JP3862524B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、ワープロ、ホストコンピュータなどの出力用端末としてのプリンタ、ビデオプリンタなどに用いられる液体吐出ヘッドや液体吐出装置、およびその液体吐出ヘッドの製造方法に関する。特に、本発明は、液体を吐出させるために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子が形成された素子基板を有する液体吐出ヘッドや、その液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出記録装置、および液体吐出ヘッドの製造方法に関する。即ち、インクなどの記録用の液体を飛翔液滴として吐出口(オリフィス)から吐出させて、その液体を記録媒体に付着させることによって記録を行うために用いられる液体吐出ヘッドやその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱などのエネルギーをインクに与えることで、インクに急激な体積変化を伴う状態変化を生じさせ、このインクの状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４，７２３，１２９号明細書に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配された、インクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般に配されている。
【０００３】
このような記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるともとに、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた利点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は、近年、プリンター、複写機、ファクシミリなどの多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置などの産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００４】
このようなバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って、次のような様々な要求が近年さらに高まっている。
【０００５】
例えば、エネルギー効率の向上の要求に対する検討としては、発熱体の保護膜の厚さを調整するといった発熱体の最適化が挙げられる。この手法は、発生した熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。
【０００６】
また、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法などを与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液流路内への充填（リフィル）速度の速い液体吐出ヘッドを得るために液流路の形状を改良したものも提案されたりしている。
【０００７】
さらに、液体吐出の原理に立ち返り、従来では得られなかった、気泡を利用した新規な液体吐出方法およびそれに用いられるヘッドなどを提供すべく鋭意研究が行われ、特開平９-２０１９６６号公報などに開示された液体吐出方法およびそれに用いられるヘッドが提案されている。
【０００８】
ここで、特開平９-２０１９６６号公報などに開示された従来の液体吐出方法およびそれに用いられるヘッドについて、図１４〜図１６を参照して説明する。図１４は、従来の液体吐出ヘッドにおける吐出原理を説明するための図であり、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）のそれぞれは液流路方向に沿った断面図である。また、図１５は、図１４に示される液体吐出ヘッドを部分的に破断した斜視図である。図１６は、図１４に示される液体吐出ヘッドの変形例の断面図である。図１４および図１６に示される液体吐出ヘッドは、液体を吐出する際に気泡に基づく圧力の伝搬や方向や気泡の成長方向を制御して吐出力や吐出能率を向上させる最も基本となる構成のものである。
【０００９】
以下の説明で用いる「上流」および「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域の上方を経て吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、またはこの構成上の方向に関しての表現として表わされている。
【００１０】
また、気泡自体に関する「下流側」とは、主として液滴の吐出に直接作用するとされる気泡の吐出口側を代表する。より具体的には、気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する下流側、又は、発熱体の面積中心よりも下流側の領域で発生する気泡を意味する。（同様に、気泡自体に関する「上流側」とは気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する上流側、又は、発熱体の面積中心より上流側の領域で発生する気泡を意味する。）
さらに、「櫛歯」とは、可動部材の支点部が共通部材になっており、可動部材の自由端の前方が開放されている形状を意味する。
【００１１】
図１４に示される液体吐出ヘッドにおいて、素子基板５０１は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体５０２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体５０２が発熱する。
【００１２】
天板５１１は、各発熱体５０２に対応した複数の液流路５０３および各液流路５０３に液体を供給するための共通液室５０５を構成するためのもので、天井部分から各発熱体５０２の間に延びる流路側壁が一体的に設けられている。また、天板５１１には各液流路５０３を外部に連通させる吐出口５０４が複数形成されている。
【００１３】
天板５１１はシリコン基板上にＣＶＤ等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、液流路５０３の側壁となる材料を堆積し、液流路５０３の部分をエッチングした後、天井部分を接合して形成することができる。
【００１４】
素子基板５０１の、液流路５０３に対応する部分の上には、発熱体５０２に対面する板状の可動部材５０６が片持ち梁状に設けられ、かつ可動部材５０６の上流側の一端は台座５０７に固定されている。可動部材５０６は台座５０７により支持されることで、変位時の支点５０８を有する。また、可動部材５０６は公知の成膜方法によって上記のように液流路５０３及びその側壁を形成する段階で堆積膜をパターニングすることにより櫛歯形状に形成されており、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料からなる。
【００１５】
この可動部材５０６は、液体の吐出動作によって共通液室５０５から可動部材５０６の上方を経て吐出口５０４側へ流れる大きな流れの上流側に支点５０８を持ち、この支点５０８に対して下流側に自由端５０９を持つように、発熱体５０２に面した位置に発熱体５０２を覆うような状態で発熱体５０２から１５μｍ程度の距離を隔てて配されている。この発熱体５０２と可動部材５０６との間が気泡発生領域５１０となる。
【００１６】
次に、上記のように構成された液体吐出ヘッドの動作について、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１４（ａ）において、気泡発生領域５１０および液流路５０３の内部にはインクが満たされている。
【００１８】
次に、図１４（ｂ）において、発熱体５０２を発熱させることで可動部材５０６と発熱体５０２との間の気泡発生領域５１０の液体に熱が作用し、その液体に、米国特許第４，７２３，１２９号明細書などに記載されているような膜沸騰現象に基づいて気泡５１１を発生させる。気泡５１１の発生に基づく圧力と気泡５１１とは可動部材５０６に優先的に作用し、可動部材５０６は、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）もしくは図１５に示されるように支点５０８を中心に吐出口５０４側に大きく開くように変位する。可動部材５０６の変位もしくは変位した状態によって気泡５１１の発生に基づく圧力の伝搬や気泡５１１の先端部が幅を有しているため、気泡５１１の発泡パワーを吐出口５０４側へ導きやすくなり、液滴の吐出効率や吐出力または吐出速度などの根本的な向上を図ることができる。
【００１９】
以上説明したように、特開平９-２０１９６６号公報などに記載された技術は、液路中の可動部材の支点と自由端との位置関係を、吐出口側つまり下流側に可動部材の自由端が位置する関係にすることで、また可動部材を発熱体もしくは気泡発生領域に面して配置することで積極的に気泡を制御する技術である。
【００２０】
図１６に示される液体吐出ヘッドの素子基板６０１、発熱体６０２、液流路６０３、吐出口６０４、共通液室６０５および気泡発生領域６０９のそれぞれの構成は、図１４に基づいて説明した液体吐出ヘッドと同様であり、それらの構成についての詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１６に示される液体吐出ヘッドでは、片持ち梁状に形成された可動部材６０６の一端に段差部６０６ａが設けられており、素子基板６０１上に可動部材６０６が直接固定されている。これにより、可動部材６０６は素子基板６０１上に保持され、可動部材６０６の支点６０７が構成されるともとに、この支点６０７に対して下流側に自由端６０８が構成されている。
【００２２】
以上で説明したように、可動部材の固定部分に台座を設けたり、あるいは可動部材の固定部分に段差部を設けたりすることにより、可動部材と発熱部との間に１〜２０μｍ程度のギャップが構成され、可動部材による液体吐出効率を向上させる効果が十分に引き出される。従って、上述したような吐出原理に基づく液体吐出ヘッドなどによると、発生する気泡とこれによって変位する可動部材との相乗効果を得ることができ、吐出口近傍の液体を効率よく吐出させることができるため、可動部材を用いていない従来のバブルジェット方式の吐出方法や液体吐出ヘッドなどと比較して液体の吐出効率が向上する。
【００２３】
上記のように可動部材を有する液体吐出ヘッドでは、可動部材が気泡の圧力変化に伴って変位し、その変位の際に変位量に応じた応力が可動部材に加わる。この応力は特に可動部材の根元（支点）付近で可動部材に大きく働き、可動部材の耐久性に影響を与える。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように板状の可動部材を有した液体吐出ヘッドにおいて、可動部材の材料がＳｉＮやセラミックであるため、その側部の縁にクラックやバリなどの欠陥があると、可動部材の耐久性が著しく低下する場合があった。例えば、可動部材の、特に発熱体より上流側の側部の縁が面取りなどされておらず、その縁が直角形状となっていると、可動部材の変位の際に縁に応力集中が生じてしまう。さらには、基板上に堆積膜を形成し、その堆積膜をパターニングして可動部材を形成しているため、可動部材の側部の縁にピンホールやクラックが生じることがある。
【００２５】
また、可動部材を基板上に成膜法により形成しているので、可動部材の形状が、可動部材の材料層が上に成膜される下層の表面状態に影響される。その結果、上記のように可動部材の側部の縁の形状が可動部材の変位の際に応力集中しやすい形状になる場合がある。
【００２６】
したがって、気泡発生領域で極端に大きな気泡が発生し、可動部材が極度に大きく変位した際には、可動部材の根元付近から可動部材が破断するという問題点があった。
【００２７】
本発明の目的は、可動部材の急激な形状変化部を排除し、可動部材を均一な膜質の膜で構成して応力集中を緩和することが可能な構造にすることにより、可動部材の耐久性を向上させ、吐出特性が安定した信頼性の高い液体吐出ヘッドや液体吐出装置、およびそのような液体吐出ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通し、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する液流路と、基板上に設けられた、前記気泡発生領域内の液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいて前記吐出エネルギー発生素子に対面し、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている、前記基板上に成膜により形成された板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記可動部材の側部の縁が面取りされていることを特徴とする。
【００３１】
また、前記可動部材は、前記吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により形成されたものであることが好ましい。
【００３２】
さらに本発明は、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通し、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する液流路と、基板上に設けられた、前記気泡発生領域内の液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいて前記吐出エネルギー発生素子に対面し、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている、前記基板上に成膜により形成された板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記基板の表面には、前記複数の可動部材に対応する領域の少なくとも一部および該領域の周辺に渡って延び、前記吐出エネルギー発生素子とそれぞれ電気的に接続された複数の電極層が形成されており、それぞれの前記電極層における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅よりも、前記可動部材における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角、かつ前記素子基板の表面と平行な方向の幅が小さくなっていることを特徴とする。
【００３３】
また、前記可動部材の構成材料がセラミックであることが好ましい。
【００３４】
さらに、前記可動部材の構成材料が窒化シリコンであることが好ましい。
【００３５】
上記の通りの発明では、吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいてその素子と対面している成膜により形成された板状の可動部材の側部に直角または鋭角がなく、その側部の縁が曲面になっていたり、その縁が面取りされていることにより、液流路の気泡発生領域で吐出エネルギー発生素子により液体に気泡を発生させて可動部材を変位させることで吐出口から液体を吐出させる際や、可動部材が過度に変位した際に可動部材の側部における応力集中が緩和される。よって、このような液体吐出ヘッドでは可動部材の側部において急激な形状変化部がないので、可動部材の変位の際にその変位量に応じた応力が可動部材に加わっても、可動部材に亀裂が生じたり、可動部材が破断することが防止される。例えば、可動部材をフォトリソグラフィ技術により形成する場合、可動部材が、均一な膜質の膜で構成されて、応力集中を緩和することが可能な構造となる。その結果、可動部材の耐久性が向上するとともに液体吐出ヘッドの吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【００３６】
さらに、本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を供給する駆動信号供給手段とを有している。
【００３９】
さらに、本発明は、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が表面に並列に複数設けられた素子基板と、前記吐出エネルギー発生素子がそれぞれ配置され、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する複数の液流路と、該液流路とそれぞれが連通して前記液流路内の液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の液流路を形成するために前記素子基板上に設けられた流路壁部材と、前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれとの間に間隙をおいて複数の前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれに対面するように前記素子基板上に複数設けられ、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記素子基板上に前記複数の可動部材をフォトリソグラフィ技術により形成した後に、前記可動部材の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部、および該縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部を除去する後処理の工程を有する。
【００４０】
さらに、前記後処理の工程では、前記可動部材の側部の縁が曲面になるように該縁を加工したり、前記可動部材の側部の縁が面取りされるように該縁を加工することが好ましい。
【００４１】
さらに、前記後処理の工程が、前記可動部材をエッチング液に浸す工程や、前記可動部材の側部の縁にレーザー光を照射することにより前記縁を加工する工程であることが好ましい。
【００４２】
さらに、本発明は、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が表面に並列に複数設けられた素子基板と、前記吐出エネルギー発生素子がそれぞれ配置され、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する複数の液流路と、該液流路とそれぞれが連通して前記液流路内の液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の液流路を形成するために前記素子基板上に設けられた複数の流路側壁と、前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれとの間に間隙をおいて複数の前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれに対面するように前記素子基板上に複数設けられ、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている板状の可動部材と、前記複数の流路側壁の、前記素子基板側と反対側の面に接合された天板とを有し、前記素子基板の表面には、前記複数の可動部材に対応する領域の少なくとも一部および該領域の周辺に渡って延び、前記吐出エネルギー発生素子とそれぞれ電気的に接続された複数の電極層が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記素子基板の表面に複数の前記吐出エネルギー発生素子が設けられるとともに複数の前記電極層が形成された前記素子基板を用意する工程と、前記素子基板の表面に、前記気泡発生領域の空間に相当する型部材を形成する工程と、前記型部材を覆うように、前記可動部材を形成するための第１の材料層を積層する工程と、前記第１の材料層の表面に、前記第１の材料層に対して耐エッチング性を有する耐エッチング保護膜を積層する工程と、前記電極層における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅よりも、前記可動部材における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角、かつ前記素子基板の表面と平行な方向の幅が小さい形状の前記可動部材となるように前記耐エッチング保護膜をパターニングする工程と、パターニングされた前記耐エッチング保護膜を覆うように、前記流路側壁を形成するための第２の材料層を積層する工程と、前記第２の材料層の、前記液流路に対応する部分をエッチングにより除去し、前記流路側壁および前記液流路を形成する工程と、前記液流路を形成する工程後に前記型部材を除去し、前記可動部材を形成する工程とを有する。
【００４３】
さらに、前記可動部材の材料として窒化シリコンを用いることが好ましい。
【００４４】
さらに、上述した液体吐出ヘッドの製造方法において、前記可動部材の材料として窒化シリコンを、前記型部材の材料としてＰＳＧを、前記耐エッチング保護膜の材料としてアルミニウムを用いることが好ましい。
【００４５】
上記の通りの液体吐出ヘッドの製造方法では、複数の吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により複数の板状の可動部材を形成した後に、該可動部材の側部の縁で突出している直角部や鋭角部を除去し、その縁を曲面にしたり、その縁を面取りすることにより、可動部材の側部の縁において急激な形状変化部が除去され、可動部材が、均一な膜質の膜で構成されて、応力集中を緩和することが可能な構造となる。この液体吐出ヘッドでは、液体の吐出動作で可動部材を変位させる際や、可動部材が過度に変位した際に可動部材の側部の縁における応力集中が緩和されるので、可動部材の変位量に応じた応力が可動部材に加わっても、可動部材に亀裂が生じたり、可動部材が破断することが防止される。その結果、可動部材の耐久性が向上し、吐出特性が安定した信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造が可能となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００４７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、図１に示すように、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生してその熱エネルギーを液体に与える吐出エネルギー発生素子としての、複数個（図１では、１つのみ示す）の発熱体２が並列に設けられた素子基板１と、この素子基板１上に接合された天板３と、素子基板１および天板３の前端面に接合されたオリフィスプレート４とを有する。
【００４８】
素子基板１は、シリコンなどの基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体２が発熱する。そして、この配線と電極抵抗層の上には、それらをインクから保護する保護膜が形成されており、さらにその保護膜の上にはインク消泡によるキャビテーションから保護する耐キャビテーション膜が形成されている。
【００４９】
素子基板１の発熱体２側の面上に、各発熱体２に対応した複数の液流路７を形成するための流路側壁９、および各液流路７に供給する液体を一時的に保持する共通液室８を形成するための部材が形成されている。その部材や流路側壁９の、素子基板１側の面に天板３が接合されている。天板３や流路側壁９などはシリコン系の材料で構成されている。液流路７および共通液室８を形成するための部材は、シリコン基板である素子基板１上にＣＶＤなどの公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、流路側壁９となる材料を堆積した後、液流路７の部分をエッチングして形成される。
【００５０】
オリフィスプレート４には、各液流路７に対応し、それぞれの液流路７を介して共通液室８に連通する複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍの厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート４は本発明に必ずしも必要な構成でなく、オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３の先端面にオリフィスプレート４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成することで吐出口付きの天板とすることもできる。
【００５１】
さらに、この液体吐出ヘッドには、液流路７内に、発熱体２に対面して配置された片持梁状の可動部材６が設けられている。それぞれの可動部材６は、発熱体２に対向する平面部を有する板状のものであり、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料で素子基板１に対して成膜により形成された薄膜である。可動部材６の構成材料としてはセラミックを用いることができ、可動部材６の側部は、その側部の縁で急激な形状変化部がなくなるように後述するように処理されている。
【００５２】
この可動部材６は、液体の吐出動作によって共通液室８から可動部材６を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端６ｂを持つように、発熱体２に面した位置に自由端６ｂを発熱体２の中央付近に位置させて発熱体２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部材６との間が気泡発生領域１０となる。特に、可動部材６の側部に後述するように直角や鋭角がないように処理する部分は少なくとも発熱体より上流側である。
【００５３】
上記構成に基づき、発熱体２を発熱させると、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生して成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材６に優先的に作用し、可動部材６は図１に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５側に大きく開くように変位する。可動部材６の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝播や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【００５４】
つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材６を設けることによって、気泡の圧力伝播方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝播方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝播方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度などの根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００５５】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材６の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００５６】
このような本実施形態の液体吐出ヘッドでは、上述したように素子基板１がシリコン基板で構成され、天板３、流路側壁９、オリフィスプレート４および可動部材６がシリコン系の材料で構成され、それぞれの部材の材料にシリコンが含まれている。これにより、それぞれの部品の線膨張率の違いにより発生する応力が抑制される。これにより、液体吐出ヘッドの機械的特性が向上し、吐出特性が安定すると共に、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【００５７】
図２は、本実施形態の液体吐出ヘッドに複数ある可動部材の側部の形状を示す斜視図および断面図であり、図２（ａ）は、可動部材の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。本実施形態では、図２に示すように複数の可動部材６の支点部が共通部材になっており、複数の可動部材６を含んだ部材が櫛歯状になっている。
【００５８】
前述のように可動部材６は気泡の圧力変化に伴って変位し、その変位量に応じた応力が可動部材６に加わる。この応力は特に可動部材６の支点（根元）６ａ付近で可動部材６に大きく働き、可動部材６の側部の縁にバリやクラックなどの欠陥があると、可動部材６の耐久性が著しく低下する場合があった。具体的には可動部材６が根元付近から破断するという問題があった。このため本発明では、可動部材６の側部の縁に鋭角部分やバリ、クラックなどの欠陥部分がなく、さらには可動部材６の変位時に可動部材６に欠陥が発生しがたい構成になっている。
【００５９】
本実施形態では、そのような可動部材６の形状の一例として、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、可動部材６の形成後の後処理で可動部材６の両側面の形状を曲面（Ｒ部）１１にし、可動部材６の全ての縁１６が滑らかな曲面になっている。フォトリソグラフィ技術によって可動部材６を形成した直後では、可動部材６の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部や、その縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部が形成されている。可動部材６の両側面を曲面１１にする後処理の工程によって、それら直角部や鋭角部が除去され、可動部材６の側部の縁で急激な形状変化部がなくなっている。これにより、可動部材６が、均一な膜質の膜で構成されて、応力集中を緩和することが可能な構造となっている。
【００６０】
具体的には、可動部材６の側部の縁を加工する工程としては、エッチング液を用いたウェットエッチングによる後処理を行うことにより可動部材６の端面にＲ部を形成する。ここでのウェットエッチングは、パターニングなどのような不必要な領域を除去するといったものではなく、可動部材６の側部の縁に生じた鋭角部分やバリなどの除去のために行われる軽いエッチングであるため、可動部材６をエッチングする時間的割合（エッチングレート）が小さいエッチング液を用いるか、または短時間のエッチングとなる。そのため、可動部材６の寸法が後処理工程の前の所望の寸法から大きく変わることはない。また、可動部材６のパターニング時に、この後処理でエッチングされる幅、長さ、厚さを予め見込んで可動部材６を形成しておくことも可能である。
【００６１】
図３は、図２に示した可動部材６の後処理に用いたエッチング液よりもエッチングレートの低いエッチング液を用いるか、またはエッチング時間を短くした場合に形成される可動部材の断面図である。図３に示される可動部材６では、図２に示した場合と比較すると、可動部材６でエッチングされる領域が小さいため、可動部材１６のそれぞれの縁１６に形成される曲面が図２の場合よりも小さくなっている。よって、必要以外の領域のエッチングが最小限で済み、上述したような可動部材６のパターン時の寸法補正も必要なくなる。さらには、図２の場合よりも短時間で後処理工程が完了する。このような後処理は、図２に示す可動部材６の側部の縁に生じたバリやクラックが小さい場合に用いることが望ましい。
【００６２】
上述したような可動部材６の後処理によって、可動部材６に生じた鋭角部分やバリなどの欠陥部分を除去し、可動部材６の表面を滑らかにすることにより、可動部材６の耐久性および信頼性が向上する。
【００６３】
図４は、可動部材６の側部の形状の他の例を示す斜視図および断面図であり、図４（ａ）は可動部材６の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示される例では、可動部材６のそれぞれの縁１６が面取りされ、縁１６において隣り合う面同士の成す角度が鈍角になっている。よって、この例では、可動部材６の縁１６において、先端部の角度が直角となるように突出した直角部や、先端部の角度が鋭角となるように突出した鋭角部が形成されていない。これにより、可動部材６の変位時に応力が可動部材６の側部の縁に集中することが防止されている。可動部材６の縁１６の形状をこのようにする場合、可動部材６の後処理はレーザ加工などの物理的な加工を行い、可動部材６のエッジの面取りを施している。
【００６４】
このように本実施形態の液体吐出ヘッドでは、可動部材６の側部の縁が曲面になっていたり、その縁が面取りされていることにより、可動部材６を変位させて吐出口５からインクを吐出させる際や、可動部材６が過度に変位した際に可動部材６の側部の縁における応力集中が緩和される。よって、このような液体吐出ヘッドでは可動部材６の側部の縁において急激な形状変化部がないので、可動部材６の変位の際にその変位量に応じた応力が可動部材６に加わっても、可動部材６に亀裂が生じたり、可動部材６が破断することが防止される。その結果、可動部材６の耐久性が向上するとともに液体吐出ヘッドの吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【００６５】
図５は、可動部材の寸法と素子基板上の電極層の寸法との関係について説明するための断面図である。図５（ａ）は、液流路が延びる方向に対して垂直な方向の断面図であって、図５（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。また、図５（ｂ）は、液流路方向に沿った断面図であって、図５（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００６６】
本実施形態の液体吐出ヘッドでは、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、素子基板１の表層には、液流路７の流路方向に延びるヒータ層２１がそれぞれの液流路７ごとに形成されている。ヒータ層２１の表面およびその周囲に、ヒータ層２１と同様に液流路７の流路方向に延びる電極層２２がそれぞれの液流路７ごとに形成されている。ヒータ層２１の、可動部材６の自由端５ｂ近傍の部分の表面には電極層２２が形成されておらず、ヒータ層２１のその部分が、図１に示した発熱体２となる。したがって、素子基板１の表面には、複数の可動部材６に対応する領域の一部およびその領域の周辺に渡って延びる複数の電極層２２が形成されている。それぞれの電極層２２は、その電極層２２に対応するヒータ層２１の発熱体２と電気的に接続されており、この電極層２２を通して発熱体２に電圧が印加され、発熱体２に電流が流される。これらヒータ層２１や電極層２２の表面全体、および素子基板１の表面全体に保護膜２３が形成され、ヒータ層２１や電極層２２が保護膜２３によって覆われている。この保護膜２３の表面に可動部材６が形成され、可動部材６の側部の縁が全て曲面になっている。
【００６７】
そして、本実施形態の液体吐出ヘッドでは、素子基板１上にフォトリソグラフィ技術により可動部材６を形成する際に可動部材６の側部の縁に鋭角部が形成されないようにするために、図５（ａ）に示すようにそれぞれの電極層２２における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅Ｗ1よりも、可動部材６における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角、かつ素子基板１の表面と平行な方向の幅Ｗ2が小さくなっている。このように電極層２２の幅Ｗ1よりも可動部材６の幅Ｗ2を小さくすることにより、後述するように素子基板１上に堆積膜を形成して素子基板１上に可動部材６を作り込む途中の段階で可動部材６の側部の素子基板１側の縁に鋭角部が形成されることを防止できる。
【００６８】
図６は、図５に示した液体吐出ヘッドに対する比較例を示す断面図である。図６に示される比較例では、可動部材６の側部の縁にある鋭角部やバリを除去する後処理が施されておらず、図６（ａ）に示されるようにそれぞれの電極層２２における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅Ｗ3よりも、可動部材６における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角、かつ素子基板１の表面と平行な方向の幅Ｗ4が大きくなっている。このように電極層２２の幅Ｗ3よりも可動部材６の幅Ｗ4が大きくなっていると、素子基板１上に堆積膜を積層して可動部材６を形成する際に、図６（ａ）に示すように可動部材６の側部の素子基板１側の縁に鋭角部１７が形成されてしまうことがある。したがって本実施形態の液体吐出ヘッドでは、可動部材６の側部の縁に鋭角部１７が形成されないように、図５（ａ）に示したように電極層２２の幅Ｗ1よりも可動部材６の幅Ｗ2を小さくしている。
【００６９】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図７および図８は、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための図である。図７および図８に示される図（ａ）〜図（ｉ）が、液流路が延びる方向に対して垂直な方向の断面図であり、図７および図８に示される図（ａ’）〜図（ｉ’）が、液流路方向に沿った断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、図７に示される図（ａ）および図（ａ’）から、図８に示される図（ｉ）および図（ｉ’）の工程を経て製造される。
【００７０】
まず、図７の（ａ）および（ａ’）において、素子基板１の発熱体２側の面全体に、ＣＶＤ法によって温度３５０℃の条件でＰＳＧ（phospho silicate glass）膜１０１を形成する。このＰＳＧ膜１０１の膜厚は、図１に示した可動部材６と発熱体２とのギャップに相当し、ＰＳＧ膜１０１の膜厚を１〜２０μｍにする。これにより、液体吐出ヘッドの液流路全体のバランス上、可動部材６の効果が顕著にあらわれる。次に、ＰＳＧ膜１０１をパターニングするために、ＰＳＧ膜１０１の表面に、スピンコートなどによりレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーとして露光および現像を行い、そのレジストの、可動部材６が固定される部分に相当する部分を除去する。
【００７１】
そして、図７の（ｂ）および（ｂ’）において、ＰＳＧ膜１０１の、前記レジストで覆われていない部分を、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。その後、ＰＳＧ膜１０１の表面に残っている前記レジストを、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって除去する。これにより、ＰＳＧ膜１０１の一部が素子基板１の表面に残され、そのＰＳＧ膜１０１の一部が、気泡発生領域１０の空間に相当する型部材となる。このような工程を経て、素子基板１の表面に、気泡発生領域１０の空間に相当する型部材が作り込まれる。
【００７２】
次に、図７の（ｃ）および（ｃ’）において、素子基板１およびＰＳＧ膜１０１の表面に、プラズマＣＶＤ法により温度４００℃の条件で、第１の材料層として、アンモニアとシランガスを原料とする、厚さ１〜１０μｍのＳｉＮ膜１０２を形成する。このＳｉＮ膜１０２の一部が可動部材６となる。ＳｉＮ膜１０２の組成としては、Ｓｉ3Ｎ4が最も良いとされるが、可動部材２の効果を得るためには、Ｓｉを１としてＮの比率が１〜１．５の範囲であっても良い。このＳｉＮ膜は、半導体プロセスで一般的に使用され、耐アルカリ性、化学的安定性、および耐インク性を有している。ＳｉＮ膜１０２の一部が可動部材２となるため、この膜の材質が、可動部材２として最適な物性値を得られる構造および組成であれば、この膜の製造方法は限定されない。例えば、ＳｉＮ膜１０２の形成方法として、前述したプラズマＣＶＤ法の代わりに、常圧ＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、バイアスＥＣＲＣＶＤ、マイクロ波ＣＶＤ、あるいはスパッタ法、塗装方法などを用いてもよい。また、ＳｉＮ膜においても、その応力、剛性、ヤング率などの物理的特性や、耐アルカリ性、耐酸性などの化学的特性を、その用途に応じて向上させるために、段階的に組成比を変えて多層膜化してもよい。あるいは、段階的に不純物を添加して多層膜化したり、単層で不純物を添加してもよい。
【００７３】
次に、図７の（ｄ）および（ｄ’）において、ＳｉＮ膜１０２の表面に耐エッチング保護膜１０３を形成する。耐エッチング保護膜１０３として、スパッタリング法によって厚さ２μｍのＡｌ膜を形成した。この耐エッチング保護膜１０３によって、次の工程で流路側壁９を形成するためにエッチングを行う際に、可動部材６となるＳｉＮ膜１０２へのダメージが防止される。ここでは、可動部材６と流路側壁９とがほぼ同一の材料で形成される場合、流路側壁９の形成時のエッチングで可動部材６もエッチングされてしまうので、その可動部材６の、エッチングによるダメージを防止する必要が生じるので、可動部材６となるＳｉＮ膜１０２の、素子基板１側と反対側の面に耐エッチング保護膜１０３を形成する。
【００７４】
次に、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を所定の形状にするために、耐エッチング保護膜１０３の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。
【００７５】
その後、図７の（ｅ）および（ｅ’）において、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチング法などによってＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３のエッチングを行い、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を可動部材６の形状にする。これにより、可動部材６が成膜およびパターニングにより素子基板１の表面に作り込まれる。
【００７６】
この工程では、図５に基づいて説明したように電極層２２の幅Ｗ1よりも可動部材６の幅Ｗ2が小さくなっているため、ＳｉＮ膜１０２の素子基板１側の縁で、図６に示したような鋭角部１７が形成されることがない。ここでは、耐エッチング保護膜１０３およびＳｉＮ膜１０２を同時にパターニングしたが、耐エッチング保護膜１０３のみを可動部材６の形状にパターニングし、後の工程でＳｉＮ膜１０２をパターニングしてもよい。
【００７７】
次に、図８の（ｆ）および（ｆ’）において、耐エッチング保護膜１０３、ＰＳＧ膜１０１および素子基板１の表面に、第２の材料層として、厚さ２０〜４０μｍのＳｉＮ膜１０４を形成する。ＳｉＮ膜１０４を高速で形成したい場合には、マイクロウェーブＣＶＤ法を用いる。このＳｉＮ膜１０４が、最終的に流路側壁９となる。ＳｉＮ膜１０４は、通常、半導体の製造工程で求められるような膜の特性、例えばピンホール密度や、膜の緻密さには左右されない。ＳｉＮ膜１０４は、流路側壁９としての耐インク特性や、機械的強度を満たすものであればよく、ＳｉＮ膜１０４の高速成形によってＳｉＮ膜１０４のピンホール密度が、多少、高くなっても問題はない。
【００７８】
また、ここではＳｉＮ膜を用いたが、流路側壁９の材料としてＳｉＮ膜に限定されることはなく、不純物を含んだＳｉＮ膜や、組成を変えたＳｉＮ膜など、機械的特性および耐インク性を有するものであればよく、ダイヤモンド膜、水素化アモルファスカーボン膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）、アルミナ系、ジルコニア系などの無機膜でもよい。
【００７９】
次に、ＳｉＮ膜１０４を所定の形状にするために、ＳｉＮ膜１０４の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。その後、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチングを行い、図８の（ｇ）および（ｇ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０４を流路側壁９の形状にする。あるいは、より高速なエッチング性を重視すると、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング法が、厚いＳｉＮ膜１０４のエッチングに最も適している。このような工程を経て、素子基板１の表面に流路側壁９が作り込まれる。そして、ＳｉＮ膜１０４のエッチングを行った後、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは、素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって、ＳｉＮ膜１０４上に残ったレジストを除去する。
【００８０】
次に、図８の（ｈ）および（ｈ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０２上の耐エッチング保護膜１０３をウェットエッチングまたはドライエッチングによって除去する。ここでは、それらの方法に限定されず、耐エッチング保護膜１０３のみを除去することができれば、どのような方法でもよい。あるいは、耐エッチング保護膜１０３が可動部材６の特性に悪影響を及ぼさなく、かつ、耐エッチング保護膜１０３が、耐インク性の高いＴａ膜などであれば、耐エッチング保護膜１０３を除去する必要はない。
【００８１】
次に、図８の（ｉ）および（ｉ’）に示すように、バッファードフッ酸によってＳｉＮ膜１０２の下層のＰＳＧ膜１０１を除去する。これにより、素子基板１上に残ったＳｉＮ膜１０２からなる可動部材６が素子基板１上に複数作り込まれる。
【００８２】
この後、前述の後処理によって可動部材６の側部の縁に生じた直角部または鋭角部を除去することで、図５に示したように可動部材６の側部の縁が全て曲面になった液体吐出ヘッドが製造される。具体的には、ＳｉＮ膜をエッチングする液体によって、上記の工程で形成した可動部材６をウェットエッチングするか、もしくはレーザ加工などを行う。これにより可動部材６の表面が滑らかになるか、Ｃ面加工で側部がなくなり、変位時にクラックなどの欠陥が入りにくく、可動部材６の耐久性が向上する。
【００８３】
上記のような液体吐出ヘッドの製造方法では、素子基板１上に可動部材６および流路側壁９を直接作り込むので、それらの部材を別々に作製した後に液体吐出ヘッドを組み立てる場合と比較して、組み立ての工程がなくなり、製造工程が簡略化される。また、可動部材６を接着剤などによって接着させることがないので、接着剤によって液流路７の内部の液体が汚染されることがない。さらに、組み立ての際に、素子基板１の表面に傷がつくことがなく、可動部材６を貼り付ける時にごみが生じるということもない。そして、フォトリソグラフィーやエッチングなど半導体の製造工程を経てそれぞれの部材が形成されるので、高い精度で、かつ、高密度に可動部材６や流路側壁９を形成することができる。
【００８４】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法により作製される液体吐出ヘッドの構成について説明するための断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、第１の実施形態と比較して、素子基板上の電極層の幅が可動部材の幅よりも小さくなっている点が主に異なっており、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図９では、第１の実施形態と同一のものには同一の符号を付してある。
【００８５】
本実施形態の液体吐出ヘッドでは、図９に示すようにそれぞれの電極層２２における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅Ｗ5よりも、可動部材６における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角、かつ素子基板１の表面と平行な方向の幅Ｗ6が大きくなっている。このような液体吐出ヘッドを製造する際にも、以下に説明するように、可動部材６の側部の縁に形成された直角部や鋭角部を確実に除去することで、可動部材６の耐久性を向上させることができる。
【００８６】
次に、図９に示した液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図１０および図１１は、図９に示した液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための図である。図１０および図１１に示される図（ａ）〜図（ｉ）が、液流路が延びる方向に対して垂直な方向の断面図であり、図１０および図１１に示される図（ａ’）〜図（ｉ’）が、液流路方向に沿った断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、図１０に示される図（ａ）および図（ａ’）から、図１１に示される図（ｉ）および図（ｉ’）の工程を経て製造される。
【００８７】
本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法は、第１の実施形態において図７および図８に基づいて説明した製造方法とほぼ同じであり、以下では製造方法の概略を説明する。
【００８８】
まず、図１０の（ａ）および（ａ’）において、素子基板１の発熱体２側の面全体に、ＣＶＤ法によって膜厚１〜２０μｍのＰＳＧ（phospho silicate glass）膜１０１を形成する。次に、ＰＳＧ膜１０１をパターニングするために、ＰＳＧ膜１０１の表面に、スピンコートなどによりレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーとして露光および現像を行い、そのレジストの、可動部材６が固定される部分に相当する部分を除去する。
【００８９】
そして、図１０の（ｂ）および（ｂ’）において、ＰＳＧ膜１０１の、前記レジストで覆われていない部分を、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。その後、ＰＳＧ膜１０１の表面に残っている前記レジストを、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって除去する。これにより、ＰＳＧ膜１０１の一部が素子基板１の表面に残され、そのＰＳＧ膜１０１の一部が、気泡発生領域１０の空間に相当する型部材となる。
【００９０】
次に、図１０の（ｃ）および（ｃ’）において、素子基板１およびＰＳＧ膜１０１の表面に、プラズマＣＶＤ法により温度４００℃の条件で、第１の材料層として、アンモニアとシランガスを原料とする、厚さ１〜１０μｍのＳｉＮ膜１０２を形成する。このＳｉＮ膜１０２の一部が可動部材６となる。
【００９１】
次に、図１０の（ｄ）および（ｄ’）において、ＳｉＮ膜１０２の表面に耐エッチング保護膜１０３を形成する。耐エッチング保護膜１０３として、スパッタリング法によって厚さ２μｍのＡｌ膜を形成した。
【００９２】
次に、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を所定の形状にするために、耐エッチング保護膜１０３の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。
【００９３】
その後、図１０の（ｅ）および（ｅ’）において、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチング法などによってＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３のエッチングを行い、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を可動部材６の形状にする。これにより、素子基板１の表面に可動部材６が作り込まれる。
【００９４】
次に、図１１の（ｆ）および（ｆ’）において、耐エッチング保護膜１０３、ＰＳＧ膜１０１および素子基板１の表面に、第２の材料層として、厚さ２０〜４０μｍのＳｉＮ膜１０４を形成する。このＳｉＮ膜１０４が、最終的に流路側壁９となる。ＳｉＮ膜１０４は、通常、半導体の製造工程で求められるような膜の特性、例えばピンホール密度や、膜の緻密さには左右されない。
【００９５】
次に、ＳｉＮ膜１０４を所定の形状にするために、ＳｉＮ膜１０４の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。その後、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチングを行い、図１１の（ｇ）および（ｇ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０４を流路側壁９の形状にする。このような工程を経て、素子基板１の表面に流路側壁９が作り込まれる。そして、ＳｉＮ膜１０４のエッチングを行った後、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは、素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって、ＳｉＮ膜１０４上に残ったレジストを除去する。
【００９６】
次に、図１１の（ｈ）および（ｈ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０２上の耐エッチング保護膜１０３をウェットエッチングまたはドライエッチングによって除去する。
【００９７】
次に、図１１の（ｉ）および（ｉ’）に示すように、バッファードフッ酸によってＳｉＮ膜１０２の下層のＰＳＧ膜１０１を除去する。これにより、素子基板１上に残ったＳｉＮ膜１０２からなる可動部材６が素子基板１上に複数作り込まれる。
【００９８】
この後、第１の実施形態で説明した後処理を可動部材６に対して行い、可動部材６の側部の縁に生じた直角部または鋭角部を除去することにより、図９に示したように可動部材６の側部の縁が全て曲面になった液体吐出ヘッドが製造される。具体的には、ＳｉＮ膜をエッチングする液体によって、上記工程で形成した可動部材６をウェットエッチングするか、もしくはレーザ加工などを行う。これにより可動部材６の表面が滑らかになるか、Ｃ面加工で縁がなくなり、変位時にクラックなどの欠陥が入りにくく、可動部材６の耐久性が向上する。
【００９９】
［液体吐出装置］
図１２は、上述した第１または第２の実施形態による液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置を示す斜視図である。ここでは、特に吐出液体としてインクを用いた液体吐出装置ＩＪＲＡを用いて説明する。図１２に示すように、液体吐出装置ＩＪＲＡに備えられたキャリッジＨＣは、インクを収容する液体容器９０と液体吐出ヘッド２００とが着脱可能なヘッドカートリッジ２０２を搭載している。また、液体吐出装置ＩＪＲＡには被記録媒体搬送手段が備えられており、その被記録媒体搬送手段で搬送される記録紙などの被記録媒体１５０の幅方向（矢印ａ，ｂ方向）に、キャリッジＨＣが往復運動する。液体吐出装置ＩＪＲＡでは、不図示の駆動信号供給手段からキャリッジＨＣ上の液体吐出ヘッド２００に駆動信号が供給されると、この駆動信号に応じて液体吐出ヘッド２００から被記録媒体１５０に対して記録液体が吐出される。
【０１００】
さらに、液体吐出装置ＩＪＲＡは、被記録媒体搬送手段およびキャリッジＨＣを駆動するための駆動源としてのモータ１１１、モータ１１１からの動力をキャリッジＨＣに伝えるためのギア１１２，１１３、およびキャリッジ軸８５ａ，８５ｂなどを有している。この液体吐出装置ＩＪＲＡによって、各種の被記録媒体に対して液体を吐出させることで良好な画像の記録物を得ることができた。
【０１０１】
図１３は、本発明の液体吐出ヘッドを適用したインク吐出記録装置を動作させるための装置全体のブロック図である。
【０１０２】
図１３に示すように、記録装置は、ホストコンピュータ３００より印字情報を制御信号４０１として受ける。印字情報は記録装置内部の入出力インターフェイス３０１に一時保存されると同時に、記録装置内で処理可能なデータに変換され、ヘッド駆動信号供給手段を兼ねるＣＰＵ３０２に入力される。ＣＰＵ３０２は、ＲＯＭ３０３に保存されている制御プログラムに基づき、ＣＰＵ３０２に入力されたデータをＲＡＭ３０４などの周辺ユニットを用いて処理し、印字するデータ（画像データ）に変換する。
【０１０３】
また、ＣＰＵ３０２は、前記画像データを記録用紙上の適当な位置に記録するために、画像データに同期して記録用紙および液体吐出ヘッド２００を移動させる駆動用モータ３０６を駆動するための駆動データを作る。画像データがヘッドドライバ３０７を介して液体吐出ヘッド２００に伝達されると共に、モータ駆動データがモータドライバ３０５を介して駆動用モータ３０６に伝達される。これにより、液体吐出ヘッド２００および駆動用モータ３０６がそれぞれ、制御されたタイミングで駆動されることで画像が形成される。
【０１０４】
上述のような記録装置に適用でき、インクなどの液体の付与が行われる被録媒体としては、各種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板などに用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅などの金属板、牛皮、豚皮、人工皮革などの皮革材、木、合板などの木材、竹材、タイルなどのプラスチック材、スポンジなどの三次元構造体などを対象とすることができる。
【０１０５】
また、上述の記録装置として、各種の紙やＯＨＰシートなどに対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスクなどのプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジなどの三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、また布帛に記録を行う捺染装置などをも含むものである。
【０１０６】
また、これらの液体吐出装置に用いる吐出液としては、それぞれの被記録媒体や記録条件に合わせた液体を用いればよい。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の液体吐出ヘッドによれば、吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいてその素子と対面している板状の可動部材の側部の縁が面取りされていることにより、可動部材の変位量に応じた応力が可動部材に加わっても、可動部材に亀裂が生じたり、可動部材が破断することが防止され、可動部材の耐久性が向上する。その結果、液体吐出ヘッドの吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【０１０８】
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、複数の吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により複数の板状の可動部材を形成した後に、該可動部材の側部の縁で突出している直角部や鋭角部を除去し、その側部の縁を曲面にしたり、その縁を面取りすることにより、可動部材の耐久性が向上した液体吐出ヘッドを製造することができ、吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１に示した液体吐出ヘッドに複数ある可動部材の側部の形状を示す斜視図および断面図である。
【図３】図２に示した可動部材の後処理に用いたエッチング液よりもエッチングレートの低いエッチング液を用いるか、またはエッチング時間を短くした場合に形成される可動部材の断面図である。
【図４】可動部材の側部の形状の他の例を示す斜視図および断面図である。
【図５】可動部材の寸法と素子基板上の電極層の寸法との関係について説明するための断面図である。
【図６】図５に示した液体吐出ヘッドに対する比較例を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法により作製される液体吐出ヘッドの構成について説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図１２】本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置を示す斜視図である。
【図１３】本発明の液体吐出ヘッドを適用したインク吐出記録装置を動作させるための装置全体のブロック図である。
【図１４】従来の液体吐出ヘッドにおける吐出原理を説明するための図である。
【図１５】図１４に示される液体吐出ヘッドを部分的に破断した斜視図である。
【図１６】図１４に示される液体吐出ヘッドの変形例の断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
３ 天板
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
６ａ 支点
６ｂ 自由端
７ 液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１０ 気泡発生領域
１１ 曲面（Ｒ部）
１６ 縁
１７ 鋭角部
２１ ヒータ層
２２ 電極層
２３ 保護膜
９０ 液体容器
８５ａ、８５ｂ キャリッジ軸
１０１ ＰＳＧ膜
１０２、１０４ ＳｉＮ膜
１０３ 耐エッチング保護膜
１１１ モータ
１１２、１１３ ギア
１５０ 被記録媒体
２００ 液体吐出ヘッド
２０２ ヘッドカートリッジ
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、ワープロ、ホストコンピュータなどの出力用端末としてのプリンタ、ビデオプリンタなどに用いられる液体吐出ヘッドや液体吐出装置、およびその液体吐出ヘッドの製造方法に関する。特に、本発明は、液体を吐出させるために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子が形成された素子基板を有する液体吐出ヘッドや、その液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出記録装置、および液体吐出ヘッドの製造方法に関する。即ち、インクなどの記録用の液体を飛翔液滴として吐出口(オリフィス)から吐出させて、その液体を記録媒体に付着させることによって記録を行うために用いられる液体吐出ヘッドやその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱などのエネルギーをインクに与えることで、インクに急激な体積変化を伴う状態変化を生じさせ、このインクの状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４，７２３，１２９号明細書に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配された、インクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般に配されている。
【０００３】
このような記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるともとに、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた利点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は、近年、プリンター、複写機、ファクシミリなどの多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置などの産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００４】
このようなバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って、次のような様々な要求が近年さらに高まっている。
【０００５】
例えば、エネルギー効率の向上の要求に対する検討としては、発熱体の保護膜の厚さを調整するといった発熱体の最適化が挙げられる。この手法は、発生した熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。
【０００６】
また、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法などを与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液流路内への充填（リフィル）速度の速い液体吐出ヘッドを得るために液流路の形状を改良したものも提案されたりしている。
【０００７】
さらに、液体吐出の原理に立ち返り、従来では得られなかった、気泡を利用した新規な液体吐出方法およびそれに用いられるヘッドなどを提供すべく鋭意研究が行われ、特開平９-２０１９６６号公報などに開示された液体吐出方法およびそれに用いられるヘッドが提案されている。
【０００８】
ここで、特開平９-２０１９６６号公報などに開示された従来の液体吐出方法およびそれに用いられるヘッドについて、図１４〜図１６を参照して説明する。図１４は、従来の液体吐出ヘッドにおける吐出原理を説明するための図であり、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）のそれぞれは液流路方向に沿った断面図である。また、図１５は、図１４に示される液体吐出ヘッドを部分的に破断した斜視図である。図１６は、図１４に示される液体吐出ヘッドの変形例の断面図である。図１４および図１６に示される液体吐出ヘッドは、液体を吐出する際に気泡に基づく圧力の伝搬や方向や気泡の成長方向を制御して吐出力や吐出能率を向上させる最も基本となる構成のものである。
【０００９】
以下の説明で用いる「上流」および「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域の上方を経て吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、またはこの構成上の方向に関しての表現として表わされている。
【００１０】
また、気泡自体に関する「下流側」とは、主として液滴の吐出に直接作用するとされる気泡の吐出口側を代表する。より具体的には、気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する下流側、又は、発熱体の面積中心よりも下流側の領域で発生する気泡を意味する。（同様に、気泡自体に関する「上流側」とは気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する上流側、又は、発熱体の面積中心より上流側の領域で発生する気泡を意味する。）
さらに、「櫛歯」とは、可動部材の支点部が共通部材になっており、可動部材の自由端の前方が開放されている形状を意味する。
【００１１】
図１４に示される液体吐出ヘッドにおいて、素子基板５０１は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体５０２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体５０２が発熱する。
【００１２】
天板５１１は、各発熱体５０２に対応した複数の液流路５０３および各液流路５０３に液体を供給するための共通液室５０５を構成するためのもので、天井部分から各発熱体５０２の間に延びる流路側壁が一体的に設けられている。また、天板５１１には各液流路５０３を外部に連通させる吐出口５０４が複数形成されている。
【００１３】
天板５１１はシリコン基板上にＣＶＤ等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、液流路５０３の側壁となる材料を堆積し、液流路５０３の部分をエッチングした後、天井部分を接合して形成することができる。
【００１４】
素子基板５０１の、液流路５０３に対応する部分の上には、発熱体５０２に対面する板状の可動部材５０６が片持ち梁状に設けられ、かつ可動部材５０６の上流側の一端は台座５０７に固定されている。可動部材５０６は台座５０７により支持されることで、変位時の支点５０８を有する。また、可動部材５０６は公知の成膜方法によって上記のように液流路５０３及びその側壁を形成する段階で堆積膜をパターニングすることにより櫛歯形状に形成されており、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料からなる。
【００１５】
この可動部材５０６は、液体の吐出動作によって共通液室５０５から可動部材５０６の上方を経て吐出口５０４側へ流れる大きな流れの上流側に支点５０８を持ち、この支点５０８に対して下流側に自由端５０９を持つように、発熱体５０２に面した位置に発熱体５０２を覆うような状態で発熱体５０２から１５μｍ程度の距離を隔てて配されている。この発熱体５０２と可動部材５０６との間が気泡発生領域５１０となる。
【００１６】
次に、上記のように構成された液体吐出ヘッドの動作について、図１４（ａ）〜図１４（ｄ）を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１４（ａ）において、気泡発生領域５１０および液流路５０３の内部にはインクが満たされている。
【００１８】
次に、図１４（ｂ）において、発熱体５０２を発熱させることで可動部材５０６と発熱体５０２との間の気泡発生領域５１０の液体に熱が作用し、その液体に、米国特許第４，７２３，１２９号明細書などに記載されているような膜沸騰現象に基づいて気泡５１１を発生させる。気泡５１１の発生に基づく圧力と気泡５１１とは可動部材５０６に優先的に作用し、可動部材５０６は、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）もしくは図１５に示されるように支点５０８を中心に吐出口５０４側に大きく開くように変位する。可動部材５０６の変位もしくは変位した状態によって気泡５１１の発生に基づく圧力の伝搬や気泡５１１の先端部が幅を有しているため、気泡５１１の発泡パワーを吐出口５０４側へ導きやすくなり、液滴の吐出効率や吐出力または吐出速度などの根本的な向上を図ることができる。
【００１９】
以上説明したように、特開平９-２０１９６６号公報などに記載された技術は、液路中の可動部材の支点と自由端との位置関係を、吐出口側つまり下流側に可動部材の自由端が位置する関係にすることで、また可動部材を発熱体もしくは気泡発生領域に面して配置することで積極的に気泡を制御する技術である。
【００２０】
図１６に示される液体吐出ヘッドの素子基板６０１、発熱体６０２、液流路６０３、吐出口６０４、共通液室６０５および気泡発生領域６０９のそれぞれの構成は、図１４に基づいて説明した液体吐出ヘッドと同様であり、それらの構成についての詳細な説明は省略する。
【００２１】
図１６に示される液体吐出ヘッドでは、片持ち梁状に形成された可動部材６０６の一端に段差部６０６ａが設けられており、素子基板６０１上に可動部材６０６が直接固定されている。これにより、可動部材６０６は素子基板６０１上に保持され、可動部材６０６の支点６０７が構成されるともとに、この支点６０７に対して下流側に自由端６０８が構成されている。
【００２２】
以上で説明したように、可動部材の固定部分に台座を設けたり、あるいは可動部材の固定部分に段差部を設けたりすることにより、可動部材と発熱部との間に１〜２０μｍ程度のギャップが構成され、可動部材による液体吐出効率を向上させる効果が十分に引き出される。従って、上述したような吐出原理に基づく液体吐出ヘッドなどによると、発生する気泡とこれによって変位する可動部材との相乗効果を得ることができ、吐出口近傍の液体を効率よく吐出させることができるため、可動部材を用いていない従来のバブルジェット方式の吐出方法や液体吐出ヘッドなどと比較して液体の吐出効率が向上する。
【００２３】
上記のように可動部材を有する液体吐出ヘッドでは、可動部材が気泡の圧力変化に伴って変位し、その変位の際に変位量に応じた応力が可動部材に加わる。この応力は特に可動部材の根元（支点）付近で可動部材に大きく働き、可動部材の耐久性に影響を与える。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように板状の可動部材を有した液体吐出ヘッドにおいて、可動部材の材料がＳｉＮやセラミックであるため、その側部の縁にクラックやバリなどの欠陥があると、可動部材の耐久性が著しく低下する場合があった。例えば、可動部材の、特に発熱体より上流側の側部の縁が面取りなどされておらず、その縁が直角形状となっていると、可動部材の変位の際に縁に応力集中が生じてしまう。さらには、基板上に堆積膜を形成し、その堆積膜をパターニングして可動部材を形成しているため、可動部材の側部の縁にピンホールやクラックが生じることがある。
【００２５】
また、可動部材を基板上に成膜法により形成しているので、可動部材の形状が、可動部材の材料層が上に成膜される下層の表面状態に影響される。その結果、上記のように可動部材の側部の縁の形状が可動部材の変位の際に応力集中しやすい形状になる場合がある。
【００２６】
したがって、気泡発生領域で極端に大きな気泡が発生し、可動部材が極度に大きく変位した際には、可動部材の根元付近から可動部材が破断するという問題点があった。
【００２７】
本発明の目的は、可動部材の急激な形状変化部を排除し、可動部材を均一な膜質の膜で構成して応力集中を緩和することが可能な構造にすることにより、可動部材の耐久性を向上させ、吐出特性が安定した信頼性の高い液体吐出ヘッドや液体吐出装置、およびそのような液体吐出ヘッドの製造方法を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通し、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する液流路と、基板上に設けられた、前記気泡発生領域内の液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいて前記吐出エネルギー発生素子に対面し、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている、前記基板上に成膜により形成された板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記可動部材の側部の縁が面取りされていることを特徴とする。
【００３１】
また、前記可動部材は、前記吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により形成されたものであることが好ましい。
【００３２】
さらに本発明は、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通し、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する液流路と、基板上に設けられた、前記気泡発生領域内の液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいて前記吐出エネルギー発生素子に対面し、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている、前記基板上に成膜により形成された板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記基板の表面には、前記複数の可動部材に対応する領域の少なくとも一部および該領域の周辺に渡って延び、前記吐出エネルギー発生素子とそれぞれ電気的に接続された複数の電極層が形成されており、それぞれの前記電極層における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅よりも、前記可動部材における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角、かつ前記素子基板の表面と平行な方向の幅が小さくなっていることを特徴とする。
【００３３】
また、前記可動部材の構成材料がセラミックであることが好ましい。
【００３４】
さらに、前記可動部材の構成材料が窒化シリコンであることが好ましい。
【００３５】
上記の通りの発明では、吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいてその素子と対面している成膜により形成された板状の可動部材の側部に直角または鋭角がなく、その側部の縁が曲面になっていたり、その縁が面取りされていることにより、液流路の気泡発生領域で吐出エネルギー発生素子により液体に気泡を発生させて可動部材を変位させることで吐出口から液体を吐出させる際や、可動部材が過度に変位した際に可動部材の側部における応力集中が緩和される。よって、このような液体吐出ヘッドでは可動部材の側部において急激な形状変化部がないので、可動部材の変位の際にその変位量に応じた応力が可動部材に加わっても、可動部材に亀裂が生じたり、可動部材が破断することが防止される。例えば、可動部材をフォトリソグラフィ技術により形成する場合、可動部材が、均一な膜質の膜で構成されて、応力集中を緩和することが可能な構造となる。その結果、可動部材の耐久性が向上するとともに液体吐出ヘッドの吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【００３６】
さらに、本発明の液体吐出装置は、上記の液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を供給する駆動信号供給手段とを有している。
【００３９】
さらに、本発明は、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が表面に並列に複数設けられた素子基板と、前記吐出エネルギー発生素子がそれぞれ配置され、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する複数の液流路と、該液流路とそれぞれが連通して前記液流路内の液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の液流路を形成するために前記素子基板上に設けられた流路壁部材と、前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれとの間に間隙をおいて複数の前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれに対面するように前記素子基板上に複数設けられ、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記素子基板上に前記複数の可動部材をフォトリソグラフィ技術により形成した後に、前記可動部材の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部、および該縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部を除去する後処理の工程を有する。
【００４０】
さらに、前記後処理の工程では、前記可動部材の側部の縁が曲面になるように該縁を加工したり、前記可動部材の側部の縁が面取りされるように該縁を加工することが好ましい。
【００４１】
さらに、前記後処理の工程が、前記可動部材をエッチング液に浸す工程や、前記可動部材の側部の縁にレーザー光を照射することにより前記縁を加工する工程であることが好ましい。
【００４２】
さらに、本発明は、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が表面に並列に複数設けられた素子基板と、前記吐出エネルギー発生素子がそれぞれ配置され、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する複数の液流路と、該液流路とそれぞれが連通して前記液流路内の液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の液流路を形成するために前記素子基板上に設けられた複数の流路側壁と、前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれとの間に間隙をおいて複数の前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれに対面するように前記素子基板上に複数設けられ、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている板状の可動部材と、前記複数の流路側壁の、前記素子基板側と反対側の面に接合された天板とを有し、前記素子基板の表面には、前記複数の可動部材に対応する領域の少なくとも一部および該領域の周辺に渡って延び、前記吐出エネルギー発生素子とそれぞれ電気的に接続された複数の電極層が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記素子基板の表面に複数の前記吐出エネルギー発生素子が設けられるとともに複数の前記電極層が形成された前記素子基板を用意する工程と、前記素子基板の表面に、前記気泡発生領域の空間に相当する型部材を形成する工程と、前記型部材を覆うように、前記可動部材を形成するための第１の材料層を積層する工程と、前記第１の材料層の表面に、前記第１の材料層に対して耐エッチング性を有する耐エッチング保護膜を積層する工程と、前記電極層における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅よりも、前記可動部材における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角、かつ前記素子基板の表面と平行な方向の幅が小さい形状の前記可動部材となるように前記耐エッチング保護膜をパターニングする工程と、パターニングされた前記耐エッチング保護膜を覆うように、前記流路側壁を形成するための第２の材料層を積層する工程と、前記第２の材料層の、前記液流路に対応する部分をエッチングにより除去し、前記流路側壁および前記液流路を形成する工程と、前記液流路を形成する工程後に前記型部材を除去し、前記可動部材を形成する工程とを有する。
【００４３】
さらに、前記可動部材の材料として窒化シリコンを用いることが好ましい。
【００４４】
さらに、上述した液体吐出ヘッドの製造方法において、前記可動部材の材料として窒化シリコンを、前記型部材の材料としてＰＳＧを、前記耐エッチング保護膜の材料としてアルミニウムを用いることが好ましい。
【００４５】
上記の通りの液体吐出ヘッドの製造方法では、複数の吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により複数の板状の可動部材を形成した後に、該可動部材の側部の縁で突出している直角部や鋭角部を除去し、その縁を曲面にしたり、その縁を面取りすることにより、可動部材の側部の縁において急激な形状変化部が除去され、可動部材が、均一な膜質の膜で構成されて、応力集中を緩和することが可能な構造となる。この液体吐出ヘッドでは、液体の吐出動作で可動部材を変位させる際や、可動部材が過度に変位した際に可動部材の側部の縁における応力集中が緩和されるので、可動部材の変位量に応じた応力が可動部材に加わっても、可動部材に亀裂が生じたり、可動部材が破断することが防止される。その結果、可動部材の耐久性が向上し、吐出特性が安定した信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造が可能となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００４７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、図１に示すように、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生してその熱エネルギーを液体に与える吐出エネルギー発生素子としての、複数個（図１では、１つのみ示す）の発熱体２が並列に設けられた素子基板１と、この素子基板１上に接合された天板３と、素子基板１および天板３の前端面に接合されたオリフィスプレート４とを有する。
【００４８】
素子基板１は、シリコンなどの基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体２が発熱する。そして、この配線と電極抵抗層の上には、それらをインクから保護する保護膜が形成されており、さらにその保護膜の上にはインク消泡によるキャビテーションから保護する耐キャビテーション膜が形成されている。
【００４９】
素子基板１の発熱体２側の面上に、各発熱体２に対応した複数の液流路７を形成するための流路側壁９、および各液流路７に供給する液体を一時的に保持する共通液室８を形成するための部材が形成されている。その部材や流路側壁９の、素子基板１側の面に天板３が接合されている。天板３や流路側壁９などはシリコン系の材料で構成されている。液流路７および共通液室８を形成するための部材は、シリコン基板である素子基板１上にＣＶＤなどの公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、流路側壁９となる材料を堆積した後、液流路７の部分をエッチングして形成される。
【００５０】
オリフィスプレート４には、各液流路７に対応し、それぞれの液流路７を介して共通液室８に連通する複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍの厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート４は本発明に必ずしも必要な構成でなく、オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３の先端面にオリフィスプレート４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成することで吐出口付きの天板とすることもできる。
【００５１】
さらに、この液体吐出ヘッドには、液流路７内に、発熱体２に対面して配置された片持梁状の可動部材６が設けられている。それぞれの可動部材６は、発熱体２に対向する平面部を有する板状のものであり、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料で素子基板１に対して成膜により形成された薄膜である。可動部材６の構成材料としてはセラミックを用いることができ、可動部材６の側部は、その側部の縁で急激な形状変化部がなくなるように後述するように処理されている。
【００５２】
この可動部材６は、液体の吐出動作によって共通液室８から可動部材６を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端６ｂを持つように、発熱体２に面した位置に自由端６ｂを発熱体２の中央付近に位置させて発熱体２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部材６との間が気泡発生領域１０となる。特に、可動部材６の側部に後述するように直角や鋭角がないように処理する部分は少なくとも発熱体より上流側である。
【００５３】
上記構成に基づき、発熱体２を発熱させると、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生して成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材６に優先的に作用し、可動部材６は図１に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５側に大きく開くように変位する。可動部材６の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝播や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【００５４】
つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材６を設けることによって、気泡の圧力伝播方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝播方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝播方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度などの根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００５５】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材６の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００５６】
このような本実施形態の液体吐出ヘッドでは、上述したように素子基板１がシリコン基板で構成され、天板３、流路側壁９、オリフィスプレート４および可動部材６がシリコン系の材料で構成され、それぞれの部材の材料にシリコンが含まれている。これにより、それぞれの部品の線膨張率の違いにより発生する応力が抑制される。これにより、液体吐出ヘッドの機械的特性が向上し、吐出特性が安定すると共に、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【００５７】
図２は、本実施形態の液体吐出ヘッドに複数ある可動部材の側部の形状を示す斜視図および断面図であり、図２（ａ）は、可動部材の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。本実施形態では、図２に示すように複数の可動部材６の支点部が共通部材になっており、複数の可動部材６を含んだ部材が櫛歯状になっている。
【００５８】
前述のように可動部材６は気泡の圧力変化に伴って変位し、その変位量に応じた応力が可動部材６に加わる。この応力は特に可動部材６の支点（根元）６ａ付近で可動部材６に大きく働き、可動部材６の側部の縁にバリやクラックなどの欠陥があると、可動部材６の耐久性が著しく低下する場合があった。具体的には可動部材６が根元付近から破断するという問題があった。このため本発明では、可動部材６の側部の縁に鋭角部分やバリ、クラックなどの欠陥部分がなく、さらには可動部材６の変位時に可動部材６に欠陥が発生しがたい構成になっている。
【００５９】
本実施形態では、そのような可動部材６の形状の一例として、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、可動部材６の形成後の後処理で可動部材６の両側面の形状を曲面（Ｒ部）１１にし、可動部材６の全ての縁１６が滑らかな曲面になっている。フォトリソグラフィ技術によって可動部材６を形成した直後では、可動部材６の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部や、その縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部が形成されている。可動部材６の両側面を曲面１１にする後処理の工程によって、それら直角部や鋭角部が除去され、可動部材６の側部の縁で急激な形状変化部がなくなっている。これにより、可動部材６が、均一な膜質の膜で構成されて、応力集中を緩和することが可能な構造となっている。
【００６０】
具体的には、可動部材６の側部の縁を加工する工程としては、エッチング液を用いたウェットエッチングによる後処理を行うことにより可動部材６の端面にＲ部を形成する。ここでのウェットエッチングは、パターニングなどのような不必要な領域を除去するといったものではなく、可動部材６の側部の縁に生じた鋭角部分やバリなどの除去のために行われる軽いエッチングであるため、可動部材６をエッチングする時間的割合（エッチングレート）が小さいエッチング液を用いるか、または短時間のエッチングとなる。そのため、可動部材６の寸法が後処理工程の前の所望の寸法から大きく変わることはない。また、可動部材６のパターニング時に、この後処理でエッチングされる幅、長さ、厚さを予め見込んで可動部材６を形成しておくことも可能である。
【００６１】
図３は、図２に示した可動部材６の後処理に用いたエッチング液よりもエッチングレートの低いエッチング液を用いるか、またはエッチング時間を短くした場合に形成される可動部材の断面図である。図３に示される可動部材６では、図２に示した場合と比較すると、可動部材６でエッチングされる領域が小さいため、可動部材１６のそれぞれの縁１６に形成される曲面が図２の場合よりも小さくなっている。よって、必要以外の領域のエッチングが最小限で済み、上述したような可動部材６のパターン時の寸法補正も必要なくなる。さらには、図２の場合よりも短時間で後処理工程が完了する。このような後処理は、図２に示す可動部材６の側部の縁に生じたバリやクラックが小さい場合に用いることが望ましい。
【００６２】
上述したような可動部材６の後処理によって、可動部材６に生じた鋭角部分やバリなどの欠陥部分を除去し、可動部材６の表面を滑らかにすることにより、可動部材６の耐久性および信頼性が向上する。
【００６３】
図４は、可動部材６の側部の形状の他の例を示す斜視図および断面図であり、図４（ａ）は可動部材６の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示される例では、可動部材６のそれぞれの縁１６が面取りされ、縁１６において隣り合う面同士の成す角度が鈍角になっている。よって、この例では、可動部材６の縁１６において、先端部の角度が直角となるように突出した直角部や、先端部の角度が鋭角となるように突出した鋭角部が形成されていない。これにより、可動部材６の変位時に応力が可動部材６の側部の縁に集中することが防止されている。可動部材６の縁１６の形状をこのようにする場合、可動部材６の後処理はレーザ加工などの物理的な加工を行い、可動部材６のエッジの面取りを施している。
【００６４】
このように本実施形態の液体吐出ヘッドでは、可動部材６の側部の縁が曲面になっていたり、その縁が面取りされていることにより、可動部材６を変位させて吐出口５からインクを吐出させる際や、可動部材６が過度に変位した際に可動部材６の側部の縁における応力集中が緩和される。よって、このような液体吐出ヘッドでは可動部材６の側部の縁において急激な形状変化部がないので、可動部材６の変位の際にその変位量に応じた応力が可動部材６に加わっても、可動部材６に亀裂が生じたり、可動部材６が破断することが防止される。その結果、可動部材６の耐久性が向上するとともに液体吐出ヘッドの吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【００６５】
図５は、可動部材の寸法と素子基板上の電極層の寸法との関係について説明するための断面図である。図５（ａ）は、液流路が延びる方向に対して垂直な方向の断面図であって、図５（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。また、図５（ｂ）は、液流路方向に沿った断面図であって、図５（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００６６】
本実施形態の液体吐出ヘッドでは、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、素子基板１の表層には、液流路７の流路方向に延びるヒータ層２１がそれぞれの液流路７ごとに形成されている。ヒータ層２１の表面およびその周囲に、ヒータ層２１と同様に液流路７の流路方向に延びる電極層２２がそれぞれの液流路７ごとに形成されている。ヒータ層２１の、可動部材６の自由端５ｂ近傍の部分の表面には電極層２２が形成されておらず、ヒータ層２１のその部分が、図１に示した発熱体２となる。したがって、素子基板１の表面には、複数の可動部材６に対応する領域の一部およびその領域の周辺に渡って延びる複数の電極層２２が形成されている。それぞれの電極層２２は、その電極層２２に対応するヒータ層２１の発熱体２と電気的に接続されており、この電極層２２を通して発熱体２に電圧が印加され、発熱体２に電流が流される。これらヒータ層２１や電極層２２の表面全体、および素子基板１の表面全体に保護膜２３が形成され、ヒータ層２１や電極層２２が保護膜２３によって覆われている。この保護膜２３の表面に可動部材６が形成され、可動部材６の側部の縁が全て曲面になっている。
【００６７】
そして、本実施形態の液体吐出ヘッドでは、素子基板１上にフォトリソグラフィ技術により可動部材６を形成する際に可動部材６の側部の縁に鋭角部が形成されないようにするために、図５（ａ）に示すようにそれぞれの電極層２２における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅Ｗ1よりも、可動部材６における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角、かつ素子基板１の表面と平行な方向の幅Ｗ2が小さくなっている。このように電極層２２の幅Ｗ1よりも可動部材６の幅Ｗ2を小さくすることにより、後述するように素子基板１上に堆積膜を形成して素子基板１上に可動部材６を作り込む途中の段階で可動部材６の側部の素子基板１側の縁に鋭角部が形成されることを防止できる。
【００６８】
図６は、図５に示した液体吐出ヘッドに対する比較例を示す断面図である。図６に示される比較例では、可動部材６の側部の縁にある鋭角部やバリを除去する後処理が施されておらず、図６（ａ）に示されるようにそれぞれの電極層２２における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅Ｗ3よりも、可動部材６における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角、かつ素子基板１の表面と平行な方向の幅Ｗ4が大きくなっている。このように電極層２２の幅Ｗ3よりも可動部材６の幅Ｗ4が大きくなっていると、素子基板１上に堆積膜を積層して可動部材６を形成する際に、図６（ａ）に示すように可動部材６の側部の素子基板１側の縁に鋭角部１７が形成されてしまうことがある。したがって本実施形態の液体吐出ヘッドでは、可動部材６の側部の縁に鋭角部１７が形成されないように、図５（ａ）に示したように電極層２２の幅Ｗ1よりも可動部材６の幅Ｗ2を小さくしている。
【００６９】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図７および図８は、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための図である。図７および図８に示される図（ａ）〜図（ｉ）が、液流路が延びる方向に対して垂直な方向の断面図であり、図７および図８に示される図（ａ’）〜図（ｉ’）が、液流路方向に沿った断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、図７に示される図（ａ）および図（ａ’）から、図８に示される図（ｉ）および図（ｉ’）の工程を経て製造される。
【００７０】
まず、図７の（ａ）および（ａ’）において、素子基板１の発熱体２側の面全体に、ＣＶＤ法によって温度３５０℃の条件でＰＳＧ（phospho silicate glass）膜１０１を形成する。このＰＳＧ膜１０１の膜厚は、図１に示した可動部材６と発熱体２とのギャップに相当し、ＰＳＧ膜１０１の膜厚を１〜２０μｍにする。これにより、液体吐出ヘッドの液流路全体のバランス上、可動部材６の効果が顕著にあらわれる。次に、ＰＳＧ膜１０１をパターニングするために、ＰＳＧ膜１０１の表面に、スピンコートなどによりレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーとして露光および現像を行い、そのレジストの、可動部材６が固定される部分に相当する部分を除去する。
【００７１】
そして、図７の（ｂ）および（ｂ’）において、ＰＳＧ膜１０１の、前記レジストで覆われていない部分を、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。その後、ＰＳＧ膜１０１の表面に残っている前記レジストを、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって除去する。これにより、ＰＳＧ膜１０１の一部が素子基板１の表面に残され、そのＰＳＧ膜１０１の一部が、気泡発生領域１０の空間に相当する型部材となる。このような工程を経て、素子基板１の表面に、気泡発生領域１０の空間に相当する型部材が作り込まれる。
【００７２】
次に、図７の（ｃ）および（ｃ’）において、素子基板１およびＰＳＧ膜１０１の表面に、プラズマＣＶＤ法により温度４００℃の条件で、第１の材料層として、アンモニアとシランガスを原料とする、厚さ１〜１０μｍのＳｉＮ膜１０２を形成する。このＳｉＮ膜１０２の一部が可動部材６となる。ＳｉＮ膜１０２の組成としては、Ｓｉ3Ｎ4が最も良いとされるが、可動部材２の効果を得るためには、Ｓｉを１としてＮの比率が１〜１．５の範囲であっても良い。このＳｉＮ膜は、半導体プロセスで一般的に使用され、耐アルカリ性、化学的安定性、および耐インク性を有している。ＳｉＮ膜１０２の一部が可動部材２となるため、この膜の材質が、可動部材２として最適な物性値を得られる構造および組成であれば、この膜の製造方法は限定されない。例えば、ＳｉＮ膜１０２の形成方法として、前述したプラズマＣＶＤ法の代わりに、常圧ＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、バイアスＥＣＲＣＶＤ、マイクロ波ＣＶＤ、あるいはスパッタ法、塗装方法などを用いてもよい。また、ＳｉＮ膜においても、その応力、剛性、ヤング率などの物理的特性や、耐アルカリ性、耐酸性などの化学的特性を、その用途に応じて向上させるために、段階的に組成比を変えて多層膜化してもよい。あるいは、段階的に不純物を添加して多層膜化したり、単層で不純物を添加してもよい。
【００７３】
次に、図７の（ｄ）および（ｄ’）において、ＳｉＮ膜１０２の表面に耐エッチング保護膜１０３を形成する。耐エッチング保護膜１０３として、スパッタリング法によって厚さ２μｍのＡｌ膜を形成した。この耐エッチング保護膜１０３によって、次の工程で流路側壁９を形成するためにエッチングを行う際に、可動部材６となるＳｉＮ膜１０２へのダメージが防止される。ここでは、可動部材６と流路側壁９とがほぼ同一の材料で形成される場合、流路側壁９の形成時のエッチングで可動部材６もエッチングされてしまうので、その可動部材６の、エッチングによるダメージを防止する必要が生じるので、可動部材６となるＳｉＮ膜１０２の、素子基板１側と反対側の面に耐エッチング保護膜１０３を形成する。
【００７４】
次に、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を所定の形状にするために、耐エッチング保護膜１０３の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。
【００７５】
その後、図７の（ｅ）および（ｅ’）において、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチング法などによってＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３のエッチングを行い、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を可動部材６の形状にする。これにより、可動部材６が成膜およびパターニングにより素子基板１の表面に作り込まれる。
【００７６】
この工程では、図５に基づいて説明したように電極層２２の幅Ｗ1よりも可動部材６の幅Ｗ2が小さくなっているため、ＳｉＮ膜１０２の素子基板１側の縁で、図６に示したような鋭角部１７が形成されることがない。ここでは、耐エッチング保護膜１０３およびＳｉＮ膜１０２を同時にパターニングしたが、耐エッチング保護膜１０３のみを可動部材６の形状にパターニングし、後の工程でＳｉＮ膜１０２をパターニングしてもよい。
【００７７】
次に、図８の（ｆ）および（ｆ’）において、耐エッチング保護膜１０３、ＰＳＧ膜１０１および素子基板１の表面に、第２の材料層として、厚さ２０〜４０μｍのＳｉＮ膜１０４を形成する。ＳｉＮ膜１０４を高速で形成したい場合には、マイクロウェーブＣＶＤ法を用いる。このＳｉＮ膜１０４が、最終的に流路側壁９となる。ＳｉＮ膜１０４は、通常、半導体の製造工程で求められるような膜の特性、例えばピンホール密度や、膜の緻密さには左右されない。ＳｉＮ膜１０４は、流路側壁９としての耐インク特性や、機械的強度を満たすものであればよく、ＳｉＮ膜１０４の高速成形によってＳｉＮ膜１０４のピンホール密度が、多少、高くなっても問題はない。
【００７８】
また、ここではＳｉＮ膜を用いたが、流路側壁９の材料としてＳｉＮ膜に限定されることはなく、不純物を含んだＳｉＮ膜や、組成を変えたＳｉＮ膜など、機械的特性および耐インク性を有するものであればよく、ダイヤモンド膜、水素化アモルファスカーボン膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）、アルミナ系、ジルコニア系などの無機膜でもよい。
【００７９】
次に、ＳｉＮ膜１０４を所定の形状にするために、ＳｉＮ膜１０４の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。その後、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチングを行い、図８の（ｇ）および（ｇ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０４を流路側壁９の形状にする。あるいは、より高速なエッチング性を重視すると、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング法が、厚いＳｉＮ膜１０４のエッチングに最も適している。このような工程を経て、素子基板１の表面に流路側壁９が作り込まれる。そして、ＳｉＮ膜１０４のエッチングを行った後、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは、素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって、ＳｉＮ膜１０４上に残ったレジストを除去する。
【００８０】
次に、図８の（ｈ）および（ｈ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０２上の耐エッチング保護膜１０３をウェットエッチングまたはドライエッチングによって除去する。ここでは、それらの方法に限定されず、耐エッチング保護膜１０３のみを除去することができれば、どのような方法でもよい。あるいは、耐エッチング保護膜１０３が可動部材６の特性に悪影響を及ぼさなく、かつ、耐エッチング保護膜１０３が、耐インク性の高いＴａ膜などであれば、耐エッチング保護膜１０３を除去する必要はない。
【００８１】
次に、図８の（ｉ）および（ｉ’）に示すように、バッファードフッ酸によってＳｉＮ膜１０２の下層のＰＳＧ膜１０１を除去する。これにより、素子基板１上に残ったＳｉＮ膜１０２からなる可動部材６が素子基板１上に複数作り込まれる。
【００８２】
この後、前述の後処理によって可動部材６の側部の縁に生じた直角部または鋭角部を除去することで、図５に示したように可動部材６の側部の縁が全て曲面になった液体吐出ヘッドが製造される。具体的には、ＳｉＮ膜をエッチングする液体によって、上記の工程で形成した可動部材６をウェットエッチングするか、もしくはレーザ加工などを行う。これにより可動部材６の表面が滑らかになるか、Ｃ面加工で側部がなくなり、変位時にクラックなどの欠陥が入りにくく、可動部材６の耐久性が向上する。
【００８３】
上記のような液体吐出ヘッドの製造方法では、素子基板１上に可動部材６および流路側壁９を直接作り込むので、それらの部材を別々に作製した後に液体吐出ヘッドを組み立てる場合と比較して、組み立ての工程がなくなり、製造工程が簡略化される。また、可動部材６を接着剤などによって接着させることがないので、接着剤によって液流路７の内部の液体が汚染されることがない。さらに、組み立ての際に、素子基板１の表面に傷がつくことがなく、可動部材６を貼り付ける時にごみが生じるということもない。そして、フォトリソグラフィーやエッチングなど半導体の製造工程を経てそれぞれの部材が形成されるので、高い精度で、かつ、高密度に可動部材６や流路側壁９を形成することができる。
【００８４】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法により作製される液体吐出ヘッドの構成について説明するための断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、第１の実施形態と比較して、素子基板上の電極層の幅が可動部材の幅よりも小さくなっている点が主に異なっており、以下では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図９では、第１の実施形態と同一のものには同一の符号を付してある。
【００８５】
本実施形態の液体吐出ヘッドでは、図９に示すようにそれぞれの電極層２２における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅Ｗ5よりも、可動部材６における液流路７内の液体の流れ方向に対して直角、かつ素子基板１の表面と平行な方向の幅Ｗ6が大きくなっている。このような液体吐出ヘッドを製造する際にも、以下に説明するように、可動部材６の側部の縁に形成された直角部や鋭角部を確実に除去することで、可動部材６の耐久性を向上させることができる。
【００８６】
次に、図９に示した液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図１０および図１１は、図９に示した液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための図である。図１０および図１１に示される図（ａ）〜図（ｉ）が、液流路が延びる方向に対して垂直な方向の断面図であり、図１０および図１１に示される図（ａ’）〜図（ｉ’）が、液流路方向に沿った断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、図１０に示される図（ａ）および図（ａ’）から、図１１に示される図（ｉ）および図（ｉ’）の工程を経て製造される。
【００８７】
本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法は、第１の実施形態において図７および図８に基づいて説明した製造方法とほぼ同じであり、以下では製造方法の概略を説明する。
【００８８】
まず、図１０の（ａ）および（ａ’）において、素子基板１の発熱体２側の面全体に、ＣＶＤ法によって膜厚１〜２０μｍのＰＳＧ（phospho silicate glass）膜１０１を形成する。次に、ＰＳＧ膜１０１をパターニングするために、ＰＳＧ膜１０１の表面に、スピンコートなどによりレジストを塗布した後、フォトリソグラフィーとして露光および現像を行い、そのレジストの、可動部材６が固定される部分に相当する部分を除去する。
【００８９】
そして、図１０の（ｂ）および（ｂ’）において、ＰＳＧ膜１０１の、前記レジストで覆われていない部分を、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。その後、ＰＳＧ膜１０１の表面に残っている前記レジストを、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって除去する。これにより、ＰＳＧ膜１０１の一部が素子基板１の表面に残され、そのＰＳＧ膜１０１の一部が、気泡発生領域１０の空間に相当する型部材となる。
【００９０】
次に、図１０の（ｃ）および（ｃ’）において、素子基板１およびＰＳＧ膜１０１の表面に、プラズマＣＶＤ法により温度４００℃の条件で、第１の材料層として、アンモニアとシランガスを原料とする、厚さ１〜１０μｍのＳｉＮ膜１０２を形成する。このＳｉＮ膜１０２の一部が可動部材６となる。
【００９１】
次に、図１０の（ｄ）および（ｄ’）において、ＳｉＮ膜１０２の表面に耐エッチング保護膜１０３を形成する。耐エッチング保護膜１０３として、スパッタリング法によって厚さ２μｍのＡｌ膜を形成した。
【００９２】
次に、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を所定の形状にするために、耐エッチング保護膜１０３の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。
【００９３】
その後、図１０の（ｅ）および（ｅ’）において、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチング法などによってＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３のエッチングを行い、ＳｉＮ膜１０２および耐エッチング保護膜１０３を可動部材６の形状にする。これにより、素子基板１の表面に可動部材６が作り込まれる。
【００９４】
次に、図１１の（ｆ）および（ｆ’）において、耐エッチング保護膜１０３、ＰＳＧ膜１０１および素子基板１の表面に、第２の材料層として、厚さ２０〜４０μｍのＳｉＮ膜１０４を形成する。このＳｉＮ膜１０４が、最終的に流路側壁９となる。ＳｉＮ膜１０４は、通常、半導体の製造工程で求められるような膜の特性、例えばピンホール密度や、膜の緻密さには左右されない。
【００９５】
次に、ＳｉＮ膜１０４を所定の形状にするために、ＳｉＮ膜１０４の表面にレジストをスピンコートなどにより塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行う。その後、ＣＦ4ガスなどを使用したドライエッチング、あるいはリアクティブイオンエッチングを行い、図１１の（ｇ）および（ｇ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０４を流路側壁９の形状にする。このような工程を経て、素子基板１の表面に流路側壁９が作り込まれる。そして、ＳｉＮ膜１０４のエッチングを行った後、酸素プラズマによるプラズマアッシング、あるいは、素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって、ＳｉＮ膜１０４上に残ったレジストを除去する。
【００９６】
次に、図１１の（ｈ）および（ｈ’）に示すように、ＳｉＮ膜１０２上の耐エッチング保護膜１０３をウェットエッチングまたはドライエッチングによって除去する。
【００９７】
次に、図１１の（ｉ）および（ｉ’）に示すように、バッファードフッ酸によってＳｉＮ膜１０２の下層のＰＳＧ膜１０１を除去する。これにより、素子基板１上に残ったＳｉＮ膜１０２からなる可動部材６が素子基板１上に複数作り込まれる。
【００９８】
この後、第１の実施形態で説明した後処理を可動部材６に対して行い、可動部材６の側部の縁に生じた直角部または鋭角部を除去することにより、図９に示したように可動部材６の側部の縁が全て曲面になった液体吐出ヘッドが製造される。具体的には、ＳｉＮ膜をエッチングする液体によって、上記工程で形成した可動部材６をウェットエッチングするか、もしくはレーザ加工などを行う。これにより可動部材６の表面が滑らかになるか、Ｃ面加工で縁がなくなり、変位時にクラックなどの欠陥が入りにくく、可動部材６の耐久性が向上する。
【００９９】
［液体吐出装置］
図１２は、上述した第１または第２の実施形態による液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置を示す斜視図である。ここでは、特に吐出液体としてインクを用いた液体吐出装置ＩＪＲＡを用いて説明する。図１２に示すように、液体吐出装置ＩＪＲＡに備えられたキャリッジＨＣは、インクを収容する液体容器９０と液体吐出ヘッド２００とが着脱可能なヘッドカートリッジ２０２を搭載している。また、液体吐出装置ＩＪＲＡには被記録媒体搬送手段が備えられており、その被記録媒体搬送手段で搬送される記録紙などの被記録媒体１５０の幅方向（矢印ａ，ｂ方向）に、キャリッジＨＣが往復運動する。液体吐出装置ＩＪＲＡでは、不図示の駆動信号供給手段からキャリッジＨＣ上の液体吐出ヘッド２００に駆動信号が供給されると、この駆動信号に応じて液体吐出ヘッド２００から被記録媒体１５０に対して記録液体が吐出される。
【０１００】
さらに、液体吐出装置ＩＪＲＡは、被記録媒体搬送手段およびキャリッジＨＣを駆動するための駆動源としてのモータ１１１、モータ１１１からの動力をキャリッジＨＣに伝えるためのギア１１２，１１３、およびキャリッジ軸８５ａ，８５ｂなどを有している。この液体吐出装置ＩＪＲＡによって、各種の被記録媒体に対して液体を吐出させることで良好な画像の記録物を得ることができた。
【０１０１】
図１３は、本発明の液体吐出ヘッドを適用したインク吐出記録装置を動作させるための装置全体のブロック図である。
【０１０２】
図１３に示すように、記録装置は、ホストコンピュータ３００より印字情報を制御信号４０１として受ける。印字情報は記録装置内部の入出力インターフェイス３０１に一時保存されると同時に、記録装置内で処理可能なデータに変換され、ヘッド駆動信号供給手段を兼ねるＣＰＵ３０２に入力される。ＣＰＵ３０２は、ＲＯＭ３０３に保存されている制御プログラムに基づき、ＣＰＵ３０２に入力されたデータをＲＡＭ３０４などの周辺ユニットを用いて処理し、印字するデータ（画像データ）に変換する。
【０１０３】
また、ＣＰＵ３０２は、前記画像データを記録用紙上の適当な位置に記録するために、画像データに同期して記録用紙および液体吐出ヘッド２００を移動させる駆動用モータ３０６を駆動するための駆動データを作る。画像データがヘッドドライバ３０７を介して液体吐出ヘッド２００に伝達されると共に、モータ駆動データがモータドライバ３０５を介して駆動用モータ３０６に伝達される。これにより、液体吐出ヘッド２００および駆動用モータ３０６がそれぞれ、制御されたタイミングで駆動されることで画像が形成される。
【０１０４】
上述のような記録装置に適用でき、インクなどの液体の付与が行われる被録媒体としては、各種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板などに用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅などの金属板、牛皮、豚皮、人工皮革などの皮革材、木、合板などの木材、竹材、タイルなどのプラスチック材、スポンジなどの三次元構造体などを対象とすることができる。
【０１０５】
また、上述の記録装置として、各種の紙やＯＨＰシートなどに対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスクなどのプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジなどの三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、また布帛に記録を行う捺染装置などをも含むものである。
【０１０６】
また、これらの液体吐出装置に用いる吐出液としては、それぞれの被記録媒体や記録条件に合わせた液体を用いればよい。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の液体吐出ヘッドによれば、吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいてその素子と対面している板状の可動部材の側部の縁が面取りされていることにより、可動部材の変位量に応じた応力が可動部材に加わっても、可動部材に亀裂が生じたり、可動部材が破断することが防止され、可動部材の耐久性が向上する。その結果、液体吐出ヘッドの吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドが実現される。
【０１０８】
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、複数の吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により複数の板状の可動部材を形成した後に、該可動部材の側部の縁で突出している直角部や鋭角部を除去し、その側部の縁を曲面にしたり、その縁を面取りすることにより、可動部材の耐久性が向上した液体吐出ヘッドを製造することができ、吐出特性が安定し、信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１に示した液体吐出ヘッドに複数ある可動部材の側部の形状を示す斜視図および断面図である。
【図３】図２に示した可動部材の後処理に用いたエッチング液よりもエッチングレートの低いエッチング液を用いるか、またはエッチング時間を短くした場合に形成される可動部材の断面図である。
【図４】可動部材の側部の形状の他の例を示す斜視図および断面図である。
【図５】可動部材の寸法と素子基板上の電極層の寸法との関係について説明するための断面図である。
【図６】図５に示した液体吐出ヘッドに対する比較例を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法により作製される液体吐出ヘッドの構成について説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法について説明するための断面図である。
【図１２】本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置を示す斜視図である。
【図１３】本発明の液体吐出ヘッドを適用したインク吐出記録装置を動作させるための装置全体のブロック図である。
【図１４】従来の液体吐出ヘッドにおける吐出原理を説明するための図である。
【図１５】図１４に示される液体吐出ヘッドを部分的に破断した斜視図である。
【図１６】図１４に示される液体吐出ヘッドの変形例の断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
３ 天板
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
６ａ 支点
６ｂ 自由端
７ 液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１０ 気泡発生領域
１１ 曲面（Ｒ部）
１６ 縁
１７ 鋭角部
２１ ヒータ層
２２ 電極層
２３ 保護膜
９０ 液体容器
８５ａ、８５ｂ キャリッジ軸
１０１ ＰＳＧ膜
１０２、１０４ ＳｉＮ膜
１０３ 耐エッチング保護膜
１１１ モータ
１１２、１１３ ギア
１５０ 被記録媒体
２００ 液体吐出ヘッド
２０２ ヘッドカートリッジ
Claims (14)
- 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口と連通し、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する液流路と、
基板上に設けられた、前記気泡発生領域内の液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、
前記吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいて前記吐出エネルギー発生素子に対面し、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている、前記基板上に成膜により形成された板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記可動部材の側部の縁が面取りされていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記可動部材は、前記吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上にフォトリソグラフィ技術により形成されたものである請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口と連通し、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する液流路と、
基板上に設けられた、前記気泡発生領域内の液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、
前記吐出エネルギー発生素子との間に間隙をおいて前記吐出エネルギー発生素子に対面し、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている、前記基板上に成膜により形成された板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記基板の表面には、前記複数の可動部材に対応する領域の少なくとも一部および該領域の周辺に渡って延び、前記吐出エネルギー発生素子とそれぞれ電気的に接続された複数の電極層が形成されており、
それぞれの前記電極層における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅よりも、前記可動部材における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角、かつ前記素子基板の表面と平行な方向の幅が小さくなっていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記可動部材の構成材料がセラミックである請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記可動部材の構成材料が窒化シリコンである請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
該液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を供給する駆動信号供給手段とを有する液体吐出装置。 - 液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が表面に並列に複数設けられた素子基板と、前記吐出エネルギー発生素子がそれぞれ配置され、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する複数の液流路と、該液流路とそれぞれが連通して前記液流路内の液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の液流路を形成するために前記素子基板上に設けられた流路壁部材と、前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれとの間に間隙をおいて複数の前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれに対面するように前記素子基板上に複数設けられ、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている板状の可動部材とを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記素子基板上に前記複数の可動部材をフォトリソグラフィ技術により形成した後に、前記可動部材の側部の縁で先端が直角となるように突出している直角部、および該縁で先端が鋭角となるように突出している鋭角部を除去する後処理の工程を有する液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記後処理の工程では、前記可動部材の側部の縁が曲面になるように該縁を加工する請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記後処理の工程では、前記可動部材の側部の縁が面取りされるように該縁を加工する請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記後処理の工程が、前記可動部材をエッチング液に浸す工程である請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記後処理の工程が、前記可動部材の側部の縁にレーザー光を照射することにより前記縁を加工する工程である請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が表面に並列に複数設けられた素子基板と、前記吐出エネルギー発生素子がそれぞれ配置され、液体に気泡を発生させるための気泡発生領域を有する複数の液流路と、該液流路とそれぞれが連通して前記液流路内の液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の液流路を形成するために前記素子基板上に設けられた複数の流路側壁と、前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれとの間に間隙をおいて複数の前記吐出エネルギー発生素子のそれぞれに対面するように前記素子基板上に複数設けられ、前記液流路内の液体の流れ方向の上流側の端部が固定されると共に下流端が自由端となっている板状の可動部材と、前記複数の流路側壁の、前記素子基板側と反対側の面に接合された天板とを有し、
前記素子基板の表面には、前記複数の可動部材に対応する領域の少なくとも一部および該領域の周辺に渡って延び、前記吐出エネルギー発生素子とそれぞれ電気的に接続された複数の電極層が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記素子基板の表面に複数の前記吐出エネルギー発生素子が設けられるとともに複数の前記電極層が形成された前記素子基板を用意する工程と、
前記素子基板の表面に、前記気泡発生領域の空間に相当する型部材を形成する工程と、
前記型部材を覆うように、前記可動部材を形成するための第１の材料層を積層する工程と、
前記第１の材料層の表面に、前記第１の材料層に対して耐エッチング性を有する耐エッチング保護膜を積層する工程と、
前記電極層における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角な方向の幅よりも、前記可動部材における前記液流路内の液体の流れ方向に対して直角、かつ前記素子基板の表面と平行な方向の幅が小さい形状の前記可動部材となるように前記耐エッチング保護膜をパターニングする工程と、
パターニングされた前記耐エッチング保護膜を覆うように、前記流路側壁を形成するための第２の材料層を積層する工程と、
前記第２の材料層の、前記液流路に対応する部分をエッチングにより除去し、前記流路側壁および前記液流路を形成する工程と、
前記液流路を形成する工程後に前記型部材を除去し、前記可動部材を形成する工程とを有する液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記可動部材の材料として窒化シリコンを用いる請求項７〜１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記可動部材の材料として窒化シリコンを、前記型部材の材料としてＰＳＧを、前記耐エッチング保護膜の材料としてアルミニウムを用いる請求項１３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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