JP2004154987A - 液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インク吐出特性を良好に保持できると共に安定したインク吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供する。
【解決手段】下電極６０が圧力発生室１２の長手方向端部近傍でパターニングされて、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電素子３００の実質的に駆動部である圧電体能動部３２０が形成されると共に圧電素子の個別電極である上電極８０から端子部１２０まで引き出される引き出し配線１１０を有し、圧電体能動部３２０を覆うことなく設けられた絶縁膜１３０によって各引き出し配線１１０の一部を連続的に覆い、且つ圧電素子３００の共通電極である下電極６０から端子部１２０まで延設されるバイパス配線１４０の少なくとも一部が絶縁膜１３０上に形成する。
【選択図】 図２
【解決手段】下電極６０が圧力発生室１２の長手方向端部近傍でパターニングされて、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電素子３００の実質的に駆動部である圧電体能動部３２０が形成されると共に圧電素子の個別電極である上電極８０から端子部１２０まで引き出される引き出し配線１１０を有し、圧電体能動部３２０を覆うことなく設けられた絶縁膜１３０によって各引き出し配線１１０の一部を連続的に覆い、且つ圧電素子３００の共通電極である下電極６０から端子部１２０まで延設されるバイパス配線１４０の少なくとも一部が絶縁膜１３０上に形成する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに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に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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。
【０００２】
【従来の技術】
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】
そして、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知られている。
【０００４】
また、たわみ振動モードのアクチュエータに使用される圧電素子は、例えば、共通電極である下電極と、下電極上に形成されたＰＺＴ膜（圧電体層）と、ＰＺＴ膜上に形成された個別電極である上電極とで構成される。さらに、上電極上には層間絶縁膜が形成されて下電極と上電極との絶縁が図られ、この層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールを介して上電極に電気的に接続される配線が設けられた構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２１１７０１号公報（第９−１０頁、第１３−２０図）
【特許文献２】
特開２００２−１１８７７号公報（第４−５頁、第１−９図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のインクジェット式記録ヘッドでは、下電極が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。また、薄膜で形成された圧電素子の電極はその膜厚が薄いため抵抗値が比較的高く、このような問題が特に生じやすい。また、このような問題は、下電極の厚さを厚くすることによって解決することはできるが、下電極は、実質的に振動板の一部を構成するため、圧電素子の駆動による振動板の変位量が低下してしまうという問題がある。また、共通電極の面積を広げることによってもこのような問題を解決することはできるが、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。
【０００７】
さらに、このような問題を解決するために、複数の下部電極膜（下電極）をいくつかのグループに分類して各グループに対応して各コモン端子を設けることで、電圧降下を抑えてアクチュエータ（圧電素子）の特性の均一化を図ったものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
このような構造では、確かに電圧降下の発生を抑えることはできるが、端子数が大幅に増加して配線構造が複雑になるため、製造工程が煩雑化してしまうという問題や、圧電素子を高密度に配列した場合には採用するのが難しいという問題がある。
【０００９】
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の製造方法だけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、インク吐出特性を良好に保持できると共に安定したインク吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に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の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記下電極が前記圧力発生室の長手方向端部近傍でパターニングされて、各圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子の実質的に駆動部である圧電体能動部が形成されると共に前記圧電素子の個別電極である前記上電極から端子部まで引き出される引き出し配線を有し、前記圧電体能動部を覆うことなく設けられた絶縁膜によって各引き出し配線の一部が連続的に覆われ、且つ前記圧電素子の共通電極である前記下電極から前記端子部まで延設されるバイパス配線の少なくとも一部が前記絶縁膜上に延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１２】
かかる第１の態様では、バイパス配線によって下電極の抵抗値が実質的に低下するため、圧電素子を駆動する際の電圧降下が防止され、インク吐出特性が常に良好に保持される。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記引き出し配線は、一端が前記上電極に接続されるリード電極と、該リード電極と前記端子部との間を連結する連結配線とで構成され、前記絶縁膜が前記連結配線上に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１４】
かかる第２の態様では、絶縁膜が引き出し配線を構成する連結配線上に設けられているため、引き出し配線やバイパス配線等の製造が容易となる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記連結配線が、前記下電極と同一の膜からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１６】
かかる第３の態様では、下電極と連結配線とを同一工程で形成することができ、製造工程が簡略化される。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第２又は３の態様において、前記バイパス配線が、前記リード電極と同一の膜からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１８】
かかる第４の態様では、バイパス配線とリード電極とを同一工程で形成することができ、製造工程が簡略化される。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記流路形成基板の前記圧電素子側に当該圧電素子を封止する空間である圧電素子保持部を有する封止基板が接合され、前記絶縁膜の少なくとも一部が、前記圧電素子と共に前記圧電素子保持部内に密封されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２０】
かかる第５の態様では、絶縁膜が圧電素子保持部内に封止されているため、絶縁膜として吸湿性を有する材料を用いることで、圧電素子保持部内を常に乾燥状態に保持することができ、水分に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記絶縁膜が有機材料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。
【００２２】
かかる第６の態様では、絶縁膜を比較的容易に形成することができる。また、絶縁膜が圧電素子保持部内に密封されている場合には、この絶縁膜によって圧電素子保持部内の水分が吸収され、圧電素子の水分に起因する破壊が防止される。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記有機材料が、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。
【００２４】
かかる第７の態様では、所定の材料を用いることで、絶縁膜をより容易に形成することができる。また、絶縁膜が圧電素子保持部内に密封されている場合には、この絶縁膜によって圧電素子保持部内の水分が確実に吸収され、圧電素子の水分に起因する破壊が防止される。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第１〜７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。
【００２６】
かかる第８の態様では、吐出特性を向上し信頼性を高めた液体噴射装置を実現することができる。
【００２７】
本発明の第９の態様は、液体を噴射するノズル開口に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の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、下電極形成膜を成膜及びパターニングして前記圧力発生室に対応する領域に前記下電極を形成すると共に、前記上電極から引き出される引き出し配線の一部を構成する連結配線を前記圧力発生室の長手方向外側に圧力発生室毎に独立して形成する工程と、圧電体形成膜及び上電極形成膜を成膜及びパターニングして前記下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程と、前記圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部を覆うことなく前記連結配線上の両端部近傍を除く領域を連続的に覆うように絶縁膜を形成する工程と、前記上電極と前記連結配線とを接続すると共に前記連結配線と端子部とを接続するリード電極と、少なくとも一部が前記絶縁膜上に延設されて前記下電極と前記端子部とを接続するバイパス配線とを同一膜で形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２８】
かかる第９の態様では、製造工程を煩雑化することなく各層を形成することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
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、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の概略平面図及びそのＡ−Ａ’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、その両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、及び後述する圧力発生室を形成する際にマスクとして用いられるマスク膜５５が設けられている。この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、この連通部１３は各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３０】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４の断面積は、圧力発生室１２のそれより小さく形成されており、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。
【００３１】
このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、圧力発生室１２の配列密度が、例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、例えば、２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列する場合には、流路形成基板１０の厚さは１００μｍ以下と比較的薄くするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３２】
また、流路形成基板１０の開口面側のマスク膜５５上には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で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、０．１〜１ｍｍ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、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３３】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍ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３２０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、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。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用する。
【００３４】
ここで、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０は、本実施形態では、パターニングにより圧力発生室１２の長手方向両端部外側の領域は除去され、圧力発生室１２に対応する領域のみに形成されている。すなわち、下電極膜６０は、圧力発生室１２の長さよりも狭い幅で、圧力発生室１２の並設方向に沿って延設されている。
【００３５】
一方、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、下電極膜６０に対向する領域、すなわち圧電体能動部３２０に対向する領域から流路形成基板１０の端部近傍に設けられる端子部１２０まで引き出される引き出し配線１１０が接続されている。なお、端子部１２０とは、駆動ＩＣ等に繋がる駆動配線（図示なし）が接続される部分であり、本実施形態では、引き出し配線１１０の端部近傍が端子部１２０となっている。具体的には、引き出し配線１１０は、上電極膜８０から圧力発生室１２の外側まで延設される第１のリード電極１１１と、端子部１２０を構成する第２のリード電極１１２と、これら第１のリード電極１１１と第２のリード電極１１２（端子部１２０）とを連結する連結配線１１３とで形成されている。ここで、連結配線１１３は、下電極膜６０と同一の膜、例えば、白金（Ｐｔ）からなり、第１及び第２のリード電極１１１，１１２は、比較的導電性の高い材料、例えば、金（Ａｕ）からなる。なお、本実施形態では、圧電素子３００の引き出し配線１１０とは反対側の端部には、第１及び第２のリード電極１１１、１１２と同一の膜からなる保護膜１１４を設け、圧電素子３００の駆動による端部近傍の破壊を防止している。勿論、この保護膜１１４は設けなくてもよい。
【００３６】
また、引き出し配線１１０の一部は絶縁膜１３０によって覆われ、絶縁膜１３０上には、下電極膜６０と端子部１２０とを接続するバイパス配線１４０が設けられている。絶縁膜１３０は、引き出し配線１１０の一部を覆って設けられるが、圧電体能動部３２０に対向する領域は覆うことなく形成される。本実施形態では、各引き出し配線１１０の連結配線１１３、詳細には、連結配線１１３の両端部近傍の第１及び第２のリード電極が接続される領域を除く部分が絶縁膜１３０によって連続的に覆われている。この絶縁膜１３０は、詳しくは後述するが、有機材料で形成することが好ましく、本実施形態では、絶縁膜１３０は、ポリイミドで形成されている。
【００３７】
また、バイパス配線１４０は、絶縁膜１３０上に絶縁膜１３０の幅よりも若干狭い幅で形成され、その端部近傍が端子部１２０となっている。さらに、バイパス配線１４０は、引き出し配線１１０に沿って隔壁１１に対向する領域まで延設される接続部１４１を有し、この接続部１４１で下電極膜６０と接続されている。この接続部１４１は、少なくとも１カ所に設けられていればよいが、複数箇所に設けられていることが好ましく、例えば、本実施形態では、３本の圧電素子３００毎に接続部１４１を設けるようにした（図１参照）。なお、接続部１４１の間隔は、特に限定されず、例えば、各圧電素子３００の間にそれぞれ接続部１４１を設けるようにしてもよい。また、このようなバイパス配線１４０は、下電極膜６０よりも導電性の高い材料で形成することが好ましく、本実施形態では、第１及び第２のリード電極１１１，１１２と同一の膜で形成されている。
【００３８】
このように、圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０から引き出される引き出し配線１１０上に絶縁膜１３０を介して圧電素子３００の共通電極である下電極６０に接続されるバイパス配線１４０を設けることにより、振動板の変位特性を低下させることなく、下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下させることができる。したがって、多数の圧電素子を同時に駆動しても電圧降下が発生することがなく、常に良好で且つ安定したインク吐出特性を得ることができる。また、特に、バイパス配線１４０を下電極膜６０の材料よりも導電性の高い材料を用いることにより、下電極膜６０の抵抗値を比較的容易に低下させることができ、且つヘッドの小型化を図ることもできる。
【００３９】
また、流路形成基板１０上には、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、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に封止されている。また、本実施形態では、引き出し配線１１０の接続配線１１３上に設けられた絶縁膜１３０もこの圧電素子保持部３１内に封止されている。そして、この絶縁膜１３０は、有機材料、本実施形態では、ポリイミドによって形成されている。このため、絶縁膜１３０が圧電素子保持部３１内の水分（湿気）を吸収し、圧電素子保持部３１内は常に乾燥状態に保持されるため、圧電素子３００の水分に起因する破壊を防止することができる。さらに、このような絶縁膜１３０は、圧電体能動部３２０を覆うことなく形成されるため、絶縁膜１３０が水分を吸収したとしてもそれによって圧電体能動部３２０が破壊されることもない。
【００４０】
また、封止基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、封止基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、弾性膜５０に設けられた連通孔を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。このような封止基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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】
さらに、このような封止基板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。ここで、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１００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１００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１００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からの駆動信号に従い、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との間に駆動電圧を印加し、弾性膜５０、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】
図３及び図４は圧力発生室１２の長手方向の断面図であり、以下、これら図３及び図４を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５５を構成する二酸化シリコン膜５１を全面に形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、例えば、白金等からなる下電極膜６０となる下電極形成膜６５を弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５１上に形成後、下電極形成膜６５をパターニングすることにより、圧力発生室１２に対応する領域に下電極膜６０を形成すると共に、各圧力発生室１２の長手方向外側に引き出し配線１１０を構成する連結配線１１３を形成する。このように、下電極膜６０と同一膜（下電極形成膜６５）で連結配線１１３を形成すれば、製造工程を煩雑化することなく連結配線１１３を容易に形成することができる。
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体形成膜７５と、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属、あるいは導電性酸化物等からなる上電極形成膜８５とを順次積層し、これらを同時にパターニングして下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００を形成する。
【００４４】
次に、図３（ｄ）に示すように、例えば、ポリイミド等の有機材料からなる絶縁膜形成層１３５を流路形成基板１０の全面に形成後、パターニングすることにより、連結配線１１３に対応する領域に絶縁膜１３０を形成する。次いで、図４（ａ）に示すように、引き出し配線１１０を構成する第１及び第２のリード電極１１１，１１２、保護膜１１４、バイパス配線１４０を同時に形成する。すなわち、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属膜１１５を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、この金属膜１１５をパターニングすることにより、各圧電素子３００毎に第１及び第２のリード電極１１１，１１２を形成すると共に、絶縁膜１３０に対向する領域に延設されるバイパス配線１４０を形成する。さらに、圧電素子３００の第１のリード電極１１１とは反対側の端部に保護膜１１４を形成する。このように、第１及び第２のリード電極１１１，１１２と同一膜（金属膜１１５）でバイパス配線１４０を形成することにより、製造工程を煩雑化することなくバイパス配線１４０を容易に形成することができる。
【００４５】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板（流路形成基板１０）の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。具体的には、まず、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に、予め圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が形成された封止基板３０を接合する。次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の封止基板３０との接合面とは反対側の面に形成されている二酸化シリコン膜５１を所定形状にパターニングしてマスク膜５５とし、このマスク膜５５を介して、前述したアルカリ溶液による異方性エッチングを行うことにより、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。なお、このように異方性エッチングを行う際には、封止基板３０の表面を封止した状態で行う。
【００４６】
また、その後は、流路形成基板１０の封止基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板３０にコンプライアンス基板４０を接合して各チップサイズに分割することにより、図１に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【００４７】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の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、バイパス配線１４０を第１及び第２のリード電極１１１，１１２と同一の膜で形成するようにしたが、勿論、バイパス配線１４０は、第１及び第２のリード電極１１１，１１２とは、別途形成するようにしてもよい。なお、バイパス配線１４０は、何れにしても下電極膜６０よりも導電性の高い材料を用いることが望ましい。これにより、バイパス配線１４０の膜厚をあまり厚くすることなく下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下させることができる。また、バイパス配線１４０を第１及び第２のリード電極１１１，１１２とは別途形成する場合、上電極膜８０から端子部１２０まで連続的する引き出し配線を形成後、絶縁膜１３０及びバイパス配線１４０を設けるようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、連結配線１１３を下電極膜６０と同一の材料で形成するようにしたが、連結配線１１３は、下電極膜６０とは別途設けるようにしてもよい。
【００４８】
なお、このような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上に搬送されるようになっている。
【００４９】
また、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出す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を一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。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を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【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】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】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 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、 ４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 １００ リザーバ、１１０ 引き出し配線、 １１１ 第１のリード電極、 １１２ 第２のリード電極、 １１３ 連結配線、 １２０ 端子部、 １３０ 絶縁膜、 １４０ バイパス配線、 １４１ 接続部、 ３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに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に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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。
【０００２】
【従来の技術】
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】
そして、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知られている。
【０００４】
また、たわみ振動モードのアクチュエータに使用される圧電素子は、例えば、共通電極である下電極と、下電極上に形成されたＰＺＴ膜（圧電体層）と、ＰＺＴ膜上に形成された個別電極である上電極とで構成される。さらに、上電極上には層間絶縁膜が形成されて下電極と上電極との絶縁が図られ、この層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールを介して上電極に電気的に接続される配線が設けられた構造となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２１１７０１号公報（第９−１０頁、第１３−２０図）
【特許文献２】
特開２００２−１１８７７号公報（第４−５頁、第１−９図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のインクジェット式記録ヘッドでは、下電極が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。また、薄膜で形成された圧電素子の電極はその膜厚が薄いため抵抗値が比較的高く、このような問題が特に生じやすい。また、このような問題は、下電極の厚さを厚くすることによって解決することはできるが、下電極は、実質的に振動板の一部を構成するため、圧電素子の駆動による振動板の変位量が低下してしまうという問題がある。また、共通電極の面積を広げることによってもこのような問題を解決することはできるが、ヘッドが大型化してしまうという問題がある。
【０００７】
さらに、このような問題を解決するために、複数の下部電極膜（下電極）をいくつかのグループに分類して各グループに対応して各コモン端子を設けることで、電圧降下を抑えてアクチュエータ（圧電素子）の特性の均一化を図ったものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
このような構造では、確かに電圧降下の発生を抑えることはできるが、端子数が大幅に増加して配線構造が複雑になるため、製造工程が煩雑化してしまうという問題や、圧電素子を高密度に配列した場合には採用するのが難しいという問題がある。
【０００９】
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の製造方法だけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、インク吐出特性を良好に保持できると共に安定したインク吐出特性を得ることができ、且つ圧電素子を高密度に配列することができる液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に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の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記下電極が前記圧力発生室の長手方向端部近傍でパターニングされて、各圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子の実質的に駆動部である圧電体能動部が形成されると共に前記圧電素子の個別電極である前記上電極から端子部まで引き出される引き出し配線を有し、前記圧電体能動部を覆うことなく設けられた絶縁膜によって各引き出し配線の一部が連続的に覆われ、且つ前記圧電素子の共通電極である前記下電極から前記端子部まで延設されるバイパス配線の少なくとも一部が前記絶縁膜上に延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１２】
かかる第１の態様では、バイパス配線によって下電極の抵抗値が実質的に低下するため、圧電素子を駆動する際の電圧降下が防止され、インク吐出特性が常に良好に保持される。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記引き出し配線は、一端が前記上電極に接続されるリード電極と、該リード電極と前記端子部との間を連結する連結配線とで構成され、前記絶縁膜が前記連結配線上に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１４】
かかる第２の態様では、絶縁膜が引き出し配線を構成する連結配線上に設けられているため、引き出し配線やバイパス配線等の製造が容易となる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記連結配線が、前記下電極と同一の膜からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１６】
かかる第３の態様では、下電極と連結配線とを同一工程で形成することができ、製造工程が簡略化される。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第２又は３の態様において、前記バイパス配線が、前記リード電極と同一の膜からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００１８】
かかる第４の態様では、バイパス配線とリード電極とを同一工程で形成することができ、製造工程が簡略化される。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記流路形成基板の前記圧電素子側に当該圧電素子を封止する空間である圧電素子保持部を有する封止基板が接合され、前記絶縁膜の少なくとも一部が、前記圧電素子と共に前記圧電素子保持部内に密封されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
【００２０】
かかる第５の態様では、絶縁膜が圧電素子保持部内に封止されているため、絶縁膜として吸湿性を有する材料を用いることで、圧電素子保持部内を常に乾燥状態に保持することができ、水分に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００２１】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記絶縁膜が有機材料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。
【００２２】
かかる第６の態様では、絶縁膜を比較的容易に形成することができる。また、絶縁膜が圧電素子保持部内に密封されている場合には、この絶縁膜によって圧電素子保持部内の水分が吸収され、圧電素子の水分に起因する破壊が防止される。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記有機材料が、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。
【００２４】
かかる第７の態様では、所定の材料を用いることで、絶縁膜をより容易に形成することができる。また、絶縁膜が圧電素子保持部内に密封されている場合には、この絶縁膜によって圧電素子保持部内の水分が確実に吸収され、圧電素子の水分に起因する破壊が防止される。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第１〜７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。
【００２６】
かかる第８の態様では、吐出特性を向上し信頼性を高めた液体噴射装置を実現することができる。
【００２７】
本発明の第９の態様は、液体を噴射するノズル開口に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の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、下電極形成膜を成膜及びパターニングして前記圧力発生室に対応する領域に前記下電極を形成すると共に、前記上電極から引き出される引き出し配線の一部を構成する連結配線を前記圧力発生室の長手方向外側に圧力発生室毎に独立して形成する工程と、圧電体形成膜及び上電極形成膜を成膜及びパターニングして前記下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程と、前記圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部を覆うことなく前記連結配線上の両端部近傍を除く領域を連続的に覆うように絶縁膜を形成する工程と、前記上電極と前記連結配線とを接続すると共に前記連結配線と端子部とを接続するリード電極と、少なくとも一部が前記絶縁膜上に延設されて前記下電極と前記端子部とを接続するバイパス配線とを同一膜で形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２８】
かかる第９の態様では、製造工程を煩雑化することなく各層を形成することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
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、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の概略平面図及びそのＡ−Ａ’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、その両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、及び後述する圧力発生室を形成する際にマスクとして用いられるマスク膜５５が設けられている。この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、この連通部１３は各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３０】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４の断面積は、圧力発生室１２のそれより小さく形成されており、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。
【００３１】
このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、圧力発生室１２の配列密度が、例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、例えば、２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列する場合には、流路形成基板１０の厚さは１００μｍ以下と比較的薄くするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３２】
また、流路形成基板１０の開口面側のマスク膜５５上には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で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、０．１〜１ｍｍ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、又は不錆鋼などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３３】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍ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３２０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、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。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用する。
【００３４】
ここで、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０は、本実施形態では、パターニングにより圧力発生室１２の長手方向両端部外側の領域は除去され、圧力発生室１２に対応する領域のみに形成されている。すなわち、下電極膜６０は、圧力発生室１２の長さよりも狭い幅で、圧力発生室１２の並設方向に沿って延設されている。
【００３５】
一方、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、下電極膜６０に対向する領域、すなわち圧電体能動部３２０に対向する領域から流路形成基板１０の端部近傍に設けられる端子部１２０まで引き出される引き出し配線１１０が接続されている。なお、端子部１２０とは、駆動ＩＣ等に繋がる駆動配線（図示なし）が接続される部分であり、本実施形態では、引き出し配線１１０の端部近傍が端子部１２０となっている。具体的には、引き出し配線１１０は、上電極膜８０から圧力発生室１２の外側まで延設される第１のリード電極１１１と、端子部１２０を構成する第２のリード電極１１２と、これら第１のリード電極１１１と第２のリード電極１１２（端子部１２０）とを連結する連結配線１１３とで形成されている。ここで、連結配線１１３は、下電極膜６０と同一の膜、例えば、白金（Ｐｔ）からなり、第１及び第２のリード電極１１１，１１２は、比較的導電性の高い材料、例えば、金（Ａｕ）からなる。なお、本実施形態では、圧電素子３００の引き出し配線１１０とは反対側の端部には、第１及び第２のリード電極１１１、１１２と同一の膜からなる保護膜１１４を設け、圧電素子３００の駆動による端部近傍の破壊を防止している。勿論、この保護膜１１４は設けなくてもよい。
【００３６】
また、引き出し配線１１０の一部は絶縁膜１３０によって覆われ、絶縁膜１３０上には、下電極膜６０と端子部１２０とを接続するバイパス配線１４０が設けられている。絶縁膜１３０は、引き出し配線１１０の一部を覆って設けられるが、圧電体能動部３２０に対向する領域は覆うことなく形成される。本実施形態では、各引き出し配線１１０の連結配線１１３、詳細には、連結配線１１３の両端部近傍の第１及び第２のリード電極が接続される領域を除く部分が絶縁膜１３０によって連続的に覆われている。この絶縁膜１３０は、詳しくは後述するが、有機材料で形成することが好ましく、本実施形態では、絶縁膜１３０は、ポリイミドで形成されている。
【００３７】
また、バイパス配線１４０は、絶縁膜１３０上に絶縁膜１３０の幅よりも若干狭い幅で形成され、その端部近傍が端子部１２０となっている。さらに、バイパス配線１４０は、引き出し配線１１０に沿って隔壁１１に対向する領域まで延設される接続部１４１を有し、この接続部１４１で下電極膜６０と接続されている。この接続部１４１は、少なくとも１カ所に設けられていればよいが、複数箇所に設けられていることが好ましく、例えば、本実施形態では、３本の圧電素子３００毎に接続部１４１を設けるようにした（図１参照）。なお、接続部１４１の間隔は、特に限定されず、例えば、各圧電素子３００の間にそれぞれ接続部１４１を設けるようにしてもよい。また、このようなバイパス配線１４０は、下電極膜６０よりも導電性の高い材料で形成することが好ましく、本実施形態では、第１及び第２のリード電極１１１，１１２と同一の膜で形成されている。
【００３８】
このように、圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０から引き出される引き出し配線１１０上に絶縁膜１３０を介して圧電素子３００の共通電極である下電極６０に接続されるバイパス配線１４０を設けることにより、振動板の変位特性を低下させることなく、下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下させることができる。したがって、多数の圧電素子を同時に駆動しても電圧降下が発生することがなく、常に良好で且つ安定したインク吐出特性を得ることができる。また、特に、バイパス配線１４０を下電極膜６０の材料よりも導電性の高い材料を用いることにより、下電極膜６０の抵抗値を比較的容易に低下させることができ、且つヘッドの小型化を図ることもできる。
【００３９】
また、流路形成基板１０上には、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、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に封止されている。また、本実施形態では、引き出し配線１１０の接続配線１１３上に設けられた絶縁膜１３０もこの圧電素子保持部３１内に封止されている。そして、この絶縁膜１３０は、有機材料、本実施形態では、ポリイミドによって形成されている。このため、絶縁膜１３０が圧電素子保持部３１内の水分（湿気）を吸収し、圧電素子保持部３１内は常に乾燥状態に保持されるため、圧電素子３００の水分に起因する破壊を防止することができる。さらに、このような絶縁膜１３０は、圧電体能動部３２０を覆うことなく形成されるため、絶縁膜１３０が水分を吸収したとしてもそれによって圧電体能動部３２０が破壊されることもない。
【００４０】
また、封止基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、封止基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、弾性膜５０に設けられた連通孔を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。このような封止基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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】
さらに、このような封止基板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。ここで、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１００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１００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１００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からの駆動信号に従い、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との間に駆動電圧を印加し、弾性膜５０、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】
図３及び図４は圧力発生室１２の長手方向の断面図であり、以下、これら図３及び図４を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５５を構成する二酸化シリコン膜５１を全面に形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、例えば、白金等からなる下電極膜６０となる下電極形成膜６５を弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５１上に形成後、下電極形成膜６５をパターニングすることにより、圧力発生室１２に対応する領域に下電極膜６０を形成すると共に、各圧力発生室１２の長手方向外側に引き出し配線１１０を構成する連結配線１１３を形成する。このように、下電極膜６０と同一膜（下電極形成膜６５）で連結配線１１３を形成すれば、製造工程を煩雑化することなく連結配線１１３を容易に形成することができる。
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体形成膜７５と、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属、あるいは導電性酸化物等からなる上電極形成膜８５とを順次積層し、これらを同時にパターニングして下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００を形成する。
【００４４】
次に、図３（ｄ）に示すように、例えば、ポリイミド等の有機材料からなる絶縁膜形成層１３５を流路形成基板１０の全面に形成後、パターニングすることにより、連結配線１１３に対応する領域に絶縁膜１３０を形成する。次いで、図４（ａ）に示すように、引き出し配線１１０を構成する第１及び第２のリード電極１１１，１１２、保護膜１１４、バイパス配線１４０を同時に形成する。すなわち、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属膜１１５を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、この金属膜１１５をパターニングすることにより、各圧電素子３００毎に第１及び第２のリード電極１１１，１１２を形成すると共に、絶縁膜１３０に対向する領域に延設されるバイパス配線１４０を形成する。さらに、圧電素子３００の第１のリード電極１１１とは反対側の端部に保護膜１１４を形成する。このように、第１及び第２のリード電極１１１，１１２と同一膜（金属膜１１５）でバイパス配線１４０を形成することにより、製造工程を煩雑化することなくバイパス配線１４０を容易に形成することができる。
【００４５】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板（流路形成基板１０）の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。具体的には、まず、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に、予め圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が形成された封止基板３０を接合する。次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の封止基板３０との接合面とは反対側の面に形成されている二酸化シリコン膜５１を所定形状にパターニングしてマスク膜５５とし、このマスク膜５５を介して、前述したアルカリ溶液による異方性エッチングを行うことにより、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。なお、このように異方性エッチングを行う際には、封止基板３０の表面を封止した状態で行う。
【００４６】
また、その後は、流路形成基板１０の封止基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板３０にコンプライアンス基板４０を接合して各チップサイズに分割することにより、図１に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【００４７】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の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、バイパス配線１４０を第１及び第２のリード電極１１１，１１２と同一の膜で形成するようにしたが、勿論、バイパス配線１４０は、第１及び第２のリード電極１１１，１１２とは、別途形成するようにしてもよい。なお、バイパス配線１４０は、何れにしても下電極膜６０よりも導電性の高い材料を用いることが望ましい。これにより、バイパス配線１４０の膜厚をあまり厚くすることなく下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下させることができる。また、バイパス配線１４０を第１及び第２のリード電極１１１，１１２とは別途形成する場合、上電極膜８０から端子部１２０まで連続的する引き出し配線を形成後、絶縁膜１３０及びバイパス配線１４０を設けるようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、連結配線１１３を下電極膜６０と同一の材料で形成するようにしたが、連結配線１１３は、下電極膜６０とは別途設けるようにしてもよい。
【００４８】
なお、このような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上に搬送されるようになっている。
【００４９】
また、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出す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を一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。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を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【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】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】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 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、 ４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 １００ リザーバ、１１０ 引き出し配線、 １１１ 第１のリード電極、 １１２ 第２のリード電極、 １１３ 連結配線、 １２０ 端子部、 １３０ 絶縁膜、 １４０ バイパス配線、 １４１ 接続部、 ３００ 圧電素子
Claims (9)
- 液体を噴射するノズル開口に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の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドにおいて、
前記下電極が前記圧力発生室の長手方向端部近傍でパターニングされて、各圧力発生室に対向する領域に前記圧電素子の実質的に駆動部である圧電体能動部が形成されると共に前記圧電素子の個別電極である前記上電極から端子部まで引き出される引き出し配線を有し、前記圧電体能動部を覆うことなく設けられた絶縁膜によって各引き出し配線の一部が連続的に覆われ、且つ前記圧電素子の共通電極である前記下電極から前記端子部まで延設されるバイパス配線の少なくとも一部が前記絶縁膜上に延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。 - 請求項１において、前記引き出し配線は、一端が前記上電極に接続されるリード電極と、該リード電極と前記端子部との間を連結する連結配線とで構成され、前記絶縁膜が前記連結配線上に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項２において、前記連結配線が、前記下電極と同一の膜からなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項２又は３において、前記バイパス配線が、前記リード電極と同一の膜からなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項１〜４の何れかにおいて、前記流路形成基板の前記圧電素子側に当該圧電素子を封止する空間である圧電素子保持部を有する封止基板が接合され、前記絶縁膜の少なくとも一部が、前記圧電素子と共に前記圧電素子保持部内に密封されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項１〜５の何れかにおいて、前記絶縁膜が有機材料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６において、前記有機材料が、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１〜７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。
- 液体を噴射するノズル開口に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の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、
下電極形成膜を成膜及びパターニングして前記圧力発生室に対応する領域に前記下電極を形成すると共に、前記上電極から引き出される引き出し配線の一部を構成する連結配線を前記圧力発生室の長手方向外側に圧力発生室毎に独立して形成する工程と、圧電体形成膜及び上電極形成膜を成膜及びパターニングして前記下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成する工程と、前記圧電素子の実質的な駆動部である圧電体能動部を覆うことなく前記連結配線上の両端部近傍を除く領域を連続的に覆うように絶縁膜を形成する工程と、前記上電極と前記連結配線とを接続すると共に前記連結配線と端子部とを接続するリード電極と、少なくとも一部が前記絶縁膜上に延設されて前記下電極と前記端子部とを接続するバイパス配線とを同一膜で形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
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