JP4300431B2 - アクチュエータ装置及びそれを用いた液体噴射ヘッド - Google Patents

アクチュエータ装置及びそれを用いた液体噴射ヘッド Download PDF

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Description

本発明は、基板に変位可能に設けられた振動板及び圧電素子を具備するアクチュエータ装置及びそれを用いた液体噴射ヘッドに関する。
アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、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、下電極と上電極との2つの電極で挟んで構成されたものがある。このようなアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。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。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置としては、例えば、振動板の表面全体に亘って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある。
このような圧電素子としては、基板上に設けられた下電極と、下電極上に設けられた圧電体層と、圧電体層上に設けられた上電極とで構成されており、下電極の端面と基板の表面とのなす角が直角になるように構成されたものがある(例えば、特許文献1〜3参照)。
特開2002−314163号公報 特開2002−319714号公報 特開2003−174211号公報
しかしながら、上述したような圧電素子を用いたアクチュエータ装置を駆動させると、上電極と下電極とで挟まれた領域に形成された圧電体能動部と、それ以外の領域に形成された圧電体非能動部との間で応力が集中してしまい、圧電体層に亀裂(クラック)が発生してしまう可能性があるという問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑み、両電極に電圧を印加した際に生ずる応力に対して高い強度を有する圧電体層を備えたアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド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、基板上に変位可能に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備したアクチュエータ装置であって、前記下電極は、中央部が平坦な平坦部と、端部が前記基板面に向けて傾斜した傾斜部とを有し、前記圧電体層が、前記下電極上および前記基板上に設けられており、前記圧電体層は、前記下電極の平坦部の表面に対して直角方向に伸びるように形成された複数の柱状結晶からなる第1の圧電体層と、前記基板の表面に対して直角方向に伸びるように形成された複数の柱状結晶からなる第2の圧電体層と、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層との間であって、前記傾斜部上に形成された複数の柱状結晶からなる第3の圧電体層と、を備え、前記第3の圧電体層の柱状結晶は、前記傾斜部表面に対して直角方向に伸び、且つ前記上電極側に向かうにつれて前記基板の表面に対して直角方向に伸びるように屈曲して形成されていると共に、前記圧電体層の前記上電極側の面における前記第3の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅が、前記第1および第2の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅よりも幅広に形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、圧電体中間部の圧電体層を構成する柱状結晶は、下電極側から上電極側に向かう応力又はその逆方向の応力に対して高い強度を有するので、高い信頼性及び耐久力を有するアクチュエータ装置を提供することができる。
また、前記圧電素子は、前記第1の圧電体層を有する圧電体能動部と、前記第2の圧電体層を有する圧電体非能動部と、前記第3の圧電体層を有する圧電体中間部と、で構成されることが好ましい。これによれば、高い強度を有する複数の柱状結晶からなる圧電体中間部によって圧電体能動部と圧電体非能動部との間に生ずる応力を緩和することができるので、より高い信頼性及び耐久力を有するアクチュエータ装置を提供することができる。
また、同一方向において、前記第3の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅が、前記第1および第2の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅よりも幅広であることが好ましい。これによれば、圧電体中間部の圧電体層を構成する柱状結晶は、下電極側から上電極側に向かう応力又はその逆方向の応力に対してさらに高い強度を有するので、さらに高い信頼性及び耐久力を有するアクチュエータ装置を提供することができる。
また、前記第3の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅広方向は、前記傾斜部の傾斜方向に対応していることが好ましい。これによれば、圧電体中間部の圧電体層を構成する柱状結晶は、傾斜部の傾斜方向に沿って下電極側から上電極側に向かう応力又はその逆方向の応力に対して高い強度を有するので、さらに高い信頼性及び耐久力を有するアクチュエータ装置を提供することができる。
また、前記基板の表面に対する前記傾斜部の傾斜角度が5〜50°であることが好ましい。これによれば、圧電体中間部の圧電体層を構成する柱状結晶は、傾斜部の傾斜方向に沿って下電極側から上電極膜側に向かう応力又はその逆方向の応力に対してさらに高い強度を有する。
また、前記傾斜部の傾斜方向の長さが0.5〜3μmであることが好ましい。これによれば、圧電体中間部の圧電体層を構成する柱状結晶は、傾斜部の傾斜方向に沿って下電極側から上電極膜側に向かう応力又はその逆方向の応力に対してより高い強度を有する。
また、前記第1の圧電体層、前記第2の圧電体層及び前記第3の圧電体層をそれぞれ構成する柱状結晶は、ペロブスカイト構造であることが好ましい。これによれば、圧電体中間部の圧電体層を構成する柱状結晶は、下電極側から上電極膜側に向かう応力又はその逆方向の応力に対してさらに高い強度を有する。
本発明の他の態様は、液体を噴射する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、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる液体噴射手段として上述した何れか1つのアクチュエータ装置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、高い強度を有する複数の柱状結晶からなる圧電体中間部を有するアクチュエータ装置を備えているので、高い信頼性及び耐久性を有する液体噴射ヘッドを提供することができる。
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分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′断面図である。
図示するように、基板である流路形成基板10は、本実施形態では結晶面方位が(110)面のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ0.5〜2μmの弾性膜50が形成されている。
流路形成基板10には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12がその幅方向(短手方向)に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向一端部側には、インク供給路14と連通路15とが隔壁11によって区画されている。また、連通路15の一端には、各圧力発生室12の共通のインク室(液体室)となるリザーバ100の一部を構成する連通部13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、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。
インク供給路14は、圧力発生室12の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室12より小さい断面積を有する。
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。
一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約1.0μmの弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、酸化ジルコニウム(ZrO)等からなり厚さが例えば、約0.4μmの絶縁体膜55が積層形成されている。
また、絶縁体膜55上には、厚さが約0.1〜0.5μmの下電極膜60と、詳細は後述するが、誘電体膜の一例であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等からなり厚さが例えば、約1.1μmの圧電体層70と、金、白金又はイリジウム等からなり厚さが例えば、約0.05μmで、圧電体層70を介して下電極膜60を覆うように設けられた上電極膜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、本実施形態では、下電極膜60を複数の圧力発生室12に対向する領域に亘って設けることで下電極膜60を複数の圧電素子300の共通電極としている。そして、各圧力発生室12の長手方向に対応する下電極膜60の端部には、端面が流路形成基板10側に向かって傾斜した傾斜部62が設けられている。また、圧電体層70及び上電極膜80を各圧電素子300毎に下電極膜60を覆うように傾斜部62の外側まで設けることで上電極膜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、弾性膜50と絶縁体膜55と下電極膜60とにより振動板が構成され、この振動板と圧電素子300とによってアクチュエータ装置1が構成されることになる。ここで、圧電素子300は、下電極膜60、圧電体層70及び上電極膜80を含む部分をいう。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜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。何れの場合においても、各圧力発生室12毎に圧電体能動部320が形成されていることになる。
なお、本実施形態の圧電体層70としては、下電極膜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が挙げられる。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が好適である。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO)ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O)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)等を用いることができる。本実施形態では、圧電体層70として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。
また、圧電素子300の個別電極である各上電極膜80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜55上まで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
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、リザーバ100の少なくとも一部を構成するリザーバ部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。リザーバ部31は、本実施形態では、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100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、リザーバ部31のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、絶縁体膜55等)にリザーバと各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、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。保護基板30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。
このような保護基板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。
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。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
さらに、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。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等の導電性ワイヤからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板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によってリザーバ部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(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ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。
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。
次に、上述した圧電素子300を構成する圧電体層70について詳細に説明する。圧電体層70は、図3に示すように、3つの領域、すなわち第1〜第3の圧電体層71〜73からなっている。図3は、本発明の実施形態1に係る圧電体素子の拡大概略図である。
第1の圧電体層71は、絶縁体膜55の表面と平行な表面を有する下電極膜60の平坦部61上に形成されており、下電極膜60の表面に対して直角方向に伸びるように形成された複数の柱状結晶710で構成されている。また、第2の圧電体層72は、絶縁体膜55上に形成されており、絶縁体膜55の表面に対して直角方向に伸びるように形成された複数の柱状結晶720で構成されている。なお、絶縁体膜55は、流路形成基板10の表面と平行な表面を有している。
一方、第3の圧電体層73は、絶縁体膜55の表面に対して流路形成基板10側に5〜50°傾斜した下電極膜60の傾斜部62上に形成されている。なお、本実施形態では、およそ25°傾斜した傾斜部62上に第3の圧電体層73を形成した。
この第3の圧電体層73を構成する複数の柱状結晶730は、傾斜部62の表面に対して直角方向に伸びるように形成され、且つ上電極膜80側に向かうにつれて流路形成基板10の表面に対して直角方向に伸びるように湾曲して形成されている。すなわち、柱状結晶730の下電極膜60側の部分731は傾斜部62の表面に対して直角方向に伸びるように形成されているが、途中で湾曲し、柱状結晶730の上電極膜80側の部分732は流路形成基板10の表面に対して直角方向に伸びるように形成されている。そして、図4に示すように、柱状結晶730の上電極膜80側端面の結晶粒の幅(図4における横方向の幅)は、第1の圧電体層71及び第2の圧電体層72を構成する柱状結晶710、720の上電極膜80側端面の結晶粒の幅(図4における横方向の幅)と比較して幅広になっている。なお、図4は、図3に示すB−B’面における概略端面図である。そして、柱状結晶730の上電極膜80側端面の結晶粒の幅広方向は、傾斜部62の傾斜方向に対応している。すなわち、柱状結晶730の上電極膜80側端面の結晶粒の長手方向は、傾斜部62の傾斜方向と同一となっている。したがって、柱状結晶730は、柱状結晶710、720と比較して、傾斜部62の傾斜方向に沿って下電極膜60側から上電極膜80側に向かう応力又はその逆方向の応力に対して高い強度を有することになる。
なお、このような形状の下電極膜60は、例えばスパッタリングなどにより絶縁体膜55上の全面に亘って下電極膜60を形成した後、パターニングすることにより形成することができる。また、圧電体層70は、ゾル−ゲル法やMOD(Metal-Organic Decomposition)法などを用いて形成することができる。すなわち、金属有機化合物を溶媒に溶解・分散させたゾルを塗布乾燥させてゲル化した後、焼成させることなどにより圧電体層70を形成する。そして、上電極膜80はスパッタリングなどにより形成することができる。
このような圧電素子300は、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、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320といい、両電極へ電圧を印加しても圧電歪みが生じない部分を圧電体非能動部321という。
本実施形態では、圧電体能動部320は下電極膜60の平坦部61と第1の圧電体層71と上電極膜80とから構成され、圧電体非能動部321は絶縁体膜55上に設けられた第2の圧電体層72と上電極膜80とから構成されている。そして、本実施形態では、傾斜部62と第3の圧電体層73と上電極膜80とから構成された圧電体中間部322がさらに設けられている。すなわち、圧電体能動部320と圧電体非能動部321との間に圧電体中間部322がさらに設けられている。その結果、両電極に電圧が印加されると、圧電体能動部320は変位することになるが、圧電体非能動部321は変位しないために、圧電体中間部322に応力がかかることになる。すなわち、両電極に電圧が印加されると、第3の圧電体層73を構成する柱状結晶730に、長手方向(傾斜部62の傾斜方向)に沿って下電極膜60側から上電極膜80側に向かう応力がかかることになる。
ここで、上述したように、柱状結晶730は、柱状結晶710、720と比較して、傾斜部62の傾斜方向に沿って下電極膜60側から上電極膜80側に向かう応力に対して高い強度を有しているので、この圧電素子300を用いてアクチュエータ装置1を構成することによりアクチュエータ装置1の信頼性及び耐久性を向上させることができる。したがって、このようなアクチュエータ装置1を用いてインクジェット式記録ヘッドIを構成することにより、インクジェット式記録ヘッドIの信頼性及び耐久性を向上させることができる。
(他の実施形態)
以上、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I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、実施形態1では、第3の圧電体層73を構成する柱状結晶は、傾斜部62の表面に対して直角方向に伸びるように形成され、且つ上電極膜80側に向かうにつれて絶縁体膜55の表面に対して直角方向に伸びるように湾曲して形成されていたが、必ずしも湾曲している必要はなく、傾斜部62の表面に対して直角方向に伸びるように形成され、且つ上電極膜80側に向かうにつれて絶縁体膜55の表面に対して直角方向に伸びるように屈曲して形成されていればよい。
また、本発明は、液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置にも適用することができる。
実施形態1に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 実施形態1に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態1に係る圧電体素子の拡大概略図である。 図3に示すB−B’面における概略端面図である。
符号の説明
1 アクチュエータ装置、 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 リザーバ部、 32 圧電素子保持部、 40 コンプライアンス基板、 55 絶縁体膜、 60 下電極膜、 61 平坦部、 62 傾斜部、 70 圧電体層、 71 第1の圧電体層、 72 第2の圧電体層、 73 第3の圧電体層、 80 上電極膜、 90 リード電極、 100 リザーバ、 120 駆動回路、 121 接続配線、 300 圧電素子、 320 圧電体能動部、 321 圧電体非能動部、 322 圧電体中間部、 710,720,730 柱状結晶、 I インクジェット式記録ヘッド

Claims (8)

  1. 基板上に変位可能に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を具備したアクチュエータ装置であって、前記下電極は、中央部が平坦な平坦部と、端部が前記基板面に向けて傾斜した傾斜部とを有し、前記圧電体層が、前記下電極上および前記基板上に設けられており、前記圧電体層は、前記下電極の平坦部の表面に対して直角方向に伸びるように形成された複数の柱状結晶からなる第1の圧電体層と、前記基板の表面に対して直角方向に伸びるように形成された複数の柱状結晶からなる第2の圧電体層と、前記第1の圧電体層と前記第2の圧電体層との間であって、前記傾斜部上に形成された複数の柱状結晶からなる第3の圧電体層と、を備え、前記第3の圧電体層の柱状結晶は、前記傾斜部表面に対して直角方向に伸び、且つ前記上電極側に向かうにつれて前記基板の表面に対して直角方向に伸びるように屈曲して形成されていると共に、前記圧電体層の前記上電極側の面における前記第3の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅が、前記第1および第2の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅よりも幅広に形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
  2. 前記圧電素子は、前記第1の圧電体層を有する圧電体能動部と、前記第2の圧電体層を有する圧電体非能動部と、前記第3の圧電体層を有する圧電体中間部と、で構成されることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ装置。
  3. 同一方向において、前記第3の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅が、前記第1および第2の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅よりも幅広であることを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ装置。
  4. 前記第3の圧電体層の柱状結晶の結晶粒の幅広方向は、前記傾斜部の傾斜方向に対応していることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
  5. 前記基板の表面に対する前記傾斜部の傾斜角度が5〜50°であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
  6. 前記傾斜部の傾斜方向の長さが0.5〜3μmであることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
  7. 前記第1の圧電体層、前記第2の圧電体層及び前記第3の圧電体層をそれぞれ構成する柱状結晶は、ペロブスカイト構造であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のアクチュエータ装置。
  8. 液体を噴射する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、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる液体噴射手段として請求項1〜7の何れか一項に記載のアクチュエータ装置とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
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