JP3166268B2 - インクジェット式印字ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

インクジェット式印字ヘッド及びその製造方法

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憲彦 倉島
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧力発生室のインクを
ノズル開口からインク滴として飛翔させ、記録媒体に画
像を形成させるオンデマンド型のインクジェット印字ヘ
ッドの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、インクジェット印字ヘッドにおい
てインク流路を形成する基板材料にシリコンウェーハー
を用いた例としては、例えば特開平2−265754に
開示されているサーマルインクジェットヘッドがある。
このヘッドは、異方性エッチングされた貫通凹部のイン
ク供給口と複数の平行な細い溝から成るインクチャンネ
ルを有した第1基板と、発熱素子とアドレッシング電極
を有した第2基板とを接着した後、所定の位置でカッテ
ィングすることによって基板端面にノズルを形成し、発
熱素子で圧力を発生させてノズルよりインク滴を吐出さ
せるように構成されている。またシリコンウェーハーの
異方性エッチングによってノズル開口部を形成する方法
は、例えば特開昭58ー112755等に開示されるよ
うに、ノズル形成技術としては広く用いられている方法
の1つである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来技術
では、インクジェット印字ヘッドの構成部として必要な
形状を、複数の部材を接着によって貼合わせた後、カッ
ティングによってノズルを形成するか、もしくはノズル
開口を形成した基板とインク流路を形成した基板と天板
とをそれぞれ接着して、インクジェット印字ヘッドを構
成することが通例とされている。したがって、従来技術
では複数の部品精度、組立精度を確保するために製造プ
ロセスが複雑になり、特にノズルをカッティングによっ
て形成する場合には、チッピング等のカケが発生しやす
く、製造歩留まりの確保に対しても限度がある。さらに
接着剤を用いていることによって、接着剤のインク流路
へ流出、接着強度不足、インクの対蝕性といった信頼性
の確保が難しいといった問題を有していた。また異方性
エッチングによってノズル開口を貫通孔として形成する
場合には、ノズル開口寸法は基板厚に依存するために、
基板厚バラツキがノズル開口寸法バラツキを大きくする
といった問題がある。
【0004】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、製造工程の
簡略化と形状精度の確保を容易にし、耐久性に優れた高
信頼性のインクジェット印字ヘッドの製造方法を提供す
ることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、ノズル開口
と、該ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生
室に連通するインク供給路と、前記圧力発生室に対向す
る位置に形成された圧力発生素子とを有するインクジェ
ットヘッドにおいて、シリコン単結晶からなる単一基板
内にインク流路となる前記圧力発生室と前記インク供給
路と前記ノズル開口とが一体形成されており、前記ノズ
ル開口は前記基板の厚さ方向の貫通孔として形成され、
さらに、前記ノズル開口の厚さ方向端面に凹部を有する
インクジェット式印字ヘッドであることを特徴とする。
さらに、ノズル開口、圧力発生室及びインク供給路を有
するインクジェット印字ヘッドの製造方法であって、シ
リコン単結晶基板からなる単一の流路基板の一方面に、
前記ノズル開口の一部となる凹部を形成する第1の異方
性エッチング工程と、前記圧力発生室及びインク供給路
となる凹部を形成する第2の異方性エッチング工程と、
前記流路基板の他方面のノズル開口周辺に凹部を形成し
ノズル開口とする第3の異方性エッチング工程とを有す
るインクジェット式印字ヘッドの製造方法であることを
特徴とする。
【0006】
【作用】本発明の上記の構成によれば、インクジェット
印字ヘッドのインク流路構成部として必要な形状を、単
一部材に同一の製造プロセスによって行うことによっ
て、製造工程の短縮とインク流路構成部の形状精度の向
上を達成することができる。
【0007】
【実施例】以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づ
いて説明する。
【0008】図1は本発明の方法による製造されるイン
クジェット印字ヘッドの一例を示す分解斜視図、図2は
流路基板の斜視図である。このヘッドは、インク流路を
形成した流路基板1、流路基板1と熱膨張率を同一にす
る振動板2、短冊状または櫛歯状に形成された圧電素子
3、印字信号を圧電素子3に伝達するリード電極4、イ
ンクを印字ヘッドに供給するインク供給管5を備えてい
る。インク供給管5より供給されたインク(図示せず)
は、リザーバー9からインク供給口8を通じて平行に複
数個配置された圧力発生室7に充填される。リード電極
4に印字信号が印加されると、圧電素子3に歪が生じて
振動板2を変形させ、圧力発生室7に圧力が加わること
によってノズル開口6よりインク滴を吐出することがで
きる。
【0009】インク流路は、ノズル開口6、圧力発生室
7、インク供給口8、リザーバー9より構成されてい
る。ここで流路基板1の材料としては、厚さ200〜5
00μmのシリコン単結晶基板を用いたものであり、
{100}結晶面を基板表面にもち前記のインク流路は
全て{111}結晶面に沿って異方性エッチングによっ
て形成されている。このためノズル開口6は、内壁が4
角錐形状を成す貫通孔として形成され、圧力発生室7と
リザーバー9は深さを同じくしてその断面が台形状の凹
部を成し、インク供給口8はリザーバー9から各圧力発
生室7に連通する位置に、断面がV字溝として形成され
ている。ここでインク供給口8の形状は、V字溝に限定
されるわけではなく、圧力発生室7と同様な台形溝でも
かまわない。だだしインク流路の設計上、インク供給口
8の流体抵抗はノズル開口6とほぼ同等で、圧力発生室
7の流体抵抗に対しては充分大きくすることが要求され
るために、インク供給口8の流路断面積は圧力発生室8
のそれより充分小さくなるように設定する必要がある。
またインク流路は{111}結晶面に沿って異方性エッ
チングされるため、それぞれのインク流路断面における
テーパ角度は、基板表面の{100}結晶面に対してシ
リコン単結晶特有の54.7゜という角度をなしてい
る。
【0010】図3は図2で説明したインク流路の形成プ
ロセスを示している。まずシリコン単結晶基板の{10
0}結晶面上下両面に、1000〜1200℃の酸素雰
囲気中で熱酸化処理によって0.5〜2μmの厚さのS
i酸化膜13を形成した後、フォトレジストをコーティ
ングし、ノズル開口パターンを露光、現像する。次にフ
ッ酸水溶液によってSi酸化膜13を除去すると、図3
(a)のようにシリコン単結晶基板の{100}結晶面
がノズル開口パターンとして露出する。そこで、KOH
水溶液等の異方性エッチング液を使用して、シリコン単
結晶基板総厚に対して残厚が圧力発生室7の深さに相当
する厚みになるまで、第1の異方性エッチングをすると
図3(b)ようなノズル開口の一部となる凹部1aが形
成される。続いて、前述と同様の方法で、フォトレジス
トに圧力発生室7、インク供給口8パターンを形成した
後、Si酸化膜を除去する(図3(c))。さらに、第
2の異方性エッチングを行うことによって、ノズル開口
6がSi酸化膜を残して凹部として形成されると同時
に、ノズル開口6以外のインク流路が凹部として形成さ
れ、図3(d)に示すようなインク流路形状を得ること
ができる。ここでインク供給口8のパターン幅を、エッ
チング深さに対して充分小さく設定すれば、異方性エッ
チングは{111}結晶面に沿ってエッチングされるた
めに、{111}結晶面が交差した時点でエッチングは
停止し、インク供給口はV字溝として形成される。した
がって、圧力発生室7とインク供給口8はエッチング深
さが異なるにも関わらず、1回のエッチング工程によっ
て同時に形成することが可能である。
【0011】次に、前述した熱酸化処理と同様の手段に
よって流路基板1に熱酸化処理を施せば、図3(e)に
示すようにインク流路形成表面には均一なSi酸化膜1
4ができる。このSi酸化膜14はインクに対して濡れ
易い性質があるために、インク中に残留する気泡の吸着
を防ぎ気泡排出性に優れたインクジェット印字ヘッドが
提供される。ノズル開口側にフォトレジストをコーティ
ングし、ノズル開口長より一回り大きな開口長となるよ
うに、ノズル凹部15に相当するパターンを露光、現像
した後、フッ酸水溶液を用いて、Si酸化膜を除去す
る。そこで第3の異方性エッチングをKOH水溶液によ
って適当な深さ、好ましくは5〜20μmにエッチング
すればノズル開口が貫通するとともに、ノズル開口にノ
ズル凹部15が形成できる(図3(f))。このノズル
凹部15は、ノズル開口6にインク滴を均一に残留させ
ノズル開口間のインクの相互干渉を防止し、しかも、た
とえ印字記録用紙がノズル面に擦れることがあっても、
直接ノズル開口に接触することを防ぎ、ノズル開口の破
損を防止する役割がある。
【0012】ところで異方性エッチングによって形成さ
れるノズル開口の寸法精度は、流路基板の厚み精度に依
存するため、流路基板厚バラツキがノズル開口長の寸法
バラツキとして表れる。しかし、このようにノズル開口
面側より、流路基板厚バラツキを補正する深さだけ異方
性エッチングして凹部15を形成することによって、ノ
ズル厚を一定長とすることができ、ノズル開口長の寸法
バラツキをなくすことが可能である。
【0013】また、図2に示すように、圧力発生室7の
幅をノズル入口部11の開口長と同一にして、インク供
給口8を圧力発生室壁10の同一壁面延長上に2カ所ず
つ配置し、V字溝となるように形成することによって、
リザーバー9を除いた複数のインク流路は平行に規則正
しく配列され、各インク流路壁に段差等の不連続面がな
いインク流路を構成することができる。したがって、リ
ザーバー9より各インク供給口8に供給されたインク
は、滞留や淀みの発生がなくスムーズな流れによってノ
ズルまで到達することとなる。
【0014】なお、ノズル開口6と圧力発生室7は2回
の異方性エッチングによって連通形成されるため、第1
の異方性エッチングによって形成されたノズル開口壁面
と、第2の異方性エッチングで形成される圧力発生室壁
面の相互に重なり合う部分では、新な結晶面が露出し切
り欠き状壁面12が生じるが、インクジェット印字ヘッ
ドの機能上、何ら支障はない。
【0015】図4はインクジェット印字ヘッドの断面を
示している。インク流路が形成された流路基板1に、流
路基板1と熱膨張率を同一にする振動板2が接合されイ
ンク流路が完成する。ここでは振動板2の材料として、
厚さ20〜100μmのパイレックスガラスを使用して
いる。流路基板1と振動板2とを重ね合わせて固定し、
200〜500℃の雰囲気温度で両基板を加熱する。そ
こで両基板間に200〜1000Vの直流電圧を印加す
ると、静電引力によって接合界面が密着すると同時に電
流が流れ、強固に接合される。このように、流路基板1
と振動板2とを陽極接合することにより、接合面には接
着剤等の有機化合物が介在しないため、複雑な微細形状
であっても極めて高い寸法精度が得られるばかりでな
く、インクの耐蝕性の心配もない信頼性の高いインクジ
ェット印字ヘッドが提供される。
【0016】なお、振動板2には金属材料として42ア
ロイ(Fe−Ni合金)を用いることも可能であるが、
この場合には予め表面にSi酸化物をスパッタ等により
薄膜形成しておく必要がある。42アロイのSi酸化物
形成面を流路基板1に合わせて固定し、以下は前述と同
様の方法によって両基板を接合することができ、強固な
接合力を得ることができる。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、インクジェット式印字
ヘッドのインク流路構成部として必要な形状を、単一部
材に同一の製造プロセスによって行うことにより製造工
程の短縮とインク流路構成部の形状精度の向上を達成す
ることができるもので、特にノズル開口部に凹部を形成
することでノズル開口にインク滴を均一に残留させ、ノ
ズル開口間のインクの相互干渉を防止し、しかもたとえ
印字記録用紙がノズル面と擦れることがあっても直接ノ
ズル開口に接触することを防ぎノズル開口の破損を防止
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるインクジェット印字ヘッドの一例
を示した分解斜視図である。
【図2】流路基板の外観を示す斜視図である。
【図3】(a)〜(f)は、本発明による流路基板のイ
ンク流路の形成プロセスを示した図である。
【図4】インクジェット印字ヘッドの一部断面図であ
る。
【符号の説明】
1 流路基板 2 振動板 3 圧電素子 4 リード電極 5 インク供給管 6 ノズル開口 7 圧力発生室 8 インク供給口 9 リザーバー
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/16 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ノズル開口と、該ノズル開口に連通する
    圧力発生室と、該圧力発生室に連通するインク供給路
    と、前記圧力発生室に対向する位置に形成された圧力発
    生素子とを有するインクジェットヘッドにおいて、シリコン単結晶からなる単一 基板内にインク流路となる
    前記圧力発生室と前記インク供給路と前記ノズル開口と
    が一体形成されており、 前記ノズル開口は前記基板の厚さ方向の貫通孔として形
    成され、さらに、前記ノズル開口の厚さ方向端面に凹部を有する
    ことを特徴とするインクジェット印字ヘッド。
  2. 【請求項2】 前記インク流路表面は、シリコン酸化膜
    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
    ト式印字ヘッド。
  3. 【請求項3】 前記シリコン単結晶基板の前記圧力発生
    室が形成された側にシリコン単結晶又はシリコン酸化物
    からなる振動板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式印字ヘッド。
  4. 【請求項4】 前記振動板は、さらに前記単結晶基板と
    熱膨張係数がほぼ等しい金属材料からなることを特徴と
    する請求項3に記載のインクジェット式印字ヘッド。
  5. 【請求項5】 ノズル開口、圧力発生室及びインク供給
    路を有するインクジェット印字ヘッドの製造方法であっ
    て、 シリコン単結晶基板からなる単一の流路基板の一方面
    に、前記ノズル開口の一部となる凹部を形成する第1の
    異方性エッチング工程と、 前記圧力発生室及びインク供給路となる凹部を形成する
    第2の異方性エッチング工程と、前記流路基板の他方面のノズル開口周辺に凹部を形成し
    ノズル開口とする第3の異方性エッチング工程とを有す
    インクジェット印字ヘッドの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第2の異方性エッチング工程で前記
    第1の異方性エッチングで形成された凹部を貫通孔とす
    ることを特徴とする請求項5に記載のインクジェット式
    印字ヘッドの製造方法。
  7. 【請求項7】 前記流路基板に圧力発生室及びインク供
    給路とからなるインク流路を形成した後、該インク流路
    形成表面に熱酸化処理によりシリコン酸化物を形成する
    工程を有することを特徴とする請求項5または6記載の
    インクジェット印字ヘッドの製造方法。
  8. 【請求項8】 前記流路基板に圧力発生室及びインク供
    給路とからなるインク流路を形成した後、前記流路基板
    とシリコン単結晶またはシリコン酸化物から成る振動板
    を陽極接合によって接合することを特徴とする請求項4
    乃至7何れか1項に記載のインクジェット印字ヘッドの
    製造方法。
  9. 【請求項9】 前記振動板として前記流路基板と熱膨張
    係数が一致する金属材料を用い、シリコン酸化物を前記
    振動板の一表面に形成した後、前記流路基板と陽極接合
    によって接合することを特徴とする請求項8記載のイン
    クジェット印字ヘッドの製造方法。
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