(57)【要約】      （修正有）【課題】  圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッド、ならびにインクジェットヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】  ノズル開口１６に連通する凹形の圧力発生室２が配列された流路基板１と、流路基板１上に設けられた絶縁性の振動板４と、振動板４上に薄膜状の下電極５、圧電層６ならびに上電極７を有し、各圧力発生室２上の振動板４上には該下電極５、圧電層６ならびに上電極７が積層された圧電アクチュエータ部８を設けたインクジェットヘッドであって、上電極７が酸素透過性を有する導電性薄膜よりなる。酸化雰囲気中での電界印加で低抵抗部１１を酸化して高抵抗化。【選択図】  図１
2008087418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口に連通する凹形の圧力発生室が配列された流路基板と、流路基板上に設けられた絶縁性の振動板と、振動板上に薄膜状の下電極、圧電層ならびに上電極を有し、各圧力発生室上の振動板上には該下電極、圧電層ならびに上電極が積層された圧電アクチュエータ部を設けたインクジェットヘッドであって、上電極が酸素透過性を有する導電性薄膜よりなることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
請求項１において、圧電アクチュエータ部より引き出された上電極に対して電気的に接続され圧力発生室に対向する領域外まで延長された引き出し電極を設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
請求項１において、上電極を圧力発生室に対応する領域外まで引き伸ばし、引き出し電極を圧力発生室に対応する領域外で接続して引き出す構成としたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】
請求項１において、下電極と引き出し電極とは圧電層を挟んで対向しない構造としたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】
請求項１において、振動板上に、駆動信号を供給する配線基板が接続される配線接続部が設けられ、下電極ならびに上電極が該配線接続部まで延長されることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項６】
請求項１において、上電極が酸素透過性金属の薄膜であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項７】
請求項６において、上電極がAgよりなることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項８】
請求項１において、上電極が上電極表面から圧電層表面まで連通する微小孔を多数有する多孔質電極であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項９】
請求項１において、上電極の膜厚が圧電アクチュエータ部において２０ｎｍ乃至５００ｎｍとしたことを特徴とするインクジェットヘッド
【請求項１０】
請求項１において、圧電層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【請求項１１】
請求項１において、圧電層の膜厚が、圧電アクチュエータ部において５００ｎｍ乃至１０μｍであることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１２】
ノズル開口に連通する凹形の圧力発生室が配列された流路基板と、流路基板上に設けられた絶縁性の振動板と、振動板上に薄膜状の下電極、圧電層ならびに上電極を有し、各圧力発生室上の振動板上には該下電極、圧電層ならびに上電極が積層された圧電アクチュエータ部を設けたインクジェットヘッドを製造する方法であって、上電極が酸素透過性を有する導電性薄膜よりなり、少なくとも下電極、圧電層、ならびに上電極を積層した後に、酸化雰囲気中で上電極と下電極の間に所定の電界を印加する通電工程を有することを特徴とする、インクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク滴をノズルより吐出することにより印刷を行うインクジェットヘッドに関するもので、とりわけ、圧電アクチュエータを用いてインク室を容積変化せしめてインクを吐出する圧電式インクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータを用いてインク室を容積変化せしめてインク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。
【０００３】
インクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般に、インクを飛翔インク滴として吐出させるためのノズル開口と、ノズル開口に連通する圧力発生室が配列された流路基板と、流路基板上に設けられた振動板と、圧力発生室の各々に対向する領域内の振動板上に設けられた圧電アクチュエータ部を有し圧力発生室の容積を変化せしめる圧電アクチュエータとを備えるインクジェットヘッドが用いられる。このようなインクジェットヘッドにおいては、近年の画像形成の高精細化、大面積化及び高速化の要求に伴い、流路基板にノズル開口、圧力発生室、圧電アクチュエータを高密度かつ多数配列した高集積化が行われている。このようなインクジェットヘッドに用いられる圧電アクチュエータとしては、圧力発生室に対応した領域の振動板メンブレン上に、下電極、圧電層、上電極を積層した圧電アクチュエータ部を設け、撓みモード変位を利用したものが提案されている。このような撓みモード圧電アクチュエータを、薄膜技術、及びフォトリソグラフィー、エッチングなどを利用して作製することにより、さらなる高集積化が行われているとともに、素子の小型化による高速駆動が可能となる素子構造が提案されている。このようなインクジェットヘッドにおける圧電層としては、チタン酸ジルコン酸鉛に代表される金属酸化物材料を、スパッタ法やゾルゲル法などの薄膜形成方法により堆積したものが用いられる。
【０００４】
ところが、このような薄膜化された圧電層においては、膜の面内での抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性が問題となる。インクジェットヘッドに用いられる撓みモード変位を利用した圧電アクチュエータの場合は、圧電層に対して高い電界を印可して駆動を行なうため、圧電層中に低抵抗部があった場合、素子にリークが発生してしまう。さらに、近年の高集積化されたインクジェットヘッドにおいては、このリーク特性は圧電アクチュエータの素子間でばらつくため、各ノズル開口からの吐出特性にばらつきが生じる場合がある。また、さらに極端な場合には耐電圧性の低い箇所（欠陥部）での絶縁破壊が発生して不吐出やインクの漏れ出しなどの故障に至る場合もあった。
【０００５】
このような絶縁破壊の問題に対しては、特開2001-088310号公報に開示されているような、上電極または下電極における圧電層の欠陥部に対応する部分を絶縁破壊によって除去する製造方法によるインクジェットヘッドが提案されている。この従来例によれば、圧電層の欠陥部を局所的に電圧が印加されない非電圧印加部として、通常電圧印加時の絶縁破壊を未然に防止することができる。
【特許文献１】特開2001-088310号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来例のインクジェットヘッドにおいては以下に示すような問題点があった。
【０００７】
上電極または下電極における圧電層の欠陥部に対応する部分を絶縁破壊によって除去する工程は、絶縁破壊による発熱により上電極の一部が溶けて気化することによってなされるが、この電極材料が周辺の圧電層側壁部や配線に再付着してリークの原因となる場合があった。
【０００８】
さらに前記従来例においては絶縁破壊によって電極を除去する方法によるため、絶縁破壊に至らない程度の抵抗率や耐電圧性の小さい箇所については分布を改善することができないため、吐出特性のばらつきを改善することはできない。
【０００９】
本発明は前記従来例の問題点に鑑みてなされたもので、圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッド、ならびにインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する凹形の圧力発生室が配列された流路基板と、流路基板上に設けられた絶縁性の振動板と、振動板上に薄膜状の下電極、圧電層ならびに上電極を有し、各圧力発生室上の振動板上には該下電極、圧電層ならびに上電極が積層された圧電アクチュエータ部を設けたインクジェットヘッドであって、上電極が酸素透過性を有する導電性薄膜よりなることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１１】
かかる第１の態様によれば、圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッドを提供できる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、圧電アクチュエータ部より引き出された上電極に対して電気的に接続され圧力発生室に対向する領域外まで延長された引き出し電極を設けたことを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１３】
かかる第２の態様によれば、上電極に使用する酸素透過性の材料は必ずしも配線基板の端子との接合性が優れていない場合があるが、このようにすることで、酸素透過性を有する上電極に対し配線基板からの駆動電圧の供給を確実に行なうことができる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１の態様において、上電極を圧力発生室に対応する領域外まで引き伸ばし、引き出し電極を圧力発生室に対応する領域外で接続して引き出す構成としたことを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１５】
かかる第３の態様によれば、変位による振動がほとんどない領域に接合部分を設けることで上電極と引き出し電極が振動で剥離する故障を防止できる。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１の態様において、下電極と引き出し電極とは圧電層を挟んで対向しない構造としたことを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１７】
かかる第４の態様によれば、酸素透過性の低い引き出し電極が圧電層を挟んで下電極と対向し電界が印可された場合に、酸素供給がないため圧電層内の低抵抗部の酸化が促進されずリークの発生が起きることを低減することができる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１の態様において、振動板上に、駆動信号を供給する配線基板が接続される配線接続部が設けられ、下電極ならびに上電極が該配線接続部まで延長されることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１９】
かかる第５の態様によれば、圧電アクチュエータ部から引き出された上下電極に対して、配線基板の接続を簡便に行なうことができる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第1の態様において、上電極が酸素透過性金属の薄膜であることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００２１】
かかる第６の態様によれば、圧電層への酸素透過を十分に行なえると共に、比較的薄い膜厚でも電界印可に必要な導電性を得ることができるため、圧電アクチュエータの変位に対して悪影響を与えず、高い吐出特性を有するインクジェットヘッドを提供できる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、上電極がAgよりなることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００２３】
かかる第７の態様によれば、酸素透過性金属の中でもっとも導電率の高いAgを用いることにより、より高い吐出特性を有するインクジェットヘッドを提供できる。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第１の態様において、上電極が多孔質電極であることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００２５】
かかる第８の態様によれば、このような多孔質電極を用いることで、圧電層への酸素透過量をより向上し、通電工程の際の酸化を安定して行なうことができるため、より圧電層のばらつきを改善したインクジェットヘッドを提供できる。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第１の態様において、上電極の膜厚が圧電アクチュエータ部において２０ｎｍ乃至５００ｎｍとしたことを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００２７】
かかる第９の態様によれば、上電極の膜厚を上記範囲とすることで、個別化により細線化しても上電極に対しても十分に駆動電圧の印加が可能であると共に、圧電アクチュエータ部の変位に対してほとんど影響を与えず大きな変位量を得ることができる。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第１の態様において、圧電層が、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００２９】
かかる第１０の態様によれば、圧電層に、高い圧電特性とともに高い絶縁性を有する材料であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とすることにより、電極相互の絶縁を十分確保できる。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、第１の態様において、圧電層の膜厚が、圧電アクチュエータ部において５００ｎｍ乃至１０μｍであることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００３１】
かかる第１１の態様によれば、圧電アクチュエータ部において、インクの吐出のために十分な発生力を得ることができるとともに、圧電層中に酸素を十分に供給できるため、より効率的に低抵抗部の酸化を行なうことができる。
【００３２】
本発明の第１２の態様は、ノズル開口に連通する凹形の圧力発生室が配列された流路基板と、流路基板上に設けられた絶縁性の振動板と、振動板上に薄膜状の下電極、圧電層ならびに上電極を有し、各圧力発生室上の振動板上には該下電極、圧電層ならびに上電極が積層された圧電アクチュエータ部を設けたインクジェットヘッドを製造する方法であって、上電極が酸素透過性を有する導電性薄膜よりなり、少なくとも下電極、圧電層、ならびに上電極を積層した後に、酸化雰囲気中で上電極と下電極の間に所定の電界を印加する通電工程を有することを特徴とする、インクジェットヘッドの製造方法である。
【００３３】
かかる第１２の態様によれば、圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッドの製造方法を提供できる。
【発明の効果】
【００３４】
以上本発明によれば、圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッド、ならびにインクジェットヘッドの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。
【実施例１】
【００３６】
本実施例では、本発明のインクジェットヘッドの例を示す。
【００３７】
以下、図を用いて本実施例を説明する。図１は本実施例のインクジェットヘッドの構成を示す図で、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のA-A'線の断面図である。
【００３８】
図１において、１は流路基板、２は圧力発生室、３は共通液室、４は振動板、５は下電極、６は圧電層、７は上電極、８は圧電アクチュエータ部、９は引き出し電極、１０は配線接続部、１１は圧電層の低抵抗部、１２は通電工程用電源、１３はガスチャンバー、１４は酸化部、１５はノズルプレート、１６はノズル開口、１７は配線基板、１８は配線基板側の端子である。
【００３９】
図１に示したように、流路基板１には、ノズル開口に連通する凹型の圧力発生室２が複数個配列され、さらに圧力発生室２と連通する共通液室３などよりなるインク流路を設けた。流路基板１としてはシリコン単結晶基板をドライエッチングなどにより加工して圧力発生室等を形成したものを用いた。また、流路基板には、所望の形状に加工可能で、強度、剛性、インク耐性を有するものであれば、他に樹脂やステンレスなどの金属材料、ガラスなどを用いることもできる。本実施例では流路基板１としては厚さ３８０μｍの面方位（１００）シリコン単結晶基板を用い、圧力発生室２は、幅７０μm、長さ３０００μm、深さ１５０μｍとし、幅２０μｍの隔壁を介して、圧力発生室の幅方向に列状に複数個配列した。尚、本実施例においては一列のみを配列したものを示したが、このように配列した圧力発生室の列を例えば圧力発生室の長手方向に並べて複数列配したり、さらには所謂千鳥状に配することも本発明の構造においては可能である。
【００４０】
流路基板１上には振動板４を設けた。振動板４は本実施例においては、流路基板１上において、少なくとも圧力発生室２に対向する領域ならびに上電極ならびに下電極が設けられる領域全体に連続して設ける。振動板４としては、所望の厚さ、耐熱性、弾性定数、強度、インク耐性を有するとともに、本発明において上電極間ならびに下電極の間において駆動信号のリークが発生しない程度の絶縁性を有する材料から選択される。好ましいものとしては、ガラス材料、酸化シリコン、窒化シリコン、ジルコニアなどの酸化物材料が挙げられる。このような材料を、膜堆積法や直接接合、接着などの方法により流路基板に接合する。尚、振動板４は流路基板１に圧力発生室などを設けた後に接合してもよいし、振動板４を流路基板に接合した後に圧力発生室などを形成してもかまわない。ただし、以上の振動板材料及び接合方法は後工程における加熱やエッチング処理などのプロセスに耐性を有する組み合わせから選択されることは言うまでもない。本実施例では、後述する圧電層形成における加熱工程に対する耐熱性を有するガラス板を用い、陽極接合で流路基板１に直接接合して、平均厚さ３μｍまで研磨薄片化したものを用いた。
【００４１】
この振動板４上に、下電極５、圧電層６、上電極７を配した。図１に示したように、本実施例では圧力発生室の各々に対向する領域内の振動板４上に設けられ振動板４側より順に下電極５、圧電層６、上電極７が積層された部位である圧電アクチュエータ部８を設ける。さらに本発明では、上電極７には引き出し電極９が接続される。下電極５ならびに引き出し電極９は圧電アクチュエータ部より引き出され、例えば振動板４上まで延長される。また、圧電アクチュエータ部８外においては、上電極７ならびに引き出し電極９と下電極５は対向しない構造とすることが好ましい。このようにすることで、不要な配線容量が発生することを防止し、さらには絶縁破壊による素子不良を防止することができる。
【００４２】
下電極５は、本実施例では列状に配された圧力発生室５を配列方向に複数個またぐとともに、配列された各圧電アクチュエータ部に対する共通電極となるようにした。下電極５の材料としては、駆動電圧の印加に必要な導電性を有し、後工程における加熱やエッチング処理などのプロセスに耐性を有するものから適宜選択される。本実施例では、Ti、Ptを堆積した積層膜を用いた。他には、Pt、Irなどの金属や導電性酸化物などが好ましい。下電極５の膜厚は、圧電アクチュエータとして動作する範囲で適宜決定されるが、好ましくは圧電アクチュエータ部において２０ｎｍ乃至５００ｎｍとする。このようにすることで、十分に駆動電圧の印加が可能であると共に、圧電アクチュエータ部の変位に対してほとんど影響を与えず大きな変位量を得ることができる。本実施例においては、スパッタ法により振動板４上に順にTiを１０ｎｍ、Ptを１００ｎｍの厚さに積層して堆積したものを用いた。
【００４３】
圧電層６は、少なくとも各圧電アクチュエータ部８に対応する領域に堆積した。圧電層６の材料は、高い圧電特性とともに高い絶縁性を有する材料から適宜選択される。本実施例においては、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと表記する）を用いた。ただし、上記条件を満たす材料であればこれに限らず用いることができる事は言うまでもない。圧電層６の厚さは、圧電アクチュエータ部において５００ｎｍ乃至５０μｍであることが好ましい。このようにすることでインクの吐出のために十分な発生力を得ることができる。本実施例では、圧電層の厚さは、圧電アクチュエータ部８で全面で２．５μｍとした。圧電層６の平面形状は、図１（ａ）に示したように各圧電アクチュエータ部個別に分割し、圧力発生室２に対向する領域では圧力発生室の幅方向に６０μｍの幅の概短冊形状とした。
【００４４】
上電極７は、各圧電アクチュエータ部に対応する領域の圧電層６上に設けられる。本発明の上電極７としては、例えば酸素センサの電極などに用いられる酸素透過性を有する導電性薄膜より適宜選択される。
【００４５】
上電極として好ましいものとして、酸素透過性金属の薄膜が上げられる。特に好ましい材料としてはAgがあげられ、これをスパッタ法などで薄膜化して用いる。このような酸素透過性の金属を用いることで、圧電層への酸素透過を十分に行なえると共に、比較的薄い膜厚でも電界印可に必要な導電性を得ることができるため、圧電アクチュエータの変位に対して悪影響を与えず、高い吐出特性を有するインクジェットヘッドを提供できる。
【００４６】
また、上電極として好ましいものの別の例としては、多孔質電極があげられる。このような多孔質電極としては、Ｐｔなどの金属や、Ｐｔなどの金属にＺｒＯ2などの酸化物を混入した材料の膜に、１０ｎｍ乃至１μｍ程度の径の微小な孔を多数形成したものが好ましく用いられる。このような多孔質電極は、例えばPtなどのペーストを塗布した後焼成して作製される。特にMO（Metallo-Organic）Ptペーストなどは好ましく用いられ、１μm以下の厚さの多孔質電極層を作製することができる。このようなペーストによって作製される電極は厚さの制御性がスパッタ法などによる薄膜化に比べて低い場合があるが、適宜重ね塗りと焼成を繰り返したり、必要に応じてエッチングなどで膜厚を調整して用いる。そのほか、金属薄膜にFIBなどで微小な孔を多数形成したり、微小突起により金属薄膜に微小な孔形状を形成するなど、一般に用いられる方法により作製した多孔質電極を適宜用いて構わない。このような多孔質電極を用いることで、圧電層への酸素透過量をより向上し、通電工程の際の酸化を安定して行なうことができるため、より圧電層のばらつきを改善したインクジェットヘッドを提供できる。上電極７の膜厚は、圧電アクチュエータとして動作する範囲で適宜決定されるが、好ましくは圧電アクチュエータ部において２０ｎｍ乃至５００ｎｍとする。上電極の膜厚を上記範囲とすることで、個別化により細線化しても上電極に対しても十分に駆動電圧の印加が可能であると共に、圧電アクチュエータ部の変位に対してほとんど影響を与えず大きな変位量を得ることができる。本実施例においては、上電極７はスパッタ法を用いてAgを１００ｎｍの厚さに堆積したものを用いた。また、上電極７の平面形状は、図１（ａ）に示したように各圧電アクチュエータ部個別に分割し、圧力発生室２に対向する領域では圧力発生室の幅方向に５０μｍの幅の概短冊形状とした。
【００４７】
以上、下電極を共通電極、上電極を個別電極とした例で説明したが、本発明においては、上電極を共通電極、下電極を個別電極としても構わない。
【００４８】
また、圧電アクチュエータ部より引き出された上電極に対して電気的に接続された引き出し電極９を設ける。この引き出し電極は圧力発生室に対向する領域外まで延長される。本発明において上電極に使用する酸素透過性の材料は必ずしも配線基板の端子との接合性が優れていない場合があるが、このようにすることで、酸素透過性を有する上電極に対し配線基板からの駆動電圧の供給を確実に行なうことができる。
【００４９】
また、より好ましくは、上電極を圧力発生室に対応する領域外まで引き伸ばし、引き出し電極を圧力発生室に対応する領域外で接続して引き出す構成とする。このようにすることで、圧電アクチュエータの変位を阻害することなく駆動電圧の供給を行なうことができるとともに、変位による振動がほとんどない領域に接合部分を設けることで上電極と引き出し電極が振動で剥離する故障を防止できる。
【００５０】
また、より好ましくは、下電極と引き出し電極とは圧電層を挟んで対向しない構造とする。このようにすることで、酸素透過性の低い引き出し電極が圧電層を挟んで下電極と対向し電界が印可された場合に、酸素供給がないため圧電層内の低抵抗部の酸化が促進されずリークの発生が起きることを低減することができる。
【００５１】
引き出し電極９の材料としては駆動電圧の印加に必要な導電性を有するものから適宜選択される。また、本発明では、より好ましくは、引き出し電極は配線接続部まで延長されて配線基板の端子と接続されるため、その際の接合性が良好な材料から選択される。本実施例では、Ti、Ptを堆積した積層膜を用いた。他には、Pt、Al、Cu、Cr、Irなどの金属が好ましい。引き出し電極９の膜厚は、十分な導電性が得られる範囲で任意に決定できるが、本発明では、例えば圧電層端部などの段差での断線を防止するため十分なステップカバレッジが必要であるとともに、配線接続部において下電極との間に大きな膜厚差がないようにすることが好ましく、５００ｎｍ乃至３μm程度とする。本実施例においては、スパッタ法によりTiを１０ｎｍ、Ptを１μmの厚さに堆積したものを用いた。また、上電極７の平面形状は、図１（ａ）に示したように各圧電アクチュエータ部個別に分割し、上電極７に対して圧力発生室に対応する領域外で接続され、５０μｍの幅の概短冊形状とした。
【００５２】
さらに、流路基板１にはノズルプレート１５が接合される。ノズルプレート１５としては、インク滴の吐出特性に応じた厚さの板を用い、これに打ち抜き加工やエッチングによりノズル開口１６を形成している。本実施例ではノズルプレート１５として、厚さ５０μmのステンレス板に、開口径が３０μmφの円形のノズル開口１６を設けたものを用いた。本実施例ではノズルプレート１５によりインク流路中の共通液室を蓋う構成とした。尚、不図示であるが、共通液室には外部よりインクを供給する供給路が接続され、適宜インクを供給する構成とした。
【００５３】
さらに本発明では、圧力発生室に対応する領域外の振動板上に、駆動信号を供給する配線基板が接続される配線接続部が設けられ、下電極ならびに引き出し電極が配線接続部まで延長されることが好ましい。
【００５４】
図２に、配線接続部への配線基板の接続の様子を示す。図２（ａ）は配線基板の接続の様子を示す上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ‘における断面図である。配線接続部１０には駆動信号を供給する端子１８を有する配線基板１７が接続される。配線接続部１０においては、配線基板１７の端子１８と同一ピッチで上電極ならびに下電極が配されるようにする。配線接続部においては、下電極５ならびに引き出し電極９と端子１８は、例えば導電性ペーストを用いた接着や、圧着などの手段により接続される。
【００５５】
以下本発明の圧電層について説明する。圧電層に用いる圧電材料の薄膜には、成膜直後には局所的に低抵抗部が多数存在する。このような低抵抗部は、さまざまな原因で形成されるが、金属酸化物である圧電層中においては、金属元素が十分に酸化されていない酸素欠損部となっているものが多くの割合を占めている。本発明では、酸化雰囲気中で上電極と下電極の間に所定の電界を印加する通電工程により、少なくとも圧電層を挟んで上下電極が対向する領域内の圧電層の低抵抗部には局所的に電流が流れて発熱し、さらに、上部電極を透過した酸素が供給されることで酸化反応が促進され、低抵抗部を酸化することにより酸化部として高抵抗化するものである。図１（ｂ）中に模式的に示したが、本発明のインクジェットヘッドの圧電層６中の、上下電極が対向する領域、すなわち圧電アクチュエータ部８に相当する領域内においては、上記の通電工程により低抵抗部が酸化された酸化部１４が形成されている。また、上下電極のいずれかがない領域の圧電層には電界が印加されないため低抵抗部１１が残るが、これは駆動に際しても電界が印加されない領域となるため特に問題にはならない。
【００５６】
以上述べてきたように、本実施例によれば、圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッドを提供できる。
【実施例２】
【００５７】
本実施例では、本発明のインクジェットヘッドの製造方法の例を示す。
【００５８】
以下、図を用いて本実施例を説明する。図３は本実施例のインクジェットヘッドの製造方法の工程を示す断面図である。図３においては、本発明のインクジェットヘッドの構成を示す図である図１（ａ）のＡ−Ａ‘線断面に対応する部分について、各工程における断面を記した。また、本実施例の通電工程における装置構成を図４に示す。
【００５９】
図３乃至図４において、１は流路基板、２は圧力発生室、３は共通液室、４は振動板、５は下電極、６は圧電層、７は上電極、８は圧電アクチュエータ部、９は引き出し電極、１０は配線接続部、１１は圧電層の低抵抗部、１２は通電工程用電源、１３はガスチャンバー、１４は酸化部、１５はノズルプレート、１６はノズル開口である。
【００６０】
まず、図３（ａ）に示したように、ノズル開口に連通する凹型の圧力発生室２が複数個配列された流路基板を形成した。本実施例では、流路基板１としては厚さ３８０μｍの面方位（１００）シリコン単結晶基板を用い、シリコンの熱酸化膜をエッチングマスクとして用い、エッチング装置としてICP（Inductively Coupled Plasma）-RIE装置を用い、エッチングガスはSF6を用いて基板両面よりエッチングを行い、後にエッチングマスクを除去した。尚、本工程のエッチング方法としては、例えば水酸化カリウム水溶液、エチレンジアミンピロカテコール、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイトなどの異方性エッチング液を用いたウェットエッチングや、RIE（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）装置やイオンミリング装置などのドライエッチング装置を用いてドライエッチングなどを使用する事も出来る。圧力発生室２は、幅７０μm、長さ３０００μm、深さ１５０μｍとして、幅２０μｍの隔壁を介して複数個並列に形成した。また、同様のエッチングを流路基板１の裏面より施し、圧力発生室間を連通するとともにインクの供給経路となる共通液室３を形成した。尚、本実施例では１枚の基板を両面から加工した例を示すが、複数枚の基板に流路の部位を形成した後、位置合せをして接合しても構わない。
【００６１】
続いて、図３（ｂ）に示したように、流路基板１に、振動板４を形成した。振動板４としては、ガラス板を陽極接合で流路基板１に接合して、平均厚さ３μｍまで研磨薄片化した。本実施例では振動板４としては絶縁性であり、耐熱性を有するガラス板を用い、陽極接合で流路基板１に直接接合して平均厚さ３μｍまで研磨薄片化した。尚、本発明の振動板の形成工程は、前記方法になんら限定されるものではない。膜堆積法や直接接合、接着などの方法により流路基板に接合する。尚、振動板４は流路基板１に圧力発生室などを設けた後に接合してもよいし、振動板４を流路基板に接合した後に圧力発生室などを形成してもかまわない。ただし、以上の振動板材料及び接合方法は後工程における加熱やエッチング処理などのプロセスに耐性を有する組み合わせから選択されることは言うまでもない。他の好ましい例としては、流路基板１としてシリコン単結晶基板を用い、表面に酸化シリコン皮膜を熱酸化やスパッタ法などの膜堆積法で形成後、流路基板１をエッチングなどにより圧力発生室などを形成してもかまわない。
【００６２】
さらに図３（ｃ）に示したように、振動板４上に下電極５を形成した。下電極５の材料としては、駆動電圧の印加に必要な導電性を有し、後工程における加熱やエッチング処理などのプロセスに耐性を有するものから適宜選択される。本実施例では、スパッタ法を用いてTiを１０ｎｍ、Ｐｔを１００ｎｍの厚さに成膜した。下電極５はシャドーマスクにより堆積領域を制限し、列状に配された圧力発生室２を配列方向に複数個またぐとともに、配列された各圧電アクチュエータ部に対する共通電極となる形状とし、さらに配線接続部１０まで延長される形状とした。
【００６３】
続いて、図３（ｄ）に示したようにして、圧電層６を形成した。薄膜堆積法としては、まず気相からの薄膜堆積法、すなわちスパッタ法、イオンビームスパッタ法、真空蒸着法、クラスターイオンビーム法、ＭＯ−ＣＶＤ法などが用いられる。さらにはゾル−ゲル法や水熱合成法などを用いることができる。本実施例ではスパッタ法の一種である高周波マグネトロンスパッタ法により、ＰＺＴ焼結体ターゲットとＡｒとＯ2を５：１の流量比で混合したスパッタリングガスを用い、ガス圧力３．０Pa、ターゲット面積に対する高周波出力を１．５W/ｃｍ2、ターゲット―基板間の対向距離８０ｍｍの条件で、基板温度を６００℃として成膜し、PZT多結晶薄膜よりなる圧電層を堆積した。ただし、本発明においては、薄膜堆積後に熱処理を行うことでＰＺＴ結晶化させても構わない。本実施例では、以上述べた方法により、圧電層の厚さを、圧電アクチュエータ部８においては全面で２．５μｍとした。図３（ｄ）に模式的に示したが、このような圧電層内には、成膜直後には圧電層の低抵抗部１１が多数存在する。このような低抵抗部を酸化する方法については後述する。
【００６４】
続いて、図３（ｅ）に示したように、上電極７を形成した。上電極７は、スパッタ法によって、Agを１００ｎｍの厚さに堆積した。
【００６５】
続いて、図３（ｆ）に示したように、上電極７をパターニングした。上電極７は、ドライエッチングによりパターニングした。上電極７の平面形状は、図１（ａ）に示したように各圧電アクチュエータ部個別に分割し、圧力発生室２に対向する領域では圧力発生室の幅方向に５０μｍの幅の概短冊形状とした。
【００６６】
続いて、図３（ｇ）に示したように、圧電層６をパターニングした。本実施例においては、圧電層６はフッ酸及び硝酸の混合水溶液によるウエットエッチングにより加工した。ただし、本工程の圧電層６の加工は一般的に用いられる方法を任意に用いて構わない。圧電層６の平面形状は、各圧電アクチュエータ部個別に分割し、圧力発生室の幅方向に６０μｍの幅の概短冊形状とした。
【００６７】
続いて、図３（ｈ）に示したように、引き出し電極９を成膜後にパターニングして形成した。本実施例では、スパッタ法によりTiを１０ｎｍ、Ptを１μmの厚さに成膜し、ドライエッチングによりパターニングした。尚、成膜の際には引き出し電極９はシャドーマスクにより堆積領域を制限し、下電極５に対して堆積領域が重複しないようにした。このようにすることで、電極間のリークを防止している。引き出し電極９の平面形状は、各圧電アクチュエータ部に対応して個別に分割し、圧力発生室の幅方向に５０μｍの幅の概短冊形状とした。また、引き出し電極９は配線接続部１０まで延長される形状とした。
【００６８】
続いて図３（ｉ）に示すように、酸化雰囲気中で上電極と下電極の間に所定の電界を印加する通電工程を行なった。図４に、通電工程における装置構成を示す。本工程では、下電極５ならびに引き出し電極１１に対して電界を印加する通電工程用電源１２を接続し、ガスチャンバー１３内に設置した。ガスチャンバー１３内部は酸素ガスで充填した。また、本実施例では、必要に応じて加熱機構を用いるなどして補助的に加熱を行っても構わない。本実施例では、酸化雰囲気として酸素ガスを用い、酸素圧力を約１．５気圧、不図示の加熱機構より加熱して圧電層表面の温度を約２００℃に保った上で、上下電極間に電圧を印可した。この際、電圧は徐々に大きくし、最大でも素子の駆動電圧を超えないようにした。本工程により、少なくとも上下電極が対抗する領域内の圧電層の低抵抗部１１には局所的に電流が流れて発熱し、さらに、上部電極を透過した酸素が供給されることで酸化が促進され、低抵抗部１１が酸化された酸化部１４が形成される。このため、圧電層の低抵抗部の抵抗を上昇させることができるため低抵抗部１１は相対的に減少し、圧電アクチュエータ８において、素子間のばらつきが減少する。なお、この通電工程は、例えば後述するノズルプレートの接合後や、配線基板を接続後に行なっても構わない。また、酸化雰囲気としては上電極を透過して十分な量の酸化性ガスが圧電層の低抵抗部に供給できればよく、大気中や、オゾンやNOｘを適宜混合した雰囲気、さらにHeなどの透過性の高いガスを混合するなどしても構わない。
【００６９】
最後に、図３（ｊ）に示したように、ノズルプレート１５を接合した。ノズルプレート１５としては、インク滴の吐出特性に応じた厚さの板を用い、これに打ち抜き加工やエッチングによりノズル開口１６を形成している。本実施例ではノズルプレート１５として、厚さ５０μmのステンレス板に、開口径が３０μmφの円形のノズル開口１６を設けたものを用いた。ノズルプレート１５は、ノズル開口１６と圧力発生室に連通する連通口を位置合わせし、接着剤を用いて接合した。
【００７０】
以上述べた製造方法により、インクジェットヘッドを製造した。
【００７１】
本実施例のインクジェットヘッドの製造方法によれば、圧電層に存在する低抵抗部を減少させて、抵抗率や耐電圧性などの特性の不均一性を改善し、各ノズル開口からの吐出特性のばらつきを低減したインクジェットヘッドの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施例１のインクジェットヘッドの構成を示す図。
【図２】実施例１の配線接続部への配線基板の接続の様子。
【図３】実施例２のインクジェットヘッドの製造方法の工程を示す断面図。
【図４】実施例２のインクジェットヘッドの製造方法の通電工程における装置構成。
【符号の説明】
【００７３】
１  流路基板
２  圧力発生室
３  共通液室
４  振動板
５  下電極
６  圧電層
７  上電極
８  圧電アクチュエータ部
９  引き出し電極
１０  配線接続部
１１  圧電層の低抵抗部
１２  通電工程用電極
１３  ガスチャンバー
１４  酸化部
１５  ノズルプレート
１６  ノズル開口
１７  配線基板
１８  配線基板側の端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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