JP2010194832A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密着性を向上して耐久性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置を提供する。
【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室１２が設けられた流路形成基板１０と、該流路形成基板１０に設けられた絶縁体膜５５を有する振動板と、該振動板上に設けられた第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０からなる圧電素子３００と、を具備し、前記絶縁体膜５５は、酸化ジルコニウム層に酸化ハフニウムが含まれたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、振動板と、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子とを具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置に関する。

液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴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て圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド等がある。このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられる圧電素子としては、例えば、下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子のたわみ変形を用いたものが実用化されている。

また、振動板として、圧力発生室側に設けられた酸化シリコンからなる弾性膜と、圧電素子側に設けられた酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜とを積層したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２６０００３号公報

しかしながら、酸化ジルコニウムのみで形成された絶縁体膜を用いると、絶縁体膜とその他の膜との密着性が低く、層間剥離等が生じてしまう虞があるという問題がある。

なお、このような問題は、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アクチュエーター装置に限定されず、例えば、他のデバイスに搭載されるアクチュエーター装置においても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、密着性を向上して耐久性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、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と、該流路形成基板に設けられた絶縁体膜を有する振動板と、該振動板上に設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、前記絶縁体膜は、酸化ジルコニウム層に、酸化ハフニウムが含まれたものであ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、酸化ジルコニウムの絶縁体膜に酸化ハフニウムを含有させることにより、その他の膜との密着力を向上して、耐久性を向上することができる。

ここで、前記酸化ハフニウムが、前記絶縁体膜の前記流路形成基板側に偏析していることが好ましい。これによれば、絶縁体膜と流路形成基板側との密着性を向上することができる。

また、前記振動板が、前記絶縁体膜の前記流路形成基板側に酸化シリコンからなる弾性膜を有することが好ましい。これによれば、弾性膜と絶縁体膜との間に空洞が生じるのを低減して、密着力を向上することができる。

また、流路形成基板がシリコンからなることが好ましい。これによれば、圧力発生室を高精度に且つ高密度に形成することができる。

また、前記圧電体層が、鉛を含むことが好ましい。これによれば、酸化ジルコニウムの絶縁体膜によって、絶縁体膜の圧電素子とは反対側への鉛の拡散を防止することができる。

さらに本発明の他の態様は、上記態様に記載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、耐久性を向上して信頼性を向上した液体噴射装置を実現できる。

また、本発明の他の態様は、基板上に設けられた絶縁体膜を有する振動板と、該振動板上に設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、前記絶縁体膜は、酸化ジルコニウム層に、酸化ハフニウムが含まれたものであ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、酸化ジルコニウムの絶縁体膜に酸化ハフニウムを含有させることにより、その他の膜との密着力を向上して、耐久性を向上することができる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部断面図である。 本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る記録装置の概略図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（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概略構成を示す要部断面図である。

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、その一方の面には酸化シリコンを主成分とする弾性膜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がその幅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の開口面側には、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。

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、上述のように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０と、が積層形成されて圧電素子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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。

本実施形態では、図１に示すように、第１電極６０を複数の圧力発生室１２に相対向する領域に亘って連続して設けることで、複数の圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０及び圧電体層７０を各圧電素子３００毎に切り分けることで、第２電極８０を各圧電素子３００の個別電極としている。なお、本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて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を設けずに、絶縁体膜５５及び第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。

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圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、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が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。もちろん、本実施形態の圧電体層７０は、上記した材料に限定されるものではないが、優れた電気機械変換作用を有する圧電体層７０として、鉛を含有するものが挙げられる。

圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。圧電体層７０は、１〜５μｍ前後の厚さが好ましい。なお、圧電体層７０の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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を形成した。なお、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、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。

絶縁体膜５５は、主成分としての酸化ジルコニウム層に酸化ハフニウムが含有されたものである。本実施形態では、図２に示すように、絶縁体膜５５の酸化ハフニウムは、酸化ジルコニウム層の厚み方向において全体的に含まれているが、弾性膜５０側に偏析している（偏析領域５６）。このように酸化ハフニウムを弾性膜５０側に偏析させることで、酸化シリコンからなる弾性膜５０と絶縁体膜５５との密着性を向上し、層間剥離が生じるのを低減することができる。ちなみに、例えば、酸化ジルコニウムのみからなる絶縁体膜５５を用いた場合、弾性膜５０と絶縁体膜５５との間に空洞が生じて密着力が低下してしまう虞がある。また、酸化ジルコニウムのみからなる絶縁体膜５５は脆弱なため、衝撃によって壊れ易いが、本実施形態のように主成分としての酸化ジルコニウムと、酸化ハフニウムとを含有する絶縁体膜５５は衝撃に強く破壊され難い。したがって、本実施形態の絶縁体膜５５を用いることで、圧電素子３００を長期駆動した際の信頼性を向上することができる。もちろん、酸化ハフニウムを弾性膜５０側に偏析しなくても、絶縁体膜５５に酸化ハフニウムが含有されることで、弾性膜５０及び第１電極６０との密着力が向上される。

また、絶縁体膜５５の弾性膜５０側に酸化ハフニウムを偏析させることで、第１電極６０側に酸化ハフニウムがほとんど存在しなくなる。これにより、絶縁体膜５５に含まれる酸化ジルコニウムが第１電極６０側に主に存在することとなり、圧電体層７０に含まれる鉛等の成分が、絶縁体膜５５内及び絶縁体膜５５よりも流路形成基板１０側に拡散するのを低減することができる。
なお、酸化ハフニウムの含有量は、１〜３重量％程度が好ましい。

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、図示しない外部のインクタンク等の液体貯留手段から圧力発生室１２内にインクを取り込み、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し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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。

（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。例えば、上述した実施形態１では、流路形成基板１０としてシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、これらのインクジェット式記録ヘッドＩ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３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。

図３に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、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。

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。

また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）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、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

また、上述した実施形態１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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。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ＩＩを挙げて説明したが、上述した他の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置にも用いることが可能である。

さらに、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アクチュエーター装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエーター装置にも適用することができる。

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）、 １２ 圧力発生室、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ５６ 偏析領域、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ３００ 圧電素子

Claims (7)

1. 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と、
   該流路形成基板に設けられた絶縁体膜を有する振動板と、
   該振動板上に設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、
   前記絶縁体膜は、酸化ジルコニウム層に、酸化ハフニウムが含まれたものであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記酸化ハフニウムが、前記絶縁体膜の前記流路形成基板側に偏析し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。
3. 前記振動板が、前記絶縁体膜の前記流路形成基板側に酸化シリコンからなる弾性膜を有することを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
4. 流路形成基板がシリコンからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記圧電体層が、鉛を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載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。
7. 基板上に設けられた絶縁体膜を有する振動板と、
   該振動板上に設けられた第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子と、を具備し、
   前記絶縁体膜は、酸化ジルコニウム層に、酸化ハフニウムが含まれたものであることを特徴とするアクチュエーター装置。

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