JP2000141650A

JP2000141650A - インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000141650A
Application number: JP32019598A
Authority: JP
Inventors: Yukito Sato; 幸人佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2000-05-23

Abstract

(57)【要約】【課題】静電駆動の高密度インクジェットヘッドに用
いることができるシリコン薄膜振動板の形成を可能にす
る。【解決手段】インク液滴を吐出するためのノズル２１
を有する液室１３の一部に振動板１２を有し、該振動板
１２に対向する液室外側の位置に電極３１を有し、該電
極３１と前記振動板１２との間に電圧を印加して前記振
動板を駆動し、ノズル１１よりインクを吐出させる。前
記液室１３が単結晶シリコン１０で構成され、前記振動
板１２が多結晶シリコン薄膜で構成され、両者の間に酸
化膜１６が形成されている。振動板１２が多結晶シリコ
ン薄膜であり、両者の間に酸化膜が形成されているイン
クジェットヘッドであり、振動板が多結晶シリコンで形
成されているので、大面積でかつ薄膜振動板の膜厚が均
一であり、ノズルあるいはヘッドごとのインク吐出特性
のばらつきが小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットヘ
ッド及びその製造方法、より詳細には、振動板を静電引
力によって駆動することによりインク液滴を吐出する静
電型のインクジェットヘッド及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】インクの液滴をノズルから直接記録媒体
上に噴射し記録するインクジェットプリンタにおいて、
必要なときのみインクを吐出するオンデマンド方式は、
インクを回収するための機構が不要なため低価格化，小
型化が可能であり、カラー化にも容易に対応できる特徴
をもっている。そのなかでもパーソナルプリンタとして
の主流はピエゾ素子の変位によりインク室に圧力波を発
生させ、ノズルよりインクを吐出させる電気機械変換方
式と、短時間で高温まで加熱されるヒータによりインク
室に気泡を発生させ、気泡の体積膨張によりインクを吐
出させる電気熱変換式の２種である。

【０００３】一方、静電方式のインクジェットヘッドに
ついては、ウエハプロセスでの作製が可能であることか
ら、高密度化が容易で、かつ、特性の安定した素子を大
量に作製でき、また、平面構造を基本とすることから小
型化が容易である長所をもつことから、特開平２−２８
９３５１号公報、特開平５−５０６０１号公報、特開平
６−７１８８２号公報等に多くの構造が開示されてい
る。これらの静電方式のインクジェットへッドでは、液
室の一部を構成している振動板に対向し、かつその外側
の位置に、一定距離のギャップを隔てて電極板が形成さ
れ、これら振動板と電極板間の静電引力と、振動板自体
の剛性により振動板を駆動して液室のインクを吸引，吐
出するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】インクジェットヘッド
で高速，高画質印字するためには、ノズルの高密度化が
必要不可欠である。ピエゾ素子や静電引力により振動板
を駆動するインクジェットヘッドにおいて、高密度化す
なわちノズルピッチを狭くするためには、個々の振動板
におけるノズルピッチ方向の長さを短くする必要があ
る。ここで、静電引力による振動板の変位量は、式
（１）に示すように、振動板の短辺長の４乗に比例する
ことから、高密度化を目的として振動板の短辺長を短く
すると変位量は著しく小さくなる。したがって、変位を
大きくして必要とするインク液滴の吐出量を確保するた
めには、式（１），式（２）より振動板の厚さを薄くす
るか、電極間距離を狭くするか、あるいは駆動電圧を大
きくすることが必要となってくる。電極間の距離につい
ては加工精度等、製法上での制約から最小値が決まって
くる。また、電圧設定値を大きくすると、電源，駆動回
路のコストが高くなってしまう。したがって、この場
合、振動板の厚さを薄くすることが必要となってくる。

【０００５】

【数１】

【０００６】シリコンウエハから薄い振動板を形成する
ための方法としては、シリコンウエハを片面からエッチ
ングしていき、時間管理で所望の厚さでエッチングを停
止するという方法が考えられるが、シリコンウエハの厚
さのばらつきが、そのまま振動板の厚さのばらつきに反
映されてしまい、均一な振動板を数多くつくることが難
しい。

【０００７】これに対し、エッチング停止層を設ける方
法が考えられる。その一つとして高濃度のボロン拡散層
でエッチング速度が遅くなることを利用した方法がある
が、高濃度ボロン拡散層では引っ張り応力が大きいた
め、その分変位しにくく、また、転移等の格子欠陥が多
いため、振動板としての信頼性，経時変化が懸念され
る。

【０００８】また、Ｐ型シリコン基板にＮ型層を形成し
ておき、Ｐ型基板をエッチング除去していってＮ型層が
エッチング液に露出されたときに陽極酸化されるように
電圧をかけておく電気化学エッチング停止法があるが、
エッチング装置が複雑で、数μｍの薄膜を得ようとした
場合、ｐｎ接合近傍の空乏層の考慮から、基板濃度が制
約される場合がある。

【０００９】さらに別の方法として、ＳＯＩ基板の支持
基板をエッチング除去する方法も考えられるが膜厚の均
一性が悪く基板も高価である。このようにシリコン基板
から薄い振動板を形成することは、均一な厚さを広い面
積で得られない、高密度不純物層の利用に対する懸念，
位置の複雑化，コストが高い等の問題点があった。

【００１０】本発明は、上述のごとき問題点を解決し、
静電駆動の高密度インクジェットヘッドに用いることが
できるシリコン薄膜振動板の形成を可能にするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、イン
ク液滴を吐出するためのノズルを有する液室の一部に振
動板を有し、該振動板に対向する液室外側の位置に電極
を有し、該電極と前記振動板との間に電圧を印加したと
きの静電引力によって前記振動板を駆動するインクジェ
ットヘッドにおいて、前記液室が単結晶シリコンで構成
され、振動板が多結晶シリコン薄膜で構成され、両者の
間に酸化膜が形成されていることを特徴としたものであ
る。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１に記載したイ
ンクジェットヘッドの製造方法であって、単結晶シリコ
ン基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜の上に多結晶シリ
コン薄膜を形成し、前記単結晶シリコン基板の一部を所
望の形状にエッチング除去することによって該多結晶シ
リコン基板の一部を所望の形状にエッチング除去するこ
とによって前記多結晶シリコン薄膜からなる振動板を形
成することを特徴としたものである。

【００１３】請求項３の発明は、インク液滴を吐出する
ためのノズルを有する液室の一部に振動板を有し、該振
動板に対向する液室外側の位置に電極を有し、該電極と
前記振動板との間に電圧を印加したときの静電引力によ
って前記振動板を駆動するインクジェットヘッドにおい
て、前記液室と振動板が単結晶シリコンで構成され、両
者の間に酸化膜が形成されていることを特徴としたもの
である。

【００１４】請求項４の発明は、請求項３に記載したイ
ンクジェットヘッドの製造方法であって、単結晶シリコ
ン基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜の上に多結晶シリ
コン薄膜を形成し、多結晶シリコンを熔融，再結晶化し
て単結晶シリコン薄膜とした後、前記単結晶シリコン基
板の一部を所望の形状にエッチング除去することによっ
て前記単結晶シリコン薄膜からなる振動板を形成するこ
とを特徴としたものである。

【００１５】請求項５の発明は、請求項１又は３に記載
のインクジェットヘッドにおいて、前記液室の単結晶シ
リコン基板が（１１０）配向基板であることを特徴とし
たものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の請求項１に記載
したインクジェットヘッドの側断面図で、本インクジェ
ットヘッドは、大きく別けて、液室，振動板，電極基板
の３つの部分から構成されている。液室を構成する単結
晶Ｓｉ基板１０には、異方性エッチングで形成した個々
のノズル１１に対応して、静電引力によって駆動する多
結晶シリコン薄膜振動板１２を備えた、異方性エッチン
グで形成した液室１３と、そこへインクを供給するため
の供給液室１４が形成され、両者は異方性エッチングで
形成した流路１５によって連通されている。また、液室
１３，ノズル１１，流路１５を形成する単結晶シリコン
基板１０と多結晶シリコン薄膜振動板１２との間には酸
化膜１６が形成されている。なお、共通液室１４の上部
には液室カバーとしてガラス基板２０が接合されてお
り、サンドブラストによるガラス穴開けでインク供給用
の流路２１が形成されている。振動板１２の下側には電
極基板として、静電駆動のためのギャップＧ、及び、振
動板１２に対する白金電極３１が形成されたガラス基板
３０が接合されている。

【００１７】上述のごときインクジェットヘッドにおい
て、多結晶シリコン振動板１２と電極３１との間に電圧
を印加し一定周波数で駆動した。このとき、シリコン振
動板１２を共通のグランドとし、金属電極３１に個別に
５０Ｖの電圧を印加した。電圧を印加したとき振動板１
２と電極３１との間に静電引力が働き、振動板１２は電
極３１の方向に引かれ、液室１３は陰圧となりインク供
給のための流路１５を経て共通液室１４から個別液室１
３へとインクが供給された。電圧を切ると振動板１２は
Ｓｉの剛性によりもとの位置へと戻り、このとき個別液
室１３中に発生する圧力波によりノズル１１を経て記録
紙上へとインクが吐出された。

【００１８】図２は、本発明によるインクジェットヘッ
ドの製作工程を説明するための図で、まず、両面が研磨
された２００μｍ厚の（１００）配向単結晶シリコン基
板４０を酸化膜４１の厚さが１μｍとなるように熱酸化
した（図２（Ａ））。次に、この熱酸化膜４１が形成さ
れた単結晶シリコン基板上に、ＬＰ−ＣＶＤ法で多結晶
シリコン薄膜４２を２μｍの厚さで成膜した（図２
（Ｂ））。次に、片側表面の多結晶シリコン薄膜４２を
エッチング除去し（図２（Ｃ））、酸化膜４１をノズ
ル，流路，及び液室の形状に対応してパターニングした
（図２（Ｄ））。ここで、個別液室と共通液室を連通す
る流路の形状については、振動板の駆動によるインクの
供給と吐出のための流体抵抗を考慮して設計した。

【００１９】その後、単結晶シリコン基板をＫＯＨ溶液
により異方性エッチングし、ノズル，流路，及び液室を
形成した（図２（Ｅ））。なお、異方性エッチング液と
して、ここではＫＯＨ溶液を用いたが、シリコンの（１
１１）面のエッチング速度が選択的に遅くなるような他
のエッチング液、たとえば、ＥＰＷ，ＴＭＡＨ，ヒドラ
ジン等を使用してもよい。この際、異方性エッチングの
性質から、ノズル，流路はエッチングマスクとなる酸化
膜のパターン幅により規定されただけの深さの（１１
１）面で構成されたＶ字型溝となったところでエッチン
グが停止し、また、ＫＯＨ溶液はシリコンと比較してＳ
ｉＯ２はほとんどエッチングしないため、液室は多結晶
シリコンとの間に形成された酸化膜４１が露出したとこ
ろでエッチングが停止した。なお、本エッチングではウ
エハの多結晶シリコン薄膜側がエッチング液にさらされ
ないように保持できるような治具を使用した。

【００２０】その後、振動板表面に露出した酸化膜４１
をエッチング除去し、多結晶シリコン薄膜からなる振動
板４２を形成した（図２（Ｆ））。このように、振動板
となる液室の底面は、酸化膜によるエッチングの停止
と、その酸化膜の除去によって形成されるため、酸化膜
を介して形成した多結晶シリコン薄膜の厚さ２μｍが振
動板の厚さとなる。

【００２１】次に、ガラス基板５０と金属電極５１から
構成される電極基板を作製し、先のシリコン基板上に形
成された多結晶シリコン薄膜４２と接合した（図２
（Ｇ））。シリコン基板における振動板との間に静電引
力を働かせるためのギャップＧを形成するための凹部５
２はふっ酸とふっ化アンモニウムの混合液のウエットエ
ッチングにより形成した。なお、このギャップの形成に
はドライエッチングを用いてもよい。ギャップの間隔は
狭いほど静電引力が強く働き、振動板の駆動電圧を低く
設定できることから、ここでは０.５μｍとした。振動
板４２とギャップＧを介して対向する凹部５２には金属
電極５１として、厚さ１００ｎｍのＰｔ薄膜をスパッタ
法で成膜し、パターニングした。この際、ガラスとの密
着性を高めるため下地に３０ｎｍのＴｉ薄膜をあらかじ
めスパッタ法で成膜しておいた。なお、この金属薄膜５
１の形成には、真空蒸着等を用いてもよい。次に、液室
カバー６０として、サンドブラストで液導入のための穴
開け加工６１をしたガラス基板をシリコン液室に陽極接
合した（図２（Ｈ））。この後、ノズル先端となる部分
をダイシングにより切り出してインクジェットヘッドを
完成した。

【００２２】本発明の請求項３に記載したインクジェッ
トヘッドは、図１に示したインクジェットヘッドの多結
晶シリコン薄膜振動板１２を単結晶化したものであり、
その基本的な動作原理は多結晶シリコン薄膜振動板を用
いた場合と同じである。すなわち、このようなインクジ
ェットヘッドにおいて振動板１２と電極３１との間に電
圧を印加し一定周波数で駆動したところ、振動板１２と
電極３１との間に静電引力が働き、振動板１２は電極３
１の方向に引かれた。このとき液室１３は陰圧となりイ
ンク供給のための流路１５を経て共通液室１４から個別
液室１３へインクが供給された。電圧を切ると振動板１
２はＳｉの剛性によりもとの位置へと戻り、このとき個
別液室１３は加圧され、ノズル２１を経て記録紙上へと
インクが吐出された。

【００２３】図３及び図４は、本発明の請求項４に記載
したインクジェットヘッド製造方法の一実施例を説明す
るための図で、本発明では、最初の工程で、シリコン基
板上の多結晶シリコン薄膜を熱酸化膜を介して単結晶化
をしているが、それ以降の工程は、図２に示した請求項
２の発明の実施例と同様の工程で作製したので、ここで
はシリコン基板上の多結晶シリコン薄膜を単結晶化する
工程のみを説明する。

【００２４】まず、１μｍの厚さで熱酸化膜４１を形成
した単結晶シリコン基板４０（図３（Ａ））上に多結晶
シリコン薄膜４２をＬＰ−ＣＶＤ法で１μｍの厚さで形
成し（図３（Ｂ））、さらにその上に保護膜としてＳｉ
Ｏ_２膜４３をＣＶＤ法で１μｍの厚さで形成した（図３
（Ｃ））。ここで、保護膜４３は多結晶シリコンを熔融
したときの局所的な凝集を防止するためのものである。

【００２５】上述のようにして形成した基板を直線状の
カーボンヒーター４５をシリコン融点以上の温度に上
げ、シリコンから一定距離，一定速度で一方的に加熱走
査することにより、基板上の多結晶シリコン薄膜４２を
熔融，再結晶化した（図３（Ｄ），図４）。ここで得ら
れた再結晶化シリコンは、わずかに結晶方位のずれた結
晶亜粒界は存在するものの、結晶粒界は存在せず、単結
晶シリコン薄膜４４として形成された（図３（Ｅ））。
その後、表面のＳｉＯ_２膜４３をふっ酸とふっ化アンモ
ニウムの混合液でエッチング除去し（図３（Ｆ））、さ
らに多結晶シリコン薄膜をふっ酸と硝酸の混合液でエッ
チング除去した後（図３（Ｇ））、以降、図２に示した
請求項２の発明の実施例と同様の工程に従い、単結晶シ
リコン薄膜４４側を別工程で作製した電極基板と接合し
インクジェットヘッドを作製した。

【００２６】図５は、本発明の請求項５に記載したイン
クジェットヘッドの要部断面構成を、図６は、従来技術
によるインクジェットヘッドの図５に対応した構成を示
す図で、いずれもノズル側からみた液室部の断面であ
る。図６に示す従来のインクジェットヘッドにおいて
は、ガラス基板８４の窪みに形成された個別の電極８５
への電圧印加によりシリコン振動板８３が動作し、酸化
膜８２を介して形成されている液室８６のインクをノズ
ルから吐出する。ここで、液室を構成するシリコン基板
８１はシリコンの異方性エッチングによって形成する
が、シリコン基板８１として（１００）基板を用いる
と、異方性エッチングの性質から、液室８６の壁は振動
板面から約５５度の角度で形成される（図６）。本発明
の請求項４の発明はこのシリコン基板として、図５に示
すように、（１１０）基板７１を用いたものであり、こ
のような基板を用いることで液室７６の壁を振動板７３
の面に対して９０度で形成することができた。このと
き、ノズルピッチは振動板短辺長と液室の壁の厚さを合
わせたものとなる。このような振動板，液室をガラス基
板７４と接合し、ガラス基板の窪みに形成された個別の
電極７５への電圧印加によりシリコン振動板７３を駆動
し、液室７６のインクをノズルから吐出した。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明は、液室が単結晶シリコ
ン、振動板が多結晶シリコン薄膜であり、両者の間に酸
化膜が形成されているインクジェットヘッドであり、振
動板が多結晶シリコンで形成されているので、大面積で
かつ薄膜振動板の膜厚が均一であり、ノズルあるいはヘ
ッドごとのインク吐出特性のばらつきが小さい。

【００２８】請求項２の発明は、単結晶シリコン基板上
に酸化膜を形成し、酸化膜の上に多結晶シリコン薄膜を
形成し、単結晶シリコン基板の一部を所望の形状にエッ
チング除去することによって多結晶シリコン薄膜からな
る振動板を形成するインクジェットヘッドの製造方法で
あり、大面積でかつ膜厚の均一な薄膜振動板を容易かつ
低コストに作製することができる。

【００２９】請求項３の発明は、液室と振動板が単結晶
シリコンであり、両者の間に酸化膜が形成されているイ
ンクジェットヘッドであり、このようなインクジェット
ヘッドにおいては、振動板が多結晶シリコン熔融再結晶
化してできた単結晶シリコンで形成されているので、厚
さが広い面積で均一であり、ノズルごとあるいはヘッド
ごとのインク吐出特性のばらつきが小さく、さらに結晶
粒界がないため、振動板の使用において特性変化，破壊
が発生せず、高信頼性が得られる。

【００３０】請求項４の発明は、単結晶シリコン基板上
に酸化膜を形成し、酸化膜の上に多結晶シリコン薄膜を
形成し、多結晶シリコンを熔融，再結晶化して再結晶シ
リコン薄膜とした後、単結晶シリコン基板の一部を所望
の形状にエッチング除去することによって単結晶シリコ
ン薄膜からなる振動板を形成してインクジェットヘッド
を製造するようにしたので、単結晶シリコン振動板が多
結晶シリコンを熔融再結晶化することによって形成され
ているので、厚さが広い面積で均一であり、ノズルごと
あるいはヘッドごとのインク吐出特性のばらつきが小さ
く、さらには、結晶粒界がないため、長時間の使用にお
いて特性変化，破壊が発生せず信頼性の高い振動板を容
易かつ低コストに作製することができる。

【００３１】請求項５の発明の発明は、請求項１又は３
の発明において、液室の単結晶シリコン基板が（１１
０）配向基板であるので、液室の壁が垂直に形成される
ため、隣接するノズル間の距離を狭くして高密度のイン
クジェットヘッドを作製することができ、高速，高画質
の印字が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１に記載したインクジェット
ヘッドの側断面図である。

【図２】図１に示したインクジェットヘッドの製作工
程図である。

【図３】本発明の請求項３に記載したインクジェット
ヘッドの製作工程図である。

【図４】図３に示した工程（Ｄ）を説明するための斜
視図である。

【図５】本発明の請求項５のインクジェットヘッドの
構成を示す図である。

【図６】従来技術によるインクジェットヘッドの構成
を示す図である。

【符号の説明】

１０…シリコン基板、１１…ノズル、１２…多結晶シリ
コン薄膜振動板、１３…液室、１４…共通液室、１５…
流路、１６…酸化膜、２０…ガラス基板、２１…流路、
３０…ガラス基板、３１…電極、４０…（１００）配向
単結晶シリコン基板、４１…酸化膜、４２…多結晶シリ
コン基板（振動板）、４３…酸化シリコン膜、４４…単
結晶シリコン薄膜、４５…カーボンヒーター、５０…ガ
ラス基板、５１…電極、５２…凹部、６０…液室カバ
ー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク液滴を吐出するためのノズルを有
する液室の一部に振動板を有し、該振動板に対向する液
室外側の位置に電極を有し、該電極と前記振動板との間
に電圧を印加したときの静電引力によって前記振動板を
駆動するインクジェットヘッドにおいて、前記液室が単
結晶シリコンで構成され、前記振動板が多結晶シリコン
薄膜で構成され、両者の間に酸化膜が形成されているこ
とを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】請求項１に記載したインクジェットヘッ
ドの製造方法であって、単結晶シリコン基板上に酸化膜
を形成し、該酸化膜の上に多結晶シリコン薄膜を形成
し、前記単結晶シリコン基板の一部を所望の形状にエッ
チング除去することによって該多結晶シリコン基板の一
部を所望の形状にエッチング除去することによって前記
多結晶シリコン薄膜からなる振動板を形成することを特
徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項３】インク液滴を吐出するためのノズルを有
する液室の一部に振動板を有し、該振動板に対向する液
室外側の位置に電極を有し、該電極と前記振動板との間
に電圧を印加したときの静電引力によって前記振動板を
駆動するインクジェットヘッドにおいて、前記液室と振
動板が単結晶シリコンで構成され、両者の間に酸化膜が
形成されていることを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項４】請求項３に記載したインクジェットヘッ
ドの製造方法であって、単結晶シリコン基板上に酸化膜
を形成し、該酸化膜の上に多結晶シリコン薄膜を形成
し、多結晶シリコンを熔融，再結晶化して単結晶シリコ
ン薄膜とした後、前記単結晶シリコン基板の一部を所望
の形状にエッチング除去することによって前記単結晶シ
リコン薄膜からなる振動板を形成することを特徴とする
インクジェットヘッドの製造方法。
【請求項５】前記液室の単結晶シリコン基板が（１１
０）配向基板であることを特徴とする請求項１又は３に
記載のインクジェットヘッド。