JP2020175602A - 液体吐出ヘッドおよびプリンター - Google Patents
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Abstract
【課題】振動板の変位量が大きい液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、前記ノズル孔と連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板と、前記シリコン基板に設けられた振動板と、前記振動板に設けられ、前記圧力発生室の容積を変化させる圧電素子と、を含み、前記圧電素子は、鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む圧電体層を有し、を有し、前記圧電体層のＸ線回折において、前記圧電体層の（１００）面に由来するピークの位置と、前記シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差は、２５．００°未満である、液体吐出ヘッド。【選択図】図６
Description
本発明は、液体吐出ヘッドおよびプリンターに関する。
液体吐出ヘッドの代表例としては、例えば、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、ノズル孔からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。インクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、例えば特許文献１のように、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。
上記のような液体吐出ヘッドに用いられる振動板の変位量は、大きいことが求められている。
本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、
液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
前記ノズル孔と連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板と、
前記シリコン基板に設けられた振動板と、
前記振動板に設けられ、前記圧力発生室の容積を変化させる圧電素子と、
を含み、
前記圧電素子は、鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む圧電体層を有し、
を有し、
前記圧電体層のＸ線回折において、前記圧電体層の（１００）面に由来するピークの位置と、前記シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差は、２５．００°未満である。
液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
前記ノズル孔と連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板と、
前記シリコン基板に設けられた振動板と、
前記振動板に設けられ、前記圧力発生室の容積を変化させる圧電素子と、
を含み、
前記圧電素子は、鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む圧電体層を有し、
を有し、
前記圧電体層のＸ線回折において、前記圧電体層の（１００）面に由来するピークの位置と、前記シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差は、２５．００°未満である。
前記液体吐出ヘッドの一態様において、
前記圧電体層において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をｘとし、前記差をｙとすると、
ｙ≦−０．５０ｘ＋２５．２１
の関係を満たしてもよい。
前記圧電体層において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をｘとし、前記差をｙとすると、
ｙ≦−０．５０ｘ＋２５．２１
の関係を満たしてもよい。
前記液体吐出ヘッドの一態様において、
前記圧電体層において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、０．５５以下であってもよい。
前記圧電体層において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、０．５５以下であってもよい。
前記液体吐出ヘッドの一態様において、
前記差は、２４．８０°以上であってもよい。
前記差は、２４．８０°以上であってもよい。
前記液体吐出ヘッドの一態様において、
前記振動板は、酸化ジルコニウム層を有していてもよい。
前記振動板は、酸化ジルコニウム層を有していてもよい。
本発明に係るプリンターの一態様は、
前記液体吐出ヘッドの一態様と、
前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、
を含む。
前記液体吐出ヘッドの一態様と、
前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、
を含む。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、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い。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 液体吐出ヘッド
１．１． 構成
まず、本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。なお、図１〜図３では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
１．１． 構成
まず、本実施形態に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００を模式的に示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。なお、図１〜図３では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
液体吐出ヘッド２００は、図１〜図３に示すように、例えば、圧電素子１００と、シリコン基板２１０と、ノズルプレート２２０と、振動板２３０と、保護基板２４０と、回路基板２５０と、コンプライアンス基板２６０と、を含む。なお、便宜上、図２では、回路基板２５０の図示を省略している。
シリコン基板２１０には、圧力発生室２１１が設けられている。圧力発生室２１１は、複数の隔壁２１２によって区画されている。圧力発生室２１１は、圧電素子１００により容積が変化する。
シリコン基板２１０の、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端には、第１連通路２１３および第２連通路２１４が設けられている。第１連通路２１３は、圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端をＹ軸方向から絞ることで、その開口面積が小さくなるように構成されている。第２連通路２１４のＹ軸方向の幅は、例えば、圧力発生室２１１のＹ軸方向の幅と同じである。第２連通路２１４の＋Ｘ軸方向には、複数の第２連通路２１４と連通する第３連通路２１５が設けられている。第３連通路２１５は、マニホールド２１６の一部を構成する。マニホールド２１６は、各圧力発生室２１１の共通の液室となる。このように、シリコン基板２１０には、第１連通路２１３、第２連通路２１４、および第３連通路２１５からなる供給流路２１７と、圧力発生室２１１とが設けられている。供給流路２１７は、圧
力発生室２１１に連通し、圧力発生室２１１に液体を供給する。
力発生室２１１に連通し、圧力発生室２１１に液体を供給する。
ノズルプレート２２０は、シリコン基板２１０の一方側の面に設けられている。ノズルプレート２２０の材質は、例えば、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）である。ノズルプレート２２０は、例えば接着剤や熱溶着フィルムなどによって、シリコン基板２１０に接合されている。ノズルプレート２２０には、Ｙ軸に沿って複数のノズル孔２２２が設けられている。ノズル孔２２２は、圧力発生室２１１に連通し、液体を吐出する。
振動板２３０は、シリコン基板２１０の他方側の面に設けられている。振動板２３０は、例えば、シリコン基板２１０上に設けられた酸化シリコン層２３２と、酸化シリコン層２３２上に設けられた酸化ジルコニウム層２３４と、を有している。振動板２３０は、酸化ジルコニウム層２３４を１層だけ有している。酸化ジルコニウム層２３４の厚さは、例えば、３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である。
圧電素子１００は、例えば、振動板２３０上に設けられている。圧電素子１００は、複数設けられている。圧電素子１００の数は、特に限定されない。圧電素子１００は、圧力発生室２１１の容積を変化させる。
液体吐出ヘッド２００では、電気機械変換特性を有する圧電体層２０の変形によって、振動板２３０および第１電極１０が変位する。圧電素子１００の詳細な構成については、後述する。
保護基板２４０は、接着剤２０３によってシリコン基板２１０に接合されている。保護基板２４０には、貫通孔２４２が設けられている。図示の例では、貫通孔２４２は、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通しており、第３連通路２１５と連通している。貫通孔２４２および第３連通路２１５は、各圧力発生室２１１の共通の液室となるマニホールド２１６を構成している。さらに、保護基板２４０には、保護基板２４０をＺ軸方向に貫通する貫通孔２４４が設けられている。貫通孔２４４には、リード電極２０２の端部が位置している。
保護基板２４０には、開口部２４６が設けられている。開口部２４６は、圧電素子１００の駆動を阻害しないための空間である。開口部２４６は、密封されていてもよいし、密封されていなくてもよい。
回路基板２５０は、保護基板２４０上に設けられている。回路基板２５０には、圧電素子１００を駆動させるための半導体集積回路（Integrated Circuit：ＩＣ）を含む。回路基板２５０とリード電極２０２は、接続配線２０４を介して電気的に接続されている。
コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられている。コンプライアンス基板２６０は、保護基板２４０上に設けられた封止層２６２と、封止層２６２上に設けられた固定板２６４と、を有している。封止層２６２は、マニホールド２１６を封止するための層である。封止層２６２は、例えば、可撓性を有する。固定板２６４には、貫通孔２６６が設けられている。貫通孔２６６は、固定板２６４をＺ軸方向に貫通している。貫通孔２６６は、Ｚ軸方向からみて、マニホールド２１６と重なる位置に設けられている。
１．２． 圧電素子
圧電素子１００は、図２および図３に示すように、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、を有している。
圧電素子１００は、図２および図３に示すように、第１電極１０と、圧電体層２０と、第２電極３０と、を有している。
第１電極１０の形状は、例えば、層状である。第１電極１０の厚さは、例えば、３ｎｍ
以上２００ｎｍ以下である。第１電極１０は、例えば、白金層、イリジウム層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）層、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）層などである。第１電極１０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。第１電極１０は、チタンを含んでいてもよい。
以上２００ｎｍ以下である。第１電極１０は、例えば、白金層、イリジウム層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３：ＬＮＯ）層、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３：ＳＲＯ）層などである。第１電極１０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。第１電極１０は、チタンを含んでいてもよい。
第１電極１０は、圧力発生室２１１ごとに独立する個別電極として構成されている。第１電極１０のＹ軸方向の幅は、例えば、圧力発生室２１１のＹ軸方向の幅よりも狭い。第１電極１０のＸ軸方向の長さは、例えば、圧力発生室２１１のＸ軸方向の長さよりも長い。Ｘ軸方向において、第１電極１０の両端は、圧力発生室２１１の両端を挟んで位置する。第１電極１０の−Ｘ軸方向の端部には、リード電極２０２が接続されている。
第１電極１０は、圧電体層２０に電圧を印加するための一方の電極である。第１電極１０は、圧電体層２０の下に設けられた下部電極である。
圧電体層２０は、第１電極１０上に設けられている。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０との間に設けられている。圧電体層２０の厚さは、例えば、５００ｎｍ以上５μｍ以下である。圧電体層２０は、第１電極１０と第２電極３０との間に電圧が印加されることにより、変形することができる。
圧電体層２０は、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む。圧電体層２０は、ＰＺＴからなるＰＺＴ層である。圧電体層２０は、鉛、ジルコニウム、チタン、および酸素（Ｏ）以外の添加物を含んでもよい。すなわち、圧電体層２０は、添加物が添加されたＰＺＴ層であってもよい。
圧電体層２０のＹ軸方向の幅は、例えば、第１電極１０のＹ軸方向の幅よりも広い。圧電体層２０のＸ軸方向の長さは、例えば、圧力発生室２１１のＸ軸方向の長さよりも長い。第１電極１０の＋Ｘ軸方向の端は、例えば、圧電体層２０の＋Ｘ軸方向の端と圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端との間に位置する。第１電極１０の＋Ｘ軸方向の端は、圧電体層２０によって覆われている。一方、圧電体層２０の−Ｘ軸方向の端は、例えば、第１電極１０の−Ｘ軸方向側の端と圧力発生室２１１の＋Ｘ軸方向の端との間に位置する。第１電極１０の−Ｘ軸方向側の端は、圧電体層２０によって覆われていない。
第２電極３０は、圧電体層２０上に設けられている。第２電極３０の形状は、例えば、層状である。第２電極３０の厚さは、例えば、１５ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第２電極３０は、例えば、イリジウム層、白金層、ルテニウム層などの金属層、それらの導電性酸化物層、ニッケル酸ランタン層、ルテニウム酸ストロンチウム層などである。第２電極３０は、上記に例示した層を複数積層した構造を有していてもよい。
第２電極３０は、例えば、圧電体層２０および振動板２３０上に連続して設けられている。第２電極３０は、複数の圧電素子１００に共通する共通の電極として構成されている。
第２電極３０は、圧電体層２０に電圧を印加するための他方の電極である。第２電極３０は、圧電体層２０上に設けられた上部電極である。
１．３． ＸＲＤ評価
圧電体層２０のＸ線回折（X‐ray diffraction：ＸＲＤ）において、圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置と、シリコン基板２１０の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差Δは、２５．００°未満であり、好ましくは２４．８０°以上２５．
００未満であり、より好ましくは２４．８６°以上２４．９５°以下である。具体的には、差Δは、シリコン基板２１０の（２２０）面に由来するピークの位置から、圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置を引いた値である。例えば、図２に示すように、圧電体層２０の振動板２３０上に設けられた部分であって、第２電極３０に覆われていない領域２０ａのＸＲＤ測定によって差Δを求めることができる。なお、差Δを求めることができれば、ＸＲＤ測定を行う領域は、特に限定されない。
圧電体層２０のＸ線回折（X‐ray diffraction：ＸＲＤ）において、圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置と、シリコン基板２１０の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差Δは、２５．００°未満であり、好ましくは２４．８０°以上２５．
００未満であり、より好ましくは２４．８６°以上２４．９５°以下である。具体的には、差Δは、シリコン基板２１０の（２２０）面に由来するピークの位置から、圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置を引いた値である。例えば、図２に示すように、圧電体層２０の振動板２３０上に設けられた部分であって、第２電極３０に覆われていない領域２０ａのＸＲＤ測定によって差Δを求めることができる。なお、差Δを求めることができれば、ＸＲＤ測定を行う領域は、特に限定されない。
ここで、面方位に関しては、圧電体層２０の結晶構造を擬立方晶として取り扱う。これは、薄膜状の圧電体層２０の結晶構造を正確に同定することは困難であり、説明を簡略化するためである。ただし、面方位に関して圧電体層２０の結晶構造を擬立方晶として取り扱うことは、圧電体層２０の結晶構造が、例えば、正方晶、斜方晶、単斜晶、菱面体晶など、擬立方晶よりも対称性の低いＡＢＯ３構造であることを否定するものではない。
圧電体層２０は、例えば、（１００）優先配向している。ここで、「（１００）優先配向」とは、ＸＲＤ測定により得られるＸ線回折強度曲線において、（１００）面に由来するピーク強度をＩ（１００）、（１１０）面に由来するピーク強度をＩ（１１０）、（１１１）面に由来するピーク強度をＩ（１１１）とすると、下記式（１）で表される配向率Ｆが７０％以上であることをいう。
Ｆ＝Ｉ（１００）／（Ｉ（１００）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１））×１００・・・（１）
圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置は、例えば、２θ＝２２．００°〜２２．２０°である。シリコン基板２１０の（２２０）面に由来するピークの位置は、例えば、２θ＝４７．０３°である。
圧電体層２０には、振動板２３０の酸化ジルコニウム層２３４によって応力が生じている。具体的には、ジルコニウム層を熱酸化させて酸化ジルコニウム層２３４を形成した際に、酸化ジルコニウム層２３４が膨張して圧電体層２０を引っ張ることにより、圧電体層２０には、圧縮応力が生じる。この圧縮応力の大きさによって、圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置が変化する。
圧電体層２０において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をｘとし、差Δをｙとすると、例えば、下記式（２）を満たす。
ｙ≦−０．５０ｘ＋２５．２１・・・（２）
比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、例えば、０．５５以下であり、好ましくは０．３５以上０．５５以下である。比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、例えば、ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectrometry）によって求めることができる。
１．４． 特徴
液体吐出ヘッド２００は、例えば、以下の特徴を有する。
液体吐出ヘッド２００は、例えば、以下の特徴を有する。
液体吐出ヘッド２００では、圧電体層２０のＸＲＤにおいて、圧電体層２０の（１００）面に由来するピークの位置と、シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差Δは、２５．００°未満である。そのため、液体吐出ヘッド２００では、後述する「５． 実験例」に示すように、差Δが２５．００°以上の場合に比べて、振動板２３０の変位量を大きくすることができる。
液体吐出ヘッド２００では、圧電体層２０において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をｘとし、差Δをｙとすると、式（２）の関係を満たす。そのため、液体吐出ヘッド２００では、後述する「５． 実験例」に示すように、ｙ＞−０．５０ｘ＋２５．２１の関係を満たす場合に比べて、振動板２３０の変位量を大きくすることができる。
液体吐出ヘッド２００では、比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、０．５５以下である。そのため、液体吐出ヘッド２００では、比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５５より大きい場合に比べて、良好な繰り返し特性を有することができる。ここで、「繰り返し特性」とは、圧電素子を繰り返し動作させて、振動板を繰り返し変位させたときの特性のことである。圧電素子を繰り返し動作させると、圧電素子が変形し難くなり、振動板の変位量が小さくなる。液体吐出ヘッド２００では、このような振動板の変位量の低下を抑えることができ、良好な繰り返し特性を有することができる。
２． 液体吐出ヘッドの製造方法
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
図３に示すように、シリコン基板２１０上に振動板２３０を形成する。具体的には、シリコン基板２１０を熱酸化させて酸化シリコン層２３２を形成する。次に、酸化シリコン層２３２上に、ジルコニウム層を形成する。ジルコニウム層は、例えば、スパッタ法により形成される。次に、ジルコニウム層を熱酸化させて酸化ジルコニウム層２３４を形成する。ジルコニウム層の熱酸化の温度は、例えば、８５０℃以上９５０℃以下である。次に、酸化ジルコニウム層２３４を７５０℃以下で熱処理する。なお、該熱処理は、行われなくてもよい。以上の工程により、振動板２３０を形成することができる。
次に、振動板２３０上に第１電極１０を形成する。第１電極１０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって、第１電極１０をパターニングする。
次に、第１電極１０上に圧電体層２０を形成する。圧電体層２０は、例えば、ゾルゲル法やＭＯＤ（Metal Organic Deposition）などの化学溶液堆積（Chemical Solution Deposition：ＣＳＤ）法によって形成される。以下、圧電体層２０の形成方法について説明する。
まず、鉛を含む金属錯体、ジルコニウムを含む金属錯体、およびチタンを含む金属錯体を、有機溶媒に溶解または分散させて前駆体溶液を調整する。
鉛を含む金属錯体としては、例えば、酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウムを含む金属錯体としては、例えば、ジルコニウムブトキシド、ジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナートなどが挙げられる。チタンを含む金属錯体としては、例えば、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシドなどが挙げられる。
金属錯体の溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２−ｎブトキシエタノール、ｎ−オクタンまたはこれらの混合溶媒などが挙げられる。
次に、調整された前駆体溶液を、第１電極１０上に、スピンコート法などを用いて塗布して前駆体層を形成する。次に、前駆体層を、例えば１３０℃以上２５０℃以下で加熱して一定時間乾燥させ、さらに、乾燥した前駆体層を、例えば３００℃以上５５０℃以下で加熱して一定時間保持することによって脱脂する。次に、脱脂した前駆体層を、例えば７００℃以上８００℃以下で焼成することによって結晶化させる。
そして、上記の前駆体溶液の塗布から前駆体層の焼成までの一連の工程を、複数回繰り返す。以上により、圧電体層２０を形成することができる。次に、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって、圧電体層２０をパターニングする。
前駆体層の乾燥および脱脂で用いられる加熱装置は、例えば、ホットプレートである。前駆体層の焼成で用いられる加熱装置は、例えば、赤外線ランプアニール装置（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）装置である。
次に、圧電体層２０上に第２電極３０を形成する。第２電極３０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによって形成される。次に、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって、第２電極３０をパターニングする。
以上の工程により、振動板２３０上に圧電素子１００を形成する。
次に、シリコン基板２１０の圧電素子１００が設けられている面とは反対の面をエッチングして、シリコン基板２１０に、圧力発生室２１１および供給流路２１７を形成する。
次に、例えば図示しない接着剤によって、シリコン基板２１０に、ノズル孔２２２が設けられたノズルプレート２２０を接合させる。次に、接着剤２０３によって、振動板２３０に、回路基板２５０およびコンプライアンス基板２６０が設けられた保護基板２４０を接合させる。
以上の工程により、液体吐出ヘッド２００を製造することができる。
３． 液体吐出ヘッドの変形例
次に、本実施形態の変形例に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図４は、本実施形態の変形例に係る液体吐出ヘッド２０１を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図４では、圧電素子１００および振動板２３０以外の部材の図示を省略している。
次に、本実施形態の変形例に係る液体吐出ヘッドについて、図面を参照しながら説明する。図４は、本実施形態の変形例に係る液体吐出ヘッド２０１を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図４では、圧電素子１００および振動板２３０以外の部材の図示を省略している。
以下、本実施形態の変形例に係る液体吐出ヘッド２０１において、上述した本実施形態に係る液体吐出ヘッド２００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
液体吐出ヘッド２０１では、図４に示すように、圧電素子１００は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３：ＰＴＯ）層４０を有する点において、上述した液体吐出ヘッド２００とは異なる。
チタン酸鉛層４０は、第１電極１０と圧電体層２０との間に設けられている。チタン酸鉛層４０は、圧電体層２０に応力を生じさせる機能を有していてもよい。なお、図示はしないが、チタン酸鉛層４０の代わりに、第１電極１０と圧電体層２０との間に酸化鉛（ＰｂＯ）層が設けられていてもよい。
４． プリンター
次に、本実施形態に係るプリンターについて、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係るプリンター３００を模式的に示す斜視図である。
次に、本実施形態に係るプリンターについて、図面を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係るプリンター３００を模式的に示す斜視図である。
プリンター３００は、インクジェット式のプリンターである。プリンター３００は、図５に示すように、ヘッドユニット３１０を含む。ヘッドユニット３１０は、例えば、液体吐出ヘッド２００を有している。液体吐出ヘッド２００の数は、特に限定されない。ヘッドユニット３１０は、供給手段を構成するカートリッジ３１２，３１４が着脱可能に設けられている。ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、装置本体３２０に取り付けられたキャリッジ軸３２２に軸方向移動自在に設けられており、液体供給手段から供給された液体を吐出する。
ここで、液体とは、物質が液相であるときの状態の材料であればよく、ゾル、ゲル等のような液状態の材料も液体に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども液体に含まれる。液体の代表的な例としては、インクや液晶乳化剤等が挙げられる。インクとは、一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。
プリンター３００では、駆動モーター３３０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３３２を介してキャリッジ３１６に伝達されることで、ヘッドユニット３１０を搭載したキャリッジ３１６は、キャリッジ軸３２２に沿って移動される。一方、装置本体３２０には、液体吐出ヘッド２００に対して、紙などの被記録媒体であるシートＳを相対移動させる搬送機構としての搬送ローラー３４０が設けられている。シートＳを搬送する搬送機構は、搬送ローラーに限られず、ベルトやドラムなどであってもよい。
プリンター３００は、液体吐出ヘッド２００および搬送ローラー３４０を制御する制御部としてのプリンターコントローラー３５０を含む。プリンターコントローラー３５０は、液体吐出ヘッド２００の回路基板２５０と電気的に接続されている。プリンターコントローラー３５０は、例えば、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、制御プログラムなどを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、および液体吐出ヘッド２００へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路などを備えている。
５． 実験例
５．１． サンプルの作製
５．１．１． サンプル１
サンプル１では、シリコン基板を熱酸化させることで、シリコン基板の表面にＳｉＯ２層を形成した。次に、スパッタ法により、ＳｉＯ２層上にＺｒ層を形成し、９００℃で熱酸化させることでＺｒＯ２層を形成した。ＺｒＯ２層の厚さは、４００ｎｍであった。以上により、ＳｉＯ２層およびＺｒＯ２層からなる振動板を形成した。
５．１． サンプルの作製
５．１．１． サンプル１
サンプル１では、シリコン基板を熱酸化させることで、シリコン基板の表面にＳｉＯ２層を形成した。次に、スパッタ法により、ＳｉＯ２層上にＺｒ層を形成し、９００℃で熱酸化させることでＺｒＯ２層を形成した。ＺｒＯ２層の厚さは、４００ｎｍであった。以上により、ＳｉＯ２層およびＺｒＯ２層からなる振動板を形成した。
次に、スパッタ法によって、振動板上に、チタン層、白金層、イリジウム層をこの順で形成し、所定の形状にパターニングして、第１電極とした。
次に、以下の手順で、第１電極上に、圧電体層を形成した。
容器に酢酸および水を量り取り、次に酢酸鉛、ジルコニウムブトキシド、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド、およびポリエチレングリコールを量り取り、これらを９０℃で加熱撹拌することで、ＰＺＴ前駆体溶液を作製した。
上記のＰＺＴ前駆体溶液を、スピンコート法で第１電極上に塗布することで、ＰＺＴ前駆体層を形成した。次に、ＰＺＴ前駆体層を１５５℃、２７５℃、５３０℃の順番で加熱した。その後、ＲＴＡ装置を使用して７４７℃で焼成した。ＰＺＴ前駆体溶液の塗布から焼成までの一連の工程を、１０回繰り返してＰＺＴ層を形成した。
５．１．２． サンプル２
サンプル２では、ＺｒＯ２層を形成した後であって第１電極を形成する前に、７５０℃の熱処理を行ったこと以外は、サンプル１と同様である。
サンプル２では、ＺｒＯ２層を形成した後であって第１電極を形成する前に、７５０℃の熱処理を行ったこと以外は、サンプル１と同様である。
５．１．３． サンプル３
サンプル３では、ＺｒＯ２層を形成した後であって第１電極を形成する前に、８５０℃の熱処理を行ったこと以外は、サンプル１と同様である。
サンプル３では、ＺｒＯ２層を形成した後であって第１電極を形成する前に、８５０℃の熱処理を行ったこと以外は、サンプル１と同様である。
５．１．４． サンプル４
サンプル４は、サンプル１の薄膜状のＰＺＴ層を粉末状にしたものである。
サンプル４は、サンプル１の薄膜状のＰＺＴ層を粉末状にしたものである。
５．２． 特性評価
上記のようなサンプル１〜４に対して、ＸＲＤ測定を行った。サンプル１，２，４では、ＰＺＴ層の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）を振ったものに対して、測定を行った。
上記のようなサンプル１〜４に対して、ＸＲＤ測定を行った。サンプル１，２，４では、ＰＺＴ層の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）を振ったものに対して、測定を行った。
ＸＲＤ測定では、Ｂｒｕｋｅｒ社製の「Ｄ８ ＤＩＳＣＯＶＥＲ ｗｉｔｈ ＧＡＤＤＳ」を用いた。管電圧：５０ｋＶ、管電流：１００ｍＡ、検出器距離：１５ｃｍ、コリメーター径：０．３ｍｍ、測定時間：４８０ｓｅｃで測定した。得られた２次元データを付属のソフトで２θ範囲：２０°〜８０°、χ範囲：−９５°〜−８５°、ステップ幅：０．０２°、強度規格化法：Ｂｉｎ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄとして、Ｘ線解析強度曲線に変換した。
図６は、サンプル１〜４において、ＰＺＴ層における比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）と、Ｘ線回折強度曲線のピークの位置の差Δと、の関係を示すグラフである。差Δは、シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置から、ＰＺＴ層の（１００）面に由来するピークの位置を引いた値である。
図６において、比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をｘとし、差Δをｙとすると、サンプル１の３点の近似曲線は、ｙ＝−０．４６ｘ＋２５．１４であった。サンプル２の８点の近似曲線は、ｙ＝−０．５０ｘ＋２５．２１であった。サンプル４の３点の近似曲線は、ｙ＝−０．４６＋２５．２４であった。また、サンプル３の差Δは、２５．００°であった。図６では、サンプル１，２，４の近似曲線を破線で示している。
図６において、例えば、ｘ＝０．４８でみると、サンプル４の差Δが最も大きく、次にサンプル３の差Δが大きく、次にサンプル２の差Δが大きく、サンプル１の差Δが最も小さかった。この順番は、振動板のＺｒＯ２層によってＰＺＴ層に生じる応力の大きさに起因するものであり、該応力が大きいほど、差Δが大きくなった。
サンプル４は、粉末状のＰＺＴであるため、ＰＺＴは、ＺｒＯ２層による拘束を受けていない。したがって、サンプル４では、ＰＺＴは、ＺｒＯ２層によって応力を受けていない。
サンプル２，３は、ＺｒＯ２層を形成した後の熱処理により、ＺｒＯ２層によってＰＺＴ層に生じる応力が、サンプル１に比べて低減されている。該熱処理によって、サンプル２，３では、ＺｒＯ２層の結晶系が変化する。
サンプル１は、ＺｒＯ２層を形成した後の熱処理を行っていないため、ＺｒＯ２層によってＰＺＴ層に生じる応力が、サンプル２，３に比べて大きい。サンプル１では、ＰＺＴを焼成させる７４７℃の熱処理によって、ＺｒＯ２層の結晶系が変化する。
次に、サンプル１〜３において、ＰＺＴ層上に、イリジウム層を形成し、所定の形状にパターニングして、第２電極とした。次に、シリコン基板にマスク層を形成し、該マスク層をマスクとしてアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより圧力発生室を形成した。
このように、振動板上に圧電素子が形成されたサンプル１〜３に対して、振動板の変位量を測定した。変位量は、Ｂｒｕｋｅｒ社製の３次元白色光干渉型顕微鏡を用いた。圧電素子に電圧を印加していない状態での撓み量と、圧電素子に５０Ｖの直流電圧を印加した状態での撓み量と、を室温にて測定した。電圧を印加した状態での撓み量から、電圧を印加していない状態での撓み量を引いた値を、振動板の変量とした。
振動板の変位量は、図６における差Δが小さいほど大きかった。したがって、差Δを２５．００°未満とすることにより、差Δが２５．００°以上の場合に比べて、振動板の変位量を大きくできることがわかった。さらに、ｙ≦−０．５０ｘ＋２５．２１を満たすことにより、ｙ＞−０．５０ｘ＋２５．２１を満たす場合に比べて、振動板の変位量を大きくできることがわかった。
ここで、Ｚｒ層を熱処理してＺｒＯ２層を形成する場合、通常、圧電素子を形成する前に、サンプル３のように８５０℃程度でＺｒＯ２層に生じた応力を緩和させるための熱処理を行う。該熱処理を行わないと、ＺｒＯ２層に生じた応力によってシリコン基板が反ってしまうため、通常の半導体製造装置によってシリコン基板を精度よく加工することが困難となる場合がある。
発明者らは、サンプル１のようにＺｒＯ２層に生じた応力を緩和させるための熱処理を行わない、または、サンプル２のようにＺｒＯ２層に生じた応力を緩和させるための熱処理の温度を低くすることにより、差Δを２５．００°未満とすることができ、振動板の変位量を大きくできることを見出した。
なお、図６において、シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置は、２θ＝４７．０３°であり、ＰＺＴ層の（１００）面に由来するピークの位置が２θ＝２２．２３°より小さくなることは有り得ない。したがって、差Δは、２４．８０°以上である。
次に、振動板上に圧電素子が形成されたサンプル１〜４に対して、圧電素子に電圧を印加していない状態と、圧電素子に５０Ｖの直流電圧を印加した状態と、を複数回繰り返した後、上記と同じ方法で振動板の変位量を測定し、サンプル１〜４の繰り返し特性を評価した。
繰り返し特性は、図６において、比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．５５より大きくなると急激に悪化した。したがって、比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）を０．５５以下とすることにより、繰り返し特性を良好にできることがわかった。
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能であ
る。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
る。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１０…第１電極、２０…圧電体層、２０ａ…領域、３０…第２電極、４０…チタン酸鉛層、１００…圧電素子、２００，２０１…液体吐出ヘッド、２０２…リード電極、２０３…接着剤、２０４…接続配線、２１０…シリコン基板、２１１…圧力発生室、２１２…隔壁、２１３…第１連通路、２１４…第２連通路、２１５…第３連通路、２１６…マニホールド、２１７…供給流路、２２０…ノズルプレート、２２２…ノズル孔、２３０…振動板、２３２…酸化シリコン層、２３４…酸化ジルコニウム層、２４０…保護基板、２４２，２４４…貫通孔、２４６…開口部、２５０…回路基板、２６０…コンプライアンス基板、２６２…封止層、２６４…固定板、２６６…貫通孔、３００…プリンター、３１０…ヘッドユニット、３１２，３１４…カートリッジ、３１６…キャリッジ、３２０…装置本体、３２２…キャリッジ軸、３３０…駆動モーター、３３２…タイミングベルト、３４０…搬送ローラー、３５０…プリンターコントローラー
Claims (6)
- 液体を吐出するノズル孔が設けられたノズルプレートと、
前記ノズル孔と連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板と、
前記シリコン基板に設けられた振動板と、
前記振動板に設けられ、前記圧力発生室の容積を変化させる圧電素子と、
を含み、
前記圧電素子は、鉛、ジルコニウム、およびチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物を含む圧電体層を有し、
を有し、
前記圧電体層のＸ線回折において、前記圧電体層の（１００）面に由来するピークの位置と、前記シリコン基板の（２２０）面に由来するピークの位置と、の差は、２５．００°未満である、液体吐出ヘッド。 - 請求項１において、
前記圧電体層において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）をｘとし、前記差をｙとすると、
ｙ≦−０．５０ｘ＋２５．２１
の関係を満たす、液体吐出ヘッド。 - 請求項１または２において、
前記圧電体層において、チタンの原子濃度とジルコニウムの原子濃度との合計に対するチタンの原子濃度の比Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）は、０．５５以下である、液体吐出ヘッド。 - 請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記差は、２４．８０°以上である、液体吐出ヘッド。 - 請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記振動板は、酸化ジルコニウム層を有する、液体吐出ヘッド。 - 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対して被記録媒体を相対移動させる搬送機構と、
前記液体吐出ヘッドおよび前記搬送機構を制御する制御部と、
を含む、プリンター。
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