JP2005144822A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性が高く振動板としてすぐれた特性を有する石英板を陽極接合によってＳｉ基板からなる流路基板に接合する。
【解決手段】石英板は耐熱性が高く、熱膨張率もＳｉ基板に近いため、液体吐出ヘッドの振動板として好ましい。そこで、石英板に予め公知のイオン注入法等によって陽イオン層１０を設けておき、流路基板１であるＳｉ基板に対して陽イオン層１０を介して陽極接合したのち、石英板の研磨薄片化によって所定の厚さの石英振動板６を形成し、その上に圧電素子７の下電極９ａ、圧電膜８、上電極９ｂ等を順次成膜・積層し、パターニングを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加信号によって伸縮変位する駆動素子から発生させた機械的エネルギーにより液体を吐出する液体吐出記録装置等に用いる液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

従来から、液体を吐出させる液体吐出ヘッドは微細加工、実験、分析、画像形成など様々な分野で利用されており、特に、液滴であるインク滴を吐出し記録媒体に付着させて画像形成を行うインクジェット（液体吐出）記録方式のプリンタ等は、高速記録が可能であるばかりでなく、高画質、高精細、低騒音であるという利点を有する。また、この方法は簡単にカラー画像記録を得ることができ、装置も小型化しやすいといった点でも有利である。

このような液体吐出記録装置には、インク等液体を飛翔させるためのノズルと、このノズルに連通する加圧室（圧力発生室）のインク等液体に吐出のためのエネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する液体吐出ヘッドが搭載される。そして、エネルギー発生手段として圧電素子（ピエゾ素子）を用いた液体吐出ヘッドは、メニスカス制御でインク滴等の液滴サイズを変化させることができ、膜沸騰現象を用いないのでインク等液体の選択の幅が広がるという利点を有する。

近年、液体吐出記録装置は高精細印字の要求が高まり、高密度ノズル化、多ノズル化に伴う精密微細加工と複雑な形状が必要とされるようになってきた。圧電素子を用いた液体吐出ヘッドは、圧電素子が発生した圧力波の伝搬によってノズル先端のメニスカスを制御して液滴を吐出させるもので、このような圧電素子の機械エネルギーを液体に伝搬させる振動板と、ノズルや圧力室等の液体流路の作製例としては特許文献１〜３に代表的な方法が記載されている。

圧電素子の材料としては多数の酸化物をあげることができるが、液体吐出ヘッドに用いる圧電体は複合酸化物となるために一般的に結晶化させるためには加熱処理が必要とされる。例えばバルク材では結晶化温度が１０００℃以上の高温であり、ゾルゲル法などを用いた薄膜でさえ７００〜８００℃での高温処理が必要とされている。このような高温処理に耐えうる単結晶基板としてはＭｇＯやＳｒＴｉＯ₃ などがあげられる。

しかしこのような圧電体の薄膜を液体吐出ヘッドのエネルギー発生手段に用いる場合には、上記の単結晶基板からなる別基板上に成膜し結晶化させた圧電体の薄膜（圧電膜）を加圧室上の振動板に接着剤などを用いて接着し、さらに単結晶基板を剥離する必要がある。剥離方法としては、例えば単結晶基板がＭｇＯの場合には、熱燐酸をエッチング液として用いて数時間かけて単結晶基板を除去する。このようなプロセスは接着、剥離などに時間がかかり、また圧電膜の接着均一性や、単結晶基板除去時のエッチング液による圧電素子への影響など、デバイス性能やスループットを下げる要因が多々含まれる。このため、高性能な液体吐出ヘッドを安定して効率よく製作するのが困難であった。

このような問題点を解決するためには、圧電素子を構成する圧電膜を電極層とともに加圧室上の振動板に直接成膜・積層し結晶化させる方法が有効である。耐熱性を有する振動板材料に圧電膜を形成する方法に関しては、特許文献４に、Ｓｉ基板上にスパッタ成膜したＳｉＮ（窒化シリコン）上にジルコニア膜を介してＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を形成する方法が記載されている。しかしこの場合ＳｉＮがＳｉよりも熱膨張係数が小さいためＰＺＴの結晶化段階で熱歪によってＳｉＮ膜がＳｉ基板から剥離してしまうことが懸念される。

また、剥離が発生しない場合には残留応力が膜全体にかかっており、液体流路形成時にＳｉ基板側はエッチングされ、振動板であるＳｉＮ層のみとなったときに基板との間の応力が開放されて割れてしまうことがある。またＳｉＮのかわりに熱酸化層を用いる方法が特許文献５に記載されているが、この場合は液体流路形成やインク等液体供給系の形成が問題となる。
特開平０１−２６６３７６号公報 特開平０４−１３２８８７号公報 特開平１１−１９２７１２号公報 特開平０７−２４６７０５号公報 特開２０００−５２５５０号公報

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、高い耐熱性を有し、ヤング率、熱膨張係数、絶縁性、インク等液体に対する耐性などが優れた石英板を振動板材料として用いて、加圧室等を形成した流路基板に陽極接合により一体化させ、その上に圧電素子の電極層や圧電膜を成膜・積層した安価で高品位な液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、圧電駆動力によって圧力発生室内の液体を加圧し、ノズルから吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧力発生室および前記ノズルを備えた流路基板と、前記流路基板に接合された石英振動板と、前記石英振動板上に積層された電極層および圧電膜を有する圧電素子とを備えており、前記石英振動板が、前記流路基板との接合部に陽イオン層を有し、前記陽イオン層を介して前記流路基板に陽極接合されていることを特徴とする。

石英振動板が１０μｍ以下の厚さに研磨薄片化されているとよい。

圧電膜が厚さ１０μｍ以下のＰＺＴ膜であるとよい。

本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、圧電駆動力によって圧力発生室内の液体を加圧し、ノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、石英振動板に陽イオン層を形成する形成工程と、圧力発生室およびノズルを備えた流路基板を提供する提供工程と、流路基板に陽イオン層を介して石英振動板を陽極接合する接合工程と、石英振動板上に、圧電素子の電極層および圧電膜を積層する積層工程と、を有することを特徴とする。

イオン注入法、熱拡散法またはイオン交換法によって、石英振動板に陽イオン層を形成するとよい。

前記接合工程の後、前記積層工程の前に、前記石英振動板を厚さ１０μｍ以下に研磨薄片化する工程を有するとよい。

耐熱性が高く、耐インク等液体に対する耐性もすぐれた石英板を材料とする石英振動板は、熱膨張率や絶縁性等が流路基板となるＳｉ基板と近いために、石英振動板上に電極層や圧電膜を直接蒸着法等によって成膜・積層するユニモルフ圧電素子に用いると信頼性の高い高性能な液体吐出ヘッドを実現できる。

石英振動板とＳｉ基板の陽極接合を可能にするために、予め石英板に公知のイオン注入法等によって陽イオン層を形成しておき、陽イオン注入面をＳｉ基板に陽極接合する。

図１に示すように、Ｓｉ基板からなる流路基板１は、圧力発生室である加圧室２およびこれに連通するノズル３を有し、加圧室２は、オリフィス４を介してインク等の液体を供給する液体供給室５に連通する。このようにノズル３に連通する加圧室２を有するＳｉ基板からなる流路基板１と、加圧室２に圧力を印加するための石英振動板６上に積層された圧電素子７とを有する液体吐出ヘッドにおいて、圧電素子７は、石英振動板６上に圧電膜８および電極層である下電極９ａ、上電極９ｂを後述するように順次成膜・積層したユニモルフ型圧電素子である。

石英振動板６は、陽イオン層１０を介して陽極接合によって流路基板１に結合され、研磨によって厚さ１０μｍ以下に薄片化されている。陽イオン層１０は、石英振動板６と流路基板１とが接する界面にのみ後述する方法で形成されたものである。

図２は、図１の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する工程図であり、同図の（ａ）に示すように、ノズル３、加圧室２、オリフィス４、液体供給室５等を形成する溝を微細加工したＳｉ基板からなる流路基板１上に、後述するようにイオン注入法等によって形成された陽イオン層１０を有する振動板材料である石英板６ａを陽極接合し、（ｂ）に示すように、石英板６ａを陽極接合後に研磨薄片化して石英振動板６を形成する。続いて石英振動板６上に圧電膜８および上下電極９ａ、９ｂ等を有する圧電素子７を直接形成する。

すなわち、図２の（ｃ）に示すように、まず、下電極９ａを石英振動板６上に成膜し、その上に圧電膜８を成膜する。圧電膜８は、その成膜中もしくは成膜後に、所定の結晶化温度で熱処理して結晶化させ、圧電特性を持たせる。次いで、図２の（ｄ）に示すように、圧電膜８上に上電極９ｂを成膜し、同図の（ｅ）に示すように圧電膜８および上電極９ｂをパターニングし、（ｆ）に示すように、ノズル３の中間部でダイシングソーによって切断し、ノズル３を開口させる。

本実施の形態による液体吐出ヘッドは、ノズルや加圧室を含む液体流路を備えた流路基板と、流路基板に接合され、液体流路の加圧室や液体供給室を覆う石英振動板を備え、加圧室上に石英振動板を変位させるための電気機械変換素子である圧電素子を有するもので、その製造方法は、流路基板に陽極接合する前の振動板材料である石英板の、流路基板と接する界面にのみ陽イオン層を形成する工程と、この陽イオン層を介して石英板と流路基板を陽極接合する工程と、陽極接合後に石英板を研磨薄片化して、所望の厚さの石英振動板を形成する工程と、石英振動板上に圧電素子となる電極層および圧電膜を連続成膜する工程と、電極層および圧電膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする工程とを有する。

陽イオン層の形成は、公知のイオン注入法、熱拡散法、イオン交換法等を用いる。また、研磨薄片化工程において石英振動板の厚さを１０μｍ以下にするとよい。さらに、圧電膜の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されている圧電体材料であるとよい。また、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電膜の厚さは１０μｍ以下であるとよい。

振動板材料として用いられる石英板は、圧電膜の高温結晶化処理温度に耐えることができ、かつ陽イオンを拡散した陽イオン層を介在させることで、Ｓｉ基板からなる流路基板との陽極接合が可能となる。

石英振動板６となる石英板６ａに陽イオンを拡散するためには、図３の（ａ）、（ｂ）に示すように、流路基板１の加圧室２、ノズル３、オリフィス４、液体供給室５等の液体流路に相当する部位を覆うマスクＭを用いたイオン注入、熱拡散、イオン交換などの処理を行い、（ｃ）に示すように、石英板６ａの流路基板１との陽極接合部のみに選択的に陽イオン層１０を形成する。

なお、加圧室等の液体流路の加工は、Ｓｉ（１００）、Ｓｉ（１１０）単結晶基板のＫＯＨ溶液による異方性エッチング、もしくはＳｉ単結晶基板をＳＦ６ガスを主成分とするガスを用いてドライエッチングすることにより任意の領域に高精度に液体流路となる溝を形成することによって行われる。また、ノズルの加工はフォトリソ工程やレーザ加工などで形成してもよいし、ノズルプレートを別に形成して流路基板に接合する方法でもよい。

圧電膜の成膜は例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、ＥＢ蒸着、レーザーアブレーション法のうちから、作製プロセスに適合する手段を採用する。また圧電体材料もチタン酸ジルコン酸鉛に限らず、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、亜鉛酸化物、アルミ窒化物のうち少なくとも１種類以上、電極材料は白金、パラジウム、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウムからなる材料を用いることが可能である。

図３の（ａ）に示すようにＳｉ基板からなる流路基板１上に異方性エッチングやＩＣＰを用いたドライエッチングで液体流路を形成する一方、石英振動板６となる石英板６ａは、流路基板１の液体流路に相当する部分にのみ同図の（ｂ）に示すようにマスクＭ（レジスト、金属、絶縁物）を形成する。そして、イオン注入装置を用いて陽イオン（Ｂ、Ｃｒ、Ｎａ、Ｋａ、ｅｔｃ）を接合面側から数μｍの深さに打ち込み、図３の（ｃ）に示すように陽イオン層１０を形成する。イオン打ち込み量はイオン注入装置に依存するが、数１００ＫｅＶの加速電圧で注入ドーズ量として１０ｅ¹⁴から１０ｅ¹⁵／ｃｍ² を選択した。注入後は表面ダメージ回復のために酸素雰囲気中でアニールを行った。

このような石英板６ａの陽イオン注入面を流路基板１に密着させ温度を６００℃まで昇温し、流路基板１を負電極、石英板６ａを正電極として５００Ｖの直流電圧を印加し、流路基板１と石英板６ａを陽極接合した。その後、石英板６ａを厚み約５μｍまで研磨薄片化し、石英振動板６を形成した。

研磨後、洗浄し、下部電極層である下電極９ａ（Ｐｔ／Ｔｉ）を蒸着し、続いて圧電膜８をスパッタ装置により成膜した後、酸素雰囲気中の加熱炉に入れて７００℃、５時間焼成を行い結晶化させた。最後に上部電極層である上電極９ｂ(Ａｕ／Ｔｉ)を形成した。

加圧室２上に上電極９ｂおよび圧電膜８を残すために、上電極９ｂをフォトレジストによりパターニングしてＡｒイオンミリングあるいはリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、続いて、圧電膜８のエッチングをＨＦ＋ＨＮＯ₃ ＋Ｈ₂ Ｏの混合液を用いて行った。この場合等方性エッチングであるために横方向のエッチング量を考慮してパターニングする必要がある。エッチング終了後にノズル形成を行い、液体吐出供給系および電気実装を行った。

このようにして作製した液体吐出ヘッドにインクを充填し矩形パルスを印加することにより約１０ｍ／ｓの速度で吐出を確認した。本実施例ではノズルをエッジシュータータイプとしたがサイドシュータータイプでも同様な構成をとることができる。

なお、上記の工程において、上電極９ｂと同様に下電極９ａもパターニングを行い加圧室上のみに両電極がある構造としてもよい。このようにすることで、デバイス容量も減少し動作速度が向上する。また、電気実装をする際、圧電素子上にリード端子を形成しなくてすむので効率良く実装を行うことが可能となる。

また、上記工程において、陽イオン層を形成するためのイオン注入に代えて、熱拡散を採用してもよい。熱拡散の場合の拡散源としてはＥＢ蒸着、スパッタ蒸着などにより陽イオンを含む層を全面蒸着を行った後、フォトリソグラフィ技術により加圧室等に相当する部分を開口させるためのマスクを用いたエッチングを行ってもよい。その後マスクを除去してアニール炉に入れ拡散を行う。このような方法をとることで高濃度層を表面に形成でき、かつ大面積にも対応することが可能となった。この他にも陽イオン形成方法としてイオン交換法などがあり、基板サイズ、振動板材料などにより適宜選択することが必要である。

一実施の形態による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）はその模式斜視面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図である。 図１の液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図である。 図２の（ａ）に示す工程を詳しく説明するものである。

符号の説明

１ 流路基板
２ 加圧室
３ ノズル
４ オリフィス
５ 液体供給室
６ 石英振動板
６ａ 石英板
７ 圧電素子
８ 圧電膜
９ａ 下電極
９ｂ 上電極
１０ 陽イオン層

Claims (6)

1. 圧電駆動力によって圧力発生室内の液体を加圧し、ノズルから吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧力発生室および前記ノズルを備えた流路基板と、前記流路基板に接合された石英振動板と、前記石英振動板上に積層された電極層および圧電膜を有する圧電素子とを備えており、前記石英振動板が、前記流路基板との接合部に陽イオン層を有し、前記陽イオン層を介して前記流路基板に陽極接合されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 石英振動板が１０μｍ以下の厚さに研磨薄片化されていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 圧電膜が厚さ１０μｍ以下のＰＺＴ膜であることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
4. 圧電駆動力によって圧力発生室内の液体を加圧し、ノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   石英振動板に陽イオン層を形成する形成工程と、
   圧力発生室およびノズルを備えた流路基板を提供する提供工程と、
   流路基板に陽イオン層を介して石英振動板を陽極接合する接合工程と、
   石英振動板上に、圧電素子の電極層および圧電膜を積層する積層工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
5. イオン注入法、熱拡散法またはイオン交換法によって、石英振動板に陽イオン層を形成することを特徴とする請求項４記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記接合工程の後、前記積層工程の前に、前記石英振動板を厚さ１０μｍ以下に研磨薄片化する工程を有することを特徴とする請求項４または５記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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