JPWO2014141925A1 - インクジェットヘッドおよびその製造方法と、インクジェットプリンタ - Google Patents

Abstract

インクジェットヘッド（１０）は、変位膜（１７）と、基板（１１）と、インク吐出部（２１）とを備えている。変位膜（１７）は、厚さ方向に対して垂直な方向に伸縮する駆動膜としての圧電薄膜（１４）を含み、厚さ方向に湾曲変形する。基板（１１）は、厚さ方向に形成された穴部としての掘り込み部（１１ａ）を有し、圧電薄膜（１４）の伸縮によって変位膜（１７）を掘り込み部（１１ａ）に対応する領域で厚さ方向に湾曲変形させるために、掘り込み部（１１ａ）を覆うように変位膜（１７）を保持する。インク吐出部（２１）は、インクを収容するインク室（２１ａ）を有し、変位膜（１７）の湾曲変形によってインクに圧力が付与されることにより、インクを外部に吐出するものであり、変位膜（１７）に対して基板（１１）の掘り込み部（１１ａ）とは反対側に設けられている。

Description

本発明は、インクを外部に吐出するインクジェットヘッドおよびその製造方法と、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。

従来から、インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形など）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。

また、圧電式のアクチュエータには、バルク状の圧電体を用いたものと、薄膜の圧電体（圧電薄膜）を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴量は大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度（小液滴で良い）で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。

図８は、圧電薄膜を用いた従来のアクチュエータ１００の概略の構成を示す平面図およびＡ−Ａ’線矢視断面図である。このアクチュエータ１００は、圧力室１０１ａを有する基板１０１上に、絶縁層１０２、下部電極１０３、圧電薄膜としての圧電膜１０４、上部電極１０５をこの順で積層して構成されている。基板１０１における圧力室１０１ａの上壁１０１ｂは従動膜を構成しており、圧電膜１０４の伸縮に伴って変位する。

すなわち、下部電極１０３および上部電極１０５に駆動回路１０６から電圧を印加し、圧電膜１０４が厚さ方向に垂直な方向（基板１０１の面に平行な方向）に伸縮すると、圧電膜１０４と従動膜との長さの違いにより、従動膜に曲率が生じ、従動膜が厚さ方向に変位（湾曲）する。

図９は、図８のアクチュエータ１００を備えたチャネル２００の概略の構成を示す断面図である。同図に示すように、アクチュエータ１００の下部の空間（圧力室１０１ａ）をノズル板２０１で塞ぐことにより、インク室が形成されている。圧力室１０１ａ内にインクを収容しておけば、上述したように圧電膜１０４の伸縮に伴う従動膜の変位により、圧力室１０１ａ内のインクに圧力を付与して、インクをノズル孔２０１ａから液滴として外部に吐出することができる。このような圧電式のアクチュエータ１００（チャネル２００）を横方向に並べることにより、インクジェットヘッドが構成される。

上記のような圧電式のアクチュエータに用いられる圧電体には、ＢａＴｉＯ_３や、ＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｏ_３など、ペロブスカイト型の金属酸化物が広く用いられている。圧電薄膜を用いたアクチュエータでは、基板上に例えばＰＺＴを成膜して作製される。ＰＺＴの成膜は、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ゾルゲル法など、種々の方法を用いて行うことが可能である。なお、圧電材料の結晶化には高温が必要となるため、基板にはＳｉが良く用いられる。

ところで、インクジェットヘッドの性能指標には、液滴量、射出速度、駆動周波数があり、個々のアクチュエータの出力および応答性がこれらを決定する因子となる。アクチュエータの出力は、印加電圧、圧電定数、圧電体の体積で決まり、アクチュエータの応答性は、アクチュエータの質量および剛性などで決まる。

また、ヘッドの駆動周波数は、インクの質量および弾性の影響も受ける。すなわち、圧力室（インク室）の容積が大きいと、インク室の中に存在するインクの質量が大きくなり、また、インク全体の弾性変形も増えるため、アクチュエータの応答性が低下する。したがって、ヘッドの駆動周波数を向上（増大）させるべく、アクチュエータの応答性を向上させるためには、インク室の容積を減らすことが必要となる。

インク室の容積を減らす方法としては、例えば２つの方法が考えられる。一つは、圧電体を保持する基板を研磨して、上記基板に形成されたインク室の高さを小さくする方法である。そして、もう一つは、容積の小さいインク室を予め加工した薄い基板上に、別基板上に形成した圧電膜を転写し、その後、上記別基板を除去する方法が考えられる。なお、目的は異なるが、前者のように基板を研磨して薄くする方法については、例えば特許文献１に開示されており、後者のように圧電膜を転写する方法については、例えば特許文献２に開示されている。

特許第５０１３０２５号公報（請求項１、段落〔００１２〕、図１等参照） 特開２００５−１６９９６５号公報（請求項１、段落〔００１９〕、図３（ａ）（ｂ）等参照）

しかし、インク室の容積を低減するにあたって、基板を研磨する場合、加工中（研磨中）の基板の割れや欠け、成膜や加工時の反りなどにより、歩留まりが低下するとともに、アクチュエータとしての性能が劣化することが懸念される。また、薄い基板に圧電膜を転写する場合、転写時の圧電膜の損傷およびそれによる性能低下や、２枚の基板を使用することによるコストアップが生じる。したがって、基板研磨や膜の転写を行うことなく、インク室の容積を低減できるように、インクジェットヘッドを構成することが望まれる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、基板研磨や膜の転写を行うことなく、インク室の容積を低減することができ、これによってヘッドの駆動周波数を向上させることができるインクジェットヘッドと、その製造方法と、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。

本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、厚さ方向に対して垂直な方向に伸縮する駆動膜を含み、厚さ方向に湾曲変形する変位膜と、厚さ方向に形成された穴部を有し、前記駆動膜の伸縮によって前記変位膜を前記穴部に対応する領域で厚さ方向に湾曲変形させるために、前記変位膜が前記穴部を覆うように前記変位膜を保持する基板と、インクを収容するインク室を有し、前記変位膜の湾曲変形によって前記インクに圧力が付与されることにより、前記インクを外部に吐出するインク吐出部とを備え、前記インク吐出部は、前記変位膜に対して前記基板の前記穴部とは反対側に設けられている。

本発明の他の側面に係るインクジェットヘッドの製造方法は、基板上に駆動膜を形成する工程と、前記基板において前記駆動膜の形成側とは反対側に穴部を形成し、前記駆動膜の厚さ方向に対して垂直な方向の伸縮によって前記穴部に対応する領域で前記駆動膜を含む変位膜が厚さ方向に湾曲変形するように、前記変位膜を前記穴部を覆うように保持する工程と、前記変位膜の湾曲変形によってインク室内のインクを外部に吐出するインク吐出部を、前記変位膜に対して前記基板の前記穴部とは反対側に形成する工程とを有している。

インク吐出部は変位膜に対して基板（穴部）とは反対側に設けられ、基板とは独立して設けられるので、インク室の容積を低減するような設計を、基板とは関係なく、インク吐出部単独で行うことが可能となる。これにより、基板研磨や膜の転写を行うことなく、インク室の容積を低減してヘッドの駆動周波数を向上させることが可能となる。

本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの一部を拡大して示す斜視図である。 上記インクジェットプリンタが備えるインクジェットヘッドの１つのチャネルの概略の構成を示す平面図、およびその平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。 上記インクジェットヘッドの複数のチャネルの構成を示す平面図、およびその平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。 上記チャネルの他の構成を示す断面図である。 上記チャネルのさらに他の構成を示す断面図である。 図２の構成のインクジェットヘッドの製造工程を示す断面図である。 図７の構成のインクジェットヘッドの製造工程を示す断面図である。 圧電薄膜を用いた従来のアクチュエータの概略の構成を示す平面図、およびＡ−Ａ’線矢視断面図である。 上記アクチュエータを備えたチャネルの概略の構成を示す断面図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

〔インクジェットプリンタの構成〕
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の一部を拡大して示す斜視図である。インクジェットプリンタ１は、一部が開口した筐体１ａ内に、左右方向（図中Ｂ方向）に移動可能なキャリッジ１ｂを有している。このキャリッジ１ｂには、複数の色（例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色）の各々に対応するインクジェットヘッド１０が一列に並んで搭載されている。図示しない記録媒体をプリンタの奥側から手前側（図中Ａ方向）に向かって搬送しながら、キャリッジ１ｂを左右に移動させて各色のインクを対応するインクジェットヘッド１０から吐出させることにより、記録媒体上にカラーの画像を形成することができる。

なお、記録媒体の幅方向全体にインクジェットヘッド１０を形成するとともに、各色のインクジェットヘッド１０を記録媒体の搬送方向に並べてインクジェットプリンタ１を構成してもよい。この場合は、各インクジェットヘッド１０を静止させたまま、記録媒体だけを移動させることにより、記録媒体上にカラーの画像を形成することができる。

〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、インクジェットヘッド１０の構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド１０の１つのチャネルの概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図とを併せて示したものである。なお、図２の平面図では、便宜上、ノズル基板２３の図示を省略している。なお、このような図示の仕方は、以下で登場する平面図でも同様である。

インクジェットヘッド１０は、基板１１上に、熱酸化膜１２、下部電極１３、圧電薄膜１４、上部電極１５およびインク吐出部２１をこの順で有している。

基板１１は、厚さが例えば２００〜７００μｍ（加工時の割れやすさなどを考慮すると３００μｍ以上が望ましい）程度の単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。なお、図２では、基板１１をＳＯＩ基板で構成した場合を示している。ＳＯＩ基板は、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板を接合したものである。

基板１１は、厚さ方向に形成された（掘り込まれた）穴部または凹部としての掘り込み部１１ａと、厚さ方向の一部が掘り込み部１１ａの上壁、すなわち掘り込み部１１ａにおいて圧電薄膜１４側に位置する壁となる従動膜１１ｂとを有している。従動膜１１ｂは、ＳＯＩ基板の一方のＳｉ基板で構成されており、その周縁部にて、掘り込み部１１ａの側壁１１ｃ（ＳＯＩ基板の他方のＳｉ基板）と酸化膜を介して連結されている。従動膜１１ｂ、下部電極１３および熱酸化膜１２は、圧電薄膜１４の厚さ方向に垂直な方向（基板１１の面に平行な方向）の伸縮に伴って、厚さ方向に湾曲変形する。このような従動膜１１ｂ、下部電極１３および熱酸化膜１２の湾曲変形に伴って圧電薄膜１４も厚さ方向に湾曲する。このことから、厚さ方向に湾曲変形する変位膜１７は、圧電薄膜１４、下部電極１３、熱酸化膜１２、従動膜１１ｂを含んで構成されていると言うことができる。基板１１は、変位膜１７を掘り込み部１１ａに対応する領域（掘り込み部１１ａの上方に位置する領域）で厚さ方向に湾曲変形させるために、掘り込み部１１ａを覆うように変位膜１７を保持している。

熱酸化膜１２は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなり、基板１１の保護および絶縁の目的で形成されている。

下部電極１３は、Ｔｉ（チタン）層とＰｔ（白金）層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、熱酸化膜１２とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１μｍ程度である。下部電極１３は、回路基板１６と接続されている。

圧電薄膜１４は、上記のように厚さ方向に垂直な方向に伸縮する駆動膜であり、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ_３；ジルコン酸鉛）との固溶体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜で構成されている。圧電薄膜１４の膜厚は、例えば３〜５μｍである。

上部電極１５は、Ｔｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、圧電薄膜１４とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１〜０．２μｍ程度である。上部電極１５は、圧電薄膜１４よりも小さいサイズで形成されており、その一部が圧電薄膜１４の表面に沿ってインク吐出部２１の外部に引き出されて回路基板１６と接続されている。下部電極１３および上部電極１５は、圧電薄膜１４を厚さ方向から挟むように設けられている。

インク吐出部２１は、変位膜１７の湾曲変形によってインクに圧力が付与されることにより、インクを外部に吐出する。このインク吐出部２１は、変位膜１７（特に圧電薄膜１４）に対して基板１１（掘り込み部１１ａ）とは反対側に設けられており、隔壁部２２と、ノズル基板２３とを有している。

隔壁部２２は、ノズル基板２３よりも圧電薄膜１４側に位置して、インク室２１ａの側壁を形成している。すなわち、隔壁部２２よりも内側でノズル基板２３よりも圧電薄膜１４側の空間（ノズル基板２３と圧電薄膜１４とで挟まれた空間）が、インク室２１ａとなっている。図２では、隔壁部２２の開口幅Ｂ（ｍｍ）は、基板１１の掘り込み部１１ａの開口幅Ｃ（ｍｍ）よりも広くなっているが、隔壁部２２の開口幅Ｂや高さ（厚さ）は任意の値に設定することができる。ノズル基板２３は、インク室２１ａ内のインクを外部に吐出するためのノズル孔２３ａを有している。

隔壁部２２およびノズル基板２３は、インク室２１ａ内のインクと直接接触するため、インク耐性に優れた材料で構成されることが望ましく、また、加工しやすい材料で構成されることが望ましい。このような材料としては、例えばエポキシ系の感光性材料、アクリル系材料、ポリイミド系材料のような樹脂材料を用いることができる。また、このほかにも、鉄、銅、ニッケル、ＳＵＳなどの金属材料、ガラス、セラミックなどを用いて、隔壁部２２およびノズル基板２３を構成することも可能である。

上記の構成において、回路基板１６から下部電極１３および上部電極１５に電圧を印加すると、圧電薄膜１４が厚さ方向とは垂直な方向に伸縮する。そして、圧電薄膜１４と従動膜１１ｂとの長さの違いにより、従動膜１１ｂに曲率が生じ、従動膜１１ｂが厚さ方向に湾曲変形し、これに伴って圧電薄膜１４も厚さ方向に湾曲変形する。このような変位膜１７（圧電薄膜１４、従動膜１１ｂを含む）の湾曲変形により、インク室２１ａ内のインクに圧力が付与され、インクがノズル孔２３ａから外部に吐出される。

本実施形態では、インク吐出部２１が変位膜１７に対して基板１１の掘り込み部１１ａとは反対側に設けられ、基板１１と独立して設けられる構成であるので、基板１１に関係なく、インク吐出部２１を単独で設計することが可能となり、そのような設計によってインク室２１ａの容積を低減することが可能となる。

圧電薄膜を成膜するためには基板が必要であるが、その基板にインク室を形成する従来の構成では、インク室の容積を低減するにあたって、インク室を形成する基板を研磨したり、インク室が形成された薄い基板に圧電薄膜を転写する手法を採らざるを得ない。しかし、本実施形態では、基板１１にインク室を形成しないので、基板研磨や膜の転写を行うことなく、インク吐出部２１の単独の設計によってインク室の容積を容易に低減できる。これにより、ヘッドの駆動周波数を向上させて高性能なインクジェットヘッド１０を実現することができる。また、インク室２１ａの容積を低減するにあたって、基板研磨や膜の転写を行わなくて済むので、基板研磨や膜の転写を行う場合に生じていたような問題（歩留まり低下、性能劣化、膜の損傷、コストアップ）が生じることもない。

特に、本実施形態のように、インク吐出部２１がノズル基板２３と隔壁部２２とを有している構成では、インク室２１ａの容積は、上部電極１５は十分に薄いために、隔壁部２２の開口幅Ｂと厚さ（高さ）とで決まる。したがって、隔壁部２２の開口幅Ｂおよび高さの少なくとも一方を小さくするような設計によって、インク室２１ａの容積を容易に低減することができる。

例えば、従来の構成におけるインク室のサイズは、半径２００μｍ、高さ５００μｍであったのに対し、本実施形態の構成によれば、インク室のサイズを半径２５０μｍ、高さ５０μｍ程度にすることができ、インク室の容積を従来の約６分の１にすることが可能である。

また、本実施形態のインクジェットヘッド１０は、駆動膜としての圧電薄膜１４に加えて、圧電薄膜１４の伸縮に伴って厚さ方向に湾曲する従動膜１１ｂを有している。このように従動膜１１ｂを有する構成であっても、インク室２１ａの容積を低減するような設計を、インク吐出部２１単独で行うことができることに変わりはない。したがって、従動膜１１ｂを有する構成であっても、基板研磨や膜の転写を行わずにインク室２１ａの容積を低減して、ヘッドの駆動周波数を向上させることができる。特に、図２のように基板１１の厚さ方向の一部を従動膜１１ｂとして機能させる構成では、基板１１とは別に従動膜を形成（成膜）することが不要であるため、構成を簡素化することができ、そのような簡素な構成で上記の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、インクを吐出するための駆動膜として圧電薄膜１４を用いているので、静電式などの他の方式でインクを吐出する場合に比べて、小型、低コストの構成で、上述の効果を得ることができる。

また、圧電薄膜１４を厚さ方向から挟むように上部電極１５および下部電極１３が設けられているので、圧電薄膜１４に対して厚さ方向からの電圧印加によって、厚さ方向に垂直な方向に圧電薄膜１４を伸縮させることができる。したがって、このように圧電薄膜１４を駆動する構成において、上述の効果を得ることができる。

ところで、図３は、上述したインクジェットヘッド１０の複数のチャネルの構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図とを併せて示したものである。基板１１には、インク室２１ａにインクを供給するためのインク流路３１が形成されていてもよい。インク流路３１は、インク室２１ａと連通路３２を介して連通しており、ヘッドの周縁部でインク貯蔵部（図示せず）と接続されている。また、インク流路３１は、複数のチャネルに共通して設けられており、１つのインク流路３１から複数のチャネルの各インク室２１ａにインクが供給されるようになっている。

通常、インクジェットヘッドにおいて、インクが吐出される側（記録媒体側）にインク流路を形成することは、インク吐出孔（ノズル孔）の高密度配置を妨げる要因となる。しかし、本実施形態のように、圧電薄膜１４に対してインク吐出部２１とは反対側に位置する基板１１にインク流路３１を形成することにより、インク吐出側のノズル孔２３ａの高密度配置が容易となり、高精細な描画（画像形成）を行うことが可能となる。

また、圧電薄膜１４等を保持する基板１１にインク流路３１を形成することにより、基板１１を有効利用することができ、基板１１の加工（例えばエッチング）によってインク流路３１を容易に形成することもできる。さらに、基板１１は３００〜５００μｍ程度の厚さを有するため、インク流路３１の容積を十分に確保することができ、１つのインク流路３１と複数のチャネルのインク室２１ａとを連通するようにしても、各インク室２１ａにインクを確実に供給することができる。

図４は、インクジェットヘッド１０の１つのチャネルの他の構成を示す断面図である。同図に示すように、圧電薄膜１４は、基板１１の掘り込み部１１ａの上方（インク室２１ａ側）で、掘り込み部１１ａの開口幅Ｃ（ｍｍ）よりも小さい幅Ｄ（ｍｍ）で形成されていることが望ましい。つまり、圧電薄膜１４は、掘り込み部１１ａと側壁１１ｃとの境界をまたぐ領域が除去されていることが望ましい。この場合、隔壁部２２よりも内側でノズル基板２３よりも圧電薄膜１４側の空間は、ノズル基板２３と下部電極１３とで挟まれた空間となり、この空間がインク室２１ａとなる。また、この構成では、変位膜１７のうちで従動膜１１ｂが掘り込み部１１ａを覆うように基板１１に保持されることになる。

なお、上部電極１５を外部に引き出す際に、上部電極１５と下部電極１３との電気的な接触を防止するため、下部電極１３上で圧電薄膜１４が除去された領域に図示しない保護膜を形成し、保護膜の表面に沿って上部電極１５を外部に引き出すようにしてもよい。また、圧電薄膜１４の一部を上記境界をまたぐように残し、その表面に沿って上部電極１５を外部に引き出すようにしてもよい。

このように、掘り込み部１１ａの開口幅の内側に圧電薄膜１４を形成することで、掘り込み部１１ａ上の圧電薄膜１４の変形が、周囲（例えば側壁１１ｃ上の圧電薄膜１４）によって拘束されるのを抑えることができる。これにより、圧電薄膜１４の変位を増大させてヘッドの出力を向上させることができる。

なお、図４では、基板１１を単一のＳｉ基板で構成し、基板１１の厚さ方向の一部が残るように掘り込み部１１ａを形成している。この構成においても、掘り込み部１１ａの上壁、すなわち掘り込み部１１ａにおいて圧電薄膜１４側に位置する壁となる基板１１の厚さ方向の一部が、圧電薄膜１４の伸縮に伴って厚さ方向に湾曲する従動膜１１ｂとなる。

図５は、インクジェットヘッド１０の１つのチャネルのさらに他の構成を示す断面図である。同図に示すように、インクジェットヘッド１０は、従動膜を持たない構成であってもよい。つまり、変位膜１７は駆動膜としての圧電薄膜１４、下部電極１３、熱酸化膜１２で構成され、基板１１の厚さ方向全体にわたって掘り込み部１１ａが形成された構成であってもよい。この構成では、圧電薄膜１４の端部が、熱酸化膜１２および下部電極１３を介して基板１１に保持され、拘束されているため、電圧の印加により圧電薄膜１４が厚さ方向に垂直な方向に伸縮すると、それ自体が厚さ方向に湾曲変形し、それに伴い下部電極１３、熱酸化膜１２も湾曲変形して、インク室２１ａ内のインクに圧力を付与することになる。つまり、この構成では、変位膜１７は、駆動膜である圧電薄膜１４の伸縮によって圧電薄膜１４自体が厚さ方向に湾曲変形することにより、厚さ方向に変位する。

図２、図４および図５のいずれの構成であっても、インク室２１ａの容積を低減するような設計を、インク吐出部２１単独で行うことができることに変わりはなく、基板研磨や膜の転写を行わずにインク室２１ａの容積を低減して、ヘッドの駆動周波数を向上させることができる。

特に、図４および図５の構成では、基板１１としてＳＯＩ基板を用いずにインクジェットヘッドを構成でき、ＳＯＩ基板を用いないため低コストとなる。さらに、従動膜のない図５の構成では、従動膜の負荷が減少するため、ヘッドの出力が増加する。

なお、図５の構成において、熱酸化膜１２は、下部電極１３の保護のために設けられているが、薄いために従動膜としては機能しない。しかし、熱酸化膜１２の膜厚を増大させることにより、熱酸化膜１２を従動膜として機能させることも可能である。

〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド１０の製造方法の一例について以下に説明する。図６は、図２の構成のインクジェットヘッド１０の製造工程を示す断面図である。なお、図６では、図２のＡ−Ａ’断面に垂直な断面で示しており、上部電極１５の引き出し部分は現れない。また、製造工程の順序は、図６の左から１列目の上から下、左から２列目の上から下、左から３列目の上から下、左から４列目の上から下に向かう順序である。

まず、基板１１を用意する。基板１１としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に多く利用されている結晶シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、ここでは、酸化膜１１ｆを介して２枚のＳｉ基板１１ｄ・１１ｅが接合されたＳＯＩ構造のものを用いている。基板１１の厚さは規格等で決められており、６インチサイズの場合、厚さは６００μｍ程度である。

基板１１を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して、Ｓｉ基板１１ｄ・１１ｅの表面にＳｉＯ_２からなる熱酸化膜１２ａ・１２ｂをそれぞれ形成する。一方の熱酸化膜１２ａは、図２の熱酸化膜１２に相当する。次に、一方の熱酸化膜１２ａ上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極１３を形成する。

続いて、基板１１を６００℃程度に再加熱し、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いて、駆動膜となる圧電薄膜１４をスパッタ法で成膜する。そして、圧電薄膜１４上にチタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、上部電極１５の元となる層１５ａを形成する。続いて、層１５ａ上に感光性樹脂４１をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４１の不要な部分を除去し、形成する上部電極１５の形状を転写する。その後、感光性樹脂４１をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層１５ａの形状を加工し、上部電極１５を形成する。

次に、上部電極１５の上に、隔壁部２２を形成するための樹脂フィルム２２ａ（例えばエポキシ系樹脂）を貼りつける。樹脂フィルム２２ａの厚さは例えば５０〜２００μｍであり、必要な応答性やインクの流動性などにより選択することができる。そして、樹脂フィルム２２ａの表面に、感光性樹脂４２をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４２の不要な部分を除去し、形成する隔壁部２２の形状を転写する。その後、感光性樹脂４２をマスクとして、溶剤エッチング法を用いて樹脂フィルム２２ａの除去加工を行い、隔壁部２２を形成する。

続いて、隔壁部２２の表面に、ノズル基板２３を形成するための樹脂フィルム２３ｂ（例えばエポキシ系樹脂）を貼りつける。樹脂フィルム２３ｂの厚さは例えば５〜２０μｍであり、必要な液滴量や速度により選定することができる。そして、樹脂フィルム２３ｂの表面に感光性樹脂４３をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４３の不要な部分を除去し、形成するノズル孔２３ａの形状を転写する。その後、感光性樹脂４３をマスクとして、溶剤エッチング法を用いて樹脂フィルム２３ｂの除去加工を行い、ノズル孔２３ａを有するノズル基板２３とする。隔壁部２２の内側でノズル基板２３よりも圧電薄膜１４側の空間は、インクを収容するインク室２１ａとなるが、このようなインク室２１ａを有するインク吐出部２１は、圧電薄膜１４に対して基板１１とは反対側に形成されることになる。

なお、上記の隔壁部２２やノズル基板２３の材料として、感光性の樹脂フィルムを用いることで、上述した感光性樹脂４２・４３と兼ねることも可能である。また、樹脂フィルム以外に、金属、ガラス、セラミックなどからなる薄板を貼りつけて、隔壁部２２やノズル基板２３の形状に加工することも可能である。さらに、樹脂、金属、ガラス、セラミックなどの薄板を、隔壁部２２やノズル基板２３の形状に予め加工しておき、加工された薄板を貼りつけるようにしてもよい。

次に、基板１１の裏面（熱酸化膜１２ｂ上）に感光性樹脂４４をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂４４の不要な部分を除去し、形成しようとする掘り込み部１１ａやインク流路の形状を転写する。そして、感光性樹脂４４をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板１１の除去加工を行い、掘り込み部１１ａ等を形成する。つまり、掘り込み部１１ａは、基板１１を圧電薄膜１４の形成側とは反対側から掘り込んで形成される。このとき、基板１１の厚さ方向の一部（Ｓｉ基板１１ｄ）が残るように掘り込み部１１を形成することで、Ｓｉ基板１１ｄからなる従動膜１１ｂが形成されるとともに、圧電薄膜１４の伸縮によって掘り込み部１１ａに対応する領域で厚さ方向に湾曲変形する変位膜１７（圧電薄膜１４、従動膜１１ｂを含む）が、掘り込み部１１ａを覆うように基板１１で保持される。以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。

図７は、図５の構成のインクジェットヘッド１０の製造工程を示す断面図である。従動膜のないインクジェットヘッド１０の製造においては、基板１１として通常の（単一の）Ｓｉ基板を用いる以外は、図６と同様の工程でインクジェットヘッド１０を製造することができる。このとき、最後の掘り込み工程において、基板１１を厚さ方向全体に掘り込んで掘り込み部１１ａを形成することにより、従動膜のないインクジェットヘッド１０を得ることができる。

以上のように、本実施形態のインクジェットヘッド１１の製造方法は、基板１１上に駆動膜としての圧電薄膜１４を形成する工程と、基板１１を圧電薄膜１４の形成側とは反対側から掘り込んで掘り込み部１１ａを形成し、圧電薄膜１４の厚さ方向とは垂直な方向の伸縮によって掘り込み部１１ａに対応する領域で厚さ方向に湾曲変形するように、圧電薄膜１４を含む変位膜１７を掘り込み部１１ａを覆うように保持する工程と、変位膜１７の湾曲変形によってインク室２１ａ内のインクを外部に吐出するインク吐出部２１を、変位膜１７に対して基板１１の掘り込み部１１ａとは反対側に形成する工程とを有している。

このように、インク吐出部２１を基板１１とは独立して形成することにより、インク室２１ａの容積を低減できるようにインク吐出部２１を単独で設計することが可能となる。このような設計により、基板研磨や膜の転写を行わずに、インク室２１ａの容積を低減して、ヘッドの駆動周波数を向上させることが可能となる。

以上で説明した本実施形態のインクジェットヘッドおよびその製造方法と、インクジェットプリンタは、以下のように表現してもよいと言える。

本実施形態のインクジェットヘッドは、厚さ方向に対して垂直な方向に伸縮する駆動膜を含み、厚さ方向に湾曲変形する変位膜と、厚さ方向に形成された穴部を有し、前記駆動膜の伸縮によって前記変位膜を前記穴部に対応する領域で厚さ方向に湾曲変形させるために、前記変位膜が前記穴部を覆うように前記変位膜を保持する基板と、インクを収容するインク室を有し、前記変位膜の湾曲変形によって前記インクに圧力が付与されることにより、前記インクを外部に吐出するインク吐出部とを備え、前記インク吐出部は、前記変位膜に対して前記基板の前記穴部とは反対側に設けられていてもよい。

また、本実施形態のインクジェットヘッドは、厚さ方向とは垂直な方向に伸縮する駆動膜を含み、厚さ方向に湾曲変形する変位膜と、厚さ方向に掘り込まれた掘り込み部を有し、前記駆動膜の伸縮によって前記変位膜を前記掘り込み部に対応する領域で厚さ方向に湾曲変形させるために、前記掘り込み部を覆うように前記変位膜を保持する基板と、インクを収容するインク室を有し、前記変位膜の湾曲変形によって前記インクに圧力が付与されることにより、前記インクを外部に吐出するインク吐出部とを備え、前記インク吐出部は、前記変位膜に対して前記基板の掘り込み部とは反対側に設けられていてもよい。

上記の構成によれば、インク室を有するインク吐出部が、駆動膜を含む変位膜に対して基板の穴部（掘り込み部）とは反対側に設けられている。変位膜の湾曲変形によってインク室内のインクに圧力が付与されることにより、インクが外部に吐出される。変位膜の湾曲変形は、変位膜が穴部（掘り込み部）を覆うように基板に保持された状態で、駆動膜が厚さ方向に垂直な方向に伸縮することで実現される。

上記のように、インク吐出部は変位膜に対して基板の穴部（掘り込み部）とは反対側に設けられる、つまり、基板とは独立して設けられるので、インク吐出部の高さを小さくするなど、インク室の容積を低減するような設計を、基板とは関係なく（インク吐出部単独で）行うことが可能となる。これにより、基板研磨や膜の転写を行うことなく、インク室の容積を低減してヘッドの駆動周波数を向上（増大）させることが可能となる。また、インク室の容積を低減するにあたって、基板研磨や膜の転写を行わなくて済むので、基板研磨や膜の転写を行う場合に生じていたような問題（歩留まり低下、性能劣化、膜の損傷、コストアップ）が生じることもない。

前記インク吐出部は、前記インクを吐出するためのノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル基板よりも前記変位膜側に位置して前記インク室の側壁を形成する隔壁部とを有していてもよい。

このような構成では、隔壁部の高さや開口幅（隔壁部の内径）を小さくする設計により、ノズル基板よりも変位膜側に位置するインク室の容積を低減することができる。

前記変位膜は、前記駆動膜の伸縮に伴って厚さ方向に湾曲する従動膜をさらに有していてもよい。

このように変位膜が駆動膜に加えて従動膜を有する構成であっても、インク室の容積を低減するような設計を、インク吐出部単独で行うことができることに変わりはない。したがって、変位膜が従動膜を有する構成であっても、基板研磨や膜の転写を行わずにインク室の容積を低減して、ヘッドの駆動周波数を向上させることができる。

前記従動膜は、前記穴部において前記駆動膜側に位置する壁となる、前記基板の厚さ方向の一部で構成されていてもよい。また、前記従動膜は、前記掘り込み部の上壁となる、前記基板の厚さ方向の一部で構成されていてもよい。この場合、基板とは別に従動膜を設ける場合に比べて、構成を簡素化することができ、そのような簡素な構成で、上述の効果を得ることができる。

前記変位膜は、前記駆動膜の伸縮によって前記駆動膜自体が厚さ方向に湾曲変形することにより、厚さ方向に変位してもよい。変位膜が従動膜を持たない構成であっても、インク室の容積を低減するような設計を、インク吐出部単独で行うことができることに変わりはない。したがって、上記構成でも、基板研磨や膜の転写を行わずにインク室の容積を低減して、ヘッドの駆動周波数を向上させることができる。

前記駆動膜は、圧電薄膜であることが望ましい。この場合、圧電薄膜を用いた小型で低コストの構成で、上述の効果を得ることができる。

上記のインクジェットヘッドは、前記圧電薄膜を厚さ方向から挟むように設けられ、前記圧電薄膜に電圧を印加するための上部電極および下部電極をさらに含んでいてもよい。この場合、圧電薄膜に対して厚さ方向から電圧を印加することによって圧電薄膜を厚さ方向に垂直な方向に変位（伸縮）させることができ、このような構成において、上述の効果を得ることができる。

前記基板には、前記インク室にインクを供給するためのインク流路が形成されていることが望ましい。変位膜に対してインク吐出部とは反対側の基板にインク流路が形成されることにより、インク吐出側の吐出孔を高密度で形成することが容易となり、高精細な描画を行うことが可能となる。

本実施形態のインクジェットプリンタは、上述した構成のインクジェットヘッドを備えている。これにより、プリント速度および解像度を向上させた高性能のインクジェットプリンタを実現できる。

本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法は、基板上に駆動膜を形成する工程と、前記基板を前記駆動膜の形成側とは反対側から掘り込んで掘り込み部を形成し、前記駆動膜の厚さ方向とは垂直な方向の伸縮によって前記掘り込み部に対応する領域で厚さ方向に湾曲変形するように、前記駆動膜を含む変位膜を前記掘り込み部を覆うように保持する工程と、前記変位膜の湾曲変形によってインク室内のインクを外部に吐出するインク吐出部を、前記変位膜に対して前記基板の掘り込み部とは反対側に形成する工程とを有していてもよい。これにより、基板研磨や膜の転写を行うことなく、インク吐出部単独の設計によってインク室の容積を低減して、ヘッドの駆動周波数を向上させることができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法は、基板上に駆動膜を形成する工程と、前記基板において前記駆動膜の形成側とは反対側に穴部を形成し、前記駆動膜の厚さ方向に対して垂直な方向の伸縮によって前記穴部に対応する領域で前記駆動膜を含む変位膜が厚さ方向に湾曲変形するように、前記変位膜を前記穴部を覆うように保持する工程と、前記変位膜の湾曲変形によってインク室内のインクを外部に吐出するインク吐出部を、前記変位膜に対して前記基板の前記穴部とは反対側に形成する工程とを有していてもよい。この場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。

本発明のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。

１ インクジェットプリンタ
１０ インクジェットヘッド
１１ 基板
１１ａ 掘り込み部（穴部）
１１ｂ 従動膜
１３ 下部電極
１４ 圧電薄膜（駆動膜）
１５ 上部電極
１７ 変位膜
２１ インク吐出部
２１ａ インク室
２２ 隔壁部
２３ ノズル基板
２３ａ ノズル孔
３１ インク流路

Claims (10)

1. 厚さ方向に対して垂直な方向に伸縮する駆動膜を含み、厚さ方向に湾曲変形する変位膜と、
   厚さ方向に形成された穴部を有し、前記駆動膜の伸縮によって前記変位膜を前記穴部に対応する領域で厚さ方向に湾曲変形させるために、前記変位膜が前記穴部を覆うように前記変位膜を保持する基板と、
   インクを収容するインク室を有し、前記変位膜の湾曲変形によって前記インクに圧力が付与されることにより、前記インクを外部に吐出するインク吐出部とを備え、
   前記インク吐出部は、前記変位膜に対して前記基板の前記穴部とは反対側に設けられているインクジェットヘッド。
2. 前記インク吐出部は、
   前記インクを吐出するためのノズル孔を有するノズル基板と、
   前記ノズル基板よりも前記変位膜側に位置して前記インク室の側壁を形成する隔壁部とを有している請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記変位膜は、前記駆動膜の伸縮に伴って厚さ方向に湾曲する従動膜をさらに有している請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記従動膜は、前記穴部において前記駆動膜側に位置する壁となる、前記基板の厚さ方向の一部で構成されている請求項３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記変位膜は、前記駆動膜の伸縮によって前記駆動膜自体が厚さ方向に湾曲変形することにより、厚さ方向に変位する請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記駆動膜は、圧電薄膜である請求項１から５のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
7. 前記圧電薄膜を厚さ方向から挟むように設けられ、前記圧電薄膜に電圧を印加するための上部電極および下部電極をさらに含んでいる請求項６に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記基板には、前記インク室にインクを供給するためのインク流路が形成されている請求項１から７のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタ。
10. 基板上に駆動膜を形成する工程と、
    前記基板において前記駆動膜の形成側とは反対側に穴部を形成し、前記駆動膜の厚さ方向に対して垂直な方向の伸縮によって前記穴部に対応する領域で前記駆動膜を含む変位膜が厚さ方向に湾曲変形するように、前記変位膜を前記穴部を覆うように保持する工程と、
    前記変位膜の湾曲変形によってインク室内のインクを外部に吐出するインク吐出部を、前記変位膜に対して前記基板の前記穴部とは反対側に形成する工程とを有しているインクジェットヘッドの製造方法。

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