JP3630050B2 - インクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、各種集積回路（以下、ＩＣという）、例えば、圧電素子を駆動するための駆動回路を圧力発生室が形成される流路形成基板とは別の実装用の基板に設け、ＦＰＣ等の配線によって接続していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＦＰＣ等による接続では、部品点数が多くなり製造コストが高くなってしまうという問題がある。また、ＦＰＣ内の配線数には限りがあるため、ノズル数を増やすのに限界があるという問題がある。
【０００９】
また、このような問題を解決するために、駆動回路等を流路形成基板に一体的に形成したものも提案されているが、流路形成基板上に圧電素子を形成する際にに、高温酸素雰囲気下中での結晶化熱処理を行うため、ＩＣの特性が劣化してしまい、製造が困難であるという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、ノズルを高密度に配設でき且つ製造コストを低減したインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記接合基板には、前記ノズル開口が形成されていると共に、当該接合基板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第１の態様では、流路形成基板に接合される接合基板にＩＣを一体的に形成することにより、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減でき、コストを低減することができる。また、接合基板がノズルプレートを兼ねるため、別途ノズルプレートを設ける必要がなく、コストを低減することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記接合基板には、前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが形成されていると共に、当該接合基板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第２の態様では、流路形成基板に接合される接合基板にＩＣを一体的に形成することにより、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減でき、コストを低減することができる。また、接合基板がリザーバ形成基板を兼ねるため、別途リザーバ形成基板を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に、その運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有する封止板であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第３の態様では、外部環境に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００１４】
本発明の第４の態様は、圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に、その運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有する封止板であると共に、該封止板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第４の態様では、流路形成基板に接合される接合基板にＩＣを一体的に形成することにより、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減でき、コストを低減することができる。また、外部環境に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記接合基板には、前記ノズル開口が形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１６】
かかる第５の態様では、接合基板がノズルプレートを兼ねるため、別途ノズルプレートを設ける必要がなく、コストを低減することができる。
【００１７】
本発明の第６の態様は、第４の態様において、前記接合基板には、前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１８】
かかる第６の態様では、接合基板がリザーバ形成基板を兼ねるため、別途リザーバ形成基板を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１９】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、前記圧電素子を駆動するための駆動回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２０】
かかる第７の態様では、圧電素子を駆動するための駆動回路を比較的容易に形成することができる。
【００２１】
本発明の第８の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、ヘッドの温度を検出する温度検出手段又は前記温度を制御する温度制御回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２２】
かかる第８の態様では、温度検出手段又は温度制御回路を比較的容易に形成することができる。
【００２３】
本発明の第９の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、前記ノズル開口から吐出されるインク滴の吐出回数を検出する吐出回数検出手段であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２４】
かかる第９の態様では、吐出回数検出手段を比較的容易に形成することができる。
【００２５】
本発明の第１０の態様は、第３〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、前記圧電素子保持部の湿度を検出する湿度検出手段の制御を行う湿度制御回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２６】
かかる第１０の態様では、湿度制御回路を比較的容易に形成することができる。
【００２９】
本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何れかの態様において、前記圧電素子と前記ＩＣとがフリップチップ実装によって電気的に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３０】
かかる第１１の態様では、流路形成基板と接合基板とを接合することにより、ＩＣと圧電素子とを直接接続することができる。
【００３１】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記流路形成基板には、前記ＩＣと外部配線とを接続する接続配線が形成され、前記ＩＣと前記接続配線とがフリップチップ実装によって電気的に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３２】
かかる第１２の態様では、流路形成基板と接合基板とを接合することにより、ＩＣと接続配線とを直接接続することができる。
【００３３】
本発明の第１３の態様は、第１１又は１２の態様において、前記ＩＣと前記圧電素子又は前記接続配線とが、異方性導電材によって接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３４】
かかる第１３の態様では、ＩＣと圧電素子又は接続配線とを比較的容易に且つ確実に接続することができる。
【００３５】
本発明の第１４の態様は、第１〜１３の何れかの態様において、前記接合基板が、シリコン単結晶基板からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３６】
かかる第１４の態様では、接合基板にＩＣを比較的容易に一体的に精度良く形成することができる。
【００３７】
本発明の第１５の態様は、第１〜１４の何れかの態様において、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記振動板及び前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３８】
かかる第１５の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量且つ比較的容易に製造することができる。
【００３９】
本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００４０】
かかる第１６の態様では、ヘッドの特性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【００４３】
図示するように、圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０は、例えば、１５０μｍ〜１ｍｍの厚さのシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、異方性エッチングにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。
【００４４】
また、各圧力発生室１２の長手方向一端部には、後述するリザーバ１５と圧力発生室１２とを接続するための中継室であるインク連通部１３が圧力発生室１２よりも幅の狭い狭隘部１４を介して連通されている。また、これらインク連通部１３及び狭隘部１４は、圧力発生室１２と共に異方性エッチングによって形成されている。なお、狭隘部１４は、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するためのものである。
【００４５】
この異方性エッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングの何れの方法を用いてもよいが、シリコン単結晶板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより圧力発生室１２は浅く形成されており、その深さは、ハーフエッチングのエッチング時間によって調整することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、インク連通部１３を各圧力発生室１２毎に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、インク連通部１３を各圧力発生室１２に共通するようにしてもよく、この場合、このインク連通部１３が後述するリザーバ１５の一部を構成するようにしてもよい。
【００４７】
一方、流路形成基板１０の他方面側には、各インク連通部１３に連通し、各圧力発生室１２にインクを供給するリザーバ１５が形成されている。このリザーバ１５は、流路形成基板１０の他方面側から、所定のマスクを用いて異方性エッチング等によって形成されている。
【００４８】
このような流路形成基板１０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の絶縁層からなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が設けられている。この弾性膜５０は、その一方の面で圧力発生室１２の一壁面を構成している。
【００４９】
このような弾性膜５０上の各圧力発生室１２に相対向する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００５０】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でこの空間を密封可能な圧電素子保持部２１を有する、接合基板の一例である封止板２０が接合されている。この封止板２０の流路形成基板１０との接合面側の一端部近傍には、所定のＩＣ、例えば、本実施形態では、圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２が一体的に形成されている。
【００５１】
なお、本実施形態では、封止板２０は、例えば、シリコン単結晶基板からなり、駆動回路２２は半導体プロセスによってこの封止板２０に一体的に形成された半導体集積回路である。また、駆動回路２２に対応する領域には下電極膜が残されているが、この領域の下電極膜は、圧電素子３００を構成する下電極膜６０とは不連続の不連続下電極膜６１となっている。
【００５２】
この駆動回路２２と圧電素子３００の上電極膜８０とは、リード電極９０を介して接続されている。例えば、本実施形態では、リード電極９０は、上電極膜８０上から弾性膜５０上を不連続下電極膜６１近傍まで延設されており、その端部と駆動回路２２とが、異方性導電材（ＡＦＣ）等からなる接続層１１０を介して電気的に接続されている。
【００５３】
また、本実施形態では、図３に示すように、流路形成基板１０上には、圧力発生室１２の並設方向の端部近傍に、駆動回路２２とＦＰＣ等の外部配線１２０とを接続する接続配線１３０が形成されており、駆動回路２２と接続配線１３０とは、リード電極９０と同様に、接続層１１０を介して電気的に接続されている。
【００５４】
なお、この封止板２０には、本実施形態では、各圧力発生室１２と連通するノズル開口２３が穿設されており、ノズルプレートの役割も兼ねている。また、ノズル開口２３と圧力発生室１２とは、弾性膜５０及び下電極膜６０を除去することにより設けられたノズル連通孔５１を介して連通されている。
【００５５】
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する工程及びこの圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する工程について説明する。なお、図４〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。
【００５６】
まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶板の一方面側に、例えば、酸化シリコンからなる所定形状のマスクを用いて異方性エッチングすることにより圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４を形成する。
【００５７】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０に形成された圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に犠牲層１００を充填する。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の全面に亘って犠牲層１００を圧力発生室１２等の深さと略同一厚さで形成した後、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４以外の犠牲層１００をケミカル・メカニカル・ポリッシュ（ＣＭＰ）により除去することにより形成した。
【００５８】
このような犠牲層１００の材料は、特に限定されないが、例えば、ポリシリコン又はリンドープ酸化シリコン（ＰＳＧ）等を用いればよく、本実施形態では、エッチングレートが比較的速いＰＳＧを用いた。
【００５９】
なお、犠牲層１００の形成方法は特に限定されず、例えば１μｍ以下の超微粒子をヘリウム（Ｈｅ）等のガスの圧力によって高速で基板に衝突させることにより成膜するいわゆるガスデポジション法あるいはジェットモールディング法と呼ばれる方法を用いてもよい。この方法では、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に対応する領域のみに犠牲層１００を部分的に形成することができる。
【００６０】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０及び犠牲層１００上に弾性膜５０を形成する。また、本実施形態では、流路形成基板１０の他方面側に、リザーバ１５を形成する際のマスクとなる保護膜５５を形成する。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の両面にジルコニウム層を形成後、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる弾性膜５０及び保護膜５５とした。
【００６１】
なお、弾性膜５０及び保護膜５５の材料は、特に限定されず、リザーバ１５を形成する工程及び犠牲層１００を除去する工程でエッチングされない材料であればよい。また、これら弾性膜５０及び保護膜５５は、異なる材料で形成するようにしてもよい。さらに、保護膜５５は、リザーバ１５を形成する前であれば、何れの工程で形成してもよい。
【００６２】
次に、各圧力発生室１２に対応して弾性膜５０上に圧電素子３００を形成する。
【００６３】
圧電素子３００を形成する工程としては、まず、図４（ｄ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングし、不連続下電極膜６１等を形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウムが好適である。
【００６４】
次に、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層７０の材料としては、ＰＺＴ系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により成膜してもよい。
【００６５】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはＭＯＤ法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００６６】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００６７】
次に、図５（ｂ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００６８】
次いで、図５（ｃ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。また、本実施形態では、同時に、圧力発生室１２の長手方向のインク連通部１３とは反対側の端部近傍の弾性膜５０及び下電極膜６０をパターニングしてノズル連通孔５１を形成する。
【００６９】
次に、図５（ｄ）に示すように、リード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に各圧電素子３００毎にパターニングして、各圧電素子３００の上電極膜８０から弾性膜５０上に延びるリード電極９０を形成する。なお、詳しくは後述するが、リード電極９０の端部は、封止板２０に一体的に設けられた駆動回路２２に対向する領域まで延設されている。
【００７０】
次に、図６（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２とは反対側の面に設けられた保護膜５５のリザーバ１５となる領域をパターニングにより除去して開口部５６を形成すると共に、この開口部５６からインク連通部１３に達するまで異方性エッチング、例えば、ウェットエッチングすることにより、リザーバ１５を形成する。なお、本実施形態では、圧電素子３００を形成後にリザーバ１５を形成するようにしたが、これに限定されず、何れの工程で形成してもよい。
【００７１】
その後、図６（ｂ）に示すように、リザーバ１５からウェットエッチング又は蒸気によるエッチングによって犠牲層１００を除去する。本実施形態では、犠牲層１００の材料として、ＰＳＧを用いているため、弗酸水溶液によってエッチングした。なお、ポリシリコンを用いた場合には、弗酸及び硝酸の混合水溶液、あるいは水酸化カリウム水溶液によってエッチングすることができる。
【００７２】
以上のような工程で、圧力発生室１２及び圧電素子３００が形成される。
【００７３】
その後、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、下電極膜６０上に封止板２０を接合する。このとき、リード電極９０の端部及び配線電極１３０の端部近傍に、例えば、異方性導電材（ＡＦＣ）等からなる接続層１１０を設けておき、流路形成基板１０と封止板２０との接合と同時に、リード電極９０及び接続配線１３０と駆動回路２２とを電気に接続する。
【００７４】
なお、駆動回路２２が一体的に形成された封止板２０の形成方法は、特に限定されず、例えば、駆動回路２２を半導体プロセスで一体的に形成後、圧電素子保持部２１及びノズル開口２３をエッチング等によって形成すればよい。
【００７５】
このように製造された本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からリザーバ１５にインクを取り込み、リザーバ１５からノズル開口２３に至るまで内部をインクで満たした後、外部配線１２０から駆動回路２２を介して出力された記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２３からインク滴が吐出する。
【００７６】
このような構成のインクジェット式記録ヘッドでは、封止板２０に圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２を形成するようにしたので、部品点数を低減することができると共に製造工程を簡略化でき、コストを低減することができる。
【００７７】
また、封止板２０と流路形成基板１０とを接合することにより、リード電極９０及び接続配線１３０と駆動回路２２とを電気的に接続することができるため、接続配線１３０の本数を低減することができ、ノズル開口２３を増やして高密度に配設しても、ＦＰＣ等で取り出すことができる。
【００７８】
例えば、図７に示すように、封止板２０に複数の駆動回路２２を設け、流路形成基板１０の各駆動回路２２の両側に対応する領域に、それぞれ圧力発生室１２及び圧電素子３００の列を設けるようにしてもよい。このような構成とすれば、高密度に配設した圧電素子３００からの配線をＦＰＣ等の外部配線１２０によって容易に取り出すことができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、インク連通部１３及び狭隘部１４を介して各圧力発生室１２とリザーバ１５とを連通するようにしたが、これに限定されず、例えば、図８（ａ）に示すように、各圧力発生室１２とリザーバ１５とを直接連通するようにしてもよい。
【００８０】
また、本実施形態では、狭隘部１４を圧力発生室１２よりも細い幅で形成して、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するようにしたが、これに限定されず、例えば、図８（ｂ）に示すように、圧力発生室１２と同一幅として、深さを調整した狭隘部１４Ａとしてもよい。
【００８１】
（実施形態２）
図９は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【００８２】
本実施形態は、封止板２０Ａの流路形成基板１０Ａとは反対側の面に、駆動回路２２Ａを設けた例である。
【００８３】
詳しくは、図９に示すように、流路形成基板１０Ａには、幅方向に並設された圧力発生室１２の列が、その長手方向端部同士が相対向するように配設されている。また、流路形成基板１０Ａの一方面側には、弾性膜５０を介して圧電素子３００が形成され、他方面側には、ノズル開口２３Ａが穿設されたノズルプレート３０が接合されている。
【００８４】
また、流路形成基板１０Ａの圧電素子３００側には、圧電素子３００を封止する封止板２０Ａが接合され、本実施形態では、封止板２０Ａの流路形成基板１０Ａとは反対側の面に圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２Ａが一体的に設けられている。
【００８５】
また、封止板２０Ａの圧力発生室１２の周壁に対向する領域には、圧力発生室１２の並設方向に亘って貫通溝２４が設けられており、この貫通溝２４を介して駆動回路２２Ａと各リード電極９０とが、ワイヤボンディング等によって延設された配線１４０によって接続されている。
【００８６】
さらに、封止板２０Ａの貫通溝２４の外側には、各インク連通部１３を介して圧力発生室１２に連通するリザーバ１５Ａ及びこのリザーバ１５Ａにインクを供給するインク供給路１６が形成されている。
【００８７】
なお、このリザーバ１５Ａに対向する領域の封止板２０Ａ上には、さらに、可撓性を有する封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。そして、リザーバ１５Ａに対向する領域は、封止膜４１のみで封止され、リザーバ１５Ａ内の圧力変化を吸収するコンプライアンス部４３となっている。
【００８８】
このような構成においても、上述の実施形態と同様に、部品点数を低減することができると共に製造工程を簡略化でき、コストを低減することができる。また、圧電素子３００から容易に配線を引き出すことができる。
【００８９】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００９０】
例えば、上述の実施形態では、封止板２０及び２０Ａに圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２，２２Ａを一体的に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、封止板にヘッドの温度を検出する温度検出手段又はその温度を制御する温度制御回路等を設けるようにしてもよい。あるいは、ノズル開口から吐出されるインク滴の吐出回数を検出する吐出回数検出手段であってもよいし、圧電素子保持部の湿度を検出する湿度検出手段の制御を行う湿度制御回路等であってもよい。何れにしても、これらを封止板に一体的に設けることにより、上述の実施形態と同様に、部品点数を削減でき、コストを低減することができる。
【００９１】
また、上述の実施形態では、ＩＣを封止板に一体的に形成するようにしたが、これに限定されず、流路形成基板の圧電素子側に接合される基板であれば、何れの基板であってもよい。
【００９２】
なお、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００９３】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００９４】
図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００９５】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、封止板等の接合基板に圧電素子を駆動するための駆動回路等の各種ＩＣを一体的に設けるようにしたので、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減することができ、コストを削減することができる。
【００９７】
特に、封止板等の接合基板の流路形成基板との接合面側に圧電素子を駆動するための駆動回路を一体的に設けた場合には、圧電素子からのリード電極と駆動回路とを直接接続することができ、実装基板へ引き出す電極の本数を低減できる。したがって、ノズル開口を高密度に配設しても、容易に配線を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す上面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す上面図である。
【図８】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ 流路形成基板
１１ 隔壁
１２ 圧力発生室
１３ インク連通部
１４ 狭隘部
１５ リザーバ
２０ 封止板
２１ 圧電素子保持部
２２ 駆動回路
２３ ノズル開口
５０ 弾性膜
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、各種集積回路（以下、ＩＣという）、例えば、圧電素子を駆動するための駆動回路を圧力発生室が形成される流路形成基板とは別の実装用の基板に設け、ＦＰＣ等の配線によって接続していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＦＰＣ等による接続では、部品点数が多くなり製造コストが高くなってしまうという問題がある。また、ＦＰＣ内の配線数には限りがあるため、ノズル数を増やすのに限界があるという問題がある。
【０００９】
また、このような問題を解決するために、駆動回路等を流路形成基板に一体的に形成したものも提案されているが、流路形成基板上に圧電素子を形成する際にに、高温酸素雰囲気下中での結晶化熱処理を行うため、ＩＣの特性が劣化してしまい、製造が困難であるという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑み、ノズルを高密度に配設でき且つ製造コストを低減したインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記接合基板には、前記ノズル開口が形成されていると共に、当該接合基板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第１の態様では、流路形成基板に接合される接合基板にＩＣを一体的に形成することにより、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減でき、コストを低減することができる。また、接合基板がノズルプレートを兼ねるため、別途ノズルプレートを設ける必要がなく、コストを低減することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記接合基板には、前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが形成されていると共に、当該接合基板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第２の態様では、流路形成基板に接合される接合基板にＩＣを一体的に形成することにより、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減でき、コストを低減することができる。また、接合基板がリザーバ形成基板を兼ねるため、別途リザーバ形成基板を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に、その運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有する封止板であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第３の態様では、外部環境に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００１４】
本発明の第４の態様は、圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に、その運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有する封止板であると共に、該封止板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
かかる第４の態様では、流路形成基板に接合される接合基板にＩＣを一体的に形成することにより、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減でき、コストを低減することができる。また、外部環境に起因する圧電素子の破壊が防止される。
【００１５】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記接合基板には、前記ノズル開口が形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１６】
かかる第５の態様では、接合基板がノズルプレートを兼ねるため、別途ノズルプレートを設ける必要がなく、コストを低減することができる。
【００１７】
本発明の第６の態様は、第４の態様において、前記接合基板には、前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１８】
かかる第６の態様では、接合基板がリザーバ形成基板を兼ねるため、別途リザーバ形成基板を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１９】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、前記圧電素子を駆動するための駆動回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２０】
かかる第７の態様では、圧電素子を駆動するための駆動回路を比較的容易に形成することができる。
【００２１】
本発明の第８の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、ヘッドの温度を検出する温度検出手段又は前記温度を制御する温度制御回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２２】
かかる第８の態様では、温度検出手段又は温度制御回路を比較的容易に形成することができる。
【００２３】
本発明の第９の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、前記ノズル開口から吐出されるインク滴の吐出回数を検出する吐出回数検出手段であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２４】
かかる第９の態様では、吐出回数検出手段を比較的容易に形成することができる。
【００２５】
本発明の第１０の態様は、第３〜６の何れかの態様において、前記ＩＣが、前記圧電素子保持部の湿度を検出する湿度検出手段の制御を行う湿度制御回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２６】
かかる第１０の態様では、湿度制御回路を比較的容易に形成することができる。
【００２９】
本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何れかの態様において、前記圧電素子と前記ＩＣとがフリップチップ実装によって電気的に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３０】
かかる第１１の態様では、流路形成基板と接合基板とを接合することにより、ＩＣと圧電素子とを直接接続することができる。
【００３１】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記流路形成基板には、前記ＩＣと外部配線とを接続する接続配線が形成され、前記ＩＣと前記接続配線とがフリップチップ実装によって電気的に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３２】
かかる第１２の態様では、流路形成基板と接合基板とを接合することにより、ＩＣと接続配線とを直接接続することができる。
【００３３】
本発明の第１３の態様は、第１１又は１２の態様において、前記ＩＣと前記圧電素子又は前記接続配線とが、異方性導電材によって接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３４】
かかる第１３の態様では、ＩＣと圧電素子又は接続配線とを比較的容易に且つ確実に接続することができる。
【００３５】
本発明の第１４の態様は、第１〜１３の何れかの態様において、前記接合基板が、シリコン単結晶基板からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３６】
かかる第１４の態様では、接合基板にＩＣを比較的容易に一体的に精度良く形成することができる。
【００３７】
本発明の第１５の態様は、第１〜１４の何れかの態様において、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記振動板及び前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３８】
かかる第１５の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量且つ比較的容易に製造することができる。
【００３９】
本発明の第１６の態様は、第１〜１５の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００４０】
かかる第１６の態様では、ヘッドの特性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【００４３】
図示するように、圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０は、例えば、１５０μｍ〜１ｍｍの厚さのシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、異方性エッチングにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。
【００４４】
また、各圧力発生室１２の長手方向一端部には、後述するリザーバ１５と圧力発生室１２とを接続するための中継室であるインク連通部１３が圧力発生室１２よりも幅の狭い狭隘部１４を介して連通されている。また、これらインク連通部１３及び狭隘部１４は、圧力発生室１２と共に異方性エッチングによって形成されている。なお、狭隘部１４は、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するためのものである。
【００４５】
この異方性エッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングの何れの方法を用いてもよいが、シリコン単結晶板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより圧力発生室１２は浅く形成されており、その深さは、ハーフエッチングのエッチング時間によって調整することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、インク連通部１３を各圧力発生室１２毎に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、インク連通部１３を各圧力発生室１２に共通するようにしてもよく、この場合、このインク連通部１３が後述するリザーバ１５の一部を構成するようにしてもよい。
【００４７】
一方、流路形成基板１０の他方面側には、各インク連通部１３に連通し、各圧力発生室１２にインクを供給するリザーバ１５が形成されている。このリザーバ１５は、流路形成基板１０の他方面側から、所定のマスクを用いて異方性エッチング等によって形成されている。
【００４８】
このような流路形成基板１０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等の絶縁層からなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が設けられている。この弾性膜５０は、その一方の面で圧力発生室１２の一壁面を構成している。
【００４９】
このような弾性膜５０上の各圧力発生室１２に相対向する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００５０】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でこの空間を密封可能な圧電素子保持部２１を有する、接合基板の一例である封止板２０が接合されている。この封止板２０の流路形成基板１０との接合面側の一端部近傍には、所定のＩＣ、例えば、本実施形態では、圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２が一体的に形成されている。
【００５１】
なお、本実施形態では、封止板２０は、例えば、シリコン単結晶基板からなり、駆動回路２２は半導体プロセスによってこの封止板２０に一体的に形成された半導体集積回路である。また、駆動回路２２に対応する領域には下電極膜が残されているが、この領域の下電極膜は、圧電素子３００を構成する下電極膜６０とは不連続の不連続下電極膜６１となっている。
【００５２】
この駆動回路２２と圧電素子３００の上電極膜８０とは、リード電極９０を介して接続されている。例えば、本実施形態では、リード電極９０は、上電極膜８０上から弾性膜５０上を不連続下電極膜６１近傍まで延設されており、その端部と駆動回路２２とが、異方性導電材（ＡＦＣ）等からなる接続層１１０を介して電気的に接続されている。
【００５３】
また、本実施形態では、図３に示すように、流路形成基板１０上には、圧力発生室１２の並設方向の端部近傍に、駆動回路２２とＦＰＣ等の外部配線１２０とを接続する接続配線１３０が形成されており、駆動回路２２と接続配線１３０とは、リード電極９０と同様に、接続層１１０を介して電気的に接続されている。
【００５４】
なお、この封止板２０には、本実施形態では、各圧力発生室１２と連通するノズル開口２３が穿設されており、ノズルプレートの役割も兼ねている。また、ノズル開口２３と圧力発生室１２とは、弾性膜５０及び下電極膜６０を除去することにより設けられたノズル連通孔５１を介して連通されている。
【００５５】
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する工程及びこの圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する工程について説明する。なお、図４〜図６は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。
【００５６】
まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶板の一方面側に、例えば、酸化シリコンからなる所定形状のマスクを用いて異方性エッチングすることにより圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４を形成する。
【００５７】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０に形成された圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に犠牲層１００を充填する。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の全面に亘って犠牲層１００を圧力発生室１２等の深さと略同一厚さで形成した後、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４以外の犠牲層１００をケミカル・メカニカル・ポリッシュ（ＣＭＰ）により除去することにより形成した。
【００５８】
このような犠牲層１００の材料は、特に限定されないが、例えば、ポリシリコン又はリンドープ酸化シリコン（ＰＳＧ）等を用いればよく、本実施形態では、エッチングレートが比較的速いＰＳＧを用いた。
【００５９】
なお、犠牲層１００の形成方法は特に限定されず、例えば１μｍ以下の超微粒子をヘリウム（Ｈｅ）等のガスの圧力によって高速で基板に衝突させることにより成膜するいわゆるガスデポジション法あるいはジェットモールディング法と呼ばれる方法を用いてもよい。この方法では、圧力発生室１２、インク連通部１３及び狭隘部１４に対応する領域のみに犠牲層１００を部分的に形成することができる。
【００６０】
次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板１０及び犠牲層１００上に弾性膜５０を形成する。また、本実施形態では、流路形成基板１０の他方面側に、リザーバ１５を形成する際のマスクとなる保護膜５５を形成する。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の両面にジルコニウム層を形成後、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウムからなる弾性膜５０及び保護膜５５とした。
【００６１】
なお、弾性膜５０及び保護膜５５の材料は、特に限定されず、リザーバ１５を形成する工程及び犠牲層１００を除去する工程でエッチングされない材料であればよい。また、これら弾性膜５０及び保護膜５５は、異なる材料で形成するようにしてもよい。さらに、保護膜５５は、リザーバ１５を形成する前であれば、何れの工程で形成してもよい。
【００６２】
次に、各圧力発生室１２に対応して弾性膜５０上に圧電素子３００を形成する。
【００６３】
圧電素子３００を形成する工程としては、まず、図４（ｄ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングし、不連続下電極膜６１等を形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウムが好適である。
【００６４】
次に、図５（ａ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層７０の材料としては、ＰＺＴ系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により成膜してもよい。
【００６５】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはＭＯＤ法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００６６】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００６７】
次に、図５（ｂ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００６８】
次いで、図５（ｃ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。また、本実施形態では、同時に、圧力発生室１２の長手方向のインク連通部１３とは反対側の端部近傍の弾性膜５０及び下電極膜６０をパターニングしてノズル連通孔５１を形成する。
【００６９】
次に、図５（ｄ）に示すように、リード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に各圧電素子３００毎にパターニングして、各圧電素子３００の上電極膜８０から弾性膜５０上に延びるリード電極９０を形成する。なお、詳しくは後述するが、リード電極９０の端部は、封止板２０に一体的に設けられた駆動回路２２に対向する領域まで延設されている。
【００７０】
次に、図６（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２とは反対側の面に設けられた保護膜５５のリザーバ１５となる領域をパターニングにより除去して開口部５６を形成すると共に、この開口部５６からインク連通部１３に達するまで異方性エッチング、例えば、ウェットエッチングすることにより、リザーバ１５を形成する。なお、本実施形態では、圧電素子３００を形成後にリザーバ１５を形成するようにしたが、これに限定されず、何れの工程で形成してもよい。
【００７１】
その後、図６（ｂ）に示すように、リザーバ１５からウェットエッチング又は蒸気によるエッチングによって犠牲層１００を除去する。本実施形態では、犠牲層１００の材料として、ＰＳＧを用いているため、弗酸水溶液によってエッチングした。なお、ポリシリコンを用いた場合には、弗酸及び硝酸の混合水溶液、あるいは水酸化カリウム水溶液によってエッチングすることができる。
【００７２】
以上のような工程で、圧力発生室１２及び圧電素子３００が形成される。
【００７３】
その後、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、下電極膜６０上に封止板２０を接合する。このとき、リード電極９０の端部及び配線電極１３０の端部近傍に、例えば、異方性導電材（ＡＦＣ）等からなる接続層１１０を設けておき、流路形成基板１０と封止板２０との接合と同時に、リード電極９０及び接続配線１３０と駆動回路２２とを電気に接続する。
【００７４】
なお、駆動回路２２が一体的に形成された封止板２０の形成方法は、特に限定されず、例えば、駆動回路２２を半導体プロセスで一体的に形成後、圧電素子保持部２１及びノズル開口２３をエッチング等によって形成すればよい。
【００７５】
このように製造された本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からリザーバ１５にインクを取り込み、リザーバ１５からノズル開口２３に至るまで内部をインクで満たした後、外部配線１２０から駆動回路２２を介して出力された記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２３からインク滴が吐出する。
【００７６】
このような構成のインクジェット式記録ヘッドでは、封止板２０に圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２を形成するようにしたので、部品点数を低減することができると共に製造工程を簡略化でき、コストを低減することができる。
【００７７】
また、封止板２０と流路形成基板１０とを接合することにより、リード電極９０及び接続配線１３０と駆動回路２２とを電気的に接続することができるため、接続配線１３０の本数を低減することができ、ノズル開口２３を増やして高密度に配設しても、ＦＰＣ等で取り出すことができる。
【００７８】
例えば、図７に示すように、封止板２０に複数の駆動回路２２を設け、流路形成基板１０の各駆動回路２２の両側に対応する領域に、それぞれ圧力発生室１２及び圧電素子３００の列を設けるようにしてもよい。このような構成とすれば、高密度に配設した圧電素子３００からの配線をＦＰＣ等の外部配線１２０によって容易に取り出すことができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、インク連通部１３及び狭隘部１４を介して各圧力発生室１２とリザーバ１５とを連通するようにしたが、これに限定されず、例えば、図８（ａ）に示すように、各圧力発生室１２とリザーバ１５とを直接連通するようにしてもよい。
【００８０】
また、本実施形態では、狭隘部１４を圧力発生室１２よりも細い幅で形成して、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するようにしたが、これに限定されず、例えば、図８（ｂ）に示すように、圧力発生室１２と同一幅として、深さを調整した狭隘部１４Ａとしてもよい。
【００８１】
（実施形態２）
図９は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【００８２】
本実施形態は、封止板２０Ａの流路形成基板１０Ａとは反対側の面に、駆動回路２２Ａを設けた例である。
【００８３】
詳しくは、図９に示すように、流路形成基板１０Ａには、幅方向に並設された圧力発生室１２の列が、その長手方向端部同士が相対向するように配設されている。また、流路形成基板１０Ａの一方面側には、弾性膜５０を介して圧電素子３００が形成され、他方面側には、ノズル開口２３Ａが穿設されたノズルプレート３０が接合されている。
【００８４】
また、流路形成基板１０Ａの圧電素子３００側には、圧電素子３００を封止する封止板２０Ａが接合され、本実施形態では、封止板２０Ａの流路形成基板１０Ａとは反対側の面に圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２Ａが一体的に設けられている。
【００８５】
また、封止板２０Ａの圧力発生室１２の周壁に対向する領域には、圧力発生室１２の並設方向に亘って貫通溝２４が設けられており、この貫通溝２４を介して駆動回路２２Ａと各リード電極９０とが、ワイヤボンディング等によって延設された配線１４０によって接続されている。
【００８６】
さらに、封止板２０Ａの貫通溝２４の外側には、各インク連通部１３を介して圧力発生室１２に連通するリザーバ１５Ａ及びこのリザーバ１５Ａにインクを供給するインク供給路１６が形成されている。
【００８７】
なお、このリザーバ１５Ａに対向する領域の封止板２０Ａ上には、さらに、可撓性を有する封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。そして、リザーバ１５Ａに対向する領域は、封止膜４１のみで封止され、リザーバ１５Ａ内の圧力変化を吸収するコンプライアンス部４３となっている。
【００８８】
このような構成においても、上述の実施形態と同様に、部品点数を低減することができると共に製造工程を簡略化でき、コストを低減することができる。また、圧電素子３００から容易に配線を引き出すことができる。
【００８９】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００９０】
例えば、上述の実施形態では、封止板２０及び２０Ａに圧電素子３００を駆動するための駆動回路２２，２２Ａを一体的に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、封止板にヘッドの温度を検出する温度検出手段又はその温度を制御する温度制御回路等を設けるようにしてもよい。あるいは、ノズル開口から吐出されるインク滴の吐出回数を検出する吐出回数検出手段であってもよいし、圧電素子保持部の湿度を検出する湿度検出手段の制御を行う湿度制御回路等であってもよい。何れにしても、これらを封止板に一体的に設けることにより、上述の実施形態と同様に、部品点数を削減でき、コストを低減することができる。
【００９１】
また、上述の実施形態では、ＩＣを封止板に一体的に形成するようにしたが、これに限定されず、流路形成基板の圧電素子側に接合される基板であれば、何れの基板であってもよい。
【００９２】
なお、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００９３】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００９４】
図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００９５】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、封止板等の接合基板に圧電素子を駆動するための駆動回路等の各種ＩＣを一体的に設けるようにしたので、製造工程を簡略化できると共に部品点数を削減することができ、コストを削減することができる。
【００９７】
特に、封止板等の接合基板の流路形成基板との接合面側に圧電素子を駆動するための駆動回路を一体的に設けた場合には、圧電素子からのリード電極と駆動回路とを直接接続することができ、実装基板へ引き出す電極の本数を低減できる。したがって、ノズル開口を高密度に配設しても、容易に配線を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す上面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す上面図である。
【図８】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ 流路形成基板
１１ 隔壁
１２ 圧力発生室
１３ インク連通部
１４ 狭隘部
１５ リザーバ
２０ 封止板
２１ 圧電素子保持部
２２ 駆動回路
２３ ノズル開口
５０ 弾性膜
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
３００ 圧電素子
Claims (16)
- 圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記接合基板には、前記ノズル開口が形成されていると共に、当該接合基板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。 - 圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記接合基板には、前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが形成されていると共に、当該接合基板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。 - 請求項１又は２において、前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に、その運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有する封止板であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対応する領域に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に当該圧電素子とは接触することなく接合される接合基板とを具備し、前記圧力発生室内のインクを当該圧力発生室に連通するノズル開口から吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記接合基板が、前記圧電素子に対向する領域に、その運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で当該空間を密封可能な圧電素子保持部を有する封止板であると共に、該封止板の前記流路形成基板との接合面側にＩＣが一体的に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。 - 請求項４において、前記接合基板には、前記ノズル開口が形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項４において、前記接合基板には、前記圧力発生室にインクを供給するリザーバが形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜６の何れかにおいて、前記ＩＣが、前記圧電素子を駆動するための駆動回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜６の何れかにおいて、前記ＩＣが、ヘッドの温度を検出する温度検出手段又は前記温度を制御する温度制御回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜６の何れかにおいて、前記ＩＣが、前記ノズル開口から吐出されるインク滴の吐出回数を検出する吐出回数検出手段であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項３〜６の何れかにおいて、前記ＩＣが、前記圧電素子保持部の湿度を検出する湿度検出手段の制御を行う湿度制御回路であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜１０の何れかにおいて、前記圧電素子と前記ＩＣとがフリップチップ実装によって電気的に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１１において、前記流路形成基板には、前記ＩＣと外部配線とを接続する接続配線が形成され、前記ＩＣと前記接続配線とがフリップチップ実装によって電気的に接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１１又は１２において、前記ＩＣと前記圧電素子又は前記接続配線とが、異方性導電材によって接続されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜１３の何れかにおいて、前記接合基板が、シリコン単結晶基板からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜１４の何れかにおいて、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記振動板及び前記圧電素子を構成する各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜１５の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。
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