JPH08281944A - インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的薄い圧電膜を用いて、インク吐出に十
分な発生圧力と変位体積を有するヘッド構造を提供す
る。 【構成】 列状に隔壁を介して配列されたインク加圧室
2を有する加圧室基板1、この加圧室基板の片面に覆蓋
し、加圧室の一壁面をなすがごとく配置された圧力発生
膜、各々の加圧室の壁面に設けられたインク吐出ノズル
7とインク供給孔からなるインクジェットプリントヘッ
ドであって、圧力発生膜5にインク加圧室隔壁40と略平
行の線状固定部41を１つ以上有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力される印字データ
に応じて選択的にインク滴を記録用紙上に飛翔・固着さ
せることにより可視画像を得るインクジェットプリンタ
に用いるインクジェットプリントヘッドに関する。

【０００２】さらに詳しくはノズル板、インク加圧室基
板を積層しインク加圧室基板の表面に積層された弾性膜
と圧電性膜のたわみ変形により加圧してインク滴を飛翔
させるオンデマンド型インクジェトヘッドに関する。

【０００３】

【従来の技術】本発明に関わる従来技術としては、特公
昭62-22790号公報、特開平5-504740公報等がある。

【０００４】これらの従来例ではインク加圧室を内包す
る基材に圧電性膜をスパッタやゾルゲル法等のいわゆる
薄膜製法で一体形成することにより、簡易な構造で高性
能なオンデマンド型インクジェットプリントヘッドを実
現している。

【０００５】しかし今日プリンタに要求される高解像度
・高速印字性能を満足させるためには、前記加圧室基材
の最適な材質・製法(とそれに適合する圧電膜製法)を選
ぶことが肝要である。

【０００６】加圧室基材の製法としては、セラミック基
板を焼成前に型抜きして形成する方法があるが、焼成時
の収縮にともなう精度劣化を考慮すると、高密度・高品
質のヘッドには適さない。

【０００７】一方米国特許第4,312,008号明細書に示さ
れるような単結晶シリコン基板を異方性エッチングで穿
孔し加圧室を形成する方法は1:100以上の幅対深さ比を
得、かつ寸法精度も数μmと高く、好適である。

【０００８】圧電性膜はチタン酸ジルコン酸鉛(以下PZT
と略称する)等の鉛酸化金属系材料が最も圧電性能が高
く、この材料をスパッタ法、ゾルゲル法等の薄膜法を用
いるのが好ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の薄膜製法で酸化
物系圧電膜を形成する場合、製造上膜厚は薄いほうが成
膜にかかる時間や工数を低減することができるので好ま
しい。また圧電膜が厚くなるに従い焼成時のクラック等
の膜不良や厚み方向の組成不均一性が著しく増加し、歩
留や圧電性能が低下した。

【００１０】一方所望のインク吐出を得るためには、圧
力発生膜からインクの粘弾性に抗してノズルからインク
を押し出すだけの変位体積が必要である。圧電膜を薄く
すると圧力発生膜の剛性が低下し、十分な圧力を発生す
ることができない。剛性低下を補うためには圧力発生膜
の梁の幅を狭くすればよいが、これは変位面積の減少に
つながるのでその分圧力発生膜を長くしなければならな
い。しかし圧力発生膜長を増やすと圧力室も長くなり、
結果的に圧力室は狭小で細長い形状となり、インクの流
体抵抗が増え吐出効率の低下やインク供給能力の低下を
まねいてしまう。

【００１１】本発明はかかる課題を解決するためのもの
であり、その目的とするところは、製造工数の簡略化と
圧電膜の品質を向上させるために圧電膜を薄膜化した上
で、インク吐出特性を確保した高解像度で高性能のたわ
み形インクジェットプリントヘッドを提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
プリントヘッドは列状に隔壁を介して配列されたインク
加圧室を有する単結晶シリコンからなる加圧室基板、こ
の加圧室基板の片面を覆蓋し前記隔壁により懸架かつ固
定され、加圧室の一壁面をなすがごとく配置された圧力
発生膜、各々の加圧室の壁面に設けられたインク吐出ノ
ズルとインク供給孔からなるインクジェットプリントヘ
ッドであって、前記圧力発生膜に前記インク加圧室隔壁
と略平行の線状固定部を１つ以上有することを特徴とす
る。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。

【００１４】[実施例1]図１、図２、図３を用いて本発
明の１実施例を説明する。図１は本発明の実施例におけ
るインクジェットプリントヘッドの概略斜視図、図２は
図１の２点鎖線Aで示す平面内の断面図、図３は図２中
矢印Bで示す鎖線の断面を表わす図である。

【００１５】1はインク加圧室基板であり、２列に千鳥
状に配列された加圧室2、各加圧室にインク(図示せず)
を供給するための共通流路3、各々の加圧室2と共通流路
3を連通する供給路9を有する。配列ピッチは180分の1イ
ンチ、約141ミクロンとし2列で360ドット/インチの印字
密度を有するプリントヘッドを実現している。

【００１６】この加圧室基板1の下面には圧力発生膜と
なる弾性膜4、下部駆動電極10、圧電性膜11、上部駆動
電極12が一体に順次積層された圧力発成膜5を形成す
る。8は変位素子に信号を供給するための配線基板であ
る。

【００１７】6は前記加圧室2に対応してインク吐出用ノ
ズル7を複数穿ったノズル板である。前記インク加圧室
基板1とノズル板6を接着後、基体90に嵌着しインクジェ
ットプリントヘッドを成す。

【００１８】図３は同じく図１の加圧室配列方向の断面
図であり、7はノズル板6内のノズル、13は配列された加
圧室2内のインク、４は弾性膜、１０は下部駆動電極、
１１は圧電性膜、１２は上部駆動電極である。圧電性膜
１１は各加圧室に対応し、食刻により加圧室幅より若干
狭小幅に形成する。14,15,16,17は模式的に表わした配
線回路であり、14は駆動電圧源、１５は駆動電圧源１４
と下部駆動電極１０を接続する配線、１６は駆動電圧源
１４と上部駆動電極12をつなぐ配線、１７は各圧電性膜
11と配線間に介在する、駆動信号のスイッチである。こ
のように１個のインク吐出素子19はノズル7、隔壁18で
仕切られた加圧室２、隔壁１８間に連架される弾性膜
4、下部駆動電極10、圧電性膜11、上部駆動電極12、ス
イッチ17で構成される。

【００１９】40は加圧室中央に加圧室隔壁18と同様に形
成した中央隔壁であり、この中央隔壁により弾性膜4の
中央41が線状に固定される。圧電性膜11及び上部駆動電
極12はこの中央隔壁により隔てられた加圧室に対応して
形成される。

【００２０】本例では加圧室のピッチを141μm、２つの
加圧室の幅を46μm、長さ(図３中奥行き方向)を2mmと
し、中央隔壁の幅は15μmとした。

【００２１】ここでインク吐出の原理を簡略に説明す
る。待機時はスイッチ17aが開き、次の吐出に備える。
図３の左端の吐出素子に待機状態を示す。吐出時には図
３中央の吐出素子図に示す如く、スイッチ17bを閉じ、
矢印Aに示す圧電性膜11の分極方向と同極性、換言する
と分極時の印加電圧極性と同じように電圧を印加すると
圧電性膜１１は厚み方向に膨張すると共にその幅方向
(図３上は水平方向)に収縮する。この収縮で圧電性膜11
と弾性膜4の界面に圧縮の剪断応力が働き、結弾性膜4お
よび圧電性膜11は図の上方向にたわむ。このたわみによ
り加圧室2bの体積が減少しノズルからインク滴30が飛び
出す。その後図３右端に示す如く、再びスイッチ17cを
開くと、たわんでいた弾性膜4等が復元し、加圧室体積
の膨張により図示しないインク供給路よりインクが充填
される。

【００２２】本発明のインクジェットプリントヘッドの
製造方法を図4に基づいて説明する。加圧室を形成する
に適した厚み、例えば220μmの結晶軸(1,1,0)に直交す
る面を有すシリコン単結晶基板20に、その全面に熱酸化
法により２酸化シリコンからなるエッチング保護層21を
形成する。

【００２３】シリコン単結晶基板20の一方面のエッチン
グ保護層21表面にスパッタ成膜法等の薄膜形成方法によ
り、弾性膜4を形成する。本例では酸化ジルコニウムを
高周波スパッタ法により600nmの厚みで積層した。

【００２４】さらにその上に下部駆動電極10となる白金
を200nmの厚みで同じく製膜する。この際白金層とその
上下層の間の密着力を上げるために極薄のチタン、クロ
ム等を中間層として介してもよい。また前記弾性膜4は
下部駆動電極10が兼ねてもよい。

【００２５】その上に圧電性膜の前駆体24を積層する。
本例ではチタン酸鉛、ジルコン酸鉛、マグネシウム-ニ
オブ酸鉛をそのモル配合比が50%,40%,10%となるようなP
ZT-PMN系圧電膜の前駆体をゾルゲル法にて最終的に1μm
厚みとなるまで6回のコートの脱脂を繰り返して成膜し
た。なお種々の思考実験の結果この圧電膜の化学式が、
ＰｂＴｉAＺｒB（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）CＯ3＋ｅＰｂＯ〔Ａ
＋Ｂ＋Ｃ＝１〕にて表され、前記化学式中のＡ、Ｂ、
Ｃ、ｅが、０．３５≦Ａ≦０．５５、０．２５≦Ｂ≦
０．５５、０．１≦Ｃ≦０．４、０≦ｅ≦０．３の範囲
内で選択すれば、実用に耐えうる圧電性を得ることがで
きた。言うまでもなく成膜方法は本方法に限らず高周波
スパッタ成膜やCVD等を用いてもよい(図4(I))。

【００２６】このように順次各膜を積層した後、圧電性
膜11上に加圧室2が形成される位置に合わせて適当なエ
ッチングマスク(図示せず)を施した後、フッ化水素にて
エッチングし所定の分離形状を備えた圧電性膜前駆体を
形成する。以上の工程で形成された基板を圧電性膜前駆
体の結晶化の為に加熱する。本例では赤外線輻射光源を
29用いて基板両面から、酸素雰囲気中で650℃で3分保持
した後900℃で1分加熱し自然降温させることにより、圧
電性膜の結晶化を行なった(図4(II))。

【００２７】次にこの基板20の反対面に加圧室2の形状
に一致するようにエッチング保護層21をフッ化水素によ
りエッチングして窓22を形成した後、異方性エッチング
液、たとえば80℃に保温された濃度17%程の水酸化カリ
ウム水溶液を用いてシリコン単結晶基板20を体面側(図
中下方)のエッチング後保護層に届くまで異方性エッチ
ングする(図4(III))。

【００２８】その後分離された圧電性膜前駆体直下の酸
化珪素膜23をフッ化水素にてエッチング除去する(図4(I
V))。

【００２９】この後圧電性膜11上に上部駆動電極12を薄
膜製法とエッチング方法を適宜用いて所定のパターンに
形成する(図4(V))。

【００３０】たわみ振動子の変形効率を稼ぐためには
金、アルミニウム等の剛性の低い材料が望ましく、本例
では金を200nm厚スパッタ成膜にて膜形成した後、イオ
ンミリングにて所定形状にエッチングした。

【００３１】このようにして形成したインク加圧室基板
1に先に図１、図２で説明した如く、基体90やノズル板6
を接着固定して、不良のない高品質のインクジェットプ
リントヘッドを実現することができた。

【００３２】例えば従来上記と同等仕様の180ドット／
インチのインクジェットプリントヘッドを実現するため
には、圧力発生膜の梁の幅を100μm程度とし、圧電性膜
厚が2乃至3μm、圧力室長が3mm程は必要であった。圧電
性膜厚が2μmを形成するためには例えばゾルゲル法では
10回以上の塗工と脱脂焼成を繰り替える必要があり、そ
の工程中でクラックが多く発生して良質の膜を得ること
が難しい。またスパッタ成膜法では成膜時間に1時間も
かかってしまい、後の焼成時の不良も多かった。

【００３３】本例の如く圧電性膜を１μm以下まで薄く
すると、工程も減り膜不良も低減した。しかもたわみ方
向の幅、すなわちインク圧力室の幅を狭小化し２本並列
に設けることにより、圧力発生膜のたわみ剛性が増大
し、吐出に必要な十分な圧力及び変位体積を得ることが
できた。また圧力室長さを2mmと短くすることができた
ので、インクの供給能力も増え従来繰り返し周波数が4k
Hzが限界であったものが10kHzまで上げることができ、
また素子面積が減ったのでシリコン上は１枚辺りのとり
個数が約50%増えた。

【００３４】[実施例2]図5及び図6に本発明の第２の実
施例におけるインク加圧室基板1の2方向の断面を示す。
本例ではインク加圧室2を形成するインク加圧室基板1
と、圧力発生膜を形成する圧力膜基板42を別体で構成し
た後、接着しテインクジェットプリントヘッドを形成し
た。

【００３５】圧力膜基板42はあらかじめ圧電性膜11及び
その上下の電極膜10,12、弾性膜を成膜、パターニング
した後、基板の反対面より異方性エッチングにより溝43
を穿つ。44はその際溝43中央に位置する隔壁であり線状
固定部45にて圧力発生膜46を固定する。

【００３６】この圧力膜基板42に、同じくシリコン単結
晶基板を異方性エッチングにより形成した加圧室基板1
を各々の圧力発生膜46と加圧室2が相対する如く接着す
る。47はこの際接着ギャップを圧力発生膜46の最大厚み
と同じに調整するべく設けられた突出部である。

【００３７】上記両基板に対し加圧室基板1にはノズル
板6を、圧力膜基板42の下部には基体90を接着する。

【００３８】前述の実施例１では、加圧室2を結晶軸(1,
1,0)に直交する面を有すシリコン単結晶基板を一方向か
らエッチングするので図２に如く圧力発生膜からノズル
方向に60°程の角度で壁面が拡がる。それに対し本例で
は圧力発生膜と別体で圧力室を形成するので、圧力発生
膜からノズル方向に絞った形状にすることができる。こ
のような形状にすると各加圧室隔壁18の面積を減らしそ
の剛性を上げることができ、この隔壁を介した隣接加圧
室へのクロストークの減少や特性向上に効果がある。

【００３９】以上実施例１および２で述べたように圧力
発生膜に線状の固定部を設けることにより好適な圧電性
膜厚で高密度、小型のインクジェットプリントヘッドを
実現することができた。

【００４０】尚本例では線状固定部を1本で説明した
が、使用する圧電性膜の特性や製品仕様に応じて複数設
けてもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、圧力発生膜にインク加
圧室隔壁と略平行の線状固定部を１つ以上設けることに
より、製造状好適の圧電性膜厚で高密度、小型のインク
ジェットプリントヘッドを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるインクジェットプリン
トヘッドの概略斜視図である。

【図２】本発明の実施例におけるインクジェットプリン
トヘッドの断面図である。

【図３】本発明の実施例におけるインクジェットプリン
トヘッドの圧力室配列方向の断面図である。

【図４】本発明の実施例におけるインクジェットプリン
トヘッドの製造工程を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例におけるインクジェット
プリントヘッドの断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例におけるインクジェット
プリントヘッドの圧力室配列方向の断面図である。

【符号の説明】

1 インク加圧室基板 2 加圧室 3 共通流路 4 弾性膜 5 圧力発成膜 6 ノズル板 7 インク吐出用ノズル 8 配線基板 9 供給路 10 下部駆動電極 11 圧電性膜 12 上部駆動電極 13 インク 14 駆動電圧源 15 配線 16 配線 17 スイッチ 18 加圧室隔壁 19 インク吐出素子 20 シリコン単結晶基板 21 エッチング保護層 22 窓 23 圧電性膜直下の酸化珪素膜 24 圧電性膜の前駆体 25 加圧室隔壁 26 間隙 27 積層膜 28 間隙 40 中央隔壁 41 線状固定部 42 圧力膜基板 43 溝 44 中央隔壁 45 線状固定部 46 圧力発生膜 47 突出部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 列状に隔壁を介して配列されたインク加
   圧室を有する単結晶シリコンからなる加圧室基板、この
   加圧室基板の片面を覆蓋し前記隔壁により懸架かつ固定
   され、加圧室の一壁面をなすがごとく配置された弾性膜
   と下部駆動電極と圧電性膜と上部駆動電極からなる圧力
   発生膜、各々の加圧室の壁面に設けられたインク吐出ノ
   ズルとインク供給孔からなるインクジェットヘッドであ
   って、 前記圧力発生膜に前記インク加圧室隔壁と略平行の線状
   固定部を１つ以上有することを特徴とするインクジェッ
   トプリントヘッド。
2. 【請求項２】 前記インク加圧室内に設けた壁状部材に
   より圧力発生膜を固定することにより前記線状固定部が
   形成されたことを特徴とする請求項１記載のインクジェ
   ットプリントヘッド。
3. 【請求項３】 前記圧力発生膜に対してインク加圧室の
   反対面に設けた壁状部材により圧力発生膜を固定するこ
   とにより前記線状固定部が形成されたことを特徴とする
   請求項１記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 【請求項４】 下部駆動電極膜が前記弾性膜を兼ねるこ
   とを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリント
   ヘッド。
5. 【請求項５】 前記圧電性膜の化学式が、ＰｂＴｉAＺ
   ｒB（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）CＯ3＋ｅＰｂＯ〔Ａ＋Ｂ＋Ｃ＝
   １〕にて表され、前記化学式中のＡ、Ｂ、Ｃ、ｅが、
   ０．３５≦Ａ≦０．５５、０．２５≦Ｂ≦０．５５、
   ０．１≦Ｃ≦０．４、０≦ｅ≦０．３の範囲内であるこ
   とを特徴とする請求項１および４記載のインクジェット
   プリントヘッド。