JP6089061B2 - インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット記録装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置）として用いるインクジェット式記録装置では、マイクロアクチュエータを含む液滴吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドが使用される。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液室（加圧室、圧力室、加圧液室、インク流路、吐出室等とも称される）と、この液室内のインクを加圧する圧力発生手段（アクチュエータ手段）とを備える。そして、アクチュエータ手段を駆動することで液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。

従来のインクジェット式記録ヘッドは、アクチュエータ手段の種類という点から、圧電型のものと、バブル型のものとに大別される。圧電型のインクジェットヘッドは、圧電素子を用いて液室の壁面を形成する振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させる。バブル型のインクジェットヘッドは、液室内に配設した発熱抵抗体を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させる。

上述したようなインクジェット式記録ヘッドの内、圧電型にあっては、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、使用するインク種類の制約がないという利点がある。反面、圧電素子の高熱処理（ＰＺＴ焼成）や、積層型圧電素子を用いる場合には分割化、個々の圧電素子の位置合わせ等の機械的、熱的な技術課題が大きい。そのため、煩雑な工程と装置によってコストが高くなる。

また、バブル型にあっては、半導体技術の応用によってヒータを非常に小さくできることから、ヘッドの高集積化、小型化が容易であるという利点を有する。反面、バブルを発生させるためにヒータ表面温度が４００〜４５０℃と高くなる。このため、インクに極端な高熱を与えることからインク組成が変化し、ヒータのインク接触部分でのコゲーションが発生する。そのため、インク染料の選択が重要になり、顔料インクを使用することが難しく、カラー画像の高画質化に限界が生じる。また、コゲーションによるヒータの劣化でバブル発生が不良になったり、高熱のためにヒータ保護膜が劣化してクラックによるヒータ断線が生じたりするなどの不良が発生し易い。

そこで、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２０１３−７５５１０号公報

圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット式記録ヘッドでは、インク噴射部（圧力室、アクチュエータ、共通電極、個別電極などを含むユニット）であるセルを多数集積して高密度の集積ヘッドを製作する。この場合、通常は、基板の内側に個々のセルの集合体を配し、外側に駆動素子（アクチュエータ）と接続するための接続電極を設けている。そして、個々のセルと接続電極とを引出し配線で接続することが行われる。この場合の検討課題の一つに、引出し配線をどのように配置するかがあげられる。

インクジェット式記録ヘッドの一例として、例えば、円形のセルを使用して、基板の外側に配置された隣接するセルの間に複数の内側のセルからの引き出し配線を形成した構成の装置がある。この場合、隣接するセル間の壁部の上に引き出し配線が形成されている。しかしながら、この構造では、多数のセルを高密度に集積させた集積ヘッドを作成した場合に引出し配線の面積が増大し、ひいては集積ヘッドの面積が増大するという問題がある。これは、例えば、矩形ないしは菱形のセルを使用した場合でも同様の問題がある。

実施形態はこのような事情に鑑み、圧電ＭＥＭＳ型（圧電薄膜型）のインクジェット式記録ヘッドにおいて、面積の小さい高密度の集積ヘッドに適したインクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を提供することを課題とする。

実施形態の一つのインクジェット式記録ヘッドは、集合ヘッドを有している。集合ヘッドは、インク噴射部のセルを複数配置してなる。インク噴射部のセルは、振動板と、圧電駆動素子と、ノズルと、圧力発生室とを有する。振動板は、シリコン基板上に形成されている。圧電駆動素子は、前記振動板上の下部電極、圧電膜及び上部電極を備える。ノズルは、前記振動板に形成されている。圧力発生室は、前記シリコン基板の内部に前記振動板に隣接して形成される。前記集合ヘッドは、前記圧電駆動素子の外形が前記圧力発生室の外形よりも小さく形成され、前記上部電極、または前記下部電極のいずれか一方に接続された引出し配線が、他の前記セルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されている。

図１は、第１の実施形態に係るインクジェットプリンタの全体の概略構成を示す縦断面図である。 図２は、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの上面図である。 図３は、図２のＡ部の部分拡大図である。 図４は、図３のＦ４−Ｆ４線断面図である。 図５は、図３のＦ５−Ｆ５線断面図である。 図６は、第１の実施形態のインクジェットヘッドの製造方法におけるシリコン基板を熱酸化して表面および裏面にシリコン酸化膜を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図７は、図６のシリコン酸化膜上に下部電極と、圧電膜と、上部電極とを有する圧電素子を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図８は、図７の振動板をパターニングして下部電極と引出し電極を同時に形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図９は、シリコン酸化膜、下部電極、引出し電極、上部電極を覆うように絶縁膜を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図１０は、共通配線を形成し、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共通配線をパターニングした状態を示す要部の縦断面図である。 図１１は、シリコン基板の圧電素子と対向する裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥにより、圧力発生室を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図１２は、第２の実施形態のインクジェットヘッドの部分拡大平面図である。 図１３は、図１２のＦ１３−Ｆ１３線断面図である。 図１４は、図１２のＦ１４−Ｆ１４線断面図である。 図１５は、第３の実施形態のインクジェットヘッドの上面図である。 図１６は、図１５のＦ１６−Ｆ１６線断面図である。 図１７は、図１５のＦ１７−Ｆ１７線断面図である。 図１８は、図１７のウェハ表面にリング状の溝を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図１９は、熱酸化によりシリコン基板を酸化してシリコン酸化膜およびシリコン酸化膜側壁を同時に形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図２０は、シリコン酸化膜上に下部電極と、圧電膜と、上部電極とを有する圧電素子を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図２１は、シリコン酸化膜と、下部電極の一部と、引出し電極と、上部電極とを覆うように絶縁膜を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図２２は、共通配線を形成し、共通配線をパターニングした状態を示す要部の縦断面図である。 図２３は、酸化膜をパターニングしてノズル開口部を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図２４は、シリコン基板の裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥにより、圧力発生室を形成した状態を示す要部の縦断面図である。 図２５は、第４の実施形態のインクジェットヘッドの上面図である。

以下、図面を参照しつつ実施形態を説明する。図１〜図１１は、第１の実施形態を示す。
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、複数色（ここでは一例として４色の場合を示す。）のインクジェット式記録ヘッド（以下、インクジェットヘッドと称する）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１０３によってクリーニングされる。

図２は、第１の実施形態のインクジェットヘッド６の上面図を示す。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。本実施形態のインクジェットヘッド６は、図２に示すように、上面から見た平面形状が矩形状（長方形状）の後述する個別セル（インク噴射部）７０が複数、直交するＸＹ方向にほぼマトリックス状に配置されている。ここでは、例えば、プリンタ１００の紙送り方向をＸ方向、紙送り方向と直交する方向をＹ方向とする。そして、複数の個別セル７０は、シリコン基板１０上に、Ｘ方向に片側３列ずつ計６列、Ｙ方向にピッチをずらしながら２０段、合計１２０個の個別セル７０が配置されて集合ヘッドが形成されている。

シリコン基板１０の図２中で左右両端には、個別セル７０の個別駆動用の外部電極４２が並設されている。ここで、シリコン基板１０の図２中で左端には、Ｙ方向に沿って３０個ずつＸ方向に２列、計６０個の外部電極４２が形成されている。同様に、シリコン基板１０の図２中で右端には、Ｙ方向に沿って３０個ずつＸ方向に２列、計６０個の外部電極４２が形成されている。これにより、シリコン基板１０の図２中で左右両端に合計１２０個の外部電極４２が形成されている。

シリコン基板１０の４隅には、共通電極６３が合計４個形成されている。シリコン基板１０のＸ方向の中央部位には、Ｙ方向に延設された共通配線６２ａが形成されている。共通配線６２ａの図２中で上下の両端は、Ｘ方向の共通配線６２ｂにそれぞれ接続されている。シリコン基板１０の上端左右の共通電極６３は、上側のＸ方向の共通配線６２ｂの両端にそれぞれ接続されている。同様に、リコン基板１０の下端左右の共通電極６３は、下側のＸ方向の共通配線６２ｂの両端にそれぞれ接続されている。

図３は、図２のＡ部拡大図を示し、図４は、図３のＦ４−Ｆ４線断面図、図５は、図３のＦ５−Ｆ５線断面図をそれぞれ示す。なお、図２、図３では表示を分かりやすくするため、後述する絶縁膜５１については表示していない。

図４、図５に示すようにインクジェットヘッド６の個別セル７０は、振動板２１と、下部電極３１と、圧電膜３２と、上部電極３３と、絶縁膜５１と、ノズル５３と、圧力発生室１２とを有する。振動板２１は、シリコン基板１０の主面上に形成されたシリコン酸化膜からなる。下部電極３１は、振動板２１上に形成されている。圧電膜３２は、下部電極３１上に形成されている。上部電極３３は、圧電膜３２上に形成されている。振動板２１上の下部電極３１と、圧電膜３２と、上部電極３３とによって圧電駆動素子である圧電素子３０が形成されている。

絶縁膜５１は、振動板２１、下部電極３１の一部、および上部電極３３を覆うように形成されている。ノズル５３は、振動板２１の中央に形成されている。圧力発生室１２は、シリコン基板１０の内部に振動板２１とシリコン基板１０の側壁１１に接した状態で形成されている。

また、各個別セル７０には、個別駆動のための引出し配線４１と、複数の個別セル７０に接続される共通配線６１とがそれぞれ接続されている。シリコン基板１０の図２中で左側の領域に配置された各個別セル７０の個別駆動のための引出し配線４１の一端部（左端部）は、シリコン基板１０の左端側に配置された外部電極４２にそれぞれ接続されている。引出し配線４１の他端部は、図５に示すように各個別セル７０の下部電極３１にそれぞれ接続されている。

また、図２中で左側の領域に配置された各個別セル７０の個別駆動用の引出し配線４１は次の通り配置されている。図３に示すようにシリコン基板１０の中央部の個別セル７０ａ（図３中で右端部）の下部電極３１ａと接続された引出し配線４１ａは、内側から２列目の個別セル７０ｂの圧力発生室１２の上の振動板２１上を通過し（ただし最上部の段のセルは除く）、さらに外側の個別セル７０ｃの圧力発生室１２の上の振動板２１上を通過し、外部電極４２ａに接続されている。

また、内側から２列目の個別セル７０ｂの下部電極３１ｂと接続された引出し配線４１ｂは、同様に外側の個別セル７０ｃの圧力発生室１２の上の振動板２１上を通過し、外部電極４２ｂに接続されている。同様に、内側から３列目（図３中で左端部）の個別セル７０ｃの下部電極３１ｃと接続された引出し配線４１ｃは、外部電極４２ｃに接続されている。

また、内側の個別セル７０ａや、内側から２列目の個別セル７０ｂの振動板２１上には、ダミー配線４４が形成されている。ここで、内側の個別セル７０ａには、図３中で下部電極３１ａの上下に２本のダミー配線４４が平行に配置されている。内側から２列目の個別セル７０ｂには、下部電極３１ｂの上側に１本のダミー配線４４が下部電極３１ｂの下側を通る引出し配線４１ａと平行に配置されている。

これにより、内側から３列目の個別セル７０ｃのように下部電極３１ｃの上下に他の個別セル７０ａ、７０ｂの引出し配線４１ａ、４１ｂが形成された場合と同等の駆動条件になるように調整されている。

同様に、シリコン基板１０の図２中で右側の領域に配置された各個別セル７０の個別駆動のための引出し配線４１の一端部（右端部）は、シリコン基板１０の右端側に配置された外部電極４２にそれぞれ接続されている。引出し配線４１の他端部は、各個別セル７０の下部電極３１にそれぞれ接続されている。さらに、図２中で右側の領域に配置された各個別セル７０の個別駆動用の引出し配線４１も左側の領域に配置された各個別セル７０の個別駆動用の引出し配線４１と同様に各引出し配線４１が、上記他の個別セル７０の圧力発生室１２の上の振動板２１上に渡って形成される状態で配置されている。

一方、外側の個別セル７０ｃの上部電極３３ｃと接続された共通配線６１ｃは、内側から２列目の個別セル７０ｂの上部電極３３ｂと接続されている。さらに、上部電極３３ｂは、共通配線６１ｂを経て中央部の個別セル７０ａの上部電極３３ａと接続されている。さらに、上部電極３３ａは、共通配線６１ａを経て共通配線６２ａに接続されている。

シリコン基板１０としては、例えば、１００〜６００μｍ程度の厚さの板材（シート）が用いられる。シリコン基板１０の厚さは、望ましくは２００〜５００μｍ程度である。これは、シリコン基板１０の製造時のハンドリングの容易さを保ちつつ、圧力発生室１２の配列密度を高くできるからである。

振動板２１は、例えば、熱酸化ないしはＣＶＤ法により作成した、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、非晶質であることが、均等な変形が実現できるという観点から望ましい。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望ましい。

圧電膜３２としては、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が適している。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。

図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、下部電極３１と上部電極３３の間に駆動電圧を印加して、圧電膜３２を収縮させる。これにより、振動板２１が凹状に屈曲変形し、圧力発生室１２の体積が増大する。このとき、圧力発生室１２に図示しないインク供給路からインクが流入する。次に、駆動電圧を除去すると、振動板２１の屈曲変形が元に戻り、圧力発生室１２の体積が減少する。これにより、圧力発生室１２中のインクの圧力が高まり、ノズル５３からインク滴が吐出する。

図６〜図１１は、本実施形態のインクジェットヘッド６の製造方法を示す図である。以下、シリコン単結晶のシリコン基板１０上に、振動板２１及び圧電素子３０等を形成するプロセスを、図６〜図１１を参照しながら説明する。

図６に示すように、まずシリコン基板１０を熱酸化して表面および裏面にシリコン酸化膜２０ａ、２０ｂを形成する。なお、本実施形態ではシリコン基板１０の熱酸化によりシリコン酸化膜２０ａ、２０ｂ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可能である。

次に、図７に示すようにシリコン基板１０の表面側のシリコン酸化膜２０ａ上に、スパッタリングにより圧電素子３０を形成する。圧電素子３０は、Ｔｉ／Ｐｔからなる下部電極３１と、ＰＺＴからなる圧電膜３２と、Ｐｔからなる上部電極３３とを有する。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り上部電極３３および圧電膜３２をパターニングする。

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下部電極３１をパターニングする。このときに、個別セル駆動のための引出し配線４１を同時に形成する。

次に、図９に示すように、表面側のシリコン酸化膜２０ａ、下部電極３１、引出し配線４１、上部電極３３を覆うように絶縁膜５１を形成する。絶縁膜５１は、プラズマＣＶＤ法ないしは熱ＣＶＤ法などによりシリコン酸化膜からなる。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り絶縁膜５１をパターニングしてビアホール５２を形成する。

次に、図１０に示すように、スパッタリングによりＡｌからなる共通配線６１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共通配線６１をパターニングする。その後、図示しないが、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絶縁膜５１および表面側のシリコン酸化膜２０ａをパターニングしてノズル５３を形成する。

次に、図１１に示すように、シリコン基板１０の圧電素子３０と対向する裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥにより、圧力発生室１２を形成する。このとき、エッチングされずに残る表面側のシリコン酸化膜２０ａは振動板２１となる。
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、複数のチップに分割する。
以上の製造方法により、本実施形態のインクジェットヘッド６を製造することが可能である。

（作用・効果）
本実施形態のインクジェットヘッド６は、個別セル７０を駆動する下部電極３１に接続された引出し配線４１が、上記他の個別セル７０の圧力発生室１２の上の振動板２１上に渡って形成されている。具体的には、上述した通り、図３中で、シリコン基板１０の中央部の個別セル７０ａ（図３中で右端部）の下部電極３１ａと接続された引出し配線４１ａは、内側から２列目の個別セル７０ｂの圧力発生室１２の上の振動板２１上を通過（ただし最上部の段のセルは除く）する状態に配置されている。すなわち、内側から２列目の個別セル７０ｂの圧力発生室１２の上の振動板２１の上に配置されている。引出し配線４１ａは、さらに、外側の個別セル７０ｃの圧力発生室１２の上の振動板２１の上を通過する状態に配置され、外部電極４２ａに接続されている。内側から２列目の個別セル７０ｂの下部電極３１ｂと接続された引出し配線４１ｂは、同様に外側の個別セル７０ｃの圧力発生室１２の上の振動板２１の上を通過し、外部電極４２ｂに接続されている。上記構成を備えることにより、基板の外側に配置された隣接するセルの圧力発生室間の壁部の上に複数の内側のセルからの引き出し配線を形成した場合に比べて引出し配線４１や、共通配線６１に要する面積が大幅に削減され、インクジェットヘッド６の面積も大幅に削減することが可能になる。したがって、面積の小さい高密度の集積ヘッドに適したインクジェットヘッド６を提供することができる。

さらに、本実施形態では、内側の個別セル７０ａには、図３中で下部電極３１ａの上下に２本のダミー配線４４が平行に配置されている。内側から２列目の個別セル７０ｂには、下部電極３１ｂの上側に１本のダミー配線４４が下部電極３１ｂの下側を通る引出し配線４１ａと平行に配置されている。これにより、内側から３列目の個別セル７０ｃのように下部電極３１ｃの上下に他の個別セル７０ａ、７０ｂの引出し配線４１ａ、４１ｂが形成された場合と同等の駆動条件になるように調整されている。そのため、各個別セル７０からのインクの吐出状態のばらつきを防止して、印字品質を高めることができる。

（第２の実施形態）
図１２〜図１４は、第２の実施形態を示す。図１２は、本実施形態のインクジェットヘッド１１０の拡大上面図、図１３は、図１２のＦ１３−Ｆ１３線断面図であり、図１４は、図１２のＦ１４−Ｆ１４線断面図である。

第１の実施形態では、インクジェットヘッド６の下部電極３１が個別電極に、上部電極３３が共通電極に接続している例を示したが、本実施形態は、これらを逆に接続し、下部電極３１を共通電極に、上部電極３３を個別電極に接続したものである。

ここでは、各個別セル７０の個別駆動用の引出し配線４１は次の通り配置されている。図１２に示すようにシリコン基板１０の中央部の個別セル７０ａ（図１２中で右端部）の上部電極３３ａと接続された引出し配線４１ａ２は、内側から２列目の個別セル７０ｂの振動板２１上を通過し（ただし最上部の段のセルは除く）、さらに外側の個別セル７０ｃの振動板２１上を通過し、外部電極４２ａ２に接続されている。

また、内側から２列目の個別セル７０ｂの上部電極３３ｂと接続された引出し配線４１ｂ２は、同様に外側の個別セル７０ｃの振動板２１上を通過し、外部電極４２ｂ２に接続されている。同様に、内側から３列目（図１２中で左端部）の個別セル７０ｃの上部電極３３ｃと接続された引出し配線４１ｃ２は、外部電極４２ｃ２に接続されている。

また、内側の個別セル７０ａや、内側から２列目の個別セル７０ｂの振動板２１上には、ダミー配線４４が形成されている。ここで、内側の個別セル７０ａには、図１２中で下部電極３１ａの上下に２本のダミー配線４４が平行に配置されている。内側から２列目の個別セル７０ｂには、下部電極３１ｂの上側に１本のダミー配線４４が下部電極３１ｂの下側を通る引出し配線４１ａ２と平行に配置されている。

これにより、内側から３列目の個別セル７０ｃのように下部電極３１ｃの上下に他の個別セル７０ａ、７０ｂの引出し配線４１ａ２、４１ｂ２が形成された場合と同等の駆動条件になるように調整されている。

一方、外側の個別セル７０ｃの下部電極３１ｃと接続された共通配線６１ｃ２は、内側から２列目の個別セル７０ｂの下部電極３１ｂと接続されている。さらに、下部電極３１ｂは、共通配線６１ｂ２を経て中央部の個別セル７０ａの下部電極３１ａと接続されている。さらに、下部電極３１ａは、共通配線６１ａ２を経て共通配線６２ａに接続されている。これ以外の構成は、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。

本実施形態のインクジェットヘッド１１０は、個別セル７０を駆動する上部電極３３に接続された引出し配線４１が、上記他の個別セル７０の振動板２１上に渡って形成されている。具体的には、上述した通り、図１２中で、シリコン基板１０の中央部の個別セル７０ａ（図１２中で右端部）の上部電極３３ａと接続された引出し配線４１ａ２は、内側から２列目の個別セル７０ｂの振動板２１上を通過し（ただし最上部の段のセルは除く）、さらに外側の個別セル７０ｃの振動板２１上を通過し、外部電極４２ａ２に接続されている。内側から２列目の個別セル７０ｂの上部電極３３ｂと接続された引出し配線４１ｂ２は、同様に外側の個別セル７０ｃの振動板２１上を通過し、外部電極４２ｂ２に接続されている。上記構成を備えることにより、引出し配線４１や、共通配線６１に要する面積が大幅に削減され、インクジェットヘッド１１０の面積も大幅に削減することが可能になる。したがって、面積の小さい高密度の集積ヘッドに適したインクジェットヘッド１１０を提供することができる。

さらに、本実施形態では、内側の個別セル７０ａには、図１２中で下部電極３１ａの上下に２本のダミー配線４４が平行に配置されている。内側から２列目の個別セル７０ｂには、下部電極３１ｂの上側に１本のダミー配線４４が下部電極３１ｂの下側を通る引出し配線４１ａ２と平行に配置されている。これにより、内側から３列目の個別セル７０ｃのように下部電極３１ｃの上下に他の個別セル７０ａ、７０ｂの引出し配線４１ａ２、４１ｂ２が形成された場合と同等の駆動条件になるように調整されている。そのため、各個別セル７０からのインクの吐出状態のばらつきを防止して、印字品質を高めることができる。

（第３の実施形態）
図１５〜図２４は、第３の実施形態を示す。図１５は、第３の実施形態のインクジェットヘッド２００の上面図である。図１６は、図１５のＦ１６−Ｆ１６線断面図であり、図１７は、図１５のＦ１７−Ｆ１７線断面図である。

本実施形態のインクジェットヘッド２００は、圧電ＭＥＭＳ型のインクジェットヘッドである。本実施形態のインクジェットヘッド２００は、図１６に示すように圧力発生室１２に接するシリコン基板１０の側壁１１の上部に酸化膜側壁２３が形成されている。また、図１７に示すように圧力発生室１２の内部にシリコン基板１０の両側の側壁１１間を接続する隔壁１３が形成されている点で、第１の実施形態と異なっている。この点以外は基本的に第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。

本実施形態においては、図１６や図１７に示すように、シリコン基板１０の側壁１１の上部に酸化膜側壁２３が形成されている。シリコン基板１０を裏面よりＤ−ＲＩＥ工程でエッチングして矩形状の圧力発生室１２を形成する際に、シリコン基板１０と、シリコン酸化膜２０ａおよび酸化膜側壁２３のエッチングレート比が大きく取れる（例えばエッチングにボッシュ法を使用した場合は１００：１以上）。そのため、振動板２１の大きさを非常に正確に制御することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、図１７に示すように、矩形状の圧力発生室１２の内部にノズル５３と対応する位置に隔壁１３が形成されている。この隔壁１３は、圧力発生室１２の両側の側壁１１間を連絡して補強する役割を果たしている。

また、例えばシリコン基板１０の裏面側には、隔壁１３の両側に２つの開口部（第１の開口部１４ａと第２の開口部１４ｂ）が形成されている。一方の第１の開口部１４ａをインク供給口とし、他方の第２の開口部１４ｂをインク排出口にすることで、インク循環型のインクジェットヘッドを実現できる。

インク供給口である第１の開口部１４ａから注入されたインクは、圧力発生室１２ａ内を上昇する。続いて、振動板３１に沿ってノズル５３の周囲を通って、圧力発生室１２ｂ側に流入する。さらに、圧力発生室１２ｂ内を下降し、インク排出口である第２の開口部１４ｂから排出される。このようにノズル５３の周囲を通ってインク循環が行われるため、ノズル５３の近傍で気泡が発生した場合でも速やかに排出することが可能となる。

図１８〜図２４は、本実施形態のインクジェットヘッド２００の製造方法を示す図である。以下、シリコン基板１０上に、振動板２１及び圧電素子３０等を形成するプロセスを、図１８〜図２４を参照しながら説明する。

図１８に示すように、まずシリコン基板１０のウェハ表面に矩形環状の溝２４を形成する。次に、図１９に示すように、熱酸化によりシリコン基板１０を酸化してシリコン基板１０の表裏両面のシリコン酸化膜２０ａ、２０ｂと、シリコン酸化膜側壁２３とを同時に形成する。このとき、溝２４の幅と酸化膜厚を調整することで、溝２４の内部を酸化膜で埋めることができる。具体的には、酸化膜２０ａの厚さを１とすると、溝２４の幅を１．１２程度、酸化後の酸化膜側壁２３の厚さを２程度ないしはそれ以上にすることが望ましい。

なお、本実施形態ではシリコン基板の熱酸化により酸化膜２０ａ、２０ｂおよび、シリコン酸化膜側壁２３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可能である。

次に、図２０に示すようにシリコン基板１０の表面側のシリコン酸化膜２０ａ上に、スパッタリングにより、圧電素子３０を形成する。圧電素子３０は、Ｔｉ／Ｐｔからなる下部電極３１と、ＰＺＴからなる圧電膜３２と、Ｐｔからなる上部電極３３とを有する。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り上部電極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り下部電極３１をパターニングする。このとき、下部電極３１に接続された個別セル駆動のための引出し配線４１も同時に形成する。

次に、図２１に示すように、シリコン酸化膜２０ａと、下部電極３１の一部と、引出し配線４１と、上部電極３３とを覆うように、プラズマＣＶＤ法ないしは熱ＣＶＤ法などによりシリコン酸化膜からなる絶縁膜５１を形成する。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り絶縁膜５１をパターニングしてビアホール５２を形成する。

次に、図２２に示すように、絶縁膜５１の上に、スパッタリングによりＡｌからなる共通配線６１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共通配線６１をパターニングする。
続いて、図２３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酸化膜２０ａをパターニングしてノズル５３を形成する。

次に、図２４に示すように、シリコン基板１０の圧電素子３０と対向する裏面側から、裏面フォトリソグラフィーおよびＤ−ＲＩＥにより、圧力発生室１２ａ、１２ｂを形成する。本実施形態では、酸化膜側壁２３の矩形状よりも一回り小さい２個の矩形からなる平面形状にレジストパターンを作成する。そして、Ｄ−ＲＩＥの初期にはエッチングおよび側面パッシベーションを繰り返して垂直な外周の側壁を持つ２つの圧力発生室１２ａ、１２ｂを形成する。次に、エッチング先端が酸化膜側壁２３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う。これにより、酸化膜側壁２３および酸化膜２０ａを露出させると同時に、隔壁１３を両側から薄くして、２室に分かれた圧力発生室１２ａ、１２ｂを上部で合体させる。このとき、エッチングされずに残る酸化膜２０ａは、振動板２１となる。これにより、圧力発生室１２内に一方の圧力発生室１２ａから他方の圧力発生室１２ｂに流れるインク流路を形成することができる。

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、複数のチップに分割する。
以上の製造方法により、本実施形態のインクジェットヘッド２００を製造することが可能である。

以上、本実施形態によれば、引出し配線や共通配線に要する面積が大幅に削減され、インク循環が可能で面積が大幅に削減された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４の実施形態）
図２５は、第４の実施形態を示す。図２５は、第４の実施形態のインクジェットヘッド３００の上面図である。第１の実施形態では、圧力発生室１２の平面形状が矩形状の例を示したが、本実施形態のインクジェットヘッド３００は、圧力発生室１２の平面形状が円形である点で、第１の実施形態と異なっている。この点以外は基本的に第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。

本実施形態のインクジェットヘッド３００は、圧電ＭＥＭＳ型のインクジェット記録ヘッドである。本実施形態のインクジェットヘッド３００は、円形の平面形状の圧力発生室１２を有する。また、圧力発生室１２の形状に合わせて、円形の下部電極３１、上部電極３３を持つ。この点以外は基本的に第１の実施形態と同様である。

以上、具体例を参照しつつ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、インクジェット式記録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式記録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式記録ヘッドが、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。

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。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］シリコン基板上に形成された振動板と、前記振動板上の下部電極、圧電膜、上部電極からなる圧電駆動素子と、前記振動板に形成されたノズルと、前記振動板に隣接して形成された圧力発生室とを有するインク噴射部のセルを複数配置してなる集合ヘッドを有し、前記集合ヘッドは、前記セルを駆動する前記上部電極、または前記下部電極のいずれか一方に接続された個別駆動用の引出し配線が、他の前記セルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されているインクジェット式記録ヘッド。
［２］前記集合ヘッドは、前記セルが紙送り方向に沿って複数列、前記紙送り方向と直交する方向に沿って複数段並設され、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って両端部に前記セルの個別駆動用の外部電極と、前記セルの共通電極とが形成され、前記下部電極は、前記個別駆動用の引出し配線が接続され、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って内側に配置された前記セルの前記下部電極の前記引出し配線は、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って外側に隣接する他の前記セルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
［３］前記集合ヘッドは、前記セルが紙送り方向に沿って複数列、前記紙送り方向と直交する方向に沿って複数段並設され、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って両端部に前記セルの個別駆動用の外部電極と、前記セルの共通電極とが形成され、前記上部電極は、前記個別駆動用の引出し配線が接続され、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って内側に配置された前記セルの前記上部電極の前記引出し配線は、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って外側に隣接する前記他のセルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
［４］前記シリコン基板は、前記シリコン基板の前記インク噴射部が形成されている面と反対側の端面にあって、前記圧力発生室へインクを供給する第１の接続口と、前記圧力発生室からインクが流出する第２の接続口と、を有するバックプレートを有し、前記シリコン基板は、前記バックプレート側の端面に一体に形成され、前記圧力発生室内を前記ノズルの近傍の連通路を除いて複数に仕切る仕切り壁を有する請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
［５］前記集合ヘッドは、前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って他の前記セルの前記引出し配線が形成されている前記セルの前記振動板上に駆動条件を調整するダミー配線が配設されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
［６］前記ダミー配線は、前記引出し配線と対応する形状に形成されている請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
［７］請求項１〜６のいずれか１項のインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット記録装置。

６…インクジェットヘッド、１０…シリコン基板、１１…側壁、１２、１２ａ、１２ｂ…圧力発生室、２１…振動板、３０…圧電素子（圧電駆動素子）、３１…下部電極、３２…圧電膜、３３…上部電極、４１…引出し配線、４２…外部電極、４４…ダミー配線、５３…ノズル、６１…共通配線、６３…共通電極、７０…個別セル、１００…インクジェットプリンタ。

Claims (7)

1. シリコン基板上に形成された振動板と、
   前記振動板上の下部電極、圧電膜及び上部電極を備える圧電駆動素子と、
   前記振動板に形成されたノズルと、
   前記シリコン基板の内部に前記振動板に隣接して形成された圧力発生室と、を有するインク噴射部のセルを複数配置してなる集合ヘッドを有し、
   前記集合ヘッドは、前記圧電駆動素子の外形が前記圧力発生室の外形よりも小さく形成され、前記上部電極、または前記下部電極のいずれか一方に接続された引出し配線が、他の前記セルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されているインクジェット式記録ヘッド。
2. 前記集合ヘッドは、前記セルが紙送り方向に沿って複数列、前記紙送り方向と直交する方向に沿って複数段並設され、
   前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って両端部に前記セルの個別駆動用の外部電極と、前記セルの共通電極とが形成され、
   前記下部電極は、前記個別駆動用の引出し配線が接続され、
   前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って内側に配置された前記セルの前記下部電極の前記引出し配線は、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って外側に隣接する他の前記セルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. 前記集合ヘッドは、前記セルが紙送り方向に沿って複数列、前記紙送り方向と直交する方向に沿って複数段並設され、
   前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って両端部に前記セルの個別駆動用の外部電極と、前記セルの共通電極とが形成され、
   前記上部電極は、前記引出し配線が接続され、
   前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って内側に配置された前記セルの前記上部電極の前記引出し配線は、前記集合ヘッドの紙送り方向に沿って外側に隣接する前記他のセルの前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って形成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
4. 前記シリコン基板は、前記シリコン基板の前記インク噴射部が形成されている面と反対側の端面にあって、前記圧力発生室へインクを供給する第１の接続口と、前記圧力発生室からインクが流出する第２の接続口と、を有するバックプレートを有し、
   前記シリコン基板は、前記バックプレート側の端面に一体に形成され、前記圧力発生室内を前記ノズルの近傍の連通路を除いて複数に仕切る仕切り壁を有する請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
5. 前記集合ヘッドは、前記圧力発生室の上の前記振動板上に渡って他の前記セルの前記引出し配線が形成されている前記セルの前記振動板上に駆動条件を調整するダミー配線が配設されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
6. 前記ダミー配線は、前記引出し配線と対応する形状に形成されている請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
7. 請求項１〜６のいずれか１項のインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット記録装置。