JP5320873B2

JP5320873B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電素子

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Publication number: JP5320873B2
Application number: JP2008183138A
Authority: JP
Inventors: 浩一両角; 治郎加藤; 聡傳田; 一郎朝岡
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-07-14
Also published as: JP2010018011A; US8079677B2; US20100007707A1

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及び液体噴射装置並びに第１電極、圧電体層及び第２電極を具備する圧電アクチュエータに関する。

液体噴射ヘッドに用いられる圧電アクチュエータである圧電素子としては、電気的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。このような圧電素子は、撓み振動モードのアクチュエータ装置として液体噴射ヘッドに搭載される。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この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てノズル開口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。

また、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子は、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）

特開２００３−１２７３６６号公報（第４〜７頁、第１〜４図）

このような圧電アクチュエータは、圧電体層のリークパスを防止して、絶縁性を高めると共に、圧電素子の発熱を抑制して長寿命化が望まれている。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。また、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電アクチュエータにおいても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、耐久性を向上すると共に長寿命化を実現することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に圧力変化を生じさせると共に、圧電体層と、該圧電体層の前記圧力発生室側に形成された第１電極と、該圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極とを具備する圧電素子と、を具備し、前記圧電体層の前記第２電極側の表層には、非晶質の非晶質層を有する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、非晶質層によって第２電極と圧電体層の結晶化された領域とが直接接触することがないため、圧電体層の結晶化領域のグレイン境界やドメイン境界などがリークパスとなるのを防止して、圧電素子の破壊や発熱を防止することができると共に長寿命化を図ることができる。

ここで、前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、圧電体層として所定の材料を用いることで、低い電圧で所望の圧電特性を得ることができる。

また、前記圧電体層と前記非晶質層とは同じ組成であることが好ましい。これによれば、非晶質層を容易に且つ簡便に形成することができると共に、非晶質層とその他の結晶化領域との層間剥離などの不具合を防止することができる。

また、前記第２電極は、イリジウムであることが好ましい。これによれば、所望の導電性を有する電極を用いて、圧電素子に確実に電界を印加することができる。

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、耐久性及び長寿命化を図ることができる液体噴射装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、基板と、該基板の上方に形成される圧電体層と、該圧電体層の前記基板側に形成された第１電極と、該圧電体層の第１電極とは反対側に設けられた第２電極と、を具備し、前記圧電体層の前記第２電極側の表層には、非晶質の非晶質層を有することを特徴とする圧電アクチュエータにある。
かかる態様では、非晶質層によって第２電極と圧電体層の結晶化された領域とが直接接触することがないため、圧電体層の結晶化領域のグレイン境界やドメイン境界などがリークパスとなるのを防止して、圧電アクチュエータの破壊や発熱を防止することができると共に長寿命化を図ることができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（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概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３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、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。

インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。

すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍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固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが例えば、約１．１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの第２電極８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

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るペロブスカイト構造の結晶膜である。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を１〜２μｍ前後の厚さで形成した。

また、圧電体層７０の第２電極８０側の表層には、非晶質（アモルファス）の非晶質層７１が設けられている。すなわち、圧電体層７０は、結晶構造を有する圧電体層本体７２と、非晶質の非晶質層７１とで構成されている。

このような非晶質層７１は、圧電体層本体７２と同じ組成を有するが、結晶構造を有さずに非晶質（アモルファス）のものである。また、非晶質層７１は、圧電体層７０の表層に点在するものではなく、圧電体層７０の表面に層として一様に存在する。このように圧電体層７０の第２電極８０側の表層に非晶質層７１が設けられることで、圧電体層本体７２は、第２電極８０と直接接触していない。これにより、圧電体層本体７２の結晶構造であるグレインの境界やドメインの境界などがリークパスとして機能するのを防止して、圧電体層７０の絶縁性を向上して耐電圧特性を向上することができる。また、リークパスの発生を抑制することができるため、圧電素子３００を繰り返し駆動した際の発熱を抑制して、圧電素子３００（特に圧電体層７０）の熱による破壊を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。ちなみに、圧電体層７０の結晶化された領域、すなわち圧電体層本体７２に第２電極８０を直接接触させると、結晶化された領域のドメイン境界やグレイン境界がリークパスとなってしまい、圧電体層７０の破壊や発熱が発生してしまう。

なお、非晶質層７１は、非晶質であるため、第１電極６０と第２電極８０との間で電界を生じさせても、ほとんど変位を行わない。したがって、非晶質層７１が厚すぎると、圧電体層本体７２の変位を阻害することになるため、圧電体層本体７２にリークパスが生じない程度に比較的薄く形成するのが好ましい。例えば、本実施形態では、圧電体層７０全体の厚さ１．１μｍに対して、非晶質層７１を１．１ｎｍの厚さで形成した。

なお、このような圧電体層７０は、例えば、金属有機物を溶媒に溶解・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−ゲル法により形成することができる。そして、非晶質層７１は、例えば、ゾル−ゲル法により圧電体層本体７２を形成後、その表面をプラズマに所定時間曝すことにより、圧電体層本体７２の表層を非晶質の非晶質層７１とすることができる。もちろん、圧電体層７０の形成方法は特にこれに限定されず、例えば、ＭＯＤ法であっても、スパッタリング法であってもよい。もちろん、非晶質層７１の形成方法も上述したものに限定されるものではない。

ちなみに、例えば、圧電体層本体７２及び非晶質層７１からなる圧電体層７０を形成した後、再度熱処理（一般的にアニール処理と呼ばれるもの）を行うと、非晶質層７１は、結晶化してしまう。したがって、本発明の圧電体層７０は、非晶質層７１を形成した後は、アニール処理などの高温の熱処理を行わないのが好ましい。

さらに、圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、本実施形態では、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１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

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。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路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、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

また、このような保護基板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。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１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（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ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、リザーバ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。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、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、リザーバ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１２０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し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、非晶質層７１を第２電極８０側に設けるようにしたが、特にこれに限定されず、非晶質層７１を圧電体層７０の第１電極６０側に設けるようにしてもよい。このように第１電極６０側に非晶質層７１を形成するには、例えば、基板上に第２電極、圧電体層本体、非晶質層及び第１電極を順次積層形成して圧電素子を形成した後、流路形成基板１０上に圧電素子を転写することで、第１電極６０側に非晶質層７１が形成された圧電素子を形成することができる。

また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態１では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子にも本発明を適用することができる。

また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する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４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。

図４に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂ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、この記録ヘッドユニット１Ａ及び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。この記録ヘッドユニット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。

そして、駆動モータ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、記録ヘッドユニット１Ａ及び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。

なお、上述した実施形態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り、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。

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に搭載される圧電素子に限られず、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。

実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１リザーバ部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、６０第１電極、７０圧電体層、７１非晶質層、７２圧電体層本体、８０第２電極、９０リード電極、１００リザーバ、１２０駆動回路、１２１接続配線、３００圧電素子

Claims

圧電体層と、第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を具備した圧電素子を備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層の前記第２電極側の表層には、前記圧電体層と同じ組成を含有する非晶質層が設けられ、
前記非晶質層の膜厚は、１．１ｎｍ以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧電体層は、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記第２電極は、イリジウムであることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜３の何れか一項に記載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。
圧電体層と、第１電極と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に形成された第２電極と、を具備した圧電素子であって、
前記圧電体層の前記第２電極側の表層には、前記圧電体層と同じ組成を含有する非晶質層が設けられ、
前記非晶質層の膜厚は、１．１ｎｍ以下であることを特徴とする圧電素子。