JP3351427B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド

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Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録を必要とする
時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるイ
ンクジェット記録装置の主要部であるインクジェットヘ
ッドに関し、特にその駆動方式として静電気力を利用す
るものに係り、並びに本発明の目的を有効に達成するイ
ンクジェットヘッドに関する。

【0002】

【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒
音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、イ
ンクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど
多くの利点を有する。この中でも記録の必要な時にのみ
インク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマン
ド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としな
いため、現在主流となってきてきている。

【0003】このインク・オン・デマンド方式のインク
ジェットヘッドには、特公平2−51734号公報に示
されるように、駆動手段が圧電素子であるものや、特公
昭61−59911号公報に示されるように、インクを
加熱し気泡を発生させることによる圧力でインクを吐出
させる方式などがある。

【0004】しかしながら、前述の従来のインクジェッ
トヘッドでは以下に述べるような課題があった。

【0005】前者の圧電素子を用いる方式においては、
圧力室に圧力を生じさせるためのそれぞれの振動板に圧
電素子のチップを貼り付ける工程が複雑で、特に最近の
インクジェット記録装置による印字には、高速・高印字
品質が求められてきており、これを達成するためのマル
チノズル化・ノズルの高密度化において、圧電素子を微
細に加工し各々の振動板に接着することは極めて煩雑で
多大の時間がかかる。また、高密度化においては、圧電
素子を幅数10〜100数十ミクロンで加工する必要が
生じてきているが、従来の機械加工における寸法・形状
精度では、印字品質のバラツキが大きくなってしまうと
いう課題があった。

【0006】また、後者のインクを加熱する方式におい
ては、駆動手段が薄膜の抵抗加熱体により形成されるた
め、上記のような課題は存在しないが、駆動手段の急速
な加熱・冷却の繰り返しや気泡消滅時の衝撃により、抵
抗加熱体がダメージを受けるため、インクジェットヘッ
ドの寿命が短いという課題があった。

【0007】これらの課題を解決するものとして、本出
願人は、駆動手段に静電気力を利用したインクジェット
ヘッド記録装置について出願しているが(特願平3−2
34537号)、この方式は小型高密度・高印字品質及
び長寿命であるという利点を有している。

【0008】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の利点をさらに増強するためには、次のような課題が残
されている。

【0009】その一つは、インク吐出室を構成する振動
板と、該振動板を駆動するための電極とのギャップに関
する問題である。静電気力を利用する方式では、圧電素
子のものに比べて同じ電圧で発生できる吐出圧力が非常
に低く、しかも発生圧力は距離の逆数の自乗に比例する
ので、印字品質のバラツキを抑えるためには、このギャ
ップの寸法を所定範囲内に極めて高い精度で保つ必要が
ある。

【0010】二つ目は、上記のギャップの寸法精度に加
えて、振動板の寸法精度に関する問題である。吐出圧力
は振動板の厚さの3乗に比例し、また矩形振動板では短
辺長の逆数の5乗に比例するので、振動板の寸法のバラ
ツキはインク吐出特性に極めて重大な影響を与える。

【0011】したがって、本発明の目的は、静電気力を
利用した方式のインクジェットヘッドにおいて、さらに
低い駆動電圧で駆動することができ、かつ、安定した高
印字品質を得るために、まず、電極と振動板間のギャッ
プ寸法を規制するとともに、そのギャップ保持手段を高
精度に実現する製造方法を提供することにある。

【0012】本発明の他の目的は、ギャップ部及び振動
板の寸法精度が極めて高く、したがって小型高密度化を
実現し得るインクジェットヘッドを提供することにあ
る。

【0013】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、インク液滴を吐出するノズル孔と、前記ノズ
ル孔の各々に連通する吐出室と、前記吐出室の少なくと
も一方の壁を構成する振動板とが形成された第1基板
と、前記振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、
前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる
電極が形成された第2基板とを有するインクジェットヘ
ッドにおいて、前記第1基板及び第2基板が共に単結晶
シリコン基板であり、両基板の接合部の少なくとも一方
の面にあらかじめ形成したSiO膜をギャップスペーサ
として前記振動板と前記電極との対向間隔の保持手段を
構成したことを特徴とするものである。

【0014】また、本発明のインクジェットヘッドは、
前記SiO膜がシリコンの熱酸化膜であることを特徴と
する。

【0015】本発明のインクジェットヘッドの他の態様
によると、前記SiO膜が、スパッタリング法または蒸
着・イオンプレーティング法またはゾルゲル法または熱
酸化法もしくはCVD法または有機シリコン化合物の焼
結法により形成されていることを特徴とする。

【0016】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、前記電極がp型またはn型不純物によ
り形成されていることを特徴とする。

【0017】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、前記第1基板及び第2基板の接合部の
少なくとも一方の面にあらかじめ形成したホウ珪酸系ガ
ラス薄膜をギャップスペーサとして前記対向間隔の保持
手段を構成したことを特徴とする。

【0018】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、前記ホウ珪酸系ガラス薄膜がスパッタ
リング法により形成されていることを特徴とする。

【0019】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、前記第1基板が結晶面方位(110)
のシリコン基板であること特徴とする。

【0020】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、前記第1基板がp型シリコン基板にn
型不純物層をエピタキシャル成長させたシリコン基板で
あることを特徴とする。

【0021】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、インク液滴を吐出するノズル孔と、前
記ノズル孔の各々に連通する吐出室と、前記吐出室の少
なくとも一方の壁を構成する振動板とが形成された第1
基板と、前記振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備
え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形さ
せる電極が形成された第2基板とを有するインクジェッ
トヘッドにおいて、前記振動板と前記電極との対向間隔
の保持手段が、前記電極の周辺にパターン形成した感光
性樹脂層または接着剤層であることを特徴とする。

【0022】また、本発明のインクジェットヘッドの他
の態様によると、振動板がn型不純物層からなることを
特徴とする。

【0023】

【作用】本発明のインクジェットヘッドは、電極にパル
ス電圧を印加することにより該電極とこれに対向して配
置された振動板との間に静電気力による引力あるいは斥
力が働き、この静電気力によって振動板を変形させ、イ
ンク液滴をノズル孔より吐出させるものであるが、振動
板と電極との対向間隔を前記のように規定することによ
り、インクジェットヘッドの駆動が低電圧で可能にな
り、また、インクの吐出速度及び吐出量が安定し、極め
て高品質の印字が得られる。もちろん、この対向間隔の
距離(ギャップ長)は実験により確認したものであり、
ここで、ギャップ長を0.05μm以上とした理由は、
この値未満ではインク吐出体積が印字に必要な大きさが
取れないことと、振動板が電極と接触し電極を破壊する
ことなどの不都合を生じるからである。また、ギャップ
長を2.0μm以下とした理由は、駆動電圧からくるも
のであり、この上限値を超えるようなものは実用性の高
い性能を達成できないからである。

【0024】前記のように規定されたギャップ長を保持
する手段としては、振動室用の凹部、電極装着用の凹
部、接合すべき基板の接合面に形成されたSiO2 膜も
しくはホウ珪酸系ガラス薄膜、あるいは感光性樹脂層ま
たは接着剤層があり、所定のギャップ長はこれらの凹部
または薄膜層により確保できる。

【0025】特にSiO2 膜またはホウ珪酸系ガラス薄
膜とするときは、膜厚を高精度に制御することができ、
振動板の振動特性が均一になり、したがって均一な印字
品質が得られる。

【0026】また、振動板に第2の電極を一体形成する
ことにより、第2の電極の電気抵抗値が下がるためイン
クジェットヘッドの駆動周波数が向上し、高速印字が可
能になる。

【0027】さらに、振動板を形成する第1の基板に
(110)面方位のシリコン基板を使用すると、エッチ
ングによりキャビティの壁面を基板表面に対し垂直にで
きるため、ノズルのピッチ間隔を小さくでき、小型高密
度化が可能になる、また該振動板を高濃度のp型不純物
層とすることにより、インクジェットヘッドの駆動周波
数も向上し、クロストーク改善ができる。

【0028】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に
説明する。

【0029】(実施例1)図1は本発明の第1の実施例
によるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面
図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の端部に
設けたノズル孔から吐出させるエッジインクジェットタ
イプの例を示すものである。図2は組み立てられた全体
装置の断面側面図、図3は図2のA−A線矢視図であ
る。

【0030】本実施例のインクジェットヘッド10は、
下記に詳述する構造を持つ3枚の基板1、2、3を重ね
て接合した積層構造となっている。

【0031】中間の第1の基板1は、シリコン基板であ
り、複数のノズル孔4を構成するように基板1の表面に
一端より平行に等間隔で形成された複数のノズル溝11
と、各々のノズル溝11に連通し底壁を振動板5とする
吐出室6を構成することになる凹部12と、凹部12の
後部に設けられたオリフィス7を構成することになるイ
ンク流入口のための細溝13と、各々の吐出室6にイン
クを供給するための共通のインクキャビティ8を構成す
ることになる凹部14を有する。また、振動板5の下部
には後述する電極を装着するため振動室9を構成するこ
とになる凹部15が設けられている。

【0032】本実施例においては、振動板5とこれに対
向して配置される電極との対向間隔、すなわちギャップ
部16の長さG(図2参照、以下、「ギャップ長」と記
す。)が凹部15の深さと電極の厚さとの差になるよう
に、間隔保持手段を第1の基板1の下面に形成した振動
室用の凹部15により構成したものである。ここでは、
凹部15の深さをエッチングにより0.6μmとしてい
る。なお、ノズル溝11のピッチは0.72mmであり、
その幅は70μmである。

【0033】第1の基板1の下面に接合される下側の第
2の基板2にはホウ珪酸系ガラスを使用し、この基板2
の接合によって振動室9を構成するとともに、基板2を
前記振動板5に対応する各々の位置に振動板形状と類似
した形状に金を0.1μmスパッタし、ほぼ振動板5と
同じ形状に金パターンを形成して電極21としている。
電極21はリード部22及び端子部23を持つ。さらに
電極端子部23を除きガラススパッタ膜を全面に0.2
μm被覆して絶縁層24とし、インクジェットヘッド駆
動時の絶縁破壊、ショートを防止するための膜を形成し
ている。

【0034】第1の基板1の上面に接合される上側の第
3の基板3には第2の基板2と同じくホウ珪酸系ガラス
を用いている。この基板3の接合によって、前記ノズル
孔4、吐出室6、オリフィス7及びインクキャビティ8
が構成される。そして、基板3にはインクキャビティ8
に連通するインク供給口31を設ける。インク供給口3
1は接続パイプ32及びチューブ33を介して図示しな
いインクタンクに接続される。

【0035】次に、第1の基板1と第2の基板2を温度
300℃,電圧500Vの印加で陽極接合し、また同条
件で第1の基板1と第3の基板3を接合し、図2のよう
にインクジェットヘッドを組み立てる。陽極接合後にお
いて、振動板5と第2の基板2上の電極21とのギャッ
プ長Gは凹部15の深さと電極21の厚さとの差である
から、0.5μmとなる。また、振動板5と電極21上
の絶縁層24との空隙間隔G1 は0.3μmとなる。

【0036】上記のようにインクジェットヘッドを組み
立てた後は、基板1と電極21の端子部23間にそれぞ
れ配線101により発振回路102を接続し、インクジ
ェット記録装置を構成する。インク103は、図示しな
いインクタンクよりインク供給口31を経て基板1の内
部に供給され、インクキャビティ8、吐出室6等を満た
している。

【0037】図2において、104はノズル孔4より吐
出されるインク液滴、105は記録紙である。

【0038】上記のように構成された本実施例の動作を
説明する。電極21に発振回路102により0Vから1
50Vのパルス電圧を印加し、電極21の表面がプラス
に帯電すると、対応する振動板5の下面はマイナス電位
に帯電する。したがって、振動板5は静電気の吸引作用
により下方へ撓む。次に、電極21をOFFにすると、
該振動板5は復元する。そのため、吐出室6内の圧力が
急激に上昇し、ノズル孔4よりインク液滴104を記録
紙105に向けて吐出する。そして次に、振動板5が再
び下方へ撓むことにより、インク103がインクキャビ
ティ8よりオリフィス7を通じて吐出室6内に補給され
る。

【0039】このようにして作製されたインクジェット
ヘッド10を図35に示すようなプリンタに組み込み、
5kHz駆動でインク液滴を7m/sec で飛翔させた結
果、上記のような低い駆動電圧で良好な印字性能が得ら
れた。なお、図35において、300はプラテン、30
1はインクタンク、302はインクジェットヘッド10
のキャリッジ、303はポンプ、304はキャップ、3
05は排インク溜、306はインク供給チューブ、30
7はインク排出チューブ、308は噴射口排出チューブ
である。

【0040】なお、振動板5と電極21間のギャップ長
を2.5μmにした場合には、駆動電圧が250V以上
となり、プリンタとして実用的でなかった。

【0041】(実施例2)図4は本発明の第2の実施例
によるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面
図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の面部に
設けたノズル孔から吐出させるフェイスインクジェット
タイプの例を示すものである。図5は組み立てられた全
体装置の断面側面図、図6は図2のB−B線矢視図であ
る。なお、以降においては、実施例1と同一または相当
する部分及び部材は同一符号を用いて示し、説明は省略
する。

【0042】本実施例のインクジェットヘッド10は、
第3の基板3の面に穿孔したノズル孔4よりインク液滴
を吐出させるようにしたものである。

【0043】本実施例における第1の基板1は、厚さ3
80μmの結晶面方位(110)のシリコン基板であ
り、吐出室6を構成する凹部12の底壁を厚さ3μmの
振動板5としている。また、この振動板5の下部には実
施例1のような振動室用の凹部は形成されてなく、振動
板5の下面は鏡面研磨による平滑面となっている。

【0044】第1の基板1の下面に接合される第2の基
板2は、実施例1と同様にホウ珪酸系ガラスを使用し、
この基板2に電極21を装着するための凹部25を0.
5μmエッチングすることにより上述のようなギャップ
長Gを形成している。この凹部25はその内部に電極2
1、リード部22及び端子部23を装着できるように電
極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成し
ている。電極21は凹部25内にITOを0.1μmス
パッタし、ITOパターンを形成することで作製し、さ
らに端子部23にのみボンディングのための金をスパッ
タしている。さらに電極端子部23を除きガラススパッ
タ膜を全面に0.1μm被覆し絶縁層24としている。
なお、図4では絶縁層24が平坦に描かれているが、実
際には凹部25上の部分が凹んだ状態になっているもの
である。

【0045】したがって、本実施例におけるギャップ長
Gは陽極接合後0.4μm,空隙間隔G1 は0.3μm
となっている。

【0046】また、第1の基板1の上面に接合される第
3の基板3には、厚さ100μmのSUS板を用い、基
板3の面部に、吐出室用の凹部12と連通するようにそ
れぞれノズル孔4を設け、またインクキャビティ用の凹
部14と連通するようにインク供給口31を設ける。

【0047】このインクジェットヘッド10を使用し
て、発振回路102により0Vから100Vのパルス電
圧を電極21に印加したところ、実施例1と同様に良好
な印字性能が得られた。なお、ギャップ長Gが2.3μ
mのものでは駆動電圧が250V以上となり、プリンタ
として実用的でなかった。

【0048】(実施例3)図7は本発明の第3の実施例
によるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面
図で示してある。図8は該インクジェットヘッドの一部
を取り出して示す拡大斜視図である。

【0049】本実施例では、ギャップ長保持手段を第1
の基板1と第2の基板2の接合部にあらかじめ形成した
SiO2 膜41、42により構成したものである。すな
わち、これらのSiO2 膜41、42はギャップスペー
サとして機能するものである。第1の基板1は結晶面方
位が(100)である単結晶シリコンウエハを用い、そ
の下面に振動板5に相当する部分を除きSiO2 膜41
を例えば0.3μmの厚さに形成する。同様に第2の基
板2も結晶面方位(100)の単結晶シリコンウエハを
用い、その上面に電極21を除きSiO2 膜42を例え
ば0.2μmの厚さに形成する。したがって、両基板
1、2を接合したときのギャップ長G(図8参照)は
0.5μmとなる。

【0050】本実施例における第1の基板の製造工程を
図9に示す。

【0051】まず、(100)面方位のシリコンウエハ
の両面を鏡面研磨し、厚さ200μmのシリコン基板5
1を作製し(図9(a))、該シリコン基板51に酸素
及び水蒸気雰囲気中で1100℃,4時間の熱酸化処理
を施し、シリコン基板51の両面に厚さ1μmのSiO
2 膜41a及び41bを形成する(図9(b))。Si
2 膜41a及び41bは耐エッチング材として使用す
るものである。

【0052】次いで、上面のSiO2 膜41aの上に、
ノズル4、吐出室6、オリフィス7、及びインクキャビ
ティ8の形状に相当するフォトレジストパターン(図示
せず)を形成し、フッ酸系エッチング液にてSiO2
41aの露出部分をエッチング除去し、該フォトレジス
トパターンを除去する(図9(c))。

【0053】次に、アルカリ液によるシリコン基板51
の異方性エッチングを行う。単結晶シリコンにおいて
は、周知のごとく、水酸化カリウム水溶液やヒドラジン
等のアルカリでエッチングする場合、結晶面によるエッ
チング速度の差が大きいため、異方性エッチングが可能
となる。具体的には、(111)結晶面のエッチング速
度が最も小さいため、エッチングの進行と共に(11
1)面が平滑面として残留する構造が得られる。

【0054】本実施例では、イソプロピルアルコールを
含む水酸化カリウム水溶液を用いてエッチングを行っ
た。振動板の機械的変形特性は、該振動板の各部寸法に
よって決定されるため、本インクジェットヘッドに要求
されるインク吐出特性上から振動板の各部の設計寸法が
決定される。本実施例では振動板5の幅hを500μ
m,厚さtを30μmとしている(図10参照)。

【0055】(100)面方位のシリコン基板51にお
いて、(111)面は基板表面である(100)面に対
して結晶構造上約55°の角度をもって交わっているた
め、上記のように(100)面方位のシリコン基板中に
形成すべき各部の寸法が決定されると、第1の基板の厚
さに対し耐エッチング材のマスクパターン寸法は一義的
に決定される。図10に示すように、吐出室6の上端の
幅dを740μmとし、170μmのエッチングを施す
と、幅hが500μm,厚さtが30μmである振動板
5が得られる。実際のエッチングでは、(111)面は
わずかずつエッチング(アンダーカット)され、図10
における寸法dはマスクパターン幅d1より若干大きく
なる。したがって、マスクパターン幅d1 は、(11
1)面12aのアンダーカット寸法の分だけ小さくしな
ければならないので、本実施例では730μmとし、上
記のアルカリエッチング液にて所定量(170μm)の
エッチングを行った(図9(d))。

【0056】次に、シリコン基板51の下面のSiO2
膜41bのパターン加工を行う。SiO2 膜41bの厚
さは、図9(b)の段階では前記のように1μmであっ
たが、図9(d)のアルカリ異方性エッチングの工程に
おいては、該SiO2 膜41bはアルカリ液によりエッ
チングされ、その厚さは0.3μmと減少している。本
実施例においては、SiO2 膜のエッチングレートは非
常に小さいため、SiO2 膜41bの膜厚減少は再現性
がよく、また均一である。

【0057】次に、前記SiO2 膜41b(41)上に
振動板5に相当する形状のフォトレジストパターン(図
示せず)を形成し、フッ酸系エッチング液にてSiO2
膜41bの露出部分をエッチング除去し、該フォトレジ
ストパターンを除去する。また、同時に基板51の表側
の面に残留しているSiO2 膜41aを全部除去する
(図9(e))。

【0058】以上のような工程を経て、図7に示した第
1の基板1が形成される。

【0059】次に、本実施例における第2の基板の製造
工程を図11に示す。

【0060】まず、(100)面方位のn型シリコン基
板52の両面を鏡面研磨し、該シリコン基板52に酸素
及び水蒸気雰囲気中で1100℃にて所定時間の熱酸化
処理を施し、シリコン基板52の両面にSiO2 膜42
a及び42bを形成する(図11(a))。

【0061】次いで、上面のSiO2 膜42a上に電極
21の形状に相当するフォトレジストパターン(図示せ
ず)を形成し、フッ酸系エッチング液にてSiO2 膜4
2aの露出部分をエッチング除去し、該フォトレジスト
パターンを除去する(図11(b))。

【0062】次に、シリコン基板52の露出したSi部
43へのB(ホウ素)ドープを行う。処理方法は以下の
とおりである。シリコン基板52を石英管中に石英ホル
ダーにて固定し、N2 をキャリアとしてBBr3 をバブ
リングした蒸気をO2 と共に石英管中に導入する。11
00℃にて所定時間処理を行った後、シリコン基板52
をフッ酸系エッチング液にてライトエッチングし、次い
で、O2 中でドライブインを行い、前記露出したSi部
43をp型層44とした(図11(c))。該p型層4
4は図7における電極21として機能するものである。

【0063】前記の図11(c)工程においては、シリ
コン基板52の表面のSiO2 膜42a及び42bは膜
厚が増加するので、本実施例では該SiO2 膜42aの
膜厚増加後の厚さを0.2μmとしている。そして次
に、p型層44(電極21)の形状に相当するフォトレ
ジストパターン(図示せず)を形成し、フッ酸系エッチ
ング液にてSiO2 膜42aの露出部分をエッチング除
去すると(図11(d))、図7に示した第2の基板2
が形成される。

【0064】本実施例のインクジェットヘッドにおいて
は、振動板5と電極21のギャップ長Gの寸法は、該イ
ンクジェットヘッドのインク吐出特性上から0.5μm
と決定されており、第1の基板1のSiO2 膜41bの
厚さが上記のとおり0.3μmであるため、図11
(c)工程においてはSiO2 膜42aの厚さが0.2
μmとなるようにプロセスを行っている。

【0065】以上の工程により形成された基板1及び2
は、Si−Si直接接合法により接合され、図8に拡大
図示されたヘッド構造を構成する。接合工程は、以下の
とおりである。

【0066】まず、シリコン基板1を硫酸と過酸化水素
水の混合液(100℃)にて洗浄し、乾燥後、両基板
1、2の対応するパターン同士の位置合わせを行った
後、両基板を重ね合わせる。この状態で両基板1、2を
1100℃,1時間の熱処理を行うと、強固な接合状態
が得られる。

【0067】本実施例の一連の工程により製作された1
00個のインクジェットヘッドのギャップ長Gの寸法
は、0.50±0.05μm,振動板の厚さは30.0
±0.8μmという範囲に分布していた。これらのイン
クジェットヘッドを100V,5kHzで駆動したとこ
ろ、インク液滴の吐出速度は8±0.5m/s,インク
液滴体積は(0.1±0.01)×10-6ccという範
囲に分布しており、実印字試験において良好な印字が得
られた。

【0068】本実施例においては、BBr3 を用いた気
相プロセスによるp型層形成により電極21を作製した
が、p型層形成法はこの方法に限られず、例えばイオン
注入法や、B23 を有機溶媒中に分散した塗布剤をス
ピンコートとする方法、BN(窒化ホウ素)板を拡散源
とする方法等でも同様にp型層を形成することができ
る。また、p型層を形成するためにはAl,Ga等他の
III 族元素を用いることもできる。また、シリコン基板
2をp型基板として、電極21をn型層とすることも可
能であり、この場合も上記のような各種のドープ法によ
り、P,As,Sb等のV族元素をドープして電極21
とすることができる。

【0069】また、本実施例においては、SiO2 膜4
1及び42によりギャップ部を形成したが、Si−Si
直接接合法の原理上、SiO2 膜41及び42のどちら
か一方がなくても接合は可能であるため、SiO2 膜4
1または42のどちらか一方を所望ギャップ長と同一の
厚さとし、他方のSiO2 膜をプロセス上でフッ酸系エ
ッチング液により除去し、Si−Si直接接合工程を施
すことにより、同様の品質でギャップ部を形成できる。

【0070】また、本実施例においては、ギャップスペ
ーサとしてのSiO2 膜は、Siのアルカリ異方性エッ
チング時のエッチングマスクとして使用したもので、若
干の膜減りが生じているが、エッチング時に若干面粗度
が悪化する傾向がある。この場合には、一旦SiO2
を全てフッ酸系エッチング液にて除去し、改めて熱酸化
により所望膜厚のSiO2 膜を形成してギャップスペー
サとすることも可能である。

【0071】また、本実施例においては、インクジェッ
トヘッドの仕様上、ギャップ長は0.5μmとしたが、
Si熱酸化膜は厚さ1.5μmまでは容易にかつ精度良
く形成できるため、ギャップ長の仕様値が0.05から
2.0μmである場合には、ギャップスペーサであるS
i熱酸化膜の厚さを仕様に合わせて調整するだけで、本
実施例の場合と同様にギャップ部の寸法精度の高いイン
クジェットヘッドが得られる。

【0072】(実施例4)図12は本発明の第4の実施
例によるインクジェットヘッド用の第1の基板の一部断
面を示す斜視図である。本実施例のインクジェットヘッ
ドにおいては、電極が形成される第2の基板及び第3の
基板の構造は実施例3と同一であるため、説明及び図示
は省略する。

【0073】本実施例では、図12における振動板5の
ギャップ対向面45にp型またはn型の不純物層からな
る第2の電極46を形成し、発振回路によるインクジェ
ットヘッド駆動時の周波数特性又はクロストークを改善
するものである。ただし、本実施例における前記ギャッ
プ長Gは第2の電極46と第2の基板上の電極21(図
7参照)との間の空隙間隔となる。この間隔保持手段
は、第1の基板1の下面に後述する方法で形成されたS
iO2 膜41と、実施例3で述べた第2の基板の上面に
形成されたSiO2 膜42とで構成される。この場合で
も少なくとも一方のSiO2 膜のみでギャップ長Gを確
保できる。

【0074】本実施例における第1の基板の製造工程を
図13に示す。

【0075】まず、n型の(100)面方位のシリコン
ウエハの両面を鏡面研磨し、厚さ200μmのシリコン
基板53を作製し(図13(a))、該シリコン基板5
3に酸素及び水蒸気雰囲気中で1100℃,4時間の熱
酸化処理を施し、シリコン基板53の両面に厚さ1μm
のSiO2 膜41a及び41bを形成する(図13
(b))。

【0076】次いで、下面のSiO2 膜41bの上に、
図12の電極46及びリード部(図示せず)の形状に相
当するフォトレジストパターン(図示せず)を形成し、
SiO2 膜41bの露出部分をフッ酸系エッチング液に
てエッチング除去し、該フォトレジストパターンを除去
する(図13(c))。

【0077】次に、シリコン基板53の露出したSi部
47へのドープを行う。処理方法は、実施例3の場合と
同様に行い、p型層48を形成する。該p型層48は第
2の電極46として機能するものである(図13
(d))。

【0078】次に、上面のSiO2 膜41aの上に、ノ
ズル孔4、吐出室6等の形状に相当するフォトレジスト
パターン(図示せず)を形成し、フッ酸系エッチング液
にてSiO2 膜41aの露出部分をエッチング除去し、
該フォトレジストパターンを除去する(図13
(e))。

【0079】以降の工程は実施例3の場合と同様に行
い、振動板5やノズル4、吐出室6、オリフィス7、イ
ンクキャビティ8の形成及び振動板5と第2の基板との
ギャップ部を形成するためのSiO2 膜41bのパター
ン加工を行う(図13(e)から(g))。

【0080】本実施例においても、実施例3と同様に、
電極46の形成には各種の方式を用いることができ、ド
ーパントしても各種のものを用いることが可能である。

【0081】本実施例においては、個々の振動板5にそ
れぞれ駆動用電極46を形成したため、発振回路による
駆動の高速化、すなわち印字速度の高速化が可能とな
る。

【0082】実施例3においては、インク液滴が個々に
独立して球状に形成されるような駆動周波数は最大5k
Hzであったが、本実施例においては該駆動周波数は7
kHzに向上した。また、本実施例においては、各々の
電極46と発振回路を接続するためのリード部も電極4
6と同時に一体形成されており、インクジェットヘッド
の小型化・高速化がはかられている。

【0083】(実施例5)図14は本発明の第5の実施
例によるインクジェットヘッドの一部断面の分解斜視図
である。本実施例のインクジェットヘッドは、基本的に
は図7に示した実施例3と同一の構造であるが、第1の
基板1と第2の基板2とを接合した際に形成される振動
板5と電極21とのギャップ部の間隔を規定するための
薄膜がホウ珪酸系ガラス薄膜49であって、第1の基板
1の下面に形成されることを特徴とする。

【0084】図15に本実施例における第1の基板の製
造工程を示す。

【0085】まず、(100)面方位のシリコンウエハ
の両面を鏡面研磨し、厚さ200μmのシリコン基板5
4を作製し(図15(a))、該シリコン基板54に酸
素及び水蒸気雰囲気中で1100℃,4時間の熱酸化処
理を施し、シリコン基板54の両面に厚さ1μmのSi
2 膜41a及び41bを形成する(図15(b))。

【0086】次いで、上面のSiO2 膜41aの上に、
ノズル孔4、吐出室6等の形状に相当するフォトレジス
トパターン(図示せず)を形成し、フッ酸系エッチング
液にてSiO2 膜41aの露出部分をエッチング除去
し、該フォトレジストパターンを除去する(図15
(c))。

【0087】次に、アルカリ液によるシリコンの異方性
エッチングを行う。異方性エッチングの条件は実施例3
の場合と同様に行い、ノズル孔4、吐出室6等を形成し
た後、耐エッチング材であったSiO2 膜41a及び4
1bをフッ酸系エッチング液にて除去する(図15
(d))。

【0088】次に、図14における振動板5と電極21
との間隔を正確に規定するためのギャップスペーサとし
て機能し、また後に記するように、陽極接合法による接
合において接合層となるホウ珪酸系ガラス薄膜49を、
シリコン基板54の下面に形成する。

【0089】まず、シリコン基板54の下面に振動板5
の形状に相当するフォトレジストパターン50を形成し
(図15(e))、次いで、スパッタ装置によりホウ珪
酸系ガラス薄膜49をシリコン基板54の下面に形成し
(図15(f))、次いで、シリコン基板54を有機溶
剤中に浸漬、超音波振動を加えてフォトレジストパター
ン50を除去すると、図15(g)に示すように、振動
板5に相当する箇所以外の部分にギャップスペーサとし
てのホウ珪酸系ガラス薄膜49が形成される。ホウ珪酸
系ガラス薄膜49のスパッタ条件は以下のとおりであ
る。スパッタターゲットとしては、コーニング社製#7
740ガラスを用い、スパッタ雰囲気を80%Ar−2
0%O2 ,圧力5mTorr とし、RFパワー6W/cm2
を印加し、0.5μmのガラス薄膜49を成膜した。

【0090】図14に示した第2の基板2及び第3の基
板3は、実施例3に記した方法により作製したものを使
用し、インクジェットヘッドを組み立てる。まず、第1
の基板1と第3の基板3との陽極接合を実施例3に記し
た方法により行い、基板1と基板3を接合・一体化す
る。次に、第1の基板1と第2の基板2を陽極接合法に
より接合する。基板1に形成された振動板5と、基板2
に形成された電極21との位置合わせを行い、突き合わ
せた後、基板1と基板2をホットプレート上で300℃
に加熱し、基板1側を正、基板2側を負として直流電圧
50Vを10分間印加し、陽極接合を行った。

【0091】本実施例において作製されたインクジェッ
トヘッドにつき実印字試験を行ったところ、実施例3の
場合と同様に良好な印字が得られた。

【0092】本実施例においては、振動板5と電極21
とのギャップ部の形成のため、ホウ珪酸系ガラス薄膜4
9を基板1の下面に形成したが、陽極接合の原理上、ホ
ウ珪酸系ガラス薄膜を第1の基板の下面でなく、第2の
基板の上面に形成した場合にも同様の効果が得られる。
ホウ珪酸系ガラス薄膜の形成方法は本実施例の場合と同
様であり、また、第1の基板と第2の基板との陽極接合
においては、300℃にて第1の基板側を正、第2の基
板側を負として直流電圧50Vを印加することにより陽
極接合が可能であり、ここで得られるインクジェットヘ
ッドの品質は本実施例のものと全く同一である。

【0093】本実施例では、第1の基板と第2の基板と
の接合を300℃で行うことができるため、以下に記す
ような効果を生じる。第2の基板上に形成される電極と
しては、実施例3において記したようなp型またはn型
不純物によるものでなくても、例えばAuまたはAl等
の融点が摂氏数100度であるような金属膜が使用で
き、すなわち電極の電気抵抗値を低減することができる
ため、インクジェットヘッドの駆動周波数を向上させる
ことが可能となる。

【0094】(実施例6)図16は本発明の第6の実施
例によるインクジェットヘッド用の第1の基板の一部断
面を示す斜視図である。本実施例のインクジェットヘッ
ドは、電極が形成される第2の基板及び第3の基板は実
施例3と同一の構造である。

【0095】本実施例の第1の基板1は、p型シリコン
基板55の下面にn型Si層56をエピタキシャル成長
させたシリコン基板57を加工したものであり、電気化
学的アルカリ異方性エッチング(後に詳しく説明する)
により、p型シリコン基板55の一部を選択的にエッチ
ング除去し、厚み精度の高い振動板5を得るものであ
る。

【0096】本実施例における第1の基板の製造工程を
図17に示す。

【0097】まず、p型の(100)面方位のシリコン
ウエハの両面を鏡面研磨し、厚さ170μmのシリコン
基板55を作製し、該シリコン基板55の下面に、n型
Si層56を30μmの厚さでエピタキシャル成長によ
り形成し、シリコン基板57を得る(図17(a))。
例えば、シリコン基板55は、B(ホウ素)をドープし
た基板であり、その濃度は4×1015cm-3である。ま
た、n型Si層56はAlをドープしたものであり、そ
の濃度は5×1015cm-3である。上記のエピタキシャル
成長工程では、厚さが均一なSi層56を形成すること
ができ、目標厚さ30μmに対して誤差±0.2μmの
制御が可能である。

【0098】次に、シリコン基板57を酸素及び水蒸気
雰囲気中で1100℃,4時間の熱酸化処理を施し、シ
リコン基板57の両面に厚さ1μmのSiO2 膜41a
及び41bを形成する(図17(b))。

【0099】次いで、上面のSiO2 膜41aの上に、
ノズル孔4、吐出室6等の形状に相当するフォトレジス
トパターン(図示せず)を形成し、下面のSiO2 膜4
1bの上に電気的導通用開口部58に相当するフォトレ
ジストパターン(図示せず)を形成し、フッ酸系エッチ
ング液にてSiO2 膜41a及び41bの露出部分をエ
ッチング除去し、該フォトレジストパターンを除去する
(図17(c))。

【0100】次に、図18に示す方式により、上記した
電気化学的異方性エッチングを施す。図18において、
n型Si層56を正、白金板80を負として0.6Vの
直流電圧を印加した状態で、イソプロピルアルコールを
含むKOH水溶液(70℃)中にシリコン基板57を浸
漬し、エッチングを行う。p型シリコン基板55の露出
部分(SiO2 膜41aで覆われていない部分)が完全
にエッチング除去されたところで、n型Si層56は正
の直流電圧により不活性化されるため、エッチングは進
行せず、この時点でエッチングが終了し、図17(d)
の状態のシリコン基板を得る。

【0101】次いで、下面のSiO2 膜41bの上に、
振動板5に相当する形状のフォトレジストパターン(図
示せず)を形成し、フッ酸系エッチング液にてSiO2
膜41bの露出部分をエッチング除去し、該フォトレジ
ストパターンを除去する。また、同時にp型シリコン基
板55の表面に残留していたSiO2 膜41aは全て除
去すると、図16に示した第1の基板1が形成される
(図17(e))。

【0102】上記以外の工程については実施例3の場合
と同様である。本実施例の一連の工程により作製された
100個のインクジェットヘッドの振動板の厚みは、3
0.0±0.2μmという範囲に分布しており、上記の
エピタキシャル工程によるn型Si層56の膜厚精度が
ほぼそのまま維持されている。これらのインクジェット
ヘッドを100V,5kHzで駆動したところ、インク
液滴の吐出速度は8±0.2m/s,インク液滴体積は
(0.1±0.005)×10-6ccという範囲に分布
し、実印字試験において良好な印字が得られた。

【0103】(実施例7)図19は本発明の第7の実施
例によるインクジェットヘッド用の第1の基板の一部断
面を示す斜視図である。本実施例のインクジェットヘッ
ドは、電極が形成される第2の基板及び第3の基板は実
施例3と同一の構造であり、また、製造工程も同一であ
るので詳細な説明は省略する。

【0104】本実施例の第1の基板1は、p型シリコン
基板61の下面にn型Si層62をエピタキシャル成長
させたシリコン基板63を加工したものであり、p型シ
リコン基板61の結晶面方位は(110)である。(1
10)面方位のシリコン基板では、周知のように(11
1)面が(110)面の基板表面と<211>方向で垂
直に交わっており、すなわちアルカリを用いた異方性エ
ッチングにより基板表面に対して垂直な壁構造を形成す
ることができる。

【0105】本実施例では、このことを利用し、ノズ
ル、吐出室等からなるインクジェット構成単位を多数配
置する場合のピッチ間隔を狭めて、ノズルの高密度化を
実現するものである。

【0106】本実施例における第1の基板の製造工程を
図20に示す。

【0107】図20(a)から(d)は、図19のC−
C線断面図に相当し、図20(e)から(g)は、図1
9のD−D線断面図に相当する。

【0108】まず、p型の(110)面方位のシリコン
ウエハの両面を鏡面研磨し、厚さ170μmのシリコン
基板61を作製し、該シリコン基板61の下面に、n型
Si層62を3μmの厚さでエピタキシャル成長により
形成し、シリコン基板63を得る(図20(a))。例
えば、シリコン基板61は、Bをドープした基板であ
り、その濃度は4×1015cm-3である。また、n型Si
層62はAlをドープしたものであり、その濃度は5×
1014cm-3である。上記のエピタキシャル成長工程で
は、目標厚さ3μmに対して、誤差±0.05μmの制
御が可能である。

【0109】次に、シリコン基板63を酸素及び水蒸気
雰囲気中で1100℃,4時間の熱酸化処理を施し、シ
リコン基板63の両面に厚さ1μmのSiO2 膜41a
及び41bを形成する(図20(b))。

【0110】次いで、上面のSiO2 膜41aの上に、
キャビティ、インクキャビティ等の形状に相当するフォ
トレジストパターン(図示せず)を形成し、下面のSi
2膜41bの上に電気的導通用開口部64に相当する
フォトレジストパターン(図示せず)を形成し、フッ酸
系エッチング液にてSiO2 膜41a及び41bの露出
部分をエッチング除去し、該フォトレジストパターンを
除去する(図20(c))。なお、吐出室6の形状に相
当するフォトレジストパターンの寸法は、幅50μm、
隣のパターンとの間隔を20.7μm、すなわちピッチ
間隔としては70.7μmとし、1インチ当りのインク
滴ドット密度としては360dpi(ドットパーイン
チ)とした。

【0111】次に、実施例6において記した方法と同一
の方法で、シリコン基板63に上記した電気化学的異方
性エッチングを施し、p型シリコン基板61が貫通する
までエッチングを行う(図20(d))。図20(d)
の段階で得られた凹部6は、シリコン基板63の表面に
対して垂直な壁からなるものである。

【0112】次いで、電気化学的異方性エッチングの際
に、若干膜減りしたSiO2 膜41a上にノズル4、オ
リフィス7などに相当するフォトレジストパターン(図
示せず)を形成し、下面のSiO2 膜41b上は全面を
フォトレジスト膜(図示せず)により被覆し、フッ酸系
エッチング液にてSiO2 膜41aの露出部分をエッチ
ング除去し、フォトレジストパターンを除去する(図2
0(e))。

【0113】次に、図20(d)の工程と同様に、電気
化学的エッチングにより深さ30μmのノズル4及びオ
リフィス7が形成されるまでエッチングを行う(図20
(f))。

【0114】最後に、シリコン基板全体をフッ酸系エッ
チング液に浸漬し、SiO2 膜41a及び41bを除去
し、第1の基板1を得る(図20(g))。得られた第
1の基板上に形成された吐出室の幅は、エッチング時の
アンダーカットにより若干拡大し55μmとなったが、
ピッチ間隔としては70.7μmであり、所望の寸法の
第1の基板が得られた。キャビティの幅の値は、インク
吐出特性から最適値が存在するが、上記アンダーカット
を考慮に入れてフォトレジストパターンの寸法を決定す
れば、所望の形状のキャビティが得られる。

【0115】(実施例8)図21は本発明の第8の実施
例によるインクジェットヘッド用の第1の基板の一部断
面を示す斜視図である。本実施例のインクジェットヘッ
ドにおける振動板5は、高濃度のB(ホウ素)ドープ層
66であって、該ドープ層66は所望の振動板厚と同じ
だけの厚さを有している。アルカリによるSiエッチン
グにおけるエッチングレートは、ドーパントがBの場
合、高濃度(約5×1019cm-3以上)の領域におい
て、エッチングレートが非常に小さくなることが知られ
ている。本実施例では、このことを利用し、振動板形成
領域を高濃度Bドープ層とし、アルカリ異方性エッチン
グにより吐出室6、インクキャビティ8を形成する際
に、Bドープ層66が露出した時点でエッチングレート
が極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術によ
り、振動板5、吐出室6などを所望形状に作製するもの
である。

【0116】本実施例における第1の基板の製造工程を
図22に示す。

【0117】まず、n型の(110)面方位のSiウエ
ハの両面を鏡面研磨し、厚さ200μmのシリコン基板
65を形成し、該シリコン基板65に酸素及び水蒸気雰
囲気中で1100℃,4時間の熱酸化処理を施し、シリ
コン基板65の両面に厚さ1μmのSiO2 膜41a及
び41bを形成する(図22(a))。

【0118】次いで、下面のSiO2 膜41bの上に振
動板(Bドープ層)66、インクキャビティ8、電極の
リード部(図示せず)の形状に相当するフォトレジスト
パターン(図示せず)を形成し、SiO2 膜41bの露
出部分(振動板・インクキャビテイ・リード部に相当す
る部分)をフッ酸系エッチング液にてエッチング除去
し、該フォトレジストパターンを除去する(図22
(b))。

【0119】次いで、シリコン基板65の露出したSi
部67へのBドープを行う。処理方法は実施例3の場合
と同様に行い、Bドープ層66を形成するが、Bの濃度
としては5×1020cm-3、また、ドープ層厚さが10
μmとなるようなドープ条件にて処理を行う(図22
(c))。上記のような高いB濃度や厚いドープ層厚み
を実現するためには、実施例3で記した各種の方法のう
ち、イオン注入法よりはむしろB23 剤のスピンコー
ト法や、BN板を用いる拡散法の方が望ましいが、いず
れの方法でも実現可能である。

【0120】次いで、上面のSiO2 膜41aの上に、
吐出室6、インクキャビティ8及びエッチング終点検出
用パターン71等の形状に相当するフォトレジストパタ
ーン(図示せず)を形成し、SiO2 膜41aの露出部
分をフッ酸系エッチング液にてエッチング除去し、該フ
ォトレジストパターンを除去する(図22(d))。な
お、吐出室6に相当するフォトレジストパターンの寸法
は、実施例7の場合と同様で、幅50μm、隣のパター
ンとの間隔を20.7μmとした。

【0121】次に、シリコン基板65のアルカリ異方性
エッチングを行う。エッチング液としては、KOH水溶
液(濃度;20重量%、温度;摂氏80度)を用いた。
前記のごとくSiのアルカリエッチングにおけるエッチ
ングレートは図23に示すようにB濃度依存性があり、
n型Si基板では約1.5μm/分のエッチングレート
でエッチングが進行するが、高濃度B領域では0.01
μm/分程度までエッチングレートが減少する。

【0122】本実施例での振動板5の厚さ(設計値)は
10μmであるため、シリコン基板65の総厚さ200
μmのうち190μmをエッチング除去し、吐出室6及
びインクキャビティ8等を形成すればよいが、実際には
シリコン基板65は面内での板厚バラツキ(±1から2
μm)を有するため、振動板5の厚さを均一にするのは
困難である。

【0123】本実施例では、以下の方法により振動板の
厚さを正確に形成したものである。シリコン基板を19
0μmエッチングするには、計算により約126分40
秒のエッチングが必要である。また、10μmのエッチ
ングを行うには、約6分40秒のエッチングが必要であ
り、したがって200μmのエッチングには、合計13
3分20秒の時間を要する。図22(d)の状態のシリ
コン基板に、上記エッチング液によるエッチングを合計
で約133分20秒行う。エッチング開始後、約126
分40秒経過した時点では、吐出室の部分では約190
μmのエッチングが進行し、エッチング面(図示せず)
はほぼBドープ層66との界面近傍、あるいは界面その
ものに達している。一方、エッチング終点検出用パター
ン71の部分でも同様に約190μmのエッチングが進
行している。本工程においては、引き続き(連続して)
約6分40秒のエッチングが行われるが、エッチング面
が仮にBドープ層66に達していない場合には、同様に
1.5μm/分のエッチングレートにてエッチングが進
行するが、エッチング面がBドープ層66に達したとこ
ろで、エッチングレートは急激に減少し約0.01μm
/分となるため、高々6分程度のエッチング時間ではB
ドープ層66はほとんどエッチングされず、厚さ10μ
mのBドープ層である振動板5が形成される。これに対
し、エッチング終点検出用パターン71の部分では、同
様に約1.5μm/分のエッチングレートにてエッチン
グが進行し、合計約133分20秒のエッチングにて貫
通孔72が形成される。前記のごとく、シリコン基板6
5の板厚バラツキにより該貫通孔72が形成されるエッ
チング時間には、多少のバラツキがあるが、エッチング
開始後133分前後の時点で貫通孔72が形成されたこ
とを、各種手段(例えば作業者の目視観察、またはレー
ザ光を一方よりエッチング終点検出用パターンに照射
し、他方に設置した受光素子により該管通孔形成時にレ
ーザ光を検出するなど)により検出し、エッチングを終
了する(図22(e))。

【0124】次に、下面のSiO2 膜41bを実施例3
の場合と同様に、第2の基板上に形成される電極との間
隔を規定するためのパターン加工を行い、第1の基板1
を得る。

【0125】上記の工程により形成された振動板5は、
シリコン基板65の面内での板厚バラツキ(±1から2
μm)にも拘らず、10±0.1μmの精度で形成する
ことができた。この±0.1μmの誤差はアルカリエッ
チングにおけるバラツキではなく、Bドープ深さのバラ
ツキによるものと思われる。

【0126】本実施例の方法では、Bドープ層の厚さの
精度によって振動板の厚さ精度が決定される。10μm
程度の厚さ領域で正確な厚さ精度を得るためには、実施
例3で記したBBr3 を拡散源とする方法が最も望まし
いが、その他の方法でも処理条件を最適化することによ
り、BBr3 を用いる方法と同様なドープ厚さ精度を得
ることができる。

【0127】本実施例では、振動板部へのBドープと同
時に、振動板から連続するリード部へのBドープも行っ
ており、すなわち実施例4に記した振動板と同様の構造
で、高濃度Bドープ部による個々の振動板に対応する駆
動用電極がそれぞれ形成されるため、駆動周波数の向上
も同時に達成することができる。

【0128】また、本実施例では、シリコン基板として
n型基板を用いたが、シリコン基板としてはp型基板で
あってもBドープによる振動板の形成は同時に可能であ
る。以下の実施例9から実施例12においては、本発明
における基板の陽極接合方法について詳細に説明する。

【0129】(実施例9)図24は本発明の陽極接合方
法の実施例を示す概要図で、この接合方法に使用する接
合装置と接合中の両基板の断面図である。また図25は
該接合装置の平面図である。

【0130】本実施例では第1のシリコン基板1と第2
のホウ珪酸ガラス基板2との陽極接合方法を示す。

【0131】本実施例における接合装置110は、電源
113のプラス側に接続される陽極側接合電極板111
と、電源113のマイナス側に接続される陰極側接合電
極板112と、さらに陽極側接合電極板111からバネ
114を介して突出させた端子板115を有する構成と
なっている。そして、陽極側接合電極板111と陰極側
接合電極板112は、表面の接触抵抗を下げる目的で銅
板の表面に金メッキを施している。また、端子板115
は、陽極接合時、ホウ珪酸ガラス基板2上の複数の電極
21とシリコン基板1を等電位にするため単一の接触板
で構成されている。この端子板115はまたバネ114
により陽極側接合電極板111と結合されており、バネ
114により電極21に対し適度な接触圧力を保持す
る。なお、端子板115は電極21の端子部23に接触
させる。

【0132】シリコン基板1とホウ珪酸ガラス基板2
は、洗浄後アライナー(図示せず)を用いて振動板5と
電極21を位置合わせし、図24、図25のようにセッ
トする。また、電極21や電極板111、112の表面
の酸化を防ぐため窒素ガス雰囲気中に置く。

【0133】陽極接合にあたっては、まず両基板1、2
を加熱するが、ホウ珪酸ガラス基板2が急激な温度上昇
により割れるのを防ぐため、300℃まで約20分かけ
て昇温する。次いで、電源113により500Vの電圧
を約20分間印加し、両基板1、2を接合する。接合
時、ホウ珪酸ガラス基板2中のNaイオンの移動により
電流が流れるが、接合完了時には電流値が低下するので
接合の目安をつける。接合完了後、両基板1、2の熱伝
導率の差による応力割れを防ぐため、約20分かけて徐
冷する。

【0134】このように接合時、端子板115及びバネ
114により電極21と振動板5との電位差をなくせば
電界が消失し放電や電界放出を防げるので、電極21と
振動板5間に大電流が流れることがなく、電極21の溶
融を防止できる。また、振動板5に電界による静電引力
が働かないので、その周辺を固定した後の振動板5に残
留応力が生じることがない。また、絶縁膜24は振動板
5からの電荷の移動により帯電し、電界中では振動板5
の方向に静電引力を受け剥離するが、電極21と振動板
5を等電位とすることで、このような絶縁膜24の剥離
を防止することができる。

【0135】(実施例10)図26は本発明の陽極接合
方法の他の実施例を示す概要図で、この接合方法に使用
する接合装置と接合中の両基板の断面図である。図27
は該接合装置の平面図である。

【0136】本実施例は、コイルバネからなる端子11
6を用いて個々の電極21にそれぞれ接触させる構成と
したものである。その他の構成は図24と同じである。

【0137】端子116の材質は接合時の高温に耐える
目的でSUS製としている。通常SUS材は表面の酸化
被膜による抵抗のため端子材料としては好ましくない
が、陽極接合においては高電圧を加えることと、等電位
にすることが目的のため、電流値は低くても良好な結果
が得られる。各端子16を独立したコイルバネとするこ
とにより、陽極接合時の加熱による基板の反りや端子1
16の摩耗などによる電極21との導通不良を防止でき
る。

【0138】(実施例11)図28はさらに他の実施例
に係る陽極接合装置の平面図で、図29は第2の基板上
の電極と共通電極の配置関係を示す平面図である。な
お、図29では前記の絶縁膜は省略されている。

【0139】本実施例は、フォトリソグラフィーによる
バッジ処理により、1枚のホウ珪酸ガラス基板2A上
に、複数組(実施例では2組)のインクジェットヘッド
用の複数の電極21と各組の個々の電極21を接続する
共通の電極120を同時に形成したものである。共通電
極120は各組の全ての電極21の端子部23と接続す
るリード部121a,121bを有する。また、このホ
ウ珪酸ガラス基板2Aに接合される1枚のシリコン基板
(図示せず)にも図24、図26と同様の構成を持つ複
数組の要素(ノズル・吐出室・振動板・オリフィス・イ
ンクキャビティ)が対応位置に同時に加工される。そし
て、接合時、図26と同様のコイルバネからなる1個の
端子116をこの共通電極120と接触させ、陽極側接
合電極板111と導通させている。したがって、各組の
全ての電極21と各組の全ての振動板とを等電位にする
ことができ、上記実施例と同様の作用効果を奏する。

【0140】接合後、ダイシングによりインクジェット
ヘッドごとに切断され、各組の電極21から共通電極1
20をそのリード部121a,121bの接続端にて切
り離す。

【0141】(実施例12)図30はさらに他の実施例
に係る陽極接合装置の断面図である。

【0142】本実施例は、3枚の基板1、2、3を同時
に陽極接合するようにしたものである。このうち第1の
基板1はシリコン基板であり、第2、第3の基板2、3
はホウ珪酸ガラス基板である。第3の基板3は単にノズ
ル孔4、吐出室6、オリフィス7、インクキャビティ8
の蓋としての役割なので、ホウ珪酸ガラス基板に比べて
低い接合精度で十分でありソーダガラスの接着でも十分
であるが、第3の基板3もホウ珪酸ガラス基板とするこ
とにより陽極接合を行えば信頼性を向上することができ
る。

【0143】そこで、本実施例では、第2、第3のホウ
珪酸ガラス基板2、3と接触させる上下の接合電極板1
11、112を電源113のマイナス側に接続し、第1
のシリコン基板1と第2のホウ珪酸ガラス基板2上の電
極21とを電源113のプラス側に接続して同時に陽極
接合する。したがって、この同時陽極接合によって、基
板1、2、3の加熱や徐冷に要する時間も節減でき、接
合時間を大幅に短縮できるとともに、前記実施例9ない
し実施例11のようにシリコン基板1の表面を上部接合
電極板111との直接接触による汚染などからも防ぐこ
とができる。

【0144】以下の実施例13及び実施例14において
は、先に述べたように構成されたギャップ部への塵埃の
侵入を防止する構成例を示す。ここでは、静電式アクチ
ュエータを例にとって説明するが、インクジェットヘッ
ドの場合でも全く同一の構造とすることができるもので
ある。

【0145】(実施例13)図31は本実施例に係る静
電式アクチュエータの断面図、図32はその平面図であ
る。

【0146】既に述べた実施例からも明らかなように、
第1の基板1と第2の基板2は所定のギャップ長をもっ
て陽極接合またはSi直接接合される。陽極接合時の温
度は高いので、ギャップ部16内の空気が膨張し、接合
後常温に下がった時点ではギャップ部16内の圧力が大
気圧以下になるため、振動板5が電極21の方向へ撓み
電極21と接触し短絡したり、あるいは振動板5に不必
要な応力を与えたりするなどの障害が生じる。また、こ
れを防ぐためにギャップ部16を大気に解放したままに
しておくと、静電気の作用により塵埃を吸引し、該塵埃
が電極21に付着したりして振動板5の振動特性が変動
する。

【0147】そこで、本実施例では、ギャップ部16を
通路18を介して大気に解放させるとともに、該通路1
8の出口19a,19bを、陽極接合後基板1、2が常
温に下がった時点で粘度の高いエポキシ系等の封止剤を
用いて封止している。図中、20がそのシール部材を示
している。23は電極21の端子部、41は基板1に形
成した絶縁膜であるSiO2 膜、102は発振回路、1
06は発振回路102の一方の端子を基板1に接続する
ために設けられた金属膜である。なお、通路18は電極
21の周囲を巡るように設けられている。

【0148】基板1を構成するシリコン基板は熱伝導率
が高いので熱可塑性樹脂を用いてシールしてもギャップ
部16内の圧力が高くなることはなく、また、シール部
材20は粘度が高いため、通路18内に流れ込むことは
ない。

【0149】したがって、本実施例の構成によると、陽
極接合時はギャップ部16が通路18を介して大気に解
放しているため、陽極接合時の加熱によりギャップ部1
6内の圧力上昇を生じることがなく、また陽極接合後の
常温低下後においてはシール部材20により通路18の
出口を封止しているので、ギャップ部16内へ塵埃が侵
入することがなく、上記のような不都合を生じない。

【0150】(実施例14)図33は他の実施例に係る
静電式アクチュエータの断面図である。

【0151】本実施例では、振動板5の下面に電極21
と対向させて第2の電極46を設けたものである。該第
2の電極46はCrまたはAuの薄膜からなる。

【0152】静電式アクチュエータはコンデンサとして
機能するため、対向電極21、46にVなる電圧を加え
ると、電荷の充電・放電による対向電極21と46間の
電圧Vc は、充電時 Vc =V(1−exp(−t/T)) 放電時 Vc =Vexp(−t/T) ただし、T:時定数 に示されるように指数関数的になり、時定数Tが大きい
と、Vc の立ち上がる速度が遅くなることがわかる。時
定数Tは抵抗をR,静電容量をCとするとRCで与えら
れる。シリコンの抵抗は金属に比べて高いため、高速駆
動するには抵抗値の低いCrまたはAu薄膜の電極46
を振動板5に形成し、時定数を下げることによりアクチ
ュエータの応答性を向上させている。

【0153】(実施例15)図34は本発明のさらに他
の実施例によるインクジェットヘッドの断面図である。

【0154】本実施例は、振動板5の下部に形成するギ
ャップGを感光性樹脂層または接着剤層200の厚みで
確保することとしたものである。すなわち、第2の基板
2の電極21の周辺に感光性樹脂層または接着剤層20
0を印刷パターニングし、この第2の基板2と第1の基
板1を貼り合わせてラミネート接合する。具体的には、
第2の基板2としてソーダガラスを使用し、その構成は
実施例2と同様とした。そして、感光性樹脂として感光
性ポリイミドを用い、基板2の電極21の周辺に厚さ1
μmで印刷パターニングすることにより、感光性樹脂層
200を形成した。一方、第1の基板1は実施例2と同
様にシリコン基板の下面を平滑面にし、この基板1と上
述の基板2を250℃でラミネート接合した。したがっ
て、感光性樹脂の場合、振動板5と電極21とのギャッ
プ長Gは1.4μmである。また、接着剤の場合にはエ
ポキシ接着剤を使用した。その厚さは1.5μmとし、
100℃で基板1と基板2をラミネート接合した。この
場合、ギャップ長Gは1.9μm弱となっている。接着
剤の場合は接合時、基板1と基板2を加圧しなければな
らないので、感光性樹脂の場合と異なり、その分ギャッ
プ長Gは小さめになる。

【0155】このようなギャップ保持手段によっても所
定のギャップ長を確保することができ、そのインクジェ
ットヘッドは実施例2とほぼ同様の低電圧で駆動可能で
良好な印字性能を示した。

【0156】なお、感光性樹脂としては、上記のポリイ
ミドだけでなく、アクリル、エポキシなどでもよく、焼
成温度をそれぞれの樹脂に合わせて調整する。また、接
着剤にはその他にアクリル系、シアノ系、ウレタン系、
シリコン系など各種の材料が使用可能である。

【0157】

【発明の効果】以上のように構成され、作用をする本発
明の効果を列挙すると下記のとおりである。 (1)振動板と電極間のギャップ長を0.05μm以
上、2.0μm以下とすることにより、インクジェット
ヘッドの低電圧駆動が可能になり、かつ、安定した高品
質の印字が得られる。 (2)上記ギャップ長は、振動室用の凹部、電極装着用
の凹部、SiO2 膜もしくはホウ珪酸系ガラス薄膜、感
光性樹脂層もしくは接着剤層により正確に保持できる。
特にSiO2 膜またはホウ珪酸系ガラス薄膜とすること
により、膜厚を正確に制御できるため、振動板の振動特
性が均一となり、均一な印字品質が得られる。 (3)振動板に第2の電極を形成することにより、振動
板の振動特性が向上し、高速印字が可能になる。 (4)振動板を形成する第2の基板に(110)面方位
のシリコン基板を使用すると、キャビティの壁面が基板
表面に対し垂直になるのでインクジェットヘッドの小型
高密度化が可能になる。 (5)第1の基板と第2の基板を陽極接合する際に、振
動板と電極の電位差を減ずるように調整することによ
り、振動板と電極間の放電や電界放出などを防止でき、
所定のギャップ長を正確に保持できるとともに、振動板
の残留応力、絶縁膜の剥離などが発生しない。 (6)振動板と電極間のギャップ部に外部に通じる通路
を設けることにより、陽極接合時、ギャップ部内の圧力
上昇がなくなり、また陽極接合後において該通路の出口
を封止することによりギャップ部内への塵埃の侵入を防
止できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明のインクジェットヘッドの第1の実施例
を示す分解斜視図である。

【図2】第1の実施例の断面側面図である。

【図3】図1のA−A線矢視図である。

【図4】本発明のインクジェットヘッドの第2の実施例
を示す分解斜視図である。

【図5】第2の実施例の断面側面図である。

【図6】図5のB−B線矢視図である。

【図7】本発明のインクジェットヘッドの第3の実施例
を示す分解斜視図である。

【図8】第3の実施例を一部取り出して示す拡大斜視図
である。

【図9】第3の実施例における第1の基板の製造工程図
である。

【図10】第3の実施例における振動板の部分の寸法関
係を示す図である。

【図11】第3の実施例における第2の基板の製造工程
図である。

【図12】本発明のインクジェットヘッドの第4の実施
例における第1の基板の斜視図である。

【図13】第4の実施例における第1の基板の製造工程
図である。

【図14】本発明のインクジェットヘッドの第5の実施
例を示す分解斜視図である。

【図15】第5の実施例における第1の基板の製造工程
図である。

【図16】本発明のインクジェットヘッドの第6の実施
例における第1の基板の斜視図である。

【図17】第6の実施例における第1の基板の製造工程
図である。

【図18】第6の実施例における電気化学的異方性エッ
チングの方法を示す図である。

【図19】本発明のインクジェットヘッドの第7の実施
例における第1の基板の斜視図である。

【図20】第7の実施例における第1の基板の製造工程
図である。

【図21】本発明のインクジェットヘッドの第8の実施
例における第1の基板の斜視図である。

【図22】第8の実施例における第1の基板の製造工程
図である。

【図23】アルカリ異方性エッチングにおけるB(ホウ
素)濃度とエッチングレートの関係を示す図である。

【図24】本発明の陽極接合方法に使用する陽極接合装
置の実施例を示す断面図である。

【図25】図24の陽極接合装置の平面図である。

【図26】本発明の陽極接合方法に使用する陽極接合装
置の他の実施例を示す断面図である。

【図27】図26の陽極接合装置の平面図である。

【図28】本発明の陽極接合方法に使用する陽極接合装
置のさらに他の実施例を示す平面図である。

【図29】図28の第2の基板の平面図である。

【図30】本発明の陽極接合方法に使用する陽極接合装
置のさらに他の実施例を示す断面図である。

【図31】本発明の塵埃防止法の実施例を示す断面図で
ある。

【図32】図31の実施例の平面図である。

【図33】本発明の塵埃防止法の他の実施例を示す断面
図である。

【図34】本発明の間隔保持手段の他の実施例を示す断
面図である。

【図35】本発明の第1の実施例のインクジェットヘッ
ドを組み込んだプリンタを示す概要図である。

【符号の説明】

1 第1の基板 2 第2の基板 3 第3の基板 4 ノズル孔 5 振動板 6 吐出室 7 オリフィス 8 インクキャビティ 9 振動室 10 インクジェットヘッド 15 凹部 21 電極 24 絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平4−181240 (32)優先日 平成4年7月8日(1992.7.8) (33)優先権主張国 日本(JP) (72)発明者 小枝 周史 長野県諏訪市大和3丁目3番5号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−22642(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インク液滴を吐出するノズル孔と、前記
    ノズル孔の各々に連通する吐出室と、前記吐出室の少な
    くとも一方の壁を構成する振動板とが形成された第1基
    板と、前記振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備
    え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形さ
    せる電極が形成された第2基板とを有するインクジェッ
    トヘッドにおいて、 前記第1基板及び第2基板が共に単結晶シリコン基板で
    あり、両基板の接合部の少なくとも一方の面にあらかじ
    め形成したSiO膜をギャップスペーサとして前記振動
    板と前記電極との対向間隔の保持手段を構成したことを
    特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 【請求項2】 前記SiO膜がシリコンの熱酸化膜であ
    ることを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッ
    ド。
  3. 【請求項3】 前記SiO膜が、スパッタリング法また
    は蒸着・イオンプレーティング法またはゾルゲル法また
    は熱酸化法もしくはCVD法または有機シリコン化合物
    の焼結法により形成されていることを特徴とする請求項
    1記載のインクジェットヘッド。
  4. 【請求項4】 前記電極がp型またはn型不純物により
    形成されていることを特徴とする請求項1記載のインク
    ジェットヘッド。
  5. 【請求項5】 前記第1基板及び第2基板の接合部の少
    なくとも一方の面にあらかじめ形成したホウ珪酸系ガラ
    ス薄膜をギャップスペーサとして前記対向間隔の保持手
    段を構成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
  6. 【請求項6】 前記ホウ珪酸系ガラス薄膜がスパッタリ
    ング法により形成されていることを特徴とする請求項5
    記載のインクジェットヘッド。
  7. 【請求項7】 前記第1基板が結晶面方位(110)の
    シリコン基板であること特徴とする請求項1記載のイン
    クジェットヘッド。
  8. 【請求項8】 前記第1基板がp型シリコン基板にn型
    不純物層をエピタキシャル成長させたシリコン基板であ
    ることを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッ
    ド。
  9. 【請求項9】 インク液滴を吐出するノズル孔と、前記
    ノズル孔の各々に連通する吐出室と、前記吐出室の少な
    くとも一方の壁を構成する振動板とが形成された第1基
    板と、前記振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備
    え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形さ
    せる電極が形成された第2基板とを有するインクジェッ
    トヘッドにおいて、 前記振動板と前記電極との対向間隔の保持手段が、前記
    電極の周辺にパターン形成した感光性樹脂層または接着
    剤層であることを特徴とするインクジェットヘッド。
  10. 【請求項10】 前記振動板がn型不純物層からなるこ
    とを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッド。
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