JP3552013B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Description

【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そ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、さらに大気中の湿気による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内に独立して形成され、また前記上電極の周面部以外を露出させるように前記上電極の表面の周縁部から前記圧電体層の側面の領域だけが絶縁体層に覆われている。
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、また上電極と絶縁体層により圧電体層を外部環境からの保護とリーク電流の発生を防止しつつ、絶縁体層による圧電体層の剛性の増加を防止して変位量を確保することができる。
【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１１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１１ａ、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１３ａ，１３ｂ，１３ｃを形成し、これら窓１３ａ〜１３ｃ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１３ａ，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’、ΔＬ’’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３１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２７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２０ｗｔ％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３１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（２８）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。
【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 (5)

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内に独立して形成され、また前記上電極の周面部以外を露出させるように前記上電極の表面の周縁部から前記圧電体層の側面の領域だけが絶縁体層に覆われているインクジェット式記録ヘッド。
2. 前記上電極と接続する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ている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. 前記絶縁体層が、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。
4. 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。
5. 前記圧電体層及び前記上電極が、前記圧力発生室に対向する領域の内側に形成されている請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。

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