(57)【要約】【課題】  圧電素子の破壊を防止でき且つ低コストで製造することのできる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】ノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０と、流路形成基板１０の一方面側に振動板を介して設けられて圧力発生室１２内に圧力変化を生じさせる圧電素子３００とを具備する液体噴射ヘッドであって、流路形成基板１０の圧電素子３００側に接合され圧電素子３００を封止する圧電素子保持部３１を有する封止基板３０を有し、圧電素子保持部３１に対向する領域の流路形成基板１０上に、圧電素子３００の電極を構成する導電層１０１で形成される発熱部１００を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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て前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、
前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合され当該圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板を有し、前記圧電素子保持部に対向する領域の前記流路形基板上に、前記圧電素子の電極を構成する導電層で形成される発熱部を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記発熱部が、前記圧電素子の共通電極を構成する導電層で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１において、前記発熱部が、前記圧電素子の個別電極を構成する導電層で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１において、前記発熱部が、前記圧電素子の一方の電極から引き出される引き出し配線を構成する導電層で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記導電層が、金（Ａｕ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）及びイリジウム（Ｉｒ）からなる群から選択される材料からなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、所定幅の前記導電層が蛇行して延設されることで前記発熱部が形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか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】
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】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、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各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ある。また、このような圧電素子は、例えば、湿気等の外部環境に起因して破壊され易い。このため、圧力発生室が形成される流路形成基板の圧電素子側の一方面に、圧電素子を密封するキャップ部材を設けた構造がある。また、圧電素子を密封しても、その密封空間内の湿気が気温の低下に伴って結露し、この水分によって圧電素子が絶縁破壊を起こしてしまうという問題がある。このため、密封空間内に、例えば、駆動ＩＣ、圧電素子、あるいは発熱体層で構成される発熱手段及び吸湿部材を設け、密封空間内の湿度を低下させることで、圧電素子の破壊を防止した構造がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、このような発熱手段によって密封空間内の温度を所定温度まで上昇させようとすると、比較的広い領域に発熱手段を設ける必要があり、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。また、このような発熱手段を設けようとすると製造効率が低下してしまいコストが高くなるという問題もある。なお、このような問題は、インク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。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３００９５７号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の破壊を防止でき且つ低コストで製造することの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】
【０００９】
上記課題を解決するための第１の態様は、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て前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記流路形成基板の前記圧電素子側に接合され当該圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板を有し、前記圧電素子保持部に対向する領域の前記流路形基板上に、前記圧電素子の電極を構成する導電層で形成される発熱部を有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、発熱部の発熱によって圧電素子保持部内の温度を上昇させることで、圧電素子保持部内の水分が蒸発し、水分に起因する圧電素子の破壊が防止される。また、発熱部が圧電素子の電極を構成する導電層で形成されているため、製造工程が煩雑化することなく低コストで発熱部を形成することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記発熱部が、前記圧電素子の共通電極を構成する導電層で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、共通電極を形成する際に発熱部を同時に形成することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記発熱部が、前記圧電素子の個別電極を構成する導電層で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、個別電極を形成する際に発熱部を同時に形成することができる。
【００１２】
本発明の第４の態様は、第１の態様において、前記発熱部が、前記圧電素子の一方の電極から引き出される引き出し配線を構成する導電層で形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、引き出し配線を形成する際に発熱部を同時に形成することができる。
【００１３】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記導電層が、金（Ａｕ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）及びイリジウム（Ｉｒ）からなる群から選択される材料からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、特定の材料を用いることで、圧電素子保持部内の温度を確実に上昇させることができる発熱部を比較的容易に形成できる。
【００１４】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、所定幅の前記導電層が蛇行して延設されることで前記発熱部が形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、比較的狭い領域に所望の抵抗値の発熱部を形成することができる。
【００１５】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか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７の態様では、ヘッドの信頼性を向上した液体噴射ヘッドを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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１〜２μｍ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、後述する封止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。
【００１７】
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絶縁膜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不錆鋼などからなる。
【００１８】
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、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、白金及びイリジウム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、イリジウムからなり厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。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。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００１９】
また、このような各圧電素子３００には、例えば、金（Ａｕ）等からなり、上電極膜８０から圧力発生室１２の外側まで引き出されるリード電極９０が設けられている。なお、リード電極９０は、実質的に圧電素子３００の電極を構成するものである。
また、並設された圧電素子３００の列の両外側の領域には、圧電素子３００の電極を構成する導電層１０１、本実施形態では、上電極膜８０と同一の層である導電層１０１からなる発熱部１００が設けられている。この発熱部１００は、導電層１０１を所定幅で所定長さ延設することによって形成されている。例えば、本実施形態では、所定幅の導電層１０１を圧力発生室１２の長手方向に沿って形成し、圧力発生室１２の長手方向両端部近傍で折り返して蛇行させて所定の長さとすることで発熱部１００を形成している。このように導電層１０１を蛇行させて延設することで、比較的狭い領域に発熱部１００を形成することができる。
【００２０】
そして、流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でその空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合されており、この圧電素子保持部３１内に圧電素子３００と共に発熱部１００が密封されている。なお、圧電素子保持部３１には、乾燥流体、本実施形態では、窒素（Ｎ２）が充填されている。
【００２１】
また、圧電素子保持部３１内に密封されている発熱部１００（導電層１０１）には、所定のタイミングで圧電素子３００駆動用の電圧が印加される。これにより、発熱部１００が発熱して圧電素子保持部３１内の温度が上昇する。そして、温度上昇に伴って圧電素子保持部３１内の水分が蒸発することで、圧電素子保持部３１内の水分に起因する圧電素子３００の破壊、例えば、圧電素子保持部３１内の水分の圧電素子３００表面への結露による絶縁破壊、あるいは圧電素子３００の動作不良等が防止されている。
【００２２】
なお、本実施形態では、発熱部１００は、上電極膜８０と同一の層である導電層１０１で構成されているが、これに限定されず、例えば、導電層１０１は、下電極膜６０と同一の層であってもよいし、リード電極９０と同一の層であってもよい。また、導電層１０１の材料は、圧電素子３００の電極を形成する材料であればよいが、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等を用いることが好ましく、特に、イリジウム（Ｉｒ）を用いることが好ましい。
【００２３】
また、このような発熱部１００を構成する導電層１０１の幅、長さ等の形成条件は、例えば、圧電素子保持部３１の大きさ等を考慮して適宜決定すればよい。
本実施形態では、圧電素子保持部３１が、幅１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍ、深さ０．３ｍｍの大きさで形成され、その内部には１．６９×１０−８ｋｇ程度の窒素（Ｎ２）が充填されている。また、発熱部１００（導電層１０１）は、圧電素子保持部３１の大きさを考慮して、幅が約５．０μｍ、厚さが約０．０５μｍ、長さが約８．９５ｍｍで形成されている。この導電層１０１の固有抵抗は、５．３×１０−８Ωｍであるため、全体抵抗は、約１９０Ωとなる。そして、このような発熱部１００に、約２Ｖの電圧を約６００秒間印加すれば、圧電素子保持部３１内の温度を約１０℃上昇させることができる。
【００２４】
また、封止基板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、封止基板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。
【００２５】
さらに、封止基板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、封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、上述したように、この貫通孔３３内に下電極膜６０、リード電極９０及び発熱部１００を構成する導電層１０１の端部が露出されている。そして、図示しないが、これら下電極膜６０、リード電極９０及び導電層１０１は、貫通孔３３内に延設される接続配線によって圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等に接続される。
なお、このような封止基板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。
【００２６】
また、封止基板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。
【００２７】
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、図示しない駆動ＩＣ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、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０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。
【００２８】
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３を参照して説明する。なお、図３は、圧力発生室１２の幅方向の断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板である流路形成基板１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０及びマスク膜５１を構成する二酸化シリコン膜５２を形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。
【００２９】
次に、図３（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０を流路形成基板１０の全面に形成し、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングする。次いで、図３（ｅ）に示すように、流路形成基板１０の全面に亘って、上電極膜８０を形成すると共に所定形状にパターニングする。すなわち、各圧電体層７０上に上電極膜８０を形成し、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電素子３００を形成する。また、同時に、圧力発生室１２の列の両外側に、上電極膜８０と同一の層である導電層１０１からなる発熱部１００を形成する。なお、上電極膜８０の材料としては、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金、イリジウム等の多くの金属、あるいは導電性酸化物等が挙げられ、例えば、本実施形態では、イリジウムを用いている。このため、本実施形態では、上電極膜８０をパターニングする際に同時に発熱部１００を形成した。これにより、発熱部１００を形成する工程を別途設けることなく、イリジウムからなる導電層１０１で構成される発熱部１００を容易に形成することができる。
【００３０】
次いで、図３（ｆ）に示すように、金（Ａｕ）からなるリード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングする。
その後は、流路形成基板１０の圧電素子３００側に封止基板３０を接合し、所定形状にパターニングしたマスク膜５１を介して流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２を形成する。そして、流路形成基板１０にマスク膜５１を介してノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板３０上にコンプライアンス基板４０を接合することによりインクジェット式記録ヘッドとなる。
【００３１】
（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。上述の実施形態では、発熱部１００を並設された圧電素子３００の列の両外側に設けるようにしたが、発熱部１００を設ける位置は、圧電素子保持部３１に対向する領域で且つ圧電素子３００の駆動を阻害しない位置であればよい。例えば、発熱部１００は、圧力発生室１２の長手方向外側の領域に設けるようにしてもよい。また、上述の実施形態では、導電層１０１を蛇行させて設けるようにしたが、所定の長さを確保できれば、蛇行させる必要はない。例えば、図４に示すように、導電層１０１Ａを複数の圧電素子３００の周囲を囲むように設けることにより発熱部１００Ａを形成するようにしてもよい。
また、例えば、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００３２】
また、これら各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５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５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。
【００３３】
なお、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】
【００３４】
【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製造工程を示す断面図である。
【図４】他の実施形態に係る記録ヘッドの配線を示す平面図である。
【図５】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
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  封止基板、  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  発熱部、  １０１  導電層、  １１０  リザーバ、  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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