JPH09156099A - インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な配線構造で配線領域の容量付加と信頼
性低下の問題を解決し、高品質、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。 【解決手段】 弾性膜と下部駆動電極膜１０と圧電性膜
１１と上部駆動電極膜１２からなる圧力発生膜から構成
される変位領域と前記圧電性膜と上部駆動電極の一端を
延引して配線される配線領域とからなり、配線領域は下
部駆動電極膜と圧電性膜の間或いは圧電性膜と上部駆動
電極膜の間に圧電性膜に比較して薄い低誘電性膜３０を
介した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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形成した圧電性膜
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、特開
平５-５０４７４０号公報、特開平５−２６７７４２号
公報等がある。

【０００４】前者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。又後者では厚膜製法によるたわみ変形を用い
たインクジェットヘッドの構成とその配線方法が記され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】かかるインクジェット
プリントヘッドの構造では、圧電性膜の上下電極に電圧
を印加するための駆動回路と接続を取るための配線領域
が必要であるが、この圧電性膜をそのまま引き延ばし上
限電極間の絶縁膜として用いると、製造プロセスが簡単
になりまた圧電性膜や下部駆動電極に大きな段差が生じ
ないため、その上部の配線の信頼性を上げることができ
る。

【０００６】しかし圧電性膜は比誘電率が高いのでこの
配線領域の上下電極間に無視できない容量が付いてしま
う。実際には変位領域と配線領域の面積はだいたい同じ
くらいなので、１素子の全容量の半分程度は不要な容量
である。この容量は駆動時に駆動回路内の損失発熱とな
り、駆動回路に多大な負荷を生じる。また配線領域の圧
電性膜にも電圧印加により圧電性応力と発熱が生じ、長
期使用により断線、膜剥離等の問題を起こしていた。

【０００７】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、簡易な配線構造で上
記配線領域の容量付加と信頼性低下の問題を解決し、高
品質、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。

【０００８】

【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
加圧室を有する加圧室基板、該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膜と圧電
性膜と上部駆動電極膜からなる圧力発生膜、各々の加圧
室に連通するインク吐出ノズルとインク供給孔から構成
される変位領域と、前記圧電性膜と上部駆動電極の一端
を延引して配線される配線領域とからなり前記圧力発生
膜のたわみ変形により発生する圧力によりインクを吐出
するインクジェットプリントヘッドであって、前記配線
領域は下部駆動電極膜と圧電性膜の間或いは圧電性膜と
上部駆動電極膜の間に圧電性膜に比較して薄い低誘電性
膜を介したことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００１０】図１、図２、図３を用いて本発明のインク
ジェットプリントヘッドの構造と製法を説明する。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中鎖線Bで示す断面を表わす図で
ある。

【００１１】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。

【００１２】この加圧室基板１の下面には略長方形状の
圧力発生膜５０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が順次積層され、この加
圧室基板1と圧力発成膜５０が一体的に形成される。８
は変位素子に信号を供給するための配線基板である。

【００１３】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。

【００１４】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、１
６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。

【００１５】本例では加圧室のピッチを１４１μm、加
圧室の幅を８０μm、長さ(図中奥行き方向)を３mmと
し、隔壁の幅は６１μmとした。

【００１６】図中矢印Dが圧力発成膜の長辺に垂直方向
である。

【００１７】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、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。

【００１８】図２に示すとおり、本インクジェットヘッ
ドは基板面に圧電性膜１１とその駆動用電極１０、１
２、弾性膜４、加圧室２等からなり、圧電性変位により
インク１３を加圧する変位領域３２と、この変位領域３
２から前記駆動用電極１０、１２を延伸し、駆動回路と
接続するための配線領域３３を有する。

【００１９】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(１１０)面を有す加
圧室基板であるところの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。

【００２０】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、下部駆動電極１０となる白金を８００nmの厚み
で製膜する。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。なおこの下部駆動電極１０は弾性膜を兼ね
ている。

【００２１】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PZT−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回のコートと脱脂を繰り
返して成膜した。なお種々の試行実験の結果、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。さ
らにこの上に後に低誘電層となる低誘電層前駆体３１を
形成する。本例ではチタン膜をスパッタ法により５０nm
製膜した(図４(I))。

【００２２】次に先の工程で形成された低誘電層前駆体
３１を後に配線領域３３となる部分を残してエッチング
により除去する。その後、基板全体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。この工程により圧電
性膜前駆体２４は結晶化および焼結し、圧電性膜１１と
なるとともに、低誘電層前駆体３１は酸化チタンとな
り、約１００nmの低誘電層３０となる(図４(II)および
図５)。

【００２３】この後、圧電性膜１１及低誘電層３０上に
上部駆動電極膜１２を形成する。圧電性膜１１と低誘電
層３０の境界に段差３４が生じるが低誘電層３０が１０
０nmと薄いので信頼性上大きな障害とはならない。本例
では上部駆動電極１２は２００nm厚の白金をスパッタ成
膜にて形成した(図４(III))。

【００２４】次に上部駆動電極１２、圧電性膜１１、下
部駆動電極１０を加圧室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、所定の
分離形状にイオンミリングを用いて形成した(図４(IV)
および図６、図７、ただし図６、図７において上部駆動
電極は図示せず)。

【００２５】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を形成する(図４(V))。

【００２６】その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を対面側(図中下方)の保
護層に届くまで異方性エッチングする。この加圧室形成
はその他、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性
気体を用いた異方性エッチング方法を用いてもよい。

【００２７】その後分離された圧電性膜前駆体直下の酸
化珪素膜２１をフッ化水素にてエッチング除去する(図
４(VI))。

【００２８】このようにして形成した加圧ユニット５に
先に図１、図２で説明した如く、基体やノズル板を接着
固定して、インクジェットプリントヘッドが完成する。

【００２９】以上の如く形成したインクジェットプリン
トヘッドの一素子当たりの容量は、従来のものが約１０
nFであったのに対して、５nFとほぼ半分に低下した。ま
た長期印字による信頼性評価を行ったところ、従来５０
００万回のインク吐出で１０％の印字素子がこの配線領
域の断線および膜剥離により不良となっていたものが本
例では２０億回のインク吐出で１％以下することができ
た。

【００３０】尚本例では低誘電層の前駆体を形成した
後、圧電性膜の焼結と同時に低誘電層を形成したが、は
じめから低誘電層を成膜形成してもよい。

【００３１】また低誘電層材質は本例の２酸化チタンの
他に、珪素及その酸化物、酸化アルミ、酸化ジルコニウ
ム、等一般に周知の低誘電膜を用いてもよい。しかし、
本発明者が種々実験を重ねた結果、基本的に圧電膜を構
成する元素を用いたほうが、膜間の密着力がよく、想外
の反応などが生じなかった。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、配線領域の圧電性膜と
駆動電極の間に低誘電層を挿入することにより、低廉な
駆動回路を使用でき、また信頼性の高い、高品質で高密
度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の一過程を示す図である。

【図６】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の一過程を示す図である。

【図７】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の一過程を示す図である。

【符号の説明】

１ 加圧室基板 ２ 加圧室 ３ 共通流路 ４ 弾性膜 ５ 加圧ユニット 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 ２４ 圧電性膜前駆体 ３０ 低誘電層 ３１ 低誘電層前駆体 ３２ 変位領域 ３３ 配線領域 ３４ 段差

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 41/24

Claims (6)

【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
   圧室を有する加圧室基板、 該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
   膜と下部駆動電極膜と圧電性膜と上部駆動電極膜からな
   る圧力発生膜、 各々の前記加圧室に連通するインク吐出ノズルとインク
   供給孔、から構成される変位領域と、 前記圧電性膜と上部駆動電極の一端を延引して配線され
   る配線領域とからなり、 前記配線領域は下部駆動電極膜と圧電性膜の間或いは圧
   電性膜と上部駆動電極膜の間に圧電性膜に比較して薄い
   低誘電性膜を介した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。
3. 【請求項３】 前記低誘電性膜が前記圧電性膜を構成す
   る金属元素の酸化物からな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。
4. 【請求項４】 前記変位領域の圧電性膜の化学式が、Ｐ
   bＴi AＺr B（Ｍg1/3Ｎb 2/3）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≦０．５
   ５、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記載のインクジェットプリ
   ントヘッド。
5. 【請求項５】 前記低誘電性膜が酸化鉛、酸化チタン、
   酸化ジルコニウムのいずれかから構成されることを特徴
   とする請求項３記載のインクジェットプリントヘッド。
6. 【請求項６】 前記圧電性膜前駆体を成膜後配線領域に
   前記低誘電成膜前駆体を成膜形成し、その後該圧電性膜
   前駆体および低誘電成膜前駆体を焼成し圧電性膜および
   低誘電成膜を同時に形成すること特徴とするインクジェ
   ットプリントヘッドの製造方法。