JP3786178B2 - インクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子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及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【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振動板で構成し、この振動板を圧電素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、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動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、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子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振動板に圧電素子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、ある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】
一方、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、振動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り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室が流路形成基板を貫通して形成されているため、圧力発生室の配列密度を高くすると、圧力発生室を区画する隔壁の厚みが薄くなり、隣接する圧力発生室間でクロストークが発生するという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するために、流路形成基板の厚さを薄くすることが望ましいが、流路形成基板自体の剛性が低くなり、製造過程においてクラック等が派生するという問題がある。
【０００８】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、インク滴を吐出するための複数のノズル開口を穿設したノズルプレートが用いられ、このノズルプレートがノズル開口と圧力発生室とを連通するように流路形成基板に接着剤等によって接合されている。このため、圧力発生室を高密度に配設すると、ノズルプレートと流路形成基板との接着面積が小さくなるため、接着剤が圧力発生室内に過度に流れ出し、特性劣化が生じる虞がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、流路形成基板の厚さを薄くできると共に破損を防止でき、良好なインク吐出特性を保持できるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する圧力発生室が画成された流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズルプレートと前記流路形成基板とが単結晶シリコンからなり、これらが接着剤を用いることなく酸化シリコン膜を介して接合されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１１】
かかる第１の態様では、流路形成基板とノズルプレートとが酸化シリコン膜によって良好に接合されて一体構造となり、流路形成基板の剛性が向上すると共にインク吐出特性が良好に保持される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧力発生室及び前記ノズル開口の内面に前記酸化シリコン膜が連続的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１３】
かかる第２の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを熱酸化することによって形成された酸化シリコン膜で接合した結果、圧力発生室及びノズル開口の内面に酸化シリコン膜が形成される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記酸化シリコン膜内には、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の接合面から他方の接合面まで突出する複数の突起部が埋設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１５】
かかる第３の態様では、突起部を挟んで流路形成基板とノズルプレートとを酸化シリコン膜によって接合した結果、酸化シリコン膜内に突起部が埋設される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１７】
かかる第４の態様では、比較的容易に圧力発生室を高精度且つ高密度に形成することができる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００１９】
かかる第５の態様では、常に良好なインク吐出特性が得られ、信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現できる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、単結晶シリコンからなりノズル開口が穿設されたノズルプレートと、単結晶シリコンからなり前記ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、この圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に形成された圧電素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板の一方面に前記振動板の少なくとも一部を構成する弾性膜を形成する第１の工程と、前記流路形成基板の他方面側からエッチングすることにより前記圧力発生室を形成する第２の工程と、前記流路形成基板の開口面側と前記ノズルプレートとを所定の間隔を空けた状態で前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを熱酸化して両者を酸化シリコン膜によって接合する第３の工程と、前記圧電素子を形成する第４の工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２１】
かかる第６の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを酸化シリコン膜によって、容易且つ良好に接合することができる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記第３の工程は、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの少なくとも何れか一方の接合面に、一定の高さで突出する複数の突起部を形成する工程を含み、前記突起部を他方の接合面と当接させることにより前記流路形成基板と前記ノズルプレートとの間に空間を確保した状態で両者を熱酸化して接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２３】
かかる第７の態様では、流路形成基板及びノズルプレートのそれぞれの接合面に形成される酸化シリコン膜によって両者が接合される。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第６の態様において、前記第３の工程では、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の表面に一体的に形成された酸化シリコン膜に他方の接合面を当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２５】
かかる第８の態様では、他方の接合面に酸化シリコン膜が形成されて、両者が接合される。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記第２の工程では、前記流路形成基板の表面に形成された酸化シリコン膜をマスクとして前記流路形成基板のエッチングを行い、前記第３の工程では、前記ノズルプレートの接合面をマスクとして用いた酸化シリコン膜に当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２７】
かかる第９の態様では、圧力発生室を形成するためのマスクとして用いられる酸化シリコン膜を用いて流路形成基板とノズルプレートとを接合するため、製造工程が簡略化される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。
【００３０】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、流路形成基板１０には、その一方の面から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバとの間の中継室となる連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３１】
また、この流路形成基板１０の他方の面には、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）からなる第１の弾性膜５０と、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる第２の弾性膜５１が形成されている。
【００３２】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３３】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して第１の弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、第１の弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３４】
なお、このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択する。例えば、１８０ｄｐｉ程度の解像度が得られるように圧力発生室１２を配置する場合、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度の解像度が得られるように圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３５】
また、流路形成基板１０の他方面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤によって接合されている。このノズルプレート２０は、シリコン単結晶基板からなり、ノズル開口２１はシリコン単結晶基板をドライエッチングすることによって形成されている。なお、本実施形態では、ノズル開口２１は、インク滴が吐出されるノズル部２１ａと、ノズル部２１ａよりも大きい径で形成されノズル部２１ａと圧力発生室１２とを連通するノズル連通部２１ｂとからなる。
【００３６】
ここで、ノズル開口２１のノズル部２１ａの大きさと圧力発生室１２の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数等に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル部２１ａは数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３７】
ここで、このノズルプレート２０と流路形成基板１０とは、本実施形態では、酸化シリコン膜１００を介して接合されている。すなわち、ノズルプレート２０と流路形成基板１０とは、接着剤を用いて接着するのではなく、酸化シリコン膜１００によって一体構造となっている。また、本実施形態では、この酸化シリコン膜内には、流路形成基板１０の接合面からノズルプレートの接合面まで突出する突起部５５が埋設されている。なお、これら流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合方法については、詳しく後述する。
【００３８】
また、流路形成基板１０に形成された各圧力発生室１２の内面、ノズルプレート２０に穿設されたノズル開口２１の内面及びノズルプレート２０の表面にも、酸化シリコン膜１００が連続的に形成されている。
【００３９】
一方、流路形成基板１０に設けられた第２の弾性膜５１の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜３μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００４０】
なお、各圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０は、圧電素子３００の長手方向端部から周壁上に延設されたリード電極９０を介して図示しない外部配線と接続されている。
【００４１】
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３及び図４は、圧力発生室１２の幅方向の断面図である。
【００４２】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０の一方面に第１の弾性膜５０を形成すると共に、他方面に保護膜５２を形成する。すなわち、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板を約１１００℃の拡散炉で熱酸化することにより、流路形成基板１０の表面にそれぞれ酸化シリコンからなる第１の弾性膜５０及び保護膜５２が形成される。
【００４３】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１の弾性膜５０上にジルコニウム層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる第２の弾性膜５１を形成する。
【００４４】
次いで、図３（ｃ）に示すように、保護膜５２をパターニングして、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４が形成される領域に開口部５２ａを形成し、その後、この開口部５２ａを介して流路形成基板１０をエッチングして圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。
【００４５】
次いで、図４（ａ）に示すように、保護膜５２をさらにパターニングすることにより、流路形成基板１０の表面に複数の突起部５５を形成する。これら突起部５５は、後述する工程で流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接合する際に、両者の間に空間を保持するためのものであり、各突起部５５の大きさ、形状等は特に限定されないが、高さが略同一であることが好ましい。また、この突起部５５の数及び形成位置は、特に限定されないが、流路形成基板１０の全面に略一定の間隔で設けることが好ましい。
【００４６】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に所定間隔を空けた状態で両者を熱酸化することによって両者を接合する。具体的には、流路形成基板１０の表面に形成された突起部５５をノズルプレート２０の表面に当接させ、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に空間を確保した状態で、約１１００℃に加熱して流路形成基板１０及びノズルプレート２０を熱酸化する。これにより、流路形成基板１０とノズルプレート２０とのそれぞれの表面に酸化シリコン膜１００が形成されていき、この酸化シリコン膜１００が一体化することにより両者が接合される。すなわち、流路形成基板１０とノズルプレート２０とが一体構造となる。
【００４７】
なお、このとき、圧力発生室１２の内面、ノズル開口２１の内面及びノズルプレート２０の表面にも、同時に酸化シリコン膜１００が連続的に形成される。
【００４８】
ここで、本実施形態では、突起部５５が流路形成基板１０の全面に略一定の間隔で形成されているため、これらの突起部５５をノズルプレート２０の表面に当接させることにより、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間には略均一な幅で空間が画成される。したがって、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを熱酸化することにより、酸化シリコン膜１００が均一に形成されて流路形成基板１０とノズルプレート２０とが良好に接合される。
【００４９】
また、本実施形態では、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接着剤を用いることなく酸化シリコン膜１００によって接合しているので、圧力発生室１２等に接着剤が流れ込むことがないため、ノズル詰まりや振動板が拘束されることによる特性劣化を防止できる。
【００５０】
また、接着剤を使用していないため、例えば、後述する圧電体層７０の焼成等、高温プロセスに対応できる。したがって、圧電素子３００を形成する前に流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接合しておくことができる。これにより、流路形成基板１０の剛性が向上するため、製造過程で流路形成基板１０にクラックが発生するのを防止することができる。さらに、比較的厚さの薄い流路形成基板１０を用いても、ノズルプレート２０を接合することにより剛性が向上するため、クラックの発生等を防止できると共に取り扱いが容易となる。
【００５１】
さらに、流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合時に、圧力発生室１２の内面等に酸化シリコン膜１００が連続的に形成されるため、圧力発生室１２等のインク流路となる部分の親水性が向上し、インク吐出特性が向上する。
【００５２】
また、ノズルプレート２０が流路形成基板１０と同一材料で形成されているため、流路形成基板１０との接着時の熱工程や実装時の後工程の熱工程で、反りや反応の発生がなく、流路形成基板１０あるいはノズルプレート２０に割れが発生することがない。
【００５３】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０の接合面に、複数の突起部５５を設けるようにしたが、これに限定されず、勿論、ノズルプレート２０の接合面に設けるようにしてもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に突起部５５によって所定の空間を保持した状態で両者を熱酸化することにより、これらの表面に形成される酸化シリコン膜１００によって両者を接合するようにしたが、これら流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合方法はこれに限定されない。例えば、流路形成基板１０に形成された酸化シリコンからなる保護膜５２にノズルプレート２０を当接させた状態、すなわち、保護膜５５を介して流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に所定間隔を空けた状態で、約１６００℃に加熱することによっても両者を良好に接合することができる。また、勿論、ノズルプレート２０の表面に、別途、酸化シリコン膜を設けるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００５５】
また、このように流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合後は、流路形成基板１０のノズルプレート２０との接合面とは反対面側に、各圧力発生室１２に対応して圧電素子３００を形成する。
【００５６】
具体的には、まず、図４（ｃ）に示すように、第２の弾性膜５１の全面にスパッタリングで下電極膜６０を形成後、下電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００５７】
次に、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００５８】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００５９】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００６０】
次に、図５（ｂ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００６１】
次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００６２】
なお、その後、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングしてリード電極９０を形成する。
【００６３】
なお、実際には、このような一連の膜形成及び異方性エッチングによって、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。そして、分割した流路形成基板１０に、後述するリザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０を順次接着して一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【００６４】
すなわち、図１及び図２に示すように、圧力発生室１２等が形成された流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ３１は、本実施形態では、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されている。そして、このリザーバ部３１は、第１及び第２の弾性膜５０，５１及び下電極膜６０を貫通して設けられる貫通孔５７を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通されている。
【００６５】
また、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３３が設けらている。そして、圧電素子３００の少なくとも圧電体能動部３２０は、この圧電素子保持部３３内に密封され、大気中の水分等の外部環境に起因する圧電素子３００の破壊を防止している。
【００６６】
このリザーバ形成基板３０としては、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。これにより、上述のノズルプレート２０の場合と同様に、両者を熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００６７】
さらに、このリザーバ形成基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ３１に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ３１の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３２となっている。
【００６８】
また、このリザーバ３１の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ３１にインクを供給するためのインク導入口３５が形成されている。さらに、リザーバ形成基板３０には、インク導入口３５とリザーバ３１の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００６９】
このように構成したインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口３５からインクを取り込み、リザーバ３１からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、上電極膜８０と下電極膜６０との間に電圧を印加し、第１及び第２の弾性膜５０，５２、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００７０】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００７１】
例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０上に、第１及び第２の弾性膜５０及び５１を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、第１の弾性膜５０又は第２の弾性膜５１の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００７２】
また、例えば、上述した実施形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造できる薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体層を形成するもの、又は水熱法等の結晶成長により圧電体層を形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本発明を採用することができる。
【００７３】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００７４】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００７５】
図６に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００７６】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモータの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、流路形成基板とノズルプレートとを接着剤を介することなく酸化シリコン膜を介して接合するようにしたので、製造工程において、高温プロセスを必要とする圧電素子の形成工程前に、流路形成基板とノズルプレートとを接合して一体構造とすることができる。これにより、比較的厚さの薄い流路形成基板を用いても流路形成基板の剛性が保持され、製造過程での破損を防止することができる。また、比較的厚さの薄い流路形成基板を用いることにより、隔壁の剛性が向上するため圧力発生室を比較的高密度に配列してもクロストークを防止することができる。
【００７８】
さらに、流路形成基板とノズルプレートとの接合に接着剤を用いていないため、圧力発生室等に接着剤が流れ込むことによる特性劣化がなく、信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す図であり、図１の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１１ 隔壁
１２ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
５０ 第１の弾性膜
５１ 第２の弾性膜
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
９０ リード電極
１００ 酸化シリコン膜
３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
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振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子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及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。
【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振動板で構成し、この振動板を圧電素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、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動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、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子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振動板に圧電素子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、ある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】
一方、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、振動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り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室が流路形成基板を貫通して形成されているため、圧力発生室の配列密度を高くすると、圧力発生室を区画する隔壁の厚みが薄くなり、隣接する圧力発生室間でクロストークが発生するという問題がある。
【０００７】
このような問題を解決するために、流路形成基板の厚さを薄くすることが望ましいが、流路形成基板自体の剛性が低くなり、製造過程においてクラック等が派生するという問題がある。
【０００８】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、インク滴を吐出するための複数のノズル開口を穿設したノズルプレートが用いられ、このノズルプレートがノズル開口と圧力発生室とを連通するように流路形成基板に接着剤等によって接合されている。このため、圧力発生室を高密度に配設すると、ノズルプレートと流路形成基板との接着面積が小さくなるため、接着剤が圧力発生室内に過度に流れ出し、特性劣化が生じる虞がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、流路形成基板の厚さを薄くできると共に破損を防止でき、良好なインク吐出特性を保持できるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する圧力発生室が画成された流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズルプレートと前記流路形成基板とが単結晶シリコンからなり、これらが接着剤を用いることなく酸化シリコン膜を介して接合されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１１】
かかる第１の態様では、流路形成基板とノズルプレートとが酸化シリコン膜によって良好に接合されて一体構造となり、流路形成基板の剛性が向上すると共にインク吐出特性が良好に保持される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧力発生室及び前記ノズル開口の内面に前記酸化シリコン膜が連続的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１３】
かかる第２の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを熱酸化することによって形成された酸化シリコン膜で接合した結果、圧力発生室及びノズル開口の内面に酸化シリコン膜が形成される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記酸化シリコン膜内には、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の接合面から他方の接合面まで突出する複数の突起部が埋設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１５】
かかる第３の態様では、突起部を挟んで流路形成基板とノズルプレートとを酸化シリコン膜によって接合した結果、酸化シリコン膜内に突起部が埋設される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１７】
かかる第４の態様では、比較的容易に圧力発生室を高精度且つ高密度に形成することができる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００１９】
かかる第５の態様では、常に良好なインク吐出特性が得られ、信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現できる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、単結晶シリコンからなりノズル開口が穿設されたノズルプレートと、単結晶シリコンからなり前記ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、この圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に形成された圧電素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板の一方面に前記振動板の少なくとも一部を構成する弾性膜を形成する第１の工程と、前記流路形成基板の他方面側からエッチングすることにより前記圧力発生室を形成する第２の工程と、前記流路形成基板の開口面側と前記ノズルプレートとを所定の間隔を空けた状態で前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを熱酸化して両者を酸化シリコン膜によって接合する第３の工程と、前記圧電素子を形成する第４の工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２１】
かかる第６の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを酸化シリコン膜によって、容易且つ良好に接合することができる。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記第３の工程は、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの少なくとも何れか一方の接合面に、一定の高さで突出する複数の突起部を形成する工程を含み、前記突起部を他方の接合面と当接させることにより前記流路形成基板と前記ノズルプレートとの間に空間を確保した状態で両者を熱酸化して接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２３】
かかる第７の態様では、流路形成基板及びノズルプレートのそれぞれの接合面に形成される酸化シリコン膜によって両者が接合される。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第６の態様において、前記第３の工程では、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の表面に一体的に形成された酸化シリコン膜に他方の接合面を当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２５】
かかる第８の態様では、他方の接合面に酸化シリコン膜が形成されて、両者が接合される。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記第２の工程では、前記流路形成基板の表面に形成された酸化シリコン膜をマスクとして前記流路形成基板のエッチングを行い、前記第３の工程では、前記ノズルプレートの接合面をマスクとして用いた酸化シリコン膜に当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２７】
かかる第９の態様では、圧力発生室を形成するためのマスクとして用いられる酸化シリコン膜を用いて流路形成基板とノズルプレートとを接合するため、製造工程が簡略化される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。
【００３０】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、流路形成基板１０には、その一方の面から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバとの間の中継室となる連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３１】
また、この流路形成基板１０の他方の面には、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）からなる第１の弾性膜５０と、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる第２の弾性膜５１が形成されている。
【００３２】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３３】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して第１の弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、第１の弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３４】
なお、このような流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択する。例えば、１８０ｄｐｉ程度の解像度が得られるように圧力発生室１２を配置する場合、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度の解像度が得られるように圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３５】
また、流路形成基板１０の他方面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤によって接合されている。このノズルプレート２０は、シリコン単結晶基板からなり、ノズル開口２１はシリコン単結晶基板をドライエッチングすることによって形成されている。なお、本実施形態では、ノズル開口２１は、インク滴が吐出されるノズル部２１ａと、ノズル部２１ａよりも大きい径で形成されノズル部２１ａと圧力発生室１２とを連通するノズル連通部２１ｂとからなる。
【００３６】
ここで、ノズル開口２１のノズル部２１ａの大きさと圧力発生室１２の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数等に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル部２１ａは数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００３７】
ここで、このノズルプレート２０と流路形成基板１０とは、本実施形態では、酸化シリコン膜１００を介して接合されている。すなわち、ノズルプレート２０と流路形成基板１０とは、接着剤を用いて接着するのではなく、酸化シリコン膜１００によって一体構造となっている。また、本実施形態では、この酸化シリコン膜内には、流路形成基板１０の接合面からノズルプレートの接合面まで突出する突起部５５が埋設されている。なお、これら流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合方法については、詳しく後述する。
【００３８】
また、流路形成基板１０に形成された各圧力発生室１２の内面、ノズルプレート２０に穿設されたノズル開口２１の内面及びノズルプレート２０の表面にも、酸化シリコン膜１００が連続的に形成されている。
【００３９】
一方、流路形成基板１０に設けられた第２の弾性膜５１の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜３μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００４０】
なお、各圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０は、圧電素子３００の長手方向端部から周壁上に延設されたリード電極９０を介して図示しない外部配線と接続されている。
【００４１】
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３及び図４は、圧力発生室１２の幅方向の断面図である。
【００４２】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０の一方面に第１の弾性膜５０を形成すると共に、他方面に保護膜５２を形成する。すなわち、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板を約１１００℃の拡散炉で熱酸化することにより、流路形成基板１０の表面にそれぞれ酸化シリコンからなる第１の弾性膜５０及び保護膜５２が形成される。
【００４３】
次に、図３（ｂ）に示すように、第１の弾性膜５０上にジルコニウム層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる第２の弾性膜５１を形成する。
【００４４】
次いで、図３（ｃ）に示すように、保護膜５２をパターニングして、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４が形成される領域に開口部５２ａを形成し、その後、この開口部５２ａを介して流路形成基板１０をエッチングして圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。
【００４５】
次いで、図４（ａ）に示すように、保護膜５２をさらにパターニングすることにより、流路形成基板１０の表面に複数の突起部５５を形成する。これら突起部５５は、後述する工程で流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接合する際に、両者の間に空間を保持するためのものであり、各突起部５５の大きさ、形状等は特に限定されないが、高さが略同一であることが好ましい。また、この突起部５５の数及び形成位置は、特に限定されないが、流路形成基板１０の全面に略一定の間隔で設けることが好ましい。
【００４６】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に所定間隔を空けた状態で両者を熱酸化することによって両者を接合する。具体的には、流路形成基板１０の表面に形成された突起部５５をノズルプレート２０の表面に当接させ、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に空間を確保した状態で、約１１００℃に加熱して流路形成基板１０及びノズルプレート２０を熱酸化する。これにより、流路形成基板１０とノズルプレート２０とのそれぞれの表面に酸化シリコン膜１００が形成されていき、この酸化シリコン膜１００が一体化することにより両者が接合される。すなわち、流路形成基板１０とノズルプレート２０とが一体構造となる。
【００４７】
なお、このとき、圧力発生室１２の内面、ノズル開口２１の内面及びノズルプレート２０の表面にも、同時に酸化シリコン膜１００が連続的に形成される。
【００４８】
ここで、本実施形態では、突起部５５が流路形成基板１０の全面に略一定の間隔で形成されているため、これらの突起部５５をノズルプレート２０の表面に当接させることにより、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間には略均一な幅で空間が画成される。したがって、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを熱酸化することにより、酸化シリコン膜１００が均一に形成されて流路形成基板１０とノズルプレート２０とが良好に接合される。
【００４９】
また、本実施形態では、流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接着剤を用いることなく酸化シリコン膜１００によって接合しているので、圧力発生室１２等に接着剤が流れ込むことがないため、ノズル詰まりや振動板が拘束されることによる特性劣化を防止できる。
【００５０】
また、接着剤を使用していないため、例えば、後述する圧電体層７０の焼成等、高温プロセスに対応できる。したがって、圧電素子３００を形成する前に流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接合しておくことができる。これにより、流路形成基板１０の剛性が向上するため、製造過程で流路形成基板１０にクラックが発生するのを防止することができる。さらに、比較的厚さの薄い流路形成基板１０を用いても、ノズルプレート２０を接合することにより剛性が向上するため、クラックの発生等を防止できると共に取り扱いが容易となる。
【００５１】
さらに、流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合時に、圧力発生室１２の内面等に酸化シリコン膜１００が連続的に形成されるため、圧力発生室１２等のインク流路となる部分の親水性が向上し、インク吐出特性が向上する。
【００５２】
また、ノズルプレート２０が流路形成基板１０と同一材料で形成されているため、流路形成基板１０との接着時の熱工程や実装時の後工程の熱工程で、反りや反応の発生がなく、流路形成基板１０あるいはノズルプレート２０に割れが発生することがない。
【００５３】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０の接合面に、複数の突起部５５を設けるようにしたが、これに限定されず、勿論、ノズルプレート２０の接合面に設けるようにしてもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に突起部５５によって所定の空間を保持した状態で両者を熱酸化することにより、これらの表面に形成される酸化シリコン膜１００によって両者を接合するようにしたが、これら流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合方法はこれに限定されない。例えば、流路形成基板１０に形成された酸化シリコンからなる保護膜５２にノズルプレート２０を当接させた状態、すなわち、保護膜５５を介して流路形成基板１０とノズルプレート２０との間に所定間隔を空けた状態で、約１６００℃に加熱することによっても両者を良好に接合することができる。また、勿論、ノズルプレート２０の表面に、別途、酸化シリコン膜を設けるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００５５】
また、このように流路形成基板１０とノズルプレート２０との接合後は、流路形成基板１０のノズルプレート２０との接合面とは反対面側に、各圧力発生室１２に対応して圧電素子３００を形成する。
【００５６】
具体的には、まず、図４（ｃ）に示すように、第２の弾性膜５１の全面にスパッタリングで下電極膜６０を形成後、下電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００５７】
次に、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００５８】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００５９】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００６０】
次に、図５（ｂ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００６１】
次に、図５（ｃ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００６２】
なお、その後、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングしてリード電極９０を形成する。
【００６３】
なお、実際には、このような一連の膜形成及び異方性エッチングによって、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。そして、分割した流路形成基板１０に、後述するリザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０を順次接着して一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【００６４】
すなわち、図１及び図２に示すように、圧力発生室１２等が形成された流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ３１は、本実施形態では、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されている。そして、このリザーバ部３１は、第１及び第２の弾性膜５０，５１及び下電極膜６０を貫通して設けられる貫通孔５７を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通されている。
【００６５】
また、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３３が設けらている。そして、圧電素子３００の少なくとも圧電体能動部３２０は、この圧電素子保持部３３内に密封され、大気中の水分等の外部環境に起因する圧電素子３００の破壊を防止している。
【００６６】
このリザーバ形成基板３０としては、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。これにより、上述のノズルプレート２０の場合と同様に、両者を熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができる。したがって、製造工程を簡略化することができる。
【００６７】
さらに、このリザーバ形成基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ３１に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ３１の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３２となっている。
【００６８】
また、このリザーバ３１の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ３１にインクを供給するためのインク導入口３５が形成されている。さらに、リザーバ形成基板３０には、インク導入口３５とリザーバ３１の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００６９】
このように構成したインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口３５からインクを取り込み、リザーバ３１からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、上電極膜８０と下電極膜６０との間に電圧を印加し、第１及び第２の弾性膜５０，５２、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００７０】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００７１】
例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０上に、第１及び第２の弾性膜５０及び５１を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、第１の弾性膜５０又は第２の弾性膜５１の何れか一方のみを設けるようにしてもよい。
【００７２】
また、例えば、上述した実施形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造できる薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、基板を積層して圧力発生室を形成するもの、あるいはグリーンシートを貼付もしくはスクリーン印刷等により圧電体層を形成するもの、又は水熱法等の結晶成長により圧電体層を形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本発明を採用することができる。
【００７３】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００７４】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００７５】
図６に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００７６】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモータの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、流路形成基板とノズルプレートとを接着剤を介することなく酸化シリコン膜を介して接合するようにしたので、製造工程において、高温プロセスを必要とする圧電素子の形成工程前に、流路形成基板とノズルプレートとを接合して一体構造とすることができる。これにより、比較的厚さの薄い流路形成基板を用いても流路形成基板の剛性が保持され、製造過程での破損を防止することができる。また、比較的厚さの薄い流路形成基板を用いることにより、隔壁の剛性が向上するため圧力発生室を比較的高密度に配列してもクロストークを防止することができる。
【００７８】
さらに、流路形成基板とノズルプレートとの接合に接着剤を用いていないため、圧力発生室等に接着剤が流れ込むことによる特性劣化がなく、信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す図であり、図１の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１１ 隔壁
１２ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
５０ 第１の弾性膜
５１ 第２の弾性膜
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
９０ リード電極
１００ 酸化シリコン膜
３００ 圧電素子
Claims (7)
- ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する圧力発生室が画成された流路形成基板と、該流路形成基板の前記圧力発生室に対応する領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートと前記流路形成基板とが単結晶シリコンからなり、これらが接着剤を用いることなく酸化シリコン膜を介して接合され、且つ前記酸化シリコン膜内には、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の接合面から他方の接合面まで突出する複数の突起部が埋設されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。 - 請求項１において、前記圧力発生室及び前記ノズル開口の内面に前記酸化シリコン膜が連続的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１又は２において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜３の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。
- 単結晶シリコンからなりノズル開口が穿設されたノズルプレートと、単結晶シリコンからなり前記ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、この圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に形成された圧電素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板の一方面に前記振動板の少なくとも一部を構成する弾性膜を形成する第１の工程と、前記流路形成基板の他方面側からエッチングすることにより前記圧力発生室を形成する第２の工程と、前記流路形成基板の開口面側と前記ノズルプレートとを所定の間隔を空けた状態で前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを熱酸化して両者を酸化シリコン膜によって接合する第３の工程と、前記圧電素子を形成する第４の工程とを有し、且つ前記第３の工程は、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの少なくとも何れか一方の接合面に、一定の高さで突出する複数の突起部を形成する工程を含み、前記突起部を他方の接合面と当接させることにより前記流路形成基板と前記ノズルプレートとの間に空間を確保した状態で両者を熱酸化して接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。 - 請求項５において、前記第３の工程では、前記流路形成基板又は前記ノズルプレートの何れか一方の表面に一体的に形成された酸化シリコン膜に他方の接合面を当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 請求項６において、前記第２の工程では、前記流路形成基板の表面に形成された酸化シリコン膜をマスクとして前記流路形成基板のエッチングを行い、前記第３の工程では、前記ノズルプレートの接合面をマスクとして用いた酸化シリコン膜に当接させた状態で熱酸化して両者を接合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
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