JP2016036928A - Piezoelectric device, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and method of manufacturing piezoelectric device - Google Patents
Piezoelectric device, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and method of manufacturing piezoelectric device Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、基板上に振動板を介して設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子を具備する圧電デバイス、圧電デバイスを具備する液体噴射ヘッド、液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置、及び圧電デバイスの製造方法に関する。 The present invention includes a piezoelectric device including a piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode provided on a substrate via a vibration plate, a liquid ejecting head including the piezoelectric device, and a liquid ejecting head. The present invention relates to a liquid ejecting apparatus and a piezoelectric device manufacturing method.
圧電素子を変形させて圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることで、圧力発生室に連通するノズル開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドが知られている。この液体噴射ヘッドの代表例としては、液滴としてインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドがある。 A liquid ejecting head that ejects liquid droplets from a nozzle opening communicating with a pressure generating chamber by deforming a piezoelectric element to cause a pressure fluctuation in the liquid in the pressure generating chamber is known. A typical example of the liquid ejecting head is an ink jet recording head that ejects ink droplets as droplets.
インクジェット式記録ヘッドは、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板の一方面側に圧電素子を備え、圧電素子の駆動によって振動板を変形させることで、圧力発生室内のインクに圧力変化を生じさせて、ノズル開口からインク滴を噴射させる。 An ink jet recording head includes, for example, a piezoelectric element on one side of a flow path forming substrate provided with a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening, and deforms a diaphragm by driving the piezoelectric element, thereby The ink is caused to change in pressure, and ink droplets are ejected from the nozzle openings.
ここで、圧電素子は、基板上に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を具備する。基板側に設けられた第1電極を実質的な駆動部となる複数の能動部の共通電極とし、第2電極を各能動部の個別電極として、圧電素子に保護膜を設けることで、2つの電極間のリーク電流による破壊を抑制したものが提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。 Here, the piezoelectric element includes a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode provided on the substrate. The first electrode provided on the substrate side is used as a common electrode for a plurality of active parts that serve as a substantial driving part, the second electrode is used as an individual electrode for each active part, and a protective film is provided on the piezoelectric element, thereby providing two The thing which suppressed the destruction by the leakage current between electrodes is proposed (for example, refer patent document 1 and 2).
また、基板側に設けられた第1電極を各能動部の個別電極として、第2電極を複数の能動部の共通電極として、第1電極を圧電体層で覆うことで、保護膜を設けることなく、2つの電極間のリーク電流による破壊を抑制したものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Also, a protective film is provided by covering the first electrode with a piezoelectric layer, with the first electrode provided on the substrate side as an individual electrode of each active part, the second electrode as a common electrode of a plurality of active parts, There is also proposed a device that suppresses breakage due to leakage current between two electrodes (see, for example, Patent Document 3).
近年、低い駆動電圧で大きな変位を得ることができる、所謂、変位効率の高い圧電素子が望まれているものの、圧電素子が初期状態で基板側に大きく撓んでいる場合、圧電素子に電圧を印加して基板側に変形させようとすると、圧電素子の変位量が小さく、変位効率が低くなってしまう。 In recent years, a so-called high displacement efficiency piezoelectric element that can obtain a large displacement with a low driving voltage is desired, but when the piezoelectric element is largely bent toward the substrate in the initial state, a voltage is applied to the piezoelectric element. If it is attempted to be deformed to the substrate side, the displacement amount of the piezoelectric element is small and the displacement efficiency is lowered.
このような問題は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子に限定されず、他のデバイスに用いられる圧電素子においても同様に存在する。 Such a problem is not limited to a piezoelectric element used in a liquid ejecting head such as an ink jet recording head, and similarly exists in piezoelectric elements used in other devices.
本発明はこのような事情に鑑み、変位効率の高い圧電素子を有する圧電デバイス、液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide a piezoelectric device having a piezoelectric element with high displacement efficiency, a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a method for manufacturing the piezoelectric device.
上記課題を解決する本発明の態様は、複数の凹部が隔壁によって区画された基板と、前記基板の一方面側に設けられた振動板と、前記振動板の前記基板とは反対面側に設けられて、前記振動板側から第1電極、圧電体層及び第2電極が積層された圧電素子と、を具備する圧電デバイスであって、前記圧電素子は、前記凹部に対応する領域に設けられて実質的な駆動部となる能動部を有し、前記第1電極が前記能動部に個別に設けられた個別電極を構成し、前記第2電極が複数の前記能動部に共通して設けられた共通電極を構成し、互いに隣り合う前記能動部の間の前記隔壁に対向する領域には、前記第2電極の前記圧電体層とは反対側の上面にまで延設されて、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜が設けられており、前記能動部毎に前記圧電素子の上面の中央部に対応する領域に開口部が設けられていることを特徴とする圧電デバイスにある。
かかる態様では、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けることで、凹部に対向する圧電素子に凹部とは反対側に引き上げる応力を付与して、圧電素子が凹部側に変形する応力を低減させることができる。したがって、圧電素子を凹部側に変形させた際の変形量を向上することができる。また、応力付与膜が圧電素子の上面にまで設けられていることで、圧電素子に印加する応力モーメントを大きくすることができ、圧電素子の引き上げ効果を向上することができる。また、応力付与膜に開口部を設けることで、応力付与膜が圧電素子の変形を阻害するのを抑制して、より高い変位の圧電素子を得ることができる。
An aspect of the present invention that solves the above-described problems includes a substrate in which a plurality of recesses are partitioned by a partition, a diaphragm provided on one surface side of the substrate, and a surface of the diaphragm opposite to the substrate. And a piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode laminated from the diaphragm side, wherein the piezoelectric element is provided in a region corresponding to the recess. An active part that is a substantial driving part, wherein the first electrode constitutes an individual electrode provided individually in the active part, and the second electrode is provided in common to the plurality of active parts In the region facing the partition between the active parts adjacent to each other, the common electrode is extended to the upper surface of the second electrode opposite to the piezoelectric layer, and internal stress is There is a stress-imparting film that becomes a tensile stress. In the piezoelectric device, wherein the opening in a region corresponding to the central portion of the upper surface of the piezoelectric element is provided.
In this aspect, by providing a stress applying film in which the internal stress becomes tensile stress, the piezoelectric element facing the recess is given a stress to be pulled up to the side opposite to the recess, thereby reducing the stress of the piezoelectric element being deformed to the recess side. Can be made. Therefore, the amount of deformation when the piezoelectric element is deformed to the concave side can be improved. Further, since the stress applying film is provided up to the upper surface of the piezoelectric element, the stress moment applied to the piezoelectric element can be increased, and the lifting effect of the piezoelectric element can be improved. Moreover, by providing the opening in the stress applying film, it is possible to suppress the stress applying film from inhibiting the deformation of the piezoelectric element, and to obtain a piezoelectric element having a higher displacement.
ここで、前記応力付与膜は、前記圧電素子よりも前記振動板からの高さが高いことが好ましい。これによれば、応力付与膜を確実に圧電素子の上面まで設けることができると共に、圧電素子の引き上げ効果を向上することができる。 Here, it is preferable that the stress applying film is higher in height from the diaphragm than the piezoelectric element. According to this, the stress applying film can be reliably provided up to the upper surface of the piezoelectric element, and the lifting effect of the piezoelectric element can be improved.
また、前記第2電極は、内部応力が圧縮応力であることが好ましい。これによれば、さらに、第2電極によっても圧電素子の引き上げ効果をさらに向上することができる。 Moreover, it is preferable that the internal stress of the second electrode is a compressive stress. According to this, the lifting effect of the piezoelectric element can be further improved by the second electrode.
また、前記応力付与膜の前記開口部内には、内部応力が圧縮応力となる圧縮膜を有することが好ましい。これによれば、圧縮膜によっても圧電素子の引き上げ効果をさらに向上することができる。 Moreover, it is preferable to have the compression film | membrane in which the internal stress turns into a compression stress in the said opening part of the said stress provision film | membrane. According to this, the pulling effect of the piezoelectric element can be further improved by the compression film.
また、前記応力付与膜の前記圧電素子とは反対側の面には、内部応力が引っ張り応力となる配線が設けられていることが好ましい。これによれば、配線によっても圧電素子の引き上げ効果をさらに向上することができる。 Moreover, it is preferable that a wiring having an internal stress serving as a tensile stress is provided on a surface of the stress applying film opposite to the piezoelectric element. According to this, the lifting effect of the piezoelectric element can be further improved by the wiring.
また、前記応力付与膜は、複数層が積層されて構成されていてもよい。これにより、比較的厚さの厚い応力付与膜を容易に形成することができる。 Further, the stress applying film may be configured by laminating a plurality of layers. As a result, a relatively thick stress applying film can be easily formed.
また、前記応力付与膜が、感光性樹脂であることが好ましい。これによれば、応力付与膜を露光、現像して所定形状に形成することができるため、オーバーエッチングによる他の膜への影響を抑制することができる。 The stress applying film is preferably a photosensitive resin. According to this, since the stress imparting film can be exposed and developed to be formed into a predetermined shape, the influence on other films due to over-etching can be suppressed.
さらに、本発明の他の態様は、上記態様の圧電デバイスを具備し、前記凹部が圧力発生室であると共に、前記圧力発生室に連通して液体を噴射するノズル開口を有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、変位効率の向上した圧電素子を有する液体噴射ヘッドを実現できる。
Furthermore, another aspect of the present invention includes the piezoelectric device according to the above aspect, wherein the concave portion is a pressure generation chamber, and has a nozzle opening communicating with the pressure generation chamber and ejecting a liquid. Located in the liquid jet head.
In this aspect, a liquid ejecting head having a piezoelectric element with improved displacement efficiency can be realized.
また、本発明の他の態様は、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、変位効率の向上した圧電素子を有する液体噴射装置を実現できる。
According to another aspect of the invention, there is provided a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head according to the above aspect.
In this aspect, a liquid ejecting apparatus having a piezoelectric element with improved displacement efficiency can be realized.
また、本発明の他の態様は、複数の凹部が隔壁によって区画された基板と、前記基板の一方面側に設けられた振動板と、前記振動板の前記基板とは反対面側に設けられて、前記振動板側から第1電極、圧電体層及び第2電極が積層された圧電素子と、を具備し、前記圧電素子は、前記凹部に対応する領域に設けられて実質的な駆動部となる能動部を有し、前記第1電極が前記能動部に個別に設けられた個別電極を構成し、前記第2電極が複数の前記能動部に共通して設けられた共通電極を構成し、互いに隣り合う前記能動部の間の前記隔壁に対向する領域に前記第2電極の前記圧電体層とは反対側の上面にまで延設されて、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けると共に、前記圧電素子の上面の中央部に対応する領域に開口部を設けることを特徴とする圧電デバイスの製造方法にある。
かかる態様では、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けることで、凹部に対向する圧電素子に凹部とは反対側に引き上げる応力を付与して、圧電素子が凹部側に変形する応力を低減させることができる。したがって、圧電素子を凹部側に変形させた際の変形量を向上することができる。また、応力付与膜が圧電素子の上面にまで設けられていることで、圧電素子に印加する応力モーメントを大きくすることができ、圧電素子の引き上げ効果を向上することができる。また、応力付与膜に開口部を設けることで、応力付与膜が圧電素子の変形を阻害するのを抑制して、より高い変位の圧電素子を得ることができる。
According to another aspect of the present invention, a substrate in which a plurality of recesses are partitioned by a partition, a diaphragm provided on one surface side of the substrate, and a surface of the diaphragm opposite to the substrate are provided. A piezoelectric element in which a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode are laminated from the diaphragm side, and the piezoelectric element is provided in a region corresponding to the recess, The first electrode constitutes an individual electrode provided individually in the active part, and the second electrode constitutes a common electrode provided commonly in the plurality of active parts. A stress applying film extending to the upper surface on the opposite side of the piezoelectric layer of the second electrode in a region facing the partition between the active parts adjacent to each other, and the internal stress becomes a tensile stress. And an opening is provided in a region corresponding to the center of the upper surface of the piezoelectric element. In the manufacturing method of the piezoelectric device according to claim Rukoto.
In this aspect, by providing a stress applying film in which the internal stress becomes tensile stress, the piezoelectric element facing the recess is given a stress to be pulled up to the side opposite to the recess, thereby reducing the stress of the piezoelectric element being deformed to the recess side. Can be made. Therefore, the amount of deformation when the piezoelectric element is deformed to the concave side can be improved. Further, since the stress applying film is provided up to the upper surface of the piezoelectric element, the stress moment applied to the piezoelectric element can be increased, and the lifting effect of the piezoelectric element can be improved. Moreover, by providing the opening in the stress applying film, it is possible to suppress the stress applying film from inhibiting the deformation of the piezoelectric element, and to obtain a piezoelectric element having a higher displacement.
ここで、前記応力付与膜は、液相法によって形成することが好ましい。これによれば、内部応力が引っ張り応力の応力付与膜を容易に形成することができる。 Here, the stress applying film is preferably formed by a liquid phase method. According to this, it is possible to easily form a stress applying film whose internal stress is tensile stress.
また、前記第2電極は、気相法によって形成することで内部応力が圧縮応力とすることが好ましい。これによれば、内部応力が圧縮応力の第2電極を容易に形成することができる。 The second electrode is preferably formed by a vapor phase method so that the internal stress is a compressive stress. According to this, the 2nd electrode whose internal stress is compressive stress can be formed easily.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施形態1)
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斜視図であり、図2は、インクジェット式記録ヘッドの流路形成基板の平面図であり、図3は図2のA−A′線に準ずる断面図及び拡大断面図であり、図4は、図3のB−B′線に準ずる断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
1 is a perspective view of an ink jet recording head that is an example of a liquid jet head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a flow path forming substrate of the ink jet recording head. FIG. 4 is a cross-sectional view and an enlarged cross-sectional view corresponding to the line AA ′ in FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to the line BB ′ in FIG.
図示するように、本実施形態の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Iが備える本実施形態の基板である流路形成基板10には、凹部として圧力発生室12が形成されている。そして、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口21が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室12の並設方向、又は第1の方向Xと称する。また、この第1の方向Xと直交する方向を、以降、第2の方向Yと称する。さらに、第1の方向X及び第2の方向Yの両方に直交する方向を、以降、第3の方向Zと称する。
As shown in the drawing, a
また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向の一端部側、すなわち第1の方向Xに直交する第2の方向Yの一端部側には、インク供給路13と連通路14とが複数の隔壁11によって区画されている。連通路14の外側(第2の方向Yにおいて圧力発生室12とは反対側)には、各圧力発生室12の共通のインク室(液体室)となるマニホールド100の一部を構成する連通部15が形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12、インク供給路13、連通路14及び連通部15からなる液体流路が設けられている。
An
流路形成基板10の一方面側、すなわち圧力発生室12等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室12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接合されている。すなわち、ノズルプレート20には、第1の方向Xにノズル開口21が並設されている。
On one side of the flow
流路形成基板10の他方面側には、振動板50が形成されている。本実施形態に係る振動板50は、流路形成基板10上に形成された弾性膜51と、弾性膜51上に形成された絶縁体膜52とで構成されている。なお、圧力発生室12等の液体流路は、流路形成基板10を一方面から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室12等の液体流路の他方面は、振動板50(弾性膜51)で構成されている。
A
絶縁体膜52上には、厚さが例えば、約0.2μmの第1電極60と、厚さが例えば、約1.0μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.05μmの第2電極80とで構成される圧電素子300が形成されている。本実施形態では、圧力発生室12が形成された流路形成基板10と、振動板50と、圧電素子300とが、圧電デバイスの一例であるアクチュエーター装置となっている。
On the
以下、アクチュエーター装置を構成する圧電素子300について、図3〜図6を参照してさらに詳細に説明する。なお、図5は、本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの要部を拡大した断面図であり、図6は、比較例となる記録ヘッドの要部を拡大した断面図である。
Hereinafter, the
図示するように、圧電素子300を構成する第1電極60は、圧力発生室12毎に切り分けられて、後述する能動部310毎に独立する個別電極を構成する。この第1電極60は、圧力発生室の第2の方向Yにおいては、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室12の第1の方向Xにおいて、第1電極60の端部は、圧力発生室12に対向する領域の内側に位置している。また、第2の方向Yにおいて、第1電極60の両端部は、それぞれ圧力発生室12の外側まで延設されている。なお、第1電極60の材料は、後述する圧電体層70を成膜する際に酸化せず、導電性を維持できる材料が好ましく、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の貴金属、またはランタンニッケル酸化物(LNO)などに代表される導電性酸化物が好適に用いられる。
As shown in the drawing, the
また、第1電極60として、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。すなわち、本実施形態では、チタンからなる密着層と、上述した導電材料から選択される少なくとも一種の導電層とで第1電極60が形成されている。
Further, as the
圧電体層70は、第2の方向Yが所定の幅となるように、第1の方向Xに亘って連続して設けられている。圧電体層70の第2の方向Yの幅は、圧力発生室12の第2の方向Yの長さよりも広い。このため、圧力発生室12の第2の方向Yでは、圧電体層70は圧力発生室12の外側まで設けられている。
The
圧力発生室12の第2の方向Yにおいて、圧電体層70のインク供給路側の端部は、第1電極60の端部よりも外側に位置している。すなわち、第1電極60の端部は圧電体層70によって覆われている。また、圧電体層70のノズル開口21側の端部は、第1電極60の端部よりも内側(圧力発生室12側)に位置しており、第1電極60のノズル開口21側の端部は、圧電体層70に覆われていない。
In the second direction Y of the
圧電体層70は、第1電極60上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜(ペロブスカイト型結晶)である。圧電体層70の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電性圧電材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等を用いることができる。また、圧電体層70の材料としては、鉛を含む鉛系の圧電材料に限定されず、鉛を含まない非鉛系の圧電材料を用いることもできる。
The
圧電体層70は、詳しくは後述するが、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法などの液相法や、スパッタリング法、レーザーアブレーション法等などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)などで形成することができる。
As will be described in detail later, the
このような圧電体層70には、各隔壁11に対応して流路形成基板10とは反対側に開口する凹形状を有する第1開口部71が形成されている。第1開口部71は、圧電体層70を厚さ方向である第3の方向Zに貫通して設けられている。この第1開口部71の第1の方向Xの幅は、各隔壁11の第1の方向の幅よりも広くなっている。これにより、振動板50の圧力発生室12の第1の方向Xの端部に対向する部分(いわゆる振動板50の腕部)の剛性が押さえられるため、圧電素子300を良好に変位させることができる。すなわち、基本的に各隔壁11上には圧電体層70が形成されていない。ちなみに、隔壁11の第2の方向Yの端部において、隔壁11上に圧電体層70は形成されていてもよい。つまり、第1開口部71の第2の方向Yの長さは、圧力発生室12より長く、圧力発生室12の端部よりも外側まで延設されていてもよく、圧力発生室12よりも短く、圧力発生室12の端部よりも内側に設けられていてもよい。
In the
第2電極80は、圧電体層70の第1電極60とは反対面側に設けられており、複数の能動部310に共通する共通電極を構成する。本実施形態では、第2電極80は、圧電体層70側に設けられた第1層81と、第1層81の圧電体層70とは反対側に設けられた第2層82と、を具備する。
The
第1層81は、圧電体層70との界面を良好に形成できること、絶縁性及び圧電特性を発揮できる材料が望ましく、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の貴金属材料、及びランタンニッケル酸化物(LNO)に代表される導電性酸化物が好適に用いられる。また、第1層81は、複数材料の積層であってもよい。本実施形態では、イリジウム(Ir)とチタン(Ti)との積層電極(イリジウムが圧電体層70と接する)を使用している。そして、第1層81は、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などのPVD(Physical Vapor Deposition)法(気相法)、ゾル−ゲル法、MOD(Metal-Organic Decomposition)法、メッキ法などの液相法により形成することができる。また、第1層81の形成後に、加熱処理を行うことにより、圧電体層70の特性改善を行うことができる。このような第1層81は、圧電体層70上のみ、すなわち、圧電体層70の流路形成基板10とは反対側の表面上のみに形成されている。
The
また、第2電極80を構成する第2層82は、導電性を有する材料、例えば、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)等の金属材料を用いることができる。もちろん、第2層82は、上記金属材料の単一材料であっても、複数の材料が混合した複数材料であってもよい。また、第1層81と第2層82との間に、チタン等を設けるようにしてもよい。本実施形態では、第2層82として、イリジウム(Ir)とチタン(Ti)との積層電極を使用している。
The
このような第2層82は、本実施形態では、第1層81上と、第1層81が設けられていない圧電体層70の側面上と、第1電極60上と、に亘って連続して設けられている。すなわち、第2層82は、圧電体層70の第1開口部71によって露出された側面と、第1開口部71の底面である振動板50上と、つまり、第1開口部71の内面とに亘って設けられている。なお、第2層82は、電気抵抗を下げるために第1層81に比べて厚く形成している。そして、イリジウムは、内部応力(残留応力)が圧縮応力となっており、チタンは内部応力が略0(ゼロ)となっているため、本実施形態の第2電極80は内部応力が圧縮応力となっている。もちろん、第2電極80の材料や製造方法等を変更することで、第2電極80の内部応力(残留応力)を引っ張り応力としてもよいが、詳しくは後述するように、第2電極80を圧縮応力とすることで、能動部310の変位量の向上を図ることができる。つまり、第2電極80の内部応力が圧縮応力であるとは、第2電極80が複数層が積層されている場合には、その一部の層が引っ張り応力であっても全体として圧縮応力となっていればよい。ちなみに、第1層81上の第2層82と、第1電極60上の第2層82とは、除去部83を介して電気的に切断されている。すなわち、第1層81上の第2層82と、第1電極60上の第2層82とは、同一層からなるが電気的に不連続となるように形成されている。ここで、除去部83は、圧電体層70上のノズル開口21側に設けられており、第2電極80を、すなわち、第1層81及び第2層82を厚さ方向(第1層81と第2層82との積層方向)に貫通して電気的に切断するものである。このような除去部83は、第1の方向Xに亘って連続して第2電極80を厚さ方向に貫通して設けられている。
In the present embodiment, such a
このような第1電極60、圧電体層70及び第2電極80で構成される圧電素子300は、第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第1電極60と第2電極80とで挟まれている圧電体層70に圧電歪みが生じる。そして、両電極に電圧を印加した際に、圧電体層70に圧電歪みが生じる部分を能動部310と称する。これに対して、圧電体層70に圧電歪みが生じない部分を非能動部と称する。また、圧電体層70に圧電歪みが生じる能動部310において、圧力発生室12に対向する部分を可撓部と称し、圧力発生室12の外側の部分を非可撓部と称する。
Such a
本実施形態では、第2の方向Yにおいて、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80の全てが圧力発生室12の外側まで連続的に設けられている。すなわち能動部310が圧力発生室12の外側まで連続的に設けられている。このため、能動部310のうち圧電素子300の圧力発生室12に対向する部分が可撓部となり、圧力発生室12の外側の部分が非可撓部となっている。
In the present embodiment, all of the
すなわち、本実施形態では、図3に示すように、能動部310の第2の方向Yの端部は、第2電極80(除去部83)によって規定されている。
That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the end of the
また、能動部310の第1の方向Xの端部は、第1電極60によって規定されている。そして、第1電極60の第1の方向Xの端部は、圧力発生室12に相対向する領域内に設けられている。したがって、能動部310の第1の方向Xの端部は、可撓部に設けられていることになり、第1の方向Xにおいて、能動部310と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る。このため、能動部310の第1の方向Xの端部における応力集中に起因する焼損やクラック等の破壊を抑制することができる。
Further, the end of the
このような圧電素子300では、第2電極80が、圧電体層70を覆っているため、第1電極60と第2電極80との間で電流がリークすることがなく、圧電素子300の破壊を抑制することができる。ちなみに、第1電極60と第2電極80とが近接した状態で露出されていると、圧電体層70の表面を電流がリークし、圧電体層70が破壊されてしまう。また、第1電極60と第2電極80とが露出されていても距離が近くなければ、電流のリークは発生しない。
In such a
また、図4に示すように、このようなアクチュエーター装置の第1開口部71内の振動板50上には、応力付与膜200が設けられている。
Further, as shown in FIG. 4, a
応力付与膜200は、第1開口部71内に、第1開口部71の第2の方向Yの内側面、すなわち、第2の方向Yにおける圧電素子300の第1開口部71の内側面として露出する第2層82に接触して設けられている。また、応力付与膜200は、圧電素子300の上面、すなわち、第3の方向Zにおいて流路形成基板10と反対側の面上まで延設されており、能動部310の第2電極80の中央部に対応する領域に、第2開口部201が設けられている。すなわち、第2開口部201は、能動部310毎に圧電素子300の上面の中央部に対応する領域に設けられており、本実施形態では、第2開口部201によって第2電極80が露出されている。
The
そして、このような応力付与膜200は、各能動部310の第1の方向Xの両側にそれぞれ設けられており、第1の方向Xで互いに隣り合う2つの能動部310の間の第1開口部71で連続して設けられている。もちろん、応力付与膜200は、これに限定されず、各能動部310の第1の方向Xの両側にそれぞれ設け、第1の方向Xで互いに隣り合う能動部310の間に設けられた応力付与膜200が、隔壁11上で連続することなく独立して設けられていてもよい。また、各能動部310の第1の方向Xの両側に設けられた応力付与膜200は、能動部310の第2の方向Yの外側において、連続していても、また、分離して設けられていてもよい。これは、第1開口部71の第2の方向Yの両側の圧電素子300は、能動部310の変形に寄与しない部分であるからである。
Such
このような応力付与膜200としては、内部応力(残留応力)が引っ張り応力を有し、圧電素子300に対して引っ張り応力を付与するものである。このような応力付与膜200としては、絶縁性を有する材料であっても、導電性を有する材料であってもよく、また、無機材料であっても有機材料であってもよい。また、応力付与膜200は、圧電素子300の側面を覆うと共に振動板50の圧力発生室12に対向する領域に設けられているので、比較的ヤング率が低い材料を用いるのが好ましい。これにより、応力付与膜200が圧電素子300及び振動板50の変形を阻害して変位量が低下するのを抑制することができる。このように、ヤング率が低い材料としては、有機材料を用いるのが好ましい。また、応力付与膜200は、当該応力付与膜200を成膜及びパターニングする際に、他の層、例えば、振動板50や第2電極80等に影響を及ぼさない材料を用いるのが好ましく、例えば、ポリイミド等の感光性樹脂を好適に用いることができる。このように、応力付与膜200として感光性樹脂を用いることで、ドライエッチングなどを用いてパターニングする必要がなく、振動板50や圧電素子300等がドライエッチングによるオーバーエッチングによってその一部が除去されるのを抑制することができる。なお、応力付与膜200は、複数層が積層されて構成されていてもよい。これにより、比較的厚さの厚い応力付与膜200を容易に形成することができる。ちなみに、応力付与膜200を構成する一部の層の内部応力が圧縮応力であったとしても全体として引っ張り応力であればよい。
As such a
さらに、応力付与膜200は、圧電素子300の振動板50からの第3の方向Zの高さよりも高くするのが好ましい。すなわち、応力付与膜200の第3の方向Zの厚さは、圧電素子300の第3の方向Zの厚さよりも厚く形成するのが好ましい。これにより、応力付与膜200を圧電素子300の上面、すなわち、第3の方向Zにおいて流路形成基板10とは反対側の面上まで確実に設けることができる。また、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。本実施形態では、応力付与膜200として、感光性ポリイミドを用いて、応力付与膜200を圧電素子300の第3の方向Zの厚さよりも厚く形成するようにした。
Furthermore, the
このように応力付与膜200を設けることで、圧電素子300を第3の方向Zにおいて圧力発生室12とは反対側に向かって引き上げられる応力が付与される。つまり、図5に示すように、振動板50及び圧電素子300の能動部310は、電界が印加されていない状態において、流路形成基板10の圧力発生室12内への突出量が低減される。特に、本実施形態では、応力付与膜200は、圧電素子300の上面まで設けられているため、上面において、圧電素子300を第1の方向Xに引っ張って、第3の方向Zに引き上げる応力モーメントを大きくすることができ、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。つまり、応力付与膜200を圧電素子300の上面まで延設せずに側面に接触するようにしか設けない場合、圧電素子300の引き上げ効果が低下してしまうからである。
By providing the
これに対して、図6に示すように、応力付与膜200が設けられていない場合、圧電素子300は、電界が印加されていない状態において、流路形成基板10の圧力発生室12内側に向かって大きく凸となるように変形してしまう。
On the other hand, as shown in FIG. 6, when the
このため、圧電素子300に電界を印加して圧力発生室12内に凸となるように変位させると、図6に示す応力付与膜200を設けていない場合の圧電素子300の変位量d2に対して、図5に示すように応力付与膜200を設けた圧電素子300の方が大きな変位量d1(d1>d2)を得ることができる。すなわち、応力付与膜200を設けた方が、低い電圧で大きな変位量を得ることができる、所謂、変位効率が高い圧電素子300とすることができる。なお、本実施形態では、応力付与膜200を設けることで、圧力発生室12内に凸状に変形する突出量を小さくすることができるが、振動板50、圧電素子300、応力付与膜200の膜厚や材料等によっては、応力付与膜200を設けることで、電界が印加されていない状態において圧電素子300は圧力発生室12とは反対側に凸となるように変形する場合もあり得る。
For this reason, when an electric field is applied to the
また、本実施形態では、応力付与膜200には、圧電素子300の上面、すなわち第2電極80の主要部を露出させる第2開口部201を設けるようにした。このため、応力付与膜200に第2開口部201を設けない場合に比べて、応力付与膜200が圧電素子300の変位量が低下するのを抑制することができる。すなわち、応力付与膜200は、第2開口部201を設けずに、第2電極80上に連続して設けることで、圧電素子300に引っ張り応力を付与することもできるが、応力付与膜200に第2開口部201を設けないと、圧電素子300の変形が応力付与膜200によって阻害されてしまうと共に、応力付与膜200の内部応力による引き上げ効果も低下してしまう。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、応力付与膜200を設けるのに加えて、内部応力が圧縮応力となる第2電極80を設けることで、能動部310を圧力発生室12とは反対側に引き上げる応力を付与して、さらに変位効率が高い圧電素子300とすることができる。
In the present embodiment, in addition to providing the
このような圧電素子300の第1電極60と、第2電極80とには、図3及び図4に示すように、本実施形態の配線層である個別リード電極91と、共通リード電極92(図2参照)とが接続されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
個別リード電極91及び共通リード電極92(以降、両者を合わせてリード電極90と称する)は、本実施形態では、同一層からなるが、電気的に不連続となるように形成されている。具体的には、リード電極90は、電極(第2電極80の第2層82)側に設けられた密着層191と、密着層191上に設けられた導電層192と、を具備する。
In this embodiment, the
密着層191は、第2層82、振動板50等と導電層192との密着性を向上させるためのものであり、その材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、ニッケルクロム(NiCr)、チタン(Ti)、チタンタングステン(TiW)等を用いることができる。もちろん、密着層191は、上述したものを単一材料として用いたものであってもよく、また、複数の材料が混合した複数材料であってもよく、さらに、異なる材料の複数層を積層したものであってもよい。本実施形態では、密着層191としてニッケルクロム(NiCr)を用いた。
The
また、導電層192は、比較的導電性の高い材料であれば特に限定されず、例えば、金(Au)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)等を用いることができる。本実施形態では、導電層192として金(Au)を用いた。
The
ここで、個別リード電極91は、圧電体層70の外側に設けられた第1電極60上に設けられている。ちなみに、第1電極60上には、上述したように第2電極80の第2層82と同一層からなるが、第2層82とは不連続となる電極層が設けられている。このため、第1電極60と個別リード電極91とは、この第2層82と同一層で且つ第2層82とは不連続な電極層を介して電気的に接続されている。
Here, the
共通リード電極92は、第2電極80上(圧電体層70の第2電極80上)に設けられている。このような共通リード電極92は、図1及び図2に示すように、流路形成基板10の第1の方向Xの両端部に、第2の方向Yに連続して振動板50上に引き出されている。
The
また、共通リード電極92は、第2の方向Yにおいて、圧力発生室12の壁面上に、すなわち、可撓部と非可撓部との境界部分に跨って設けられた延設部93を有する。延設部93は、複数の能動部310の第1の方向Xに亘って連続して設けられており、第1の方向Xの両端部で共通リード電極92に連続する。すなわち、延設部93を有する共通リード電極92は、保護基板30側から平面視した際に、能動部310の周囲を囲むように連続して配置されている。このように、延設部93を設けることで、可撓部と非可撓部との境界における応力集中における圧電体層70の破壊を抑制することができる。また、共通リード電極92が可撓部上には実質的に形成されていないため、能動部310の変位低下を抑えることができる。
Further, the
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上には、図3に示すように、圧電素子300を保護する保護基板30が接着剤35によって接合されている。保護基板30には、圧電素子300を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部31が設けられている。また保護基板30には、マニホールド100の一部を構成するマニホールド部32が設けられている。マニホールド部32は、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部15と連通している。また保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。各能動部310の第1電極60に接続されたリード電極90は、この貫通孔33内に露出しており、図示しない駆動回路に接続される接続配線の一端が、この貫通孔33内でリード電極90に接続されている。
On the flow
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。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部32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のマニホールド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、マニホールド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。
On the
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド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第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加する。これにより圧電素子300と共に振動板50がたわみ変形して各圧力発生室12内の圧力が高まり、各ノズル開口21からインク滴が噴射される。
In such an ink jet recording head I of this embodiment, after taking ink from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown) and filling the interior from the manifold 100 to the
ここで、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。なお、図7〜図12は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 Here, a method for manufacturing the ink jet recording head of the present embodiment will be described. 7 to 12 are cross-sectional views showing a method for manufacturing an ink jet recording head.
まず、図7(a)に示すように、流路形成基板10が複数一体的に形成されるシリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に振動板50を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー110を熱酸化することによって形成した二酸化シリコン(弾性膜51)と、スパッタリング法で成膜後、熱酸化することによって形成した酸化ジルコニウム(絶縁体膜52)との積層からなる振動板50を形成した。
First, as shown in FIG. 7A, the
次いで、図7(b)に示すように、絶縁体膜52上の全面に第1電極60を形成する。この第1電極60の材料は特に限定されないが、例えば、高温の酸化処理でも導電性を失わない白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物などの導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料が好適に用いられる。また、第1電極60は、例えば、スパッタリング法やPVD法(物理蒸着法)、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。また、前述の導電材料と、振動板50との間に、密着力を確保するための密着層を用いてもよい。本実施形態では、特に図示していないが密着層としてチタンを用いている。なお、密着層としては、ジルコニウム、チタン、酸化チタンなどを用いることができる。また、電極表面(圧電体層70の成膜側)に圧電体層70の結晶成長を制御するための制御層を形成してもよい。本実施形態では、圧電体層70(PZT)の結晶制御としてチタンを使用している。チタンは、圧電体層70の成膜時に圧電体層70内に取り込まれるため、圧電体層70形成後には膜として存在していない。結晶制御層としては、ランタンニッケル酸化物などのペロブスカイト型結晶構造の導電性酸化物などを使用してもよい。
Next, as shown in FIG. 7B, a
次に、本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる圧電体層70を形成する。ここで、本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・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層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。なお、圧電体層70の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、MOD(Metal-Organic Decomposition)法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のPVD(Physical Vapor Deposition)法等を用いてもよい。すなわち、圧電体層70は液相法、気相法の何れで形成してもよい。本実施形態では、複数層の圧電体膜74を積層することで圧電体層70を形成するようにした。
Next, in this embodiment, the
具体的には、図8(a)に示すように、第1電極60上に1層目の圧電体膜74を形成した段階で、第1電極60及び1層目の圧電体膜74をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。なお、第1電極60及び1層目の圧電体膜74のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。
Specifically, as shown in FIG. 8A, when the first
ここで、例えば、第1電極60をパターニングしてから1層目の圧電体膜74を形成する場合、フォト工程・イオンミリング・アッシングして第1電極60をパターニングするため、第1電極60の表面や、表面に設けた図示しないチタン等の結晶種層などが変質してしまう。そうすると変質した面上に圧電体膜74を形成しても当該圧電体膜74の結晶性が良好なものではなくなり、2層目以降の圧電体膜74も1層目の圧電体膜74の結晶状態に影響して結晶成長するため、良好な結晶性を有する圧電体層70を形成することができない。
Here, for example, when the first
それに比べ、1層目の圧電体膜74を形成した後に第1電極60と同時にパターニングすれば、1層目の圧電体膜74はチタン等の結晶種に比べて2層目以降の圧電体膜74を良好に結晶成長させる種(シード)としても性質が強く、たとえパターニングで表層に極薄い変質層が形成されていても2層目以降の圧電体膜74の結晶成長に大きな影響を与えない。
In contrast, if the first
なお、2層目の圧電体膜74を成膜する前に露出した振動板50上(本実施形態では、酸化ジルコニウムである絶縁体膜52)に、2層目以降の圧電体膜74を成膜するときに、結晶制御層(中間結晶制御層)を用いてもよい。本実施形態では、中間結晶制御層としてチタンを用いるようにした。このチタンからなる中間結晶制御層は、第1電極60上に形成する結晶制御層のチタンと同様に、圧電体膜74を成膜する際に圧電体膜74に取り込まれる。ちなみに、中間結晶制御層は、中間電極または直列接続されるコンデンサの誘電体となってしまった場合、圧電特性の低下を引き起こす。このため、中間結晶制御層は、圧電体膜74(圧電体層70)に取り込まれ、圧電体層70の成膜後に膜として残らないものが望ましい。
The second and subsequent
次に、図8(b)に示すように、2層目以降の圧電体膜74を積層することにより、複数層の圧電体膜74からなる圧電体層70を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, a
ちなみに、2層目以降の圧電体膜74は、絶縁体膜52上、第1電極60及び1層目の圧電体膜74の側面上、及び1層目の圧電体膜74上に亘って連続して形成される。
Incidentally, the second and subsequent
次に、図8(c)に示すように、圧電体層70上に第2電極80を構成する第1層81を形成する。本実施形態では、特に図示していないが、まず、圧電体層70上にイリジウムを有するイリジウム層と、イリジウム層上にチタンを有するチタン層とを積層する。なお、このイリジウム層及びチタン層は、スパッタリング法やCVD法等によって形成することができる。その後、イリジウム層及びチタン層が形成された圧電体層70をさらに再加熱処理(ポストアニール)する。このように再加熱処理することで、圧電体層70の第2電極80側にイリジウム層等を形成した際のダメージが発生しても、再加熱処理を行うことで、圧電体層70のダメージを回復して、圧電体層70の圧電特性を向上することができる。また、ポストアニールを行うことで、圧電体層70の圧電特性の向上及び圧電特性の均一化を行うことができる。
Next, as shown in FIG. 8C, the
次に、図9(a)に示すように、第1層81及び圧電体層70を各圧力発生室12に対応してパターニングする。本実施形態では、第1層81上に所定形状に形成したマスク(図示なし)を設け、このマスクを介して第1層81及び圧電体層70をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。なお、圧電体層70のパターニングは、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が挙げられる。これにより、圧電体層70はパターニングされて第1開口部71(図2参照)等が形成される。
Next, as shown in FIG. 9A, the
次に、図9(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面側(圧電体層70が形成された面側)に亘って、すなわち、第1層81上、圧電体層70をパターニングした側面上、絶縁体膜52上、及び第1電極60上等に亘って、第2層82を形成することで第2電極80を形成する。
Next, as shown in FIG. 9B, over one surface side of the flow path forming substrate wafer 110 (the surface side on which the
次に、図9(c)に示すように、第2電極80を所定形状にパターニングする。これにより、除去部83等を形成する。
Next, as shown in FIG. 9C, the
次に、応力付与膜200を形成する。まず、図10(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面に亘って応力付与膜200を形成する。応力付与膜200の材料は、内部応力が引っ張り応力となる材料であれば特に限定されず、無機材料や有機材料を用いることができる。なお、無機材料の応力付与膜200は、例えば、MOD法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、CVD法等の気相成膜により形成することができる。また、有機材料の応力付与膜200は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法、スリットコート法などの溶液塗布法である液相成膜により形成することができる。本実施形態では、応力付与膜200として、感光性ポリイミドをスピンコート法によって圧電素子300の厚さよりも厚く形成するようにした。
Next, the
次に、図10(b)に示すように、応力付与膜200を所定形状にパターニングして第2開口部201等を形成する。本実施形態では、感光性ポリイミドを露光、現像することで所定形状の応力付与膜200を形成した。このように、応力付与膜200として感光性樹脂を用いることで、ドライエッチングなどを用いることなく応力付与膜200をパターニングして、振動板50や第2電極80、圧電体層70等がドライエッチングによるオーバーエッチングによってその一部が除去されるのを抑制することができる。
Next, as shown in FIG. 10B, the
また、応力付与膜200に絶縁膜を用いる場合、除去部83上にも応力付与膜200を形成してもよい。この場合、応力付与膜200は、除去部83で露出している圧電体層70を保護する保護膜とすることができる。
When an insulating film is used for the
次に、図11(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の一方面の全面に亘ってリード電極90を形成する。本実施形態では、密着層191と、導電層192とを積層することでリード電極90を形成した。
Next, as shown in FIG. 11A, the
次に、図11(b)に示すように、リード電極90を所定形状にパターニングする。リード電極90のパターニングでは、先に導電層192をウェットエッチング等でパターニングした後、密着層191をウェットエッチングによってパターニングすればよい。
Next, as shown in FIG. 11B, the
次に、図12(a)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を接着剤35を介して接合した後、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. 12A, a protective substrate wafer 130 that is a silicon wafer and serves as a plurality of
次いで、図12(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110にマスク膜53を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図12(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110をマスク膜53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、インク供給路13、連通路14及び連通部15等を形成する。これにより、圧電素子300は流路形成基板用ウェハー110(振動板50)の拘束が解除されて、内部応力の影響で図6に示すように変形する。
Next, as shown in FIG. 12B, 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
(実施形態2)
図13は、本発明の実施形態2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要部を拡大した断面図である。なお、上述した実施形態1と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 2 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to Embodiment 1 mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図示するように、上述した実施形態1と同様に圧電素子300には、第2開口部201を有する応力付与膜200が設けられている。
As shown in the figure, the
また、第2開口部201には、内部応力が圧縮応力となる圧縮膜210が設けられている。圧縮膜210は、第2開口部201内に露出された第2電極80上から応力付与膜200の第2開口部201の開口縁部まで延設されている。このように第2電極80上に圧縮膜210を設けることで、圧電素子300をさらに圧力発生室12とは反対側に引き上げる応力を付与して、引き上げ効果を向上することができる。
The
なお、このような圧縮膜210は、応力付与膜200を成膜及びパターニングして第2開口部201を形成した後に成膜及びパターニングして形成すればよい。
Such a
(実施形態3)
図14は、本発明の実施形態3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要部を拡大した断面図である。なお、上述した実施形態と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to Embodiment 3 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to embodiment mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図14に示すように、流路形成基板10上に振動板50を介して設けられた圧電素子300は、第1電極60と圧電体層70と第2電極80とを具備する。
As shown in FIG. 14, the
第2電極80は、第1層81と、第1層81上に設けられた配線である第2層82Aと、を具備する。また、圧電素子300には、応力付与膜200が設けられている。そして、第2電極80の第2層82Aは、本実施形態では、応力付与膜200上に設けられている。すなわち、第2電極80は、圧電体層70の上面に設けられた第1層81と、応力付与膜200上に設けられた第2層82Aとによって構成されている。そして、第2層82Aは、応力付与膜200の第2開口部201内の第1層81上にまで延設されており、第2開口部201内で第1層81と電気的に接続されている。また、第2層82Aは、第2開口部201内において、第1層81の中央部に対応する領域に第3開口部84を有する。すなわち、第2層82は、第3開口部84によって第1層81の上面の中央部を露出している。
The
このような第2層82は、内部応力が引っ張り応力となっている。内部応力が引っ張り応力となる第2層82は、例えば、メッキ法やスピンコート法などの液相法によって形成することができる。もちろん、第2層82Aは、複数層を積層して構成してもよい。そして、第2層82Aは、積層された一部の層の内部応力が圧縮応力であったとしても全体として引っ張り応力であればよい。本実施形態では、第2層82Aは、詳しくは後述する製造方法によって、触媒層85と、メッキ層86との2層を積層したものを用いた。
Such a
このように応力付与膜200上に内部応力が引っ張り応力となる第2層82Aを設けることで、第2層82Aによって圧電素子300の引き上げ効果を向上して、変位特性を向上することができる。つまり、上述した実施形態1のように、第2層82を圧電体層70の側面上に沿って設けた場合に比べて、第2層82Aを応力付与膜200上に設けることで、第2層82Aによる圧電素子300を引き上げる応力モーメントを向上することができ、圧電素子300の引き上げ効果を向上することができる。また、第2電極80として、第1層81のみを設けずに、第2層82Aを設けることで、第2電極80の電気抵抗値を低下させて、エレキクロストークを抑制することができる。
Thus, by providing the
なお、本実施形態では、上述した実施形態1の第2層82に代わって応力付与膜200上に第2層82Aを設けるようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、上述した実施形態1の第2層82と、本実施形態の第2層82Aとの両方を設けるようにしてもよい。これにより、圧電素子300の引き上げ効果をさらに向上することができると共に、第2電極80の電気抵抗値をさらに低下させてエレキクロストークをさらに抑制することができる。
In the present embodiment, the
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について図15及び図16を参照して説明する。なお、上述した実施形態1と重複する工程については説明を省略する。 Here, the manufacturing method of the ink jet recording head of this embodiment will be described with reference to FIGS. In addition, description is abbreviate | omitted about the process which overlaps with Embodiment 1 mentioned above.
図15(a)に示すように、上述した実施形態1と同様に流路形成基板用ウェハー110の一方面に振動板50、第1電極60、圧電体層70及び第1層81を所定形状に形成した後、第2開口部201を有する応力付与膜200を形成する。各膜の製造方法は上述した実施形態1と同様である。
As shown in FIG. 15A, the
次に、図15(b)に示すように、応力付与膜200及び第1層81上に亘ってレジスト220を形成すると共に第1層81の中央部のみ、すなわち、第3開口部84が形成される領域のみにレジスト220が残るようにパターニングする。
Next, as shown in FIG. 15B, a resist 220 is formed over the
次に、図15(c)に示すように、応力付与膜200、第1層81及びレジスト220上に触媒層85を形成する。触媒層85は、後の無電解メッキの触媒(アクチベーター)として機能するものであり、主成分としてパラジウム(Pd)を含むものである。触媒層85の形成方法としては、一般的にディップ式とスプレー式(スピン式)とがあり、ディップ式は薬液槽に対象物を浸漬する方法である。ディップ式としては、例えば、対象物を塩化スズの塩酸溶液であるセンシタイザー溶液に浸漬した後、塩化パラジウムの塩酸溶液からなるアクチベーター溶液に浸漬することで、パラジウムからなる触媒を付与する方法(センシタイザー−アクチベーター法)などが挙げられる。ちなみに、スプレー式は薬液をノズルから対象物に吹き付ける方法である。それ以外、薬液をインクジェット式記録ヘッドを用いて対象物上に噴射するインクジェット方式もある。本実施形態では、ディップ式によって触媒層85を形成するようにした。このようにディップ式によって触媒層85を形成することで、バッチ(一括)処理することができるため、生産プロセスの効率を向上することができる。
Next, as shown in FIG. 15C, a
次に、図16(a)に示すように、レジスト220を除去する(リフトオフ)。これにより、レジスト220上に形成された触媒層85のみが同時に除去される。
Next, as shown in FIG. 16A, the resist 220 is removed (lift-off). Thereby, only the
次に、図16(b)に示すように、触媒層85上にメッキ層86を無電解メッキによって形成する。本実施形態では、メッキ層86は、主成分としてニッケル(Ni)を含むものである。このようにメッキ層86を無電解メッキによって形成することで、触媒として触媒層85が形成された領域のみにメッキ層86を選択的に形成することができる。これにより、第3開口部84を有する触媒層85及びメッキ層86が積層された第2層82Aが形成される。また、メッキ層86を無電解メッキによって形成することで、メッキ層86の内部応力を引っ張り応力として、第2層82全体の内部応力を引っ張り応力とすることができる。
Next, as shown in FIG. 16B, a
その後は、上述した実施形態1と同様に、第2電極80を所定形状にパターニングして圧電素子300を形成した後、リード電極90を形成する。そして、流路形成基板用ウェハー110に保護基板用ウェハー130を接着し、流路形成基板用ウェハー110に圧力発生室12等の流路を形成する。その後は、ノズルプレート20やコンプライアンス基板40等を接合すると共に、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130を分割することで本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。
Thereafter, similarly to the first embodiment described above, the
なお、本実施形態では、第2層82Aを触媒層85とメッキ層86との積層構造としたが、特にこれに限定されず、さらにメッキ層86上に触媒層や無電解メッキによって形成された金等のメッキ層等を設けてもよい。また、第2層82Aは、内部応力が引っ張り応力であれば、単一層であってもよく、また、無電解メッキ以外の方法で形成されたものであってもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態の圧電素子300にさらに実施形態2の圧縮膜210を設けるようにしてもよい。このような例を図17に示す。なお、図17は、本発明の実施形態3に係る記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
Further, the
図17に示すように、第2層82Aの第3開口部84内には、内部応力が圧縮応力の圧縮膜210が設けられている。圧縮膜210は、第3の方向Zにおいて、応力付与膜200の第2開口部201の開口縁部に相対向する領域まで延設されている。このように本実施形態の圧電素子300に圧縮膜210をさらに設けることによって、圧電素子300を圧力発生室12とは反対側への引き上げ効果をさらに向上して圧電素子300の変位特性を向上することができる。
As shown in FIG. 17, a
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の基本的な構成は上述したものに限定されるものではない。
(Other embodiments)
As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, the fundamental structure of this invention is not limited to what was mentioned above.
例えば、上述した実施形態1〜3では、各能動部310の圧電体層70が連続的に設けられた構成を例示したが、勿論、圧電体層70は、能動部310毎に独立して設けられていてもよい。すなわち、第1開口部71が第2の方向Yに亘って設けられており、能動部310毎に圧電体層70が完全に切り分けられていてもよい。
For example, in the first to third embodiments described above, the configuration in which the
また、上述した実施形態1では、第2電極80を第1層81と第2層82とを積層したものとしたが、特にこれに限定されず、第2電極80は単層であっても3層以上に積層したものであってもよい。すなわち、実施形態1において、第2電極80が第1層81のみで構成されいてもよい。
In Embodiment 1 described above, the
また、上述した実施形態1〜3では、基板である流路形成基板10に凹部である圧力発生室12が厚さ方向である第3の方向Zに貫通して設けられた構成を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧力発生室12が流路形成基板10を第3の方向Zに貫通して設けられていなくてもよい。すなわち、圧力発生室12が振動板50側に開口して設けられており、圧力発生室12とノズル開口21とがノズル連通路等を介して連通していてもよい。また、圧力発生室12をノズル開口21側に開口するように設け、流路形成基板10の圧電素子300側の一部を残して、残した部分を振動板の一部として用いるようにしてもよい。つまり、凹部とは、流路形成基板10等の基板を厚さ方向に貫通するものも、何れか一方面のみに開口するものも含むものである。
Moreover, although Embodiment 1-3 mentioned above illustrated the structure by which the
また、インクジェット式記録ヘッドIは、例えば、図18に示すように、インクジェット式記録装置IIに搭載される。 The ink jet recording head I is mounted on an ink jet recording apparatus II, for example, as shown in FIG.
図18に示すように、インクジェット式記録ヘッドIを有する記録ヘッドユニット1A、1Bは、インク供給手段を構成するカートリッジ2A、2Bが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット1A、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に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット1A、1Bは、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射する。
As shown in FIG. 18, 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、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には搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。なお、記録シートSを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
Then, the driving force of the driving
なお、上述した例では、インクジェット式記録装置IIとして、インクジェット式記録ヘッドIがキャリッジ3に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、その構成は特に限定されるものではない。インクジェット式記録装置IIは、例えば、インクジェット式記録ヘッドIを固定し、紙等の記録シートSを副走査方向に移動させることで印刷を行う、いわゆるライン式の記録装置であってもよい。 In the above-described example, the ink jet recording apparatus II has been exemplified in which the ink jet recording head I is mounted on the carriage 3 and moves in the main scanning direction, but the configuration is not particularly limited. The ink jet recording apparatus II may be, for example, a so-called line recording apparatus that performs printing by fixing the ink jet recording head I and moving a recording sheet S such as paper in the sub-scanning direction.
また、上述した例では、インクジェット式記録装置IIは、液体貯留手段であるカートリッジ2A、2Bがキャリッジ3に搭載された構成であるが、特にこれに限定されず、例えば、インクタンク等の液体貯留手段を装置本体4に固定して、液体貯留手段とインクジェット式記録ヘッドIとをチューブ等の供給管を介して接続してもよい。また、液体貯留手段がインクジェット式記録装置に搭載されていなくてもよい。
In the above-described example, the ink jet recording apparatus II has a configuration in which the
なお、上記実施の形態においては、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、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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や液体噴射装置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、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。 In the above embodiment, an ink jet recording head has been described as an example of a liquid ejecting head, and an ink jet recording apparatus has been described as an example of a liquid ejecting apparatus. The present invention is intended for the entire apparatus, and can of course be applied to a liquid ejecting head and a liquid ejecting apparatus that eject liquid other than ink. 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 FED (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bio-organic matter ejection head used for biochip production, and the like, and can also be applied to a liquid ejection apparatus including such a liquid ejection head.
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アクチュエーターに限られず、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圧電デバイスにも適用することができる。 The present invention is not limited to a piezoelectric actuator 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. It can also be applied to piezoelectric devices.
I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板(基板)、 11 隔壁、 12 圧力発生室、 13 インク供給路、 14 連通路、 15 連通部、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 マニホールド部、 33 貫通孔、 35 接着剤、 40 コンプライアンス基板、 41 封止膜、 42 固定板、 43 開口部、 50 振動板、 51 弾性膜、 52 絶縁体膜、 60 第1電極、 70 圧電体層、 71 第1開口部、 80 第2電極、 81 第1層、 82、82A 第2層、 84 第3開口部、 85 触媒層、 86 メッキ層、 90 リード電極、 100 マニホールド、 200 応力付与膜、 201 第2開口部(開口部)、 210 圧縮膜、 220 レジスト、 300 圧電素子、 310 能動部
I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate (substrate), 11 partition, 12 pressure generating chamber, 13 ink supply path, 14 communication path, 15 communication Part, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 piezoelectric element holding part, 32 manifold part, 33 through hole, 35 adhesive, 40 compliance board, 41 sealing film, 42 fixing plate, 43 opening part, 50 Diaphragm, 51 Elastic film, 52 Insulator film, 60 First electrode, 70 Piezoelectric layer, 71 First opening, 80 Second electrode, 81 First layer, 82, 82A Second layer, 84
Claims (12)
前記基板の一方面側に設けられた振動板と、
前記振動板の前記基板とは反対面側に設けられて、前記振動板側から第1電極、圧電体層及び第2電極が積層された圧電素子と、を具備する圧電デバイスであって、
前記圧電素子は、前記凹部に対応する領域に設けられて実質的な駆動部となる能動部を有し、
前記第1電極が前記能動部に個別に設けられた個別電極を構成し、
前記第2電極が複数の前記能動部に共通して設けられた共通電極を構成し、
互いに隣り合う前記能動部の間の前記隔壁に対向する領域には、前記第2電極の前記圧電体層とは反対側の上面にまで延設されて、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜が設けられており、
前記能動部毎に前記圧電素子の上面の中央部に対応する領域に開口部が設けられていることを特徴とする圧電デバイス。 A substrate in which a plurality of recesses are partitioned by a partition;
A diaphragm provided on one side of the substrate;
A piezoelectric device provided on the surface of the diaphragm opposite to the substrate, the piezoelectric element including a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode laminated from the diaphragm side;
The piezoelectric element has an active portion that is provided in a region corresponding to the concave portion and serves as a substantial driving portion,
The first electrode constitutes an individual electrode provided individually in the active part,
The second electrode constitutes a common electrode provided in common to the plurality of active portions;
A stress applying film that extends to the upper surface of the second electrode opposite to the piezoelectric layer in a region facing the partition between the active parts adjacent to each other, and the internal stress becomes a tensile stress. Is provided,
A piezoelectric device characterized in that an opening is provided in a region corresponding to the central portion of the upper surface of the piezoelectric element for each active portion.
前記基板の一方面側に設けられた振動板と、
前記振動板の前記基板とは反対面側に設けられて、前記振動板側から第1電極、圧電体層及び第2電極が積層された圧電素子と、を具備し、
前記圧電素子は、前記凹部に対応する領域に設けられて実質的な駆動部となる能動部を有し、
前記第1電極が前記能動部に個別に設けられた個別電極を構成し、
前記第2電極が複数の前記能動部に共通して設けられた共通電極を構成し、
互いに隣り合う前記能動部の間の前記隔壁に対向する領域に前記第2電極の前記圧電体層とは反対側の上面にまで延設されて、内部応力が引っ張り応力となる応力付与膜を設けると共に、前記圧電素子の上面の中央部に対応する領域に開口部を設けることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 A substrate in which a plurality of recesses are partitioned by a partition;
A diaphragm provided on one side of the substrate;
A piezoelectric element that is provided on the surface of the diaphragm opposite to the substrate and in which the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode are stacked from the diaphragm side;
The piezoelectric element has an active portion that is provided in a region corresponding to the concave portion and serves as a substantial driving portion,
The first electrode constitutes an individual electrode provided individually in the active part,
The second electrode constitutes a common electrode provided in common to the plurality of active portions;
In a region facing the partition between the active parts adjacent to each other, a stress applying film is provided which extends to the upper surface of the second electrode opposite to the piezoelectric layer and whose internal stress becomes tensile stress. And a method of manufacturing a piezoelectric device, wherein an opening is provided in a region corresponding to a central portion of the upper surface of the piezoelectric element.
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