(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出する複数のノズルと、各ノズルが連通する液室と、各液室の壁面を形成する振動板と、各振動板にギャップをおいて対向する対向電極とを有し、前記振動板を設けた第一基板と前記電極を設ける絶縁膜を形成した導電性の第二基板とを接合した液滴を吐出するヘッドにおいて、
前記第二基板上に前記絶縁膜、前記対向電極及び前記ギャップが形成された絶縁膜が順に積層され、前記ギャップが形成された絶縁膜と前記第一基板に設けられた前記振動板とが接合され、
前記第二基板上に直接設けられた前記絶縁膜に設けられた基板電位取り出し用接続孔を介して前記第二基板に接続された基板電位取り出し用電極が設けられ、
前記基板電位取り出し用接続孔及び前記基板電位取り出し用電極が隣り合う前記対向電極の間の領域に形成されている
ことを特徴とする液滴を吐出するヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液滴を吐出するヘッドにおいて、前記基板電位取り出し用接続孔の開口幅が前記電極の厚さに前記電極上に形成した絶縁膜の厚さを加えた値の２倍を越えないことを特徴とする液滴を吐出するヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液滴を吐出するヘッドにおいて、前記第二基板の前記ギャップが形成された絶縁膜は基板電位取り出し用電極上に形成され絶縁膜表面がＣＭＰ研磨されて前記第一基板に設けられた振動板と直接接合されていることを特徴とする液滴を吐出するヘッド。
【請求項４】
液滴を吐出するヘッドを備えた画像形成装置において、前記ヘッドが請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴を吐出するヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴を吐出するヘッド及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ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液室（インク流路、圧力室、吐出室、加圧液室等とも称される。）と、この液室の少なくとも一部の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する対向電極とを有し、振動板と対向電極との間に電圧を印加することで発生する静電気力により振動板を変形変位させて、液室内の圧力／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】
このような静電型インクジェットヘッドとしては、例えば特開平６−７１８８２号公報に記載されているように、振動板及び液室を形成したシリコン基板からなる第一基板と、シリコン酸化膜に凹部を形成して、この凹部底面に対向電極を形成したシリコン基板からなる第二基板と、ノズルを形成した第三基板とをＳｉ−Ｓｉの直接接合法で接合し、振動板と対向電極との間のギャップ長を凹部の段差深さと対向電極厚みで規定するものが知られている。なお、凹部を振動板を形成する第一基板側にも設ける構造のものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した静電型インクジェットヘッドのように対向電極を絶縁膜を介してシリコン基板などの導電性基板に形成した場合、導電性基板がフローティング状態にあると、対向電極に電圧を印加したときに、対向電極と導電性基板との間の容量カップリングにより、基板電位が変動し、噴射特性が変動するという現象が生じ、特に、多数のノズルから同時にインク滴を吐出させようとする場合にその影響が大きくなるという課題がある。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、インク滴吐出特性のバラツキを低減した液滴を吐出するヘッド及びこれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴を吐出するヘッドは、第二基板上に直接設けられた絶縁膜に設けられた基板電位取り出し用接続孔を介して第二基板に接続された基板電位取り出し用電極が設けられ、基板電位取り出し用接続孔及び基板電位取り出し用電極が隣り合う対向電極の間の領域に形成されている構成としたものである。
【０００７】
ここで、基板電位取り出し用接続孔の開口幅が電極の厚さに電極上に形成した絶縁膜の厚さを加えた値の２倍を超えないことが好ましい。また、第二基板の電極表面を覆うギャップが形成された絶縁膜表面をＣＭＰ研磨して第一基板と直接接合していることが好ましい。
本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液滴を吐出するヘッドを備えたものである。
【０００８】
【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を吐出するヘッドとしてのインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図２は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図、図３は同ヘッドの電極パターンの平面説明図である。
【０００９】
このインクジェットヘッドは、シリコン基板を用いた第一基板１と、この第一基板１の下側に設けたシリコン基板を用いた導電性の電極基板である第二基板２と、第一基板１の上側に設けたノズルユニット３とを備え、ノズルユニット３は流路形成板４、共通インク室形成板５及びノズル板６からなり、複数のインク滴を吐出するノズル孔７、各ノズル孔７が連通するインク流路である液室８、各液室８にインク供給路を兼ねた流体抵抗部９を介して連通する共通インク室１０及びノズル孔７と液室８とを連通するノズル連通路１１などを形成している。
【００１０】
第一基板１には、液室８及び液室８の壁面の一部を形成する電極を兼ねた振動板１５を形成する凹部１６を形成している。この第一基板１は、例えば、シリコン基板に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、第二基板２側と接合した後、液室８となる凹部１６などを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し、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１５などが形成される。
【００１１】
一方、第二基板２にはシリコン酸化膜などからなる絶縁膜２１を形成し、この絶縁膜２１上に振動板１５に所定のギャップ１７を置いて対向する個別対向電極２２を配置し、これらの振動板１５と対向電極２２とによって振動板１５を静電気力で変形させる静電アクチュエータを構成している。また、絶縁膜２１の一部に基板電位取り出し用接続孔２３を開口し、絶縁膜２１表面から接続孔２３を介して第二基板２に電気的に接続された基板電位取り出し用電極２４を形成している。
【００１２】
この基板電位取り出し用電極２４は、図３に示すように、対向電極２２を取り囲むドーナツ状に配置し、また、対向電極２２及び基板電位取り出し用電極２４は略同一平面で外部と接続する電極パッド部２２ａ、２４ａをそれぞれ形成している。そして、これらの対向電極２２及び基板電位取り出し用電極２４に電極パッド部２２ａ、２４ａを除いてシリコン酸化膜２５を成膜し、このシリコン酸化膜２５にギャップ１７を形成する凹部２６を形成することによって、凹部２６以外の部分を第一基板１と接合する接合部２７及び接合部を兼ねたギャップ間隔壁２８として形成している。
【００１３】
ここで、図４に示すように、基板電位取り出し用接続孔２３の開口幅をＳ、シリコン酸化膜２５の厚みをＴｏｘ、基板電位取り出し用電極２４及び対向電極２２の厚みをＴｃｅとしたとき、Ｓ＜２（Ｔｏｘ＋Ｔｃｅ）の関係が成り立つ、つまり、基板電位取り出し用接続孔２３の開口幅Ｓが電極２４の厚さＴｃｅにシリコン酸化膜２５の厚さＴｏｘを加えた値の２倍を超えないように形成している。
【００１４】
このように基板電位取り出し用接続孔２３の開口幅Ｓを規定することにより、絶縁膜（シリコン酸化膜）２１に形成した接続孔２３部分の段差を電極材料及びシリコン酸化膜２５によってほぼ完全に埋め込むことができ、接合部２７及びギャップ間隔２８に直接接合するための平坦化処理（例えばＣＭＰ処理）を施した場合の段差の角の丸まりを低減することができる。
【００１５】
ノズルユニット３の流路形成板４にはインク供給路（流体抵抗部）９を形成する通孔及びノズル連通路１１を形成する通孔を、共通インク室形成板５には共通インク室１０を形成する貫通孔及びノズル連通路１１を形成する通孔を、ノズル板６にはノズル孔７を形成している。そして、このノズルユニット３の流路形成板４を接着剤３０にて第一基板１上に接合している。
【００１６】
なお、ノズル板６の表面には撥水性処理を施している。また、ノズルユニット３には共通インク室１０に外部からインクを供給するための図示しないインク供給口部を設けている。さらに、液室８及び振動板１５を形成した流路基板上にノズル孔を形成したノズル板６を接合した構造などにすることもできる。
【００１７】
このインクジェットヘッドにおいては、振動板１５と対向電極２２との間に駆動電圧を印加すると、振動板１５と対向電極２２との間に発生する静電力により振動板１５が電極側に変位変形し、それに伴ない共通インク室１０から流体抵抗部９を通ってインクが液室８に供給される。その後、電圧を０に戻したときに変位している振動板１５がその弾性力によって元の位置に戻ろうとする力によりノズル孔７からインク滴が吐出される。
【００１８】
ここで、このインクジェットヘッドにおいては、基板電位取り出し用電極２４を設けているので、この基板電位取り出し用電極２４を介して第二基板２の電位を一定に固定することで、対向電極２２と第二基板２との間の容量カップリングによる第二基板２の電位の変動を防止することができ、多数のノズル孔７からインク滴を吐出させるマルチ駆動を行った場合にも各ノズル孔７からの滴吐出特性のバラツキが低減する。
【００１９】
なお、基板電位取り出し用電極の配設構造は上記の例に限るものではない。例えば、図５に示すように、電極材料でのみ基板電位取り出し用接続孔２３をほぼ埋め込んでも良いし、図６に示すように、基板電位取り出し用接続孔２３を複数個（同図では３個）並べて形成し、各接続孔２３を通じて基板電位取り出し用電極２４を形成することで電極２４と第二基板２との接触抵抗を減らすこともできる。また、基板電位取り出し用電極２４の平面配置構造についても、上述した図３に示すようなドーナツ形状のほか、ライン状、ホール形状などにすることもできる。
【００２０】
次に、このインクジェットヘッドの製造工程について図７及び図８をも参照して説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、シリコンウェハからなる第二基板２上に絶縁膜として厚さ１．０μｍ程度の絶縁膜２１としてのシリコン酸化膜を熱酸化により形成する。そして、同図（ｂ）に示すように、フォトリソ／エッチング工程により絶縁膜２１の一部に基板電位取り出し用接続孔２３を開口する。
【００２１】
このとき、絶縁膜２１を第二基板２上に成膜する条件を含めて、前述したＳ≦２（Ｔｏｘ＋Ｔｃｅ）の関係が成り立つように、絶縁膜２１に開口幅Ｓで基板電位取り出し用接続孔２３を開口する。ここでは、開口幅Ｓを１．２μｍ程度とした。
【００２２】
次いで、同図（ｃ）に示すように、対向電極２２及び基板電位取り出し用電極２４となる電極材料膜３１を成膜する。ここでは、電極材料膜３１として、ＷＳｉ／ポリＳｉの２層からなる膜を成膜し、その厚さはそれぞれ０．２μｍ／０．１５μｍとした。また、ポリＳｉにはリンデポによりリンドープを行っている。
【００２３】
そして、同図（ｄ）に示すように、電極材料膜３１を、フォトリソ／エッチング工程により、個別の対向電極２２と基板電位取り出し用電極２４との各パターンに分離する。このとき、各対向電極２２間及び対向電極２３と基板電位取出し用電極２４との間の分離溝３２の幅Ｔは０．５μｍ程度とした。
【００２４】
続いて、図８（ａ）に示すように、電極２２、２４上にＳｉＨ4ガス及びＮ2Ｏガスを用いて、圧力１３Ｐａ、温度８５０℃程度の条件によるＬＰ−ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜２５を成膜する。ここでは、シリコン酸化膜２５の厚さＴoxを０．７μｍ程度とした。
【００２５】
このとき、Ｓ≦２（Ｔｏｘ＋Ｔｃｅ）の関係が成り立ち、また、上記条件で成膜したシリコン酸化膜２５は非常に段差被覆性がよいので、各対向電極２２間及び、対向電極２２と基板電位取り出し用電極２４との間の分離溝３２及び基板電位取り出し用接続孔２３による溝３３は略埋め込まれる。
【００２６】
その後、同図（ｂ）に示すように、ＣＭＰによりシリコン酸化膜２５の表面を研磨して平坦化する。ここでは、シリコン酸化膜２５の膜厚減少量が０．１μｍ程度、すなわち、シリコン酸化膜２５の残膜厚量が０．６μｍとなるよう研磨を行った。この工程により、ＨＴＯ表面は直接接合が可能なレベル（表面粗さＲａ＜５ｎｍ程度）に平坦化される。
【００２７】
このとき、各対向電極２２間及び対向電極２２と基板電位取り出し用電極２４との間の分離溝３２はシリコン酸化膜２５でほぼ埋め込まれ、また、基板電位取り出し用接続孔２３の部分は電極２４及びシリコン酸化膜２５で略埋め込まれているので、ＣＭＰを行ったときの段差部分の丸まりはほとんど発生せず、接合面積の低下もほとんど起こらない。
【００２８】
続いて、同図（ｃ）に示すように、フォトリソ／エッチング工程によりシリコン酸化膜２５に振動板１５と電極２２との間のギャップ１７となる凹部２６を形成する。ここでは深さ約０．３５μｍの凹部２６を形成した。このとき、電極２２上にはシリコン酸化膜２５が厚さ約０．２５μｍ残り、これが振動板１５と電極２２の短絡を防ぐための保護膜となる。
【００２９】
次に、同図（ｄ）に示すように、第二基板２のシリコン酸化膜２５と少なくとも一部がシリコンからなる振動板１５を含む第一基板１とを直接接合により接合する。その後、第一基板１に、液室８の隔壁となる部分をシリコン窒化膜等でマスクし、ＫＯＨ水溶液等のアルカリ水溶液でエッチングを行うことにより、液室８及び振動板１５を形成し、更に、第一基板１上にノズルユニット３をエポキシ系接着剤（接着層）３０で接着接合し、その他の部材を接合することにより本実施形態に係るインクジェットヘッドが完成する。
【００３０】
上述したように、基板電位取り出し用接続孔２３の開口幅Ｓ、シリコン酸化膜２５の厚みＴｏｘ、基板電位取り出し用電極２４及び対向電極２２の厚みＴｃｅの関係を、Ｓ＜２（Ｔｏｘ＋Ｔｃｅ）とすることで、ＣＭＰなどによる接合面の平坦化処理を行った場合でも、段差の角からの丸まりを低減することができ、接合面積の低減を防止することができる。
【００３１】
これに対して、Ｓ＞２（Ｔｏｘ＋Ｔｃｅ）とした場合には、ＣＭＰなどによる接合面の平坦化処理を行った場合に段差の角からの丸まりが生じて接合面積が大幅に低下する。これを図９を参照して具体的に説明すると、同図（ａ）に示すように、基板電位取り出し用接続孔２３の開口幅Ｓを大きく（＞２（Ｔｏｘ＋Ｔｃｅ））形成した場合、シリコン酸化膜２５を成膜しても基板電位取り出し用接続孔２３を埋め込むことができず、凹部４１が残存する。
【００３２】
そのため、この状態でＣＭＰによる研磨を行うと、同図（ｂ）に示すように、凹部４１に向かって傾斜した凹みが発生して、同図（ｃ）に示すように、振動板１５を含む第一基板１を接合するときに、凹部４１及びその周辺部分で大きな未接合領域ができて、接合強度が低下する。このような未接合領域が発生する場合でも接合強度を確保しようとすると、その分チップ（ヘッド）面積を大きくしなければならなくなる。
【００３３】
したがって、本発明のように基板電位取り出し用接続孔２３の開口幅Ｓが電極２４の厚さＴｃｅにシリコン酸化膜２５の厚さＴｏｘを加えた値の２倍を超えないように形成することで、チップ面積を増大することなく十分な接合強度を確保することができる。
【００３４】
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ついて図１０乃至図１２を参照して説明する。なお、図１０は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。図１１は図１０のギャップ間隔壁部分の拡大説明図、図１２は同ヘッドの電極パターンの平面説明図である。
【００３５】
このインクジェットヘッドでは、ギャップ間隔壁（電極間隔壁）２８の部分、すなわち対向電極２２、２２間にも基板電位取り出し用接続孔２３及び基板電位取り出し用電極２４を形成している。なお、その他の構成は前記実施形態と同様である。
【００３６】
このように、隣り合う対向電極２２、２２間にも基板電位取り出し用電極２４を形成することにより、チップ中心付近での基板電位取り出し用接続孔２３と第二基板２との間の距離を短くできるので、チップ中心付近のチャネルにおいても、基板電位の変動による特性のバラツキを小さくすることができる。特に、比較的高抵抗の基板材料で第二基板２を形成したときに有効である。
【００３７】
なお、上記各実施形態においては、振動板の変位方向にインク滴が吐出するように形成したサイドシュータ方式のヘッドで説明したが、振動板の変位方向と交差する方向にインク滴が吐出するように形成したエッジシュータ方式のヘッドにも同様に適用できる。また、本発明は、インク滴を吐出するものに限らず、液体レジストなどの液滴を吐出するものなどにも適用できる。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の画像形成装置及び液滴を吐出する装置にも本発明に係る液滴を吐出するヘッドを搭載することができる。
【００３８】
【発明の効果】
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、第二基板上に直接設けられた絶縁膜に設けられた基板電位取り出し用接続孔を介して第二基板に接続された基板電位取り出し用電極が設けられ、基板電位取り出し用接続孔及び基板電位取り出し用電極が隣り合う対向電極の間の領域に形成されている構成としたので、特にチップ中心付近にチャンネルにおいても基板電位の変動による滴吐出特性のばらつきを低減することができるようになる。この液滴吐出ヘッドを搭載する本発明に係る画像形成装置によれば、滴吐出特性のばらつきが低減する。
【００３９】
ここで、基板電位取り出し用接続孔の開口幅が電極の厚さに電極上に形成した絶縁膜の厚さを加えた値の２倍を超えないようにすることで、接合面の平坦化処理を行った際の未接合領域の発生を低減することができ、接合強度の低下を防止できる。
【００４１】
さらに、第二基板の絶縁膜表面をＣＭＰ研磨して第一基板と直接接合していることにより、高精度ギャップを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図２】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図３】同ヘッドの電極パターンの平面説明図
【図４】同ヘッドの基板電位取り出し用接続孔部分の要部拡大断面説明図
【図５】同ヘッドの基板電位取り出し用接続孔部分の他の例の説明に供する要部拡大断面説明図
【図６】同ヘッドの基板電位取り出し用接続孔部分の更に他の例説明に供する要部拡大断面説明図
【図７】同ヘッドの製造方法を説明する模式的断面説明図
【図８】同ヘッドの製造方法を説明する模式的断面説明図
【図９】同実施形態の作用説明に供する比較例の構造を説明する模式的断面説明図
【図１０】本発明の他の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に沿う模式的断面説明図
【図１１】同ヘッドの電極間隔壁部分の説明に供する要部拡大断面説明図
【図１２】同ヘッドの電極パターンの平面説明図
【符号の説明】
１…第一基板、２…第二基板、８…液室、１５…振動板、１６…凹部、２１…絶縁膜、２２…電極、２３…基板電位取り出し用接続孔、２４…基板電位取り出し用電極、２５…シリコン酸化膜。
【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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【図１２】
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