JP2005161700A - インクジェットヘッド及びその製造方法、並びにインクジェットプリンタ - Google Patents

Abstract

【課題】 隣接キャビティ間の動作干渉を効果的に抑制することができ、高精細かつ高速の描画が可能なインクジェットヘッド、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明のインクジェットヘッド５０は、圧電体素子５４の変形動作により内容積を変化可能な複数のキャビティ５２１を備えており、前記キャビティ５２１を挟む側壁５２２，５２２間に梁部材５３が架設されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、インクジェットヘッド及びその製造方法、並びにインクジェットプリンタに関するものである。

近年、インクジェットプリンタの性能は写真画質に匹敵するほど高画質化が進んでいる。インクジェットヘッドのノズル数を増やすとともに吐出液滴量を少量化することにより高精細描画を可能にしているためである。さらに、高精細化に加え、印刷の高速化のニーズも高いが、これら両者の要求を満たすために、ノズル数は重要なファクターであり、ノズル数が多いほど高精細化、高速化には有利である。圧電体素子でキャビティの内容積を変化させて液滴を吐出する方式のインクジェットヘッドにおいて、高精細のものは１列１８０ｄｐｉ×２のノズルが６〜８列並んでいるが、単にノズル数を増やすのみではヘッドが大きくなる。そこで、ヘッドを小型化し、かつノズルを高密度化するためにはキャビティを小さくする必要がある。

図９は、従来のインクジェットヘッドの断面構成図であり、符号２１０はノズル板、２１１はノズル（吐出口）、２２０はＳｉ基板、２３０は振動板、２４０は圧電体素子である。この記録ヘッドのキャビティ２２１は、Ｓｉ基板２２０をウェットエッチング又はドライエッチングによりパターニングした後、ノズル板２１０と貼り合わせることで形成されている。このとき振動板２３０の変位が適当な大きさになるようにキャビティ２２１の高さや側壁２２２の厚さが設計されている。
特開２００３−１５２２３３号公報

しかし、インクジェットヘッドの高精細化のためにキャビティ２２１を高密度化すると、必然的に側壁２２２の厚さは薄くなり、その結果圧電体素子２４０の動作により側壁２２２が弾性変形しやすくなる。そして、この変形により隣接するキャビティ２２１の内容積が変動し、その結果、正確な吐出量を維持することが困難になり、印刷物の画質が低下するおそれが生じる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、隣接キャビティ間の動作干渉を効果的に抑制することができ、高精細かつ高速の描画が可能なインクジェットヘッド、及びその製造方法を提供することを目的としている。また本発明は、高精細かつ高速描画が可能なインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタを提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するために、圧電体素子と、前記圧電体素子の下方に、該圧電体素子の変形により内容積が変化する複数のキャビティと、を備え、前記キャビティの内壁を連結する梁部材が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッドを提供する。
この構成を備えたインクジェットヘッドによれば、高精細化を目的としてノズルを高密度化し、キャビティを狭小化した場合にも、上記内壁間を連結する梁部材によりキャビティの形状を良好に保持することができるため、圧電体素子からの応力によりキャビティを構成する壁が変形して隣接キャビティに干渉するのを効果的に防止することができる。従って本記録ヘッドによれば、高精細かつ高速のインク吐出を正確に行うことができる。また、ヘッド走査時の振動に起因する内壁の振動も防止できるため、ヘッドを高速で走査しても安定した液滴吐出動作が可能なインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明のインクジェットヘッドでは、前記キャビティが、液滴吐出口を有するノズル板と、該ノズル板から立設された複数の側壁と、前記ノズル板に対向配置された振動板とに囲まれる空間であり、前記梁部材が、互いに対向して配置された前記側壁間に架設されている構成とすることができる。
この構成によれば、振動板の略面方向に前記梁部材が架設されているので、振動板面方向における側壁の変形が梁部材により効果的に防止される。従って、前記圧電体素子を動作させた際に、キャビティ隣接方向における側壁の変動が抑制され、もってキャビティ間での動作干渉が生じ難くなる。これにより、キャビティを狭小化して側壁が薄くなった場合にも、良好な液滴吐出性能を得ることができる。

本発明のインクジェットヘッドでは、前記キャビティが平面視で略矩形状を成して形成されており、前記梁部材が、平面視で前記キャビティの短辺方向にて対向する側壁間に架設されていることが好ましい。この構成によれば、より効果的にキャビティ隣接方向での側壁の振動を防止でき、キャビティ間の動作干渉を防止することができる。

本発明のインクジェットヘッドでは、複数の前記梁部材が平面視で前記キャビティの長辺方向に並設されていることが好ましい。この構成によれば、側壁が複数の梁部材により補強支持された構造となるので、さらに効果的に圧電体素子動作時の側壁の振動を防止することができる。

本発明のインクジェットヘッドでは、前記梁部材と、該梁部材が架設された前記キャビティの内壁とが、同一材質により形成されていることが好ましい。この構成によれば、キャビティを取り囲む内壁と、前記梁部材とを一括に形成することができるため、容易かつ効率的に製造することが可能なインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明のインクジェットヘッドでは、前記梁部材と、該梁部材が架設されたキャビティの内壁とが、いずれも金属材料により形成されていることが好ましい。この構成によれば、耐久性及び信頼性に優れたインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明のインクジェットヘッドでは、前記側壁と前記振動板とが、同一材質により一体に形成されていることが好ましい。この構成によれば、キャビティを取り囲む側壁と振動板とを一括に形成できるとともに、同一材質であることから側壁と振動板との接合性も良好なものとなり、耐久性及び信頼性に優れ、かつ効率的に製造することが可能なインクジェットヘッドを提供することができる。

次に、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、圧電体素子の変形動作により内容積を変化可能な複数のキャビティを備えたインクジェットヘッドの製造方法であって、基材上に第１の材料によって所定形状の側壁材層を形成する工程と、前記第１の材料と異なる第２の材料を、前記側壁材層の間隙に埋設して充填層を形成する工程とを繰り返し行うことで前記側壁材層及び充填層を基材上に積層する側壁形成工程と、前記充填層を選択的に除去して前記基材上に前記キャビティの側壁を形成する工程とを含み、前記側壁形成工程の間に、前記壁材層の間隙にて前記充填層を横断する梁部材層を形成する工程を含むことを特徴としている。
この製造方法では、所定平面形状の側壁材層を積層することによりキャビティの側壁を形成するようになっており、この側壁材層を積層する間に、梁部材層を形成することで、容易にキャビティ内部に梁部材が作り込まれたインクジェットヘッドを得られるようになっている。この製造方法によれば、狭小な空間であるキャビティ内部に、任意の形状及び大きさを備えた梁部材を正確に形成することができるので、動作時に側壁が振動し難く、従って隣接キャビティ間での動作干渉が良好に防止されるインクジェットヘッドを製造することができる。従って本製造方法によれば、高精細であり、高速動作が可能なインクジェットヘッドを容易かつ効率的に製造することができる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記梁部材層を前記第１の材料を用いて前記側壁材層と一体に形成することが好ましい。この製造方法によれば、前記側壁材層の積層を行う際に同時に梁部材層を形成できるため、梁部材が内部に作り込まれたキャビティを備えたインクジェットヘッドを効率的に製造することができる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記側壁形成工程の後に、前記第１の材料を用いて前記壁材層及び充填層を覆う振動板層を形成する振動板形成工程を含むことができる。この製造方法によれば、前記充填層を選択的に除去することで、キャビティを構成する側壁と振動板とが一体に形成されたインクジェットヘッドを製造することができ、強度及び耐久性に優れ、高精細であって安定な高速動作が可能なインクジェットヘッドを効率的に製造できる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記振動板形成工程の後に、前記振動板層と圧電体素子とを接合する圧電体素子実装工程を含むことができる。この製造方法によれば、振動板層を形成した後、続いて圧電体素子実装工程を行い、効率よくインクジェットヘッドを製造できる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記圧電体素子実装工程が、転写基材上に保持された圧電体素子を前記振動板と接合する工程と、接合後の前記転写基材と圧電体素子とを分離する工程とを含むことができる。この製造方法では、転写基材に保持した圧電体素子を振動板に対して接合するので、ノズル板や側壁、振動板等のキャビティを構成する部材とは別途用意した高性能の圧電体素子を用いることができ、また振動板との位置合わせも容易になる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記転写基材上に圧電体素子を保持する工程が、単結晶基板上に犠牲層を介して圧電体素子を形成する工程と、前記圧電体素子と転写基材とを接合した後、前記犠牲層にて前記圧電体素子を前記単結晶基板と分離する工程とを含む工程であることが好ましい。この製造方法によれば、単結晶基板上に形成した圧電体素子を転写基材に保持して前記振動板との接合に供することができるため、振動板上に圧電体膜等を積層して圧電体素子を形成する場合に比して、圧電体膜の結晶性に優れた高性能の圧電体素子を備えたインクジェットヘッドを製造することができる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記転写基材と圧電体素子とを分離するに際して、前記転写基材側からの加熱又は光照射を行うことが好ましい。この製造方法によれば、転写基材と圧電体素子との分離を極めて容易に行えるとともに、圧電体素子を損傷することなく安全に分離することができる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記充填層を選択除去する工程を、前記圧電体素子実装工程の後に行うことが好ましい。この製造方法は、圧電体素子の実装作業が容易になるとともに、キャビティの保護の点でも優れている。つまり、充填層を除去してキャビティを形成した後では、微小な空隙が形成された部材と、圧電体素子とを接合することになり、接合圧力等にも注意を払う必要が生じるが、充填層を除去しない状態では、外部応力によるキャビティの変形は生じ難くなるため、製造が容易になる。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記基材として、液滴吐出口が設けられたノズル板を用いることもできる。この製造方法によれば、ノズル板上の正確な位置に直接に側壁を形成できるとともに、場合によっては振動板までも一工程で作製できるため、極めて効率よくインクジェットヘッドの製造を行うことができる。

次に、本発明は、先に記載の本発明のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェットプリンタを提供する。また本発明のインクジェットプリンタは、先に記載の本発明に係る製造方法により得られたインクジェットヘッドを備えたものであっても良い。
このインクジェットプリンタは、高精細かつ高速の描画が可能な本発明のインクジェットヘッドを備えているので、高画質、高速の印刷が可能になる。

以下、本発明の実施の形態として、インクジェットプリンタ、インクジェットヘッド、及びインクジェットヘッドの製造方法について、図面を参照しつつ説明する。尚、以下の実施の形態は本発明の技術範囲を限定するものではない。

（インクジェットプリンタ）
以下、本発明の一実施の形態である、インクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタについて説明する。尚、本実施形態では記録紙等に文字や画像を印刷するプリンタを例示して説明するが、本発明におけるインクジェットプリンタは、記録紙等に印刷する形態に限らず、工業的に用いられる液滴吐出装置（例えばカラーフィルタ製造装置や、有機ＥＬ素子製造装置、配線パターン形成装置等）も含めたものである。

図１は、本発明のインクジェットプリンタを、紙等に印刷する一般的なプリンタに適用した場合の一実施形態を示す概略構成図であり、図１中符号６０はインクジェットプリンタである。尚、以下の説明では、図１のＺ方向上側を「上部」、Ｚ方向下側を「下部」と言う。
インクジェットプリンター６０は、装置本体６２を備えたもので、上部後方に記録用紙を設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙を排出する排出口６２２を有しており、上部面には、操作パネル６７を有している。

操作パネル６７は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤランプディスプレイ等の表示デバイスにて構成されたもので、エラーメッセージ等を表示する表示部（図示せず）と、各種スイッチ等で構成される操作部（図示せず）とを備えたものである。
装置本体６２の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３を備えた印刷装置６４と、記録用紙を１枚ずつ印刷装置６４に送り込む給紙装置６５と、印刷装置６４および給紙装置６５を制御する制御部６６とが設けられている。

制御部６６の制御により、給紙装置６５は、記録用紙を一枚ずつ間欠送りするようになっている。間欠送りされる記録用紙は、ヘッドユニット６３の下部近傍を通過する。このとき、ヘッドユニット６３が記録用紙の送り方向とほぼ直交する方向に往復移動し、記録用紙への印刷を行うようになっている。すなわち、ヘッドユニット６３の往復動と、記録用紙の間欠送りとが、印刷における主走査および副走査となり、インクジェット方式の印刷が行なわれるようになっている。

印刷装置６４は、ヘッドユニット６３と、ヘッドユニット６３の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３を往復動させる往復動機構６４２とを備えたものである。
ヘッドユニット６３は、その下部に、多数のノズルを備えるインクジェットヘッド５０と、このインクジェットヘッド５０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェットヘッド５０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有したものである。
尚、インクカートリッジ６３１として、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック（黒）の４色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。この場合、ヘッドユニット６３０には、各色にそれぞれ対応したインクジェットヘッド５０が設けられることになる。

往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４４と、キャリッジガイド軸６４４と平行に延びて走行動作するタイミングベルト６４３とを有している。そして、キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４４に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４３の一部に固定されたものである。
キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４３を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４４に案内されて、ヘッドユニット６３が往復動する。そして、この往復動の際に、インクジェットヘッド５０から適宜インクが吐出され、記録用紙への印刷が行われるようになっている。

給紙装置６５は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により軸周りに回転する給紙ローラ６５２とを有したものである。
給紙ローラ６５２は、記録用紙の送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されたものであり、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されたものである。このような構成によって給紙ローラ６５２は、トレイ６２１に設置した多数枚の記録用紙を、印刷装置６４に向かって１枚ずつ送り込めるようになっている。尚、トレイ６２１に代えて、記録用紙を収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成としてもよい。

制御部６６は、例えばパーソナルコンピュータやディジタルカメラ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷装置６４や給紙装置６５等を駆動することにより印刷動作の制御を行うものである。この制御部６６には、いずれも図示しないものの、主に各部を制御する制御プログラム等を記憶するメモリ、インクジェットヘッド５０を駆動してインクの吐出タイミングを制御するヘッド駆動回路、印刷装置６４（キャリッジモータ６４１）を駆動する制御回路、給紙装置６５（給紙モータ６５１）を駆動する駆動回路、およびホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うＣＰＵとが備えられている。

また、ＣＰＵには、例えば、インクカートリッジ６３１のインク残量、ヘッドユニット６３の位置、温度、湿度等の印刷環境等を検出可能な各種センサが、それぞれ電気的に接続されている。制御部６６は、通信回路を介して印刷データを入手してメモリに格納する。ＣＰＵは、この印刷データを処理し、この処理データおよび各種センサからの入力データに基づき、各駆動回路に駆動信号を出力する。この駆動信号によりインクジェットヘッド５０、印刷装置６４および給紙装置６５は、それぞれ作動する。これにより、記録用紙に所望の印刷がなされる。

（インクジェットヘッド）
＜全体構成＞
次に、図１に示したインクジェットヘッド５０の構成について説明する。図２は、インクジェットヘッドの分解斜視図であり、図３は、図２に示すＸ方向におけるインクジェットヘッドの概略構成を示す側断面図である。尚、図２には、インクジェットプリンタ６０に装着された状態とは上下を逆に図示している。以下の説明では、インクジェット記録ヘッド５０を単にヘッド５０と称することもある。
ヘッド５０は、図２及び図３に示すようにノズル板５１と、ヘッド本体５７と、圧電体素子（振動源）５４とを主体として構成されており、ヘッド本体５７は、インク流路（リザーバ等）やキャビティ５２１を区画形成するべく所定平面形状にパターン形成されたインク室基板５２と、このインク室基板５２と一体に形成された振動板５５とを備えている。そして図２に示すように、ヘッド本体５７が基体５６に収納されている。尚、このヘッド５０は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成するものとなっている。

ノズル板５１は、例えばステンレス板やニッケル板等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル（液滴吐出口）５１１が一列に貫設されたものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。このノズル板５１には、インク室基板５２が固着（固定）されている。このインク室基板５２は、本発明に係る製造方法によって形成されたもので、その側壁（隔壁）５２２と、ノズル板５１および振動板５５とにより、複数のキャビティ（インクキャビティ）５２１と、インクカートリッジ６３１から供給されるインクを一時的に貯留するリザーバ５２３と、リザーバ５２３から各キャビティ５２１に、それぞれインクを供給する供給口５２４とを区画形成したものである。

キャビティ５２１は、図２に示したように各ノズル５１１に対応して配設されたもので、後述する振動板板５５の弾性変形によってそれぞれ容積可変になっており、この容積変化によってキャビティ５２１内部を瞬間的に昇圧し、ノズル５１１からインクを吐出するよう構成されたものである。そして、本実施形態に係るキャビティ５２１内には、平面視でキャビティの短辺方向（図示Ｘ方向）に延びて、側壁５２２，５２２を連結する連結部５３、言い換えると、側壁５２２，５２２間に架設された複数の梁部材５３が設けられている。複数（図示では６本）の梁部材５３は、キャビティの長辺方向（図示Ｙ方向）にほぼ等間隔で併設されている。

インク室基板５２の平均厚さ、すなわちキャビティ５２１を含む厚さとしては、特に限定されないものの、１０〜１０００μｍ程度とするのが好ましく、１００〜５００μｍ程度とするのがより好ましい。また、キャビティ５２１の容積としては、特に限定されないものの、０．１〜１００ｎＬ程度とするのが好ましく、０．１〜１０ｎＬ程度とするのがより好ましい。

一方、インク室基板５２のノズル板５１と反対の側には振動板５５が設けられており、さらに振動板５５のインク室基板５２と反対側の面には複数の圧電体素子５４が配設されている。振動板５５は、詳細は後述する圧電体素子５４において、各構成層の結晶成長を助長するためのバッファ層を含むものとすることができる。
また、この振動板５５の所定位置には、図２に示したように振動板５５の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。そして、このような連通孔５３１により、図１に示したインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされるようになっている。

ヘッド本体５７の構成材料としては、例えばニッケルや銅などを好適なものとして例示でき、側壁５２２、梁部材５３、及び振動板５５は同一材料からなるものとすることができる。このように同一材料によりヘッド本体５７の構成部材を形成することで、ヘッド本体５７を一体的に形成でき、極めて微小なキャビティ５２１を形成したとしても良好な耐久性を得ることができ、また製造を効率よく行うことができる。但し、これらを異種材料により構成することを妨げるものではない。

各圧電体素子５４は、前述したように下部電極４と上部電極６との間に圧電体層５が介挿されて構成されたもので、図３に示すように、各々が各キャビティ５２１のほぼ中央部に対応して配設されたものである。尚、この圧電体素子５４の詳細構成については、後述のインクジェットヘッドの製造方法の鋼にて説明している。

これら各圧電体素子５４は、後述する圧電体素子駆動回路に電気的に接続され、圧電体素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電体素子５４はそれぞれ振動源（ヘッドアクチュエータ）として機能するものとなっており、振動板５５は、圧電体素子５４の振動（撓み）によって振動し（撓み）、キャビティ５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能するものとなっている。
基体５６は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されたもので、図２に示したようにこの基体５６にインク室基板５２が固定、支持されている。

＜インク吐出動作＞
図４は、ヘッド５０の動作を説明するための部分断面構成図であり、同図（ａ）は、圧電体素子５４が非電圧印加状態にある場合を示し、（ｂ）は、圧電体素子５４が電圧印加状態にある場合を図示している。図４（ａ）に示すように、上記構成を備えたヘッド５０は、圧電体素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電体素子５４の下部電極４と上部電極６との間に電圧が印加されていない状態では圧電体層５に変形が生じない。このため、振動板５５にも変形が生じず、キャビティ５２１には容積変化が生じない。従って、ノズル５１１からインク滴は吐出されない。
一方、図４（ｂ）に示すように圧電体素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電体素子５４の下部電極４と上部電極６との間に一定電圧（例えば３０Ｖ程度）が印加された状態では、圧電体層５においてその短軸方向に撓み変形が生じる。これにより、振動板５５が例えば５００ｎｍ程度撓み、キャビティ５２１の容積変化が生じる。このとき、キャビティ５２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル５１１からインク滴が吐出される。

すなわち、電圧を印加すると、圧電体層５の結晶格子は面に対して垂直な方向に引き伸ばされるが、同時に面に平行な方向には圧縮される。この状態では、圧電体層５にとっては面内に引っ張り応力が働いていることになる。従って、この応力によって振動板５５を反らせ、撓ませることになる。キャビティ５２１の短軸方向での圧電体層５の変位量（絶対値）が大きければ大きいほど、弾性板５５の撓み量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル５１１のピッチをより高密度に形成することができる。または、キャビティ５２１の長辺方向（図示Ｙ方向）の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。

このようにして１回のインクの吐出が終了すると、圧電体素子駆動回路は、下部電極４と上部電極６との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電体素子５４は元の形状に戻り、キャビティ５２１の容積が増大する。尚、このとき、インクには、後述するインクカートリッジ６３１からノズル５１１へ向かう圧力（正方向への圧力）が作用している。このため、空気がノズル５１１からインク室５２１へと入り込むことはなく、吐出された量に見合った量のインクがインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３を経てキャビティ５２１へ供給されるようになっている。このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電体素子５４に対して、圧電体素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の（所望の）文字や図形等を印刷することができる。

そして、本実施形態のヘッド５０では、図４に示すようにキャビティ５２１を短辺方向（図示Ｘ方向）に横断して側壁５２２，５２２間に梁部材５３が架設されているので、振動板５５が圧電体素子５４により変形されたとしても、この梁部材５３が側壁５２２の姿勢を維持し、側壁５２２が左右方向（図示Ｘ方向）に変形しないようになっている。従って本実施形態のインクジェットヘッド５０によれば、圧電体素子５４の振動に起因して隣接するキャビティ５２１の内容積が変化するのを効果的に防止できる。すなわち、印刷の高精細化、及び高速化を目的としてノズル５１１を狭ピッチ化し、キャビティ５２１を狭小化する結果、側壁５２２が薄くなったとしても、印刷結果に不具合を生じることが無く、高画質の印刷を高速に行うことができる。

（インクジェットヘッドの製造方法）
＜ヘッド本体の製造工程＞
まず、図２及び図３に示したインクジェットヘッドに備えられたヘッド本体５７を製造する方法について、図５及び図６を参照して説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係るヘッド本体の斜視工程図であり、図６（ａ）〜（ｃ）は、同、斜視工程図であって、図５（ｄ）に示す工程に続く工程を示している。尚、以下では、図４（ａ）のキャビティ５２１が１つのみ図示されたヘッド本体５７に対応する図面を示して説明するが、実際の製造工程では、ヘッド本体５７に複数のキャビティ５２１が同時に形成されることとなる。

まず、図５（ａ）に示すように、基材５１上に、所定平面形状の側壁材層５２ａを形成する。この側壁材層５２ａは、例えばニッケルや銅などの金属材料（第１の材料）をスパッタ法や蒸着法により成膜した後、公知のフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることで形成できる。尚、基材５１としては、図２に示したノズル板を用いることができる。ニッケルや銅のノズル板を基材５１として用いた場合には、基材表面に対して所定平面形状に直接パターニング処理を施すことで、最初の側壁材層５２ａを形成することもできる。

次に、図５（ｂ）に示すように、側壁材層５２ａ及び基材５１を覆うように、例えばアルミニウム（第２の材料）からなる充填層５９を、スパッタ法や蒸着法等により成膜し、続いてＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により充填層５９表面を平坦化し、図５（ｃ）に示すように、側壁材層５２ａの上面を露出させる。この平坦化処理はＣＭＰ以外の方法であっても構わない。

その後、上記側壁材層５２ａをパターン形成する工程と、充填層５９を形成し平坦化する工程とを繰り返すことで、所定高さの側壁材層５２ａとその間隙に形成された充填層５９とを得たならば、図５（ｄ）に示すように、最上面の側壁材層５２ａを形成する工程にて、充填層５９上を横断する梁部材層５３ａを、側壁材層５２ａと同一の材料にて形成する。この梁部材層５３ａが、図４に示した梁部材５３を構成するものとなる。またこの場合、壁材層５２ａのパターニングに用いるマスク形状を変更することで容易に梁部材層５３ａを含む層を形成することができる。
尚、梁部材層５３ａは側壁材層５２ａと異種の材料を用いて形成しても良いが、後続の工程で充填層５９を選択的に除去するために充填層５９の構成材料との間で十分な選択比が得られる材料（ニッケルや銅等が好ましい。）とする。

図５（ｄ）に示すように側壁材層５２ａと梁部材層５３ａとからなる層を形成したならば、先の工程と同様に充填層５９の形成及び平坦化を行った後、さらに側壁材層５２ａと充填層５９の形成及び平坦化を、図６（ａ）に示すように、側壁材層５２ａが所定の高さ（すなわち側壁５２２の高さ）に達するまで繰り返して行い、基材５１上に側壁５２２を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、側壁５２２と充填層５９とを覆うように、側壁材層５２ａと同材料の金属膜を形成することで、側壁５２２と一体の振動板５５を形成する。そして、側壁５２２と振動板５５と基材５１とに囲まれる領域に充填された充填層５９を、エッチング処理により除去することで、図６（ｃ）に示すヘッド本体５７を得る。この充填層５９のエッチング処理には、ＫＯＨ溶液やＮａＯＨ溶液等のアルカリ性のエッチング液を用いるのが良く、エッチング液の濃度により充填層５９と、側壁５２２、梁部材５３、及び振動板５５との選択比を調整することができる。

尚、後続の項で圧電体素子の配設工程について説明しているが、上記充填層５９をエッチング処理により除去する工程は、ヘッド本体５７に圧電体素子５４を接合した後に行うことが好ましい。このような製造方法とすれば、内部に中空のキャビティ５２１が形成された後にヘッド本体５７と圧電体素子５４とを接合する場合に比して、接合が容易になるとともに、ヘッド本体５７の変形等も防止でき、インクジェットヘッドの製造歩留まり向上に寄与する。

＜圧電体素子の配設工程＞
次に、先の製造工程により得られたヘッド本体５７に、圧電体素子５４を配設する工程について、図７及び図８を参照して説明する。
［圧電体素子の構成］
まず説明に先立ち、図７（ａ）に示す圧電体薄膜素子１５０について説明する。この圧電体薄膜素子１５０は、Ｓｉ（１００）単結晶基板１５１と、この単結晶基板１５１上に犠牲層（第１バッファ層）１５２を介して順に積層形成されたバッファ層（第２バッファ層）１５３と、下部電極４と、圧電体層５と、上部電極６とを備えて構成されており、バッファ層１５３から上側を図４に示した圧電体素子５４としてヘッド本体５７に配設可能に作製されたものである。

単結晶基板１５１としては、（１００）配向の単結晶シリコン基板に加え、（１１１）配向の単結晶シリコン基板を好適に用いることができるが、これに限定されることなく、例えば（１１０）配向のＳｉ基板で、その表面に熱酸化膜や自然酸化膜などのアモルファスの酸化シリコン膜を形成したものも使用可能である。

犠牲層１５２としては、（１１０）又は（１００）配向、好ましくは（１１０）配向の酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）によって形成される。このＳｒＯは、後述するようにその上に形成するバッファ層１５３をエピタキシャル成長させるのに適している。ここで、ＳｒＯについては、特にエピタキシャル成長させて形成するのが好ましい。このようにして形成すれば、（１１０）又は（１００）配向のＳｒＯの結晶格子が（１００）配向のＳｉ基板上に規則的に並ぶようになり、従ってこのＳｒＯの上に、バッファ層１５３が、より良好にエピタキシャル成長しやすくなるからである。また、この犠牲層１５２には、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ等を用いることもできる。これらを用いた場合にも、バッファ層１５３を良好にエピタキシャル成長させることができる。

バッファ層１５３としては、単層又は複層の金属酸化物を用いることができ、具体例を例示すると、（１００）配向のイットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺと略記する）あるいはＺｒＯ_２からなる第１層と、（１００）配向のＣｅＯ_２からなる第２層と、（００１）配向のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｙからなる第３層とをこの順に積層した構成が好適である。このような３層構造のバッファ層１５３にあっては、犠牲層１５２上にＹＳＺ（ＺｒＯ_２）が（１００）配向に良好にエピタキシャル成長し、これの上にＣｅＯ_２が（１００）配向に良好にエピタキシャル成長し、さらにこれ上にＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘが（００１）配向に良好にエピタキシャル成長する。したがって、このような３層構造としても、このバッファ層３上には、後述のペロブスカイト構造（１００）配向の下部電極４が良好に形成されるようになる。

下部電極４は、圧電体層５に電圧を印加するための一方の電極となるものであり、図３に示したように、インクジェットヘッドのヘッド本体５７上に複数の圧電体素子５４が配設される場合、これらの共通の電極として振動板５７の外面と略同一の大きさに形成することができ、後述する圧電体層５及び上部電極６と同一形状に形成しても良い。

この下部電極４は、擬立方晶（１００）配向のペロブスカイト構造の金属酸化物、具体的にはＳｒＲｕＯ_３、ＣａＲｕＯ_３、ＢａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３等のうちから選択された少なくとも一種によって形成されていることが好ましい。さらに、下部電極４として、ＰｔやＩｒ、あるいはこれら金属の積層構造を用いることもできる。これらの金属は、バッファ層１５３上に良好にエピタキシャル成長するからである。

ルテニウム酸ストロンチウム（ＳＲＯ）は、Ｓｒ_ｎ＋１Ｒｕ_ｎＯ_３ｎ＋１（ｎは１以上の整数）で表されるペロブスカイト構造となる。この構造において、ｎ＝１のときにはＳｒ_２ＲｕＯ_４となり、ｎ＝２のときにはＳｒ_３Ｒｕ_２Ｏ_７となり、ｎ＝∞のときにはＳｒＲｕＯ_３となる。そして、前記下部電極４としてＳＲＯを用いる場合には、導電性及び圧電体層５の結晶性を高めるため、ＳｒＲｕＯ_３とするのが最も好ましい。

また、この下部電極４としては、単層の金属酸化物で形成するのに代えて、例えば２層の金属酸化物の間にＩｒあるいはＰｔを挟持した積層構造をとることもできる。その場合に金属酸化物としては、例えばＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）を用いることができ、このような構造とした場合、特に圧電体層５側のＳＲＯをＳｒＲｕＯ_３とするのが好ましい。

圧電体層５は、ペロブスカイト型結晶構造を有し、揮発性元素を含有する圧電性セラミックスによって下部電極４上に所定形状に形成されたものである。具体的には、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ_３）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＺｒＯ_３：ＰＬＺＴ）、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）ＴｉＯ_３：ＰＭＮ−ＰＴ）、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＭＮ−ＰＺＴ）、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）ＴｉＯ_３：ＰＺＮ−ＰＴ）、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｓｃ，Ｎｂ）ＴｉＯ_３：ＰＳＮ−ＰＴ）、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）ＴｉＯ_３：ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９等によって形成されている。

この圧電体層５は、レーザーアブレーション法等の気相成膜法、液滴吐出法やゾルゲル法等の液相成膜法のいずれによっても形成することができるが、例えばゾルゲル法の場合には、基板上に圧電体層５の形成材料の前駆体化合物（金属アルコキシド）を成膜し、前記前駆体化合物を成膜した基板を、酸素が存在する常圧下あるいは加圧下にて熱処理することにより、該前駆体化合物を強誘電体薄膜とすることで形成することができる。

上部電極６は、圧電体層４に電圧を印加するための他方の電極となるもので、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等で形成することができ、他の材料を用いることもできる。上部電極６としてアルミニウムが用いられる場合、電蝕対策のため、この上にイリジウム等が積層される。

尚、上記の説明では、犠牲層１５２としてＳｒＯを用いた場合について説明したが、この上側に形成される３層構造のバッファ層１５３を単結晶基板１５１上に直接形成した構成も適用できる。この場合、単結晶基板１５１上に、それぞれＹＳＺ、ＣｅＯ_２、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘからなる層が積層され、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ層上に下部電極４が形成された構成となる。このような構成においては、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ層が犠牲層として機能する。このようにＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ層を犠牲層として用いる場合、その膜厚を１００ｎｍ以上とすることが好ましい。一方、上述の如くＳｒＯ等からなる犠牲層１５２を設けた場合には、このＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ層の膜厚は１００ｎｍ以下とするのがよい。

［配設工程］
次に、図７（ａ）に示した圧電体薄膜素子１５０を用いてインクジェットヘッド５０のヘッド本体５７に対し、圧電体素子５４を配設する工程について説明する。
上記圧電体薄膜素子１５０を用意したならば、図７（ｂ）に示すように、上部電極６上に、転写基材１６０を接着する。この転写基材１６０としては、樹脂フィルムの一面側にＵＶ硬化性ないし熱硬化性の粘着材が塗布されたものを例示することができ、透明でかつ可撓性を有するフィルムを備えたものとすることが好ましい。あるいは、樹脂フィルムに代えてガラス板を用いることもできる。ガラス板は安価で保型性があり、さらに透光性を有しているため、一面側に接着材を塗布すれば好適な転写基材となる。接着材には、後工程で容易に剥がせるような特性（熱溶融性など）を備えたものが好ましい。また後工程で圧電体素子をヘッド本体５７に接合する際の位置合わせ（アライメント）が容易になるよう、透光性を有するものが好ましい。

次に、図７（ｃ）に示すように、エッチング等により犠牲層１５２を除去し、単結晶基板１５１と、圧電体素子（バッファ層１５３〜上部電極６）及び転写基材１６０とを分離する。係るエッチング処理に際しては、エッチング液として例えば硝酸を水で希釈したものを用いることができる。犠牲層１５２を構成するＳｒＯ、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＣａＯは酸に対するエッチング速度が極めて速く、簡単に除去される。従って、圧電体素子を保護するためにもエッチング液には低濃度の酸性溶液を用いることが好ましい。またエッチングによる損傷を防止するべく圧電体素子の表面に保護膜を形成しておくとなおよい。
尚、この工程で分離された単結晶基板１５１は、圧電体薄膜素子１５０の製造に再利用することができる。

次に、図８（ａ）に示すように、転写基材１６０に保持した圧電体素子を、接着層１６４を介してヘッド本体５７と接合する。この接着層１６４としては、熱硬化型接着材や、ＵＶ（紫外光）硬化型接着材等の光硬化型接着材、あるいは反応硬化型接着材等を好適に用いることができるが、転写基材１６０と上部電極６とを接着している接着材とは異なる性質を有するものが好ましい。接着層１６４の形成は例えば塗布法による。尚、先の工程での犠牲層の形態によっては、下部電極４とヘッド本体５７とを接合することになるため、この接着層１６４は下部電極４の外面側に形成しても良い。

次に、図８（ｂ）に示すように、転写基材１６０側から、上部電極６と転写基材１６０との接合面に対して紫外線を照射することで接着力を消失させ、転写基材１６０を上部電極６から剥離する。このように、転写基材１６０に塗布した接着材がＵＶ硬化型接着材で有れば、光照射のみにより転写基材１６０を容易に剥離することが可能である。熱硬化型接着材を用いている場合には、転写基材１６０側から加熱すればよい。

以上の工程により、図８（ｃ）に示すように、ヘッド本体５７と圧電体素子とを接合することができる。なお、ここでは省略しているが、転写後上部電極６、圧電体層５、下部電極４をパターングする。このような転写により圧電体素子を配設する製造方法を用いるならば、単結晶基板１５１を用いて各層をエピタキシャル成長させた圧電体素子を容易にヘッド本体５７と接合でき、高性能の圧電体素子を備えたインクジェットヘッドを容易に製造することができる。また、この製造方法を適用することで、ヘッド本体５７の材質を任意に選択することができるため、ヘッドの小型化によりキャビティ５２１を狭小化した際にも十分な強度と耐久性を有するインクジェットヘッドを製造することが可能になる。なお、バッファ層１５３も振動板として機能する。

図１は、実施形態に係るインクジェットプリンタの斜視構成図。 図２は、同、インクジェットヘッドの斜視構成図。 図３は、同、インクジェットヘッドの側断面構成図。 図４は、同、インクジェットヘッドの動作説明図。 図５は、実施形態に係るヘッド本体の製造工程を示す斜視工程図。 図６は、実施形態に係るヘッド本体の製造工程を示す斜視工程図。 図７は、実施形態に係る圧電体素子の配設工程を示す斜視工程図。 図８は、実施形態に係る圧電体素子の配設工程を示す斜視工程図。 図９は、従来のインクジェットヘッドの断面構成図。

符号の説明

４…下部電極、５…圧電体層、６…上部電極、５０…インクジェットヘッド（ヘッド）、５１…ノズル板（基材）、５２…インク室基板、５２ａ…側壁材層、５３…梁部材、５３ａ…梁部材層、５４…圧電体素子、５５…振動板、５７…ヘッド本体、５９…充填層、６０…インクジェットプリンタ、１５０…圧電体薄膜素子、１５１…単結晶基板、１５２…犠牲層、１５３…バッファ層、１６０…転写基材、５１１…ノズル、５２１…キャビティ、５２２…側壁

Claims (17)

1. 圧電体素子と、
   前記圧電体素子の下方に、該圧電体素子の変形により内容積が変化する複数のキャビティと、を備え、
   前記キャビティの内壁を連結する梁部材が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記キャビティが、液滴吐出口を有するノズル板と、該ノズル板から立設された複数の側壁と、前記ノズル板に対向配置された振動板とに囲まれる空間であり、
   前記梁部材が、互いに対向して配置された前記側壁間に架設されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記キャビティが平面視で略矩形状を成して形成されており、前記梁部材が、平面視で前記キャビティの短辺方向にて対向する側壁間に架設されていることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 複数の前記梁部材が、平面視で前記キャビティの長辺方向に並設されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記梁部材と、該梁部材が架設された前記キャビティの内壁とが、同一材質により形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記梁部材と、該梁部材が架設されたキャビティの内壁とが、いずれも金属材料により形成されていることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記側壁と前記振動板とが、同一材質により一体に形成されていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
8. 圧電体素子の変形動作により内容積を変化可能な複数のキャビティを備えたインクジェットヘッドの製造方法であって、
   基材上に第１の材料によって所定形状の側壁材層を形成する工程と、前記第１の材料と異なる第２の材料を、前記側壁材層の間隙に埋設して充填層を形成する工程とを繰り返し行うことで前記側壁材層及び充填層を基材上に積層する側壁形成工程と、
   前記充填層を選択的に除去して前記基材上に前記キャビティの側壁を形成する工程とを含み、
   前記側壁形成工程の間に、前記壁材層の間隙にて前記充填層を横断する梁部材層を形成する工程を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
9. 前記梁部材層を前記第１の材料を用いて前記側壁材層と一体に形成することを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
10. 前記側壁形成工程の後に、前記第１の材料を用いて前記壁材層及び充填層を覆う振動板層を形成する振動板形成工程を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
11. 前記振動板形成工程の後に、前記振動板層と圧電体素子とを接合する圧電体素子実装工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
12. 前記圧電体素子実装工程が、
    転写基材上に保持された圧電体素子を前記振動板と接合する工程と、
    接合後の前記転写基材と圧電体素子とを分離する工程と
    を含む工程であることを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
13. 前記転写基材上に圧電体素子を保持する工程が、
    単結晶基板上に犠牲層を介して圧電体素子を形成する工程と、
    前記圧電体素子と転写基材とを接合した後、前記犠牲層にて前記圧電体素子を前記単結晶基板と分離する工程と
    を含む工程であることを特徴とする請求項１２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
14. 前記転写基材と圧電体素子とを分離するに際して、前記転写基材側からの加熱又は光照射を行うことを特徴とする請求項１２又は１３に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
15. 前記充填層を選択除去する工程を、前記圧電体素子実装工程の後に行うことを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
16. 前記基材として、液滴吐出口が設けられたノズル板を用いることを特徴とする請求項８ないし１５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
17. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェットプリンタ。

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