JP3856119B2 - ノズルプレート及びその製造方法並びにインクジェット式記録ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッド等に用いられるノズルプレート及びその製造方法並びに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】
また、このような従来のインクジェット式記録ヘッドは、一般的に、圧力発生室を形成した流路形成基板に、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接着剤によって接合された構造となっている。
【０００７】
さらに、ノズルプレートの流路形成基板とは反対側の面には、樹脂材料からなる撥水膜が形成されている。この撥水膜は、ノズル開口から吐出したインクがノズルプレートの表面に付着することを防止している。
【０００８】
このような撥水膜は、ノズル開口を一時的にレジストで埋めたノズルプレートの表面に、例えば、フッ素樹脂等の樹脂材料からなる塗布液を塗布し、その後、レジストを除去することで形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノズル開口が高密度に穿設されたノズルプレートに撥水膜を形成する場合、ノズル開口の内径が実質的に小さくなるため、そのノズル開口をレジストで埋めるという作業が比較的困難であるという問題がある。
【００１０】
また、ノズル開口がレジストで確実に埋められていないノズルプレートの表面に樹脂材料を塗布すると、その樹脂材料がノズル開口内に入り込んでノズル詰りが発生するという問題となる。
【００１１】
さらに、ノズルプレートの表面は、所定のタイミングでワイピング処理するが、このとき、撥水膜の表面にキズ等の損傷が発生してしまい、撥水膜の耐久性や撥水性が低減するという問題がある。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑み、ノズル詰りを防止して撥水膜の耐久性及び撥水性を向上できるノズルプレート及びその製造方法並びにインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【００１３】
【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、液滴を吐出する複数個のノズル開口を有し、該ノズル開口と連通する流路が形成された流路形成基板に接合されるノズルプレートにおいて、前記ノズル開口が設けられ且つ前記流路形成基板に接合されるノズルプレート本体を具備し、当該ノズルプレート本体の前記流路形成基板とは反対側の面の少なくとも前記ノズル開口の周囲に、前記ノズルプレート本体より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜が設けられ、前記無機化合物が酸化マグネシウム又は酸化シリコンであり且つ前記無機化合物が分子内に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換したものであることを特徴とするノズルプレートにある。
【００１４】
かかる第１の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。また、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。さらに、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。また、親水性を示すヒドロキシ基がフッ素に置換されて撥水性が更に向上する。
【００１５】
本発明の第２の態様は、前記無機化合物の誘電率εがε＜１０であることを特徴とする第１の態様のノズルプレートにある。
【００１６】
かかる第２の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。
【００２３】
本発明の第３の態様は、前記撥水膜の厚さが０．０５〜１０μｍであることを特徴とする第１又は２の態様のノズルプレートにある。
【００２４】
かかる第３の態様では、撥水膜の強度を確保することができる。
【００２５】
本発明の第４の態様は、前記ノズルプレート本体がケイ素又はステンレス鋼からなることを特徴とする第１〜３の何れかの態様のノズルプレートにある。
【００２６】
かかる第４の態様では、ノズルプレート本体の強度を確保することができる。
【００２７】
本発明の第５の態様は、ノズル開口が設けら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形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせ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の前記流路形成基板とは反対側の面の少なくとも前記ノズル開口の周囲に、前記ノズルプレートより誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜が設けられ、前記無機化合物が酸化マグネシウム又は酸化シリコンであり且つ前記無機化合物が分子内に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換したものであることを特徴とするインクジェト式記録ヘッドにある。
【００２８】
かかる第５の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用を低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。さらに、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用を低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、親水性を示すヒドロキシ基がフッ素に置換されて撥水性が更に向上する。
【００２９】
本発明の第６の態様は、前記無機化合物の誘電率εがε＜１０であることを特徴とする第５の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３０】
かかる第６の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。
【００３７】
本発明の第７の態様は、前記撥水膜の厚さが０．０５〜１０μｍであることを特徴とする第５又は６の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３８】
かかる第７の態様では、撥水膜の強度を確保することができる。
【００３９】
本発明の第８の態様は、前記ノズルプレートがケイ素又はステンレス鋼からなることを特徴とする第５〜７の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００４０】
かかる第８の態様では、ノズルプレート本体の強度を確保することができる。
【００４１】
本発明の第９の態様は、液滴を吐出する複数個のノズル開口を有し、該ノズル開口と連通する流路が形成された流路形成基板に接合されるノズルプレートの製造方法において、前記ノズル開口が設けられたノズルプレート本体の前記流路形成基板との接合面とは反対側の面に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換することによって前記ノズルプレート本体の表面に当該ノズルプレート本体より誘電率が低い撥水膜を形成する工程とを具備することを特徴とするノズルプレートの製造方法にある。
【００４２】
かかる第９の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。さらには、ノズル開口をレジストで埋めずに撥水膜を形成することができ、ノズル詰りが防止される。
【００４３】
本発明の第１０の態様は、前記酸化膜をスパッタリング法によって形成することを特徴とする第９の態様のノズルプレートの製造方法にある。
【００４４】
かかる第１０の態様では、ノズル開口をレジストで埋めずに撥水膜を形成することができ、ノズル詰りが防止される。
【００４５】
本発明の第１１の態様は、前記酸化膜を前記ノズル開口の周囲を熱酸化することによって形成することを特徴とする第９又は１０の態様のノズルプレートの製造方法にある。
【００４６】
かかる第１１の態様では、ノズル開口をレジストで埋めずに撥水膜を形成することができ、作業工程が簡略化される。また、製造コストが低く抑えられる。
【００４７】
本発明は、ノズルプレート本体より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜を設けることを特徴とする。このような無機化合物で撥水膜を形成することによって、インク等の液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用を低く抑えることができる。
【００４８】
このような無機化合物は、誘電率εがノズルプレート本体より低いものであれば特に限定されないが、例えば、誘電率εが１０より小さい無機化合物であり、具体的には、酸化シリコン、酸化マグネシウムなどの酸化物や、窒化ケイ素等の窒化物を挙げることができる。
【００４９】
本発明の撥水膜は、ノズルプレートの表面に、例えば、スパッタリング法等を用いて、堆積された無機化合物層からなるようにしてもよいし、ノズルプレートの表面を熱酸化等して形成した酸化膜からなるようにしてもよい。
【００５０】
また、撥水膜が酸化物で形成される場合は、その分子のヒドロキシ基が表面に存在して親水性を示す。このため、このようなヒドロキシ基をフッ素に置換して撥水性処理することが望ましい。これにより、撥水性を更に向上させることができる。
【００５１】
また、例えば、金属酸化物や窒化ケイ素等の無機化合物からなる撥水膜をノズルプレートの表面に形成する場合、無機化合物がノズル開口内に付着する虞はないので、ノズル開口をレジスト等で埋める必要がない。従って、製造コストを低く抑えることができるという効果を奏する。
【００５２】
【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。
【００５３】
（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。
【００５４】
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る。流路形成基板１０としては、通常、１００〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、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する場合には、厚さの薄いものを用いることが望ましい。
【００５５】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００５６】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を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、そ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部に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する連通部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。
【００５７】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、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。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。
【００５８】
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、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に流入する顔料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。
【００５９】
また、流路形成基板１０の開口面側には、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が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００６０】
なお、ノズルプレート２０は、本実施形態では、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料、シリコン（Ｓｉ）、ガラスセラミックス及び不錆鋼等を挙げることができる。
【００６１】
このようなノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。なお、本実施形態では、ノズルプレートの材質にシリコンを用いた。
【００６２】
さらに、ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。
【００６３】
このようなノズルプレート２０の流路形成基板１０とは反対側の面には、ノズルプレート２０より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜１００が設けられている。なお、撥水膜１００の膜厚は、０．０５〜１０μｍ程度である。
【００６４】
この撥水膜の誘電率εは、低いほど好ましく、具体的には、誘電率εがε＜１０であることが望ましい。
【００６５】
また、撥水膜１００を形成する無機化合物としては、例えば、酸化シリコン、酸化マグネシウム等の酸化物、窒化ケイ素等の窒化物を挙げることができる。ここで、酸化シリコンや酸化マグネシウムの誘電率εは３〜４であり、窒化ケイ素の誘電率εは８である。
【００６６】
例えば、本実施形態では、ノズルプレート２０の表面を熱酸化することにより酸化シリコンからなる撥水膜１００を形成した。
【００６７】
このような無機化合物は、誘電率εがε＜１０であるため、インク滴との間の電気的な相互作用を低く抑えることができる。
【００６８】
なお、本実施形態のように、無機化合物が酸化物である場合には、分子内に親水性基であるヒドロキシ基が存在している。従って、このような酸化物で撥水膜を形成する場合には、親水性基をフッ素に置換することが望ましい。これにより、撥水性を更に向上することができる。なお、低誘電率εの無機化合物からなる撥水膜が所望の撥水性を発揮すれば、親水性基をフッ素に置換しなくてもよい。
【００６９】
このように、本実施形態の撥水膜１００は、ノズルプレートより誘電率εが低い無機化合物で形成されているので、インク滴との間の電気的な相互作用が低く抑えられる。従って、撥水性を向上させることができる。
【００７０】
また、撥水膜１００は、無機化合物で形成されているため、例えば、樹脂材料等の有機化合物で形成された撥水膜に比べて耐久性を向上させることができる。すなわち、無機化合物からなる撥水膜１００は、樹脂材料で形成されたものよりも剛性が高いため、ワイピングした際に、インクに含まれる顔料粒子が接触して、撥水膜１００の表面に発生するキズ等の損傷を低減することができ、撥水膜１００の耐久性が向上する。
【００７１】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０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１μｍ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１２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。
【００７２】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部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おり、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。
【００７３】
このリザーバ形成基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等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。
【００７４】
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３２が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に密封されている。
【００７５】
ここで、各圧電素子３００を構成すると共に複数の圧電素子３００に共通する共通電極である下電極膜６０は、リザーバ形成基板３０が接合される領域まで延設されている。例えば、本実施形態では、下電極膜６０は、圧力発生室１２に対向する領域からリザーバ１１０とは反対側の周壁上まで延設されている。そして、リザーバ形成基板３０の一部がこの下電極膜６０に対向する領域で、流路形成基板１０と接合されている。
【００７６】
なお、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のポリフェニレンサルファイド（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１１０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１１０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３３となっている。
【００７７】
また、このリザーバ１１０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１１０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１１０の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００７８】
なお、このような本実施形態の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１１０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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、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、各圧力発生室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。
【００７９】
ここで、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５は、圧力発生室１２の長手方向の一部を示す断面図である。
【００８０】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。
【００８１】
次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、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。
【００８２】
次に、図３（ｃ）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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
次に、図４（ａ）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、例えば、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。
【００８６】
次いで、図４（ｂ）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。
【００８７】
なお、本実施形態では、リザーバ１１０が形成される領域の周縁部の一部に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を残すことにより、リザーバ１１０の周縁部の剛性を向上させている。
【００８８】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、図４（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００８９】
次に、図５（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に、リザーバ形成基板３０を接着剤等を介して接合する。
【００９０】
次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０のリザーバ形成基板３０とは反対側の面に、ノズル開口の周囲に撥水膜１００が形成されたノズルプレート２０を接合する。
【００９１】
ここで、ノズルプレート２０の表面に撥水膜１００を形成する方法について図６を参照しながら説明する。なお、図６は、本発明の実施形態１に係るノズルプレートの要部断面図である。
【００９２】
まず、図６（ａ）に示すように、ノズル開口２１が複数個設けられたノズルプレート２０の表面を熱酸化することにより酸化膜１０１を形成する。なお、本実施形態では、ノズルプレート２０の材質としてシリコンを用いたので、酸化膜１０１は酸化シリコンである。
【００９３】
次に、図６（ｂ）に示すように、酸化膜１０１の表面にフッ素化合物１０２を付着させて、酸化膜１０１の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換する。詳しくは、濃硫酸及び二クロム酸カリウムを含有する溶液に、酸化膜１０１の表面を浸した後、その酸化膜１０１の表面に、フッ素化合物１０２であるフッ化リチウム（ＬｉＦ）を付着する。これにより、酸化膜１０１の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換することができる。
【００９４】
なお、フッ素化合物としては、フッ化リチウム（ＬｉＦ）の他に、例えば、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等を用いるようにしてもよい。
【００９５】
このように、本実施形態では、ノズルプレート２０の表面を熱酸化することで酸化膜を形成するので、ノズル開口２１の内径が比較的小さくても、確実に撥水膜１００を形成することができる。また、このような内径が小さいノズル開口２１をレジスト等で埋める必要がないため、作業工程を簡略化できる。従って、製造コストを低く抑えることができる。
【００９６】
また、このように製造されたノズルプレート２０は、ノズル開口２１をレジスト等で埋めたり、或いは、樹脂材料を塗布したりして撥水膜を形成しないため、ノズル詰りが発生することがない。従って、インクをノズル開口２１から確実に吐出させることができる。
【００９７】
なお、本実施形態では、撥水膜１００は、ノズルプレート２０の全面に形成するようにしたが、これに限定されず、ノズル開口２１の周囲だけに形成するようにしてもよい。この場合、撥水膜を形成する領域以外の部分を、例えば、レジスト等で被覆した状態で形成すればよい。
【００９８】
また、ノズル開口２１を有するノズルプレート２０に撥水膜１００を形成するようにしたが、これに限定されず、酸化膜を形成した後にノズル開口を形成するようにしてもよいし、撥水膜を形成した後にノズル開口を形成してもよいし、
その後、リザーバ形成基板３０上にコンプライアンス基板４０を接合することにより、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが形成される（図５（ｂ）参照）。
【００９９】
なお、実際には、上述した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、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することによってインクジェット式記録ヘッドが形成される。
【０１００】
ここで、下記実施例及び比較例のノズルプレートを作製し、撥水性を比較する試験を行った。その結果について説明する。
【０１０１】
（実施例）
シリコンからなるノズルプレート本体を用意して、そのノズルプレート本体の表面を熱酸化することによって酸化膜を形成する。その後、二クロム酸カリウムを濃硫酸で溶かした溶液を７０℃に加熱し、その溶液にノズルプレート本体の酸化膜の表面を浸す。
【０１０２】
続いて、ノズルプレート本体を冷却した後、酸化膜の表面を微量のＬｉＦで被覆する。このようにして無機化合物で形成された撥水膜を有する実施例のノズルプレートを形成した。
【０１０３】
（比較例）
実施例と同じノズルプレート本体を用意し、そのノズルプレート本体の表面に、ポリフッ化エチレン系の樹脂材料を塗布した後、その樹脂材料を硬化することで撥水膜を形成した。このようにして有機化合物で形成された撥水膜を有するノズルプレート本体を比較例のノズルプレートとした。
【０１０４】
（試験例）
上述した実施例及び比較例のノズルプレートの撥水膜の表面に、同一のインク滴を１０ｍｇずつ付着させて、図７に示すように、インク滴と撥水膜との接触角（θ１）及びインク滴が移動する傾斜の角度を表す転落角（θ２）を測定した。その結果を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
上記表１に示すように、実施例のノズルプレートは、インク滴と撥水膜との接触角は比較例のノズルプレートと同程度であり、インク滴が移動する転落角は非常に小さく、実施例のノズルプレートが、比較例に比べて優れた撥水性を有していることは明らかである。
【０１０７】
（他の実施形態）
以上、本発明の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。
【０１０８】
例えば、上述した実施形態１では、ノズルプレート２０の表面を熱酸化することで撥水膜１００を形成するようにしたが、これに限定されず、スパッタリング法を用いて、ノズルプレートの表面に無機化合物からなる撥水膜を形成してもよい。
【０１０９】
このようなスパッタリング法を用いて撥水膜を形成することで、上述した実施形態１と同様の効果を得られる他、窒化ケイ素等の無機材料で撥水膜を形成することができる。
【０１１０】
このように、スパッタリング法を用いて撥水膜を形成する場合、無機化合物がノズル開口内に付着する虞はない。このため、上述した実施形態１と同様に、作業工程を簡略化して、製造コストを低く抑えることができる。
【０１１１】
また、上述の実施形態１では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造され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、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、ノズルプレートの流路形成基板との接合面とは反対側の面の少なくともノズル開口の周囲に、ノズルプレートより誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜を設けるようにしたため、撥水膜の耐久性及び撥水性を向上することができるという効果を奏する。
【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の平面図及び断面図である。
【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】本発明の実施形態１に係るノズルプレートの製造方法を説明する概略断面図である。
【図７】接触角（θ１）及び転落角（θ２）を示す図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１２ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
３０ リザーバ形成基板
４０ コンプライアンス基板
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
１００ 撥水膜
１０１ 酸化膜
１０２ フッ素化合物
１１０ リザーバ
３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッド等に用いられるノズルプレート及びその製造方法並びに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】
また、このような従来のインクジェット式記録ヘッドは、一般的に、圧力発生室を形成した流路形成基板に、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接着剤によって接合された構造となっている。
【０００７】
さらに、ノズルプレートの流路形成基板とは反対側の面には、樹脂材料からなる撥水膜が形成されている。この撥水膜は、ノズル開口から吐出したインクがノズルプレートの表面に付着することを防止している。
【０００８】
このような撥水膜は、ノズル開口を一時的にレジストで埋めたノズルプレートの表面に、例えば、フッ素樹脂等の樹脂材料からなる塗布液を塗布し、その後、レジストを除去することで形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノズル開口が高密度に穿設されたノズルプレートに撥水膜を形成する場合、ノズル開口の内径が実質的に小さくなるため、そのノズル開口をレジストで埋めるという作業が比較的困難であるという問題がある。
【００１０】
また、ノズル開口がレジストで確実に埋められていないノズルプレートの表面に樹脂材料を塗布すると、その樹脂材料がノズル開口内に入り込んでノズル詰りが発生するという問題となる。
【００１１】
さらに、ノズルプレートの表面は、所定のタイミングでワイピング処理するが、このとき、撥水膜の表面にキズ等の損傷が発生してしまい、撥水膜の耐久性や撥水性が低減するという問題がある。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑み、ノズル詰りを防止して撥水膜の耐久性及び撥水性を向上できるノズルプレート及びその製造方法並びにインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【００１３】
【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、液滴を吐出する複数個のノズル開口を有し、該ノズル開口と連通する流路が形成された流路形成基板に接合されるノズルプレートにおいて、前記ノズル開口が設けられ且つ前記流路形成基板に接合されるノズルプレート本体を具備し、当該ノズルプレート本体の前記流路形成基板とは反対側の面の少なくとも前記ノズル開口の周囲に、前記ノズルプレート本体より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜が設けられ、前記無機化合物が酸化マグネシウム又は酸化シリコンであり且つ前記無機化合物が分子内に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換したものであることを特徴とするノズルプレートにある。
【００１４】
かかる第１の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。また、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。さらに、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。また、親水性を示すヒドロキシ基がフッ素に置換されて撥水性が更に向上する。
【００１５】
本発明の第２の態様は、前記無機化合物の誘電率εがε＜１０であることを特徴とする第１の態様のノズルプレートにある。
【００１６】
かかる第２の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。
【００２３】
本発明の第３の態様は、前記撥水膜の厚さが０．０５〜１０μｍであることを特徴とする第１又は２の態様のノズルプレートにある。
【００２４】
かかる第３の態様では、撥水膜の強度を確保することができる。
【００２５】
本発明の第４の態様は、前記ノズルプレート本体がケイ素又はステンレス鋼からなることを特徴とする第１〜３の何れかの態様のノズルプレートにある。
【００２６】
かかる第４の態様では、ノズルプレート本体の強度を確保することができる。
【００２７】
本発明の第５の態様は、ノズル開口が設けら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形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせ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の前記流路形成基板とは反対側の面の少なくとも前記ノズル開口の周囲に、前記ノズルプレートより誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜が設けられ、前記無機化合物が酸化マグネシウム又は酸化シリコンであり且つ前記無機化合物が分子内に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換したものであることを特徴とするインクジェト式記録ヘッドにある。
【００２８】
かかる第５の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用を低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。さらに、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用を低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、親水性を示すヒドロキシ基がフッ素に置換されて撥水性が更に向上する。
【００２９】
本発明の第６の態様は、前記無機化合物の誘電率εがε＜１０であることを特徴とする第５の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３０】
かかる第６の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。
【００３７】
本発明の第７の態様は、前記撥水膜の厚さが０．０５〜１０μｍであることを特徴とする第５又は６の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３８】
かかる第７の態様では、撥水膜の強度を確保することができる。
【００３９】
本発明の第８の態様は、前記ノズルプレートがケイ素又はステンレス鋼からなることを特徴とする第５〜７の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【００４０】
かかる第８の態様では、ノズルプレート本体の強度を確保することができる。
【００４１】
本発明の第９の態様は、液滴を吐出する複数個のノズル開口を有し、該ノズル開口と連通する流路が形成された流路形成基板に接合されるノズルプレートの製造方法において、前記ノズル開口が設けられたノズルプレート本体の前記流路形成基板との接合面とは反対側の面に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換することによって前記ノズルプレート本体の表面に当該ノズルプレート本体より誘電率が低い撥水膜を形成する工程とを具備することを特徴とするノズルプレートの製造方法にある。
【００４２】
かかる第９の態様では、液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用が低く抑えられて、撥水膜の撥水性が向上する。また、撥水膜の剛性を高くすることで耐久性が向上する。さらには、ノズル開口をレジストで埋めずに撥水膜を形成することができ、ノズル詰りが防止される。
【００４３】
本発明の第１０の態様は、前記酸化膜をスパッタリング法によって形成することを特徴とする第９の態様のノズルプレートの製造方法にある。
【００４４】
かかる第１０の態様では、ノズル開口をレジストで埋めずに撥水膜を形成することができ、ノズル詰りが防止される。
【００４５】
本発明の第１１の態様は、前記酸化膜を前記ノズル開口の周囲を熱酸化することによって形成することを特徴とする第９又は１０の態様のノズルプレートの製造方法にある。
【００４６】
かかる第１１の態様では、ノズル開口をレジストで埋めずに撥水膜を形成することができ、作業工程が簡略化される。また、製造コストが低く抑えられる。
【００４７】
本発明は、ノズルプレート本体より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜を設けることを特徴とする。このような無機化合物で撥水膜を形成することによって、インク等の液滴と撥水膜との間の電気的な相互作用を低く抑えることができる。
【００４８】
このような無機化合物は、誘電率εがノズルプレート本体より低いものであれば特に限定されないが、例えば、誘電率εが１０より小さい無機化合物であり、具体的には、酸化シリコン、酸化マグネシウムなどの酸化物や、窒化ケイ素等の窒化物を挙げることができる。
【００４９】
本発明の撥水膜は、ノズルプレートの表面に、例えば、スパッタリング法等を用いて、堆積された無機化合物層からなるようにしてもよいし、ノズルプレートの表面を熱酸化等して形成した酸化膜からなるようにしてもよい。
【００５０】
また、撥水膜が酸化物で形成される場合は、その分子のヒドロキシ基が表面に存在して親水性を示す。このため、このようなヒドロキシ基をフッ素に置換して撥水性処理することが望ましい。これにより、撥水性を更に向上させることができる。
【００５１】
また、例えば、金属酸化物や窒化ケイ素等の無機化合物からなる撥水膜をノズルプレートの表面に形成する場合、無機化合物がノズル開口内に付着する虞はないので、ノズル開口をレジスト等で埋める必要がない。従って、製造コストを低く抑えることができるという効果を奏する。
【００５２】
【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。
【００５３】
（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。
【００５４】
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る。流路形成基板１０としては、通常、１００〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、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する場合には、厚さの薄いものを用いることが望ましい。
【００５５】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００５６】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を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、そ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部に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する連通部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。
【００５７】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、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。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。
【００５８】
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、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に流入する顔料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。
【００５９】
また、流路形成基板１０の開口面側には、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が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００６０】
なお、ノズルプレート２０は、本実施形態では、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属材料、シリコン（Ｓｉ）、ガラスセラミックス及び不錆鋼等を挙げることができる。
【００６１】
このようなノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。なお、本実施形態では、ノズルプレートの材質にシリコンを用いた。
【００６２】
さらに、ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。
【００６３】
このようなノズルプレート２０の流路形成基板１０とは反対側の面には、ノズルプレート２０より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜１００が設けられている。なお、撥水膜１００の膜厚は、０．０５〜１０μｍ程度である。
【００６４】
この撥水膜の誘電率εは、低いほど好ましく、具体的には、誘電率εがε＜１０であることが望ましい。
【００６５】
また、撥水膜１００を形成する無機化合物としては、例えば、酸化シリコン、酸化マグネシウム等の酸化物、窒化ケイ素等の窒化物を挙げることができる。ここで、酸化シリコンや酸化マグネシウムの誘電率εは３〜４であり、窒化ケイ素の誘電率εは８である。
【００６６】
例えば、本実施形態では、ノズルプレート２０の表面を熱酸化することにより酸化シリコンからなる撥水膜１００を形成した。
【００６７】
このような無機化合物は、誘電率εがε＜１０であるため、インク滴との間の電気的な相互作用を低く抑えることができる。
【００６８】
なお、本実施形態のように、無機化合物が酸化物である場合には、分子内に親水性基であるヒドロキシ基が存在している。従って、このような酸化物で撥水膜を形成する場合には、親水性基をフッ素に置換することが望ましい。これにより、撥水性を更に向上することができる。なお、低誘電率εの無機化合物からなる撥水膜が所望の撥水性を発揮すれば、親水性基をフッ素に置換しなくてもよい。
【００６９】
このように、本実施形態の撥水膜１００は、ノズルプレートより誘電率εが低い無機化合物で形成されているので、インク滴との間の電気的な相互作用が低く抑えられる。従って、撥水性を向上させることができる。
【００７０】
また、撥水膜１００は、無機化合物で形成されているため、例えば、樹脂材料等の有機化合物で形成された撥水膜に比べて耐久性を向上させることができる。すなわち、無機化合物からなる撥水膜１００は、樹脂材料で形成されたものよりも剛性が高いため、ワイピングした際に、インクに含まれる顔料粒子が接触して、撥水膜１００の表面に発生するキズ等の損傷を低減することができ、撥水膜１００の耐久性が向上する。
【００７１】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０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１μｍ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１２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。
【００７２】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部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おり、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。
【００７３】
このリザーバ形成基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等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。
【００７４】
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３２が設けられ、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３２内に密封されている。
【００７５】
ここで、各圧電素子３００を構成すると共に複数の圧電素子３００に共通する共通電極である下電極膜６０は、リザーバ形成基板３０が接合される領域まで延設されている。例えば、本実施形態では、下電極膜６０は、圧力発生室１２に対向する領域からリザーバ１１０とは反対側の周壁上まで延設されている。そして、リザーバ形成基板３０の一部がこの下電極膜６０に対向する領域で、流路形成基板１０と接合されている。
【００７６】
なお、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のポリフェニレンサルファイド（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１１０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１１０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３３となっている。
【００７７】
また、このリザーバ１１０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１１０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１１０の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。
【００７８】
なお、このような本実施形態の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１１０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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、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、各圧力発生室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。
【００７９】
ここで、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５は、圧力発生室１２の長手方向の一部を示す断面図である。
【００８０】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜５０を形成する。
【００８１】
次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、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。
【００８２】
次に、図３（ｃ）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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
次に、図４（ａ）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、例えば、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。
【００８６】
次いで、図４（ｂ）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。
【００８７】
なお、本実施形態では、リザーバ１１０が形成される領域の周縁部の一部に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を残すことにより、リザーバ１１０の周縁部の剛性を向上させている。
【００８８】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板の異方性エッチングを行い、図４（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。
【００８９】
次に、図５（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に、リザーバ形成基板３０を接着剤等を介して接合する。
【００９０】
次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０のリザーバ形成基板３０とは反対側の面に、ノズル開口の周囲に撥水膜１００が形成されたノズルプレート２０を接合する。
【００９１】
ここで、ノズルプレート２０の表面に撥水膜１００を形成する方法について図６を参照しながら説明する。なお、図６は、本発明の実施形態１に係るノズルプレートの要部断面図である。
【００９２】
まず、図６（ａ）に示すように、ノズル開口２１が複数個設けられたノズルプレート２０の表面を熱酸化することにより酸化膜１０１を形成する。なお、本実施形態では、ノズルプレート２０の材質としてシリコンを用いたので、酸化膜１０１は酸化シリコンである。
【００９３】
次に、図６（ｂ）に示すように、酸化膜１０１の表面にフッ素化合物１０２を付着させて、酸化膜１０１の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換する。詳しくは、濃硫酸及び二クロム酸カリウムを含有する溶液に、酸化膜１０１の表面を浸した後、その酸化膜１０１の表面に、フッ素化合物１０２であるフッ化リチウム（ＬｉＦ）を付着する。これにより、酸化膜１０１の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換することができる。
【００９４】
なお、フッ素化合物としては、フッ化リチウム（ＬｉＦ）の他に、例えば、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等を用いるようにしてもよい。
【００９５】
このように、本実施形態では、ノズルプレート２０の表面を熱酸化することで酸化膜を形成するので、ノズル開口２１の内径が比較的小さくても、確実に撥水膜１００を形成することができる。また、このような内径が小さいノズル開口２１をレジスト等で埋める必要がないため、作業工程を簡略化できる。従って、製造コストを低く抑えることができる。
【００９６】
また、このように製造されたノズルプレート２０は、ノズル開口２１をレジスト等で埋めたり、或いは、樹脂材料を塗布したりして撥水膜を形成しないため、ノズル詰りが発生することがない。従って、インクをノズル開口２１から確実に吐出させることができる。
【００９７】
なお、本実施形態では、撥水膜１００は、ノズルプレート２０の全面に形成するようにしたが、これに限定されず、ノズル開口２１の周囲だけに形成するようにしてもよい。この場合、撥水膜を形成する領域以外の部分を、例えば、レジスト等で被覆した状態で形成すればよい。
【００９８】
また、ノズル開口２１を有するノズルプレート２０に撥水膜１００を形成するようにしたが、これに限定されず、酸化膜を形成した後にノズル開口を形成するようにしてもよいし、撥水膜を形成した後にノズル開口を形成してもよいし、
その後、リザーバ形成基板３０上にコンプライアンス基板４０を接合することにより、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが形成される（図５（ｂ）参照）。
【００９９】
なお、実際には、上述した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、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することによってインクジェット式記録ヘッドが形成される。
【０１００】
ここで、下記実施例及び比較例のノズルプレートを作製し、撥水性を比較する試験を行った。その結果について説明する。
【０１０１】
（実施例）
シリコンからなるノズルプレート本体を用意して、そのノズルプレート本体の表面を熱酸化することによって酸化膜を形成する。その後、二クロム酸カリウムを濃硫酸で溶かした溶液を７０℃に加熱し、その溶液にノズルプレート本体の酸化膜の表面を浸す。
【０１０２】
続いて、ノズルプレート本体を冷却した後、酸化膜の表面を微量のＬｉＦで被覆する。このようにして無機化合物で形成された撥水膜を有する実施例のノズルプレートを形成した。
【０１０３】
（比較例）
実施例と同じノズルプレート本体を用意し、そのノズルプレート本体の表面に、ポリフッ化エチレン系の樹脂材料を塗布した後、その樹脂材料を硬化することで撥水膜を形成した。このようにして有機化合物で形成された撥水膜を有するノズルプレート本体を比較例のノズルプレートとした。
【０１０４】
（試験例）
上述した実施例及び比較例のノズルプレートの撥水膜の表面に、同一のインク滴を１０ｍｇずつ付着させて、図７に示すように、インク滴と撥水膜との接触角（θ１）及びインク滴が移動する傾斜の角度を表す転落角（θ２）を測定した。その結果を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
上記表１に示すように、実施例のノズルプレートは、インク滴と撥水膜との接触角は比較例のノズルプレートと同程度であり、インク滴が移動する転落角は非常に小さく、実施例のノズルプレートが、比較例に比べて優れた撥水性を有していることは明らかである。
【０１０７】
（他の実施形態）
以上、本発明の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。
【０１０８】
例えば、上述した実施形態１では、ノズルプレート２０の表面を熱酸化することで撥水膜１００を形成するようにしたが、これに限定されず、スパッタリング法を用いて、ノズルプレートの表面に無機化合物からなる撥水膜を形成してもよい。
【０１０９】
このようなスパッタリング法を用いて撥水膜を形成することで、上述した実施形態１と同様の効果を得られる他、窒化ケイ素等の無機材料で撥水膜を形成することができる。
【０１１０】
このように、スパッタリング法を用いて撥水膜を形成する場合、無機化合物がノズル開口内に付着する虞はない。このため、上述した実施形態１と同様に、作業工程を簡略化して、製造コストを低く抑えることができる。
【０１１１】
また、上述の実施形態１では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造され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、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【０１１２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、ノズルプレートの流路形成基板との接合面とは反対側の面の少なくともノズル開口の周囲に、ノズルプレートより誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜を設けるようにしたため、撥水膜の耐久性及び撥水性を向上することができるという効果を奏する。
【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の平面図及び断面図である。
【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】本発明の実施形態１に係るノズルプレートの製造方法を説明する概略断面図である。
【図７】接触角（θ１）及び転落角（θ２）を示す図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１２ 圧力発生室
２０ ノズルプレート
２１ ノズル開口
３０ リザーバ形成基板
４０ コンプライアンス基板
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
１００ 撥水膜
１０１ 酸化膜
１０２ フッ素化合物
１１０ リザーバ
３００ 圧電素子
Claims (11)
- 液滴を吐出する複数個のノズル開口を有し、該ノズル開口と連通する流路が形成された流路形成基板に接合されるノズルプレートにおいて、
前記ノズル開口が設けられ且つ前記流路形成基板に接合されるノズルプレート本体を具備し、当該ノズルプレート本体の前記流路形成基板とは反対側の面の少なくとも前記ノズル開口の周囲に、前記ノズルプレート本体より誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜が設けられ、前記無機化合物が酸化マグネシウム又は酸化シリコンであり且つ前記無機化合物が分子内に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換したものであることを特徴とするノズルプレート。 - 前記無機化合物の誘電率εがε＜１０であることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
- 前記撥水膜の厚さが０．０５〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のノズルプレート。
- 前記ノズルプレート本体がケイ素又はステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のノズルプレート。
- ノズル開口が設けら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形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせ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の前記流路形成基板とは反対側の面の少なくとも前記ノズル開口の周囲に、前記ノズルプレートより誘電率が低い無機化合物からなる撥水膜が設けられ、前記無機化合物が酸化マグネシウム又は酸化シリコンであり且つ前記無機化合物が分子内に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換したものであることを特徴とするインクジェト式記録ヘッド。 - 前記無機化合物の誘電率εがε＜１０であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記撥水膜の厚さが０．０５〜１０μｍであることを特徴とする請求項５又は６に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記ノズルプレートがケイ素又はステンレス鋼からなることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 液滴を吐出する複数個のノズル開口を有し、該ノズル開口と連通する流路が形成された流路形成基板に接合されるノズルプレートの製造方法において、
前記ノズル開口が設けられたノズルプレート本体の前記流路形成基板との接合面とは反対側の面に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜の表面に存在するヒドロキシ基をフッ素に置換することによって前記ノズルプレート本体の表面に当該ノズルプレート本体より誘電率が低い撥水膜を形成する工程とを具備することを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 前記酸化膜をスパッタリング法によって形成することを特徴とする請求項９に記載のノズルプレートの製造方法。
- 前記酸化膜を前記ノズル開口の周囲を熱酸化することによって形成することを特徴とする請求項９又は１０に記載のノズルプレートの製造方法。
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