JP2014197576A - Liquid injection head, liquid injection apparatus, piezo electric element, ultrasonic transducer and ultrasonic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイスに関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head that ejects liquid from a nozzle opening, a liquid ejecting apparatus, a piezoelectric element, an ultrasonic transducer, and an ultrasonic device.
圧電素子(圧電アクチュエーター)を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズル開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドが知られている。この液体噴射ヘッドの代表例としては、液滴としてインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドがある。 A liquid ejecting head that ejects liquid droplets from a nozzle opening communicating with a pressure generating chamber by deforming a piezoelectric element (piezoelectric actuator) to cause a pressure fluctuation in the liquid in the pressure generating chamber is known. A typical example of the liquid ejecting head is an ink jet recording head that ejects ink droplets as droplets.
インクジェット式記録ヘッドは、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に圧電素子を備え、圧電素子の駆動によって振動板を変形させることで、圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせて、ノズル開口からインク滴を噴射させる。 An ink jet recording head includes, for example, a piezoelectric element on one side of a flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening, and deforms a diaphragm by driving the piezoelectric element, thereby The ink is caused to change in pressure, and ink droplets are ejected from the nozzle openings.
ここで、圧電素子は、振動板上に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を具備し、第1電極及び第2電極には、駆動IC等に接続された配線と接続するための配線層が接続されたものがある(例えば、特許文献1参照)。 Here, the piezoelectric element includes a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode provided on the diaphragm, and the first electrode and the second electrode are connected to a wiring connected to a driving IC or the like. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228707 discloses a wiring layer connected to the wiring layer.
しかしながら、圧電素子の実質的な駆動部となる能動部を切り分ける圧電体層に設けられた凹部の側面形状が急峻、すなわち、流路形成基板の表面に対して垂直に近い角度で形成された場合や側面の凹凸(ラフネス)が大きい場合に側面上に第2電極がうまく形成されずに断線したり、剥離して異物となってしまうという虞があるという問題がある。
特に、圧電体層の凹部をウェットエッチングで形成する際にラフネスが大きくなってしまい、第2電極の付き周り不良が発生し易い。
However, when the side surface shape of the concave portion provided in the piezoelectric layer that separates the active portion that is the substantial driving portion of the piezoelectric element is steep, that is, formed at an angle close to perpendicular to the surface of the flow path forming substrate In addition, there is a problem that when the unevenness (roughness) of the side surface is large, the second electrode may not be well formed on the side surface and may be disconnected or peeled off to become a foreign matter.
In particular, when the concave portion of the piezoelectric layer is formed by wet etching, the roughness becomes large, and the attachment around the second electrode is liable to occur.
また、側面の角度を流路形成基板の表面に近づける角度で形成すると、圧電素子(能動部)を高密度で配置することができないという問題がある。
また、圧電素子の変位特性を向上するために、第2電極の厚さを薄くすると、凹部の側面内への付き周り不良が特に発生し易くなる。
Further, when the side surface is formed at an angle close to the surface of the flow path forming substrate, there is a problem that the piezoelectric elements (active portions) cannot be arranged with high density.
In addition, if the thickness of the second electrode is reduced in order to improve the displacement characteristics of the piezoelectric element, a contact defect in the side surface of the recess is particularly likely to occur.
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子を保護することができると共に配線の断線や異物の発生を抑え、高密度に配設することができる液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波トランスデューサー及び超音波デバイスを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention can protect a piezoelectric element, suppress disconnection of wiring and generation of foreign matter, and can be disposed at a high density, a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, a piezoelectric element, a super It is an object to provide an acoustic transducer and an ultrasonic device.
上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられて、第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子と、を具備する液体噴射ヘッドであって、前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた実質的な駆動部となる能動部を複数有し、前記第1電極が前記能動部毎に設けられた個別電極であり、前記第2電極が複数の前記能動部に亘って設けられた共通電極であり、前記圧電体層は、複数の能動部に亘って設けられており、当該圧電体層には、複数の前記能動部の間に凹部が設けられており、前記凹部の少なくとも側面上には、前記第2電極が形成されていないことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、圧電体層の凹部の側面上に第2電極を形成しないようにすることで、凹部内での第2電極の形成不良による断線や剥離を抑制することができる。
An aspect of the present invention that solves the above problems includes a flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid, and a first electrode provided on one side of the flow path forming substrate. A liquid ejecting head including a piezoelectric layer and a piezoelectric element having a second electrode, and a plurality of active parts serving as a substantial driving part sandwiched between the first electrode and the second electrode. The first electrode is an individual electrode provided for each active part, the second electrode is a common electrode provided across the plurality of active parts, and the piezoelectric layer includes a plurality of active parts. The piezoelectric layer is provided with a recess between the plurality of active portions, and the second electrode is not formed on at least the side surface of the recess. The liquid jet head is characterized by the following.
In such an aspect, by preventing the second electrode from being formed on the side surface of the concave portion of the piezoelectric layer, disconnection or peeling due to poor formation of the second electrode in the concave portion can be suppressed.
ここで、前記凹部の少なくとも側面上には、絶縁材料からなる保護膜が形成されていることが好ましい。これによれば、凹部の側面上に保護膜を形成することで、圧電体層の外部環境による破壊を抑制することができる。 Here, it is preferable that a protective film made of an insulating material is formed on at least the side surface of the recess. According to this, by forming the protective film on the side surface of the recess, it is possible to suppress the destruction of the piezoelectric layer due to the external environment.
また、前記保護膜が、前記第2電極よりもヤング率が小さい材料で形成されていることが好ましい。これによれば、保護膜が能動部の変位を阻害するのを抑制して、能動部の圧電特性を向上することができる。 The protective film is preferably formed of a material having a Young's modulus smaller than that of the second electrode. According to this, it can suppress that a protective film inhibits the displacement of an active part, and can improve the piezoelectric characteristic of an active part.
また、前記保護膜は内部応力が引っ張り応力であることが好ましい。これによれば、能動部を流路形成基板とは反対側に凸となるように変形させることができ、能動部の変位量を向上することができる。 The protective film preferably has a tensile stress as an internal stress. According to this, the active part can be deformed so as to be convex on the side opposite to the flow path forming substrate, and the amount of displacement of the active part can be improved.
また、前記第2電極上には、前記凹部以外の領域に複数の前記能動部に亘って連続して設けられた配線層を有することが好ましい。これによれば、第2電極が凹部で分断されることで電気抵抗値が高くなったとしても、一つ或いは少数の能動部を単独或いは同時に駆動する場合と、多数の能動部を同時に駆動して多数の液滴を一度に吐出させる場合とで電圧降下が発生するのを抑制して、液滴の吐出特性の低下及びばらつきを抑制することができる。 Moreover, it is preferable to have a wiring layer provided continuously over the plurality of active portions in a region other than the concave portion on the second electrode. According to this, even if the electrical resistance value is increased by dividing the second electrode by the concave portion, one or a few active parts are driven alone or simultaneously, and a large number of active parts are driven simultaneously. Thus, it is possible to suppress a voltage drop from occurring when a large number of droplets are discharged at a time, and to suppress a drop and variation in droplet discharge characteristics.
さらに、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、第2電極の断線や剥離等を抑制すると共に圧電体層の破壊を抑制して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, it is possible to realize a liquid ejecting apparatus that improves reliability by suppressing breakage and peeling of the second electrode and suppressing breakage of the piezoelectric layer.
また、本発明の他の態様は、第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子であって、前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた実質的な駆動部となる能動部を複数有し、前記第1電極が前記能動部毎に設けられた個別電極であり、前記第2電極が複数の前記能動部に亘って設けられた共通電極であり、前記圧電体層は、複数の能動部に亘って設けられており、当該圧電体層には、複数の前記能動部の間に凹部が設けられており、前記凹部の少なくとも側面上には、前記第2電極が形成されることなく、絶縁材料からなる保護膜が形成されていることを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、圧電体層の凹部の側面上に第2電極を形成しないようにすることで、凹部内での第2電極の形成不良による断線や剥離を抑制することができる。また、凹部の側面上に保護膜を形成することで、圧電体層の外部環境による破壊を抑制することができる。
According to another aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode, which is a substantial driving unit sandwiched between the first electrode and the second electrode. A plurality of active portions, wherein the first electrode is an individual electrode provided for each active portion, the second electrode is a common electrode provided across the plurality of active portions, and the piezoelectric layer Is provided over a plurality of active portions, and the piezoelectric layer is provided with a recess between the plurality of active portions, and the second electrode is provided on at least a side surface of the recess. The piezoelectric element is characterized in that a protective film made of an insulating material is formed without being formed.
In such an aspect, by preventing the second electrode from being formed on the side surface of the concave portion of the piezoelectric layer, disconnection or peeling due to poor formation of the second electrode in the concave portion can be suppressed. In addition, by forming a protective film on the side surface of the recess, it is possible to suppress destruction of the piezoelectric layer due to the external environment.
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電素子を具備することを特徴とする超音波トランスデューサーにある。
かかる態様では、圧電体層の凹部の側面上に第2電極を形成しないようにすることで、凹部内での第2電極の形成不良による断線や剥離を抑制することができる。したがって、能動部の側面を急峻にして、高密度配置が可能となる。
Furthermore, another aspect of the present invention is an ultrasonic transducer including the piezoelectric element according to the above aspect.
In such an aspect, by preventing the second electrode from being formed on the side surface of the concave portion of the piezoelectric layer, disconnection or peeling due to poor formation of the second electrode in the concave portion can be suppressed. Accordingly, the side surface of the active portion is steep and high density arrangement is possible.
また、本発明の他の態様は、開口を有する基板と、該基板上に設けられた上記態様の超音波トランスデューサーと、具備することを特徴とする超音波デバイスにある。
かかる態様では、第2電極の断線や剥離等を抑制すると共に圧電体層の破壊を抑制して信頼性を向上した超音波デバイスを実現できる。
According to another aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic device comprising: a substrate having an opening; and the ultrasonic transducer according to the above aspect provided on the substrate.
In this aspect, it is possible to realize an ultrasonic device that has improved reliability by suppressing breakage and peeling of the second electrode and suppressing breakage of the piezoelectric layer.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(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斜視図であり、図2はインクジェット式記録ヘッドの流路形成基板の平面図であり、図3は図2のA−A′線に準ずる断面図であり、図4は図2のB−B′線に準ずる断面図であり、図5は図2のC−C′線の断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of an ink jet recording head that is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a plan view of a flow path forming substrate of the ink jet recording head, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 2, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG.
図示するように、本実施形態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Iが備える流路形成基板10には、圧力発生室12が形成されている。そして、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12がインクを吐出する複数のノズル開口21が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室12の並設方向、又は第1の方向Xと称する。また、この第1の方向Xと直交する方向を、以降、第2の方向Yと称する。
As shown in the drawing, a
また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向の一端部側、すなわち第1の方向Xに直交する第2の方向Yの一端部側には、インク供給路13と連通路14とが複数の隔壁11によって区画されている。連通路14の外側(第2の方向Yにおいて圧力発生室12とは反対側)には、各圧力発生室12の共通のインク室(液体室)となるマニホールド100の一部を構成する連通部15が形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15からなる液体流路が設けられている。
An
流路形成基板10の一方面側、すなわち圧力発生室12等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室12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接合されている。すなわち、ノズルプレート20には、第1の方向Xにノズル開口21が並設されている。
On one side of the flow
流路形成基板10の他方面側には、振動板50が形成されている。本実施形態に係る振動板50は、流路形成基板10上に形成された弾性膜51と、弾性膜51上に形成された絶縁体膜52とで構成されている。なお、圧力発生室12等の液体流路は、流路形成基板10を一方面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室12等の液体流路の他方面は、振動板50(弾性膜51)で構成されている。
A
絶縁体膜52上には、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とで構成される圧電素子300が形成されている。この基板(流路形成基板10)に設けられた圧電素子300が本実施形態のアクチュエーター装置となる。
On the
以下、アクチュエーター装置を構成する圧電素子300について、図3及び図4を参照してさらに詳細に説明する。
図示するように、圧電素子300を構成する第1電極60は、圧力発生室12毎に切り分けられて、後述する圧電素子300の実質的な駆動部である能動部毎に独立する個別電極を構成する。この第1電極60は、圧力発生室の第1の方向Xにおいては、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室12の第1の方向Xにおいて、第1電極60の端部は、圧力発生室12に対抗する領域の内側に位置している。また、第2の方向Yにおいて、第1電極60の両端部は、それぞれ圧力発生室12の外側まで延設されている。なお、第1電極60の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の貴金属が好適に用いられる。
Hereinafter, the
As shown in the figure, the
圧電体層70は、第2の方向Yが所定の幅となるように、第1の方向Xに亘って連続して設けられている。圧電体層70の第2の方向Yの幅は、圧力発生室12の第2の方向Yの長さよりも広い。このため、圧力発生室12の第2の方向Yでは、圧電体層70は圧力発生室12の外側まで設けられている。
The
圧力発生室12の第2の方向Yにおいて、圧電体層70のインク供給路13側の端部は、第1電極60の端部よりも外側に位置している。すなわち、第1電極60の端部は圧電体層70によって覆われている。また、圧電体層70のノズル開口21側の端部は、第1電極60の端部よりも内側(圧力発生室12側)に位置しており、第1電極60のノズル開口21側の端部は、圧電体層70に覆われていない。
In the second direction Y of the
圧電体層70は、第1電極60上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、Aは、鉛を含み、Bは、ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも一方を含むことができる。前記Bは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層70としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3:PZT)、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O3:PZTNS)などを用いることができる。
The
また、圧電体層70は、鉛を含まない非鉛系圧電材料、例えば、鉄酸ビスマスや鉄酸マンガン酸ビスマスと、チタン酸バリウムやチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物などとしてもよい。
Further, the
圧電体層70は、詳しくは後述するが、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)などで形成することができる。
As will be described in detail later, the
このような圧電体層70には、各隔壁11に対応する凹部71が形成されている。この凹部71の第1の方向Xの幅は、各隔壁11の第1の方向の幅と略同一、もしくはそれよりも広くなっている。これにより、振動板50の圧力発生室12の第2の方向Yの端部に対抗する部分(いわゆる振動板50の腕部)の剛性が押さえられるため、圧電素子300を良好に変位させることができる。
In such a
第2電極80は、圧電体層70の第1電極60とは反対面側に設けられており、複数の能動部310に共通する共通電極を構成する。
ここで、第2電極80は、少なくとも圧電体層70の凹部71の内壁面には設けられていない。すなわち、圧電体層70の凹部71の流路形成基板10の表面に交差する側面上には、第2電極80が設けられていない。
The
Here, the
そして、このような第2電極80は、凹部71の第2の方向Yの両側において複数の能動部310に亘って連続して設けられている。すなわち、第2電極80は、凹部71内には設けられておらず、圧電体層70上の凹部71の周囲に亘って連続して設けられている。
The
このように、圧電体層70の凹部71の側面上に第2電極80を形成しないことで、第2電極80が剥離して異物となることや、断線するのを抑制することができる。したがって、圧電体層70の凹部71の側面が急峻、すなわち、流路形成基板10(流路形成基板用ウェハー110)の表面に対して垂直に近い角度で形成することや、凹部71の側面の凹凸(ラフネス)が大きすることができる。このため、圧電体層70の凹部71の側面を急峻にして圧電体層70を高密度に配置することができると共に、圧電体層70のパターニング方法に制限がなく、効率よく低コストな方法でパターニングすることができる。
Thus, by not forming the
また、第2電極80を圧電体層70の凹部71の側面上に形成しないことで、第2電極80の側面への付き周り不良を抑制することができるため、第2電極80の厚さを比較的薄くして、圧電素子300(能動部310)の変位特性を向上することができる。
In addition, since the
また、第2電極80は、本実施形態では、第1電極60上から圧電体層70の側面を介して圧電体層70の流路形成基板10とは反対側の面上まで延設されている。そして、第1電極60上から連続する第2電極80と、圧電体層70の主要部(能動部310)に設けられた第2電極80とは、除去部83を介して電気的に切断されている。すなわち、第1電極60上から圧電体層70上に延設された第2電極80と、能動部310に設けられた第2電極80とは、同一層からなるが電気的に不連続となるように形成されている。ここで、除去部83は、圧電体層70上(流路形成基板10とは反対面側)のノズル開口21側に設けられており、第2電極80を厚さ方向(流路形成基板10と圧電素子300との積層方向)に貫通して電気的に切断するものである。このような除去部83は、第1の方向Xに亘って連続して設けられることで、隣り合う第1電極60上の第2電極80同士が電気的に独立するように設けられている。
In the present embodiment, the
このような第2電極80としては、導電性を有する材料、例えば、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の金属材料や金属酸化物などを用いることができる。もちろん、第2電極80は、上記金属材料の単一材料であっても、複数の材料が混合した複数材料であってもよく、単層であっても2層以上を積層した複数層であってもよい。
As the
このような第1電極60、圧電体層70及び第2電極80で構成される圧電素子300は、第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第1電極60と第2電極80とで挟まれている圧電体層70に圧電歪みが生じる。そして、両電極に電圧を印加した際に、圧電体層70に圧電歪みが生じる部分、すなわち、第1電極60と第2電極80とで挟まれた領域を能動部310と称する。これに対して、圧電体層70に圧電歪みが生じない部分を非能動部と称する。また、圧電体層70に圧電歪みが生じる能動部310において、圧力発生室12に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室12の外側の部分を非可撓部と称する。
Such a
本実施形態では、第2の方向Yにおいて、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80の全てが圧力発生室12の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部310が圧力発生室12の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部310のうち圧電素子300の圧力発生室12に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室12の外側の部分が非可撓部となっている。
すなわち、本実施形態では、図3に示すように、能動部310の第2の方向Yの端部は、第2電極80の端部(除去部83による端部も含む)によって規定されている。
In the present embodiment, all of the
That is, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the end portion in the second direction Y of the
また、能動部310の第1の方向Xの端部は、第1電極60によって規定されている。そして、第1電極60の第1の方向Xの端部は、圧力発生室12に相対向する領域内に設けられている。したがって、能動部310の第1の方向Xの端部は、可撓部に設けられていることになり、第1の方向Xにおいて、能動部310と非能動部との境界における応力が振動板50の変形によって開放される。このため、能動部310の第1の方向Xの端部における応力集中に起因する焼損やクラック等の破壊を抑制することができる。
Further, the end of the
このような圧電素子300では、第1電極60の主要部分を圧電体層70が覆っているため、第1電極60と第2電極80との間で電流がリークすることがなく、圧電素子300の破壊を抑制することができる。ちなみに、第1電極60と第2電極80とが近接した状態で露出されていると、圧電体層70の表面を電流がリークし、圧電体層70が破壊されてしまう。なお、第1電極60と第2電極80とが露出されていても距離が近くなければ、電流のリークは発生しない。
In such a
このような圧電素子300の圧電体層70に設けられた凹部71内には、圧電体層70の側面上に絶縁材料からなる保護膜200が設けられている。
保護膜200の材料としては、耐湿性を有する絶縁材料からなる。このように圧電素子300を保護膜200で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子300の破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜200の材料としては、耐湿性を有する材料であればよく、無機絶縁材料や有機絶縁材料などを用いることができる。
A
The material of the
保護膜200として利用できる無機絶縁材料としては、例えば、酸化シリコン(SiOx)、酸化ジルコニウム(ZrOx)、酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)及び酸化チタン(TiOx)から選択される少なくとも一種が挙げられる。保護膜200の無機絶縁材料としては、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム(AlOx)、例えば、アルミナ(Al2O3)を用いるのが好ましい。なお、無機絶縁材料からなる保護膜200は、例えば、MOD法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、CVD法等の気相成膜により形成することができる。
Examples of the inorganic insulating material that can be used as the
一方、保護膜200として利用できる有機絶縁材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂及びフッ素系樹脂から選択される少なくとも一種が挙げられる。なお、有機絶縁材料からなる保護膜200は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法などの溶液塗布法である液相成膜により形成することができる。
On the other hand, examples of the organic insulating material that can be used as the
なお、保護膜200としては、圧電体層70の凹部71内の側面に、第2電極80よりもカバレッジ良く形成できる材料が好ましい。これにより、圧電体層70の凹部71内の側面上に第2電極80を設けるのに比べて、圧電体層70の側面のカバレッジを向上することができ、保護膜200で圧電体層70の凹部71内の側面を確実に覆って圧電体層70を保護することができる。
The
また、保護膜200は、第2電極80よりもヤング率が低い材料を用いるのが好ましい。これにより、圧電体層70の側面(凹部71の壁面)に第2電極80を設けた場合に比べて、第2電極80よりもヤング率の低い保護膜200を設けることで、圧電素子300(能動部)の変位特性を向上することができる。
The
さらに、保護膜200は、内部応力が引っ張り応力であるのが好ましい。このように保護膜200の内部応力を引っ張り応力とすることで、能動部310を圧力発生室12とは反対側に凸として、変位特性を向上することができる。なお、保護膜200の内部応力を引っ張り応力とするには、CVD法などの気相成膜やスピンコート法等の溶液塗布法などの液相成膜によって実現できる。
Furthermore, the
本実施形態では、保護膜200として、ポリイミドを凹部71内に充填するように設けた。また、本実施形態では、保護膜200をスピンコート法によって凹部71内のみに充填するように形成した。このように形成された保護膜200は、その表面(流路形成基板10とは反対面側)が第2電極80の表面に連続して凹となる曲面状に形成される。
In this embodiment, the
なお、このような本実施形態の保護膜200は、第2電極80の上には形成されていない。これは、能動部310上に保護膜200を設けると、能動部310が保護膜200によって拘束され、能動部310の変位特性が低下してしまうからである。また、能動部310以外の領域においても、第2電極80上に保護膜200が形成されていると、詳しくは後述する配線などを第2電極80上に形成する際に邪魔になってしまい、コンタクトホール等が必要になってしまう。本実施形態では、凹部71内のみに保護膜200を設けることで、能動部310の変位を阻害することなく、また、コンタクトホール等を形成することなく、圧電体層70を保護することができる。
Note that the
また、凹部71内に設けられた保護膜200上には第2電極80が形成されていない。ちなみに、保護膜200上に第2電極80を形成すると、第2電極80はヤング率が大きいため、能動部310の変位量が低下してしまう。本実施形態では、保護膜200上に第2電極80や詳しくは後述する配線等を設けないことで、能動部310の変位低下を抑制することができる。
なお、本実施形態の凹部71は、例えば、圧力発生室12の第2の方向Yよりも短くてもよく、あた、圧力発生室12の第2の方向Yよりも長くてもよい。
Further, the
In addition, the recessed
ここで、凹部71の大きさの違いを図5に示す。なお、図5は、凹部の大きさの違いを示す図2のC−C′線断面図である。
図5(a)に示すように、凹部71は、圧力発生室12の第2の方向Yの端部よりも内側に設けられている。これにより、圧力発生室12の第2の方向Yの端部上には、圧電素子300が形成されていることになり、圧力発生室12の第2の方向Yの端部上での振動板50等の破壊を抑制することができる。
Here, the difference in size of the
As shown in FIG. 5A, the
また、図5(b)に示すように、凹部71は、圧力発生室12の第2の方向Yの端部よりも外側まで延設されている。これにより、圧力発生室12の第2の方向Yの端部上の振動板50が変位し易くなり、能動部310の変位特性は向上する。
このような凹部71の第2の方向Yの長さについては、振動板50や圧電素子300の特性などに基づいて適宜選択すればよい。
Further, as shown in FIG. 5B, the
The length of the
このような圧電素子300の第1電極60と、第2電極80とには、本実施形態の配線層であるリード電極90(個別リード電極91及び共通リード電極92)が接続されている。
個別リード電極91及び共通リード電極92(以降、両者を合わせてリード電極90と称する)は、本実施形態では、同一層からなるが、電気的に不連続となるように形成されている。
The lead electrode 90 (individual
In this embodiment, the
ここで、個別リード電極91は、圧電体層70の外側に設けられた第1電極60上、本実施形態では、第1電極60上に設けられた第2電極80と同一の電極層上から振動板50上まで引き出されている。
また、共通リード電極92は、第1の方向Xの両端部において、第2電極80上から振動板50上まで第2の方向Yに引き出されている。
Here, the
Further, the
また、共通リード電極92は、凹部71の第2の方向Yの両側に、複数の能動部310に亘って連続して設けられた延設部93を有してもよい。本実施形態では、延設部93は、第2の方向Yにおいて、圧力発生室12の壁面上に、すなわち、可撓部と非可撓部との境界部分に跨って設けられている。すなわち、延設部93は、複数の能動部310の第1の方向Xに亘って連続して設けられており、第1の方向Xの両端部で共通リード電極92に連続する。すなわち、延設部93を有する共通リード電極92は、保護基板30側から平面視した際に、能動部310の周囲を囲むように連続して配置されている。このように、延設部93を設けることで、共通電極である第2電極80に電圧を印加する際に、配線抵抗差による能動部310に印加する電圧のばらつきを抑制することができる。すなわち、本実施形態では、圧電体層70の凹部71内に第2電極80を設けないため、第2電極80は、凹部71の第2の方向Yの両側でのみ複数の能動部310に亘って連続する。したがって、第2電極80の電気抵抗値が高くなってしまい、一つ或いは少数の能動部310を単独或いは同時に駆動する時に比べ、多数の能動部310を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して能動部310の変位量が不安定となり、インク吐出特性の低下及びばらつきが生じてしまう。本実施形態では、延設部93を設けることで、第2電極80の電圧降下を抑制して、インク吐出特性の低下及びばらつきを抑制することができる。また、延設部93を設けることで、可撓部と非可撓部との境界における応力集中における圧電体層70の破壊を抑制することができる。また、共通リード電極92が可撓部上には実質的に形成されていないため、能動部310の変位低下を抑えることができる。なお、このような延設部93は、上述した図5(a)に示す凹部71の長さ、つまり、凹部71の第2の方向Yが圧力発生室12よりも短い場合に可能である。すなわち、図5(b)に示すように凹部71を圧力発生室12の外側まで設けた場合、延設部93を可撓部と非可撓部との境界に設けると、延設部93が凹部71内に設けられた保護膜200上にも形成されてしまうからである。
In addition, the
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、図1及び図3に示すように、圧電素子300を保護する保護基板30が接着剤35によって接合されている。保護基板30には、圧電素子300を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部31が設けられている。また保護基板30には、マニホールド100の一部を構成するマニホールド部32が設けられている。マニホールド部32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15と連通している。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。各能動部310の第1電極60に接続されたリード電極90(個別リード電極91及び共通リード電極92)は、この貫通孔33内に露出するように設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 3, a
また、保護基板30上には、信号処理部として機能する駆動回路120が固定されている。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、貫通孔33を挿通させた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(本実施形態の外部配線)を介して電気的に接続されている。なお、外部配線は、導電性ワイヤーからなる接続配線121に限定されず、例えば、チップオンフィルム(COF)やテープキャリアパッケージ(TCP)等のフレキシブルプリント基板(FPC)をリード電極90に接続するようにしてもよい。
A driving
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。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によってマニホールド部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のマニホールド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、マニホールド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。
On the
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部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、マニホールド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する。これにより圧電素子300と共に振動板50がたわみ変形して各圧力発生室12内の圧力が高まり、各ノズル開口21からインク滴が噴射される。
In such an ink jet recording head I of this embodiment, after taking ink from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown) and filling the interior from the manifold 100 to the
ここで、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。なお、図6〜図11は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 Here, a method for manufacturing the ink jet recording head of the present embodiment will be described. 6 to 11 are cross-sectional views showing a method for manufacturing the ink jet recording head.
まず、図6(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜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って二酸化シリコンからなる弾性膜51を形成した。もちろん、弾性膜51の材料は、二酸化シリコンに限定されず、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜、有機膜(ポリイミド、パリレンなど)等にしてもよい。弾性膜51の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法、CVD法、スピンコート法等によって形成してもよい。
First, as shown in FIG. 6A, an
次いで、図6(b)に示すように、弾性膜51上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜52を形成する。もちろん、絶縁体膜52は、酸化ジルコニウムに限定されず、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化マグネシウム(MgO)、アルミン酸ランタン(LaAlO3)等を用いるようにしてもよい。絶縁体膜52を形成する方法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等が挙げられる。本実施形態では、この弾性膜51及び絶縁体膜52によって振動板50が形成されるが、振動板50として、弾性膜51及び絶縁体膜52の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。
Next, as shown in FIG. 6B, an
次いで、図6(c)に示すように、振動板50上の全面に第1電極60を形成する。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を形成する際の熱処理(一般に500℃以上)時の酸化または圧電体層70に含まれる材料の拡散などによって導電性を消失しない材料であることが必須である。このため、第1電極60の材料としては高温でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料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)、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。また、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。密着層の成膜方法は、電極材料と同様である。また、電極表面(圧電体層70の成膜側)に圧電体層70の結晶成長を制御するための制御層を形成してもよい。本実施形態では、圧電体層70(PZT)の結晶制御としてチタンを使用している。チタンは、圧電体層70の成膜時に圧電体層70内に取り込まれるため、圧電体層70形成後には膜として存在していない。結晶制御層としては、ランタンニッケル酸化物などのペロブスカイト型結晶構造の導電性酸化物などを使用してもよい。結晶制御層の成膜方法は、電極材料と同様である。なお、絶縁性の結晶制御層は、圧電体層70形成後、圧電体層70と第1電極60との間に存在しないことが望ましい。これは、結晶制御層と圧電体層70のコンデンサの直列接続になるため、圧電体層70に印加される電界が低下するためである。本実施形態のように、配向制御層としてチタンを用いることで、本来であれば酸化物(絶縁体)になる熱処理を受けるが、圧電体層70中に取り込まれるため膜として存在しない。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成する。ここで、本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・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を形成している。なお、圧電体層70の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法や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。すなわち、圧電体層70は液相法、気相法の何れで形成してもよい。本実施形態では、複数層の圧電体膜74を積層することで圧電体層70を形成するようにした。
Next, in this embodiment, the
具体的には、図7(a)に示すように、第1電極60上に1層目の圧電体膜74を形成した段階で、第1電極60及び1層目の圧電体膜74を同時にパターニングする。なお、第1電極60及び1層目の圧電体膜74のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
Specifically, as shown in FIG. 7A, when the first
ここで、例えば、第1電極60をパターニングしてから1層目の圧電体膜74を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして第1電極60をパターニングするため、第1電極60の表面や、表面に設けた図示しないチタン等の結晶種層などが変質してしまう。そうすると変質した面上に圧電体膜74を形成しても当該圧電体膜74の結晶性が良好なものではなくなり、2層目以降の圧電体膜74も1層目の圧電体膜74の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体層70を形成することができない。
Here, for example, when the first
それに比べ、1層目の圧電体膜74を形成した後に第1電極60と同時にパターニングすれば、1層目の圧電体膜74はチタン等の結晶種に比べて2層目以降の圧電体膜74を良好に結晶成長させる種(シード)としても性質が強く、たとえパターニングで表層に極薄い変質層が形成されていても2層目以降の圧電体膜74の結晶成長に大きな影響を与えない。
In contrast, if the first
なお、2層目の圧電体膜74を成膜する前に露出した振動板50上に、2層目以降の圧電体膜74を成膜するときに、結晶制御層(中間結晶制御層)を用いてもよい。本実施形態では、中間結晶制御層としてチタンを用いるようにした。このチタンからなる中間結晶制御層は、第1電極60上に形成する結晶制御層のチタンと同様に、圧電体膜74を成膜する際に圧電体膜74に取り込まれる。ちなみに、中間結晶制御層は、中間電極または直列接続されるコンデンサの誘電体となってしまった場合、圧電特性の低下を引き起こす。このため、中間結晶制御層は、圧電体膜74(圧電体層70)に取り込まれ、圧電体層70の成膜後に膜として残らないものが望ましい。
When the second and subsequent
次に、図7(b)に示すように、2層目以降の圧電体膜74を積層することにより、複数層の圧電体膜74からなる圧電体層70を形成する。
ちなみに、2層目以降の圧電体膜74は、振動板50上、第1電極60及び1層目の圧電体膜74の側面上、及び1層目の圧電体膜74上に亘って連続して形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, a
Incidentally, the second and subsequent
次に、図7(c)に示すように、圧電体層70をパターニングして凹部71等を形成する。本実施形態では、圧電体層70上に所定形状のマスク(図示なし)を設け、このマスクを介して圧電体層70をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。なお、圧電体層70のパターニングは、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であっても、エッチング液を用いたウェットエッチングであってもよい。
Next, as shown in FIG. 7C, the
ちなみに、エッチング液を用いたウェットエッチングにより圧電体層70をパターニングすると、バッチ処理によって複数の流路形成基板用ウェハー110を同時に処理することができるため、製造コストを低減することができる。ただし、ウェットエッチングによる圧電体層70のパターニングでは、エッチング面に凹凸が形成され易いが、本実施形態では、上述のように、後の工程で圧電体層70の凹部71内の側面(エッチング面)に第2電極80を形成しないため、第2電極80の脱落による異物の発生や、第2電極80の形成不良等を抑制することができる。
Incidentally, when the
次に、図8(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面側(圧電体層70が形成された面側)に亘って、圧電体層70のパターニングした側面上、振動板50上、及び第1電極60上等に亘って第2電極80を形成すると共にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 8A, on the patterned side surface of the
本実施形態では、第2電極80は、圧電体層70の流路形成基板用ウェハー110とは反対側の面と、第1電極60の圧電体層70に覆われていない領域上から圧電体層70上までとに形成されている。また、圧電体層70の凹部71の側面上には第2電極80を形成しないようにした。
In the present embodiment, the
なお、本実施形態では、圧電体層70をパターニングした後、第2電極80を形成すると共にパターニングするようにしたが、特にこれに限定されず、圧電体層70をパターニングする前に第2電極80を形成した後、第2電極80と圧電体層70とのパターニングを行うようにしてもよい。
In this embodiment, after the
このように、圧電体層70の凹部71の側面上に第2電極80を形成しないことで、第2電極80が剥離して異物となることや、断線するのを抑制することができる。したがって、圧電体層70の凹部71の側面が急峻、すなわち、流路形成基板10(流路形成基板用ウェハー110)の表面に対して垂直に近い角度で形成することや、凹部71の側面の凹凸(ラフネス)が大きすることができる。したがって、圧電体層70の凹部71の側面を急峻にして圧電体層70を高密度に配置することができると共に、圧電体層70のパターニング方法に制限がなく、効率よく低コストな方法でパターニングすることができる。
Thus, by not forming the
また、第2電極80を圧電体層70の凹部71の側面上に形成しないことで、第2電極80の側面への付き周り不良を抑制することができるため、第2電極80の厚さを比較的薄くして、圧電素子300(能動部310)の変位特性を向上することができる。
In addition, since the
次に、図8(b)に示すように、凹部71内に保護膜200を形成する。本実施形態では、ポリイミド等の有機絶縁材料からなる保護膜200をスピンコーティング法によって凹部71内に充填するように形成した。このように保護膜200を設けることで、圧電体層70の側面、特に凹部71内の側面を保護膜200で確実に保護して、大気中に含まれる水分等によって圧電体層70が破壊されるのを抑制することができる。
なお、保護膜200は、例えば、圧電体層70に凹部71を形成した後、第2電極80を形成する前に形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 8B, a
The
次に、図示しないが、リード電極90を形成すると共に所定形状にパターニングする。
次に、図9(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接着剤35を介して接合した後、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みに薄くする。
Next, although not shown, the
Next, as shown in FIG. 9A, a
次いで、図9(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110にマスク膜53を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図9(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜53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、インク供給路13、連通路14及び連通部15等を形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, a
その後は、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, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
なお、本実施形態では、第2電極80を圧電体層70上から第1電極60上まで延設し、除去部83によって能動部310の第2電極80と第1電極60上の電極とが不連続となるようにしたが、特にこれに限定されない。ここで、他の例を図10に示す。なお、図10は、本発明の他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断面図である。
In this embodiment, the
図10に示すように、圧電体層70上、すなわち、圧電体層70の流路形成基板10とは反対面側に第2電極80が形成されている。圧電体層70と第2電極80とは、平面視した際に同じ形状となるように形成されている。このような構成では、圧電体層70のパターニングと第2電極80のパターニングとを同時に行うことができる。もちろん、このような構成であっても、圧電体層70のパターニングと第2電極80のパターニングとを別工程で行うようにしてもよい。圧電体層70と第2電極80とを別工程でパターニングする場合には、例えば、平面視した際に第2電極80は、圧電体層70よりも若干小さな面積となっていてもよい。
As shown in FIG. 10, the
また、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、カートリッジ等と連通するインク流路を具備するインクジェット式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11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。 Further, the ink jet recording head of this embodiment constitutes a part of an ink jet recording head unit including an ink flow path communicating with a cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 11 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図11に示すインクジェット式記録装置IIにおいて、複数のインクジェット式記録ヘッドIを有するインクジェット式記録ヘッドユニット1A、1B(以下、ヘッドユニット1A、1Bとも言う)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、このヘッドユニット1A、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。
In the ink jet recording apparatus II shown in FIG. 11, ink jet
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、ヘッドユニット1A、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ー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。
Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the
なお、上述したインクジェット式記録装置IIでは、インクジェット式記録ヘッドI(ヘッドユニット1A、1B)がキャリッジ3に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドIが固定されて、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。
In the ink jet recording apparatus II described above, the ink jet recording head I (
また、上述した例では、インクジェット式記録装置IIは、液体貯留手段であるカートリッジ2A、2Bがキャリッジ3に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体4に固定して、貯留手段とインクジェット式記録ヘッドIとをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置IIに搭載されていなくてもよい。
In the above-described example, the ink jet recording apparatus II has a configuration in which the
(実施形態2)
以下、本発明の一実施形態である超音波センサーについて説明する。なお、以下の説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であることとは限らない。また、上述した実施形態1と同一の部材には同一の符号をつけて重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an ultrasonic sensor according to an embodiment of the present invention will be described. Note that the present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily. Further, the same members as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態においては、超音波の発信と受信は圧電効果を利用する電気音響変更器を用いて行われる。係る電気音響変換器は、圧電素子であり、超音波発信時には電気エネルギーを機械エネルギーに変換(逆圧電効果)を利用し、圧電体層の収縮と伸長による変化は、振動板を振動させるように励起させることによって超音波を発信する。従ってこの場合は、圧電素子は発信用超音波トランスデューサーである。 In the present embodiment, transmission and reception of ultrasonic waves are performed using an electroacoustic modifier that uses the piezoelectric effect. Such an electroacoustic transducer is a piezoelectric element, which utilizes electrical energy converted to mechanical energy (inverse piezoelectric effect) when transmitting ultrasonic waves, and changes due to contraction and expansion of the piezoelectric layer cause the diaphragm to vibrate. Ultrasound is transmitted by exciting. Therefore, in this case, the piezoelectric element is a transmitting ultrasonic transducer.
更に被検出体から反射された超音波を受信するには機械エネルギーを電気エネルギーに変換(正圧電効果)を利用し、圧電体層の変形によって電気エネルギーが生成され、電気エネルギーの信号を検出する。従ってこの場合は、圧電素子は受信用超音波トランスデューサーである。 Furthermore, in order to receive the ultrasonic waves reflected from the detection object, mechanical energy is converted into electric energy (positive piezoelectric effect), and electric energy is generated by deformation of the piezoelectric layer, and an electric energy signal is detected. . Therefore, in this case, the piezoelectric element is a receiving ultrasonic transducer.
なお、本実施形態においては、圧電素子(超音波トランスデューサー)とは、振動板と、振動板上に設けられた第1電極と、第1電極上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた第2電極と、を具備するものである。なお、第1電極を振動板として使用することも可能である。 In the present embodiment, the piezoelectric element (ultrasonic transducer) is a diaphragm, a first electrode provided on the diaphragm, a piezoelectric layer provided on the first electrode, and a piezoelectric body. And a second electrode provided on the layer. The first electrode can also be used as a diaphragm.
図12は、本発明の実施形態2に係る超音波トランスデューサーを搭載する超音波デバイスの平面図及びそのE−E′線断面図である。
図12(a)に示すように、複数の発信用超音波トランスデューサー301と受信用超音波トランスデューサー302とが基板開口部12を有する基板10上にアレイ状に設けられ、超音波デバイス400(アレイセンサー)を成している。複数の発信用超音波トランスデューサー301及び複数の受信用超音波トランスデューサー302を列ごとに交互に配置し、トランスデューサーの列ごとに通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてラインスキャンやセクタースキャンは実現される。また、通電するトランスデューサーの個数と列数とに応じて超音波の出力と入力のレベルが決定される。図中では省略されて6行×6列が描かれる。配列の行数と列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定される。
FIG. 12 is a plan view of an ultrasonic device equipped with the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention and a cross-sectional view taken along the line EE ′.
As shown in FIG. 12A, a plurality of transmitting
なお、発信用超音波トランスデューサー301と受信用超音波トランスデューサー302とをトランスデューサーごとに交互に配置することも可能である。この場合は、発信側と受信側の中心軸を合わせた超音波発信・受信源とすることで発信・受信の指向角を合わせ易いものとする。
It is also possible to alternately arrange the transmitting
また、本実施例は、デバイスの小型化のため、一枚の基板10上に発信用超音波トランスデューサー301と受信用超音波トランスデューサー302との両方を配置したが、超音波トランスデューサーの機能に応じて発信用超音波トランスデューサー301と受信用超音波トランスデューサー302とはそれぞれ独立の基板上に配置するか、或いは用途に応じて複数枚の基板を用いることも可能である。更に発信と受信の時間差を利用して一つの超音波トランスデューサーに発信と受信との機能を両方備えることも可能である。
In this embodiment, both the transmitting
図12(b)において、超音波変換器として使用可能な実施例としては、例えば、基板10は(100)、(110)或いは(111)配向を有する単結晶シリコンによって構成される。または、シリコン材料以外にもZrO2あるいはAl2O3を代表とするセラミック材料、ガラスセラミック材料、MgO、LaAlO3のような酸化物基板材料、SiC、SiO2、多結晶シリコン、Si3N4のような無機材料も使用できる。または、これらの材料の組合せによる積層材料でもよい。
In FIG. 12B, as an example that can be used as an ultrasonic transducer, for example, the
基板10の上方(圧電体層70側)に振動板50が形成されている。振動板50は基板10の一部を薄化して用いることは可能であるが、圧電体層70或いは第1電極60を用いてもよい。更に別の材料を用いて製膜することも可能である。この場合は、例えば、SiO2、SiC、Si3N4のようなシリコン化合物、多結晶シリコン、ZrO2、Al2O3のようなセラミック材料、MgO、LaAlO3、TiO2のような酸化物にしでもよい。膜厚と材料の選定は、共振周波数に基づき決定する。なお、圧電体層70側の振動板50の表面層は、圧電体層材料の拡散を防止できる材料、例えばZrO2などを用いることが好ましい。この場合は、圧電体層の圧電特性が向上させることによってトランスデューサーの発信と受信特性が向上にも繋がる。
A
基板10には、開口である基板開口部12が形成されている。基板開口部12は、基板材料に応じてエッチング、研磨、レーザー加工などの加工方法を用いて形成することができる。
A
第1電極60、圧電体層70及び第2電極80については上述した実施形態1と同様のため、構成の説明は省略する。なお、実施形態1に対して、超音波デバイスはインクジェット式記録ヘッドIに代表される液体噴射ヘッドに比べてより高周波数領域で駆動する必要が有るため、圧電体層70、振動板50と各電極材料の厚み及びヤング率などの物性値を調整してもよい。
Since the
さらに、発信用超音波トランスデューサー301と受信用超音波トランスデューサー302とにそれぞれ配線(図示略)が接続され、各配線はフレキシブルプリント基板(図示略)を介して制御基板(図示略)の端子部(図示略)に接続されている。制御基板には演算部、記憶部などからなる制御部(図示略)が設けられている。制御部は、発信用超音波トランスデューサー301に入力する入力信号を制御すると共に、受信用超音波トランスデューサー302から出力された出力信号を処理するように構成されている。
Further, wiring (not shown) is connected to the transmitting
このように、本願の超音波デバイス400では、バルク型圧電体セラミックスなどを利用したセンサーに比べてMEMSの技術を用いて作成した圧電素子300を狭いピッチ(高分解能)で配置でき、且つ駆動電圧が低いため、デバイスと該デバイスを搭載する装置の小型化、薄型化と省エネルギー化に効果がある。また、圧電素子300間の製造ばらつきが少ないため、認識精度が高くなる効果もある。
また、圧電体層70の膜厚を薄くすることによって変位特性を向上させ、超音波の発信と受信の効率を向上できる効果が得られる。
As described above, in the
In addition, by reducing the film thickness of the
さらに、本実施形態では、圧電体層70に凹部71を設け、凹部71内の側面上に第2電極80を設けないようにした。このため、第2電極80の剥離や断線するのを抑制することができる。したがって、圧電体層70の凹部71の壁面を基板10に対して垂直にすることができ、超音波トランスデューサー301、302を高密度に配設することが可能となる。また、本実施形態では、超音波トランスデューサー301、302に用いられた圧電体層70の側面を保護膜200によって覆われるようにしたため、超音波トランスデューサー301、302が破壊されるのを抑制することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態について説明したが、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、上述の実施形態1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本発明を説明したが、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る。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の他、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)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。
(Other embodiments)
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, the fundamental structure of this invention is not limited to what was mentioned above.
For example, in the first embodiment described above, the present invention has been described by taking an ink jet recording head as an example of a liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads. Examples of the liquid ejecting head include various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used for manufacturing 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.
また、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や超音波センサーに搭載される圧電素子に限られず、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。 In addition, the present invention is not limited to a liquid ejecting head typified by an ink jet recording head or a piezoelectric element mounted on an ultrasonic sensor, but a piezoelectric device mounted on another device such as an ultrasonic motor, a pressure sensor, or a pyroelectric sensor. It can also be applied to elements. The present invention can be similarly applied to a ferroelectric element such as a ferroelectric memory.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板(基板)、 11 隔壁、 12 圧力発生室、 13 インク供給路、 14 連通路、 15 連通部、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 マニホールド部、 33 貫通孔、 35 接着剤、 40 コンプライアンス基板、 41 封止膜、 42 固定板、 43 開口部、 50 振動板、 51 弾性膜、 52 絶縁体膜、 60 第1電極、 70 圧電体層、 71 凹部、 80 第2電極、 90 リード電極(配線層)、 100 マニホールド、 300 圧電素子、 310 能動部、 301 発信用超音波トランスデューサー、 302 受信用超音波トランスデューサー、 400 超音波デバイス I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate (substrate), 11 partition, 12 pressure generating chamber, 13 ink supply path, 14 communication path, 15 communication Part, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 piezoelectric element holding part, 32 manifold part, 33 through hole, 35 adhesive, 40 compliance board, 41 sealing film, 42 fixing plate, 43 opening part, 50 Diaphragm, 51 Elastic film, 52 Insulator film, 60 First electrode, 70 Piezoelectric layer, 71 Recess, 80 Second electrode, 90 Lead electrode (wiring layer), 100 Manifold, 300 Piezoelectric element, 310 Active part, 301 Ultrasonic transducer for transmission, 302 Ultra for reception Wave transducer, 400 ultrasound device
Claims (9)
該流路形成基板の一方面側に設けられて、第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子と、を具備する液体噴射ヘッドであって、
前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた実質的な駆動部となる能動部を複数有し、
前記第1電極が前記能動部毎に設けられた個別電極であり、
前記第2電極が複数の前記能動部に亘って設けられた共通電極であり、
前記圧電体層は、複数の能動部に亘って設けられており、当該圧電体層には、複数の前記能動部の間に凹部が設けられており、
前記凹部の少なくとも側面上には、前記第2電極が形成されていないことを特徴とする液体噴射ヘッド。 A flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid;
A liquid ejecting head provided on one surface side of the flow path forming substrate and including a first electrode, a piezoelectric layer, and a piezoelectric element having a second electrode,
A plurality of active portions that are substantially driving portions sandwiched between the first electrode and the second electrode;
The first electrode is an individual electrode provided for each active part,
The second electrode is a common electrode provided across a plurality of the active portions;
The piezoelectric layer is provided over a plurality of active portions, and the piezoelectric layer is provided with a recess between the plurality of active portions,
The liquid ejecting head, wherein the second electrode is not formed on at least a side surface of the recess.
前記第1電極と前記第2電極とで挟まれた実質的な駆動部となる能動部を複数有し、
前記第1電極が前記能動部毎に設けられた個別電極であり、
前記第2電極が複数の前記能動部に亘って設けられた共通電極であり、
前記圧電体層は、複数の能動部に亘って設けられており、当該圧電体層には、複数の前記能動部の間に凹部が設けられており、
前記凹部の少なくとも側面上には、前記第2電極が形成されていないことを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode,
A plurality of active portions that are substantially driving portions sandwiched between the first electrode and the second electrode;
The first electrode is an individual electrode provided for each active part,
The second electrode is a common electrode provided across a plurality of the active portions;
The piezoelectric layer is provided over a plurality of active portions, and the piezoelectric layer is provided with a recess between the plurality of active portions,
The piezoelectric element, wherein the second electrode is not formed on at least a side surface of the recess.
該基板上に設けられた請求項8記載の超音波トランスデューサーと、
を具備することを特徴とする超音波デバイス。 A substrate having an opening;
The ultrasonic transducer according to claim 8 provided on the substrate;
An ultrasonic device comprising:
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