JPH10226071A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力発生室の境界近傍における振動板の応力
集中を防止しつつ、圧電体層を介しての上電極と下電極
との間でのリーク電流の発生の防止や吸湿に起因する圧
電体層の劣化を防止すること。 【解決手段】 圧電体層１１及び上電極１２が、圧力発
生室３に対向する領域の内側に形成され、上電極１２が
電気絶縁体層１３に被覆されて上電極１２に対向する領
域に形成された電気絶縁体層１３の窓１３ａを介して駆
動信号を供給する導電パターン１４を接続して、圧力発
生室３の境界部３ａ、３ｂでの急激な変位による応力集
中を防止し、また電気絶縁体層１３により上電極１２と
下電極１０との絶縁と、大気との遮断を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術の分野】本発明は、インク滴を吐出
するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を弾性板で
構成し、この弾性板の表面に圧電体層を形成して、圧電
体層の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット
式記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を吐出するノズル開口と連通す
る圧力発生室の一部を弾性板で構成し、この弾性板を圧
電振動子により変形させて圧力発生室のインクを加圧し
てノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット
式記録ヘッドには、圧電振動子の軸方向に伸長、収縮す
る縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ
振動モードの圧電振動子を使用したものの２種類が実用
化されている。

【０００３】前者は圧電振動子の端面を弾性板に当接さ
せることにより圧力発生室の容積を変化させることがで
きて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電弾性板をノズル開口の配列ピッチに一致させて
櫛歯状に切分けるという困難な工程や、切り分けられた
圧電振動体を圧力発生室に位置決めして固定する作業が
必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。

【０００４】これに対して後者は、圧電材料のグリーン
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で弾性板に圧電振動体を
作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する
関係上、或程度の面積が必要となり、高密度配列が困難
であるという問題がある。

【０００５】後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、
特開平5-286131号公報に見られるように、弾性板の表面
全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成
し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室
に対応する形状に切分けて各圧力発生室毎に独立するよ
うに圧電振動子を形成したものが提案させている。これ
によれば圧電振動子を弾性板に貼付ける作業が不要とな
って、リソグラフィー法という精密で、かつ簡便な手法
で圧電振動子を作り付けることができるばかりでなく、
圧電振動子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になると
いう利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】反面、圧電材料層が非
常に薄いため、圧電振動子を貼付したものに比較して剛
性が低く、圧力発生室の境界近傍に応力が集中しやす
く、弾性板や圧電振動子、さらには電極の寿命の低下を
招く等の不都合がある。また圧電定数がグリーンシート
を貼付して焼成して形成した圧電振動子に比較して１／
３乃至１／２程度と低く、高電圧での駆動を必要とし
て、上電極と下電極とが圧電材料層の側面を介して沿面
放電して上電極と下電極との間にリーク電流が生じ易
く、インク滴の吐出が不安定になるという問題や、圧電
振動子を個々の圧力発生室に対応するように分離、分割
した場合には、大気に露出する側面の面積が大きくな
り、大気中の湿気により圧電振動子が劣化しやすいとい
う問題がある。

【０００７】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって第１の目的とするところは、圧力発生室の
境界近傍での応力集中を低減して上電極の破損を防止す
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。

【０００８】本発明の第２の目的は、圧力発生室の境界
近傍での応力集中を低減して上電極の破損を防止すると
ともに、圧電材料層を挟む上下電極間でのリーク電流の
発生を防止してインク滴を安定に吐出させ、また、圧電
振動子の劣化を防止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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の課題を達成するた
めに本発明においては、ノズル開口に連通する圧力発生
室を構成する弾性板の表面に形成された下電極と、該下
電極の表面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の表
面で、かつ前記圧力発生室に対向する領域に形成された
上電極とからなる圧電振動子を備えたインクジェット式
記録ヘッドにおいて、前記上電極が、前記圧力発生室に
対向する領域毎に独立して形成され、また前記上電極の
上面の少なくとも導電パターンとの接続部をなす窓を残
すようにその周縁部から前記圧電体層の側面を被覆する
絶縁体層を形成するようにした。これにより上電極が圧
力発生室よりも内側に位置するため、圧力発生室の境界
部での急激な変位を受けることがなく、破壊を防止する
ことができる。

【００１０】第２の課題を達成するために本発明におい
ては、ノズル開口に連通する圧力発生室を構成する弾性
板の表面に形成された下電極と、該下電極の表面に形成
された圧電体層と、前記圧電体層の表面で、かつ前記圧
力発生室に対向する領域に形成された上電極とからなる
圧電振動子を備えたインクジェット式記録ヘッドにおい
て、前記圧電体層及び上電極が、前記圧力発生室に対向
する領域の内側に形成され、また前記上電極の上面の少
なくとも導電パターンとの接続部をなす窓を残すように
その周縁部から前記圧電体層の側面を被覆する絶縁体層
を形成するようにした。これにより、圧力発生室の境界
部での急激な変位による応力集中を防止し、また電気絶
縁体層により上電極と下電極との絶縁と、大気との遮断
性を確保する。

【００１１】

【発明の実施の形態】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
施例を示す組立斜視図であり、また図２は１つの圧力発
生室の長手方向における断面構造を示す図であって、図
中符号１は、流路形成基板で、一方の面が開口面とな
り、また他方の面が酸化シリコンからなる弾性板２を形
成するようにシリコン単結晶基板を異方性エッチングし
て圧力発生室３、リザーバ４を形成、さらにこれら圧力
発生室３とリザーバ４とを一定の流体抵抗で連通させる
凹部からなるインク供給口５を形成して構成されてい
る。

【００１２】弾性板２の各圧力発生室３に対向する領域
には、各圧力発生室３毎に独立させて膜形成方法で作り
付けられた圧電振動子６が設けらている。

【００１３】圧電振動子６は、弾性板２の表面に圧力発
生室３、インク供給口５の領域をほぼ覆うように形成さ
れた下電極１０と、圧力発生室３の弾性板２が露出して
いる領域をはみ出すことなく、かつ各圧力発生室３の幅
よりも若干狭く形成された圧電体層１１と、圧電体層１
１の表面に形成された上電極１２とをそれぞれ積層して
構成されている。

【００１４】圧電体層１１、及び上電極１２は、図２
（イ）、（ロ）に示したようにノズル開口側の辺１１
ａ、１２ａ、及びインク供給口側の辺１１ｂ、１２ｂが
圧力発生室３の長手方向の境界３ａ、３ｂよりも内側に
位置するように形成され、また幅方向の望ましくは圧力
発生室の隔壁よりも内側に位置するように形成されてい
る。

【００１５】上電極１２の上面の少なくとも周縁、及び
圧電体層１１の側面を覆うように電気絶縁性を備え、造
膜法による形成やまたエッチングによる整形が可能な材
料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好
ましくは剛性が低く、かつ電気絶縁性に優れた感光性ポ
リイミドからなる薄い絶縁体層１３が形成されている。

【００１６】絶縁体層１３の上電極１２の一部には後述
する導電パターン１４と接続するために上電極１２の一
部を露出させる窓１３ａが形成され、この窓１３ａを介
して上電極１２に一端が接続し、また他端が接続端子部
に延びる導電パターン１４が形成されている。導電パタ
ーン１４は、駆動信号を上電極１２に確実に供給できる
程度に可及的に狭い幅となるように形成されている。

【００１７】１５はノズルプレートで、圧力発生室３の
一端側で連通するようにノズル開口１６を穿設して構成
され、流路形成基板１の開口部を封止するように固定さ
れている。なお、図中符号１７は、圧電振動子６に駆動
信号を供給するフレキシブルケーブルを、また１８はヘ
ッドケースを示す。

【００１８】この実施例において、外部駆動回路からフ
レキシブルケーブル１７を介して駆動信号を圧電振動子
６に供給すると、導電パターン１４を通って上電極１２
に印加され、圧電振動子６がたわみ振動して圧力発生室
３の容積を減少させる。

【００１９】圧力発生室３の容積変化により加圧された
圧力発生室３のインクは、一部がノズル開口１６からイ
ンク滴として吐出する。インク滴の吐出が終了して圧電
振動子６が元の状態に戻ると、圧力発生室３の容積が増
大してインク供給口５を介してリザーバ４のインクが圧
力発生室３に流れ込む。

【００２０】ところで、各圧電振動子６を構成する圧電
体層１１は、その両端１１ａ、１１ｂが圧力発生室３の
境界３ａ、３ｂよりも内側に位置するサイズに形成され
ていて、圧電体層１１や上電極１２が境界３ｂに存在し
ないため、急激な変位勾配の影響を受けることがなくな
り、機械的疲労による破壊が皆無となる。

【００２１】これに対して図８に示したように圧電体層
１１’を記録ヘッドの端部近傍にまで延長して、圧電体
層１１’を下電極１０と上電極１２’との絶縁層とし、
また上電極１２’の延長部を引出し電極として使用する
形式の記録ヘッドでは、圧力発生室３の端部３ｂに圧電
体層１１’が位置することになり、境界３ｂに対向する
領域で急激な変位勾配が生じて、圧電振動子６が破壊さ
れやすいという不都合がある。

【００２２】また、上電極１２に接続する導電パターン
１４は、絶縁体層１３の表面に形成されているため、下
電極１０との間隙が大きく、下電極１０との間の絶縁抵
抗を確保されて沿面放電が防止され、また静電容量、及
び圧電体損が極めて小さくなり、応答速度の低下や発熱
を抑えることができる。

【００２３】さらに、吸湿により圧電定数等が変化しや
すい圧電体層１１は、上面を金属の緻密な膜からなる上
電極１２と絶縁体層１３とにより、また側面を絶縁体層
１３により大気と遮断されているため、長期間に亙って
吸湿することがなく、初期の特性を維持することができ
る。

【００２４】なお、上述の実施例においては導電パター
ン１４を上電極１２の一端でのみ接続するようにしてい
るが、図３（イ）、（ロ）に示したように上電極１２の
側部に平行に延びるように導電パターン１４を形成し、
上電極１２に対向する絶縁体層１３の複数の箇所に窓１
３ａ，１３ｂ，１３ｃを形成し、これら窓１３ａ〜１３
ｃを介して上電極１２と接続するようにすると、上電極
１２に応答遅れを可及的に小さくして駆動信号を供給す
ることができる。

【００２５】また、上述の実施例のおいては導電パター
ン１４との接続部の形状に一致させて絶縁体層に窓１３
ａ，１３ｂ，１３ｃを形成しているが、図４に示したよ
うに上電極１２の上面の周縁の一部ΔＬ、ΔＬ’、Δ
Ｌ''だけを残して導電パターン１４の接続部よりも大き
な窓１７を形成しても、圧電体層１１は、その表面を白
金等の緻密な膜からなる上電極１２により被覆され、ま
た側面を絶縁体層１３により被覆されて大気から隔離さ
れるから、大気中の湿気等による劣化と、側面を伝う沿
面放電が防止される。

【００２６】そして圧電体層１１は、その変位領域の大
部分に窓１７が形成されていて上電極１２だけが存在す
るだけであるから、絶縁体層１３の剛性による剛性の増
加を可及的に抑えて前述の実施例に比較して単位電圧当
たりの変位量を増大させることができる。

【００２７】ところで、このような記録ヘッドは、図
５、図６に基づいて以下に説明するように基本的にはシ
リコン単結晶基板を母材に使用した異方性エッチングに
より製作される。

【００２８】すなわち、シリコン単結晶基板２０の表面
に熱酸化法等で酸化シリコン膜２１、２２を形成し、片
面に振動板を兼ねる下電極の導電層２３を白金などのス
パッタリング法により形成した母材を用意する。そして
導電層２３の表面にチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材
料層２４を形成し、引き続いて上電極１２となる導電層
２５をスパッタリング法により形成する。

【００２９】次に、圧力発生室の形状に合わせてフォト
リソグラフィー法により圧電体層２４及び導電層２５を
同一プロセスでエッチングする。さらに、フォトリソグ
ラフィ法により導電層２３をパターニングして下電極を
形成し、つぎにシリコン単結晶基板２０の他方の面の酸
化シリコン膜２２を、圧力発生室の形状に合わせてフォ
トリソグラフィー法によりパターニングする。なお、下
電流のパターニングの際に、レジスト層３１が圧電材料
層２４や上電極の導電層２３の保護層として機能する。
また、酸化シリコン膜２１のパターニングにはフッ酸が
エッチャントとして使用されるが、上述のレジスト層３
１を形成しておくことによりフッ酸から圧電材料層２４
を保護することができる（図５（I））。

【００３０】次に、圧電体材料層２４及び導電層２３、
２５の表面に、厚さ６μｍ程度のフッ素樹脂保護膜２６
を形成する（図５（II））。このフッ素樹脂保護膜は、
回転塗布法により２μｍ程度塗布し、これを１２０°Ｃ
で２０分乾燥させる工程を３回繰返すことにより、圧電
体材料層２４及び導電層２３、２５にフッ素樹脂保護膜
２６を、その重合度を高めつつ密着させて形成すること
ができる。

【００３１】なお、フッ素樹脂保護膜２６の形成方法に
は、図（II’）に示したように母材の他面側に樹脂フィ
ルム２７を貼着し、全体をフッ素樹脂液に浸漬すること
により、圧電体材料層２４及び導電層２３、２５を被覆
するように樹脂液を付着させる。これを温度１００°Ｃ
で３０分程度プレアニールし、ついで温度２００°Ｃで
３０分加熱してフッ素樹脂２８を保護膜として機能する
まで硬化させる方法を採用してもよい。なお、フッ素樹
脂保護膜２８の形成が終了した段階で、樹脂フィルム２
７を除去すると、不要なフッ素樹脂保護膜２９も除去さ
れる。

【００３２】パターニングされたシリコン酸化膜２２の
側だけを、温度８０°Ｃに維持された５ｗｔ％乃至２０
ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に浸漬して、１乃至２時
間程度エッチングを実行する。これにより、シリコン単
結晶基板は酸化シリコン膜２２を保護層として他方の酸
化シリコン膜２１までエッチングが進行して、圧力発生
室となる凹部３０が形成される。このエッチング工程に
おいてフッ素樹脂保護膜２８により圧電材料層２４を保
護することにより、圧電材料層２４が水酸化カリウム水
溶液によりダメージを受けるのを防止することができ
る。

【００３３】ついで、エッチングストッパとして機能し
た酸化シリコン膜２１の内、凹部３０から露出している
領域と、異方性エッチング用パターンとして機能した酸
化シリコン膜２２とを、フッ酸素溶液、またはフッ酸と
フッ化アンモニウムとを混合した溶液で除去する。最後
にフッ素樹脂膜２６（２８）を酸素プラズマによるエッ
チングにより除去する（図６（II））。

【００３４】この除去に際して上電極となる導電層２５
の上面の少なくとも導電パターンとの接続部をなす窓３
１を形成する一方、圧電体層２４の側面には残留させる
ようにエッチングを行なうと、フッ素樹脂膜２６（２
８）を前述の絶縁層１３と同様の機能を持たせることが
できる（図６（II’））。

【００３５】もとより、図６（II）に示したようにフッ
素樹脂保護膜２６（２８）を全て除去した場合には、前
述したように新たな絶縁膜１３を別途、形成すればよ
い。

【００３６】なお、上述の実施例においては、記録ヘッ
ドの面に対して垂直な方向にノズル開口１６を形成して
フェースタイプの記録ヘッドとして構成しているが、図
７に示したように流路形成基板等の圧力発生室構成部材
や、圧力発生室に流路を介して記録ヘッドの端面４０に
ノズル開口４１を穿設してエッジタイプとして構成して
も同様の作用を奏することは明らかである。

【００３７】さらには、上述の実施例においては、圧電
振動子を造膜法により形成する場合について説明した
が、圧電材料のグリーンシートの薄板を、圧力発生室に
対応する形状に整形して弾性板に貼着し、これを焼成し
て圧電層としたものに適用しても同様の作用を奏するこ
とは明らかである。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
ノズル開口に連通する圧力発生室を構成する弾性板の表
面に形成された下電極と、下電極の表面に形成された圧
電体層と、圧電体層の表面で、かつ圧力発生室に対向す
る領域に形成された上電極とからなる圧電振動子を備え
たインクジェット式記録ヘッドにおいて、上電極が、圧
力発生室に対向する領域毎に独立して形成され、また上
電極の上面の少なくとも導電パターンとの接続部をなす
窓を残すようにその周縁部から圧電体層の側面を被覆す
る絶縁体層が形成されているため、上電極が圧力発生室
よりも内側に位置し、圧力発生室の境界部での急激な変
位を受けることがなく上電極の断線を防止することがで
き、また圧電振動子を絶縁体層により被覆して上下電極
間での沿面放電や吸湿による劣化を防止することができ
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
例を示す組立斜視図である。

【図２】図（イ）、（ロ）は、それぞれ同上インクジェ
ット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の断面構造を示す
図、及び圧力発生室、上電極、下電極との位置関係で導
電パターンの配列形態を示す図である。

【図３】図（イ）、（ロ）は、それぞれ本発明の同上イ
ンクジェット式記録ヘッドの他の実施例を、１つの圧力
発生室の断面構造を示す図、及び圧力発生室、上電極、
下電極との位置関係で導電パターンの配列形態を示す図
である。

【図４】図（イ）、（ロ）は、それぞれ同上インクジェ
ット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の断面構造を、圧
力発生室の長手方向の断面と、圧力発生室の並び方向の
断面で示す図である。

【図５】図（I）乃至（II’）は、それぞれインクジェ
ット記録ヘッドを構成するシリコン単結晶基板の加工方
法の前半の工程を示す図である。

【図６】図（I）乃至（II’）は、それぞれインクジェ
ット記録ヘッドを構成するシリコン単結晶基板の加工方
法の後半の工程を示す図である。

【図７】本発明の電極構造の適用が可能な他の形式の記
録ヘッドの一実施例を示す断面図である。

【図８】たわみ振動子を使用した記録ヘッドの一例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ 流路形成板 ２ 弾性板 ３ 圧力発生室 ４ リザーバ ５ インク供給口 ６ 圧電振動子 １０ 下電極 １１ 圧電体層 １２ 上電極 １３ 絶縁体層 １４ 導電パターン １５ ノズルプレート １６ ノズル開口

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル開口に連通する圧力発生室を構成
   する弾性板の表面に形成された下電極と、該下電極の表
   面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の表面で、か
   つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された上電極と
   からなる圧電振動子を備えたインクジェット式記録ヘッ
   ドにおいて、 前記上電極が、前記圧力発生室に対向する領域毎に独立
   して形成され、また前記上電極の上面の少なくとも導電
   パターンとの接続部をなす窓を残すようにその周縁部か
   ら前記圧電体層の側面を被覆する絶縁体層が形成されて
   いるインクジェット式記録ヘッド。
2. 【請求項２】 前記導電パターンが前記圧力発生室の隔
   壁に対向する位置に形成され、前記上電極に複数箇所で
   窓を介して接続する請求項１に記載のインクジェット式
   記録ヘッド。
3. 【請求項３】 前記窓が前記圧電体層の振動領域の変位
   を阻害しない程度に前記圧電体層の周縁まで拡大されて
   いる請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
4. 【請求項４】 前記電気絶縁体層が、酸化シリコン、窒
   化シリコン、またはポリイミド等の有機材料により形成
   されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッ
   ド。
5. 【請求項５】 前記絶縁体層が、エッチング工程で使用
   するエッチング保護膜により形成されている請求項１に
   記載のインクジェット式記録ヘッド。
6. 【請求項６】 ノズル開口に連通する圧力発生室を構成
   する弾性板の表面に形成された下電極と、該下電極の表
   面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の表面で、か
   つ前記圧力発生室に対向する領域に形成された上電極と
   からなる圧電振動子を備えたインクジェット式記録ヘッ
   ドにおいて、 前記圧電体層及び上電極が、前記圧力発生室に対向する
   領域の内側に形成され、また前記上電極の上面の少なく
   とも導電パターンとの接続部をなす窓を残すようにその
   周縁部から前記圧電体層の側面を被覆する絶縁体層が形
   成されているインクジェット式記録ヘッド。
7. 【請求項７】 前記導電パターンが前記圧力発生室の隔
   壁に対向する位置に形成され、前記上電極に複数箇所で
   窓を介して接続する請求項６に記載のインクジェット式
   記録ヘッド。
8. 【請求項８】 前記窓が前記圧電体層の振動領域の変位
   を阻害しない程度に前記圧電体層の周縁まで拡大されて
   いる請求項６に記載のインクジェット式記録ヘッド。
9. 【請求項９】 前記電気絶縁体層が、酸化シリコン、窒
   化シリコン、またはポリイミド等の有機材料により形成
   されている請求項６に記載のインクジェット式記録ヘッ
   ド。
10. 【請求項１０】 前記絶縁体層が、エッチング工程で使
    用するエッチング保護膜により形成されている請求項６
    に記載のインクジェット式記録ヘッド。