(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される単結晶シリコンからなるシリコン層を有する流路形成基板と、前記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向する領域に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、
前記圧力発生室と連通するノズル開口が形成されたノズルプレートに前記圧電素子を保持する圧電素子保持部が設けられ、
前記圧力発生室が前記流路形成基板の一方面側に当該流路形成基板を貫通することなく形成され、且つ前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが前記流路形成基板の他方面側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２】
請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記リザーバが前記圧力発生室に直接連通し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３】
請求項１又は２に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記シリコン層の一方面側には、前記圧力発生室の長手方向一端部に連通するインク連通路が形成され、前記リザーバが、前記インク連通路に連通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４】
請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記インク連通路が前記圧力発生室毎に設けら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５】
請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記インク連通路が前記圧力発生室の並設方向に亘って連続的に設けら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６】
請求項１〜５の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室の前記リザーバとは反対側の長手方向端部側に、前記圧力発生室と前記ノズル開口とを連通するノズル連通路が設けら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７】
請求項６に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズル連通路が、前記振動板を除去すること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８】
請求項６又は７に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズル連通路の内面が、接着剤で覆わ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９】
請求項１〜８の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板が、前記シリコン層のみからな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１０】
請求項１〜８の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板が、絶縁体層の両面にシリコン層を有するＳＯＩ基板からなり、前記圧力発生室が前記ＳＯＩ基板を構成する一方のシリコン層に形成され、前記リザーバが他方のシリコン層に形成されていることを特徴するインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】
請求項１〜８の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板が少なくともボロンドープポリシリコン層の両面にシリコン層を有する基板であり、前記圧力発生室が一方のシリコン層及び前記ボロンドープポリシリコン層に形成されると共に当該圧力発生室の他方面が他方のシリコン層で構成され、前記リザーバが前記他方のシリコン層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１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記シリコン層の面方位が、（１００）面であ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１３】
請求項１２に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室の横断面が略三角形状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。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記振動板及び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たものであ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１５】
請求項１〜１４の何れか一項に記載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。
【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】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、基板の圧電素子とは反対側の面からエッチングすることなどにより厚さ方向に貫通して圧力発生室を形成しているため、寸法精度の高い圧力発生室を比較的容易且つ高密度に配設することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室を形成する基板として、例えば、直径が６〜１２インチ程度の比較的大きなものを用いようとする場合、ハンドリング等の問題により基板の厚さを厚くせざるを得ず、それに伴い圧力発生室の深さも深くなってしまう。そのため、各圧力発生室を区画する隔壁の厚さを厚くしないと、十分な剛性が得られず、クロストークが発生し、所望の吐出特性が得られない等という問題がある。また、隔壁の厚さを厚くすると、高い配列密度でノズルを並べられないため、高解像度の印字品質を達成できないという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、隔壁の剛性を向上すると共に圧力発生室を高密度に配設することの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、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される単結晶シリコンからなるシリコン層を有する流路形成基板と、前記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向する領域に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、前記圧力発生室と連通するノズル開口が形成されたノズルプレートに前記圧電素子を保持する圧電素子保持部が設けられ、前記圧力発生室が前記流路形成基板の一方面側に当該流路形成基板を貫通することなく形成され、且つ前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが前記流路形成基板の他方面側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。
【００１１】
かかる第１の態様では、圧力発生室を比較的浅く形成することができ、各圧力発生室を区画する隔壁の剛性が向上する。また、圧力発生室の容積に対して、十分に大きい体積のリザーバが設けられ、リザーバ内のインク自体によって内部圧力の変化が吸収される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記リザーバが前記圧力発生室に直接連通し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、リザーバから各圧力発生室に直接インクが供給される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記シリコン層の一方面側には、前記圧力発生室の長手方向一端部に連通するインク連通路が形成され、前記リザーバが、前記インク連通路に連通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、リザーバからインク連通路を介して各圧力発生室にインクが供給されるため、リザーバとインク連通路との連通部の断面積がばらついても狭隘部でインクの抵抗を制御でき、各圧力発生室間でのインク吐出特性のばらつきを低減できる。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記インク連通路が前記圧力発生室毎に設けら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、リザーバから各圧力発生室毎に設けられたインク連通路を介して各圧力発生室にインクが供給される。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第３の態様において、前記インク連通路が前記圧力発生室の並設方向に亘って連続的に設けら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。
【００１９】
かかる第５の態様では、リザーバから共通するインク連通路を介して各圧力発生室にインクが供給される。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧力発生室の前記リザーバとは反対側の長手方向端部側に、前記圧力発生室と前記ノズル開口とを連通するノズル連通路が設けら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。
【００２１】
かかる第６の態様では、圧力発生室にリザーバから安定してインクが供給され、且つノズル開口からインクが良好に吐出される。
【００２２】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記ノズル連通路が、前記振動板を除去すること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。
【００２３】
かかる第７の態様では、ノズル連通路を容易に形成することができる。
【００２４】
本発明の第８の態様は、第６又は７の態様において、前記ノズル連通路の内面が、接着剤で覆わ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。
【００２５】
かかる第８の態様では、ノズル連通路を通過するインクによる振動板の剥がれが防止される。
【００２６】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様において、前記流路形成基板が、前記シリコン層のみからな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。
【００２７】
かかる第９の態様では、圧力発生室がシリコン層のみで画成される。
【００２８】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記流路形成基板が、絶縁体層の両面にシリコン層を有するＳＯＩ基板からなり、前記圧力発生室が前記ＳＯＩ基板を構成する一方のシリコン層に形成され、前記リザーバが他方のシリコン層に形成されていることを特徴するインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２９】
かかる第１０の態様では、圧力発生室及びリザーバ等のパターニングを比較的容易に精度良く行うことができる。
【００３０】
本発明の第１１の態様は、第１〜８の態様において、前記流路形成基板が少なくともボロンドープポリシリコン層の両面にシリコン層を有する基板であり、前記圧力発生室が一方のシリコン層及び前記ボロンドープポリシリコン層に形成されると共に当該圧力発生室の他方面が他方のシリコン層で構成され、前記リザーバが前記他方のシリコン層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。
【００３１】
かかる第１１の態様では、圧力発生室及びリザーバ等のパターニングを比較的容易に精度良く行うことができる。
【００３２】
本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何れかの態様において、前記シリコン層の面方位が、（１００）面であ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。
【００３３】
かかる第１２の態様では、ウェットエッチングによっても、リザーバ等を高精度に形成することができる。
【００３４】
本発明の第１３の態様は、第１２の態様において、前記圧力発生室の横断面が略三角形状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にある。
【００３５】
かかる第１３の態様では、各圧力発生室間の隔壁の強度が著しく向上するため、圧力発生室を高密度に配設することができ、且つクロストークを防止できる。
【００３６】
本発明の第１４の態様は、第１〜１３の何れかの態様において、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記振動板及び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たものであ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。
【００３７】
かかる第１４の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量且つ比較的容易に製造することができる。
【００３８】
本発明の第１５の態様は、第１〜１４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。
【００３９】
かかる第１５の態様では、ヘッドのインク吐出特性を向上すると共に高密度化したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４０】
そして、第１６の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成されるシリコン単結晶基板と、前記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向する領域に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し、前記圧力発生室が前記シリコン単結晶基板の一方面側に当該シリコン単結晶基板を貫通することなく形成され、且つ前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが前記シリコン単結晶基板の他方面側に形成されたインクジェット式記録ヘッドの製造方法であって、前記シリコン単結晶基板の一方面側の前記圧力発生室を形成する領域に前記犠牲層を形成する工程と、前記シリコン単結晶基板の一方面側の表面に前記振動板を形成すると共に前記圧力発生室に対応して前記圧電素子を形成する工程と、前記シリコン単結晶基板の他方面側をパターニングして前記リザーバを形成する工程と、前記圧力発生室に充填した前記犠牲層を前記リザーバを介して除去して前記圧力発生室を形成する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。
【００４１】
かかる第１６の態様では、リザーバを介して犠牲層を容易に除去することができ、シリコン単結晶基板を貫通することなく比較的容易に形成することができる。
【００４２】
第１７の態様は、第１６の態様において、前記シリコン単結晶基板の一方面側の前記圧力発生室を形成する領域に前記犠牲層を形成する工程は、前記シリコン単結晶基板の一方面側をパターニングして前記圧力発生室を形成する工程と、前記圧力発生室に前記犠牲層を充填する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。
【００４３】
かかる第１７の態様では、圧力発生室をパターニングによって形成することにより、犠牲層を容易に形成することができる。
【００４４】
第１８の態様は、第１６の態様において、前記犠牲層を陽極化成法によって形成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。
【００４５】
かかる第１８の態様では、圧力発生室をパターニングによって形成することなく、犠牲層を比較的容易に形成することができる。
【００４６】
【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。
【００４７】
（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、インクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向における断面図及び平面図である。
【００４８】
図示するように、圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０は、例えば、１５０μｍ〜１ｍｍの厚さを有し、面方位（１００）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、異方性エッチングにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。
【００４９】
また、各圧力発生室１２の長手方向一端部には、後述するリザーバ１５と圧力発生室１２とを接続するための中継室であるインク連通部１３が圧力発生室１２よりも幅の狭い狭隘部１４を介して連通されている。また、これらインク連通部１３及び狭隘部１４は、圧力発生室１２と共に異方性エッチングによって形成されている。なお、狭隘部１４は、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するためのものである。
【００５０】
この異方性エッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングの何れの方法を用いてもよいが、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）することにより圧力発生室１２は浅く形成されており、その深さは、ハーフエッチングのエッチング時間によって調整することができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、インク連通部１３を各圧力発生室１２毎に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、図２（ｃ）に示すように、全部の各圧力発生室１２に狭隘部１４を介して連通するインク連通部１３Ａとしてもよく、この場合、このインク連通部１３Ａが後述するリザーバ１５の一部を構成するようにしてもよい。
【００５２】
一方、流路形成基板１０の他方面側には、各インク連通部１３に連通し、各圧力発生室１２にインクを供給するリザーバ１５が形成されている。このリザーバ１５は、流路形成基板１０の他方面側から、所定のマスクを用いて異方性エッチング、本実施形態では、ウェットエッチングによって形成されている。このリザーバ１５は、本実施形態では、ウェットエッチングによって形成されているため、流路形成基板１０の他方面側ほど開口面積が大きくなる形状を有し、インクを供給するすべての圧力発生室の容積に対して、それよりも十分に大きい容積となっている。
【００５３】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０として面方位（１００）のシリコン単結晶基板を用いているため、ウェットエッチングによってもリザーバ１５等を精度よく形成することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、流路形成基板１０の端部近傍には、予め、後述する圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１６が圧力発生室１２の並設方向に亘って一体的に形成されている。
【００５５】
このような流路形成基板１０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等の絶縁層からなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が設けられている。この弾性膜５０は、その一方の面で圧力発生室１２の一壁面を構成している。
【００５６】
このような弾性膜５０上の各圧力発生室１２に相対向する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍ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を圧電素子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弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００５７】
また、各圧電素子３００の上電極膜８０と流路形成基板１０に一体的に設けられた駆動ＩＣ１６との間には、それぞれリード電極９０が弾性膜５０上に延設されており、各リード電極９０と駆動ＩＣ１６とは、弾性膜５０の駆動ＩＣ１６に対向する領域に設けられた接続孔５１を介して、それぞれ電気的に接続されている。
【００５８】
さらに、圧力発生室１２の長手方向のインク連通部１３とは反対側の端部近傍には、弾性膜５０及び下電極膜６０を除去することにより、後述するノズル開口２１に連通するノズル連通孔５２が、複数の圧力発生室１２に亘って連続的に設けられている。勿論、このノズル連通孔５２は、各圧力発生室１２毎に設けられていてもよい。
【００５９】
ここで、シリコン単結晶板からなる流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する工程及び、この圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成するプロセスを図３〜図５を参照しながら説明する。なお、図３〜図５は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。
【００６０】
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板の一方面側に、例えば、酸化シリコンからなる所定形状のマスクを用いて異方性エッチングすることにより圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４を形成する。なお、圧電素子を駆動するための駆動用ＩＣ１６は、流路形成基板１０に予め一体的に形成されている。
【００６１】
次に、図３（ｂ）に示すように、流路形成基板１０に形成された圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に犠牲層１００を充填する。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の全面に亘って犠牲層１００を圧力発生室１２等の深さと略同一厚さで形成した後、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４以外の犠牲層１００をケミカル・メカニカル・ポリッシュ（ＣＭＰ）により除去することにより形成した。
【００６２】
このような犠牲層１００の材料は、特に限定されないが、例えば、ポリシリコン又はリンドープ酸化シリコン（ＰＳＧ）等を用いればよく、本実施形態では、エッチングレートが比較的速いＰＳＧを用いた。
【００６３】
なお、犠牲層１００の形成方法は特に限定されず、例えば１μｍ以下の超微粒子をヘリウム（Ｈｅ）等のガスの圧力によって高速で基板に衝突させることにより成膜するいわゆるガスデポジション法あるいはジェットモールディング法と呼ばれる方法を用いてもよい。この方法では、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に対応する領域のみに犠牲層１００を部分的に形成することができる。
【００６４】
次に、図３（ｃ）に示すように、流路形成基板１０及び犠牲層１００上に弾性膜５０を形成する。また、本実施形態では、流路形成基板１０の他方面側に、リザーバ１５を形成する際のマスクとなる保護膜５５を形成する。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の両面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弾性膜５０及び保護膜５５とした。
【００６５】
なお、弾性膜５０及び保護膜５５の材料は、特に限定されず、リザーバ１５を形成する工程及び犠牲層１００を除去する工程でエッチングされない材料であればよい。また、これら弾性膜５０及び保護膜５５は、異なる材料で形成するようにしてもよい。さらに、保護膜５５は、リザーバ１５を形成する前であれば、何れの工程で形成してもよい。
【００６６】
次に、各圧力発生室１２に対応して弾性膜５０上に圧電素子３００を形成する。
【００６７】
圧電素子３００を形成する工程としては、まず、図３（ｄ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングする。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。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、イリジウムが好適である。
【００６８】
次に、図４（ａ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。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した。圧電体層７０の材料としては、ＰＺＴ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、スパッタリング法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により成膜してもよい。
【００６９】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはＭＯＤ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。
【００７０】
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。
【００７１】
次に、図４（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。
【００７２】
次いで、図４（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。また、本実施形態では、同時に、駆動ＩＣ１６に対向する領域の弾性膜５０を除去することにより、各圧電素子３００との接続部となる接続孔５１を形成すると共に、圧力発生室１２の長手方向のインク連通部１３とは反対側の端部近傍の弾性膜５０及び下電極膜６０をパターニングしてノズル連通孔５２を形成する。
【００７３】
次に、図４（ｄ）に示すように、リード電極９０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、接続孔５１を介して、各圧電素子３００の上電極膜８０と駆動ＩＣ１６とをそれぞれ電気的に接続する。
【００７４】
次に、図５（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２とは反対側の面に設けられた保護膜５５のリザーバ１５となる領域をパターニングにより除去して開口部５６を形成すると共に、この開口部５６からインク連通部１３に達するまで異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、リザーバ１５を形成する。なお、本実施形態では、圧電素子３００を形成後にリザーバ１５を形成するようにしたが、これに限定されず、何れの工程で形成してもよい。
【００７５】
その後、図５（ｂ）に示すように、リザーバ１５からウェットエッチング又は蒸気によるエッチングによって犠牲層１００を除去する。本実施形態では、犠牲層１００の材料として、ＰＳＧを用いているため、弗酸水溶液によってエッチングした。なお、ポリシリコンを用いた場合には、弗酸及び硝酸の混合水溶液、あるいは水酸化カリウム水溶液によってエッチングすることができる。
【００７６】
以上のような工程で、圧力発生室１２及び圧電素子３００が形成される。
【００７７】
このように、本実施形態の構成では、流路形成基板１０の一方面側の表層部に圧力発生室１２を形成し、他方面側に各圧力発生室１２に連通するリザーバ１５を形成するようにしたので、圧力発生室１２を比較的薄く形成でき、各圧力発生室１２を区画する隔壁１１の剛性を高めることができると共に、複数の圧力発生室１２を高密度に配列することができる。さらに、隔壁１１のコンプライアンスが小さくなり、インクの吐出特性が向上する。また、圧力発生室１２を形成する際、圧力発生室１２の深さをエッチングの時間によって自由に設定できるので隔壁のコンプライアンスを制御でき、且つ製造にかかる時間を減らすことができるので低コスト製造が実現できる。
【００７８】
また、流路形成基板１０の厚さを比較的厚くできるため、大きなサイズのウェハとしても取り扱いが容易となる。したがって、ウェハ一枚当たりのチップの取り数を増加することができ、製造コストを低減することができる。また、チップサイズを大きくできるので、長尺のヘッドも製造することができる。さらには、流路形成基板の反りの発生も抑えられ、他の部材と接合する際に位置合わせが容易となり、接合後も、圧電素子の特性変化が抑えられてインク吐出特性が安定する。
【００７９】
さらには、各圧力発生室１２の容積に対して、リザーバ１５の容積を十分に大きくすることができ、リザーバ１５内のインク自体にコンプライアンスを持たせることができる。したがって、別途、リザーバ１５内の圧力変化を吸収するための基板等を設ける必要がなく、構造を簡略化して製造コストを低減することができる。
【００８０】
なお、上述のように圧電素子３００が形成された弾性膜５０及び下電極膜６０上には、図１及び図２に示すように、各圧力発生室１２とノズル連通孔５２を介して連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が設けられている。また、このノズルプレート２０は、圧電素子３００に対向する領域に、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２２が設けられており、圧電素子３００は、この圧電素子保持部２２内に密封されている。
【００８１】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口２１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、ノズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要がある。
【００８２】
このようなノズルプレート２０は、弾性膜５０及び下電極膜６０上に接着剤等によって固着されるが、その際、弾性膜５０及び下電極膜６０に形成されたノズル連通孔５２の内面がこの接着剤で覆われるようにするのが好ましい。これにより、インク連通孔５２の内面が保護され、弾性膜５０又は下電極膜６０の剥がれ等を防止することができる。
【００８３】
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からリザーバ１５にインクを取り込み、リザーバ１５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、駆動ＩＣ１６からの記録信号に従い、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。
【００８４】
なお、本実施形態では、インク連通部１３及び狭隘部１４を介して各圧力発生室１２とリザーバ１５とを連通するようにしたが、これに限定されず、例えば、図６に示すように、各圧力発生室１２とリザーバ１５とを直接連通するようにしてもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、狭隘部１４を圧力発生室１２よりも細い幅で形成して、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するようにしたが、これに限定されず、例えば、図７に示すように、圧力発生室１２と同一幅として、深さを調整した狭隘部１４Ａとしてもよい。
【００８６】
（実施形態２）
図８は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【００８７】
本実施形態は、複数層で構成される流路形成基板を用いた例であり、図８に示すように、絶縁層１１１と、この絶縁層１１１の両側に設けられた第１及び第２のシリコン層１１２，１１３とからなるＳＯＩ基板を流路形成基板１０Ａとして用いた例である。
【００８８】
すなわち、第２のシリコン層１１３よりも膜厚の薄い第１のシリコン層１１２を絶縁層１１１に達するまでエッチングして圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４を形成し、第２のシリコン層１１３を絶縁層１１１に達するまでエッチングしてリザーバ１５を形成すると共に、絶縁層１１１のリザーバ１５の底面に対応する部分に貫通部１１１ａを形成した以外は、実施形態１と同様である。
【００８９】
このような実施形態２の構成においても、勿論実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
（実施形態３）
図９は、実施形態３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１０は、インクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図及びそのＡ−Ａ’断面図である。
【００９１】
本実施形態は、複数層で構成される流路形成基板を用いた他の例であり、図示するように、流路形成基板１０Ｂは、ポリシリコン層１１１Ａと、このポリシリコン層１１１Ａの両面に設けられた第１及び第２のシリコン層１１２，１１３とからなる。
【００９２】
この流路形成基板１０Ｂを構成する一方のシリコン層、本実施形態では第１のシリコン層１１２には、例えば、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、各圧力発生室１２の長手方向一端部には、インク連通部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狭隘部１４を介して連通している。
【００９３】
また、他方のシリコン層、本実施形態では、第２のシリコン層１１３には、この第２のシリコン層１１３を厚さ方向に貫通して、インク連通部１３に連通するリザーバ１５が形成されている。また、ポリシリコン層１１１Ａとの接合面側の圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に対向する領域で、且つリザーバ１５が連通される部分を除く領域には、ボロンがドーピングされたボロンドープシリコン層１１３ａが形成されている。
【００９４】
このような流路形成基板１０Ｂを構成する第１及び第２のシリコン層１１２，１１３は、本実施形態では、それぞれ面方位（１００）のシリコン単結晶基板からなる。このため、圧力発生室１２の幅方向側面１２ａが、圧電素子３００側ほど幅狭となるように傾斜する傾斜面となっており、圧力発生室１２内の流路抵抗が抑えられている。
【００９５】
一方、これら第１及び第２のシリコン層１１２，１１３に挟持されているポリシリコン層１１１Ａには、本実施形態では、所定の領域にボロンをドーピングしたボロンドープポリシリコン層１１１ａが形成されており、このボロンドープポリシリコン層１１１ａにより第１のシリコン層１１２に形成する圧力発生室１２のエッチング選択性を持たせている。すなわち、第１及び第２のシリコン層１１２，１１３との間には、実質的にボロンドープポリシリコン層１１１ａのみが挟持されていることになる。なお、このポリシリコン層１１１Ａと第１のシリコン層１１２との間に酸化シリコン層を設けるようにしてもよく、これにより、高精度なポリシリコン層１１１Ａのエッチング選択性を得ることができる。
【００９６】
また、流路形成基板１０Ｂを構成する第１のシリコン層１１２の表面には、第１のシリコン層１１２を予め熱酸化することにより形成した保護膜５５Ａが形成され、この保護膜５５Ａ上に、上述の実施形態と同様に、弾性膜５０を介して、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００が形成されている。
【００９７】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０上には、上述の実施形態と同様、ノズルプレート２０が接合されている。
【００９８】
このような実施形態３の構成においても、勿論、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０Ｂを構成する第１及び第２のシリコン層１１２，１１３は、それぞれ面方位（１００）のシリコン単結晶基板からなるが、これに限定されず、例えば、面方位（１００）と面方位（１１０）のシリコン単結晶基板であってもよいし、それぞれ面方位（１１０）のシリコン単結晶基板であってもよい。
【０１００】
また、第１及び第２のシリコン層１１２，１１３が、それぞれ面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる場合には、図１１に示すように、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４の内側面（１２ａ）は、流路形成基板１０Ｂの表面に対して略垂直な面で形成される。また、この構成の場合、狭隘部１４の流路抵抗は、例えば、その幅を調整することにより制御することができる。
【０１０１】
さらに、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣの形成位置は、特に限定されず、上述の実施形態と同様に、流路形成基板１０Ｂ又はノズルプレート２０に一体的に設けるようにすればよい。
【０１０２】
（実施形態４）
図１２は、実施形態４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１３は、図１２の断面図である。
【０１０３】
本実施形態は、流路形成基板１０として、面方位（１００）のシリコン単結晶基板を用い、犠牲層を用いることなく圧力発生室を形成した例であり、図示するように、この流路形成基板１０の一方面側には、複数の隔壁１１により区画された断面が略三角形状の圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向一端部近傍には、流路形成基板１０をその他方面側から異方性エッチングすることにより、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１５が形成されている。
【０１０４】
なお、流路形成基板１０上には、弾性膜５０を介して下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００が形成されている。また、本実施形態では、弾性膜５０は、各圧力発生室１２に対向する領域に流路形成基板１０側に突出する突出部５０ａが圧力発生室１２の長手方向に沿って形成されている。
【０１０５】
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法、特に、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成するプロセスについて図１４及び図１５を参照しながら説明する。
【０１０６】
まず、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０の各圧力発生室１２が形成される領域に、圧力発生室１２よりも狭い幅で、例えば、深さが約５０〜１００μｍの略長方形の溝部１２０を形成する。この溝部１２０の幅は、約０．１〜３μｍ程度であることが好ましく、本実施形態では、約１μｍの幅で形成した。なお、この溝部１２０の形成方法は、特に限定されず、例えば、ドライエッチング等で形成すればよい。
【０１０７】
次に、図１４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、流路形成基板１０の両面にそれぞれ、弾性膜５０及び保護膜５５を形成する。
【０１０８】
ここで、流路形成基板１０の溝部１２０側に形成される弾性膜５０は、その一部は溝部１２０内に入り込んで形成されるため、弾性膜５０の各圧力発生室１２に対向する領域には、溝部１２０と略同形状で流路形成基板１０側に突出する突出部５０ａが形成される。
【０１０９】
次に、図１４（ｅ）及び（ｆ）に示すように、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を順次積層及びパターニングして圧電素子３００を形成する。
【０１１０】
その後、流路形成基板１０であるシリコン単結晶基板をアルカリ溶液等により異方性エッチングして、圧力発生室１２等を形成する。
【０１１１】
詳しくは、まず、図１５（ａ）及びそのＢ−Ｂ’断面図である（ｂ）に示すように、各圧力発生室１２の長手方向一端部となる領域の下電極膜６０及び弾性膜５０を除去して、ノズル開口２１に連通するノズル連通孔５２を形成する。これにより、流路形成基板１０の表面及び溝部１２０の長手方向一端部が露出される。また、同時に、リザーバ１５が形成される領域の保護膜５５を除去して開口部５６を形成する。
【０１１２】
その後、図１５（ｃ）及びそのＢ−Ｂ’断面図である（ｄ）に示すように、ノズル連通孔５２を介して流路形成基板１０を、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液で異方性エッチングすることにより圧力発生室１２を形成する。ここで、異方性エッチングの際、アルカリ溶液は、ノズル連通孔５２を介して溝部１２０に流れ込み、流路形成基板１０は、この溝部１２０から徐々に浸食されて圧力発生室１２が形成される。また、流路形成基板１０は、結晶面方位（１００）のシリコン単結晶基板であるため、圧力発生室１２の内側面は、流路形成基板１０の表面に対して、約５４°傾斜した（１１１）面で形成される。すなわち、この（１１１）面は、圧力発生室１２の実質的な底面であると共に、異方性エッチングの際のエッチングストップ面となり、圧力発生室１２はその横断面が略三角形状となるように形成される。
【０１１３】
また、このように圧力発生室１２等を形成後、図１５（ｅ）及びそのＣ−Ｃ’断面図である（ｆ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００とは反対側の面から、保護膜５５をマスクとしてエッチングすることにより、すなわち、開口部５６を介して流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２に連通するリザーバ１５を形成する。
【０１１４】
このように、本実施形態では、圧力発生室１２を横断面が略三角形状となるように形成するようにしたので、各圧力発生室１２間の隔壁１１の強度が著しく増加する。したがって、圧力発生室１２を高密度に配設しても、クロストークが発生することが無く、インク吐出特性を良好に保持することができる。
【０１１５】
また、流路形成基板１０をエッチングによって貫通すること無く圧力発生室１２を形成することができるため、本実施形態では、流路形成基板１０の厚さを２２０μｍ程度としたが、それよりも厚いものであってもよい。したがって、流路形成基板１０を形成するウェハを比較的大径としても、容易に取り扱うことができてコストダウンを図ることができる。
【０１１６】
なお、本実施形態では、弾性膜５０の各圧力発生室１２に対応する部分に突出部５０ａが形成されているが、この突出部５０ａは、例えば、圧力発生室１２のエッチングと同時に除去するようにしてもよい。さらに、例えば、図１６に示すように、弾性膜５０上に、酸化ジルコニウム等からなる第２の弾性膜５０Ａを設けておき、圧力発生室１２を異方性エッチングで形成する際に、圧力発生室１２に対向する領域の弾性膜５０を完全に除去するようにしてもよい。
【０１１７】
（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。
【０１１８】
例えば、上述の実施形態では、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ１６を流路形成基板１０に一体的に設けるようにしたが、別途、流路形成基板１０の近傍に設け、例えば、ワイヤボンディング等により圧電素子３００と電気的に接続するようにしてもよい。
【０１１９】
また、例えば、上述の実施形態では、流路形成基板１０をパターニングして圧力発生室１２を形成し、この圧力発生室１２に犠牲層１００を充填するようにしたが、これに限定されず、例えば、圧力発生室１２を形成せずに、所定のマスク等を用いて圧力発生室１２が形成される領域に陽極化成法によって多数の微細な孔を柱状に形成、すなわち、ポーラスシリコンを形成し、このポーラスシリコンを犠牲層として用いるようにしてもよい。このように形成した犠牲層も、上述の実施形態と同様に、アルカリ溶液等によって容易に除去することができる。
【０１２０】
なお、このようなポーラスシリコンを犠牲層として用いる場合には、弾性膜５０として、酸化ジルコニウムの代わりに、例えば、窒化シリコン等をＣＶＤ法によって成膜することが好ましい。これは、ポーラスシリコンを犠牲層として用いる場合、ジルコニウムの熱酸化を行うと犠牲層も酸化されてしまい、犠牲層の除去が困難になるためである。
【０１２１】
なお、上述の各実施形態では、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。
【０１２２】
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１７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。
【０１２３】
図１７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。
【０１２４】
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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない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。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧力発生室を比較的薄く形成できるため、各圧力発生室を区画する隔壁の剛性を高めることができ、複数の圧力発生室を高密度に配列することができる。
【０１２６】
また、リザーバが比較的大きい体積で形成されるため、リザーバ内のインク自体にリザーバ内の圧力変化が吸収され、別途、コンプライアンス部を設ける必要がない。したがって、ヘッドの構造を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
【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概略を示す斜視図である。
【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の断面図及び平面図である。
【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に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
【図７】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変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図１４】本発明の実施形態４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１５】本発明の実施形態４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１６】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
【図１７】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
１３  インク連通部
１４  狭隘部
１５  リザーバ
１６  駆動ＩＣ
２０  ノズルプレート
２１  ノズル開口
５０  弾性膜
６０  下電極膜
７０  圧電体層
８０  上電極膜
３００  圧電素子
【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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【図１３】
0003760981.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0003760981.tif 000016
【図１６】
0003760981.tif 000017
【図１７】
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