JP5169973B2

JP5169973B2 - Inkjet head

Info

Publication number: JP5169973B2
Application number: JP2009103115A
Authority: JP
Inventors: 裕子吉田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: JP2010253691A

Description

本発明は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドに関する。 The present invention relates to an inkjet head of an inkjet printer.

近年、インクジェットプリンタが高速印刷、低騒音、高精細印刷、低コストなどの理由により、急速に普及している。このインクジェットプリンタにはインクを適正な量だけ吐出させるインクジェットヘッドが備えられている。一般に、インクジェットヘッドは、弾性層を圧電体により変形させてインクを吐出させる圧電駆動型と、ヒータによる加熱でインク内に気泡を発生させ、その圧力でインクを吐出させるサーマル型とがある。ここでは圧電駆動型を取り上げる。 In recent years, inkjet printers have become widespread rapidly for reasons such as high-speed printing, low noise, high-definition printing, and low cost. This ink jet printer is provided with an ink jet head for discharging an appropriate amount of ink. In general, there are two types of inkjet heads: a piezoelectric drive type in which an elastic layer is deformed by a piezoelectric material and ejects ink, and a thermal type in which bubbles are generated in the ink by heating with a heater and ink is ejected with the pressure. Here, the piezoelectric drive type will be taken up.

従来のインクジェットヘッドの構成は、下から順に、インクを吐出するノズルが形成されたノズルプレート、圧力室の側壁となる基板、弾性層、圧電層の元素が基板へ拡散するのを防止する拡散防止層、下電極、圧電層、上電極となっている。なお、拡散防止機能を兼ね備えた弾性層を使用することにより、拡散防止層を省略する場合もある。インクジェットヘッドを高密度化するため、微細加工に適した構成として圧力室の基板をＳｉ基板で形成し、圧電層を塗布やスパッタで作製する薄膜型にする方法が一般的である。 The structure of a conventional ink jet head consists of a nozzle plate on which nozzles for ejecting ink are formed in order from the bottom, a substrate serving as a side wall of the pressure chamber, an elastic layer, and a diffusion prevention that prevents the elements of the piezoelectric layer from diffusing into the substrate. Layer, lower electrode, piezoelectric layer, and upper electrode. Note that the diffusion preventing layer may be omitted by using an elastic layer having a diffusion preventing function. In order to increase the density of the ink-jet head, a method of forming a pressure chamber substrate with a Si substrate as a configuration suitable for fine processing and forming a piezoelectric layer by coating or sputtering is generally used.

このインクジェットヘッドは、基板に弾性層、下電極、圧電層、上電極を順に積層した後、基板を掘り込んで圧力室を形成し、別に作製しておいたノズルプレートを貼着することで作製される。ここで、弾性層、下電極、圧電層、上電極には、それぞれ積層した際の条件による残留応力が生じている。そのため、弾性層、下電極、圧電層、上電極を積層した後に基板を掘り込んで弾性層の底面を露出させると、残留応力が開放され、一体となった層が上方又は下方に撓んでしまうという初期変形が生じる。 This inkjet head is manufactured by laminating an elastic layer, a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in order on a substrate, then digging the substrate to form a pressure chamber, and attaching a nozzle plate that has been separately manufactured Is done. Here, residual stress is generated in the elastic layer, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode depending on the conditions when they are laminated. Therefore, when the substrate is dug after the elastic layer, the lower electrode, the piezoelectric layer, and the upper electrode are laminated to expose the bottom surface of the elastic layer, the residual stress is released, and the integrated layer is bent upward or downward. The initial deformation occurs.

初期変形があると、圧電層を駆動させたときの変形量が実質的に小さくなり必要量のインクが吐出できなくなるという問題や弾性層の耐久性が低下するという問題がある。また、圧電層が十分な圧電特性を発揮しないという問題もある。初期変形に最も大きく作用している層は、残留応力が大きく且つ厚い弾性層であるが、弾性層として機能するためには十分な厚みが必要であり、拡散防止層として機能するためにはその材質や種類を変えて残留応力の低減を図ることは困難である。 When there is an initial deformation, there is a problem that the deformation amount when the piezoelectric layer is driven becomes substantially small, and a necessary amount of ink cannot be ejected, and the durability of the elastic layer is lowered. There is also a problem that the piezoelectric layer does not exhibit sufficient piezoelectric characteristics. The layer that has the greatest effect on the initial deformation is a thick elastic layer with a large residual stress, but it needs to have a sufficient thickness to function as an elastic layer and to function as a diffusion prevention layer. It is difficult to reduce the residual stress by changing the material and type.

そこで、予め圧電層を所望の方向に撓ませておく手法（特許文献１参照）や弾性層に段差部を形成して応力を吸収させる手法（特許文献２参照）などが提案されている。 Therefore, a method of bending the piezoelectric layer in a desired direction in advance (see Patent Document 1), a method of forming a step portion in the elastic layer and absorbing stress (see Patent Document 2), and the like have been proposed.

特許第４２０２４６７号公報Japanese Patent No. 4202467 特開平１１−２９１４８６号公報JP 11-291486 A

しかしながら、特許文献１の手法では、成膜条件が厳しく、膜を引っ張る工程もあり、高精度な制御が必要であるため不安定である。したがって、制御にコストが掛かるとともに、安定した品質で量産することが難しい。 However, the method disclosed in Patent Document 1 is unstable because the film forming conditions are severe, and there is a step of pulling the film, which requires high-precision control. Therefore, it costs control and is difficult to mass-produce with stable quality.

また特許文献２の手法では、段差部を高精度で形成することが難しく、圧電層の駆動性能にばらつきが生じる原因となる。 Further, in the method of Patent Document 2, it is difficult to form the stepped portion with high accuracy, which causes variations in driving performance of the piezoelectric layer.

本発明は、高精度が求められる難しい工程を必要とせずに初期変形をなくし、必要量のインクを吐出することができるインクジェットヘッドを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ink jet head that can eliminate initial deformation without requiring a difficult process requiring high accuracy and can discharge a necessary amount of ink.

上記目的を達成するために本発明は、振動板の変形動作により圧力室内のインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板は、下電極と拡散防止層とを含む下層と、該下層の上に積層された圧電層と、該圧電層の上に積層された、弾性層と上電極とを含む上層とからなり、前記拡散防止層の残留応力が前記弾性層の残留応力より大きい場合、ヤング率に層厚方向の断面積を乗じて算出される剛性に関して、前記上層の剛性が前記下層の剛性よりも大きく、前記圧電層の剛性が前記下層の剛性よりも大きいことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides an ink jet head that discharges ink in a pressure chamber by a deformation operation of a vibration plate. The vibration plate includes a lower layer including a lower electrode and a diffusion prevention layer, and a lower layer on the lower layer. When the residual stress of the diffusion preventing layer is larger than the residual stress of the elastic layer, the Young's modulus is composed of a laminated piezoelectric layer and an upper layer including the elastic layer and the upper electrode laminated on the piezoelectric layer. With respect to the rigidity calculated by multiplying the cross-sectional area in the layer thickness direction, the rigidity of the upper layer is larger than the rigidity of the lower layer, and the rigidity of the piezoelectric layer is larger than the rigidity of the lower layer.

この構成によれば、圧電層の上に剛性が大きく残留応力の小さい層を積層することになる。 According to this configuration, a layer having high rigidity and low residual stress is laminated on the piezoelectric layer.

上記のインクジェットヘッドにおいて、例えば、前記下層は、下から順に前記拡散防止層、下電極密着層、前記下電極が積層されてなり、前記上層は、下から順に上電極密着層、前記上電極、前記弾性層が積層されてなる構成とすることが望ましい。 In the above inkjet head, for example, the lower layer is formed by laminating the diffusion prevention layer, the lower electrode adhesion layer, and the lower electrode in order from the bottom, and the upper layer is composed of the upper electrode adhesion layer, the upper electrode, It is desirable that the elastic layer be laminated.

また上記のインクジェットヘッドにおいて、前記上電極に繋がる配線は、前記弾性層を貫通して前記弾性層上に敷設されるようにすれば、弾性層上に自由に配線できるため、配線の引き回しが容易となる。 In the ink jet head described above, the wiring connected to the upper electrode can be freely wired on the elastic layer if the wiring extends through the elastic layer and is laid on the elastic layer. It becomes.

また上記のインクジェットヘッドにおいて、前記弾性層はＳｉＯ₂であることが好ましい。 In the ink jet head described above, the elastic layer is preferably made of SiO ₂ .

また上記のインクジェットヘッドにおいて、前記拡散防止層はＳｉＯ₂であることが好ましい。 In the above inkjet head, the diffusion barrier layer is preferably SiO _2.

本発明によると、圧電層の上に剛性が大きく残留応力の小さい層を積層するという簡単な工程により、振動板の初期変形をほぼなくすことができるので、圧電層を駆動させたときに設計通りの変形量が得られ、必要量のインクを吐出することができる。また初期変形に起因する、弾性層の耐久性が低下するという問題もなく、圧電層が十分な圧電特性を発揮しないという問題も生じない。 According to the present invention, the initial deformation of the diaphragm can be almost eliminated by a simple process of laminating a layer having high rigidity and low residual stress on the piezoelectric layer. Thus, the required amount of ink can be ejected. Further, there is no problem that the durability of the elastic layer is lowered due to the initial deformation, and there is no problem that the piezoelectric layer does not exhibit sufficient piezoelectric characteristics.

本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the inkjet head of this invention. 本発明のインクジェットヘッドをノズルプレート側から見た平面図である。It is the top view which looked at the inkjet head of the present invention from the nozzle plate side. 本発明のインクジェットヘッドの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the inkjet head of this invention. 比較例のインクジェットヘッドの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the inkjet head of a comparative example. 実施例の振動板の各層の物性の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list | wrist of the physical property of each layer of the diaphragm of an Example. 比較例の振動板の各層の物性の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list | wrist of the physical property of each layer of the diaphragm of a comparative example.

図１Ａ〜図１Ｋは、本発明のインクジェットヘッドの各製造工程を説明する図である。まず、図１Ａに示すような、熱酸化膜などの酸化膜が両面に付いている基板１０を用意する。基板１０はインクジェットヘッドのボディ及び圧力室の側壁になる部材であり、加工性が高いＳｉ基板を使用する。このときＳｉ基板を熱酸化することにより、両面に熱酸化膜（ＳｉＯ₂）が形成される。酸化膜はＳｉＯ₂以外の膜でもよく、例えばＭｇＯであれば、ＭｇＯ基板とＳｉ基板を貼り合わせ、ＭｇＯ面を研磨することで作製することができる。 1A to 1K are diagrams for explaining each manufacturing process of the ink jet head of the present invention. First, a substrate 10 having an oxide film such as a thermal oxide film on both sides as shown in FIG. 1A is prepared. The substrate 10 is a member that becomes the body of the inkjet head and the side wall of the pressure chamber, and uses a Si substrate with high workability. At this time, a thermal oxide film (SiO ₂ ) is formed on both surfaces by thermally oxidizing the Si substrate. The oxide film may be a film other than SiO _2. For example, in the case of MgO, the oxide film can be manufactured by bonding the MgO substrate and the Si substrate and polishing the MgO surface.

基板１０上面の酸化膜には、後述する圧電層の元素が基板１０へ拡散するのを防止する機能が必要であるので、上記の熱酸化などのようなバリア性能の高い膜が得られる手法が有効である。但し、このような手法で作製した酸化膜は残留応力（成膜条件によって膜が保持することになる単位面積当たりの力）が大きい。ここでは、熱酸化膜の残留応力は圧縮応力であり、後述する弾性層の残留応力に比べると非常に大きい。 Since the oxide film on the upper surface of the substrate 10 needs to have a function of preventing the elements of the piezoelectric layer, which will be described later, from diffusing into the substrate 10, there is a method for obtaining a film having a high barrier performance such as the above-described thermal oxidation. It is valid. However, an oxide film manufactured by such a method has a large residual stress (force per unit area that the film holds depending on film forming conditions). Here, the residual stress of the thermal oxide film is a compressive stress, which is very large compared to the residual stress of the elastic layer described later.

以下では、基板１０上面の酸化膜を拡散防止層１０ａと呼ぶ。拡散防止層１０ａは、上記のように残留応力が大きいため、その厚みが後述する振動板の初期変形に大きく作用する。したがって、拡散防止層１０ａは、拡散防止機能を発現する範囲でなるべく薄くすることで初期変形への作用を小さくすることができ、好ましい。 Hereinafter, the oxide film on the upper surface of the substrate 10 is referred to as a diffusion preventing layer 10a. Since the diffusion preventing layer 10a has a large residual stress as described above, the thickness of the diffusion preventing layer 10a greatly affects the initial deformation of the diaphragm described later. Therefore, it is preferable that the diffusion preventing layer 10a is made as thin as possible within a range in which the diffusion preventing function is exhibited, so that the effect on the initial deformation can be reduced.

次に、図１Ｂに示すように、基板１０を掘り込む際のマスクとなるマスク層１１を、基板１０の下面に形成する。マスク層１１としては、ＳｉＯ₂などを用いることができ、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）−ＣＶＤ法で成膜できる。熱酸化膜とマスク層１１とが同材質であっても、後述する基板１０の掘り込みが深いので、熱酸化膜の厚みだけではマスクとして足りないためマスク層１１が必要となる。 Next, as shown in FIG. 1B, a mask layer 11 serving as a mask when the substrate 10 is dug is formed on the lower surface of the substrate 10. As the mask layer 11, SiO ₂ or the like can be used. For example, the mask layer 11 can be formed by a TEOS (tetraethoxysilane) -CVD method. Even if the thermal oxide film and the mask layer 11 are made of the same material, the mask 10 is necessary because the thickness of the thermal oxide film is not sufficient as a mask because the substrate 10 to be described later is deeply dug.

次に、図１Ｃに示すように、マスク層１１にレジスト１２を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る。ここでのパターンは圧力室加工用である。パターンの形状としては、ここでは円形とするが、その形状には特に限定はなく、楕円形、多角形なども採用することができる。ここでの円形パターンの直径は０．０５〜５ｍｍであればよい。 Next, as shown in FIG. 1C, a resist 12 is applied to the mask layer 11, exposed and developed to obtain a resist pattern. The pattern here is for pressure chamber processing. The shape of the pattern is circular here, but the shape is not particularly limited, and an elliptical shape, a polygonal shape, or the like can also be adopted. The diameter of the circular pattern here should just be 0.05-5 mm.

次に、図１Ｄに示すように、レジスト１２をマスクにしてマスク層１１をエッチングすることで、レジスト１２で保護されていないマスク層１１を除去する。例えば、ＲＩＥ装置でＣＨＦ₃ガスでドライエッチングすればよい。 Next, as shown in FIG. 1D, the mask layer 11 that is not protected by the resist 12 is removed by etching the mask layer 11 using the resist 12 as a mask. For example, dry etching may be performed with CHF ₃ gas using an RIE apparatus.

次に、図１Ｅに示すように、基板１０の上面に下電極密着層１３を、続けて下電極１４を形成する。下電極密着層１３としてはＴｉなどを、下電極１４としてはＰｔなどを用い、スパッタなどで成膜することができる。ここで、下電極１４は拡散防止層１０ａとともに、後述する圧電層の元素が基板１０へ拡散するのを防止する役割もある。また、下電極１４は、後述する圧電層の配向を揃える役割もある。 Next, as shown in FIG. 1E, the lower electrode adhesion layer 13 is formed on the upper surface of the substrate 10, and then the lower electrode 14 is formed. The lower electrode adhesion layer 13 can be formed by sputtering or the like using Ti or the like and the lower electrode 14 using Pt or the like. Here, the lower electrode 14 also has a role of preventing the elements of the piezoelectric layer described later from diffusing into the substrate 10 together with the diffusion preventing layer 10a. The lower electrode 14 also has a role of aligning the orientation of the piezoelectric layer described later.

次に、図１Ｆに示すように、下電極１４の上面に圧電層１５を形成する。圧電層１５は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をスパッタなどで成膜したものである。この圧電層１５は、圧電特性が得られるペロブスカイト相の〈１１１〉に配向している。圧電層１５は電圧の印加により変形するものであれば、収縮するものでも膨張（伸張）するものでもよい。 Next, as shown in FIG. 1F, the piezoelectric layer 15 is formed on the upper surface of the lower electrode 14. The piezoelectric layer 15 is formed, for example, by sputtering PZT (lead zirconate titanate). The piezoelectric layer 15 is oriented in <111> of a perovskite phase that can obtain piezoelectric characteristics. The piezoelectric layer 15 may be contracted or expanded (stretched) as long as it is deformed by application of a voltage.

次に、図１Ｇに示すように、圧電層１５の上面にリフトオフ用のレジスト１６を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る。ここでのパターンは上電極を形成するためのものである。そして、その上に上電極密着層１７を、続けて上電極１８を形成する。上電極密着層１７としてはＣｒなどを、上電極１８としてはＡｕなどを用い、蒸着などで成膜することができる。 Next, as shown in FIG. 1G, a lift-off resist 16 is applied to the upper surface of the piezoelectric layer 15, and exposed and developed to obtain a resist pattern. The pattern here is for forming the upper electrode. Then, the upper electrode adhesion layer 17 is formed thereon, and then the upper electrode 18 is formed. The upper electrode adhesion layer 17 can be formed by evaporation or the like using Cr or the like and the upper electrode 18 using Au or the like.

次に、図１Ｈに示すように、剥離液に浸漬してレジスト１６を除去することで、パターニングされた上電極１８を得る。 Next, as shown in FIG. 1H, the patterned upper electrode 18 is obtained by immersing in a stripping solution to remove the resist 16.

次に、図１Ｉに示すように、上電極１８及び圧電層１５の上面に弾性層１９を形成する。弾性層１９は絶縁層としての役割もあるので、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＭｇＯなどの金属酸化膜やＳｉＮなどの窒化膜やエポキシ、アクリル、ポリイミドなどの樹脂を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 1I, an elastic layer 19 is formed on the upper surfaces of the upper electrode 18 and the piezoelectric layer 15. Since the elastic layer 19 also serves as an insulating layer, a metal oxide film such as SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , Cr ₂ O ₃ , MgO, a nitride film such as SiN, or a resin such as epoxy, acrylic, or polyimide is used. Can do.

弾性層１９は、その残留応力が拡散防止層１０ａの残留応力より小さくなる手法で成膜する。例えば、ＣＶＤ法で成膜した場合、弾性層１９の残留応力は圧縮応力であり、拡散防止層１０ａの残留応力に比べると非常に小さくなる。また、弾性層１９は、圧電層１５の変形に応じて撓むよう、適切な剛性をもたせる必要がある。膜厚が薄いと剛性が低くなり、圧電層１５の変形と同じ動きをしてしまう。この場合、膜を撓ませることができず、また耐久性も低くなる。少なくとも拡散防止層１０ａより厚くなければ必要な剛性が得られない。 The elastic layer 19 is formed by a technique in which the residual stress is smaller than the residual stress of the diffusion preventing layer 10a. For example, when the film is formed by the CVD method, the residual stress of the elastic layer 19 is a compressive stress, which is much smaller than the residual stress of the diffusion preventing layer 10a. Further, the elastic layer 19 needs to have an appropriate rigidity so as to bend according to the deformation of the piezoelectric layer 15. If the film thickness is thin, the rigidity is low, and the same movement as the deformation of the piezoelectric layer 15 occurs. In this case, the film cannot be bent and the durability is also lowered. If it is at least thicker than the diffusion preventing layer 10a, the necessary rigidity cannot be obtained.

次に、図１Ｊに示すように、圧力室２０を形成する。圧力室２０は、マスク層１１をマスクにして拡散防止層１０ａに達するまで基板１０を深堀加工することで形成される。深堀加工は、例えば、ＩＣＰ装置のボッシュプロセスで行うことができる。この加工によりマスク層１１はほぼなくなるので、改めて除去する必要はないが、除去工程を行っても問題はない。圧力室２０の水平断面形状は、ここではマスク層１１が円形パターンであるので、円形となる。 Next, as shown in FIG. 1J, the pressure chamber 20 is formed. The pressure chamber 20 is formed by deep digging the substrate 10 until the diffusion barrier layer 10a is reached using the mask layer 11 as a mask. Deep drilling can be performed, for example, by the Bosch process of an ICP device. Since the mask layer 11 is almost eliminated by this processing, it is not necessary to remove it again, but there is no problem even if the removing process is performed. The horizontal sectional shape of the pressure chamber 20 is circular because the mask layer 11 has a circular pattern here.

次に、図１Ｋに示すように、基板１０の下面にガラス基板２１を、ガラス基板２１の下面にノズルプレート２２を、陽極接合などで貼り合わせることで、インクジェットヘッド２３が完成する。ガラス基板２１には圧力室２０に連通するインク吐出用の穴２１ａが空いている。ノズルプレート２２には穴２１ａに連通するインク吐出用の２段穴であるノズル２２ａが空いている。ノズルプレート２２としては、Ｓｉ、ガラス、ポリイミド、感光性樹脂などを用いることができる。 Next, as shown in FIG. 1K, the glass substrate 21 is bonded to the lower surface of the substrate 10, the nozzle plate 22 is bonded to the lower surface of the glass substrate 21, and the ink jet head 23 is completed. The glass substrate 21 has an ink discharge hole 21 a communicating with the pressure chamber 20. The nozzle plate 22 is provided with a nozzle 22a which is a two-stage hole for ink ejection communicating with the hole 21a. As the nozzle plate 22, Si, glass, polyimide, photosensitive resin, or the like can be used.

図２は、インクジェットヘッド２３をノズルプレート２２側から見た平面図である。ノズル２２ａが一列に形成されているのがわかる。 FIG. 2 is a plan view of the inkjet head 23 viewed from the nozzle plate 22 side. It can be seen that the nozzles 22a are formed in a row.

以下、インクジェットヘッド２３において、拡散防止層１０ａ、下電極密着層１３、下電極１４をまとめて下層と呼び、上電極密着層１７、上電極１８、弾性層１９をまとめて上層と呼び、下層、上層、圧電層１５をまとめて振動板と呼ぶ。 Hereinafter, in the inkjet head 23, the diffusion preventing layer 10a, the lower electrode adhesion layer 13, and the lower electrode 14 are collectively referred to as a lower layer, and the upper electrode adhesion layer 17, the upper electrode 18, and the elastic layer 19 are collectively referred to as an upper layer, the lower layer, The upper layer and the piezoelectric layer 15 are collectively referred to as a diaphragm.

このようにして作製されたインクジェットヘッド２３は、インクジェットプリンタ本体（不図示）に取り付けられ、インクジェットヘッドにはインクタンク（不図示）が取り付けられる。インクジェットヘッドとインクタンクとはインク流路（不図示）によって繋がっている。このように構成することにより、所定の電圧を印加すると、圧電層１５が変形し、それに応じて振動板全体が変形し、圧力室２０内のインクがノズル２２ａから吐出される。 The ink jet head 23 thus manufactured is attached to an ink jet printer main body (not shown), and an ink tank (not shown) is attached to the ink jet head. The ink jet head and the ink tank are connected by an ink flow path (not shown). With this configuration, when a predetermined voltage is applied, the piezoelectric layer 15 is deformed, the entire diaphragm is deformed accordingly, and the ink in the pressure chamber 20 is ejected from the nozzle 22a.

なお上記の実施形態において、上電極１８に繋がる配線は、レジスト１６のパターンにより上電極１５と同時に形成してもよいし、図３に示すように、弾性層１９に貫通穴を形成して電極材料で埋め、弾性層１９上に敷設してもよい（配線２４）。先の手法によれば、工程が少なくて済み、後の手法によれば、弾性層１９上に自由に配線できるため、配線の引き回しが容易となる。 In the above embodiment, the wiring connected to the upper electrode 18 may be formed at the same time as the upper electrode 15 by the pattern of the resist 16, or as shown in FIG. It may be filled with a material and laid on the elastic layer 19 (wiring 24). According to the former method, the number of steps is small, and according to the later method, wiring can be freely performed on the elastic layer 19, so that wiring can be easily routed.

また、下層や上層に含まれる層の数には特に限定はなく、例えば４層以上であってもよい。 Moreover, there is no limitation in particular in the number of layers contained in a lower layer or an upper layer, For example, four or more layers may be sufficient.

次に、具体的な実施例について説明する。なお、上記の実施形態と同様の部材には同符号を付すことで各図面に対応させる。 Next, specific examples will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to said embodiment, and it is made to respond | correspond to each drawing.

まず、Ｓｉ基板に熱酸化膜であるＳｉＯ₂が両面に付いている基板１０を用意する（図１Ａ参照）。基板１０の厚みは４００μｍであり、熱酸化膜の厚みは０．１μｍである。この熱酸化膜である拡散防止層１０ａの残留応力は圧縮応力で３４０ＭＰａである。 First, a substrate 10 having a Si substrate with SiO _{2 as} a thermal oxide film on both sides is prepared (see FIG. 1A). The thickness of the substrate 10 is 400 μm, and the thickness of the thermal oxide film is 0.1 μm. The residual stress of the diffusion prevention layer 10a, which is a thermal oxide film, is 340 MPa as a compressive stress.

次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂からなる２μｍ厚のマスク層１１を、基板１０の下面に成膜する（図１Ｂ参照）。 Next, a 2 μm-thick mask layer 11 made of SiO ₂ is formed on the lower surface of the substrate 10 by TEOS-CVD (see FIG. 1B).

次に、マスク層１１にレジスト１２を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る（図１Ｃ参照）。ここでのパターンは、直径３００μｍの円形である。 Next, a resist 12 is applied to the mask layer 11, exposed and developed to obtain a resist pattern (see FIG. 1C). The pattern here is a circle having a diameter of 300 μm.

次に、レジスト１２をマスクにしてＲＩＥ装置でマスク層１１をドライエッチングすることで、レジスト１２で保護されていないマスク層１１を除去する（図１Ｄ参照）。 Next, the mask layer 11 that is not protected by the resist 12 is removed by dry-etching the mask layer 11 with an RIE apparatus using the resist 12 as a mask (see FIG. 1D).

次に、基板１０の上面に２０ｎｍ厚のＴｉからなる下電極密着層１３を、続けて１００ｎｍ厚のＰｔからなる下電極１４をスパッタにより成膜する（図１Ｅ参照）。 Next, a lower electrode adhesion layer 13 made of 20 nm thick Ti and a lower electrode 14 made of 100 nm thick Pt are formed on the upper surface of the substrate 10 by sputtering (see FIG. 1E).

次に、下電極１４の上面にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をスパッタで６００℃で成膜し、５μｍ厚の圧電層１５を成膜する（図１Ｆ参照）。 Next, PZT (lead zirconate titanate) is formed on the upper surface of the lower electrode 14 by sputtering at 600 ° C., and a piezoelectric layer 15 having a thickness of 5 μm is formed (see FIG. 1F).

次に、圧電層１５の上面にリフトオフ用のレジスト１６を塗布し、露光、現像してレジストパターンを得る（図１Ｇ参照）。ここでのパターンは上電極を形成するためのものであり、直径３００μｍの円形である。そして、その上に１０ｎｍ厚のＣｒからなる上電極密着層１７を、続けて２００ｎｍ厚のＡｕからなる上電極１８を蒸着により成膜する。 Next, a lift-off resist 16 is applied to the upper surface of the piezoelectric layer 15, exposed and developed to obtain a resist pattern (see FIG. 1G). The pattern here is for forming the upper electrode, and is a circle having a diameter of 300 μm. Then, an upper electrode adhesion layer 17 made of 10 nm thick Cr and an upper electrode 18 made of 200 nm thick Au are formed thereon by vapor deposition.

次に、剥離液に浸漬してレジスト１６を除去することで、パターニングされた上電極１８を得る（図１Ｈ参照）。 Next, the patterned upper electrode 18 is obtained by immersing in a stripping solution to remove the resist 16 (see FIG. 1H).

次に、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂からなる２μｍ厚の弾性層１９を、上電極１８及び圧電層１５の上面に成膜する（図１Ｉ参照）。この弾性層１９の残留応力は圧縮応力で９０ＭＰａである。 Next, an elastic layer 19 made of SiO ₂ and having a thickness of 2 μm is formed on the upper surfaces of the upper electrode 18 and the piezoelectric layer 15 by TEOS-CVD (see FIG. 1I). The elastic layer 19 has a residual stress of 90 MPa as a compressive stress.

次に、圧力室２０を形成する（図１Ｊ参照）。圧力室２０は、マスク層１１をマスクにして拡散防止層１０ａに達するまで基板１０をＩＣＰ装置のボッシュプロセスで深堀加工することで形成される。圧力室２０の水平断面形状は、ここではマスク層１１のパターンと同じ直径３００μｍの円形となる。 Next, the pressure chamber 20 is formed (see FIG. 1J). The pressure chamber 20 is formed by deep-drilling the substrate 10 by the Bosch process of the ICP device until the diffusion barrier layer 10a is reached using the mask layer 11 as a mask. Here, the horizontal cross-sectional shape of the pressure chamber 20 is a circle having the same diameter of 300 μm as the pattern of the mask layer 11.

次に、基板１０の下面に２００μｍ厚のガラス基板２１を、ガラス基板２１の下面に３００μｍ厚のＳｉからなるノズルプレート２２を、陽極接合で貼り合わせることで、インクジェットヘッド２３が完成する（図１Ｋ参照）。ガラス基板２１には圧力室２０に連通する直径１００μｍのインク吐出用の穴２１ａが空いている。ノズルプレート２２には穴２１ａに連通する直径５０μｍと２０μｍのインク吐出用の２段穴であるノズル２２ａが空いている。 Next, the 200 μm thick glass substrate 21 is bonded to the lower surface of the substrate 10 and the 300 μm thick Si nozzle plate 22 is bonded to the lower surface of the glass substrate 21 by anodic bonding to complete the ink jet head 23 (FIG. 1K). reference). The glass substrate 21 has an ink discharge hole 21 a having a diameter of 100 μm communicating with the pressure chamber 20. The nozzle plate 22 has a nozzle 22a which is a two-stage hole for ink ejection having a diameter of 50 μm and a diameter of 20 μm communicating with the hole 21a.

次に、上記の実施例と比較する目的で一般的な構成の以下の比較例を作製した。図４は、比較例のインクジェットヘッド３０の縦断面図である。インクジェットヘッド３０は、上電極１８上に弾性層がなく、その代わり、下電極密着層１３の下面に拡散防止機能を備えた２μｍ厚のＳｉＯ₂からなる弾性層３１が形成されている。この弾性層３１は熱酸化膜である。その他の構成は上記の実施例のインクジェット２３と同じである。 Next, the following comparative example having a general configuration was prepared for the purpose of comparison with the above-described example. FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of the inkjet head 30 of the comparative example. In the inkjet head 30, there is no elastic layer on the upper electrode 18, and instead, an elastic layer 31 made of SiO 2 having a thickness of ₂ μm and having a diffusion preventing function is formed on the lower surface of the lower electrode adhesion layer 13. This elastic layer 31 is a thermal oxide film. Other configurations are the same as those of the inkjet 23 of the above-described embodiment.

インクジェットヘッド３０においては、弾性層３１、下電極密着層１３、下電極１４をまとめて下層と呼び、上電極密着層１７、上電極１８をまとめて上層と呼び、下層、上層、圧電層１５をまとめて振動板と呼ぶ。 In the inkjet head 30, the elastic layer 31, the lower electrode adhesion layer 13, and the lower electrode 14 are collectively referred to as a lower layer, the upper electrode adhesion layer 17 and the upper electrode 18 are collectively referred to as an upper layer, and the lower layer, the upper layer, and the piezoelectric layer 15 are referred to as an upper layer. Collectively called a diaphragm.

そして、実施例及び比較例の振動板の初期変形を測定したところ、比較例では圧力室側（下側）に４０００〜５００００ｎｍ撓んでいたが、実施例では圧力室側（下側）に３０〜４０ｎｍ撓んでいるだけであった。 And when the initial deformation of the diaphragms of the example and the comparative example was measured, the comparative example was bent to 4000 to 50000 nm on the pressure chamber side (lower side), but in the example, 30 to 30 to the pressure chamber side (lower side). It was only bent by 40 nm.

このように、実施例では振動板の初期変形がほとんどないことから、圧電層１５を駆動させたときに設計通りの変形量が得られ、必要量のインクを吐出することができる。また初期変形に起因する、弾性層の耐久性が低下するという問題もなく、圧電層１５が十分な圧電特性を発揮しないという問題も生じない。 As described above, in the embodiment, there is almost no initial deformation of the diaphragm. Therefore, when the piezoelectric layer 15 is driven, a deformation amount as designed can be obtained, and a necessary amount of ink can be ejected. Further, there is no problem that the durability of the elastic layer is lowered due to the initial deformation, and there is no problem that the piezoelectric layer 15 does not exhibit sufficient piezoelectric characteristics.

それでは、実施例の振動板のように初期変形をなくすにはどのような条件が必要となるのか、実施例と比較例の物性を比較して検討する。 Then, what conditions are required to eliminate the initial deformation as in the diaphragm of the example will be examined by comparing the physical properties of the example and the comparative example.

図５は、実施例の振動板の各層の物性の一覧であり、図６は、比較例の振動板の各層の物性の一覧である。実施例において、弾性層１９の層厚をＴ１、上電極１８の層厚をＴ２、上電極密着層１７の層厚をＴ３、圧電層１５の層厚をＴ４、下電極１４の層厚をＴ５、下電極密着層１３の層厚をＴ６、拡散防止層１０ａの層厚をＴ７、弾性層１９のヤング率をＥ１、上電極１８のヤング率をＥ２、上電極密着層１７のヤング率をＥ３、圧電層１５のヤング率をＥ４、下電極１４のヤング率をＥ５、下電極密着層１３のヤング率をＥ６、拡散防止層１０ａのヤング率をＥ７とする。 FIG. 5 is a list of physical properties of each layer of the diaphragm of the example, and FIG. 6 is a list of physical properties of each layer of the diaphragm of the comparative example. In the embodiment, the elastic layer 19 has a layer thickness T1, the upper electrode 18 has a layer thickness T2, the upper electrode adhesion layer 17 has a layer thickness T3, the piezoelectric layer 15 has a layer thickness T4, and the lower electrode 14 has a layer thickness T5. The layer thickness of the lower electrode adhesion layer 13 is T6, the layer thickness of the diffusion preventing layer 10a is T7, the Young's modulus of the elastic layer 19 is E1, the Young's modulus of the upper electrode 18 is E2, and the Young's modulus of the upper electrode adhesion layer 17 is E3. The Young's modulus of the piezoelectric layer 15 is E4, the Young's modulus of the lower electrode 14 is E5, the Young's modulus of the lower electrode adhesion layer 13 is E6, and the Young's modulus of the diffusion preventing layer 10a is E7.

まず、図５、図６で挙げた膜厚とヤング率との関係について説明する。圧電層１５は電圧が印加されると収縮し、圧電層１５の周囲の層も収縮させようとする。このとき、周囲の層の剛性が小さければ圧電層１５の収縮に追随してしまい振動板全体としては収縮することになるが、周囲の層の剛性がある程度大きければ振動板全体としては撓むことになる。そして周囲の層の剛性がさらに大きければ振動板全体としては変形しなくなる。 First, the relationship between the film thickness and Young's modulus given in FIGS. 5 and 6 will be described. The piezoelectric layer 15 contracts when a voltage is applied, and the surrounding layers of the piezoelectric layer 15 also try to contract. At this time, if the rigidity of the surrounding layers is small, the piezoelectric layer 15 follows the contraction and the diaphragm as a whole contracts, but if the rigidity of the surrounding layers is large to some extent, the diaphragm as a whole bends. become. If the rigidity of the surrounding layers is even greater, the entire diaphragm will not be deformed.

ここでいう剛性は、ヤング率に層厚方向の断面積を乗じて算出される剛性である。断面積は層厚×圧力室の幅である。ここで、インクジェットヘッド２３、３０において圧力室の幅は一定であるので、各層の剛性を比較するにはヤング率×層厚の値を比較すればよいことになる。以下では剛性を比較する際にヤング率×層厚の値を用いる。 The rigidity here is rigidity calculated by multiplying the Young's modulus by the cross-sectional area in the layer thickness direction. The cross-sectional area is the layer thickness times the width of the pressure chamber. Here, since the width of the pressure chamber in the inkjet heads 23 and 30 is constant, in order to compare the rigidity of each layer, the value of Young's modulus × layer thickness may be compared. In the following, when the rigidity is compared, the value of Young's modulus × layer thickness is used.

また、振動板の変形効率を良くするためには、圧電層１５の剛性と弾性層を含む層（実施例では上層、比較例では下層）の剛性とが近いことが好ましい。比較例では、圧電層１５の剛性（＝３００）と下層の剛性（＝１５．２＋２．３２＋２６６＝２８３．５２）とが近く、上層の剛性（＝１６＋２．４８＝１８．４８）が小さくなっている。 In order to improve the deformation efficiency of the diaphragm, it is preferable that the rigidity of the piezoelectric layer 15 is close to the rigidity of the layer including the elastic layer (the upper layer in the embodiment and the lower layer in the comparative example). In the comparative example, the rigidity of the piezoelectric layer 15 (= 300) and the rigidity of the lower layer (= 15.2 + 2.32 + 266 = 283.52) are close, and the rigidity of the upper layer (= 16 + 2.48 = 18.48) is reduced. Yes.

これは、弾性層３１を厚くすることで、圧電層１５の剛性と下層の剛性とが近くなるように設計されている。しかしながら、弾性層３１は熱酸化膜であるため実施例の拡散防止層１０ａと同じく残留応力が大きいので、弾性層３１が厚いのと合わせて振動板の初期変形が生じることになる。弾性層３１は圧電層１５の拡散を防止する機能も必要なため、その材質や種類を変えて残留応力の低減を図ることは困難である。 This is designed so that the rigidity of the piezoelectric layer 15 becomes close to the rigidity of the lower layer by making the elastic layer 31 thick. However, since the elastic layer 31 is a thermal oxide film, the residual stress is as large as that of the diffusion prevention layer 10a of the embodiment, so that the initial deformation of the diaphragm occurs together with the thick elastic layer 31. Since the elastic layer 31 also needs a function of preventing the diffusion of the piezoelectric layer 15, it is difficult to reduce the residual stress by changing the material and type of the elastic layer 31.

これに対して、実施例では、圧電層１５の剛性（＝３００）と上層の剛性（＝２６６＋１６＋２．４８＝２８４．４８）とが近く、下層の剛性（＝１５．２＋２．３２＋１３．３＝３０．８２）が小さくなっている。 On the other hand, in the embodiment, the rigidity of the piezoelectric layer 15 (= 300) and the rigidity of the upper layer (= 266 + 16 + 2.48 = 284.48) are close, and the rigidity of the lower layer (= 15.2 + 2.32 + 13.3 = 30). .82) is smaller.

これは、弾性層１９を厚くすることで、圧電層１５の剛性と上層の剛性とが近くなるように設計されている。ここで、弾性層１９の残留応力は上述したように９０ＭＰａと小さいため、その弾性層１９が厚くても振動板の初期変形はほとんど生じない。また、拡散防止層１０ａの残留応力は上述したように３４０ＭＰａと大きいが、拡散防止層１０ａは弾性層１９に比べて非常に薄いため振動板の初期変形にはあまり影響しない。 This is designed so that the rigidity of the piezoelectric layer 15 becomes close to the rigidity of the upper layer by increasing the thickness of the elastic layer 19. Here, since the residual stress of the elastic layer 19 is as small as 90 MPa as described above, the initial deformation of the diaphragm hardly occurs even if the elastic layer 19 is thick. In addition, although the residual stress of the diffusion preventing layer 10a is as large as 340 MPa as described above, the diffusion preventing layer 10a is much thinner than the elastic layer 19 and therefore does not significantly affect the initial deformation of the diaphragm.

これらのことから、実施例の振動板のように初期変形をなくすには以下のような条件が導き出せる。つまり、拡散防止層の残留応力が弾性層の残留応力より大きい場合、ヤング率に層厚方向の断面積を乗じて算出される剛性に関して、上層の剛性が下層の剛性よりも大きく、圧電層の剛性が下層の剛性よりも大きいという条件である。そして、上層の剛性と圧電層の剛性とが近いと圧電変位が大きくなるため、より好ましい。但し、加工性、耐久性などの観点から、圧電変位を犠牲にして両層構成の剛性を異ならせる構成をとることもある。 From these, the following conditions can be derived to eliminate the initial deformation as in the diaphragm of the embodiment. That is, when the residual stress of the diffusion prevention layer is larger than the residual stress of the elastic layer, the rigidity of the upper layer is larger than the rigidity of the lower layer with respect to the rigidity calculated by multiplying the Young's modulus by the cross-sectional area in the layer thickness direction. The condition is that the rigidity is greater than the rigidity of the lower layer. And it is more preferable that the rigidity of the upper layer and the rigidity of the piezoelectric layer are close to each other because the piezoelectric displacement increases. However, from the viewpoints of workability, durability, etc., the rigidity of both layers may be made different at the expense of piezoelectric displacement.

上記の剛性に関してＥ１〜Ｅ７、Ｔ１〜Ｔ７を用いて表すと、（Ｅ１×Ｔ１）＋（Ｅ２×Ｔ２）＋（Ｅ３×Ｔ３）＞（Ｅ５×Ｔ５）＋（Ｅ６×Ｔ６）＋（Ｅ７×Ｔ７）、且つＥ４×Ｔ４＞（Ｅ５×Ｔ５）＋（Ｅ６×Ｔ６）＋（Ｅ７×Ｔ７）となる。そして、（Ｅ１×Ｔ１）＋（Ｅ２×Ｔ２）＋（Ｅ３×Ｔ３）≒Ｅ４×Ｔ４であることが好ましい。 When using E1 to E7 and T1 to T7 for the above rigidity, (E1 × T1) + (E2 × T2) + (E3 × T3)> (E5 × T5) + (E6 × T6) + (E7 × T7), and E4 × T4> (E5 × T5) + (E6 × T6) + (E7 × T7). It is preferable that (E1 × T1) + (E2 × T2) + (E3 × T3) ≈E4 × T4.

本発明は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドであって、振動板の変形動作により圧力室内のインクを吐出させるものに利用することができる。 The present invention can be used for an inkjet head of an inkjet printer that ejects ink in a pressure chamber by a deformation operation of a diaphragm.

１０ａ拡散防止層
１３下電極密着層
１４下電極
１５圧電層
１７上電極密着層
１８上電極
１９弾性層
２０圧力室
２３インクジェットヘッド
２４配線 10a Diffusion prevention layer 13 Lower electrode adhesion layer 14 Lower electrode 15 Piezoelectric layer 17 Upper electrode adhesion layer 18 Upper electrode 19 Elastic layer 20 Pressure chamber 23 Inkjet head 24 Wiring

Claims

振動板の変形動作により圧力室内のインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
前記振動板は、下電極と拡散防止層とを含む下層と、該下層の上に積層された圧電層と、該圧電層の上に積層された、弾性層と上電極とを含む上層とからなり、
前記拡散防止層の残留応力が前記弾性層の残留応力より大きい場合、
ヤング率に層厚方向の断面積を乗じて算出される剛性に関して、前記上層の剛性が前記下層の剛性よりも大きく、前記圧電層の剛性が前記下層の剛性よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。 In an inkjet head that discharges ink in a pressure chamber by a deformation operation of a diaphragm,
The diaphragm includes: a lower layer including a lower electrode and a diffusion prevention layer; a piezoelectric layer stacked on the lower layer; and an upper layer including an elastic layer and an upper electrode stacked on the piezoelectric layer. Become
When the residual stress of the diffusion preventing layer is larger than the residual stress of the elastic layer,
An ink jet characterized in that the rigidity of the upper layer is greater than the rigidity of the lower layer and the rigidity of the piezoelectric layer is greater than the rigidity of the lower layer with respect to the rigidity calculated by multiplying the Young's modulus by the cross-sectional area in the layer thickness direction. head.

前記下層は、下から順に前記拡散防止層、下電極密着層、前記下電極が積層されてなり、
前記上層は、下から順に上電極密着層、前記上電極、前記弾性層が積層されてなることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。 The lower layer is formed by laminating the diffusion prevention layer, the lower electrode adhesion layer, and the lower electrode in order from the bottom,
The inkjet head according to claim 1, wherein the upper layer is formed by laminating an upper electrode adhesion layer, the upper electrode, and the elastic layer in order from the bottom.

前記上電極に繋がる配線は、前記弾性層を貫通して前記弾性層上に敷設されることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェットヘッド。 The ink jet head according to claim 1, wherein the wiring connected to the upper electrode penetrates the elastic layer and is laid on the elastic layer.

前記弾性層がＳｉＯ₂であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のインクジェットヘッド。 The inkjet head according to claim 1, wherein the elastic layer is SiO ₂ .

前記拡散防止層がＳｉＯ₂であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のインクジェットヘッド。 The inkjet head according to claim 1, wherein the diffusion preventing layer is SiO ₂ .