JPH0858088A - 液体噴射ヘッド - Google Patents
液体噴射ヘッドInfo
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Abstract
より、高信頼性かつ高歩留まりの液体噴射ヘッドを提供
すること。 【構成】 下電極104と圧電膜105の間に、酸素を
含有した、チタン層またはチタンを含有する合金層20
4を設けた液体噴射ヘッド。
Description
適に用いられる液体噴射ヘッドに関する。
流路を有する液体噴射ヘッド、並びにインク供給系とを
具備し、液室内に充満しているインクにエネルギーを与
えることにより、液室内のインクが液体流路に押し出さ
れ、その結果ノズルからインク滴が噴射され、これによ
り文字・画像情報の記録が行われるものである。インク
にエネルギーを与える手段としては、圧電素子を用いて
液室内を加圧する手段、またはヒータを用いて液室内イ
ンクを加熱する手段が一般的である。本発明は、この
内、圧電素子を用いて液室内を加圧する手段をもつ、液
体噴射ヘッドに関する。
ては、ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジッ
クスパート1、1993年、第32巻、9B号、414
4−4146頁に所載の論文がある。
ィジックス、パート1、1993年、第32巻、9B
号、4144−4146頁に所載の論文においては、単
結晶珪素基板上に、二酸化珪素層、タンタル層500
Å、チタン層500Å、白金層2000Åと積層し、さ
らにゾルゲル法で厚み2300Å程度に形成したPZT
(チタン酸ジルコン酸鉛)薄膜が開示されている。PZ
Tは圧電材料として一般的なものであり、本発明の液体
噴射ヘッドの圧電膜に用いることができる。
来技術による液体噴射ヘッドの構成要素においては、以
下に示すような解決されるべき問題がある。
ィジックス、パート1、1993年、第32巻、9B
号、4144−4146頁に所載の論文においては、単
結晶珪素基板上に、二酸化珪素層、タンタル層500
Å、チタン層500Å、白金層2000Åと積層し、さ
らにゾルゲル法で形成したPZT(チタン酸ジルコン酸
鉛)薄膜が開示されている。実際、本発明者がSiO2
付きSi基板上にその通りの電極を構成し、スパッタリ
ング法でPZTを1μm形成し、その後900℃酸素雰
囲気中で熱処理を行ってみた。すると、部分的に白金電
極とPZTとの間に剥がれが生じ、白金とPZTとの密
着力が弱いことが示唆された。
されたものであり、下電極と圧電膜との密着性を改善す
ることにより、高信頼性かつ高歩留まりの液体噴射ヘッ
ドを提供することを目的とするものである。
は、噴射すべき液体を保持するための液室が形成された
基板、ノズル、液体流路、前記液室上に形成された振動
板、前記振動板上に形成された下電極、圧電膜、及び上
電極より成る圧電素子を具備し、前記液室、ノズル、液
体流路、振動板、圧電素子が複数個配列されて成り、前
記圧電素子を駆動し振動板をたわませ液室の体積を変化
させることにより、液体流路を介して液室内に供給され
た液体をノズルより外部に噴射させる液体噴射ヘッドに
おいて、前記下電極上部に、酸素を含有した、チタン層
またはチタンを含有する合金層を設けたことを特徴とす
る。
有したチタン層またはチタンを含有する合金層の厚みを
200Å以下としたことを特徴とする。
様な球形の結晶粒により構成されていることを特徴とす
る。
ながら説明する。
る液体噴射ヘッドの斜視図である。液室102上に形成
された振動板103、振動板103上に形成された酸素
を含有したタンタル層203、及び下電極104、前記
下電極104上部に形成された酸素を含有するチタン層
204、圧電膜105、上電極106による圧電素子が
形成された第1の基板101と、液体流路108が形成
された第2の基板107を接合して成る構成となってい
る。109は第1の基板101と第2の基板107を接
合した断面の開口部に形成されたノズルである。液室1
02とノズル109は、同一のピッチで配置されてい
る。
ると、下電極104と上電極106の間に電圧を印加
し、下電極104、圧電膜105、上電極106よりな
る圧電素子、及び振動板103を変形させ、液室102
の体積を減少させ、液室102内に充満しているインク
を液体流路108へ押し出し、ノズル109よりインク
が噴射される動作となる。本実施例中において、液室1
02の配列方向長さL=100μm、その奥行き方向長
さW=15mm、下電極104の配列方向長さLl=1
18μm、その奥行き方向長さWl=17mm、圧電膜
105の配列方向長さLp=88μm、その奥行き方向
長さWp=16mm、上電極106の配列方向長さLu
=82μm、その奥行き方向長さWu=15.8mmと
した。また、液体流路108の断面は40μm角とし
た。
ヘッドを詳細に説明する。
実施例における、第1の基板101に圧電素子及び液室
を形成するまでの製造工程を示す断面図である。なお、
この断面図において、紙面に垂直な方向が液室の奥行き
方向となる。
の基板101を1200℃で熱酸化し、基板101の両
面に酸化珪素層201を厚み5000Å形成する。そし
て、基板101の片面からホウ素を1000℃で酸化珪
素層201の下部に拡散させ、単結晶珪素による振動板
103を形成する。振動板103の厚みは1μm、ホウ
素の濃度は1020cm-3(ホウ素の原子数を1cm3あ
たり1020個)とした。更に、基板101の両面にフォ
トレジストを形成し、振動板103を設けた側と反対側
の表面に開口部を設け、酸化珪素層201を弗酸と弗化
アンモニウムの水溶液でパターニングし、開口部202
を形成する。この時開口部202の奥行き方向、すなわ
ち紙面に垂直な方向を
た後、基板101の振動板103側に、酸素を含有した
タンタル層203、下電極104、酸素を含有したチタ
ン層204、圧電膜105と積層し、図2(a)に示す
断面図となる。実際には、振動板103側の酸化珪素層
201上に金属タンタルを600Å、次に下電極104
及び酸素を含有するチタン層204として、密着層にチ
タンを50Å、さらに白金を2000Å、その上部にチ
タンを50Åとスパッタリング法で3層形成し、更に圧
電膜105を厚み3μmに、組成Pb0.95Sr0.05Zr
0.28Ti0.35Mg0. 123Nb0.247O3(90mol%)
+PbO(10mol%)で示される焼結体ターゲット
を用いて、アルゴン雰囲気中基板加熱なしで高周波スパ
ッタリング成膜を行い、酸素雰囲気中650℃1時間+
900℃1時間アニールを行い、同図に示す酸素を含有
したタンタル層203、下電極104、酸素を含有した
チタン層204、圧電膜105を形成した。実際、酸素
雰囲気中650℃1時間+900℃1時間のアニールを
行った後、下電極104の上部に圧電膜105が存在し
ない部分をX線回折法で分析したところ、二酸化チタン
の結晶からの回折線が観測され、酸素を含有するチタン
層204が存在することが確認された。
下電極104を王水水溶液でパターニングし、更に上電
極106をスパッタリング法でチタンを厚み50Å、金
を厚み2000Åと、この順に形成し、ヨウ素とヨウ化
カリウムの水溶液でパターニングし、図2(b)に示す
断面図となる。
で厚み2μmに形成し、図示しない電極取り出し部の保
護膜を現像により取り除き、400℃で熱処理を行う。
次に、保護膜205を形成した圧電素子側の面を治具に
より保護し、水酸化カリウム水溶液に浸せきし、酸化珪
素層201の開口部202から単結晶珪素基板101の
異方性エッチングを行い、液室102を形成する。この
時単結晶珪素基板101の面方位が(110)であり、
更に開口部202の奥行き方向が
の辺を形成する側壁の面を(111)面とすることがで
きる。水酸化カリウム水溶液を用いた場合、単結晶珪素
の(110)面と(111)面のエッチングレートの比
は300:1程度となり、300μmの深さの溝をサイ
ドエッチング1μm程度に抑えて形成することができ、
液室102が形成される。そして、基板101を前記治
具に固定したまま、基板101に接している酸化珪素層
201を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でエッチング
除去し、図2(c)に示す断面図となる。
射ヘッドの実装構造の概念図である。圧電素子及び液室
が形成された第1の基板101と液体流路108が形成
された第2の基板107を接合し、ノズル109と液体
導入孔304が形成される。液体導入孔304側を基材
301で囲み、液体室303が形成される。この液体室
303には外部から液体が供給されるようになっている
(図示せず)。基材301は実装基板302に取り付け
られる。第2の基板107は、プラスチックを射出成形
することにより、液体流路108と一体形成した。この
液体噴射ヘッドを用いて液体噴射実験を行ったところ、
液体として水系インクを用い、圧電膜への印加電圧を1
5Vとしたとき、ノズルから5mm離れた部分での液体
噴射速度は17m/secであった。
電極104上にスパッタリング成膜する金属チタンの厚
みを変えてみた。上記製造工程において、酸素雰囲気中
650℃1時間+900℃1時間のアニールまでを行
い、目視、金属顕微鏡、走査電子顕微鏡(SEM)によ
り、観察を行った。その結果を表1に示す。
を含有するチタン層204を形成することにより、圧電
膜105と下電極104間の密着性が向上し、剥離現象
がなくなったことがわかる。また、金属チタンの厚みが
200Åの場合、PZT下部に空洞が生じているが、こ
れは、アニール時にPZT105中の酸化鉛と酸素を含
有するチタン層204が反応して液化することに起因す
るものと考えられる。従って、酸素を含有するチタン層
204の厚みはあまり厚くない方が望ましい。金属チタ
ンを酸素雰囲気中650℃1時間+900℃1時間のア
ニールを行った場合、その膜厚はアニール前の倍程度と
なることが本発明者のSEM観察により確認されている
ため、酸素を含有するチタン層204の厚みとしては2
00Å以下であることが望ましい。
酸素を含有するチタン合金、例えば、チタン−タンタル
合金、チタン−ニッケル合金、チタン−白金合金等であ
っても良い。
明はその主旨を逸脱しない範囲で広く適用が可能であ
る。例えば、図4に示すような平面、断面構成の液体噴
射ヘッドにも適用可能である。
おける、第2の基板107にノズルを形成した液体噴射
ヘッドにおける、平面図及び断面図である。液体流路1
08を形成した第2の基板107に、ノズル401を形
成し、第1の基板101と接合した構成となっている。
ノズル401は、エキシマレーザーを照射することによ
り形成すればよい。
(a)に示すように液室102を千鳥状に配置し、しか
もノズル401を一直線上に配置することが可能とな
る。従って、ノズル401の配列ピッチを液室102の
配列ピッチの半分とすることができ、液室寸法を100
μmとした場合、ノズルを400DPI程度の密度で配
置することが可能となる。すなわち、ノズルの更なる高
密度化が可能となる。
成要素や材料も上記実施例中のものに限定されるもので
はない。例えば、圧電膜105の厚みをさらに大きくす
ることも可能であるし、またその材料も特定組成のPZ
Tに限定されることなく、組成比や、添加物の種類を変
えても良いし、それらの多層構造でも良いし、またPZ
Tに限らず鉛を含有する材料、例えばチタン酸鉛を用い
て良い。またその製法もゾルゲル法等、他の方法を用い
て良い。下電極104も密着層にクロム、ニッケル、タ
ングステン等を用いて良いし、白金層を白金−ロジウム
合金や白金−イリジウム合金、白金−チタン合金等を用
いて良い。また、酸素を含有するタンタル層203を化
学気相成長(CVD)法や、酸化物ターゲットを用いた
スパッタリング法でいきなり形成しても良い。さらにそ
の層中に低価数の酸化物、例えば2酸化タンタル相等を
含んでいても良い。
タン層204を設けることにより、酸素雰囲気中650
℃1時間+900℃1時間アニール後における、上記組
成によるPZTによる圧電膜105の断面構造は、SE
M観察によれば、一様な球形の結晶粒により構成されて
いた。図5(a)に下電極104上に酸素を含有するチ
タン層204を設けた圧電膜105の断面構造の模式図
を示す。圧電膜105は、一様な球形の結晶粒501に
より構成されていることがわかる。これに対し、酸素を
含有するチタン層204がない場合の圧電膜105の断
面構造の模式図は、図5(b)に示されるように、下電
極104との界面から5000Å程度上まで柱状の結晶
粒502が形成され、その上部に球形の結晶粒501が
形成されていた。その圧電歪み定数d31は、後者が15
0pC/Nであったのに対し、前者は170pC/Nと
大きくなり、前者を用いた場合の液体噴射特性も向上し
た。従って、酸素を含有するチタン層204を設けるこ
とにより、圧電膜105の断面構造が一様な球形の結晶
粒により構成されるようになり、このためか、圧電歪み
定数d31が大きくなり、液体噴射特性も向上するとい
う、当初考えてもみなかった効果まで出現した。
ける、振動板103に酸化ジルコニウムを用いた液体噴
射ヘッドにおける、圧電素子、液室を形成した基板の断
面図である。同図において、図1と同一の記号は図1と
同一のものを表す。
施例1に示すものとほぼ同じであるが、以下、それと異
なる点を具体的に示すと、面方位(110)の単結晶珪
素による第1の基板101の両面に酸化珪素層201を
形成した後、即酸化珪素層201のパターニングを行
い、液室102を形成するための開口部を形成すると同
時に、該開口部と反対側の面の酸化珪素層を除去する。
酸化珪素層を全面に除去した面に金属ジルコニウムを形
成し、熱酸化することにより酸化ジルコニウムによる振
動板103が形成される。
素によるものに比べ、ヤング率が大きい。従って、圧電
膜に同じ電圧を印加したときの液室102上の振動板1
03の変形量や発生圧力は、振動板に酸化ジルコニウム
を用いた場合の方が大きく、従って液体噴射特性も良
い。
ジルコニウム(ジルコニア)のみならず、イットリウム
等が添加された安定化ジルコニア、さらにはアルミナ、
窒化アルミニウム、窒化ジルコニウム等を用いて良く、
また、それらの積層構造で振動板103を形成しても良
い。
噴射ヘッドは、下電極上部に酸素を含有したチタンまた
はチタンを含有する合金層を設け、望ましくはその厚み
を200Å以下とすることにより、下電極と圧電膜との
密着性を改善することができた。また、同時に圧電膜に
おける結晶組織が一様な球形の結晶粒により構成される
ようになり、圧電ひずみ定数が大きくなり、液体噴射特
性も向上するといった、思っても見なかった効果も出現
した。
図。
圧電素子及び液室を形成するまでの製造工程を示す断面
図。
装構造の概念図。
107にノズルを形成した液体噴射ヘッドにおける、平
面図。(b)はその断面図。
造の模式図。
ジルコニウムを用いた液体噴射ヘッドにおける、圧電素
子、液室を形成した基板の断面図。
Claims (3)
- 【請求項1】 噴射すべき液体を保持するための液室が
形成された基板、ノズル、液体流路、前記液室上に形成
された振動板、前記振動板上に形成された下電極、圧電
膜、及び上電極より成る圧電素子を具備し、前記液室、
ノズル、液体流路、振動板、圧電素子が複数個配列され
て成り、前記圧電素子を駆動し振動板をたわませ液室の
体積を変化させることにより、液体流路を介して液室内
に供給された液体をノズルより外部に噴射させる液体噴
射ヘッドにおいて、 前記下電極上部に、酸素を含有した、チタン層またはチ
タンを含有する合金層を設けたことを特徴とする液体噴
射ヘッド。 - 【請求項2】 前記下電極上部に設けた、酸素を含有し
たチタン層またはチタンを含有する合金層の厚みを20
0Å以下としたことを特徴とする請求項1記載の液体噴
射ヘッド。 - 【請求項3】 前記圧電膜における結晶組織が、一様な
球形の結晶粒により構成されていることを特徴とする請
求項1記載の液体噴射ヘッド。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20108794A JP3491643B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 液体噴射ヘッド |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20108794A JP3491643B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 液体噴射ヘッド |
Publications (2)
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JPH0858088A true JPH0858088A (ja) | 1996-03-05 |
JP3491643B2 JP3491643B2 (ja) | 2004-01-26 |
Family
ID=16435183
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20108794A Expired - Lifetime JP3491643B2 (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 液体噴射ヘッド |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3491643B2 (ja) |
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