JP2008149648A - 液滴吐出ヘッド、画像形成装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体の変位量のばらつきを抑制することができる液滴吐出ヘッド、画像形成装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法を得る。
【解決手段】圧電体４６を圧力室５０の周壁（シリコン基板７２）より内側に設けると共に、下部電極５２を各圧電体４６毎に個別化して設け、下部電極５２の長手方向の一端部が圧力室５０の周壁に掛かる大きさとなるようにしている。
【選択図】図５

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、画像形成装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。

従来から、主走査方向に往復移動する液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッド（以下、単に「記録ヘッド」という場合がある）の複数のノズルから選択的にインク滴を吐出し、副走査方向に搬送されて来る記録紙等の記録媒体に文字や画像等を印刷するインクジェット記録装置は知られている。

そして、次世代の記録ヘッドとして１２００ｄｐｉ、さらには２４００ｄｐｉの高解像度のピエゾ（圧電素子）タイプの低コスト記録ヘッドを開発していく過程において、プリンタの印字品質・印字速度などの向上の要求に応えるため、圧電素子の小型高密度化、低電圧作動化、高速応答化を図るための研究が進められている。

この中で、下部電極をパターニングして形成する圧電素子の構成の場合、変位効率の向上には圧電体が形成される振動板となる基板の肉厚を薄くすることが重要である。しかし、基板全体を薄くすると、基板の剛性が低下し、変位の安定性が低下するという相反する関係がある。

また、圧電素子の高密度化により、基板剛性の影響が増大し、変位効率の圧電素子間ばらつきが大きくなる。

このような中で、特許文献１では、下部電極の幅が圧力室の幅より狭く形成され、また、圧電素子の幅が下部電極の幅より大きく形成されることで、圧電素子の印刷ばらつきや焼成による圧電素子の収縮等による変形特性の影響を小さくし、また、下部電極の幅を正確に形成することで変形特性を略均一にしている。
特開平７−１４８９２１号公報

本発明は、圧電体の変位量のばらつきを抑制することができる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドの製造方法を得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明は、液滴吐出ヘッドにおいて、液滴を吐出するノズルと、各前記ノズルと繋がる圧力室と、前記圧力室の一部を構成する振動板と、前記振動板の表面に形成され、一方の極性となる下部電極と、スパッタリング法により前記下部電極の表面に形成され、前記圧力室に対向する位置に配置された撓み変形可能な圧電体と、前記圧電体の上面に形成され、他方の極性となる上部電極と、を有し、前記圧電体が、前記圧力室の周壁より内側に設けられ、前記下部電極の一部が、前記圧力室の周壁に掛かる大きさとされ前記圧電体毎に個別化されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の液滴吐出ヘッドにおいて、前記下部電極の全外縁部が前記圧力室の周壁に掛かっていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記下部電極を構成する材料は、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔａまたはその酸化物であり、前記振動板を構成する材料は、ＳｉＯ_２とＳｉであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、画像形成装置において、請求項１〜３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドと、前記記録ヘッドより液滴を吐出して画像形成する記録ヘッド部を備える記録部と、記録媒体を前記記録部に送り出す供給部と、画像形成された記録媒体を排出する排出部と、を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、液滴吐出ヘッドの製造方法において、振動板の表面に、該振動板を変位させる圧電素子の一方の極性となる下部電極層を形成する下部電極層形成工程と、前記下部電極層形成工程で形成された下部電極層の表面に、撓み変形可能な圧電体層をスパッタリング法で形成する圧電体層形成工程と、前記圧電体層形成工程で形成された圧電体層の表面に、前記圧電素子の他方の極性となる上部電極層を形成する上部電極層形成工程と、前記圧電体パターニング工程の後に、圧電体が前記圧力室の周壁より内側となるように前記上部電極層及び圧電体層をパターニングする圧電体パターニング工程と、前記圧電体パターニング工程後に、前記圧電体の下部電極の少なくとも一部が、前記圧力室の周壁に掛かる大きさで前記圧電体毎に前記下部電極が個別化されるように下部電極層をパターニングする下部電極パターニング工程と、を有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、下部電極が個別化されても、振動板の剛性の低下を抑制し、各圧電体の変位量のばらつきを抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、下部電極が個別化されても、さらに振動板の剛性の低下を抑制し、各圧電体の変位量のばらつきをさらに抑制することができる。

請求項３に記載の発明では、材料の組合せにおける振動板の削り込み（選択比が小さい）による問題を抑制することができる。

請求項４に記載の発明では、各圧電体の変位量のばらつきが少ない画像形成装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明では、下部電極パターニング時の削り込みによる振動板の剛性の低下を抑制し、各圧電体の変位量のばらつきを抑制することができる液滴吐出ヘッドを製造することができる。

以下、本発明の最良な実施の形態について、図面に示す実施例を基に詳細に説明する。なお、画像形成装置としてはインクジェット記録装置１０を例に採って説明する。したがって、液体はインク１１０とし、液滴吐出ヘッドはインクジェット記録ヘッド３２として説明をする。また、記録媒体は記録用紙Ｐとして説明をする。

インクジェット記録装置１０は、図１で示すように、記録用紙Ｐを送り出す用紙供給部１２と、記録用紙Ｐの姿勢を制御するレジ調整部１４と、インク滴を吐出して記録用紙Ｐに画像形成する記録ヘッド部１６及び記録ヘッド部１６のメンテナンスを行うメンテナンス部１８を備える記録部２０と、記録部２０で画像形成された記録用紙Ｐを排出する排出部２２とから基本的に構成されている。

用紙供給部１２は、記録用紙Ｐが積層されてストックされているストッカー２４と、ストッカー２４から１枚ずつ取り出してレジ調整部１４に搬送する搬送装置２６とから構成されている。レジ調整部１４は、ループ形成部２８と、記録用紙Ｐの姿勢を制御するガイド部材２９とを有しており、記録用紙Ｐは、この部分を通過することによって、そのコシを利用してスキューが矯正されるとともに、搬送タイミングが制御されて記録部２０に供給される。そして、排出部２２は、記録部２０で画像が形成された記録用紙Ｐを、排紙ベルト２３を介してトレイ２５に収納する。

記録ヘッド部１６とメンテナンス部１８の間には、記録用紙Ｐが搬送される用紙搬送路２７が構成されている（用紙搬送方向を矢印ＰＦで示す）。用紙搬送路２７は、スターホイール１７と搬送ロール１９とを有し、このスターホイール１７と搬送ロール１９とで記録用紙Ｐを挟持しつつ連続的に（停止することなく）搬送する。そして、この記録用紙Ｐに対して、記録ヘッド部１６からインク滴が吐出され、記録用紙Ｐに画像が形成される。メンテナンス部１８は、インクジェット記録ユニット３０に対して対向配置されるメンテナンス装置２１を有しており、インクジェット記録ヘッド３２（図２参照）に対するキャッピングや、ワイピング、更には、予備吐出や吸引等の処理を行う。

図２で示すように、各インクジェット記録ユニット３０は、矢印ＰＦで示す用紙搬送方向と直交する方向に配置された支持部材３４を備えており、この支持部材３４に複数のインクジェット記録ヘッド３２が取り付けられている。インクジェット記録ヘッド３２には、マトリックス状に複数のノズル５６が形成されており、記録用紙Ｐの幅方向には、インクジェット記録ユニット３０全体として一定のピッチでノズル５６が並設されている。

そして、用紙搬送路２７を連続的に搬送される記録用紙Ｐに対し、ノズル５６からインク滴を吐出することで、記録用紙Ｐ上に画像が記録される。なお、インクジェット記録ユニット３０は、例えば、いわゆるフルカラーの画像を記録するために、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色に対応して、少なくとも４つ配置されている。

図３で示すように、それぞれのインクジェット記録ユニット３０のノズル５６による印字領域幅は、このインクジェット記録装置１０での画像記録が想定される記録用紙Ｐの用紙最大幅ＰＷよりも長くされており、インクジェット記録ユニット３０を紙幅方向に移動させることなく、記録用紙Ｐの全幅にわたる画像記録が可能とされている。

ここで、印字領域幅とは、記録用紙Ｐの両端から印字しないマージンを引いた記録領域のうち最大のものが基本となるが、一般的には印字対象となる用紙最大幅ＰＷよりも大きくとっている。これは、記録用紙Ｐが搬送方向に対して所定角度傾斜して（スキューして）搬送されるおそれがあるためと、縁無し印字の要望が高いためである。

以上のような構成のインクジェット記録装置１０において、次にインクジェット記録ヘッド３２について詳細に説明する。なお、図４はインクジェット記録ヘッド３２の全体構成を示す概略平面図であり、図５は図４のＸ−Ｘ線断面図である。また、図６は、インクジェット記録ヘッド３２として切断される前の天板４０を示す概略平面図である。

図４及び図５に示すように、インクジェット記録ヘッド３２には、インクタンク（図示省略）と繋がるインク供給ポート３６が設けられており、そのインク供給ポート３６から注入されたインク１１０は、インクプール室３８に貯留される。

インクプール室３８は天板４０と隔壁４２とによって、その容積が規定されており、インク供給ポート３６は、天板４０の所定箇所に複数、列状に穿設されている。また、列をなすインク供給ポート３６の間で、天板４０よりも内側のインクプール室３８内には、圧力波を緩和する樹脂膜製エアダンパー４４（後述する感光性ドライフィルム９６）が設けられている。

天板４０の材質は、例えばガラス、セラミックス、シリコン、樹脂等、インクジェット記録ヘッド３２の支持体になり得る強度を有する絶縁体であれば何でもよい。また、天板４０には、後述する駆動ＩＣ６０へ通電するための金属配線９０が設けられている。この金属配線９０は、樹脂膜９２で被覆保護されており、インク１１０による侵食が防止されるようになっている。

隔壁４２は樹脂（後述する感光性ドライフィルム９８）で成形され、インクプール室３８を矩形状に仕切っている。また、インクプール室３８は、圧電素子４５と、その圧電素子４５によって上下方向に撓み変形させられる振動板４８を介して、圧力室５０と上下に分離されている。つまり、圧電素子４５及び振動板４８が、インクプール室３８と圧力室５０との間に配置される構成とされ、インクプール室３８と圧力室５０とが同一水平面上に存在しないように構成されている。

したがって、圧力室５０を互いに接近させた状態に配置し、ノズル５６をマトリックス状に高密度に配設している。振動板４８は、Ｐｌａｓｍａ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（Ｐ−ＣＶＤ）法により、ゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）の上下に、不純物が何も添加されていないＳｉＯ_２膜が積層されて構成された３層構造とされ、少なくとも上下方向に弾性を有し、圧電素子４５に通電されると（電圧が印加されると）、上下方向に撓み変形する（変位する）構成になっているが、この他にも振動板としてシリコンとシリコン酸化膜の積層膜などを採用してもよい。この場合、ＳＯＩウエハをベース基板として用いて振動板を作製する。なお、振動板４８の厚さは、安定した剛性を得るために、１μｍ以上２０μｍ以下（１μｍ〜２０μｍ）とされている。

また、圧電素子４５は、圧力室５０毎に振動板４８の上面に接着されている。圧電素子４５を構成する圧電体４６の下面には、圧電素子４５の一方の極性となる下部電極５２が配置され、圧電体４６の上面には他方の極性となる上部電極５４が配置されている。

ここで、圧電体４６及び上部電極５４を圧力室５０の周壁（後述する、シリコン基板７２）の内側に設けており、下部電極５２を各圧電体４６毎に個別化して設け、下部電極５２の長手方向の一端部が圧力室５０の周壁に掛かる大きさとなるようにしている。

そして、上部電極５４、圧電体４６及び下部電極５２は、保護膜としての低透水性絶縁膜（以下「ＳｉＯｘ膜」という）８０で被覆保護される。

更に、低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）８０の上面及び金属配線８６、８７は、樹脂保護膜８８で被覆保護され、インク１１０による侵食が防止されるようになっている。

また、圧電素子４５の上方は、樹脂保護膜８８を薄くしている。さらに、圧電素子４５の上方に位置する樹脂保護膜８８の上面には、圧電素子４５に対面するようにして、圧力波を緩和する樹脂膜製エアダンパー４４（後述する感光性ドライフィルム９６）が設けられている。

一方、駆動ＩＣ６０は、隔壁４２で規定されたインクプール室３８の外側で、かつ天板４０と振動板４８との間に配置されており、振動板４８や天板４０から露出しない（突出しない）構成とされている。

また、その駆動ＩＣ６０の周囲は樹脂材５８で封止されている。この駆動ＩＣ６０を封止する樹脂材５８の注入口４０Ｂは、図６で示す、製造段階における天板４０において、各インクジェット記録ヘッド３２を仕切るように格子状に複数個穿設されており、後述する圧電素子基板７０の形成後、樹脂材５８によって封止された（閉塞された）注入口４０Ｂに沿って天板４０を切断することにより、マトリックス状のノズル５６（図４参照）を有するインクジェット記録ヘッド３２が１度に複数個製造される構成になっている。

また、この駆動ＩＣ６０の下面には、図５、図７で示すように、複数のバンプ６２がマトリックス状に所定高さ突設されており、圧電素子基板７０に配設された金属配線８６、８７にフリップチップ実装されるようになっている。なお、ここでは、上部電極５４と接続する金属配線８６側が接地電位となっている（後述する）。

さらに、図５において、駆動ＩＣ６０の外側には、バンプ６４が設けられている。このバンプ６４は、天板４０に設けられる金属配線９０と、圧電素子基板７０に設けられた金属配線８７とを接続しており、当然ながら、圧電素子基板７０に実装された駆動ＩＣ６０の高さよりも高くなるように設けられている。

したがって、インクジェット記録装置１０の本体側から天板４０の金属配線９０に通電され、その天板４０の金属配線９０からバンプ６４を経て金属配線８７に通電されて、そこから駆動ＩＣ６０に通電される構成である。そして、その駆動ＩＣ６０により、所定のタイミングで圧電素子４５に電圧が印加され、振動板４８が上下方向に撓み変形することにより、圧力室５０内に充填されたインク１１０が加圧されて、ノズル５６からインク滴が吐出する構成である。

インク滴を吐出するノズル５６は、圧力室５０毎に１つずつ、その所定位置に設けられている。圧力室５０とインクプール室３８とは、圧電素子４５を回避するとともに、振動板４８を貫通するインク流路６６と、圧力室５０から図５において水平方向へ向かって延設された連通路１１５とが繋がることによって接続されている。

以上のような構成のインクジェット記録ヘッド３２において、次に、その製造工程について、図８〜図１１を基に詳細に説明する。図８で示すように、このインクジェット記録ヘッド３２は、流路基板であるシリコン基板７２の上面に圧電素子４５を備えた圧電素子基板７０を作製し、そして、シリコン基板７２の下面にノズルプレート７４（ノズルフィルム６８）を接合（貼着）することによって製造される。

図９−１（Ａ）で示すように、まず、シリコン基板７２を用意する。そして、図９−１（Ｂ）で示すように、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ（ＲＩＥ）法により、そのシリコン基板７２の圧力室５０となる領域に開口部７２Ａを形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、ＲＩＥ法によるエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。

次いで、図９−１（Ｃ）で示すように、ＲＩＥ法により、そのシリコン基板７２の連通路１１５となる領域に溝部７２Ｂを形成する。具体的には、上記と同様に、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、ＲＩＥ法によるエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。これにより、圧力室５０と連通路１１５とからなる多段構造が形成される。

その後、図９−１（Ｄ）で示すように、連通路１１５を構成する開口部７２Ａと、圧力室５０を構成する溝部７２Ｂに、スクリーン印刷法により、ガラスペースト７６を充填する（埋め込む）。スクリーン印刷法を用いると、深い開口部７２Ａや溝部７２Ｂでも確実にガラスペースト７６を埋め込むことができるので好ましい。

また、このガラスペースト７６は、熱膨張係数が、１×１０^−６／℃〜６×１０^−６／℃であり、軟化点は、５５０℃〜９００℃である。

ガラスペースト７６を充填後、シリコン基板７２を、例えば８００℃で１０分間、加熱処理する。このガラスペースト７６の硬化熱処理に使用する温度は、後述する圧電素子４５の成膜温度（例えば５５０℃）や振動板４８の成膜温度（例えば７００℃）よりも高い温度とし、振動板４８及び圧電素子４５の成膜工程において、ガラスペースト７６を高温耐性にする。

つまり、少なくともガラスペースト７６を硬化熱処理した温度までは、後工程で使用可能とする。その後、シリコン基板７２の上面（表面）を研磨して余剰ガラスペースト７６を除去し、その上面（表面）を平坦化する。

次に、図９−２（Ｅ）で示すように、シリコン基板７２の上面（表面）に、スパッタリング法により、ゲルマニウム（Ｇｅ）膜７８（膜厚１μｍ）を成膜する。このＧｅ膜７８は、後工程でガラスペースト７６をフッ化水素（ＨＦ）溶液でエッチング除去するときに、振動板４８（ＳｉＯ_２膜）が一緒にエッチングされないように保護するエッチングストッパー層として機能する。なお、このＧｅ膜７８は、蒸着やＣＶＤ法でも成膜できる。また、エッチングストッパー層としては、シリコン（Ｓｉ）膜も使用できる。

そして、図９−２（Ｆ）で示すように、そのＧｅ膜７８の上面に振動板４８の一部となる薄膜、即ち不純物が何も添加されていないＳｉＯ_２膜（膜厚０．４μｍ）をＰ−ＣＶＤ法により成膜し、次いで、振動板４８の一部となる薄膜、即ちＧｅが添加されたＳｉＯ_２膜（膜厚９．２μｍ）をＰ−ＣＶＤ法により成膜し、更に、振動板４８の一部となる薄膜、即ち不純物が何も添加されていないＳｉＯ_２膜（膜厚０．４μｍ）をＰ−ＣＶＤ法により成膜する。

具体的には、酸素（Ｏ_２）及びシリコン（Ｓｉ）原料を含むガス、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、シラン（ＳｉＨ_４）の何れかを含むガスに、アルコキシド系のガスであるテトラメチルゲルマニウム（ＴＭＧｅ）を添加することにより成膜する。なお、このとき、Ｇｅが添加されたＳｉＯ_２膜の厚さが、振動板４８全体の厚さの１／２以上となるようにする。なお、振動板４８を構成する材料として、ＳｉＯ_２以外に、Ｓｉ、ＳｉＮ等を用いても良い。

こうして、ＳｉＯ_２膜を連続して成膜したら、窒素（Ｎ_２）雰囲気下で１時間、これ以降の工程における最高温度よりも高い温度、例えば７００℃でアニール（熱処理）する。なお、アニール温度は７００℃に限定されるものではなく、６００℃以上１１００℃以下（６００℃〜１１００℃）であればよい。

ＳｉＯ_２膜を成膜してアニールし、３層構造の振動板４８を形成したら、図９−２（Ｇ）で示すように、スパッタリング法により、例えば厚み０．５μｍ程度のＩｒとＴｉとの積層膜（下部電極層）６３を振動板４８の上面に成膜する。

そして、図９−２（Ｈ）で示すように、下部電極５２となる積層膜６３の上面に、圧電体４６の材料であるＰＺＴ膜（圧電体層）６５をスパッタリング法で積層（成膜）した（圧電体層形成工程）後、上部電極５４となるＩｒ膜（上部電極層）６７をスパッタリング法で積層（成膜）する（上部電極層形成工程）。その後、図９−２（Ｉ）で示すように、ＰＺＴ膜６５及びＩｒ膜６７をパターニングし、圧電体４６及び上部電極５４を形成する（圧電体パターニング工程）。

具体的には、ＰＺＴ膜スパッタ（膜厚５μｍ）、Ｉｒ膜スパッタ（膜厚０．５μｍ）、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング（Ｃｌ_２系又はＦ系のガスを用いたドライエッチング）、酸素プラズマによるレジスト剥離である。下部電極５２及び上部電極５４の材料としては、圧電体４６であるＰＺＴ材料との親和性が高く、耐熱性がある、例えばＩｒ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔａまたはその酸化物である、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＰｔＯ_２、ＴａＯ_４等が挙げられる。また、ＰＺＴ膜６５の成膜温度は５５０℃であり、ＰＺＴ膜６５の積層（成膜）には、ＡＤ法、ゾルゲル法等も用いることが可能である。

次に、図９−３（Ｊ）で示すように、振動板４８の上面に積層された積層膜６３をパターニングする（下部電極パターニング工程）。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、ＲＩＥ法による（Ｃｌ_２系のガスを用いた）ドライエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。

このように、圧電素子４５を形成する過程では、シリコン基板７２に、ＳｉＯ_２にて振動板４８を形成し、その上面にＩｒとＴｉとの積層膜６３（下部電極５２）を形成する。そして、該積層膜６３の上面にＰＺＴ膜６５（圧電体４６）を形成し、さらにＰＺＴ膜６５の上面にＩｒ膜６７（上部電極５４）を形成して、５層構造のプレートを作成する。そして、上部電極５４、圧電体４６及び下部電極５２をそれぞれパターニングすることで、圧電素子４５が形成される。

次に、図９−３（Ｋ）で示すように、表面に露出している上部電極５４の上面、圧電体４６の端面、下部電極５２の上面及び振動板４８の端面に保護膜として低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）８０を積層する。

なお、ここでは保護膜としてＳｉＯｘ膜８０（シリコン酸化膜）を用いたが、ＳｉＮｘ膜（シリコン窒化膜）、ＳｉＯｘＮｙ膜等であってもよい。また、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）や、Ｔａ、Ｔｉ等の金属膜、ＴａＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５等の金属酸化膜、樹脂膜等でもよく、更にはそれらの単層膜ではなく、それらを組み合わせた複数層膜にしてもよい。酸化膜、窒化膜、ＳＯＧ、金属膜、金属酸化膜は、絶縁性、耐湿性、膜層間の段差抑制（緩和）に優れ、中でも酸化膜、窒化膜、ＳＯＧ、金属膜は、耐薬品（インク）性においても優れる。

そして、図９−３（Ｌ）で示すように、ドライエッチング加工によって、インクプール室３８と圧力室５０から図５において水平方向へ向かって延設された連通路１１５とを繋げるインク流路６６を構成するインク供給口８３を形成し、更に、ドライエッチング加工によって、上部電極５４に金属配線８６（図５参照）を接続するための開口８４（コンタクト孔）と、下部電極５２に金属配線８７を接続するための開口８５（コンタクト孔）を形成する。

次いで、図９−４（Ｍ）で示すように、開口８４内の上部電極５４と、開口８５内の下部電極５２及び低透水性絶縁膜（ＳｉＯｘ膜）８０の上面に金属膜を積層し、金属配線８６、８７をパターニングする。具体的には、スパッタリング法にてＡｌ膜（厚さ１μｍ）を着膜する、ホトリソグラフィー法でレジストを形成する、塩素系のガスを用いたＲＩＥ法にてＡｌ膜をエッチングする、酸素プラズマにてレジスト膜を剥離する、という加工を行う。

そして更に、図９−４（Ｎ）で示すように、金属配線８６、８７及びＳｉＯｘ膜８０の上面に樹脂保護膜８８をパターニングする。具体的には、ＳｉＯｘ膜に樹脂保護膜８８を構成する感光性樹脂を塗布し、露光・現像することでパターンを形成し、最後にキュアする。このとき、樹脂保護膜８８にインク流路６６も形成しておく。また、樹脂保護膜８８を構成する感光性樹脂は、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、ポリウレタン系、シリコーン系等、耐インク性を有していればよい。また、このとき、圧電素子４５の上方で、金属配線８６がパターニングされていない部位には、樹脂保護膜８８を薄くする。このため、樹脂保護膜８８をパターニングした後、ドライエッチング加工によって所定の部位に凹部１１２Ａを形成する。

なお、この樹脂保護膜８８は、後述する隔壁４２（感光性ドライフィルム９８）と同種の樹脂材料とする方が、この隔壁４２（感光性ドライフィルム９８）に対する接合力が強固になり、その界面からのインク１１０の侵入がより一層防止され、また、それらの熱膨張率が略等しくなるので、熱応力の発生が少なくて済む利点もあり好ましい。

図９−５（Ｏ）で示すように、凹部１１２Ａの周壁に、マトリックス状に配置された各圧電素子４５に対面するように感光性ドライフィルム９６（例えば、日立化成工業株式会社製Ｒａｙｔｅｃ ＦＲ−５０２５：２５μｍ厚）を露光・現像によりパターニングする（架設する）。この感光性ドライフィルム９６が圧力波を緩和するエアダンパー４４となる。

次に、図９−５（Ｐ）で示すように、樹脂保護膜８８が積層されず、金属配線８６、８７が露出している箇所にバンプ６２を形成し、該バンプ６２を介して駆動ＩＣ６０をフリップチップ実装する。このとき、駆動ＩＣ６０は、予め半導体ウエハプロセスの終りに実施されるグラインド工程にて、所定の厚さ（７０μｍ〜３００μｍ）に加工されている。駆動ＩＣ６０が厚すぎると、図５で示す隔壁４２のパターニングやバンプ６４の形成が困難になったりする。この駆動ＩＣ６０を金属配線８６、８７にフリップチップ実装するためのバンプ６２の形成方法には、電界メッキ、無電界メッキ、ボールバンプ、スクリーン印刷等が適用できる。こうして、圧電素子基板７０が製造される。

次に、図１０−１（Ａ）で示すように、樹脂保護膜８８が積層されず、金属配線８７が露出している箇所にメッキ法等でバンプ６４を形成する。このバンプ６４を、天板４０に設けられた金属配線９０（図５参照）と電気的に接続するため、図１０−１（Ｂ）に示す感光性ドライフィルム９８（隔壁４２）よりもその高さが高くなるように形成される。

そして、図１０−１（Ｂ）で示すように、樹脂保護膜８８の所定位置に感光性ドライフィルム９８（１００μｍ厚）を積層して露光・現像によりパターニングする。この感光性ドライフィルム９８がインクプール室３８（図５参照）を規定する隔壁４２となる。なお、隔壁４２は、感光性ドライフィルム９８に限定されるものではなく、樹脂塗布膜（例えば、化薬マイクロケム社のＳＵ−８レジスト）としてもよい。このときには、スプレー塗布装置にて塗布し、露光・現像をすればよい。

隔壁４２とバンプ６４が形成された後、図１０−２（Ｃ）で示すように、駆動ＩＣ６０周りに封止用樹脂材５８（例えば、エポキシ樹脂）を注入する。

次に、図１０−２（Ｄ）で示すように、隔壁４２、バンプ６４及び封止用樹脂材５８上に樹脂膜９２（例えば、富士フイルムアーチ社製の感光性ポリイミド Ｄｕｒｉｍｉｄｅ７３２０）を積層する。そして、図１０−３（Ｅ）に示すように、樹脂膜９２の表面をエッチングし凹部９２Ａを形成し、図１０−４（Ｆ）で示すように、該凹部９２Ａ内に金属配線９０を積層してパターニングする。具体的には、スパッタリング法によるＡｌ膜（厚さ１μｍ）を着膜、ホトリソグラフィー法によるレジストの形成、塩素系のガスを用いたＲＩＥ法によるＡｌ膜のエッチング、酸素プラズマによるレジスト膜の剥離である。

次に、図１０−４（Ｇ）に示すように、樹脂膜９２及び金属配線９０にガラス板を支持体とする天板４０を熱圧着（例えば３５０℃、２ｋｇ／ｃｍ^２で２０分間）により結合（接合）させる。なお、この天板４０には、予めインクタンク（図示省略）と繋がるインク供給ポート３６を所定箇所に形成しておく。具体的には、ホトリソグラフィー法で感光性ドライフィルムのレジストをパターニングし、このレジストをマスクとしてサンドブラスト処理を行って開口を形成した後、そのレジストを酸素プラズマにて剥離する。

次に、図１１−１（Ａ）で示すように、シリコン基板７２に充填した（埋め込んだ）ガラスペースト７６を、ＨＦを含む溶解液によって選択的にエッチング除去する。このとき、振動板４８は、Ｇｅ膜７８によりＨＦ溶液から保護されるため、エッチングされることはない。つまり、このＧｅ膜７８は、上記したように、ガラスペースト７６をＨＦ溶液でエッチング除去する際に、振動板４８が一緒にエッチング除去されてしまうのを防止するエッチングストッパー層として機能する。

なお、ここではガラスペースト７６の除去に、ＨＦを含んだ液体を用いたが、ガラスペースト７６の除去には、ＨＦを含んだガスや蒸気を使用してもよい。

Ｇｅ膜７８の溶解液、例えば６０℃に加熱した過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を圧力室５０側から供給して、Ｇｅ膜７８の一部をエッチングして除去する。この段階で圧力室５０及び連通路１１５が完成する。Ｇｅ膜７８をエッチング除去したら、圧力室５０及び連通路１１５を形成した部位以外では、Ｇｅ膜７８が残ったままとなるが、特に問題はない。

そして、図１１−２（Ｂ）で示すように、シリコン基板７２の下面にノズルプレート７４を貼着する。すなわち、ノズル５６となる開口６８Ａが形成されたノズルフィルム６８をシリコン基板７２の下面に貼り付ける。

これにより、インクジェット記録ヘッド３２が完成し、図５で示すように、インクプール室３８や圧力室５０内にインク１１０が充填可能とされる。なお、この製造方法は、一例であって、可能な場合、各工程の順番が前後しても良い。

例えば、本実施形態では、図１０−４（Ｇ）において、樹脂膜９２及び金属配線９０に天板４０を結合（接合）させた後、図１１−１（Ａ）において、シリコン基板７２のガラスペースト７６を除去したが、天板４０の接合前に、ガラスペースト７６を除去しても良い。

また、本実施形態では、シリコン基板７２をＲＩＥで開口してガラスペースト７６を埋め込み、その後に以後の工程を行っているが、先に圧電素子４５周辺の機能部を作製した後にシリコン基板７２の裏面から開口して圧力室５０を形成する方法でも作製可能である。

以上のようにして製造されたインクジェット記録ヘッド３２を備えたインクジェット記録装置１０において、次に、その作用を説明する。

まず、インクジェット記録装置１０に印刷を指令する電気信号が送られると、ストッカー２４から記録用紙Ｐが１枚ピックアップされ、搬送装置２６により搬送される。

一方、インクジェット記録ユニット３０では、すでにインクタンクからインク供給ポートを介して、図５に示すインクジェット記録ヘッド３２のインクプール室３８にインク１１０が注入（充填）され、インクプール室３８に充填されたインク１１０は、インク供給路１１４を経て圧力室５０へ供給（充填）される。そして、このとき、ノズル５６の先端（吐出口）では、インク１１０の表面が圧力室５０側に僅かに凹んだメニスカスが形成されている。

そして、記録用紙Ｐを搬送しながら、複数のノズル５６から選択的にインク滴を吐出することにより、記録用紙Ｐに、画像データに基づく画像の一部を記録する。すなわち、駆動ＩＣ６０により、所定のタイミングで、所定の圧電素子４５に電圧を印加し、振動板４８を上下方向に撓み変形させて（面外振動させて）、圧力室５０内のインク１１０を加圧し、所定のノズル５６からインク滴として吐出させる。こうして、記録用紙Ｐに、画像データに基づく画像が完全に記録されたら、排紙ベルト２３により記録用紙Ｐをトレイ２５に排出する。これにより、記録用紙Ｐへの印刷処理（画像記録）が完了する。

ところで、上部電極５４或いは下部電極５２などの電極膜（高融点金属）のドライエッチング条件では、振動板４８のＳｉＯ_２膜とのエッチング選択比が小さい（＜０．１〜０．３）。このため、例えば、３００ｎｍの電極膜をエッチングした場合でも３０％のオーバーエッチングで１μｍのＳｉＯ_２膜が削り込まれてしまう。

つまり、エッチングによる削り込みによって振動板４８は下部電極５２の下部とその他の領域で１μｍの厚さの違いが生じ、また、エッチング特性のウエハ面内のばらつきから、ウエハ面内の振動板４８の削り込みのばらつきを生み、振動板４８の厚さに１μｍ以上のばらつきが生じることになる。しかしながら、エッチング条件の最適化（選択比向上）には限界があり、振動板４８のＳｉＯ_２膜の削り込みを完全になくすことは非常に困難である。

このように、振動板４８のＳｉＯ_２膜の削り込みにより、振動板４８の剛性の低下やそのばらつきによる各圧電体４６のビット毎の変位量にばらつきが生じるが、図１２（Ａ）、（Ｂ）で示すように、下部電極１００が形成されている領域が圧力室１０２の周壁１０２Ａよりも内側であった場合は、特にその影響が顕著である。

具体的には、振動板１０４の削り込みにより、振動板１０４が薄くなり、振動板１０４の機械的強度は極端に低下し加工時に圧電体１０６を含む圧電素子１０８が破損したり、振動板１０４の剛性の低下から圧電素子１０８の変位量のばらつきを生む要因となり、デバイスの安定駆動を著しく劣化したりすることとなる。

そこで、振動板１０４の削り込みによる剛性の低下を抑制するため、圧電特性に影響すると考えられる領域について振動板１０４の削り込みを抑制する必要がある。ここで、下部電極１００の下部に位置する振動板１０４の厚肉部１０４Ａは、下部電極１００のエッチングの際に削り込まれることはないため、デバイスの安定駆動のためには圧電体１０６周辺の削り込みを抑制する必要がある。

このため、本実施の形態では、図１３（Ａ）、（Ｂ）に示すように（なお、図１３（Ａ）は圧電素子４５、振動板４８及び圧力室５０の関係を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の断面図である。）、略直方体状の圧電体４６を圧力室５０の周壁（シリコン基板７２）より内側に設けると共に、下部電極５２を各圧電体４６毎に個別化して設け、下部電極５２の長手方向の一端部が圧力室５０の周壁に掛かる大きさとなるようにしている。

また、下部電極５２の長手方向に沿った一端側（金属配線８７側）が圧力室５０の周壁（シリコン基板７２）に掛かる大きさとなるようにする。エッチングの際に削り込まれる領域は、下部電極５２の下部以外の領域であるため、振動板４８の厚肉部４８Ａを圧力室５０の周壁に掛かる大きさとなり、圧電素子４５の特性に必要な振動板４８の剛性の低下を抑制する。

なお、本実施の形態は、あくまでも一例であって、本発明は、これらの構造に何ら限定されるものではない。例えば、本実施の形態では、下部電極５２の長手方向に沿った一端部が圧力室５０の周壁（シリコン基板７２）に掛かる大きさとなるようにしたが、図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すように（なお、図１４（Ａ）は圧電素子４５、振動板４８及び圧力室５０の関係を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の断面図である。）、下部電極５２の長手方向に沿った両端部が、平面視にて圧力室５０の周壁（シリコン基板７２）に掛かる大きさとなるようにしても良い。

つまり、振動板４８の厚肉部４８Ａで圧力室５０の一対の周壁を架け渡すこととなる。このため、下部電極５２及び振動板４８は圧力室５０の周壁によって確実に保持されることとなる。

また、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示すように（なお、図１５（Ａ）は圧電素子４５、振動板４８及び圧力室５０の関係を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の断面図である。）、下部電極５２の全外縁部が、平面視にて圧力室５０の周壁（シリコン基板７２）に掛かる大きさとなるようにしても良い。つまり、振動板４８の厚肉部４８Ａで圧力室５０の全周壁を架け渡すこととなる。このため、下部電極５２及び振動板４８は圧力室５０の周壁によってより確実に保持されることとなる。

一方、本実施形態では、振動板４８上に圧電素子４５を形成する場合、図９−２（Ｇ）、（Ｈ）で示すように、ＩｒとＴｉとの積層膜（下部電極層）６３をスパッタリング法で振動板４８の上面に成膜した後、該積層膜６３の上面に、ＰＺＴ膜（圧電体層）６５と、Ｉｒ膜（上部電極層）６７を順にスパッタリング法で積層（成膜）しているが、これによる圧電体４６の分極方向は、下部電極５２から上部電極５４側へ向かうということが分かっている。

このため、本実施の形態では、図１６に示すように、上部電極５４を接地電位（ＧＮＤ）とし、下部電極５２と駆動ＩＣ６０（図４参照）を接続して、下部電極５２に正電圧を印加するようにしている。

また、このインクジェット記録ヘッド３２は、インクプール室３８が、振動板４８（圧電素子４５）を間に置いて圧力室５０の反対側（上側）に設けられている。換言すれば、インクプール室３８と圧力室５０の間に振動板４８（圧電素子４５）が配置され、インクプール室３８と圧力室５０が同一水平面上に存在しないように構成されている。

また、インクプール室３８内に隔離室１１２を設け、該隔離室１１２によって圧電素子４５をインク１１０から隔離することで、圧電素子４５にはインク１１０による拘束力が負荷されない。

一方、圧電素子４５の撓み変形によって圧力室５０が加圧され、圧力室５０と繋がるノズル５６からインク滴としてインク１１０が吐出されるとき、インク流路６６を介してインクプール室３８内へ伝達されるインク１１０の圧力波は、隔離室１１２に設けられたエアダンパー４４によって緩和される。

なお、上記実施例のインクジェット記録装置１０では、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各色のインクジェット記録ユニット３０から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録紙Ｐに記録されるようになっているが、本発明におけるインクジェット記録は、記録紙Ｐ上への文字や画像の記録に限定されるものではない。

すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド３２を適用することができる。

また、上記実施例のインクジェット記録装置１０では、紙幅対応のいわゆるＦｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＦＷＡ）の例で説明したが、これに限定されず、主走査機構と副走査機構を有するＰａｒｔｉａｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＰＷＡ）であってもよい。

本発明の実施の形態に係るインクジェット記録装置を示す概略正面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの配列を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの印字領域の幅と記録媒体の幅との関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの概略平面図である。 図４のＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドとして切断される前の天板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの駆動ＩＣのバンプを示す概略平面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドを製造する全体工程の説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ａ）〜（Ｄ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ｅ）〜（Ｉ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ｊ）〜（Ｍ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ｎ）〜（Ｐ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ｑ）〜（Ｒ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ａ）〜（Ｂ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ｃ）〜（Ｄ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程（Ｅ）〜（Ｆ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子基板に天板を接合する工程（Ｇ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板に圧力室を形成する工程（Ａ）を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドのシリコン基板にノズルプレートを接合する工程（（Ｂ）を示す説明図である。 （Ａ）は、下部電極及び振動板をエッチングする際の断面図であり、（Ｂ）は、圧電素子を撓み変形させた状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子、振動板及び圧力室の関係を示す、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子、振動板及び圧力室の関係を示す変形例であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子、振動板及び圧力室の関係を示す他の変形例であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子の上部電極と下部電極の配線図を示す説明図である。

符号の説明

１０ インクジェット記録装置（画像形成装置）
２０ 記録部
２２ 排出部
３２ インクジェット記録ヘッド（液滴吐出ヘッド）
４５ 圧電体
４６ 圧電素子
４８ 振動板
５０ 圧力室
５２ 下部電極
５４ 上部電極
５６ ノズル
６３ 積層膜（下部電極層）
６５ ＰＺＴ膜（圧電体層）
６７ Ｉｒ膜（上部電極層）
７２ シリコン基板（周壁）

Claims (5)

1. 液滴を吐出するノズルと、
   各前記ノズルと繋がる圧力室と、
   前記圧力室の一部を構成する振動板と、
   前記振動板の表面に形成され、一方の極性となる下部電極と、
   スパッタリング法により前記下部電極の表面に形成され、前記振動板を挟んで前記圧力室に対向する位置に配置された撓み変形可能な圧電体と、
   前記圧電体の下部電極が形成された面と反対側に形成され、他方の極性となる上部電極と、
   前記圧電体が、前記圧力室の周壁より内側に設けられ、前記下部電極の一部が、前記圧力室の周壁に掛かる大きさとされ前記圧電体毎に個別化されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記下部電極の全外縁部が前記圧力室の周壁に掛かっていることを特徴とする請求項１の液滴吐出ヘッド。
3. 前記下部電極を構成する材料は、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔａまたはその酸化物であり、前記振動板を構成する材料は、ＳｉＯ_２とＳｉであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドと、前記記録ヘッドより液滴を吐出して画像形成する記録ヘッド部を備える記録部と、記録媒体を前記記録部に送り出す供給部と、画像形成された記録媒体を排出する排出部と、を備えたことを特徴とする画像形成装置。
5. 振動板の表面に、該振動板を変位させる圧電素子の一方の極性となる下部電極層を形成する下部電極層形成工程と、
   前記下部電極層形成工程で形成された下部電極層の表面に、撓み変形可能な圧電体層をスパッタリング法で形成する圧電体層形成工程と、
   前記圧電体層形成工程で形成された圧電体層の表面に、前記圧電素子の他方の極性となる上部電極層を形成する上部電極層形成工程と、
   前記上部電極層形成工程の後に、圧電体が前記圧力室の周壁より内側となるように前記上部電極層及び圧電体層をパターニングする圧電体パターニング工程と、
   前記圧電体パターニング工程の後に、前記圧電体の下部電極の少なくとも一部が、前記圧力室の周壁に掛かる大きさで前記圧電体毎に前記下部電極が個別化されるように下部電極層をパターニングする下部電極パターニング工程と、
   を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。

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