JPH11227196A

JPH11227196A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11227196A
Application number: JP3589098A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuzawa; 明松沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のインクジェット記録ヘッドの有利な点
を維持したまま、圧電体に対する電極の抵抗値の増大を
防ぐ。【解決手段】共通電極３の膜厚を、圧電体４の周囲に
在ってインク室９に面している領域１０４の一部又は全
てがこの領域以外の部分より薄く形成されるようにし
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、電気を加えること
によって変形する圧電効果を利用した圧電効果素子に関
するものである。本発明は、特に、インク吐出の駆動源
に圧電体を用いたインクジェット記録ヘッド、さらに、
この製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、液体あるいはインク吐出の駆
動源である電気−機械変換素子として圧電素子を使用し
た圧電型インクジェット式記録ヘッドがある。この従来
技術として、例えば、特開平５−２８６１３１号公報に
て提案されたものが存在する。このものを、図２の（１
０）を参照して説明する。

【０００３】この記録ヘッドは、ヘッド基台１に個別イ
ンク路（インク圧力室）９を有し、この個別インク路９
を覆うように振動板８を有している。振動板８に被着形
成するように共通電極（下電極）３が形成され、各個別
インク路９上に及ぶように、圧電体としてのＰＺＴ素子
４が配置されている。

【０００４】このＰＺＴ素子の片面に個別電極（上電
極）５が配置されている。この記録ヘッドでは、ＰＺＴ
素子に電界を加えてＰＺＴ素子を変位させることによ
り、個別インク路内のインクを個別インク路の先端にあ
るノズルから押し出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本願の出願人は、係る
インクジェット記録ヘッドとして、特願平９−８０７５
号において、図３に示すように、振動板兼電極ＢＥの厚
みを、圧電体薄膜に被着形成されている領域より、圧電
体薄膜が被着形成されておらずインク溜まりＩＴに重な
る領域で薄くすることを提案した。以前では、圧電体薄
膜に被着形成されている領域と、圧電体薄膜が被着形成
されておらずインク溜まりＩＴに重なる領域とで、振動
板の厚みが同じであったため、大きな変位が得られず、
印字に必要な量のインクが吐出しない問題点や、インク
溜まりＩＴの十分な体積変化を得ようとすると、インク
溜まりの長さを大きくする必要がある等の問題があった
のに対して、本願の出願人の提案によれば、領域Ｌｃｂ
の振動板のコンプライアンスが大きくなるので、同じ印
加電圧ならば、振動板をより撓ませることが可能となっ
た。

【０００６】しかしながら、係る利点を有するインクジ
ェット記録ヘッドであっても、共通電極が薄くなること
により、共通電極の抵抗値が大きくなるという課題があ
る。そこで、本発明は係る課題を解決するために、前記
従来のインクジェット記録ヘッドの有利な点を維持した
まま、圧電体に対する電極の抵抗値の増大を防ぐことを
目的とする。本発明は、また、電極が高抵抗化すること
を防ぐことにより、インク吐出の際の応答速度の低下を
防止することを目的とする。本発明は、また、電極が高
抵抗化することを防ぐことにより、電極の発熱防止、電
圧低下を防止することを目的とする。本発明は、また、
これらの目的を達成できる圧電素子、この圧電素子を用
いたインクジェット記録ヘッド、及びその製造方法を提
供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、圧電体のほぼ周辺にある電極の厚さを、
これ以外の部分の厚さより薄く形成したことを特徴とす
るものである。本発明の第１の形態は、ノズルからイン
クを噴射するためのインク溜まり溝と、このインク溜ま
り溝上に選択的に形成され、かつこの溝内のインクを加
圧する圧電体と、を備えるインクジェット記録ヘッドに
おいて、前記圧電体のほぼ周辺領域のみで前記溝上に存
在する膜の膜厚を減少させたことを特徴とするものであ
る。

【０００８】本発明の他の形態は、複数の圧電体に対す
る共通電極の膜厚が、当該圧電体の周辺領域のみでそれ
以外の部分と比較して薄く形成されていることを特徴と
する。本発明のさらに他の形態は、ノズルからインクを
噴射するためのインク溜まり溝と、このインク溜まり溝
上に選択的に形成され、かつこの溝内のインクを加圧す
る圧電体と、この圧電体に対する電極と、を備え、前記
圧電体下と前記溝との間にあり、この圧電体の変位を前
記溝内に伝える振動手段の膜厚を、前記圧電体の周囲に
在って前記溝に面している領域の一部又は全てがこの領
域以外の部分より薄く形成される、ようにしたことを特
徴とする。

【０００９】本発明のさらに他の形態は、ノズルからイ
ンクを噴射するためのインク溜まり溝と、このインク溜
まり溝上に選択的に形成され、かつこの溝内のインクを
加圧する圧電体と、この圧電体と前記インク溜まり溝と
の間に形成された共通電極と、この圧電体の上に選択的
に形成された個別電極と、を備え、前記共通電極の膜厚
を、前記圧電体の周囲に在って前記溝に面している領域
の一部又は全てがこの領域以外の部分より薄く形成され
るようにしたことを特徴とする。

【００１０】本発明のさらに他の形態は、膜厚が薄くさ
れている領域が、前記溝の幅にほぼ等しいか、或いはこ
れを僅かに越える程度に形成されていることを特徴とす
る。またさらに、本発明は、所定のパターンで形成され
た圧電体と、この圧電体に対する共通電極と、前記圧電
体に対する個別電極と、を備えた圧電効果素子におい
て、前記圧電体のほぼ周辺領域のみの共通電極の膜厚が
その他の領域における共通電極の膜厚に比較して薄く形
成されたことを特徴とする。

【００１１】本発明は、さらに、これらのインクジェッ
ト記録ヘッドや圧電効果素子の製造方法であることを特
徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施形態を
説明する。図１は本発明に係わるインクジェット記録ヘ
ッドの製造工程を示す断面図である。（１）はこの製造
工程の最初の段階に相当し、（２）―（４）を経て、最
終的にはインクジェット記録ヘッドが完成される。

【００１３】先ず、図１（１）について説明する。
（１）は、インクキャビティ９上に圧電体素子１００が
選択的に形成されている状態を示している。（１）を詳
しく説明すると、この（１）は図２に示す一連の工程に
よって形成される。

【００１４】図２の（１）は、インク溜まり、すなわち
インク圧力室を形成するへッド基台１にシリコン基板が
用いられ、振動板としての１μｍシリコン熱酸化膜２を
基台の両面に形成したことを示している。なお、後に述
べる数値も含めて、各部材に与えた具体的数値は限定的
に解釈されるべきものではない。振動板としては、その
他に後述の共通電極３のみ、共通電極とチッ化珪素、ジ
ルコニウム、ジルコニア等が使用できる。

【００１５】（２）乃至（４）のように、シリコン熱酸
化膜２上に共通電極（下電極）３として膜厚０．８μｍ
の白金をスパッタで形成し、その上に圧電体薄膜４を形
成し、更にその上に個別電極としての上電極５を膜厚
０．１４μｍの白金をスパッタによって形成する。シリ
コン熱酸化膜２と共通電極３とが振動板として機能す
る。上電極材料としてはそのほか導電率が良好なものな
ら良く、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、インジ
ウム等が使用できる。

【００１６】圧電体薄膜４の形成は、簡単な装置で薄膜
を得られる、ゾルゲル法に依る。インクジェット記録ヘ
ッドとしては、圧電特性を示すものの中からジルコン酸
チタン酸鉛〈ＰＺＴ）系が最も適している。共通電極３
の上に調製したＰＺＴ系ゾルをスピンコートで塗布し、
４００℃で仮焼成し、非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成
し、更にゾルの塗布と４００℃の仮焼成を２度繰り返
し、多孔質ゲル薄膜を形成した。

【００１７】次に、ペロブスカイト結晶を得るため、Ｒ
ＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎ
ｇ）を用いて酸素雰囲気中、５秒間で６５０℃に加熱し
て１分間保持しプレアニールを行い、級密なＰＺＴ薄膜
とした。再びこのゾルをスピンコートで塗布して４００
℃に仮焼成する工程を３度繰り返し、非晶質の多孔質ゲ
ル薄膜を積層した。

【００１８】次に、ＲＴＡを用いて６５０℃でプレアニ
ールして１分問保持することにより、結晶質の級密な薄
膜とした。更にＲＴＡを用いて酸素雰囲気中９００℃に
加熱し１分間保持してアニールした。その結果、１．０
μｍ膜厚の圧電体薄膜４が得られた。圧電体薄膜の製造
方法は、スパッタ法でも可能である。

【００１９】次に、（５）に示すように上電極５上にネ
ガレジスト６をスピンコートして塗布する。マスクによ
りネガレジスト６を圧電体薄膜の所望の位置に露光・現
像・べークし、（６）に示すように硬化したネガレジス
ト７を形成する。ネガレジストに代えて、ポジレジスト
を使用することもできる。

【００２０】この状態でドライエッチング装置、例えば
イオンミリング装置で（７）に示すように共通電極３が
露出するまで上電極５と圧電体薄膜４とを同時に一括で
エッチングして、ネガレジスト６で形成した所望の形状
にパターニングする。

【００２１】最後に、アッシング装置で硬化したネガレ
ジスト７を除去して、（８）に示すようにパターニング
が完了する。なお、イオンミリング装置では、エッチン
グした上電極や圧電体薄膜と共にネガレジストもエッチ
ングされるため、エッチング深さによって各々のエッチ
ングレートに鑑み、ネガレジストの厚さを調整すること
が望まれる。ここでは、各々のエッチングレートがほば
同程度であるためネガレジストの厚さを２．０μｍに調
整して行った。

【００２２】上電極と圧電体薄膜を一括エッチングする
上で、圧電体薄膜の膜厚はより薄い方が好ましく、特
に、０．３〜５μｍの範囲であることが好ましい。膜厚
が厚くなると、それに対応してレジストを厚くしなけれ
ばならない。その結果、圧電体薄膜が５μｍを超える場
合は、レジストのパターン形状が不安定になる等の問題
で、微細加工が困難になり高密度のへッドが得られなく
なる。また、膜厚が０．３μｍより小さい場合では、破
壊耐圧が十分でないおそれがある。ドライエツチング方
法としてイオンミリング法以外に反応性イオンエッチン
グを用いても良い。

【００２３】エッチング方法は他にもウエットで行うこ
とができる。例えば、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸等の酸
を加熱してエッチャントとして用いることができる。た
だしこの場合は、上電極の電極材質をエッチヤントでエ
ッチングされるものにする。ウエット処理は、ドライエ
ッチングと比較するとパターニング精度が多少劣り、電
極材料にも制限があるため、ドライエッチングの方が好
ましい。

【００２４】なお、インクジェット記録へッドを完成す
るために、（９）に示すようにヘッド基台１下面（圧電
体薄膜を形成した反対面）より異方性エッチングにより
幅０．１ｍｍのインク圧力室９とインク圧力室ヘインク
を供給するインク供給路、インク供給路に連通するイン
クリザーバーを形成し、インク圧カ室９に対応した位置
にインクを吐出するノズルを形成したノズルプレート１
０を接合した。なお、共通電極３は、複数の圧電体薄膜
パターン４に及んで前記酸化膜２上に形成されている。
これら工程の結果、（１０）に示すように、インクジェ
ット記録ヘッドが得られる。

【００２５】図１の（１）は、図２（９）のノズルプレ
ートが形成されていない状態に相当する。図１の（２）
の工程では、コンプライアンスを形成する振動板を選択
的にエッチングするために、インク室に面していない共
通電極上に、ネガレジストのパターン１０２を形成す
る。換言すると、圧電体素子４と共通電極３を保護する
同一膜厚のレジストパターン１０２を形成する。

【００２６】図２（２）から明らかなように、圧電体素
子はインクキャビティの幅より僅かに小さい幅を持っ
て、インクキャビティ９に面する振動板２及び共通電極
３の上に形成されている。さらに、インクキャビティが
形成されていないシリコン基板の上には、インクキャビ
ティ９の境界から僅かに離れてレジストパターン１０２
が形成されている。

【００２７】次いで（３）の工程は、圧電体素子４が形
成されている面をイオンミリング法によってエッチング
する。この時、レジストパターン１０２が形成されてい
ない、圧電素子４の周辺領域１０４の共通電極３は、選
択的にエッチングされてその厚さを減じて行く。一方、
このエッチングは、レジストパターンが僅かな厚みを残
す程度で終了しているので、圧電体素子４の下にある共
通電極と、シリコン基板１０６の上にある共通電極は、
元々の膜厚を維持している。

【００２８】次いで（４）の工程でレジストマスクを酸
素アッシングによって除去する。圧電体周辺領域にあ
る、膜厚が減じられた領域（以下、これを便宜的に圧電
体素子に対する「腕部」と呼ぶことがある。）１０４
は、インクキャビティに面する領域からインクキャビテ
ィの境界をやや越えて形成されている。

【００２９】腕部１０４に存在する振動手段、すなわち
共通電極の膜厚と腕部以外の共通電極の膜厚は、圧電体
素子に通電した際に、圧電体素子の下にあり、インク室
に臨んでいる振動板２が十分変位を持って撓み、かつ、
共通電極の抵抗値の増加が、制限された範囲に収まるよ
うに適宜に当業者によって決定される。本発明者が検討
したところ、その値は、１００オーム以内であることが
好適である。

【００３０】図４は、本発明に係わるインクジェット記
録ヘッドが形成される工程について、他の実施形態が示
される図である。（１）では、共通電極膜３、圧電体膜
４、個別電極膜５がシリコン基板上に順に形成され、圧
電体素子とは反対側に選択的にインク室９が形成され
る。（２）では、個別電極５上に、圧電体素子４が前記
インク室９に合わせてパターニングされるためのレジス
トマスク１０８が積層される。さらに、前記腕部１０４
に相当する以外の個所に、この個所がエッチングされる
のをマスクする別のレジストパターン１１０が積層され
る。このレジストマスク１１０の膜厚は、腕部にある共
通電極３がエッチングされる深さに対する設計値に合わ
せて調整される。

【００３１】次いで、（３）の工程では、イオンミリン
グによるエッチングが実行されて、共通電極膜３、圧電
体膜４、そして個別電極膜５がレジスト１０８、１１０
のパターンにしたがってエッチングされて、インク室９
に合わせたパターンで圧電体素子が形成され、かつ、腕
部以外では共通電極の表面でエッチングが終了される。
この時、腕部１０４では、共通電極３がエッチングされ
てその膜厚が減じられる。さらに、（４）の工程では、
残ったレジストを除去するために、酸素アッシングが適
用される。

【００３２】以上説明したように、図１及び図４の工程
によって選られたインクジェット記録ヘッドによれば、
腕部の膜厚を自由に制御できることから、変位量を大幅
に向上させてインク吐出のための応答速度を増加させる
ことができる。さらに、共通電極全体を薄くすることな
く、圧電体素子の腕部のみを薄くしていることから、共
通電極の抵抗値が大きくなって、電極の発熱防止、電圧
低下を防止することができ、かつ、下部電極のエッチン
グ両が少なくて済み、エッチング装置のメンテナンス回
数が減り、スループットを向上することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、従来のインクジェット
記録ヘッドの有利な点を維持したまま、圧電体に対する
電極の抵抗値の増大を防ぐことが可能となる。本発明
は、電極が高抵抗化することを防ぐことにより、電極の
発熱防止、電圧低下を防止することができ、かつ下部電
極のエッチング量が少なくてすみ、エッチング装置のメ
ンテナンス回数が減り、スループットが向上する。

【００３４】本発明によれば、これらの効果を達成でき
る圧電体素子、この圧電体素子を使用したインクジェッ
ト記録ヘッドを提供することができる。本発明によれ
ば、さらに、このようなインクジェット記録ヘッド、圧
電効果素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるインクジェット記録ヘッドを得
る方法の実施形態を示す工程図である。

【図２】インクジェット記録へッドを製造する方法の概
念を示す工程図である。

【図３】従来のインクジェット記録ヘッドの構成を示す
ものである。

【図４】本発明に係わるインクジェット記録ヘッドを得
る他の実施形態を示す工程図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２シリコン酸化膜３共通電極４ＰＺＴ膜５個別電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズルからインクを噴射するためのイン
ク溜まり溝と、このインク溜まり溝上に選択的に形成さ
れ、かつこの溝内のインクを加圧する圧電体と、を備え
るインクジェット記録ヘッドにおいて、前記圧電体のほぼ周辺領域のみで前記溝上に存在する膜
の膜厚を減少させたインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】複数の圧電体に対する共通電極の膜厚
が、当該圧電体の周辺領域のみでそれ以外の部分と比較
して薄く形成されている請求項１記載のインクジェット
記録ヘッド。
【請求項３】ノズルからインクを噴射するためのイン
ク溜まり溝と、このインク溜まり溝上に選択的に形成さ
れ、かつこの溝内のインクを加圧する圧電体と、この圧
電体に対する電極と、を備え、前記圧電体の周囲に在って前記溝に面している領域の一
部又は全てがこの領域以外の部分より薄く形成される、ようにしたインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】ノズルからインクを噴射するためのイン
ク溜まり溝と、このインク溜まり溝上に選択的に形成さ
れ、かつこの溝内のインクを加圧する圧電体と、この圧
電体と前記インク溜まり溝との間に形成された共通電極
と、この圧電体の上に選択的に形成された個別電極と、
を備え、前記圧電体の周囲に在って前記溝に面している領域一部
又は全てがこの領域以外の部分より薄く形成される、ようにしたインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】膜厚が薄くされている領域が、前記溝の
幅にほぼ等しいか、或いはこれを僅かに越える程度に形
成されている請求項３又は４記載のインクジェット記録
ヘッド。
【請求項６】所定のパターンで形成された圧電体と、
この圧電体に対する共通電極と、前記圧電体に対する個
別電極と、を備えた圧電効果素子において、前記圧電体
のほぼ周辺領域のみの共通電極の膜厚がその他の領域に
おける共通電極の膜厚に比較して薄く形成された圧電効
果素子。
【請求項７】基板にインクジェット記録ヘッドを形成
する方法において、ノズルからインクを噴射するための
インク溜まり溝を形成する工程と、このインク溜まり溝
上に、この溝内のインクを加圧する圧電体を選択的に形
成する工程と、前記圧電体のほぼ周辺領域のみで前記溝
上に存在する膜の膜厚が減少するようにパターニングす
る工程を備えたインクジェット記録ヘッドの製造方法。
【請求項８】前記パターニングが、複数の圧電体に対
する共通電極の膜厚を当該圧電体の周辺領域のみでそれ
以外の部分と比較して薄く形成されるように成されてい
る請求項７記載のインクジェット記録ヘッドの製造方
法。
【請求項９】基板に、ノズルからインクを噴射するた
めのインク溜まり溝を形成する工程と、このインク溜ま
り溝上にこの溝内のインクを加圧する圧電体を選択的に
形成する工程と、この圧電体に対する電極を形成する工
程と、前記圧電体下と前記溝との間にあり、この圧電体
の変位を前記溝内に伝える振動手段の膜厚を、前記圧電
体の周囲に在って前記溝に面している領域の一部又は全
てがこの領域以外の部分より薄く形成される工程とを備
えるインクジェット記録ヘッドの製造方法。
【請求項１０】基板に、ノズルからインクを噴射する
ためのインク溜まり溝を形成する工程と、このインク溜
まり溝上にこの溝内のインクを加圧する圧電体を選択的
に形成する工程と、この圧電体と前記インク溜まり溝と
の間に共通電極を形成する工程と、この圧電体の上に個
別電極を選択的に形成する工程と、を備え、前記共通電
極の膜厚を、前記圧電体の周囲に在って前記溝に面して
いる領域の一部又は全てがこの領域以外の部分より薄く
形成される工程と、を備えるインクジェット記録ヘッド
の製造方法。
【請求項１１】圧電体を所定のパターンで形成する工
程と、この圧電体に対する共通電極を形成する工程と、
前記圧電体に対する個別電極を形成する工程とを備えた
圧電効果素子の製造方法において、前記圧電体のほぼ周
辺領域のみの共通電極の膜厚をその他の領域における共
通電極の膜厚に比較して薄く形成するようにした工程を
備える圧電効果素子の製造方法。
【請求項１２】請求項１乃至５のいずれか一項に記載
されたインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェッ
ト式記録装置。