JPH0985949A - インクジェット記録ヘッド、及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコン単結晶基板を使用したインクジェッ
ト記録ヘッドにおける駆動電圧の引き下げと、振動板の
耐久性と弾性を高めること。 【構成】 異方性エッチングにより圧力発生室４が形成
されたシリコン単結晶基板１と、表面にたわみ振動モー
ドの圧電振動子１０が固定された振動板８と、ノズル開
口２が穿設されたノズルプレート３からなるインクジェ
ット記録ヘッドにおいて、振動板８を金属の蒸着層で形
成して圧力発生室に露出させる。金属層はシリコンに比
較して靭性と弾性に富むからシリコンに比較して薄く構
成でき、圧力発生室を効率良く容積変化させることが可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ノズルプレート、流路
形成部材、及び振動板を積層し、振動板の表面にたわみ
振動モードの圧電振動子を取付けたインクジェット記録
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】ノズルプレート、流路形成部材、及び振
動板を積層し、振動板の表面にたわみ振動モードの圧電
振動子を取付けたインクジェット記録ヘッドは、これら
大部分の部材をセラミックにより構成できるため、グリ
ーンシートの状態で積層して、これを焼成することによ
り固定できるため、接着剤による接合工程が不要とな
り、製造工程の簡素化を図ることができるという利点を
備えている。

【０００３】しかしながら、粘土状のシートをプレス等
により加工し、これを重ね合わせる作業と、これらシー
トを焼成するという作業を必要とするため、１８０ｄｐ
ｉ程度の密度で圧力発生室を形成することが困難である
ばかりでなく、歩留まりが低いという問題を抱えてい
る。

【０００４】このような問題を解消するために予め、一
方の面に二酸化シリコンの層を形成し、他方の面に圧力
発生室に一致したエッチングパターンを形成した結晶方
位（１、１、０）のシリコン単結晶基板に、圧電振動子
のグリーンシートを積層し、これをアニール処理して圧
電振動子を形成し、その後他方の面からエッチング加工
して振動板と、圧力発生室をシリコン基板で一体に形成
し、開口側にノズルプレートを貼着してなるインクジェ
ット記録ヘッドが提案されている（特開昭5-504740号公
報）。

【０００５】これによれば、グリーンシートの重ね合わ
せの作業を可及的に少なくして歩留まりの向上を図るこ
とができるものの、振動板が靭性の無いシリコンにより
形成されるため、信頼性を維持する上から振動板を薄く
することが困難で、圧電振動子に高い電圧を印加すると
ともに、振動板をたわみやすくする必要上その面積が大
きくなってしまい、圧力発生室の高密度配置が困難にな
るという問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題に鑑みてなされたものであって、その目的とするとこ
ろは可及的に低い電圧での駆動が可能で、しかも圧力発
生室を高密度で配置することができるインクジェット式
記録ヘッドを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明においては、異方性エッチングにより圧
力発生室が形成されたシリコン単結晶基板と、前記圧力
発生室の一方を封止し、表面にたわみ振動モードの圧電
振動子が固定された振動板と、前記圧力発生室の他方の
面を封止し、インク滴吐出用のノズル開口が穿設された
ノズルプレートからなるインクジェット記録ヘッドにお
いて、前記振動板は、支持領域で二酸化シリコンの層を
介して前記シリコン単結晶基板に固定され、また前記圧
力発生室領域で前記二酸化シリコンの層を介すること無
く耐蝕性を備えた金属の蒸着層により形成するようにし
た。

【０００８】

【作用】シリコンに比較して靭性が大きな金属により振
動板が形成されているため、振動板を薄くすることが可
能となる。この結果、駆動電圧の上昇を必要とすること
なく、振動板の面積を小さくできて圧力発生室の高密度
配列に対応でき、また信頼性も向上する。

【０００９】

【実施例】そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例を示すも
のであって、図中符号１は、シリコン単結晶基板で、一
方の面から他方の面まで貫通するように異方性エッチン
グにより開口１ａが形成されていて、一方の開口側にノ
ズル開口２が穿設されたノズルプレート３を貼着して圧
力発生室４が形成され、また他方の面には、シリコン単
結晶基板１に形成されたエッチングの保護層としての二
酸化シリコンの層５を介して図２に示したようにチタン
層１５と白金層１６の層からなる耐疲労性と、弾性を備
えた厚さ４μｍ以下の振動板８が形成されている。な
お、圧力発生室４は、幅が１００μｍ以下で、ピッチが
１４０μｍ程度（１８０ｄｐｉ）で配置されている。

【００１０】この振動板８の表面には、振動板８を共通
の電極とするようにしてその表面に厚さ１乃至８μｍ程
度の圧電材料、例えばＰＺＴ等からなる圧電振動子１０
が圧力発生室４に対応して形成され、さらにその表面に
それぞれ独立した駆動電極１１が形成されている。な
お、図中符号１４は、駆動電極１１を保護する保護層を
示す。

【００１１】この実施例において、駆動電極１１に信号
を印加すると、圧電振動子１０が圧力発生室４側が凸と
なるようにたわんで振動板８を変形させる。これにより
圧力発生室４に圧力が生じて、ノズル開口２からインク
滴が吐出する。所定時間の経過後に駆動信号を絶つと、
圧電振動子１０が元の状態に復帰するから、圧力発生室
４が膨張して、図示しない共通のインク室から圧力発生
室４にインクが流れ込み、次のインク滴の吐出に備え
る。

【００１２】ところで、振動板８は、靭性、耐蝕性に優
れたチタン層１５と白金１６との積層により構成されて
いるため、シリコン単結晶基板からなる従来の振動板に
比較して非常に薄く形成することができるため、変形性
に極めて優れている。この結果、圧力発生室４の変形領
域を小さくしてもインク滴の吐出に必要な圧力発生室の
容積変化を確保することができる。

【００１３】したがて、圧力発生室４の幅を小さくして
高密度配列が可能となり、また駆動信号の上昇を必要と
することなくインク滴を吐出させることができ、さらに
はインクによる振動板の腐蝕を防止することができる。

【００１４】次ぎに上述した記録ヘッドの製造方法を図
３、図４に基づいて説明する。圧力発生室を形成するの
に適した厚み、例えば２２０μｍの結晶軸（１、１、
０）のシリコン単結晶基板１に、その全面に熱酸化法に
より二酸化シリコンからなるエッチング保護層５を形成
する（図３（I））。

【００１５】シリコン単結晶基板１の一方の面のエッチ
ング保護層５の表面にスパッタリング等の層形成方法に
よりチタンと白金で所定の厚み、例えば１μｍの金属層
２０を形成する。

【００１６】このようにして形成された金属層２０の表
面に、予め１１００°Ｃ程度で焼成して圧電定数の大き
なものだけを選択した厚さ３０μｍ程度に研磨したＰＺ
Ｔ等の圧電振動板２１を少なくとも圧力発生室４が形成
される領域に接着剤で貼着する（図３（II））。シリコ
ン単結晶基板は、極めて平坦であるからその上に形成さ
れる金属層２０の平坦度も極めて高い。したがって圧電
振動板２１を十分に研磨して平坦度を確保するととも
に、厚さを均一化しておきさえすれば、確実に接着する
ことができる。

【００１７】この圧電振動板２０の表面に、圧力発生室
４が形成される位置に合わせてエッチング保護層を形成
して、活性化したアルゴンガスを吹き付けてエッチング
して各圧力発生室４に対応するように圧電振動板４を分
離し、圧力発生室４に対向する位置に所定サイズを備え
た圧電振動子１０、１０を形成する（図３（III））。

【００１８】そして圧電振動子１０の中央部にＡｕ
（金）やアルミニューム（Ａｌ）により駆動電極１１を
形成する（図３（IV））。

【００１９】金属層２０が形成されている他方の面に圧
力発生室４の形状に一致するようにエッチング保護層５
をフッ化水素によりエッチングして窓２３を形成する
（図４（Ｉ））。そして、異方性エッチング液、例えば
８０°Ｃに保温された濃度１７％程度の水酸化カリウム
の水溶液を用いてシリコン単結晶基板１にを異方性エッ
チングする。これにより金属層２０の裏面に形成されて
いる二酸化シリコンの層５までエッチングが進行する
（図４（II））。

【００２０】ついで単結晶シリコン基板１の周面、及び
金属層２０の裏面の二酸化シリコンの層５をフッ化水素
液でエッチングしてこれを除去し、圧力発生室４となる
通孔２４側に金属層２０を露出させて、シリコン層を介
することのない金属層２０だけによる振動板８が形成さ
れることになる（図４（III））。

【００２１】いうまでもなく、振動板８となる金属層２
０とシリコン単結晶基板１の表面の二酸化シリコン５と
は、接着剤を介して接合されていないため、従来におけ
る接着剤の塗布作業や、振動板の張り合わせ作業が不要
となって製造工程の簡素化を図ることができるばかりで
なく、張り合わせ時に生じる接着剤の流れ出しによる圧
力発生室４の容積変化や、また振動板上での接着剤の固
化による振動板の弾性変形が皆無となる。

【００２２】圧電振動子１０の表面にアルミニューム等
の導電材料で導電層を形成して駆動電極１４を作り付け
る（図４（IV））。

【００２３】最後に圧力発生室４の配列に合わせてノズ
ル開口が穿設されているノズルプレートをシリコン単結
晶基板の開口側に接着剤等により固定することにより記
録ヘッドができあがる。

【００２４】なお、上述の実施例においては、金属層２
０を形成した直後に圧電振動子を作り付けているが、金
属層形成以後でかつ駆動電極を形成する以前ならば任意
の時期に圧電振動子を作り付けれることは明らかであ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明において
は、異方性エッチングにより圧力発生室が形成されたシ
リコン単結晶基板と、圧力発生室の一方を封止し、表面
にたわみ振動モードの圧電振動子が固定された振動板
と、圧力発生室の他方の面を封止し、インク滴吐出用の
ノズル開口が穿設されたノズルプレートからなるインク
ジェット記録ヘッドにおいて、振動板を圧力発生室に露
出するよう耐蝕性を備えた金属の蒸着層により形成した
ので、極めて薄く、かつ高い靭性を備えた振動板を接着
作業を必要とすることなく形成することができて、高い
信頼性を備え、低電圧駆動が可能でしかも小型化が可能
な圧力発生室を実現することができる。また、圧電振動
子として別工程で焼成された圧電振動板を貼着して、エ
ッチングにより切り出しているため、前もって圧電振動
子の選別が可能となり、信頼性を確保でき、また圧電振
動子が別体として焼成できるため、振動板との熱膨張差
に起因する残留応力を皆無にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの一実施
例を示す断面図である。

【図２】同上記録ヘッドの振動板の断面構造を拡大して
示す図である。

【図３】図（I）乃至（IV）は、それぞれ同上記録ヘッ
ドの製造工程の前半の工程を示す図である。

【図４】図（I）乃至（IV）は、同上記録ヘッドの製造
工程の後半の工程を示す図である。

【符号の説明】

１ シリコン単結晶基板 ２ ノズル開口 ３ ノズルプレート ４ 圧力発生室 ５ 二酸化シリコンの層 ８ 振動板 １０ 圧電振動子 １４ 駆動電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異方性エッチングにより圧力発生室が形
   成されたシリコン単結晶基板と、前記圧力発生室の一方
   を封止し、表面にたわみ振動モードの圧電振動子が固定
   された振動板と、前記圧力発生室の他方の面を封止し、
   インク滴吐出用のノズル開口が穿設されたノズルプレー
   トとからなるインクジェット記録ヘッドにおいて、 前記振動板は、支持領域で二酸化シリコンの層を介して
   前記シリコン単結晶基板に固定され、また前記圧力発生
   室領域で前記二酸化シリコンの層を介すること無く耐蝕
   性を備えた金属の蒸着層により形成されているインクジ
   ェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 前記金属層がチタンと白金で形成されて
   いる請求項１のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 前記圧電振動子が、前記振動板の表面に
   圧電振動板を固定してから切り出されて形成されている
   請求項１のインクジェット式記録ヘッド。
4. 【請求項４】 結晶軸（１、１、０）の単結晶シリコン
   基板の全周面に二酸化シリコンの層を形成して基材を形
   成する工程と、 前記基材の一方の面に振動板に適した厚みの金属層を形
   成する工程と、 前記基材の他方の面の前記二酸化シリコンの層を、圧力
   発生室に合わせた形状にエッチングして、前記単結晶シ
   リコン基板を前記金属層に接している二酸化シリコンの
   層までエッチングする工程と、 前記金属層に接している二酸化シリコンの層をエッチン
   グする工程と、 前記基材の開口側にノズルプレートを貼着する工程と、 からなるインクジェット記録ヘッドの製造方法。
5. 【請求項５】 前記金属層が形成された以後に圧電振動
   板を前記金属層に貼着して、圧力発生室に対応するよう
   にエッチングにより切り出す工程を含む請求項４のイン
   クジェット記録ヘッドの製造方法。