JP2017019168A - インクジェットヘッドとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動板の圧縮応力を解放し、アクチュエータを駆動したときのアクチュエータの座屈変形を抑制もしくは減少させることができ、アクチュエータ間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができ、かつアクチュエータの破損を防止できるインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】基板上の振動板と、圧電体と導電膜との積層体からなる圧電素子７と、振動板上に圧電素子７が積層されてなるアクチュエータと、圧電素子７に対応する圧力室２３と、導電膜から基板上に延設され、アクチュエータを駆動する駆動回路部との接続端子に接続される配線と、振動板上における圧力室２３と対向しない領域に形成され、振動板の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部２６と、を有する。
【選択図】図４
【解決手段】基板上の振動板と、圧電体と導電膜との積層体からなる圧電素子７と、振動板上に圧電素子７が積層されてなるアクチュエータと、圧電素子７に対応する圧力室２３と、導電膜から基板上に延設され、アクチュエータを駆動する駆動回路部との接続端子に接続される配線と、振動板上における圧力室２３と対向しない領域に形成され、振動板の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部２６と、を有する。
【選択図】図４
Description
本発明の実施形態は、インクジェットヘッドとその製造方法に関する。
一般に、振動板と圧電素子からなるアクチュエータとしてベンドモードのアクチュエータを用いたインクジェットヘッドが知られている。このインクジェットヘッドは、振動板を圧電素子により変形させて圧力室内のインクを加圧し、吐出する方式である。
アクチュエータを形成する際に成膜技術およびフォトリソグラフィ技術を用いたインクジェットヘッドで、振動板が圧縮応力を有するものがある。
振動板の圧縮応力がある程度大きい場合は、アクチュエータを駆動させると、振動板の圧縮応力によりアクチュエータが座屈変形を起こす可能性がある。そのため、複数のアクチュエータ間で振動板の圧縮応力にばらつきがあるとアクチュエータ間で座屈変形の度合いが異なり、アクチュエータ間での変位特性が不均一となり、インク吐出特性が不均一になる。また、座屈変形によりアクチュエータの耐久性が低下する恐れがある。
本実施形態は、振動板の圧縮応力を解放し、アクチュエータを駆動したときのアクチュエータの座屈変形を抑制もしくは減少させることができ、アクチュエータ間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができ、かつアクチュエータの破損を防止できるインクジェットヘッドとその製造方法を提供することを課題とする。
実施形態によれば、基板上の振動板と、圧電体と導電膜との積層体からなる圧電素子と、前記振動板上に前記圧電素子が積層されてなるアクチュエータと、前記圧電素子に対応する圧力室と、前記導電膜から前記基板上に延設され、前記アクチュエータを駆動する駆動回路部との接続端子に接続される配線と、前記振動板上における前記圧力室と対向しない領域に形成され、前記振動板の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部と、を有するインクジェットヘッドである。
［第１の実施の形態］
（構成）
図１乃至図１２は、第１の実施の形態を示す。
（インクジェットヘッドの構造）
以下、第１の実施形態のインクジェットヘッド５の構造について説明する。図１は、インクジェットヘッド５の分解斜視図、図２は、インクジェットヘッド５の圧力室プレート２の端部の平面図、図３は、図２のＦ３−Ｆ３線断面図を示す。
（構成）
図１乃至図１２は、第１の実施の形態を示す。
（インクジェットヘッドの構造）
以下、第１の実施形態のインクジェットヘッド５の構造について説明する。図１は、インクジェットヘッド５の分解斜視図、図２は、インクジェットヘッド５の圧力室プレート２の端部の平面図、図３は、図２のＦ３−Ｆ３線断面図を示す。
本実施形態のインクジェットヘッド５は、図１に示すように、ノズルプレート１と、圧力室プレート２と、インクサプライプレート３Ａ，３Ｂと、リザーバプレート４Ａ，４Ｂとを積層した構造となっている。本実施形態では、これらの積層体は、それぞれ上面から見た平面形状が矩形状（長方形状）に形成されている。
図３に示すように、圧力室プレート２は、表面がシリコン（Ｓｉ）熱酸化膜からなる振動板２１で覆われているシリコン基板２２からなる。圧力室プレート２の内部には、それぞれ複数の圧力室２３と、狭窄路２４と、インク供給室２５とを有する。複数の圧力室２３は、図１に示すように上面から見た平面形状が矩形状（長方形状）に形成されている。本実施形態では、長方形状の圧力室プレート２の短手方向に２列の圧力室２３が並設されている。各列の圧力室２３は、長手方向に複数の圧力室２３が並設されている。
通常、圧力室プレート２の厚さは５０〜５００μｍで、シリコン熱酸化膜の厚さは０．２〜１０μｍである。振動板２１としてはシリコン熱酸化膜の代わりに酸化ジルコニウム膜、酸化イリジウム膜、酸化ルテニウム膜等を用いてもよい。例えば、酸化ジルコニウム膜の場合はシリコン基板２２上にジルコニウム膜をスパッタリング法で形成した後、熱酸化させることにより形成することができる。
圧力室プレート２の振動板２１で覆われている面とは反対側の面には、圧力室２３が開口している。この開口面には、ノズルプレート１が接着されている。ノズルプレート１には、ノズル１１が圧力室２３と対向するように形成されている。ノズルプレート１の材料としてはポリイミドが一例としてあげられ、ノズルプレート１のノズル１１はレーザー加工によって形成することができる。
振動板２１には、各圧力室２３と対応する位置に圧電素子７がそれぞれ配置されている。圧電素子７は、下部電極７１と、圧電体７２と、上部電極７３とを積層した構造となっている。
圧力室プレート２の圧電素子７側には、インクサプライプレート３Ａ，３Ｂと、リザーバプレート４Ａ，４Ｂとが例えばエポキシ接着剤を介して積層されている。インクサプライプレート３Ａ，３Ｂには、インク供給室２５に通ずるインク供給路３１が形成されている。リザーバプレート４Ａには、インク供給路３１と繋がるリザーバ４１が形成されている。さらに、リザーバプレート４Ｂには、リザーバ４１にインクを供給するためのインクインレット４２を構成している。
インクサプライプレート３Ａ，３Ｂ、リザーバプレート４Ａ，４Ｂの材料としては、セラミックス材料として例えば、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウム等があげられる。また、金属材料として例えば、ステンレス、アルミ、チタン等があげられる。樹脂材料として例えば、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリエーテルサルフォン等があげられる。
図２および図３に示すように、下部電極７１は個別配線７４ａとなって圧力室プレート２の端部へ延びている。また、上部電極７３はシリコン酸化膜の絶縁膜７５の開口７５ａを介して共通配線７４ｂに接続され、共通配線７４ｂも圧力室プレート２の端部へ延びている。そして、個別配線７４ａと共通配線７４ｂとで構成されている配線７４は、圧力室プレート２の端部で図示しない駆動回路部との接続端子と接続されている。
図４は、図２の１つの圧力室２３付近を拡大した図であり、図５は、図４のＦ５−Ｆ５線断面図である。図４、図５に示すように、振動板２１には、圧力室２３と対向しない領域に振動板２１の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部２６が形成されている。本実施形態では、圧力室２３と対向しない領域とは、狭窄路２４および配線７４に対応する部分を除いて、圧力室２３を囲む圧力室２３の外側の領域である。応力解放部２６は、この圧力室２３を囲む領域に圧力室２３の両側部に沿って細溝形状の一対の貫通穴（除去部）２６ａが形成されている。各圧電素子７毎にこれらの一対の貫通穴２６ａが、各圧電素子７に対してそれぞれ同一形状に形成されている。ここで、各圧電素子７に対応する各貫通穴２６ａの形状を同一形状としやすいように、各圧電素子７に対する配線７４の引出位置および引出方向を一致させている。
（圧力室プレート２および圧電素子７の形成）
以下、圧力室プレート２および圧電素子７の製造工程について説明する。図６〜図１０の（Ａ）は、それぞれ図４のＡ−Ａ線位置での断面図である。同様に、図６〜図１０の（Ｂ）は、それぞれ図４のＢ−Ｂ線位置での断面図、図６〜図１０の（Ｃ）は、それぞれ図４のＣ−Ｃ線位置での断面図である。
以下、圧力室プレート２および圧電素子７の製造工程について説明する。図６〜図１０の（Ａ）は、それぞれ図４のＡ−Ａ線位置での断面図である。同様に、図６〜図１０の（Ｂ）は、それぞれ図４のＢ−Ｂ線位置での断面図、図６〜図１０の（Ｃ）は、それぞれ図４のＣ−Ｃ線位置での断面図である。
最初に、図６（Ａ）に示すように、シリコン熱酸化膜（振動板２１）を備えるシリコン基板２２の振動板２１に、貫通穴２６ａをドライエッチングで形成する。これにより、後の工程で形成される狭窄路２４および配線７４の形成位置に対応する部分を除いて、貫通穴２６ａの底面からシリコン基板２２の表面を露出させる。なお、図６（Ｂ）、（Ｃ）には、振動板２１に、貫通穴２６ａは形成されていない。
シリコン熱酸化膜は、内部応力として面内方向に圧縮応力を有する。本実施形態では、振動板２１に貫通穴２６ａの応力解放部２６を形成することにより振動板２１の内部応力の一部が解放されるので、振動板２１に応力解放部２６を形成しない場合と比較して振動板２１の内部応力が小さくなる。
次に、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、シリコン基板２２の振動板２１側に下部電極７１となる下部導電膜７１ａと、圧電体７２となる圧電層７２ａと、上部電極７３となる上部導電膜７３ａとをスパッタ法により順次形成する。圧電層７２ａの他の製法として、例えば、ＣＶＤ、ゾルゲル法、ＡＤ法（エアロデポジション法）、水熱合成法などを用いることも可能である。このとき、図７（Ａ）に示すように振動板２１の貫通穴２６ａの部分にもシリコン基板２２の表面上に下部導電膜７１ａと、圧電層７２ａと、上部導電膜７３ａとが同様に形成される。
下部導電膜７１ａおよび上部導電膜７３ａの材料としてはＰｔが一例としてあげられる他、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ等がある。また、圧電層７２ａの材料としてはＰＺＴが一例としてあげられる他、ＰＴＯ（チタン酸鉛、ＰＭＮＴ、ＰＺＮＴ、ＺｎＯ、ＡｌＮ等がある。通常、下部導電膜７１ａおよび上部導電膜７３ａの厚さは０．０１〜１μｍ、圧電層７２ａの厚さは０．１〜１０μｍである。
次に、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、上部導電膜７３ａと、圧電層７２ａと、下部導電膜７１ａとをドライエッチングして、応力解放部２６に囲まれる領域に圧電素子７を形成する。この圧電素子７の形成では、下部導電膜７１ａをパターニングして下部電極７１を形成する際に図８（Ｂ），（Ｃ）に示すように個別配線７４ａも形成する。下部導電膜７１ａをドライエッチングして下部電極７１を形成する際に、応力解放部２６の底面の下部導電膜７１ａをエッチングすると、シリコン基板２２もエッチングしてしまう可能性があるので、下部導電膜７１ａのエッチングは、図８（Ａ）に示すように、応力解放部２６の底面に下部導電膜７１ａが残るようなパターンで行う。
次に、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、シリコン基板２２の振動板２１側全体を覆うようにシリコン酸化膜の絶縁膜７５を、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法により成膜する。続いて、図９（Ａ）、（Ｃ）に示すように、絶縁膜７５をドライエッチングして、上部電極７３の一部を露出させる開口７５ａ（図９（Ａ））およびインク供給室２５の開口部となる第１開口部２５ａ（図９（Ｃ））を形成する。絶縁膜７５の材料としてシリコン酸化膜の代わりに例えば、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）を用いることができる。絶縁膜７５の厚さは、０．１〜２μｍである。
次に、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、シリコン基板２２の振動板２１側全体を覆うように導電膜を成膜し、成膜した導電膜をウエットエッチングして、開口７５ａを介して上部電極７３に接続される共通配線７４ｂ（図１０（Ａ））を形成する。ここで導電膜の材料としては、Ａｕが一例としてあげられる他、例えば、Ir、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ等がある。共通配線７４ｂの厚さは、０．０１〜１μｍである。
次に、図１１（Ｃ）に示すように、シリコン基板２２の振動板２１側からインク供給室２５に対応する振動板２１の部分をドライエッチングにより除去し、振動板２１にインク供給室２５の一部となる第２開口部２５ｂを形成する。
次に、図１２（Ａ）に示すように、シリコン基板２２の振動板２１と反対側から、振動板２１をエッチストップとしてシリコン基板２２をドライエッチングして、圧電素子７に対応する位置に圧力室２３を形成する。同時に、図１２（Ｂ）に示すように、同様に振動板２１をエッチストップとして、シリコン基板２２をドライエッチングして、狭窄路２４も形成する。また、同時に図１２（Ｃ）に示すように、シリコン基板２２に振動板２１の第２開口部２５ｂに連通する第３開口部２５ｃをドライエッチングにより形成し、インク供給室２５を完全に形成する。
圧力室２３が形成されると、絶縁膜７５、圧電素子７、振動板２１の面方向の内部応力により、アクチュエータ８（圧電素子７および振動板２１）が圧力室２３に向って凸に変形する。このとき、応力解放部２６を形成している本実施形態では、応力解放部２６により振動板２１の圧縮応力の一部が解放され、振動板２１の圧縮応力が小さくなっている。そのため、応力解放部２６を形成していない場合と比較して、アクチュエータ８の初期変形が小さい。
（インクジェットヘッドの動作）
以下、インクジェットヘッド５の動作について説明する。インクジェットヘッド５の動作時には、図示しない駆動回路部から下部電極７１および上部電極７３へ電力を供給する。このとき、圧電体７２の内部に電界を発生さて圧電素子７を歪ませると、圧電素子７と振動板２１との相互作用によりアクチュエータ８（圧電素子７および振動板２１）が変形する。この際、振動板２１の圧縮応力は応力解放部２６により解放されて小さくなっているので、アクチュエータ８は座屈変形を起こさないか、もしくは座屈変形したとしてもその度合いは小さい。したがって、アクチュエータ８の座屈変形に起因する複数のアクチュエータ８間の変位特性のばらつきが抑えられる。
以下、インクジェットヘッド５の動作について説明する。インクジェットヘッド５の動作時には、図示しない駆動回路部から下部電極７１および上部電極７３へ電力を供給する。このとき、圧電体７２の内部に電界を発生さて圧電素子７を歪ませると、圧電素子７と振動板２１との相互作用によりアクチュエータ８（圧電素子７および振動板２１）が変形する。この際、振動板２１の圧縮応力は応力解放部２６により解放されて小さくなっているので、アクチュエータ８は座屈変形を起こさないか、もしくは座屈変形したとしてもその度合いは小さい。したがって、アクチュエータ８の座屈変形に起因する複数のアクチュエータ８間の変位特性のばらつきが抑えられる。
アクチュエータ８が変形すると、圧力室２３内のインクが加圧され、ノズル１１からインクが吐出する。このとき、本実施形態では複数のアクチュエータ８間の変位特性のばらつきが抑えられているので、アクチュエータ８間のインク吐出特性のばらつきが小さい。吐出によりインクを消費すると、その消費量に応じて、インクが、リザーバ４１、インク供給路３１、インク供給室２５、狭窄路２４を順次介して圧力室２３へと供給される。
（作用・効果）
上記構成の本実施の形態のインクジェットヘッド５では、振動板２１における圧力室２３と対向しない領域に振動板２１の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部２６が形成されている。そのため、インクジェットヘッド５の製造時に、振動板２１の圧縮応力を応力解放部２６によって解放しているので、アクチュエータ８を駆動したときのアクチュエータ８の座屈変形を抑制もしくは減少させることができる。したがって、１つのインクジェットヘッド５に組み込まれている複数のアクチュエータ８間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができ、かつアクチュエータ８の破損を防止できるインクジェットヘッドを提供することができる。
上記構成の本実施の形態のインクジェットヘッド５では、振動板２１における圧力室２３と対向しない領域に振動板２１の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部２６が形成されている。そのため、インクジェットヘッド５の製造時に、振動板２１の圧縮応力を応力解放部２６によって解放しているので、アクチュエータ８を駆動したときのアクチュエータ８の座屈変形を抑制もしくは減少させることができる。したがって、１つのインクジェットヘッド５に組み込まれている複数のアクチュエータ８間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができ、かつアクチュエータ８の破損を防止できるインクジェットヘッドを提供することができる。
また、インクジェットヘッド５の製造時には、シリコン基板２２の一方の端面に振動板２１を形成したのち、シリコン基板２２の内部に形成される予定の圧力室２３と対向しない領域に貫通穴２６ａを形成して振動板２１の一部を除去した応力解放部２６を形成する。振動板２１の応力解放部２６の形成後に振動板２１に下部電極７１と圧電体７２と上部電極７３とを順に積層して圧電素子７を成膜する。その後、シリコン基板２２の一方の端面と反対の他方の端面側からシリコン基板２２をエッチングによってシリコン基板２２の内部に圧力室２３を作成する。このとき、振動板２１の圧縮応力を応力解放部２６により解放し、アクチュエータ８を駆動したときのアクチュエータ８の座屈変形を抑制もしくは減少させることにより、アクチュエータ８間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができる。また、アクチュエータ８の座屈変形を抑制もしくは減少させることによりアクチュエータ８の破損を防止することができるインクジェットヘッドの製造方法を提供することができる。
［第２の実施の形態］
（構成）
図１３乃至図２３は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図１２参照）のインクジェットヘッド５の構造を次の通り変更した変形例である。
（構成）
図１３乃至図２３は、第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態（図１乃至図１２参照）のインクジェットヘッド５の構造を次の通り変更した変形例である。
以下、本実施の形態のインクジェットヘッド１０５の構造について説明する。図１３は、インクジェットヘッド１０５の分解斜視図である。本実施形態のインクジェットヘッド１０５は、図１３に示すように、圧力室プレート１０２と、リザーバプレート１０４Ａ，１０４Ｂとを積層した構造となっている。本実施形態では、これらの積層体は、それぞれ上面から見た平面形状が矩形状（長方形状）に形成されている。
図１４は、インクジェットヘッド１０５の圧力室プレート１０２の端部の平面図である。圧力室プレート１０２の内部には、複数の圧力室１２３を有する。本実施形態の圧力室１２３は、図１４および図１５に示すように円筒形となっている。
図１５は、図１４の１つの圧力室１２３の近辺の拡大図、図１６（Ａ）は、図１５のＤ−Ｄ線位置での断面図、図１６（Ｂ）は、図１５のＥ−Ｅ線位置での断面図である。図１６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧力室プレート１０２は、表面がシリコン熱酸化膜からなる振動板１２１で覆われているシリコン基板１２２からなる。
通常、圧力室プレート１０２の厚さは、５０〜５００μｍで、シリコン熱酸化膜（振動板１２１）の厚さは０．２〜１０μｍである。振動板１２１としてはシリコン熱酸化膜の代わりに酸化ジルコニウム膜、酸化イリジウム膜、酸化ルテニウム膜等を用いてもよい。例えば、酸化ジルコニウム膜の場合はシリコン基板１２２上にジルコニウム膜をスパッタリング法で形成した後、熱酸化させることにより形成することができる。
圧力室プレート１０２の圧力室１２３が開口している開口面側には、リザーバプレート１０４Ａ，１０４Ｂが例えばエポキシ接着剤を介して積層されている。そして、リザーバプレート１０４Ａにより圧力室１２３と繋がるリザーバ１４１が形成され、リザーバプレート１０４Ｂによりリザーバ１４１にインクを供給するためのインクインレット１４２を構成している。リザーバプレート１０４Ａ，１０４Ｂの材料としては、セラミックス材料としてアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウム等が、金属材料としてステンレス、アルミ、チタン、樹脂材料としてＡＢＳ、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリエーテルサルフォン等があげられる。
圧力室プレート１０２の圧力室１２３が開口している開口面側の反対側に設けられている振動板１２１には圧力室１２３に対応する位置に圧電素子１０７が配置されている。圧電素子１０７は、下部電極１７１と、圧電体１７２と、上部電極１７３とを積層した構造となっている。振動板１２１および圧電素子１０７にはそれぞれ軸心部に貫通孔が設けられており、両貫通孔が、圧力室１２３につながるノズル１２７を構成している。
図１４、図１５、図１６に示すように、下部電極１７１は、個別配線１７４ａとなって圧力室プレート１０２の端部へ延びている。また、上部電極１７３は、シリコン酸化膜の絶縁膜１７５の開口１７５ａを介して共通配線１７４ｂに接続され、共通配線１７４ｂも圧力室プレート１０２の端部へ延びている。そして、個別配線１７４ａと共通配線１７４ｂとで構成されている配線１７４は、圧力室プレート１０２の端部で図示しない駆動回路部との接続端子と接続されている。
図１５および図１６（Ｂ）に示すように、振動板１２１には、圧力室１２３を囲むように各圧電素子１０７毎に細溝形状の一対のほぼ半円形状の応力解放部１２６が形成されている。応力解放部１２６は、配線１７４に対応する部分を除いて各圧電素子１０７に対して同一形状に形成されている。ここで、各圧電素子１０７に対応する各応力解放部１２６の形状を同一形状としやすいように、各圧電素子１０７に対する配線１７４の引出位置および引出方向を一致させている。
（圧力室プレート１０２および圧電素子１０７の形成）
以下、圧力室プレート１０２および圧電素子１０７の製造工程について説明する。図１７〜図２３の（Ａ）は、それぞれ図１５のＤ−Ｄ線位置での断面図である。同様に、図１７〜図２３の（Ｂ）は、それぞれ図１５のＥ−Ｅ線位置での断面図である。
以下、圧力室プレート１０２および圧電素子１０７の製造工程について説明する。図１７〜図２３の（Ａ）は、それぞれ図１５のＤ−Ｄ線位置での断面図である。同様に、図１７〜図２３の（Ｂ）は、それぞれ図１５のＥ−Ｅ線位置での断面図である。
最初に、図１７（Ｂ）に示すように、シリコン熱酸化膜（振動板１２１）を備えるシリコン基板１２２の振動板１２１に、貫通穴１２６ａをドライエッチングで形成する。これにより、後の工程で形成される配線１７４の形成位置に対応する部分を除いて、貫通穴１２６ａの底面からシリコン基板１２２の表面を露出せせる。なお、図１７（Ａ）には振動板１２１に、貫通穴１２６ａは形成されていない。
シリコン熱酸化膜は内部応力として面内方向に圧縮応力を有する。本実施形態では、振動板１２１に貫通穴１２６ａの応力解放部１２６を形成することにより振動板１２１の内部応力の一部が解放されるので、振動板１２１に応力解放部１２６を形成しない場合と比較して振動板１２１の内部応力が小さくなる。
次に、図１８（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリコン基板１２２の振動板１２１側に下部電極１７１となる下部導電膜１７１ａと、圧電体１７２となる圧電層１７２ａと、上部電極１７３となる上部導電膜１７３ａとをスパッタ法により順次形成する。圧電層１７２ａの他の製法として、ＣＶＤ、ゾルゲル法、ＡＤ法（エアロデポジション法）、水熱合成法などを用いることも可能である。このとき、図１８（Ｂ）に示すように振動板１２１の貫通穴１２６ａの部分にもシリコン基板１２２の表面上に下部導電膜１７１ａと、圧電層１７２ａと、上部導電膜１７３ａとが同様に形成される。
下部導電膜１７１ａおよび上部導電膜１７３ａの材料としてはＰｔが一例としてあげられる他、Ir、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ等がある。また、圧電層１７２ａの材料としてはＰＺＴが一例としてあげられる他、ＰＴＯ（チタン酸鉛、ＰＭＮＴ、ＰＺＮＴ、ＺｎＯ、ＡｌＮ等がある。通常、下部導電膜１７１ａおよび上部導電膜１７３ａの厚さは０．０１〜１μｍ、圧電層１７２ａの厚さは０．１〜１０μｍである。
次に、図１９（Ａ），（Ｂ）に示すように、上部導電膜１７３ａと、圧電層１７２ａと、下部導電膜１７１ａとをドライエッチングして、応力解放部１２６に囲まれる領域に貫通孔１０７ａを有するドーナツ状の圧電素子１０７を形成する。この圧電素子１０７の形成では、下部導電膜１７１ａをパターニングして下部電極１７１を形成する際に個別配線１７４ａも形成する。下部導電膜１７１ａをドライエッチングして下部電極１７１を形成する際に、応力解放部１２６の底面の下部導電膜１７１ａをエッチングすると、シリコン基板１２２もエッチングしてしまう可能性があるので、下部導電膜１７１ａのエッチングは応力解放部１２６の底面に下部導電膜１７１ａが残るようなパターンで行う。
次に、図２０（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリコン基板１２２の振動板１２１側全体を覆うようにシリコン酸化膜の絶縁膜１７５を、ＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法により成膜する。続いて、図２０（Ａ）に示すように、絶縁膜１７５をドライエッチングして、上部電極１７３の一部を露出させる開口１７５ａを形成する。絶縁膜１７５の材料としてシリコン酸化膜の代わりに窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）を用いることができる。絶縁膜１７５の厚さは０．１〜２μｍである。
次に、図２１（Ａ）に示すように、シリコン基板１２２の振動板１２１側全体を覆うように導電膜を成膜し、成膜した導電膜をウエットエッチングして、開口１７５ａを介して上部電極１７３に接続される共通配線１７４ｂを形成する。ここで導電膜の材料としては、Ａｕが一例としてあげられる他、Ir、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ等がある。共通配線１７４ｂの厚さは０．０１〜１μｍである。
次に、図２２（Ａ），（Ｂ）に示すように振動板１２１に、圧電素子１０７の貫通孔１０７ａにつながる貫通孔１２１ａをドライエッチングにより形成し、ノズル１２７を形成する。
次に、図２３（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリコン基板１２２の振動板１２１と反対側から、振動板１２１をエッチストップとしてシリコン基板１２２をドライエッチングして、圧電素子１０７に対応する位置に圧力室１２３を形成する。圧力室１２３が形成されると、絶縁膜１７５、圧電素子１０７、振動板１２１の面方向の内部応力により、アクチュエータ１０８（圧電素子１０７および振動板１２１）が圧力室１２３に向って凸に変形する。このとき、応力解放部１２６を形成している本実施形態では、応力解放部１２６により振動板１２１の圧縮応力の一部が解放され、振動板１２１の圧縮応力が小さくなっている。そのため、応力解放部１２６を形成していない場合と比較して、アクチュエータ１０８の初期変形が小さい。
（インクジェットヘッドの動作）
以下、インクジェットヘッド１０５の動作について説明する。インクジェットヘッド１０５の動作時には、図示しない駆動回路部から下部電極１７１および上部電極１７３へ電力を供給する。このとき、圧電体１７２の内部に電界を発生さて圧電素子１０７を歪ませると、圧電素子１０７と振動板１２１との相互作用によりアクチュエータ１０８（圧電素子１０７および振動板１２１）が変形する。この際、振動板１２１の圧縮応力は応力解放部１２６により解放されて小さくなっているので、アクチュエータ１０８は座屈変形を起こさないか、もしくは座屈変形したとしてもその度合いは小さい。したがって、座屈変形に起因するアクチュエータ１０８間の変位特性のばらつきが抑えられる。
以下、インクジェットヘッド１０５の動作について説明する。インクジェットヘッド１０５の動作時には、図示しない駆動回路部から下部電極１７１および上部電極１７３へ電力を供給する。このとき、圧電体１７２の内部に電界を発生さて圧電素子１０７を歪ませると、圧電素子１０７と振動板１２１との相互作用によりアクチュエータ１０８（圧電素子１０７および振動板１２１）が変形する。この際、振動板１２１の圧縮応力は応力解放部１２６により解放されて小さくなっているので、アクチュエータ１０８は座屈変形を起こさないか、もしくは座屈変形したとしてもその度合いは小さい。したがって、座屈変形に起因するアクチュエータ１０８間の変位特性のばらつきが抑えられる。
アクチュエータ１０８が変形すると、圧力室１２３内のインクが加圧され、ノズル１２７からインクが吐出する。このとき、本実施形態では複数のアクチュエータ１０８間の変位特性のばらつきが抑えられているので、アクチュエータ１０８間のインク吐出特性のばらつきが小さい。吐出によりインクを消費すると、その消費量に応じて、インクがリザーバ１４１から圧力室１２３へと供給される。
（作用・効果）
本実施の形態では、振動板１２１には、圧力室１２３を囲むように各圧電素子１０７毎に細溝形状の一対のほぼ半円形状の応力解放部１２６が形成されている。これにより、振動板１２１の内部応力の一部が解放されるので、振動板１２１に応力解放部１２６を形成しない場合と比較して振動板１２１の内部応力が小さくなる。したがって、振動板１２１の圧縮応力を解放し、アクチュエータ１０８を駆動したときのアクチュエータ１０８の座屈変形を抑制もしくは減少させることができる。これにより、複数のアクチュエータ１０８間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができ、かつアクチュエータ１０８の破損を防止できるインクジェットヘッド１０５を提供することができる。
本実施の形態では、振動板１２１には、圧力室１２３を囲むように各圧電素子１０７毎に細溝形状の一対のほぼ半円形状の応力解放部１２６が形成されている。これにより、振動板１２１の内部応力の一部が解放されるので、振動板１２１に応力解放部１２６を形成しない場合と比較して振動板１２１の内部応力が小さくなる。したがって、振動板１２１の圧縮応力を解放し、アクチュエータ１０８を駆動したときのアクチュエータ１０８の座屈変形を抑制もしくは減少させることができる。これにより、複数のアクチュエータ１０８間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができ、かつアクチュエータ１０８の破損を防止できるインクジェットヘッド１０５を提供することができる。
また、インクジェットヘッド１０５の製造時には、シリコン基板１２２の一方の端面に振動板１２１を形成したのち、シリコン基板１２２の内部に形成される予定の圧力室１２３と対向しない領域に貫通穴１２６ａを形成して振動板１２１の一部を除去した応力解放部１２６を形成する。振動板１２１の応力解放部１２６の形成後に振動板１２１に下部電極１７１と圧電体１７２と上部電極１７３とを順に積層して圧電素子１０７を成膜する。その後、シリコン基板１２２の一方の端面と反対の他方の端面側からシリコン基板１２２をエッチングによってシリコン基板１２２の内部に圧力室１２３を作成する。このとき、振動板１２１の圧縮応力を応力解放部１２６により解放し、アクチュエータ１０８を駆動したときのアクチュエータ１０８の座屈変形を抑制もしくは減少させることにより、アクチュエータ１０８間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができる。また、アクチュエータ１０８の座屈変形を抑制もしくは減少させることによりアクチュエータ１０８の破損を防止することができるインクジェットヘッドの製造方法を提供することができる。
［変形例］
（構成）
図２４（Ａ）は、第１の実施の形態（図１乃至図１２参照）の第１の変形例である。第１の実施形態では、応力解放部１２６の形成時には、振動板２１に貫通穴２６ａを形成し、応力解放部（除去部）２６の底面からシリコン基板２２の表面が露出する構成を示した。本変形例は、これに替えて、振動板２１をハーフエッチングすることで、図２４（Ａ）に示すように振動板２１に非貫通の凹部２２６ａを形成して振動板２１の一部を除去した応力解放部２２６（除去部）を形成したものである。この場合は、応力解放部２２６の底面からシリコン基板２２の表面が露出しないようにすることができる。
（構成）
図２４（Ａ）は、第１の実施の形態（図１乃至図１２参照）の第１の変形例である。第１の実施形態では、応力解放部１２６の形成時には、振動板２１に貫通穴２６ａを形成し、応力解放部（除去部）２６の底面からシリコン基板２２の表面が露出する構成を示した。本変形例は、これに替えて、振動板２１をハーフエッチングすることで、図２４（Ａ）に示すように振動板２１に非貫通の凹部２２６ａを形成して振動板２１の一部を除去した応力解放部２２６（除去部）を形成したものである。この場合は、応力解放部２２６の底面からシリコン基板２２の表面が露出しないようにすることができる。
また、上記第１の変形例のような応力解放部２６の底面にシリコン酸化膜が残っている構成であれば、下部導電膜７１ａのドライエッチングにおいてシリコン酸化膜がシリコン基板１２２の保護膜となる。そのため、第１の実施形態のように応力解放部２６の底面に下部導電膜７１ａが残っている場合に、下部導電膜７１ａをドライエッチングする際に応力解放部２６の底面の下部導電膜７１ａを除去し、応力解放部２６の底面に下部導電膜７１ａが残らないようにしてもよい。
図２４（Ｂ）は、第１の実施の形態の第２の変形例である。第１の実施の形態のインクジェットヘッド５では、振動板２１の配線７４に対応する部分には応力解放部２６を形成しない（応力解放部２６には配線７４を形成しない）構成としている。
これに対し、本変形例では、図２４（Ｂ）に示すように振動板２１の貫通穴２６ａの周壁面にテーパ形状部２６ｂを設けている。このテーパ形状部２６ｂは、振動板２１の板面と直交する方向に対して貫通穴２６ａの外側の開口端部２６ａ１側が貫通穴２６ａの内側の開口端部２６ａ２側よりも幅広に拡開する形状である。そして、このように貫通穴２６ａの周壁面にテーパ形状部２６ｂを設け、この貫通穴２６ａのテーパ形状部２６ｂの部分に配線７４を設けた。これにより、貫通穴２６ａの周壁面にテーパ形状部２６ｂを設けていない場合に比べて配線７４の段差による断線のリスクを低減することができる。
なお、図２４（Ａ）に示すように振動板２１に非貫通の凹部２２６ａを形成した場合は、この凹部２２６ａの周壁面にテーパ形状部２６ｂを設け、この凹部２２６ａのテーパ形状部２６ｂの部分に配線７４を設けてもよい。
図２４（Ｃ）は、第１の実施の形態の第３の変形例である。第１の実施形態では、応力解放部２６は、空間となっている構成である。本変形例は、応力解放部２６を形成した後に、内部応力が引張応力となる充填部２６ｃを形成できる充填剤を応力解放部２６に充填したものである。この場合、充填部２６ｃの引張応力により振動板２１の端面２１ｐが引っ張られる。そのため、応力解放部２６が空間となっている場合と比較して、振動板２１の内部圧縮応力がより大きく解放され、振動板２１の内部応力がより小さくなる。また、充填剤により応力解放部２６を埋めているので、振動板２１の配線７４に対応する部分に応力解放部２６を形成した場合でも、配線７４に段差が形成されにくいので、断線リスクがほとんどない。
さらに、上記第１の実施形態では、応力解放部２６を細溝形状とする構成であるが、圧電素子７と対向する振動板２１の内部応力を解放できれば、応力解放部２６の数、位置、形状等は自由に設定できる。例えば、第２の実施形態（図１３乃至図２３参照）では配線１７４および圧力室１２３に対応する部分以外の振動板１２１をすべて除去することも可能である。
これらの実施形態によれば、振動板の圧縮応力を応力解放部により解放し、アクチュエータを駆動したときのアクチュエータの座屈変形を抑制もしくは減少させることにより、アクチュエータ間の変位特性を均一化し、インク吐出特性を均一化することができる。また、アクチュエータの座屈変形を抑制もしくは減少させることにより、アクチュエータの破損を防止することができるインクジェットヘッドとその製造方法を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…ノズルプレート、２…圧力室プレート、３Ａ…インクサプライプレート、３Ｂ…インクサプライプレート、４Ａ…リザーバプレート、４Ｂ…リザーバプレート、５…インクジェットヘッド、７…圧電素子、８…アクチュエータ、１１…ノズル、２１…振動板、２１ｐ…端面、２２…シリコン基板、２３…圧力室、２４…狭窄路、２５…インク供給室、２５ａ…第１開口部、２５ｂ…第２開口部、２５ｃ…第３開口部、２６…応力解放部、２６ａ…貫通穴、２６ａ１…開口端部、２６ａ２…開口端部、２６ｂ…テーパ形状部、２６ｃ…充填部、３１…インク供給路、４１…リザーバ、４２…インクインレット、７１…下部電極、７１ａ…下部導電膜、７２…圧電体、７２ａ…圧電層、７３…上部電極、７３ａ…上部導電膜、７４…配線、７４ａ…個別配線、７４ｂ…共通配線、７５…絶縁膜、７５ａ…開口、１０２…圧力室プレート、１０４Ａ…リザーバプレート、１０４Ｂ…リザーバプレート、１０５…インクジェットヘッド、１０７…圧電素子、１０７ａ…貫通孔、１０８…アクチュエータ、１２１…振動板、１２１ａ…貫通孔、１２２…シリコン基板、１２３…圧力室、１２６…応力解放部、１２６ａ…貫通穴、１２７…ノズル、１４１…リザーバ、１４２…インクインレット、１７１…下部電極、１７１ａ…下部導電膜、１７２…圧電体、１７２ａ…圧電層、１７３…上部電極、１７３ａ…上部導電膜、１７４…配線、１７４ａ…個別配線、１７４ｂ…共通配線、１７５…絶縁膜、１７５ａ…開口、２２６…応力解放部、２２６ａ…凹部。
Claims (6)
- 基板上の振動板と、
圧電体と導電膜との積層体からなる圧電素子と、
前記振動板上に前記圧電素子が積層されてなるアクチュエータと、
前記圧電素子に対応する圧力室と、
前記導電膜から前記基板上に延設され、前記アクチュエータを駆動する駆動回路部との接続端子に接続される配線と、
前記振動板上における前記圧力室と対向しない領域に形成され、前記振動板の圧縮応力を解放して小さくするための応力解放部と、
を有するインクジェットヘッド。 - 前記応力解放部は、前記振動板に貫通穴、または非貫通の凹部のいずれかを形成して前記振動板の一部を除去した除去部を有する請求項１に記載のインクジェットヘッド。
- 前記振動板および前記圧電素子を貫通するノズルを有する請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
- 前記除去部は、配線が形成されていない請求項２に記載のインクジェットヘッド。
- 前記除去部は、前記振動板の断面が前記振動板の板面と直交する方向に対して前記貫通穴の外側の開口端部側が前記貫通穴の内側の開口端部側よりも幅広に拡開するテーパ形状、または非貫通の前記凹部の開口端部側が前記凹部の底部側よりも幅広に拡開するテーパ形状となっている請求項２に記載のインクジェットヘッド。
- シリコン基板の一方の端面に振動板を形成したのち、前記シリコン基板の内部に形成される予定の圧力室と対向しない領域に貫通穴、または非貫通の凹部のいずれかを形成して前記振動板の一部を除去した応力解放部を形成することと、
前記振動板の前記応力解放部の形成後に前記振動板に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して圧電素子を成膜することと、
前記シリコン基板の前記一方の端面と反対の他方の端面側から前記シリコン基板をエッチングによって前記シリコン基板の内部に前記圧力室を作成することと、
を有するインクジェットヘッドの製造方法。
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