インクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ及びその形成方法
【課題】インクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ及びその形成方法を提供する。
【解決手段】圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成される下部電極と、下部電極上の圧力チャンバに対応する位置に形成され、その周辺部と前記下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて圧電膜に電圧を印加する上部電極と、を備える。一方、前記圧電膜は、周辺部に形成された空間の代わりにその側面が下部電極の上面に対して実質的に直角をなすように形成できる。
【解決手段】圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成される下部電極と、下部電極上の圧力チャンバに対応する位置に形成され、その周辺部と前記下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて圧電膜に電圧を印加する上部電極と、を備える。一方、前記圧電膜は、周辺部に形成された空間の代わりにその側面が下部電極の上面に対して実質的に直角をなすように形成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電方式のインクジェットプリントヘッドに係り、より詳細には、圧電方式のインクジェットプリントヘッドにおけるインクを吐き出させる駆動力を提供する圧電アクチュエータ及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐き出させて所定色相の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドはインク吐き出し方式によって大きく２つに分類される。その一つは、熱源を用いてインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によってインクを吐き出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を用いてその圧電体の変形によってインクに加えられる圧力によってインクを吐き出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，９５６，８２９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９２９，８８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成は図１Ａに示されている。図１Ａを参照すれば、流路形成板１０の内部にはインク流路をなすリザーバ２、リストリクター３、圧力チャンバ４及びノズル５が形成されており、流路形成板１０の上部には圧電アクチュエータ２０が設けられている。リザーバ２は、インクコンテナ（図示せず）から流入されたインクを貯蔵するところであり、リストリクター３は、リザーバ２から圧力チャンバ４にインクが流入される通路である。圧力チャンバ４は、吐き出されるインクが充填されるところであって、圧電アクチュエータ２０の駆動によりその体積が変わることによってインクの吐き出し又は流入のための圧力変化を生成する。このために、流路形成板１０の圧力チャンバ４の上部壁をなす部位は圧電アクチュエータ２０によって変形される振動板１の役割をする。このような構成を有する従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、圧電アクチュエータ２０の駆動によって振動板１が変形されれば圧力チャンバ４の体積が減少し、これによる圧力チャンバ４内の圧力変化によって圧力チャンバ４内のインクはノズル５を通じて外部に吐き出される。次いで、圧電アクチュエータ２０の駆動により振動板１が本来の形態に復元されれば圧力チャンバ４の体積が増加し、これによる圧力変化によってリザーバ２に貯蔵されているインクがリストリクター３を通じて圧力チャンバ４内に流入される。
【０００５】
図１Ｂには前記圧電アクチュエータの構造が詳細に示されている。図１Ｂを参照すれば、流路形成板１０は、主にセラミック材料、金属材料、合成樹脂材料またはシリコン基板からなる多数の薄いプレート１１、１２、１３を各々加工して前記インク流路の部分を形成した後、これら多数のプレート１１、１２、１３を接着剤を用いて接着してなる。圧力チャンバ４の上部に積層されるプレート１３は、前記のように振動板１の役割をする。そして、圧電アクチュエータ２０は、下部電極２１、圧電膜２２、及び上部電極２３からなり、これらは振動板１の上部に順次積層されている。前記下部電極２１は、振動板１の上面に所定の金属物質をスパッタリングすることによって形成され、前記圧電膜２２は、圧電性質を有するペースト状態のセラミック材料を下部電極２１上にスクリーンプリンティング法によって所定厚さに塗布した後、焼結することで形成される。そして、上部電極２３は、圧電膜２２の上面に導電性物質をスクリーンプリンティングによって塗布したり、スパッター、ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ、又はＥ−ｂｅａｍなどを用いて蒸着したりすることによって形成される。ところで、従来のスクリーンプリンティング法によって形成された圧電膜２２は、ペースト状態の材料特性上、周囲に広がって正確な大きさ及び長方形を成さず、示したように中央部は厚く、両周辺部は薄くなる。このために、従来には上部電極２３を圧電膜２２の薄い周辺部を除いて厚い中央部にのみ形成した。その理由は、上部電極２３が圧電膜２２上の正確な位置に形成できずに少しでも外れるようになれば、上部電極２３と下部電極２１とが短絡する問題が発生する可能性が高まるからである。そして、圧電膜２２の焼結後には圧電膜２２に電界を加えて圧電特性を発生させるためのポーリング（polling）工程が行われるが、該ポーリング工程においては上部電極２３と下部電極２１との間に約１０ｋＶ／ｃｍの高い電場が印加される。この時、圧電膜２２の薄い周辺部に上部電極２３が形成されている場合には、上部電極２３と下部電極２１との間の間隔が非常に小さくなり絶縁破壊（breakdown）が生じて圧電膜２２にクラックが発生するか圧電膜２２の圧電特性に相当な悪影響を及ぼす。
【０００６】
こうした理由によって、従来には前記のように上部電極２３を圧電膜２２の薄い周辺部を避けて厚い中央部にだけ形成したため、上部電極２３の幅は圧電膜２２の幅に比べて相当に狭くなり、結果的に圧電膜２２が十分な圧電効果を発揮できない問題点があった。
【０００７】
そして、より高い印刷品質、すなわち高解像度と高い印刷速度とを得るためにはノズルの密度を高めることが必要である。このためには、圧力チャンバ４の大きさと隣接した圧力チャンバ４間の間隔を縮めなければならず、これによって圧電膜２２の幅も縮まる。しかし、圧電膜２２の幅がさらに微細になる場合、従来の圧電アクチュエータ形成方法によっては上部電極２３を圧電膜２２上に形成させるのがさらに難しくなり、これは圧電アクチュエータ２０の形成において制約として作用する。前記従来の方法による場合、一般に５０μｍの線幅が限界と知られている。
【０００８】
一方、特許文献１には、駆動電極を振動板に直接接触するように形成し、駆動電極と圧電膜との幅を振動板の幅よりも狭く形成した圧電アクチュエータが開示されている。そして、特許文献２には、振動板の効率的な振動のために下部電極の幅を圧力チャンバの幅よりも狭く形成した圧電アクチュエータが開示されている。しかし、前記圧電アクチュエータらは以下で説明する本発明に係る圧電アクチュエータとは異なる構造を有しており、その形成方法も本発明とは差がある。
【０００９】
本発明は前記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、十分な圧電効果を発揮できるようにより広い上部電極を形成でき、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊を防止できる構造を有するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータとその形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の技術的課題を解決するために、本発明の第１実施例による圧電アクチュエータは、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータにおいて、前記振動板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記圧力チャンバに対応する位置に形成され、その周辺部と前記下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて前記圧電膜に電圧を印加する上部電極と、を備える。
【００１１】
前記第１実施例において、前記圧電膜の前記下部電極に接触する部位の幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることが好ましい。
【００１２】
一方、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータは、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータにおいて、前記振動板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記圧力チャンバに対応する位置に形成され、その側面が前記下部電極の上面に対して実質的に直角をなす圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて前記圧電膜に電圧を印加する上部電極と、を備える。
【００１３】
前記第２実施例において、前記圧電膜は、一定した高さの長方形の断面形状を有することが好ましく、その幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることが好ましく、前記上部電極の幅は、前記圧電膜の幅と同一であることが好ましい。
【００１４】
本発明の第１実施例による圧電アクチュエータ形成方法は、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ形成方法において、前記振動板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極の全面にフォトレジストを所定厚さに塗布する段階と、前記フォトレジストをパターニングして前記圧力チャンバに対応する位置に開口部を形成する段階と、前記開口部によって露出された前記下部電極上に圧電物質を前記開口部の幅よりも広く塗布することによって圧電膜を形成する段階と、前記圧電膜上に上部電極を形成する段階と、前記フォトレジストを除去して前記圧電膜の周辺部と前記下部電極との間に空間を形成する段階と、前記圧電膜を焼結させる段階と、前記圧電膜に圧電特性を与えるために電界を加えるポーリング段階と、を備える。
【００１５】
前記方法において、前記フォトレジストの塗布の厚さは２〜８μｍであることが好ましい。
【００１６】
一方、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ形成方法は、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ形成方法において、前記振動板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極の全面にフォトレジストを所定厚さに塗布する段階と、前記フォトレジストをパターニングして前記圧力チャンバに対応する位置に開口部を形成する段階と、前記開口部の内部に圧電物質を塗布して前記開口部によって露出された前記下部電極上にその側面が前記下部電極の上面に対して実質的に直角をなす圧電膜を形成する段階と、前記圧電膜上に前記開口部から外れないように上部電極を形成する段階と、前記フォトレジストを除去する段階と、前記圧電膜を焼結させる段階と、前記圧電膜に圧電特性を与えるために電界を加えるポーリング段階と、を備える。
【００１７】
前記方法において、前記フォトレジストの塗布の厚さは２０〜４０μｍであることが好ましい。
【００１８】
また、前記圧電膜は、一定した高さの長方形の断面形状に形成されることが好ましく、前記上部電極は、前記圧電膜の幅と同一な幅に形成されることが好ましい。
【００１９】
前記の両方法における前記開口部の幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることが好ましい。
【００２０】
また、前記圧電物質は、スクリーンプリンティングによって塗布され得る。
【００２１】
また、前記圧力チャンバと前記振動板とは、シリコン基板に形成され、前記シリコン基板と前記下部電極との間にはシリコン酸化膜が形成され得る。
【００２２】
また、前記下部電極は、前記振動板上にスパッタリングによってＴｉ層及びＰｔ層が順次蒸着されてなることが好ましい。また、前記上部電極は、電極物質を前記圧電膜上にプリンティングするか、スパッタリング、蒸発装置（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）及び電子ビーム（Ｅ−ｂｅａｍ）のうち何れか一つを用いて電極物質を前記圧電膜上に蒸着することによって形成され得る。
【００２３】
本発明によれば、より広い上部電極を形成できて十分な圧電効果を発揮し、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊を防止できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ及びその形成方法は次のような効果を有する。
【００２５】
第１に、下部電極と圧電膜との周辺部の間に空間が形成された場合には、上部電極をさらに広く形成しても短絡が発生せず、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊も発生しない。したがって、十分な圧電効果が発揮できる。
【００２６】
第２に、圧電膜の側面が下部電極の上面に対して実質的に直角に形成された場合には圧電膜の断面が長方形をなす。したがって、上部電極の幅を圧電膜の幅と同一にできるので、同一面積に対して最大の圧電効果を発揮することができる。また、上部電極下の圧電膜の厚さが一定しているため短絡や圧電膜の絶縁破壊も生じない。そして、圧電膜を一定の厚さにさらに薄く形成できるので、圧電アクチュエータをより微細な大きさに精密でかつ容易に形成できる。したがって、解像度向上のためにプリントヘッドを高密度に製作する最近の趨勢に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示す図面である。
【図１Ｂ】従来の圧電アクチュエータの構造を詳細に示した図１Ａに表されたＡ−Ａ′線に沿った断面図である。
【図２】本発明の望ましい第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の望ましい第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【図４Ａ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図４Ｂ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図４Ｃ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図４Ｄ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図５Ａ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｂ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｃ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｄ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｅ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｆ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｇ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｈ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ａ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｂ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｃ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｄ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｅ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図７Ａ】図６Ａ乃至図６Ｅに示された方法により形成された圧電アクチュエータのＳＥＭ写真である。
【図７Ｂ】図６Ａ乃至図６Ｅに示された方法により形成された圧電アクチュエータのＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図面において同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面における各構成要素の大きさは説明の明確性及び便宜上のため誇張され得る。また、ある層が基板や他の層の「上」にあると説明された場合、前記ある層は基板や他の層に直接接触してその上に存在することもでき、又は、その間に第３の層が存在することもできる。図２は、本発明の望ましい第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【００２９】
図２を参照すれば、本発明によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ１２０は、圧力チャンバ１１４の上部壁をなす振動板１１３の上部に形成され、前記振動板１１３を変形させることによって圧力チャンバ１１４にインクの吐き出しのための駆動力を提供する役割を果たす。このような圧電アクチュエータ１２０は、共通電極の役割をする下部電極１２１と、電圧の印加に応じて変形される圧電膜１２２と、駆動電極の役割をする上部電極１２３とを具備し、下部電極１２１、圧電膜１２２、及び上部電極１２３が前記振動板１１３上に順次積層された構造を有する。
【００３０】
前述のように、圧電方式のインクジェットプリントヘッドには、吐き出されるインクが充填される圧力チャンバ１１４と、前記圧力チャンバ１１４にインクを供給するか圧力チャンバ１１４からインクを吐き出せるためのインク流路（図示せず）が設けられる。このようなインク流路は、ベース基板１１１及びチャンバ形成基板１１２を含む多数のプレートに形成される。
【００３１】
前記下部電極１２１は前記振動板１１３上に形成される。前記下部電極１２１は、伝導性を有する単一金属層からなりうるが、示したようにＴｉ層１２１ａ及びＰｔ層１２１ｂの二つの金属層からなることが好ましい。前記Ｔｉ／Ｐｔ層１２１ａ、１２１ｂは、共通電極の役割をするだけではなく、その上に形成される圧電膜１２２及びその下の振動板１１３の間の相互拡散（inter-diffusion）を防止する拡散防止層の役割もする。
【００３２】
一方、前記振動板１１３がシリコンからなる場合には、振動板１１３及び下部電極１２１の間には絶縁膜としてシリコン酸化膜１１５が形成され得る。このシリコン酸化膜１１５は、絶縁膜としての機能だけではなく、振動板１１３及び下部電極１２１間の物質拡散を抑制して熱的ストレスを調節する機能も有する。
【００３３】
前記圧電膜１２２は、下部電極１２１上に形成され、圧力チャンバ１１４に対応する位置に配置される。そして、圧電膜１２２の周辺部と下部電極１２１との間には所定の幅及び高さを有する空間が形成される。この時、圧電膜１２２の両側に形成した空間（Ｓ）の間の間隔、すなわち圧電膜１２２の下部電極１２１に接触する部位の幅は、圧力チャンバ１１４の幅の７０〜９０％程度であることが好ましい。
【００３４】
前記上部電極１２３は圧電膜１２２上に形成され、圧電膜１２２に電圧を印加する駆動電極の役割を果たす。
【００３５】
前記のような構造を有する本発明の第１実施例による圧電アクチュエータ１２０においては、圧電膜１２２の周辺部及び下部電極１２１の間に空間（Ｓ）が形成されているので、上部電極１２３を従来よりも広く形成しても上部電極１２３及び下部電極１２１間に短絡が発生せず、ポーリング工程や圧電アクチュエータ１２０の駆動時に圧電膜１２２の絶縁破壊も発生しない。したがって、本発明に係る圧電アクチュエータ１２０はより広い上部電極１２３によって十分な圧電効果を発揮できる長所を有する。図３は、本発明の望ましい第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。本実施例による圧電アクチュエータは圧電膜の形状を除いては前述した第１実施例と同様である。したがって、以下では前述した第１実施例と同じ部分についてはその説明を省略したり簡略にしたりする。
【００３６】
図３を参照すれば、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ２２０も共通電極の役割をする下部電極２２１と、電圧の印加に応じて変形される圧電膜２２２と、駆動電極の役割をする上部電極２２３とを具備する。前記下部電極２２１、圧電膜２２２、及び上部電極２２３は振動板２１３上に順次積層される。前記圧力チャンバ２１４とインク流路（図示せず）はベース基板２１１及びチャンバ形成基板２１２を含む多数のプレートに形成され、前記振動板２１３は圧力チャンバ２１４の上部壁をなす。
【００３７】
前記下部電極２２１は、前記振動板２１３上に形成され、示したようにＴｉ層２２１ａ及びＰｔ層２２１ｂの二つの金属層からなり得る。前記Ｔｉ／Ｐｔ層２２１ａ、２２１ｂの役割は前述した第１実施例と同一である。そして、前記振動板２１３がシリコンからなる場合は、前述した第１実施例のように振動板２１３と下部電極２２１との間に絶縁膜としてシリコン酸化膜２１５が形成されうる。
【００３８】
前記圧電膜２２２は、下部電極２２１上に形成され、圧力チャンバ２１４に対応する位置に配置される。そして、圧電膜２２２は、その側面が下部電極２２１の上面に対して実質的に直角をなすように形成される。また、前記圧電膜２２２は、一定した高さの長方形の断面形状を有することが好ましく、その幅は圧力チャンバ２１４の幅の７０〜９０％程度であることが好ましい。
【００３９】
前記上部電極２２３は、圧電膜２２２上に形成され、その幅は圧電膜２２２の幅と同一であることが好ましい。
【００４０】
前記のような構造を有する本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ２２０においては、圧電膜２２２の側面が下部電極２２１の上面に対して実質的に直角に形成されるので、前記圧電膜２２２は、薄い周辺部を有しておらず、一定した高さの長方形の断面形状を有することができる。したがって、上部電極２２３の幅を圧電膜２２２の幅と同じにできて同一面積に対して最大の圧電効果を表すことができ、この場合にも上部電極２２３及び下部電極２２１の短絡や圧電膜２２２の絶縁破壊が生じない。そして、圧電膜２２２を一定した厚さでさらに薄く形成できるので、圧電アクチュエータ２２０をより微細で、精密に形成でき、隣接した圧電膜２２２間の間隔も縮めることができる。したがって、前記圧電アクチュエータ２２０を高密度に配置できて高解像度を有するインクジェットプリントヘッドを容易に具現できる。
【００４１】
図４Ａないし図４Ｄは圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示した図面である。図面における左側には圧電アクチュエータの構造が示されており、右側には左側に示された圧電アクチュエータの各々に対して構造解析した結果が示されている。
【００４２】
図４Ａには、本発明の望ましい第２実施例による圧電アクチュエータによる振動板の変位を解析した結果が示されている。ここで、圧電膜は長方形断面を有しており、圧電膜及び電極らは圧力チャンバ幅（Ｗ）の７５％の幅に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．４９３μｍとなった。
【００４３】
図４Ｂにおいては、圧電膜の幅は圧力チャンバの幅（Ｗ）と同一にするが、電極の幅は圧力チャンバ幅（Ｗ）の７５％に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．２８０になり、これは図４Ａの場合に比べて５７％程度である。図４Ｃでは、圧電膜は、圧力チャンバ（Ｗ）の幅と同一にするが、周辺部が薄い形状を有し、電極の幅は圧力チャンバ幅（Ｗ）の７５％に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．３６８μｍと表され、これは図４Ａの場合に比べて７５％程度である。
【００４４】
図４Ｄにおいては、圧電膜は、圧力チャンバ幅（Ｗ）の９０％の幅に形成されるが、周辺部が薄い形状を有し、上部電極の幅は圧力チャンバ幅（Ｗ）の６５％に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．４６７μｍと表され、これは図４Ａの場合に比べて９４％程度である。
【００４５】
前記のように、圧電膜の断面を長方形に形成し、その幅を圧力チャンバの幅よりも狭く形成した場合に、振動板の変位が最も大きく示される。したがって、図４Ａに示された構造を有する本発明の第２実施例による圧電アクチュエータによれば振動板を効率的に振動させうることが分かる。そして、本発明の第１実施例による圧電アクチュエータにおいても、圧電膜の下部電極に接触する部位の幅が圧力チャンバの幅に比べて狭いことが前記の理由から好ましいことが分かる。
【００４６】
以下に、添付した図面を参照して本発明に係るインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を説明する。
【００４７】
図５Ａないし図５Ｈは、図２に示した圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【００４８】
まず、図５Ａ及び図５Ｂを共に参照すれば、圧力チャンバ１１４の上部壁をなす振動板１１３は、示したようにシリコン基板１１２をその底面から所定深さにエッチングして圧力チャンバ１１４の形成と同時に形成できる。具体的に、図５Ａに示したように、シリコン基板１１２を酸化炉で湿式又は乾式酸化させてシリコン基板１１２の表面にシリコン酸化膜１１５、１１６を形成する。次いで、図５Ｂに示したように、シリコン基板１１２の底面に形成された酸化膜１１６をフォトレジストパターンを用いてパターニングすることによって圧力チャンバ１１４が形成される部位の基板１１２を露出させた後、露出された基板１１２を所定深さに乾式又は湿式エッチングして圧力チャンバ１１４を形成する。この時、エッチング後に残る基板１１２の残存部分が振動板１１３をなす。
【００４９】
一方、前記圧力チャンバ１１４及び振動板１１３は公知の他の方法で形成できる。例えば、圧力チャンバ１１４及び振動板１１３は各々他の基板に形成されうる。この場合には、圧力チャンバ１１４が貫通形成された基板上に別の基板を接着して振動板１１３を形成する。
【００５０】
次に、図５Ｃに示したように、シリコン基板１１２の上面に形成された酸化膜１１５の全面に下部電極１２１を形成する。下部電極１２１は、前述のようにＴｉ層１２１ａ及びＰｔ層１２１ｂの二つの金属層からなり得る。前記Ｔｉ層１２１ａは、酸化膜１１５の全面にＴｉをスパッタリングによって約４００Åの厚さに蒸着することで形成でき、Ｐｔ層１２１ｂは、前記Ｔｉ層１２１ａの全面にＰｔをスパッタリングによって約５，０００Åの厚さに蒸着することで形成できる。
【００５１】
次に、図５Ｄに示したように、下部電極１２１の全面にフォトレジストＰＲ１を所定厚さ、例えば２〜８μｍ程度の厚さに塗布する。次いで、フォトレジストＰＲ１を露光及び現像工程を経てパターニングすることにより、図５Ｅに示したように圧力チャンバ１１４に対応する位置に、圧力チャンバ１１４幅の約７０〜９０％の幅を有する開口部ｈ１を形成する。この開口部ｈ１によって下部電極１２１の一部が露出される。
【００５２】
次に、スクリーンプリンティングによりペースト状態の圧電物質を露出された下部電極１２１上に開口部ｈ１の幅よりも若干広く塗布することによって、図５Ｆに示したように圧電膜１２２を形成する。この時、前記圧電物質としては様々なものが用いられるが、好ましくはＰＺＴ（Lead Zirconate Titanate）セラミック材料が用いられる。
【００５３】
次に、図５Ｇに示したように、圧電膜１２２上に上部電極１２３を形成する。具体的に、上部電極１２３は、圧電膜１２２上に電極材料、例えばＡｇ−Ｐｄペーストをプリンティングすることによって形成できる。一方、上部電極１２３は、スパッター、ｅｖａｐｏｒａｔｏｒまたはＥ−ｂｅａｍなどを使用して電極物質をシャドーマスクを用いて圧電膜１２２上に所定厚さに蒸着することによって形成することもできる。次いで、圧電膜１２２と上部電極１２３とを１００〜１１０℃で約５〜１０分乾燥させる。次に、フォトレジストＰＲ１をアセトンを用いて除去すれば、図５Ｈに示したように圧電膜１２２の周辺部と下部電極１２１との間に所定幅と高さとを有する空間（Ｓ）が形成される。
【００５４】
最後に、圧電膜１２２を所定温度、例えば９００〜１，０００℃で焼結後、圧電膜１２２に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程を経ると、本発明の第１実施例による圧電アクチュエータ１２０が完成される。
【００５５】
図６Ａ乃至図６Ｅは、図３に示した本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【００５６】
まず、図６Ａを参照すれば、基板２１２の上面及び底面には各々酸化膜２１５、２１６が形成され、基板２１２には圧力チャンバ２１４及び振動板２１３が形成される。そして、酸化膜２１５の上部にはＴｉ層２２１ａ及びＰｔ層２２１ｂからなる下部電極２２１が形成される。前記のように、下部電極２２１を形成する段階までは前述した図５Ａないし図５Ｃに示した段階と同じなので、詳細な説明は省略する。
【００５７】
次いで、下部電極２２１の全面にフォトレジストＰＲ２を所定厚さ、例えば２０〜４０μｍ程度の厚さに塗布する。この時、フォトレジストＰＲ２の塗布の厚さは図５Ｄに示したフォトレジストＰＲ１よりも厚く形成される。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ２を露光及び現像工程を経てパターニングすることで、図６Ｂに示したように圧力チャンバ２１４に対応する位置に、圧力チャンバ２１４幅の約７０〜９０％の幅を有する開口部ｈ２を形成して下部電極２２１の一部を露出させる。
【００５８】
次に、図６Ｃに示したように、ペースト状態の圧電物質を露出された下部電極２２１上にスクリーンプリンティングによって塗布するが、この時、前記圧電物質が前記開口部ｈ２から外れないようにする。これによって、開口部ｈ２内部にのみ圧電膜２２２が形成される。この時、前記圧電物質としては前述のようにＰＺＴセラミック材料が用いられる。
【００５９】
次に、図６Ｄに示したように、圧電膜２２２上に上部電極２２３を形成する。上部電極２２３の形成方法は図５Ｇに示した段階で説明したのと同一である。ただし、本実施例における上部電極２２３は、圧電膜２２２のように開口部ｈ２内部に形成される。このために、前記のようにフォトレジストＰＲ２を比較的に高く形成することが好ましい。次いで、圧電膜２２２及び上部電極２２３を１００〜１１０℃で約５〜１０分乾燥させる。
【００６０】
次に、アセトンを用いてフォトレジストＰＲ２を除去すれば、図６Ｅに示したように下部電極２２１上には側面が下部電極２２１の上面に対して実質的に直角をなす圧電膜２２２と、圧電膜２２２の幅と同じ幅を有する上部電極２２３とのみが残存する。
【００６１】
最後に、圧電膜２２２を所定温度、例えば９００〜１，０００℃で焼結させた後、圧電膜２２２に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程を経ると、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ２２０が完成される。
【００６２】
前記のように形成された本発明の第２実施例による圧電アクチュエータのＳＥＭ写真が図７Ａ及び図７Ｂに示されている。
【００６３】
図７Ａ及び図７Ｂを見ると、圧電膜２２２の側面が下部電極２２１の上面に対してほぼ直角をなしていることがわかる。また、圧電膜２２２の断面形状も高さがほぼ一定した長方形をなしており、その全体形状は直六面体をなしていることが分かる。
【００６４】
以上、本発明の望ましい実施例を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他実施例が可能である。例えば、本発明における圧電アクチュエータの各構成要素を形成する方法は単に例示的なものであって、多様なエッチング方法及び蒸着方法が適用可能で、各段階の手順も例示と異ならせることができる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、十分な圧電効果が発揮できるようにより広い上部電極を形成でき、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊を防止できる構造を有するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータとその形成方法に用いられる。
【符号の説明】
【００６６】
１２０ 圧電アクチュエータ
１１１ ベース基板
１１２ チャンバ形成基板
１１３ 振動板
１１４ 圧力チャンバ
１１５ シリコン酸化膜
１２１ 下部電極
１２１ａ Ｔｉ層
１２１ｂ Ｐｔ層
１２２ 圧電膜
１２３ 上部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電方式のインクジェットプリントヘッドに係り、より詳細には、圧電方式のインクジェットプリントヘッドにおけるインクを吐き出させる駆動力を提供する圧電アクチュエータ及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐き出させて所定色相の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドはインク吐き出し方式によって大きく２つに分類される。その一つは、熱源を用いてインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によってインクを吐き出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を用いてその圧電体の変形によってインクに加えられる圧力によってインクを吐き出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，９５６，８２９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９２９，８８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成は図１Ａに示されている。図１Ａを参照すれば、流路形成板１０の内部にはインク流路をなすリザーバ２、リストリクター３、圧力チャンバ４及びノズル５が形成されており、流路形成板１０の上部には圧電アクチュエータ２０が設けられている。リザーバ２は、インクコンテナ（図示せず）から流入されたインクを貯蔵するところであり、リストリクター３は、リザーバ２から圧力チャンバ４にインクが流入される通路である。圧力チャンバ４は、吐き出されるインクが充填されるところであって、圧電アクチュエータ２０の駆動によりその体積が変わることによってインクの吐き出し又は流入のための圧力変化を生成する。このために、流路形成板１０の圧力チャンバ４の上部壁をなす部位は圧電アクチュエータ２０によって変形される振動板１の役割をする。このような構成を有する従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、圧電アクチュエータ２０の駆動によって振動板１が変形されれば圧力チャンバ４の体積が減少し、これによる圧力チャンバ４内の圧力変化によって圧力チャンバ４内のインクはノズル５を通じて外部に吐き出される。次いで、圧電アクチュエータ２０の駆動により振動板１が本来の形態に復元されれば圧力チャンバ４の体積が増加し、これによる圧力変化によってリザーバ２に貯蔵されているインクがリストリクター３を通じて圧力チャンバ４内に流入される。
【０００５】
図１Ｂには前記圧電アクチュエータの構造が詳細に示されている。図１Ｂを参照すれば、流路形成板１０は、主にセラミック材料、金属材料、合成樹脂材料またはシリコン基板からなる多数の薄いプレート１１、１２、１３を各々加工して前記インク流路の部分を形成した後、これら多数のプレート１１、１２、１３を接着剤を用いて接着してなる。圧力チャンバ４の上部に積層されるプレート１３は、前記のように振動板１の役割をする。そして、圧電アクチュエータ２０は、下部電極２１、圧電膜２２、及び上部電極２３からなり、これらは振動板１の上部に順次積層されている。前記下部電極２１は、振動板１の上面に所定の金属物質をスパッタリングすることによって形成され、前記圧電膜２２は、圧電性質を有するペースト状態のセラミック材料を下部電極２１上にスクリーンプリンティング法によって所定厚さに塗布した後、焼結することで形成される。そして、上部電極２３は、圧電膜２２の上面に導電性物質をスクリーンプリンティングによって塗布したり、スパッター、ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ、又はＥ−ｂｅａｍなどを用いて蒸着したりすることによって形成される。ところで、従来のスクリーンプリンティング法によって形成された圧電膜２２は、ペースト状態の材料特性上、周囲に広がって正確な大きさ及び長方形を成さず、示したように中央部は厚く、両周辺部は薄くなる。このために、従来には上部電極２３を圧電膜２２の薄い周辺部を除いて厚い中央部にのみ形成した。その理由は、上部電極２３が圧電膜２２上の正確な位置に形成できずに少しでも外れるようになれば、上部電極２３と下部電極２１とが短絡する問題が発生する可能性が高まるからである。そして、圧電膜２２の焼結後には圧電膜２２に電界を加えて圧電特性を発生させるためのポーリング（polling）工程が行われるが、該ポーリング工程においては上部電極２３と下部電極２１との間に約１０ｋＶ／ｃｍの高い電場が印加される。この時、圧電膜２２の薄い周辺部に上部電極２３が形成されている場合には、上部電極２３と下部電極２１との間の間隔が非常に小さくなり絶縁破壊（breakdown）が生じて圧電膜２２にクラックが発生するか圧電膜２２の圧電特性に相当な悪影響を及ぼす。
【０００６】
こうした理由によって、従来には前記のように上部電極２３を圧電膜２２の薄い周辺部を避けて厚い中央部にだけ形成したため、上部電極２３の幅は圧電膜２２の幅に比べて相当に狭くなり、結果的に圧電膜２２が十分な圧電効果を発揮できない問題点があった。
【０００７】
そして、より高い印刷品質、すなわち高解像度と高い印刷速度とを得るためにはノズルの密度を高めることが必要である。このためには、圧力チャンバ４の大きさと隣接した圧力チャンバ４間の間隔を縮めなければならず、これによって圧電膜２２の幅も縮まる。しかし、圧電膜２２の幅がさらに微細になる場合、従来の圧電アクチュエータ形成方法によっては上部電極２３を圧電膜２２上に形成させるのがさらに難しくなり、これは圧電アクチュエータ２０の形成において制約として作用する。前記従来の方法による場合、一般に５０μｍの線幅が限界と知られている。
【０００８】
一方、特許文献１には、駆動電極を振動板に直接接触するように形成し、駆動電極と圧電膜との幅を振動板の幅よりも狭く形成した圧電アクチュエータが開示されている。そして、特許文献２には、振動板の効率的な振動のために下部電極の幅を圧力チャンバの幅よりも狭く形成した圧電アクチュエータが開示されている。しかし、前記圧電アクチュエータらは以下で説明する本発明に係る圧電アクチュエータとは異なる構造を有しており、その形成方法も本発明とは差がある。
【０００９】
本発明は前記問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、十分な圧電効果を発揮できるようにより広い上部電極を形成でき、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊を防止できる構造を有するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータとその形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の技術的課題を解決するために、本発明の第１実施例による圧電アクチュエータは、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータにおいて、前記振動板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記圧力チャンバに対応する位置に形成され、その周辺部と前記下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて前記圧電膜に電圧を印加する上部電極と、を備える。
【００１１】
前記第１実施例において、前記圧電膜の前記下部電極に接触する部位の幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることが好ましい。
【００１２】
一方、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータは、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータにおいて、前記振動板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記圧力チャンバに対応する位置に形成され、その側面が前記下部電極の上面に対して実質的に直角をなす圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて前記圧電膜に電圧を印加する上部電極と、を備える。
【００１３】
前記第２実施例において、前記圧電膜は、一定した高さの長方形の断面形状を有することが好ましく、その幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることが好ましく、前記上部電極の幅は、前記圧電膜の幅と同一であることが好ましい。
【００１４】
本発明の第１実施例による圧電アクチュエータ形成方法は、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ形成方法において、前記振動板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極の全面にフォトレジストを所定厚さに塗布する段階と、前記フォトレジストをパターニングして前記圧力チャンバに対応する位置に開口部を形成する段階と、前記開口部によって露出された前記下部電極上に圧電物質を前記開口部の幅よりも広く塗布することによって圧電膜を形成する段階と、前記圧電膜上に上部電極を形成する段階と、前記フォトレジストを除去して前記圧電膜の周辺部と前記下部電極との間に空間を形成する段階と、前記圧電膜を焼結させる段階と、前記圧電膜に圧電特性を与えるために電界を加えるポーリング段階と、を備える。
【００１５】
前記方法において、前記フォトレジストの塗布の厚さは２〜８μｍであることが好ましい。
【００１６】
一方、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ形成方法は、圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ形成方法において、前記振動板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極の全面にフォトレジストを所定厚さに塗布する段階と、前記フォトレジストをパターニングして前記圧力チャンバに対応する位置に開口部を形成する段階と、前記開口部の内部に圧電物質を塗布して前記開口部によって露出された前記下部電極上にその側面が前記下部電極の上面に対して実質的に直角をなす圧電膜を形成する段階と、前記圧電膜上に前記開口部から外れないように上部電極を形成する段階と、前記フォトレジストを除去する段階と、前記圧電膜を焼結させる段階と、前記圧電膜に圧電特性を与えるために電界を加えるポーリング段階と、を備える。
【００１７】
前記方法において、前記フォトレジストの塗布の厚さは２０〜４０μｍであることが好ましい。
【００１８】
また、前記圧電膜は、一定した高さの長方形の断面形状に形成されることが好ましく、前記上部電極は、前記圧電膜の幅と同一な幅に形成されることが好ましい。
【００１９】
前記の両方法における前記開口部の幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることが好ましい。
【００２０】
また、前記圧電物質は、スクリーンプリンティングによって塗布され得る。
【００２１】
また、前記圧力チャンバと前記振動板とは、シリコン基板に形成され、前記シリコン基板と前記下部電極との間にはシリコン酸化膜が形成され得る。
【００２２】
また、前記下部電極は、前記振動板上にスパッタリングによってＴｉ層及びＰｔ層が順次蒸着されてなることが好ましい。また、前記上部電極は、電極物質を前記圧電膜上にプリンティングするか、スパッタリング、蒸発装置（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）及び電子ビーム（Ｅ−ｂｅａｍ）のうち何れか一つを用いて電極物質を前記圧電膜上に蒸着することによって形成され得る。
【００２３】
本発明によれば、より広い上部電極を形成できて十分な圧電効果を発揮し、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊を防止できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ及びその形成方法は次のような効果を有する。
【００２５】
第１に、下部電極と圧電膜との周辺部の間に空間が形成された場合には、上部電極をさらに広く形成しても短絡が発生せず、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊も発生しない。したがって、十分な圧電効果が発揮できる。
【００２６】
第２に、圧電膜の側面が下部電極の上面に対して実質的に直角に形成された場合には圧電膜の断面が長方形をなす。したがって、上部電極の幅を圧電膜の幅と同一にできるので、同一面積に対して最大の圧電効果を発揮することができる。また、上部電極下の圧電膜の厚さが一定しているため短絡や圧電膜の絶縁破壊も生じない。そして、圧電膜を一定の厚さにさらに薄く形成できるので、圧電アクチュエータをより微細な大きさに精密でかつ容易に形成できる。したがって、解像度向上のためにプリントヘッドを高密度に製作する最近の趨勢に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示す図面である。
【図１Ｂ】従来の圧電アクチュエータの構造を詳細に示した図１Ａに表されたＡ−Ａ′線に沿った断面図である。
【図２】本発明の望ましい第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の望ましい第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【図４Ａ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図４Ｂ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図４Ｃ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図４Ｄ】圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示す図面である。
【図５Ａ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｂ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｃ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｄ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｅ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｆ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｇ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図５Ｈ】図２に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ａ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｂ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｃ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｄ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図６Ｅ】図３に示された圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【図７Ａ】図６Ａ乃至図６Ｅに示された方法により形成された圧電アクチュエータのＳＥＭ写真である。
【図７Ｂ】図６Ａ乃至図６Ｅに示された方法により形成された圧電アクチュエータのＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図面において同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面における各構成要素の大きさは説明の明確性及び便宜上のため誇張され得る。また、ある層が基板や他の層の「上」にあると説明された場合、前記ある層は基板や他の層に直接接触してその上に存在することもでき、又は、その間に第３の層が存在することもできる。図２は、本発明の望ましい第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。
【００２９】
図２を参照すれば、本発明によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ１２０は、圧力チャンバ１１４の上部壁をなす振動板１１３の上部に形成され、前記振動板１１３を変形させることによって圧力チャンバ１１４にインクの吐き出しのための駆動力を提供する役割を果たす。このような圧電アクチュエータ１２０は、共通電極の役割をする下部電極１２１と、電圧の印加に応じて変形される圧電膜１２２と、駆動電極の役割をする上部電極１２３とを具備し、下部電極１２１、圧電膜１２２、及び上部電極１２３が前記振動板１１３上に順次積層された構造を有する。
【００３０】
前述のように、圧電方式のインクジェットプリントヘッドには、吐き出されるインクが充填される圧力チャンバ１１４と、前記圧力チャンバ１１４にインクを供給するか圧力チャンバ１１４からインクを吐き出せるためのインク流路（図示せず）が設けられる。このようなインク流路は、ベース基板１１１及びチャンバ形成基板１１２を含む多数のプレートに形成される。
【００３１】
前記下部電極１２１は前記振動板１１３上に形成される。前記下部電極１２１は、伝導性を有する単一金属層からなりうるが、示したようにＴｉ層１２１ａ及びＰｔ層１２１ｂの二つの金属層からなることが好ましい。前記Ｔｉ／Ｐｔ層１２１ａ、１２１ｂは、共通電極の役割をするだけではなく、その上に形成される圧電膜１２２及びその下の振動板１１３の間の相互拡散（inter-diffusion）を防止する拡散防止層の役割もする。
【００３２】
一方、前記振動板１１３がシリコンからなる場合には、振動板１１３及び下部電極１２１の間には絶縁膜としてシリコン酸化膜１１５が形成され得る。このシリコン酸化膜１１５は、絶縁膜としての機能だけではなく、振動板１１３及び下部電極１２１間の物質拡散を抑制して熱的ストレスを調節する機能も有する。
【００３３】
前記圧電膜１２２は、下部電極１２１上に形成され、圧力チャンバ１１４に対応する位置に配置される。そして、圧電膜１２２の周辺部と下部電極１２１との間には所定の幅及び高さを有する空間が形成される。この時、圧電膜１２２の両側に形成した空間（Ｓ）の間の間隔、すなわち圧電膜１２２の下部電極１２１に接触する部位の幅は、圧力チャンバ１１４の幅の７０〜９０％程度であることが好ましい。
【００３４】
前記上部電極１２３は圧電膜１２２上に形成され、圧電膜１２２に電圧を印加する駆動電極の役割を果たす。
【００３５】
前記のような構造を有する本発明の第１実施例による圧電アクチュエータ１２０においては、圧電膜１２２の周辺部及び下部電極１２１の間に空間（Ｓ）が形成されているので、上部電極１２３を従来よりも広く形成しても上部電極１２３及び下部電極１２１間に短絡が発生せず、ポーリング工程や圧電アクチュエータ１２０の駆動時に圧電膜１２２の絶縁破壊も発生しない。したがって、本発明に係る圧電アクチュエータ１２０はより広い上部電極１２３によって十分な圧電効果を発揮できる長所を有する。図３は、本発明の望ましい第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの構造を示す断面図である。本実施例による圧電アクチュエータは圧電膜の形状を除いては前述した第１実施例と同様である。したがって、以下では前述した第１実施例と同じ部分についてはその説明を省略したり簡略にしたりする。
【００３６】
図３を参照すれば、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ２２０も共通電極の役割をする下部電極２２１と、電圧の印加に応じて変形される圧電膜２２２と、駆動電極の役割をする上部電極２２３とを具備する。前記下部電極２２１、圧電膜２２２、及び上部電極２２３は振動板２１３上に順次積層される。前記圧力チャンバ２１４とインク流路（図示せず）はベース基板２１１及びチャンバ形成基板２１２を含む多数のプレートに形成され、前記振動板２１３は圧力チャンバ２１４の上部壁をなす。
【００３７】
前記下部電極２２１は、前記振動板２１３上に形成され、示したようにＴｉ層２２１ａ及びＰｔ層２２１ｂの二つの金属層からなり得る。前記Ｔｉ／Ｐｔ層２２１ａ、２２１ｂの役割は前述した第１実施例と同一である。そして、前記振動板２１３がシリコンからなる場合は、前述した第１実施例のように振動板２１３と下部電極２２１との間に絶縁膜としてシリコン酸化膜２１５が形成されうる。
【００３８】
前記圧電膜２２２は、下部電極２２１上に形成され、圧力チャンバ２１４に対応する位置に配置される。そして、圧電膜２２２は、その側面が下部電極２２１の上面に対して実質的に直角をなすように形成される。また、前記圧電膜２２２は、一定した高さの長方形の断面形状を有することが好ましく、その幅は圧力チャンバ２１４の幅の７０〜９０％程度であることが好ましい。
【００３９】
前記上部電極２２３は、圧電膜２２２上に形成され、その幅は圧電膜２２２の幅と同一であることが好ましい。
【００４０】
前記のような構造を有する本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ２２０においては、圧電膜２２２の側面が下部電極２２１の上面に対して実質的に直角に形成されるので、前記圧電膜２２２は、薄い周辺部を有しておらず、一定した高さの長方形の断面形状を有することができる。したがって、上部電極２２３の幅を圧電膜２２２の幅と同じにできて同一面積に対して最大の圧電効果を表すことができ、この場合にも上部電極２２３及び下部電極２２１の短絡や圧電膜２２２の絶縁破壊が生じない。そして、圧電膜２２２を一定した厚さでさらに薄く形成できるので、圧電アクチュエータ２２０をより微細で、精密に形成でき、隣接した圧電膜２２２間の間隔も縮めることができる。したがって、前記圧電アクチュエータ２２０を高密度に配置できて高解像度を有するインクジェットプリントヘッドを容易に具現できる。
【００４１】
図４Ａないし図４Ｄは圧電膜及び上部電極の形状による振動板の変位を解析した結果を示した図面である。図面における左側には圧電アクチュエータの構造が示されており、右側には左側に示された圧電アクチュエータの各々に対して構造解析した結果が示されている。
【００４２】
図４Ａには、本発明の望ましい第２実施例による圧電アクチュエータによる振動板の変位を解析した結果が示されている。ここで、圧電膜は長方形断面を有しており、圧電膜及び電極らは圧力チャンバ幅（Ｗ）の７５％の幅に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．４９３μｍとなった。
【００４３】
図４Ｂにおいては、圧電膜の幅は圧力チャンバの幅（Ｗ）と同一にするが、電極の幅は圧力チャンバ幅（Ｗ）の７５％に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．２８０になり、これは図４Ａの場合に比べて５７％程度である。図４Ｃでは、圧電膜は、圧力チャンバ（Ｗ）の幅と同一にするが、周辺部が薄い形状を有し、電極の幅は圧力チャンバ幅（Ｗ）の７５％に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．３６８μｍと表され、これは図４Ａの場合に比べて７５％程度である。
【００４４】
図４Ｄにおいては、圧電膜は、圧力チャンバ幅（Ｗ）の９０％の幅に形成されるが、周辺部が薄い形状を有し、上部電極の幅は圧力チャンバ幅（Ｗ）の６５％に形成される。このような圧電アクチュエータによって変形される振動板の変位は解析の結果０．４６７μｍと表され、これは図４Ａの場合に比べて９４％程度である。
【００４５】
前記のように、圧電膜の断面を長方形に形成し、その幅を圧力チャンバの幅よりも狭く形成した場合に、振動板の変位が最も大きく示される。したがって、図４Ａに示された構造を有する本発明の第２実施例による圧電アクチュエータによれば振動板を効率的に振動させうることが分かる。そして、本発明の第１実施例による圧電アクチュエータにおいても、圧電膜の下部電極に接触する部位の幅が圧力チャンバの幅に比べて狭いことが前記の理由から好ましいことが分かる。
【００４６】
以下に、添付した図面を参照して本発明に係るインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を説明する。
【００４７】
図５Ａないし図５Ｈは、図２に示した圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【００４８】
まず、図５Ａ及び図５Ｂを共に参照すれば、圧力チャンバ１１４の上部壁をなす振動板１１３は、示したようにシリコン基板１１２をその底面から所定深さにエッチングして圧力チャンバ１１４の形成と同時に形成できる。具体的に、図５Ａに示したように、シリコン基板１１２を酸化炉で湿式又は乾式酸化させてシリコン基板１１２の表面にシリコン酸化膜１１５、１１６を形成する。次いで、図５Ｂに示したように、シリコン基板１１２の底面に形成された酸化膜１１６をフォトレジストパターンを用いてパターニングすることによって圧力チャンバ１１４が形成される部位の基板１１２を露出させた後、露出された基板１１２を所定深さに乾式又は湿式エッチングして圧力チャンバ１１４を形成する。この時、エッチング後に残る基板１１２の残存部分が振動板１１３をなす。
【００４９】
一方、前記圧力チャンバ１１４及び振動板１１３は公知の他の方法で形成できる。例えば、圧力チャンバ１１４及び振動板１１３は各々他の基板に形成されうる。この場合には、圧力チャンバ１１４が貫通形成された基板上に別の基板を接着して振動板１１３を形成する。
【００５０】
次に、図５Ｃに示したように、シリコン基板１１２の上面に形成された酸化膜１１５の全面に下部電極１２１を形成する。下部電極１２１は、前述のようにＴｉ層１２１ａ及びＰｔ層１２１ｂの二つの金属層からなり得る。前記Ｔｉ層１２１ａは、酸化膜１１５の全面にＴｉをスパッタリングによって約４００Åの厚さに蒸着することで形成でき、Ｐｔ層１２１ｂは、前記Ｔｉ層１２１ａの全面にＰｔをスパッタリングによって約５，０００Åの厚さに蒸着することで形成できる。
【００５１】
次に、図５Ｄに示したように、下部電極１２１の全面にフォトレジストＰＲ１を所定厚さ、例えば２〜８μｍ程度の厚さに塗布する。次いで、フォトレジストＰＲ１を露光及び現像工程を経てパターニングすることにより、図５Ｅに示したように圧力チャンバ１１４に対応する位置に、圧力チャンバ１１４幅の約７０〜９０％の幅を有する開口部ｈ１を形成する。この開口部ｈ１によって下部電極１２１の一部が露出される。
【００５２】
次に、スクリーンプリンティングによりペースト状態の圧電物質を露出された下部電極１２１上に開口部ｈ１の幅よりも若干広く塗布することによって、図５Ｆに示したように圧電膜１２２を形成する。この時、前記圧電物質としては様々なものが用いられるが、好ましくはＰＺＴ（Lead Zirconate Titanate）セラミック材料が用いられる。
【００５３】
次に、図５Ｇに示したように、圧電膜１２２上に上部電極１２３を形成する。具体的に、上部電極１２３は、圧電膜１２２上に電極材料、例えばＡｇ−Ｐｄペーストをプリンティングすることによって形成できる。一方、上部電極１２３は、スパッター、ｅｖａｐｏｒａｔｏｒまたはＥ−ｂｅａｍなどを使用して電極物質をシャドーマスクを用いて圧電膜１２２上に所定厚さに蒸着することによって形成することもできる。次いで、圧電膜１２２と上部電極１２３とを１００〜１１０℃で約５〜１０分乾燥させる。次に、フォトレジストＰＲ１をアセトンを用いて除去すれば、図５Ｈに示したように圧電膜１２２の周辺部と下部電極１２１との間に所定幅と高さとを有する空間（Ｓ）が形成される。
【００５４】
最後に、圧電膜１２２を所定温度、例えば９００〜１，０００℃で焼結後、圧電膜１２２に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程を経ると、本発明の第１実施例による圧電アクチュエータ１２０が完成される。
【００５５】
図６Ａ乃至図６Ｅは、図３に示した本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ形成方法を段階的に示す図面である。
【００５６】
まず、図６Ａを参照すれば、基板２１２の上面及び底面には各々酸化膜２１５、２１６が形成され、基板２１２には圧力チャンバ２１４及び振動板２１３が形成される。そして、酸化膜２１５の上部にはＴｉ層２２１ａ及びＰｔ層２２１ｂからなる下部電極２２１が形成される。前記のように、下部電極２２１を形成する段階までは前述した図５Ａないし図５Ｃに示した段階と同じなので、詳細な説明は省略する。
【００５７】
次いで、下部電極２２１の全面にフォトレジストＰＲ２を所定厚さ、例えば２０〜４０μｍ程度の厚さに塗布する。この時、フォトレジストＰＲ２の塗布の厚さは図５Ｄに示したフォトレジストＰＲ１よりも厚く形成される。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲ２を露光及び現像工程を経てパターニングすることで、図６Ｂに示したように圧力チャンバ２１４に対応する位置に、圧力チャンバ２１４幅の約７０〜９０％の幅を有する開口部ｈ２を形成して下部電極２２１の一部を露出させる。
【００５８】
次に、図６Ｃに示したように、ペースト状態の圧電物質を露出された下部電極２２１上にスクリーンプリンティングによって塗布するが、この時、前記圧電物質が前記開口部ｈ２から外れないようにする。これによって、開口部ｈ２内部にのみ圧電膜２２２が形成される。この時、前記圧電物質としては前述のようにＰＺＴセラミック材料が用いられる。
【００５９】
次に、図６Ｄに示したように、圧電膜２２２上に上部電極２２３を形成する。上部電極２２３の形成方法は図５Ｇに示した段階で説明したのと同一である。ただし、本実施例における上部電極２２３は、圧電膜２２２のように開口部ｈ２内部に形成される。このために、前記のようにフォトレジストＰＲ２を比較的に高く形成することが好ましい。次いで、圧電膜２２２及び上部電極２２３を１００〜１１０℃で約５〜１０分乾燥させる。
【００６０】
次に、アセトンを用いてフォトレジストＰＲ２を除去すれば、図６Ｅに示したように下部電極２２１上には側面が下部電極２２１の上面に対して実質的に直角をなす圧電膜２２２と、圧電膜２２２の幅と同じ幅を有する上部電極２２３とのみが残存する。
【００６１】
最後に、圧電膜２２２を所定温度、例えば９００〜１，０００℃で焼結させた後、圧電膜２２２に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程を経ると、本発明の第２実施例による圧電アクチュエータ２２０が完成される。
【００６２】
前記のように形成された本発明の第２実施例による圧電アクチュエータのＳＥＭ写真が図７Ａ及び図７Ｂに示されている。
【００６３】
図７Ａ及び図７Ｂを見ると、圧電膜２２２の側面が下部電極２２１の上面に対してほぼ直角をなしていることがわかる。また、圧電膜２２２の断面形状も高さがほぼ一定した長方形をなしており、その全体形状は直六面体をなしていることが分かる。
【００６４】
以上、本発明の望ましい実施例を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他実施例が可能である。例えば、本発明における圧電アクチュエータの各構成要素を形成する方法は単に例示的なものであって、多様なエッチング方法及び蒸着方法が適用可能で、各段階の手順も例示と異ならせることができる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によってのみ決まるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、十分な圧電効果が発揮できるようにより広い上部電極を形成でき、ポーリング工程や駆動時に圧電膜の絶縁破壊を防止できる構造を有するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータとその形成方法に用いられる。
【符号の説明】
【００６６】
１２０ 圧電アクチュエータ
１１１ ベース基板
１１２ チャンバ形成基板
１１３ 振動板
１１４ 圧力チャンバ
１１５ シリコン酸化膜
１２１ 下部電極
１２１ａ Ｔｉ層
１２１ｂ Ｐｔ層
１２２ 圧電膜
１２３ 上部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータにおいて、 前記振動板上に形成される下部電極と、 前記下部電極上に前記圧力チャンバに対応する位置に形成され、周辺部の下面に垂直方向に所定の高さを有する段差が設けられ、前記段差により周辺部の下面が前記下部電極の上面よりも高い位置に位置することでその周辺部と前記下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、 前記圧電膜上に形成されて前記圧電膜に電圧を印加する上部電極と、
を備えることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電膜の前記下部電極に接触する部位の幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ。
【請求項１】
圧力チャンバの上部壁をなす振動板の上部に形成され、前記振動板を変形させることによって前記圧力チャンバにインクの吐き出しのための駆動力を提供するインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータにおいて、 前記振動板上に形成される下部電極と、 前記下部電極上に前記圧力チャンバに対応する位置に形成され、周辺部の下面に垂直方向に所定の高さを有する段差が設けられ、前記段差により周辺部の下面が前記下部電極の上面よりも高い位置に位置することでその周辺部と前記下部電極との間に空間が形成された圧電膜と、 前記圧電膜上に形成されて前記圧電膜に電圧を印加する上部電極と、
を備えることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電膜の前記下部電極に接触する部位の幅は、前記圧力チャンバの幅の７０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図５Ｆ】
【図５Ｇ】
【図５Ｈ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−１３２００８（Ｐ２０１０−１３２００８Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６１３６５（Ｐ２０１０−６１３６５）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【分割の表示】特願２００４−８１７０１（Ｐ２００４−８１７０１）の分割
【原出願日】平成１６年３月１９日（２００４．３．１９）
【出願人】（５９１００３７７０）三星電機株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【分割の表示】特願２００４−８１７０１（Ｐ２００４−８１７０１）の分割
【原出願日】平成１６年３月１９日（２００４．３．１９）
【出願人】（５９１００３７７０）三星電機株式会社 (982)
【Ｆターム（参考）】
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