(57)【要約】【課題】圧電体をより良好に駆動することができる構成を備えたインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】インクジェットヘッドは、液体を吐出する吐出口１１１と、吐出口１１１に連通する個別液室１０６と、個別液室１０６に接する振動板１０７と、振動板１０７上に設けられた圧電素子を有する。圧電素子は、振動板１０７上に設けられた下電極１０２と、下電極１０２上に設けられ、長手方向に延びた形状を有する圧電体薄膜１０３と、圧電体薄膜１０３上に長手方向に沿って設けられた上電極１０４とを有する。上電極１０４は、長手方向に交わる幅方向における厚みが段階的に変化した形状を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に接する振動板と、該振動板上に設けられ、前記吐出口から前記液体を吐出させるためのエネルギーを該個別液室中の液体に付与する圧電素子と、を有するインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電素子は、前記振動板上に設けられた下電極と、該下電極上に設けられ、長手方向に延びた形状を有する圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に前記長手方向に沿って設けられた上電極とを有し、
前記上電極は、前記長手方向に交わる幅方向における厚みが段階的に変化した形状を有していることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記上電極は、前記幅方向における両端部の厚みが前記幅方向における中央部の厚みより小さい、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記上電極は材料の異なる複数の層で構成されている、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記上電極は、前記圧電体薄膜上に形成された上電極下層部と、該上電極下層部の上に形成された上電極上層部との２層で構成されており、
前記上電極上層部を構成する材料の導電率が、上電極下層部を構成する材料の導電率よりも高い、請求項３に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記上電極は一部がドライエッチングによって加工されている、請求項２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記下電極と前記上電極との間に電圧が印加されると生じる前記圧電体薄膜の変形によって前記振動板を変形させて前記個別液室中の液体に前記エネルギーを付与することで、前記個別液室内の液体を前記吐出口から飛翔させる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出する吐出口およびこれに連通する個別液室と、この個別液室に接して設けられた振動板とを有し、振動板上には吐出口から液滴を吐出させるために振動板を変形させる圧電体素子が設けられているインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られているインクジェットヘッドは、液体の流路が設けられた流路基板と、流路基板の第１の面に設けられた個別液室と、個別液室から流路基板の第２の面に貫通する貫通路とを有している。インクジェットヘッドは、流路基板の第２の面に接着され貫通路と連通する吐出口を備えたオリフィスプレートをさらに有している。
【０００３】
インク滴の吐出を行うためには個別液室内を加圧させる必要がある。その圧力発生手段としては、個別液室内に設置された発熱体により液体を発砲させて液滴を吐出させるバブル型のもの、個別液室の一部を形成している振動板を圧電素子により変形させることで液滴を形成させるピエゾ型のものが一般的に用いられている。あるいは、静電気力で振動板を変形させることで液滴を吐出させる静電型のものも知られている。
【０００４】
このようなインクジェットヘッドにおいては、近年の画像形成の高精細化の要求に伴い、流路基板の個別液室、及び圧電素子等の圧力発生源を高密度かつ多数配列した高集積化が行われている。これらの要求に応えるため、ピエゾ型のインクジェットヘッドにおいては、例えば振動板の全面に成膜技術により電極および圧電体を形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて個別液室に対応した上電極および圧電体を加工するものが提案されている。成膜技術とフォトリソグラフィー技術を用いることにより高密度なインクジェットヘッドが実現されている。また流路基板やオリフィスプレートにＳｉ基板や金属部材を用いることで高精度な流路や吐出口の形成が可能となっている。
【０００５】
一般的に、上電極および圧電体は各々の個別液室に対応して加工される。また、上電極の材料としては、導電性や腐食の観点、あるいは膜の密着性等の観点からＰｔやＣｒ等がよく用いられている。
【０００６】
なお、上述した背景技術は特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１４１６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上電極への給電は、個別液室の上部から離れた個所に対応する領域、すなわち上電極の長手方向の一端となる引き出し電極からフレキシブルケーブル等を介して行なわれるのが一般的である。しかし、上電極の長手方向においては、駆動電圧が供給される際にフレキシブルケーブル等の接続部からの距離に応じて電圧印加の遅延が生じ、圧電体の長手方向における変位挙動にずれが生じてしまう。
【０００８】
また、圧電体の変位に関して、その上部にある上電極は圧電体の変位の妨げとなりうるため、上電極はできるだけ変位を妨げないような構成であることが望まれる。さらに、上電極は長時間の駆動にも耐えうるような構成が求められている。
【０００９】
そこで本発明は、圧電体をより良好に駆動することができる構成を備えたインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明のインクジェットヘッドは、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に接する振動板と、該振動板上に設けられ、前記吐出口から前記液体を吐出させるためのエネルギーを該個別液室中の液体に付与する圧電素子と、を有するインクジェットヘッドにおいて、前記圧電素子は、振動板上に設けられた下電極と、該下電極上に設けられ、長手方向に延びた形状を有する圧電体薄膜と、該圧電体薄膜上に前記長手方向に沿って設けられた上電極とを有し、前記上電極は、前記長手方向に交わる幅方向における厚みが段階的に変化した形状を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明によれば、圧電体をより良好に駆動することができる構成を備えたインクジェットヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドを模式的に示す斜視図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態のインクジェットヘッドは、複数の個別液室１０６が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ１０１を有している。ＳＯＩウエハ１０１の酸化シリコン膜１０５及びシリコン単結晶膜１０７（図２参照）が形成されている面の上には、そのほぼ全面にわたって下電極１０２が形成されている。さらに、下電極１０２上の各個別液室１０６に対向する位置には、個別液室１０６に沿って長手方向に延びた形状を有する圧電体薄膜１０３が設けられている。各圧電体薄膜１０３上には、上電極下層部１０４ａと上電極上層部１０４ｂとからなる上電極１０４が設けられている。これらの下電極１０２、圧電体薄膜１０３および上電極１０４によって圧電素子が構成されている。また、ＳＯＩウエハ１０１の他方の面上には、吐出口１１１が形成されたオリフィスプレート１１０が設けられている。
【００１５】
このように構成された本実施形態のインクジェットヘッドによれば、下電極１０２と上電極１０４との間に電圧を印加すると圧電体薄膜１０３が変形し、その変形に伴って、シリコン単結晶膜１０７からなる振動板が変形する。すると、振動板が接する個別液室１０６内に貯留されているインク等の液体が加圧され、オリフィスプレート１１０の吐出口１１１から液滴として吐出される。
【００１６】
次に、本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、シリコン基板上に酸化シリコン膜１０５及びシリコン単結晶膜１０７が形成されてなる厚さ２００μｍのＳＯＩウエハ１０１上に、下電極１０２として機能する密着層を形成する。この密着層は、Ｔｉを厚さ１０ｎｍに成膜し、その上にＰｔを厚さ２００ｎｍに成膜して形成する。
【００１８】
続いて、図２（ｂ）に示すように、下電極１０２上に圧電体薄膜１０３を形成する。圧電体薄膜１０３の成膜には、まず、ＳＯＩウエハ１０１をスパッタ装置内に入れ、鉛、チタンおよびジルコニウムから構成されたＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3ペロブスカイト型酸化物（以下「ＰＺＴ」と称する。）をスパッタ法によって下電極１０２上に３μｍの厚さに形成する。その後、ＳＯＩウエハ１０１をスパッタ装置から取り出し、酸素雰囲気中で７００℃で焼成を行い、ＰＺＴ膜を結晶化させる。これにより、圧電体薄膜１０３が形成される。圧電体薄膜１０３の圧電性を良好にするため、ＰＺＴ薄膜の組成がＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3となるようにする。ＰＺＴ膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成であっても構わない。また、ＰＺＴ膜厚は３μｍに限定されるものではない。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示すように、圧電体薄膜１０３上に上電極１０４を形成する。まず、上電極１０４の一部であり上電極下層部１０４ａとなる厚さ３０ｎｍのＰｔ膜を圧電体薄膜１０３上に成膜する。圧電体薄膜１０３上に密着層としてＴｉ層を設けてもよい。さらに、同じく上電極１０４の一部である上電極上層部１０４ｂとなるＡｕ膜をＰｔ膜上に成膜する。なお、Ａｕは、Ｐｔよりも導電率が高く、金属の中で導電率が高い貴金属の１つである。また、ＡｕはＰｔと同様に耐電圧性に優れており、腐蝕し難い材料である。なお、本実施形態ではＡｕ膜の厚さを４００ｎｍとしている。
【００２０】
その後、上電極１０４と圧電体薄膜１０３とをエッチングにより加工する。その詳細について、図３を参照して説明する。
【００２１】
まず、上電極上層部１０４ｂ上にフォトレジストを塗布した後、これをパターニングし、ヨウ素ヨウ化カリウム（ＫＩ＋Ｉ2）溶液等によってＡｕ膜をウエットエッチングする。これにより、図３（ａ）に示すように、幅１０μｍ、図１に示す長手方向の長さ６ｍｍの上電極上層部１０４ｂを形成した。なお、Ａｕ膜のエッチングはウエットエッチングに限られず、ＲＩＥによるドライエッチングで行ってもよい。
【００２２】
次に、上電極上層部１０４ｂを覆うように再びレジストを塗布した後、そのパターニングを行い、Ｐｔ膜をエッチングする。これにより、図３（ｂ）に示すように、幅７０μｍの上電極下層部１０４ａを形成した。
【００２３】
上記２回のエッチング工程により、厚さ４００ｎｍで幅１０μｍのＡｕからなる上電極上層部１０４ｂと、厚さ３０ｎｍで幅７０μｍのＰｔからなる上電極下層部１０４ａとからなる上電極１０４を構成した。
【００２４】
なお、Ｐｔ膜及びＡｕ膜の厚さ、幅及び長さは上記の寸法に限定されるわけではない。また、上電極下層部１０４ａと上電極上層部１０４ｂの材料は上記の材料に限られない。例えば、上電極下層部１０４ａの材料として、耐電圧性があり、膜の密着力にも優れているＣｒやＺｒなどを用いても構わない。また、上電極上層部１０４ｂの材料として、Ａｕと同様に導電率のよいＣｕ、ＡｇあるいはＡｌなどを用いても構わない。
【００２５】
その後、再びレジストでパターニングを行い、圧電体薄膜１０３をエッチングする（図３（ｃ））。本実施形態では、Ｃｌ2とＣＦ4の混合ガスを用いてドライエッチングを行っている。なお、圧電体薄膜１０３のエッチング時のマスクは上記のレジストに限らず、上電極下層部１０４ｂのエッチング時に用いたパターンをそのまま用いて、上電極下層部１０４ｂと圧電体薄膜１０３とを一括でエッチングしても構わない。
【００２６】
その後、図３（ｄ）に示すように、ＳＯＩウエハ１０１の裏面からＳＯＩウエハ１０１のシリコン酸化膜１０５をエッチングストップ層としてエッチングを行い、ＳＯＩウエハ１０１に個別液室１０６を形成する。エッチングには、Ｓｉの深堀り用の装置として知られているＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いる。なお、ＳＯＩウエハ１０１のＳｉ単結晶膜１０７が、個別液室１０６内に充填された液体に液滴吐出のための圧力を加える振動板としての機能を持つ。
【００２７】
最後に、ＳＯＩウエハ１０１の裏面に、Ｓｉ基板をＩＣＰにより加工して吐出口１１１を形成したオリフィスプレート１１０を貼り合わせると、図１に示したインクジェットヘッドが完成する。
【００２８】
なお本実施形態では、個別液室１０６や振動板（Ｓｉ単結晶膜）１０７の形成部材としてＳＯＩウエハを用い、オリフィスプレート１１０としてＳｉ基板を用いているが、必ずしもこれに限られずに他のウエハや基板を用い、他の製法で作製してもよい。
【００２９】
一般的に、各圧電体薄膜への電圧の印加は、上電極の長手方向の一端からフレキシブルケーブルやプローブを通じて行われることが多い。個別液室が長手方向に長く、上電極が長手方向に長い場合は、フレキシブルケーブルの接続部やプローブ接点からの距離に応じて圧電体薄膜への電圧印加の遅延が生じ、圧電体薄膜の長手方向における変位挙動に差が生じる。上電極を厚く形成して導電性を高めることでそのような不都合を解消することも考えられるが、上電極全体を厚く形成すると圧電体薄膜の変位の妨げとなり、さらには圧電体薄膜の駆動時に上電極が圧電体薄膜から剥がれが生じる可能性がある。
【００３０】
これに対し本実施形態では、上電極１０４はその幅方向の中央部に上電極上層部１０４ｂを有する構成となっている。これにより、上電極１０４は、幅方向において厚みが段階的に変化した形状を有している。より具体的に説明すると、本実施形態における上電極１０４は、全幅７０μｍのうちの中央部の幅１０μｍの部分の厚さが４３０ｎｍであり、その両側の部分は厚さが３０ｎｍである。したがって本実施形態の上電極１０４は、幅方向における中央部のみが厚く、他の大半の部分は薄い構成となっている。
【００３１】
上記のように、本実施形態の上電極１０４は中央部が厚く形成されているので、上電極が全体的に薄く形成されている場合に比べて導電性が向上している。そのため、長手方向におけるフレキシブルケーブルの接続部等からの距離に応じた圧電体薄膜１０３への電圧印加の遅延を抑えることが可能になっている。さらに、上電極１０４の中央部を成す上電極上層部１０４ｂは導電性が高いＡｕ膜で形成されていることから、上電極１０４の長手方向における圧電体薄膜への電圧印加の遅延をより少なくしている。
【００３２】
また、上電極１０４は大半の部分が薄く構成されているので、圧電体薄膜１０３の変位の妨げとなり難くなっている。さらに上電極１０４は、その大半の部分が薄いことにより、圧電体薄膜１０３の変形に伴って変形し易くなっており、圧電体薄膜１０３の駆動時に剥がれが生じる可能性は低い。
【００３３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドを模式的に示す斜視図である。
【００３４】
図４に示すように、本実施形態のインクジェットヘッドは、複数の個別液室２０２が形成されたＳｉ基板２０１を有している。Ｓｉ基板２０１上には、振動板２０５が個別液室２０２に接するように設けられている。振動板２０５上には、そのほぼ全面にわたって下電極２０６が形成されている。さらに、下電極２０６上の各個別液室２０２に対向する位置には、個別液室２０２に沿って長手方向に延びた形状を有する圧電体薄膜２０７が設けられている。各圧電体薄膜２０７上には、厚さが薄い上電極両端部２０８ａと厚さが厚い上電極中央部２０８ｂとからなる上電極２０８が設けられている。また、Ｓｉ基板２０１の他方の面上には、吐出口２１１が形成されたオリフィスプレート２１０が設けられている。
【００３５】
次に、本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法について、図５及び図６を参照して説明する。
【００３６】
まず、図５に示すように、厚さ３００μｍのＳｉ基板２０１に個別液室２０２等の流路を形成する。最初に、Ｓｉ基板２０１の表面に個別液室２０２形成用のエッチングマスクとして１μｍ厚さの酸化膜を形成する。その後、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置を用いたＩＣＰエッチングによって、深さ１００μｍの個別液室２０２を形成する。なお、個別液室２０２の長手方向の長さは４ｍｍである。
【００３７】
次に、Ｓｉ基板２０１の裏面にノズル連通口２０３及び共通液室２０４を形成するためのパターン用エッチングマスクを形成した後、ＩＣＰエッチング装置を用いて深さ１００μｍのノズル連通口２０３および共通液室２０４を形成する。
【００３８】
このようにしてＳｉ基板２０１を加工した後、個別液室２０２を覆うようにＳｉ基板２０１の表面に振動板２０５を形成する。本実施形態では、振動板２０５としてＳＤ２ガラス（ＨＯＹＡ社の登録商標）を陽極接合した後、これを研磨することによって、５μｍ厚さの振動板２０５を形成した。
【００３９】
次に、振動板２０５上に下電極２０６として３００ｎｍ厚のＰｔを成膜法により形成し、さらにその上に圧電体薄膜２０７を成膜する。圧電体薄膜２０７の成膜には、まず、Ｓｉ基板２０１をスパッタ装置内に入れ、鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3ペロブスカイト型酸化物（ＰＺＴ）をスパッタ法によって下電極２０６上に３μｍの厚さに形成する。その後、Ｓｉ基板２０１をスパッタ装置から取り出し、酸素雰囲気中で７００℃で焼成を行い、ＰＺＴ膜を結晶化させる。これにより、圧電体薄膜２０７が形成される。圧電体薄膜２０７の圧電性を良好にするため、ＰＺＴ薄膜の組成がＰｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3となるようにする。ＰＺＴ膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成であっても構わない。また、ＰＺＴ膜厚は３μｍに限定されるものではない。
【００４０】
次に、上電極２０８となる厚さ３００ｎｍのＰｔ膜を圧電体薄膜２０７上に成膜する。その後、各々の個別液室２０２に対応するように、圧電体薄膜２０７および上電極２０８をエッチングにより加工する。その詳細について、個別液室２０２を断面方向から見た図６を用いて説明する。
【００４１】
まず、Ｐｔ膜２０８上にフォトレジストを塗布した後、これをパターニングし、ＢＣｌ3等のガスによって、Ｐｔ膜２０８の、個別液室２０２に対応している部分以外の領域をエッチングする（図６（ａ））。その際、Ｐｔ膜２０８の全ての膜厚分をエッチングするのではなく、ある膜厚を残すように、いわゆるハーフエッチングを行う。Ｐｔ膜２０８のエッチングレートは比較的安定しており、エッチング時間の管理でエッチング量を制御することができる。本実施形態では、３００ｎｍの厚みのＰｔ膜２０８のうち２５０ｎｍ程度のエッチングを行い、５０ｎｍ程度は圧電体薄膜２０７上に残している。
【００４２】
なお、ＢＣｌ3を用いたドライエッチング以外にも、ＡｒミリングによってＰｔ膜２０８を加工することができる。
【００４３】
次に、図６（ｂ）に示すように、Ｐｔ膜２０８の個別液室２０２に対応している部分を含む領域を覆うようにレジストをもう一度パターニングし、Ｐｔ膜２０８のそれ以外の領域およびその下側の圧電体薄膜２０７を一括でエッチングし、除去する。本実施形態では、Ｃｌ2とＣＦ4との混合ガスを用いてドライエッチングを行っている。このドライエッチングによれば、まず始めに５０ｎｍの厚さに残されていたＰｔ膜２０８がエッチングされ、続いて圧電体薄膜１０７であるＰＺＴ膜がエッチングされる。
【００４４】
その後、レジストを除去することで、厚みが５０ｎｍと比較的薄い上電極端部２０８ａと、厚みが３００ｎｍと比較的厚い上電極中央部２０８ｂとからなる上電極２０８が構成される（図６（ｃ））。
【００４５】
なお、本実施形態では上電極端部２０８ａの幅を１００μｍ、上電極中央部２０８ｂの幅を７０μｍとしたが、必ずしもこの寸法である必要はない。
【００４６】
最後に、Ｓｉ基板２０１の裏面に、ＳｉウエハをＩＣＰにより加工して吐出口２１１を形成したオリフィスプレート２１０や、ステンレス鋼のシート板等にパンチ加工で吐出口２１１を形成したオリフィスプレート２１０を貼り合わせる。これにより、図４に示したインクジェットヘッドが完成する。
【００４７】
なお、本実施例では上電極２０８としてＰｔ膜を用いたが、必ずしもＰｔである必要はなく、Ａｕ膜やＣｒ膜等でも構わない。
【００４８】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、上電極２０８は中央部が厚く形成されているので、上電極が全体的に薄く形成されている場合に比べて導電性が向上している。そのため、長手方向におけるフレキシブルケーブルの接続部等からの距離に応じた圧電体薄膜２０７への電圧印加の遅延を抑えることが可能になっている。また、上電極２０８のうち上電極両端部２０８ａが上電極中央部２０８ｂより薄くなっている。そのため、圧電体薄膜１０７の駆動時、特に連続して長時間駆動する必要がある場合に、上電極２０８の破損や、上電極２０８の幅方向の両端部が圧電体薄膜２０７から剥がれてしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドを模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示したインクジェットヘッドの製造方法を示す図である。
【図３】図１に示したインクジェットヘッドの製造方法を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッドを模式的に示す斜視図である。
【図５】図４に示したインクジェットヘッドの製造方法を示す図である。
【図６】図４に示したインクジェットヘッドの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０２，２０６    下電極
１０３，２０７    圧電体薄膜
１０４，２０８    上電極
１０６，２０２    個別液室
１０７，２０５    振動板
１１１，２１１    吐出口
【図１】
2007331199.tif 000003
【図２】
2007331199.tif 000004
【図３】
2007331199.tif 000005
【図４】
2007331199.tif 000006
【図５】
2007331199.tif 000007
【図６】
2007331199.tif 000008