JP2002059544A

JP2002059544A - 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

Info

Publication number: JP2002059544A
Application number: JP2000247514A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kamei; 宏行亀井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2002-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度且つ各圧力発生室間のクロストークを
低減した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を提供する。【解決手段】単結晶シリコンからなりノズル開口２１
に連通する圧力発生室１２が画成される流路形成基板１
０と、該流路形成基板１０の一方面側に振動板５０を介
して下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０からなる
圧電素子３００とを具備するインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記流路形成基板１０の他方面側に接合基
板１１０が接合されていると共に、前記圧力発生室１２
の前記接合基板１１０側に当該圧力発生室１２の振動板
５０とは反対側の面を画成する充填層１００を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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に振動板を介
して圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク
滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びその製
造方法並びにインクジェット式記録装置に関する。

【０００２】

【従来技術】インク滴を吐出するノズル開口と連通する
圧力発生室の一部を振動板で構成し、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、圧電素子が軸方向に伸長、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。

【０００３】前者は圧電素子の端面を振動板に当接させ
ることにより圧力発生室の容積を変化させることができ
て、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛
歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた
圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必
要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。

【０００４】これに対して後者は、圧電材料のグリーン
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作
り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関
係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難
であるという問題がある。

【０００５】一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消す
べく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるよう
に、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧
電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法に
より圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生
室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案さ
れている。

【０００６】これによれば圧電素子を振動板に貼付ける
作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、か
つ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばか
りでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能
になるという利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室を高
密度で配列した場合、各圧力発生室間の隔壁の厚さが薄
くなることによって隔壁の剛性が不足し、各圧力発生室
間のクロストークが発生する。

【０００８】一方、縦振動モードの圧電アクチュエータ
では、圧力発生室の振動板側に幅広部を設け、それ以外
の部分の圧力発生室の幅を低くして隔壁の厚さを大きく
する構造が考えられているが、この場合には、圧力発生
室の幅広部の加工や貼り合わせ等の作業が必要で作業性
及び精度が低いという問題がある。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑み、高密度且
つ各圧力発生室間のクロストークを低減したインクジェ
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
ト式記録装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【発明が解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の態様は、単結晶シリコンからなりノズル開口
に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該
流路形成基板の一方面側に振動板を介して下電極、圧電
体層及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジ
ェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の他方
面側に接合基板が接合されていると共に、前記圧力発生
室の前記接合基板側には当該圧力発生室の振動板とは反
対側の面を画成する充填層を有することを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドにある。

【００１１】かかる第１の態様では、流路形成基板の厚
みの制約を受けず、圧力発生室の深さを容易に制御する
ことができる。

【００１２】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、前記充填層が、融点６００〜７００℃の金属からな
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにあ
る。

【００１３】かかる第２の態様では、圧電体層の結晶化
温度よりも低い温度で充填層を形成することによって、
充填層の形成時に圧電体層の破壊を確実に防止すること
ができると共に接合基板の接合時に充填層が溶融するこ
となく、高精度で形成することができる。

【００１４】本発明の第３の態様は、第２の態様におい
て、前記金属がアルミニウム、アンチモン及びマグネシ
ウムからなる群から選択されることを特徴とするインク
ジェット式記録ヘッドにある。

【００１５】かかる第３の態様では、充填層に所定の材
料を使用することにより、容易に且つ精度よく充填層を
溶融形成することができる。

【００１６】本発明の第４の態様は、第１の態様におい
て、前記充填層が熱可塑性樹脂からなることを特徴とす
るインクジェット式記録ヘッドにある。

【００１７】かかる第４の態様では、充填層に熱可塑性
樹脂を使用することにより、容易に且つ精度よく充填層
を溶融形成することができる。

【００１８】本発明の第５の態様は、第１〜４の何れか
の態様において、前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛
からなり、前記充填層が前記接合基板の接合温度よりも
高く且つ前記圧電体層の結晶化温度より低い融点を有す
る材料からなることを特徴とするインクジェット式記録
ヘッドにある。

【００１９】かかる第５の態様では、充填層に所定範囲
の融点の材料を用いることにより、充填層の形成時に、
圧電体層の破壊を確実に防止することができると共に接
合基板の接合時に充填層が溶融することなく、高精度で
形成することができる。

【００２０】本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか
の態様において、前記接合基板が、ガラス又は単結晶シ
リコンからなると共に前記流路形成基板に陽極接合によ
って接合されていることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドにある。

【００２１】かかる第６の態様では、接合基板を陽極接
合により容易に且つ確実に流路形成基板に接合すること
ができる。

【００２２】本発明の第７の態様は、第１〜５の何れか
の態様において、前記接合基板が前記流路形成基板に接
着剤により接合されていることを特徴とするインクジェ
ット式記録ヘッドにある。

【００２３】かかる第７の態様では、接合基板を接着剤
により容易に且つ確実に流路形成基板に接合することが
できる。

【００２４】本発明の第８の態様は、第１〜７の何れか
の態様において、前記圧電素子が成膜及びリソグラフィ
法により形成されていることを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッドにある。

【００２５】かかる第８の態様では、高密度のノズル開
口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量且つ比較
的容易に形成できる。

【００２６】本発明の第９の態様は、第１〜８の何れか
の態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを
特徴とするインクジェット式記録装置にある。

【００２７】かかる第９の態様では、ヘッドのインク吐
出特性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現で
きる。

【００２８】本発明の第１０の態様は、流路形成基板に
圧力発生室を形成すると共に、前記流路形成基板の一方
面側に振動板を介して成膜及びリソグラフィ法により形
成された薄膜からなる下電極、圧電体層及び上電極から
なる圧電素子を形成するインクジェット式記録ヘッドの
製造方法において、前記流路形成基板の一方面側に前記
振動板を介して前記下電極、圧電体層及び上電極を順次
積層及びパターニングして前記圧電素子を形成する工程
と、前記流路形成基板の他方面側に前記振動板まで貫通
する圧力発生室を形成する工程と、前記圧力発生室に充
填剤を所定量充填する工程と、前記流路形成基板の他方
面側に接合基板を接合する工程と、前記充填剤を加熱溶
融することによって前記圧力発生室内の前記接合基板側
に前記振動板とは反対側の面を画成する充填層を形成す
る工程とを有することを特徴とするインクジェット式記
録ヘッドの製造方法にある。

【００２９】かかる第１０の態様では、流路形成基板の
厚みの制約を受けず、圧力発生室の深さを容易に制御す
ることができる。

【００３０】本発明の第１１の態様は、第１０の態様に
おいて、前記充填剤が、融点６００〜７００℃の金属か
らなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの
製造方法にある。

【００３１】かかる第１１の態様では、圧電体層の結晶
化温度よりも低い温度で充填層を形成することによっ
て、充填層の形成時に圧電体層の破壊を確実に防止する
ことができると共に接合基板の接合時に充填層が溶融す
ることなく、高精度で形成することができる。

【００３２】本発明の第１２の態様は、第１１の態様に
おいて、前記金属が、アルミニウム、アンチモン及びマ
グネシウムからなる群から選択されることを特徴とする
インクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００３３】かかる第１２の態様では、充填層に所定の
材料を使用することにより、容易に且つ精度よく充填層
を溶融形成することができる。

【００３４】本発明の第１３の態様は、第１０の態様に
おいて、前記充填剤が熱可塑性樹脂からなることを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００３５】かかる第１３の態様では、充填層に熱可塑
性樹脂を使用することにより、容易に且つ精度よく充填
層を溶融形成することができる。

【００３６】本発明の第１４の態様は、第１０〜１３の
何れかの態様において、前記圧電体層がチタン酸ジルコ
ン酸鉛からなり、前記充填剤が前記接合基板の接合温度
より高く且つ前記圧電体層の結晶化温度より低い融点を
有する材料からなることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドの製造方法にある。

【００３７】かかる第１４の態様では、充填層に所定範
囲の融点の材料を用いることにより、充填層の形成時
に、圧電体層の破壊を確実に防止することができると共
に接合基板の接合時に充填層が溶融することなく、高精
度で形成することができる。

【００３８】本発明の第１５の態様は、第１０〜１４の
何れかの態様において、前記接合基板が単結晶シリコン
又はガラスからなり、前記流路形成基板と前記接合基板
とを陽極接合によって接合することを特徴とするインク
ジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００３９】かかる第１５の態様では、接合基板を陽極
接合により容易に且つ確実に流路形成基板に接合するこ
とができる。

【００４０】本発明の第１６の態様は、第１０〜１４の
何れかの態様において、前記流路形成基板と前記接合基
板とを接着剤によって接合することを特徴とするインク
ジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００４１】かかる第１６の態様では、接合基板を接着
剤により容易に且つ確実に流路形成基板に接合すること
ができる。

【００４２】本発明の第１７の態様は、第１０〜１６の
何れかの態様において、前記充填剤が、顆粒形状を有す
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造
方法にある。

【００４３】かかる第１７の態様では、圧力発生室とな
る凹部内に容易に所定量の充填剤を充填することができ
る。

【００４４】本発明の第１８の態様は、第１０〜１７の
何れかの態様において、前記流路形成基板及び前記充填
層にノズル開口と連通するノズル連通口及び前記圧力発
生室にインクを供給するインク供給口を形成する工程を
さらに有することを特徴とするインクジェット式記録ヘ
ッドの製造方法にある。

【００４５】かかる第１８の態様では、圧力発生室にイ
ンク供給口を介して比較的容易にインクを供給すること
ができると共にノズル連通口を介してノズル開口から容
易にインクを吐出することができる。

【００４６】本発明の第１９の態様は、第１８の態様に
おいて、前記ノズル連通口及びインク供給口をエキシマ
レーザ又はドライエッチングにより形成することを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。

【００４７】かかる第１９の態様では、ノズル連通口及
びインク供給口を比較的容易に形成することができる。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施形態に基づい
て詳細に説明する。

【００４９】（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、圧力発生室の並設方向の断面図及びそのＡ
−Ａ’断面図である。

【００５０】図示するように、流路形成基板１０は、シ
リコン単結晶基板からなり、その一方の面には異方性エ
ッチングすることにより複数の隔壁１１により区画され
た圧力発生室１２が形成されている。

【００５１】ここで、異方性エッチングは、シリコン単
結晶基板を水酸化カリウム等のアルカリ溶液に浸漬する
と、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１
１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度
をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第
２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチン
グレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが
約１／１８０であるという性質を利用して行われるもの
である。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の
（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形
成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工
を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列する
ことができる。

【００５２】本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺
を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で
形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１
０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングす
ることにより凹部１２０を形成し、この凹部１２０内の
開口する面側に充填層１００を設けることにより、圧力
発生室１２は浅く形成されている。

【００５３】この凹部１２０内に設けられる充填層１０
０の材料は、特に限定されないが、融点が後述する圧電
体層７０の結晶化温度よりも低い材料であることが好ま
しい。これは、充填層１００が加熱溶融することにより
形成されるため、圧電体層７０の結晶化温度よりも高温
であると、充填層１００を加熱溶融した際に圧電体層７
０を破壊する虞があるからである。

【００５４】そのため、充填層１００の材料は、例え
ば、融点６００〜７００℃のアルミニウム、アンチモン
及びマグネシウム等の金属や熱可塑性樹脂等が挙げられ
る。本実施形態では、充填層１００の材料として、融点
６５０℃のマグネシウムを用いた。

【００５５】また、各圧力発生室１２の長手方向両端部
近傍の充填層１００には、インクの流路となるインク連
通路１０１，１０２が開口している。このインク連通路
１０１，１０２は、圧力発生室１２の幅より小さい径で
充填層１００を貫通して設けられており、エキシマレー
ザ等によるレーザ加工、あるいはドライエッチング等に
より形成されている。

【００５６】さらに、流路形成基板１０のインク連通路
１０１，１０２が開口する面には、各インク連通路１０
１，１０２に連通するインク連通孔１１１及び１１２が
設けられたガラス又はシリコン単結晶基板からなる接合
基板１１０が接合されている。

【００５７】この接合基板１１０は、凹部１２０内で充
填層１００を加熱溶融して形成する際に、充填層１００
の底面を形成するためのものである。この接合基板１１
０の接合方法は、特に限定されず、例えば、熱硬化型接
着剤による接着、陽極接合による接合等が挙げられる。
本実施形態では、接合基板１１０にガラスを用いて陽極
接合により接合した。

【００５８】ここで、陽極接合とは、内部に稼働イオン
を含むガラスとシリコンとを重ね、加熱状態でシリコン
側を正電位となる方向に直流電圧を加えてガラスとシリ
コンとを化学結合するものである。

【００５９】詳しくは、相対する面を鏡面状に研磨した
シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０と、ガラ
スからなる接合基板１１０とを重ね、全体を４５０℃近
くに昇温させ、２００〜１０００Ｖの電位を両端に印加
する。このとき、ガラスの融点以下の温度でも、正のＮ
ａ⁺イオンはガラスの中で動きやすくなるため、負電界
に引かれてガラスの表面に到達する。一方、ガラス中に
残った多量の負イオンがシリコン単結晶基板との接着面
に空間電荷層を形成して、シリコン単結晶基板とガラス
との間に強い吸引力が生じ、流路形成基板１０と接合基
板１１０とを陽極接合させる。

【００６０】なお、本実施形態では、接合基板１１０を
ガラスで形成するようにしたが、例えば、流路形成基板
１０と同材料のシリコン単結晶基板で形成した場合に
は、流路形成基板１０と接合基板１１０との接合面に酸
化シリコン層を設けることにより、これらを陽極接合で
接合することができる。

【００６１】また、このような陽極接合は、充填層１０
０に、融点が陽極接合の加熱温度（４５０℃）以上の材
料を用いた場合に実施するのが好ましい。これは、充填
層１００の溶融形成が凹部１２０内で接合基板１１０を
接合した後に行われるため、接合基板１１０を陽極接合
する際に充填層１００が溶融してしまうと、充填層１０
０が弾性膜５０等に付着し易く、充填層１００の形成精
度が低下してしまう虞があるためである。

【００６２】なお、本実施形態では、接合基板１１０を
陽極接合によりに接合するようにしたが、これに限定さ
れず、例えば、接合基板１１０を接着剤を介して流路形
成基板１０に接合するようにしてもよい。

【００６３】このように接合された接合基板１１０のイ
ンク連通孔１１１，１１２が開口する面には、各インク
連通孔１１１に連通するノズル開口２１と、各インク連
通孔１１２に連通するインク供給連通口２２とが穿設さ
れたノズルプレート２０が接合されている。このノズル
プレート２０の接合方法は、例えば、接着剤又は熱溶着
フィルムを介した接着や陽極接合による接合等、特に限
定されない。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例え
ば、０．１〜１ｍｍ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
ラミックスからなる。ノズルプレート２０は、一方の面
で流路形成基板１０を覆い、シリコン単結晶基板である
流路形成基板１０を衝撃や外力から保護する補強板の役
目も果たしている。

【００６４】ここで、インク滴吐出圧力をインクに与え
る圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズ
ル開口２１の大きさとは、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。例えば、
１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノ
ズル開口２１は数十μｍの直径で精度よく形成する必要
がある。

【００６５】また、各圧力発生室１２と後述する共通イ
ンク室３１とは、ノズルプレート２０に形成されたイン
ク供給連通口２２を介して連通されており、インクはこ
のインク供給連通口２２を介して共通インク室３１から
供給され、各圧力発生室１２に分配される。

【００６６】また、共通インク室３１に供給されるイン
クは、ノズルプレート２０の共通インク室３１に対向す
る領域に形成されたインク導入口２３により供給され
る。

【００６７】共通インク室形成基板３０は、共通インク
室３１の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、イ
ンク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を
打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共
通インク室形成基板３０の厚さは、０．２ｍｍとしてい
る。

【００６８】インク室側板４０は、ステンレス基板から
なり、一方の面で共通インク室３１の一壁面を構成する
ものである。また、インク室側板４０には、他方の面の
一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成するこ
とにより薄肉壁４１が形成されている。なお、薄肉壁４
１は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口２１と反
対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発
生室１２に、共通インク室３１を経由して不要な正又は
負の圧力が加わるのを防止する。本実施形態では、イン
ク導入口２３と外部のインク供給手段との接続時等に必
要な剛性を考慮して、インク室側板４０を０．２ｍｍと
し、その一部を厚さ０．０２ｍｍの薄肉壁４１としてい
るが、ハーフエッチングによる薄肉壁４１の形成を省略
するために、インク室側板４０の厚さを初めから０．０
２ｍｍとしてもよい。

【００６９】一方、圧力発生室１２が形成された流路形
成基板１０上には、例えば、二酸化シリコン等の絶縁層
からなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が設けられてい
る。この弾性膜５０は、一方の面で圧力発生室１２の一
壁面を構成している。

【００７０】このような弾性膜５０の上の各圧力発生室
１２に相対向する領域には、厚さが例えば、約０．５μ
ｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体
層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０
とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３
００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
る弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。

【００７１】また、圧電素子３００の個別電極である上
電極膜８０は、上電極膜８０上から弾性膜５０上まで延
設されたリード電極９０を介して図示しない外部配線と
接続されている。

【００７２】ここで、このような本実施形態のインクジ
ェット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１
０に圧力発生室１２を形成する工程及びこの圧力発生室
１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する工程に
ついて、以下に説明する。なお、図３〜図５は、圧力発
生室１２の長手方向の断面図である。

【００７３】図３（ａ）に示すように、まず、流路形成
基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１０
０℃の拡散炉で熱酸化して流路形成基板１０の両面に、
それぞれ二酸化シリコンからなる弾性膜５０及び保護膜
５５を一度に形成する。

【００７４】次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタ
リングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室
１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパター
ニングする。この下電極膜６０の材料としては、白金、
イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法
やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜
後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００
℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからで
ある。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高
温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、
殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変
化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イ
リジウムが好適である。

【００７５】次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体層
７０及び上電極膜８０を形成すると共に圧電体層７０及
び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００の
パターニングを行う。

【００７６】この圧電体層７０は、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６００〜１０００℃、
本実施形態では７００℃で焼成することで金属酸化物か
らなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用
いて形成した。圧電体層７０の材料としては、ＰＺＴ系
の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合に
は好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、
特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はＭＯＤ
法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により
成膜してもよい。

【００７７】また、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法
もしくはＭＯＤ法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆
体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低
温で結晶化させる方法を用いてもよい。

【００７８】さらに、上電極膜８０は、導電性の高い材
料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等
の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施
形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。

【００７９】次に、図３（ｄ）に示すように、リード電
極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共
に、各圧電素子３００毎にパターニングする。

【００８０】以上が膜形成プロセスである。このように
して膜形成を行った後、図４（ａ）に示すように、流路
形成基板１０の圧電素子３００とは反対側の面に設けら
れた保護膜５５をパターニングする。

【００８１】次に、図４（ｂ）に示すように、パターニ
ングされた保護膜５５をマスクパターンとして前述した
シリコン単結晶基板（流路形成基板）１０の異方性エッ
チングを行い凹部１２０を形成する。この凹部１２０
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る。

【００８２】次に、図４（ｃ）に示すように、凹部１２
０の開口面を上にして、凹部１２０に充填層１００の材
料である充填剤１００Ａを所定量充填する。なお、充填
剤１００Ａの形状は、例えば、チップ状、顆粒状等、特
に限定されない。本実施形態では、充填剤１００Ａとし
て顆粒状のマグネシウムを用いた。

【００８３】次に、図４（ｄ）に示すように、流路形成
基板１０の凹部１２０の開口した面に接合基板１１０を
陽極接合で接合する。接合基板１１０がガラスで形成さ
れており、充填剤１００Ａとして、融点が陽極接合の加
熱温度（４５０℃）以上の材料、すなわち、融点６５０
℃のマグネシウムを用いたため、陽極接合の際に充填剤
１００Ａが溶融することなく、簡単に接合することがで
きる。

【００８４】なお、この接合基板１１０の接合方法は、
特に限定されず、例えば、接合基板１１０を接着剤を介
して流路形成基板１０に接合するようにしてもよい。

【００８５】次に、図５（ａ）に示すように、充填剤１
００Ａを加熱溶融して充填層１００を形成して圧力発生
室１２を画成する。

【００８６】充填剤１００Ａの加熱溶融は、予め充填剤
１００Ａを接合基板１１０側に寄せるように接合基板１
１０側を下にして行うことにより、充填剤１００Ａが弾
性膜５０側に付着することによって形成精度が低下する
のを確実に防ぐことができる。また、充填剤１００Ａの
加熱温度は、充填剤１００Ａの融点以上で且つ圧電体層
７０の結晶化温度以下の温度、すなわち、本実施形態で
は６５０〜７００℃で加熱するのが好ましい。これによ
り、圧電体層７０の破壊を確実に防止することができる
と共に確実に充填剤１００Ａを確実に溶融して圧力発生
室１２を画成することができる。

【００８７】なお、圧電体層７０は、形成時に結晶化を
行わず、仮焼成により形成した後、本工程で充填層１０
０の形成と圧電体層７０の結晶化とを同時に行うように
してもよい。

【００８８】また、充填剤１００Ａとして、陽極接合時
の温度（４５０℃）以下の材料を使用した場合は、本工
程で充填剤１００Ａを溶融して充填層１００を形成する
工程と接合基板１１０を接合する工程とを同時に行うよ
うにしてもよい。

【００８９】次に、図５（ｂ）に示すように、充填層１
００及び接合基板１１０にインク連通路１０１，１０２
及びインク連通孔１１１，１１２を形成する。

【００９０】インク連通路１０１，１０２及びインク連
通孔１１１，１１２の形成方法は、特に限定されず、例
えば、エキシマレーザ等によるレーザ加工、あるいはド
ライエッチング等が挙げられる。

【００９１】以上のような工程で、圧力発生室１２及び
圧電素子３００が形成される。

【００９２】以上説明した一連の膜形成及び異方性エッ
チングでは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形
成し、プロセス終了後、図１に示すような一つのチップ
サイズの流路形成基板１０毎に分割する。又、分割した
流路形成基板１０を、ノズルプレート２０、共通インク
室形成基板３０及びインク室側板４０と順次接着して一
体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。

【００９３】このように構成したインクジェット式記録
ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したイ
ンク導入口２３からインクを取り込み、共通インク室３
１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、下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加
し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわ
み変形させることにより、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。

【００９４】以上説明したように、本実施形態では、流
路形成基板１０を貫通する凹部１２０内に充填層１００
を設け、この充填層１００により圧力発生室１２の弾性
膜５０とは反対側の面を画成するようにしたため、流路
形成基板１０の厚みや制約を受けず、任意の深さの圧力
発生室１２を容易に形成することができる。また、流路
形成基板１０に圧力発生室１２を高密度で配設して、隔
壁１１の厚みを薄くしても、圧力発生室１２を浅く形成
することができるため隔壁１１の剛性を保つことができ
る。そのため、クロストークの発生を抑えて圧力発生室
１２を高密度で配設することができる。

【００９５】また、流路形成基板１０の薄化や、犠牲層
等を使う必要がないため、比較的容易に製造することが
できる。

【００９６】（実施形態２）図６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上面図及び圧力
発生室の長手方向の断面図である。

【００９７】図示するように、本実施形態では、流路形
成基板１０の圧電素子３００側に圧電素子保持部１３１
を有する封止板１３０を設け、この封止板１３０に圧力
発生室１２にインクを供給する共通インク室３１を設け
るようにした以外、上述した実施形態１と同様の構成で
ある。

【００９８】また、本実施形態では、充填層１００とし
て、例えば、塩化ビニル樹脂、オレフィン系樹脂（ポリ
エチレン、ポリプロピレン）、ポリアミド樹脂（ナイロ
ン）、フッ素樹脂、ポリスチレン、メタクリル樹脂、ポ
リカーボネート等の熱可塑性樹脂を用いた。

【００９９】また、接合基板１１０は、接着剤を介して
流路形成基板１０に接合されている。

【０１００】この接着剤としては、熱硬化型のエポキシ
系、アクリル系、ウレタン系、シリコーン系等の接着剤
が挙げられる。

【０１０１】このように、熱硬化型接着剤によって接合
基板１１０を流路形成基板１０に接合する場合には、熱
硬化型接着剤の加熱硬化と熱可塑性樹脂からなる充填層
１００の溶融形成とを同時に行うようにしてもよい。こ
れにより、接合基板１１０の接合と充填層１００の溶融
形成を同時に行うことができ、製造工程を簡略化するこ
とができる。

【０１０２】このように、充填層１００に熱可塑性樹脂
を用い、接合基板１１０を接着剤を介して接合するよう
にしても上述した実施形態１と同様に、流路形成基板１
０の厚みや制約を受けず、任意の深さの圧力発生室１２
を容易に形成することができる。また、流路形成基板１
０に圧力発生室１２を高密度で配設して、隔壁１１の厚
みを薄くしても、圧力発生室１２を浅く形成することが
できるため隔壁１１の剛性を保つことができる。そのた
め、クロストークの発生を抑えて圧力発生室１２を高密
度で配設することができる。

【０１０３】また、流路形成基板１０の薄化や、犠牲層
等を使う必要がないため、比較的容易に製造することが
できる。

【０１０４】なお、勿論、上述した実施形態１と同様に
接合基板１１０の接合と充填層１００の溶融形成とを別
工程で行うようにしてもよい。

【０１０５】また、充填層１００に熱可塑性樹脂を用い
て、接合基板１１０を陽極接合により接合するようにし
てもよい。このとき、陽極接合の際の加熱により、同時
に充填層１００の溶融形成を行うようにすればよい。

【０１０６】また、流路形成基板１０の圧電素子３００
側に接合される封止板１３０は、シリコン単結晶基板か
らなる流路形成基板１０の熱膨張係数と略同一の材料を
用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板
１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成され
ている。

【０１０７】また、封止板１３０の圧電素子保持部１３
１内には、例えば、不活性ガス等の乾燥流体が充填され
るのが好ましい。これは圧電素子３００がこの圧電素子
保持部１３１内の乾燥流体雰囲気中に確実に密封されて
外部環境と遮断され、大気中の水分等の外部環境による
圧電素子３００の破壊を防止している。

【０１０８】なお、乾燥流体としては、不活性ガスの
他、還元性ガスを用いることもできるが、逆に、酸化性
ガスを含有させることにより、圧電体層７０の劣化を防
止する環境を形成することができる。また、このような
不活性ガスを用いる場合には、その中の水の蒸気圧（分
圧）をできるだけ低くするのが望ましい。また、圧電素
子保持部１３１の形成方法は特に限定されず、例えば、
フッ酸によるエッチングやサンドブラスト等が挙げられ
る。

【０１０９】また、この封止板１３０は、本実施形態で
は、圧力発生室１２にインクを供給する共通インク室３
１を有する共通インク室形成基板を兼ねている。この共
通インク室３１は、本実施形態では、封止板１３０を厚
さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成
されている。そして、流路形成基板１０の弾性膜５０を
貫通して形成された貫通孔５１を介して連通されてい
る。

【０１１０】このような貫通孔５１は、充填層１００を
加熱溶融して形成した後、弾性膜５０を貫通して形成さ
れる。そのため、充填層１００を形成する際に貫通孔５
１及び共通インク室３１内に充填層１００が流入するこ
とがない。

【０１１１】さらに、封止板１３０には、封止膜１４１
及び固定板１４２とからなるコンプライアンス基板１４
０が接合されている。ここで、封止膜１４１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
フェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、
この封止膜１４１によって共通インク室３１の一方面が
封止されている。また、固定板１４２は、金属等の硬質
の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ）等）で形成される。この固定板１４２の共通インク
室３１に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された
開口部１４３となっているため、共通インク室３１の一
方面は可撓性を有する封止膜１４１のみで封止され、内
部圧力の変化によって変形可能になっている。

【０１１２】また、この共通インク室３１の長手方向略
中央部外側のコンプライアンス基板１４０上には、共通
インク室３１にインクを供給するためのインク導入口１
４４が形成されている。さらに、封止板１３０には、イ
ンク導入口１３３と共通インク室３１の側壁とを連通す
るインク導入路１３４が設けられている。

【０１１３】（他の実施形態）以上、本発明の各実施形
態１及び２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。

【０１１４】これら各実施形態の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７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。

【０１１５】図７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１
Ｂ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。

【０１１６】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に巻き掛けられて搬送されるように
なっている。

【０１１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、流路
形成基板の振動板の設けられた面とは反対側の面に接合
基板を接合すると共に圧力発生室の振動板とは反対側の
面を画成する充填層を設けるようにしたため、圧力発生
室の深さを充填層によって容易に制御することができ
る。また、流路形成基板の薄化等を行うことなく圧力発
生室を浅く形成することができるため、圧力発生室間の
クロストークを防止して高密度に配設することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】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る。

【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの圧力発生室の並設方向の断面図及びそのＡ−
Ａ’断面図である。

【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記
録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

【図６】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記
録ヘッドの上面図及び断面図である。

【図７】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記
録装置の概略図である。

【符号の説明】

１０流路形成基板１２圧力発生室２０ノズルプレート２１ノズル開口２２インク供給連通口２３インク導入口３０共通インク室形成基板４０インク室側板５０弾性膜５１貫通孔６０下電極膜７０圧電体層８０上電極膜９０リード電極１００充填層１００Ａ充填剤１０１、１０２インク連通路１１０接合基板１１１，１１２インク連通孔１２０凹部１３０封止板１４０コンプライアンス基板３００圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコンからなりノズル開口に連
通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路
形成基板の一方面側に振動板を介して下電極、圧電体層
及び上電極からなる圧電素子とを具備するインクジェッ
ト式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の他方面側に接合基板が接合されてい
ると共に、前記圧力発生室の前記接合基板側には当該圧
力発生室の振動板とは反対側の面を画成する充填層を有
することを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】請求項１において、前記充填層が、融点
６００〜７００℃の金属からなることを特徴とするイン
クジェット式記録ヘッド。
【請求項３】請求項２において、前記金属がアルミニ
ウム、アンチモン及びマグネシウムからなる群から選択
されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】請求項１において、前記充填層が熱可塑
性樹脂からなることを特徴とするインクジェット式記録
ヘッド。
【請求項５】請求項１〜４の何れかにおいて、前記圧
電体層がチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記充填層が
前記接合基板の接合温度よりも高く且つ前記圧電体層の
結晶化温度より低い融点を有する材料からなることを特
徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項６】請求項１〜５の何れかにおいて、前記接
合基板が、ガラス又は単結晶シリコンからなると共に前
記流路形成基板に陽極接合によって接合されていること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】請求項１〜５の何れかにおいて、前記接
合基板が前記流路形成基板に接着剤により接合されてい
ることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】請求項１〜７の何れかにおいて、前記圧
電素子が成膜及びリソグラフィ法により形成されている
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項９】請求項１〜８の何れかのインクジェット
式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェッ
ト式記録装置。
【請求項１０】流路形成基板に圧力発生室を形成する
と共に、前記流路形成基板の一方面側に振動板を介して
成膜及びリソグラフィ法により形成された薄膜からなる
下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子を形成す
るインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板の一方面側に前記振動板を介して前記
下電極、圧電体層及び上電極を順次積層及びパターニン
グして前記圧電素子を形成する工程と、前記流路形成基
板の他方面側に前記振動板まで貫通する圧力発生室を形
成する工程と、前記圧力発生室に充填剤を所定量充填す
る工程と、前記流路形成基板の他方面側に接合基板を接
合する工程と、前記充填剤を加熱溶融することによって
前記圧力発生室内の前記接合基板側に前記振動板とは反
対側の面を画成する充填層を形成する工程とを有するこ
とを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方
法。
【請求項１１】請求項１０において、前記充填剤が、
融点６００〜７００℃の金属からなることを特徴とする
インクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１２】請求項１１において、前記金属が、ア
ルミニウム、アンチモン及びマグネシウムからなる群か
ら選択されることを特徴とするインクジェット式記録ヘ
ッドの製造方法。
【請求項１３】請求項１０において、前記充填剤が熱
可塑性樹脂からなることを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドの製造方法。
【請求項１４】請求項１０〜１３の何れかにおいて、
前記圧電体層がチタン酸ジルコン酸鉛からなり、前記充
填剤が前記接合基板の接合温度より高く且つ前記圧電体
層の結晶化温度より低い融点を有する材料からなること
を特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１５】請求項１０〜１４の何れかにおいて、
前記接合基板が単結晶シリコン又はガラスからなり、前
記流路形成基板と前記接合基板とを陽極接合によって接
合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの
製造方法。
【請求項１６】請求項１０〜１４の何れかにおいて、
前記流路形成基板と前記接合基板とを接着剤によって接
合することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの
製造方法。
【請求項１７】請求項１０〜１６の何れかにおいて、
前記充填剤が、顆粒形状を有することを特徴とするイン
クジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１８】請求項１０〜１７の何れかにおいて、
前記流路形成基板及び前記充填層にノズル開口と連通す
るノズル連通口及び前記圧力発生室にインクを供給する
インク供給口を形成する工程をさらに有することを特徴
とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
【請求項１９】請求項１８において、前記ノズル連通
口及びインク供給口をエキシマレーザ又はドライエッチ
ングにより形成することを特徴とするインクジェット式
記録ヘッドの製造方法。