JP3379580B2

JP3379580B2 - 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

Info

Publication number: JP3379580B2
Application number: JP2000108264A
Authority: JP
Inventors: 明松沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP2001287370A

Description

【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】

【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。

【０００８】また、このようなインクジェット式記録ヘ
ッドでは、部品点数が多く組立工程が煩雑となり、製造
効率が低くコストが高くなってしまうという問題があ
る。さらに、部品の組立には高い位置精度が要求される
が、多くの部品が接着層を介して接合しているため位置
精度が低く、歩留まりが悪いという問題もある。

【０００９】本発明は、このような事情に鑑み、クロス
トークを防止できると共に高精度に形成でき、且つ製造
工程を簡略化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
複数の隔壁によって画成される流路形成基板と、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
室に対応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単結晶シリコンか
らなる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、前記圧力発生室に連通するイン
ク導入口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。

【００１１】かかる第１の態様では、圧力発生室が流路
形成基板を貫通することなく形成されるため、圧力発生
室を区画する隔壁の剛性が向上すると共にクロストーク
が抑えられる。

【００１２】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記他方のシリコン層の前記ボロンドープポリシリ
コン層側の前記圧力発生室に対向する領域に、ボロンが
ドーピング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。

【００１３】かかる第２の態様では、他方のシリコン層
にエッチングの選択性を持たせることができ、圧力発生
室を容易に形成することができる。

【００１４】本発明の第３の態様は、第１又は２の態様
において、前記シリコン層が、面方位（１００）の単結
晶シリコン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。

【００１５】かかる第３の態様では、圧力発生室をエッ
チングによって比較的容易且つ高精度に形成することが
できる。

【００１６】本発明の第４の態様は、第１又は２の態様
において、前記シリコン層の何れか一方が、面方位（１
００）の単結晶シリコンからなり、他方のシリコン層が
面方位（１１０）の単結晶シリコン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。

【００１７】かかる第４の態様では、圧力発生室をエッ
チングによって比較的容易且つ高精度に形成することが
できる。

【００１８】本発明の第５の態様は、第１又は２の態様
において、前記シリコン層が、面方位（１１０）の単結
晶シリコン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。

【００１９】かかる第５の態様では、圧力発生室をエッ
チングによって比較的容易且つ高精度に形成することが
できる。

【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、前記ボロンドープポリシリコン層の膜
厚が０．１〜３．０μｍの範囲に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。

【００２１】かかる第６の態様では、ボロンドープポリ
シリコン層を比較的容易且つ確実に、所定の領域に形成
することができる。

【００２２】本発明の第７の態様は、第１〜６の何れか
の態様において、前記一方のシリコン層には、前記イン
ク導入口が連通する連通部と、該連通部と前記圧力発生
室とを連通するインク供給路とがさらに設けられている
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２３】かかる第７の態様では、インクがインク導
入口から連通部及びインク供給路を介して圧力発生室に
供給される。

【００２４】本発明の第８の態様は、第７の態様におい
て、前記インク連通路が、前記一方のシリコン層の前記
ボロンドープポリシリコン層側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。

【００２５】かかる第８の態様では、流路抵抗が低下す
るため、圧力発生室にインクがより確実に供給される。

【００２６】本発明の第９の態様は、第７又は８の態様
において、前記連通部が、前記圧力発生室の並設方向に
亘って設けられて前記圧力発生室にインクを供給するリ
ザーバの少なくとも一部を構成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。

【００２７】かかる第９の態様では、連通部を含むリザ
ーバから各圧力発生室にインクが供給される。

【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、前記インク導入口が、前記圧力発生
室の並設方向に亘って設けられて前記圧力発生室にイン
クを供給するリザーバの少なくとも一部を構成すること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。

【００２９】かかる第１０の態様では、インク導入口を
含むリザーバから各圧力発生室にインクが供給される。

【００３０】本発明の第１１の態様は、第３又は４の態
様において、前記圧力発生室の幅方向側面が前記圧電素
子側ほど幅狭となるように傾斜する傾斜面となっている
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、圧力発生室の底
面と幅方向側面との角度が鈍角となり、圧力発生室内の
流路抵抗が抑えられる。

【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、前記圧力発生室がシリコン単結晶
基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子
の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。

【００３３】かかる第１２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に且つ
比較的容易に製造することができる。

【００３４】本発明の第１３の態様は、第１〜１２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にある。

【００３５】かかる第１３の態様では、ヘッドのインク
吐出性能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。

【００３６】本発明の第１４の態様は、流路形成基板に
圧力発生室を形成すると共に、前記流路形成基板の一方
面側に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極から
なる圧電素子を形成するインクジェット式記録ヘッドの
製造方法において、前記圧力発生室が形成される領域以
外にボロンをドーピングすることによりエッチングの選
択性を持たせたポリシリコン層の両面にシリコン単結晶
基板からなるシリコン層を有する前記流路形成基板を形
成する工程と、前記流路形成基板の一方のシリコン層側
に振動板を介して前記下電極、圧電体層及び上電極を順
次積層及びパターニングして前記圧電素子を形成する工
程と、前記流路形成基板の他方のシリコン層を前記ポリ
シリコン層に達するまでエッチングしてインク導入口を
形成し、該インク導入口を介して前記圧力発生室となる
領域の前記ポリシリコン層をパターニングすると共に当
該ポリシリコン層をマスクとして前記一方のシリコン層
をエッチング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。

【００３７】かかる第１４の態様では、インク導入口を
介して流路形成基板を選択的にエッチングして、圧力発
生室を比較的容易に形成することができる。また、流路
形成基板の圧電素子とは反対側の面からエッチングして
圧力発生室等を形成できるため、圧電体層の保護性が向
上すると共に作業効率が向上する。

【００３８】本発明の第１５の態様は、第１４の態様に
おいて、前記流路形成基板を形成する工程では、前記他
方のシリコン層の前記ポリシリコン層との接合面側で、
少なくとも前記圧力発生室に対向する領域の表層にボロ
ンをドーピングする工程を含む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。

【００３９】かかる第１５の態様では、インク導入口を
介して一方のシリコン層をエッチングする際に、他方の
シリコン層がエッチングされることがなく、圧力発生室
を比較的容易に形成することができる。

【００４０】

【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。

【００４１】（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であ
る。

【００４２】図示するように、流路形成基板１０は、ポ
リシリコン層１８と、このポリシリコン層１８の両面に
設けられた第１及び第２のシリコン層１２Ａ，１２Ｂと
からなる。

【００４３】この流路形成基板１０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１２Ａ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１３により区画された圧力発生室１４が幅方向に並設
されている。また、各圧力発生室１４の長手方向一端部
には、各圧力発生室１４の共通のインク室となるリザー
バ１５が形成され、各圧力発生室１４の長手方向一端部
とそれぞれインク供給路１６を介して連通している。な
お、インク供給路１６は、圧力発生室１４のインクの流
出入を制御するためのものであり、本実施形態では、圧
力発生室１４よりも狭い幅で且つ浅く形成されている。

【００４４】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１２Ｂには、この第２のシリコン
層１２Ｂを厚さ方向に貫通して、圧力発生室１４に連通
するリザーバ１５にインクを導入するためのインク導入
口１７が形成されている。また、ポリシリコン層１８と
の接合面側の圧力発生室１４、リザーバ１５及びインク
供給路１６に対向する領域で、且つインク導入口１７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１２ａが形成されている。

【００４５】なお、このインク導入口１７は、リザーバ
１５の一部を構成するようにしてもよい。また、本実施
形態では、インク導入口１７はリザーバ１５に連通して
いるが、これに限定されず、例えば、第２のシリコン層
１２Ｂにリザーバ１５を設けずに、インク導入口１７を
圧力発生室１４に直接連通するようにして、インク導入
口１７がリザーバを兼ねるようにしてもよい。

【００４６】このような流路形成基板１０を構成する第
１及び第２のシリコン層１２Ａ，１２Ｂ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１４の幅方向側面１４
ａ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１４内の流路抵抗が抑
えられている。

【００４７】一方、これら第１及び第２のシリコン層１
２Ａ，１２Ｂに挟持されているポリシリコン層１８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１８ａが形成されてお
り、このボロンドープポリシリコン層１８ａにより第１
のシリコン層１２Ａに形成する圧力発生室１４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１２Ａ，１２Ｂとの間には、実質的にボロン
ドープポリシリコン層１８ａ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１８と第１のシリコ
ン層１２Ａ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１８のエ
ッチング選択性を得ることができる。

【００４８】また、流路形成基板１０を構成する第１及
び第２のシリコン層１２Ａ，１２Ｂの表面には、これら
第１及び第２のシリコン層１２Ａ，１２Ｂを予め熱酸化
することにより形成した保護膜５５Ａ，５５Ｂがそれぞ
れ形成されており、保護膜５５Ｂは、インク導入口１７
等を形成する際のマスクとして用いられるものである。
また、保護膜５５Ａ上には、例えば、酸化ジルコニウム
等からなる弾性膜５０が形成されており、この弾性膜５
０は、その一方面で圧力発生室１４の一壁面を構成す
る。

【００４９】この弾性膜５０上には、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１４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。

【００５０】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、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害し
ない程度の空間を確保した状態でこの空間を密封可能な
圧電素子保持部２１を有する封止板２０が接合されてい
る。

【００５１】この封止板２０には、各圧力発生室１４と
連通するノズル開口２２が穿設されており、ノズルプレ
ートの役割も兼ねている。また、ノズル開口２２と圧力
発生室１４とは、弾性膜５０及び下電極膜６０を除去す
ることにより設けられたノズル連通孔５１を介して連通
されている。なお、このノズル連通孔５１の内面の少な
くとも下電極膜６０の表面には、絶縁体からなる保護膜
を設けるようにしてもよい。これによりインクによる絶
縁破壊が確実に防止される。

【００５２】また、インク滴吐出圧力をインクに与える
圧力発生室１４の大きさと、インク滴を吐出するノズル
開口２２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２２は数十μｍの直径で精度よく形成する必要が
ある。

【００５３】ここで、本実施形態のインクジェット式記
録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１０に圧力発
生室１４等を形成する工程及びこの圧力発生室１４に対
応する領域に圧電素子３００を形成する工程について説
明する。なお、図３〜図５は、圧力発生室１４の長手方
向の断面図である。

【００５４】まず、ポリシリコン層１８の両面に第１及
び第２のシリコン層を有する流路形成基板１０を形成す
る。

【００５５】詳しくは、図３（ａ）に示すように、ま
ず、酸化膜等のマスクを用いて第２のシリコン層１２Ｂ
の表層の圧力発生室１４、リザーバ１５及びインク供給
路１６に対向する領域で、且つインク導入口１７が連通
する部分を除く領域に、例えば、１μｍ程度の深さでボ
ロンをドーピングしてボロンドープシリコン層１２ａを
形成する。なお、少なくともインク導入口１７が連通す
る部分を除けば、流路形成基板１０の全面にボロンドー
プシリコン層を設けるようにしてもよい。

【００５６】次いで、図３（ｂ）に示すように、第２の
シリコン層１２Ｂ上に、０．１〜３μｍ程度の厚さでポ
リシリコン層１８を形成後、このポリシリコン層１８の
圧力発生室１４、リザーバ１５及びインク供給路１６と
なる領域以外の部分にボロンをドーピングしてボロンド
ープシリコン層１８ａを形成し、ポリシリコン層１８０
にエッチングの選択性を持たせる。

【００５７】次いで、図３（ｃ）に示すように、このポ
リシリコン層１８上に、例えば、厚さが５０μｍ程度の
第１のシリコン層１２Ａを接着することにより、流路形
成基板１０が形成される。

【００５８】なお、ポリシリコン層１８と第１のシリコ
ン層１２Ａとの接着方法は、特に限定されないが、例え
ば、ポリシリコン層１８上に第１のシリコン層１２Ａを
吸着させて、１２００℃程度の高温でアニール処理する
ことにより接着させることができる。また、第１のシリ
コン層１２Ａを接着してから、第１のシリコン層１２Ａ
を研磨して所定の厚さとしてもよい。

【００５９】次に、図３（ｄ）に示すように、このよう
に形成した流路形成基板１０の表面、すなわち、流路形
成基板１０を構成する第１及び第２のシリコン層１２
Ａ，１２Ｂの表面を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して
二酸化シリコンからなる保護膜５５Ａ，５５Ｂを形成す
る。

【００６０】次に、図４（ａ）に示すように、保護膜５
５Ａ上に弾性膜５０を形成する。例えば、本実施形態で
は、保護膜５５Ａ上にジルコニウム層を形成後、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とした。

【００６１】次に、各圧力発生室１４となる領域の弾性
膜５０上に圧電素子３００を形成する。

【００６２】圧電素子３００を形成する工程としては、
まず、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０上にスパッ
タリングで下電極膜６０を形成する。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。

【００６３】次に、図４（ｃ）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。

【００６４】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。

【００６５】次に、図４（ｄ）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。

【００６６】次いで、図５（ａ）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、
同時に下電極膜６０及び弾性膜５０をパターニングして
圧力発生室１４とノズル開口２２とを連通するノズル連
通孔５１を形成すると共に、保護膜５５Ｂをパターニン
グしてインク導入口１７に対応する領域に貫通孔５６を
形成する。

【００６７】次に、図５（ｂ）に示すように、圧電素子
３００を下電極膜６０の表面に、例えば、フッ素樹脂等
からなるエッチング保護膜９０を形成する。なお、この
エッチング保護膜９０は、後述する圧力発生室１４等の
エッチングの際に、圧電体層７０等の破壊を防止するた
めのものである。

【００６８】次に、図５（ｃ）に示すように、保護膜５
５Ｂをマスクとして第２のシリコン層１２Ｂを異方性エ
ッチング、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液によるウェ
ットエッチングすることによってインク導入口１７を形
成する。その後、このインク導入口１７を介してポリシ
リコン層１８をパターニングする。

【００６９】ここで、ポリシリコン層１８は、上述のよ
うに、所定部分にボロンがドーピングされてボロンドー
プポリシリコン層１８ａとなっており、エッチングによ
ってポリシリコン層１８のみが選択的に除去され、ボロ
ンドープポリシリコン層１８ａのみが除去されずに残
る。すなわち、圧力発生室１４、リザーバ１５及びイン
ク供給路１６となる領域のみが除去されて貫通部１９が
形成され、第１のシリコン層１２Ａが露出する。また、
このように、ポリシリコン層１８は、エッチングの際に
完全に除去されてボロンドープポリシリコン層１８ａの
みが残るため、流路形成基板１０は、実質的にボロンド
ープポリシリコン層１８ａと第１及び第２のシリコン層
１２Ａ，１２Ｂとで構成されることになる。

【００７０】次いで、図５（ｄ）に示すように、流路形
成基板１０を構成するボロンドープポリシリコン層１８
ａをマスクとして、インク導入口１７を介して第１のシ
リコン層１２Ａを異方性エッチングすることにより、圧
力発生室１４、リザーバ１５及びインク供給路１６を形
成する。また同時に、本実施形態では、圧力発生室１４
及びリザーバ１５に対向する領域の保護膜５５Ａもエッ
チングによって除去するようにした。

【００７１】なお、第１のシリコン層１２Ａをエッチン
グして圧力発生室１４等を形成する際、第２のシリコン
層１２Ｂのボロンドープポリシリコン層１８ａ側表面も
エッチャントに触れることになるが、上述のように、第
２のシリコン層１２Ｂの圧力発生室１４等に対向する領
域は、ボロンドープシリコン層１２ａとなっているため
エッチングされることがない。

【００７２】ここで、本実施形態の第１のシリコン層１
２Ａは、上述のように、面方位（１００）のシリコン単
結晶基板からなるため、図６（ａ）に示すように、ボロ
ンドープポリシリコン層１８ａをマスクとしてエッチン
グすると、圧力発生室１４、リザーバ１５及びインク供
給路１６を画成する内側面は、（１１１）面で形成され
る。すなわち、これらの内側面は弾性膜５０側ほど幅狭
となるように傾斜する傾斜面で形成される。このため、
図６（ｂ）に示すように、比較的広い幅で形成される圧
力発生室１４及びリザーバ１５は、保護膜５５Ａに達す
るまでエッチングされて保護膜５５Ａによってエッチン
グが停止するが、圧力発生室１４よりも狭い幅で形成さ
れているインク供給路１６は、その内側面同士が交差す
る位置でエッチングが停止し、圧力発生室１４よりも浅
く形成される。

【００７３】以上のような工程で、圧力発生室１４及び
圧電素子３００等が形成され、その後は、圧電素子３０
０等の表面に設けられたエッチング保護膜９０を除去
し、流路形成基板１０の圧電素子３００側に封止板２０
を接合して、インクジェット式記録ヘッドとする（図２
参照）。

【００７４】なお、以上説明した一連の膜形成及び異方
性エッチング工程では、実際には、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。その後、図示しないホルダー等に固定し、キャ
リッジに搭載されてインクジェット式記録装置に組み込
まれる。

【００７５】また、このように製造された本実施形態の
インクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク
供給手段からインク導入口１７を介してリザーバ１５に
インクを取り込み、リザーバ１５からノズル開口２２に
至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の
駆動回路を介して出力された記録信号に従い、圧力発生
室１４に対応するそれぞれの圧電素子３００、すなわち
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１４内の圧力が高まり
ノズル開口２２からインク滴が吐出する。

【００７６】このような本実施形態のインクジェット式
記録ヘッドでは、インク導入口１７と圧力発生室１４等
とをエッチングによって一括で形成することができ、製
造効率が向上する。また、流路形成基板１０の圧電素子
３００とは反対側に設けられたインク導入口１７を介し
て圧力発生室１４等を形成するため、エッチングの際
に、圧電体層７０等に悪影響を及ぼすのを防止すること
ができる。

【００７７】さらに、本実施形態では、第１及び第２の
シリコン層１２Ａ，１２Ｂが面方位（１００）のシリコ
ン単結晶基板からなるため、圧力発生室１４、リザーバ
１５及びインク供給路１６の内面にエッチングレートの
比較的遅い（１１１）面が現れるため、インク供給路を
精度良く形成することができる。したがって、圧力発生
室１４に供給されるインクの流路抵抗を高精度に制御す
ることができる。

【００７８】（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。

【００７９】例えば、上述の実施形態では、流路形成基
板１０を構成する第１及び第２のシリコン層１２Ａ，１
２Ｂ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（１
００）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。勿論、このような構成によって
も、上述と同様の効果が得られる。

【００８０】なお、第１及び第２のシリコン層１２Ａ，
１２Ｂ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７に示すように、圧力発生室
１４、リザーバ１５及びインク供給路１６の内側面は、
流路形成基板１０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、インク供給路１６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。

【００８１】また、例えば、上述の実施形態では、記録
ヘッドの面に対して垂直な方向にノズル開口２２を形成
するようにしたが、これに限定されず、例えば、記録ヘ
ッドの端面にノズル開口を形成するようにしてもよい。

【００８２】また、例えば、上述の実施形態では、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。

【００８３】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８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。

【００８４】図８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１
Ｂ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。

【００８５】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。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、流路形
成基板の圧電素子とは反対側に設けられたインク導入口
を介して圧力発生室が形成されているため、インク導入
口及び圧力発生室等とをエッチングによって一括で形成
することができて製造効率が向上すると共に、エッチン
グの際に、圧電体層等に悪影響を及ぼすのを防止するこ
とができる。また、流路形成基板の剛性が増加し、クロ
ストークを防止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
録ヘッドの断面図である。

【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に係るインクジェット式記
録ヘッドの製造工程を示す概略斜視図である。

【図７】本発明の他の実施形態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８】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１２Ａ第１のシリコン層１２Ｂ第２のシリコン層１３隔壁１４圧力発生室１５リザーバ１６インク供給路１７インク導入口１８ポリシリコン層１８ａボロンドープポリシリコン層２０封止板２１圧電素子保持部２２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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/16 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims

(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複数の
隔壁によって画成される流路形成基板と、前記圧力発生
室の一方面を構成する振動板を介して前記圧力発生室に
対応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
ン層の両面に単結晶シリコンからなるシリコン層を有す
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、
前記圧力発生室に連通するインク導入口が前記他方のシ
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２】請求項１において、前記他方のシリコン
層の前記ボロンドープポリシリコン層側の前記圧力発生
室に対向する領域に、ボロンがドーピングされているこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】請求項１又は２において、前記シリコン
層が、面方位（１００）の単結晶シリコンからなること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】請求項１又は２において、前記シリコン
層の何れか一方が、面方位（１００）の単結晶シリコン
からなり、他方のシリコン層が面方位（１１０）の単結
晶シリコン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５】請求項１又は２において、前記シリコン
層が、面方位（１１０）の単結晶シリコンからなること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】請求項１〜５の何れかにおいて、前記ボ
ロンドープポリシリコン層の膜厚が０．１〜３．０μｍ
の範囲に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７】請求項１〜６の何れかにおいて、前記一
方のシリコン層には、前記インク導入口が連通する連通
部と、該連通部と前記圧力発生室とを連通するインク供
給路とがさら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８】請求項７において、前記インク連通路
が、前記一方のシリコン層の前記ボロンドープポリシリ
コン層側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９】請求項７又は８において、前記連通部
が、前記圧力発生室の並設方向に亘って設けられて前記
圧力発生室にインクを供給するリザーバの少なくとも一
部を構成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１０】請求項１〜９の何れかにおいて、前記
インク導入口が、前記圧力発生室の並設方向に亘って設
けられて前記圧力発生室にインクを供給するリザーバの
少なくとも一部を構成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１１】請求項３又は４において、前記圧力発
生室の幅方向側面が前記圧電素子側ほど幅狭となるよう
に傾斜する傾斜面となっ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の何れかにおいて、前
記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチング
により形成され、前記圧電素子の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１３】請求項１〜１２の何れかのインクジェ
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。
【請求項１４】流路形成基板に圧力発生室を形成する
と共に、前記流路形成基板の一方面側に振動板を介して
下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成す
るインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記圧力発生室が形成される領域以外にボロンをドーピ
ングすることによりエッチングの選択性を持たせたポリ
シリコン層の両面にシリコン単結晶基板からなるシリコ
ン層を有する前記流路形成基板を形成する工程と、前記
流路形成基板の一方のシリコン層側に振動板を介して前
記下電極、圧電体層及び上電極を順次積層及びパターニ
ングして前記圧電素子を形成する工程と、前記流路形成
基板の他方のシリコン層を前記ポリシリコン層に達する
までエッチングしてインク導入口を形成し、該インク導
入口を介して前記圧力発生室となる領域の前記ポリシリ
コン層をパターニングすると共に当該ポリシリコン層を
マスクとして前記一方のシリコン層をエッチングして前
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。
【請求項１５】請求項１４において、前記流路形成基
板を形成する工程では、前記他方のシリコン層の前記ポ
リシリコン層との接合面側で、少なくとも前記圧力発生
室に対向する領域の表層にボロンをドーピングする工程
を含む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。