JP3191557B2

JP3191557B2 - インクジェットヘッドおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3191557B2
Application number: JP6689894A
Authority: JP
Inventors: 隆廣中; 隆志中村; 一永鈴木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-04-05
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 2001-07-23
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH07276627A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印字信号に応じてイン
ク滴を吐出して、記録紙等の記録媒体上にインク像を形
成するインクジェット記録装置に用いる高密度インクジ
ェットヘッドとその製造方法に関し、より詳細にはイン
ク滴を吐出するための圧力室の一壁面を形成し、圧電変
換器の伸縮を圧力室に伝達する振動板の構成およびその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５８−１１９８７０号公報や特開
昭５８−１１９８７２号公報によれば、一端が基台に固
定された圧電変換器の他端に、圧力室を形成する振動板
が島状の突起（前記公報では脚部と称す）を介して当接
するように構成され、圧電変換器の伸縮により、圧力室
のインクをノズル開口から液滴として飛翔させるよう構
成されている。

【０００３】しかしこれら公報のいずれにも、振動板の
具体的な構造なり製造方法は提案されておらず、また脚
部は軸受けとかん合する複雑な構造であるため、小型
化、高密度化が困難であるばかりか、脚部と軸受けを高
精度に多数組み立てることはきわめてむずかしい。

【０００４】振動板の構成を示した例として、特開平３
−１５５５５号公報には、変位発生素子はバイモルフ、
またはユニモルフ型のたわみ変形を使った圧電変換器で
あるが、図１８に示すように厚さ１．８μｍのシリコン
からなる薄部６１ａ（同号公報では振動板と称す）と厚
さ１００μｍの酸化シリコンからなる突部６１ｂを振動
板６１に形成し、突部６１ｂと圧電変換器６０とを当接
する例が開示されている。

【０００５】また第２の例として同号公報では他に、厚
さが１〜１０μｍ前後であって、ニッケル、ステンレ
ス、鉄、銅、銀等の金属からなる薄部６１ａ上に、電鋳
法によって突部６１ｂを形成し、突部６１ｂと圧電変換
器６０とを当接する方法が開示されている。

【０００６】さらに、第３の例として同号公報では他
に、厚さが５０μｍの有機材料フィルムからなる薄部６
１ａ上に、材料とその方法の明示されない突部６１ｂを
固着し、突部６１ｂと圧電変換器６０とを当接する例が
開示されている。

【０００７】他方第４の例として特開平３−１９０７４
４号公報では、図１９に示すように、電極７１ａ上に１
００μｍ程度のダミー層を形成した圧電変換器７０が示
されており、厚さが略５０μｍからなる突部をもたない
ガラス、またはステンレスからなる薄部７３ａ（同号公
報では覆板部材と称す）にエポキシ系接着剤により固着
する例が開示されている。

【０００８】さらに第５の例として特開平５−１６９６
５１号公報では金属薄板からなる薄部と樹脂材料からな
る突部をもつ振動板、およびその突部に垂直に当接する
圧電変換器が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来例をもってしても以下のような問題が生じ、圧電変
換器を高速度で伸縮させ、また圧力室を高密度に配置さ
せたインクジェットヘッドを実現することがむずかし
い。

【００１０】薄部６１ａに５０μｍの厚さの高分子樹脂
を用いた前記従来のインクジェットヘッドの圧電変換器
はたわみ変形型であるため、変位量は比較的取り出せる
が、たわみ振動に関する固有振動数は低く、緩慢に振動
板を押圧する。一方本発明の圧力発生素子は軸方向に伸
縮し、その伸縮に関する固有振動数は非常に高いため、
高速度変位であり、速いインク滴吐出速度を可能とす
る。変位量は数μｍである。

【００１１】従って、低ヤング率の高分子樹脂を用い
て、変位量に比較して２０倍程度も厚い振動板では、高
速度変位は樹脂の変形で吸収されてしまい、インク滴を
吐出するに十分な圧力と容積変化を圧力室６４に発生さ
せることができない。

【００１２】突部として樹脂材料を用いたときも同様の
問題が生じ、突部の厚さによっては十分な吐出速度、吐
出量が得られない、また突部厚さのわずかなばらつきで
伝達効率が変化し、吐出特性にばらつきが生じてしま
う。

【００１３】薄部として提案されているシリコンや金属
フィルムは数億回〜数十億回にも及ぶ繰り返しの屈曲変
形に耐えられず、疲労破壊してしまう。特に高密度ヘッ
ドにあっては変形動作する薄部の寸法が数十μｍしかな
く、一方高密度ヘッドでは圧電変換器の変位量を増す必
要があるため、薄部にかかる応力は著しく大きいものと
なる。すなわち、これら材料は高速で、しかも延べ数億
回以上の変形を繰り返すインクジェットヘッド用の振動
板には適さない。また薄部はピンホールなどの欠陥を勘
案すると、その厚みは２μｍまでが限界である。しかし
厚さ２μｍ以上の金属材やシリコン材では、本発明者ら
が目論む高密度ヘッドにおいては曲げ剛性が高すぎて流
路基板自体がたわんでしまうという問題もある。

【００１４】また特開平３−１９０７４４号公報には圧
電変換器が当接するための突部を持たない振動板が示さ
れている。しかしこれでは圧電変換器の当接位置が定ま
らない。またもし薄部７３ａが樹脂フィルムであるなら
ば、透過したインク蒸気が直接圧電変換器をアタックす
るため、新たに透過防止手段を取り入れる必要がある。

【００１５】尚、前述の各公報からわかるように、優れ
た吐出特性と信頼性を有するインクジェットヘッドのた
めの適した製造方法がまだ詳しく開示されていない。

【００１６】本発明では上記した課題を解決して、高密
度化に適するとともに、高いインク滴吐出速度と高信頼
性を有し、さらには容易に量産できるインクジェットヘ
ッドの構成と製造方法を開示するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、複数
の圧力室と該圧力室の各々に連通するノズル開口と圧力
室の少なくとも一部を形成し、薄部と一端が基台に固定
された圧電変換器の他端が当接する突部をもつ振動板を
備え、該圧電変換器の伸縮によりノズル開口からインク
滴を吐出するインクジェットヘッドであって、該振動板
は樹脂フィルムからなる前記薄部と該フィルムに密着形
成された金属薄膜と該金属薄膜上に密着して金属の析出
により形成した前記突部から構成する。またこうした構
成を実現するための優れた製造方法により課題を解決す
る。

【００１８】

【実施例】以下に本発明の実施例に沿って詳細に説明す
る。図１は本発明によるインクジェットヘッドの一実施
例の分解斜視図である。フレーム１０内を貫通する取り
付け穴１１は、圧電変換器１のＸ軸、Ｙ軸方向の位置決
めをするべく、後述するプレート部材５を支持してい
る。圧電変換器１の長手方向の先端面は、振動板２０に
形成された突部２０ｂに接合されている。ノズル開口１
３ａをもつ板状のノズル基板１３と振動板２０と流路基
板１２とを順に積層することで、流路は形成されてい
る。

【００１９】図２は、本実施例を適用したインクジェッ
トヘッドの部分断面図である。圧力室２２は、ノズル開
口１３ａを形成したノズル基板１３、流路基板１２、振
動板２０によって形成されている。振動板２０は無機薄
膜２１、樹脂製の薄部２０ａ、金属薄膜２０ｃと金属か
らなる剛体突部２０ｂの積層体からなる。無機薄膜２１
は後述するように、主として樹脂製の薄部２０ａへのイ
ンクの浸透による物性変化を防止する働きを持つ。２３
は前記突部２０ｂと同時形成した肉厚部である。

【００２０】また図示しないインク溜めと、インク供給
管１４と、インク連絡口１６と、圧力室２２とは連通関
係にあって、インク溜めよりノズル開口１３ａまで水溶
性インク６で満たされている。圧電変換器１はプレート
部材５を介してフレーム１０に接着剤９９で固定されて
いる。

【００２１】フレーム１０と肉厚部２３は数μｍ〜数十
μｍ厚さの接着剤２４にて接合され、また圧電変換器１
と突部２０ｂは数μｍ〜７μｍ厚さの接着剤２４にて接
合されている。

【００２２】圧電変換器１を駆動するための配線は、第
１配線３０ａ、第２配線３０ｂと、プレート部材上の第
１の導電膜５ａと、変換器上の第１の導電膜４ａ、第２
の導電膜４ｂとからなる。薄部２０ａは電気絶縁材料で
あり、圧電変換器１の電極４ａとインク６間の絶縁を容
易にとることができる。

【００２３】かかる構成において、インク滴の吐出原理
は図３に示すごとくである。図３(ａ)は待機状態を示
す。図３(ｂ)に示すように吐出に先だって圧電変換器１
に電圧が印加されると振動板２０を引っ張るように圧電
変換器１は収縮する。この電界を解除し、圧電変換器１
に貯った電荷を急速に放電するにともない、図３(ｃ)に
示すように圧電変換器１は高速度で復元し、圧力室２２
内のインク６の圧力を高めてノズル開口１３ａよりイン
ク滴６ａを吐出させ、圧電変換器１は再び待機状態に戻
る。

【００２４】図４は、本発明によるインクジェットヘッ
ドの吐出圧力発生手段の実施例を示した斜視図である。

【００２５】インク６を液滴として吐出させるための圧
力発生手段は、圧電変換器１であって、圧電体２と導電
材３ａ、３ｂ（内部電極３ａ、３ｂ）とが交互に積み重
ねられた多層構造である。圧電変換器１には導電材４
ａ、４ｂ（外部電極４ａ、４ｂ）が形成されており、外
部電極４ａは内部電極３ａと、外部電極４ｂは内部電極
３ｂと、電気的に接続されている。圧電変換器１の後方
はプレート部材５に接合され、前方の先端は、前述のよ
うに、振動板２０の突部２０ｂと接合している。

【００２６】このような軸方向に伸縮する縦型且つ積層
型振動子を用いることにより、たわみ変形では得られな
い高い変位速度と所要の変位を、しかも低い電圧で得る
ことができ、結果として高い吐出速度と高密度なインク
ジェットヘッドを可能としている。

【００２７】図５は本発明の一実施例を適用したインク
ジェットヘッドの要部を下方より見た斜視図である。

【００２８】本発明者らの開発例によれば、圧力室２２
の長さ（図２中ｌ１）は１．５ｍｍ、圧力室２２の深さ
（図２中ｈ１）は０．２ｍｍ、圧力室２２の幅は０．１
ｍｍ、薄部２０ａの厚さは４μｍ、突部２０ｂの長さ
（図２中ｌ２）は１．３ｍｍ、突部２０ｂの高さ（図２
中ｈ２）は４０μｍ、突部２０ｂの幅（図５中ｗ２）は
３０μｍとし、圧力室２２の配列密度を１インチ当たり
１８０個（１８０ｄｐｉ）まで高めた。突部２０ｂは厚
みを増すことによって十分な剛性を確保した。

【００２９】薄部２０ａとしてポリイミドを用い、無機
薄膜２１として厚さ０．１５μｍのクロムを、また金属
薄膜２０ｃとして厚さ０．２μｍの銅を、また突部２０
ｂとしてニッケルを用いた。さらに、圧電変換器１の寸
法を、幅８０μｍ、配列ピッチ１８０ｄｐｉ、積層圧電
変換器の厚さを０．５ｍｍ、内部電極間距離（内部圧電
体の厚さ）を２０μｍ、活性長さ（実際に変位動作する
部分の長さ）を５ｍｍとした。この寸法で圧電変換器の
伸縮に関する固有振動数は１２０ＫＨｚ、外部電極４ａ
と４ｂ間に３０Ｖの電圧を印加し、８μｓで放電する
と、圧電変換器１の先端で１．５μｍの変位を得ること
ができ、径４０μｍのノズル開口からは０．１μｇ、１
０ｍ／秒のインク滴の吐出を得た。

【００３０】インクジェットヘッドの高密度化を進める
と圧力室のサイズは自ずと制限され、よって同時に突部
２０ｂの面積を拡大することはできない。また数億回以
上の変形を繰り返す振動板２０の耐久性維持のためには
薄部２０ａの領域をある一定以上確保する必要があり、
突部２０ｂの面積を容易に拡大することはできないが、
本発明では薄部２０ａはできるだけ柔軟であって、突部
２０ｂはできるだけ剛直であり、従って突部２０ｂは圧
電変換器１先端に比較してできるだけ圧力室２２を広く
押圧するよう設計でき、上記の通りの高密度と、且つ大
きい吐出インク滴体積および吐出速度を得ている。さら
に、薄い樹脂材料を用いることによって、２０億動作以
上の耐久性を確保することができた。

【００３１】尚、突部２０ｂを剛直に、すなわち高剛性
の材料を用い、且つ変位方向に厚く突部を形成すること
はインク滴体積を確保する上で効果的な方策である。す
なわち本発明のごとく突部２０ｂとして金属材料を用
い、且つ後述するように、厚く形成できるよう金属を析
出させた本発明による製法が製造方法として有効である
ことが確かめられた。

【００３２】また本発明者らが幾種もの実験を重ねた結
果判明したことであるが、薄部２０ａと剛体の島状突部
２０ｂの間に接着剤を介在させると、その接着剤の厚み
により、変位の伝達効率が変化し、吐出特性のばらつき
を抑えることが困難であることがわかった。圧電変換器
の変位を圧力室に伝えることはそれほど微妙な動作であ
り、したがって薄部２０ａと突部２０ｂとは直接固着さ
せることが肝要であるが、本発明ではその問題をも解決
した。

【００３３】金属薄膜２０Ｃは樹脂フィルム２０ａと突
部２０ｂの間の密着強度を上げる。すなわち、突部２０
ｂは厚く作られて高い剛性を目的とし、一方金属薄膜２
０Ｃは樹脂フィルムと突部間の密着性のアップを目的と
している。したがって、密着強度の確保には密着強度に
優れた薄膜形成手段を用い、突部２０ｂの形成には形成
速度の速い手段をとることで、生産性を上げることがで
きた。

【００３４】図６は本発明によるインクジェットヘッド
の振動板２０の実施例を示す平面図、図７は流路基板１
２の実施例を示す平面図である。

【００３５】流路基板１２は、２列に並んだ複数の圧力
室２２と圧力室２２に連通する共通のインク室２５を備
えており、感光性樹脂材料やシリコンにより、精密に形
成することができる。振動板２０は、２列に並んだ複数
の突部２０ｂとそれらの突部２０ｂを囲む薄部２０ａ
と、周囲の肉厚部２３、細長でやや面積が広い薄部２６
からなる。流路基板１２と振動板２０は位置決め用基準
穴２９、２７を用いて重ね合わされ、接着され、振動板
の突部２０ｂが圧力室２２の中央に、また薄部２６が共
通のインク室２５にあって、各圧力室のインク供給側に
位置するようになる。丸穴２８はインク溜めに連通する
共通インク室２５へのインク導入口である。

【００３６】薄部２６は、圧力室から伝わる圧力を吸収
して各圧力室間のクロストークを防ぐとともに、インク
供給時にはバッファとしてインク供給能力を向上させ
る。本発明によれば薄部２６は樹脂製の薄フィルムであ
るため、小面積で十分な上記機能をもたせることがで
き、ヘッドを小型化できる。またパージ時にノズルを通
じて吸引したとき発生する大きな負圧力が作用するにも
かかわらず優れた耐久性をもつ。また薄部２６と薄部２
０ａは一体の樹脂フィルムで形成されて、圧力室および
共通のインク室を覆うので、インク漏れの問題がない。

【００３７】上記本発明の構成を実現した製造方法につ
いて以下に説明する。

【００３８】図８(ａ)〜(ｆ)と図９(ａ)〜(ｅ)に、本発
明の第１の製造方法の実施例を示す。

【００３９】先ず、厚さが２０μｍ〜５００μｍのベー
スプレート８０（図８(ａ)）の一面に、薄い単軸あるい
はニ軸等の延伸フィルム８０ａを粘着剤を介してラミネ
ートした積層プレートを形成する（図８(ｂ)）。ベース
プレート８０の材料としては高分子材料や金属材料が使
えるが、ラミネート性と後述する剥離性からはＰＥＴ
（ポリエチレンテレフタレート）、ポリフェニレンサル
ファイド（ＰＰＳ）、などの樹脂フィルムがその柔軟
性、平滑性故に好ましく、また厚さは３０μｍ〜１５０
μｍが好適である。延伸フィルム８０ａは前述の振動板
の薄部２０ａと薄部２６を構成するもので、インク滴吐
出と強度に関する設計上からその厚さが決められる。本
発明が開示するような高密度インクジェットヘッドにあ
っては、延伸フィルム８０ａの厚さは２μｍ〜１０μｍ
が良く、本発明者らは３μｍ〜５μｍのＰＰＳの延伸フ
ィルムを用いた。

【００４０】延伸フィルム８０ａはインクに接触するだ
けでなく、ヘッド組立工程においても各種薬品類に接触
するため、これら液体に対し耐腐食性をもつような材料
が選ばれる。本発明者らが評価した結果、材料として、
ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ポリアミドイ
ミド（ＰＡＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥ
Ｔ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミ
ド（ＰＩ）が適し、また入手可能な延伸フィルムであっ
た。

【００４１】延伸フィルムは自身の持つ特質から厚さ精
度に優れ、強度的に優れ、また何よりもピンホールがな
いといったインクジェットヘッドの振動板として欠かせ
ない特徴がある。

【００４２】次に、延伸フィルム８０ａ上に金属薄膜８
３を形成する（図８(ｃ)）。形成手段は蒸着、スパッタ
リング、ＣＶＤ等周知の手段である。材料はニッケル、
金、クロム、チタン、銅等のいずれかまたはこれらの材
料の積層からなり、フィルム材質と表面処理状態に応じ
て適宜材質を選択する。金属薄膜の密着強度試験結果に
よれば銅またはクロムが好適であった。

【００４３】次にフォトレジスト８１を塗布した後、フ
ォトマスク８２を介して、フォトレジスト８１へ紫外線
を照射する（図８(ｄ)）。フォトレジスト８１は露光、
現像の過程を経て、選択的に形成および除去される（図
８(ｅ)）。次いで、フォトレジストの除去部８１ｂに金
属薄膜８３を電極として金属８０ｂを析出（金属メッ
キ）させ、振動板の突部２０ｂ及び肉厚部２３が形成さ
れる（図８(ｆ)）。

【００４４】フォトレジスト８１ａを除去し、次にベー
スプレート８０を剥離し、洗浄すれば振動板２０が完成
する（図９(ａ)）。

【００４５】図９(ａ)において金属薄膜８３は薄部８０
ａ上一面に形成されたままであるが、突部や肉厚部がな
い薄部のみからなる単層部分の金属薄膜にはインクの透
過によって亀裂や浮きが生じやすいことがわかってきて
いる。そこで図９(ｂ)に示すように金属薄膜８３をエッ
チングにて除去するほうが好ましい。

【００４６】以上の製造実施例において、振動板２０の
外形寸法は１０ｍｍｘ１０ｍｍより小さいものであり、
実際は多数の振動板２０を一枚のベースプレート８０上
に形成し、各一枚毎に分割の後ベースプレート８０を剥
離するか、またはベースプレート８０を剥離した後、各
一枚毎の振動板２０に分割する。

【００４７】一方、流路基板１２は感光性樹脂材料やシ
リコン材料を用いれば精密に形成できる。感光性樹脂材
料にあっては、いわゆるフォト工程を経て流路を形成で
きる。またシリコン基板においては、異方性エッチング
によって精密に流路を形成できる。

【００４８】形成された流路基板１２と振動板２０とを
正確に位置決めした状態で接合し（図９(ｃ)）、更にノ
ズル基板１３を流路基板１２の他方の面に接合する（図
９(ｄ)）。

【００４９】尚、図６に示した基準穴２７やインク導入
口穴２８は、金属からなる肉厚部２３をマスクとして、
肉厚部２３側からのレーザ光照射によるアブレーション
加工によって形成する。

【００５０】次にフレーム１０に振動板２０の肉厚部２
３を接合し（図９(ｅ)）、次にプレート部材５をフレー
ム１０の貫通穴１１に嵌合させつつ圧力発生部を挿入し
て、振動板２０の突部２０ｂと圧電変換器１の先端面を
当接させる（図２または図９ｅ）。

【００５１】図１０(ａ)〜(ｃ)に本発明の第２の製造方
法の実施例を示す。

【００５２】先ず樹脂フィルム、例えば延伸フィルム９
０ａを用意し（図１０(ａ)）、その片面に金属薄膜９３
を形成する（図１０(ｂ)）。次にベースプレート９０に
ラミネートして積層体をつくる（図１０(ｃ)）。次に該
金属薄膜９３上にフォトレジストを形成する、その後の
工程は先に図８、図９に沿って説明した通りである。

【００５３】図１１(ａ)〜(ｃ)に第３の製造実施例を示
す。すなわち本実施例では、先ず樹脂フィルム例えば延
伸フィルム１００ａの一方の面に金属薄膜１０３を、他
方の面に、図２で示した無機薄膜２１として機能する無
機薄膜１００ｃを形成する（図１１(ａ)）。次に無機薄
膜１００ｃ面を内側としてベースプレート１００と積層
する（図１１(ｂ)）。その後の工程は先に説明した通り
である。本実施例に沿って完成された振動板２０は図１
１ｃに示すように、薄部１００ａの一面に無機薄膜１０
０ｃを有し、無機薄膜１００ｃはインク接触面に位置す
る。

【００５４】無機薄膜１００ｃは振動板２０、特には薄
部１００ａ（図６の２０ａ、２６）の劣化と材料定数の
変化の防止、およびインク組成物の透過による金属薄膜
１０３と薄部１００ａとの密着強度の低下を防止する。
無機薄膜１００ｃの厚さはインク組成物の遮蔽性の機能
を損なわず、特にピンホールが少なく、且つ薄部として
の柔軟性を阻害しないよう、０．１〜０．５μｍが好適
である。無機薄膜としてはセラミックス材料、ガラス材
料、クロム、チタン、金、ニッケル、白金等の金属材料
が使用可能で、耐強度信頼性上好ましくは金属材料であ
る。インクとの長時間接触試験によれば、チタン０．１
〜０．３μｍ、またはクロム０．１〜０．３μｍ、また
はクロム０．０５μｍとその上のニッケル０．１〜０．
２μｍからなる成膜が最も優れた密着強度を持つとの結
果を得ている。

【００５５】尚、無機薄膜１００ｃ（図２の薄膜２１）
は本発明の目的達成には必ずしも必須のものではなく、
インクの選択、インク組成、薄部材料および吐出特性設
計上の許容値の選択によって、実使用上問題ない場合に
は省くことが可能であり、かかる実施例は既に述べた通
りである。

【００５６】突部形成方法に関し、例えばエッチングで
形成しようとすると高密度に突部を配置する事は不可能
であり、また厚みが厚くなると所要の形状が得られない
が、本発明による方法であれば高密度ヘッドにおいも均
一且つ充分な厚みの突部２０ｂを形成できた。

【００５７】図１２は突部２０ｂと圧電変換器１の当接
部の拡大断面図を示したもので、フォトレジスト（破線
で示す）の厚さに応じて突部２０ｂの形が変わる様子を
示している。フォトレジストの厚さが小さいとき、図１
２(ｂ)に示すように突部２０ｂの上部が茸のように広が
ると共に圧電変換器１と接合する上面が孤形状となる。

【００５８】上面が広がると隣接する突部２０ｂ間が接
近する。また圧電変換器１と突部２０ｂとの接合に際
し、圧電変換器１が図の２点鎖線のように位置ずれを起
こすと、狭い矢印部分で接着剤がブリッジ状につながっ
てしまう。また突部上面が円孤形状となれば圧電変換器
との当接が安定しない。

【００５９】一方図１２(ａ)のように、突部の高さ付近
まで、またはそれより高くフォトレジスト（破線で示
す）を形成すると、突部２０ｂの上面は広がらず且つ上
面がフラットとなり、前述した問題を解消でき、結果と
して突部配置間隔を縮小でき、高密度化ヘッドが可能と
なる。

【００６０】図１３(ａ)〜(ｅ)に本発明の第４の製造方
法の実施例を示す。

【００６１】先ず厚さが０．０１〜０．３ｍｍの金属あ
るいはセラミックスからなるベースプレート１２０を準
備する（図１３(ａ)）。材質として銅、ニッケル、ステ
ンレス、シリコン等、場合によっては樹脂プレートが使
用可能である。ベースプレート１２０の何れか一方の面
に高分子樹脂１２０ａを成膜し、焼成する（図１３
(ｂ)）。厚さはインク滴吐出及び振動板の強度設計によ
り決定するが、大体２〜１０μｍの範囲、本発明者らは
４μｍとした。成膜方法としては、真空成膜方、浸せき
法、ロールコート法、スピンナーコート法、スプレー
法、注型法らが可能である。高分子樹脂の材料として
は、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリエーテルイミド（Ｐ
ＥＩ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリサ
ルホン（ＰＳＦ）樹脂、ポリエーテルサルホン（ＰＥ
Ｓ）樹脂、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）樹脂、ポリエ
ーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレ
ンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリオレフィン（ＡＰ
Ｏ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、
アラミド樹脂を挙げることができる。材料によって可能
な成膜方法は異なるが、容易に平滑で均一な厚さの薄膜
が形成できるロールコート法や注型法が好適である。

【００６２】また製造工程で使用される各種薬品類やイ
ンクに耐えることことができるような高分子樹脂材料と
その成膜方法が採用される。

【００６３】高分子樹脂層１２０ａの上に、金属薄膜１
２３を成膜する（図１３(ｃ)）。形成手段は蒸着、スパ
ッタリング、ＣＶＤ等の周知の手段である。膜材料はク
ロム、ニッケル、銅、金、チタン、あるいはこれらの中
から２種選択して積層する。金属薄膜１２３の上に、フ
ォトレジストを形成し、更にフォトマスクを介してフォ
トレジストへ紫外線を照射して、フォトレジストを選択
的に露光し、次に現像する。フォトレジストは露光、現
像の過程を経て、選択的に形成および除去される。次い
で、フォトレジストの除去部の金属薄膜１２３の上に金
属を析出（金属メッキ）させ、振動板の突部２０ｂ及び
肉厚部２３を形成する。最後にフォトレジストを除去
し、次にベースプレート１２０をエッチングにより溶解
除去すれば所用の振動板２０が完成する（図１３
(ｄ)）。

【００６４】必要に応じて振動板２０のインク接触面に
金属あるいはセラミックスからなる無機薄膜２１を成膜
する（図１３(ｅ)）。無機薄膜２１は振動板２０、特に
は薄部２０ａの劣化と材料定数の変化の防止、およびイ
ンク組成物の透過による突部と薄部との密着強度の低下
を防止する。

【００６５】図１４(ａ)〜(ｅ)、図１５(ａ)〜(ｅ)と図
１６(ａ)、(ｂ)に本発明による製造工程の第５の実施例
を示す。

【００６６】先ず結晶方位（１１０）面を持つシリコン
ウェハー１３０を準備する（図１４(ａ)）。熱酸化炉を
用いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）１３８、１３９を
表面に形成する（図１４(ｂ)）。シリコン酸化膜１３９
の上に樹脂層１３０ａを形成する（図１４(ｃ)）。形成
方法としては、真空成膜法、浸せき法、ロールコート
法、スピンナーコート法、スプレー法、注型法らが可能
である。高分子樹脂の材料としては、ポリイミド（Ｐ
Ｉ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ポリア
ミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリサルホン（ＰＳＦ）樹
脂、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）樹脂、ポリエーテ
ルケトン（ＰＥＫ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン
（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰ
Ｓ）樹脂、ポリオレフィン（ＡＰＯ）樹脂、ポリエチレ
ンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、アラミド樹脂を挙げる
ことができる。材料によって可能な成膜方法は異なる
が、容易に平滑で均一な厚さの薄膜が形成できる方法が
好適である。

【００６７】次に樹脂１３０ａとして感光製樹脂を採用
するとき（例えば感光性ポリイミド樹脂）、周知のフォ
ト工程によって位置決め用、あるいはインク供給用の穴
１３７を形成する（図１４(ｄ)）。

【００６８】次に樹脂層の上に金属薄膜１３３を形成し
（図１４(ｅ)）、さらにフォトレジスト１３１をコート
し、フォトレジスト１３１をパターニングする（図１５
(ａ)）。次いで金属膜１３３の上に金属１３０ｂを析出
させることは既に述べた製造方法と同様である（図１５
(ｂ)）。

【００６９】フォトレジスト１３１を除去した後、圧力
室２２を形成しようとする部分のシリコン酸化膜１３８
を除去し（図１５(ｃ)）、シリコン基板の他面からエッ
チングによって圧力室となる凹部２２を形成する（図１
５(ｄ)）。異方性エッチングによれば、垂直な（１１
１）面からなる圧力室２２を精密に形成できる。金属薄
膜１３３をエッチングにより除去し（図１５(ｅ)）、最
後に酸化膜１３８を除去する（図１６(ａ)）。次にノズ
ル基板１３を圧力室を閉じるよう接着する（図１６
(ｂ)）。本実施例によれば振動板２０と圧力室はじめ流
路が一体的に形成される。したがって圧力室２２と突部
１３０ｂ（２０ｂ）の位置関係が正確であること、流路
基板と振動板の接合信頼性が高いこと、など数々の効果
がある。尚、実際は１枚のシリコンウェハ上に多数の上
記振動板部及び流路部を形成し、その後ダイシングによ
り分割することで、なお一層生産性を高めている。

【００７０】図１７(ａ)〜(ｆ)は本発明による第６の製
造方法の実施例である。

【００７１】先ず結晶方位（１１０）面を持つシリコン
ウェハー１４０を準備する（図１７(ａ)）。熱酸化炉を
用いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）１４８、１４９を
形成する（図１７(ｂ)）。

【００７２】次にシリコンウェハー１４０の一方の面に
無機薄膜１４６を薄く成膜する（図１７(ｃ)）。形成手
段は蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等である。膜材料は
クロム、ニッケル、銅、金、チタン、あるいはこれらの
中から２種積層したものである。本発明者らはクロムを
薄く成膜し、重ねてニッケルを成膜することでより強固
な密着力を得た。無機薄膜１４６上に樹脂層１４０ａを
形成する。その後の工程は図１４〜図１６に沿っての説
明の通りであり、図１７(ｆ)にノズル基板１３を接合し
た後の断面図を示した。

【００７３】本実施例によれば振動板のインク接触側に
無機薄膜１４６を形成できる（図１７(ｆ)）。

【００７４】以上の実施例の図１４、図１５、図１６、
および図１７において、シリコン基板と樹脂層の間に、
またシリコン基板と無機薄膜の間に厚さ０．１μｍ〜
０．５μｍのシリコン酸化膜１３９、１４９を配してい
る。シリコン酸化膜は必ずしも必要でなく省くことも可
能である。しかし圧力室を形成するとき、異方性エッチ
ングに使用するＫＯＨを主組成とするアルカリ性のエッ
チング液から振動板を保護するために非常に有用である
ことがわかった。従って安定的製造の実現にとって、シ
リコン酸化膜を配置することは非常に重要なポイントで
ある。

【００７５】上記実施例のいずれにおいても、共通のイ
ンク室２５部分に位置する薄部２６（図６）は既に説明
してきた薄部２０ａと一体であり、且つ薄部２０ａと同
工程でつくられるため、品質およびコストに関し優れ
る。

【００７６】また図６における基準穴２７と、共通のイ
ンク室へのインク供給用丸穴２８は紫外線レーザによる
アブレーション加工によって形成することは既に説明し
た。

【００７７】無機薄膜（図１１の１００ｃ）を持つ場合
は、樹脂フィルムと無機薄膜は同時にレーザ加工で穴明
けされる。

【００７８】樹脂材料として感光性樹脂材料を用いると
き、基準孔２７、丸穴２８はフォト工程によって形成で
きることも既に説明した。但し図１７の実施例のよう
に、無機薄膜１４６を形成した場合、穴部に残る無機薄
膜はレーザー加工によって除去するのがよい。

【００７９】尚、以上の各実施例に於いて突部２０ｂ及
び肉圧部２３を形成する材料としてはニッケルが最も相
応しいが、他の材料、例えば金、クロム、銅等も可能で
ある。

【００８０】また以上の各実施例において製造された振
動板２０の薄部２０ａはたるむことなく、常に張架され
た状態にある必要がある。なぜならたるみは圧力室内に
発生した圧力と容積変化を吸収するため、たるみはイン
ク滴吐出速度と吐出量を減少させる。樹脂膜がインクに
接触して膨潤したときも薄部２０ａを張架させておくこ
とが必要である。

【００８１】そこで、上記第１〜３の製造方法におい
て、延伸フィルムには張力を付与しつつベースプレート
に積層する方法を採る。

【００８２】また第４〜６の製造方法においては、樹脂
材料と溶剤組成、樹脂材料の成膜条件、その後の焼成条
件、を最適化することで積極的な張力付与を達成できる
ことがわかっている。

【００８３】樹脂フィルム単体または無機薄膜を付けた
樹脂フィルムがインクとの接触によって伸びる比率をａ
％、図８(ｂ)のベースプレート８０、図１３(ｂ)のベー
スプレート１２０、あるいは図１４(ｃ)、図１７(ｄ)の
シリコン基板を除去したとき、樹脂フィルムが縮む比率
をｂ％とするとき、ａ＜ｂであるとき薄部２０ａは撓ま
ない。

【００８４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によるイン
クジェットヘッドおよびその製造方法は、複数の圧力室
と該圧力室の各々に連通するノズル開口と圧力室の少な
くとも一部を形成し、薄部と一端が基台に固定された圧
電変換器の他端が当接する突部をもつ振動板を備え、該
圧電変換器の伸縮によりノズル開口からインク滴を吐出
するもので、該振動板は樹脂フィルムからなる薄肉部と
該フィルムに密着形成された金属薄膜と該薄膜上に密着
して析出形成された金属の突部からなるとともに、これ
ら構成を実現した製造方法であり、（１）振動板の薄部が樹脂フィルムであるため、必要な
変形と必要な繰り返し回数に耐えられ、さらにはその耐
久性を生かして可及的に突部幅をも拡大でき、高密度化
とより大きな吐出インク滴体積の両立を可能とした。

【００８５】（２）圧電変換器と薄部との間は金属で構
成され、薄部と突部の間にも低ヤング率の材料は介在し
ないので、圧電変換器の高速度変位はそのまま圧力室に
伝達される。

【００８６】（３）樹脂フィルム上に金属薄膜を介して
金属を析出させる方法により、突部を高剛性材料で且つ
厚く形成でき、さらに樹脂フィルムと突部の間に金属薄
膜を介在させることで大きな密着力を得た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの構成を示す分
解斜視図である。

【図２】本発明のインクジェットヘッドの部分断面図で
ある。

【図３】本発明のインクジェットヘッドの動作を示す図
である。

【図４】本発明のインクジェットヘッドの圧力発生手段
を示した図である。

【図５】本発明のインクジェットヘッドの要部を下方よ
り見た部分斜視図である。

【図６】本発明の振動板の一実施例を示した平面図であ
る。

【図７】本発明の流路基板の一実施例を示した平面図で
ある。

【図８】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の一
実施例を示す製造工程図である。

【図９】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の実
施例を示す図８に続く製造工程図である。

【図１０】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す製造工程図である。

【図１１】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す製造工程図である。

【図１２】振動板の突部の形状に関する説明図である。

【図１３】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す製造工程図である。

【図１４】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す製造工程図である。

【図１５】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す、図１４に続く製造工程図である。

【図１６】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す、図１５に続く製造工程図である。

【図１７】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
一実施例を示す製造工程図である。

【図１８】従来のインクジェットヘッドの実施例を示す
図。

【図１９】従来のインクジェットヘッドの実施例を示す
図。

【符号の説明】

１圧電変換器５プレート部材６インク１０フレーム１２流路基板１３ノズル基板１３ａノズル開口２０振動板２０ａ振動板の薄部２０ｂ振動板の突部２０ｃ金属薄膜２１無機薄膜２２圧力室２３振動板の肉厚部２５共通のインク室２６共通のインク室に設けた薄部２７、２９基準穴２８振動板に設けたインク導入穴８０、１２０ベースプレート８０ａ、１２０ａ、１３０ａ樹脂フィルム８３、１２３、１３３金属薄膜１３０、１４０シリコン基板１３９、１４９シリコン酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−71877（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧力室と該圧力室の各々に連通す
るノズル開口と前記圧力室の少なくとも一部を形成し、
薄部と一端が基台に固定された圧電変換器の他端が当接
する突部をもつ振動板を備え、該圧電変換器の伸縮によ
り直接該振動板を変形させてノズル開口からインク滴を
吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記振動板は樹脂フィルムからなる前記薄部と該フィル
ムに密着形成された少なくとも一層以上の金属薄膜と該
金属薄膜上に密着して金属の析出により形成された前記
突部からなることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記複数の圧力室に連通する共通のイン
ク室の一壁面は、前記圧力室を形成する樹脂フィルムと
一体の樹脂フィルムからなる薄部と該薄部を囲む、前記
突部と同時に形成された肉厚部からなることを特徴とす
る請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】前記樹脂フィルムは延伸フィルムである
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記
載のインクジェットヘッド。
【請求項４】ベースプレートと薄部として機能する樹
脂フィルムと該樹脂フィルム上の金属薄膜からなる積層
体を形成する工程、該金属薄膜上にフォトレジストをコ
ートし、露光、現像の後選択的に該レジストを除去する
工程、該除去部に前記薄膜を電極として突部として機能
する金属を析出させる工程、残余のフォトレジストと前
記ベースプレートを除去する工程、以上の各工程を経て
完成した振動板を圧力室を有する流路基板に接合する工
程、該突部に圧電変換器を当接する工程からなることを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項５】前記積層体は、一方の面に金属薄膜を形
成した樹脂フィルムを、該金属薄膜を外側として前記ベ
ースプレートと積層することにより製造されることを特
徴とする請求項４記載のインクジェットヘッドの製造方
法。
【請求項６】前記積層体は、一方の面に金属薄膜を、
他方の面に無機薄膜を形成した樹脂フィルムを該無機薄
膜を密着面として前記ベースプレートと積層することに
より製造されることを特徴とする請求項４記載のインク
ジェットヘッドの製造方法。
【請求項７】前記樹脂フィルムは延伸フィルムである
ことを特徴とする請求項４乃至６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。
【請求項８】表面が（１１０）面であるシリコン基板
の一方の面に振動板の薄部として機能する樹脂フィルム
層を形成する工程、該樹脂フィルム層上に金属薄膜を形
成する工程、該金属薄膜上にフォトレジストをコート
し、露光、現像の後選択的に該レジストを除去する工
程、該除去部に前記金属薄膜を電極として、突部として
機能する金属を析出させる工程、該シリコン基板の他面
から該シリコン基板を異方性エッチングして圧力室とし
て機能する凹部を形成する工程、該圧力室開口部にノズ
ル開口を備えたノズルプレートを接合する工程、該突部
に圧電変換素子を垂直に当接する工程、からなることを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項９】表面が（１１０）面であるシリコン基板
の一方の面に無機薄膜を形成する工程、該無機薄膜上に
振動板の薄部として機能する樹脂フィルム層を形成する
工程、該樹脂フィルム層上に金属薄膜を形成する工程、
該金属薄膜上にフォトレジストをコートし、露光、現像
の後選択的に該レジストを除去する工程、該除去部に前
記金属薄膜を電極として、突部として機能する金属を析
出する工程、該シリコン基板の他面から該シリコン基板
を異方性エッチングして圧力室として機能する凹部を形
成する工程、該圧力室開口部にノズル開口を備えたノズ
ルプレートを接合する工程、該突部に圧電変換素子を垂
直に当接する工程、からなることを特徴とするインクジ
ェットヘッドの製造方法。
【請求項１０】前記シリコン基板と前記樹脂フィルム
層の間にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成したこ
とを特徴とする請求項８または９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。
【請求項１１】前記フォトレジストの厚さは形成する
突部厚さより厚いか、または同じであることを特徴とす
る請求項４、８、９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。
【請求項１２】インクに接触することによる前記樹脂
フィルムの伸び量は、前記ベースプレートを除去したと
きの樹脂フィルムの縮み量より小さいことを特徴とする
請求項４記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１３】インクに接触することによる前記樹脂
フィルムの伸び量は、前記シリコン基板を除去したとき
の樹脂フィルムの縮み量より小さいことを特徴とする請
求項８または９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。
【請求項１４】前記樹脂は感光性樹脂であることを特
徴とする請求項４、８、９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。