JP2009006536A

JP2009006536A - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法

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Publication number: JP2009006536A
Application number: JP2007168600A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Otani; 和史大谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-15

Abstract

【課題】一枚の基板にノズル孔、キャビティ及びリザーバを形成するとともに、そのノズ
ル孔、特に先端ノズル孔の長さ及び径の精度を向上させて液滴の吐出精度を向上させた液
滴吐出ヘッド、液滴吐出置及び液滴吐出ヘッドの製造方法を提案する。
【解決手段】エッチングストップ層１Ａが所望の深さの内部位置に形成された流路基板１
に、エッチングストップ層１Ａを貫通し液滴を吐出するノズル孔１１〜１３が形成され、
流路基板１の液滴吐出面と反対の面側に、ノズル孔１１〜１３に連通し圧力室を形成する
キャビティ１４と、キャビティ１４に連通し吐出液を取り込んで貯えるリザーバ１６とが
形成されており、入力信号に応じて変形可能であって、キャビティ１４とともに圧力室を
形成する振動板２が、流路基板１の液滴吐出面と反対の面に積層されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノズル孔と、キャビティと、リザーバとを１つの基板に形成した液滴吐出ヘ
ッド、そのヘッドを備えた液滴吐出装置、及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。

液滴吐出装置に搭載されている液滴吐出ヘッド、たとえばインクジェットヘッドは、イ
ンク液滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズルプレートと、このノズルプ
レートに接合され、ノズル孔に連通するキャビティ（圧力室ともいう）、リザーバ等のイ
ンク流路が形成されたインク流路基板であるキャビティプレートとを備えるように構成さ
れることが多い。そして近年、インクジェットヘッドには、印刷速度の高速化及びカラー
化を目的として、ノズル列を複数有することが要求されている。さらに、ノズルの高密度
化及び長尺化（１列当りのノズル数の増加）が進行し、その上コンパクト化も要求されて
いる。

上記のようなノズルの高密度化、長尺化及びコンパクト化に対応するため、ノズル孔、
キャビティ及びリザーバを一枚の基板に形成することは、有効な手段の一つである。
ただし一枚の基板にこれらの要素を含めたインクジェットヘッドは従来からもあった。
たとえば、一枚の基板にノズル開口、圧力発生室及びインク供給口を備えたインクジェッ
トヘッドが既に知られている（たとえば、特許文献１参照）。
また、流路板であるシリコン基板の表面に、ノズル長さと等しい厚みをもつエッチング
マスク層を形成し、ノズルをそのエッチングマスク層に形成し、加圧液室、共通液室及び
ノズル連通路をシリコン基板に形成するようにしているものもある（たとえば、特許文献
２参照）。

特開平５−２２９１１４号公報特開２００３−３２６７２４号公報

しかしながら、特許文献１のように、ウェットエッチングによるノズル形成工程では、
サイドエッチング量の制御が難しく、ノズルの径精度を十分に確保するのが困難であると
いった問題があった。また、通常の加工方法ではノズルの長さについても、十分な精度を
確保することが難しかった。

一方、特許文献２の場合にノズル長さの精度は向上する。しかし、流路基板であるシリ
コン基板の表面に、ノズル長さと等しい厚みをもつエッチングマスク層を形成する場合、
メニスカス制御の観点からエッチングマスク層は少なくとも１０μｍ程度の厚さが必要で
ある。しかしながら特許文献２のような方法で、そのような厚みのエッチングマスク層を
形成するのは非常に困難である。また、仮にできたとしてもコストや時間がかかってしま
うという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、一枚の基板にノズル孔
、キャビティ及びリザーバを形成するとともに、そのノズル孔、特に先端ノズル孔の長さ
及び径の精度を向上させて液滴の吐出精度を向上させた液滴吐出ヘッド、液滴吐出置及び
液滴吐出ヘッドの製造方法を提案することを目的とする。

本発明の液滴吐出ヘッドは、エッチングストップ層が所望の深さの内部位置に形成され
た流路基板に、エッチングストップ層を貫通し液滴を吐出するノズル孔が形成され、流路
基板の液滴吐出面と反対の面側に、ノズル孔に連通し圧力室を形成するキャビティと、キ
ャビティに連通し吐出液を取り込んで貯えるリザーバとが形成されており、入力信号に応
じて変形可能であって、キャビティとともに圧力室を形成する振動板が、流路基板の液滴
吐出面と反対の面に積層されているものである。
上記液滴吐出ヘッドによれば、ノズル孔とキャビティとリザーバを１枚の流路基板に一
体形成することで部材費と組み立てコストを低減することができる。また、エッチングス
トップ層を利用した製造工程により、最終吐出口となる先端ノズル孔の長さやリザーバの
深さを高精度に形成でき、それにより液滴の吐出精度が向上する。さらに、この構成によ
れば、最終吐出口となる先端ノズル孔の長さを、メニスカス制御が可能な十分な長さにす
ることができるという利点も有する。

なお、ノズル孔の径は、液滴吐出面と反対の面から液滴吐出面に向かって段階的に若し
くは徐々に小さくなっていて、液滴吐出面側に位置する最小径のノズル孔の長さは、液滴
吐出面からエッチングストップ層までの深さに等しいことが好ましい。
このようにノズル孔の入口側径を出口側（吐出口側）径よりも大きくすることで、ノズ
ル孔の長さが長くなることによる流路抵抗の増加を抑制することができる。また、出口に
向かってノズル孔径が次第に小さくなるので、整流作用により液滴吐出方向の直進性を高
める効果がある。さらに、最も精度が要求される最小径ノズル孔の長さが一定に定まり、
高精度に形成できる。

また、リザーバの深さは、液滴吐出面と反対の面からエッチングストップ層を除去した
位置までの深さとなっていることが好ましい。これにより、面積の大きいリザーバを均一
な深さにすることができる。

また、エッチングストップ層がシリコン酸化膜であることが好ましい。これによれば、
普及しているＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用することができ、部材調達が
容易で低コスト化がはかれる。

また、キャビティとリザーバの連通部に、キャビティの流路断面積より小さな流路断面
積であるオリフィスを設けていることが好ましい。こうすることで、流路基板のキャビテ
ィ形成時に、工程を増やすことなく流路抵抗を調整するためのオリフィスを形成できる。

なお、振動板の上に圧電素子を設け、圧電素子に電圧を印加したときの該圧電素子の変
形を利用して振動板を変形させることができる。これによれば、高精度かつ高出力な駆動
をする液滴吐出アクチュエータが実現される。
また、振動板に隙間を有して対向配置させた電極を設け、電極に電圧を印加したときに
生じる静電力を利用して振動板を変形させても良い。これによれば、高精度かつ高密度な
液滴吐出アクチュエータが実現される。

本発明の液滴吐出装置は、上記いずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えたものである。
この液滴吐出装置は上記の特徴を有しているため、安価で良好な吐出特性を有する。

本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、エッチングストップ層が所望の深さの内部位置
に形成された流路基板に対して、液滴吐出面とする側からエッチングストップ層まで異方
性ドライエッチングを行って先端ノズル孔を形成するステップと、流路基板に対して、液
滴吐出面となる側と反対の面側から異方性ドライエッチングを行い、吐出液を取り込んで
貯えるリザーバと、リザーバに連通し圧力室を形成することとなるキャビティと、キャビ
ティと先端ノズル孔とを連通させるための内部ノズル孔とを形成するステップであって、
リザーバと内部ノズル孔は、異方性ドライエッチングをエッチングストップ層まで行って
形成するステップと、流路基板の液滴吐出面と反対の面に入力信号に応じて変形可能な振
動板を積層し、キャビティと振動板とにより圧力室を形成するステップとを備えたもので
ある。
この方法によれば、最も精度が要求される先端ノズル孔を、その他の部位と別けて予め
定められた厚さだけ異方性ドライエッチングして形成するため、その先端ノズル孔の径及
び長さを高精度に形成できる。また、面積の大きいリザーバを均一な深さに形成すること
もできる。

なお、リザーバは、リザーバを形成しようとする領域内の複数箇所をエッチングストッ
プ層まで異方性ドライエッチングし、次にウェットエッチングにより、異方性ドライエッ
チングにより露出した部分のエッチングストップ層を除去するとともに、リザーバを形成
しようとする領域内で異方性ドライエッチングが行われていない残留部分に対応するエッ
チングストップ層を除去することで、残留部分をリフトオフ除去することによって形成す
ることが好ましい。
この方法によれば、面積の大きなリザーバの異方性ドライエッチング工程において、異
方性ドライエッチングによる加工面積を減らすことでエッチングレートを向上させ、良好
なスループットを確保することができる。

また、リザーバのエッチングストップ層を除去する前に、少なくとも内部ノズル孔と先
端ノズル孔との対向位置にあるエッチングストップ層がウェットエッチングされないよう
にする保護膜を形成することが好ましい。これにより、先端ノズル孔と内部ノズル孔との
間にあるエッチングストップ層が除去されてしまい、隣り合うノズル同士が連通すること
や、エッチングストップ層部分の径が先端ノズル孔の径より大きくなることを防止できる
。
なお、保護膜の形成は、流路基板の液滴吐出面とその反対面との両方の面にパーフルオ
ロカーボン混合物を成膜した後、リザーバ部分の膜を酸素プラズマ処理にて除去して行う
ことができる。これによれば、ディッピングにより被覆性の良好な薄膜を形成でき、酸素
プラズマ及び溶媒で除去することが可能である。
上記の方法においては、先端ノズル孔と内部ノズル孔との間のエッチングストップ層を
ドライエッチングにより除去するのが好ましい。これによれば、内部ノズル孔から先端ノ
ズル孔に至るノズル径を、エッチングストップ層も含めて、確実に段階的若しくは徐々に
小さくでき、液滴の吐出精度を向上させることができるからである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る圧電駆動方式のインクジェット用液滴吐出ヘッド
１０の分解した状態を示す分解斜視図、図２は、液滴吐出ヘッド１０の断面構成を示す縦
断面図である。図１及び図２に示すように、この液滴吐出ヘッド１０は、流路基板１と、
振動板２とが積層されて接合されている。流路基板１には、それぞれ複数のノズル孔（こ
こでは第１ノズル孔１１，第２ノズル孔１２及び第３ノズル孔１３により１つのノズル孔
が形成されている）、キャビティ（圧力室として作用する）１４、オリフィス１５、及び
これらに共通のリザーバ１６が形成されて、インクの流路を構成している。なお、リザー
バ１６に所定の容積を確保するために、流路基板１には所定の厚さ、たとえば、２００μ
ｍ以上の厚さが必要となる。

流路基板１は、たとえば厚さ３００μｍ、面方位（１００）の単結晶のシリコン基板か
らなり、液滴吐出面から３０μｍの深さの内部位置に、エッチングストップ層１Ａとして
機能する厚さ２μｍ程度の膜、たとえばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などが形成され
ている。また、流路基板１には、符号１１、１２、１３の各部から構成されたノズル孔が
、所定のピッチで垂直に複数（キャビティ１４の数と同数）貫通形成されている。それら
のノズル孔は、振動板２との接合面からその反対側の液滴吐出面に向かって段階的または
徐々に小さくなるように形成されている。実施の形態１でこのノズル孔は段階的に小さく
なるように形成されており、径の小さい孔から順に、第１ノズル孔（本明細書では先端ノ
ズル孔ともいう）１１、第２ノズル孔（本明細書では内部ノズル孔ともいう）１２、第３
ノズル孔（本明細書では内部ノズル孔ともいう）１３の３段構成となっている。このよう
に構成することで、径の小さなノズル孔が長くなることによる流路抵抗の増加を抑制する
ことができる。また、吐出口に向かってノズル径が小さくなっているので、整流作用によ
りインク吐出方向の直進性を高めることもできる。

流路基板１の振動板２との接合面側には、符号１１〜１３で構成されたノズル孔に連通
し、圧力を発生させて第１ノズル孔１１よりインクを吐出させる圧力室を形成している独
立した複数のキャビティ１４と、各キャビティ１４に供給するインクを溜める共通のリザ
ーバ１６と、各キャビティ１４とリザーバ１６とを連通する複数のオリフィス１５とが形
成されている。オリフィス１５の断面積は、流路抵抗を調整するため、キャビティ１４の
流路断面積よりも小さく形成するのが良い。

振動板２は、たとえば厚さ３０μｍのステンレスで構成されている。振動板２において
、キャビティ１４と対向する部分が実際に振動（変形振動）する部位となっており、その
振動の駆動源となる圧電素子２１が、キャビティ１４毎にキャビティ１４と反対側の面に
設置されている。圧電素子２１は、たとえばピエゾ素子などからなる圧電体膜（ＰＺＴ）
の両面に、電極２２，２２が形成された構成を有している。実施の形態１では、下側の電
極を共通電極とし、上側の電極を各キャビティ１４に対応した個別電極としている場合を
例に示しているが、駆動回路や配線の都合でこれらを逆にしてもよい。

また、振動板２には、外部のインクカートリッジ（図示省略）内のインクを流路基板１
のリザーバ１６に供給するためのインク供給孔２６が貫通形成されている。このインク供
給孔２６は、流路基板１に形成されるリザーバ１６に対応する位置に貫通形成するとよい
。なお、ここでは、振動板２がステンレスで構成されている場合を例に説明しているが、
振動板２はシリコンなど他の材料から構成しても良い。

次に、液滴吐出ヘッド１０の動作について説明する。液滴吐出ヘッド１０には、外部の
インクカートリッジ内のインクがインク供給孔２６を通じてリザーバ１６内に供給されて
いる。このインクは、各オリフィス１５を介してそれぞれのキャビティ１４に供給される
。そして、第３ノズル孔１３及び第２ノズル孔１２を介して第１ノズル孔１１の先端まで
インクで満たされている。この液滴吐出ヘッド１０の動作を制御するためのドライバＩＣ
等の駆動制御回路（図示せず）は、圧電素子２１の電極２２を構成している個別電極と共
通電極との間に接続されている。したがって、この駆動制御回路により圧電素子２１に駆
動信号（パルス電圧）が印加されると、対応する圧電素子２１及び振動板２がたわみ変形
し、対応するキャビティ１４内の圧力が高まって、第３ノズル孔１３及び第２ノズル孔１
２を経て第１ノズル孔１１からインクが吐出される。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１０によれば、ノズル孔１１〜１３、キャビティ１
４及びリザーバ１６を１枚の流路基板１に形成したので、複数枚の基板で流路を作る場合
に比べて材料費と組立コストを低減することができる。
一方、キャビティ１４と振動板２とは別々の基板で形成しているため、キャビティ１４
は従来のように流路基板１をほぼ貫通する深さに形成する必要がなくなり、流路基板１の
厚みはキャビティ１４の最適深さに制約されることなく自由に選択することができる。こ
のため、十分な厚さの基板を流路基板１として選択することで、吐出に最適なキャビティ
１４の深さに留めながら、クロストークを防止するのに十分なリザーバ容積も確保するこ
とが可能となる。

上記のように流路基板１の厚みを自由に選択することができる結果、ノズル孔、特に液
滴吐出面側に位置する最小径ノズル孔である第１ノズル孔１１を高精度に加工形成するこ
とが要求される。これに対しては、流路基板１の液滴吐出面からエッチングストップ層１
Ａまでを異方性ドライエッチングして第１ノズル孔１１を形成することにより、第１ノズ
ル孔１１の長さと径の寸法精度を高めることができる。

次に、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１０の製造方法について、図３〜図５の製造
工程図を用いて説明する。なお、以下において示す基板の厚さやエッチング深さ、温度、
圧力等の値はあくまでも一例を示すものであり、液滴吐出ヘッド１０の製造方法はこれら
の値によって限定されるものではない。

厚さ３００μｍ、面方位（１００）、片側の面から３０μｍの深さに厚さ１μｍのエッ
チングストップ層（ここではシリコン酸化膜層とする）１Ａを有した流路基板１となるシ
リコン基板１００を用意する。このようなシリコン基板１００は、ＳＯＩ基板として市販
されているので、入手が容易でコストも低減できる。なお、シリコン基板１００のエッチ
ングストップ層１Ａは、ノズル孔のメニスカス制御を考慮すると、表面からの深さが少な
くとも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、そして特に好ましくは本例のように３
０μｍ以上とするのが良い。

（ａ）このシリコン基板１００の外面に厚さ２．２μｍの熱酸化膜１０１を形成する。そ
して、エッチングストップ層１Ａに近い側の面（以下、Ｎ面という）の熱酸化膜１０１に
対して、第１ノズル孔（先端ノズル孔）１１を形成するための第１ノズル孔になる部分１
１ａをフォトリソグラフィー法により開口し、振動板２と接着する側の面（以下、Ｃ面と
いう）の熱酸化膜１０１に対して、第２ノズル孔（内部ノズル孔）１２、第３ノズル孔（
内部ノズル孔）１３、キャビティ１４、オリフィス１５、リザーバ１６になるそれぞれの
部分１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａを、フォトリソグラフィー法によりパター
ニングする。ただし、リザーバになる部分１６ａについての開口パターンは、最終的にリ
ザーバとなる全域を開口するのではなく、その域内の複数箇所をリザーバドライエッチン
グ部１６ｂとしてフォトリソグラフィー法により開口するものとする。

このとき、各部分１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ｂの熱酸化膜１０１
の残し膜厚が、次の関係になるようにエッチングする。すなわち、第１ノズル孔になる部
分１１ａ＝第２ノズル孔になる部分１２ａ＝リザーバドライエッチング部１６ｂ＝０＜第
３ノズル孔になる部分１３ａ＜キャビティになる部分１４ａ＝オリフィスになる部分１５
ａ、となるように熱酸化膜１０１の残し膜厚を決定する。

（ｂ）次に、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにて、シリコン基板１００の第１ノズル孔になる部分１１
ａをＮ面側から３０μｍ異方性ドライエッチングし、エッチングストップ層１Ａを露出さ
せる。
（ｃ）続いて、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにて、シリコン基板１００の第２ノズル孔になる部分１
２ａとリザーバドライエッチング部１６ｂをＣ面側から３０μｍ異方性ドライエッチング
する。

（ｄ）次に、Ｎ面をテープ４０で保護した状態で、Ｃ面の熱酸化膜１０１を適量エッチン
グ除去して、第３ノズル孔になる部分１３ａを開口させ、その後Ｄｅｅｐ−ＲＩＥで第３
ノズル孔になる部分１３ａを１７０μｍ程度異方性ドライエッチングする。このとき、第
２ノズル孔になる部分１２ａと、リザーバドライエッチング部１６ｂも同程度エッチング
される。
（ｅ）さらに、Ｎ面をテープ４０で保護した状態で、Ｃ面の熱酸化膜１０１を適量エッチ
ング除去して、キャビティになる部分１４ａ及びオリフィスになる部分１５ａを開口させ
、その後ＩＣＰドライエッチングでキャビティになる部分１４ａとオリフィスになる部分
１５ａを８０μｍ程度エッチングする。この際オリフィスになる部分１５ａの幅はキャビ
ティになる部分１４ａの幅より狭く加工するが、両者は同じ深さまで加工される。従って
オリフィスになる部分１５ａとキャビティになる部分１４ａとの加工は同じ工程で行える
。
なお、このとき、第２ノズル孔になる部分１２ａ、第３ノズル孔になる部分１３ａ、及
びリザーバドライエッチング部１６ｂも同程度エッチングされる。ただし、第２ノズル孔
となる部分１２ａとリザーバドライエッチング部１６ｂは、エッチングストップ層１Ａが
露出した時点（約７０μｍエッチングされた時点）でエッチングがストップする。これに
よって、第２ノズル孔になる部分１２ａ及び第３ノズル孔になる部分１３ａ、キャビティ
になる部分１４ａ、オリフィスになる部分１５ａ、及びリザーバドライエッチング部１６
ｂがそれぞれ所望の深さに形成される。

（ｆ）次に、各部が形成されたシリコン基板１００の両面に、ウェットエッチング保護膜
４１、たとえばパーフルオロカーボン混合物を０．１μｍだけディップ成膜する。なお、
パーフルオロカーボン混合物としては、たとえばサイトップ（登録商標）が膜の形成及び
膜の除去の観点から適している。
（ｇ）そして、リザーバ１６を形成しようとする部分以外をマスク４２で覆い、その状態
で酸素プラズマによりリザーバ１６を形成しようとする部分のウェットエッチング保護膜
４１を除去する。これにより、リザーバ１６を形成しようとする部分に位置するエッチン
グストップ層１Ａはエッチング可能となる一方、少なくとも第２ノズル孔になる部分１２
ａと第１ノズル孔になる部分１１ａの対向位置にあるエッチングストップ層１Ａはエッチ
ングに対して確実に保護される。
（ｈ）続いて、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を利用してウェットエッチングを行い、Ｄ
ｅｅｐ−ＲＩＥの異方性ドライエッチングにより露出した部分のエッチングストップ層１
Ａを除去するとともに、リザーバになる部分１６ａで異方性ドライエッチングが行われて
いない残留部分に対応するエッチングストップ層１Ａを除去して、リザーバになる部分１
６ａの残留部分をもリフトオフ除去する。これによりリザーバとなる部分１６ａの最終形
状が形成される。

（≡）次に、ウェットエッチング保護膜４１を除去した後、第２ノズル孔となる部分１２
ａと第１ノズル孔となる部分１１ａとの対向位置のエッチングストップ層１ＡおよびＮ面
の熱酸化膜１０１を、ＣＨＦ₃ ガスを用いたドライエッチングにより除去する。このドラ
イエッチングは、エッチングの指向性を考慮してＮ面側からの行うのが好ましい。このド
ライエッチングによるノズル孔の貫通により、第２ノズル孔となる部分１２ａと第１ノズ
ル孔となる部分１１ａとの間にあるエッチングストップ層１Ａ部分の貫通孔径は、第２ノ
ズル孔１２の径以下で、かつ第１ノズル孔１１の径以上にできる。これにより、第３ノズ
ル孔１３から第１ノズル孔１１に至るノズル孔の径を、第３ノズル孔１３から第１ノズル
孔１１に向かって段階的に小さくできる。
（ｊ）さらに、吐出液（たとえばインク）保護膜としての熱酸化膜１０２を、シリコン基
板１００の全面に成膜することで、流路基板１が完成する。

最後に、完成した流路基板１の液滴吐出面と反対の面に、入力信号に応じて変形可能な
振動板２を積層して接合し、キャビティと振動板２とにより圧力室を形成し、液滴吐出ヘ
ッドを形成する。なお、振動板２には、圧電素子２１を設けて、圧電素子に電圧を印加し
たときの該圧電素子の変形を利用して振動板を変形させるようにする。

上記の液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、一枚のシリコン基板にノズル孔１１〜１３
、キャビティ１４及びリザーバ１６を形成するとともに、先端ノズル孔である第１ノズル
孔１１の長さ及び径の精度を向上させて、液滴の吐出精度を向上させた液滴吐出ヘッドを
製造することができる。また、加工量の多いリザーバ１６を、異方性ドライエッチングと
ウェットエッチングのユニークな組み合わせにより形成しているため、その形成時間も短
縮できる。なお、内部ノズル孔である第３ノズル孔１３から第２ノズル孔１２までのノズ
ル孔の径は、上記に示した段階的形状でなくて、第３ノズル孔１３から第２ノズル孔１２
に向かって先細りのテーパ形状としてもよい。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る静電駆動方式の液滴吐出ヘッド５０を分解した状
態を示す分解斜視図、図７は、液滴吐出ヘッド５０の断面構成を示す縦断面図である。な
お、この実施の形態２では上述した実施の形態１との相違点を中心に説明するものとし、
実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。

この液滴吐出ヘッド５０は、振動板２の駆動が静電駆動方式であり、実施の形態１に係
る液滴吐出ヘッド１０の振動板２に設けられていた圧電素子２１の代わりに、振動板２の
振動部と隙間３３を介して対向配置された電極３２を有した電極基板３が設けられている
。ここでは、振動板２を共通電極とし、電極基板３の電極を個別電極３２としている。そ
して振動板２の振動部と電極基板３の個別電極３２との間の隙間３３は封止材３４で封止
されている。

従って、この液滴吐出ヘッド５０は、流路基板１と、振動板２と、電極基板３とが積層
されて接合された状態となっている。実施の形態２における流路基板１は実施の形態１の
それと同じ形状としてよく、前述の製造方法が利用できる。また、実施の形態２における
振動板２は、たとえば可撓性を有する（１１０）面方位のシリコン基板等で構成するとよ
い。また、振動板２の少なくとも電極基板３側の面には、たとえばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ
ｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン）を原料としたプラズマＣＶＤによる
ＳｉＯ２膜からなる絶縁膜が、たとえば０．１μｍの厚さで形成されているものとする
（図示せず）。この絶縁膜は、液滴吐出ヘッド５０の駆動時における絶縁破壊や短絡を防
止するためのものである。

電極基板３は、たとえば厚さ約１ｍｍのガラス材で構成する。電極基板３には、振動板
２を介して、流路基板１の各キャビティ１４に対向する位置に、それぞれ電極用凹部３１
が形成されている。各電極用凹部３１は、たとえばエッチングにより約０．３μｍの深さ
に形成されており、各電極用凹部３１の底面には、一般に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：
インジウム錫酸化物）からなる個別電極３２が、たとえば０．１μｍの厚さでスパッタに
より形成されている。また、電極基板３には、インク供給孔３６が設けられており、振動
板２のインク供給孔２６とともに、流路基板１のリザーバ１６に連通している。

振動板２と個別電極３２との間に形成される隙間３３は、電極用凹部３１の深さ、個別
電極３２及び振動板２を覆う絶縁膜の厚さにより決定され、実施の形態２では０．２μｍ
となっている。この隙間３３は、液滴吐出ヘッド５０の吐出特性に大きく影響するため、
厳格な精度管理が要求される。この隙間３３の開放端部は、エポキシ接着剤等からなる封
止材３４により気密に封止されている。これにより、異物や湿気等が隙間３３に侵入する
のを防止することができ、液滴吐出ヘッド５０の信頼性を高く保持することができる。

なお、個別電極３２をＩＴＯで構成した場合を例に説明したが、これに限定するもので
はなく、たとえばＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）あるいは金、銅等の金属を用いて構成し
てもよい。ただし、ＩＴＯは、透明であるので振動板２の当接具合の確認が行いやすいこ
となどの理由から、一般にはＩＴＯが用いられる。

次に、液滴吐出ヘッド５０の動作について説明する。液滴吐出ヘッド５０には、外部の
インクカートリッジ内のインクが、電極基板３のインク供給孔３６及び振動板２のインク
供給孔２６を通じてリザーバ１６内に供給されている。このインクは、各オリフィス１５
を介してそれぞれのキャビティ１４に供給される。そして、第３及び第２ノズル孔１３，
１２を介して第１ノズル孔１１の先端までインクで満たされている。なお、この液滴吐出
ヘッド５０の動作を制御するためのドライバＩＣ等の駆動制御回路（図示せず）が、各個
別電極３２と振動板２の共通電極（図示省略）との間に接続されている。

上記駆動制御回路により選択された個別電極３２に駆動信号（パルス電圧）が印加され
、たとえばその個別電極３２をプラスに帯電させる。このとき、共通電極を介して振動板
２には負の極性を有する電荷が供給され、正に帯電された個別電極３２に対応する位置に
おける振動板２を相対的にマイナスに帯電させる。そのため、選択された個別電極３２と
振動板２との間には静電気力（クーロン力）が発生することになる。そうすると、振動板
２は、静電気力によって個別電極３２側に引き寄せられて撓むことになる。これによって
、キャビティ１４の容積が増大する。

その後、個別電極３２へ印加していたパルス電圧をオフにすると、振動板２と個別電極
３２との間の静電気力がなくなり、振動板２はその弾性力により元の状態に復元する。こ
のとき、キャビティ１４の容積が急激に減少するため、キャビティ１４内部の圧力が急激
に上昇する。これにより、キャビティ１４内のインクの一部が第３及び第２ノズル孔１３
，１２を介し、第１ノズル孔１１からインク滴となって吐出されることになる。このイン
ク滴が、たとえば記録紙に着弾することによって印刷等が行われるようになっている。そ
の後、インクがリザーバ１６からオリフィス１５を通じてキャビティ１４内に補給され、
初期状態に戻る。

この実施の形態２に係る液滴吐出ヘッド５０によれば、実施の形態１に係る液滴吐出ヘ
ッド１０とほぼ同様の作用効果を得ることが可能になる。また、振動板２の駆動手段を静
電駆動方式としたため、実施の形態１の圧電素子を用いた場合に比べて、微細化が容易で
、構造を単純なものとすることができる。したがって、高密度で多数のノズル孔を形成し
た液滴吐出ヘッド５０を比較的安価に作製することができる。

ここで、実施の形態２に係る液滴吐出ヘッド５０の製造方法の一例を簡単に説明してお
く。流路基板１は、既に説明したように実施の形態１の方法と同様にして形成できる。こ
の流路基板１に、シリコン製の振動板２を積層し接着剤などを利用して接合する。さらに
、振動板２と従来から公知の方法で作製された電極基板３とを、陽極接合などを利用して
接合する。そして、振動板２と個別電極３２との間に形成された隙間３３を、封止材３４
で封止することで、液滴吐出ヘッド５０が製造できる。なお、振動板２と電極基板３とを
予め接合しておいて、それらの積層体を流路基板１に接合して、液滴吐出ヘッド５０を製
造するようにすることもできる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態１の液滴吐出ヘッド１０又は実施の形態２の液滴吐出ヘッド５０を
搭載した液滴吐出装置１５０であるインクジェットプリンタの斜視図である。この液滴吐
出装置１５０は、先述した液滴吐出ヘッド１０または５０を液滴吐出部に備えているので
、それらが有する特徴に起因して、吐出液（ここではインク）の吐出精度が向上する。

なお、実施の形態１の液滴吐出ヘッド１０及び実施の形態２の液滴吐出ヘッド５０は、
図８に示す液滴吐出装置１５０の他に、吐出液を種々変更することで、液晶ディスプレイ
のカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適
用することができる。また、本発明の液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、及び液滴吐出ヘッ
ドの製造方法は、本発明の実施の形態１、２で説明した内容に限定されるものではなく、
本発明の思想の範囲内において適宜変更することができる。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解した状態を示す分解斜視図。実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの断面構成を示す縦断面図。実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図。図３に続く製造工程を示した縦断面図。図４に続く製造工程を示した縦断面図。実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの分解した状態を示す分解斜視図。実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドの断面構成を示す縦断面図。実施の形態１または２の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置であるプリンタの斜視図。

符号の説明

１流路基板、１Ａエッチングストップ層、２振動板、３電極基板、１０液滴
吐出ヘッド、１１第１ノズル孔（先端ノズル孔）、１１ａ第１ノズル孔になる部分、
１２第２ノズル孔（内部ノズル孔）、１２ａ第２ノズル孔になる部分、１３第３ノ
ズル孔（内部ノズル孔）、１３ａ第３ノズル孔になる部分、１４キャビティ、１４ａ
キャビティになる部分、１５オリフィス、１５ａオリフィスになる部分、１６リ
ザーバ、１６ａリザーバになる部分、１６ｂリザーバドライエッチング部、２１圧
電素子、２２電極、２６インク供給孔、３１電極用凹部、３２個別電極、３３
隙間、３４封止材、３６インク供給孔、４０テープ、４１ウェットエッチング保
護膜、４２マスク、５０液滴吐出ヘッド、１００シリコン基板、１０１熱酸化膜
、１０２熱酸化膜、１５０液滴吐出装置。

Claims

エッチングストップ層が所望の深さの内部位置に形成された流路基板に、前記エッチン
グストップ層を貫通し液滴を吐出するノズル孔が形成され、
前記流路基板の液滴吐出面と反対の面側に、前記ノズル孔に連通し圧力室を形成するキ
ャビティと、前記キャビティに連通し吐出液を取り込んで貯えるリザーバとが形成されて
おり、
入力信号に応じて変形可能であって、前記キャビティとともに前記圧力室を形成する振
動板が、前記流路基板の液滴吐出面と反対の面に積層されていることを特徴とする液滴吐
出ヘッド。
前記ノズル孔の径は、液滴吐出面と反対の面から液滴吐出面に向かって段階的に若しく
は徐々に小さくなっており、前記液滴吐出面側に位置する最小径のノズル孔の長さは、前
記液滴吐出面から前記エッチングストップ層までの深さに等しいことを特徴とする請求項
１記載の液滴吐出ヘッド。
前記リザーバの深さは、前記液滴吐出面と反対の面から前記エッチングストップ層を除
去した位置までの深さとなっていることを特徴とする請求項１または２記載の液滴吐出ヘ
ッド。
前記エッチングストップ層はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１〜３のい
ずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
前記キャビティと前記リザーバの連通部に、前記キャビティの流路断面積より小さな流
路断面積であるオリフィスを設けていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
の液滴吐出ヘッド。
前記振動板の上に圧電素子を設け、前記圧電素子に電圧を印加したときの前記圧電素子
の変形を利用して前記振動板を変形させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
載の液滴吐出ヘッド。
前記振動板に隙間を有して対向配置させた電極を設け、前記電極に電圧を印加したとき
に生じる静電力を利用して前記振動板を変形させることを特徴とする請求項１〜５のいず
れかに記載の液滴吐出ヘッド。
請求項１〜７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液滴吐
出装置。
エッチングストップ層が所望の深さの内部位置に形成された流路基板に対して、液滴吐
出面とする側から前記エッチングストップ層まで異方性ドライエッチングを行って先端ノ
ズル孔を形成するステップと、前記流路基板に対して、前記液滴吐出面となる側と反対の
面側から異方性ドライエッチングを行い、吐出液を取り込んで貯えるリザーバと、前記リ
ザーバに連通し圧力室を形成することとなるキャビティと、前記キャビティと前記先端ノ
ズル孔とを連通させるための内部ノズル孔とを形成するステップであって、前記リザーバ
と前記内部ノズル孔は、前記異方性ドライエッチングを前記エッチングストップ層まで行
って形成するステップと、
前記流路基板の液滴吐出面と反対の面に入力信号に応じて変形可能な振動板を積層し、
前記キャビティと前記振動板とにより圧力室を形成するステップと、
を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記リザーバは、前記リザーバを形成しようとする領域内の複数箇所を前記エッチング
ストップ層まで異方性ドライエッチングし、次にウェットエッチングにより、前記異方性
ドライエッチングにより露出した部分の前記エッチングストップ層を除去するとともに、
前記リザーバを形成しようとする領域内で異方性ドライエッチングが行われていない残留
部分に対応する前記エッチングストップ層を除去することで、前記残留部分をリフトオフ
除去することによって形成することを特徴とする請求項９記載の液滴吐出ヘッドの製造方
法。
前記リザーバの前記エッチングストップ層を除去する前に、少なくとも前記内部ノズル
孔と前記先端ノズル孔との対向位置にある前記エッチングストップ層がウェットエッチン
グされないようにする保護膜を形成することを特徴とする請求項９または１０記載の液滴
吐出ヘッドの製造方法。
前記保護膜の形成は、前記流路基板の液滴吐出面とその反対面との両方の面にパーフル
オロカーボン混合物を成膜した後、前記リザーバ部分の前記膜を酸素プラズマ処理にて除
去して行うことを特徴とする請求項１１記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記先端ノズル孔と前記内部ノズル孔との間の前記エッチングストップ層をドライエッ
チングにより除去することを特徴とする請求項１１または１２記載の液滴吐出ヘッドの製
造方法。