JPH1177998A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 上電極との接続を取るためのコンタクトホー
ル近傍における応力集中を緩和すること。 【解決手段】 コンタクトホール１３が形成されている
領域の圧力発生室３の長辺側の壁と、圧電振動子８の長
辺とのクリアランスΔｙを、圧力発生室３の幅の０．３
乃至５倍に設定することにより、圧電振動子８への応力
集中を防止と、弾性板に変形が生じない剛性を確保とを
マッチングさせる。

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
電体層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、圧電体層の軸方向に伸長、収縮する縦
振動モードの圧電体層を使用したものと、たわみ振動モ
ードの圧電体層を使用したものの２種類が実用化されて
いる。

【０００３】前者は圧電体層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、切分けられた圧
電振動体を圧力発生室に位置させ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
うに圧電体層を形成したものが提案させている。これに
よればＰＺＴ素子の切断・貼付工程が不要となって、リ
ソグラフィー法という精密で、かつ簡便な手法で圧電体
層を作り付けることができるばかりでなく、厚みを薄く
できて高速駆動が可能であるという利点があるものの、
圧電材料層が非常に薄いため、バルクの圧電体を貼付し
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、弾性板や圧電体層、さらには電極
の寿命が低下するといった問題がある。 また圧電定数
がバルクの圧電体に比較して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がある。

【０００６】このため、及び上電極が、圧力発生室に対
向する領域の内側に形成され、上電極が絶縁層に被覆さ
れて上電極に対向する領域に絶縁層の窓を介して駆動信
号を供給する導電パターンを接続することによって上電
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、また絶縁
層により絶縁を確保する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造を採ると、圧力発生室の短辺側の壁と圧電振動
子の短辺とのクリアランスの大きさにより圧電振動子、
弾性板が応力破壊したり、圧電振動子が存在しない領域
の弾性板に皺が生じやすく、弾性板の振動変位が不安定
になり、インク滴を安定に吐出させることができないと
いう問題や、導電パターンの接続領域の剛性が高くな
り、ここに応力が集中するという問題がある。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圧電振動子や弾性板の応力破壊を
防止し、また弾性板に皺が発生するのを防止することが
でき、さらには導電パターンの接続領域での応力集中を
緩和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】

【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、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
れた上電極とにより圧電振動子が構成され、前記上電極
の上面及び側面を絶縁層により被覆され、前記絶縁層の
コンタクトホールを介して上電極と外部駆動信号を供給
する導電パターンに接続するインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記コンタクトホールが形成されている領
域の前記圧力発生室の短辺側の壁と、前記圧電振動子の
短辺とのクリアランスが、前記圧力発生室の幅の０．３
乃至５倍となるように設定する。

【０００９】

【作用】圧力発生室の短辺側の壁と圧電振動子の短辺と
のクリアランスを圧力発生室の幅の０．３乃至５倍に規
定することにより、製造工程での弾性板の剛性を確保
し、またコンタクトホールで厚くなる導電層の剛性を緩
和して圧電振動子、弾性板の応力破壊、及び弾性板の皺
の発生と、応力の集中を防止する。

【００１０】

【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を形成し、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。

【００１１】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
付けられた後述の圧電振動子８が設けらている。

【００１２】圧電振動子８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
いる領域からはみ出すことなく、かつ短辺８ａ、８ｂ
が、圧電振動子８のたわみ変位により圧力発生室３の短
辺３ａ、３ｂの境界で発生する急激な変位の影響を受け
ない程度の距離Δｙ、例えば圧力発生室３の幅５０μｍ
の場合を例に採ると２０乃至５０μｍ程度に圧力発生室
側の内側に位置するように形成されている。

【００１３】圧電振動子８の上電極１１の表面、及び側
面には、これらを覆うように電気絶縁性と柔軟性を備え
た材料、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ポ
リイミドからなる薄膜の絶縁層１２が形成されている。

【００１４】上電極１１は、その端部において、絶縁層
１２に貫通孔を設けて形成されたコンタクトホール１３
を介して外部駆動回路からの信号を伝送する導電パター
ン１４に接続されている。

【００１５】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、下電極１０と上電極
１１に外部から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。

【００１６】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
８に供給すると、圧電振動子８がたわみ変位して圧力発
生室３を収縮させてここのインクを加圧してノズル開口
１６からインク滴を吐出させる。所定時間の経過後に駆
動信号を絶つと、圧電振動子８が元の状態に戻り、圧力
発生室３が膨張し、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に流れ込み、次の印刷に備え
る。

【００１７】圧力発生室３を区画する壁の短辺３ａ、３
ｂと、圧電振動子８の短辺８ａとのクリアランスΔｙに
より、ここに生じる急激な変位勾配の影響は小さくなる
が、クリアランスΔｙが一定値よりも小さくなると、応
力集中が生じて圧電振動子８や弾性板２が破壊する。一
方、クリアランスΔｙが一定値を越えると、弾性板２の
剛性が低くなり、製造工程で弾性板２の圧電振動子８が
存在しない領域に皺が生じてインク滴の吐出が不安定に
なる。

【００１８】このクリアランスΔｙは、圧力発生室３の
幅Ｘに左右される。例えば駆動周波数１４．４ｋＨｚの
駆動信号を１時間印加してクリアランスと圧電振動子８
の破壊の有無との関係を調査したところ、表１に示した
ようにクリアランスΔｙが圧力発生室３の幅Ｘの０．３
倍以上であれば破壊が生じないことが判明した。

【表１】

【００１９】次に上述した記録ヘッドの製造方法を図
４、図５、及び図６に基づいて説明する。すなわち、シ
リコン単結晶基板２０を熱酸化法等により全表面に１μ
ｍ程度のＳiＯ2層２１を形成した母材２２を用意する。
ＳiＯ2層２１の表面にスパッタリングにより厚さ０．２
μｍ程度の白金（Ｐt）の膜を形成して下電極２４を形
成する。この表面にＰＺＴ等の圧電体材料をスパッタリ
ング等により１．０μｍ厚の膜２５として形成し、さら
にその表面にスパッタリング等により厚さ０．１μｍの
白金（Ｐｔ）の上電極２７を形成する（図４（I））。

【００２０】圧力発生室３に対応するようにフオトレジ
スト２８、２９を形成し（図４（II））、下電極２４、
圧電材料の膜２５、及び上電極２７を所定の形状に成形
する（図４（III））。

【００２１】ついで弗化水素酸とフッ化アンモニウムを
１：６の割合で混合した緩衝弗酸液を用いてＳiＯ2層２
１を除去して異方性エッチング用の窓３１をパターニン
グする。その上で、インク供給口５を形成する領域のＳ
iＯ2層のフオトレジスト２９を再度感光させて現像処理
して、約５分程度前述の緩衝フッ酸液によりフォトレジ
スト層２９の下のＳiＯ2層の厚さを約０．５μｍ程度に
まで薄くするためのハーフエッチングを行い（図４（I
V））、不要なフォトレジスト２８を除去する。

【００２２】コンタクトホールとなる孔４０を残すよう
にポリイミドの膜４１を感光性ポリイミドを用いてフォ
トリソ法により形成し（図５（I））、その表面にクロ
ムと金を蒸着して導電層４２を形成する（図５（I
I））。

【００２３】導電層４２の表面にフォトレジスト層４３
を形成して配線パターンを形成し（図５（III））、配
線パターンに基づいて導電層４２をエッチングして配線
パターン４２’を形成し（図５（IV））、最後にレジス
ト層４３を除去する（図５（V））。

【００２４】母材２２を８０°Ｃ程度に加熱した１０％
の水酸化カリウム溶液に浸漬して異方性エッチングを実
行する。この異方性エッチングにより、圧力発生室３、
リザーバ４が形成され、また保護膜として機能したＳi
Ｏ2層２１、２１’も徐々に溶解して約０．４μｍ程度
がエッチングを受けて無くなり、インク供給口５を形成
する領域のＳiＯ2層２１’が０．１μｍ程度、それ以外
の領域のＳiＯ2層２１が０．６μｍ程度の厚さになる
（図６（I））。

【００２５】母材２２を前述の緩衝弗酸液に０．１μｍ
のＳiＯ2層を除去できる程度の時間、例えば１分程度浸
潰して、インク供給口５が形成される領域のＳiＯ2層２
１’を除去し、他の領域のＳiＯ2膜２１については厚さ
０．５μｍ程度の層２１’’として残す（図６（I
I））。

【００２６】母材２２を約２０％の水酸化カリウム溶液
に浸潰して異方性エッチングを行なってインク供給口の
領域を選択的に再度エッチングする。これにより、この
領域の厚さが薄くなり、インク供給口５として必要な流
体抵抗を備えた流路が形成できる（図６（III））。

【００２７】そして、１枚の母材２２に複数個分の記録
ヘッドを作り付けている場合には、個々のものに切分
け、最後にノズル１６が穿設されたステンレス製のノス
ルプレート１５を接着することにより記録ヘッドが完成
する（図６（IV））。

【００２８】このような製造工程中でシリコン基板２０
をエッチングする際に、クリアランスΔｙが大きい場合
には、弾性板３の剛性が低下して皺が発生し易い。圧電
振動子８の短辺８ａ、８ｂと圧力発生室３の短辺側の壁
３ａ、３ｂ間のクリアランスΔｙと弾性板２の皺の発生
率との関係を調査したところ、表２に示したように圧力
発生室３の幅の５倍以下の場合には皺は発生しなかっ
た。

【表２】

【００２９】このこと、前述の応力集中との関係からク
リアランスΔｙを圧力発生室３の幅の０．３倍以上、５
倍以下に設定するのが望ましいことが判明した。

【００３０】一方、コンタクトホール１３の周辺は、絶
縁層１２、導電パターン１４が積層して形成されるた
め、剛性が高く、拘束力を受けて応力が集中し易いが、
図７に示したように圧力発生室３の長辺側の壁の内、コ
ンタクトホールが形成される領域に対向する領域の部分
３ｅ、３ｆの間の距離を拡幅することにより、この領域
での圧力発生室３の壁による拘束力を下げて応力の集中
を緩和することができる。

【００３１】

【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により圧電振動子が構成さ
れ、上電極の上面及び側面を絶縁層により被覆され、絶
縁層のコンタクトホールを介して上電極と外部駆動信号
を供給する導電パターンに接続するインクジェット式記
録ヘッドにおいて、コンタクトホールが形成されている
領域の圧力発生室の短辺側の壁と、圧電振動子の短辺と
のクリアランスが、圧力発生室の幅の０．３乃至５倍と
なるように設定したので、圧電振動子の応力破壊を防止
でき、また製造工程で弾性板に変形が生じない剛性を確
保してインク滴を安定して吐出させる記録ヘッドを提供
することができる。

【００３２】また、コンタクトホールを形成する領域の
圧力発生室の幅を拡大したので、コンタクトホール形成
領域周辺の応力集中を緩和することができる。

【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つの圧力発生室の長辺方向、及び
短辺方向での断面構造を示す断面図である。

【図３】１つの圧力発生室についての電極の配置構造を
示す上面図である。

【図４】図（I）乃至（IV）は、同上記録ヘッドの製造
工程の内、流路形成のためのパターニング工程を、圧力
発生室の長辺側の断面（図（イ））及び短辺側の断面
（図（ロ））でを示すものである。

【図５】図（I）乃至（V）は、同上記録ヘッドの製造工
程の内、電極形成の工程を、圧力発生室の長辺側の断面
（図（イ））及び短辺側の断面（図（ロ））でを示すも
のである。

【図６】図（I）乃至（IV）は、同上記録ヘッドの製造
工程の内、エッチング工程を、圧力発生室の長辺側の断
面（図（イ））及び短辺側の断面（図（ロ））でを示す
ものである。

【図７】本発明の他の実施例を、１つの圧力発生室の電
極の配置構造で示す上面図である。

【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 圧電体層 ８ 圧電振動子 １０ 下電極 １１ 上電極 １２ 絶縁層 １３ コンタクトホール １４ 導電パターン １５ ノズルプレート １６ ノズル開口

Claims (2)

【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
   により圧電振動子が構成され、前記上電極の上面及び側
   面を絶縁層により被覆され、前記絶縁層のコンタクトホ
   ールを介して上電極と外部駆動信号を供給する導電パタ
   ーンに接続するインクジェット式記録ヘッドにおいて、 前記コンタクトホールが形成されている領域の前記圧力
   発生室の短辺側の壁と、前記圧電振動子の短辺とのクリ
   アランスが、前記圧力発生室の幅の０．３乃至５倍に設
   定されているインクジェット式記録ヘッド。
2. 【請求項２】 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
   により圧電振動子が構成され、前記上電極の上面及び側
   面を絶縁層により被覆され、前記絶縁層のコンタクトホ
   ールを介して上電極と外部駆動信号を供給する導電パタ
   ーンに接続するインクジェット式記録ヘッドにおいて、 前記コンタクトホールが形成されている領域に対向する
   前記圧力発生室の幅が、前記コンタクトホールが形成さ
   れていない領域に対向する前記圧力発生室の幅より広く
   形成されているインクジェット式記録ヘッド。