JP2012071587A - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックスである圧電素子に複数のノズルを、精度良くかつ、安価に形成することは難しく、加工費を要するものとなっている。
【解決手段】 インクの吐出孔を有するノズルが形成されるノズルプレートと、前記ノズルにインクを供給するインク供給路と、前記ノズルプレートのノズルの前記吐出孔を囲んで形成される第１の電極と、前記ノズルプレートのノズルの前記吐出孔を囲み、かつ前記第１の電極を覆う圧電体膜と、前記圧電体膜を覆い、前記ノズルプレートを形成する金属材料からなる第２の電極と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インクをノズルから吐出して画像を形成するインクジェットヘッドおよびそのインクジェットヘッド製造方法に関する。

画像信号に従ってノズルからインク滴を吐出させて、記録紙上にインク滴による画像を形成するオンデマンド型インクジェット記録方式が知られている。オンデマンド型インクジェット記録方式は、主として発熱素子型と圧電素子型がある。発熱素子型は、インク流路に設けられた発熱体に通電してインク中に気泡を発生させ、その気泡によって押されたインクがノズルから吐出される構成となっている。圧電素子型は、圧電素子の変形を利用してインク室に貯蔵されたインクをノズルから吐出させる構成である。

圧電素子（ピエゾ素子）は、電気機械変換素子であり、素子に電界を加えると、伸張または剪断変形を起こす。代表的な圧電素子として、チタン酸ジルコン酸鉛が使われている。

圧電素子を利用したインクジェットヘッドとして、圧電性材料で形成されたノズル基板を用いた構成が知られている。この構成では、インクを吐出させるノズルを備える圧電性の基板の両面に電極を形成し、かつノズルを囲むように電極を形成している。ノズル基板とノズル基板を支える基板との間にインクが入り込み、インクはノズル内でメニスカスを形成してノズル内に維持される。ノズル周囲に設けた電極に圧電素子を振動させる駆動波形を印加すると、ノズル周囲の圧電素子が振動し、ノズル内に超音波振動を発生してメニスカス内のインクが吐出される。

特開平１０−５８６７２号公報

セラミックスである圧電素子に複数のノズルを、精度良くかつ、安価に形成することは難しく、加工費を要するものとなっている。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドは、インクジェットヘッドと、インクの吐出孔を有するノズルが形成されるノズルプレートと、前記ノズルにインクを供給するインク供給路と、前記ノズルプレートのノズルの前記吐出孔を囲んで形成される第１の電極と、前記ノズルプレートのノズルの前記吐出孔を囲み、かつ前記第１の電極を覆う圧電体膜と、前記圧電体膜を覆い、前記ノズルプレートを形成する金属材料からなる第２の電極と、を具備することを特徴とする。

第１の実施の形態におけるインクジェットヘッドの分解斜視図。 第１の実施形態におけるインクジェットヘッドの平面図。 第１の実施形態におけるインクジェットヘッドの製造プロセスを示す図。 第１の実施形態における第３図の製造プロセスに続くインクジェットヘッドの製造プロセスを示す図。 第１の実施形態における第４図の製造プロセスに続くインクジェットヘッドの製造プロセスを示す図。 第１の実施形態におけるインクジェットヘッドのＡ−Ａ´断面図。 第２の実施形態におけるインクジェットヘッドの平面図。 第３の実施形態におけるインクジェットヘッドの平面図。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施の形態によるインクジェットヘッドの分解斜視図である。

図１に示されるインクジェットヘッド１は、ノズルプレート１００、インク圧力室構造体２００、セパレートプレート３００、インク供給路構造体４００、で構成されている。

ノズルプレート１００には、ノズルプレート１００の厚さ方向に貫通するインク吐出用の複数のノズル１０１（インク吐出孔）がある。インク圧力室構造体２００には、複数のノズル１０１に対応する複数のインク圧力室２０１がある。１つのインク圧力室２０１は対応するノズル１０１に繋がっている。セパレートプレート３００にはインク圧力室構造体２００に形成されるインク圧力室２０１にそれぞれ繋がる複数のインク絞り３０１（インク圧力室へのインク供給孔）がある。

インクジェットヘッド１には複数のノズル１０１に対応してインク圧力室２０１とインク絞り３０１がある。インク圧力室２０１はインク絞り３０１をとおしてインク供給路４０２と繋がっている。

インク圧力室２０１は画像形成のためのインクを保持している。そしてノズルプレート１００の変形によって、各インク圧力室２０１内のインクに圧力変化が発生し、各ノズル１０１からインクを吐出する。この時、セパレートプレート３００は、インク圧力室２０１内に発生した圧力を閉じ込めて、インク供給路４０２へ圧力が逃げることを防ぐ役割を果たす。そのため、インク絞り３０１の直径は、インク圧力室２０１の直径に対して１／４以下の大きさである。

尚、液滴量が少ない場合やインク圧力室２０１の厚みが１ｍｍ以上ある場合は、ノズルプレート１００の変形によって発生したインク圧力室２０１内の圧力波が、インク供給路４０２へ伝わるまでの時間内に、ノズルプレート１００が次の変形動作を行うことが可能となる。よって発生した圧力はインク圧力室２０１に閉じ込められた状態が維持できる。その場合は、セパレートプレート３００は不要であり、インクジェットヘッド１は、ノズルプレート１００、インク圧力室構造体２００、インク供給路構造体４００で構成される。

インク供給路４０２はインク供給路構造体４００にある。インク供給路構造体４００にはインクジェットヘッド外部からインクを供給するインク供給口４０１がある。インク供給路４０２は全てのインク圧力室２０１にインクを供給可能であるように、複数のインク圧力室２０１をすべて囲んでいる。

インク圧力室構造体２００は厚さ２ｍｍのアルミナセラミックスで作成している。各インク圧力室２０１は直径３ｍｍの円筒形状である。各インク圧力室２０１の円の中心にノズル１０１の吐出孔が設けられている。

セパレートプレート３００は、厚さ２００μｍのステンレスである。インク絞り３０１の直径は５００μｍとなっている。それぞれのインク圧力室２０１へのインク流路抵抗がほぼ同程度になるように、インク絞り３０１の形状バラツキを抑制するように作られている。

インク供給路構造体４００は厚さ４ｍｍのアルミナセラミックスである。インク供給路４０２はアルミナセラミックス表面から２ｍｍ深さとなっている。インク供給口４０１はインク供給路４０２のほぼ中央にある。インク供給路４０２は各インク圧力室２０１へのインク流路抵抗が同程度になるように作られている。

ノズルプレート１００、インク圧力室構造体２００、セパレートプレート３００、インク供給路構造体４００はノズル１０１、インク圧力室２０１が所定の位置関係を保つように、エポキシ接着剤で固定されている。

インク圧力室構造体２００、インク供給路構造体３００はアルミナセラミックス、セパレートプレート３００はステンレスで作成するとしたが、これら構造体２００、３００、４００の材料は、アルミナセラミックス、ステンレスに限定されない。ノズルプレート１００の膨張係数との差を考慮して、インク吐出圧力発生に影響しない範囲で、他の材料とすることも可能である。例えば、セラミック材料としてジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウム、などの窒化物、酸化物を利用可能である。また、樹脂材料として、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォンなどのプラスチック材を利用することも可能である。また、金属材料(合金)を用いることも可能であり、代表的な材料としては、アルミ、チタン、などの材料がある。

図２を参照し、ノズルプレート１００の構成について説明する。図２はノズルプレート１００をインク吐出側から見た平面図である。

ノズルプレート１００は、インクを吐出させる複数のノズル１０１と、各ノズル１０１からインクを吐出させるための圧力を発生させる複数のアクチュエータ１０２とを有している。複数の配線電極１０３は、対応するアクチュエータ１０２を駆動するための信号を伝達する。複数の電極端子１０４は、対応する配線電極１０３と接続し、外部からインクジェットヘッド１を駆動する信号が供給される。また、各アクチュエータ１０２には、他方の電極となる共通電極(後述の電極膜１０９、電鋳膜１１２)を有している。ノズルプレート１００に形成される複数のノズル１０１、複数のアクチュエータ１０２、複数の配線電極１０３（第１の電極）、複数の電極端子１０４、および複数の共通電極はベース基板１０５上に形成されている。ベース基板１０５は、ノズルプレート１００を形成後、削除される。

インクを吐出させる複数のノズル１０１はノズルプレート１００を貫通している。１つのインク圧力室２０１の円形断面の中心と、対応するノズル１０１の中心は一致している。１つのインク圧力室２０１から対応するノズル１０１内にインクを供給する。ノズル１０１に対応するアクチュエータ１０２の動作によってベース基板１０５が変形し、インク圧力室２０１内に発生した圧力変化によって、ノズル１０１からインクが吐出する。全てのノズル１０１は同じ動作である。

複数のノズル１０１は、インク圧力室２０１側からノズルプレート１００のインク吐出側にかけて断面積が狭まる、円錐形状となっている。すなわち、インク圧力室２０１側の開口面積がノズルプレート１００のインク吐出側開口面積より大きくなっている。ノズルプレート１００の吐出側開口は、直径３０μｍになっている。インク圧力室２０１側の開口は、直径５０μｍになっている。

複数のアクチュエータ１０２は圧電体膜で形成されている。圧電体膜と圧電体膜を挟む２つの電極で各アクチュエータ１０２は動作する。圧電体膜を成膜すると、圧電体膜の膜厚方向に分極が発生する。電極を介して分極の方向と同方向の電界を圧電体膜に印加すると、アクチュエータ１０２は電界方向と直交する方向に伸縮する。この伸縮を利用してベース基板１０５が変形しインク圧力室２０１内のインクに圧力変化を発生させる。圧電体膜の形状は円形である。圧電体膜はノズル１０１の吐出側開口と同心円にある。円形の圧電体膜の直径は３ｍｍとする。つまり圧電体膜はノズル１０１の吐出側開口を囲んでいる。

複数のアクチュエータ１０２は、ノズル１０１を高密度に配置するために千鳥状（互い違い）に配置されている。図２のＸ軸方向に複数のノズル１０１が直線状にある。Ｙ軸方向に直線状のノズル列が２列ある。Ｘ軸方向で隣接する２つのノズル１０１の中心間距離は５ｍｍとなっている。Ｙ軸方向ではノズル１０１の２列の配置間隔が３ｍｍとなっている。このように配置することで、複数の長い配線電極１０３は隣接する２つのアクチュエータ１０２間を通って形成される。

アクチュエータの圧電体膜の材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた。他の材料として、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３：チタン酸鉛）ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＺｎＯ、ＡｌＮなどを用いることも可能である。

圧電体膜はＲＦマグネトロンスパッタリング法により基板温度３５０℃で成膜した。膜厚は３μｍとした。圧電体膜成膜後、圧電体膜に圧電性を付与するために、５００℃で３時間熱処理を行った。これにより、良好な圧電性能を得ることができた。圧電体膜の他の製法として、ＣＶＤ（化学的気相成長法）、ゾルゲル法、ＡＤ法（エアロゾルデポジション法）、水熱合成法などを用いることも可能である。圧電体膜の厚さは、圧電特性と絶縁破壊電圧などによって決定される。圧電体膜の厚さは、概ね０．１μｍ〜１０μｍの範囲である。

複数の配線電極１０３は複数のアクチュエータ１０２の圧電体膜に繋がる２つの電極の一方である。各配線電極１０３は対応するアクチュエータ１０２の圧電体膜に個別に繋がる。各配線電極１０３は圧電体膜を独立に動作させるための個別電極として作用する。各配線電極１０３は、円形の圧電体膜より小径の円形の電極部分と、対応する電極端子１０４に繋がる配線部とがある。円形の電極部分の中心には対応するノズル１０１が形成されるため、ノズル１０１と同心円状には配線電極膜がない部分ができる。

複数の配線電極１０３と複数の電極端子１０４は、Ｐｔ（白金）/Ｔｉ(チタン)薄膜で形成した。薄膜の成膜はスパッタリング法を用い、膜厚０．５μｍとした。配線電極、電極端子の他の電極材料として、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ(金)などを利用することも可能である。他の成膜法として、蒸着、鍍金を用いることも可能である。複数の配線電極１０３、複数の電極端子１０４の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。

複数の電極端子１０４は配線電極１０３を通して対応するアクチュエータ１０２に繋がっている。各電極端子１０４は外部駆動回路から各アクチュエータ１０２を駆動するための信号が供給される。配線電極１０３は電極端子１０４とアクチュエータ１０２の間を配線し、この実施例では配線幅１ｍｍ程度である。複数の電極端子１０４の間隔は複数のノズル１０１のＸ軸方向の間隔と同じになる。従って、各配線電極１０３の配線幅に比べて各電極端子１０４のＸ軸方向の幅を広くすることができる。このため外部駆動回路と複数の電極端子１０４の接続は容易になっている。電極端子１０４と配線電極１０３がアクチュエータ１０２を駆動する個別電極として機能する。

ベース基板１０５は、石英基板を用いた。電鋳加工の時に、ノズル１０１となる部分に感光性レジストのノズル１０１に対応する形状のパターンを形成する。このパターン以外の部分に電鋳膜を成膜することで、ノズル１０１を形成する。電鋳加工を行なうとき、内部応力が少なくなるような元素の添加および電流密度、温度などの最適条件で作成した。

図３〜図５に示した図２のＡ−Ａ´断面を参照し、このインクジェットヘッドの製造方法について説明する。ベース基板１０５上の全てのノズル１０１は同時に製造することができる。

図３（ａ）〜図５（ｊ）は、インクジェットヘッドの加工プロセスごとに作成した状態を示している。インクジェットヘッドを構成する材料を薄膜、または電鋳によって成膜し、作成している。

図３（ａ）は石英基板１０５（ベース基板）上に絶縁膜１０６を成膜した構成を示している。ノズルプレート１００を形成するために、鏡面研磨された石英基板１０５を用いている。ノズルプレート１００を作成するプロセスにおいて、加熱、薄膜の成膜や、鍍金、電鋳液への浸漬などを繰り返すため、耐熱性のある石英を利用している。石英基板１０５は厚さ３ｍｍの平滑化したものである。石英基板１０５の代わりに、耐熱性があるセラミックス、シリコンあるいは各種金属の基板を使うことも可能である。

石英基板１０５は、インク圧力室構造体およびインク供給路構造体を取り付けた後に研削、研磨により除去される。

絶縁膜１０６は、ＣＶＤ法で成膜したＳｉＯ２膜（酸化ケイ素）を用いた。石英基板１０５上の全面に膜厚０．５μｍの成膜を行った。成膜後、電極端子１０４を形成する部分のＳｉＯ２膜をエッチングして除去した。

絶縁膜１０６の膜厚は０．１から１μｍの範囲が望ましい。ＳｉＯ２に代えて、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）を用いることもできる。絶縁膜１０６の材料選択は、絶縁性、熱膨張係数、平滑性、濡れ性などを考慮して行っている。

図３（ｂ）は、絶縁膜１０６上に成膜した電極膜（配線電極１０３、電極端子１０４）を示している。電極膜の材料はＰｔ/Ｔｉである。ＴｉとＰｔを順番にスパッタリング法を用いて成膜した。電極端子１０４に相当する膜厚は０．５μｍとし、電極端子１０４上および絶縁膜１０６上のＰｔ膜厚は０．０５μｍとした。電極膜を成膜した後に、配線電極１０３、電極端子１０４、アクチュエータ１０２に適した形状に電極膜をパターニングし、配線電極１０３、電極端子１０４、アクチュエータ配線電極１０２ａを形成した。パターニングは、電極膜上にエッチングマスクを作り、エッチングマスク以外の電極材料をエッチングによって除去することで行った。エッチングマスクは、感光性レジストを電極膜上に塗布した後に、プリベークを行い、所望のパターンが形成されたマスクを用いて露光し、現像、工程を経てポストベークを行って形成した。

アクチュエータ配線電極１０２ａの圧電体膜１０７に相当する部分は外形３ｍｍの円形パターンになっている。円形のアクチュエータ配線電極１０２ａの中心にノズル１０１が形成されるため、中心から同心円で直径０．６３ｍｍのアクチュエータ配線電極１０２ａがない部分を形成した。

図３（ｃ）はアクチュエータ配線電極１０２ａ上に形成した圧電体膜１０７を示している。電極膜をパターニングすることで電極端子１０４および配線電極１０３、アクチュエータ配線電極１０２ａが形成される。そして、配線電極１０３と電極端子１０４、アクチュエータ配線電極１０２ａ以外は絶縁膜１０６が露出している。アクチュエータ配線電極１０２ａの上のみに圧電体膜１０７を形成するために、先ず電極端子１０４、配線電極１０３、アクチュエータ配線電極１０２ａ、絶縁膜１０６上に、圧電体膜１０７を形成する。圧電体膜１０７はＰＺＴを用いている。３μｍ厚の圧電体膜１０７を基板温度３５０℃で、スパッタリング法で作成した。ＰＺＴ薄膜に圧電性を付与するために、５００℃で３時間の熱処理を行った。ＰＺＴ薄膜は成膜すると、配線電極１０３から膜厚方向に沿って、分極が発生する。

圧電体膜１０７のパターニングは、エッチングによって行った。圧電体膜１０７上に感光性レジストを塗布する。次にプリベークを行う。次に所望のパターンが形成されたマスクを用いて露光を行う。現像、定着工程を経てポストベークを行い、感光性レジストのエッチングマスクを形成した。このエッチングマスクを用いてエッチングを行い、所望の形状の圧電体膜１０７を得た。

ここでは、圧電体膜１０７のパターンは外形３ｍｍの円形となっている。円形パターンの中心にはノズル１０１が形成されるため、円形の圧電体膜１０７の中央に直径０．２３ｍｍの圧電体膜がない部分を形成した。直径０．２３ｍｍの圧電体膜のない部分は、絶縁膜１０６が露出している。円形の圧電体膜がない部分の直径が０．２３ｍｍであり、円形のアクチュエータ配線電極１０２ａがない部分の直径が０．６３ｍｍであるので、圧電体膜１０７がアクチュエータ配線電極１０２ａを覆うように形成される。圧電体膜１０７がアクチュエータ配線電極１０２ａを覆うことで、配線電極１０３と圧電体膜１０７に電圧を印加するためのもう一方の電極との間の絶縁性を確保することができる。すなわち、アクチュエータ１０２を駆動するための配線電極１０３と共通電極とを、圧電体膜１０７によって絶縁している。

図３（ｄ）は電極端子１０４および電極端子１０４に繋がる配線電極１０３上の絶縁膜１０８を示している。配線電極１０３と共通電極との絶縁を保つために、圧電体膜１０７が成膜されていない配線電極１０３および電極端子１０４の表面上に絶縁膜１０８を形成する。絶縁膜１０８の厚みは０．２μm、材料はＳｉＯ２とした。絶縁膜１０８の成膜は良好な絶縁性を低温成膜実現できるＣＶＤ法を用いた。絶縁膜１０８は、電極表面のみ成膜されていればよいので、パターニングを行った。レジストを塗布した後に、プリベークを行い、所望のパターンのマスクを用いて露光し、現像、定着工程を経てポストベークを行いエッチングマスク形成した。このエッチングマスクを用いてエッチングを行い、所望の絶縁膜１０８を得た。絶縁膜１０８は圧電体膜１０７を一部覆うようにパターニングした。絶縁膜１０８が圧電体膜１０７を覆う量は、圧電体膜１０７の変形量を阻害しない程度とした。

図４（ｅ）はアクチュエータ１０２の共通電極を形成するための下地となる電極膜１０９の成膜を示している。電極膜１０９はＰｔの膜厚０．５μｍとなっている。電極膜１０９はスパッタリング法によって成膜した。

電極膜１０９の他の成膜材料として、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ（銀）、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕを利用することができる。電極膜１０９の他の成膜方法として、真空蒸着、鍍金などを利用することができる。電極膜１０９の膜厚は０．０１〜１μｍの範囲が好ましい。電極膜１０９は、少なくとも圧電体膜１０７を覆うもので、ここでは絶縁膜１０８も覆っている。

図４（ｆ）は、ノズル１０１を形成する部分の電極膜１０９と絶縁膜１０６を除去する削除部１１０を示している。ノズル１０１に対応する部分は、アクチュエータ配線電極１０２ａの中心部であって、石英基板１０５上に絶縁膜１０６と電極膜１０９が積層された２層膜となっている。感光性レジスト膜を電極膜１０９上に形成し、圧電体膜１０７の中心にノズル１０１の吐出孔（直径３０μｍ）を形成可能なフォトマスクを用いて露光し、感光性レジストを現像し、エッチング用マスクを形成した。このマスクを用いて、電極膜１０９と絶縁膜１０６のエッチング加工を行い、削除部１１０を形成した。

図４（ｇ）はノズル１０１を形成するための感光性レジストのパターン１１１を示している。電極膜１０９と絶縁膜１０６の削除部１１０に、感光性レジストによって、ノズル１０１の形状となるパターン１１１を形成した。ノズル１０１の吐出孔は感光性レジストのパターン１１１によって形成される。感光性レジストパターン１１１は円錐台の形状である。レジストパターン１１１の円錐台は石英基板１０５側の直径が３０μｍ、高さ５０μｍ、石英基板１０５と反対側の直径が約５０μｍになるよう作成した。従って、レジストパターン１１１は石英基板１０５側が細く、石英基板１０５側から離れるに従い直径が大きくなるように形成されている。最大径が約５０μｍになるようした。

次に、レジストパターン１１１の円錐台の成形加工について説明する。図４（ｆ）で形成した電極膜１０９と削除部１１０上に感光性レジストを５０μｍ厚になるように塗布する。感光性レジスト膜上にＡｌ膜をスパッタリング法で１μｍ成膜する。感光性レジストとエッチング法を用いて、そのＡｌ膜をノズル１０１の最大径である５０μｍの円形パターンに加工する。Ａｌの円形パターンの中心とノズル１０１の中心が同心円となるようにＡｌパターンは配置されている。円形のＡｌパターンを紫外線の露光マスクとして、電極膜１０９および削除部１１０上に作成した感光性レジストを露光する。紫外線は感光性レジストに当たり、感光性レジストを透過する。この紫外線の透過光は円形のＡｌパターンによってわずかに回折し、紫外線は感光性レジスト内で傾斜した露光パターンとなる。このため、感光性レジストを現像すると、レジストパターン１１１が形成される。

図４（ｈ）は電極膜１０９上に付着した電鋳膜１１２を示している。レジストパターン１１１を作成した後、電鋳法によって電鋳膜１１２を形成した。電鋳膜１１２はＮｉ材でできている。電鋳膜１１２の膜厚は５０μｍとなっている。

電鋳膜１１２は図４（ｇ）の加工品を電鋳槽内に浸漬し、電極膜１０９を利用して電気分解された金属イオン（Ｎｉイオン）を電極膜１０９上に付着させて作る。電鋳膜１１２を形成するとき、電鋳膜１１２内に発生する内部応力ができる限り少ないような条件で成膜をおこなった。

また、電鋳膜１１２の材料選択においては、絶縁膜１０６と配線電極１０３の材料とヤング率が大きく異なる。即ち電鋳膜１１２は、絶縁膜１０６のヤング率と配線電極１０３のヤング率との差が大きい材料が望ましい。板形状の変形量は、板材料のヤング率と板厚が影響する。同じ力がかかった場合でも、ヤング率が小さい程、板厚が薄い程変形が大きい。

本実施の形態においては、電鋳膜１１２のＮｉ膜（膜厚５０μｍ）のヤング率が１９９ＧＰａに対して、絶縁膜１０６のＳｉＯ２膜のヤング率は８０．６ＧＰａ。配線電極１０３はＰｔ＝０．０５μｍ／Ｔｉ＝０．４５μｍ積層膜である。膜厚の９０％を占めるＴｉのヤング率は１１６ＧＰａであるため、８０ＧＰa以上の差がある。この理由について説明する。

本実施の形態のインクジェットヘッドは、アクチュエータ１０２が電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜で挟まれた構造である。アクチュエータ１０２に電界をかけてアクチュエータ１０２が電界方向と直交する方向に伸びた場合、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜はインク圧力室２０１側に対して凹形状に変形する力が付加される。反対に、絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜はインク圧力室２０１側に対して凸形状に変形する力が付加される。アクチュエータ１０２が電界方向と直交する方向に縮んだ場合は、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜はインク圧力室２０１側に対して凸形状、絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜はインク圧力室２０１側に対して凹形状に変形する力が付加される。

即ち、アクチュエータ１０２が電界方向と直交する方向に伸縮すると、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜は正反対の向きに変形する力が負荷される。それ故、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と、絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜の合計膜厚とヤング率が同じ場合、アクチュエータ１０２に電圧印加しても、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と、絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜は正反対の方向に同じ量変形する力が負荷されるため、ノズルプレート１００が変形しない。よってインク吐出しない。

本実施の形態においては、絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜の方が、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜よりヤング率が小さい。そのため、積層膜の合計膜厚が同じ場合、同じ力に対して絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜の方が変形量は大きくなる。

本実施の形態の構造においては、アクチュエータ１０２が電界方向と直交する方向に伸びた場合、ノズルプレート１００はインク圧力室２０１側に対して凸形状に変形して、圧力室２０１の容積が縮まる（絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜がインク圧力室２０１側に対して凸形状に変形する量の方が大きいため）。反対に、アクチュエータ１０２が電界方向と直交する方向に縮んだ場合は、ノズルプレート１００はインク圧力室２０１側に対して凹形状に変形して、圧力室２０１の容積が広がる（絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜がインク圧力室２０１側に対して凹形状に変形する量の方が大きいため）。

電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜のヤング率の差が大きい程、同じ電圧をアクチュエータに印加した時、振動板の変形量の差が大きくなる。そのため、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜のヤング率の差が大きい方が、より低い電圧条件にてインク吐出が可能となる。

尚、上述したように、板形状の変形量は、板材料のヤング率だけでなく、板厚も影響する。そのため、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜の変形量に差をつける場合は、材料のヤング率だけでなく、それぞれの膜厚も考慮する必要がある。もし、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜と絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜のヤング率が同じでも、膜厚に違いがあれば、高電圧条件下ではあるが、インク吐出可能である。

本実施の形態においては、電極膜１０９、電鋳膜１１２の積層膜の合計膜厚５０．５μｍに対して、絶縁膜１０６、配線電極１０３の積層膜の合計膜厚は１μｍであり、膜厚が５０倍以上差をつけることにより、低い電圧条件にてノズルプレート１００が変形できるように考慮した。

電鋳膜１１２の成膜後、レジストパターン１１１を溶解液で除去すると、図５（ｉ）の形状となる。そして、レジストパターン１１１を除去すると、円錐台形状のノズル１０１がノズルプレート１００に形成される。ノズルプレート１００は、インク圧力室構造体２００およびインク供給路構造体４００を取り付けた後に、石英基板１０５は、電極などが成膜された面と反対側の面から研削、研磨することにより除去される。

石英基盤１０５を除去後のノズルプレート１００は、電鋳膜１１２（膜厚５０μｍ）と電極膜１０９がベースとなる。そして、このベースの上に、圧電体膜１０７、配線電極１０３、絶縁膜１０６を有する構成となる。また、電鋳膜１１２と電極膜１０９は、アクチュエータ１０２の共通電極として機能する。

上記説明中、エッチング方法として、薬液を用いるウェットエッチング法、プラズマを用いるドライエッチング法を適宜選択した。絶縁膜、電極膜、圧電体膜などの材料によって、エッチング方法やエッチング条件を変えて加工を行った。各感光性レジスト膜によるエッチング加工が終了した後、残った感光性レジスト膜は溶解液によってレジスト除去を行った。

図５（ｊ）に完成したインクジェットヘッド１の断面を示す。上記プロセスで作成したノズルプレート１００に、インク圧力室構造体２００とインク供給路構造体４００を接着してインクジェットヘッド１を作成した。

インク供給路構造体４００にあるインク供給口４０１からインクをインク供給路４０２に供給する。インク供給路４０２のインクは各インク圧力室２０１に流れ、各ノズル１０１を満たす。インク供給口４０１から供給されるインクは適切な負圧に保ち、ノズル１０１内のインクはノズル１０１から漏れることなく保たれる。

図６はインクジェットヘッド１に駆動回路５００を接続した構成を示している。駆動回路５００が発生した駆動信号は、個別電極（電極端子１０４に接続する配線電極１０３の端部に形成されるアクチュエータ配線電極１０２ａ）と共通電極の間で圧電体膜１０７を動作させる。圧電体膜１０７は個別電極と共通電極の間に発生する電界によって、膜の長手方向に伸張する。圧電体膜１０７が伸びるとノズルプレート１００の圧電体膜１０７が形成された部分でインク圧力室２０１の体積を小さくするように撓む。圧電体膜１０７が縮むとノズルプレート１００の圧電体膜１０７が形成された部分でインク圧力室２０１の体積を大きくするように撓む。このたわみ現象を制御して、インクをノズル１０１から吐出させる。

インクジェットヘッド１の表面は電極端子１０４を除いて、絶縁膜１０６で被覆されている。このため、インクジェットヘッド１は、水性インク、油性インクを吐出することができる。

（第２の実施形態）
図７に第２の実施形態のインクジェットヘッド１を示す。第１の実施形態と圧電体膜１０７の形状が異なっている。それ以外の部分は同じ構成となっている
圧電体膜１０７が長方形となっている。圧電体膜１０７は幅３ｍｍ長さ６ｍｍの長方形となっている。インク吐出側のノズル１０１直径は３０μｍ、ノズル１０１にインクを供給する側のノズル１０１の直径は５０μｍになっている。インク圧力室２０１の形状も圧電体膜１０７の形状に合わせて、長方形となっている。

円形の圧電体膜パターンと比べ、長さ方向で６ｍｍと大きな圧電体膜１０７となっているので、インクを吐出させるアクチュエータが長くなる。そのためインク吐出圧力を大きくすることが可能である。

（第３の実施形態）
図８に第３の実施形態のインクジェットヘッド１を示す。第１の実施形態と圧電体膜１０７の形状が異なっている。それ以外の部分は同じ構成となっている
圧電体膜１０７が菱形となっている。圧電体膜１０７は幅３ｍｍ長さ６ｍｍの菱形となっている。インク吐出側のノズル１０１直径は３０μｍ、ノズル１０１にインクを供給する側のノズル１０１の直径は５０μｍになっている。インク圧力室の形状も圧電体膜１０７の形状に合わせて、菱形となっている。

円形の圧電体膜パターンと比べ、圧電体パターンをより高密度に配置することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ インクジェットヘッド
１００ ノズルプレート
１０１ ノズル
１０２ アクチュエータ
１０３ 配線電極
１０４ 電極端子
２００ インク圧力室構造体
３００ セパレートプレート
４００ インク供給路構造体
４０１ インク供給口
４０２ インク供給路

Claims (11)

1. インクの吐出孔を有するノズルが形成されるノズルプレートと、
   前記ノズルにインクを供給するインク供給路と、
   前記ノズルプレートのノズルの前記吐出孔を囲んで形成される第１の電極と、
   前記ノズルプレートのノズルの前記吐出孔を囲み、かつ前記第１の電極を覆う圧電体膜と、
   前記圧電体膜を覆い、前記ノズルプレートを形成する金属材料からなる第２の電極と、
   を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記ノズルプレートには複数のノズルが形成され、
   前記第１の電極は各ノズルからインクを吐出させるために設けられた個別電極となっていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 前記第１の電極は、
   外部から駆動信号が供給される複数の電極端子と、
   前記複数の電極端子に接続される複数の配線電極と、
   前記複数の配線電極の端部に形成され、前記圧電体膜が覆われる複数のアクチュエータ配線電極と、を有することを特徴とする請求項２のインクジェットヘッド。
4. 前記圧電体膜が覆われていない前記第１の電極と前記第２の電極の間は絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 前記インクジェットヘッドは複数のノズルを有し、前記第２の電極は各ノズルからインクを吐出させるために設けられた共通電極となっていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
6. 前記第２の電極は、
   少なくとも前記圧電体膜を覆う電極膜と、
   前記吐出孔を除く前記電極膜を覆い、前記ノズルプレートを形成する金属材料と、を有することを特徴とする請求項５のインクジェットヘッド。
7. 前記第２の電極は積層体の電極となっていることを特徴とする請求項６記載のインクジェットヘッド。
8. 前記ノズルを囲み、かつ
   前記圧電体膜と反対側の面の前記第１の電極と前記第２の電極に接した絶縁膜を有することを特徴とする、請求項１記載のインクジェットヘッド。
9. 前記第１の電極と第２の電極に接した絶縁膜と前記第２の電極の金属材料のヤング率が異なることを特徴とする、請求項８記載のインクジェットヘッド。
10. インクの吐出孔を有する複数のノズルが形成されるノズルプレートと、
    前記複数のノズルにインクを供給するインク供給路と、
    前記ノズルプレートの各ノズルの前記吐出孔を囲んで形成される第１の電極と、
    前記ノズルプレートの各ノズルの前記吐出孔を囲むと共に、前記第１の電極を覆う圧電体膜と、
    前記圧電体膜を覆い、前記ノズルプレートを形成する金属材料からなる第２の電極と、
    を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
11. 絶縁膜を基板上に形成する工程と、
    第１の電極膜を前記絶縁膜上に成膜し、所定の形状に加工する工程と、
    前記第１の電極を覆うように所定の形状の圧電体膜を成膜する工程と、
    前記圧電体膜と前記絶縁膜を覆うように所定の形状の第２の電極膜を成膜する工程と、
    前記第２の電極膜と前記絶縁膜に吐出孔を開ける工程と、
    前記吐出孔にマスクパターンを形成する工程と、
    インク供給側のノズルプレートを形成する電極を前記第２の電極膜上に電鋳法によって形成する工程と、
    前記マスクパターンを除去する工程と、
    を有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。

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