JP5732428B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

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し、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、インク流路にある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す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、電圧を力に変換する素子である。この圧電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、圧電性材料で形成したノズル基板を用いた構成が知られている。このインクジェットヘッドでは、電極がノズル基板の両面に、ノズルを囲むように形成されている。インクはノズル基板とノズル基板を支える基板との間に入り込む。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。ノズル基板の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する。圧電素子が振動することにより、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する。ノズル基板の圧電素子を励振すると、振動エネルギーが液滴吐出開口の周縁部から中心に向かって集中し、インク表面から垂直な方向へインク滴が吐出するようになっている。

特開平１０−５８６７２号公報

圧電素子に対し、複数のノズルを、精度良く、且つ、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。

実施形態のインクジェットヘッドは、第１の直径を有する開口を備える振動板と、前記開口に連通し、前記振動板の一方の面に配置されるインク圧力室と、前記振動板の他方の面上に形成される第１の電極と、前記開口を囲む領域で前記第１の電極上に形成され、駆動電圧により前記振動板を変形させ前記インク圧力室を拡張または収縮させる圧電体膜と、前記圧電体膜の上に形成される第２の電極と 少なくとも前記振動板と第２電極の上に形成され、前記振動板の開口内に前記第１の直径より小さい直径を有するインクを吐出させるノズルが設けられた樹脂性保護膜と、前記インク圧力室にインクを供給するインク供給手段と、を備えることを特徴とする。

第１の実施形態のインクジェットヘッドの分解斜視図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドの分解斜視図であって、図１とは別の例を示す図。 第１の実施形態におけるインクジェットヘッドの平面図。 図３に示すインクジェットヘッドを、Ａ‐Ａ’軸に関して、左側から右側に向けて見た断面図。 図４の次工程であって、振動板上に成膜した共有電極を示す図。 図５の次工程であって、共有電極上に形成した圧電体膜を示す図。 図６の次工程であって、共有電極上および圧電体膜上に形成した絶縁膜を示す図。 図７の次工程であって、共有電極上、圧電体膜上および振動板上に形成した配線電極を示す図。 図８の次工程であって、パターニングにより振動板の一部を穿いた状態を示す図。 図９の次工程であって、振動板、配線電極、共有電極、および絶縁膜上に成膜した保護膜を示す図。 図１０の次工程であって、上下反転されたインク圧力室構造体に対し、インク圧力室構造体が形成された状態を示す図。 図１１の次工程であって、インク圧力室構造体にセパレートプレートとインク供給路構造体を接着した状態を示す図。 図１２の次工程であって、保護膜の配線電極端子部１０４上に、電極端子部カバーテープを貼り付けた状態を示す図。 図１３の次工程であって、保護膜上に撥インク膜を形成した状態を示す図。 図４〜図１４の工程を経て完成したインクジェットヘッドの断面図。 図３におけるインクジェットヘッドのＢ−Ｂ´断面図。 図３におけるインクジェットヘッドのＣ−Ｃ´断面図。 第２の実施形態のインクジェットヘッドを示す図。 第３の実施形態のインクジェットヘッドを示す図。 第４の実施形態のインクジェットヘッドを示す図。 第４の実施形態のインクジェットヘッドを示す図であって、図２０とは別の例を示す図。 図２１のノズルプレートを、インク吐出側から見た平面図。 図２２におけるインクジェットヘッドのＦ−Ｆ´断面図。 図２２におけるインクジェットヘッドのＧ−Ｇ´断面図。 第５の実施形態のインクジェットヘッドを示す図。 第５の実施形態のインクジェットヘッドを示す図であって、図２５とは別の例を示す図。 第６の実施形態のインクジェットヘッドを示す図。 第６の実施形態のインクジェットヘッドを示す図であって、図２７とは別の例を示す図。

以下、実施形態について、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の実施形態が適用され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に繋がるインク絞り３０１（インク圧力室へのインク供給用開口）がある。

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が設けられ、複数のインク圧力室２０１は、インク絞り３０１を通してインク供給路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。

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７２５μｍのシリコンウエハで作成している。各インク圧力室２０１は、直径２４０μｍ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がある。

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６０μｍとなっている。インク絞り３０１は、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のステンレスである。インク供給路４０２はステンレス表面から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。インク供給口４０１は各インク圧力室２０１へのインク流路抵抗がほぼ同程度になるように作られている。

図２は、図１と異なり、インク供給路４０２内でインクが循環されるように、循環インク供給口４０３と循環インク排出口４０４が、インク供給路４０２の両端付近に配置された構成である。

インクが循環することにより、インク供給路４０２内のインク温度を一定に保つことができる。よって図１のインクジェットヘッドと比べて、ノズルプレート１００の変形によって発生した熱によるインクジェットヘッド内の温度上昇を抑制する効果がある。

ノズルプレート１００は、インク圧力室構造体２００の上に、後述する成膜プロセスにて形成された一体構造である。

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はシリコンウエハ、セパレートプレート３００、インク供給路構造体４００はステンレスで作成したが、これら構造体２００、３００、４００の材料は、シリコンウエハ、ステンレスに限定されない。構造体２００、３００、４００はノズルプレート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、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、などの材料が挙げられる。

図３を参照し、ノズルプレート１００の構成について説明する。図３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ノズル１０１、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アクチュエータ１０２がある。また、ノズルプレート１００はアクチュエータ１０２を駆動するための信号を伝送する配線電極１０３と共有電極１０７がある。さらに、ノズルプレート１００は配線電極１０３の一部である、インクジェットヘッド１の外部からインクジェットヘッド１を駆動する信号を受ける配線電極端子部１０４、同様に、共有電極１０７の一部である、インクジェットヘッド１を駆動する信号を受ける共有電極端子部１０５を有している。

アクチュエータ１０２、配線電極１０３、配線電極端子部１０４、共有電極１０７、共有電極端子部１０５は、振動板１０６上に形成される。

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の動作によって振動板１０６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に供給されたインクを吐出する。全てのノズル１０１は同じ動作である。

ノズル１０１は円筒形状となっており、直径２０μｍである。

アクチュエータ１０２は圧電体膜で構成されている。圧電体膜と圧電体膜を挟む２つの電極（配線電極１０３と共有電極１０７）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振動板１０６が、ノズルプレート１００の厚み方向に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１７０μｍ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。

アクチュエータ１０２となる圧電体膜１０８の動作についてさらに説明する。圧電体膜１０８は膜厚に対して直交する方向（面内方向）に収縮または伸張する。圧電体膜が収縮すると、圧電体膜１０８が結合された振動板１０６はインク圧力室２０１を拡張する方向へ湾曲する。インク圧力室２０１を拡張する湾曲はインク圧力室２０１内の貯留するインクに負圧力を発生させる。発生した負圧によりインク供給手段４００からインクがインク圧力室２０１内に供給される。圧電体膜１０８が伸張すると、圧電体膜１０８に結合された振動板１０６はインク圧力室の方向へ湾曲する。振動板１０６のインク圧力室２０１方向への湾曲はインク圧力室２０１内に貯留するインクに正圧力を発生させる。発生した正圧により振動板１０６に設けられたノズル１０１からインク滴が吐出する。インク圧力室２０１の拡張または収縮時、振動板のノズル近傍は圧電体膜の変位によってインクが吐出する方向に変形することになる。言い換えれば、インクを吐出させるアクチュエータはベンディングモードで動作している。

中心にノズル１０１を配置したアクチュエータ１０２は直径１７０μｍの圧電体膜で構成されているので、より高密度にノズル１０１を配置するためにアクチュエータ１０２は千鳥状（互い違い）に配置されている。図３のＸ軸方向に複数のノズル１０１が直線状に配置される。Ｙ軸方向に直線状のノズル列が２列ある。Ｘ軸方向で隣接するノズル１０１の中心間距離は３４０μｍ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２４０μｍとなっている。このように配置することで、配線電極１０３はＸ軸方向で２つのアクチュエータ１０２間を通って形成される。

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（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、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１μｍ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から５μｍ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。複数の配線電極１０３は圧電体膜に対しては吐出側に成膜されている。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大径の円形の電極部分と配線部、配線電極端子部１０４で構成される。円形の電極部分の中心にはノズル１０１が形成されるため、ノズル１０１と同心円状に配線電極膜がない部分ができる。

複数の配線電極１０３は、Ｐｔ（白金）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１０３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の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。

共有電極１０７は、圧電体膜に繋がる２つの電極の他方であり、圧電体膜に対してはインク圧力室２０１側に成膜されている。共有電極１０７は、各圧電体膜に共有して繋がり、共通電極として作用する。共有電極１０７は、円形の圧電体膜より小径の円形の電極部分、アクチュエータ１０２から個別電極配線部と反対方向に配置されノズルプレート１００のＸ軸方向両端で集結された配線部、共有電極端子部１０５で構成される。円形の電極部分の中心にはノズル１０１が形成されるため、配線電極膜と同様に、ノズル１０１と同心円状に共有電極膜がない部分ができる。

共有電極１０７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。共有電極１０７の他の電極材料として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ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。共有電極１０７の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。

配線電極端子部１０４と共有電極端子部１０５は、外部駆動回路からアクチュエータ１０２を駆動するための信号を受信するために設けられている。配線電極１０３と共有電極１０７はアクチュエータ１０２の間を通して配線するため、この実施例では配線幅は８０μｍ程度となる。

共有電極端子部１０５は、個別配線端子部１０４の両側にある。各配線電極端子部１０４の間隔は１７０μｍとなるので、配線電極１０３の配線幅に比べて配線電極端子部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の接続は容易になっている。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。

図３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。

図４から図１５はインクジェットヘッドの加工プロセス毎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、またはスピンコーティングによって成膜し、作成している。

図４はインク圧力室構造体２００上に振動板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、鏡面研磨されたシリコンウエハをインク圧力室構造体２００に用いている。ノズルプレート１００を作成するプロセスにおいて、加熱、薄膜の成膜を繰り返すため、耐熱性のあるシリコンウエハを利用している。シリコンウエハは、ＳＥＭＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）規格に準じた、厚さ５２５〜７７５μｍの平滑化されたものである。シリコンウエハの代わりに、耐熱性があるセラミックス、石英あるいは各種金属の基板を使うことも可能である。

振動板１０６は、ＣＶＤ法成膜したＳｉＯ_２膜（酸化ケイ素）を用いた。インク圧力室構造体２００上の全面に膜厚２μｍの成膜を行った。

振動板１０６の膜厚は１から５０μｍの範囲が望ましい。ＳｉＯ_２に代えて、ＳｉＮ（窒化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）を用いることもできる。振動板１０６の材料選択は、耐熱性、絶縁性（導電率の高いインクを使用時にアクチュエータ１０２駆動によるインク変質の影響を考慮）、熱膨張係数、平滑性、インクに対する濡れ性も考慮して行っている。

図５は、振動板１０６上に成膜した共有電極１０７の成膜を示している。電極材料は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。Ｔｉの膜厚は０．４５μｍとし、Ｐｔ膜厚は０．０５μｍとした。

電極を成膜した後に、アクチュエータ１０２と配線部、共有電極端子部１０５に適した形状に電極膜をパターニングし共有電極１０７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。

共有電極１０７の圧電体膜１０８に相当する部分は、圧電体膜の外径より小さく、外径１６６μｍの円形パターンになっている。円形の共有電極１０７の中心にノズル１０１が形成されるため、円形共有電極１０７の中心から同心円で直径３４μｍの電極膜がない部分を形成した。共有電極１０７をパターニングすることで、共有電極１０７の円形部と配線部以外は振動板１０６が露出している。

図６は共有電極１０７上に形成した圧電体膜１０８を示している。共有電極１０７、振動板１０６上に、圧電体膜１０８を形成する。圧電体膜１０８はＰＺＴを用いている。１μｍ厚の圧電体膜１０８を基板温度３５０℃にて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℃３時間の熱処理を行った。ＰＺＴ薄膜は成膜すると、共有電極１０７から膜厚方向に沿って、分極が発生する。

圧電体膜１０８のパターニングは、エッチングによって行った。圧電体膜１０８上に感光性レジストを塗布した後に、プリベークを行い、所望のパターンが形成されたマスクを用いて露光を行い、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１０８を得た。

圧電体膜１０８のパターンは外径１７０μｍ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１０８の中心から同心円で直径３０μｍの圧電体膜がない部分を形成した。直径３０μｍの圧電体膜のない部分は、振動板１０６が露出している。円形の圧電体膜がない部分の直径が３０μｍであり、円形の共有電極１０７がない部分の直径が３４μｍであるので、圧電体膜１０７がアクチュエータ１０２を構成する共有電極１０７を覆うように形成される。圧電体膜１０８が共有電極１０７を覆うことで、共有電極１０７と圧電体膜１０８に電圧を印加するためのもう一方の配線電極１０３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を駆動するための個別電極となる配線電極１０３と共有電極１０７とを圧電体膜１０７によって絶縁している。

図７は、図３のＤにあたる箇所の圧電体膜１０８と共有電極１０７上の絶縁膜１０９を示している。絶縁膜１０９は、共有電極１０７の配線部とアクチュエータ１０２を構成する配線電極１０３の絶縁を保つために、圧電体膜１０８と共有電極１０７の表面上に絶縁膜を形成する。絶縁膜の厚みは０．２μｍ、材料はＳｉＯ_２とした。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１０９は、圧電体膜１０８と共有電極１０７の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、所望の絶縁薄膜を得た。パターニング加工バラツキ精度を考慮して、絶縁膜１０９は圧電体膜１０８を一部覆うようにパターニングした。絶縁膜１０９が圧電体膜１０８を覆う量は、圧電体膜１０８の変形量を阻害しない程度とした。

図８は、振動板１０６ 、圧電体膜１０８ 、絶縁膜１０９ 上に成膜した配線電極１０３を示している。配線電極１０３はＰｔの膜厚０．５μｍ となっている。配線電極１０３はスパッタリング法によって成膜した。電極を成膜した後に、アクチュエータ１０２と配線部、配線電極端子部１０４に適した形状に電極膜をパターニングし配線電極１０３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。

配線電極１０３の圧電体膜１０８に相当する部分は外径１７４μｍの円形パターンになっている。円形の配線電極１０３の中心にノズル１０１が形成されるため、円形配線電極１０３の中心から同心円で直径２６μｍの電極膜がない部分を形成した。すなわち、アクチュエータ１０２を構成する配線電極１０３は、圧電体膜１０８を覆う形状になっている。

配線電極膜１０３の他の成膜材料として、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕを利用することができる。配線電極膜１０３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。配線電極膜１０９の膜厚は０．０１〜１μｍの範囲が好ましい。

図９は、パターニングにより、アクチュエータ１０２の中心から同心円で直径２６μｍの振動板１０６がない部分が形成された形状を示している。パターニングは、配線電極膜１０３と振動板１０６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１０６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、感光性レジストを配線電極膜１０３と振動板１０６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。

図１０は、振動板１０６、配線電極１０３、共有電極１０７、絶縁膜１０９上に成膜した保護膜１１０を示している。保護膜１１０は、ポリイミドであり膜厚３μｍとなっている。保護膜１１０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、スピンコーティング法で成膜することにより、振動板１０６上に形成されたアクチュエータ１０２、配線電極１０３、共有電極１０７を被覆して、表面が平滑な膜が形成される。パターニングにより、ノズル１０１の直径２０μｍの円形パターン形状と配線電極端子部１０４、図３の共有電極端子部１０５の四角パターン形状を形成した。

インクジェットヘッド１のインク吐出を行うノズル１０１は保護膜１１０で形成され、保護膜１１０の直径２０μｍの円形パターンを囲むように、直径２６μｍの振動板１０６と配線電極１０９の無い円形パターンが形成される。

振動板１０６に設けた直径２６μｍの円形パターンの内壁、および配線電極１０９の表面は保護膜１１０によって被覆される。当然、配線電極端子部に相当する保護膜１１０は除去されている。円形パターン内壁と配線電極１０９を覆う保護膜１１０内に、インク圧力室に連通するインク吐出用ノズルが形成される。

直径２０μｍのノズル１０２を振動板１０６と保護膜１１０の２回のパターニングで形成する場合、エッチングプロセスバラツキやフォトマスクパターン精度バラツキにより、振動板１０６と保護膜１１０のノズル径やノズルの中心位置が異なってしまい、個々のインクジェットヘッド１のノズル形状や、インクジェットヘッド１の内の個々のノズル形状が不均一になり、インク液滴の着弾位置精度が不均一になる可能性がある。本実施形態では、ノズル１０２の形成を保護膜１１０のパターン二ングのみで行うことにより、ノズル形状の均一性が向上し、複数のノズル間のインク液滴の着弾位置精度が向上する効果がある。

保護膜１１０のパターニング方法は、非感光性のポリイミドを使用した場合と感光性ポリイミドを使用した場合で異なる。

非感光性ポリイミドを使用する場合（本実施例においては、東レ株式会社製のセミコファインを使用）、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焼成成形する。その後、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った。エッチングマスクは、感光性レジストを非感光性ポリイミド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。

感光性ポリイミドを使用した場合は（本実施例においては、東レ株式会社製のフォトニースを使用）、スピンコーティング法によって成膜した後、プリベークを行う。その後、露光用のマスクとして、ポジ型感光性ポリイミドの場合は、ノズル１０１、配線電極端子部１０４、共有電極端子部１０５が開口した（光が透過する）マスク、ネガ型感光性ポリイミドの場合は、ノズル１０１、配線電極端子部１０４、共有電極端子部１０５が遮光されたマスクを用いて露光し、現像、工程を経てパターニングを行い、その後、ポストベークを行って焼成成形した。

保護膜１１０は、ポリイミドに代えて、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、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。配線電極１０３、共有電極１０７の絶縁を保てば、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、SUS、チタン、などの材料が挙げられる。他の成膜方法として、ＣＶＤ、真空蒸着、鍍金などを利用することができる。保護膜１１０の膜厚は１〜５０μｍの範囲が好ましい。

更に保護膜１１０の材料選択においては、振動板１０６材料とヤング率が大きく異なる、即ち振動板１０６と保護膜１１０のヤング率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。実施形態においては、振動板１０６のＳｉＯ_２膜のヤング率は８０．６ＧＰａ、保護膜１１０のポリイミド膜のヤング率は１０．９ＧＰａであり、ヤング率は６９．７ＧＰａ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１は、アクチュエータ１０２が振動板１０６と保護膜１１０に挟まれた構造となり、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、振動板１０６はインク圧力室２０１側に対して凹形状に変形する力が負荷される。反対に、保護膜１１０はインク圧力室２０１側に対して凸形状に変形する力が負荷される。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、振動板１０６はインク圧力室２０１側に対して凸形状、保護膜１１０はインク圧力室２０１側に対して凹形状に変形する力が負荷される。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、振動板１０６と保護膜１１０は正反対の向きに変形する力が負荷される。それ故、振動板１０６と保護膜１１０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１０６と保護膜１１０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が変形しないので、インク吐出しない。

本実施の形態においては、保護膜１１０のポリイミド膜の方が、振動板１０６のＳｉＯ_２膜よりヤング率が小さいため、同じ力に対して保護膜１１０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（保護膜１１０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（保護膜１１０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）。

振動板１０６と保護膜１１０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、振動板１０６と保護膜１１０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、振動板１０６と保護膜１１０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。振動板１０６と保護膜１１０の材料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。

その他、保護膜１１０の材料選択においては、耐熱性、絶縁性（導電率の高いインクを使用時にアクチュエータ１０２駆動によるインク変質の影響を考慮）、熱膨張係数、平滑性、インクに対する濡れ性も考慮して行っている。

図１１は、保護膜１１０の上に保護膜カバーテープ１１２を貼り合わせ、インク圧力室構造体２００を上下反転して、インク圧力室構造体２００に形成されたインク圧力室２０１を示している。インク圧力室２０１は直径２４０μｍの円柱形状であり、インク圧力室２０１の中心位置とノズル１０１の中心位置がほぼ一致するように、パターニングされている。図１０とは、上下が反転している。

インク圧力室のパターニング方法について説明する。図１１の保護膜１１０の上に保護膜カバーテープ１１２を貼った。保護膜カバーテープ１１２は、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を用いた。

厚み７２５μｍのシリコンウエハであるインク圧力室構造体２００上にエッチングマスクを作り、住友精密工業株式会社出願のＷＯ２００３／０３０２３９にあるような、シリコン基板専用のＤｅｅｐ−ＲＩＥと呼ばれるは垂直深堀ドライエッチング加工技術を用いて、エッチングマスク以外のシリコンウエハを除去することでインク圧力室２０１を形成した。エッチングマスクは、感光性レジストをインク圧力室構造体２００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。

このシリコン基板専用のＤｅｅｐ−ＲＩＥは、エッチングガスにＳＦ６を用いるが、ＳＦ６ガスは、振動板１０６のＳｉＯ_２膜や保護膜１１０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、インク圧力室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１０６でストップされる。即ち、振動板１０６のＳｉＯ_２膜は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥエッチングのストップ層の役割をする。

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１２は、インク圧力室構造体２００にセパレートプレート３００とインク供給路構造体４００を接着した断面を示す。エポキシ樹脂剤で接着しており、セパレートプレート３００とインク供給路構造体４００の接着後、インク圧力室構造体２００にセパレートプレート３００を接着した。

本実施形態では、ノズルプレート１００とインク圧力室構造体２００をそれぞれ別々に作成し、位置調整してノズルプレート１００とインク圧力室構造体２００を接着剤で結合している。ノズルプレート１００とインク圧力室構造体２００を別々に作成する代わりに、インク圧力室構造体２００の一面を振動板として作成することも可能である。インク圧力室構造体２００の一面上に電極や圧電体膜を形成し、他面側からインク圧力室に相当する位置にインク圧力室構造体２００を貫通しない孔を形成する。インク圧力室構造体２００の一面側には薄い層が残り、この部分が振動板として動作する。この構成方法では、ノズルプレート１００を用いずに、インク圧力室構造体２００の一部をノズルプレート１００として利用することができる。

図１３は、保護膜１１０の配線電極端子部１０４上に、電極端子部カバーテープ１１３を貼り付けた断面を示す。これは、図１２の保護膜カバーテープ１１２側から紫外線照射を行うことにより、保護膜カバーテープ１１２の接着強度が弱めて剥がした後に、図３の配線電極端子部１０４と共有電極端子部１０５の領域に、電極端子部カバーテープ１１３を貼る。このカバーテープは樹脂性であり、接着強度は脱着が容易なセロハンテープ程度の接着強度である。電極端子部カバーテープ１１３は、配線電極端子部１０４と共有電極端子部１０５へのゴミの付着や、後述する撥インク膜１１４成膜時に撥インク膜１１４の付着防止を目的として貼りつける。

図１４は、ノズル１０１内壁以外の保護膜１１０上に撥インク膜１１４を形成した断面を示す。撥インク膜１１４の材料は、撥液性を有するシリコーン系撥液材料、フッ素含有系有機材料であり、実施形態においては市販の旭硝子社製のフッ素含有系有機材料であるサイトップを用いた。撥インク膜１１４の膜厚は１μｍである。

撥インク膜１１４は、保護膜１１０上に液状の撥インク膜材料をスピンコーティングによって成膜する。このスピンコーティングの際、インクジェットヘッド１の固定と合わせて、インク供給路４０１より陽圧空気を注入する。それによりインク供給路４０１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内壁のインク流路に撥インク膜材料が付着することなく、保護膜１１０上のみに撥インク膜１１４が形成される。

図１５に作成したインクジェットヘッド１の断面を示す。インク供給路構造体４００に設けられたインク供給口４０１からインクがインク供給路４０２に供給される。インク供給路のインクは各インク圧力室２０１にインク供給絞り３０１を介して流れ、各ノズル１０１に満たされる。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。

図１６は、図３のＢ−Ｂ´にあたる配線電極端子部１０４と共有電極端子部１０５の断面である。配線電極端子部１０４と共有電極端子部１０５のみ保護膜１１０がエッチングされており、撥インク膜１１４は保護膜１１０上に成膜されていない。

図１７は、図３のＣ−Ｃ´にあたる配線電極１０３と共有電極１０５の配線部の断面である。図８と異なり、配線上に保護膜１１０が形成されており、撥インク膜１１４も保護膜１１０上に成膜されている。

（第２の実施形態）
図１８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の実施形態とアクチュエータ１０２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。

アクチュエータ１０２が長方形となっている。アクチュエータ１０２は幅１７０μｍ、長さ３４０μｍの長方形となっている。ノズル１０１の直径は２０μｍになっている。インク圧力室２０１の形状も圧電体膜１０８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３４０μｍと大きなアクチュエータ１０２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１９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の実施形態とアクチュエータ１０２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。

アクチュエータ１０２が菱形となっている。アクチュエータ１０２は幅１７０μｍ、長さ３４０μｍの菱形となっている。ノズル１０１の直径は２０μｍになっている。インク圧力室２０１の形状もアクチュエータ１０２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。

（第４の実施形態）
図２０に第４の実施形態のインクジェットヘッド１の分解斜視図を示す。第１の実施形態と異なる点は、アクチュエータ１０２がノズル１０１と異なる位置にある。１つのインク圧力室２０１の円形断面の中心から離れた位置に、対応するノズル１０１の中心がある。インク圧力室２０１は、アクチュエータ１０２とノズル１０２を囲んでいる。ノズル１０１がアクチュエータ１０２の領域から離れた位置に設けられていること以外は、第１の実施形態と同じになっている。

図２１は、図２０と異なり、インク供給路４０２内でインクが循環されるように、循環インク供給口４０３と循環インク排出口４０４が、インク供給路４０２の両端付近に配置された構成である。

図２２は、実施形態４のノズルプレート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の円形断面の中心から離れた位置に、対応するノズル１０１の中心がある。圧電体膜の形状は円形である。圧電体膜はノズル１０１とは異なる位置にある。円形の圧電体膜の直径は１７０μｍであるとする。圧電体膜の中心はインク圧力室２０１の円形断面の中心から離れた位置にある。本実施形態では、圧電体膜の中心はインク圧力室２０１の円形断面の中心から離れた位置としたが、インク圧力室２０１の円形断面の中心と圧電体膜の中心が同じでもよい。

図２３は、図２２のＦ−Ｆ´断面図を示す。図１５に示す実施形態１との違いは、アクチュエータ１０２部の共有電極１０７と圧電体膜１０８、配線電極１０３の中心には、ノズルを形成するための円形パターニングによる膜が無い領域が形成されていない。実施形態１と同様に、ノズル１０１は保護膜１１０で形成され、保護膜１１０の直径２０μｍの円形パターンを囲むように、直径２６μｍの円形開口が振動板１０６に形成される。実施形態４の作製プロセスは、実施形態１とパターニング形状がことなるが、それ以外の作製条件は同じである。

図２４は、図２２のＧ−Ｇ´にあたるアクチュエータ１０２部の断面である。図２２のＦ−Ｆ´にあたる図２２と異なる点は、図２２のＨにあたる箇所に、配線電極１０３と共有電極１０７との間に絶縁膜１０９がある。

実施形態１はアクチュエータ１０２部の共有電極１０７と圧電体膜１０８、配線電極１０３の中心に、ノズルを形成するための円形パターニングが必要であったが、実施形態４ではその円形パターニングは不要である。そのため、ノズル形成のための円形パターニング不良によるインク吐出位置精度不良が発生しない。そのため、実施形態１と比較して、インクジェットヘッド１のインク吐出不良歩留まりを向上する効果がある。

図２５に第５の実施形態のインクジェットヘッド１の分解斜視図を示す。第４の実施形態とインク圧力室２０１とアクチュエータ１０２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。

インク圧力室２０１とアクチュエータ１０２が菱形となっている。アクチュエータ１０２は幅１７０μｍ、長さ３４０μｍの菱形となっている。ノズル１０１の直径は２０μｍであり、アクチュエータ１０２とノズル１０２は異なる位置にある。インク圧力室２０１は、アクチュエータ１０２とノズル１０２を囲んでいる。

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。

図２６は、図２５と異なり、インク供給路４０２内でインクが循環されるように、循環インク供給口４０３と循環インク排出口４０４が、インク供給路４０２の両端付近に配置された構成である。

（第６の実施形態）
図２７に第６の実施形態のインクジェットヘッド１の分解斜視図を示す。第４の実施形態とインク圧力室２０１とアクチュエータ１０２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。

インク圧力室２０１とアクチュエータ１０２が長方形となっている。アクチュエータ１０２は幅２５０μｍ、長さ２２０μｍの長方形となっている。ノズル１０１の直径は２０μｍであり、アクチュエータ１０２とノズル１０２は異なる位置にある。インク圧力室２０１は、アクチュエータ１０２とノズル１０２を囲んでいる。

円形の圧電体膜パターンと比べ、面積の大きなアクチュエータ１０２となっているので、インク吐出圧力を大きくすることが可能である。

図２８は、図２７と異なり、インク供給路４０２内でインクが循環されるように、循環インク供給口４０３と循環インク排出口４０４が、インク供給路４０２の両端付近に配置された構成である。

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。

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 配線電極端子部
１０５ 共有電極端子部
１０６ 振動板
１０７ 共有電極
１０８ 圧電体膜
１０９ 絶縁膜
１１０ 保護膜
１１２ 保護膜カバーテープ
１１３ 電極端子部カバーテープ
１１４ 撥インク膜
２００ インク圧力室構造体
２０１ インク圧力室
３００ セパレートプレート
３０１ インク絞り
４００ インク供給路構造体
４０１ インク供給口
４０２ インク供給路
４０３ 循環インク供給口
４０４ 循環インク排出口

Claims (5)

1. 第１の直径を有する開口を備える振動板と、
   前記開口に連通し、前記振動板の一方の面に配置されるインク圧力室と、
   前記振動板の他方の面上に形成される第１の電極と、
   前記開口を囲む領域で前記第１の電極上に形成され、駆動電圧により前記振動板を変形させ前記インク圧力室を拡張または収縮させる圧電体膜と、
   前記圧電体膜の上に形成される第２の電極と
   少なくとも前記振動板と第２電極の上に形成され、前記振動板の開口内に前記第１の直径より小さい直径を有するインクを吐出させるノズルが設けられた樹脂性保護膜と、
   前記インク圧力室にインクを供給するインク供給手段と、を備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 第１の直径を有する開口を備える振動板と、
   前記開口に連通し、前記振動板の一方の面に配置されるインク圧力室と、
   前記振動板の他方の面上に形成される第１の電極と、
   前記開口とは異なる位置で前記第１の電極上に設けられ、駆動電圧により前記振動板を変形させ前記インク圧力室を拡張または収縮させる圧電体膜と、
   前記圧電体膜の上に形成される第２の電極と
   少なくとも前記振動板と第２電極の上に形成され、前記振動板の開口内に前記第１の直径より小さい直径を有するインクを吐出させるノズルが設けられた樹脂性保護膜と、
   前記インク圧力室にインクを供給するインク供給手段と、を備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
3. 前記振動板の材料と前記保護膜の材料のヤング率が異なることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
4. 複数のノズルが形成され、前記第１の電極または前記第２の電極は各々電気的に独立した個別電極となっていることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
5. 前記振動板は、絶縁性材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェットヘッド。

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