JP5760616B2 - 液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents
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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、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インクジェットプリンターなどの液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置が知られている。
電極による応力は、振動板上に形成された圧電体の上に形成される、いわゆる上電極による応力の影響が大きい。上電極の構造として中間膜を備えた2層構造のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。中間膜としては、イリジウム、白金およびパラジウムが用いられている。
圧電体との密着性を向上させるために、圧電体上に、イリジウム、白金およびパラジウムを含む電極をスパッタリング法で、厚み数十nm以上形成すると、スパッタガスを電極が取り込み伸張する。その結果、残留応力として圧縮応力が生じ、圧電体に引っ張り応力が加わり易い。圧電体に引っ張りの力が加わると、柱状構造の粒界が広がり、圧電体にクラックが生じ易い。
液体を噴射するノズル開口に連通した圧力発生室と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板と、前記振動板上に形成された第1電極と、前記第1電極上に形成された圧電体と、前記圧電体上に形成された第2電極とを備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記振動板上に、前記第1電極を形成する第1電極形成工程と、前記第1電極上に、前記圧電体を形成する圧電体形成工程と、前記圧電体上に、前記圧電体と比較して熱膨張率の大きい、前記第2電極の導電性を有する第1層を形成する第1層形成工程と、前記第1層上に、前記第1層より酸化され易い犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記振動板、前記第1電極、前記圧電体、前記第1層および前記犠牲層を加熱する加熱工程と、前記加熱工程後に、前記振動板、前記第1電極、前記圧電体、前記第1層および前記犠牲層を冷却する冷却工程と、前記冷却工程後に、前記第1層および前記犠牲層上に、前記第2電極の導電性を有する第2層を形成する第2層形成工程とを含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
上記液体噴射ヘッドの製造方法において、前記第1層はイリジウム層で、前記犠牲層はチタン層であることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
この適用例では、チタン層はイリジウム層より酸化され易いため、前述の効果が達成できる液体噴射ヘッドの製造方法が得られる。
上記液体噴射ヘッドの製造方法において、前記加熱工程における加熱温度は、350℃以上、750℃以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
この適用例では、加熱工程における加熱温度を350℃以上とすることで、第1層の原子の再配列、歪の除去、応力の緩和が行なわれる。一方、加熱工程における加熱温度を750℃以下とすることで、犠牲層の酸化とともに第2電極の第1層が酸化されるのを防げる。したがって、前述の効果が達成できる液体噴射ヘッドの製造方法が得られる。
上記液体噴射ヘッドの製造方法において、前記第2層形成工程で、0.5Pa以上のAr雰囲気下でイリジウムをスパッタリングして前記第2層を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
この適用例では、第2層を0.5Pa以上のAr雰囲気下でイリジウムをスパッタリングして形成することにより、振動板から犠牲層までの積層体に引っ張りの力が加わる。したがって、冷却工程で加わった熱応力によって、圧力発生室側に撓んだ振動板から犠牲層までの積層体が、圧力発生室の体積が増える方向に戻る。したがって、圧電体の変形による排除体積が確保された液体噴射ヘッドの製造方法が得られる。
図1は、液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置1000の一例を示す概略斜視図である。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を備えている。
図1において、インクジェット式記録装置1000は、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、この記録ヘッドユニット1Aおよび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。
また、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、(a)におけるA−A概略断面図を示した。
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、ノズルプレート20は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板または不錆鋼などからなる。
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。
流路形成基板10の弾性膜50上には、酸化ジルコニウム膜からなる絶縁体膜51が形成されている。絶縁体膜51は、例えば、以下のようにして形成する。
まず、ジルコニウム膜を形成する。ジルコニウム膜は、スパッタリング法等により形成できる。ジルコニウム膜を500〜1200℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜51を形成する。
実施形態では、弾性膜50と絶縁体膜51とで、振動板53が構成されている。
図4において、上電極80は、第1層81、第2層82および犠牲層83を備えている。
図5に、インクジェット式記録ヘッド1の製造方法の一部を示すフローチャート図を示した。
図5において、インクジェット式記録ヘッド1の製造方法は、第1電極形成工程としてのステップ1(S1)と、圧電体形成工程としてのステップ2(S2)と、第1層形成工程としてのステップ3(S3)と、犠牲層形成工程としてのステップ4(S4)と、加熱工程としてのステップ5(S5)と、冷却工程としてのステップ6(S6)と、第2層形成工程としてのステップ7(S7)とを含む。
図6(a)は第1電極形成工程(S1)を、図6(b)は圧電体形成工程(S2)を、図6(c)は第1層形成工程(S3)を、図6(d)は犠牲層形成工程(S4)を、図7(a)は加熱工程(S5)を、図7(b)は冷却工程(S6)を、図7(c)は第2層形成工程(S7)を表している。
ここで、実際には、圧力発生室12は、圧電素子300を形成後に流路形成基板10をエッチングして形成されるが、各工程における応力の加わる様子がわかるように、圧力発生室12が形成された状態で断面図を示し、それぞれの工程における変形状態を誇張して示した。
また、製造工程の説明のため、図6および図7では、図2、図3および図4に示した圧電体70、第1層81、犠牲層83および第2層82の形状を形成する前の膜の状態を、同じ符号を用いて示している。
下電極60は、白金、イリジウム等の金属や、ニッケル酸ランタン(LNO)、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO)等の金属酸化物からなる下電極膜を絶縁体膜51の表面に形成後、所定形状にパターニングすることにより得られる。下電極60の厚みは、電極材料の抵抗値によって異なる。
振動板53上に下電極60を形成した状態では、残留応力は少なく、下電極60および振動板53の変形は少ない。
圧電体70としては、チタン酸ジルコン酸鉛を用いることができる。
圧電体70の膜の製造方法としては、金属有機物を触媒に溶解・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70の膜を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いることができる。
なお、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、MOD(Metal−Organic Decomposition)法等を用いてもよい。さらに、これらの液相法による圧電体70の膜の製造方法に限定されず、スパッタリングなどの蒸着法を用いた圧電体70の膜の製造方法であってもよい。
なお、ここで言う脱脂とは、ゾル膜の有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。
焼成温度は、650〜850℃程度であることが好ましく、例えば、約700℃で30分間、圧電体前駆体膜を焼成して圧電体膜を形成する。このような条件で形成した圧電体膜の結晶は(100)面に優先配向する。
上述した塗布・乾燥・脱脂・焼成の工程を、複数回繰り返すことにより、多層の圧電体膜からなる所定厚さの圧電体70の膜を形成する。圧電体70の膜は、柱状構造を有し、粒界が形成される。
圧電体70の膜を形成した状態では、撓みはないか、圧力発生室12側に若干撓む。
スパッタリング法で形成された金属膜は、一般に圧縮応力を有し、振動板53、下電極60、圧電体70の膜に引っ張りの力を加える。したがって、振動板53、下電極60、圧電体70の膜は、圧力発生室12の体積が増える方向に撓む。
犠牲層83の膜は、例えば、第1層81の膜がイリジウム膜の場合、チタン膜をスパッタリング法で形成することによって得られる。
加熱によって、第1層81の膜の原子の再配列、歪の除去、応力の緩和が行なわれ、振動板53、下電極60、圧電体70の膜、第1層81の膜および犠牲層83の膜の変形が少なくなり、第1層形成工程(S3)の前の状態までほぼ戻る。
また、犠牲層83の膜は加熱によって酸化され、島状構造を有するようになる。ここでは、犠牲層83の膜の構造が異なるが同じ符号を付して示している。
冷却によって、熱膨張率の大きい第1層81の膜は、振動板53、下電極60、圧電体70の膜および犠牲層83の膜と比較して大きく収縮する。
この熱応力によって、振動板53、下電極60、圧電体70の膜、第1層81の膜および犠牲層83の膜は、圧力発生室12の体積が減る方向に撓む。
第2層82の膜は、例えば、0.5Pa以上のAr雰囲気下でイリジウムをスパッタリングして形成する。この条件で形成した第2層82の膜には、圧縮応力が生じる。第2層82の膜の膜厚は、振動板53、下電極60、圧電体70の膜、第1層81の膜、犠牲層83の膜および第2層82の膜が、第1層形成工程(S3)の前の状態までほぼ戻るまで力が加わる膜厚とする。例えば、40〜50nmとすることができる。
保護基板30は、圧電素子300に対向する領域に、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態の圧電素子保持部32を有する。
なお、実施形態では、各圧電素子保持部32は、各圧力発生室12の列に対応する領域に一体的に設けられているが、圧電素子300毎に独立して設けられていてもよい。
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。
横軸が加熱温度(℃)を表し、縦軸が平均破壊電界強度(kV/cm)を表している。また、圧電体70としては、チタン酸ジルコン酸鉛を用いた。
図8において、平均破壊電界強度は、加熱温度が350℃から上昇し始め、700℃程度まで上昇し続ける。印加電圧が65Vとして、圧電体70の厚みが1.4μmの場合、加わる電界強度は480(kV/cm)であるので、加熱工程(S5)を行なわなくてもクラックによる破壊は起こりにくい。一方、高密度化に伴い、圧電体70の厚みが0.7μmになると、加わる電界強度は930(kV/cm)となる。したがって、加熱工程(S5)で、700℃程度の加熱を行なって、1000(kV/cm)程度の平均破壊電界強度を得る必要がある。
(1)第1層形成工程(S3)で、圧電体70上に圧電体70と比較して熱膨張率の大きい上電極80の第1層81を形成する。その後、加熱工程(S5)を行って冷却工程(S6)を行なう。加熱工程(S5)では、第1層81の原子の再配列、歪の除去、応力の緩和が行なわれる。冷却工程(S6)では、第1層81の熱膨張率が圧電体70より大きいので、第1層81の冷却による収縮量が圧電体70と比較して大きく、熱膨張差による熱応力が、圧電体70に加わる。この圧電体70に加わる熱応力は、圧電体70を圧縮する力として働く。したがって、第1層81と接する圧電体70の界面に圧縮する力が加わり、界面からのクラックの発生を抑えることができ、圧電体70の変形量を大きくしても耐クラック性に優れたインクジェット式記録ヘッド1の製造方法を得ることができる。
例えば、第1電極、圧電体、第1層、犠牲層、第2層を形成する材料によって、排除体積を含めたインクジェット式記録ヘッドの駆動に適切な膜厚、形成条件を選択することができる。
また、第1層に用いる材料と犠牲層に用いる材料の組み合わせは、イリジウムとチタンに限らない。
その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)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。
Claims (4)
- 液体を噴射するノズル開口に連通した圧力発生室と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板と、前記振動板上に形成された第1電極と、前記第1電極上に形成された圧電体と、前記圧電体上に形成された第2電極とを備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記振動板上に、前記第1電極を形成する第1電極形成工程と、
前記第1電極上に、前記圧電体を形成する圧電体形成工程と、
前記圧電体上に、前記圧電体と比較して熱膨張率の大きい、前記第2電極の導電性を有する第1層を形成する第1層形成工程と、
前記第1層上に、前記第1層より酸化され易い犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記振動板、前記第1電極、前記圧電体、前記第1層および前記犠牲層を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程後に、前記振動板、前記第1電極、前記圧電体、前記第1層および前記犠牲層を冷却する冷却工程と、
前記冷却工程後に、前記第1層および前記犠牲層上に、前記第2電極の導電性を有する第2層を形成する第2層形成工程と、を含み、
前記第1層形成工程と前記第2層形成工程の少なくともどちらか一方はスパッタリング法を用いていることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 - 請求項1に記載の液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記第1層はイリジウム層で、前記犠牲層はチタン層である
ことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 - 請求項2に記載の液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記加熱工程における加熱温度は、350℃以上、750℃以下である
ことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記第2層形成工程で、0.5Pa以上のAr雰囲気下でイリジウムをスパッタリングして前記第2層を形成する
ことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
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