JP2007216669A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】個別液室の端部で振動板に割れが発生するのを防ぐ。
【解決手段】圧電駆動部６によって振動板７を変形させることで、基体３に形成された個別液室５内の液体を加圧し、吐出口２から吐出する。個別液室５の長手方向の両端では振動板７の変形量が増大し、割れが発生するおそれがあるため、振動板７から個別液室５に段状に突出する凸部８を形成し、振動板７の両端部の剛性を強化する。高精細化のために細くした個別液室５に対応して薄い振動板７を用いた場合でも、振動板７の変形量が局部的に増大して割れを発生するのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴を吐出する吐出口とこれに連通する個別液室を備え、個別液室に対応して設けられその一部を構成する振動板に変位を与えることにより液滴を吐出させる液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

従来より液体吐出ヘッドは、低騒音、低ランニングコスト、装置の小型化およびカラー化が容易である等の理由から、プリンタやファクシミリ等の記録装置に広く内蔵されている。また特に圧電アクチュエータを用いた液体吐出ヘッドは、吐出させる液体の選択自由度の高さからデバイス製造向けのパターニング装置としての用途も拡大している。

圧電アクチュエータを用いた液体吐出ヘッドにおいて、液体が吐出口から吐出される過程を詳細に見ると、まず電気信号の投入により個別液室の一部を構成する振動板に、時間とともに推移する変位を与えることによって個別液室の容積を収縮または膨張させる。このような容積制御を実施することにより、液柱状態で液体が外界へ伸び、突き出しはじめる。その後表面張力によって複数の液滴に分離しながら、例えば、記録ヘッド（液体吐出ヘッド）と被記録材間のギャップを飛翔する。一方、記録装置、パターニング装置いずれの用途としても、ノズル並びの高解像度化、吐出液滴の微量化が進められている。またあわせて液滴着弾精度の高精度化が図られている。このうち、高解像度化の主な方法としては個別液室の幅を細くすることが検討されている。

個別液室の幅を細くすることによって解像度を高くする場合、吐出量および吐出速度といった所望の吐出性能を実現するため、変位効率の向上が必要となる。そこでこの対策として振動板の厚みを薄くすることが知られている（特許文献１および特許文献２参照）。
特開平１１−２９１４９５号公報 特開平１１−３００９７１号公報

しかしながら、本発明者の詳細な検討から、振動板の厚みをできる限り薄くした場合、次のような技術課題が明らかとなった。

検討対象は、振動板に圧電駆動部である圧電体および電極を形成したユニモルフ型（ベンダー型）ピエゾ記録ヘッドである。このピエゾ記録ヘッドにて振動板の厚みを変えたものを数種類作成して吐出寿命を比較した。ここでの寿命と判断する基準としては振動板の割れによる振動板部分での液漏れ発生時期とし、その時点までの吐出動作回数で評価した。容易に予想される通り振動板が薄いものほど振動板の割れによる寿命は短かった。

また、ユニモルフ型ピエゾ記録ヘッドの１素子の個別液室長さ方向における振動板変位量を測定したところ、以下のような傾向が観測された。

図８はユニモルフ型ピエゾ記録ヘッドの断面図である。個別液室１０５の長さは２．５ｍｍである。圧電素子１０６に電圧を印加することで振動板１０７が変形する。図９は電圧入力後、ある時間における個別液室長手方向に対する振動板１０７の変位量をプロットしたものである。

時刻ｔがｔ１、ｔ２、ｔ３と経過していくに際し、振動板１０７が変形していく様子が曲線Ｔ₁ 、Ｔ₂ 、Ｔ₃ で示されている。しかし、個別液室１０５の両端領域、すなわち吐出口１０２の近傍と共通液室側の端部における振動板１０７の変位量はその他の場所と比較して、大きく変位していることが分かる。

このように吐出口側および共通液室側の端部で振動板の変位量が他の大部分の領域よりも特異的に大きく変位してしまうと、その部分での振動板の破壊や割れが発生しやすくなる。特に振動板を薄くした場合は、吐出口側および共通液室側の振動板端部は一層割れやすくなることが分かった。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、振動板の割れを防止して寿命を延ばし、高解像度で充分な吐出寿命を有する液体吐出ヘッドおよ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。

本発明の液体吐出ヘッドは、圧電駆動部が設けられた振動板と、該振動板を支持し、液体を吐出する吐出口に連通する圧力発生室が前記圧電駆動部に対応して設けられている基体と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生室の長手方向に関する端部の領域における、前記基体の前記振動板側の部分が、前記長手方向に沿って前記圧力発生室に段状に突出していることを特徴とする。

圧力発生室の長手方向の両端において振動板を支持する基体が凸部として突出することで、振動板の長手方向両端に発生するツノ状の二山の変位を凸部によって抑制することができる。

特に高解像度実現のために圧力発生室の幅を狭くした構成では、振動板変位を充分確保するために振動板を薄くする必要がある。このような場合でも、振動板の割れを防止して寿命を延ばし、充分な吐出寿命を確保できる。

また、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層をエッチングストップ層とすることで、隣接素子間の振動板膜厚の均一化、１素子内の振動板平坦化が可能となる。このことで、素子間の変位量のばらつきを低減させることができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は実施例１による液体吐出ヘッドを示すもので、ノズルプレート１は液滴を吐出するための吐出口（ノズル）２を有し、基体３は、吐出口２に連通する連通口４および圧力発生室である個別液室５を備えている。液滴を吐出するための圧力を発生させる圧電駆動部６は、上電極６ａ、圧電膜６ｂ、下電極６ｃを有し、振動板７を介して個別液室５内の液体を加圧する。

個別液室５の長手方向の両端には、図１の（ｂ）に示すように、振動板７の変位を抑制するための部分（以下、「凸部」と称す）８が段状に設けられる。すなわち、圧力発生室の長手方向に関する端部の領域における、基体の振動板側の部分が、長手方向に沿って圧力発生室に段状に突出している。これにより、圧電駆動部６の変位量増加あるいは駆動電圧の低下に伴う個別液室の長手方向の両端領域での振動板７の変位を制御し、この領域における特異的な振動板の変位挙動を抑制することができる。凸部は、本発明においては、振動板の変位を抑制しつつ一緒に変位するものなので、厚さが５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることが一層好ましい。本実施例において、凸部の厚さは３μｍである。

なお、本実施例においては、図１の（ａ）に示すように、個別液室５の短手方向の両端にも、振動板７の変位を抑制するための凸部８ａが段状に設けられる。これにより、個別液室５の短手方向についても、同様の効果を奏することができる。

本実施例においては、凸部が圧力発生室に段状に突出しているので、段状でない場合に比べて圧力発生室の空間が大きいものとなる。この結果、圧力発生室に気泡が滞留しにくい、という効果も奏する。

本実施例の液体吐出ヘッドは以下の工程によって製作される。図２の（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１０として、活性層１０ａの厚さ６μｍ、ＢＯＸ（buried oxide）層１０ｂの厚さ０.５μｍ、ハンドル層１０ｃの厚さ２００μｍのものを準備する。ＳＯＩ基板１０は任意の層膜厚でよく、活性層１０ａおよびハンドル層１０ｃの表面に酸化膜が形成されていてもよい。

ＳＯＩ基板１０の活性層１０ａに圧電駆動部６の下電極６ｃ、圧電膜６ｂをスパッタ法によりそれぞれ成膜する。下電極６ｃとしてＴｉ／Ｐｔを３０／３００ｎｍ成膜するが、電極材料、電極膜厚はこれに限定するものではない。圧電膜６ｂとしては鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃ ペロブスカイト型酸化物（ＰＺＴ）をスパッタ法で３μｍ成膜する。良好な圧電性を得るため、ＰＺＴ薄膜の組成がＰｂ(Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48)Ｏ₃ となるようにする。ＰＺＴ膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成でも構わない。またＰＺＴ膜厚も望ましい性能を実現するための厚みを任意で決めればよい。

次に、圧電膜６ｂを成膜したＳＯＩ基板１０をスパッタ装置から取り出した後、酸素雰囲気中で７００℃で焼成を行い、ＰＺＴ膜を結晶化させる。

その後、上電極６ａとして、Ｔｉを３０ｎｍ、Ｐｔを３００ｎｍ成膜する。ここで電極材料、電極膜厚は下電極同様、上記に限定するものではない。

続いて、各々の個別液室５に対応するように、圧電膜６ｂと上電極６ａをエッチングにより加工する。まず上電極６ａ上にフォトレジストを設け、パターニング後、ドライエッチングにより上電極６ａを加工する。同様に、圧電膜６ｂのパターニングおよびエッチングを行う。続いて、上電極６ａと同様に下電極６ｃのドライエッチング、活性層１０ａのＳｉドライエッチングにより不図示の液体供給口の一部を形成し、圧電素子デバイスである圧電駆動部６を形成する。

次に、ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用い、ハンドル層１０ｃに個別液室５等の流路を形成する。まず、図２の（ｂ）に示すように、エッチングマスクとするための、厚さ２μｍの酸化膜１１をハンドル層１０ｃの表面に形成し、さらに、振動板７の両端の凸部８に対応するようにレジストパターン１２を形成して、酸化膜１１をエッチングする。その後、図２の（ｃ）に示すように、ＩＣＰエッチングでハンドル層１０ｃのＳｉを３μｍ加工する。

次に、レジストパターン１２を剥離後、図３に示すように、個別液室形状となるよう再度レジストパターン１３を形成する。酸化膜１１をエッチング後、ＩＣＰエッチングでハンドル層１０ｃのＳｉを加工し、振動板両端の凸部８となる部分以外をＢＯＸ層１０ｂに到達させる。

続いて、バッファードフッ酸によりＢＯＸ層１０ｂであるＳｉＯ₂ 膜を剥離し、図４の（ａ）に示すように、ハンドル層１０ｃからなる、個別液室５に面した振動板７を露出させる。さらに、図４の（ｂ）に示すように、レジストパターン１３を剥離する。

個別液室５の幅は１００μｍ、長さは２．５ｍｍとしたが、これに限られるものではないのは言うまでもない。

最後に、ノズルプレート１となる２００μｍのウエハを両面からＩＣＰエッチングし、連通口４、吐出口２等を形成し、このノズルプレート１と基体３とを接合することでピエゾ型インクジェットヘッドを作製する。

このとき、ノズルプレート１は他の手法で加工したものや、数枚のプレートを貼り合わせたものでもかまわない。

本実施例によれば、図５に示すように、振動板７の変位形状における個別液室の長手方向両端のツノ状の二山を制御することができる。

Ｓｉ基板に吐出口を形成したノズルプレートと、圧電駆動部と個別液室を形成したＳＯＩ基板とを接合して液体吐出ヘッドを製造する工程において、ＳＯＩ基板のＳｉＯ₂ 膜からなるＢＯＸ層は振動板の凸部を形成するときのエッチングストップ層となる。これにより、振動板両端の凸部と振動板の厚みをそれぞれ精度良く形成し、素子間の変位量の均一化、振動板寿命の平均化をはかることができる。また、振動板の厚みと凸部の厚みの比率を変化させることにより、振動板の変位を任意にコントロールすることが可能となる。

図６、図７に示すように、本実施例は、実施例１の振動板７に、個別液室５の長手方向に延在するリブ状部材８ｂを付加し、長手方向の溝を形成したものである。ＳＯＩ基板上に上電極、圧電体、下電極を形成し、パターニングする工程、および、ノズルプレートと接合する工程は実施例１と同様である。リブ状部材は、振動板と一緒に変位するものなので、厚さが５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることが一層好ましい。本実施例において、リブ状部材の厚さは３μｍである。

ハンドル層の厚みが１００μｍであるＳＯＩ基板を用いて、前述と同様の工程により個別液室５を形成する。その後、リブ状部材８ｂの間の溝にエラストマー樹脂を流し込み、硬化させて、振動板７の平坦面を覆う保護層９を形成する。

保護層９を形成する材料としては、ヤング率が振動板７より充分に低ければ特に限定されるものではないが、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂、アクリル樹脂等も好適に使用できる。

本実施例においては、液体吐出の時間経過とともに振動板７と凸部８の境目に溜まる泡を効率よく排除することができる。このことにより、泡不吐や変位量低下を抑制することができる。加えて、振動板７となるハンドル層を薄くしたＳＯＩ基板を用いることで、個別液室５の深さや、振動板７と個別液室５の短手幅のアスペクト比を低下させ、より加工精度の高い液体吐出ヘッドを提供することも可能となる。

（比較例）
実施例１、２に係る各々の構成において、凸部やリブ状部材を省略した比較例に係る液体吐出ヘッドを製作し、矩形の電圧波形を投入して液体吐出動作を繰り返した。

その結果、実施例１、２は、比較例に比べて寿命が向上した。すなわち、個別液室の長手方向の数点にて非接触変位計を用いて圧電駆動部表面の変位の時刻歴データを取った結果、個別液室長手方向の両端に発生するツノ状の二山は抑制されており、その結果厳しい曲げが付加されなくなり、寿命が延びたものと考えられる。

本発明の液体吐出ヘッドは、紙、布、革、不織布、ＯＨＰシート等に印刷する記録装置、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置、塗布装置等に適用可能である。

実施例１に係る液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）は個別液室の短手方向の断面図、（ｂ）は長手方向の断面図である。 図１の液体吐出ヘッドの製造工程の一部を示す図である。 図１の液体吐出ヘッドの製造工程の一部を示す図である。 図１の液体吐出ヘッドの製造工程の一部を示す図である。 図１の液体吐出ヘッドの振動板の変形モードを示すグラフである。 実施例２による凸部およびリブ状部材を示す図である。 実施例２に係る液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）は個別液室の短手方向の断面図、（ｂ）は長手方向の断面図である。 一従来例を示す断面図である。 従来例の振動板の変形モードを示すグラフである。

符号の説明

１ ノズルプレート
２ 吐出口
３ 基体
４ 連通口
５ 個別液室
６ 圧電駆動部
７ 振動板
８ａ 凸部
８ｂ リブ状部材
９ 保護層

Claims (7)

1. 圧電駆動部が設けられた振動板と、該振動板を支持し、液体を吐出する吐出口に連通する圧力発生室が前記圧電駆動部に対応して設けられている基体と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記圧力発生室の長手方向に関する端部の領域における、前記基体の前記振動板側の部分が、前記長手方向に沿って前記圧力発生室に段状に突出していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記部分は、厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記部分は、前記圧力発生室の短手方向に関する端部の領域にも設けられていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記振動板がＳＯＩ基板の活性層を含み、前記基体が前記ＳＯＩ基板のハンドル層を含むことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記圧力発生室の長手方向に延在するリブ状部材が、前記基体に形成されていることを特徴とする請求項４記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記振動板を構成する材料よりヤング率が低い材料で前記リブ状部材同士の間が充填されていることを特徴とする請求項５記載の液体吐出ヘッド。
7. 請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   エッチングによって前記基体に前記圧力発生室を形成するに当たり、前記ＳＯＩ基板のＢＯＸ層をエッチングのストップ層として用いることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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