JP2006082448A - 液滴吐出ヘッドとインクカートリッジと画像記録装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力発生手段が設けられている基板の凹部に向かう液体を通過させるオリフィス部の精度を向上させ、それにより流体の抵抗値のバラツキを小さくして高精度にする。
【解決手段】 基板４３とノズルプレート４１との間に補助隔壁４８を設け、その補助隔壁４８と凹部４３ａとで液体を加圧する加圧液室４６を構成する。また、オリフィス部４０を補助隔壁４８と基板４３の凹部４３ａが形成されていない非凹部４３ｂの表面あるいはその表面を覆う薄膜状の振動板５４とノズルプレート４１の内面との間で形成される隙間部分で構成する。それにより、オリフィス部を基板４３に溝状の凹部で形成した場合に比べて、製造過程においてオリフィス部の精度がバラつきにくくなる。また、オリフィス部４０を上記の構成にすることで、製造の難易度をさほど増やすことなく、加圧液室の流体抵抗値増加を抑えることができる。
【選択図】 図４

Description

この発明は、液滴をノズル孔から吐出する液滴吐出ヘッドと、その液滴吐出ヘッドを有するインクカートリッジと、上記液滴吐出ヘッドを使用した画像記録装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。

従来、インクの液滴をノズルから吐出させるようにした液滴吐出ヘッドとしては、例えば特許文献１に記載されているように、シリコン製の基板にノズルと、そのノズルに連通するインク流路と、そのインク流路に接するように配置した振動板と、その振動板に空間を隔てて対向配置した電極とを設け、その電極に電圧を印加して振動板を静電力により変形させてノズルからインク液滴を吐出させるようにしたものがある。

また、液滴吐出ヘッドには、例えば特許文献２に記載されているように、基板にインク流路とインク液室に対応する凹部とを形成し、その凹部を形成している斜面に電極を形成すると共に、その基板上に振動板部材を配置し、さらにその上にノズルプレートを重ねて配置し、そのノズルプレートに各ノズル（孔）を上記基板の各凹部に対応させてそれぞれ形成したものがある。
この、液滴吐出ヘッドは、電極に印加した電圧により発生する静電力により振動板部材の振動部を変位させ、それによりインク液室となる凹部内のインクをノズルから吐出させている。
特開２０００−２５２２６号公報 特開２００２−３１６４１８号公報

しかしながら、特許文献２に記載されているような液滴吐出ヘッドの場合には、性能を向上させるためにノズルピッチを高密度化すると加圧液室の幅が狭くなるため、それにより流体抵抗値が大きくなって振動板の駆動周波数が低下するようになるという欠点があった。そして、その駆動周波数の低下をさけるためには加圧液室の深さを深くすればよいが、そのようにすると製造が困難になるということがあった。
また、加圧液室の断面形状を垂直溝ではなくＶ字状の溝にした場合には、その溝の深さはＶ字溝の溝幅で決まってしまうため、ノズルの高密度化を実施すると溝幅、溝深さが共に小さくなって加圧液室の流体抵抗値が非常に大きくなり、振動板の駆動周波数が大幅に低下してしまうようになるということがあった。

さらに、特許文献２に記載されている液滴吐出ヘッドの場合には、インク液室にインクを送り込む流路のオリフィス部を、基板に形成した凹部の溝幅を絞ることにより形成した構成であるため、このオリフィス部を含む凹部を基板にマスクをして異方性エッチングにより形成すると、その異方性エッチングの性質から、オリフィス部の溝幅を絞った部分が後退して、その結果オリフィス部の長さがバラツキ易くなるという欠点もあった。そして、そのオリフィス部の長さがバラつくと、流体の抵抗値のバラツキも大きくなってしまうということがあった。
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルの高密度化に伴って加圧液室の幅を狭くした場合でも、製造上の難易度がさほど増すことなく、加圧液室の流体抵抗値増加を抑えることができるようにすることを目的とする。
また、製造が容易でありながら、圧力発生手段が設けられている基板の凹部に向かう液体を通過させるオリフィス部の精度を向上させることができ、それにより流体の抵抗値のバラツキが小さくなる高精度の液滴吐出ヘッドを提供することも目的とする。

この発明は上記の目的を達成するため、凹部に圧力発生手段を設けた基板と、上記凹部に対応する位置にノズル孔が形成されたノズルプレートとを備え、上記凹部に共通液室の液体をオリフィス部を介して供給し、上記凹部内の液体を上記圧力発生手段により加圧してノズル孔から液滴を吐出させるようにした液滴吐出ヘッドにおいて、
上記基板と上記ノズルプレートとの間に補助隔壁を設け、その補助隔壁と上記凹部とで液体を加圧する加圧液室を構成するようにしたものである。
そして、上記オリフィス部は、上記補助隔壁と上記基板の上記凹部が形成されていない非凹部の表面あるいはその表面を覆う薄膜と上記ノズルプレートの内面との間で形成される隙間部分で構成するようにするとよい。

また、上記補助隔壁は感光性樹脂で形成するとよい。
さらに、上記圧力発生手段は、対向する電極間に発生する静電力により振動板を変位させて上記凹部内の圧力を上昇させる静電アクチュエータにするとよい。
さらにまた、上記いずれかの液滴吐出ヘッドと、その液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化したインクカートリッジを提供する。
また、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに、上記いずれかの液滴吐出ヘッドを使用した画像記録装置も提供する。

さらに、異方性エッチングにより基板に凹部を形成する工程と、
上記凹部の隔壁に犠牲層プロセスにより空隙及び振動板を形成する工程と、
上記凹部に上記振動板が形成された基板上に感光性樹脂をコーティングする工程と、
上記コーティングされた感光性樹脂を露光／現像プロセスによりパターニングすることにより、上記基板上に補助隔壁を形成する工程と、
上記補助隔壁上にノズルプレートを形成する工程
とを実施する液滴吐出ヘッドの製造方法も提供する。

この発明による液滴吐出ヘッドとインクカートリッジ及び画像記録装置によれば、加圧液室を基板の凹部と補助隔壁の両方で構成しているため、ノズルの高密度化に伴って加圧液室の幅が狭くなった場合でも、補助隔壁により加圧液室の深さを深くすることができるので、製造の難易度をさほど増すことなく、加圧液室の流体抵抗値増加を抑えることができる。それにより、高密度で高駆動周波数の液滴吐出ヘッドを容易に得ることができる。
また、オリフィス部を補助隔壁と基板の凹部が形成されていない非凹部の表面あるいはその表面を覆う薄膜とノズルプレートの内面との間で形成される隙間部分で構成するようにした場合には、製造過程においてオリフィス部の精度がバラつきにくい構成になるので、流体の抵抗値のバラツキが小さい高精度の液滴吐出ヘッドになる。
さらに、この発明による液滴吐出ヘッドの製造方法を実施すれば、高い精度で液滴吐出ヘッドを容易に製造することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
〔実施例１〕
図１はこの発明の実施例１の液滴吐出ヘッドである記録ヘッドを示す分解斜視図、図２は同じくその記録ヘッドを示す平面図、図３は図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図、図４は図２のＹ−Ｙ線に沿う断面図、図５は図１の記録ヘッドをインクジェットヘッドに使用した画像記録装置であるインクジェット記録装置の例を示す全体構成図、図６は同じくそのインクジェット記録装置の外観形状を示す透視図である。
なお、図３以降の各断面図において、薄膜等の薄肉部については断面であっても煩雑となるためハッチングの図示を省略している。

図５に示す画像記録装置であるインクジェット記録装置は、記録装置本体１の内部に印字機構部２を設けている。その印字機構部２は、主走査方向（図６の矢示Ａ方向）に移動可能なキャリッジ３と、そのキャリッジ３に搭載した液滴吐出ヘッドでありインクジェットヘッドである記録ヘッド１４と、その記録ヘッド１４にインクを供給するインクタンク１５等からなる。
記録装置本体１の下方には、記録紙Ｐを多数枚積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）４を、装置の前方側から抜き差し自在に装着している。また、記録装置本体１の図５で左方には、記録紙を手差しで給紙する際に開放して使用する手差しトレイ５を回動可能に設けている。したがって、記録紙Ｐは給紙カセット４と手差しトレイ５のいずれからも給送可能であり、そこから給送された記録紙Ｐは印字機構部２で所要の画像が記録され、その後で記録装置本体１の後面側（図５で右方側）に設けられている排紙トレイ６上に排出される。

印字機構部２のキャリッジ３は、記録装置本体１内に設けている図示しない左右の側板に横架した主ガイドロッド１１と従ガイドロッド１２とにより、図６の矢示Ａの主走査方向に摺動自在に保持されている。
そのキャリッジ３は、駆動プーリ１８と従動プーリ１９との間に張装したタイミングベルト２０に固定されていて、駆動プーリ１８は主走査モータ１７により回転駆動されるようになっている。そして、その主走査モータ１７の正逆回転により、タイミングベルト２０が回動してキャリッジ３が主走査方向に往復移動する。
そのキャリッジ３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインクを充填した４つのインクタンク１５を交換可能に装着している。そして、その各インクタンク１５から各色のインクが記録ヘッド１４に供給されるようになっている。

その記録ヘッド１４についての詳しい説明は後述するが、図１に示すように、そこにはそれぞれノズルとして機能してインクを吐出する複数のノズル孔４５が設けられていて、その各ノズル孔４５からそれぞれ吐出されるインク滴の吐出方向を、図５で下方向としている。
各色用の各インクタンク１５は、それぞれ図５で上方側に大気と連通する大気口を有し、下方側には記録ヘッド１４へインクを供給する供給口を有している。また、内部にはインクが充填された多孔質体をそれぞれ有している。そして、その多孔質体の毛管力により、記録ヘッド１４へ供給するインクを、わずかな負圧状態に維持している。
なお、この実施例における記録ヘッド１４は、各色のインクに対応したヘッドをそれぞれ備えているが、１つのヘッドに各色のインク滴を吐出するノズルをそれぞれ設けたものであってもよい。

給紙カセット４は、前述したようにそこに記録紙Ｐを多数枚積載可能であるが、その給紙カセット４内に積載された記録紙Ｐは、給紙ローラ２１により給送される際にフリクションパッド２２により１枚に分離される。そして、その記録紙Ｐは、ガイド部材２３により案内されて搬送ローラ２４と、その搬送ローラ２４の周面に押し付けられている搬送コロ２５との間に反転されて送り込まれ、送り出し角度が先端コロ２６により規定されて記録ヘッド１４と印写受け部材２９との間に搬送される。
なお、印写受け部材２９は、用紙ガイド部材として機能するものである。また、搬送ローラ２４は、図示しない副走査モータによりギヤ列を介して駆動されて回転する。
印写受け部材２９の記録紙搬送方向下流側には、記録紙Ｐを排紙方向へ送り出すための搬送コロ３１及び拍車３２と、排紙ローラ３３及び拍車３４がそれぞれ設けられており、排紙経路を形成しているガイド部材３５，３６間を通して記録後の記録紙Ｐを排紙トレイ６上に排出するようにしている。

このインクジェット記録装置は、記録紙Ｐに記録を行うときには、キャリッジ３を図６の矢示Ａ方向に移動させることにより画像信号に応じて記録ヘッド１４を移動させ、印字位置で停止状態にある記録紙Ｐにインクを吐出して１行分を記録し、その後で記録紙Ｐを所定量だけ搬送して次の行の記録を行う。そして、その記録の終了信号、あるいは記録紙Ｐの後端が記録位置に到達したことを検知して出力された信号を入力すると、記録動作を終了させて記録紙Ｐを排紙させる。
なお、図６に示すように、キャリッジ３の移動方向の一方側端部の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド１４のノズルとして機能するノズル孔４５（図１参照）からのインク吐出不良を回復するための回復装置３７を設けている。その回復装置３７には、インクの吐出不良を防止するための手段として、キャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を、それぞれ設けている。

したがって、キャリッジ３はインクが乾燥してしまうと吐出不良を起こしてしまうので、印字待機中には回復装置３７側に移動させてキャッピング手段により記録ヘッド１４のノズル孔４５をキャッピングすることによって、そのインクのノズル孔４５を塞ぎ、それによりノズル孔４５を湿潤状態に保つ。
また、記録途中等に記録と関係しないインクを吐出させることにより、全てのノズル孔４５のインク粘度を一定に保つようにして、安定した吐出性能を維持するようにしている。

そして、吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド１４のノズル孔を密封し、チューブを通して吸引手段によりノズル孔４５からインクと共に気泡等を吸い出し、ノズル孔４５の出口部分に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去して吐出不良を回復させる。また、上記の吸引手段が吸引したインクは、記録装置本体１の下部に設置している図示しない廃インク溜に排出され、その廃インク溜内のインク吸収体に吸収される。
このように、このインクジェット記録装置は回復装置３７を設けているため、インク滴吐出不良のない安定したインク滴吐出ができるので、良好な印字品質が得られる。

次に、記録ヘッド１４について詳しく説明する。
記録ヘッド１４は、図１に示すように整列状態に複数形成した各凹部４３ａにそれぞれ後述する圧力発生手段を設けた基板４３と、補助隔壁４８と、各凹部４３ａに対応する位置にノズル孔４５がそれぞれ形成されたノズルプレート４１とを備え、各凹部４３ａに図４に示す共通液室４７内の液体をオリフィス部４０を介して供給し、凹部４３ａ内の液体を上記圧力発生手段により加圧してノズル孔４５から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドである。

この記録ヘッド１４は、基板４３とノズルプレート４１との間に補助隔壁４８（図１に明示）を設けている。そして、基板４３と補助隔壁４８とノズルプレート４１は、互いに接着により貼り合わせて一体にしている。
補助隔壁４８は、図１に示したように櫛状部４８ａを有していて、その櫛状部４８ａと基板４３に複数形成している各凹部４３ａとで、複数の加圧液室４６をそれぞれ形成している。また、その補助隔壁４８の櫛状部４８ａの先端側の櫛が形成されていない部分と、基板４３の一部が貫通状態にある液室用凹部４３ｃとで図４に示したような共通液室４７を形成している。

そして、補助隔壁４８と凹部４３ａとで液体を加圧する加圧液室４６を構成すると共に、オリフィス部４０を図７に示すようにノズルプレート４１の内面と補助隔壁４８と基板４３の非凹部４３ｂの表面を覆う薄膜状の振動板５４（非凹部４３ｂの表面にしてもよい）とで囲われた部分、すなわち加圧液室４６と共通液室４７との間の凹部が形成されていない非凹部４３ｂの部分とノズルプレート４１の内面と補助隔壁４８との間で形成される隙間部分で構成している。
また、この実施例では、補助隔壁４８を感光性樹脂で形成している。

各凹部４３ａにそれぞれ設けている圧力発生手段は、図３に示すように固定電極５０の対向する電極間に発生する静電力により内側の振動板５４を変位させて凹部４３ａ内の圧力を上昇させる消費電力の小さな静電アクチュエータである。
そして、その静電アクチュエータをそれぞれ設けている基板４３の各凹部４３ａ間の隔壁４３ｄの両側の壁面は、基板４３の上面に対し概ね垂直な面となっており、その垂直な面に、下側から絶縁膜５１、固定電極５０、空隙４９（図３で下面側は形成していない）、振動板５４の順に積僧状態に形成している。

なお、図３に示した実施例では、振動板５４の層は加圧液室４６を構成している凹部４３ａの壁面全体を覆うように形成されているが、そのうち振動する部分は同図で左右の対向する面に位置する各振動板の部分であり、その部分はそれぞれ固定電極５０との間に空隙４９が形成されている。また、その振動板５４の底部は固定電極５０に固定されていて、振動しない部分となる。
なお、この実施例の記録ヘッド１４は、図４に示したように固定電極５０が加圧液室４６の凹部４３ａよりも外の非凹部４３ｂの平坦な面まで伸びており、その基板４３の平坦面に電極取り出し用のパッド５６を設けて、そのパッド５６を固定電極５０の端部に固定している。

基板４３には、液室用凹部４３ｃに連通する液供給口５９が貫通状態に設けられていて、その液供給口５９からオリフィス部４０を介して加圧液室４６に液の供給がなされる。そして、その加圧液室４６に供給された液は、静電アクチュエータの振動板５４が、振動板電極と固定電極５０との間に発生する静電力により撓んで、その撓んだ振動板５４の反発力によりノズルプレート４１に形成されている多数のノズル孔４５から、そのノズルプレート４１の表面に略垂直な方向に吐出される。すなわち、この記録ヘッド１４は、いわゆるサイドシュータ（フェースシュータ）の構成になっている。

なお、ノズルプレート４１に形成しているノズル孔４５は、多数（数十から数百）設けることが一般的である。また、ノズル孔４５は、図１に示したノズル孔４５の並び方向に直交する方向についても、複数並べるようにしてもよい。
また、振動板５４の内側に形成する空隙４９（図３）は、この実施例では犠牲層プロセスを用いて形成し、犠牲層除去孔は犠牲層の除去後に封止膜により封止するが、その詳しい説明については後述する。

次に、図８を参照して基盤の凹部に設けている静電アクチュエータについて、更に詳しく説明する。
静電アクチュエータを構成する振動板５４は、その断面を図２のＸ−Ｘ線に沿う断面として図８に示しているように、振動板側絶縁膜５４ａ，振動板電極５４ｂ，応力調整膜５４ｃ，犠牲層除去孔封止膜５４ｄの４層構成になっている。
振動板絶縁膜５４ａは、振動板電極５４ｂの固定電極５０との短絡を防止する目的、及び犠牲層除去時の振動板電極５４ｂを保護することを目的として設けている。すなわち、電極層が、犠牲層エッチング耐性が無い場合（この実施例では、犠牲層・電極層ともにポリシリコンを用いている）には、犠牲層除去時に電極層が保護膜で覆われている必要がある。

振動板電極５４ｂは、例えばドープトポリシリコンを使用する。応力調整膜５４ｃ（窒化膜）は、酸化膜・ポリシリコンの圧縮応力をキャンセルし、振動板が初期状態（電極間に電圧印可していない状態）において撓んでしまうのを防止する働きをする。
犠牲層除去孔封止膜（酸化膜）５４ｄは、犠牲層除去孔５７を封止するための膜である。また、ダイシング時の振動板の割れ防止膜も兼ねている。これは、最表面が窒化膜の場合にはダイシング時に振動板が割れやすいが、窒化膜上に酸化膜を成膜することにより振動板の割れを防止することができる。

また、振動板５４は、上記の４層構成で所望の剛性になるように、それぞれの膜厚が調整されている。
さらに、図８で凹部４３ａの左右の面から基板４３の上面の一部までの所定の領域に、固定電極側絶縁膜５２と振動板側絶縁膜５４ａの間に空隙４９を形成し、それ以外の部分では、その固定電極側絶縁膜５２と振動板側絶縁膜５４ａとを密着状態にして振動板固定部としている。そして、これらは犠牲層パターンの有無によって決められる。

この実施例の記録ヘッド１４は、主要部各部の設計寸法を下記としている。
ノズルピッチ：６３．５μｍ ４００ｄｐｉ（ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）
基板溝開口幅：４３．５μｍ（基板隔壁幅 ２０μｍ）
基板溝（凹部）深さ：５０μｍ
補助隔壁開口幅：４５．５μｍ（補助隔壁幅 １８μｍ）
補助隔壁高さ：２５μｍ
加圧液室長：６００μｍ

この仕様における加圧液室部の流体抵抗計算値は次のようになる。
１．４６×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３（補助液室無し時：２．９１×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３）
（いずれも液粘度：８ｍＰａ・ｓ時）
このように、基板４３に形成した凹部４３ａの溝深さの１／２の高さの補助隔壁４８を基板４３とノズルプレート４１の間に設けることで、加圧液室４６の流体抵抗値を約１／２にすることができる。
また、補助隔壁４８の高さは、２５μｍ程度といった、通常この型のヘッド（平面型のヘッド）で用いられる液室（隔壁）高さに比べ大幅に小さい高さで済むため、ヤング率の小さい樹脂材料を用いることが可能となる。

このように、この実施例による記録ヘッド１４は、図４に示したように基板４３とノズルプレート４１の間に補助隔壁４８を設け、オリフィス部４０を補助隔壁４８と基板４３の凹部４３ａが形成されていない非凹部４３ｂの表面（但し、この実施例では振動板５４を非凹部４３ｂの上面にまで設けているので、正しくは振動板５４の表面）とノズルプレート４１の内面との間で形成される隙間部分で構成するようにしたので、ノズルの高密度化に伴い加圧液室４６の幅が狭くなった場合でも、オリフィス部の寸法精度のバラツキを小さくすることができる。

したがって、従来の記録ヘッドで補助液室を用いない構成のものではオリフィス部分で溝幅を狭くする必要があったため、そのような形状のものでは異方性エッチング時に、溝幅を絞った部分がエッチング時に後退していくことにより、その溝の長さがバラツキ易く、それにより加圧液室４６の流体抵抗値が大きくなってしまうという欠点があったが、この記録ヘッド１４によれば、そのような問題は生じない。
また、加圧液室４６を凹部４３ａと補助隔壁４８の両方で形成しているので、製造の難易度増加を抑えたまま加圧液室４６の流体抵抗値の増加を抑えることができる。それにより、高密度で高駆動周波数のインク吐出ヘッドを得ることができる。

さらに、この記録ヘッド１４は、通常の平面型の構成（振動板が基板と平行に形成された構成）のものに比べると、隔壁の高さは低くてもよいので、比較的剛性の小さい材料、例えば、感光性樹脂なども使うことが可能であり、容易に高精度の隔壁形成が可能である。
また、感光性樹脂にて補助隔壁４８を形成する場合、基板４３に凹部４３ａや振動板５４等を形成した後、基板４３上に感光性樹脂をコートし、露光／現像プロセスにより隔壁形成が可能であり、この場合、予め形成された隔壁を接着により基板４３に接着するのに比べ、アライメント精度が高く接着材のはみ出しが無いので、高精度の加工が可能になる。

次に、液滴吐出ヘッドである上述した記録ヘッド１４の製造方法について、その一例を図９乃至図２２を参照して説明する。なお、説明の簡略化を図るため、図９乃至図２２で各部に付す符号は、加工途上の形状のものであっても、便宜上完成時における各部品に付した符号を付して説明する。
まず最初の工程で、図９に示すように＜１１０＞シリコンからなる基板４３の表面側に、フォトリソ・エッチングプロセスにより共通液室４７となる液室用凹部４３ｃを図１０に示すように形成する。
その場合、高密度プラズマが得られるエッチャー、例えば、ＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）エッチャー、を用いれば１０μｍ／分以上のエッチレートで対レジスト選択比が１００程度で、概ね垂直にシリコンをエッチングすることができる。
そこで、この実施例による製造方法では、基板４３を２μｍ程度の厚みのレジストを用い、図１０に示したように約１００μｍの深さのエッチングを行って共通液室４７を形成する。

次に、基板４３に、ＫＯＨ水溶液またはＴＭＡＨ水溶液等により異方性エッチングを行って、図１１に示すように加圧液室４６となる凹部４３ａをそれぞれ形成する。異方性エッチングでは、｛１１１｝面が現れるので、パターンの方向をうまく選ぶ設定をすることにより、隣接する凹部４３ａ間の隔壁４３ｄの壁面が、基板上面に対し垂直になるようにすることができる。
また、その壁面はエッチストップした｛１１１｝面であることから、極めて平坦な面が得られる。このようにして、異方性エッチングにより図１１及び図１２に示すように、基板４３に凹部４３ａを形成する工程を実施する。

ところで、最初に共通液室４７を形成する際に行ったドライエッチングで形成した壁面は、その表面の凹凸がやや大きくなった。しかしながら、共通液室４７の壁面として使用するには十分な平坦性である。但し、この表面の凹凸は、アクチュエータを形成する壁面としては不十分であると考えられる。
なお、ドライエッチングの場合には、結晶方向の影響を受けないため、パターン方向を選ばず、ほぼ垂直な面を得ることが可能である。

次の工程では、凹部４３ａの隔壁に犠牲層プロセスにより空隙４９及び振動板５４を形成する。すなわち、図１３及び図１４に示すように、加圧液室４６（図３，図４参照）となる凹部４３ａを形成した基板４３上に、絶縁膜５１、固定電極５０、後に空隙４９となる犠牲層５８、振動板５４をそれぞれ形成する。
そして、この実施例では、絶縁膜５１に酸化シリコン膜を、固定電極５０にリンドープのポリシリコンを用いる。また、図１５に示すように、固定電極５０上に固定電極側絶縁膜５２として酸化シリコン膜を、犠牲層５８としてポリシリコンを用いる。
さらに、その犠牲層５８上には、振動板側絶縁膜５４ａ（酸化シリコン膜），振動板電極５４ｂ（リンドープポリシリコン），応力調整膜５４ｃ（窒化シリコン膜）をそれぞれ形成し、それらによって積層状の振動板５４となる部分を形成する。

次に、図１６に示すように、犠牲層５８をエッチングにより除去して空隙４９を形成する。そして、その後で振動板５４となる振動板側絶縁膜５４ａ，振動板電極５４ｂ，応力調整膜５４ｃが形成された凹部４３ａの部分の上に、犠牲層除去孔封止膜５４ｄを図１７に示すように成膜し、それにより犠牲層除去孔６０（図１５）も封止する。そして、この犠牲層除去孔封止膜５４ｄが積層状態の振動板５４の１層をなすようになる。
なお、この実施例では、犠牲層５８の除去は、ポリシリコン膜を酸化膜に対して高選択比でエッチングすることができるＴＭＡＨ水溶液を用いて行う。そして、エッチング後の乾燥時は、振動板の固着を防ぐためＩＰＡに置換した後に乾燥させた。また、犠牲層除去孔封止膜５４ｄとしては、ＬＰ−ＣＶＤ法にて酸化シリコン膜を成膜する。

その犠牲層除去孔封止膜５４ｄの成膜後には、図１８及び図１９に示すように凹部４３ａの振動板５４が形成された基板４３上に、後に補助隔壁４８となる感光性樹脂をコーティングする工程を実施する。
その感光性樹脂としてはいろいろな材料があるが、この実施例ではワニス状の感光性エポキシ系材料（例えば化薬マイクロケム社製、商品名：ＳＵ−８）をスピンコートにてコーティングする。
他にも、スプレーコートによるコート方法やフィルム状の材料（例えばドライフィルムレジスト）をラミネートする方法等もある。

次に、そのコーティングされた感光性樹脂を露光／現像プロセスによりパターニングすることにより、図２０及び図２１に示すように、隔壁４３ｄ上に補助隔壁４８を形成する工程を実施する。その際に使用する露光装置としては、通常ＭＥＭＳで用いられるアライナーまたはステッパーを用いることで、±１μｍ以下の寸法精度・アライメント精度を容易に得ることができる。
次に、図２２に示すように、基板４３の裏面（図２２で下側の面）からドライエッチングにより液供給口５９を貫通状態に形成する。なお、この液供給口５９を貫通させるには、他に周知技術であるレーザ加工、ウォータレーザ加工、サンドブラスト加工、機械加工（ドリル加工）等の方法を用いてもよい。

さらに、次の工程では、図３及び図４に示したように、別途作成したノズルプレート４１を補助隔壁４８上に接着剤により貼り付けることにより、記録ヘッド１４を完成させる。
なお、ノズルプレート４１の加工は、従来より行われている電鋳、レーザ加工、フォトリソ加工等で行うことができる。
また、この実施例では、補助隔壁４８側に薄膜転写法にて接着剤を塗布し、そこにノズルプレート４１を貼り合わせるようにしたが、例えば接着剤付きのフィルムをノズルプレート４１に用いれば、ノズル孔４５をレーザ加工で開口し、その後の接着材塗布工程を省略することもできる。

〔実施例２〕
図２３はこの発明の実施例２の画像記録装置が有する液滴吐出ヘッドである記録ヘッドを示す図１と同様な分解斜視図、図２４は同じくその記録ヘッドを示す平面図、図２５は図２４のＸ″−Ｘ″線に沿う断面図、図２６は同じくその記録ヘッドの加圧液室部付近を拡大して示す図８と同様な断面図であり、図１乃至図８と対応する部分には同一の符号を付してある。なお、この実施例においても、画像記録装置全体の構成は図５及び図６と同様であるため、その図示を省略する。

この実施例２の液滴吐出ヘッドである記録ヘッドは、ヘッド全体の構成の概要は実施例１と略同様であるが、実施例１では加圧液室４６を構成する基板４３の壁面が基板の上面に対して概ね垂直であったのに対し、この実施例２では図２５及び図２６に明示されるように、斜めに傾いていて、その傾いた壁面に振動板５４、空隙４９、固定電極５０からなる静電アクチュエータを設けている点が、実施例１と異なる。
また、実施例１では基板４３に＜１１０＞シリコンウェハを用いたのに対し、この実施例２では基板４３′に＜１００＞シリコンウェハを用い、異方性エッチングによりＶ溝形状の凹部４３ａ′を形成している。

そのＶ溝形状の凹部４３ａ′は、異方性エッチング以外の方法を用いて形成することも可能であるが、異方性エッチングを用いれば、容易に高精度なＶ溝を形成することができる。
なお、この実施例２の記録ヘッドの製造方法は、実施例１で説明した記録ヘッドの製造方法に対し、凹部４３ａ′をＶ溝状にして、空隙４９を形成するための犠牲層５８のマスクパターンをＶ溝形状の凹部４３ａ′の形状に合わせて変更するようにした点が異なるだけであるので、その説明を省略する。

この実施例２の記録ヘッドは、主要部各部の設計寸法を下記にしている。
ノズルピッチ：８４．７μｍ （３００ｄｐｉ ｄｏｔ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）
Ｖ溝開口幅：７０μｍ
Ｖ溝深さ：４９．５μｍ
補助隔壁開口幅：７０．７μｍ （補助隔壁幅１４μｍ）
補助隔壁高さ：２０μｍ
加圧液室長：６００μｍ

この仕様における加圧液室部の流体抵抗計算値は次の値になる。
１．５０×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３（補助液室無し時：６．７８×１０^１３ Ｐａ・ｓ／ｍ^３）
（いずれも液粘度：８ｍＰａ・ｓ時）
このように、基板４３′に形成した凹部４３ａ′の溝深さの４０％程度の高さの補助隔壁４８′を基板４３′とノズルプレート４１の間に設けることで、加圧液室４６の流体抵抗値を約１／４にすることができる。
また、補助隔壁４８′の高さは、２０μｍ程度といった、通常この型のヘッド（平面型のヘッド）で用いられる液室（隔壁）高さに比べて非常に小さい高さで済むため、ヤング率の小さい樹脂材料を用いることが可能となる。

〔実施例３〕
図２７はこの発明の実施例３の画像記録装置が有する液滴吐出ヘッドである記録ヘッドを示す図２６と同様な断面図であり、図２６と対応する部分には同一の符号を付してある。なお、この実施例においても、画像記録装置全体の構成は図５及び図６と同様であるため、その図示を省略する。

この実施例３の液滴吐出ヘッドである記録ヘッドは、実施例１及び２の記録ヘッドが、共に基板と補助隔壁とノズルプレートとが貼り合わせによる構成であったのに対し、この実施例３の記録ヘッドは、補助隔壁部６１ａとノズルプレート部６１ｂとを一体に構成している点が異なる。
この実施例３の構成では、補助隔壁部６１ａとノズルプレート部６１ｂとが一体化されたノズル・補助隔壁板６１を基板４３′に貼り付けるので、高精度アライメント・接着剤はみ出し量を抑えることが必要になるが、一方で材料として剛性の高い材料（この実施例では例えばニッケルを使用）を用いることで、補助隔壁の高さを高くすることができる。それにより、より加圧液室４６′の流体抵抗を下げることができる。

このような一体構成のノズル・補助隔壁板（ノズルプレート）６１は、例えば図２８乃至図３２に示すように、ニッケル電鋳を用いて形成することができる。
すなわち、最初のノズル形成用レジストマスクパターン形成の工程で、図２８に示すように基板（例えばシリコン）６３上に、半導体プロセスで用いられるような１μｍ程度のレジスト６４をスピンコートした後、一般的なフォトリソプロセスにより、ノズル部分のパターンを形成する。
この製造方法では、パターンの大きさは所望のノズル径（先端部の径）よりも大きめの寸法にしておく。また、この場合には基板６３の抵抗を下げるために、表面に低抵抗材料、例えば窒化チタンを成膜しておいてもよい。

次に、そのレジストパターンを形成した基板６３上に、図２９に示すように電気メッキによりニッケル（Ｎｉ）メッキ層６５を成長させる（１回目のＮｉメッキ）。
それにより、導電体である基板（又はその基板上の低抵抗層）６３上からニッケルメッキ層６５が成長し、絶縁体であるレジスト上は等方的な成長により周囲から成長してきた表面形状が円弧状のニッケル層で覆われてくる。
このときのＮｉの厚みと、上記の工程でのレジストパターン径とにより、ノズル孔４５′の孔径が決まる。この実施例３では、上記ノズル形成用レジストマスクパターン形成の工程で概ねφ８６μｍ、厚さ１μｍのレジストを形成し、その次の１回目のＮｉメッキの工程で概ね３１μｍ厚のＮｉ層を成長させるので、ノズル先端の直径は概ね２６μｍ
（＝８６−（３１−１）×２）となる。

次の隔壁形成用レジストパターン形成の工程では、１回目のＮｉメッキの工程で形成したノズル上に、図３０に示すように隔壁形成用のレジストパターン６６をフォトリソプロセスにより形成する。この場合、厚膜用の高粘度の液体レジストまたはドライフィルムレジストを用いる。
次に、その隔壁形成用のレジストパターン６６上に、図３１に示すように２回目のＮｉメッキ（電気メッキ）工程を実施し、ニッケルメッキ層６５を更に成長させ、隔壁部６５ａを形成する。

さらに、次のレジスト剥離・分離の工程で、隔壁部６５ａの形成後に、レジスト剥離・Ｎｉ層の基板６３からの剥離を行って、所望の大きさにする切断工程等を行うことで、図３２に示したように隔壁部６５ａを一体形成したノズル・補助隔壁板６１が完成する。
この実施例３では、断面形状が円弧状となるようなノズル部の形状としたが、図２８に示した最初のノズル形成用レジストマスクパターン形成の工程で、レジスト厚み等を変更することで、ストレート状やテーパ状のノズル形状にすることができる。

〔インクカートリッジの実施例〕
ところで、記録ヘッドは、図３３に示す記録ヘッド１４のように、その記録ヘッド１４にインクを供給するインクタンク１５と一体化してインクカートリッジ１０とし、図示のように各ノズル孔４５が外側に位置するようにするとよい。そうすれば、記録ヘッド１４とインクタンク１５との間の取り付け寸法精度が向上すると共に、組付け工程も少なくなるので製造不良の減少とコストダウンが図れる。
そして、このようにインクタンク一体型のヘッドの場合には、ヘッドの性能及びコストは、ただちにインクカートリッジ全体の性能・コストにつながるので、上述したように高密度、高駆動周波数、低コストのヘッドを用いることで、ヘッド一体型インクカートリッジの高付加価値化及び低コスト化が図れる。

この発明は、液滴をノズル孔から吐出させる各種の液滴吐出ヘッドとして広く適用することができる。また、その液滴吐出ヘッドを有するインクカートリッジと、上記液滴吐出ヘッドを使用した画像記録装置として、広く適用することができる。
さらに、この発明による液滴吐出ヘッドの製造方法は、高い精度で液滴吐出ヘッドを製造する際の製造方法に適している。

この発明の実施例１の液滴吐出ヘッドである記録ヘッドを示す分解斜視図である。 同じくその記録ヘッドを示す平面図である。 図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 図２のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。 図１の記録ヘッドをインクジェットヘッドに使用した画像記録装置であるインクジェット記録装置の例を示す全体構成図である。 同じくそのインクジェット記録装置の外観形状を示す透視図である。 図２のＸ′−Ｘ′線に沿う断面図である。

図３の基盤の凹部に設けている静電アクチュエータを更に詳しく説明するための断面図である。 基板を形成するブロック状の＜１１０＞シリコンを示す縦断面図である。 同じくそのブロック状の基板の表面側に共通液室となる液室用凹部を形成した状態を示す縦断面図である。 同じくその基板に異方性エッチングを行って加圧液室となる凹部を形成した状態を示す縦断面図である。 同じくその基板を凹部と液室用凹部を通る切断線で切断した状態を示す縦断面図である。 図１２の工程の後に凹部の隔壁に犠牲層プロセスにより振動板等を形成した状態を示す縦断面図である。

同じくその基板を凹部と液室用凹部を通る切断線で切断した状態を示す縦断面図である。 図１３の凹部の隔壁に形成した振動板の付近を拡大して示す断面図である。 図１５の工程の後に犠牲層をエッチングにより除去して空隙をした状態を示す縦断面図である。 図１６の凹部の隔壁に形成した空隙の付近を拡大して示す断面図である。 図１７の工程の後に基板上に感光性樹脂をコーティングした状態を示す縦断面図である。

同じくその感光性樹脂をコーティングした基板を凹部と液室用凹部を通る切断線で切断した状態を示す縦断面図である。 同じくその感光性樹脂を露光／現像プロセスによりパターニングして基板上に補助隔壁を形成した状態を示す縦断面図である。 同じくその補助隔壁を形成した状態を凹部と液室用凹部を通る切断線で切断した状態を示す縦断面図である。 図２１の工程の後に基板の裏面からドライエッチングにより液供給口を貫通状態に形成した状態を示す縦断面図である。 この発明の実施例２の画像記録装置が有する液滴吐出ヘッドである記録ヘッドを示す図１と同様な分解斜視図である。

同じくその記録ヘッドを示す平面図である。 図２４のＸ″−Ｘ″線に沿う断面図である。 同じくその記録ヘッドの加圧液室部付近を拡大して示す図８と同様な断面図である。 この発明の実施例３の画像記録装置が有する液滴吐出ヘッドである記録ヘッドを示す図２６と同様な断面図である。 図２７のノズル・補助隔壁板をニッケル電鋳で形成する最初の工程を示す縦断面図である。

図２８の次の工程でレジストパターンを形成した基板上に電気メッキによりニッケルメッキ層を形成した状態を示す縦断面図である。 図２９の次の隔壁形成用レジストパターン形成の工程を示す縦断面図である。 図３０の次の工程で隔壁形成用のレジストパターン上に２回目のＮｉメッキを実施する工程を示す縦断面図である。 完成した隔壁部が一体に形成されたノズル・補助隔壁板を示す縦断面図である。 記録ヘッドをインクタンクと一体化したインクカートリッジの例を示す斜視図である。

符号の説明

１０：インクカートリッジ １４：記録ヘッド（液滴吐出ヘッド） １５：インクタンク ４０：オリフィス部 ４１：ノズルプレート ４３，４３′：基板 ４３ａ，４３ａ′：凹部 ４３ｂ：非凹部 ４５：ノズル孔 ４６：加圧液室 ４７：共通液室 ４８：補助隔壁（感光性樹脂膜） ４９：空隙 ５０：固定電極 ５４：振動板 ５８：犠牲層

Claims (7)

1. 凹部に圧力発生手段を設けた基板と、前記凹部に対応する位置にノズル孔が形成されたノズルプレートとを備え、前記凹部に共通液室の液体をオリフィス部を介して供給し、前記凹部内の液体を前記圧力発生手段により加圧して前記ノズル孔から液滴を吐出させるようにした液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記基板と前記ノズルプレートとの間に補助隔壁を設け、該補助隔壁と前記凹部とで液体を加圧する加圧液室を構成するようにしたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記オリフィス部は、前記補助隔壁と前記基板の前記凹部が形成されていない非凹部の表面あるいはその表面を覆う薄膜と前記ノズルプレートの内面との間で形成される隙間部分で構成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記補助隔壁は感光性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記圧力発生手段は、対向する電極間に発生する静電力により振動板を変位させて前記凹部内の圧力を上昇させる静電アクチュエータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化したことを特徴とするインクカートリッジ。
6. 液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッドを使用したことを特徴とする画像記録装置。
7. 異方性エッチングにより基板に凹部を形成する工程と、
   前記凹部の隔壁に犠牲層プロセスにより空隙及び振動板を形成する工程と、
   前記凹部に前記振動板が形成された基板上に感光性樹脂をコーティングする工程と、
   前記コーティングされた感光性樹脂を露光／現像プロセスによりパターニングすることにより、前記基板上に補助隔壁を形成する工程と、
   前記補助隔壁上にノズルプレートを形成する工程
   とを実施することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
   

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