JP3500636B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法並びにインクジェット記録装置 - Google Patents

インクジェットヘッド及びその製造方法並びにインクジェット記録装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、インク滴を紙等に吐出して印字するための
インクジェットヘッド及びその製造方法、並びにそのイ
ンクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置
に関する。
背景技術 近年、インクジェット記録装置は多ノズル化による高
速印字や高精細印字と、装置の小型化のため、微小なア
クチュエータが求められるようになってきた。そこで、
アクチュエータに静電気力を利用したインクジェット記
録装置（例えば特開平６−71882号公報）があるが、こ
のインクジェットヘッドは静電アクチュエータが平行平
板電極で形成されており、アクチュエータが小型化で
き、多ノズル化が可能であるという特徴がある。
図10及び図11は静電アクチュエータで駆動される従来
のインクジェットヘッドの断面図及び平面図である。図
10及び図11に示されるインクジェットヘッドは、電極ガ
ラス基板100、振動板基板200、及びノズルプレート300
を重ねて接合した積層構造となっている。電極ガラス基
板100にはインク供給口104が開けられており、振動板基
板200に形成されたリザーバ204に、インク供給口104か
らインク400が供給される。そのインク400は、ノズルプ
レート300と振動板基板200の凹部とによって形成された
オリフィス302によって複数のキャビティ203に均等に分
配される。キャビティ203の下面は変形可能な振動板201
から構成されており、この振動板201は短絡防止用の絶
縁膜200及び空隙を介して個別電極101と対向して静電ア
クチュエータを構成している。振動板基板200には共通
電極205が配置されており、この共通電極205を通じて振
動板201と個別電極101との間に電圧を印加することによ
り静電引力を発生させ、振動板201を下方に変形させた
後に、電圧を消去した時に発生する振動板201のバネ力
による圧力でインク滴401をノズル301より吐出する。
上記の静電駆動式のインクジェットヘッドは、100V以
下の駆動電圧で静電アクチュエータを駆動するのが現実
的な観点から好ましいとされている。そして、100V以下
の駆動電圧で静電アクチュエータを駆動するためには、
静電アクチュエータの絶縁膜202と個別電極101との間隔
を2000〜3000オングストロームで精度良く形成しなけれ
ばならない。このため、接合面を高精度に鏡面加工した
シリコン単結晶基板からなる振動板基板と、エッチング
で段差を形成した硼珪酸ガラス基板からなる電極ガラス
基板とを陽極接合により直接接合しなければならなかっ
た。しかし、高精度に鏡面加工されたシリコン基板は高
価であり、入手が困難であるという問題点がある。ま
た、ノズル間隔の高密度化により各キャビティ間の隔壁
の厚さが薄くなる為に、必要な強度を得るには、薄いシ
リコン単結晶基板を使用して隔壁の高さを低くする必要
があるが、薄いシリコン単結晶基板の取り扱いは極めて
困難であり、特に、基板サイズの大型化が難しいという
問題点もある。
ところで、上述のように狭い間隙を生成するのに犠牲
層エッチングを用いる方法がある。例えば、特表平10−
510374号公報の第８頁及び米国特許第54596号明細書の
図２には、犠牲層を形成した後にその犠牲層をエッチン
グすることにより削除して空隙を形成する方法が提案さ
れている。しかしながら、これらの空隙はいずれも光バ
ルブの反射表面の位置を静電気力によって変調するため
に設けられたものであり、しかもこれらの空隙はいずれ
も開放されたものであり、インクジェットヘッドの静電
アクチュエータの絶縁膜と個別電極との間に形成される
空隙のように閉塞されたものではないことから、上記の
公報等の技術はインクジェットヘッドの製造にはそのま
ま適用することはできなかった。
発明の開示 本発明の目的は、安価で取り扱いが容易な大型の基板
を用いることが出来るようにして生産性を向上した、イ
ンクジェットヘッド及びその製造方法を提供することに
ある。
本発明の他の目的は、上記の製造方法により製造され
たインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録
装置を提供することにある。
（１）本発明の一つの態様に係るインクジェットヘッド
は、複数のノズル孔と、ノズル孔の各々に連通する独立
した吐出室と、吐出室の一部を構成し導電性を有する振
動板と、振動板に空隙をもって対向する個別電極とを有
し、振動板と個別電極との間に電圧を印加して振動板を
変形することにより、ノズル孔より吐出室内のインクを
記録紙に向け吐出するインクジェットヘッドにおいて、
空隙は犠牲層エッチングによって形成されたものであ
る。本発明においては、前記の空隙は犠牲層エッチング
によって形成されていることから、例えば2000〜3000オ
ングストロームのものが精度良く形成され、100V以下の
駆動電圧で駆動することができる。また、シリコン単結
晶基板を用いる必要がなくなり、基板サイズの大型化が
可能である。このため、ラインプリンタのような多ノズ
ルのものに好適である。
（２）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、複数のノズル孔と、ノズル孔の各々に連通
する独立した吐出室と、吐出室の一部を構成し導電性を
有する振動板と、振動板に空隙をもって対向する個別電
極とを有し、振動板と個別電極との間に電圧を印加して
振動板を変形することにより、ノズル孔より吐出室内の
インクを記録紙に向け吐出するインクジェットヘッドの
製造方法において、空隙を犠牲層エッチングによって形
成する。本発明においては、犠牲層を蒸着や、CVDなど
の薄膜プロセスにより形成できる為、高精度に鏡面加工
されたシリコン単結晶基板を必要とせず、薄膜プロセス
のみで静電アクチュエータの形成が可能であり、大型の
ガラス基板を用いて量産性を向上させることができる。
（３）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（２）の製造方法において、基板に個
別電極を形成後、この個別電極を覆うように、絶縁膜、
犠牲層及び振動板層を形成し、そして、振動板の支持部
とすべき所定位置の一部について振動板層に窓部を形成
し、窓部を通じて犠牲層エッチングを行う。このように
窓部を振動板の支持部に相当する箇所に形成し、振動板
自体に開口部を形成しないので、振動板特性の劣化が無
い。また、窓部からのエッチング液は犠牲層の短辺方向
に浸透すれば良いことから、エッチング液が浸透し易い
という利点がある。絶縁層、犠牲層及び振動板層の形成
は、絶縁層、犠牲層及び振動板層の順序で行うこともで
きるし、犠牲層、絶縁層及び振動板層の順序で行うこと
もできる。
（４）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（３）の製造方法において、前記の所
定位置の窓部が形成されていない位置に、犠牲層及び振
動板層にスリット部を形成する。そのスリット部にはそ
のまま支持部が形成されることになるので、支持部が強
固になり振動板の支持が安定する。
（５）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（３）の製造方法において、空隙１個
当たり複数個の窓部を分散して形成する。窓部が分散し
て形成されるので、犠牲層エッチングが均一に行われ
る。また、窓部の或る部分は弱く製造過程において浮き
やすくなるが、分散させたことにより強度が増し、製造
が容易になっている。
（６）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（２）の製造方法において、犠牲層エ
ッチングの後に、窓部を閉塞してキャビティ隔壁を形成
する。このため、効率良く密閉構造が得られ、そして、
インクが静電アクチュエータ内に浸入することが防止で
きる。
（７）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（２）の製造方法において、振動板を
導電膜と成膜応力が張力である膜との積層膜によって形
成する。したがって、振動板の撓みを防止できる。犠牲
層エッチングが終了した段階において、振動板が下の層
（個別電極）に接触するのが避けられる。
（８）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（７）の製造方法において、例えばNi
層と窒化珪素層とを積層して振動板を形成する。静電ア
クチュエータの駆動時には振動板が電極に当接するが、
硬度の高いNi層が電極に当接することとなるので摩耗の
おそれが無い。また、窒化珪素層は張力があるので振動
板に撓みが生じない。
（９）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（２）の製造方法において、振動板を
成膜応力が張力である導電膜によって形成する。したが
って、振動板が単層であっても、振動板の撓みを防止で
きる。犠牲層エッチングが終了した段階において、振動
板が下の層（個別電極）に接触するのが避けられる。
（10）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（９）の製造方法において、例えばPt
を堆積して振動板を形成する。硬度が高く張力を有する
Pt層により振動板を単層で形成できる為、製造工程が簡
略化できる。
（11）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（２）の製造方法において、犠牲層を
有機膜により形成して、犠牲層エッチングをドライエッ
チングにより行う。ドライエッチングによれば、ウェッ
トエッチングのように製造管理が難しくなく、工程が簡
略化できる。
（12）本発明の他の態様に係るインクジェットヘッドの
製造方法は、上記（２）の製造方法において、電極ガラ
ス基板に前記個別電極を形成し、その個別電極を絶縁膜
で覆い、絶縁膜の上に犠牲層を形成し、その上に振動板
を形成し、個別電極と個別電極との間の所定位置の振動
板の支持部に窓部を形成し、その窓部を通じて犠牲層を
エッチングして静電アクチュエータ構造を形成し、その
後、全面にNiを堆積した後にパターニングして隔壁基部
を形成して窓部を閉塞し、この隔膜基部上にNi電鋳でキ
ャビティ隔壁を形成して、その上にノズルプレートを接
合する。本発明においては、犠牲層を蒸着や、CVDなど
の薄膜プロセスにより形成できる為、高精度に鏡面加工
されたシリコン単結晶基板を必要とせず、薄膜プロセス
のみで静電アクチュエータの形成が可能であり、大型の
ガラス基板を用いて量産性を向上させることができる。
更に、効率良く密閉構造が得られ、そして、インクが静
電アクチュエータ内に浸入することが防止できる等の利
点がある。
（13）本発明の他の態様に係るインクジェット記録装置
は、上記（２）〜（12）のいずれかに記載のインクジェ
ットヘッドの製造方法により製造されたインクジェット
ヘッドを搭載したものである。上記（２）〜（12）の製
造方法により製造されたインクジェットヘッドは基板の
材質に制約がなく、ガラス基板を使用することができる
ことから、大型のガラス基板を使用することができ、こ
のため、高性能のプリンタが低価格で製造できる。
（14）本発明の他の態様に係るインクジェット記録装置
は、上記（２）〜（12）のいずれかに記載のインクジェ
ットヘッドの製造方法により製造されたラインプリンタ
用のインクジェットヘッドを搭載したものである。上記
（２）〜（12）の製造方法により製造されたインクジェ
ットヘッドは基板の材質に制約がなく、ガラス基板を使
用することができることから、大型のガラス基板を使用
することができ、このため、多ノズル化が可能になって
おり、ラインプリンタが低価格で製造できる。
（15）本発明に他の態様に係るインクジェットヘッド
は、複数のノズル孔と、ノズル孔の各々に連通する独立
した吐出室と、吐出室の一部を構成し導電性を有する振
動板と、振動板に空隙をもって対向する個別電極とを有
し、振動板と個別電極との間に電圧を印加して振動板を
変形させることにより、ノズル孔より吐出室内のインク
を記録紙に向け吐出するインクジェットヘッドにおい
て、個別電極上に絶縁膜を形成してなるものである。
図面の簡単な説明 図１は本発明の実施形態１に係る製造方法により製造
されるインクジェットヘッドの平面図である。
図２は図１の２−２断面におけるインクジェットヘッ
ドの断面図である。
図３は本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッ
ドの製造工程図である。
図４は図３の製造過程におけるインクジェットヘッド
の斜視図である。
図５は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッ
ドの製造工程図である。
図６は図３又は図５の製造工程を経て製造されたイン
クジェットヘッドの周辺機構の一例を示す説明図であ
る。
図７は図６の機構を内蔵したインクジェット記録装置
の外観図である。
図８は図３又は図５の製造工程を経て製造されたイン
クジェットヘッドの周辺機構の他の例を示す説明図であ
る。
図９は図８の機構を内蔵したインクジェット記録装置
（ラインプリンタ）の外観図である。
図10は従来の静電アクチュエータで駆動されるインク
ジェットヘッドの平面図である。
図11は従来の静電アクチュエータで駆動されるインク
ジェットヘッドの断面図である。
発明を実施するための改良の形態 実施形態1. 図１は本発明の実施形態１に係る製造方法により製造
されるインクジェットヘッドの平面図であり、図２はそ
の２−２断面図である。このインクジェットヘッドは、
その基本構成が図10及び図11に記載されたものとほぼ同
一である。したがって、本発明と直接関連する部分に着
目してその構成を説明する。このインクジェットヘッド
は、電極ガラス基板100、この電極ガラス基板100の上に
配置され、二酸化珪素からなる絶縁膜202に覆われた個
別電極101、個別電極101に空隙250を介して対向する振
動板201、インクキャビティ203、キャビティ隔壁基礎部
213、キャビティ隔壁214、及びノズルプレート300を備
えている。なお、図１においては犠牲層エッチング用の
窓部212が示されているが、これは製造過程において形
成されるものであり、製造後においてはこの窓部はな
く、したがって、図１の窓部212はその位置を示すため
に図示されており、キャビティ隔壁基礎部213及びキャ
ビティ隔壁214の長さ方向に沿って所定の間隔をもって
位置する。
図３は図１及び図２に示されたインクジェットヘッド
の製造工程を示した図である。
（ａ）まず、電極ガラス基板100上にスパッタによりCr
を50オングストローム、Auを1000オングストロームの厚
さで堆積した後、CrとAuをフオトリソグラフィーにより
パターニングして個別電極101を形成する。
（ｂ）次に、CVDにより個別電極101を覆うようにして10
00オングストロームの厚さで二酸化珪素を堆積して絶縁
膜202とする。その後に、絶縁膜202上にAlを2000オング
ストロームの厚さで蒸着して犠牲層110を形成する。
（ｃ）ここで、個別電極101の間に位置する犠牲層110に
スリット211を設ける。これは、後述の工程において、
振動板201の幅方向の一方の端部が電極ガラス基板100の
上に直接形成され、振動板201の支持部が形成されるよ
うにしている。なお、犠牲層エッチング用の窓部212に
相当する位置（図１参照）には、ここでは前記の処理を
せず、スリット211を形成しない。
（ｄ）次に、犠牲層110の上に静電アクチュエータの共
通電極205となるNiを1000オングストロームの厚さでス
パッタした後に、窒化珪素膜210をCVDにより7000オング
ストローム堆積して、共通電極205と窒化珪素膜210とか
らなる振動板201を生成する。このとき、振動板201の端
部（スリット211が設けられた側）は犠牲層110を覆い、
且つ、電極ガラス基板100の上に直接形成される。振動
板201を生成した後に、スリット部211と犠牲層エッチン
グ用の窓部212の窒化珪素膜210とNi膜（共通電極）205
をエッチングする。ここで、窒化珪素膜210を使用する
のは、窒化珪素膜の成膜応力が張力であることを利用し
て、振動板201の撓みを防止する為である。
（ｅ）窓部212を開口した後、HCl:32パーセント、過酸
化水素:30パーセント水溶液を常温で、この窓部212から
循環しAl犠牲層110を犠牲層エッチングする。ここで、
個別電極101の材料として、Cr/Auの代わりにITOなどの
透明電極を用いると、犠牲層110のエッチング状況を観
察することができる。なお、この犠牲層エッチングが終
了した段階において、犠牲層エッチングにより形成され
た空隙250は、その窓部212を介してのみ外部と連通した
状態となっている。
（ｆ）犠牲層エッチング後に、窓部212を塞ぐ為に、再
度全面にNiを3000オングストローム堆積してNi膜213aを
形成する。この処理によって空隙250は閉塞される。
（ｇ）Ni膜を形成した後にパターニングし、隔壁基部21
3を形成する。この処理によって空隙250は閉塞される。
即ち、空隙250の窓部212側は隔壁基部213によって閉塞
され、他の部分は振動板201により閉塞されており、空
隙250は閉塞されることになる。
（ｈ）次に、100ミクロンの厚みにレジスト410を塗布し
た後に、異方性ドライエッチングにより垂直に隔壁基部
213までレジスト410をスリット状に切り出す。
（ｉ）Ni電鋳により隔壁基部213の上にキャビティ隔壁2
14を形成し、そして、レジスト410を除去する。このと
きの状態は図４に示されるとおりである。窓部212に相
当する位置は、振動板201の長さ方向に沿って所定の間
隔で配置され、しかも、振動板201の立ち上がり部分を
一部を切り欠いたような状態で形成される。
（ｊ）キャビティ隔壁214の上に、ノズル301を形成した
ステンレス製ノズルプレート300をエポキシ系接着剤で
接合して、図１及び図２のインクジェットヘッドを形成
する。
実施形態2. 図５は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッ
ドの製造工程図である。本実施形態２は、振動板201が
１枚の導電性のある層から構成されている点が上述の実
施形態１と相違する。
（ａ）〜（ｃ）本実施形態２において、犠牲層110を形
成する工程までの処理は上述の実施形態１と同一である
（図３の（ａ）〜（ｃ）と同一である）。
（ｄ）犠牲層110を形成した後、成膜応力が張力であるP
tを5000オングストロームの厚さで堆積して振動板201を
形成する。
（ｅ）Ptを堆積した後、四弗化炭素によりスリット部21
1と窓部212をドライエッチングにより生成する。
（ｆ）Al犠牲層110をエッチングする。
（ｇ）Al犠牲層110をエッチングして除去した後に、窓
部212を塞ぐ為に、Niを3000オングストローム堆積した
後にパターニングし、隔壁基部213を形成する。
（ｈ）以後、実施形態１と同様にしてNi電鋳でキャビテ
ィ隔壁214を形成しても良いが、本実施形態２では、異
方性エッチングにより、キャビティ隔壁214を一体形成
したシリコン単結晶基板製ノズルプレート300をエポキ
シ接着剤により隔壁基部213に接着接合している。
実施形態3. 本発明の実施形態３における製造方法を説明する。本
実施形態３では、実施形態２の犠牲層110を、Al膜から
有機膜に変更して、酸素プラズマにより除去している。
酸素プラズマを使用する為、ウェットエッチングのよう
に、エッチング液の表面張力による振動板201の撓みが
生じない為、エッチング液の循環不良によるエッチング
残りが生じない。また、エッチング後の洗浄、乾燥が不
要となり、工程が簡略化できる。
実施形態4. 図６は実施形態１〜３の製造工程を経て製造されイン
クジェットヘッドの周辺の機構の一例を示した説明図で
ある。このインクジェットヘッド50は、キャリッジ51に
取り付けられ、そして、このキャリッジ51はガイドレー
ル52に移動自在に取り付けられる。そして、ローラー53
により送り出される用紙54の幅方向にその位置が制御さ
れる。この図６の機構は図７に示されるインクジェット
記録装置55に装備される。
実施形態5. 図８は実施形態１〜３の製造工程を経て製造されイン
クジェットヘッドの周辺の機構の他の例を示した説明図
である。本実施形態５においては、ラインプリンタ用の
インクジェットヘッド60が構成されている。上述のよう
に、基板にガラス基板を用いて、その上に必要な構成を
積み上げていくことができることから、大型のガラス基
板が用いて1000ノズルを超えるような多ノズル化された
ラインプリンタ用のインクジェットヘッドを製造するこ
とができる。図８において、インクジェットヘッド60に
はデータライン61及びインクパイプ62が導かれており、
インクジェットヘッド60の前後にはローラー63が配置さ
れ、ローラー53により送り出される用紙54にインクジェ
ットヘッド60により１行分の印字が同時になされる。こ
の図８の機構は図９に示されるインクジェット記録装置
65に装備される。

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連
    通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成し導電
    性を有する振動板と、該振動板に空隙をもって対向する
    個別電極とを有し、前記振動板と該個別電極との間に電
    圧を印加して該振動板を変形することにより、前記ノズ
    ル孔より前記吐出室内のインクを吐出させるインクジェ
    ットヘッドの製造方法において、 基板に前記個別電極を形成後、該個別電極を覆うよう
    に、絶縁膜、犠牲層、及び振動板層を形成し、前記空隙
    を前記犠牲層をエッチングして形成することを特徴とす
    る、インクジェットヘッドの製造方法。
  2. 【請求項２】前記振動板の支持部とすべき所定位置の一
    部について前記振動板層に窓部を形成し、前記窓部を通
    じて戦記犠牲層をエッチングす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の製造方法。
  3. 【請求項３】前記所定位置の前記窓部が形成されていな
    い位置に、前記犠牲層及び前記振動板層にスリット部を
    形成する請求項２記載のインクジェットヘッドの製造方
    法。
  4. 【請求項４】前記空隙１個当たり複数個の窓部を分散し
    て形成する請求項２記載のインクジェットヘッドの製造
    方法。
  5. 【請求項５】前記犠牲層のエッチングの後に、前記窓部
    を閉塞してキャビティ隔壁を形成する請求項２記載のイ
    ンクジェットヘッドの製造方法。
  6. 【請求項６】前記振動板を導電膜と成膜応力が張力であ
    る膜との積層膜によって形成する請求項１記載のインク
    ジェットヘッドの製造方法。
  7. 【請求項７】Ni層と窒化珪素層とを積層して前記振動板
    を形成する請求項１記載のインクジェットヘッドの製造
    方法。
  8. 【請求項８】前記振動板を成膜応力が張力である導電膜
    によって形成する請求項１記載のインクジェットヘッド
    の製造方法。
  9. 【請求項９】Ptを堆積して前記振動板を形成する請求項
    ８記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  10. 【請求項１０】前記犠牲層を有機膜により形成して、犠
    牲層エッチングをドライエッチングにより行う請求項１
    記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  11. 【請求項１１】前記犠牲層をエッチングして静電アクチ
    ュエータ構造を形成し、その後、全面にNiを堆積した後
    にパターニングして隔壁基部を形成して前記窓部を閉塞
    し、この隔膜基部上にNi電鋳でキャビティ隔壁を形成し
    て、その上にノズルプレートを接合する請求項２記載の
    インクジェットヘッドの製造方法。
  12. 【請求項１２】請求項１乃至11のいずれかに記載のイン
    クジェットヘッドの製造方法により製造されたインクジ
    ェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置。
  13. 【請求項１３】請求項１乃至11のいずれかに記載のイン
    クジェットヘッドの製造方法により製造されたラインプ
    リンタ用のインクジェットヘッドを搭載したインクジェ
    ット記録装置。
  14. 【請求項１４】請求項１乃至11のいずれかに記載の製造
    方法により製造されたインクジェットヘッド。
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