JP4933765B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法及び液体吐出ヘッド並びに画像形成装置に係り、特にノズルから液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造技術及びその構造に関する。

圧電素子の変位を利用して圧力室の壁面を変化させ、圧力室内のインクを加圧することで圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出するヘッド（液体吐出ヘッド）を搭載したインクジェット記録装置が知られている。

近年、インクジェット記録装置に用いられるヘッドには高集積化が求められて、該ヘッドの高集積化を実現するとともに高信頼性や高性能を確保するために、構造や製造上の様々な工夫がなされている。

特許文献１に記載された発明には、インク貯留室に振動板を接合した状態で圧電体膜を成膜してアニール処理を施すことで膜厚の薄い圧電体を生成し、低い駆動電圧で該圧電体を駆動しても十分に液室内の液体に圧力を付与して、液室から外部に液体を移送可能な液体移送装置の製造方法が開示されている。

特許文献２に記載された発明には、シリコン基体と鉛系圧電セラミックスとの間に中間層を形成し、シリコン基板上での圧電セラミックス焼成時の基板上への鉛拡散が防止でき、機械的強度及び信頼性の高い中間層を持ったアクチュエータを実現する技術が開示されている。

特許文献３に記載された発明には、ガスデポジション法成膜圧電セラミックス圧膜構造において、基板上に中間膜を配置した後にガスデポジション成膜を行うことで、基板ダメージを低減させ、圧電セラミックス厚膜／基板からなる積層構造体の機械的強度の低下を防ぐ圧電セラミックスの厚膜構造が開示されている。
特開２００５−３５０１３号公報 特開平１１−２０４８４９号公報 特開２００１−１５２３６１号公報

しかしながら、ステンレス（ＳＵＳ）などの鉄を含有する金属を用いた振動板（基板）にＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ₃ 、チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電体を成膜し、６００℃以上の高温でアニール処理を行うと、振動板に含有する鉄が圧電体に拡散して該圧電体の性能を劣化させてしまうといった問題がある。

特許文献１に記載された発明では、６００℃から７５０℃（ＡＤ法）、６００℃〜１２００℃（ゾルゲル法）の高温雰囲気で数時間のアニール処理が行われるので、ステンレスの振動板に含有する鉄が圧電素子に拡散して圧電素子の性能を劣化させてしまう。また、ＡＤ法（エアロゾルデポジション法）により成膜された圧電素子のアニール処理には大気雰囲気が必要であり、同時にアニールされる振動板はその表面が酸化してしまい、耐久性の劣化や他の部材との接着性の減少などの問題が起こる。

特許文献２及び特許文献３に記載された発明では、基体（基板）と圧電セラミックスとの間に中間層を設けて、圧電セラミックスの鉛成分の拡散防止技術や圧電セラミックス成膜時の基体（基板）へのダメージを軽減させる技術が開示されているが、基体（基板）に含有される元素の拡散によって圧電セラミックスの性能が劣化することについては記載されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、基板に含有する金属元素の圧電素子への拡散を防止して圧電素子の性能及び信頼性を確保し、好ましい液体吐出を実現する液体吐出ヘッドの製造方法及び液体吐出ヘッド並びに画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、鉄を含有する振動板の両面に薄膜を成膜する薄膜成膜工程と、前記振動板の前記薄膜が成膜された一方の面に下部電極を成膜する下部電極成膜工程と、前記下部電極に圧電体を成膜する圧電体成膜工程と、前記圧電体に上部電極を成膜する上部電極成膜工程と、前記薄膜成膜工程の後に、前記振動板の前記薄膜が形成された他方の面に流路プレートを接合する工程と、前記一方の面に前記薄膜、前記下部電極及び前記圧電体が成膜され、前記他方の面に前記薄膜が成膜されるとともに前記流路プレートが接合された前記振動板に熱処理を施して前記薄膜を酸化させた酸化膜を生成するとともに前記圧電体を焼成する熱処理工程と、前記流路プレートの前記振動板と反対側に、前記圧電体に対応して前記流路プレートに形成される液室と連通するノズルが形成されるノズルプレートを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、熱処理工程によって鉄を含有する振動板と上部電極及び下部電極を備えた圧電体との間に酸化物を含有する保護膜が形成されるとともに、圧電体を焼結させる際に基板に含有する鉄の圧電体への拡散が防止されるので、圧電体の性能劣化及び信頼性低下を回避することができる。本発明は、６００℃から１２００℃程度の高温で熱処理が行われる態様において、特に効果を発揮する。また、液室側の酸化膜は振動板の耐液膜として機能する。

また、酸化物を含有する保護膜の生成と圧電体の焼成とを共通の熱処理工程によって行うことができ、製造工程の簡略化に寄与する。

なお、この熱処理工程には、６００℃から１２００℃の高温環境化における熱処理（アニール処理）が含まれる。

また、上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、鉄を含有する振動板の両面に薄膜を成膜する薄膜成膜工程と、前記薄膜が形成された振動板に熱処理を施して前記薄膜を酸化させた酸化膜を生成する第１の熱処理工程と、前記振動板の前記酸化膜が生成された一方の面に下部電極を成膜する下部電極成膜工程と、前記下部電極に圧電体を成膜する圧電体成膜工程と、前記圧電体に上部電極を成膜する上部電極成膜工程と、前記第１の熱処理工程の後に、前記振動板の前記薄膜が形成された他方の面に流路プレートを接合する工程と、前記一方の面に前記酸化膜が生成されるとともに前記下部電極及び前記圧電体が成膜され、前記他方の面に前記酸化膜が生成されるとともに前記流路プレートが接合された前記振動板に熱処理を施して前記圧電体を焼成する第２の熱処理工程と、前記流路プレートの前記振動板と反対側に、前記圧電体に対応して前記流路プレートに形成される液室と連通するノズルが形成されるノズルプレートを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、第１の熱処理工程によって振動板に保護膜が生成され、該保護膜が生成された後に行われる第２の熱処理工程によって圧電体を焼成するので、鉄の圧電体への拡散防止効果を高めることが可能になる。また、液室側の酸化膜は振動板の耐液膜として機能する。すなわち、請求項１及び請求項２に係る発明によれば、振動板の両面に保護膜を形成することで、圧電体が形成される面と反対側の面を保護することが可能になる。例えば、基板の圧電体が形成される側の面を第１の面とし第１の面の反対側の面を第２の面とすると、第２の面に液体を収容する液室が形成される態様では、第２の面に形成された保護膜は液室内の液体から基板（振動板）を保護する耐液膜として機能する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の液体吐出ヘッドの製造方法の一態様に係り、前記薄膜は、チタン及びアルミニウムを含むことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、チタンやアルミニウムなどの入手容易な材料を用いて、基板の保護膜となる酸化膜を容易に形成可能である。また、保護膜としてチタン及びアルミニウムの酸化物である二酸化チタンや酸化アルミニウムを適用すると、高い鉄の拡散防止効果を得ることができる。

なお、チタン及びアルミニウムを含む薄膜には、ＴｉＡｌＮ（チタンアルミナイトライド）やＴｉＣｒＡｌＮ（チタンクロムアルミナイトライド）などがある。

請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の液体吐出ヘッドの製造方法の一態様に係り、前記圧電体から吐出力を付与される液体を収容する液室を形成する液室形成工程と、前記液室と連通し、前記液体を吐出させるノズルを形成するノズル形成工程と、を含むことを特徴とする。

前記液室形成工程は、液室が形成されるプレート（構造体）を振動板に接合する態様がある。また、ノズル形成工程は、ノズルとなる開口（穴）が形成されたノズルプレートを液室が形成されるプレート（構造体）に接合する態様がある。請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法の一態様に係り、前記流路プレートを接合する工程は、拡散接合工程であることを特徴とする。請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法の一態様に係り、前記拡散接合工程は、真空環境下又は不活性ガス環境下で行われることを特徴とする。請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法の一態様に係り、前記拡散接合工程は、振動板及び流路板の再結晶温度以上の温度に加熱しながら行われることを特徴とする。請求項８に記載の発明は、請求項５から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法の一態様に係り、前記拡散接合工程は、４．９メガパスカル以上１９．６メガパスカル以下の圧力条件で行われることを特徴とする。

また、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法によれば、鉄を含有する振動板と、前記振動板の一方の面に形成され、前記振動板に成膜された薄膜を酸化させた酸化物を含有する第１の保護膜と、前記振動板の他方の面に形成され、前記振動板に成膜された薄膜を酸化させた酸化物を含有する第２の保護膜と、前記振動板の前記第１の保護膜側に形成される下部電極と、前記下部電極の前記第１の保護膜と反対側に形成される圧電体と、前記圧電体の前記下部電極と反対側に形成される上部電極と、前記振動板の前記第２の保護膜側に接合され、前記圧電体に対応して液室が形成される流路プレートと、前記流路プレートの前記第２の保護膜と反対側に接合され、前記液室と連通するノズルが形成されるノズルプレートと、を備える液体吐出ヘッドが作製される。

かかる液体吐出ヘッドは、鉄を含有する振動板と上部電極及び下部電極を備えた圧電体との間に酸化物を含有する保護膜が形成されるので、圧電体を焼結する熱処理工程において基板に含有する鉄の圧電体への拡散が防止され、圧電体の性能劣化及び信頼性低下を回避することができる。また、液室側の酸化膜は振動板の耐液膜として機能する。圧電体のたわみ変形に対応して変形する振動板は、ｄ_３１モードの変位を利用した圧電体が好適に用いられる。

基板の圧電体が形成される側の面を第１の面とし第１の面の反対側の面を第２の面とすると、保護膜は第１の面に形成すればよい。もちろん、第１の面及び第２の面の両面に保護膜を形成してもよい。

液体吐出ヘッドには、記録媒体の全幅（記録媒体の画像形成可能幅）に対応した長さのノズル列を有するライン型ヘッドや、記録媒体の全幅に満たない長さのノズル列を有する短尺ヘッドを記録媒体の幅の方向へ走査させるシリアル型ヘッドがある。

ライン型の液体吐出ヘッドには、記録媒体の全幅に対応する長さに満たない短尺のノズル列を有する短尺ヘッドを千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、記録媒体の全幅に対応する長さとしてもよい。

液体には、インクジェット記録装置に用いられるインクやレジストなどの薬液、処理液などがある。この液体は、液体吐出ヘッドに設けられたノズルから吐出可能な物性（粘度など）を有している。

記録媒体は、吐出孔から打滴される液体を付着させる媒体であり、連続用紙、カット紙、シール用紙、ＯＨＰシート等の樹脂シート、フィルム、布、その他材質や形状を問わず、様々な媒体を含む。

かかる液体吐出ヘッドにおいて、前記薄膜は、アルミニウムおよびチタンを含み、前記酸化物は、酸化アルミニウム及び二酸化チタンを含む態様も好ましい。

かかる液体吐出ヘッドにおいて、前記保護膜は、５０ナノメートル以上１５マイクロメートル以下の膜厚を有する態様も好ましい。

かかる態様によれば、保護膜を５０ナノメートル以上とする態様では、圧電体への鉄の拡散が確実に防止され、また、保護膜を１５マイクロメートル以下とする態様では、基板の厚みが大きくなることにより圧電体の発生圧力の伝達効率が低下することを回避できる。

かかる液体吐出ヘッドにおいて、前記流路プレートは、ステンレス、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかの材料を含む態様も好ましい。

かかる液体吐出ヘッドにおいて、前記流路プレートは、ガラス粉末を樹脂バインダに分散させたグリーンシートを用いて形成される態様も好ましい。

かかる液体吐出ヘッドにおいて、前記グリーンシートに含まれるガラス組成は、前記圧電体を焼成させる熱処理の温度条件により軟化しないものであることを特徴とする。

流路プレートは、前記圧電体から吐出力を付与される液体を収容する液室と、前記液室と連通し、前記液体を吐出させるノズルと、を有する態様がありうる。

かかる態様では、基板を複数の薄膜（板状部材）で構成してもよい。例えば、液室やノズルが形成された薄膜（キャビティプレート）の積層により基板を形成してもよいし、エッチングなどの手法により液室を形成し、ノズルが形成された薄膜を基板に接合して基板を形成してもよい。なお、ここでいうノズルには、液体が吐出される開口部と、該開口部と液室とを連通する流路が含まれる。

画像形成装置には、ノズルからメディア（記録媒体）上にインクを吐出させて、所望の画像を形成するインクジェット記録装置がある。なお、ここでいう画像には、写真画や絵などのいわゆる画像だけでなく、文字、記号などのテキストや、配線基板上に形成される配線パターンなどの形状も含まれる。

本発明によれば、熱処理工程によって鉄を含有する基板と上部電極及び下部電極を備えた圧電体との間に酸化物を含有する保護膜が形成されるとともに、圧電体を焼結する際に基板に含有する鉄の圧電体への拡散が防止されるので、圧電体の性能劣化及び信頼性低下を回避することができる。本発明は、６００℃から１２００℃程度の高温で熱処理が行われる態様において、特に効果を発揮する。また、基板に形成された薄膜に第１の熱処理を施して酸化膜を生成した後に、下部電極及び圧電体を基板に成膜し、第２の熱処理工程により圧電体を焼成すると、高い鉄の拡散防止効果を得ることができる。

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔インクジェット記録装置の全体構成〕
図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の概略を示す全体構成図である。図１に示すように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数のヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙのノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６（記録媒体）の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６と、を備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラ３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくともヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙのノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が平面をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。図１に示したとおり、ローラ３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３４が設けられており、この吸着チャンバー３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。 ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（図１中不図示、図５に符号８８で図示）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は、図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラ線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラ・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラ・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。従って、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドを有している。印字部１２を構成する各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙送り方向について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を１回行うだけで（即ち、１回の副走査で）記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、ヘッドが紙送り方向と直交する主走査方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出するヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列とからなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が２次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色のヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このようにして生成されたプリント物は、排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える選別手段（不図示）が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成されている。

また、図示を省略したが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。

〔ヘッドの構成〕
次に、ヘッドの構造について説明する。色別の各ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によってヘッドを示すものとする。

図３(a) はヘッド５０の構造例を示す平面透視図であり、図３(b) はその一部の拡大図である。また、図３(c) はヘッド５０の他の構造例を示す平面透視図である。

記録紙１６上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、ヘッド５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド５０は、図３(a)〜(c) に示したように、インク滴の吐出孔であるノズル５１と、各ノズル５１に対応する圧力室５２等からなる複数のインク室ユニット５３を千鳥でマトリクス状に（２次元的に）配置させた構造を有し、これにより、ヘッド長手方向（紙送り方向と直交する主走査方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。

紙送り方向と略直交する主走査方向に記録紙１６の全幅に対応する長さにわたり１列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図３(a) の構成に代えて、図３(c) に示すように、複数のノズル５１が２次元状に配列された短尺のヘッドブロック５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録紙１６の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。

なお、本例では圧力室５２の平面形状が略正方形である態様を示したが、圧力室５２の平面形状は略正方形に限定されず、略円形状、略だ円形状、略平行四辺形（ひし形）など様々な形状を適用することができる。また、ノズル５１や供給口５４の配置も図３(a)〜(c)に示す配置に限定されず、圧力室５２の略中央部にノズル５１を配置してもよいし、圧力室５２の側壁側に供給口５４を配置してもよい。

図３(b) に示すように、主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンで格子状に多数配列させることにより、本例の高密度ノズルヘッドが実現されている。

即ち、主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ× cosθとなり、主走査方向については、各ノズル５１が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。

本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、副走査方向に１列のノズル列を有する配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。

なお、印字可能幅の全幅に対応した長さのノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、記録媒体の幅方向（主走査方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。

特に、図３(a)〜(c)に示すようなマトリクス状に配置されたノズル５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。

一方、上述したフルラインヘッドと記録紙１６とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。

図４はインク室ユニット５３の立体的構成を示す断面図（図３(a),(b) 中の４−４線に沿う断面図）である。

図４に示すように、各ノズル５１に対応して設けられている圧力室５２は、その平面形状が概略正方形となっており、対角線上の両隅部にノズル５１と供給口５４が設けられている。各圧力室５２は供給口５４を介して共通流路（共通液室）５５と連通されている。共通流路５５は不図示のインク供給タンクと連通しており、該インク供給タンクから供給されるインクは共通流路５５を介して各圧力室５２に分配供給される。

圧力室５２の天面を構成する振動板５６には、プラチナ（Ｐｔ）や金（Ａｕ）などの金属が用いられる上部電極５７及び下部電極５７Ａと圧電体５８Ａとを含んだ圧電素子５８が接合される。本明細書では、圧電体５８Ａの両面に上部電極５７及び下部電極５７Ａが形成された状態を圧電素子５８と呼ぶこととする。

圧電素子５８（即ち、上部電極５７と下部電極５７Ａとの間）に所定の駆動電圧を印加することによって圧電素子５８にたわみ変形が生じ、このたわみ変形に応じて振動板５６が変形してノズル５１からインクが吐出される。ノズル５１からインクが吐出されると共通流路５５から供給口５４を通って新しいインクが圧力室５２に供給される。

本例の振動板５６にはステンレスなどの金属が用いられる。また、圧電素子５８にはＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ₃ 、チタン酸ジルコン酸鉛）などのセラミック系圧電素子が好適に用いられる。

本例のヘッド５０は、振動板５６と圧電素子５８との間に、保護膜５９が形成され、この保護膜５９には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）、酸化クロム（ＣｒＯ_２）などの金属酸化膜が適用される。

振動板５６の圧電素子５８が配設される側の面５６Ａに、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、スパッタリング法などの薄膜製膜方法によってアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）を含む金属膜を成膜し、６００℃〜１２００℃で圧電素子５８にアニール処理を施すことで、該金属膜に含まれるアルミニウム、チタンなどの金属元素が酸化して、振動板５６の表面には上述した金属酸化膜が形成される。

振動板５６に成膜される金属膜には、少なくともアルミニウム及びチタンが含まれていればよく、更に、クロム（Ｃｒ）が含まれていてもよい。該金属膜には、ＴｉＡｌＮ（チタンアルミナイトライド）やＴｉＣｒＡｌＮ（チタンクロムアルミナイトライド）などの硬質膜が好適に用いられる。

図４に示すヘッド５０の構造によれば、振動板５６に圧電素子５８を接合した状態でアニール処理（処理温度６００℃〜１２００℃）が施されても、振動板５６に含有する鉄（Ｆｅ）が圧電素子５８（圧電体５８Ａ）に拡散することなく、圧電素子５８の性能劣化及び信頼性の低下が防止される。

なお、振動板５６に金属膜を成膜した状態でプレアニール処理を行い、保護膜５９が形成された振動板５６に圧電素子５８を形成し、更に、アニール処理を施してもよい。

上述した保護膜５９の膜厚は５０ｎｍ以上１５μｍ以下とすることが好ましい。即ち、保護膜５９の膜厚が５０ｎｍ未満であると、圧電素子５８に対する鉄の拡散防止機能が十分に働かず、また、保護膜５９の膜厚が１５μｍを超えると、該保護膜５９が振動板５６として機能してしまい（振動板５６の厚みが保護膜５９の分だけ厚くなり）、圧電素子５８から所定の圧力を発生させても振動板５６の変位量が小さくなり、所定の吐出性能を維持することが困難になる。

本例では、１層からなる保護膜５９を示したが、保護膜５９を２層以上の膜から構成してもよい。２層以上の膜には種類（含有する元素）の異なる膜を適用可能である。
〔制御系の説明〕
図５はインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース７０、システムコントローラ７２、メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８、プリント制御部８０、画像バッファメモリ８２、ヘッドドライバ８４等を備えている。

通信インターフェース７０は、ホストコンピュータ８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース７０にはＵＳＢ（Universal serial bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（不図示）を搭載してもよい。ホストコンピュータ８６から送出された画像データは通信インターフェース７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦メモリ７４に記憶される。メモリ７４は、通信インターフェース７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ７２を通じてデータの読み書きが行われる。メモリ７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ７２は、通信インターフェース７０、メモリ７４、モータドライバ７６、ヒータドライバ７８等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ８６との間の通信制御、メモリ７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ８８やヒータ８９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ７６は、システムコントローラ７２からの指示にしたがってモータ８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ７８は、システムコントローラ７２からの指示にしたがって後乾燥部４２（図１に図示）等のヒータ８９を駆動するドライバである。

プリント制御部８０は、システムコントローラ７２の制御に従い、メモリ７４内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号をヘッドドライバ８４に供給する制御部である。プリント制御部８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ８４を介してヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御（打滴制御）が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部８０には画像バッファメモリ８２が備えられており、プリント制御部８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ８２に一時的に格納される。なお、図５において画像バッファメモリ８２はプリント制御部８０に付随する態様で示されているが、メモリ７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部８０とシステムコントローラ７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８４はプリント制御部８０から与えられる印字データに基づいて各色のヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの圧電素子５８を駆動する。ヘッドドライバ８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。

プログラム格納部９０には各種制御プログラムが格納されており、システムコントローラ７２の指令に応じて、制御プログラムが読み出され、実行される。プログラム格納部９０はＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリを用いてもよいし、磁気ディスクなどを用いてもよい。また、外部インターフェースを備え、メモリカードやＰＣカードを用いてもよい。もちろん、これらの記録媒体のうち、複数の記録媒体を備えてもよい。なお、 プログラム格納部９０は動作パラメータ等の記憶手段（不図示）と兼用してもよい。

印字検出部２４は、図１で説明したように、ラインセンサを含むブロックであり、記録紙１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部８０に提供する。
プリント制御部８０は、必要に応じて印字検出部２４から得られる情報に基づいてヘッド５０に対する各種補正を行う。

なお、システムコントローラ７２及びプリント制御部８０は、１つのプロセッサから構成されていてもよいし、システムコントローラ７２とモータドライバ７６及びヒータドライバ７８とを一体に構成したデバイスや、プリント制御部８０とヘッドドライバとを一体に構成したデバイスを用いてもよい。

〔ヘッドの製造方法の説明〕
次に、本例に示すヘッド５０の製造方法について説明する。図４でも説明したように、本例に示すヘッド５０は、多数のキャビティプレートが積層される積層構造を有している。即ち、ノズル５１が形成されるノズルプレートと、圧力室５２や供給口５４、共通流路５５などが形成される流路プレートと、保護膜５９が形成される振動板５６と、上部電極５７および下部電極５７Ａを備えた圧電素子５８と、を順に積層した構造となっている。なお、上述した各キャビティプレートは１つのプレートから構成されていてもよいし、複数のプレートから構成されてもよい。

例えば、流路プレートは、ノズル５１と圧力室５２とを連通させる吐出側流路が形成されるプレートと、共通流路５５が形成されるプレートと、供給口５４が形成されるプレートと、圧力室５２が形成されるプレートと、を積層して形成される態様がある。

図６は、本例のヘッド５０の製造工程を示す説明図である。詳細は後述するが、これらのプレート間の接合には、接合部材による接合、加圧、加熱による接合など、当該プレートの材料に応じた接合方法が適宜選択される。

本例に示すヘッド製造工程は（ステップＳ１０）、先ず、ステップＳ１２（プレート形成工程）において、ヘッド５０を構成する各プレートが形成される。例えば、本例のノズルプレートには、ステンレスや合成樹脂のプレートが用いられる。また、流路プレートには、ステンレス、チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属プレート（薄膜）が用いられる。金属プレート以外にも、ガラス粉末をアクリル系樹脂などのバインダに分散させシート形成したグリーンシートを用いてもよい。なお、グリーンシートに含まれるガラス組成は、後述するアニール処理時の熱処理条件においても軟化しないものが選択される。

積層工程（ステップＳ１４）では、ステップＳ１０で形成された各プレートが積層されて流路プレートが形成される。流路プレートを構成するプレートに金属プレートを用いる態様では、各プレートの接合面（境界面）が拡散接合により接合され、更に、該流路プレートと振動板５６が拡散接合により接合される（拡散接合工程、ステップＳ１６）。

拡散接合工程では、真空もしくは不活性ガス（窒素やアルゴン）雰囲気下で積層体の再結晶温度以上（１０００℃〜１３００℃）に加熱しながら、該積層体を所定の圧力で所定の時間加圧する。拡散接合の圧力条件の一例を挙げると４．９ＭＰａ〜１９．６ＭＰａであり、時間条件の一例を挙げると０．５時間〜２４時間である。

金属膜成膜工程（ステップＳ２２）では、振動板５６の流路プレート接合される面と反対側の面の全体にわたってＴｉＡｌＮ（或いは、ＴｉＣｒＡｌＮ）が成膜される。この金属膜成膜工程には、ＡＤ法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、スパッタ法、スクリーン印刷法などの成膜方法が適用される。

ＡＤ法は、チャンバー内に置かれた基板に対してエアロゾルノズルから窒素ガスなどに乗せたサブミクロンの直径の金属微粒子（エアロゾル）を吹き付けながら、基板とノズルとを相対的に移動させて、該基板表面の所定の位置に結晶させる成膜方法である。

下部電極成膜工程（ステップＳ２４）では、金属膜成膜工程で成膜された金属膜の上に下部電極５７Ａ（図４参照）となるプラチナや金などの金属薄膜が成膜される。下部電極成膜工程には、ＡＤ法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、スパッタ法、スクリーン印刷法などの成膜方法が適用される。なお、下部電極は振動板５６の一面の全体にわたって形成され、各圧電素子５８の共通の電極となる。もちろん、各圧電素子５８に対応した個別の下部電極を形成してもよい。

圧電体成膜工程（ステップＳ２６）では、下部電極膜の上に圧電体（圧電体膜）５８Ａが成膜される。圧電体成膜工程には、ＡＤ法、イオンプレーティング法、ゾルゲル法、スパッタ法、スクリーン印刷法などの成膜方法が適用される。ステップＳ２６で成膜される圧電体５８Ａは、各圧力室に対応して個別に形成されてもよいし、下部電極５７Ａと同様に振動板５６の一面の全体にわたって形成してもよい。

なお、金属膜成膜工程（ステップＳ２２）、下部電極成膜工程（ステップＳ２４）、圧電体成膜工程（ステップＳ２６）に適用される成膜方法には同一の方法を用いるとよい。

アニール工程（ステップＳ２８）では、６００℃〜１２００℃の温度条件でアニール処理が行われる。アニール処理工程では、ステップＳ２６で成膜された圧電体５８Ａを焼成するとともに、ステップＳ２２で成膜された金属膜が酸化して振動板５６と下部電極５７Ａとの間に金属酸化膜（保護膜５９）が形成される。

金属膜にＴｉＡｌＮを用いる場合には、金属酸化膜はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）を含有し、ＴｉＣｒＡｌＮを用いる場合には、金属酸化膜はアルミナ、チタニアに加えて酸化クロム（ＣｒＯ_２）を含有する。このような保護膜５９の存在により、振動板５６に含有する鉄の圧電体５８Ａへの拡散が防止される。

ステップＳ２８のアニール工程が施された圧電体５８Ａには、ステップＳ３０（上部電極成膜工程）により、ＡＤ法やスクリーン印刷法によって上部電極５７として機能するプラチナや金などの金属薄膜が成膜される。

ステップＳ３２（分極工程）では、フレキシブル基板などの配線部材が上部電極５７及び下部電極５７Ａに接続され、上部電極５７と下部電極５７Ａとの間に所定の電圧を印加して圧電体５８Ａが分極処理される。本例の分極工程では、圧電体５８Ａの厚み方向（振動板５６の面に対して略垂直方向）に分極処理が施される。分極処理時の印加電圧は、圧電素子５８を駆動する際の駆動電圧よりも高い電圧が適用される。

ステップＳ３２に示す分極工程を経て、圧電体５８Ａの上部電極５７が形成された部分が圧電活性部となり、各圧電活性部に対応する圧力室内のインクに吐出力を与える圧電素子として機能する。

ステップＳ３４では、振動板５６及び圧電素子５８が接合された流路プレートにノズルプレートが接合され、ヘッド５０が完成する。ヘッド５０は、所定の検査を経てインクジェット記録装置１０本体に組み込まれる（ステップＳ３６）。

ステップＳ２８のアニール工程を経ない部分には、耐熱性の低い樹脂材料を用いることが可能であり、材料に応じて接合部材や接合方法が適宜選択される。

図６に示す製造工程はあくまでも一例であり、下部電極成膜工程や圧電体成膜工程、上部電極成膜工程に適用される成膜方法に応じて、熱処理工程、加圧工程などの工程が適宜行われる。

上記の如く構成されたヘッド５０は、振動板５６と圧電素子５８（下部電極５７Ａ及び圧電体５８Ａ）との間にＴｉＡｌＮやＴｉＣｒＡｌＮなどの金属薄膜が成膜された状態でアニール処理が施されるので、振動板５６と圧電素子５８との間に保護膜５９を形成し、振動板５６に含有する鉄の圧電素子５８への拡散が防止される。

なお、本例では、ステンレスなどの鉄を含有する金属基板を例示したが、ガラス、シリコンの基板でも同様に、異元素の拡散によるＰＺＴの性能劣化の恐れがある
〔他の実施形態〕
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７には、図６に示すヘッド製造工程の他の態様を示す。図７に示すヘッド製造工程（ステップＳ１０’）では、金属膜成膜工程（ステップＳ２２）によりＴｉＡｌＮ膜が成膜された振動板５６にプレアニール処理（第１の熱処理工程）を施して振動板５６の表面に保護膜５９を生成した後に（ステップＳ２３）、下部電極成膜工程（ステップＳ２４）、圧電体成膜工程（ステップＳ２６）により、該保護膜５９が生成された振動板５６に下部電極５７Ａ及び圧電体５８Ａを形成し、アニール工程（第２の熱処理工程）により圧電体５８Ａを焼成するように構成してもよい。

また、図８に示すように、振動板５６の圧電素子５８が配設される側の面（第１の面）に保護膜（第１の保護膜）を形成するとともに、振動板５６の圧力室５２側の面（第２の面）に保護膜（第２の保護膜）５９Ａを形成してもよい。この保護膜５９Ａは振動板５６の耐インク膜として機能する。なお、振動板５６の一面全体にわたって保護膜５９Ａを形成してもよいし、圧力室５２の対応する領域にのみに保護膜５９Ａを形成してもよい。

本実施形態では、記録紙１６上にインクを吐出させて所望の画像を形成するインクジェット記録装置を示したが、本発明は、媒体上に液体（処理液、薬液、水等）を吐出させる液体吐出装置にも適用可能である。

本発明に係るヘッドを搭載したインクジェット記録装置の全体構成図 図１に示すインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図 ヘッドの構造例を示す平面透視図 図３中４−４線に沿う断面図 図１に示すインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図 本発明の実施形態に係るヘッドの製造工程を説明する図 図６に示すヘッドの製造工程の他の態様を説明する図 図４に示すヘッドの他の態様を示す図

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、５０…ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５６…振動板、５７…上部電極、５７Ａ…下部電極、５８…圧電素子、５８Ａ…圧電体、５９，５９Ａ…保護膜

Claims (8)

1. 鉄を含有する振動板の両面に薄膜を成膜する薄膜成膜工程と、
   前記振動板の前記薄膜が成膜された一方の面に下部電極を成膜する下部電極成膜工程と、
   前記下部電極に圧電体を成膜する圧電体成膜工程と、
   前記圧電体に上部電極を成膜する上部電極成膜工程と、
   前記薄膜成膜工程の後に、前記振動板の前記薄膜が形成された他方の面に流路プレートを接合する工程と、
   前記一方の面に前記薄膜、前記下部電極及び前記圧電体が成膜され、前記他方の面に前記薄膜が成膜されるとともに前記流路プレートが接合された前記振動板に熱処理を施して前記薄膜を酸化させた酸化膜を生成するとともに前記圧電体を焼成する熱処理工程と、
   前記流路プレートの前記振動板と反対側に、前記圧電体に対応して前記流路プレートに形成される液室と連通するノズルが形成されるノズルプレートを接合する工程と、
   を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
2. 鉄を含有する振動板の両面に薄膜を成膜する薄膜成膜工程と、
   前記薄膜が形成された振動板に熱処理を施して前記薄膜を酸化させた酸化膜を生成する第１の熱処理工程と、
   前記振動板の前記酸化膜が生成された一方の面に下部電極を成膜する下部電極成膜工程と、
   前記下部電極に圧電体を成膜する圧電体成膜工程と、
   前記圧電体に上部電極を成膜する上部電極成膜工程と、
   前記第１の熱処理工程の後に、前記振動板の前記酸化膜が形成された他方の面に流路プレートを接合する工程と、
   前記一方の面に前記酸化膜が生成されるとともに前記下部電極及び前記圧電体が成膜され、前記他方の面に前記酸化膜が生成されるとともに前記流路プレートが接合された前記振動板に熱処理を施して前記圧電体を焼成する第２の熱処理工程と、
   前記流路プレートの前記振動板と反対側に、前記圧電体に対応して前記流路プレートに形成される液室と連通するノズルが形成されるノズルプレートを接合する工程と、
   を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記薄膜は、チタン及びアルミニウムを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記圧電体から吐出力を付与される液体を収容する液室を形成する液室形成工程と、
   前記液室と連通し、前記液体を吐出させるノズルを形成するノズル形成工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記流路プレートを接合する工程は、拡散接合工程であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記拡散接合工程は、真空環境下又は不活性ガス環境下で行われることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記拡散接合工程は、振動板及び流路板の再結晶温度以上の温度に加熱しながら行われることを特徴とする請求項５又は６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記拡散接合工程は、４．９メガパスカル以上１９．６メガパスカル以下の圧力条件で行われることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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