JP2009208243A - 圧電装置およびその製造方法、液体噴射ヘッド、並びに、プリンタ - Google Patents

圧電装置およびその製造方法、液体噴射ヘッド、並びに、プリンタ Download PDF

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Abstract

【課題】高い信頼性を有し、安価かつ簡易なプロセスで形成された圧電装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電装置100は、(110)単結晶シリコンからなる基板10と、基板10に形成された駆動IC50と、基板10の上方に形成され、駆動IC50によって駆動される圧電素子40と、を有し、駆動IC50は、トランジスタ70を含むアナログスイッチ52を有し、トランジスタ70は、チャネル方向が実質的に基板10の<001>方向である。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧電装置およびその製造方法、液体噴射ヘッド、並びに、プリンタに関する。
圧電装置を利用したものとしては、例えば、液体噴射ヘッドが知られている。
液体噴射ヘッドは、ノズル孔と連通する圧力室を圧電素子により加圧して、ノズル孔からインク滴を吐出させる。このような液体噴射ヘッドでは、一般的に、圧電素子は駆動IC(半導体集積回路)によって駆動が制御されている。そして、駆動ICは、別体に形成され、圧電素子とボンディングワイヤ等によって電気的に接続される構造が知られている。
特開2004−17600号公報
本発明の目的は、高い信頼性を有し、安価かつ簡易なプロセスで形成された圧電装置およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、上記圧電装置を有する液体噴射ヘッドおよびプリンタを提供することにある。
本発明に係る圧電装置は、
(110)単結晶シリコンからなる基板と、
前記基板に形成された駆動ICと、
前記基板の上方に形成され、前記駆動ICによって駆動される圧電素子と、を含み、
前記駆動ICは、トランジスタを含むアナログスイッチを有し、
前記トランジスタは、チャネル方向が実質的に前記基板の<001>方向であることができる。
本発明に係る圧電装置は、圧力室が形成される基板に駆動ICが形成され、駆動ICに設けられたトランジスタのチャネル方向が、(110)単結晶シリコン基板の<001>方向であるため、高い信頼性を有し、安価かつ簡易なプロセスで形成されることができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの(以下「A」という)の「上方」に他の特定のもの(以下「B」という)を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A上に直接Bを形成するような場合と、A上に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。同様に、「下方」という文言は、A下に直接Bを形成するような場合と、A下に他のものを介してBを形成するような場合とが含まれるものとする。
本発明に係る圧電装置において、
前記トランジスタは、チャネル方向が前記基板の<001>方向に対して±5°の範囲であることができる。
本発明に係る圧電装置において、
前記駆動ICは、平面視において、長辺と短辺とを有し、
前記駆動ICの長辺は、前記トランジスタのチャネル方向と直交する。
本発明に係る圧電装置の製造方法は、
(110)単結晶シリコンからなる基板に駆動ICを形成する工程と、
前記基板の上方に前記駆動ICによって駆動される圧電素子を形成する工程と、を含み、
前記駆動ICは、トランジスタを含むアナログスイッチを有し、
前記トランジスタは、チャネル方向が実質的に前記基板の<001>方向に形成される。
本発明に係る圧電装置の製造方法は、圧力室が形成される基板に駆動ICが形成され、駆動ICに設けられたトランジスタのチャネル方向が、(110)単結晶シリコン基板の<001>方向に形成されるため、圧電装置は、高い信頼性を有し、安価かつ簡易なプロセスで形成されることができる。
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
本発明に係る圧電装置を有し、
さらに、前記基板に形成された圧力室と、
前記基板の上方に形成され、前記圧電素子によって上下方向に振動可能な振動板と、
前記基板の下方に形成され、前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を有することができる。
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記圧力室および前記駆動ICは、平面視において、長辺と短辺とを有し、
前記圧力室の前記長辺の延長線と、前記駆動ICの前記長辺の延長線のなす角が、55°から±5°の範囲である。
本発明に係るプリンタは、
本発明に係る液体噴射ヘッドを有することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
1.圧電装置および液体噴射ヘッド
本実施形態では、本発明に係る圧電装置を、インクジェット式記録ヘッド用の液体噴射ヘッドに適用した例について説明する。
図1は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド200を模式的に示す断面図である。図2は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド200を模式的に示す平面図である。図3は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド200を模式的に示す断面図である。なお、図1および図3は、図2で示したA−A線、B−B線における断面を示す。図4は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド200の駆動IC50を構成するトランジスタ70を模式的に示す平面図である。
液体噴射ヘッド200は、図1に示すように、ノズル板20と、振動板30と、圧電装置100と、を有する。圧電装置100は、基板10と、圧電素子40と、駆動IC50と、を含む。なお、図2では、圧力室12および圧電素子40を4つ示したが、その数は特に限定されない。
基板10は、(110)単結晶シリコン基板からなることができる。(110)単結晶シリコン基板は、基板表面の結晶面が(110)面である単結晶シリコン基板である。基板10は、圧力室12を有することができる。基板10は、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液による異方性エッチングによって、精度良く加工されることができる。
圧力室12は、側面が基板10の表面に対して垂直な(111)面からなることができる。圧力室12は、図2に示すように、平面視において、長辺と短辺とがなす角が約70°である平行四辺形状に形成されることができる。圧力室12は、異方性エッチングにより精度よく加工されるため、高密度に配列することができる。
ノズル板20は、例えば、(100)単結晶シリコン基板であることができる。ノズル板20は、ノズル孔22を有する。ノズル孔22は、圧力室12と連通して形成される。
振動板30は、基板10の上に形成される。振動板30は、例えば、酸化シリコン(SiO)と酸化ジルコニウム(ZrO)とをこの順に積層させた積層体からなる。振動板30の厚さは、例えば、1μm〜2μmである。振動板30は、圧電素子40によって上下方向に振動することにより、圧力室12の容積を変化させることができる。
圧電素子40は、振動板30の上に形成される。圧電素子40は、各圧力室12に対して1つずつ形成される。圧電素子40は、下部電極42と、圧電体層44と、上部電極46と、を有する。
下部電極42は、振動板30の上に形成される。下部電極42は、圧電体層44に電圧を印加するための一方で電極である。下部電極42は、例えば、白金、イリジウム、およびそれらの導電性酸化物からなる。下部電極42は、前記例示した材料の単層でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。下部電極42の厚さは、例えば、50nm〜300nmである。
圧電体層44は、下部電極42の上に形成される。圧電体層44は、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料からなる。圧電体層44は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O:PZT)からなる。圧電体層44として用いられるPZTは、例えば、チタンとジルコニウムの比が約50%(Pb(Zr0.5,Ti0.5)O)である。圧電体層44の厚さは、例えば、300nm〜3000nmである。圧電体層44は、例えば、優先的に(100)に配向している。なお、「優先的に(100)に配向している」とは、(100)にすべての結晶が配向している場合のみならず、例えば、70%以上の結晶が(100)に配向している場合も含むことを意味する。圧電体層44の結晶構造は、例えば、モノクリニック構造である。圧電体層44の分極方向は、例えば、膜面垂直方向(圧電体層44の厚さ方向)に対して、一定の角度だけ傾いているエンジニアード・ドメイン配置である。
上部電極46は、圧電体層44の上に形成される。上部電極46は、圧電体層44に電圧を印加するための他方の電極である。上部電極46の材質としては、下部電極42の材質として例示した材料を用いることができる。上部電極46の厚さは、例えば、50nm〜300nmである。
駆動IC50は、基板10の上面側に形成される。駆動IC50は、基板10に直接形成される。すなわち、別チップで形成された駆動ICを基板10に接合するのではなく、基板10に直接駆動IC50を形成することができる。
図2に示すように、駆動IC50は、トランジスタ70を有するアナログスイッチ52と、レベルシフター54と、ロジック制御IC56と、パッド58を有することができる。駆動IC50は、圧電素子40を駆動させる。具体的には、圧電素子40は、駆動IC50からの駆動信号に従い、下部電極42と上部電極46との間に駆動電圧を印加する。この駆動電圧により、圧電素子40が駆動して振動板30が変位し、圧力室12の容積が変化することによりノズル孔22から液体が吐出される。駆動IC50は、基板10に形成されるため、別体に形成された駆動ICを、例えば、シリコン封し基板に形成し、実装する場合と比較して、液体噴射ヘッド200の小型化が容易となる。
駆動IC50は、平面視において、長辺と短辺とを有する長方形状とすることができる。駆動IC50は、平面視において、長辺が、基板10の〔1−10〕方向と平行に形成される。圧力室12は、平面視において、長辺が、基板10の〔1−12〕方向と平行に形成される。〔1−10〕方向と〔1−12〕方向のなす角は、約55°である。すなわち、駆動IC50は、駆動IC50の長辺の延長線と圧力室12の長辺の延長線のなす角(図2に示す角度α)が約55°になるように形成される。これにより、後述するように、アナログスイッチ52を構成するトランジスタ70(図4参照)は、チャネル方向が基板10上で電子の移動度が最大となる方向に形成することができる。なお、駆動IC50の長辺と圧力室12の長辺のなす角は、厳密に約55°でなければならないわけでなく、±5°の範囲であれば、同様あるいは類似した効果を得ることができる。
図4に示すように、トランジスタ70は、基板10の上面側である(110)結晶面に形成される。トランジスタ70は、駆動IC50に設けられたアナログスイッチ52を構成する。アナログスイッチ52は、駆動信号に基づいて、圧電素子40に駆動電圧を印加するか否かを制御するスイッチとしての機能を有する。トランジスタ70は、電界効果型トランジスタであることができる。トランジスタ70は、ゲート電極72と、ソース74と、ドレイン76とを有する。図2に示すように、トランジスタ70は、駆動IC50の長辺と直交する方向にチャネル方向が配置される。トランジスタ70のゲート長は、例えば、約5μm、ゲート幅は約300μmであることができる。
トランジスタ70は、チャネル方向が実質的に基板10の<001>方向に形成されることができる。トランジスタ70は、例えば、チャネル方向が基板10の上面である(110)結晶面の〔001〕方向に平行に形成されることができる。(110)結晶面では、<001>方向の電子の移動度が最大となる。すなわち、(110)結晶面では、<001>方向の移動度は、0.095m/Vsであり、移動度が最小となる<110>方向と比較して、移動度は約1.5倍程度高くなる。トランジスタ70は、チャネル方向が基板10上で電子の移動度が最大となる<001>方向に形成されるため、チャネル方向が他の方向に形成された場合と比較して、抵抗値が低くなり、発熱が抑えられる。これにより、トランジスタ70を有する駆動IC50は、高効率で高い信頼性を有することができる。なお、チャネル方向は、基板10の<001>方向に対して±5°の範囲であれば、同様あるいは類似した効果を得ることができる。
配線60は、駆動IC50と圧電素子40とを電気的に接続する。具体的には、配線60は、駆動IC50と圧電素子40の上部電極46とを電気的に接続する。駆動IC50は、基板10に形成されるため、配線60は、スパッタ法、めっき法等の公知の半導体製造プロセスで形成することができる。したがって、液体噴射ヘッド200は、ボンディングワイヤが不要となるため、小型化が容易となる。
液体噴射ヘッド200は、例えば、以下のような特徴を有する。
圧電装置100は、駆動IC50が基板10に形成されることができる。これにより、駆動IC50と圧電素子40とを電気的に接続する配線60を、公知の半導体製造プロセスで形成することができる。したがって、圧電装置100は、ボンディングワイヤの形成工程が不要となるため、安価かつ簡易なプロセスで形成され、かつ小型化が容易となる。
圧電装置100は、アナログスイッチ52を構成するトランジスタ70のチャネル方向が、実質的に基板10の<001>方向に形成される。すなわち、トランジスタ70のチャネル方向は、基板10上で電子の移動度が最大となる方向に形成される。チャネル方向が他の方向に形成された場合と比較して、トランジスタ70は、抵抗値が低くなるため、発熱が抑えられる。これにより、トランジスタ70を有する駆動IC50は、高効率で高い信頼性を有することができる。
圧電装置100は、駆動IC50の長辺の延長線と圧力室12の長辺の延長線のなす角が約55°から±5°の範囲になるように形成される。これにより、駆動IC50のアナログスイッチ52を構成するトランジスタ70は、チャネル方向が電子の移動度が最大となる方向に形成されることができる。したがって、トランジスタ70を有する駆動IC50は、高効率で高い信頼性を有することができる。
2.圧電装置および液体噴射ヘッドの製造方法
次に、本発明に係る圧電装置100を適用した本実施形態に係る液体噴射ヘッド200の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5および図6は、本実施形態に係る液体噴射ヘッド200の製造工程を概略的に示す断面図である。
図5に示すように、基板10の上面側に、駆動IC50および振動板30を形成する。駆動IC50は、例えば、公知の方法により形成される。駆動IC50は、半導体製造技術を利用したMEMS(Micro Electro Mechanical System)として製造されることができる。すなわち、例えば、別チップで形成された駆動ICを基板10に接合するのではなく、基板10に直接駆動IC50を形成することができる。駆動IC50に設けられたアナログスイッチ52を構成するトランジスタ70は、公知の方法によって形成される。
振動板30は、例えば、酸化シリコンと酸化ジルコニウムとを、この順に積層することにより形成される。酸化シリコンは、例えば、スパッタ法あるいは熱酸化法により形成される。酸化ジルコニウムは、例えば、スパッタ法により形成される。
図6に示すように、振動板30上に圧電素子40を形成する。圧電素子40は、下部電極42、圧電体層44および上部電極46を、この順に積層することにより形成される。
下部電極42および上部電極46は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法により形成される。
圧電体層44は、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法により形成される。圧電体層44を形成するための焼成温度は、例えば、700℃程度である。
次に、上部電極46と駆動IC50とを電気的に接続する配線60を形成する。配線60は、例えば、上部電極46の上面および側面、圧電体層44の側面、振動板30の上面ならびに基板10の上面に形成されることができる。配線60は、スパッタ法、めっき法などの公知の半導体製造プロセスにより形成される。
図1に示すように、基板10に圧力室12を形成する。圧力室12は、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液による異方性エッチングにより形成されることができる。異方性エッチングは、(111)面のエッチングレートが(110)面のエッチングレートと比較して非常に小さいため、(111)面がほとんどエッチングされないという性質を利用して行われる。具体的には、圧力室12は、基板10を異方性エッチングすることにより、基板10の厚み方向に(110)面のエッチングが進み、基板10の表面に対して垂直な(111)面が出現することで形成される。基板10の厚さ方向のエッチングは、振動板30がエッチングストッパ層となることにより制御される。基板10の表面に対して垂直な(111)面は、圧力室12の側面を形成する。圧力室12は、図2に示すように、平面視において、(111)面からなる長辺と他の(111)面からなる短辺とがなす角が約70°である平行四辺形状に精度よく形成されることができる。圧力室12は、異方性エッチングにより、精度よく加工されるため、高密度に配列することができる。
次に、基板10と、ノズル孔22を有するノズル板20とを接合させる。ノズル孔22は、ノズル板20をパターニングして形成される。パターニングは、例えば、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により行われる。接合は、例えば、公知の接着材または溶着などにより行われる。
以上の工程により、圧電装置100を有する液体噴射ヘッド200を製造することができる。
圧電装置100の製造方法では、駆動IC50が基板10に形成される。したがって、配線60を公知の半導体プロセスで形成することができるため、ワイヤボンディングの工程が不要となり、圧電装置100は、安価かつ簡易なプロセスで形成され、かつ小型化が容易となる。
圧電装置100の製造方法では、基板10が(110)単結晶シリコン基板であることができる。このため、基板10は、水酸化カリウムによる異方性エッチングにより、精度良く加工されることができる。よって、圧電装置100は、圧力室12を高密度に形成することができる。
3.プリンタ
次に、本発明に係る圧電装置を有する液体噴射ヘッドを適用したプリンタについて説明する。ここでは、本実施形態に係るプリンタ300がインクジェットプリンタである場合について説明する。
図7は本実施形態に係るプリンタ300を概略的に示す斜視図である。
プリンタ300は、ヘッドユニット330と、駆動部310と、制御部360と、を含む。また、プリンタ300は、装置本体320と、給紙部350と、記録用紙Pを設置するトレイ321と、記録用紙Pを排出する排出口322と、装置本体320の上面に配置された操作パネル370と、を含むことができる。
ヘッドユニット330は、例えば、上述した液体噴射ヘッド200から構成されるインクジェット式記録ヘッド(以下単に「ヘッド」ともいう)を有する。ヘッドユニット330は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ331と、ヘッドおよびインクカートリッジ331を搭載した運搬部(キャリッジ)332と、を備える。
駆動部310は、ヘッドユニット330を往復動させることができる。駆動部310は、ヘッドユニット330の駆動源となるキャリッジモータ341と、キャリッジモータ341の回転を受けて、ヘッドユニット330を往復動させる往復動機構342と、を有する。
往復動機構342は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸344と、キャリッジガイド軸344と平行に延在するタイミングベルト343と、を備える。キャリッジガイド軸344は、キャリッジ332が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ332を支持している。さらに、キャリッジ332は、タイミングベルト343の一部に固定されている。キャリッジモータ341の作動により、タイミングベルト343を走行させると、キャリッジガイド軸344に導かれて、ヘッドユニット330が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
制御部360は、ヘッドユニット330、駆動部310および給紙部350を制御することができる。
給紙部350は、記録用紙Pをトレイ321からヘッドユニット330側へ送り込むことができる。給紙部350は、その駆動源となる給紙モータ351と、給紙モータ351の作動により回転する給紙ローラ352と、を備える。給紙ローラ352は、記録用紙Pの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ352aおよび駆動ローラ352bを備える。駆動ローラ352bは、給紙モータ351に連結されている。制御部360によって供紙部350が駆動されると、記録用紙Pは、ヘッドユニット330の下方を通過するように送られる。
ヘッドユニット330、駆動部310、制御部360および給紙部350は、装置本体320の内部に設けられている。
プリンタ300は、例えば、以下のような特徴を有する。
プリンタ300は、本発明に係る圧電装置100を有することができる。本発明に係る圧電装置100は、上述のように、高い信頼性を有し、安価かつ簡易なプロセスで形成されることができる。そのため、信頼性の高く、安価かつ簡易なプロセスで形成されるプリンタ300を得ることができる。
なお、上述した例では、プリンタ300がインクジェットプリンタである場合について説明したが、本発明のプリンタは、工業的な液体吐出装置として用いられることもできる。この場合に吐出される液体(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。
また、本発明の圧電装置は、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る液体噴射ヘッドを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液体噴射ヘッドの駆動ICを構成するトランジスタを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る液体噴射の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る液体噴射の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係るプリンタを模式的に示す斜視図。
符号の説明
10 基板、12 圧力室、20 ノズル板、22 ノズル孔、30 振動板、40 圧電素子、42 下部電極、44 圧電体層、46 上部電極、50 駆動IC、52 アナログスイッチ、54 レベルシフター、56 ロジック制御IC、58 パッド、60 配線、70 トランジスタ、72 ゲート電極、74 ソース、76 ドレイン、100 圧電装置、200 液体噴射ヘッド、300 プリンタ、310 駆動部、320 装置本体、321 トレイ、322 排出口、330 ヘッドユニット、331 インクカートリッジ、332 キャリッジ、341 キャリッジモータ、342 往復動機構、343 タイミングベルト、344 キャリッジガイド軸、350 給紙部、351 給紙モータ、352 給紙ローラ、360 制御部、370 操作パネル

Claims (7)

  1. (110)単結晶シリコンからなる基板と、
    前記基板に形成された駆動ICと、
    前記基板の上方に形成され、前記駆動ICによって駆動される圧電素子と、を含み、
    前記駆動ICは、トランジスタを含むアナログスイッチを有し、
    前記トランジスタは、チャネル方向が実質的に前記基板の<001>方向である、圧電装置。
  2. 請求項1において、
    前記トランジスタは、チャネル方向が前記基板の<001>方向に対して±5°の範囲である、圧電装置。
  3. 請求項1または2において、
    前記駆動ICは、平面視において、長辺と短辺とを有し、
    前記駆動ICの長辺は、前記トランジスタのチャネル方向と直交する、圧電装置。
  4. (110)単結晶シリコンからなる基板に駆動ICを形成する工程と、
    前記基板の上方に前記駆動ICによって駆動される圧電素子を形成する工程と、を含み、
    前記駆動ICは、トランジスタを含むアナログスイッチを有し、
    前記トランジスタは、チャネル方向が実質的に前記基板の<001>方向に形成される、圧電装置の製造方法。
  5. 請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電装置を有し、
    さらに、前記基板に形成された圧力室と、
    前記基板の上方に形成され、前記圧電素子によって上下方向に振動可能な振動板と、
    前記基板の下方に形成され、前記圧力室と連通するノズル孔を有するノズル板と、を有する、液体噴射ヘッド。
  6. 請求項5において、
    前記圧力室および前記駆動ICは、平面視において、長辺と短辺とを有し、
    前記圧力室の前記長辺の延長線と、前記駆動ICの前記長辺の延長線のなす角が、55°から±5°の範囲である、液体噴射ヘッド。
  7. 請求項5または6に記載の液体噴射ヘッドを有する、プリンタ。
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