JP2010228277A - Liquid ejection head, liquid ejection apparatus, actuator device, and method of manufacturing the liquid ejection head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head that ejects liquid, a liquid ejecting apparatus, an actuator device, and a method for manufacturing a liquid ejecting head.
ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この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してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、例えば、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子のたわみ変形を用いたものが実用化されている。 A part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening is constituted by a diaphragm, and the diaphragm is deformed by a piezoelectric element to pressurize ink in the pressure generating chamber and eject ink droplets from the nozzle opening. For example, a device using a deflection deformation of a piezoelectric element composed of a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode has been put into practical use.
振動板としては、圧力発生室の一部を画成する酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に設けられた酸化ジルコニウムからなる酸化ジルコニウム層とを具備するものがある。 Some diaphragms include a silicon oxide layer that defines a part of the pressure generation chamber, and a zirconium oxide layer made of zirconium oxide provided on the silicon oxide layer.
酸化ジルコニウム層の製造方法として、酸化シリコン層上にジルコニウムをスパッタリング法により形成後、ジルコニウムを熱酸化させることにより形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a method for producing a zirconium oxide layer, a method has been proposed in which zirconium is formed on a silicon oxide layer by sputtering and then thermally oxidized (see, for example, Patent Document 1).
また、ジルコニウム化合物を加水分解したゾルを塗布し、焼成してジルコニア薄膜を形成する方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, a method of forming a zirconia thin film by applying a sol obtained by hydrolyzing a zirconium compound and baking the sol has been proposed (for example, see Patent Document 2).
しかしながら、特許文献1のように酸化ジルコニウム層をスパッタリング法で形成した場合、成膜工程において異物が付着する場合があり、異物付着部の剥離等により、凹欠陥ができることがある。このような酸化シリコン層上に圧電素子を形成すると、圧電体膜の結晶が不均一になったり、圧電体膜に隙間ができたりして駆動耐久時に破壊する虞があった。 However, when the zirconium oxide layer is formed by the sputtering method as in Patent Document 1, foreign matter may adhere in the film forming process, and a concave defect may be formed due to separation of the foreign matter adhesion portion or the like. When a piezoelectric element is formed on such a silicon oxide layer, there is a possibility that the crystal of the piezoelectric film becomes non-uniform or a gap is formed in the piezoelectric film, resulting in destruction during driving durability.
一方、特許文献2のようにゾル−ゲル法で形成すると、酸化シリコン層との密着性が低く、剥離などの破壊が生じる虞があるという問題がある。
On the other hand, when it is formed by the sol-gel method as in
なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドだけではなく、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置においても同様に存在する。 Such a problem exists not only in a liquid jet head typified by an ink jet recording head but also in an actuator device mounted in another device.
本発明はこのような事情に鑑み、酸化ジルコニウム層の剥離等の破壊や圧力発生素子の破壊を低減することができる液体噴射ヘッド、液体噴射装置、アクチュエーター装置及び液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention provides a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, an actuator device, and a method for manufacturing the liquid ejecting head that can reduce destruction such as peeling of a zirconium oxide layer and destruction of a pressure generating element. For the purpose.
上記課題を解決する本発明の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第1の層と、前記第1の層上に気相成膜法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層と、前記第2の層上に塗布液を塗布し、焼成することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層と、前記第3の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。 An aspect of the present invention that solves the above-described problems mainly includes a first layer mainly composed of silicon oxide formed above a substrate and zirconium oxide formed on the first layer by a vapor deposition method. A second layer as a component; a third layer mainly composed of zirconium oxide formed by applying and baking a coating liquid on the second layer; and above the third layer. And a pressure generating element formed in the liquid jet head.
かかる態様では、第2の層により第1の層との密着力を確保すると共に、第2の層の表面に異物が付着したり凹欠陥が生じたりしている場合でも、第3の層により覆うことで酸化ジルコニウムからなる層の表面を平滑にすることができる。このように、第2の層と第3の層とを積層した構成からなる酸化ジルコニウム層とすることで、酸化ジルコニウム層の剥離等の破壊を低減し、圧力発生素子の破壊も低減することができる。なお、ここで言う上方とは、直上も、間に他の部材が介在した状態も含むものである。 In such an aspect, the second layer ensures adhesion to the first layer, and even when foreign matter adheres to the surface of the second layer or a concave defect occurs, the third layer The surface of the layer made of zirconium oxide can be smoothed by covering. In this way, by forming a zirconium oxide layer having a configuration in which the second layer and the third layer are laminated, it is possible to reduce destruction such as peeling of the zirconium oxide layer and to reduce destruction of the pressure generating element. it can. Here, the term “above” includes not only directly above but also a state in which other members are interposed therebetween.
ここで、前記第2の層は、スパッタリング法、CVD法、又はレーザーアブレーション法を用いて形成したものであるのが好ましい。これによれば、第1の層と酸化ジルコニウム層との密着性が優れたものとなる。 Here, the second layer is preferably formed using a sputtering method, a CVD method, or a laser ablation method. According to this, the adhesion between the first layer and the zirconium oxide layer is excellent.
前記第3の層は、ゾル−ゲル法又はMOD法を用いて形成したものであるのが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウム層の表面がさらに平滑なものとなる。 The third layer is preferably formed using a sol-gel method or a MOD method. According to this, the surface of the zirconium oxide layer becomes smoother.
また、前記第2の層は、ジルコニウム層を形成し、該ジルコニウム層を熱酸化することにより形成したものであるのが好ましい。第1の層と酸化ジルコニウム層との密着性がさらに優れたものとなる。 The second layer is preferably formed by forming a zirconium layer and thermally oxidizing the zirconium layer. The adhesion between the first layer and the zirconium oxide layer is further improved.
また、本発明の他の態様は、上記態様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にある。かかる態様では、耐久性及び信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。 According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to the above aspect. In this aspect, a liquid ejecting apparatus with improved durability and reliability can be realized.
本発明の他の態様は、基板上方に形成された酸化シリコンを主成分とする第1の層と、前記第1の層上に気相成膜法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層と、前記第2の層上に塗布液を塗布し、焼成することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層と、前記第3の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とするアクチュエーター装置にある。 According to another aspect of the present invention, a first layer mainly composed of silicon oxide formed above a substrate and a zirconium oxide formed on the first layer by a vapor deposition method are mainly composed. A second layer, a third layer mainly composed of zirconium oxide formed by applying and baking a coating solution on the second layer, and formed above the third layer; An actuator device comprising a pressure generating element.
かかる態様では、第2の層により第1の層との密着力を確保すると共に、第2の層の表面に異物が付着したり凹欠陥が生じたりしている場合でも、第3の層により覆うことで酸化ジルコニウムからなる層の表面を平滑にすることができる。このように、第2の層と第3の層とを積層した構成からなる酸化ジルコニウム層とすることで、酸化ジルコニウム層の剥離等の破壊を低減し、圧力発生素子の破壊も低減することができる。 In such an aspect, the second layer ensures adhesion to the first layer, and even when foreign matter adheres to the surface of the second layer or a concave defect occurs, the third layer The surface of the layer made of zirconium oxide can be smoothed by covering. In this way, by forming a zirconium oxide layer having a configuration in which the second layer and the third layer are laminated, it is possible to reduce destruction such as peeling of the zirconium oxide layer and to reduce destruction of the pressure generating element. it can.
また、本発明の他の態様は、基板上方に酸化シリコンを主成分とする第1の層を形成する工程と、前記第1の層上に気相成膜法により酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層を形成する工程と、前記第2の層上に塗布液を塗布し、焼成することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層を形成する工程と、前記第3の層の上方に圧力発生素子を形成する工程と、を具備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。 According to another aspect of the present invention, a step of forming a first layer containing silicon oxide as a main component above a substrate, and a method using a vapor deposition method on the first layer as a main component containing zirconium oxide. A step of forming a second layer; a step of forming a third layer mainly composed of zirconium oxide by applying a coating solution on the second layer and baking the second layer; and And a step of forming a pressure generating element above the liquid jet head manufacturing method.
かかる態様では、気相成膜法で第2の層を形成することにより第1の層との密着力を確保すると共に、第2の層の表面に異物が付着したり凹欠陥が生じたりした場合でも、塗布液を塗布して焼成することにより第3の層を形成して、第2の層の表面を第3の層で覆うことで、酸化ジルコニウムからなる層の表面を平滑にすることができる。これにより、酸化ジルコニウム層の剥離等の破壊を低減し、圧力発生素子の破壊も低減することができる。 In such an embodiment, the second layer is formed by the vapor deposition method to ensure adhesion with the first layer, and foreign matter adheres to the surface of the second layer or a concave defect occurs. Even in this case, the surface of the layer made of zirconium oxide is smoothed by forming the third layer by applying and baking the coating liquid and covering the surface of the second layer with the third layer. Can do. Thereby, destruction, such as exfoliation of a zirconium oxide layer, can be reduced, and destruction of a pressure generating element can also be reduced.
本発明の他の態様は、基板上方に酸化シリコンを主成分とする第1の層を形成する工程と、前記第1の層上に気相成膜法によりジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、前記ジルコニウム層上に塗布液を塗布することにより第3の層前駆体膜を形成する工程と、前記ジルコニウム層及び前記第3の層前駆体膜を同時に熱酸化して、酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層及び酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層を形成する工程と、前記第3の層の上方に圧力発生素子を形成する工程と、を具備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。 According to another aspect of the present invention, there is provided a step of forming a first layer mainly composed of silicon oxide on a substrate, and a zirconium layer mainly composed of zirconium by a vapor deposition method on the first layer. A step of forming, a step of forming a third layer precursor film by applying a coating solution on the zirconium layer, and a thermal oxidation and oxidation of the zirconium layer and the third layer precursor film simultaneously. Forming a second layer containing zirconium as a main component and a third layer containing zirconium oxide as a main component, and forming a pressure generating element above the third layer. The liquid jet head manufacturing method is characterized.
かかる態様では、気相成膜法で第2の層を形成することにより第1の層との密着力を確保すると共に、第2の層の表面に異物が付着したり凹欠陥が生じたりした場合でも、塗布液を塗布して焼成することにより第3の層を形成して、第2の層の表面を第3の層で覆うことで、酸化ジルコニウムからなる層の表面を平滑にすることができる。これにより、酸化ジルコニウム層の剥離等の破壊を低減し、圧力発生素子の破壊も低減することができる。さらに、製造工程数を削減することができ、結果として液体噴射ヘッドの生産性を向上させることができる。また、第2の層と第3の層との密着性に優れたものとなり、酸化ジルコニウム層の剥離等による破壊がより低減される。 In such an embodiment, the second layer is formed by the vapor deposition method to ensure adhesion with the first layer, and foreign matter adheres to the surface of the second layer or a concave defect occurs. Even in this case, the surface of the layer made of zirconium oxide is smoothed by forming the third layer by applying and baking the coating liquid and covering the surface of the second layer with the third layer. Can do. Thereby, destruction, such as exfoliation of a zirconium oxide layer, can be reduced, and destruction of a pressure generating element can also be reduced. Furthermore, the number of manufacturing steps can be reduced, and as a result, the productivity of the liquid jet head can be improved. Further, the adhesiveness between the second layer and the third layer is excellent, and the breakage due to peeling of the zirconium oxide layer or the like is further reduced.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例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、図1の平面図及びそのA−A′断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a plan view of FIG. FIG.
本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化シリコンを主成分とする第1の層となる、酸化シリコン層として弾性膜50が形成されている。
The flow
流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のリザーバー部31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の一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。
A plurality of
なお、本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。
In this embodiment, the flow
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口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。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
Further, on the opening surface side of the flow
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、絶縁体膜55が形成されている。さらに、この絶縁体膜55上には、第1電極60と、圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300(本実施形態の圧力発生素子)を構成している。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。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、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーター装置と称する。
On the other hand, the
絶縁体膜55は、酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層56と、第2の層56上に形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層57とからなる。このように、絶縁体膜55を、第2の層56と第3の層57とを積層した構成からなる酸化ジルコニウム層とすることで、絶縁体膜55の剥離等の破壊を低減し、圧力発生素子の破壊も低減することができる。
The
具体的には、第2の層56は、気相成膜法により形成されたものである。このように、第2の層56を気相成膜法により形成することで、酸化シリコンからなる弾性膜50と密着性の高い絶縁体膜55を形成することができる。すなわち、第2の層56は、絶縁体膜55の密着層として機能する。気相成膜法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、CVD法等が挙げられるが、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、CVD法が好ましい。本実施形態の第2の層56は、スパッタリング法によりジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することにより形成したものである。これにより、さらに弾性膜50との密着性に優れた絶縁体膜55を形成することができる。なお、第2の層56は、酸化ジルコニウムを直接スパッタリングすることにより形成することもできる。
Specifically, the
第3の層57は、第2の層56上に塗布液を塗布し、焼成することにより形成されたものである。第3の層57は、具体的には、ゾル−ゲル法又はMOD法を用いて形成するのが好ましく、本実施形態ではゾル−ゲル法を用いて形成した。第2の層56をスパッタリング法等の気相成膜法で形成すると、第2の層56に異物が付着する場合があり、異物付着部の剥離等により凹欠陥ができることがあるが、第2の層56上に塗布液を塗布し、焼成することにより第3の層57を形成することで、表面状態が良好な絶縁体膜55を形成することができる。言い換えれば、第2の層56の表面に異物が付着していたり、凹欠陥が存在したりしていても、第3の層57がこれらを覆ったり塞ぐことにより、表面が平滑な絶縁体膜55とすることができる。
The
ちなみに、第2の層56の上に、さらに、気相成膜法により酸化ジルコニウム層を設けて、絶縁体膜55とすることもできるが、同様に異物の付着及び凹欠陥の問題が生じてしまう。また、スパッタリング法、CVD法、又はレーザーアブレーション法等の気相成膜法よりも、塗布液を塗布して焼成する方法、例えば、ゾル−ゲル法又はMOD法の方が結晶粒の小さい酸化ジルコニウム層を形成することができ、効果的に凹欠陥を塞ぐことができる。また、気相成膜法により形成した酸化ジルコニウム層は、塗布液を塗布して焼成する方法、例えば、ゾル−ゲル法又はMOD法により形成した酸化ジルコニウム層よりも、平坦度が低くなってしまう。本実施形態では、上述したように、第2の層56に異物が付着したり、凹欠陥が生じたりしても、第2の層56上にゾル−ゲル法により第3の層57を形成することで、第2の層56の凹欠陥や異物を第3の層57で覆うことにより、絶縁体膜55の表面を平滑にすることができる。また、第2の層56の形成時に異物が付着したり、凹欠陥が生じたりしていない場合であっても、第3の層57は第2の層56と比較して結晶粒が小さく強度が高いため、第3の層57を設けることにより絶縁体膜55の強度が向上する。
Incidentally, a zirconium oxide layer may be further provided on the
また、第3の層57のみで構成すると、酸化シリコンとの密着性が低くなってしまう。本実施形態では、酸化物(酸化シリコン)である弾性膜50上に、スパッタリング法により形成した第2の層56を具備することで、弾性膜50と絶縁体膜55との密着性を向上することができ、圧電素子300の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。
In addition, if only the
なお、本実施形態では、厚さが0.2μmの第2の層56と、厚さが0.2μmの第3の層57とを形成した。すなわち、絶縁体膜55は、約0.4μmの厚さを有する。第2の層56と、第3の層57の厚さの割合は、特に限定されず、いずれが厚くてもよい。また、第3の層57は、第2の層56に付着した異物を覆うことができる程度の厚さであればよい。
In the present embodiment, the
また、第2の層56と第3の層57は、酸化ジルコニウムを主成分とするものであればよく、酸化ジルコニウムと、ジルコニウムと、酸素とが混合状態であってもよく、その他の元素を含有していてもよい。
In addition, the
また、第2の層56と第3の層57とは、材料が同じであったとしても、その製造方法が異なるため、結晶が分断された構造となっている。すなわち、第2の層56と第3の層層57との間で結晶が連続していない不連続な状態となっており、第2の層56と第3の層57の間には界面が存在する。言い換えれば、第2の層56と第3の層57とは、その組成比、結晶構造、結晶粒の大きさ等が異なる。例えば、第3の層57は、第2の層56と比較して、粒径が小さくなる。このような組成比や結晶構造や結晶粒の大きさの違いは、分析することで容易に検出することができる。なお、第2の層56と第3の層57は、結晶が分断された状態となっているが、材料が同じであるため、密着性が高い。
Further, even if the
圧電体層70は、第1電極60上に形成される電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ABO3で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層70としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等を用いることができる。本実施形態は、特定の圧電材料のみに限定しないと作用効果を発揮しないというものではないことを付言する。
The
圧電体層70の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層70を1〜5μm前後の厚さで形成した。
The
また、圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜55上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
Further, each
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、絶縁体膜55及びリード電極90上には、リザーバー100の少なくとも一部を構成するリザーバー部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このリザーバー部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13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100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、リザーバー部31のみをリザーバーとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶縁体膜55等)にリザーバーと各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
On the flow
また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
A piezoelectric
このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、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。
As such a
また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
The
また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
A
また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板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31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のリザーバー100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100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。
In addition, a
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー100からノズル開口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第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、第1電極60及び圧電体層70をたわ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開口21からインク滴が吐出する。
In such an ink jet recording head of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図3〜図6を参照して説明する。なお、図3〜図6は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。 Hereinafter, a method for manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 3 to 6 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing the method of manufacturing the ink jet recording head which is an example of the liquid ejecting head according to the embodiment of the invention.
まず、図3(a)に示すように、シリコンウェハーであり流路形成基板10が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する酸化膜51を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー110を熱酸化することにより、二酸化シリコンからなる酸化膜51を形成した。
First, as shown in FIG. 3A, an
次に、弾性膜50(酸化膜51)上に、スパッタリング法により、酸化ジルコニウムからなる第2の層56を形成する。具体的には、図3(b)に示すように、弾性膜50上に例えば、スパッタ法等によりジルコニウムを主成分とするジルコニウム層156を形成後、図3(c)に示すように、このジルコニウム層156を、例えば、500〜1200℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層56を形成する。
Next, a
なお、次の層を形成する前に、図示しないがその表面をスクラブ洗浄するのが好ましい。第2の層56を形成した後には、第2の層56の表面に異物が付着することがあるためである。この洗浄工程において、比較的大きな異物、例えば、第3の層57を形成しても塞ぐことができない大きさの異物を除去する。異物が除去された部分は凹欠陥となる一方、比較的小さな異物は除去されずに第2の層56に付着した状態となる。
Before forming the next layer, although not shown, the surface is preferably scrubbed. This is because foreign matter may adhere to the surface of the
次に、第2の層56上に、ゾル−ゲル法により酸化ジルコニウムからなる第3の層57を形成する。具体的には、図3(d)に示すように、第2の層56上に有機ジルコニウム化合物を含むゾル(溶液)を塗布して乾燥させることによりゲル化させて、第3の層前駆体膜157を形成した。ゾルの塗布方法は、特に限定されないが、本実施形態では、流路形成基板用ウェハー110を回転しながら、流路形成基板用ウェハー110の中心付近にゾルを滴下する、いわゆるスピンコート法により行った。次に、図3(e)に示すように、第3の層前駆体膜157を所定温度に加熱して一定時間保持することにより、第3の層57を形成する。これにより、第2の層56及び第3の層57からなる絶縁体膜55が形成される。
Next, a
なお、このような加熱工程で用いられる加熱装置としては、例えば、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するRTP(Rapid Thermal Processing)装置などを用いることができる。 As a heating device used in such a heating step, for example, a hot plate, an RTP (Rapid Thermal Processing) device that heats by irradiation with an infrared lamp, or the like can be used.
次に、図4(a)に示すように、絶縁体膜55上の全面に第1電極60を形成すると共に、所定形状にパターニングする。この第1電極60の材料は、特に限定されないが、圧電体層70としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いる場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ない材料であることが望ましい。このため、第1電極60の材料としては白金、イリジウム等が好適に用いられる。また、第1電極60は、例えば、スパッタリング法やPVD法(物理蒸着法)などにより形成することができる。
Next, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなる圧電体層70と、例えば、イリジウムからなる第2電極80とを流路形成基板用ウェハー110の全面に形成する。なお、圧電体層70の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成した。なお、圧電体層70の形成方法は、特に限定されず、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のPVD(Physical Vapor Deposition)法等を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, for example, a
次に、図4(c)に示すように、第2電極80及び圧電体層70を同時にエッチングすることにより各圧力発生室12に対応する領域に圧電素子300を形成する。ここで、第2電極80及び圧電体層70のエッチングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、図4(d)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って金(Au)からなるリード電極90を形成後、各圧電素子300毎にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 4 (d), a
次に、図5(a)に示すように、保護基板用ウェハー130を、流路形成基板用ウェハー110上に接着剤35を介して接着する。ここで、この保護基板用ウェハー130は、保護基板30が複数一体的に形成されたものであり、保護基板用ウェハー130には、リザーバー部31及び圧電素子保持部32が予め形成されている。保護基板用ウェハー130を接合することによって流路形成基板用ウェハー110の剛性は著しく向上することになる。
Next, as shown in FIG. 5A, the
次いで、図5(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みに薄くする。
Next, as shown in FIG. 5B, the flow path forming
次いで、図5(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110上にマスク52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図6に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, a
その後は、流路形成基板用ウェハー110表面のマスク52を除去し、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
Thereafter, the
以上説明したように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドIの製造方法では、弾性膜50上にスパッタ法によりジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層56を形成することで、弾性膜50と絶縁体膜55との密着性を向上することができ、圧電素子300の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。
As described above, in the method of manufacturing the ink jet recording head I according to this embodiment, the zirconium film is formed on the
また、第2の層56上にゾル−ゲル法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層57を形成することで、第2の層56の表面に異物や凹欠陥が生じた場合でも覆うことができ、絶縁体膜55の表面状態を良好にすることができる。表面の平滑な絶縁体膜55上に圧電素子300を形成することにより、圧電素子300の圧電体層70等に隙間ができたり、結晶の配向が不均一となったり、不連続性が生じたりする虞がなく、圧電素子300の破壊を低減することができる。
Further, by forming the
(実施形態2)
図7は、本発明の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。なお、上述した実施形態1と同様の部材には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing a method of manufacturing an ink jet recording head which is an example of the liquid jet head of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to Embodiment 1 mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
上述した実施形態1の図3(a)に示す工程と同様に、流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を形成する。
Similar to the process shown in FIG. 3A of the first embodiment, the
次に、図7(a)に示すように、弾性膜50上にスパッタリング法によりジルコニウムを主成分とするジルコニウム層156を形成する。
Next, as shown in FIG. 7A, a
次に、図7(b)に示すように、ジルコニウム層156上に、ゾル−ゲル法により第3の層前駆体膜157を形成する。具体的には、上述した実施形態1の図3(d)に示す工程と同様に、第2の層56上に有機ジルコニウム化合物を含むゾル(溶液)を塗布して乾燥させることによりゲル化させて、第3の層前駆体膜157を形成した。
Next, as shown in FIG. 7B, a third
次に、図7(c)に示すように、ジルコニウム層156及び第3の層前駆体膜157を熱酸化することにより、酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層56及び酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層57を同時に形成する。ジルコニウム層156は、第3の層前駆体膜157によってその表面が覆われているものの、加熱することにより第3の層前駆体膜157を酸素が透過して、熱酸化することができる。
Next, as shown in FIG. 7C, the
その後の工程、すなわち、圧電素子300を形成する工程、保護基板用ウェハー130を接合する工程、圧力発生室12等を形成する工程等については上述した実施形態1と同様であるため、重複する説明は省略する。
The subsequent steps, that is, the step of forming the
このような実施形態2の製造方法では、弾性膜50上にスパッタ法によりジルコニウム層156を形成した後、ジルコニウム層156上にゾル−ゲル法により第3の層前駆体膜157を形成し、ジルコニウム層156及び第3の層前駆体膜157を同時に熱酸化して、第2の層56及び第3の層57を形成することで、製造工程数を削減することができ、結果として液体噴射ヘッドの生産性を向上させることができる。また、第2の層と第3の層との密着性に優れたものとなり、酸化ジルコニウム層の剥離等による破壊がより低減される。また、上述した方法により弾性膜50上に第2の層56を形成することで、実施形態1の製造方法と同様に、弾性膜50と絶縁体膜55との密着性を向上することができ、圧電素子300の駆動時に層間剥離が生じるのを低減することができ、耐久性及び信頼性を向上することができる。また、第2の層56上にゾル−ゲル法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層57を形成することで、第2の層56の表面に異物や凹欠陥が生じた場合でも覆うことができ、絶縁体膜55の表面状態を良好にすることができる。表面状態の良好な絶縁体膜55上に圧電素子300を形成することにより、圧電素子300の圧電体層70等に隙間ができたり、結晶の配向が不均一となったり、不連続性が生じたりする虞がなく、圧電素子300の破壊を低減することができる。
In the manufacturing method of the second embodiment, the
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態1及び2では、第2の層56は、ジルコニウム層を形成した後に、これを熱酸化することにより形成したが、酸化ジルコニウム層を直接スパッタリング等により形成してもよい。
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the present invention is not limited to the above-described one. For example, in the first and second embodiments described above, the
また、実施形態1及び2では、第2の層56をスパッタリング法により形成し、第3の層57をゾル−ゲル法により形成したがこれに限定されるものではない。第2の層56は、例えば、レーザーアブレーション法、CVD法等の他の気相成膜法により形成してもよい。また、第3の層57は、例えば、MOD(Metal−Organic Decomposition)法により形成してもよい。なお、MOD法では、ジルコニウムアセチルアセトナート等の有機ジルコニウム化合物をアルコールに溶解し、これに加水分解抑制剤等を加えて得たコロイド溶液を塗布した後、これを乾燥して焼成することで第3の層を形成することができる。
In the first and second embodiments, the
また、上述した実施形態1及び2では、圧力発生室12に圧力変化を生じさせる圧力発生素子として、薄膜型の圧電素子300を有するアクチュエーター装置を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエーター装置や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型のアクチュエーター装置などを使用することができる。また、圧力発生素子として、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエーターなどを使用することができる。
In the first and second embodiments described above, the actuator device having the thin film type
また、上述した実施形態1及び2では、第3の層57上に圧力発生素子として圧電素子300を設けるようにしたが、圧力発生素子は、第3の層57の上方に形成されていればよいため、圧力発生素子は、第3の層57の直上であっても、他の部材が間に介在した状態で積層されていてもよい。
In the first and second embodiments described above, the
また、例えば、上述した実施形態1及び2では、流路形成基板10としてシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
Further, for example, in the first and second embodiments described above, a silicon single crystal substrate is exemplified as the flow
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連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8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。 In addition, the ink jet recording head of each of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 8 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図8に示すように、本実施形態の液体噴射装置であるインクジェット式記録装置1は、例えば、ブラック(B)、シアン(C)、マゼンダ(M)、イエロー(Y)等の複数の異なる色のインクが貯留される貯留室を有するインクカートリッジ(液体貯留手段)2が装着されたインクジェット式記録ヘッドI(以下、記録ヘッド)を具備する。記録ヘッドIはキャリッジ3に搭載されており、記録ヘッドIが搭載されたキャリッジ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。そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、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、図示しない給紙装置等により給紙された紙等の被記録媒体Sがプラテン8上を搬送されるようになっている。
As shown in FIG. 8, the ink jet recording apparatus 1 which is a liquid ejecting apparatus according to this embodiment includes a plurality of different colors such as black (B), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y). An ink jet recording head I (hereinafter referred to as a recording head) to which an ink cartridge (liquid storing means) 2 having a storage chamber for storing the ink is mounted. The recording head I is mounted on a carriage 3, and the carriage 3 on which the recording head I is mounted is provided on a
また、上述した実施形態1及び2では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘ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EL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。 In the first and second embodiments described above, the ink jet recording head has been described as an example of the liquid ejecting head. However, the present invention is widely applied to all liquid ejecting heads and ejects liquids other than ink. Of course, the invention can also be applied to a liquid jet head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
さらに、本発明は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエーター装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置にも適用することができる。 Furthermore, the present invention is not limited to an actuator device mounted on a liquid ejecting head typified by an ink jet recording head, and can also be applied to an actuator device mounted on another device.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 10 流路形成基板(基板)、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 15 連通路、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板(結晶基板)、 31 リザーバー部、 40 コンプライアンス基板、 50 弾性膜(酸化シリコン層)、 55 絶縁体膜、 56 第2の層、 57 第3の層、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 リザーバー、 120 駆動回路、 300 圧電素子(圧力発生素子)
I ink jet recording head (liquid ejecting head), 10 flow path forming substrate (substrate), 12 pressure generating chamber, 13 communication section, 14 ink supply path, 15 communication path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate ( Crystal substrate), 31 reservoir section, 40 compliance substrate, 50 elastic film (silicon oxide layer), 55 insulator film, 56 second layer, 57 third layer, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80
Claims (8)
前記第1の層上に気相成膜法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層と、
前記第2の層上に塗布液を塗布し、焼成することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層と、
前記第3の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。 A first layer mainly composed of silicon oxide formed above the substrate;
A second layer mainly composed of zirconium oxide formed on the first layer by a vapor deposition method;
A third layer mainly composed of zirconium oxide formed by applying and baking a coating liquid on the second layer;
And a pressure generating element formed above the third layer.
前記第1の層上に気相成膜法により形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層と、
前記第2の層上に塗布液を塗布し、焼成することにより形成された酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層と、
前記第3の層の上方に形成された圧力発生素子と、を具備することを特徴とするアクチュエーター装置。 A first layer mainly composed of silicon oxide formed above the substrate;
A second layer mainly composed of zirconium oxide formed on the first layer by a vapor deposition method;
A third layer mainly composed of zirconium oxide formed by applying and baking a coating solution on the second layer;
An actuator device comprising: a pressure generating element formed above the third layer.
前記第1の層上に気相成膜法により酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層を形成する工程と、
前記第2の層上に塗布液を塗布し、焼成することにより酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層を形成する工程と、
前記第3の層の上方に圧力発生素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 Forming a first layer mainly composed of silicon oxide above the substrate;
Forming a second layer mainly composed of zirconium oxide on the first layer by a vapor deposition method;
Applying a coating solution on the second layer and baking to form a third layer mainly composed of zirconium oxide;
Forming a pressure generating element above the third layer. A method of manufacturing a liquid jet head, comprising:
前記第1の層上に気相成膜法によりジルコニウムを主成分とするジルコニウム層を形成する工程と、
前記ジルコニウム層上に塗布液を塗布することにより第3の層の前駆体膜を形成する工程と、
前記ジルコニウム層及び前記第3の層前駆体膜を同時に熱酸化して、酸化ジルコニウムを主成分とする第2の層及び酸化ジルコニウムを主成分とする第3の層を形成する工程と、
前記第3の層の上方に圧力発生素子を形成する工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 Forming a first layer mainly composed of silicon oxide above the substrate;
Forming a zirconium layer mainly composed of zirconium on the first layer by a vapor deposition method;
Forming a third layer precursor film by applying a coating solution on the zirconium layer;
Thermally oxidizing the zirconium layer and the third layer precursor film simultaneously to form a second layer mainly composed of zirconium oxide and a third layer mainly composed of zirconium oxide;
Forming a pressure generating element above the third layer. A method of manufacturing a liquid jet head, comprising:
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