JP5849131B1 - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドおよびその製造方法を提供する。【解決手段】インクジェットヘッドは、第１面と、この第１面と反対の第２面と、第１面と第２面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第２面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレート１２を有する。このノズルプレート１２の第２面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク圧力室１４ａが設けられている。また、このインクジェットヘッドは、ノズルプレート１２を変位させてインク圧力室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータ１３を有する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法に関する。

従来、インクジェットヘッドとして、複数のノズル孔を有するノズルプレートに複数の圧電素子を設けたタイプのヘッドが知られている。圧電素子は、各ノズル孔の周りでノズルプレートをその厚み方向に変位させ、ノズル孔につながるインク圧力室の圧力を変化させ、この圧力変化によりノズル孔からインクを吐出させる。

圧電素子によるノズルプレートの変位を可能にするため、ノズルプレートを薄くすると、ノズル孔の長さが短くなる。ノズル孔が短くなると、インクメニスカスの移動によってノズル孔内に気泡が生じ、インク滴の吐出が不安定になる可能性がある。

このため、ノズルプレートのインク圧力室側に、ノズル長を延長するためのノズル延伸部を備えたヘッドが開発されている。

特開２０１３−６７０２６号公報

しかし、上述したノズル延伸部は、ノズル孔に対する位置合わせが難しく、ヘッドの製造が困難である。また、上述したノズル延伸部は、ノズルプレートと別体に設けるため、機械強度が低い。
よって、製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドの開発が望まれている。

実施形態に係るインクジェットヘッドは、第１面と、この第１面と反対の第２面と、第１面と第２面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第２面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートを有する。このノズルプレートの第２面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク室が設けられている。また、このインクジェットヘッドは、第２面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠を有する。さらに、このインクジェットヘッドは、ノズルプレートを変位させてインク室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータを有する。

実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法は、シリコン基板の第１面に環状の溝を形成するとともに、この環状の溝の外側のシリコン基板の第１面に環状の別の溝を形成する工程と、シリコン基板を第１面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、シリコン基板の熱酸化により溝に対応する筒状体および別の溝に対応する規定枠をノズルプレートの第２面から連続して一体に形成する工程と、筒状体と反対のノズルプレートの第１面に圧電素子を設ける工程と、ノズルプレートの第１面と筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、シリコン基板を第１面と反対の第２面側から部分的に除去して孔に連絡したインク室を形成する工程と、シリコン基板の第２面にバックプレートを設ける工程と、を有する。

図１は、実施形態に係るインクジェットプリンタを示す概略図である。 図２は、図１のインクジェットプリンタに組み込まれたインクジェットヘッドを示す分解斜視図である。 図３は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。 図４は、図３のＦ４−Ｆ４に沿ってインクジェットヘッドを切断した部分拡大断面図である。 図５は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図６は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図７は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図８は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図９は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図１０は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図１１は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図１２は、第１の実施形態の第１変形例であるインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。 図１３は、図１２のＦ１３−Ｆ１３に沿ってインクジェットヘッドを切断した部分拡大断面図である。 図１４は、第１変形例のインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図１５は、第１変形例のインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図１６は、第１変形例のインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図１７は、第１の実施形態の第２変形例であるインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。 図１８は、図１７のＦ１８−Ｆ１８に沿ってインクジェットヘッドを切断した部分拡大断面図である。 図１９は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。 図２０は、図１９のＦ２０−Ｆ２０に沿ってインクジェットヘッドを切断した部分拡大断面図である。 図２１は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図２２は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図２３は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図２４は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図２５は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図２６は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図２７は、第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。 図２８は、図２７のＦ２８−Ｆ２８に沿ってインクジェットヘッドを切断した部分拡大断面図である。 図２９は、第４の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。 図３０は、第５の実施形態に係るインクジェットヘッドの要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
実施形態に係るインクジェットヘッドは、第１面と、この第１面と反対の第２面と、第１面と第２面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して第２面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートを有する。このノズルプレートの第２面側には、筒状体および貫通孔と連通するインク圧力室が設けられている。また、このインクジェットヘッドは、ノズルプレートを変位させてインク圧力室内のインクを貫通孔から吐出させるアクチュエータを有する。

図１は、実施形態のインクジェットプリンタ１００（以下、単に、プリンタ１００と称する）を示す概略図である。
プリンタ１００は、筐体１０１を有する。筐体１０１内には、保持ローラ２が矢印方向に回転可能に設けられている。保持ローラ２の下方には、用紙Ｐを収容した給紙カセット３が設けられている。筐体１０１の上端には、排紙トレイ１０２が設けられている。

ピックアップローラ３ａによって給紙カセット３から取り出された用紙Ｐは、２組の搬送ローラ対４ａ、４ｂによって保持ローラ２へ搬送される。保持ローラ２へ搬送された用紙Ｐは、押圧ローラ５ａによって保持ローラ２の表面に押圧されて帯電ローラ５ｂによって帯電され、保持ローラ２の表面に静電的に吸着される。保持ローラ２の表面に吸着された用紙Ｐは、保持ローラ２の回転によってさらに搬送される。保持ローラ２は、円筒状のアルミニウムにより形成されて接地されている。

保持ローラ２の回転によって搬送された用紙Ｐは、各色のインクジェットヘッド６Ｃ、６Ｍ、６Ｙ、６Ｋを通過される。各色のインクジェットヘッド６Ｃ、６Ｍ、６Ｙ、６Ｋは、それぞれ、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクを吐出して各色の画像を用紙Ｐ上に重ねて形成する。インクジェットヘッド６Ｃ、６Ｍ、６Ｙ、６Ｋは、同じ構造を有するため、以下の説明では、単に、インクジェットヘッド６と称する場合もある。

各色のインクジェットヘッド６Ｃ、６Ｍ、６Ｙ、６Ｋを通過してカラー画像が形成された用紙Ｐは、除電チャージャ７ａによって除電されて剥離爪７ｂによって保持ローラ２の表面から剥離される。保持ローラ２から剥離された用紙Ｐは、３組の排紙ローラ対８ａ、８ｂ、８ｃを介して排紙トレイ１０２へ排出される。

或いは、用紙Ｐの両面に画像を形成する場合、保持ローラ２から剥離された用紙Ｐは、排紙ローラ対８ａを介して反転部９へ送り込まれる。反転部９は、用紙Ｐの搬送方向を逆転して搬送ローラ対４ｂへ送り出すことで用紙Ｐを表裏反転する。搬送ローラ対４ｂは、反転された用紙Ｐを保持ローラ２へ再供給する。
そして、用紙Ｐが剥離された後の保持ローラ２は、クリーニングローラ１０によってクリーニングされる。

図２は、インクジェットヘッド６の分解斜視図を示す。このインクジェットヘッド６は、圧電ＭＥＭＳ型のヘッドである。
インクジェットヘッド６は、ノズルプレート１２、圧力室プレート１４、バックプレート１６、およびインク流路ブロック１８を有する。インクジェットヘッド６は、ノズルプレート１２の第１面（図示上面）が保持ローラ２の表面に対向する姿勢で取り付けられる。なお、ノズルプレート１２は、後述するように、圧力室プレート１４と一体に形成されるものであり、実際には図示のように分離されるものではない。ここでは、説明を分かり易くするため、分離して図示してある。

ノズルプレート１２は、インクを吐出するための複数のノズル孔１２ａを有する。各ノズル孔１２ａは、ノズルプレート１２の第１面（図示上面）と第２面（不図示）を連絡するようにノズルプレート１２を貫通して延びた貫通孔である。図２では、１４個のノズル孔１２ａを２列に配置した状態を示したが、実際には、より多くのノズル孔１２ａが複数列並んで設けられている。つまり、ここでは説明を分かり易くするため、ノズル孔１２ａの数を実際のものより少なく図示してある。

圧力室プレート１４は、ノズル孔１２ａにそれぞれ対向する複数のインク圧力室１４ａを備えている。各インク圧力室１４ａは、圧力室プレート１４を貫通して延びている。バックプレート１６は、複数のインク圧力室１４ａにそれぞれ対応するここでは図示しない複数のインク流通孔１６ａ（図４参照）を有する。各インク流通路１６ａも、バックプレート１６を貫通して延びている。インク流路ブロック１８は、複数のインク流通孔１６ａに連絡したインク溜まり１８ａを有する。インク溜まり１８ａの底には、インクタンク１１につながるインク流入口１８ｂおよびインク排出口１８ｃが設けられている。

インクタンク１１から供給されたインクは、インク流入口１８ｂを介してインク溜まり１８ａに流入し、インク排出口１８ｃを介してインクタンク１１へ戻される。つまり、インクは、インクタンク１１とインク溜まり１８ａの間で循環される。インク溜まり１８ａを循環するインクの一部は、バックプレート１６の複数のインク流通路１６ａを通って圧力室プレート１４の複数のインク圧力室１４ａへ供給される。そして、各インク圧力室１４ａへ供給されたインクは、以下に説明する圧電素子１３（アクチュエータ）の動作によって、ノズルプレート１２の各ノズル孔１２ａを介して吐出される。

ノズルプレート１２の第１面には、各ノズル孔１２ａに対応して複数の圧電素子１３が設けられている。各圧電素子１３は、駆動電圧を印加することでその厚み方向に変位する。圧電素子１３の変位により、ノズル孔１２ａの周りのノズルプレート１２も厚み方向に変位し、インク圧力室１４ａの容積が変化する。このように、インク圧力室１４ａの容積が変化すると、インク圧力室１４ａ内の圧力が変化し、この圧力変化によってノズル孔１２ａからインクが吐出する。

（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態のインクジェットヘッド６の要部、すなわち１つのノズル孔１２ａの周りの構造物をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。また、図４は、図３のＦ４−Ｆ４でインクジェットヘッド６を切断した部分拡大断面図である。図４では、図示簡略化のため、インク流路ブロック１８の図示を省略してある。なお、以下に説明する複数の実施形態や変形例において、１つのノズル孔１２ａに着目してヘッドの全体構成を説明する。

インクジェットヘッド６は、シリコン酸化膜からなるノズルプレート１２と、ノズルプレート１２の第１面に積層された圧電素子１３（アクチュエータ）と、ノズルプレート１２の第２面に重なる圧力室プレート１４と、圧力室プレート１４の裏面に重なるバックプレート１６と、バックプレート１６の裏面に重なるインク流路ブロック１８（ここでは図示せず）と、を有する。

ノズルプレート１２は、ノズル孔１２ａを延長して第２面から連続して一体に延びたノズル２０（筒状体）を有する。つまり、ノズル２０もノズルプレート１２と同じ材料、すなわちシリコン酸化膜により形成されており、ノズルプレート１２と同時に形成される。ノズル２０は、略円筒形であり、ノズル孔１２ａと同軸に配置され、ノズルプレート１２の第２面から離れる方向に略垂直に延びている。

ノズル２０を含むノズルプレート１２は、後述するように、シリコン基板の表面に熱を与えて酸化することにより形成される。この他に、ノズル２０を含むノズルプレート１２は、例えば、ＣＶＤ法により形成することもできる。本実施形態のノズルプレート１２は、厚さ１〜５μｍのシリコン酸化膜（二酸化シリコン）で形成される。

シリコン酸化膜は、ノズルプレート１２の均等な変形を実現するため、非晶質であることが望ましい。また、安定した組成および特性を備える膜の製造が容易という観点から、ノズルプレート１２をシリコン酸化膜で形成することが望ましい。さらに、従来の半導体プロセスとの整合性がよいという点からも、ノズルプレート１２をシリコン酸化膜で形成することが望ましい。

圧電素子１３は、下部電極３１、圧電膜３２、および上部電極３３を有する。下部電極３１をノズルプレート１２の第１面に積層し、圧電膜３２を下部電極３１の上に積層し、上部電極３３を圧電膜３２の上に積層する。圧電素子１３は、図３に示すように、ノズル孔１２ａの周囲に設けられた略円環状の薄膜である。

図２に示すように、下部電極３１は、配線を介して共通電極２２に接続され、上部電極３３は、配線を介して個別電極２４に接続されている。上部電極３３は、圧電膜３２および下部電極３１とともに延長されて配線の一部とされている。下部電極３１と上部電極３３の間に圧電膜３２が挟まれている。

圧電膜３２は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ＰＺＴ）などの電歪定数の大きな圧電材料が適している。圧電膜３２にＰＺＴを使用した場合、下部電極３１や上部電極３３として、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒなどの貴金属や、ＳｒＲｕＯ_３などの導電性の酸化物を使用することが望ましい。また、圧電膜３２として、ＡｌＮやＺｒＯ_２などのシリコンプロセスに適した圧電材料を使用することも可能である。この場合は、下部電極３１や上部電極３３として、Ａｌ、Ｃｕなどの一般の電極材料や配線材料を使用することができる。

本実施形態の圧電素子１３は、その周縁部近くがインク圧力室１４ａの外周部に重なる大きさを有し、周縁部がインク圧力室１４ａの外側のノズルプレート１２に固定されている。つまり、圧電素子１３の径は、インク圧力室１４ａの径より大きい。このため、共通電極２２と個別電極２４との間に駆動電圧を印加すると、固定されていない圧電素子１３の中央付近が厚み方向に大きく変位する。

圧力室プレート１４は、例えば、１００〜６００μｍ程度の厚さのシリコン基板により形成されている。圧力室プレート１４を貫通したインク圧力室１４ａは、インクを充填するために空洞となっている。インク圧力室１４ａは、ノズルプレート１２およびバックプレート１６によって、その軸方向の両端が塞がれている。バックプレート１６も、シリコン基板により形成されている。インクは、バックプレート１６のインク流通孔１６ａを介してインク溜まり１８ａからインク圧力室１４ａへ供給される。本実施形態のインク圧力室１４ａは、略円筒形である。

圧力室プレート１４の厚さは、１５０〜２５０μｍ程度であることが望ましい。圧力室プレート１４の厚さをこの程度に設計することにより、隣接する２つのインク圧力室１４ａの間の隔壁の剛性を保ちつつ、インク圧力室１４ａの配列密度を高くできる。

図示しない外部の駆動回路からの記録信号に基づいて、下部電極３１と上部電極３３の間に駆動電圧を印加すると、圧電膜３２が収縮して、圧電素子１３がその厚み方向に変位する。このとき、圧電素子１３の変位によって、ノズルプレート１２のノズル孔１２ａ付近がインクの吐出方向に凸となる変位を生じる。これにより、インク圧力室１４ａの体積が増大し、インク圧力室１４ａの圧力が低下し、インク流通孔１６ａを介してインク圧力生室１４ａ内にインクが流入する。

この後、下部電極３１と上部電極３３の間に印加していた駆動電圧を除去すると、圧電膜３２の収縮が元に戻り、ノズルプレート１２が駆動前の変位の無い状態に戻り、インク圧力室１４ａの体積が減少し、インク圧力室１４ａ内のインクの圧力が高まり、ノズル２０およびノズル孔１２ａを介してインク滴が吐出する。

上述したように、圧電素子１３に駆動電圧を印加してインク圧力室１４ａの体積を増大させると、バックプレート１６のインク流通孔１６ａを介してインク圧力室１４ａ内にインクが流入するとともに、ノズル孔１２ａに形成されているインクメニスカスがインク圧力室１４ａ方向に僅かに凹む。また、駆動電圧の印加を止めてインク圧力室１４ａの体積を元に戻してノズル孔１２ａからインク滴を吐出させた直後に、ノズル孔１２ａのインクメニスカスがインク圧力室１４ａ方向に僅かに凹む。

本実施形態のインクジェットヘッド６は、ノズル孔１２ａからインク圧力室１４ａに向けて延びたノズル２０を備えている。このため、インク滴の吐出時に、上記のようにインクメニスカスが凹んでも、インク圧力室１４ａ内に空気が流入する心配がない。よって、本実施形態のインクジェットヘッド６を用いた場合、吐出するインク滴の体積を従来（ノズル２０を持たないヘッド）より大きくすることができる。

また、本実施形態のインクジェットヘッド６を用いた場合、駆動電圧を印加したときのインク滴を吐出する前のインクメニスカスの位置を調節することもでき、吐出するインク滴の大きさを所望する大きさに変化させる階調制御が容易になる。なお、このような階調制御のため、インクメニスカスの位置を調節する際には、圧電素子１３に印加する駆動電圧の波形を変えれば良い。

インク圧力室１４ａの大きさとノズル２０の大きさは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。
特に、ノズル２０の長さについては、ノズル長が長くなると、駆動効率が低下するので、効率の観点から言うと、ノズル長は短い方が良い。一方、ノズル長を長くすると、上述したように、インク吐出前あるいはインク吐出後にメニスカスが大きく凹んでも、気泡が入り難くなる。また、ノズル長を長くすると、上述したように、インク滴の体積を大きくできる。さらに、ノズル長を長くすると、上述したように、インク滴の大きさを変化させる階調制御が容易になる。

インクジェットヘッド６では、インク吐出後に、吐出したインク滴の体積に相当する分だけメニスカスが凹み、あまりノズル長が短いと、気泡巻き込みなどのリスクが高まる。一般に、インク滴の径は、ノズル径と同程度であり、インク滴の径をノズル径と同じと仮定すると、メニスカス後退距離／ノズル径のアスペクト比は次式（１）で計算される。

（４／３・πｒ^３）／（πｒ^２）／（２ｒ）＝２／３ （１）
この場合、アスペクト比は０．６７程度となる。
さらに、圧電素子１３に印加する駆動電圧を上昇したり、駆動電圧の波形や周期を最適化したりすることで、インク滴の体積を３倍程度まで増加させることがある。この場合、アスペクト比は２程度となる。

つまり、アスペクト比２のノズル２０を使用することにより、インク滴の体積を３倍程度変化させた階調制御が可能になる。従って、ノズル２０の長さと径のアスペクト比は、０．５以上３以下、望ましくは０．５以上２以下である。

以下、図５乃至図１１を参照して、上記構造の第１の実施形態のインクジェットヘッド６の製造方法について説明する。
図５に示すように、まず、シリコン単結晶基板４０の平らなウェハ表面４０ａ（第１面）にリング状の溝４１を形成する。本実施形態では、溝４１は、ウェハ表面４０ａに対して略垂直に形成する。この溝４１の位置および形状（深さや幅）は、後の工程で形成するノズル２０の位置、長さ、厚さを決める。

次に、図６に示すように、ウェハ表面４０ａに熱を加えて酸化して、シリコン酸化膜からなるノズルプレート１２を形成する。ウェハ表面４０ａを酸化させると、ウェハ表面４０ａが浸食されるとともに膨張する。このとき、ウェハ表面４０ａの浸食の割合が約４５％であるのに対して膨張の割合が約５５％となるため、酸化していないシリコン単結晶基板４０’の厚みとノズルプレート１２の厚みを足した厚み（図６）は、図５のシリコン単結晶基板４０の厚みより僅かに大きくなる。

また、このとき、ウェハ表面４０ａの酸化と同時に、溝４１の内面も酸化され、溝４１の形状に応じた形状のノズル２０が形成される。本実施形態では、結果的に、シリコン酸化膜の膨張により、溝４１が埋まり、ノズルプレート１２の第２面から略垂直に突出した円筒状のノズル２０が形成される。つまり、このノズル２０は、ノズルプレート１２と同じ材質でノズルプレート１２と一体且つ同時に形成できる。このため、ノズル２０のノズルプレート１２に対する位置精度を高くでき、機械強度を高くできる。

なお、このとき、ノズル２０の壁厚は、溝４１の幅の２．２４倍の厚さになる。言い換えると、溝４１の幅を調節することにより、ノズル２０の壁厚を所望する厚さに容易に調節することができる。また、溝４１の深さを調節することにより、ノズル２０の長さを所望する長さに容易に調節することができる。

なお、本実施形態では、シリコン基板４０の表面４０ａを熱により酸化することでノズルプレート１２およびノズル２０を形成したが、熱酸化法以外に、プラズマＣＶＤ法やＴＥＯＳを原材料とするＣＶＤ法なども使用することが可能である。また、本実施形態では、シリコン基板４０の熱酸化によりノズルプレート１２およびノズル２０を形成したが、熱酸化法とプラズマＣＶＤ法やＴＥＯＳを原材料とするＣＶＤ法などを併用して形成することも可能である。

次に、図７に示すように、ノズル２０と反対のノズルプレート１２の第１面上に、環状の圧電素子１３を成膜する。圧電素子１３を成膜する場合、まず、スパッタリングによりＴｉ／Ｐｔからなる下部電極３１をノズルプレート１２の第１面上に設け、その上にスパッタリングによってＰＺＴからなる圧電膜３２を設け、さらにその上にスパッタリングによってＰｔからなる上部電極３３を設ける。そして、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによって、上部電極３３および圧電膜３２をパターニングする。さらに、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングによって、下部電極３１をパターニングする。

次に、図８に示すように、ノズルプレート１２および圧電素子１３の上面全体を覆うように、撥水製の保護膜４２を形成する。

次に、図９に示すように、保護膜４２の外側から、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、保護膜４２およびノズルプレート１２をパターニングして、ノズル２０に対向するノズル孔１２ａを形成する。このとき、ノズル２０の内側の流路の径より僅かに大きな径でノズル孔１２ａを形成する。

次に、図１０に示すように、シリコン単結晶基板４０’を、ノズルプレート１２と反対の第２面４０ｂ側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥによって部分的に除去して、インク圧力室１４ａを形成する。このとき、ノズル２０の内側のシリコン材料も除去されて、ノズル孔１２ａがインク圧力室１４ａに連通する。

次に、図１１に示すように、シリコン単結晶基板４０’の第２面４０ｂにバックプレート１６を接着する。接着法としては、例えば、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理した後、両者を密着して加圧することにより接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤を用いても良い。この後、例えば、レーザによりバックプレート１６にインク流通孔１６ａを形成する。

なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチング工程は、１つのインクジェットヘッド６のチップを製造するためのものではなく、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成するものである。そして、プロセス終了後、一枚のウェハを複数のチップに分割することで、複数のインクジェットヘッド６を同時に製造できる。

以上、本実施形態によれば、簡単なプロセスにより、ノズル２０を一体に備えたノズルプレート１２を有するインクジェットヘッドを容易に製造することができ、機械強度の高い薄型のインクジェットヘッドを提供できる。特に、ウェハ表面４０ａの溝４１の位置にノズル２０を形成できるため、ノズル２０の位置精度を高くでき、ノズル２０のノズルプレート１２に対する接続強度を高めることができる。

また、本実施形態によると、インクが接触するノズルプレート１２およびノズル２０を化学的に安定したシリコン酸化膜により形成でき、インクにより腐食する心配がない。また、本実施形態によると、吐出するインク滴の体積を大きくでき、インク滴を吐出するための駆動エネルギを大きくでき、駆動制御によりインク滴の吐出量の階調制御が可能であり、信頼性が高い、小型、集積化の容易な、圧電ＭＥＭＳ型のインクジェットヘッドを提供することができる。

（第１の実施形態の第１変形例）
図１２は、本変形例のインクジェットヘッド６’をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図１３は、図１２のＦ１３−Ｆ１３に沿ってインクジェットヘッド６’を切断した部分拡大断面図である。

本変形例のインクジェットヘッド６’は、ノズルプレート１２の第２面から一体に突設したノズルの形状が異なる以外、上述した第１の実施形態のインクジェットヘッド６と同様の構造を有する。つまり、本変形例のノズル５０は、断面積がノズル孔１２ａに向けて徐々に小さくなるテーパー状のインク流路５０ａを有する。よって、ここでは、第１の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本変形例のインクジェットヘッド６’の圧電素子１３に駆動電圧を印加してノズルプレート１２を厚み方向に変位させてインク孔１２ａからインク滴を吐出する際には、ノズル５０のインク流路５０ａが図示のようにノズル孔１２ａに向けて先細になるテーパー状であることが好ましい。つまり、先細のインク流路５０ａを通ってノズル孔１２ａに向かうインクは、圧縮されて流速が徐々に速くなるため、インク滴を吐出し易くなる。

以下、本変形例のインクジェットヘッド６’の製造方法について説明する。なお、ここでは、第１の実施形態のインクジェットヘッド６と同じ製造工程についての説明は省略する。

まず、図１４に示すように、シリコン単結晶基板４０のウェハ表面４０ａに断面Ｖ字状のリング状の溝５２を形成する。

次に、図１５に示すように、ウェハ表面４０ａを熱により酸化してシリコン酸化膜からなるノズルプレート１２およびノズル５０を同時に形成する。このとき、溝５２の底部は、酸化膜で埋められるが、溝５２の幅広の開口側には、図示のような断面Ｖ字形のリング状の空間５４が生じる場合がある。

このような空間５４が生じる場合には、図１６に示すように、ノズルプレート１２の第１面全体に有機樹脂や無機樹脂をスピンオン法により塗布して空間５４を埋め、この樹脂を硬化した後、エッチバックすることで空間５４を埋め込み材５６で埋める。なお、埋め込み材５６は、上述したスピンオン法による有機樹脂や無機樹脂に限らず、ＣＶＤ法で作成した酸化膜や窒化膜も使用することが可能である。

以降の工程は、図７乃至図１１を用いて説明した第１の実施形態のインクジェットヘッド６の製造方法と同じである。

（第１の実施形態の第２変形例）
図１７は、第１の実施形態の第２変形例のインクジェットヘッド６”をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図１８は、図１７のＦ１８−Ｆ１８に沿ってインクジェットヘッド６”を切断した部分拡大断面図である。

本変形例のインクジェットヘッド６”は、ノズルプレート１２の第１面に設けた圧電素子の形状が異なる以外、上述した第１の実施形態のインクジェットヘッド６と同様の構造を有する。つまり、本変形例のインクジェットヘッド６”は、下部電極３１、圧電膜３２、および上部電極３３を重ねた圧電素子６０をノズル孔１２ａに近付く中央寄りにレイアウトした構造を有する。よって、ここでは、第１の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

圧電素子を用いてノズルプレート１２を変形駆動するためには、圧電素子をインク圧力室１４ａの中心寄りか周囲寄りに形成することが望ましい。第１の実施形態のインクジェットヘッド６は、圧電素子１３をインク圧力室１４ａの周部に重なる外寄りに設けたが、本変形例のインクジェットヘッド６”は、インク圧力室１４ａの周部に重ならない中央寄りに圧電素子６０をレイアウトした。言い換えると、本変形例の圧電素子６０は、インク圧力室１４ａの径より小さい外径を有する。

本変形例のように、インク圧力室１４ａの中央寄りに圧電素子６０を配置することにより、第１の実施形態のように圧電素子１３を周囲寄りに配置した場合と比較して、圧電素子６０に駆動電圧を印加したときのノズルプレート１２の駆動力をやや大きくできる。このため、本変形例のインクジェットヘッド６”は、電力消費量を抑えることができる。また、圧電素子６０のサイズを第１の実施形態と比較して小さくすることができ、ヘッドの小型化が可能となる。

なお、本変形例のインクジェットヘッド６”も、ノズルプレート１２の第２面から一体に突設したシリコン酸化膜からなるノズル２０を有する。従って、本変形例のインクジェットヘッド６”も第１の実施形態のインクジェットヘッド６と同様の効果を奏することができる。

（第２の実施形態）
図１９は、第２の実施形態のインクジェットヘッド７０をインクの吐出方向から見た部分拡大平面図である。図２０は、図１９のＦ２０−Ｆ２０に沿ってインクジェットヘッド７０を切断した部分拡大断面図である。

本実施形態のインクジェットヘッド７０は、ノズルプレート１２の第２面から円筒状の枠部７２（規定枠）を一体に突設した構造を有する。枠部７２は、インク圧力室１４ａの内径を規定するために設けられている。これ以外の構成は、上述した第１の実施形態のインクジェットヘッド６と略同様である。したがって、ここでは、第１の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

第１の実施形態で説明したように、シリコン単結晶基板４０’にインク圧力室１４ａを形成する場合、シリコン単結晶基板４０’の第２面４０ｂ側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥにより、シリコン基板をエッチングして部分的に除去する。このとき、シリコン基板のエッチング速度が完全に同一にはならないことから、エッチング面先端がノズルプレート１２に達する時間にばらつきが生じる。このため、エッチング速度が速いと、ノズルプレート１２にエッチング面先端が達した後、横方向にもエッチングが生じて、ノズルプレート１２の近くでインク圧力室１４ａの内壁にノッチが形成される場合がある。このようにノッチが形成されると、インク圧力室１４ａの直径にばらつきが生じ、インク滴の駆動力にもばらつきが生じてしまう。

このような不具合を防止するため、本実施形態のインクジェットヘッド７０は、ノズルプレート１２の第２面に枠部７２を突設している。枠部７２を設けることで、横方向に広がるエッチング領域を規定し、インク圧力室１４ａの径を常に同じ直径に制御できる。

以下、第２の実施形態のインクジェットヘッド７０の製造方法について説明する。
図２１に示すように、まず、シリコン単結晶基板４０の平らなウェハ表面４０ａ（第１面）にノズル２０用の溝４１を形成するとともに、その外側に、枠部７２用のリング状の別の溝７１を形成する。本実施形態では、溝４１、７２は、ウェハ表面４０ａに対して略垂直に形成する。この溝４１の位置および形状（深さや幅）は、後の工程で形成するノズル２０の位置、長さ、厚さを決める。また、もう一方の溝７１の位置および形状（深さや幅）は、後の工程で形成する枠部７２の位置、長さ、厚さを決める。

次に、図２２に示すように、ウェハ表面４０ａの熱酸化によってシリコン酸化膜からなるノズルプレート１２、ノズル２０、および枠部７２を同時に形成する。つまり、ノズル２０および枠部７２は、ノズルプレート１２と同じ材質でノズルプレート１２と一体に形成できる。このため、ノズル２０および枠部７２のノズルプレート１２に対する位置精度を高くでき、機械強度を高くできる。枠部７２の壁厚や長さは、溝７１の幅および深さを調節することで所望する値に容易に調節できる。

なお、本実施形態では、シリコン基板４０の表面４０ａを熱により酸化することでノズルプレート１２、ノズル２０、および枠部７２を形成したが、熱酸化法以外に、プラズマＣＶＤ法やＴＥＯＳを原材料とするＣＶＤ法なども使用することが可能である。また、本実施形態では、シリコン基板４０の熱酸化によりノズルプレート１２、ノズル２０、および枠部７２を形成したが、熱酸化法とプラズマＣＶＤ法やＴＥＯＳを原材料とするＣＶＤ法などを併用して形成することも可能である。

次に、図２３に示すように、ノズル２０および枠部７２と反対のノズルプレート１２の第１面上に、環状の圧電素子１３を成膜する。そして、この後、ノズルプレート１２および圧電素子１３の上面全体を覆うように、撥水製の保護膜４２を形成する。圧電素子１３および保護膜４２の成膜工程については、上述した第１の実施形態と同じであるため、ここではその説明を省略する。

次に、図２４に示すように、保護膜４２の外側から、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより、保護膜４２およびノズルプレート１２をパターニングして、ノズル２０に対向するノズル孔１２ａを形成する。このとき、ノズル２０の内側の流路の径より僅かに大きな径でノズル孔１２ａを形成する。

次に、図２５に示すように、シリコン単結晶基板４０’を、ノズルプレート１２と反対の第２面４０ｂ側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥによって部分的に除去して、インク圧力室１４ａを形成する。このとき、ノズル２０の内側のシリコン材料も除去されて、ノズル孔１２ａがインク圧力室１４ａに連通する。

より詳細に説明すると、Ｄ−ＲＩＥ初期には、インク圧力室１４ａの直径より小さいパターンを使用してエッチングおよび側面パッシベーションを繰り返して、インク圧力室１４ａの垂直な内面１４ｂを形成する。次に、エッチング先端が一定の深さに達した後、側壁パッシベーションを弱くして外径が徐々に拡大する条件でエッチングを行い、インク圧力室１４ａの拡開したテーパー状の内面１４ｃを形成する。

このとき、シリコンとシリコン酸化膜のエッチングレート比を１００：１以上取ることができるので、ノズルプレート１２や枠部７２をほとんどオーバーエッチングすることなしにインク圧力室１４ａを形成できる。これにより、インク圧力室１４ａの容積を常に一定に制御でき、インク滴の吐出条件のバラつきを抑えることができ、均一な体積のインク滴を吐出できる。

次に、図２６に示すように、シリコン単結晶基板４０’の第２面４０ｂにバックプレート１６を接着する。接着法としては、例えば、真空雰囲気中で双方の基板表面を清浄処理した後、両者を密着して加圧することにより接着する、シリコンダイレクトボンディング法を用いても良いし、有機接着剤を用いても良い。この後、例えば、レーザによりバックプレート１６にインク流通孔１６ａを形成する。

以上のように、本実施形態においても、ノズルプレート１２の第２面にノズル２０を備えているため、簡単なプロセスにより製造することが可能であることに加えて、駆動体積が大きく、駆動エネルギが大きく、駆動制御により吐出量の階調制御が可能であり、信頼性が高い小型、集積化の容易な圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッドを提供することが可能となる。

（第３の実施形態）
図２７は、第３の実施形態のインクジェットヘッド８０の要部を部分的に拡大した部分拡大平面図である。また、図２８は、図２７のＦ２８−Ｆ２８でインクジェットヘッド８０を切断した部分拡大断面図である。

本実施形態のインクジェットヘッド８０は、圧電素子８２の形状が長方形であり、インク圧力室８４の形状も長方形である。しかし、これら圧電素子８２およびインク圧力室８４の形状以外、第１の実施形態のインクジェットヘッド６と略略同じ構造を有する。よって、ここでは、上述した第１の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態のインクジェットヘッド８０は、インク圧力室８４の平面形状が長方形であるため、第１の実施形態のインクジェットヘッド６と比較して、インク吐出エネルギが大きくなる。

なお、インク圧力室の平面形状は、第１の実施形態のような円形や本実施形態のような長方形に限定されず、長円形、楕円形、多角形など他の形態でも構わない。

（第４、第５の実施形態）
図２９は、第４の実施形態のインクジェットヘッド９１の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図であり、図３０は、第５の実施形態のインクジェットヘッド９２の要部を部分的に拡大した部分拡大断面図である。これらインクジェットヘッド９１、９２は、ノズル９３、９４、９５の形状が異なる以外、上述した第２の実施形態のインクジェットヘッド７０と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第２の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

第４の実施形態のインクジェットヘッド９１は、比較的大径のインク流路を有するノズル９３を備えている。このように、ノズル９３の内径をインク孔１２ａより大きくすると、インク滴の吐出時におけるインクメニスカスの変動幅を小さくでき、気泡の発生を抑制できる。

第５の実施形態のインクジェットヘッド９２は、インク流路の内径が比較的小さい内側ノズル９４（内側筒部）、およびこの内側ノズル９４の外側に配置したインク流路の内径が比較的大きい外側ノズル９６（外側筒部）を有する。

以上述べた少なくともひとつの実施形態のインクジェットヘッドによれば、ノズルプレートのインク圧力室側の第２面から一体に同じ材料で形成したノズルを備えいているため、製造が容易で機械強度が高い薄型のインクジェットヘッドを提供できる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。上記、実施形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施形態の説明においては、インクジェットヘッドおよびその製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェットヘッドおよびその製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェットヘッドが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
第１面と、この第１面と反対の第２面と、上記第１面と第２面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して上記第２面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートと、
このノズルプレートの上記第２面側に設けられ、上記筒状体および上記貫通孔と連通するインク室と、
上記ノズルプレートを変位させて上記インク室内のインクを上記貫通孔から吐出させるアクチュエータと、
を有するインクジェットヘッド。
［２］
上記筒状体を含む上記ノズルプレートは、シリコン酸化膜により形成されている、［１］のインクジェットヘッド。
［３］
上記アクチュエータは、上記貫通孔の周りで上記ノズルプレートの上記第１面に積層した下部電極と圧電膜と上部電極とを含む圧電素子である、［２］のインクジェットヘッド。
［４］
上記筒状体は、上記貫通孔に向けて断面積が徐々に小さくなるテーパー状のインク流路を有する、［１］のインクジェットヘッド。
［５］
上記筒状体は、上記貫通孔の径より大きい径のインク流路を有する、［１］のインクジェットヘッド。
［６］
上記筒状体は、内側筒部とこの内側筒部の外側に配置した該内側筒部より長い外側筒部とを含む、［１］のインクジェットヘッド。
［７］
上記ノズルプレートは、上記インク室の内径を規定するため、上記第２面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠を有する、［２］のインクジェットヘッド。
［８］
シリコン基板の第１面に環状の溝を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第１面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、上記シリコン基板の熱酸化により上記溝に対応する筒状体を上記ノズルプレートの第２面から連続して一体に形成する工程と、
上記筒状体と反対の上記ノズルプレートの第１面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して環状の圧電素子を成膜する工程と、
上記ノズルプレートの上記第１面と上記筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、
上記シリコン基板を上記第１面と反対の第２面側から部分的に除去して上記孔に連絡するインク室を形成する工程と、
上記シリコン基板の上記第２面にバックプレートを設ける工程と、
を有するインクジェットヘッドの製造方法。
［９］
上記環状の溝は、断面Ｖ字状である、
［８］の製造方法。
［１０］
上記ノズルプレートおよび筒状体を形成する工程の前に、上記環状の溝の外側の上記シリコン基板の上記第１面に環状の別の溝を形成する工程をさらに有し、
上記ノズルプレートおよび筒状体を形成する工程は、上記シリコン基板の熱酸化により上記別の溝に対応する規定枠を上記ノズルプレートの上記第２面から連続して一体に形成する、
［８］の製造方法。

６…インクジェットヘッド、１２…ノズルプレート、１２ａ…ノズル孔、１３…圧電素子、１４…圧力室プレート、１４ａ…インク圧力室、１６…バックプレート、１６ａ…インク流通路、１８…インク流路ブロック、１８ａ…インク溜まり、２０…ノズル、３１…下部電極、３２…圧電膜、３３…上部電極、４０…シリコン単結晶基板、４１…溝。

Claims (8)

1. 第１面と、この第１面と反対の第２面と、上記第１面と第２面を連絡する貫通孔と、この貫通孔を延長して上記第２面から連続して同じ材料で一体に延びた筒状体と、を有するノズルプレートと、
   このノズルプレートの上記第２面側に設けられ、上記筒状体および上記貫通孔と連通するインク室と、
   上記第２面から連続して同じ材料で一体に延びた規定枠と、
   上記ノズルプレートを変位させて上記インク室内のインクを上記貫通孔から吐出させるアクチュエータと、
   を有するインクジェットヘッド。
2. 上記筒状体を含む上記ノズルプレートは、シリコン酸化膜により形成されている、請求項１のインクジェットヘッド。
3. 上記アクチュエータは、上記貫通孔の周りで上記ノズルプレートの上記第１面に積層した下部電極と圧電膜と上部電極とを含む圧電素子である、請求項２のインクジェットヘッド。
4. 上記筒状体は、上記貫通孔に向けて断面積が徐々に小さくなるテーパー状のインク流路を有する、請求項１のインクジェットヘッド。
5. 上記筒状体は、上記貫通孔の径より大きい径のインク流路を有する、請求項１のインクジェットヘッド。
6. 上記筒状体は、内側筒部とこの内側筒部の外側に配置した該内側筒部より長い外側筒部とを含む、請求項１のインクジェットヘッド。
7. シリコン基板の第１面に環状の溝を形成するとともに、上記環状の溝の外側の上記シリコン基板の上記第１面に環状の別の溝を形成する工程と、
   上記シリコン基板を上記第１面側から熱酸化させてシリコン酸化膜からなるノズルプレートを形成するとともに、上記シリコン基板の熱酸化により上記溝に対応する筒状体および上記別の溝に対応する規定枠を上記ノズルプレートの第２面から連続して一体に形成する工程と、
   上記筒状体と反対の上記ノズルプレートの第１面に下部電極と圧電膜と上部電極とを順に積層して環状の圧電素子を成膜する工程と、
   上記ノズルプレートの上記第１面と上記筒状体の内側流路を連絡する孔を形成する工程と、
   上記シリコン基板を上記第１面と反対の第２面側から部分的に除去して上記孔に連絡したインク室を形成する工程と、
   上記シリコン基板の上記第２面にバックプレートを設ける工程と、
   を有するインクジェットヘッドの製造方法。
8. 上記環状の溝は、断面Ｖ字状である、
   請求項７の製造方法。

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