JPH0858088A

JPH0858088A - 液体噴射ヘッド

Info

Publication number: JPH0858088A
Application number: JP20108794A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Hasegawa; 和正長谷川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-03-05
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JP3491643B2

Abstract

(57)【要約】【目的】下電極と圧電膜との密着性を改善することに
より、高信頼性かつ高歩留まりの液体噴射ヘッドを提供
すること。【構成】下電極１０４と圧電膜１０５の間に、酸素を
含有した、チタン層またはチタンを含有する合金層２０
４を設けた液体噴射ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体噴射記録装置に好
適に用いられる液体噴射ヘッドに関する。

【０００２】液体噴射記録装置は、液室、ノズル、液体
流路を有する液体噴射ヘッド、並びにインク供給系とを
具備し、液室内に充満しているインクにエネルギーを与
えることにより、液室内のインクが液体流路に押し出さ
れ、その結果ノズルからインク滴が噴射され、これによ
り文字・画像情報の記録が行われるものである。インク
にエネルギーを与える手段としては、圧電素子を用いて
液室内を加圧する手段、またはヒータを用いて液室内イ
ンクを加熱する手段が一般的である。本発明は、この
内、圧電素子を用いて液室内を加圧する手段をもつ、液
体噴射ヘッドに関する。

【０００３】

【従来の技術】本発明に関わる構成要素の従来技術とし
ては、ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジッ
クスパート１、１９９３年、第３２巻、９Ｂ号、４１４
４−４１４６頁に所載の論文がある。

【０００４】ジャパニーズジャーナルオブアプライドフ
ィジックス、パート１、１９９３年、第３２巻、９Ｂ
号、４１４４−４１４６頁に所載の論文においては、単
結晶珪素基板上に、二酸化珪素層、タンタル層５００
Å、チタン層５００Å、白金層２０００Åと積層し、さ
らにゾルゲル法で厚み２３００Å程度に形成したＰＺＴ
（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜が開示されている。ＰＺ
Ｔは圧電材料として一般的なものであり、本発明の液体
噴射ヘッドの圧電膜に用いることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術による液体噴射ヘッドの構成要素においては、以
下に示すような解決されるべき問題がある。

【０００６】ジャパニーズジャーナルオブアプライドフ
ィジックス、パート１、１９９３年、第３２巻、９Ｂ
号、４１４４−４１４６頁に所載の論文においては、単
結晶珪素基板上に、二酸化珪素層、タンタル層５００
Å、チタン層５００Å、白金層２０００Åと積層し、さ
らにゾルゲル法で形成したＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）薄膜が開示されている。実際、本発明者がＳｉＯ₂
付きＳｉ基板上にその通りの電極を構成し、スパッタリ
ング法でＰＺＴを１μｍ形成し、その後９００℃酸素雰
囲気中で熱処理を行ってみた。すると、部分的に白金電
極とＰＺＴとの間に剥がれが生じ、白金とＰＺＴとの密
着力が弱いことが示唆された。

【０００７】本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであり、下電極と圧電膜との密着性を改善す
ることにより、高信頼性かつ高歩留まりの液体噴射ヘッ
ドを提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の液体噴射ヘッド
は、噴射すべき液体を保持するための液室が形成された
基板、ノズル、液体流路、前記液室上に形成された振動
板、前記振動板上に形成された下電極、圧電膜、及び上
電極より成る圧電素子を具備し、前記液室、ノズル、液
体流路、振動板、圧電素子が複数個配列されて成り、前
記圧電素子を駆動し振動板をたわませ液室の体積を変化
させることにより、液体流路を介して液室内に供給され
た液体をノズルより外部に噴射させる液体噴射ヘッドに
おいて、前記下電極上部に、酸素を含有した、チタン層
またはチタンを含有する合金層を設けたことを特徴とす
る。

【０００９】また、前記下電極上部に設けた、酸素を含
有したチタン層またはチタンを含有する合金層の厚みを
２００Å以下としたことを特徴とする。

【００１０】また、前記圧電膜における結晶組織が、一
様な球形の結晶粒により構成されていることを特徴とす
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。

【００１２】（実施例１）図１は本発明の実施例におけ
る液体噴射ヘッドの斜視図である。液室１０２上に形成
された振動板１０３、振動板１０３上に形成された酸素
を含有したタンタル層２０３、及び下電極１０４、前記
下電極１０４上部に形成された酸素を含有するチタン層
２０４、圧電膜１０５、上電極１０６による圧電素子が
形成された第１の基板１０１と、液体流路１０８が形成
された第２の基板１０７を接合して成る構成となってい
る。１０９は第１の基板１０１と第２の基板１０７を接
合した断面の開口部に形成されたノズルである。液室１
０２とノズル１０９は、同一のピッチで配置されてい
る。

【００１３】この液体噴射ヘッドの動作を簡単に説明す
ると、下電極１０４と上電極１０６の間に電圧を印加
し、下電極１０４、圧電膜１０５、上電極１０６よりな
る圧電素子、及び振動板１０３を変形させ、液室１０２
の体積を減少させ、液室１０２内に充満しているインク
を液体流路１０８へ押し出し、ノズル１０９よりインク
が噴射される動作となる。本実施例中において、液室１
０２の配列方向長さＬ＝１００μｍ、その奥行き方向長
さＷ＝１５ｍｍ、下電極１０４の配列方向長さＬｌ＝１
１８μｍ、その奥行き方向長さＷｌ＝１７ｍｍ、圧電膜
１０５の配列方向長さＬｐ＝８８μｍ、その奥行き方向
長さＷｐ＝１６ｍｍ、上電極１０６の配列方向長さＬｕ
＝８２μｍ、その奥行き方向長さＷｕ＝１５．８ｍｍと
した。また、液体流路１０８の断面は４０μｍ角とし
た。

【００１４】以下、製造工程に従って本発明の液体噴射
ヘッドを詳細に説明する。

【００１５】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の
実施例における、第１の基板１０１に圧電素子及び液室
を形成するまでの製造工程を示す断面図である。なお、
この断面図において、紙面に垂直な方向が液室の奥行き
方向となる。

【００１６】面方位（１１０）の単結晶珪素による第１
の基板１０１を１２００℃で熱酸化し、基板１０１の両
面に酸化珪素層２０１を厚み５０００Å形成する。そし
て、基板１０１の片面からホウ素を１０００℃で酸化珪
素層２０１の下部に拡散させ、単結晶珪素による振動板
１０３を形成する。振動板１０３の厚みは１μｍ、ホウ
素の濃度は１０²⁰ｃｍ^-3（ホウ素の原子数を１ｃｍ³あ
たり１０²⁰個）とした。更に、基板１０１の両面にフォ
トレジストを形成し、振動板１０３を設けた側と反対側
の表面に開口部を設け、酸化珪素層２０１を弗酸と弗化
アンモニウムの水溶液でパターニングし、開口部２０２
を形成する。この時開口部２０２の奥行き方向、すなわ
ち紙面に垂直な方向を

【００１７】

【外１】

【００１８】または

【００１９】

【外２】

【００２０】方向としておく。フォトレジストを剥離し
た後、基板１０１の振動板１０３側に、酸素を含有した
タンタル層２０３、下電極１０４、酸素を含有したチタ
ン層２０４、圧電膜１０５と積層し、図２（ａ）に示す
断面図となる。実際には、振動板１０３側の酸化珪素層
２０１上に金属タンタルを６００Å、次に下電極１０４
及び酸素を含有するチタン層２０４として、密着層にチ
タンを５０Å、さらに白金を２０００Å、その上部にチ
タンを５０Åとスパッタリング法で３層形成し、更に圧
電膜１０５を厚み３μｍに、組成Ｐｂ_0.95Ｓｒ_0.05Ｚｒ
_0.28Ｔｉ_0.35Ｍｇ_0. ₁₂₃Ｎｂ_0.247Ｏ₃（９０ｍｏｌ％）
＋ＰｂＯ（１０ｍｏｌ％）で示される焼結体ターゲット
を用いて、アルゴン雰囲気中基板加熱なしで高周波スパ
ッタリング成膜を行い、酸素雰囲気中６５０℃１時間＋
９００℃１時間アニールを行い、同図に示す酸素を含有
したタンタル層２０３、下電極１０４、酸素を含有した
チタン層２０４、圧電膜１０５を形成した。実際、酸素
雰囲気中６５０℃１時間＋９００℃１時間のアニールを
行った後、下電極１０４の上部に圧電膜１０５が存在し
ない部分をＸ線回折法で分析したところ、二酸化チタン
の結晶からの回折線が観測され、酸素を含有するチタン
層２０４が存在することが確認された。

【００２１】そして、圧電膜１０５をホウ弗酸水溶液、
下電極１０４を王水水溶液でパターニングし、更に上電
極１０６をスパッタリング法でチタンを厚み５０Å、金
を厚み２０００Åと、この順に形成し、ヨウ素とヨウ化
カリウムの水溶液でパターニングし、図２（ｂ）に示す
断面図となる。

【００２２】その後、保護膜２０５を感光性ポリイミド
で厚み２μｍに形成し、図示しない電極取り出し部の保
護膜を現像により取り除き、４００℃で熱処理を行う。
次に、保護膜２０５を形成した圧電素子側の面を治具に
より保護し、水酸化カリウム水溶液に浸せきし、酸化珪
素層２０１の開口部２０２から単結晶珪素基板１０１の
異方性エッチングを行い、液室１０２を形成する。この
時単結晶珪素基板１０１の面方位が（１１０）であり、
更に開口部２０２の奥行き方向が

【００２３】

【外３】

【００２４】または

【００２５】

【外４】

【００２６】方向であるから、液室１０２の奥行き方向
の辺を形成する側壁の面を（１１１）面とすることがで
きる。水酸化カリウム水溶液を用いた場合、単結晶珪素
の（１１０）面と（１１１）面のエッチングレートの比
は３００：１程度となり、３００μｍの深さの溝をサイ
ドエッチング１μｍ程度に抑えて形成することができ、
液室１０２が形成される。そして、基板１０１を前記治
具に固定したまま、基板１０１に接している酸化珪素層
２０１を弗酸と弗化アンモニウムの水溶液でエッチング
除去し、図２（ｃ）に示す断面図となる。

【００２７】図３は、本発明の実施例における、液体噴
射ヘッドの実装構造の概念図である。圧電素子及び液室
が形成された第１の基板１０１と液体流路１０８が形成
された第２の基板１０７を接合し、ノズル１０９と液体
導入孔３０４が形成される。液体導入孔３０４側を基材
３０１で囲み、液体室３０３が形成される。この液体室
３０３には外部から液体が供給されるようになっている
（図示せず）。基材３０１は実装基板３０２に取り付け
られる。第２の基板１０７は、プラスチックを射出成形
することにより、液体流路１０８と一体形成した。この
液体噴射ヘッドを用いて液体噴射実験を行ったところ、
液体として水系インクを用い、圧電膜への印加電圧を１
５Ｖとしたとき、ノズルから５ｍｍ離れた部分での液体
噴射速度は１７ｍ／ｓｅｃであった。

【００２８】上記実施例の液体噴射ヘッドにおいて、下
電極１０４上にスパッタリング成膜する金属チタンの厚
みを変えてみた。上記製造工程において、酸素雰囲気中
６５０℃１時間＋９００℃１時間のアニールまでを行
い、目視、金属顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り、観察を行った。その結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】以上の結果により、下電極１０４上に酸素
を含有するチタン層２０４を形成することにより、圧電
膜１０５と下電極１０４間の密着性が向上し、剥離現象
がなくなったことがわかる。また、金属チタンの厚みが
２００Åの場合、ＰＺＴ下部に空洞が生じているが、こ
れは、アニール時にＰＺＴ１０５中の酸化鉛と酸素を含
有するチタン層２０４が反応して液化することに起因す
るものと考えられる。従って、酸素を含有するチタン層
２０４の厚みはあまり厚くない方が望ましい。金属チタ
ンを酸素雰囲気中６５０℃１時間＋９００℃１時間のア
ニールを行った場合、その膜厚はアニール前の倍程度と
なることが本発明者のＳＥＭ観察により確認されている
ため、酸素を含有するチタン層２０４の厚みとしては２
００Å以下であることが望ましい。

【００３１】この、酸素を含有するチタン層２０４は、
酸素を含有するチタン合金、例えば、チタン−タンタル
合金、チタン−ニッケル合金、チタン−白金合金等であ
っても良い。

【００３２】以上の実施例に限定されることなく、本発
明はその主旨を逸脱しない範囲で広く適用が可能であ
る。例えば、図４に示すような平面、断面構成の液体噴
射ヘッドにも適用可能である。

【００３３】図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例に
おける、第２の基板１０７にノズルを形成した液体噴射
ヘッドにおける、平面図及び断面図である。液体流路１
０８を形成した第２の基板１０７に、ノズル４０１を形
成し、第１の基板１０１と接合した構成となっている。
ノズル４０１は、エキシマレーザーを照射することによ
り形成すればよい。

【００３４】このような構成とすることにより、図４
（ａ）に示すように液室１０２を千鳥状に配置し、しか
もノズル４０１を一直線上に配置することが可能とな
る。従って、ノズル４０１の配列ピッチを液室１０２の
配列ピッチの半分とすることができ、液室寸法を１００
μｍとした場合、ノズルを４００ＤＰＩ程度の密度で配
置することが可能となる。すなわち、ノズルの更なる高
密度化が可能となる。

【００３５】また同様に、本発明の液体噴射ヘッドの構
成要素や材料も上記実施例中のものに限定されるもので
はない。例えば、圧電膜１０５の厚みをさらに大きくす
ることも可能であるし、またその材料も特定組成のＰＺ
Ｔに限定されることなく、組成比や、添加物の種類を変
えても良いし、それらの多層構造でも良いし、またＰＺ
Ｔに限らず鉛を含有する材料、例えばチタン酸鉛を用い
て良い。またその製法もゾルゲル法等、他の方法を用い
て良い。下電極１０４も密着層にクロム、ニッケル、タ
ングステン等を用いて良いし、白金層を白金−ロジウム
合金や白金−イリジウム合金、白金−チタン合金等を用
いて良い。また、酸素を含有するタンタル層２０３を化
学気相成長（ＣＶＤ）法や、酸化物ターゲットを用いた
スパッタリング法でいきなり形成しても良い。さらにそ
の層中に低価数の酸化物、例えば２酸化タンタル相等を
含んでいても良い。

【００３６】また、下電極１０４上に酸素を含有するチ
タン層２０４を設けることにより、酸素雰囲気中６５０
℃１時間＋９００℃１時間アニール後における、上記組
成によるＰＺＴによる圧電膜１０５の断面構造は、ＳＥ
Ｍ観察によれば、一様な球形の結晶粒により構成されて
いた。図５（ａ）に下電極１０４上に酸素を含有するチ
タン層２０４を設けた圧電膜１０５の断面構造の模式図
を示す。圧電膜１０５は、一様な球形の結晶粒５０１に
より構成されていることがわかる。これに対し、酸素を
含有するチタン層２０４がない場合の圧電膜１０５の断
面構造の模式図は、図５（ｂ）に示されるように、下電
極１０４との界面から５０００Å程度上まで柱状の結晶
粒５０２が形成され、その上部に球形の結晶粒５０１が
形成されていた。その圧電歪み定数ｄ₃₁は、後者が１５
０ｐＣ／Ｎであったのに対し、前者は１７０ｐＣ／Ｎと
大きくなり、前者を用いた場合の液体噴射特性も向上し
た。従って、酸素を含有するチタン層２０４を設けるこ
とにより、圧電膜１０５の断面構造が一様な球形の結晶
粒により構成されるようになり、このためか、圧電歪み
定数ｄ₃₁が大きくなり、液体噴射特性も向上するとい
う、当初考えてもみなかった効果まで出現した。

【００３７】（実施例２）図６は、本発明の実施例にお
ける、振動板１０３に酸化ジルコニウムを用いた液体噴
射ヘッドにおける、圧電素子、液室を形成した基板の断
面図である。同図において、図１と同一の記号は図１と
同一のものを表す。

【００３８】本実施例の液体噴射ヘッドの製造方法は実
施例１に示すものとほぼ同じであるが、以下、それと異
なる点を具体的に示すと、面方位（１１０）の単結晶珪
素による第１の基板１０１の両面に酸化珪素層２０１を
形成した後、即酸化珪素層２０１のパターニングを行
い、液室１０２を形成するための開口部を形成すると同
時に、該開口部と反対側の面の酸化珪素層を除去する。
酸化珪素層を全面に除去した面に金属ジルコニウムを形
成し、熱酸化することにより酸化ジルコニウムによる振
動板１０３が形成される。

【００３９】酸化ジルコニウムによる振動板は前記の珪
素によるものに比べ、ヤング率が大きい。従って、圧電
膜に同じ電圧を印加したときの液室１０２上の振動板１
０３の変形量や発生圧力は、振動板に酸化ジルコニウム
を用いた場合の方が大きく、従って液体噴射特性も良
い。

【００４０】振動板１０３の材料としては、通常の酸化
ジルコニウム（ジルコニア）のみならず、イットリウム
等が添加された安定化ジルコニア、さらにはアルミナ、
窒化アルミニウム、窒化ジルコニウム等を用いて良く、
また、それらの積層構造で振動板１０３を形成しても良
い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による液体
噴射ヘッドは、下電極上部に酸素を含有したチタンまた
はチタンを含有する合金層を設け、望ましくはその厚み
を２００Å以下とすることにより、下電極と圧電膜との
密着性を改善することができた。また、同時に圧電膜に
おける結晶組織が一様な球形の結晶粒により構成される
ようになり、圧電ひずみ定数が大きくなり、液体噴射特
性も向上するといった、思っても見なかった効果も出現
した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における液体噴射ヘッドの斜視
図。

【図２】本発明の実施例における、第１の基板１０１に
圧電素子及び液室を形成するまでの製造工程を示す断面
図。

【図３】本発明の実施例における、液体噴射ヘッドの実
装構造の概念図。

【図４】（ａ）は本発明の実施例における、第２の基板
１０７にノズルを形成した液体噴射ヘッドにおける、平
面図。（ｂ）はその断面図。

【図５】本発明の実施例における圧電膜１０５の断面構
造の模式図。

【図６】本発明の実施例における、振動板１０３に酸化
ジルコニウムを用いた液体噴射ヘッドにおける、圧電素
子、液室を形成した基板の断面図。

【符号の説明】

１０１第１の基板（単結晶珪素基板）１０２液室１０３振動板１０４下電極１０５圧電膜１０６上電極１０７第２の基板１０８液体流路１０９ノズル２０３酸素を含有したタンタル層２０４酸素を含有したチタン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】噴射すべき液体を保持するための液室が
形成された基板、ノズル、液体流路、前記液室上に形成
された振動板、前記振動板上に形成された下電極、圧電
膜、及び上電極より成る圧電素子を具備し、前記液室、
ノズル、液体流路、振動板、圧電素子が複数個配列され
て成り、前記圧電素子を駆動し振動板をたわませ液室の
体積を変化させることにより、液体流路を介して液室内
に供給された液体をノズルより外部に噴射させる液体噴
射ヘッドにおいて、前記下電極上部に、酸素を含有した、チタン層またはチ
タンを含有する合金層を設けたことを特徴とする液体噴
射ヘッド。
【請求項２】前記下電極上部に設けた、酸素を含有し
たチタン層またはチタンを含有する合金層の厚みを２０
０Å以下としたことを特徴とする請求項１記載の液体噴
射ヘッド。
【請求項３】前記圧電膜における結晶組織が、一様な
球形の結晶粒により構成され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。