JP2001018385A

JP2001018385A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2001018385A
Application number: JP19592099A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Hashimoto; 憲一郎橋本
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】インク吐出が高効率であり、駆動電圧が低
く、低コストのインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】振動板５が形成される面に共通インク室
８から吐出室６への貫通孔１５を設け、インク流入経路
内に振動板５と同一部材で構成された薄板１６を有し、
インクは共通インク室８からインク流入路１７，貫通孔
１５と通って吐出室６に供給される。振動板５と個別電
極２１との間に電圧を印加すると、静電気力によって振
動板５が個別電極２１側に撓み、吐出室６内の圧力が減
少し、薄板１６は上方に撓み、薄板１６とストッパ２０
の間隔が広くなり、吐出室６にインクが供給される。電
圧を除去すると、振動板５は弾性力により元に戻ろうと
し、吐出室６内のインクを押し出す。この時、薄板１６
は下方に撓もうとするがストッパ２０のために撓むこと
ができず、薄板１６とストッパ２０により吐出室６から
共通インク室８側へのインクの流れは遮断される。

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、より詳細には、インク液滴を吐出し、記録媒体に
インクを付着させ記録するインクジェットヘッドに関
し、特に、インク液滴吐出室を単結晶シリコンによって
作製するインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットヘッドは、記録時の騒音
がきわめて少ないこと、高速印字が可能であること、イ
ンクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど
多くの利点を有する。この中でも記録の必要なときにの
みインク液滴を吐出する、いわゆる、オンデマンド方式
が記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、
現在主流となってきている。

【０００３】このオンデマンド方式のインクジェット方
式には、特開平６−７１８８２号公報に示されるよう
に、駆動手段に静電気力を利用したインクジェットヘッ
ドがある。この静電気力を利用したインクジェットヘッ
ド振動板と該振動板に対向する電極との間に電圧が印加
されると、これら振動板と対向電極との間に静電気力が
働いて振動板が撓み、続いて印加電圧を切ると撓んでい
た振動板が元に戻り、インクを加圧してインク滴として
吐出させるものであり、低騒音，高印字品質，長寿命お
よび低コストであるという利点を有している。

【０００４】図１９は、前記特開平６−７１８８２号公
報に記載のインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部
断面図で示しており、３枚の基板１，２，３を重ねて接
合した積層構造となっている。図２０は、図１９に示し
た３枚の基板１，２，３を接合して完成したインクジェ
ットヘッドの断面を示す図で、インク液滴を基板の面部
に設けたノズル孔から吐出するサイドシュータイプの例
を示すものであり、第３の基板３の面に設けられたノズ
ル孔４よりインク液滴を吐出させるようにしている。

【０００５】中間の基板１は、シリコン基板であり、底
壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部
１２と、該凹部１２の後部に設けられた流体抵抗７を構
成することになるインク流入口のための細溝１３と、そ
れぞれの吐出室６にインクを供給するための共通インク
室８を構成することになる凹部１４を有する。

【０００６】基板１の下面に接合される下側の基板２に
はパイレックスガラス（ホウ珪酸ガラス）を使用し、こ
の基板２に個別電極２１を装着するための凹部２５を
０.５μｍエッチングすることにより、基板１と基板２
の接合後、振動板５と基板２上の個別電極２１とのギャ
ップを形成する。この凹部２５はその内側に個別電極２
１，リード部２２及び端子部２３を装着できるように電
極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成す
ることで作製する。個別電極２１は凹部２５内に金を
０.１μｍスパッタして形成する。さらに端子部２３も
ボンディングのための金をスパッタしている。基板２と
基板１を接合することによって、振動板５と個別電極２
１との間に微小ギャップが０.４μｍ形成される。

【０００７】第１の基板の上面に接合される第３の基板
３には、厚さ１００μｍのＳＵＳ板を用い、基板３の面
部に吐出室用の凹部１２と連通するようにそれぞれノズ
ル孔４を設け、又、共通インク室用の凹部１４と連通す
るようにインク供給口３１を設ける。インク供給口３１
は接続パイプ３２及びチューブ３３を介して図示しない
インクタンクに接続される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記従来例では、流体
抵抗７は細溝１３で形成されている。振動板５が変位し
て、吐出室６内のインクを押し出すとき、ノズル孔４以
外に流体抵抗７側にもインクが押し出される。ノズル孔
４にインクを吐出するための圧力を効率よく伝えるため
には、流体抵抗７の溝を細くした方がよい。一方、連続
吐出する場合には、共通インク室８から吐出室６へのイ
ンク供給が充分行えるように流体抵抗７の溝を太くした
方がよい。流体抵抗７の溝が細すぎる場合には、吐出室
６へのインク供給が間に合わなくなり、吐出しなくなっ
てしまう。結局、吐出効率とインク供給はトレードオフ
の関係にあり、振動板５に押し出されたインクは、半分
近く流体抵抗７側に吸収されてロスしている。アクチュ
エータはこのロス分を加味した設計をしなければなら
ず、駆動電圧の高電圧化を招き、コストも高くなってし
まうという問題が生じていた。

【０００９】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたものであり、インク吐出が高効率であり、駆動電圧
が低く、低コストのインクジェットヘッドを提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、インク液滴を
吐出する単一又は複数のノズル孔と、前記ノズル孔のそ
れぞれに連通する吐出室と、前記吐出室と連通する共通
インク室と、前記吐出室の少なくとも一方の壁を構成す
る振動板と、該振動板に変形を生じさせる手段を備え、
前記振動板を構成する部材の一部が前記吐出室と前記共
通インク室の間に位置し、かつ、前記振動板を構成する
部材の一部が可動部となっており、該可動部と該可動部
が前記共通インク室側へ変位することを妨げるストッパ
により、前記共通インク室から前記吐出室へインクが流
れるときには抵抗が小さく、前記吐出室から前記共通イ
ンク室へインクが流れるときには抵抗が大きくなる逆止
弁を構成することを特徴とし、もって、振動板を構成す
る部材の一部で構成される可動部と該可動部が前記共通
インク室側へ変位することを妨げるストッパによって逆
止弁を構成することにより、容易に逆止弁を構成でき、
インク吐出時に共通インク室側への吐出圧力のロスを著
しく少なくし、インク吐出の効率を高めることができ
る。それによって、インク吐出速度を大きくして印字品
質を向上させ、また、駆動電圧の低電圧化を可能とし、
コストダウンを可能としたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるインクジェ
ットヘッドを説明するための図で、図１（Ａ）は断面
図、図１（Ｂ）は、ノズル孔４が形成されている基板３
を取り除いた時の上面図、図１（Ｃ）は、本発明のイン
クジェットヘッドの動作を説明するための断面図であ
る。本発明は、振動板５が形成される面に共通インク室
８から吐出室６への貫通孔１５を設け、インク流入経路
内に振動板５と同一部材で構成される薄板１６が存在す
るものである。貫通孔１５の下にはストッパ２０があ
る。インクは共通インク室８から基板２に形成されたイ
ンク流入路１７，貫通孔１５と通って吐出室６に供給さ
れる。

【００１２】次に本発明のインクジェットヘッドの動作
を説明する。振動板５と個別電極２１との間に電圧を印
加すると、図１（Ｃ）に示すように、静電気力によって
振動板５が個別電極２１側に撓む。振動板５が撓むこと
によって、吐出室６内の圧力が減少し、この時、薄板１
６は上方に該撓み薄板１６とストッパ２０の間隔が広く
なり、共通インク室８から吐出室６へインクが供給され
る。電圧を除去すると、振動板５は弾性力により元に戻
ろうとし、吐出室６内のインクを押し出す。この時、薄
板１６は下方に撓もうとするがストッパ２０のために撓
むことができず、薄板１６とストッパ２０により吐出室
６から共通インク室８側へのインクの流れは遮断され
る。このように、薄板１６とストッパ２０によって、共
通インク室８から吐出室６へはインクが流れるが、吐出
室６から共通インク室８へはインクが流れない逆止弁が
構成される。このインクジェットヘッドにより、インク
吐出時に共通インク室側への吐出圧力のロスが著しく少
なくなり、インク吐出の効率が高くなる。そのため、イ
ンク吐出速度も大きくなり印字品質が良くなる。又、駆
動電圧の低電圧化も可能となり、コストダウンが可能と
なる。

【００１３】図２は、本発明の他の実施例を示す図で、
図２（Ａ）は断面図、図２（Ｂ）は基板３を取り除いた
状態の上面図である。本実施例では、図２に示すよう
に、振動板５を構成する部材の一部を片持ち梁形状の可
動部としたものである。本実施例では、図２（Ｂ）に示
すように、振動板５が形成される面に切り込みが入れて
ある。前記同様、振動板５が下方に撓むと、吐出室６内
の圧力が減少し、片持ち梁１９は上方に撓み、インクが
吐出室６内に流入する。振動板５が元の状態に戻ろうと
するとき、片持ち梁１９は元に戻る。インク吐出時に吐
出室６内の圧力が高くなると、片持ち梁１９は下方に力
を受けるがストッパ２０が形成されているので、下方に
は撓まない。片持ち梁１９とストッパ２０によって逆止
弁が形成され、吐出室６から共通インク室８側へインク
が流れようとするときの抵抗が大きくなり、吐出効率が
高くなる。本実施例では、簡単な構成で逆止弁が形成で
きるので、作製が容易である。また、吐出室６へインク
が流入するときの抵抗が小さいのでインクの供給能力が
高く、高い周波数での駆動が可能であり印字速度を速く
することができる。

【００１４】図３は、更に別の実施例を示す図で、本実
施例では、片持ち梁１９の屈曲部２４の剛性を低くした
ものである。図３（Ａ），図３（Ｂ）は、片持ち梁１９
の形状を変えたもので、図示のように、片持ち梁１９の
屈曲部２４が細くなっているのでインク流入時に梁が曲
がるための力が小さい。そのため、インク流入抵抗が小
さくインク供給の効率が高くなる。また、インク吐出時
には、片持ち梁１９は前に説明したように下方には撓ま
ないので、前記同様、インク流出を妨げる効果がある。

【００１５】図４は、片持ち梁１９の屈曲部２４の厚さ
を薄くして剛性を小さくした例である。屈曲部２４を薄
くした場合にも、屈曲部２４を細くした場合と同様の効
果が得られる。

【００１６】次に、図５に基づいて片持ち梁１９の作製
方法について説明する。結晶面方位（１００）の単結晶
シリコン基板の両面を研磨し、厚さ２００μｍのシリコ
ン基板２６を作製し、該シリコン基板２６を酸素及び水
蒸気雰囲気中で熱酸化処理し、シリコン基板２６の両面
に酸化膜２７ａ及び２７ｂを２μｍ形成する（図５
（Ａ））。次いで、下面の酸化膜２７ｂの上に片持ち梁
１９の形状のフォトレジストパターンを形成し、フッ酸
系エッチング液によって酸化膜２７ｂの露出部分を除去
する。この時、上面の酸化膜２７ａがフッ酸系エッチン
グ液によって除去されないように、全面にフォトレジス
トをコートしておく。最後にフォトレジストパターンを
除去する（図５（Ｂ））。次に、酸化膜２７ｂの開口部
を水酸化カリウム水溶液などのアルカリ液により深さ７
μｍの異方性エッチングをし、片持ち梁１９の形状に堀
込み３０を作製する（図５（Ｃ））。ここで、結晶面方
位（１００）のシリコン基板２６を用いているので、周
知のごとく異方性エッチングにおいて５４.７°のテー
パが現れる。よって、パターン幅を１０μｍとしておく
と、深さ７μｍで２つのテーパがぶつかり自発的にエッ
チングが停止する。

【００１７】次に、上面の酸化膜２７ａの上に吐出室６
や共通インク室８の形状のフォトリソパターンを形成
し、前記同様、フッ酸系エッチング液により酸化膜２７
ａの露出部分を除去する。この時、同時に下面の酸化膜
２７ｂも除去される（図５（Ｄ））。次いで、下面をＯ
リングなどの封止治具あるいはワックス２８などで保護
し、酸化膜２７ａの開口部をアルカリ液により深さ１９
５μｍの異方性エッチングをし、片持ち梁１９，吐出室
６，共通インク室８および厚さ５μｍの振動板５を作製
する（図５（Ｅ））。

【００１８】次に、共通インク室８以外の部分をメタル
マスク３４で覆い、ドライエッチングにより共通インク
室８の底部を貫通させる（図５（Ｆ））。シリコンのド
ライエッチングはＣＦ₄，ＳＦ₆，ＮＦ₃，ＳｉＦ₄，ＢＦ
₃，ＣＢｒＦ₃，ＸｅＦ₂などのようなＦ系ガス、ＣＣｌ
Ｆ₃，ＣＣｌ₂Ｆ₂，ＣＣｌ₃Ｆ，Ｃ₂ＣｌＦ₅，Ｃ₂Ｃｌ₂Ｆ
₄などのようなＣｌ−Ｆ系ガス、ＣＣｌ₄，ＳｉＣｌ₄，
ＰＣｌ₃，ＢＣｌ₃，Ｃｌ₂，ＨＣｌなどのようなＣｌ系
ガスによりエッチングが可能である。最後に、フッ酸系
エッチング液により酸化膜２７ａを除去し完成する（図
５（Ｇ））。

【００１９】なお、図５（Ｃ）の工程においてアルカリ
液による異方性エッチングを用いたが、フッ硝酸系のエ
ッチング液による等方性エッチングでも可能である。異
方性エッチングではシリコン基板の結晶軸に沿った形状
以外は作製が困難であるが、等方性エッチングでは、結
晶軸に関係ない形状の作製が可能である。異方性，等方
性のウェットエッチングでは、簡単に堀込みを作製で
き、装置も簡便なものでよく、大量に処理できる。

【００２０】図５に示した実施例では、片持ち梁１９を
異方性，等方性のウェットエッチングで作製したが、異
方性エッチングでは、前に説明したように、テーパが生
じ、又、等方性エッチングではサイドエッチが生じ、逆
止弁を形成する堀込み３０の線幅が大きくなってインク
のリークが生じ、逆止弁としての機能が低下してしまう
ことがある。又、異方性エッチングでは、結晶方向に沿
った形状となるので、片持ち梁の形状に制限を受けてし
まう。そこで、片持ち梁の堀込み３０をドライエッチン
グで作製することで、堀込み３０の線幅を細くでき、片
持ち梁１９の形状の自由度も大きくできる。シリコンの
ドライエッチングは前に示したようにＣＦ₄，ＳＦ₆，Ｎ
Ｆ₃，ＳｉＦ₄，ＢＦ₃，ＣＢｒＦ₃，ＸｅＦ₂などのよう
なＦ系ガス、ＣＣｌＦ₃，ＣＣｌ₂Ｆ₂，ＣＣｌ₃Ｆ，Ｃ₂
ＣｌＦ₅，Ｃ₂Ｃｌ₂Ｆ₄などのようなＣｌ−Ｆ系ガス、Ｃ
Ｃｌ₄，ＳｉＣｌ₄，ＰＣｌ₃，ＢＣｌ₃，Ｃｌ₂，ＨＣｌ
などのようなＣｌ系ガスによりエッチングが可能であ
る。

【００２１】次に、本発明の別の実施例を説明する。本
実施例では振動板５は、高濃度のボロンドープ層３５
（図６にて説明）であって、ドープ層の厚さは所望の振
動板厚と同じだけの厚さを有している。アルカリ液によ
るＳｉエッチングにおけるエッチレートは、ドーパント
がボロンの場合、高濃度（約５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上）の
領域においてエッチレートが急激に小さくなることが知
られている。本実施例ではこのことを利用し、振動板形
成領域を高濃度ボロンドープ層とし、アルカリ異方性エ
ッチングにより、吐出室６，共通インク室８などを形成
する際に、ボロンドープ層３５が露出した時点でエッチ
レートが極端に小さくなるいわゆるエッチストップ技術
により、振動板５，吐出室６などを所望の形状に作製す
るものである。

【００２２】詳しい作製方法を図６に基づいて説明す
る。前記同様、結晶面方位（１００）の単結晶シリコン
基板の両面を研磨し、厚さ２００μｍのシリコン基板２
６を作製し、前記シリコン基板２６を酸素及び水蒸気雰
囲気中で熱酸化処理し、シリコン基板２６の両面に酸化
膜２７ａ及び２７ｂを２μｍ形成する（図６（Ａ））。
次いで、下面の酸化膜２７ｂの上に片持ち梁１９の堀込
みになる部分と共通インク室８の底面になる部分の形状
のフォトレジストパターンを形成し、フッ酸系エッチン
グ液によって酸化膜２７ｂの露出部分を除去する。この
時、上面の酸化膜２７ａがフッ酸系エッチング液によっ
て除去されないように、全面にフォトレジストをコート
しておく。最後に、フォトレジストパターンを除去する
（図６（Ｂ））。次に、シリコン基板２６の露出したシ
リコン部へのボロンドープを行い、高濃度ボロン層３５
を形成する。又、ドープ層厚さが５μｍとなるようなド
ープ条件にて処理を行う（図６（Ｃ））。上記のような
高いボロン濃度や厚いドープ層を実現するための方法に
は、イオン注入法、Ｂ₂Ｏ₃剤のスピンコート法、ＢＮ板
を用いる拡散法などがある。

【００２３】次に、上面の酸化膜２７ａの上に吐出室６
や共通インク室８の形状のフォトリソパターンを形成
し、前記同様、フッ酸系エッチング液により酸化膜２７
ａの露出部分を除去する。この時、同時に下面の酸化膜
２７ｂも除去される（図６（Ｄ））。次いで、下面をＯ
リングなどの封止治具あるいはワックス２８などで保護
し、酸化膜２７ａの開口部をアルカリ液により異方性エ
ッチングを施す。エッチング深さが１９５μｍくらいに
なったとき高濃度ボロン層３５が露出し、エッチレート
は急激に低下する。しかし、片持ち梁１９の堀込みにな
る部分と共通インク室８の底面になる部分は高濃度ボロ
ン層３５が形成されていないので、エッチングは進行す
る。結果として、片持ち梁１９，吐出室６，共通インク
室８及び厚さ５μｍの振動板５が形成される（図６
（Ｅ））。

【００２４】本実施例ではエッチストップ技術を用いて
いるので振動板５の厚さが精度良く作製でき、又、片持
ち梁１９の形成や共通インク室８の貫通は、異方性エッ
チングによる振動板５や吐出室６の作製と同時になされ
ると言うメリットがある。

【００２５】次に、図７に基づいて、個別電極２１が形
成された基板２の作製方法を説明する。結晶面方位（１
００）の単結晶シリコン基板３６を酸素及び水蒸気雰囲
気中で熱酸化処理を施し、シリコン基板３６の両面に酸
化膜３７ａ及び３７ｂを０.６μｍ形成する（図７
（Ａ））。次いで、上面の酸化膜３７ａの上に個別電極
の形成される凹部２５の形状とインク流入路１７より少
し大きい形状のフォトリソパターン３８を形成する（図
７（Ｂ））。次に、フッ酸系エッチング液により酸化膜
３７ａの露出部分を除去する。この時、同時に下面の酸
化膜３７ｂも除去される（図７（Ｃ））。続いて、フォ
トリソパターン３８を除去し、インク流入路１７の形状
のフォトレジストパターン３９を形成し、ドライエッチ
ングによりフォトレジストパターン３９の開口部をエッ
チングしインク供給路１７を作製する（図７（Ｄ））。

【００２６】次に、フォトレジストパターン３９を除去
し、シリコン基板３６の露出したシリコン部へボロンド
ープを行い、高濃度ボロン層４０ａ，４０ｂを形成する
（図７（Ｅ））。ボロンドープ層を形成するには、前述
のように、イオン注入法、Ｂ ₂Ｏ₃剤のスピンコート法、
ＢＮ板を用いる拡散法などがある。ボロンドープ層４０
ａは、個別電極２１として機能するものである。ボロン
ドープ層４０ａを形成する際、インク流入路１７内にも
ボロンドープ層４０ｂが形成されるが、ボロンドープ層
４０ａとは分離されているので問題ない。インク供給路
１７内にボロンドープ層を形成したくない場合には、再
酸化−パターニング工程を加えればよい。

【００２７】次に、図５又は図６に示したようにして作
製した基板１を直接接合法により接合する。基板１と基
板２を１００℃の硫酸と過酸化水素水の混合液にて洗浄
し、乾燥後、両基板１，２の対応するパターン同士の位
置合わせを行った後、両基板を重ね合わせる。この状態
で両基板を１０００℃、２時間の熱処理を行うと強固な
接合状態が得られる（図７（Ｆ））。ここで、凹部２５
を形成するときにストッパ２０の上の酸化膜を除去し片
持ち梁１９とストッパ２０との間に微小隙間を形成した
ので、ストッパ２０は、直接接合の際に基板２に接合さ
れない。このように、片持ち梁１９とストッパ２０の間
に微小隙間を設けることにより容易に逆止弁が作製でき
る。微小隙間は０.２μｍ以上あれば接合されないが、
好ましくは、０.４μｍ以上であれば歩留まりが向上す
る。最後に、ノズル孔４を形成したＳＵＳ板３を基板１
の上に接合してインクジェットヘッドが完成する（図７
（Ｇ））。

【００２８】本実施例では、ボロンドープ層４０ａを個
別電極としたが、これに限るものではなくメタル電極で
もよい。又、本実施例では、インク流入路１７をドライ
エッチングで作製したが、アルカリ液による異方性エッ
チング、あるいは、フッ硝酸による等方性エッチングで
も作製可能である。

【００２９】次に、図８に基づいて、本発明の別の実施
例を説明する。本実施例は、図８に示すように、基板２
に共通インク室８を設けたもので、図８（Ａ）に断面
図、図８（Ｂ）に基板３を取り除いたときの上面図を示
す。基板２には片持ち梁１９と連通するように貫通孔が
形成され、貫通孔が共通インク室８を兼ねている。図８
（Ｃ）に示すように、インクタンクからインクを供給す
るためのインク供給用の接続パイプ３２を形成した蓋部
材４２を基板２の下に接合することにより、共通インク
室８が形成される。本実施例では共通インク室８を基板
２に形成しているので、ヘッドを小さくできる。

【００３０】次に、図９を参照して共通インク室８を形
成する基板２の作製方法について説明する。厚さ５２５
μｍの結晶面方位（１００）の単結晶シリコン基板３６
を酸素及び水蒸気雰囲気中で熱酸化処理を施し、シリコ
ン基板３６の両面に酸化膜３７ａ及び３７ｂを０.６μ
ｍ形成する（図９（Ａ））。下面の酸化膜３７ｂの上に
共通インク室８の形状のフォトレジストパターンをシリ
コン基板３６の＜０１１＞方向に形成し、フッ酸系エッ
チング液により酸化膜３７ｂの露出部分を除去する（図
９（Ｂ））。この時、上面の酸化膜３７ａの上にも全面
フォトレジストを塗布しておく。続いてフォトリソパタ
ーンを除去し、酸化膜３７ｂの開口部をＴＭＡＨなどの
アルカリ液により異方性エッチングを施し、貫通させる
（図９（Ｃ））。この場合、５４.７°のテーパが現れ
るので、貫通できるような開口部寸法を考慮する必要が
ある。上面の酸化膜３７ａがエッチングされないように
Ｏリングなどの封止治具あるいはワックス２８などで保
護すると良い。又、ＴＨＡＨは酸化膜のエッチレートが
非常に小さいので、０.６μｍの酸化膜マスクで厚さ５
２５μｍのシリコン基板の貫通が可能である。水酸化カ
リウム水溶液はＴＭＡＨより酸化膜のエッチレートが大
きいが、エッチング液の濃度や温度を低くするあるいは
酸化膜膜厚を厚くする、又、マスクに窒化膜を用いるこ
と等により貫通エッチングが可能である。

【００３１】次に、上面の酸化膜３７ａの上に個別電極
の形成される凹部２５の形状と共通インク室８より少し
大きい形状のフォトレジストパターンを形成し、フッ酸
系エッチング液により酸化膜３７ａの露出部分を除去す
る。この時、同時に下面の酸化膜３７ｂも除去される
（図９（Ｄ））。又、図１０（Ａ）に示すように、酸化
膜３７ａおよび３７ｂも両面をパターニングし（図１０
（Ａ））、あるいは、図１０（Ｂ）に示すように、酸化
膜３７ａ側をＯリング又はワックス２８などで保護して
異方性エッチングすることにより作製することもでき
る。次に、フォトレジストパターンを除去し、シリコン
基板３６の露出したシリコン部へボロンドープを行い、
高濃度ボロン層４０ａを形成する（図９（Ｅ））。次
に、前述のようにして作製した基板１を直接接合法によ
り接合し、その上にノズル孔４を形成した基板３を接合
することによりインクジェットヘッドが完成する（図９
（Ｆ））。

【００３２】上述のように共通インク室８を結晶面方位
（１００）のシリコン基板の異方性エッチングにより作
製することにより、非常に寸法精度の良い共通インク室
８を作製することができる。

【００３３】図１１は、吐出室６及びノズル孔４を２列
千鳥配列にして印字密度を高めた場合の実施例を示す図
で、図１１（Ａ）は断面図で、図１１（Ｂ）はノズル孔
の形成された基板３を取り除いたときの上面図である。

【００３４】図１１に示した実施例では、図９に示した
実施例の共通インク室８の形状のフォトレジストパター
ンをシリコン基板３６の＜０１０＞方向と＜００１＞方
向に合わせて形成する。すなわち、図９に示した実施例
のパターニング位置からシリコン基板３６を４５°回転
してパターニングを行う。パターンをシリコン基板３６
の＜０１１＞方向に合わせて異方性エッチングを行った
場合には、５４.７°のテーパが現れたが、パターンを
＜０１０＞方向と＜００１＞方向に合わせて異方性エッ
チングを行った場合には、図１２に示すように垂直壁４
３が形成される。この垂直壁４３は（１００）面と等価
な（０１０）面あるいは（００１）面であるので、（１
００）面と同等にエッチングが進む。すなわち、酸化膜
３７ｂの開口幅よりも大きくなるので、この広がりの分
を考慮してフォトマスクを設計すると良い。共通インク
室８の作製後は、前記同様の手順に従ってインクジェッ
トヘッドが完成する。本実施例では、テーパがないの
で、基板の面積を有効に使用することができ、インクジ
ェットヘッドを小さくできる。

【００３５】図１３に示すように、片持ち梁１９の固定
部が薄板部分になっていると、インク吐出時、吐出室６
内の圧力が高くなった際に、片持ち梁１９の固定部の剛
性が小さいので逆止弁としての効果が小さくなってしま
う。そこで、図１４に示すように、片持ち梁１９の固定
部を吐出室６の壁部分とすることによって、片持ち梁１
９が強く固定されインク吐出の際に吐出室６内の圧力が
高くなったときにも、インクが共通インク室８側に漏れ
たり、圧力を吸収したりすることが少なくなり、インク
吐出の効率が高くなる。

【００３６】印字密度を高くして高品質画像を得るに
は、ノズル孔４，吐出室６や振動板５を高密度に並べる
必要がある。前記実施例のように、吐出室６を形成する
基板１に結晶面方位（１００）のシリコン基板を用いた
場合には、前にも説明したように、５４.７°のテーパ
が現れる。このテーパのために、振動板５を並べる密度
に限界が存在する。振動板を高密度に並べるには、結晶
面方位（１１０）のシリコン基板を用いるのが有効であ
る。（１１０）シリコン基板では周知のように（１１
１）面が基板表面（１１０）面と＜１１２＞方向で垂直
に交わっており、異方性エッチングにより基板表面に対
して垂直壁を形成することができる。このことを利用し
てピッチ間隔を狭めて振動板を高密度に並べることが可
能となる。（１１０）シリコン基板を異方性エッチング
するときのパターンは、図１５（Ｂ）に示すような、平
行四辺形あるいは図１５（Ｃ）に示すような六角形を用
いる。この時２つの（１１１）垂直壁の間に、（１１
１）テーパ面４４が現れる。このテーパ面のために振動
板５の形状は平行四辺形となる。このため、片持ち梁１
９の固定部を吐出室６の壁部分にしようとすると、固定
部が斜めになってしまう。この問題を解消するため、図
１５（Ａ）に示すように、片持ち梁１９を基板２の共通
インク室８の壁によって固定した。このようにすること
によって、吐出室６の形状に関わらず、片持ち梁１９の
固定が可能であり、（１１０）シリコン基板を使って高
密度に振動板を並べた場合においても吐出効率の良いイ
ンクジェットヘッドが作製できる。

【００３７】図１６は、図１４に示した実施例のもの
を、千鳥配列にした場合の断面構成図である。中心部に
基板２のエッチング残しによる固定柱４５を設け、片持
ち梁１９の固定部としている。固定柱４５の作製方法を
図１７に基づいて説明する。厚さ５２５μｍの結晶面方
位（１００）の単結晶シリコン基板３６を酸素及び水蒸
気雰囲気中で熱酸化処理を施し、シリコン基板３６の両
面に酸化膜３７ａ及び３７ｂを０.６μｍ形成する（図
１７（Ａ））。下面の酸化膜３７ｂの上に共通インク室
８の形状のフォトレジストパターンをシリコン基板３６
の＜０１１＞方向に形成する。この時、共通インク室８
を２つに分離する細いフォトレジストパターンを形成し
ておく。ここでは、細いパターンの幅を５μｍとした。
次に、フッ酸系エッチング液により酸化膜３７ｂの露出
部分を除去する。共通インク室８のパターンの中心に細
い酸化膜パターン４６が形成される（図１７（Ｂ））。
この時、上面の酸化膜３７ａの上にも全面フォトレジス
トを塗布しておく。

【００３８】続いて、フォトリソパターンを除去し、酸
化膜３７ｂの開口部をＴＭＡＨなどのアルカリ液により
異方性エッチングを施す。この時（１１１）面も若干エ
ッチングされるため、細いパターン４６により分離され
ていた共通インク室がエッチング途中で連通する（図１
７（Ｃ））。更にエッチングを続けると、図１７（Ｄ）
に示すように、共通インク室８の中心部に固定柱４５が
形成される。この後の共通液室８や個別電極２１の作製
方法は前記同様である。

【００３９】次に、図１８を参照して別の実施例を示
す。この図１８に示した実施例では、基板２にパイレッ
クスガラス（ホウ珪酸ガラス）を使用する。まず、パイ
レックスガラス基板４７の上面に個別電極の形成される
凹部２５の形状と共通インク室８より少し大きい形状の
フォトレジストパターン５０を形成する（図１８
（Ａ））。次に、フッ酸系エッチング液によりパイレッ
クスガラス基板４７を０.７μｍエッチングし凹部４８
を形成する（図１８（Ｂ））。続いて、フォトリソパタ
ーンを除去し、パイレックスガラス基板４７の下面から
サンドブラスト法により貫通孔４９を形成する（図１８
（Ｃ））。個別電極２１は凹部４８内に金を０.１μｍ
スパッタして形成する（図１８（Ｄ））。この時、スト
ッパ２０の上にも金５２をスパッタする。

【００４０】次に、同様に裏面からも金５２をスパッタ
する。この時ストッパ２０の上にスパッタした金５２
と、裏面からスパッタした金５２が連通する（図１８
（Ｅ））。次に、前述のようにして作製した基板１と接
合する。シリコン基板１とパイレックスガラス基板４７
との接合には陽極接合法を用いる。シリコン基板１とパ
イレックスガラス基板４７は洗浄後、振動板５と個別電
極２１を位置合わせし、図１８（Ｆ）に示すように、陰
極側電極板５１の上にセットする。個別電極２１や電極
板５１の表面の酸化を防ぐため窒素ガス雰囲気中に置
く。

【００４１】次に、両基板を３００℃に加熱し、続いて
５００Ｖの電圧を印加する。ここで、シリコン基板１と
個別電極２１と金５２を等電位に落としておく。等電位
にすることにより振動板５や片持ち梁１９に電界による
静電引力が働かないので、その周辺を固定した後の振動
板５や片持ち梁１９に残留応力が生じることがない。最
後に、ノズルを作製した基板３を上に接合することによ
りインクジェットヘッドが完成する。本実施例では陽極
接合法により強固な接合が得られ、信頼性の高いインク
ジェットヘッドが作製できる。

【００４２】以上に、振動板を静電力で変位させる方式
のインクジェットヘッドを例として説明してきたが、ピ
エゾ素子によって振動板を変位させる方式、あるいは、
熱によって発生した気泡によって振動板を押し上げる方
式においても適用可能である。

【００４３】

【発明の効果】請求項１のインクジェットヘッドは、振
動板を構成する部材の一部で構成される可動部と、該可
動部が共通インク室側へ変位することを妨げるストッパ
とによって逆止弁を構成したので、容易に逆止弁を構成
でき、インク吐出時に共通インク室側への吐出圧力のロ
スが著しく少なくなり、インク吐出の効率が高くなる。
そのため、インク吐出速度も大きくなり印字品質が向上
する。また、駆動電圧の低電圧化も可能となり、コスト
ダウンが可能である。

【００４４】請求項２のインクジェットヘッドは、可動
部が片持ち梁形状となっているので、簡単に可動部を作
製でき、インク流入抵抗が小さく、インク供給の効率が
高い。

【００４５】請求項３のインクジェットヘッドは、前記
可動部の屈曲部分の剛性が低くなっているので、可動部
が変位するときの抵抗が小さく、インク供給の効率が高
い。そのため、高い周波数での駆動が可能であり印字速
度を速くすることができる。

【００４６】請求項４のインクジェットヘッドは、前記
可動部の周囲を異方性あるいは等方性のウエットエッチ
ングでエッチングして前記可動部を作製したので、簡単
に可動部を作製でき、装置も簡便なもので良く、大量に
処理することができるので、低コストである。

【００４７】請求項５のインクジェットヘッドは、前記
可動部の周囲をドライエッチングでエッチングして前記
可動部を作製したので、堀込みの線幅が小さくできイン
クのリークが少なく、インクの吐出効率が高くなる。ま
た、可動部の形状設計の自由度が大きい。

【００４８】請求項６のインクジェットヘッドは、前記
振動板が高濃度ボロン層からなり、かつ、前記可動部の
周囲は高濃度ボロン層が形成されていないので、エッチ
ングストップ技術により振動板を精度良く製作でき、
又、可動部は異方性エッチングによる振動板や吐出室の
作製と同時に形成されるので、作製工程が低減されコス
トダウンとなる。

【００４９】請求項７のインクジェットヘッドは、前記
可動部と前記ストッパとの間に微小隙間があるので、可
動部とストッパが接合されないようにすることができ
る。

【００５０】請求項８のインクジェットヘッドは、振動
板に変形を生じさせる手段が備えられた基板に共通イン
ク室を設けたので、共通インク室の面積の分インクジェ
ットヘッドを小さくできる。

【００５１】請求項９のインクジェットヘッドは、振動
板に変形を生じさせる手段が備えられた基板が結晶面方
位（１００）のシリコン基板からなり、前記共通インク
室を前記シリコン基板表面上で＜０１１＞方向に形成し
たので、精度良く簡単に共通インク室を作製することが
でき、作製の歩留まりがよい。

【００５２】請求項１０のインクジェットヘッドは、振
動板に変形を生じさせる手段が備えられた基板が結晶面
方位（１００）のシリコン基板からなり、前記共通イン
ク室を前記シリコン基板表面上で＜０１０＞方向あるい
は＜００１＞方向に形成したので、共通インク室は基板
表面に対して垂直な側壁によって構成され、基板面積を
有効に使用することができ、インクジェットヘッドの小
型化につながる。

【００５３】請求項１１のインクジェットヘッドは、前
記可動部の支持部が前記吐出室の壁で固定されるのでイ
ンク吐出の際に吐出室内の圧力が高くなったときにも、
インクが共通インク室側に漏れたり、圧力を吸収したり
することが少なくなり、インク吐出の効率が高くなる。

【００５４】請求項１２のインクジェットヘッドは、前
記可動部の支持部が振動板に変形を生じさせる手段が備
えられた基板で固定されているので、吐出室の形状に関
わらず可動部の支持部を固定でき、（１１０）シリコン
基板を用いて高密度に振動板を並べた場合においても吐
出効率の良いインクジェットヘッドが実現可能である。

【００５５】請求項１３のインクジェットヘッドは、前
記振動板に変形を生じさせる手段が備えられた基板がガ
ラス基板からなるので、陽極接合法により強固な接合が
得られ、信頼性の高いインクジェットヘッドが実現可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッドの一実施
例を説明するための図である。

【図２】本発明の他の実施例を説明するための図であ
る。

【図３】片持ち梁の屈曲部を細くして剛性を小さくし
た例を示す。

【図４】片持ち梁の屈曲部の厚さを薄くして剛性を小
さくした例を示す図である。

【図５】片持ち梁の作製方法を説明するための工程図
である。

【図６】片持ち梁の作製方法の他の例を説明するため
の工程図である。

【図７】個別電極が形成された基板の作製方法を説明
するための工程図である。

【図８】本発明によるインクジェットヘッドの他の実
施例を説明するための図である。

【図９】共通インク室を形成する基板の作製方法を説
明するための工程図である。

【図１０】共通インク室を形成する基板の他の作製方
法を説明するための図である。

【図１１】吐出室及びノズル孔を２列千鳥配列にして
印字密度を高めた例を示す図である。

【図１２】共通液室に垂直壁を形成する例を示す図で
ある。

【図１３】片持ち梁の固定部を薄板部分で構成した例
を示す図である。

【図１４】片持ち梁の固定部を吐出室の壁部で構成し
た例を示す図である。

【図１５】片持ち梁を共通インク室の壁によって固定
した例を示す図である。

【図１６】図１４に示したヘッドを千鳥配列にした場
合の構成を示す図である。

【図１７】固定柱の作製方法を説明するための工程図
である。

【図１８】基板にパイレックスガラス（ホウ珪酸ガラ
ス）を使用した実施例を説明するための図である。

【図１９】従来のインクジェットヘッドの分解斜視図
で、一部断面図を示す図である。

【図２０】図１９に示した３枚の基板を接合して完成
したインクジェットヘッドの断面を示す図である。

【符号の説明】

１，２，３…基板、４…ノズル孔、５…振動板、６…吐
出室、７…流体抵抗、８…共通インク室、１２，１４，
２５，４８…凹部、１３…細溝、１５，４９…貫通孔、
１６…薄板、１７…インク流入路、１９…片持ち梁、２
０…ストッパ、２１…個別電極、２２…リード部、２３
…端子部、２４…屈曲部、２６…シリコン基板、２７
ａ，２７ｂ，３７ａ，３７ｂ…酸化膜、２８…ワック
ス、３０…堀込み、３１…インク供給口、３２…接続パ
イプ、３３…チューブ、３４…メタルマスク、３５，４
０ａ，４０ｂ…高濃度ボロンドープ層、３６…シリコン
基板、３８…フォトリソパターン、３９，５０…フォト
レジストパターン、４２…蓋部材、４３…垂直壁、４４
…テーパ面、４５…固定柱、４６…酸化膜パターン、４
７…パイレックスガラス基板、４９…貫通孔、５１…陰
極側電極板、５２…金。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク液滴を吐出する単一又は複数のノ
ズル孔と、前記ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室
と、前記吐出室と連通する共通インク室と、前記吐出室
の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に
変形を生じさせる手段を備え、前記振動板を構成する部
材の一部が前記吐出室と前記共通インク室の間に位置
し、かつ、前記振動板を構成する部材の一部が可動部と
なっており、該可動部と該可動部が前記共通インク室側
へ変位することを妨げるストッパにより、前記共通イン
ク室から前記吐出室へインクが流れるときには抵抗が小
さく、前記吐出室から前記共通インク室へインクが流れ
るときには抵抗が大きくなる逆止弁を構成することを特
徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】請求項１のインクジェットヘッドにおい
て、前記可動部が片持ち梁形状となっていることを特徴
とするインクジェットヘッド。
【請求項３】請求項１あるいは２のインクジェッドヘ
ッドにおいて、前記可動部の屈曲部分の剛性が低くなっ
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１，２あるいは３のインクジェッ
トヘッドにおいて、前記可動部の周囲を異方性あるいは
等方性のウェットエッチングでエッチングして前記可動
部を作製したことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】請求項１，２あるいは３のインクジェッ
トヘッドにおいて、前記可動部の周囲をドライエッチン
グでエッチングして前記可動部を作製したことを特徴と
するインクジェットヘッド。
【請求項６】請求項１，２あるいは３のインクジェッ
トヘッドにおいて、前記振動板が高濃度ボロン層からな
り、かつ、前記可動部の周囲は高濃度ボロン層が形成さ
れていないことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかのインクジェ
ットヘッドにおいて、前記可動部と前記ストッパとの間
に微小隙間があることを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかのインクジェ
ットヘッドにおいて、前記振動板に変形を生じさせる手
段が備えられた基板に前記共通インク室を設けたことを
特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項９】請求項８のインクジェットヘッドにおい
て、前記振動板に変形を生じさせる手段が備えられた基
板が結晶面方位（１００）のシリコン基板からなり、前
記共通インク室を前記シリコン基板表面上で＜０１１＞
方向に形成したことを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項１０】請求項８のインクジェットヘッドにお
いて、前記振動板に変形を生じさせる手段が備えられた
基板が結晶面方位（１００）のシリコン基板からなり、
前記共通インク室を前記シリコン基板表面上で＜０１０
＞方向あるいは＜００１＞方向に形成したことを特徴と
するインクジェットヘッド。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかのインク
ジェットヘッドにおいて、前記可動部の支持部が前記吐
出室の壁で固定されることを特徴とするインクジェット
ヘッド。
【請求項１２】請求項１乃至１０のいずれかのインク
ジェットヘッドにおいて、前記可動部の支持部が振動板
に変形を生じさせる手段が備えられた基板で固定されて
いることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１３】請求項１乃至８、又は１１又は１２の
いずれかのインクジェットヘッドにおいて、前記振動板
に変形を生じさせる手段が備えられた基板がガラス基板
からなることを特徴とするインクジェットヘッド。