JP5708098B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
これらの対策として、圧電素子の端部または全面を保護膜で被覆する技術が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
請求項1記載の発明は、隔壁により区画された個別液室が配列される液室基板上に振動板が形成され、前記振動板上の前記個別液室に対向する側に下部電極、圧電体、上部電極から構成される圧電素子が形成されており、前記上部電極と導通する個別電極配線により駆動信号入力部まで引き出される液体吐出ヘッドにおいて、少なくとも、前記個別電極配線と前記下部電極とが重なり合う領域における前記個別電極配線と前記下部電極との間に、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜とが形成されており、前記駆動信号入力部を除く前記個別電極配線の形成領域を含む領域に、第3の絶縁膜と第4の絶縁膜とが積層されており、前記個別液室の形成領域の少なくとも一部に、第2の絶縁膜と第3の絶縁膜とが形成されていない非成膜領域があり、前記圧電素子の形成部を含む領域であって、第2の絶縁膜と第3の絶縁膜との前記非成膜領域に第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが形成されていることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1または2記載の液体吐出ヘッドにおいて、第4の絶縁膜に関して、前記個別液室の形成領域とそれ以外の領域とでは、膜厚差がないことを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項1または2記載の液体吐出ヘッドにおいて、第4の絶縁膜に関して、前記個別液室の形成領域とそれ以外の領域とでは、膜密度差がないことを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項1または2記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記個別液室の形成領域以外に形成された第4の絶縁膜が、第1の絶縁膜に比べて膜厚差がないことを特徴とする。
請求項8記載の発明は、請求項1または2記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記個別液室の形成領域以外に形成された第4の絶縁膜が、第1の絶縁膜に比べて膜密度差がないことを特徴とする。
請求項10記載の発明は、請求項1ないし9の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドにおいて、第1ないし第4の絶縁膜が、気相法により成膜されることを特徴とする。
請求項11記載の発明は、請求項1ないし10の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドにおいて、第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが、ALD工法により成膜されることを特徴とする。
請求項12記載の発明は、請求項1ないし11の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記個別液室形成以外の領域において、第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが、20〜100nmであることを特徴とする。
請求項14記載の発明は、請求項1ないし12の何れか一つに記載の液体吐出ヘッド、または請求項13記載の液体吐出装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置である。
すなわち、本発明によれば、前記構成により、半導体プロセス中のプラズマや大気中の水分による圧電体の劣化を防止し、圧電素子の変位量を増大させると同時に、個別電極等の配線の制約を無くすことで高密度化できる液体吐出ヘッド、つまり高い信頼性(耐湿性)と高い吐出特性を維持しつつ、小型の液体吐出ヘッドを実現して提供することができる。
また、本発明によれば、前記構成により、前記効果を奏する、液体吐出ヘッドまたは液体吐出装置を搭載することで、高信頼性、高画質の画像形成装置を実現して提供できる。
図1は、本発明の一実施形態を示すインクジェットヘッドの平面図、図2は、図1におけるインクジェットヘッドのS2−S2断面図、図3は、図1におけるインクジェットヘッドのS3−S3断面図である。
図1において、18は引出配線を、19は液室領域を、20は個別電極配線の駆動信号入力部を、それぞれ表わしている。
第1の絶縁膜としての絶縁膜9は、図2および図3に示すとおり、圧電素子15を含む基板全面を被覆する絶縁膜である。絶縁膜9は、下部電極4から共通電極を取り出す共通電極コンタクトホール部17と、上部電極6から個別電極を取り出す個別電極コンタクトホール部16のみ非成膜領域として開口(以下、単に「開口」ともいう)しており、他の振動板3形成部分を被覆する構造となっている。絶縁膜9は、下部電極4、圧電体5および上部電極6からなる圧電素子15を保護する機能を有する。
図4(1)に示すように、絶縁膜9と絶縁膜10とを成膜した後(第1工程)に、図4(2)に示すように、エッチングにより個別電極コンタクトホール部16および共通電極コンタクトホール部17を形成する(第2工程)。その後、図4(3)に示すように、配線電極を成膜し、エッチングによりパターニング形成した後(第3工程)に、図5(4)に示すように、絶縁膜11を成膜する(第4工程)。その後、図5(5)に示すように、個別液室形成領域を開口するために、絶縁膜11と絶縁膜10を連続エッチングすることにより、個別液室開口部が形成される(第5工程)。このときに絶縁膜9は、オーバーエッチングにより膜厚が薄くなると同時に、エッチングによるダメージがある。その後、図5(6)に示すように、絶縁膜12を成膜し、図2および図3に示すとおり、個別電極配線7を取り出すためのPAD部12a、および共通電極配線8を取り出すためのPAD部12bを開口して形成されている(第6工程)。
1つ目の要因(製造工程上の要因)としては、成膜・エッチングの工程による圧電素子15へのダメージがある。インクジェットヘッドとするためには、圧電素子15を形成後に配線層と電極を絶縁する絶縁膜10(層間絶縁膜)や、配線材料を保護する絶縁膜11(配線保護層)を成膜およびパターニングする工程がある。これらの材料の成膜には、スパッタリング法、プラズマCVD法等を用いる必要があるが、これらのプラズマにより圧電素子15が損傷されてしまう。そのメカニズムについて強誘電体メモリ先端プロセスの一部に記載(上部電極6:Ir/IrO2、圧電体5:PZT)があり、それについて以下に記す。
(2)この金属Irは、触媒作用により水素分子を解離し、水素ラジカルを生成する。
(3)生成した水素ラジカルがPZTの格子中に侵入し、酸素と結合する。
(4)その結果、双極子の動きを封じて、ドメイン全体の分極反転を阻害する。
また、我々の経験から、上記メカニズム以外にもプラズマCVDによってSiNを成膜する場合に、原料となるNH3自身が水素ラジカルを生成し、それ自身がPZTにダメージを与えていることを確認している。
また、絶縁膜10の前述の開口部分の形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが、絶縁膜9で圧電素子15が保護されているため可能である。
(液室基板2)
液室基板2としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本実施形態構成においては、主として(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図2に示すような圧力室である個別液室1を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは、結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を掘ることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっており、本実施形態構成としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiO2もエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用することが肝要である。
図2に示すように、電気−機械変換膜である圧電体5によって発生した力を受けて、下地(振動板3)が変形変位して、個別液室1のインクをインク滴として吐出させる。そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Si、SiO2、Si3N4をCVD法により作製したものが挙げられる。さらに図2に示すような下部電極4、電気−機械変換膜の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気−機械変換膜としては、一般的に材料としてPZTが使用されることから線膨張係数8×10−6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10−6〜10×10−6(1/K)の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×0−6〜910−6(1/K)の線膨張係数を有した材料がより好ましい。具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウムおよびそれらの化合物等であり、これらをスパッタ法もしくは、ゾルゲル(以下、「Sol−gel」と略記する)法を用いてスピンコータにて作製することができる。
膜厚としては、0.1〜10μmが好ましく、0.5〜3μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと図2に示すような圧力室(個別液室1)の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地(振動板3)が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。
電気−機械変換膜として、鉛を含む複合酸化物を使用する場合、鉛の下部電極4との反応、もしくは拡散が生じ圧電特性を劣化させる場合がある。従って、鉛との反応/拡散に対しバリア性のある電極材料が要求される。
本実施形態構成では、導電性酸化物を電極として用いることが有効であると考えている。具体的には化学式ABO3で記述され、A=Sr、Ba、Ca、La、B=Ru、Co、Niを主成分とする複合酸化物があり、SrRuO3、CaRuO3や、これらの固溶体である(Sr1−XCaX)O3の他、LaNiO3、SrCoO3や、これらの固溶体である(La,Sr)(Ni1−yCoy)O3(y=1でも良い)が挙げられる。それ以外の酸化物材料として、IrO2、RuO2も挙げられる。
作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコータにて作製することができる。
本実施形態構成において、PZTを主に使用した。PZTとは、ジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸(PbTiO3)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrO3とPbTiO3との比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般PZT(53/47)と示される。PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。
PZTをSol−gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液を作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、PZT前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加しても良い。
下部電極4の構成と同様に、導電性酸化物を電極として用いることが有効であると考えている。具体的には化学式ABO3で記述され、A=Sr、Ba、Ca、La、B=Ru、Co、Niを主成分とする複合酸化物があり、SrRuO3、CaRuO3や、これらの固溶体である(Sr1−XCaX)O3の他、LaNiO3、SrCoO3や、これらの固溶体である(La,Sr)(Ni1−YCoY) O3(Y=1でも良い)が挙げられる。
作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコータにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irの何れかから成る金属電極材料であることが好ましい。作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。また、下地表面を部分的に表面改質させる工程を用いて、インクジェット工法によりパターニングされた膜を作製することができる。インクジェット工法により作製していく場合については、第2の電極と同様の作製フローにてパターニングされた膜を得ることができる。表面改質材については、下地(絶縁保護膜)が酸化物である場合は主にシラン化合物を選定する。またポリイミド(PI)のような有機物の場合は、紫外線を照射して、照射された領域の表面エネルギーを増大させることができる。その結果、インクジェット工法を用いて、表面エネルギーを増大させた領域に、高精細な第3または第4の電極のパターンを直接描画することができる。さらに、表面エネルギーが小さいポリイミドを用いることにより、有機半導体層を高精細にパターニングすることが可能になる。紫外線で表面エネルギーを増大させることが可能な高分子材料としては、特開2006−060079号公報に記載されている材料を用いることができる。
絶縁膜12の成膜を行わないこと以外は、実施例1と同様なインクジェットヘッド(素子)を作製した。
絶縁膜9、12のAl2O3膜を10nm成膜する以外は、実施例1と同様なインクジェットヘッド(素子)を作製した。
絶縁膜9、4のAl2O3膜を150nm成膜する以外は、実施例1と同様なインクジェットヘッド(素子)を作製した
実施例1と同様に、上部電極6まで作製した後に、絶縁膜10として、プラズマCVDを用いてSiO2膜を500nm成膜した。その後、図7に示すように、エッチングによりコンタクトホール部を形成する。その後、配線電極としてAlをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成した。その後、個別液室形成領域を開口するために、絶縁膜10のみエッチングする。その後、絶縁膜12として、ALD工法を用いてAl2O3膜を50nm成膜した。その後、個別電極配線7、または、共通電極配線を取り出すためのPAD部を開口し、図7に示すインクジェットヘッド(素子)の一部が形成されている。
絶縁膜9のAl2O3膜を200nm成膜し、比較例1と同様なインクジェットヘッド(素子)を作製した。
インク吐出速度:7±1m/sec
印加電圧:15V
図10および図11に示すインクジェット記録装置100は、上述した実施形態および実施例1〜4のインクジェットヘッドを搭載している。
インクジェット記録装置100は、いわゆるシリアル型のインクジェット記録装置であり、記録装置本体100Aの内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ101と、キャリッジ101に搭載した本発明を実施して製造したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド102と、記録ヘッド102へインクを供給するインクカートリッジ103とを含んで構成される印字機構部104を有している。
また、被記録媒体・シートとしては、用紙105に限らず、上記したように使用可能な薄紙から厚紙、はがき、封筒、あるいはOHPシート等まで、インクジェットヘッドを用いて画像形成可能な全ての記録媒体・シートを含むものである。
2 液室基板
3 振動板
4 下部電極
5 圧電体
6 上部電極
7 個別電極配線
8 共通電極配線
9 第1の絶縁膜
10 第2の絶縁膜
11 第3の絶縁膜
12 第4の絶縁膜
13 ノズル板
14 ノズル
15 圧電素子
16 個別電極コンタクトホール部
17 共通電極コンタクトホール部
18 引出配線
19 液室領域
20 駆動信号入力部
100 インクジェット記録装置
100A 記録装置本体
102 記録ヘッド(インクジェットヘッド、液体吐出ヘッド)
103 インクカートリッジ
104 印字機構部
105 用紙(被記録媒体、シート)
Claims (14)
- 隔壁により区画された個別液室が配列される液室基板上に振動板が形成され、前記振動板上の前記個別液室に対向する側に下部電極、圧電体、上部電極から構成される圧電素子が形成されており、前記上部電極と導通する個別電極配線により駆動信号入力部まで引き出される液体吐出ヘッドにおいて、
少なくとも、前記個別電極配線と前記下部電極とが重なり合う領域における前記個別電極配線と前記下部電極との間に、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜とが形成されており、
前記駆動信号入力部を除く前記個別電極配線の形成領域を含む領域に、第3の絶縁膜と第4の絶縁膜とが積層されており、
前記個別液室の形成領域の少なくとも一部に、第2の絶縁膜と第3の絶縁膜とが形成されていない非成膜領域があり、
前記圧電素子の形成部を含む領域であって、第2の絶縁膜と第3の絶縁膜との前記非成膜領域に第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 隔壁により区画された個別液室が配列される液室基板上に振動板が形成され、前記振動板上の前記個別液室に対向する側に下部電極、圧電体、上部電極から構成される圧電素子が形成されており、前記上部電極と導通する個別電極配線により駆動信号入力部まで引き出される液体吐出ヘッドにおいて、
少なくとも、前記個別電極配線と前記下部電極が重なり合う領域の前記個別電極配線と前記下部電極の間に、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜とが形成されており、
前記駆動信号入力部を除く前記個別電極配線の形成領域を含む領域に、第4の絶縁膜が積層されており、
前記個別液室の形成領域の少なくとも一部に、第2の絶縁膜が形成されていない非成膜領域があり、
前記圧電素子の形成部を含む領域であって、第2の絶縁膜の前記非成膜領域に第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 第1の絶縁膜に関して、前記個別液室の形成領域とそれ以外の領域とで膜厚差があり、
前記個別液室の形成領域以外に成膜された第1の絶縁膜の膜厚が、前記個別液室の形成領域に成膜された膜厚と比べて厚いことを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッド。 - 第4の絶縁膜に関して、前記個別液室の形成領域とそれ以外の領域とでは、膜厚差がないことを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッド。
- 第1の絶縁膜に関して、前記個別液室の形成領域とそれ以外の領域とでは、膜密度差があり、
前記個別液室の形成領域以外に成膜された膜密度が前記個別液室の形成領域に成膜された膜密度に比べて大きいことを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッド。 - 第4の絶縁膜に関して、前記個別液室の形成領域とそれ以外の領域とでは、膜密度差がないことを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッド。
- 前記個別液室の形成領域以外に形成された第4の絶縁膜が、第1の絶縁膜に比べて膜厚差がないことを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッド。
- 前記個別液室の形成領域以外に形成された第4の絶縁膜が、第1の絶縁膜に比べて膜密度差がないことを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッド。
- 第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが、同じ材料であることを特徴とする請求項1ないし8の何れか一つに記載の液体吐出ヘッド。
- 第1ないし第4の絶縁膜が、気相法により成膜されることを特徴とする請求項1ないし9の何れか一つに記載の液体吐出ヘッド。
- 第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが、ALD工法により成膜されることを特徴とする請求項1ないし10の何れか一つに記載の液体吐出ヘッド。
- 前記個別液室形成以外の領域において、第1の絶縁膜と第4の絶縁膜とが、20〜100nmであることを特徴とする請求項1ないし11の何れか一つに記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項1ないし12の何れか一つに記載の液体吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液体吐出装置。
- 請求項1ないし12の何れか一つに記載の液体吐出ヘッド、または請求項13記載の液体吐出装置を搭載したことを特徴とする画像形成装置。
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