JP2016215657A - インクジェット式記録ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
バブル型のアクチュエータ手段は、圧力室内に配設した発熱抵抗体を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させる。
図1は、実施形態のインクジェットプリンタ100(以下、単に、プリンタ100と称する)を示す概略図である。
プリンタ100は、筐体101を有する。筐体101内には、保持ローラ2が矢印方向に回転可能に設けられている。保持ローラ2の下方には、用紙Pを収容した給紙カセット3が設けられている。筐体101の上端には、排紙トレイ102が設けられている。
インクジェットヘッド6は、ノズルプレート12と、シリコン基板14と、バックプレート16と、インク流路ブロック300とを有する。インクジェットヘッド6は、ノズルプレート12の第1面(図示上面)が保持ローラ2の表面に対向する姿勢で取り付けられる。なお、ノズルプレート12は、後述するように、シリコン基板14と一体に形成されるものであり、実際には図示のように分離されるものではない。ここでは、説明を分かり易くするため、分離して図示してある。
図3乃至図10は第1の実施の形態を示す。図3は、第1の実施形態のインクジェットヘッド6−1の要部、すなわち1つのノズル孔12aの周りの構造物をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。また、図4は、図3のF4−F4線断面図である。図4では、図示簡略化のため、インク流路ブロック300の図示を省略してある。なお、以下に説明する複数の実施形態や変形例において、1つのノズル孔12aに着目してヘッドの全体構成を説明する。
図5に示すように、まず、シリコン基板14となるシリコン単結晶基板21の平らなウェハ表面21aにリング状の溝22を例えばフォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチング(RIE)によって形成する。本実施形態では、溝22は、インク圧力室14aの外周形状と対応する大きさの円形状のリング状の溝22を2つに分割した2つの半円形状溝22a、22bを有し、ウェハ表面21aに対して略垂直に形成する。この溝22の位置および形状(深さや幅)は、後の工程で形成するシリコン酸化膜側壁11a、11bの位置、長さ、厚さを決める。
なお、本実施の形態ではシリコン単結晶基板21の熱酸化により振動板30およびシリコン酸化膜側壁11a、11bを形成したが、熱酸化法以外のプラズマCVD法やTEOSを原材料とするCVD法なども使用することが可能である。
これにより、インク圧力室14a内に第1領域14a1と、ノズル孔12aの近傍の連通路17と、第2領域14a2とを結ぶインク流路を形成することができる。
バックプレート16にはインク供給口となるインク流通孔16aとインク排出口となるインク流通孔16bとが形成してある。これにより、インク流通孔16aからインク圧力室14aの第1領域14a1と、ノズル孔12aの近傍の連通路17と、インク圧力室14aの第2領域14a2を経て、インク流通孔16bに至るインク流路が完成する。
図11および図12は、第1の実施の形態の第1の変形例を示す。図11は、第1の変形例のインクジェットヘッド6−2の部分拡大平面図である。図12は、図11のF12−F12線断面図である。
第1の実施の形態のインクジェットヘッド6−1では、インク圧力室14aの横断面形状を円形状にした例を示した。これに替えて、本変形例のインクジェットヘッド6−2は、インク圧力室14aの横断面形状を矩形状に変更したものである。それ以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図13および図14は、第1の実施の形態の第2の変形例を示す。図13は、第2の変形例のインクジェットヘッド6−3の部分拡大平面図である。図14は、図13のF14−F14線断面図である。
本変形例のインクジェットヘッド6−3は、第1の変形例のインクジェットヘッド6−2において、圧電素子42を振動板30の中心部から、周囲部分に移動したものである。
それ以外は第1の実施の形態と同様である。したがって、第1の実施の形態と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
その第1の利点は、圧電素子42から下部電極43の配線部43aや、上部電極45の配線部45aを引き出す際に、振動板30の上の広い面積を通らずに直接外側に引き出せる。そのため、振動板30の変形時の対称性が良くなる。第2の利点は、圧電素子42に駆動電圧を印加したときの振動板30のストロークがやや大きくなるという利点がある。なお、圧電素子42を振動板30の中央寄りに形成した場合は、振動板30の駆動力はやや大きくなる利点がある。
図15乃至図22は第2の実施の形態を示す。図15は、第2の実施の形態のインクジェットヘッド6−4の部分拡大平面図である。図16は、図15のF16−F16線断面図である。本実施の形態のインクジェットヘッド6−4は、圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドである。
バックプレート16には、圧力室41の第1領域41a1に対応したインク流通孔16aと、第2領域41a2に対応したインク流通孔16bとを備えている。インク流通孔16aから注入されたインクは、インク圧力室14aの第1領域41a1内を上昇し、振動板30の端面に突き当たる。これにより、インクの流れの方向を変えてノズル孔12aの周囲を通って、インク圧力室14aの第2領域41a2内を下降し、インク流通孔16bから排出される。このようにノズル孔12aの周囲を通ってインク循環が行われるため、ノズル孔12aの近傍で気泡が発生した場合でも速やかに排出することが可能となる。
図23および図24は、第3の実施の形態を示す。図23は、第3の実施の形態のインクジェットヘッド6−5の部分拡大平面図である。図24は、図23のF24−F24線断面図である。本実施の形態のインクジェットヘッド6−5は、圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドである。本実施の形態のインクジェットヘッド6−5は、第2の実施の形態のインクジェットヘッド6−4の構成の一部を次のとおり変更した変形例である。そのため、第2の実施の形態と同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図25は、第4の実施の形態を示す。図25は、第4の実施の形態のインクジェットヘッド6−6の断面図である。本実施の形態のインクジェットヘッド6−6は、圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドである。
図26乃至図28は第5の実施の形態を示す。図26は、第5の実施の形態のインクジェットヘッド6−7の部分拡大平面図である。図27は、図26のF27−F27線断面図、図28は、図26のF28−F28線断面図である。本実施の形態のインクジェットヘッド6−7は、圧電MEMS型のインクジェット式記録ヘッドである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]一方の端面から他方の端面に亘って圧力室が設けられるシリコン基板と、前記シリコン基板の一方の端面にあって、前記圧力室を塞ぐ振動板と、前記圧力室に連通するノズルと、を有するノズルプレートと、前記ノズルプレートを変位させて前記圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させるアクチュエータと、前記シリコン基板の他方の端面にあって、前記圧力室へインクを供給する第1の接続口と、前記圧力室からインクが流出する第2の接続口と、を有するバックプレートとを有し、前記シリコン基板は、前記バックプレート側の端面に一体に形成され、前記圧力室内を前記ノズルの近傍の連通路を除いて複数に仕切る仕切り壁を有するインクジェット式記録ヘッド。
[2]前記振動板は、シリコン酸化膜により形成されている[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[3]前記仕切り壁は、前記ノズルと対向する位置に配置され、前記ノズルと対向する端部側に先細のテーパー面が形成されている[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[4]前記振動板は、前記ノズルの孔を延長して前記振動板の端面から連続して同じ材料で一体に前記圧力室内に延びた筒状体を有し、前記仕切り壁は、前記ノズルと対向する位置から外れたオフセット位置に配置されている[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[5]前記振動板は、前記振動板の端面から連続して同じ材料で一体に前記圧力室内に延びて前記圧力室の側壁の一部をなす側壁形成部が形成されている[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[6]前記仕切り壁は、前記ノズルと対向する位置よりも一方側にオフセットした第1壁部と、前記ノズルと対向する位置よりも他方側にオフセットした第2壁部とを有し、前記圧力室は、前記第1壁部と前記第2壁部との間に配置された中央位置の第1室と、前記第1壁部と前記圧力室の一方の側壁との間に配置された第2室と、前記第2壁部と前記圧力室の他方の側壁との間に配置された第3室と、に3分割されており、前記バックプレートは、前記第1室と対応する位置に前記第1の接続口、前記第2室および前記第3室と対応する位置に前記第2の接続口がそれぞれ形成されている[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[7]前記仕切り壁は、前記ノズルと対向する位置よりも一方側にオフセットした位置に複数の第1壁部と、前記ノズルと対向する位置よりも他方側にオフセットした位置に複数の第2壁部とを有し、前記バックプレートは、前記圧力室の一方の側壁と前記第1壁部との間に前記第1の接続口、前記圧力室の他方の側壁と前記第2壁部との間に前記第2の接続口がそれぞれ形成されている[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[8]前記アクチュエータは、前記ノズルの孔の周りで前記ノズルプレートの前記振動板に積層した下部電極と圧電膜と上部電極とを含む圧電素子である[1]に記載のインクジェット式記録ヘッド。
[9]シリコン基板の一方の端面にリング状の溝を形成することと、前記シリコン基板を前記一方の端面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなる振動板を形成するとともに、前記シリコン基板の熱酸化により前記溝に対応する壁体を前記振動板の端面から連続して一体に形成することと、前記振動板の前記壁体と反対側の端面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して圧電素子を成膜することと、前記振動板の端面にインクを吐出させるノズル開口部を形成することと、前記シリコン基板の前記一方の端面と反対の他方の端面側に前記振動板の前記壁体間の面積よりも小さい面積の2つのレジストパターンを作成することと、前記シリコン基板の前記2つのレジストパターンの作成部分から前記シリコン基板をエッチングおよび側面パッシベーションを繰り返して垂直な外周の側壁および前記側壁間の仕切り壁を残しながら前記シリコン基板から部分的に除去して前記ノズル開口部の両側に圧力室を作成することと、前記圧力室の作成用のエッチング先端が前記振動板の前記壁体の深さに達した後、前記側面パッシベーションを弱くして外径が徐々に拡大する条件でエッチングを行い、前記振動板の前記壁体および前記振動板を露出させることと、前記振動板の前記壁体および前記振動板を露出させると同時に、前記仕切り壁を両側から薄くして前記仕切り壁の両側の部分を合体することにより、前記圧力室内にインク流路を形成することと、前記シリコン基板の前記他方の端面にバックプレートを設けることと、を有するインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
Claims (2)
- シリコン基板の一方の端面にリング状の溝を形成することと、
前記シリコン基板を前記一方の端面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなる振動板を形成するとともに、前記シリコン基板の熱酸化により前記溝に対応する壁体を前記振動板の端面から連続して一体に形成することと、
前記振動板の前記壁体と反対側の端面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して圧電素子を成膜することと、
前記振動板の端面にインクを吐出させるノズル開口部を形成することと、
前記シリコン基板の前記一方の端面と反対の他方の端面側に前記振動板の前記壁体間の面積よりも小さい面積の2つのレジストパターンを作成することと、
前記シリコン基板の前記2つのレジストパターンの作成部分から前記シリコン基板をエッチングおよび側面パッシベーションを繰り返して垂直な外周の側壁および前記側壁間の仕切り壁を残しながら前記シリコン基板から部分的に除去して前記ノズル開口部の両側に圧力室を作成することと、
前記圧力室の作成用のエッチング先端が前記振動板の前記壁体の深さに達した後、前記側面パッシベーションを弱くして外径が徐々に拡大する条件でエッチングを行い、前記振動板の前記壁体および前記振動板を露出させることと、
前記振動板の前記壁体および前記振動板を露出させると同時に、前記仕切り壁を両側から薄くして前記仕切り壁の両側の部分を合体することにより、前記圧力室内にインク流路を形成することと、
前記シリコン基板の前記他方の端面に前記圧力室へインクを供給する第1の接続口と、前記圧力室からインクが流出する第2の接続口と、を有するバックプレートを設けることと、
を有し、
前記第1の接続口は、前記圧力室の一端、前記第2の接続口は、前記圧力室の他端にそれぞれ配置され、
前記仕切り壁は、前記第1の接続口と前記第2の接続口との間に前記圧力室の対向する一方の側壁面から他方の側壁面にわたって設けたインクジェット式記録ヘッドの製造方法。 - シリコン基板の一方の端面にリング状の溝を形成することと、
前記シリコン基板を前記一方の端面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなる振動板を形成するとともに、前記シリコン基板の熱酸化により前記溝に対応する壁体を前記振動板の端面から連続して一体に形成することと、
前記振動板の前記壁体と反対側の端面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して圧電素子を成膜することと、
前記振動板の端面にインクを吐出させるノズル開口部を形成することと、
前記シリコン基板の前記一方の端面と反対の他方の端面側に前記振動板の前記壁体間の面積よりも小さい面積の2つのレジストパターンを作成することと、
前記シリコン基板の前記2つのレジストパターンの作成部分から前記シリコン基板をエッチングおよび側面パッシベーションを繰り返して垂直な外周の側壁および前記側壁間の仕切り壁を残しながら前記シリコン基板から部分的に除去して前記ノズル開口部の両側に圧力室を作成することと、
前記圧力室の作成用のエッチング先端が前記振動板の前記壁体の深さに達した後、前記側面パッシベーションを弱くして外径が徐々に拡大する条件でエッチングを行い、前記振動板の前記壁体および前記振動板を露出させることと、
前記振動板の前記壁体および前記振動板を露出させると同時に、前記仕切り壁を両側から薄くして前記仕切り壁の両側の部分を合体することにより、前記圧力室内にインク流路を形成することと、
前記シリコン基板の前記他方の端面に前記圧力室へインクを供給する第1の接続口と、前記圧力室からインクが流出する第2の接続口と、を有するバックプレートを設けることと、
を有し、
前記第1の接続口は、前記圧力室の中央部位、前記第2の接続口は、前記圧力室の周壁部位にそれぞれ配置され、
前記仕切り壁は、前記第1の接続口と前記第2の接続口との間に前記圧力室の対向する一方の側壁面から他方の側壁面にわたって設けたインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
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