートが遅くなる等、シリコンウエハ５１０内においてエッチングレートのばらつきが生じるおそれがある。そのため、このような特性を有する装置を用いる場合には、前述した圧電体層５４０の厚み分布のみならず装置特性を加味してエッチング時間を設定することが好ましい。
また、特に限定されないが、本工程では、圧電体層５４０の厚さの８０％以上９５％以下の厚さまで圧電体層５４０を掘り進めることが好ましく、９０％以上９５％以下の厚さまで圧電体層５４０を掘り進めることがより好ましい。これにより、溝Ｑの第１電極層５３０への到達を抑制しつつ、より多くの範囲をドライエッチングにより掘り進めることができる。これにより、優れた精度で、各圧電体５４の輪郭を形成することができる。また、ドライエッチング面である側面５４１０は、良好な面内均一性を有する。そのため、当該部分からクラック等が入り難い。このような部分をより広く形成することができるため、圧電体５４の機械的強度を高めることもできる。
なお、積層体形成工程Ｓ１１において圧電体層５４０の厚さ分布を計測しない場合には、点Ｐを基準とすることができないため、圧電体層５４０の設計膜厚を基準として、その８０％以上９５％以下の厚さまで圧電体層５４０が掘り進められるようにエッチング時間を設定すればよい。下記の表１は、圧電体層５４０のエッチング深さのばらつきを検証した実験データである。当該表から分かるように、最大エッチング深さは、概ね、平均エッチング深さの１０５％程度である。したがって、エッチング深さを圧電体層５４０の８０％以上９５％以下とすることにより、エッチング深さが最大となる箇所においても溝Ｑが第１電極層５３０に到達することを抑制することができる。
Figure 2022052115000002
以上のような工程によって、第２電極５５が形成されると共に、圧電体５４のうちドライエッチング部５４１が形成される。ドライエッチング部５４１は、第２電極５５側よりも第１電極５３側の方が幅広のテーパー状である。特に、本実施形態では、第２電極５５側から第１電極５３側に向けて幅が漸増するテーパー状である。ドライエッチング部５４１をテーパー形状とすることにより、本工程において圧電体層５４０のキャパシター領域Ｓｃが意図せずに除去されてしまうことを抑制することができる。また、テーパー状とすることにより、圧電体５４の機械的強度を高めることもできる。また、後のウェットエッチング工程において、溝Ｑがキャパシター領域Ｓｃに侵入することを抑制することもできる。
＜レジスト膜成膜工程Ｓ１２２＞
次に、図１６に示すように、第２電極５５およびドライエッチング部５４１を覆うレジスト膜Ｒ２を成膜する。レジスト膜Ｒ２は、ウェットエッチング用のマスクである。そのため、レジスト膜Ｒ２の材料としては、ウェットエッチング耐性を有していれば、特に限定されない。
＜ウェットエッチング工程Ｓ１２３＞
次に、図１７に示すように、レジスト膜Ｒ２を介して圧電体層５４０をウェットエッチングする。本工程では、溝Ｑが第１電極層５３０に到達するまで圧電体層５４０を掘り進める。これにより、圧電体層５４０が７つに分割され、各圧電素子５Ａ～５Ｇの圧電体５４が形成される。ここで、金属材料で構成された第１電極層５３０は、ウェットエッチング耐性を十分に有する。そのため、ウェットエッチング液が第１電極層５３０に触れても、第１電極層５３０は、実質的に除去されない。したがって、前述のドライエッチングで生じる問題、すなわち、第１電極層５３０が意図せずにオーバーエッチングされ、第１電極５３や配線５７、５８の厚さが減少して電気抵抗が高まったり、配線５７、５８が断線してしまったりするおそれが低くなる。
以上のような工程によって、圧電体５４のうちウェットエッチング部５４２が形成される。ウェットエッチング部５４２は、第２電極層５５０側よりも第１電極層５３０側の方が幅広のテーパー状である。これは、ウェットエッチングが等方性のエッチングであることに起因する。ここで、ウェットエッチング部５４２の側面５４２０であるウェットエッチング面は、キャパシター領域Ｓｃの外側に位置する。言い換えると、ウェットエッチング部５４２では、キャパシター領域Ｓｃが除去されてない。これにより、圧電体５４の圧電効果の低下を抑制することができる。また、圧電体５４の機械的強度を高めることもできる。
なお、ウェットエッチング時に生じるサイドエッチングによってキャパシター領域Ｓｃが除去されないように、レジスト膜Ｒ２を十分に厚く形成している。また、ドライエッチング部５４１をテーパー状とすることも、サイドエッチングによってキャパシター領域Ｓｃが除去されなくするのに役立っている。
＜ドライエッチング工程Ｓ１２４＞
次に、図１８に示すように、第２電極５５および圧電体５４を覆うレジスト膜Ｒ３を成膜する。そして、レジスト膜Ｒ３を介して第１電極層５３０をドライエッチングし、第１電極層５３０から第１電極５３および配線５７、５８が形成される。これにより、圧電素子５Ａ～５Ｇが形成される。
＜保護層形成工程Ｓ１２５＞
次に、図１９に示すように、例えば、樹脂材料で構成された保護層５２を形成する。その後、貫通電極５６、この貫通電極５６と第２電極５５とを接続する配線等を形成する。
＜基板形成工程Ｓ１２６＞
次に、図２０に示すように、シリコンウエハ５１０をエッチングし、基板５１を形成する。これにより、圧電素子ユニット５が得られる。
［貼合せ工程Ｓ２］
次に、図２１に示すように、２つの圧電素子ユニット５を準備し、これらを接着剤５９を介して接合する。次に、振動体４１に凸部４４を接合する。以上により、圧電アクチュエーター４が製造される。
以上、圧電アクチュエーター４およびその製造方法について説明した。このような圧電アクチュエーター４は、基板５１と、基板５１上に配置されている第１電極５３と、第１電極５３上に配置されている圧電体５４と、圧電体５４上に配置されている第２電極５５と、を有する。また、圧電体５４は、側面５４１０がドライエッチング面であるドライエッチング部５４１と、ドライエッチング部５４１よりも第１電極５３側に位置し、側面５４２０がウェットエッチング面であるウェットエッチング部５４２と、を有する。このように、圧電体５４を第２電極５５側に位置するドライエッチング部５４１と、第１電極５３側に位置するウェットエッチング部５４２と、で構成することにより、圧電体５４の輪郭形成精度を向上させつつ、第１電極５３や配線５７、５８の意図しないエッチングを抑制することができる。そのため、圧電アクチュエーター４の電気的特性が安定すると共に、設計された特性からのずれを抑制することができる。
また、前述したように、圧電アクチュエーター４の製造方法は、基板５１と、基板５１上に配置されている第１電極層５３０と、第１電極層５３０上に配置されている圧電体層５４０と、圧電体層５４０上に配置されている第２電極層５５０と、を有する積層体５０を準備する工程である積層体形成工程Ｓ１１と、圧電体層５４０の輪郭形状を形成する工程である圧電素子形成工程Ｓ１２と、を含む。また、圧電素子形成工程Ｓ１２は、圧電体層５４０を第２電極層５５０側からドライエッチングし、厚さ方向の途中まで掘り進める工程であるドライエッチング工程Ｓ１２１と、ドライエッチングによって圧電体層５４０の側面に形成されたドライエッチング面をレジスト膜Ｒ２で覆う工程であるレジスト膜成膜工程Ｓ１２２と、圧電体層５４０を第２電極層５５０側からウェットエッチングし、第１電極層５３０に到達するまで掘り進める工程であるウェットエッチング工程Ｓ１２３と、を含む。このような製造方法によれば、圧電体５４の輪郭形成精度を向上させつつ、第１電極５３や配線５７、５８の意図しないエッチングを抑制することができる。そのため、圧電アクチュエーター４の電気的特性が安定すると共に、設計された特性からのずれを抑制することができる。
また、前述したように、圧電体層５４０は、チタン酸ジルコン酸鉛をゾル・ゲル法で成膜したものである。これにより、優れた圧電効果を有する圧電体層５４０が得られる。また、圧電体層５４０を薄く形成することができる。
また、前述したように、ドライエッチング工程Ｓ１２１では、圧電体層５４０の厚さの８０％以上９５％以下の厚さまで圧電体層５４０を掘り進める。これにより、圧電体５４の輪郭形成精度を高めることができる。
また、前述したように、圧電アクチュエーター４の製造方法は、ドライエッチング工程Ｓ１２１に先立って、圧電体層５４０の厚み分布を計測する工程を含む。これにより、ドライエッチング工程Ｓ１２１において、ドライエッチングが第１電極層５３０に到達してしまうことを抑制することができる。
また、前述したように、ウェットエッチングによって圧電体層５４０の側面に形成されたウェットエッチング面は、第１電極層５３０から形成される第１電極５３と第２電極層５５０から形成される第２電極５５とが重なる領域であるキャパシター領域Ｓｃの外側に位置している。これにより、圧電体層５４０から形成される圧電体５４は、優れた圧電効果を発揮することができる。
また、前述したように、ドライエッチング工程Ｓ１２１により圧電体層５４０に形成されたドライエッチング部５４１は、第２電極層５５０側よりも第１電極層５３０側の方が幅が広い。これにより、ドライエッチング部５４１のキャパシター領域Ｓｃが除去されるのを抑制することができる。
また、前述したように、圧電素子形成工程Ｓ１２によって圧電体層５４０が複数に分割され、分割された複数の圧電体層５４０には、基板５１を変形させる駆動用の圧電体５４と、基板５１の変形を検出する検出用の圧電体５４と、が含まれる。なお、駆動用の圧電体５４とは、圧電素子５Ａ～５Ｅの圧電体５４を言い、検出用の圧電体５４とは、圧電素子５Ｇの圧電体５４を言う。圧電素子５Ｇから出力される検出信号Ｓｓは、非常に微弱である。そのため、オーバーエッチングによる配線５７、５８の電気抵抗の増加を抑制することにより、検出信号Ｓｓを精度よく受信することができる。
＜第２実施形態＞
図２２は、本発明の第２実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
図２２に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１０１０と、ベース１０１０に回動自在に連結されたアーム１０２０と、アーム１０２０に回動自在に連結されたアーム１０３０と、アーム１０３０に回動自在に連結されたアーム１０４０と、アーム１０４０に回動自在に連結されたアーム１０５０と、アーム１０５０に回動自在に連結されたアーム１０６０と、アーム１０６０に回動自在に連結されたアーム１０７０と、これらアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の駆動を制御する制御装置１０８０と、を有する。
また、アーム１０７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１０９０が装着される。また、各関節部のうちの全部または一部には圧電アクチュエーター４を備えた圧電モーター１が搭載されており、この圧電モーター１の駆動によって各アーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０が回動する。なお、圧電モーター１は、エンドエフェクター１０９０に搭載され、エンドエフェクター１０９０の駆動に用いられてもよい。
また、制御装置１０８０は、コンピューターで構成され、例えば、プロセッサー（ＣＰＵ）、メモリー、Ｉ／Ｆ（インターフェース）等を有する。そして、プロセッサーが、メモリーに格納されている所定のプログラム（コード列）を実行することで、ロボット１０００の各部の駆動を制御する。なお、前記プログラムは、Ｉ／Ｆを介して外部のサーバーからダウンロードしてもよい。また、制御装置１０８０の構成の全部または一部は、ロボット１０００の外部に設けられ、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等の通信網を介して接続された構成となっていてもよい。
以上ロボット１０００について説明した。このようなロボット１０００は、前述したように、圧電アクチュエーター４を有する。これにより、前述した圧電アクチュエーター４の効果を享受でき、高い信頼性を有するロボット１０００となる。
＜第３実施形態＞
図２３は、本発明の第３実施形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図である。
図２３に示すインクジェットヘッド３０００は、液滴吐出方式によってインクをノズルから吐出するものである。インクジェットヘッド３０００は、ヘッド本体３１００と、振動板３２００と、圧電素子３３００と、を有する。ヘッド本体３１００は、基体３１１０と、ノズルプレート３１２０と、を有する。そして、基体３１１０をノズルプレート３１２０と振動板３２００とで挟み込むことにより、リザーバー３４００およびリザーバー３４００から分岐した複数のインク室３５００が形成されている。なお、図２３では、１つのインク室３５００しか図示されてないが、実際は、複数のインク室３５００が紙面奥行き方向に沿って複数形成されている。
また、ノズルプレート３１２０には、インク室３５００内のインクを吐出するノズル３１２１が形成されている。振動板３２００は、ヘッド本体３１００の上端面に装着されており、各インク室３５００の壁面を構成している。振動板３２００は、圧電素子３３００の振動に応じて振動可能となっている。圧電素子３３００は、振動板３２００上に配置された第１電極３３１０と、第１電極３３１０上に配置された圧電体３３２０と、圧電体３３２０上に配置された第２電極３３３０と、を有する。この圧電素子３３００は、前述した第１実施形態の圧電素子５Ａ～５Ｇと同様の構成であり、同様の方法により形成されている。
圧電素子３３００に駆動信号を印加し、圧電素子３３００を伸縮させると、インク室３５００の圧力が上下し、それに合わせて、リザーバー３４００からインク室３５００にインクが流入し、ノズル３１２１からインクが吐出される。
以上のような本実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上、本発明の圧電アクチュエーターの製造方法、圧電アクチュエーターおよびロボットを図示の実施形態に基づいて説明した。ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
１…圧電モーター、２…ローター、２１…外周面、２２…主面、３…圧電駆動装置、４…圧電アクチュエーター、４１…振動体、４２…支持部、４３…接続部、４３１…第１接続部、４３２…第２接続部、４４…凸部、５…圧電素子ユニット、５Ａ～５Ｇ…圧電素子、５０…積層体、５１…基板、５１０…シリコンウエハ、５２…保護層、５３…第１電極、５３０…第１電極層、５４…圧電体、５４０…圧電体層、５４１…ドライエッチング部、５４１０…側面、５４２…ウェットエッチング部、５４２０…側面、５５…第２電極、５５０…第２電極層、５６…貫通電極、５７、５８…配線、５９…接着剤、６Ａ～６Ｇ…圧電素子、８…付勢部材、９…制御装置、１０００…ロボット、１０１０…ベース、１０２０～１０７０…アーム、１０８０…制御装置、１０９０…エンドエフェクター、３０００…インクジェットヘッド、３１００…ヘッド本体、３１１０…基体、３１２０…ノズルプレート、３１２１…ノズル、３２００…振動板、３３００…圧電素子、３３１０…第１電極、３３２０…圧電体、３３３０…第２電極、３４００…リザーバー、３５００…インク室、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…矢印、Ｏ…中心軸、Ｑ…溝、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…レジスト膜、Ｓ１…圧電素子ユニット製造工程、Ｓ１１…積層体形成工程、Ｓ１２…圧電素子形成工程、Ｓ１２１…ドライエッチング工程、Ｓ１２２…レジスト膜成膜工程、Ｓ１２３…ウェットエッチング工程、Ｓ１２４…ドライエッチング工程、Ｓ１２５…保護層形成工程、Ｓ１２６…基板形成工程、Ｓ２…貼合せ工程、Ｓｃ…キャパシター領域、Ｓｓ…検出信号、Ｔ、Ｔ１…厚さ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…交番電圧

Claims (9)

  1. 基板と、前記基板上に配置されている第１電極層と、前記第１電極層上に配置されている圧電体層と、前記圧電体層上に配置されている第２電極層と、を有する積層体を準備する工程と、
    前記圧電体層の輪郭形状を形成する工程と、を含み、
    前記輪郭形状を形成する工程は、
    前記圧電体層を前記第２電極層側からドライエッチングし、厚さ方向の途中まで掘り進める工程と、
    前記ドライエッチングによって前記圧電体層の側面に形成されたドライエッチング面をレジスト膜で覆う工程と、
    前記圧電体層を前記第２電極層側からウェットエッチングし、前記第１電極層に到達するまで掘り進める工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
  2. 前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛をゾル・ゲル法で成膜したものである請求項１に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
  3. 前記ドライエッチングの工程では、前記圧電体層の厚さの８０％以上９５％以下の厚さまで前記圧電体層を掘り進める請求項１または２に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
  4. 前記ドライエッチングの工程に先立って、前記圧電体層の厚み分布を計測する工程を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
  5. 前記ウェットエッチングによって前記圧電体層の側面に形成されたウェットエッチング面は、前記第１電極層から形成される第１電極と前記第２電極層から形成される第２電極とが重なる領域の外側に位置している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
  6. 前記ドライエッチングの工程により前記圧電体層に形成されたドライエッチング部は、前記第２電極層側よりも前記第１電極層側の方が幅が広い請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
  7. 前記輪郭形状を形成する工程によって前記圧電体層が複数に分割され、
    前記分割された複数の前記圧電体層には、前記基板を変形させる駆動用の圧電体と、前記基板の変形を検出する検出用の圧電体と、が含まれる請求項１ないし６のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。
  8. 基板と、
    前記基板上に配置されている第１電極と、
    前記第１電極上に配置されている圧電体と、
    前記圧電体上に配置されている第２電極と、を有し、
    前記圧電体は、
    側面がドライエッチング面であるドライエッチング部と、
    前記ドライエッチング部よりも前記第１電極側に位置し、側面がウェットエッチング面であるウェットエッチング部と、を有することを特徴とする圧電アクチュエーター。
  9. 請求項８に記載の圧電アクチュエーターを有することを特徴とするロボット。
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