JP4731270B2 - 圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドに係り、さらに詳細にはクロストークを減少させることができる圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関する。

一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微細な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させ、所定色相の画像を印刷する装置である。こ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、二種に大別される。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱変換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、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。

前記の圧電方式インクジェットプリントヘッドの一般的な構成は、図１に図示されている。図１を参照すれば、流路プレート１の内部には、インク流路をなすマニフォールド２と、リストリクタ３と、圧力チャンバ４と、ノズル５とが形成されており、流路プレート１の上部には、圧電アクチュエータ６が設けられている。マニフォールド２は、インク保存庫から流入されたインク（図示せず）を各圧力チャンバ４に供給する通路であり、リストリクタ３は、マニフォールド２から圧力チャンバ４にインクが流入される通路である。圧力チャンバ４は、吐出されるインクが充填されるところであり、圧電アクチュエータ６の駆動によりその体積が変化することにより、インクの吐出または流入のための圧力変化を生成する。このために、流路プレート１の圧力チャンバ４の上部壁をなす部位は、圧電アクチュエータ６により変形される振動板１ａの役割を果たす。

このような構成を有した従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、圧電アクチュエータ６の駆動により、振動板１ａが変形されれば、圧力チャンバ４の体積が減少し、これによる圧力チャンバ４内の圧力変化により圧力チャンバ４内のインクは、ノズル５を介して外部に吐出される。次に、圧電アクチュエータ６の駆動により、振動板１ａが元来の形態に復元されれば、圧力チャンバ４の体積が増加し、これによる圧力変化により、インクがマニフォールド２からリストリクタ３を介して圧力チャンバ４内に流入される。

このような圧電方式インクジェットプリントヘッドの具体的な一例として、図２に特許文献１に開示された圧電方式インクジェットプリントヘッドが図示されている。

図２を参照すれば、従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドは、複数の薄い第１プレート１１から第６プレート１６を積層して接合することによりなる。すなわち、プリントヘッドの一番下には、インクを吐出するためのノズル１１ａが形成されている第１プレート１１が配置され、その上に、マニフォールド１２ａとインク排出口１２ｂとが形成されている第２プレート１２が積層され、またその上には、インク流入口１３ａとインク排出口１３ｂとが形成されている第３プレート１３が積層される。そして、第３プレート１３には、インク保存庫（図示せず）からマニフォールド１２ａにインクを導入するためのインク導入口１７が設けられている。第３プレート１３上には、インク流入口１４ａとインク排出口１４ｂとが形成されている第４プレート１４が積層され、その上には、両端部がそれぞれインク流入口１４ａとインク排出口１４ｂとに連通されている圧力チャンバ１５ａが形成されている第５プレート１５が積層される。前記のインク流入口１３ａ，１４ａは、マニフォールド１２ａから圧力チャンバ１５ａにインクが流入する通路の役割を果たし、インク排出口１２ｂ，１３ｂ，１４ｂは、圧力チャンバ１５ａからノズル１１ａ側にインクが排出される通路の役割を果たす。第５プレート１５上には、圧力チャンバ１５ａの上部を封止する第６プレート１６が積層され、その上には、圧電アクチュエータとして、駆動電極２０と圧電膜２１とが形成されている。従って、第６プレート１６は、圧電アクチュエータにより振動する振動板としての機能を果たし、その反り変形により、その下の圧力チャンバ１５ａの体積を変化させる。

図３には、従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの他の例として、本出願人による特許文献２に開示されたインクジェットプリントヘッドが図示されており、図４には、図３で図示されたインクジェットプリントヘッドの垂直断面図が図示されている。

図３及び図４に図示されたインクジェットプリントヘッドは、３枚のシリコン基板３０，４０，５０が積層されて接合された構造を有する。３枚の基板３０，４０，５０のうち、上部基板３０の底面には、所定深さの圧力チャンバ３２が形成されており、その一側には、インク保存庫（図示せず）と連結されたインク導入口３１が貫通形成されている。前記圧力チャンバ３２は、中間基板４０に形成されているマニフォールド４１の長手方向にプリントヘッドチップの両側に二列に配列されている。そして、上部基板３０の上面には、圧力チャンバ３２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６０が形成されている。中間基板４０には、インク導入口３１と連結されるマニフォールド４１が形成されており、このマニフォールド４１の両側に、複数の圧力チャンバ３２それぞれと連結されるリストリクタ４２が形成されている。また、中間基板４０には、上部基板３０に形成されている圧力チャンバ３２に対応する位置にダンパ４３が垂直に貫通形成されている。そして、下部基板５０には、前記ダンパ４３と連結されるノズル５１が形成されている。

前記インク導入口３１を介して前記マニフォールド４１内に流入されたインクは、前記リストリクタ４２を経て前記圧力チャンバ３２に流入される。その後、前記圧電アクチュエータ６０が作動し、前記圧力チャンバ３２を加圧すれば、前記圧力チャンバ３２内のインクは、前記ダンパ４３を通過し、前記ノズル５１を介して噴射される。ここで、前記リストリクタ４２は、前記マニフォールド４１から前記圧力チャンバ３２にインクを供給する通路の役割を果たすだけではなく、インクが吐出されるとき、前記圧力チャンバ３２から前記マニフォールド４１側にインクが逆流することを抑制する役割も果たす。
しかし、従来には、前記圧電アクチュエータ６０が前記圧力チャンバ３２を加圧するとき、前記圧力チャンバ３２に伝えられる圧力が前記リストリクタ４２にも伝えられ、隣接したリストリクタ４２間にクロストーク現象が発生する。クロストーク現象とは、インクの噴射時に隣接したリストリクタ４２間に圧力の相互干渉が発生し、前記ノズル５１を介して噴射されるインク滴のサイズが不均一になる現象をいう。前記クロストーク現象が発生すれば、意図しないインクが噴射されたり、または噴射されねばならない量と異なったインクが噴射され、印刷品質が低下するという問題点がある。
米国特許第５，８５６，８３７号明細書 韓国特許公開第２００３−００５０４７７号公報

本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであり、マニフォールドの体積を増加させることにより、リストリクタ相互間のクロストーク現象を低減させることができる圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するための本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、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と、前記圧電アクチュエータが上面に設置され、インクが導入されるインク導入口が貫通形成され、吐出されるインクが充填される圧力チャンバと、前記圧力チャンバの幅より小幅で前記圧力チャンバから延びる第１リストリクタとがその底面に形成される上部基板と、前記インク導入口と連結されて流入されたインクが保存されるマニフォールドがその底面に所定の深さで形成され、前記マニフォールドから前記圧力チャンバにインクを流入させる第２リストリクタが前記第１リストリクタと連通するように貫通形成され、前記圧力チャンバの他端部に対応する位置にダンパが貫通形成されている中間基板と、前記ダンパと対応する位置にインクを吐出するためのノズルが貫通形成されている下部基板とを備え、前記下部基板、中間基板及び上部基板は、順次積層されて互いに接合され、いずれも単結晶シリコン基板からなる。

前記上部基板は、第１シリコン基板と、中間酸化膜と、第２シリコン基板とが順次積層された構造を有したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｓｏｌａｔｏｒ）ウェーハからなり、前記第１シリコン基板に前記圧力チャンバと第１リストリクタとが形成され、前記第２シリコン基板が前記振動板としての役割を果たす。

前記中間基板は、前記マニフォールドの天井壁を支持する少なくとも１つの支持柱を備える。前記少なくとも１つの支持柱は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接して前記マニフォールドの天井壁を支持する。

そして、前記中間基板は、隣接したリストリクタ間にクロストークを減少させるための遮断壁を備える。前記遮断壁は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接する。

前記圧力チャンバの幅方向に沿う前記第１リストリクタの幅は、前記第２リストリクタの幅より小さく形成されているか、または前記第２リストリクタの幅より大きく形成されうる。

前記圧力チャンバは、前記マニフォールドの長手方向であってプリントヘッドチップの両側に二列に配列され、前記マニフォールドを左右に分離させるために、前記マニフォールドの内部には、その長手方向に隔壁が形成されうる。

前記圧電アクチュエータは、前記上部基板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記圧力チャンバの上部に位置するように形成される圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成され、前記圧電薄膜に電圧を印加するための上部電極とを備える。

本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法は、単結晶シリコン基板からなる上部基板、中間基板及び下部基板を準備するステップと、準備された前記上部基板を微細加工し、インク導入口と、複数の圧力チャンバと、前記圧力チャンバと連結される複数の第１リストリクタとを形成する上部基板の加工ステップと、準備された前記中間基板を微細加工し、前記インク導入口と連結されるマニフォールドを前記中間基板の底面に所定の深さで形成し、前記マニフォールドと前記複数の第１リストリクタとをそれぞれ連結する複数の第２リストリクタを前記第１リストリクタに対応する位置に形成し、前記複数の圧力チャンバそれぞれの他端部に連結される複数のダンパを前記中間基板を貫通するように形成する中間基板の加工ステップと、準備された前記下部基板を微細加工し、前記ダンパと連結されるノズルを貫通されるように形成する下部基板の加工ステップと、前記下部基板、中間基板及び上部基板を積層して接合させるステップと、前記上部基板上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を形成するステップとを含む。

前記基板の加工ステップ前に、前記３枚の基板それぞれに、前記接合ステップでの整列基準として利用されるベースマークを形成するステップをさらに含む。

前記上部基板の加工ステップは、前記上部基板の底面を所定深さに乾式エッチングし、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第１リストリクタとを形成できる。前記上部基板の加工ステップで、前記上部基板として、第１シリコン基板と、中間酸化膜と、第２シリコン基板とが順次積層された構造を有したＳＯＩウェーハを使用し、前記中間酸化膜をエッチング停止層として、前記第１シリコン基板を乾式エッチングすることにより、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第１リストリクタとを形成できる。

前記中間基板の加工ステップは、前記中間基板の底面に所定パターンの第１エッチングマスクを形成するステップと、前記第１エッチングマスクを利用し、前記中間基板の底面を所定深さにエッチングすることにより、前記マニフォールドと前記ダンパの下部とを形成するステップと、前記中間基板の上面に所定パターンの第２エッチングマスクを形成するステップと、前記第２エッチングマスクを利用し、前記中間基板の上面を所定深さにエッチングすることにより、前記ダンパの下部と連結される前記ダンパの上部と第２リストリクタとを形成するステップとを含むことができる。前記中間基板のエッチングは、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）による乾式エッチングにより行われる。

前記下部基板の加工ステップは、前記下部基板の上面を所定深さにエッチングし、前記ダンパと連結されるインク誘導部を形成するステップと、前記下部基板の底面をエッチングし、前記インク誘導部と連結されるインク吐出口を形成するステップとを含むことができる。

前記接合ステップで、前記３枚の基板間の接合は、シリコンダイレクトボンディング（ＳＤＢ）により行われる。

前記圧電アクチュエータの形成ステップ前に、前記上部基板上にシリコン酸化膜を形成するステップをさらに備える。

前記圧電アクチュエータの形成ステップは、前記上部基板上にＴｉ層とＰｔ層とを順次積層して下部電極を形成するステップと、前記下部電極上に圧電膜を形成するステップと、前記圧電膜上に上部電極を形成するステップとを含むことができる。

本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法によれば、中間基板の底面を加工してマニフォールドを形成し、これを圧力チャンバの下部に設置することにより、マニフォールドの幅を容易に増加させることができる。従って、マニフォールドの体積が増加し、複数ノズルから同時にインクが吐出されるとき、隣接したリストリクタ間に発生するクロストークが低減される。また、マニフォールドの断面積が増加し、再充填過程でインク供給流量が増大するので、高周波数の吐出時にも安定した作動が可能である。

本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法によれば、中間基板の底面を加工してマニフォールドを形成し、これを圧力チャンバの下部に設置することにより、マニフォールドの幅を容易に増加させることができる。従って、マニフォールドの体積が増加し、内部に収容されるインクの量が増加し、リストリクタを介してマニフォールド内部に伝えられる圧力が分散吸収される。従って、複数ノズルから同時にインクが吐出されるとき、隣接したリストリクタ間に発生するクロストークが低減される。また、マニフォールドの幅が大きくなれば、断面積が増加し、これによりマニフォールドの流動抵抗が減少するので、噴射されたインクの量ほどを再充填する過程で、インク供給流量が増大するので、高周波数の吐出時にも安定した作動が可能である。

また、本発明によれば、マニフォールドが天井壁を挟んで圧力チャンバと第１リストリクタの下部に設置されるので、プリントヘッドのチップサイズを左右する基板上の平面配置において、マニフォールドの幅ほどの大きさを節減できるので、ウェーハ当たりの得ることができるチップ数が増加し、生産性を向上させることができる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図面にて同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭さと便宜とを図って誇張されていることがある。また、ある層が基板や他の層の上に存在すると説明されるとき、その層は、基板や他の層に直接接してその上に存在することもあり、その間に第３の層が存在することもある。

図５は、本発明の望ましい実施形態による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを部分切断して表した分解斜視図であり、図６は、図５に図示された圧力チャンバの長手方向に切断した本発明によるプリントヘッドの組立て状態の部分断面図であり、図７は、図６に表示されたＡ−Ａ線に沿って切断した部分斜視図である。

図５から図７を共に参照すれば、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、３枚の基板１００，２００，３００を積層して接合することによりなる。そして、３枚の基板１００，２００，３００それぞれには、インク流路をなす構成要素が形成され、上部基板１００上には、インクの吐出のための駆動力を発生させる圧電アクチュエータ１９０が設けられる。特に、３枚の基板１００，２００，３００は、いずれも単結晶シリコンウェーハからなっている。これにより、フォトリソグラフィとエッチングのような微細加工技術を利用し、３枚の基板１００，２００，３００それぞれにインク流路をなす構成要素をさらに精密、かつ容易に形成可能である。

前記のインク流路は、インクコンテナ（図示せず）からインクが導入されるインク導入口１１０と、インク導入口１１０を介して流入されたインクが保存されるマニフォールド２１０と、マニフォールド２１０から圧力チャンバ１２０にインクを供給するためのリストリクタ１３０，２２０と、吐出されるインクが充填され、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１２０と、インクが吐出されるノズル３１０とからなる。そして、圧力チャンバ１２０とノズル３１０との間には、圧電アクチュエータ１９０により圧力チャンバ１２０で発生したエネルギーをノズル３１０側に集中させ、急激な圧力変化を緩衝するためのダンパ２３０が形成されうる。このようなインク流路を形成する構成要素は、前述のように３枚の基板１００，２００，３００に分けられて配置される。

まず、上部基板１００の底面には、所定深さの圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とが形成され、その一側には、貫通されたインク導入口１１０が形成される。前記圧力チャンバ１２０は、インクのフロー方向にさらに長い直方体の形状によりなっており、中間基板２００に形成されるマニフォールド２１０の長手方向であってプリントヘッドチップの両側に二列に配列されている。しかし、前記圧力チャンバ１２０は、前記マニフォールド２１０の長手方向にプリントヘッドチップの一側に一列にだけ配列されることもある。前記第１リストリクタ１３０は、第２リストリクタ２２０と連繋し、前記マニフォールド２１０から前記圧力チャンバ１２０にインクを流入させる通路となる。前記第１リストリクタ１３０は、前記圧力チャンバ１２０の幅より小幅に前記圧力チャンバ１２０から延び、前記第２リストリクタ２２０と連結される。

上部基板１００は、集積回路の製造に広く使われる単結晶シリコンウェーハからなり、特にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハからなることが望ましい。ＳＯＩウェーハは、一般的に第１シリコン基板１０１と、第１シリコン基板１０１上に形成されている中間酸化膜１０２と、中間酸化膜１０２上に接着される第２シリコン基板１０３との積層構造である。第１シリコン基板１０１は、シリコン単結晶からなり、数百μｍほどの厚さを有し、中間酸化膜１０２は、第１シリコン基板１０１の表面を酸化させることにより形成され、その厚さは、ほぼ１μｍから２μｍである。第２シリコン基板１０３も、シリコン単結晶からなり、その厚さは、数十μｍほどである。このように、上部基板１００としてＳＯＩウェーハを使用する理由は、圧力チャンバ１２０の高さを正確に調節できるためである。すなわち、ＳＯＩウェーハの中間層をなす中間酸化膜１０２がエッチング停止層の役割を果たすので、第１シリコン基板１０１の厚さが決まれば、圧力チャンバ１２０の高さもそれによって決まる。また、圧力チャンバ１２０の上部壁をなす第２シリコン基板１０３は、圧電アクチュエータ１９０により反り変形されることにより、圧力チャンバ１２０の体積を変化させる振動板の役割を果たすが、この振動板の厚さも、第２シリコン基板１０３の厚さにより決まる。これについては、後述する。

上部基板１００上には、圧電アクチュエータ１９０が設けられる。そして、上部基板１００と圧電アクチュエータ１９０との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜１８０が形成される。圧電アクチュエータ１９０は、共通電極の役割を果たす下部電極１９１，１９２と、電圧の印加によって変形される圧電薄膜１９３と、駆動電極の役割を果たす上部電極１９４とを備える。下部電極１９１，１９２は、前記のシリコン酸化膜１８０の全表面に形成され、Ｔｉ層１９１とＰｔ層１９２の二層の金属薄膜層からなることが望ましい。このようなＴｉ層１９１及びＰｔ層１９２は、共通電極の役割を果たすだけではなく、その上に形成される圧電薄膜１９３とその下の上部基板１００との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も果たす。圧電薄膜１９３は、下部電極１９１，１９２上に形成され、圧力チャンバ１２０の上部に位置するように配置される。圧電薄膜１９３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１２０の上部壁をなす上部基板１００の第２シリコン基板１０３、すなわち振動板を反り変形させる役割を果たす。上部電極１９４は、圧電薄膜１９３上に形成され、圧電薄膜１９３に電圧を印加する駆動電極の役割を果たす。

前記中間基板２００には、前記インク導入口１１０と連結され、前記インク導入口１１０を介して流入されたインクを複数の圧力チャンバ１２０に供給する共通流路であるマニフォールド２１０が形成される。前記マニフォールド２１０は、中間基板２００の底面から所定深さほど形成され、これにより、マニフォールド２１０の上部には、所定厚さの天井壁２１７が残存する。すなわち、前記マニフォールド２１０の下端は、下部基板３００により限定され、その上端は、中間基板２００の残存した部分である前記天井壁２１７により限定される。そして、前述のように、前記圧力チャンバ１２０が前記マニフォールド２１０の長手方向にプリントヘッドチップの両側に二列に配列されれば、前記マニフォールド２１０の内部に、その長手方向に隔壁２１５を形成し、前記マニフォールド２１０を左右に分離させていることが、インクの円滑な流れと、前記マニフォールド２１０の両側の前記圧電アクチュエータ１９０を駆動させるとき、相互間のクロストークを防止することとにおいて望ましい。

前記中間基板２００には、前記マニフォールド２１０と前記第１リストリクタ１３０とを連結する個別流路である第２リストリクタ２２０が形成される。前記第２リストリクタ２２０は、前記隔壁２１５と所定距離をおいて中間基板２００を垂直に貫通するように形成され、その出口は、前記第１リストリクタ１３０と連通するように形成される。前記第２リストリクタ２２０は、前記第１リストリクタ１３０と連繋し、前記マニフォールド２１０から前記圧力チャンバ１２０に適正量のインクを供給する役割だけではなく、インクが吐出されるとき、前記圧力チャンバ１２０から前記マニフォールド２１０側にインクが逆流することを抑制する役割も果たす。

そして、前記中間基板２００には、前記圧力チャンバ１２０の他端部に対応する位置に、前記圧力チャンバ１２０とノズル３１０を連結するダンパ２３０が垂直に貫通形成される。

本発明では、前記圧力チャンバ１２０から延びる前記第１リストリクタ１３０が前記上部基板１００に形成され、前記第２リストリクタ２２０が前記第１リストリクタ１３０と対応する前記中間基板２００上の位置に形成される。前記のような構造により、第１リストリクタ１３０及び第２リストリクタ２２０を前記中間基板２００の中央部付近に形成でき、前記中間基板２００には、前記マニフォールド２１０を拡張設計できる空間が確保される。言い換えれば、前記マニフォールド２１０は、一側面が前記隔壁２１５からなり、他側面が前記ダンパ２３０と所定の間隔で壁を形成できるが、前記ダンパ２３０との間隔で形成される壁の厚さが従来に比べて薄くなる。従って、前記マニフォールド２１０の幅が従来に比べて大きくなる。

上記の通りに、前記マニフォールド２１０の幅が大きくなれば、それにより体積が大きくなり、隣接したリストリクタ１３０，２２０相互間のクロストークが減少されうる。詳細に説明すれば、インク噴射時に、前記圧電アクチュエータ１９０により前記圧力チャンバ１２０の内部に収容されているインクに圧力が加えられれば、前記圧力は、前記圧力チャンバ１２０と連結されている前記リストリクタ１３０，２２０内部のインクにも伝えられる。それにより、前記圧力は、前記リストリクタ１３０，２２０が連結されている前記マニフォールド２１０に伝えられ、隣接したリストリクタ１３０，２２０相互間のクロストークを発生させる原因になりうる。本発明によるインクジェットプリントヘッドでは、前記マニフォールド２１０の体積が大きくなり、前記マニフォールド２１０の内部に収容されるインクの容量が増加する。従って、前記マニフォールド２１０の内部インクの単位体積に対する前記リストリクタ１３０，２２０を介して伝えられる圧力が小さくなるので、前記圧力の分散吸収効果が発生する。上記の通りに、圧力の分散吸収効果が発生することにより、前記リストリクタ１３０，２２０に影響を及ぼす圧力が小さくなることにより、隣接したリストリクタ１３０，２２０相互間のクロストークが減少しうる。

また、上記の通りに、前記マニフォールド２１０の幅が大きくなれば、断面積が大きくなり、高周波数でもインク吐出が安定して作動可能である。詳細に説明すれば、前記ノズル３１０からインク液滴で吐出された後、前記圧電薄膜１９３の復元により、前記圧力チャンバ１２０内の圧力低下により、インクコンテナ（図示せず）に保存されているインクが前記マニフォールド２１０と前記リストリクタ１３０，２２０とを介して前記圧力チャンバ１２０内に流入され、吐出された量ほどのインクを補充する再充填過程において、前記マニフォールド２１０の断面積が大きくなれば、インク粘性により、前記マニフォールド２１０の壁面からインクに作用する流動抵抗が減少するので、前記マニフォールド２１０を介して供給されるインク流量は増大する。上記の通り、前記マニフォールド２１０の幅の増大によって、インク吐出回数の多い高周波数吐出時にも、インク供給が円滑に具現されるので、インク吐出が安定的に具現可能である。

下部基板３００には、ダンパ２３０と対応する位置に貫通されたノズル３１０が形成される。ノズル３１０は、下部基板３００の下部分に形成されてインクが吐出されるインク吐出口３１２と、下部基板３００の上部分に形成されてダンパ２３０とインク吐出口３１２とを連結し、ダンパ２３０からインク吐出口３１２側にインクを加圧誘導するインク誘導部３１１とからなっている。インク吐出口３１１は、一定の直径を有した垂直ホールの形状になっており、インク誘導部３１１は、ダンパ２３０からインク吐出口３１２側に向かって、順次その断面積が小さくなる四角錐の形状になっている。一方、インク誘導部３１１は、四角錐形状ではないにしても、円錐などの形状よりなることもある。しかし、後述するように、単結晶シリコンウェーハからなる下部基板３００には、四角錐状のインク誘導部３１１を形成することが容易である。

このように形成されている３枚の基板１００，２００，３００は、前述のように積層され、互いに接合されることにより、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドをなす。そして、３枚の基板１００，２００，３００の内部には、インク導入口１１０、マニフォールド２１０、リストリクタ１３０，２２０、圧力チャンバ１２０、ダンパ２３０及びノズル３１０が順番に連結されてなるインク流路が形成される。

このような構成を有した本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、次の通りである。インクコンテナ（図示せず）からインク導入口１１０を介してマニフォールド２１０の内部に流入されたインクは、リストリクタ１３０，２２０を介して圧力チャンバ１２０の内部に供給される。圧力チャンバ１２０の内部にインクが充填されている状態で、圧電アクチュエータ１９０の上部電極１９４を介して圧電薄膜１９３に電圧が印加されれば、圧電薄膜１９３は変形され、これにより、振動板の役割を果たす上部基板１００の第２シリコン基板１０３は、下方に曲がる。第２シリコン基板１０３の反り変形により圧力チャンバ１２０の体積が小さくなり、これによる圧力チャンバ４内の圧力上昇により、圧力チャンバ１２０内のインクは、ダンパ２３０を経てノズル３１０を介して外部に吐出される。

次に、圧電アクチュエータ１９０の圧電薄膜１９３に印加された電圧が遮断されれば、圧電薄膜１９３は、元の状態に戻り、これにより、振動板の役割を果たす第２シリコン基板１０３が元も状態に戻りつつ、圧力チャンバ１２０の体積が増加する。これによる圧力チャンバ１２０内の圧力低下により、インクコンテナ（図示せず）に保存されているインクがマニフォールド２１０とリストリクタ１３０，２２０とを介して圧力チャンバ１２０内に流入され、圧力チャンバ１２０には、吐出された量ほどのインクが補充される。

図８は、図７に図示された圧力チャンバとリストリクタとについての平面図であり、図９は、本発明によるプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについての他の実施形態を表す平面図であり、図１０は、本発明の他のプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについてのさらに他の実施形態を表す平面図である。

図８から図１０を共に参照すれば、本発明によるプリントヘッドの上部基板１００は、圧力チャンバ１２０と、前記圧力チャンバ１２０と連結されている第１リストリクタ１３０とを備え、中間基板２００は、前記第１リストリクタ１３０と連結される第２リストリクタ２２０を備える。

図８で図示された実施形態では、前記圧力チャンバ１２０の幅方向における前記第２リストリクタ２２０の幅が前記第１リストリクタ１３０の幅より小さく形成されている。従って、前記上部基板１００と前記中間基板２００との間に整列誤差が発生しても、前記第２リストリクタ２２０の出口が前記第１リストリクタ１３０側に完全に開放されうる。

図９で図示された実施形態では、前記圧力チャンバ１２０の幅方向における前記第２リストリクタ２２０の幅が前記第１リストリクタ１３０の幅より大きく形成されている。従って、前記上部基板１００と前記中間基板２００との間に整列誤差が発生しても、前記第２リストリクタ２２０の出口は、前記第１リストリクタ１３０の対応幅ほど常に開放されている。

図１０で図示された実施形態では、前記圧力チャンバ１２０の幅方向における前記第２リストリクタ２２０の幅が長くなっており、同一方向に沿う前記第１リストリクタ１３０の幅も前記第２リストリクタ２２０の大きくなった幅より大きく形成されている。従って、前記上部基板１００と前記中間基板２００との間に整列誤差が発生しても、前記第２リストリクタ２２０の出口が常に開放されている。

前記で提示されている実施形態以外にも、前記第２リストリクタ２２０の出口が前記第１リストリクタ１３０側に要求される面積ほど開放されうる多様な実施形態が提案可能であることを明らかにしておく。

図１１は、本発明によるインクジェットプリントヘッドの他の実施形態を圧力チャンバの長手方向に切断した部分断面図であり、図１２は、図１１で図示された中間基板のマニフォールドを表す底面斜視図であり、図１３は、図１２で表示されたＢに対する平面図である。

図１１から図１３を共に参照すれば、本実施形態によるインクジェットプリントヘッドの中間基板２００は、前記マニフォールド２１０の内部に支持柱２５０と、遮断壁２６０とを備える。

前記支持柱２５０は、前記マニフォールド２１０の天井壁２１７を支持する支持物になる。詳細に説明すれば、前記マニフォールド２１０の体積が大きくなることにより、圧力チャンバ１２０から伝えられる圧力により、前記マニフォールド２１０の天井壁２１７の変形が発生しうるが、前記支持柱２５０が前記マニフォールド２１０の天井壁２１７を支持し、前記のような変形可能性を解消できる。前記支持柱２５０は、前記マニフォールド２１０の天井壁２１７から突設され、下部基板３００に接して前記マニフォールド２１０の天井壁２１７を支持する。

ここで、前記支持柱２５０は、前記マニフォールド２１０の天井壁２１７に対する支持機能を効率的に果たせるように、前記マニフォールド２１０の内部に複数個が形成されることが望ましい。そして、前記支持柱２５０は、前記マニフォールド２１０の内部のインク流動を妨害しない形状と配置とをなすことが望ましい。

前記遮断壁２６０は、第２リストリクタ２２０相互間のクロストークを減少させるための遮断物になる。詳細に説明すれば、前記遮断壁２６０は、図１３に図示されているように、前記第２リストリクタ２２０間に形成され、前記第２リストリクタ２２０を介して伝えられる圧力が相互間に及ぼす影響を減少させる。従って、隣接した第２リストリクタ２２０間に発生するクロストークが減少しうる。

ここで、前記遮断壁２６０は、前記第２リストリクタ２２０相互間の干渉を効果的に減少させることができるように、前記第２リストリクタ２２０の長さに比べて十分に長く形成されることが望ましい。

以下では、添付された図面を参照し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを製造する方法を説明する。

まず、本発明の望ましい製造方法を概括的に説明すれば、インク流路をなす構成要素が形成されている上部基板、中間基板及び下部基板をそれぞれ製造し、次に、製造された３枚の基板を積層して接合した後、最後に上部基板上に圧電アクチュエータを形成することにより、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドが完成される。一方、上部基板、中間基板及び下部基板を製造するステップは、順序に関係なく行われる。すなわち、下部基板や中間基板がまず製造されたり、または２枚または３枚の基板が同時に製造されることもある。ただし、説明の便宜上、以下では、上部基板、中間基板、下部基板の順序で、それぞれの製造方法を説明する。

図１４Ａから図１４Ｅは、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。

まず、図１４Ａを参照すれば、本実施形態で上部基板１００は、単結晶シリコン基板からなる。これは、半導体素子の製造に広く使われるシリコンウェーハをそのまま使用でき、大量生産に効果的なためである。上部基板１００の厚さは、ほぼ１００μｍから２００μｍほどであり、これは、上部基板１００の底面に形成される圧力チャンバ（図５の１２０）の高さによって適切に決まりうる。そして、上部基板１００として、ＳＯＩウェーハを使用することが圧力チャンバ（図５の１２０）の高さを正確に形成できるので望ましい。ＳＯＩウェーハは、前述のように、第１シリコン基板１０１と、第１シリコン基板１０１上に形成されている中間酸化膜１０２と、中間酸化膜１０２上に接着された第２シリコン基板１０３との積層構造である。このような上部基板１００を酸化炉に入れて湿式または乾式の酸化を行えば、上部基板１００の上面と底面とが酸化され、シリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂが形成される。

次に、図１４Ｂに図示されているように、上部基板１００の上面と底面とに形成されているシリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂの表面に、それぞれフォトレジスト（ＰＲ）を塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、上部基板１００の縁付近にベースマークを形成するための開口部１４１を形成する。

次に、図１４Ｃに図示されているように、前記開口部１４１を介して露出された部位のシリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂを、ＰＲをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、上部基板１００を部分的に露出した後、ＰＲをストリップする。

次に、図１４Ｄに図示されているように、露出された部位の上部基板１００を、シリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、ベースマーク１４０を形成する。このとき、上部基板１００の湿式エッチングでは、シリコン用エッチング液（ｅｔｃｈａｎｔ）として、例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）を使用できる。

ベースマーク１４０が形成された後には、残存したシリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂを湿式エッチングにより除去できる。これは、前記のステップを経る過程で発生する副産物などの汚染物質をシリコン酸化膜１５１ａ，１５１ｂの除去と共に洗浄するためである。

これで、図１４Ｅに図示されているように、上面と底面の縁付近にベースマーク１４０が形成されている状態の上部基板１００が準備される。

前記のステップを経て形成されるベースマーク１４０は、上部基板１００と後述する中間基板及び下部基板を積層して接合するとき、それらを正確に整列させるための基準として使われる。従って、上部基板１００の場合には、前記ベースマーク１４０は、その底面だけに形成されることもある。また、他の整列方法や装置が使われる場合には、前記のベースマーク１４０は、必要ないこともあり、その場合には、前記のステップは行われない。

図１５Ａから図１５Ｇは、上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。

まず、図１５Ａに図示されているように、前述したステップを経て準備された上部基板１００を酸化炉に入れて湿式または乾式酸化させ、上部基板１００の上面と底面とにシリコン酸化膜１５２ａ，１５２ｂを形成する。このとき、上部基板１００の底面だけにシリコン酸化膜１５２ｂを形成することもある。

次に、図１５Ｂに図示されているように、上部基板１００の底面に形成されているシリコン酸化膜１５２ｂの表面にＰＲを塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、上部基板１００の底面に所定深さの圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するための開口部１２１を形成する。

次に、図１５Ｃに図示されているように、前記開口部１２１を介して露出された部位のシリコン酸化膜１５２ｂを、ＰＲをエッチングマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）のような乾式エッチングにより除去することにより、上部基板１００の底面を部分的に露出させる。このとき、シリコン酸化膜１５２ｂは、湿式エッチングにより除去されることもある。

次には、図１５Ｄに図示されているように、露出された部位の上部基板１００を、ＰＲをエッチングマスクとして所定深さエッチングすることにより、圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とを形成する。このとき、上部基板１００のエッチングは、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）による乾式エッチング法により行われる。

そして、図示されているように、上部基板１００としてＳＯＩウェーハを使用すれば、ＳＯＩウェーハの中間酸化膜１０２がエッチング停止層の役割を果たすので、このステップでは、第１シリコン基板１０１だけエッチングされる。従って、第１シリコン基板１０１の厚さを調節すれば、圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とを所望の高さに正確に合わせられる。そして、第１シリコン基板１０１の厚さは、ウェーハ研磨工程で容易に調節可能である。一方、圧力チャンバ１２０の上部壁をなす第２シリコン基板１０３は、前述のように、振動板の役割を果たすが、その厚さも、同様にウェーハ研磨工程で容易に調節可能である。

圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とが形成された後に、ＰＲをストリップすれば、図１５Ｅに図示されているような状態の上部基板１００が準備される。ところで、このような状態では、前述した湿式エッチングやＲＩＥまたはＩＣＰによる乾式エッチング過程で発生する副産物やポリマーなどの汚染物質が、上部基板１００の表面に付着していることがある。従って、それら汚染物質を除去するために、ＴＭＡＨを使用し、上部基板１００の全表面を洗浄することが望ましい。また、残存したシリコン酸化膜１５２ａ，１５２ｂも、湿式エッチングにより除去可能である。

これで、図１５Ｆに図示されているように、上面と底面の縁付近にベースマーク１４０が形成され、その底面に圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とが形成されている状態の上部基板１００が準備される。

以上では、ＰＲをエッチングマスクとして上部基板１００を乾式エッチングし、圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とを形成した後でＰＲをストリップすると図示されて説明された。しかし、これとは異なり、まずＰＲをストリップした後でシリコン酸化膜１５２ｂをエッチングマスクとして、上部基板１００を乾式エッチングすることにより、圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とを形成することもある。すなわち、上部基板１００の底面に形成されているシリコン酸化膜１５２ｂが、比較的薄い場合には、ＰＲをそのままにしておいて圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０とを形成するためのエッチングを行うことが望ましく、シリコン酸化膜１５２ｂが比較的厚い場合には、ＰＲをストリップした後でシリコン酸化膜１５２ｂをエッチングマスクとしてエッチングを行うことが望ましい。

そして、図１５Ｇに図示されているように、図１５Ｆに図示された状態の上部基板１００の上面と底面とに、さらにシリコン酸化膜１５３ａ，１５３ｂを形成できる。このように、シリコン酸化膜１５３ａ，１５３ｂを形成すれば、後述する図２０Ａのステップで、上部基板１００上に絶縁膜としてシリコン酸化膜１８０を形成するステップを省略できる。また、インク流路を形成する圧力チャンバ１２０と第１リストリクタ１３０の内面にシリコン酸化膜１５３ｂが形成されれば、シリコン酸化膜１５３ｂの特性上、ほとんどの種類のインクと反応性がないので、多様なインクを使用できる。

図１６Ａから図１６Ｄは、上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。

図１６Ａを参照すれば、インク導入口１１０は、図１５Ａから図１５Ｇに図示されたステップを経て圧力チャンバ１２０と共に形成可能である。

次に、図１６Ｂに図示されているように、上部基板１００の上面に形成されているシリコン酸化膜１５２ａの表面にＰＲを塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、上部基板１００の上面にインク導入口１１０の貫通のための開口部１１１を形成する。

次に、図１６Ｃに図示されているように、前記開口部１１１を介して露出された部位のシリコン酸化膜１５２ａを、ＰＲをエッチングマスクとしてＲＩＥのような乾式エッチングにより除去することにより、上部基板１００の上面を部分的に露出させる。このとき、シリコン酸化膜１５２ａは、湿式エッチングにより除去されることもある。

次には、図１６Ｄに図示されているように、露出された部位の上部基板１００を、ＰＲをエッチングマスクとして所定深さエッチングした後、ＰＲをストリップする。このとき、上部基板１００のエッチングは、ＩＣＰによる乾式エッチング法により行われる。そして、前述のように、ＰＲをまずストリップした後、シリコン酸化膜１５２ａをエッチングマスクとして上部基板１００をエッチングすることもある。このステップでは、上部基板１００として使用したＳＯＩウェーハの中間酸化膜１０２がエッチング停止層の役割を果たすので、第２シリコン基板１０３だけエッチングされ、インク導入口１１０上に中間酸化膜１０２は残存する。残存した中間酸化膜１０２は、前述のように後加工を介して除去され、これによりインク導入口１１０は貫通される。

この後には、前述のように、図１５Ｆと図１５Ｇのステップを経て、上部基板１００が完成される。

一方、上部基板にインク導入口を形成するステップは、圧電アクチュエータの形成ステップが完了した後に行われる。すなわち、インク導入口（図５の１１０）の下部の一部は、図１５Ａから図１５Ｇに図示されたステップを経て圧力チャンバ１２０と共に形成される。すなわち、図１５Ｅに図示されたステップに至れば、上部基板１００の底面には、所定深さの圧力チャンバ１２０と共にこのような深さのインク導入口１１０の一部が形成される。このように、上部基板１００の底面に、所定深さに形成されているインク導入口１１０は、基板の接合と圧電アクチュエータの設置の工程が完了した後、上部基板１００を貫通させる後加工を介し、インク保存庫（図示せず）と連結されうるように形成される。すなわち、前記インク導入口１１０の貫通は、圧電アクチュエータの形成ステップが完了した後に行われる。

図１７Ａから図１７Ｈは、中間基板に第２リストリクタ、マニフォールド、ダンパを形成するステップを説明するための断面図である。

図１７Ａを参照すれば、中間基板２００は、単結晶シリコン基板からなり、その厚さは、ほぼ２００μｍから３００μｍである。中間基板２００の厚さは、その上面に形成されるマニフォールド（図５の２１０）の深さと貫通形成されるダンパ（図５の２３０）の深さとによって適切に決まりうる。

まず、中間基板２００の上面と底面の縁付近に、ベースマーク２４０を形成する。中間基板２００にベースマーク２４０を形成するステップは、図１４Ａから図１４Ｅに図示されたステップと同一なので、中間基板２００のための別途の図示とその説明とは省略する。

このように、ベースマーク２４０が形成されている状態の中間基板２００を酸化炉に入れ、湿式または乾式酸化させれば、図１７Ａに図示されているように、中間基板２００の上面と底面とが酸化され、シリコン酸化膜２５１ａ，２５１ｂが形成される。

次に、図１７Ｂに図示されているように、中間基板２００の底面に形成されているシリコン酸化膜２５１ｂの表面にＰＲを塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、中間基板２００の底面にマニフォールドを形成するための開口部２１１とダンパを形成するための開口部２３１とを形成する。

次に、図１７Ｃに図示されているように、前記開口部２１１，２３１を介して露出された部位のシリコン酸化膜２５１ｂを、ＰＲをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、中間基板２００の底面を部分的に露出した後、ＰＲをストリップする。このとき、シリコン酸化膜２５１ｂは、ＲＩＥのような乾式エッチングにより除去されることもある。

次には、図１７Ｄに図示されているように、露出された部位の中間基板２００を、シリコン酸化膜２５１ｂをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、マニフォールド２１０とダンパの下部２３２とを形成する。このとき、中間基板２００の湿式エッチングでは、シリコン用エッチング液として、例えばＴＭＡＨを使用する。

その次に、図１７Ｅに図示されているように、中間基板２００の上面に形成されているシリコン酸化膜２５１ａ表面にＰＲを塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、中間基板２００の上面に第２リストリクタを形成するための開口部２２１とダンパの上部を形成するための開口部２３３とを形成する。

その次に、図１７Ｆに図示されているように、前記開口部２２１，２３３を介して露出された部位のシリコン酸化膜２５１ａを、ＰＲをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、中間基板２００の上面を部分的に露出した後、ＰＲをストリップする。このとき、シリコン酸化膜２５１ａは、ＲＩＥのような乾式エッチングにより除去されることもある。

その次には、図１７Ｇに図示されているように、露出された部位の中間基板２００を、シリコン酸化膜２５１ａをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、第２リストリクタ２２０と、図１７Ｄのダンパの下部２３２と貫通されて形成されるダンパ２３０とを形成する。

次に、残存したシリコン酸化膜２５１ａ，２５１ｂを湿式エッチングにより除去すれば、図１７Ｈに図示されているように、ベースマーク２４０、第２リストリクタ２２０、マニフォールド２１０、隔壁２１５及びダンパ２３０が形成されている状態の中間基板２００が準備される。

一方、図示されていないが、図１７Ｈに図示された状態の中間基板２００の上面と底面全体にさらにシリコン酸化膜を形成できる。

図１８Ａから図１８Ｈは、下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。

図１８Ａを参照すれば、下部基板３００は、単結晶シリコン基板からなり、その厚さはほぼ１００μｍから２００μｍである。

まず、下部基板３００の上面と底面の縁付近にベースマーク３４０を形成する。下部基板３００にベースマーク３４０を形成するステップは、図１４Ａから図１４Ｅに図示されたステップと同一なので、下部基板３００のための別途の図示とその説明とは省略する。

このように、ベースマーク３４０が形成されている状態の下部基板３００を酸化炉に入れ、湿式または乾式の酸化を行えば、図１８Ａに図示されているように、下部基板３００の上面と底面とが酸化され、シリコン酸化膜３５１ａ，３５１ｂが形成される。

次に、図１８Ｂに図示されているように、下部基板３００の上面に形成されているシリコン酸化膜３５１ａの表面にＰＲを塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、下部基板３００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３１５を形成する。前記開口部３１５は、図１７Ｈに図示された中間基板２００に形成されているダンパ２３０に対応する位置に形成される。

次に、図１８Ｃに図示されているように、前記開口部３１５を介して露出された部位のシリコン酸化膜３５１ａを、ＰＲをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、下部基板３００の上面を部分的に露出した後、ＰＲをストリップする。このとき、シリコン酸化膜３５１ａは、ＲＩＥのような乾式エッチングにより除去されることもある。

次には、図１８Ｄに図示されているように、露出された部位の下部基板３００を、シリコン酸化膜３５１ａをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、インク誘導部３１１を形成する。このとき、下部基板３００の湿式エッチングでは、エッチング液としてＴＭＡＨを使用する。そして、下部基板３００として、（１００）面シリコン基板を使用すれば、（１００）面と（１１１）面の異方性湿式エッチング特性を利用し、四角錐状のインク誘導部３１１を形成できる。すなわち、（１１１）面のエッチング速度は、（１００）面のエッチング速度に比べてかなり遅いので、結果的に、下部基板３００は、（１１１）面に沿って傾斜エッチングされ、四角錐状のインク誘導部３１１を形成する。そして、インク誘導部３１１の底面は、（１００）面になる。

次には、図１８Ｅに図示されているように、下部基板３００の底面に形成されているシリコン酸化膜３５１ｂの表面にＰＲを塗布する。次に、塗布されたＰＲを現像し、下部基板３００の底面にノズルのインク吐出口を形成するための開口部３１６を形成する。

次に、図１８Ｆに図示されているように、前記開口部３１６を介して露出された部位のシリコン酸化膜３５１ｂをＰＲをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、下部基板３００の底面を部分的に露出する。このとき、シリコン酸化膜３５１ｂは、ＲＩＥのような乾式エッチングにより除去されることもある。

次には、図１８Ｇに図示されているように、露出された部位の下部基板３００を、ＰＲをエッチングマスクとして貫通されるようにエッチングすることにより、インク誘導部３１１と連結されるインク吐出口３１２を形成する。このとき、下部基板３００のエッチングは、ＩＣＰによる乾式エッチング法により行われる。

次に、ＰＲをストリップすれば、図１８Ｈに図示されているように、上面と底面の縁付近にベースマーク３４０が形成され、インク流入口３１１とインク吐出口３１２とからなるノズル３１０が貫通形成されている状態の下部基板３００が準備される。

一方、下部基板３００の上面と底面とに形成されているシリコン酸化膜３５１ａ，３５１ｂは、洗浄のために除去され、次に下部基板３００の全表面に新しいシリコン酸化膜をさらに形成することもある。

図１９は、下部基板、中間基板及び上部基板を順次積層して接合するステップを示す断面図である。

図１９を参照すれば、前述のステップを経て準備された下部基板３００、中間基板２００及び上部基板１００を順次積層し、それらを互いに接合させる。このとき、下部基板３００上に中間基板２００を接合させた後、また中間基板２００上に上部基板３００を接合させるが、その順序は、可変である。３枚の基板１００，２００，３００は、マスク整列装置を使用して整列させ、さらに３枚の基板１００，２００，３００それぞれに整列用ベースマーク１４０，２４０，３４０が形成されているので、ボンディング工程での整列精度が高く確保される。そして、３枚の基板１００，２００，３００間の接合は、公知のシリコンダイレクトボンディング（ＳＤＢ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法により行われる。一方、ＳＤＢ工程において、シリコンとシリコンとの接合性より、シリコンとシリコン酸化膜との接合性が優れている。従って、望ましくは、図１９に図示されているように、上部基板１００と下部基板３００は、その表面にそれぞれシリコン酸化膜１５３ａ，１５３ｂ，３５１ａ，３５１ｂが形成されている状態で使われ、中間基板２００は、その表面にシリコン酸化膜が形成されていない状態で使われる。

図２０Ａ及び図２０Ｂは、上部基板上に圧電アクチュエータを形成し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成するステップを説明するための断面図である。

まず、図２０Ａを参照すれば、下部基板１００、中間基板２００及び上部基板３００を順次積層して接合した状態で、上部基板１００の上面に絶縁膜としてシリコン酸化膜１８０を形成する。しかし、このシリコン酸化膜１８０を形成するステップは省略可能である。すなわち、図１９に図示されているように、上部基板１００の上面にすでにシリコン酸化膜１５３ａが形成されている場合、または前述したＳＤＢ工程でのアニーリングステップで、上部基板１００の上面に十分な厚さの酸化膜がすでに形成されている場合には、さらにその上に絶縁膜として、図２０Ａに図示されたシリコン酸化膜１８０を形成する必要がない。

次に、シリコン酸化膜１８０上に圧電アクチュエータの下部電極１９１，１９２を形成する。下部電極１９１，１９２は、Ｔｉ層１９１とＰｔ層１９２の二層の金属薄膜層からなる。Ｔｉ層１９１とＰｔ層１９２は、シリコン酸化膜１８０の全表面に所定厚さにスパッタリングすることにより形成されうる。このようなＴｉ層１９１及びＰｔ層１９２は、圧電アクチュエータの共通電極の役割を果たすだけではなく、その上に形成される圧電薄膜（図２０Ｂの１９３）とその下の上部基板１００との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も果たす。特に、下層のＴｉ層１９１は、Ｐｔ層１９２の接着性を強める役割も果たす。

次に、図２０Ｂに図示されているように、下部電極１９１，１９２上に圧電薄膜１９３と上部電極１９４とを形成する。具体的に、ペースト状態の圧電材料をスクリーンプリンティングにより圧力チャンバ１２０の上部に所定厚さに塗布した後、これを所定時間乾燥させる。前記圧電材料には、さまざまなものが使われうる、望ましくは、一般的なＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料が使われる。次に、乾燥された圧電薄膜１９３上に、電極材料、例えばＡｇ−Ｐｄペーストをプリンティングする。次に、圧電薄膜１９３を所定温度、例えば９００℃から１，０００℃で焼結させる。このとき、圧電薄膜１９３の高温焼結過程で発生しうる圧電薄膜１９３と上部基板１００との間の相互拡散は、前記のＴｉ層１９１及びＰｔ層１９２により防止される。

これにより、上部基板１００上に下部電極１９１，１９２と、圧電薄膜１９３と、上部電極１９４からなる圧電アクチュエータ１９０とが形成される。

一方、圧電薄膜１９３の焼結は、大気圧下で行われるので、そのステップで３枚の基板１００，２００，３００に形成されているインク流路の内面にシリコン酸化膜が形成される。このように形成されたシリコン酸化膜は、ほとんどの種類のインクと反応性がないので、多様なインクを使用できる。また、シリコン酸化膜は、親水性を有するので、インクの初期充填時に気泡の流入が防止され、インクの吐出時にも気泡の発生が抑制される。

最後に、接合された状態の３枚の基板１００，２００，３００をチップ単位に切断するダイシング工程と、圧電薄膜１９３に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程とを経れば、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドが完成される。一方、ダイシングは、前記の圧電薄膜１９３の焼結ステップ前になされることもある。

以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、それらは、例示的なものに過ぎず、当分野の当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解可能であろう。例えば、本発明で、プリントヘッドの各構成要素を形成する方法は、単に例示されたものであり、多様なエッチング方法が適用され、製造方法の各ステップの順序も例示されたところと別途に行うことができる。従って、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るものである。

本発明は、マニフォールドの体積を大きくすることにより、リストリクタ相互間のクロストーク現象を低減させることができる圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に利用でき、例えばインクジェットプリンティング関連の技術分野に効果的に適用可能である。

従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの一般的な構成を表す図面である。 従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの具体的な一例を表す図面である。 従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの他の例を表す図面である。 図３で図示されたインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 本発明の望ましい実施形態による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを部分切断して表した分解斜視図である。 図５に図示された圧力チャンバの長手方向に切断した本発明によるプリントヘッドの組立て状態の部分断面図である。 図６に表示されたＡ−Ａ線に沿って切断した部分斜視図である。 図７に図示された圧力チャンバとリストリクタとについての平面図である。 本発明によるプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについての他の実施形態を表す平面図である。 本発明の他のプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについてのさらに他の実施形態を表す平面図である。 本発明によるインクジェットプリントヘッドの他の実施形態を圧力チャンバの長手方向に切断した部分断面図である。 図１１で図示された中間基板のマニフォールドを表す底面斜視図である。 図１２で表示されたＢに対する平面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第１リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第２リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板、中間基板及び上部基板を順次積層して接合するステップを示す断面図である。 上部基板上に圧電アクチュエータを形成し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成するステップを説明するための断面図である。 上部基板上に圧電アクチュエータを形成し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成するステップを説明するための断面図である。

符号の説明

１００ 上部基板
１０１ 第１シリコン基板
１０２ 中間酸化膜
１０３ 第２シリコン基板
１１０ インク導入口
１２０ 圧力チャンバ
１３０ 第１リストリクタ
１８０ シリコン酸化膜
１９０ 圧電アクチュエータ
１９１，１９２ 下部電極
１９３ 圧電薄膜
１９４ 上部電極
２００ 中間基板
２１０ マニフォールド
２１５ 隔壁
２１７ 天井壁
２２０ 第２リストリクタ
２３０ ダンパ
３００ 下部基板
３１０ ノズル
３１１ インク誘導部
３１２ インク導出口

Claims (22)

1. 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と、
   前記圧電アクチュエータが上面に設置され、インクが導入されるインク導入口が貫通形成され、吐出されるインクが充填される圧力チャンバと、前記圧力チャンバの幅より小幅で前記圧力チャンバから延びる第１リストリクタとがその底面に形成される上部基板と、
   前記インク導入口と連結されて流入されたインクが保存されるマニフォールドがその底面に所定の深さで形成され、前記マニフォールドから前記圧力チャンバにインクを流入させる第２リストリクタが前記第１リストリクタと連通するように貫通形成され、前記圧力チャンバの他端部に対応する位置にダンパが貫通形成されている中間基板と、
   前記ダンパと対応する位置にインクを吐出するためのノズルが貫通形成されている下部基板とを備え、
   前記下部基板、中間基板及び上部基板は、順次に積層されて互いに接合され、いずれも単結晶シリコン基板からな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. 前記中間基板に形成されている前記マニフォールドの天井壁の一部が前記上部基板に設置された圧力チャンバの底面を形成す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. 前記上部基板は、第１シリコン基板と、中間酸化膜と、第２シリコン基板とが順次積層された構造を有したＳＯＩウェーハからなり、前記第１シリコン基板に前記圧力チャンバと第１リストリクタとが形成され、前記第２シリコン基板が振動板としての役割を果たす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。
4. 前記中間基板は、前記マニフォールドの天井壁を支持する少なくとも１つの支持柱を備え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. 前記支持柱は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接して前記マニフォールドの天井壁を支持す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. 前記中間基板は、隣接したリストリクタ間にクロストークを減少させるための遮断壁を備え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。
7. 前記遮断壁は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接することを特徴とする請求項６に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
8. 前記圧力チャンバの幅方向に沿う前記第１リストリクタの幅は、前記第２リストリクタの幅より小さい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。
9. 前記圧力チャンバの幅方向に沿う前記第１リストリクタの幅は、前記第２リストリクタの幅より大きい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。
10. 前記圧力チャンバは、前記マニフォールドの長手方向であってプリントヘッドチップの両側に二列に配列されてい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。
11. 前記マニフォールドを左右に分離させるために、前記マニフォールドの内部には、その長手方向に隔壁が形成されてい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。
12. 前記圧電アクチュエータは、前記上部基板上に形成される下部電極と、前記下部電極上であって前記圧力チャンバの上部に位置するように形成される圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成され、前記圧電薄膜に電圧を印加するための上部電極とを含む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。
13. 単結晶シリコン基板からなる上部基板、中間基板及び下部基板を準備するステップと、
    準備された前記上部基板を微細加工し、インク導入口と、複数の圧力チャンバと、前記圧力チャンバと連結される複数の第１リストリクタとを形成する上部基板の加工ステップと、
    準備された前記中間基板を微細加工し、前記インク導入口と連結されるマニフォールドを前記中間基板の底面に所定の深さで形成し、前記マニフォールドと前記複数の第１リストリクタとをそれぞれ連結する複数の第２リストリクタを前記第１リストリクタに対応する位置に形成し、前記複数の圧力チャンバそれぞれの他端部に連結される複数のダンパを前記中間基板を貫通するように形成する中間基板の加工ステップと、
    準備された前記下部基板を微細加工し、前記ダンパと連結されるノズルを貫通されるように形成する下部基板の加工ステップと、
    前記下部基板、中間基板及び上部基板を積層して接合させるステップと、
    前記上部基板上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を形成するステップとを含む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の製造方法。
14. 前記基板の加工ステップ前に、前記３枚の基板それぞれに前記接合ステップでの整列基準として利用されるベースマークを形成するステップをさらに含む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の製造方法。
15. 前記上部基板の加工ステップは、前記上部基板の底面を所定深さに乾式エッチングし、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第１リストリクタとを形成す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の製造方法。
16. 前記上部基板の加工ステップで、前記上部基板として、第１シリコン基板と、中間酸化膜と、第２シリコン基板とが順次積層された構造を有したＳＯＩウェーハを使用し、前記中間酸化膜をエッチング停止層として、前記第１シリコン基板を乾式エッチングすることにより、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第１リストリクタとを形成することを特徴とする請求項１５に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
17. 前記中間基板の加工ステップは、
    前記中間基板の底面に所定パターンの第１エッチングマスクを形成するステップと、
    前記第１エッチングマスクを利用し、前記中間基板の底面を所定深さにエッチングすることにより、前記マニフォールドと前記ダンパの下部とを形成するステップと、
    前記中間基板の上面に所定パターンの第２エッチングマスクを形成するステップと、
    前記第２エッチングマスクを利用し、前記中間基板の上面を所定深さにエッチングすることにより、前記ダンパの下部と連結される前記ダンパの上部と第２リストリクタを形成するステップとを含む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の製造方法。
18. 前記中間基板のエッチングは、誘導結合プラズマによる乾式エッチングにより行われることを特徴とする請求項１７に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
19. 前記下部基板の加工ステップは、
    前記下部基板の上面を所定深さにエッチングし、前記ダンパと連結されるインク誘導部を形成するステップと、
    前記下部基板の底面をエッチングし、前記インク誘導部と連結されるインク吐出口を形成するステップとを含む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の製造方法。
20. 前記接合ステップで、前記３枚の基板間の接合は、シリコンダイレクトボンディング法により行われ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の製造方法。
21. 前記圧電アクチュエータの形成ステップ前に、前記上部基板上にシリコン酸化膜を形成するステップをさらに含む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の製造方法。
22. 前記圧電アクチュエータの形成ステップは、
    前記上部基板上にＴｉ層とＰｔ層とを順次に積層して下部電極を形成するステップと、
    前記下部電極上に圧電膜を形成するステップと、
    前記圧電膜上に上部電極を形成するステップとを含む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の製造方法。

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