(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備すると共に、少なくとも前記圧電素子に対応する領域に当該圧電素子を覆って設けられて、少量の窒素を含有する酸化アルミニウムの薄膜からなる絶縁膜を有し、
且つ前記絶縁膜の窒素は、当該絶縁膜の表層付近に偏析するように存在することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記絶縁膜がＣＶＤ法又はスパッタリング法によって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出する液体噴射ヘッドとしては、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。また、このようなインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
そして、後者のたわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。このような圧電素子は比較的高密度に配列することができる。
【０００４】
このように成膜技術により形成された圧電素子は、高密度に配列することができ印刷品質を向上することができるという利点があるが、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易いという欠点がある。
【０００５】
この欠点を補うために、例えば、圧力発生室が形成される流路形成基板に、圧電素子保持部を有する封止基板（リザーバ形成基板）を接合し、この圧電素子保持部内に圧電素子を密封するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、圧電素子保持部で圧電素子を密封するようにしても、例えば、封止基板と流路形成基板との接着部分から圧電素子保持部内に水分が入り込むこと等により、圧電素子保持部内の湿気が徐々に上昇し、最終的にはこの湿気により圧電素子が破壊されてしまうという問題がある。
【０００６】
そして、このような問題を解決するために、例えば、酸化アルミニウム等の無機絶縁材料からなる絶縁膜で圧電素子を覆うようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。このような構成では、湿気等の外部環境に起因する圧電素子の破壊を防止することはできるものの、例えば、現像液等の薬液に対する耐性が低いという問題がある。すなわち、絶縁膜を成膜後に、絶縁膜が現像液等の薬液に浸漬されるとその膜厚が薄くなってしまうため、絶縁膜の成膜厚さを所望の膜厚よりもかなり厚くしておかなければならず、無駄に材料を消費することになり非効率的であるという問題がある。さらに、絶縁膜の膜厚が減少する際に膜厚にばらつきが生じて各圧電素子の変位にもばらつきが生じてしまう虞がある。
【０００７】
なお、このような問題は、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１３６７３４号公報（第１図、第２図、第５頁等）
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００５／０２８２０７号公報（特許請求の範囲等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、各圧電素子の変位のばらつきを防止でき且つ製造効率を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様は、液滴を吐出するノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備すると共に、少なくとも前記圧電素子に対応する領域に当該圧電素子を覆って設けられて、少量の窒素を含有する酸化アルミニウムの薄膜からなる絶縁膜を有し、且つ前記絶縁膜の窒素は、当該絶縁膜の表層付近に偏析するように存在することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、絶縁膜の耐薬品性が大幅に向上するため、材料の消費を抑えて効率性を向上することができ、且つ圧電素子の変位のばらつきを防止することができる。絶縁膜の表層付近に窒素が偏析するように形成されていれば、絶縁膜の耐薬品性をより確実に向上することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、前記絶縁膜がＣＶＤ法又はスパッタリング法によって形成されたものであることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、絶縁膜の耐薬品性がより確実に向上する。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第３の態様では、信頼性及び耐久性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００１９】
また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられたマスク膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
【００２０】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム等からなり、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、白金、イリジウム等からなり、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛等からなり、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。なお、本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。
【００２１】
そして、少なくともこれら圧電素子３００に対応する領域には、絶縁膜が形成されており、各圧電素子はこの絶縁膜によって覆われている。例えば、本実施形態では、各圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０には、それぞれリード電極９０が接続されており、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。そして、絶縁膜１００は、圧電素子３００の各層及びこのリード電極９０のパターン領域を実質的に覆うように設けられている。
【００２２】
具体的には、図３に示すように、本実施形態では、下電極膜６０が圧力発生室１２の長手方向では圧力発生室１２に対向する領域内に形成され、複数の圧力発生室１２に対応する領域に連続的に設けられている。また、下電極膜６０は、圧力発生室１２の列の外側、及び列設された圧電素子３００の間から連通部１３近傍まで延設され、それらの先端部は、後述する駆動ＩＣ１２０から延設された接続配線１３０が接続される接続部６０ａとなっている。圧電体層７０及び上電極膜８０は、基本的には圧力発生室１２に対向する領域内に設けられているが、圧力発生室１２の長手方向では、下電極膜６０の端部よりも外側まで延設されており、下電極膜６０の端面は圧電体層７０によって覆われている。また、リード電極９０は、上電極膜８０の一方の端部近傍から圧電体層７０の端面を介して連通部１３近傍まで延設されており、このリード電極９０の先端部は、下電極膜６０と同様に、接続配線１３０が接続される接続部９０ａとなっている。そして、圧電素子３００を構成する各層及びリード電極９０のパターン領域が絶縁膜１００によって実質的に覆われている。すなわち、圧電素子３００を構成する各層及びリード電極９０のパターン領域が、下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａに対向する領域を除いて、この絶縁膜１００によって覆われている。
【００２３】
ここで、絶縁膜１００は、少量の窒素を含有する酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）の薄膜からなる。絶縁膜１００の窒素含有量は、１〜３ｗｔ％程度であることが好ましい。また、絶縁膜１００に含有されている窒素は、単独（Ｎ２）で存在していてもよいし、少なくとも一部が酸化アルミニウムと結合して窒化酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙＮｚ）の形で存在していてもよい。
【００２４】
このような絶縁膜１００は、薄膜でも水分の透過性が極めて低いため、この絶縁膜１００によって圧電素子３００及びリード電極９０の表面を覆うことにより、圧電体層７０の水分（湿気）に起因する破壊を防止することができる。また、絶縁膜１００は、例えば、１００ｎｍ程度とかなり薄く形成されていても、高湿度環境下での水分透過を十分に防ぐことができる。
【００２５】
さらに、本発明の絶縁膜１００は、少量の窒素が含有されていることで、例えば、現像液、エッチング液又はプライマー等の各種薬液に対する耐性（耐薬液性）が著しく向上している。このため、製造過程で絶縁膜１００が上記のような薬液に浸漬された場合でも、絶縁膜１００の膜厚の減少を抑えることができる。これにより、成膜厚さを薄くしても所望の厚さの絶縁膜１００を形成することができ材料の消費量が抑えられるため、絶縁膜１００を極めて効率的に形成することができる。さらに、絶縁膜１００の膜厚の減少が抑えられることで、絶縁膜１００の厚さがより均一化され、各圧電素子３００の変位量のばらつきも防止することができる。
【００２６】
また、絶縁膜１００内の窒素は、膜内に略均一に分散していてもよいが、絶縁膜１００の表層付近に偏析するように存在していてもよい。この場合、絶縁膜１００の内部に含まれる窒素の量が比較的少なくても、絶縁膜１００の少なくとも表層部分では耐薬液性が確保されているので、結果的に絶縁膜１００全体の膜厚の減少を抑えることができる。
【００２７】
このような少量の窒素を含有する酸化アルミニウムからなる絶縁膜１００は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法等によって成膜され、その後、所定形状にパターニングすることによって形成される。そして、本発明では、絶縁膜１００を成膜する際に、所定量の窒素ガスを含む反応ガスを添加することで、少量の窒素を含有する酸化アルミニウムからなる絶縁膜１００を成膜する。窒素ガスの添加量は、絶縁膜１００に含有される窒素が約１〜３ｗｔ％となるように適宜調整すればよいが、例えば、ＣＶＤ法によって絶縁膜１００を成膜する場合、原料ガスの供給量と略同量の窒素ガスを添加すればよい。
【００２８】
このような方法で絶縁膜１００を形成することにより、少量の窒素を含有した酸化アルミニウムからなり耐薬液性に優れた絶縁膜１００を比較的容易且つ良好に形成することができる。
【００２９】
なお、このような絶縁膜１００で覆われた圧電素子３００が形成されている流路形成基板１０には、本実施形態では、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに、保護基板３０には、流路形成基板１０の連通部１３に対応する領域にリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。
【００３０】
また、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に上述した下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａが露出されている。そして、これら下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａに、保護基板３０上に実装された駆動ＩＣ１２０から延設される接続配線１３０の一端が接続されている。そして、この接続配線１３０が延設された貫通孔３３には、有機絶縁材料、例えば、本実施形態では、ポッティング材である封止材１４０が充填されており、下電極膜６０の接続部６０ａ及びリード電極９０の接続部９０ａと接続配線１３０とは、この封止材１４０によって完全に覆われている。
【００３１】
なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００３２】
また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１１０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００３３】
そして、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１１０からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、圧電素子３００をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００３４】
ここで、シリコン基板上に、少量（１〜３ｗｔ％）の窒素を含有する酸化アルミニウムからなる実施例の絶縁膜と、窒素を含有しない酸化アルミニウムからなる比較例の絶縁膜とを形成し、これら各実施例及び比較例の絶縁膜を、現像液と、リン酸、酢酸及び硝酸の混合液であるエッチング液と、シランカップリング剤であるプライマーとのそれぞれに浸漬させ、各絶縁膜の浸漬前後での膜厚減少量を測定した結果を下記表１に示す。
【００３５】
【表１】
0004743393.tif 000002
【００３６】
上記表１に示すように、実施例の絶縁膜の膜厚減少量は、比較例の絶縁膜の膜厚減少量に対して、最大で約１／３程度に抑えられていることが分かる。そして、この結果から明らかなように、少量の窒素を含有する酸化アルミニウムからなる絶縁膜１００の耐薬液性は、窒素を含有していない従来の絶縁膜と比較して大幅に向上している。
【００３７】
なお、絶縁膜が窒素を含有しているか否かは、例えば、走査型Ｘ線光電子分光分析装置（μＥＳＣＡ）あるいは二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）等で絶縁膜を分析することによって容易に判定できる。
【００３８】
図４はμＥＳＣＡによる実施例（Ｎ２添加有り）及び比較例（Ｎ２添加無し）の絶縁膜の分析結果を示すグラフであり、図５はＳＩＭＳによる実施例の絶縁膜の分析結果を示すグラフであり、図６はＳＩＭＳによる比較例の絶縁膜の分析結果を示すグラフである。図４に示すように、μＥＳＣＡによって絶縁膜を分析すると、窒素を含有している実施例の絶縁膜には、結合エネルギー４００ｅＶ近辺に窒素に対応するピークが発生し、窒素を含有していない比較例の絶縁膜にはこのピークが発生しない。したがって、このピークの有無によって絶縁膜が窒素を含有しているか否かを容易に判定することができる。
【００３９】
また、ＳＩＭＳによる絶縁膜を分析すると、窒素を含有する実施例の絶縁膜の場合、図５に示すように、絶縁膜に相当する領域（照射時間およそ８００（ｓｅｃ）までの範囲）に、原子量３０の物質に対応する二次イオン、すなわち、窒素（Ｎ：原子量１４）及び酸素（Ｏ：原子量１６）の二次イオンが多く検出される。なお、絶縁膜は主材料が酸化アルミニウムであるため、含まれている各元素を考慮すれば原子量３０の物質に対応する二次イオン強度が、窒素及び酸素に対応するものであることは明らかである。これに対し、窒素を含有しない比較例の絶縁膜の場合、図６に示すように、絶縁膜に相当する領域に、原子量３０の物質に対応する二次イオンは若干検出されるが、これはシリコンの同位体（Ｓｉ：原子量３０）に対応する二次イオンであり、その強度値は極めて低く実施例の絶縁膜の場合とは明らかに相違する。なお、比較例の絶縁膜において検出されるシリコンの同位体に対応する二次イオンは、絶縁膜が形成されているシリコン基板の影響によって検出されたものと思われる。
【００４０】
このようにＳＩＭＳによる絶縁膜の分析では、絶縁膜が窒素を含有するか否かによって原子量３０に物質に対応する二次イオン強度が明らかに異なるため、この原子量３０の物質に対応する二次イオン強度から、絶縁膜に窒素が含有されているか否かを容易に判定することができる。
【００４１】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、連通部１３近傍まで延設された下電極膜６０の先端部が接続配線１３０との接続部６０ａとなっているが、例えば、図７に示すように、下電極膜６０に電気的に接続されるリード電極９５を、列設された圧電素子３００の外側、及び圧電素子３００同士の間から連通部１３近傍まで延設し、このリード電極９５の先端部を接続配線１３０との接続部９５ａとしてもよい。
【００４２】
また、例えば、上述した実施形態では、圧電素子３００が保護基板３０の圧電素子保持部３１内に形成されているが、これに限定されず、勿論、圧電素子３００は露出されていてもよい。この場合でも、圧電素子３００及びリード電極９０の表面は、少量の窒素を含有する酸化アルミニウムからなる絶縁膜１００によって覆われているため、水分（湿気）に起因する圧電体層７０の破壊は、確実に防止される。
【００４３】
なお、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図８は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図８に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。
【００４４】
また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの要部を示す平面図である。
【図４】μＥＳＣＡによる実施例、比較例の絶縁膜の分析結果を示すグラフである。
【図５】ＳＩＭＳによる実施例の絶縁膜の分析結果を示すグラフである。
【図６】ＳＩＭＳによる比較例の絶縁膜の分析結果を示すグラフである。
【図７】他の実施形態に係る記録ヘッドの要部を示す平面図である。
【図８】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  流路形成基板、  １２  圧力発生室、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  リザーバ部、  ３３  貫通孔、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体膜、  ８０  上電極膜、  １００  絶縁膜、１１０  リザーバ、  １２０  駆動ＩＣ、  １３０  接続配線、  １４０  封止材、  ３００  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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