液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置
【課題】 吐出不良を防止でき且つ流路形成基板の破壊を防止でき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を提供する。
【解決手段】 流路形成基板１０のノズルプレート２０側の面に、圧力発生室１２の列１３の周囲の少なくとも一部に連続的に設けられると共に流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接着する接着剤２５が入り込んだ溝部１６を有し、且つ溝部１６が少なくともその一部に流路形成基板を貫通しない非貫通部を有するようにする。
【解決手段】 流路形成基板１０のノズルプレート２０側の面に、圧力発生室１２の列１３の周囲の少なくとも一部に連続的に設けられると共に流路形成基板１０とノズルプレート２０とを接着する接着剤２５が入り込んだ溝部１６を有し、且つ溝部１６が少なくともその一部に流路形成基板を貫通しない非貫通部を有するようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴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。
【背景技術】
【０００２】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、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知られている。
【０００３】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、一般的に、圧力発生室を形成した流路形成基板に、インク滴を吐出するための複数のノズル開口を穿設したノズルプレートが接着剤によって接合された構造となっている。このため、上述したように圧力発生室（圧電素子）を高密度に配設すると、ノズルプレートと流路形成基板との接着面積が小さくなり、無駄な接着剤が圧力発生室内に過度に流れ出す虞がある。そして、圧力発生室に流れ出した接着剤によってノズル開口が塞がれ、吐出不良が発生するという問題がある。
【０００４】
このような圧力発生室への接着剤の流れ出しを防止する構造としては、例えば、流路基板に複数の独立した凹部からなる接着逃げ溝を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、このような複数の接着逃げ溝を設けた場合、接着逃げ溝の容積が比較的小さくなり、接着剤が流れ込む量が制限されてしまう。したがって、無駄な接着剤が圧力発生室内等に流れ出すのを十分に抑えることはできないという問題がある。また、例えば、流路形成基板を貫通して接着逃げ溝を形成してその容積を確保することも考えられるが、流路形成基板の剛性が低くなってしまうため好ましくない。すなわち、流路形成基板の剛性が低下すると、ノズルプレート等を接合した後に加熱された場合に、熱膨張により流路形成基板に割れが生じてしまうという問題がある。なお、このような問題は、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５７０６３号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、吐出不良を防止でき且つ流路形成基板の破壊を防止でき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を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が異方性エッチングによって形成されると共にその一方面側に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が設けられる流路形成基板とを有し、前記流路形成基板の前記ノズルプレート側の面に、前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続的に設けられると共に前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを接着する接着剤が入り込んだ溝部を有し、且つ該溝部が少なくともその一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを接着する際、無駄な接着剤が溝部に流れ込むことで、圧力発生室に無駄な接着剤が入り込むのを防止することができる。また、溝部が非貫通部を有することで流路形成基板の剛性が比較的高く確保されるため、加熱時の熱膨張による流路形成基板の割れ等の発生を防止できる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記溝部が、前記非貫通部のみからなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、流路形成基板の剛性がさらに高く状態に維持されるため、流路形成基板の割れ等の発生をより確実に防止できる。
【００１０】
かかる第３の態様は、第１又は２の態様において、前記溝部が、複数の凹部を連結することで連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、各凹部の間では溝部の深さが浅くなるため、流路形成基板の剛性を比較的容易に高く維持することができる。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧力発生室の列が２列並設されており、前記溝部がこれらの列間を含む領域に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、無駄な接着剤が流れ出しやすい領域である圧力発生室の列間に溝部を設けることで、圧力発生室等への接着剤の流れ込みをより確実に防止できる。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記溝部が、前記圧力発生室の列の周囲にその三方を囲むように連続的に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、溝部の容積が大きくなるため、溝部内に無駄な接着剤を確実に流れ込ませることができる。
【００１３】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第６の態様では、液体の吐出特性を向上することができ且つ耐久性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００１４】
本発明の第７の態様は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる流路形成基板の一方面側に圧電素子を形成する工程と、前記流路形成基板を所定形状のマスク膜を介してウェットエッチングすることにより、当該流路形成基板を厚さ方向に貫通する複数の圧力発生室を形成すると同時に、少なくとも一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有する溝部を前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続して形成する工程と、前記流路形成基板の他方面側に前記圧力発生室に連通するノズル開口が穿設されたノズルプレートを接着剤によって接着する工程とを有し、且つ前記溝部を形成する工程では、前記マスク膜に設けられてそれぞれ独立する複数の開口部から前記流路形成基板をウェットエッチングして複数の凹部を形成すると共に隣接する各凹部を最終的に連結させて前記溝部と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。
かかる第７の態様では、圧力発生室を形成する際に、溝部を同時に形成することができる。したがって、製造工程を煩雑化することなく溝部を形成することができる。
【００１５】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、複数の前記開口部を、前記溝部の長さ方向で隣接する開口部と重なるよう配置して、隣接する前記凹部同士を当該凹部のエッチングの終点付近で繋げることで前記溝部と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。
かかる第８の態様では、流路形成基板がエッチングされる量が少なく抑えられるため、非貫通部を有する溝部を圧力発生室等と同時に比較的容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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り、図３は、流路形成基板の平面図及びそのＢ−Ｂ′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、その一方の面には予め熱酸化によって形成された厚さ０．５〜２μｍの二酸化シリコンからなる弾性膜５０が設けられている。この流路形成基板１０には、隔壁１１によって画成された複数の圧力発生室１２が並設された列１３が２列設けられている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の各列１３の外側の領域にはそれぞれ連通部１４が形成され、連通部１４と各圧力発生室１２とがインク供給路１５を介して連通されている。連通部１４は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１５は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１４から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、これらの圧力発生室１２、連通部１４及びインク供給路１５は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板である流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより形成されている。
【００１７】
さらに、この流路形成基板１０の少なくとも圧力発発生室１２の列１３の周囲には、図３（ａ）に示すように、溝部１６が、圧力発生室１２の列１３の周囲にその三方を囲むように連続的に設けられている。例えば、本実施形態では、溝部１６は、圧力発生室１２の列１３の間の領域から、圧力発生室１２の並設方向両外側の領域まで連続的に設けられ、圧力発生室１２の並設方向外側の領域では、インク供給路１５及び連通部１４に対応する領域まで連続的に形成されている。そして、この溝部１６には、後述するノズルプレート２０と流路形成基板１０とを接着するための接着剤２５が流れ込んだ状態となっている。
【００１８】
また、この溝部１６は、少なくとも一部に流路形成基板１０を貫通しない非貫通部を有し、例えば、本実施形態では、溝部１６が非貫通部のみで構成されている。具体的には、図３（ｂ）に示すように、溝部１６は、複数の凹部１７が連結されて連続的に形成され、且つ全ての領域において流路形成基板１０を厚さ方向に貫通することなく形成されている。なお、溝部１６は、流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって圧力発生室１２等と同時に形成され、溝部１６の内面には、圧力発生室１２の内面と同一の結晶面で構成されている。
【００１９】
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、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板である流路形成基板１０をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、流路形成基板１０が徐々に侵食されて表面の（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表面の（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現する。そして、（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であるため、この（１１１）面が出現することで実質的にエッチングが終了する。
【００２０】
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。また、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。なお、弾性膜５０も、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ため、弾性膜５０に達するまで流路形成基板１０をエッチングすることで、深さ方向のエッチングも実質的に終了する。
【００２１】
また、溝部１６も圧力発生室と同様に流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって形成されており、溝部１６の内面も上記第１の（１１１）及び第２の（１１１）面で構成されている。但し、溝部１６は、上述したように、圧力発生室１２等とは異なり流路形成基板１０を厚さ方向に貫通することなく形成されるようにしている。なお、この点については、詳しく後述する。
【００２２】
流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、例えば、１８０ｄｐｉ程度の配列密度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、本実施形態では、圧力発生室１２を２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列しているため、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下、本実施形態では、７０μｍ程度と比較的薄くするのが好ましい。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。
【００２３】
流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられるマスク膜５２を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１５とは反対側の端部近傍に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２５を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
【００２４】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり厚さが例えば、約０．０５μｍ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。上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板としての役割を果たす。
【００２５】
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、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。
【００２６】
流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域に圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接着されている。この圧電素子保持部３１は、複数の圧電素子３００を一体的に覆う大きさで形成されており、各圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に配置されている。これにより、各圧電素子３００は、外部環境の影響を殆ど受けない状態に保護されている。なお、この圧電素子保持部３１は、必ずしも密封されている必要はない。
【００２７】
また、保護基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通され、これらリザーバ部３２及び連通部１４によってリザーバ１００が形成されている。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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。
【００２８】
保護基板３０上の圧力発生室１２の各列に対応する領域のそれぞれには、並設された２列の圧電素子３００をそれぞれ選択的に駆動するための２つの駆動ＩＣ２００が実装されている。そして、駆動ＩＣ２００と各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０とが、保護基板３０に設けられた貫通孔３３を介して延設されるボンディングワイヤからなる駆動配線２１０によって電気的に接続されている。
【００２９】
また、保護基板３０上のリザーバ部３２に対向する領域には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、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３１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１００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１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部となっている。
【００３０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００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、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、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。
【００３１】
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。また、図７及び図８は、マスク膜５２の開口部５３のパターン形状を示す図である。
【００３２】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハからなり流路形成基板１０が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。
【００３４】
次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成した後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。次に、図４（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、これら圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。
【００３５】
なお、圧電素子３００を構成する圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その組成は、圧電素子３００の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ３（ＰＺ）、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｔａ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。
【００３６】
また、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されないが、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−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。
【００３７】
次に、図５（ａ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、まず流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層を形成する。そして、この金属層上に、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を形成し、このマスクパターンを介して金属層を圧電素子３００毎にパターニングすることによりリード電極９０を形成する。
【００３８】
次に、図５（ｂ）に示すように、保護基板３０が複数一体的に形成される保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板用ウェハ１１０上に接着剤３５によって接着する。ここで、保護基板用ウェハ１３０には、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が予め形成されている。また、保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコンウェハであり、保護基板用ウェハ１３０を接合することで流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
【００３９】
次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、更に弗化硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、研磨及びウェットエッチングによって、流路形成基板用ウェハ１１０を、約７０μｍの厚さとなるように加工した。次いで、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図６（ｂ）に示すように、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチング（ウェットエッチング）して、流路形成基板用ウェハ１１０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。具体的には、流路形成基板用ウェハ１１０を、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のエッチング液によって弾性膜５０が露出するまでエッチングすることにより、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を同時に形成する。
【００４０】
また、本発明では、流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２等を形成する際に、同時に溝部１６を形成する。すなわち、マスク膜５２に形成された複数の開口部を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、上述したように所定の領域に連続する溝部１６が、流路形成基板用ウェハ１１０を厚さ方向に貫通することなく形成される。
【００４１】
ここで、溝部１６を形成するために形成されるマスク膜５２の開口部の形状は、適宜決定されればよいが、溝部１６の位置によって異なる。具体的には、圧力発生室１２の列１３の間の領域の溝部１６を形成するための各開口部５３は、例えば、本実施形態では、図７（ａ）に示すようにそれぞれ略Ｌ字形状となるように形成した。そして、このような各開口部５３Ａは、隣接する開口部５３Ａと、溝部１６の長さ方向で若干重なるように形成する。一方、圧力発生室１２の並設方向外側の領域の溝部１６を形成するための開口部５３Ｂは、例えば、図８（ａ）に示すように略Ｓ字形状となるように形成した。そして、これら各開口部５３Ｂも、開口部５３Ａと同様に、溝部１６の長さ方向で隣接する開口部５３Ｂと若干重なるように形成する。なお、ここで言う溝部１６の長さ方向とは、圧力発生室１２の列１３の間の領域では、圧力発生室１２の並設方向であり、圧力発生室１２の並設方向外側の領域では、圧力発生室１２の並設方向に直交する方向である。
【００４２】
そして、このような複数の開口部５３Ａ，５３Ｂから流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすると、上述したように、流路形成基板用ウェハ１１０が徐々に侵食されて表面の（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表面の（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現して凹部１７が形成されていく。また同時に、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、マスク膜５２もエッチングされて開口部５３Ａ，５３Ｂの領域が徐々に広がっていく（図７（ｃ）及び図８（ｃ））。そして、図７（ｄ）及び図８（ｄ）に示すように、最終的に開口部５３Ａ，５３Ｂがそれぞれ繋がり、繋がった部分の流路形成基板用ウェハ１１０が除去されて各凹部１７同士が連結される。これにより、所定の領域に溝部１６が流路形成基板１０を貫通することなく連続的に形成される（図３参照）。そして、このように形成された溝部１６の内面は、圧力発生室１２と同一の結晶面で構成される。
【００４３】
なお、各溝部１６（凹部１７）の深さは、開口部５３の幅及び長さによって決まり、溝部１６の深さに応じて適宜決定する必要がある。ただし、マスク膜５２の各開口部５３をあまり広い範囲で重なるようにすると、各開口部５３が早い段階で繋がってしまい流路形成基板用ウェハ１１０がエッチングされる量が多くなって溝部１６の深さが深くなりすぎるため好ましくない。また、各開口部５３の大きさがあまり小さすぎても、同様の理由によって溝部１６が深くなりすぎてしまうため好ましくない。
【００４４】
このようにマスク膜５２に設けられた所定形状の複数の開口部５３を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングして溝部１６を形成することで、流路形成基板用ウェハ１１０を貫通することなく所定の深さの溝部１６を比較的容易に形成することができる。また、流路形成基板用ウェハ１１０を貫通する圧力発生室１２等の形成と同時に溝部１６も形成することができるため、製造工程が煩雑化することもない。
【００４５】
このように圧力発生室１２、溝部１６等を流路形成基板用ウェハ１１０に形成した後は、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板ウェハ１１０とノズルプレート２０とを接着剤２５を介して接着する。このとき、無駄な接着剤がこの溝部１６に流れ込み、接着剤２５が圧力発生室１２あるいはノズル開口２１等に過度に流れ込むことがない。本実施形態では、特に、圧力発生室１２の列１３の周囲の三方を囲むように、連続的に溝部１６を設けるようにしたので、無駄な接着剤の量が比較的多い場合でも、圧力発生室１２等への接着剤の流れ込みを確実に防止することができる。これにより、流路形成基板用ウェハ１１０（流路形成基板１０）とノズルプレート２０とを良好に接合することができ、接着による特性劣化を防止することができる。
【００４６】
また、接着剤２５が圧力発生室１２内に流れ込んだ場合、接着剤２５が振動板まで達すると、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量が低下するという問題が生じる。さらに、接着剤２５の各圧力発生室１２内への流れ込み量の違いによって、クロストークが発生するという問題も生じる。しかしながら本発明の構成によれば、このような問題の発生も確実に防止することができる。
【００４７】
さらに、溝部１６が流路形成基板用ウェハ１１０を貫通することなく形成されているため、流路形成基板用ウェハ１１０（流路形成基板１０）の剛性が比較的高く維持される。例えば、溝部１６が流路形成基板１０の厚さの約半分程度の深さで形成されている場合、溝部が流路形成基板１０を貫通している場合と比較して、約１．５倍程度、流路形成基板１０の剛性が向上する。したがって、流路形成基板１０（流路形成基板用ウェハ１１０）とノズルプレート２０とを接着後に、これらが加熱された場合でも、熱膨張によって流路形成基板用ウェハ１１０（流路形成基板１０）のクラックの発生を防止することができる。
【００４８】
なお、このように流路形成基板用ウェハ１１０とノズルプレート２０とを接着した後は、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハ１１０等の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、これら流路形成基板用ウェハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズに分割することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが製造される。
【００４９】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。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９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９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。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、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挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッド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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】流路形成基板の平面図及びＢ−Ｂ′断面図である。
【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である。
【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である。
【図６】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】実施形態１に係るマスク膜の開口部の形状を示す概略図である。
【図８】実施形態１に係るマスク膜の開口部の形状を示す概略図である。
【図９】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １４ 連通部、 １５ インク供給路、 １６ 溝部、 １７ 凹部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ３３ 貫通孔、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５２ マスク膜、 ５３ 開口部、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴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。
【背景技術】
【０００２】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、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知られている。
【０００３】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、一般的に、圧力発生室を形成した流路形成基板に、インク滴を吐出するための複数のノズル開口を穿設したノズルプレートが接着剤によって接合された構造となっている。このため、上述したように圧力発生室（圧電素子）を高密度に配設すると、ノズルプレートと流路形成基板との接着面積が小さくなり、無駄な接着剤が圧力発生室内に過度に流れ出す虞がある。そして、圧力発生室に流れ出した接着剤によってノズル開口が塞がれ、吐出不良が発生するという問題がある。
【０００４】
このような圧力発生室への接着剤の流れ出しを防止する構造としては、例えば、流路基板に複数の独立した凹部からなる接着逃げ溝を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、このような複数の接着逃げ溝を設けた場合、接着逃げ溝の容積が比較的小さくなり、接着剤が流れ込む量が制限されてしまう。したがって、無駄な接着剤が圧力発生室内等に流れ出すのを十分に抑えることはできないという問題がある。また、例えば、流路形成基板を貫通して接着逃げ溝を形成してその容積を確保することも考えられるが、流路形成基板の剛性が低くなってしまうため好ましくない。すなわち、流路形成基板の剛性が低下すると、ノズルプレート等を接合した後に加熱された場合に、熱膨張により流路形成基板に割れが生じてしまうという問題がある。なお、このような問題は、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５７０６３号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、吐出不良を防止でき且つ流路形成基板の破壊を防止でき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を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が異方性エッチングによって形成されると共にその一方面側に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が設けられる流路形成基板とを有し、前記流路形成基板の前記ノズルプレート側の面に、前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続的に設けられると共に前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを接着する接着剤が入り込んだ溝部を有し、且つ該溝部が少なくともその一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、流路形成基板とノズルプレートとを接着する際、無駄な接着剤が溝部に流れ込むことで、圧力発生室に無駄な接着剤が入り込むのを防止することができる。また、溝部が非貫通部を有することで流路形成基板の剛性が比較的高く確保されるため、加熱時の熱膨張による流路形成基板の割れ等の発生を防止できる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記溝部が、前記非貫通部のみからなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、流路形成基板の剛性がさらに高く状態に維持されるため、流路形成基板の割れ等の発生をより確実に防止できる。
【００１０】
かかる第３の態様は、第１又は２の態様において、前記溝部が、複数の凹部を連結することで連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、各凹部の間では溝部の深さが浅くなるため、流路形成基板の剛性を比較的容易に高く維持することができる。
【００１１】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記圧力発生室の列が２列並設されており、前記溝部がこれらの列間を含む領域に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、無駄な接着剤が流れ出しやすい領域である圧力発生室の列間に溝部を設けることで、圧力発生室等への接着剤の流れ込みをより確実に防止できる。
【００１２】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記溝部が、前記圧力発生室の列の周囲にその三方を囲むように連続的に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、溝部の容積が大きくなるため、溝部内に無駄な接着剤を確実に流れ込ませることができる。
【００１３】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第６の態様では、液体の吐出特性を向上することができ且つ耐久性を向上した液体噴射装置を実現できる。
【００１４】
本発明の第７の態様は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる流路形成基板の一方面側に圧電素子を形成する工程と、前記流路形成基板を所定形状のマスク膜を介してウェットエッチングすることにより、当該流路形成基板を厚さ方向に貫通する複数の圧力発生室を形成すると同時に、少なくとも一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有する溝部を前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続して形成する工程と、前記流路形成基板の他方面側に前記圧力発生室に連通するノズル開口が穿設されたノズルプレートを接着剤によって接着する工程とを有し、且つ前記溝部を形成する工程では、前記マスク膜に設けられてそれぞれ独立する複数の開口部から前記流路形成基板をウェットエッチングして複数の凹部を形成すると共に隣接する各凹部を最終的に連結させて前記溝部と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。
かかる第７の態様では、圧力発生室を形成する際に、溝部を同時に形成することができる。したがって、製造工程を煩雑化することなく溝部を形成することができる。
【００１５】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、複数の前記開口部を、前記溝部の長さ方向で隣接する開口部と重なるよう配置して、隣接する前記凹部同士を当該凹部のエッチングの終点付近で繋げることで前記溝部と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。
かかる第８の態様では、流路形成基板がエッチングされる量が少なく抑えられるため、非貫通部を有する溝部を圧力発生室等と同時に比較的容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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り、図３は、流路形成基板の平面図及びそのＢ−Ｂ′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、その一方の面には予め熱酸化によって形成された厚さ０．５〜２μｍの二酸化シリコンからなる弾性膜５０が設けられている。この流路形成基板１０には、隔壁１１によって画成された複数の圧力発生室１２が並設された列１３が２列設けられている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の各列１３の外側の領域にはそれぞれ連通部１４が形成され、連通部１４と各圧力発生室１２とがインク供給路１５を介して連通されている。連通部１４は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１５は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１４から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、これらの圧力発生室１２、連通部１４及びインク供給路１５は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板である流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより形成されている。
【００１７】
さらに、この流路形成基板１０の少なくとも圧力発発生室１２の列１３の周囲には、図３（ａ）に示すように、溝部１６が、圧力発生室１２の列１３の周囲にその三方を囲むように連続的に設けられている。例えば、本実施形態では、溝部１６は、圧力発生室１２の列１３の間の領域から、圧力発生室１２の並設方向両外側の領域まで連続的に設けられ、圧力発生室１２の並設方向外側の領域では、インク供給路１５及び連通部１４に対応する領域まで連続的に形成されている。そして、この溝部１６には、後述するノズルプレート２０と流路形成基板１０とを接着するための接着剤２５が流れ込んだ状態となっている。
【００１８】
また、この溝部１６は、少なくとも一部に流路形成基板１０を貫通しない非貫通部を有し、例えば、本実施形態では、溝部１６が非貫通部のみで構成されている。具体的には、図３（ｂ）に示すように、溝部１６は、複数の凹部１７が連結されて連続的に形成され、且つ全ての領域において流路形成基板１０を厚さ方向に貫通することなく形成されている。なお、溝部１６は、流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって圧力発生室１２等と同時に形成され、溝部１６の内面には、圧力発生室１２の内面と同一の結晶面で構成されている。
【００１９】
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、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板である流路形成基板１０をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、流路形成基板１０が徐々に侵食されて表面の（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表面の（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現する。そして、（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であるため、この（１１１）面が出現することで実質的にエッチングが終了する。
【００２０】
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。また、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。なお、弾性膜５０も、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ため、弾性膜５０に達するまで流路形成基板１０をエッチングすることで、深さ方向のエッチングも実質的に終了する。
【００２１】
また、溝部１６も圧力発生室と同様に流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって形成されており、溝部１６の内面も上記第１の（１１１）及び第２の（１１１）面で構成されている。但し、溝部１６は、上述したように、圧力発生室１２等とは異なり流路形成基板１０を厚さ方向に貫通することなく形成されるようにしている。なお、この点については、詳しく後述する。
【００２２】
流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配列密度に合わせて最適な厚さを選択すればよく、例えば、１８０ｄｐｉ程度の配列密度であれば、流路形成基板１０の厚さは、２２０μｍ程度であればよいが、本実施形態では、圧力発生室１２を２００ｄｐｉ以上と比較的高密度に配列しているため、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下、本実施形態では、７０μｍ程度と比較的薄くするのが好ましい。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。
【００２３】
流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられるマスク膜５２を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１５とは反対側の端部近傍に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２５を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。
【００２４】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり厚さが例えば、約０．０５μｍ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。上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板としての役割を果たす。
【００２５】
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、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。
【００２６】
流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域に圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接着されている。この圧電素子保持部３１は、複数の圧電素子３００を一体的に覆う大きさで形成されており、各圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に配置されている。これにより、各圧電素子３００は、外部環境の影響を殆ど受けない状態に保護されている。なお、この圧電素子保持部３１は、必ずしも密封されている必要はない。
【００２７】
また、保護基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通され、これらリザーバ部３２及び連通部１４によってリザーバ１００が形成されている。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、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。
【００２８】
保護基板３０上の圧力発生室１２の各列に対応する領域のそれぞれには、並設された２列の圧電素子３００をそれぞれ選択的に駆動するための２つの駆動ＩＣ２００が実装されている。そして、駆動ＩＣ２００と各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０とが、保護基板３０に設けられた貫通孔３３を介して延設されるボンディングワイヤからなる駆動配線２１０によって電気的に接続されている。
【００２９】
また、保護基板３０上のリザーバ部３２に対向する領域には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、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３１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１００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１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部となっている。
【００３０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００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、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、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。
【００３１】
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。また、図７及び図８は、マスク膜５２の開口部５３のパターン形状を示す図である。
【００３２】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハからなり流路形成基板１０が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０として、膜厚が約６２５μｍと比較的厚く剛性の高いシリコンウェハを用いている。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。具体的には、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、例えば、スパッタ法等によりジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、このジルコニウム層を、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化することにより酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。
【００３４】
次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成した後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。次に、図４（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる上電極膜８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、これら圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。
【００３５】
なお、圧電素子３００を構成する圧電体層７０の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性圧電性材料や、これにニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイッテルビウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等が用いられる。その組成は、圧電素子３００の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ３（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ３（ＰＺ）、Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｔａ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ３−ＰｂＴｉＯ３（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。
【００３６】
また、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されないが、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−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。
【００３７】
次に、図５（ａ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、まず流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属層を形成する。そして、この金属層上に、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を形成し、このマスクパターンを介して金属層を圧電素子３００毎にパターニングすることによりリード電極９０を形成する。
【００３８】
次に、図５（ｂ）に示すように、保護基板３０が複数一体的に形成される保護基板用ウェハ１３０を、流路形成基板用ウェハ１１０上に接着剤３５によって接着する。ここで、保護基板用ウェハ１３０には、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が予め形成されている。また、保護基板用ウェハ１３０は、例えば、４００μｍ程度の厚さを有するシリコンウェハであり、保護基板用ウェハ１３０を接合することで流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。
【００３９】
次いで、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さとなるまで研磨した後、更に弗化硝酸によってウェットエッチングすることにより流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みにする。例えば、本実施形態では、研磨及びウェットエッチングによって、流路形成基板用ウェハ１１０を、約７０μｍの厚さとなるように加工した。次いで、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図６（ｂ）に示すように、このマスク膜５２を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチング（ウェットエッチング）して、流路形成基板用ウェハ１１０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。具体的には、流路形成基板用ウェハ１１０を、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のエッチング液によって弾性膜５０が露出するまでエッチングすることにより、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を同時に形成する。
【００４０】
また、本発明では、流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２等を形成する際に、同時に溝部１６を形成する。すなわち、マスク膜５２に形成された複数の開口部を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすることにより、上述したように所定の領域に連続する溝部１６が、流路形成基板用ウェハ１１０を厚さ方向に貫通することなく形成される。
【００４１】
ここで、溝部１６を形成するために形成されるマスク膜５２の開口部の形状は、適宜決定されればよいが、溝部１６の位置によって異なる。具体的には、圧力発生室１２の列１３の間の領域の溝部１６を形成するための各開口部５３は、例えば、本実施形態では、図７（ａ）に示すようにそれぞれ略Ｌ字形状となるように形成した。そして、このような各開口部５３Ａは、隣接する開口部５３Ａと、溝部１６の長さ方向で若干重なるように形成する。一方、圧力発生室１２の並設方向外側の領域の溝部１６を形成するための開口部５３Ｂは、例えば、図８（ａ）に示すように略Ｓ字形状となるように形成した。そして、これら各開口部５３Ｂも、開口部５３Ａと同様に、溝部１６の長さ方向で隣接する開口部５３Ｂと若干重なるように形成する。なお、ここで言う溝部１６の長さ方向とは、圧力発生室１２の列１３の間の領域では、圧力発生室１２の並設方向であり、圧力発生室１２の並設方向外側の領域では、圧力発生室１２の並設方向に直交する方向である。
【００４２】
そして、このような複数の開口部５３Ａ，５３Ｂから流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングすると、上述したように、流路形成基板用ウェハ１１０が徐々に侵食されて表面の（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表面の（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現して凹部１７が形成されていく。また同時に、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、マスク膜５２もエッチングされて開口部５３Ａ，５３Ｂの領域が徐々に広がっていく（図７（ｃ）及び図８（ｃ））。そして、図７（ｄ）及び図８（ｄ）に示すように、最終的に開口部５３Ａ，５３Ｂがそれぞれ繋がり、繋がった部分の流路形成基板用ウェハ１１０が除去されて各凹部１７同士が連結される。これにより、所定の領域に溝部１６が流路形成基板１０を貫通することなく連続的に形成される（図３参照）。そして、このように形成された溝部１６の内面は、圧力発生室１２と同一の結晶面で構成される。
【００４３】
なお、各溝部１６（凹部１７）の深さは、開口部５３の幅及び長さによって決まり、溝部１６の深さに応じて適宜決定する必要がある。ただし、マスク膜５２の各開口部５３をあまり広い範囲で重なるようにすると、各開口部５３が早い段階で繋がってしまい流路形成基板用ウェハ１１０がエッチングされる量が多くなって溝部１６の深さが深くなりすぎるため好ましくない。また、各開口部５３の大きさがあまり小さすぎても、同様の理由によって溝部１６が深くなりすぎてしまうため好ましくない。
【００４４】
このようにマスク膜５２に設けられた所定形状の複数の開口部５３を介して流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチングして溝部１６を形成することで、流路形成基板用ウェハ１１０を貫通することなく所定の深さの溝部１６を比較的容易に形成することができる。また、流路形成基板用ウェハ１１０を貫通する圧力発生室１２等の形成と同時に溝部１６も形成することができるため、製造工程が煩雑化することもない。
【００４５】
このように圧力発生室１２、溝部１６等を流路形成基板用ウェハ１１０に形成した後は、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板ウェハ１１０とノズルプレート２０とを接着剤２５を介して接着する。このとき、無駄な接着剤がこの溝部１６に流れ込み、接着剤２５が圧力発生室１２あるいはノズル開口２１等に過度に流れ込むことがない。本実施形態では、特に、圧力発生室１２の列１３の周囲の三方を囲むように、連続的に溝部１６を設けるようにしたので、無駄な接着剤の量が比較的多い場合でも、圧力発生室１２等への接着剤の流れ込みを確実に防止することができる。これにより、流路形成基板用ウェハ１１０（流路形成基板１０）とノズルプレート２０とを良好に接合することができ、接着による特性劣化を防止することができる。
【００４６】
また、接着剤２５が圧力発生室１２内に流れ込んだ場合、接着剤２５が振動板まで達すると、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量が低下するという問題が生じる。さらに、接着剤２５の各圧力発生室１２内への流れ込み量の違いによって、クロストークが発生するという問題も生じる。しかしながら本発明の構成によれば、このような問題の発生も確実に防止することができる。
【００４７】
さらに、溝部１６が流路形成基板用ウェハ１１０を貫通することなく形成されているため、流路形成基板用ウェハ１１０（流路形成基板１０）の剛性が比較的高く維持される。例えば、溝部１６が流路形成基板１０の厚さの約半分程度の深さで形成されている場合、溝部が流路形成基板１０を貫通している場合と比較して、約１．５倍程度、流路形成基板１０の剛性が向上する。したがって、流路形成基板１０（流路形成基板用ウェハ１１０）とノズルプレート２０とを接着後に、これらが加熱された場合でも、熱膨張によって流路形成基板用ウェハ１１０（流路形成基板１０）のクラックの発生を防止することができる。
【００４８】
なお、このように流路形成基板用ウェハ１１０とノズルプレート２０とを接着した後は、保護基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハ１１０等の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、これら流路形成基板用ウェハ１１０等を図１に示すような一つのチップサイズに分割することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが製造される。
【００４９】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。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９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９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。
【００５０】
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。
【００５１】
なお、上述した実施形態では、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挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッド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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】流路形成基板の平面図及びＢ−Ｂ′断面図である。
【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である。
【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である。
【図６】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】実施形態１に係るマスク膜の開口部の形状を示す概略図である。
【図８】実施形態１に係るマスク膜の開口部の形状を示す概略図である。
【図９】一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １４ 連通部、 １５ インク供給路、 １６ 溝部、 １７ 凹部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ３３ 貫通孔、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５２ マスク膜、 ５３ 開口部、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 ３００ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が異方性エッチングによって形成されると共にその一方面側に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が設けられる流路形成基板とを有し、
前記流路形成基板の前記ノズルプレート側の面に、前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続的に設けられると共に前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを接着する接着剤が入り込んだ溝部を有し、且つ該溝部が少なくともその一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記溝部が、前記非貫通部のみからなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記溝部が、複数の凹部を連結することで連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧力発生室の列が２列並設されており、前記溝部がこれらの列間を含む領域に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記溝部が、前記圧力発生室の列の周囲にその三方を囲むように連続的に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項７】
面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる流路形成基板の一方面側に圧電素子を形成する工程と、前記流路形成基板を所定形状のマスク膜を介してウェットエッチングすることにより、当該流路形成基板を厚さ方向に貫通する複数の圧力発生室を形成すると同時に、少なくとも一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有する溝部を前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続して形成する工程と、前記流路形成基板の他方面側に前記圧力発生室に連通するノズル開口が穿設されたノズルプレートを接着剤によって接着する工程とを有し、且つ前記溝部を形成する工程では、前記マスク膜に設けられてそれぞれ独立する複数の開口部から前記流路形成基板をウェットエッチングして複数の凹部を形成すると共に隣接する各凹部を最終的に連結させて前記溝部と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８】
請求項７において、複数の前記開口部を、前記溝部の長さ方向で隣接する開口部と重なるよう配置して、隣接する前記凹部同士を当該凹部のエッチングの終点付近で繋げることで前記溝部と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】
ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室が異方性エッチングによって形成されると共にその一方面側に振動板を介して下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子が設けられる流路形成基板とを有し、
前記流路形成基板の前記ノズルプレート側の面に、前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続的に設けられると共に前記流路形成基板と前記ノズルプレートとを接着する接着剤が入り込んだ溝部を有し、且つ該溝部が少なくともその一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記溝部が、前記非貫通部のみからなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記溝部が、複数の凹部を連結することで連続的に形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記圧力発生室の列が２列並設されており、前記溝部がこれらの列間を含む領域に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかにおいて、前記溝部が、前記圧力発生室の列の周囲にその三方を囲むように連続的に設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
【請求項７】
面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる流路形成基板の一方面側に圧電素子を形成する工程と、前記流路形成基板を所定形状のマスク膜を介してウェットエッチングすることにより、当該流路形成基板を厚さ方向に貫通する複数の圧力発生室を形成すると同時に、少なくとも一部に前記流路形成基板を貫通しない非貫通部を有する溝部を前記圧力発生室の列の周囲の少なくとも一部に連続して形成する工程と、前記流路形成基板の他方面側に前記圧力発生室に連通するノズル開口が穿設されたノズルプレートを接着剤によって接着する工程とを有し、且つ前記溝部を形成する工程では、前記マスク膜に設けられてそれぞれ独立する複数の開口部から前記流路形成基板をウェットエッチングして複数の凹部を形成すると共に隣接する各凹部を最終的に連結させて前記溝部と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８】
請求項７において、複数の前記開口部を、前記溝部の長さ方向で隣接する開口部と重なるよう配置して、隣接する前記凹部同士を当該凹部のエッチングの終点付近で繋げることで前記溝部とすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２１５０３（Ｐ２００６−２１５０３Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０３７３５（Ｐ２００４−２０３７３５）
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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