JP2003334952A - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吐出方向と異なる方向に伝わる圧力波の伝播
を抑制し、発泡エネルギーの損失を低減し、吐出効率、
吐出力が高く、かつ高耐久性を備えたインクジェットヘ
ッドおよびその製造方法の提供。 【解決手段】 インクジェットヘッドの流路内に弁を設
け、弁がインク発泡時に移動し、吐出方向と異なる方向
に伝わる圧力波の伝播を抑制する。該弁は、流路内に形
成された円柱状の構造物を支点として移動する構造をも
ち、弁自体が変形することが無いため、高い耐久性を実
現できる。

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記録
ヘッドに関し、特にインクを吐出するために必要な熱エ
ネルギーを発生する電気熱変換素子（ヒータ）を基板上
に形成したインクジェット記録ヘッドおよびその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を吐出し、これを被記録媒体上
に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法
は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒
音であるという利点を有している。さらに、この方法は
カラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録で
き、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利
点を有している。

【０００３】このようなインクジェット記録方法を用い
る記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐
出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク
路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のイ
ンクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー
発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、
特公昭６１−５９９１１号公報、特公昭６１−５９９１
２号公報、特公昭６１−５９９１３号公報、特公昭６１
−５９９１４号公報の各公報には、エネルギー発生手段
として電気熱変換体を用い、電気パルス印加によってこ
れが発生する熱エネルギーをインクに作用させてインク
を吐出させる方法が開示されている。

【０００４】上記各公報に開示されている記録方法は、
熱エネルギーの作用を受けたインク気泡が発生し、この
気泡の急激な膨張に基づく作用力によって、記録ヘッド
部先端の吐出口よりインクを吐出し、この吐出インク滴
が被記録媒体に付着して画像形成を行なうものである。
この方法によれば記録ヘッドにおける吐出口を高密度に
配置することができるので、高解像度、高品位の画像を
高速で記録することができ、この方法を用いた記録装置
は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどにおける情報
出力手段として用いることができる。

【０００５】このようにインクジェット技術が多方面に
利用されるに従って、さらに液体の吐出効率が高く、吐
出力が高い液体の吐出方法が望まれている。

【０００６】この要求を実現する手段の１つとして、イ
ンク流路中で吐出エネルギー発生素子によって発生する
気泡形成等による圧力波が、吐出方向と異なる方向へ伝
わることによって生じる吐出エネルギーの損失を防止す
るために、液体抵抗素子として弁構造を利用する発明
が、提案番号４１５０１２０に記載されている。

【０００７】提案番号４１５０１２０に開示されている
流路構造は、図６に示されるものであり、弁構造は発泡
時に吐出方向と異なる方向への圧力波の伝播を防止する
ように動作することで吐出エネルギーの損失防止を図る
ものである。

【０００８】図６において、１０１は発熱抵抗体（ヒー
タ）、１０２は配線電極、１０３はノズル、１０４は
弁、１０５はストッパ、１０６は流路を形成する流路材
である。

【０００９】図６（３−１）は発泡前すなわち初期状態
での弁の形態を示している。

【００１０】発泡が開始すると、発泡による圧力により
弁１０４は変形し最終的には弁の変形を制限するストッ
パ１０５に接触し、これ以上は変形しなくなる（図６
（３−２））。

【００１１】従って、発泡によって生じる圧力波がイン
ク供給口側へ伝播することを防止でき、インクの吐出効
率を上げることができる。

【００１２】図６（３−３）は消泡時の弁の形態を示し
たものである。消泡時には、消泡による圧力低下、表面
張力による毛細管現象、変形した弁の復元力等によって
リフィルが行われる。

【００１３】近年のインクジェットヘッドは、１×１０
^７回ないし５×１０^８回のインクの吐出が行える耐久性
が必要とされている。今後、更に高耐久のヘッドが望ま
れその際は１×１０^９回以上のインクの吐出が行えるよ
うなヘッドが望まれる。

【００１４】このような多くのインクの吐出を行うヘッ
ドの場合、図６に示した従来の弁構造をもったインクジ
エットヘッドでは、吐出のたびに弁が変形しているた
め、弁構造の破壊が起こる場合が生じる。

【００１５】つまり、より高い耐久性を備えたヘッドが
望まれる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、吐出
方向と異なる方向に伝わる圧力波の伝播を抑制し、発泡
エネルギーの損失を低減し、吐出効率、吐出力が高く、
かつ高耐久性を備えたインクジェットヘッドおよびその
製造方法を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的達成するため、
本発明ではインクジェットヘッドの流路内に弁構造を有
し、該弁は、その一端を中心として可動する構造をと
る。

【００１８】一端を中心として可動する弁構造を実現さ
せるため、本発明では、流路内に作製された円柱状の構
造物と、該円柱状の構造物を取り囲み、該円柱状の構造
物を中心として可動する部材を弁構造の一端に設ける。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１〜図４を用いて本発明である
インクジェットヘッドの構成およびその製造方法につい
て説明する。但し、この図面中には論点を明確にするた
めインクジェットヘッドに於ける、ヒータ部、インク供
給口部、インク流路、ノズル部についてのみ示し、通常
インクジェットヘッド中に形成される半導体素子等の他
の部分の構成およびその製造方法は省略している。

【００２０】Ｐ型、結晶方位〈１００〉厚さ６２５μｍ
のシリコン基板１に熱酸化を行い、１００〜５００Åの
酸化シリコン膜２を形成した。更にその上に１０００〜
３０００Åのシリコン窒化膜３を減圧ＣＶＤにより堆積
させた（図１（１−１））。

【００２１】次に上記シリコン窒化膜３を所望のパタン
にパターニングした。この時裏面に堆積したシリコン窒
化膜は除去される（図１（１−２））。

【００２２】次に熱酸化により６０００〜１２０００Å
酸化シリコン膜４を形成した。この時パターニングされ
たシリコン窒化膜の下の酸化膜は酸化されず、窒化膜の
無い領域のみが選択的に酸化される。次にシリコン窒化
膜を除去した（図１（１−３））。

【００２３】次にシリコン窒化膜３の下に当たる部分
（以後アクティブ領域と記す）の一部をパターニング、
エッチングし、さらに犠牲層となるポリシリコン膜５を
減圧ＣＶＤにより堆積しパターニング、エッチングし
た。この犠牲層は後のプロセスにおいてインク供給口幅
をより精度良く開口するための物である。ポリシリコン
犠牲層５のエッチング後、最表面を再び熱酸化によって
シリコン酸化膜（２００〜１０００Å）にした（図１
（１−４））。

【００２４】次に減圧ＣＶＤによりシリコン窒化膜６を
５００〜４０００Å堆積し、所望のパタンに加工した
（図１（１−５））。

【００２５】次に層間膜となるＰＳＧ膜７を５０００〜
１００００Å堆積し、これを所望のパタンに加工した。
更に配線電極となるＡｌ−Ｓｉ膜（図示せず）を堆積し
所望のパタンに加工した。この段階でインクの吐出のた
めにヒータを駆動する能動素子（不図示）が完成できて
いる。

【００２６】次にプラズマＣＶＤ法により８０００〜１
８０００Åの膜厚のプラズマ酸化膜８を堆積し、所望の
パタンに加工した（図２（１−６））。

【００２７】次に発熱抵抗体９となる窒化タンタルを２
００〜１０００Å程度、反応性スパッタ法により堆積
し、それを所望のパタンに加工した。また、発熱抵抗体
の配線抵抗となるＡｌ−Ｃｕ膜１０をその上部に堆積
し、所望のパタンに加工した（図２（１−７））。

【００２８】次に保護膜となるシリコン窒化膜１１をプ
ラズマＣＶＤ法により４０００〜１２０００Å程度堆積
し、その上部に耐キャビテーション膜であるＴａ膜１２
を５００〜６０００Å程度スパッタ法により堆積し所望
のパタンに加工した（図２（１−８））。

【００２９】次にＡｌ膜１３を５００〜６０００Å程度
スパッタ法により堆積し、所望のパタンに加工した。そ
の後、保護膜１１を電極取り出しのパタン（不図示）に
加工した（図２（１−９））。

【００３０】次にインク流路の形成を行った。

【００３１】始めに基板表面を保護材で覆い、基板裏面
に存在するポリシリコン膜５をＣＦ４を用いたドライエ
ッチングによって除去した。この時裏面に存在する膜は
酸化膜４のみになる。続いて表面保護材を除去した。

【００３２】次に、シリコン異方性エッチングのための
ポリエーテルアミドから成るマスク材１４を塗布した後
パターニングを行いインク供給口形成部のマスク材１４
を除去した。続いてポジ型レジストから成る流路型材１
５の塗布およびパターニングを行った（図２（１−１
０））。

【００３３】図２（１−１０ａ）に本工程まで進んだ時
のインクジェットヘッドの平面図を示す。図２（１−１
０）は、図２（１−１０ａ）のＡ−Ａ’ラインでの断面
図となっている。図２（１−１０ａ）では流路型材１
５、ヒータ９、配線電極１０、ＡＬ膜１３を示してあ
る。流路型材１５のくり貫かれた部分１６は、最終的に
弁が、流路型材１５のくり貫かれた部分１７は、最終的
に第一のストッパが、流路型材１５のくり貫かれた部分
１８は、最終的に第二のストッパが、流路型材１５のく
り貫かれた部分１９は、最終的に弁が可動する際に支点
となる円柱状の構造物が形成される部分である。

【００３４】弁１６の一端は、最終的に弁が可動する際
に支点となる円柱状の構造物が形成される部分１９と一
定の距離をおいてこれを取り囲むような形状であり、ま
た該取り囲む構造は完全なリング状ではなく、２０で示
したように、リングの一部が欠落している形状になって
いる。

【００３５】Ａｌ膜１３は図２（１−１０ａ）に示した
ように、最終的に弁が形成される部分１６を包含するよ
うに配置される。

【００３６】図２（１０−１ｂ）は、図２（１０−１
ａ）に示したＡＬ膜の形状をより詳細に示したものであ
る。ＡＬ膜１３は、図２（１０−１ｂ）中２１で示した
ように、前記した最終的に弁が可動する際に支点となる
円柱状の構造物が形成される部分には存在しない形状を
している。つまり、最終的には弁となる部分の下部には
ＡＬ膜１３が存在し、最終的に弁が可動する際に支点と
なる円柱状の構造物が形成される部分にはＡＬ膜１３が
存在しない構造となっている。

【００３７】次にエポキシ樹脂等の高分子材料から成る
流路材２１の塗布を行った。このとき、前記した流路型
材のくり貫かれた部分、１６、１８、１９、に流路材２
１が浸入する（図３（１−１１））。

【００３８】次に、流路材２１を流路型材１５の表面が
露出するまでエッチングを行った（図３（１−１
２））。

【００３９】次に厚さ５００〜６０００Åのポジレジス
トから成る２層目の流路型材２１の塗布およびパターニ
ングを行った（図３（１−１３））。

【００４０】続いてエポキシ樹脂から成る２層目の流路
材２２の塗布およびパターニングを行い、ノズル２３の
形成を行った（図３（１−１４））。

【００４１】続いてウエハ表面に保護材２４の塗布を行
った（図４（１−１５））。

【００４２】続いて、バッファードフッ酸により裏面開
口部の酸化膜４を除去し、引き続いて温度８０〜９０℃
のＴＭＡＨ水溶液でシリコンの異方性エッチングを行い
インク供給口２５の形成を行った。この時インク供給口
の幅は、前記したポリシリコン膜５の領域に対して片側
１ないし５μｍ広がった大きさとなる（図４（１−１
６））。

【００４３】異方性エッチング終了後、異方性エッチン
グのマスク材１４、裏面の酸化膜４を除去し、更にイン
ク供給口内に存在する酸化膜および窒化膜を、フッ素、
酸素系のガスを用いたドライエッチングにより除去した
（図４（１−１７））。

【００４４】続いて表面の保護材２４を、キシレンを用
いて除去し、さらに流路型材１５および２１を乳酸メチ
ルを用いて除去し、続いてＡｌ膜１３をリン酸、酢酸、
硝酸等から成る溶液を用いてエッチングし、インクジェ
ットヘッドを作成した（図４（１−１８））。

【００４５】図５に作成されたインクジェットヘッドの
平面図を示す。

【００４６】図５（２−１）で、９は発熱抵抗体、１０
は配線電極、２３はノズル、２６は弁、２７は第一のス
トッパ、２８は第二のストッパ、２９は弁２６が可動す
る際に支点となる円柱状の構造物、３０は流路である。

【００４７】作成されたインクジェットヘッドでは、弁
２６は、下層であるＡｌ膜１３も、上層である２層目の
流路型材２１も除去されているため、流路壁または基板
に固定されることなく、流路内を自由に動くことが出来
る。

【００４８】また、第一のストッパ２７、第二のストッ
パ２８、弁が可動する際に支点となる円柱状の構造物２
９の下層にはＡＬ１３が存在しないため、これらはシリ
コン窒化膜１１に固定される。

【００４９】従って、弁２６は、円柱状の構造物２９を
支点にして可動する。

【００５０】また、弁２６、第一のストッパ２７、第二
のストッパ２８及び弁が可動する際に支点となる円柱状
の構造物２９は流路を形成する工程で作成されるため、
わずかなコストアップで作り込むことができる。

【００５１】図５を用いて本発明によるインクジェット
ヘッドの動作を説明する。

【００５２】図５（２−１）は発泡前すなわち初期状態
での弁の状態を示したものである。

【００５３】発泡が開始すると、発泡による圧力により
弁２６は移動する。最終的には第１のストッパ２７に接
触する。いったん接触が起きるとこれ以上は移動できな
くなる（図５（２−２））。従って発泡によって生じる
圧力波が、インク供給口側へ伝播することを防止出来、
インク吐出の効率を上げることが出来る。

【００５４】図５（２−３）は、消泡時の可動部の動作
を示したものである。消泡時には消泡による流路内ヒー
タ部近傍の圧力低下により、弁２６は図５（２−３）に
示したように移動し、最終的には第２のストッパ２８に
接触して停止する。

【００５５】引き続いて、弁２６の移動によって生じた
経路を通って、消泡に伴う圧力低下や、表面張力による
毛細管現象によりリフィルが行われる（図５（２−
３））。

【００５６】このように本発明のインクジェットヘッド
では、弁の変形を起こさずに、発泡によって生じる圧力
波が、インク供給口側へ伝播することを防止出来る。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば吐
出方向と異なる方向に伝わる圧力波の伝播を抑制し、発
泡エネルギーの損失を低減し、吐出効率が高く、吐出力
が高く、かつ高耐久性を備えたインクジェットヘッドお
よびその製造方法を作成出来る。また本発明では、可動
部およびストッパは、インク流路を形成する工程で作成
されるため、わずかなコストアップで吐出効率が高く、
吐出力が高くかつ高耐久性を備えたインクジェットヘッ
ドを作成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明する図である。

【図２】本発明の実施例を説明する図である。

【図３】本発明の実施例を説明する図である。

【図４】本発明の実施例を説明する図である。

【図５】本発明によるインクジェットヘッドの動作を説
明する図である。

【図６】従来例を説明する図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録液を吐出するための吐出口に連通す
   る流路を基板上に備えたインクジェットヘッドに於い
   て、該流路に弁構造を有し、該弁は、その一端を中心と
   して可動する構造であることを特徴とするインクジェッ
   トヘッドおよびその製造方法。
2. 【請求項２】 記録液を吐出するための吐出口に連通す
   る流路を基板上に備えたインクジェットヘッドに於い
   て、流路内に作製された円柱状の構造物と、該円柱状の
   構造物を取り囲み、該円柱状の構造物を中心として可動
   する部材を端部に有した弁構造を有すことを特徴とする
   請求項１に記載のインクジェットヘッドおよびその製造
   方法。
3. 【請求項３】 前記流路内に、前記弁の可動範囲を制限
   するストッパを有することを特徴とする、請求項１また
   は請求項２に記載のインクジェットヘッドおよびその製
   造方法。
4. 【請求項４】 前記可動部の移動方向が、インクの吐出
   方向と垂直方向であることを特徴とする請求項１ないし
   ３に記載のインクジェットヘッドおよびその製造方法。
5. 【請求項５】 前記弁およびストッパが、高分子材料で
   作成されることを特徴とする請求項１ないし３に記載の
   インクジェットヘッドおよびその製造方法。
6. 【請求項６】 前記可動部およびストッパが、エポキシ
   樹脂で作成されることを特徴とする請求項１ないし３に
   記載のインクジェットヘッドおよびその製造方法。
7. 【請求項７】 前記可動部およびストッパが、ホトリソ
   グラフィー技術によって作成されることを特徴とする請
   求項１ないし３に記載のインクジェットヘッドおよびそ
   の製造方法。