JP2000108340A

JP2000108340A - マイクロアクチュエータ

Info

Publication number: JP2000108340A
Application number: JP27973698A
Authority: JP
Inventors: Koji Sumi; 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2000-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶の相転移による体積変化を利用したマイ
クロアクチュエータをインク吐出駆動源とするインクジ
ェット式記録ヘッドを提供する。【解決手段】本発明のインクジェット式記録ヘッド
は、インクが充填される加圧室１０を備える加圧室基板
の少なくとも一方の面に、マイクロアクチュエータ５を
配置したものである。マイクロアクチュエータ５は、所
定の入力信号を受けて発熱する発熱体１６と、発熱体１
６により加熱され、固有の温度で結晶構造が相転移し、
体積変化を生じる相転移膜１４とを備える。相転移膜１
４をチタン酸バリウムで成膜すると、１２０℃の相転移
温度で正方晶系から立方晶系に相転移する。このときの
体積変化で振動板膜１３を介して加圧室１０内のインク
圧を高めてノズル２１からインク滴を吐出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は結晶の相転移（多
形：polymorphism）による体積変化を利用したマイクロ
アクチュエータ（microactuator）に係わる。特に、イ
ンクジェット式記録ヘッドに好適なマイクロアクチュエ
ータに係わる。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録はノズルからインク
滴を吐出し、所望の記録媒体上に付着記録を行うもので
ある。中でも、オンデマンド方式のインクジェット記録
は必要なときだけインク滴を吐出し、印字等を行うもの
である。オンデマンド方式の主なものに、サーマル・イ
ンク・ジェット・プリンタとピエゾ式インク・ジェット
・プリンタがある。

【０００３】サーマル・インク・ジェット・プリンタは
インクの液相／気相間の相転移を利用したもので、一般
に抵抗ヒータであるサーマル・エネルギー・ジェネレー
タに電気パルスを選択的に与えることによって、要求に
応じてインク滴を放出するものである。このジェネレー
タはノズルから上流にある毛管を充填した並列インク・
チャネル内に位置する。ノズルと反対側のチャンネルの
端部は小型のインク貯蔵と連通し、この小型インク貯蔵
には大型の外部インク供給装置が接続されている。プリ
ンタヘッドは通常その上にヒータの位置するヒータ・プ
レートとチャンネル・プレートを有し、このチャネル・
プレート内にはチャンネルが形成される。このチャンネ
ルはインクをインク供給装置からレジスタに供給してノ
ズルから吐出させるインク経路として機能するものであ
る。

【０００４】一方、ピエゾ式インク・ジェット・プリン
タは、インク吐出駆動源として圧電性セラミックス等か
ら構成される圧電体薄膜素子を用いたもので、圧電体薄
膜素子のピエゾ効果による体積変化を利用して加圧室内
の圧力を高め、インク滴を吐出するものである。圧電性
セラミックスとして、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミッ
クス、チタン酸鉛系セラミックス等が利用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、サーマル・イ
ンク・ジェット・プリンタは、発熱体を急速に加熱して
インクを沸騰させ、その圧力でインク滴を吐出するもの
であるから、インクへのダメージが大きい。印字の高品
質化、高精細化等を考慮すると、インクへのダメージは
少ない方が好ましい。

【０００６】また、ピエゾ式インク・ジェット・プリン
タは、圧電体薄膜素子の電気的特性の変化等があり、安
定したインク吐出特性を保証することは容易ではない。
また、圧電体薄膜素子は電気的にはコンデンサとみなす
ことができ、圧電体薄膜素子の電気的特性の変化によ
る、インクジェット式記録ヘッドの駆動回路への影響等
を考慮して回路設計をする必要がある。さらに、プリン
タの小型化、低コスト化を実現するためにも、インクジ
ェット式記録ヘッドの回路構成は単純な方が好ましい。

【０００７】そこで、本発明は、インクジェット式記録
ヘッドのインク吐出駆動源に好適なマイクロアクチュエ
ータを提供することを課題とする。また、このマイクロ
アクチュエータを利用したインクジェット式記録ヘッド
を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロアクチ
ュエータは、所定の入力信号を受けて発熱する発熱体
と、この発熱体により加熱され、固有の温度で結晶構造
が相転移し、体積変化を生じる薄膜（相転移膜）とを備
える。このような構成により、圧電体薄膜素子のように
電気的特性の変化等がないため、安定した駆動特性を有
し、微細駆動に好適なマイクロアクチュエータを提供す
ることができる。

【０００９】尚、ここでいう入力信号とは、マイクロア
クチュエータの駆動信号であり、電流、電圧、光、各種
波の振幅等のさまざまな形式がある。また、相転移と
は、多形（polymorphism）のことをいい、化学組成が同
一で結晶構造が異なる現象をいう。同質多形、同質異
形、同質多像ともいう。多形の原因は主に温度、圧力等
の物理的化学的条件による。

【００１０】特に、相転移膜は、チタン酸バリウム、ジ
ルコン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン
酸スズ酸バリウム又はチタン酸鉛ストロンチウムのうち
何れかで成膜することが好ましい。例えば、チタン酸バ
リウムは１２０℃の相転移温度で正方晶から立方晶へ相
転移し、このときの結晶の体積変化でマイクロアクチュ
エータを実現する。

【００１１】また、入力信号を電流とした場合、発熱体
は、窒化タンタル、酸化ルビジウム又はＴａ−Ａｌ合金
のうち何れかで成膜する。一方、入力信号を光とした場
合、発熱体は、金属薄膜として、チタン、クロム、タン
グステン、鉄、イリジウム、銅、金、銀、又は、ポリシ
リコンのうち何れかで成膜し、化合物では、アンチモン
化インジウム等で成膜する。特に、入力信号を光とした
場合は、インクジェット式記録ヘッドに配線のための電
極や層間絶縁膜等が不要になり、インクジェット式記録
ヘッドの構成が簡易になる。

【００１２】本発明のインクジェット式記録ヘッドは、
インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なく
とも一方の面に、本発明のマイクロアクチュエータを配
置したものである。特に、本発明ののマイクロアクチュ
エータを振動板として機能させると、インク吐出の応答
性に優れたインクジェット式記録ヘッドを提供すること
ができる。また、駆動回路への電気的特性を考慮せずに
回路設計ができる。さらに、インクジェット式記録ヘッ
ドの超小型化を可能にできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態１．以下、図１
乃至図４を参照して本実施の形態について説明する。本
実施の形態は、マイクロアクチュエータをプリンタのイ
ンク吐出駆動源としたインクジェット式記録ヘッドに係
わる。

【００１４】（インクジェット式記録ヘッドの構成）イ
ンクジェット式記録ヘッドの構造を図４を参照して説明
する。同図に示すインクジェット式記録ヘッドの分解斜
視図は、インクの供給流路が加圧室基板内に形成される
タイプである。同図に示すように、インクジェット式記
録ヘッドは、主に加圧室基板１、ノズルプレート２及び
基体３から構成される。

【００１５】加圧室基板１はシリコン単結晶基板上に形
成された後、各々に分離される。加圧室基板１には複数
の短冊状の加圧室１０が設けられ、全ての加圧室１０に
インクを供給するための共通流路１２を備える。加圧室
１０の間は側壁１１により隔てられている。加圧室１０
は２列に配列され、一列当たり１２８個形成されてお
り、２５６ノズルの印字密度を有するインクジェット式
記録ヘッドを実現している。加圧室基板１の基体３側に
は振動板膜及びマイクロアクチュエータ（図示せず）が
形成されている。また、各マイクロアクチュエータから
の配線はフレキシブルケーブルである配線基板４に収束
され、インク吐出制御回路（図示せず）と接続される。
このインク吐出制御回路にはプリンタ内のコンピュータ
から印字データが供給され、所定のタイミングでマイク
ロアクチュエータを駆動することでインク滴を吐出し、
記録用紙に印字する。

【００１６】ノズルプレート２は加圧室基板１に接合さ
れる。ノズルプレート２における加圧室１０に対応する
位置にはインク滴を摘出するためのノズル２１が形成さ
れている。ノズル２１は所定の配列ピッチで２列形成さ
れている。各列の間隔は１８０分の１インチであり、ノ
ズル２１の配列ピッチは３６０分の１インチである。

【００１７】基体３はプラスチック、金属等の鋼体であ
り、加圧室基板１の取付台となる。

【００１８】（インクジェット式記録ヘッドの主要部）
インクジェット式記録ヘッドの主要部の断面図を図１に
示す。同図は図４におけるＡ―Ａ断面図に相当する。イ
ンクジェット式記録ヘッドの主要部は主にマイクロアク
チュエータ５、振動板膜１３、加圧室１０及びノズルプ
レート２から構成される。マイクロアクチュエータ５
は、共通電極１５及びセグメント電極１８で温度制御さ
れる発熱体１６と、この発熱体１６により加熱される相
転移膜１４とから構成される。相転移膜１４は例えば、
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）を材料として成膜さ
れ、相転移温度１２０℃で結晶構造が正方晶系から立方
晶系に転移する。発熱体１６は、例えば、窒化タンタル
（Ｔａ₂Ｎ）、酸化ルビジウム（ＲｕＯ₂）、Ｔａ−Ａｌ
合金等から成膜され、相転移膜１４を加熱する役割を担
う。このため、発熱体１６により加熱された相転移膜１
４は結晶構造の変化に伴い、体積が変化し、振動板膜１
３を介して加圧室１０内のインク圧を高め、ノズル２１
からインク滴を吐出する。また、発熱体１６により加熱
された相転移膜１４は加圧室１０内に充填されているイ
ンクにより冷却され、再び元の結晶構造（正方晶系）に
戻る。このように構成することで、相転移膜１４の結晶
の相転移による歪みを利用してオンデマンド方式のイン
クジェット式記録ヘッドを実現することができる。

【００１９】また、相転移膜１４は１つの加圧室に複数
設けることもできる。そして、駆動する相転移膜１４の
個数を制御することで、吐出されるインク滴の速度、重
量等を制御できる。

【００２０】尚、符号１８、１５はそれぞれセグメント
（信号）電極、共通電極である。共通電極１５は全ての
加圧室１０に対応して設けられた相転移膜１４に共通す
る電極である。特定の加圧室１０からインク滴を吐出し
たい場合にはその加圧室１０に対応するセグメント電極
１８に信号を出力する。また、符号１７は絶縁膜であ
り、二酸化珪素膜等で成膜される。

【００２１】（相転移膜の組成）相転移膜１４の他の組
成として、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸バ
リウムストロンチウム（０．９ＢａＴｉＯ₃−０．１Ｓ
ｒＴｉＯ₃）、チタン酸スズ酸バリウム（０．９５Ｂａ
ＴｉＯ₃−０．０５ＢａＳｎＯ₃）、チタン酸鉛ストロン
チウム（０．５ＰｂＴｉＯ₃−０．５ＳｒＴｉＯ₃）等を
使用できる。但し、相転移膜１４の組成は、上記の組成
に限らず、加熱により結晶の相転移を起こすものであれ
ばその種類は問わない。

【００２２】これらの相転移温度、結晶構造の変化（相
転移温度以下／相転移温度以上）は以下の通りである。

【００２３】ジルコン酸鉛２３０℃ 斜方晶系／立方晶系チタン酸バリウムストロンチウム６０℃ 正方晶系／立方晶系チタン酸スズ酸バリウム９０℃ 正方晶系／立方晶系チタン酸鉛ストロンチウム１３０℃ 正方晶系／立方晶系（インクジェット式記録ヘッドの製造工程）図２、図３
を参照してインクジェット式記録ヘッドの製造工程を説
明する。

【００２４】相転移膜成膜工程（図２（Ａ））本工程ではシリコン単結晶基板１９上に振動板膜１３及
び相転移膜１４を成膜する。シリコン単結晶基板１９と
して、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２２０μｍのシリ
コン単結晶基板を用いる。振動板膜１３は、例えば、１
１００℃の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱
酸化させ、約１μｍの膜厚の熱酸化膜とすることで形成
する。あるいは、１１００℃の炉の中で、水蒸気を含む
酸素を流して５時間程度熱酸化させ、約１μｍの膜厚の
熱酸化膜を形成してもよい。その他、ＣＶＤ法等の成膜
法を適宜選択して成膜してもよい。振動板膜１３は、加
圧室内の圧力を加減する他、シリコン単結晶基板１９と
共通電極１５間を電気的に絶縁する役割を担う。振動板
膜１３として、二酸化珪素膜に限られず、酸化ジルコニ
ウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミ
ニウム膜でもよい。

【００２５】但し、振動板膜１３は必ずしも必要ではな
く、これを省略して相転移膜１４自体に振動板の役割を
兼ねてもよい。

【００２６】次いで、振動板膜１３上に相転移膜１４を
成膜する。この工程は、例えば、ＭＯＤ法（Metal Org
anic Decomposition Process）で行う。まず、相転移
膜１４の前駆体となるゾルを調整する。相転移膜１４の
組成をチタン酸バリウムとする場合、酢酸バリウム（Ｂ
ａ（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）₂）を酢酸に溶解させた溶液と、テ
トライソプロポキシチタン（Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ
₃Ｈ₇）₄）をブトキシエタノールに溶解させた溶液とを
混合し、溶質濃度を１Ｍ、Ｂａ／Ｔｉモル比を１／１と
したゾルを調整する。このゾルを１５００ｒｐｍで０．
１μｍの厚さにスピンコーティングし、４００℃の温度
環境下で脱脂する。この工程を５回繰り返し、膜厚０．
５μｍのゲルとする。最後にＲＴＡ（Rapid Thermal
Annealing）で結晶化する。この処理は６５０℃で５
分、又は、９００℃で１分とする。以上の工程を経て振
動板膜１３上に膜厚０．５μｍの相転移膜１４を成膜す
る。

【００２７】尚、相転移膜１４の他の組成として、ジル
コン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸
スズ酸バリウム、チタン酸鉛ストロンチウム等を用いる
場合は、それぞれの組成に応じた溶液（以下に示す。）
を所定の濃度で混合してゲルを調整すればよい。

【００２８】Ｐｂ：酢酸鉛三水和物（Ｐｂ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・３Ｈ₂Ｏ）Ｚｒ：テトライソプロポキシジルコニウム（Ｚｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ₃Ｈ₇）₄）Ｓｒ：酢酸ストロンチウム（Ｓｒ（ＣＨ₃ＣＯＯ）₂・０．５Ｈ₂Ｏ）Ｓｎ：テトライソプロポキシスズ（Ｓｎ（Ｏ−ｉ−Ｃ₃Ｈ₇）₄）共通電極形成工程（同図（Ｂ））本工程では相転移膜１４を加圧室の形状に合わせてパタ
ーニングし、共通電極１５を形成する。まず、１つの加
圧室に対して１つの相転移膜１４が対応するように、加
圧室が形成されるべき位置に合わせて相転移膜１４をフ
ォトリソでパターニングする。次に、相転移膜１４を含
む振動板膜１３の全面に金又は白金をターゲットとして
共通電極をスパッタ成膜法で成膜する。膜厚は０．３μ
ｍとする。

【００２９】発熱体形成工程（同図（Ｃ））本工程では相転移膜１４を加熱するための発熱体１６を
形成する。窒化タンタル、酸化ルビジウム又はＴａ−Ａ
ｌ合金等をターゲットとして発熱体１６をスパッタ成膜
法で成膜する。膜厚は０．５μｍとする。次に、相転移
膜１４の形状に合わせてフォトリソでパターニングす
る。

【００３０】セグメント電極形成工程（図３（Ｄ））本工程はセグメント電極１８を形成する工程である。ま
ず、発熱体１６及び共通電極１５を含む全面にＣＶＤ法
で二酸化珪素膜を析出生成し、絶縁膜１７を形成する。
膜厚は１μｍとする。次に、発熱体１６の表面が露出す
る位置にこの絶縁膜１７をパターニングし、金又は白金
をターゲットとしてセグメント電極１８をスパッタ成膜
法で成膜する。膜厚は０．１μｍとする。次に、セグメ
ント電極１８を所定の配線パターンにパターニングす
る。

【００３１】加圧室形成工程（同図（Ｅ））本工程ではシリコン単結晶基板１９をエッチングして加
圧室１０を形成する。加圧室が形成されるべき位置に合
わせてエッチングマスク（図示せず）を施し、平行平板
型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた乾式異
方性エッチングで加圧室１０を形成する。エッチングさ
れずに残った部分は側壁１１となる。以上の工程を経て
製造されたシリコン単結晶基板１９は加圧室基板１とな
る。

【００３２】ノズルプレート接合工程（同図（Ｆ））本工程では加圧室基板にノズルプレートを接合する。エ
ッチング後のシリコン単結晶基板１９に樹脂等を用いて
ノズルプレート２を接合する。このとき、各ノズル２１
が加圧室１０の各々の空間に対応して配置されるよう位
置合せする。ノズルプレート２を接合したシリコン単結
晶基板１９を基体３に取り付ければ、インクジェット式
記録ヘッドが完成する。

【００３３】（作用）以上、説明したように本実施の形
態によれば、従来のように圧電体薄膜素子の電気的特性
（例えば、容量、絶縁性等）の変化が駆動回路に与える
影響を考慮する必要が無く、回路設計が容易になる。ま
た、従来のように圧電体薄膜素子の電気的特性の変化が
無いため、安定したインク吐出特性を得ることができ
る。

【００３４】また、相転移膜を複数に分割することで、
吐出されるインク滴の速度、重量等を調整することがで
きる。さらに、インクジェット式記録ヘッドの構成が簡
単であるため、相転移膜の結晶構造の変化（結晶の相転
移）による体積変化を直接振動板膜に伝えることがで
き、応答性に優れている。また、圧電体薄膜素子をイン
ク吐出の駆動源に用いた場合よりも構成が簡単であるか
ら、インクジェット式記録ヘッドの超小型化、低コスト
化が可能である。

【００３５】発明の実施の形態２．本実施の形態を図５
を参照して説明する。同図は本実施の形態のマイクロア
クチュエータをインク吐出駆動源として用いた場合のイ
ンクジェット式記録ヘッドの主要部の断面図である。

【００３６】本実施の形態が実施の形態１と異なる主な
点は、発熱体１６を光吸収発熱体２０とした点である。
即ち、マイクロアクチュエータ５は光吸収発熱体２０と
相転移膜１４とから構成される。光吸収発熱体２０はレ
ーザ光の吸収により発熱するものであり、例えば、チタ
ン、クロム、タングステン、鉄、イリジウム、銅、金、
銀、アンチモン化インジウム、又は、ポリシリコンのう
ち何れかの組成を有する。このような構成により、共通
電極及びセグメント電極を不要とする。この結果、部品
点数を減らすことができ、配線を必要としないインクジ
ェット式記録ヘッドを提供することができる。また、構
成が簡単になるため、超小型のインクジェット式記録ヘ
ッドを提供することができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明のマイクロアクチュエータによれ
ば、圧電体薄膜素子のように電気的特性の変化等がない
ため、安定した駆動特性を有し、微細駆動に好適なマイ
クロアクチュエータを提供することができる。

【００３８】本発明のインクジェット式記録ヘッドによ
れば、駆動回路への電気的特性を考慮せずに回路設計が
できる。また、インク吐出の応答性に優れたインクジェ
ット式記録ヘッドを提供することができる。さらに、イ
ンクジェット式記録ヘッドの超小型化を可能にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッド（実施の
形態１）の主要部の断面図である。

【図２】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造工
程断面図である。

【図３】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造工
程断面図である。

【図４】本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜
視図である。

【図５】本発明のインクジェット式記録ヘッド（実施の
形態２）の主要部の断面図である。

【符号の説明】

１加圧室基板２ノズルプレート３基体４配線基板５マイクロアクチュエータ１０加圧室１１側壁１２共通流路１３振動板膜１４相転移膜１５共通電極１６発熱体１７絶縁膜１８セグメント電極１９シリコン単結晶基板２０光吸収発熱体２１ノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の入力信号を受けて発熱する発熱体
と、前記発熱体により加熱され、固有の温度で結晶構造が相
転移し、体積変化を生じる薄膜と、を備えるマイクロアクチュエータ。
【請求項２】前記薄膜は、チタン酸バリウム、ジルコ
ン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム、チタン酸ス
ズ酸バリウム又はチタン酸鉛ストロンチウムのうち何れ
かである、請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項３】前記入力信号は電流である、請求項1又
は請求項２に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項４】前記発熱体は、窒化タンタル、酸化ルビ
ジウム又はＴａ−Ａｌ合金のうち何れかである、請求項
３に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項５】前記入力信号は光である、請求項1又は
請求項２に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項６】前記発熱体は、チタン、クロム、タング
ステン、鉄、イリジウム、銅、金、銀、アンチモン化イ
ンジウム、又は、ポリシリコンのうち何れかである、請
求項５に記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項７】インクが充填される加圧室を備える加圧
室基板の少なくとも一方の面に、請求項１乃至請求項６
のうち何れか１項に記載のマイクロアクチュエータを配
置したインクジェット式記録ヘッド。