液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
【課題】各圧力発生室に対応する振動板の変位量を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】液滴を噴射するノズル２１に連通する圧力発生室１２が設けられたシリコン基板からなる流路形成基板１０と、流路形成基板１０上に設けられて圧力発生室１２の一方面を構成する振動板と、振動板を変位させて圧力発生室１２内に圧力を付与する圧力発生手段３００とを具備すると共に、振動板が、圧力発生室１２に対向する領域のシリコン基板に不純物がドープされてなる拡散層５５を含み、振動板の変形に伴う拡散層５５の抵抗値の変化を検出する検出手段２０２と、検出手段２０２の検出結果に基づいて圧力発生手段３００に印加する駆動電圧を調整する調整手段２０３とを有する構成とする。
【解決手段】液滴を噴射するノズル２１に連通する圧力発生室１２が設けられたシリコン基板からなる流路形成基板１０と、流路形成基板１０上に設けられて圧力発生室１２の一方面を構成する振動板と、振動板を変位させて圧力発生室１２内に圧力を付与する圧力発生手段３００とを具備すると共に、振動板が、圧力発生室１２に対向する領域のシリコン基板に不純物がドープされてなる拡散層５５を含み、振動板の変形に伴う拡散層５５の抵抗値の変化を検出する検出手段２０２と、検出手段２０２の検出結果に基づいて圧力発生手段３００に印加する駆動電圧を調整する調整手段２０３とを有する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッド及びそれを具備する液体噴射装置に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズルに連通するインク室（圧力発生室）が設けられた単結晶珪素基板（流路形成基板）と、この単結晶珪素基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧力発生手段である圧電体素子（圧電素子）とを具備するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドでは、複数の圧力発生室が並設されており、各圧力発生室に対応する複数の圧電素子が設けられている。そして、各圧電素子に一定の電圧を印加し、圧電素子と共に振動板を変位させることで圧力発生室に圧力を付与してノズルからインク滴を噴射している。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２５４３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、各圧電素子に一定の電圧を印加しても、各圧力発生室に対応する振動板の変位量にバラツキが生じてしまうという問題がある。すなわち、各ノズルからのインク滴の噴射量にバラツキが生じてしまうという問題がある。
【０００６】
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の他の液滴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。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、各圧力発生室に対応する振動板の変位量を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。
【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は、液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板からなる流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられて前記圧力発生室の一方面を構成する振動板と、前記振動板を変位させて前記圧力発生室内に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、前記振動板が、シリコン基板に不純物がドープされてなり前記圧力発生室に対向する領域に設けられた拡散層を含むと共に、前記振動板の変形に伴う前記拡散層の抵抗値の変化を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記圧力発生手段に印加する駆動電圧を調整する調整手段とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、拡散層を設けると共に、振動板の変位に伴う拡散層の抵抗値の変化を検出するようにした。拡散層の抵抗値は、拡散層を変形させて応力を変化させることによって増減するため、振動板の変形に伴う拡散層の抵抗値の変化を検出することで、圧電素子の駆動による振動板の変位量を取得することができる。そして、この検出手段の検出結果に応じて圧電素子に印加する電圧を調整するようにしたので、各圧力発生室を構成する振動板の変位量を均一化することができる。よって、各ノズルから噴射される液滴の噴射特性を均一化することができる。
【０００９】
ここで、前記拡散層は、前記圧路力発生室の長手方向に沿って設けられていることが好ましい。特に、前記拡散層が、前記圧力発生室の幅方向中央部に配されていることが好ましい。これにより、圧電素子の変位に伴う拡散層の変位量が比較的大きくなり、抵抗値の変化量も比較的大きくなる。したがって、検出手段によって、拡散層の抵抗値の変化を比較的容易に検出することができる。
【００１０】
また前記拡散層は、前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室の外側まで延設され、当該拡散層の前記圧力発生室の外側の部分に前記検出手段が接続されていることが好ましい。これにより、拡散層の検出手段が接続される部分は、圧電素子を駆動した際にも変形することがなく、接触不良等の問題の発生を未然に防止でき、検出手段によって拡散層の抵抗値の変化を常に良好に検出することができる。
【００１１】
また前記振動板が、絶縁材料からなる複数層の絶縁層を含む場合、前記拡散層が前記絶縁層間に設けられていることが好ましい。これにより、各圧力発生室に対応する拡散層のそれぞれがこれら絶縁層によって絶縁される。したがって、検出手段によって各拡散層の抵抗値の変化をより正確に検出することができる。
【００１２】
また前記振動板が、シリコン基板を熱酸化することによって形成される弾性膜を含む場合、前記拡散層は、前記弾性膜の前記圧力発生室側に設けられていてもよい。これにより、拡散層を比較的容易に形成することができるため、製造コストを低く抑えることができる。
【００１３】
また前記圧力発生手段が、圧電材料からなる圧電体層を有する圧電素子である場合には、振動板の変位が比較的大きいため、拡散層を設けた本発明の構成は特に有効である。
【００１４】
さらに、本発明は、上述したような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。かかる本発明では、液滴の噴射特性が均一化されるため、信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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分解斜視図であり、図２は、その平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′断面図及びＢ−Ｂ′断面図であり、図４は、制御ブロックを示す概略図である。
【００１６】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板（シリコン基板）からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。
【００１７】
また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。さらに、連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。この連通部１５は、後述するリザーバ形成基板３０のリザーバ部３１と連通して、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する。
【００１８】
ここで、インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部１５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。例えば、本実施形態では、インク供給路１３は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。
【００１９】
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１３とは反対側の端部近傍に連通するノズル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によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば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で形成されている。
【００２０】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる絶縁体膜５１が形成されている。また詳しくは後述するが、本実施形態では、弾性膜５０と絶縁体膜５１との間には、シリコン基板に不純物がドープされてなる拡散層５５が各圧力発生室１２に対応して設けられている。
【００２１】
絶縁体膜５１上には、下電極膜６０と、圧電体層７０と、上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。一般的には、圧電素子３００は、そ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毎にパターニングすることによって形成されている。例えば、本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電体層７０と共にパターニングして圧電素子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。
【００２２】
なお、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接着剤によって接合されている。リザーバ部３１は、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１５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を構成している。
【００２３】
また、リザーバ形成基板３０上には、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のみで封止されている。
【００２４】
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２１に至るまで内部をインクで満たした後、各圧力発生室１２に対応する圧電素子３００の圧電体層７０をたわみ変形させ、それに伴って振動板を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２１からインク滴が噴射する。なお振動板とは、圧電体層７０の下側に設けられて圧電素子３００に電圧を印加した際に圧電体層７０と共に変形が生じる全ての膜を含む。例えば、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５１、下電極膜６０及び拡散層５５が振動板に含まれる。
【００２５】
ここで、圧電素子３００は、長期間に亘って繰り返し駆動させていると、その変形が完全には元に戻らなくなる現象（エージング）が生じ、これに伴って振動板の変位量も減少する。このため、各圧電素子３００に常に一定の電圧を印加していると、各圧力発生室１２のノズル２１から噴射されるインク滴の噴射特性（噴射量など）にバラツキが生じてしまう。そこで、本発明では、所定のタイミングで拡散層５５の抵抗値の変化を検出、つまり振動板の変位量の変化を検出し、その検出結果に応じて各圧電素子３００に印加する電圧を調整することで、各ノズル２１から噴射されるインク滴の噴射特性を均一化するようにしている。
【００２６】
振動板を構成する拡散層５５は、シリコン基板に不純物（ドーパント）をドープすることによって形成されており、例えば、本実施形態では、ドーパントとしてボロンが用いられている。また拡散層５５は、各圧力発生室１２に対応してそれぞれ独立して設けられており、本実施形態では、絶縁材料からなる絶縁層である弾性膜５０及び絶縁体膜５１によって隣接する拡散層５５と絶縁されている。また、図２及び図３（ｂ）に示すように、拡散層５５は圧電素子３００の幅よりも狭い幅で、圧力発生室１２の幅方向中央部にその長手方向に沿って形成されている。拡散層５５の両端部は、圧力発生室１２の外側までそれぞれ延設されている。
【００２７】
この拡散層５５は、比較的薄く形成されていることが好ましく、例えば、弾性膜５０が１．０μｍ程度である場合、拡散層は０．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、振動板の変位に伴う拡散層へのクラックの発生を確実に防止することができる。
【００２８】
このような拡散層５５は、圧力発生室１２の外側の部分で、圧電素子３００の駆動を制御する制御部２００に接続されている。圧力発生室１２の外側の領域の絶縁体膜５１には、拡散層５５に対向する部分に微細孔（トレンチ）５２が形成されており、図４に示すように、拡散層５５はこの微細孔５２内に配された接続配線５６を介して制御部２００の検出手段２０２に接続されている。
【００２９】
圧電素子３００の駆動を制御する制御部２００は、駆動手段２０１と、検出手段２０２と調整手段２０３とを具備する。駆動手段２０１は、外部からの印刷信号に基づいて圧電素子３００に電圧を印加し、圧電素子３００を選択的に駆動させることで印刷動作を実行する。検出手段２０２は、所定のタイミングで、圧電素子３００の駆動に伴う拡散層５５の抵抗値の変化を検出する。本実施形態では、圧電素子３００の駆動前後に拡散層５５の抵抗値を測定することで、拡散層５５の抵抗値の変化量を検出している。
【００３０】
調整手段２０３は、検出手段２０２の検出結果に応じて各圧電素子３００に印加される電圧を調整する。すなわち、圧電素子３００を駆動した際に、各圧力発生室１２を構成する振動板の変位量が略均一となるように各圧電素子３００に印加される電圧を調整する。
【００３１】
シリコン基板にボロンがドープされた拡散層５５は、その応力変化に伴って抵抗値が変化するため、検出手段２０２によって圧電素子３００の駆動に伴う拡散層５５の抵抗値の変化を検出することで、各圧力発生室１２に対応する振動板の変位量を検出することができる。そして、このように検出手段２０２が検出した検出結果に基づいて、調整手段２０３が各圧電素子に印加される電圧を調整し、駆動手段２０１が調整された所定電圧を各圧電素子３００に印加して圧電素子３００を変形させる。
【００３２】
これにより、圧電素子３００の駆動に伴う各圧力発生室１２に対応する振動板の変位量が均一化される。したがって、各圧力発生室１２に連通するノズル２１から噴射されるインク滴の吐出特性を均一化して、印刷品質を向上することができる。また、本実施形態では、圧力発生室１２の外側の領域、すなわち圧電素子３００の駆動によって振動板が振動しない領域で、接続配線５６が拡散層５５に接続されている。したがって、圧電素子３００の繰り返し駆動によっても、接続配線５６と拡散層５５との接触不良も未然に防止することができる。
【００３３】
なお、調整手段２０３による駆動電圧の調整方法は特に限定されないが、例えば、拡散層５５の抵抗値の変化量が予め設定された基準値となるように駆動電圧を高く調整する。また圧電素子３００に印加される電圧が一旦調整されると、検出手段２０２による拡散層５５の抵抗値の検出が次に行われるまでは、駆動手段２０１は各圧電素子３００に一定の電圧を印加する。
【００３４】
また本実施形態では、拡散層５５を圧力発生室１２の幅方向中央部にその長手方向に沿って形成するようにしたが、拡散層５５の形成位置は特に限定されるものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、拡散層５５は、圧力発生室１２の幅方向一方の端部に対向する領域に形成するようにしてもよい。圧力発生室１２の幅方向端部に対向する領域の振動板は、圧電素子３００の駆動によって比較的大きく変形するため、この部分に拡散層５５を設けた場合でも、検出手段２０２は拡散層５５の抵抗値の変化を比較的容易に検出することができる。
【００３５】
さらに拡散層５５は、図５（ｂ）に示すように圧力発生室１２の幅方向に沿って延設するようにしてもよいし、図５（ｃ）に示すように圧力発生室１２に対して斜め方向に延設するようにしてもよい。拡散層５５の抵抗値の変化量は、シリコン基板の結晶面方位によって変化するため、その点を考慮して拡散層５５の形成位置を決定する必要がある。しかしながら、何れの構成としても、拡散層５５の抵抗値の変化は検出手段２０２によって確実に検出することができる。
【００３６】
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を、図６及び図７を参照して説明する。なお図６及び図７は、インクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図であり、圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００３７】
また以下に説明する例は、二酸化シリコンからなる絶縁層４０１の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層４０２，４０３を有するＳＯＩ基板４００を用いてヘッドを製造した例であり、このＳＯＩ基板４００の一方のシリコン層（第１のシリコン層）４０１を流路形成基板１０として利用している。
【００３８】
具体的には、まず、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板４００の流路形成基板１０となる第１のシリコン層４０２とは反対側の第２のシリコン層４０３上の全面に、例えば、窒化シリコン等からなる保護膜４１０を形成し、この保護膜４１０をパターニングして拡散層５５を形成する領域のみに残す。
【００３９】
次いで、図６（ｂ）に示すように、保護膜４１０が形成された状態でＳＯＩ基板４００の表面を熱酸化することによって弾性膜５０を形成する。すなわち、第２のシリコン層４０３には、保護膜４１０が形成された部分を除いて熱酸化されて二酸化シリコン層４２０が形成され、この二酸化シリコン層４２０と絶縁層４０１とが連続することで弾性膜５０が形成される。なお、保護膜４１０が形成された部分の第２のシリコン層４０３は熱酸化されずに残る。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示すように、保護膜４１０を除去し、熱酸化されずに残った第２のシリコン層４０３に、イオン注入によりボロンをドープすることで拡散層５５を形成する。なお、第２のシリコン層４０３にボロンをドープした後、この第２のシリコン層４０３を、例えば、９５０〜１０５０℃で熱処理することが好ましい。これにより、第２のシリコン層４０３にドープされたボロン（ドーパント）が活性化して拡散層５５が良好に形成される。
【００４１】
またドーパントとしては、ボロン（Ｂ）を用いることが好ましいが、例えば、ヒ素（Ａｓ）や、リン（Ｐ）等を用いてもよい。ドーズ量は、第２のシリコン層４０３の結晶がアモルファス化しない程度とする必要があるが、ピーク濃度が１．０×１０19（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以上であることが好ましい。
【００４２】
次に、図６（ｄ）に示すように、弾性膜５０及び拡散層５５上に絶縁体膜５１を形成する。具体的には、弾性膜５０及び拡散層５５上にスパッタリング法等によりジルコニウム層を形成後、このジルコニウム層を所定温度で熱酸化することによって酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５１を形成する。
【００４３】
次いで、図７（ａ）に示すように、絶縁体膜５１上に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を順次積層及びパターニングすることによって圧電素子３００を形成する。
【００４４】
なお、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）等の圧電材料の他、この圧電材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、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（Ｓｃ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。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、金属有機物を溶媒に溶解・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。勿論、圧電体層７０の形成方法は、ゾル−ゲル法に限定されるものではなく、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。
【００４５】
次いで、図７（ｂ）に示すように、拡散層５５の両端部に対向する領域の絶縁体膜５１に、微細孔（トレンチ）５２を形成し、この微細孔５２内で一端側が制御部２００の検出手段２０２に繋がる接続配線５６を拡散層５５に接続する。
【００４６】
その後は、図示しないがＳＯＩ基板４００の表面、すなわち流路形成基板１０である第１のシリコン層４０２とは反対側の面にリザーバ形成基板３０を接合し、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いて、流路形成基板１０である第１のシリコン層４０２を弾性膜５０に達するまで異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、図７（ｃ）に示すように圧力発生室１２等の流路を形成する。また圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０にノズルプレート２０を接合することによってインクジェット式記録ヘッドが製造される（図２参照）。
【００４７】
なお、実際には、流路形成基板１０は、一枚のウェハに複数個一体的に形成され、そのウェハを最終的に分割することによって複数のインクジェット式記録ヘッドが製造される。
【００４８】
（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。本実施形態は、拡散層の形状を変更した例である。具体的には、図８に示すように、拡散層５５Ａが、圧力発生室１２の開口形状と略同一形状で形成されている以外は、実施形態１と同様である。
【００４９】
このような構成としても、拡散層５５Ａの抵抗値の変化を検出し、その検出結果に応じて圧電素子３００に印加する電圧を調整することで、振動板の変位量を均一化してインク滴の噴射特性を均一化することができる。
【００５０】
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は、特に限定されず、実施形態１と同様の製造方法によって形成することもできるが、圧電素子３００を形成する前に圧力発生室１２を形成できる場合には、例えば、以下に説明する製造方法で製造するようにしてもよい。なお、図９は、本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図であり、圧力発生室の幅方向の断面図である。
【００５１】
まず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板である流路形成基板１０の一方の表面に、窒化シリコン等からなる保護膜４１０Ａを形成する。この保護膜４１０Ａは、流路形成基板１０の各圧力発生室１２が形成される領域を覆うように形成する。そして、保護膜４１０Ａが形成された状態で流路形成基板１０を熱酸化して、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５７を形成する。
【００５２】
次いで、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の他方面に形成されている二酸化シリコン膜５７をパターニングし、この二酸化シリコン膜５７をマスクとして流路形成基板１０を異方性エッチングすることで、流路形成基板１０に凹部１２０を形成する。このとき、エッチング時間を制御することで、凹部１２０の底面が二酸化シリコン膜５７との境界面と略一致するように、凹部１２０を所定の深さで形成する。またこの凹部１２０は、圧力発生室１２よりも若干狭い幅及び長さで形成する。
【００５３】
次いで、流路形成基板１０の他方面側の二酸化シリコン膜５７を除去した後、図９（ｃ）に示すように、流路形成基板１０を再び熱酸化して凹部１２０の内面に二酸化シリコン膜５８を形成する。このとき凹部１２０の底面部分に形成される二酸化シリコン膜５８が、上述した工程で形成された二酸化シリコン膜５７と連続することで弾性膜５０が形成される。なお二酸化シリコン膜５８の外側で保護膜４１０Ａが形成されている部分の流路形成基板１０ａは熱酸化されずに残る。
【００５４】
次いで、図９（ｄ）に示すように、保護膜４１０Ａを除去すると共に、凹部１２０の底面部分、つまり弾性膜５０を構成する部分を除いて二酸化シリコン膜５８を除去する。凹部１２０の側面部分の二酸化シリコン膜５８が除去された結果、凹部１２０の幅及び長さが若干広がって所定幅及び長さの圧力発生室１２が形成される。このように本実施形態では、凹部１２０の側面の二酸化シリコン膜５８を除去することによって圧力発生室１２を形成するため、凹部１２０の幅及び長さは、熱酸化により形成する二酸化シリコン膜５８の厚さに応じて適宜決定しておく必要がある。
【００５５】
その後、弾性膜５０上に酸化されずに残っている流路形成基板１０ａに、イオン注入によりボロンをドープして拡散層５５Ａを形成する。またこのように弾性膜５０及び拡散層５５Ａを形成した後は、上述したように絶縁体膜５１及び圧電素子３００の各層を形成する。
【００５６】
このような製造方法を採用することにより、ＳＯＩ基板を用いなくてもインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。したがって、製造コストを低減することができ、比較的安価にインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００５７】
（実施形態３）
図１０は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。本実施形態は、拡散層の変形例である。上述した実施形態では、拡散層５５が弾性膜５０と絶縁体膜５１との間に設けられていたが、本実施形態は、図１０に示すように、拡散層５５Ｂを、弾性膜５０よりも圧力発生室１２側に形成するようにした例であり、それ以外の構成は、実施形態２と同様である。
【００５８】
勿論、このような構成としても、拡散層５５Ｂの抵抗値の変化を検出し、その検出結果に応じて圧電素子３００に印加する電圧を調整することで、振動板の変位量を均一化してインク滴の噴射特性を均一化することができる。
【００５９】
なお、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、特に限定されないが、例えば、以下のような製造方法によって製造することができる。図１１は、本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図であり、圧力発生室の幅方向の断面図である。
【００６０】
まず、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板である流路形成基板１０を熱酸化することにより、その表面に弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５７を形成する。次いで、図１１（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の他方面に形成されている二酸化シリコン膜５７をパターニングし、この二酸化シリコン膜５７をマスクとして流路形成基板１０を異方性エッチングすることで、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。このとき、二酸化シリコン膜５７（弾性膜５０）に達するまでエッチングすることなく、エッチング時間を制御することで、圧力発生室１２の底面部分に所定の厚さで流路形成基板１０が残るようにする。
【００６１】
次いで、図１１（ｃ）に示すように、圧力発生室１２の開口側から、圧力発生室１２の底面部分の流路形成基板１０に、イオン注入によりボロンをドープすることで拡散層５５Ｂを形成する。これにより、弾性膜５０の圧力発生室１２側に拡散層５５Ｂが形成される。なお、その後は、実施形態１で説明したように絶縁体膜５１及び圧電素子３００の各層を形成すればよい。
【００６２】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、勿論、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、検出手段２０２が拡散層５５の抵抗値を検出するようにしたが、必ずしも抵抗値自体を測定する必要はなく、例えば、拡散層５５の電流値を測定し、その測定結果から抵抗値の変化を算出するようにしてもよい。また例えば、上述の実施形態では、ヘッドの製造過程において拡散層５５を形成、つまり不純物をドープするようにしたが、ＳＯＩ基板、或いはシリコン基板を形成する際に、予め所定部分に不純物をドープしておいてもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子３００を例示したが、圧力発生手段は特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アクチュエータ装置や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型のアクチュエータ装置などを使用することができる。また、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエータなどを使用することができる。
【００６４】
なお、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１２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１２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。
【００６５】
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。
【００６６】
なお、上述した例では、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の製造方法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（電界放出ディスプレー）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】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの制御ブロックを示す図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態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】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの断面図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る記録装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル、 ３０ リザーバ形成基板、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５１ 絶縁体膜、 ５５ 拡散層、 ５６ 接続配線、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、１００ リザーバ、 ３００ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルから液体を噴射する液体噴射ヘッド及びそれを具備する液体噴射装置に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズルに連通するインク室（圧力発生室）が設けられた単結晶珪素基板（流路形成基板）と、この単結晶珪素基板の一方面側に振動板を介して設けられた圧力発生手段である圧電体素子（圧電素子）とを具備するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドでは、複数の圧力発生室が並設されており、各圧力発生室に対応する複数の圧電素子が設けられている。そして、各圧電素子に一定の電圧を印加し、圧電素子と共に振動板を変位させることで圧力発生室に圧力を付与してノズルからインク滴を噴射している。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２５４３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、各圧電素子に一定の電圧を印加しても、各圧力発生室に対応する振動板の変位量にバラツキが生じてしまうという問題がある。すなわち、各ノズルからのインク滴の噴射量にバラツキが生じてしまうという問題がある。
【０００６】
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の他の液滴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。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、各圧力発生室に対応する振動板の変位量を均一化することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。
【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は、液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板からなる流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられて前記圧力発生室の一方面を構成する振動板と、前記振動板を変位させて前記圧力発生室内に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、前記振動板が、シリコン基板に不純物がドープされてなり前記圧力発生室に対向する領域に設けられた拡散層を含むと共に、前記振動板の変形に伴う前記拡散層の抵抗値の変化を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記圧力発生手段に印加する駆動電圧を調整する調整手段とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、拡散層を設けると共に、振動板の変位に伴う拡散層の抵抗値の変化を検出するようにした。拡散層の抵抗値は、拡散層を変形させて応力を変化させることによって増減するため、振動板の変形に伴う拡散層の抵抗値の変化を検出することで、圧電素子の駆動による振動板の変位量を取得することができる。そして、この検出手段の検出結果に応じて圧電素子に印加する電圧を調整するようにしたので、各圧力発生室を構成する振動板の変位量を均一化することができる。よって、各ノズルから噴射される液滴の噴射特性を均一化することができる。
【０００９】
ここで、前記拡散層は、前記圧路力発生室の長手方向に沿って設けられていることが好ましい。特に、前記拡散層が、前記圧力発生室の幅方向中央部に配されていることが好ましい。これにより、圧電素子の変位に伴う拡散層の変位量が比較的大きくなり、抵抗値の変化量も比較的大きくなる。したがって、検出手段によって、拡散層の抵抗値の変化を比較的容易に検出することができる。
【００１０】
また前記拡散層は、前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室の外側まで延設され、当該拡散層の前記圧力発生室の外側の部分に前記検出手段が接続されていることが好ましい。これにより、拡散層の検出手段が接続される部分は、圧電素子を駆動した際にも変形することがなく、接触不良等の問題の発生を未然に防止でき、検出手段によって拡散層の抵抗値の変化を常に良好に検出することができる。
【００１１】
また前記振動板が、絶縁材料からなる複数層の絶縁層を含む場合、前記拡散層が前記絶縁層間に設けられていることが好ましい。これにより、各圧力発生室に対応する拡散層のそれぞれがこれら絶縁層によって絶縁される。したがって、検出手段によって各拡散層の抵抗値の変化をより正確に検出することができる。
【００１２】
また前記振動板が、シリコン基板を熱酸化することによって形成される弾性膜を含む場合、前記拡散層は、前記弾性膜の前記圧力発生室側に設けられていてもよい。これにより、拡散層を比較的容易に形成することができるため、製造コストを低く抑えることができる。
【００１３】
また前記圧力発生手段が、圧電材料からなる圧電体層を有する圧電素子である場合には、振動板の変位が比較的大きいため、拡散層を設けた本発明の構成は特に有効である。
【００１４】
さらに、本発明は、上述したような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。かかる本発明では、液滴の噴射特性が均一化されるため、信頼性を向上した液体噴射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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分解斜視図であり、図２は、その平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ′断面図及びＢ−Ｂ′断面図であり、図４は、制御ブロックを示す概略図である。
【００１６】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板（シリコン基板）からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。
【００１７】
また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。さらに、連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。この連通部１５は、後述するリザーバ形成基板３０のリザーバ部３１と連通して、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する。
【００１８】
ここで、インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部１５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。例えば、本実施形態では、インク供給路１３は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。
【００１９】
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１３とは反対側の端部近傍に連通するノズル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によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば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で形成されている。
【００２０】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）からなる絶縁体膜５１が形成されている。また詳しくは後述するが、本実施形態では、弾性膜５０と絶縁体膜５１との間には、シリコン基板に不純物がドープされてなる拡散層５５が各圧力発生室１２に対応して設けられている。
【００２１】
絶縁体膜５１上には、下電極膜６０と、圧電体層７０と、上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。一般的には、圧電素子３００は、そ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毎にパターニングすることによって形成されている。例えば、本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電体層７０と共にパターニングして圧電素子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。
【００２２】
なお、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接着剤によって接合されている。リザーバ部３１は、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１５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を構成している。
【００２３】
また、リザーバ形成基板３０上には、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のみで封止されている。
【００２４】
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２１に至るまで内部をインクで満たした後、各圧力発生室１２に対応する圧電素子３００の圧電体層７０をたわみ変形させ、それに伴って振動板を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２１からインク滴が噴射する。なお振動板とは、圧電体層７０の下側に設けられて圧電素子３００に電圧を印加した際に圧電体層７０と共に変形が生じる全ての膜を含む。例えば、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５１、下電極膜６０及び拡散層５５が振動板に含まれる。
【００２５】
ここで、圧電素子３００は、長期間に亘って繰り返し駆動させていると、その変形が完全には元に戻らなくなる現象（エージング）が生じ、これに伴って振動板の変位量も減少する。このため、各圧電素子３００に常に一定の電圧を印加していると、各圧力発生室１２のノズル２１から噴射されるインク滴の噴射特性（噴射量など）にバラツキが生じてしまう。そこで、本発明では、所定のタイミングで拡散層５５の抵抗値の変化を検出、つまり振動板の変位量の変化を検出し、その検出結果に応じて各圧電素子３００に印加する電圧を調整することで、各ノズル２１から噴射されるインク滴の噴射特性を均一化するようにしている。
【００２６】
振動板を構成する拡散層５５は、シリコン基板に不純物（ドーパント）をドープすることによって形成されており、例えば、本実施形態では、ドーパントとしてボロンが用いられている。また拡散層５５は、各圧力発生室１２に対応してそれぞれ独立して設けられており、本実施形態では、絶縁材料からなる絶縁層である弾性膜５０及び絶縁体膜５１によって隣接する拡散層５５と絶縁されている。また、図２及び図３（ｂ）に示すように、拡散層５５は圧電素子３００の幅よりも狭い幅で、圧力発生室１２の幅方向中央部にその長手方向に沿って形成されている。拡散層５５の両端部は、圧力発生室１２の外側までそれぞれ延設されている。
【００２７】
この拡散層５５は、比較的薄く形成されていることが好ましく、例えば、弾性膜５０が１．０μｍ程度である場合、拡散層は０．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、振動板の変位に伴う拡散層へのクラックの発生を確実に防止することができる。
【００２８】
このような拡散層５５は、圧力発生室１２の外側の部分で、圧電素子３００の駆動を制御する制御部２００に接続されている。圧力発生室１２の外側の領域の絶縁体膜５１には、拡散層５５に対向する部分に微細孔（トレンチ）５２が形成されており、図４に示すように、拡散層５５はこの微細孔５２内に配された接続配線５６を介して制御部２００の検出手段２０２に接続されている。
【００２９】
圧電素子３００の駆動を制御する制御部２００は、駆動手段２０１と、検出手段２０２と調整手段２０３とを具備する。駆動手段２０１は、外部からの印刷信号に基づいて圧電素子３００に電圧を印加し、圧電素子３００を選択的に駆動させることで印刷動作を実行する。検出手段２０２は、所定のタイミングで、圧電素子３００の駆動に伴う拡散層５５の抵抗値の変化を検出する。本実施形態では、圧電素子３００の駆動前後に拡散層５５の抵抗値を測定することで、拡散層５５の抵抗値の変化量を検出している。
【００３０】
調整手段２０３は、検出手段２０２の検出結果に応じて各圧電素子３００に印加される電圧を調整する。すなわち、圧電素子３００を駆動した際に、各圧力発生室１２を構成する振動板の変位量が略均一となるように各圧電素子３００に印加される電圧を調整する。
【００３１】
シリコン基板にボロンがドープされた拡散層５５は、その応力変化に伴って抵抗値が変化するため、検出手段２０２によって圧電素子３００の駆動に伴う拡散層５５の抵抗値の変化を検出することで、各圧力発生室１２に対応する振動板の変位量を検出することができる。そして、このように検出手段２０２が検出した検出結果に基づいて、調整手段２０３が各圧電素子に印加される電圧を調整し、駆動手段２０１が調整された所定電圧を各圧電素子３００に印加して圧電素子３００を変形させる。
【００３２】
これにより、圧電素子３００の駆動に伴う各圧力発生室１２に対応する振動板の変位量が均一化される。したがって、各圧力発生室１２に連通するノズル２１から噴射されるインク滴の吐出特性を均一化して、印刷品質を向上することができる。また、本実施形態では、圧力発生室１２の外側の領域、すなわち圧電素子３００の駆動によって振動板が振動しない領域で、接続配線５６が拡散層５５に接続されている。したがって、圧電素子３００の繰り返し駆動によっても、接続配線５６と拡散層５５との接触不良も未然に防止することができる。
【００３３】
なお、調整手段２０３による駆動電圧の調整方法は特に限定されないが、例えば、拡散層５５の抵抗値の変化量が予め設定された基準値となるように駆動電圧を高く調整する。また圧電素子３００に印加される電圧が一旦調整されると、検出手段２０２による拡散層５５の抵抗値の検出が次に行われるまでは、駆動手段２０１は各圧電素子３００に一定の電圧を印加する。
【００３４】
また本実施形態では、拡散層５５を圧力発生室１２の幅方向中央部にその長手方向に沿って形成するようにしたが、拡散層５５の形成位置は特に限定されるものではない。例えば、図５（ａ）に示すように、拡散層５５は、圧力発生室１２の幅方向一方の端部に対向する領域に形成するようにしてもよい。圧力発生室１２の幅方向端部に対向する領域の振動板は、圧電素子３００の駆動によって比較的大きく変形するため、この部分に拡散層５５を設けた場合でも、検出手段２０２は拡散層５５の抵抗値の変化を比較的容易に検出することができる。
【００３５】
さらに拡散層５５は、図５（ｂ）に示すように圧力発生室１２の幅方向に沿って延設するようにしてもよいし、図５（ｃ）に示すように圧力発生室１２に対して斜め方向に延設するようにしてもよい。拡散層５５の抵抗値の変化量は、シリコン基板の結晶面方位によって変化するため、その点を考慮して拡散層５５の形成位置を決定する必要がある。しかしながら、何れの構成としても、拡散層５５の抵抗値の変化は検出手段２０２によって確実に検出することができる。
【００３６】
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を、図６及び図７を参照して説明する。なお図６及び図７は、インクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図であり、圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００３７】
また以下に説明する例は、二酸化シリコンからなる絶縁層４０１の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層４０２，４０３を有するＳＯＩ基板４００を用いてヘッドを製造した例であり、このＳＯＩ基板４００の一方のシリコン層（第１のシリコン層）４０１を流路形成基板１０として利用している。
【００３８】
具体的には、まず、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板４００の流路形成基板１０となる第１のシリコン層４０２とは反対側の第２のシリコン層４０３上の全面に、例えば、窒化シリコン等からなる保護膜４１０を形成し、この保護膜４１０をパターニングして拡散層５５を形成する領域のみに残す。
【００３９】
次いで、図６（ｂ）に示すように、保護膜４１０が形成された状態でＳＯＩ基板４００の表面を熱酸化することによって弾性膜５０を形成する。すなわち、第２のシリコン層４０３には、保護膜４１０が形成された部分を除いて熱酸化されて二酸化シリコン層４２０が形成され、この二酸化シリコン層４２０と絶縁層４０１とが連続することで弾性膜５０が形成される。なお、保護膜４１０が形成された部分の第２のシリコン層４０３は熱酸化されずに残る。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示すように、保護膜４１０を除去し、熱酸化されずに残った第２のシリコン層４０３に、イオン注入によりボロンをドープすることで拡散層５５を形成する。なお、第２のシリコン層４０３にボロンをドープした後、この第２のシリコン層４０３を、例えば、９５０〜１０５０℃で熱処理することが好ましい。これにより、第２のシリコン層４０３にドープされたボロン（ドーパント）が活性化して拡散層５５が良好に形成される。
【００４１】
またドーパントとしては、ボロン（Ｂ）を用いることが好ましいが、例えば、ヒ素（Ａｓ）や、リン（Ｐ）等を用いてもよい。ドーズ量は、第２のシリコン層４０３の結晶がアモルファス化しない程度とする必要があるが、ピーク濃度が１．０×１０19（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）以上であることが好ましい。
【００４２】
次に、図６（ｄ）に示すように、弾性膜５０及び拡散層５５上に絶縁体膜５１を形成する。具体的には、弾性膜５０及び拡散層５５上にスパッタリング法等によりジルコニウム層を形成後、このジルコニウム層を所定温度で熱酸化することによって酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５１を形成する。
【００４３】
次いで、図７（ａ）に示すように、絶縁体膜５１上に、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を順次積層及びパターニングすることによって圧電素子３００を形成する。
【００４４】
なお、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）等の圧電材料の他、この圧電材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子の特性、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（Ｓｃ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。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、金属有機物を溶媒に溶解・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。勿論、圧電体層７０の形成方法は、ゾル−ゲル法に限定されるものではなく、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。
【００４５】
次いで、図７（ｂ）に示すように、拡散層５５の両端部に対向する領域の絶縁体膜５１に、微細孔（トレンチ）５２を形成し、この微細孔５２内で一端側が制御部２００の検出手段２０２に繋がる接続配線５６を拡散層５５に接続する。
【００４６】
その後は、図示しないがＳＯＩ基板４００の表面、すなわち流路形成基板１０である第１のシリコン層４０２とは反対側の面にリザーバ形成基板３０を接合し、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いて、流路形成基板１０である第１のシリコン層４０２を弾性膜５０に達するまで異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、図７（ｃ）に示すように圧力発生室１２等の流路を形成する。また圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０にノズルプレート２０を接合することによってインクジェット式記録ヘッドが製造される（図２参照）。
【００４７】
なお、実際には、流路形成基板１０は、一枚のウェハに複数個一体的に形成され、そのウェハを最終的に分割することによって複数のインクジェット式記録ヘッドが製造される。
【００４８】
（実施形態２）
図８は、本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。本実施形態は、拡散層の形状を変更した例である。具体的には、図８に示すように、拡散層５５Ａが、圧力発生室１２の開口形状と略同一形状で形成されている以外は、実施形態１と同様である。
【００４９】
このような構成としても、拡散層５５Ａの抵抗値の変化を検出し、その検出結果に応じて圧電素子３００に印加する電圧を調整することで、振動板の変位量を均一化してインク滴の噴射特性を均一化することができる。
【００５０】
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は、特に限定されず、実施形態１と同様の製造方法によって形成することもできるが、圧電素子３００を形成する前に圧力発生室１２を形成できる場合には、例えば、以下に説明する製造方法で製造するようにしてもよい。なお、図９は、本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図であり、圧力発生室の幅方向の断面図である。
【００５１】
まず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板である流路形成基板１０の一方の表面に、窒化シリコン等からなる保護膜４１０Ａを形成する。この保護膜４１０Ａは、流路形成基板１０の各圧力発生室１２が形成される領域を覆うように形成する。そして、保護膜４１０Ａが形成された状態で流路形成基板１０を熱酸化して、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５７を形成する。
【００５２】
次いで、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の他方面に形成されている二酸化シリコン膜５７をパターニングし、この二酸化シリコン膜５７をマスクとして流路形成基板１０を異方性エッチングすることで、流路形成基板１０に凹部１２０を形成する。このとき、エッチング時間を制御することで、凹部１２０の底面が二酸化シリコン膜５７との境界面と略一致するように、凹部１２０を所定の深さで形成する。またこの凹部１２０は、圧力発生室１２よりも若干狭い幅及び長さで形成する。
【００５３】
次いで、流路形成基板１０の他方面側の二酸化シリコン膜５７を除去した後、図９（ｃ）に示すように、流路形成基板１０を再び熱酸化して凹部１２０の内面に二酸化シリコン膜５８を形成する。このとき凹部１２０の底面部分に形成される二酸化シリコン膜５８が、上述した工程で形成された二酸化シリコン膜５７と連続することで弾性膜５０が形成される。なお二酸化シリコン膜５８の外側で保護膜４１０Ａが形成されている部分の流路形成基板１０ａは熱酸化されずに残る。
【００５４】
次いで、図９（ｄ）に示すように、保護膜４１０Ａを除去すると共に、凹部１２０の底面部分、つまり弾性膜５０を構成する部分を除いて二酸化シリコン膜５８を除去する。凹部１２０の側面部分の二酸化シリコン膜５８が除去された結果、凹部１２０の幅及び長さが若干広がって所定幅及び長さの圧力発生室１２が形成される。このように本実施形態では、凹部１２０の側面の二酸化シリコン膜５８を除去することによって圧力発生室１２を形成するため、凹部１２０の幅及び長さは、熱酸化により形成する二酸化シリコン膜５８の厚さに応じて適宜決定しておく必要がある。
【００５５】
その後、弾性膜５０上に酸化されずに残っている流路形成基板１０ａに、イオン注入によりボロンをドープして拡散層５５Ａを形成する。またこのように弾性膜５０及び拡散層５５Ａを形成した後は、上述したように絶縁体膜５１及び圧電素子３００の各層を形成する。
【００５６】
このような製造方法を採用することにより、ＳＯＩ基板を用いなくてもインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。したがって、製造コストを低減することができ、比較的安価にインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００５７】
（実施形態３）
図１０は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。本実施形態は、拡散層の変形例である。上述した実施形態では、拡散層５５が弾性膜５０と絶縁体膜５１との間に設けられていたが、本実施形態は、図１０に示すように、拡散層５５Ｂを、弾性膜５０よりも圧力発生室１２側に形成するようにした例であり、それ以外の構成は、実施形態２と同様である。
【００５８】
勿論、このような構成としても、拡散層５５Ｂの抵抗値の変化を検出し、その検出結果に応じて圧電素子３００に印加する電圧を調整することで、振動板の変位量を均一化してインク滴の噴射特性を均一化することができる。
【００５９】
なお、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法は、特に限定されないが、例えば、以下のような製造方法によって製造することができる。図１１は、本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す図であり、圧力発生室の幅方向の断面図である。
【００６０】
まず、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板である流路形成基板１０を熱酸化することにより、その表面に弾性膜５０となる二酸化シリコン膜５７を形成する。次いで、図１１（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の他方面に形成されている二酸化シリコン膜５７をパターニングし、この二酸化シリコン膜５７をマスクとして流路形成基板１０を異方性エッチングすることで、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。このとき、二酸化シリコン膜５７（弾性膜５０）に達するまでエッチングすることなく、エッチング時間を制御することで、圧力発生室１２の底面部分に所定の厚さで流路形成基板１０が残るようにする。
【００６１】
次いで、図１１（ｃ）に示すように、圧力発生室１２の開口側から、圧力発生室１２の底面部分の流路形成基板１０に、イオン注入によりボロンをドープすることで拡散層５５Ｂを形成する。これにより、弾性膜５０の圧力発生室１２側に拡散層５５Ｂが形成される。なお、その後は、実施形態１で説明したように絶縁体膜５１及び圧電素子３００の各層を形成すればよい。
【００６２】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、勿論、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、検出手段２０２が拡散層５５の抵抗値を検出するようにしたが、必ずしも抵抗値自体を測定する必要はなく、例えば、拡散層５５の電流値を測定し、その測定結果から抵抗値の変化を算出するようにしてもよい。また例えば、上述の実施形態では、ヘッドの製造過程において拡散層５５を形成、つまり不純物をドープするようにしたが、ＳＯＩ基板、或いはシリコン基板を形成する際に、予め所定部分に不純物をドープしておいてもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子３００を例示したが、圧力発生手段は特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アクチュエータ装置や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型のアクチュエータ装置などを使用することができる。また、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエータなどを使用することができる。
【００６４】
なお、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１２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１２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。
【００６５】
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。
【００６６】
なお、上述した例では、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の製造方法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（電界放出ディスプレー）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】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの平面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの制御ブロックを示す図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態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】本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの断面図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る記録装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル、 ３０ リザーバ形成基板、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５１ 絶縁体膜、 ５５ 拡散層、 ５６ 接続配線、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、１００ リザーバ、 ３００ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板からなる流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられて前記圧力発生室の一方面を構成する振動板と、前記振動板を変位させて前記圧力発生室内に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、
前記振動板が、シリコン基板に不純物がドープされてなり前記圧力発生室に対向する領域に設けられた拡散層を含むと共に、
前記振動板の変形に伴う前記拡散層の抵抗値の変化を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記圧力発生手段に印加する駆動電圧を調整する調整手段とを有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記拡散層が、前記圧路力発生室の長手方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記拡散層が、前記圧力発生室の幅方向中央部に配されていることを特徴とする請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記拡散層が、前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室の外側まで延設され、当該拡散層の前記圧力発生室の外側の部分に前記検出手段が接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記振動板が、絶縁材料からなる複数層の絶縁層を含み、前記拡散層が前記絶縁層間に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
前記振動板が、シリコン基板を熱酸化することによって形成される弾性膜を含み、前記拡散層が、前記弾性膜の前記圧力発生室側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項７】
前記圧力発生手段が、圧電材料からなる圧電体層を有する圧電素子であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載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１】
液滴を噴射するノズルに連通する圧力発生室が設けられたシリコン基板からなる流路形成基板と、該流路形成基板上に設けられて前記圧力発生室の一方面を構成する振動板と、前記振動板を変位させて前記圧力発生室内に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、
前記振動板が、シリコン基板に不純物がドープされてなり前記圧力発生室に対向する領域に設けられた拡散層を含むと共に、
前記振動板の変形に伴う前記拡散層の抵抗値の変化を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記圧力発生手段に印加する駆動電圧を調整する調整手段とを有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記拡散層が、前記圧路力発生室の長手方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記拡散層が、前記圧力発生室の幅方向中央部に配されていることを特徴とする請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
前記拡散層が、前記圧力発生室に対向する領域から当該圧力発生室の外側まで延設され、当該拡散層の前記圧力発生室の外側の部分に前記検出手段が接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項５】
前記振動板が、絶縁材料からなる複数層の絶縁層を含み、前記拡散層が前記絶縁層間に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項６】
前記振動板が、シリコン基板を熱酸化することによって形成される弾性膜を含み、前記拡散層が、前記弾性膜の前記圧力発生室側に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項７】
前記圧力発生手段が、圧電材料からなる圧電体層を有する圧電素子であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１３７１３２（Ｐ２００９−１３７１３２Ａ）
【公開日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１５１８３（Ｐ２００７−３１５１８３）
【出願日】平成１９年１２月５日（２００７．１２．５）
【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２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月５日（２００７．１２．５）
【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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