JP2016124120A - 液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】白金で形成された電極を薄くしてコストアップを抑えつつ、この電極の実質的な電気抵抗を小さくすることができる液体吐出装置を提供する。
【解決手段】インクジェットヘッドのヘッドユニットは、複数の圧力室２６が形成された流路基板２０と、流路基板２０の振動膜３０に、複数の圧力室２６にそれぞれ対応して設けられた複数の圧電素子とを備える。各圧電素子は、圧電体３２で形成された圧電部３７と、白金で形成され、圧電部３７の流路基板２０側の面に配置された下部電極３１と、圧電部３７の下部電極３１とは反対側の面に配置された上部電極３３とを有する。流路基板２０と圧電体３２の、上部電極３３と対向しない領域に白金とは異なる金属材料で形成された金属膜３８が設けられ、この金属膜３８と下部電極３１とが直接接触している。
【選択図】図５
【解決手段】インクジェットヘッドのヘッドユニットは、複数の圧力室２６が形成された流路基板２０と、流路基板２０の振動膜３０に、複数の圧力室２６にそれぞれ対応して設けられた複数の圧電素子とを備える。各圧電素子は、圧電体３２で形成された圧電部３７と、白金で形成され、圧電部３７の流路基板２０側の面に配置された下部電極３１と、圧電部３７の下部電極３１とは反対側の面に配置された上部電極３３とを有する。流路基板２０と圧電体３２の、上部電極３３と対向しない領域に白金とは異なる金属材料で形成された金属膜３８が設けられ、この金属膜３８と下部電極３１とが直接接触している。
【選択図】図５
Description
本発明は、液体を吐出する液体吐出装置に関する。
特許文献１には、液体吐出装置として、液体を吐出させるための圧電素子を備えたインクジェットヘッドが開示されている。このインクジェットヘッドは、複数の圧力室が形成された流路形成基板と、この流路形成基板に複数の圧力室にそれぞれ対応して設けられた複数の圧電素子を有する。各圧電素子は、圧電体膜と、圧電体膜の下側に設けられた下電極膜と、圧電体膜の上側に設けられた上電極膜とを有する。尚、下電極膜は、複数の圧電素子についての共通電極であり、上電極膜は、圧電素子毎に個別に設けられた個別電極である。また、下電極膜は、白金を主成分とする導体層を有する。
前記特許文献１のように、圧電体膜の下に位置する電極が高価な白金で形成されている場合は、コストダウンの観点から、この電極の厚みは極力小さく抑えたい。また、この電極の厚みが厚いと、圧電体膜の変形を阻害することにもなる。しかし、そのために、上記電極の厚みを薄くすると、電極の電気抵抗が大きくなり、各圧電素子の挙動（例えば、応答性など）に悪影響が出る。
本発明の目的は、白金で形成された電極を薄くしてコストアップを抑えつつ、この電極の実質的な電気抵抗を小さくすることにある。
第１の発明の液体吐出装置は、複数の圧力室を含む液体流路と、前記複数の圧力室を覆う振動膜とを有する流路基板と、それぞれが、圧電体で形成された圧電部と、前記圧電部の前記流路基板側の面に配置され、白金で形成された第１電極と、前記圧電部の前記第１電極とは反対側の面に配置され、前記圧電部を挟んで前記第１電極と対向する第２電極と、を有し、前記流路基板の前記振動膜に設けられた複数の圧電素子と、前記圧電体と前記流路基板との間の前記第２電極とは対向しない領域に配置され、且つ、白金とは異なる金属材料で形成された金属膜と、を備え、前記圧電体と前記流路基板との間の前記第２電極とは対向しない領域において、前記金属膜と前記第１電極とが直接接触していることを特徴とするものである。
本発明では、圧電体と流路基板の間の、第２電極とは対向しない領域に、白金とは異なる材料で形成された金属膜が配置されている。そして、上記の第２電極とは対向しない領域において、金属膜に、白金で形成された第１電極が直接接触している。この構成により、第１電極を薄くしつつ、第１電極の実質的な電気抵抗を下げることができる。また、金属膜は、第２電極とは対向していないため、第１電極に金属膜が重ねられていることによる、圧電部の変形阻害が小さく抑えられる。
第２の発明の液体吐出装置は、前記第１の発明において、前記金属膜は、前記第１電極よりも厚いことを特徴とするものである。
本発明では、金属膜が第１電極よりも厚いため、第１電極の実質的な電気抵抗を大幅に低下させることができる。
第３の発明の液体吐出装置は、前記第１又は第２の発明において、前記金属膜は、前記第１電極に対して、前記流路基板側の位置に配置されていることを特徴とするものである。
第１電極を白金で形成する理由の１つとして、圧電部のアニール等の加熱処理の際などに、第１電極を構成する金属原子が、圧電部へ拡散しにくいという点が挙げられる。しかし、白金で形成された第１電極の上に、白金とは異なる材料の金属膜が積層され、さらにその上に圧電部が配置された構成とすると、金属膜を構成する金属が、圧電部へ拡散しやすくなる。金属膜から圧電部へ金属が拡散すると、圧電部内で異相が発生し、絶縁破壊の要因になるなど、不良が生じる虞がある。そこで、金属膜は、第１電極に対して、流路基板側、即ち、圧電部とは反対側に配置されていることが好ましい。
第４の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第３の何れかの発明において、前記金属膜は、前記振動膜の変形曲率が最大となる位置よりも、外側の領域に配置されていることを特徴とするものである。
本発明では、金属膜が、振動膜が最も大きく湾曲する箇所よりも外側に位置しているため、この金属膜により、圧電部の変形による振動膜の撓みが阻害されにくくなる。
第５の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第４の何れかの発明において、前記金属膜の一部分が、前記第１電極から前記流路基板の面方向に沿って延びて、前記各圧電素子の前記第１電極に接続される配線を構成していることを特徴とするものである。
本発明では、白金とは異なる金属材料で形成された金属膜が、第１電極に接続される配線を構成しているため、コストを抑えつつも金属膜を厚くすることができ、配線の電気抵抗を下げることができる。
第６の発明の液体吐出装置は、前記第５の発明において、前記流路基板に、前記複数の圧力室に跨って、前記複数の圧電素子の前記圧電部を含む圧電体が成膜され、前記複数の圧電素子は、前記流路基板の面方向に平行な第１方向に配列され、且つ、前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ、第１圧電素子列と第２圧電素子列とを構成し、前記第２圧電素子列に属する前記圧電素子に対応する前記配線は、前記第１圧電素子列に属する前記圧電素子の間を通過して前記第２方向に延びており、前記第１圧電素子列に属する前記圧電素子の間の前記圧電体がエッチングされて、前記第２圧電素子列に属する前記圧電素子に対応する配線が、前記圧電体から露出していることを特徴とするものである。
本発明では、複数の圧電素子が２列の圧電素子列を構成している。また、第２圧電素子列に対応する配線が別の第１圧電素子列に属する圧電素子の間を通過する。さらに、第１圧電素子列の隣接する圧電素子の間において、圧電体がエッチングされて部分的に除去されることにより、各圧電素子の圧電部の変形が促進される構成となっている。ここで、圧電体がエッチングされた、第１圧電素子列の隣接する２つの圧電素子間の領域において、第２圧電素子列の配線が圧電体から露出する。ここで、圧電体のエッチングにより、配線の一部が一緒に削られて薄くなってしまう虞がある。この点、本発明では、白金とは異なる材料からなる金属膜によって配線が構成されているため、コストを抑えつつ配線を厚く形成することが可能である。これにより、圧電体のエッチングで多少配線が削られても、配線の電気的接続の信頼性を確保することができる。
第７の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第６の何れかの発明において、前記金属膜は、その全域において前記第１電極と直接接触していることを特徴とするものである。
本発明によれば、金属膜の全域に第１電極が重ねられて接触することで、第１電極の実質的な電気抵抗を、大きく低下させることができる。
第８の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第６の何れかの発明において、前記金属膜は、その一部領域においてのみ前記第１電極と直接接触していることを特徴とするものである。
本発明によれば、金属膜の一部領域においてのみ、白金で形成された第１電極が接触することで、高価な白金の使用量を少なくしつつ、第１電極の実質的な電気抵抗を低下させることができる。
第９の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第８の何れかの発明において、前記金属膜は、銅又はアルミニウムで形成されていることを特徴とするものである。
第１電極に積層される金属膜としては、電気抵抗率の低い、銅やアルミニウムで形成されていることが好ましい。
第１０の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第８の何れかの発明において、前記金属膜は、ジルコニウム、タンタル、又は、タングステンで形成されていることを特徴とするものである。
圧電部のアニール等の加熱処理の際には、金属膜は、圧電部とともに高温になることから、金属膜は、高融点の金属材料である、ジルコニウム、タンタル、あるいは、タングステンで形成されていることが好ましい。
第１１の発明の液体吐出装置は、前記第１〜第１０の何れかの発明において、前記第１電極の厚みは、０．１μｍ以下であることを特徴とするものである。
本発明では、第１電極の厚みが、０．１μｍ以下（好ましくは、０．０５μｍ以下）と、かなり薄くなっているが、この第１電極に金属膜が積層されているため、第１電極の実質的な厚みは大きくなっている。
次に、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るプリンタの概略的な平面図である。まず、図１を参照してインクジェットプリンタ１の概略構成について説明する。尚、図１に示す前後左右の各方向をプリンタの「前」「後」「左」「右」と定義する。また、紙面手前側を「上」、紙面向こう側を「下」とそれぞれ定義する。以下では、前後左右上下の各方向語を適宜使用して説明する。
（プリンタの概略構成）
図１に示すように、インクジェットプリンタ１は、プラテン２と、キャリッジ３と、インクジェットヘッド４と、搬送機構５と、制御装置６等を備えている。
図１に示すように、インクジェットプリンタ１は、プラテン２と、キャリッジ３と、インクジェットヘッド４と、搬送機構５と、制御装置６等を備えている。
プラテン２の上面には、被記録媒体である記録用紙１００が載置される。キャリッジ３は、プラテン２と対向する領域において２本のガイドレール１０，１１に沿って左右方向（以下、走査方向ともいう）に往復移動可能に構成されている。キャリッジ３には無端ベルト１４が連結され、キャリッジ駆動モータ１５によって無端ベルト１４が駆動されることで、キャリッジ３は走査方向に移動する。
インクジェットヘッド４は、キャリッジ３に取り付けられており、キャリッジ３とともに走査方向に移動する。インクジェットヘッド４は、走査方向に並ぶ４つのヘッドユニット１６を備えている。４つのヘッドユニット１６は、４色（ブラック、イエロー、シアン、マゼンタ）のインクカートリッジ１７が装着されるカートリッジホルダ７と、図示しないチューブによってそれぞれ接続されている。各ヘッドユニット１６は、その下面（図１の紙面向こう側の面）に形成された複数のノズル２４（図２〜図４参照）を有する。各ヘッドユニット１６のノズル２４は、インクカートリッジ１７から供給されたインクを、プラテン２に載置された記録用紙１００に向けて吐出する。
搬送機構５は、前後方向にプラテン２を挟むように配置された２つの搬送ローラ１８，１９を有する。搬送機構５は、２つの搬送ローラ１８，１９によって、プラテン２に載置された記録用紙１００を前方（以下、搬送方向ともいう）に搬送する。
制御装置６は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び、各種制御回路を含むＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を備える。 制御装置６は、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、ＡＳＩＣにより、記録用紙１００への印刷等の各種処理を実行する。例えば、印刷処理においては、制御装置６は、ＰＣ等の外部装置から入力された印刷指令に基づいて、インクジェットヘッド４やキャリッジ駆動モータ１５等を制御して、記録用紙１００に画像等を印刷させる。具体的には、キャリッジ３とともにインクジェットヘッド４を走査方向に移動させながらインクを吐出させるインク吐出動作と、搬送ローラ１８，１９によって記録用紙１００を搬送方向に所定量搬送する搬送動作とを、交互に行わせる。
（インクジェットヘッドの詳細）
次に、インクジェットヘッド４の詳細構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド４の１つのヘッドユニット１６の上面図である。尚、インクジェットヘッド４の４つのヘッドユニット１６は、全て同じ構成であるため、そのうちの１つについて説明を行い、他のヘッドユニット１６については説明を省略する。図３は、図２のＸ部拡大図である。図４は、図３のIV-IV線断面図である。図５は、図３のV-V線断面図である。
次に、インクジェットヘッド４の詳細構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド４の１つのヘッドユニット１６の上面図である。尚、インクジェットヘッド４の４つのヘッドユニット１６は、全て同じ構成であるため、そのうちの１つについて説明を行い、他のヘッドユニット１６については説明を省略する。図３は、図２のＸ部拡大図である。図４は、図３のIV-IV線断面図である。図５は、図３のV-V線断面図である。
図２〜図５に示すように、ヘッドユニット１６は、流路基板２０、ノズルプレート２１、圧電アクチュエータ２２、及び、リザーバ形成部材２３を備えている。尚、図２では、図面の簡素化のため、流路基板２０及び圧電アクチュエータ２２の上方に位置する、リザーバ形成部材２３を、二点鎖線で外形のみ示している。また、図２、図３では、図４に明確に示されているＣＯＦ５０を、二点鎖線で示している。
（流路基板）
流路基板２０は、シリコン単結晶の基板である。この流路基板２０には、複数の圧力室２６が形成されている。図２、図３に示すように、各圧力室２６は、走査方向に長い矩形の平面形状を有する。複数の圧力室２６は搬送方向に配列されて、走査方向に並ぶ２列の圧力室列を構成している。また、流路基板２０は、複数の圧力室２６を覆う振動膜３０を有する。振動膜３０は、シリコンの流路基板２０の一部を酸化、又は、窒化することによって形成された、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、あるいは、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなる膜である。また、振動膜３０には、後述するリザーバ形成部材２３内の流路と、複数の圧力室２６とをそれぞれ連通させる、複数の連通孔３０ａが形成されている。
流路基板２０は、シリコン単結晶の基板である。この流路基板２０には、複数の圧力室２６が形成されている。図２、図３に示すように、各圧力室２６は、走査方向に長い矩形の平面形状を有する。複数の圧力室２６は搬送方向に配列されて、走査方向に並ぶ２列の圧力室列を構成している。また、流路基板２０は、複数の圧力室２６を覆う振動膜３０を有する。振動膜３０は、シリコンの流路基板２０の一部を酸化、又は、窒化することによって形成された、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、あるいは、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなる膜である。また、振動膜３０には、後述するリザーバ形成部材２３内の流路と、複数の圧力室２６とをそれぞれ連通させる、複数の連通孔３０ａが形成されている。
（ノズルプレート）
ノズルプレート２１は、流路基板２０の下面に接合されている。このノズルプレート２１には、流路基板２０の複数の圧力室２６とそれぞれ連通する、複数のノズル２４が形成されている。図２に示すように、複数のノズル２４は、複数の圧力室２６と同様に搬送方向に配列され、走査方向に並ぶ２列のノズル列２５ａ，２５ｂを構成している。２列のノズル列２５ａ，２５ｂの間では、搬送方向におけるノズル２４の位置が、各ノズル列２５の配列ピッチＰの半分（Ｐ／２）だけずれている。尚、ノズルプレート２１の材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼等の金属材料、シリコン、あるいは、ポリイミド等の合成樹脂材料など、様々な材質のものを採用できる。
ノズルプレート２１は、流路基板２０の下面に接合されている。このノズルプレート２１には、流路基板２０の複数の圧力室２６とそれぞれ連通する、複数のノズル２４が形成されている。図２に示すように、複数のノズル２４は、複数の圧力室２６と同様に搬送方向に配列され、走査方向に並ぶ２列のノズル列２５ａ，２５ｂを構成している。２列のノズル列２５ａ，２５ｂの間では、搬送方向におけるノズル２４の位置が、各ノズル列２５の配列ピッチＰの半分（Ｐ／２）だけずれている。尚、ノズルプレート２１の材質は特に限定されない。例えば、ステンレス鋼等の金属材料、シリコン、あるいは、ポリイミド等の合成樹脂材料など、様々な材質のものを採用できる。
（圧電アクチュエータ）
圧電アクチュエータ２２は、複数の圧力室２６内のインクに、それぞれノズル２４から吐出させるための吐出エネルギーを付与するものである。圧電アクチュエータ２２は、流路基板２０の振動膜３０の上面に配置されている。図２〜図４に示すように、圧電アクチュエータ２２は、振動膜３０の上面において、２列に配列された複数の圧力室２６とそれぞれ対応して配置された複数の圧電素子３９と、複数の圧電素子３９にそれぞれ対応して設けられた複数の配線３５等を備えている。
圧電アクチュエータ２２は、複数の圧力室２６内のインクに、それぞれノズル２４から吐出させるための吐出エネルギーを付与するものである。圧電アクチュエータ２２は、流路基板２０の振動膜３０の上面に配置されている。図２〜図４に示すように、圧電アクチュエータ２２は、振動膜３０の上面において、２列に配列された複数の圧力室２６とそれぞれ対応して配置された複数の圧電素子３９と、複数の圧電素子３９にそれぞれ対応して設けられた複数の配線３５等を備えている。
以下、圧電アクチュエータ２２の各圧電素子３９の構成、及び、それに付随する構成について順に説明する。各圧電素子３９は、圧電部３７と、圧電部３７の下側（振動膜３０側）の面に配置された下部電極３１と、圧電部３７の上側（振動膜３０と反対側）の面に配置された上部電極３３を有する。
振動膜３０の上面の、各圧力室２６と重なる領域には、各圧力室２６に対応する圧電素子３９の下部電極３１が配置されている。より詳細には、図２、図６に示すように、下部電極３１は、２列の圧力室列にそれぞれ対応して搬送方向に延びる２つの第１電極部３１ａと、２つの第１電極部３１ａの搬送方向両端部をそれぞれ繋ぐ２つの第２電極部３１ｂとを有する、平面視で矩形枠状の電極である。下部電極３１は、複数の圧電素子３９についての共通電極を構成している。別の言い方をすれば、下部電極３１のうちの、複数の圧力室２６とそれぞれ対向する複数の電極部分が、互いに導通して一体化されている。この下部電極３１は、白金（Ｐｔ）で形成されている。
また、本実施形態では、図５に示すように、下部電極３１には、白金とは異なる材料で形成された金属膜３８が積層されている。この金属膜３８は、下部電極３１の下側、即ち、下部電極３１と振動膜３０との間に配置されている。この金属膜３８については、後ほど詳細に説明する。
図２に示すように、下部電極３１の上側には、２列の圧力室列に対応して、搬送方向にそれぞれ延びる２つの圧電体３２が設けられている。図４に示すように、各圧電体３２の左右両側の側面は、振動膜３０と直交する面に対して内側に傾斜しており、圧電体３２は、上面が下面よりも小さくなった、テーパー状の断面形状を有する。
各圧電体３２は、搬送方向に長い矩形の平面形状を有する。圧電体３２の、各圧力室２６とそれぞれ対向する部分が、その圧力室２６内に圧力を付与する駆動部分であり、この駆動部分を、特に「圧電部３７」と称する。言い換えれば、搬送方向に並ぶ複数の圧電素子３９の圧電部３７が互いに連結されることで、１つの圧電体３２が構成されている。１つの圧電体３２は、１列の圧力室列に属する複数の圧力室２６を搬送方向に跨ぐように、下部電極３１に積層されている。つまり、圧電体３２の下側（振動膜３０側）の面に、下部電極３１が配置されている。圧電体３２は、例えば、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料からなる。あるいは、圧電体３２は、鉛が含有されていない非鉛系の圧電材料で形成されていてもよい。
各圧電体３２の上面の、搬送方向に配列された複数の圧力室２６とそれぞれ重なる領域に、複数の上部電極３３が形成されている。即ち、上部電極３３は、各圧電素子３９について個別に設けられた個別電極である。上部電極３３の形状は特に限定されないが、例えば、図３には、圧力室２６よりも小さい矩形の平面形状を有するものが示されている。尚、上部電極３３は、イリジウム（Ｉｒ）などで形成することができる。
尚、下部電極３１と上部電極３３とに挟まれた圧電部３７は、厚み方向において下向き、即ち、上部電極３３から下部電極３１に向かう方向に分極されている。
図２〜図４に示すように、配線３５は、その一端部において、対応する圧電素子３９の上部電極３３に接続されている。そして、各配線３５は、上部電極３３から、圧電部３７の傾斜した側面を経て、振動膜３０の上面まで延びている。配線３５の材質は特に限定されないが、例えば、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）で形成することができる。
上記の配線３５は、対応する圧電素子３９から、振動膜３０の面方向と平行な走査方向に延びている。より詳細には、図２に示すように、左側に配列されている圧電素子３９に対応する配線３５は、圧電素子３９から左側へ延び、右側に配列された圧電素子３９に接続された配線３５は、圧電素子３９から右側へ延びている。各配線３５の、圧電素子３９とは反対側の端部には、駆動接点部４０が設けられている。これら複数の配線３５の駆動接点部４０は、流路基板２０（振動膜３０）の左右両端部において、搬送方向に配列されている。
また、下部電極３１には、左右２本ずつ、合計４本の配線３６が接続されている。左側２本の配線３６は左側へ延び、右側２本の配線３６は右側へ延びている。各配線３６の端部にはグランド接点部４１が設けられており、流路基板２０（振動膜３０）の左右両端部において、グランド接点部４１は複数の駆動接点部４０と並んで配置されている。
図２〜図４に示すように、流路基板２０の振動膜３０の左右両端部には、２枚のＣＯＦ５０がそれぞれ接合されている。そして、各ＣＯＦ５０に形成された複数の配線５５が、複数の駆動接点部４０と、それぞれ電気的に接続されている。また、図示は省略するが、各ＣＯＦ５０は、プリンタ１の制御装置６（図１参照）にも接続されている。
各ＣＯＦ５０にはドライバＩＣ５１が実装されている。ドライバＩＣ５１は、制御装置６から送られてきた制御信号に基づいて、圧電アクチュエータ２２を駆動するための駆動信号を生成して出力する。ドライバＩＣ５１から出力された駆動信号は、ＣＯＦ５０の配線５５を介して駆動接点部４０に入力され、さらに、圧電アクチュエータ２２の配線３５を介して各上部電極３３に供給される。駆動信号が供給された上部電極３３の電位は、所定の駆動電位とグランド電位との間で変化する。また、ＣＯＦ５０には、グランド配線（図示省略）も形成されており、グランド配線が、圧電アクチュエータ２２のグランド接点部４１と電気的に接続される。これにより、グランド接点部４１と接続されている下部電極３１の電位は、常にグランド電位に維持される。
ドライバＩＣ５１から駆動信号が供給されたときの、圧電アクチュエータ２２の動作について説明する。駆動信号が供給されていない状態では、上部電極３３の電位はグランド電位となっており、下部電極３１と同電位である。この状態から、ある上部電極３３に駆動信号が供給されて、上部電極３３に駆動電位が印加されると、その上部電極３３と下部電極３１との電位差により、圧電部３７に、その厚み方向に平行な電界が作用する。ここで、圧電部３７の分極方向と電界の方向とが一致するために、圧電部３７はその分極方向である厚み方向に伸びて面方向に収縮する。この圧電部３７の収縮変形に伴って、振動膜３０が圧力室２６側に凸となるように撓む。これにより、圧力室２６の容積が減少して圧力室２６内に圧力波が発生することで、圧力室２６に連通するノズル２４からインクの液滴が吐出される。
ところで、本実施形態では、共通電極である下部電極３１が高価な白金で形成されている。そのため。コストダウンの観点から、下部電極３１の厚みは小さく抑えたい。また、下部電極３１の厚みが厚いほど、圧電部３７の変形が阻害されるため、その観点からも下部電極３１は薄いことが好ましい。しかし、下部電極３１の厚みが薄いと、共通電極の電気抵抗が大きくなるため、各圧電素子３９の挙動に悪影響が出る。例えば、グランド接点部４１からの距離が近い圧電素子３９と距離が遠い圧電素子３９とで、グランド接点部４１と下部電極３１までの電圧降下の程度が異なってくる。これにより、グランド接点部４１から遠い圧電素子３９では、下部電極３１の電位が変動して不安定になりやすくなり、応答性など吐出特性に影響が出る。
そこで、本実施形態では、図５に示すように、圧電体３２と流路基板２０の振動膜３０との間に、白金とは異なる材料で形成された金属膜３８が配置されている。そして、この金属膜３８の上に下部電極３１が重ねられて、下部電極３１と金属膜３８とが直接接触している。図６（ａ）は金属膜３８の平面図、（ｂ）は金属膜３８の上に重ねられる下部電極３１の平面図である。尚、図６（ａ）、（ｂ）では、金属膜３８及び下部電極３１よりも下側（図５の紙面向こう側）に位置する、複数の圧力室２６は破線で示され、金属膜３８及び下部電極３１よりも上側（図５の紙面手前側）に位置する、複数の上部電極３３が二点鎖線で示されている。
先にも説明したが、図６（ｂ）に示すように、下部電極３１は、２列の圧力室列にそれぞれ対応する２つの第１電極部３１ａと、２つの第１電極部３１ａを繋ぐ第２電極部３１ｂを有する。各第１電極部３１ａは、対応する圧力室列に属する複数の圧力室に跨って搬送方向に延びている。これに対して、金属膜３８は、下部電極３１の第１電極部３１ａのうちの、複数の上部電極３３と対向しない領域にのみ配置されて、下部電極３１と直接接触している。具体的には、図６（ａ）に示すように、複数の金属膜３８は、搬送方向に配列された上部電極３３の間の領域に配置される一方で、下部電極３１は、複数の金属膜３８の全域を覆うように配置されて、複数の金属膜３８と接触している。
このように、下部電極３１に金属膜３８が重ねられて直接接触することにより、白金で形成された下部電極３１を薄くしつつも、下部電極３１の実質的な電気抵抗を下げることができる。例えば、白金の下部電極３１の厚みを、０．１μｍ以下（好ましくは、０．０５μｍ以下）と薄くすることが可能である。また、金属膜３８は、上部電極３３（圧電部３７）とは対向していないため、下部電極３１に金属膜３８が重ねられていることによる、圧電部３７の変形阻害が小さく抑えられる。また、本実施形態では、金属膜３８の全域に下部電極３１が重ねられて接触しているため、下部電極３１の実質的な電気抵抗を、大きく低下させることができる。
また、図５に示すように、金属膜３８の厚みは、下部電極３１よりも厚いことが好ましい。金属膜３８を下部電極３１よりも厚くすることにより、下部電極３１の実質的な電気抵抗を大幅に低下させることができる。尚、金属膜３８は、白金とは異なる材料で形成されるものであることから、金属膜３８の厚みを大きくしても、下部電極３１の厚みを大きくする場合と比べて、コストアップを抑えることが可能である。
また、図５に示すように、金属膜３８は、下部電極３１のうちの、振動膜の変形曲率が最大となる位置（一点鎖線の位置Ｘ）よりも、外側の領域に配置されていることが好ましい。この場合、金属膜３８が、振動膜３０が最も大きく湾曲する箇所よりも外側に位置しているため、この金属膜３８により、圧電部３７の変形による振動膜３０の撓みが阻害されにくくなる。
尚、圧電アクチュエータ２２の製造時には、上述した圧電材料膜のアニール等、様々な熱処理が行われる。そして、下部電極３１を白金で形成する理由の１つとして、圧電部３７のアニール等の加熱処理の際などに、下部電極３１を構成する金属原子が、圧電部３７へ拡散しにくいという点がある。しかし、白金で形成された下部電極３１の上に、白金とは異なる材料の金属膜３８が積層され、さらに、その上に圧電部３７が配置された構成であると、金属膜３８を構成する金属が、圧電部３７へ拡散しやすくなる。金属膜３８から圧電部３７へ金属が拡散すると、圧電部３７内で異相が発生し、絶縁破壊の要因になるなど、不良が生じる虞がある。これについて、本実施形態では、金属膜３８は、下部電極３１に対して、流路基板２０側、即ち、圧電部３７とは反対側に配置されている。そのため、熱処理の際に、金属膜３８を構成する金属が、圧電部３７へ拡散することが抑制される。
金属膜３８は、白金以外の材料であればどのような材料で形成されていてもよい。但し、下部電極３１の電気抵抗を低下させるという観点からは、銅（Ｃｕ）、あるいは、アルミニウム（Ａｌ）などの電気抵抗率の低い金属材料で形成されていることが好ましい。一方、圧電部３７のアニール等の加熱処理の際には、金属膜３８は、圧電部３７とともに高温になる。この観点からは、金属膜３８は、高融点の金属材料である、ジルコニウム、タンタル、あるいは、タングステンで形成されていることが好ましい。
（リザーバ形成部材）
図４に示すように、リザーバ形成部材２３は、圧電アクチュエータ２２を挟んで、流路基板２０と反対側（上側）に配置され、圧電アクチュエータ２２の上面に接合されている。リザーバ形成部材２３は、例えば、流路基板２０と同様、シリコンで形成されてもよいが、シリコン以外の材料、例えば、金属材料や合成樹脂材料で形成されていてもよい。
図４に示すように、リザーバ形成部材２３は、圧電アクチュエータ２２を挟んで、流路基板２０と反対側（上側）に配置され、圧電アクチュエータ２２の上面に接合されている。リザーバ形成部材２３は、例えば、流路基板２０と同様、シリコンで形成されてもよいが、シリコン以外の材料、例えば、金属材料や合成樹脂材料で形成されていてもよい。
図４に示すように、リザーバ形成部材２３の上半部には、搬送方向に延びるリザーバ５２が形成されている。このリザーバ５２は、インクカートリッジ１７が装着されるカートリッジホルダ７（図１参照）と、図示しないチューブでそれぞれ接続されている。
リザーバ形成部材２３の下半部には、リザーバ５２から下方に延びる複数のインク供給流路５３が形成されている。各インク供給流路５３は、圧電アクチュエータ２２の振動膜３０に形成された複数の連通孔３０ａに連通している。これにより、リザーバ５２から、複数のインク供給流路５３、及び、複数の連通孔３０ａを介して、流路基板２０の複数の圧力室２６にインクが供給される。また、リザーバ形成部材２３の下半部には、圧電アクチュエータ２２の複数の圧電素子３９を覆う、保護カバー部５４も形成されている。尚、保護カバー部５４の、インク供給流路５３とは反対側（図４の右方）には壁部が存在せず、複数の圧電素子３９が収容された空間が側方に開放されている。
次に、上記のインクジェットヘッド４の製造工程について、特に、圧電アクチュエータ２２の製造工程を中心に、図７、図８を参照して説明する。図７、図８は、それぞれ、インクジェットヘッド４の製造工程を説明する図である。
図７は、（ａ）振動膜成膜、（ｂ）金属膜形成、（ｃ）下部電極形成、（ｄ）圧電体形成、（ｅ）上部電極形成、の各工程を示す図である。
本実施形態では、流路基板２０の振動膜３０の上に、スパッタリング等の成膜工程と、エッチングによるパターニング工程を繰り返すことで、様々な膜を順に積層することにより、複数の圧電素子３９を含む圧電アクチュエータ２２を製造する。まず、図７（ａ）に示すように、流路基板２０の表面に、熱酸化等によって二酸化シリコン等の振動膜３０を成膜する。また、振動膜３０にエッチングで連通孔３０ａを形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、振動膜３０に、銅やアルミニウム、あるいは、ジルコニウム、タンタル、タングステン等の、白金以外の材料で金属膜３８を形成する。詳細には、スパッタリング等で金属膜３８を振動膜３０の上面に全面的に成膜した後、この金属膜３８のうちの、上部電極３３と重なる領域に形成されている部分をエッチングで除去する。次に、金属膜の形成後、図７（ｃ）に示すように、この金属膜３８の上に、白金からなる下部電極３１を形成する。この白金の下部電極３１は、金属膜３８とは異なり、上部電極３３と重なる領域にも形成する。
図７（ｄ）に示すように、下部電極３１の上に、ゾルゲル法やスパッタリングで圧電材料膜を成膜し、この圧電材料膜をドライエッチングでパターニングすることで、圧電体３２（圧電部３７）を形成する。この圧電体３２の形成時には、適宜、アニールのための熱処理を行う。次に、図７（ｅ）に示すように、圧電体３２の上面に、イリジウム等からなる上部電極３３を形成する。以上の工程で、複数の圧電素子３９を有する圧電アクチュエータ２２の製造が完了する。
図８は、（ａ）流路基板のエッチング、（ｂ）ノズルプレートの接合、の各工程を示す図である。図８（ａ）に示すように、流路基板２０の、圧電アクチュエータ２２とは反対側の下面側からエッチングを行って、圧力室２６を形成する。さらに、図８（ｂ）に示すように、流路基板２０の下面に、ノズルプレート２１を接着剤で接合する。その後、圧電アクチュエータ２２に、リザーバ形成部材２３（図４参照）を接着剤で接合する。
以上説明した実施形態において、インクジェットヘッド４が、本発明の「液体吐出装置」に相当する。下部電極３１が、本発明の「第１電極」に相当し、上部電極３３が、本発明の「第２電極」に相当する。
次に、上記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
１］前記実施形態の図５では、下部電極３１の下側（振動膜３０側）に金属膜３８が配置されているが、図９に示すように、下部電極３１の上側（振動膜３０と反対側）に金属膜３８が配置されてもよい。
２］前記実施形態では、複数の金属膜３８が全域において下部電極３１と重なり、下部電極３１と直接接触しているが、図１０に示すように、金属膜３８の一部領域にのみ、下部電極３１が重なって金属膜３８と接触してもよい。このように、金属膜３８の一部領域においてのみ、白金で形成された下部電極３１が接触することで、高価な白金の使用量を少なくしつつ、下部電極３１の実質的な電気抵抗を低下させることができる。
３］前記実施形態では、下部電極３１に積層される金属膜３８の厚みが、下部電極３１よりも厚くなっているが、金属膜３８の厚みが、下部電極３１と同じ、あるいは、下部電極３１の厚みよりも薄くてもよい。
４］前記実施形態では、図２、図３に示すように、ノズル配列方向（搬送方向）に並ぶ複数の圧電素子３９の圧電部３７が互いに繋がって、１つの圧電体３２を形成しているが、複数の圧電素子３９の圧電部３７が互いに分離されていてもよい。
５］前記実施形態では、図６（ａ）に示すように、下部電極３１の、複数の上部電極３３の間に位置する、上部電極３３とは対向しない複数の非対向領域に、複数の金属膜３８が互いに分離して配置されているが、前記複数の非対向領域に配置された金属膜３８同士が互いに繋がっていてもよい。
６］前記実施形態では、図６（ａ）に示すように、下部電極３１の、複数の上部電極３３の間に位置する、上部電極３３とは対向しない複数の非対向領域に、複数の金属膜３８がそれぞれ配置されているが、前記複数の非対向領域の全てに金属膜３８が積層されている必要は必ずしもない。即ち、前記複数の非対向領域の一部にのみ、金属膜３８が配置されていてもよい。
７］前記実施形態の圧電アクチュエータ２２では、下部電極３１が、複数の圧電素子３９について共通の共通電極であり、上部電極３３が、各圧電素子３９に個別に設けられた個別電極となっている。これに対して、電極の配置が上記とは逆、即ち、下部電極が個別電極、上部電極が共通電極である圧電素子に対しても、本発明を適用することができる。
以下、下部電極が個別電極、上部電極が共通電極である形態の一例を示す。図１１は、変更形態のインクジェットヘッドの１つのヘッドユニット５６の平面図である。図１２は、図１１のＹ部拡大図である。図１３（ａ）は、図１２のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１２のＢ−Ｂ線断面図である。
この形態のヘッドユニット５６は、流路基板６０、ノズルプレート６１、圧電アクチュエータ６２、及び、リザーバ形成部材６３を備えている。流路基板６０、ノズルプレート６１、リザーバ形成部材６３のそれぞれの構成については、前記実施形態で開示したものとほぼ同じであるため、説明は省略する。以下では、主に、圧電アクチュエータ６２について説明を行う。
図１１、図１２に示すように、流路基板６０の振動膜７０には、複数の圧力室６６（ノズル６４）にそれぞれ対応して、複数の圧電素子７９が搬送方向に沿って配列されている。複数の圧電素子７９は、走査方向に並ぶ第１圧電素子列８５ａと第２圧電素子列８５ｂを構成している。また、振動膜７０には、複数の圧電素子７９の下部電極７１にそれぞれ接続された複数の配線層７１ａが設けられている。尚、下部電極７１と配線層７１ａとは、共に、白金で形成されている。また、本形態では、２列に配列された全ての圧電素子７９について、対応する配線層７１ａが、走査方向一方側（右側）に引き出されている。流路基板２０の右端部の上面には、複数の配線層７１ａの駆動接点部８０と、２つのグランド接点部８１とが配置されている。複数の駆動接点部８０と２つのグランド接点部８１には、ドライバＩＣ９１が実装されたＣＯＦ９０が接合される。
左側の第２圧電素子列８５ｂに属する圧電素子７９に対応する配線層７１ａは、第１圧電素子列８５ａに属する圧電素子７９（下部電極７１）の間を通過して、右方へ延びている。また、複数の圧力室６６に跨って搬送方向に延びる圧電体７２の、搬送方向に隣接する２つの圧電素子７９（圧電部７７）の間の部分は、ドライエッチングによって部分的に除去されて、開口部７２ａが形成されている。このように、圧電体７２の、２つの圧電素子７９間に開口部７２ａが形成されることで、各圧電素子７９の圧電部７７の変形が促進される構成となっている。
下部電極７１の、接続部７１ａを含む右端部は、上部電極７３とは対向していない。そして、下部電極７１の、上部電極７３と対向していない領域に、白金とは異なる材料で形成された金属膜７８が積層されている。尚、図１１〜図１３では、金属膜７８は、下部電極７１の上側に配置されているが、下部電極７１の下側に配置されてもよい。また、金属膜７８の材質は、下部電極７１を形成している白金と異なる材料であれば特に限定されない。このように、白金の下部電極７１に、白金とは異なる材料で、金属膜７８が積層されているため、白金の下部電極７１の厚みを小さくしてコストアップを抑えつつ、下部電極７１の実質的な電気抵抗を低くすることが可能となる。また、この形態においても、下部電極７１の電気抵抗を低下させるという観点から、金属膜７８は、下部電極７１よりも厚く形成されていることが好ましい。
また、本形態では、金属膜７８は、下部電極７１だけでなく、下部電極７１に接続された配線層７１ａに重ねられた、配線層７８ａを有する。配線層７８ａは、白金の配線層７１ａに沿って駆動接点部８０まで延びている。尚、白金で形成された配線層７１ａと、金属膜７８の配線層７８ａとが、各圧電素子７９に対応する配線７５を構成している。これにより、圧電素子７９に対応する配線７５の電気抵抗を低下させるという効果も得られる。
また、図１２、図１３（ｂ）に示すように、右側の第１圧電素子列８５ａに対応する圧電体７２の、エッチングによって開口部７２ａが形成された位置においては、左側の第２圧電素子列８５ｂに対応する配線層７１ａ，７８ａが、圧電体７２から露出している。そして、圧電体７２のエッチングの際に、配線７５の一部がエッチングによって一緒に削られて薄くなってしまう虞がある。この点、本形態では、白金の配線層７１ａに、金属膜７８の配線層７８ａが重ねられて配線７５が構成されている。そのため、圧電体７２にエッチング（特にドライエッチング）で開口部７２ａを形成する際に、配線７５が多少削られても断線等が生じにくくなり、配線７５の電気的接続の信頼性が向上する。
８］上述した図１３（ａ）の形態では、金属膜３８の配線層７８ａの下に、下部電極７１と同じく白金で形成された配線層７１ａが配置されているが、図１４に示すように、白金の配線層７１ａが形成されておらず、金属膜３８が下部電極７１のみと重なっていてもよい。
以上説明した実施形態及びその変更形態は、本発明を、記録用紙にインクを吐出して画像等を印刷するインクジェットヘッドの圧電アクチュエータに適用したものであるが、画像等の印刷以外の様々な用途で使用される液体吐出装置においても本発明は適用されうる。例えば、基板に導電性の液体を吐出して、基板表面に導電パターンを形成する液体吐出装置にも、本発明を適用することは可能である。
４ インクジェットヘッド
１６ ヘッドユニット
２０ 流路基板
２４ ノズル
２６ 圧力室
３０ 振動膜
３１ 下部電極
３２ 圧電体
３３ 上部電極
３５ 配線
３７ 圧電部
３８ 金属膜
３９ 圧電素子
５６ ヘッドユニット
６０ 流路基板
６４ ノズル
６６ 圧力室
７０ 振動膜
７１ 下部電極
７２ 圧電体
７２ａ 開口部
７２ 圧電体
７３ 上部電極
７５ 配線
７７ 圧電部
７８ 金属膜
７８ａ 配線層
８５ａ，８５ｂ 圧電素子列
１６ ヘッドユニット
２０ 流路基板
２４ ノズル
２６ 圧力室
３０ 振動膜
３１ 下部電極
３２ 圧電体
３３ 上部電極
３５ 配線
３７ 圧電部
３８ 金属膜
３９ 圧電素子
５６ ヘッドユニット
６０ 流路基板
６４ ノズル
６６ 圧力室
７０ 振動膜
７１ 下部電極
７２ 圧電体
７２ａ 開口部
７２ 圧電体
７３ 上部電極
７５ 配線
７７ 圧電部
７８ 金属膜
７８ａ 配線層
８５ａ，８５ｂ 圧電素子列
Claims (11)
- 複数の圧力室を含む液体流路と、前記複数の圧力室を覆う振動膜とを有する流路基板と、
それぞれが、圧電体で形成された圧電部と、前記圧電部の前記流路基板側の面に配置され、白金で形成された第１電極と、前記圧電部の前記第１電極とは反対側の面に配置され、前記圧電部を挟んで前記第１電極と対向する第２電極と、を有し、前記流路基板の前記振動膜に設けられた複数の圧電素子と、
前記圧電体と前記流路基板との間の前記第２電極とは対向しない領域に配置され、且つ、白金とは異なる金属材料で形成された金属膜と、を備え、
前記圧電体と前記流路基板との間の前記第２電極とは対向しない領域において、前記金属膜と前記第１電極とが直接接触していることを特徴とする液体吐出装置。 - 前記金属膜は、前記第１電極よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
- 前記金属膜は、前記第１電極に対して、前記流路基板側の位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出装置。
- 前記金属膜は、前記振動膜の変形曲率が最大となる位置よりも、外側の領域に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液体吐出装置。
- 前記金属膜の一部分が、前記第１電極から前記流路基板の面方向に沿って延びて、前記各圧電素子の前記第１電極に接続される配線を構成していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体吐出装置。
- 前記流路基板に、前記複数の圧力室に跨って、前記複数の圧電素子の前記圧電部を含む圧電体が成膜され、
前記複数の圧電素子は、前記流路基板の面方向に平行な第１方向に配列され、且つ、前記第１方向と直交する第２方向に並ぶ、第１圧電素子列と第２圧電素子列とを構成し、
前記第２圧電素子列に属する前記圧電素子に対応する前記配線は、前記第１圧電素子列に属する前記圧電素子の間を通過して前記第２方向に延びており、
前記第１圧電素子列に属する前記圧電素子の間の前記圧電体がエッチングされて、前記第２圧電素子列に属する前記圧電素子に対応する配線が、前記圧電体から露出していることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出装置。 - 前記金属膜は、その全域において前記第１電極と直接接触していることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の液体吐出装置。
- 前記金属膜は、その一部領域においてのみ前記第１電極と直接接触していることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の液体吐出装置。
- 前記金属膜は、銅又はアルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の液体吐出装置。
- 前記金属膜は、ジルコニウム、タンタル、又は、タングステンで形成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の液体吐出装置。
- 前記第１電極の厚みは、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の液体吐出装置。
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