JP5760475B2

JP5760475B2 - インクジェットヘッド

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Publication number: JP5760475B2
Application number: JP2011027673A
Authority: JP
Inventors: 加藤　将紀; 将紀加藤; 山口　清; 清山口; 新行内　充; 充新行内
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: US20120206540A1; US8491103B2; JP2012166393A

Description

本発明は、微小液滴を噴射することでパターニングするインクジェットヘッド、特に個別液室に形成された圧電素子に電力を供給することにより圧力変化を発生させ、微小ノズルから液滴を吐出するインクジェットヘッドに関する。

微小液滴を噴射することでパターニングするインクジェットヘッドにおいて、個別液室に圧力変動を発生する方式は複数のものが実用化・製品化されている。例えば、個別液室内にヒータを設置することで液体を気化させ、圧力変動を利用するサーマルインクジェット方式、個別液室にアクチュエータを設置する方式が挙げられ、アクチュエータを用いる手法は、アクチュエータの種類により圧電素子方式，静電方式などが挙げられる。

アクチュエータを用いた方式は、幅広い物性のインクに対応可能である反面、液室配列の高密度化・ヘッドの小型化が困難とされているが、いわゆるＭＥＭＳプロセスを用いることで高密度化する技術が確立されてきている。すなわち、個別液室に薄膜形成技術を用いて振動板，電極，圧電体等を積層したユニモルフ型アクチュエータとすることで、半導体デバイス製造プロセス（フォトリソグラフィ）を用いて個別の圧電素子と電極・配線をパターニングすることで高密度化することができる。

一方、半導体デバイスプロセス（薄膜プロセス）を用いて電極・配線を成膜する場合は、金属・合金をスパッタリング法、ＣＶＤ法等で成膜するため、厚膜形成することが困難となる。具体的には５μｍ以上の膜厚とすることが困難であり、一般的には１μｍ以下の膜厚とすることが、膜応力、製造効率（プロセス時間）の観点から必要とされている。そのため、これらの薄膜プロセスを用いた場合、電極・配線の電気抵抗を下げるためには、電極・配線面積を広くすることが必要となり、その結果としてヘッドサイズが大きくなり、１ウェハあたりのチップ取数が減少し、コストアップ要因となることが課題となっている。

インクジェットヘッドではヘッド１個あたりのノズル配列数、密度を高めることで、１走査あたりの吐出ドット数量を多くすることができ、印字速度を高めることができる。そのため、１ヘッドあたりのノズル配列数、すなわち圧電素子数を増加させる必要がある。このような配列数の多いヘッドの場合、共通電極の取り出しを配列方向のヘッド両端部から引き出す方式が一般的であるが、共通電極の配線抵抗が高い場合は、電圧降下が発生しヘッド中央部に近いノズルでは圧電素子に十分な電圧が印加されず、吐出均一性が悪化する課題がある。前述の薄膜プロセスで電極・配線を形成した場合は、膜厚が薄いため抵抗値が高くなるため上記の傾向はさらに顕著になってくる。また、半導体プロセスを用いてノズル配列密度を高めることができる利点を、配線抵抗により活用できない課題がある。

特許文献１には、共通電極配線を個別液室の並列方向に形成し、並列方向の両端から個別電極形成側に延伸し、かつ個別電極配線を抵抗値の小さい金属で形成することにより吐出均一性を向上するとともに、共通電極配線との間隔を個別電極に凹部パターンを形成することで広げ、耐圧性を高めたインクジェットヘッドに関する技術が開示されている。
特許文献２には、インク供給路を個別液室と同じ高さに形成し、供給路上まで圧電体を延伸し補強することで、供給路上の振動板のクラック等の破損を防止したインクジェットヘッドに関する技術が開示されている。
特許文献３には、下部電極と導通する接続配線層を液室の並列方向に形成することにより共通電極の低抵抗化を図り、吐出ばらつきを低減したインクジェットヘッドに関する技術が開示されている。
特許文献４には、下部電極と導通する積層電極を個別液室外の領域に形成し共通電極とすることで共通電極の低抵抗化を図って吐出ばらつきを低減するとともに、積層電極端部に熱膨張係数の小さい（振動板より大きく、積層電極より小さい）応力緩和層を配置することで、製造工程の温度上昇による電極剥離を防止して、振動板の破損を防止可能としたインクジェットヘッドに関する技術が開示されている。

共通電極の配線抵抗を低減する従来技術として、特許文献１，３，４には、電気抵抗の低い材料を用いた配線層を圧電素子の配列方向に形成し共通電極とすることで吐出均一性を向上する技術が開示されている。しかし、いずれも５μｍ以下の膜厚の金属または導電体を用いて低抵抗化できるとしているが、抵抗値を下げるためには面積を広げる必要がありヘッドサイズが大きくなる課題がある。
ヘッドサイズを小さくするためには、電極・配線の厚膜化が必要であるが、上記の従来技術ではいずれも１μｍ程度の膜厚を想定したものとなっており、１０μｍ以上の厚膜化に対応するために必要な技術が盛り込まれていない。すなわち、厚膜プロセスとして一般的な手法としては、メッキ法（電解メッキ,無電解メッキ）や印刷法（スクリーン印刷，グラビア印刷，フレキソ印刷）などがあるが、いずれも膜厚均一性を保つことが困難なプロセスである。前述の従来技術では、共通電極上を別の基板（例えば、保護基板）との接着面としており、均一な接着が困難である。

薄膜プロセスを用いたインクジェットヘッドでは、インク流路もフォトリソ・エッチングで形成できる。このような場合、Ｓｉ基板上に振動板を成膜し、振動板と対向する側から流路部分をエッチングすることで液室を形成できる。これらの手法については、特許文献２，３に記載されるウェットエッチング等の手法を用いることができる。このような手法を用いて流路を形成した場合、振動板までエッチングする必要があるため、圧電素子が振動板上に形成される個別液室（加圧液室）以外の流路は振動板のみの構成となってしまう。そのため、圧電素子に電圧を印加し駆動した際に、個別液室内のインク圧力が上昇した場合に個別液室に連通するインク供給路の振動板がたわむため、コンプライアンス成分となり圧力を損失してしまい、吐出効率が低減してしまう。また、インク供給路は個別液室からインク供給側への過大なインク流入（逆流）を防ぐために、流路断面積を小さくする必要がある。この場合、インク供給路の幅を個別液室に対して狭くする必要がある。通常、流路幅が狭くなるとエッチングレートが低下するため、インク供給路の高さ（＝深さ）がばらつく傾向となる。この場合、前述のコンプライアンス成分が個別液室毎にばらついてしまうため、圧力ばらつきが発生し、その結果吐出ばらつきになる。

これらの課題に対して、特許文献２ではインク流路上に補強層を配することで対策を行っている。補強層は剛性の高い膜を利用することが開示されており、具体的には圧電体をインク流路上まで形成することで、インク供給路上の振動板の剛性を高めている。また、圧電体に隣接する上部電極または下部電極をインク供給路上に形成しないことで、不活性とし吐出への影響を排除している。しかし、インク供給路上に不活性な圧電体を配置するため、前述の共通電極の低抵抗化のためには、別の領域に低抵抗化用の配線を形成する必要がある。

つまり、特許文献１では、インク供給路はハーフエッチングにより形成されるため、インク供給路部分のコンプライアンスばらつきという課題の発生はなく、高剛性の絶縁膜、多層の電極構成による剛性向上についての言及もない。
特許文献２においては、インク供給路上を補強することで剛性を高めてはいるが、圧電体を用いているため、共通電極の抵抗であるに対する課題に対策ができないとともに、補強層は個別液室ごとに離散した形状となっているため、隣接液室間の相互干渉に対する対策をとることが難しい。
特許文献３では、インク供給路部に共通電極を形成しているが、インク供給路の高さをハーフエッチングにより個別液室より低い構成としているため、インク供給路の流動抵抗の均一性の向上を図ることが難しい。
特許文献４においては、積層電極厚が１μｍ程度である点と、保護基板との接着領域に配置しているため、共通電極の低抵抗化に対しては不十分であると同時に、隣接液室間の相互干渉に対する対策が難しい。
本願発明は、共通電極抵抗とインク流路のコンプライアンスばらつきを低減することで吐出均一性を向上し、かつノズル数が多い（高密度の）ヘッドにおいても、小型化することを目的とする。

本発明に係るインクジェットヘッドは、振動板が積層された流路基板と、流路基板に接合されたノズルが形成されているノズルプレートと、流路基板に対してノズルプレートと反対側で流路基板に接合された保持基板とを有し、ノズルに連通する個別液室および同個別液室に連通するインク供給路が各ノズルに形成され、個別液室の領域の振動板上に下部電極、圧電体、上部電極を含む圧電素子が積層され、インク供給路の領域に圧電素子から延伸された下部電極と下部電極と導通する共通電極配線が形成されると共に個別液室の配列方向に共通電極配線が延伸されたインクジェットヘッドであって、共通電極配線が、第１の共通電極配線と第２の共通電極配線を積層した構造であり、第１の共通電極配線の膜厚が第２の共通電極配線の膜厚より薄く形成されていて、流路基板と保持基板の接合領域に、第１の共通電極配線の少なくとも一部が形成され、第２の共通電極配線が形成されていないことを特徴としている。

本発明に係るインクジェットヘッドにおいて、保持基板の第２の共通電極配線に対向する領域と圧電素子に対向する領域をそれぞれ凹状とするとともに、それぞれの凹状部を個別に形成したことを特徴としている。
本発明に係るインクジェットヘッドにおいて、第１の共通電極配線上に開口部をもつ絶縁膜を形成し、少なくともインク供給路上の第２の共通電極配線が形成されない領域を補強したことを特徴としている。
本発明に係るインクジェットヘッドにおいて、保持基板の開口部に、上部電極から引き出された個別電極配線および第１の共通電極配線が引き出され、駆動回路と接続される個別電極パッド部と共通電極パッド部が形成されており、個別電極パッド部と共通電極パッド部を、第２の共通電極配線と同層に形成したことを特徴としている。
本発明に係るインクジェットヘッドにおいて、個別電極パッド部と共通電極パッド部が、第２の共通電極配線と同時に形成されたことを特徴としている。
本発明に係るインクジェットヘッドにおいて、第２の共通電極配線がニッケルと金の積層構造であることを特徴としている。

本発明によれば、圧電素子から延伸された下部電極と導通する共通電極配線が、第１の共通電極配線と第２の共通電極配線を積層した構造であり、第１の共通電極配線の膜厚が第２の共通電極配線の膜厚より薄く形成されていて、流路基板と保持基板の接合領域に、第１の共通電極配線の少なくとも一部が形成され、第２の共通電極配線が形成されていないので、個別電極配線の低抵抗化と、インク供給路上の振動板を補強することができ、電圧降下と隣接クロストーク、液室コンプライアンスを低減することができるため、吐出性能のばらつきの小さいインクジェットヘッドを得ることができる。

本発明の一実施形態であるインクジェットヘッドの概略構成を示す拡大断面図である。個別液室を区画する隔壁と圧電素子の近傍の拡大断面図である。共通電極配線部分の積層構造を説明するための拡大断面図である。流路基板の構成を示す部分拡大上面図である。流路基板の別な形態を示す部分拡大上面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。最初に概要を説明し、その後に各部の構成を説明する。
（全体概要）
本形態では、図１、図２に示すように、振動板１をその上部に形成した流路基板２の下面にノズルプレート３を接合し、流路基板２の上部で振動板１よりも上方に保持基板５と共通液室基板６を積層し、流動抵抗部となるインク供給路７を形成することでインクジェットヘッド１００を構成している。そして図示されていないインクタンクに連通する共通液室８（共通液室基板６・保持基板５）を介して流路基板２に開口して形成されたインク供給口９、インク供給路７、個別液室１０にインクが供給され、個別液室１０の振動板１上に形成される圧電素子１１を駆動することで生じる圧力で、個別液室１０に連通するノズル１２からインクを吐出する。圧電素子１１の駆動は、上部電極１３と下部電極１４からそれぞれ共通電極１６と個別電極１８とを用いて引き出された先で、駆動ＩＣ１７と配線２５で接続されることで行われる。
（ノズルプレート）
ノズルプレート３はインク吐出用のノズル１２が配列された基板であり、材料は必要な剛性や加工性から任意のものを用いることができる。例としてはＳＵＳ，ニッケル等の金属または合金やシリコン，セラミックス等の無機材料、ポリイミド等の樹脂材料を挙げることができる。ノズル１２の加工方法は材料の特性と要求される精度・加工性から任意のものを選ぶことができ、エッチング法，プレス加工法，レーザ加工法等，フォトリソグラフィ法等を例示できる。ノズル１２の開口径、配列数，配列密度は、インクヘッドに要求される仕様に合わせて最適な組み合わせを設定することができる。
（流路基板）
ノズルプレート３の上部に配置された流路基板２には、個別液室１０，インク供給路７，インク供給口９がノズルプレート３との間に形成される。流路基板２の材料は加工性・物性から任意のものを用いることができるが、３００ｄｐｉ（約８５μｍピッチ）以上ではフォトリソグラフィ法を用いることができるシリコン基板を用いることが好ましい。個別液室１０の加工は任意のものを用いることができるが、前述のフォトリソグラフィ法を用いる場合は、ウェットエッチング法，ドライエッチング法のいずれかを用いることができる。いずれの手法でも振動板１の液室側面１ａを二酸化シリコン膜等とすることで、エッチストップ層とできるため、個別液室１０の高さを高精度に制御することができる。

個別液室１０はインクに圧力を加え、ノズル１２から液滴を吐出させる機能を有するものである。個別液室１０の上部には、振動板１が配置されている。振動板１上には下部電極１４，圧電体１５，上部電極１３がこの順序で積層されて構成された圧電素子１１が配置されている。振動板１は任意のものを用いることができるが、シリコンや窒化物，酸化物，炭化物等の剛性の高い材料とすることが好ましい。また、これらの材料の積層構造としても良い。積層膜とする場合には、それぞれの材料の内部応力を考慮し、残留応力が少ない構成とすることが好ましい。例えばＳｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２の積層の場合は、引っ張り応力となるＳｉ_３Ｎ_４と圧縮応力となるＳｉＯ_２を交互に積層し、応力緩和する構成が例として挙げられる。

振動板１の厚さは、薄すぎる場合はクラック等により振動板１が破損しやすくなり、厚すぎる場合は変位量が小さくなり吐出効率が低下してしまう。また、薄すぎる場合は、振動板１の固有振動数が低下し、駆動周波数が高められない。このため、振動板１の厚さは所望の特性に応じて選択できるが、概ね０．５μｍ〜１０μｍの範囲が好ましく、１．０〜５．０μｍの範囲がさらに好ましい。

上部電極１３と下部電極１４は導電性のある任意の材料を用いることができる。例としては金属，合金，導電性化合物が挙げられる。これらの材料の単層膜でも積層膜でも良い。各電極には圧電体１５と反応したり、拡散しない材料を選定する必要があるため、安定性の高い材料を選定する必要がある。また、必要に応じて圧電体１５と振動板１との密着性を考慮し、密着層を形成しても良い。

上部電極１３及び下部電極１４の材料の例としては、Ｐｔ，Ｉｒ，Ｉｒ酸化物，Ｐｄ，Ｐｄ酸化物等が安定性の高い材料として挙げられる。また、振動板１との密着層としては、Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｃｒ等が例示できる。

圧電体１５の材料は、圧電性を示す強誘電体材料を用いることができる。例としては、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムが一般的に用いられる。圧電体１５の成膜方法は任意の手法を用いることができ、例としてはスパッタリング法，ゾルゲル法が挙げられ、成膜温度の低さからゾルゲル法が好ましい。上部電極１３と圧電体１５は、個別液室１０毎にパターニングする必要がある。パターニングには通常のフォトリソグラフィ法を用いることができる。また、圧電体１５の成膜をゾルゲル法にて行う場合には、スピンコーティング法や印刷法を用いることもできる。

上部電極１３、下部電極１４及び圧電体１５から構成される圧電素子１１は、個別液室１０の上部に形成されている。これは、個別液室１０を区画する図２に示す隔壁１０ａ上に圧電素子１１を形成した場合、振動板１の変形を阻害してしまうため、吐出効率の低下や応力集中による圧電素子１１の破損等の原因となるからである。

流路基板２には、個別液室１０に連通するようにインク供給路７が形成されている。インク供給路７は、共通液室８から個別液室１０にインクを供給する機能を有すると同時に、圧電素子１１を駆動することで個別液室１０に発生する圧力により、インクの逆流を防止してノズル１２から吐出させる機能を有する。そのため、個別液室１０のインク流動方向の断面積を小さくし、流動抵抗を高くする必要がある。本形態において、インク供給路７の高さは個別液室１０と略同一とすることが必要である。流路基板２にシリコンを用い、個別液室１０とインク供給路７をフォトリソグラフィ法（＋エッチング）で形成した場合、個別液室１０と同一の条件で加工できるメリットがある。インク供給路７の高さを個別液室１０より低くすることで、流動抵抗を高めるためには、個別液室１０のオーバーエッチング量を時間管理で制御する必要があるため、エッチングレートのばらつきにより、流動抵抗を均一にすることができない。その結果、吐出均一性が悪化する。一方、インク供給路７と個別液室１０の高さを同一とした場合、インク供給路７の上部には圧電素子１１のない振動板１が配置されるため、コンプライアンス成分となり吐出効率を低下させてしまう。インク供給路７の高さを個別液室１０と略同一とする場合で流動抵抗を高めるには、インク供給路７の幅を狭くする必要がある。インク供給路７の幅を狭くした場合、その断面形状（特に振動板１近傍）は不安定になりやすい。そのため、インク供給路７上の振動板１のコンプライアンス値がばらつく傾向にある。

そこで、本形態では、インク供給路７上に積層膜を形成することで剛性を高め、コンプライアンス値およびそのばらつきを低減することで吐出ばらつきの低減を図るようにしている。インク供給路７上の積層膜については、後述の共通電極配線１６の構成の部分で説明する。インク供給路７は、インク供給口９、振動板１が開口する部分を通じて共通液室８に連通している。

個別液室１０は、図１の手前〜奥方向に図２に示す隔壁１０ａを介して配列させることでインク吐出ヘッド部を構成している。図２は個別液室１０の近傍の断面図を示す。個別液室１０は隔壁１０ａより区画されており、それぞれの上部に圧電素子１１が配置されている。個別液室１０の高さは、ヘッド特性から任意に設定できるが、２０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。また、個別液室１０間の隔壁１０ａは配列密度に合わせて任意に設定することが可能であるが、隔壁幅は１０〜３０μｍとすることが好ましい。これは隔壁幅が狭い場合は隣接する個別液室１０の圧電素子１１を駆動した場合に、隣接液室間の相互干渉が発生し、吐出ばらつきが大きくなるからである。隔壁幅を狭くする場合は、個別液室１０の高さを低くすることで対応することができる。
（電極と配線）
個別液室１０の上部に配列した圧電素子１１に駆動信号を入力するために、図１，図４に示すように上部電極１３から個別電極１８を引き出し、下部電極１４から共通電極１６を引き出す構成をとる。図４は本形態の流路基板２の上面図を示す。配列する上部電極１３からは個別電極１８が個別電極パッド部１８１の位置まで引き出される。下部電極１４は個別電極パッド部１８１と反対側のインク供給口９の手前のインク供給路７上まで延伸され、下部電極１４と導通する共通電極配線１６１を介して共通電極パッド部１９１まで引き出される。共通電極パッド部１９１と個別電極パッド部１８１は近傍まで引き出され、保持基板５の開口部５Ａを介して、駆動ＩＣ１７の駆動ＩＣパッド部１７１に接続される。

さらに図４に示すように、インク供給路７上の共通電極配線１６１には、通電極配線１６２が共通電極配線１６１と導通するように積層されている。このように共通電極配線１６１に通電極配線１６２を積層することで、共通電極１６の電気抵抗を低減している。共通電極１６と個別電極１８は同一材料・同一工程で形成することが好ましい。電極材料としては、抵抗値の低い金属・合金・導電性材料を用いることができる。また、上部電極１３と下部電極１４にはコンタクト抵抗の低い材料を用いることが必要である。例としては、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｃｒなどが例示でき、コンタクト抵抗を低減するために、これらの材料の積層構造としても良い。コンタクト抵抗を下げる材料としては、任意の導電性化合物を用いても良い。例としては、Ｔａ_２Ｏ_５，ＴｉＯ_２，ＴｉＮ，ＺｎＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ等の酸化物，窒化物およびその複合化合物が挙げられる。膜厚は任意に設定できるが、１μｍ以下とすることが好ましい。また、成膜には真空成膜法等の膜厚均一性が高い成膜方法を採用することが好ましい。これらの電極は、後述の保持基板５との接合面となるため、高さ均一性を確保できる膜厚・成膜方法を取る必要がある。

共通電極配線１６２は、共通電極１６の抵抗値を下げる機能を有する。図３、図４に示すように、共通電極配線１６２は、個別液室１０および圧電素子１１（上部電極１３＋圧電体１５）の配列方向に、同方向に延在する共通電極配線１６１の上に積層されている。共通電極配線１６１と共通電極配線１６２は導通している必要があるため、コンタクト抵抗の低い材料の組み合わせとする必要がある。共通電極配線の材料としては、任意の材料を用いることができるが比抵抗の小さい金属、合金、導電性化合物を用いる必要がある。また、基板上の小さい面積で低抵抗化するのに厚膜化する必要があるため、厚膜成膜可能な材料・工法を選定する必要がある。膜厚としては、１０〜１００μｍが好ましく、さらに好ましくは１０〜５０μｍである。厚膜形成できるプロセスとしては、電解メッキ法，無電解メッキ法，スクリーン印刷法が例示できる。これらの厚膜形成可能な電極材料としては、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ等およびこれらを含有する合金が例として挙げられる。また、成膜後の残留応力の小さい成膜方法・材料を選定することが好ましい。

図４に示すように、共通電極配線１６２を形成することで、共通電極配線１６１を個別液室１０配列方向の端部から外部に取り出した場合でも、取出部からの距離による電圧降下が発生し難く、吐出均一性を高めることが可能になる。

保持基板５の開口部５Ａまで引き出した個別電極１８および共通電極配線１６１上には、図５に示すように、個別電極パッド部１８１および共通電極パッド部１９１を形成する。これらのパッド部に駆動ＩＣ１７からの信号を入力する配線を接続する。図１では、駆動ＩＣ１７の駆動ＩＣパッド部１７１と個別電極パッド部１８１を配線２５で接続している。接続は任意の手法を用いることができ、例としてはＦＰＣを用いたＡＣＦ接合，ハンダ接合や、ワイアボンディング法、駆動ＩＣ１７の出力端子となる直接接合するフリップチップ法等を適宜選択できる。それぞれの接合方式に合わせてパッド部の材料・構造を選定する必要がある。
（保持基板）
前述の通り、流路基板２は２０〜１００μｍ厚となるので、流路基板２の剛性を確保するためには、図１に示すように、流路基板２を間にしてノズルプレート３と対向する側に保持基板５を配置して接合している。保持基板５の材料は任意の材料を用いることができるが、流路基板２の反りを防止するために熱膨張係数の近い材料を選定する必要がある。そのため、ガラス、シリコンやＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミクス材料とすることが好ましい。保持基板５には共通液室８を形成する開口部５Ａを有する必要がある。開口部５Ａは流路基板２のインク供給口９に接続する。

個別液室１０に対向する領域に位置する保持基板５には、圧電素子１１を駆動し振動板１が変位できる空間を確保する必要があるため、振動板１から離間する方向に窪んだ凹部５１が形成されている。図２に示すように、保持基板５に形成した凹部５１は、個別液室１０ごとに区画されていて、個別液室１０間の隔壁１０ａ上で接合されることが好ましい。それにより、板厚の薄い流路基板２の剛性を高めることができ、圧電素子１１を駆動した際の隣接液室間の相互干渉を低減することが可能となる。

図１に示すように、共通電極配線１６２が形成された領域に位置する保持基板５には凹部５２が形成されている。図３は共通電極１６の断面図を示す。前述した共通電極１６２は厚膜形成可能な成膜手法を選定する必要がある。メッキ法，スクリーン印刷法等を用いた場合、その膜厚均一性は悪化する傾向がある。従って、共通電極配線１６２が形成されている部分を保持基板５との接合面とするとインクシール性が低下してしまう。また、膜厚ばらつきを吸収するために、接着剤を厚く塗布すると、余剰の接着剤がインク供給路７、圧電素子１１部に流入してしまい、特性を悪化させてしまう。そのため、厚膜の共通電極配線１６２に対向する保持基板５の領域には、図１に示すように共通電極配線１６２の膜厚以上の深さの凹部５２を形成している。保持基板５の凹部５２の深さとしては、共通電極配線１６２の膜厚に１０〜３０μｍ付加した深さとすることが好ましい。また、保持基板５の凹部５１と保持基板５の凹部５２は、個別に設けている。保持基板５の凹部５１と凹部５２の間に形成され保持基板５と流路基板２の接合面により、インク供給路７の剛性を高めることができる。
（実施例１）
φ６インチ、厚さ６００μｍのシリコンウェハ上に、ＳｉＯ_２：０．６μｍ，Ｓｉ：１．５μｍ，ＳｉＯ_２：０．４μｍを積層することで、３層構成の振動板１を形成した後に、下部電極１４としてＴｉ：２０ｎｍ，Ｐｔ：２００ｎｍをスパッタリング法で成膜した。下部電極１４上には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と有機金属溶液を用いたゾルゲル法で厚さ２μｍ成膜した後、７００℃で焼成し、ＰＺＴの圧電体１５膜を形成した。その後、圧電体１５膜上にＰｔを２００ｎｍスパッタリング法で成膜し上部電極１３とした。

上部電極１３形成後に、上部電極１３、圧電体１５、下部電極１４をドライエッチング法でパターニングすることで、図４に示すような配列をした圧電素子１１のパターンを形成した。圧電素子１１の配列ピッチは８５μｍとし、圧電体１５の幅は５０μｍとした。圧電素子１１の長手方向の長さは１０００μｍとした。圧電素子１１の配列数は３００個とした。圧電素子１１形成後にプラズマＣＶＤ法により、層間絶縁膜（図１の絶縁膜６１）を成膜し、図１に示すように上部電極１３上に個別電極コンタクトホール１８２，共通電極コンタクトホール１６３を層間絶縁膜６１に形成後、Ｔｉ：５０ｎｍとＡｌ：５００ｎｍを順次積層しドライエッチングすることで、個別電極１５および共通電極配線１６１をパターン形成した。電極パターンは図４に示す構成とした。共通電極配線１６１の幅は３００μｍとした。図４に示すインク供給口９部分の振動板１をドライエッチングで除去した後、共通電極配線１６１上にＡｇペーストをスクリーン印刷法で印刷した。その膜厚は２０μｍとなり、幅は２００μｍとした。

図１，図２，図５に示すような保持基板５の凹部５１，５２およびの開口部５Ａを有する保持基板５を、φ６インチシリコンウェハを用いて形成した。保持基板５の各凹部は、ＩＣＰドライエッチング法を用いて形成し、その深さは３０μｍとした。保持基板５の開口部５Ａはサンドブラスト法を用いて開口した。

作成した保持基板５の接合面にエポキシ系接着剤をフレキソ印刷機により膜厚２μｍで塗布して接合し、接着剤を硬化することで保持基板５を接合した。その後、６００μｍの流路基板２を８０μｍまで研磨した後に、図１および図４に示す個別液室１０、インク供給路７をＩＣＰドライエッチング法で形成した。

個別液室１０の幅は６０μｍ、インク供給路７の幅は３０μｍ、長さは３００μｍとした。インク供給路７、個別液室１０のエッチングは振動板１に到達するまで行い同一の高さとした。また、インク供給口９の振動板１は、事前にエッチングしたため、貫通口を形成することができる。

ウェハをダイシングによりチップに切り出した後に、保持基板５と同様の手法でノズルプレート３と流路基板２を接合した。ノズルプレート３は厚さ３０μｍのＳＵＳ材にプレス加工でφ２０μｍのノズル１２を８５μｍピッチで形成したものを用いた。保持基板５上に図１に示すように、ＳＵＳ製の共通液室基板６を接合し、図示しないインクタンクと接続し、個別電極パッド部１８１にＡＣＦ接合にて、駆動ＩＣパッド部１７１を実装したＴＡＢを接合することでインクジェットヘッド１００とすることができた。

粘度８ｍＰａのインクをインクタンクから加圧充填した後、印加電圧２０Ｖ，パルス長１０μｓ，周波数１ｋＨｚを個別電極１８、共通電極１６間に印加し、ストロボ撮影装置にて吐出された液滴速度を計測した。共通電極パッド部１９１にもっとも近いノズル１２の滴速度が７．２ｍ／ｓに対し、もっとも遠い（３００ピッチ分）ノズル１２の滴速度が７．１ｍ／ｓと誤差範囲に近い差異しかなく、良好な吐出均一性を確認した。また、隣接した個別液室１０間の滴速度ばらつきも±２％の範囲となり良好な結果となった。これは共通電極１６の抵抗が十分に低く電圧降下が発生していないことと、インク供給路７上の振動板１の剛性が十分に高く、コンプライアンスばらつきが発生しないためと推定される。
（比較例１）
実施例１と同様の手法を用いて、インクジェットヘッドの作成・評価を行った。但し、比較例１では共通電極配線１６２を形成しないインクジェットヘッドとした。同様に滴速度評価を行ったところ、ノズル１２の平均滴速度が６．８ｍ／ｓと低下すると同時に、共通電極パッド部１９１にもっとも近いノズル１２と遠いノズル１２の滴速度ばらつきも±１５％となった。また、隣接する個別液室１０毎の吐出ばらつきも実施例１と比較すると大きくなっていることから、インク供給路７上のコンプライアンス成分のばらつきが影響していると考えられる。また、隣接する個別液室１０を駆動すると滴速度が１０％程度変動するため、隣接チャネル間の相互干渉が発生したと考えられる。
（実施例２）
実施例１と同様の手法を用いてインクジェットヘッドの作成・評価を行った。但し、本実施例において、個別電極１５と共通電極配線１６１をパターニング後に、プラズマＣＶＤ法で絶縁膜６２としてＳｉ_３Ｎ_４を２μｍ積層し、共通電極配線１６２を形成する部分、共通電極パッド部１９１、個別電極パッド部１８１、圧電素子１１の部分をドライエッチング法で開口さした。すなわち、図１に示すように、振動板１と保持基板５の間に介装された絶縁膜６２を開口した。その後、無電解メッキプロセスにて、Ｎｉを２０μｍ積層した後、表面０．５μｍをＡｕに置換することで共通電極パッド部１９１、個別電極パッド部１８１、共通電極配線１６２を同時に形成した。

その後、実施例１と同様にこの実施例に係るインクジェットヘッドの評価を行ったところ、実施例１と同様の滴速度ばらつきとすることを確認できた。さらに、隣接する個別液室１０を駆動した場合の相互干渉を確認したところ、実施例１では滴速度が３％変動していたのに対して１．５％とすることができた。剛性の高いＳｉ_３Ｎ_４の絶縁膜６２が共通電極１６形成部の周辺の振動板１を補強したため、相互干渉が低減できたと推定される。さらに、剛性の高いＮｉメッキ膜としたことも効果があったと推定される。また、共通電極パッド部１９１、個別電極パッド部１８１の表面にＡｕメッキ層を、共通電極配線１６２の形成プロセスで形成できるため、図１に示すワイアボンディング等の実装のためのメッキ工程を省略することができる。

このようなインクジェットヘッド１００では、電圧素子１１から延伸された下部電極１４と導通する共通電極配線１６が、第１の共通電極配線１６１と第２の共通電極配線１６２の積層した構造であり、第１の共通電極配線１６１の膜厚が第２の共通電極配線１６２の膜厚より薄く形成し、流路基板２と保持基板５の接合領域に、第１の共通電極配線１６１の少なくとも一部が形成され、第２の共通電極配線１６２が形成されていないので、個別電極配線の低抵抗化と、インク供給路７の振動板１を補強することにより、電圧降下と隣接クロストーク、液室コンプライアンスを低減することができるため、吐出性能のばらつきの小さいインクジェットヘッドを得ることができる。また、実装に必要なＡｕメッキ処理を共通電極作成プロセスで形成できるため、製造工程の簡略化が可能になる。

１振動板
２流路基板
３ノズルプレート
５保持基板
５Ａ保持基板の開口部
７インク供給路
１０個別液室
１１圧電素子
１２ノズル
１３上部電極
１４下部電極
１５圧電体
６２絶縁膜
１６１第１の共通電極配線
１６２第２の共通電極配線
１８１個別電極パッド部
１６２共通電極パッド部

特許第３９９４２５５号公報特許第４３４００４８号公報特開２００４−００１４３１号公報特開２００６−２３９９６６号公報

Claims

振動板が積層された流路基板と、前記流路基板に接合されたノズルが形成されているノズルプレートと、前記流路基板に対して前記ノズルプレートと反対側で前記流路基板に接合された保持基板とを有し、
前記ノズルに連通する個別液室および同個別液室に連通するインク供給路が各ノズルに形成され、前記個別液室の領域の振動板上に下部電極、圧電体、上部電極を含む圧電素子が積層され、前記インク供給路の領域に前記圧電素子から延伸された下部電極と下部電極と導通する共通電極配線が形成されると共に前記個別液室の配列方向に前記共通電極配線が延伸されたインクジェットヘッドであって、
前記共通電極配線は、第１の共通電極配線と第２の共通電極配線の積層した構造であり、前記第１の共通電極配線の膜厚が第２の共通電極配線の膜厚より薄く形成されていて、前記流路基板と前記保持基板の接合領域に、第１の共通電極配線の少なくとも一部が形成され、第２の共通電極配線が形成されていないことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記保持基板の第２の共通電極配線に対向する領域と前記圧電素子に対向する領域をそれぞれ凹状とするとともに、それぞれの凹状部を個別に形成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または２記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第１の共通電極配線上に開口部をもつ絶縁膜を形成し、少なくとも前記インク供給路上の第２の共通電極配線が形成されない領域を補強したことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１、２または３記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記保持基板の開口部に、前記上部電極から引き出された個別電極配線および前記第１の共通電極配線が引き出され、駆動回路と接続される個別電極パッド部と共通電極パッド部が形成されており、前記個別電極パッド部と共通電極パッド部を、前記第２の共通電極配線と同層に形成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１ないし４の何れか１つに記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記個別電極パッドと共通電極パッド部が、前記第２の共通電極配線と同時に形成されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１ないし５の何れか１つに記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第２の共通電極配線がニッケルと金の積層構造であることを特徴とするインクジェットヘッド。