JP6064688B2

JP6064688B2 - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液体カートリッジ並びに画像形成装置

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Publication number: JP6064688B2
Application number: JP2013046679A
Authority: JP
Inventors: 智文清元
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: JP2014172281A

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、液体カートリッジ及び画像形成装置に関するものである。

プリンタや複写装置などの画像形成装置において、インクジェット方式が多く取り入れられている。インクジェットヘッドでは各ノズル間を狭ピッチ化していくことにより画像解像度が上げられている。そこで、半導体プロセスを応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を取り入れるなどして液滴吐出ヘッドの開発が行われている。

インクジェット方式での駆動方法としては、圧力発生手段として圧電素子などの電気機械変換により圧力室の壁面を変形させることでインク滴を吐出させる方式がよく用いられている。また、発熱抵抗体などの電気熱変換によりインクを局所的に沸騰及びバブル化させてインク滴を吐出させる方式もよく用いられている。

上記の電気機械変換方式では、圧電素子、振動板及び液室をシリコン基板上に一体形成したアクチュエータ基板（圧電素子基板）と、これらを補強するサブフレーム基板（保持基板）、ノズル孔が形成されたノズル基板などを貼り合わせ、インクジェットヘッドを形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。

図１１は、従来の液滴吐出ヘッドを説明するための概略的な断面図である。図１２は、図１１に示された液滴吐出ヘッドの概略的な分解斜視図である。図１１は、図１２のＸ−Ｘ’位置及びＹ−Ｙ’位置での断面に対応している。

液滴吐出ヘッドは、サブフレーム基板１０、アクチュエータ基板２０、ノズル基板３０を備えている。

サブフレーム基板１０は、隔壁部１１と凹部１２と貫通領域１３とインク供給孔１４を備えている。隔壁部１１はアクチュエータ基板２０との接合部となる部分である。凹部１２はアクチュエータ基板２０の振動板の上に空隙を設けるためのものである。貫通領域１３は、アクチュエータ基板２０に圧電素子駆動用ＩＣ（集積回路）を実装するための領域である。インク供給孔１４は、アクチュエータ基板２０にインクを供給するための貫通孔である。

アクチュエータ基板２０は、流路形成層２１と、振動板２２と、圧電素子２３と、層間絶縁膜２４と、金属配線材料２５と、保護膜２６と、引出し配線部２７と、接合面段差部２８ａ，２８ｂを備えている。
流路形成層２１は液室２１ａと隔壁２１ｂを備えている。

振動板２２は液室２１ａの一壁面を構成している。振動板２２には、インク供給孔１４と液室２１ａとを連通するための振動板孔２２ａ（図１２での図示は省略）が形成されている。

圧電素子２３は、振動板２２上に、下部電極層２３ａ、圧電体層２３ｂ、上部電極層２３ｃがその順に積層されて形成されている。圧電素子２３は層間絶縁膜２４（図１２での図示は省略）で覆われている。

引出し配線部２７は圧電素子２３に外部信号を伝達するためのものである。引出し配線部２７は金属配線材料２５と保護膜２６で形成されている。金属配線材料２５の一部分はパッド２５ａを構成している。金属配線材料２５は保護膜２６（図１２での図示は省略）で覆われている。

接合面段差部２８ａ，２８ｂはサブフレーム基板１０の隔壁部１１が接合される部位である。接合面段差部２８ａ，２８ｂは、金属配線材料２５と、金属配線材料２５を覆う保護膜２６で形成されている。

ノズル基板３０はノズル孔３１を備えている。ノズル孔３１は、液室２１ａ内の液体を吐出するためのものであり、液室２１ａに対応する位置に配置されている。

サブフレーム基板１０の隔壁部１１は、アクチュエータ基板２０の接合面段差部２８ａ，２８ｂに接着剤４１によって接合されている。ノズル基板３０は、アクチュエータ基板２０の隔壁２１ａに接着剤４２によって接合されている。

圧電素子２３の下部電極２３ａ及び上部電極２３ｃに所定の電圧が印加されることで、圧電体層２３ｂが伸び縮みし、振動板２２が変位する。これにより、液室２１ａの体積が変位し、液室２１ａからノズル孔３１を介してインクが吐出される。

サブフレーム基板１０の隔壁部１１とアクチュエータ基板２０の接合面段差部２８ａ，２８ｂが接合される際、接着剤４１は、例えばサブフレーム基板１０の隔壁部１１に塗布される。接着剤塗布厚は、例えば１.０〜３.０μｍ（マイクロメートル）程度である。

サブフレーム基板１０とアクチュエータ基板２０が位置合せされた後、隔壁部１１と接合面段差部２８ａ，２８ｂが接触及び加圧され、接着剤４１の架橋温度である約６０℃に加熱されて硬化される。加熱から硬化までの間に接着剤４１は一旦軟化し、接着剤４１の一部は隔壁部１１や接合面段差部２８ａ，２８ｂの側面、振動板２２上へ流れ出す。隔壁部１１と接合面段差部２８ａ，２８ｂとの間の接着剤４１の仕上がり膜厚は、例えば０.５〜１.５μｍ程度になる。

インクジェットヘッドでは、インクカートリッジ（図示は省略）から、インク供給孔１４、振動板孔２２ａ、液室２１ａを経由してノズル孔３１へとインクが供給される。そのため、接着剤４１，４２による接合部分は高い接合信頼性が求められる。

液滴吐出ヘッドにおいて、圧電素子、振動板及び液室が一体形成されたアクチュエータ基板と、サブフレーム基板、ノズル基板を貼り合わせる際には接着剤などの樹脂による接合を行うのがよく使われる技術である。

例えば図１１及び図１２に示されるように、アクチュエータ基板２０（圧電素子基板）とサブフレーム基板１０（保持基板）を貼り合わせる際には、アクチュエータ基板２０の圧電素子２３や金属配線材料２５などが形成された面と、サブフレーム基板１０が貼り合わせられる。

アクチュエータ基板２０側の接合面は、金属配線材料２５や圧電素子２３などの積層膜によって形成される段差のうち、アクチュエータ基板２０内の最上面に形成された面となることが多々ある。図１１及び図１２に示された液滴吐出ヘッドでは、引出し配線部２７上の接合面と接合面高さを合わせるために、接合面段差部２８ａ，２８ｂが配置されて、接合面の高さ調整がされている。

接合面段差部２８ａ，２８ｂは、引出し配線部２７と同じ材料、すなわち金属配線材料２５と保護膜２６で形成されている。引出し配線部２７や接合面段差部２８ａ，２８ｂを形成するための金属配線材料２５を厚膜化していくと、局所的な凝集などにより、金属配線材料２５の表面は凹凸化してくる。

金属配線材料２５の表面の凹凸が接着剤４１の厚みよりも大きくなると、接着剤４１の局所的な極薄化やボイドの発生などを招き、信頼性を落とす要因となる。このような凹凸は、金属配線材料２５以外にも、圧電素子２３や絶縁層膜２４などを用いて接合面段差部２８ａ，２８ｂを形成しても発生する可能性は高い。

このように、圧電素子のグレイン成長や配線材の異常析出などにより、アクチュエータ基板側の接合面に平滑面を得ることは難しく、アクチュエータ基板とサブフレーム基板の接合の信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、液滴吐出ヘッドにおいて、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性を向上させることを目的とする。

本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、ノズル孔を有するノズル基板と、上記ノズル孔に連通する液室を形成するための流路形成層、上記液室の壁面の一部を構成する振動板、及び、上記振動板の上記液室とは反対面に配置された圧電素子を有する圧電素子基板と、上記圧電素子に対向する部分に凹部を有し、上記圧電素子基板に接着剤によって接合された保持基板と、を備えた液滴吐出ヘッドであって、上記圧電素子基板における上記保持基板との接合面、及び上記保持基板における上記圧電素子基板との接合面は、それぞれ、ウェハ鏡面又は上記ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面を含んでおり、前記圧電素子基板は、前記保持基板との接合面に、前記圧電素子に電気的に接続された引出し配線部を備え、前記保持基板は、前記圧電素子基板との接合面に、前記引出し配線部の位置に対応する切欠き部を備えていることを特徴とするものである。

本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性を向上させることができる。

液滴吐出ヘッドの一実施例を説明するための概略的な断面図である。同実施例の概略的な分解斜視図である。液体吐出ヘッドの製造方法の一実施例を説明するための概略的な断面図であって、サブフレーム基板の形成工程例を説明するための図である。同実施例を説明するための概略的な断面図であって、図３の続きの工程を説明するための図である。同実施例を説明するための概略的な断面図であって、アクチュエータ基板の形成工程例を説明するための図である。同実施例を説明するための概略的な断面図であって、図５の続きの工程を説明するための図である。同実施例を説明するための概略的な断面図であって、サブフレーム基板、アクチュエータ基板及びノズル基板を接合する工程例を説明するための図である。液体カートリッジの一実施例を説明するための概略的な斜視図である。画像形成装置の一実施例を説明するための概略的な斜視図である。同実施例の機構部を説明するための側面図である。従来の液滴吐出ヘッドを説明するための概略的な断面図である。図１１に示された液滴吐出ヘッドの概略的な分解斜視図である。

本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、例えば、上記圧電素子基板は、上記保持基板との接合面に、上記圧電素子に電気的に接続された引出し配線部を備え、上記保持基板は、上記圧電素子基板との接合面に、上記引出し配線部の位置に対応する位置に設けられた切欠き部を備えているようにしてもよい。これにより、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性をさらに向上させることができる。

さらに、上記切欠き部は、深さが上記引出し配線部の厚み寸法よりも深く、かつ上記引出し配線部の厚みに上記接着剤の厚みを加えた寸法よりも浅い例を挙げることができる。これにより、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性をさらに向上させることができる。

本発明にかかる液体カートリッジは、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと該液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化した液体カートリッジであって、上記液滴吐出ヘッドが本発明の液滴吐出ヘッドであるものである。本発明の液体カートリッジは、本発明の液滴吐出ヘッドを備えているので、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性をさらに向上させることができ、ひいては液体カートリッジ全体の信頼性を向上させることができる。

本発明にかかる画像形成装置は、液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置であって、上記液滴吐出ヘッドが本発明の液滴吐出ヘッドであるものである。本発明の画像形成装置は、本発明の液滴吐出ヘッドを備えているので、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性をさらに向上させることができ、ひいては画像形成装置全体の信頼性を向上させることができる。

本発明にかかる液滴吐出ヘッドの製造方法は、ノズル孔を有するノズル基板と、上記ノズル孔に連通する液室を形成するための流路形成層、上記液室の壁面の一部を構成する振動板、及び、上記振動板の上記液室とは反対面に配置された圧電素子を有する圧電素子基板と、上記圧電素子に対向する部分に凹部を有し、上記圧電素子基板に接着剤によって接合された保持基板と、を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、上記圧電素子基板における上記保持基板との接合面、及び上記保持基板における上記圧電素子基板との接合面を、それぞれ、ウェハ鏡面又は上記ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面を含んで形成することを特徴とする。本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性を向上させることができる。

本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法において、例えば、上記圧電素子基板は、上記保持基板との接合面に、上記圧電素子に電気的に接続された引出し配線部を備え、上記保持基板は、上記圧電素子基板との接合面に、上記引出し配線部の位置に対応する位置に設けられた切欠き部を備えているようにしてもよい。これにより、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性をさらに向上させることができる。

本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法において、さらに、上記切欠き部は、深さが上記引出し配線部の厚み寸法よりも深く、かつ上記引出し配線部の厚みに上記接着剤の厚みを加えた寸法よりも浅い例を挙げることができる。これにより、圧電素子基板と保持基板との接合の信頼性をさらに向上させることができる。

本発明の実施の形態を説明する。本発明は、液滴吐出ヘッドのアクチュエータ基板（圧電素子基板）とサブフレーム基板（保持基板）との接合に関して、以下の特徴を有する。

本発明の液滴吐出ヘッドは、アクチュエータ基板におけるサブフレーム基板との接合面として、基材であるシリコンウェハの鏡面そのもの、又は該ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面を含んでいる。

これにより、本発明の液滴吐出ヘッドは、厚膜配線でのグレイン成長や異常析出など、表面の粗さ（ラフネス）の影響を排除して、アクチュエータ基板とサブフレーム基板との接合において、鏡面対鏡面での接合を実現することができる。

ただし、この場合、アクチュエータ基板上の圧電素子や金属配線が接合面より高い位置になるため、接合時に干渉することが考えられる。そのため、サブフレーム基板側に上記圧電素子等の干渉をなくすための凹部を形成しておく。しかし、それだけでは、例えば駆動ＩＣへの引出し配線部のように、アクチュエータ基板とサブフレーム基板との間で封止しておきたい領域に隙間が生じる不具合がでてくる。

そのため、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、サブフレーム基板は、アクチュエータ基板との接合面に、引出し配線部の位置に対応する位置に設けられた切欠き部を備えているようにしてもよい。つまり、サブフレーム基板の凹部形成を２段階の深さで形成する。具体的には、振動板上の空隙形成など、比較的大きな空隙形成用の深堀パターン（凹部）と、配線逃がし用の浅堀パターン（切欠き部）の両方を形成したサブフレーム基板を用いる。

上記切欠き部を備えたサブフレーム基板と、アクチュエータ基板とが貼り合せられた際、浅堀パターン（切欠き部）と配線との間が接着剤によってシールされるように、浅堀パターンの深さの調整を行っておくことが好ましい。これにより、所望の箇所、例えば圧電素子上の空隙を封止することができる。

本発明の実施形態を説明するにあたり、ＭＥＭＳ技術を用いて作製されるインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）の構造について簡単に説明する。
インクジェットヘッドはアクチュエータ基板、サブフレーム基板、ノズル基板からなり、それぞれが接着剤により貼り付けされている。

アクチュエータ基板には、インクを溜め込む液室、その一壁が可動できるよう薄い振動板、振動板を駆動させるためのアクチュエータが一体で形成されている。このアクチュエータの駆動を振動板に伝達させて液室体積を変化させることで、インクジェットヘッドはインク液滴を吐出することができる。

アクチュエータ基板の厚さは、上記液室の体積に大きく関与するため、例えば数十μｍ厚程度まで薄化される。そこで、アクチュエータ基板には、補強用にサブフレーム基板が貼り付けられる。

アクチュエータ基板上には、振動板を駆動させるための圧電素子や駆動ＩＣのための引出し配線部が形成されており、基板表面には数μｍの段差が形成されている。そのため、従来技術では、アクチュエータ基板とサブフレーム基板の接合面は、これら段差よりも高い位置にされている。一般的には、圧電素子材料や配線材料を積層して、接合面をアクチュエータ基板の最上段高さとなるように設計されている。

この場合、圧電素子のグレイン成長や配線材料の局所的な析出などにより、接合面はかなりの凹凸が発生する。貼り合わせに用いられる接着剤厚は、例えば０.５〜数μｍ程度とかなり薄めであるため、接合面における上記凹凸の高さの方が接着剤厚よりも大きくなる場合には、局所的な接合不良や接着剤厚の極薄化による信頼性の低下などが問題となってくる。

本発明では、アクチュエータ基板において、サブフレーム基板との接合面として、基板の鏡面部分又は該鏡面部分上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面を含んでいるようにした。これにより、上述のような凹凸に起因する不具合がなく、信頼性の高い接合を行うことが可能となる。

ただし、同じく前述のように、圧電素子や配線からなる凹凸形状が接合時にサブフレーム基板と干渉させることがないように、サブフレーム基板側には凹部を形成する必要がある。また、この凹部に関しては、２段階エッチングにより浅い座繰り（切欠き部）と深い座繰り（凹部）を形成することが好ましい。浅い座繰りのほうは、集約された配線などと、余剰接着剤とにより充填され、封止された空間を形成するための壁面の一部を形成する。深い座繰りのほうは、振動板上の逃げ空間（空隙）などを形成するように配列されるように設計が行われる。

以下に、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は、液滴吐出ヘッドの一実施例を説明するための概略的な断面図である。図２は、この実施例の概略的な分解斜視図である。

液滴吐出ヘッドは、サブフレーム基板１０（保持基板）、アクチュエータ基板２０（圧電素子基板）、ノズル基板３０を備えている。

サブフレーム基板１０は、隔壁部１１と凹部１２と貫通領域１３とインク供給孔１４と切欠き部１５を備えている。
隔壁部１１はアクチュエータ基板２０との接合部となる部分である。
凹部１２はアクチュエータ基板２０の振動板の上に空隙を設けるためのものである。

貫通領域１３は、アクチュエータ基板２０に圧電素子駆動用ＩＣを実装するための領域である。
インク供給孔１４は、アクチュエータ基板２０にインクを供給するための貫通孔である。
切欠き部１５は、隔壁部１１におけるアクチュエータ基板２０との接合面に、アクチュエータ基板２０の金属配線材料２５の位置に対応する位置に設けられている。

アクチュエータ基板２０は、流路形成層２１と、振動板２２と、圧電素子２３と、層間絶縁膜２４と、金属配線材料２５及び保護膜２６を含む引出し配線部２７と、を備えている。図２において、層間絶縁膜２４及び保護膜２６の図示は省略されている。

流路形成層２１は、液室２１ａと隔壁２１ｂを備えている。液室２１ａは、吐出される液体が貯留される空間である。隔壁２１ｂは、液室２１ａの側面を構成し、液室２１ａの形成位置を画定している。

振動板２２は、流路形成層２１の液室２１ａ上及び隔壁２１ｂ上に配置されている。振動板２２は、例えば、シリコン酸化物層、シリコン窒化物層、ポリシリコン層など複数層の膜で形成されている。振動板２２は、液室２１ａの一壁面を構成している。振動板２２は液室２１ａの一壁面を構成している。振動板２２には、インク供給孔１４と液室２１ａとを連通するための振動板孔２２ａが形成されている。

圧電素子２３は、振動板２２上に、下部電極層２３ａ、圧電体層２３ｂ、上部電極層２３ｃがその順に積層されて形成されている。圧電体層２３ｂは例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜で形成されている。

層間絶縁膜２４は、圧電素子２３を覆って振動板２２上に形成されている。層間絶縁膜２４は、圧電素子２３の保護膜として機能する。
金属配線材料２５は圧電素子２３に外部信号を伝達するためのものである。金属配線材料２５の一部分はパッド２５ａを構成している。

保護膜２６は、金属配線材料２５を覆って層間絶縁膜２４上に形成されている。パッド２５ａ上の保護膜２６は除去されている。
引出し配線部２７は、金属配線材料２５及び保護膜２６によって構成されている。

サブフレーム基板１０の隔壁部１１は、アクチュエータ基板２０の振動板２２の表面に接着剤４１によって接合されている。ノズル基板３０は、アクチュエータ基板２０の隔壁２１ａに接着剤４２によって接合されている。

上述のように、サブフレーム基板１０は、隔壁部１１におけるアクチュエータ基板２０との接合面に、アクチュエータ基板２０の金属配線材料２５の位置に対応する位置に設けられた切欠き部１５を備えている。

隔壁部１１におけるアクチュエータ基板２０との接合面からの切欠き部１５の深さは、引出し配線部２７の厚み寸法（振動板２２上の層間絶縁膜２４、金属配線材料２５及び保護膜２６の合計の厚み寸法）よりも深い。また、切欠き部１５の深さは、引出し配線部２７の厚み寸法に、接着剤４１の厚みを加えた寸法よりも浅い。

また、切欠き部１５の幅寸法は、引出し配線部２７の幅寸法（金属配線材料２５の幅寸法と、金属配線材料２５の側面における保護膜２６の厚み寸法の合計の寸法）よりも広い。また、切欠き部１５の幅寸法は、引出し配線部２７の幅寸法に、接着剤４１の厚みを加えた寸法よりも狭い。

すなわち、切欠き部１５の内壁面と、引出し配線部２７（アクチュエータ基板２０）との間には、接着剤４１が充填されている。

この実施例では、サブフレーム基板１０の加工により、サブフレーム基板１０の隔壁部１１において、振動板２２との接合面と引出し配線部２７との接合面（切欠き部１５）との高さを異ならせている。この実施例は、図１１及び図１２に示された接合面段差部２８ａ，２８ｂを有さずに、隔壁部１１と振動板２２とを接着剤４１により接合している。さらに、切欠き部１５の内壁面と引出し配線部２７との間には、接着剤４１が充填されている。

これにより、この実施例は、隔壁部１１と振動板２２との接合部分において、ウェハの鏡面同士を接合することができる。したがって、この実施例は、サブフレーム基板１０とアクチュエータ基板２０との接合部について、接合面凹凸の懸念なく、信頼性の高い接合を得ることができる。

また、サブフレーム基板１０と引出し配線部２７との接合部分においては、パッド２５ａに動用ＩＣが実装される際に貫通領域１３に充填されるアンダーフィル等の樹脂に対するシール性が求められる。接合性能としては、アンダーフィル充填から硬化までの間に、アンダーフィルが引出し配線部２７を伝って圧電素子２３上に流れ出さないシール性が必要となる。

この実施例では切欠き部１５の内壁面と引出し配線部２７との間に接着剤４１が充填されているので、この実施例は、アンダーフィル等の樹脂が貫通領域１３側から凹部１２側へ流れ込むのを防止することができる。

図３から図７は、液体吐出ヘッドの製造方法の一実施例を説明するための概略的な断面図である。この製造方法の実施例は、図１及び図２に示された液体吐出ヘッドの形成工程例である。図３及び図４は、サブフレーム基板の形成工程例を説明するための図である。図５及び図６は、アクチュエータ基板の形成工程例を説明するための図である。図７は、サブフレーム基板、アクチュエータ基板及びノズル基板を接合する工程例を説明するための図である。

図３から図７を参照して、この製造方法の実施例を説明する。なお、本発明の液体吐出ヘッドは、この製造方法の実施例によって形成されるものに限定されない。また、液体吐出ヘッドの製造方法は、この実施例に限定されない。

図３及び図４を参照してサブフレーム基板の形成工程例を説明する。以下に説明する各工程のかっこ数字は図３及び図４の中のかっこ数字に対応している。

（１）例えばシリコンウェハからなるサブフレーム基板１０の上に、エッチングマスク材となるシリコン酸化膜５１を形成する。サブフレーム基板１０は、例えば、厚みが４００μｍ、面方位が＜１００＞のシリコンウェハである。シリコン酸化膜５１は、熱酸化又はＣＶＤ（化学気相成長）法により、所望の膜厚で形成されたものである。

（２）写真製版技術及びエッチング技術により、シリコン酸化膜５１のパターンを形成する。シリコン酸化膜５１のパターンは、隔壁部１１の形成予定領域に形成され、凹部１２及び切欠き部１５の両方に開口を有するパターンとなっている。

（３）写真製版技術によってレジスト５２のパターンを形成する。レジスト５２のパターンは、隔壁部１１の形成予定領域に形成される。ただし、切欠き部１５の形成予定領域に対応する隔壁部１１の形成予定領域には形成されない。

（４）レジスト５２をマスク材として、サブフレーム基板１０に対してエッチングを行って、凹部１２の一部分、貫通領域１３の一部分、及びインク供給孔１４の一部分を形成する。このエッチング深さは、所望の凹部１２の深さから、切欠き部１５の深さを差し引いた深さに制御される。

（５）レジスト５２を除去する。シリコン酸化膜５１をマスクとしてエッチングを行って、凹部１２、貫通領域１３の一部分、インク供給孔１４の一部分、及び切欠き部１５を形成する。このエッチング深さは、切欠き部１５の深さとなるため、引出し配線部２７の高さ以上、かつ引出し配線部２７に接着剤４１の厚みを加えた高さ以下に制御する。

（６）シリコン酸化膜５１を除去する。サブフレーム基板１０の表裏を反転させる。写真製版技術により、レジスト５３のパターンを形成する。レジスト５３のパターンは、駆動用ＩＣ実装領域などの貫通領域１３、及びインクを供給するためのインク供給孔１４を開口するパターンである。

（７）レジスト５３をマスクとして用いて、サブフレーム基板１０をエッチングし、貫通領域１３及びインク供給孔１４貫通孔を形成する。レジスト５３を除去する。これにより、サブフレーム基板１０の形成工程が完了する。

図５及び図６を参照してアクチュエータ基板の形成工程例を説明する。以下に説明する各工程のかっこ数字は図５及び図６の中のかっこ数字に対応している。

（１）アクチュエータ基板２０を形成するために、流路形成層２１上に振動板２２を成膜する。流路形成層２１は、例えば、厚みが６２５μｍ、面方位が＜１００＞のシリコンウェハである。流路形成層２１の上に熱酸化法及びＣＶＤ法により、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びポリシリコン膜をそれぞれ所望の膜厚で形成して振動板２２を形成する。

（２）振動板２２上に、圧電素子２３を形成するための下部電極層２３ａ、圧電体層２３ｂ、上部電極層２３ｃをその順に成膜する。下部電極層２３ａは、例えば、スパッタ法によって順次成膜されたＳｒＲｕＯ₃（ＳＲＯ）膜／Ｐｔ膜／Ｔｉ膜の積層膜である。圧電体層２３ｂは、例えば、ゾルゲル法によって成膜されたＰＺＴ膜である。上部電極層２３ｃは、例えば、スパッタ法によって順次成膜されたＳＲＯ膜／Ｐｔ膜の積層膜である。

（３）写真製版技術及びエッチング技術により、上部電極層２３ｃ、圧電体層２３ｂ、下部電極層２３ａを順次パターニングして、圧電素子２３のパターンを形成する。この形成工程例では、上部電極層２３ｃ、圧電体層２３ｂ、下部電極層２３ａを別々にパターニングしている。ただし、例えば、上部電極層２３ｃと圧電体層２３ｂ、もしくは圧電体層２３ｂと下部電極層２３ａを、同一マスクパターンを用いて一括でパターニングしてもよい。

（４）層間絶縁膜２４を形成する。層間絶縁膜２４は、圧電素子２３を覆っている。層間絶縁膜２４は、例えば、ＡＬＤ（アトミックレイヤーデポジション）法によって形成されたＡｌ₂Ｏ₃膜と、ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜の積層体からなる２層構造で形成される。写真製版技術及びエッチング技術により、層間絶縁膜２４に引出し配線部用のコンタクトホールを形成する。このとき、サブフレーム基板１０が接合される領域の層間絶縁膜２４も除去される。

（５）圧電素子２３に外部信号を伝達するための金属配線材料２５ａを形成する。金属配線材料２５ａは、例えば、スパッタ法によってＡｌ膜／ＴｉＮ膜の積層膜が成膜された後に、写真製版技術及びエッチング技術によってパターニングされたものである。

保護膜２６としてのパッシベーション膜を成膜する。写真製版技術及びエッチング技術により、保護膜２６にパッド開口を形成して、金属配線材料２５ａの一部分からなるパッド２５ａを露出させる。このとき、サブフレーム基板１０が接合される領域の保護膜２６も除去される。

（６）写真製版技術及びエッチング技術により、振動板２２の一部を開口し、振動板孔２２ａを形成する。振動板孔２２ａは、サブフレーム基板１０のインク供給孔１４の位置に対応する位置に形成される。インクカートリッジから供給されたインクは、振動板孔２２ａを介して液室２１ａに流入されることとなる。

図７を参照して、サブフレーム基板、アクチュエータ基板及びノズル基板を接合する工程例を説明する。以下に説明する各工程のかっこ数字は図７の中のかっこ数字に対応している。

（１）サブフレーム基板１０の隔壁部１１の接合面に、印刷技術により接着剤４１を塗布する。このとき、印刷押込み圧を調整し、切欠き部１５の内部にも接着剤４１を塗布する。ボンディング装置により、アクチュエータ基板２０とサブフレーム基板１０を位置合せして、接地及び加圧した後、昇温して接着剤４１を硬化させる。接着剤４１は、例えば６０〜１００℃程度で、数分間で硬化されるものであるが、加圧及び昇温により、余剰の接着剤４１が流れ出す。これにより、サブフレーム基板１０とアクチュエータ基板２０が接合される。

（２）サブフレーム基板１０が接合されたアクチュエータ基板２０の流路形成層２１を研磨技術により所望の厚みに薄化する。写真製版技術及びエッチング技術により、流路形成層２１を加工して、液室２１ａ及び隔壁２１ｂを形成する。研磨により薄化された流路形成層２１の厚みは、液室２１ａの体積に合わせて所望の値に調整される。

（３）ノズル基板３０と、アクチュエータ基板２０の隔壁２１ｂを接着剤４２によって接合する。接着剤４２は、例えば接着剤４１と同じものである。ただし、接着剤４１と接着剤４２は、成分が互いに異なるものであってもよい。

これらの工程を経て、図１及び図２に示された液滴吐出ヘッドを完成させることができる。

図８は、液体カートリッジの一実施例を説明するための概略的な斜視図である。
液体カートリッジ２０１は、ノズル孔２０２等を有する上記実施例の液滴吐出ヘッド２０３と、液滴吐出ヘッド２０３に対して液体を供給する液体タンク２０４とを一体化したものである。

このように液体タンク一体型のヘッドの場合、液滴吐出ヘッド２０３の性能はただちに液体カートリッジ２０１全体の性能につながるので、信頼性の高い液滴吐出ヘッド２０３を使用することにより、信頼性の高い液体カートリッジ２０１を得ることができる。

図９は、画像形成装置の一実施例を説明するための概略的な斜視図である。図１０はこの実施例の機構部を説明するための側面図である。

画像形成装置３０１は、記録装置本体３０２の内部に印字機構部３０３等を収納している。印字機構部３０３は、主走査方向に移動可能なキャリッジ３１０、キャリッジ３１０に搭載した本発明を実施した液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド３１１、記録ヘッド３１１へインクを供給するインクカートリッジ３１２等で構成されている。画像形成装置３０１は、記録装置本体３０２の下方部には前方側から多数枚の用紙３０４を積載可能な給紙カセット（又は給紙トレイでもよい。）３０５を抜き差し自在に装着することができる。また、画像形成装置３０１は、用紙３０４を手差しで給紙するための手差しトレイ３０６を開倒することができる。画像形成装置３０１は、給紙カセット３０５又は手差しトレイ３０６から給送される用紙３０４を取り込み、印字機構部３０３によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ３０７に排紙する。

印字機構部３０３は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド３０８と従ガイドロッド３０９とでキャリッジ３１０を主走査方向（図１０で紙面垂直方向）に摺動自在に保持している。キャリッジ３１０にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッドが複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列されている。記録ヘッドはインク滴吐出方向を下方に向けて装着されている。また、キャリッジ３１０には記録ヘッドに各色のインクを供給するための各インクカートリッジ３１２が交換可能に装着されている。

インクカートリッジ３１２は、上方に大気と連通する大気口を有し、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を有している。また、インクカートリッジ３１２は、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色の記録ヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ３１０は、後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド３０８に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド３０９に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ３１０を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ３１３で回転駆動される駆動プーリ３１４と従動プーリ３１５との間にタイミングベルト３１６が張装されている。キャリッジ３１０はタイミングベルト３１６に固定されており、主走査モータ３１３の正逆回転によりキャリッジ３１０が往復駆動される。

給紙カセット３０５にセットした用紙３０４を記録ヘッドの下方側に搬送するために、給紙ローラ３１７、フリクションパッド３１８、ガイド部材３１９、搬送ローラ３２０、搬送コロ３２１及び先端コロ３２２が設けられている。給紙ローラ３１７及びフリクションパッド３１８は給紙カセット３０５から用紙３０４を分離給装する。ガイド部材３１９は用紙３０４を案内する。搬送ローラ３２０は給紙された用紙３０４を反転させて搬送する。搬送コロ３２１は搬送ローラ３２０の周面に押し付けられる。先端コロ３２２は搬送ローラ３２０からの用紙３０４の送り出し角度を規定する。搬送ローラ３２０は副走査モータ３２３によってギヤ列を介して回転駆動される。

キャリッジ３１０の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ３２０から送り出された用紙３０４を記録ヘッド３１１の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材３２４が設けられている。印写受け部材３２４の用紙搬送方向下流側には、用紙３０４を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ３２５、拍車３２６が設けられている。さらに用紙３０４を排紙トレイ３０７に送り出す排紙ローラ３２７及び拍車３２８と、排紙経路を形成するガイド部材３２９，３３０が配設されている。

記録時には、キャリッジ３１０を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド３１１を駆動することにより、停止している用紙３０４にインクを吐出して１行分を記録し、用紙３０４を所定量搬送後次の行の記録を行なう。記録終了信号又は用紙３０４の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙３０４を排紙する。

また、キャリッジ３１０の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッドの吐出不良を回復するための回復装置３３１が配置されている。回復装置３３１はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ３１０は印字待機中にはこの回復装置３３１側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッドをキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッドの吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（図示は省略）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

このように、画像形成装置３０１においては本発明を実施した液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド３１１が搭載されている。記録ヘッド３１１の性能はただちに画像形成装置３０１全体の性能につながるので、本発明を実施した液滴吐出ヘッドからなる信頼性の高い記録ヘッド３１１を使用することにより、信頼性の高い画像形成装置３０１を得ることができる。

なお、本発明にかかる画像形成装置は、プリンタ、ファクシミリ装置、複写装置、これらの複合機などにも適用することができる。また、本発明にかかる画像形成装置は、インク以外の液体、例えばＤＮＡ試料やレジスト、パターン材料などを吐出する液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置、又はこれらを備えた画像形成装置にも適用することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での数値、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では、アクチュエータ基板２０におけるサブフレーム基板１０との接合面は、シリコンウェハからなる流路形成層２１上に均一な膜厚で形成された振動板２２（ウェハ鏡面）である。ただし、本発明において、圧電素子基板のウェハ鏡面はこれに限定されない。例えば、圧電素子基板においてサブフレーム基板が接合されるウェハ鏡面は、半導体ウェハ、例えばシリコンウェハそのものであってもよいし、ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された膜の表面の鏡面であってもよい。

なお、本発明において、ウェハ鏡面とは、半導体ウェハのウェハ鏡面そのものの他に、半導体ウェハのウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜であって、該膜の表面が鏡面になっているものを含む。ここで、上記１層の膜及び上記複数層の膜を構成する各膜は、絶縁膜であってもよいし、導電膜であってもよいし、半導体膜であってもよい。

また、上記実施例では、アクチュエータ基板２０におけるサブフレーム基板１０との接合面は振動板２２（ウェハ鏡面）であるが、本発明において、圧電素子基板における保持基板との接合面は、ウェハ鏡面に限定されない。本発明において、圧電素子基板における保持基板との接合面は、ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面であってもよい。例えば、該絶縁膜の表面は、層間絶縁膜２４の表面であってもよいし、保護膜２６の表面であってもよい。

また、上記実施例では、サブフレーム基板１０におけるアクチュエータ基板２０との接合面はシリコンウェハのウェハ鏡面そのものであるが、本発明において、保持基板における圧電素子基板との接合面は、これに限定されない。保持基板における圧電素子基板との接合面は、他の半導体ウェハのウェハ鏡面であってもよいし、ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面であってもよい。

また、本発明の液滴吐出ヘッドは、上記実施例の液滴吐出ヘッドの構成に限定されない。本発明の液滴吐出ヘッドは、圧電素子基板と保持基板が接着剤によって接合された液滴吐出ヘッドであれば、どのような構成の液滴吐出ヘッドに対しても適用できる。

また、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、１つ液室に複数のノズル孔が配置されていてもよい。

１０サブフレーム基板（保持基板）
１２凹部
１５切欠き部
２０アクチュエータ基板（圧電素子基板）
２１流路形成層
２１ａ液室
２２振動板
２３圧電素子
２７引出し配線部
３０ノズル基板
３１ノズル孔
４１接着剤
２０１液体カートリッジ
２０３液滴吐出ヘッド
３０１画像形成装置

特開２００９−７８５３４号公報

Claims

ノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル孔に連通する液室を形成するための流路形成層、前記液室の壁面の一部を構成する振動板、及び、前記振動板の前記液室とは反対面に配置された圧電素子を有する圧電素子基板と、前記圧電素子に対向する部分に凹部を有し、前記圧電素子基板に接着剤によって接合された保持基板と、を備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
前記圧電素子基板における前記保持基板との接合面、及び前記保持基板における前記圧電素子基板との接合面は、それぞれ、ウェハ鏡面又は前記ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面を含んでおり、
前記圧電素子基板は、前記保持基板との接合面に、前記圧電素子に電気的に接続された引出し配線部を備え、
前記保持基板は、前記圧電素子基板との接合面に、前記引出し配線部の位置に対応する切欠き部を備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記切欠き部は、深さが前記引出し配線部の厚み寸法よりも深く、かつ前記引出し配線部の厚みに前記接着剤の厚みを加えた寸法よりも浅い、請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと該液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体タンクを一体化した液体カートリッジにおいて、
前記液滴吐出ヘッドが請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液体カートリッジ。
液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置において、
前記液滴吐出ヘッドが請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
ノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル孔に連通する液室を形成するための流路形成層、前記液室の壁面の一部を構成する振動板、及び、前記振動板の前記液室とは反対面に配置された圧電素子を有する圧電素子基板と、前記圧電素子に対向する部分に凹部を有し、前記圧電素子基板に接着剤によって接合された保持基板と、を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記圧電素子基板における前記保持基板との接合面、及び前記保持基板における前記圧電素子基板との接合面を、それぞれ、ウェハ鏡面又は前記ウェハ鏡面上に均一な膜厚で形成された１層又は複数層の膜の表面を含んで形成しており、
前記圧電素子基板は、前記保持基板との接合面に、前記圧電素子に電気的に接続された引出し配線部を備え、
前記保持基板は、前記圧電素子基板との接合面に、前記引出し配線部の位置に対応する位置に設けられた切欠き部を備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記切欠き部は、深さが前記引出し配線部の厚み寸法よりも深く、かつ前記引出し配線
部の厚みに前記接着剤の厚みを加えた寸法よりも浅い、請求項５に記載の液滴吐出ヘッド
の製造方法。