JP2014192436A - Liquid ejection head, liquid ejection device, piezoelectric element, and actuator device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電体層とその両側に電極とが設けられた圧電素子、圧電素子を有するアクチュエーター装置、アクチュエーター装置を有する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element in which a piezoelectric layer and electrodes are provided on both sides thereof, an actuator device having the piezoelectric element, a liquid ejecting head having the actuator device, and a liquid ejecting apparatus.
液体噴射ヘッドの代表例として知られているインクジェット式記録ヘッドなどに用いられる圧電素子では、圧電体層の結晶性の向上のため、圧電体層をチタン層上に形成する技術が知られている。例えば、特許文献1には、下部電極上にチタン層を介して圧電体層の1層目を形成した後、この1層目の圧電体層と共に下部電極をパターニングし、1層目の圧電体層上及び振動板上にさらにチタン層を形成した後、残りの圧電体層を形成するようにした圧電体素子の製造方法が開示されている。また、特許文献2には、下部電極をパターニングした後、全体にチタン層を設けて、その上に圧電体層を設けた圧電素子が開示されている。
In a piezoelectric element used for an ink jet recording head known as a representative example of a liquid ejecting head, a technique for forming a piezoelectric layer on a titanium layer is known in order to improve the crystallinity of the piezoelectric layer. . For example, in
しかしながら、このようなチタン層で圧電体層の配向制御を行った場合は、特許文献1、2の何れの場合でも、振動板上に形成された圧電体層の結晶粒が下部電極上の圧電体層の結晶粒より大きな結晶粒となりやすく、結晶粒が不均一となり、また、下部電極のパターニング境界で小さい穴などの異常成長が発生し、何れもクラック等の原因となるという問題がある。また、特許文献1の圧電体素子の製造方法では、1層目の圧電体層上に形成されたチタン層によって、圧電体層の結晶が1層目と2層目との間で分断されて不連続となってしまう場合があり、圧電体層の結晶性に影響を与えることもある。
また、配向制御層としてチタン層の代わりにランタンニッケル酸化物(LNO)を用いた技術も知られている(例えば、特許文献3、4など)。
However, when the orientation control of the piezoelectric layer is performed with such a titanium layer, in either case of
A technique using lanthanum nickel oxide (LNO) instead of a titanium layer as an orientation control layer is also known (for example,
しかしながら、特許文献3、4では、金属層の上層に配向制御層としてのLNOを設け、両者を一緒にパターニングする構造であり、電極上と振動板上との圧電体層の結晶粒が不均一になるという問題がある。
However, in
何れにしても、特許文献1〜4の技術では、電極上と振動板上の圧電体層の結晶粒の不均一さに起因する問題は解消されていない。
一方、圧力発生室の端部近傍では、振動板の変位が大きい領域と小さな領域との境界が存在することになるから、振動板や圧電素子の破壊が生じやすいことが知られており、電界が印加される圧電体能動部と電界が印加されない圧電体非能動部との境界をどこに配置するかという問題もある。
In any case, the techniques of
On the other hand, in the vicinity of the end of the pressure generating chamber, there is a boundary between a region where the displacement of the vibration plate is large and a region where the vibration plate is small. There is also a problem of where the boundary between the piezoelectric active part to which the voltage is applied and the piezoelectric inactive part to which no electric field is applied is arranged.
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、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子や圧電アクチュエーターにおいても同様に存在する。 Such a problem exists not only in the ink jet recording head, but of course in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink as well. The same applies to piezoelectric actuators.
本発明はこのような事情に鑑み、電極と振動板との境界付近の圧電体層の結晶粒の不均一さや結晶の異常成長を解消し、また、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界近傍の振動板や圧電素子の破壊を防止した液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子及びアクチュエーター装置を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention eliminates the crystal grain non-uniformity and abnormal crystal growth in the vicinity of the boundary between the electrode and the diaphragm, and the piezoelectric active part and the piezoelectric non-active part. An object of the present invention is to provide a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, a piezoelectric element, and an actuator device that prevent the diaphragm and the piezoelectric element near the boundary of the substrate from being destroyed.
上記課題を解決する本発明の態様は、圧電体層と前記圧電体層に設けられた電極とを具備する圧電素子を備えた液体噴射ヘッドであって、第1導電体層と、該第1導電体層上に設けられ且つランタンニッケル酸化物からなり配向制御層を兼ねる第2導電体層とからなる第1電極と、該第1電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第2電極とを具備し、前記圧電素子が、前記第1導電体層及び第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第1圧電体能動部と、前記第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第2圧電体能動部とを具備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、第1電極と振動板との境界付近の圧電体層の結晶粒の不均一さや結晶の異常成長を解消し、また、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界近傍の振動板や圧電素子の破壊を防止することができる。
According to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem, there is provided a liquid ejecting head including a piezoelectric element including a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer, the first conductive layer and the first conductive layer. A first electrode comprising a second conductor layer made of lanthanum nickel oxide and also serving as an orientation control layer; a piezoelectric layer provided on the first electrode; and the piezoelectric layer A first electrode active portion sandwiched between the first conductor layer, the second conductor layer, and the second electrode; and a second electrode provided on the second electrode; The liquid ejecting head includes a second piezoelectric active part sandwiched between two conductor layers and the second electrode.
In this aspect, the crystal layer non-uniformity and abnormal crystal growth in the vicinity of the boundary between the first electrode and the vibration plate are eliminated, and the vicinity of the boundary between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion is eliminated. Breakage of the diaphragm and the piezoelectric element can be prevented.
ここで、前記圧電体層のパターニング形状と、前記第2導電体層のパターニング形状が実質的に一致していることが好ましい。これにより、第2導電体層が露出する部分がなくなる。 Here, it is preferable that the patterning shape of the piezoelectric layer substantially matches the patterning shape of the second conductor layer. Thereby, there is no portion where the second conductor layer is exposed.
また、複数の前記圧電素子が、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が複数並設された流路形成基板の一方面側に圧力発生室毎に設けられ、前記第1導電体層は前記圧力発生室の並設方向である第1方向に亘って連続的に且つ前記第1方向とは交差する第2方向の前記圧力発生室の端部に対向する領域は覆わないように設けられ、前記第2導電体層と前記圧電体層とは前記圧力発生室毎に個別に且つ前記圧力発生室の前記第2方向の端部に対向する領域を覆うように設けられているのが好ましい。これにより、圧力発生室の第2方向端部において、第1圧電体能動部の外側に連続する第2圧電体能動部が圧力発生室の外側まで延設され、振動板や圧電素子の破壊が防止される。 In addition, the plurality of piezoelectric elements are provided for each pressure generation chamber on one surface side of a flow path forming substrate in which a plurality of pressure generation chambers communicating with a nozzle opening for ejecting a liquid are arranged in parallel, and the first conductor layer Is provided so as not to cover the region facing the end of the pressure generating chamber in the second direction continuously across the first direction, which is the parallel direction of the pressure generating chambers, and in the second direction intersecting the first direction. The second conductor layer and the piezoelectric layer are provided for each pressure generating chamber individually and so as to cover a region facing the end portion of the pressure generating chamber in the second direction. preferable. As a result, at the second direction end portion of the pressure generating chamber, the second piezoelectric active portion continuous to the outside of the first piezoelectric active portion extends to the outside of the pressure generating chamber, and the vibration plate and the piezoelectric element are destroyed. Is prevented.
また、前記圧電体層が、チタン酸ジルコン酸鉛からなり、配向制御用のチタンを含まず、厚さ方向に結晶が分断されていない結晶構造を有するのが好ましい。このように種チタンや中間チタンなどのチタンを排除したことにより、厚さ方向に結晶が分断されていない結晶構造を有するものとなる。 The piezoelectric layer is preferably made of lead zirconate titanate, does not contain orientation controlling titanium, and has a crystal structure in which crystals are not divided in the thickness direction. Thus, by eliminating titanium such as seed titanium and intermediate titanium, it has a crystal structure in which crystals are not divided in the thickness direction.
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、第1電極と振動板との境界付近の圧電体層の結晶粒の不均一さや結晶の異常成長を解消し、また、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界近傍の振動板や圧電素子の破壊を防止した液体噴射装置が実現できる。
Another aspect is a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to the above aspect.
In this aspect, the crystal layer non-uniformity and abnormal crystal growth in the vicinity of the boundary between the first electrode and the vibration plate are eliminated, and the vicinity of the boundary between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion is eliminated. A liquid ejecting apparatus that prevents the vibration plate and the piezoelectric element from being destroyed can be realized.
また、他の態様は、第1導電体層と、該導電体層上に設けられ且つランタンニッケル酸化物からなり配向制御層を兼ねる第2導電体層とからなる第1電極と、該第2共通電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第2電極とを具備し、前記圧電素子が、前記第1導電体層及び第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第1圧電体能動部と、前記第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第2圧電体能動部とを具備することを特徴とする圧電素子にある。
かかる態様では、第1電極と振動板との境界付近の圧電体層の結晶粒の不均一さや結晶の異常成長を解消し、また、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界近傍の振動板や圧電素子の破壊を防止した圧電素子が実現できる。
In another aspect, the first electrode includes a first conductor layer, a second electrode provided on the conductor layer and made of lanthanum nickel oxide and serving as an orientation control layer, and the second electrode. A piezoelectric layer provided on the common electrode; and a second electrode provided on the piezoelectric layer, wherein the piezoelectric element includes the first conductor layer, the second conductor layer, and the second electrode. A piezoelectric element comprising: a first piezoelectric active part sandwiched between electrodes; and a second piezoelectric active part sandwiched between the second conductor layer and the second electrode.
In this aspect, the crystal layer non-uniformity and abnormal crystal growth in the vicinity of the boundary between the first electrode and the vibration plate are eliminated, and the vicinity of the boundary between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion is eliminated. A piezoelectric element that prevents the diaphragm and the piezoelectric element from being destroyed can be realized.
また、他の態様は、上記態様の圧電素子を変位可能に具備することを特徴とするアクチュエーター装置にある。
かかる態様では、第1電極と振動板との境界付近の圧電体層の結晶粒の不均一さや結晶の異常成長を解消し、また、圧電体能動部と圧電体非能動部との境界近傍の振動板や圧電素子の破壊を防止したアクチュエーター装置が実現できる。
According to another aspect, there is provided an actuator device comprising the above-described piezoelectric element that can be displaced.
In this aspect, the crystal layer non-uniformity and abnormal crystal growth in the vicinity of the boundary between the first electrode and the vibration plate are eliminated, and the vicinity of the boundary between the piezoelectric active portion and the piezoelectric inactive portion is eliminated. An actuator device that prevents the vibration plate and the piezoelectric element from being destroyed can be realized.
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
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、流路形成基板の平面図及びインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の断面図であり、図3は、図2のA−A′線断面の要部を拡大した図、図4は図2の要部拡大平面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid ejecting head according to
図示するように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその短手方向である第1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、すなわち、前記第1方向と直交する第2方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、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。本実施形態では、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ことになる。
As shown in the figure, the flow
On the flow
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、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
Further, on the opening surface side of the flow
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、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、厚さが例えば、400nm程度の酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜55が形成されている。この絶縁体膜55上には、チタン、ジルコニウム等の酸化物からなり、弾性膜50等の第1電極60の下地との密着性を向上させるための密着層56が設けられている。
On the other hand, the
さらに、この密着層56上には、第1電極60と、厚さが3μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜である圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧力発生室12に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子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。また、ここでは、基板(流路形成基板10)上に変位可能に設けられた圧電素子300をアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、絶縁体膜55、密着層56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または絶縁体膜55や、密着層56を設けなくてもよい。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。
Further, on the adhesion layer 56, a
第1電極60は、導電性を示す材料、例えば、白金、イリジウム、酸化イリジウム又はこれらの積層構造からなるもの、又はランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物からなる第1導電体層61と、この上に設けられたランタンニッケル酸化物(LNO)からなりペロブスカイト構造を有する配向制御層を兼ねる第2導電体層62とからなる。
The
第2導電体層62は、結晶の配向面が疑キュービック表示で(100)面に優先配向しており、この上に積層される圧電体層70を(100)に優先配向させる配向制御層として機能する。なお、本発明で「結晶が(100)面に優先配向している」とは、全ての結晶が(100)面に配向している場合と、ほとんどの結晶(例えば、90%以上)が(100)面に優先配向している場合と、を含むものである。また、第2導電体層62は、導電性を具備するものであるから、4nm以上、好ましくは10nm以上の厚さとするのが好ましい。また、圧電素子の変位確保の面から、20nm以下の厚さとするのが好ましい。
また、第2導電体層62は、圧電体層70に鉛が含まれる場合には、鉛拡散機能を有するので、第1導電体層61に同じく鉛拡散機能を有する白金を用いる必要はない。
The
Further, since the
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り、例えば、一般式ABO3で示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、Aは、鉛を含み、Bは、ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも一方を含むことができる。前記Bは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層70としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3:PZT)、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O3:PZTNS)などを用いることができる。
The
また、圧電体層70は、鉛を含まない非鉛系圧電材料、例えば、鉄酸ビスマスや鉄酸マンガン酸ビスマスと、チタン酸バリウムやチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物などとしてもよい。
第2電極80は、金属伝導を示す材料であればよく、例えば、白金、イリジウム、酸化イリジウム又はこれらの積層構造からなるものとすることができる。
Further, the
The
ここで、図2(a)の要部を拡大した図4に示すように、第1電極60の第1導電体層61と第2導電体層62とは異なるパターニング形状を有する。第1導電体層61は、圧力発生室12の並設方向(第1方向)に亘って連続的に設けられているが、圧力発生室12の並設方向と直交する第2方向端部に対向する領域には設けられていない。一方、第2導電体層62は、基本的には、第2電極80及び圧電体層70のパターニング形状と同一であり、圧力発生室12の並設方向(第1方向)では圧力発生室12に対向する領域内で圧力発生室12の短手寸法(第1方向の寸法)より若干小さな寸法でパターニングされ、圧力発生室12の第2方向(長手方向)では第1導電体層61の端部を越えて圧力発生室12の外側に対向する領域まで延設されている。よって、圧電素子300は、圧力発生室12の第2方向中央領域で第1導電体層61、第2導電体層62、圧電体層70及び第2電極80を具備する第1圧電体能動部310と、第1圧電体能動部310の第2方向外側に延設される、第2導電体層62、圧電体層70及び第2電極80とを具備する第2圧電体能動部320とを具備する。
Here, as shown in FIG. 4 in which the main part of FIG. 2A is enlarged, the
ここで、第1圧電体能動部310は、第1導電体層61及び第2導電体層62からなる第1電極60を具備するのに対し、第2圧電体能動部320は、第1導電体層61が存在せずに第2導電体層62のみからなる第1電極60を具備するので、第1圧電体能動部310と比較して印加される電界が相対的に小さくなり、圧電歪が小さくなる。すなわち、圧力発生室12の端部近傍に対向する領域では、第1導電体層61が存在しないので、振動板としては変位し易いが、第1圧電体能動部310より相対的に圧電歪が小さい第2圧電体能動部320が設けられ、当該第2圧電体能動部320が圧力発生室12の外側に対向する領域まで延設されているので、変位を確保しつつ振動板及び圧電素子300の破壊を防止できるという効果を奏する。因みに、第1圧電体能動部310を圧力発生室12の外側に対向する領域まで延設してしまうと、第1圧電体能動部310とその外側の圧電体非能動部との境界における応力が振動板の変形によって開放されず、この境界に応力集中に起因する焼損やクラック等の破壊が発生する虞がある。本実施形態では、振動板が変形し難い境界付近の非可撓部に圧電歪が小さい第2圧電体能動部320を設けられているため、非圧電体能動部との境界の応力集中を低減して破壊を抑制できる。
Here, the first piezoelectric active part 310 includes the
また、圧電素子300は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜200によって覆われている。本実施形態では、保護膜200を圧電体層70の側面と第2電極80の側面及び上面の周縁部を覆い、且つ複数の圧電素子300に亘って連続して設けるようにした。すなわち、第2電極80の上面の略中心領域である主要部は、保護膜200が設けられておらず、第2電極80の上面の主要部を開口する開口部201が設けられている。
The
開口部201は、保護膜200を厚さ方向に貫通して圧電素子300の長手方向に沿って矩形状に開口するものであり、例えば、流路形成基板10上の全面に亘って保護膜200を形成した後、選択的にパターニングすることで形成することができる。
The
このように圧電素子300を保護膜200で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子300の側面でのリークに起因する破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜200の材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン(SiOx)、酸化タンタル(TaOx)、酸化アルミニウム(AlOx)等の無機絶縁材料、または、ポリイミド(PI)等の有機絶縁材料を用いることができる。
By covering the
また、保護膜200に開口部201を設けることにより、圧電素子300(圧電体能動部)の変位を阻害することなく、インク吐出特性を良好に保持することができる。
なお、保護膜200は、圧電素子300の少なくとも圧電体層70の表面を覆うように設ければよく、各圧電素子300毎に保護膜を設け、複数の圧電素子300に亘って不連続となるようにしてもよい。
In addition, by providing the
The
この保護膜200上には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が設けられている。リード電極90は、保護膜200に設けられた連通孔202を介して一端部が上電極膜80に接続されると共に、他端部が流路形成基板10のインク供給路14側まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子300を駆動する駆動回路120と接続配線121を介して接続されている。
On the
さらに、圧電素子300が形成された流路形成基板10上には、連通部13に対向する領域にマニホールド部31が設けられた保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、上述したように、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の共通の液体室となるリザーバー100を構成している。
Further, on the flow
また、保護基板30には、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有する圧電素子保持部32が設けられている。なお、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。
Further, the
さらに、保護基板30の圧電素子保持部32とマニホールド部31との間の領域には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられ、この貫通孔33内に下電極膜60の一部及びリード電極90の先端部が露出されている。
Further, a through
また、保護基板30上には、圧電素子300を駆動するための駆動回路120が実装されている。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ー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
A
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。
As the
また、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によってマニホールド部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で形成される。この固定板42のリザーバー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、リザーバー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。
A
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からインクを取り込み、リザーバー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下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、絶縁体膜55、下電極膜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。
In such an ink jet recording head of this embodiment, after taking ink from an external ink supply means (not shown) and filling the interior from the
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図5〜図10を参照して説明する。なお、図5〜図7、図9、図10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製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図であり、図8は短手方向の断面図である。 Hereinafter, a method for manufacturing such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 5 to 7, 9, and 10 are cross-sectional views in the longitudinal direction of the pressure generating chamber showing the method of manufacturing the ink jet recording head that is an example of the liquid ejecting head according to the first embodiment of the invention. FIG. 8 is a cross-sectional view in the lateral direction.
まず、図5(a)に示すように、流路形成基板10が複数個一体的に形成されるシリコンウェハである流路形成基板用ウェハー110を約1100℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン膜51を形成する。もちろん、弾性膜50の材料は、二酸化シリコンに限定されず、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜、有機膜(ポリイミド、パリレンなど)等にしてもよい。弾性膜50の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法、CVD法、スピンコート法等によって形成してもよい。
次いで、図5(b)に示すように、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜55を形成する。具体的には、弾性膜50(二酸化シリコン膜51)上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム(Zr)層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、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(ZrO2)からなる絶縁体膜55を形成する。なお、絶縁体膜55は、酸化ジルコニウムに限定されず、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化マグネシウム(MgO)、アルミン酸ランタン(LaAlO3)等を用いるようにしてもよい。また、絶縁体膜55を形成する方法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等が挙げられる。
First, as shown in FIG. 5A, a flow path forming
Next, as shown in FIG. 5B, an
次いで、図5(c)に示すように、絶縁体膜55上に、チタン、ジルコニウムなどの図示しない密着層、及び、例えば、白金、イリジウムからなる第1導電体層61を積層し、所定の形状にパターニングする(図4参照)。
Next, as shown in FIG. 5C, a non-illustrated adhesion layer such as titanium or zirconium and a
次に、図6(a)に示すように、パターニングされた第1導電体層61を覆うように、図6(b)に示すように、ランタンニッケル酸化物(LNO)からなる第2導電体層62を全面に積層する。第2導電体層62は、スパッタリング法や液相法によって形成することができる。
Next, as shown in FIG. 6 (a), the second conductor made of lanthanum nickel oxide (LNO) as shown in FIG. 6 (b) so as to cover the patterned
続いて、図6(c)に示すように、第2導電体層62上に圧電体層70を積層する。圧電体層70の製造方法は特に限定されないが、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、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、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて圧電体層70を形成できる。圧電体層70の製造方法は、MOD法やゾル−ゲル法に限定されず、例えば、レーザアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法(PLD法)、CVD法、エアロゾル・デポジション法などでもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, the
圧電体層70の具体的な形成手順をPZTの場合を例として説明する。すなわち、図6(c)に示すように、第2導電体層62が全面に形成された流路形成基板10上にチタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)及び鉛(Pb)を含むゾル(溶液)を塗布する(塗布工程)。次いで、この圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる(乾燥工程)。
A specific procedure for forming the
次に、乾燥した圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する(脱脂工程)。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜71に含まれる有機成分を、例えば、NO2、CO2、H2O等として離脱させることである。次いで、圧電体前駆体膜71を所定温度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜72を形成する(焼成工程)。
Next, the dried
このような塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を複数回繰り返すことにより、所定の膜厚の圧電体層70を形成する。ここで、圧電体前駆体膜71を焼成する工程は、圧電体前駆体膜71を2〜4層積層毎に、同時に焼成工程を行うようにしてもよい。
A
このように、本実施形態の圧電体層70は、従来技術に基づく配向制御のための種チタンや、いわゆる中間チタンなどを排除し、第1導電体層61をパターニングした後に全面に設けたLNOからなる第2導電体層62上に、第1層から最上層まで連続して設けられたものであり、(100)面に優先配向し、厚さ方向での結晶の分断がなく、結晶粒の不均一さや異常成長のない結晶構造を有する。
As described above, the
次に、図7(a)、図8(a)に示すように、圧電体層70上全体に亘って、例えば、イリジウム(Ir)からなる第2電極80を形成する。
次に、図7(b)、図8(b)に示すように、圧電体層70及び第2電極80を、各圧力発生室12に対向する領域にパターニングして圧電素子300を形成する。圧電体層70及び上電極膜80のパターニングとしては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチング、又はウェットエッチングが挙げられる。ドライエッチングの場合、LNOからなる第2導電体層62はエッチングストップ層として機能する。
Next, as shown in FIGS. 7A and 8A, the
Next, as shown in FIGS. 7B and 8B, the
次に、図7(c)、図8(c)に示すように、圧電体層70第2電極80が存在しない領域の第2導電体層62を、ウェットエッチングにより除去する。
次に、図7(d)、図8(d)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って保護膜200を形成した後、保護膜200を所定形状にパターニングすることにより、開口部201及び連通孔202を形成する。
Next, as shown in FIGS. 7C and 8C, the
Next, as shown in FIGS. 7D and 8D, a
次に、図9(a)に示すように、リード電極90を形成する。具体的には、流路形成基板用ウェハー110の全面に亘って、例えば、金(Au)等からなるリード電極90を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン(図示なし)を介して各圧電素子300毎にパターニングすることで形成される。
Next, as shown in FIG. 9A,
次に、図9(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を接合する。
次に、図9(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みに薄くする。
Next, as shown in FIG. 9B, a
Next, as shown in FIG. 9C, the flow path forming
次いで、図10(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110にマスク膜52を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図10(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜52を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15等を形成する。
Next, as shown in FIG. 10A, a
その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図1に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming
(実施例1)
上述したものと同一の構造で、LNOからなる第2導電体層62の厚さを4nmとしたインクジェット式記録ヘッドを作製した。
かかる圧電素子について、長手方向の断面の第1導電体層61のパターニング境界の圧電体層の結晶構造を走査電子顕微鏡(SEM)観察し、第1導電体層61が存在しないで第2導電体層62上に形成された圧電体層70の結晶粒子と第1導電体層61及び第2導電体層62が存在する領域の圧電体層70の結晶粒子とを比較し、特に、第1導電体層61が存在しない領域に大粒が存在しないかを観察した。また、第1導電体層61のパターニング端部の圧電体層70に小さい穴などの結晶の異常成長の有無も観察した。
Example 1
An ink jet recording head having the same structure as described above and having a
With respect to such a piezoelectric element, the crystal structure of the piezoelectric layer at the patterning boundary of the
さらに、60Vで25分間駆動したときのクラックの発生率、25Vで駆動した際の変位量を測定した。また、X線回折装置によるX線回折測定(XRD)(2θ/θ)を行い、圧電体層の(100)面配向率を求めた。 Furthermore, the rate of occurrence of cracks when driven at 60 V for 25 minutes and the amount of displacement when driven at 25 V were measured. Further, X-ray diffraction measurement (XRD) (2θ / θ) with an X-ray diffractometer was performed to obtain the (100) plane orientation ratio of the piezoelectric layer.
クラック発生率は、圧電素子の電気容量とリーク電流値を測定し、異常素子数/全体測定素子数により求めた。
また、変位量は、ヘテロダイン方式レーザ変位計を用いて測定した。
The crack occurrence rate was determined by measuring the electric capacity and leakage current value of the piezoelectric element, and calculating the number of abnormal elements / total number of measured elements.
The amount of displacement was measured using a heterodyne laser displacement meter.
また、配向率は、以下の式により求めた。
(100)面配向率(%)=[(100)面の回折ピーク強度]/[結晶に起因するすべての回折ピーク強度の総和]×100
結果を表1に示す。
Moreover, the orientation rate was calculated | required with the following formula | equation.
(100) plane orientation ratio (%) = [diffraction peak intensity of (100) plane] / [sum of all diffraction peak intensities caused by crystals] × 100
The results are shown in Table 1.
(実施例2)
LNOからなる第2導電体層62の厚さを12nmとした以外は実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを作製し、同様の試験を行った。
(Example 2)
An ink jet recording head was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the
(実施例3)
LNOからなる第2導電体層62の厚さを20nmとした以外は実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを作製し、同様の試験を行った。
(Example 3)
An ink jet recording head was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the
(実施例4)
LNOからなる第2導電体層62の厚さを30nmとした以外は実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを作製し、同様の試験を行った。
Example 4
An ink jet recording head was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the
(比較例1)
LNOからなる第2導電体層62の厚さを2nmとした以外は実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを作製し、同様の試験を行った。なお、2nmのLNOは圧電体層70を形成した際に拡散し、導電体層としては存在しなかった。
(Comparative Example 1)
An ink jet recording head was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the
(比較例2)
LNOからなる第2導電体層62の代わりに厚さ4nmのチタン層を用いた以外は実施例1と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを作製し、同様の試験を行った。なお、4nmのチタン層は圧電体層70を形成した際に拡散し、導電体層としては存在しなかった。
(Comparative Example 2)
An ink jet recording head was prepared in the same manner as in Example 1 except that a titanium layer having a thickness of 4 nm was used instead of the
(比較例3)
LNOからなる第2導電体層62を設けず、特許文献1に記載されるように、第1電極上に厚さ4nmのチタン層を介して圧電体層の1層目を形成した後、この1層目の圧電体層と共に第1電極をパターニングし、1層目の圧電体層上及び振動板上にさらに厚さ4nmのチタン層を形成した後、残りの圧電体層を形成するようにした以外は実施例1と同様なインクジェットヘッドを作製し、同様に試験した。
(Comparative Example 3)
After forming the first layer of the piezoelectric layer on the first electrode via the titanium layer having a thickness of 4 nm as described in
(比較例4)
比較例3の第1電極上のチタン層の代わりに厚さを2nmのLNOを用いた以外は、比較例3と同様にしてインクジェット式記録ヘッドを作製し、同様の試験を行った。
(Comparative Example 4)
An ink jet recording head was produced in the same manner as in Comparative Example 3 except that LNO having a thickness of 2 nm was used instead of the titanium layer on the first electrode in Comparative Example 3, and the same test was performed.
表1に示す結果より、実施例1〜4では、第1導電体層61が存在しないで第2導電体層62上に形成された圧電体層70にも大粒が観察されず、また、第1導電体層61のパターニング端部の圧電体層70に小さい穴などの結晶の異常成長も見られなかった。また、この結果に基づくと共に、さらに、上述した通り、圧力発生室12の長手方向端部で第1導電体層61が存在せず、その外側に第2圧電体能動部320が延設されているので、クラック発生率が顕著に低く、変位量も大きかった。
From the results shown in Table 1, in Examples 1 to 4, no large particles were observed in the
これに対し、LNOを実施例1〜4と同様に用いた場合でも、厚さが薄くて第2導電体層62として存在しない比較例1では、大粒や小穴が観察され、これに基づく共に第2圧電体能動部320も形成されないので、クラックの発生率が高かった。
また、LNOの代わりにチタン層を用いた比較例2では、大粒は観察されなかったものの、小穴が観察され、クラック発生率が高かった。
On the other hand, even when LNO is used in the same manner as in Examples 1 to 4, in Comparative Example 1 where the thickness is small and does not exist as the
In Comparative Example 2 in which a titanium layer was used instead of LNO, large particles were not observed, but small holes were observed and the crack generation rate was high.
また、特許文献1に記載の構造の比較例3では、大粒は観察されないものの、圧電体層70の第一層目のその上の層との境界で結晶が分断される異相が観察され、クラック発生率が高かった。
さらに、特許文献1のチタンの代わりにLNOを用いた比較例4では大粒や小穴が観察され、クラックの発生率が高かった。
Further, in Comparative Example 3 having a structure described in
Furthermore, in Comparative Example 4 using LNO instead of titanium of
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。
また上述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11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。
(Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this Embodiment, In the range which does not deviate from the main point of invention, it can change suitably.
The ink jet recording head described above constitutes a part of a recording head unit having an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 11 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
図11に示すインクジェット式記録装置において、インクジェット式記録ヘッド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。
In the ink jet recording apparatus shown in FIG. 11, the
そして、駆動モーター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。
The driving force of the driving
なお、上述した実施形態では、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本発明を説明したが、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。 In the above-described embodiment, the present invention has been described by taking an ink jet recording head as an example of a liquid ejecting head. However, the present invention is widely intended for all liquid ejecting heads and ejects liquids other than ink. Of course, the invention can also be applied to a liquid jet head. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bioorganic matter ejection head used for biochip production, and the like.
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、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、焦電センサー等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。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。 The present invention is not limited to a piezoelectric element mounted on a liquid jet head typified by an ink jet recording head, but may be an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, a pressure sensor, a pyroelectric sensor, or the like. The present invention can also be applied to a piezoelectric element mounted on the apparatus. The present invention can be similarly applied to a ferroelectric element such as a ferroelectric memory.
また、本発明は、液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、その他のデバイスにも用いることができる。その他のデバイスとしては、例えば、超音波発信器等の超音波デバイス、超音波モーター、圧電トランス等が挙げられる。また、センサーとして用いられる圧電素子にも本発明は適用可能である。圧電素子が用いられるセンサーとしては、例えば、赤外線センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー及び焦電センサー等が挙げられる。 Further, the present invention is not limited to the piezoelectric element used for the liquid ejecting head, and can be used for other devices. Examples of other devices include an ultrasonic device such as an ultrasonic transmitter, an ultrasonic motor, and a piezoelectric transformer. The present invention can also be applied to a piezoelectric element used as a sensor. Examples of the sensor using the piezoelectric element include an infrared sensor, an ultrasonic sensor, a thermal sensor, a pressure sensor, and a pyroelectric sensor.
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 マニホールド部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 60 第1電極、 61 第1導電体層、 62 第2導電体層、 70 圧電体層、 71 圧電体前駆体膜、 72 圧電体膜、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 リザーバー、 120 駆動回路、 121 接続配線、 300 圧電素子、 310 第1圧電体能動部、 320 第2圧電体能動部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
第1導電体層と、該第1導電体層上に設けられ且つランタンニッケル酸化物からなり配向制御層を兼ねる第2導電体層とからなる第1電極と、該第1電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第2電極とを具備し、
前記圧電素子が、前記第1導電体層及び第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第1圧電体能動部と、前記第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第2圧電体能動部とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。 A liquid ejecting head including a piezoelectric element including a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer,
A first electrode comprising a first conductor layer, a second conductor layer provided on the first conductor layer and made of lanthanum nickel oxide and serving also as an orientation control layer; and provided on the first electrode. A piezoelectric layer, and a second electrode provided on the piezoelectric layer,
The piezoelectric element is sandwiched between the first conductor layer, the second conductor layer, and the second electrode, the first piezoelectric active part sandwiched between the second electrode, and the second conductor layer and the second electrode. And a second piezoelectric active part.
前記圧電素子が、前記第1導電体層及び第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第1圧電体能動部と、前記第2導電体層と前記第2電極とで挟まれた第2圧電体能動部とを具備することを特徴とする圧電素子。 A first electrode comprising a first conductor layer and a second conductor layer provided on the conductor layer and made of lanthanum nickel oxide and serving also as an orientation control layer; and provided on the second common electrode. Comprising a piezoelectric layer and a second electrode provided on the piezoelectric layer;
The piezoelectric element is sandwiched between the first conductor layer, the second conductor layer, and the second electrode, the first piezoelectric active part sandwiched between the second electrode, and the second conductor layer and the second electrode. And a second piezoelectric active part.
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