(57)【要約】【課題】吐出動作時のインクの逃げ方向成分を制御し、高い密度で配された複数のノズルからクロストークを低減した吐出を行うことのできる高密度記録が可能な液滴噴射装置を提供する。【解決手段】液滴噴射装置は、複数のノズル開孔２を有するノズル形成部材１と、ノズル形成部材１との間に所定の間隔をおいてノズル開孔２の各々に対向配置された複数のカンチレバー型の電気機械変換素子３とを有している。電気機械変換素子３をその変位方向２０に変位させたときに、ノズル形成部材１と電気機械変換素子２との間の領域の空間からその電気機械変換素子３に隣接する他の電気機械変換素子３の方向２２へ流れるインクの流量を制限する抵抗構造体８が、各電気機械変換素子３上に設けられている。【選択図】  図１
2004209723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズル開孔を有するノズル形成部材と、前記ノズル形成部材との間に所定の間隔をおいて前記ノズル開孔の各々に対向配置された複数のカンチレバー型の電気機械変換素子とを有し、前記電気機械変換素子を前記ノズル形成部材に近づく方向に変位させることによって、前記ノズル形成部材と前記電気機械変換素子との間に配されたインクに圧力を加え、該インクを前記ノズル開孔から液滴として吐出させる液滴噴射装置において、
前記電気機械変換素子を前記方向に変位させたときに、前記ノズル形成部材と該電気機械変換素子との間の領域の空間から該電気機械変換素子に隣接する他の前記電気機械変換素子の方向へ流れるインクの流量を制限する抵抗構造体が、前記各電気機械変換素子上に設けられていることを特徴とする液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット記録ヘッド等に用いられる液滴噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高品位の印刷を行う記録装置としてインクジェット記録装置が普及している。このようなインクジェット記録装置は、印刷用途のみならず捺染、工業用の薬液やパターン材料の塗布など極めて広い応用が期待されるものである。インクジェット記録装置には、代表的なものとして圧電素子を用いる圧電式と、ヒーターによる加熱を用いる熱式があり、いずれも高性能化の開発が進んでいる。
【０００３】
圧電式インクジェット記録装置の例としてホットメルトインクを用いた液滴噴射装置が知られている。ホットメルトインクは、常温で固体または高粘度の液体であり、かつ常温より高温の所定温度で低粘度液体となるインクである。
【０００４】
このような装置の例として、特許文献１に開示されている装置がある。図１０は、特許文献１に開示された従来の液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッド（特許文献１では「インクジェット記録装置」と称している）を示す断面図である。
【０００５】
図１０に示すように、従来の液滴噴射装置は、複数のノズル開孔３０２（図１０には１つのノズル開孔３０２のみが示されている）が形成されたノズル形成部材３０１と、ノズル形成部材３０１との間に所定の空間領域（ギャップ３０７）をもってノズル開孔３０２の各々と対向する位置にインク３４０中に設けられた複数の電気機械変換素子３０３とを有している。電気機械変換素子３０３は、スペーサー３１１を介してノズル形成部材３０１の上に設けられており、上記のギャップ３０７は、このスペーサー３１１によって形成されている。電気機械変換素子３０３は、スペーサー３１１に固定されている端部が固定端３０９になっており、その反対側の端部が自由端３１０になっている。
【０００６】
電気機械変換素子３０３は、第１電極層３０４、圧電層３０５、および第２電極層３０６からなっており、第１電極層３０４と第２電極層３０６に接続された配線３５１から駆動信号が印加されると、自由端３１０がノズル形成部材３０１側に変位する方向に撓むように構成されている。電気機械変換素子３０３がこのように撓むと、ノズル形成部材３０１と電気機械変換素子３０３との間のギャップ３０７に供給されていたインク３４０が、ノズル開孔３０２から液滴３２１として吐出される。
【０００７】
これらのノズル形成部材３０１、スペーサー３１１、および電気機械変換素子３０３からなる液体噴射装置はインク３４０を収容するインクタンクを構成する筐体３４５に取り付けられており、液体噴射装置とインクタンクとが一体であるインクジェット記録ヘッドを構成している。筐体３４５内は、フィルタ３４６によって、インク槽３４１とインク供給部３４２とに仕切られている。また、筐体３４５内には、電気機械変換素子３０３を間においてノズル形成部材３０１に対向する位置にインク導入ガイド３４３が設けられており、ノズル形成部材３０１と電気機械変換素子３０３との間、および電気機械変換素子３０３とインク導入ガイド３４３との間に生じる毛細管力によってインク３４０が導入されるように構成されている。インク３４０は、インク導入ガイド３４３とノズル形成部材３０１との間に、メニスカスが形成される解放端３５０の位置まで導入される。さらに、筐体３４５には、筐体３４５の内部空間と大気とを連通させる大気連通部３４８，３４９が形成されている。
【０００８】
また、インク３４０は所定の温度に加熱すると溶融するホットメルトインクであり、筐体３４５にはインク３４０を所定温度に加熱溶融する加熱手段であるインク加熱機構３４７が設けられている。インク加熱機構３４７は、例えば、加熱ヒーターに、ある温度から急激に抵抗値が上昇する抵抗・温度特性を持っている正特性サーミスタ（例えば（株）村田製作所の「ポジスタ」（登録商標））を組み合わせることで構成することができる。
【０００９】
このように、従来の液滴噴射装置は、複数のノズル開孔３０２を有するノズル形成部材３０１と、ノズル形成部材３０１と所定の間隔（ギャップ３０７）をもってノズル開孔３０２の各々と対向してインク３４０中に設けられた複数の電気機械変換素子３０３とを有している。
【００１０】
図１１は、図１０に示した液滴噴射装置を拡大して示す断面図である。
【００１１】
電気機械変換素子３０３がノズル形成部材３０１の方向３２０に変位すると、電気機械変換素子３０３とノズル形成部材３０１との間のインク３４０に対して図中下方への圧力が加えられ、インク３４０は液滴Ｃとしてノズル開孔３０２から吐出される。これと同時に、隣接する電気機械変換素子３０３へ向かう方向等の電気機械変換素子３０３の周囲に向かう方向Ｄにインクが逃げるインク流れが生じる。そのため、このような構成の液滴噴射装置は、ノズル開孔３０２から吐出されるインク液滴Ｃの量と、その流れによって電気機械変換素子３０３の周囲に向かう方向Ｄに逃げるインクの量との関係を適切に制御することにより、インク３４０に混入した気泡３５２を電気機械変換素子３０３とノズル形成部材３０１との間の領域から排出しながら、インク３４０を安定してノズル開孔３０２から吐出することが可能となっている。
【００１２】
上記の従来例によれば、普通紙に高品位な記録を行うことが可能であり、なおかつ、ホットメルトインクの問題点である、インクの常温固化時における体積収縮に起因して発生する気泡によるインク吐出安定性の低下を抑えることができ、したがってインクの吐出を安定して行えるため、記録装置に好ましく用いることができる。
【００１３】
また、近年における高密度記録への要求からノズル開孔を高密度に配したインクジェット記録ヘッドへの要求が高まっているが、上記の従来例は、ノズル開孔と電気機械変換素子との間隔を狭くしたうえで、複数の電気機械変換素子が間に隔壁を持たずに隣接して配されている構造から、ノズル開孔を狭い間隔で配置することが可能であり、高密度化への対応という点で優れた構造を有している。
【００１４】
また、ホットメルトインクを用いた装置の例としては、他にも特許文献２や特許文献３に開示されているような、ノズルごとに個別に隔壁をもって設けられたインク流路（圧力室）に対して振動板を介して電気機械変換素子により圧力を加え、ノズルから液滴を噴射する装置も提案されている。
【００１５】
【特許文献１】
特許第２６９２１２１号公報
【特許文献２】
特開２０００−０７１４５２号公報
【特許文献３】
特開２０００−１２７３８０号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に開示されているインクジェット記録ヘッドにおいては、インク内に配された電気機械変換素子の変位に際して周辺のインクに圧力変動による流れが発生し、隣接する電気機械変換素子に大きな圧力が加えられ、これが、ノズル開孔から吐出されるインク量やインクのリフィルの挙動に影響を与える、いわゆるクロストークの大きな原因になる。特に、上記インクの圧力変動による流れの中でも、吐出動作時のインクの逃げによって隣接する電気機械変換素子に向かう方向の成分により大きなクロストークが発生する場合があった。このようなクロストークは、ノズル開孔及び対向する電気機械変換素子の間隔が小さくなるとともに深刻になるため、記録ヘッドの高密度化を妨げる大きな原因となっていた。
【００１７】
また、高密度の記録ヘッドにおいては電気機械変換素子も高集積化に伴う微細化、薄膜化が求められるが、このような微細化、薄膜化した電気機械変換素子は剛性が低いため、上記インクの圧力変動による流れによるねじれや反りなどの変形を蒙りやすく、クロストークの問題はより深刻であった。
【００１８】
また、上述した特許文献２や特許文献３に開示されている装置は、ノズル個別に隔壁で隔てられた圧力室を設けている。このような構成では隔壁の幅でノズルの集積度が制限されるため、高密度化対応には限界がある。
【００１９】
本発明は上記従来例の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、吐出動作時のインクの逃げ方向成分を制御し、高い密度で配された複数のノズルからクロストークを低減した吐出を行うことのできる高密度記録が可能な液滴噴射装置を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液滴噴射装置は、複数のノズル開孔を有するノズル形成部材と、前記ノズル形成部材との間に所定の間隔をおいて前記ノズル開孔の各々に対向配置された複数のカンチレバー型の電気機械変換素子とを有し、前記電気機械変換素子を前記ノズル形成部材に近づく方向に変位させることによって、前記ノズル形成部材と前記電気機械変換素子との間に配されたインクに圧力を加え、該インクを前記ノズル開孔から液滴として吐出させる液滴噴射装置において、前記電気機械変換素子を前記方向に変位させたときに、前記ノズル形成部材と該電気機械変換素子との間の領域の空間から該電気機械変換素子に隣接する他の前記電気機械変換素子の方向へ流れるインクの流量を制限する抵抗構造体が、前記各電気機械変換素子上に設けられていることを特徴とする。
【００２１】
上記本発明の液滴噴射装置は、インクの吐出時にノズル形成部材と電気機械変換素子との間の領域の空間から逃げるインクの量を全体として大きく変化させずに、ノズル開孔から吐出するインクの量とその空間から逃げるインクの量との関係を適切に保った状態で安定してインクを吐出させつつも、隣接する電気機械変換素子の方向へ逃げるインクの量を抵抗構造体によって低減することにより、これらの方向に逃げるインクの流れに起因するクロストークを低減することが可能である。
【００２２】
このように、本発明によれば、吐出動作時にノズル形成部材と電気機械変換素子との間の領域の空間から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔からインクを吐出する際にクロストークを低減することができる、高密度記録が可能な液滴噴射装置を提供することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の構成を示す斜視図、図２は図１に示した液滴吐出装置が適用されたインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【００２５】
本実施形態の液滴噴射装置は、ノズル開孔２を複数有するノズル形成部材１と、ノズル開孔２の各々と対向してインク４０中に設けられた複数の電気機械変換素子３と所定の間隔をおいて対向配置した構成を有し、電気機械変換素子３を変位させることによってインク４０に圧力を加えてノズル開孔２からインク４０を液滴２１として吐出させるものである。そのためには、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の上記所定の間隔は、１μｍから５０μｍとすることが好ましい。
【００２６】
電気機械変換素子３としては、液滴２１の吐出に十分な変位が得られるものであればどのようなものでも用いることができる。電気機械変換素子３の特に好ましい構成としては、圧電体を用いた圧電層５の上下を第１電極層４と第２電極層６とで挟んだ構成の圧電変位素子が挙げられる。このような圧電素子は、適宜上、構成を多層化したり、振動板を設けたりしても構わない。電気機械変換素子３の形態としては、一方の端部が固定端９として固定され、他方の端部が自由端１０となっているカンチレバー型（片持ち梁状）の素子とすることが、変位量を大きくできるため好ましい。圧電体を構成する圧電層５の材料としては、例えばペロブスカイト系の圧電材料を用いることができる。
【００２７】
本実施形態の液滴噴射装置は、電気機械変換素子３が変位したときに、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３とが対向する領域から隣接する電気機械変換素子３の方向へ流れるインクの流量を制限する抵抗構造体８，２４，２５が、電気機械変換素子３に設けられている。電気機械変換素子３にこのような抵抗構造体を設けることで、電気機械変換素子３を変位させたときに隣接する電気機械変換素子３の方向２２へ逃げるインクの量を低減することが可能である。さらに、電気機械変換素子３上にこのような構造体を設けることにより、微細化、薄膜化した電気機械変換素子３の剛性を向上させてインクの圧力変動による流れによるねじれや反りなどの変形を低減することが可能である。以上の作用により、本実施形態の液滴噴射装置は、クロストークを低減させることを可能にしている。
【００２８】
この抵抗構造体は、電気機械変換素子３の変位時に隣接する電気機械変換素子３の方向２２へ流れるインク流量を制限することができる構造であれば特に限定されずに用いられる。抵抗構造体の好ましい例としては、図１に示すように、電気機械変換素子３のノズル形成部材１と対向する面上の、隣接する他の電気機械変換素子３側の両辺部に設けた凸構造体からなる抵抗構造体８が挙げられる。この凸構造体からなる抵抗構造体８は、ＣｕやＰｔ等の金属や半導体材料等により別途作製されたものを、電気機械変換素子３上に接合することで構成することができる。抵抗構造体８の高さは、電気機械変換素子３の大きさに応じて、１μｍから１０μｍであることが好ましい。抵抗構造体８の高さをこのようにすることで、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間のギャップ７の小さい本実施形態のような液滴噴射装置においても、電気機械変換素子３の変位動作を十分に行わせることができる。また、抵抗構造体８と電気機械変換素子３とを合わせた高さは、２μｍから５０μｍであることが好ましい。
【００２９】
また、抵抗構造体の他の例としては、図４に示すように、電気機械変換素子３が、その長手方向に直交する方向の断面において、ノズル形成部材１に対向する面が凹んだ矩形形状を有しており、電気機械変換素子３の長手方向に直交する方向における両側の縁部によって構成された抵抗構造体２４が挙げられる。この構成によれば、凸構造体からなる抵抗構造体を電気機械変換素子３に別途接合する場合に比べて、電気機械変換素子３の自由端１０側の慣性重量が低減されるため、電気機械変換素子３を変位させるために電気機械変換素子３に印加される印加電圧波形に対して電気機械変換素子３がより高速に応答することが可能となる。
【００３０】
また、抵抗構造体のさらに他の例としては、図７に示すように、電気機械変換素子３が、その長手方向に直交する方向の断面において、ノズル形成部材１に対向する面が凹んだ円弧形状を有しており、電気機械変換素子３の長手方向に直交する方向における両側の縁部によって構成されている抵抗構造体２５が挙げられる。抵抗構造体２５をこのような形状とすることで、隣接する電気機械変換素子３側から受けるインクの圧力変動による流れに対する抵抗を小さくし、その影響を低減できるため、クロストークをより低減できる。このような円弧形状は、曲率半径が１００μｍ〜１０ｍｍ程度であることが好ましく、また部分的に曲率半径を適宜異なる構成としても構わない。
【００３１】
ノズル形成部材１としては、使用するインクに対して十分な耐性があり、所望の形状や径のノズル開孔２を形成すること等の加工を行うことができるものであれば任意の材料を用いることができる。本実施形態のノズル形成部材１として好ましく用いられる材料として、第１に半導体材料が挙げられる。半導体材料は大規模集積回路などに用いられるため高度な微細加工技術が確立しており、本実施形態の液滴噴射装置の実施に要する加工を容易に行うことができる。
【００３２】
ノズル形成部材１として好ましく用いられる材料として、第２に導電性材料が挙げられる。圧電素子（電気機械変換素子３）の固定端９がノズル形成部材１の上に接合されて形成されることにより、ノズル形成部材１を導電性材料で形成した場合には、ノズル形成部材１と圧電素子の電極の電位を等電位にしておくことができるため、製造工程において静電力による張り付きを防止し、より高い歩留まりで液滴噴射装置を製造できる。また、後述する犠牲層の形成工程において、めっき、あるいは電着等の方法で容易に犠牲層を形成できるという点でも好ましい。導電性材料の中でも特に好ましいものとして金属材料が挙げられる。金属としてはステンレス鋼や、ニッケル、クロムなど殆ど限定されずに用いることができる。これら金属材料は圧延や研磨などでノズル形成部材１を薄く作製することが容易であると共に、放電加工などで微細なノズル開孔２を容易に形成できる。
【００３３】
また、ノズル形成部材１として好ましく用いられる材料として、第３に絶縁性材料が挙げられる。絶縁性材料は熱伝導率が低く保温性が高いため、溶解したホットメルトインクの温度がノズル開孔２の周辺など大気に接する箇所で放熱によって低下することを低減し、ノズル開孔２から安定してインクを吐出することが可能であるという利点がある。好ましい絶縁性材料としては感光性樹脂が挙げられ、これによれば、紫外線などを所定のパターンにしたがって照射することで、ノズル開孔２などのパターンを容易に形成することができる。また、他に好ましい絶縁性材料としてはガラス材料が挙げられる。
【００３４】
なお、ノズル形成部材１は、ノズルの長さに対応した厚さのものを用いる必要があり、本実施形態では開口面積が１×１０-11ｍ2から１×１０-9ｍ2であるノズル開孔２の微細化（高精細化）に対応してノズルの長さも短くなるため、極めて薄いものを用いる必要がある。このため、ノズル形成部材１の厚さは、１μｍ〜５０μｍであることが好ましい。本実施形態においては、このような薄いノズル形成部材１に対して犠牲層および圧電素子（電気機械変換素子３）の形成、ならびにノズル開孔２の形成などの加工を行う際には、必要に応じてノズル形成部材１を補強してから加工を行う。
【００３５】
本実施形態の液滴噴射装置は、複数のノズル開孔２が形成され、電気機械変換素子３が設けられたノズル形成部材１に対してインク槽４１やインク供給部４２などを内部に構成する筐体４５が取り付けられ、さらに、筐体４５内のインクを加熱するインク加熱機構４７が筐体４５に設けられ、各電気機械変換素子３に対して個別に制御された駆動電圧を各電気機械変換素子３に印加する機構（不図示）が配線５１を介して電気機械変換素子３に接続されて構成されている。
【００３６】
上記に説明してきた本実施形態の液滴噴射装置は、少なくとも、ノズル形成部材上に所定の間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、犠牲層の上に、各々が抵抗構造体を備えている複数の電気機械変換素子を形成する工程と、ノズル形成部材に複数のノズル開孔を形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する製造方法により作製される。
【００３７】
上記の製造方法に用いられる犠牲層としては、エッチングにより溶解除去可能であり、その際にノズル形成部材あるいは電気機械変換素子を構成する材料、もしくはこれらに形成する保護層に対して十分なエッチングレート比が得られるものであれば用いることができる。このような犠牲層材料として好ましく用いられるものとして、第１に有機材料が挙げられる。有機材料として好ましいものとしては、特にフォトレジストなどの感光性樹脂が挙げられる。フォトレジストなどの感光性樹脂は、紫外線などの光を所定のパターンにしたがって照射することで容易にパターニングができるとともに、電気機械変換素子がほとんどエッチングされないアセトンなどの有機溶剤で容易にエッチングされるため好ましい。また、有機材料として好ましいものに熱可塑性材料が挙げられ、これを用いることで例えば加熱によるリフローにより、容易に円弧形状の抵抗構造体型部を形成できる。
【００３８】
上記の製造方法に用いられる犠牲層材料として好ましく用いられるものとして、第２に無機材料が挙げられる。無機材料として好ましいものに酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が挙げられる。本実施形態では犠牲層の上に電気機械変換素子を形成するため、後述する各種圧電材料の中でも特に高い電気機械変換特性をもつペロブスカイト系酸化物圧電材料の薄膜の形成に好適なＭｇＯが特に好ましく用いられ、犠牲層上に良好な特性の圧電薄膜が形成できることから、安定な吐出特性を有する液滴噴射装置が作製できる。他には、マイクロメカニクスなどの技術分野において犠牲層材料として用いられ、製法及びエッチング技術が開発されている酸化シリコンあるいはポリシリコンも好ましく用いられる。また、めっきなど析出することで容易に形成できる金属材料も好ましく、めっきなどの等方性成長で円弧形状の抵抗構造体型部が容易に作製できる。
【００３９】
本実施形態の液滴噴射装置では、犠牲層の厚さは所望のノズル形成部材と電気機械変換素子との間の間隔（ギャップ）を決定する。このため、犠牲層の形成方法としては、犠牲層の膜厚の制御性がよいものの中から適宜選択される。その好適なものの例としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等の、犠牲層を成す気相の材料を堆積させるものが挙げられ、これらの方法によれば１ｎｍ以下の誤差で厚さが制御された犠牲層が形成でき、上記のギャップをきわめて精度良く形成できるため、安定した吐出特性を有する液滴噴射装置を作製できる。また、別の好適なものの例として、電界めっき法、無電界めっき法、電着法、電気泳動法等、犠牲層を成す液相の材料を堆積させるものが挙げられ、これらの方法によっても膜厚の良好な制御性が得られる。それと同時に、これらの方法は選択的成長が可能であり、ノズル形成部材上の所望の箇所へ容易に堆積させることができる。また、犠牲層を成すペースト状の材料を塗布することで犠牲層を形成してもよく、この場合は塗布材料の粘度や塗布方法を適宜選択することで、犠牲層の厚さが比較的厚いものでも犠牲層を容易に形成することが可能である。犠牲層の厚さは、１μｍから５０μｍであることが好ましい。犠牲層の厚さを上記の範囲とすることで、微小な電気機械変換素子によっても安定的に微小液滴の吐出が可能な液滴噴射装置を形成できる。このような犠牲層は適宜パターニングし、不要部分は除去する。
【００４０】
さらに、上記の製造方法においては、抵抗構造体に対応する形状を有する型部を犠牲層に形成することを含むことが好ましい。抵抗構造体型部は、例えば以下の各工程で形成することができる。
（１）犠牲層を成す材料をノズル形成部材上に堆積した後に、抵抗構造体に対応する形状を有する型部をエッチング加工によって犠牲層の表面に形成する工程。
（２）犠牲層を成す材料をノズル形成部材上に堆積した後に、抵抗構造体に対応する形状を有する上記材料からなる型部を犠牲層の表面上にさらに形成する工程。
（３）犠牲層を形成する工程の前に、後工程において上に堆積される犠牲層の表面に抵抗構造体の形状に対応する形状の凹凸パターンを成形させる犠牲層成形部材をノズル形成部材の上に形成し、ノズル形成部材および犠牲層成形部材の上に犠牲層を成す材料を堆積することにより、抵抗構造体に対応する形状の抵抗構造体型部を有する犠牲層を形成する工程。この工程で用いる犠牲層成形部材は、例えば、熱可塑性材料や、めっきにより析出された金属材料で構成することができる。
【００４１】
また、抵抗構造体型部の形成には、この他にも熱可塑性材料をリフローすることによる方法等も用いられる。さらに、めっきなどによる選択成長、感光性材料のパターン露光、型による成形など、従来公知の方法を適宜用いることができる。
【００４２】
犠牲層を除去する工程は、例えばエッチング液に浸漬して行う。犠牲層の除去に際して、電気機械変換素子などが使用するエッチング液によって侵食される場合は、保護の必要な箇所をフォトレジスト等の保護膜により保護する。なお、その保護膜は犠牲層の除去工程後に除去する。犠牲層をエッチング液によるエッチングで除去し、電気機械変換素子パターンの固定端となる部分を除いて自由端までをノズル形成部材から離すと、電気機械変換素子の固定端がノズル形成部材に固定され、ノズル形成部材と電気機械変換素子との間に犠牲層厚さ分のギャップを有する液滴噴射装置が完成する。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、吐出動作時のインクの逃げ方向成分を制御し、高い密度で配された複数のノズルからクロストークを低減した吐出を行うことのできる高密度記録が可能な液滴噴射装置およびその製造方法を提供することができる。
【００４４】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
【００４５】
（実施例１）
本発明の第１の実施例に係る液滴噴射装置を図１および図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る液滴噴射装置を示す斜視図、図２は図１に示した液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッドの断面図である。なお、図１もしくは図２に示すノズル形成部材１、ノズル開孔２、電気機械変換素子３、第１電極層４、圧電層５、第２電極層６、ギャップ７、凸構造より構成される抵抗構造体８、電気機械変換素子３の固定端９、電気機械変換素子３の自由端１０、スペーサー１１、インク４０、インク槽４１、インク供給部４２、インク導入ガイド４３、インク導入路４４、筐体４５、フィルタ４６、インク加熱機構４７、大気連通部４８、大気連通部４９、解放端５０、配線５１、および各電気機械変換素子３に対して個別に制御された駆動電圧を印加する機構（不図示）の各構成は図１０等に示した従来技術と同様であるので、以下ではこれらに関する詳しい説明は省略する。
【００４６】
まず、図１を用いて本実施例の液滴噴射装置の構成について説明する。
【００４７】
図１は、複数個形成された電気機械変換素子３と、これらにギャップ７をおいて対向するノズル開孔２のうち各３つを示したものであり、これらの構造はすべて同様である。ただし、図１ならびに以下の本明細書中では各々を区別する必要に応じて、各電気機械変換素子３のうち、図中中央に示したものを「３n」、その図示左側に隣接したものを「３n-1」、図示右側に隣接したものを「３n+1」と表記するものとする。また、各ノズル開孔２に関しても同様に、図中中央に示したものを「２n」、その図示左側に隣接したものを「２n-1」、図示右側に隣接したものを「２n+1」と表記するものとする。
【００４８】
本実施例では、ノズル形成部材１は厚さ５０μｍのシリコンメンブレンを用いて構成した。ノズル形成部材１には、直径が１５μｍの円形で、長さがノズル形成部材１の厚さと同じ５０μｍである複数のノズル開孔２を、１５０μｍの間隔で設けた。
【００４９】
このノズル形成部材１に対して、圧電カンチレバー型素子からなる複数の電気機械変換素子３を、その自由端１０側が各ノズル開孔２と対向する位置に配置した。電気機械変換素子３は厚さ５ｎｍのＴｉと１００ｎｍのＰｔの積層膜からなる第１電極層４と、厚さ７μｍのＺｎＯからなる圧電層５と、厚さ５００ｎｍのＰｔからなる第２電極層６とを積層して構成したものであり、各素子３は幅５０μｍ、長さ２００μｍの矩形形状に形成した。電気機械変換素子３は、その固定端９をノズル形成部材１に厚さ１０μｍのスペーサー１１を介して接合した。これにより、各電気機械変換素子３は１０μｍの間隔を持ってノズル形成部材１と対向しており、このノズル形成部材１と電気機械変換素子３とが互いに対向する領域にギャップ７が形成されている。また、各ノズル開孔２の中心が、各ノズル開孔２が対向する電気機械変換素子３の長手方向中心線上であって、その自由端１０から固定端９側に約３０μｍの位置に対向する位置に配置されるように、各ノズル開孔２をノズル形成部材１に形成した。本実施例では、電気機械変換素子３及びノズル開孔２を、上記の寸法および間隔をもって２００組形成した。
【００５０】
本実施例では、各々の電気機械変換素子３に凸構造体からなる抵抗構造体８を設けた。抵抗構造体８は、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３とが対向する領域の空間であるギャップ７から、隣接する電気機械変換素子３の方向２２へ流れるインクの流量を制限できるように、各々の電気機械変換素子３のノズル形成部材１に対向する面上における、隣接する電気機械変換素子３側の両辺部に設けた。本実施例では、抵抗構造体８はＣｕを材料として、その形状および寸法が長さ５０μｍ、高さ２μｍ、幅２μｍの直方体形状となるように作製し、このように作製した抵抗構造体８を電気機械変換素子３の上記所定の位置に接合した。
【００５１】
なお、図１では図示の便宜上省略したが、実使用時の液体噴射装置は図示したノズル形成部材１の上の領域は全てインク４０（図２参照）で満たされており、したがって各電気機械変換素子３は全ての部分がインク４０中に配されている。
【００５２】
次に、図２を参照して、本実施例の液滴噴射装置の動作について説明する。
【００５３】
まず、図２に示すインク加熱機構４７に不図示の電源より電力を供給して、インク供給部４２およびインク槽４１のインク４０をその溶解温度まで昇温する。このようにすることで、インク供給部４２内のインク４０は溶解し、フィルタ４６を通過し、インク槽４１に流入する。インク槽４１に流入したインク４０は、ノズル形成部材１、電気機械変換素子３、およびインク導入ガイド４３の間に形成されている狭い間隙であるインク導入路４４を毛細管現象にて上昇し、インク導入路の解放端５０近傍まで導入され、電気機械変換素子３の周りに供給される。この状態において、各電気機械変換素子３に対して個別に制御された駆動電圧を印加する機構（不図示）から配線５１を介して電気機械変換素子３に個別に駆動電圧を印加すると、電気機械変換素子３の自由端１０側がノズル形成部材１に近づく方向２０（図１参照）に変位する。
【００５４】
さらに、再び図１を参照して、本実施例の液滴噴射装置による液滴吐出動作について説明する。ここでは、図示中央の電気機械変換素子３nに対して駆動電圧を印加して変位させ、ノズル開孔２nから液滴２１を吐出させた場合を例に挙げて示す。
【００５５】
まず、電気機械変換素子３nを屈曲させてその自由端１０を変位方向２０に変位させるように、該素子３nの第１電極層４および第２電極層６に駆動電圧を印加した。このようにすることで、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３nとの間のギャップ７内に充填されていたインクに対して圧力を加えられ、該インクの一部を液滴２１としてノズル開孔２nから吐出させることができる。
【００５６】
このとき、そのギャップ７からノズル開孔２nへ向かう方向以外の周辺方向にインクが逃げる流れが生成される。このときのインクの流れのうち、隣接する電気機械変換素子３へ向かう方向２２へ逃げるインクの流れは、その流路上に設けた抵抗構造体８により抵抗を受けて流量が制限される。これに対し、隣接する電気機械変換素子３の方向２２に対して直交する方向２３へ逃げるインクの流れは、抵抗構造体８による流量の制限を受けず、十分な流量をもって流れることができる。
【００５７】
以上の動作により、インクの吐出時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３nとの間の領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの量を全体として大きく変化させずに、ノズル開孔２nから吐出するインクの量とギャップ７から逃げるインクの量との関係を適切に保った状態で安定してインクを吐出させつつも、隣接する電気機械変換素子３n-1，３n+1の方向２２へ逃げるインクの量を低減することにより、これらの方向２２に逃げるインクの流れに起因するクロストークを低減することが可能である。
【００５８】
以上説明したように、本実施例によれば、吐出動作時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔２からインクを吐出する際にクロストークを低減することができる、高密度記録が可能な液滴噴射装置を提供することができた。
【００５９】
続いて、図１に示した本実施例の液滴噴射装置の製造方法を説明する。図３は、図１に示した液滴噴射装置の製造工程を示す断面図である。
【００６０】
本実施例の液滴噴射装置の製造工程においては、まず図３（ａ）に示すように、ノズル形成部材２０１の上に犠牲層２１０を積層し、その犠牲層２１０の表面に抵抗構造体の型部２１１を形成した。ノズル形成部材２０１としては、厚さ３００μｍ、（１１０）面方位のＳｉ単結晶ウエハを用いた。そのＳｉ単結晶ウエハの上に、高周波スパッタ法により酸化シリコン膜を１０μｍの厚さに堆積して犠牲層２１０を形成した。さらに、ノズル形成部材２０１の上に積層された犠牲層２１０に対して、フォトリソグラフィーとイオンビームによるドライエッチング加工を行い、犠牲層２１０の表面に抵抗構造体の型部２１１を形成した。抵抗構造体の型部２１１の形状は、後述する凸構造体からなる抵抗構造体８に対応する形状の凹型形状とし、長さ５０μｍ、深さ２μｍ、幅２μｍの直方体とした。
【００６１】
続いて図３（ｂ）に示すように、犠牲層２１０上に電気めっきによりＣｕを析出させて抵抗構造体部材２１２を形成した。抵抗構造体部材２１２の形成は、まず不図示のシード層としてＣｕをスパッタ法で犠牲層２１０上の抵抗構造体の型部２１１内部を含む全面に１００ｎｍの厚さに堆積した後、めっきを行った。その際、めっき浴にはＣｕ塩としてＣｕＳＯ4・５Ｈ2Ｏを含む溶液を用い、溶液温度は６０℃、電流密度は１Ａ／ｃｍ2として、抵抗構造体の型部２１１が埋まるまでめっきを行った。
【００６２】
続いて図３（ｃ）に示すように、抵抗構造体部材２１２の不要部分を除去して抵抗構造体２０８を形成した。本工程ではＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を用い、図中上面側より研磨して抵抗構造体部材２１２の不要部分を除去すると同時に平坦化を行った。
【００６３】
続いて図３（ｄ）に示すように、犠牲槽２１０の上に、第１電極層２０４、圧電層２０５、および第２電極層２０６を順に堆積した。第１電極層２０４は、高周波スパッタ法によりＴｉを５ｎｍの厚さに堆積し、さらにＰｔを１００ｎｍの厚さに堆積して形成した。圧電層２０５は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を高周波スパッタ法により７μｍの厚さに堆積して形成した。圧電層２０５の成膜条件は、ターゲットとしてＺｎＯ、スパッタリングガスとしてアルゴン（Ａｒ）に１０％の酸素（Ｏ2）を添加したものを用い、全圧２Ｐａ、基板温度２００℃、高周波出力をターゲットに対して４Ｗ／ｃｍ2で印加した。第２電極層２０６は、高周波スパッタ法によりＰｔを５００ｎｍの厚さに堆積して形成した。
【００６４】
続いて図３（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングによって第１電極層２０４、圧電層２０５、および第２電極層２０６をパターニング加工し、電気機械変換素子パターン２１３を形成した。エッチングは、第１電極層２０４と第２電極層２０６はＡｒガスによるプラズマを用いたドライエッチングで行い、圧電層２０５は酸性水溶液を用いたウェットエッチングで行った。電気機械変換素子パターン２１３は、後の工程でカンチレバー型（片持ち梁状）の電気機械変換素子を形成できるように、その固定端をノズル形成部材２０１上に犠牲層２１０の一部で構成されるスペーサー１１（図１等参照）を介して固定し、その固定端から自由端までの長さが２００μｍで幅が５０μｍの矩形形状とした。
【００６５】
続いて図３（ｆ）に示すように、ノズル形成部材２０１の、電気機械変換素子パターン２１３を形成した面とは反対側の面を研磨して、ノズル形成部材２０１を厚さ３０μｍまで薄片化した。薄片化加工はラッピングマシンと研磨剤を用いた研磨により行い、凹凸やうねりを除去してノズル形成部材２０１の裏面を平坦化した。また、研磨の際、研磨剤粒子径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。なお、本工程はノズル形成部材２０１の破損を防止するためノズル形成部材２０１を補強材に固定して行った。
【００６６】
続いて図３（ｇ）に示すように、ノズル形成部材２０１にノズル開孔２０２を形成した。本工程は、まずノズル形成部材２０１の研磨面に対してプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン膜を厚さ３００ｎｍ形成してマスク層２１４を形成し、さらにマスク層２１４に１５０μｍの間隔をもって直径１５μｍのマスク開口２１５を形成した。
【００６７】
続いて、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いてノズル形成部材２０１をマスク開口２１５より異方性エッチングして、ノズル開孔２０２を形成した。本実施例においてノズル形成部材２０１として用いた（１１０）面方位のシリコン単結晶は、表面に対してほぼ鉛直方向に異方性エッチングされた。このようにして、ノズル形成部材２０１に、直径が１５μｍで、長さがノズル形成部材２０１の厚さ分の５０μｍである複数のノズル開孔２０２を１５０μｍの間隔をもって設けた。また、各ノズル開孔２０２は、その中心が各電気機械変換素子パターン２１３の長手方向中心線上であって、その自由端から固定端側に約３０μｍの位置に対向するように配置した。
【００６８】
続いて図３（ｈ）に示すように、ノズル形成部材２０１の裏面に形成していたマスク層２１４をエッチングにより除去した。
【００６９】
最後に図３（ｉ）に示すように、電気機械変換素子２０３となる部分等の保護の必要な箇所を不図示のフォトレジストからなる保護膜で保護した後、犠牲層２１０をフッ化水素酸（ＨＦ）水溶液によるエッチングで除去した。ただし、電気機械変換素子２０３の固定端が固定されるスペーサー１１（図１参照）となる部分はエッチングを行わない。そして、凸構造に構成された抵抗構造体８を接合した電気機械変換素子２０３をその固定端を除いてノズル形成部材２０１から離し、ノズル形成部材２０１と電気機械変換素子２０３との間の領域の空間であるギャップ２０７を形成した。
【００７０】
以上の工程によって、吐出動作時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔２からインクを吐出する際にクロストークを低減することができる、高密度記録が可能な本実施例の液体噴射装置を作製することができた。
【００７１】
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例に係る液滴噴射装置を図４および図５を用いて説明する。図４は本発明の第２の実施例に係る液滴噴射装置を示す斜視図、図５は図４に示した液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッドの断面図である。
【００７２】
なお、図４もしくは図５に示すノズル形成部材１、ノズル開孔２、電気機械変換素子３、第１電極層４、圧電層５、第２電極層６、ギャップ７、電気機械変換素子３の固定端９、電気機械変換素子３の自由端１０、スペーサー１１、インク４０、インク槽４１、インク供給部４２、インク導入ガイド４３、インク導入路４４、筐体４５、フィルタ４６、インク加熱機構４７、大気連通部４８、大気連通部４９、解放端５０、配線５１、および各電気機械変換素子３に対して個別に制御された駆動電圧を印加する機構（不図示）の各構成は図１０等に示した従来技術と同様であるので、これらに関する詳しい説明は省略する。
【００７３】
まず、図４および図５を用いて本実施例の液滴噴射装置の構成について説明する。
【００７４】
本実施例のノズル形成部材１およびノズル開孔２は、実施例１と同様に構成した。このノズル形成部材１に対して、圧電カンチレバー型の素子からなる複数の電気機械変換素子３をその自由端１０側がノズル開孔２と対向する位置に配置した。電気機械変換素子３は厚さ５ｎｍのＴｉと１００ｎｍとのＰｔの積層膜からなる第１電極層４と、厚さ７μｍのＺｎＯからなる圧電層５と、厚さ５００ｎｍのＰｔからなる第２電極層６とを積層して構成したものであり、各素子３は幅５０μｍ、長さ２００μｍの矩形形状とした。
【００７５】
なお、本実施例においても実施例１と同様に、図４ならびに以下の本明細書中では各々を区別する必要に応じて、各電気機械変換素子３のうち、図中中央に示したものを「３n」、その図示左側に隣接したものを「３n-1」、図示右側に隣接したものを「３n+1」と表記するものとする。また、各ノズル開孔２に関しても同様に、図中中央に示したものを「２n」、その図示左側に隣接したものを「２n-1」、図示右側に隣接したものを「２n+1」と表記するものとする。
【００７６】
本実施例では、電気機械変換素子３自体を、その長手方向に直交する方向の断面を凹形の矩形形状に成形することにより抵抗構造体２４を形成した。複数の電気機械変換素子３の各々には、各電気機械変換素子自体を凹形状に成形して構成した抵抗構造体２４を設けた。抵抗構造体２４は、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から、隣接する電気機械変換素子３の方向２２へ流れるインクの流量を制限できるように、各々の電気機械変換素子３のノズル形成部材１に対向する面の、隣接する電気機械変換素子３側の両辺部分を縁としてその間の面が凹形状になるように設けた。ただし、抵抗構造体２４は、電気機械変換素子３の長手方向の端部である自由端１０には設けられていない。本実施例では、抵抗構造体２４の寸法は、電気機械変換素子３の長手方向に沿う長さを５０μｍ、凹部の深さを２μｍ、電気機械変換素子３の長手方向に直交する方向の幅を４０μｍとした。
【００７７】
電気機械変換素子３は、その固定端９において厚さ８μｍのスペーサー１１を介してノズル形成部材１に接合した。この電気機械変換素子３は、１０μｍの間隔を持ってノズル形成部材１と対向しており、このノズル形成部材１と電気機械変換素子３とが互いに対向する領域にギャップ７が形成されている。また、各ノズル開孔２の中心が、各ノズル開孔２が対向する電気機械変換素子３の長手方向中心線上であって、その自由端１０から固定端９側に約３０μｍの位置に対向する位置に配置されるように、各ノズル開孔２をノズル形成部材１に形成した。本実施例においても、電気機械変換素子３及びノズル開孔２を、上記の寸法および間隔をもって２００組形成した。
【００７８】
なお、図４では図示の便宜上省略したが、実使用時の液体噴射装置は図示したノズル形成部材１の上の領域は全てインク４０（図５参照）で満たされており、したがって各電気機械変換素子３は全ての部分がインク４０中に配されている。
【００７９】
次に、図４を参照して、本実施例の液滴噴射装置による液滴吐出動作について説明する。ここでは、図示中央の電気機械変換素子３nに対して駆動電圧を印加して変位させ、ノズル開孔２nから液滴２１を吐出させた場合を例に挙げて示す。
【００８０】
まず、電気機械変換素子３nを屈曲させてその自由端１０を変位方向２０に変位させるように、該素子３nの第１電極層４および第２電極層６に駆動電圧を印加した。このようにすることで、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３nとの間のギャップ７内に充填されていたインクに対して圧力を加えられ、該インクの一部を液滴２１としてノズル開孔２nから吐出させることができる。
【００８１】
このとき、そのギャップ７からノズル開孔２nへ向かう方向以外の周辺方向にインクが逃げる流れが生成される。このときのインクの流れのうち、隣接する電気機械変換素子３へ向かう方向２２へ逃げるインクの流れは、その流路上に設けた抵抗構造体２４により抵抗を受けて流量が制限される。これに対し、隣接する電気機械変換素子３の方向に対して直交する方向２３へ逃げるインクの流れは、抵抗構造体２４による流量の制限を受けず、十分な流量をもって流れることができる。
【００８２】
以上の動作により、本実施例においても、インクの吐出時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３nとが対向する領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの量を全体として大きく変化させずに、ノズル開孔２nから吐出するインクの量とギャップ７から逃げるインクの量との関係を適切に保った状態で安定してインクを吐出させつつも、隣接する電気機械変換素子３n-1，３n+1の方向へ逃げるインクの量を低減することにより、これらの方向に逃げるインクの流れに起因するクロストークを低減することが可能である。
【００８３】
さらに、本実施例では電気機械変換素子３の両側辺にその長さ方向全体にわたって抵抗構造体２４が設けられており、電気機械変換素子３の自由端１０近傍に抵抗構造体８を別途接合した第１の実施例の構成に比べて、電気機械変換素子３の自由端１０部分の慣性重量が相対的に小さくなっている。そのため、電気機械変換素子３は印加される印加電圧波形に対してより高速に応答することが可能であり、したがって液滴２１の吐出頻度をより多くすることができる。
【００８４】
以上説明したように、本実施例によれば、吐出動作時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔２からインクを吐出する際にクロストークを低減することができ、高密度記録が可能であるとともに、液滴２１の吐出頻度をより多くすることができる液滴噴射装置を提供することができた。
【００８５】
続いて、図４に示した本実施例の液滴噴射装置の製造方法を説明する。図６は、図４に示した液滴噴射装置の製造工程を示す断面図である。
【００８６】
本実施例の液滴噴射装置の製造工程においては、まず図６（ａ）に示すように、ノズル形成部材２０１の上に犠牲層２１０を形成した。ノズル形成部材２０１としては厚さ３００μｍ、（１１０）面方位のＳｉ単結晶ウエハを用いた。そのＳｉ単結晶ウエハの上に、高周波スパッタ法により酸化シリコン膜を８μｍの厚さに堆積して犠牲層２１０を形成した。
【００８７】
続いて図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す工程により、犠牲層２１０上に抵抗構造体の型部２１１を形成した。
【００８８】
この工程では、まず図６（ｂ）に示すように、犠牲層２１０上に感光性樹脂を塗布してパターン露光ならびに現像を行ってリフトオフ層２１６を所定の形状に形成した後、図６（ａ）の工程と同様にして、犠牲層２１０と同じ材料からなる酸化シリコン膜を犠牲層２１０およびリフトオフ層２１６の上に２μｍの厚さに堆積した。
【００８９】
次に、図６（ｃ）に示すように、リフトオフ層２１６を有機溶剤で溶解除去してリフトオフし、抵抗構造体の型部２１１を形成した。なお、リフトオフ後に短時間のウエットエッチングを行うことにより、抵抗構造体の型部２１１に生じる「バリ」の除去と、型部２１１の角部分の鈍化を行った。抵抗構造体の型部２１１の形状は、後述する抵抗構造体２４の凹形状に対応する形状の凸形形状とし、その寸法は、長手方向（図面に対して垂直な方向）の長さを５０μｍ、高さを２μｍ、幅を４０μｍとした。
【００９０】
続いて図６（ｄ）に示すように、犠牲槽２１０および抵抗構造体の型部２１１の上に、第１電極層２０４、圧電層２０５、および第２電極層２０６を順に堆積した。第１電極層２０４は、高周波スパッタ法によりＴｉを５ｎｍの厚さに堆積し、さらにＰｔを１００ｎｍの厚さに堆積して形成した。圧電層２０５は、ＺｎＯを高周波スパッタ法により７μｍの厚さに堆積して形成した。圧電層２０５の成膜条件は、ターゲットとしてＺｎＯ、スパッタリングガスとしてＡｒに１０％のＯ2を添加したものを用い、全圧２Ｐａ、基板温度２００℃、ターゲットに対して印加する高周波出力を４Ｗ／ｃｍ2とした。第２電極層２０６は、高周波スパッタ法によりＰｔを５００ｎｍの厚さに堆積して形成した。
【００９１】
続いて図６（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングによって第１電極層２０４、圧電層２０５、および第２電極層２０６をパターニング加工し、電気機械変換素子パターン２１３を形成した。パターニング加工は、第１の実施例と同様の方法によって行った。電気機械変換素子パターン２１３は、後の工程でカンチレバー型（片持ち梁状）の電気機械変換素子を形成できるように、その固定端をノズル形成部材２０１上に犠牲層２１０の一部で構成されるスペーサー１１（図４等参照）を介して固定し、その固定端から自由端までの長さが２００μｍで幅が５０μｍの矩形形状とした。
【００９２】
続いて図６（ｆ）に示すように、ノズル形成部材２０１の、電気機械変換素子パターン２１３を形成した面とは反対側の面を研磨して、ノズル形成部材２０１を厚さ３０μｍまで薄片化した。この薄片化加工は、第１の実施例と同様の方法によって行った。
【００９３】
続いて図６（ｇ）に示すように、ノズル形成部材２０１にノズル開孔２０２を形成した。本工程は、第１の実施例と同様の方法でノズル形成部材２０１の裏面にマスク層２１４を形成し、そのマスク層２１４に１５０μｍの間隔をもって直径１５μｍのマスク開口２１５を形成した後、異方性エッチングにより、直径が１５μｍで、長さがノズル形成部材２０１の厚さ分の５０μｍである複数のノズル開孔２０２を１５０μｍの間隔をもって設けた。また、各ノズル開孔２０２は、その中心が各電気機械変換素子パターン２１３長手方向中心線上であって、その自由端から固定端側に約３０μｍの位置に対向するように配置した。
【００９４】
続いて図６（ｈ）に示すように、ノズル形成部材２０１の裏面に形成していたマスク層２１４をエッチングにより除去した。
【００９５】
最後に図６（ｉ）に示すように、電気機械変換素子２０３となる部分等の保護の必要な箇所を不図示のフォトレジストからなる保護膜で保護した後、犠牲層２１０をフッ化水素酸（ＨＦ）水溶液によるエッチングで除去した。ただし、電気機械変換素子２０３の固定端が固定されるスペーサー１１（図４参照）となる部分はエッチングを行わない。そして、電気機械変換素子２０３自体を成形することにより構成した抵抗構造体２２４を有する電気機械変換素子２０３をその固定端を除いてノズル形成部材２０１から離し、ノズル形成部材２０１と電気機械変換素子２０３との間の領域であるギャップ２０７を形成した。
【００９６】
以上の工程によって、本実施例の液体噴射装置を作製した。
【００９７】
上記に説明した液滴噴射装置の製造方法によれば、吐出動作時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔２からインクを吐出する際にクロストークを低減することができ、高密度記録が可能であるとともに、液滴２１の吐出頻度をより多くすることができる本実施例の液滴噴射装置を製造することができた。さらに、上記の製造方法によれば、抵抗構造体２２４を電気機械変換素子２０３と同時に形成できるため、製造工程の簡略化を図ることができた。
【００９８】
（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例に係る液滴噴射装置を図７および図８を用いて説明する。図７は本発明の第３の実施例に係る液滴噴射装置を示す斜視図、図８は図７に示した液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッドの断面図である。
【００９９】
なお、図７もしくは図８に示すノズル形成部材１、ノズル開孔２、電気機械変換素子３、第１電極層４、圧電層５、第２電極層６、ギャップ７、凸構造より構成される抵抗構造体８、電気機械変換素子３の固定端９、電気機械変換素子３の自由端１０、スペーサー１１、インク４０、インク槽４１、インク供給部４２、インク導入ガイド４３、インク導入路４４、筐体４５、フィルタ４６、インク加熱機構４７、大気連通部４８、大気連通部４９、解放端５０、配線５１、および各電気機械変換素子３に対して個別に制御された駆動電圧を印加する機構（不図示）の各構成は図１０等に示した従来技術と同様であるので、これらに関する詳しい説明は省略する。
【０１００】
まず、図７および図８を用いて本実施例の液滴噴射装置の構成について説明する。
【０１０１】
本実施例のノズル形成部材１およびノズル開孔２は、実施例１と同様に構成した。このノズル形成部材１に対して、圧電カンチレバー型の素子からなる複数の電気機械変換素子３をその自由端１０側がノズル開孔２と対向する位置に配置した。電気機械変換素子３は厚さ５ｎｍのＴｉと１００ｎｍとのＰｔの積層膜からなる第１電極層４と、厚さ７μｍのＺｎＯからなる圧電層５と、厚さ５００ｎｍのＰｔからなる第２電極層６とを積層して構成したものであり、各素子３は幅５０μｍ、長さ２００μｍの矩形形状とした。
【０１０２】
なお、本実施例においても実施例１と同様に、図７ならびに以下の本明細書中では各々を区別する必要に応じて、各電気機械変換素子３のうち、図中中央に示したものを「３n」、その図示左側に隣接したものを「３n-1」、図示右側に隣接したものを「３n+1」と表記するものとする。また、各ノズル開孔２に関しても同様に、図中中央に示したものを「２n」、その図示左側に隣接したものを「２n-1」、図示右側に隣接したものを「２n+1」と表記するものとする。
【０１０３】
本実施例では、電気機械変換素子３自体を、その長手方向に直交する方向の断面を凹形の円弧形状に成形することにより抵抗構造体２４を形成した。複数の電気機械変換素子３の各々には、各電気機械変換素子自体を凹形の円弧形状に成形して構成した抵抗構造体２５を設けた。抵抗構造体２５は、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から、隣接する電気機械変換素子３の方向２２へ流れるインクの流量を制限できるように、各々の電気機械変換素子３のノズル形成部材１に対向する面の、隣接する電気機械変換素子３側の両辺部分を縁としてその間の面が凹形の円弧形状になるように設けた。ただし、抵抗構造体２５は、電気機械変換素子３の長手方向の端部である自由端１０には設けられていない。本実施例では、抵抗構造体２５は電気機械変換素子３の長手方向に沿って形成し、凹部の深さを４μｍ、円弧状の凹部の中心付近の曲率半径をおよそ５００μｍとした。
【０１０４】
電気機械変換素子３は、その固定端９において厚さ８μｍのスペーサー１１を介してノズル形成部材１に接合した。この電気機械変換素子３は、１０μｍの間隔を持ってノズル形成部材１と対向しており、このノズル形成部材１と電気機械変換素子３とが互いに対向する領域にギャップ７が形成されている。また、各ノズル開孔２の中心が、各ノズル開孔２が対向する電気機械変換素子３の長手方向中心線上であって、その自由端１０から固定端９側に約３０μｍの位置に対向する位置に配置されるように、各ノズル開孔２をノズル形成部材１に形成した。本実施例においても、電気機械変換素子３及びノズル開孔２を、上記の寸法および間隔をもって２００組形成した。
【０１０５】
なお、図７では図示の便宜上省略したが、実使用時の液体噴射装置は図示したノズル形成部材１の上の領域は全てインク４０（図８参照）で満たされており、したがって各電気機械変換素子３は全ての部分がインク４０中に配されている。
【０１０６】
次に、図７を参照して、本実施例の液滴噴射装置による液滴吐出動作について説明する。ここでは、図示中央の電気機械変換素子３nに対して駆動電圧を印加して変位させ、ノズル開孔２nから液滴２１を吐出させた場合を例に挙げて示す。
【０１０７】
まず、電気機械変換素子３nを屈曲させてその自由端１０を変位方向２０に変位させるように、該素子３nの第１電極層４および第２電極層６に駆動電圧を印加した。このようにすることで、ノズル形成部材１と電気機械変換素子３nとの間のギャップ７内に充填されていたインクに対して圧力を加えられ、該インクの一部を液滴２１としてノズル開孔２nから吐出させることができる。
【０１０８】
このとき、そのギャップ７からノズル開孔２nへ向かう方向以外の周辺方向にインクが逃げる流れが生成される。このときのインクの流れのうち、隣接する電気機械変換素子３へ向かう方向２２へ逃げるインクの流れは、その流路上に設けた抵抗構造体２５により抵抗を受けて流量が制限される。これに対し、隣接する電気機械変換素子３の方向に対して直交する方向２３へ逃げるインクの流れは、抵抗構造体２５による流量の制限を受けず、十分な流量をもって流れることができる。
【０１０９】
以上の動作により、本実施例においても、インクの吐出時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３nとが対向する領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの量を全体として大きく変化させずに、ノズル開孔２nから吐出するインクの量とギャップ７から逃げるインクの量との関係を適切に保った状態で安定してインクを吐出させつつも、隣接する電気機械変換素子３n-1，３n+1の方向へ逃げるインクの量を低減することにより、これらの方向に逃げるインクの流れに起因するクロストークを低減することが可能である。特に本実施例では、電気機械変換素子３を円弧状に形成して抵抗構造体２５を構成していることから、隣接する電気機械変換素子３側から受けるインクの圧力変動によるインクの流れに対する抵抗が小さく、その影響を低減できるため、クロストークをより低減することができる。
【０１１０】
さらに、本実施例では電気機械変換素子３の両側辺にその長さ方向全体にわたって抵抗構造体２５が設けられており、電気機械変換素子３の自由端１０近傍に抵抗構造体８を別途接合した第１の実施例の構成に比べて、電気機械変換素子３の自由端１０部分の慣性重量が相対的に小さくなっている。そのため、電気機械変換素子３は印加される印加電圧波形に対してより高速に応答することが可能であり、したがって液滴２１の吐出頻度をより多くすることができる。
【０１１１】
以上説明したように、本実施例によれば、吐出動作時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３との間の領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔２からインクを吐出する際にクロストークを低減することができ、高密度記録が可能であり、液滴２１の吐出頻度をより多くすることができる液滴噴射装置を提供することができた。
【０１１２】
続いて、図７に示した本実施例の液滴噴射装置の製造方法を説明する。図９は、図７に示した液滴噴射装置の製造工程を示す断面図である。
【０１１３】
本実施例の液滴噴射装置の製造工程においては、まず図９（ａ）に示すように、ノズル形成部材２０１上に熱可塑性材料パターン２１７を形成した。ノズル形成部材２０１としては厚さ３００μｍ、（１１０）面方位のＳｉ単結晶ウエハを用いた。また熱可塑性材料パターン２１７は、熱可塑性の感光性樹脂であるフォトレジスト（例えば、東京応化工業（株）製のＰＭＥＲ Ｐ−ＬＡ９００）を厚さ３μｍに塗布した後に、後述する犠牲層成形部材２１８を成す所定のパターニングを行って形成した。熱可塑性材料パターン２１７は、図示した断面における厚さを５μｍ、幅を３５μｍとし、後述する電気機械変換素子２０３の固定端から自由端までの長さに対応する長手方向（図面に対して垂直な方向）の長さを２５０μｍとした。
【０１１４】
続いて図９（ｂ）に示すように、熱可塑性材料パターン２１７をリフローして変形させ、その長手方向に直交する方向の断面が円弧形状を有する犠牲層成形部材２１８を形成した。リフローは１６０℃のオーブン内で行い、犠牲層成形部材２１８の寸法は、その長手方向の長さ全体にわたって、中心部の高さが４μｍ、中心付近の曲率半径がおよそ５００μｍ、幅が４０μｍとなるようにした。
【０１１５】
続いて図９（ｃ）に示すように、ノズル形成部材２０１および犠牲層成形部材２１８の上に、高周波スパッタ法により酸化マグネシウム膜を１０μｍの厚さに堆積して犠牲層２１０を形成した。犠牲層２１０の成膜に際しては、ターゲットとしてＭｇＯを焼成したものを用い、スパッタリングガスとしてＡｒとＯ2を５：２に混合したガスを用い、高周波出力をターゲットに対して２．０Ｗ／ｃｍ2で印加し、ノズル形成部材２０１の表面温度が１４０℃を超えないようにノズル形成部材２０１をその裏面側から適宜冷却した。
【０１１６】
続いて図９（ｄ）に示すように、ノズル形成部材２０１と犠牲層２１０との間の犠牲層成形部材２１８を有機溶剤により溶解して除去し、これにより犠牲層２１０で抵抗構造体の型部２１１を構成した。本工程においては、犠牲層２１０の一部を加工して有機溶剤の浸入口（不図示）を形成した後、図９（ｄ）に示す全体を有機溶剤であるアセトンに浸漬することで犠牲層成形部材２１８を溶解・除去した。抵抗構造体の型部２１１の断面形状は、後述する電気機械変換素子２０３の凹形円弧状の断面形状に対応する形状である凸形円弧状とした。抵抗構造体の型部２１１の寸法は、上述した犠牲層成形部材２１８の寸法を反映して、中心部の高さを４μｍ、中心付近の曲率半径をおよそ５００μｍ、幅を５０μｍとした。
【０１１７】
続いて図９（ｅ）に示すように、抵抗構造体の型部２１１の上に、第１電極層２０４、圧電層２０５、および第２電極層２０６を順に堆積した。第１電極層２０４は、高周波スパッタ法によりＴｉを５ｎｍの厚さに堆積し、さらにＰｔを１００ｎｍの厚さに堆積して形成した。圧電層２０５は、ペロブスカイト系圧電材料としてＰｂ（ＺｒxＴｉ(1-x)）Ｏ3を３μｍの厚さに堆積して形成した。圧電層５の成膜条件は、ターゲットとして、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、およびＯをＰｂ1.1Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5Ｏxの比率で混合焼成したものを用い、スパッタリングガスとしてＡｒとＯ2を５：１に混合したガスを用い、ターゲットに対して印加する高周波出力を１.５Ｗ／ｃｍ2とし、基板温度を６２０℃とした。第２電極層２０６は、高周波スパッタ法によりＰｔを５００ｎｍの厚さに堆積して形成した。
【０１１８】
続いて図９（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングによって第１電極層２０４、圧電層２０５、および第２電極層２０６をパターニング加工し、電気機械変換素子パターン２１３を形成した。エッチングは、第１電極層４と第２電極層６はＡｒガスによるプラズマを用いたドライエッチングで行い、圧電層５は酸性水溶液を用いたウェットエッチングで行った。電気機械変換素子パターン２１３は、カンチレバー型の素子としてその固定端がノズル形成部材２０１上に犠牲層２１０の一部で構成されるスペーサー１１（図７等参照）を介して固定し、その固定端から自由端までの長さが２００μｍで、幅が５０μｍの矩形形状とした。
【０１１９】
続いて図９（ｇ）に示すように、ノズル形成部材２０１の、電気機械変換素子パターン２１３を形成した面とは反対側の面を研磨して、ノズル形成部材２０１を厚さ３０μｍまで薄片化した。この薄片化加工は、第１の実施例と同様の方法によって行った。
【０１２０】
続いて図９（ｈ）に示すように、ノズル形成部材２０１にノズル開孔２０２を形成した。本工程は、第１の実施例と同様の方法でノズル形成部材２０１の裏面にマスク層２１４を形成し、そのマスク層２１４に１５０μｍの間隔をもって直径１５μｍのマスク開口２１５を形成した後、異方性エッチングにより、直径が１５μｍで、長さがノズル形成部材２０１の厚さ分の５０μｍである複数のノズル開孔２０２を１５０μｍの間隔をもって設けた。また、各ノズル開孔２０２は、その中心が各電気機械変換素子パターン２１３長手方向中心線上であって、その自由端から固定端側に約３０μｍの位置に対向するように配置した。
【０１２１】
続いて図９（ｉ）に示すように、ノズル形成部材２０１の裏面に形成していたマスク層２１４をエッチングにより除去した。
【０１２２】
最後に図９（ｊ）に示すように、電気機械変換素子２０３となる部分などの保護の必要な箇所を不図示のフォトレジストからなる保護膜で保護した後、酸化マグネシウムからなる犠牲層２１０（抵抗構造体の型部２１１でもある）をリン酸水溶液によるエッチングで除去した。ただし、電気機械変換素子２０３の固定端が固定されるスペーサー１１（図７参照）となる部分はエッチングを行わない。そして、円弧状の抵抗構造体２２５を有する電気機械変換素子２０３をその固定端を除いてノズル形成部材２０１から離し、ノズル形成部材２０１と電気機械変換素子２０３との間の領域にギャップ２０７を形成した。
【０１２３】
以上の工程によって、本実施例の液体噴射装置を作製した。
【０１２４】
上記に説明した液滴噴射装置の製造方法によれば、吐出動作時にノズル形成部材１と電気機械変換素子３とが対向する領域の空間であるギャップ７から逃げるインクの流れ方向成分を制御することで、高い密度で配された複数のノズル開孔２からインクを吐出する際にクロストークを低減することができ、高密度記録が可能であるとともに、液滴２１の吐出頻度をより多くすることができる本実施例の液滴噴射装置を製造することができた。さらに、上記の製造方法によれば、第２の実施例と同様に、抵抗構造体２２５を電気機械変換素子２０３と同時に形成できるため、製造工程の簡略化を図ることができた。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液滴噴射装置は、電気機械変換素子をノズル形成部材に近づく方向に変位させたときに、ノズル形成部材と電気機械変換素子との間の領域の空間からその電気機械変換素子に隣接する他の電気機械変換素子の方向へ流れるインクの流量を制限する抵抗構造体が各電気機械変換素子上に設けられているので、吐出動作時のインクの逃げ方向成分を制御し、高い密度で配された複数のノズルからクロストークを低減した吐出を行うことができ、高密度記録を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の構成を示す斜視図であるとともに、本発明の第１の実施例に係る液滴噴射装置を示す斜視図である。
【図２】図１に示した液滴吐出装置が適用されたインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【図３】図１に示した液滴噴射装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る液滴噴射装置を示す斜視図である。
【図５】図４に示した液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッドの断面図である。
【図６】図４に示した液滴噴射装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る液滴噴射装置を示す斜視図である。
【図８】図７に示した液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッドの断面図である。
【図９】図７に示した液滴噴射装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】従来の液滴噴射装置が適用されたインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。
【図１１】図１０に示した液滴噴射装置を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１，２０１    ノズル形成部材
２，２０２    ノズル開孔
３，２０３    電気機械変換素子
４，２０４    第１電極層
５，２０５    圧電層
６，２０６    第２電極層
７，２０７    ギャップ
８，２４，２５，２０８，２２４，２２５    抵抗構造体
９    固定端
１０    自由端
１１    スペーサー
２０    変位方向
２１    液滴
２２，２３    インク逃げ方向
４０    インク
４１    インク槽
４２    インク供給部
４３    インク導入ガイド
４４    インク導入路
４５    筐体
４６    フィルタ
４７    インク加熱機構
４８，４９    大気連通部
５０    解放端
５１    配線
２１０    犠牲層
２１１    抵抗構造体の型部
２１２    抵抗構造体部材
２１３    電気機械変換素子パターン
２１４    マスク層
２１５    マスク開口
２１６    リフトオフ層
２１７    熱可塑性材料パターン
２１８    犠牲層成形部材
【図１】
2004209723.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004209723.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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