JP2007203623A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴミや異物の侵入を防止するフィルタを備えたインクジェット記録ヘッドを安価に、かつ、歩留り良く製造可能とする。
【解決手段】Ｓｉ基板１と、基板１の表面側に形成された複数のインク吐出口６及びそれらに連通する複数のインク流路７と、基板１を貫通し、複数のインク流路７に連通する共有のインク供給口５とを有する。インク供給口５の基板表面側の開口部には、複数の微細開口部１２a、１３aが形成された第１フィルタ層１２、第２フィルタ層１３が積層されてなるフィルタ１０が設けられ、かつ、第１フィルタ層１２と第２フィルタ層１３との間に中空部１１が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド及びその製造方法に関するものであり、特に、インク流路への異物侵入を防止するフィルタを備えたインクジェット記録ヘッドに関するものである。

一般的なインクジェット記録ヘッドの構造について図８（ａ）を参照しながら説明する。図８（ａ）に示されているインクジェット記録ヘッドでは、インクを吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子５０に対して、インクが垂直方向に吐出される。

近年、インクジェット記録ヘッドの更なる小型化、高密度化を実現すべく、基板内に半導体製造技術を用いて、吐出エネルギー発生素子を駆動するための電気制御回路を内蔵させる方法が提案されている。図８（ａ）に示すインクジェット記録ヘッドもかかる方法によって製造されたものである。すなわち、図示されて基板５１には、吐出エネルギー発生素子５０に加えて、これを駆動するための電気制御回路（不図示）などが内蔵されている。

さらには、インクが吐出される複数のインク吐出口５２にインクを供給するために、各インク吐出口５２ごとにインク流路５３が形成され、それらインク流路５３が基板５１に形成された共通のインク供給口５４に連通している。インク供給口５４は、基板５１を貫通しており、基板５１の裏面側から供給されたインクがインク供給口５４を介して各インク流路５３に供給される構造になっている。尚、基板５１としてＳｉ基板を用いる場合には、Ｓｉ異方性エッチング技術を用いてインク供給口５４を形成することが可能である。（特許文献１参照）
ここで、インクジェット記録ヘッドに求められる信頼性の１つとして、ノズル詰まりによる不吐出（目的のノズルよりインクが出ない）に起因する印字不良が発生し難いことが挙げられる。かかる印字不良の発生原因としては、インクの固化やノズル内に侵入したゴミによるノズル内へのインク供給の遮断等が一般的に考えられる。さらに、後者の原因の詳細を大きく分類すると次のようなことが挙げられる。（１）インクジェット記録ヘッドの製造過程でノズル内にゴミや異物が侵入する。（２）インクジェット記録ヘッドの製造後（使用中）に外部からゴミや異物がノズル内に侵入する。

特に上記原因（２）に関して懸念されることとして、インクの供給系をインクジェット記録ヘッドと分離可能な構造とする場合には、その接続部からゴミや異物が侵入する可能性が高い。このような原因への対策の一つとして、インクジェット記録ヘッドのインク供給口の近傍にフィルタを設ける等の工夫がなされている。しかし、インク供給口にフィルタを設ける際、インクジェット記録ヘッドと別体のフィルタを製造、実装する場合、製造コスト、部品コスト、品質管理、或いは、部品同士の接続信頼性等に関して、必ずしも満足のいくものではなく、更なる改善が望まれていた。

これらの課題を解決するための発明として、基板（Ｓｉ基板）にインク供給口を形成するための異方性エッチングマスクを利用してフィルタを形成する方法が特許文献２によって報告されている。具体的には、図８（ａ）に示すように、上記異方性エッチングマスクである熱酸化膜層５５に直接フィルタパターンを形成し、異方性エッチングによってインク供給口５４を形成する際に、耐エッチング層である熱酸化膜層５５を用いてフィルタ５６を同時形成する。
特開平９−１１４７９号公報 特開２０００−９４７００号公報

特許文献２に開示されているインクジェット記録ヘッドでは、インク供給口５４の基板裏面側開口部にフィルタ５６が設けられており、フィルタ５６が外部に露出している。

従って、吐出エネルギー発生素子５０を形成する後工程でフィルタが様々な液体に曝されたり、半導体製造装置内での搬送時に微小なキズが生じたりする。また、インクジェット記録ヘッドを実装する際にもフィルタ５６に微小なキズが生じる可能性が高い。この結果、フィルタ５６に図８（ｂ）に示すようなピンホール５７が発生するなどして歩留まりが低下したり、フィルタ性能が低下したりする。

本発明の目的は、ゴミや異物の侵入を防止することのできるフィルタを備えたインクジェット記録ヘッドを安価に、かつ、歩留り良く製造可能とすることである。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、基板と、基板の表面側に形成された複数のインク吐出口及びそれらインク吐出口に連通する複数のインク流路と、基板を貫通し、複数のインク流路に連通する共有のインク供給口と、を有する。そして、インク供給口の基板表面側の開口部に、複数の微細開口部が形成された無機膜或いは有機膜が２層以上積層されてなるフィルタが設けられ、かつ、積層された無機膜或いは有機膜の層間は中空である。

本発明では、インク流路への異物の侵入を防止するためのフィルタが、インク供給口の基板表面側開口部に形成されている。よって、該フィルタが基板の外部に露出することはなく、製造工程や記録装置への実装工程においてフィルタにキズが生じる虞がない。

以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照しながら説明する。図１に本例のインクジェット記録ヘッドの模式的斜視図を示す。また、図２に、図１に示すインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ’断面図を示す。このインクジェット記録ヘッドは、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１の表面２に形成されたオリフィスプレート３とを有する。

Ｓｉ基板１の表面２には、複数の吐出エネルギー発生素子４が所定ピッチで配列されてなる吐出エネルギー発生素子列が２列平行に形成されている。また、図示は省略されているが、Ｓｉ基板１には、吐出エネルギー発生素子４だけではなく、各種配線や吐出エネルギー発生素子４を駆動するための駆動素子等も形成されている。

さらに、Ｓｉ基板１には、該Ｓｉ基板１の表裏面に貫通するインク供給口５が形成されている。インク供給口５は、熱酸化膜層をマスクとし、ＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液を用いた異方性エッチングによって形成されたものである。

オリフィスプレート３は、被覆感光性樹脂層３０と撥水層３１とから構成されている。オリフィスプレート３には、各吐出エネルギー発生素子４の直上に開口するインク吐出口６と、インク供給口５と各インク吐出口６とを連通させるインク流路７とが形成されている。

加えて、インク供給口５の基板表面側開口部には、インク流路７へのゴミや異物の侵入を防止するためのフィルタ１０が形成されている。このフィルタ１０は、中空部１１を介して積層された第１フィルタ層１２及び第２フィルタ層１３と、第２フィルタ層１３の上に積層された第１フィルタ補強層１４及び第２フィルタ補強層１５とを有する多層フィルタである。

図３にフィルタ１０の拡大図を示す。第１フィルタ層１２には、複数の微細開口部１２aが形成され、第２フィルタ層１３には、複数の微細開口部１３aが形成されている。ここで、各微細開口部１２aの径をｘ、各微細開口部１３aの径をｙとしたとき、ｘ＞ｙの関係が成立している。また、微細開口部１２aと微細開口部１３ａの中心位置は一致している。インクが両フィルタ層１２、１３の微細開口部１２a、１３aを通過する際、圧力損失（流抵抗）が生じ、インク供給性能に悪影響を与えることが懸念される。しかし、微細開口部１２aと微細開口部１３aの中心位置が一致していることによって、上記圧力損失が最低限に抑制される。尚、フィルタ１０の構造及び形成方法については後に詳述する。

本例のインクジェット記録ヘッドは、オリフィスプレート３が被記録媒体の記録面に対面するように記録装置に搭載される。そして、インク供給口５を介してインク流路７内に充填されたインク（液体）に、吐出エネルギー発生素子４によって発生する圧力が加えられることによって、インク吐出口６からインク液滴が吐出され、被記録媒体に付着することによって記録が行われる。

このインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされる産業記録装置に搭載可能である。そして、このインクジェット記録ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。なお、本発明において、「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味する。
（実施例１）
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの実施例を示す。図４〜図６は、本発明のインクジェット記録ヘッドの基本的な製造工程を示す模式的断面図である。尚、図示されているＳｉ基板１は結晶方位＜１００＞であるが、Ｓｉ基板１の結晶方位は特定の結晶方位に限定されるものではない。

まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面２に、Ｓｉ窒化膜２０を成膜し、成膜されたＳｉ窒化膜２０を図２に示す第１フィルタ層１２のパターンに合わせてパターニングする。その後、図４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面２に、絶縁膜である熱酸化膜層（Ｓｉ酸化膜）２１を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ窒化膜２０を完全に除去し、Ｓｉ酸化膜２１に微細開口部１２a（図３）を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面２及びＳｉ酸化膜２１に密着する犠牲層２２を形成する。具体的には、フォトレジスト塗布、露光、現像、エッチング、フォトレジスト除去の各工程を経て、犠牲層２２を形成する。この工程によって、先に形成された微細開口部１２aは、犠牲層２２によって一度埋められる。本例では、Ａｌを用いていて犠牲層２２を形成したが、後にインク供給口５（図２）を形成する際に異方性エッチング液として用いられるＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液に溶解する材質であれば制限はない。

次に、図５（ａ）に示すように、犠牲層２２及びその外側のＳｉ酸化膜２１に密着する熱酸化膜（Ｓｉ酸化膜）２３を形成する。さらに、形成されたＳｉ酸化膜２３の上に、露光、現像工程によって図２に示す第２フィルタ層１３のパターンに応じたエッチングマスク（不図示）を形成し、エッチング、フォトレジスト除去の各工程を実行する。

次に、図５（ｂ）に示すように、Ｓｉ酸化膜２３上に吐出エネルギー発生素子４を形成する。尚、図示は省略されているが、Ｓｉ基板１には、配線や吐出エネルギー発生素子４を駆動するための駆動素子等も形成されている。

次に、犠牲層２２、Ｓｉ酸化膜２３及び吐出エネルギー発生素子４に密着するＳｉ窒化膜２４を成膜する。さらに、成膜されたＳｉ窒化膜２４の上に、フォトレジストをスピンコートし、露光、現像工程によって、図２に示す第１フィルタ補強層１４を形成するためのエッチングマスクを形成する。その後、図５（ｃ）に示すように、エッチング、フォトレジスト除去の各工程を順次実行する。

次に、Ｓｉ基板１の裏面２５に成膜されているＰｏｌｙ−Ｓｉ層２６（図５（ｃ））をドライエッチング等で完全に除去する。その後、図５（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１の表面２側に、犠牲層２２、Ｓｉ酸化膜２３及びＳｉ窒化膜２４に密着する熱可塑性樹脂層２７を形成する。また、Ｓｉ基板１の裏面２５側に、熱可塑性樹脂層２８を形成する。本例では、熱可塑性樹脂層２７、２８に熱可塑性ポリエーテルアミドを用いたが、ＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液及びインクに対する耐性を有する材質であれば制限はない。熱可塑性樹脂層２７及び熱可塑性樹脂層２８を形成後、フォトレジストをスピンコートし、露光、現像工程によって、図２に示す第２フィルタ補強層１５を形成するためのエッチングマスクを形成する。その後、エッチング、フォトレジスト除去の各工程を順次実行する。

次に、図６（ａ）に示すように、Ｓｉ酸化膜２３、Ｓｉ窒化膜２４及び熱可塑性樹脂層２７に密着する溶解性樹脂層２９をスピンコートする。

次に、図６（ｂ）に示すように、溶解性樹脂層２９、溶解性樹脂層２９に覆われていないＳｉ窒化膜２４及び熱可塑性樹脂層２７の一部に密着するように、被覆感光性樹脂層３０をスピンコートし、被覆感光性樹脂層３０の上に撥水層３１をコーティングする。その後、インク吐出口６をパターニングする。

次に、図６（ｃ）に示すように、撥水層３１、溶解性樹脂層２９及びＳｉ基板１の側面をスピンコート等により、保護材３２で覆う。保護材３２はＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液に耐性を持ち、かつ、撥水層３１の劣化を防ぐことができる材質であれば制限はない。保護材３２の被覆後、熱可塑性樹脂層２８をエッチングマスクとして熱酸化膜層３３をエッチングし、異方性エッチング開始面となるＳｉ基板１のシリコン面を露出させる。

次に、図６（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板１にインク供給口５を形成する。このインク供給口５は、ＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液による異方性エッチングによって形成する。この異方性エッチングの際、Ｓｉ基板１及び犠牲層２２（図６（ｃ））がエッチング液に溶解される。この結果、異方性エッチング終了すると、Ｓｉ酸化膜２１の一部からなる第１層フィルタ１２がインク供給口５と共に形成される。

次に、保護材３２を完全除去した後、撥水層３１側から全面にＤｅｅｐ ＵＶを照射し、ウエット処理で溶解性樹脂層２９を完全に除去する。溶解性樹脂層２９が除去された結果、Ｓｉ酸化膜２３の一部によって図２に示す第２フィルタ層１３が形成される。また、Ｓｉ窒化膜２４の一部によって第１フィルタ補強層１４が、熱可塑性樹脂層２７の一部によって第２フィルタ補強層１５がそれぞれ形成される。さらに、インク流路７も形成される。これら第２フィルタ層１３、第１フィルタ補強層１４、第２フィルタ補強層１５及びインク流路７は、溶解性樹脂層２９が除去されることによって同時に形成されることは図面から明らかである。

以上の工程により形成されたＳｉ基板１をダイシングソー等により分離切断、チップ化し、吐出エネルギー発生素子４を駆動させる為の電気的接合を行った後、インク供給用のチップタンク部材を接続し、インクジェット記録ヘッドの主たる製造工程が完成する。

本例では、Ｓｉ酸化膜によって第１、第２フィルタ層を形成した。しかし、第１、第２フィルタ層の材質は、インク供給口を形成する際に異方性エッチング液として用いられるＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液及びインクに対して耐性を有する材質であればよく、特定の材質に限定されない。例えば、Ｓｉ酸化膜に代えて、Ｓｉ窒化膜によって第１、第２フィルタ層を形成することもできる。

また、本例では、Ｓｉ窒化膜によって第１フィルタ補強層を形成した。しかし。第１フィルタ補強層の材質は、ＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液及びインクに対して耐性を有する材質であれば制限はない。

本例では、Ｓｉ基板表面に成膜したＳｉ窒化膜をパターニングし、その後、熱酸化膜層（Ｓｉ酸化膜）を形成してからＳｉ窒化膜を除去して第１フィルタ層を形成した。しかし、第１フィルタ層の形成工程は上記工程に限定されるものではなく、例えば、次のようにして第１フィルタ層を形成することもできる。まず、上記Ｓｉ窒化膜を成膜することなくＳｉ基板表面に熱酸化膜を成膜し、その熱酸化膜上にフォトレジストをスピンコートする。次に、露光、現像工程によって、第１フィルタ層となるパターンを形成するためのエッチングマスクを形成し、エッチング、フォトレジスト除去工程を経て、第１フィルタ層となるパターンを形成する。
（実施例２）
実施例１では、第１フィルタ層１２の微細開口部１２aと第２フィルタ層１３の微細開口部１３aの中心位置を一致させた例について説明した。しかし、図７に示すように、微細開口部１２aと微細開口部１３aの中心位置をずらすことも可能である。さらに、図７に示す例では、微細開口部１２aの径をｘ、微細開口部１３aの径をｙ、インク吐出口６の径をｚとしたとき、ｘ＞ｙ、ｚ＞ｙの関係が成り立っている。

確かに、微細開口部１２aと微細開口部１３aの中心位置をずらすことにより、圧力損失が増加し、実施例１よりもインク供給性能は劣る傾向にある。しかし、その一方で実施例１よりも微細なゴミや異物を捕捉することが可能となる。さらに、小液滴吐出の場合においては、インク供給にある程度のマージンを確保することが可能である反面、ゴミ詰まりにより、インク供給が遮断され印字不良が発生する可能性がより高くなる。従って、印字不良の回避を優先する場合には、微細開口部１２aと微細開口部１３aの中心位置をずらすことが有効である。

図３に示す微細開口部１２aと微細開口部１３aの中心位置をずらして図７に示すようにするためには、図３に示す微細開口部１２aの位置をそのままにし、微細開口部１３aの位置を図示されている位置から紙面左右に移動させる方法がある。また、微細開口部１３aの位置をそのままにし、微細開口部１２aの位置を図示されている位置から紙面左右に移動させる方法もある。さらには、微細開口部１２a及び微細開口部１３aの双方の位置を図示されている位置から紙面左右に移動させる方法もある。

図３に示す微細開口部１２aの位置を図示されている位置から紙面左右に移動させるには、図４（ａ）（ｂ）に示すＳｉ窒化膜２０のパターン形成位置を変えることによって、Ｓｉ酸化膜５に形成されるホールの位置を変える方法がある。また、Ｓｉ酸化膜５をパターニングする際にエッチング位置を変える方法もある。

本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の一例を示す模式的斜視図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ’断面図である。 図２に示すフィルタの拡大図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドの基本的製造工程の一部を示す模式的断面図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドの基本的製造工程の一部を示す模式的断面図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドの基本的製造工程の一部を示す模式的断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す模式的断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ 表面
４ 吐出エネルギー発生素子
５ インク供給口
６ インク吐出口
７ インク流路
１０ フィルタ
１１ 中空部
１２ 第１フィルタ層
１３ 第２フィルタ層
１２a、１３a 微細開口部
１４ 第１フィルタ補強層
１５ 第２フィルタ補強層
２１、２３ Ｓｉ酸化膜
２２ 犠牲層
２７ 熱可塑性樹脂層

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板の表面側に形成された複数のインク吐出口及びそれらインク吐出口に連通する複数のインク流路と、
   前記基板を貫通し、前記複数のインク流路に連通する共有のインク供給口と、を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記インク供給口の前記基板表面側の開口部に、複数の微細開口部が形成された無機膜或いは有機膜が２層以上積層されてなるフィルタが設けられ、かつ、積層された前記無機膜或いは前記有機膜の層間は中空であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記フィルタを構成している２層以上の無機膜或いは有機膜の少なくとも１層に、少なくとも１層以上の補強層が積層されており、その補強層が無機膜或いは有機膜からなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記インク吐出口の径をｚ、
   前記フィルタを構成している無機膜或いは有機膜のうち、前記インク吐出口に最も近接している無機膜或いは有機膜に形成されている前記微細開口部の径をｙ、
   前記フィルタを構成している無機膜或いは有機膜のうち、前記インク吐出口から最も離間している無機膜或いは有機膜に形成されている前記微細開口部の径をｘ、としたとき、
   ｘ＞ｙ、かつ、ｚ＞ｙの関係が成り立つことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記フィルタを構成している各無機膜或いは各有機膜に形成されている微細開口部の中心位置がそれら微細開口部の液体流通方向と交差する方向にずれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記フィルタを構成している無機膜或いは有機膜が、前記インク供給口を形成する際に異方性エッチング液として用いられる強アルカリ溶液及びインクに対して耐性を有する材質で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記フィルタを構成している無機膜或いは有機膜が、Ｓｉ酸化膜又はＳｉ窒化膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記補強層が熱可塑性樹脂膜で形成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 基板と、前記基板の表面側に形成された複数のインク吐出口及びそれらインク吐出口に連通する複数のインク流路と、前記基板を貫通し、前記複数のインク流路に連通する共有のインク供給口とを有し、前記インク供給口の前記基板表面側の開口部に、複数の微細開口部が形成された無機膜或いは有機膜からなるフィルタが設けられたインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
   前記基板をその裏面側から異方性エッチングして前記インク供給口を形成する際に、前記基板の表面に予め成膜された無機膜或いは有機膜に形成されている微細開口部を埋めている犠牲層をエッチング溶液で溶解させることによって、前記フィルタを前記インク供給口と同時に形成することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
9. 基板と、前記基板の表面側に形成された複数のインク吐出口及びそれらインク吐出口に連通する複数のインク流路と、前記基板を貫通し、前記複数のインク流路に連通する共有のインク供給口とを有し、前記インク供給口の前記基板表面側の開口部に、複数の微細開口部が形成された無機膜或いは有機膜からなるフィルタが設けられたインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
   前記基板の表面側に予め成膜され、かつ、パターニングされた無機膜或いは有機膜に積層されている樹脂層を除去することによって、前記フィルタを前記インク流路と同時に形成することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。

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