JP3726909B2 - 液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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】
液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズルと連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドには、前述したように圧力発生室として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線等の発熱素子を設け、この発熱素子の発生するバブルによってノズル開口からインク滴を吐出させるものと、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ノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。
【０００４】
また、圧電振動式の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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、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（例えば、引用文献１参照）。
【０００８】
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高密度に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。
【０００９】
このような従来のインクジェット式記録ヘッドは、一般的に、インクキャビティ（圧力発生室）がシリコン基板に形成され、インクキャビティの一方面を構成する振動板はシリコン酸化膜で形成されている。このため、アルカリ性のインクを用いると、インクによってシリコン基板が除々に溶解されて各圧力発生室の幅が経時的に変化してしまう。そして、このことが、圧電素子の駆動によって圧力発生室内に付与される圧力を変化させる原因となり、インク吐出特性が除々に低下してしまうという問題がある。このため、インクキャビティ内に親水性及び耐アルカリ性を備えた膜、例えば、ニッケル膜等を設け、インクによるシリコン基板等の溶解を防止したものがある（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−２８６１３１号公報（第３図、［００１３］）
【特許文献２】
特開平１０−２６４３８３号公報（第１図、［００２０］）
【特許文献３】
特開２００２−１６０３６６号公報（第６頁、図２（ｂ））
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このようにインクキャビティ内にニッケル膜等を設けることによりインクによる溶解をある程度防止することはできる。しかしながら、ニッケル膜等もインクによって徐々に溶解されてしまうため、長期間使用するとインク吐出特性が低下してしまうという問題がある。特に、比較的高いｐＨのインクを用いた場合には、溶解速度が高まるため、インク吐出特性も比較的短期間で低下してしまう。
【００１２】
また、圧力発生室が形成される流路形成基板の圧電素子側の一方面に、この圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板を接合し、圧電素子の外部環境に起因する破壊を防止した構造がある（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
そして、このような封止基板には、各圧力発生室の共通インク室の一部を構成するリザーバ部が設けられているが、このリザーバ部内の耐インク性については考慮されていないのが実状である。すなわち、リザーバ部は、各圧力発生室に供給されるインクが貯留される部分であり、インク吐出特性の低下の直接的な要因にはなりにくいため、従来のインクジェット式記録ヘッドでは、リザーバ部内の耐インク性が考慮されていなかった。
【００１４】
しかしながら、例えば、封止基板を形成する材料にシリコン単結晶基板（Ｓｉ）が用いられている場合にアルカリ性のインクを用いると、圧力発生室の場合と同様に、リザーバ部の内壁表面がインクによって除々に溶解されてしまう。これに伴ってリザーバ部の形状が大きく変化すると、各圧力発生室へのインクの供給不良を発生させ、インク吐出特性の低下につながる虞がある。
【００１５】
さらに、リザーバ部の内壁表面がインクに溶解された封止基板の溶解物は、例えば、温度変化等に伴ってインク中に析出する析出物（Ｓｉ）となる場合があり、この析出物は、インクと共に各圧力発生室内へ運ばれ、いわゆるノズル詰まりが発生してしまうという虞もある。
【００１６】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外のアルカリ性の液体を噴射する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑み、液体吐出特性を長期間一定に維持することができ且つノズル詰まりを防止した液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００５６】
【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、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して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、シリコン単結晶基板からなり前記圧電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で該空間を形成する圧電素子保持部を有する基板とを具備し、且つ前記基板が各圧力発生室に連通するリザーバの少なくとも一部を構成するリザーバ部を有する液体噴射ヘッドの製造方法において、前記圧電素子保持部を有する基板となる基板形成材の表面にマスクパターンを形成する工程と、前記基板形成材の前記マスクパターンが形成された領域以外をエッチングすることによって前記リザーバ部及び前記圧電素子保持部を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記圧電素子保持部を有する基板とする工程と、この基板を熱酸化することによって当該基板の前記リザーバ部の内壁表面を含む全ての表面に二酸化シリコンからなり耐液体性を有する保護膜を形成する工程と、前記圧電素子が形成された前記流路形成基板と前記基板とを接合する工程とを有し、且つ前記流路形成基板に前記圧力発生室を含む液体流路を形成する工程の後に実施され当該液体流路の内壁表面に保護膜を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００５７】
かかる第１の態様では、保護膜によって基板の液体による溶解が防止されるため、リザーバ部を製造時と略同一形状に長期間維持することができる。すなわち、リザーバ部の形状が実質的に安定するため、各圧力発生室内に液体を良好に供給することができる。また、液体に溶解された基板の溶解物の量が著しく低減されるため、ノズル詰まりの発生が防止される。また、基板の全面に保護膜を設けることにより、基板の製造作業を簡便化することができる。さらに、基板を熱酸化することによって保護膜を形成することで、略均一な厚さで且つピンホールの発生がない保護膜を比較的容易且つ確実に形成することができる。
【００６２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記基板の表面に保護膜を形成する工程の後に、前記基板の前記圧電素子保持部側とは反対側の保護膜上に前記圧電素子と当該圧電素子を駆動するための駆動ＩＣとを接続する接続配線を形成する工程をさらに有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００６３】
かかる第２の態様では、保護膜が略均一な厚さで且つピンホールの発生がなく形成されているため、接続配線と基板とが確実に絶縁される。
【００７４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記液体流路の内壁表面に保護膜を形成する工程では、１５０℃以下の温度条件で金属材料からなる耐液体性の保護膜を前記液体流路の内壁表面に形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００７５】
かかる第３の態様では、比較的低い温度条件、例えば、１５０℃以下で保護膜を形成することができるため、例えば、圧電素子等が破壊されるのを確実に防止することができる。
【００７８】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記圧力発生室を含む液体流路の内壁表面の保護膜を対向ターゲット式スパッタ法によって形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００７９】
かかる第４の態様では、各圧力発生室等の内面に、緻密な膜が略均一な厚さで形成される。また、成膜レートが速いため、製造効率が向上する。
【００８０】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記圧力発生室を含む液体流路の内壁表面に保護膜を形成する際、対向するターゲット表面の面方向に対して前記圧力発生室の長手方向が直交するように前記流路形成基板を配置することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００８１】
かかる第５の態様では、圧力発生室等の内面全面に、保護膜を比較的容易且つ良好に形成することができる。
【００８２】
本発明の第６の態様は、第３の態様において、前記圧力発生室を含む液体流路の保護膜をプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００８３】
かかる第６の態様では、圧力発生室等の内面全面に亘って連続する保護膜を、比較的容易且つ良好に形成することができる。
【００８４】
本発明の第７の態様は、第３〜６の何れかの態様において、前記金属材料が、酸化タンタル又は酸化ジルコニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００８５】
かかる第７の態様では、比較的低い温度条件下での膜形成が可能であり且つ液体に対して非常に優れた耐エッチング性を有する保護膜を形成できる。特に、酸化タンタルによって形成された保護膜は、比較的大きなｐＨ、例えば、ｐＨ８．０以上の液体に対して特に優れた耐エッチング性を発揮する。これにより、各圧力発生室を製品製造時と略同一形状に長期間維持することができる。
【００８８】
【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。
（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の概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その各表面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０及び絶縁膜５５がそれぞれ形成されている。この流路形成基板１０には、その一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する封止基板のリザーバ部と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００８９】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また、各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より幅方向に狭く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００９０】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００９１】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されて圧力発生室１２等が封止されている。なお、このノズルプレート２０は、本実施形態では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成されている。
【００９２】
ここで、流路形成基板１０の少なくとも圧力発生室１２の内壁表面には、酸化タンタルからなり耐インク性を有する保護膜１００が設けられている。例えば、本実施形態では、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる保護膜１００が、流路形成基板１０のインクに接触する全ての表面に設けられている。具体的には、圧力発生室１２内の隔壁１１及び弾性膜５０の表面に保護膜１００が設けられると共に、各圧力発生室１２に連通するインク供給路１４及び連通部１３のインク流路の内壁表面にも保護膜１００が設けられている。このような保護膜１００の厚さは、特に限定されないが、本実施形態では、各圧力発生室１２の大きさ及び振動板の変位量等を考慮して５０ｎｍ程度とした。
【００９３】
このような酸化タンタルからなる保護膜１００は、インクに対して非常に優れた耐エッチング性（耐インク性）を有し、特に、アルカリ性のインクに対する耐エッチング性を有する。具体的には、ｐＨ８．０以上のインクによるエッチングレートが２５℃、０．０５ｎｍ／ｄａｙ以下であることが好ましい。このように、酸化タンタルからなる保護膜１００は、比較的アルカリ性が強いインクに対して非常に優れた耐エッチング性を有しているため、インクジェット式記録ヘッド用のインクに対しては特に有効である。例えば、本実施形態の五酸化タンタルからなる保護膜１００は、ｐＨ９．１のインクによるエッチングレートが２５℃で、０．０３ｎｍ／ｄａｙであった。
【００９４】
このように圧力発生室１２の少なくとも内壁表面に五酸化タンタルからなる保護膜１００を設けるようにしたので、流路形成基板１０及び振動板がインクに溶解されることを防止することができる。これにより、圧力発生室１２の形状を実質的に安定、すなわち、製造時と略同一形状に維持することができる。また、本実施形態では、各圧力発生室１２の内壁表面以外のインク供給路１４及び連通部１３のインク流路の内壁表面にも保護膜１００を設けるようにしたので、圧力発生室１２と同様の理由からこれらインク供給路１４及び連通部１３の形状も製造時と略同一形状に維持することができる。これらのことから、保護膜１００を設けることにより、インク吐出特性を長期間一定に維持することができる。さらに、流路形成基板１０がインクに溶解されるのを保護膜１００によって防止することができるため、インクに溶解された流路形成基板１０の溶解物がインク中に析出する量が実質的に低減される。これにより、ノズル詰まりの発生を防止することができ、ノズル開口２１からインク滴を良好に吐出させることができる。
なお、このような保護膜１００の材料としては、使用するインクのｐＨ値によっては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）等を用いることもできるが、酸化タンタルを用いることにより、ｐＨ値の高いインクを使用する場合でも、極めて優れた耐エッチング性を発揮する。
【００９５】
また、本実施形態では、流路形成基板１０の圧力発生室１２等が開口する側の表面にも保護膜１００が形成され、この保護膜１００を介して流路形成基板１０とノズルプレート２０とが接合されているため、両者の接着強度が向上するという効果も得られる。勿論、ノズルプレート２０との接合面にはインクは実質的に接触しないため、保護膜１００は設けられていなくてもよい。
【００９６】
また、本実施形態では、各圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁表面に耐インク性の保護膜１００を設けているが、これに限定されず、少なくとも各圧力発生室１２の内壁表面に保護膜１００が設けられていればよい。このような構成としても、インク吐出特性を長期間一定に維持することができる。
【００９７】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍ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は圧電素子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振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上までそれぞれ延設されている。
【００９８】
この流路形成基板１０の圧電素子３００側には、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３１を有する封止基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に密封されている。さらに、封止基板３０には、連通部１３に対向する領域に封止基板３０を貫通するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。このような封止基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等で形成されていることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
なお、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間、すなわちインク供給路１４に対応する領域には、この封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、その端部近傍がこの貫通孔３３内で露出されている。
【００９９】
また、この封止基板３０の表面、すなわち、流路形成基板１０との接合面とは反対側の面には、二酸化シリコンからなる絶縁膜３５が設けられ、この絶縁膜３５上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ（半導体集積回路）１２０が実装されている。具体的には、封止基板３０上には、各圧電素子３００と駆動ＩＣ１２０とを接続するための接続配線１３０（第１の接続配線１３１、第２の接続配線１３２）が所定パターンで形成され、この接続配線１３０上に駆動ＩＣ１２０が実装されている。例えば、本実施形態では、この駆動ＩＣ１２０は、フリップチップ実装により接続配線１３０と電気的に接続されている。
なお、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、封止基板３０の貫通孔３３内に延設される連結配線（図示なし）によって第１の接続配線１３１と接続される。また、第２の接続配線１３２には、図示しない外部配線が接続される。
【０１００】
このような封止基板３０のリザーバ部３２に対向する領域には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１１０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【０１０１】
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インクを取り込み、リザーバ１１０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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室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。
【０１０２】
以下、このような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上に圧電素子３００を形成するプロセス及び流路形成基板１０に圧力発生室１２等を形成するプロセスについて、図３〜図５を参照して説明する。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。
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基板を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及び絶縁膜５５を構成する二酸化シリコン膜５１を全面に形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５１上にスパッタリングで下電極膜６０を形成すると共に、所定形状にパターニングする。このような下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）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が好適である。
【０１０３】
次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。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することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛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、スパッタリング法で形成してもよい。さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング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。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。
【０１０４】
次に、図３（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。次に、図３（ｅ）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。次いで、図４（ａ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極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毎にパターニングする。以上が膜形成プロセスである。
【０１０５】
このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板（流路形成基板１０）の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。具体的には、まず、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び接続孔３３等が予め形成された封止基板３０を接合する。
【０１０６】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の表面上に形成されている絶縁膜５５（二酸化シリコン膜５１）を所定形状にパターニングする。次いで、図５（ａ）に示すように、この絶縁膜５５を介して、前述したアルカリ溶液による異方性エッチングを行うことにより、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。なお、このように絶縁膜５５をパターニングする際、及び流路形成基板１０の異方性エッチングを行う際には、封止基板３０の表面を封止した状態で行う。
【０１０７】
その後、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁表面上に、１５０℃以下温度条件下で保護膜１００を形成する。例えば、本実施形態では、イオンアシスト蒸着によって１００℃以下の温度条件下で五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる保護膜１００を形成した。なお、このとき、流路形成基板１０の各圧力発生室１２等が開口する側の面、すなわち、絶縁膜５５の表面にも保護膜１００が形成される。
【０１０８】
このように１５０℃以下の温度条件、本実施形態では、１００℃以下の温度条件下で保護膜１００を形成するようにしたので、熱によって圧電素子３００等に悪影響を及ぼすことなく、保護膜１００を比較的容易且つ良好に形成することができる。また、１５０℃以下の温度条件では、圧電素子保持部３１等の密封された空間が破壊される心配もなく、水分等が圧電素子保持部３１内に侵入して圧電素子３００が破壊されることもない。
【０１０９】
また、保護膜１００の材料として、五酸化タンタルを用いることにより、非常に優れた耐エッチング性を有する保護膜１００とすることができる。したがって、流路形成基板１０がインクに溶解されることがなく、インク吐出特性を長期間に亘って一定に維持することができる。
なお、このように保護膜１００を形成した後は、連通部１３に対向する領域の弾性膜５０等を除去して連通部１３とリザーバ部３２とを連通させる。そして、流路形成基板１０の封止基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板３０にコンプライアンス基板４０を接合して本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。また、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって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。
【０１１０】
また、本実施形態では、イオンアシスト蒸着法により保護膜１００を形成するようにしたが、保護膜１００を形成する方法はこれに限定されず、例えば、対向ターゲット式スパッタ法により保護膜１００を形成するようにしてもよい。この対向ターゲット式スパッタ法を用いても、イオンアシスト蒸着と同様に１００℃以下の温度条件で緻密な保護膜を良好に形成することができる。また、成膜レートが非常に速いため、製造効率が向上し製造コストの低減を図ることもできる。さらに、保護膜１００を形成する際にチャンバ内の圧力を比較的低くすることで、より緻密な保護膜とすることができる。
【０１１１】
また、対向ターゲット式スパッタ法によって保護膜１００を形成する場合、図６に示すように、圧力発生室１２の長手方向がターゲット２００の面の方向（図６（ｂ）中上下方向）に対して約９０°となるように、流路形成基板１０となるウェハ２１０を配置することが好ましい。これにより、ウェハ２１０を固定した状態であっても、ターゲット２００から放出された原子は、各圧力発生室１２等の内面に確実に付着する。すなわち、ターゲット２００から放出された原子は、圧力発生室１２の長手方向に沿って移動するため、各圧力発生室１２の底面まで比較的均等に入り込む。したがって、各圧力発生室１２等の内面に保護膜１００を均一な厚さで形成することができる。勿論、ウェハ２１０を面方向で回転させながら保護膜１００を形成するようにしてもよいことは言うまでもない。
【０１１２】
なお、図７に示すように、圧力発生室１２の長手方向がターゲット２００の面の方向に対して平行となるように、ウェハ２１０を配置して保護膜１００を形成した場合、ターゲット２００から放出された原子は、圧力発生室１２の幅方向に沿って移動するため、圧力発生室１２の位置によって原子が入り込む深さ等に偏りが生じてしまう。このため、圧力発生室１２等の内面全面に亘って保護膜１００が形成されない虞や、保護膜１００の厚さにばらつきが生じる虞がある。
【０１１３】
また、イオンアシスト蒸着法の代わりに、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法によって保護膜１００を形成するようにしてもよい。この方法によっても、１５０℃以下の温度条件で緻密な膜を形成することができる。特に、プラズマＣＶＤ法によって保護膜１００を形成する場合、所定の条件を選択することで、図８に示すように、圧力発生室１２の側面と底面とで形成される角部１２ａや、圧力発生室１２の開口周縁部１２ｂ等にも保護膜１００を連続的に良好に形成することができる。したがって、耐久性及び信頼性を著しく向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
なお、これらイオンアシスト蒸着、対向ターゲット式スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等の他に、例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法等の他の物理的気相成長法（ＰＶＤ）等によっても、比較的低温で緻密な保護膜を形成することができる。
【０１１４】
（実施形態２）
図９は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。本実施形態は、封止基板３０の少なくともリザーバ部３２の内壁表面に耐インク性を有する保護膜を設けた例である。すなわち、図９に示すように、本実施形態では、封止基板３０のリザーバ部３２の内壁表面を含む全ての表面に耐インク性の保護膜１００Ａを設け、封止基板３０のリザーバ部の内壁表面がインクによって溶解されるのを防止している。また、封止基板３０の流路形成基板１０とは反対側の表面に設けられた保護膜１００Ａ上に接続配線１３０が設けられ、この接続配線１３０上に駆動ＩＣ１２０が実装されている。すなわち、封止基板３０表面の保護膜１００Ａが上述した絶縁膜の役割を果たしている。
【０１１５】
このように封止基板３０のリザーバ部３２の内壁面に保護膜１００Ａを設けることにより、封止基板３０がインクに溶解されるのを防止することができ、リザーバ部３２の形状が製造時と略同一形状に長期間維持される。すなわち、保護膜１００Ａを設けることでリザーバ部３２の形状が実質的に安定し、各圧力発生室１２にインクが良好に供給されるため、インク吐出特性を長期間安定させることができる。さらに、インクに溶解された封止基板３０の溶解物がインク中に析出する量が十分に低減されノズル詰まりの発生が防止されるため、ノズル開口２１からインク滴を常に良好に吐出させることができる。
なお、この保護膜１００Ａの材質は、耐インク性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、本実施形態では、二酸化シリコンを用いている。また、保護膜１００Ａの膜厚は、特に限定されないが、例えば、１．０μｍ程度あればインクによる封止基板３０の溶解を確実に防止することができる。
【０１１６】
ここで、このような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、封止基板３０を形成するプロセスについて、図１０を参照して説明する。なお、図１０は、圧電素子保持部の長手方向の断面図である。
まず、図１０（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなり封止基板３０となる封止基板形成材１４０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコン膜１４１を全面に形成する。なお、この二酸化シリコン膜１４１は、詳しくは後述するが、封止基板形成材１４０をエッチングする際のマスクとして用いられるものである。次に、図１０（ｂ）に示すように、封止基板形成材１４０の一方面側に形成された二酸化シリコン膜１４１を所定形状にパターニングする。そして、この二酸化シリコン膜１４１をマスクパターンとして上述した圧力発生室１２と同様に封止基板形成材１４０をアルカリ溶液によって異方性エッチングすることにより、封止基板３０を形成する。すなわち、異方性エッチングにより、封止基板形成材１４０に圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３を形成する。
【０１１７】
次いで、図１０（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜１４１を除去する。具体的には、例えば、フッ酸（ＨＦ）等のエッチング液を用いて封止基板３０表面の二酸化シリコン膜１４１を除去する。次に、図１０（ｄ）に示すように、封止基板３０の少なくともリザーバ部３２の内壁表面に耐インク性の保護膜１００Ａを形成する。本実施形態では、封止基板３０を熱酸化することにより、リザーバ部３２の内壁表面を含む全ての表面に耐インク性を有する保護膜１００Ａを形成した。なお、本実施形態では、封止基板３０がシリコン単結晶基板からなるため、保護膜１００Ａは、二酸化シリコンからなる。
【０１１８】
次いで、図１０（ｅ）に示すように、封止基板３０の圧電素子保持部３１側とは反対側表面の保護膜１００Ａ上に、接続配線１３０を所定形状に形成する。なお、本実施形態では、ロールコータ法を用いて接続配線１３０を所定形状に形成したが、例えば、リソグラフィ法等の薄膜形成方法を用いて形成するようにしてもよい。その後は、封止基板３０を圧電素子３００が設けられた流路形成基板１０に接合し、実施形態１と同様の工程を実行することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【０１１９】
このような本実施形態に係る製造方法では、封止基板３０全体を熱酸化することにより封止基板３０の全ての表面に一度の熱酸化で保護膜１００Ａを形成するようにしたので、保護膜１００Ａの形成作業を簡略化することができる。また、保護膜１００Ａが略均一な厚さで且つピンホールの発生がない状態で形成されるため、この保護膜１００Ａを介して接続配線１３０を形成することで、接続配線１３０と封止基板３０とを確実に絶縁することができる。
【０１２０】
（実施形態３）
図１１は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。本実施形態は、封止基板に設けられる保護膜の他の例であり、図１１に示すように、封止基板３０の圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３の内壁面、並びに流路形成基板１０との接合面に、誘電材料からなり耐インク性（インクに対する耐食性）を有する保護膜１００Ｂをスパッタ法等の物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成するようにした以外は、実施形態２と同様である。
【０１２１】
このような構成においても、封止基板３０がインクによって溶解されるのを防止することができ、リザーバ部３２の形状を製造時と略同一形状に長期間維持することができる。また、封止基板３０がインクに溶解されるのを防止できるため、封止基板３０の溶解物がインク中に析出することがなく、析出物によるノズル詰まりの発生を防止することができる。
さらに、保護膜１００Ｂによりリザーバ部３２の形状が安定し、インクの流れが一定に保持されるため、インクに気泡が混入されることなく各圧力発生室１２にインクを良好に供給することができる。これにより、インク吐出特性を長期間安定させる効果も期待できる。
【０１２２】
ここで、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、特に、封止基板の製造方法について、図１２を参照して説明する。なお、図１２は、封止基板の製造工程を示す断面図である。
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなる封止基板形成材１４０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して、絶縁膜３５となると共に封止基板３０をエッチングするためのマスクとなる二酸化シリコン膜１４１を全面に形成する。次に、図１２（ｂ）に示すように、二酸化シリコン膜１４０をパターニングすることにより、封止基板３０の圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３が形成される領域にそれぞれ開口部１４１を形成する。なお、圧電素子保持部３１に対応する開口部１４１は、封止基板３０の一方面側のみに形成し、リザーバ部３２及び貫通孔３３に対応する開口部１４１は、封止基板３０の両面側にそれぞれ形成する。
【０１２３】
次いで、図１２（ｃ）に示すように、封止基板３０の表面の二酸化シリコン膜１４１（絶縁膜３５）上の全面に、例えば、ロールコータ法等を用いて接続配線１３０を形成する。次いで、図１２（ｄ）に示すように、この二酸化シリコン膜１４０を介して封止基板形成材１４０を異方性エッチングすることにより封止基板３０を形成する。すなわち、二酸化シリコン膜１４０の開口部１４１から封止基板形成材１４０を異方性エッチングすることにより、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３を形成する。
【０１２４】
次に、図１２（ｅ）に示すように、リザーバ部３２の内壁面に誘電材料からなり耐インク性を有する保護膜１００Ｂをスパッタ法等の物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成する。例えば、本実施形態では、封止基板３０の流路形成基板１０との接合面、すなわち、圧電素子保持部３１側から物理蒸着法等により保護膜１００Ｂを形成しているため、リザーバ部３２の内壁面と共に、圧電素子保持部３１及び貫通孔３３の内壁面、並びに封止基板３０の流路形成基板１０との接合面にも保護膜１００Ｂが形成される。
【０１２５】
ここで、保護膜１００Ｂとして用いる誘電材料は、特に限定されないが、例えば、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム又は酸化チタンを用いることが好ましい。これにより、耐インク性に優れた保護膜１００Ｂを形成することができる。なお、本実施形態では、保護膜１００Ｂの材料として、五酸化タンタルを用いている。
【０１２６】
また、このような保護膜１００Ｂは、物理蒸着法（ＰＶＤ）、特に、反応性ＥＣＲスパッタ法、対向スパッタ法、イオンビームスパッタ法又はイオンアシスト蒸着法によって形成することが好ましい。これにより、保護膜１００Ｂを、例えば、１００℃程度の比較的低温で形成することができ、封止基板３０上に設けられている接続配線１３０等にも熱等による悪影響を及ぼすことがない。
【０１２７】
また、このような方法で保護膜１００Ｂを形成することにより、保護膜１００Ｂの膜応力が小さく抑えられ、封止基板３０の反りを防止することができるため、後述する工程で、封止基板３０と流路形成基板１０とを良好に接合することができる。
なお、封止基板３０の表面、すなわち、接続配線１３０が形成されている表面は、所定の治具等により保護しておくことが好ましい。これにより、保護膜１００Ｂをより容易且つ良好に形成することができる。
そして、このような保護膜１００Ｂを形成した後は、封止基板３０を流路形成基板１０に接合し、上述の実施形態と同様の工程を実行することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【０１２８】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態１では、流路形成基板１０に形成された圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁面に保護膜１００を設け、実施形態２及び３では、封止基板２０に設けられたリザーバ部３２の内壁面に保護膜１００Ａ又は１００Ｂを設けるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、勿論、流路形成基板１０の圧力発生室１２等の内面に酸化タンタルからなる保護膜１００を設けると共に、封止基板３０のリザーバ部３２の内壁面等に耐インク性の保護膜１００Ａを設けるようにしてもよい。
【０１２９】
また、例えば、上述した実施形態２及び３では、封止基板３０のリザーバ部３２の内壁表面以外の領域にも耐インク性を有する保護膜１００Ａ又は１００Ｂを設けるようにしたが、勿論、リザーバ部３２の内壁表面だけに設けるようにしてもよいことは言うまでもない。
また、上述した実施形態では、ステンレス鋼からなるノズルプレート２０を例示したが、シリコンからなるノズルプレートであってもよい。なお、この場合には、ノズルプレートがインクに溶解されてしまうため、ノズルプレートの各圧力発生室内の少なくとも表面に保護膜を設けることが望ましい。
【０１３０】
さらに、上述の実施形態では、圧力発生素子として圧電素子を用いたたわみ振動型のインクジェット式記録ヘッドについて説明したが、勿論これに限定されず、例えば、縦振動型のインクジェット式記録ヘッド、あるいは圧力発生室内に抵抗線を設けた電気熱変換式のインクジェット式記録ヘッド等、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに適用することができる。さらに、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。
【０１３１】
また、このような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１４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。図１４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。
【０１３２】
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上を搬送されるようになっている。
【０１３３】
なお、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外のアルカリ性の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。このように、アルカリ性の液体を噴射する液体噴射ヘッドに本発明を適用すれば、上述した実施形態と同じ優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図３】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図４】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図６】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程の他の例を示す概略図。
【図７】 記録ヘッドの製造工程の一例を示す概略図。
【図８】 実施形態１に係る記録ヘッドの他の例を示す断面図。
【図９】 実施形態２に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１０】 実施形態２に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１１】 実施形態３に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１２】 実施形態３に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１３】 他の実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１４】 一実施形態に係る記録装置の概略図。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 封止基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 １００，１００Ａ，１００Ｂ 保護膜、 １１０ リザーバ、 ２００ ターゲット、 ３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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】
液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズルと連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドには、前述したように圧力発生室として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線等の発熱素子を設け、この発熱素子の発生するバブルによってノズル開口からインク滴を吐出させるものと、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ノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。
【０００４】
また、圧電振動式の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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、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（例えば、引用文献１参照）。
【０００８】
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高密度に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。
【０００９】
このような従来のインクジェット式記録ヘッドは、一般的に、インクキャビティ（圧力発生室）がシリコン基板に形成され、インクキャビティの一方面を構成する振動板はシリコン酸化膜で形成されている。このため、アルカリ性のインクを用いると、インクによってシリコン基板が除々に溶解されて各圧力発生室の幅が経時的に変化してしまう。そして、このことが、圧電素子の駆動によって圧力発生室内に付与される圧力を変化させる原因となり、インク吐出特性が除々に低下してしまうという問題がある。このため、インクキャビティ内に親水性及び耐アルカリ性を備えた膜、例えば、ニッケル膜等を設け、インクによるシリコン基板等の溶解を防止したものがある（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−２８６１３１号公報（第３図、［００１３］）
【特許文献２】
特開平１０−２６４３８３号公報（第１図、［００２０］）
【特許文献３】
特開２００２−１６０３６６号公報（第６頁、図２（ｂ））
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このようにインクキャビティ内にニッケル膜等を設けることによりインクによる溶解をある程度防止することはできる。しかしながら、ニッケル膜等もインクによって徐々に溶解されてしまうため、長期間使用するとインク吐出特性が低下してしまうという問題がある。特に、比較的高いｐＨのインクを用いた場合には、溶解速度が高まるため、インク吐出特性も比較的短期間で低下してしまう。
【００１２】
また、圧力発生室が形成される流路形成基板の圧電素子側の一方面に、この圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板を接合し、圧電素子の外部環境に起因する破壊を防止した構造がある（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
そして、このような封止基板には、各圧力発生室の共通インク室の一部を構成するリザーバ部が設けられているが、このリザーバ部内の耐インク性については考慮されていないのが実状である。すなわち、リザーバ部は、各圧力発生室に供給されるインクが貯留される部分であり、インク吐出特性の低下の直接的な要因にはなりにくいため、従来のインクジェット式記録ヘッドでは、リザーバ部内の耐インク性が考慮されていなかった。
【００１４】
しかしながら、例えば、封止基板を形成する材料にシリコン単結晶基板（Ｓｉ）が用いられている場合にアルカリ性のインクを用いると、圧力発生室の場合と同様に、リザーバ部の内壁表面がインクによって除々に溶解されてしまう。これに伴ってリザーバ部の形状が大きく変化すると、各圧力発生室へのインクの供給不良を発生させ、インク吐出特性の低下につながる虞がある。
【００１５】
さらに、リザーバ部の内壁表面がインクに溶解された封止基板の溶解物は、例えば、温度変化等に伴ってインク中に析出する析出物（Ｓｉ）となる場合があり、この析出物は、インクと共に各圧力発生室内へ運ばれ、いわゆるノズル詰まりが発生してしまうという虞もある。
【００１６】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外のアルカリ性の液体を噴射する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑み、液体吐出特性を長期間一定に維持することができ且つノズル詰まりを防止した液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００５６】
【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、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して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、シリコン単結晶基板からなり前記圧電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で該空間を形成する圧電素子保持部を有する基板とを具備し、且つ前記基板が各圧力発生室に連通するリザーバの少なくとも一部を構成するリザーバ部を有する液体噴射ヘッドの製造方法において、前記圧電素子保持部を有する基板となる基板形成材の表面にマスクパターンを形成する工程と、前記基板形成材の前記マスクパターンが形成された領域以外をエッチングすることによって前記リザーバ部及び前記圧電素子保持部を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記圧電素子保持部を有する基板とする工程と、この基板を熱酸化することによって当該基板の前記リザーバ部の内壁表面を含む全ての表面に二酸化シリコンからなり耐液体性を有する保護膜を形成する工程と、前記圧電素子が形成された前記流路形成基板と前記基板とを接合する工程とを有し、且つ前記流路形成基板に前記圧力発生室を含む液体流路を形成する工程の後に実施され当該液体流路の内壁表面に保護膜を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００５７】
かかる第１の態様では、保護膜によって基板の液体による溶解が防止されるため、リザーバ部を製造時と略同一形状に長期間維持することができる。すなわち、リザーバ部の形状が実質的に安定するため、各圧力発生室内に液体を良好に供給することができる。また、液体に溶解された基板の溶解物の量が著しく低減されるため、ノズル詰まりの発生が防止される。また、基板の全面に保護膜を設けることにより、基板の製造作業を簡便化することができる。さらに、基板を熱酸化することによって保護膜を形成することで、略均一な厚さで且つピンホールの発生がない保護膜を比較的容易且つ確実に形成することができる。
【００６２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記基板の表面に保護膜を形成する工程の後に、前記基板の前記圧電素子保持部側とは反対側の保護膜上に前記圧電素子と当該圧電素子を駆動するための駆動ＩＣとを接続する接続配線を形成する工程をさらに有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００６３】
かかる第２の態様では、保護膜が略均一な厚さで且つピンホールの発生がなく形成されているため、接続配線と基板とが確実に絶縁される。
【００７４】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記液体流路の内壁表面に保護膜を形成する工程では、１５０℃以下の温度条件で金属材料からなる耐液体性の保護膜を前記液体流路の内壁表面に形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００７５】
かかる第３の態様では、比較的低い温度条件、例えば、１５０℃以下で保護膜を形成することができるため、例えば、圧電素子等が破壊されるのを確実に防止することができる。
【００７８】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記圧力発生室を含む液体流路の内壁表面の保護膜を対向ターゲット式スパッタ法によって形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００７９】
かかる第４の態様では、各圧力発生室等の内面に、緻密な膜が略均一な厚さで形成される。また、成膜レートが速いため、製造効率が向上する。
【００８０】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記圧力発生室を含む液体流路の内壁表面に保護膜を形成する際、対向するターゲット表面の面方向に対して前記圧力発生室の長手方向が直交するように前記流路形成基板を配置することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００８１】
かかる第５の態様では、圧力発生室等の内面全面に、保護膜を比較的容易且つ良好に形成することができる。
【００８２】
本発明の第６の態様は、第３の態様において、前記圧力発生室を含む液体流路の保護膜をプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００８３】
かかる第６の態様では、圧力発生室等の内面全面に亘って連続する保護膜を、比較的容易且つ良好に形成することができる。
【００８４】
本発明の第７の態様は、第３〜６の何れかの態様において、前記金属材料が、酸化タンタル又は酸化ジルコニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００８５】
かかる第７の態様では、比較的低い温度条件下での膜形成が可能であり且つ液体に対して非常に優れた耐エッチング性を有する保護膜を形成できる。特に、酸化タンタルによって形成された保護膜は、比較的大きなｐＨ、例えば、ｐＨ８．０以上の液体に対して特に優れた耐エッチング性を発揮する。これにより、各圧力発生室を製品製造時と略同一形状に長期間維持することができる。
【００８８】
【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。
（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の概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その各表面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０及び絶縁膜５５がそれぞれ形成されている。この流路形成基板１０には、その一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、後述する封止基板のリザーバ部と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００８９】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また、各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より幅方向に狭く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００９０】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００９１】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されて圧力発生室１２等が封止されている。なお、このノズルプレート２０は、本実施形態では、ステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成されている。
【００９２】
ここで、流路形成基板１０の少なくとも圧力発生室１２の内壁表面には、酸化タンタルからなり耐インク性を有する保護膜１００が設けられている。例えば、本実施形態では、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる保護膜１００が、流路形成基板１０のインクに接触する全ての表面に設けられている。具体的には、圧力発生室１２内の隔壁１１及び弾性膜５０の表面に保護膜１００が設けられると共に、各圧力発生室１２に連通するインク供給路１４及び連通部１３のインク流路の内壁表面にも保護膜１００が設けられている。このような保護膜１００の厚さは、特に限定されないが、本実施形態では、各圧力発生室１２の大きさ及び振動板の変位量等を考慮して５０ｎｍ程度とした。
【００９３】
このような酸化タンタルからなる保護膜１００は、インクに対して非常に優れた耐エッチング性（耐インク性）を有し、特に、アルカリ性のインクに対する耐エッチング性を有する。具体的には、ｐＨ８．０以上のインクによるエッチングレートが２５℃、０．０５ｎｍ／ｄａｙ以下であることが好ましい。このように、酸化タンタルからなる保護膜１００は、比較的アルカリ性が強いインクに対して非常に優れた耐エッチング性を有しているため、インクジェット式記録ヘッド用のインクに対しては特に有効である。例えば、本実施形態の五酸化タンタルからなる保護膜１００は、ｐＨ９．１のインクによるエッチングレートが２５℃で、０．０３ｎｍ／ｄａｙであった。
【００９４】
このように圧力発生室１２の少なくとも内壁表面に五酸化タンタルからなる保護膜１００を設けるようにしたので、流路形成基板１０及び振動板がインクに溶解されることを防止することができる。これにより、圧力発生室１２の形状を実質的に安定、すなわち、製造時と略同一形状に維持することができる。また、本実施形態では、各圧力発生室１２の内壁表面以外のインク供給路１４及び連通部１３のインク流路の内壁表面にも保護膜１００を設けるようにしたので、圧力発生室１２と同様の理由からこれらインク供給路１４及び連通部１３の形状も製造時と略同一形状に維持することができる。これらのことから、保護膜１００を設けることにより、インク吐出特性を長期間一定に維持することができる。さらに、流路形成基板１０がインクに溶解されるのを保護膜１００によって防止することができるため、インクに溶解された流路形成基板１０の溶解物がインク中に析出する量が実質的に低減される。これにより、ノズル詰まりの発生を防止することができ、ノズル開口２１からインク滴を良好に吐出させることができる。
なお、このような保護膜１００の材料としては、使用するインクのｐＨ値によっては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）等を用いることもできるが、酸化タンタルを用いることにより、ｐＨ値の高いインクを使用する場合でも、極めて優れた耐エッチング性を発揮する。
【００９５】
また、本実施形態では、流路形成基板１０の圧力発生室１２等が開口する側の表面にも保護膜１００が形成され、この保護膜１００を介して流路形成基板１０とノズルプレート２０とが接合されているため、両者の接着強度が向上するという効果も得られる。勿論、ノズルプレート２０との接合面にはインクは実質的に接触しないため、保護膜１００は設けられていなくてもよい。
【００９６】
また、本実施形態では、各圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁表面に耐インク性の保護膜１００を設けているが、これに限定されず、少なくとも各圧力発生室１２の内壁表面に保護膜１００が設けられていればよい。このような構成としても、インク吐出特性を長期間一定に維持することができる。
【００９７】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍ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は圧電素子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振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上までそれぞれ延設されている。
【００９８】
この流路形成基板１０の圧電素子３００側には、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３１を有する封止基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に密封されている。さらに、封止基板３０には、連通部１３に対向する領域に封止基板３０を貫通するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０を構成している。このような封止基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等で形成されていることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
なお、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間、すなわちインク供給路１４に対応する領域には、この封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、その端部近傍がこの貫通孔３３内で露出されている。
【００９９】
また、この封止基板３０の表面、すなわち、流路形成基板１０との接合面とは反対側の面には、二酸化シリコンからなる絶縁膜３５が設けられ、この絶縁膜３５上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ（半導体集積回路）１２０が実装されている。具体的には、封止基板３０上には、各圧電素子３００と駆動ＩＣ１２０とを接続するための接続配線１３０（第１の接続配線１３１、第２の接続配線１３２）が所定パターンで形成され、この接続配線１３０上に駆動ＩＣ１２０が実装されている。例えば、本実施形態では、この駆動ＩＣ１２０は、フリップチップ実装により接続配線１３０と電気的に接続されている。
なお、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、封止基板３０の貫通孔３３内に延設される連結配線（図示なし）によって第１の接続配線１３１と接続される。また、第２の接続配線１３２には、図示しない外部配線が接続される。
【０１００】
このような封止基板３０のリザーバ部３２に対向する領域には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１１０の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【０１０１】
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インクを取り込み、リザーバ１１０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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室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。
【０１０２】
以下、このような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上に圧電素子３００を形成するプロセス及び流路形成基板１０に圧力発生室１２等を形成するプロセスについて、図３〜図５を参照して説明する。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。
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基板を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及び絶縁膜５５を構成する二酸化シリコン膜５１を全面に形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５１上にスパッタリングで下電極膜６０を形成すると共に、所定形状にパターニングする。このような下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）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が好適である。
【０１０３】
次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。この圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。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することにより、結晶が配向している圧電体層７０とした。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛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、スパッタリング法で形成してもよい。さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング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。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。
【０１０４】
次に、図３（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。次に、図３（ｅ）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。次いで、図４（ａ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極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毎にパターニングする。以上が膜形成プロセスである。
【０１０５】
このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板（流路形成基板１０）の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。具体的には、まず、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧電素子３００側に、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び接続孔３３等が予め形成された封止基板３０を接合する。
【０１０６】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の表面上に形成されている絶縁膜５５（二酸化シリコン膜５１）を所定形状にパターニングする。次いで、図５（ａ）に示すように、この絶縁膜５５を介して、前述したアルカリ溶液による異方性エッチングを行うことにより、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。なお、このように絶縁膜５５をパターニングする際、及び流路形成基板１０の異方性エッチングを行う際には、封止基板３０の表面を封止した状態で行う。
【０１０７】
その後、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁表面上に、１５０℃以下温度条件下で保護膜１００を形成する。例えば、本実施形態では、イオンアシスト蒸着によって１００℃以下の温度条件下で五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる保護膜１００を形成した。なお、このとき、流路形成基板１０の各圧力発生室１２等が開口する側の面、すなわち、絶縁膜５５の表面にも保護膜１００が形成される。
【０１０８】
このように１５０℃以下の温度条件、本実施形態では、１００℃以下の温度条件下で保護膜１００を形成するようにしたので、熱によって圧電素子３００等に悪影響を及ぼすことなく、保護膜１００を比較的容易且つ良好に形成することができる。また、１５０℃以下の温度条件では、圧電素子保持部３１等の密封された空間が破壊される心配もなく、水分等が圧電素子保持部３１内に侵入して圧電素子３００が破壊されることもない。
【０１０９】
また、保護膜１００の材料として、五酸化タンタルを用いることにより、非常に優れた耐エッチング性を有する保護膜１００とすることができる。したがって、流路形成基板１０がインクに溶解されることがなく、インク吐出特性を長期間に亘って一定に維持することができる。
なお、このように保護膜１００を形成した後は、連通部１３に対向する領域の弾性膜５０等を除去して連通部１３とリザーバ部３２とを連通させる。そして、流路形成基板１０の封止基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板３０にコンプライアンス基板４０を接合して本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。また、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって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。
【０１１０】
また、本実施形態では、イオンアシスト蒸着法により保護膜１００を形成するようにしたが、保護膜１００を形成する方法はこれに限定されず、例えば、対向ターゲット式スパッタ法により保護膜１００を形成するようにしてもよい。この対向ターゲット式スパッタ法を用いても、イオンアシスト蒸着と同様に１００℃以下の温度条件で緻密な保護膜を良好に形成することができる。また、成膜レートが非常に速いため、製造効率が向上し製造コストの低減を図ることもできる。さらに、保護膜１００を形成する際にチャンバ内の圧力を比較的低くすることで、より緻密な保護膜とすることができる。
【０１１１】
また、対向ターゲット式スパッタ法によって保護膜１００を形成する場合、図６に示すように、圧力発生室１２の長手方向がターゲット２００の面の方向（図６（ｂ）中上下方向）に対して約９０°となるように、流路形成基板１０となるウェハ２１０を配置することが好ましい。これにより、ウェハ２１０を固定した状態であっても、ターゲット２００から放出された原子は、各圧力発生室１２等の内面に確実に付着する。すなわち、ターゲット２００から放出された原子は、圧力発生室１２の長手方向に沿って移動するため、各圧力発生室１２の底面まで比較的均等に入り込む。したがって、各圧力発生室１２等の内面に保護膜１００を均一な厚さで形成することができる。勿論、ウェハ２１０を面方向で回転させながら保護膜１００を形成するようにしてもよいことは言うまでもない。
【０１１２】
なお、図７に示すように、圧力発生室１２の長手方向がターゲット２００の面の方向に対して平行となるように、ウェハ２１０を配置して保護膜１００を形成した場合、ターゲット２００から放出された原子は、圧力発生室１２の幅方向に沿って移動するため、圧力発生室１２の位置によって原子が入り込む深さ等に偏りが生じてしまう。このため、圧力発生室１２等の内面全面に亘って保護膜１００が形成されない虞や、保護膜１００の厚さにばらつきが生じる虞がある。
【０１１３】
また、イオンアシスト蒸着法の代わりに、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法によって保護膜１００を形成するようにしてもよい。この方法によっても、１５０℃以下の温度条件で緻密な膜を形成することができる。特に、プラズマＣＶＤ法によって保護膜１００を形成する場合、所定の条件を選択することで、図８に示すように、圧力発生室１２の側面と底面とで形成される角部１２ａや、圧力発生室１２の開口周縁部１２ｂ等にも保護膜１００を連続的に良好に形成することができる。したがって、耐久性及び信頼性を著しく向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
なお、これらイオンアシスト蒸着、対向ターゲット式スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等の他に、例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法等の他の物理的気相成長法（ＰＶＤ）等によっても、比較的低温で緻密な保護膜を形成することができる。
【０１１４】
（実施形態２）
図９は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。本実施形態は、封止基板３０の少なくともリザーバ部３２の内壁表面に耐インク性を有する保護膜を設けた例である。すなわち、図９に示すように、本実施形態では、封止基板３０のリザーバ部３２の内壁表面を含む全ての表面に耐インク性の保護膜１００Ａを設け、封止基板３０のリザーバ部の内壁表面がインクによって溶解されるのを防止している。また、封止基板３０の流路形成基板１０とは反対側の表面に設けられた保護膜１００Ａ上に接続配線１３０が設けられ、この接続配線１３０上に駆動ＩＣ１２０が実装されている。すなわち、封止基板３０表面の保護膜１００Ａが上述した絶縁膜の役割を果たしている。
【０１１５】
このように封止基板３０のリザーバ部３２の内壁面に保護膜１００Ａを設けることにより、封止基板３０がインクに溶解されるのを防止することができ、リザーバ部３２の形状が製造時と略同一形状に長期間維持される。すなわち、保護膜１００Ａを設けることでリザーバ部３２の形状が実質的に安定し、各圧力発生室１２にインクが良好に供給されるため、インク吐出特性を長期間安定させることができる。さらに、インクに溶解された封止基板３０の溶解物がインク中に析出する量が十分に低減されノズル詰まりの発生が防止されるため、ノズル開口２１からインク滴を常に良好に吐出させることができる。
なお、この保護膜１００Ａの材質は、耐インク性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、本実施形態では、二酸化シリコンを用いている。また、保護膜１００Ａの膜厚は、特に限定されないが、例えば、１．０μｍ程度あればインクによる封止基板３０の溶解を確実に防止することができる。
【０１１６】
ここで、このような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、封止基板３０を形成するプロセスについて、図１０を参照して説明する。なお、図１０は、圧電素子保持部の長手方向の断面図である。
まず、図１０（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなり封止基板３０となる封止基板形成材１４０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコン膜１４１を全面に形成する。なお、この二酸化シリコン膜１４１は、詳しくは後述するが、封止基板形成材１４０をエッチングする際のマスクとして用いられるものである。次に、図１０（ｂ）に示すように、封止基板形成材１４０の一方面側に形成された二酸化シリコン膜１４１を所定形状にパターニングする。そして、この二酸化シリコン膜１４１をマスクパターンとして上述した圧力発生室１２と同様に封止基板形成材１４０をアルカリ溶液によって異方性エッチングすることにより、封止基板３０を形成する。すなわち、異方性エッチングにより、封止基板形成材１４０に圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３を形成する。
【０１１７】
次いで、図１０（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜１４１を除去する。具体的には、例えば、フッ酸（ＨＦ）等のエッチング液を用いて封止基板３０表面の二酸化シリコン膜１４１を除去する。次に、図１０（ｄ）に示すように、封止基板３０の少なくともリザーバ部３２の内壁表面に耐インク性の保護膜１００Ａを形成する。本実施形態では、封止基板３０を熱酸化することにより、リザーバ部３２の内壁表面を含む全ての表面に耐インク性を有する保護膜１００Ａを形成した。なお、本実施形態では、封止基板３０がシリコン単結晶基板からなるため、保護膜１００Ａは、二酸化シリコンからなる。
【０１１８】
次いで、図１０（ｅ）に示すように、封止基板３０の圧電素子保持部３１側とは反対側表面の保護膜１００Ａ上に、接続配線１３０を所定形状に形成する。なお、本実施形態では、ロールコータ法を用いて接続配線１３０を所定形状に形成したが、例えば、リソグラフィ法等の薄膜形成方法を用いて形成するようにしてもよい。その後は、封止基板３０を圧電素子３００が設けられた流路形成基板１０に接合し、実施形態１と同様の工程を実行することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【０１１９】
このような本実施形態に係る製造方法では、封止基板３０全体を熱酸化することにより封止基板３０の全ての表面に一度の熱酸化で保護膜１００Ａを形成するようにしたので、保護膜１００Ａの形成作業を簡略化することができる。また、保護膜１００Ａが略均一な厚さで且つピンホールの発生がない状態で形成されるため、この保護膜１００Ａを介して接続配線１３０を形成することで、接続配線１３０と封止基板３０とを確実に絶縁することができる。
【０１２０】
（実施形態３）
図１１は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。本実施形態は、封止基板に設けられる保護膜の他の例であり、図１１に示すように、封止基板３０の圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３の内壁面、並びに流路形成基板１０との接合面に、誘電材料からなり耐インク性（インクに対する耐食性）を有する保護膜１００Ｂをスパッタ法等の物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成するようにした以外は、実施形態２と同様である。
【０１２１】
このような構成においても、封止基板３０がインクによって溶解されるのを防止することができ、リザーバ部３２の形状を製造時と略同一形状に長期間維持することができる。また、封止基板３０がインクに溶解されるのを防止できるため、封止基板３０の溶解物がインク中に析出することがなく、析出物によるノズル詰まりの発生を防止することができる。
さらに、保護膜１００Ｂによりリザーバ部３２の形状が安定し、インクの流れが一定に保持されるため、インクに気泡が混入されることなく各圧力発生室１２にインクを良好に供給することができる。これにより、インク吐出特性を長期間安定させる効果も期待できる。
【０１２２】
ここで、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、特に、封止基板の製造方法について、図１２を参照して説明する。なお、図１２は、封止基板の製造工程を示す断面図である。
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン単結晶基板からなる封止基板形成材１４０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して、絶縁膜３５となると共に封止基板３０をエッチングするためのマスクとなる二酸化シリコン膜１４１を全面に形成する。次に、図１２（ｂ）に示すように、二酸化シリコン膜１４０をパターニングすることにより、封止基板３０の圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３が形成される領域にそれぞれ開口部１４１を形成する。なお、圧電素子保持部３１に対応する開口部１４１は、封止基板３０の一方面側のみに形成し、リザーバ部３２及び貫通孔３３に対応する開口部１４１は、封止基板３０の両面側にそれぞれ形成する。
【０１２３】
次いで、図１２（ｃ）に示すように、封止基板３０の表面の二酸化シリコン膜１４１（絶縁膜３５）上の全面に、例えば、ロールコータ法等を用いて接続配線１３０を形成する。次いで、図１２（ｄ）に示すように、この二酸化シリコン膜１４０を介して封止基板形成材１４０を異方性エッチングすることにより封止基板３０を形成する。すなわち、二酸化シリコン膜１４０の開口部１４１から封止基板形成材１４０を異方性エッチングすることにより、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３を形成する。
【０１２４】
次に、図１２（ｅ）に示すように、リザーバ部３２の内壁面に誘電材料からなり耐インク性を有する保護膜１００Ｂをスパッタ法等の物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成する。例えば、本実施形態では、封止基板３０の流路形成基板１０との接合面、すなわち、圧電素子保持部３１側から物理蒸着法等により保護膜１００Ｂを形成しているため、リザーバ部３２の内壁面と共に、圧電素子保持部３１及び貫通孔３３の内壁面、並びに封止基板３０の流路形成基板１０との接合面にも保護膜１００Ｂが形成される。
【０１２５】
ここで、保護膜１００Ｂとして用いる誘電材料は、特に限定されないが、例えば、酸化タンタル、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム又は酸化チタンを用いることが好ましい。これにより、耐インク性に優れた保護膜１００Ｂを形成することができる。なお、本実施形態では、保護膜１００Ｂの材料として、五酸化タンタルを用いている。
【０１２６】
また、このような保護膜１００Ｂは、物理蒸着法（ＰＶＤ）、特に、反応性ＥＣＲスパッタ法、対向スパッタ法、イオンビームスパッタ法又はイオンアシスト蒸着法によって形成することが好ましい。これにより、保護膜１００Ｂを、例えば、１００℃程度の比較的低温で形成することができ、封止基板３０上に設けられている接続配線１３０等にも熱等による悪影響を及ぼすことがない。
【０１２７】
また、このような方法で保護膜１００Ｂを形成することにより、保護膜１００Ｂの膜応力が小さく抑えられ、封止基板３０の反りを防止することができるため、後述する工程で、封止基板３０と流路形成基板１０とを良好に接合することができる。
なお、封止基板３０の表面、すなわち、接続配線１３０が形成されている表面は、所定の治具等により保護しておくことが好ましい。これにより、保護膜１００Ｂをより容易且つ良好に形成することができる。
そして、このような保護膜１００Ｂを形成した後は、封止基板３０を流路形成基板１０に接合し、上述の実施形態と同様の工程を実行することにより本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【０１２８】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態１では、流路形成基板１０に形成された圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁面に保護膜１００を設け、実施形態２及び３では、封止基板２０に設けられたリザーバ部３２の内壁面に保護膜１００Ａ又は１００Ｂを設けるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、勿論、流路形成基板１０の圧力発生室１２等の内面に酸化タンタルからなる保護膜１００を設けると共に、封止基板３０のリザーバ部３２の内壁面等に耐インク性の保護膜１００Ａを設けるようにしてもよい。
【０１２９】
また、例えば、上述した実施形態２及び３では、封止基板３０のリザーバ部３２の内壁表面以外の領域にも耐インク性を有する保護膜１００Ａ又は１００Ｂを設けるようにしたが、勿論、リザーバ部３２の内壁表面だけに設けるようにしてもよいことは言うまでもない。
また、上述した実施形態では、ステンレス鋼からなるノズルプレート２０を例示したが、シリコンからなるノズルプレートであってもよい。なお、この場合には、ノズルプレートがインクに溶解されてしまうため、ノズルプレートの各圧力発生室内の少なくとも表面に保護膜を設けることが望ましい。
【０１３０】
さらに、上述の実施形態では、圧力発生素子として圧電素子を用いたたわみ振動型のインクジェット式記録ヘッドについて説明したが、勿論これに限定されず、例えば、縦振動型のインクジェット式記録ヘッド、あるいは圧力発生室内に抵抗線を設けた電気熱変換式のインクジェット式記録ヘッド等、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに適用することができる。さらに、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。
【０１３１】
また、このような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１４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。図１４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。
【０１３２】
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上を搬送されるようになっている。
【０１３３】
なお、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外のアルカリ性の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。このように、アルカリ性の液体を噴射する液体噴射ヘッドに本発明を適用すれば、上述した実施形態と同じ優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図３】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図４】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図５】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図６】 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程の他の例を示す概略図。
【図７】 記録ヘッドの製造工程の一例を示す概略図。
【図８】 実施形態１に係る記録ヘッドの他の例を示す断面図。
【図９】 実施形態２に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１０】 実施形態２に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１１】 実施形態３に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１２】 実施形態３に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図。
【図１３】 他の実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図１４】 一実施形態に係る記録装置の概略図。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 封止基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 １００，１００Ａ，１００Ｂ 保護膜、 １１０ リザーバ、 ２００ ターゲット、 ３００ 圧電素子
Claims (7)
- 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して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、シリコン単結晶基板からなり前記圧電素子の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で該空間を形成する圧電素子保持部を有する基板とを具備し、且つ前記基板が各圧力発生室に連通するリザーバの少なくとも一部を構成するリザーバ部を有する液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記圧電素子保持部を有する基板となる基板形成材の表面にマスクパターンを形成する工程と、前記基板形成材の前記マスクパターンが形成された領域以外をエッチングすることによって前記リザーバ部及び前記圧電素子保持部を形成する工程と、前記マスクパターンを除去して前記圧電素子保持部を有する基板とする工程と、この基板を熱酸化することによって当該基板の前記リザーバ部の内壁表面を含む全ての表面に二酸化シリコンからなり耐液体性を有する保護膜を形成する工程と、前記圧電素子が形成された前記流路形成基板と前記基板とを接合する工程とを有し、且つ前記流路形成基板に前記圧力発生室を含む液体流路を形成する工程の後に実施され当該液体流路の内壁表面に保護膜を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 - 請求項１において、前記基板の表面に保護膜を形成する工程の後に、前記基板の前記圧電素子保持部側とは反対側の保護膜上に前記圧電素子と当該圧電素子を駆動するための駆動ＩＣとを接続する接続配線を形成する工程をさらに有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
- 請求項１又は２において、前記液体流路の内壁表面に保護膜を形成する工程では、１５０℃以下の温度条件で金属材料からなる耐液体性の保護膜を前記液体流路の内壁表面に形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
- 請求項３において、前記圧力発生室を含む液体流路の保護膜を対向ターゲット式スパッタ法によって形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
- 請求項４において、前記圧力発生室を含む液体流路の内壁表面に保護膜を形成する際、対向するターゲット表面の面方向に対して前記圧力発生室の長手方向が直交するように前記流路形成基板を配置することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
- 請求項３において、前記圧力発生室を含む液体流路の保護膜をプラズマＣＶＤ法によって形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
- 請求項３〜６の何れかにおいて、前記金属材料が、酸化タンタル又は酸化ジルコニウムであることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
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