JP2003334955A - 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、かつ低コストで作成できるインクジェッ
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可動部
を設け、該可動部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。また、前
記可動部および該可動部の動作範囲を制限するストッパ
が、インク流路を形成する材料の少なくとも１つの材料
と同一の材料で作成される。

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、特公昭６１−５９９１２
号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１
４号の各公報には、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】図９に従来のインクジェット方式に従う記
録ヘッドの構成を示す。図９では吐出圧力発生素子が形
成された面に対して垂直にインク滴を吐出する、いわゆ
るサイドシューター型インクジェットヘッドの構成を示
している。

【０００７】図９（３−１）には断面図、図９（３−
２）には平面図を示した。図９に於いて、３１はＳｉ等
から成る基板、３２はエポキシ樹脂等の高分子から成る
ノズル材、３３はヒータ、３４は流路、３５はノズル、
３６は基板裏面から基板表面にインク導くインク供給口
である。

【０００８】図１０に、従来のインクジェットヘッドに
於いて、インク気泡を発生させたときのインクの流れの
模式図を示す。図１０（４−１）には断面図、図１０
（４−２）には平面図を示した。図１０に示したよう
に、インク気泡形成時の圧力波の一部はインクの吐出に
寄与するが、吐出方向と異なる方向に伝わる圧力波は、
吐出に寄与せず、エネルギーの損失になる。

【０００９】この問題を解決する手段として、インク流
路中で吐出方向と異なる方向の圧力波によって生じる吐
出エネルギーの損失を防止するために、流体抵抗素子と
して弁機構を利用する発明が、特開昭６３−１９７６５
２号公報あるいは特開昭６３−１９９９７２号公報に記
載されている。

【００１０】しかしながら、これらの発明では弁機構の
構造が複雑であり、ヘッドのコストアップが生じるとい
う問題があった。

【００１１】

【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、
かつ低コストで作成できる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。

【００１２】

【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可動部を設
け、該可動部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事を特徴とす
る。また、前記可動部および該可動部の動作範囲を制限
するストッパが、インク流路を形成する材料の少なくと
も１つの材料と同一の材料で作成されることを特徴とす
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１〜図７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。

【００１４】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））。

【００１５】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））。

【００１６】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））。

【００１７】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２
（１−４））。

【００１８】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２（１−５））。

【００１９】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。

【００２０】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））。

【００２１】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３（１−７））。

【００２２】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３（１−８））。

【００２３】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３（１−９））。

【００２４】次にインク流路の形成を行った。

【００２５】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。

【００２６】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４（１−１
０））。

【００２７】図４（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４（１−１
０）は、図４（１−１０ａ）のＡ−Ａ’ラインでの断面
図となっている。図４（１−１０ａ）では流路型材１
５、発熱抵抗体９、を示してある。流路型材１５のくり
貫かれた部分１６は、最終的に可動部が、流路型材１５
のくり貫かれた部分１７は、最終的にストッパが形成さ
れる部分である。

【００２８】Ａｌ膜１３は図４（１−１０）に示したよ
うに、最終的に可動部が形成される部分１６を包含する
ように配置される。

【００２９】次にエポキシ樹脂等の高分子材料から成る
流路材１８の塗布を行った。続いてウエハ表面に保護材
１９を塗布した後、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２０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
乃至５μｍ広がった大きさとなる（図５（１−１
１））。

【００３０】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。続いて表面の保護材１９を除去した（図５（１−１
２））。

【００３１】次に、流路材１８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６（１−１
３））。

【００３２】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６（１−１４））。

【００３３】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７（１−１５））。

【００３４】次に流路型材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７（１−１６））。

【００３５】図７（１−１６ａ）に作成されたインクジ
ェットヘッドの平面図を示す。図７（１−１６）は、図
７（１−１６ａ）のＡ−Ａ’ラインでの断面図となって
いる。図７（１−１６ａ）では、発熱抵抗体９、インク
供給口２０、ノズル２３、可動部２４、第１のストッパ
２５、および第２のストッパ２６を示してある。

【００３６】このように作成されたインクジェットヘッ
ドでは、可動部２４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。

【００３７】また、可動部２４、第１のストッパ２５、
および第２のストッパ２６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。

【００３８】図８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。図８には、発熱抵抗体９、イ
ンク供給口２０、ノズル２３、可動部２４、第１のスト
ッパ２５、および第２のストッパ２６を示してある。

【００３９】図８（２−１）は発泡開始時の可動部の動
作を示したものである。発泡が開始すると、発泡による
圧力により可動部２４は移動する。

【００４０】最終的には第１のストッパ２５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８（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。

【００４１】図８（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、可動部２１は図８（２−
３）に示したように移動し、最終的には第２のストッパ
２６に接触して停止する。

【００４２】引き続いて、可動部２４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８（２−
４））。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば出
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
高い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、吐出力が高いインクジェッ
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】本発明の実施例を説明する図である。

【図６】本発明の実施例を説明する図である。

【図７】本発明の実施例を説明する図である。

【図８】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９】従来例を説明する図である。

【図１０】従来例の問題点を説明する図である。

Claims (6)

【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、該流路に可動部および該可動部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インクジェットヘ
   ッドおよびその製造方法。
2. 【請求項２】 前記可動部およびストッパが、インク流
   路を形成する材料の少なくとも１つの材料と同一の材料
   で作成される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】 前記可動部およびストッパが、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に記載
   のインクジェットヘッドおよびその製造方法。