JP2015058666A - インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ノズルプレートの可動域のばらつきを抑えて、安定したインク吐出能力を備える、信頼性の高いインクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態のインクジェットヘッドは、エッチング規制部を備えインクを充填する圧力室と、前記圧力室に連通するノズルを備え、可動域端部が前記エッチング規制部に固定されるノズルプレートと、圧電体を備え、前記ノズルプレートに配置される面状の駆動部と、を備える。
【選択図】図4

Description

実施形態は、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法に関する。
シリコン基板の表面に平面状の圧電素子を備えるノズルプレートを設ける一方、シリコン基板を裏面からウェットエッチングして加圧室(圧力発生室)を形成するインクジェットヘッドがある。
シリコン基板を裏面からエッチングして圧力発生室を形成するインクジェットヘッドは、エッチングの精度によって、圧力発生室の形状あるいは寸法等に大きなばらつきを生じる恐れがある。インクジェットヘッドの圧力発生室の形状あるいは寸法等のばらつきにより、ノズルプレートの可動域がばらつくと、ノズルからのインク吐出能力がばらついて、高精度の画質を得られない恐れがある。
特開2011−56939号公報
この発明が解決しようとする課題は、ノズルプレートの可動域のばらつきを抑えて、安定したインク吐出能力を得ることにより、高画質を得る、信頼性の高いインクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法を提供することである。
上記課題を達成するために、実施形態のインクジェットヘッドは、エッチング規制部を備えインクを充填する圧力室と、前記圧力室に連通するノズルを備え、可動域端部が前記エッチング規制部に固定されるノズルプレートと、圧電体を備え、前記ノズルプレートに配置される面状の駆動部と、を備える。
第1の実施形態のインクジェットプリンタを示す概略構成図。 第1の実施形態のインクジェットヘッドを示す概略分散斜視図。 第1の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図3のA−A線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第1の実施形態の圧力室構造体に溝を形成した状態を示す概略断面図。 第1の実施形態の圧力室構造体にノズルプレート及びシリコン酸化膜側壁を形成した状態を示す概略断面図。 第1の実施形態のノズルプレートに圧電素子を形成した状態を示す概略断面図。 第1の実施形態のノズルプレートにノズルを形成した状態を示す概略断面図。 第1の実施形態の圧力室構造体を第2の面から深さhまでエッチングした状態を示す概略断面図。 第1の実施形態の圧力室構造体に隔壁を形成した状態を示す概略断面図。 第1の実施形態の圧力室構造体にバックプレートを接着した状態を示す概略断面図。 第1の実施形態の(実施例1)のインクジェットヘッドの主要部の寸法を示す(表1)。 第1の実施形態の(実施例1)のノズルプレートの変形を示す模式図。 第2の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図8のB−B線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第2の実施形態の(実施例2)のインクジェットヘッドの主要部の寸法を示す(表2)。 第2の実施形態の変形例のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図11のC−C線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第3の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図13のD−D線におけるインクジェットヘッドを示す概略断面図。 第3の実施形態の(実施例3)のインクジェットヘッドの主要部の寸法を示す(表3)。 第4の実施形態のインクジェットヘッドを示す一部上面図。 図16のE−E線におけるインクジェットヘッドを示す一部概略断面図。
以下実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
第1の実施形態のインクジェット記録装置について図1乃至図7を参照して説明する。図1はインクジェット記録装置であるインクジェットプリンタ10の一例を示す。図1に示すインクジェットプリンタ10は、記録媒体である記録紙Pを搬送しながら画像形成等の各種処理を行う。インクジェットプリンタ10は、筐体10a、給紙カセット11、排紙トレイ12、保持ローラ13、搬送部である給紙搬送部14、反転部16及び排紙搬送部17を備える。インクジェットプリンタ10は、保持ローラ13の周囲に保持部18、画像形成部20、剥離部21及びクリーニング部22を備える。
給紙カセット11は、プリント前の記録紙Pを収容する。排紙トレイ12は画像形成後に筐体10aから排紙される記録紙Pを収容する。給紙搬送部14は、給紙カセット11から取り出した記録紙Pを保持ローラ13に給紙する。
保持ローラ13は、導体であるたとえばアルミニウムの円筒フレーム13aの表面に、薄い絶縁層13bを備える。円筒フレーム13aは接地される。保持ローラ13は、表面に記録紙Pを保持した状態で矢印s方向に回転して、記録紙Pを搬送する。保持部18は、記録紙Pを保持ローラ13に押圧する押圧ローラ18aと、帯電による静電気力で記録紙Pを保持ローラ13に吸着させる帯電ローラ18bを備える。
画像形成部20は、例えばインクジェットヘッド100C、100M、100Y、100Kを備える。インクジェットヘッド100C、100M、100Y、100Kは、それぞれシアン、マゼンダ、イエロ、ブラックのインクを吐出して、保持ローラ13表面に保持される記録紙Pに、所望の画像をプリントする。
剥離部21は、除電チャージャ21aと剥離爪21bを備える。除電チャージャ21aは、記録紙Pに電荷を供給して記録紙Pを除電する。剥離爪21bは、記録紙Pを保持ローラ13の表面から剥離する。プリントを終了していれば、剥離部21は、保持ローラ13から剥離した記録紙Pを、排紙搬送部17により排紙トレイ12に排紙する。両面プリントする場合は、剥離部21は、保持ローラ13から剥離した記録紙Pを、反転部16で反転し、再び保持ローラ13に供給する。反転部16は、例えば記録紙Pの前後方向を逆にスイッチバックさせる反転経路16aを備え、保持ローラ13から剥離した記録紙Pを反転する。クリーニング部22は、保持ローラ13表面をクリーニングする。
画像形成部20のインクジェットヘッド100C、100M、100Y、100Kについて述べる。インクジェットヘッド100C、100M、100Y、100Kはそれぞれ使用するインクが異なるものの同じ構成である。したがって共通の符号を用いて説明する。
図2に圧電MEMS(Micro Electro Mechanical System)型のインクジェットヘッド100の一例を示す。インクジェットヘッド100は、圧力室構造体50、バックプレート52、ノズルプレート30及びインク流路構造体54を備える。インクジェットヘッド100は、インクタンク101、制御部102に接続する。
ノズルプレート30は、圧力室構造体50の第1の面に形成され、バックプレート52は、圧力室構造体50のノズルプレート30と対向する第2の面に配置される。
インクジェットヘッド100は、インクタンク101から供給されるインクを、インク流路構造体54を介して、圧力室構造体50に形成される圧力室である円形の圧力発生室51に充填する。インクジェットヘッド100は、圧力発生室51に充填されるインクを、ノズルプレート30に形成される複数のノズル31から、インク滴としてそれぞれ吐出する。複数のノズル31は、ノズルプレート30に例えば二列に配列される。
インク流路構造体54は、インク流入口56、インク流路57及びインク排出口58を備える。インク流路構造体54は、インク流入口56からインク流路57に供給されるインクを、バックプレート52のインク孔53から圧力発生室51に流入する。インク流路57内のインクはインク排出口58からインクタンク101に排出する。インクジェットヘッド100は、インクタンク101とインク流路57との間でインクを循環する。
図3及び図4に示すように、ノズルプレート30は、ノズル31周囲に駆動部である面状の圧電素子40を備える。ノズルプレート30は、面状の圧電素子40の動作により厚み方向に変動する。インクジェットヘッド100は、ノズルプレート30の変動により圧力発生室51内に発生するエネルギ変化によって、ノズル31からインクを吐出する。
圧力発生室51は、例えばシリコン基板(Si基板)からなる圧力室構造体50に平面形状が円形となるように形成される。シリコン基板の厚さは、例えば100〜600μm程度であれば良い。隣接する圧力発生室51間の隔壁55の剛性を保ち、且つ円形状の圧力発生室51の配列密度を高めるには、シリコン基板の厚さを、150〜250μm程度とするのがより望ましい。圧力発生室51は、ノズルプレート30、隔壁55及びバックプレート52に囲まれて構成される。
隔壁55は、エッチング規制部であり、内径(直径)α1として、厚さwとする円環状のシリコン酸化膜側壁55aを備える。隔壁55は、内径(直径)α2の圧力室構造体50のエッチング面が形成されるシリコン膜側壁55bを備える。圧力発生室51は内径α1の領域と内径α2の領域を備える。
ノズルプレート30は、例えば圧力室構造体50と一体に形成される二酸化シリコン(SiO)膜からなり、圧力室構造体50の隔壁55と一体に形成される。シリコン酸化膜側壁55aの上端及びシリコン膜側壁55bの上端は、ノズルプレート30の固定端となっている。ノズルプレート30は、シリコン酸化膜側壁55aに規制されて、直径α1の可動域を備える。ノズルプレート30の厚さは、例えば1〜5μmとされる。
二酸化シリコン(SiO)膜は非晶質であることにより均等な変形を実現出来るという観点から、ノズルプレート30として望ましい。また安定した組成及び特性を備える膜の製造が容易という観点からも、ノズルプレート30として非晶質である二酸化シリコン(SiO)膜を使用するのが望ましい。更に従来の半導体製造プロセスとの整合性が良いという観点からも、ノズルプレート30として非晶質である二酸化シリコン(SiO)膜を使用するのが望ましい。ノズルプレート30の材料は二酸化シリコン(SiO)膜に限定されない。均等な変形を実現するために、ノズルプレートとして非晶質のシリコン窒化(SiN)膜を用いることも望ましい。
ノズル31は、例えばエッチングによりノズルプレート30に形成される。圧力発生室51の大きさとノズル31の大きさは、ノズル31から吐出するインク滴の量、インク吐出スピード、インク吐出周波数に応じて最適化する。例えば、1インチ当たり360個のインク滴を記録する場合には、ノズル31を、数十μmの溝幅で精度良く形成するのが望ましい。
圧電素子40は、各ノズル31の周囲に配置され、圧電体である圧電膜42を挟んで下部電極41及び上部電極43を積層する。下部電極41の一部41aは延長されて外部配線141の一部とされる。外部配線141は、2つの端子部141aに接続する。また、上部電極43の一部43aは、下層にある圧電膜42及び下部電極41とともに延長されて外部配線143の一部とされる。外部配線143は、下部電極41の2つの端子部141aの間に並んで配置される複数の端子部143aにそれぞれ接続する。
制御部102は、端子部143aへの電圧のオン/オフを制御して、圧電素子40に電気信号を供給する。圧電素子40は、圧力発生室51の周囲領域32の上方においてノズルプレート30に形成される。
ノズルプレート30のノズル31周囲のホール領域である直径βの円形の中央部33には、圧電素子40は形成されない。圧電素子40は、ノズルプレート30の隔壁55の上方から、ノズル31に向かって圧力発生室51領域上方まで延在する円環形状である。円環形状の圧電素子40が形成されないノズルプレート30の中央部33は、厚み方向に自由に変動可能となる。ノズルプレート30の中央部33の幅は、圧電素子40の動作によりノズルプレート30が変動可能な範囲であれば限定されない。
圧電素子40の圧電膜42として、チタン酸ジルコン酸鉛((Pb(Zr,Ti)O、PZT)等の電歪定数の大きな圧電材料が適している。圧電膜42にPZTを使用した場合、下部電極41或いは上部電極43の材料として、Pt(白金)、Au(金)、Ir(イリジウム)等の貴金属、或いはSrRuO(ルテニウム酸ストロンチウム)等の導電性の酸化物が適している。
圧電膜42は、窒化アルミニウム(AlN)或いは二酸化亜鉛(ZnO)等のシリコンプロセスに適した圧電材料を使用することも可能である。圧電膜42として窒化アルミニウム或いは二酸化亜鉛等を使用する場合には、下部電極41或いは上部電極43として、Al(アルミニウム)或いはCu(銅)等の、一般の電極材料や配線材料を使用できる。
インクジェットヘッド100の製造方法の一例について述べる。例えばフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング(RIE)により圧力室構造体50の第1の面をパターニングして、シリコン単結晶基板の圧力室構造体50に内径α1の円環状の溝155を形成する(図5a)。
次に溝155を備える圧力室構造体50の第1の面上に熱酸化法により二酸化シリコン(SiO)膜を形成して、ノズルプレート30とする。ノズルプレート30を形成すると同時に、溝155に、熱酸化法により二酸化シリコン(SiO)膜からなる厚さwの円環状のシリコン酸化膜側壁55aを形成する(図5b)。
圧力室構造体50の第1の面を熱酸化処理する場合に、溝155の幅と酸化膜厚を調整することで、溝155の内部を二酸化シリコン(SiO)膜で埋めて、シリコン酸化膜側壁55aを形成できる。Siは酸化されて二酸化シリコンになるときに大幅な体積膨張を生じる。酸化される前の表面に対して、酸化により表面下に44%、表面上に56%の酸化膜が生成する。したがって、溝155の幅の100/(56×2)=0.89倍の厚さ以上の酸化膜を形成することにより、溝155を埋め込んで一体化することが可能になる。
また、ノズルプレート30およびシリコン酸化膜側壁55aは、プラズマCVD法やTEOS(オルトケイ酸テトラエチル)を原材料とするCVD法などを用いて形成することも可能である。更に熱酸化法とCVD法を併用する等して形成することも可能である。
次にノズルプレート30上に圧電素子40を形成する。圧電素子40の形成のため、成膜工程と、パターニング工程を繰り返す。成膜工程は、スパッタリング法或いはCVD法等により行う。パターニング工程は、例えばフォトリソグラフィ及びRIEにより行う。例えば感光性レジストを用いて膜上にエッチングマスクを形成し、膜材料をエッチングした後、エッチングマスクを除去することでパターニングする。
ノズルプレート30上に、例えばスパッタリング法により、下部電極41の材料としてPt(白金)膜を成膜し、圧電膜42の材料としてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を成膜後、上部電極43の材料としてPt(白金)膜を成膜する。次に、フォトリソグラフィ及びRIEにより、上方のPt(白金)膜及びPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜をパターニングして上部電極43及び圧電膜42を形成する。更にフォトリソグラフィ及びRIEにより、下方のPt(白金)膜をパターニングして下部電極41を形成する(図5c)。下部電極41或いは上部電極43は、例えばTi(チタン)膜とPt(白金)膜等を用いた多層構造であっても良い。
次にフォトリソグラフィ及びRIEにより、ノズルプレート30をパターニングしてノズル31を形成する(図5d)。
次に、予備工程として、ノズルプレート30と対向する第2の面側からフォトリソグラフィ及び深掘り反応性イオンエッチング(D−RIE)により、圧力室構造体50をエッチングする。直径α2のパターンを用いて、例えばシリコン酸化膜側壁55aの先端位置に相当する深さhまで、圧力室構造体50に、エッチングおよび側壁パッシベーションを繰り返す(図5e)。
圧力室構造体50を深さhまでエッチングした後、圧力室形成工程を実施する。圧力室形成工程は、D−RIEの側壁パッシベーションを弱くして、エッチングの径を直径α2から直径α1まで徐々に拡大する条件で、圧力室構造体50をエッチングする。圧力室構造体50を、ノズルプレート30に到達する迄エッチングして、シリコン酸化膜側壁55aを露出して、隔壁55を形成する(図5f)。
深さhからノズルプレート30に到達するまでのエッチングレートは、例えばシリコン(Si)を100とした場合に、二酸化シリコン(SiO)膜を1以下とする。シリコン(Si)に対して、二酸化シリコン(SiO)膜のエッチングレートを小さくして、シリコン酸化膜側壁55aあるいはノズルプレート30をオーバーエッチングするのを防止する。シリコン酸化膜側壁55aよりも内側部分にあるシリコン(Si)を、シリコン酸化膜側壁55aの内径α1に沿って、オーバーエッチング無しに、確実に除去する。シリコン(Si)及び二酸化シリコン(SiO)膜のエッチングレートは限定されない。
シリコン酸化膜側壁55aを設けて、ノズルプレート30と接する面側の圧力発生室51の形状あるいはサイズがばらつくのを抑えて、高い精度で、圧力発生室51を直径α1に形成する。シリコン酸化膜側壁55aを設けることにより、ノズルプレート30の可動域を常に一定の直径α1に設定出来る。
次に、ノズルプレート30と対向する側の隔壁55に、バックプレート52を接着して圧力発生室51を形成する(図5g)。バックプレート52は、例えば、真空雰囲気中で双方の接着部分を清浄処理後に密着して、圧力室構造体50に加圧接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良い。あるいは有機接着剤を用いて圧力室構造体50に接着しても良い。
この後、バックプレート52を挟んで圧力室構造体50にインク流路構造体54を接着して、インクジェットヘッド100を形成する。圧力室構造体50の圧力発生室51は、バックプレート52のインク孔53を介して、インク流路構造体54のインク流路57に連通する。圧力室構造体50にシリコン酸化膜側壁55aを設けることにより、可動域の直径を均一の直径α1とするノズルプレート30を備えるインクジェットヘッド100を形成出来る。
上記一連のインクジェットヘッド100の製造は、例えば1枚のシリコンウエハ上に多数のインクジェットヘッドのチップを同時に形成後、1つのインクジェットヘッドのチップに分離する。多数のインクジェットヘッドのチップを同時に形成して、インクジェットヘッド100の量産を得る。
(実施例1)
(実施例1)として、第1の実施形態のインクジェットヘッド100について有限要素法によるシミュレーションを行った。(実施例1)は、圧電素子40の下部電極41と上部電極43により、圧電膜42に駆動電圧を印加した場合の、インクジェットヘッド100の特性をシミュレーションした実施例である。
1例としてシミュレーションに用いたインクジェットヘッド100の主要部の寸法を図6の(表1)に示す。インクジェットヘッド100のシリコン製の圧力室構造体50のノズルプレート30と接する面側の圧力発生室51の直径α1(ノズルプレート30の可動域α1)を200μmとした。圧力室構造体50の表面にCVD法で形成した二酸化シリコン(SiO)膜のノズルプレート30の厚さを4μmとした。ノズルプレート30上のノズル31の開口部の直径を20μmとした。
ノズルプレート30上の圧電素子40の中央部33を直径100μmとした。圧電素子40の、下部電極41の厚さを0.1μm、圧電膜42の厚さを2μm、上部電極43の厚さを0.1μmとした。下部電極41及び上部電極43として白金(Pt)を用い、圧電膜42としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。圧電膜42の圧電定数d31を−100pm/Vとした。
図7に、下部電極41と上部電極43の間に30Vの電圧を印加した場合の、シミュレータで計算されたノズルプレート30の変形を模式的に示す。電圧印加により圧電膜42は、矢印qで示す面方向に収縮する。圧電膜42の収縮により、ノズルプレート30の周囲領域32はバイモルフ効果により凹状に変形する。ノズルプレート30の圧電膜42が形成されていない中央部33は、周囲領域32の変形に伴い面方向に対して垂直に凸状に変形する。
下部電極41と上部電極43の間に30Vの電圧を印加した場合のシミュレーションによる計算の結果、ノズル31位置(圧力発生室51の中心)でのノズルプレート30の垂直方向の変位は0.48μmである。図7の斜線(A)で示す、ノズルプレート30全体での駆動体積は5.1pl(ピコリットル)である。
圧力発生室51の中心でノズルプレート30を0.48μm変位させるために必要な駆動圧力は0.28MPaであり、(実施例1)のインクジェットヘッド100のトータルの駆動エネルギは0.71nJと算出された。
例えば、体積5pl(ピコリットル)の有機溶媒や水溶液からなるインク滴を、10m/sの速度で吐出する場合に、インク滴の表面エネルギと運動エネルギの和は、0.1〜0.3nJ程度である。したがって、(実施例1)のインクジェットヘッド100は、圧力発生室51内のインクからなる体積5pl(ピコリットル)程度のインク滴を、10m/sの速度でノズル31から吐出するのに十分な駆動エネルギを有していることが分かる。
第1の実施形態によれば、インクジェットヘッド100の形成時に、圧力室構造体50に、エッチングレートの低いシリコン酸化膜側壁55aを設けることにより、圧力発生室51は、高いエッチング精度で直径α1に形成される。従って、インクジェットヘッド100は、ノズルプレート30の可動域を、高い精度で常に一定の直径α1に設定出来る。インクジェットヘッド100は、ノズルプレート30の可動域の形状あるいはサイズがばらつくのを抑えて、ノズル31からの安定したインク吐出特性を得られ、画質の向上を図れる。
第1の実施形態によれば、インクジェットヘッド100は、ノズルプレート30の可動域の製造精度の向上により、圧力発生室51の集積化を図れる。圧力発生室51の集積化により、ノズルプレート30の小型化ひいては、インクジェットヘッド100の小型化を図れる。
第1の実施形態のインクジェットヘッド100の構造は限定されず、ノズルプレート30及び圧電素子40上を例えば絶縁性の保護膜で被覆しても良い。ノズルプレート30及び圧電素子40を保護膜で被覆した場合、下部電極41或いは上部電極43は、例えば保護膜に設けるコンタクトホールを介してそれぞれ外部配線141、143に接続可能となる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態のインクジェットヘッド200を、図8乃至図10を参照して説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態において、圧電素子をノズルプレートの中央部に配置するものである。第2の実施形態にあって、前述の第1の実施形態で説明した構成と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
ノズルプレートの面上に配置される圧電素子によりノズルプレートを変形駆動するためには、圧電素子をノズルプレートの中央寄り或いは周囲寄りに配置することが望ましい。例えば上述の第1の実施形態は、圧電素子40をノズルプレート30の周囲寄りに配置して、中央部33を圧電素子40が形成されないホール領域とする。第2の実施形態では、圧電素子をノズルプレートの中央寄りに配置して、周囲に圧電素子が形成されない領域を設ける。
図8及び図9に示すように、インクジェットヘッド200のノズルプレート30は、ノズル31寄りに直径γ1の面状の圧電素子60を備える。圧電素子60は、ノズル31毎に、圧電体である圧電膜62をはさんで下部電極61及び上部電極63が積層される。下部電極61の端部61aは延長されて外部配線141の一部とされる。上部電極63の端部63aは、下層にある圧電膜42及び下部電極41とともに延長されて外部配線143の一部とされる。
ノズルプレート30の圧電素子60の外周から隔壁55の内径までの幅δ2の円環状の周囲部66には、外部配線141、143との接続領域をのぞいて、圧電素子60は形成されない。
圧電素子60の直径γ1(周囲部66の幅δ2)のサイズは、圧電素子60による駆動時にノズルプレート30の変形を妨げない範囲で任意である。
(実施例2)
(実施例2)として、第2の実施形態のインクジェットヘッド200について有限要素法によるシミュレーションを行った。実施例2は、圧電素子60の下部電極61と上部電極63により、圧電膜62に駆動電圧を発生した場合の、インクジェットヘッド200の特性をシミュレーションした実施例である。
1例としてシミュレーションに用いたインクジェットヘッド200の主要部の寸法を図10の(表2)に示す。インクジェットヘッド200のシリコン製の圧力室構造体50のノズルプレート30と接する面側の圧力発生室51の直径α1(ノズルプレート30の可動域α1)を200μmとした。ノズルプレート30の厚さを4μmとし、ノズルプレート30上のノズル31の開口部の直径を20μmとした。
ノズルプレート30上の圧電素子60の直径γ1を140μmとした。圧電素子60の、下部電極61の厚さを0.1μm、圧電膜62の厚さを2μm、上部電極63の厚さを0.1μmとした。下部電極61及び上部電極63として白金(Pt)を用い、圧電膜62としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。圧電膜42の圧電定数d31を実施例1と同じ−100pm/Vとし、圧力発生室51の面積を(実施例1)とほぼ同じとした。
下部電極61と上部電極63の間に30Vの電圧を印加した場合のシミュレーションによる計算の結果、ノズル31位置(圧力発生室51の中心)でのノズルプレート30の垂直方向の変位は0.53μmである。図7の斜線(A)で示す、ノズルプレート30全体での駆動体積は5.8pl(ピコリットル)である。
圧力発生室51の中心でノズル31を0.53μm変位させるために必要な駆動圧力は0.26MPaであり、(実施例2)のインクジェットヘッド200のトータルの駆動エネルギは0.77nJと算出された。
ノズルプレート30の周囲寄りに圧電素子40を備える(実施例1)と比較して、ノズルプレート30の中央寄りに圧電素子60を備える(実施例2)の駆動エネルギは、5%程度大きくなる。
一方、中央寄りに圧電素子60を備える(実施例2)では、外部配線141、143に接続する電極の端部61a、63aを、ノズルプレート30の上を通って引き出す必要がある。このことから、円環状の周囲部66の一部に電極の端部61a、63aを配線する(実施例2)と比較して、隔壁55上で外部配線141、143に接続する(実施例1)は、ノズルプレート30の変形時の対称性に優れる。ノズルプレート30の変形時の対称性に優れる(実施例1)は、(実施例2)と比較して、より安定したインクの吐出特性を備える。また、(実施例1)は、(実施例2)と比較して、電極の端部61a、63aの引き出し方向が限定されることが無く、設計の自由度を備える。
第2の実施形態によれば、インクジェットヘッド200は、シリコン酸化膜側壁55aを設けて、圧力発生室51の製造精度がばらつくのを抑える。従って、インクジェットヘッド200は、ノズルプレート30の可動域を、高い精度で一定の直径α1に設定出来る。インクジェットヘッド200は、ノズルプレート30の可動域の形状あるいはサイズがばらつくのを抑えて、ノズル31からの安定したインク吐出特性を得られ、画質の向上を図れる。
第2の実施形態によれば、インクジェットヘッド200は、ノズルプレート30の可動域の製造精度の向上により、ノズルプレート30の小型化ひいてはインクジェットヘッド200の小型化を得られる。更に第2の実施形態によれば、インクジェットヘッド200は、圧電素子60をノズルプレート30の中央寄りに配置することから駆動エネルギの増加を図れ、エネルギの節約を図れる。
(第2の実施形態の変形例)
第2の実施形態のインクジェットヘッドの構造は限定されず、例えば、図11及び図12に示す変形例のように、シリコン酸化膜側壁を円環状ではなく、複数に分割して配置しても良い。
圧力室構造体にシリコン酸化膜側壁を形成する場合に、酸化条件等のプロセス変動要因により、シリコン酸化膜側壁の直上部のノズルプレートに凹凸ができる可能性がある。ノズルプレート上に出来る凹凸部を乗り越えて圧電素子の電極を配線した場合に、凹凸部を原因として配線が断線する可能性がある。
変形例は、シリコン酸化膜側壁を複数に分割して、シリコン酸化膜側壁の無い分割域に圧電素子の電極を配線する。
変形例のインクジェットヘッド300では、圧電素子60の電極端部61a、63aが配置される分割域77を挟んで、円弧状の第1のシリコン酸化膜側壁71及び第2のシリコン酸化膜側壁72を備える。第1及び第2のシリコン酸化膜側壁71、72は分割域77を除いて、円環状のシリコン酸化膜側壁55aと同じ形状を備える。
分割域77を除く領域では、ノズルプレート30は、圧力室構造体50の隔壁74a、あるいは隔壁74bと一体に形成される。分割域77を除く領域にて、隔壁74aは第1のシリコン酸化膜側壁71とシリコン膜側壁55bを備え、隔壁74bは第2のシリコン酸化膜側壁72とシリコン膜側壁55bを備える。分割域77を除く領域では、第1あるいは第2のシリコン酸化膜側壁71、72の上端及びシリコン膜側壁55bの上端は、ノズルプレート30の固定端となっている。
図12に示すように、分割域77における隔壁74cは、垂直なシリコン膜側壁55bとテーパ状のシリコン膜側壁73により構成される。
第1或いは第2のシリコン酸化膜側壁71、72に比べて、シリコン膜側壁73は、エッチングレートが大きい。従って、分割域77の圧力発生室51の幅α3は、第1或いは第2のシリコン酸化膜側壁71、72の在る領域の幅(内径)α1より大きい。即ち、ノズルプレート30の可動域は、第1或いは第2のシリコン酸化膜側壁71、72の在る領域ではα1となり、分割域77ではα3となる。
但し、ノズルプレート30の可動域の大部分はシリコン酸化膜側壁71、72により直径α1とされ、ノズルプレート30全体としての変形挙動は、分割域77の可動域α3の影響をほとんど受けない。分割域77を配置した場合であっても、ノズルプレート30全体の可動域がばらつくのを抑えて、ノズル31からのインク吐出特性を安定に出来る。
しかも、圧電素子60の電極端部61a、63aを、シリコン酸化膜側壁71、72の無い、分割域77上に配線する。分割域77では、ノズルプレート30が平坦に保持される。従って、ノズルプレート30に生じる凹凸を原因として、電極端部61a、63aが断線する恐れがなく、高い歩留まりでインクジェットヘッド300を作成することが可能になる。
なお、シリコン酸化膜側壁の分割は2分割に限らない。シリコン酸化膜側壁を4分割、6分割する等も可能である。ただし、ノズルプレート30を対称に変形駆動して、インク滴を良好に吐出するという観点から、シリコン酸化膜側壁の分割域は、ノズルを中心部として点対称に配置することが望ましい。
変形例によれば、インクジェットヘッド300は、シリコン酸化膜側壁71、72を設けて、圧力発生室51の製造精度がばらつくのを抑える。インクジェットヘッド300は、ノズルプレート30の可動域を、ほぼ一定の直径α1に設定出来る。インクジェットヘッド300は、ノズルプレート30の可動域の形状あるいはサイズがばらつくのを抑えて、ノズル31からの安定したインク吐出特性を得られ、画質の向上を図れる。インクジェットヘッド300は、第2の実施形態と同様に小型化を得られると共に、エネルギの節約を図れる。
更に変形例によれば、ノズルプレート30が平坦な分割域77に電極端部61a、63aを配線することから、電極端部61a、63aが断線する恐れが無く、インクジェットヘッド300の製造歩留まりの向上を得る。
(第3の実施形態)
第3の実施形態のインクジェットヘッド400を、図13乃至図15を参照して説明する。第3の実施形態は、第1の実施形態において、圧力発生室の平面形状を長方形とするものである。第3の実施形態にあって、前述の第1の実施形態で説明した構成と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
インクジェットヘッド400は、圧力室構造体50に幅λ1、長さπ1の平面形状が長方形の圧力発生室80を備える。圧力発生室80は、ノズルプレート30、隔壁78及びバックプレート52に囲まれて構成される。
隔壁78は、内周が幅λ1、長さπ1である、厚さwの長方形の枠状のシリコン酸化膜側壁78aと、内周が幅λ2、長さπ2の圧力室構造体50のエッチング面が形成されるシリコン膜側壁78bを備える。圧力発生室80は内周がλ1×π1の領域とλ2×π2の領域を備える。
ノズルプレート30は、圧力室構造体50と一体に形成される二酸化シリコン(SiO)膜からなり、圧力室構造体50の隔壁78と一体に形成される。シリコン酸化膜側壁78aの上端及びシリコン膜側壁78bの上端は、ノズルプレート30との固定端となっている。ノズルプレート30は、シリコン酸化膜側壁78aに規制されて、λ1×π1の可動域を備える。
ノズルプレート30は、圧力発生室80の中心(例えば圧力発生室80の対角線の交点)にノズル35を備える。ノズルプレート30は、圧力発生室80と相似形の長方形の圧電素子81を備える。圧電素子81は、ノズル35周囲に圧力発生室80と相似形の長方形の中央部82を備える。中央部82には、圧電素子81が形成されない。圧電素子81は、圧電膜86をはさんで下部電極87及び上部電極88を積層する。下部電極87の一部87aは延長されて外部配線141の一部とされる。上部電極88の一部88aは下層にある圧電膜86及び下部電極87とともに延長されて外部配線143の一部とされる。
圧電素子81は、ノズルプレート30の隔壁78の上方から、ノズル35に向かって圧力発生室80の上方まで延在し、圧力発生室80の周囲領域83の上方に形成される。圧電素子81が形成されないノズルプレート30の中央部82は、厚み方向に自由に変動可能となる。ノズルプレート30の中央部82の大きさは、圧電素子81の動作によりノズルプレート30が変動可能な範囲であれば限定されない。
インクジェットヘッド400の製造時に、圧力室構造体50に、λ1×π1、厚さwの長方形の枠状の溝を形成する。溝を備える圧力室構造体50を熱酸化して、酸化シリコン(SiO2)膜のノズルプレート30と、シリコン酸化膜側壁78aを形成する。ノズルプレート30に圧電素子81及びノズル35を形成後、圧力室構造体50に圧力発生室80を形成する。
シリコン(Si)に対して、二酸化シリコン(SiO)膜のエッチングレートを小さくして、圧力室構造体50をD−RIEでエッチングして圧力発生室80を形成する。圧力室構造体50を、シリコン酸化膜側壁78aのλ1×π1の内周に沿って、オーバーエッチング無しに、確実にエッチングする。シリコン酸化膜側壁78aを設けて、ノズルプレート30と接する面側の圧力発生室80の形状及びサイズ、即ちノズルプレート30の可動域を高い精度で一定のλ1×π1に設定出来る。
(実施例3)
(提案書には無かったので、13B12Z043の実施例3のコピーです。)
(実施例3)として、第3の実施形態のインクジェットヘッド400について有限要素法によるシミュレーションを行った。(実施例3)は、圧電素子80の下部電極87と上部電極88により、圧電膜86に駆動電圧を発生した場合の、インクジェットヘッド400の特性をシミュレーションした実施例である。
1例としてシミュレーションに用いたインクジェットヘッド400の主要部の寸法を図15の(表3)に示す。インクジェットヘッド400のシリコン製の圧力室構造体50の圧力発生室80の幅λ1(幅方向におけるノズルプレート30の可動域λ1)を100μmとし、長さπ1を400μmとした。圧力発生室80の面積100×400(μm)を、(実施例1)の圧力発生室51の面積100×100×π(μm)に近づけた。
圧力室構造体50の表面にCVD法で形成した二酸化シリコン(SiO)膜のノズルプレート30の厚さを4μmとした。ノズルプレート30上のノズル35の開口部の直径を20μmとした。ノズルプレート30上の圧電素子81の中央部82の幅φを30μmとした。圧電素子81の、下部電極87の厚さを0.1μm、圧電膜86の厚さを2μm、上部電極88の厚さを0.1μmとした。
下部電極87及び上部電極88として白金(Pt)を用い、圧電膜86としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた。圧電膜86の圧電定数d31を−100pm/Vとした。ノズルプレート30の成膜残留応力を0MPa、圧電膜42の成膜残留応力を56MPaとした。
下部電極87と上部電極88の間に30Vの電圧を印加した場合のシミュレーションによる計算の結果、ノズル35位置(ノズルプレート30の中心)でのノズルプレート30の垂直方向の変位は0.23μmである。ノズルプレート30全体での駆動体積は3.7pl(ピコリットル)である。
ノズルプレート30の中心を0.23μm変形させるために必要な駆動圧力は0.69MPaであり、(実施例3)のインクジェットヘッド400のトータルの駆動エネルギは1.29nJと算出された。
(実施例3)のインクジェットヘッド400は、(実施例1)のインクジェットヘッド100と比較すると、長さπ1方向にある圧電素子80によるノズルプレート30の駆動力が小さい。一方、(実施例3)のインクジェットヘッド400は、圧電素子40によりノズル31周囲を均等に規制される(実施例1)のインクジェットヘッド100と比較すると、ノズルプレート30が変動しやすい。
従って、(実施例3)のインクジェットヘッド400は、(実施例1)のインクジェットヘッド100と比較すると、駆動体積が小さい一方、トータルの駆動エネルギが大きい。すなわち(実施例3)のインクジェットヘッド400は、(実施例1)のインクジェットヘッド100と比較するとインクの吐出量は、70%程度と少ない一方、インクの吐出エネルギは1.7倍有る。このことから、(実施例3)のインクジェットヘッド400は、(実施例1)のインクジェットヘッド100に比べて、より粘度の高いインクの吐出に適していることが分かる。
第3の実施形態によれば、インクジェットヘッド400は、シリコン酸化膜側壁78aを設けて、圧力発生室80の製造精度がばらつくのを抑える。従って、インクジェットヘッド400は、ノズルプレート30の可動域を、高い精度で一定のλ1×π1に設定出来る。インクジェットヘッド400は、ノズルプレート30の可動域の形状あるいはサイズがばらつくのを抑えて、ノズル35からの安定したインク吐出特性を得られ、画質の向上を図れる。
第3の実施形態によれば、インクジェットヘッド400は、ノズルプレート30の可動域の製造精度の向上により、圧力発生室80の集積化を図れる。圧力発生室80の集積化により、ノズルプレート30の小型化ひいては、インクジェットヘッド400の小型化を得られる。
更に第3の実施形態によれば、インクジェットヘッド400は、圧力発生室の平面形状が円形のインクジェットヘッドに比べてインクの吐出量が少ないものの、インクを吐出するエネルギを大きく出来る。従って第3の実施形態は、圧力発生室が円形のインクジェットヘッドに比べてより粘度の高いインクの使用に適している。
第3の実施形態における、インクジェットヘッド400の構造は限定されない。インクジェットヘッド400は圧電素子81の上面に絶縁膜を備え、絶縁膜に形成されるコンタクトホールを介して、下部電極87あるいは上部電極88と外部配線を接続しても良い。更に第3の実施形態において、圧電素子をノズルプレートの中央部に配置しても良い。
(第4の実施形態)
第4の実施形態のインクジェットヘッド500を、図16及び図17を参照して説明する。第4の実施形態は、第2の実施形態において、圧力室構造体に形成される複数の圧力発生室の、それぞれの円環状のシリコン酸化膜側壁を隣接して配置するものである。第4の実施形態にあって、前述の第2の実施形態で説明した構成と同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
インクジェットヘッド500の圧力室構造体50に形成される複数の圧力発生室51は、隣接する圧力発生室51と隔壁90を共用する。隔壁90は、内径(直径)α1、厚さwの円環状のシリコン酸化膜側壁90aと、内径(直径)α2の圧力室構造体50のエッチング面が形成されるシリコン膜側壁90bを備える。
ノズルプレート30は、圧力室構造体50と一体に形成される二酸化シリコン(SiO)膜からなり、圧力室構造体50の隔壁90と一体に形成される。シリコン酸化膜側壁90aの上端及びシリコン膜側壁90bの上端は、ノズルプレート30との固定端となっている。ノズルプレート30は、シリコン酸化膜側壁90aに規制されて、圧力発生室51毎に、直径α1の可動域を備える。
インクジェットヘッド500の製造時に、圧力室構造体50に、内径α1の円環状の溝を形成する。圧力発生室51が隣接する領域では、円環状の溝を共用する様に形成する。溝を備える圧力室構造体50を熱酸化して、二酸化シリコン(SiO)膜のノズルプレート30と、シリコン酸化膜側壁90aを形成する。ノズルプレート30に圧電素子60及びノズル31を形成後、圧力室構造体50に圧力発生室51を形成する。
シリコン(Si)に対して、二酸化シリコン(SiO)膜のエッチングレートを小さくして、圧力室構造体50をD−RIEでエッチングして圧力発生室51を形成する。圧力室構造体50を、シリコン酸化膜側壁90aの内径α1に沿って、オーバーエッチング無しに、確実にエッチングする。シリコン酸化膜側壁90aにより、ノズルプレート30と接する面側の圧力発生室51のエッチング面積、即ちノズルプレート30の可動域を高い精度で一定の直径α1に設定出来る。
更に、隣接する圧力発生室51で隔壁90を共用して、非常に高い密度で圧力発生室51を集積化し、ひいてはインクジェットヘッド500のノズル31の密度を高められる。なお、隣接する圧力発生室は円形に限らない。圧力発生室が多角形状である場合にも、隣接する圧力発生室で隔壁を共用しても良い。
第4の実施形態によれば、インクジェットヘッド500は、シリコン酸化膜側壁90aを設けて、圧力発生室51の製造精度がばらつくのを抑える。従って、インクジェットヘッド500は、ノズルプレート30の可動域を、高い精度で一定の直径α1に設定出来る。インクジェットヘッド500は、ノズルプレート30の可動域の形状あるいはサイズがばらつくのを抑えて、ノズル31からの安定したインク吐出特性を得られ、画質の向上を図れる。
第4の実施形態によれば、インクジェットヘッド500の隣接する圧力発生室51は、隔壁90を共用する。従って、圧力発生室51を高い密度で集積可能となる。第4の実施形態によれば、ノズル31を高密度で集積することにより、インクジェットヘッド500の小型且つ高画質化を図れる。
以上説明した実施形態において、圧力発生室の形状あるいはサイズ等限定されず、圧力発生室の平面形状は、例えばひし形或いは楕円、更には多角形状等用途に応じて任意である。また、エッチング規制部の形状、サイズあるいは厚さ等も圧力発生室を高精度に形成出来る範囲で任意である。シリコン酸化膜(SiO2)の外に、シリコン窒化膜(SiN)等の無機材料あるいはアルミに生む(Al)、タングステン(W)等の金属材料も使用することができる。圧電素子の形状あるいは材料等も限定されないし、圧電体の圧電特性等も任意である。
更にインクジェットヘッドの構造は限定されない。例えば、インクジェットヘッドは、圧力発生室とインク流路との間に圧力発生室より穴径の小さいインク供給孔が形成されるバックプレートを備えなくても良い。但し圧力発生室とインク流路との間にバックプレートを配置しない場合には、圧力発生室の深さ方向のサイズを大きく取ることが好ましい。圧力発生室の深さ方向のサイズを大きく取ることにより、ノズルプレートの変形により、圧力発生室内に発生するエネルギ変化が、インク流路に逃げるのを遅らせる。
以上説明した少なくとも1つの実施形態によれば、圧力室構造体に、エッチングレートの低いシリコン酸化膜側壁を設ける。圧力発生室のエッチング製造時に、シリコン酸化膜側壁の内周を高い製造精度でエッチングする。従って、インクジェットヘッドのノズルプレートの可動域を常に一定に設定でき、ノズルからの安定したインク吐出特性を得て、画質の向上を図る。またノズルプレートの可動域の製造精度の向上により、ノズルプレートの小型化ひいてはインクジェットヘッドの小型化を図る。
この発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…インクジェットプリンタ
30…ノズルプレート
31…ノズル
40…圧電素子
41…下部電極
42…圧電膜
43…上部電極
51…圧力発生室
55…隔壁
55a…シリコン酸化膜側壁
55b…シリコン膜側壁
100…インクジェットヘッド

Claims (9)

  1. エッチング規制部を備えインクを充填する圧力室と、
    前記圧力室に連通するノズルを備え、可動域端部が前記エッチング規制部に固定されるノズルプレートと、
    圧電体を備え、前記ノズルプレートに配置される面状の駆動部と、を備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 前記エッチング規制部は、前記圧力室構造体に前記ノズルプレートを形成するのと同じプロセスにより、前記ノズルプレートを形成するのと同時に形成されることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド。
  3. 隣り合う圧力室は、前記エッチング規制部の一部を共用することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記圧力室の平面形状が円形であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  5. 前記圧力室の平面形状が多角形であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  6. 前記エッチング規制部はシリコン酸化膜側壁であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
  7. 前記ノズルプレートの厚さを1とした場合の前記シリコン酸化膜側壁の厚さの割合は、2以上とすることを特徴とする請求項6に記載のインクジェットヘッド。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のインクジェットヘッドと、
    前記インクジェットヘッドから前記インクが吐出される位置に記録媒体を搬送する搬送部と、を備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
  9. 圧力室構造体の第1の面に圧力室の内周に沿って溝を形成する工程と、
    前記溝にあって前記圧力室構造体のエッチングレートを低下させる工程と、
    前記溝の内周に沿って前記圧力室構造体をエッチングする圧力室形成工程と、を備えることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
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