JP2010137485A - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置並びに液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
射装置及びアクチュエータ装置並びに液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】第1の電極60と、圧電体層70と、第2の電極80とを有する圧電素子3
00を具備し、圧電体層70が形成されている領域に対向する領域に形成されている第1
の電極60は、第1の導電層61と、第1の導電層61よりもヤング率の小さい材料から
なり、第1の導電層61より流路形成基板10側に形成された第2の導電層62と、を有
し、圧電体層70が形成されていない領域に対向する領域に形成されている第1の電極6
1は、第1の電極60の表面が第2の導電層62で構成されているようにする。
【選択図】図4
Description
して圧電素子の変位によりノズルから液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並
びに液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
ット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドは、例えば、圧力発生室の
一部を構成する振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧することで
、圧力発生室に連通するノズルからインクを噴射させている。また、このようなインクジ
ェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードのアクチュエ
ーター装置を使用したものと、たわみ振動モードのアクチュエーター装置を使用したもの
の2種類が実用化されている。
下電極膜上に形成された圧電体層と、圧電体層上に形成された上電極膜とで構成される圧
電素子を有するものがある(例えば、特許文献1参照)。
技術により圧電体層及び上電極膜を形成し、この圧電体層及び上電極膜をリソグラフィー
法によりパターニングして各圧力発生室に対応する形状に切り分けることで形成される。
ると共に、圧電素子の高速駆動が可能となるといった利点がある。しかしながら、圧電体
層をパターニングする際のエッチングの終点バラツキに起因して、各圧電素子の変位特性
にバラツキが生じてしまう虞がある。すなわち圧電体層をパターニングする際には下電極
膜の一部まで除去されるが、この下電極膜の除去量は全ての部分で一定にはならないため
、結果として圧電素子の変位特性にバラツキが生じてしまうことがある。特に、ヤング率
の異なる複数の導電層を積層して電極を形成する際に、他の導電層よりもヤング率の大き
い導電層の厚み方向の途中でパターニングを止めてしまうと、その厚みのバラツキが圧電
体層の駆動に影響を及ぼしやすい。また圧電体層が形成されていない領域であっても圧電
体層に比較的近い場所に上述のバラツキが存在すると、圧電体層の駆動に影響を及ぼして
しまうことが分かった。
、インク以外の液滴を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
る液体噴射ヘッド、液体噴射装置及びアクチュエーター装置並びに液体噴射ヘッドの製造
方法を提供することを課題とする。
た第1の電極と、前記圧力発生室のそれぞれに対応して設けられた圧電体層と、該圧電体
層の上方に設けられた第2の電極とを有する圧電素子を具備し、前記圧電体層が形成され
ている領域に対向する領域に形成されている第1の電極は、第1の導電層と、該第1の導
電層よりもヤング率の小さい材料からなり、前記第1の導電層より前記流路形成基板側に
形成された第2の導電層と、を有し、前記圧電体層が形成されていない領域に対向する領
域に形成されている前記第1の電極は、当該第1の電極の表面が前記第2の導電層で構成
されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、圧電素子の変位特性が向上すると共に、各圧電素子の変位特性のバ
ラツキが抑えられる。したがって液滴の噴射特性を向上した液体噴射ヘッドを実現するこ
とができる。
これにより、第1の電極の膜厚の制御が容易となる。
電層の材料としては、例えば、イリジウムが挙げられる。
ある。かかる本発明では、液滴の噴射特性を向上した液体噴射装置を実現することができ
る。
た圧電体層及び該圧電体層の上方に形成された第2の電極を有する圧電素子を具備し、前
記圧電体層が形成されている領域に対向する領域の第1の電極は、第1の導電層と、該第
1の導電層よりもヤング率の小さい材料からなり、前記第1の導電層より前記基板側に形
成された第2の導電層と、を有し、前記圧電体層が形成されていない領域に対向する領域
に形成されている前記第1の電極は、当該第1の電極の表面が前記第2の導電層で構成さ
れていることを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる本発明では、圧電素子の変位特性が向上すると共に、各圧電素子の変位特性のバ
ラツキが抑えられる。
ぞれに対応して設けられた圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第2の電極とを有
する圧電素子を具備し、前記圧電体層が形成されている領域に対向する領域に形成されて
いる第1の電極は、第1の導電層と、該第1の導電層よりもヤング率の小さい材料からな
り、前記第1の導電層よりも前記流路形成基板側に形成された第2の導電層と、を有する
液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記流路形成基板の上方に第1の電極を形成する工
程と、当該第1の電極の上方に前記圧電体層及び前記第2の電極を形成しこれら圧電体層
及び第2の電極をパターニングすることにより前記圧電素子を形成する工程とを有し、前
記圧電素子を形成する工程では、前記圧電体層をパターニングすると共に前記第1の電極
を前記第2の導電層の厚さ方向の一部まで除去することを特徴とする液体噴射ヘッドの製
造方法にある。
かかる本発明では、第1の電極の厚さを比較的容易且つ高精度に制御することができる
。したがって圧電素子の変位特性を向上した液体噴射ヘッドを製造することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド
の概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、その断面図である。また図3は圧電素子の
構成を示す平面図であり、図4は、図3のA−A′断面図である。
シリコン単結晶基板からなり、その一方面には酸化膜からなる弾性膜50が形成されてい
る。流路形成基板10には、隔壁11によって区画されると共に一方側の面が弾性膜50
で構成される複数の圧力発生室12がその幅方向(短手方向)に並設されている。
され各圧力発生室12に連通するインク供給路13と連通路14とが設けられている。連
通路14の外側には、各連通路14と連通する連通部15が設けられている。この連通部
15は、後述する保護基板30のリザーバー部32と連通して、各圧力発生室12の共通
のインク室となるリザーバー110の一部を構成する。また各連通路14は、圧力発生室
12の幅方向両側の隔壁11を連通部15側に延設してインク供給路13と連通部15と
の間の空間を区画することで形成されている。
が、勿論これに限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いてもよ
い。
端部近傍に連通するノズル21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィ
ルム等によって固着されている。ノズルプレート20の材料は特に限定されないが、例え
ば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼などが好適に用いられる。
膜50が形成され、この弾性膜50上には、弾性膜50とは異なる材料の酸化膜からなる
絶縁体膜55が形成されている。そして、絶縁体膜55上に圧電素子300が形成されて
いる。つまり流路形成基板10の上方に圧電素子300が形成されている。
上電極膜80とで構成されている。この圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70
及び上電極膜80を有する部分だけでなく、少なくとも圧電体層70を有する部分を含む
。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を圧電体
層70と共に圧力発生室12毎にパターニングして個別電極とする。また圧電素子300
として機能する範囲で、下電極膜60と圧電体層70との間や、圧電体層70と上電極膜
80との間には、他の層が設けられていてもよい。
とを合わせてアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁
体膜55が振動板として作用する。勿論、振動板の構成は特に限定されず、弾性膜50及
び絶縁体膜55以外の膜を含んでいてもよい。また下電極膜60、或いは圧電素子300
自体が、実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。その場合は、圧電素子300とは別
部材としての振動板が存在しなくてもアクチュエーター装置となる。
施形態では、下電極膜60が圧力発生室12の長手方向では圧力発生室12に対向する領
域内に形成され、圧力発生室12の幅方向(短手方向)では複数の圧力発生室12に対応
する領域に連続的に設けられている。また圧電体層70及び上電極膜80は、圧力発生室
12の幅方向では、圧力発生室12に対向する領域内に設けられているが、圧力発生室1
2の長手方向では、下電極膜60の外側(本実施形態では、圧力発生室12の外側)まで
延設されている。
態では、全ての圧電素子300に対向する領域に亘って連続的に設けられている。このよ
うに圧電素子300が被覆膜100で覆われていることにより、大気中の水分等に起因す
る圧電素子300の破壊を抑制することができる。なお、被覆膜100には、圧電素子3
00を構成する上電極膜80を露出する露出孔が設けられていてもよい。このような露出
孔を設けることで圧電素子300の変位量の低下を抑えることができる。
コン(SiOx)、酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)等の無機
絶縁材料が挙げられるが、特に、無機アモルファス材料であることが好ましい。被覆膜1
00上には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が形成されており、このリー
ド電極90は被覆膜100に形成されたコンタクトホール101内で上電極膜80と接続
されている。
第1の導電層61よりもヤング率の小さい材料で形成された第2の導電層62とを含む。
つまり下電極膜60は、ヤング率の異なる材料で形成された複数の導電層で構成されてい
る。図4に示すように、本実施形態では、圧電体層70が形成されている領域に対向する
領域の下電極膜60がこれら第1の導電層61と第2の導電層62との2層で構成されて
おり、絶縁体膜55側から第2の導電層62、第1の導電層61の順で成膜されている。
また第2の導電層62は、第1の導電層61よりも厚く形成されている。この第2の導電
層62の厚さは、例えば、下電極膜60の厚さの3/4程度である。
オスミウム(Os:ヤング率550[GPa])、ルテニウム(Ru:ヤング率414[
GPa])、ロジウム(Rh:ヤング率359[GPa])等が好適に用いられる。例え
ば、本実施形態では、第1の導電層61は酸化イリジウム(IrOx)で形成されている
。これらの金属は、圧電体層70を前駆体から結晶体に焼成する際に、圧電体層を構成す
る成分が下電極膜60内に拡散することを抑制する機能を有する。よって、圧電体層70
が形成されている領域に対して第1の導電層61が形成されている必要がある。
好適に用いられる。勿論、第2の導電層62の材料は、第1の導電層61の材料よりもヤ
ング率の小さい材料であれば、特に限定されるものではない。これらの第2の導電層62
は、第1の導電層61よりも導電性が高く、圧電体層70を前駆体から結晶体にするため
の熱処理においてもその導電性を失いにくい。そして、第1の導電層61のみで下電極膜
60を構成すると、上述の熱処理で第1の導電層61の少なくとも一部が酸化されてしま
うため、導電性が確保できないという虞が生じる。よって、第2の導電層62を用いるこ
とで導電性を確保する目的で形成されている。
素子300を形成する際に、圧電体層70と共に第2の導電層62の一部まで除去されて
いる。つまり、圧電体層70が除去されて形成されていない領域に対向する領域の下電極
膜60の表面は、第2の導電層62で構成されている(図4参照)。
向上する。また振動板が変形し易くなるため、圧電素子300の駆動に伴う振動板の変位
特性が向上する。特に、本実施形態では、圧電素子300以外の部分では、ヤング率の大
きいイリジウムからなる第1の導電層61が全て除去されているため、振動板が変形し易
くなり、圧電素子300の駆動に伴う振動板の変位特性も向上する。
部まで除去されることで、圧電素子300の駆動に伴う振動板の変位特性を均一化するこ
とができる。すなわち各圧電素子300の駆動に伴う振動板の変位量のバラツキを抑制す
ることができる。したがって、印刷品質を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現す
ることができる。
電層61が部分的に残存することはなく、応力集中によるクラックの発生も抑制すること
ができる。なお第1の導電層61が部分的に残存していると、その部分の剛性が局所的に
高くなってしまうため、その部分に応力集中に起因したクラックが発生し易い。第1の導
電層61と第2の導電層62との境界部分で第1の導電層61の除去工程をやめてしまう
と、第1の導電層61が第2の導電層62の表面に残渣のように残存する可能性がある。
圧電体層70が形成されてない領域に対向する領域のどの部分に第1の導電層61が残っ
ているかによって各圧電素子300に対する影響が異なる。硬い第1の導電層61の残存
する領域の大きさが場所によって違っていても、各圧電素子300に対する影響が異なる
。このように残存する第1の導電層61の影響が異なることで、各圧電素子300の駆動
による変位量のバラツキが生じてしまう。従って、第2の導電層62の厚み方向の途中ま
で下電極膜60を除去することで、上述した第1の導電層61が部分的に残ってしまうこ
との弊害を回避できる。
は、それぞれ独立した層となっており、これら第1の導電層61と第2の導電層62との
境界が明確に存在している。しかしながら、第1の導電層61と第2の導電層62との境
界は明確に存在していなくてもよい。その場合でも、下電極膜60が、第2の導電層62
の厚さ方向の一部まで除去され、下電極膜60の表面が第2の導電層62で構成されてい
ることで、上述したような効果が得られる。
し、酸化イリジウムからなる第1の導電層61は圧縮応力を有しているため、これらの内
部応力の方向の違いによって、第1及び第2の導電層61,62間で層間剥離が生じる虞
がある。しかしながら、上述のように圧電素子300を覆って被覆膜100が設けられて
いるため、このような層間剥離の発生も抑制することができる。
例について図5を参照して説明する。なお図5は、インクジェット式記録ヘッドの圧力発
生室の幅方向の断面図である。
する。すなわち絶縁体膜55上に白金(Pt)をスパッタリング法等によって成膜して第
2の導電層62を形成し、その後、この第2の導電層62上にスパッタリング法等によっ
て酸化イリジウム(IrOx)からなる第1の導電層61を形成する。またこれら第1及
び第2の導電層61,62を所定形状にパターニングする(図3参照)。
圧電体層70を、下電極膜60及び絶縁体膜55上に亘って成膜する。圧電体層70の形
成方法は、特に限定されず、例えば、いわゆるゾル−ゲル法、MOD法或いはスパッタリ
ング法等が挙げられる。さらに圧電体層70上に上電極膜80を形成する。上電極膜80
の材料としては、導電性が比較的高い材料であればよいが、例えば、イリジウム、白金、
パラジウム等の金属材料が好適に用いられる。
ニングすることによって圧電素子300を形成する。このとき上電極膜80及び圧電体層
70のみをパターニングすることは難しく、上電極膜80、圧電体層70と共に下電極膜
60の厚さ方向の一部も除去される。本発明では、このときの下電極膜60のエッチング
量を制御して、下電極膜60が第2の導電層62の厚さ方向の一部まで除去されるように
している。つまり下電極膜60のエッチングが、第2の導電層62内で終了するようにし
ている。
電体層70の順で積層されているため、圧電体層70を除去した後、第1の導電層61を
完全に除去し、さらに第2の導電層62の厚さ方向の一部を除去した時点で、下電極膜6
0のエッチングを終了する。
電極膜60のエッチングを終了することで、圧電素子300の駆動に伴う振動板の変位特
性の均一化を図ることができる。上述のように第2の導電層62は、第1の導電層61よ
りもヤング率の小さい材料で形成されているため、第2の導電層62のエッチング量は、
第1の導電層61のエッチング量よりも制御が容易であり高精度に制御することができる
。特に本実施形態では、第2の導電層62が第1の導電層61よりも厚く形成されている
ため、第2の導電層62内で容易にエッチングを終了させることができる。
印刷品質を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
31を有する保護基板30が接合されている。圧電素子保持部31は、内部への大気の侵
入を抑制できるように構成されているが、必ずしも密封されている必要はない。そして圧
電素子300は、このような圧電素子保持部31内に形成されているため、外部環境の影
響を殆ど受けない状態で保護されている。
おり、このリザーバー部32は、上述したように、流路形成基板10の連通部15と連通
されて各圧力発生室12の共通のインク室となるリザーバー110を構成している。また
、保護基板30の圧電素子保持部31とリザーバー部32との間の領域には、保護基板3
0を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられ、この貫通孔33内に下電極膜60の一部
及びリード電極90の先端部が露出されている。
ている。そして駆動回路120とリード電極90とがボンディングワイヤー等の導電性ワ
イヤーからなる接続配線121によって接続されている。
ラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と
同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり
、この封止膜41によってリザーバー部32の一方面が封止されている。また、固定板4
2は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板42のリザーバー110に対向する
領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、リザーバー110の
一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
手段からインクを取り込み、リザーバー110からノズル21に至るまで内部をインクで
満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれ
の圧電素子300に電圧を印加して撓み変形させることにより、各圧力発生室12内の圧
力が高まりノズル21からインク滴が噴射される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定される
ものではない。例えば、上述の実施形態では、下電極膜60が、第1及び第2の導電層6
1,62のみで構成された例を説明したが、下電極膜60の構成はこれに限定されるもの
ではない。例えば、下電極膜60は、第1の導電層61及び第2の導電層62に加えて、
さらに第3の導電層を含んでいてもよい。具体的には、絶縁体膜55と第2の導電層62
との間に設けられる、例えば、酸化チタン(TiOx)等からなる第3の導電層等が下電
極膜60に含まれていてもよい。
通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記
録装置に搭載される。図6は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である
。
1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bが着脱可能に設けられ、こ
の記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けら
れたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット1A及
び1Bは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するも
のとしている。
介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキ
ャリッジ3はキャリッジ軸5に沿って移動される。一方、装置本体4にはキャリッジ軸5
に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等
の記録媒体である記録シートSがプラテン8に巻き掛けられて搬送されるようになってい
る。このインクジェット式記録装置は液体噴射装置の一例に過ぎない。
ッドを挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、イ
ンク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体
噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッ
ド、液晶ディスプレー等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機E
Lディスプレー、FED(電界放出ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材料噴
射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
く、あらゆる装置に搭載されるアクチュエーター装置に適用することができる。本発明の
アクチュエーター装置は、上述したヘッドの他に、例えば、センサ等にも適用することが
できる。
、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 リザーバー部、 40 コンプ
ライアンス基板、 60 下電極膜(第1の電極)、 61 第1の導電層、 62 第
2の導電層、 70 圧電体層、 80 上電極膜(第2の電極)、 90 リード電極
、 100 被覆膜、 101 コンタクトホール、 110 リザーバー、 120
駆動回路、 300 圧電素子
Claims (7)
- 圧力発生室が形成された流路形成基板の上方に設けられた第1の電極と、前記圧力発生
室のそれぞれに対応して設けられた圧電体層と、該圧電体層の上方に設けられた第2の電
極とを有する圧電素子を具備し、
前記圧電体層が形成されている領域に対向する領域に形成されている第1の電極は、
第1の導電層と、
該第1の導電層よりもヤング率の小さい材料からなり、前記第1の導電層より前記流路
形成基板側に形成された第2の導電層と、を有し、
前記圧電体層が形成されていない領域に対向する領域に形成されている前記第1の電極
は、当該第1の電極の表面が前記第2の導電層で構成されていることを特徴とする液体噴
射ヘッド。 - 前記第2の導電層の厚さは、前記第1の導電層の厚さよりも厚いことを特徴とする請求
項1に記載の液体噴射ヘッド。 - 前記第2の導電層の材料が白金であることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体噴
射ヘッド。 - 前記第1の導電層の材料がイリジウムであることを特徴とする請求項1〜3の何れか一
項に記載の液体噴射ヘッド。 - 請求項1〜4の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴
射装置。 - 基板の上方に設けられた第1の電極、該第1の電極の上方に形成された圧電体層及び該
圧電体層の上方に形成された第2の電極を有する圧電素子を具備し、
前記圧電体層が形成されている領域に対向する領域の第1の電極は、
第1の導電層と、
該第1の導電層よりもヤング率の小さい材料からなり、前記第1の導電層より前記基板
側に形成された第2の導電層と、を有し、
前記圧電体層が形成されていない領域に対向する領域に形成されている前記第1の電極
は、当該第1の電極の表面が前記第2の導電層で構成されていることを特徴とするアクチ
ュエーター装置。 - 流路形成基板の上方に形成された第1の電極と、前記圧力発生室のそれぞれに対応して
設けられた圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第2の電極とを有する圧電素子を
具備し、前記圧電体層が形成されている領域に対向する領域に形成されている第1の電極
は、第1の導電層と、該第1の導電層よりもヤング率の小さい材料からなり、前記第1の
導電層よりも前記流路形成基板側に形成された第2の導電層と、を有する液体噴射ヘッド
の製造方法であって、
前記流路形成基板の上方に第1の電極を形成する工程と、当該第1の電極の上方に前記
圧電体層及び前記第2の電極を形成しこれら圧電体層及び第2の電極をパターニングする
ことにより前記圧電素子を形成する工程とを有し、
前記圧電素子を形成する工程では、前記圧電体層をパターニングすると共に前記第1の
電極を前記第2の導電層の厚さ方向の一部まで除去することを特徴とする液体噴射ヘッド
の製造方法。
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