JP2008254271A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子を用いた液体吐出ヘッドにおいて、高密度に液体吐出ヘッドノズルを配置した場合でも、吐出時と液体供給時に効率の良い液体の流動を可能にした液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液体吐出ヘッドが、液体を吐出する複数のノズル８と、それぞれに圧力発生手段５を備えた複数の個別液室２と、共通液室１０と、共通液室と複数の個別液室をそれぞれ連通し、共通液室から個別液室へ液体を供給する液体供給流路９を有している。その液体供給流路が、共通液室との境界部における断面積が個別液室との境界部における断面積より大きくなるように形成される。かつ、液体供給流路の一部を構成する底面１５の深さが、個別液室との境界部よりも共通液室との境界部の方が深く形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は振動板を振動させて発生した圧力により、個別液室の液体を加圧してノズルから液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの構造と製造方法に関するものである。

個別液室に圧電素子を設け、圧電素子に電気パルスを印加して個別液室の容積を変化させ、その圧力で液体を個別液室と連通するノズルから吐出させる方式が、インクジェット記録装置として採用されている。液体吐出後のリフィルに関しては、個別液室に液体を分配する為の共通液室から、個別液室と共通液室を連通する液体供給流路を介して、それぞれの個別液室に液体を供給している。インクジェット記録装置では、圧力発生手段の圧電素子の変位で発生した微小な圧力を、効率良く個別液室から液滴として飛翔させ、かつ高周波で繰り返し吐出させる必要がある。

圧電素子の変位で発生した微小な圧力によって、効率良く個別液室から液滴として飛翔させるには、ノズル孔の流体抵抗値より高い流体抵抗値をもつ液体供給路が必要である。また高周波で繰り返し吐出させるには、吐出後に液体を素早く供給させる為、共通液室に対して流体抵抗値の低い液体供給流路が必要である。流体抵抗値は、断面積に反比例し、流路長に比例している。よって、ノズル孔の流体抵抗値より高い流体抵抗値を有する液体供給流路にする為には、液体供給流路の断面積は小さくする、または流路長を長くする必要がある。また、共通液室に対して低い流体抵抗値を有する液体供給流路にする為には、液体供給流路の断面積は大きくする、または流路長を短くする必要がある。つまり、圧電素子の変位で発生した微小な圧力を効率良く個別液室から液滴として飛翔させ、かつ高周波で繰り返し吐出させるには、上記の相反する要求を同時に満たす必要がある。

例えば、特許文献１では、個別液室で発生させた圧力を効率良くノズルに伝える手段として、個別液室より狭い一定の幅の液体供給流路を配設して、液体供給流路の長さを４００μｍ以下として設定している。長さ方向寸法Ｌを４００μｍ以下にすることにより、液体供給流路の流体抵抗値を低下させ、高周波での噴射の場合もノズルへの十分な液体供給を可能としている。また特許文献１では形成手段としてドライエッチングによる深堀や異方性エッチングとの併用による形成手段などを提案している。
特開２００４−２０９９２１号公報

しかしながら、特許文献１では吐出効率を下げないために液体供給流路を個別液室より狭い一定の幅に規定し、リフィル効率を下げないために液体供給流路の長さ寸法を規定しているにすぎない。その為、特許文献１の液体供給流路は吐出とリフィルに対してバランスをとった一定の流体抵抗値を有しているだけであり、不十分であった。

一方、個別液室に対して流体抵抗値が高く、共通液室に対して流体抵抗値が低い液体供給流路を実現するために、液体供給流路の幅を、共通液室から個別液室に近づくにつれて段々狭くさせた非対称の構造を有する液体供給流路が考えられる。しかし、ヘッドの高密度化に対して幅方向の変化は設計自由度が低いために、最適ではない。

本発明は、上記従来の課題に鑑みて、高密度にインクヘッドノズルを配置した場合にも、圧電素子の変位で発生した微小な圧力によって、効率良く個別液室から液体を飛翔させ、かつ高周波で繰り返し吐出可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的にする。

上記目的を達成するため本発明が提供する液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数のノズルと、前記複数のノズルと各々連通し、それぞれに圧力発生手段を備えた複数の個別液室と、前記複数の個別液室に液体を分配する為の共通液室と、前記共通液室と前記複数の個別液室をそれぞれ連通し、前記共通液室から前記個別液室へ液体を供給する液体供給流路と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記液体の供給方向と垂直な面における前記液体供給流路の断面積に関して、前記共通液室との境界部における断面積が前記個別液室との境界部における断面積より大きく、かつ、前記液体供給流路の一部を構成する底面の深さが、前記個別液室との境界部よりも前記共通液室との境界部の方が深いことを特徴とする。

本発明の構成によれば、高密度に液体吐出ヘッドノズルを配置した場合でも、圧電素子の変位で発生した微小な圧力を、効率良く個別液室から液体を飛翔させ、かつ高周波で繰り返し吐出可能な液体吐出ヘッドを提供可能である。

図１は、本発明の好ましい形態を示す液体吐出ヘッドの断面図である。

Ｐ＋シリコン基板１ａに個別液室２と共通液室１０と、個別液室と共通液室をそれぞれ連通し、共通液室から個別液室に液体を供給する液体供給流路９が設けられ、その上層には、振動板３が形成されている。振動板３の上層に下電極４を形成する。さらに個別液室に相当する部分に形成された下電極４の上層には、圧電素子５、上電極６が形成されている。個別液室２の一端部にオリフィス連通口７が設けられており、もう一枚のシリコン基板１ｂには吐出口８が設けられ、シリコン基板１ａと接合されている。

本明細書では、振動板３を天井面とし、さらに天井面と対向する面を、液体供給流路を構成する一部である底面とする。図１で液体供給流路の底面１５は、液体供給流路を形成する面のうち、振動板３に対向するシリコン基板１ｂ側の面を示している。また本明細書では、振動板３から液体供給流路の底面１５までの液体の供給方向と垂直方向の長さを深さと定義している。また本明細書で示す断面積とは、液体の供給方向と垂直な面における液体供給流路の断面積のことを示す。

本実施形態の液体供給流路９は、共通液室１０との境界部における断面積が、個別液室２の境界部における断面積より大きく、かつ、液体供給流路の深さが、個別液室２の境界部よりも共通液室１０との境界部の方が深いことを特徴とする。つまり液体供給流路９の断面積は個別液室２に近づくにつれて減少し、かつ液体供給流路９の深さを浅くしながら個別液室２に連通するように形成されている。

以上から、本実施形態の液体供給流路は、深さを変化させながら共通液室から個別液室にむけて断面積を段々狭くする非対称の構造を有する液体供給流路である。

本実施形態の液体吐出ヘッドは、液体供給流路が上記の非対称の構造を有するので、高密度に液体吐出ヘッドノズルを配置しても、吐出時と液体供給時に効率の良い液体の流動を可能である。

本実施例では、前述の実施形態の液体吐出ヘッドの製造法を説明する。

図２はフォトリソ法により所定のパターンが形成された化成マスクの平面図である。

比抵抗値１２ｍΩ・ｃｍで結晶方位（１００）のＰ＋単結晶シリコンウェーハ１ａに低圧ＣＶＤにて窒化シリコン膜を２００ｎｍの膜厚で成膜する。窒化シリコン膜にフォトリソ法にて所定のパターンを形成する。個別液室に相当する第１の開口部１１ａと共通液室に相当する第２の開口部１１ｂを形成して、化成マスク１２とする。ここで化成マスクとして窒化シリコン膜以外にも、フッ酸に対して耐性の強いポリイミド膜、アピエゾンワックス等を用いることが可能である。

第１の開口部１１ａは並列に複数形成される。第２の開口部１１ｂは、並列に並んでいる第１の開口部１１ａに対して、平行に形成される。本実施例では、第１の開口部１１ａと第２の開口部１１ｂとの間のマスクの幅は、９０μｍとして形成されている。図２の矢印ａは、第１の開口部１１ａと第２の開口部１１ｂとの間のマスクの幅を示している。図３は、図２のＡ−Ａ’断面図であり、陽極化成マスク１回目の形成工程を示す概略図である。図３に示すように、Ｐ＋単結晶シリコンウェーハ１ａの化成マスクを設けた面の対向面に成膜した窒化シリコン膜は、全て除去する。以後Ｐ＋単結晶シリコンウェーハ１ａの化成マスクを設けた面の対向面を、裏面とする。

次に、陽極化成法にて第１の開口部１１ａから第１の多孔質部１３ａを、第２の開口部１１ｂから第２の多孔質部１３ｂを形成する。図４は、多孔質シリコン１回目の形成工程を示す概略図である。化成液としてフッ酸１０％、イソプロピルアルコール８％の水溶液に化成マスクを形成したシリコン単結晶基板を設置する。設置両側にプラチナ電極を対向配置して多孔質シリコン層を形成する面と対向しているプラチナ電極を陰極になるよう、該電極間に８０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で直流電流を１０分間通電する。これにより、多孔度８５％の第１の多孔質部１３ａである多孔質シリコンが、開口部１１ａから形成される。形成される多孔質部１３ａは、第１の開口部１１ａより大きい直径を有し、最深１５μｍの拡がりテーパー状の形状である。本実施例で拡がりテーパー状とは、開口端部から最深部に向かって徐々に深くなる形状のことを指す。同時に、多孔度８５％の第２の多孔質部１３ｂである多孔質シリコンが、開口部１１ｂから形成される。形成される多孔質部１３ｂは、第２の開口部１１ｂより大きい直径を有し、最深１５μｍの拡がりテーパー状の形状である。そして、それぞれの開口部のマクス直下ではそれぞれの開口際から全周囲に１０μｍの幅で形成されている。

次に、フォトリソ工程により所定のパターンとして液体供給流路を形成するための第３の開口部１１ｃを化成マスクに追加形成する。

図５は、フォトリソ工程により所定のパターンが形成された化成マスクの平面図である。

第３の開口部１１ｃは、第１の開口部１１ａと第２の開口部１１ｂの間に、それぞれに平行な位置に設けられる。第１の開口部１１ａと第３の開口部１１ｃは、図５で示すように直線上に形成される。さらに、第３の開口部１１ｃと第２の開口部１１ｂとの間のマスクの幅が、第３の開口部１１ｃと第１の開口部１１ａとの間のマスクの幅より狭くなる位置に、第３の開口部は形成されている。本実施例では、第３の開口部１１ｃと第２の開口部１１ｂとの間のマスクの幅は１５μｍとして形成されている。また、第３の開口部１１ｃと第１の開口部１１ａとの間のマスクの幅は２８μｍとして形成されている。図５の矢印ｂは、第３の開口部１１ｃと第１の開口部１１ａとの間のマスクの幅を示し、矢印ｃは第３の開口部１１ｃと第２の開口部１１ｂとの間のマスクの幅を示している。図５で示すように、本実施例では矢印ｂは矢印ｃより長い。

図６は、図５のＡ−Ａ’断面図であり、陽極化成マスク２回目の形成工程を示す概略図である。

次に、陽極化成法にて第３の開口部１１ｃから第３の多孔質部１３ｃを形成する。図７は、多孔質シリコン２回目の形成工程を示す概略図である。

多孔質部１回目の形成と同様に陽極化成を実施して第３の開口部から第３の多孔質部を形成する。形成される多孔質部１３ｃは、第１の開口部１１ｃより大きい直径を有し、最深１５μｍの拡がりテーパー状の形状である。そしてマクス直下では第３の開口部１１ｃの開口際から全周囲に１０μｍの幅で形成されている。同時に、マスクの開口部１１ａ、１１ｂから、多孔質シリコンも追加形成されて、第１の多孔質部１３ａである多孔質シリコンと第２の多孔質部である多孔質シリコン１３ｂの最深が３０μｍの拡がりテーパー状で形成される。

図８は、多孔質酸化シリコンの形成工程を示す概略図である。

純水で充分に洗浄、乾燥してから、フッ化水素酸にて化成マスク材を除去する。その後、酸素ガスを５リットル／分流しながら９００℃で１時間保持し、第１の多孔質部、第２の多孔質部及び第３の多孔質部は、それぞれ多孔質酸化シリコン部１４ａ，１４ｂ，１５ｃとなる。

図９は、振動板の形成工程を示す概略図である。

多孔質酸化シリコン１４の上面に、低圧ＣＶＤによりポリシリコン１５を３μｍ厚成膜して、振動板３とする。この工程においては他の材料として酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材や、あるいはＣｒなどの金属材などをスパッタリングして形成しても構わない。

図１０は、上下電極、圧電体の形成工程を示す概略図である。

ポリシリコン１５上にスパッタにてＴｉを５０ｎｍ、Ｐｔを３００ｎｍ成膜して、共通下電極４をフォトリソで形成し、次にＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）をスパッタリングにて３μｍ厚成膜する。圧電体５はＰＺＴを個別液室２の幅以内に同じくフォトリソにて形成し、最後に下電極４と同様にスパッタリングとフォトリソにより上電極６を形成する。

図１１は、ノズル連通流路、共通液室の形成工程を示す概略図である。

それぞれの個別液室２に位置する箇所に、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチングにて６０μｍΦのオリフィス連通口７を形成する。この場合、単結晶シリコン基板１の裏面側からレーザ照射して形成しても可である。

次にシリコン基板の裏面から所定パターンの開口部をレジスト膜で作製し、表面の酸化シリコン層を除去する。その後、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）２５％水溶液に浸漬させて異方性エッチングにより共通液室１０を形成する。

図１２は、多孔質部のエッチング工程を示す概略図である。

前工程にて形成した共通液室１０から１０％フッ酸水溶液を浸透させて、多孔質酸化シリコン部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを順次エッチング除去する。除去することにより、液体供給流路９の断面積に関して、共通液室１０との境界部における断面積が、個別液室２との境界部における断面積よりも大きいことを特徴とする液体供給流路を形成できる。さらに多孔質部を除去することで、液体供給流路９の一部を構成する底面の深さについて、個別液室２との境界部よりも共通液室１０との境界部の方が深く形成できる。また本実施例では、液体供給流路９は拡がりテーパー状の形状の多孔質領域を除去することで形成されるので、液体供給流路９の一部を構成する底面が個別液室２に向かって凸となる曲面形状を有する。

図１３は、接合によるノズル形成工程を示す概略図である。

ＩＣＰエッチングにより３０μｍΦの吐出口８が開けられたシリコン基板１ｂとシリコン基板１ａの接合する面に接合層としてチタン３０ｎｍ、Ａｕ１００ｎｍをスパッタ法にて成膜する。成膜後、位置合わせを完了して接触させ、真空中で温度３００℃、圧力２Ｍｐａの条件でＡｕ−Ａｕ接合を完了させた。

以上により製造された本実施例の液体吐出ヘッドを駆動する為、フレキ実装を行って粘度２０ｃｐの液体の液体吐出テストを行った。結果、５０Ｖパルス印加１５ＫＨｚの吐出周波数においても隣接したノズルの吐出は安定化しており、高密度ノズルヘッドとして問題なかった。

本実施形態の好ましい形態を示す液体吐出ヘッドの断面図 １回目のフォトリソ法により所定のパターンが形成された化成マスクの平面図 陽極化成マスク１回目の形成工程を示す概略図 多孔質シリコン１回目の形成工程を示す概略図 ２回目のフォトリソ法により所定のパターンが形成された化成マスクの平面図 陽極化成マスク２回目の形成工程を示す概略図 多孔質シリコン２回目の形成工程を示す概略図 多孔質酸化シリコンの形成工程を示す概略図 振動板の形成工程を示す概略図 上下電極、圧電体の形成工程を示す概略図 ノズル連通流路、共通液室の形成工程を示す概略図 多孔質部のエッチング工程を示す概略図 接合によるノズル形成工程を示す概略図

符号の説明

１ａ Ｐ＋シリコン基板
１ｂ 他のシリコン基板
２ 個別液室
３ 振動板
４ 下電極
５ 圧電体
６ 上電極
７ オリフィス連通部
８ 吐出口
９ 液体供給流路
１０ 共通液室
１１ａ 第１の開口部
１１ｂ 第２の開口部
１１ｃ 第３の開口部
１２ 化成マスク部
１３ａ 多孔質シリコン部
１３ｂ 多孔質シリコン部
１３ｃ 多孔質シリコン部
１４ａ 多孔質酸化シリコン部
１４ｂ 多孔質酸化シリコン部
１４ｃ 多孔質酸化シリコン部
１５ インク供給流路の一部を構成する底面

Claims (4)

1. 液体を吐出する複数のノズルと、
   前記複数のノズルと各々連通し、それぞれに圧力発生手段を備えた複数の個別液室と、
   前記複数の個別液室に液体を分配する為の共通液室と、
   前記共通液室と前記複数の個別液室をそれぞれ連通し、前記共通液室から前記個別液室へ液体を供給する液体供給流路と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液体の供給方向と垂直な面における前記液体供給流路の断面積に関して、前記共通液室との境界部における断面積が、前記個別液室との境界部における断面積より大きく、かつ、
   前記液体供給流路の一部を構成する底面の深さが、前記個別液室との境界部よりも前記共通液室との境界部の方が深いこと
   を特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記液体供給流路の一部を構成する底面が前記個別液室に向かって凸となる曲面形状を有することを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドを製造する方法であって、シリコン基体の表面にマスクを形成する工程と、前記マスクに前記共通液室、前記個別液室及び前記液体供給流路にそれぞれ対応する複数の開口部を形成する工程と、前記複数の開口部から前記シリコン基体に多孔質部を形成する工程と、前記多孔質部を除去することによって前記共通液室、前記個別液室及び前記液体供給流路を形成する工程と、
   から成る液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記個別液室を形成するための開口部を第１の開口部、前記共通液室を形成するための開口部を第２の開口部、前記液体供給流路を形成するための開口部を第３の開口部とし、前記第３の開口部を形成する位置は、前記第３の開口部と前記第２の開口部との間のマスクの幅が、前記第３の開口部と前記第１の開口部との間のマスクの幅より狭くなる位置であることを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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