JP2004237448A - 液体吐出ヘッド素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体および電極を液体にさらすことなく気密に封止し、振動板と圧電体との熱膨張係数差による影響の軽減を図り、振動板の厚さ、圧力室、および流路の深さを高精度に形成する。
【解決手段】SOI積層基板5は、隣接する第3のSi層13と第3のSi酸化膜層18によって形成された振動板23と、振動板23の一方側に隣接して設けられた圧力室21と、振動板23の他方側に隣接して設けられた凹部25と、凹部25内に設けられ振動板23を駆動するための圧電体26と、圧力室21にインクを供給するための入口流路22とを有する。そして、振動板23、圧力室21、入口流路22、および凹部25は、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成される。
【選択図】 図1
【解決手段】SOI積層基板5は、隣接する第3のSi層13と第3のSi酸化膜層18によって形成された振動板23と、振動板23の一方側に隣接して設けられた圧力室21と、振動板23の他方側に隣接して設けられた凹部25と、凹部25内に設けられ振動板23を駆動するための圧電体26と、圧力室21にインクを供給するための入口流路22とを有する。そして、振動板23、圧力室21、入口流路22、および凹部25は、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成される。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッド素子に関し、特に固体溶融インクを吐出するための液体吐出ヘッド素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば記録用紙やフィルム等の記録媒体にインクを吐出して、文字や画像等を記録するためのインクジェットヘッドが知られている。この種のインクジェットヘッドは、圧力室内にインクを導入し、電気−機械変換素子(圧電体)を用いて圧力室に体積変化を与え、圧力室からノズルを介してインクを吐出させるように構成されている。
【0003】
そして、近年、高速、高画質、低消費電力、低価格のインクジェットプリンタが要求されている。このため、低消費電力で駆動可能な、かつ高集積化可能なインクジェットヘッドの形状や構造が提案されている。
【0004】
従来、溶融インクの液室内に圧電体素子を設け、この圧電素子の電気−機械変換によってノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドが開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
また、従来、圧電体を焼成する温度に対して耐熱性を有する材料で振動板を形成し、振動板に圧電体ペーストを印刷して設けた後に、加熱、焼成して、圧電体を形成するインクジェットヘッドの製造方法が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0006】
また、従来、圧電体を焼成する温度で、圧電体の一部元素が振動板に拡散しないために、圧電体と振動板との間に中間層を設けるインクジェットヘッドが開示されている(例えば、特許文献3参照。)。
【0007】
【特許文献1】
特許第02692121号明細書
【特許文献2】
特開平6−198895号公報
【特許文献3】
特開平10−296974号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、インクジェットヘッドをインク中に浸漬した時、駆動用圧電素子および電極がインクに直接接触してしまう。このため、絶縁性の低下による駆動用圧電素子の変形量の低下、および腐食性インク液の使用の際に懸念される駆動用圧電素子の腐食による性能低下という問題がある。
【0009】
さらに、従来のインクジェットヘッドは、各圧力室が分離されていないため、インクの吐出動作にクロストークの影響を受けやすいという問題があった。
【0010】
また、駆動用の圧電体は、圧電材料を含有する圧電体ペーストを振動板に印刷によって設けた後に焼成することで、振動板上に形成されているが、焼成時の加熱温度が1000℃と比較的高く、焼成後に室温まで降温したときに、異種材料間の熱膨張差に起因する残留応力の影響が残る。さらに、圧力室を有する基板と、ノズルを有する吐出用基板とを1200℃程度の高温で接合しているため、作業性が乏しい。
【0011】
そして、従来のインクジェットヘッドの製造方法は、振動板上に中間層を介して駆動用の圧電体を成膜して、圧電体を成膜した後に1000℃で焼成する工程を有しており、インクジェットヘッド素子を室温に降温したときに、材料が互いに異なる圧電体と振動板との間に、異種材料間の熱膨張差に起因する残留応力の影響が残るという不都合があった。このため、圧電体と振動板に熱応力による初期歪が予め発生するところから、信号電圧を印加した時の振動板の変位が小さくなり、吐出性能が低下するという問題が生じていた。
【0012】
そこで、本発明は、圧電体および電極を液体にさらすことなく気密に封止し、振動板と圧電体との熱膨張係数差による影響の軽減を図り、振動板の厚さ、圧力室、および流路の深さを高精度に形成することができるインクジェットヘッド素子を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明は、以下の種々の態様を包含する。
【0014】
(1) 本発明に係る液体吐出ヘッド素子は、複数のSi層とSi酸化膜層と交互に積層してなる積層基板と、この積層基板の一方の主面上に接合され液体を吐出するノズルを有する第1のガラス基板と、積層基板の他方の主面上に接合された第2のガラス基板とを備える。また、積層基板は、隣接するSi層とSi酸化膜層によって形成された振動板と、振動板の一方側に隣接して設けられた圧力室と、振動板の他方側に隣接して設けられた凹部と、凹部内に設けられ振動板を駆動するための圧電体と、圧力室に液体を供給するための流路とを有する。そして、振動板、圧力室、流路、および凹部は、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成される。
【0015】
以上のように構成された本発明に係る液体吐出ヘッド素子によれば、第2のガラス基板で圧電体の垂直変位によって生じる背圧を担い、同時に背圧に相当する圧力で振動板を変形させ、変形によって圧力室に体積変化を生じさせ、圧力室からノズルを経て液体を吐出する。そして、振動板、圧力室、流路、および凹部は、積層基板の厚み方向の深さが、各Si層およびSi酸化膜層の厚みを基準として形成されるため、寸法精度が向上される。
【0016】
(2) 第2のガラス基板には、圧電体に電力を供給するための配線が設けられ、積層基板の他方の表面に、第2のガラス基板を接合することによって、配線と圧電体とが電気的に接続されている(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0017】
(3) 流路は、積層基板の一方の主面側に位置するSi層に設けられた溝が、積層基板に第1のガラス基板を接合することによって閉塞されてなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0018】
(4) 圧力室は、振動板に隣接する積層基板のSi層に溝が設けられ、積層基板の一方の表面に、第1のガラス基板を接合してなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0019】
(5) 第2のガラス基板が積層基板に接合されることによって、第2のガラス基板と振動板との間に圧電体が挟み込まれ、凹部内に圧電体が気密に封止されている(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。これによって、液体吐出ヘッド素子が浸漬された際に、圧電体および配線に液体が接触することを確実に防止される。
【0020】
(6) 圧電体は、水晶、ペロブスカイト系結晶、タングステンブロンズ系結晶およびウルツ鉱型結晶のいずれかである(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0021】
(7) 圧電体は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸バリウムナトリウム、ZnO、AIN、BeOおよびCdSのいずれかの膜、またはこれら膜を積層した積層膜、あるいはこれら膜のバルク焼結体からなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0022】
(8) 第1および第2のガラス基板は、ソーダライムガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラスのいずれかからなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0023】
(9) 振動板の厚さは、1μm以上100μm以下である請求項1に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0024】
(10) 第2のガラス基板は、積層基板と熱膨張率がほぼ等しい(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。第2のガラス基板と積層基板のSi層との熱膨張係数が互いに近い値であることによって、第2のガラス基板とSi層とを陽極接合したときに生じる残留応力が液体吐出ヘッド素子に及ぼす影響が抑制される。
【0025】
(11) 第2のガラス基板の剛性は、振動板の剛性より大きい(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。この液体吐出ヘッド素子によれば、圧電体に電圧を印加したときの圧電体の歪変位によって生じる一方に隣接する振動板の変形量よりも、他方に隣接する第2のガラス基板の変形量が極めて小さくなるように、第2のガラス基板の厚さが設定される。これによって、電圧が印加された圧電体の歪変位の背圧を担うことで、圧電体の変位をそのまま振動板の変形に転換することを可能にし、圧電体の変位によって振動板に圧力室側への変形を生じさせ、圧力室に体積変化を生じさせて液体が良好に吐出される。
【0026】
(12) 上述した(1)乃至(11)のいずれかに記載の液体吐出ヘッド素子の製造方法であって、
積層基板のSi酸化膜層によってSi層のエッチング処理の進行を規制して、振動板、圧力室、流路、および凹部を形成する液体吐出ヘッド素子の製造方法。
【0027】
この液体吐出ヘッド素子の製造方法によれば、圧力室、流路および振動板が、積層基板のSi層と交互に積層されたSi酸化膜層を、エッチング処理の進行を規制するためのいわゆるエッチストップ層として利用することで、積層基板の厚さ方向に平行な、振動板の厚さ、圧力室になる溝の深さ、および流路になる溝の深さ、および凹部の深さが、それぞれのエッチング処理されるSi層の厚さにほぼ等しくなる。このため、例えばフォトリソグラフィ工程を用いたエッチング処理によって、振動板の厚さ、圧力室となる溝の深さ、および流路となる溝の深さ、および凹部の深さを所望の寸法に容易かつ確実に形成され、これら振動板、圧力室、流路、凹部の各寸法精度を向上することが可能になる。
【0028】
(13) 第1のガラス基板にノズルを形成する工程と、
積層基板に振動板、圧力室、流路、および凹部をそれぞれエッチング処理によって形成する工程と、
積層基板の一方の主面上に、ノズルが形成された第1のガラス基板を接合する工程と、
積層基板の他方の主面上に第2のガラス基板を接合する工程とを有する(12)に記載の液体吐出ヘッド素子の製造方法。予め第1のガラス基板に吐出用ノズルを形成した後、この第1のガラス基板を、圧力室が設けられた積層基板に接合することで、吐出用ノズルや流路および圧力室、振動板を容易に加工することが可能になる。
【0029】
(14) 積層基板に第2のガラス基板を陽極接合する(13)に記載の液体吐出ヘッド素子の製造方法。陽極接合することによって、300℃以下の温度で接合することが可能であるため、圧電体と、Si酸化膜層およびSi層からなる振動板との熱膨張差に起因する影響を軽減できる。なお、第2のガラス基板として、積層基板と熱膨張係数がほぼ等しいガラス材を用いた場合には、熱膨張差に起因する影響を更に軽減することが可能とされる。また、接合工程の温度が、300℃以下になることで、従来に比して低い温度での接合作業になるため、作業性が向上する。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0031】
本実施形態のインクジェットヘッドは、インクに機械的な振動を与え、この振動による圧力を利用してインクを吐出する方式が採用されており、吐出基板用基板の主面に対して垂直にインク滴を吐出させるサイドシューター型のインクジェットヘッドである。
【0032】
(第1の実施形態)
図1および図2に、本発明に係る第1の実施形態のインクジェットヘッド素子の縦断面図を示す。また、図3、図4および図5に、第1の実施形態のインクジェットヘッド素子の各Si層の横断面図を示す。
【0033】
図1および図2に示すように、インクジェットヘッド素子1は、複数のSi層とSi酸化膜層とを交互に積層してなるSOI(Si On Insulator)積層基板5と、インク滴を吐出するための吐出用ノズル8が形成された吐出用ガラス基板6と、ヘッド支持部材(不図示)に接合される接合用ガラス基板7とを備えている。
【0034】
SOI積層基板5は、吐出用ガラス基板6に隣接する側から順に、各第1〜第4のSi層11,12,13,14と、各第1〜第3のSi酸化膜層16,17,18とが交互に積層されて一体に形成されている。また、第1〜第4のSi層11,12,13,14は、SOI基板からなる。
【0035】
このSOI積層基板5には、図2および図3に示すように、第1および第2のSi層11,12および第1および第2のSi酸化膜層16,17の一部が除去されることによって、吐出用ガラス基板6の吐出用ノズル8から吐出するインクが供給される圧力室21が形成されている。また、SOI積層基板5には、第1のSi層11の一部が除去されることによって、圧力室21内にインクを供給するための入口流路22が、圧力室21に連通して形成されている。
【0036】
また、SOI積層基板5には、圧力室21の内壁をなす第3のSi層13の一部によって振動板23が形成されている。
【0037】
さらに、SOI積層基板5には、第4のSi層14の一部を除去することによって、振動板23を駆動するための圧電体26が収容される凹部25が形成されている。
【0038】
この凹部25には、図1および図2に示すように、圧電体26と、この圧電体を挟み込むように設けられた上電極27および下電極28と、圧電体26に電圧を印加するための電極配線29とがそれぞれ配設されている。
【0039】
凹部25内には、上電極27が、圧電体26上に積層されており、下電極28が、第3のSi酸化膜層18上に設けられている。また、凹部25内には、電極配線29が、接合用基板7に設けられている。
【0040】
吐出用ガラス基板6は、圧力室21に対向する位置に吐出用ノズル8が形成されており、SOI積層基板5の第1のSi層11に陽極接合されて設けられている。
【0041】
接合用ガラス基板7は、SOI積層基板5とほぼ等しい熱膨張係数を有する例えば、Pyrex(登録商標:コーニング(社))ガラス等が用いられており、SOI積層基板5の第4のSi層14に陽極接合されて設けられている。
【0042】
そして、SOI積層基板5は、凹部25を閉塞するように接合用ガラス基板7が接合されることによって、凹部25内が気密に封止されている。したがって、インクジェットヘッド素子1は、凹部25内が気密に封止されることによって、圧電体26、上電極27、電極配線29等にインクが付着することが防止されている。
【0043】
上述したインクジェットヘッド素子1は、圧電体26に電圧を印加することで、振動板23が厚み方向に振動されて、圧力室26内に充填されたインクが、吐出用ノズル8からインク滴30として吐出される。
【0044】
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド素子1の製造方法について説明する。
【0045】
まず、厚さ50μmの吐出用ガラス基板6に、圧力室21と対向する位置に、フォトリソグラフィ工程を経て、吐出用ノズル8をフッ酸でウエットエッチング処理によって形成する。
【0046】
続いて、吐出用ガラス基板6に臨む一方側から順に、第1のSi層11、第1のSi酸化膜層16、第2のSi層12、第2のSi酸化膜層17、第3のSi層13、第3のSi酸化膜層18、第4のSi層14を積層して一体に接合することで、SOI積層基板5を作製する。
【0047】
次に、図1および図3に示すように、第1のSi酸化膜16を、エッチング処理の進行を規制するためのエッチストップ層として、第1のSi層11に入口流路22を、フォトリソグラフィ工程を用いて、フッ硝酸でウエットエッチング処理により形成し、さらに上述した各工程と同様な工程を経て圧力室21を形成した。
【0048】
すなわち、図2に示すように、第1のSi酸化膜層16をエッチストップ層として用いることで、第1のSi層11をウエットエッチング処理によって除去し、この後、第2のSi層12をエッチストップ層として用いることで、第1のSi酸化膜層16をウエットエッチング処理によって除去する。続いて、第2のSi酸化膜層17をエッチストップ層として用いることで、第2のSi層12をウエットエッチング処理によって除去し、この後、第3のSi層13をエッチストップ層として用いることで、第2のSi酸化膜層17をウエットエッチング処理によって除去した。
【0049】
さらに続いて、第4のSi層14に、図2に示すように、圧力室21に対応するように、凹部25をウエットエッチング処理によって形成し、その結果、圧力室21と凹部25との間に位置する第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18の一部を振動板23として構成した。
【0050】
次に、吐出用ガラス基板6とSOI積層基板5の第1のSi層11とを対向させ、吐出用ノズル8と圧力室21とを互いに相対向させるように位置決めして調整した後、吐出用ガラス基板6と第1のSi層11とを陽極接合する。
【0051】
そして、図1に示すように、凹部25の第3のSi酸化膜層18上にPt(白金)からなる下電極28、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる圧電体26、そしてPtからなる上電極27を順次成膜する。さらに、接合用ガラス基板7上には、上電極27に相対向する位置にAlからなる電極配線29を成膜する。
【0052】
次に、図2に示すように、上電極27と電極配線29とを互いに相対向させるように位置決めして調整し、上電極27と電極配線29を密着させながら、接合用ガラス基板7と第4のSi層14とを陽極接合する。この場合、圧電体26に駆動用電圧を印加したときに、圧電体26の変位による背圧を接合用ガラス基板7で担い、同時に圧電体26の変位で振動板23を変形させ、この変形によって背圧に相当する圧力で圧力室21の体積を収縮するような構造に陽極接合した。
【0053】
したがって、この陽極接合の際に、振動板23は、圧力室21に向かって凸状に変形する。なお、上述した各第1〜第4のSi層11,12,13,14の各々のエッチング処理は、等方性エッチングによって行ったものであり、陽極接合は、加熱温度を300℃、印加電圧を300V、接合時間を30分として行った。さらに、圧電体26の分極処理は、下電極28、圧電体26および上電極27を成膜した後に行った。
【0054】
そして、第1のSi層11を厚さ20μm程度、第2のSi層12を厚さ80μm程度、第3のSi層13を厚さ10μm程度、第4のSi層14を厚さ7μm程度、吐出用ノズル8を直径20μm程度およびPZTからなる圧電体26の厚さを7μm程度にそれぞれ形成されている。この後、上述したインクジェットヘッド素子1の吐出用ノズル8以外を、図示しないが、インクで満たしたインクプール内に浸漬し、吐出系を組み込み、下電極および上電極に電圧を印加することによって、吐出用ノズル8からインクが良好に吐出された。
【0055】
なお、本実施形態において、圧電体26が成膜されることで形成されたが、この他にも例えば、圧電体を積層状に形成したもの、バルク焼結体を薄片化研磨したものを用いてもよいことは勿論である。そして、本実施形態では、圧電体26としてPZTが用いられたが、この他にも圧電特性を示す材料であれば良く、例えば、水晶、ペロブスカイト系結晶、タングステンブロンズ系結晶、あるいはウルツ鉱型結晶であり、好ましくはPZT系、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸バリウムナトリウム、ZnO、AIN、BeO、およびCdSでも良く、あるいはこれらを成膜したもの、あるいは積層膜、あるいはこれらのバルク焼結体でも良い。
【0056】
上述したように、インクジェットヘッド素子1によれば、SOI積層基板5に、振動板23、圧力室21、入口流路22、および凹部25が、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成されたことによって、各第1〜第4のSi層11,12,13,14、各第1〜第3のSi酸化膜層16,17,18の厚みを基準として形成されるため、振動板23の厚さや、圧力室21、入口流路22、凹部25の深さを容易かつ確実に高精度に形成することができる。
【0057】
また、インクジェットヘッド素子1によれば、圧電体26およびこの圧電体26を駆動するための電極配線29を、インクに接触させることなく気密に封止することができる。
【0058】
また、インクジェットヘッド素子1によれば、振動板23の剛性よりも比較的大きな剛性を有する接合用ガラス基板7を備えることによって、電圧を印加した圧電体26の歪変位の背圧を担うことで、変位によって振動板23に圧力室21側への変形を生じさせ、インクが良好に吐出される。
【0059】
また、インクジェットヘッド素子1によれば、SOI積層基板5の第4のSi層14と接合用ガラス基板7との接合が、陽極接合法で接合することで、300℃以下の温度で接合することが可能であるため、圧電体26と、第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18からなる振動板23との熱膨張差に起因する影響を軽減できる。なお、接合用ガラス基板7として、SOI積層基板5と熱膨張係数がほぼ等しいガラス材を用いた場合には、熱膨張差に起因する影響を更に軽減することができる。また、接合時の温度が、300℃以下になるため、従来に比して低い温度での接合作業が可能になるため、作業性を向上することができる。
【0060】
また、インクジェットヘッド素子1は、接合用ガラス基板7とSOI積層基板5の第4のSi層14との各熱膨張係数が互いに近い値であるため、接合用ガラス基板7と第4のSi層14とを陽極接合したときに生じる残留応力がインクジェトヘッド素子1に及ぼす悪影響を抑えることができる。
【0061】
さらに、インクジェットヘッド素子1は、吐出用ノズル8および電極配線29が設けられた吐出用ガラス基板6および接合用ガラス基板7は、光透過性を有することで透視可能であるため、SOI積層基板5の各Si層11,14との陽極接合時に、SOI積層基板5に対して吐出用ガラス基板6および接合用ガラス基板7を容易かつ確実に位置決めして調整することができる。
【0062】
インクジェットヘッド素子1の製造方法によれば、SOI基板である複数のSi層と複数のSi酸化膜層とを交互に接合することによって一体化されたSOI積層基板5のSi酸化膜層をエッチストップ層として用いることで、Si層のみを確実にエッチング処理することができる。このため、この製造方法によれば、第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18によって形成される振動板23、圧力室21、入口流路22、および圧電体26を取り付ける凹部25を、Si層の厚さにそれぞれ相当する深さにエッチング処理することができる。すなわち、それぞれのSi層の厚さを所望の寸法に適宜変更することによって、振動板23、圧力室21、入口流路22、および凹部25をそれぞれ所望の深さに容易かつ確実に加工することができる。
【0063】
また、インクジェットヘッド素子1の製造方法によれば、予め吐出用ガラス基板6に吐出用ノズル8を形成した後、この吐出用ガラス基板6を、圧力室21が設けられたSOI積層基板5の第1のSi層11に接合することによって、吐出用ノズル8や入口流路22、および圧力室21、振動板23を容易に形成することができる。
【0064】
(第2の実施形態)
上述した第1の実施形態のインクジェットヘッド素子1は、1つの圧力室を有する構成にされたが、複数の圧力室を有する第2の実施形態のインクジェットヘッド素子について図面を参照して説明する。
【0065】
図6および図7に、本発明に係る第2の実施形態のインクジェットヘッド素子の縦断面図を示す。また、図8、図9および図10に、第2の実施形態のインクジェットヘッド素子の各Si層の横断面図を示す。
【0066】
図6および図7に示すように、インクジェットヘッド素子2は、上述したインクジェット素子1と基本構成がほぼ等しいため、便宜上、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【0067】
インクジェットヘッド素子2が備えるSOI積層基板5には、図8に示すように、第1のSi層11に、入口流路22とインクプール(不図示)とを連通するための流路31が格子状に形成されている。
【0068】
また、インクジェットヘッド素子2が備える吐出用ガラス基板6には、図9に示すように、複数の吐出用ノズル8が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ配列されて設けられている。
【0069】
また、インクジェットヘッド素子2が備えるSOI積層基板5には、図10に示すように、第4のSi層14に、複数の凹部25が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ形成されており、行方向に対して直線上に配列された各凹部25が互いに連通されている。
【0070】
さらに、インクジェットヘッド素子2が備える接合用ガラス基板7には、図11に示すように、複数の配線電極29が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ設けられており、列方向に対して直線上に配列された各配線電極29が互いに導通されている。
【0071】
上述したインクジェットヘッド素子2は、圧電体26に電圧を印加することで、振動板23が厚み方向に振動されて、圧力室26内に充填されたインクが、吐出用ノズル8からインク滴30として吐出される。
【0072】
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド素子2の製造方法について説明する。
【0073】
まず、上述した構成において、厚さ50μm程度の吐出用ガラス基板6に、圧力室21に対向する位置に、図9に示すような複数の吐出用ノズル8を、電子ビームを用いて直径20μm程度にそれぞれ形成する。
【0074】
続いて、吐出用ガラス基板6に臨む一方側から順に、第1のSi層11、第1のSi酸化膜層16、第2のSi層12、第2のSi酸化膜層17、第3のSi層13、第3のSi酸化膜層18、第4のSi層14を積層して一体に接合することで、SOI積層基板5を作製する。
【0075】
次に、SOI積層基板5に、第1のSi酸化膜16をエッチストップ層として用いることで第1のSi層11に、図6および図8に示すように、入口流路22および流路31を、フォトリソグラフィ工程を用いて、フッ硝酸によるエッチング処理によって形成し、さらに上述した工程と同様の工程によって圧力室21を形成した。
【0076】
すなわち、図7に示すように、第1のSi酸化膜16をエッチストップ層として用いることで、第1のSi層11をウエットエッチング処理によって除去し、この後、第2のSi層12をエッチストップ層として用いることで、第1のSi酸化膜層16をバッファーフッ酸でウエットエッチング処理によって除去する。続いて、第2のSi酸化膜層17をエッチストップ層として用いることで、第2のSi層12を同様にフッ硝酸でウエットエッチング処理によって除去し、この後、第3のSi層13をエッチストップ層として用いることで、第2のSi酸化膜層17をバッファーフッ酸でウエットエッチング処理によって除去した。
【0077】
さらに、第4のSi層14に、図7および図10に示すように、フォトリソグラフィ工程を経て、圧力室21に対応するように、凹部25をフッ硝酸でウエットエッチング処理によって形成し、その結果、圧力室21と凹部25との間に位置する第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18の一部を振動板23として構成する。
【0078】
この後、吐出用ガラス基板6とSOI積層基板5の第1のSi層11とを対向させ、吐出用ノズル8と圧力室21とを互いに相対向させるように位置決めして調整し、この後、吐出用ガラス基板6とSi層3とを陽極接合する。この陽極接合は、加熱温度を300℃、印加電圧を300V、接合時間を30分として行った。
【0079】
そして、図7に示すように、凹部25の第3のSi酸化膜層18上に、Pt膜からなる下電極28、ZnO膜からなる圧電体26、Pt膜からなる上電極27を順次それぞれ成膜し、さらに接合用ガラス基板7上に、上電極27に相対向する位置にAl膜からなる電極配線29を成膜する。なお、下電極28は、図10に示すように、凹部25の第3のSi酸化膜層18上にPt膜が成膜されてなり、行毎に下電極28が電気的に導通している。
【0080】
この後、図7に示すように、上電極27と電極配線29とを互いに相対向させるよう位置決めして調整し、上電極27と電極配線29を密着させながら、接合用ガラス基板7と第4のSi層14とを陽極接合する。陽極接合は、例えば、加熱温度を300℃、印加電圧を300V、接合時間を30分間として行った。この場合、圧電体26に電圧を印加したときに、圧電体26に生じる変位の背圧を接合用ガラス基板7で担い、同時に変位で振動板23が圧力室21側に変形し、この変形により圧力室21内の体積を収縮するような構造に陽極接合を用いて形成した。
【0081】
なお、圧電体26の分極処理は、陽極接合前の段階で、すなわち下電極28、圧電体26および上電極27をそれぞれ成膜した後に行った。そして、入口流路22および流路31の高さ寸法を20μm程度に、圧力室21の高さ寸法を80μm程度に、振動板23の厚さを10μm程度におよび圧電体26の厚さを10μm程度に形成できるように、それぞれ第1のSi層11の厚さを20μm程度に、第2のSi層12に厚さを80μm程度に、第3のSi層13の厚さを10μm程度に、および第4のSi層14の厚さを約10μm程度にそれぞれ形成した。
【0082】
なお、本実施形態では、振動板23の厚さを10μm程度に形成したが、振動板の厚さを10μmの厚さに固定する必要はなく(圧電体26の圧電特性にも依存するが)、振動板23の厚さは、プロセスによる作製上、1μm以上100μm以下に形成することが好ましい。振動板23の厚さが、1μmよりも小さい場合には、振動板の変形後の復元力が小さくなるため吐出振動数が低下し、100μmよりも大きい場合には、剛性が大きくなるため振動板の変形量が少なくなるため、好ましくない。
【0083】
なお、上述したSOI積層基板5は、Si層であるSOI基板上にSi酸化膜層を成膜する成膜工程と、成膜されたSi酸化膜層に次のSi層であるSOI基板を貼り合わせて接合する接合工程と、Si酸化膜層に接合されたSOI基板の厚みを調整するために研磨する研磨工程とをそれぞれ繰り返すことで作製される。なお、本実施形態の吐出用ガラス基板6および接合用ガラス基板7は、ガラス材として、リチウムアルミノシリケートベータクオーツが用いられている。
【0084】
上述したインクジェットヘッド素子2を作製した後、それぞれマトリックス状の下電極28および上電極27間に電圧を印加することで、下電極28と上電極27が交差した位置、すなわちマトリックスの交差する位置の吐出用ノズル8からインク滴30が良好に吐出された。
【0085】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、隣接するSi層とSi酸化膜層によって形成された振動板と、振動板の一方側に隣接して設けられた圧力室と、振動板の他方側に隣接して設けられた凹部と、凹部内に設けられ振動板を駆動するための圧電体と、圧力室に液体を供給するための流路とを有する積層基板を備え、振動板、圧力室、流路、および凹部が、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成されたことによって、振動板、圧力室、流路、および凹部の寸法精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す縦断面図である。
【図2】第1の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す分解縦断面図である。
【図3】図1におけるA−A横断面図である。
【図4】図1におけるB−B横断面図である。
【図5】図1におけるC−C横断面図である。
【図6】第2の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す縦断面図である。
【図7】第2の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す分解縦断面図である。
【図8】図7におけるD−D横断面図である。
【図9】図7におけるE−E横断面図である。
【図10】図7におけるF−F横断面図である。
【図11】図7におけるG−G横断面図である。
【符号の説明】
1,2 インクジェットヘッド素子
5 SOI積層基板
6 吐出用ガラス基板
7 接合用ガラス基板
8 吐出用ノズル
11,12,13,14 第1〜第4のSi層
16,17,18 第1〜第3のSi酸化膜層
21 圧力室
22 入口流路
23 振動板
25 凹部
26 圧電体
27 上電極
28 下電極
29 電極配線
30 インク滴
31 流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッド素子に関し、特に固体溶融インクを吐出するための液体吐出ヘッド素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば記録用紙やフィルム等の記録媒体にインクを吐出して、文字や画像等を記録するためのインクジェットヘッドが知られている。この種のインクジェットヘッドは、圧力室内にインクを導入し、電気−機械変換素子(圧電体)を用いて圧力室に体積変化を与え、圧力室からノズルを介してインクを吐出させるように構成されている。
【0003】
そして、近年、高速、高画質、低消費電力、低価格のインクジェットプリンタが要求されている。このため、低消費電力で駆動可能な、かつ高集積化可能なインクジェットヘッドの形状や構造が提案されている。
【0004】
従来、溶融インクの液室内に圧電体素子を設け、この圧電素子の電気−機械変換によってノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドが開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
また、従来、圧電体を焼成する温度に対して耐熱性を有する材料で振動板を形成し、振動板に圧電体ペーストを印刷して設けた後に、加熱、焼成して、圧電体を形成するインクジェットヘッドの製造方法が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0006】
また、従来、圧電体を焼成する温度で、圧電体の一部元素が振動板に拡散しないために、圧電体と振動板との間に中間層を設けるインクジェットヘッドが開示されている(例えば、特許文献3参照。)。
【0007】
【特許文献1】
特許第02692121号明細書
【特許文献2】
特開平6−198895号公報
【特許文献3】
特開平10−296974号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、インクジェットヘッドをインク中に浸漬した時、駆動用圧電素子および電極がインクに直接接触してしまう。このため、絶縁性の低下による駆動用圧電素子の変形量の低下、および腐食性インク液の使用の際に懸念される駆動用圧電素子の腐食による性能低下という問題がある。
【0009】
さらに、従来のインクジェットヘッドは、各圧力室が分離されていないため、インクの吐出動作にクロストークの影響を受けやすいという問題があった。
【0010】
また、駆動用の圧電体は、圧電材料を含有する圧電体ペーストを振動板に印刷によって設けた後に焼成することで、振動板上に形成されているが、焼成時の加熱温度が1000℃と比較的高く、焼成後に室温まで降温したときに、異種材料間の熱膨張差に起因する残留応力の影響が残る。さらに、圧力室を有する基板と、ノズルを有する吐出用基板とを1200℃程度の高温で接合しているため、作業性が乏しい。
【0011】
そして、従来のインクジェットヘッドの製造方法は、振動板上に中間層を介して駆動用の圧電体を成膜して、圧電体を成膜した後に1000℃で焼成する工程を有しており、インクジェットヘッド素子を室温に降温したときに、材料が互いに異なる圧電体と振動板との間に、異種材料間の熱膨張差に起因する残留応力の影響が残るという不都合があった。このため、圧電体と振動板に熱応力による初期歪が予め発生するところから、信号電圧を印加した時の振動板の変位が小さくなり、吐出性能が低下するという問題が生じていた。
【0012】
そこで、本発明は、圧電体および電極を液体にさらすことなく気密に封止し、振動板と圧電体との熱膨張係数差による影響の軽減を図り、振動板の厚さ、圧力室、および流路の深さを高精度に形成することができるインクジェットヘッド素子を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明は、以下の種々の態様を包含する。
【0014】
(1) 本発明に係る液体吐出ヘッド素子は、複数のSi層とSi酸化膜層と交互に積層してなる積層基板と、この積層基板の一方の主面上に接合され液体を吐出するノズルを有する第1のガラス基板と、積層基板の他方の主面上に接合された第2のガラス基板とを備える。また、積層基板は、隣接するSi層とSi酸化膜層によって形成された振動板と、振動板の一方側に隣接して設けられた圧力室と、振動板の他方側に隣接して設けられた凹部と、凹部内に設けられ振動板を駆動するための圧電体と、圧力室に液体を供給するための流路とを有する。そして、振動板、圧力室、流路、および凹部は、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成される。
【0015】
以上のように構成された本発明に係る液体吐出ヘッド素子によれば、第2のガラス基板で圧電体の垂直変位によって生じる背圧を担い、同時に背圧に相当する圧力で振動板を変形させ、変形によって圧力室に体積変化を生じさせ、圧力室からノズルを経て液体を吐出する。そして、振動板、圧力室、流路、および凹部は、積層基板の厚み方向の深さが、各Si層およびSi酸化膜層の厚みを基準として形成されるため、寸法精度が向上される。
【0016】
(2) 第2のガラス基板には、圧電体に電力を供給するための配線が設けられ、積層基板の他方の表面に、第2のガラス基板を接合することによって、配線と圧電体とが電気的に接続されている(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0017】
(3) 流路は、積層基板の一方の主面側に位置するSi層に設けられた溝が、積層基板に第1のガラス基板を接合することによって閉塞されてなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0018】
(4) 圧力室は、振動板に隣接する積層基板のSi層に溝が設けられ、積層基板の一方の表面に、第1のガラス基板を接合してなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0019】
(5) 第2のガラス基板が積層基板に接合されることによって、第2のガラス基板と振動板との間に圧電体が挟み込まれ、凹部内に圧電体が気密に封止されている(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。これによって、液体吐出ヘッド素子が浸漬された際に、圧電体および配線に液体が接触することを確実に防止される。
【0020】
(6) 圧電体は、水晶、ペロブスカイト系結晶、タングステンブロンズ系結晶およびウルツ鉱型結晶のいずれかである(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0021】
(7) 圧電体は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸バリウムナトリウム、ZnO、AIN、BeOおよびCdSのいずれかの膜、またはこれら膜を積層した積層膜、あるいはこれら膜のバルク焼結体からなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0022】
(8) 第1および第2のガラス基板は、ソーダライムガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラスのいずれかからなる(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0023】
(9) 振動板の厚さは、1μm以上100μm以下である請求項1に記載の液体吐出ヘッド素子。
【0024】
(10) 第2のガラス基板は、積層基板と熱膨張率がほぼ等しい(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。第2のガラス基板と積層基板のSi層との熱膨張係数が互いに近い値であることによって、第2のガラス基板とSi層とを陽極接合したときに生じる残留応力が液体吐出ヘッド素子に及ぼす影響が抑制される。
【0025】
(11) 第2のガラス基板の剛性は、振動板の剛性より大きい(1)に記載の液体吐出ヘッド素子。この液体吐出ヘッド素子によれば、圧電体に電圧を印加したときの圧電体の歪変位によって生じる一方に隣接する振動板の変形量よりも、他方に隣接する第2のガラス基板の変形量が極めて小さくなるように、第2のガラス基板の厚さが設定される。これによって、電圧が印加された圧電体の歪変位の背圧を担うことで、圧電体の変位をそのまま振動板の変形に転換することを可能にし、圧電体の変位によって振動板に圧力室側への変形を生じさせ、圧力室に体積変化を生じさせて液体が良好に吐出される。
【0026】
(12) 上述した(1)乃至(11)のいずれかに記載の液体吐出ヘッド素子の製造方法であって、
積層基板のSi酸化膜層によってSi層のエッチング処理の進行を規制して、振動板、圧力室、流路、および凹部を形成する液体吐出ヘッド素子の製造方法。
【0027】
この液体吐出ヘッド素子の製造方法によれば、圧力室、流路および振動板が、積層基板のSi層と交互に積層されたSi酸化膜層を、エッチング処理の進行を規制するためのいわゆるエッチストップ層として利用することで、積層基板の厚さ方向に平行な、振動板の厚さ、圧力室になる溝の深さ、および流路になる溝の深さ、および凹部の深さが、それぞれのエッチング処理されるSi層の厚さにほぼ等しくなる。このため、例えばフォトリソグラフィ工程を用いたエッチング処理によって、振動板の厚さ、圧力室となる溝の深さ、および流路となる溝の深さ、および凹部の深さを所望の寸法に容易かつ確実に形成され、これら振動板、圧力室、流路、凹部の各寸法精度を向上することが可能になる。
【0028】
(13) 第1のガラス基板にノズルを形成する工程と、
積層基板に振動板、圧力室、流路、および凹部をそれぞれエッチング処理によって形成する工程と、
積層基板の一方の主面上に、ノズルが形成された第1のガラス基板を接合する工程と、
積層基板の他方の主面上に第2のガラス基板を接合する工程とを有する(12)に記載の液体吐出ヘッド素子の製造方法。予め第1のガラス基板に吐出用ノズルを形成した後、この第1のガラス基板を、圧力室が設けられた積層基板に接合することで、吐出用ノズルや流路および圧力室、振動板を容易に加工することが可能になる。
【0029】
(14) 積層基板に第2のガラス基板を陽極接合する(13)に記載の液体吐出ヘッド素子の製造方法。陽極接合することによって、300℃以下の温度で接合することが可能であるため、圧電体と、Si酸化膜層およびSi層からなる振動板との熱膨張差に起因する影響を軽減できる。なお、第2のガラス基板として、積層基板と熱膨張係数がほぼ等しいガラス材を用いた場合には、熱膨張差に起因する影響を更に軽減することが可能とされる。また、接合工程の温度が、300℃以下になることで、従来に比して低い温度での接合作業になるため、作業性が向上する。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0031】
本実施形態のインクジェットヘッドは、インクに機械的な振動を与え、この振動による圧力を利用してインクを吐出する方式が採用されており、吐出基板用基板の主面に対して垂直にインク滴を吐出させるサイドシューター型のインクジェットヘッドである。
【0032】
(第1の実施形態)
図1および図2に、本発明に係る第1の実施形態のインクジェットヘッド素子の縦断面図を示す。また、図3、図4および図5に、第1の実施形態のインクジェットヘッド素子の各Si層の横断面図を示す。
【0033】
図1および図2に示すように、インクジェットヘッド素子1は、複数のSi層とSi酸化膜層とを交互に積層してなるSOI(Si On Insulator)積層基板5と、インク滴を吐出するための吐出用ノズル8が形成された吐出用ガラス基板6と、ヘッド支持部材(不図示)に接合される接合用ガラス基板7とを備えている。
【0034】
SOI積層基板5は、吐出用ガラス基板6に隣接する側から順に、各第1〜第4のSi層11,12,13,14と、各第1〜第3のSi酸化膜層16,17,18とが交互に積層されて一体に形成されている。また、第1〜第4のSi層11,12,13,14は、SOI基板からなる。
【0035】
このSOI積層基板5には、図2および図3に示すように、第1および第2のSi層11,12および第1および第2のSi酸化膜層16,17の一部が除去されることによって、吐出用ガラス基板6の吐出用ノズル8から吐出するインクが供給される圧力室21が形成されている。また、SOI積層基板5には、第1のSi層11の一部が除去されることによって、圧力室21内にインクを供給するための入口流路22が、圧力室21に連通して形成されている。
【0036】
また、SOI積層基板5には、圧力室21の内壁をなす第3のSi層13の一部によって振動板23が形成されている。
【0037】
さらに、SOI積層基板5には、第4のSi層14の一部を除去することによって、振動板23を駆動するための圧電体26が収容される凹部25が形成されている。
【0038】
この凹部25には、図1および図2に示すように、圧電体26と、この圧電体を挟み込むように設けられた上電極27および下電極28と、圧電体26に電圧を印加するための電極配線29とがそれぞれ配設されている。
【0039】
凹部25内には、上電極27が、圧電体26上に積層されており、下電極28が、第3のSi酸化膜層18上に設けられている。また、凹部25内には、電極配線29が、接合用基板7に設けられている。
【0040】
吐出用ガラス基板6は、圧力室21に対向する位置に吐出用ノズル8が形成されており、SOI積層基板5の第1のSi層11に陽極接合されて設けられている。
【0041】
接合用ガラス基板7は、SOI積層基板5とほぼ等しい熱膨張係数を有する例えば、Pyrex(登録商標:コーニング(社))ガラス等が用いられており、SOI積層基板5の第4のSi層14に陽極接合されて設けられている。
【0042】
そして、SOI積層基板5は、凹部25を閉塞するように接合用ガラス基板7が接合されることによって、凹部25内が気密に封止されている。したがって、インクジェットヘッド素子1は、凹部25内が気密に封止されることによって、圧電体26、上電極27、電極配線29等にインクが付着することが防止されている。
【0043】
上述したインクジェットヘッド素子1は、圧電体26に電圧を印加することで、振動板23が厚み方向に振動されて、圧力室26内に充填されたインクが、吐出用ノズル8からインク滴30として吐出される。
【0044】
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド素子1の製造方法について説明する。
【0045】
まず、厚さ50μmの吐出用ガラス基板6に、圧力室21と対向する位置に、フォトリソグラフィ工程を経て、吐出用ノズル8をフッ酸でウエットエッチング処理によって形成する。
【0046】
続いて、吐出用ガラス基板6に臨む一方側から順に、第1のSi層11、第1のSi酸化膜層16、第2のSi層12、第2のSi酸化膜層17、第3のSi層13、第3のSi酸化膜層18、第4のSi層14を積層して一体に接合することで、SOI積層基板5を作製する。
【0047】
次に、図1および図3に示すように、第1のSi酸化膜16を、エッチング処理の進行を規制するためのエッチストップ層として、第1のSi層11に入口流路22を、フォトリソグラフィ工程を用いて、フッ硝酸でウエットエッチング処理により形成し、さらに上述した各工程と同様な工程を経て圧力室21を形成した。
【0048】
すなわち、図2に示すように、第1のSi酸化膜層16をエッチストップ層として用いることで、第1のSi層11をウエットエッチング処理によって除去し、この後、第2のSi層12をエッチストップ層として用いることで、第1のSi酸化膜層16をウエットエッチング処理によって除去する。続いて、第2のSi酸化膜層17をエッチストップ層として用いることで、第2のSi層12をウエットエッチング処理によって除去し、この後、第3のSi層13をエッチストップ層として用いることで、第2のSi酸化膜層17をウエットエッチング処理によって除去した。
【0049】
さらに続いて、第4のSi層14に、図2に示すように、圧力室21に対応するように、凹部25をウエットエッチング処理によって形成し、その結果、圧力室21と凹部25との間に位置する第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18の一部を振動板23として構成した。
【0050】
次に、吐出用ガラス基板6とSOI積層基板5の第1のSi層11とを対向させ、吐出用ノズル8と圧力室21とを互いに相対向させるように位置決めして調整した後、吐出用ガラス基板6と第1のSi層11とを陽極接合する。
【0051】
そして、図1に示すように、凹部25の第3のSi酸化膜層18上にPt(白金)からなる下電極28、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる圧電体26、そしてPtからなる上電極27を順次成膜する。さらに、接合用ガラス基板7上には、上電極27に相対向する位置にAlからなる電極配線29を成膜する。
【0052】
次に、図2に示すように、上電極27と電極配線29とを互いに相対向させるように位置決めして調整し、上電極27と電極配線29を密着させながら、接合用ガラス基板7と第4のSi層14とを陽極接合する。この場合、圧電体26に駆動用電圧を印加したときに、圧電体26の変位による背圧を接合用ガラス基板7で担い、同時に圧電体26の変位で振動板23を変形させ、この変形によって背圧に相当する圧力で圧力室21の体積を収縮するような構造に陽極接合した。
【0053】
したがって、この陽極接合の際に、振動板23は、圧力室21に向かって凸状に変形する。なお、上述した各第1〜第4のSi層11,12,13,14の各々のエッチング処理は、等方性エッチングによって行ったものであり、陽極接合は、加熱温度を300℃、印加電圧を300V、接合時間を30分として行った。さらに、圧電体26の分極処理は、下電極28、圧電体26および上電極27を成膜した後に行った。
【0054】
そして、第1のSi層11を厚さ20μm程度、第2のSi層12を厚さ80μm程度、第3のSi層13を厚さ10μm程度、第4のSi層14を厚さ7μm程度、吐出用ノズル8を直径20μm程度およびPZTからなる圧電体26の厚さを7μm程度にそれぞれ形成されている。この後、上述したインクジェットヘッド素子1の吐出用ノズル8以外を、図示しないが、インクで満たしたインクプール内に浸漬し、吐出系を組み込み、下電極および上電極に電圧を印加することによって、吐出用ノズル8からインクが良好に吐出された。
【0055】
なお、本実施形態において、圧電体26が成膜されることで形成されたが、この他にも例えば、圧電体を積層状に形成したもの、バルク焼結体を薄片化研磨したものを用いてもよいことは勿論である。そして、本実施形態では、圧電体26としてPZTが用いられたが、この他にも圧電特性を示す材料であれば良く、例えば、水晶、ペロブスカイト系結晶、タングステンブロンズ系結晶、あるいはウルツ鉱型結晶であり、好ましくはPZT系、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸バリウムナトリウム、ZnO、AIN、BeO、およびCdSでも良く、あるいはこれらを成膜したもの、あるいは積層膜、あるいはこれらのバルク焼結体でも良い。
【0056】
上述したように、インクジェットヘッド素子1によれば、SOI積層基板5に、振動板23、圧力室21、入口流路22、および凹部25が、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成されたことによって、各第1〜第4のSi層11,12,13,14、各第1〜第3のSi酸化膜層16,17,18の厚みを基準として形成されるため、振動板23の厚さや、圧力室21、入口流路22、凹部25の深さを容易かつ確実に高精度に形成することができる。
【0057】
また、インクジェットヘッド素子1によれば、圧電体26およびこの圧電体26を駆動するための電極配線29を、インクに接触させることなく気密に封止することができる。
【0058】
また、インクジェットヘッド素子1によれば、振動板23の剛性よりも比較的大きな剛性を有する接合用ガラス基板7を備えることによって、電圧を印加した圧電体26の歪変位の背圧を担うことで、変位によって振動板23に圧力室21側への変形を生じさせ、インクが良好に吐出される。
【0059】
また、インクジェットヘッド素子1によれば、SOI積層基板5の第4のSi層14と接合用ガラス基板7との接合が、陽極接合法で接合することで、300℃以下の温度で接合することが可能であるため、圧電体26と、第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18からなる振動板23との熱膨張差に起因する影響を軽減できる。なお、接合用ガラス基板7として、SOI積層基板5と熱膨張係数がほぼ等しいガラス材を用いた場合には、熱膨張差に起因する影響を更に軽減することができる。また、接合時の温度が、300℃以下になるため、従来に比して低い温度での接合作業が可能になるため、作業性を向上することができる。
【0060】
また、インクジェットヘッド素子1は、接合用ガラス基板7とSOI積層基板5の第4のSi層14との各熱膨張係数が互いに近い値であるため、接合用ガラス基板7と第4のSi層14とを陽極接合したときに生じる残留応力がインクジェトヘッド素子1に及ぼす悪影響を抑えることができる。
【0061】
さらに、インクジェットヘッド素子1は、吐出用ノズル8および電極配線29が設けられた吐出用ガラス基板6および接合用ガラス基板7は、光透過性を有することで透視可能であるため、SOI積層基板5の各Si層11,14との陽極接合時に、SOI積層基板5に対して吐出用ガラス基板6および接合用ガラス基板7を容易かつ確実に位置決めして調整することができる。
【0062】
インクジェットヘッド素子1の製造方法によれば、SOI基板である複数のSi層と複数のSi酸化膜層とを交互に接合することによって一体化されたSOI積層基板5のSi酸化膜層をエッチストップ層として用いることで、Si層のみを確実にエッチング処理することができる。このため、この製造方法によれば、第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18によって形成される振動板23、圧力室21、入口流路22、および圧電体26を取り付ける凹部25を、Si層の厚さにそれぞれ相当する深さにエッチング処理することができる。すなわち、それぞれのSi層の厚さを所望の寸法に適宜変更することによって、振動板23、圧力室21、入口流路22、および凹部25をそれぞれ所望の深さに容易かつ確実に加工することができる。
【0063】
また、インクジェットヘッド素子1の製造方法によれば、予め吐出用ガラス基板6に吐出用ノズル8を形成した後、この吐出用ガラス基板6を、圧力室21が設けられたSOI積層基板5の第1のSi層11に接合することによって、吐出用ノズル8や入口流路22、および圧力室21、振動板23を容易に形成することができる。
【0064】
(第2の実施形態)
上述した第1の実施形態のインクジェットヘッド素子1は、1つの圧力室を有する構成にされたが、複数の圧力室を有する第2の実施形態のインクジェットヘッド素子について図面を参照して説明する。
【0065】
図6および図7に、本発明に係る第2の実施形態のインクジェットヘッド素子の縦断面図を示す。また、図8、図9および図10に、第2の実施形態のインクジェットヘッド素子の各Si層の横断面図を示す。
【0066】
図6および図7に示すように、インクジェットヘッド素子2は、上述したインクジェット素子1と基本構成がほぼ等しいため、便宜上、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【0067】
インクジェットヘッド素子2が備えるSOI積層基板5には、図8に示すように、第1のSi層11に、入口流路22とインクプール(不図示)とを連通するための流路31が格子状に形成されている。
【0068】
また、インクジェットヘッド素子2が備える吐出用ガラス基板6には、図9に示すように、複数の吐出用ノズル8が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ配列されて設けられている。
【0069】
また、インクジェットヘッド素子2が備えるSOI積層基板5には、図10に示すように、第4のSi層14に、複数の凹部25が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ形成されており、行方向に対して直線上に配列された各凹部25が互いに連通されている。
【0070】
さらに、インクジェットヘッド素子2が備える接合用ガラス基板7には、図11に示すように、複数の配線電極29が互いに所定の間隔をあけてそれぞれ設けられており、列方向に対して直線上に配列された各配線電極29が互いに導通されている。
【0071】
上述したインクジェットヘッド素子2は、圧電体26に電圧を印加することで、振動板23が厚み方向に振動されて、圧力室26内に充填されたインクが、吐出用ノズル8からインク滴30として吐出される。
【0072】
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド素子2の製造方法について説明する。
【0073】
まず、上述した構成において、厚さ50μm程度の吐出用ガラス基板6に、圧力室21に対向する位置に、図9に示すような複数の吐出用ノズル8を、電子ビームを用いて直径20μm程度にそれぞれ形成する。
【0074】
続いて、吐出用ガラス基板6に臨む一方側から順に、第1のSi層11、第1のSi酸化膜層16、第2のSi層12、第2のSi酸化膜層17、第3のSi層13、第3のSi酸化膜層18、第4のSi層14を積層して一体に接合することで、SOI積層基板5を作製する。
【0075】
次に、SOI積層基板5に、第1のSi酸化膜16をエッチストップ層として用いることで第1のSi層11に、図6および図8に示すように、入口流路22および流路31を、フォトリソグラフィ工程を用いて、フッ硝酸によるエッチング処理によって形成し、さらに上述した工程と同様の工程によって圧力室21を形成した。
【0076】
すなわち、図7に示すように、第1のSi酸化膜16をエッチストップ層として用いることで、第1のSi層11をウエットエッチング処理によって除去し、この後、第2のSi層12をエッチストップ層として用いることで、第1のSi酸化膜層16をバッファーフッ酸でウエットエッチング処理によって除去する。続いて、第2のSi酸化膜層17をエッチストップ層として用いることで、第2のSi層12を同様にフッ硝酸でウエットエッチング処理によって除去し、この後、第3のSi層13をエッチストップ層として用いることで、第2のSi酸化膜層17をバッファーフッ酸でウエットエッチング処理によって除去した。
【0077】
さらに、第4のSi層14に、図7および図10に示すように、フォトリソグラフィ工程を経て、圧力室21に対応するように、凹部25をフッ硝酸でウエットエッチング処理によって形成し、その結果、圧力室21と凹部25との間に位置する第3のSi層13および第3のSi酸化膜層18の一部を振動板23として構成する。
【0078】
この後、吐出用ガラス基板6とSOI積層基板5の第1のSi層11とを対向させ、吐出用ノズル8と圧力室21とを互いに相対向させるように位置決めして調整し、この後、吐出用ガラス基板6とSi層3とを陽極接合する。この陽極接合は、加熱温度を300℃、印加電圧を300V、接合時間を30分として行った。
【0079】
そして、図7に示すように、凹部25の第3のSi酸化膜層18上に、Pt膜からなる下電極28、ZnO膜からなる圧電体26、Pt膜からなる上電極27を順次それぞれ成膜し、さらに接合用ガラス基板7上に、上電極27に相対向する位置にAl膜からなる電極配線29を成膜する。なお、下電極28は、図10に示すように、凹部25の第3のSi酸化膜層18上にPt膜が成膜されてなり、行毎に下電極28が電気的に導通している。
【0080】
この後、図7に示すように、上電極27と電極配線29とを互いに相対向させるよう位置決めして調整し、上電極27と電極配線29を密着させながら、接合用ガラス基板7と第4のSi層14とを陽極接合する。陽極接合は、例えば、加熱温度を300℃、印加電圧を300V、接合時間を30分間として行った。この場合、圧電体26に電圧を印加したときに、圧電体26に生じる変位の背圧を接合用ガラス基板7で担い、同時に変位で振動板23が圧力室21側に変形し、この変形により圧力室21内の体積を収縮するような構造に陽極接合を用いて形成した。
【0081】
なお、圧電体26の分極処理は、陽極接合前の段階で、すなわち下電極28、圧電体26および上電極27をそれぞれ成膜した後に行った。そして、入口流路22および流路31の高さ寸法を20μm程度に、圧力室21の高さ寸法を80μm程度に、振動板23の厚さを10μm程度におよび圧電体26の厚さを10μm程度に形成できるように、それぞれ第1のSi層11の厚さを20μm程度に、第2のSi層12に厚さを80μm程度に、第3のSi層13の厚さを10μm程度に、および第4のSi層14の厚さを約10μm程度にそれぞれ形成した。
【0082】
なお、本実施形態では、振動板23の厚さを10μm程度に形成したが、振動板の厚さを10μmの厚さに固定する必要はなく(圧電体26の圧電特性にも依存するが)、振動板23の厚さは、プロセスによる作製上、1μm以上100μm以下に形成することが好ましい。振動板23の厚さが、1μmよりも小さい場合には、振動板の変形後の復元力が小さくなるため吐出振動数が低下し、100μmよりも大きい場合には、剛性が大きくなるため振動板の変形量が少なくなるため、好ましくない。
【0083】
なお、上述したSOI積層基板5は、Si層であるSOI基板上にSi酸化膜層を成膜する成膜工程と、成膜されたSi酸化膜層に次のSi層であるSOI基板を貼り合わせて接合する接合工程と、Si酸化膜層に接合されたSOI基板の厚みを調整するために研磨する研磨工程とをそれぞれ繰り返すことで作製される。なお、本実施形態の吐出用ガラス基板6および接合用ガラス基板7は、ガラス材として、リチウムアルミノシリケートベータクオーツが用いられている。
【0084】
上述したインクジェットヘッド素子2を作製した後、それぞれマトリックス状の下電極28および上電極27間に電圧を印加することで、下電極28と上電極27が交差した位置、すなわちマトリックスの交差する位置の吐出用ノズル8からインク滴30が良好に吐出された。
【0085】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、隣接するSi層とSi酸化膜層によって形成された振動板と、振動板の一方側に隣接して設けられた圧力室と、振動板の他方側に隣接して設けられた凹部と、凹部内に設けられ振動板を駆動するための圧電体と、圧力室に液体を供給するための流路とを有する積層基板を備え、振動板、圧力室、流路、および凹部が、少なくとも1つのSi層によってそれぞれ形成されたことによって、振動板、圧力室、流路、および凹部の寸法精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す縦断面図である。
【図2】第1の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す分解縦断面図である。
【図3】図1におけるA−A横断面図である。
【図4】図1におけるB−B横断面図である。
【図5】図1におけるC−C横断面図である。
【図6】第2の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す縦断面図である。
【図7】第2の実施形態のインクジェットヘッド素子を示す分解縦断面図である。
【図8】図7におけるD−D横断面図である。
【図9】図7におけるE−E横断面図である。
【図10】図7におけるF−F横断面図である。
【図11】図7におけるG−G横断面図である。
【符号の説明】
1,2 インクジェットヘッド素子
5 SOI積層基板
6 吐出用ガラス基板
7 接合用ガラス基板
8 吐出用ノズル
11,12,13,14 第1〜第4のSi層
16,17,18 第1〜第3のSi酸化膜層
21 圧力室
22 入口流路
23 振動板
25 凹部
26 圧電体
27 上電極
28 下電極
29 電極配線
30 インク滴
31 流路
Claims (1)
- 複数のSi層とSi酸化膜層とが交互に積層されてなる積層基板と、前記積層基板の一方の主面上に接合され液体を吐出するノズルを有する第1のガラス基板と、前記積層基板の他方の主面上に接合された第2のガラス基板とを備える液体吐出ヘッド素子であって、
前記積層基板は、隣接する前記Si層と前記Si酸化膜層によって形成された振動板と、前記振動板の一方側に隣接して設けられた圧力室と、前記振動板の他方側に隣接して設けられた凹部と、前記凹部内に設けられ前記振動板を駆動するための圧電体と、前記圧力室に液体を供給するための流路とを有し、前記振動板、前記圧力室、前記流路、および前記凹部が、少なくとも1つの前記Si層によってそれぞれ形成された液体吐出ヘッド素子。
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2003
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