JP2018158552A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】十分な吐出圧力でインク滴を良好に吐出させることができるインクジェット式記録ヘッドを提供する。【解決手段】インクジェット式記録ヘッドは、第１基板と、第１基板の第１面に積層されたノズルプレートと、第１基板の第２面に積層されたダイアフラムと、ダイアフラムの背面に積層された第２基板と、を有する。第１基板は、第１基板を貫通して第１の方向に延設された複数のインク圧力室を有する。ダイアフラムは、各インク圧力室の一端に連通した個別インク供給孔、および各インク圧力室の他端に連通した個別インク排出孔を有する。第２基板は、アクチュエータを覆う凹所を有し、ダイアフラムの各個別インク供給孔を介して各インク圧力室の一端に連通した複数の個別インク供給路、およびダイアフラムの各個別インク排出孔を介して各インク圧力室の他端に連通した複数の個別インク排出路を有する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、ノズルに連通したインク圧力室にインクを循環させるタイプのインクジェット式記録ヘッドに関する。

インクジェット式記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通するインク圧力室と、このインク圧力室内のインクを加圧するアクチュエータと、を備える。このヘッドは、アクチュエータを駆動することでインク圧力室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる。

アクチュエータとして、例えば、圧電素子を用いてインク圧力室の壁面（振動板）を変形変位させることでインク滴を吐出させる圧電型のものが知られている。圧電型のアクチュエータは、圧電素子がインクに直接接触せず、圧電素子の発熱による熱の影響も無視できるため、使用するインクの種類に制約がないという利点がある。よって、半導体プロセス技術を上記圧電型に適用した、いわゆる圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッドが注目されている。

特開２０１６−１８７８９２号公報

インク圧力室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる場合、十分な吐出圧力を得るために、インク圧力室内のインクの圧力を維持する必要がある。このため、通常、インク圧力室とインク供給路の間に狭隘部（オリフィス）や段差部を設けてインク圧力室内にインクを閉じ込めるようにしている。

一方、インク吐出動作中にインク圧力室内で気泡が発生すると、インク滴を吐出させるための圧力が気泡に吸収されて吐出不良を生じる。このため、インク圧力室にインクを循環させて気泡を除去するようにしたヘッドが知られている。

しかし、インクの供給経路にオリフィスや段差部を設けると、流路抵抗が大きくなってインクが流れ難くなり、気泡の除去が不十分となる。

よって、十分な吐出圧力でインク滴を良好に吐出させることができるインクジェット式記録ヘッドの開発が望まれている。

実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、第１面およびこの第１面と平行な第２面を有するとともに、第１面と平行な第１の方向にそれぞれ配列され且つ第１面と第２面を連絡した複数のインク圧力室を有する第１基板と、複数のインク圧力室の第１面側を塞ぐように第１基板の第１面に積層され、各インク圧力室に連通した複数のノズルを有するノズルプレートと、複数のインク圧力室の第２面側を塞ぐように第１基板の第２面に積層され、各インク圧力室の第１の方向の一端に連通した複数の個別インク供給孔を有し、且つ各インク圧力室の第１の方向の他端に連通した複数の個別インク排出孔を有するダイアフラムと、ダイアフラムの第１基板と反対の背面側に設けられ、各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧可能な複数のアクチュエータと、ダイアフラムの背面側に積層され、ダイアフラムに対向する対向面を有し、この対向面に複数のアクチュエータを非接触状態で覆う凹所を有し、ダイアフラムの各個別インク供給孔を介して各インク圧力室の一端に連通した複数の個別インク供給路を有し、且つダイアフラムの各個別インク排出孔を介して各インク圧力室の他端に連通した複数の個別インク排出路を有する第２基板と、を有する。

図１は、第１の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す部分拡大図である。 図２は、図１のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。 図３は、図１のインクジェット式記録ヘッドのダイアフラムを封止基板側から見た部分拡大背面図である。 図４は、図１のインクジェット式記録ヘッドの駆動基板をノズルプレート側から見た部分拡大平面図である。 図５は、図１のインクジェット式記録ヘッドを流路基板の背面側から見た平面図である。 図６は、インク圧力室の長さとインク滴の体積の関係をシミュレートするためのヘッドのモデルを示す概略断面図である。 図７は、図６のモデルを用いたシミュレーション結果を示すグラフである。 図８は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図９は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１０は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１１は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１２は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１３は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１４は、図１のインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す部分拡大図である。 図１５は、図１４のインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す部分拡大背面図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。

実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、第１の方向に配列された複数のインク圧力室を有する第１基板と、第１基板の第１面に積層されたノズルプレートと、第１基板の第２面に積層されたダイアフラムと、各インク圧力室に対向してダイアフラムの背面に設けたアクチュエータと、アクチュエータを非接触状態で覆う凹所を有してダイアフラムの背面に積層された第２基板と、を有する。

第１基板は、第１基板を貫通して第１の方向に延設された複数のインク圧力室を有する。ノズルプレートは、各インク圧力室の第１の方向の中央付近、望ましくは中央に各インク圧力室に連通した複数のノズルを有する。ダイアフラムは、各インク圧力室の一端に連通した複数の個別インク供給孔、および各インク圧力室の他端に連通した複数の個別インク排出孔を有する。第２基板は、ダイアフラムの各個別インク供給孔を介して各インク圧力室の一端に連通した複数の個別インク供給路、およびダイアフラムの各個別インク排出孔を介して各インク圧力室の他端に連通した複数の個別インク排出路を有する。

実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、非常に簡単なプロセスにより製造することができ、非常に簡単な構造を有している。各インク圧力室の両端には、個別インク供給路および個別インク排出路を接続している。このため、インク圧力室を長くしなくても、個別インク供給路、インク圧力室、および個別インク排出路をつなげた個別インク流路を長くすることができ、インクの慣性抵抗を利用したインク圧力室内へのインクの閉じ込めが可能となる。つまり、本実施形態によると、ヘッドの構成をコンパクトにすることができ、各インク圧力室の両端にオリフィスなどを設けることなく、インク滴の吐出時における各インク圧力室内の十分な吐出圧力を確保することができる。

インクの慣性抵抗を利用して各インク圧力室内にインクを閉じ込めるためには、ノズルをインク圧力室の第１の方向の中央に設けた場合、当該ノズルからインク圧力室の端部までと個別インク供給路を足した流路の長さ、およびノズルからインク圧力室の反対側の端部までと個別インク排出路を足した流路の長さを、少なくとも２５０μｍ、望ましくは５００μｍ以上にするとよい。

また、実施形態によると、個別インク供給路、インク圧力室、および個別インク排出路をつなげた個別インク流路にインクを循環させて、ノズル付近で不所望に発生した気泡をインク圧力室から排出させる。このとき、個別インク流路におけるインクの流路抵抗をできるだけ小さくすることが望ましく、個別インク供給路の流路断面積および個別インク排出路の流路断面積をインク圧力室の流路断面積と同等もしくはそれ以上にすることが望ましい。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００（以下、単に、ヘッド１００と称する）の要部を示す部分拡大図であり、図２は、図１のヘッド１００の断面を示す図である。図１では、構造を見易くするため、圧電素子４０の配線構造および保護膜７０の図示を省略してあり、図２では、圧電素子４０の配線構造の図示を省略してある。また、図３は、図１のヘッド１００のダイアフラム３０を封止基板５０側から見た部分的な背面図であり、図４は、図１のヘッド１００の駆動基板１０をノズルプレート２０側から見た部分的な平面図である。図４では、各インク圧力室１１に対するノズル２１の位置を示すため、ここでは図示しないノズルプレート２０のノズル２１を破線で示してある。さらに、図５は、ヘッド１００を流路基板６０の背面６０ｂ側から見た平面図である。

本実施形態のヘッド１００は、圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッドである。ヘッド１００は、例えばＳｉにより形成した駆動基板１０（第１基板）、例えばＳｉにより形成したノズルプレート２０、例えばＳｉ酸化膜により形成したダイアフラム３０、ダイアフラム３０の背面３０ａに設けた複数の圧電素子４０（アクチュエータ）、例えばＳｉにより形成した封止基板５０（第２基板）、および例えばポリイミドにより形成した流路基板６０（第３基板）を有する。複数の圧電素子４０を備えたダイアフラム３０の駆動基板１０から離間した側の背面３０ａ上には保護膜７０（図２）が設けられている。

駆動基板１０は、その第１面１０ａ（図２における図示下面）と第２面１０ｂ（図２における図示上面）を連絡して駆動基板１０を貫通した複数の細長いインク圧力室１１を有する。複数のインク圧力室１１は、駆動基板１０の第１面１０ａおよび第２面１０ｂと平行な第１の方向（以下、長手方向とする場合もある）にそれぞれ延設された長孔であり、この第１の方向と直交し且つ第１面１０ａおよび第２面１０ｂと平行な第２の方向（以下、並び方向とする場合もある）に一定のピッチで並べて設けられている。

インク圧力室１１は、それぞれ、ダイアフラム３０の背面３０ａに設けた圧電素子４０に一対一で対向して設けられている。複数の圧電素子４０は、図３および図５に示すように、第１の方向に延びた略長円形の外観を有し、複数列（図３では２列のみ図示）に並べて形成されている。各圧電素子４０の配線のため、隣接する２列の圧電素子４０は、並び方向に１／２ピッチずつ交互にずれてレイアウトされている。このため、駆動基板１０に設けた複数のインク圧力室１１も、図４に示すように、隣接する２列の間で並び方向に１／２ピッチずつ互いにずれて配置されている。

各列のインク圧力室１１は、それぞれ長手方向の両端が並び方向に揃っている。各インク圧力室１１の長手方向に沿った長さは、２００μｍ〜６００μｍ程度であり、各インク圧力室１１の並び方向に沿った幅は５０〜１５０μｍ程度であり、並び方向のピッチは、６０〜２００μｍ程度である。本実施形態では、インク圧力室１１の断面形状を、圧電素子４０より大きい略長円形にした。

駆動基板１０は、例えば３０〜５００μｍの厚みを有し、望ましくは５０〜２００μｍの厚みを有する。駆動基板１０の厚みは、並び方向に隣接するインク圧力室１１間の隔壁に十分な剛性を持たせることができ、インク圧力室１１の配列密度をできるだけ高くすることができる厚みであり、且つ各インク圧力室１１の容積を適切な値にすることができる厚みに設計される。駆動基板１０の厚みは、各インク圧力室１１の深さに相当する。

ノズルプレート２０は、接着剤１５を介して駆動基板１０の第１面１０ａに接触し、各インク圧力室１１の第１面１０ａ側の開口部を塞ぐように、駆動基板１０の第１面１０ａに接着固定される。ノズルプレート２０は、各インク圧力室１１に連通した複数のノズル２１を有する。ノズル２１は、各インク圧力室１１の長手方向に沿った中央付近、より望ましくは中央に設けられる。

各インク圧力室１１に対応して設けた複数のノズル２１は、ノズルプレート２０を貫通して延びている。このため、ノズル２１の長さは、ノズルプレート２０の厚みに相当する。各インク圧力室１１は、ノズル２１を介してヘッド１００の外部に連絡している。各ノズル２１から対応するインク圧力室１１の長手方向の両端までの距離は、それぞれ１００μｍ〜３００μｍ程度に設計されている。

ノズルプレート２０は、例えば、厚さ１０〜１００μｍ程度のＳｉにより形成される。

ダイアフラム３０は、駆動基板１０の第２面１０ｂに接触して、各インク圧力室１１の第２面１０ｂ側の開口部を塞ぐように設けられている。ダイアフラム３０は、各インク圧力室１１の長手方向の一端に対向した複数の個別インク供給孔３２、および各インク圧力室１１の長手方向の他端に対向した複数の個別インク排出孔３４を有する。複数の個別インク供給孔３２および複数の個別インク排出孔３４は、ダイアフラム３０を貫通して設けられている。

ダイアフラム３０は、例えば、熱酸化ないしはＣＶＤ法により作成した、厚さ１〜５μｍ程度のＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_２）で形成される。Ｓｉ酸化膜は、均等な変形が実現できるという観点から、非晶質であることが望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点からも、ダイアフラム３０をＳｉ酸化膜により形成することが望ましい。さらに、従来の半導体プロセスとの整合性が良いという点からも、ダイアフラム３０をＳｉ酸化膜により形成することが望ましい。

複数の圧電素子４０は、駆動基板１０の複数のインク圧力室１１にそれぞれ対向するように、ダイアフラム３０の背面３０ａに積層されて形成されている。各圧電素子４０は、図２に示すように、ダイアフラム３０の背面３０ａに重ねた下部電極４２、下部電極４２に重ねた圧電膜４４、および圧電膜４４に重ねた上部電極４６を有する。各圧電素子４０の第１の方向に沿った長さは、上述したインク圧力室１１の第１の方向に沿った長さより短く、ダイアフラム３０の個別インク供給孔３２および個別インク排出孔３４に重ならない長さに設定されている。各圧電素子４０の並び方向に沿った幅は、上述したインク圧力室１１の並び方向に沿った幅より狭い。

各圧電素子４０の下部電極４２の一部は、ダイアフラム３０の背面３０ａに沿って第１の方向に延伸され、個別駆動配線４３（図３）として機能する。圧電素子４０の表面を含むダイアフラム３０の背面３０ａ上には、保護膜７０が設けられている。上部電極４６と接する保護膜７０の一部には図示しないビアホールが形成され、ビアホールを介して上部電極４６から引出し配線４７が引き出されている。各圧電素子４０の個別駆動配線４３および引出し配線４７は、図３に示すように、ダイアフラム３０の個別インク供給孔３２および個別インク排出孔３４を避けてレイアウトされている。

各圧電素子４０の圧電膜４４には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ＰＺＴ）などの電歪定数の大きな圧電材料が適している。圧電膜４４にＰＺＴを使用した場合、下部電極４２や上部電極４６には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒなどの貴金属や、ＳｒＲｕＯ_３などの導電性の酸化物が適している。また、圧電膜４４として、ＡｌＮやＺｒＯ_２など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。この場合は、下部電極４２や上部電極４６として、Ａｌ、Ｃｕなどの一般の電極材料や配線材料を使用することができる。

封止基板５０は、複数の圧電素子４０に対して非接触状態で、ダイアフラム３０の背面３０ａ側に積層されている。封止基板５０は、接着剤４５を介して、ダイアフラム３０の背面３０ａに接着固定されている。封止基板５０は、図５に示すように、各圧電素子４０から引き出された個別駆動配線４３の端部につながる接続端子パッド４８を覆わない幅を有する。

封止基板５０は、ダイアフラム３０の背面３０ａに対向する対向面５０ａを有し、この対向面５０ａ側に複数の圧電素子４０を非接触状態で密閉する凹所５１を有する。凹所５１は、例えば、各圧電素子４０に対応して複数設けてもよく、各列の複数の圧電素子４０をまとめて覆う凹所５１としてもよい。

封止基板５０は、その対向面５０ａと対向面５０ａから離間した反対側の背面５０ｂとを連絡して封止基板５０を貫通した複数の個別インク供給路５２および複数の個別インク排出路５４を有する。複数の個別インク供給路５２および複数の個別インク排出路５４は、それぞれ、駆動基板１０の複数のインク圧力室１１の両端に一対一で設けられており、既知の方法によって予め封止基板５０に形成されている。

各個別インク供給路５２の対向面５０ａ側の開口部は、ダイアフラム３０の個別インク供給孔３２に重なって連通している。また、各個別インク排出路５４の対向面５０ａ側の開口部は、ダイアフラム３０の個別インク排出孔３４に重なって連通している。そして、個別インク供給路５２および個別インク排出路５４は、インク圧力室１１の長手方向と略直交する方向、すなわち封止基板５０の厚み方向に延設されている。つまり、個別インク供給路５２および個別インク排出路５４の長さは、それぞれ、封止基板５０の厚みに相当する。

流路基板６０は、封止基板５０の背面５０ｂに接着剤５５を介して貼り合わされている。流路基板６０は、その封止基板５０側の対向面６０ａに複数（図５の例では２つ）の共通インク供給室６２および複数（図５の例では３つ）の共通インク排出室６４を有する。複数の共通インク供給室６２および複数の共通インク排出室６４は、複数のインク圧力室１１の並び方向に延設され、各インク圧力室１１の長手方向に沿って交互に並べて設けられている。

共通インク供給室６２および共通インク排出室６４は、既知の方法によって予め流路基板６０の対向面６０ａに有底の溝として形成されている。共通インク供給室６２および共通インク排出室６４の長手方向の両端は閉じており、互いに独立した空間を形成している。各共通インク供給室６２の底には、流路基板６０の背面６０ｂに連絡した複数のインク供給口６６が設けられている。各共通インク排出室６４の底には、流路基板６０の背面６０ｂに連絡した複数のインク排出口６８が設けられている。

図５に例示したヘッド１００は、４列の圧電素子４０（すなわち４列のインク圧力室１１）を有する。例えば、図示下端の列に並んだ複数のインク圧力室１１の一端（図示上端）には封止基板５０に設けた個別インク供給路５２がそれぞれ接続されており、流路基板６０の図示下方の共通インク供給室６２に連通している。一方、この列の複数のインク圧力室１１の他端（図示下端）には封止基板５０に設けた個別インク排出路５４がそれぞれ接続されており、流路基板６０の図示最下端にある共通インク供給室６２に連通している。

また、図示下から２列目の複数のインク圧力室１１の一端（図示上端）には封止基板５０に設けた個別インク供給路５２がそれぞれ接続されており、流路基板６０のもう一つの上方の共通インク供給室６２に連通している。一方、この列の複数のインク圧力室１１の他端（図示下端）には封止基板５０に設けた個別インク排出路５４がそれぞれ接続されており、１列目の複数のインク圧力室１１にインクを供給するのと同じ下方の共通インク供給室６２に連通している。

上記のように、隣接する列の各インク圧力室１１を流れるインクの向きを交互に反転させることで、両者の間の共通インク供給室６２（或いは共通インク排出室６４）を共用にしている。

以下、上述したヘッド１００の動作について説明する。
まず、図示しない外部のインク供給ポンプからヘッド１００にインクが供給される。インクは、流路基板６０の背面６０ｂに設けた複数のインク供給口６６を介して２つの共通インク供給室６２へそれぞれ流入する。各共通インク供給室６２へ流入したインクは、封止基板５０の複数の個別インク供給路５２およびダイアフラム３０の複数の個別インク供給孔３２を介して各列の複数のインク圧力室１１へ流れ込む。

各インク圧力室１１へ流れ込んだインクは、流路基板６０の背面６０ｂに設けた複数のインク排出口６８に接続した図示しない外部のインク排出ポンプにより排出される。このとき、複数のインク圧力室１１内のインクは、その他端に設けたダイアフラム３０の複数の個別インク排出孔３４および封止基板５０の複数の個別インク排出路５４を介して流路基板６の共通インク排出室６４へ流出され、複数のインク排出口６８を介してヘッド１００の外へ排出される。

以上のように、複数のインク圧力室１１内をインクが循環する。このとき、各インク圧力室１１内に発生した気泡等も速やかにインク圧力室１１外に排出される。本実施形態では、インク圧力室１１、個別インク供給路５２、および個別インク排出路５４を１本につなげた個別インク流路がその全長にわたって比較的大きな断面積を有する。つまり、本実施形態では、個別インク流路の途中にオリフィスを設けていない。

このため、本実施形態のヘッド１００は、個別インク流路５２、１１、５４を流れるインクの流路抵抗が小さく、インクの粘性抵抗が小さく、インク圧力室１１を流れるインクの抵抗を少なくすることができ、インクをスムーズに循環させることができる。具体的には、本実施形態の個別インク流路５２、１１、５４は、その全長にわたって５０００μｍ^２〜３００００μｍ^２程度の断面積を有する。

上述したように各インク圧力室１１内にインクを循環させた状態で、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、各圧電素子４０の下部電極４２と上部電極４６の間に駆動電圧を選択的に印加する。これにより、駆動電圧を印加した圧電素子４０の圧電膜４４が収縮して圧電素子４０が凹状に屈曲変形し、対応するインク圧力室１１の体積が増大し、インク圧力室１１に個別インク供給路５２を介してインクが流入する。次に、駆動電圧を除去すると、当該圧電素子４０の屈曲変形が元に戻り、インク圧力室１１の体積が減少し、インク圧力室１１内の圧力が上がり、ノズル２１を介してインク滴が吐出する。

インク滴を十分な吐出圧力で良好に吐出させるためには、インク滴吐出時にインク圧力室１１内のインクの圧力を保持する必要がある。このため、本実施形態では、各インク圧力室１１を個別に流れるインクの流路（個別インク供給路５２、インク圧力室１１、個別インク排出路５４）を十分に長くして、ノズル２１から共通インク供給室６２までの距離、およびノズル２１から共通インク排出室６４までの距離を十分に長くした。これにより、各インク圧力室１１を満たすインクの慣性質量による慣性抵抗を生じせしめて、インク圧力室１１から共通インク供給室６２や共通インク排出室６４へ圧力が逃げることを抑制するようにした。

言い換えると、本実施形態のヘッド１００は、各圧電素子４０を屈曲変形させてインク滴を吐出させるのに十分な吐出圧力を得ることができる程度にインク圧力室１１、個別インク供給路５２、および個別インク排出路５４の長さを確保している。具体的には、インク滴吐出時におけるインクの圧力変化に基づく振動の波（以下、圧力波と称する）が共通インク供給室６２および共通インク排出室６４の手前で十分に減衰し、共通インク供給室６２や共通インク排出室６４にほとんど振動が伝わらない程度に、インク圧力室１１、個別インク供給路５２、および個別インク排出路５４の長さを設定している。

これにより、インク滴を十分な吐出圧力で吐出させることができるとともに、共通インク供給室６２や共通インク排出室６４を介して並び方向に隣接した他のインク圧力室１１へ圧力波が伝わる不具合も防止することができ、隣接するインク圧力室１１におけるインク滴の吐出動作に悪影響を及ぼすこともない。

インク滴の吐出によって発生する上述した圧力波を十分に減衰させることのできる最適な個別インク流路５２、１１、５４の長さを調べるため、図６に示すタイプのヘッド（個別インク供給路５２および個別インク排出路５４を持たないヘッド）を用いて、インク圧力室１１の長さを種々変更した場合における、ノズル２１から吐出されるインク滴の体積変化をコンピュータ上で再現した。そのシミュレーション結果を図７に示す。

これによると、ノズル２１を中心としたインク圧力室１１（両端は開放）の長さが１ｍｍを超えた場合に、インク滴の体積が理想の体積（インク圧力室１１の両端を塞いで圧力を完全に閉じ込めた状態でのインク滴の体積）の約８割に達することがわかった。この場合、インク圧力室１１の幅や深さ、すなわちインク圧力室１１の断面積は、インク滴の体積にほとんど影響を及ぼさないこともわかっている。つまり、この場合、インク圧力室１１の長さをノズル２１の両側でそれぞれ５００μｍ以上にすることで、インク圧力室１１の両端で圧力波を十分に減衰させることができ、十分なサイズのインク滴を安定して吐出させることができることがわかる。

また、図７のシミュレーション結果から、インク圧力室１１の長さが０．５ｍｍを超えた場合に、インク滴の体積が理想の体積の約５割に達していることがわかる。本実施形態のヘッド１００は、各インク圧力室１１の両端に、十分な流路断面積を有する個別インク供給路５２および個別インク排出路５４を接続しているため、インク圧力室１１の長さをノズル２１の両側で少なくとも２５０μｍ以上にすれば、インク滴の体積を所望する程度に十分に大きくすることが可能である。

反面、インク圧力室１１だけを長くすると、ヘッド１００の第１の方向に沿ったサイズアップにつながるため、インク圧力室１１はできるだけ短い方が望ましい。この点から考察すると、図７のシミュレーション結果では、インク圧力室１１の長さが２５００μｍに近付くとインク滴のサイズが飽和し、理想の体積の９５％を超えるため、インク圧力室１１の長さは、２５００μｍ以下とすることが望ましい。

しかし、インク圧力室１１を図６に示すように単に真っ直ぐ延ばすと、ヘッド１００の面方向のサイズが大きくなり、ノズル２１を高密度に配置できなくなり、設計の自由度が低くなるとともに、駆動効率も低下する。このため、本実施形態では、各インク圧力室１１の長さを短くした上で、インク圧力室１１の両端に連通し且つインク圧力室１１の長手方向と交差する方向に延びた個別インク供給路５２および個別インク排出路５４を設け、個別インク流路５２、１１、５４の長さをかせぐようにした。

具体的には、本実施形態では、ノズル２１からインク圧力室１１および個別インク供給路５２を介して共通インク供給室６２に至る流路長、およびノズル２１からインク圧力室１１および個別インク排出路５４を介して共通インク排出室６４に至る流路長を５００μｍ〜１２５０μｍ程度に設定した。或いは、本実施形態では、インク圧力室１１を設けた駆動基板１０の厚さと個別インク供給路５２および個別インク排出路５４を設けた封止基板５０の厚さを足した厚さを５００μｍ以上に設定した。

以上のように、本実施形態のヘッド１００によると、ヘッド１００の表面に沿って複数の圧電素子４０を高い密度で配置することができ、ノズル２１をより高密度に配置することができ、装置構成を小型化することができる。

また、本実施形態によると、ヘッド１００の面方向のサイズを大きくすることなく、ノズル２１につながる個別インク流路５２、１１、５４を十分に長くすることができ、インク滴の吐出時にノズル２１で発生する圧力波を十分に減衰させることができ、十分なサイズのインク滴を十分な吐出圧力で安定して吐出させることができる。

さらに、本実施形態によると、各インク圧力室１１の両端に、同等の流路断面積を有する個別インク供給路５２および個別インク排出路５４を接続したため、個別インク流路５２、１１、５４の途中にオリフィスを設けることがなく、流路抵抗を低くすることができる。このため、各インク圧力室１１を介してインクを良好に循環させることができ、インク滴の吐出によりノズル２１の近くで不所望に発生した気泡をインク圧力室１１から確実に排出させることができ、気泡の存在に起因したインク滴の吐出不良を防止することができる。

次に、図８乃至図１３を参照して、上述したヘッド１００の製造方法を説明する。
まず、図８に示すように、熱酸化により駆動基板１０の両面を酸化して、駆動基板１０の第２面１０ｂに積層したＳｉ酸化膜からなるダイアフラム３０を形成するとともに、駆動基板１０の反対側の面にＳｉ酸化膜の層３０’を形成する。本実施形態では、Ｓｉ基板の熱酸化によりダイアフラム３０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できる。

この後、ダイアフラム３０の背面３０ａ上に、スパッタリングによりＴｉ／Ｐｔからなる下部電極４２の層を形成し、その上にＰＺＴからなる圧電膜４４の層を形成し、さらにその上にＡｕからなる上部電極４６の層を形成する。次に、フォトリソグラフィーおよびウェットないしはドライエッチングにより上部電極４６、圧電膜４４、および下部電極４２を順にエッチングしてパターニングし、複数の圧電素子４０および複数の個別駆動配線４３（ここでは図示せず）を形成する。

次に、図９に示すように、複数の圧電素子４０およびダイアフラム３０の背面３０ａ全体を覆うように保護膜７０を形成し、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより保護膜７０をパターニングして、各圧電素子４０の上部電極４６の上部に複数のビアホール（図示せず）を形成する。その後、スパッタリング成膜、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによりパターニングして、各ビアホールを介して上部電極４６に接続して複数の引出し配線４７を形成する。

さらに、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより保護膜７０およびダイアフラム３０をパターニングして、複数のインク圧力室１１の両端に連通させる複数の個別インク供給孔３２および複数の個別インク排出孔３４を形成する。

次に、図１０に示すように、各インク圧力室１１の長手方向の両端に連通させる複数の個別インク供給路５２および複数の個別インク排出路５４を予め形成し且つ対向面５０ａに複数の凹所５１を予め形成した封止基板５０を用意する。そして、複数の圧電素子４０を非接触状態で封止基板５０の凹所５１によって囲んで、封止基板５０の対向面５０ａをダイアフラム３０の背面３０ａに対向させ、封止基板５０をダイアフラム３０の背面３０ａに積層する。このとき、接着剤４５を介して封止基板５０をダイアフラム３０の背面３０ａに接着固定する。

次に、図１１に示すように、駆動基板１０を第２面１０ｂ側から研削およびＣＭＰにより加工し薄板化する。そして、駆動基板１０の第２面１０ｂ側から裏面フォトリソグラフィーおよび深掘りエッチング（Ｄ−ＲＩＥ）により複数のインク圧力室１１を形成する。

次に、図１２に示すように、予め、複数の共通インク供給室６２および複数の共通インク排出室６４を対向面６０ａ側に形成し、且つ共通インク供給室６２に連通した複数のインク供給口６６（ここでは図示せず）および共通インク排出室６４に連通した複数のインク排出口６８（ここでは図示せず）を形成した流路基板６０を用意する。

そして、この流路基板６０の対向面６０ａを封止基板５０の背面５０ｂに対向させ、封止基板５０の背面５０ｂに接着剤５５を介して流路基板６０を接着固定する。このとき、流路基板６０の共通インク供給室６２が封止基板５０の複数の個別インク供給路５２に重なり、流路基板６０の共通インク排出室６４が封止基板５０の複数の個別インク排出路５４に重なるように流路基板６０を位置合わせする。

さらに、図１３に示すように、接着剤１５を介して駆動基板１０の第１面１０ａにノズルプレート２０を接着固定する。そして、レーザ加工によりノズルプレート２０に複数のノズル２１を形成する。なお、ノズル２１は、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより予めノズルプレート２０に形成しておいても良い。

なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、一つ一つのチップに分割する。

以上のように、本実施形態のヘッド１００の製造方法によれば、簡単な半導体製造プロセスを利用してヘッド１００を製造することが可能であり、インク循環性能に優れた圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッド１００を提供することが可能となる。

（第１の変形例）
図１４は、上述した第１の実施形態のヘッド１００の第１の変形例であるインクジェット式記録ヘッド２００（以下、単にヘッド２００と称する）の要部を示す部分拡大図である。第１の変形例に係るヘッド２００は、封止基板５０に設けた複数の個別インク供給路２０２および複数の個別インク排出路２０４の構造が異なる以外、上述した第１の実施形態のヘッド１００と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と同様に機能する構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

封止基板５０の複数の個別インク供給路２０２および複数の個別インク排出路２０４は、第１の実施形態の個別インク供給路５２および個別インク排出路５４と比較して、その流路断面積が全体的に大きくされている。一方、複数の圧電素子４０やその配線（個別駆動配線４３および引出し配線４７）を密集した状態でダイアフラム３０の背面３０ａに設けるため、ダイアフラム３０を貫通して設けた複数の個別インク供給孔３２および複数の個別インク排出孔３４は、レイアウト上の制約があり、サイズ（断面積）を大きくすることが難しい。

よって、本変形例では、各個別インク供給路２０２の図示下端側（ダイアフラム３０の個別インク供給孔３２に対向する側）を対応する個別インク供給孔３２の周縁に向けて収束させ、各個別インク供給路２０２が個別インク供給孔３２に接続する部位だけ流路断面積を小さくしている。例えば、この収束部位は、封止基板５０の凹所５１の深さをわずかに超えた長さを有し、個別インク供給孔３２の周縁になだらかにつながっている。

以上のように、第１の変形例のヘッド２００は、第１の実施形態のヘッド１００と比較して、流路断面積を大きくした複数の個別インク供給路２０２および複数の個別インク排出路２０４を有するため、各インク圧力室１１に循環させるインクの流路抵抗をより小さくすることができ、単位時間内により多くのインクを流通させることができる。よって、各インク圧力室１１内で不所望に生じた気泡をより確実に除去することができ、インクの吐出性能をより向上させることができる。

（第２の変形例）
図１５は、第２の変形例に係るインクジェット式記録ヘッド３００（以下、単にヘッド３００と称する）のダイアフラム３０を封止基板５０側から見た部分拡大背面図である。ヘッド３００は、第１の変形例のヘッド２００の、複数のインク圧力室１１、複数の圧電素子４０、配線４３、４７、複数の個別インク供給路２０２（個別インク供給孔３０２）、および複数の個別インク排出路２０４（個別インク排出孔３０４）のレイアウトを変更したものであり、それ以外の構成は、上述した第１の変形例のヘッド２００と略同じ構造を有する。

第２の変形例のレイアウトは、ヘッド１００、２００と比較して、ノズル２１のより高密度な配置を可能にする。第２の変形例では、各列の複数の圧電素子４０（およびインク圧力室１１）を第１の方向に沿って図示左右方向に交互にずらし、各インク圧力室１１の両端に連通した複数の個別インク供給孔３０２および複数の個別インク排出孔３０４を第２の方向に並べないようにした。これにより、各列の複数の圧電素子４０（およびインク圧力室１１）を第２の方向に沿って密集して並べても配線４３、４７のための十分なスペースを確保することができる。

また、第２の変形例では、複数の個別インク供給孔３０２および複数の個別インク排出孔３０４の断面形状を第１の方向に延びた長円形としている。これにより、各個別インク供給孔３０２および各個別インク排出孔３０４の断面積を大きくしている。このように、複数の個別インク供給孔３０２および複数の個別インク排出孔３０４の断面形状を長円形にすることで、上述した第１の変形例における収束部分を無くすことができ、流路抵抗をより小さくすることができる。各個別インク供給孔３０２および各個別インク排出孔３０４は、対応するインク圧力室１１の両端から中央に向けて延びている。

以上のように、第２の変形例によると、ノズル２１をより高密度に配置することができ、ヘッド３００の第２の方向に沿ったサイズを小さくすることができる。また、第２の変形例によると、ダイアフラム３０の複数の個別インク供給孔３０２および複数の個別インク排出孔３０４の断面形状を長円形にすることで、流路断面積を大きくすることができ、流路抵抗を小さくすることができる。

本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、変更を行うことができる。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。

封止基板５０に設けた個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）の流路断面積は、上述したように、理想的には、インク圧力室１１の流路断面積と同等、もしくはそれ以上にすることが望ましい。しかし、インク圧力室１１内の気泡を良好に除去可能な程度のインクの循環量を得るためには、必ずしも個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）の流路断面積をインク圧力室１１の流路断面積と同等にする必要はない。

個別インク流路５２、１１、５４の流路抵抗は、流路断面積の２乗に反比例する。よって、例えば、個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）の流路断面積がインク圧力室１１の流路断面積の半分（５０％）になると、個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）における流路抵抗は、インク圧力室１１の流路抵抗の４倍になる。しかし、この４倍の流路抵抗は、上述した「気泡を良好に除去可能な程度のインクの循環量」を満足するものであるため、個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）の流路断面積の許容値は、インク圧力室１１の流路断面積の５０％以上とすることができる。

１０…駆動基板（第１基板）、１０ａ…第１面、１０ｂ…第２面、１１…インク圧力室、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、３０…ダイアフラム、３０ａ…背面、３２…個別インク供給孔、３４…個別インク排出孔、４０…圧電素子、５０…封止基板（第２基板）、５２…個別インク供給路、５４…個別インク排出路、６０…流路基板（第３基板）、６２…共通インク供給室、６４…共通インク排出室、６６…インク供給口、６８…インク排出口、１００、２００、３００…インクジェット式記録ヘッド。

実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、第１面およびこの第１面と平行な第２面を有するとともに、第１面と第２面を連絡した複数のインク圧力室を有し、複数のインク圧力室が、第１面と平行な第１の方向にそれぞれ延設され、且つ第１面と平行で第１の方向と直交する第２の方向に並べられた第１基板と、複数のインク圧力室の第１面側を塞ぐように第１基板の第１面に積層され、各インク圧力室にそれぞれ連通した複数のノズルを有するノズルプレートと、複数のインク圧力室の第２面側を塞ぐように第１基板の第２面に積層され、各インク圧力室の第１の方向の一端に連通した複数の個別インク供給孔を有し、且つ各インク圧力室の第１の方向の他端に連通した複数の個別インク排出孔を有するダイアフラムと、複数のインク圧力室にそれぞれ対応してダイアフラムの第１基板と反対の背面側に設けられ、各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧可能な複数のアクチュエータと、ダイアフラムの背面側に積層され、ダイアフラムに対向する対向面を有し、この対向面に複数のアクチュエータをそれぞれ非接触状態で覆う複数の凹所を有し、ダイアフラムの各個別インク供給孔を介して各インク圧力室の一端に連通した所定長さの複数の個別インク供給路を有し、且つダイアフラムの各個別インク排出孔を介して各インク圧力室の他端に連通した所定長さの複数の個別インク排出路を有する第２基板と、第２の方向に並んだ複数のインク圧力室の一端にそれぞれ連通した複数の個別インク供給路の各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給室と、第２の方向に並んだ複数のインク圧力室の他端にそれぞれ連通した複数の個別インク排出路の各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出室と、を有し、各インク圧力室の一端に連通した個別インク供給路の端部は、当該インク圧力室に対して第１の方向に隣接したインク圧力室の一端に連通した個別インク供給路の端部に連通し、且つ当該インク圧力室に対して第２の方向に隣接したインク圧力室の一端に連通した個別インク供給路の端部に連通した同一の共通インク供給室に連通し、各インク圧力室の他端に連通した個別インク排出路の端部は、当該インク圧力室に対して第１の方向に隣接したインク圧力室の他端に連通した個別インク排出路の端部に連通し、且つ当該インク圧力室に対して第２の方向に隣接したインク圧力室の他端に連通した個別インク排出路の端部に連通した同一の共通インク排出室に連する。

個別インク流路５２、１１、５４の流路抵抗は、流路断面積の２乗に反比例する。よって、例えば、個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）の流路断面積がインク圧力室１１の流路断面積の半分（５０％）になると、個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）における流路抵抗は、インク圧力室１１の流路抵抗の４倍になる。しかし、この４倍の流路抵抗は、上述した「気泡を良好に除去可能な程度のインクの循環量」を満足するものであるため、個別インク供給路５２（２０２）および個別インク排出路５４（２０４）の流路断面積の許容値は、インク圧力室１１の流路断面積の５０％以上とすることができる。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
第１面およびこの第１面と平行な第２面を有するとともに、前記第１面と平行な第１の方向にそれぞれ配列され且つ前記第１面と前記第２面を連絡した複数のインク圧力室を有する第１基板と、
前記複数のインク圧力室の前記第１面側を塞ぐように前記第１基板の前記第１面に積層され、前記各インク圧力室に連通した複数のノズルを有するノズルプレートと、
前記複数のインク圧力室の前記第２面側を塞ぐように前記第１基板の前記第２面に積層され、前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端に連通した複数の個別インク供給孔を有し、且つ前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端に連通した複数の個別インク排出孔を有するダイアフラムと、
前記ダイアフラムの前記第１基板と反対の背面側に設けられ、前記各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧可能な複数のアクチュエータと、
前記ダイアフラムの前記背面側に積層され、前記ダイアフラムに対向する対向面を有し、この対向面に前記複数のアクチュエータを非接触状態で覆う凹所を有し、前記ダイアフラムの前記各個別インク供給孔を介して前記各インク圧力室の前記一端に連通した複数の個別インク供給路を有し、且つ前記ダイアフラムの前記各個別インク排出孔を介して前記各インク圧力室の前記他端に連通した複数の個別インク排出路を有する第２基板と、
を有するインクジェット式記録ヘッド。
［２］
前記複数の個別インク供給路および前記複数の個別インク排出路は、前記第２基板の前記対向面とこの対向面と反対の背面とを連絡して前記第２基板を貫通して設けられている、
［１］のインクジェット式記録ヘッド。
［３］
前記第２基板の前記背面側に積層され、前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給室、および、前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出室を有する第３基板をさらに有する、
［２］のインクジェット式記録ヘッド。
［４］
前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク供給路を介して前記共通インク供給室に至る流路長、および前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク排出路を介して前記共通インク排出室に至る流路長は２５０μｍ以上である、
［３］のインクジェット式記録ヘッド。
［５］
前記ノズルは前記各インク圧力室の前記第１の方向の中央に設けられる［１］または［４］記載のインクジェット式記録ヘッド。
［６］
前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク供給路を介して前記共通インク供給室に至る流路長、および前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク排出路を介して前記共通インク排出室に至る流路長は５００μｍ以上１２５０μｍ以下である、
［５］のインクジェット式記録ヘッド。
［７］
前記第１基板の厚さと前記第２基板の厚さを足した厚さは、５００μｍ以上である、
［２］のインクジェット式記録ヘッド。
［８］
前記各個別インク供給路の流路断面積は、前記各インク圧力室の流路断面積の５０％より大きく、前記各個別インク排出路の流路断面積は、前記各インク圧力室の前記流路断面積の５０％より大きい、
［１］のインクジェット式記録ヘッド。
［９］
前記各個別インク供給路の流路断面積は、前記各インク圧力室の流路断面積以上であり、前記各個別インク排出路の流路断面積は、前記各インク圧力室の前記流路断面積以上である、
［１］のインクジェット式記録ヘッド。

Claims (9)

1. 第１面およびこの第１面と平行な第２面を有するとともに、前記第１面と平行な第１の方向にそれぞれ配列され且つ前記第１面と前記第２面を連絡した複数のインク圧力室を有する第１基板と、
   前記複数のインク圧力室の前記第１面側を塞ぐように前記第１基板の前記第１面に積層され、前記各インク圧力室に連通した複数のノズルを有するノズルプレートと、
   前記複数のインク圧力室の前記第２面側を塞ぐように前記第１基板の前記第２面に積層され、前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端に連通した複数の個別インク供給孔を有し、且つ前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端に連通した複数の個別インク排出孔を有するダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの前記第１基板と反対の背面側に設けられ、前記各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧可能な複数のアクチュエータと、
   前記ダイアフラムの前記背面側に積層され、前記ダイアフラムに対向する対向面を有し、この対向面に前記複数のアクチュエータを非接触状態で覆う凹所を有し、前記ダイアフラムの前記各個別インク供給孔を介して前記各インク圧力室の前記一端に連通した複数の個別インク供給路を有し、且つ前記ダイアフラムの前記各個別インク排出孔を介して前記各インク圧力室の前記他端に連通した複数の個別インク排出路を有する第２基板と、
   を有するインクジェット式記録ヘッド。
2. 前記複数の個別インク供給路および前記複数の個別インク排出路は、前記第２基板の前記対向面とこの対向面と反対の背面とを連絡して前記第２基板を貫通して設けられている、
   請求項１のインクジェット式記録ヘッド。
3. 前記第２基板の前記背面側に積層され、前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給室、および、前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出室を有する第３基板をさらに有する、
   請求項２のインクジェット式記録ヘッド。
4. 前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク供給路を介して前記共通インク供給室に至る流路長、および前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク排出路を介して前記共通インク排出室に至る流路長は２５０μｍ以上である、
   請求項３のインクジェット式記録ヘッド。
5. 前記ノズルは前記各インク圧力室の前記第１の方向の中央に設けられる請求項１または４記載のインクジェット式記録ヘッド。
6. 前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク供給路を介して前記共通インク供給室に至る流路長、および前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク排出路を介して前記共通インク排出室に至る流路長は５００μｍ以上１２５０μｍ以下である、
   請求項５のインクジェット式記録ヘッド。
7. 前記第１基板の厚さと前記第２基板の厚さを足した厚さは、５００μｍ以上である、
   請求項２のインクジェット式記録ヘッド。
8. 前記各個別インク供給路の流路断面積は、前記各インク圧力室の流路断面積の５０％より大きく、前記各個別インク排出路の流路断面積は、前記各インク圧力室の前記流路断面積の５０％より大きい、
   請求項１のインクジェット式記録ヘッド。
9. 前記各個別インク供給路の流路断面積は、前記各インク圧力室の流路断面積以上であり、前記各個別インク排出路の流路断面積は、前記各インク圧力室の前記流路断面積以上である、
   請求項１のインクジェット式記録ヘッド。