JP5849131B1 - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
インクジェットヘッドおよびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5849131B1 JP5849131B1 JP2014167528A JP2014167528A JP5849131B1 JP 5849131 B1 JP5849131 B1 JP 5849131B1 JP 2014167528 A JP2014167528 A JP 2014167528A JP 2014167528 A JP2014167528 A JP 2014167528A JP 5849131 B1 JP5849131 B1 JP 5849131B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ink
- nozzle
- nozzle plate
- hole
- inkjet head
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 17
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 44
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 44
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 44
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 42
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 203
- 239000010408 film Substances 0.000 description 45
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 20
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 20
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 10
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 8
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 7
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 7
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 5
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 5
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 5
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 229910004121 SrRuO Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 210000000078 claw Anatomy 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
- B41J2/14298—Structure of print heads with piezoelectric elements of disc type
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
- B41J2/14032—Structure of the pressure chamber
- B41J2/1404—Geometrical characteristics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
- B41J2/14274—Structure of print heads with piezoelectric elements of stacked structure type, deformed by compression/extension and disposed on a diaphragm
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/1433—Structure of nozzle plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1607—Production of print heads with piezoelectric elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/1623—Manufacturing processes bonding and adhesion
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/1626—Manufacturing processes etching
- B41J2/1628—Manufacturing processes etching dry etching
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/1631—Manufacturing processes photolithography
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/16—Production of nozzles
- B41J2/1621—Manufacturing processes
- B41J2/164—Manufacturing processes thin film formation
- B41J2/1645—Manufacturing processes thin film formation thin film formation by spincoating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2002/1437—Back shooter
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
- B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
- B41J2202/11—Embodiments of or processes related to ink-jet heads characterised by specific geometrical characteristics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
- B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
- B41J2202/15—Moving nozzle or nozzle plate
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
【課題】製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】インクジェットヘッドは、第1面と、この第1面と反対の第2面と、第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレート12を有する。このノズルプレート12の第2面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク圧力室14aが設けられている。また、このインクジェットヘッドは、ノズルプレート12を変位させてインク圧力室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータ13を有する。【選択図】図4
Description
本発明の実施形態は、インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法に関する。
従来、インクジェットヘッドとして、複数のノズル孔を有するノズルプレートに複数の圧電素子を設けたタイプのヘッドが知られている。圧電素子は、各ノズル孔の周りでノズルプレートをその厚み方向に変位させ、ノズル孔につながるインク圧力室の圧力を変化させ、この圧力変化によりノズル孔からインクを吐出させる。
圧電素子によるノズルプレートの変位を可能にするため、ノズルプレートを薄くすると、ノズル孔の長さが短くなる。ノズル孔が短くなると、インクメニスカスの移動によってノズル孔内に気泡が生じ、インク滴の吐出が不安定になる可能性がある。
このため、ノズルプレートのインク圧力室側に、ノズル長を延長するためのノズル延伸部を備えたヘッドが開発されている。
しかし、上述したノズル延伸部は、ノズル孔に対する位置合わせが難しく、ヘッドの製造が困難である。また、上述したノズル延伸部は、ノズルプレートと別体に設けるため、機械強度が低い。
よって、製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドの開発が望まれている。
よって、製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドの開発が望まれている。
実施形態に係るインクジェットヘッドは、第1面と、この第1面と反対の第2面と、第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートを有する。このノズルプレートの第2面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク室が設けられている。また、このインクジェットヘッドは、第2面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠を有する。さらに、このインクジェットヘッドは、ノズルプレートを変位させてインク室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータを有する。
実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法は、シリコン基板の第1面に環状の溝を形成するとともに、この環状の溝の外側のシリコン基板の第1面に環状の別の溝を形成する工程と、シリコン基板を第1面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、シリコン基板の熱酸化により溝に対応する筒状体および別の溝に対応する規定枠をノズルプレートの第2面から連続して一体に形成する工程と、筒状体と反対のノズルプレートの第1面に圧電素子を設ける工程と、ノズルプレートの第1面と筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、シリコン基板を第1面と反対の第2面側から部分的に除去して孔に連絡したインク室を形成する工程と、シリコン基板の第2面にバックプレートを設ける工程と、を有する。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
実施形態に係るインクジェットヘッドは、第1面と、この第1面と反対の第2面と、第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートを有する。このノズルプレートの第2面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク圧力室が設けられている。また、このインクジェットヘッドは、ノズルプレートを変位させてインク圧力室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータを有する。
実施形態に係るインクジェットヘッドは、第1面と、この第1面と反対の第2面と、第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートを有する。このノズルプレートの第2面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク圧力室が設けられている。また、このインクジェットヘッドは、ノズルプレートを変位させてインク圧力室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータを有する。
図1は、実施形態のインクジェットプリンタ100(以下、単に、プリンタ100と称する)を示す概略図である。
プリンタ100は、筐体101を有する。筐体101内には、保持ローラ2が矢印方向に回転可能に設けられている。保持ローラ2の下方には、用紙Pを収容した給紙カセット3が設けられている。筐体101の上端には、排紙トレイ102が設けられている。
プリンタ100は、筐体101を有する。筐体101内には、保持ローラ2が矢印方向に回転可能に設けられている。保持ローラ2の下方には、用紙Pを収容した給紙カセット3が設けられている。筐体101の上端には、排紙トレイ102が設けられている。
ピックアップローラ3aによって給紙カセット3から取り出された用紙Pは、2組の搬送ローラ対4a、4bによって保持ローラ2へ搬送される。保持ローラ2へ搬送された用紙Pは、押圧ローラ5aによって保持ローラ2の表面に押圧されて帯電ローラ5bによって帯電され、保持ローラ2の表面に静電的に吸着される。保持ローラ2の表面に吸着された用紙Pは、保持ローラ2の回転によってさらに搬送される。保持ローラ2は、円筒状のアルミニウムにより形成されて接地されている。
保持ローラ2の回転によって搬送された用紙Pは、各色のインクジェットヘッド6C、6M、6Y、6Kを通過される。各色のインクジェットヘッド6C、6M、6Y、6Kは、それぞれ、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクを吐出して各色の画像を用紙P上に重ねて形成する。インクジェットヘッド6C、6M、6Y、6Kは、同じ構造を有するため、以下の説明では、単に、インクジェットヘッド6と称する場合もある。
各色のインクジェットヘッド6C、6M、6Y、6Kを通過してカラー画像が形成された用紙Pは、除電チャージャ7aによって除電されて剥離爪7bによって保持ローラ2の表面から剥離される。保持ローラ2から剥離された用紙Pは、3組の排紙ローラ対8a、8b、8cを介して排紙トレイ102へ排出される。
或いは、用紙Pの両面に画像を形成する場合、保持ローラ2から剥離された用紙Pは、排紙ローラ対8aを介して反転部9へ送り込まれる。反転部9は、用紙Pの搬送方向を逆転して搬送ローラ対4bへ送り出すことで用紙Pを表裏反転する。搬送ローラ対4bは、反転された用紙Pを保持ローラ2へ再供給する。
そして、用紙Pが剥離された後の保持ローラ2は、クリーニングローラ10によってクリーニングされる。
そして、用紙Pが剥離された後の保持ローラ2は、クリーニングローラ10によってクリーニングされる。
図2は、インクジェットヘッド6の分解斜視図を示す。このインクジェットヘッド6は、圧電MEMS型のヘッドである。
インクジェットヘッド6は、ノズルプレート12、圧力室プレート14、バックプレート16、およびインク流路ブロック18を有する。インクジェットヘッド6は、ノズルプレート12の第1面(図示上面)が保持ローラ2の表面に対向する姿勢で取り付けられる。なお、ノズルプレート12は、後述するように、圧力室プレート14と一体に形成されるものであり、実際には図示のように分離されるものではない。ここでは、説明を分かり易くするため、分離して図示してある。
インクジェットヘッド6は、ノズルプレート12、圧力室プレート14、バックプレート16、およびインク流路ブロック18を有する。インクジェットヘッド6は、ノズルプレート12の第1面(図示上面)が保持ローラ2の表面に対向する姿勢で取り付けられる。なお、ノズルプレート12は、後述するように、圧力室プレート14と一体に形成されるものであり、実際には図示のように分離されるものではない。ここでは、説明を分かり易くするため、分離して図示してある。
ノズルプレート12は、インクを吐出するための複数のノズル孔12aを有する。各ノズル孔12aは、ノズルプレート12の第1面(図示上面)と第2面(不図示)を連絡するようにノズルプレート12を貫通して延びた貫通孔である。図2では、14個のノズル孔12aを2列に配置した状態を示したが、実際には、より多くのノズル孔12aが複数列並んで設けられている。つまり、ここでは説明を分かり易くするため、ノズル孔12aの数を実際のものより少なく図示してある。
圧力室プレート14は、ノズル孔12aにそれぞれ対向する複数のインク圧力室14aを備えている。各インク圧力室14aは、圧力室プレート14を貫通して延びている。バックプレート16は、複数のインク圧力室14aにそれぞれ対応するここでは図示しない複数のインク流通孔16a(図4参照)を有する。各インク流通路16aも、バックプレート16を貫通して延びている。インク流路ブロック18は、複数のインク流通孔16aに連絡したインク溜まり18aを有する。インク溜まり18aの底には、インクタンク11につながるインク流入口18bおよびインク排出口18cが設けられている。
インクタンク11から供給されたインクは、インク流入口18bを介してインク溜まり18aに流入し、インク排出口18cを介してインクタンク11へ戻される。つまり、インクは、インクタンク11とインク溜まり18aの間で循環される。インク溜まり18aを循環するインクの一部は、バックプレート16の複数のインク流通路16aを通って圧力室プレート14の複数のインク圧力室14aへ供給される。そして、各インク圧力室14aへ供給されたインクは、以下に説明する圧電素子13(アクチュエータ)の動作によって、ノズルプレート12の各ノズル孔12aを介して吐出される。
ノズルプレート12の第1面には、各ノズル孔12aに対応して複数の圧電素子13が設けられている。各圧電素子13は、駆動電圧を印加することでその厚み方向に変位する。圧電素子13の変位により、ノズル孔12aの周りのノズルプレート12も厚み方向に変位し、インク圧力室14aの容積が変化する。このように、インク圧力室14aの容積が変化すると、インク圧力室14a内の圧力が変化し、この圧力変化によってノズル孔12aからインクが吐出する。
(第1の実施形態)
図3は、第1の実施形態のインクジェットヘッド6の要部、すなわち1つのノズル孔12aの周りの構造物をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。また、図4は、図3のF4−F4でインクジェットヘッド6を切断した部分拡大断面図である。図4では、図示簡略化のため、インク流路ブロック18の図示を省略してある。なお、以下に説明する複数の実施形態や変形例において、1つのノズル孔12aに着目してヘッドの全体構成を説明する。
図3は、第1の実施形態のインクジェットヘッド6の要部、すなわち1つのノズル孔12aの周りの構造物をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。また、図4は、図3のF4−F4でインクジェットヘッド6を切断した部分拡大断面図である。図4では、図示簡略化のため、インク流路ブロック18の図示を省略してある。なお、以下に説明する複数の実施形態や変形例において、1つのノズル孔12aに着目してヘッドの全体構成を説明する。
インクジェットヘッド6は、シリコン酸化膜からなるノズルプレート12と、ノズルプレート12の第1面に積層された圧電素子13(アクチュエータ)と、ノズルプレート12の第2面に重なる圧力室プレート14と、圧力室プレート14の裏面に重なるバックプレート16と、バックプレート16の裏面に重なるインク流路ブロック18(ここでは図示せず)と、を有する。
ノズルプレート12は、ノズル孔12aを延長して第2面から連続して一体に延びたノズル20(筒状体)を有する。つまり、ノズル20もノズルプレート12と同じ材料、すなわちシリコン酸化膜により形成されており、ノズルプレート12と同時に形成される。ノズル20は、略円筒形であり、ノズル孔12aと同軸に配置され、ノズルプレート12の第2面から離れる方向に略垂直に延びている。
ノズル20を含むノズルプレート12は、後述するように、シリコン基板の表面に熱を与えて酸化することにより形成される。この他に、ノズル20を含むノズルプレート12は、例えば、CVD法により形成することもできる。本実施形態のノズルプレート12は、厚さ1〜5μmのシリコン酸化膜(二酸化シリコン)で形成される。
シリコン酸化膜は、ノズルプレート12の均等な変形を実現するため、非晶質であることが望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点から、ノズルプレート12をシリコン酸化膜で形成することが望ましい。さらに、従来の半導体プロセスとの整合性がよいという点からも、ノズルプレート12をシリコン酸化膜で形成することが望ましい。
圧電素子13は、下部電極31、圧電膜32、および上部電極33を有する。下部電極31をノズルプレート12の第1面に積層し、圧電膜32を下部電極31の上に積層し、上部電極33を圧電膜32の上に積層する。圧電素子13は、図3に示すように、ノズル孔12aの周囲に設けられた略円環状の薄膜である。
図2に示すように、下部電極31は、配線を介して共通電極22に接続され、上部電極33は、配線を介して個別電極24に接続されている。上部電極33は、圧電膜32および下部電極31とともに延長されて配線の一部とされている。下部電極31と上部電極33の間に圧電膜32が挟まれている。
圧電膜32は、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr、Ti)O3、PZT)などの電歪定数の大きな圧電材料が適している。圧電膜32にPZTを使用した場合、下部電極31や上部電極33として、Pt、Au、Irなどの貴金属や、SrRuO3などの導電性の酸化物を使用することが望ましい。また、圧電膜32として、AlNやZrO2などのシリコンプロセスに適した圧電材料を使用することも可能である。この場合は、下部電極31や上部電極33として、Al、Cuなどの一般の電極材料や配線材料を使用することができる。
本実施形態の圧電素子13は、その周縁部近くがインク圧力室14aの外周部に重なる大きさを有し、周縁部がインク圧力室14aの外側のノズルプレート12に固定されている。つまり、圧電素子13の径は、インク圧力室14aの径より大きい。このため、共通電極22と個別電極24との間に駆動電圧を印加すると、固定されていない圧電素子13の中央付近が厚み方向に大きく変位する。
圧力室プレート14は、例えば、100〜600μm程度の厚さのシリコン基板により形成されている。圧力室プレート14を貫通したインク圧力室14aは、インクを充填するために空洞となっている。インク圧力室14aは、ノズルプレート12およびバックプレート16によって、その軸方向の両端が塞がれている。バックプレート16も、シリコン基板により形成されている。インクは、バックプレート16のインク流通孔16aを介してインク溜まり18aからインク圧力室14aへ供給される。本実施形態のインク圧力室14aは、略円筒形である。
圧力室プレート14の厚さは、150〜250μm程度であることが望ましい。圧力室プレート14の厚さをこの程度に設計することにより、隣接する2つのインク圧力室14aの間の隔壁の剛性を保ちつつ、インク圧力室14aの配列密度を高くできる。
図示しない外部の駆動回路からの記録信号に基づいて、下部電極31と上部電極33の間に駆動電圧を印加すると、圧電膜32が収縮して、圧電素子13がその厚み方向に変位する。このとき、圧電素子13の変位によって、ノズルプレート12のノズル孔12a付近がインクの吐出方向に凸となる変位を生じる。これにより、インク圧力室14aの体積が増大し、インク圧力室14aの圧力が低下し、インク流通孔16aを介してインク圧力生室14a内にインクが流入する。
この後、下部電極31と上部電極33の間に印加していた駆動電圧を除去すると、圧電膜32の収縮が元に戻り、ノズルプレート12が駆動前の変位の無い状態に戻り、インク圧力室14aの体積が減少し、インク圧力室14a内のインクの圧力が高まり、ノズル20およびノズル孔12aを介してインク滴が吐出する。
上述したように、圧電素子13に駆動電圧を印加してインク圧力室14aの体積を増大させると、バックプレート16のインク流通孔16aを介してインク圧力室14a内にインクが流入するとともに、ノズル孔12aに形成されているインクメニスカスがインク圧力室14a方向に僅かに凹む。また、駆動電圧の印加を止めてインク圧力室14aの体積を元に戻してノズル孔12aからインク滴を吐出させた直後に、ノズル孔12aのインクメニスカスがインク圧力室14a方向に僅かに凹む。
本実施形態のインクジェットヘッド6は、ノズル孔12aからインク圧力室14aに向けて延びたノズル20を備えている。このため、インク滴の吐出時に、上記のようにインクメニスカスが凹んでも、インク圧力室14a内に空気が流入する心配がない。よって、本実施形態のインクジェットヘッド6を用いた場合、吐出するインク滴の体積を従来(ノズル20を持たないヘッド)より大きくすることができる。
また、本実施形態のインクジェットヘッド6を用いた場合、駆動電圧を印加したときのインク滴を吐出する前のインクメニスカスの位置を調節することもでき、吐出するインク滴の大きさを所望する大きさに変化させる階調制御が容易になる。なお、このような階調制御のため、インクメニスカスの位置を調節する際には、圧電素子13に印加する駆動電圧の波形を変えれば良い。
インク圧力室14aの大きさとノズル20の大きさは、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。
特に、ノズル20の長さについては、ノズル長が長くなると、駆動効率が低下するので、効率の観点から言うと、ノズル長は短い方が良い。一方、ノズル長を長くすると、上述したように、インク吐出前あるいはインク吐出後にメニスカスが大きく凹んでも、気泡が入り難くなる。また、ノズル長を長くすると、上述したように、インク滴の体積を大きくできる。さらに、ノズル長を長くすると、上述したように、インク滴の大きさを変化させる階調制御が容易になる。
特に、ノズル20の長さについては、ノズル長が長くなると、駆動効率が低下するので、効率の観点から言うと、ノズル長は短い方が良い。一方、ノズル長を長くすると、上述したように、インク吐出前あるいはインク吐出後にメニスカスが大きく凹んでも、気泡が入り難くなる。また、ノズル長を長くすると、上述したように、インク滴の体積を大きくできる。さらに、ノズル長を長くすると、上述したように、インク滴の大きさを変化させる階調制御が容易になる。
インクジェットヘッド6では、インク吐出後に、吐出したインク滴の体積に相当する分だけメニスカスが凹み、あまりノズル長が短いと、気泡巻き込みなどのリスクが高まる。一般に、インク滴の径は、ノズル径と同程度であり、インク滴の径をノズル径と同じと仮定すると、メニスカス後退距離/ノズル径のアスペクト比は次式(1)で計算される。
(4/3・πr3)/(πr2)/(2r)=2/3 (1)
この場合、アスペクト比は0.67程度となる。
さらに、圧電素子13に印加する駆動電圧を上昇したり、駆動電圧の波形や周期を最適化したりすることで、インク滴の体積を3倍程度まで増加させることがある。この場合、アスペクト比は2程度となる。
この場合、アスペクト比は0.67程度となる。
さらに、圧電素子13に印加する駆動電圧を上昇したり、駆動電圧の波形や周期を最適化したりすることで、インク滴の体積を3倍程度まで増加させることがある。この場合、アスペクト比は2程度となる。
つまり、アスペクト比2のノズル20を使用することにより、インク滴の体積を3倍程度変化させた階調制御が可能になる。従って、ノズル20の長さと径のアスペクト比は、0.5以上3以下、望ましくは0.5以上2以下である。
以下、図5乃至図11を参照して、上記構造の第1の実施形態のインクジェットヘッド6の製造方法について説明する。
図5に示すように、まず、シリコン単結晶基板40の平らなウェハ表面40a(第1面)にリング状の溝41を形成する。本実施形態では、溝41は、ウェハ表面40aに対して略垂直に形成する。この溝41の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成するノズル20の位置、長さ、厚さを決める。
図5に示すように、まず、シリコン単結晶基板40の平らなウェハ表面40a(第1面)にリング状の溝41を形成する。本実施形態では、溝41は、ウェハ表面40aに対して略垂直に形成する。この溝41の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成するノズル20の位置、長さ、厚さを決める。
次に、図6に示すように、ウェハ表面40aに熱を加えて酸化して、シリコン酸化膜からなるノズルプレート12を形成する。ウェハ表面40aを酸化させると、ウェハ表面40aが浸食されるとともに膨張する。このとき、ウェハ表面40aの浸食の割合が約45%であるのに対して膨張の割合が約55%となるため、酸化していないシリコン単結晶基板40’の厚みとノズルプレート12の厚みを足した厚み(図6)は、図5のシリコン単結晶基板40の厚みより僅かに大きくなる。
また、このとき、ウェハ表面40aの酸化と同時に、溝41の内面も酸化され、溝41の形状に応じた形状のノズル20が形成される。本実施形態では、結果的に、シリコン酸化膜の膨張により、溝41が埋まり、ノズルプレート12の第2面から略垂直に突出した円筒状のノズル20が形成される。つまり、このノズル20は、ノズルプレート12と同じ材質でノズルプレート12と一体且つ同時に形成できる。このため、ノズル20のノズルプレート12に対する位置精度を高くでき、機械強度を高くできる。
なお、このとき、ノズル20の壁厚は、溝41の幅の2.24倍の厚さになる。言い換えると、溝41の幅を調節することにより、ノズル20の壁厚を所望する厚さに容易に調節することができる。また、溝41の深さを調節することにより、ノズル20の長さを所望する長さに容易に調節することができる。
なお、本実施形態では、シリコン基板40の表面40aを熱により酸化することでノズルプレート12およびノズル20を形成したが、熱酸化法以外に、プラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法なども使用することが可能である。また、本実施形態では、シリコン基板40の熱酸化によりノズルプレート12およびノズル20を形成したが、熱酸化法とプラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法などを併用して形成することも可能である。
次に、図7に示すように、ノズル20と反対のノズルプレート12の第1面上に、環状の圧電素子13を成膜する。圧電素子13を成膜する場合、まず、スパッタリングによりTi/Ptからなる下部電極31をノズルプレート12の第1面上に設け、その上にスパッタリングによってPZTからなる圧電膜32を設け、さらにその上にスパッタリングによってPtからなる上部電極33を設ける。そして、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによって、上部電極33および圧電膜32をパターニングする。さらに、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによって、下部電極31をパターニングする。
次に、図8に示すように、ノズルプレート12および圧電素子13の上面全体を覆うように、撥水製の保護膜42を形成する。
次に、図9に示すように、保護膜42の外側から、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、保護膜42およびノズルプレート12をパターニングして、ノズル20に対向するノズル孔12aを形成する。このとき、ノズル20の内側の流路の径より僅かに大きな径でノズル孔12aを形成する。
次に、図10に示すように、シリコン単結晶基板40’を、ノズルプレート12と反対の第2面40b側から、裏面フォトリソグラフィーおよびD−RIEによって部分的に除去して、インク圧力室14aを形成する。このとき、ノズル20の内側のシリコン材料も除去されて、ノズル孔12aがインク圧力室14aに連通する。
次に、図11に示すように、シリコン単結晶基板40’の第2面40bにバックプレート16を接着する。接着法としては、例えば、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理した後、両者を密着して加圧することにより接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤を用いても良い。この後、例えば、レーザによりバックプレート16にインク流通孔16aを形成する。
なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチング工程は、1つのインクジェットヘッド6のチップを製造するためのものではなく、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成するものである。そして、プロセス終了後、一枚のウェハを複数のチップに分割することで、複数のインクジェットヘッド6を同時に製造できる。
以上、本実施形態によれば、簡単なプロセスにより、ノズル20を一体に備えたノズルプレート12を有するインクジェットヘッドを容易に製造することができ、機械強度の高い薄型のインクジェットヘッドを提供できる。特に、ウェハ表面40aの溝41の位置にノズル20を形成できるため、ノズル20の位置精度を高くでき、ノズル20のノズルプレート12に対する接続強度を高めることができる。
また、本実施形態によると、インクが接触するノズルプレート12およびノズル20を化学的に安定したシリコン酸化膜により形成でき、インクにより腐食する心配がない。また、本実施形態によると、吐出するインク滴の体積を大きくでき、インク滴を吐出するための駆動エネルギを大きくでき、駆動制御によりインク滴の吐出量の階調制御が可能であり、信頼性が高い、小型、集積化の容易な、圧電MEMS型のインクジェットヘッドを提供することができる。
(第1の実施形態の第1変形例)
図12は、本変形例のインクジェットヘッド6’をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図13は、図12のF13−F13に沿ってインクジェットヘッド6’を切断した部分拡大断面図である。
図12は、本変形例のインクジェットヘッド6’をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図13は、図12のF13−F13に沿ってインクジェットヘッド6’を切断した部分拡大断面図である。
本変形例のインクジェットヘッド6’は、ノズルプレート12の第2面から一体に突設したノズルの形状が異なる以外、上述した第1の実施形態のインクジェットヘッド6と同様の構造を有する。つまり、本変形例のノズル50は、断面積がノズル孔12aに向けて徐々に小さくなるテーパー状のインク流路50aを有する。よって、ここでは、第1の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
本変形例のインクジェットヘッド6’の圧電素子13に駆動電圧を印加してノズルプレート12を厚み方向に変位させてインク孔12aからインク滴を吐出する際には、ノズル50のインク流路50aが図示のようにノズル孔12aに向けて先細になるテーパー状であることが好ましい。つまり、先細のインク流路50aを通ってノズル孔12aに向かうインクは、圧縮されて流速が徐々に速くなるため、インク滴を吐出し易くなる。
以下、本変形例のインクジェットヘッド6’の製造方法について説明する。なお、ここでは、第1の実施形態のインクジェットヘッド6と同じ製造工程についての説明は省略する。
まず、図14に示すように、シリコン単結晶基板40のウェハ表面40aに断面V字状のリング状の溝52を形成する。
次に、図15に示すように、ウェハ表面40aを熱により酸化してシリコン酸化膜からなるノズルプレート12およびノズル50を同時に形成する。このとき、溝52の底部は、酸化膜で埋められるが、溝52の幅広の開口側には、図示のような断面V字形のリング状の空間54が生じる場合がある。
このような空間54が生じる場合には、図16に示すように、ノズルプレート12の第1面全体に有機樹脂や無機樹脂をスピンオン法により塗布して空間54を埋め、この樹脂を硬化した後、エッチバックすることで空間54を埋め込み材56で埋める。なお、埋め込み材56は、上述したスピンオン法による有機樹脂や無機樹脂に限らず、CVD法で作成した酸化膜や窒化膜も使用することが可能である。
以降の工程は、図7乃至図11を用いて説明した第1の実施形態のインクジェットヘッド6の製造方法と同じである。
(第1の実施形態の第2変形例)
図17は、第1の実施形態の第2変形例のインクジェットヘッド6”をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図18は、図17のF18−F18に沿ってインクジェットヘッド6”を切断した部分拡大断面図である。
図17は、第1の実施形態の第2変形例のインクジェットヘッド6”をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図18は、図17のF18−F18に沿ってインクジェットヘッド6”を切断した部分拡大断面図である。
本変形例のインクジェットヘッド6”は、ノズルプレート12の第1面に設けた圧電素子の形状が異なる以外、上述した第1の実施形態のインクジェットヘッド6と同様の構造を有する。つまり、本変形例のインクジェットヘッド6”は、下部電極31、圧電膜32、および上部電極33を重ねた圧電素子60をノズル孔12aに近付く中央寄りにレイアウトした構造を有する。よって、ここでは、第1の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
圧電素子を用いてノズルプレート12を変形駆動するためには、圧電素子をインク圧力室14aの中心寄りか周囲寄りに形成することが望ましい。第1の実施形態のインクジェットヘッド6は、圧電素子13をインク圧力室14aの周部に重なる外寄りに設けたが、本変形例のインクジェットヘッド6”は、インク圧力室14aの周部に重ならない中央寄りに圧電素子60をレイアウトした。言い換えると、本変形例の圧電素子60は、インク圧力室14aの径より小さい外径を有する。
本変形例のように、インク圧力室14aの中央寄りに圧電素子60を配置することにより、第1の実施形態のように圧電素子13を周囲寄りに配置した場合と比較して、圧電素子60に駆動電圧を印加したときのノズルプレート12の駆動力をやや大きくできる。このため、本変形例のインクジェットヘッド6”は、電力消費量を抑えることができる。また、圧電素子60のサイズを第1の実施形態と比較して小さくすることができ、ヘッドの小型化が可能となる。
なお、本変形例のインクジェットヘッド6”も、ノズルプレート12の第2面から一体に突設したシリコン酸化膜からなるノズル20を有する。従って、本変形例のインクジェットヘッド6”も第1の実施形態のインクジェットヘッド6と同様の効果を奏することができる。
(第2の実施形態)
図19は、第2の実施形態のインクジェットヘッド70をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図20は、図19のF20−F20に沿ってインクジェットヘッド70を切断した部分拡大断面図である。
図19は、第2の実施形態のインクジェットヘッド70をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図20は、図19のF20−F20に沿ってインクジェットヘッド70を切断した部分拡大断面図である。
本実施形態のインクジェットヘッド70は、ノズルプレート12の第2面から円筒状の枠部72(規定枠)を一体に突設した構造を有する。枠部72は、インク圧力室14aの内径を規定するために設けられている。これ以外の構成は、上述した第1の実施形態のインクジェットヘッド6と略同様である。したがって、ここでは、第1の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
第1の実施形態で説明したように、シリコン単結晶基板40’にインク圧力室14aを形成する場合、シリコン単結晶基板40’の第2面40b側から、裏面フォトリソグラフィーおよびD−RIEにより、シリコン基板をエッチングして部分的に除去する。このとき、シリコン基板のエッチング速度が完全に同一にはならないことから、エッチング面先端がノズルプレート12に達する時間にばらつきが生じる。このため、エッチング速度が速いと、ノズルプレート12にエッチング面先端が達した後、横方向にもエッチングが生じて、ノズルプレート12の近くでインク圧力室14aの内壁にノッチが形成される場合がある。このようにノッチが形成されると、インク圧力室14aの直径にばらつきが生じ、インク滴の駆動力にもばらつきが生じてしまう。
このような不具合を防止するため、本実施形態のインクジェットヘッド70は、ノズルプレート12の第2面に枠部72を突設している。枠部72を設けることで、横方向に広がるエッチング領域を規定し、インク圧力室14aの径を常に同じ直径に制御できる。
以下、第2の実施形態のインクジェットヘッド70の製造方法について説明する。
図21に示すように、まず、シリコン単結晶基板40の平らなウェハ表面40a(第1面)にノズル20用の溝41を形成するとともに、その外側に、枠部72用のリング状の別の溝71を形成する。本実施形態では、溝41、72は、ウェハ表面40aに対して略垂直に形成する。この溝41の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成するノズル20の位置、長さ、厚さを決める。また、もう一方の溝71の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成する枠部72の位置、長さ、厚さを決める。
図21に示すように、まず、シリコン単結晶基板40の平らなウェハ表面40a(第1面)にノズル20用の溝41を形成するとともに、その外側に、枠部72用のリング状の別の溝71を形成する。本実施形態では、溝41、72は、ウェハ表面40aに対して略垂直に形成する。この溝41の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成するノズル20の位置、長さ、厚さを決める。また、もう一方の溝71の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成する枠部72の位置、長さ、厚さを決める。
次に、図22に示すように、ウェハ表面40aの熱酸化によってシリコン酸化膜からなるノズルプレート12、ノズル20、および枠部72を同時に形成する。つまり、ノズル20および枠部72は、ノズルプレート12と同じ材質でノズルプレート12と一体に形成できる。このため、ノズル20および枠部72のノズルプレート12に対する位置精度を高くでき、機械強度を高くできる。枠部72の壁厚や長さは、溝71の幅および深さを調節することで所望する値に容易に調節できる。
なお、本実施形態では、シリコン基板40の表面40aを熱により酸化することでノズルプレート12、ノズル20、および枠部72を形成したが、熱酸化法以外に、プラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法なども使用することが可能である。また、本実施形態では、シリコン基板40の熱酸化によりノズルプレート12、ノズル20、および枠部72を形成したが、熱酸化法とプラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法などを併用して形成することも可能である。
次に、図23に示すように、ノズル20および枠部72と反対のノズルプレート12の第1面上に、環状の圧電素子13を成膜する。そして、この後、ノズルプレート12および圧電素子13の上面全体を覆うように、撥水製の保護膜42を形成する。圧電素子13および保護膜42の成膜工程については、上述した第1の実施形態と同じであるため、ここではその説明を省略する。
次に、図24に示すように、保護膜42の外側から、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、保護膜42およびノズルプレート12をパターニングして、ノズル20に対向するノズル孔12aを形成する。このとき、ノズル20の内側の流路の径より僅かに大きな径でノズル孔12aを形成する。
次に、図25に示すように、シリコン単結晶基板40’を、ノズルプレート12と反対の第2面40b側から、裏面フォトリソグラフィーおよびD−RIEによって部分的に除去して、インク圧力室14aを形成する。このとき、ノズル20の内側のシリコン材料も除去されて、ノズル孔12aがインク圧力室14aに連通する。
より詳細に説明すると、D−RIE初期には、インク圧力室14aの直径より小さいパターンを使用してエッチングおよび側面パッシベーションを繰り返して、インク圧力室14aの垂直な内面14bを形成する。次に、エッチング先端が一定の深さに達した後、側壁パッシベーションを弱くして外径が徐々に拡大する条件でエッチングを行い、インク圧力室14aの拡開したテーパー状の内面14cを形成する。
このとき、シリコンとシリコン酸化膜のエッチングレート比を100:1以上取ることができるので、ノズルプレート12や枠部72をほとんどオーバーエッチングすることなしにインク圧力室14aを形成できる。これにより、インク圧力室14aの容積を常に一定に制御でき、インク滴の吐出条件のバラつきを抑えることができ、均一な体積のインク滴を吐出できる。
次に、図26に示すように、シリコン単結晶基板40’の第2面40bにバックプレート16を接着する。接着法としては、例えば、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理した後、両者を密着して加圧することにより接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤を用いても良い。この後、例えば、レーザによりバックプレート16にインク流通孔16aを形成する。
以上のように、本実施形態においても、ノズルプレート12の第2面にノズル20を備えているため、簡単なプロセスにより製造することが可能であることに加えて、駆動体積が大きく、駆動エネルギが大きく、駆動制御により吐出量の階調制御が可能であり、信頼性が高い小型、集積化の容易な圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドを提供することが可能となる。
(第3の実施形態)
図27は、第3の実施形態のインクジェットヘッド80の要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。また、図28は、図27のF28−F28でインクジェットヘッド80を切断した部分拡大断面図である。
図27は、第3の実施形態のインクジェットヘッド80の要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。また、図28は、図27のF28−F28でインクジェットヘッド80を切断した部分拡大断面図である。
本実施形態のインクジェットヘッド80は、圧電素子82の形状が長方形であり、インク圧力室84の形状も長方形である。しかし、これら圧電素子82およびインク圧力室84の形状以外、第1の実施形態のインクジェットヘッド6と略略同じ構造を有する。よって、ここでは、上述した第1の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態のインクジェットヘッド80は、インク圧力室84の平面形状が長方形であるため、第1の実施形態のインクジェットヘッド6と比較して、インク吐出エネルギが大きくなる。
なお、インク圧力室の平面形状は、第1の実施形態のような円形や本実施形態のような長方形に限定されず、長円形、楕円形、多角形など他の形態でも構わない。
(第4、第5の実施形態)
図29は、第4の実施形態のインクジェットヘッド91の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図であり、図30は、第5の実施形態のインクジェットヘッド92の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。これらインクジェットヘッド91、92は、ノズル93、94、95の形状が異なる以外、上述した第2の実施形態のインクジェットヘッド70と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第2の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図29は、第4の実施形態のインクジェットヘッド91の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図であり、図30は、第5の実施形態のインクジェットヘッド92の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。これらインクジェットヘッド91、92は、ノズル93、94、95の形状が異なる以外、上述した第2の実施形態のインクジェットヘッド70と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第2の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
第4の実施形態のインクジェットヘッド91は、比較的大径のインク流路を有するノズル93を備えている。このように、ノズル93の内径をインク孔12aより大きくすると、インク滴の吐出時におけるインクメニスカスの変動幅を小さくでき、気泡の発生を抑制できる。
第5の実施形態のインクジェットヘッド92は、インク流路の内径が比較的小さい内側ノズル94(内側筒部)、およびこの内側ノズル94の外側に配置したインク流路の内径が比較的大きい外側ノズル96(外側筒部)を有する。
以上述べた少なくともひとつの実施形態のインクジェットヘッドによれば、ノズルプレートのインク圧力室側の第2面から一体に同じ材料で形成したノズルを備えいているため、製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドを提供できる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施形態の説明においては、インクジェットヘッドおよびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェットヘッドおよびその製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェットヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
第1面と、この第1面と反対の第2面と、上記第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して上記第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートと、
このノズルプレートの上記第2面側に設けられ、上記筒状体および上記貫通孔と連通するインク室と、
上記ノズルプレートを変位させて上記インク室内のインクを上記貫通孔から吐出させるアクチュエータと、
を有するインクジェットヘッド。
[2]
上記筒状体を含む上記ノズルプレートは、シリコン酸化膜により形成されている、[1]のインクジェットヘッド。
[3]
上記アクチュエータは、上記貫通孔の周りで上記ノズルプレートの上記第1面に積層した下部電極と圧電膜と上部電極とを含む圧電素子である、[2]のインクジェットヘッド。
[4]
上記筒状体は、上記貫通孔に向けて断面積が徐々に小さくなるテーパー状のインク流路を有する、[1]のインクジェットヘッド。
[5]
上記筒状体は、上記貫通孔の径より大きい径のインク流路を有する、[1]のインクジェットヘッド。
[6]
上記筒状体は、内側筒部とこの内側筒部の外側に配置した該内側筒部より長い外側筒部とを含む、[1]のインクジェットヘッド。
[7]
上記ノズルプレートは、上記インク室の内径を規定するため、上記第2面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠を有する、[2]のインクジェットヘッド。
[8]
シリコン基板の第1面に環状の溝を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第1面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、上記シリコン基板の熱酸化により上記溝に対応する筒状体を上記ノズルプレートの第2面から連続して一体に形成する工程と、
上記筒状体と反対の上記ノズルプレートの第1面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して環状の圧電素子を成膜する工程と、
上記ノズルプレートの上記第1面と上記筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第1面と反対の第2面側から部分的に除去して上記孔に連絡するインク室を形成する工程と、
上記シリコン基板の上記第2面にバックプレートを設ける工程と、
を有するインクジェットヘッドの製造方法。
[9]
上記環状の溝は、断面V字状である、
[8]の製造方法。
[10]
上記ノズルプレートおよび筒状体を形成する工程の前に、上記環状の溝の外側の上記シリコン基板の上記第1面に環状の別の溝を形成する工程をさらに有し、
上記ノズルプレートおよび筒状体を形成する工程は、上記シリコン基板の熱酸化により上記別の溝に対応する規定枠を上記ノズルプレートの上記第2面から連続して一体に形成する、
[8]の製造方法。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
第1面と、この第1面と反対の第2面と、上記第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して上記第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートと、
このノズルプレートの上記第2面側に設けられ、上記筒状体および上記貫通孔と連通するインク室と、
上記ノズルプレートを変位させて上記インク室内のインクを上記貫通孔から吐出させるアクチュエータと、
を有するインクジェットヘッド。
[2]
上記筒状体を含む上記ノズルプレートは、シリコン酸化膜により形成されている、[1]のインクジェットヘッド。
[3]
上記アクチュエータは、上記貫通孔の周りで上記ノズルプレートの上記第1面に積層した下部電極と圧電膜と上部電極とを含む圧電素子である、[2]のインクジェットヘッド。
[4]
上記筒状体は、上記貫通孔に向けて断面積が徐々に小さくなるテーパー状のインク流路を有する、[1]のインクジェットヘッド。
[5]
上記筒状体は、上記貫通孔の径より大きい径のインク流路を有する、[1]のインクジェットヘッド。
[6]
上記筒状体は、内側筒部とこの内側筒部の外側に配置した該内側筒部より長い外側筒部とを含む、[1]のインクジェットヘッド。
[7]
上記ノズルプレートは、上記インク室の内径を規定するため、上記第2面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠を有する、[2]のインクジェットヘッド。
[8]
シリコン基板の第1面に環状の溝を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第1面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、上記シリコン基板の熱酸化により上記溝に対応する筒状体を上記ノズルプレートの第2面から連続して一体に形成する工程と、
上記筒状体と反対の上記ノズルプレートの第1面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して環状の圧電素子を成膜する工程と、
上記ノズルプレートの上記第1面と上記筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第1面と反対の第2面側から部分的に除去して上記孔に連絡するインク室を形成する工程と、
上記シリコン基板の上記第2面にバックプレートを設ける工程と、
を有するインクジェットヘッドの製造方法。
[9]
上記環状の溝は、断面V字状である、
[8]の製造方法。
[10]
上記ノズルプレートおよび筒状体を形成する工程の前に、上記環状の溝の外側の上記シリコン基板の上記第1面に環状の別の溝を形成する工程をさらに有し、
上記ノズルプレートおよび筒状体を形成する工程は、上記シリコン基板の熱酸化により上記別の溝に対応する規定枠を上記ノズルプレートの上記第2面から連続して一体に形成する、
[8]の製造方法。
6…インクジェットヘッド、12…ノズルプレート、12a…ノズル孔、13…圧電素子、14…圧力室プレート、14a…インク圧力室、16…バックプレート、16a…インク流通路、18…インク流路ブロック、18a…インク溜まり、20…ノズル、31…下部電極、32…圧電膜、33…上部電極、40…シリコン単結晶基板、41…溝。
Claims (8)
- 第1面と、この第1面と反対の第2面と、上記第1面と第2面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して上記第2面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートと、
このノズルプレートの上記第2面側に設けられ、上記筒状体および上記貫通孔と連通するインク室と、
上記第2面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠と、
上記ノズルプレートを変位させて上記インク室内のインクを上記貫通孔から吐出させるアクチュエータと、
を有するインクジェットヘッド。 - 上記筒状体を含む上記ノズルプレートは、シリコン酸化膜により形成されている、請求項1のインクジェットヘッド。
- 上記アクチュエータは、上記貫通孔の周りで上記ノズルプレートの上記第1面に積層した下部電極と圧電膜と上部電極とを含む圧電素子である、請求項2のインクジェットヘッド。
- 上記筒状体は、上記貫通孔に向けて断面積が徐々に小さくなるテーパー状のインク流路を有する、請求項1のインクジェットヘッド。
- 上記筒状体は、上記貫通孔の径より大きい径のインク流路を有する、請求項1のインクジェットヘッド。
- 上記筒状体は、内側筒部とこの内側筒部の外側に配置した該内側筒部より長い外側筒部とを含む、請求項1のインクジェットヘッド。
- シリコン基板の第1面に環状の溝を形成するとともに、上記環状の溝の外側の上記シリコン基板の上記第1面に環状の別の溝を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第1面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、上記シリコン基板の熱酸化により上記溝に対応する筒状体および上記別の溝に対応する規定枠を上記ノズルプレートの第2面から連続して一体に形成する工程と、
上記筒状体と反対の上記ノズルプレートの第1面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して環状の圧電素子を成膜する工程と、
上記ノズルプレートの上記第1面と上記筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第1面と反対の第2面側から部分的に除去して上記孔に連絡したインク室を形成する工程と、
上記シリコン基板の上記第2面にバックプレートを設ける工程と、
を有するインクジェットヘッドの製造方法。 - 上記環状の溝は、断面V字状である、
請求項7の製造方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014167528A JP5849131B1 (ja) | 2014-08-20 | 2014-08-20 | インクジェットヘッドおよびその製造方法 |
US14/574,016 US9358785B2 (en) | 2014-08-20 | 2014-12-17 | Inkjet head having high mechanical strength and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014167528A JP5849131B1 (ja) | 2014-08-20 | 2014-08-20 | インクジェットヘッドおよびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP5849131B1 true JP5849131B1 (ja) | 2016-01-27 |
JP2016043509A JP2016043509A (ja) | 2016-04-04 |
Family
ID=55176158
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014167528A Expired - Fee Related JP5849131B1 (ja) | 2014-08-20 | 2014-08-20 | インクジェットヘッドおよびその製造方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9358785B2 (ja) |
JP (1) | JP5849131B1 (ja) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6117403B1 (ja) * | 2016-05-25 | 2017-04-19 | 株式会社東芝 | インクジェット式記録ヘッド |
JP6322731B1 (ja) | 2017-01-06 | 2018-05-09 | 株式会社東芝 | インクジェット式記録ヘッド |
JP6373433B2 (ja) * | 2017-03-22 | 2018-08-15 | 株式会社東芝 | インクジェット式記録ヘッド |
JP7413864B2 (ja) * | 2020-03-19 | 2024-01-16 | セイコーエプソン株式会社 | 液体噴射ヘッドの製造方法、及び、流路部品の製造方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05177832A (ja) * | 1992-01-06 | 1993-07-20 | Rohm Co Ltd | インクジェットプリントヘッド及びそれを備える電子機器 |
JP2000229407A (ja) * | 1999-02-10 | 2000-08-22 | Canon Inc | 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 |
JP2002225277A (ja) * | 2001-01-08 | 2002-08-14 | Samsung Electronics Co Ltd | 半球形インクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
JP2004136679A (ja) * | 2002-10-15 | 2004-05-13 | Samsung Electronics Co Ltd | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
JP2013067026A (ja) * | 2011-09-20 | 2013-04-18 | Toshiba Tec Corp | インクジェットへッド |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6474785B1 (en) | 2000-09-05 | 2002-11-05 | Hewlett-Packard Company | Flextensional transducer and method for fabrication of a flextensional transducer |
KR100552660B1 (ko) * | 2001-08-09 | 2006-02-20 | 삼성전자주식회사 | 버블 젯 방식의 잉크 젯 프린트 헤드 |
JP5851677B2 (ja) * | 2009-08-12 | 2016-02-03 | ローム株式会社 | インクジェットプリンタヘッド |
US20130222481A1 (en) | 2012-02-27 | 2013-08-29 | Toshiba Tec Kabushiki Kaisha | Inkjet head and method of manufacturing the same |
JP5851295B2 (ja) | 2012-03-16 | 2016-02-03 | 東レエンジニアリング株式会社 | 熱処理装置 |
JP5916676B2 (ja) | 2013-09-20 | 2016-05-11 | 株式会社東芝 | インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 |
-
2014
- 2014-08-20 JP JP2014167528A patent/JP5849131B1/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-12-17 US US14/574,016 patent/US9358785B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH05177832A (ja) * | 1992-01-06 | 1993-07-20 | Rohm Co Ltd | インクジェットプリントヘッド及びそれを備える電子機器 |
JP2000229407A (ja) * | 1999-02-10 | 2000-08-22 | Canon Inc | 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 |
JP2002225277A (ja) * | 2001-01-08 | 2002-08-14 | Samsung Electronics Co Ltd | 半球形インクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
JP2004136679A (ja) * | 2002-10-15 | 2004-05-13 | Samsung Electronics Co Ltd | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
JP2013067026A (ja) * | 2011-09-20 | 2013-04-18 | Toshiba Tec Corp | インクジェットへッド |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016043509A (ja) | 2016-04-04 |
US20160052272A1 (en) | 2016-02-25 |
US9358785B2 (en) | 2016-06-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5916676B2 (ja) | インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 | |
US9340018B2 (en) | Inkjet head including nozzle plate provided with piezoelectric element | |
JP6558104B2 (ja) | 圧電デバイス、液体吐出ヘッド、および、液体吐出装置 | |
JP5849131B1 (ja) | インクジェットヘッドおよびその製造方法 | |
JP7064649B1 (ja) | ヘッドチップ、液体噴射ヘッド及び液体噴射記録装置 | |
EP4197792B1 (en) | Head chip, liquid jet head, and liquid jet recording device | |
JP2016016522A (ja) | 液滴吐出ヘッド、画像形成装置 | |
JP6520237B2 (ja) | 液滴吐出ヘッド、液体カートリッジおよび画像形成装置 | |
JP6047548B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッド | |
JP6360949B2 (ja) | インクジェットプリンタ | |
JP6181830B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドの製造方法 | |
JP2007137015A (ja) | 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法 | |
JP2018027710A (ja) | アクチュエーター、及び、センサー | |
JP2018153968A (ja) | インクジェット式記録ヘッド | |
JP6256101B2 (ja) | 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 | |
JP3972932B2 (ja) | インクジェットヘッドの製造方法並びにインクジェット装置 | |
JP2007062251A (ja) | 液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法、記録液カートリッジ、画像形成装置 | |
JP6503484B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッド | |
JP6089061B2 (ja) | インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット記録装置 | |
JP7220327B1 (ja) | ヘッドチップ、液体噴射ヘッド及び液体噴射記録装置 | |
JP7220328B1 (ja) | ヘッドチップ、液体噴射ヘッド及び液体噴射記録装置 | |
JP7512721B2 (ja) | インクジェットヘッドの製造方法、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 | |
JP4979488B2 (ja) | 液体吐出ヘッド及び記録装置 | |
JP2003205612A (ja) | インクジェットヘッド | |
JP2007216669A (ja) | 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20151104 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151130 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5849131 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |