(57)【要約】【課題】    本発明の目的は、圧電体膜に電圧を繰り返し印加することによる変位量の低下を抑制できるインクジェット式記録ヘッドを提供することにある。【解決手段】  本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、圧力室基板と、前記圧力室基板の下方に形成されたノズルを有するノズル板と、前記圧力室基板の上方に形成された振動板と、前記振動板の上方に形成された圧電素子と、前記振動板の上方に形成された封止板と、前記封止板の上方に形成された第１のポリマー膜、および前記ノズルを塞がないように前記ノズル板の下方に形成された第２のポリマー膜の少なくとも一方と、を含み、前記第１のポリマー膜の熱膨張係数は、前記封止板を構成する材質の熱膨張係数よりも大きく、前記第２のポリマー膜の熱膨張係数は、前記ノズル板を構成する材質の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力室基板と、
前記圧力室基板の下方に形成されたノズルを有するノズル板と、
前記圧力室基板の上方に形成された振動板と、
前記振動板の上方に形成された圧電素子と、
前記振動板の上方に形成された封止板と、
前記封止板の上方に形成された第１のポリマー膜、および前記ノズルを塞がないように前記ノズル板の下方に形成された第２のポリマー膜の少なくとも一方と、
を含み、
前記第１のポリマー膜の熱膨張係数は、前記封止板を構成する材質の熱膨張係数よりも大きく、
前記第２のポリマー膜の熱膨張係数は、前記ノズル板を構成する材質の熱膨張係数よりも大きい、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１のポリマー膜は、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびアクリル樹脂から選択される１種である、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２のポリマー膜は、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびアクリル樹脂から選択される１種である、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
圧力室基板の上方に、振動板、下部電極膜、圧電体膜、および上部電極膜を順次積層する工程と、
前記上部電極膜および前記圧電体膜をパターニングすることにより、複数の圧電素子を形成する工程と、
前記圧力室基板をエッチングすることにより、前記圧電素子に対応する位置に圧力室を形成する工程と、
ノズルを有するノズル板を前記圧力室基板の下方に形成する工程と、
前記振動板の上方に封止板を形成する工程と、
前記封止板の上方に、第１のポリマー膜を成膜する工程、および前記ノズルを塞がないように前記ノズル板の下方に第２のポリマー膜を成膜する工程の少なくとも一方と、
を含む、インクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１のポリマー膜は、常温よりも低い温度で成膜される、インクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記第２のポリマー膜は、常温よりも高い温度で成膜される、インクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット式記録ヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のインクジェット式記録ヘッドは、インクを吐出するためのノズルを有するノズル板が設けられた圧力室基板と、圧力室基板のノズル板が設けられた面とは異なる面に設けられた振動板と、振動板の上に形成された下部電極膜、圧電体膜、および上部電極膜から構成される圧電素子とを備えている。このような構成において、圧力室にインクを充填し、上部電極膜と下部電極膜との間に電圧を印加すると、圧電体膜が変形する。そうすると、圧力室では振動板が大きく撓み、圧力室内の圧力が瞬間的に高まる。この圧力変化によりノズルからインクが吐出される仕組みとなっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、圧電体膜に電圧を繰り返し印加すると、電界方向に圧電体膜が伸張し、ポーリング処理によって揃えられた分極軸方向が徐々に変化することが確認されている。分極軸方向が変化すると、電圧を印加した際の圧電体膜の変位量が低下してしまう。例えば、従来から汎用されているジルコン酸チタン酸鉛からなる圧電素子は、１０１０回繰り返し使用すると、変位量が１０％程度低下してしまう場合がある。このような圧電体膜の変位量の低下は、インクジェット式記録ヘッドとしての信頼性低下の一要因となっている。
【特許文献１】特開２００３−１５２２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、圧電体膜に電圧を繰り返し印加することによる変位量の低下を抑制できるインクジェット式記録ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、圧力室基板と、前記圧力室基板の下方に形成されたノズルを有するノズル板と、前記圧力室基板の上方に形成された振動板と、前記振動板の上方に形成された圧電素子と、前記振動板の上方に形成された封止板と、前記封止板の上方に形成された第１のポリマー膜、および前記ノズルを塞がないように前記ノズル板の下方に形成された第２のポリマー膜の少なくとも一方と、を含み、前記第１のポリマー膜の熱膨張係数は、前記封止板を構成する材質の熱膨張係数よりも大きく、前記第２のポリマー膜の熱膨張係数は、前記ノズル板を構成する材質の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする。
【０００６】
このインクジェット式記録ヘッドは、封止板の上方に形成された第１のポリマー膜、およびノズルを塞がないようにノズル板の下方に形成された第２のポリマー膜の少なくとも一方を含む。第１のポリマー膜が常温で熱膨張すると、振動板の上に形成された圧電素子にあらかじめ引張り応力を加えることができる。一方、第２のポリマー膜が常温で収縮しても、振動板の上に形成された圧電素子にあらかじめ引張り応力を加えることができる。したがって、第１のポリマー膜および第２のポリマー膜の少なくとも一方が形成されることにより、電圧印加による圧電体膜の伸張を抑制することができる。これにより、分極軸方向の変化を防ぐことができるため、繰り返し電圧を印加した際の圧電体膜の変位量低下を抑制することができる。
【０００７】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記第１のポリマー膜は、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびアクリル樹脂から選択される１種であることができる。
【０００８】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記第２のポリマー膜は、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびアクリル樹脂から選択される１種であることができる。
【０００９】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、圧力室基板の上方に、振動板、下部電極膜、圧電体膜、および上部電極膜を順次積層する工程と、前記上部電極膜および前記圧電体膜をパターニングすることにより、複数の圧電素子を形成する工程と、前記圧力室基板をエッチングすることにより、前記圧電素子に対応する位置に圧力室を形成する工程と、ノズルを有するノズル板を前記圧力室基板の下方に接合する工程と、前記振動板の上に封止板を接合する工程と、前記封止板の上方に、第１のポリマー膜を成膜する工程、および前記ノズルを塞がないように前記ノズル板の下方に第２のポリマー膜を成膜する工程の少なくとも一方と、を含む。
【００１０】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記第１のポリマー膜を、常温よりも低い温度で成膜することができる。
【００１１】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記第２のポリマー膜を、常温よりも高い温度で成膜することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
１．インクジェット式記録ヘッドの構造
図１は、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの構造を模式的に示す斜視図であり、部分的に断面が示されている。図２に、図１に示すインクジェット式記録ヘッドのＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００は、ノズル板１０、圧力室基板２０、振動板３０、圧電素子４０、封止板５０、第１のポリマー膜６０および第２のポリマー膜７０を有する。
【００１５】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に並列に複数設けられた各圧力室２２に対応する位置にノズル１２が配置されるように、圧力室基板２０に貼り合わせて構成されている。
【００１６】
圧力室基板２０は、圧力室２２、圧力室を形成する側壁２４、リザーバ２６、供給口２８を備えている。圧力室基板２０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の材質からなることができる。圧力室２２は、圧力室基板２０をエッチングすることによって複数形成されている。個々の圧力室２２はインクを充填することができるように形成されている。側壁２４は、圧力室２２を形成する際にエッチングされずに残った部分であり、圧力室間を仕切るように形成されている。リザーバ２６は、各圧力室２２にインクを供給可能な共通の流路として形成されている。供給口２８は、各圧力室２２にインクを導入できるように形成されている。
【００１７】
振動板３０は、圧力室基板２０のノズル板１０が設けられた面と反対の面に設けられている。振動板３０には、図示しないインクタンクが設けられており、インクタンクに貯蔵されているインクを図示しないインクタンク口から注入し、リザーバ２６に供給できるようになっている。図２に示すように、振動板３０は、圧電体膜４４の変形により撓み、圧力室２２の内部の圧力を瞬間的に高めることができる。振動板３０は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の材質からなることができる。振動板３０は、それらの単層構造とすることもできるし、二層以上の積層構造とすることもできる。
【００１８】
図２に示すように、圧電素子４０は、振動板３０の上に、下部電極膜４２、圧電体膜４４および上部電極膜４６の順に積層されて構成されている。
【００１９】
下部電極膜４２は、上部電極膜４６と対となり、圧電体膜４４に電圧を印加するための共通電極として機能する。下部電極膜４２は、導電性を有する白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）等の材料からなり、例えば、白金層の単層構造とすることもできるし、白金層とイリジウム層との二層構造とすることもできる。複数の層を積層して下部電極膜４２を構成すると、振動板３０との密着性を高めることができ、また下部電極膜４２の上に積層される圧電体膜４４との結晶配向性を制御することもできる。
【００２０】
圧電体膜４４は、下部電極膜３２の上に形成されている。圧電体膜４４の材料としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する圧電性セラミックスが好ましく、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛またはチタン酸バリウムを用いることができる。また、ジルコン酸チタン酸鉛にマグネシウム（Ｍｇ）やニオブ（Ｎｂ）等の金属をドープした圧電性セラミックスを用いることもできる。
【００２１】
上部電極膜４６は、圧電体膜４４の上に形成されており、圧電体膜４４に電圧を印加するためのもう一方の電極となる。上部電極膜４６は、白金（Ｐｔ）等で構成されている。
【００２２】
封止板５０は、振動板３０の上に形成されており、圧電素子４０と接触しないように空間が設けられている。封止板５０は、圧力室基板２０、振動板３０および圧電素子４０を支持するための基板である。圧力室基板２０、振動板３０、圧電素子４０を含めた層の厚さは約７０μｍと非常に薄いため、封止板５０を設けることにより、これらを補強することができる。封止板５０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の材質をエッチングすることによって形成される。
【００２３】
第１のポリマー膜６０は、封止板５０の上に形成されている。第１のポリマー膜６０は、常温（製品として使用する温度をいう。）よりも低い温度で形成され、常温で熱膨張する材質を用いることができる。すなわち、図２に示すように、第１のポリマー膜６０が常温で熱膨張すると、振動板３０を凸状に反らせることができるため、振動板３０の上に形成された圧電素子４０にあらかじめ引張り応力を加えることができる。そうすると、圧電体膜４４に電圧を印加した後の残留歪の増加を抑制することができるため、繰り返しの使用による圧電体膜４４の変位量の低下を抑制することができる。振動板３０を凸状に反らせるためには、第１のポリマー膜６０の熱膨張係数は、少なくとも振動板３０および封止版５０を構成する材質の熱膨張係数よりも大きい必要がある。第１のポリマー膜６０の材質としては、熱膨張係数が大きく、かつ耐熱性、耐水性、耐薬品性に優れた材質であることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アクリル樹脂等の熱硬化型樹脂を挙げることができる。第１のポリマー膜は、例えば、インクジェットや輪転機等を用いた印刷法、スピンコート法、表面重合法、ＣＶＤ法等を用いて、封止板５０の上に直接成膜することができる。また、フィルム状の第１のポリマー膜６０を用意し、接着剤を用いて、封止板５０の上に接着させることもできる。接着剤としては、例えば、耐熱性、耐水性、耐薬品性に優れたアクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等を挙げることができる。
【００２４】
第２のポリマー膜７０は、インクを吐出するノズル１２を塞がないように、ノズル板１０の下に形成されている。第２のポリマー膜７０は、常温よりも高い温度で形成され、常温で収縮する材質を用いることができる。すなわち、図２に示すように、第２のポリマー膜が常温で収縮すると、振動板３０を凸状に反らせることができるため、振動板３０の上に形成された圧電素子４０にあらかじめ引張り応力を加えることができる。そうすると、圧電体膜４４に電圧を印加した後の残留歪の増加を抑制することができるため、繰り返しの使用による圧電体膜の変位量の低下を抑制することができる。振動板３０を凸状に反らせるためには、第２のポリマー膜６０の熱膨張係数は、少なくともノズル板１０、圧力室基板２０および振動板３０を構成する材質の熱膨張係数よりも大きい必要がある。第２のポリマー膜７０の材質としては、熱膨張係数が大きく、かつ耐熱性、耐水性、耐薬品性に優れた材質であることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アクリル樹脂等の熱硬化型樹脂を挙げることができる。第２のポリマー膜７０も第１のポリマー膜６０と同様に、例えば、インクジェットや輪転機等を用いた印刷法、スピンコート法、表面重合法、ＣＶＤ法等を用いて、ノズル板１０の下に直接成膜することができる。また、フィルム状の第２のポリマー膜７０を用意し、接着剤を用いて、ノズル板１０の下に接着させることもできる。接着剤としては、例えば、耐熱性、耐水性、耐薬品性に優れたアクリル樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等を挙げることができる。
【００２５】
本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの特徴は以下のとおりである。
【００２６】
本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、封止板５０の上に形成された第１のポリマー膜６０、およびノズル１２を塞がないようにノズル板１０の下に形成された第２のポリマー膜７０の少なくとも一方を含む。第１のポリマー膜６０が常温で熱膨張すると、振動板３０を凸状に反らせることができるため、振動板３０の上に形成された圧電素子４０にあらかじめ引張り応力を加えることができる。一方、第２のポリマー膜７０が常温で収縮しても、振動板３０を凸状に反らせることができるため、振動板３０の上に形成された圧電素子４０にあらかじめ引張り応力を加えることができる。したがって、第１のポリマー膜６０および第２のポリマー膜７０の少なくとも一方が形成されることにより、電圧印加による圧電体膜４４の伸張を抑制することができる。これにより、分極軸方向の変化を防ぐことができるため、繰り返し電圧を印加した際の圧電体膜４４の変位量低下を抑制することができる。
【００２７】
また、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電素子４０に与える引張り応力は、該応力の中立面に基づいて、第１のポリマー膜６０および第２のポリマー膜７０のいずれか一方の膜を形成するか、または両方の膜を形成するか、を選択することによって適宜調整することができる。また、圧電素子４０に加える引張り応力は、該ポリマー膜の材質および厚さを調節することにより、適宜調整することができる。
【００２８】
２．インクジェット式記録ヘッドの製造方法
図３〜図１２は、本実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。以下、図３〜図１２を参照しながら、インクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。
【００２９】
（１）まず、圧力室基板２０を用意する。圧力室基板２０として、例えば、厚さ２００μｍのシリコン単結晶基板を用いる。
【００３０】
次に、図３に示すように、圧力室基板２０の上に振動板３０を形成する。振動板３０の成膜法として、熱酸化によって二酸化ケイ素の酸化膜を形成する方法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の公知の方法を用いることができる。また、振動板３０は、例えば、二酸化ケイ素を厚さ約１０００ｎｍ、酸化ジルコニウムを約４００ｎｍに成膜して形成することができる。
【００３１】
（２）図４に示すように、振動板３０の上に下部電極膜４２を成膜する。下部電極膜４２の成膜法として、例えば、レーザアブレーション法を用いることができる。また、ＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、ゾル・ゲル法等の公知の薄膜作製法を用いることもできる。また、上述のように、下部電極膜４２の材料として、例えば、導電性を有する白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）等を用いることができる。下部電極膜４２は、例えば、白金層とイリジウム層との二層構造とし、その二層構造の厚みを約２００ｎｍとすることができる。
【００３２】
（３）図５に示すように、下部電極膜４２の上に、圧電体膜４４を成膜する。圧電体膜４４として、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛をゾル・ゲル法で成膜することができる。すなわち、金属アルコキシド等の金属有機酸化物を溶液系で加水分解、重縮合させて非晶質膜である圧電体前駆体膜を成膜し、さらに焼成によって結晶化させる。また、これに限らず、スパッタ法やＣＶＤ法を用いて圧電体膜４４を成膜することもできる。
【００３３】
（４）図６に示すように、圧電体膜４４の上に、上部電極膜４６を成膜する。上部電極膜４４として、白金（Ｐｔ）等を直流スパッタ法で成膜することができる。
【００３４】
（５）図７に示すように、圧電体膜４４および上部電極膜４６を所定の形状に加工して、圧電素子４０を形成する。具体的には、上部電極膜４６の上にレジストをスピンコートした後、圧力室２２が形成されるべき位置に合わせて露光および現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして上部電極膜４６、圧電体膜４４をイオンミリング、またはドライエッチング法等を用いて不要な部分を除去する。以上の工程により、圧電素子４０が形成される。
【００３５】
（６）図８に示すように、圧力室基板２０に圧力室２２を形成する。圧力室２２の形成方法として、例えば、異方性エッチングを用いることができる。エッチングされずに残った部分は側壁２４となる。
【００３６】
（７）図９に示すように、樹脂等の接着剤を用いてノズル板１０を圧力室基板２０に接合する。ノズル板１０を圧力室基板２０に接合する際には、ノズル１２が圧力室２２の個々の空間に対応して配置されるように位置合わせをする。
【００３７】
（８）図１０に示すように、樹脂等の接着剤を用いて封止板５０を振動板３０の上に接合する。
【００３８】
（９）図１１に示すように、第１のポリマー膜６０を封止板５０の上に成膜する。第１のポリマー膜６０は、使用温度（通常は常温である。）よりも低い温度で成膜することができる。第１のポリマー膜の成膜法として、上述したように、インクジェットや輪転機等を用いた印刷法、スピンコート法、表面重合法、ＣＶＤ法等を用いることができる。また、フィルム状の第１のポリマー膜６０を用意し、接着剤を用いて、封止板５０の上に接着させることもできる。
【００３９】
（１０）図１２に示すように、インクを吐出するノズル１２を塞がないように、第２のポリマー膜７０をノズル板１０の下に成膜する。例えば、ノズル板１０の中央部分にノズル１２が設けられている場合、ノズル板１０の外周に沿って第２のポリマー膜７０を成膜するようにする。第２のポリマー膜７０は、使用温度（通常は常温である。）よりも高い温度で形成することができる。第２のポリマー膜の成膜法として、上述したように、インクジェットや輪転機等を用いた印刷法、スピンコート法、表面重合法、ＣＶＤ法等を用いることができる。また、フィルム状の第２のポリマー膜７０を用意し、接着剤を用いて、ノズル板１０の下に接着させることもできる。
【００４０】
以上の工程により、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドが得られる。
【００４１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの構造を模式的に示す斜視図。
【図２】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの構造を模式的に示す断面図。
【図３】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図４】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図６】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図７】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図８】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図９】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１０】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１１】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１２】本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１０…ノズル板、１２…ノズル、２０…圧力室基板、２２…圧力室、２４…側壁、２６…リザーバ、２８…供給口、３０…下部電極膜、４０…圧電素子、４２…下部電極膜、４４…圧電体膜、４６…上部電極膜、５０…封止板、６０…第１のポリマー膜、７０…第２のポリマー膜、１００…インクジェット式記録ヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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