液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
【課題】 圧電素子の破壊を長期間に亘って確実に防止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。
【解決手段】 圧電素子３００を第１リード電極９０及び第２リード電極９１との接続部を除いて耐湿性を有する材料からなる保護膜１００によって覆い、且つ、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を保護膜１００上に延設し、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域をポリイミド製の絶縁膜１１０で覆い、防湿性を持たせると共に結露による接続部での上電極膜８０と下電極膜６０との短絡を防止する。
【解決手段】 圧電素子３００を第１リード電極９０及び第２リード電極９１との接続部を除いて耐湿性を有する材料からなる保護膜１００によって覆い、且つ、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を保護膜１００上に延設し、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域をポリイミド製の絶縁膜１１０で覆い、防湿性を持たせると共に結露による接続部での上電極膜８０と下電極膜６０との短絡を防止する。
【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その製造方法並びに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という問題がある。
【０００６】
この問題を解決するために、圧電素子を構成する電極の上面の少なくとも周縁及び圧電体層の側面を覆うように、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは感光性ポリイミドからなる薄い絶縁体層を設け、この絶縁体層上に、導電パターン（リード電極）が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような構成とすることで、圧電素子への水分の浸透を防止することができる。
【０００７】
リード電極は、各圧力発生室に対する圧電素子に共通する共通電極と、圧力発生室毎に設けられた個別電極とにそれぞれ接続されている。共通電極に接続されるリード電極は接地のために適宜数設けられ、個別電極に接続されるリード電極に対して隣接して配置されている構造も多く採用されている。このような構成では、限られたスペースに複数のリード電極が配置されるため、共通電極に接続されるリード電極と個別電極に接続されるリード電極とが近接して配されている。
【０００８】
圧電素子の上側の空間が大気と連通している液体噴射ヘッドにあっては、リード電極と個別電極との接続部である窓部から水分が透過する虞は否めない。急激な湿度変動によってリード電極上に結露が発生することも考えられ、結露が発生すると、共通電極に接続されるリード電極と個別電極に接続されるリード電極とが短絡することが考えられる。このような場合、液体噴射ヘッドの破壊にもつながるため、液体噴射ヘッドの信頼性を高めるためにも、電力供給側のリード電極と接地側のリード電極との短絡を的確に防止する策を講じる必要があるのが現状である。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。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２２６０７１号公報（第２図、段落［００１５］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の破壊を長期間に亘って確実に防止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】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の第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共通電極、圧電体層及び個別電極からなる圧電素子と、該圧電素子の個別電極から引き出される第１リード電極と、前記圧電素子の共通電極から引き出される第２リード電極とを具備し、前記圧電素子が前記第１リード電極及び前記第２リード電極との接続部を除いて耐湿性を有する材料からなる保護膜によって覆われ、且つ、前記第１リード電極及び前記第２リード電極が前記保護膜上に延設されると共に、少なくとも前記第１リード電極及び前記第２リード電極の前記圧電素子に対する接続部を含む領域が絶縁膜により覆わ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１の態様では、保護膜によって圧電体層への水分の浸透が確実に防止され、水分（湿気）に起因する圧電体層（圧電素子）の劣化（破壊）が長期に亘って防止されると共に、絶縁膜により第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡が確実に防止され、結露に起因するヘッドの破壊が長期に亘り確実に防止される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電素子が複数並設され、該複数の圧電素子の並設方向に沿って前記１リード電極及び前記第２リード電極が隣接して配置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、第１リード電極と第２リード電極が隣接しているため、スペースに限りがあるヘッドに対して有効にスペースを活用した液体噴射ヘッドとすることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記複数の圧電素子の全面が前記絶縁膜に覆わ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、絶縁膜を容易に設けることができ、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を更に確実に防止することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第１〜３のいずれかの態様において、前記絶縁膜が、有機材料であ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、圧電素子の駆動による変位を妨げることがない有機材料の絶縁膜によって、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を防止することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記有機材料はポリイミドであ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、圧電素子の駆動による変位を妨げることがないポリイミドによって、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を防止することができる。
【００１６】
本発明の第６の態様は、第１〜４のいずれかの態様において、前記絶縁膜のヤング率は１０ＧＰａ以下であ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、圧電素子の駆動による変位を妨げることがない、ヤング率が１０ＧＰａ以下であるポリイミドに匹敵する絶縁膜によって、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を防止することができる。
【００１７】
本発明の第７の態様は、第１〜６のいずれかの態様において、前記保護膜が、無機アモルファス材料であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第７の態様では、水分透過率の低い膜が形成されるため、保護膜を比較的薄く形成しても水分に起因する圧電素子の破壊を確実に防止できる。
【００１８】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記無機アモルファス材料が、酸化アルミニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第８の態様では、保護膜の膜厚を比較的薄くしても水分の浸透を防止することができるため、圧電素子の駆動による変位を妨げることなく、水分に起因する圧電素子の破壊を防止することができる。
【００１９】
本発明の第９の態様は、第１〜９のいずれかの態様において、前記第１リード電極及び前記第２リード電極の少なくともいずれか一方が、金を主成分とす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９の態様では、第１リード電極及び第２リード電極の電気抵抗を小さくすることができ、圧電素子の性能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
本発明の第１０の態様は、第１〜９のいずれか一項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にある。
かかる第１０の態様では、耐久性及び信頼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】
【００２１】
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る。図２は、図１の平面図及び断面図であり、図２（ａ）は図１中の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ′線矢視図、図２（ｃ）は図２（ａ）中のＢ−Ｂ′線矢視図である。図３は、膜構成を示す平面図、図４は、記録ヘッドの断面図であり、図４（ａ）は図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視図、図４（ｂ）は図３中のＶ−Ｖ線矢視図である。
【００２２】
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３２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１４０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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。なお、駆動回路や配線の都合で下電極膜６０を個別電極とすると共に、上電極膜８０を圧電素子３００の共通電極とすることも可能である。何れの場合においても、各圧力発生室１２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。
【００２７】
例えば、本実施形態では、図３に示すように、下電極膜６０は、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。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。なお、圧力発生室１２の長手方向端部近傍には、圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０が形成されている（図２参照）。
【００２８】
そして、本発明では、このような圧電素子３００を構成する各層の表面が、後述する第１リード電極９０との接続部を除いて、耐湿性を有する材料からなる保護膜１００によって覆われている。具体的には、図３及び図４に示すように、保護膜１００は、圧電素子３００を構成する各層のパターン領域に設けられ、上電極膜８０の長手方向端部近傍に対向する領域に、第１リード電極９０と上電極膜８０との接続部となる接続孔１００ａが形成されている。
【００２９】
並設された圧電素子３００の外側には、接地側として設けられる第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部となる接続孔１００ｂが設けられている。また、個別電極である上電極膜８０に接続される第１リード電極９０の間にも、抵抗を低減するために接地側として設けられる第２リード電極９１が設けられ、保護膜１００には共通電極である下電極膜６０との接続部となる接続孔１００ｂが設けられている。
少なくとも圧電素子３００を構成する各層のパターン領域は、この接続孔１００ａ，１００ｂを除いて、保護膜１００によって完全に覆われている。
【００３０】
そして、この保護膜１００上には、接続孔１００ａ，１００ｂを介して各圧電素子３００の上電極膜８０及び下電極膜６０にそれぞれ接続される第１リード電極９０及び第２リード電極９１が設けられている。第１リード電極９０は、各上電極膜８０の長手方向一端部近傍、本実施形態では、圧電体非能動部３３０に相当する部分まで延設され、第２リード電極９１は圧電素子３００の列の外側の下電極膜６０の端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで、及び、圧電体非能動部３３０に相当する部分まで延設されている。各第１リード電極９０の先端部は、接続配線１３０が接続される端子部９０ａとなっており、第２リード電極９１の先端部は接地側に接続されている。
【００３１】
このような構成では、保護膜１００によって、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、保護膜１００上に第１リード電極９０及び第２リード電極９１が形成されているため、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を形成する際に、ウェットエッチングを用いても電食が発生することがない。このため、例えば、電食によるエッチング速度の異常等が発生することがなく、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を高精度に形成することができる。また、例えば、上電極膜８０の剥離等、第１リード電極９０及び第２リード電極９１のエッチング時に発生する圧電素子３００の破壊を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。
【００３２】
ここで、このような保護膜１００材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いるのが好ましい。
【００３３】
また、第１リード電極９０及び第２リード電極９１は、金（Ａｕ）を主成分とする材料で形成されていることが好ましい。ただし、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を金とする場合は、保護膜１００との密着性を確保するために、密着層を用いるのが好ましく、例えばチタン−タングステン（Ｔｉ−Ｗ）、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）を用いるのが好ましい。
【００３４】
これにより、第１リード電極９０及び第２リード電極９１の電気抵抗を小さくすることができ、圧電素子３００の性能の低下を防ぐことができる。さらに、保護膜１００の膜厚を比較的薄くしても水分の透過を確実に防止することができて圧電素子３００の駆動を妨げることがないため、インク吐出特性を良好に維持することができる。
【００３５】
一方、図１、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図３に示すように、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域は絶縁膜１１０によって覆われている。すなわち、絶縁膜１１０は、第１リード電極９０と上電極膜８０とを接続する接続孔１００ａを全て覆うと共に、第２リード電極９１と下電極膜６０とを接続する接続孔１００ｂの接続孔１００ａ寄りの一部を覆う幅で、圧力発生室１２の並設方向に延びて設けられている。絶縁膜１１０は、有機材料であるポリイミド製であり、ヤング率が１０ＧＰａ以下となっている。なお、絶縁膜１１０は、ポリイミド以外であっても、ヤング率が１０ＧＰａ以下である有機材料を用いることが可能である。
【００３６】
圧電素子３００の上面（能動面の上面）は大気に連通した状態になっている。このため、急激な湿度変動などにより第１リード電極９０及び第２リード電極９１の上に結露が発生することが考えられる。第１リード電極９０と上電極膜８０との接続部と第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部が接近して配置されているため、結露が発生すると接続部同士の短絡（上電極膜８０と下電極膜６０との短絡）が考えられる。本実施形態では、第１リード電極９０と上電極膜８０との接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域が絶縁膜１１０によって覆われているので、万一結露が発生しても、接続部同士が短絡することが防止され、圧電素子３００が短絡によって破損することがない。
【００３７】
上述した液体噴射ヘッドは、第１リード電極９０と第２リード電極９１が隣接しているため、スペースに限りがあるヘッドに対して有効にスペースを活用した液体噴射ヘッドとすることができる。また、絶縁膜１１０が有機材料であるポリイミドであり、接続孔１００ａを全て覆うと共に、接続孔１００ｂの接続孔１００ａ寄りの一部を覆う幅で設けられているので、圧電素子３００の変位を阻害することがない。そして、圧電素子３００の変位を阻害することがない状態で、第１リード電極９０の上電極膜８０への接続部と、第２リード電極９１の下電極膜６０への接続部との短絡を防止することができる。
【００３８】
図１、図２（ｂ）に示すように、流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、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。保護基板３０には図示しない大気開放孔が形成され、圧電素子３００は圧電素子保持部３１内で大気に連通している。
【００３９】
なお、上述したように、圧電素子に接続される第１リード電極９０は、流路形成基板１０の端部近傍まで、すなわち、圧電素子保持部３１の外側まで延設され、この第１リード電極９０の端子部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。
【００４０】
また、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１４０を構成している。このような保護基板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。
【００４１】
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１４０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１４０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。
【００４２】
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１４０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、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。
【００４３】
上述した液体噴射ヘッドを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図５乃至図８を参照して説明する。
図５乃至図８は、圧力発生室１２の長手方向の断面図であり、図５、図６は圧電素子３００の部位の断面図、図７は圧電素子３００の間の第２リード電極９１が設けられる部位の断面図、図８は保護基板３０が設けられた状態の断面図を示してある。
【００４４】
まず、図５（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５（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（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図５（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。次に、図５（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と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを流路形成基板１０の全面に形成する。
【００４５】
次いで、図６（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。次いで、図６（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、本実施形態では、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）からなる保護膜１００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、保護膜１００を流路形成基板１０の全面に形成し、所定のマスクを介してエッチングすることにより、各上電極膜８０に対向する領域、及び並設された圧電素子３００の外側の下電極膜６０に対向する領域、及び圧電素子３００の間における部位にそれぞれ接続孔１００ａ，１００ｂを形成する。
【００４６】
なお、本実施形態では、保護膜１００は、圧電素子３００を構成する各層及び後述する工程で形成される第１リード電極９０及び第２電極９１のパターン領域のみに設けられているが、勿論、保護膜１００は、接続孔１００ａ，１００ｂ以外の領域の全てに設けられてもよい。また、保護膜１００のパターニング方法は、特に限定されないが、例えば、イオンミリング等のドライエッチングを用いることが好ましい。これにより、保護膜１００を選択的に良好に除去して所定形状にパターニングすることができる。
【００４７】
次に、図６（ｃ）に示すように、第１リード電極９０を形成する。すなわち、流路形成基板１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム等からなる金属層を形成し、その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して金属層を各圧電素子３００毎にパターニングすることで第１リード電極９０が形成される。リード電極材料が金であると、リード電極の電気抵抗を小さくすることができるので、好ましい。同様に、図７（ｂ）に示すように、圧電素子３００の間に金属層をパターニングして第２リード電極９１が形成される。
【００４８】
次に、図６（ｄ）及び図７（ｃ）に示すように、例えば、ポリイミド製の絶縁膜１１０を形成すると共に所定の形状にパターニングする。すなわち、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域に絶縁膜１１０を形成する。
【００４９】
次いで、図８（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に保護基板３０を接着剤３５によって接合し、図８（ｂ）に示すように、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等を形成する。
【００５０】
なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。その後は、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を接合し、保護基板３０上に駆動ＩＣ１２０を実装すると共にコンプライアンス基板４０を接合する。さらに、ワイヤボンディングすることによって、駆動ＩＣ１２０と第１リード電極９０の端子部９０ａとの間に接続配線１３０を形成することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとなる。
【００５１】
（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、下電極膜６０に接続される第２リード電極９１が、並設された圧電素子３００の外側と列設された圧電素子３００の間の一箇所にのみに設けられているが、これに限定されず、列設された圧電素子３００の間に、所定間隔で複数本設けられていてもよい。
【００５２】
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及び第１リード電極９０及び第２リード電極９１の表面は、保護膜１００及び絶縁膜１１０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の破壊及び結露による短絡は、確実に防止される。
【００５３】
また、上述した実施形態では、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域に絶縁膜１１０を帯状に形成し、能動面の変位に影響がないようにしてある。本発明はこれに限定されず、絶縁膜１１０をポリイミドにすることにより薄膜化が可能であるため、図９に示すように、並設された圧電素子３００の全ての面（能動面）の上面を覆うように絶縁膜１１０を設けることも可能である。この場合、薄膜で絶縁膜１１０を設けることができるため、能動面の変位に対する影響をほとんど与えずに絶縁を確実にすることが可能になる。
【００５４】
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１０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１０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。
【００５５】
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、バイオチップ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】
【００５６】
【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に係る膜構成を示す平面図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図５】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６】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７】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８】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９】他の実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図１０】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
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、 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 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ 第１リード電極、 ９１ 第２リード電極、 １００ 保護膜、 １１０ 絶縁膜、 １２０ 駆動ＩＣ、 １３０ 接続配線、 １４０ リザーバ、 ３００ 圧電素子
【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その製造方法並びに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という問題がある。
【０００６】
この問題を解決するために、圧電素子を構成する電極の上面の少なくとも周縁及び圧電体層の側面を覆うように、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは感光性ポリイミドからなる薄い絶縁体層を設け、この絶縁体層上に、導電パターン（リード電極）が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような構成とすることで、圧電素子への水分の浸透を防止することができる。
【０００７】
リード電極は、各圧力発生室に対する圧電素子に共通する共通電極と、圧力発生室毎に設けられた個別電極とにそれぞれ接続されている。共通電極に接続されるリード電極は接地のために適宜数設けられ、個別電極に接続されるリード電極に対して隣接して配置されている構造も多く採用されている。このような構成では、限られたスペースに複数のリード電極が配置されるため、共通電極に接続されるリード電極と個別電極に接続されるリード電極とが近接して配されている。
【０００８】
圧電素子の上側の空間が大気と連通している液体噴射ヘッドにあっては、リード電極と個別電極との接続部である窓部から水分が透過する虞は否めない。急激な湿度変動によってリード電極上に結露が発生することも考えられ、結露が発生すると、共通電極に接続されるリード電極と個別電極に接続されるリード電極とが短絡することが考えられる。このような場合、液体噴射ヘッドの破壊にもつながるため、液体噴射ヘッドの信頼性を高めるためにも、電力供給側のリード電極と接地側のリード電極との短絡を的確に防止する策を講じる必要があるのが現状である。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。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２２６０７１号公報（第２図、段落［００１５］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子の破壊を長期間に亘って確実に防止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】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の第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共通電極、圧電体層及び個別電極からなる圧電素子と、該圧電素子の個別電極から引き出される第１リード電極と、前記圧電素子の共通電極から引き出される第２リード電極とを具備し、前記圧電素子が前記第１リード電極及び前記第２リード電極との接続部を除いて耐湿性を有する材料からなる保護膜によって覆われ、且つ、前記第１リード電極及び前記第２リード電極が前記保護膜上に延設されると共に、少なくとも前記第１リード電極及び前記第２リード電極の前記圧電素子に対する接続部を含む領域が絶縁膜により覆わ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１の態様では、保護膜によって圧電体層への水分の浸透が確実に防止され、水分（湿気）に起因する圧電体層（圧電素子）の劣化（破壊）が長期に亘って防止されると共に、絶縁膜により第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡が確実に防止され、結露に起因するヘッドの破壊が長期に亘り確実に防止される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電素子が複数並設され、該複数の圧電素子の並設方向に沿って前記１リード電極及び前記第２リード電極が隣接して配置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、第１リード電極と第２リード電極が隣接しているため、スペースに限りがあるヘッドに対して有効にスペースを活用した液体噴射ヘッドとすることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記複数の圧電素子の全面が前記絶縁膜に覆わ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、絶縁膜を容易に設けることができ、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を更に確実に防止することができる。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第１〜３のいずれかの態様において、前記絶縁膜が、有機材料であ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、圧電素子の駆動による変位を妨げることがない有機材料の絶縁膜によって、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を防止することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記有機材料はポリイミドであ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、圧電素子の駆動による変位を妨げることがないポリイミドによって、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を防止することができる。
【００１６】
本発明の第６の態様は、第１〜４のいずれかの態様において、前記絶縁膜のヤング率は１０ＧＰａ以下であ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、圧電素子の駆動による変位を妨げることがない、ヤング率が１０ＧＰａ以下であるポリイミドに匹敵する絶縁膜によって、第１リード電極の圧電素子側への接続部と、第２リード電極の圧電素子側への接続部との短絡を防止することができる。
【００１７】
本発明の第７の態様は、第１〜６のいずれかの態様において、前記保護膜が、無機アモルファス材料であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第７の態様では、水分透過率の低い膜が形成されるため、保護膜を比較的薄く形成しても水分に起因する圧電素子の破壊を確実に防止できる。
【００１８】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記無機アモルファス材料が、酸化アルミニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第８の態様では、保護膜の膜厚を比較的薄くしても水分の浸透を防止することができるため、圧電素子の駆動による変位を妨げることなく、水分に起因する圧電素子の破壊を防止することができる。
【００１９】
本発明の第９の態様は、第１〜９のいずれかの態様において、前記第１リード電極及び前記第２リード電極の少なくともいずれか一方が、金を主成分とす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９の態様では、第１リード電極及び第２リード電極の電気抵抗を小さくすることができ、圧電素子の性能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
本発明の第１０の態様は、第１〜９のいずれか一項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にある。
かかる第１０の態様では、耐久性及び信頼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】
【００２１】
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る。図２は、図１の平面図及び断面図であり、図２（ａ）は図１中の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ′線矢視図、図２（ｃ）は図２（ａ）中のＢ−Ｂ′線矢視図である。図３は、膜構成を示す平面図、図４は、記録ヘッドの断面図であり、図４（ａ）は図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視図、図４（ｂ）は図３中のＶ−Ｖ線矢視図である。
【００２２】
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３２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１４０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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。なお、駆動回路や配線の都合で下電極膜６０を個別電極とすると共に、上電極膜８０を圧電素子３００の共通電極とすることも可能である。何れの場合においても、各圧力発生室１２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。
【００２７】
例えば、本実施形態では、図３に示すように、下電極膜６０は、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。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。なお、圧力発生室１２の長手方向端部近傍には、圧電体層を有するが実質的に駆動されない圧電体非能動部３３０が形成されている（図２参照）。
【００２８】
そして、本発明では、このような圧電素子３００を構成する各層の表面が、後述する第１リード電極９０との接続部を除いて、耐湿性を有する材料からなる保護膜１００によって覆われている。具体的には、図３及び図４に示すように、保護膜１００は、圧電素子３００を構成する各層のパターン領域に設けられ、上電極膜８０の長手方向端部近傍に対向する領域に、第１リード電極９０と上電極膜８０との接続部となる接続孔１００ａが形成されている。
【００２９】
並設された圧電素子３００の外側には、接地側として設けられる第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部となる接続孔１００ｂが設けられている。また、個別電極である上電極膜８０に接続される第１リード電極９０の間にも、抵抗を低減するために接地側として設けられる第２リード電極９１が設けられ、保護膜１００には共通電極である下電極膜６０との接続部となる接続孔１００ｂが設けられている。
少なくとも圧電素子３００を構成する各層のパターン領域は、この接続孔１００ａ，１００ｂを除いて、保護膜１００によって完全に覆われている。
【００３０】
そして、この保護膜１００上には、接続孔１００ａ，１００ｂを介して各圧電素子３００の上電極膜８０及び下電極膜６０にそれぞれ接続される第１リード電極９０及び第２リード電極９１が設けられている。第１リード電極９０は、各上電極膜８０の長手方向一端部近傍、本実施形態では、圧電体非能動部３３０に相当する部分まで延設され、第２リード電極９１は圧電素子３００の列の外側の下電極膜６０の端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで、及び、圧電体非能動部３３０に相当する部分まで延設されている。各第１リード電極９０の先端部は、接続配線１３０が接続される端子部９０ａとなっており、第２リード電極９１の先端部は接地側に接続されている。
【００３１】
このような構成では、保護膜１００によって、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、保護膜１００上に第１リード電極９０及び第２リード電極９１が形成されているため、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を形成する際に、ウェットエッチングを用いても電食が発生することがない。このため、例えば、電食によるエッチング速度の異常等が発生することがなく、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を高精度に形成することができる。また、例えば、上電極膜８０の剥離等、第１リード電極９０及び第２リード電極９１のエッチング時に発生する圧電素子３００の破壊を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。
【００３２】
ここで、このような保護膜１００材料としては、耐湿性を有する材料であればよいが、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましく、特に、無機アモルファス材料である酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いるのが好ましい。
【００３３】
また、第１リード電極９０及び第２リード電極９１は、金（Ａｕ）を主成分とする材料で形成されていることが好ましい。ただし、第１リード電極９０及び第２リード電極９１を金とする場合は、保護膜１００との密着性を確保するために、密着層を用いるのが好ましく、例えばチタン−タングステン（Ｔｉ−Ｗ）、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）を用いるのが好ましい。
【００３４】
これにより、第１リード電極９０及び第２リード電極９１の電気抵抗を小さくすることができ、圧電素子３００の性能の低下を防ぐことができる。さらに、保護膜１００の膜厚を比較的薄くしても水分の透過を確実に防止することができて圧電素子３００の駆動を妨げることがないため、インク吐出特性を良好に維持することができる。
【００３５】
一方、図１、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図３に示すように、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域は絶縁膜１１０によって覆われている。すなわち、絶縁膜１１０は、第１リード電極９０と上電極膜８０とを接続する接続孔１００ａを全て覆うと共に、第２リード電極９１と下電極膜６０とを接続する接続孔１００ｂの接続孔１００ａ寄りの一部を覆う幅で、圧力発生室１２の並設方向に延びて設けられている。絶縁膜１１０は、有機材料であるポリイミド製であり、ヤング率が１０ＧＰａ以下となっている。なお、絶縁膜１１０は、ポリイミド以外であっても、ヤング率が１０ＧＰａ以下である有機材料を用いることが可能である。
【００３６】
圧電素子３００の上面（能動面の上面）は大気に連通した状態になっている。このため、急激な湿度変動などにより第１リード電極９０及び第２リード電極９１の上に結露が発生することが考えられる。第１リード電極９０と上電極膜８０との接続部と第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部が接近して配置されているため、結露が発生すると接続部同士の短絡（上電極膜８０と下電極膜６０との短絡）が考えられる。本実施形態では、第１リード電極９０と上電極膜８０との接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域が絶縁膜１１０によって覆われているので、万一結露が発生しても、接続部同士が短絡することが防止され、圧電素子３００が短絡によって破損することがない。
【００３７】
上述した液体噴射ヘッドは、第１リード電極９０と第２リード電極９１が隣接しているため、スペースに限りがあるヘッドに対して有効にスペースを活用した液体噴射ヘッドとすることができる。また、絶縁膜１１０が有機材料であるポリイミドであり、接続孔１００ａを全て覆うと共に、接続孔１００ｂの接続孔１００ａ寄りの一部を覆う幅で設けられているので、圧電素子３００の変位を阻害することがない。そして、圧電素子３００の変位を阻害することがない状態で、第１リード電極９０の上電極膜８０への接続部と、第２リード電極９１の下電極膜６０への接続部との短絡を防止することができる。
【００３８】
図１、図２（ｂ）に示すように、流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、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。保護基板３０には図示しない大気開放孔が形成され、圧電素子３００は圧電素子保持部３１内で大気に連通している。
【００３９】
なお、上述したように、圧電素子に接続される第１リード電極９０は、流路形成基板１０の端部近傍まで、すなわち、圧電素子保持部３１の外側まで延設され、この第１リード電極９０の端子部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。
【００４０】
また、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１４０を構成している。このような保護基板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。
【００４１】
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１４０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１４０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。
【００４２】
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１４０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、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。
【００４３】
上述した液体噴射ヘッドを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図５乃至図８を参照して説明する。
図５乃至図８は、圧力発生室１２の長手方向の断面図であり、図５、図６は圧電素子３００の部位の断面図、図７は圧電素子３００の間の第２リード電極９１が設けられる部位の断面図、図８は保護基板３０が設けられた状態の断面図を示してある。
【００４４】
まず、図５（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５（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（ＺｒＯｘ）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図５（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。次に、図５（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と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを流路形成基板１０の全面に形成する。
【００４５】
次いで、図６（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。次いで、図６（ｂ）及び図７（ａ）に示すように、本実施形態では、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）からなる保護膜１００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、保護膜１００を流路形成基板１０の全面に形成し、所定のマスクを介してエッチングすることにより、各上電極膜８０に対向する領域、及び並設された圧電素子３００の外側の下電極膜６０に対向する領域、及び圧電素子３００の間における部位にそれぞれ接続孔１００ａ，１００ｂを形成する。
【００４６】
なお、本実施形態では、保護膜１００は、圧電素子３００を構成する各層及び後述する工程で形成される第１リード電極９０及び第２電極９１のパターン領域のみに設けられているが、勿論、保護膜１００は、接続孔１００ａ，１００ｂ以外の領域の全てに設けられてもよい。また、保護膜１００のパターニング方法は、特に限定されないが、例えば、イオンミリング等のドライエッチングを用いることが好ましい。これにより、保護膜１００を選択的に良好に除去して所定形状にパターニングすることができる。
【００４７】
次に、図６（ｃ）に示すように、第１リード電極９０を形成する。すなわち、流路形成基板１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム等からなる金属層を形成し、その後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して金属層を各圧電素子３００毎にパターニングすることで第１リード電極９０が形成される。リード電極材料が金であると、リード電極の電気抵抗を小さくすることができるので、好ましい。同様に、図７（ｂ）に示すように、圧電素子３００の間に金属層をパターニングして第２リード電極９１が形成される。
【００４８】
次に、図６（ｄ）及び図７（ｃ）に示すように、例えば、ポリイミド製の絶縁膜１１０を形成すると共に所定の形状にパターニングする。すなわち、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域に絶縁膜１１０を形成する。
【００４９】
次いで、図８（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に保護基板３０を接着剤３５によって接合し、図８（ｂ）に示すように、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等を形成する。
【００５０】
なお、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。その後は、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を接合し、保護基板３０上に駆動ＩＣ１２０を実装すると共にコンプライアンス基板４０を接合する。さらに、ワイヤボンディングすることによって、駆動ＩＣ１２０と第１リード電極９０の端子部９０ａとの間に接続配線１３０を形成することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとなる。
【００５１】
（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、下電極膜６０に接続される第２リード電極９１が、並設された圧電素子３００の外側と列設された圧電素子３００の間の一箇所にのみに設けられているが、これに限定されず、列設された圧電素子３００の間に、所定間隔で複数本設けられていてもよい。
【００５２】
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及び第１リード電極９０及び第２リード電極９１の表面は、保護膜１００及び絶縁膜１１０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の破壊及び結露による短絡は、確実に防止される。
【００５３】
また、上述した実施形態では、第１リード電極９０と上電極膜８０とのそれぞれの接続部及び第２リード電極９１と下電極膜６０との接続部を含む領域に絶縁膜１１０を帯状に形成し、能動面の変位に影響がないようにしてある。本発明はこれに限定されず、絶縁膜１１０をポリイミドにすることにより薄膜化が可能であるため、図９に示すように、並設された圧電素子３００の全ての面（能動面）の上面を覆うように絶縁膜１１０を設けることも可能である。この場合、薄膜で絶縁膜１１０を設けることができるため、能動面の変位に対する影響をほとんど与えずに絶縁を確実にすることが可能になる。
【００５４】
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１０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１０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。
【００５５】
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、バイオチップ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】
【００５６】
【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に係る膜構成を示す平面図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図５】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６】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７】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８】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９】他の実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図１０】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
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、 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 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ 第１リード電極、 ９１ 第２リード電極、 １００ 保護膜、 １１０ 絶縁膜、 １２０ 駆動ＩＣ、 １３０ 接続配線、 １４０ リザーバ、 ３００ 圧電素子
【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共通電極、圧電体層及び個別電極からなる圧電素子と、該圧電素子の個別電極から引き出される第１リード電極と、前記圧電素子の共通電極から引き出される第２リード電極とを具備し、
前記圧電素子が前記第１リード電極及び前記第２リード電極との接続部を除いて耐湿性を有する材料からなる保護膜によって覆われ、且つ、前記第１リード電極及び前記第２リード電極が前記保護膜上に延設されると共に、少なくとも前記第１リード電極及び前記第２リード電極の前記圧電素子に対する接続部を含む領域が絶縁膜により覆われてい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、前記圧電素子が複数並設され、該複数の圧電素子の並設方向に沿って前記１リード電極及び前記第２リード電極が隣接して配置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２において、前記複数の圧電素子の全面が前記絶縁膜に覆わ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〜請求項３のいずれかにおいて、前記絶縁膜が、有機材料であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項４において、前記有機材料はポリイミドであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記絶縁膜のヤング率は１０ＧＰａ以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、前記保護膜が、無機アモルファス材料であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項７において、前記無機アモルファス材料が、酸化アルミニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかにおいて、前記第１リード電極及び前記第２リード電極の少なくともいずれか一方が、金を主成分とす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１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項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。
【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共通電極、圧電体層及び個別電極からなる圧電素子と、該圧電素子の個別電極から引き出される第１リード電極と、前記圧電素子の共通電極から引き出される第２リード電極とを具備し、
前記圧電素子が前記第１リード電極及び前記第２リード電極との接続部を除いて耐湿性を有する材料からなる保護膜によって覆われ、且つ、前記第１リード電極及び前記第２リード電極が前記保護膜上に延設されると共に、少なくとも前記第１リード電極及び前記第２リード電極の前記圧電素子に対する接続部を含む領域が絶縁膜により覆われてい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、前記圧電素子が複数並設され、該複数の圧電素子の並設方向に沿って前記１リード電極及び前記第２リード電極が隣接して配置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２において、前記複数の圧電素子の全面が前記絶縁膜に覆わ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〜請求項３のいずれかにおいて、前記絶縁膜が、有機材料であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項４において、前記有機材料はポリイミドであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、前記絶縁膜のヤング率は１０ＧＰａ以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかにおいて、前記保護膜が、無機アモルファス材料であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項７において、前記無機アモルファス材料が、酸化アルミニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかにおいて、前記第１リード電極及び前記第２リード電極の少なくともいずれか一方が、金を主成分とす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１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−７５４９（Ｐ２００６−７５４９Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８７０１１（Ｐ２００４−１８７０１１）
【出願日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２４日（２００４．６．２４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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