JP3601239B2 - インクジェット式記録ヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出して紙などの記録媒体上に画像データ等に基づいた記録画像を形成するインクジェットプリンタ等のインクジェット記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッドに関し、詳細には圧力発生室、インク供給路、インクリザーバーが単結晶シリコン基板で形成されたインクジェット式記録ヘッドに関する。
【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弾性板で構成し、この弾性板を圧電振動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、圧電振動子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ振動モードの圧電振動子を使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電振動子の端面を弾性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、圧電弾性板をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切分けるという困難な工程や、切分けられた圧電振動体を圧力発生室に位置合わせ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弾性板に圧電振動体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、或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】
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、弾性板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、この圧電体膜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分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電振動子を形成したものが提案されている。
【０００６】
また、国際公開ＷＯ９２／０９１１１号には、単結晶シリコン基板の一方の面に成膜技術によって圧電体膜を形成し、単結晶シリコン基板の他方の面に圧力発生室等を構成する凹部をエッチングにより形成し、この凹部が形成された面にノズル開口が形成されたノズルプレートを接合することによりインクジェット式記録ヘッドを形成したものが提案されている。 これによればＰＺＴ素子の切断・貼付工程が不要となって、リソグラフィー法という精密で、かつ簡便な手法で圧電振動子を作り付けることができるばかりでなく、厚みを薄くできて高速駆動が可能であ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、圧電材料層が非常に薄いため、バルクの圧電体を貼付したものに比較して剛性が低いという問題点を持っている。
【０００８】
例えば図９に示すように、面方位（１１０）の単結晶シリコン基板Ａに、酸化シリコン膜Ｂを形成し、この酸化シリコン膜Ｂ上に振動板Ｃ、下電極Ｄ、圧電体膜Ｅ、上電極Ｆを成膜技術により一体的に形成し、次に単結晶シリコン基板Ａに、複数の圧力発生室Ｇ、及び各圧力発生室ＧとインクリザーバーＩを連通するインク供給路Ｈが形成され、その後ノズル開口Ｋが形成されたノズルプレートＪを封止することによって形成されたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体膜Ｅ及び上電極Ｆを配線の関係でインクリザーバーＩ上まで延ばして形成する事が考えられる。
【０００９】
このような構造の場合、図９（ｂ）に示すように圧電体膜に上下の電極により電圧を印加すると圧電体膜が収縮し、これにより振動板が図面アの方向にたわみ圧力発生室が加圧されてインクがノズル開口より吐出する。このインクの吐出とあわせてインク供給路からリザーバにもインクが逆流し、逆流したインクによってリザーバ内の圧力が高まり、リザーバ上の振動板を変形させ、更に振動板上の下電極、圧電体膜、上電極も変形させてしまい、場合によっては圧電体膜にクラックが入り、インクジェット式記録ヘッドとして機能しなくなるという課題を有する。
【００１０】
このような問題点を解決するためにリザーバ部の単結晶シリコンを一部残して機械的強度を大きくする方法も考えられるが、この方法ではリザーバのインク容量が減少するため、例えば全ノズルからインクを高速に吐出するような場合圧力発生室へのインクの供給不足が生じドット抜けなどを起こす可能性がある。また、この方法で供給量を大きくするためにインクリザーバを更に大きくするとまた機械強度が下がり、更に単結晶シリコン膜のインクリザーバと対向する部位を厚くしなけらばならず、結果としてヘッドの大型化を招いてしまう。さらに、リザーバの深さ方向の精度を出すのが非常に困難である。
【００１１】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、インクリザーバの機械的強度を向上させて下電極、圧電体膜、上電極にクラックを発生させることがなく、またインク供給不足が生じることのない小型のインクジェット式記録ヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、インクを吐出する複数のノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に各々連通した複数の圧力発生室、前記圧力発生室にインクを供給するインク供給路及びこのインク供給路に連通するリザーバが形成された流路形成基板と、この流路形成基板上に形成された振動板と、この振動板上の前記圧力発生室に対応する位置に形成された電極と圧電体膜よりなる薄膜圧電体素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記振動板と前記薄膜圧電体素子が、前記振動板上の前記リザーバに対応する位置まで延設され、前記リザーバが、共通インク室と、当該共通インク室に連通して、前記共通インク室と前記振動板との間に設けられた複数の凹部からなり、前記凹部間の壁が前記リザーバ中に格子状に形成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２（ａ）は後述する流路形成基板の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸＸ線断面図である。
【００１５】
図において、１は面方位（１１０）面を有する単結晶シリコン基板をエッチングして形成された流路形成基板で、複数の圧力発生室４，４・・・と、これら圧力発生室にインクを供給するリザーバ５と、これら圧力発生室４，４・・・と、リザーバ５とを一定の流体抵抗で連通させるインク供給路８とを形成するように構成されている。この流路形成基板１の一方の面には圧力発生室４，４・・・の一端側で連通する様にノズル開口１０が穿設されたノズルプレート１２が固定され、また裏面には振動板２、この振動板上の前記圧力発生室４，４，・・・に対応する位置に薄膜形成方法で下電極６，圧電体膜３，上電極７が形成されている。
【００１６】
リザーバ５は、リザーバ５全域にわたってインク供給路８と同じ深さを有する単一の凹部により形成された共通インク室１１と、この共通インク室１１と連通する複数の凹部９により構成されている。このリザーバ５の凹部９は、壁面２１，２１及び壁面２２，２２を有しており、この壁面２１は、（１１０）の面方位の単結晶シリコンの異方性エッチングによって面方位（１１０）と約３５度の角度で出現する（１１１）面であり、壁面２２，２２は面方位（１１０）とほぼ９０度の角度を有する（１１１）面である。
【００１７】
また各凹部９は格子状の壁２５，２６により区画されるように配置されており、圧力発生室４の並び方向でかつリザーバ中央の壁２５の前記共通インク室１１の底面を形成する面２５ａの幅は、圧力発生室４と同一ピッチに形成された壁２６の前記共通インク室１１の底面を形成する面２６ａの幅よりも幅広に形成されており、これによりリザーバの強度をより強くしている。
【００１８】
この様なリザーバの構成にすることにより、リザーバ内の機械強度を高くすることができると共に、リザーバを極端に大きくすることなくリザーバ内の体積をインク供給不足を生じることない程度の大きさにすることができる。
【００１９】
例えば、１ノズル開口あたり、インク吐出重量２０μｃｃとして、１秒間に１４４００ドットを吐出し、１０ノズル開口から同時にインクを吐出させた場合、リザーバ５の体積が０．２７１ｍｍ３必要であるが、上述したように部分的に異方性エッチングによって（１１０）面と約３５度の角度で出現する（１１１）面で囲まれた凹部が形成されているため、インクリザーバ５の体積を１．２ｍｍ３にする事が可能であり、充分なインク容量が確保できる。
【００２０】
リザーバ５の凹部の配列ピッチは、特に限定されるものでは無いが、圧力発生室４と同一ピッチに配列する事がより望ましい。これは、圧力発生室４に流入するインク経路が各々の圧力発生室４に対して同様の形状にする事ができるため、インクの流路抵抗にばらつきを生じさせることなく圧力発生室４にインクを供給することができ、各圧力発生室４間でのインク供給量にばらつきが生じることなく、吐出インク量を均一にできるためである。
【００２１】
リザーバ５の凹部９は、本実施例では圧力発生室配列方向に２列形成したが、１列や３列以上形成することも可能である。
【００２２】
また、圧力発生室４は、壁面２４，２４及び壁面２３，２３により形成されており、壁面２４は、（１１０）の面方位の単結晶シリコンの異方性エッチングによって面方位（１１０）と約３５度の角度で出現する（１１１）面であり、壁面２３，２３は面方位（１１０）とほぼ９０度の角度を有する（１１１）面である。
【００２３】
なお、図２中凹部２９及び流路２８は、リザーバ５とインク供給路８を接続するための流路である。リザーバ５とインク供給路８の幅が異なるため、単結晶シリコン基板をエッチングするときにリザーバ５とインク供給路８との接続部の形状が不安定になりやすいが、リザーバ５とインク供給路８の間に流路を形成することによりインク供給路８を精度良く形成することができる。なお、製造上の精度があがればなくすことも可能である。
【００２４】
〔製造方法〕
次に、本発明のインクジェット式記録ヘッドの他の製造方法について図面を用いて説明する。
【００２５】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１となる結晶面方位が（１１０）である厚み２２０μｍの単結晶シリコン基板２０１を、水蒸気を含む酸素雰囲気下で６０分間、摂氏１１００度に加熱し、１μｍの酸化シリコン膜２０７を熱酸化法により単結晶シリコン基板１０２の両面に形成する。この酸化シリコン膜２０７は、この上に形成される能動素子の絶縁膜として機能すると共に、単結晶シリコン基板１０２のエッチング加工時にエッチングマスクとして機能する。もちろん、酸化シリコン膜に制限されるわけでなく、窒化シリコン膜又は、金属膜など、シリコンエッチング液に対して耐食性を示す膜（耐単結晶シリコンエッチング膜）であれば何でも良い。
【００２６】
次に、酸化シリコン膜２０７が形成された単結晶シリコン基板２０１上に、ジルコニウムをスパッタ法を用い成膜し、その後熱酸化法で、０．８μｍ程度の厚みの酸化ジルコニウムとし、振動板２となる膜２０１を形成する。
【００２７】
更に、白金をスパッタ法を用いて０．２μｍの厚さで膜２０１上に成膜し、下電極６となる金属層２０２を形成する。同様に、金属層２０２上に、１μｍの厚みのジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体膜２０３、圧電体膜２０３上に、０．２μｍの厚みの上電極となるアルミニウムの金属層２０４を成膜する。この際各層間に各膜間の密着力を向上するためにチタン、酸化チタン、クロム等の中間層を積層しても良い。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、金属層２０４、圧電体膜２０３、金属層２０２に図示しないフォトレジストをスピンコート法によって全面に塗布し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより所望の形状の上電極、圧電体膜、下電極になるように、ここでは圧力発生室に対応する形状にパターニングした。この様なパターンを形成する場合、金属層２０２、圧電体膜２０３、金属層２０４についてそれぞれの膜の成膜後にパターニングを行い、積層を繰り返しても差し支えない。
【００２９】
以下、圧電体膜２０３が成膜された側の単結晶シリコン基板１０２の面を能動面、その反対の面を非能動面という。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、能動面及び非能動面に、それぞれ一般的なポジ型のフォトレジスト２０９、２０８をスピンコート法によって全面に塗布する。この際、フォトレジスト塗布はロールコート法を用いても良い。能動面のフォトレジスト２０９は、後述の酸化シリコン膜２０７のエッチング保護として機能する。その後プレベーキングを摂氏８０度で１０分間行う。
【００３１】
次に、図３（ｄ）に示すように、所望のパターンが形成されているガラスマスク２１０ではさみ、紫外線を照射する。ガラスマスク２１０において、紫外線の透過する部分を実線の細線で、又、紫外線の反射する部分は太線で示した。このガラスマスクの平面図は図７（ａ）に示す。
【００３２】
次に、図４（ａ）に示すように、ポジ型フォトレジスト２０９，２０８の現像を行う。現像は、一般的なアルカリ性の現像液に常温で１分３０秒程度攪拌、揺動を実施しながら浸漬した。その後、ポストベーキングを摂氏１２０度で１０分間行った。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜２０７を緩衝弗酸を用いエッチングによりパターン加工する。この時、約１μｍの厚さで形成された酸化シリコン膜２０７は１０分程度でパターンが形成できる。
【００３４】
次に、図４（ｃ）に示すように、リザーバ５、インク供給路８に相当する形状にパターンが形成されているガラスマスク２１１で、紫外線を照射する。ガラスマスクの平面図は図７（ｂ）に示す。
【００３５】
次に、図５（ａ）に示すように、ポジ型フォトレジストの現像を行った。現像は前記と同じく一般的な、アルカリ性の現像液に常温で１分３０秒程度攪拌、揺動を実施しながら浸漬した。その後、ポストベーキングを摂氏１４０度で１０分間行った。
【００３６】
次に、図５（ｂ）に示すように、ポジ型フォトレジスト現像剥離部の酸化シリコン膜２０７を緩衝弗酸を用いハーフエッチングによりパターン加工した。この時、エッチング時間は５分程度であり、約１μｍの厚さである酸化シリコン膜２０７は、約０．５μｍになる。このように、既にパターニングした部分以外のフォトレジストを再度感光し、現像を行い、酸化シリコン膜の厚みの異なる部分を形成する技術を多重露光法と称する。この工程を行うことにより、図６（ａ）の工程において酸化シリコン膜２０７を完全に除去することができる。
【００３７】
次に、フォトレジスト２０８、２０９を剥離液、又はアッシングにより除去した後、図５（ｃ）のように、アルカリ液による単結晶シリコン基板１０２の異方性エッチングを行う。これにより、圧力発生室４、リザーバ５を形成する凹部１０４及び１０１が形成される。これは、面方位（１１０）面の単結晶シリコン基板１０２を、アルカリ液により、エッチングすると（１１０）面に対し３５度の角度を持って（１１１）面が出現し、それ以降は、エッチングが進まないためである。
【００３８】
そこで、図５（ｃ）のように、エッチングの最深部迄の長さ（イ）を決めれば、エッチングされる両端面迄の長さ（ウ）が求まる。よって、前記エッチングされる両端面迄の長さ（ウ）を変更することにより、自由に単結晶シリコン基板１０２の厚さを設計できる。さらに、リザーバ５の深さは、図５（ｃ）の（ウ）の長さで決まるため、リザーバ５の深さを確実に制御でき、精度を確保する上でこのような構造にする事が良いのである。これにより、アルカリ液で単結晶シリコン基板１０２の異方性エッチングを行うと、酸化シリコン膜２０７も同じくエッチングされ、約０．４μｍ程度溶解する。従ってインク供給路８を形成する部分の酸化シリコン膜２０７はパターンの厚さが０．１μｍ程度となり、それ以外の酸化シリコン膜は０．６μｍ程度の厚さになる。
【００３９】
次に、図６（ａ）に示すように、緩衝弗酸液に１分程度浸漬し、酸化シリコン膜２０７のエッチングを行う。これにより、インク供給路８、リザーバー５を形成する部分の酸化シリコン膜２０７は除去されるが、それ以外の酸化シリコン膜２０７は０．５μｍ程度の厚さで残る。
【００４０】
次に、図６（ｂ）に示すように、インク供給路８、リザーバ５となる部位１０３，１０１を形成するために、アルカリ液に浸漬して単結晶シリコン基板１０２をエッチングする。
【００４１】
以上の工程はシリコンウエハに複数同時に形成する方法が量産性に優れ、安価に提供できる。
【００４２】
次に、図６（ｃ）に示すように、シリコンウエハで複数形成されている場合は各ユニットごとに分割し、ノズル開口１０が穿設されたステンレス又はプラスチック製のノズルプレート１２を貼り合わせ、インクジェット式記録ヘッドを形成する。
【００４３】
図６（ｂ）から図６（ｃ）の工程へ移る前に、本実施例では非能動面に残されていた酸化シリコン膜２０７及び圧力発生室４に対向する酸化シリコン膜２０７を除去しているが、そのまま残しておき、図６（ｃ）に示す如くノズルプレート１２を貼り合わせても良い。
【００４４】
また、本製造方法において、１回目の単結晶シリコン基板１０２のエッチング液として、水酸化カリウム水溶液（水酸化カリウム濃度１０重量％、摂氏８０度）、２回目の単結晶シリコン基板１０２のエッチング液として水酸化カリウム水溶液（水酸化カリウム濃度４０重量％、摂氏８０度）。酸化シリコン膜２０７のエッチング液として緩衝弗酸（弗化水素酸濃度１６重量％、常温）を用いた。前述の条件では、水酸化カリウム溶液での単結晶シリコン基板１０２のエッチングレートは２．３μｍ／分であり、酸化シリコン膜２０７のエッチングレートは０．１μｍ／分である。１回目のアルカリエッチングにより、２２０μｍのシリコンエッチングで圧力発生室４の最深部が形成される。又、この時、インク供給路８は酸化シリコン膜２０７で覆われているため形成されない。さらに、リザーバ５は異方性エッチングのため、一部分が形成される。次に、前記未エッチング部分の酸化シリコン膜２０７にフォトリソを行い、２回目のアルカリハーフエッチングを行う事により単結晶シリコンが１００μｍエッチングされる。即ち、図６（ｂ）の工程に於いて、インクジェット式記録ヘッドのインク供給路８とリザーバ５が形成される。
【００４５】
このようにして得られたリザーバ５は、リザーバ５に形成された凹部の深さを精密に制御する事が可能である。さらに、後工程製造中、輸送中等の振動によりインクリザーバー１０１のシリコン基板１０２の機械的な強度不足による不良の発生という問題が無い。
【００４６】
次に本発明のインクジェット式記録ヘッドを適用したインクジェット記録装置について説明する。
【００４７】
図８は、本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置を説明するための斜視図であり、図において、３０１は本発明の上述した記録ヘッドであり、モータ３０５により駆動されるタイミングベルト３０６と固定されたキャリッジ３０４に搭載され、ガイド３０９にガイドされながらプラテン３０８により搬送される記録用紙３０７の幅方向に往復動する様に構成されている。記録ヘッド３０１には、インク組成物を収容したインクカートリッジ３０２からインク供給チューブ３０３を介して吐出に必要なインクが供給される。
【００４８】
３１０はキャッピング装置であり、記録ヘッド３０１が非印字状態の時にインク滴を吐出するノズル開口の目詰まりを防止すべく封止するとともに、吸引ポンプ３１１と接続しており、ノズル開口の目詰まり回復のための記録ヘッド３０１からインクを排出させる機能も備えている。吸引ポンプ３１１は、チューブ３１２を介して廃インクタンク３１３に接続されている。
【００４９】
その他、キャリッジ上にインクカートリッジを搭載するタイプのインクジェット記録装置、記録ヘッドとインクカートリッジが一体化されたインクジェット記録装置にもむろん適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの平面図、（ｂ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドのＸＸ断面図である。
【図３】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図６】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法で使用するガラスマスクの平面図である。
【図８】本発明のインクジェット式記録ヘッドを適用したインクジェット記録装置を説明するための斜視図である。
【図９】（ａ）は、従来のインクジェット式記録ヘッドの斜視図、（ｂ）は、従来のインクジェット式記録ヘッドのＡーＡ’断面図である。
【符号の説明】
１ 流路形成基板
２ 振動板
３ 圧電体膜
４ 圧力発生室
５ リザーバ
６ 下電極
７ 上電極
８ インク供給路
９ リザーバ凹部
１０ ノズル開口
１２ ノズルプレート
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出して紙などの記録媒体上に画像データ等に基づいた記録画像を形成するインクジェットプリンタ等のインクジェット記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッドに関し、詳細には圧力発生室、インク供給路、インクリザーバーが単結晶シリコン基板で形成されたインクジェット式記録ヘッドに関する。
【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弾性板で構成し、この弾性板を圧電振動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、圧電振動子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ振動モードの圧電振動子を使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電振動子の端面を弾性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、圧電弾性板をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切分けるという困難な工程や、切分けられた圧電振動体を圧力発生室に位置合わせ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弾性板に圧電振動体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、或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】
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、弾性板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、この圧電体膜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分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電振動子を形成したものが提案されている。
【０００６】
また、国際公開ＷＯ９２／０９１１１号には、単結晶シリコン基板の一方の面に成膜技術によって圧電体膜を形成し、単結晶シリコン基板の他方の面に圧力発生室等を構成する凹部をエッチングにより形成し、この凹部が形成された面にノズル開口が形成されたノズルプレートを接合することによりインクジェット式記録ヘッドを形成したものが提案されている。 これによればＰＺＴ素子の切断・貼付工程が不要となって、リソグラフィー法という精密で、かつ簡便な手法で圧電振動子を作り付けることができるばかりでなく、厚みを薄くできて高速駆動が可能であ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、圧電材料層が非常に薄いため、バルクの圧電体を貼付したものに比較して剛性が低いという問題点を持っている。
【０００８】
例えば図９に示すように、面方位（１１０）の単結晶シリコン基板Ａに、酸化シリコン膜Ｂを形成し、この酸化シリコン膜Ｂ上に振動板Ｃ、下電極Ｄ、圧電体膜Ｅ、上電極Ｆを成膜技術により一体的に形成し、次に単結晶シリコン基板Ａに、複数の圧力発生室Ｇ、及び各圧力発生室ＧとインクリザーバーＩを連通するインク供給路Ｈが形成され、その後ノズル開口Ｋが形成されたノズルプレートＪを封止することによって形成されたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体膜Ｅ及び上電極Ｆを配線の関係でインクリザーバーＩ上まで延ばして形成する事が考えられる。
【０００９】
このような構造の場合、図９（ｂ）に示すように圧電体膜に上下の電極により電圧を印加すると圧電体膜が収縮し、これにより振動板が図面アの方向にたわみ圧力発生室が加圧されてインクがノズル開口より吐出する。このインクの吐出とあわせてインク供給路からリザーバにもインクが逆流し、逆流したインクによってリザーバ内の圧力が高まり、リザーバ上の振動板を変形させ、更に振動板上の下電極、圧電体膜、上電極も変形させてしまい、場合によっては圧電体膜にクラックが入り、インクジェット式記録ヘッドとして機能しなくなるという課題を有する。
【００１０】
このような問題点を解決するためにリザーバ部の単結晶シリコンを一部残して機械的強度を大きくする方法も考えられるが、この方法ではリザーバのインク容量が減少するため、例えば全ノズルからインクを高速に吐出するような場合圧力発生室へのインクの供給不足が生じドット抜けなどを起こす可能性がある。また、この方法で供給量を大きくするためにインクリザーバを更に大きくするとまた機械強度が下がり、更に単結晶シリコン膜のインクリザーバと対向する部位を厚くしなけらばならず、結果としてヘッドの大型化を招いてしまう。さらに、リザーバの深さ方向の精度を出すのが非常に困難である。
【００１１】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、インクリザーバの機械的強度を向上させて下電極、圧電体膜、上電極にクラックを発生させることがなく、またインク供給不足が生じることのない小型のインクジェット式記録ヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、インクを吐出する複数のノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に各々連通した複数の圧力発生室、前記圧力発生室にインクを供給するインク供給路及びこのインク供給路に連通するリザーバが形成された流路形成基板と、この流路形成基板上に形成された振動板と、この振動板上の前記圧力発生室に対応する位置に形成された電極と圧電体膜よりなる薄膜圧電体素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記振動板と前記薄膜圧電体素子が、前記振動板上の前記リザーバに対応する位置まで延設され、前記リザーバが、共通インク室と、当該共通インク室に連通して、前記共通インク室と前記振動板との間に設けられた複数の凹部からなり、前記凹部間の壁が前記リザーバ中に格子状に形成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２（ａ）は後述する流路形成基板の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸＸ線断面図である。
【００１５】
図において、１は面方位（１１０）面を有する単結晶シリコン基板をエッチングして形成された流路形成基板で、複数の圧力発生室４，４・・・と、これら圧力発生室にインクを供給するリザーバ５と、これら圧力発生室４，４・・・と、リザーバ５とを一定の流体抵抗で連通させるインク供給路８とを形成するように構成されている。この流路形成基板１の一方の面には圧力発生室４，４・・・の一端側で連通する様にノズル開口１０が穿設されたノズルプレート１２が固定され、また裏面には振動板２、この振動板上の前記圧力発生室４，４，・・・に対応する位置に薄膜形成方法で下電極６，圧電体膜３，上電極７が形成されている。
【００１６】
リザーバ５は、リザーバ５全域にわたってインク供給路８と同じ深さを有する単一の凹部により形成された共通インク室１１と、この共通インク室１１と連通する複数の凹部９により構成されている。このリザーバ５の凹部９は、壁面２１，２１及び壁面２２，２２を有しており、この壁面２１は、（１１０）の面方位の単結晶シリコンの異方性エッチングによって面方位（１１０）と約３５度の角度で出現する（１１１）面であり、壁面２２，２２は面方位（１１０）とほぼ９０度の角度を有する（１１１）面である。
【００１７】
また各凹部９は格子状の壁２５，２６により区画されるように配置されており、圧力発生室４の並び方向でかつリザーバ中央の壁２５の前記共通インク室１１の底面を形成する面２５ａの幅は、圧力発生室４と同一ピッチに形成された壁２６の前記共通インク室１１の底面を形成する面２６ａの幅よりも幅広に形成されており、これによりリザーバの強度をより強くしている。
【００１８】
この様なリザーバの構成にすることにより、リザーバ内の機械強度を高くすることができると共に、リザーバを極端に大きくすることなくリザーバ内の体積をインク供給不足を生じることない程度の大きさにすることができる。
【００１９】
例えば、１ノズル開口あたり、インク吐出重量２０μｃｃとして、１秒間に１４４００ドットを吐出し、１０ノズル開口から同時にインクを吐出させた場合、リザーバ５の体積が０．２７１ｍｍ３必要であるが、上述したように部分的に異方性エッチングによって（１１０）面と約３５度の角度で出現する（１１１）面で囲まれた凹部が形成されているため、インクリザーバ５の体積を１．２ｍｍ３にする事が可能であり、充分なインク容量が確保できる。
【００２０】
リザーバ５の凹部の配列ピッチは、特に限定されるものでは無いが、圧力発生室４と同一ピッチに配列する事がより望ましい。これは、圧力発生室４に流入するインク経路が各々の圧力発生室４に対して同様の形状にする事ができるため、インクの流路抵抗にばらつきを生じさせることなく圧力発生室４にインクを供給することができ、各圧力発生室４間でのインク供給量にばらつきが生じることなく、吐出インク量を均一にできるためである。
【００２１】
リザーバ５の凹部９は、本実施例では圧力発生室配列方向に２列形成したが、１列や３列以上形成することも可能である。
【００２２】
また、圧力発生室４は、壁面２４，２４及び壁面２３，２３により形成されており、壁面２４は、（１１０）の面方位の単結晶シリコンの異方性エッチングによって面方位（１１０）と約３５度の角度で出現する（１１１）面であり、壁面２３，２３は面方位（１１０）とほぼ９０度の角度を有する（１１１）面である。
【００２３】
なお、図２中凹部２９及び流路２８は、リザーバ５とインク供給路８を接続するための流路である。リザーバ５とインク供給路８の幅が異なるため、単結晶シリコン基板をエッチングするときにリザーバ５とインク供給路８との接続部の形状が不安定になりやすいが、リザーバ５とインク供給路８の間に流路を形成することによりインク供給路８を精度良く形成することができる。なお、製造上の精度があがればなくすことも可能である。
【００２４】
〔製造方法〕
次に、本発明のインクジェット式記録ヘッドの他の製造方法について図面を用いて説明する。
【００２５】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１となる結晶面方位が（１１０）である厚み２２０μｍの単結晶シリコン基板２０１を、水蒸気を含む酸素雰囲気下で６０分間、摂氏１１００度に加熱し、１μｍの酸化シリコン膜２０７を熱酸化法により単結晶シリコン基板１０２の両面に形成する。この酸化シリコン膜２０７は、この上に形成される能動素子の絶縁膜として機能すると共に、単結晶シリコン基板１０２のエッチング加工時にエッチングマスクとして機能する。もちろん、酸化シリコン膜に制限されるわけでなく、窒化シリコン膜又は、金属膜など、シリコンエッチング液に対して耐食性を示す膜（耐単結晶シリコンエッチング膜）であれば何でも良い。
【００２６】
次に、酸化シリコン膜２０７が形成された単結晶シリコン基板２０１上に、ジルコニウムをスパッタ法を用い成膜し、その後熱酸化法で、０．８μｍ程度の厚みの酸化ジルコニウムとし、振動板２となる膜２０１を形成する。
【００２７】
更に、白金をスパッタ法を用いて０．２μｍの厚さで膜２０１上に成膜し、下電極６となる金属層２０２を形成する。同様に、金属層２０２上に、１μｍの厚みのジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電体膜２０３、圧電体膜２０３上に、０．２μｍの厚みの上電極となるアルミニウムの金属層２０４を成膜する。この際各層間に各膜間の密着力を向上するためにチタン、酸化チタン、クロム等の中間層を積層しても良い。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、金属層２０４、圧電体膜２０３、金属層２０２に図示しないフォトレジストをスピンコート法によって全面に塗布し、フォトリソグラフィー及びエッチングにより所望の形状の上電極、圧電体膜、下電極になるように、ここでは圧力発生室に対応する形状にパターニングした。この様なパターンを形成する場合、金属層２０２、圧電体膜２０３、金属層２０４についてそれぞれの膜の成膜後にパターニングを行い、積層を繰り返しても差し支えない。
【００２９】
以下、圧電体膜２０３が成膜された側の単結晶シリコン基板１０２の面を能動面、その反対の面を非能動面という。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、能動面及び非能動面に、それぞれ一般的なポジ型のフォトレジスト２０９、２０８をスピンコート法によって全面に塗布する。この際、フォトレジスト塗布はロールコート法を用いても良い。能動面のフォトレジスト２０９は、後述の酸化シリコン膜２０７のエッチング保護として機能する。その後プレベーキングを摂氏８０度で１０分間行う。
【００３１】
次に、図３（ｄ）に示すように、所望のパターンが形成されているガラスマスク２１０ではさみ、紫外線を照射する。ガラスマスク２１０において、紫外線の透過する部分を実線の細線で、又、紫外線の反射する部分は太線で示した。このガラスマスクの平面図は図７（ａ）に示す。
【００３２】
次に、図４（ａ）に示すように、ポジ型フォトレジスト２０９，２０８の現像を行う。現像は、一般的なアルカリ性の現像液に常温で１分３０秒程度攪拌、揺動を実施しながら浸漬した。その後、ポストベーキングを摂氏１２０度で１０分間行った。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜２０７を緩衝弗酸を用いエッチングによりパターン加工する。この時、約１μｍの厚さで形成された酸化シリコン膜２０７は１０分程度でパターンが形成できる。
【００３４】
次に、図４（ｃ）に示すように、リザーバ５、インク供給路８に相当する形状にパターンが形成されているガラスマスク２１１で、紫外線を照射する。ガラスマスクの平面図は図７（ｂ）に示す。
【００３５】
次に、図５（ａ）に示すように、ポジ型フォトレジストの現像を行った。現像は前記と同じく一般的な、アルカリ性の現像液に常温で１分３０秒程度攪拌、揺動を実施しながら浸漬した。その後、ポストベーキングを摂氏１４０度で１０分間行った。
【００３６】
次に、図５（ｂ）に示すように、ポジ型フォトレジスト現像剥離部の酸化シリコン膜２０７を緩衝弗酸を用いハーフエッチングによりパターン加工した。この時、エッチング時間は５分程度であり、約１μｍの厚さである酸化シリコン膜２０７は、約０．５μｍになる。このように、既にパターニングした部分以外のフォトレジストを再度感光し、現像を行い、酸化シリコン膜の厚みの異なる部分を形成する技術を多重露光法と称する。この工程を行うことにより、図６（ａ）の工程において酸化シリコン膜２０７を完全に除去することができる。
【００３７】
次に、フォトレジスト２０８、２０９を剥離液、又はアッシングにより除去した後、図５（ｃ）のように、アルカリ液による単結晶シリコン基板１０２の異方性エッチングを行う。これにより、圧力発生室４、リザーバ５を形成する凹部１０４及び１０１が形成される。これは、面方位（１１０）面の単結晶シリコン基板１０２を、アルカリ液により、エッチングすると（１１０）面に対し３５度の角度を持って（１１１）面が出現し、それ以降は、エッチングが進まないためである。
【００３８】
そこで、図５（ｃ）のように、エッチングの最深部迄の長さ（イ）を決めれば、エッチングされる両端面迄の長さ（ウ）が求まる。よって、前記エッチングされる両端面迄の長さ（ウ）を変更することにより、自由に単結晶シリコン基板１０２の厚さを設計できる。さらに、リザーバ５の深さは、図５（ｃ）の（ウ）の長さで決まるため、リザーバ５の深さを確実に制御でき、精度を確保する上でこのような構造にする事が良いのである。これにより、アルカリ液で単結晶シリコン基板１０２の異方性エッチングを行うと、酸化シリコン膜２０７も同じくエッチングされ、約０．４μｍ程度溶解する。従ってインク供給路８を形成する部分の酸化シリコン膜２０７はパターンの厚さが０．１μｍ程度となり、それ以外の酸化シリコン膜は０．６μｍ程度の厚さになる。
【００３９】
次に、図６（ａ）に示すように、緩衝弗酸液に１分程度浸漬し、酸化シリコン膜２０７のエッチングを行う。これにより、インク供給路８、リザーバー５を形成する部分の酸化シリコン膜２０７は除去されるが、それ以外の酸化シリコン膜２０７は０．５μｍ程度の厚さで残る。
【００４０】
次に、図６（ｂ）に示すように、インク供給路８、リザーバ５となる部位１０３，１０１を形成するために、アルカリ液に浸漬して単結晶シリコン基板１０２をエッチングする。
【００４１】
以上の工程はシリコンウエハに複数同時に形成する方法が量産性に優れ、安価に提供できる。
【００４２】
次に、図６（ｃ）に示すように、シリコンウエハで複数形成されている場合は各ユニットごとに分割し、ノズル開口１０が穿設されたステンレス又はプラスチック製のノズルプレート１２を貼り合わせ、インクジェット式記録ヘッドを形成する。
【００４３】
図６（ｂ）から図６（ｃ）の工程へ移る前に、本実施例では非能動面に残されていた酸化シリコン膜２０７及び圧力発生室４に対向する酸化シリコン膜２０７を除去しているが、そのまま残しておき、図６（ｃ）に示す如くノズルプレート１２を貼り合わせても良い。
【００４４】
また、本製造方法において、１回目の単結晶シリコン基板１０２のエッチング液として、水酸化カリウム水溶液（水酸化カリウム濃度１０重量％、摂氏８０度）、２回目の単結晶シリコン基板１０２のエッチング液として水酸化カリウム水溶液（水酸化カリウム濃度４０重量％、摂氏８０度）。酸化シリコン膜２０７のエッチング液として緩衝弗酸（弗化水素酸濃度１６重量％、常温）を用いた。前述の条件では、水酸化カリウム溶液での単結晶シリコン基板１０２のエッチングレートは２．３μｍ／分であり、酸化シリコン膜２０７のエッチングレートは０．１μｍ／分である。１回目のアルカリエッチングにより、２２０μｍのシリコンエッチングで圧力発生室４の最深部が形成される。又、この時、インク供給路８は酸化シリコン膜２０７で覆われているため形成されない。さらに、リザーバ５は異方性エッチングのため、一部分が形成される。次に、前記未エッチング部分の酸化シリコン膜２０７にフォトリソを行い、２回目のアルカリハーフエッチングを行う事により単結晶シリコンが１００μｍエッチングされる。即ち、図６（ｂ）の工程に於いて、インクジェット式記録ヘッドのインク供給路８とリザーバ５が形成される。
【００４５】
このようにして得られたリザーバ５は、リザーバ５に形成された凹部の深さを精密に制御する事が可能である。さらに、後工程製造中、輸送中等の振動によりインクリザーバー１０１のシリコン基板１０２の機械的な強度不足による不良の発生という問題が無い。
【００４６】
次に本発明のインクジェット式記録ヘッドを適用したインクジェット記録装置について説明する。
【００４７】
図８は、本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置を説明するための斜視図であり、図において、３０１は本発明の上述した記録ヘッドであり、モータ３０５により駆動されるタイミングベルト３０６と固定されたキャリッジ３０４に搭載され、ガイド３０９にガイドされながらプラテン３０８により搬送される記録用紙３０７の幅方向に往復動する様に構成されている。記録ヘッド３０１には、インク組成物を収容したインクカートリッジ３０２からインク供給チューブ３０３を介して吐出に必要なインクが供給される。
【００４８】
３１０はキャッピング装置であり、記録ヘッド３０１が非印字状態の時にインク滴を吐出するノズル開口の目詰まりを防止すべく封止するとともに、吸引ポンプ３１１と接続しており、ノズル開口の目詰まり回復のための記録ヘッド３０１からインクを排出させる機能も備えている。吸引ポンプ３１１は、チューブ３１２を介して廃インクタンク３１３に接続されている。
【００４９】
その他、キャリッジ上にインクカートリッジを搭載するタイプのインクジェット記録装置、記録ヘッドとインクカートリッジが一体化されたインクジェット記録装置にもむろん適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの平面図、（ｂ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドのＸＸ断面図である。
【図３】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図５】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図６】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法で使用するガラスマスクの平面図である。
【図８】本発明のインクジェット式記録ヘッドを適用したインクジェット記録装置を説明するための斜視図である。
【図９】（ａ）は、従来のインクジェット式記録ヘッドの斜視図、（ｂ）は、従来のインクジェット式記録ヘッドのＡーＡ’断面図である。
【符号の説明】
１ 流路形成基板
２ 振動板
３ 圧電体膜
４ 圧力発生室
５ リザーバ
６ 下電極
７ 上電極
８ インク供給路
９ リザーバ凹部
１０ ノズル開口
１２ ノズルプレート
Claims (4)
- インクを吐出する複数のノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に各々連通した複数の圧力発生室、前記圧力発生室にインクを供給するインク供給路及びこのインク供給路に連通するリザーバが形成された流路形成基板と、この流路形成基板上に形成された振動板と、この振動板上の前記圧力発生室に対応する位置に形成された電極と圧電体膜よりなる薄膜圧電体素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドであって、
前記振動板と前記薄膜圧電体素子が、前記振動板上の前記リザーバに対応する位置まで延設され、
前記リザーバが、共通インク室と、当該共通インク室に連通して、前記共通インク室と前記振動板との間に設けられた複数の凹部からなり、前記凹部間の壁が前記リザーバ中に格子状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。 - 前記流路形成基板が単結晶シリコンにより形成されている請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記単結晶シリコン基板が（１１０）面方位であり、前記凹部を形成する壁面の少なくとも一面が面方位（１１１）面を有する請求項２記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載のインクジェット式記録ヘッドを用いたインクジェット式記録装置。
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