JP2010253786A

JP2010253786A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置

Info

Publication number: JP2010253786A
Application number: JP2009106038A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yazaki; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】異物による不具合の発生と共に圧電素子の破壊を抑制することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置を提供する。
【解決手段】
圧電体層７０が第１の電極６０と第２の電極８０とで挟まれた圧電体能動部３２０を有する圧電素子３００と、圧電素子３００を覆って設けられる被覆膜１００と、第２の電極８０に接続されるリード電極９０と、を具備し、被覆膜１００には、第圧電体能動部３２０に対向して設けられて第２の電極８０の表面を露出する露出孔１０１と、リード電極９０と第２の電極８０とを接続するためのコンタクトホール１０２と、が設けられていると共に、第２の電極８０には、露出孔１０１から連続する第１の凹部８１と、コンタクトホール１０２から連続する第２の凹部８２と、が設けられており、且つ第２の電極８０の第１の凹部８１に対応する部分の厚さｔ１が、第２の凹部８２に対応する部分の厚さｔ２よりも厚くなるようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、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アクチュエーター装置に関する。

液体噴射ヘッドの代表例としては、インクジェット式記録装置に搭載されるインクジェ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。

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としては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。

このような圧電素子は、高密度に配設することができると共に高速駆動が可能となるといった利点があるが、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという問題がある。このような問題を解決するために、圧電素子を覆って保護膜を設けるようにしたものがある。またこの保護膜に、上電極とリード電極とを接続するためのコンタクトホールを形成すると共に、上電極の主要部に対応する部分に中抜き部を設けるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２１６４２９号公報（例えば、図３参照）

このように保護膜上に形成されたリード電極をコンタクトホールで上電極と接続すると共に、圧電素子上に保護膜が存在しない中抜き部を設けることにより、保護膜によって圧電素子の外部環境に起因する破壊を防止しつつ圧電素子の変位低下も抑制することができる。しかしながら、特許文献１に記載されているように、コンタクトホールや中抜き部は、保護膜をエッチングすることによって形成されるのが一般的である。このように保護膜をエッチングによってコンタクトホールや中抜き部を形成すると、次のような不具合が生じる虞がある。

例えば、コンタクトホールの場合には、コンタクトホール内の保護膜が完全に除去されずに薄く残り、リード電極と上電極との接続不良が生じる虞がある。また中抜き部の場合には、中抜き部の周縁部等に保護膜が薄く残ってしまい、その部分から保護膜が剥離してしまう虞がある。

このような問題を解消するために、コンタクトホールや中抜き部を形成する際に、保護膜と共に上電極の一部を除去することが考えられる。これにより、コンタクトホールや中抜き部の保護膜を完全に除去することはでき上述の問題は解消することができるが、圧電素子が応力集中によって破壊されてしまうという別の問題が発生する虞がある。すなわち、中抜き部内の上電極が薄くなり過ぎると、圧電素子の中抜き部に対応する部分とそれ以外の部分との剛性差が大きくなり、圧電素子を駆動した際に、圧電素子の中抜き部に対応する部分に応力が集中し、圧電素子が破壊されてしまう虞がある。

なお、このような問題は、インク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、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。また液体噴射ヘッドだけでなく、圧電素子を具備するアクチュエーター装置においても、このような問題は同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、異物による不具合の発生と共に圧電素子の破壊を抑制することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、圧力発生室を有する流路形成基板の一方面側に設けられて圧電体層が第１の電極と第２の電極とで挟まれた圧電体能動部を有する圧電素子と、該圧電素子を覆って設けられる被覆膜と、前記第２の電極に接続されるリード電極と、を具備し、前記被覆膜には、前記圧電体能動部に対向して設けられて前記第２の電極の表面を露出する露出孔と、前記リード電極と前記第２の電極とを接続するためのコンタクトホールと、が設けられていると共に、前記第２の電極には、前記露出孔から連続する第１の凹部と、前記コンタクトホールから連続する第２の凹部と、が設けられており、且つ前記第２の電極の前記第１の凹部に対応する部分の厚さが、前記第２の凹部に対応する部分の厚さよりも厚くなっていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

また本発明は、圧電体層が第１の電極と第２の電極とで挟まれた圧電体能動部を有する圧電素子と、前記圧電素子を覆って設けられる被覆膜と、前記第２の電極に接続されるリード電極と、前記被覆膜には、前記圧電体能動部に対向して設けられて前記第２の電極の表面を露出する露出孔と、前記リード電極と前記第２の電極とを接続するためのコンタクトホールと、が設けられていると共に、前記第２の電極には、前記露出孔から連続する第１の凹部と、前記コンタクトホールから連続する第２の凹部と、が設けられており、且つ前記第２の電極の前記第１の凹部に対応する部分の厚さが、前記第２の凹部に対応する部分の厚さよりも厚くなっていることを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる本発明の構成では、コンタクトホール内でリード電極と第２の電極とを良好に接続することができると共に露出孔周縁部での被覆膜の剥離を防止でき、且つ応力集中による圧電素子の破壊を防止することができる。

ここで、前記第２の電極の前記第２の凹部に対応する部分の厚さが１０ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、リード電極と第２の電極とを電気的により良好に接続することができる。

また、本発明は、上述のような構成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。かかる本発明では、信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現することができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの圧電素子部分の構成を示す平面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの圧電素子部分の構成を示す断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。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。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）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。

流路形成基板１０には、圧力発生室１２の長手方向一端部側に、隔壁１１によって区画され各圧力発生室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。

なお流路形成基板１０の材料として、本実施形態ではシリコン単結晶基板を用いているが、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。

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１３とは反対側の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。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側の面には、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、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。

圧電素子３００は、第１の電極である下電極膜６０と圧電体層７０と第２の電極である上電極膜８０とで構成され、圧電体層７０が下電極膜６０と上電極膜８０とで挟まれた圧電体能動部３２０を有する。つまり圧電素子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を有する部分を含み、圧電体能動部３２０が圧電素子３００の実質的な駆動部となっている。なお一般的には、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。

またここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００（圧電体能動部３２０）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。

圧電素子３００上には、上電極膜８０を露出する露出孔１０１を有する被覆膜１００が設けられている。露出孔１０１は、上電極膜８０の圧力発生室１２に対向する部分を露出するように、つまり圧電素子３００に電圧を印加した際に実際に変位が生じる部分である圧電体能動部３２０の上電極膜８０を露出するように設けられている。

このように圧電素子３００の大部分が被覆膜１００によって覆われていることで、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。また、被覆膜１００に露出孔１０１が設けられていることで、被覆膜１００による圧電素子３００の変位量の低下が抑えられ、インク吐出特性を良好に保持することができる。

被覆膜１００の材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、酸化タンタル（ＴａＯ_ｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）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酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いるのが好ましい。被覆膜１００の材料として酸化アルミニウムを用いた場合、被覆膜１００の膜厚を１００ｎｍ程度と比較的薄くしても、高湿度環境下での水分透過を十分に抑えることができる。

また被覆膜１００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１０２で上電極膜８０と接続されている。

さらに上電極膜８０の露出孔１０１に対向する部分には、この露出孔１０１から連続する第１の凹部８１が設けられている。また上電極膜８０の被覆膜１００のコンタクトホール１０２に対向する部分には、コンタクトホール１０２から連続する第２の凹部８２が設けられている。第１の凹部８１は露出孔１０１と共に形成され、第２の凹部８２はコンタクトホール１０２と共に形成される。すなわち、露出孔１０１及びコンタクトホール１０２は、後述するように被覆膜１００をエッチング（例えば、イオンミリング）することによって形成されており、第１及び第２の凹部８１，８２は、このように被覆膜１００をエッチングして露出孔１０１或いはコンタクトホール１０２を形成する際に、被覆膜１００と共に上電極膜８０の一部をエッチングすることによって形成されている。

ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドにおける圧電素子部分の製造方法の一例について説明する。

図５（ａ）に示すように、まず振動板を構成する絶縁体膜５５上に、例えば、白金（Ｐｔ）等の所定の金属材料をスパッタリング法等によって成膜して第１の電極となる下電極膜６０を形成し、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。

次に、図５（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。

次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体層７０上に上電極膜８０を形成し、その後、この上電極膜８０及び圧電体層７０を所定形状にパターニングすることによって圧電素子３００を形成する。なお上電極膜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。

次に、図５（ｄ）に示すように、圧電素子３００を覆って被覆膜１００を形成する。次いで、図６（ａ）に示すように、レジスト膜２００等をマスクとして被覆膜１００をエッチング（例えば、イオンミリング）することによって、被覆膜１００にコンタクトホール１０２を形成する。このとき、被覆膜１００と共に上電極膜８０の一部を除去して第２の凹部８２を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、被覆膜１００上にリード電極９０を形成する。具体的には、リード電極９０となる金属膜を被覆膜１００の全面に亘って形成し、この金属膜をパターニングすることによってリード電極９０を形成する。このとき、各リード電極９０の一端がコンタクトホール１０２で上電極膜８０に接続される。

その後、図６（ｃ）に示すように、レジスト膜２０１等をマスクとして被覆膜１００をエッチングすることによって露出孔１０１を形成する。またこのとき、被覆膜１００と共に圧電体能動部３２０を構成する上電極膜８０の一部を除去して第１の凹部８１を形成する。

このように、上電極膜８０に第１及び第２の凹部８１，８２を設けることにより、コンタクトホール１０２が被覆膜１００を確実に貫通して形成されるため、コンタクトホール１０２内でリード電極９０と上電極膜８０とを確実に接続させることができ、導通不良の発生を抑えることができる。また露出孔１０１の周縁部に被覆膜１００が薄く残ることがない。したがって、被覆膜１００の剥離を防止することができる。

ここで本発明では、上電極膜８０の第１の凹部８１に対応する部分の厚さｔ１が、上電極膜８０の第２の凹部８２に対応する部分の厚さｔ２よりも厚くなるようにしている（図４参照）。換言すれば、第１の凹部８１の深さが第２の凹部８２の深さよりも浅くなるようにしている。これにより、圧電素子３００の露出孔１０１に対向する部分と、それ以外の部分との剛性差が比較的小さくなるため、圧電素子３００の露出孔１０１に対向する部分への応力集中が抑制される。すなわち圧電素子３００を駆動させた際に、圧電素子３００の露出孔１０１に対向する部分のみが大きく変形してしまうのを抑制することができる。

また、上電極膜８０の第２の凹部８２に対応する部分の厚さｔ２は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、リード電極９０と第２の電極８０とを電気的により良好に接続することができる。したがって、圧電素子３００を良好に駆動させることができる。勿論、上電極膜８０の第１の凹部８１に対応する部分の厚さｔ１及び第２の凹部８２に対応する部分の厚さｔ２は、圧電素子３００に電圧を印加するのに支障のない程度の厚さであれば特に限定されるものではない。

また上述のようにイオンミリング等によって第１の凹部８１を形成する場合には、第１の凹部８１の深さが比較的浅いことで、各圧電素子３００における第１の凹部８１の深さのバラツキが小さく抑えられる。したがって、各圧電素子３００の変位特性が均一化されるという効果もある。

なおこのような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子保持部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。

また、保護基板３０には、連通部１５に対向する部分にリザーバー部３２が設けられており、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３０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。

また保護基板３０上には、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。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。

なお保護基板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。

また保護基板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３２の一方面が封止されている。また、固定板４２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。

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、図示しない外部インク供給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。

（他の実施形態）
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、被覆膜１００を複数の圧電素子３００に亘って連続して設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、被覆膜１００は圧電素子３００毎に設けられていてもよい。また上述した実施形態では、圧電素子保持部３１を有する保護基板３０を設けるようにしたが、圧電素子３００は被覆膜１００によって覆われて外部環境に起因する破壊が抑制されているため、圧電素子保持部３１は必ずしも設けられていなくてもよい。

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７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。

図７に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び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。

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、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。

また、上述した実施形態では、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。

さらに本発明は、このような液体噴射ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）だけでなく、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、センサー等にも適用することができる。

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３インク供給路、１５連通部、２０ノズルプレート、２１ノズル、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）、７０圧電体層、８０上電極膜（第２の電極）、８１第１の凹部、８２第２の凹部、９０リード電極、１００被覆膜、１０１露出孔、１０２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

圧力発生室を有する流路形成基板の一方面側に設けられて圧電体層が第１の電極と第２の電極とで挟まれた圧電体能動部を有する圧電素子と、
該圧電素子を覆って設けられる被覆膜と、前記第２の電極に接続されるリード電極と、を具備し、
前記被覆膜には、
前記圧電体能動部に対向して設けられて前記第２の電極の表面を露出する露出孔と、
前記リード電極と前記第２の電極とを接続するためのコンタクトホールと、が設けられていると共に、
前記第２の電極には、
前記露出孔から連続する第１の凹部と、
前記コンタクトホールから連続する第２の凹部と、が設けられており、
且つ前記第２の電極の前記第１の凹部に対応する部分の厚さが、前記第２の凹部に対応する部分の厚さよりも厚くなっていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記第２の電極の前記第２の凹部に対応する部分の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１又は２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。
圧電体層が第１の電極と第２の電極とで挟まれた圧電体能動部を有する圧電素子と、
前記圧電素子を覆って設けられる被覆膜と、
前記第２の電極に接続されるリード電極と、
前記被覆膜には、
前記圧電体能動部に対向して設けられて前記第２の電極の表面を露出する露出孔と、
前記リード電極と前記第２の電極とを接続するためのコンタクトホールと、が設けられていると共に、
前記第２の電極には、
前記露出孔から連続する第１の凹部と、
前記コンタクトホールから連続する第２の凹部と、が設けられており、
且つ前記第２の電極の前記第１の凹部に対応する部分の厚さが、前記第２の凹部に対向する部分の厚さよりも厚くなっていることを特徴とするアクチュエーター装置。