(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルが連通する圧力発生室と、この圧力発生室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを備え、前記振動板を静電気力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の振動部に対向する前記電極側は断面形状が前記振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
液滴を吐出するノズルが連通する圧力発生室と、この圧力発生室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを備え、前記振動板を静電気力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の振動部に対向する前記電極側は断面形状が前記振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状であり、且つ、前記電極は凸部表面側に設けられ、凸部側面及び凹部底面には設けられていないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極側の凹部の深さが０．２μｍ以上であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極側の凹部はアスペクト比が２を越えないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電極側の凹部は複数個配置され、各凹部の間隔が５０μｍを越えないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、主平面を有する基板に凹部を形成した後、電極を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、主平面を有する基板に電極を形成した後、凹部を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する圧力発生室（インク流路、インク室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。）と、この圧力発生室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、振動板と電極との間に電圧を印加することで発生する静電力により振動板を変形させて、圧力発生室内の圧力／体積を変化させることによりノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
このような静電型のインクジェットヘッドにおいては、静電アクチュエータを構成する振動板と電極との間に作用する静電力は、振動板と電極との間の距離の二乗に反比例して小さくなるので、液滴を吐出するため振動板の変位量を確保するためには、この振動板と電極との間の空間（以下、「ギャップ空間」と称する。）を非常に狭く形成する必要がある。さらに、この振動板の変位量は振動板の厚さの３乗に反比例するので、この所望の変位量を確保するには、振動板の厚さも薄くする必要がある。
【０００４】
ところが、このような微小ギャップ空間は、環境温度などの外乱による影響を受けやすく、外乱によって振動板の変位量が変化すると、インク滴噴射特性、即ちインク滴吐出量やインク滴吐出速度が増加又は減少する等の変化が起こり、画像品質が劣化することがある。
【０００５】
また、静電型アクチュエータにおいて、振動板は薄く成形されており、液滴吐出のために液室内に発生される圧力はそれほど大きくないので、振動板はギャップ内の圧力の影響を受けやすい。さらに、微小なギャップ内に水分や塵埃などの異物が侵入すると、アクチュエータの動作に影響を与え、動作が不安定になる。
【０００６】
そこで、従来の静電型インクジェットヘッドにおいては、例えば特開平７−２９９９０８号公報に記載されているように、ギャップ空間を封止し、その容積変化量を規定したり、一定値に保ったりするようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインクジェットヘッドのようにギャップ空間を封止した場合、振動板の変形によってギャップ空間内の空気が圧縮されると、ギャップ空間の圧力が増加し、振動板の変位を阻害することになり、振動板の変位効率が低下する。
【０００８】
また、振動板と電極の距離が１μｍ以下の場合、ギャップ空間内の空気の流れは非常に大きな抵抗を持つことになり、高速な内部変化には追従できないため、ギャップ空間が大気開放されていたとしても、パルス駆動などではギャップ空間の内部圧力の上昇が起こり、振動板の変位が阻害され、振動板の変位効率が低下する。
【０００９】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ギャップ内の内部圧力の上昇を防止して振動板の変位効率を向上し、低電圧駆動化を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状である構成としたものである。
【００１１】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状であり、且つ、電極は凸部表面側に設けられ、凸部側面及び凹部底面には設けられていない構成としたものである。
【００１２】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、電極側の凹部は平面形状で島状又はストライプ状に形成されていることが好ましい。また、電極側の凹部は深さが０．２μｍ以上であることが好ましい。さらに、電極側の凹部はアスペクト比が２を越えないことが好ましい。更にまた、電極側の凹部は複数個配置され、各凹部の間隔が５０μｍを越えないことが好ましい。
【００１３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、主平面を有する基板に凹部を形成した後、電極を形成するものである。また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、主平面を有する基板に電極を形成した後、凹部を形成するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図３は図２の要部拡大説明図、図４は同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図である。
【００１５】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板を用いた第一基板である流路基板１と、この流路基板１の下側に設けたシリコン基板を用いた第二基板である電極基板２と、流路基板１の上側に設けた第三基板であるノズル板３とを備え、インク滴を吐出する複数のノズル４、各ノズル４が連通するインク流路である圧力発生室６、各圧力発生室６にインク供給路を兼ねた流体抵抗部７を介して連通する共通液室８などを形成している。
【００１６】
ここでは、流路基板１として結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を用いて、ノズル４が連通する複数の圧力発生室６及びこの圧力発生室６の壁面である底部をなす振動板１０（電極を兼ねている）を形成する凹部を形成している。ノズル板３にはノズル４となる孔及び流体抵抗部７を形成する溝を形成し、また流路基板１と電極基板２には共通液室８を形成する貫通部を形成している。
【００１７】
この場合、流路基板１には予め振動板厚さにボロンを注入してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層を形成し、電極基板２と接合した後、圧力発生室６となる凹部をＫＯＨ水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッチングストップ層となって振動板１０が高精度に形成される。
【００１８】
なお、振動板１０に別途第一電極となる電極膜を形成してもよいが、上述したように不純物の拡散などによって振動板が電極を兼ねるようにしている。また、振動板１０の電極基板２側の面に絶縁膜を形成することもできる。この絶縁膜としてはＳiＯ2等の酸化膜系絶縁膜、Ｓi3Ｎ4等の窒化膜系絶縁膜などを用いることができる。絶縁膜の成膜は、振動板表面を熱酸化して酸化膜を形成したり、成膜手法を用いたりすることができる。
【００１９】
また、電極基板２は、結晶面方位（１００）のシリコン基板を用いて、熱酸化法などで酸化層（酸化膜層）２ａを形成し、この酸化層２ａにエッチングで凹部１４を形成して、この凹部１４底面に振動板１０にギャップ空間１６を置いて対向する電極１５を形成して、これらの振動板１０と電極１５とによってアクチュエータ部（圧力発生手段）を構成している。この電極１５の表面にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）などの酸化系絶縁膜或いはＳi3Ｎ4膜などの窒化膜系絶縁膜からなる保護膜１７を成膜している。
【００２０】
ここで、電極基板２の凹部１４底面（これを「主平面」という。）には、図３に示すように、振動板短手方向で複数の第二凹部１８を形成し、主平面並びに第二凹部１８の壁面及び底面を含めて、電極１５及び保護膜１７を形成することにより、このインクジェットヘッドにおける電極側は断面形状で凹凸形状に形成し、電極基板２の主平面に、ギャップ空間１６に連通する凹部である窪み（凹部空間）１９を形成している。
【００２１】
ここで、窪み１９の配置パターン（第二凹部１８の配置パターン）は、例えば図５に示すように平面形状（振動板側から見た状態の形状）で島状に配置することもできるし、或いは図６に示すように平面形状でストライプ状に配置することもできる。窪み１９の配置パターンを規則的なパターンとすることによって振動板１０と電極１５との間に作用する静電力のバラツキを低減することができる。
【００２２】
また、窪み１９の深さは０．２μｍ以上、アスペクト比が２を越えないようにするとともに、各窪み１９の間隔は５０μｍ以下としている。具体的には、窪み１９の振動板短手方向の幅は２μｍ、間隔は５μｍ、深さは０．８μｍとしている。
【００２３】
なお、電極基板２の電極１５としては、金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるＡｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属材料や、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ等の高融点金属、または不純物により低抵抗化した多結晶シリコン材料などを用いることができる。
【００２４】
また、電極基板２にはパイレックスガラス（硼珪酸ガラス）やセラミック基板などを用いることができ、この場合には絶縁性を有しているので、そのまま凹部１４を形成することができる。
【００２５】
さらに、電極基板２の凹部１４は振動板短手方向で断面形状が傾斜面を有する形状或いはガウシアン形状などともすることができ、この凹部１４の底面に電極１５を形成することにより、振動板１０と電極１５とを振動板短手方向で非平行状態で対向させることもできる。なお、このように非平行な振動板１０と電極１５で形成されるギャップ１６を非平行ギャップと称する。また、振動板１０と電極１５とを振動板長手方向で非平行状態で対向させることもできる。
【００２６】
ノズル板３には、多数のノズル４を形成するとともに、共通液室８と圧力発生室６を連通するための流体抵抗部７を形成する溝部を形成している。ここでは、インク吐出面（ノズル４表面側）には撥水性皮膜を成膜している。このノズル板３にはステンレス基板（ＳＵＳ）を用いているが、この他、エレクトロフォーミング（電鋳）工法によるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマレーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で穴加工をしたもの等でも用いることができる。
【００２７】
このインクジェットヘッドは、ノズル４を二列配置し、この各ノズル４に対応して圧力発生室６、振動板１０、電極１５なども二列配置し、各ノズル列の中央部（ヘッド中央部）に共通液室８を配置して、共通液室８から左右の圧力発生室６にインクを振り分けて供給する構成を採用している。これにより、各圧力発生室６へのインク供給を均等に配分することができ、各圧力発生室の駆動状態の緩衝をほとんど受けることなく、均一なインク滴吐出特性を確保することができて、簡単なヘッド構成で多数のノズル４を有するマルチノズルヘッドを構成することができる。
【００２８】
そして、電極１５は外部に延設して接続部（電極パッド部）１５ａとし、これに図示しないが、ヘッド駆動回路であるドライバＩＣをワイヤボンドによって搭載したＦＰＣケーブルを異方性導電膜などを介して接続している。このとき、電極基板２とノズル板３との間（ギャップ１６入口）はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤にて気密封止することもできる。
【００２９】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板１０を共通電極とし、電極１５を個別電極として、振動板１０と電極１５との間にパルス電圧を印加することにより、振動板１０と電極１５との間に静電力（静電吸引力）が発生して、図４に示すように、振動板１０が電極１５側に変形変位する。これにより、圧力発生室６の内容積が拡張されて内圧が下がるため、流体抵抗部７を介して共通液室８から圧力発生室６にインクが充填される。
【００３０】
次いで、電極１５への電圧印加を断つと、静電力が作用しなくなり、振動板１０はそれ自身のもつ弾性によって復元する。この動作に伴い圧力発生室６の内圧が上昇し、ノズル４からインク滴が吐出される。再び電極１５に電圧を印加すると、再び静電吸引力によって振動板１０は電極側に引き込まれる。
【００３１】
ここで、このインクジェットヘッドにおいては、電極側を断面形状で凹凸形状とすることにより、電極側にギャップ空間１６に連通する窪み（凹部空間）１９を形成しているので、この凹部空間１９の体積分、実効的なギャップ空間１６の体積が増加する。この場合、振動板１０によって排除される体積に対して、ギャップ空間１６内の体積が大きくなるほど内部の圧力上昇を抑えることができるので、窪み１９を設けることによって圧力上昇を抑えて、低電圧駆動化を図ることができる。
【００３２】
すなわち、前述したようにギャップ空間１６が大気開放されていても、パルス駆動では内部圧力の上昇が起こり、振動板１０の変位を阻害する。これを確認するために、振動板と電極との間隔（ギャップ長）を０．２μｍ、振動板厚さを２μｍとしたアクチュエータに対してパルス電圧を印加し、振動板が電極表面に接触する閾電圧Ｖを、振動板の幅Ｗを変えて求めたところ図７に示すようになった。
【００３３】
同図から分かるように、振動板の幅を広くすると閾電圧Ｖは低下するが、振動板の幅がある幅を超える（同図の例では振動板幅Ｗが約１００μｍを越える）と、振動板の幅を広くしても閾電圧Ｖが低下しなくなる。これは、振動板によって排除されるギャップ空間内の空気が、ギャップ空間内の空気抵抗のために局所的な圧力上昇を起こし、振動板の変位を阻害するようになるためである。
【００３４】
そこで、上述したように電極側を断面凹凸形状として窪み１９を設け、ギャップ空間１６の容積を大きくすることによって、振動板１０の変位によるギャップ空間１６内圧力の上昇を防止することができて、窪み１９を有しない場合に比べて低電圧駆動を行うことができるようになる。
【００３５】
また、窪み１９の深さは０．２μｍ以上とすることが好ましい。窪み１９の深さが０．２μｍより小さい場合には、ギャップ空間１６の実効的な体積を十分に増加することができず、内部圧力の上昇を効果的に抑えることができないことが多い。更に窪み１９のアルペクト比（深さ／幅）は２以下とすることが好ましい。アスペクト比が２を越えると、特殊なエッチングプロセスが必要となり、製造工程の煩雑化によるコストアップやばらつきが発生することがある。
【００３６】
さらに、複数の窪み１９の間隔は５０μｍ以下にすることが好ましい。特に、ギャップ長が１μｍ以下の微小なギャップ空間１６内における空気の移動には極めて大きな抵抗が加わるので、窪み１９の間隔が５０μｍより広いと、この抵抗によって窪み１９内への空気の流れが阻害され、効果的に内部圧力の上昇を抑えることができないことがある。
【００３７】
次に、本発明の他の実施形態に係るインクジェットヘッドについて図８を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの電極基板の振動板短手方向の模式的断面説明図である。
この実施形態では、電極基板２の凹部１４底面（主平面）に、同図に示すように、振動板短手方向で複数の第二凹部１８を形成し、主平面に電極１５を形成するとともに、電極１５及び第二凹部１８の壁面及び底面を含めて保護膜１７を形成することにより、このインクジェットヘッドにおける電極側は断面形状で凹凸形状に形成し、電極基板２の主平面に、ギャップ空間１６に連通する凹部である窪み（凹部空間）１９を形成している。
【００３８】
すなわち、この実施形態においては、電極側の断面凹凸形状を形成する第二凹部１８間に残存している凸部２０の表面に電極１５を形成し、第二凹部１８の壁面及び底面には電極１５を形成していない構成としている。
【００３９】
このように第二凹部１８の壁面及び底面に電極１５を形成しないことにより、第二凹部１８の振動板短手方向の幅が電極１５によって狭められないので、第二凹部１８の振動板短手方向の幅を狭くしつつ窪み１９の振動板短手方向の幅を確保することができる。
【００４０】
次に、本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について図９を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの電極基板２の製造工程を説明する振動板短手方向の断面説明図である。
【００４１】
まず、同図（ａ）に示すように、電極基板２となるｎ型シリコン基板３２には熱酸化によって酸化層３２ａを２μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法によって、この酸化層３２ａに深さ０．６μｍの凹部１４を形成する。次いで、同図（ｂ）に示すように、凹部１４の底面（主平面）にフォトリソグラフィー法とドライエッチング法によって第二凹部１８を深さ０．８μｍで形成する。
【００４２】
その後、同図（ｃ）に示すように、電極１５となるＴｉＮ膜を０．２μｍの厚さで成膜し、このＴｉＮ膜を電極形状にパターニングして主平面の一部及び第二凹部１８の壁面及び底面に電極１５を形成する。次いで、同図（ｄ）に示すように、電極１５表面を含めて全面に保護膜１７となるＳｉＯ2膜を０．２μｍの厚さで成膜し、これをパターンニングして、保護膜１７を主平面並びに第二凹部１８の壁面及び底面に有し、窪み１９が形成された電極基板２を得る。
【００４３】
次に、本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について図１０及び図１１を参照して説明する。なお、図１０は同ヘッドの電極基板２の製造工程を説明する振動板短手方向の断面説明図、図１１は同ヘッドの電極基板２の上面説明図である。
【００４４】
まず、各図（ａ）に示すように、電極基板２となるｎ型シリコン基板３２には熱酸化によって酸化層３２ａを２μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法によって、この酸化層３２ａに深さ０．６μｍの凹部１４を形成し、この酸化層３２ａの全面に電極１５を形成するためのＴｉＮ膜３３を０．２μｍの厚さで成膜する。
【００４５】
次に、各図（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法によってＴｉＮ膜３３をパターニングして第二凹部１８を形成する部分のＴｉＮ膜３３を除去し、連続して酸化層３２ａを深さ０．８μｍまでドライエッチング法によってエッチングして、第二凹部１８を形成するとともに、第二凹部１８間の凸部２０表面に電極１５を形成する。
【００４６】
次いで、各図（ｃ）に示すように、電極１５及び残存しているＴｉＮ膜３３表面並びに第二凹部１８の壁面及び底面を含めて全面に、ＴＥＯＳ或いはモノシランソースによるプラズマＣＶＤ法によって保護膜１７となるＳｉＯ2膜３４を０．２μｍの厚みで成膜する。そして、同図（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法によってパターニングして、不要な部分のＴｉＮ膜３３をアルカリ系のエッチャントを用いて除去して、電極１５を主平面（凸部２０表面）に、保護膜１７を電極表面並びに第二凹部１８の壁面及び底面に有し、窪み１９が形成された電極基板２を得る。
【００４７】
なお、上記各実施形態においては、本発明をインク滴を吐出するインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インク以外の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができる。
【００４８】
【課題を解決するための手段】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状である構成としたので、ギャップ空間内の圧力上昇を低減することができて、振動板の変位効率が向上し、低電圧駆動化を図ることができる。
【００４９】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状であり、且つ、電極は凸部表面側に設けられ、凸部側面及び凹部底面には設けられていない構成としたので、ギャップ空間内の圧力上昇を低減することができて、振動板の変位効率が向上し、低電圧駆動化を図ることができるとともに、凹部内に電極がない分小さな凹部で同じ凹部空間を確保することができる。
【００５０】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、電極側の凹部は平面形状で島状又はストライプ状に形成することで、振動板と電極との間に生じる静電力のバラツキを低減することができる。
【００５１】
また、電極側の凹部は深さが０．２μｍ以上とすることにより、ギャップ空間の実効的な体積を十分に増加することができる。さらに、電極側の凹部はアスペクト比が２を越えないことにより、簡単な製造プロセスで凹部を形成することができる。
【００５２】
更にまた、電極側の凹部は複数個配置し、各凹部の間隔が５０μｍを越えないものとすることにより、電極側凹部への空気の流れが阻害されることを回避できる。
【００５３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、主平面を有する基板に凹部を形成した後、電極を形成するので、凹凸部全面に電極を形成したヘッドを容易に得ることができる。また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、主平面を有する基板に電極を形成した後、凹部を形成するので、凹部内に電極を有さず、凸部表面側に電極を有するヘッドを容易にえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板長手方向の模式的要部説明図
【図３】同ヘッドの振動板短手方向の模式的要部説明図
【図４】同実施形態の作用説明に供する模式的要部説明図
【図５】同実施形態における窪みの配置パターンの一例を説明する平面説明図
【図６】同実施形態における窪みの配置パターンの他の例を説明する平面説明図
【図７】静電型ヘッドにおける閾電圧と振動板幅との関係を説明する説明図
【図８】本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向の模式的要部説明図
【図９】本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明する断面説明図
【図１０】本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明する断面説明図
【図１１】同実施形態に説明に供する平面説明図
【符号の説明】
１…流路基板、２…電極基板、３…ノズル板、４…ノズル、６…圧力発生室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１０…振動板、１４…凹部、１５…電極、１６…ギャップ空間、１７…保護膜、１８…第二凹部、１９…窪み、２０…凸部。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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