JP3695507B2

JP3695507B2 - インクジェット式記録ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP3695507B2
Application number: JP29252698A
Authority: JP
Inventors: 宏行亀井; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: JPH11309867A

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、この振動板の表面に圧電素子を形成して、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の製造方法に関する。
【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薄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】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、圧電振動子の駆動による変形量が小さいので、十分な吐出容量が得られがたいという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の駆動による変形量を容易に向上することのできるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【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、流路形成基板の一方面に設けられた圧力発生室の一部を構成する弾性膜上に圧電素子を形成し、前記流路形成基板を他方面側からエッチングして前記圧力発生室を形成すると共に前記弾性膜の前記圧力発生室内の面の一部に凹部を形成するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板の他方面に設けられたマスク層の前記凹部と対向する領域に貫通部を有すると共に前記圧力発生室に対応して前記凹部以外の部分に薄膜部を有するマスクパターンを形成する第１のステップと、前記マスク層を利用してエッチングすることにより前記圧力発生室及び前記凹部を形成する第２のステップとを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００１０】
かかる第１の態様では、圧力発生室を構成する弾性膜の一部に、エッチングによって凹部を容易に形成することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、第１のステップは、前記マスク層の前記凹部に対向する領域をエッチングして前記貫通部を形成するステップと、前記マスク層の前記圧力発生室に対応して前記凹部以外の部分をエッチングして前記薄膜部を形成するステップとを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００１２】
かかる第２の態様では、流路形成基板の一方面に設けられたマスク層を所定の形状にパターニングすることにより、マスク層を圧力発生室及び凹部を形成するためのマスクパターンとして用いることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記第２のステップは、前記貫通部に対応する部分の前記流路形成基板をエッチングして前記弾性膜が露出した露出部を形成するステップと、前記マスク層の前記薄膜部及び前記弾性膜の露出部をエッチングして前記凹部を形成するステップと、前記薄膜部に対応する部分の前記流路形成基板をエッチングして前記圧力発生室を形成するステップとを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００１４】
かかる第３の態様では、弾性膜を精度よくエッチングすることができ、凹部の深さを所望の寸法に形成することができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記露出部を形成するステップでは、前記貫通部に対応する部分の前記流路形成基板をエッチングすると共に前記薄膜部の厚さ方向の一部をさらにエッチングして除去することにより、次のステップでエッチングされる前記凹部の深さを調整することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００１６】
かかる第４の態様では、薄膜部の厚さを調整することにより、凹部の深さを確実に所望の寸法にすることができる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第１又は２の態様において、前記第２のステップでは、前記薄膜部、前記流路形成基板及び前記弾性膜を一括してエッチングして前記圧力発生室及び前記凹部を形成することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００１８】
かかる第５の態様では、圧力発生室及び凹部を一括して形成することができ、製造工程が簡略化できる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の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の製造方法にある。
【００２０】
かかる第６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に且つ比較的容易に製造することができる。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様において、前記マスク層は、前記弾性膜と同一材料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の製造方法にある。
【００２２】
本発明の第７の態様では、弾性膜とマスク層とのエッチング速度が略同一となり、凹部の寸法精度を向上する。
【００２３】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記弾性膜及び前記マスク層が、酸化シリコン又は窒化シリコン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の製造方法にある。
【００２４】
かかる第８の態様では、流路形成基板上に弾性膜及びマスク層を容易に形成することができる。
【００２５】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様において、前記圧力発生室及び前記凹部がウェットエッチング法によって形成されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００２６】
かかる第９の態様では、凹部を精度よく形成することができる。
【００２７】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様において、前記流路形成基板には前記圧力発生室に連通されるリザーバが画成され、前記ノズル開口を有するノズルプレートが接合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の製造方法にある。
【００２８】
かかる第１０の態様では、ノズル開口からインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを容易に実現できる。
【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、前記流路形成基板には、前記圧力発生室にインクを供給する共通インク室と、前記圧力発生室と前記ノズル開口とを連通する流路とを形成する流路ユニットが接合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の製造方法にある。
【００３０】
かかる第１１の態様では、インクは流路ユニットから圧力発生室に供給され、ノズル開口から吐出される。
【００３１】
本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記流路ユニットが前記流路形成基板の前記圧力発生室開口側に接合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の製造方法にある。
【００３２】
かかる第１２の態様では、流路ユニットからのインクは圧力発生室の開口側から供給される。
【００３３】
本発明の第１３の態様は、第１１の態様において、前記流路ユニットが前記流路形成基板の前記圧電素子形成側に接合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の製造方法にある。
【００３４】
かかる第１３の態様では、流路ユニットからのインクは圧電素子形成側に開口する連通路を介して圧力発生室に供給される。
【００３５】
【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。
【００３６】
（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、平面図及びその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。
【００３７】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００３８】
流路形成基板１０の両面には、それぞれ、予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．１〜２μｍの弾性膜５０と、詳しくは後述するが、圧力発生室１２等を形成する際にマスクパターンとして用いられる保護膜５５とが形成されている。そして、流路形成基板１０の一方の面には、保護膜５５をマスクとしてシリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル開口１１、圧力発生室１２が形成されている。
【００３９】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００４０】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通し、後述するが、弾性膜５０の一部までエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜５０及び保護膜５５は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。
【００４１】
一方、各圧力発生室１２の一端に連通する各ノズル開口１１は、圧力発生室１２より幅狭で且つ浅く形成されている。すなわち、ノズル開口１１は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００４２】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口１１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口１１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００４３】
また、各圧力発生室１２と後述する共通インク室３１とは、後述する封止板２０の各圧力発生室１２の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク供給連通口２１を介して連通されており、インクはこのインク供給連通口２１を介して共通インク室３１から供給され、各圧力発生室１２に分配される。
【００４４】
封止板２０は、前述の各圧力発生室１２に対応したインク供給連通口２１が穿設された、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックスからなる。なお、インク供給連通口２１は、各圧力発生室１２のインク供給側端部の近傍を横断する一つのスリット孔でも、あるいは複数のスリット孔であってもよい。封止板２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、封止板２０は、他面で共通インク室３１の一壁面を構成する。
【００４５】
共通インク室形成基板３０は、共通インク室３１の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。本実施形態では、共通インク室形成基板３０の厚さは、０．２ｍｍとしている。
【００４６】
インク室側板４０は、ステンレス基板からなり、一方の面で共通インク室３１の一壁面を構成するものである。また、インク室側板４０には、他方の面の一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成することにより薄肉壁４１が形成され、さらに、外部からのインク供給を受けるインク導入口４２が打抜き形成されている。なお、薄肉壁４１は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口１１と反対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発生室１２に、共通インク室３１を経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。本実施形態では、インク導入口４２と外部のインク供給手段との接続時等に必要な剛性を考慮して、インク室側板４０を０．２ｍｍとし、その一部を厚さ０．０２ｍｍの薄肉壁４１としているが、ハーフエッチングによる薄肉壁４１の形成を省略するために、インク室側板４０の厚さを初めから０．０２ｍｍとしてもよい。
【００４７】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜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、圧電体膜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膜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膜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３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子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振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００４８】
ここで、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０上に、圧電体膜７０等を形成するプロセスを図３を参照しながら説明する。
【００４９】
図３（ａ）に示すように、まず、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して、流路形成基板１０の両面に、それぞれ二酸化シリコンからなる弾性膜５０及び保護膜５５を一度に形成する。
【００５０】
次に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を形成する。下電極膜６０の材料としては、Ｐｔ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膜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、圧電体膜７０としてＰＺＴを用いた場合には、ＰｂＯ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Ｐｔが好適である。
【００５１】
次に、図３（ｃ）に示すように、圧電体膜７０を成膜する。本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・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膜７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体膜７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（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、この圧電体膜７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００５２】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりＰＺＴ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。
【００５３】
次に、図３（ｄ）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、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ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、Ｐｔをスパッタリングにより成膜している。
【００５４】
このように各層の成膜が終ると、これら下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０をパターニングして圧電素子３００を形成し、さらに、各圧電素子３００に対応する領域の流路形成基板１０をエッチングして、圧力発生室１２を形成する。その際、本実施形態では、弾性膜５０の圧力発生室１２内の圧電体能動部３２０に対向する部分に凹部５１を形成している。
【００５５】
以下、この一連の形成工程について説明する。
【００５６】
図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２形成側の表面に保護膜５５が形成されており、本実施形態では、この保護膜５５をマスクパターンとして圧力発生室１２等をエッチングにより形成している。そこで、まず圧力発生室１２形成位置に対応する領域で凹部５１に対応する部分、例えば、本実施形態では、圧電体能動部３２０に対応する部分の保護膜５５を、例えば、フッ酸（ＨＦ）等でエッチングして貫通部５５ａを形成する。
【００５７】
次いで、図４（ｂ）に示すように、圧力発生室１２形成位置に対応する領域の貫通部５５ａ以外の部分を貫通部５５ａの形成工程と同様に、ＨＦでエッチングして、例えば、本実施形態では、貫通部５５ａの周囲を囲むように、圧力発生室１２に対向する領域外の保護膜５５よりも相対的に膜厚の薄い薄膜部５５ｂを形成する。
【００５８】
ここで、詳しくは後述するが、凹部５１の深さは、基本的にはこの薄膜部５５ｂの厚さによって決定される。そして、薄膜部５５ｂの厚さは、以下の工程で調整が可能であるため、この工程では、薄膜部５５ｂを凹部５１の所望の深さと略同一、若しくは若干厚い膜厚としておくことが好ましい。なお、この薄膜部５５ｂは、ハーフエッチング等により形成すればよい。
【００５９】
次に、図４（ｃ）に示すように、下電極膜６０、圧電体膜７０及び上電極膜８０をエッチングして圧電体能動部３２０等のパターニングを行う。
【００６０】
次に、図５（ａ）に示すように、このようにパターニングされた保護膜５５をマスクパターンとして前述したＫＯＨ等のアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板（流路形成基板）１０の異方性エッチングを行う。この工程では、貫通部５５ａに対応する部分の流路形成基板１０を完全に除去して、貫通部５５ａに対応する部分に弾性膜５０が露出した露出部５０ａとなるまでエッチングを行う。
【００６１】
この際、流路形成基板１０のＫＯＨによるエッチングに伴って保護膜５５（薄膜部５５ａ）もエッチングされるが、ＫＯＨでの保護膜５５のエッチング速度は、流路形成基板１０に比べて極めて遅いため、保護膜５５がエッチングされる厚さは若干量である。本実施形態では、この若干量のエッチングを利用して、薄膜部５５ｂの厚さの調整を行っている。
【００６２】
次いで、図５（ｂ）に示すように、保護膜５５の薄膜部５５ｂ及び弾性膜５０の露出部５０ａを、ＨＦでエッチングして凹部５１を形成する。ここで、弾性膜５０及び保護膜５５は、本実施形態では、上述したように二酸化シリコンからなるため、同一材質で形成されているため、エッチング速度も同一である。したがって、この工程のエッチングによって、凹部５１は薄膜部５５ｂの厚さと略同一の深さに形成されることになる。したがって、上述のように、薄膜部５５ｂの厚さを精度よく調整しておくことで、凹部５１を所定の深さで精度よく形成することができる。
【００６３】
なお、弾性膜５０及び保護膜５５の材質は、特に限定されず、例えば、窒化シリコンであってもよい。また、エッチング速度が略同一であれば、弾性膜５０と、弾性膜５５との材質が異なっていてもよい。
【００６４】
次に、図５（ｃ）に示すように、薄膜部５５ｂに対応する部分の流路形成基板１０をＫＯＨでエッチングして圧力発生室１２を形成する。またこのとき、弾性膜５５の露出部５０ａも同時にエッチングされ、このエッチングによって凹部５１が所望の深さに形成される。
【００６５】
このような圧力発生室１２及び凹部５１の形成方法では、保護膜５５をマスクパターンとして流路形成基板１０等をエッチングすることにより、圧力発生室１２を形成すると共に弾性膜５０に凹部５１を容易に形成することができる。また、本実施形態では、流路形成基板１０を二回に分けてエッチングして圧力発生室１２及び凹部５１を形成するようにしているため、その際、薄膜部５５ｂの厚さを調整することができる。また、流路形成基板１０の厚さは一定であるため、薄膜部５５ｂの厚さの変化のみが凹部５１の深さの変化となり、この薄膜部５５ｂの厚さを調整するだけで、凹部５１を所望の深さに精度よく形成することができる。
【００６６】
図６は、このように形成されたインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。
【００６７】
本実施形態では上述の工程によって、図６に示すように、各圧力発生室１２に対向する領域内に圧電体膜７０及び上電極膜８０をパターニングして圧電体能動部３２０を形成し、圧力発生室１２に対向する領域の弾性膜５０に、圧電体能動部３２０の幅方向略中央部に長手方向に亘って、弾性膜５０の厚さ方向の一部を残した深さで形成している。
【００６８】
このように、上述のような工程によって、圧力発生室１２内側の弾性膜５０に凹部５１を精度よく形成することにより、圧電体能動部３２０の駆動による応力が抑えられ、変位量を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、凹部５１を、圧電体能動部３２０に対応する領域に形成するようにしたが、これに限定されず、圧力発生室１２内側の弾性膜５０の何れの場所にも設けることができる。
【００７０】
例えば、図７（ａ）に示すように、貫通部５５ａを圧電体能動部３２０の幅方向両側に設け、薄膜部５５ｂを圧力発生室１２の略中央部の圧電体能動部３２０に対向する領域に設けて流路形成基板１０をエッチングするようにすれば、図７（ｂ）に示すように、凹部５１が圧力発生室１２の幅方向両側に形成されることになる。
【００７１】
すなわち、圧力発生室に対向する領域内で、凹部を形成したい部分に貫通部を設け、その他の部分に薄膜部を設けて、流路形成基板をエッチングすることにより所望の位置に凹部を形成することができる。また、何れの場合にも、薄膜部の厚さを調整することにより、所望の深さの凹部を精度よく形成することができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、凹部５１を弾性膜５０の一部を残した深さで形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、下電極膜６０の一部まで除去した深さとしてもよい。この場合にも、下電極膜６０のエッチング速度等を考慮して薄膜部５５ｂの厚さを調整しておくことにより、凹部５１を精度良く形成することができる。なお、この場合には、保護膜５５を弾性膜５０よりも厚く形成しておくことが必要である。
【００７３】
以上の説明では、圧電体能動部３２０形成後に、圧力発生室１２を形成するようにしたが、実際には、図２に示すように、各上電極膜８０の上面の少なくとも周縁、及び圧電体膜７０および下電極膜６０の側面を覆うように電気絶縁性を備えた絶縁体層９０を形成し、さらに、絶縁体層９０の各圧電体能動部３２０の一端部に対応する部分の上面を覆う部分の一部にはリード電極１００と接続するために上電極膜８０の一部を露出させるコンタクトホール９０ａを形成し、このコンタクトホール９０ａを介して各上電極膜８０に一端が接続し、また他端が接続端子部に延びるリード電極１００を形成した後に、圧力発生室１２を形成するようにしてもよい。ここで、リード電極１００は、駆動信号を上電極膜８０に確実に供給できる程度に可及的に狭い幅となるように形成するのが好ましい。なお、本実施形態では、コンタクトホール９０ａは、圧力発生室１２に対向する位置に設けられているが、特に限定されず、例えば、圧電体膜７０及び上電極膜８０を圧力発生室１２の周壁に対向するまで延設して、その周壁に対向する位置にコンタクトホール９０ａを設けるようにしてもよい。
【００７４】
また、以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングは、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、図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０毎に分割する。また、分割した流路形成基板１０を、封止板２０、共通インク室形成基板３０、及びインク室側板４０と順次接着して一体化し、インクジェット式記録ヘッドとする。
【００７５】
このように構成したインクジェットヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口４２からインクを取り込み、共通インク室３１からノズル開口１１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、リード電極１００を介して下電極膜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及び圧電体膜７０をたわみ変形させることにより、圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口１１からインク滴が吐出する。
【００７６】
（実施形態２）
図８は、実施形態２に係る薄膜製造工程を示す断面図である。
【００７７】
本実施形態は、流路形成基板１０、保護膜５５の薄膜部５５ｂ及び弾性膜５０を一括してエッチングして圧力発生室１２及び凹部５１を形成した例である。
【００７８】
まず、本実施形態の形成方法においても、実施形態１と同様に、図８（ａ）に示すように、圧力発生室１２形成位置に対応する領域で凹部５１を形成する部分に対応する位置の弾性膜５５をエッチングして貫通部５５ａを形成する。次いで、図８（ｂ）に示すように、圧力発生室１２形成位置に対応する領域の貫通部５５ａ以外の部分に、圧力発生室１２に対向する領域外の弾性膜５５よりも相対的に膜厚の薄い薄膜部５５ｂを形成する。そして、図８（ｃ）に示すように、圧電体膜７０及び上電極膜８０等をパターニングして圧電体能動部３２０を形成する。
【００７９】
このように圧電体能動部３２０を形成後、流路形成基板１０等をエッチングして、圧力発生室１２及び凹部５１を形成する。本実施形態では、図８（ｄ）に示すように、薄膜部５５ｂ、流路形成基板１０及び弾性膜５０をＫＯＨ水溶液で一括してエッチングして、圧力発生室１２及び凹部５１を形成した。
【００８０】
このような一括した流路形成基板１０等のエッチングでは、最初に貫通部５５ａの領域のシリコン単結晶基板（流路形成基板）１０が侵されていくが、これと共に周囲の薄膜部５５ｂも侵される。そのため、薄膜部５５ｂは時間と共に完全に除去され、薄膜部５５ｂに覆われていた部分のシリコン単結晶基板（流路形成基板）１０も、遅れて侵されていく。その後、貫通部５５ａの領域のシリコン単結晶基板（流路形成基板）１０が完全に除去されるが、薄膜部５５ｂの領域のシリコン単結晶基板（流路形成基板）１０が完全に除去されるまで、すなわち、圧力発生室１２が形成されるまでエッチングを続行する。結果的に、貫通部５５ａの領域の弾性膜５０が侵され、凹部５１が形成されることになる。
【００８１】
このように、流路形成基板１０等を一括してエッチングして圧力発生室１２及び凹部５１を形成することによって、製造工程を簡略化することができ、製造効率及び製造コストを向上することができる。
【００８２】
（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。
【００８３】
例えば、上述の実施形態では、流路形成基板１０、弾性膜５０及び保護膜５５をウェットエッチングによってパターニングするようにしたが、これに限定されず、例えば、ドライエッチングを用いてもよく、あるいはウェットエッチング及びドライエッチングを併用してもよい。
【００８４】
また、上述の実施形態では、弾性膜５０の圧電体能動部３２０に対向する領域、又は圧電体能動部３２０の幅方向両側に対向する領域に、それぞれ、一つの凹部５１を形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、図９（ａ）に示すように、圧電体能動部３２０に対向する領域の弾性膜５０に複数の凹部５１Ａを設けるようにしてもよいし、図９（ｂ）に示すように、圧電体能動部３２０の幅方向両側に対向する領域に、複数の凹部５１Ａを設けるようにしてもよいし、あるいは、圧力発生室１２に対向する領域の弾性膜５０の幅方向に亘って複数の凹部５１Ａを形成するようにしてもよい。勿論、凹凸の形状は、これらに限定されるものではない。
【００８５】
さらに、例えば、上述した封止板２０の他、共通インク室形成板３０をガラスセラミックス製としてもよく、さらには、薄肉膜４１を別部材としてガラスセラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。
【００８６】
また、上述した実施形態では、ノズル開口を流路形成基板１０の端面に形成しているが、面に垂直な方向に突出するノズル開口を形成してもよい。
【００８７】
このように構成した実施形態の分解斜視図を図１０、その流路の断面を図１１にぞれぞれ示す。この実施形態では、ノズル開口１１が圧電素子とは反対のノズル基板１２０に穿設され、これらノズル開口１１と圧力発生室１２とを連通するノズル連通口２２が、封止板２０、共通インク室形成板３０及び薄肉板４１Ａ及びインク室側板４０Ａを貫通するように配されている。
【００８８】
なお、本実施形態は、その他、薄肉板４１Ａとインク室側板４０Ａとを別部材とし、インク室側板４０に開口４０ｂを形成した以外は、基本的に上述した実施形態と同様であり、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００８９】
また、勿論、共通インク室を流路形成基板内に形成したタイプのインクジェット式記録ヘッドにも同様に応用できる。
【００９０】
また、以上説明した各実施形態は、成膜及びリソグラフィプロセスを応用することにより製造でき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もしくはスクリーン印刷等により圧電体膜を形成するもの、又はスパッタリング法やゾル−ゲル法以外で、例えば、水熱法等の結晶成長により圧電体膜を形成するもの等、各種の構造のインクジェット式記録ヘッドに本発明を採用することができる。
【００９１】
また、圧電素子とリード電極との間に絶縁体層を設けた例を説明したが、これに限定されず、例えば、絶縁体層を設けないで、各上電極に異方性導電膜を熱溶着し、この異方性導電膜をリード電極と接続したり、その他、ワイヤボンディング等の各種ボンディング技術を用いて接続したりする構成としてもよい。
【００９２】
このように、本発明は、その趣旨に反しない限り、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧力発生室を形成するためのマスクパターンとなる弾性膜等に薄膜部を設けて、流路形成基板等をエッチングするようにしたので、圧力発生室内側の弾性膜に凹部を容易に形成することができる。また、圧力発生室を２回に分けてエッチングすることにより、薄膜部の厚さを精度よく調整することができる。これにより、凹部の深さを精度よく形成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【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を示す図であり、図１の平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１の薄膜製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１の圧力発生室及び凹部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の圧力発生室及び凹部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要部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断面図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る圧力発生室及び凹部の製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の他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断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施形態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。
【符号の説明】
１０流路形成基板
１１ノズル開口
１２圧力発生室
５０弾性膜
５１，５１Ａ凹部
５５保護膜
５５ａ貫通部
５５ｂ薄膜部
６０下電極膜
７０圧電体膜
８０上電極膜
９０絶縁体層
１００リード電極
３００圧電素子
３２０圧電体能動部

Claims

流路形成基板の一方面に設けられた圧力発生室の一部を構成する弾性膜上に圧電素子を形成し、前記流路形成基板を他方面側からエッチングして前記圧力発生室を形成すると共に前記弾性膜の前記圧力発生室内の面の一部に凹部を形成するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板の他方面に設けられたマスク層の前記凹部と対向する領域に貫通部を有すると共に前記圧力発生室に対応して前記凹部以外の部分に薄膜部を有するマスクパターンを形成する第１のステップと、前記マスク層を利用してエッチングすることにより前記圧力発生室及び前記凹部を形成する第２のステップとを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
請求項１において、第１のステップは、前記マスク層の前記凹部に対向する領域をエッチングして前記貫通部を形成するステップと、前記マスク層の前記圧力発生室に対応して前記凹部以外の部分をエッチングして前記薄膜部を形成するステップとを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
請求項１又は２において、前記第２のステップは、前記貫通部に対応する部分の前記流路形成基板をエッチングして前記弾性膜が露出した露出部を形成するステップと、前記マスク層の前記薄膜部及び前記弾性膜の露出部をエッチングして前記凹部を形成するステップと、前記薄膜部に対応する部分の前記流路形成基板をエッチングして前記圧力発生室を形成するステップとを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
請求項３において、前記露出部を形成するステップでは、前記貫通部に対応する部分の前記流路形成基板をエッチングすると共に前記薄膜部の厚さ方向の一部をさらにエッチングして除去することにより、次のステップでエッチングされる前記凹部の深さを調整することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
請求項１又は２において、前記第２のステップでは、前記薄膜部、前記流路形成基板及び前記弾性膜を一括してエッチングして前記圧力発生室及び前記凹部を形成することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
請求項１〜５の何れかにおいて、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の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の製造方法。
請求項１〜６の何れかにおいて、前記マスク層は、前記弾性膜と同一材料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の製造方法。
請求項７において、前記弾性膜及び前記マスク層が、酸化シリコン又は窒化シリコン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の製造方法。
請求項１〜８の何れかにおいて、前記圧力発生室及び前記凹部がウェットエッチング法によって形成されることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
請求項１〜９の何れかにおいて、前記流路形成基板には前記圧力発生室に連通されるリザーバが画成され、前記ノズル開口を有するノズルプレートが接合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の製造方法。
請求項１〜１０の何れかにおいて、前記流路形成基板には、前記圧力発生室にインクを供給する共通インク室と、前記圧力発生室と前記ノズル開口とを連通する流路とを形成する流路ユニットが接合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の製造方法。
請求項１１において、前記流路ユニットが前記流路形成基板の前記圧力発生室開口側に接合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の製造方法。
請求項１１において、前記流路ユニットが前記流路形成基板の前記圧電素子形成側に接合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の製造方法。