JPH11314366A - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、金属や樹脂で構成される振動板上
に圧電素子を薄膜形成法を用いて低温で合成し、ノズル
間のインク速度及び吐出インク量の差を無くし、印字品
質の優れた高密度のインクジェットヘッドを提供するこ
とを課題とする。 【解決手段】 隔壁によって仕切られた複数の圧力室の
一面を封止する振動板をニッケルなどの金属で構成し、
かつ該振動板の表面にはニッケル−（５−２０％）リン
めっきを形成し、これらの振動板上に水熱合成法などの
低温薄膜合成法を用いて圧電素子膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印字データの入力を受
けた時点で、インク滴を飛翔させ、このインク滴により
記録用紙にドットを形成させるオンデマンド方式のイン
クジェットヘッドおよびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来技術のインクジェットヘッドにおい
て、圧電素子を利用したものとして特公平２−５１７３
４号公報が開示されている。これは、流路となる溝の形
成された流路基板と、圧電素子と、この圧電素子に電圧
を印加する２つの電極（個別電極と共通電極）とによっ
て構成されている。圧電素子の両側に電極を形成した後
に、チップに切断整形し、これらのチップを圧力室に対
応した振動板上に実装する構造であって、この圧電素子
の変形によって振動板を変位させ、圧力室のインク圧力
を高めることによってインク滴を吐出して記録媒体上に
画像を形成するものであった。

【０００３】また、高密度に配置された圧電素子を形成
する方法として、特開平５−９７４３７号公報が開示さ
れている。これは、セラミック基板上に圧電素子が膜形
成法によって形成され、焼成することで一体に構成され
ている。このため、相対的に低作動電圧にて大変位が得
られ、また信頼性が高く、応答速度が速く、さらに高密
度が可能であるという特徴を有していた。その上、セラ
ミック基板、圧電素子、電極が積層構造であるため、非
常に簡単な構造となっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の圧電素
子を利用したインクジェットヘッドは、圧電板の両側に
電極を形成した後に、圧電素子のチップを切断整形し、
これらのチップを圧力室に対応した振動板上に実装する
もので、高密度化、ライン化が非常に困難であった。こ
のため、圧電素子を印刷によって形成する方法を用いた
が、圧電素子の印刷は、その厚さが幅に比べ十分には薄
くないため、圧電素子の形状の外側の部分の精度が非常
に悪く、振動板の変形特性が不均一であった。このた
め、同様の印字パルスを入力してもノズルごとにインク
速度及び吐出インク量が大きく異なるという問題点を有
していた。

【０００５】そのうえ、圧電素子を形成する際に、酸素
雰囲気中で１０００℃以上の高温で焼成する必要があ
り、振動板の材料として金属の酸化物などの一部のセラ
ミック基板しか利用できないという問題点を有してい
た。

【０００６】それらの問題を解決する方法が特開平０８
−１１８６２０号公報に開示されている。具体的には、
チタン膜を振動板とし、この表面に感光性レジストを塗
布し、圧電素子を形成するべき位置の感光性レジストの
みを除去し、この除去部分に水熱合成法により圧電素子
を結晶化させるというものである。しかしながら、かかる
製造方法においても、以下のような問題がある。そのひ
とつは、マスクの問題である。すなわち、水熱合成法に
より圧電素子を形成する場合、圧電素子はチタン膜上で
しか成長できないので、振動板の材料が比較的高価なチ
タンに限定されてしまう点である。いまひとつは、感光
性レジストの耐久性の問題である。水熱合成法により圧
電素子を結晶化させる際に、１００℃〜１５０℃程度の
強アルカリ性溶液に浸堰させるが、この過酷な条件に耐
え得る感光性レジストは存在しない。

【０００７】また、特開平０８−２６７７６３号公報に
は、ポリエーテルイミド樹脂を振動板とし、その表面に
導電層となるチタン板を接着し、さらに圧電素子を形成
する箇所を除く部分にスパッタによりニッケルマスクを
形成し、水熱合成法によって圧電素子を結晶化させた後
にニッケルマスクを除去する方法が開示されいる。

【０００８】しかしながら、この方法においても一般的
に用いられるニッケルの硝酸系のエッチング液ではチタ
ン膜や振動板も若干エッチングされる。逆に言えば、圧
電素子形成後にこれらに影響を与えずにニッケルマスク
を選択的に除去するエッチング液が存在しないのであ
る。

【０００９】更に、何らかの方法でニッケルマスクを除
去できたとしても、振動板上の全面に形成されている圧
電素子はパターンとして残る部分と除去される部分との
境目の形状のばらつきが大きく、加工精度が悪い。

【００１０】また、チタン板が振動板上の全面に被覆さ
れているため、圧電素子によって変位する振動板の厚み
が全体的に厚くなり、インクを吐出させる圧力室に隣接
する圧力室への振動の影響が大きく、インク吐出時にイ
ンク滴の速度が変化するクロストークの影響が問題とな
る。

【００１１】そこで、本発明は従来のこのような問題点
を解決するもので、その目的とするところは、チタンな
どの金属や樹脂など任意の材料で構成される振動板上に
圧電素子を薄膜形成法を用いて低温で合成し、ノズル間
のインク速度及び吐出インク量の差を無くし、印字品質
の優れた高密度のインクジェットヘッドを提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の第１の構成は、隔壁によって仕切られた複数
の圧力室と、これらの圧力室の一面を封止する振動板
と、該振動板の外側に前記圧力室毎に対応して配置され
るチタン膜と、該チタン膜に密着して積層される複数の
圧電素子膜と、これらの膜を挟み込むように配置した複
数の上部電極とを備え、各々の圧力室に連通するインク
吐出ノズルとインク供給孔から構成されるインクジェッ
トヘッドにおいて、前記振動板が、チタン、ニッケルな
どの金属または樹脂で構成され、かつ該振動板の表面に
はニッケル−（５−２０％）リンめっきを形成するよう
にしたことにある。

【００１３】上記前記ニッケル−（５−２０％）リンめ
っきの膜厚は好ましくは５μｍ以下がよい。

【００１４】また、上記第１の構成のインクジェトヘッ
ドは、振動板の表面全体にニッケル−（５−２０％）リ
ンめっきを形成し、該めっきの一面の前記圧力室に対応
する位置毎に複数のチタン膜を形成した後、水熱合成法
により複数の圧電素子膜を析出させ、更に該圧電素子膜
上に上部電極を設けるようにして製造される。その際、
前記圧電素子膜は２００℃以下で形成されるとよく、前
記チタン膜の厚さは０．１〜１．０μｍであるとよい。

【００１５】上記課題を解決するための本発明の第２の
構成は、隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、これ
らの圧力室の一面を封止する振動板と、該振動板の外側
に前記圧力室毎に対応して配置される絶縁膜と、該絶縁
膜に密着して積層される下部電極と、該下部電極の上に
さらに積層される圧電素子膜と、これらの膜を挟み込む
ように配置した上部電極とを備え、各々の前記圧力室に
連通するインク吐出ノズルとインク供給孔から構成され
るインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が、チタ
ン、ニッケルなどの金属または樹脂で構成され、かつ該
振動板の表面にはニッケル−（５−２０％）リンめっき
が形成されていることにある。

【００１６】なお、上記第２の構成のインクジェトヘッ
ドは、振動板の表面全体にニッケル−（５−２０％）リ
ンめっきを形成し、該めっきの一面の前記圧力室に対応
する位置毎に絶縁膜および下部電極を積層し、更に該下
部電極上の圧電素子が形成される部分にチタン膜を形成
した後、水熱合成法により圧電素子膜を析出させ、該圧
電素子膜上に上部電極を設けるようにして製造される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して説
明する。

【００１８】図１は、本発明の第１の構成のインクジェ
ットヘッドの分解斜視図であって、複数の圧電素子膜５
を有する振動板１、インクを各ノズルへ供給するための
リストリクタ６が設けられているリストリクタ基板２、
インクが加圧される圧力室７を有する圧力室基板３、お
よび複数のノズル８を有するノズル板４からなり、各々
が接着されている。

【００１９】ノズル８の配列ピッチは１８０分の１イン
チ、約１４１μｍとし、２列に千鳥状に配置することに
よって３６０ドット／インチを有するものであるが、ノ
ズル数、列数及びユニット構成はどの様な組み合わせで
も限定されるものではない。

【００２０】図２は、圧力室３のインクの流れ方向に平
行な面で切断した断面形状であり，８はノズル板４内の
ノズル、１０は配列された加圧室内のインク、１は振動
板、５は圧電素子膜、９は上部電極、１２はチタン膜で
ある。

【００２１】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。

【００２２】待機時には分極方向が振動板１に向いてい
る圧電素子膜５に撓みはないが、分極方向と同極性の電
圧を印可すると圧電素子膜５は厚み方向、すなわち振動
板１の方向（図面下方）に膨張すると共にその幅方向
（紙面に垂直な方向）に収縮する。この収縮で圧電素子
膜５と振動板１の界面に圧縮のせん断応力が働き、振動
板１と圧電素子膜５は図の下方向に撓む。この撓みによ
り圧力室７の体積が減少し、ノズル８からインク滴が吐
出する。その後、電圧印可を止めると、撓んでいた振動
板１等が復元し、圧力室体積の膨張により図示しないイ
ンク供給路よりインクが充填される。

【００２３】次に、本発明のインクジェットヘッドの製
造方法を図３、図４に基づいて説明する。

【００２４】まず、図３（１）に示すように、振動板１
となる１５μｍ厚のニッケル板の表面全体にニッケル−
リン（８％）めっき１１を５μｍ施す。このように振動
板１にめっき１１を被覆することにより、めっき１１は
振動板１の保護膜となる。よって、以下に示す圧電素子
膜５の形成時に、振動板１が強アルカリ性溶液によって
腐食されることはない。更に、このめっき１１は共通電
極を兼ねているため、樹脂などの絶縁物を振動板に用い
ても、新たに共通電極を形成する工程を必要としない。

【００２５】次いで、図３（２）に示すように、圧電素
子膜５を形成する面に、圧電素子膜５の形成用基板とし
てチタン膜１２を０．５μｍ厚さで、スパッタ法などの
薄膜形成法を用いて成膜する。その後、チタン膜１２を
フォトリソグラフィ工程によってパターニングを行い、
圧電素子膜５を形成する部分以外を除去する。

【００２６】圧電素子膜５の形成は水熱合成法によって
行う。四塩化チタン２．５２mmol、オキシ塩化ジルコニ
ウム２．７３mmol、硝酸鉛６．８２mmolを原料として、
図３の（２）の状態の振動板をオートクレーブ内に入
れ、１４０℃、４８時間の成膜条件で２０μｍの圧電素
子膜５が形成された。

【００２７】ここで、上記製造方法で得られた圧電素子
膜の特性を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】また、上記成膜条件を１４０℃、２４時間
とし、１０μｍの圧電素子膜を形成した場合の圧電素子
膜の特性を表２に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】上記表１および表２の双方の圧電定数はほ
ぼ一致しており、再現性良く形成されていることが確認
できた。

【００３２】この様に形成された圧電素子膜５の上に、
さらに上部電極９となるアルミニウムを薄膜形成法によ
って１．０μｍ形成し、図３（３）に示すような振動板
１上への圧電素子膜５の形成が完了する。

【００３３】なお、圧電素子膜の原料として四塩化チタ
ンとオキシ塩化ジルコニウムを用いた２成分系の圧電素
子膜でも同様な特性が得られれば、何ら問題はない。

【００３４】また、振動板１の材料としては表面に耐ア
ルカリコーティングを施したチタン、ステンレスなどの
金属板や、プラスチック、ポリイミド、フェノールなど
の各種樹脂を用いても良い。

【００３５】本例では上部電極の材料としてアルミニウ
ムを用いたが、本発明の製造方法においては、この後の
工程で高温加熱工程がないことから、導電性の良いいか
なる金属を用いても良い。

【００３６】一方、圧力室７及びリストリクタ６は、図
４に示すようにフォトリソグラフィ工程で形成される。

【００３７】ニッケル電鋳にて形成され、ノズル８を有
する厚さ１００μｍのノズル板４の上に、厚さ１００μ
ｍの感光性ドライフィルムをラミネートし、この作業を
２回繰り返し圧力室基板３とする。その後、露光、現像
によって圧力室７を形成する。更に、リストリクタ基板
２となる厚さ５０μｍの感光性ドライフィルムを圧力室
７の上にラミネートし、露光、現像の工程を行ってリス
トリクタ６を形成する。

【００３８】なお、本例では、圧力室基板３及びリスト
リクタ基板２を感光性ドライフィルムで形成したが、ポ
リイミド樹脂やプラスチックモールドによって形成して
も良い。

【００３９】そして、振動板１とリストリクタ基板２の
接着は、大気中１５０℃、１時間の条件で熱圧着によっ
て接合される。なお、この工程は感光性ドライフィルム
のキュアもかねている。

【００４０】以上の如く形成したインクジェットヘッド
の振動板の変位量と印加電圧の関係を図５に示す。

【００４１】実際にインク滴を吐出させるには、０．１
５〜０．２５μｍの変位量が必要であるが、本結果から
２０Ｖ程度の電圧においてこれらの変位量が得られてお
り、低消費電力での駆動が可能であることがわかる。

【００４２】更に、図中の２本の線は隣接する圧電素子
膜の変位量を示しているが、５０Ｖ程度までは再現性の
よい変位量が得られており、クロストークの影響がない
ことがわかる。

【００４３】また、図６に示すように、ノズルから噴射
されるインク滴の速度は最大で１０m/secであり、ノズ
ル間のばらつきも±５％であり、高品質の印刷が可能で
あった。

【００４４】更に、長期印字による信頼性評価を行った
ところ、スクリーン印刷によるものが５０００万回のイ
ンク吐出で１０％の印字素子が配線領域の断線および膜
剥離により不良となっていたのに比べ、本例では２０億
回のインク吐出で１％以下にすることができた。

【００４５】次に、本発明の第２の構成について説明す
る。

【００４６】図７は、本発明の第２の構成のインクジェ
ットヘッドを圧力室３のインクの流れ方向に平行な面で
切断した断面形状である。図において、８はノズル板４
内のノズル、１０は配列された圧力室３内のインク、１
は振動板、２０は絶縁膜、２１は下部電極、５は圧電素
子膜、９は上部電極である。なお、インク吐出の原理は
先述の第１の構成と同様である。

【００４７】次に、本発明の第２の構成のインクジェッ
トヘッドの製造方法を図８、図９に基づいて説明する。

【００４８】まず、図８（１）に示すように、振動板１
となる１５μｍ厚のニッケル板の表面全体にニッケル−
リン（８％）めっき１１を５μｍ施す。このように振動
板１にめっき１１を被覆することにより、めっき１１は
振動板１の保護膜となる。よって、以下に示す圧電素子
膜５の形成時に、振動板１が強アルカリ性溶液によって
腐食されることはない。

【００４９】次いで、図８（２）に示すように、圧電素
子膜５を形成する面に、絶縁膜２０としてＳｉＯ２膜を
スパッタ方法等の薄膜形成法を用いて０．５μｍ被覆
し、圧電素子膜５及び下部電極２１を形成する領域全体
を被覆するようにパターニングを行い、その上に下部電
極２１となる白金を同様に０．５μｍ被覆し、圧電素子
膜５から電圧印加部（図示せず）に引き出すようにパタ
ーニングを行う。更に、圧電素子膜５の形成用基板とし
てチタン膜１２を０．５μｍ、スパッタ法などの薄膜形
成法で成膜し、その後、チタン膜１４もフォトリソグラ
フィ工程によってパターニングを行い、圧電素子膜５を
形成する部分以外を除去する。

【００５０】次に、圧電素子膜５の形成を水熱合成法に
よって行う。四塩化チタン２．５２mmol、オキシ塩化ジ
ルコニウム２．７３mmol、硝酸鉛６．８２mmolを原料と
して、図８（２）の状態の振動板と共にオートクレーブ
内に入れ、１４０℃、４８時間、さらに１２０℃、４８
時間の成膜条件で２０μｍの圧電素子膜を形成した。

【００５１】表３に得られた圧電素子膜の特性を示す。

【００５２】

【表３】

【００５３】表の結果より、振動板の材料によらず、再
現性の良い特性が得られることが分かる。

【００５４】この様に形成された圧電素子膜５の上に、
更に上部電極９となるアルミニウムを薄膜形成法によっ
て１．０μｍ形成し、図８（３）に示すような振動板１
上への圧電素子膜５の形成が完了する。

【００５５】なお、先述したように、ニッケル−リン
（８％）めっき１３が振動板１の保護膜として作用する
ので、本構成においても振動板１の材料としては表面に
耐アルカリコーティングを施したチタン、ステンレスな
どの金属板やプラスチック、ポリイミド、フェノールな
どの各種樹脂など、任意の材料を選択することができ
る。もちろん、上部電極１１の材料としても、この後の
工程で高温加熱工程がないことから導電性の良いいかな
る金属を用いることは可能である。

【００５６】そして、第１の構成と同様に、振動板１と
リストリクタ基板２の接着を、大気中１５０℃、１時間
の条件で熱圧着によって接合し、インクジェットヘッド
が完成する。

【００５７】以上の如く形成したインクジェットプリン
トヘッドの圧電素子膜の駆動条件としては、駆動電圧が
２０Ｖ、駆動周波数２０ｋＨｚと、従来のセラミック振
動板上へのスクリーン印刷法によるものに比べ、大幅な
特性の改善がみられた。

【００５８】更に、長期印字による信頼性評価を行った
ところ、スクリーン印刷によるものが５０００万回のイ
ンク吐出で１０％の印字素子が配線領域の断線および膜
剥離により不良となっていたものが、本例では２０億回
のインク吐出で１％以下にすることができた。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、圧電素子膜を水熱合成
法などを用い低温で形成することによって、振動板とし
て金属板、プラスチックや樹脂を使用でき、低廉で簡単
な工程で製作が可能となり、さらに信頼性の高い、高品
質で高密度のインクジェットヘッドを実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のインクジェットヘッドの分解斜視
図。

【図２】 本発明の第１の構成となるインクジェットヘ
ッドの断面図。

【図３】 図２のインクジェットヘッドの振動板の製造
工程を示す図。

【図４】 本発明のインクジェットヘッドの圧力室及び
リストリクタの製造工程を示す図。

【図５】 振動板の変位量と印加電圧の関係を示すグラ
フ。

【図６】 インク滴速度とパルス幅の関係を示すグラ
フ。

【図７】 本発明の第２の構成となるインクジェットヘ
ッドの断面図。

【図８】 図７のインクジェットヘッドの振動板の製造
工程を示す図。

【符号の説明】

１は振動板、２はリストリクタ基板、３は圧力室基板、
４はノズル板、５は圧電素子膜、６はリストリクタ、７
は圧力室、８はノズル、９は上部電極、１０はインク、
１１はニッケル−リンめっき、１２はチタン膜、２０は
絶縁膜、２１は下部電極である。

フロントページの続き (72)発明者 川澄 勝則 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 木田 仁司 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 玉橋 邦裕 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 橘 良昭 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 永田 純 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
   これらの圧力室の一面を封止する振動板と、該振動板の
   外側に前記圧力室毎に対応して配置されるチタン膜と、
   該チタン膜に密着して積層される複数の圧電素子膜と、
   これらの膜を挟み込むように配置した複数の上部電極と
   を備え、各々の圧力室に連通するインク吐出ノズルとイ
   ンク供給孔から構成されるインクジェットヘッドにおい
   て、 前記振動板が、チタン、ニッケルなどの金属または樹脂
   で構成され、かつ該振動板の表面にはニッケル−（５−
   ２０％）リンめっきが形成されていることを特徴とする
   インクジェットヘッド。
2. 【請求項２】請求項１記載のインクジェットヘッドであ
   って、前記ニッケル−（５−２０％）リンめっきの膜厚
   は５μｍ以下であることを特徴とするインクジェットヘ
   ッド。
3. 【請求項３】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
   これらの圧力室の一面を封止する振動板と、該振動板の
   外側に前記圧力室毎に対応して配置されるチタン膜と、
   該チタン膜に密着して積層される複数の圧電素子膜と、
   これらの膜を挟み込むように配置した複数の上部電極と
   を備え、各々の圧力室に連通するインク吐出ノズルとイ
   ンク供給孔から構成されるインクジェットヘッドにおい
   て、 振動板の表面全体にニッケル−（５−２０％）リンめっ
   きを形成し、該めっきの一面の前記圧力室に対応する位
   置毎に複数のチタン膜を形成した後、水熱合成法により
   複数の圧電素子膜を析出させ、更に該圧電素子膜上に上
   部電極を設けるようにしたことを特徴とするインクジェ
   ットヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】請求項３記載のインクジェットヘッドの製
   造方法であって、 前記圧電素子膜が２００℃以下で形成されることを特徴
   とするインクジェットヘッドの製造方法。
5. 【請求項５】請求項３記載のインクジェットヘッドの製
   造方法であって、 前記チタン膜の厚さが０．１〜１．０μｍであることを
   特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
6. 【請求項６】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
   これらの圧力室の一面を封止する振動板と、該振動板の
   外側に前記圧力室毎に対応して配置される絶縁膜と、該
   絶縁膜に密着して積層される下部電極と、該下部電極の
   上にさらに積層される圧電素子膜と、これらの膜を挟み
   込むように配置した上部電極とを備え、各々の前記圧力
   室に連通するインク吐出ノズルとインク供給孔から構成
   されるインクジェットヘッドにおいて、 前記振動板が、チタン、ニッケルなどの金属または樹脂
   で構成され、かつ該振動板の表面にはニッケル−（５−
   ２０％）リンめっきが形成されていることを特徴とする
   インクジェットヘッド。
7. 【請求項７】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
   これらの圧力室の一面を封止する振動板と、該振動板の
   外側に前記圧力室毎に対応して配置される絶縁膜と、該
   絶縁膜に密着して積層される下部電極と、該下部電極の
   上にさらに積層される圧電素子膜と、これらの膜を挟み
   込むように配置した上部電極とを備え、各々の前記圧力
   室に連通するインク吐出ノズルとインク供給孔から構成
   されるインクジェットヘッドにおいて、 振動板の表面全体にニッケル−（５−２０％）リンめっ
   きを形成し、該めっきの一面の前記圧力室に対応する位
   置毎に絶縁膜および下部電極を積層し、更に該下部電極
   上の圧電素子が形成される部分にチタン膜を形成した
   後、水熱合成法により圧電素子膜を析出させ、該圧電素
   子膜上に上部電極を設けるようにしたことを特徴とする
   インクジェットヘッドの製造方法。