(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板の第一面に配置され、側壁で囲まれた圧力室と、
前記振動板の前記第一面と反対側の第二面に形成され、前記圧力室の上方に配置された圧電体膜と、
前記圧電体膜上に配置された上部電極と、
前記振動板の前記第二面の前記側壁の上方に配置され、前記圧電体膜の下方には配置されない密着層と、
前記密着層と密着し、前記上部電極を覆う保護膜と、を有し、
前記密着層と前記保護膜との密着性は、前記上部電極と前記保護膜との密着性より高い
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、前記保護膜はパリレンよりなるインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記密着層は、クロム層よりなるインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット式のプリンタ等に用いられるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法に係る。また、上記のインクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドは、振動板上に少なくとも圧電体膜及び上部電極を順次積層して形成された圧電体素子と、前記圧電体素子を覆う保護膜とを備えて構成される。圧電体素子が薄膜化されインクジェット式記録ヘッドが小型化、高集積化されるに伴い、圧電体素子を保護する保護膜の膜厚が無視できないものになりつつある。特に振動板が圧電体素子の駆動により振動する際、圧電体素子の保護膜も振動板とともに振動するため、振動板、圧電体素子、保護膜を含めた振動部全体の変位量が、保護膜の膜厚による影響を大きく受けるようになってきている。また、振動部の中立面が圧電体膜より上部電極側にシフトするため、変位量や特性が十分に確保できないという問題もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、保護膜の膜厚を薄くすることは、耐湿性など保護膜の機能そのものを減じることになるので困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、保護膜の膜厚を減じることなく、振動部の変位量や特性を確保でき、高集積化が可能で性能の高いインクジェット式記録ヘッドを提供することを目的とする。
【０００５】
また、上記のインクジェット式記録ヘッドを備え、印字速度が速く高解像度なプリンタを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、振動板上に少なくとも圧電体膜及び上部電極を順次積層して形成された圧電体素子と、前記圧電体素子を覆い前記振動板に密着する保護膜とを備え、前記振動板上には、前記保護膜に対する密着性が前記上部電極より高い面を有することを特徴とする。
【０００７】
上部電極と保護膜との密着性が低いので、保護膜が振動部の振動を阻害することなく、振動部の変位量や特性を確保することができる。これにより、インクジェット式記録ヘッドの高性能化、高集積化も可能となる。
【０００８】
上記インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧電体素子の駆動時に、前記保護膜が前記上部電極に対して剥離されることが望ましい。これにより、上部電極と保護膜とが剥離しているので、振動部の振動が保護膜の影響を大きく受けずに十分な変位量を得ることができる。
【０００９】
上記インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記振動板上に、前記保護膜に対する密着性が前記上部電極より高い密着層を積層し、当該密着層上に前記保護膜を積層することが望ましい。これにより振動板と保護膜との剥離を防止することができる。
【００１０】
上記インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記振動板の圧電体素子形成面と反対側の面に、側壁で囲まれた圧力室が形成され、前記振動板の圧電体素子形成面であって前記側壁と対向する位置に、前記保護膜に対する密着性が前記上部電極より高い密着層を積層し、当該密着層上に前記保護膜を積層することが望ましい。隔壁に対向する位置は振幅が少ないので、保護膜を密着させても振動部の振動を阻害しにくいからである。
【００１１】
上記インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記保護膜はパリレンよりなることが望ましい。パリレンは上部電極に通常用いられる白金やイリジウムとの密着性が低いので、振動板に対する接触面より密着性を低くすることができる。
【００１２】
上記インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記振動板上に、クロム層を積層し、当該クロム層上に前記保護膜を積層することが望ましい。クロムはパリレンとの密着性が高いので、保護膜と振動板との密着性を高めることができる。
【００１３】
上記インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記保護膜と前記上部電極との間にガス層を有することが望ましい。これにより、振動部の変位量を更に大きくすることができる。
【００１４】
本発明のプリンタは、上記インクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とする。上記の高性能化、高集積化が可能なインクジェット式記録ヘッドを用いるので、印字スピードが高く解像度の高いプリンタを提供することができる。
【００１５】
本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、振動板上に少なくとも圧電体膜及び上部電極を順次積層して圧電体素子を形成する工程と、前記圧電体素子を覆う保護膜を形成する工程であって、前記保護膜の前記上部電極に対する接触面より密着性の高い接触面が、前記保護膜と前記振動板との間に形成されるように保護膜を形成する工程と、前記圧電体素子に電圧を印加して前記保護膜を前記上部電極に対して剥離させる工程と、を備えたことを特徴とする。これにより、保護膜と上部電極とを剥離させ、振動部の変位量が大きく高性能で、高集積化可能なインクジェット式記録ヘッドを容易に製造することができる。またこの方法により製造されたインクジェット式記録ヘッドを用いてプリンタを製造することにより、印字スピードが高く解像度の高いプリンタを容易に製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１７】
（インクジェットプリンタの全体構成）
図１は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが使用されるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体２に、トレイ３、排出口４および操作ボタン９が設けられている。さらに本体２の内部には、インクジェット式記録ヘッド１、供給機構６、制御回路８が備えられている。
【００１８】
インクジェット式記録ヘッド１は基板上に形成された複数の圧電体素子を備え、制御回路８から供給される吐出信号に対応して、ノズルからインクを吐出可能に構成されている。
【００１９】
本体２は、プリンタの筐体であって、用紙５をトレイ３から供給可能な位置に供給機構６を配置し、用紙５に印字可能なようにインクジェット式記録ヘッド１を配置している。トレイ３は、印字前の用紙５を供給機構６に供給可能に構成され、排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出する出口である。
【００２０】
供給機構６は、モータ６００、ローラ６０１・６０２、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ６００は、制御回路８から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ６００の回転力をローラ６０１・６０２に伝達可能に構成されている。ローラ６０１および６０２は、モータ６００の回転力が伝達されると回転するようになっており、回転によりトレイ３に載置された用紙５を引き込み、ヘッド１によって印刷可能に供給するようになっている。
【００２１】
制御回路８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路などを備え、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を供給機構６に供給したり、吐出信号をインクジェット式記録ヘッド１に供給したりできるようになっている。また、制御回路８は操作パネル９からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。
【００２２】
本実施形態のプリンタは、後述の高性能で高集積化が可能なインクジェット式記録ヘッドを備えているので、印字スピードが高く解像度の高いプリンタとなっている。
【００２３】
（インクジェット式記録ヘッドの構成）
図２は、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。インクジェット式記録ヘッド１は、図に示すように、ノズル板１０、圧力室基板２０および振動板３０を備えて構成されている。このヘッドは、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【００２４】
圧力室基板２０は、キャビティ（圧力室）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。キャビティ２１は、シリコン等の基板をエッチングすることにより形成されたインクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２はキャビティ２１間を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各キャビティ２１に充たすための流路となっている。供給口２４は、リザーバ２３から各キャビティ２１にインクを導入可能に形成されている。なおキャビティ２１などの形状はインクジェット方式によって種々に変形可能である。例えば平面的な形状のカイザー（Kyser）形であっても円筒形のゾルタン（Zoltan）形でもよい。またキャビティが１室形用に構成されていても２室形に構成されていてもよい。
【００２５】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられたキャビティ２１の各々に対応する位置にそのノズル穴１１が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合わせられている。ノズル板１０を貼り合わせた圧力室基板２０は、さらに筐体２５に納められて、インクジェット式記録ヘッド１を構成している。
【００２６】
振動板３０は圧力室基板２０の他方の面に貼り合わせられている。振動板３０には圧電体素子（図示しない）が設けられている。振動板３０には、インクタンク口（図示せず）が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板２０内部に供給可能になっている。
【００２７】
（層構造）
図３に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドのさらに具体的な構造を説明する断面図を示す。この断面図は、一つの圧電体素子に対応する部分の断面を拡大したものである。図に示すように、振動板３０は、絶縁膜３１および下部電極３２を積層して構成され、圧電体素子は下部電極３２上に圧電体膜４１及び上部電極４２を積層して構成されている。振動板３０及び圧電体素子の上面には、圧電体素子を覆う保護膜５１が積層されている。特にこのインクジェット式記録ヘッド１は、圧電体素子、キャビティ２１およびノズル穴１１が一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適時設計変更が可能である。例えば４００ｄｐｉ（dot per inch）になるように配置される。
【００２８】
絶縁膜３１は、導電性でない材料、例えばシリコン基板を熱酸化等して形成された二酸化珪素（ＳｉＯ２）により構成され、圧電体膜層の変形により変形し、キャビティ２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。絶縁膜３１上には下部電極３２を形成するが、絶縁膜３１と下部電極３２との間に酸化ジルコニウムの膜を形成しても良い。
【００２９】
下部電極３２は、圧電体膜層に電圧を印加するための一方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、白金（Ｐｔ）などにより構成されている。なお、下部電極３２はこれに限らず、白金と同じＦＣＣ構造を有する金属であるイリジウム（Ｉｒ）で構成しても良い。図に示す下部電極３２は、圧力室基板２０上に形成される複数の圧電体素子に共通な電極として機能するように絶縁膜３１と同じ領域に形成されている。ただし、圧電体膜４１と同様の大きさに、すなわち上部電極４２と同じ形状に形成することも可能である。この場合には、絶縁膜３１が振動板３０を構成する。
【００３０】
圧電体膜４１は例えばペロブスカイト構造を持つ圧電性セラミックスの結晶であり、振動板３０上に所定の形状で形成されて構成されている。その組成は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ０.５６、Ｔｉ０.４４）Ｏ３：ＰＺＴ）の他、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＺｒＯ３）またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＰＭＮ−ＰＺＴ）、ジルコニウム酸チタン酸バリウム（Ｂａ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＢＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢＴ）などでもよい。
【００３１】
上部電極４２は、圧電体膜層に電圧を印加するための他方の電極となり、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）で構成されている。
【００３２】
保護膜５１は、例えばパリレン等の、上部電極に対する密着性が低い材料で構成され、圧電体素子を振動板３０とともに被覆している。圧電体素子の駆動時には保護膜５１が上部電極４２に対して剥離される程度に、密着性が低いことが望ましい。
【００３３】
振動板３０上には、保護膜５１に対する密着性が上部電極４１より高い部分が存在する必要がある。特に振動板と保護膜との密着性を向上させる密着層５０が形成されていることが望ましい。密着層５０は例えばクロム（Ｃｒ）よりなり、保護膜５１を構成する上記パリレンと高い密着性を有するので、保護膜全体がインクジェット式記録ヘッドから剥離することを防止する。密着層５０は、基板２０がエッチングされずに残った部分、すなわち側壁２２に対向する部分に形成されることが望ましい。側壁２２に対向する部分は振動板３０のなかで最も振幅の小さい部分であり、ここに保護膜を密着させても振動板の振動を阻害しにくいからである。保護膜５１と上部電極４２との間には、空気層を形成してもよい。
【００３４】
（印刷動作）
上記インクジェット式記録ヘッド１の構成において、印刷動作を説明する。制御回路８から駆動信号が出力されると、供給機構６が動作し用紙５がヘッド１によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路８から吐出信号が供給されず圧電体素子の下部電極３２と上部電極４２との間に電圧が印加されていない場合、圧電体膜４１には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子が設けられているキャビティ２１には、圧力変化が生じず、そのノズル穴１１からインク滴は吐出されない。
【００３５】
一方、制御回路８から吐出信号が供給され圧電体素子の下部電極３２と上部電極４２との間に一定電圧が印加された場合、圧電体膜４１に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子が設けられているキャビティ２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このためキャビティ２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル穴１１からインク滴が吐出される。ヘッド中で印刷させたい位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。
【００３６】
（製造方法）
次に、この実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する。図４及び図５は、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【００３７】
絶縁膜形成工程（Ｓ１）
シリコン基板２０に絶縁膜３１を形成する。シリコン基板２０の厚みは、例えば２００μｍ程度のものを使用する。絶縁膜３１は例えば１μｍ程度の厚みに形成する。絶縁膜の製造には公知の熱酸化法等を用い、二酸化珪素の膜を形成する。なお、絶縁膜３１の上に、厚さ４００ｎｍ程度の酸化ジルコニウム膜（図示せず）を更に形成しても良い。
【００３８】
下部電極形成工程（Ｓ２）
次に、絶縁膜３１の上に下部電極３２を形成する。下部電極３２は、例えば白金又はイリジウムを２００ｎｍの厚みで積層する。これらの層の製造は公知の電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いる。
【００３９】
この実施形態では下部電極３２を基板全面に形成しているが、これに限らず、下部電極を所定形状にパターニングしてから以下の圧電体膜形成を行なってもよい。
【００４０】
圧電体前駆体膜の形成（Ｓ３）
次に、下部電極３２上に圧電体前駆体膜４１’を成膜する。圧電体前駆体膜は、後述の処理で結晶化されて圧電体膜４１となる以前の、非晶質膜として構成される。本実施例ではチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の前駆体膜をゾル・ゲル法で成膜する。なお、ＰＺＴの成膜方法はゾル・ゲル法に限定されるわけではなく、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等であってもよい。
【００４１】
ゾル・ゲル法とは、金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させるものである。具体的には、まず、基板上に金属有機化合物を含む溶液（ゾル）を塗布し、乾燥させる。用いられる金属有機化合物としては、無機酸化物を構成する金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド等のアルコキシドやアセテート化合物等が挙げられる。硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸塩等の無機塩でも良い。
【００４２】
この混合溶液を、下部電極上に例えば２０ｎｍの厚さに塗布する。塗布した段階では、ＰＺＴを構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。
【００４３】
塗布後、一定温度で一定時間乾燥させ、ゾルの溶媒を蒸発させる。例えば、乾燥温度は例えば１５０℃以上２００℃以下に設定する。好ましくは、１８０℃で乾燥させる。乾燥時間は例えば５分以上１５分以下にする。好ましくは１０分程度乾燥させる。
【００４４】
乾燥後、さらに大気雰囲気下において一定の脱脂温度で一定時間脱脂する。脱脂温度は、４００℃以上６００℃以下の範囲が好ましい。この範囲より高い温度では結晶化が始まってしまい、この範囲より低い温度では、十分な脱脂が行えないからである。好ましくは４５０℃〜５５０℃程度に設定する。脱脂時間は、例えば５分以上９０分以下にする。この範囲より長い時間では結晶化が始まってしまい、この範囲より短い時間では十分に脱脂されないからである。好ましくは１０分程度脱脂させる。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し酸化燃焼反応を生じ、大気中に飛散する。以上の工程により、圧電体前駆体膜４１’が形成される。
【００４５】
結晶化工程（Ｓ４）
上記の工程によって得られた圧電体前駆体膜４１’を加熱処理することによって結晶化させ、圧電体膜４１を形成する。焼結温度は材料により異なるが、例えば６５０℃で５分から３０分間加熱を行う。加熱装置としては、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置、拡散炉等を使用することができる。
【００４６】
この結晶化により、圧電体膜４１が形成される。この実施形態では、ゾルの塗布、乾燥、脱脂、パターニング、結晶化の工程を１回実施することにより圧電体膜４１を形成したが、これに限らず、２回またはそれ以上繰り返すことによって圧電体膜４１を厚膜化し、例えば１．４μｍ程度としても良い。
【００４７】
上部電極形成工程（Ｓ５）
以上により形成された圧電体膜４１上に上部電極４２を形成する。上部電極４２としては白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）その他の金属を用い、５０ｎｍの膜厚にＤＣスパッタ法で成膜する。
【００４８】
圧電体素子形成工程（図５：Ｓ６）
次に、上部電極４２上にレジストをスピンコートした後、インク室が形成されるべき位置に合わせて露光・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４２、圧電体膜４１をイオンミリング等でエッチングする。以上の工程により圧電体素子が形成される。なお、この工程において下部電極も同様にエッチングしても良い。
【００４９】
密着層の形成（Ｓ７）
次に、振動板３０上に保護膜５１との密着性の高い材料（クロムなど）で構成される密着層５０を厚さ５０ｎｍ程度に形成する。密着層５０は、インク室周囲の側壁２２に対向する部分に形成することが好ましい。
【００５０】
保護膜の形成（Ｓ８）
次に、振動板３０、密着層５０及び上部電極４２上に、上部電極との密着性の低い材料（パリレンなど）で構成される保護膜５１を厚さ１μｍ程度に形成する。図示の例では保護膜５１を振動板３０の全面に形成したが、これに限らず、圧電体素子を覆い振動板３０に密着することができれば、振動板の全面に形成しなくてもよい。
【００５１】
インクジェット式記録ヘッドの形成（Ｓ９、Ｓ１０）
更に、インク室基板２０にインク室２１を形成し、ノズル板１０を形成する。具体的には、インク室基板２０に、インク室が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、例えば平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いたドライエッチングや、水酸化カリウム水溶液を用いたウェットエッチングにより、予め定められた深さまでインク室基板２０をエッチングし、インク室２１を形成する。エッチングされずに残った部分は側壁２２となる。
【００５２】
更に、樹脂等を用いてノズル板１０をインク室基板２０に接合する。ノズル板１０をインク室基板２０に接合する際には、ノズル１１がインク室２１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。
【００５３】
なお、インク室２０及びノズル板１０の形成（Ｓ９、Ｓ１０）後に上記密着層５０及び保護膜５１の形成（Ｓ７、Ｓ８）を行なっても良い。
【００５４】
最後に、圧電体素子を駆動することにより、保護膜５１を密着性の低い上部電極４２に対して剥離させる。この剥離工程はインク室２１に対するインクの導入以前に行なうことが望ましい。また、必要に応じて上部電極４２と保護膜５１との間に不活性のガスを注入し、ガス層を形成してもよい。以上の工程により、インクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、保護膜の膜厚を減じることなく、振動部の変位量を確保でき、高性能で高集積化が可能なインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。また、上記のインクジェット式記録ヘッドを備え、印字速度が速く高解像度なプリンタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態インクジェット式記録ヘッドが使用されるプリンタの構造を説明する斜視図である。
【図２】本実施形態インクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。
【図３】本発明のインクジェット式記録ヘッドの具体的な構造を説明する断面図である。
【図４】本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【図５】本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【符号の説明】
１０…ノズル板、  ２０…圧力室基板、  ３０…振動板、  ３１…絶縁膜、  ３２…下部電極、  ４１…圧電体薄膜層、  ４２…上部電極、  ２１…キャビティ、５１…保護膜、５０…密着層
【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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