JP5204380B2 - Piezoelectric element, method for manufacturing the same, and liquid ejection device - Google Patents
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Description
本発明は圧電素子及びその製造方法並びに液体噴出装置に係り、特に振動板上に圧電膜が形成された圧電素子、及びその圧電素子の製造方法並びにその圧電素子を使用したインクジェット記録装置などの液体噴出装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a manufacturing method thereof, and a liquid ejecting apparatus, and more particularly, a piezoelectric element having a piezoelectric film formed on a diaphragm, a manufacturing method of the piezoelectric element, and a liquid such as an ink jet recording apparatus using the piezoelectric element. The present invention relates to an ejection device.
近年、インクジェット記録装置やマイクロポンプのような振動板の振動によって液体を噴出する装置においては、比較的低電圧で大きな変位が得られるため、モノモルフのような撓み振動モードを用いる圧電振動子を使用する場合が多くなってきている。 In recent years, a device that ejects liquid by vibration of a vibration plate such as an ink jet recording device or a micro pump can obtain a large displacement at a relatively low voltage, and thus a piezoelectric vibrator using a flexural vibration mode such as a monomorph is used. There are more and more cases to do.
従来、薄膜技術により圧電膜を形成し、接着剤を用いずに直接成膜することにより、バルク接着より薄い圧電膜を形成する技術が提案されている(特許文献1、2)。 Conventionally, a technique for forming a piezoelectric film thinner than bulk adhesion by forming a piezoelectric film by a thin film technique and directly forming a film without using an adhesive has been proposed (Patent Documents 1 and 2).
特許文献1に記載の発明は、多数の個別インク路を有するヘッド基台に取付けた振動板上に、PZTオクチル酸塩混合物をスピンコートしてPZTを成膜し、次いで個別インク路上に位置する振動板上の各部分にPZT膜が残るようなパターンでPZT膜をエッチングするか、若しくは個別インク路上に位置する振動板上の各部分にPZTオクチル酸塩混合物をスクリーン印刷してPZTを成膜し、その後にPZT膜を焼成し、更にPZT膜をそれぞれ分極させることにより振動板上にPZT素子を形成するようにしている。 In the invention described in Patent Document 1, a PZT octylate mixture is spin-coated on a vibration plate attached to a head base having a large number of individual ink paths to form a PZT, and then positioned on the individual ink paths. Etch the PZT film in a pattern that leaves a PZT film on each part of the diaphragm, or screen-print a PZT octylate mixture on each part of the diaphragm located on the individual ink path to form PZT Thereafter, the PZT film is fired, and the PZT film is further polarized to form a PZT element on the diaphragm.
また、特許文献2に記載の発明は、キャビティの一方の壁面を構成し且つ少なくとも上面に下電極を有する振動板と、この振動板の表面に薄膜成膜法により形成された圧電体層及び該圧電体層の表面に形成された上電極からなる圧電体能動部とからなる圧電振動子を備えたアクチュエータにおいて、前記圧電体能動部の中央部に当該圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸張部を形成するようにしている。
しかしながら、特許文献1に記載の発明のように、振動板の上に接着剤を使用せずに圧電膜を直接成膜する場合、
(1)基板からの応力により、圧電膜が剥離し、あるいはクラックが発生する
(2)基板及び横方向(膜自体)からの拘束により、バルク単体よりも圧電定数d31が悪くなる
(3)高電圧により変位を大きくすると、膜が割れたり、剥がれたりする
などの課題があった。
However, as in the invention described in Patent Document 1, when a piezoelectric film is directly formed on the diaphragm without using an adhesive,
(1) Piezoelectric film peels off or cracks are generated due to stress from the substrate (2) The piezoelectric constant d31 is worse than the bulk alone due to restraint from the substrate and the lateral direction (film itself) (3) High When the displacement is increased by the voltage, there are problems such as the film being cracked or peeled off.
一方、特許文献2に記載の発明は、上記課題を解決するために、圧電体能動部の中央部に当該圧電体能動部の圧電歪みを許容する伸張部を形成し、圧電体層の破壊を防止するようにしているが、この伸張部には、圧電体層や上電極が形成されず、圧電歪み許容するための空間が形成されているため、この空間によって上電極と下電極との間で放電が発生するという問題がある。また、前記伸張部には上電極を形成しないようにしているため、上電極の構造等が複雑化するという問題がある。 On the other hand, in order to solve the above-described problem, the invention described in Patent Document 2 forms an extension portion that allows piezoelectric distortion of the piezoelectric active portion at the center portion of the piezoelectric active portion, thereby destroying the piezoelectric layer. However, since the piezoelectric layer and the upper electrode are not formed in this extension, and a space for allowing piezoelectric distortion is formed, the space between the upper electrode and the lower electrode is formed by this space. There is a problem that discharge occurs. Further, since the upper electrode is not formed in the extending portion, there is a problem that the structure of the upper electrode is complicated.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、成膜後の応力や振動板の変位時に圧電膜自体に生じる応力を緩和することができ、これにより振動板の変位量を大きくすることができるとともに、圧電膜の割れや剥がれを防止することができ、一方、上部電極と下部電極との間で放電することがなく、上部電極の構造を複雑化することがない圧電素子及びその製造方法並びに液体噴出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can relieve stress after film formation and stress generated in the piezoelectric film itself when the diaphragm is displaced, thereby increasing the displacement of the diaphragm. Piezoelectric element that can prevent cracking and peeling of the piezoelectric film, and that does not discharge between the upper electrode and the lower electrode and does not complicate the structure of the upper electrode. It is an object to provide a method and a liquid ejection device.
前記目的を達成するために請求項1に係る発明は、振動板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子において、前記圧電膜は、前記下部電極上に直接成膜する成膜法によって形成され、前記圧電膜は1つの圧電素子に対して複数の溝部を有しており、かつ、前記溝部に絶縁体を備え、前記下部電極は、前記振動板上にわたって形成され、前記上部電極は、前記圧電膜及び前記絶縁体の上に形成され、1つの圧電素子に対して1つ形成されることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially laminated on a vibration plate, and the lower electrode and the upper electrode are used for the piezoelectric film. In the piezoelectric element to which an electric field is applied, the piezoelectric film is formed by a film forming method in which a film is formed directly on the lower electrode, and the piezoelectric film has a plurality of grooves for one piezoelectric element , In addition, an insulator is provided in the groove, the lower electrode is formed over the diaphragm, and the upper electrode is formed on the piezoelectric film and the insulator, one for each piezoelectric element. It is characterized by being formed.
前記圧電膜は、前記絶縁体が充填されている溝部によって複数に分離されているため、振動板の変位時に圧電膜自体に生じる応力を緩和することができ、これにより振動板の変位量を大きくすることができるとともに、圧電膜の割れや剥がれを防止することができる。また、前記溝部には、絶縁体が充填されているため、この部分によって上部電極と下部電極との間で放電することがない。更に、前記溝部に絶縁体が充填された圧電膜の上面は平坦であるため、上部電極は通常のものを適用することできる。 Since the piezoelectric film is separated into a plurality of grooves filled with the insulator, stress generated in the piezoelectric film itself when the diaphragm is displaced can be relieved, thereby increasing the displacement of the diaphragm. In addition, the piezoelectric film can be prevented from cracking and peeling. Further, since the groove is filled with an insulator, this portion does not discharge between the upper electrode and the lower electrode. Furthermore, since the upper surface of the piezoelectric film in which the groove is filled with an insulator is flat, a normal upper electrode can be applied.
請求項2に示すように請求項1に記載の圧電素子において、前記絶縁体は、前記圧電膜のヤング率よりも低いものであることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the piezoelectric element according to the first aspect, the insulator has a lower Young's modulus than the piezoelectric film.
請求項3に示すように請求項2に記載の圧電素子において、前記絶縁体は、ヤング率が50GPaよりも低いものであることを特徴としている。即ち、現在の圧電膜のヤング率は50GPa以上であるため、前記絶縁体はこれよりもヤング率が低いものを使用するようにしている。 According to a third aspect of the present invention, in the piezoelectric element according to the second aspect, the insulator has a Young's modulus lower than 50 GPa. That is, since the Young's modulus of the current piezoelectric film is 50 GPa or more, the insulator having a Young's modulus lower than this is used.
請求項4に示すように請求項1乃至3のいずれかに記載の圧電素子において、前記絶縁体は、高分子材料からなることを特徴としている。高分子材料は、ヤング率が数GPaと圧電膜のヤング率よりも1桁近く低く、かつ絶縁性を有しており、前記絶縁体として好適である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the piezoelectric element according to any one of the first to third aspects, the insulator is made of a polymer material. The polymer material has a Young's modulus of several GPa, which is almost an order of magnitude lower than the Young's modulus of the piezoelectric film, and has an insulating property, and is suitable as the insulator.
請求項5に示すように請求項4に記載の圧電素子において、前記高分子材料は、合成樹脂又はシリコーンゴムであることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the piezoelectric element according to the fourth aspect, the polymer material is a synthetic resin or silicone rubber.
請求項6に示すように請求項5に記載の圧電素子において、前記合成樹脂は、光硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は熱硬化性樹脂であることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the piezoelectric element according to the fifth aspect, the synthetic resin is a photocurable resin, a thermoplastic resin, or a thermosetting resin.
請求項7に示すように請求項1乃至6のいずれかに記載の圧電素子において、前記溝部は、前記圧電膜の厚みと同じ深さ、又は前記圧電膜の厚みよりも浅い深さを有するものであることを特徴としている。即ち、本発明において、圧電膜の溝部による分離とは、完全に分離している場合に限らず、一部が繋がっている場合も含むものとする。 In the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6 as shown in claim 7, wherein the groove is the same depth as the thickness of the piezoelectric film, or those having a depth less than the thickness of the piezoelectric film It is characterized by being. In other words, in the present invention, the separation by the groove portion of the piezoelectric film includes not only the case where the piezoelectric film is completely separated but also the case where a part is connected.
請求項8に示すように請求項1乃至6のいずれかに記載の圧電素子において、前記溝部の深さは、前記圧電膜の厚さの20%〜100%、好ましくは50%〜100%、より好ましくは70%〜100%であることを特徴としている。 As shown in claim 8 , in the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 6 , the depth of the groove is 20% to 100% of the thickness of the piezoelectric film, preferably 50% to 100%, More preferably, it is 70 to 100%.
請求項9に示すように請求項1乃至8のいずれかに記載の圧電素子において、前記溝部によって区分される各圧電膜の形状は、ストライプ状、長方形、正方形、菱形、及びハニカム状のいずれかであることを特徴としている。 In the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8 as shown in claim 9, the shape of each piezoelectric film is divided by the groove portion, striped, rectangular, square, rhombic, and any honeycombed It is characterized by being.
請求項10に示すように請求項1乃至8のいずれかに記載の圧電素子において、前記溝部によって複数に分離した各圧電膜は、一辺の長さが100μm以下であることを特徴としている。 According to a tenth aspect of the present invention, in the piezoelectric element according to any one of the first to eighth aspects, each piezoelectric film separated into a plurality by the groove has a side length of 100 μm or less.
請求項11に示すように請求項1乃至10のいずれかに記載の圧電素子において、前記溝部は、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、及びナノインプリント法のいずれかによって形成されたものであることを特徴としている。ドライエッチング法及びウエットエッチング法では、圧電膜の成膜後に溝部を形成し、ナノインプリント法では、圧電膜の硬化前に金型を押しつけて溝部を形成し、その後、硬化させる。 Characterized in that the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 10 as shown in claim 11, wherein the groove portion, a dry etching method, wet etching method, and those formed by either nanoimprinting It is said. In the dry etching method and the wet etching method, the groove is formed after the piezoelectric film is formed. In the nanoimprint method, the groove is formed by pressing a mold before the piezoelectric film is cured, and then cured.
請求項12に示すように請求項1乃至10のいずれかに記載の圧電素子において、前記溝部を有する圧電膜は、前記溝部に対応するマスクを使用して複数に分離した圧電膜が直接成膜されたものであることを特徴としている。これにより、圧電膜の成膜と同時に溝部が形成される。
In the piezoelectric element according to any one of claims 1 to 10 as shown in
請求項13に係る圧電素子の製造方法は、振動板上にわたって下部電極を形成する第1の工程と、前記下部電極の上に直接成膜する成膜法によって圧電膜を成膜する第2の工程と、前記圧電膜を複数に分離する溝部であって、1つの圧電素子に対して複数の溝部を形成する第3の工程と、前記溝部に絶縁体を充填する第4の工程と、前記溝部によって複数に分離した圧電膜及び前記絶縁体の上に上部電極を形成する第5の工程であって、1つの圧電素子に対して1つ形成する第5の工程と、を含むことを特徴としている。
The piezoelectric element manufacturing method according to
請求項14に示すように請求項13に記載の圧電素子の製造方法において、前記第2の工程は、スパッタ法、エアロゾルデポジション法、化学溶液法、及びスクリーン印刷法のうちのいずれかの方法によって前記圧電膜を成膜することを特徴としている。特に、エアロゾルデポジション法によって成膜すると、大きな膜応力(熱応力や成膜に伴う振動板との界面に生じる圧縮応力)が作用するが、圧電膜を複数に分離する溝部を設けることにより膜応力を低減させることができる。
14. The method of manufacturing a piezoelectric element according to
請求項15に示すように請求項13又は14に記載の圧電素子の製造方法において、前記第3の工程は、ドライエッチング法、ウエットエッチング法及びナノインプリント法のいずれかによって前記溝部を形成することを特徴としている。特に、ナノインプリント法によって溝部を形成する場合、溝部の断面形状(例えば、三角形の形状) を精度よく形成することができる。
In the method for manufacturing a piezoelectric element according to
請求項16に示すように請求項13又は14に記載の圧電素子の製造方法において、前記第2の工程及び第3の工程は、前記溝部に対応するマスクを使用して複数に分離した圧電膜を直接成膜することを特徴としている。即ち、前記第2の工程と第3の工程は、前記溝部に対応するマスクを使用したゾルゲル法、スクリーン印刷法等によって成膜することにより、同一工程で行うことができる。
In the method for manufacturing a piezoelectric element according to
請求項17に示すように請求項13乃至16のいずれかに記載の圧電素子の製造方法において、前記第4の工程は、前記圧電膜上に前記絶縁体の前躯体溶液をスピンコートした後、表面研磨することによって前記圧電膜の溝部に絶縁体を充填することを特徴としている。
In the method for manufacturing a piezoelectric element according to any one of
請求項18に係る液体噴出装置は、液体が蓄えられる液室と、振動板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子であって、前記圧電膜は1つの圧電素子に対して複数の溝部を有しており、かつ、前記溝部に絶縁体を備え、前記下部電極は、前記振動板上にわたって形成され、前記上部電極は、前記圧電膜及び前記絶縁体の上に形成され、1つの圧電素子に対して1つ形成され、前記振動板を変形させることによって前記液室の容積を可変させる圧電素子と、前記圧電素子による振動板の変形によって前記液室内の圧力が上昇すると、該液室内の液体を噴出するノズルと、を備えたことを特徴としている。
The liquid ejection device according to
本発明によれば、絶縁体が充填された溝部によって圧電膜を複数に分離するようにしたため、振動板の変位時に圧電膜自体に生じる応力を緩和することができ、これにより振動板の変位量を大きくすることができるとともに、圧電膜の割れや剥がれを防止することができる。また、前記溝部には、絶縁体が充填されているため、この部分によって上部電極と下部電極との間で放電することがない。 According to the present invention, since the piezoelectric film is separated into a plurality of parts by the groove filled with the insulator, the stress generated in the piezoelectric film itself when the diaphragm is displaced can be relieved. Can be increased, and cracking and peeling of the piezoelectric film can be prevented. Further, since the groove is filled with an insulator, this portion does not discharge between the upper electrode and the lower electrode.
以下添付図面に従って本発明に係る圧電素子及びその製造方法並びに液体噴出装置の好ましい実施の形態について詳説する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a piezoelectric element, a method for manufacturing the same, and a liquid ejection device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
[インクジェット記録装置の概要]
まず、本発明に係る液体噴出装置の一つであるインクジェット記録装置の概要について説明する。
[Outline of inkjet recording apparatus]
First, an outline of an ink jet recording apparatus which is one of liquid ejecting apparatuses according to the present invention will be described.
図1はインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示すように、このインクジェット記録装置10は、インクの色ごとに設けられた複数の液体噴出ヘッド(以下、単に「ヘッド」という)を有する印字部12と、各ヘッドに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部14と、記録紙16を供給する給紙部18と、記録紙16のカールを除去するデカール処理部20と、前記印字部12のノズル面(インク吐出面)に対向して配置され、記録紙16の平面性を保持しながら記録紙16を搬送する吸着ベルト搬送部22と、印画済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部26と、を備えている。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ink jet recording apparatus. As shown in the figure, the
給紙部18から送り出される記録紙16はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部20においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム30で記録紙16に熱を与える。
The
ロール紙を使用する装置構成の場合、図1のように、裁断用のカッター(第1のカッター)28が設けられており、該カッター28によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター28は、記録紙16の搬送路幅以上の長さを有する固定刃28Aと、該固定刃28Aに沿って移動する丸刃28Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃28Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃28Bが配置される。尚、カット紙を使用する場合には、カッター28は不要である。
In the case of an apparatus configuration that uses roll paper, a cutter (first cutter) 28 is provided as shown in FIG. 1, and the roll paper is cut into a desired size by the
デカール処理後、カットされた記録紙16は、吸着ベルト搬送部22へと送られる。吸着ベルト搬送部22は、ローラ31、32間に無端状のベルト33が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部12のノズル面に対向する部分が水平面(フラット面)をなすように構成されている。
After the decurling process, the
ベルト33は、記録紙16の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔(不図示)が形成されている。図1に示したとおり、ローラ31、32間に掛け渡されたベルト33の内側において印字部12のノズル面に対向する位置には吸着チャンバ34が設けられており、この吸着チャンバ34をファン35で吸引して負圧にすることによってベルト33上の記録紙16が吸着保持される。
The
ベルト33が巻かれているローラ31、32の少なくとも一方にモータ(不図示)の動力が伝達されることにより、ベルト33は図1上の時計回り方向に駆動され、ベルト33上に保持された記録紙16は図1の左から右へと搬送される。
The power of a motor (not shown) is transmitted to at least one of the
縁無しプリント等を印字するとベルト33上にもインクが付着するので、ベルト33の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部36が設けられている。
Since ink adheres to the
吸着ベルト搬送部22により形成される用紙搬送路上において印字部12の上流側には、加熱ファン40が設けられている。加熱ファン40は、印字前の記録紙16に加熱空気を吹き付け、記録紙16を加熱する。印字直前に記録紙16を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
A
図2は印字部12の周辺の要部平面図である。印字部12には、記録紙16の紙幅方向(主走査方向)に延びる2本のガイドレール13に沿って往復移動可能なキャリッジ15が設けられている。キャリッジ15には、黒(K)、シアン(C)、マゼンダ(M)、イエロー(Y)の各色インクに対応するヘッド23(23K、23C、23M、23Y)及び印字検出部(スキャナユニット)24が搭載されており、これらはキャッリッジ15に対して着脱自在に構成されており、キャリッジ15と一体的に主走査方向に走査可能となっている。
FIG. 2 is a plan view of the main part around the
尚、本例では、KCMYの標準色(4色)の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出するヘッドを追加する構成も可能である。 In this example, the configuration of KCMY standard colors (four colors) is illustrated, but the combination of ink colors and the number of colors is not limited to this embodiment, and light ink and dark ink are added as necessary. May be. For example, it is possible to add a head for ejecting light-colored ink such as light cyan and light magenta.
印字検出部24は、記録画像を撮像するためのセンサ(図2中不図示)を含み、ヘッド23により記録されるテストパターンを読み取り、ヘッド23のインク吐出状態をチェックする手段として機能する。即ち、印字検出部24によってヘッド23に含まれる各ノズルのばらつき検出が可能となっている。
The
図1に戻って、印字部12の後段には、後乾燥部42が設けられている。後乾燥部42は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
Returning to FIG. 1, a
後乾燥部42の後段には、加熱・加圧部44が設けられている。加熱・加圧部44は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ45で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
A heating /
こうして生成されたプリント物はカッター48によって所定のサイズに切断された後、排紙部26から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置10では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部26A、26Bへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。尚、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター(第2のカッター)48によってテスト印字の部分を切り離す。
The printed matter generated in this manner is cut into a predetermined size by the
[圧電素子の構造]
次に、前記液体噴出ヘッド等に使用される本発明に係る圧電素子の構造について説明する。
[Piezoelectric element structure]
Next, the structure of the piezoelectric element according to the present invention used for the liquid jet head or the like will be described.
図3は本発明に係る圧電素子が適用された液体噴出ヘッドの要部断面図であり、同図(A)及び(B)はそれぞれ振動板の非駆動状態及び駆動状態に関して示している。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of a liquid ejection head to which the piezoelectric element according to the present invention is applied. FIGS. 3A and 3B show the non-driven state and the driven state of the diaphragm, respectively.
図3に示す液体噴出ヘッド50は、振動板51と圧力隔壁52とノズルプレート53とによって液室(圧力室)54が形成され、振動板51の上に下部電極55が形成され、下部電極55の上に圧電膜56が直接成膜されている。
In the liquid ejection head 50 shown in FIG. 3, a liquid chamber (pressure chamber) 54 is formed by the
この圧電膜56は、溝部によって複数に分離され(下部は繋がっていてもよい)、この溝部には高分子材料(樹脂)57が充填されている。そして、圧電膜56及び樹脂57の上に上部電極58が形成されている。この樹脂57が充填される圧電膜56の溝部の深さは、圧電膜56の厚さの20%〜100%、好ましくは50%〜100%、より好ましくは70%〜100%である。
The
上記構成の液体噴出ヘッド50において、下部電極55と上部電極58との間に駆動電圧を印加すると、圧電膜56は、長辺方向に伸縮するd31モードで変位し、その結果、図3(B)に示すように振動板51を凹状に変位させる。
In the liquid ejection head 50 having the above configuration, when a driving voltage is applied between the
この振動板51の変位により液室54の容積が小さくなり、液室内の液体(インク液等)は、ノズルプレート53に形成されたノズル53aから噴出される。
The displacement of the
ここで、振動板51が凹状に変位する際に、圧電膜56は樹脂57によって圧電膜自体に生じる応力が緩和され、これにより振動板51を大きく変位させることができる。また、圧電膜56が分離されているため、圧電膜56の割れや剥がれを防止することができるとともに、圧電膜の成膜後の応力(熱応力等)による割れや剥がれもなくなる。
Here, when the
更に、前記溝部には、絶縁体である樹脂57が充填されているため、下部電極55と上部電極58との間で放電することがない。
Furthermore, since the groove portion is filled with the
[圧電素子の製造方法]
次に、本発明に係る圧電素子の製造方法について説明する。
[Piezoelectric element manufacturing method]
Next, a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention will be described.
図4は本発明に係る圧電素子の製造方法を含む液体噴出ヘッドの製造工程を示す工程図である。 FIG. 4 is a process diagram showing a manufacturing process of a liquid ejection head including a method for manufacturing a piezoelectric element according to the present invention.
(A)振動板及び液室の形成
図4(A)に示すように、まず、シリコン(Si)基板の裏面にアルミニウムをマスク材料としてパターニングし、誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP−RIE)装置にて異方性エッチングを行い、液室54及び振動板51を形成する。このときの開口部(即ち、振動板51)のサイズは300μm角で設計した。
(A) Formation of diaphragm and liquid chamber As shown in FIG. 4 (A), first, aluminum is patterned on the back surface of a silicon (Si) substrate as a mask material, and inductively coupled reactive ion etching (ICP-RIE) is performed. An anisotropic etching is performed with an apparatus to form the
(B)下部電極の形成
次に、図4(B)に示すように下部電極55を形成する。即ち、熱酸化膜が1μm形成されたSi基板に、密着層となる膜厚20nmの酸化チタン層(TiO2 )をスパッタリングにより形成し、その上に導電層となる膜厚2000nmの白金層(Pt)をスパッタリングにより形成する。それぞれのスパッタリング時の基板温度は300°Cとした。
(B) Formation of Lower Electrode Next, the
(C)圧電膜(PZT膜)の形成
図4(C)に示すように下部電極55の上に、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)の圧電膜56をスパッタリングによって直接成膜する。このときの基板温度は550°Cであり、圧電膜56の膜厚は5μmである。
(C) Formation of Piezoelectric Film (PZT Film) As shown in FIG. 4C, a
尚、圧電膜56を下部電極55の上に直接成膜する方法としては、上記スパッタ法に限らず、エアロゾルデポジション法、ゾルゲル法等の化学溶液法、スクリーン印刷法を使用してもよい。
The method of directly forming the
ゾルゲル法により圧電膜を成膜する場合には、PZT組成のゾルゲル溶液を調整し、スピンコートにより下部電極上に塗布し、その後、乾燥、脱溶媒工程を繰り返すことで膜厚を制御し、最後に650°Cで焼成することにより形成することができる。ゾルゲル法とは加水分解による溶液成膜法であるが、ゾルゲル法の代わりに、熱分解による溶液成膜法である有機金属分解法(MOD法)などの他の化学溶液法によって化学溶液膜を形成するようにしてもよい。 When a piezoelectric film is formed by the sol-gel method, the film thickness is controlled by adjusting a sol-gel solution having a PZT composition and applying it on the lower electrode by spin coating, and then repeating the drying and desolvation steps. Can be formed by firing at 650 ° C. The sol-gel method is a solution film formation method by hydrolysis. Instead of the sol-gel method, the chemical solution film is formed by another chemical solution method such as an organometallic decomposition method (MOD method) which is a solution film formation method by thermal decomposition. You may make it form.
(D)圧電膜の分離
図4(D)に示すように、圧電膜56をRIEドライエッチングして溝部60を形成し、圧電膜56を複数の分離体56Aに分離する。
(D) Separation of Piezoelectric Film As shown in FIG. 4D, the
この実施の形態では、図5に示すように300μm角の圧電膜56を6×6の36分割するようにしている。また、溝部60の最大幅は、4μmとしている。
In this embodiment, as shown in FIG. 5, a 300 μm square
尚、ドライエッチングに限らず、ウエットエッチングによって溝部60を形成するようにしてもよい。
In addition, you may make it form the
また、図4(D)に示すように溝部60の形状は、断面がV字状の溝(V溝)としたが、この形状には限定されない。更に、各分離体56Aは完全に分離している場合に限らず、下部が繋がっていてもよい。
As shown in FIG. 4D, the shape of the
更にまた、分離された分離体56Aの形状は、この実施の形態の正方形に限らず、ストライプ状、長方形、菱形、又はハニカム状にしてもよい。また、300μm角の圧電膜56を分離する場合には、その分離された分離体のサイズは、一辺の長さが100μm以下にすることが好ましい。
Furthermore, the shape of the separated
(E)樹脂埋め
図4(E)に示すように圧電膜56に形成した溝部60を樹脂57で埋める。この実施の形態では、樹脂57として熱可塑性樹脂であるポリイミド樹脂を使用し、ポリイミド前躯体溶液をスピンコートし、硬化後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)装置にて表面研磨し、分離体56Aの上面に付着するポリイミド樹脂を取り除く。
(E) Resin Filling As shown in FIG. 4 (E), the
尚、溝部60を埋める絶縁体としては、ポリイミド樹脂に限らず、合成樹脂又はシリコーンゴムなどの高分子材料を使用してもよい。合成樹脂の種類としては、光硬化性樹脂(ウレタンアクリレート系光硬化性樹脂、エポキシ系光硬化性樹脂など)、熱可塑性樹脂(ポリイミド樹脂、ポリアセタール、ポリフッ化ビニリデンなど)、熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂など)がある。
In addition, as an insulator which fills the
この種の高分子材料は、ヤング率が数GPaであり、50GPa以上のPZTのヤング率よりも1桁近く低く、かつ絶縁性を有しているため、溝部60を充填する材料として好適であるが、これに限らず、圧電膜よりもヤング率の小さい絶縁体であれば、いかなるものでもよい。
This type of polymer material has a Young's modulus of several GPa, is almost an order of magnitude lower than the Young's modulus of PZT of 50 GPa or more, and has an insulating property. Therefore, it is suitable as a material for filling the
(F)上部電極の形成
続いて、図4(F)に示すように上部電極58を形成する。即ち、分離された圧電膜56及び樹脂57の上に、Ptをスパッタリングにより形成する。このスパッタリング時の基板温度は100°Cとした。この上部電極58は、1つの圧電素子につき1つ形成され、特許文献1に記載の上電極のように分割されていない。
(F) Formation of Upper Electrode Subsequently, the
(G)ノズルプレートの貼付け
最後に、図4(G)に示すようにノズル53aが形成されたノズルプレート53を接着剤にて貼り付ける。
(G) Affixing the nozzle plate Finally, as shown in FIG. 4G, the
上記のようにして液体噴出ヘッドの製造工程で製造された圧電素子の特性を測定した。即ち、下部電極55と上部電極58との間に印加した電圧と、そのときの振動板51の変位量とから圧電定数d31を測定すると、圧電定数d31は、200pm/Vであった。
The characteristics of the piezoelectric element manufactured in the liquid ejection head manufacturing process as described above were measured. That is, when the piezoelectric constant d31 was measured from the voltage applied between the
これに対し、圧電膜を分離しないこと以外は、図4に示した方法と同様の製造方法(図4(D)及び(E)の工程無し)で製造した圧電素子の圧電定数d31を測定すると、圧電定数d31は、150pm/Vであった。 On the other hand, when the piezoelectric constant d31 of the piezoelectric element manufactured by the same manufacturing method (without the steps of FIGS. 4D and 4E) as shown in FIG. 4 is measured except that the piezoelectric film is not separated. The piezoelectric constant d31 was 150 pm / V.
このように圧電膜56を溝部60によって分離し、この溝部60に樹脂57を充填したものと、圧電膜56を分離しないものとを比較すると、前者の方が変位量が大きくなることが分かる。
As described above, when the
次に、圧電膜を分離するための溝部を形成する他の実施の形態(ナノインプリント法)について説明する。 Next, another embodiment (nanoimprint method) for forming a groove for separating piezoelectric films will be described.
図6に示すように、圧電膜を分離するための溝部の形状に対応する金型70を準備する。尚、半導体製造技術の進歩により、ナノオーダのパターンを有する金型の製造が可能になっている。
As shown in FIG. 6, a
ゾルゲル法等により、下部電極の上に所望の厚みの圧電膜72を塗布する(図6(A))。尚、この状態では、圧電膜72は焼結されていない。
A
続いて、金型70を圧電膜72に押し付け、金型70のパターン形状を圧電膜72に転写する(図6(B))。
Subsequently, the
その後、圧電膜72から金型70を剥離し、圧電膜72を焼結する(図6(C))。
Thereafter, the
これにより、圧電膜72を分離する溝部74を形成することができる。このナノインプリント法によって溝部74の断面形状を、精度よく形成することができる。
Thereby, the groove part 74 which isolate | separates the
尚、本発明に係る圧電素子は、液体噴出ヘッドのアクチュエータとして適用する場合について説明したが、これに限らず、マイクロアクチュエータ(マイクロポンプ、MEMSデバイス)、マイクロセンサ(圧力センサ、バイオセンサ)等に応用することができる。 The piezoelectric element according to the present invention has been described as being applied as an actuator for a liquid ejection head. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. Can be applied.
また、本発明に係る液体噴出装置は、記録紙にインクを噴射するインクジェット記録装置に限らず、例えば、記録媒体に処理液、又は水を噴射することによって画像を形成する装置として、また、基材に塗布液を噴射することで画像記録媒体を形成する装置として使用することができる。さらに電子デバイスやバイオチップの製作にも使用できる。 The liquid ejecting apparatus according to the present invention is not limited to an ink jet recording apparatus that ejects ink onto recording paper. For example, the liquid ejecting apparatus is an apparatus that forms an image by ejecting treatment liquid or water onto a recording medium. It can be used as an apparatus for forming an image recording medium by spraying a coating liquid onto a material. It can also be used to make electronic devices and biochips.
10…インクジェット記録装置、50…液体噴出ヘッド、51…振動板、52…圧力隔壁、53…ノズルプレート、53a…ノズル、54…液室(圧力室)、55…下部電極、56、72…圧電膜、57…樹脂、58…上部電極、60、74…溝部、70…金型
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記圧電膜は、前記下部電極上に直接成膜する成膜法によって形成され、
前記圧電膜は1つの圧電素子に対して複数の溝部を有しており、かつ、前記溝部に絶縁体を備え、
前記下部電極は、前記振動板上にわたって形成され、
前記上部電極は、前記圧電膜及び前記絶縁体の上に形成され、1つの圧電素子に対して1つ形成されることを特徴とする圧電素子。 In a piezoelectric element in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked on a diaphragm, and an electric field is applied to the piezoelectric film by the lower electrode and the upper electrode.
The piezoelectric film is formed by a film forming method in which a film is formed directly on the lower electrode,
The piezoelectric film has a plurality of grooves for one piezoelectric element , and includes an insulator in the grooves.
The lower electrode is formed over the diaphragm,
The upper electrode is formed on the piezoelectric film and the insulator, and one upper electrode is formed for one piezoelectric element.
圧電素子。 9. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the shape of each piezoelectric film divided by the groove is any one of a stripe shape, a rectangular shape, a square shape, a rhombus shape, and a honeycomb shape.
前記下部電極の上に直接成膜する成膜法によって圧電膜を成膜する第2の工程と、
前記圧電膜を複数に分離する溝部であって、1つの圧電素子に対して複数の溝部を形成する第3の工程と、
前記溝部に絶縁体を充填する第4の工程と、
前記溝部によって複数に分離した圧電膜及び前記絶縁体の上に上部電極を形成する第5の工程であって、1つの圧電素子に対して1つ形成する第5の工程と、
を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。 A first step of forming a lower electrode over the diaphragm;
A second step of forming a piezoelectric film by a film forming method of directly forming a film on the lower electrode;
A third step of separating the piezoelectric film into a plurality of grooves , wherein a plurality of grooves are formed for one piezoelectric element ;
A fourth step of filling the groove with an insulator;
A fifth step of forming an upper electrode on the piezoelectric film and the insulator separated into a plurality by the groove, and a fifth step of forming one for one piezoelectric element;
The manufacturing method of the piezoelectric element characterized by the above-mentioned.
振動板上に下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積層されてなり、前記下部電極と前記上部電極とにより前記圧電膜に対して電界が印加される圧電素子であって、前記圧電膜は1つの圧電素子に対して複数の溝部を有しており、かつ、前記溝部に絶縁体を備え、前記下部電極は、前記振動板上にわたって形成され、前記上部電極は、前記圧電膜及び前記絶縁体の上に形成され、1つの圧電素子に対して1つ形成され、前記振動板を変形させることによって前記液室の容積を可変させる圧電素子と、
前記圧電素子による振動板の変形によって前記液室内の圧力が上昇すると、該液室内の液体を噴出するノズルと、
を備えたことを特徴とする液体噴出装置。 A liquid chamber in which liquid is stored;
A piezoelectric element in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are sequentially stacked on a vibration plate, and an electric field is applied to the piezoelectric film by the lower electrode and the upper electrode. One piezoelectric element has a plurality of grooves, and an insulator is provided in the grooves, the lower electrode is formed over the diaphragm, and the upper electrode includes the piezoelectric film and the insulation A piezoelectric element formed on the body, one for each piezoelectric element, and changing the volume of the liquid chamber by deforming the diaphragm;
When the pressure in the liquid chamber rises due to deformation of the diaphragm by the piezoelectric element, a nozzle that ejects the liquid in the liquid chamber;
A liquid ejection device comprising:
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