JP5510205B2 - 圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子の製造方法 - Google Patents
圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子の製造方法 Download PDFInfo
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Description
また、液体としてのインクを吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に圧力発生手段としての圧電素子を設け、圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインクを吐出させる液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッドおよび液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置が知られている。
上電極には、ボンディング等によって外部の駆動回路等と上電極とを接続するためのリード配線が形成される。リード電極として、密着層と金属層とを備えたものが知られている。リード電極はパターンニングすることによって得られる(例えば、特許文献2参照)。
また、共通電極およびリード電極の表面に付着した水分等を介しても電流が流れ、密着層に電食が生じ、所定の電圧での駆動を維持できる圧電素子、それを備えた液体噴射ヘッド、液体噴射装置を維持するのが困難となる。
所定の電圧とは、圧電素子の駆動に必要な変形量を生じさせるための電圧をいう。上電極とリード電極との間の接触面積が狭くなったり、リード電極の剥離が生じたりして上電極とリード電極との間の抵抗が高くなると、圧電素子の駆動に必要な変形量を生じさせるための電圧を印加できなくなる。
複数の並列した形成された下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層上に、複数の前記下電極に対向して形成され、イリジウムを含む第1上電極および最上層としてチタンを含む第2上電極を備えた上電極と、前記第2上電極に接続して形成されたニッケルおよびクロムを含む第1リード電極および前記第1リード電極上に形成された第2リード電極を有するリード電極と、を備え、前記上電極は、前記下電極の並列した方向に渡って共通に形成されていることを特徴とする圧電素子。
上記圧電素子において、前記第2リード電極は金を含む圧電素子。
この適用例では、第2リード電極に金を含んでいるので抵抗が低くなり、より低電圧で駆動できる圧電素子が得られる。
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室の圧力を変化させる圧力発生手段として上記圧電素子を備えた液体噴射ヘッド。
上記液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。
複数の下電極を形成する下電極形成工程と、前記下電極上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層上に、複数の前記下電極に対向したイリジウムを含む第1上電極膜を形成する第1上電極膜形成工程と、前記第1上電極膜上に、上電極の最上層としてチタンを含む第2上電極膜を形成する第2上電極膜形成工程と、前記第1上電極膜および前記第2上電極膜をパターンニングして第1上電極および第2上電極を備えた上電極を形成する上電極形成工程と、前記第2上電極上に、ニッケルおよびクロムを含む第1リード電極膜を形成する第1リード電極膜形成工程と、前記第1リード電極膜上に第2リード電極膜を形成する第2リード電極膜形成工程と、前記第1リード電極膜および前記第2リード電極膜をウェットエッチングによってエッチングして第1リード電極および第2リード電極を備えたリード電極を形成するリード電極形成工程とを含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
上記圧電素子の製造方法において、前記第2リード電極膜は金を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、第2リード電極膜をウェットエッチングして得られる第2リード電極は、金を含んでいるので抵抗が低くなり、より低電圧で駆動できる圧電素子の製造方法が得られる。
上記圧電素子の製造方法において、前記第1リード電極膜を、硝酸セリウムアンモンと硝酸の混合水溶液によってウェットエッチングすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、第1リード電極膜をより効率的にウェットエッチングできる圧電素子の製造方法が得られる。
上記圧電素子の製造方法において、前記第2リード電極膜を、ヨウ素、ヨウ化カリウムの混合水溶液によってウェットエッチングすることを特徴とする圧電素子の製造方法。
この適用例では、第2リード電極膜をより効率的にウェットエッチングできる圧電素子の製造方法が得られる。
図1は、実施形態における液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置1000の一例を示す概略図である。インクジェット式記録装置1000は、記録媒体である記録シートSに液体としてのインクを噴射して記録を行う装置である。
図1において、インクジェット式記録装置1000は、液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド1を有する記録ヘッドユニット1Aおよび1Bを備えている。記録ヘッドユニット1Aおよび1Bには、インク供給手段を構成するカートリッジ2Aおよび2Bが着脱可能に設けられている。
ここで、インクジェット式記録ヘッド1は、記録ヘッドユニット1Aおよび1Bの記録シートSと対向する側に設けられており、図1においては図示されていない。
一方、装置本体4には、キャリッジ3に沿ってプラテン8が設けられている。このプラテン8は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラー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。
図3(a)には、インクジェット式記録ヘッド1の部分平面図を、(b)には、そのA−A概略断面図を示した。また、図3(c)には、図3(a)におけるB−B概略断面図を、図4(d)には、C−C概略部分断面図を、(e)には、D−D概略部分断面図を示した。
流路形成基板10とノズルプレート20と保護基板30とは、流路形成基板10をノズルプレート20と保護基板30とで挟むように積み重ねられ、保護基板30上には、コンプライアンス基板40が形成されている。
なお、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13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。また、各連通路14は、圧力発生室12の幅方向両側の隔壁11を連通部15側に延設してインク供給路13と連通部15との間の空間を区画することで形成されている。
なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.01mm〜1.00mmで、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板または不錆鋼等からなる。
流路形成基板10とノズルプレート20とは、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。
また、流路形成基板10の弾性膜50上には、厚さが例えば、約0.40μmの酸化ジルコニウム膜からなる絶縁体膜55が形成されている。これらは、基板としての振動板を構成する。
振動板を構成する弾性膜50および絶縁体膜55は、酸化シリコンのほかに、例えば、酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも一種の層、またはこれらの層の積層体とすることができる。
ここで、圧電素子300は、下電極60、圧電体層70および上電極80を有する部分だけでなく、少なくとも圧電体層70を有する部分を含む。例えば、下電極60および上電極80に接続されるリード電極も含む。
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、他方の電極を圧電体層70と共に圧力発生室12毎にパターニングして個別電極とする。またここでは、圧電素子300と圧電素子300の駆動により変形が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエーターと称する。
図3(a)において、圧電素子300を構成する下電極60は、圧力発生室12に対向する領域毎に、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で複数設けられて各圧電素子300の個別電極を構成している。また、下電極60は、各圧力発生室12の長手方向一端部側から圧力発生室12の周りの壁上まで延設されている。
そして、下電極60には、圧力発生室12の外側の領域で、例えば、金等からなるリード電極としての下電極用リード電極90がそれぞれ接続され、この下電極用リード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加されるようになっている。一方、圧力発生室12の長手方向他端部側の下電極60の端部は、圧力発生室12に対向する領域内に位置している。
下電極60の材質は、導電性を有する限り特に限定されず、例えばニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物(例えば酸化イリジウムなど)、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物、ランタンとニッケルの複合酸化物などを用いることができる。
圧電体層70は、下電極60および上電極80によって電界が印加されることで変形し、機械的な出力を行うことができる。印加される電圧に応じて変形量が決まるので、圧電素子300の駆動に必要な変形量に応じて印加する所定の電圧を設定する。
上電極80の厚みは、例えば2nm〜100nmで、イリジウムを含む。
なお、このような構成では、圧力発生室12に対向する領域内でも圧電体層70の表面が若干露出されることになるが、実質的な駆動部ではなく、その面積は極めて狭く、また後述するように上電極80の周縁部と下電極60の間の距離が大きいため、水分に起因する圧電体層70の破壊を防止することができる。
また、後述するが、この中間膜85は、圧電体層70と同時にパターニングされ、製造過程で圧電体層70がダメージを受けるのを防止するための役割を果たしている。このため中間膜85は、圧電体層70の上面のみに形成されている。
なお、中間膜85は必ずしも必要ではなく、形成されていなくてもよい。
上電極80は、実施形態に示した2層構造に限らず、第1上電極81と第2上電極82との間に別の層を形成した3層以上の構造であってもよい。
上電極80のインクジェット式記録ヘッド1の長手方向の端には、上電極引き出し部800が形成されている。上電極引き出し部800は、下電極用リード電極90が形成される側と同じ側に延設されている。
図3(c)および図4(d)において、上電極用リード電極91は、上電極引き出し部800上から下電極用リード電極90が形成された方向にかけて形成されている。上電極用リード電極91は、第2上電極82上に形成された第1リード電極911および第1リード電極911上に形成された第2リード電極912を有する2層構造である。上電極用リード電極91は、第1リード電極911と第2上電極82とが接触するように形成されている。
第1リード電極911は、ニッケルおよびクロムを含み、第2リード電極912は、例えば、金を含む。
ここで、下電極用リード電極90の構造も上電極用リード電極91の構造と同じにすることができ、この場合、下電極用リード電極90と上電極用リード電極91とを同じ工程で形成することができる。
図4(e)において、上電極引き出し部800から外れた部分では、上電極用リード電極91は、弾性膜50および絶縁体膜55上に形成されている。
また、保護基板30には、流路形成基板10の連通部15に対応する領域にリザーバー部32が設けられている。このリザーバー部32は、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の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板10の連通部15と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。
保護基板30の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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する。
下電極形成工程(S1)および圧電体層形成工程(S2)は、C−C概略部分断面図に描かれていないので、図示しないで説明する。
図2および図3に示した下電極60は、スパッタ法、真空蒸着、CVD法などの方法で導電体の膜を流路形成基板10上に形成した後、フォトリソグラフィー等によりパターニングして形成することができる。また、下電極60は、印刷法などのパターニングが不要な方法によって形成してもよい。
さらに、下電極60は、前述の材料の単層からなってもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
圧電体は、ゾルゲル法やCVD法などによって形成することができる。ゾルゲル法においては、原料溶液塗布、予備加熱、結晶化アニールの一連の作業を複数回繰り返して所定の膜厚にしてもよい。
例えば、PZTを形成する場合は、鉛,ジルコニウム,チタンを含むゾルゲル溶液を用いて、スピンコート法、印刷法などにより形成することができる。
圧電体を形成後、図3に示した中間膜85を形成して、パターンニングすることによって、図3に示した圧電体層70が得られる。
金を含んだ第2リード電極膜920をウェットエッチングした後に、ニッケルおよびクロムを含んだ第1リード電極膜910をウェットエッチングする。ここで、第1リード電極膜910のウェットエッチング後に第2リード電極膜920が幅広になった場合、再度、第2リード電極膜920のウェットエッチングを行なう。
ニッケルおよびクロムを含んだ第1リード電極膜910のエッチング液としては、硝酸セリウムアンモン(Ce(NO3)4・2NH4NO3)と硝酸(HNO3)の混合水溶液を用いることができる。硝酸セリウムアンモンの濃度は4wt%〜20wt%、硝酸の濃度は4wt%〜60wt%が好ましい。
具体的なエッチング液としては、例えば、硝酸セリウムアンモン15wt%および硝酸5wt%の混合水溶液、あるいは硝酸セリウムアンモン5wt%および硝酸55wt%の混合水溶液を用いることができる。これらの液は、液温25℃で用いることができる。
図7(a)は、第2上電極82を形成しない場合におけるインクジェット式記録ヘッド1の図3(a)のC−C概略部分断面図に相当する図、(b)はD−D概略部分断面図に相当する図。
図7において、チタンを含む第2上電極82を形成しないと、図6(g)に示したニッケルおよびクロムを含んだ第1リード電極膜910のウェットエッチング工程の際に、第1リード電極膜910の側面が電食によってより侵食され、第1リード電極911と上電極80の第1上電極81との接触面積が狭くなる。
(1)ニッケルおよびクロムを含む第1リード電極911がチタンを含む第2上電極82と接触している。ここで、ニッケルおよびクロムとチタンとの標準電極電位差が、ニッケルおよびクロムとイリジウムとの標準電極電位差より小さいので、ニッケルおよびクロムを含む第1リード電極911がイリジウムを含む第1上電極81と接触している場合と比較して電食を生じにくくできる。したがって、上電極80と上電極用リード電極91との間の接触面積が狭くなったり、上電極用リード電極91の剥離が生じたりするのを抑えることができ、所定の電圧で駆動できる圧電素子300を得ることができる。
例えば、実施形態では、リード電極形成工程(S8)で行うウェットエッチングに用いるエッチング液を2種類用いたが、1種類のエッチング液で第1リード電極膜910および第2リード電極膜920をエッチングしてもよい。
Claims (8)
- 複数の並列した形成された下電極と、
前記下電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層上に、複数の前記下電極に対向して形成され、イリジウムを含む第1上電極および最上層としてチタンを含む第2上電極を備えた上電極と、
前記第2上電極に接続して形成されたニッケルおよびクロムを含む第1リード電極および前記第1リード電極上に形成された第2リード電極を有するリード電極と、を備え、
前記上電極は、前記下電極の並列した方向に渡って共通に形成されている
ことを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子において、
前記第2リード電極は金を含む圧電素子。 - 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、
前記圧力発生室の圧力を変化させる圧力発生手段として請求項1または請求項2に記載の圧電素子、を備えた液体噴射ヘッド。 - 請求項3に記載の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。
- 複数の下電極を形成する下電極形成工程と、
前記下電極上に圧電体層を形成する圧電体層形成工程と、
前記圧電体層上に、複数の前記下電極に対向したイリジウムを含む第1上電極膜を形成する第1上電極膜形成工程と、
前記第1上電極膜上に、上電極の最上層としてチタンを含む第2上電極膜を形成する第2上電極膜形成工程と、
前記第1上電極膜および前記第2上電極膜をパターンニングして第1上電極および第2上電極を備えた上電極を形成する上電極形成工程と、
前記第2上電極上に、ニッケルおよびクロムを含む第1リード電極膜を形成する第1リード電極膜形成工程と、
前記第1リード電極膜上に第2リード電極膜を形成する第2リード電極膜形成工程と、
前記第1リード電極膜および前記第2リード電極膜をウェットエッチングによってエッチングして第1リード電極および第2リード電極を備えたリード電極を形成するリード電極形成工程とを含む
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項5に記載の圧電素子の製造方法において、
前記第2リード電極膜は金を含む
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項5または請求項6に記載の圧電素子の製造方法において、
前記第1リード電極膜を、硝酸セリウムアンモンと硝酸の混合水溶液によってウェットエッチングする
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 請求項6または請求項7に記載の圧電素子の製造方法において、
前記第2リード電極膜を、ヨウ素、ヨウ化カリウムの混合水溶液によってウェットエッチングする
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。
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