JP2000246890A

JP2000246890A - インクジェットヘッド及びその製造方法

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Publication number: JP2000246890A
Application number: JP5007699A
Authority: JP
Inventors: Osamu Machida; 治町田; Kenji Yamada; 健二山田; Takehiro Yamada; 剛裕山田; Katsunori Kawasumi; 勝則川澄; Hitoshi Kida; 仁司木田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2000-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、金属で構成される圧力室上の３方
向以上の面に圧電素子を薄膜形成法を用いて低温で合成
し、低電圧で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を
ニッケルなどの金属で構成し、これらの圧力室の外側に
水熱合成法を用いて圧電素子膜を形成することを特徴と
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
録用紙上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となっていた。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、圧電素子が印
刷によって形成され、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、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
子を印刷によって形成する方法では、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。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。

【０００５】それらの問題を解決する方法が特開平８−
２６７７６３号公報に開示されている。

【０００６】具体的には、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もの
である。

【０００７】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。

【０００８】そのひとつは、水熱合成法により形成した
圧電素子の圧電定数は焼結によって形成された圧電素子
の約半分程度であり、インクを吐出させる変位を得るの
に、焼結品に比較して高電圧が必要な点である。

【０００９】いまひとつは、マスクの問題である。水熱
合成法により圧電素子を形成する際に、１００℃〜１５
０℃程度の強アルカリ性溶液に浸堰させるが、この過酷
な条件に耐えうるマスク材料としては、ニッケル、二酸
化珪素などの限られた材料しかなく、これらを使用して
も圧電素子を形成した後にマスクを選択的にエッチング
する薬品がない。

【００１０】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
の金属で構成される圧力室の外側にに圧電素子を水熱合
成法を用いて形成し、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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のインクジェットヘッドは、隔壁によって仕
切られた複数の圧力室と、該複数の圧力室を封止する平
板と、前記圧力室に連通するインク供給路と、前記圧力
室の外壁に被覆された圧電素子膜と、該圧電素子膜を被
覆するよう設けられた上部電極とを備え、前記圧電素子
膜の変位が前記圧力室の外壁の少なくとも３方向におい
て作用するような構成とした。

【００１２】特に、前記圧電子膜が水熱合成法によって
形成されるとよい。

【００１３】また、上記構成のインクジェットヘッドは
（ａ）平板上の圧力室相当部分にレジストにてパターニ
ングを施す工程、（ｂ）前記レジスト上にニッケル薄膜
を形成し、さらに、チタン薄膜を成膜する工程、（ｃ）
圧電素子膜を水熱合成法にて形成する工程、（ｄ）前記
圧電素子膜上に、さらに上部電極を形成する工程、
（ｅ）各圧力室の圧電素子膜および上部電極を独立させ
るべく、各圧力室の間とインク供給路と対向している圧
力室壁のエッジ部に溝を形成する工程、（ｆ）前記レジ
ストを除去する工程によって形成される。

【００１４】

【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。

【００１５】図１は本発明のインクジェットヘッドの分
解斜視図であって、上部電極と圧電素子膜を有する複数
の圧力室１と、圧力室１にインクを供給するマニホール
ド２とが、複数のノズルを有する平板３に接着されてい
る。

【００１６】上記インクジェットヘッドの配列ピッチは
９０分の１インチ、約２８２μｍとし、２列に千鳥状に
配置することによって１８０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。

【００１７】図２は、図１のインクジェットヘッドを圧
力室のインクの流れ方向に平行な面で切断した要部拡大
断面図であり、４は平板３内のノズル、５は配列された
圧力室内のインク、１は圧力室、６は圧電素子膜、７は
上部電極である。なお、圧電素子膜６は圧力室の上部だ
けではなく、両側面及び前面にも形成されている。

【００１８】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。

【００１９】待機時には分極方向が圧力室１に向いてい
る圧電素子膜６に撓みはないが、上部電極７に分極方向
と同極性の電圧を印可するとそれぞれの圧電素子膜６は
厚み方向すなわち圧力室１の方向に膨張すると共にその
幅方向に収縮する。この収縮で圧電素子膜６と圧力室１
の界面に圧縮のせん断応力が働き、圧力室１と圧電素子
膜６は圧力室１の中心方向に撓む。この撓みにより圧力
室１の体積が減少し、ノズル４からインク滴が吐出す
る。その後電圧印可を止めると、撓んでいた圧力室１が
復元し、圧力室体積の膨張により図示しないマニホール
ドよりインクが充填される。

【００２０】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
を図３に基づいて説明する。なお、本発明における製造
工程は以下に示す（ａ）〜（ｆ）よりなる。

【００２１】（ａ）複数のノズルを有する厚さ１００
μｍの平板３上の圧力室１及びマニホールド２を形成す
る部分に、膜厚２００μｍの感光性ドライフィルムレジ
スト８によってパターニングを施す。（ｂ）工程（ａ）によりドライフィルム８でパターニ
ングが施された平板３上に、スパッタ法などの薄膜形成
法によりニッケル薄膜９を０．１μｍ形成し、続けて電
解メッキにより膜厚２０μｍまで成長させる。さらに、
チタン薄膜１０を０．１μｍ成膜し、圧電素子６を形成
する部分のみをフォトリソグラフィーにより形成する。
なお、前記ニッケル薄膜９は共通電極を兼ねているた
め、この後新たに共通電極を形成する工程を必要としな
い。（ｃ）圧電素子膜６の形成は、水熱合成法によって行
う。すなわち、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、そこに水酸化カリウム５０mmolと共に前記基板
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６を形成する。（ｄ）工程（ｃ）によって形成された圧電素子膜６の
上に、さらに上部電極となるアルミ膜１１を形成する。
スパッタ法などの薄膜形成法によって圧電素子膜６の全
面にアルミ薄膜１１を１．０μｍ形成し、その後、薄膜
リソグラフィープロセスによって、圧電素子膜６の上の
みにパターニングを行う。（ｅ）次に、各圧力室の圧電素子膜６およびアルミ膜
１１をそれぞれ独立させるため、各圧力室の間とマニホ
ールドと対向している圧力室壁のエッジ部１２にダイサ
ー等により５０μｍの深さの溝を形成する。（ｆ）最後に、工程（ｅ）を終了した基板をドライフ
ィルム８の剥離液に浸し、圧力室１内のドライフィルム
を除去し、インクジェットヘッドが完成する。

【００２２】このように形成されたインクジェットプリ
ントヘッドは、圧力室壁を４方向（圧力室の上部、両側
面及び前面）から圧電素子膜によって押されるため、各
々が少ない変位でも低電圧でインクを吐出させることが
可能となる。更に、（ｅ）の工程で各圧力室間に溝を設
けて個々に切り離すようにしているため、隣接する圧力
室及びノズルの吐出の影響、すなわちクロストークの影
響が少ないヘッドが可能となる。

【００２３】なお、本例では圧電素子膜５の原料として
四塩化チタン、オキシ塩化ジルコニウム及び硝酸鉛より
なる３成分系の圧電素子膜を示したが、四塩化チタンと
オキシ塩化ジルコニウムのみを用いた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。

【００２４】また、圧力室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
金属板を用いても良い。

【００２５】更に、上部電極７の材料としてはこの後の
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。

【００２６】以上の如く形成したインクジェットヘッド
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。

【００２７】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。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、圧電素子膜を水熱合成
法などを用い圧力室の外側面上の３方向以上に全体に一
様に低温で形成し、各々の圧電素子膜を低電圧で制御す
ることによって、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可能となり、さらに
複数のノズルを有する平板上に薄膜プロセスによって圧
力室を形成するため低廉で簡単な工程で製作が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例となるインクジェットヘッドの
分解斜視図である。

【図２】本発明の一例となるインクジェットヘッドの
要部拡大断面図である。

【図３】本発明のインクジェットヘッドの製造工程を
示す図である。

【符号の説明】

図において、１は圧力室、２はマニホールド、３は平
板、４はノズル、５はインク、６は圧電素子膜、７は上
部電極、８はドライフィルムレジスト、９はニッケル薄
膜、１０はチタン薄膜、１１はアルミ薄膜である。

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｆターム(参考） 2C057 AF23 AF42 AF55 AF93 AG12 AG38 AG43 AG44 AP02 AP11 AP13 AP14 AP52 AP55 AP58 AP75 AQ06 AQ08 BA03 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
該複数の圧力室を封止する平板と、前記圧力室に連通す
るインク供給路と、前記圧力室の外壁に被覆された圧電
素子膜と、該圧電素子膜を被覆するよう設けられた上部
電極とを備え、前記圧電素子膜の変位が前記圧力室の外
壁の少なくとも３方向において作用することを特徴とす
るインクジェットヘッド。
【請求項２】請求項１記載のインクジェットヘッドにお
いて、前記圧電子膜が水熱合成法によって形成されることを特
徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】請求項１または２記載のインクジェットヘ
ッドにおいて、前記圧力室がチタン、ニッケルなどの金属で構成される
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】請求項１ないし３記載のインクジェットヘ
ッドにおいて、前記ノズル板が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム
等のセラミックスで形成されることを特徴とするインク
ジェットヘッド。
【請求項５】請求項１ないし４記載のインクジェットヘ
ッドにおいて、前記平板がインク吐出用のノズルを有することを特徴と
するインクジェットヘッド。
【請求項６】請求項１記載のインクジェットヘッドにお
いて、（ａ）平板上の圧力室相当部分にレジストにてパ
ターニングを施す工程、（ｂ）前記レジスト上にニッケ
ル薄膜を形成し、さらに、チタン薄膜を成膜する工程、
（ｃ）圧電素子膜を水熱合成法にて形成する工程、
（ｄ）前記圧電素子膜上に、さらに上部電極を形成する
工程、（ｅ）各圧力室の圧電素子膜および上部電極を独
立させるべく、各圧力室の間とインク供給路と対向して
いる圧力室壁のエッジ部に溝を形成する工程、（ｆ）前
記レジストを除去する工程によって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。