インクジェットヘッド
【課題】圧電素子の上部電極（個別電極）の接続信頼性を改善し、且つ振動板端の剛性を向上させることが可能なインクジェットヘッドを提供することを目的としている。
【解決手段】液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室を短手方向に配列した構成の流路基板と、前記流路基板において前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、前記上部電極と前記上部電極から引き出される個別電極配線とが前記個別液室の前記ノズル開口側と前記インク供給口側とで接続されおり、前記個別電極配線は、前記液室隔壁が形成される領域に形成される。
【解決手段】液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室を短手方向に配列した構成の流路基板と、前記流路基板において前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、前記上部電極と前記上部電極から引き出される個別電極配線とが前記個別液室の前記ノズル開口側と前記インク供給口側とで接続されおり、前記個別電極配線は、前記液室隔壁が形成される領域に形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室が短手方向に配列された流路基板と、前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、個別液室に圧力変動を発生させ、個別液室に形成された微小ノズルから液体を噴射させるインクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドを搭載する記録装置が知られている。
【０００３】
インクジェットヘッドの個別液室に圧力変動を発生させる方式は、複数のものが実用化、製品化されている。例としては、個別液室内にヒータを設置することで液体を気化させるサーマルインクジェット方式、個別液室にアクチュエータを設けた方式が挙げられる。アクチュエータを設けた方式は、アクチュエータの種類により圧電素子方式、静電方式等が例としてあげられる。
【０００４】
アクチュエータを用いた方式では幅広い物性のインクに対応可能である反面、個別液室の配列の高密度化、ヘッドの小型化が困難とされていたが、近年ではＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いることで高密度化する技術が確立されつつある。すなわち、個別液室に薄膜形成技術を用いて振動板、電極、圧電体等を積層し、半導体デバイス製造プロセス(フォトリソグラフィ)を用いて個別の圧電素子と配線をパターニングすることで高密度化が可能となっている。
【０００５】
圧電素子を構成する下部電極、圧電体、上部電極等は前述の薄膜形成プロセスを用いて形成されることから、５マイクロメートル以上の膜厚を積層することは困難となっており、プロセスコストの関係から電極材料を１μｍ以下とすることが必要となってくる。
【０００６】
特に圧電体は、薄膜形成プロセスで成膜されるため、バルクと比較するとフォトリソグラフィのプロセス環境(温度、プロセスガスなど)による劣化や、駆動回数、温湿度での劣化等が顕著に発生する傾向にある。
【０００７】
劣化の原因として、圧電体材料に広く用いられるペロブスカイト型酸化物の酸素欠損、Ｐｂ等の元素拡散等が要因とされている。この劣化に対する方策としては、電極材料に導電性酸化物材料等を用いることが有効とされているが、これらの酸化物材料は、電気抵抗の高さ、配線材料（金属）とのコンタクト（接続）抵抗が高いことが課題となっている。
【０００８】
さらに上部電極と、圧電素子を個別に駆動させるために上部電極から引き出される個別電極配線とのコンタクト（接続）は、素子の高密度化に伴い困難になる。また同時に、薄膜化、微細化による上部電極の高抵抗化により上部電極内での電圧降下の影響が発生するため、圧電素子の均一駆動が課題となる。
【０００９】
これらの対策として、上部電極に金属層を積層することが最も容易な対策となるが、プロセスコストの増加と前述の圧電体の劣化が課題となる。
【００１０】
配線抵抗の低抵抗化については共通電極に関する技術が例えば特許文献１な開示されている。特許文献１には、引き出し配線のプロセスを用いて共通電極のコンタクト数の増加とバイパス配線を設けることで、各々の素子間の共通電極抵抗による電圧降下を抑制し、素子間のばらつきを低減することが記載されている。また特許文献２には、圧電素子の長手方向の両端から引き出し配線を形成するプロセスで配線を形成することが記載されている。
【００１１】
また、薄膜プロセスで形成した圧電素子を用いた場合、振動板が数マイクロメートルの薄膜構成となるため、圧電素子を積層した場合の残留応力により振動板が変形しやすいという課題がある。さらに。流路を形成する基板厚さが薄くなるため強度確保と製造プロセスでの加工精度の向上が課題となっている。これらの課題への対策としては、特許文献３ないし５に記載される様に保持基板を用いる手法が開示されている。
【００１２】
特許文献３、４には、隔壁に対向する領域に電極を含む積層構造をパターニングすることが記載されている。特許文献５には、保持基板に振動室を形成し、接合した後に流路板を研磨・液室エッチングすることで振動板のたわみを抑制することが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来の技術では、各々の圧電素子の間に隔壁を設け、保持基板と接合することで振動板端を補強し、流路基板の剛性を高めることができるとしている。すなわち高密度化の際に生じるクロストークを低減できると同時に製造プロセスでのハンドリングが向上し量産性が高まるとし得る。しかしながら、上記の上部電極の接続信頼性・低抵抗化に対する施策については開示されていない。
【００１４】
本発明は、上記事情を鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、圧電素子の上部電極の接続信頼性を改善し、且つ振動板端の剛性を向上させることが可能なインクジェットヘッドを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記の目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。
【００１６】
本発明は、液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室が短手方向に配列された流路基板と、前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、前記上部電極と前記上部電極から引き出される個別電極配線とが前記個別液室に設けられた前記ノズル開口側と前記インク供給口側とで接続されており、前記個別電極配線は、前記液室隔壁が形成される領域に形成される。
【００１７】
また本発明のインクジェットヘッドは、前記振動板が形成された領域を凹部とした振動室と、前記振動室を区画する隔壁とを有し、前記振動室と前記隔壁とを短手方向に配列させた保持基板を有し、前記保持基板の前記隔壁と、前記流路基板の前記液室隔壁とが前記個別電極配線を介して接合されている。
【００１８】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記保持基板は、前記保持基板と前記流路基板とが接着層を介して接されたとき、前記流路基板の前記インク供給口と連通するように形成された共通液室が形成されており、前記インク供給口を囲む領域に、前記個別電極配線と同一膜厚の配線パターンが含まれる。
【００１９】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記個別電極配線の幅は、前記液室隔壁が形成される領域の前記流路基板の短手方向の幅よりも細い。
【００２０】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記振動室を区画する前記隔壁の前記保持基板の短手方向の幅は、前記個別電極配線の幅より細い。
【００２１】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記個別電極配線の下に層間絶縁膜が形成されており、前記個別電極配線は、コンタクトホールを介して前記上部電極と接続されており、前記個別電極配線の上部に絶縁体からなる保護層が形成され、前記流路基板と前記保持基板とは、少なくとも前記層間絶縁膜、前記個別電極配線、前記保護層を介して接合されている。
【００２２】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給口を囲む領域に形成された配線パターンと、前記下部電極から引き出される共通電極配線とが電気的に接続されている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、圧電素子の上部電極（個別電極）の接続信頼性を改善し、且つ振動板端の剛性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第一の図である。
【図２】第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第二の図である。
【図３】配線層のパターンを説明する図である。
【図４】隔壁、液室隔壁、個別電極配線の幅を説明するための図である。
【図５】第一の実施形態のインクジェットヘッドの製造過程を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態のインクジェットヘッドを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第一の図である。図１（Ａ）はインクジェットヘッド１００の上面図であり、図１（Ｂ）はインクジェットヘッド１００のＡ−Ａ断面図である。
【００２６】
図２は第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第二の図であり、図２（Ａ）はインクジェットヘッド１００のＢ−Ｂ断面図であり、図２（Ｂ）はインクジェットヘッド１００のＣ−Ｃ断面図である。尚図２は、本実施形態のインクジェットヘッドの概念的な図である。
【００２７】
本実施形態のインクジェットヘッド１００は、少なくとも流路基板１０、ノズルプレート１１、保持基板１２を含んで構成される。
【００２８】
保持基板１２には、複数の隔壁１３により区画された振動室１４がその幅方向に並設されている（図２（Ｂ）参照）。流路基板１０には、インク供給口１５から供給されたインク又は液体を、流体抵抗部１６を経由して個別液室１７に接続する流路を形成する。流体抵抗部１６は、振動室１４毎に振動室１４よりも狭い幅で形成されており、インク供給口１５から振動室１４へ流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００２９】
流路基板１０の下方にはノズル１８が形成されたノズルプレート１１が接合されている。インクジェットヘッド１００では、個別液室１７の上部に形成された振動板２０を変位させて個別液室１７に圧力変動を発生させ、ノズル１８からインク液滴を噴射する。振動板２０上には、振動板２０を変位させるアクチュエータ１９が形成されている。
【００３０】
本実施形態のアクチュエータ１９は、変位量を大きく取れる圧電素子２１を用いたものとした。圧電素子２１の振動室１４側には上部電極２２が形成されており、圧電素子２１と振動板２０との間には下部電極２３が形成されている。上部電極２２からは、圧電素子２１毎に個別の信号を供給するための個別電極配線２４が引き出される。下部電極２３からは、圧電素子２１毎に共通の信号を供給するための共通電極配線２５が引き出される。
【００３１】
本実施形態では、個別電極配線２４及び共通電極配線２５を介して、上部電極２２及び下部電極２３に駆動信号を入力することでアクチュエータ１９を駆動しインク液滴を吐出することが可能となる。
【００３２】
駆動信号は、個別電極配線２４と共通電極配線２５にＦＰＣ（Flexible printed circuits）やワイアボンディングを介して接合されたＩＣ（Integrated Circuit）から入力される。個別液室１７は、流路基板１０の短手方向に配列する構造をとり、各個別液室１７は液室隔壁２６によって区画されている。それぞれの個別液室１７毎にインク供給口１５、流体抵抗部１６、ノズル１８が形成されている。
【００３３】
インクはインク供給口１５を介して保持基板１２に形成された共通液室２７から供給される。共通液室２７へは任意の供給経路でインクを供給するが、例としてリザーバタンクからの供給が挙げられる。上記の基本的な液室、電極構成は圧電素子を用いたインクジェットヘッドとして公知のものとなっているが、本実施形態は個別電極配線２４の形状、構成に特徴を有するものであり、その特徴と効果については後に詳述する。
【００３４】
ノズルプレート１１は各個別液室１７に対応する位置にノズル１８を形成した基板である。本発明では個別液室１７毎にノズル１個が対応しており、個別液室１７の配列方向に倣ってノズル１８も配列される。
【００３５】
ノズルプレート１１の材料は任意のものを用いることができるが、加工性、材料物性（機械的特性）から適切な材料と厚さを選定する必要がある。材料の例としては、任意の金属または合金、誘電体、半導体、樹脂が挙げられるが、材料強度から金属、合金、誘電体、半導体から選定することが好ましい。樹脂を用いる場合は十分な剛性を確保するために厚くする必要があるため、ノズル形状の加工精度を維持するためにも好ましくない。
【００３６】
ノズルプレート１１の剛性が十分でない場合は個別液室１７の流体コンプライアンスが高くなり、アクチュエータ１９によって発生するエネルギーの損失が大きくなる。ノズルプレート１１の材料を金属、合金、誘電体、半導体から選定する場合は、インク材料との適正を考慮する必要がある。すなわち、インクとの長時間の接触による腐食、溶解、変質が発生しない材料を選定するか、表面処理を施す必要がある。
【００３７】
また、ノズル１８の加工方法は任意の手法を用いることができる。ノズルプレート１１の材料が金属、合金の場合は、加工方法としてプレス加工と研磨による手法、エッチング、レーザー加工が例として挙げられるが、ノズル径の均一性からプレス加工が好ましい。ノズルプレート１１の材料が誘電体、半導体の場合は、加工方法としてレーザー加工、フォトリソグラフィを用いた手法（ドライエッチング、ウェットエッチング等）を用いることができる。上記の材料に合わせて量産性と精度の両立できる加工方法を選定する必要がある。
【００３８】
ノズル１８のノズル径はインク物性、個別液室１７の配列の密度（解像度）、アクチュエータ１９の性能から適正な形状を選定する必要がある。本実施形態のインクジェットヘッド１００は１列あたり１５０〜６００ｄｐｉの解像度を想定しているため、ノズル径としては１２〜３０μｍ程度が好ましく、断面形状は図１（Ｂ）に示すようなテーパー形状とすることが好ましい。
【００３９】
ノズル１８の形成においては、ノズル径、真円度、ノズル中心軸の傾きの精度を高くすることが重要であり、これらがばらついた場合は、吐出曲がり、液滴径ばらつき、吐出速度ばらつき等に影響するため、好ましくない。
【００４０】
以上からインクに対する耐久性と加工精度、加工コストを考慮すると、本実施形態のノズルプレート１１の材料としては、耐腐食性の高い合金（例えばＳＵＳ（Stainless Used Steel））をプレス・研磨加工したものが好ましい。ノズルプレート１１は、例えば接着剤を用いた手法等の公知の技術により流路基板１０と接合される。本実施形態では、ノズルプレート接着層４６によりノズルプレート１１と流路基板１０とが接合されるものとした。
【００４１】
本実施形態の流路基板１０の材料は、金属、誘電体、半導体から任意の材料を選定することができるが、材料強度、加工性から適切な材料を選定する必要がある。半導体プロセス（フォトリソグラフィ）を用いてインク供給口１５、流体抵抗部１６、個別液室１７を高密度に形成することを考慮すると、本実施形態では、流路基板１０の材料をシリコンウェハとすることが好ましい。
【００４２】
流路基板１０上には、貫通口であるインク供給口１５から流体抵抗部１６を経由してノズル１８に連通する個別液室１７までの流路が形成されている必要がある。それぞれの形状はインク物性やアクチュエータ特性から最適値を選定する必要がある。３００ｄｐｉに配列する個別液室１７を例とすると、個別液室１７の幅(短手方向)は５０〜７０μｍ、個別液室１７の長さ(長手方向)は６００〜１６００μｍ、個別液室１７の深さは５０〜１００μｍである。各個別液室１７を区画する液室隔壁２６の幅は、４０〜１０μｍの範囲とすることが好ましい。高密度化のためには液室隔壁２６の幅を狭くする必要がある。しかし、液室隔壁２６の幅を１０μｍ以下とすると剛性が不十分となり、隣接する個別液室１７間で圧力変動のクロストークが発生し、隣接する個別液室１７を駆動した場合の吐出安定性に影響する。
【００４３】
流路基板１０に形成される個別液室１７のノズル１８に対向する面には、振動板２０が形成される。振動板２０の材料としては任意の金属、合金、誘電体、半導体を用いることができるが、本実施形態では高い剛性と加工性から誘電体、半導体もしくはこれらの積層構造体とすることが好ましい。
【００４４】
誘電体材料としては、Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，ＳｉＯ２，Ｙ２Ｏ３等の酸化物，ＳｉＮ，ＴｉＮ，ＡｌＮ等の窒化物，ＴｉＣ，ＳｉＣなどの炭化物が例として挙げられ、半導体としてはシリコン，ポリシリコン，アモルファスシリコンが挙げられる。これらの誘電体材料、半導体材料の複合化合物としてもよく、また積層構造体としても良い。
【００４５】
振動板２０の厚さは、吐出特性から最適化する必要があるが、０．５μｍから５μｍの範囲とすることが好ましい。振動板２０が硬い場合は大きな駆動電力を必要とし、柔らかい場合はコンプライアンスが高くなり吐出効率の低下や共振等の影響を受けやすくなる。
【００４６】
振動板２０上にはアクチュエータ１９が形成される。アクチュエータ１９は上部電極２２、圧電素子２１、下部電極２３を積層した構成とするのが一般的である。電極材料には任意の金属、導電体を用いることがでるが、圧電素子２１に接触する材料には導電性酸化物材料を用いることが好ましい。
【００４７】
電極材料は圧電体の物性、構造、構成元素に合わせて最適なものを選定することが必要である。材料の例としては、酸化イリジウム，酸化パラジウム等の白金族酸化物およびその複合酸化物やＮｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｂｉ等の金属酸化物および複合酸化物が例として挙げられる。
【００４８】
これらの酸化物電極材料は、抵抗率が金属、合金と比較すると非常に高くなることと、金属配線材料とのコンタクト電気的接続の安定性に課題があり、コンタクト抵抗が高くなる傾向にある。そのため、これらの酸化物電極から引き出し配線をとる場合は接続信頼性を確保するために複数のコンタクトを形成する必要がある。
【００４９】
特に個別液室１７の高密度化とヘッド小型化のためには、振動板２０の幅、上部電極２２、下部電極２３の幅ともに小さくなるため、限られた面積で複数のコンタクトを確保することが困難となる。また、振動板２０の上に個別電極配線２４などの厚い膜を形成することは、振動効率を低下させるため好ましくない。また、圧電素子２１を振動板２０の外に延ばし、コンタクト領域を確保することもできるが、振動板２０のエッジの応力が集中する領域に圧電素子２１が形成されるため、クラックによる絶縁破壊などの影響が懸念される。
【００５０】
これらの状況から、本実施形態では、図１に示すように、個別電極配線２４のコンタクトホール４１を個別液室１７の長手方向の両端部、すなわちインク供給口１５側とノズル１８側の双方でとることで対応している。本実施形態では、２つのコンタクトホール４１を介して個別電極配線２４が上部電極２２へ接続される。尚２つのコンタクトホール４１に接続された個別電極配線２４同士は、互いに接続されている。
【００５１】
また本実施形態では、にそれぞれの個別電極配線２４を、個別液室１７を区画する液室隔壁２６上に形成して上部電極２２と接続することで、振動板２０上への配線を回避し、振動効率の低下を防いでいる。本実施形態では、上記の構成により、上部電極２２と個別電極配線２４との電気的接続信頼性を確保することが可能となる。
【００５２】
また本実施形態では、個別電極配線２４及び共通電極配線２５が形成される配線層と上部電極２２及び下部電極２３との間に層間絶縁膜３１を形成する。層間絶縁膜３１は圧電素子２１の保護及び厚手素子２１と配線層との絶縁の機能を有する。層間絶縁膜３１の材料は、任意の誘電体を利用できるが、SiO2、Al2O3等の酸化膜やSiN、TiN、AｌN等の窒化物またはこれらの複合化合物を用いることが好ましい。
【００５３】
個別電極配線２４が形成された配線層と圧電素子２１とは層間絶縁膜３１に形成されるコンタクトホール４１で電気的に接続される。共通電極配線２５が形成された配線層と圧電素子２１とは層間絶縁膜３１に形成されるコンタクトホール４２で電気的に接続される。配線層の上には配線保護のための保護層４３が形成される。保護層４３の材料は層間絶縁膜３１と同様の誘電体材料を用いることができる。個別電極配線２４、共通電極配線２５の配線層、層間絶縁膜３１、保護層４３の膜厚は、配線抵抗、絶縁耐圧特性、透湿保護のためにそれぞれ０．５〜５μｍの範囲とすることが必要である。さらに好ましくは０．５〜２μｍの範囲である。また図１（Ｂ）に示すように、振動板２０の上は振動効率を高めるために、層間絶縁膜３１と保護層４３は除去されることが好ましい。
【００５４】
また本実施形態のインクジェットヘッド１００には、前述の流路基板１０上に共通液室２７を形成した保持基板１２を形成する。
【００５５】
保持基板１２には、インク供給口１５に接続する共通液室２７と、振動板２０の可動領域を確保する振動室１４が形成されている。振動室１４は、共通液室２７と流路基板１０との接合面により分離されており、振動領域の確保と圧電素子２１の保護の機能を有する。また本実施形態では、個別液室１７の短手方向の断面形状に示すように、個別液室１７の液室隔壁２６に相当する箇所に振動室１４の隔壁１３を形成することにより、流路基板１０の機械的強度を補強している。
【００５６】
前述の通り流路基板１０は、個別液室１７を区画する液室隔壁２６と振動板２０からなる構造のため強度が弱い部材となる。また流路基板１０の振動板２０上には、積層構造体であるアクチュエータ１９が形成されており残留応力があるため、流路基板１０が反りやすい傾向がある。本実施形態では、保持基板１２と流路基板１０とを接合することで流路基板１０の強度確保と反り低減が可能となる。
【００５７】
保持基板１２の材料は任意のものを使用することが可能であるが、強度、加工性から適切な材料を用いることが必要である。特に振動室１４は、個別液室１７の配列と同等の密度で配列させて液室隔壁２６を形成する必要があるため、半導体プロセスで形成できるシリコンウェハを用いることが好ましい。振動室１４の加工方法は任意の手法を用いることができるが、加工精度を確保するためには前述の半導体プロセス（フォトリソグラフィ）を用いることが好ましい。エッチングはドライエッチング、ウェットエッチングの任意の手法を用いることができるが、異方性ウェットエッチングを用いることで高精度の加工が可能となる。
【００５８】
本実施形態の保持基板１２は、流路基板１０の補強、保護できる厚さが必要である。厚さは材料によって異なるが、Ｓｉを用いた場合０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。また保持基板１２は、必要な強度および共通液室２７の体積を確保するために複数の部材の積層構造としても良い。積層構造とする場合は、流路基板１０に隣接する部材のみ微細加工が必要であり、積層部材は金属、樹脂等を用いることも可能である。
【００５９】
保持基板１２に形成される共通液室２７は保持基板１２と流路基板１０の接合により流路が封止される必要がある。保持基板１２と流路基板１０の接合は任意の手法を用いることができるが、接着剤での接合をすることができる。その場合、保持基板接着層４４を介して保持基板１２と流路基板１０とを接合するが、接合面の高さを揃えることが必要となる。本実施形態では、接合面の高さが異なる場合は保持基板接着層４４で高さの差異を補償する。そのためには保持基板接着層４４を流動性のある材料で厚く塗布し、加圧することで均一接合することになるが、加圧時に流動するため振動室１４の隔壁１３の保持基板接着層４４が振動板２０上に流出し振動を阻害する不具合が発生する。
【００６０】
そこで本実施形態では、保持基板１２と流路基板１０とを接合する際に封止される隔壁１３周辺及び共通液室２７周辺の封止領域を、層間絶縁膜３１、個別電極配線２４及び共通電極配線２５が形成される配線層、保護層４３、保持基板接着層４４、供給口周辺配線層４５が前述のとおり厚い膜であることを利用して接合面としている。
【００６１】
すなわち本実施形態では、共通液室２７の周囲の流路基板１０と保持基板１２との接合部は供給口周辺配線層４５を形成する。さらに本実施形態では、隔壁１３と液室隔壁２６の接合領域には、個別電極配線２４を配し、ヘッドエッジ部分には共通電極配線２５を配する。本実施形態では、この構成により、インク封止と流路基板１０の強度確保を両立することが可能である。
【００６２】
次に図３を参照して本実施形態のインクジェットヘッド１００の配線層のパターンを説明する。図３は、配線層のパターンを説明する図である。図３（Ａ）は引き出し配線層のパターンを示し、図３（Ｂ）は保持基板の接合領域を示す。
【００６３】
本実施形態では、配線層のパターンを利用することで流路基板１０と保持基板１２との封止性能と接合信頼性を高めることができる。その際、供給口周辺配線層４５を個別電極配線２４と電気的に分離させるため、共通液室２７の周囲を囲うことが必要である。図２に示すように、隔壁１３と共通液室２７の周囲の層構成は略同一となっている。但し、隔壁１３には層間絶縁膜３１下に下部電極２３が形成されているが、層間絶縁膜３１、個別電極配線２４、保護層４３に対して十分に薄いため接合には影響しない。すなわち接着層の弾性変形により吸収できるため、接合信頼性に影響しない。
【００６４】
次に図４を参照して本実施形態の隔壁１３、液室隔壁２６、個別電極配線２４の幅について説明する。図４は、隔壁、液室隔壁、個別電極配線の幅を説明するための図であり、図４（Ａ）は流路基板１０と保持基板１２との接合を説明する図であり、図４（Ｂ）は接合部分を拡大した図である。尚図４は、図２（Ｂ）に対応する断面図であり、より実形状に近いものである。
【００６５】
本実施形態では、振動室１４を区画する隔壁１３の幅Ｗ２、液室隔壁２６の幅Ｗ０、隔壁領域Ｓ１に形成される個別電極配線２４の幅Ｗ１とした場合に、Ｗ２＜Ｗ１＜Ｗ０とすることが好ましい。幅Ｗ１と幅Ｗ０の関係は個別液室形成用のフォトマスクの位置あわせ精度と個別電極配線用のフォトマスクの位置あわせ精度によって決定される。
【００６６】
すなわち位置あわせマージン相当分である幅Ｗ１を幅Ｗ０に対して細くする必要がある。Ｗ１＞Ｗ０とした場合や、個別電極配線２４の位置ずれにより個別電極配線２４が隔壁領域Ｓ１からはみ出した場合は、振動板２０上に厚い配線層が形成されることになり、振動特性を悪化させ、吐出性能が低下する。
【００６７】
同様に保持基板１２に形成される隔壁１３の幅Ｗ２は、接合時の位置あわせ精度を加味して幅Ｗ１より狭くする必要がある。すなわちＷ１＜Ｗ２とした場合、接合の位置ずれにより振動板２０側に接合領域が重なってしまう。また、流動性や塑性変形する接着層を用いた場合、接合時の加圧により保持基板接着層４４が振動板２０上にはみ出し、振動を低下させてしまい、吐出性能および吐出均一性を悪化させる。
【００６８】
本実施形態では、Ｗ１＞Ｗ２とすることで、上記の保持基板１２の接合位置ずれや、保持基板接着層４４のはみ出しによる振動板２０への影響を低減でき、吐出性能・吐出均一性を確保することができる。
【００６９】
保持基板１２は、前述の通り流路基板１０を補強する機能をもつが、流路基板１０の製造プロセスにおいても同様の機能を持たせることで、製造工程を安定させることができる。図５に第一の実施形態のインクジェットヘッドの製造過程を示す。
【００７０】
図５（Ａ）に示すとおりインク供給口１５、個別液室１７、流体抵抗部１６の加工前の流路基板１０上にアクチュエータ１９(下部電極２３、圧電素子２１、上部電極２２を順次積層、パターニング)を形成し層間絶縁膜３１を形成しコンタクトホール４１、４２を形成する。その後配線層を成膜し、フォトリソグラフィにより個別電極配線２４、共通電極配線２５および供給口周辺配線層４５をパターニングする。これらの配線層を同時に成膜・パターニングすることで均一膜厚とすることができ、流路基板１０と保持基板１２との接合面高さを均一にすることができる。次に保護層４３を成膜し圧電素子２１上部とインク供給口１５となる部分を除去する。
【００７１】
図５（Ｂ）において、流路基板１０と保持基板１２を接合する。保持基板１２は、振動室１４、インク供給口１５が形成され、保持基板１２の接合部に保持基板接着層４４を塗布されて流路基板１０と接合、加圧することで接合する。保持基板接着層４４の材料は基板材料に合わせて任意の材料を用いることができるが、一般的なエポキシ樹脂、アクリレート樹脂等を利用することができる。
【００７２】
図５（Ｃ）において、保持基板１２の接合後に流路基板１０を個別液室１７の深さ相当の厚さまで機械研磨する。本実施形態のインクジェットヘッド１００では、個別液室１７は深さ５０〜１００μｍが好ましい範囲である。
【００７３】
保持基板１２は研磨工程において流路基板１０の研磨による薄片化工程で基板強度を確保すると同時に、振動室１４の隔壁１３とインク供給口１５周辺部等の液室形成部およびその周辺領域を前述の配線パターンで均一接合できているため、液室形成部分の研磨厚さ、すなわち個別液室１７の深さを均一にすることが可能となる。
【００７４】
本実施形態では、図５（Ｄ）において、研磨後に個別液室１７、流体抵抗部１６、インク供給口１５等の流路を形成することで流路基板１０が完成する。流路基板１０の加工はエッチングで行うが、振動板２０を残して加工する必要がある。そのため、振動板２０の個別液室側の面を酸化物や窒化物などのエッチングストップ層とすることで振動板５０を残し個別液室１７の深さを高精度かつ均一に形成することができる。
【００７５】
形成した流路に図５（Ｅ）に示すとおり、ノズル１８が形成されたノズルプレート１１を接合する。ノズルプレート１１の接合は接着剤を用いたノズルプレート接着層４６により加圧接合するが、個別液室１７の液室隔壁２６を均一に接合する必要がある。液室隔壁２６の接合不良は個別液室１７間のリークパスとなり、隣接駆動の際のクロストーク等に影響する。
【００７６】
本実施形態では保持基板１２の振動室１４を区画する隔壁１３と流路基板１０の液室隔壁２６とが接合されている。したがって保持基板１２を介して流路基板１０とノズルプレート１１を加圧した場合でも、薄い流路基板１０が変形することがないため液室隔壁２６を均一に加圧することができる。その結果、本実施形態では、液室隔壁２６のノズルプレート１１との接合信頼性が向上し、個別液室１７間リークが無くクロストークが小さいインクジェットヘッドとすることが可能となる。
【００７７】
（第二の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。以下の本発明の第二の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。
【００７８】
図６は、本発明の第二の実施形態のインクジェットヘッドを説明する図である。第二の実施形態のインクジェットヘッド１００Ａは、配線層の形状以外は第一の実施形態のインクジェットヘッド１００と同様の構成であるため、説明を省略する。
【００７９】
図６に示すように、共通電極配線２５と供給口周辺配線層４５とを電気的に接続する接続部５０を有する。本実施形態では、接続部５０を有する構成により、供給口周辺配線層４５と下部電極２３とが同電位となるが、インク接触部は保護層４３で保護されるため電気的影響は無い。さらに上部電極２２のバイパス配線としてインク供給口１５の封止領域を利用することができるため、共通電極配線２５の電圧降下を低減でき、各ノズル毎のインク液滴の吐出均一性を高めることが可能となる。
【００８０】
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 流路基板
１１ ノズルプレート
１２ 保持基板
１３ 隔壁
１４ 振動室
１５ インク供給口
１６ 流体抵抗部
１７ 個別液室
１８ ノズル
１９ アクチュエータ
２０ 振動板
２１ 圧電素子
２２ 上部電極
２３ 下部電極
２４ 個別電極配線
２５ 共通電極配線
２６ 液室隔壁
２７ 共通液室
３１ 層間絶縁膜
４１、４２ コンタクトホール
４３ 保護層
４４ 保持基板接着層
４５ 供給口周辺配線層
５０ 接続部
１００、１００Ａ インクジェットヘッド
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８２】
【特許文献１】特開２００７−１１８２６５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５４９８７号公報
【特許文献３】特開２００４−０８２６２３号公報
【特許文献４】特開２００５−１４４８４７号公報
【特許文献５】特開平１１−２９１４９７号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室が短手方向に配列された流路基板と、前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、個別液室に圧力変動を発生させ、個別液室に形成された微小ノズルから液体を噴射させるインクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドを搭載する記録装置が知られている。
【０００３】
インクジェットヘッドの個別液室に圧力変動を発生させる方式は、複数のものが実用化、製品化されている。例としては、個別液室内にヒータを設置することで液体を気化させるサーマルインクジェット方式、個別液室にアクチュエータを設けた方式が挙げられる。アクチュエータを設けた方式は、アクチュエータの種類により圧電素子方式、静電方式等が例としてあげられる。
【０００４】
アクチュエータを用いた方式では幅広い物性のインクに対応可能である反面、個別液室の配列の高密度化、ヘッドの小型化が困難とされていたが、近年ではＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いることで高密度化する技術が確立されつつある。すなわち、個別液室に薄膜形成技術を用いて振動板、電極、圧電体等を積層し、半導体デバイス製造プロセス(フォトリソグラフィ)を用いて個別の圧電素子と配線をパターニングすることで高密度化が可能となっている。
【０００５】
圧電素子を構成する下部電極、圧電体、上部電極等は前述の薄膜形成プロセスを用いて形成されることから、５マイクロメートル以上の膜厚を積層することは困難となっており、プロセスコストの関係から電極材料を１μｍ以下とすることが必要となってくる。
【０００６】
特に圧電体は、薄膜形成プロセスで成膜されるため、バルクと比較するとフォトリソグラフィのプロセス環境(温度、プロセスガスなど)による劣化や、駆動回数、温湿度での劣化等が顕著に発生する傾向にある。
【０００７】
劣化の原因として、圧電体材料に広く用いられるペロブスカイト型酸化物の酸素欠損、Ｐｂ等の元素拡散等が要因とされている。この劣化に対する方策としては、電極材料に導電性酸化物材料等を用いることが有効とされているが、これらの酸化物材料は、電気抵抗の高さ、配線材料（金属）とのコンタクト（接続）抵抗が高いことが課題となっている。
【０００８】
さらに上部電極と、圧電素子を個別に駆動させるために上部電極から引き出される個別電極配線とのコンタクト（接続）は、素子の高密度化に伴い困難になる。また同時に、薄膜化、微細化による上部電極の高抵抗化により上部電極内での電圧降下の影響が発生するため、圧電素子の均一駆動が課題となる。
【０００９】
これらの対策として、上部電極に金属層を積層することが最も容易な対策となるが、プロセスコストの増加と前述の圧電体の劣化が課題となる。
【００１０】
配線抵抗の低抵抗化については共通電極に関する技術が例えば特許文献１な開示されている。特許文献１には、引き出し配線のプロセスを用いて共通電極のコンタクト数の増加とバイパス配線を設けることで、各々の素子間の共通電極抵抗による電圧降下を抑制し、素子間のばらつきを低減することが記載されている。また特許文献２には、圧電素子の長手方向の両端から引き出し配線を形成するプロセスで配線を形成することが記載されている。
【００１１】
また、薄膜プロセスで形成した圧電素子を用いた場合、振動板が数マイクロメートルの薄膜構成となるため、圧電素子を積層した場合の残留応力により振動板が変形しやすいという課題がある。さらに。流路を形成する基板厚さが薄くなるため強度確保と製造プロセスでの加工精度の向上が課題となっている。これらの課題への対策としては、特許文献３ないし５に記載される様に保持基板を用いる手法が開示されている。
【００１２】
特許文献３、４には、隔壁に対向する領域に電極を含む積層構造をパターニングすることが記載されている。特許文献５には、保持基板に振動室を形成し、接合した後に流路板を研磨・液室エッチングすることで振動板のたわみを抑制することが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来の技術では、各々の圧電素子の間に隔壁を設け、保持基板と接合することで振動板端を補強し、流路基板の剛性を高めることができるとしている。すなわち高密度化の際に生じるクロストークを低減できると同時に製造プロセスでのハンドリングが向上し量産性が高まるとし得る。しかしながら、上記の上部電極の接続信頼性・低抵抗化に対する施策については開示されていない。
【００１４】
本発明は、上記事情を鑑みてこれを解決すべくなされたものであり、圧電素子の上部電極の接続信頼性を改善し、且つ振動板端の剛性を向上させることが可能なインクジェットヘッドを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上記の目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。
【００１６】
本発明は、液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室が短手方向に配列された流路基板と、前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、前記上部電極と前記上部電極から引き出される個別電極配線とが前記個別液室に設けられた前記ノズル開口側と前記インク供給口側とで接続されており、前記個別電極配線は、前記液室隔壁が形成される領域に形成される。
【００１７】
また本発明のインクジェットヘッドは、前記振動板が形成された領域を凹部とした振動室と、前記振動室を区画する隔壁とを有し、前記振動室と前記隔壁とを短手方向に配列させた保持基板を有し、前記保持基板の前記隔壁と、前記流路基板の前記液室隔壁とが前記個別電極配線を介して接合されている。
【００１８】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記保持基板は、前記保持基板と前記流路基板とが接着層を介して接されたとき、前記流路基板の前記インク供給口と連通するように形成された共通液室が形成されており、前記インク供給口を囲む領域に、前記個別電極配線と同一膜厚の配線パターンが含まれる。
【００１９】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記個別電極配線の幅は、前記液室隔壁が形成される領域の前記流路基板の短手方向の幅よりも細い。
【００２０】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記振動室を区画する前記隔壁の前記保持基板の短手方向の幅は、前記個別電極配線の幅より細い。
【００２１】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記個別電極配線の下に層間絶縁膜が形成されており、前記個別電極配線は、コンタクトホールを介して前記上部電極と接続されており、前記個別電極配線の上部に絶縁体からなる保護層が形成され、前記流路基板と前記保持基板とは、少なくとも前記層間絶縁膜、前記個別電極配線、前記保護層を介して接合されている。
【００２２】
また本発明のインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給口を囲む領域に形成された配線パターンと、前記下部電極から引き出される共通電極配線とが電気的に接続されている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、圧電素子の上部電極（個別電極）の接続信頼性を改善し、且つ振動板端の剛性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第一の図である。
【図２】第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第二の図である。
【図３】配線層のパターンを説明する図である。
【図４】隔壁、液室隔壁、個別電極配線の幅を説明するための図である。
【図５】第一の実施形態のインクジェットヘッドの製造過程を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態のインクジェットヘッドを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第一の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第一の図である。図１（Ａ）はインクジェットヘッド１００の上面図であり、図１（Ｂ）はインクジェットヘッド１００のＡ−Ａ断面図である。
【００２６】
図２は第一の実施形態のインクジェットヘッドの構成例を示す第二の図であり、図２（Ａ）はインクジェットヘッド１００のＢ−Ｂ断面図であり、図２（Ｂ）はインクジェットヘッド１００のＣ−Ｃ断面図である。尚図２は、本実施形態のインクジェットヘッドの概念的な図である。
【００２７】
本実施形態のインクジェットヘッド１００は、少なくとも流路基板１０、ノズルプレート１１、保持基板１２を含んで構成される。
【００２８】
保持基板１２には、複数の隔壁１３により区画された振動室１４がその幅方向に並設されている（図２（Ｂ）参照）。流路基板１０には、インク供給口１５から供給されたインク又は液体を、流体抵抗部１６を経由して個別液室１７に接続する流路を形成する。流体抵抗部１６は、振動室１４毎に振動室１４よりも狭い幅で形成されており、インク供給口１５から振動室１４へ流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００２９】
流路基板１０の下方にはノズル１８が形成されたノズルプレート１１が接合されている。インクジェットヘッド１００では、個別液室１７の上部に形成された振動板２０を変位させて個別液室１７に圧力変動を発生させ、ノズル１８からインク液滴を噴射する。振動板２０上には、振動板２０を変位させるアクチュエータ１９が形成されている。
【００３０】
本実施形態のアクチュエータ１９は、変位量を大きく取れる圧電素子２１を用いたものとした。圧電素子２１の振動室１４側には上部電極２２が形成されており、圧電素子２１と振動板２０との間には下部電極２３が形成されている。上部電極２２からは、圧電素子２１毎に個別の信号を供給するための個別電極配線２４が引き出される。下部電極２３からは、圧電素子２１毎に共通の信号を供給するための共通電極配線２５が引き出される。
【００３１】
本実施形態では、個別電極配線２４及び共通電極配線２５を介して、上部電極２２及び下部電極２３に駆動信号を入力することでアクチュエータ１９を駆動しインク液滴を吐出することが可能となる。
【００３２】
駆動信号は、個別電極配線２４と共通電極配線２５にＦＰＣ（Flexible printed circuits）やワイアボンディングを介して接合されたＩＣ（Integrated Circuit）から入力される。個別液室１７は、流路基板１０の短手方向に配列する構造をとり、各個別液室１７は液室隔壁２６によって区画されている。それぞれの個別液室１７毎にインク供給口１５、流体抵抗部１６、ノズル１８が形成されている。
【００３３】
インクはインク供給口１５を介して保持基板１２に形成された共通液室２７から供給される。共通液室２７へは任意の供給経路でインクを供給するが、例としてリザーバタンクからの供給が挙げられる。上記の基本的な液室、電極構成は圧電素子を用いたインクジェットヘッドとして公知のものとなっているが、本実施形態は個別電極配線２４の形状、構成に特徴を有するものであり、その特徴と効果については後に詳述する。
【００３４】
ノズルプレート１１は各個別液室１７に対応する位置にノズル１８を形成した基板である。本発明では個別液室１７毎にノズル１個が対応しており、個別液室１７の配列方向に倣ってノズル１８も配列される。
【００３５】
ノズルプレート１１の材料は任意のものを用いることができるが、加工性、材料物性（機械的特性）から適切な材料と厚さを選定する必要がある。材料の例としては、任意の金属または合金、誘電体、半導体、樹脂が挙げられるが、材料強度から金属、合金、誘電体、半導体から選定することが好ましい。樹脂を用いる場合は十分な剛性を確保するために厚くする必要があるため、ノズル形状の加工精度を維持するためにも好ましくない。
【００３６】
ノズルプレート１１の剛性が十分でない場合は個別液室１７の流体コンプライアンスが高くなり、アクチュエータ１９によって発生するエネルギーの損失が大きくなる。ノズルプレート１１の材料を金属、合金、誘電体、半導体から選定する場合は、インク材料との適正を考慮する必要がある。すなわち、インクとの長時間の接触による腐食、溶解、変質が発生しない材料を選定するか、表面処理を施す必要がある。
【００３７】
また、ノズル１８の加工方法は任意の手法を用いることができる。ノズルプレート１１の材料が金属、合金の場合は、加工方法としてプレス加工と研磨による手法、エッチング、レーザー加工が例として挙げられるが、ノズル径の均一性からプレス加工が好ましい。ノズルプレート１１の材料が誘電体、半導体の場合は、加工方法としてレーザー加工、フォトリソグラフィを用いた手法（ドライエッチング、ウェットエッチング等）を用いることができる。上記の材料に合わせて量産性と精度の両立できる加工方法を選定する必要がある。
【００３８】
ノズル１８のノズル径はインク物性、個別液室１７の配列の密度（解像度）、アクチュエータ１９の性能から適正な形状を選定する必要がある。本実施形態のインクジェットヘッド１００は１列あたり１５０〜６００ｄｐｉの解像度を想定しているため、ノズル径としては１２〜３０μｍ程度が好ましく、断面形状は図１（Ｂ）に示すようなテーパー形状とすることが好ましい。
【００３９】
ノズル１８の形成においては、ノズル径、真円度、ノズル中心軸の傾きの精度を高くすることが重要であり、これらがばらついた場合は、吐出曲がり、液滴径ばらつき、吐出速度ばらつき等に影響するため、好ましくない。
【００４０】
以上からインクに対する耐久性と加工精度、加工コストを考慮すると、本実施形態のノズルプレート１１の材料としては、耐腐食性の高い合金（例えばＳＵＳ（Stainless Used Steel））をプレス・研磨加工したものが好ましい。ノズルプレート１１は、例えば接着剤を用いた手法等の公知の技術により流路基板１０と接合される。本実施形態では、ノズルプレート接着層４６によりノズルプレート１１と流路基板１０とが接合されるものとした。
【００４１】
本実施形態の流路基板１０の材料は、金属、誘電体、半導体から任意の材料を選定することができるが、材料強度、加工性から適切な材料を選定する必要がある。半導体プロセス（フォトリソグラフィ）を用いてインク供給口１５、流体抵抗部１６、個別液室１７を高密度に形成することを考慮すると、本実施形態では、流路基板１０の材料をシリコンウェハとすることが好ましい。
【００４２】
流路基板１０上には、貫通口であるインク供給口１５から流体抵抗部１６を経由してノズル１８に連通する個別液室１７までの流路が形成されている必要がある。それぞれの形状はインク物性やアクチュエータ特性から最適値を選定する必要がある。３００ｄｐｉに配列する個別液室１７を例とすると、個別液室１７の幅(短手方向)は５０〜７０μｍ、個別液室１７の長さ(長手方向)は６００〜１６００μｍ、個別液室１７の深さは５０〜１００μｍである。各個別液室１７を区画する液室隔壁２６の幅は、４０〜１０μｍの範囲とすることが好ましい。高密度化のためには液室隔壁２６の幅を狭くする必要がある。しかし、液室隔壁２６の幅を１０μｍ以下とすると剛性が不十分となり、隣接する個別液室１７間で圧力変動のクロストークが発生し、隣接する個別液室１７を駆動した場合の吐出安定性に影響する。
【００４３】
流路基板１０に形成される個別液室１７のノズル１８に対向する面には、振動板２０が形成される。振動板２０の材料としては任意の金属、合金、誘電体、半導体を用いることができるが、本実施形態では高い剛性と加工性から誘電体、半導体もしくはこれらの積層構造体とすることが好ましい。
【００４４】
誘電体材料としては、Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，ＳｉＯ２，Ｙ２Ｏ３等の酸化物，ＳｉＮ，ＴｉＮ，ＡｌＮ等の窒化物，ＴｉＣ，ＳｉＣなどの炭化物が例として挙げられ、半導体としてはシリコン，ポリシリコン，アモルファスシリコンが挙げられる。これらの誘電体材料、半導体材料の複合化合物としてもよく、また積層構造体としても良い。
【００４５】
振動板２０の厚さは、吐出特性から最適化する必要があるが、０．５μｍから５μｍの範囲とすることが好ましい。振動板２０が硬い場合は大きな駆動電力を必要とし、柔らかい場合はコンプライアンスが高くなり吐出効率の低下や共振等の影響を受けやすくなる。
【００４６】
振動板２０上にはアクチュエータ１９が形成される。アクチュエータ１９は上部電極２２、圧電素子２１、下部電極２３を積層した構成とするのが一般的である。電極材料には任意の金属、導電体を用いることがでるが、圧電素子２１に接触する材料には導電性酸化物材料を用いることが好ましい。
【００４７】
電極材料は圧電体の物性、構造、構成元素に合わせて最適なものを選定することが必要である。材料の例としては、酸化イリジウム，酸化パラジウム等の白金族酸化物およびその複合酸化物やＮｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｂｉ等の金属酸化物および複合酸化物が例として挙げられる。
【００４８】
これらの酸化物電極材料は、抵抗率が金属、合金と比較すると非常に高くなることと、金属配線材料とのコンタクト電気的接続の安定性に課題があり、コンタクト抵抗が高くなる傾向にある。そのため、これらの酸化物電極から引き出し配線をとる場合は接続信頼性を確保するために複数のコンタクトを形成する必要がある。
【００４９】
特に個別液室１７の高密度化とヘッド小型化のためには、振動板２０の幅、上部電極２２、下部電極２３の幅ともに小さくなるため、限られた面積で複数のコンタクトを確保することが困難となる。また、振動板２０の上に個別電極配線２４などの厚い膜を形成することは、振動効率を低下させるため好ましくない。また、圧電素子２１を振動板２０の外に延ばし、コンタクト領域を確保することもできるが、振動板２０のエッジの応力が集中する領域に圧電素子２１が形成されるため、クラックによる絶縁破壊などの影響が懸念される。
【００５０】
これらの状況から、本実施形態では、図１に示すように、個別電極配線２４のコンタクトホール４１を個別液室１７の長手方向の両端部、すなわちインク供給口１５側とノズル１８側の双方でとることで対応している。本実施形態では、２つのコンタクトホール４１を介して個別電極配線２４が上部電極２２へ接続される。尚２つのコンタクトホール４１に接続された個別電極配線２４同士は、互いに接続されている。
【００５１】
また本実施形態では、にそれぞれの個別電極配線２４を、個別液室１７を区画する液室隔壁２６上に形成して上部電極２２と接続することで、振動板２０上への配線を回避し、振動効率の低下を防いでいる。本実施形態では、上記の構成により、上部電極２２と個別電極配線２４との電気的接続信頼性を確保することが可能となる。
【００５２】
また本実施形態では、個別電極配線２４及び共通電極配線２５が形成される配線層と上部電極２２及び下部電極２３との間に層間絶縁膜３１を形成する。層間絶縁膜３１は圧電素子２１の保護及び厚手素子２１と配線層との絶縁の機能を有する。層間絶縁膜３１の材料は、任意の誘電体を利用できるが、SiO2、Al2O3等の酸化膜やSiN、TiN、AｌN等の窒化物またはこれらの複合化合物を用いることが好ましい。
【００５３】
個別電極配線２４が形成された配線層と圧電素子２１とは層間絶縁膜３１に形成されるコンタクトホール４１で電気的に接続される。共通電極配線２５が形成された配線層と圧電素子２１とは層間絶縁膜３１に形成されるコンタクトホール４２で電気的に接続される。配線層の上には配線保護のための保護層４３が形成される。保護層４３の材料は層間絶縁膜３１と同様の誘電体材料を用いることができる。個別電極配線２４、共通電極配線２５の配線層、層間絶縁膜３１、保護層４３の膜厚は、配線抵抗、絶縁耐圧特性、透湿保護のためにそれぞれ０．５〜５μｍの範囲とすることが必要である。さらに好ましくは０．５〜２μｍの範囲である。また図１（Ｂ）に示すように、振動板２０の上は振動効率を高めるために、層間絶縁膜３１と保護層４３は除去されることが好ましい。
【００５４】
また本実施形態のインクジェットヘッド１００には、前述の流路基板１０上に共通液室２７を形成した保持基板１２を形成する。
【００５５】
保持基板１２には、インク供給口１５に接続する共通液室２７と、振動板２０の可動領域を確保する振動室１４が形成されている。振動室１４は、共通液室２７と流路基板１０との接合面により分離されており、振動領域の確保と圧電素子２１の保護の機能を有する。また本実施形態では、個別液室１７の短手方向の断面形状に示すように、個別液室１７の液室隔壁２６に相当する箇所に振動室１４の隔壁１３を形成することにより、流路基板１０の機械的強度を補強している。
【００５６】
前述の通り流路基板１０は、個別液室１７を区画する液室隔壁２６と振動板２０からなる構造のため強度が弱い部材となる。また流路基板１０の振動板２０上には、積層構造体であるアクチュエータ１９が形成されており残留応力があるため、流路基板１０が反りやすい傾向がある。本実施形態では、保持基板１２と流路基板１０とを接合することで流路基板１０の強度確保と反り低減が可能となる。
【００５７】
保持基板１２の材料は任意のものを使用することが可能であるが、強度、加工性から適切な材料を用いることが必要である。特に振動室１４は、個別液室１７の配列と同等の密度で配列させて液室隔壁２６を形成する必要があるため、半導体プロセスで形成できるシリコンウェハを用いることが好ましい。振動室１４の加工方法は任意の手法を用いることができるが、加工精度を確保するためには前述の半導体プロセス（フォトリソグラフィ）を用いることが好ましい。エッチングはドライエッチング、ウェットエッチングの任意の手法を用いることができるが、異方性ウェットエッチングを用いることで高精度の加工が可能となる。
【００５８】
本実施形態の保持基板１２は、流路基板１０の補強、保護できる厚さが必要である。厚さは材料によって異なるが、Ｓｉを用いた場合０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。また保持基板１２は、必要な強度および共通液室２７の体積を確保するために複数の部材の積層構造としても良い。積層構造とする場合は、流路基板１０に隣接する部材のみ微細加工が必要であり、積層部材は金属、樹脂等を用いることも可能である。
【００５９】
保持基板１２に形成される共通液室２７は保持基板１２と流路基板１０の接合により流路が封止される必要がある。保持基板１２と流路基板１０の接合は任意の手法を用いることができるが、接着剤での接合をすることができる。その場合、保持基板接着層４４を介して保持基板１２と流路基板１０とを接合するが、接合面の高さを揃えることが必要となる。本実施形態では、接合面の高さが異なる場合は保持基板接着層４４で高さの差異を補償する。そのためには保持基板接着層４４を流動性のある材料で厚く塗布し、加圧することで均一接合することになるが、加圧時に流動するため振動室１４の隔壁１３の保持基板接着層４４が振動板２０上に流出し振動を阻害する不具合が発生する。
【００６０】
そこで本実施形態では、保持基板１２と流路基板１０とを接合する際に封止される隔壁１３周辺及び共通液室２７周辺の封止領域を、層間絶縁膜３１、個別電極配線２４及び共通電極配線２５が形成される配線層、保護層４３、保持基板接着層４４、供給口周辺配線層４５が前述のとおり厚い膜であることを利用して接合面としている。
【００６１】
すなわち本実施形態では、共通液室２７の周囲の流路基板１０と保持基板１２との接合部は供給口周辺配線層４５を形成する。さらに本実施形態では、隔壁１３と液室隔壁２６の接合領域には、個別電極配線２４を配し、ヘッドエッジ部分には共通電極配線２５を配する。本実施形態では、この構成により、インク封止と流路基板１０の強度確保を両立することが可能である。
【００６２】
次に図３を参照して本実施形態のインクジェットヘッド１００の配線層のパターンを説明する。図３は、配線層のパターンを説明する図である。図３（Ａ）は引き出し配線層のパターンを示し、図３（Ｂ）は保持基板の接合領域を示す。
【００６３】
本実施形態では、配線層のパターンを利用することで流路基板１０と保持基板１２との封止性能と接合信頼性を高めることができる。その際、供給口周辺配線層４５を個別電極配線２４と電気的に分離させるため、共通液室２７の周囲を囲うことが必要である。図２に示すように、隔壁１３と共通液室２７の周囲の層構成は略同一となっている。但し、隔壁１３には層間絶縁膜３１下に下部電極２３が形成されているが、層間絶縁膜３１、個別電極配線２４、保護層４３に対して十分に薄いため接合には影響しない。すなわち接着層の弾性変形により吸収できるため、接合信頼性に影響しない。
【００６４】
次に図４を参照して本実施形態の隔壁１３、液室隔壁２６、個別電極配線２４の幅について説明する。図４は、隔壁、液室隔壁、個別電極配線の幅を説明するための図であり、図４（Ａ）は流路基板１０と保持基板１２との接合を説明する図であり、図４（Ｂ）は接合部分を拡大した図である。尚図４は、図２（Ｂ）に対応する断面図であり、より実形状に近いものである。
【００６５】
本実施形態では、振動室１４を区画する隔壁１３の幅Ｗ２、液室隔壁２６の幅Ｗ０、隔壁領域Ｓ１に形成される個別電極配線２４の幅Ｗ１とした場合に、Ｗ２＜Ｗ１＜Ｗ０とすることが好ましい。幅Ｗ１と幅Ｗ０の関係は個別液室形成用のフォトマスクの位置あわせ精度と個別電極配線用のフォトマスクの位置あわせ精度によって決定される。
【００６６】
すなわち位置あわせマージン相当分である幅Ｗ１を幅Ｗ０に対して細くする必要がある。Ｗ１＞Ｗ０とした場合や、個別電極配線２４の位置ずれにより個別電極配線２４が隔壁領域Ｓ１からはみ出した場合は、振動板２０上に厚い配線層が形成されることになり、振動特性を悪化させ、吐出性能が低下する。
【００６７】
同様に保持基板１２に形成される隔壁１３の幅Ｗ２は、接合時の位置あわせ精度を加味して幅Ｗ１より狭くする必要がある。すなわちＷ１＜Ｗ２とした場合、接合の位置ずれにより振動板２０側に接合領域が重なってしまう。また、流動性や塑性変形する接着層を用いた場合、接合時の加圧により保持基板接着層４４が振動板２０上にはみ出し、振動を低下させてしまい、吐出性能および吐出均一性を悪化させる。
【００６８】
本実施形態では、Ｗ１＞Ｗ２とすることで、上記の保持基板１２の接合位置ずれや、保持基板接着層４４のはみ出しによる振動板２０への影響を低減でき、吐出性能・吐出均一性を確保することができる。
【００６９】
保持基板１２は、前述の通り流路基板１０を補強する機能をもつが、流路基板１０の製造プロセスにおいても同様の機能を持たせることで、製造工程を安定させることができる。図５に第一の実施形態のインクジェットヘッドの製造過程を示す。
【００７０】
図５（Ａ）に示すとおりインク供給口１５、個別液室１７、流体抵抗部１６の加工前の流路基板１０上にアクチュエータ１９(下部電極２３、圧電素子２１、上部電極２２を順次積層、パターニング)を形成し層間絶縁膜３１を形成しコンタクトホール４１、４２を形成する。その後配線層を成膜し、フォトリソグラフィにより個別電極配線２４、共通電極配線２５および供給口周辺配線層４５をパターニングする。これらの配線層を同時に成膜・パターニングすることで均一膜厚とすることができ、流路基板１０と保持基板１２との接合面高さを均一にすることができる。次に保護層４３を成膜し圧電素子２１上部とインク供給口１５となる部分を除去する。
【００７１】
図５（Ｂ）において、流路基板１０と保持基板１２を接合する。保持基板１２は、振動室１４、インク供給口１５が形成され、保持基板１２の接合部に保持基板接着層４４を塗布されて流路基板１０と接合、加圧することで接合する。保持基板接着層４４の材料は基板材料に合わせて任意の材料を用いることができるが、一般的なエポキシ樹脂、アクリレート樹脂等を利用することができる。
【００７２】
図５（Ｃ）において、保持基板１２の接合後に流路基板１０を個別液室１７の深さ相当の厚さまで機械研磨する。本実施形態のインクジェットヘッド１００では、個別液室１７は深さ５０〜１００μｍが好ましい範囲である。
【００７３】
保持基板１２は研磨工程において流路基板１０の研磨による薄片化工程で基板強度を確保すると同時に、振動室１４の隔壁１３とインク供給口１５周辺部等の液室形成部およびその周辺領域を前述の配線パターンで均一接合できているため、液室形成部分の研磨厚さ、すなわち個別液室１７の深さを均一にすることが可能となる。
【００７４】
本実施形態では、図５（Ｄ）において、研磨後に個別液室１７、流体抵抗部１６、インク供給口１５等の流路を形成することで流路基板１０が完成する。流路基板１０の加工はエッチングで行うが、振動板２０を残して加工する必要がある。そのため、振動板２０の個別液室側の面を酸化物や窒化物などのエッチングストップ層とすることで振動板５０を残し個別液室１７の深さを高精度かつ均一に形成することができる。
【００７５】
形成した流路に図５（Ｅ）に示すとおり、ノズル１８が形成されたノズルプレート１１を接合する。ノズルプレート１１の接合は接着剤を用いたノズルプレート接着層４６により加圧接合するが、個別液室１７の液室隔壁２６を均一に接合する必要がある。液室隔壁２６の接合不良は個別液室１７間のリークパスとなり、隣接駆動の際のクロストーク等に影響する。
【００７６】
本実施形態では保持基板１２の振動室１４を区画する隔壁１３と流路基板１０の液室隔壁２６とが接合されている。したがって保持基板１２を介して流路基板１０とノズルプレート１１を加圧した場合でも、薄い流路基板１０が変形することがないため液室隔壁２６を均一に加圧することができる。その結果、本実施形態では、液室隔壁２６のノズルプレート１１との接合信頼性が向上し、個別液室１７間リークが無くクロストークが小さいインクジェットヘッドとすることが可能となる。
【００７７】
（第二の実施形態）
以下に図面を参照して本発明の第二の実施形態について説明する。以下の本発明の第二の実施形態の説明では、第一の実施形態と同様の機能構成を有するものには第一の実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。
【００７８】
図６は、本発明の第二の実施形態のインクジェットヘッドを説明する図である。第二の実施形態のインクジェットヘッド１００Ａは、配線層の形状以外は第一の実施形態のインクジェットヘッド１００と同様の構成であるため、説明を省略する。
【００７９】
図６に示すように、共通電極配線２５と供給口周辺配線層４５とを電気的に接続する接続部５０を有する。本実施形態では、接続部５０を有する構成により、供給口周辺配線層４５と下部電極２３とが同電位となるが、インク接触部は保護層４３で保護されるため電気的影響は無い。さらに上部電極２２のバイパス配線としてインク供給口１５の封止領域を利用することができるため、共通電極配線２５の電圧降下を低減でき、各ノズル毎のインク液滴の吐出均一性を高めることが可能となる。
【００８０】
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０ 流路基板
１１ ノズルプレート
１２ 保持基板
１３ 隔壁
１４ 振動室
１５ インク供給口
１６ 流体抵抗部
１７ 個別液室
１８ ノズル
１９ アクチュエータ
２０ 振動板
２１ 圧電素子
２２ 上部電極
２３ 下部電極
２４ 個別電極配線
２５ 共通電極配線
２６ 液室隔壁
２７ 共通液室
３１ 層間絶縁膜
４１、４２ コンタクトホール
４３ 保護層
４４ 保持基板接着層
４５ 供給口周辺配線層
５０ 接続部
１００、１００Ａ インクジェットヘッド
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８２】
【特許文献１】特開２００７−１１８２６５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５４９８７号公報
【特許文献３】特開２００４−０８２６２３号公報
【特許文献４】特開２００５−１４４８４７号公報
【特許文献５】特開平１１−２９１４９７号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室が短手方向に配列された流路基板と、前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、
前記上部電極と前記上部電極から引き出される個別電極配線とが前記個別液室に設けられた前記ノズル開口側と前記インク供給口側とで接続されており、
前記個別電極配線は、前記液室隔壁が形成される領域に形成されるインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記振動板が形成された領域を凹部とした振動室と、前記振動室を区画する隔壁とを有し、前記振動室と前記隔壁とを短手方向に配列させた保持基板を有し、
前記保持基板の前記隔壁と、前記流路基板の前記液室隔壁とが前記個別電極配線を介して接合されている請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記保持基板は、
前記保持基板と前記流路基板とが接着層を介して接されたとき、前記流路基板の前記インク供給口と連通するように形成された共通液室が形成されており、
前記インク供給口を囲む領域に、前記個別電極配線と同一膜厚の配線パターンが含まれる請求項２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記個別電極配線の幅は、
前記液室隔壁が形成される領域の前記流路基板の短手方向の幅よりも細い請求項２又は３記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記振動室を区画する前記隔壁の前記保持基板の短手方向の幅は、
前記個別電極配線の幅より細い請求項２ないし４の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記個別電極配線の下に層間絶縁膜が形成されており、
前記個別電極配線は、
コンタクトホールを介して前記上部電極と接続されており、前記個別電極配線の上部に絶縁体からなる保護層が形成され、
前記流路基板と前記保持基板とは、少なくとも前記層間絶縁膜、前記個別電極配線、前記保護層を介して接合されている請求項２ないし５の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記インク供給口を囲む領域に形成された配線パターンと、前記下部電極から引き出される共通電極配線とが電気的に接続されている請求項３ないし６の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１】
液室隔壁によって区画されておりインク供給口と連通した個別液室が短手方向に配列された流路基板と、前記個別液室に設けられたノズル開口と対向する面に形成された振動板と、前記振動板上に下部電極、圧電素子、上部電極を積層して形成されたアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、
前記上部電極と前記上部電極から引き出される個別電極配線とが前記個別液室に設けられた前記ノズル開口側と前記インク供給口側とで接続されており、
前記個別電極配線は、前記液室隔壁が形成される領域に形成されるインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記振動板が形成された領域を凹部とした振動室と、前記振動室を区画する隔壁とを有し、前記振動室と前記隔壁とを短手方向に配列させた保持基板を有し、
前記保持基板の前記隔壁と、前記流路基板の前記液室隔壁とが前記個別電極配線を介して接合されている請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記保持基板は、
前記保持基板と前記流路基板とが接着層を介して接されたとき、前記流路基板の前記インク供給口と連通するように形成された共通液室が形成されており、
前記インク供給口を囲む領域に、前記個別電極配線と同一膜厚の配線パターンが含まれる請求項２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記個別電極配線の幅は、
前記液室隔壁が形成される領域の前記流路基板の短手方向の幅よりも細い請求項２又は３記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記振動室を区画する前記隔壁の前記保持基板の短手方向の幅は、
前記個別電極配線の幅より細い請求項２ないし４の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記個別電極配線の下に層間絶縁膜が形成されており、
前記個別電極配線は、
コンタクトホールを介して前記上部電極と接続されており、前記個別電極配線の上部に絶縁体からなる保護層が形成され、
前記流路基板と前記保持基板とは、少なくとも前記層間絶縁膜、前記個別電極配線、前記保護層を介して接合されている請求項２ないし５の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記インク供給口を囲む領域に形成された配線パターンと、前記下部電極から引き出される共通電極配線とが電気的に接続されている請求項３ないし６の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−６１７５０（Ｐ２０１２−６１７５０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０８２０６（Ｐ２０１０−２０８２０６）
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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