JP4727257B2 - 圧電方式のインクジェットプリントヘッドと、そのノズルプレートの製造方法 - Google Patents

圧電方式のインクジェットプリントヘッドと、そのノズルプレートの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電方式のインクジェットプリントヘッドに係り、更に詳細には、インクを加熱するためのヒーターが、ノズルプレートに一体に形成された構造を有する圧電方式のインクジェットプリントヘッドと、そのノズルプレートの製造方法に関する。
一般に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて、所定色の画像に印刷する装置である。そのようなインクジェットプリントヘッドは、インク吐出方式により２つに分類されうる。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用して、その圧電体の変形により、インクに加えられる圧力によりインクを吐出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示した平面図、及び圧電膜の長手方向に沿う垂直断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂを共に参照すれば、流路プレート１０には、インク流路を構成するマニホールド１３、複数のレストリクター１２及び複数の圧力チャンバ１１が形成されており、ノズルプレート２０には、複数の圧力チャンバ１１のそれぞれに対応する複数のノズル２２が形成されている。そして、前記流路プレート１０の上部には、圧電アクチュエータ４０が設けられている。前記マニホールド１３は、インク貯蔵庫（図示せず）から流入されたインクを、複数の圧力チャンバ１１のそれぞれに供給する通路であり、レストリクター１２は、マニホールド１３から圧力チャンバ１１の内部にインクが流入される通路である。前記複数の圧力チャンバ１１は、吐出されるインクが満たされる所であって、マニホールド１３の一側または両側に配列されている。そのような圧力チャンバ１１は、圧電アクチュエータ４０の駆動によりその体積が変化することで、インクの吐出または流入のための圧力変化を生成する。そのために、流路プレート１０の圧力チャンバ１１の上部壁をなす部位は、圧電アクチュエータ４０により変形される振動板１４の役割を行う。
前記圧電アクチュエータ４０は、流路プレート１０上に順次に積層された下部電極４１と、圧電膜４２と、上部電極４３より構成される。前記下部電極４１と流路プレート１０との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜３１が形成されている。下部電極４１は、シリコン酸化膜３１の全面に形成され、共通電極の役割を行う。圧電膜４２は、圧力チャンバ１１の上部に位置するように下部電極４１上に形成される。上部電極４３は、圧電膜４２上に形成され、圧電膜４２に電圧を印加する駆動電極の役割を行う。
そして、前記したような構造を有する圧電アクチュエータ４０に駆動電圧を印加するために、上部電極４３には、電圧印加用のフレキシブル印刷回路（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＦＰＣ）５０が連結される。詳細に説明すれば、ＦＰＣ５０の駆動信号線５１を上部電極４３上に位置させた後、加熱及び加圧を通じて、前記駆動信号線５１を上部電極４３の上面にボンディングさせる。
ところが、前記したような構成を有する従来のインクジェットプリントヘッドを利用して、高粘度のインクを吐出させる場合には、一般的にインクの粘度が上昇するほど、流動抵抗が大きくなるため、吐出された液滴の体積と吐出速度とが減少し、それにより、全体的なインク吐出性能が低下するため、満足すべき印刷品質が得られない。したがって、高粘度のインク吐出において、満足すべきインク吐出性能を確保するには、ヒーターを利用してインクを加熱することで、その粘度を低下させる必要がある。
その一例として、特許文献１には、インクジェットプリントヘッドの外部に、インクを加熱するためのヒーターを設置した構造のインクカートリッジが開示されている。ところが、特許文献１に開示されたインクカートリッジにおいては、ヒーターがノズルプレートから比較的に遠く離れて配置されているため、そのようなヒーターにより加熱されるノズルプレートの部位別の温度分布が不均一であった。したがって、ノズルプレートに配列された複数の各ノズルのインクの温度も不均一であることにより、各ノズルを介して吐出される液滴の速度と体積とに偏差が発生する。また、そのインクカートリッジは、インクジェットプリントヘッドの外部に別途のヒーターが設けられる構造を有することで、構成が複雑で、且つその大きさが大きくなるという短所がある。
そして、前記したように、ヒーターを利用してインクを加熱する場合には、インクの温度を適正に制御するには、インクの温度を検出する必要がある。特許文献２には、大気の温度をサーミスタを利用して検出し、これからインクの物性を推定して印刷品質を制御する方法が開示されている。しかし、そのように大気温度を検出してインクの温度を推定することは、プリントヘッドの作動条件によって、その推定値が不正確であるという短所がある。
米国特許第５，７０１，１４８号明細書 米国特許第６，０７４，０３３号明細書
本発明は、前記のような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであって、特に、インクを加熱するためのヒーターがノズルプレートに一体に形成されて、インクを均一な温度に加熱でき、且つその構造が簡単な圧電方式のインクジェットプリントヘッドと、そのノズルプレートの製造方法とを提供するところにその目的がある。
前記の技術的課題を達成するために、本発明は、吐出されるインクが満たされる複数の圧力チャンバを含むインク流路が形成された流路プレートと、前記流路プレートの上部に形成されて、前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインク吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、前記流路プレートに接合され、前記複数の圧力チャンバからインクを吐出するための複数のノズルが貫通形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートの底面に形成されて、前記インク流路内部のインクを加熱するヒーターと、を備える圧電方式のインクジェットプリントヘッドを提供する。
ここで、前記ノズルプレートの底面には絶縁膜が形成され、前記絶縁膜の表面に、前記ヒーターが所定のパターンで形成され、前記絶縁膜と前記ヒーターとの表面には、前記ヒーターを保護するための保護膜が形成されうる。
前記ヒーターの両端には、電力供給線をボンディングするためのボンディングパッドが形成され、前記ボンディングパッドは、前記保護膜に形成されたコンタクトホールを介して露出されうる。
そして、本発明に係るインクジェットプリントヘッドは、前記インク流路内部のインクの温度を検出するための温度検出部を更に備え得、前記温度検出部は、温度の変化によって、その抵抗が変わる金属物質からなりうる。
前記温度検出部は、前記ノズルプレートの底面に、前記ヒーターと共に形成されうる。その場合、前記ヒーターと温度検出部は、同じ金属物質、例えばＰｔより形成され得、前記温度検出部の両端には、温度検出用の信号線をボンディングするためのボンディングパッドが形成されうる。
一方、前記温度検出部は、前記流路プレートの上部に前記圧電アクチュエータと共に形成されうる。その場合、前記温度検出部は、前記圧電アクチュエータの下部電極と同じ平面上に形成され、同じ金属物質、例えばＰｔからなりうる。そして、前記温度検出部は、前記下部電極を貫通して形成されたトレンチにより画定され、前記トレンチによって前記下部電極と絶縁されうる。前記下部電極上には、前記温度検出部に温度検出用の信号線を連結するための連結電極と、前記連結電極を支持するためのダミー圧電膜とが形成されうる。
また、本発明に係るインクジェットプリントヘッドは、前記ノズルプレートの底面に、前記ノズルの出口の周りに形成されたノズル金属層を更に備え得る。その場合、前記ヒーターと前記ノズル金属層は、同じ平面上に同じ金属物質、例えばＰｔより形成されうる。そして、前記ノズル金属層の表面には、例えばＡｕからなる疎水性メッキ膜が形成されうる。
そして、前記の技術的課題を達成するために、本発明は、吐出されるインクが満たされる複数の圧力チャンバを含むインク流路が形成された流路プレートと、前記流路プレートの上部に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電膜と、前記圧電膜上に形成された上部電極とを有し、前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインク吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、前記流路プレートに接合され、前記複数の圧力チャンバからインクを吐出するための複数のノズルが貫通形成されたノズルプレートと、前記流路プレートの上部に前記圧電アクチュエータと共に形成されて、前記インク流路内部のインクの温度を検出する温度検出部と、を備える圧電方式のインクジェットプリントヘッドを提供する。
また、本発明は、前記した圧電方式のインクジェットプリントヘッドのノズルプレートを製造する方法を提供する。
前記ノズルプレートの製造方法は、インクを吐出するための複数のノズルが貫通形成された圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法において、（Ａ）シリコン基板を準備する段階と、（Ｂ）前記シリコン基板の上面を部分的にエッチングして、前記ノズルのインク誘導部を形成する段階と、（Ｃ）前記シリコン基板の底面にフォトレジストを塗布し、それをパターニングする段階と、（Ｄ）前記シリコン基板の底面と前記フォトレジストの表面とに金属層を形成する段階と、（Ｅ）前記フォトレジストをリフトオフさせつつ、前記金属層のうち、前記フォトレジスト表面に形成された部分を除去することで、残存した金属層からなるヒーターを形成する段階と、（Ｆ）前記シリコン基板の底面に、前記ヒーターを保護する保護膜を形成する段階と、（Ｇ）前記保護膜を部分的にエッチングして開口部を形成し、前記開口部を介して露出された前記シリコン基板をエッチングして、前記インク誘導部と連通されるインク吐出口を形成する段階と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記（Ｂ）段階の前に、前記シリコン基板の底面と上面に、絶縁膜としてシリコン酸化膜が形成されうる。
前記（Ｅ）段階で、残存した金属層は、前記ヒーターだけでなく、インクの温度を検出するための温度検出部、及び／または前記ノズルの出口を取り囲むノズル金属層を形成しうる。この場合、前記（Ｇ）段階で、前記ノズル金属層は、前記開口部を介して露出されて、前記シリコン基板のエッチング時に、エッチングマスクとしての役割を行う。
そして、前記（Ｇ）段階以後に、前記ノズル金属層の表面に、疎水性メッキ膜を形成する段階を更に備え得、前記疎水性メッキ膜は、前記ノズル金属層をシード層として利用する電気メッキにより形成されうる。
また、前記（Ｇ）段階以後に、前記保護膜を部分的にエッチングして、前記ヒーターの両端に形成されたボンディングパッドを露出させるコンタクトホールを形成する段階を更に備え得る。
前記した本発明によれば、インクを加熱するためのヒーターが、ノズルプレートに一体に形成された構造を有するため、その製造が比較的に簡単であり、且つプリントヘッド内部のインクを均一な温度に加熱できる。
本発明に係るインクジェットプリントヘッドによれば、インクを加熱するためのヒーターがノズルプレートに一体に形成されるため、その構造が簡単且つその製造コストを節減しうる。そして、プリントヘッド内部のインクを均一な温度に加熱でき、複数の各ノズルを介して吐出される液滴の速度及び体積が均一に維持されるため、印刷品質が向上する。
そして、インクの温度を検出するための温度検出部が、ノズルプレートまたは圧電アクチュエータに一体に形成されるため、インクの温度を更に正確に検出でき、インクの温度変化による能動的且つ正確な制御が可能であるため、印刷品質の低下を防止できる。
また、ノズルプレートの表面に、ヒーター金属層と共にノズルを取り囲むノズル金属層を共に形成し、ノズル金属層の表面に疎水性メッキ膜をメッキすることで、インク液滴の直進性、インク液滴の大きさ及びインク液滴の吐出速度などのインク吐出性能が向上して、印刷品質が向上しうる。
また、ノズルを取り囲むノズル金属層は、ノズルのインク吐出口を形成する時にエッチングマスクの役割を行うため、インク吐出口を正確且つ容易に形成でき、別途のシード層を形成するための金属物質の蒸着とパターニングとの工程なしに、疎水性メッキ膜のメッキを可能にする。
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上において各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張されていることもある。更に、一層が、基板や他層上に存在すると説明される時、その層は、基板や他層に直接に接しつつ、その上に存在することもあり、それらの間に第３層が存在することもある。
図２は、本発明の好ましい第１実施例に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの平面図であり、図３は、図２にインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの底面を示した平面図であり、図４は、図３に表示されたＡ−Ａ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。
図２ないし図４を共に参照すれば、本発明の第１実施例に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、圧力チャンバ１０４を含むインク流路が形成された流路プレート１１０、１２０と、インクの吐出のためのノズル１０６が貫通形成されたノズルプレート１３０と、前記流路プレート１１０、１２０の上部に設けられて、前記圧力チャンバ１０４にインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータ１４０と、前記ノズルプレート１３０の底面に一体に形成されて、インクを加熱するヒーター１３４と、を備える。
前記したインク流路は、吐出されるインクが満たされ、インクを吐出させるための圧力変化を発生させる圧力チャンバ１０４と、インク貯蔵庫（図示せず）からインクが導入されるインク導入口１０１と、インク導入口１０１を介して流入されたインクを、複数の圧力チャンバ１０４に供給する共通流路のマニホールド１０２と、マニホールド１０２からそれぞれの圧力チャンバ１０４にインクを供給するための個別流路であるレストリクター１０３と、を含む。そして、圧力チャンバ１０４とノズルプレート１３０に形成されたノズル１０６との間には、圧電アクチュエータ１４０により、圧力チャンバ１０４で発生したエネルギーをノズル１０６側に集中させ、急激な圧力変化を緩衝させるためのダンパー１０５が設けられうる。そのようなインク流路を形成する構成要素は、前記流路プレート１１０、１２０に形成される。そして、圧力チャンバ１０４の上部には、圧電アクチュエータ１４０の駆動により変形される振動板１１１が設けられる。
具体的に、前記流路プレート１１０、１２０は、図示されたように、第１流路プレート１１０と第２流路プレート１２０とより構成されうる。その場合、前記第１流路プレート１１０の底面に、前記圧力チャンバ１０４が所定の深さに形成され、その一側に、前記インク導入口１０１が貫通形成される。前記圧力チャンバ１０４は、インクの流れの方向に更に長い直六面体状からなっており、第２流路プレート１２０に形成されるマニホールド１０２の両側に２列に配列されている。しかし、前記圧力チャンバ１０４は、マニホールド１０２の一側に１列のみに配列されることもある。
前記第２流路プレート１２０に、前記マニホールド１０２が形成される。前記マニホールド１０２の一端は、前記インク導入口１０１と連結される。そのようなマニホールド１０２は、図４に示されたように、第２流路プレート１２０の上面から所定の深さに形成されることもあり、第２流路プレート１２０を垂直に貫通して形成されることもある。そして、第２流路プレート１２０には、マニホールド１０２と圧力チャンバ１０４とのそれぞれの一端部を連結する個別流路であるレストリクター１０３が形成される。前記レストリクター１０３も、図４に示されたように、第２流路プレート１２０の上面から所定の深さに形成されることもあり、第２流路プレート１２０を垂直に貫通して形成されることもある。また、第２流路プレート１２０には、圧力チャンバ１０４の他端部に対応する位置に圧力チャンバ１０４とノズル１０６とを連結するダンパー１０５が垂直に貫通形成される。
一方、前述においては、インク流路をなす構成要素が、二つの流路プレート１１０、１２０に分けられて配置されたと図示及び説明されているが、そのようなインク流路の配置構造は、単に例示的なものである。すなわち、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドには、多様な構成のインク流路が設けられ得、そのようなインク流路は、二つの流路プレート１１０、１２０でなく、それより多くのプレートに形成されることもあり、単に一つの流路プレートに形成されることもある。
前記圧電アクチュエータ１４０は、圧力チャンバ１０４が形成された第１流路プレート１１０の上部に形成されて、前記圧力チャンバ１０４にインクの吐出のための駆動力を提供する役割を行う。そのような圧電アクチュエータ１４０は、共通電極の役割を行う下部電極１４１と、電圧の印加によって変形される圧電膜１４２と、駆動電極の役割を行う上部電極１４３とを備え、下部電極１４１、圧電膜１４２及び上部電極１４３が第１流路プレート１１０上に順次に積層された構造を有する。
具体的に、前記下部電極１４１と第１流路プレート１１０との間には、絶縁膜１１２が形成される。前記下部電極１４１は、絶縁膜１１２の全面に形成され、一層の導電金属物質層からなりうるが、Ｔｉ層とＰｔ層との二つの金属薄膜層からなることが好ましい。そのように、Ｔｉ／Ｐｔ層からなる下部電極１４１は、共通電極の役割を行うだけでなく、その下側の第１流路プレート１１０と、その上側に形成される圧電膜１４２との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も行う。前記圧電膜１４２は、下部電極１４１上に形成され、圧力チャンバ１０４に対応する位置に配置される。前記圧電膜１０４は、電圧の印加により変形され、その変形により、圧力チャンバ１０４の上部の振動板１１１を反り変形させる役割を行う。そのような圧電膜１４２は、圧電物質、好ましくは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料からなりうる。前記上部電極１４３は、圧電膜１４２に電圧を印加する駆動電極の役割を行うものであって、圧電膜１４２上に形成される。
そして、前記したような構造を有する圧電アクチュエータ１４０に駆動電圧を印加するために、上部電極１４３には、電圧印加用の駆動回路、例えばＦＰＣ１５０が連結される。具体的に、ＦＰＣ１５０の駆動信号線１５１を上部電極１４３上に位置させた後、加熱及び加圧を通じて、前記駆動信号線１５１を上部電極１４３の上面にボンディングさせる。
前記ノズルプレート１３０は、前記第２流路プレート１２０の底面に接合される。前記ノズルプレート１３０と第２流路プレート１２０との接合は、公知のシリコン直接接合（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ：ＳＤＢ）法により行われ得る。そのようなノズルプレート１３０には、ダンパー１０５に対応する位置にノズル１０６が貫通形成される。そして、前記ノズル１０６は、ノズルプレート１３０の下部に形成され、インクが吐出されるインク吐出口１０６ｂ、ノズルプレート１３０の上部に形成され、ダンパー１０５とインク吐出口１０６ｂとを連結して、ダンパー１０５からインク吐出口１０６ｂの方にインクを誘導するインク誘導部１０６ａより構成されうる。前記インク吐出口１０６ｂは、一定の直径を有する垂直ホール状より形成され得、インク誘導部１０６ａは、ダンパー１０５からインク吐出口１０６ｂの方に行きつつ、次第にその断面積が縮小する四角錐状より形成されうる。そのように、ノズル１０６が貫通形成された前記ノズルプレート１３０の底面と上面とには、第１シリコン酸化膜１３１ａ、１３１ｂが形成される。
そして、本発明の特徴として、前記ノズルプレート１３０には、インクを加熱するためのヒーター１３４が一体に形成される。具体的に、前記ヒーター１３４は、ノズルプレート１３０の底面の第１シリコン酸化膜１３１ａの表面に形成される。その時、前記第１シリコン酸化膜１３１ａは、ノズルプレート１３０とヒーター１３４とを絶縁させる絶縁膜としての役割を行う。そのヒーター１３４は、抵抗発熱性金属物質、例えばＰｔからなりうる。特に、ヒーター１３４がＰｔからなる場合には、後述のように、温度検出部１３８を、ヒーター１３４として同じ物質より共に形成できるため好ましい。
そのようなヒーター１３４は、第１シリコン酸化膜１３１ａの表面のなるべく広い領域に均一に配列されうるように、図３に示されたようなパターンで形成されうる。しかし、前記ヒーター１３４は、図３に示されたパターンでなくとも、ノズルプレート１３０の全体を均一に加熱できる多様なパターンで形成されうる。そして、前記ヒーター１３４の両端には、そのヒーター１３４に電力を供給するための電力供給線（図示せず）をボンディングするためのボンディングパッド１３５が設けられる。
前記したように、本発明によれば、ノズルプレート１３０にインクを加熱するためのヒーター１３４が一体に形成されることで、従来に比べてインクジェットプリントヘッドの構成が簡単になり、その製造コストも低減しうる。そして、ヒーター１３４がノズルプレート１３０の底面の全体に均一に配列されることで、プリントヘッド内部、すなわちインク流路内部のインクを更に均一に加熱できるため、複数の各ノズル１０６を介して吐出される液滴の速度及び体積が均一に維持されて、印刷品質が向上しうる。
そして、前記ノズルプレート１３０には、前記したインク流路内部のインクの温度を検出するための温度検出部１３８が設けられうる。具体的に、前記温度検出部１３８は、ヒーター１３４と共にノズルプレート１３０底面の第１シリコン酸化膜１３１ａの表面に形成される。そのような温度検出部１３８は、温度によって電気抵抗の変化が激しい金属からなり、その抵抗の変化によって温度を検出できる。そのような金属としては、公知のように、多様なものが使用されうるが、前記したように、Ｐｔを使用することが、温度検出部１３８とヒーター１３４とを同時に形成できるため好ましい。
前記温度検出部１３８は、図３に示されたように、第１シリコン酸化膜１３１ａの表面の一定の領域にヒーター１３４と絶縁されるように形成される。そして、前記温度検出部１３４の両端には、温度検出部の信号線（図示せず）をボンディングするためのボンディングパッド１３９が設けられる。
前記したように、インクの温度を検出するための温度検出部１３８がノズルプレート１３０に一体に形成されることで、インクの温度を更に正確に検出でき、それにより、インクの温度変化による能動的且つ正確な制御が可能であり、印刷品質が向上しうる。
また、前記ノズルプレート１３０には、ノズル１０６の出口を取り囲むノズル金属層１３６が設けられうる。そのノズル金属層１３６は、ノズル１０６の周りの第１シリコン酸化膜１３１ａの表面に、図３に示されたような円形のリング状より形成されうる。そして、前記ノズル金属層１３６は、前記したヒーター１３４及び温度検出部１３８と同じ金属物質からなり得、それにより、ノズル金属層１３６をヒーター１３４及び温度検出部１３８と同時に形成できるため好ましい。そのようなノズル金属層１３６は、後述する製造工程で、ノズル１０６のインク吐出口１０６ｂを形成する時にエッチングマスクの役割を行うため、インク吐出口１０６ｂを正確且つ容易に形成できる。
そして、前記ノズル金属層１３６は、その材質によって疎水性を有しうる。さらに、更に優れた疎水性のノズル１０６を提供するために、図４に示されたように、前記ノズル金属層１３６の表面に優れた疎水性を有する金属物質、例えばＡｕからなる疎水性メッキ膜１３７を形成できる。その場合、後述する製造工程で説明されるように、前記ノズル金属層１３６は、疎水性メッキ膜１３７を電気メッキする時にシード層の役割を行うため、疎水性メッキ膜１３７を更に簡単な工程により容易に形成できる。
そのように、ノズル１０６の出口の周りにノズル金属層１３６と疎水性メッキ膜１３７とが形成されれば、ノズル１０６を介して吐出されるインクが完全な液滴の形態を有し得、吐出されるインク液滴の直進性も向上して、印刷品質が向上しうる。また、インクが噴射された後、ノズル１０６内に形成されるメニスカスも早く安定して、圧力チャンバ１０４内へ外気が流入されることが防止され、ノズル１０６の周りがインクによって汚染されることも防止されうる。
そして、前記ノズルプレート１３０の底面の第１シリコン酸化膜１３１ａの表面と、ヒーター１３４及び温度検出部１３８の表面とには、保護膜として第２シリコン酸化膜１３２が形成され、前記第２シリコン酸化膜１３２には、ヒーター１３４のボンディングパッド１３５と温度検出部１３８のボンディングパッド１３９とを露出させるためのコンタクトホールＣが形成される。
図５は、本発明の好ましい第２実施例に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの平面図であり、図６は、図５に表示されたＢ−Ｂ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの部分垂直断面図である。本発明の第２実施例に係るインクジェットプリントヘッドは、温度検出部が流路プレートの上部に形成されるという点を除いては、前記した第１実施例と同じである。したがって、以下では、前記した第１実施例と同じ部分については、その説明を省略するか、または簡略に説明する。
図５及び図６を共に参照すれば、本発明の第２実施例に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドにおいては、インクの温度を検出するための温度検出部２３８が第１流路プレート１１０の上部に形成される。
具体的に、前記温度検出部２３８は、第１流路プレート１１０の上面に形成された絶縁膜１１２上に形成され、圧電アクチュエータ１４０の下部電極１４１とは絶縁される。そして、前記温度検出部２３８は、前記した第１実施例でのように、Ｐｔからなり得、そのような温度検出部２３８は、下部電極１４１と同じ物質で同じ平面上に形成されうる。前記温度検出部２３８は、下部電極１４１を貫通するように形成されたトレンチ２３９により取り囲まれて画定され、更に前記トレンチ２３９により下部電極１４１と絶縁される。
そして、前記温度検出部２３８には、温度検出用の信号線２５１が電気的に連結する。具体的に、温度検出用の信号線２５１は、圧電アクチュエータ１４０の上部電極１４３に連結される駆動信号線１５１と共にＦＰＣ１５０に設けられうる。そして、そのような温度検出用の信号線２５１を温度検出部２３８に容易に連結できるように、下部電極１４１上には、前記温度検出部２３８に温度検出用の信号線２５１を連結するための連結電極２４３と、その連結電極２４３を支持するためのダミー圧電膜２４２とが設けられる。前記ダミー圧電膜２４２は、圧電アクチュエータ１４０の圧電膜１４２の一側に、それと平行に配置され、その一端は、温度検出部２３８の上側まで延びる。前記ダミー圧電膜２４２の幅は、圧電アクチュエータ１４０の圧電膜１４２の幅より狭いこともあるが、その高さは、圧電膜１４２の高さと同じであることが好ましい。それは、ダミー圧電膜１４２上に形成される連結電極２４３と温度検出用の信号線２５１とのボンディングが容易であるためである。前記連結電極２４３は、ダミー圧電膜２４２の上面に形成され、その一端は、ダミー圧電膜２４２の一端を越えて温度検出部２３８の上面に接触されるように延びる。したがって、連結電極２４３の一端部と温度検出部２３８とは電気的に連結される。
前記したように、本発明の第２実施例によれば、インクの温度を検出するための温度検出部２３８が、プリントヘッドの圧電アクチュエータ１４０に一体に形成されることで、インクの温度を更に正確に検出でき、それにより、インクの温度変化による能動的且つ正確な制御が可能であり、印刷品質が向上しうる。
以下では、添付図面を参照して、本発明に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートを製造する方法を説明する。
図７Ａないし図７Ｎは、図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。
図７Ａを参照すれば、ノズルプレート１３０は、単結晶シリコン基板からなり、その厚さは、約１００〜２００μm、好ましくは、約１６０μmである。準備されたシリコン基板１３０を酸化炉に入れて湿式または乾式酸化させれば、図７Ａに示されたように、シリコン基板１３０の底面と上面とが酸化されて、絶縁膜として第１シリコン酸化膜１３１ａ、１３１ｂが形成される。一方、第１シリコン酸化膜１３１ａ、１３１ｂは、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）によっても形成されうる。
次いで、図７Ｂに示されたように、シリコン基板１３０の上面に形成された第１シリコン酸化膜１３１ｂの全面にフォトレジスト（ＰＲ）を塗布する。そして、塗布されたＰＲをパターニングして、シリコン基板１３０の上面にノズルのインク誘導部を形成するための開口部１０７を形成する。その時、ＰＲのパターニングは、露光及び現像を含む公知のフォトリソグラフィ工程により行われ得る。
次に、図７Ｃに示されたように、前記開口部１０７を介して露出された部位の第１シリコン酸化膜１３１ｂを、パターニングされたフォトレジストＰＲをエッチングマスクとして使用して湿式エッチングすることで、シリコン基板１３０の上面を部分的に露出させた後、フォトレジストＰＲをストリップする。その時、シリコン酸化膜３５１ａは、湿式エッチングではなく、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）のような乾燥式エッチングによっても除去されうる。
次いで、図７Ｄに示されたように、露出された部位のシリコン基板１３０を、第１シリコン酸化膜１３１ｂをエッチングマスクとして所定の深さにエッチングすることで、インク誘導部３１１を形成する。その時、エッチング液として、テトラメチル水酸化アンモニウム（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ：ＴＭＡＨ）、または水酸化カルシウム（ＫＯＨ）を使用して、シリコン基板１３０を異方性湿式エッチングすれば、側面が傾斜した四角錐体状のインク誘導部１０６ａが形成されうる。
次いで、図７Ｅに示されたように、シリコン基板１３０の底面に形成された第１シリコン酸化膜１３１ａの全面に、フォトレジストＰＲを塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストＰＲを、図３に示されたパターンでパターニングして、ヒーター１３４が形成される部位の第１シリコン酸化膜１３１ａを露出させる。その時、前記したように、ヒーター１３４の配置形態により、前記フォトレジストＰＲも多様な形態にパターニングされ得、温度検出部１３８とノズル金属層１３６とが形成される部位の第１シリコン酸化膜１３１ａも共に露出されうる。
次いで、図７Ｆに示されたように、パターニングされたフォトレジストＰＲと、露出された第１シリコン酸化膜１３１ａの全面に、所定の金属物質をスパッタリングして金属層Ｍを形成する。その時、金属物質としては、前記したように、Ｐｔが使用されうる。
図７Ｇは、シリコン基板１３０の底面に、ヒーター１３４、ボンディングパッド１３５、温度検出部１３８及びノズル金属層１３６が形成された状態を示したものである。具体的に、図７Ｆに示されたフォトレジストＰＲをリフトオフさせれば、フォトレジストＰＲと共にその表面に形成された金属層Ｍが除去されつつ、露出された第１シリコン酸化膜１３１ａの表面に形成された金属層Ｍのみが残存する。そのように、残存した金属層Ｍが、ヒーター１３４、ボンディングパッド１３５、温度検出部１３８及びノズル金属層１３６を形成する。
次いで、図７Ｈに示されたように、図７Ｇの結果物の底面の全体に、ヒーター１３４などを保護するための保護膜として、第２シリコン酸化膜１３２を蒸着する。その時、第２シリコン酸化膜１３２の蒸着は、プラズマ化学気相蒸着（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）により行われ得る。ところが、ヒーター１３４などの厚さが厚すぎる場合には、蒸着された第２シリコン酸化膜１３２の平坦度が低下して、次のフォトレジスト塗布及びパターニング工程に影響を及ぼしうる。その場合には、化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）を通じて第２シリコン酸化膜１３２の表面をあらかじめ平坦化させうる。
次いで、図７Ｉに示されたように、第２シリコン酸化膜１３２の全面にフォトレジストＰＲを塗布し、それをパターニングして、インク誘導部１０６ａに対応する位置に開口部１０８を形成する。
次に、図７Ｊに示されたように、前記フォトレジストＰＲをエッチングマスクとして、開口部１０８を介して第２シリコン酸化膜１３２と第１シリコン酸化膜１３１ａとを順次に乾式エッチングした後、フォトレジストＰＲをストリップする。それにより、開口部１０８を介してノズル金属層１３６とシリコン基板１３０の底面とが露出される。
図７Ｋは、シリコン基板１３０にインク誘導部１０６ａとインク吐出口１０６ｂとからなるノズル１０６を形成した状態を示したものである。具体的に、露出された部位のシリコン基板１３０が貫通されるようにエッチングすることで、インク誘導部１０６ａと連結されるインク吐出口１０６ｂを形成する。その時、シリコン基板１３０のエッチングは、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）による乾式エッチング法で行われ得、ノズル金属層１３６がエッチングマスクの役割を行う。
次に、図７Ｌに示されたように、図７Ｋの結果物の底面の全体に再びフォトレジストＰＲを塗布する。その時には、ドライフィルム状のフォトレジストＰＲを、第２シリコン酸化膜１３２の表面に加熱及び加圧して圧着するラミネーション方法により形成する。そのように、ドライフィルム状のフォトレジストＰＲを使用すれば、ノズル１０６の内部へフォトレジストＰＲが侵入しないという長所がある。次いで、フォトレジストＰＲをパターニングして、ヒーター１３４のボンディングパッド１３５に対応する位置に開口部１０９を形成する。
次いで、図７Ｍに示されたように、パターニングされたフォトレジストＰＲをエッチングマスクとして、前記開口部１０９を介して露出された第２シリコン酸化膜１０２をエッチングすることで、ヒーター１３４のボンディングパッド１３５を露出させるコンタクトホールＣを形成する。
一方、図７Ｌと図７Ｍに示された段階で、図３に示された温度検出部１３８のボンディングパッド１３９を露出させるためのコンタクトホールも共に形成されうる。
次いで、フォトレジストＰＲをアセトンなどを利用してストリップすれば、図７Ｎに示されたように、ノズル１０６が貫通形成され、その底面に、ヒーター１３４、ボンディングパッド１３５、温度検出部１３８及びノズル金属層１３６が形成されたノズルプレート１３０が完成される。
そして、前記したように、優れた疎水性ノズル１０６を得るために、前記ノズル金属層１３６の表面に優れた疎水性を有する金属物質、例えばＡｕからなる疎水性メッキ膜１３７を形成できる。具体的に、既に形成されたノズル金属層１３６をシード層として、その表面にＡｕを電気メッキすることで、前記疎水性メッキ膜１３７が形成される。その時、露出されたボンディングパッド１３５の表面にも、前記金属物質、すなわちＡｕがメッキされうるが、そのように、ボンディングパッド１３５の表面にメッキされた金属物質も導電性を有するため、ボンディングパッド１３５の役割に何らの影響を及ぼさない。
前記したように、本発明によれば、別途のシード層を形成するための金属物質の蒸着とパターニングとの工程なしに、疎水性メッキ膜１３７のメッキが可能であるという長所がある。
以上、本発明の好ましい実施例を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
本発明は、インクを加熱するためのヒーターが、ノズルプレートに一体に形成されてインクを均一な温度に加熱でき、その構造が簡単な圧電方式のインクジェットプリントヘッドとそのノズルプレートの製造方法とにかかわり、圧電方式のインクジェットプリントヘッドに関連した技術分野に効果的に適用可能である。
従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示した平面図である。 従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示した圧電膜の長手方向に沿う垂直断面図である。 本発明の好ましい第１実施例に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの平面図である。 図２のインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの底面を示した平面図である。 図３に表示されたＡ−Ａ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 本発明の好ましい第２実施例に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの平面図である。 図５に表示されたＢ−Ｂ’線に沿うインクジェットプリントヘッドの部分垂直断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。 図３及び図４に示された本発明の第１実施例に係るインクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法を段階的に示す断面図である。
符号の説明
１０１ インク導入口
１０２ マニホールド
１０３ レストリクター
１０４ 圧力チャンバ
１４０ 圧電アクチュエータ
１４１ 下部電極
１４２ 圧電膜
１４３ 上部電極
１５０ ＦＰＣ
１５１ 駆動信号線

Claims (28)

  1. 吐出されるインクが満たされる複数の圧力チャンバを含むインク流路が形成された流路プレートと、
    前記流路プレートの上部に形成されて、前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインク吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、
    前記流路プレートの下部に接合され、前記複数の圧力チャンバからインクを吐出するための複数のノズルが貫通形成されたノズルプレートと、
    前記ノズルプレートのインク吐出面に形成される絶縁膜と、
    前記絶縁膜の表面に所定のパターンで形成され、前記インク流路内部のインクを加熱するヒーターと、
    前記絶縁膜と前記ヒーターの表面に形成され、前記ヒーターを保護する保護膜と、
    前記流路プレートの上部に前記圧電アクチュエータの下部電極と同じ平面に設けられ、前記インク流路内部のインクの温度を検出するための温度検出部と、
    を備えることを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  2. 前記絶縁膜と保護膜は、シリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  3. 前記ヒーターの両端には、電力供給線をボンディングするためのボンディングパッドが形成され、前記ボンディングパッドは、前記保護膜に形成されたコンタクトホールを介して露出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  4. 前記温度検出部は、温度の変化によってその抵抗が変わる金属物質からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  5. 前記ヒーターと温度検出部は、同じ金属物質より形成されることを特徴とする請求項４に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  6. 前記ヒーターと前記温度検出部は、Ｐｔからなることを特徴とする請求項４又は５に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  7. 前記温度検出部は、前記下部電極を貫通して形成されたトレンチにより画定され、前記トレンチによって前記下部電極と絶縁されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  8. 前記下部電極上には、前記温度検出部に温度検出用の信号線を連結するための連結電極と、前記連結電極を支持するためのダミー圧電膜とが形成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  9. 前記ノズルプレートのインク吐出面に、前記ノズルの出口の周りに形成されたノズル金属層を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  10. 前記ノズル金属層は、円形のリング状より形成されることを特徴とする請求項９に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  11. 前記ヒーターと前記ノズル金属層は、同じ平面上に同じ金属物質より形成されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  12. 前記ヒーターと前記ノズル金属層は、Ｐｔからなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  13. 前記ノズル金属層の表面には、疎水性メッキ膜が形成されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  14. 前記疎水性メッキ膜は、Ａｕからなることを特徴とする請求項１３に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  15. 前記ダミー圧電膜は、前記圧電膜の一側に、それと平行に配置され、その一端は、前記温度検出部の上側まで延び、前記連結電極は、前記ダミー圧電膜の上面に形成され、その一端は、前記ダミー圧電膜の一端を越えて前記温度検出部の上面に接触されるように延びたことを特徴とする請求項８に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  16. 前記ダミー圧電膜の高さは、前記圧電膜の高さと同じであることを特徴とする請求項８又は１５に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  17. インクを吐出するための複数のノズルが貫通形成された圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法において、
    （Ａ）シリコン基板を準備する段階と、
    （Ｂ）前記シリコン基板の上面を部分的にエッチングして、前記ノズルのインク誘導部を形成する段階と、
    （Ｃ）前記シリコン基板の底面にフォトレジストを塗布し、それをパターニングする段階と、
    （Ｄ）前記シリコン基板の底面と前記フォトレジストの表面とに金属層を形成する段階と、
    （Ｅ）前記フォトレジストをリフトオフさせつつ、前記金属層のうち、前記フォトレジスト表面に形成された部分を除去することで、残存した金属層からなるヒーターを形成する段階と、
    （Ｆ）前記シリコン基板の底面に、前記ヒーターを保護する保護膜を形成する段階と、
    （Ｇ）前記保護膜を部分的にエッチングして開口部を形成し、前記開口部を介して露出された前記シリコン基板をエッチングして、前記インク誘導部と連通されるインク吐出口を形成する段階と、を備えることを特徴とする圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  18. 前記（Ｂ）段階の前に、前記シリコン基板の底面と上面に、絶縁膜としてシリコン酸化膜が形成されることを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  19. 前記（Ｄ）段階で、前記金属層は、Ｐｔからなることを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  20. 前記（Ｅ）段階で、残存した金属層は、前記ヒーターだけでなく、インクの温度を検出するための温度検出部を形成することを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  21. 前記（Ｅ）段階で、残存した金属層は、前記ヒーターだけでなく、前記ノズルの出口を取り囲むノズル金属層を形成することを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  22. 前記（Ｅ）段階で、残存した金属層は、前記ヒーターだけでなく、インクの温度を検出するための温度検出部と、前記ノズルの出口を取り囲むノズル金属層とを形成することを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  23. 前記（Ｇ）段階で、前記ノズル金属層は、前記開口部を介して露出されて、前記シリコン基板のエッチング時に、エッチングマスクとしての役割を行うことを特徴とする請求項２１または２２に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  24. 前記（Ｇ）段階以後に、前記ノズル金属層の表面に疎水性メッキ膜を形成する段階を更に備えることを特徴とする請求項２１または２２に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  25. 前記疎水性メッキ膜は、前記ノズル金属層をシード層として利用する電気メッキにより形成されることを特徴とする請求項２４に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  26. 前記疎水性メッキ膜は、Ａｕからなることを特徴とする請求項２４に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  27. 前記（Ｇ）段階で、前記保護膜のエッチングに使用されるエッチングマスクとしては、パターニングされたドライフィルム状のフォトレジストが使用されることを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
  28. 前記（Ｇ）段階以後に、前記保護膜を部分的にエッチングして、前記ヒーターの両端に形成されたボンディングパッドを露出させるコンタクトホールを形成する段階を更に備えることを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式インクジェットプリントヘッドのノズルプレートの製造方法。
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