JP6503484B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ノズルに連通したインク圧力室にインクを循環させるタイプのインクジェット式記録ヘッドに関する。

インクジェット式記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通するインク圧力室と、このインク圧力室内のインクを加圧するアクチュエータとを備える。このヘッドは、アクチュエータを駆動することでインク圧力室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる。

アクチュエータとして、例えば、圧電素子を用いてインク圧力室の壁面（振動板）を変形変位させることでインク滴を吐出させる圧電型のものが知られている。圧電型のアクチュエータは、圧電素子がインクに直接接触せず、圧電素子の発熱も無視できるため、使用するインクの種類に制約がないという利点がある。よって、半導体プロセス技術を上記圧電型に適用した、いわゆる圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッドが注目されている。

特開２０００−２６３７８５号公報 特開２００８−１０５２８号公報

インク圧力室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させる場合、十分な吐出圧力を得るために、インク圧力室内のインクの圧力を保持する必要がある。このため、通常、インク圧力室とインク供給路の間に狭隘部（オリフィス）を設ける。

一方、インク吐出動作中にインク圧力室内で気泡が発生すると、インク滴を吐出させるための圧力が気泡に吸収されて吐出不良を生じる。このため、インク圧力室にインクを循環させて気泡を除去するようにしたヘッドが知られている。

しかし、インクの供給経路にオリフィスを設けると、インクが流れ難くなり、気泡の除去が不十分となる。

よって、十分な吐出圧力でインク滴を良好に吐出させることができるインクジェット式記録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式記録ヘッドは、第１の方向に配列された複数のインク圧力室と、各インク圧力室の第１の方向の中央に連通したノズルと、各インク圧力室の第１の方向の一端に連通して第１の方向と交差する第２の方向に配列され、各インク圧力室へインクを個別に供給する複数の個別インク供給路と、各インク圧力室の第１の方向の他端に連通して第２の方向に配列され、各インク圧力室からインクを個別に排出させる複数の個別インク排出路と、各インク圧力室内のインクを加圧してノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、複数の個別インク供給路の各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路と、複数の個別インク排出路の各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路と、を有する。複数の個別インク供給路がインク圧力室に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅が、個別インク供給路が共通インク供給路に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅と同じであり、複数の個別インク排出路がインク圧力室に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅が、個別インク排出路が共通インク排出路に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅と同じであり、インク圧力室、個別インク供給路、および個別インク排出路をつなげた個別インク流路の長さが、インク滴の吐出時にインク圧力室で発生するインクの圧力変化に基づく振動波が共通インク供給路および共通インク排出路に伝わらない長さである。

実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、第１の方向に配列された複数のインク圧力室を有する第１基板と、この第１基板の第１面に積層され、各インク圧力室の第１の方向の中央に連通したノズルを各インク圧力室毎に有するノズルプレートと、第１基板の第１面と反対の第２面に積層され、各インク圧力室の第１の方向の一端に連通して対応するインク圧力室へインクを供給する複数の個別インク供給路、および、各インク圧力室の第１の方向の他端に連通して対応するインク圧力室からインクを排出させる複数の個別インク排出路が、その厚さ方向に配列された第２基板と、ノズルプレートの第１基板と反対側の面で各ノズルの周りに設けられ、各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧してノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、第２基板の第１基板と反対側に積層され、複数の個別インク供給路の各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路、および、複数の個別インク排出路の各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路を有する第３基板と、を有する。複数の個別インク供給路がインク圧力室に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅は、個別インク供給路が共通インク供給路に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅と同じであり、複数の個別インク排出路がインク圧力室に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅は、個別インク排出路が共通インク排出路に連通した端部の第１の方向に沿った開口幅と同じである。インク圧力室、個別インク供給路、および個別インク排出路をつなげた個別インク流路の長さは、インク滴の吐出時にインク圧力室で発生するインクの圧力変化に基づく振動波が共通インク供給路および共通インク排出路に伝わらない長さである。

図１は、第１の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す部分拡大断面図である。 図２は、図１の構成を複数備えたインクジェット式記録ヘッドを部分的に示す概略斜視図である。 図３は、図２のインクジェット式記録ヘッドのインク圧力室、個別インク供給路、個別インク排出路、共通インク供給路、および共通インク排出路の重なり具合を示す概略図である。 図４は、インク圧力室の長さとインク滴の体積の関係をシミュレートするためのヘッドのモデルを示す概略断面図である。 図５は、図４のモデルを用いたシミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図７は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図８は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図９は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１０は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１１は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１２は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１３は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１４は、図１のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 図１５は、図１のインクジェット式記録ヘッドのインク圧力室の形状を説明するための図である。 図１６は、第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す部分拡大断面図である。 図１７は、第３の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す部分拡大断面図である。 図１８は、第４の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００（以下、単に、ヘッド１００と称する）の要部を示す部分拡大断面図である。図２は、図１の構成を複数備えたヘッド１００の一部を示す概略斜視図である。図２では、圧電素子５０およびその配線構造を見易くするため、絶縁膜６０の図示を省略してある。ヘッド１００は、図２に示すように、その表面に複数の圧電素子５０を行列状に並べて有する。圧電素子５０の行の数や列の数は、任意に変更可能である。

本実施形態のヘッド１００は、圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッドである。ヘッド１００は、例えばＳｉにより形成した駆動基板１０（第１基板）、例えばＳｉにより形成した流路基板２０（第２基板）、例えばＳｉにより形成した供給基板３０（第３基板）、Ｓｉ酸化膜（熱酸化膜）により形成したノズルプレート４０（振動板）、および複数の圧電素子５０（アクチュエータ）を有する。複数の圧電素子５０を備えたノズルプレート４０の駆動基板１０から離間した側の表面４０ａ上には絶縁膜６０が設けられている。供給基板３０の流路基板２０から離間した側の背面には、Ｓｉ酸化膜からなる熱酸化膜７０が設けられている。

駆動基板１０は、その第１面１０ａ（流路基板２０から離間した面）と第２面１０ｂ（流路基板２０側の面）を連絡して基板を貫通した複数の細長いインク圧力室１１を有する。複数のインク圧力室１１は、駆動基板１０の面方向に沿った第１の方向（以下、長手方向とする場合もある）にそれぞれ延設された長孔であり、この第１の方向と直交する面方向に沿った並び方向に一定のピッチで並べて設けられている。

インク圧力室１１は、それぞれ、ヘッド１００の表面に設けた圧電素子５０に一対一で対応して設けられている。複数の圧電素子５０は、図２に示すように、第１の方向に延びた略長円形の外観を有し、複数列（図２では２列のみ図示）に並べて形成されている。各圧電素子５０の配線のため、隣接する２列の圧電素子５０は、並び方向に１／２ピッチずつ交互にずれてレイアウトされている。つまり、駆動基板１０に設けた複数のインク圧力室１１も、隣接する２列の間で並び方向に１／２ピッチずつ互いにずれて配置されている。

複数列のインク圧力室１１は、それぞれ長手方向の両端が並び方向に揃っている。各インク圧力室１１の長手方向に沿った長さは、２００μｍ〜６００μｍ程度であり、各インク圧力室１１の並び方向に沿った幅は５０〜１００μｍ程度であり、並び方向のピッチは、６０〜１５０μｍ程度である。本実施形態では、インク圧力室１１の断面形状を、圧電素子５０より一回り大きい略長円形にした。

駆動基板１０は、例えば５０〜３００μｍの厚みを有し、望ましくは３０〜２００μｍの厚みを有する。駆動基板１０の厚みは、並び方向に隣接するインク圧力室１１間の隔壁に十分な剛性を持たせることができ、インク圧力室１１の配列密度をできるだけ高くすることができる厚みであり、且つ各インク圧力室１１の容積を適切な値にすることができる厚みに設計される。駆動基板１０の厚みは、各インク圧力室１１の深さに相当する。

流路基板２０は、例えば、駆動基板１０の第２面１０ｂに接着剤１５を介して貼り合わされている。流路基板２０は、その第１面２０ａ（駆動基板１０側の面）と第２面２０ｂ（駆動基板１０から離間した面）を連絡して基板を貫通した複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２を有する。複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２は、それぞれ、駆動基板１０の複数のインク圧力室１１に一対一で割り当てられており、既知の方法によって予め流路基板２０に形成されている。個別インク供給路２１および個別インク排出路２２の長さは、それぞれ、流路基板２０の厚みに相当する。個別インク供給路２１および個別インク排出路２２は、インク圧力室１１の長手方向と略直交する第２の方向に延設されている。

具体的には、例えば、図２に示すように、図示左側の列のインク圧力室１１に連通する個別インク供給路２１は、当該インク圧力室１１の図示左側の端部に対向する位置に設けられ、当該インク圧力室１１に連通する個別インク排出路２２は、当該インク圧力室１１の図示右側の端部に対向する位置に設けられている。一方、図示右側の列のインク圧力室１１（図２では不図示）に連通する個別インク供給路２１（図２では不図示）は、当該インク圧力室１１の図示右側の端部に対向する位置に設けられ、当該インク圧力室１１に連通する個別インク排出路２２（図２では不図示）は、当該インク圧力室１１の図示左側の端部に対向する位置に設けられている。

つまり、隣接する２列のインク圧力室１１にそれぞれ接続した個別インク排出路２２（或いは個別インク供給路２１）が隣り合うように、個別インク供給路２１および個別インク排出路２２を第１の方向にそって交互に反転した位置関係でレイアウトしている。これにより、複数の個別インク排出路２２（或いは個別インク供給路２１）が隣接する列の共通インク排出路３２（或いは共通インク供給路３１）を共通化することができる。

供給基板３０は、例えば、流路基板２０の第２面２０ｂに接着剤２５を介して貼り合わされている。供給基板３０は、複数のインク圧力室１１の並び方向に延びた複数本（図２では２本のみ図示）の共通インク供給路３１、および並び方向に延びた複数本（図２では１本のみ図示）の共通インク排出路３２を第１の方向に沿って交互に有する。共通インク供給路３１および共通インク排出路３２は、既知の方法によって予め供給基板３０の第１面３０ａ側に有底の溝として設けられている。

図３は、インク圧力室１１、個別インク供給路２１、個別インク排出路２２、共通インク供給路３１、および共通インク排出路３２の重なり具合を示す概略図である。各インク圧力室１１の長手方向の両端に対向した個別インク供給路２１および個別インク排出路２２は、それぞれ、インク圧力室１１の長手方向に延びた長円形の断面形状を有する。共通インク供給路３１は、並び方向に並んだ複数の個別インク供給路２１に重なる位置に形成され、共通インク排出路３２は、並び方向に並んだ複数の個別インク排出路２２に重なる位置に形成されている。

図２、３では、共通インク供給路３１は、並び方向に並んだ各列の複数の個別インク供給路２１をつないでおり、共通インク排出路３２は、隣接する２列の複数の個別インク排出路２２をつないでいる。３列以上のインク圧力室１１を並べて設ける場合には、隣接する列の個別インク供給路２１或いは個別インク排出路２２をそれぞれ１本の共通インク供給路３１或いは共通インク排出路３２でつなげる。

ノズルプレート４０は、駆動基板１０の流路基板２０から離間した側の第１面１０ａに接触して、各インク圧力室１１の第１面１０ａ側の開口部を塞ぐように設けられている。ノズルプレート４０は、各インク圧力室１１の長手方向に沿った中央に、各インク圧力室１１に連通した複数のノズル４１を有する。ノズル４１は、各インク圧力室１１の長手方向に沿った中央付近、より望ましくは中央に設けられる。

各インク圧力室１１に対応して設けた複数のノズル４１は、ノズルプレート４０を貫通し、後述する圧電素子５０を貫通して延びている。つまり、各インク圧力室１１は、ノズル４１を介してヘッド１００の外部に連絡している。各ノズル４１から対応するインク圧力室１１の長手方向の両端までの距離は、それぞれ１００μｍ〜３００μｍ程度に設計されている。

ノズルプレート４０は、例えば、熱酸化ないしはＣＶＤ法により作成した、厚さ１〜５μｍ程度のＳｉ酸化膜（ＳｉＯ_２）で形成される。Ｓｉ酸化膜は、均等な変形が実現できるという観点から、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も、ノズルプレート４０をＳｉ酸化膜により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良いという点からも、ノズルプレート４０をＳｉ酸化膜により形成することが望ましい。

複数の圧電素子５０は、複数のノズル４１をそれぞれ囲むように、ノズルプレート４０の表面４０ａに積層されて形成されている。各圧電素子５０は、図１に示すように、ノズルプレート４０の表面４０ａに重ねた下部電極５２、下部電極５２に重ねた圧電膜５４、および圧電膜５４に重ねた上部電極５６を有する。各圧電素子５０の第１の方向に沿った長さは、上述したインク圧力室１１の第１の方向に沿った長さより短い。各圧電素子５０の並び方向に沿った幅は、上述したインク圧力室１１の並び方向に沿った幅より短い。

各圧電素子５０の下部電極５２の一部は、ノズルプレート４０の表面４０ａに沿って延伸され、個別駆動配線５３として機能する。圧電素子５０の表面を含むノズルプレート４０の表面４０ａ上には、絶縁膜６０が形成されている。上部電極５６と接する絶縁膜６０の一部にはビアホール６２が形成され、ビアホール６２を介して上部電極５６から引出し配線５７が引き出されている。絶縁膜６０は、ノズル４１の内面を部分的に覆う位置まで延びている。

各圧電素子５０の圧電膜５４には、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５４にＰＺＴを使用した場合、下部電極５２や上部電極５６には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｉｒなどの貴金属や、ＳｒＲｕＯ_３などの導電性の酸化物が適している。また、圧電膜５４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５２や上部電極５６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。

以下、上述したヘッド１００の動作について説明する。
まず、図示しない外部のインク供給ポンプからヘッド１００にインクが供給される。インクは、共通インク供給路３１を介して各列の複数の個別インク供給路２１へ流入し、対応するインク圧力室１１へ流れ込む。各インク圧力室１１へ流れ込んだインクは、図示しない外部のインク排出ポンプにより排出される。このとき、複数のインク圧力室１１内のインクが、個別インク排出路２２を介して共通インク排出路３２へ流出される。これにより、複数のインク圧力室１１内をインクが循環する。このとき、各インク圧力室１１内に発生した気泡等も速やかにインク圧力室１１外に排出される。

本実施形態では、インク圧力室１１、個別インク供給路２１、および個別インク排出路２２を１本につなげた個別インク流路がその全長にわたって比較的大きな断面積を有する。つまり、本実施形態では、個別インク流路の途中にオリフィスを設けていない。このため、この個別インク流路を流れるインクの流路抵抗が少なく、インクの粘性抵抗が少なく、インクをインク圧力室１１に抵抗なく循環させることができる。具体的には、本実施形態の個別インク流路１１、２１、２２は、その全長にわたって５０００μｍ^２〜３００００μｍ^２程度の断面積を有する。

上述したように各インク圧力室１１内にインクを循環させた状態で、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、各圧電素子５０の下部電極５２と上部電極５６の間に駆動電圧を選択的に印加する。これにより、駆動電圧を印加した圧電素子５０の圧電膜５４が収縮して圧電素子５０が凹状に屈曲変形し、対応するインク圧力室１１の体積が増大し、インク圧力室１１に個別インク供給路２１を介してインクが流入する。次に、駆動電圧を除去すると、当該圧電素子５０の屈曲変形が元に戻り、インク圧力室１１の体積が減少し、インク圧力室１１内の圧力が上がり、ノズル４１を介してインク滴が吐出する。

インク滴を十分な吐出圧力で良好に吐出させるためには、インク滴吐出時にインク圧力室１１内のインクの圧力を一定以上に保持する必要がある。このため、本実施形態では、各インク圧力室１１を個別に流れるインクの流路（個別インク供給路２１、インク圧力室１１、個別インク排出路２２）を十分に長くして、ノズル４１から共通インク供給路３１までの距離、およびノズル４１から共通インク排出路３２までの距離を十分に長くした。これにより、各インク圧力室１１を満たすインクの慣性質量による慣性抵抗を生じせしめて、インク圧力室１１から共通インク供給路３１や共通インク排出路３２へ圧力が逃げることを抑制するようにした。

言い換えると、本実施形態のヘッド１００は、各圧電素子５０を屈曲変形させてインク滴を吐出させるのに十分な吐出圧力を得ることができる程度にインク圧力室１１、個別インク供給路２１、および個別インク排出路２２の長さを確保する。具体的には、インク滴吐出時におけるインクの圧力変化に基づく振動の波（以下、圧力波と称する）が共通インク供給路３１および共通インク排出路３２の手前で十分に減衰し、共通インク供給路３１や共通インク排出路３２にほとんど振動が伝わらない程度にインク圧力室１１、個別インク供給路２１、および個別インク排出路２２の長さとする。

これにより、インク滴を十分な吐出圧力で吐出させることができるとともに、共通インク供給路３１や共通インク排出路３２を介して隣接した他のインク圧力室１１へ圧力波が伝わる不具合も防止することができ、隣接するインク圧力室１１におけるインク滴の吐出動作に悪影響を及ぼすこともない。

インク滴の吐出によって発生する上述した圧力波を十分に減衰させることのできる最適な個別インク流路１１、２１、２２の長さを調べるため、図４に示すタイプのヘッド（個別インク供給路２１および個別インク排出路２２を持たないヘッド）を用いて、インク圧力室１１の長さを種々変更した場合における、ノズル４１から吐出されるインク滴の体積変化をコンピュータ上で再現した。そのシミュレーション結果を図５に示す。

これによると、ノズル４１を中心としたインク圧力室１１（両端は開放）の長さが１ｍｍを超えた場合に、インク滴の体積が理想の体積（インク圧力室１１の圧力を完全に閉じ込めた状態でのインク滴の体積）の約８割に達することがわかった。この場合、インク圧力室１１の幅や深さ、すなわちインク圧力室１１の断面積は、インク滴の体積にほとんど影響を及ぼさないこともわかっている。つまり、この場合、インク圧力室１１の長さをノズル４１の両側でそれぞれ５００μｍ以上にすることで、インク圧力室１１の両端で圧力波を十分に減衰させることができ、十分なサイズのインク滴を安定して吐出させることができることがわかる。

反面、インク圧力室１１を長くすると、ヘッド１００のサイズアップにつながるため、できるだけ短い方が望ましい。この点から考察すると、図５のシミュレーション結果では、インク圧力室１１の長さが２５００μｍに近付くとインク滴のサイズが飽和し、理想の体積の９５％を超える。このため、インク圧力室１１の長さは、２５００μｍ以下とすることが望ましい。

しかし、インク圧力室１１を図４に示すように単に真っ直ぐ延ばすと、ヘッド１００の面方向のサイズが大きくなり、ノズル４１を高密度に配置できなくなり、設計の自由度が低くなるとともに、駆動効率も低下する。このため、本実施形態では、各インク圧力室１１の長さを短くした上で、インク圧力室１１の両端に連通し且つインク圧力室１１と交わる方向に延びた個別インク供給路２１および個別インク排出路２２を設け、個別インク流路の長さをかせぐようにした。

具体的には、本実施形態では、ノズル４１からインク圧力室１１および個別インク供給路２１を介して共通インク供給路３１に至る流路長、およびノズル４１からインク圧力室１１および個別インク排出路２２を介して共通インク排出路３２に至る流路長を５００μｍ〜１２５０μｍ程度に設定した。或いは、本実施形態では、インク圧力室１１を設けた駆動基板１０の厚さと個別インク供給路２１および個別インク排出路２２を設けた流路基板２０の厚さを足した厚さを５００μｍ以上に設定した。

以上のように、本実施形態のヘッド１００によると、ヘッド１００の表面に沿って複数の圧電素子５０を高い密度で配置することができ、ノズル４１をより高密度に配置することができ、装置構成を小型化することができる。

また、本実施形態によると、ヘッド１００のサイズを大きくすることなく、ノズル４１につながる個別インク流路１１、２１、２２を十分に長くすることができ、インク滴の吐出時にノズル４１で発生する圧力波を十分に減衰させることができ、十分なサイズのインク滴を十分な吐出圧力で安定して吐出させることができる。

次に、図６乃至図１４を参照して、上述したヘッド１００の製造方法を説明する。
まず、図６に示すように、熱酸化により駆動基板１０を酸化してＳｉ酸化膜からなるノズルプレート４０を形成する。本実施形態では、Ｓｉ基板の熱酸化によりノズルプレート４０を形成したが、熱酸化法以外のプラズマＣＶＤ法やＴＥＯＳを原材料とするＣＶＤ法なども使用することができる。

この後、図６に示すように、ノズルプレート４０上に、スパッタリングによりＴｉ／Ｐｔからなる下部電極５２の層を形成し、その上にＰＺＴからなる圧電膜５４の層を形成し、さらにその上にＡｕからなる上部電極５６の層を形成する。

次に、図７に示すように、フォトリソグラフィーおよびウェットないしはドライエッチングにより上部電極５６、圧電膜５４、および下部電極５２を順にエッチングしてパターニングし、複数の圧電素子５０、複数のノズル４１の一部、および複数の個別駆動配線５３を形成する。

次に、図８に示すように、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りノズルプレート４０をパターニングし、ノズル４１を形成する。

次に、図９に示すように、ノズルプレート４０および複数の圧電素子５０の上部全体に絶縁膜６０を形成し、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パターニングして、上部電極５６の上部に複数のビアホール８１を形成する。

その後、図９に示すように、スパッタリング成膜、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パターニングして、各ビアホール８１に上部電極５６とのコンタクト部８２を形成し、各コンタクト部８２に接続して複数の引出し配線５７を形成する。

次に、図１０に示すように、絶縁膜６０の上に仮固定接着剤８３を介して仮固定基板８４を固定する。

次に、図１１に示すように、駆動基板１０を第２面１０ｂ側から研削およびＣＭＰにより加工し薄板化する。

次に、図１２に示すように、駆動基板１０の第２面１０ｂ側から裏面フォトリソグラフィーおよび深掘りエッチング（Ｄ−ＲＩＥ）により複数のインク圧力室１１を形成する。このとき、駆動基板１０のエッチングおよびパッシベーションを数回繰り返して所望の深さの複数のインク圧力室１１を形成する。

次に、図１３に示すように、予め複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２を形成した流路基板２０を、駆動基板１０の第２面１０ｂに接着剤１５を介して接着する。このとき、駆動基板１０の各インク圧力室１１の長手方向の両端に、それぞれ、対応する個別インク供給路２１および個別インク排出路２２が対向するように、流路基板２０を駆動基板１０に対して面方向に位置決めする。これにより、各インク圧力室１１の両端に個別インク供給路２１および個別インク排出路２２がそれぞれ連通される。

さらに、図１３に示すように、予め複数の共通インク供給路３１および複数の共通インク排出路３２を形成した供給基板３０を、接着剤２５を介して流路基板２０の第２面２０ｂに接着する。このとき、第２の方向に並んだ流路基板２０の複数の個別インク供給路２１に共通インク供給路３１が対向し、複数の個別インク排出路２２に共通インク排出路３２が対向するように、供給基板３０を流路基板２０に対して面方向に位置決めする。これにより、複数の個別インク供給路２１に共通インク供給路３１が連通し、複数の個別インク排出路２２に共通インク排出路３２が連通する。

最後に、図１４に示すように、仮固定基板８４を剥離する。なお剥離方法として、駆動基板１０と流路基板２０を接着した接着剤１５、および流路基板２０と供給基板３０を接着した接着剤２５は溶解せず、仮固定接着剤８３のみ溶解するような有機溶剤を使用してもよいし、加熱による剥離や機械的な剥離等でも良い。

なお、以上説明した一連の膜形成及びエッチングは、一枚のウェハ上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後、一つ一つのチップに分割する。

以上のように、本実施形態のヘッド１００の製造方法によれば、簡単なプロセスによりヘッド１００を製造することが可能であり、特に長時間の絶縁耐圧に優れて駆動耐久性及び信頼性が高く、駆動効率も高い圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッド１００を提供することが可能となる。

（インク圧力室の形状）
上述した第１の実施形態によると、駆動基板１０に形成する複数のインク圧力室１１は、駆動基板１０の第２面１０ｂ側から裏面フォトリソグラフィーおよび深掘りエッチング（Ｄ−ＲＩＥ）により形成する。このとき、駆動基板１０のエッチングおよびパッシベーションを数回繰り返して所望の深さの複数のインク圧力室１１を形成する。このため、各インク圧力室１１のノズルプレート４０側（駆動基板１０の第１面１０ａ側）の開口形状と、各インク圧力室１１の流路基板２０側（駆動基板１０の第２面１０ｂ側）の開口形状がわずかに異なる。

具体的には、駆動基板１０の第２面１０ｂ側からインク圧力室１１をエッチングするため、インク圧力室１１の第２面１０ｂ側の開口形状を基準にして、第１面１０ａ側のインク圧力室１１の開口形状は、第１の方向（長手方向）に沿った長さが短くなり、並び方向（短手方向）に沿った長さが第１の方向に沿った中央部で長くなる。例えば、エッチング深さをさらに大きくしていくと、第２面１０ｂ側の開口形状に関係なく、第１面１０ａ側の開口形状は円形に近付く。

一方、ヘッド１００の表面において複数の圧電素子５０を高密度に配置するためには、駆動基板１０の第１面１０ａ側のインク圧力室１１の開口形状が長円形に揃っていることが望ましい。このため、本実施形態では、駆動基板１０の第１面１０ａにおける開口形状が長円形になるように、第２面１０ｂの開口形状を決定した。

具体的には、本実施形態では、図１５に実線で示すように、駆動基板１０の第２面１０ｂ側（エッチング開始側）におけるインク圧力室１１の開口形状をいわゆるひょうたん形にした。この第２面１０ｂ側の開口形状は、図１５に破線で示す第１面１０ａ側のインク圧力室１１の長円形の開口形状と比較して、長手方向の長さがわずかに長くされており、長手方向の中央部周辺の幅が両端の幅より短く、くびれを有し、両端は弧を有している。このように、第２面１０ｂ側のひょうたん形の開口部をエッチングすることで、第１面１０ａに近付くにつれて開口形状が円形に近付き、理想的な長円形とすることができる。

以上のように、本実施形態によると、駆動基板１０の第２面１０ｂ側のエッチングを開始する開口形状をひょうたん形、すなわち長手方向の中央部周辺にくびれを有し、両端が弧を有する形状にすることで、第１面１０ａ側のインク圧力室１１の開口形状を理想的な長円形にすることができ、複数の圧電素子５０の高密度配置が可能となる。

また、本実施形態によると、個別インク供給路２１および個別インク排出路２２に連通する第２面１０ｂ側のインク圧力室１１の開口形状をひょうたん形にしたため、個別インク供給路２１および個別インク排出路２２に対向する部分の開口面積を比較的大きくすることができ、インク圧力室１１と個別インク供給路２１との間の流路抵抗、およびインク圧力室１１と個別インク排出路２２との間の流路抵抗を小さくすることができ、インクの循環を良好にすることができる。

（第２の実施形態）
図１６は、第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド２００（以下、単にヘッド２００と称する）の要部を示す部分拡大断面図である。本実施形態のヘッド２００は、供給基板３０の代りに支持基板２１０を有する以外、上述した第１の実施形態のヘッド１００と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と同様に機能する構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

支持基板２１０は、例えばＳｉにより形成されており、接着剤２５を介して流路基板２０の第２面２０ｂに接着固定されている。支持基板２１０は、例えばＳｉにより平らな板状に形成されている。一方、流路基板２０は、複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２を有するとともに、複数の個別インク供給路２１をつなげた共通インク供給路２３および複数の個別インク排出路２２をつなげた共通インク排出路２４を有する。

共通インク供給路２３は、流路基板２０の第２面２０ｂ側に設けた有底の溝であり、図１６で複数の個別インク供給路２１の下端左側につながっている。また、共通インク排出路２４は、流路基板２０の第２面２０ｂ側に設けた有底の溝であり、図１６で複数の個別インク排出路２２の下端右側につながっている。共通インク供給路２３および共通インク排出路２４は、それぞれインク圧力室１１の並び方向に延設され、流路基板２０の厚みの範囲内に設けられている。

以上のように、本実施形態のヘッド２００は、共通インク供給路２３および共通インク排出路２４を流路基板２０に設けたため、支持基板２１０を加工する必要がなく、複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２を形成するのと同時に共通インク供給路２３および共通インク排出路２４を形成することができ、ヘッド２００の製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。

（第３の実施形態）
図１７は、第３の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド３００（以下、単にヘッド３００と称する）の要部を示す部分拡大断面図である。ヘッド３００は、ノズルプレート４０のインク圧力室１１側に、枠状のテンプレート側壁３１０を有するとともに、ノズル４１をインク圧力室１１側に延長した筒状のノズル延長部３２０を有する。それ以外は、上述した第２の実施形態のヘッド２００と同様である。したがって、第２の実施形態と重複する内容については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

テンプレート側壁３１０およびノズル延長部３２０は、Ｓｉ酸化膜により形成されている。本実施形態では、テンプレート側壁３１０およびノズル延長部３２０を、いずれもノズルプレート４０を熱酸化で形成するのと同時に形成した。テンプレート側壁３１０は、インク圧力室１１の外周に沿って設けられ、インク圧力室１１のノズルプレート４０側の開口形状を規定する。ノズル延長部３２０は、略円筒形状を有し、ノズル４１をインク圧力室１１に向けて延長している。

テンプレート側壁３１０は、インク圧力室１１をＤ−ＲＩＥにより形成するときのエッチングストッパーの役割を果たす。つまり、インク圧力室１１を駆動基板１０の第２面１０ｂ側からのエッチングにより形成する際に、テンプレート側壁３１０がそれ以上のエッチングを阻止する。このため、テンプレート側壁３１０を設けることで、インク圧力室１１の第１面１０ａ側の開口形状を所望する形状により近付けることができる。

また、ノズル延長部３２０は、ノズル４１を介してインク滴を吐出する時の吐出角度の精度を向上し、インク滴の吐出量の階調制御を可能にする。ノズル延長部３２０を設けてノズル４１の全長を長くすると、吐出させるインク滴の量をダイナミックに変更することができ、吐出時にノズル４１を介してインク圧力室１１内に気泡が入る不具合を抑制することができる。

（第４の実施形態）
図１８は、第４の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド４００（以下、単にヘッド４００と称する）の要部を示す部分拡大断面図である。本実施形態のヘッド４００は、駆動基板１０を厚くし、個別インク供給路２１を供給基板３０まで延出させ、個別インク排出路２２を供給基板３０まで延出させ、且つ共通インク供給路３１および共通インク排出路３２を面方向にずらした構造を有する。それ以外は、上述した第１の実施形態のヘッド１００と略同じ構造を有する。よって、ここでは、第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と同様に機能する構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態のヘッド４００を製造するとき、上述した第１の実施形態において図１１を用いて説明した駆動基板１０の薄板化の工程を省略して、比較的厚い駆動基板１０に複数のインク圧力室１１を形成した。また、本実施形態では、複数の個別インク供給路２１の図示下端側の一部、複数の個別インク排出路２２の図示下端側の一部、共通インク供給路３１、および共通インク排出路３２を、供給基板３０に予め形成した。

以上のように本実施形態によると、駆動基板１０の厚みを厚くして複数のインク圧力室１１の深さを深くするとともに、複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２の図示下端側を供給基板３０まで延出させたため、ノズル４１につながる個別インク流路を十分に長くすることがでる。例えば、本実施形態によると、複数の個別インク供給路２１および複数の個別インク排出路２２の一部を備えた流路基板２０を薄くすることもでき、場合によっては流路基板２０を省略することもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

以下、原出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の方向に配列された複数のインク圧力室と、
前記各インク圧力室に連通したノズルと、
前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端に連通して前記第１の方向と交差する第２の方向に配列され、前記各インク圧力室へインクを個別に供給する複数の個別インク供給路と、
前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端に連通して前記第２の方向に配列され、前記各インク圧力室からインクを個別に排出させる複数の個別インク排出路と、
前記各インク圧力室内のインクを加圧可能な複数のアクチュエータと、
前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路と、
前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路と、
を有するインクジェット式記録ヘッド。
［２］
前記インク圧力室の両端に前記個別インク供給路および前記個別インク排出路を接続した個別インク流路の断面積は、その全長にわたって５０００μｍ^２〜３００００μｍ^２である、
［１］のインクジェット式記録ヘッド。
［３］
前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク供給路を介して前記共通インク供給路に至る流路長、および前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク排出路を介して前記共通インク排出路に至る流路長は、５００μｍ〜１２５０μｍである、
［２］のインクジェット式記録ヘッド。
［４］
第１の方向に配列された複数のインク圧力室を有する第１基板と、
この第１基板の第１面に積層され、前記各インク圧力室に連通したノズルを前記各インク圧力室毎に有するノズルプレートと、
前記第１基板の前記第１面と反対の第２面に積層され、前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端に連通して対応するインク圧力室へインクを供給する複数の個別インク供給路、および、前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端に連通して対応するインク圧力室からインクを排出させる複数の個別インク排出路が、その厚さ方向に配列された第２基板と、
前記ノズルプレートの前記第１基板と反対側の面で前記各ノズルの周りに設けられ、前記各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧可能な複数のアクチュエータと、
を有するインクジェット式記録ヘッド。
［５］
前記第２基板の前記第１基板と反対側に積層され、前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路、および、前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路を有する第３基板をさらに有する、
［４］のインクジェット式記録ヘッド。
［６］
前記インク圧力室の両端に前記個別インク供給路および前記個別インク排出路を接続した個別インク流路の断面積は、その全長にわたって５０００μｍ^２〜３００００μｍ^２である、
［５］のインクジェット式記録ヘッド。
［７］
前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク供給路を介して前記共通インク供給路に至る流路長、および前記ノズルから前記インク圧力室および前記個別インク排出路を介して前記共通インク排出路に至る流路長は、５００μｍ〜１２５０μｍである、
［６］のインクジェット式記録ヘッド。
［８］
前記複数のインク圧力室は、前記第１基板の前記第１面と前記第２面を連絡して前記第１基板を貫通した孔であり、
前記複数の個別インク供給路および前記複数の個別インク排出路は、前記第２基板を厚さ方向に貫通した孔であり、
前記第１基板の厚さと前記第２基板の厚さを足した厚さは、５００μｍ以上である、
［６］のインクジェット式記録ヘッド。
［９］
前記複数のインク圧力室は、前記第１基板の前記第１面と前記第２面を連絡して前記第１基板を貫通した前記第１の方向に延びた長孔であり、
前記各インク圧力室の前記第１面側の開口形状は、前記第１の方向に長い長円形であり、
前記各インク圧力室の前記第２面側の開口形状は、前記長円形と比較して前記第１の方向の長さが長く、且つ前記第１の方向の中央部の幅が両端の幅より短い、
［４］のインクジェット式記録ヘッド。
［１０］
前記個別インク供給路および前記個別インク排出路は、前記インク圧力室の前記第２面側の開口部の幅広の両端に対向して各インク圧力室に連通している、
［９］のインクジェット式記録ヘッド。
［１１］
前記第２の基板が、前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路、および、前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路を有する、
［４］のインクジェット式記録ヘッド。
［１２］
前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部、および前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部が、前記第３基板まで延びている、
［５］のインクジェット式記録ヘッド。
［１３］
第１面とこの第１面と反対の第２面を連絡して第１の方向に配列した複数のインク圧力室を有する第１基板と、
この第１基板の前記第１面に積層され、前記各インク圧力室に連通したノズルを有するノズルプレートと、
前記第１基板の前記第２面に積層され、前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端にそれぞれ連通した複数の個別インク供給路、および前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端にそれぞれ連通した複数の個別インク排出路を有する第２基板と、
前記ノズルプレートの前記第１基板と反対側の面で前記各ノズルの周りに設けられ、前記各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧可能な複数のアクチュエータと、を有し、
前記各インク圧力室の前記第１面側の開口形状は、前記第１の方向に長い長円形であり、
前記各インク圧力室の前記第２面側の開口形状は、前記長円形と比較して前記第１の方向の長さが長く、且つ前記第１の方向の中央部の幅が両端の幅より短い、
インクジェット式記録ヘッド。
［１４］
前記個別インク供給路および前記個別インク排出路は、前記インク圧力室の前記第２面側の開口部の幅広の両端に対向して各インク圧力室に連通している、
［１３］のインクジェット式記録ヘッド。
［１５］
前記インク圧力室の両端に前記個別インク供給路および前記個別インク排出路を接続した個別インク流路の断面積は、その全長にわたって５０００μｍ^２〜３００００μｍ^２である、
［１４］のインクジェット式記録ヘッド。
［１６］
前記インク圧力室、前記個別インク供給路、および前記個別インク排出路をつなげた個別インク流路の長さは、１０００μｍ〜２５００μｍである、
［１４］のインクジェット式記録ヘッド。
［１７］
前記複数の個別インク供給路および前記複数の個別インク排出路は、前記第２基板を厚さ方向に貫通した孔であり、
前記第１基板の厚さと前記第２基板の厚さを足した厚さは、５００μｍ以上である、
［１４］のインクジェット式記録ヘッド。

１０…駆動基板、１１…インク圧力室、２０…流路基板、２１…個別インク供給路、２２…個別インク排出路、３０…供給基板、３１…共通インク供給路、３２…共通インク排出路、４０…ノズルプレート、４１…ノズル、５０…圧電素子、１００…インクジェット式記録ヘッド。

Claims (6)

1. 第１の方向に配列された複数のインク圧力室と、
   前記各インク圧力室の前記第１の方向の中央に連通したノズルと、
   前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端に連通して前記第１の方向と交差する第２の方向に配列され、前記各インク圧力室へインクを個別に供給する複数の個別インク供給路と、
   前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端に連通して前記第２の方向に配列され、前記各インク圧力室からインクを個別に排出させる複数の個別インク排出路と、
   前記各インク圧力室内のインクを加圧して前記ノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、
   前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路と、
   前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路と、を有し、
   前記複数の個別インク供給路が前記インク圧力室に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅が、当該個別インク供給路が前記共通インク供給路に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅と同じであり、
   前記複数の個別インク排出路が前記インク圧力室に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅が、当該個別インク排出路が前記共通インク排出路に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅と同じであり、
   前記インク圧力室、前記個別インク供給路、および前記個別インク排出路をつなげた個別インク流路の長さが、前記インク滴の吐出時に前記インク圧力室で発生するインクの圧力変化に基づく振動波が前記共通インク供給路および前記共通インク排出路に伝わらない長さである、
   インクジェット式記録ヘッド。
2. 第１の方向に配列された複数のインク圧力室を有する第１基板と、
   この第１基板の第１面に積層され、前記各インク圧力室の前記第１の方向の中央に連通したノズルを前記各インク圧力室毎に有するノズルプレートと、
   前記第１基板の前記第１面と反対の第２面に積層され、前記各インク圧力室の前記第１の方向の一端に連通して対応するインク圧力室へインクを供給する複数の個別インク供給路、および、前記各インク圧力室の前記第１の方向の他端に連通して対応するインク圧力室からインクを排出させる複数の個別インク排出路が、その厚さ方向に配列された第２基板と、
   前記ノズルプレートの前記第１基板と反対側の面で前記各ノズルの周りに設けられ、前記各インク圧力室内のインクをそれぞれ加圧して前記ノズルを介してインク滴を吐出させる複数のアクチュエータと、
   前記第２基板の前記第１基板と反対側に積層され、前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク供給路、および、前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部に連通した共通インク排出路を有する第３基板と、を有し、
   前記複数の個別インク供給路が前記インク圧力室に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅が、当該個別インク供給路が前記共通インク供給路に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅と同じであり、
   前記複数の個別インク排出路が前記インク圧力室に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅が、当該個別インク排出路が前記共通インク排出路に連通した端部の前記第１の方向に沿った開口幅と同じであり、
   前記インク圧力室、前記個別インク供給路、および前記個別インク排出路をつなげた個別インク流路の長さが、前記インク滴の吐出時に前記インク圧力室で発生するインクの圧力変化に基づく振動波が前記共通インク供給路および前記共通インク排出路に伝わらない長さである、
   インクジェット式記録ヘッド。
3. 前記個別インク流路の長さは、１ｍｍより長い、
   請求項１または２のインクジェット式記録ヘッド。
4. 前記インク圧力室の両端に前記個別インク供給路および前記個別インク排出路を接続した前記個別インク流路の断面積は、その全長にわたって５０００μｍ^２〜３００００μｍ^２である、
   請求項３のインクジェット式記録ヘッド。
5. 前記複数のインク圧力室は、前記第１基板の前記第１面と前記第２面を連絡して前記第１基板を貫通した孔であり、
   前記複数の個別インク供給路および前記複数の個別インク排出路は、前記第２基板を厚さ方向に貫通した孔であり、
   前記第１基板の厚さと前記第２基板の厚さを足した厚さは、５００μｍ以上である、
   請求項２に従属した請求項３のインクジェット式記録ヘッド。
6. 前記複数の個別インク供給路の前記各インク圧力室と反対側の端部、および前記複数の個別インク排出路の前記各インク圧力室と反対側の端部が、前記第３基板まで延びている、
   請求項２に従属した請求項３のインクジェット式記録ヘッド。