JP2001277523A - インクジェットプリントヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、シリコン単結晶で形成された、マ
ニホールド、リストリクタ、チャンバの耐インク性を向
上させ、幅の広いｐＨのインクが吐出可能で、印字品質
の優れた高密度のインクジェットヘッドを提供すること
を課題とする。 【解決手段】 シリコン単結晶基板で形成されたマニホ
ールド、リストリクタ、チャンバを有するチャンバ基板
の表面全体に、熱酸化法により酸化シリコン膜を被覆す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印字データの入力を受
けた時点で、インク滴を飛翔させ、このインク滴により
記録用紙にドットを形成させるオンデマンド方式のイン
クジェットヘッドの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術のインクジェットヘッドの製造
方法おいて、インク流路の形成法として、あらかじめエ
ッチングなどによってインク流路が形成された金属の薄
板を複数枚重ね合わせて接着する方法や、特公平2-4266
9号公報にみられるように、感光性樹脂の硬化膜を用い
て流路形成用の溝を形成した後に、蓋板と接着あるいは
圧着してインク流路を形成する方法があった。

【０００３】また高密度にインク流路を配置する方法と
して、シリコン単結晶の異方性エッチングを利用してイ
ンク流路を形成する方法もみられた。この方法は、イン
クジェットヘッドの多ノズル、高密度化においても再現
性良く比較的簡単にインク流路を形成可能な方法であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の金属や
感光性樹脂によるインク流路を有するインクジェットヘ
ッドは、一般的な水や油を主成分とするインクの吐出に
おいては何ら問題はないが、溶媒や薬品の含まれるイン
クにおいては、その腐食性が問題となり、寿命が短い等
の問題を有していた。

【０００５】近年のインクジェットプリンタの用途とし
ては、従来の室内での紙への出力だけではなく、布や屋
外の看板などその吐出媒体は多種多様化しており、それ
に伴い使用されるインクも様々な成分が要求されてい
る。

【０００６】これらの問題を解決する方法として、特開
平５−９７４３７号公報が開示されている。これは、振
動板となるセラミック基板上に圧電素子が膜形成法によ
って形成され、インク流路部が形成されたセラミック基
板と共に焼成することで、腐食性の高いジルコニアセラ
ミックス一体で構成されている。

【０００７】しかしながら、かかる製造方法において
は、インク流路の高密度配列が難しいという問題を有し
ている。すなわち、インク流路の形成は、セラミックの
グリーンシートの打抜きによって加工され、その後１１
００度℃程度の高温で焼成される。この際のセラミック
の収縮率が２５％と大きいため、寸法精度が問題となる
点である。

【０００８】一方、シリコン単結晶を用いてインク流路
を形成する際には、マスクとなる酸化シリコン膜をフォ
トリソグラフィーによってインク流路のパターンが形成
され、更にシリコンは異方性エッチングにより特定の面
のみが加工されるため寸法精度の良いインク流路の形成
が可能である。

【０００９】しかしながら、シリコンは酸性液体には等
法的に、またアルカリ液体には限られた方位面がエッチ
ングされやすいことから、使用できるインクのｐＨに制
限があるという問題を有する。

【００１０】そこで本発明は従来のこの様な問題点を解
決するもので、その目的とするところは、シリコン単結
晶で形成されたインク流路の表面に化学的に安定である
酸化シリコン膜を被覆し、幅の広いｐＨのインクに対応
でき、印字品質の優れた高密度のインクジェットヘッド
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した課題は、隔壁に
よって仕切られた複数の圧力室と、これらの圧力室の一
面を封止する振動板と、前記振動板の外側に前記圧力室
に対応して配置される圧力発生素子とを備え、各々の前
記加圧室に連通するインク吐出ノズルとインク供給孔か
ら構成されるインクジェットヘッドにおいて、シリコン
の異方性エッチングにより圧力室を形成した後に、熱酸
化により酸化シリコン膜を形成させることにより解決さ
れる。

【００１２】酸化シリコン膜の膜厚は、好ましくは５μ
ｍ以下であるとよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図面を参照
して説明する。

【００１４】図１は、本発明のインクジェットプリント
ヘッドの分解斜視図であって、圧力発生素子となる圧電
素子が取り付けられた圧電素子基板１、圧力発生素子に
よって発生した圧力を伝える振動板２、インクを各ノズ
ルに供給するためのマニホールドとインクが加圧される
圧力室さらにノズルと接続されるチャンバを有するチャ
ンバ基板３、および複数のノズルを有するノズル板４か
らなり、各々が接着され、ヘッドホルダ１６に取り付け
られている。

【００１５】ここで、ノズル９の配列ピッチは１００分
の１インチ、約２５４μｍとし、１列に９６個配置され
ているが、ノズル数、列数、及びユニット構成はどのよ
うな組み合わせでも限定されるものではない。

【００１６】図２は、圧力室５をインクの流れ方向に平
行な面で切断したヘッドの断面形状であり、９はノズル
板４内のインク吐出用ノズル（以下ノズルという）、６
はインク供給孔（以下マニホールドという）、７は圧力
室５内へのインク流入量を規制するリストリクタ、８は
チャンバ、１０は配列された圧力室５内のインクであ
る。圧力発生素子である積層圧電素子１１は、充分な剛
性のある固定板（図示されていない）に機械的に固定さ
れており、積層圧電素子１１で発生した機械的エネルギ
ーは振動板２を介して圧力室５内のインクに伝えられ
る。なお、積層圧電素子１１は、ジルコン酸チタン酸鉛
系圧電セラミックからなる圧電体を多層化したものであ
るが、スクリーン印刷や水熱合成法などによって形成さ
れた薄膜状の圧電素子を用いても何ら問題はない。

【００１７】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。

【００１８】待機時には振動板２に撓みはないが、分極
方向と同極性の電圧を印加すると圧電効果により積層圧
電素子１１は長さ方向（図面上方）に収縮し、振動板２
は矢印方向に変形変位する。その後、電圧印加を止める
と積層圧電素子１１は元の位置に戻る方向に変位するこ
とにより、マニホールド６から流入した圧力室５内のイ
ンク１０は振動板２で発生した圧力により、ノズル９か
ら吐出する。発生した圧力は等方的に力が加えられる
が、圧力室5に取り付けられたリストリクタ７によって
効率よくノズル９側に伝えられる。

【００１９】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
を図３に基づいて説明する。

【００２０】チャンバ基板３はシリコン単結晶基板を母
材に使用した異方性エッチングによって形成される。

【００２１】まず、シリコン単結晶基板１２の表面に熱
酸化法などで酸化シリコン膜１３、１４を形成する。そ
して、チャンバ８およびマニホールド６の形状に合わせ
てフォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、
所定の部分の酸化シリコン膜を完全に除去する。なお、
酸化シリコン膜のエッチングは、フッ酸とフッ化アンモ
ニウムの混合液によって行う。また、ノズル板４が取り
付けられる側の酸化シリコン膜を保護するために、酸化
シリコン膜のエッチングの際にはレジスト材１５を全面
に塗布しておく。（ａ）次に、圧力室５の形状に合わせ
て、工程（ａ）と同様にフォトリソグラフィー法により
パターニングを行い、酸化シリコン膜１３のハーフエッ
チングを行う。ハーフエッチング後の酸化シリコン膜の
厚さＴは、シリコン単結晶基板１２の水酸化カリウム溶
液に対するエッチングレートをｒ１、酸化シリコン膜１
３の水酸化カリウム溶液に対するエッチングレートをｒ
２、圧力室５の高さをｔ１とすると、下記式にて求めら
れる厚さＴ１が必要となる。（ｂ）

【００２２】

【数１】

【００２３】次に、チャンバ８及びマニホールド６に相
当する部分のシリコンのハーフエッチングを行う。エッ
チング条件としては、温度８０℃に維持された５ｗｔ％
〜２０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に浸積しておこな
う。エッチング時間Ｔ２は、シリコン単結晶基板１２の
厚さをｔ２とすると、下記式にて求められる。（ｃ）

【００２４】

【数２】

【００２５】続いて、工程（ｂ）でハーエッチングを行
った酸化シリコン膜が完全に除去されるまで、酸化シリ
コン膜１３のエッチングを行い、その後、更にチャンバ
８およびマニホールド６が貫通するまで更にシリコンの
エッチングを行う。なお、シリコン単結晶基板１２の面
方位を（１１０）とすることによって、貫通穴は基板に
対して垂直にエッチングが進行する。（ｄ）以上の工程
によって、圧力室５、マニホールド６、リストリクタ７
およびチャンバ８が形成される。更に工程（ｄ）終了後
の基板を１１００℃、酸素雰囲気中で熱酸化を行い、チ
ャンバ基板３の表面全体に酸化シリコン膜１３を形成す
る。図４に熱酸化時間と熱酸化シリコン膜の膜厚の関係
を示す。

【００２６】図に示すように、1100℃熱酸化を行うと、
1000℃に比べ、約２／３の時間で所定の膜厚が得られる
から、工程の短縮が可能となる。

【００２７】酸化シリコン膜は化学的に安定であるた
め、シリコン基板１２の全面を覆うことにより、幅の広
いｐＨの液体の吐出が可能となる。図５に代表的な例と
して水酸化カリウム水溶液に対する単結晶シリコンと酸
化シリコンのエッチングレートを示す。

【００２８】以上の方法にて作製されたチャンバ基板３
は、ステンレス等で製作した振動板２及びＮｉ電鋳等で
製作したノズル板４と位置あわせを行い、接着剤等によ
り接着を行い、さらに積層圧電素子１１を接着すること
により、図２に示すヘッドが完成する。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、シリコン単結晶で形成
されたマニホールド、リストリクタ、チャンバ部を有す
るチャンバ基板を用いるためノズルの高密度化が実現で
き、さらに表面全体に熱酸化による酸化シリコン膜を被
覆することによって、酸性からアルカリ性に及ぶ広い範
囲のｐＨのインクの使用においても高寿命で高品質のイ
ンクジェットヘッドを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例となるインクジェットヘッドの
分解斜視図。

【図２】 図１のヘッドの要部拡大断面図。

【図３】 本発明のチャンバ基板の製造工程を示す図。

【図４】 チャンバ基板の熱酸化時間と酸化シリコン膜
の膜厚の関係を示す図。

【図５】 チャンバ基板の水酸化カリウムに対するエッ
チングレートを示す図。

【符号の説明】

１は圧電素子基板、２は振動板、３はチャンバ基板、４
はノズル板、５は圧力室、６はマニホールド、７はリス
トリクタ、８はチャンバ、９はノズル、１０はインク、
１１は積層圧電素子、１２はシリコン単結晶基板、１
３、１４は酸化シリコン膜、１５はレジスト膜、１６は
ヘッドホルダである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
   これらの圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板
   の外側に前記圧力室に対応して配置される圧力発生素子
   とを備え、各々の前記加圧室に連通するインク吐出ノズ
   ルとインク供給孔から構成されるインクジェットヘッド
   において、 シリコンの異方性エッチングにより圧力室を形成した後
   に、熱酸化により酸化シリコン膜を形成させることを特
   徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のインクジェットヘッドの製
   造方法であって、 前記酸化シリコン膜の膜厚は５μｍ以下であることを特
   徴とするインクジェットヘッドの製造方法。