JP3758288B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク流路のアクチュエータ基板に形成された電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ファクシミリ装置等の通信装置やパーソナルコンピュータ等の情報処理装置は、通常、文字や図形からなるデータを視覚情報として記録するように、これらのデータを用紙に記録可能な記録装置を有している。この記録装置には、インパクト方式や感熱方式、インクジェット方式等の各種の印字方式が採用されているが、近年においては、静粛性に優れていると共に各種材質の用紙に印字可能なインクジェット方式を採用したインクジェット記録装置が注目されている。
【０００３】
上記のインクジェット記録装置は、用紙に文字や図形を印字するように、用紙に対してインク滴を噴出する多数のノズルを有したインクジェットヘッドを有している。インクジェットヘッドは、通常、ノズルに連通されたインク流路の側壁を分極処理した圧電材料で構成すると共に側壁面に電極を形成することにより構成されており、電極を介して駆動電界を側壁に印加することにより側壁を屈曲させてインク流路の容積を変化させることによって、インク圧力を増減させてインク流路に対するインクの排出（噴出）と供給とを行うようになっている。この際、インク流路の側壁面に形成された電極がインクに接触すると、電極がインクにより腐食して早期に損耗するため、従来は、電極とインクとが接触しないように、電極の表面に保護膜が形成されている。具体的には、電極に有機物からなる下地層を形成することにより電極表面の面粗さを平滑化した後、この下地層に耐インク性の大きな無機物からなる表面層を形成することによって、電極に保護膜が強固に結び付くように形成されている。
【０００４】
このように２層の保護膜を形成するのは以下の理由による。電極に無機物の保護膜を直接形成すると、下地の圧電材料に特有の凹凸や、その上に形成された電極にも凹凸があって、その凹凸のシャドー効果により、空孔部分には成膜できず、電極を完全に保護できないという問題があった。そして電極が露出していると、駆動時に付加される電圧により電流が流れ電極が腐食し、インクの噴出ができなくなったり、インク中の水分によっても腐食が促進されるといった問題がある。また、保護膜を有機物だけで形成した場合、上記のような凹凸部の皮膜が可能となるが、有機物の膜は空気中の水分を吸収し、マイクロウオーターとして膜中に水分を保持してしまうため、この水分が電極に達し、電極の腐食を誘引するいった問題があった。さらには絶縁耐圧も無機物に比べて２桁低く、長期にわたり使用していると、経時変化や外界からの刺激により電気的絶縁破壊を起こし易く、インク噴出ができなくなるという問題があるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように、有機物からなる下地層に無機物からなる表面層を形成した構成では、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と無機物の表面層とで大きく異なるため、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において急激な温度変化等があると、下地層と表面層とに大きなストレスが生じることによって、例えば表面層にクラックが発生する等の保護膜に損傷が生じ易いものとなる。
【０００６】
従って、本発明は、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において急激な温度変化等があっても、保護膜に損傷が生じ難いインクジェットヘッドを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
【０００９】
請求項１の発明は、分極された圧電材料からなりインク流路が形成されたアクチュエータ基板に形成された電極をインクから保護するように、該電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドの製造方法であって、分極された圧電材料からなる前記アクチュエータ基板の電極に有機物からなる下地層を形成する第１工程と、前記アクチュエータ基板の分極特性を低下させない所定の温度範囲で、ＴＥＯＳガスからなる原料ガスと、不活性ガス及び水素のうちの１種類又は複数種類の組み合わせからなるガスとを反応させることによって、前記原料ガスから生成される二酸化珪素と同じ原料ガスから生成される有機物とを含む中間層を前記下地層に形成する第２工程と、前記ガスを酸素ガスに切り換えて、前記所定の温度範囲で、前記原料ガスと酸素ガスとを反応させることによって、二酸化珪素からなる表面層を前記中間層に形成する第３工程とを有したことを特徴としている。
【００１０】
これにより、中間層が表面層よりも小さな含有率で無機物である二酸化珪素を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と二酸化珪素の表面層との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時において、下地層と表面層とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層が吸収することによって、ストレスによる保護膜の損傷を低減させることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、前記アクチュエータ基板を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、前記第２工程および前記第３工程における中間層および表面層の形成を化学蒸着法により行うことを特徴としている。これにより、圧電材料の分極特定を低下させない範囲で良好な膜質を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係るインクジェットヘッドは、図２に示すように、アクチュエータ基板２とプレート部材４とノズルプレート６とマニホールド部材７とを有している。アクチュエータ基板２は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる圧電材料で形成されており、一方面にダイヤモンドブレード等により切削加工された複数のインク溝１４およびダミーインク溝１５が形成されている。
【００１３】
上記のインク溝１４は、アクチュエータ基板２の前方端から後方端にかけて所定深度で形成されている。一方、ダミーインク溝１５は、アクチュエータ基板２の前方端から後方端側の近傍まで所定深度で形成された後、後方端においてアクチュエータ基板２の上面と面一となるように立ち上げられて形成されている。そして、これらのインク溝１４およびダミーインク溝１５は、アクチュエータ基板２の裏面方向２７に分極処理された側壁２０を介して交互に形成されており、側壁２０の壁面上部には、裏面方向２７に対して直交方向に電界を印加するように電極２２が蒸着やメッキにより形成されている。
【００１４】
上記のアクチュエータ基板２の一方面には、セラミックス材料や樹脂材料からなる平板状のプレート部材４がエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。プレート部材４は、図４に示すように、接着層２４を介して側壁２０の上面に液密状態に密接されており、インク溝１４の上面を覆うことによりインク流路となるインク室１０を形成させていると共に、図３に示すように、ダミーインク溝１５を覆うことによりダミーインク室１１を形成させている。そして、このようにインク室１０およびダミーインク室１１を形成するアクチュエータ基板２およびプレート部材４の前方端には、ノズルプレート６が上述のエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。
【００１５】
上記のノズルプレート６は、インク室１０に対応した位置にノズル３０が形成されており、ノズル３０は、インク室１０の容積が減少されてインク室１０内のインクが加圧されたときに、インクを外部へ噴出させるようになっている。尚、ノズルプレート６は、ポリアルキレンや（例えばエチレン）テレフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネイト、酢酸セルロース等のプラスチックにより形成されている。
【００１６】
一方、アクチュエータ基板２およびプレート部材４の後方端側には、マニホールド部材７が接合されている。マニホールド部材７の中心部には、インク供給口３１が形成されており、図示しないインクタンクからインクが供給されるようになっている。そして、マニホールド部材７は、全インク室１０に連通した共通インク室９を形成しており、インク室１０が容積を拡大したときに、このインク室１０にインクを供給するようになっている。
【００１７】
上記のようにしてインクが供給されるインク室１０の壁面には、図１に示すように、保護膜１６が形成されている。保護膜１６は、電極２２を覆うように形成された有機物からなる下地層１７と、インクに接触するように設けられた無機物からなる表面層１８とを有している。下地層１７と表面層１８との間には、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と無機物の表面層との中間の値を示すように、無機物を表面層１８よりも小さな含有率で含む中間層１９が設けられている。そして、この中間層１９は、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において、下地層１７と表面層１８とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを吸収することによって、ストレスによる損傷を低減させるようになっている。
【００１８】
上記の下地層１７は、エポキシ系樹脂やシリコン樹脂、フッ素樹脂、芳香族ポリアミド、付加重合型ポリイミド、フタル酸樹脂等をスピンコート処理することにより形成されていたり、ポリキシリレン樹脂等を化学気相処理することにより形成されている。また、表面層１８は、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）や酸化シリコン、酸化バナジウム、酸化ニオブ等の酸化物や、酸化物および窒化物の混合物を化学蒸着法（ＣＶＤ）やゾルゲル法、真空蒸着、スパッタリングにより成膜することで形成されている。また、中間層１９は、表面層１８を形成する酸化物や混合物からなる無機物を表面層１８以下の濃度で含むように、例えばシリコンを含む原料ガスと前記下地層に対してエッチングの少ないガスとを例えば化学蒸着法（ＣＶＤ）において反応させることにより形成されている。
【００１９】
上記の構成において、インクジェットヘッドの製造方法および動作について説明する。尚、下地層１７の有機物にエポキシ系樹脂を使用し、表面層１８および中間層１９の無機物に二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を使用するものとする。
【００２０】
本実施形態においては、アクチュエータ基板２としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いているため、機械加工により形成された溝表面、即ち、側壁２０の表面は、加工時にＰＺＴ粒子の粒界破壊および粒内破壊が生じるため、表面粗さＲａにして３ほどの凹凸が存在する他、ブレードの歯跡も存在するなど、平滑性があまり良くない。従って、このようなアクチュエータ基板２の側壁２０の壁面に形成された電極２２は、形成方法にもよるが、下地のアクチュエータ基板２の凹凸をほぼ模倣する形で形成される。
【００２１】
これにより、先ず、エポキシ系樹脂をスピンコート、キュアにより側壁２０全体を覆うようにして有機膜の下地層１７を形成する。このとき、エポキシ系樹脂の塗布溶液の粘度、硬化剤の種類、回転スピード、キュア温度等を選択することにより前述のアクチュエータ基板２に起因する凹凸が埋め込まれることによって、なだらかなうねりは存在するものの、平滑な下地層１７が有機物の連続膜により形成される（第１工程）。
【００２２】
次に、下地層１７上に無機物を含んだ中間層１９をＣＶＤ法により真空成膜する。即ち、図５に示すように、ＣＶＤ装置のチャンバー７１内にアクチュエータ基板２を搬入し、ヒータ７０を接合されたワークトレイ７４に載置する。そして、ヒータ７０およびワークトレイ７４を昇降することによって、アクチュエータ基板２をシャワー電極７２から所定距離となるように位置決めする。この後、ヒータ７０に通電することによりワークトレイ７４を介してアクチュエータ基板２を加熱すると共に、チャンバー７１内を真空引きする。アクチュエータ基板２が１３０℃〜２２０℃の温度範囲およびチャンバー７１内が所定の真空度に到達したときに、ＴＥＯＳ（正珪酸エチル“Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ”）原料ガスとＡｒガスとをチャンバー７１内に供給する。そして、両ガスを反応させることによって、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）からなる無機物と有機物とを含む中間層１９を下地層１７に形成させる（第２工程）。尚、中間層１９を成膜する工程において、Ａｒガスに代えて、Ｈｅ、Ｎｅ等の不活性ガスおよびＨ2 など下地層１７に対しエッチング（腐食）の少ないガスを１種類または複数組み合わせて用いることができる。
【００２３】
この後、中間層１９の形成が完了すると、Ａｒガスの供給を停止する一方、Ｏ2 ガスの供給を開始し、ＴＥＯＳ原料ガスとＯ2 ガスとを反応させる。そして、略１００％の二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）からなる無機物を中間層１９上に成膜させることによって、表面層１８を形成する（第３工程）。
【００２４】
上記のようにして保護膜１６の形成が完了すると、アクチュエータ基板２をＣＶＤ装置のチャンバー７１内から取り出し、図２に示すように、アクチュエータ基板２の一方面全体にエポキシ系樹脂からなる接着剤を塗布する。そして、アクチュエータ基板２上にプレート部材４を重ね合わせて接合した後、アクチュエータ基板２およびプレート部材４の両端に接着剤を塗布してノズルプレート６およびマニホールド部材７をそれぞれ押し付けて接合する。この後、電極２２に接続された図示しない電極パターンにフレキシブル基板を接続し、図示しない制御部材からの駆動信号を各電極２２に印加可能にしたインクジェットヘッドに組み立てる。
【００２５】
上記のインクジェットヘッドは、インクジェット記録装置に組み付けられる。そして、図６に示すように、与えられた印字データに従って、例えば特定の印字チャンネルに対応するインク室１０Ｂが選択されると、制御部材からインク室１０Ｂの電極２２Ｂ・２２Ｃに対して駆動電圧が出力されると共に、このインク室１０Ｂの両側に位置するダミーインク室１１Ａ・１１Ｃの電極２２Ａ・２２Ｄが接地されてＧＮＤ電位とされる。そして、インク室１０Ｂの側壁２０Ａ・２０Ｂにおいて、ダミーインク室１１Ａ・１１Ｃ側からインク室１０Ｂ方向に向かう駆動電界がそれぞれ発生することによって、分極された側壁２０Ａ・２０Ｂが圧電厚みすべり効果により互いに接近するように屈曲する。従って、インク室１０Ｂが両側壁２０Ａ・２０Ｂの屈曲により容積を減少させることから、インク室１０Ｂ内のインクが加圧されることによりノズル３０からインク滴として噴出することになる。
【００２６】
この後、駆動電圧が停止されると、側壁２０Ａ・２０Ｂが屈曲前の状態に復帰することによって、インク室１０Ｂ内のインク圧力が低下する。これにより、共通インク室９のインクがインク室１０Ｂ内に供給され、インク滴の噴出量に相等するインクが補充されることによって、次回のインク滴の噴出に備えられる。
【００２７】
以上のように、本実施形態のインクジェットヘッドは、図１に示すように、インク室１０（インク流路）のアクチュエータ基板２に形成された電極２２をインクから保護するように、該電極２２に保護膜１６を形成したものであり、保護膜１６は、電極２２に形成され、有機物からなる下地層１７と、インクに接触するように設けられ、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）等の無機物からなる表面層１８と、下地層１７と表面層１８との間に設けられ、無機物を下地層１７よりも小さな含有率で含む中間層１９とを有する構成にされている。
【００２８】
これにより、中間層１９が表面層１８よりも小さな含有率で無機物を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層１７と無機物の表面層１８との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において、下地層１７と表面層１８とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層１９が吸収することによって、ストレスによる保護膜１６の損傷を低減させることができるようになっている。
【００２９】
また、上記のインクジェットヘッドの製造方法であって、アクチュエータ基板２の電極２２に有機物からなる下地層１７を形成する第１工程と、シリコンを含むＴＥＯＳ等の原料ガスとＡｒガス等の下地層１７に対してエッチングの少ないガスとを反応させることによって、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を含む中間層１９を下地層１７に形成する第２工程と、原料ガスと酸素とを反応させることによって、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）からなる表面層１８を中間層１９に形成する第３工程とを有した構成にされている。尚、原料ガスとしては、ＴＥＯＳの他、モノシラン（ＳｉＨ4 ）を用いることができる。
【００３０】
これにより、中間層１９が表面層１８よりも小さな含有率で無機物である二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層１７と二酸化珪素の表面層１８との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時において、下地層１７と表面層１８とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層１９が吸収することによって、ストレスによる損傷を低減させることができるようになっている。
【００３１】
また、アクチュエータ基板２が分極されたチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）等の圧電材料からなり、アクチュエータ基板２を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、第２工程および第３工程における中間層１９および表面層１８の形成を化学蒸着法により行う構成にされている。上記２２０℃を越えると圧電材料の分極特性の劣化が徐々に進行し、インクジェットヘッドの性能に影響を与えるようになる。上記本実施形態では、圧電材料の分極特性を低下させない範囲で良好な膜質を得ることができるようになっている。尚、圧電材料には、チタン酸鉛系（ＰＴ）のセラミックス材料を用いることもできる。
【００３２】
上記の実施形態では、側壁２０の上半分に電極２２を形成しているが、側壁の全高さにわたって電極を形成しても良い。この場合、側壁を上下に積層した複数の圧電材料で形成し、各層の分極方向を相互に反対方向にする。また、各層間に電極を挟持し、側壁の側面に露出する電極の端面を保護膜１６で覆うこともできる。その他、インク流路のインクを加熱してその上記圧力でインクを噴出するもの等、各種のインクジェットヘッドにおいて、インク流路に露出する電極を覆う保護膜に、本発明は適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
【００３４】
【００３５】
請求項１の発明は、分極された圧電材料からなりインク流路が形成されたアクチュエータ基板に形成された電極をインクから保護するように、該電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドの製造方法であって、分極された圧電材料からなる前記アクチュエータ基板の電極に有機物からなる下地層を形成する第１工程と、前記アクチュエータ基板の分極特性を低下させない所定の温度範囲で、ＴＥＯＳガスからなる原料ガスと、不活性ガス及び水素のうちの１種類又は複数種類の組み合わせからなるガスとを反応させることによって、前記原料ガスから生成される二酸化珪素と同じ原料ガスから生成される有機物とを含む中間層を前記下地層に形成する第２工程と、前記ガスを酸素ガスに切り換えて、前記所定の温度範囲で、前記原料ガスと酸素ガスとを反応させることによって、二酸化珪素からなる表面層を前記中間層に形成する第３工程とを有した構成である。
【００３６】
これにより、中間層が表面層よりも小さな含有率で無機物である二酸化珪素を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と二酸化珪素の表面層との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時において、下地層と表面層とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層が吸収することによって、ストレスによる保護膜の損傷を低減させることができるという効果を奏する。
【００３７】
請求項２の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、前記アクチュエータ基板を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、前記第２工程および前記第３工程における中間層および表面層の形成を化学蒸着法により行う構成である。これにより、圧電材料の分極特性を低下させない範囲で良好な膜質を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 保護膜の形成状態を示す説明図である。
【図２】 インクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図３】 インクジェットヘッドの縦断面図である。
【図４】 インクジェットヘッドの縦断面図である。
【図５】 ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図６】 インク室の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２ アクチュエータ基板
４ プレート部材
６ ノズルプレート
７ マニホールド部材
９ 共通インク室
１０ インク室
１１ ダミーインク室
１４ インク溝
１５ ダミーインク溝
１６ 保護膜
１７ 下地層
１８ 表面層
１９ 中間層
２０ 側壁
２２ 電極
３０ ノズル
３１ インク供給口
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク流路のアクチュエータ基板に形成された電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ファクシミリ装置等の通信装置やパーソナルコンピュータ等の情報処理装置は、通常、文字や図形からなるデータを視覚情報として記録するように、これらのデータを用紙に記録可能な記録装置を有している。この記録装置には、インパクト方式や感熱方式、インクジェット方式等の各種の印字方式が採用されているが、近年においては、静粛性に優れていると共に各種材質の用紙に印字可能なインクジェット方式を採用したインクジェット記録装置が注目されている。
【０００３】
上記のインクジェット記録装置は、用紙に文字や図形を印字するように、用紙に対してインク滴を噴出する多数のノズルを有したインクジェットヘッドを有している。インクジェットヘッドは、通常、ノズルに連通されたインク流路の側壁を分極処理した圧電材料で構成すると共に側壁面に電極を形成することにより構成されており、電極を介して駆動電界を側壁に印加することにより側壁を屈曲させてインク流路の容積を変化させることによって、インク圧力を増減させてインク流路に対するインクの排出（噴出）と供給とを行うようになっている。この際、インク流路の側壁面に形成された電極がインクに接触すると、電極がインクにより腐食して早期に損耗するため、従来は、電極とインクとが接触しないように、電極の表面に保護膜が形成されている。具体的には、電極に有機物からなる下地層を形成することにより電極表面の面粗さを平滑化した後、この下地層に耐インク性の大きな無機物からなる表面層を形成することによって、電極に保護膜が強固に結び付くように形成されている。
【０００４】
このように２層の保護膜を形成するのは以下の理由による。電極に無機物の保護膜を直接形成すると、下地の圧電材料に特有の凹凸や、その上に形成された電極にも凹凸があって、その凹凸のシャドー効果により、空孔部分には成膜できず、電極を完全に保護できないという問題があった。そして電極が露出していると、駆動時に付加される電圧により電流が流れ電極が腐食し、インクの噴出ができなくなったり、インク中の水分によっても腐食が促進されるといった問題がある。また、保護膜を有機物だけで形成した場合、上記のような凹凸部の皮膜が可能となるが、有機物の膜は空気中の水分を吸収し、マイクロウオーターとして膜中に水分を保持してしまうため、この水分が電極に達し、電極の腐食を誘引するいった問題があった。さらには絶縁耐圧も無機物に比べて２桁低く、長期にわたり使用していると、経時変化や外界からの刺激により電気的絶縁破壊を起こし易く、インク噴出ができなくなるという問題があるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように、有機物からなる下地層に無機物からなる表面層を形成した構成では、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と無機物の表面層とで大きく異なるため、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において急激な温度変化等があると、下地層と表面層とに大きなストレスが生じることによって、例えば表面層にクラックが発生する等の保護膜に損傷が生じ易いものとなる。
【０００６】
従って、本発明は、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において急激な温度変化等があっても、保護膜に損傷が生じ難いインクジェットヘッドを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
【０００９】
請求項１の発明は、分極された圧電材料からなりインク流路が形成されたアクチュエータ基板に形成された電極をインクから保護するように、該電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドの製造方法であって、分極された圧電材料からなる前記アクチュエータ基板の電極に有機物からなる下地層を形成する第１工程と、前記アクチュエータ基板の分極特性を低下させない所定の温度範囲で、ＴＥＯＳガスからなる原料ガスと、不活性ガス及び水素のうちの１種類又は複数種類の組み合わせからなるガスとを反応させることによって、前記原料ガスから生成される二酸化珪素と同じ原料ガスから生成される有機物とを含む中間層を前記下地層に形成する第２工程と、前記ガスを酸素ガスに切り換えて、前記所定の温度範囲で、前記原料ガスと酸素ガスとを反応させることによって、二酸化珪素からなる表面層を前記中間層に形成する第３工程とを有したことを特徴としている。
【００１０】
これにより、中間層が表面層よりも小さな含有率で無機物である二酸化珪素を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と二酸化珪素の表面層との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時において、下地層と表面層とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層が吸収することによって、ストレスによる保護膜の損傷を低減させることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、前記アクチュエータ基板を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、前記第２工程および前記第３工程における中間層および表面層の形成を化学蒸着法により行うことを特徴としている。これにより、圧電材料の分極特定を低下させない範囲で良好な膜質を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図６に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係るインクジェットヘッドは、図２に示すように、アクチュエータ基板２とプレート部材４とノズルプレート６とマニホールド部材７とを有している。アクチュエータ基板２は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる圧電材料で形成されており、一方面にダイヤモンドブレード等により切削加工された複数のインク溝１４およびダミーインク溝１５が形成されている。
【００１３】
上記のインク溝１４は、アクチュエータ基板２の前方端から後方端にかけて所定深度で形成されている。一方、ダミーインク溝１５は、アクチュエータ基板２の前方端から後方端側の近傍まで所定深度で形成された後、後方端においてアクチュエータ基板２の上面と面一となるように立ち上げられて形成されている。そして、これらのインク溝１４およびダミーインク溝１５は、アクチュエータ基板２の裏面方向２７に分極処理された側壁２０を介して交互に形成されており、側壁２０の壁面上部には、裏面方向２７に対して直交方向に電界を印加するように電極２２が蒸着やメッキにより形成されている。
【００１４】
上記のアクチュエータ基板２の一方面には、セラミックス材料や樹脂材料からなる平板状のプレート部材４がエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。プレート部材４は、図４に示すように、接着層２４を介して側壁２０の上面に液密状態に密接されており、インク溝１４の上面を覆うことによりインク流路となるインク室１０を形成させていると共に、図３に示すように、ダミーインク溝１５を覆うことによりダミーインク室１１を形成させている。そして、このようにインク室１０およびダミーインク室１１を形成するアクチュエータ基板２およびプレート部材４の前方端には、ノズルプレート６が上述のエポキシ系の接着剤を用いて接合されている。
【００１５】
上記のノズルプレート６は、インク室１０に対応した位置にノズル３０が形成されており、ノズル３０は、インク室１０の容積が減少されてインク室１０内のインクが加圧されたときに、インクを外部へ噴出させるようになっている。尚、ノズルプレート６は、ポリアルキレンや（例えばエチレン）テレフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネイト、酢酸セルロース等のプラスチックにより形成されている。
【００１６】
一方、アクチュエータ基板２およびプレート部材４の後方端側には、マニホールド部材７が接合されている。マニホールド部材７の中心部には、インク供給口３１が形成されており、図示しないインクタンクからインクが供給されるようになっている。そして、マニホールド部材７は、全インク室１０に連通した共通インク室９を形成しており、インク室１０が容積を拡大したときに、このインク室１０にインクを供給するようになっている。
【００１７】
上記のようにしてインクが供給されるインク室１０の壁面には、図１に示すように、保護膜１６が形成されている。保護膜１６は、電極２２を覆うように形成された有機物からなる下地層１７と、インクに接触するように設けられた無機物からなる表面層１８とを有している。下地層１７と表面層１８との間には、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と無機物の表面層との中間の値を示すように、無機物を表面層１８よりも小さな含有率で含む中間層１９が設けられている。そして、この中間層１９は、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において、下地層１７と表面層１８とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを吸収することによって、ストレスによる損傷を低減させるようになっている。
【００１８】
上記の下地層１７は、エポキシ系樹脂やシリコン樹脂、フッ素樹脂、芳香族ポリアミド、付加重合型ポリイミド、フタル酸樹脂等をスピンコート処理することにより形成されていたり、ポリキシリレン樹脂等を化学気相処理することにより形成されている。また、表面層１８は、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）や酸化シリコン、酸化バナジウム、酸化ニオブ等の酸化物や、酸化物および窒化物の混合物を化学蒸着法（ＣＶＤ）やゾルゲル法、真空蒸着、スパッタリングにより成膜することで形成されている。また、中間層１９は、表面層１８を形成する酸化物や混合物からなる無機物を表面層１８以下の濃度で含むように、例えばシリコンを含む原料ガスと前記下地層に対してエッチングの少ないガスとを例えば化学蒸着法（ＣＶＤ）において反応させることにより形成されている。
【００１９】
上記の構成において、インクジェットヘッドの製造方法および動作について説明する。尚、下地層１７の有機物にエポキシ系樹脂を使用し、表面層１８および中間層１９の無機物に二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を使用するものとする。
【００２０】
本実施形態においては、アクチュエータ基板２としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いているため、機械加工により形成された溝表面、即ち、側壁２０の表面は、加工時にＰＺＴ粒子の粒界破壊および粒内破壊が生じるため、表面粗さＲａにして３ほどの凹凸が存在する他、ブレードの歯跡も存在するなど、平滑性があまり良くない。従って、このようなアクチュエータ基板２の側壁２０の壁面に形成された電極２２は、形成方法にもよるが、下地のアクチュエータ基板２の凹凸をほぼ模倣する形で形成される。
【００２１】
これにより、先ず、エポキシ系樹脂をスピンコート、キュアにより側壁２０全体を覆うようにして有機膜の下地層１７を形成する。このとき、エポキシ系樹脂の塗布溶液の粘度、硬化剤の種類、回転スピード、キュア温度等を選択することにより前述のアクチュエータ基板２に起因する凹凸が埋め込まれることによって、なだらかなうねりは存在するものの、平滑な下地層１７が有機物の連続膜により形成される（第１工程）。
【００２２】
次に、下地層１７上に無機物を含んだ中間層１９をＣＶＤ法により真空成膜する。即ち、図５に示すように、ＣＶＤ装置のチャンバー７１内にアクチュエータ基板２を搬入し、ヒータ７０を接合されたワークトレイ７４に載置する。そして、ヒータ７０およびワークトレイ７４を昇降することによって、アクチュエータ基板２をシャワー電極７２から所定距離となるように位置決めする。この後、ヒータ７０に通電することによりワークトレイ７４を介してアクチュエータ基板２を加熱すると共に、チャンバー７１内を真空引きする。アクチュエータ基板２が１３０℃〜２２０℃の温度範囲およびチャンバー７１内が所定の真空度に到達したときに、ＴＥＯＳ（正珪酸エチル“Ｓｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 ”）原料ガスとＡｒガスとをチャンバー７１内に供給する。そして、両ガスを反応させることによって、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）からなる無機物と有機物とを含む中間層１９を下地層１７に形成させる（第２工程）。尚、中間層１９を成膜する工程において、Ａｒガスに代えて、Ｈｅ、Ｎｅ等の不活性ガスおよびＨ2 など下地層１７に対しエッチング（腐食）の少ないガスを１種類または複数組み合わせて用いることができる。
【００２３】
この後、中間層１９の形成が完了すると、Ａｒガスの供給を停止する一方、Ｏ2 ガスの供給を開始し、ＴＥＯＳ原料ガスとＯ2 ガスとを反応させる。そして、略１００％の二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）からなる無機物を中間層１９上に成膜させることによって、表面層１８を形成する（第３工程）。
【００２４】
上記のようにして保護膜１６の形成が完了すると、アクチュエータ基板２をＣＶＤ装置のチャンバー７１内から取り出し、図２に示すように、アクチュエータ基板２の一方面全体にエポキシ系樹脂からなる接着剤を塗布する。そして、アクチュエータ基板２上にプレート部材４を重ね合わせて接合した後、アクチュエータ基板２およびプレート部材４の両端に接着剤を塗布してノズルプレート６およびマニホールド部材７をそれぞれ押し付けて接合する。この後、電極２２に接続された図示しない電極パターンにフレキシブル基板を接続し、図示しない制御部材からの駆動信号を各電極２２に印加可能にしたインクジェットヘッドに組み立てる。
【００２５】
上記のインクジェットヘッドは、インクジェット記録装置に組み付けられる。そして、図６に示すように、与えられた印字データに従って、例えば特定の印字チャンネルに対応するインク室１０Ｂが選択されると、制御部材からインク室１０Ｂの電極２２Ｂ・２２Ｃに対して駆動電圧が出力されると共に、このインク室１０Ｂの両側に位置するダミーインク室１１Ａ・１１Ｃの電極２２Ａ・２２Ｄが接地されてＧＮＤ電位とされる。そして、インク室１０Ｂの側壁２０Ａ・２０Ｂにおいて、ダミーインク室１１Ａ・１１Ｃ側からインク室１０Ｂ方向に向かう駆動電界がそれぞれ発生することによって、分極された側壁２０Ａ・２０Ｂが圧電厚みすべり効果により互いに接近するように屈曲する。従って、インク室１０Ｂが両側壁２０Ａ・２０Ｂの屈曲により容積を減少させることから、インク室１０Ｂ内のインクが加圧されることによりノズル３０からインク滴として噴出することになる。
【００２６】
この後、駆動電圧が停止されると、側壁２０Ａ・２０Ｂが屈曲前の状態に復帰することによって、インク室１０Ｂ内のインク圧力が低下する。これにより、共通インク室９のインクがインク室１０Ｂ内に供給され、インク滴の噴出量に相等するインクが補充されることによって、次回のインク滴の噴出に備えられる。
【００２７】
以上のように、本実施形態のインクジェットヘッドは、図１に示すように、インク室１０（インク流路）のアクチュエータ基板２に形成された電極２２をインクから保護するように、該電極２２に保護膜１６を形成したものであり、保護膜１６は、電極２２に形成され、有機物からなる下地層１７と、インクに接触するように設けられ、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）等の無機物からなる表面層１８と、下地層１７と表面層１８との間に設けられ、無機物を下地層１７よりも小さな含有率で含む中間層１９とを有する構成にされている。
【００２８】
これにより、中間層１９が表面層１８よりも小さな含有率で無機物を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層１７と無機物の表面層１８との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時やインク滴の噴出時において、下地層１７と表面層１８とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層１９が吸収することによって、ストレスによる保護膜１６の損傷を低減させることができるようになっている。
【００２９】
また、上記のインクジェットヘッドの製造方法であって、アクチュエータ基板２の電極２２に有機物からなる下地層１７を形成する第１工程と、シリコンを含むＴＥＯＳ等の原料ガスとＡｒガス等の下地層１７に対してエッチングの少ないガスとを反応させることによって、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を含む中間層１９を下地層１７に形成する第２工程と、原料ガスと酸素とを反応させることによって、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）からなる表面層１８を中間層１９に形成する第３工程とを有した構成にされている。尚、原料ガスとしては、ＴＥＯＳの他、モノシラン（ＳｉＨ4 ）を用いることができる。
【００３０】
これにより、中間層１９が表面層１８よりも小さな含有率で無機物である二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層１７と二酸化珪素の表面層１８との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時において、下地層１７と表面層１８とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層１９が吸収することによって、ストレスによる損傷を低減させることができるようになっている。
【００３１】
また、アクチュエータ基板２が分極されたチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）等の圧電材料からなり、アクチュエータ基板２を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、第２工程および第３工程における中間層１９および表面層１８の形成を化学蒸着法により行う構成にされている。上記２２０℃を越えると圧電材料の分極特性の劣化が徐々に進行し、インクジェットヘッドの性能に影響を与えるようになる。上記本実施形態では、圧電材料の分極特性を低下させない範囲で良好な膜質を得ることができるようになっている。尚、圧電材料には、チタン酸鉛系（ＰＴ）のセラミックス材料を用いることもできる。
【００３２】
上記の実施形態では、側壁２０の上半分に電極２２を形成しているが、側壁の全高さにわたって電極を形成しても良い。この場合、側壁を上下に積層した複数の圧電材料で形成し、各層の分極方向を相互に反対方向にする。また、各層間に電極を挟持し、側壁の側面に露出する電極の端面を保護膜１６で覆うこともできる。その他、インク流路のインクを加熱してその上記圧力でインクを噴出するもの等、各種のインクジェットヘッドにおいて、インク流路に露出する電極を覆う保護膜に、本発明は適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
【００３４】
【００３５】
請求項１の発明は、分極された圧電材料からなりインク流路が形成されたアクチュエータ基板に形成された電極をインクから保護するように、該電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドの製造方法であって、分極された圧電材料からなる前記アクチュエータ基板の電極に有機物からなる下地層を形成する第１工程と、前記アクチュエータ基板の分極特性を低下させない所定の温度範囲で、ＴＥＯＳガスからなる原料ガスと、不活性ガス及び水素のうちの１種類又は複数種類の組み合わせからなるガスとを反応させることによって、前記原料ガスから生成される二酸化珪素と同じ原料ガスから生成される有機物とを含む中間層を前記下地層に形成する第２工程と、前記ガスを酸素ガスに切り換えて、前記所定の温度範囲で、前記原料ガスと酸素ガスとを反応させることによって、二酸化珪素からなる表面層を前記中間層に形成する第３工程とを有した構成である。
【００３６】
これにより、中間層が表面層よりも小さな含有率で無機物である二酸化珪素を含むため、線膨張係数等の物性値が有機物の下地層と二酸化珪素の表面層との中間の値を示すことになる。従って、インクジェットヘッドの製造時において、下地層と表面層とに物性上の相違から大きなストレスが生じても、このストレスを中間層が吸収することによって、ストレスによる保護膜の損傷を低減させることができるという効果を奏する。
【００３７】
請求項２の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、前記アクチュエータ基板を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、前記第２工程および前記第３工程における中間層および表面層の形成を化学蒸着法により行う構成である。これにより、圧電材料の分極特性を低下させない範囲で良好な膜質を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 保護膜の形成状態を示す説明図である。
【図２】 インクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図３】 インクジェットヘッドの縦断面図である。
【図４】 インクジェットヘッドの縦断面図である。
【図５】 ＣＶＤ装置の概略構成図である。
【図６】 インク室の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２ アクチュエータ基板
４ プレート部材
６ ノズルプレート
７ マニホールド部材
９ 共通インク室
１０ インク室
１１ ダミーインク室
１４ インク溝
１５ ダミーインク溝
１６ 保護膜
１７ 下地層
１８ 表面層
１９ 中間層
２０ 側壁
２２ 電極
３０ ノズル
３１ インク供給口
Claims (2)
- 分極された圧電材料からなりインク流路が形成されたアクチュエータ基板に形成された電極をインクから保護するように、該電極に保護膜を形成したインクジェットヘッドの製造方法であって、
分極された圧電材料からなる前記アクチュエータ基板の電極に有機物からなる下地層を形成する第１工程と、
前記アクチュエータ基板の分極特性を低下させない所定の温度範囲で、ＴＥＯＳガスからなる原料ガスと、不活性ガス及び水素のうちの１種類又は複数種類の組み合わせからなるガスとを反応させることによって、前記原料ガスから生成される二酸化珪素と同じ原料ガスから生成される有機物とを含む中間層を前記下地層に形成する第２工程と、
前記ガスを酸素ガスに切り換えて、前記所定の温度範囲で、前記原料ガスと酸素ガスとを反応させることによって、二酸化珪素からなる表面層を前記中間層に形成する第３工程と
を有したことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 前記アクチュエータ基板を１３０℃〜２２０℃に加熱しながら、前記第２工程および前記第３工程における中間層および表面層の形成を化学蒸着法により行うことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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-
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