JP2009292003A - Liquid droplet delivering head, inkjet printer, method for manufacturing liquid droplet delivering head, and method for manufacturing inkjet printer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液滴吐出ヘッド、インクジェットプリンタ、液滴吐出ヘッドの製造方法およびインクジェットプリンタの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a droplet discharge head, an inkjet printer, a method for manufacturing a droplet discharge head, and a method for manufacturing an inkjet printer.
液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドは、キャビティ(圧力室)を圧電素子により加圧し、その内部のインク(吐出液)をキャビティ底部のノズル孔から吐出する部材である。このような、インクジェットヘッドは、インクジェットプリンタ等に利用され、ノズル孔から吐出されるインクによって印刷がなされる。 An ink jet head, which is an example of a droplet discharge head, is a member that pressurizes a cavity (pressure chamber) with a piezoelectric element and discharges ink (discharge liquid) from the nozzle hole at the bottom of the cavity. Such an ink-jet head is used in an ink-jet printer or the like, and is printed with ink ejected from nozzle holes.
例えば、上記構成のインクジェットヘッドとして、例えば、下記特許文献1には、ノズル開口に連通する圧力発生室12の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室12に対応する領域に下電極60、圧電体層70及び上電極80を有するインクジェットヘッドが記載されている(図7参照)。
本発明者は、液滴吐出ヘッド、特に、インクジェットプリンタに用いるヘッド部に関する研究・開発を行っている。 The inventor has conducted research and development on a droplet discharge head, particularly a head portion used in an ink jet printer.
例えば、上記特許文献1にも記載のとおり、下部電極(下電極60)は、各圧電素子(TFP:Thin Film Piezo)の共通電極として一連の大パターンとして形成されることが多い。
For example, as described in
一方、高精細印刷を目的としてノズル密度を高めようとすると、必然的にキャビティ幅を狭くする必要がある。このキャビティ幅を狭くすると、拘束力が実行的に大きくなるため弾性板(振動板)の変位量が低下し、所望の圧電変位量を得ることができなくなる。その結果インク吐出量が低下してしまう。 On the other hand, in order to increase the nozzle density for the purpose of high-definition printing, it is necessary to narrow the cavity width. If the cavity width is narrowed, the restraining force increases effectively, so that the amount of displacement of the elastic plate (vibrating plate) decreases, and a desired amount of piezoelectric displacement cannot be obtained. As a result, the ink discharge amount decreases.
例えば、キャビティのノズル密度を2倍にする、すなわちキャビティ幅を1/2にする際には、同じ圧電変位量を得るために圧電体膜の下層に位置する弾性板の膜厚を約1/2にすることが求められる。弾性板の場合、その膜厚を1/2にしても、弾性板としての機能を果たし得るが、圧電体膜の下層に位置する下部電極に関しては、圧電体膜に対する基礎部としての機能があるため、単純に薄くすることはできない。 For example, when the nozzle density of the cavity is doubled, that is, when the cavity width is halved, the thickness of the elastic plate positioned below the piezoelectric film is reduced to about 1/2 in order to obtain the same amount of piezoelectric displacement. 2 is required. In the case of an elastic plate, even if the film thickness is halved, it can function as an elastic plate, but the lower electrode located in the lower layer of the piezoelectric film has a function as a base for the piezoelectric film. Therefore, it cannot simply be thinned.
即ち、下部電極が薄いと、圧電体膜(PZT)の結晶配向性が低下し、実効的な圧電定数が低下する。したがって、結局のところ変位量が低下してしまう。 That is, when the lower electrode is thin, the crystal orientation of the piezoelectric film (PZT) is lowered and the effective piezoelectric constant is lowered. As a result, the amount of displacement decreases after all.
そこで、本発明に係る具体的態様は、その特性を向上、特に、変位量を向上させることができる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。また、高性能の液滴吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, a specific aspect of the present invention aims to provide a droplet discharge head that can improve the characteristics, and in particular, can improve the amount of displacement. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a high-performance droplet discharge head.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の上部に配置され第1方向に並ぶ第1および第2の圧電素子と、前記振動板の下部に、隔壁により区画され、前記第1および第2の圧電素子にそれぞれ対応して配置される第1および第2のキャビティと、を有し、前記第1および第2の圧電素子は、それぞれ振動板側から下部電極、圧電体膜および上部電極の積層構造を有し、前記圧電体膜は、前記キャビティの前記第1方向の略中央部に配置され、前記圧電体膜の前記第1方向の幅は、前記キャビティの前記第1方向の幅より小さく、前記圧電体膜の前記第1方向の両側に前記キャビティの形成領域であって、前記圧電体膜の形成領域とならない第1領域を有し、前記下部電極は、前記第1および第2の圧電素子に共通の導電膜であり、前記第1の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第1電極部と、前記第2の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第2電極部と、前記第1領域に配置された開口部と、前記開口部と交互に配置され、前記第1電極部と第2電極部とを接続する橋部と、を有する。 The droplet discharge head according to the present invention is partitioned by first and second piezoelectric elements arranged on the upper part of the vibration plate and arranged in the first direction, and at the lower part of the vibration plate by a partition, and the first and second First and second cavities arranged corresponding to the piezoelectric elements respectively, and the first and second piezoelectric elements are respectively formed of a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode from the diaphragm side. The piezoelectric film is disposed at a substantially central portion in the first direction of the cavity, and the width of the piezoelectric film in the first direction is larger than the width of the cavity in the first direction. A first region which is small and has a cavity forming region on both sides of the piezoelectric film in the first direction and which does not serve as the piezoelectric film forming region; A conductive film common to the piezoelectric elements of the first, A first electrode portion disposed in the piezoelectric film forming region of the electric element; a second electrode portion disposed in the piezoelectric film forming region of the second piezoelectric element; and an opening portion disposed in the first region. And a bridge portion arranged alternately with the opening and connecting the first electrode portion and the second electrode portion.
かかる構成によれば、圧電体膜形成領域間において、開口部と橋部を交互に配置することで、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない第1領域の下部電極が抜かれた構成となり、変位量を向上させることができる。また、橋部により各圧電素子部の下部電極が接続されているため、各圧電素子に均一に共通電位を印加することができる。なお、開口部を薄膜部とし、薄膜部と厚膜部(橋部)を交互に配置してもよい。 According to such a configuration, the lower electrode in the first region where the piezoelectric film forming region and the cavity forming region do not overlap by disposing the openings and the bridge portions alternately between the piezoelectric film forming regions. It becomes the structure from which was removed, and the amount of displacement can be improved. Moreover, since the lower electrode of each piezoelectric element part is connected by the bridge part, a common potential can be uniformly applied to each piezoelectric element. The openings may be thin film portions, and the thin film portions and thick film portions (bridge portions) may be alternately arranged.
例えば、前記下部電極は、さらに、前記第1および第2の圧電素子の前記キャビティ形成領域間において、前記橋部間を前記第1方向と交差する第2方向に接続する接続部を有する。このように、少なくとも前記第1領域に開口部を有せばよく、キャビティ形成領域間に接続部を有する構成としてもよい。 For example, the lower electrode further includes a connection portion that connects the bridge portions in a second direction intersecting the first direction between the cavity formation regions of the first and second piezoelectric elements. As described above, it is sufficient that at least the first region has an opening, and a connection portion may be provided between the cavity forming regions.
例えば、前記圧電体膜は、前記第1方向と交差する第2方向に長辺を有する略矩形状である。このように、圧電体膜を略矩形状としてもよい。 For example, the piezoelectric film has a substantially rectangular shape having a long side in a second direction intersecting the first direction. In this way, the piezoelectric film may be substantially rectangular.
好ましくは、前記下部電極は、格子状のパターンである。このように、下部電極を格子状のパターンとしてもよい。 Preferably, the lower electrode has a lattice pattern. Thus, the lower electrode may be a lattice pattern.
例えば、前記下部電極は、白金(Pt)又はイリジウム(Ir)を含有する。このように、変形し難い電極材料を用いても変位量を確保することができる。 For example, the lower electrode contains platinum (Pt) or iridium (Ir). As described above, even when an electrode material that is not easily deformed is used, the amount of displacement can be secured.
本発明に係るインクジェットプリンタは、インク吐出ヘッドとして上記液滴吐出ヘッドを有する。かかる構成によれば、インクジェットプリンタの特性の向上を図ることができる。 The ink jet printer according to the present invention has the droplet discharge head as an ink discharge head. According to this configuration, it is possible to improve the characteristics of the ink jet printer.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、基板上に振動板を形成する工程と、前記振動板上に、導電性膜を形成し、前記導電性膜を選択的に除去することにより、開口部を有する下部電極を形成する工程と、前記開口部を除く領域上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第1方向の幅が前記圧電体膜の前記第1方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、を有する。 The method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes a step of forming a vibration plate on a substrate, a conductive film is formed on the vibration plate, and the conductive film is selectively removed. Forming a lower electrode having an opening, forming a piezoelectric film on a region excluding the opening, forming an upper electrode on the piezoelectric film, and forming a lower electrode on the diaphragm. By selectively removing the substrate, a cavity corresponding to the piezoelectric film is formed, the width in the first direction is larger than the width in the first direction of the piezoelectric film, and the cavity overlaps with the opening. And a step of performing.
かかる製造方法によれば、圧電体膜形成領域間において、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない領域(腕部)の下部電極が抜かれた構成となり、変位量の大きい液滴吐出ヘッドを製造することができる。なお、前記開口部を完全に開口せず、薄膜部としてもよい。 According to this manufacturing method, the lower electrode of the region (arm portion) where the piezoelectric film forming region and the cavity forming region do not overlap is removed between the piezoelectric film forming regions, and the displacement amount is large. A droplet discharge head can be manufactured. The opening may not be completely opened but may be a thin film portion.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、基板上に振動板を形成する工程と、前記振動板上に、導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜上に圧電体膜を形成する工程と、前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、前記圧電体膜の両側の前記導電性膜を選択的に除去することにより開口部を有する下部電極を形成する工程と、前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第1方向の幅が前記圧電体膜の前記第1方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、を有する。 The method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes a step of forming a diaphragm on a substrate, a step of forming a conductive film on the diaphragm, and a piezoelectric film on the conductive film. Forming an upper electrode on the piezoelectric film; forming a lower electrode having an opening by selectively removing the conductive film on both sides of the piezoelectric film; A cavity corresponding to the piezoelectric film by selectively removing the substrate below the diaphragm, wherein a width in a first direction is larger than a width in the first direction of the piezoelectric film, and the opening Forming a cavity overlapping the portion.
この場合も、圧電体膜形成領域間において、前記圧電体膜の形成領域と前記キャビティの形成領域とが重ならない領域(腕部)の下部電極が抜かれた構成となり、変位量の大きい液滴吐出ヘッドを製造することができる。このように、圧電体膜の形成後、下部電極の開口部を形成してもよい。なお、前記開口部を完全に開口せず、薄膜部としてもよい。 Also in this case, the lower electrode of the region (arm portion) where the piezoelectric film forming region and the cavity forming region do not overlap is removed between the piezoelectric film forming regions, and the droplet discharge with a large displacement amount is performed. A head can be manufactured. Thus, after forming the piezoelectric film, the opening of the lower electrode may be formed. The opening may not be completely opened but may be a thin film portion.
例えば、前記圧電体膜は、下部電極を下地膜として結晶成長する。かかる方法によれば、圧電体膜形成領域においては、下部電極の膜厚が確保されているため、圧電体膜の結晶配向性が向上し、圧電定数を向上させることができる。 For example, the piezoelectric film is crystal-grown using the lower electrode as a base film. According to this method, since the film thickness of the lower electrode is secured in the piezoelectric film forming region, the crystal orientation of the piezoelectric film can be improved and the piezoelectric constant can be improved.
例えば、前記圧電体膜は、前記第1方向と交差する第2方向に長辺を有する略矩形状である。このように、圧電体膜を略矩形状としてもよい。 For example, the piezoelectric film has a substantially rectangular shape having a long side in a second direction intersecting the first direction. In this way, the piezoelectric film may be substantially rectangular.
好ましくは、前記下部電極は、格子状のパターンである。このように、下部電極を格子状のパターンとしてもよい。 Preferably, the lower electrode has a lattice pattern. Thus, the lower electrode may be a lattice pattern.
例えば、前記下部電極は、白金(Pt)又はイリジウム(Ir)を含有する。このように、変形し難い電極材料を用いても変位量を確保することができる。 For example, the lower electrode contains platinum (Pt) or iridium (Ir). As described above, even when an electrode material that is not easily deformed is used, the amount of displacement can be secured.
例えば、前記圧電体膜は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜である。このように、PZT膜を用いてもよい。 For example, the piezoelectric film is a PZT (lead zirconate titanate) film. Thus, a PZT film may be used.
本発明に係るインクジェットプリンタの製造方法は、上記液滴吐出ヘッドの製造方法を有する。かかる方法によれば、高性能のインクジェットプリンタを製造することができる。 An ink jet printer manufacturing method according to the present invention includes the above-described droplet discharge head manufacturing method. According to this method, a high-performance inkjet printer can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の機能を
有するものには同一もしくは関連の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same or related code | symbol is attached | subjected to what has the same function, and the repeated description is abbreviate | omitted.
(液滴吐出ヘッド構成)
図1は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの構成を示す要部断面図および平面図等である。図1(A)に示すように、本実施の形態の液滴吐出ヘッドは、振動板13の表面(第1面)上に配置された圧電素子Piと、振動板13の裏面(第2面)に、隔壁(11)により区画され、圧電素子Piに対応して配置されるキャビティCaと、キャビティCaを塞ぎ、ノズル孔21aを有するノズルプレート21を有する。
(Droplet ejection head configuration)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part and a plan view showing the configuration of a droplet discharge head according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, the droplet discharge head according to the present embodiment includes a piezoelectric element Pi disposed on the surface (first surface) of the
振動板13は、例えば、酸化シリコン(SiO2)膜13aおよび酸化ジルコニウム(ZrO2)膜13bの積層膜である。
The
また、圧電素子Piは、振動板13側から下部電極15、圧電体膜17および上部電極19積層構造を有し、圧電体膜17は、キャビティCaの略中央部に配置され、その両側には腕部20と呼ばれる、キャビティ形成領域CAであって、圧電体膜17が形成されない領域が存在する。具体的には、圧電体膜17の幅(Wp1)は、キャビティCaの幅(Wc1)より小さく、圧電体膜の両側に、腕部20として、「Wc1−Wp1」の半分の幅(例えば、幅約7μm)の領域が存在する。
The piezoelectric element Pi has a laminated structure of a
この腕部20は、振動板13の変位量を大きくするために設けられる。圧電体膜17の幅(Wp1)と変位量との関係は、例えば、図1(D)に示す関係があり、Wc1>Wp1の範囲において最大値を有する。
The
ここで、本実施の形態の液滴吐出ヘッドにおいては、図1(B)に示すように、腕部20において、下部電極15を抜いた構造となっているため、図1(B)の破線で示すように下部電極15による拘束力が緩和され、振動板13の変位量を大きくすることができる。
Here, in the droplet discharge head of the present embodiment, as shown in FIG. 1B, the
この下部電極15は、図1(C)に示すように、開口部OA1として部分的に除去されており(図1(B))、他の部分においては、下部電極15間の電気的導通を図る橋部BAとして延在している(図1(A))。
As shown in FIG. 1 (C), the
例えば、図1(C)に示すように、下部電極15を格子状とし、開口部OA1と橋部BAを交互に配置することで、変位量の確保と、電気的導通の確保との双方を図ることができる。例えば、図1(A)は、図1(C)のA−A部の、図1(B)は、図1(C)のB−B部の断面に対応する。
For example, as shown in FIG. 1C, the
また、変位量を大きくできるため、低圧駆動が可能となる、また、駆動の制御性を向上させることができる。さらに、変位量を大きくできるため、ヘッドの微細化や高集積化にも容易に対応することができる。 In addition, since the amount of displacement can be increased, low-pressure driving is possible, and drive controllability can be improved. Furthermore, since the amount of displacement can be increased, it is possible to easily cope with miniaturization and high integration of the head.
なお、図1(A)等には、一の圧電素子Piのみ記載されているが、通常の液滴吐出ヘッドには、圧電素子Piが一列又は複数列に配置されている、例えば、1インチ間に360〜600個の圧電素子が配置される。 In FIG. 1A and the like, only one piezoelectric element Pi is shown. However, in a normal droplet discharge head, piezoelectric elements Pi are arranged in one or more rows, for example, 1 inch. Between 360 and 600 piezoelectric elements are arranged therebetween.
(液滴吐出ヘッドの製造工程)
図2〜図8は、本実施の形態の液滴吐出ヘッド(液体吐出ヘッド、インクジェットヘッド)の製造方法を示す工程断面図又は平面図である。図2〜図8を参照しながら、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの製造方法について説明するとともに、その構成をより明確にする。
(Droplet ejection head manufacturing process)
2 to 8 are process cross-sectional views or plan views showing a method for manufacturing a droplet discharge head (liquid discharge head, ink jet head) according to the present embodiment. The manufacturing method of the droplet discharge head of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図2(A)に示すように、第1基板(流路形成用基板、加工基板、側壁材)として、例えば面方位(110)のシリコン基板11を準備する。なお、第1基板として、シリコン以外の他の材料基板を用いてもよい。次いで、図2(B)および(C)に示すように、シリコン基板11の表面(第1面)上に、振動板(振動膜、弾性板、弾性膜、アクチュエータ板)13として、酸化シリコン(SiO2)膜13aおよび酸化ジルコニウム(ZrO2)膜13bの積層膜を形成する。例えば、シリコン基板11の表面を熱酸化することにより膜厚1000nm程度の酸化シリコン膜13aを形成する(図2(B))。次いで、例えば、酸化シリコン膜13a上にスパッタリング法によりジルコニウム膜を堆積し、このジルコニウム膜を熱酸化することにより膜厚500nm程度の酸化ジルコニウム膜13bを形成する(図2(C))。なお、他の絶縁膜を用いて振動板13を構成してもよい。また、単一の絶縁膜(例えば、SiO2)で振動板13を構成してもよい。
As shown in FIG. 2A, for example, a
かかる振動板13は、圧電体膜17の変位をうけ、振動板自身がたわみ、キャビティCaの体積を変える役割をはたす。上記酸化ジルコニウム膜13bは、振動板としての機能に加えて、圧電体膜(PZT膜)17を焼成するときに発生する鉛(Pb)原子の拡散を防止する役目を担っている。Pb原子が拡散すると、SiO2層界面でPbO層が形成され、このPbO層により密着性が低下し剥離の原因となる。
The
次いで、図3(A)に示すように、振動板13上に、下部電極15として、例えば、イリジウム(Ir)膜および白金(Pt)の積層膜を形成する。例えば、Ir膜をスパッタリング法で膜厚10nm程度堆積した後、Pt膜をスパッタリング法で膜厚150nm程度堆積する。次いで、図3(B)および(C)に示すように、上記積層膜を、開口部OA1を有する格子状にパターニングする。即ち、上記積層膜上にフォトレジスト膜を形成し、露光・現像(フォトリソグラフィ)することにより格子状のフォトレジスト膜を形成する。次いで、当該フォトレジスト膜をマスクに、上記積層膜をエッチングすることにより下部電極15を形成する。次いで、残存するフォトレジスト膜を除去する。このフォトレジスト膜の形成から除去までの一連の工程をパターニングという。
Next, as shown in FIG. 3A, a laminated film of, for example, an iridium (Ir) film and platinum (Pt) is formed on the
ここで、図3および図4を参照しながら、下部電極15の形状(パターン)について説明する。下部電極15は、図3(C)に示すように、その外周が略矩形であり、内部に複数の開口部OA1を有する。開口部OA1は略矩形であり、所定の間隔をおいてアレイ状に配置されている。x方向に並ぶ開口部OA1間は、橋部(接続領域)BAとなる。橋部BAのx方向の幅をa、開口部OA1のx方向の幅をbとすると、例えば、aは20μm、bは100μm程度である。
Here, the shape (pattern) of the
また、別の言い方をすれば、下部電極15の形状は、格子状である。x方向に延在する部分(配線)とy方向に延在する部分(配線)が交差した形状を有する。y方向に延在する部分の幅はaである。図4中の、PAは、圧電体膜形成領域であり、後述の圧電体膜17が形成される領域である。また、CAは、キャビティ形成領域であり、後述のキャビティCaが形成される領域である。前述のx方向に延在する部分の幅は、圧電体膜形成領域PAの幅(Wp1)となる。
In other words, the shape of the
図4(A)に示すように、圧電体膜形成領域PAおよびキャビティ形成領域CAは、x方向に長辺を有する略矩形状であり、圧電体形成領域PAは、キャビティ形成領域CAのy方向の略中央部に配置される。即ち、キャビティ形成領域CAのy方向の両側には、圧電体膜が存在しない領域がある。したがって、下部電極15のパターニングにおいては、
圧電体形成領域PAのy方向の両側のキャビティ形成領域CA、言い換えれば、キャビティ形成領域CAであって、圧電体形成領域PAでない領域(腕部20、図4(B)の斜線部)に、開口部OA1および橋部BAを交互に配置する。
As shown in FIG. 4A, the piezoelectric film forming area PA and the cavity forming area CA have a substantially rectangular shape having long sides in the x direction, and the piezoelectric body forming area PA is in the y direction of the cavity forming area CA. It is arrange | positioned in the approximate center part. That is, there are areas where no piezoelectric film exists on both sides of the cavity forming area CA in the y direction. Therefore, in patterning the
In the cavity forming area CA on both sides in the y direction of the piezoelectric body forming area PA, in other words, in the cavity forming area CA that is not the piezoelectric body forming area PA (
これにより、前述したとおり、腕部20が下部電極15の拘束力から開放され、変位しやすくなる(図1(B)参照)。特に、本実施の形態の下部電極17の材料である、PtやIrは変形し難い(ヤング率200〜300GPa)が、上記構成により、かかる材料を用いても変位量を確保することができる。
Thereby, as described above, the
一方、各圧電素子Pi(電極部、セグメント)間は、橋部BAにより接続されるため、下部電極部間の電気的導通を図ることができ、また、均一に一度に各圧電素子Piに電位を印加することができる。また、橋部BAにより形成面積が増加し、電極の低抵抗化を図ることができる。 On the other hand, since each piezoelectric element Pi (electrode part, segment) is connected by a bridge part BA, it is possible to achieve electrical conduction between the lower electrode parts, and to each piezoelectric element Pi uniformly at once. Can be applied. In addition, the formation area is increased by the bridge portion BA, and the resistance of the electrode can be reduced.
次いで、図5(A)に示すように、下部電極15上に圧電体膜17として、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zr1-xTix)O3)膜を形成する。PZT膜は、例えば、膜の構成する金属の有機金属化合物溶液を下部電極15上に塗布した後、乾燥・焼成する、いわゆる、ゾル・ゲル法により形成する。焼成温度は、例えば700℃程度とし、ZrとTiの構成比が、それぞれ約50%(x=0.5)で、膜厚1.0μm程度のPZT膜を形成する。このPZT膜は、(100)に優先配向した、モノクリニック構造であり、分極方向は、膜の面に垂直な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。PZT膜の格子定数はほぼ4.05Åであるが、具体的には面に垂直方向をc1、面内方向をa1とすると、c1<a1である。このように、本実施の形態においては、下部電極15の開口部OA1により変位量を向上させることができるため、圧電体膜形成領域PAの下部電極15の膜厚(例えば120nm以上の膜厚)を確保することができる。よって、PZT膜の結晶配向性の維持・向上により、圧電特性を向上させることができる。
Next, as shown in FIG. 5A, as the
次いで、図5(B)に示すように、圧電体膜17上に上部電極19として、例えば、Ir膜を形成する。Ir膜は、スパッタリング法を用いて、膜厚200nm程度堆積する。次いで、圧電体膜17および上部電極19を所望の形状、例えば、y方向に並ぶ複数の略矩形状(例えば、40μm×600μmの矩形、図6(C)参照)にパターニングする。なお、当該パターンが、圧電体膜形成領域PAと対応し、また、各パターンの下部に、キャビティCaが形成される。図6(C)は、平面図であり、図6(A)は、図6(C)のA−A断面に、図6(B)は、図6(C)のB−B断面に対応する。
Next, as shown in FIG. 5B, for example, an Ir film is formed on the
以上の工程により、振動板13上に、下部電極15、圧電体膜17および上部電極19よりなる圧電素子Piが形成される。
Through the above steps, the piezoelectric element Pi composed of the
次いで、図7に示すように、シリコン基板11を選択的に除去することにより圧電体膜17の下部にキャビティ(圧力室、空間)Caおよびリザーバ(流路)Rを形成する。
Next, as shown in FIG. 7, by selectively removing the
即ち、シリコン基板11の裏面(第2面)上に、フォトレジスト膜を形成し、露光・現像することにより、上記キャビティCaおよびリザーバRに対応する位置に開口を有するフォトレジスト膜を形成する。次いで、当該膜をマスクに、シリコン基板11を振動板(酸化シリコン膜13a)13が露出するまでエッチングする。エッチング液としては、例えば、水酸化カリウム(KOH)溶液を用いる。この際、振動板13を構成する酸化シリコン膜13aは、エッチングストッパーとしての役割を果たす。図7(C)中の斜線部が、シリコン基板11の残存部分である。図7(C)は、シリコン基板11の裏面側から見た平面図である。図7(A)は、図7(C)のC−C断面に、図7(B)は、図7(C)のB−B断面に対応する(図8についても同じ)。
That is, a photoresist film is formed on the back surface (second surface) of the
残存するシリコン基板11は、キャビティCaを区画する隔壁となる。例えば、リザーバRの幅は200μm程度、キャビティCaの幅は55μm、長さは800μm、高さは60μm程度である。なお、キャビティCaとリザーバRとの間には、キャビティCa部のy方向の幅(Wc1)より幅の狭い接続流路(しぼり)Cbが形成される。
The remaining
次いで、図8に示すように、キャビティCaの下側に、ノズル孔21aを有するノズルプレート(第2基板、接合基板、支持基板、平板部材)21を接合する。ノズルプレート21は、例えば、シリコン基板よりなり、その厚さは、例えば、60μm程度である。図8(C)は、ノズルプレート21の裏面側から見た平面図である。
Next, as shown in FIG. 8, a nozzle plate (second substrate, bonding substrate, support substrate, flat plate member) 21 having a
このノズルプレート21のノズル孔21aは、ノズルプレート21のエッチングにより形成し、その直径は、例えば20μm程度である。エッチング液としては、例えば、KOH溶液を用い、エッチング用のマスクとしては、例えば酸化シリコン膜を用いる。
The
このノズル孔21aが、各キャビティCaに対応するよう位置あわせされ、例えば熱圧着によりシリコン基板11とノズルプレート21を接合する。
The nozzle holes 21a are aligned so as to correspond to the cavities Ca, and, for example, the
次いで、必要に応じて、リザーバRにインク(溶液)を供給するための供給孔などを加工する。 Next, a supply hole for supplying ink (solution) to the reservoir R is processed as necessary.
以上の工程により、本実施の形態の液滴吐出ヘッドが略完成する。圧電素子Piへの印加電圧は、例えば20V程度、振動板13の変位量は例えば400nm程度である。また、液滴(インク)の吐出量は、例えば4ピコリットル程度であり、その吐出速度は、8m/sec程度である。
Through the above steps, the droplet discharge head according to the present embodiment is substantially completed. The applied voltage to the piezoelectric element Pi is, for example, about 20 V, and the displacement amount of the
図9は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図示するように、必要に応じて、振動板13上に、コンプライアンス基板41を配置してもよい。コンプライアンス基板41には、例えば、圧電素子保持部41aと開口領域41b、41cが設けられている。開口領域41bからは、リード電極Eが露出し、このリード電極Eは、図示しない駆動ICなどに接続される。なお、図7等において、リード電極Eは省略されている。
FIG. 9 is an exploded perspective view of the droplet discharge head according to the present embodiment. As shown in the drawing, a
以下に、上記実施の形態の応用例について説明する。図10〜図12は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドの他の構成等を示す断面図又は平面図である。なお、以下の応用例1〜3においては、下部電極15の形状や形成工程が異なること以外は、上記の場合と同様であるため、その詳細な構成および製造工程の説明を省略する。
Hereinafter, application examples of the above embodiment will be described. 10 to 12 are cross-sectional views or plan views showing other configurations and the like of the droplet discharge head according to the present embodiment. In addition, in the following application examples 1-3, since it is the same as that of said case except the shape and formation process of the
(応用例1)
上記実施の形態においては、下部電極15に開口部OA1を設けたが、当該部分を薄膜部TAとしてもよい。
(Application 1)
In the above embodiment, the opening OA1 is provided in the
即ち、図3を参照しながら説明した下部電極15のパターニングの際、下層の振動板13が露出するまでエッチングせず、途中で終了し、図10に示すように、部分的に薄い下部電極15を残し、腕部20に薄膜部TAと橋部BAを交互に配置してもよい。かかる構成によれば、図10(C)に示すように、腕部20における下部電極15の拘束力が低減し、変位量を向上することができる。なお、図10(B)は、図10(A)のA−A断面に、図10(C)は、図10(A)のB−B断面に対応する。
That is, in the patterning of the
(応用例2)
また、上記実施の形態においては、下部電極15の開口部OA1をパターニングした後、圧電体膜17等をパターニングしたが、図11(A)に示すように、一度、下部電極15を略矩形にパターニングした後、圧電体膜17等をパターニングし(図11(B))、下部電極15を圧電体膜17間に露出させた後、開口部OA1を形成してもよい(図11(C))。この場合の平面図は、図6(C)と同様である。
(Application example 2)
In the above embodiment, the opening OA1 of the
また、この際、開口部OA1とせず、薄膜部TAとしてもよい。この場合の断面図および平面図は、図10と同様である。このように、圧電体膜17を結晶成長させた後、開口部OA1や薄膜部TAを形成する場合、工程数は増加するが、より結晶性が良くなる。
At this time, the thin film portion TA may be used instead of the opening OA1. A sectional view and a plan view in this case are the same as those in FIG. Thus, when the opening OA1 and the thin film portion TA are formed after crystal growth of the
(応用例3)
また、上記実施の形態においては、開口部OA1のy方向に延在する辺を圧電体膜17間の距離と一致させたが、図12に示すように、キャビティCa間の隔壁上に下部電極15を残存させてもよい。即ち、橋部BA間をx方向に接続部30で接続した形状としてもよい。この場合も、下部電極15は、図12(A)に示すように、その外周が略矩形であり、内部に複数の開口部OA2を有する。開口部OA2は略矩形であり、所定の間隔をおいてアレイ状に配置されている。
(Application 3)
In the above embodiment, the side extending in the y direction of the opening OA1 is made equal to the distance between the
また、別の言い方をすれば、下部電極15の形状は、格子状である。即ち、x方向に延在する部分(配線)とy方向に延在する部分(配線)が交差した形状を有する。y方向に延在する部分の幅はaである。x方向に延在する部分は、圧電体膜形成領域PAの幅(Wp1)である部分と、幅がキャビティCa間の距離Dとなる部分が交互に配置される。
In other words, the shape of the
かかる下部電極15の形状においては、図3(C)に示す形状より形成領域が大きく、抵抗が小さく、また、より均一の電位を印加できる。
The shape of the
また、図12に示す液滴吐出ヘッドにおいても、下部電極15の開口部OA2部を薄膜部TAとしてもよい。また、図12に示す液滴吐出ヘッドにおいても、下部電極15を、一度、略矩形にパターニングした後、圧電体膜17等をパターニングし(図12(B))、下部電極15を圧電体膜17間に露出させた後、開口部OA2を形成してもよい(図12(C))。また、この際、開口部OA2とせず、薄膜部TAとしてもよい。
Also in the droplet discharge head shown in FIG. 12, the opening OA2 portion of the
(実施例)
図13は、上記実施の形態の液滴吐出ヘッドの特性(電圧変位量)を示す表である。
(Example)
FIG. 13 is a table showing characteristics (voltage displacement amount) of the droplet discharge head of the above embodiment.
図13(A)に示すように、No.1の場合、図3(C)に示す下部電極構成のヘッド、即ち、腕部20に開口が有り、さらに、キャビティ間上にも開口が有る(即ち、接続部30が無い)場合には、変位量が410nmであり、腕部20に開口を設けない比較例(変位量:370nm)より、変位量が増加した。また、No.2(図12(A)に示す下部電極構成のヘッド)の場合、腕部20に開口が有り、キャビティ間上には開口が無い(即ち、接続部30が有る)場合は、変位量が405nmであり、この場合も、比較例より、変位量が増加した。
As shown in FIG. In the case of 1, the head of the lower electrode configuration shown in FIG. 3C, that is, the
なお、橋部の幅aは50μm、印加電圧は、0〜35Vとし、レーザドップラー計を用いて変位量を測定した。 The bridge width a was 50 μm, the applied voltage was 0 to 35 V, and the displacement was measured using a laser Doppler meter.
次いで、図13(B)に示すように、上記No.1(図3(C)に示す下部電極構成)において、橋部BAのx方向の幅をa、開口部OA1のx方向の幅をbとした場合の比(a/b)を変えて、変位量を測定した。ここでは、比較例の変位量を1とした場合の比で示した。a/bが、0.5から0.2へ低下するにしたがって変位量が増加している。 Next, as shown in FIG. 1 (lower electrode configuration shown in FIG. 3C), the ratio (a / b) is changed when the width in the x direction of the bridge portion BA is a and the width in the x direction of the opening OA1 is b. The amount of displacement was measured. Here, it is shown as a ratio when the displacement amount of the comparative example is 1. The displacement increases as a / b decreases from 0.5 to 0.2.
このように、開口部を設けることにより、変位量が大きくなり、さらに、橋部の幅(a)が小さくなるにしたがって変位量が増加することが確認できた。なお、a/bについては、特に、0.3以下が好ましいと考えられる。 Thus, by providing an opening part, it has confirmed that a displacement amount became large, and also the displacement amount increased as the width | variety (a) of a bridge part became small. In addition, about a / b, it is thought that 0.3 or less is especially preferable.
(インクジェットプリンタ)
図14は、本実施の形態の液滴吐出ヘッドが適用されるインクジェットプリンタの一例を示す斜視図である。
(Inkjet printer)
FIG. 14 is a perspective view showing an example of an ink jet printer to which the droplet discharge head of the present embodiment is applied.
例えば、インクジェットプリンタ600は、装置本体620を備えており、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ621を有し、下部前方に記録用紙Pを排出する排出口622を有し、上部面に操作パネル670を有する。
For example, the
装置本体620の内部には、主に、往復動するヘッドユニット630を備えた印刷装置640と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置640に送り込む給紙装置650と、印刷装置640および給紙装置650を制御する制御部660とが設けられている。
Inside the apparatus
制御部660の制御により、給紙装置650は、記録用紙Pを一枚ずつ間欠送りするようになっている。間欠送りされる記録用紙Pは、ヘッドユニット630の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット630が記録用紙Pの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動し、記録用紙Pへの印刷を行うようになっている。すなわち、ヘッドユニット630の往復動と、記録用紙Pの間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となり、インクジェット方式の印刷が行なわれる。
Under the control of the
印刷装置640は、ヘッドユニット630と、ヘッドユニット630の駆動源となるキャリッジモータ641と、キャリッジモータ641の回転を受けて、ヘッドユニット630を往復動させる往復動機構642とを備えている。
The
ヘッドユニット630は、その下部に、上述の多数の吐出孔(ノズル孔)21aを備えるインクジェット式記録ヘッド50と、このインクジェット式記録ヘッド50にインクを供給するインクカートリッジ631と、インクジェット式記録ヘッド50およびインクカートリッジ631を搭載したキャリッジ632とを有する。
The
インクカートリッジ631として、例えば、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック(黒)の4色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。この場合、ヘッドユニット630には、各色にそれぞれ対応したインクジェット式記録ヘッド50が設けられることになる。
By using an
往復動機構642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643と、キャリッジガイド軸643と平行に延在するタイミングベルト644とを有する。キャリッジ632は、キャリッジガイド軸643に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト644の一部に固定されている。キャリッジモータ641の作動により、プーリを介してタイミングベルト644を正逆走行させると、キャリッジガイド軸643に案内されて、ヘッドユニット630が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド50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。
The
給紙装置650は、その駆動源となる給紙モータ651と、給紙モータ651の作動により回転する給紙ローラ652とを有する。給紙ローラ652は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ652aと、駆動ローラ652bとで構成されており、駆動ローラ652bは、給紙モータ651に連結されている。このような構成によって給紙ローラ652は、トレイ621に設置した多数枚の記録用紙Pを、印刷装置640に向かって1枚ずつ送り込むことができる。なお、トレイ621に代えて、記録用紙Pを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成とすることもできる。
The
制御部660は、たとえばパーソナルコンピュータやディジタルカメラなどのホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷装置640や給紙装置650などを制御することにより印刷を行うものである。
The
制御部660には、いずれも図示しないものの、主に各部を制御する制御プログラムなどを記憶するメモリ、圧電素子(振動源)を駆動してインクの吐出タイミングを制御する圧電素子駆動回路、印刷装置640(キャリッジモータ641)を駆動する駆動回路、給紙装置650(給紙モータ651)を駆動する駆動回路、およびホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うCPUとが備えられている。
Although not shown in the figure, the
CPUには、たとえば、インクカートリッジ631のインク残量、ヘッドユニット630の位置、温度、湿度などの印刷環境などを検出可能な各種センサが、それぞれ電気的に接続されている。制御部660は、通信回路を介して印刷データを入手してメモリに格納する。CPUは、この印刷データを処理し、この処理データおよび各種センサからの入力データに基づき、各駆動回路に駆動信号を出力する。この駆動信号により圧電素子、印刷装置640および給紙装置650は、それぞれ作動する。これにより、記録用紙Pに所望の印刷がなされる。
For example, various sensors capable of detecting a printing environment such as the remaining amount of ink in the
本実施の形態にかかるインクジェットプリンタ600によれば、前述したように、液滴吐出特性が良好なヘッドを備えているので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。また、前述のヘッドを当該インクジェットプリンタ600に組み込むことで、その生産性を向上させることができる。
According to the
なお、本発明のインクジェットプリンタ600は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク(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て使用することができる。
The
なお、上記実施の形態を通じて説明された実施例や応用例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施の形態の記載に限定されるものではない。 It should be noted that the examples and application examples described through the above embodiment can be used in appropriate combination according to the application, or can be used with modifications or improvements, and the present invention is limited to the description of the above embodiment. Is not to be done.
11…シリコン基板、13…振動板、13a…酸化シリコン膜、13b…酸化ジルコニウム膜、15…下部電極、17…圧電体膜、19…上部電極、20…腕部、21…ノズルプレート、21a…ノズル孔、30…接続部、41…コンプライアンス基板、41a…圧電素子保持部、41b、41c…開口領域、600…インクジェットプリンタ、620…装置本体、621…トレイ、622…排出口、630…ヘッドユニット、631…インクカートリッジ、632…キャリッジ、640…印刷装置、641…キャリッジモータ、642…往復動機構、643…キャリッジガイド軸、644…タイミングベルト、650…給紙装置、651…給紙モータ、652…給紙ローラ、660…制御部、670…操作パネル、a…橋部の幅、b…開口部の幅、BA…橋部、CA…キャビティ形成領域、Ca…キャビティ、Cb…接続流路、E…リード電極、OA1、OA2…開口部、Pi…圧電素子、PA…圧電体膜形成領域、R…リザーバ、TA…薄膜部、Wp1…圧電体膜(形成領域)の幅、Wc1…キャビティ(形成領域)の幅
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記振動板の下部に、隔壁により区画され、前記第1および第2の圧電素子にそれぞれ対応して配置される第1および第2のキャビティと、を有し、
前記第1および第2の圧電素子は、それぞれ振動板側から下部電極、圧電体膜および上部電極の積層構造を有し、
前記圧電体膜は、前記キャビティの前記第1方向の略中央部に配置され、前記圧電体膜の前記第1方向の幅は、前記キャビティの前記第1方向の幅より小さく、前記圧電体膜の前記第1方向の両側に前記キャビティの形成領域であって、前記圧電体膜の形成領域とならない第1領域を有し、
前記下部電極は、前記第1および第2の圧電素子に共通の導電膜であり、
前記第1の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第1電極部と、
前記第2の圧電素子の圧電体膜形成領域に配置される第2電極部と、
前記第1領域に配置された開口部と、前記開口部と交互に配置され、前記第1電極部と第2電極部とを接続する橋部と、を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。 First and second piezoelectric elements arranged on the top of the diaphragm and arranged in the first direction;
A first cavity and a second cavity that are partitioned by a partition wall and are respectively disposed corresponding to the first and second piezoelectric elements;
The first and second piezoelectric elements each have a laminated structure of a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode from the diaphragm side,
The piezoelectric film is disposed at a substantially central portion of the cavity in the first direction, and the width of the piezoelectric film in the first direction is smaller than the width of the cavity in the first direction. A first region that is a region where the cavity is formed on both sides of the first direction and which does not become a region where the piezoelectric film is formed;
The lower electrode is a conductive film common to the first and second piezoelectric elements;
A first electrode portion disposed in a piezoelectric film forming region of the first piezoelectric element;
A second electrode portion disposed in a piezoelectric film forming region of the second piezoelectric element;
A droplet discharge head comprising: an opening portion disposed in the first region; and a bridge portion that is alternately disposed with the opening portion and connects the first electrode portion and the second electrode portion. .
前記第1および第2の圧電素子の前記キャビティ形成領域間において、前記橋部間を前記第1方向と交差する第2方向に接続する接続部を有することを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。 The lower electrode further includes:
2. The liquid according to claim 1, further comprising a connection portion that connects the bridge portions in a second direction intersecting the first direction between the cavity formation regions of the first and second piezoelectric elements. Drop ejection head.
前記振動板上に、導電性膜を形成し、前記導電性膜を選択的に除去することにより、開口部を有する下部電極を形成する工程と、
前記開口部を除く領域上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、
前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第1方向の幅が前記圧電体膜の前記第1方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 Forming a diaphragm on the substrate;
Forming a conductive film on the vibration plate and selectively removing the conductive film to form a lower electrode having an opening; and
Forming a piezoelectric film on a region excluding the opening;
Forming an upper electrode on the piezoelectric film;
A cavity corresponding to the piezoelectric film by selectively removing the substrate below the diaphragm, wherein a width in a first direction is larger than a width in the first direction of the piezoelectric film, and the opening Forming a cavity that overlaps with the part;
A method of manufacturing a droplet discharge head, comprising:
前記振動板上に、導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜上に圧電体膜を形成する工程と、
前記圧電体膜の上部に上部電極を形成する工程と、
前記圧電体膜の両側の前記導電性膜を選択的に除去することにより開口部を有する下部電極を形成する工程と、
前記振動板の下部の前記基板を選択的に除去することにより前記圧電体膜に対応するキャビティであって、第1方向の幅が前記圧電体膜の前記第1方向の幅より大きく、前記開口部と重なるキャビティを形成する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 Forming a diaphragm on the substrate;
Forming a conductive film on the diaphragm;
Forming a piezoelectric film on the conductive film;
Forming an upper electrode on the piezoelectric film;
Forming a lower electrode having an opening by selectively removing the conductive film on both sides of the piezoelectric film;
A cavity corresponding to the piezoelectric film by selectively removing the substrate below the diaphragm, wherein a width in a first direction is larger than a width in the first direction of the piezoelectric film, and the opening Forming a cavity that overlaps with the part;
A method of manufacturing a droplet discharge head, comprising:
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