JP2008173924A - 液滴吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】上部電極から絶縁膜を剥がれ難くした液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】圧電体２８の上部電極３２と該上部電極３２を保護する低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８との間に上部電極３２及び低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８と密着する密着層３６を設けることで、上部電極３２を保護して圧電素子１８の劣化を防止する低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８が剥がれないようにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに関する。

近年インクジェット記録ヘッドは、高解像などの画質だけでなく多様なインクを噴射できることが要求されている。圧電素子を変形させノズルからインクを押し出すＰｉｅｚｏタイプのインクジェット方式は、いわゆるサーマルインクジェットタイプ（ＴＩＪ）に比べ、インクの自由度が高く、多様なインクに対応できる一方で、素子あたりの面積がＴＩＪに比較して数倍から数十倍の大きさが必要となり、高解像度に対応するためには、ヘッドサイズが大きくなる（コスト高）という欠点を有している。

このため、ノズル、ＰＡ（ピエゾアクチュエータ、いわゆる圧電部材）、配線付天板、インクプールを３次元方向に積層することで小型化を図ることが提案されており、インクプール内に圧電部材を配設するため、圧電部材の表面には、保護膜が被覆される（例えば、特許文献１、２、３）。

しかしながら、この保護膜は、上部電極に使われるＰｔ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属との密着性が非常に低く、図７に示すように、絶縁膜１００が上部電極１０２から剥れてしまうという問題がある。
特開２００１−２６０３５７号公報 特開２００２−２１９８０４号公報 特開平１０−２２６０７１号公報

本発明は上記事実を考慮し、上部電極から絶縁膜を剥がれ難くした液滴吐出ヘッドを得ることを課題とする。

請求項１に記載の発明は、液滴吐出ヘッドにおいて、液滴を吐出する吐出口と、前記吐出口と繋がり、液体が充填される圧力室と、前記圧力室の一部を構成する振動板と、前記振動板を間に置いて前記圧力室と反対側に設けられ、前記振動板を変位させる圧電素子と、を有し、前記圧電素子を構成する圧電体の上部に位置する上部電極と前記上部電極に位置する第一の膜の間に上部電極及び前記第一の膜と密着する密着層を設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、圧電素子の上部電極と該上部電極に位置する第一の膜との間に上部電極及び第一の膜と密着する密着層を設けることで、上部電極から第一の膜が剥がれないようにすることができる。

請求項２に記載の発明は、液滴を吐出する吐出口と、前記吐出口と繋がり、液体が充填される圧力室と、前記圧力室の一部を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側に設けられ、前記振動板を変位させる圧電素子と、前記振動板の前記圧電素子側に設けられ、該振動板を変位させない擬態圧電素子と、前記圧電素子を間において、前記振動板と反対側に形成され、流路を介して前記圧力室に液体を供給する液体貯留室と、を有し、前記圧電素子及び擬態圧電素子を構成する圧電体の上部に位置する上部電極と前記上部電極上に位置する第一の膜との間に上部電極及び前記第一の膜と密着する密着層を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、圧電素子及び擬態圧電素子を構成する圧電体の上部に位置する上部電極と該上部電極上に位置する第一の膜との間に上部電極及び第一の膜と密着する密着層を設けることで、上部電極を保護して圧電素子の劣化を防止する第一の膜が剥がれないようにすることができる。

また、密着層を設けることで、第一の膜の浮き上がり等も生じないため、圧電素子の上部に圧電素子の歪み変形が阻害されないように設けられた空洞を構成する隔壁の上端面の位置は水平を確保することができ、該隔壁の上端面と天板との間に隙間が生じることはない。さらに、擬態圧電素子を設けることで、圧電素子が必要な領域と不要な領域との間で段差をなくすことができ、隔壁の上端面の水平を確保することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記上部電極がＰｔ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、圧電体との親和性が高く、耐熱性を有する、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ等の貴金属を上部電極に用いている。このような貴金属では、特に保護膜との密着性が低いため効果的である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記密着層が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖなどの高融点金属あるいはＣｒ、Ｎｉ、Ｒｕで形成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、密着層を、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖなどの高融点金属や、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｒｕで形成している。ここで、高融点金属とは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂをいう。上部電極には導電性部材を配設するが、密着層をこのような金属とすることで、密着層を介して上部電極と該導電性部材とを導通させることができる。これにより、接続抵抗の安定化が得られ、圧電素子の信頼性の向上を図ることができる。

本発明は上記構成としたので、保護膜が剥がれないようにすることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの例として、インクジェット記録ヘッド１０について説明する。

図１には、インクジェット記録ヘッド１０の概略縦断面図（図１は、図３（Ａ）の１−１断面であり、図３（Ａ）はインクジェット記録ヘッド１０の模式的な平面図を示している）が示されており、このインクジェット記録ヘッド１０には、インクタンク（図示省略）から注入されたインクを貯留するインクプール室１２が設けられている。

インクプール室１２は天板１４上部のマニフォールド６２によって形成されており、天板１４に設けられたインク供給口１４Ａから隔壁１６（後述する）に設けられたインク供給路１６Ａを通じて、下部に配置された圧力室２４へと供給される。天板１４の材質は、例えばガラス、セラミックス、シリコン、樹脂等、インクジェット記録ヘッド１０の支持体になり得る強度を有する絶縁体であれば何でもよい。また、天板１４には、後述する圧電素子１８に電圧を印加する駆動ＩＣ（図示省略）へ通電するための金属配線１９が設けられている。この金属配線１９は、保護膜２０で被覆保護されており、金属配線１９の腐食防止がなされている。

隔壁１６は樹脂膜で形成され、内部には圧力室２４へと続くインク供給路１６Ａが設けられている。また、圧電素子１８の上部には圧電素子１８の歪み変形が阻害されないように空洞２１が設けられており、圧電素子１８の下部には上下方向に撓み変形する振動板２２を介して圧力室２４が設けられ、圧力室２４が形成された基板５０とノズル２６が形成されたノズルプレート６０が図１に図示されるように配置される。

つまり、圧電素子１８及び振動板２２が、インクプール室１２と圧力室２４との間に配置される構成とされ、インクプール室１２と圧力室２４とが同一水平面上に存在しないように構成されている。したがって、圧力室２４を互いに接近させた状態に配置することが可能であり、ノズル２６をマトリックス状に高密度に配設することが可能となっている。

圧電素子１８は、圧力室２４毎に振動板２２の上面に設けられており、圧電膜（ＰＺＴ膜）で形成された圧電体２８の下面には一方の極性となる下部電極３０が設けられ、圧電体２８の上面には他方の極性となる上部電極３２が設けられている。上部電極３２にはＰｔ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属を用いており、下部電極３０には、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属を用いている。また、下部電極３０と振動板２２の間には、図示されないＴｉ等の密着層を用いている。そして、この上部電極３２及び下部電極３０に電圧が印加されることによって、圧電体２８は上下方向に撓み変形する。

なお、下部電極３０と接触する金属（ＳＵＳ等）製の振動板２２は、低抵抗なＧＮＤ配線としても機能するようになっている。この振動板２２は、ＳＵＳ等の金属で形成され、少なくとも上下方向に弾性を有し、圧電素子１８（圧電体２８）の変形によって、上下方向に撓み変形する（変位する）構成となっている。また、振動板２２は、ガラス等の絶縁性材料であっても差し支えはない。

一方、振動板２２上の圧電素子１８と圧電素子１８の間には、撓み変形しないダミー用の擬態圧電素子３４が設けられており、この擬態圧電素子３４及び圧電素子１８の上部電極３２の上面には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖなどの高融点金属やＣｒ、Ｎｉ、Ｒｕで形成された密着層３６が密着している。

そして、この密着層３６と上部電極３２を含んで擬態圧電素子３４及び圧電素子１８の表面は、第一の膜、例えば低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８で被覆保護されている。この低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８は、水分透過性が低くなる条件で着膜するため、水分が圧電素子１８の内部に侵入して信頼性不良となること（圧電素子１８内の酸素を還元することにより生ずる圧電特性の劣化）を防止する。そして、この低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８の上面には隔壁１６が設けられることとなる。その他第一の膜としては、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、樹脂膜（ポリイミドなど）がある。

ここで、低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８には開口４０が形成されており、密着層３６が露出している。そして、隔壁１６に形成された孔部１７を通じて金属配線１９がこの密着層３６に接続されている。

以上のような構成のインクジェット記録ヘッド１０において、次に、その製造工程について説明する。

図４（Ａ）に示すように、まず、基板５０を準備する。この基板５０はＳｉ、ガラス、ＳＵＳなどが良いが、Ｓｉあるいはガラス、特にＳｉが好適である。

そして、図４（Ｂ）に示すように、該基板５０上に、振動板２２を形成する。この振動板２２はＣｒ、Ｎｉなどの金属、あるいはＳｉ、Ｓｉ系の酸化物などが好適であるが、本実施形態では、ＣＶＤで板厚５μｍ（約１〜１０μｍ程度が好ましい）のＳｉＯ_２を着膜させる。そして、この振動板２２の上面に図示されない密着層をＴｉ等で１０ｎｍほど形成した後、下部電極３０を形成する。この下部電極３０の材料としては、Ｉｒ、Ｐｔなどが用いられ、本実施形態では、Ｉｒを０．２μｍ着膜する。

次に、図４（Ｃ）に示すように、下部電極３０の上面に、圧電体２８及び上部電極３２を着膜する。圧電体２８は１〜１０μｍが好ましく、本実施形態では、スパッタにより５μｍ着膜させる。なお、スパッタ以外に、ゾルゲル、ＡＤなど１〜１０μｍで着膜可能な方法であればなんでもよい。そして、圧電体２８の上面に上部電極３２を形成するが、下部電極３０同様、Ｉｒ、Ｐｔなどが用いられ、Ｉｒを０．２μｍ着膜する。

そして、この上部電極３２の上面に、密着層３６としてＴｉを５０ｎｍ（約２ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい）着膜する。なお、Ｔｉ以外には、Ｔａ、Ｖなどの高融点金属系材料やＣｒ、Ｎｉ、Ｎｂを用いても良く、これらによっても同様の効果が得られる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、密着層３６の上面にレジスト５２を形成し、図４（Ｄ）に示すように、エッチングにより上部電極３２、密着層３６及び圧電体２８をパターニングして圧電素子１８とする。このとき、圧電素子１８は、アクチュエータになる部分のみが動作に必要となるが、基板５０にはできるだけ圧電素子を残すようにする。つまり、これが、擬態圧電素子３４であり、後述する金属配線５６を接続しないことで、擬態圧電素子３４が撓み変形しないようにしている。

次に、図４（Ｅ）に示すように、密着層３６、上部電極３２、圧電体２８及び下部電極３０の表面に、低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８を０．５μｍ着膜する。

そして、図４（Ｆ）に示すように、インク供給口５４の形成及び図２に示す電気接続用の金属配線５６をパターンニングする。金属配線５６は図２に示すように、低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８に開口５８を設け、該開口５８を通じて、密着層３６と接続し、低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８の表面に配線して駆動ＩＣと接続させる。

次に、図４（Ｊ）に示すように、圧電素子１８の歪み変形が阻害されないような空洞２１と、天板１４上部に配置されたインクプール室１２から圧力室２４にインクを供給するためのインク流路１６Ａ（図１参照）を形成するため、図４（Ｇ）に示すような隔壁１６を形成する。ここで、該隔壁１６には、ポリイミド系、エポキシ系樹脂を使うが、本実施形態では、ポリイミドを２０μｍ着膜し、パターニングする。このとき、パターニングは、露光現像のホトリソプロセスで行う。

次に、図４（Ｈ）に示すように、隔壁１６の上端面に熱圧着により天板１４を接合する。そして、図４（Ｉ）に示すように、圧力室２４を形成した後、図４（Ｊ）に示すように、ノズルプレート６０を接着し、インクタンクと接続されるマニフォールド６２によってインクプール室１２を形成する。これにより、インクジェット記録ヘッド１０が完成し、インクプール室１２や圧力室２４内にインクが充填可能とされる。

以上のようにして製造されたインクジェット記録ヘッド１０において、次に、その作用を説明する。

まず、インクジェット記録装置（図示省略）に印刷を指令する電気信号が送られると、インクタンクから図１に示すインク供給ポート６２Ａを介して、インクジェット記録ヘッド１０のインクプール室１２にインクが注入（充填）され、インクプール室１２に充填されたインクは、インク供給口１４Ａ及びインク供給路１６Ａを経て圧力室２４へ供給（充填）される。そして、このとき、ノズル２６の先端（吐出口）では、インクの表面が圧力室２４側に僅かに凹んだメニスカスが形成されている。

一方、インクの吐出を制御するボードからは、天板１４の金属配線１９に通電され、該金属配線１９を経て金属配線５６（図３（Ｂ）参照）に通電されて、そこから駆動ＩＣに通電される。そして、その駆動ＩＣにより、所定のタイミングで圧電素子１８に電圧が印加され、圧電素子１８の撓み変形によって振動板２２が上下方向に変形することにより、圧力室２４内に充填されたインクが加圧されて、ノズル２６からインク滴が吐出する。そして、記録用紙を搬送しながら、複数のノズル２６から選択的にインク滴を吐出することにより、記録用紙に、画像データに基づく画像の一部を記録する。

ところで、本形態では、圧電素子１８の上部電極３２と該上部電極３２を保護する低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８との間に上部電極３２及び低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８と密着する密着層３６を設けることで、上部電極３２を保護して圧電素子１８の劣化を防止する低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８が剥がれないようにすることができる。

このように、密着層３６を設けることで、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ等の貴金属を上部電極３２に用いても低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８の剥がれが生じないため、圧電素子１８との親和性が高く、耐熱性を有する、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｕ等の貴金属を上部電極３２に用いることができ、圧電素子１８の信頼性を向上させることができる。

ここで、密着層３６は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｖなどの高融点金属やＣｒ、Ｎｉ、Ｎｂで形成される。上部電極３２には金属配線５６を配設するが、密着層３６をこのような金属とすることで、密着層３６を介して上部電極３２と金属配線５６とを導通させることができる。これにより、接続抵抗の安定化が得られ、圧電素子１８の信頼性の向上を図ることができる。ここで、該密着層３６の膜厚を、約２ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることで、圧電素子１８の変位を阻害しないで済む。

また、上部電極３２と低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８との間に密着層３６を設けることで、上部電極３２上部の低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）３８の浮き上がりが生じないため、圧電素子１８の上部を圧電素子１８の歪み変形が阻害されないような空洞２１と、天板１４上部に配置されたインクプール室１２から圧力室２４にインクを供給するためのインク流路１６Ａを構成する隔壁１６の上端面の位置は水平を確保することができ、図５に示すように、該隔壁１６の上端面と天板１４との間に隙間が生じることはない。

ここで、図２に示すように、圧電素子１８と圧電素子１８の間に、撓み変形しないダミー用の擬態圧電素子３４を設けて段差を少なくすることでも、隔壁１６の上端面と天板１４との間に隙間が生じないようにすることができる。

つまり、圧電素子１８と圧電素子１８の間に擬態圧電素子３４を設けることで、圧電素子１８が必要な領域と不要な領域との間の段差をなくし、隔壁１６の高さ方向の寸法を揃えることができる。これにより、隔壁１６の上端面の高さのバラツキをなくすことができ、隔壁１６の上端面の水平を確保することができる。

また、本実施例では、圧電素子１８への配線を上部に接合したガラス製の天板１４に配線し、駆動ＩＣに接続する方法を示したが、図２に示すように、圧電素子１８を形成した基板５０に対して、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、バンプ６４を介してフレキシブルプリント配線基板６２を基板５０に接合する場合においても、低透水性絶縁膜の密着性改善に有効である。

なお、上記実施形態のインクジェット記録ヘッドが用いられるインクジェット記録装置では、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアン等の各色のインクジェット記録ユニットのインクジェット記録ヘッド１０から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録用紙に記録されるようになっているが、本発明におけるインクジェット記録は、記録用紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。

すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド１０を適用することができる。

また、上記実施例のインクジェット記録装置１０では、Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＦＷＡ）を例に挙げたが、主走査機構と副走査機構を有するＰａｒｔｉａｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＰＷＡ）に本発明を適用してもよい。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの構成を示す概略断面図であり、図３（Ａ）の１−１断面である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子基板を示す概略断面図であり、図３（Ｂ）の２−２断面である。 （Ａ）は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す模式的な平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子基板を製造する工程（Ａ）〜（Ｆ）を示す説明図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子基板を製造する工程（Ｇ）〜（Ｊ）を示す説明図である。 インクジェット記録ヘッドの天板と樹脂膜との接合部を説明する本願との比較例である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子の他の配線方法を示す概略斜視図である。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子基板の従来の問題点を示す説明図である。

符号の説明

１０ インクジェット記録ヘッド
１２ 液体貯留室（インクプール室）
１８ 圧電素子
２２ 振動板
２４ 圧力室
２６ 吐出口（ノズル）
２８ 圧電体（圧電素子）
３０ 下部電極（圧電素子）
３２ 上部電極（圧電素子）
３４ 擬態圧電素子
３６ 密着層
３８ 低透水性絶縁膜（第一の膜）

Claims (4)

1. 液滴を吐出する吐出口と、
   前記吐出口と繋がり、液体が充填される圧力室と、
   前記圧力室の一部を構成する振動板と、
   前記振動板の前記圧力室と反対側に設けられ、前記振動板を変位させる圧電素子と、
   を有し、
   前記圧電素子を構成する圧電体の上部に位置する上部電極と前記上部電極上に位置する第一の膜との間に上部電極及び前記第一の膜と密着する密着層を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 液滴を吐出する吐出口と、
   前記吐出口と繋がり、液体が充填される圧力室と、
   前記圧力室の一部を構成する振動板と、
   前記振動板の前記圧力室と反対側に設けられ、前記振動板を変位させる圧電素子と、
   前記振動板の前記圧電素子側に設けられ、該振動板を変位させない擬態圧電素子と、
   前記圧電素子を間において、前記振動板と反対側に形成され、流路を介して前記圧力室に液体を供給する液体貯留室と、
   を有し、
   前記圧電素子及び前記擬態圧電素子を構成する圧電体の上部に位置する上部電極と前記上部電極上に位置する第一の膜との間に上部電極及び前記第一の膜と密着する密着層を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 前記上部電極がＰｔ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記密着層が、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖなどの高融点金属あるいはＣｒ、Ｎｉ、Ｒｕで形成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。

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