(57)【要約】【課題】圧電素子を確実に保護することができると共に圧電素子の変位低下を低減させたアクチュエータ装置及び液体噴射ヘッドを提供する。【解決手段】基板１０上に変位可能に設けられた下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる圧電素子３００と、該圧電素子３００の側面及び上面を覆う保護膜２００とを具備し、前記保護膜２００を、その剛性が前記圧電体層７０の剛性の１％以下となる厚さで形成する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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と、該圧電素子の側面及び上面を覆う保護膜とを具備し、
前記保護膜は、その剛性が前記圧電体層の剛性の１％以下となる厚さで形成されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記保護膜が、無機絶縁材料からなると共に、その厚さが３０ｎｍ以上の厚さで形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記無機絶縁材料が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化シリコン及び酸化タンタルからなる群から選択される少なくとも一種の材料からなることを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記保護膜が、有機絶縁材料からなると共に、その厚さが１００ｎｍ以上の厚さで形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記有機絶縁材料が、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂及びフッ素系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種からなることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
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１〜５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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に変位可能に設けられた圧電素子と保護膜とを有するアクチュエータ装置及びアクチュエータ装置を液体噴射手段として具備する液体噴射ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
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形成された圧電素子と、圧電素子を覆う保護膜とを具備するものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２７７５２０号公報（第２〜４頁、第２図）
【特許文献２】特開２００５−１４４８０４号公報（第５〜１０頁、第２図）
【特許文献３】特開２００６−１２３２１２号公報（第５〜６頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧電素子を保護する保護膜の材料及び厚さで規定される剛性が高いと、保護膜によって圧電素子の変位が阻害されて所望の変位特性を得ることができないという問題がある。
【０００５】
また、保護膜の剛性を低下させるために薄く形成すると、保護膜によって圧電素子を大気中の水分などの環境から確実に保護することができないという問題がある。
【０００６】
さらに、特許文献１〜３の何れにおいても、保護膜の剛性について何ら規定されておらず、上述した問題が発生する。
【０００７】
なお、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搭載されるアクチュエータ装置だけでなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置においても同様に存在する。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子を確実に保護することができると共に圧電素子の変位低下を低減させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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と、該圧電素子の側面及び上面を覆う保護膜とを具備し、前記保護膜は、その剛性が前記圧電体層の剛性の１％以下となる厚さで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、大気中の水分等による圧電体層の破壊を保護膜によって防止することができると共に、保護膜が圧電素子の変位を阻害することなく、圧電素子の所望の変位特性を得ることができる。
【００１０】
ここで、前記保護膜が、無機絶縁材料からなると共に、その厚さが３０ｎｍ以上の厚さで形成されていることが好ましい。これによれば、無機絶縁材料からなる保護膜によって圧電体層を確実に保護することができる。
【００１１】
また、前記無機絶縁材料が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化シリコン及び酸化タンタルからなる群から選択される少なくとも一種の材料からなることが好ましい。これによれば、所定の材料からなる保護膜によって圧電体層を確実に保護することができる。
【００１２】
また、前記保護膜が、有機絶縁材料からなると共に、その厚さが１００ｎｍ以上の厚さで形成されていてもよい。これによれば、有機絶縁材料からなる保護膜によって圧電体層を確実に保護することができる。
【００１３】
また、前記有機絶縁材料が、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂及びフッ素系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種からなることが好ましい。これによれば、所定の材料からなる保護膜によって圧電体層を確実に保護することができる。
【００１４】
さらに、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記態様の何れか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にある。
かかる態様では、圧電素子の所望の変位特性を得ることができるため、所望の液体噴射特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、インクジェット式記録ヘッドの平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ′断面図である。
【００１６】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では板厚方向の結晶面方位が（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。
【００１９】
すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。
【００２０】
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、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
【００２１】
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（ＺｒＯ2）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、この絶縁体膜５５上には、厚さが約０．１〜０．５μｍの下電極膜６０と、圧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、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、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。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、下電極膜６０を圧電素子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。また、ここでは、圧電素子３００を所定の基板（流路形成基板１０）上に変位可能に設け、当該圧電素子３００を駆動させた装置をアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
【００２２】
このような圧電素子３００を構成する圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。
【００２３】
また、圧電素子３００は、保護膜２００によって覆われている。保護膜２００は、耐湿性を有する絶縁材料からなる。本実施形態では、例えば、保護膜２００を圧電体層７０及び上電極膜８０の側面と上電極膜８０の上面とを覆い、且つ複数の圧電素子３００に亘って連続して設けるようにした。すなわち、保護膜２００は、並設された圧電素子３００の間の下電極膜６０上に亘って設けるようにした。
【００２４】
このように圧電素子３００を保護膜２００で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子３００の破壊を防止することができる。ここで、このような保護膜２００の材料としては、耐湿性を有する材料であればよく、無機絶縁材料や有機絶縁材料などを用いることができる。
【００２５】
保護膜２００として利用できる無機絶縁材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯx）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯx）、酸化タンタル（ＴａＯx）、酸化アルミニウム（ＡｌＯx）及び酸化チタン（ＴｉＯx）から選択される少なくとも一種が挙げられる。保護膜２００の無機絶縁材料としては、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯx）、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を用いるのが好ましい。なお、無機絶縁材料からなる保護膜２００は、例えば、ＭＯＤ法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成することができる。
【００２６】
このような無機絶縁材料からなる保護膜２００は、３０ｎｍ以上の厚さで形成することで、圧電体層７０の大気中の水分等の外部環境から確実に保護することができる。
【００２７】
一方、保護膜２００として利用できる有機絶縁材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、珪素系樹脂及びフッ素系樹脂から選択される少なくとも一種が挙げられる。なお、有機絶縁材料からなる保護膜２００は、例えば、スピンコーティング法、スプレー法等により形成することができる。
【００２８】
このような有機絶縁材料からなる保護膜２００は、１００ｎｍ以上の厚さで形成することで、圧電体層７０の大気中の水分等の外部環境から確実に保護することができる。
【００２９】
さらに、保護膜２００は、圧電体層７０の剛性の１％以下の剛性となる厚さで形成されている。これにより、保護膜２００が圧電素子３００の変位を阻害することなく、圧電素子３００の所望の変位特性を得て、所望のインク（液体）の噴射特性を得ることができる。すなわち、保護膜２００を圧電体層７０の剛性の１％よりも大きい剛性となる厚さで形成すると、保護膜２００が圧電体層７０（圧電素子３００）の変位を阻害してしまい、圧電素子３００の所望の変位特性を得ることができず、所望のインク（液体）の噴射特性を得ることができない。
【００３０】
ここで、保護膜２００及び圧電体層７０の剛性（Ｄ）は、例えば、弾性係数（Ｅ）、厚さ（ｈ）、ポアソン比（μ）から下記式（１）に基づいて算出することができる。
【００３１】
【数１】
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上記式（１）より、ＰＺＴからなる圧電体層７０が、例えば、弾性係数が５８ＧＰａ、厚さが１．１μｍ、ポアソン比が０．２４であるとすると、無機絶縁材料からなる保護膜２００は、弾性係数が１００〜２００ＧＰａ、ポアソン比が０．２〜０．３であるため、圧電体層７０の剛性の１％以下である保護膜２００の厚さｈ（図３参照）は、約１５０ｎｍ以下となる。
【００３２】
一方、有機絶縁材料からなる保護膜２００は、弾性係数が２〜３ＧＰａであるため、圧電体層７０の剛性の１％以下である保護膜２００の厚さｈ（図３参照）は、約７００ｎｍ以下となる。
【００３３】
したがって、保護膜２００として無機絶縁材料を用いた場合には、保護膜２００をその厚さが３０ｎｍ〜１５０ｎｍとなるように形成すればよい。また、保護膜２００として有機絶縁材料を用いた場合には、保護膜２００をその厚さが１００ｎｍ〜７００ｎｍとなるように形成すればよい。これにより、保護膜２００によって、圧電体層７０を大気中の水分などの外部環境から確実に保護して、保護膜２００が圧電素子３００の変位を阻害するのを防止して優れたインク吐出特性（液体噴射特性）を得ることができる。
【００３４】
この保護膜２００上には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が設けられている。リード電極９０は、保護膜２００に設けられたコンタクトホール２０２を介して一端部が上電極膜８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０のインク供給路１４側まで延設され、延設された先端部は、後述する圧電素子３００を駆動する駆動回路１２０と接続配線１２１を介して接続されている。
【００３５】
さらに、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３１が設けられた保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバ部３１は、上述したように、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。
【００３６】
また、保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、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。なお、圧電素子保持部３２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。
【００３７】
さらに、保護基板３０の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。
【００３８】
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が実装されている。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。
【００３９】
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と同一材料の面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００４０】
また、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。
【００４１】
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。
【００４２】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態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、ガラス基板、ＭｇＯ基板等においても本発明は有効である。
【００４３】
なお、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。
【００４４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  １３  連通部、  １４  インク供給路、  １５  連通路、  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、  ６０  下電極膜、  ７０  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、  ２００  保護膜、  ２０２  コンタクトホール、  ３００  圧電素子
【図１】
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【図２】
2009073087.tif 000005
【図３】
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