JP4283948B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタに用いるインクジェットヘッドの製造方法に関し、特に圧電アクチュエータによりインクを吐出させる場合に該圧電アクチュエータの振動板の形成方法を改良したものの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インクジェットプリンタが広く事務所や家庭等にて使用されている。このインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドには、近年の低騒音化、高印字品位化等の要求のもと、いくつかの方式が提案されているが、一般的には以下の２つの方式に大別することができる。
【０００３】
すなわち、第１の方式は、流路やインク室の一部を、圧電素子を有する圧電アクチュエータで形成して圧力室とし、その圧電素子にパルス状の電圧を印加して圧電アクチュエータを変形させることで、上記圧力室をその容積が減少するように変形させ、これにより圧力室内に圧力パルスを発生させ、この圧力パルスにより圧力室に連通するノズル孔からインク滴を吐出させるものである。
【０００４】
次に、第２の方式は、流路内に発熱抵抗体を配設しておき、この発熱抵抗体にパルス状の電圧を印加して該発熱抵抗体を発熱させることにより、流路内のインクを沸騰させて蒸気バブルを発生させ、この蒸気バブルの圧力によりノズル孔からインク滴を吐出させるものである。
【０００５】
そして、本発明は、上記第１の方式のインクジェットヘッドに関するものであるため、この方式のものについてさらに詳しく説明する。図１１〜図１３は、上記第１の方式のインクジェットヘッドの一例を示し、このインクジェットヘッドは、インクを供給するための供給口１０２ａとインクを吐出するための吐出口１０２ｂとを有する複数の圧力室用凹部１０２が形成されたヘッド本体１０１を備えている。このヘッド本体１０１の各凹部１０２は、一方向に所定間隔をあけて並べられている。
【０００６】
上記ヘッド本体１０１は、上記各凹部１０２の側壁部を構成する圧力室部品１０５と、該各凹部１０２の底壁部を構成しかつ複数の薄板を貼り合せてなるインク流路部品１０６と、ノズル板１１３とで構成されている。上記インク流路部品１０６内には、上記各凹部１０２の供給口１０２ａにそれぞれ接続された供給用インク流路１０７と、各凹部１０２の吐出口１０２ｂにそれぞれ接続された吐出用インク流路１０８とが形成されている。上記各供給用インク流路１０７は、上記各凹部１０２が並ぶ方向に延びるインク供給室１１０に接続され、このインク供給室１１０は、圧力室部品１０５及びインク流路部品１０６に形成されかつ図外のインクタンクと接続されるインク供給孔１１１に接続されている。上記ノズル板１１３には、上記各吐出用インク流路１０８とそれぞれ接続されたノズル孔１１４が形成されている。
【０００７】
上記ヘッド本体１０１の圧力室部品１０５の上面には圧電アクチュエータ１２１が設けられている。この圧電アクチュエータ１２１は、上記ヘッド本体１０１の全ての凹部１０２を塞いで該凹部１０２と共に圧力室１０３を構成する１つの平板状の振動板１２２を有している。この振動板１２２は、後述の全圧電素子１２３に共通の共通電極としての役割をも果たしている。また、圧電アクチュエータ１２１は、上記振動板１２２の上面における圧力室１０３に対応する部分にそれぞれ設けられた圧電素子１２３と、該各圧電素子１２３の上面にそれぞれ設けられ、各圧電素子１２３に電圧を印加するための個別電極１２４とを有している。
【０００８】
そして、上記共通電極としての振動板１２２と個別電極１２４との間にパルス状の電圧を印加すると、圧電素子１２３がその厚み方向と垂直な幅方向に収縮するのに対し、振動板１２２及び個別電極１２４は収縮しないので、いわゆるバイメタル効果により振動板１２２の圧電素子１２３に対応する部分が圧力室３側へ凸状に撓んで変形する。この撓み変形により圧力室３内に圧力が生じ、この圧力で圧力室３内のインクが吐出口１０２ｂ及び吐出用インク流路１０８を経由してノズル孔１１４より外部へ吐出されることとなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように圧電アクチュエータによりインクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドでは、近年、小型軽量化、低駆動電圧化、低騒音化、低コスト化、インク吐出の制御性の改善等への厳しい要求のもと、種々の改良等が試みられているが、さらなる小型化、高性能化を目指して振動板や圧電素子等を微細（小型精密）加工し易い薄膜として形成することが考えられる。
【００１０】
しかしながら、従来の圧電アクチュエータの形状、構造で振動板や圧電素子等を単に薄膜化するだけでは、インクジェットヘッドの製造時において、振動板や圧電素子等にクラックが生じたり、膜剥離が発生したりする場合があり、インクジェットヘッドの生産性が低下するという問題がある。このため、単に小型化するのみならず、生産性が良好で製造が容易なインクジェットヘッドの実現が要求されている。
【００１１】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電アクチュエータにより圧力室内のインクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドに対して、その圧電アクチュエータにおける振動板の構成に工夫を凝らすことによって、振動板や圧電素子等を薄膜化してインクジェットヘッドを小型化しつつ、振動板や圧電素子等にクラック等が生じるのを抑制してその生産性を出来る限り向上させようとすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、振動板及び圧電素子を、圧力室部品の圧力室用開口とは反対側へ凸状に湾曲させるようにした。
【００１３】
具体的には、請求項１の発明では、インクジェットヘッドの製造方法として、基板上に、個別電極をスパッタ法を用いて形成する工程と、上記個別電極上に、圧電素子をスパッタ法を用いて形成する工程と、上記圧電素子上に、スパッタ法を用いて、該圧電素子よりも熱膨張係数が大きい振動板を、その初期応力が圧縮力となるように形成する工程と、上記振動板上に、圧力室用開口を有する圧力室部品を取り付ける工程と、
上記基板を除去する工程と、を有し、上記基板の除去によって、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させるものとする。
【００１４】
請求項２の発明では、インクジェットヘッドの製造方法として、圧力室部品上に、スパッタ法を用いて、その初期応力が圧縮力となるように振動板を形成する工程と、上記振動板上に、スパッタ法を用いて圧電素子を形成する工程と、上記圧電素子上に、スパッタ法を用いて個別電極を形成する工程と、上記圧力室部品に、圧力室用開口を形成する工程と、を有し、上記振動板は、上記圧電素子よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されたものであり、上記圧力室部品に上記圧力室用開口を形成することによって、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させるものとする。
【００１５】
請求項３の発明では、インクジェットヘッドの製造方法として、圧電素子をスパッタ法を用いて形成する工程と、上記圧電素子よりも大きな熱膨張係数を有する振動板を、スパッタ法を用いて、その初期応力が圧縮力となるように平坦状に形成する工程と、を有し、上記圧電素子及び上記振動板の形成後、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を、圧力室用開口を有する圧力室部品の該圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させるものとする。
【００１６】
これら請求項１〜３の発明により、振動板や圧電素子等を薄膜化しても、圧電素子に圧縮の内部応力が作用することで、インクジェットヘッドの製造時に、特に圧電素子にクラック等が生じるのを抑制することができると共に、インクジェットヘッドの使用時においては、振動板や圧電素子の変形時の応力を小さくして、製品寿命を向上させることができる。すなわち、振動板と圧電素子との熱膨張係数の差（振動板の方が大きい）等により振動板は圧電素子よりも大きく収縮する一方、圧電素子は殆ど収縮しないので、容易に振動板を圧力室用開口（圧力室）と反対側へ凸状に湾曲させることができる。そして、振動板は収縮する際に圧電素子より引張力を受ける一方、圧電素子は振動板より圧縮力を受けるので、圧電素子には圧縮の内部応力が作用することとなり、引張力に対して非常に弱い圧電素子にクラック等が生じるのをより一層効果的に抑えることができる。さらに、インクジェットヘッドの使用時においては、圧電素子が収縮することで振動板の圧力室に対応する部分が、圧力室と反対側への凸量が小さくなるように変形するため、圧電素子は振動板より引張力を受けるが、最初に圧縮力が生じているので、これら引張力と圧縮力とが相殺されて圧電素子に生じる応力は比較的小さくなる。また、小さい変形量でもインクの吐出力を、振動板が平板状の場合や圧力室側へ凸状に湾曲している場合よりも大きくすることができるので、変形量をそれ程大きくしなくても済み、この点からも、振動板や圧電素子の変形時の応力を小さくすることできる。
【００１７】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、上記インクジェットヘッドを、上記振動板の上記圧力室用開口とは反対側への最大凸量が、０．０５〜１０μｍとなるように製造するものとする。
【００１８】
すなわち、圧力室と反対側への最大凸量は、０．０５μｍよりも小さいと、インクジェットヘッドの製造時及び使用時において振動板や圧電素子の不良抑制効果が十分に得られない一方、１０μｍよりも大きいと、却って製造時に振動板や圧電素子にクラック等が生じ易くなるので、０．０５〜１０μｍに設定している。したがって、インクジェットヘッドの生産性を最大限に高めることができる。
【００１９】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、上記振動板をスパッタ法を用いて形成する工程において、スパッタガス圧を制御することにより、該振動板の初期応力を圧縮力に設定するものとする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示し、このインクジェットヘッドは、インクを供給するための供給口２ａとインクを吐出するための吐出口２ｂとを有する複数の圧力室用凹部２が形成されたヘッド本体１を備えている。このヘッド本体１の各凹部２は、該ヘッド本体１の一外側面（上面）に略矩形状に開口されていて、一方向に所定間隔をあけて並べられている。尚、図３では、各凹部２（後述のノズル孔１４、振動板２２、圧電素子２３、個別電極２４等）は、煩雑となるのを避けるために３つしか記載していないが、実際には、多数設けられている。
【００２１】
上記ヘッド本体１の各凹部２の側壁部は、約２００μｍ厚の感光性ガラス製の圧力室部品５で構成され、各凹部２の底壁部は、この圧力室部品５に固着されかつ複数のステンレス鋼薄板を貼り合せてなるインク流路部品６で構成されている。このインク流路部品６内には、上記各凹部２の供給口２ａにそれぞれ接続された供給用インク流路７と、上記各吐出口２ｂにそれぞれ接続された吐出用インク流路８とが形成されている。上記各供給用インク流路７は、上記各凹部２が並ぶ方向に延びるインク供給室１０に接続され、このインク供給室１０は、上記圧力室部品５及びインク流路部品６に形成されかつ図外のインクタンクと接続されるインク供給孔１１に接続されている。上記インク流路部品６の圧力室部品５と反対側面（下面）には、ポリイミド等の高分子樹脂からなる約２０μｍ厚のノズル板１３が設けられ、このノズル板１３には、上記各吐出用インク流路８とそれぞれ接続された直径約２０μｍのノズル孔１４が形成されている。この各ノズル孔１４は、上記各凹部２の配列方向に延びる一直線上に配置されている。
【００２２】
上記ヘッド本体１の圧力室部品５におけるインク流路部品６と反対側面（上面）には、圧電アクチュエータ２１が設けられている。この圧電アクチュエータ２１は、上記ヘッド本体１の各凹部２を塞いで該凹部２と共に圧力室３を構成するように該１つの圧力室３毎に分割された状態で設けられた１〜３μｍ厚のＣｒ製振動板２２を有している。この各振動板２２は、平面視で圧力室３と略同じ略矩形状に形成されていると共に、配線（図示せず）により互いに電気的に接続されて、後述の全圧電素子２３に共通の共通電極としての役割をも有している。
【００２３】
また、上記圧電アクチュエータ２１は、上記各振動板２２の上記圧力室３と反対側面（上面）において圧力室３に対応する部分にそれぞれ設けられかつチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる２〜５μｍ厚の圧電素子２３と、この各圧電素子２３の上記振動板２２と反対側面（上面）にそれぞれ設けられ、該振動板２２と共に各圧電素子２３に電圧をそれぞれ印加するための０．１μｍ厚のＰｔ製個別電極２４とを有している。
【００２４】
上記各振動板２２の圧力室３に対応する部分は、圧力室３と反対側（上側）へ凸状に湾曲している。つまり、各振動板２２の圧力室３に対応する部分は、振動板２２の幅方向に沿って切断した断面及び長さ方向に沿って切断した断面のいずれにおいても、略円弧状をなして圧力室３と反対側へ突出している。この各振動板２２の湾曲に伴って各圧電素子２３及び各個別電極２４も上側へ湾曲している。上記各振動板２２の圧力室３に対応する部分における圧力室３と反対側への最大凸量（各振動板２２の略中央部の凸量）は、０．０５〜１０μｍに設定することが望ましい。これは、この最大凸量が０．０５μｍよりも小さいと、後述の如くインクジェットヘッドの製造時及び使用時において振動板２２や圧電素子２３の不良抑制効果が十分に得られない一方、１０μｍよりも大きいと、却って製造時に振動板２２や圧電素子２３にクラック等が生じ易くなるからである。尚、上記最大凸量のより好ましい範囲は、０．０５〜５μｍである。
【００２５】
次に、上記インクジェットヘッドの製造方法の概略手順を図４に基づいて説明する。尚、図４においては、図１及び図２とインクジェットヘッドの上下関係が逆になっている。
【００２６】
先ず、ＭｇＯの成膜基板４１上全体にＰｔ膜４２をスパッタ法により形成し（図４（ａ）参照）、その後、このＰｔ膜４２上全体にＰＺＴ膜４３をスパッタ法により形成する（図４（ｂ）参照）。そして、このＰＺＴ膜４３上全体にＣｒ膜４４をスパッタ法により形成する（図４（ｃ）参照）。尚、上記スパッタ法とは、高エネルギーの粒子を固体（ターゲット）に照射したときにターゲット構成原子がターゲット表面から放出される現象（スパッタという）を利用して薄膜形成を行う技術であり、このスパッタ法には、電極の構造、スパッタする粒子の発生方法により高周波スパッタやＤＣスパッタ等の多数の方式があるが、高周波（周波数１３．５６ＭＨｚ）放電を用いるスパッタ法を採用すれば、絶縁物のターゲット表面での正電位の帯電が起こらないため、絶縁物のターゲットでもスパッタすることができて望ましい。
【００２７】
ところで、上記スパッタ法によりＣｒ膜４４を形成する際、各種スパッタ条件のうち、成膜基板４１の温度、スパッタガス圧、スパッタパワー、ＴＳ間隔（ターゲット・基板間距離）等のパラメータを変化させる（特にスパッタガス圧を制御することが望ましい）ことにより、Ｃｒ膜４４の膜応力を制御することが可能であり、このようにスパッタガス圧等を制御してＣｒ膜４４の初期応力を圧縮力にすることが望ましい。例えば、高周波スパッタ装置を用いて、ターゲット径６インチ、スパッタパワー３００Ｗとし、スパッタアルゴンガス圧を２ｍＴｏｒｒ（０．２７Ｐａ）に設定することで、Ｃｒ膜４４の初期応力を圧縮力にすることができる。尚、上記Ｃｒ膜４４の膜応力の値については、ヤング率、ポアソン比が既知の薄板基板（１８ｍｍ×４ｍｍで０．１ｍｍ厚）上にＣｒの薄膜を形成してその基板のそり量を測定することにより、ベンディングビーム法関係式から基板に形成した薄膜の膜応力を算出しておくことで判る。また、上記基板上に形成した薄膜が凹になるか凸になるかで応力が圧縮力か引張力かが判別できる。
【００２８】
次いで、上記Ｃｒ膜４４の上面に、ヘッド本体１の圧力室部品５を固着する（図４（ｄ）参照）。その後、上記成膜基板４１を熱燐酸やＫＯＨ等で溶融・除去すると共に、上記圧力室部品５上に、予め一体化したインク流路部品６及びノズル板１３を固着する（図４（ｅ）参照）。このように成膜基板４１を除去すると、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４の熱膨張係数の差（Ｃｒ膜４４の方が大きい）により、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４の圧力室３に対応する部分（圧力室部品５により拘束されない部分）が、圧力室３と反対側へ凸状に湾曲する（尚、Ｐｔ膜４２は、厚みがＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４よりもかなり薄いので、湾曲方向に殆ど影響しない）。つまり、熱膨張係数の大きいＣｒ膜４４がＰＺＴ膜４３よりも大きく収縮する一方、ＰＺＴ膜４３は殆ど収縮しないので、ＰＺＴ膜４３側が凸側となるように曲がる。これは、ＦｅとＡｌとからなるバイメタルを加熱すると、熱膨張係数が大きいＡｌがＦｅよりも大きく伸長してＡｌ側が凸側となるように曲がることと同様である。そして、Ｃｒ膜４４は収縮時にＰＺＴ膜４３より引張力を受ける一方、ＰＺＴ膜４３はＣｒ膜４４より圧縮力を受けることになる。尚、上記のようにスパッタガス圧等を制御することによりＣｒ膜４４に初期圧縮応力を適切に付与すれば、振動板２２が大きく曲がり過ぎるのを防止することができ、最大凸量を０．０５〜１０μｍに設定することができる。
【００２９】
続いて、上記Ｐｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４をイオンミリング法や反応性イオンエッチング法等のドライエッチング法にて１つの圧力室３毎に分割することで、個別電極２４、圧電素子２３及び振動板２２をそれぞれ形成する（図４（ｆ）参照）。このとき、分割された振動板２２同士が互いに内部応力や歪み等の影響を受けることはなくなり、応力が緩和されて各振動板２２内に生じる内部応力は１つの振動板２２でヘッド本体１の全ての凹部２を塞ぐ場合よりも小さくなる。この結果、振動板２２の圧力室３と反対側に設けられる圧電素子２３や個別電極２４内に生じる内部応力をも小さくすることができる。尚、上記イオンミリング法では、反応性等の面から、アルゴンイオンを使用することが望ましく、反応性イオンエッチング法では、同じく反応性等の面から、Ｏ2 、ＣＦ4 、ＣＣｌ4 を使用することが望ましい。
【００３０】
次いで、図示は省略するが、各振動板２２及び個別電極２４への配線や他の必要な処理を行うことで、インクジェットヘッドが完成する。
【００３１】
このように、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けたので、上述の如く振動板２２や圧電素子２３内に生じる内部応力が小さくなり、振動板２２や圧電素子２３等を薄膜で形成しても、インクジェットヘッドの製造時に振動板２２や圧電素子２３等にクラックや膜剥離が生じるのを抑制することができる。また、振動板２２の圧力室３に対応する部分を、圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させたので、引張力に対して非常に弱い圧電素子２３には圧縮力が作用し、特に圧電素子２３におけるクラック等の発生をより一層効果的に抑制することができる。よって、インクジェットヘッドを小型化しつつ、その生産性を向上させることができる。
【００３２】
次に、上記インクジェットヘッドの動作について説明すると、上記振動板２２及び個別電極２４間への電圧の印加により振動板２２の圧力室３に対応する部分を圧力室３の容積が減少するように変形させることで、該圧力室３内のインクを吐出口２ｂから吐出させる。すなわち、振動板２２と個別電極２４とを介して圧電素子２３にパルス状の電圧を印加すると、このパルス電圧の立ち上がりにより圧電素子２３がその厚み方向と垂直な幅方向に収縮するのに対し、振動板２２は収縮しないので、図５（ｂ）に示すように、振動板２２の圧力室３に対応する部分が圧力室３側へ（凸量が小さくなる側へ）変位するように変形する。この変形により圧力室３内に圧力が生じ、この圧力で圧力室３内のインクのうちの所定量が上記吐出口２ｂ及び吐出用インク流路８を経由してノズル孔１４より外部（印刷する紙面上）へ吐出されて、紙面にドット状に付着することとなる。そして、上記パルス電圧の立ち下がりにより圧電素子２３が幅方向に伸長して振動板２２は元の状態（図５（ａ）参照）に復帰し、このとき、圧力室３内には上記インク供給室１０より供給用インク流路７及び供給口２ａを介してインクが充填される。尚、１色のインクだけでなく、例えばブラック、シアン、マゼンタ及びイエローの各インクを互いに異なるノズル孔１４からそれぞれ吐出させるようにして、カラー印刷を行うようにすることもできる。
【００３３】
上記のように振動板２２が変形する際、圧電素子２３は、振動板２２と共に変形して振動板２２より引張力を受けるが、最初から圧力室３と反対側へ凸状に湾曲して圧縮力が生じているので、これら引張力と圧縮力とが相殺されて圧電素子２３に生じる応力は比較的小さくなる。すなわち、図６（ａ）に示すように、最初から振動板２２及び圧電素子２３を平板状にしたり、図７（ａ）に示すように、最初から振動板２２及び圧電素子２３を圧力室３側へ凸状に湾曲させたりすると、変形時（図６（ｂ）及び図７（ｂ）参照）において圧電素子２３に生じる引張力が大きくなり、引張力に対して非常に弱い圧電素子２３にクラック等が生じ易くなる。また、小さい変形量でもインクの吐出力を、振動板２２が平板状の場合や圧力室３側へ凸状に湾曲している場合よりも大きくすることができるので、変形量をそれ程大きくしなくても済む。さらに、分割された振動板２２同士が互いに変形の影響を受けることはなく、振動板２２の機械的強度の低下を抑制することができる。よって、インクジェットヘッドの使用時においては、振動板２２や圧電素子２３の変形時の応力を小さくして、製品寿命を向上させることができる。
【００３４】
尚、上記実施形態では、成膜基板４１を用いて該成膜基板４１上にＰｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４をスパッタ法により順次形成したが、感光性ガラスからなる圧力室部品５上に上記各膜を直接スパッタすることにより成膜基板４１を用いないでもインクジェットヘッドを製造することができる。この製造方法を図８により説明すると、先ず、圧力室部品５上全体に、Ｃｒ膜４４を形成する（図８（ａ）参照）。このとき、Ｃｒ膜４４の初期応力を圧縮力にする場合には、上記実施形態のようにスパッタガス圧等を制御してもよく、予め圧力室部品５に引張力を加えながらＣｒ膜４４を形成した後に圧力室部品５への引張力を取り去るようにしてもよい。次いで、圧力室部品５の下側からマスク５０を介して紫外線露光機で圧力室３に相当する部分を露光する（図８（ｂ）参照）。そして、下地処理等をしてから、上記Ｃｒ膜４４上全体にＰＺＴ膜４３を形成し（図８（ｃ）参照）、その後、このＰＺＴ膜４３上全体にＰｔ膜４２を形成する（図８（ｄ）参照）。続いて、３％ＨＦ液で圧力室部品５の上記露光部をエッチング除去すると共に、各膜の不必要部をもエッチング除去して１つの圧力室３毎に分割することで、振動板２２、圧電素子２３及び個別電極２４をそれぞれ形成する（図８（ｅ）参照）。そして、圧力室部品５の下面に、予め一体化したインク流路部品６及びノズル板１３を固着する（図８（ｆ）参照）ことで、インクジェットヘッドが完成する。この製造方法においても、圧力室部品５の露光部を除去すると、上記実施形態と同様に、Ｐｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４の圧力室３に対応する部分を、圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させることができ、しかも、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けるので、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３５】
また、上記実施形態では、ドライエッチング法によりＰｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４を１つの圧力室３毎に分割することで、個別電極２４、圧電素子２３及び振動板２２をそれぞれ形成したが、膜を残したくない部分に予めレジストを塗布しておいてスパッタするリフトオフ法により分割するようにすることもできる。
【００３６】
さらに、上記実施形態では、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けたが、振動板２２の圧力室３に対応する部分を圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させれば、図９に示すように、従来のような１つの振動板２２でヘッド本体１の全ての凹部２を塞ぐようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様に、特に圧電素子２３にクラック等が生じるのを抑制することができ、延いては、振動板２２や個別電極２４におけるクラック発生をも抑制することができる。しかも、インクジェットヘッドの使用時においては、振動板２２や圧電素子２３の変形時の応力を小さくして、製品寿命を向上させることができる。また、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けないで複数の圧力室３毎（例えばカラー印刷を行う場合には、同色のインクが充填される圧力室３毎）に分割した状態で設けるようにしてもよい。さらに、振動板２２を１つ又は複数の圧力室３毎に完全に分割した状態で設けないで、図１０に示すように、分割された振動板２２同士を、該振動板２２よりも薄い（最も薄い部分の厚みを０．２μｍ程度にする）接続部２２ａで互いに接続するようにしてもよい（接続部２２ａは１つの振動板２２の圧電素子２３側の面を凹溝状に削ることで振動板２２と一体形成するのが好ましい）。こうすれば、振動板２２同士を互いに電気的に接続できて配線が不要となるとなると共に、機械的及び物理的には分割したのと略同じ状態にすることができる。
【００３７】
一方、振動板２２を１つ又は複数の圧力室３毎に分割した状態で設けさえすれば、必ずしも振動板２２の圧力室３に対応する部分を圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させなくてもよく、平板状にしたり（図６（ａ）参照）圧力室３側へ凸状に湾曲させたり（図７（ａ）参照）してもよい。このようにしても、インクジェットヘッドの製造時や使用時に振動板２２や圧電素子２３の不良発生を抑制することができる。
【００３８】
加えて、上記実施形態では、ヘッド本体１の各凹部２の開口形状及び圧電アクチュエータ２１の圧電素子２３等を矩形状としたが、長円形状にしてもよく、その他の形状であってもよい。
【００３９】
また、他の種々の変形が可能であり、例えば、圧電アクチュエータ２１の振動板２２、圧電素子２３、個別電極２４等は、上記実施形態と異なる材料や厚みのものを使用してもよく（例えば振動板２２をＮｉ製やＴｉ製にする）、他の製造方法により形成してもよい。そして、ヘッド本体１の圧力室部品５、インク流路部品６及びノズル板１３も、上記実施形態と異なる材料や厚みのものを使用することができる。
【００４０】
さらに、振動板２２の湾曲形状は、圧力室３と反対側へ凸状であればどのような形状であってもよい。但し、振動板２２において少なくとも圧電素子２３の伸長方向（上記実施形態では幅方向）に沿って切断した断面が、上記実施形態のように略円弧状であることが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドの製造方法によると、振動板及び圧電素子を圧力室部品の圧力室用開口と反対側へ凸状に湾曲させたことにより、振動板や圧電素子を薄膜化しても、インクジェットヘッドの製造時に圧電素子にクラック等が生じるのを抑制することができ、インクジェットヘッドを小型化しつつ、その生産性を可及的に向上させることができる。また、インクジェットヘッドの使用時に、振動板や圧電素子の変形時の応力を小さくすることできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図３のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】 図３のII−II線断面図である。
【図３】 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す平面図である。
【図４】 インクジェットヘッドの製造方法を示す概略説明図である。
【図５】 振動板の非変形状態と変形状態とを比較して示す要部拡大図である。
【図６】 振動板が平板状の場合における図５相当図である。
【図７】 振動板が圧力室側へ凸状に湾曲した場合における図５相当図である。
【図８】 インクジェットヘッドの他の製造方法を示す概略説明図である。
【図９】 インクジェットヘッドの他の形態を示す図１相当図である。
【図１０】 インクジェットヘッドのさらに他の形態を示す図１相当図である。
【図１１】 図１３のXI−XI線断面図である。
【図１２】 図１３のXII−XII線断面図である。
【図１３】 インクジェットヘッドの従来例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ ヘッド本体
２ 圧力室用凹部
２ａ 供給口
２ｂ 吐出口
３ 圧力室
２１ 圧電アクチュエータ
２２ 振動板
２３ 圧電素子
２４ 個別電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタに用いるインクジェットヘッドの製造方法に関し、特に圧電アクチュエータによりインクを吐出させる場合に該圧電アクチュエータの振動板の形成方法を改良したものの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インクジェットプリンタが広く事務所や家庭等にて使用されている。このインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドには、近年の低騒音化、高印字品位化等の要求のもと、いくつかの方式が提案されているが、一般的には以下の２つの方式に大別することができる。
【０００３】
すなわち、第１の方式は、流路やインク室の一部を、圧電素子を有する圧電アクチュエータで形成して圧力室とし、その圧電素子にパルス状の電圧を印加して圧電アクチュエータを変形させることで、上記圧力室をその容積が減少するように変形させ、これにより圧力室内に圧力パルスを発生させ、この圧力パルスにより圧力室に連通するノズル孔からインク滴を吐出させるものである。
【０００４】
次に、第２の方式は、流路内に発熱抵抗体を配設しておき、この発熱抵抗体にパルス状の電圧を印加して該発熱抵抗体を発熱させることにより、流路内のインクを沸騰させて蒸気バブルを発生させ、この蒸気バブルの圧力によりノズル孔からインク滴を吐出させるものである。
【０００５】
そして、本発明は、上記第１の方式のインクジェットヘッドに関するものであるため、この方式のものについてさらに詳しく説明する。図１１〜図１３は、上記第１の方式のインクジェットヘッドの一例を示し、このインクジェットヘッドは、インクを供給するための供給口１０２ａとインクを吐出するための吐出口１０２ｂとを有する複数の圧力室用凹部１０２が形成されたヘッド本体１０１を備えている。このヘッド本体１０１の各凹部１０２は、一方向に所定間隔をあけて並べられている。
【０００６】
上記ヘッド本体１０１は、上記各凹部１０２の側壁部を構成する圧力室部品１０５と、該各凹部１０２の底壁部を構成しかつ複数の薄板を貼り合せてなるインク流路部品１０６と、ノズル板１１３とで構成されている。上記インク流路部品１０６内には、上記各凹部１０２の供給口１０２ａにそれぞれ接続された供給用インク流路１０７と、各凹部１０２の吐出口１０２ｂにそれぞれ接続された吐出用インク流路１０８とが形成されている。上記各供給用インク流路１０７は、上記各凹部１０２が並ぶ方向に延びるインク供給室１１０に接続され、このインク供給室１１０は、圧力室部品１０５及びインク流路部品１０６に形成されかつ図外のインクタンクと接続されるインク供給孔１１１に接続されている。上記ノズル板１１３には、上記各吐出用インク流路１０８とそれぞれ接続されたノズル孔１１４が形成されている。
【０００７】
上記ヘッド本体１０１の圧力室部品１０５の上面には圧電アクチュエータ１２１が設けられている。この圧電アクチュエータ１２１は、上記ヘッド本体１０１の全ての凹部１０２を塞いで該凹部１０２と共に圧力室１０３を構成する１つの平板状の振動板１２２を有している。この振動板１２２は、後述の全圧電素子１２３に共通の共通電極としての役割をも果たしている。また、圧電アクチュエータ１２１は、上記振動板１２２の上面における圧力室１０３に対応する部分にそれぞれ設けられた圧電素子１２３と、該各圧電素子１２３の上面にそれぞれ設けられ、各圧電素子１２３に電圧を印加するための個別電極１２４とを有している。
【０００８】
そして、上記共通電極としての振動板１２２と個別電極１２４との間にパルス状の電圧を印加すると、圧電素子１２３がその厚み方向と垂直な幅方向に収縮するのに対し、振動板１２２及び個別電極１２４は収縮しないので、いわゆるバイメタル効果により振動板１２２の圧電素子１２３に対応する部分が圧力室３側へ凸状に撓んで変形する。この撓み変形により圧力室３内に圧力が生じ、この圧力で圧力室３内のインクが吐出口１０２ｂ及び吐出用インク流路１０８を経由してノズル孔１１４より外部へ吐出されることとなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように圧電アクチュエータによりインクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドでは、近年、小型軽量化、低駆動電圧化、低騒音化、低コスト化、インク吐出の制御性の改善等への厳しい要求のもと、種々の改良等が試みられているが、さらなる小型化、高性能化を目指して振動板や圧電素子等を微細（小型精密）加工し易い薄膜として形成することが考えられる。
【００１０】
しかしながら、従来の圧電アクチュエータの形状、構造で振動板や圧電素子等を単に薄膜化するだけでは、インクジェットヘッドの製造時において、振動板や圧電素子等にクラックが生じたり、膜剥離が発生したりする場合があり、インクジェットヘッドの生産性が低下するという問題がある。このため、単に小型化するのみならず、生産性が良好で製造が容易なインクジェットヘッドの実現が要求されている。
【００１１】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電アクチュエータにより圧力室内のインクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドに対して、その圧電アクチュエータにおける振動板の構成に工夫を凝らすことによって、振動板や圧電素子等を薄膜化してインクジェットヘッドを小型化しつつ、振動板や圧電素子等にクラック等が生じるのを抑制してその生産性を出来る限り向上させようとすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、振動板及び圧電素子を、圧力室部品の圧力室用開口とは反対側へ凸状に湾曲させるようにした。
【００１３】
具体的には、請求項１の発明では、インクジェットヘッドの製造方法として、基板上に、個別電極をスパッタ法を用いて形成する工程と、上記個別電極上に、圧電素子をスパッタ法を用いて形成する工程と、上記圧電素子上に、スパッタ法を用いて、該圧電素子よりも熱膨張係数が大きい振動板を、その初期応力が圧縮力となるように形成する工程と、上記振動板上に、圧力室用開口を有する圧力室部品を取り付ける工程と、
上記基板を除去する工程と、を有し、上記基板の除去によって、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させるものとする。
【００１４】
請求項２の発明では、インクジェットヘッドの製造方法として、圧力室部品上に、スパッタ法を用いて、その初期応力が圧縮力となるように振動板を形成する工程と、上記振動板上に、スパッタ法を用いて圧電素子を形成する工程と、上記圧電素子上に、スパッタ法を用いて個別電極を形成する工程と、上記圧力室部品に、圧力室用開口を形成する工程と、を有し、上記振動板は、上記圧電素子よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されたものであり、上記圧力室部品に上記圧力室用開口を形成することによって、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させるものとする。
【００１５】
請求項３の発明では、インクジェットヘッドの製造方法として、圧電素子をスパッタ法を用いて形成する工程と、上記圧電素子よりも大きな熱膨張係数を有する振動板を、スパッタ法を用いて、その初期応力が圧縮力となるように平坦状に形成する工程と、を有し、上記圧電素子及び上記振動板の形成後、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を、圧力室用開口を有する圧力室部品の該圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させるものとする。
【００１６】
これら請求項１〜３の発明により、振動板や圧電素子等を薄膜化しても、圧電素子に圧縮の内部応力が作用することで、インクジェットヘッドの製造時に、特に圧電素子にクラック等が生じるのを抑制することができると共に、インクジェットヘッドの使用時においては、振動板や圧電素子の変形時の応力を小さくして、製品寿命を向上させることができる。すなわち、振動板と圧電素子との熱膨張係数の差（振動板の方が大きい）等により振動板は圧電素子よりも大きく収縮する一方、圧電素子は殆ど収縮しないので、容易に振動板を圧力室用開口（圧力室）と反対側へ凸状に湾曲させることができる。そして、振動板は収縮する際に圧電素子より引張力を受ける一方、圧電素子は振動板より圧縮力を受けるので、圧電素子には圧縮の内部応力が作用することとなり、引張力に対して非常に弱い圧電素子にクラック等が生じるのをより一層効果的に抑えることができる。さらに、インクジェットヘッドの使用時においては、圧電素子が収縮することで振動板の圧力室に対応する部分が、圧力室と反対側への凸量が小さくなるように変形するため、圧電素子は振動板より引張力を受けるが、最初に圧縮力が生じているので、これら引張力と圧縮力とが相殺されて圧電素子に生じる応力は比較的小さくなる。また、小さい変形量でもインクの吐出力を、振動板が平板状の場合や圧力室側へ凸状に湾曲している場合よりも大きくすることができるので、変形量をそれ程大きくしなくても済み、この点からも、振動板や圧電素子の変形時の応力を小さくすることできる。
【００１７】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、上記インクジェットヘッドを、上記振動板の上記圧力室用開口とは反対側への最大凸量が、０．０５〜１０μｍとなるように製造するものとする。
【００１８】
すなわち、圧力室と反対側への最大凸量は、０．０５μｍよりも小さいと、インクジェットヘッドの製造時及び使用時において振動板や圧電素子の不良抑制効果が十分に得られない一方、１０μｍよりも大きいと、却って製造時に振動板や圧電素子にクラック等が生じ易くなるので、０．０５〜１０μｍに設定している。したがって、インクジェットヘッドの生産性を最大限に高めることができる。
【００１９】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、上記振動板をスパッタ法を用いて形成する工程において、スパッタガス圧を制御することにより、該振動板の初期応力を圧縮力に設定するものとする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示し、このインクジェットヘッドは、インクを供給するための供給口２ａとインクを吐出するための吐出口２ｂとを有する複数の圧力室用凹部２が形成されたヘッド本体１を備えている。このヘッド本体１の各凹部２は、該ヘッド本体１の一外側面（上面）に略矩形状に開口されていて、一方向に所定間隔をあけて並べられている。尚、図３では、各凹部２（後述のノズル孔１４、振動板２２、圧電素子２３、個別電極２４等）は、煩雑となるのを避けるために３つしか記載していないが、実際には、多数設けられている。
【００２１】
上記ヘッド本体１の各凹部２の側壁部は、約２００μｍ厚の感光性ガラス製の圧力室部品５で構成され、各凹部２の底壁部は、この圧力室部品５に固着されかつ複数のステンレス鋼薄板を貼り合せてなるインク流路部品６で構成されている。このインク流路部品６内には、上記各凹部２の供給口２ａにそれぞれ接続された供給用インク流路７と、上記各吐出口２ｂにそれぞれ接続された吐出用インク流路８とが形成されている。上記各供給用インク流路７は、上記各凹部２が並ぶ方向に延びるインク供給室１０に接続され、このインク供給室１０は、上記圧力室部品５及びインク流路部品６に形成されかつ図外のインクタンクと接続されるインク供給孔１１に接続されている。上記インク流路部品６の圧力室部品５と反対側面（下面）には、ポリイミド等の高分子樹脂からなる約２０μｍ厚のノズル板１３が設けられ、このノズル板１３には、上記各吐出用インク流路８とそれぞれ接続された直径約２０μｍのノズル孔１４が形成されている。この各ノズル孔１４は、上記各凹部２の配列方向に延びる一直線上に配置されている。
【００２２】
上記ヘッド本体１の圧力室部品５におけるインク流路部品６と反対側面（上面）には、圧電アクチュエータ２１が設けられている。この圧電アクチュエータ２１は、上記ヘッド本体１の各凹部２を塞いで該凹部２と共に圧力室３を構成するように該１つの圧力室３毎に分割された状態で設けられた１〜３μｍ厚のＣｒ製振動板２２を有している。この各振動板２２は、平面視で圧力室３と略同じ略矩形状に形成されていると共に、配線（図示せず）により互いに電気的に接続されて、後述の全圧電素子２３に共通の共通電極としての役割をも有している。
【００２３】
また、上記圧電アクチュエータ２１は、上記各振動板２２の上記圧力室３と反対側面（上面）において圧力室３に対応する部分にそれぞれ設けられかつチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる２〜５μｍ厚の圧電素子２３と、この各圧電素子２３の上記振動板２２と反対側面（上面）にそれぞれ設けられ、該振動板２２と共に各圧電素子２３に電圧をそれぞれ印加するための０．１μｍ厚のＰｔ製個別電極２４とを有している。
【００２４】
上記各振動板２２の圧力室３に対応する部分は、圧力室３と反対側（上側）へ凸状に湾曲している。つまり、各振動板２２の圧力室３に対応する部分は、振動板２２の幅方向に沿って切断した断面及び長さ方向に沿って切断した断面のいずれにおいても、略円弧状をなして圧力室３と反対側へ突出している。この各振動板２２の湾曲に伴って各圧電素子２３及び各個別電極２４も上側へ湾曲している。上記各振動板２２の圧力室３に対応する部分における圧力室３と反対側への最大凸量（各振動板２２の略中央部の凸量）は、０．０５〜１０μｍに設定することが望ましい。これは、この最大凸量が０．０５μｍよりも小さいと、後述の如くインクジェットヘッドの製造時及び使用時において振動板２２や圧電素子２３の不良抑制効果が十分に得られない一方、１０μｍよりも大きいと、却って製造時に振動板２２や圧電素子２３にクラック等が生じ易くなるからである。尚、上記最大凸量のより好ましい範囲は、０．０５〜５μｍである。
【００２５】
次に、上記インクジェットヘッドの製造方法の概略手順を図４に基づいて説明する。尚、図４においては、図１及び図２とインクジェットヘッドの上下関係が逆になっている。
【００２６】
先ず、ＭｇＯの成膜基板４１上全体にＰｔ膜４２をスパッタ法により形成し（図４（ａ）参照）、その後、このＰｔ膜４２上全体にＰＺＴ膜４３をスパッタ法により形成する（図４（ｂ）参照）。そして、このＰＺＴ膜４３上全体にＣｒ膜４４をスパッタ法により形成する（図４（ｃ）参照）。尚、上記スパッタ法とは、高エネルギーの粒子を固体（ターゲット）に照射したときにターゲット構成原子がターゲット表面から放出される現象（スパッタという）を利用して薄膜形成を行う技術であり、このスパッタ法には、電極の構造、スパッタする粒子の発生方法により高周波スパッタやＤＣスパッタ等の多数の方式があるが、高周波（周波数１３．５６ＭＨｚ）放電を用いるスパッタ法を採用すれば、絶縁物のターゲット表面での正電位の帯電が起こらないため、絶縁物のターゲットでもスパッタすることができて望ましい。
【００２７】
ところで、上記スパッタ法によりＣｒ膜４４を形成する際、各種スパッタ条件のうち、成膜基板４１の温度、スパッタガス圧、スパッタパワー、ＴＳ間隔（ターゲット・基板間距離）等のパラメータを変化させる（特にスパッタガス圧を制御することが望ましい）ことにより、Ｃｒ膜４４の膜応力を制御することが可能であり、このようにスパッタガス圧等を制御してＣｒ膜４４の初期応力を圧縮力にすることが望ましい。例えば、高周波スパッタ装置を用いて、ターゲット径６インチ、スパッタパワー３００Ｗとし、スパッタアルゴンガス圧を２ｍＴｏｒｒ（０．２７Ｐａ）に設定することで、Ｃｒ膜４４の初期応力を圧縮力にすることができる。尚、上記Ｃｒ膜４４の膜応力の値については、ヤング率、ポアソン比が既知の薄板基板（１８ｍｍ×４ｍｍで０．１ｍｍ厚）上にＣｒの薄膜を形成してその基板のそり量を測定することにより、ベンディングビーム法関係式から基板に形成した薄膜の膜応力を算出しておくことで判る。また、上記基板上に形成した薄膜が凹になるか凸になるかで応力が圧縮力か引張力かが判別できる。
【００２８】
次いで、上記Ｃｒ膜４４の上面に、ヘッド本体１の圧力室部品５を固着する（図４（ｄ）参照）。その後、上記成膜基板４１を熱燐酸やＫＯＨ等で溶融・除去すると共に、上記圧力室部品５上に、予め一体化したインク流路部品６及びノズル板１３を固着する（図４（ｅ）参照）。このように成膜基板４１を除去すると、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４の熱膨張係数の差（Ｃｒ膜４４の方が大きい）により、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４の圧力室３に対応する部分（圧力室部品５により拘束されない部分）が、圧力室３と反対側へ凸状に湾曲する（尚、Ｐｔ膜４２は、厚みがＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４よりもかなり薄いので、湾曲方向に殆ど影響しない）。つまり、熱膨張係数の大きいＣｒ膜４４がＰＺＴ膜４３よりも大きく収縮する一方、ＰＺＴ膜４３は殆ど収縮しないので、ＰＺＴ膜４３側が凸側となるように曲がる。これは、ＦｅとＡｌとからなるバイメタルを加熱すると、熱膨張係数が大きいＡｌがＦｅよりも大きく伸長してＡｌ側が凸側となるように曲がることと同様である。そして、Ｃｒ膜４４は収縮時にＰＺＴ膜４３より引張力を受ける一方、ＰＺＴ膜４３はＣｒ膜４４より圧縮力を受けることになる。尚、上記のようにスパッタガス圧等を制御することによりＣｒ膜４４に初期圧縮応力を適切に付与すれば、振動板２２が大きく曲がり過ぎるのを防止することができ、最大凸量を０．０５〜１０μｍに設定することができる。
【００２９】
続いて、上記Ｐｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４をイオンミリング法や反応性イオンエッチング法等のドライエッチング法にて１つの圧力室３毎に分割することで、個別電極２４、圧電素子２３及び振動板２２をそれぞれ形成する（図４（ｆ）参照）。このとき、分割された振動板２２同士が互いに内部応力や歪み等の影響を受けることはなくなり、応力が緩和されて各振動板２２内に生じる内部応力は１つの振動板２２でヘッド本体１の全ての凹部２を塞ぐ場合よりも小さくなる。この結果、振動板２２の圧力室３と反対側に設けられる圧電素子２３や個別電極２４内に生じる内部応力をも小さくすることができる。尚、上記イオンミリング法では、反応性等の面から、アルゴンイオンを使用することが望ましく、反応性イオンエッチング法では、同じく反応性等の面から、Ｏ2 、ＣＦ4 、ＣＣｌ4 を使用することが望ましい。
【００３０】
次いで、図示は省略するが、各振動板２２及び個別電極２４への配線や他の必要な処理を行うことで、インクジェットヘッドが完成する。
【００３１】
このように、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けたので、上述の如く振動板２２や圧電素子２３内に生じる内部応力が小さくなり、振動板２２や圧電素子２３等を薄膜で形成しても、インクジェットヘッドの製造時に振動板２２や圧電素子２３等にクラックや膜剥離が生じるのを抑制することができる。また、振動板２２の圧力室３に対応する部分を、圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させたので、引張力に対して非常に弱い圧電素子２３には圧縮力が作用し、特に圧電素子２３におけるクラック等の発生をより一層効果的に抑制することができる。よって、インクジェットヘッドを小型化しつつ、その生産性を向上させることができる。
【００３２】
次に、上記インクジェットヘッドの動作について説明すると、上記振動板２２及び個別電極２４間への電圧の印加により振動板２２の圧力室３に対応する部分を圧力室３の容積が減少するように変形させることで、該圧力室３内のインクを吐出口２ｂから吐出させる。すなわち、振動板２２と個別電極２４とを介して圧電素子２３にパルス状の電圧を印加すると、このパルス電圧の立ち上がりにより圧電素子２３がその厚み方向と垂直な幅方向に収縮するのに対し、振動板２２は収縮しないので、図５（ｂ）に示すように、振動板２２の圧力室３に対応する部分が圧力室３側へ（凸量が小さくなる側へ）変位するように変形する。この変形により圧力室３内に圧力が生じ、この圧力で圧力室３内のインクのうちの所定量が上記吐出口２ｂ及び吐出用インク流路８を経由してノズル孔１４より外部（印刷する紙面上）へ吐出されて、紙面にドット状に付着することとなる。そして、上記パルス電圧の立ち下がりにより圧電素子２３が幅方向に伸長して振動板２２は元の状態（図５（ａ）参照）に復帰し、このとき、圧力室３内には上記インク供給室１０より供給用インク流路７及び供給口２ａを介してインクが充填される。尚、１色のインクだけでなく、例えばブラック、シアン、マゼンタ及びイエローの各インクを互いに異なるノズル孔１４からそれぞれ吐出させるようにして、カラー印刷を行うようにすることもできる。
【００３３】
上記のように振動板２２が変形する際、圧電素子２３は、振動板２２と共に変形して振動板２２より引張力を受けるが、最初から圧力室３と反対側へ凸状に湾曲して圧縮力が生じているので、これら引張力と圧縮力とが相殺されて圧電素子２３に生じる応力は比較的小さくなる。すなわち、図６（ａ）に示すように、最初から振動板２２及び圧電素子２３を平板状にしたり、図７（ａ）に示すように、最初から振動板２２及び圧電素子２３を圧力室３側へ凸状に湾曲させたりすると、変形時（図６（ｂ）及び図７（ｂ）参照）において圧電素子２３に生じる引張力が大きくなり、引張力に対して非常に弱い圧電素子２３にクラック等が生じ易くなる。また、小さい変形量でもインクの吐出力を、振動板２２が平板状の場合や圧力室３側へ凸状に湾曲している場合よりも大きくすることができるので、変形量をそれ程大きくしなくても済む。さらに、分割された振動板２２同士が互いに変形の影響を受けることはなく、振動板２２の機械的強度の低下を抑制することができる。よって、インクジェットヘッドの使用時においては、振動板２２や圧電素子２３の変形時の応力を小さくして、製品寿命を向上させることができる。
【００３４】
尚、上記実施形態では、成膜基板４１を用いて該成膜基板４１上にＰｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４をスパッタ法により順次形成したが、感光性ガラスからなる圧力室部品５上に上記各膜を直接スパッタすることにより成膜基板４１を用いないでもインクジェットヘッドを製造することができる。この製造方法を図８により説明すると、先ず、圧力室部品５上全体に、Ｃｒ膜４４を形成する（図８（ａ）参照）。このとき、Ｃｒ膜４４の初期応力を圧縮力にする場合には、上記実施形態のようにスパッタガス圧等を制御してもよく、予め圧力室部品５に引張力を加えながらＣｒ膜４４を形成した後に圧力室部品５への引張力を取り去るようにしてもよい。次いで、圧力室部品５の下側からマスク５０を介して紫外線露光機で圧力室３に相当する部分を露光する（図８（ｂ）参照）。そして、下地処理等をしてから、上記Ｃｒ膜４４上全体にＰＺＴ膜４３を形成し（図８（ｃ）参照）、その後、このＰＺＴ膜４３上全体にＰｔ膜４２を形成する（図８（ｄ）参照）。続いて、３％ＨＦ液で圧力室部品５の上記露光部をエッチング除去すると共に、各膜の不必要部をもエッチング除去して１つの圧力室３毎に分割することで、振動板２２、圧電素子２３及び個別電極２４をそれぞれ形成する（図８（ｅ）参照）。そして、圧力室部品５の下面に、予め一体化したインク流路部品６及びノズル板１３を固着する（図８（ｆ）参照）ことで、インクジェットヘッドが完成する。この製造方法においても、圧力室部品５の露光部を除去すると、上記実施形態と同様に、Ｐｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４の圧力室３に対応する部分を、圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させることができ、しかも、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けるので、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３５】
また、上記実施形態では、ドライエッチング法によりＰｔ膜４２、ＰＺＴ膜４３及びＣｒ膜４４を１つの圧力室３毎に分割することで、個別電極２４、圧電素子２３及び振動板２２をそれぞれ形成したが、膜を残したくない部分に予めレジストを塗布しておいてスパッタするリフトオフ法により分割するようにすることもできる。
【００３６】
さらに、上記実施形態では、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けたが、振動板２２の圧力室３に対応する部分を圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させれば、図９に示すように、従来のような１つの振動板２２でヘッド本体１の全ての凹部２を塞ぐようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様に、特に圧電素子２３にクラック等が生じるのを抑制することができ、延いては、振動板２２や個別電極２４におけるクラック発生をも抑制することができる。しかも、インクジェットヘッドの使用時においては、振動板２２や圧電素子２３の変形時の応力を小さくして、製品寿命を向上させることができる。また、振動板２２を１つの圧力室３毎に分割した状態で設けないで複数の圧力室３毎（例えばカラー印刷を行う場合には、同色のインクが充填される圧力室３毎）に分割した状態で設けるようにしてもよい。さらに、振動板２２を１つ又は複数の圧力室３毎に完全に分割した状態で設けないで、図１０に示すように、分割された振動板２２同士を、該振動板２２よりも薄い（最も薄い部分の厚みを０．２μｍ程度にする）接続部２２ａで互いに接続するようにしてもよい（接続部２２ａは１つの振動板２２の圧電素子２３側の面を凹溝状に削ることで振動板２２と一体形成するのが好ましい）。こうすれば、振動板２２同士を互いに電気的に接続できて配線が不要となるとなると共に、機械的及び物理的には分割したのと略同じ状態にすることができる。
【００３７】
一方、振動板２２を１つ又は複数の圧力室３毎に分割した状態で設けさえすれば、必ずしも振動板２２の圧力室３に対応する部分を圧力室３と反対側へ凸状に湾曲させなくてもよく、平板状にしたり（図６（ａ）参照）圧力室３側へ凸状に湾曲させたり（図７（ａ）参照）してもよい。このようにしても、インクジェットヘッドの製造時や使用時に振動板２２や圧電素子２３の不良発生を抑制することができる。
【００３８】
加えて、上記実施形態では、ヘッド本体１の各凹部２の開口形状及び圧電アクチュエータ２１の圧電素子２３等を矩形状としたが、長円形状にしてもよく、その他の形状であってもよい。
【００３９】
また、他の種々の変形が可能であり、例えば、圧電アクチュエータ２１の振動板２２、圧電素子２３、個別電極２４等は、上記実施形態と異なる材料や厚みのものを使用してもよく（例えば振動板２２をＮｉ製やＴｉ製にする）、他の製造方法により形成してもよい。そして、ヘッド本体１の圧力室部品５、インク流路部品６及びノズル板１３も、上記実施形態と異なる材料や厚みのものを使用することができる。
【００４０】
さらに、振動板２２の湾曲形状は、圧力室３と反対側へ凸状であればどのような形状であってもよい。但し、振動板２２において少なくとも圧電素子２３の伸長方向（上記実施形態では幅方向）に沿って切断した断面が、上記実施形態のように略円弧状であることが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドの製造方法によると、振動板及び圧電素子を圧力室部品の圧力室用開口と反対側へ凸状に湾曲させたことにより、振動板や圧電素子を薄膜化しても、インクジェットヘッドの製造時に圧電素子にクラック等が生じるのを抑制することができ、インクジェットヘッドを小型化しつつ、その生産性を可及的に向上させることができる。また、インクジェットヘッドの使用時に、振動板や圧電素子の変形時の応力を小さくすることできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図３のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】 図３のII−II線断面図である。
【図３】 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す平面図である。
【図４】 インクジェットヘッドの製造方法を示す概略説明図である。
【図５】 振動板の非変形状態と変形状態とを比較して示す要部拡大図である。
【図６】 振動板が平板状の場合における図５相当図である。
【図７】 振動板が圧力室側へ凸状に湾曲した場合における図５相当図である。
【図８】 インクジェットヘッドの他の製造方法を示す概略説明図である。
【図９】 インクジェットヘッドの他の形態を示す図１相当図である。
【図１０】 インクジェットヘッドのさらに他の形態を示す図１相当図である。
【図１１】 図１３のXI−XI線断面図である。
【図１２】 図１３のXII−XII線断面図である。
【図１３】 インクジェットヘッドの従来例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ ヘッド本体
２ 圧力室用凹部
２ａ 供給口
２ｂ 吐出口
３ 圧力室
２１ 圧電アクチュエータ
２２ 振動板
２３ 圧電素子
２４ 個別電極
Claims (5)
- 基板上に、個別電極をスパッタ法を用いて形成する工程と、
上記個別電極上に、圧電素子をスパッタ法を用いて形成する工程と、
上記圧電素子上に、スパッタ法を用いて、該圧電素子よりも熱膨張係数が大きい振動板を、その初期応力が圧縮力となるように形成する工程と、
上記振動板上に、圧力室用開口を有する圧力室部品を取り付ける工程と、
上記基板を除去する工程と、
を有し、
上記基板の除去によって、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させる、
ことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 圧力室部品上に、スパッタ法を用いて、その初期応力が圧縮力となるように振動板を形成する工程と、
上記振動板上に、スパッタ法を用いて圧電素子を形成する工程と、
上記圧電素子上に、スパッタ法を用いて個別電極を形成する工程と、
上記圧力室部品に、圧力室用開口を形成する工程と、
を有し、
上記振動板は、上記圧電素子よりも熱膨張係数が大きくなるように設定されたものであり、
上記圧力室部品に上記圧力室用開口を形成することによって、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させる、
ことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 圧電素子をスパッタ法を用いて形成する工程と、
上記圧電素子よりも大きな熱膨張係数を有する振動板を、スパッタ法を用いて、その初期応力が圧縮力となるように平坦状に形成する工程と、
を有し、
上記圧電素子及び上記振動板の形成後、上記振動板と上記圧電素子との熱膨張係数の差により、上記振動板を、圧力室用開口を有する圧力室部品の該圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させ、これに伴い、上記圧電素子を上記圧力室部品の圧力室用開口に対して反対側へ凸状に湾曲させる、
ことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 上記インクジェットヘッドを、上記振動板の上記圧力室用開口とは反対側への最大凸量が、０．０５〜１０μｍとなるように製造する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のインクジェットヘッドの製造方法。 - 上記振動板をスパッタ法を用いて形成する工程において、スパッタガス圧を制御することにより、該振動板の初期応力を圧縮力に設定する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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