JP5663539B2 - インクジェットヘッドおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドおよび画像形成装置に関する。

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として発熱素子型と圧電素子型とが知られる。

発熱素子型においては、インク流路に設けられた発熱体によってインク中に気泡が発生し、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。圧電素子型においては、圧電素子が変形することでインク室に貯蔵されたインクに圧力変化が生じ、インクがノズルから吐出する。

圧電素子（ピエゾ素子）は、電気−機械変換素子であり、電界を加えられると、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プレートを用いた構成が知られている。当該インクジェットヘッドのノズルプレートは、例えば、インクを吐出させるノズルを備える圧電体膜と、前記ノズルを囲むように前記圧電性膜の両面に形成された金属電極膜と、を有するアクチュエータを備える。

上記インクジェットヘッドは、前記ノズルに接続された圧力室を有する。インクが圧力室とノズルプレートのノズルに入り込み、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二つの電極に駆動波形（電圧）を印加すると、当該電極を介して分極の方向と同方向の電界が圧電体膜に印加される。これにより、アクチュエータ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ノズルプレートが変形する。ノズルプレートが変形することで圧力室内のインクに圧力変化が発生し、ノズル内のインクが吐出される。

特開２００９−９６１２８号公報

ノズルプレートは、圧力室が設けられた基材に固定される。ノズルプレートの膜応力によって、基材に反りが生じるおそれがある。

本発明の目的は、基材の反りを抑制するインクジェットヘッドおよび画像形成装置を提供することにある。

一つの実施の形態に係るインクジェットヘッドは、基材と、振動板と、圧電素子とを備える。前記基材は、取付面と、前記取付面に開口する圧力室とを有し、第１の膨張係数を有する。前記振動板は、前記基材の前記取付面に固定される第１の面と、前記第１の面の反対側に位置する第２の面と、前記圧力室に開口する開口部と、前記第１の膨張係数と異なる第２の膨張係数を有する第１の部分と、前記第２の膨張係数よりも前記第１の膨張係数に近い第３の膨張係数を有する第２の部分と、を含む。前記圧電素子は、前記振動板の前記第２の面に設けられ、前記振動板を変形させて前記圧力室の容積を増大または減少させる。前記振動板の前記第１の部分および前記第２の部分の一方が前記基材の前記取付面に固定される。前記振動板の前記第１の部分および前記第２の部分の他方が、前記基材の前記取付面に固定された前記第１の部分または前記第２の部分に重ねられる。

第１の実施の形態に係るインクジェットプリンタのインクジェットヘッドを分解して示す斜視図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドの平面図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドを図２のＦ３−Ｆ３線に沿って概略的に示す断面図。 第１の実施形態の振動板が成膜された圧力室構造体を示す断面図。 第２の実施の形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図。 第３の実施の形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図。 第３の実施形態の振動板が成膜された圧力室構造体を示す断面図。 第４の実施の形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図。

以下に、第１の実施の形態について、図１から図４を参照して説明する。なお、複数の表現が可能な各要素について一つ以上の他の表現の例を付すことがあるが、これは他の表現が付されていない要素について異なる表現がされることを否定するものではないし、例示されていない他の表現がされることを制限するものでもない。

図１は、第１の実施の形態に係るインクジェットプリンタ１のインクジェットヘッド１０を分解して示す斜視図である。図２は、インクジェットヘッド１０の平面図である。図３は、図２のＦ３−Ｆ３線に沿ってインクジェットヘッド１０を概略的に示す断面図である。なお、図１および図２において、説明のために、本来は隠れている種々の要素を実線で示す。

図１に示すように、インクジェットヘッド１０は、インクジェットプリンタ１に搭載されている。インクジェットプリンタ１は、画像形成装置の一例である。画像形成装置はこれに限らず、複写機のような他の画像形成装置であっても良い。

インクジェットヘッド１０は、ノズルプレート１００と圧力室構造体２００と、セパレートプレート３００と、インク供給路構造体４００とを備えている。圧力室構造体２００は、基材の一例である。圧力室構造体２００と、セパレートプレート３００と、インク供給路構造体４００とは、例えばエポキシ系接着剤で固定されている。

ノズルプレート１００は、矩形の板状に形成されている。ノズルプレート１００は、圧力室構造体２００の上に、後述する成膜プロセスによって形成される。このため、ノズルプレート１００は、圧力室構造体２００に固着している。

ノズルプレート１００に、インク吐出用の複数のノズル（インク吐出孔）１０１がある。ノズル１０１は、開口部の一例である。ノズル１０１は、円形の孔であり、ノズルプレート１００をその厚さ方向に貫通している。

圧力室構造体２００は、シリコンウエハによって矩形の板状に形成されている。圧力室構造体２００は、インクジェットヘッド１０の製造過程において、繰り返し加熱および薄膜の成膜がなされる。このため、シリコンウエハは、耐熱性を有し、ＳＥＭＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）規格に準じ、平滑化されたものである。なお、圧力室構造体２００はこれに限らず、炭化シリコン（ＳｉＣ）ゲルマニウム基板のような他の半導体によって形成されても良い。

圧力室構造体２００を形成するシリコンウエハ（Ｓｉ）の膨張係数は、４×１０^−６［Ｋ^−１］である。すなわち、第１の実施形態における第１の膨張係数は、４×１０^−６［Ｋ^−１］である。

圧力室構造体２００は、ノズルプレート１００に面する取付面２００ａと、複数の圧力室２０１とを有している。取付面２００ａに、ノズルプレート１００が固着している。

圧力室２０１は、円形の孔である。圧力室２０１は、矩形や菱形のような他の形状の孔であっても良い。圧力室２０１は、取付面２００ａに開口しており、ノズルプレート１００に塞がれている。

複数の圧力室２０１は、複数のノズル１０１と対応するように配置され、複数のノズル１０１と同心軸上にそれぞれ配置されている。このため、圧力室２０１に、対応するノズル１０１が開口している。

セパレートプレート３００は、ステンレスによって矩形の板状に形成されている。セパレートプレート３００は、ノズルプレート１００の反対側から、複数の圧力室２０１を塞いでいる。

セパレートプレート３００に、複数のインク絞り（圧力室２０１へのインク供給孔）３０１がある。複数のインク絞り３０１は、圧力室２０１にそれぞれ対応して配置される。このため、圧力室２０１に、インク絞り３０１が開口している。インク絞り３０１は、それぞれの圧力室２０１へのインク流路抵抗がほぼ同程度になるように形成される。

インク供給路構造体４００は、ステンレスによって矩形の板状に形成されている。インク供給路構造体４００に、インク供給口４０１と、インク供給路４０２とがある。

インク供給口４０１は、インク供給路４０２の中央部分に開口している。インク供給口４０１は、画像形成のためのインクが貯蔵されたインクタンク１１に接続され、インク供給路４０２にインクを供給する。

インク供給路４０２は、インク供給路構造体４００の表面から凹んでおり、全てのインク絞り３０１を囲んでいる。言い換えると、全てのインク絞り３０１は、インク供給路４０２に開口している。このため、インク供給口４０１は、インク絞り３０１を介して、全ての圧力室２０１にインクを供給する。また、インク供給口４０１は、それぞれの圧力室２０１へのインク流路抵抗がほぼ同程度になるように形成されている。

上記のように、セパレートプレート３００およびインク供給路構造体４００はステンレスによって形成される。しかし、これらの要素３００，４００の材料は、ステンレスに限定されない。要素３００，４００はノズルプレート１００との膨張係数の差を考慮して、インク吐出圧力発生に影響しない範囲で、セラミックス、樹脂、または金属（合金）のような他の材料によって形成されても良い。使用されるセラミックスは、例えば、アルミナセラミックス、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびチタン酸バリウムのような窒化物、酸化物である。使用される樹脂は、例えば、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のようなプラスチック材である。使用される金属は、例えば、アルミまたはチタンである。

圧力室２０１は供給されたインクを保持する。そしてノズルプレート１００の変形によって各圧力室２０１内のインクに圧力変化が発生すると、圧力室２０１内のインクが、各ノズル１０１から吐出される。セパレートプレート３００は、圧力室２０１内に発生した圧力を閉じ込めて、当該圧力がインク供給路４０２へ逃げることを抑制する。このため、インク絞り３０１の直径は、例えば圧力室２０１の直径の１／４以下である。

次に、ノズルプレート１００について説明する。図２に示すように、ノズルプレート１００は、上記の複数のノズル１０１と、複数のアクチュエータ１０２と、二つの共有電極端子部１０５と、共有電極１０６と、複数の配線電極端子部１０７と、複数の配線電極１０８とを有している。図３に示すように、ノズルプレート１００はさらに、振動板１０９と、保護膜１１３と、撥インク膜１１６とを有している。アクチュエータ１０２は、圧電素子の一例である。

振動板１０９は、圧力室構造体２００の取付面２００ａの上に、矩形の膜状に形成されている。振動板１０９は、第１の面５０１と、第２の面５０２とを有している。

第１の面５０１は、取付面２００ａに固着するとともに圧力室２０１を塞いでいる。第２の面５０２は、第１の面５０１の反対側に位置している。アクチュエータ１０２と、共有電極１０６と、配線電極１０８とは、振動板１０９の第２の面５０２に形成されている。

複数のアクチュエータ１０２は、複数の圧力室２０１および複数のノズル１０１に対応して設けられている。アクチュエータ１０２は、ノズル１０１からインクを吐出させるための圧力を、圧力室２０１に発生させる。

図２に示すように、アクチュエータ１０２は、円環状に形成されている。アクチュエータ１０２は、対応するノズル１０１と同軸上に配置される。このため、アクチュエータ１０２の内側に、ノズル１０１が設けられている。

より高密度にノズル１０１を配置するために、ノズル１０１は千鳥状（互い違い）に配置されている。言い換えると、図２のＸ軸方向に複数のノズル１０１が直線状に配置される。Ｙ軸方向に、二つの直線状のノズル１０１の列がある。

図３に示すように、アクチュエータ１０２は、圧電体膜１１１と、共有電極１０６の電極部分１０６ａと、配線電極１０８の電極部分１０８ａと、絶縁膜１１２とを有している。

圧電体膜１１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって膜状に形成されている。なお、圧電体膜１１１はこれに限らず、例えば、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＺｎＯ、およびＡｌＮのような種々の材料によって形成されても良い。

圧電体膜１１１は、円環状に形成されている。圧電体膜１１１は、ノズル１０１および圧力室２０１と同軸上に配置されている。言い換えると、圧電体膜１１１は、ノズル１０１を囲んでいる。圧電体膜１１１の内周部分は、ノズル１０１から僅かに離れている。

圧電体膜１１１は、配線電極１０８の電極部分１０８ａと共有電極１０６の電極部分１０６ａとによって挟まれている。言い換えると、圧電体膜１１１に、配線電極１０８の電極部分１０８ａと共有電極１０６の電極部分１０６ａとが重ねられている。

成膜された圧電体膜１１１は、その厚み方向に分極を発生させる。配線電極１０８および共有電極１０６を介して当該分極の方向と同方向の電界を圧電体膜１１１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。アクチュエータ１０２の伸縮により、振動板１０９が、ノズルプレート１００の厚み方向に変形する。これにより、圧力室２０１の容積が変化し、圧力室２０１内のインクに圧力変化が生じる。

配線電極１０８の電極部分１０８ａは、圧電体膜１１１に繋がる二つの電極の一方である。配線電極１０８の電極部分１０８ａは、圧電体膜１１１よりも大きい円環状に形成され、圧電体膜１１１の吐出側（インクジェットヘッド１０の外に向く側）に成膜されている。

共有電極１０６の電極部分１０６ａは、圧電体膜１１１に繋がる二つの電極の一方である。共有電極１０６の電極部分１０６ａは、圧電体膜１１１よりも小さい円環状に形成され、振動板１０９の第２の面５０２に成膜されている。共有電極１０６の電極部分１０６ａは、振動板１０９の第２の面５０２に形成されている。

絶縁膜１１２は、圧電体膜１１１が形成された領域の外側において、共有電極１０６と配線電極１０８との間に介在している。すなわち、共有電極１０６と配線電極１０８との間は、圧電体膜１１１または絶縁膜１１２によって絶縁される。絶縁膜１１２は、例えばＳｉＯ_２（酸化ケイ素）によって形成される。絶縁膜１１２は、他の材料によって形成されても良い。

共有電極端子部１０５、および配線電極端子部１０７に、駆動回路が接続される。当該駆動回路は、例えばフレキシブルプリント回路板やテープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）である。

配線電極端子部１０７は、配線電極１０８の端部に設けられている。配線電極端子部１０７は、前記駆動回路に接続され、アクチュエータ１０２を駆動させるための信号を伝送する。

図２に示すように、複数の配線電極端子部１０７のそれぞれの間隔は、ノズル１０１のＸ軸方向の間隔と同じである。配線電極１０８の幅に比べて、配線電極端子部１０７のＸ軸方向の幅は広い。このため、配線電極端子部１０７は、前記駆動回路に容易に接続される。

共有電極端子部１０５は、例えば、振動板１０９の第２の面５０２に設けられている。共有電極端子部１０５は、共有電極１０６の端部であって、前記駆動回路に設けられたＧＮＤ（グランド接地＝０Ｖ）に接続される。

配線電極１０８は、対応するアクチュエータ１０２の圧電体膜１１１に個別に繋がり、アクチュエータ１０２を駆動するための信号を伝送する。配線電極１０８は、圧電体膜１１１を独立に動作させるための個別電極として用いられる。複数の配線電極１０８は、上記の電極部分１０８ａと、配線部と、上記の配線電極端子部１０７とをそれぞれ有している。

配線電極１０８の配線部は、電極部分１０８ａから配線電極端子部１０７に向かって延びている。配線電極１０８の電極部分１０８ａは、ノズル１０１と同心軸上に配置される。電極部分１０８ａの内周部分は、ノズル１０１から僅かに離れている。

複数の配線電極１０８は、Ｐｔ（白金）の薄膜によって形成されている。なお、配線電極１０８は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ(金)のような他の材料によって形成されても良い。

共有電極１０６は、複数の圧電体膜１１１に繋がる。共有電極１０６は、上記の複数の電極部分１０６ａと、複数の配線部と、上記の二つの共有電極端子部１０５とを有している。

共有電極１０６の配線部は、電極部分１０６ａから配線電極１０８の配線部の反対側に延びている。共有電極１０６の配線部は、図２に示すノズルプレート１００のＹ軸方向端部で合体し、ノズルプレート１００のＸ軸方向両端部に沿って延びている。電極部分１０６ａは、ノズル１０１と同心軸上に設けられる。電極部分１０６ａの内周部分は、ノズル１０１から僅かに離れている。共有電極端子部１０５は、ノズルプレート１００のＸ軸方向両端にそれぞれ配置されている。

共有電極１０６は、Ｐｔ（白金）/Ｔｉ(チタン)薄膜によって形成されている。共有電極１０６は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕのような他の材料によって形成されても良い。

図３に示すように、保護膜１１３は、振動板１０９の第２の面５０２に設けられている。保護膜１１３は、振動板１０９の第２の面５０２と、共有電極１０６と、配線電極１０８と、圧電体膜１１１とを覆っている。

保護膜１１３は、ポリイミドによって形成されている。保護膜１１３はこれに限らず、樹脂、セラミックス、金属（合金）のような他の材料によって形成されても良い。利用される樹脂は、例えば、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である。利用されるセラミックスは、例えば、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、酸化物である。利用される金属は、例えば、アルミ、ＳＵＳ、またはチタンである。なお、保護膜１１３が導電性材料によって形成される場合、共有電力１０６、配線電極１０８、および圧電体膜１１１との間は、例えば樹脂によって絶縁される。

保護膜１１３の材料は、振動板１０９の材料とヤング率が大きく異なる。板形状の変形量は、材料のヤング率と板厚とが影響する。同じ力がかかった場合でも、ヤング率が小さい程、そして板厚が薄い程、変形が大きい。

撥インク膜１１６は、保護膜１１３の表面を覆っている。撥インク膜１１６は、撥液性を有するシリコーン系撥液材料によって形成される。なお、撥インク膜１１６は、フッ素含有系有機材料のような他の材料によって形成されても良い。

撥インク膜１１６は、共有電極端子部１０５および配線電極端子部１０７と、共有電極端子部１０５および配線電極端子部１０７の周辺の保護膜１１３を覆わずに露出させている。

ノズル１０１は、振動板１０９、保護膜１１３、および撥インク膜１１６を貫通している。言い換えると、ノズル１０１は、振動板１０９、保護膜１１３、および撥インク膜１１６に設けられている。

図３に示すように、振動板１０９は、第１の部分５０５と、第２の部分５０６とを有している。第１の部分５０５は、ＳｉＯ_２によって形成されている。第２の部分５０６は、ＳｉＮ（窒化ケイ素）によって形成されている。なお、第１および第２の部分５０５，５０６はこれに限らず、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）のような他の材料によって形成されても良い。

振動板１０９の材料選択は、例えば、耐熱性、絶縁性（導電率の高いインクを使用した場合における、アクチュエータ１０２の駆動によるインク変質の影響を考慮）、膨張係数、平滑性、インクに対する濡れ性が考慮される。

第１の部分５０５を形成するＳｉＯ_２の膨張係数は、５×１０^−７［Ｋ^−１］である。すなわち、第１の実施形態における第２の膨張係数は、５×１０^−７［Ｋ^−１］である。第２の部分５０６を形成するＳｉＮの膨張係数は、３×１０^−６［Ｋ^−１］である。すなわち、第１の実施形態における第３の膨張係数は、３×１０^−６［Ｋ^−１］である。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３の膨張係数は、７×１０^−６［Ｋ^−１］、ＨｆＯ_２の膨張係数は、４×１０^−６［Ｋ^−１］、ＺｒＯ_２の膨張係数は、１×１０^−５［Ｋ^−１］、ＤＬＣの膨張係数は、２×１０^−６［Ｋ^−１］である。

上記のように、第１の部分５０５の第２の膨張係数は、圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも小さい。第２の部分５０６の第３の膨張係数は、第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近く、第２の膨張係数よりも大きい。

第１の部分５０５が、振動板１０９の第１の面５０１を形成している。第１の部分５０５は、圧力室構造体２００の取付面２００ａに固着している。第１の部分５０５は、取付面２００ａの全域に亘って設けられ、圧力室２０１を塞いでいる。なお、第１の部分５０５は、取付面２００ａの一部にのみ設けられても良い。

第２の部分５０６が、振動板１０９の第２の面５０２を形成している。第２の部分５０６は、第１の部分５０５に重ねられ、第１の部分５０５に固着している。このため、第１の部分５０５は、圧力室構造体２００と第２の部分５０６との間に挟まれている。

上述のインクジェットプリンタ１は、次のように印字（画像形成）を行う。インクタンク１１から、インクがインク供給路構造体４００のインク供給口４０１に供給される。インクは、複数のインク絞り３０１を通って、複数の圧力室２０１に供給される。圧力室２０１に供給されたインクは、対応するノズル１０１内に供給され、ノズル１０１にメニスカスを形成する。インク供給口４０１から供給されるインクは適切な負圧となるように保たれ、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。

例えばユーザの操作により、前記駆動回路に印字指示信号が入力される。印字指示を受けた前記駆動回路は、配線電極１０８を介して、アクチュエータ１０２に信号を出力する。言い換えると、前記駆動回路は、配線電極１０８の電極部分１０８ａに電圧を印加する。これにより、圧電体膜１１１に分極方向と同方向の電界が印加され、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。

アクチュエータ１０２は、振動板１０９と保護膜１１３に挟まれている。このため、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、振動板１０９に、圧力室２０１側に対して凹形状に変形する力がかかる。反対に、保護膜１１３に、圧力室２０１側に対して凸形状に変形する力がかかる。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、振動板１０９に、圧力室２０１側に対して凸形状に変形する力がかかる。また、保護膜１１３に、圧力室２０１側に対して凹形状に変形する力がかかる。

保護膜１１３のポリイミド膜は、振動板１０９よりヤング率が小さい。このため、同じ力に対して保護膜１１３の方が変形量は大きい。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は圧力室２０１側に対して凸形状に変形する。これにより、圧力室２０１の容積が縮まる（保護膜１１３が圧力室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、ノズルプレート１００は圧力室２０１側に対して凹形状に変形する。これにより、圧力室２０１の容積が広がる（保護膜１１３が圧力室２０１側に対して凹形状に変形する量の方が大きいため）。

振動板１０９が変形して圧力室２０１の容積が増減すると、圧力室２０１のインクに圧力変化が生じる。当該圧力変化によって、ノズル１０１に供給されたインクが吐出される。

振動板１０９と保護膜１１３のヤング率の差が大きい程、同じ電圧をアクチュエータ１０２に印加した際の振動板１０９の変形量の差が大きくなる。そのため、振動板１０９と保護膜１１３のヤング率の差が大きいほど、より低い電圧でのインク吐出が可能となる。

振動板１０９と保護膜１１３の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、振動板１０９と保護膜１１３は正反対の方向に同じ量変形する力がかかるため、振動板１０９は変形しない。

なお、上述したように、板材の変形量は、材料のヤング率だけでなく、板厚も影響する。そのため、振動板１０９と保護膜１１３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される。振動板１０９と保護膜１１３の材料のヤング率が同じでも、膜厚に違いがあればインク吐出可能である。

次に、インクジェットヘッド１０の製造方法の一例について説明する。まず、圧力室２０１が形成される前の圧力室構造体２００（シリコンウエハ）に、振動板１０９の第１の部分５０５を形成する。第１の部分５０５を形成するＳｉＯ_２膜は、ＣＶＤ法によって、圧力室構造体２００の取付面２００ａの全域に成膜される。次に、第２の部分５０６を形成するＳｉＮ膜を、ＣＶＤ法によって、第１の部分５０５の上に成膜する。なお、ＳｉＯ_２膜は、熱酸化によって成膜されても良い。また、ＳｉＮ膜は、スパッタリング法によって成膜されても良い。

図４は、振動板１０９が成膜された圧力室構造体２００を示す断面図である。振動板１０９の成膜時、圧力室構造体２００は数百度に加熱される。振動板１０９の成膜後、圧力室構造体２００は常温下に戻される。常温下に戻ることで、圧力室構造体２００および振動板１０９が収縮する。

振動板１０９の第１の部分５０５の第２の膨張係数は、圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも小さい。言い換えると、圧力室構造体２００は、第１の部分５０５よりも大きく収縮しようとする。このため、図４に矢印で示すように、第１の部分５０５に圧縮応力が生じる。

第２の部分５０６の第３の膨張係数は、第１の部分５０５の第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近く、第２の膨張係数よりも大きい。言い換えると、第２の部分５０６は、第１の部分５０５よりも大きく収縮しようとする。このため、図４に矢印で示すように、第２の部分５０６に引張応力が生じる。

上記のように、第１の部分５０５と第２の部分５０６とに逆方向の応力が生じる。これにより、第１の部分５０５に生じる圧縮応力と、第２の部分５０６に生じる引張応力とが打消し合う。

次に、振動板１０９をパターニングし、ノズル１０１を形成する。パターニングは、振動板１０９上にエッチングマスクを作り、エッチングマスク以外の振動板１０９をエッチングによって除去することで行う。

次に、振動板１０９の第２の面５０２に、共有電極１０６を成膜する。まず、スパッタリング法を用いてＴｉとＰｔを順番に成膜する。なお、共有電極１０６は、蒸着および鍍金のような他の製法によって形成されても良い。

共有電極１０６を成膜した後に、パターニングによって、複数の電極部分１０６ａ、配線部、二つの共有電極端子部１０５を形成する。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う。

共有電極１０６の電極部分１０６ａの中心にノズル１０１が形成されるため、電極部分１０６ａの中心と同心円の電極膜がない部分が形成される。共有電極１０６をパターニングすることで、共有電極１０６の電極部分１０６ａ、配線部、および共有電極端子部１０５以外では、振動板１０９が露出している。

次に、共有電極１０６上に圧電体膜１１１を形成する。圧電体膜１１１は、例えばＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜される。圧電体膜１１１は、成膜後、圧電体膜１１１に圧電性を付与するために、５００℃で３時間熱処理される。これにより、圧電体膜１１１は良好な圧電性能を得る。圧電体膜１１１は、例えば、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）、水熱合成法のような他の製法によって形成されても良い。圧電体膜１１１を、エッチングによってパターニングする。

圧電体膜１１１の中心にはノズル１０１が形成されるため、圧電体膜１１１と同心円の圧電体膜がない部分が形成される。圧電体膜１１１のない部分では、振動板１０９が露出している。圧電体膜１１１は、共有電極１０６の電極部分１０６ａを覆う。

次に、圧電体膜１１１の一部と共有電極１０６の一部との上に、絶縁膜１１２を形成する。絶縁膜１１２は、良好な絶縁性を低温成膜にて実現できるＣＶＤ法によって形成される。絶縁膜１１２は、成膜後にパターニングされる。パターニング加工バラツキによる不具合を抑制するため、絶縁膜１１２は圧電体膜１１１を一部覆う。絶縁膜１１２は、圧電体膜１１１の変形量を阻害しない程度に圧電体膜１１１を覆う。

次に、振動板１０９、圧電体膜１１１、および絶縁膜１１２の上に配線電極１０８を形成する。配線電極１０８は、スパッタリング法によって成膜される。配線電極１０８は、真空蒸着および鍍金のような他の製法によって形成されても良い。

成膜された配線電極１０８をパターニングすることで、電極部分１０８ａ、配線部、および配線電極端子部１０７を形成する。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う。

配線電極１０８の電極部分１０８ａの中心にノズル１０１が形成されるため、配線電極１０８の電極部分１０８ａの中心と同心円の電極膜がない部分が形成される。配線電極１０８の電極部分１０８ａは、圧電体膜１１１を覆う。

次に、振動板１０９、配線電極１０８、共有電極１０６、および絶縁膜１１２の上に保護膜１１３を成膜する。保護膜１１３は、ポリイミド前駆体を含有した溶液をスピンコーティング法によって成膜した後に、ベークによって熱重合と溶剤除去を行って形成する。スピンコーティング法で成膜することにより、表面が平滑な膜が形成される。保護膜１１３は、例えば、ＣＶＤ、真空蒸着、および鍍金のような他の方法によって形成されても良い。

次に、パターニングによって、共有電極端子部１０５および配線電極端子部１０７を露出させるとともに、ノズル１０１を開口させる。保護膜１１３に非感光性ポリイミドを使用した場合において、パターニングは、非感光性ポリイミド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ポリイミド膜をエッチングによって除去することで行われる。

次に、保護膜１１３の上に保護膜カバーテープを貼り付ける。前記保護膜カバーテープが貼り付けられた圧力室構造体２００を上下反転し、圧力室構造体２００に複数の圧力室２０１を形成する。

詳しく述べると、まず、保護膜１１３の上に前記保護膜カバーテープを貼り付ける。前記保護膜カバーテープは、例えば、シリコンウエハの化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）用の裏面保護テープである。

シリコンウエハである圧力室構造体２００上にエッチングマスクを作り、シリコン基板専用のいわゆる垂直深堀ドライエッチングを用いて、エッチングマスク以外のシリコンウエハを除去する。これにより、圧力室２０１が形成される。

上記エッチングに用いられるＳＦ６ガスは、振動板１０９のＳｉＯ_２膜およびＳｉＮ膜や保護膜１１３のポリイミド膜に対してはエッチング作用を及ぼさない。そのため、圧力室２０１を形成するシリコンウエハのドライエッチングの進行は、振動板１０９で止まる。

なお、上述のエッチングは、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のような、種々の方法を用いて良い。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良い。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除去される。

次に、圧力室構造体２００に、セパレートプレート３００およびインク供給路構造体４００を接着する。すなわち、インク供給路構造体４００が接着されたセパレートプレート３００を、エポキシ樹脂剤で圧力室構造体に接着する。

次に、保護膜１１３にカバーテープを貼り付け、共有電極端子部１０５および配線電極端子部１０７を覆う。前記カバーテープは樹脂によって形成され、保護膜１１３から容易に脱着可能である。前記カバーテープは、共有電極端子部１０５および配線電極端子部１０７へのゴミの付着や、後述する撥インク膜１１６の付着を防止する。

次に、保護膜１１３上に撥インク膜１１６を形成する。撥インク膜１１６は、保護膜１１３上に液状の撥インク膜材料をスピンコーティングすることによって成膜される。この際、インク供給口４０１より陽圧空気を注入する。これにより、インク供給路４０２と繋がったノズル１０１から陽圧空気が排出される。この状態で、液体の撥インク膜材料を塗布すると、ノズル１０１内壁に撥インク膜材料が付着することが抑制される。

撥インク膜１１６が形成された後、前記カバーテープを保護膜１１３から剥がす。これにより、図３に示すインクジェットヘッド１０が形成される。インクジェットヘッド１０は、インクジェットプリンタ１の内部に搭載される。さらに、共有電極端子部１０５および配線電極端子部１０７に前記駆動回路が接続される。

第１の実施形態のインクジェットプリンタ１によれば、振動板１０９が、第２の膨張係数を有する第１の部分５０５と、第３の膨張係数を有する第２の部分５０６とを含んでいる。第２の膨張係数は圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも小さいが、第３の膨張係数は第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近い。

第１の膨張係数と第２の膨張係数との差により、第１の部分５０５に圧縮応力または引張応力が生じる。一方、第３の膨張係数が第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近いため、第２の部分５０６に、第１の部分５０５に生じるよりも小さい応力か、または第１の部分５０５とは逆方向の応力が生じる。これにより、第１の部分５０５に生じる応力を、第２の部分５０６に生じる応力が軽減し、または打消す。したがって、振動板１０９全体に生じる応力が低減され、圧力室構造体２００および振動板１０９に生じる反りを抑制することができる。

第２の膨張係数を有する第１の部分５０５は、圧力室構造体２００の取付面２００ａに固定されている。第３の膨張係数を有する第２の部分５０６は、第１の部分５０５に重ねられている。このため、第１の部分５０５に生じる圧縮応力を、第２の部分５０６に生じる引張応力が打ち消す。したがって、圧力室構造体２００および振動板１０９に生じる反りを抑制することができる。

なお、第２の部分５０６が圧力室構造体２００の取付面２００ａに固定され、第１の部分５０５が第２の部分５０６に重ねられても良い。この場合、ＳｉＮによって形成された第２の部分５０６は、圧力室構造体２００よりも収縮量が小さい。このため、第２の部分５０６に圧縮応力が生じる。

ＳｉＯ_２によって形成された第１の部分５０５は、第２の部分５０６よりも収縮量が小さい。このため、第１の部分５０５に圧縮応力が生じる。第１の部分５０５に生じる圧縮応力は、第２の部分５０６に生じる圧縮応力よりも小さい。

このような振動板１０９全体に生じる圧縮応力は、振動板１０９がＳｉＯ_２のみによって形成された場合に生じる圧縮応力よりも小さい。すなわち、振動板１０９が第１および第２の部分５０５，５０６を含むことにより、振動板１０９に生じる応力が低減され、振動板１０９および圧力室構造体２００に生じる反りを抑制できる。

また、第１の実施形態では、第１の部分５０５の第２の膨張係数が、圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも小さいが、第２の膨張係数はこれに限らない。すなわち、第２の膨張係数は、第１の膨張係数より大きくても良い。第１の部分５０５は、例えばＺｒＯ_２によって形成されても良い。

第２の膨張係数が第１の膨張係数より大きい場合、振動板１０９の第１の部分５０５は、圧力室構造体２００よりも大きく収縮しようとする。このため、第１の部分５０５に、引張応力が生じる。

第２の部分５０６の材料は、膨張係数が第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近いものが用いられる。例えば、第２の部分５０６は、ＳｉＮによって形成される。すなわち、第２の部分５０６の第３の膨張係数は、第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近く、第２の膨張係数よりも小さい。

第３の膨張係数が第１の膨張係数よりも小さいため、振動板１０９の第２の部分５０６は、第１の部分５０５よりも収縮量が小さい。このため、第２の部分５０６に、圧縮応力が生じる。

上記のように、第１の部分５０５と第２の部分５０６とに、逆方向の応力が生じる。これにより、第１の部分５０５に生じる応力を、第２の部分５０６に生じる応力が軽減し、または打消す。したがって、振動板１０９全体に生じる応力が低減され、圧力室構造体２００および振動板１０９に生じる反りを抑制することができる。

次に、図５を参照して、第２の実施の形態について説明する。なお、以下に開示する少なくとも一つの実施形態において、第１の実施形態のインクタンク１１と同一の機能を有する構成部分には同一の参照符号を付す。さらに、当該構成部分については、その説明を一部または全て省略することがある。

図５は、第２の実施の形態に係るインクジェットヘッド１０を示す断面図である。第２の実施形態において、振動板１０９の第１の部分５０５に、複数の連続部６０１がある。

連続部６０１は、第１の部分５０５に設けられた円形の孔である。連続部６０１は、圧力室２０１に対応して配置され、ノズル１０１および圧力室２０１と同心軸上に位置している。連続部６０１の外径は、圧力室２０１の外径と同じであるが、圧力室２０１の外径と異なっていても良い。連続部６０１が設けられることで、振動板１０９の第２の部分５０６が、圧力室２０１を塞ぐ。

連続部６０１は、例えばエッチングによって形成される。圧力室２０１が形成された後、振動板１０９の第１の部分５０５を形成するＳｉＯ_２膜がエッチングによって除去される。当該エッチングにおいて、第２の部分５０６を形成するＳｉＮ膜には、エッチング作用が及ぼされない。第１の部分５０５のエッチングの進行は、第２の部分５０６で止まる。

第２の実施形態のインクジェットプリンタ１によれば、第１の部分５０５に、複数の連続部６０１が設けられている。言い換えると、第１の部分５０５の一部が除去される。これにより、第１の部分５０５の全体に生じる応力が軽減され、圧力室構造体２００および振動板１０９に生じる反りを抑制することができる。

次に、図６および図７を参照して、第３の実施の形態について説明する。図６は、第３の実施の形態に係るインクジェットヘッド１０を示す断面図である。図６に示すように、第３の実施形態の振動板１０９は、複数の第１の部分５０５と、第２の部分５０６とを有している。

第３の実施形態の第１の部分５０５は、円板状に形成されている。複数の第１の部分５０５は、複数の圧力室２０１に対応して配置され、ノズル１０１および圧力室２０１と同心軸上に位置している。第１の部分５０５の外径は、圧力室２０１の外径と同じであるが、圧力室２０１の外径と異なっていても良い。第１の部分５０５は、圧力室２０１を塞いでいる。

第２の部分５０６は、圧力室構造体２００の取付面２００ａの全域に亘って設けられている。第２の部分５０６は、複数の第１の部分５０５の周りに設けられている。言い換えると、第２の部分５０６に設けられた複数の孔に、複数の第１の部分５０５が嵌め込まれている。なお、第１の部分５０５の外周と、第２の部分５０６に設けられた孔の内周との間は、離れていても良く、または圧力室構造体２００の一部が介在しても良い。

第２の部分５０６は、第１の部分５０５と共に、第１の面５０１および第２の面５０２を形成している。言い換えると、第２の部分５０６の圧力室構造体２００に向く面は、第１の部分５０５の圧力室構造体２００に向く面と面一に形成される。第２の部分５０６の圧力室構造体２００と反対側の面は、第１の部分５０５の圧力室構造体２００と反対側の面と面一に形成される。

第３の実施形態において、振動板１０９の複数の第１の部分５０５は、例えばＣＶＤ法によって圧力室構造体２００の取付面２００ａに形成されたＳｉＯ_２膜をエッチングすることによって形成される。例えば、形成されたＳｉＯ_２膜上に複数のエッチングマスクを形成し、エッチングマスク以外のＳｉＯ_２膜をエッチングによって除去する。

第２の部分５０６も、例えばＣＶＤ法によって圧力室構造体２００の取付面２００ａに形成されたＳｉＮ膜をエッチングすることによって形成される。例えば、第１の部分５０５が形成された以外の場所に複数のエッチングマスクを形成し、エッチングマスク以外のＳｉＮ膜をエッチングによって除去する。これにより、振動板１０９の第１および第２の部分５０５，５０６が形成される。

図７は、第３の実施形態の振動板１０９が成膜された圧力室構造体２００を示す断面図である。振動板１０９の第１の部分５０５の第２の膨張係数は、圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも小さい。言い換えると、圧力室構造体２００は、第１の部分５０５よりも大きく収縮しようとする。このため、図７に矢印で示すように、第１の部分５０５に圧縮応力が生じる。

第２の部分５０６の第３の膨張係数は、第１の膨張係数よりも小さく、第１の部分５０５の第２の膨張係数よりも第１の膨張係数に近く、そして第２の膨張係数よりも大きい。言い換えると、第２の部分５０６は、圧力室構造体２００よりも収縮量が小さいが、第１の部分５０５よりも収縮量が大きい。このため、図７に矢印で示すように、第２の部分５０６に、第１の部分５０５に生じるよりも小さい圧縮応力が生じる。

以上のように、複数の第１の部分５０５に大きい圧縮応力が生じる一方、第２の部分５０６に小さい圧縮応力が生じる。これにより、振動板１０９の全体に生じる圧縮応力が、第１の部分５０５に生じる圧縮応力よりも小さくなる。

上記のように、第１の部分５０５と第２の部分５０６とに、強さが異なる応力が生じる。これにより、第１の部分５０５に生じる大きい圧縮応力が、第２の部分５０６に生じる小さい圧縮応力に緩和される。

第３の実施形態のインクジェットプリンタ１によれば、膨張係数が圧力室構造体２００に近い第２の部分５０６が第１の部分５０５を囲む構造とすることで、振動板１０９および圧力室構造体２００の全体に作用する応力を低減できる。また、圧力室構造体２００との膨張係数の差が大きい第１の部分５０５が、圧力室２０１を覆う領域にのみ設けられる。このため、振動板１０９および圧力室構造体２００に作用する応力を低減できる。これにより、振動板１０９および圧力室構造体２００に反りが生じることを抑制できる。

なお、第２の部分５０６の第３の膨張係数が、圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも大きくても良い。この場合、第２の部分５０６に引張応力が生じ、第１の部分５０５に生じる圧縮応力を相殺する。これにより、振動板１０９および圧力室構造体２００の反りを抑制できる。

また、複数の第２の部分５０６が圧力室２０１を塞ぎ、第１の部分５０５が第２の部分５０６の周りに設けられても良い。すなわち、第１の部分５０５に設けられた複数の孔に、複数の第２の部分５０６が嵌り込む。振動板１０９が第１および第２の部分５０５，５０６を含むため、振動板１０９全体に生じる応力が低減され、振動板１０９および圧力室構造体２００に生じる反りを抑制できる。

次に、図８を参照して、第４の実施の形態について説明する。図８は、第４の実施の形態に係るインクジェットヘッド１０を示す断面図である。図８に示すように、第４の実施形態の第２の部分５０６は、圧力室構造体２００と一体に形成されている。言い換えると、第２の部分５０６は、圧力室構造体２００の一部によって形成されている。すなわち、第２の部分５０６はシリコンウエハによって形成されており、第３の膨張係数は第１の膨張係数と同じ４×１０^−６［Ｋ^−１］である。

第２の部分５０６は、第３の実施形態と同様に、複数の第１の部分５０５の周りに設けられている。図８において、第２の部分５０６は二点鎖線によって圧力室構造体２００と区別される。

第４の実施形態において、振動板１０９は以下のように形成される。まず、圧力室構造体２００を形成するシリコンウエハの複数の部分に、エッチングによって複数の窪みを形成する。当該複数の部分は、第１の部分５０５が設けられる部分である。シリコンウエハに窪みを形成することで、第２の部分５０６が形成される。

次に、前記複数の窪みにＣＶＤ法によってＳｉＯ_２膜を形成する。当該ＳｉＯ_２膜をエッチングすることによって、複数の第１の部分５０５が形成される。例えば、複数の窪みに形成されたＳｉＯ_２膜上に複数のエッチングマスクを形成し、エッチングマスク以外のＳｉＯ_２膜をエッチングによって除去する。これにより、振動板１０９の第１および第２の部分５０５，５０６が形成される。

振動板１０９の第１の部分５０５の第２の膨張係数は、圧力室構造体２００の第１の膨張係数よりも小さい。言い換えると、圧力室構造体２００は、第１の部分５０５よりも大きく収縮しようとする。このため、第１の部分５０５に圧縮応力が生じる。

第２の部分５０６の第３の膨張係数は、第１の膨張係数と等しい。言い換えると、第２の部分５０６は、圧力室構造体２００と同じように収縮する。このため、第２の部分５０６は、圧力室構造体２００との関係で応力を生じない。

以上のように、複数の第１の部分５０５に大きい圧縮応力が生じる一方、第２の部分５０６に応力は生じない。これにより、振動板１０９の全体に生じる圧縮応力が、第１の部分５０５に生じる圧縮応力よりも小さくなる。

上記のように、第１の部分５０５に応力が生じる一方、第２の部分５０６に応力が生じない。これにより、第１の部分５０５に生じる大きい圧縮応力が緩和される。

第４の実施形態のインクジェットプリンタ１によれば、第２の部分５０６が圧力室構造体２００と一体に形成される。すなわち、第２の部分５０６は成膜のような工程無しに形成される。これにより、工程数および材料数が低減でき、インクジェットプリンタ１の製造コストを低減できる。

以上述べた少なくとも一つのインクジェットヘッドおよび画像形成装置によれば、振動板が、基材の第１の膨張係数と異なる第２の膨張係数を有する第１の部分と、前記第２の膨張係数よりも前記第１の膨張係数に近い第３の膨張係数を有する第２の部分とを有する。これにより、基材に作用する応力を低減させ、基材の反りを抑制できる。

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。

例えば、ノズル１０１が開口部の一例であったが、開口部はこれに限らない。例えば、振動板１０９にノズル１０１よりも大きい開口部が設けられ、保護膜１１３によって当該開口部の内側にノズル１０１が形成されても良い。

１…インクジェットプリンタ、１０…インクジェットヘッド、１０２…アクチュエータ、１０９…振動板、２００…圧力室構造体、２００ａ…取付面、２０１…圧力室、５０１…第１の面、５０２…第２の面、５０５…第１の部分、５０６…第２の部分。

Claims (4)

1. 取付面と、前記取付面に開口する圧力室とを有し、第１の膨張係数を有する基材と、
   前記基材の前記取付面に固定される第１の面と、前記第１の面の反対側に位置する第２の面と、前記圧力室に開口する開口部と、前記第１の膨張係数と異なる第２の膨張係数を有する第１の部分と、前記第２の膨張係数よりも前記第１の膨張係数に近い第３の膨張係数を有する第２の部分と、を含む振動板と、
   前記振動板の前記第２の面に設けられ、前記振動板を変形させて前記圧力室の容積を増大または減少させる圧電素子と、
   を具備し、
   前記振動板の前記第１の部分および前記第２の部分の一方が前記基材の前記取付面に固定され、
   前記振動板の前記第１の部分および前記第２の部分の他方が、前記基材の前記取付面に固定された前記第１の部分または前記第２の部分に重ねられることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記振動板の前記第１の部分および前記第２の部分の一方が前記圧力室を塞ぎ、
   前記振動板の前記第１の部分および前記第２の部分の他方は、前記圧力室を塞ぐ前記第１の部分または前記第２の部分の周りに設けられるとともに、前記第１の部分または前記第２の部分と共に前記振動板の前記第１の面および前記第２の面を形成す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. 前記振動板の前記第１の部分が前記圧力室を塞ぎ、
   前記振動板の前記第２の部分が、前記基材と一体に形成され、前記第１の部分の周りに設けられるとともに、前記第１の部分と共に前記振動板の前記第１の面および前記第２の面を形成す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。
4. 請求項１ないし３のいずれか一つに記載のインクジェットヘッドと、
   画像形成のためのインクが貯蔵され、前記インクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクとを具備することを特徴とする画像形成装置。

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