JP3520864B2 - Inkjet head - Google Patents

Inkjet head

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JP3520864B2
JP3520864B2 JP2001311706A JP2001311706A JP3520864B2 JP 3520864 B2 JP3520864 B2 JP 3520864B2 JP 2001311706 A JP2001311706 A JP 2001311706A JP 2001311706 A JP2001311706 A JP 2001311706A JP 3520864 B2 JP3520864 B2 JP 3520864B2
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、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
にその駆動力に静電気力を用いた小型高密度のインクジ
ェットヘッドに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ink jet head which is a main part of an ink jet recording apparatus, and more particularly to a small and high density ink jet head which uses electrostatic force as its driving force.

【0002】[0002]

【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒
音がきわめて小さく、また、高速印字が可能であり、安
価な普通紙にも印字が可能であるなど多くの利点を有し
ているが、中でも記録に必要な時にのみインク滴を吐出
する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に
不要なインク滴の回収を必要としないため、現在主流と
なってきている。
2. Description of the Related Art An ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise during recording, high speed printing, and printing on inexpensive plain paper. The so-called ink-on-demand method, which discharges ink droplets only when necessary for recording, is currently in the mainstream because it does not require recovery of ink droplets unnecessary for recording.

【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
する方式があり、現在、主にこの2方式が実用化され、
インクジェットプリンタに多く用いられている。
In this ink-on-demand type ink jet head, as shown in Japanese Patent Publication No. 2-51734, the driving means is a piezoelectric element, and as shown in Japanese Patent Publication No. 61-59911. In addition, there is a method of ejecting the ink with a pressure by heating the ink to generate bubbles, and currently, these two methods are mainly put into practical use,
It is widely used in inkjet printers.

【0004】しかしながら、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煩雑
であった。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
着することはきわめて煩雑である。又、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、既存の機械加工で実現で
きる寸法・形状精度では、各ノズルの吐出特性が不均一
になり、印字品質のバラツキが大きくなってしまうとい
う課題があり、特に高密度インクジェットヘッドを安価
で提供する技術としては不適当である。
However, in the former method using the piezoelectric element, the step of attaching the chip of the piezoelectric element to each vibration plate for generating the pressure in the pressure chamber is complicated. In particular, high-speed and high-quality printing has been required for printing with recent inkjet recording devices. To achieve this, multi-nozzles and high-density nozzles have been manufactured by finely processing piezoelectric elements, It is extremely complicated to bond it to the diaphragm. Further, in order to increase the density, it has become necessary to process the piezoelectric element with a width of several tens to several tens of microns, but the ejection characteristics of each nozzle are unsatisfactory with the size and shape accuracy that can be realized by existing machining. There is a problem that it becomes uniform and the variation in printing quality becomes large, and it is particularly unsuitable as a technique for providing a high-density ink jet head at low cost.

【0005】又、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かったが、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ことにより、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。
In the latter method of heating ink, the driving means is formed by a thin-film resistance heating element, so that the above-mentioned problems do not exist, but the rapid heating / cooling of the driving means is not possible. There is a problem that the life of the ink jet head is short because the resistance heating element is damaged by repeated or impact when bubbles disappear.

【0006】これらの課題を解決する他の有効な駆動手
段として、シリコン(Si)基板をエッチングし、シリ
コン基板にダイアフラムと圧力室とを一体形成し、圧力
室の背面に空隙をもって対向配置された導電性の基板を
形成し、ダイアフラムと導電性基板間に充放電を繰り返
し、そこに発生する静電気力によりダイアフラムを振動
させ、圧力室に発生する圧力変化によりインクをノズル
から吐出させる静電気力を駆動力として用いたインクジ
ェットヘッドがUSP4,520,375号、及び特開
平2−289351号において提案されている。これら
静電気力を駆動力として用いる方式は、現在のところイ
ンクジェットプリンタのアクチュエータとして実用化に
は至ってはいないが、近年のマイクロマシニング技術の
発達に伴い、例えば薬剤(インシュリン)の投与用の体
内埋め込み型マイクロポンプとして大きな信頼を得てお
り、その微細かつ簡素な構造、長期に渡る信頼性等の特
徴からインクジェットプリンタのアクチュエータに応用
した場合、小型高密度化が容易であり、長寿命であると
いう利点を得られる。
As another effective driving means for solving these problems, a silicon (Si) substrate is etched, a diaphragm and a pressure chamber are integrally formed on the silicon substrate, and they are arranged opposite to each other with a gap on the back surface of the pressure chamber. A conductive substrate is formed, charging and discharging are repeated between the diaphragm and the conductive substrate, the diaphragm is vibrated by the electrostatic force generated there, and the electrostatic force that ejects ink from the nozzle by the pressure change generated in the pressure chamber is driven. An inkjet head used as a force is proposed in USP 4,520,375 and JP-A-2-289351. At present, these methods using electrostatic force as a driving force have not been put into practical use as actuators for inkjet printers, but with the development of micromachining technology in recent years, for example, an implantable type for administration of drugs (insulin) It has gained a great deal of trust as a micropump, and when it is applied to an actuator of an inkjet printer due to its fine and simple structure and long-term reliability, it is easy to miniaturize and increase the density and has a long service life. Can be obtained.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静電気
力を駆動力として用いる方式をインクジェットプリンタ
のアクチュエータとして実用化するためには、プリン
タ、つまり情報機器として常用される電源電圧で駆動で
き、高印刷速度を実現すること、換言すれば高い周波数
で駆動できることが要求されるが、これらの点に関し、
上述のUSP4,520,375号、及び特開平2−2
89351号には、上記要求を満たし、実用レベルのイ
ンクジェットヘッドの構造を開示するに至っていない。
However, in order to put the system using electrostatic force as a driving force into practical use as an actuator of an ink jet printer, it can be driven by a power source voltage commonly used as a printer, that is, an information device, and a high printing speed can be achieved. In other words, it is required to be able to drive at a high frequency.
The above-mentioned US Pat. No. 4,520,375 and Japanese Patent Laid-Open No. 2-2.
No. 89351 has not disclosed a structure of an inkjet head that satisfies the above requirements and is of a practical level.

【0008】より具体的には、上述した要求に対し、U
SP4,520,375号では、シリコン基板自体がイ
ンクジェットヘッドの構造体であると同時に、ダイアフ
ラムへ電気を流す通路として機能するが、シリコン自体
がある程度の電気抵抗を有する半導体であり、特に駆動
回路との接点部では、いわゆる整流接触と呼ばれる状態
が形成され易い。整流接触部分は、ダイオードとして機
能するために、インクジェットヘッドの駆動において
は、電荷の移動が一方向に制限されるため好ましくな
く、特に高速化にとっては致命的である。また、シリコ
ン自体の電気抵抗も駆動時の時定数を大きくし、高速駆
動を阻害する要因となる。更にヘッド自体を高密度化す
ると、シリコン基板自体の断面積が相対的に減少し、そ
れに伴い抵抗率が増加するため顕著な問題となる。同号
ではこれらの点に関し何等の具体的開示がなされていな
い。
More specifically, in response to the above request, U
In SP 4,520,375, the silicon substrate itself is the structure of the inkjet head, and at the same time, it functions as a passage for passing electricity to the diaphragm, but silicon itself is a semiconductor having a certain electric resistance, and particularly, as a drive circuit. A so-called rectifying contact is likely to be formed at the contact portion of. Since the rectifying contact portion functions as a diode, the movement of the charge is limited to one direction when driving the inkjet head, which is not preferable, and is particularly fatal for speeding up. Further, the electric resistance of silicon itself also increases the time constant during driving, which becomes a factor that hinders high-speed driving. Further, if the density of the head itself is increased, the cross-sectional area of the silicon substrate itself is relatively reduced, and the resistivity is increased accordingly, which is a serious problem. The issue does not make any specific disclosure regarding these points.

【0009】一方、特開平2−289351号において
は、シリコン基板にインク流路及び振動板を形成し、イ
ンク流路の反対面の振動板上に個別電極を形成し、シリ
コン自体が振動板に電気を流す通路として用いられてい
ない点でUSP4,520,375号とは異なり、前述
したシリコン自体の電気的特性がインクジェットヘッド
の高速駆動を阻害する要因とはならないものの、以下の
点が高速駆動を実施する上で阻害する要因となってい
る。
On the other hand, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-289351, an ink flow path and a vibration plate are formed on a silicon substrate, individual electrodes are formed on the vibration plate on the opposite surface of the ink flow path, and silicon itself serves as the vibration plate. Unlike US Pat. No. 4,520,375 in that it is not used as a passage for passing electricity, the electrical characteristics of the silicon itself described above do not hinder high-speed driving of the inkjet head, but the following points are high-speed driving. Is a factor that hinders the implementation of.

【0010】即ち、振動板上の個別電極とこれらに対向
する共通電極間の電極ギャップを小さくすると、電極の
接触により電極間の絶縁破壊が発生するため、電極間ギ
ャップを個別電極と共通電極が接触しない程度に十分大
きく設定せねばならないが、電極ギャップを大きくとる
と、振動板をインクの吐出が行われる程度に撓ませるた
めには、非常に大きな電圧を要しプリンタとして常用さ
れる電源電圧で駆動することは不可能である。この点に
関し、同号では、電極ギャップ内に強誘電性物質を充満
させ、静電力の向上を図っているが、これら強誘電性物
質は結晶方向を固定して、つまり個体の状態で高い誘電
率を得られるため実際にはインクを吐出するに十分な振
動は得られない。また、液体の誘電性物質では十分な誘
電率を得られないため結局電極ギャップを小さくしなけ
ればならず、このため、誘電性液体の粘性抵抗が極めて
大きくなり、振動板の応答周波数が著しく低下し、イン
クジェットプリンタ用のヘッドとして実用可能な周波数
で駆動させることが困難であり、また、以上の理由から
実用化されるには至っていない。
That is, if the electrode gap between the individual electrodes on the vibration plate and the common electrode facing them is reduced, dielectric breakdown occurs between the electrodes due to the contact of the electrodes. It must be set large enough to avoid contact, but if the electrode gap is large, a very large voltage is required to bend the diaphragm so that ink is ejected. It is impossible to drive with. In this regard, the same issue attempts to improve the electrostatic force by filling the electrode gap with a ferroelectric substance, but these ferroelectric substances have a fixed crystallographic direction, that is, a high dielectric constant in the solid state. In reality, sufficient vibration cannot be obtained for ejecting ink because the rate is obtained. In addition, since a liquid dielectric material cannot obtain a sufficient dielectric constant, the electrode gap must be made small in the end, so that the viscous resistance of the dielectric liquid becomes extremely large and the response frequency of the diaphragm remarkably decreases. However, it is difficult to drive at a frequency that can be practically used as a head for an inkjet printer, and it has not been put to practical use for the above reasons.

【0011】従って、本発明は、静電気力を駆動源とす
るインクジェットヘッドにおいて、上述の課題を解決
し、第1に、プリンタとして常用される低い電源電圧で
駆動でき、第2に、高印刷速度を実現すること、換言す
れば高い周波数で駆動でき、第3に、ヘッドの高密度化
においても、低電圧・高速駆動可能なより実用的なイン
クジェットヘッドを提供することを目的としている。
Therefore, the present invention solves the above-mentioned problems in an ink jet head using an electrostatic force as a driving source. First, it can be driven with a low power supply voltage that is commonly used as a printer, and secondly, it has a high printing speed. In other words, it is an object of the present invention to provide a more practical inkjet head that can be driven at a high frequency, in other words, can be driven at a low voltage and at a high speed even when the density of the head is increased.

【0012】[0012]

【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、ノズルに連通する吐出室の一部と、該吐出室
の一部に設けられた振動板とを一体に形成した半導体基
板と、前記振動板に空隙をもって対向する電極を形成し
た基板とを積層し、前記半導体基板と前記電極間に電気
パルスを印加し、発生する静電気力によって前記振動板
を変形させ、インクを吐出するインクジェットヘッドに
おいて、前記半導体基板の抵抗率を20Ω・cm以下で
あることを特徴としている。これにより、インクジェッ
トヘッド駆動時に、半導体基板の抵抗値と前記振動板と
これに対向する個別電極で構成されるコンデンサの容量
から決定される時定数の増大を避け、時定数が増大する
ために前記振動板が十分に個別電極に引きつけられるこ
とができないために生じるインク吐出特性の悪化を防止
している。
According to another aspect of the present invention, there is provided an ink jet head comprising: a semiconductor substrate integrally formed with a part of a discharge chamber communicating with a nozzle and a vibration plate provided in the part of the discharge chamber; In an inkjet head that stacks a diaphragm and a substrate having electrodes facing each other with a gap, applies an electric pulse between the semiconductor substrate and the electrode, and deforms the diaphragm by the generated electrostatic force to eject ink The semiconductor substrate has a resistivity of 20 Ω · cm or less. Thus, when the inkjet head is driven, an increase in the time constant determined by the resistance value of the semiconductor substrate and the capacitance of the capacitor composed of the vibration plate and the individual electrodes facing the vibration plate is avoided and the time constant is increased. This prevents deterioration of ink ejection characteristics caused by the diaphragm not being able to be sufficiently attracted to the individual electrodes.

【0013】[0013]

【0014】更に、このような抵抗率に定められた半導
体基板の前記電極と対向する位置以外の一部もしくは全
部の面に第1層をクロム(Cr)またはチタン(Ti)
から、第2層を金(Au)またはロジウム(Rh)また
は白金(Pt)からなる多層膜で金属皮膜を形成する
か、もしくは、アルミニウム(Al)またはスズ(S
n)またはインジウム(In)からなる単層の金属皮膜
を形成し、該金属皮膜と前記電極を駆動回路を接続し駆
動することが好ましい。これにより、前記金属皮膜に印
加する電圧の極性によらず、前記金属皮膜と半導体基板
の接点部を低抵抗に形成(オーム接触)できるため、接
点部の電荷の移動がスムーズに行われ、抵抗損失が小さ
く効率が高いため、低電圧で駆動でき、また駆動時の時
定数を小さくできるため、インクジェットヘッドの高速
駆動が可能であり、更にノズルの高密度化を行うために
も有利である。
Further, the first layer is made of chromium (Cr) or titanium (Ti) on a part or all of the surface of the semiconductor substrate having such a resistivity other than the position facing the electrode.
Therefore, a metal film is formed on the second layer with a multilayer film made of gold (Au), rhodium (Rh), or platinum (Pt), or aluminum (Al) or tin (S) is used.
It is preferable to form a single-layer metal film made of n) or indium (In), and drive the metal film and the electrode by connecting a drive circuit. As a result, the contact portion between the metal coating and the semiconductor substrate can be formed with low resistance (ohmic contact) regardless of the polarity of the voltage applied to the metal coating, so that the charge at the contact portion can be smoothly transferred and the resistance can be improved. Since the loss is small and the efficiency is high, it can be driven at a low voltage, and the time constant at the time of driving can be made small, so that the inkjet head can be driven at a high speed, and it is also advantageous for increasing the density of the nozzles.

【0015】更には、前記半導体基板がp型半導体の場
合、該半導体基板表面の少なくとも前記金属皮膜が形成
される箇所に、III 族元素をドープし、n型半導体の場
合、該半導体基板表面の少なくとも前記金属皮膜が形成
される箇所に、V族元素をドープすることにより、更に
前記金属皮膜と半導体基板の接点部を低抵抗に形成でき
る。
Further, when the semiconductor substrate is a p-type semiconductor, at least a portion of the surface of the semiconductor substrate where the metal film is formed is doped with a group III element, and when the semiconductor substrate is an n-type semiconductor, the surface of the semiconductor substrate is By doping at least the portion where the metal film is formed with the group V element, the contact portion between the metal film and the semiconductor substrate can be further formed with low resistance.

【0016】また、複数の振動板を前記半導体基板に形
成し、全ての振動板に対し等しい距離に前記金属皮膜を
形成することにより、駆動回路と各振動板間の抵抗を一
様にでき、ノズル間の吐出特性のバラツキを低減でき
る。
Further, by forming a plurality of diaphragms on the semiconductor substrate and forming the metal film at equal distances on all the diaphragms, the resistance between the drive circuit and each diaphragm can be made uniform, It is possible to reduce variations in ejection characteristics between nozzles.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例における
インクジェットヘッドの分解斜視図である。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
るエッジエジェクトタイプの例を示すものであるが、基
板の上面部に設けたノズル孔からインク液滴を吐出させ
るフェイスエジェクトタイプでもよい。図2は組み立て
られたインクジェットヘッド全体の断面側面図、図3は
図2のA−A線矢視図である。本実施例のインクジェッ
トヘッド10は次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。
1 is an exploded perspective view of an ink jet head according to an embodiment of the present invention. The present embodiment shows an example of an edge eject type in which ink droplets are ejected from nozzle holes provided at the end of the substrate, but a face eject ejecting ink droplets from nozzle holes provided at the upper surface of the substrate. You can type. 2 is a sectional side view of the assembled inkjet head, and FIG. 3 is a view taken along the line AA of FIG. The ink jet head 10 of this embodiment is composed of three substrates 1 having the structures described in detail below.
It has a laminated structure in which two and three layers are stacked and joined.

【0018】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1
1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1
2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とを有する。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。
The intermediate first substrate 1 is a silicon substrate, and a plurality of nozzle grooves 1 are formed on the surface of the substrate 1 in parallel at equal intervals from one end so as to form a plurality of nozzle holes 4.
1 and a recess 12 communicating with each nozzle groove 11 and forming a discharge chamber 6 having a diaphragm 5 as a bottom wall;
2 is a narrow groove 13 for an ink inflow port, which will form an orifice 7 provided at the rear of the nozzle 2, and a recessed part, which will form a common ink cavity 8 for supplying ink to each ejection chamber 6. 14 and. Also, the diaphragm 5
A concave portion 15 which constitutes the vibration chamber 9 for mounting an electrode described later is provided in the lower part of the.

【0019】本実施例においては、振動板5とこれに対
向して配置される個別電極との対向間隔、即ちギャップ
部16の長さG(図3参照、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により構成されている。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。
In the present embodiment, the facing gap between the diaphragm 5 and the individual electrode arranged opposite thereto, that is, the length G of the gap portion 16 (see FIG. 3, hereinafter referred to as "gap length"). However, the space holding means is formed of the vibration chamber recess 15 formed on the lower surface of the first substrate 1 so that the difference between the depth of the recess 15 and the thickness of the electrode is obtained. Here, the depth of the recess 15 is set to 0.6 μm by etching. The pitch of the nozzle grooves 11 is 0.72 mm and the width thereof is 70 μm.

【0020】また、第1の基板1には、第1層がCrま
たはTiからなり、第2層がAuまたはRhまたはPt
からなる多層の金属皮膜もしくは、AlまたはSnまた
はInからなる単層の金属皮膜からなる共通電極17が
形成されている。
In the first substrate 1, the first layer is made of Cr or Ti and the second layer is made of Au, Rh or Pt.
The common electrode 17 is formed of a multi-layer metal film made of or a single-layer metal film made of Al, Sn, or In.

【0021】第1の基板1の下面に接合される下側の第
2の基板にはホウ珪酸系ガラスを使用し、この第2の基
板2の接合によって振動室9を構成するとともに、第2
の基板2上の振動板5に対応する各々の位置に、金を
0.1μmスパッタし、振動板5とほぼ同じ形状に金パ
ターンを形成して個別電極21としている。個別電極2
1はリード部22及び端子部23を持つ。更に、電極端
子部23を除きパイレックス(登録商標)スパッタ膜を
全面に0.2μm被覆して絶縁層24を形成し、インク
ジェットヘッド駆動時の絶縁破壊、ショート等を防止す
るための膜を形成している。
Borosilicate glass is used for the lower second substrate to be bonded to the lower surface of the first substrate 1, and the vibration chamber 9 is formed by bonding the second substrate 2 to the second substrate.
Gold is sputtered by 0.1 μm on each position corresponding to the vibration plate 5 on the substrate 2, and a gold pattern is formed in substantially the same shape as the vibration plate 5 to form the individual electrodes 21. Individual electrode 2
1 has a lead portion 22 and a terminal portion 23. Further, the Pyrex (registered trademark) sputtered film is covered by 0.2 μm on the entire surface except the electrode terminal portion 23 to form an insulating layer 24, and a film is formed to prevent dielectric breakdown, short circuit or the like when the inkjet head is driven. ing.

【0022】絶縁層24は、必ずしも個別電極21上に
設ける必要はなく、例えば、第1の基板1全面にシリコ
ン酸化膜(SiO2)を形成し絶縁膜としてもよい。こ
の場合、共通電極の部分には酸化膜を形成すると、接触
部がMOS構造となりコンデンサが形成されるため、共
通電極の部分には酸化膜を形成しないほうが好ましい。
The insulating layer 24 does not necessarily have to be provided on the individual electrode 21. For example, a silicon oxide film (SiO 2 ) may be formed on the entire surface of the first substrate 1 to serve as an insulating film. In this case, when an oxide film is formed on the common electrode portion, the contact portion has a MOS structure to form a capacitor. Therefore, it is preferable not to form an oxide film on the common electrode portion.

【0023】更に、第1の基板1に設けられた振動室9
も、必ずしも第1の基板1に設ける必要はなく、後述す
るように(図8)、第1の基板1に設けられた振動室9
を廃し、第1の基板1の第2の基板2と接合する面をフ
ラットに形成し、第2の基板側に所定の深さに凹部を形
成し、振動室を設けてもよい。
Further, the vibration chamber 9 provided in the first substrate 1
However, it is not always necessary to provide the vibration chamber 9 on the first substrate 1, as will be described later (FIG. 8).
Alternatively, the surface of the first substrate 1 to be joined to the second substrate 2 may be formed flat, a recess may be formed at a predetermined depth on the side of the second substrate, and a vibration chamber may be provided.

【0024】第1の基板1の上面に接合される上側の第
3の基板3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。この第3の基板3の接合によって、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、第3の基板3にはインクキャ
ビティ8に連通するインク供給口31が設けられる。イ
ンク供給口31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。
The upper third substrate 3 bonded to the upper surface of the first substrate 1 is made of borosilicate glass, like the second substrate 2. By joining the third substrate 3, the nozzle hole 4, the ejection chamber 6, the orifice 7, and the ink cavity 8 are formed. Further, the third substrate 3 is provided with an ink supply port 31 communicating with the ink cavity 8. The ink supply port 31 is connected to an ink tank (not shown) via a connection pipe 32 and a tube 33.

【0025】次に、第1の基板1と第2の基板2を温度
300〜500℃、電圧500〜800V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3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、振動板5と第2の基板2上の個別電
極21との間に形成されるギャップ長さGは、凹部15
の深さと個別電極21の厚さとの差であり、本実施例で
は0.5μmにしてある。また、振動板5と個別電極2
1上の絶縁層24との空隙間隔G1は0.3μmとなっ
ている。
Next, the first substrate 1 and the second substrate 2 are anodically bonded by applying a temperature of 300 to 500 ° C. and a voltage of 500 to 800 V, and the first substrate 1 and the third substrate 3 under the same conditions. And the ink jet head is assembled as shown in FIG. After the anodic bonding, the gap length G formed between the diaphragm 5 and the individual electrode 21 on the second substrate 2 is equal to the recess 15
And the thickness of the individual electrode 21, which is 0.5 μm in this embodiment. In addition, the diaphragm 5 and the individual electrode 2
The gap G1 with the insulating layer 24 on the first layer is 0.3 μm.

【0026】上記のようにインクジェットヘッドを組み
立てた後は、共通電極17と個別電極21の端子部23
間にそれぞれ配線101により駆動回路102を接続
し、インクジェットプリンタを構成する。これらの電極
17、23と配線101の電気的接続は、ろう付けによ
る接続、異方性導電膜を形成し熱圧着で接続、導電性接
着材で接続する方法等で行われる。これらの接続方法
は、機械的強度、接点抵抗の低抵抗化の点でろう付けに
よる接続が好ましいが、ヘッドの多ノズル・高密度化、
小型化の点に関しては異方性導電膜を用いる方法が最も
好ましい。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を経て第1の基板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。
そして、吐出室6のインクは、図3に示されるように、
インクジェットヘッド10の駆動時にノズル孔4よりイ
ンク液滴104となって吐出され、記録紙105に印字
される。
After the ink jet head is assembled as described above, the common electrode 17 and the terminal portion 23 of the individual electrode 21 are formed.
A drive circuit 102 is connected between the wirings 101 to form an inkjet printer. Electrical connection between these electrodes 17 and 23 and the wiring 101 is performed by a method such as a brazing connection, an anisotropic conductive film formation and thermocompression bonding, or a conductive adhesive. For these connection methods, brazing is preferable in terms of mechanical strength and low contact resistance, but head multiple nozzles and high density,
From the viewpoint of miniaturization, the method using an anisotropic conductive film is most preferable. The ink 103 is supplied from the ink tank (not shown) to the inside of the first substrate 1 through the ink supply port 31, and fills the ink cavity 8, the ejection chamber 6, and the like.
The ink in the ejection chamber 6 is, as shown in FIG.
When the inkjet head 10 is driven, the ink droplets 104 are ejected from the nozzle holes 4 to be printed on the recording paper 105.

【0027】次に、上記のように構成されたインクジェ
ットヘッドの電気的接続について詳述する。
Next, the electrical connection of the ink jet head constructed as described above will be described in detail.

【0028】電極部分における半導体と金属が境界面を
持って接触する場合、半導体、金属の種類によっては、
その接点部にかかる電圧の極性によって電気抵抗が異な
る状態、いわゆる整流接触(ダイオード)が形成され
る。接点部に整流接触もしくは接点部にかかる電圧の極
性によって電気抵抗が異ならないオーム接触のどちらが
形成されるかは、金属、半導体の仕事関数の大小関係に
よって影響され、半導体基板がp型半導体の場合、金属
の仕事関数が半導体の仕事関数より大きいとき、接点部
にオーム接触が形成され、その逆では整流接触が形成さ
れる傾向があり、n型半導体ではp型半導体とは逆の性
質を示すことが分かっている。
When the semiconductor and the metal in the electrode portion come into contact with each other with a boundary surface, depending on the type of the semiconductor and the metal,
A so-called rectifying contact (diode) is formed in which the electric resistance varies depending on the polarity of the voltage applied to the contact portion. Whether a rectifying contact or an ohmic contact whose electric resistance does not differ depending on the polarity of the voltage applied to the contact is formed is affected by the magnitude relationship of the work functions of metal and semiconductor. When the semiconductor substrate is a p-type semiconductor When the work function of a metal is larger than that of a semiconductor, ohmic contact is formed at the contact portion, and rectification contact tends to be formed in the opposite case, and an n-type semiconductor shows a property opposite to that of a p-type semiconductor. I know that.

【0029】図4は、本実施例における共通電極部分の
部分断面詳細図である。図4(a)は、第1の基板1に
おいて、シリコン全体に例えばボロンを所定の濃度でド
ープしたp型シリコン基板1pに共通電極17を形成し
たもので、図4(b)は、シリコン全体に例えば燐を所
定の濃度でドープしたn型シリコン基板1nに共通電極
17を形成したものであり、17b、17dはCrもし
くはTiからなる第1の層で、17a、17cはAuま
たはRhまたはPtからなる第2の層であり、19は第
1の基板1上の共通電極17が形成される面以外に形成
された酸化膜からなる絶縁層である。
FIG. 4 is a detailed partial cross-sectional view of the common electrode portion in this embodiment. FIG. 4A shows a structure in which the common electrode 17 is formed on the p-type silicon substrate 1p in which the whole silicon is doped with boron at a predetermined concentration in the first substrate 1, and FIG. 4B shows the whole silicon. A common electrode 17 is formed on an n-type silicon substrate 1n doped with, for example, phosphorus at a predetermined concentration, 17b and 17d are first layers made of Cr or Ti, and 17a and 17c are Au, Rh or Pt. 2 is a second layer of the insulating film and 19 is an insulating layer of an oxide film formed on the first substrate 1 except for the surface on which the common electrode 17 is formed.

【0030】半導体基板がp型半導体である場合、A
u、Rh、Ptの金属は前述した理由から、接点部には
オーム接触が形成されるが、Cr、Tiでは整流接触が
形成される。故に、Au、Rh、Ptの金属を直接半導
体基板に接触することが望ましいが、これらの金属は例
えばSi等の半導体との密着性が悪く電極として十分な
機械的強度が保てない。逆にCr、Tiは、Si等の半
導体及び、Au、Rh、Ptの金属との密着性が良好で
あるため、半導体基板及びこれらの金属間の中間層とし
て用いられるが、半導体との接触において整流接触とし
ての性質を示す。このため、図4(a)に示すように、
第1の層17bを50〜150Åレベルの厚さの薄膜と
してp型半導体基板上に形成し、第1の層17b上に第
2の層17aを1000Åレベルの厚さの金属膜として
形成することによって、CrもしくはTiから形成され
る第1の層17bと半導体基板1の接触によって生じる
整流接触の影響を極力低減させている。図4(a)に示
すように、Cr、Tiからなる第1の層17bの厚みを
50〜150Åとすると、第1の層は一様に均一なもの
とはならず、小孔18が数多く生じるいわゆる多孔の状
態となり、この部分に第1の層17aの構造体が入り込
みオーム接触を形成する。故に第1の層17bの厚みを
50〜150Åとすれば、電極として十分な機械的強度
を保つことが可能で、かつ十分なオーム接触を得ること
ができる。
If the semiconductor substrate is a p-type semiconductor, A
For the metal of u, Rh, and Pt, ohmic contact is formed at the contact portion for the reason described above, but rectifying contact is formed for Cr and Ti. Therefore, it is desirable to directly contact the metal of Au, Rh, and Pt with the semiconductor substrate, but these metals have poor adhesion to the semiconductor such as Si and cannot maintain sufficient mechanical strength as an electrode. On the other hand, Cr and Ti have good adhesion to semiconductors such as Si and metals such as Au, Rh, and Pt, and are therefore used as a semiconductor substrate and an intermediate layer between these metals. Shows the property as a rectifying contact. Therefore, as shown in FIG.
Forming the first layer 17b as a thin film having a thickness of 50 to 150Å level on the p-type semiconductor substrate, and forming the second layer 17a as a metal film having a thickness of 1000Å level on the first layer 17b. Thus, the influence of the rectifying contact caused by the contact between the first layer 17b made of Cr or Ti and the semiconductor substrate 1 is reduced as much as possible. As shown in FIG. 4A, when the thickness of the first layer 17b made of Cr and Ti is 50 to 150Å, the first layer is not uniformly uniform and many small holes 18 are formed. The resulting so-called porous state is formed, and the structure of the first layer 17a enters into this portion to form an ohmic contact. Therefore, if the thickness of the first layer 17b is 50 to 150Å, it is possible to maintain sufficient mechanical strength as an electrode and obtain sufficient ohmic contact.

【0031】一方、半導体基板がn型半導体である場
合、Au、Rh、Ptの金属は前述した理由から、接点
部には整流接触が形成され、Cr、Tiではオーム接触
が形成される。この場合、図4(b)に示すように、第
1の層の厚みを300Å以上にすると、図4(a)に示
す小孔18が生じず、n型半導体基板1nはCr、Ti
からなる第1の層17dとオーム接触を形成し、電極と
して十分な機械的強度を保つことが可能で、かつ十分な
オーム接触を得ることができる。
On the other hand, when the semiconductor substrate is an n-type semiconductor, the metal of Au, Rh, and Pt forms a rectifying contact at the contact portion and the ohmic contact of Cr and Ti for the above-mentioned reason. In this case, as shown in FIG. 4B, when the thickness of the first layer is set to 300 Å or more, the small hole 18 shown in FIG. 4A does not occur, and the n-type semiconductor substrate 1n is made of Cr, Ti.
It is possible to form an ohmic contact with the first layer 17d consisting of, to maintain sufficient mechanical strength as an electrode, and to obtain a sufficient ohmic contact.

【0032】図4(c)は、図4(a)に示される構造
の電極において、p型シリコン基板1pの共通電極17
を形成する面に高濃度のボロン(B)をドープし、ボロ
ンの高濃度層17eを形成した電極である。高濃度層1
7eと共通電極間にできる表面障壁は薄い電位障壁のた
め、トンネル効果により、電荷が自由に通過するため良
好なオーミック電極が形成できる。図4(b)に示され
る構造の電極においても、共通電極17を形成する面に
高濃度の燐(P)をドープすれば同様な効果が得られ
る。
FIG. 4C shows a common electrode 17 of the p-type silicon substrate 1p in the electrode having the structure shown in FIG.
It is an electrode in which a high-concentration layer 17e of boron is formed by doping high-concentration boron (B) on the surface on which is formed. High concentration layer 1
Since the surface barrier formed between 7e and the common electrode is a thin potential barrier, a good ohmic electrode can be formed because charges freely pass by the tunnel effect. Also in the electrode having the structure shown in FIG. 4B, the same effect can be obtained by doping the surface forming the common electrode 17 with a high concentration of phosphorus (P).

【0033】図5は、本実施例における他の様態の共通
電極部分の部分断面詳細図である。共通電極17は、半
導体基板1全面に形成された絶縁膜19を共通電極17
を付設するために部分的に除去した部分にAlまたはS
nまたはInを1000Å程度蒸着し、加熱し熱拡散を
行ってこれらの金属を半導体基板1内に浸透させてあ
る。このため、共通電極17と半導体基板1の接点部1
7fは、前述した2層の共通電極のように明確な境界面
を持たず、徐々にAlまたはSnまたはInの濃度が変
化する連続的な接続構造となるため、オーム接続を得る
ことができる。この場合、Al、Inはp型の半導体基
板1に、Snは、p型、n型のどちらの半導体基板1に
も適用できる。
FIG. 5 is a detailed partial cross-sectional view of a common electrode portion of another embodiment in this embodiment. The common electrode 17 includes an insulating film 19 formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1.
Al or S on the part that was partially removed to attach
About 1000 Å of n or In is vapor-deposited, heated and thermally diffused to permeate these metals into the semiconductor substrate 1. Therefore, the contact portion 1 between the common electrode 17 and the semiconductor substrate 1
7f does not have a clear boundary surface like the common electrode of the two layers described above, and has a continuous connection structure in which the concentration of Al, Sn, or In gradually changes, and thus an ohmic connection can be obtained. In this case, Al and In can be applied to the p-type semiconductor substrate 1, and Sn can be applied to both the p-type and n-type semiconductor substrates 1.

【0034】駆動回路を接続する端子として機能させる
ためには、Alを用いた単層の電極は表面が酸化しやす
く、これにより絶縁層が表面に形成され易いので、前述
した第2の層17a、17cにAu、Rh、Ptの金属
を用いた2層構造の電極の方が好ましい。
In order to function as a terminal for connecting the drive circuit, the surface of the single-layer electrode made of Al is easily oxidized, and an insulating layer is easily formed on the surface, so that the second layer 17a described above is formed. , 17c is preferably a two-layered electrode using Au, Rh, and Pt metals.

【0035】次に、共通電極17と半導体基板1間の接
触において、抵抗、容量が構成された場合に生じるイン
クジェットヘッドの駆動への影響について説明する。
Next, the influence on the driving of the ink jet head that occurs when resistance and capacitance are formed in the contact between the common electrode 17 and the semiconductor substrate 1 will be described.

【0036】図6(a)は、共通電極17と半導体基板
1間の接触において、抵抗、容量が付加されない場合に
複数の振動板5を駆動した時の等価回路図で、図6
(b)は、共通電極17と半導体基板1間の接触におい
て、容量が付加された場合に複数の振動板5を駆動した
時の等価回路図である。
FIG. 6A is an equivalent circuit diagram when a plurality of diaphragms 5 are driven when resistance and capacitance are not added in the contact between the common electrode 17 and the semiconductor substrate 1.
(B) is an equivalent circuit diagram when a plurality of diaphragms 5 are driven when a capacitance is added at the contact between the common electrode 17 and the semiconductor substrate 1.

【0037】ここで、Caは、各振動板5と個別電極2
1によって形成されたアクチュエータで、駆動時にはそ
の距離が変化するため、可変コンデンサとして機能す
る。Ccomは、半導体基板1と共通電極17との接続
部において、オーム接触が形成されずに前述した空乏層
が形成されることによって生じるコンデンサであり、V
hはインクジェットヘッドに印加される電源電圧で、V
aは各アクチュエータに印加される電圧であり、Cco
mが存在しない(a)の場合、VhはVaと等しくな
る。
Here, Ca is each vibrating plate 5 and individual electrode 2.
The actuator formed by 1 functions as a variable capacitor because its distance changes during driving. Ccom is a capacitor generated by forming the above-mentioned depletion layer without forming ohmic contact at the connection between the semiconductor substrate 1 and the common electrode 17, and Vcom
h is a power supply voltage applied to the inkjet head, and is V
a is a voltage applied to each actuator, and Cco
When m does not exist (a), Vh becomes equal to Va.

【0038】Ccomが存在する(b)の場合、各アク
チュエータに印加される電圧Vaは次式によって表され
る。 Va=Vh・Ccom/(nCa+Ccom)・・・[式1] ここで、nは駆動ノズル数である。共通電極部の容量C
comがアクチュエータ容量Caと比較して小さい場
合、実際に各アクチュエータに印加される駆動電圧Va
は、駆動ノズル数に反比例して小さくなる。従って、イ
ンク吐出速度は駆動ノズル数に反比例して遅くなり、並
列に配設された各アクチェータが相互に影響しあいイン
ク吐出に悪影響を与えるクロストークの要因となる。
When Ccom exists (b), the voltage Va applied to each actuator is represented by the following equation. Va = Vh.Ccom / (nCa + Ccom) ... [Formula 1] Here, n is the number of drive nozzles. Common electrode capacitance C
com is smaller than the actuator capacitance Ca, the drive voltage Va actually applied to each actuator.
Becomes smaller in inverse proportion to the number of drive nozzles. Therefore, the ink ejection speed becomes slower in inverse proportion to the number of driving nozzles, and each of the actuators arranged in parallel affects each other to cause a crosstalk that adversely affects the ink ejection.

【0039】図7は、駆動電圧とインク吐出速度を実験
結果で求め、式1に基づきインク吐出速度Vmと駆動ノ
ズルnの関係を計算した結果を示すグラフである。ここ
で、Ccomは608.2pF、Caは277pFでい
ずれの値も測定値に基づき算出した値であり、測定及び
算出に用いたインクジェットヘッドは故意に共通電極部
に容量を持たせたものを前提としている。また、駆動電
圧Vhは、35V、45Vを前提とした。
FIG. 7 is a graph showing the result of calculating the relationship between the ink discharge speed Vm and the drive nozzle n based on the equation 1 by obtaining the drive voltage and the ink discharge speed as an experimental result. Here, Ccom is 608.2 pF and Ca is 277 pF, both values are calculated based on the measured values, and the inkjet head used for the measurement and the calculation is based on the intentional addition of capacitance to the common electrode portion. I am trying. In addition, the driving voltage Vh is assumed to be 35V and 45V.

【0040】インク吐出速度Vmが小さいと、一回当た
りのインク吐出量もインク吐出速度Vmに比例して少な
くなり、従って、記録紙上のドット径が小さくなり、記
録画像全体の濃度が不足し、いわゆるコントラストの乏
しい印象をうける。また、インク液滴は、1つの球状の
液滴となって、飛翔するわけでなく、複数の球状の液滴
が糸を引くようにして飛翔する。このため、インク吐出
速度Vmが小さいと、先端の液滴以外の液滴(以下サテ
ライトと呼ぶ)が遅れて記録紙に到達し、記録紙上のド
ット径が変形し、記録画像全体から滲んだシャープさに
欠けた印象をうける。また、ヘッド10の走査速度を上
げると、この傾向は更に顕著になるため、印字速度を向
上させる点でも、インク吐出速度Vmが小さいことは不
都合であり、好ましくは10m/秒以上のインク吐出速
度が得られることが望ましい。
When the ink discharge speed Vm is small, the amount of ink discharged per time also decreases in proportion to the ink discharge speed Vm, and therefore the dot diameter on the recording paper becomes small and the density of the entire recorded image becomes insufficient, I get the impression that the so-called contrast is poor. Ink droplets do not fly as one spherical droplet and fly as if a plurality of spherical droplets pull a string. Therefore, when the ink ejection speed Vm is low, liquid droplets other than the liquid droplet at the tip (hereinafter referred to as satellites) arrive at the recording paper with a delay, the dot diameter on the recording paper is deformed, and the sharp blurring from the entire recorded image occurs. I get the impression that it lacks. Further, when the scanning speed of the head 10 is increased, this tendency becomes more remarkable. Therefore, in view of improving the printing speed, it is inconvenient that the ink discharge speed Vm is small, and the ink discharge speed of 10 m / sec or more is preferable. Is desired to be obtained.

【0041】図7に示されるように、共通電極部に付加
容量が現れると、インク吐出速度は、駆動ノズル数に反
比例して遅くなり、マルチノズルのインクジェットヘッ
ドにおいて、良好な印刷品質は期待できない。
As shown in FIG. 7, when the additional capacitance appears in the common electrode portion, the ink ejection speed becomes slow in inverse proportion to the number of driving nozzles, and good print quality cannot be expected in a multi-nozzle inkjet head. .

【0042】以上、半導体基板1と共通電極17との接
続部において、容量が生じた場合について説明したが、
同部に抵抗が生じた場合にも、同様に駆動ノズル数によ
ってインク吐出速度が減少する現象が発生し問題とな
る。
The case where a capacitance is generated at the connecting portion between the semiconductor substrate 1 and the common electrode 17 has been described above.
Even when a resistance is generated in the same portion, the phenomenon that the ink ejection speed decreases similarly depending on the number of drive nozzles occurs, which is a problem.

【0043】次に、更に詳細に本発明のインクジェット
ヘッドの製造方法について以下の実施例に基づいて詳細
に説明する。
Next, the method for manufacturing an ink jet head of the present invention will be described in more detail based on the following examples.

【0044】図8は、本実施例の製造方法によって得ら
れるインクジェットヘッドの最終形状の断面図である。
FIG. 8 is a sectional view of the final shape of the ink jet head obtained by the manufacturing method of this embodiment.

【0045】図8に示すように本実施例のインクジェッ
トヘッドは、インクが吐出されるノズル4、インクを加
圧する圧力室6、振動板5、共通電極17等が形成され
た第1の基板1と、個別電極21が形成された第2の基
板2と、第3の基板3とを積層してなる構造を有する。
As shown in FIG. 8, the ink jet head of this embodiment has a first substrate 1 having nozzles 4 for ejecting ink, a pressure chamber 6 for pressurizing the ink, a vibrating plate 5, a common electrode 17 and the like. And a second substrate 2 on which the individual electrodes 21 are formed and a third substrate 3 are laminated.

【0046】第1の基板1は結晶面方位が(100)で
あるp型単結晶Si基板であって、ノズル4や振動板5
は、Si基板の不要部分をエッチング除去して形成され
る。本実施例においては、アルカリ液によるSiの異方
性エッチングにより、前記ノズルや振動板の形成を行っ
た。周知のごとく、単結晶Siは、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
とともに(111)面が平滑面として残留する構造が得
られる。
The first substrate 1 is a p-type single crystal Si substrate having a crystal plane orientation of (100), and has a nozzle 4 and a diaphragm 5.
Are formed by etching away unnecessary portions of the Si substrate. In this example, the nozzle and the diaphragm were formed by anisotropic etching of Si with an alkaline solution. As is well known, when single crystal Si is etched with an aqueous solution of potassium hydroxide or an alkali such as hydrazine, the difference in etching rate between crystal planes is large, so that anisotropic etching is possible. Specifically, since the etching rate of the (111) crystal plane is the smallest, a structure in which the (111) plane remains as a smooth surface is obtained as the etching progresses.

【0047】図9を用いて、第1の基板1の製造工程を
説明する。厚み200ミクロンのSi基板1a(抵抗率
20Ω・cmのp型半導体基板)の両面に、耐エッチン
グ材であるSiO2膜19を、熱酸化法により厚み1ミ
クロンで形成する(図9(a))。ついで、前記SiO
2膜19上に、ノズル4及び圧力室6等の形状に相当す
るフォトレジストパターン(図示しない)を形成し、フ
ッ酸系エッチング液にてSiO2膜19の不要部分を除
去する(図9(b))。次に、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Siのエッチング
を行った。上記したように、Siのエッチング部分では
(111)面が現れ、その大きさはエッチング深さに比
例する。ノズル4のエッチング部分においては、両側か
ら現れた(111)面が、最後には互いに交わり、それ
以上のエッチングはほとんど進行しなくなる。すなわ
ち、ノズル4は、ノズル4に対応するフォトレジストパ
ターンの寸法で一義的に決まる断面形状を有することに
なる。
The manufacturing process of the first substrate 1 will be described with reference to FIG. An SiO 2 film 19, which is an etching resistant material, is formed on both surfaces of a 200 μm thick Si substrate 1a (p type semiconductor substrate having a resistivity of 20 Ω · cm) by thermal oxidation to a thickness of 1 μm (FIG. 9A). ). Then, the SiO
On 2 film 19, a photoresist pattern (not shown) corresponding to the shape of a nozzle 4 and the pressure chamber 6, to remove an unnecessary portion of the SiO 2 film 19 by hydrofluoric acid etching solution (Fig. 9 ( b)). Next, Si was etched using a potassium hydroxide aqueous solution containing isopropyl alcohol. As described above, the (111) plane appears in the etched portion of Si, and its size is proportional to the etching depth. In the etched portion of the nozzle 4, the (111) planes appearing from both sides finally intersect with each other, and further etching hardly progresses. That is, the nozzle 4 has a sectional shape that is uniquely determined by the dimensions of the photoresist pattern corresponding to the nozzle 4.

【0048】他方、振動板5も同様に、フォトレジスト
パターンの振動板5に相当する箇所の寸法で決定される
形状を有することになるが、この場合は、振動板5の表
面はSi基板1aの表面と同じ(100)面となるよ
う、寸法を設計する。本実施例では、インクジェットヘ
ッドの吐出特性上、振動板5の厚みを30ミクロン、幅
を500ミクロンと決定した。Si単結晶の(100)
面と(111)面とは54.7度で交わっており、この
ことから、振動板5に対応するフォトレジストパターン
の寸法は幅730ミクロンとした。エッチング工程にお
いては、Si基板1aを170ミクロンエッチングし、
耐エッチングマスクであるSiO2膜19を全て除去
し、所望形状のノズル4及び振動板5を得る(図9
(c))。
On the other hand, the diaphragm 5 also has a shape determined by the size of the portion of the photoresist pattern corresponding to the diaphragm 5. In this case, the surface of the diaphragm 5 is the Si substrate 1a. The dimensions are designed so that it is the same (100) plane as the surface of. In this example, the thickness of the diaphragm 5 was determined to be 30 microns and the width thereof was determined to be 500 microns due to the ejection characteristics of the inkjet head. Si single crystal (100)
Since the plane and the (111) plane intersect at 54.7 degrees, the dimension of the photoresist pattern corresponding to the diaphragm 5 is set to 730 μm in width. In the etching process, the Si substrate 1a is etched by 170 microns,
The SiO 2 film 19 which is the etching resistant mask is completely removed to obtain the nozzle 4 and the diaphragm 5 having a desired shape (FIG. 9).
(C)).

【0049】次に共通電極17を形成する。Si基板1
a上に、空所が共通電極17の形状に相当するようなフ
ォトレジストパターン(図示しない)を形成し、フォト
レジストパターン上にスパッタ装置を用いて、Cr及び
Auからなる2層膜(Cr:0.01ミクロン、Au:
0.1ミクロン)を形成し、続いて前記Si基板1aを
アセトン中に浸漬し、超音波振動を加えて前記フォトレ
ジストパターン及び前記Cr−Au2層膜のうちフォト
レジストパターン上に堆積した分のみを除去し、2層膜
を共通電極17とする(図9(d))。
Next, the common electrode 17 is formed. Si substrate 1
A photoresist pattern (not shown) in which a void corresponds to the shape of the common electrode 17 is formed on a, and a two-layer film (Cr: Au) made of Cr and Au is formed on the photoresist pattern by using a sputtering device. 0.01 micron, Au:
0.1 micron), then the Si substrate 1a is immersed in acetone, and ultrasonic vibration is applied to the photoresist pattern and only the portion deposited on the photoresist pattern of the Cr—Au 2 layer film. Is removed and the two-layer film is used as the common electrode 17 (FIG. 9D).

【0050】共通電極17の形成方法としては、上記の
方法の他にSi基板1a上に直接Cr−Au2層膜を形
成し、次いでCr−Au2層膜の不要部分を選択エッチ
ングにより除去する方法もある。
As a method of forming the common electrode 17, in addition to the above method, a method of directly forming a Cr-Au two-layer film on the Si substrate 1a and then removing an unnecessary portion of the Cr-Au two-layer film by selective etching is also available. is there.

【0051】以上の工程を経て、第1の基板1が形成さ
れる。
The first substrate 1 is formed through the above steps.

【0052】次に、第2の基板2の製造工程について図
10を用いて説明する。ホウケイ酸ガラス基板2a上
に、振動板5と、振動板5と対向配置される個別電極2
1との間のギャップ部83の形状に相当するフォトレジ
ストパターン(図示しない)を形成し、次いで、スパッ
タ法によりCr−Au2層膜85を形成し、続いて前記
ガラス基板2aをアセトン中に浸漬し、超音波振動を加
えてフォトレジストパターン及びCr−Au2層膜85
のうちフォトレジストパターン上に堆積した分のみを除
去し、残留したCr−Au2層膜85を、ギャップ部8
3をエッチングにより形成するためのエッチングマスク
とする(図10(a))。
Next, the manufacturing process of the second substrate 2 will be described with reference to FIG. On the borosilicate glass substrate 2a, the vibrating plate 5 and the individual electrodes 2 arranged to face the vibrating plate 5 are arranged.
1 and a photoresist pattern (not shown) corresponding to the shape of the gap portion 83 between them is formed, and then a Cr—Au two-layer film 85 is formed by a sputtering method, and then the glass substrate 2a is immersed in acetone. Then, ultrasonic vibration is applied to the photoresist pattern and the Cr-Au bilayer film 85.
Only the portion deposited on the photoresist pattern is removed, and the remaining Cr—Au 2 layer film 85 is removed by the gap 8
3 is used as an etching mask for forming by etching (FIG. 10A).

【0053】次に、ガラス基板2aをフッ酸系エッチン
グ液にてエッチングし、深さ0.35ミクロンのギャッ
プ部13を形成し、エッチングマスクであるCr−Au
2層膜85を、王水にて除去する(図10(b))。
Then, the glass substrate 2a is etched with a hydrofluoric acid-based etching solution to form a gap portion 13 having a depth of 0.35 μm, and the etching mask Cr-Au is used.
The two-layer film 85 is removed with aqua regia (FIG. 10 (b)).

【0054】続いて、ガラス基板2a上に、空所が個別
電極21の形状に相当するようなフォトレジストパター
ン(図示しない)を形成し、次いで、真空蒸着法により
厚み0.15ミクロンのAl膜をフォトレジストパター
ン上に形成し、続いて前記ガラス基板2aをアセトン中
に浸漬し、超音波振動を加えてフォトレジストパターン
及びAl膜のうちフォトレジストパターン上に堆積した
分のみを除去し、残留したAl膜を個別電極21とする
(図10(c))。
Subsequently, on the glass substrate 2a, a photoresist pattern (not shown) whose voids correspond to the shape of the individual electrodes 21 is formed, and then an Al film having a thickness of 0.15 micron is formed by a vacuum evaporation method. Is formed on a photoresist pattern, and then the glass substrate 2a is immersed in acetone and ultrasonic vibration is applied to remove only the photoresist pattern and the Al film deposited on the photoresist pattern. The formed Al film is used as the individual electrode 21 (FIG. 10C).

【0055】最後に、スパッタ法によりガラス基板2a
上の振動板5に対応する箇所にホウケイ酸ガラス薄膜2
4を保護膜として形成し、第2の基板2を得る(図10
(d))。
Finally, the glass substrate 2a is formed by the sputtering method.
The borosilicate glass thin film 2 is provided at a location corresponding to the upper diaphragm 5.
4 as a protective film to obtain the second substrate 2 (FIG. 10).
(D)).

【0056】以上の工程を経て、製造された第1の基板
1と第2の基板2は、陽極接合法により接合される。接
合工程は以下のとおりである。まず、Si基板1aとガ
ラス基板2aを洗浄、乾燥後前記Si基板1a及びガラ
ス基板2aの対応するパターン同士の位置合わせを行
い、両基板を重ね合わせる。次に、両基板をホットプレ
ート上で摂氏300度に加熱し、前記Si基板1a側を
正、前記ガラス基板2a側を負として500Vの直流電
圧を10分間印加し、接合を行った。
Through the above steps, the manufactured first substrate 1 and second substrate 2 are bonded by the anodic bonding method. The joining process is as follows. First, the Si substrate 1a and the glass substrate 2a are washed and dried, then the corresponding patterns of the Si substrate 1a and the glass substrate 2a are aligned with each other, and the both substrates are superposed. Next, both substrates were heated to 300 degrees Celsius on a hot plate, and a DC voltage of 500 V was applied for 10 minutes with the Si substrate 1a side being positive and the glass substrate 2a side being negative to perform bonding.

【0057】次いで、Si基板1aと第3の基板3との
接合を行う。本実施例においては、前記第3の基板3
は、第2の基板2と同様ホウケイ酸ガラスであり、接合
方法は上記の陽極接合法によった。
Next, the Si substrate 1a and the third substrate 3 are joined. In this embodiment, the third substrate 3
Is a borosilicate glass like the second substrate 2, and the joining method was the anodic joining method described above.

【0058】以下、本実施例の一連の工程により形成さ
れたインクジェットヘッドの共通電極17及び各個別電
極21に駆動回路102を接続し、印字試験を行った結
果について説明する。
Hereinafter, the results of a printing test performed by connecting the drive circuit 102 to the common electrode 17 and each individual electrode 21 of the ink jet head formed by a series of steps of this embodiment will be described.

【0059】図11はインクジェットヘッドの駆動回路
102の構成を示した図である。この駆動回路102は
図示のようにトランジスタ41,42,44,45等か
ら構成されている。待機状態においてトランジスタ4
2、45はともにオフしており、振動板5及び個別電極
21からなるコンデンサCaには端子電圧Vhは印加さ
れておらず、従って振動板5−個別電極21には駆動電
圧は印加されていない。このため、振動板5は変位せ
ず、吐出室6のインクには全く圧力を与えない状態にあ
る。次に、充電信号51がオンになると、その信号の立
ち上がりでトランジスタ41がオンし、トランジスタ4
2もオンするので、コンデンサCaには端子電圧Vhが
印加され、これにより振動板5−個別電極21間に駆動
電圧Va(Va=Vh)が印加される。従って、矢印A
方向に電流が流れ、上述のように振動板5−個別電極2
1間に充電された電荷によって両者の間に働く静電気力
により振動板5は個別電極21側に引き付けられて撓
む。その結果、吐出室6の容積が増大してインクを吸引
する。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the drive circuit 102 of the ink jet head. The drive circuit 102 is composed of transistors 41, 42, 44, 45, etc. as shown in the figure. Transistor 4 in standby state
Both 2 and 45 are turned off, and the terminal voltage Vh is not applied to the capacitor Ca composed of the diaphragm 5 and the individual electrode 21. Therefore, the drive voltage is not applied to the diaphragm 5-the individual electrode 21. . Therefore, the vibrating plate 5 is not displaced and no pressure is applied to the ink in the ejection chamber 6. Next, when the charging signal 51 is turned on, the transistor 41 is turned on at the rising edge of the signal and the transistor 4 is turned on.
Since 2 also turns on, the terminal voltage Vh is applied to the capacitor Ca, and thereby the drive voltage Va (Va = Vh) is applied between the diaphragm 5 and the individual electrode 21. Therefore, the arrow A
Current flows in the direction, and as described above, the diaphragm 5 -the individual electrode 2
The vibrating plate 5 is attracted to the individual electrode 21 side and bends by the electrostatic force acting between the two due to the electric charge charged between the two. As a result, the volume of the ejection chamber 6 increases and ink is sucked.

【0060】次に、充電信号51がオフになり放電信号
52がオンになると、トランジスタ41,42はオフに
なるのでコンデンサCaの充電は停止し、これにより振
動板5−個別電極21間の充電は停止する。一方、トラ
ンジスタ44がオフになりそれによりトランジスタ45
もオンになる。トランジスタ45のオンにより、コンデ
ンサCa(振動板5−個別電極21間)に蓄積された電
荷は抵抗46を介して矢印B方向に放電される。図にお
いて、抵抗46は抵抗43に比べてかなり小さく設定さ
れ、放電時の時定数は小さいので、充電時間に比べて十
分短い時間で放電される。この時、振動板5は静電気力
から一気に解放され、振動板5自体の剛性により待機位
置に戻り、急激に吐出室6を押圧し、吐出室6に発生し
た圧力によりインク液滴104をノズル孔4から吐出す
る。なお、本実施例においては第1の基板1がP形半導
体基板であることを前提としているが、N形半導体基板
を基板として用いた場合には、駆動回路102とインク
ジェットヘッド10との接続配線はP形半導体の場合と
は逆とする必要がある。
Next, when the charge signal 51 is turned off and the discharge signal 52 is turned on, the transistors 41 and 42 are turned off, so that the charging of the capacitor Ca is stopped, whereby the charge between the diaphragm 5 and the individual electrode 21 is charged. Will stop. On the other hand, transistor 44 is turned off, which causes transistor 45.
Also turns on. When the transistor 45 is turned on, the electric charge accumulated in the capacitor Ca (between the vibration plate 5 and the individual electrode 21) is discharged in the direction of arrow B through the resistor 46. In the figure, the resistor 46 is set to be considerably smaller than the resistor 43 and has a small time constant at the time of discharging, so that the resistor 46 is discharged in a time sufficiently shorter than the charging time. At this time, the vibrating plate 5 is released from the electrostatic force all at once, and returns to the standby position due to the rigidity of the vibrating plate 5 itself, suddenly presses the ejection chamber 6, and the pressure generated in the ejection chamber 6 causes the ink droplet 104 to be ejected into the nozzle hole. Discharge from 4. In this embodiment, it is assumed that the first substrate 1 is a P-type semiconductor substrate, but when an N-type semiconductor substrate is used as the substrate, the connection wiring between the drive circuit 102 and the inkjet head 10 is connected. Must be opposite to the case of P-type semiconductor.

【0061】図12は上述のインクジェットヘッド10
を搭載したプリンタの概要図である。300は記録紙1
05を搬送するプラテン、301は内部にインクを貯蔵
するインクタンクであり、インク供給チューブ306を
介してインクジェットヘッド10にインクを供給する。
302はキャリッジであり、インクジェットヘッド10
を記録紙105の搬送方向と直行する方向に移動させ
る。303はポンプであり、インクジェットヘッド10
のインク吐出不良等の場合、キャップ304、廃インク
回収チューブ308を介してインクを吸引し、排インク
溜305に回収する機能を果たしている。
FIG. 12 shows the ink jet head 10 described above.
FIG. 2 is a schematic diagram of a printer equipped with the. 300 is recording paper 1
A platen 301 for transporting 05 is an ink tank for storing ink therein, and supplies ink to the inkjet head 10 via an ink supply tube 306.
Reference numeral 302 denotes a carriage, which is the inkjet head 10.
Is moved in a direction orthogonal to the conveyance direction of the recording paper 105. Reference numeral 303 denotes a pump, which is the inkjet head 10.
In the case of defective ink ejection, etc., it has a function of sucking the ink through the cap 304 and the waste ink collection tube 308 and collecting it in the waste ink reservoir 305.

【0062】図11の回路及び図12に示したプリンタ
を用いて、駆動電圧40Vで駆動実験したところ、イン
ク滴吐出速度及びインク滴体積の周波数特性は、それぞ
れ、8kHzまで7±0.3m/秒及び0.1±0.0
2×10-6ml/dotの範囲にあり、高周波数までフ
ラットな特性が得られ、高速印字に適していることが明
らかになった。
When a driving experiment was conducted at a driving voltage of 40 V using the circuit of FIG. 11 and the printer shown in FIG. 12, the frequency characteristics of the ink droplet ejection speed and the ink droplet volume were 7 ± 0.3 m / up to 8 kHz, respectively. Seconds and 0.1 ± 0.0
It was in the range of 2 × 10 −6 ml / dot, flat characteristics were obtained up to high frequencies, and it became clear that it is suitable for high-speed printing.

【0063】本実施例では、共通電極17としてCr−
Au2層膜を用いたが、この他に、Ti−Pt2層膜、
Ti−Rh2層膜等のp型Si基板とオーム接触が得ら
れる金属を用いても同様の効果が得られる。また、第1
の基板としてn型Si基板を用いる場合は、同様に、n
型Si基板とオーム接触が得られるようなSn等の金属
を用いれば同様の効果が得られる。
In this embodiment, Cr- is used as the common electrode 17.
An Au two-layer film was used, but in addition to this, a Ti-Pt two-layer film,
The same effect can be obtained by using a metal such as a Ti-Rh two-layer film that can make ohmic contact with the p-type Si substrate. Also, the first
When an n-type Si substrate is used as the substrate of
The same effect can be obtained by using a metal such as Sn that can make ohmic contact with the mold Si substrate.

【0064】次に、本実施例のインクジェットヘッドに
ついて、駆動回路中に含まれる抵抗成分がインクジェッ
トヘッドの駆動に及ぼす影響について、実験を行った。
Next, with respect to the ink jet head of this embodiment, an experiment was conducted on the effect of the resistance component contained in the drive circuit on the drive of the ink jet head.

【0065】図13は、実験に於ける駆動回路の等価回
路図で、Rsiはシリコン基板1自体の抵抗値で、抵抗
率20Ω・cm相当の抵抗値であり、Caは振動板5及
び個別電極21からなるコンデンサで、振動板5が個別
電極21に引きつけられていない状態で約300pFの
容量を持つ。Rcは駆動回路内に設けた抵抗で、今回
は、1kΩと10kΩの抵抗値のもので比較実験を行っ
た。なお、駆動電圧Vhを35Vに固定し、信号入力端
子Pに駆動周波数3kHzの信号を入力して実験を行っ
た。
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of the drive circuit in the experiment. Rsi is the resistance value of the silicon substrate 1 itself, the resistance value is equivalent to 20 Ω · cm, Ca is the diaphragm 5 and the individual electrode. 21 is a capacitor having a capacitance of about 300 pF when the diaphragm 5 is not attracted to the individual electrode 21. Rc is a resistance provided in the drive circuit, and this time, a comparative experiment was performed with resistance values of 1 kΩ and 10 kΩ. An experiment was conducted by fixing the drive voltage Vh to 35 V and inputting a signal having a drive frequency of 3 kHz to the signal input terminal P.

【0066】図14は図13の駆動回路のVoの駆動波
形をオシロスコープで観測した波形を示すグラフであ
る。波形91は、回路抵抗Rcを1kΩとした場合の駆
動波形であり、波形92は、回路抵抗Rcを10kΩと
した場合の駆動波形である。波形92は、波形91に比
べ時定数が大きく、波形92で駆動したインクジェット
ヘッドでは全てのノズルにおいて十分なインク吐出速度
が得られなかった。一方波形91で駆動したインクジェ
ットヘッドでは、ほぼ全てのノズルで10m/秒以上の
インク吐出速度が得られた。この差は、時定数が大きい
ために振動板5を十分に個別電極21に引きつけられる
ことができないために生じたものと考えられるが、いず
れにしても、コンデンサCaに直列に接続される抵抗成
分がインクジェットヘッド駆動特性に大きく影響するこ
とが判明した。
FIG. 14 is a graph showing a waveform obtained by observing the drive waveform of Vo of the drive circuit of FIG. 13 with an oscilloscope. A waveform 91 is a drive waveform when the circuit resistance Rc is 1 kΩ, and a waveform 92 is a drive waveform when the circuit resistance Rc is 10 kΩ. The waveform 92 has a larger time constant than the waveform 91, and the ink jet head driven by the waveform 92 cannot obtain a sufficient ink ejection speed in all the nozzles. On the other hand, in the ink jet head driven by the waveform 91, an ink ejection speed of 10 m / sec or more was obtained with almost all the nozzles. It is considered that this difference occurs because the diaphragm 5 cannot be sufficiently attracted to the individual electrode 21 due to the large time constant, but in any case, the resistance component connected in series to the capacitor Ca is used. Was found to greatly affect the inkjet head drive characteristics.

【0067】従って、本実施例で得られたインクジェッ
トヘッドの場合、シリコン基板の抵抗率が20Ω・cm
程度以下であれば、十分なインク吐出性能が得られる
が、30Ω・cm程度のものでは、十分な吐出性能が得
られず、抵抗率は20Ω・cm以下に抑える必要があ
り、また、20Ω・cmより小さいほうがインク吐出特
性は高周波側へ伸びるため好ましい。
Therefore, in the case of the ink jet head obtained in this example, the resistivity of the silicon substrate was 20 Ω · cm.
If it is not more than about 10 Ω · cm, sufficient ink discharging performance can be obtained, but if it is about 30 Ω · cm, sufficient discharging performance cannot be obtained, and it is necessary to suppress the resistivity to 20 Ω · cm or less. It is preferable that the diameter is smaller than cm because the ink ejection characteristics are extended to the high frequency side.

【0068】次に、更に詳細に本発明の特に高解像度の
インクジェットヘッドの製造方法について以下の実施例
に基づいて詳細に説明する。
Next, the manufacturing method of the particularly high resolution ink jet head of the present invention will be described in more detail based on the following examples.

【0069】図15は本発明の他の実施様態におけるイ
ンクジェットヘッドの断面図である。インクジェットヘ
ッドは本発明において、図8で示される実施様態のイン
クジェットヘッドと基本的に同一の構造であるが、異な
る点は、ノズル4aや圧力室6aが形成される第1の基
板1bに、結晶面が(110)面である単結晶Si基板
を用いて隣接圧力室間の距離を最小にし、更に1Ω・c
mの抵抗率のSi基板を第1の基板1bとして用い、高
密度インクジェットヘッドとしているところである。
FIG. 15 is a sectional view of an ink jet head according to another embodiment of the present invention. In the present invention, the inkjet head has basically the same structure as the inkjet head of the embodiment shown in FIG. 8, except that the first substrate 1b on which the nozzles 4a and the pressure chambers 6a are formed has a crystal structure. The distance between adjacent pressure chambers is minimized by using a single crystal Si substrate whose plane is the (110) plane.
A high-density inkjet head is being formed by using a Si substrate having a resistivity of m as the first substrate 1b.

【0070】(110)Si基板では、基板表面に対
し、(111)面が垂直に交わっており、圧力室6aの
形状を図15に示すように、基板表面に対し垂直な壁で
囲まれた構造とすることで隣接する圧力室間の距離が最
小の構造、すなわち、最も高密度な構造とすることがで
きる。
In the (110) Si substrate, the (111) plane intersects the substrate surface perpendicularly, and the shape of the pressure chamber 6a is surrounded by a wall perpendicular to the substrate surface as shown in FIG. By adopting the structure, the structure in which the distance between the adjacent pressure chambers is minimum, that is, the structure with the highest density can be obtained.

【0071】本実施例では、圧力室及びノズルのピッチ
間隔を70ミクロン、すなわち、360dpi(ドット
・パー・インチ)とし、圧力室6aの幅は50ミクロン
とした。本実施様態のインクジェットヘッドの構造にお
いては、圧力室6aの幅と振動板5aの幅は同一であ
る。幅50ミクロンの薄板の振動特性より、振動板5a
の最適厚みは1ミクロンである。1ミクロンの薄板の形
成方法はいくつか考えられるが、本実施例では、Si基
板の薄板が形成される面に、1ミクロンの深さでホウ素
の濃度が1×1020個/cm3 となるようドープする方
法をとった。Siをアルカリでエッチングする際、上記
のようなホウ素濃度が高い箇所では、エッチングレート
が非常に遅くなるために、1ミクロンの厚みのホウ素ド
ープ層のみが残留する構造が得られる。
In this embodiment, the pitch between the pressure chamber and the nozzle is 70 microns, that is, 360 dpi (dots per inch), and the width of the pressure chamber 6a is 50 microns. In the structure of the inkjet head according to the present embodiment, the width of the pressure chamber 6a and the width of the diaphragm 5a are the same. From the vibration characteristics of a thin plate with a width of 50 microns, the vibration plate 5a
The optimum thickness is 1 micron. There are several possible methods for forming a 1 micron thin plate, but in this embodiment, the surface of the Si substrate on which the thin plate is formed has a boron concentration of 1 × 10 20 pieces / cm 3 at a depth of 1 micron. I adopted the method of doping. When etching Si with an alkali, the etching rate becomes very slow at the above-mentioned high boron concentration, so that a structure in which only the 1-micron-thick boron-doped layer remains can be obtained.

【0072】ノズル4aは同じくアルカリによる異方性
エッチングにより形成する。
The nozzle 4a is also formed by anisotropic etching with alkali.

【0073】共通電極17は、図8で示される実施様態
のインクジェットヘッドと同様に形成し、また、第2の
基板及び第3の基板も図8で示される実施様態のインク
ジェットヘッドと同様に形成し、同様の工程により、イ
ンクジェットヘッドを形成した。
The common electrode 17 is formed similarly to the ink jet head of the embodiment shown in FIG. 8, and the second substrate and the third substrate are formed similarly to the ink jet head of the embodiment shown in FIG. Then, an inkjet head was formed by the same process.

【0074】図11の回路及び図12に示したプリンタ
を用いて、駆動電圧40Vで駆動実験したところ、イン
ク滴吐出速度及びインク滴体積の周波数特性は、それぞ
れ、9kHzまで10±0.4m/秒及び0.1±0.
01×10-6ml/dotの範囲にあり、高周波数まで
フラットな特性が得られ、高速・高密度なインクジェッ
トヘッドが得られた。
When a driving test was conducted at a driving voltage of 40 V using the circuit of FIG. 11 and the printer shown in FIG. 12, the frequency characteristics of the ink droplet ejection speed and the ink droplet volume were 10 ± 0.4 m / 9 up to 9 kHz, respectively. Seconds and 0.1 ± 0.
In the range of 01 × 10 −6 ml / dot, flat characteristics up to high frequencies were obtained, and a high-speed, high-density inkjet head was obtained.

【0075】ところで、このような高解像度のインクジ
ェットを設計する場合、特に半導体基板の抵抗値が問題
となる。
When designing such a high resolution ink jet, the resistance value of the semiconductor substrate becomes a problem.

【0076】例えば、図8で示されるSi基板の(10
0)面を用いた実施様態のインクジェットヘッドの製造
方法を前提に、40dpi程度の低解像度のインクジェ
ットヘッドを設計した場合と、図15で示されるSi基
板の(110)面を用いた実施様態のインクジェットヘ
ッドの製造方法を前提に、180dpi程度の中解像度
のインクジェットヘッドを設計した場合を例に挙げる
と、180dpi程度のインクジェットヘッドでは、エ
ッチングでインク流路を形成後、Si基板に残された吐
出室6の周壁、振動板等の断面積は1吐出室当り、40
dpi程度のインクジェットヘッドの断面積の約10分
の1となり、これに伴い共通電極17−振動板間5の抵
抗Rsiは実質約10倍となる。一方、個別電極21の
面積は1/2となるので、振動板5と個別電極21から
構成されるコンデンサCaの容量も1/2となる。故
に、同じ抵抗率のSi基板を第1の基板1として用いた
場合、180dpi程度の中解像度のインクジェットヘ
ッドの時定数Rsi・Caは、40dpi程度の低解像
度のインクジェットヘッドの時定数の5倍となる。
For example, (10 of the Si substrate shown in FIG.
0) surface of the embodiment of the manufacturing method of the inkjet head is premised, a low-resolution inkjet head of about 40dpi is designed, and the embodiment using the (110) surface of the Si substrate shown in FIG. Taking the case of designing an inkjet head having a medium resolution of about 180 dpi as an example on the assumption of an inkjet head manufacturing method, an inkjet head of about 180 dpi has an ink flow path formed by etching, and then discharges remaining on the Si substrate. The cross-sectional area of the peripheral wall of the chamber 6 and the vibration plate is 40
This is about 1/10 of the cross-sectional area of the inkjet head of about dpi, and accordingly, the resistance Rsi between the common electrode 17 and the diaphragm 5 is substantially about 10 times. On the other hand, since the area of the individual electrode 21 is ½, the capacity of the capacitor Ca including the diaphragm 5 and the individual electrode 21 is also ½. Therefore, when the Si substrate having the same resistivity is used as the first substrate 1, the time constant Rsi · Ca of the medium resolution inkjet head of about 180 dpi is 5 times the time constant of the low resolution inkjet head of about 40 dpi. Become.

【0077】このため、解像度によって、第1の基板1
の抵抗率を適切に選定する必要がある。
Therefore, depending on the resolution, the first substrate 1
It is necessary to properly select the resistivity of.

【0078】次に、更に詳細に本発明のインクジェット
ヘッドの他の製造方法について以下の実施例に基づいて
詳細に説明する。
Next, another method of manufacturing the ink jet head of the present invention will be described in more detail based on the following examples.

【0079】本実施様態のインクジェットヘッドでは、
第1の基板としてp型Si基板を用い、該Si基板上の
共通電極が形成される部分は高濃度のホウ素がドープさ
れていることを特徴とする。
In the ink jet head of this embodiment,
A p-type Si substrate is used as the first substrate, and the portion of the Si substrate where the common electrode is formed is doped with high concentration boron.

【0080】前述したように、本発明のインクジェット
ヘッドの駆動方式では、振動板5と振動板5と対向配置
される個別電極21との間で静電気により振動板5を変
形させるためインクジェットヘッドの高速化において
は、振動板5への電荷の供給の高速化が必須である。す
なわち、駆動回路102と、振動板5の支持基板であ
り、かつ電荷の通路でもあるSi基板とは、できるだけ
接触抵抗が小さく、かつダイオード特性を持たないよう
な接続がされなければならない。図8で示される実施様
態のインクジェットヘッドのように、Si基板とオーム
接触となるような共通電極材料の使用は、上記の要求を
満たすものであるが、インクジェットヘッドにさらなる
高速化を求める場合、Si基板の駆動回路102との接
点部を不純物ドープにより、低抵抗化することが考えら
れる。
As described above, in the ink jet head driving method of the present invention, since the vibration plate 5 is deformed by static electricity between the vibration plate 5 and the individual electrode 21 arranged facing the vibration plate 5, the high speed of the ink jet head. In this case, it is essential to speed up the supply of electric charges to the diaphragm 5. That is, the drive circuit 102 and the Si substrate, which is a support substrate of the diaphragm 5 and is also a path for electric charges, must be connected so that the contact resistance is as small as possible and the diode characteristics are not present. The use of the common electrode material that makes ohmic contact with the Si substrate, such as the inkjet head of the embodiment shown in FIG. 8, satisfies the above requirements, but when the inkjet head is required to achieve higher speed, It is considered that the contact portion of the Si substrate with the drive circuit 102 is doped with impurities to reduce the resistance.

【0081】本実施例では、図15で示される実施様態
のインクジェットヘッドの第1の基板であるSi基板の
共通電極7aが形成される面に、ホウ素のイオン打ち込
みを行った。イオン打ち込みの条件は以下のとおりであ
る。
In this embodiment, boron ions are implanted on the surface of the Si substrate, which is the first substrate of the ink jet head of the embodiment shown in FIG. 15, on which the common electrode 7a is formed. The conditions for ion implantation are as follows.

【0082】イオン加速電圧を120keV、ドープ量
を5×1016個/cm2 とし、打ち込み後のアニール処
理は、摂氏1000度で1時間行い、Si基板表面での
ホウ素の体積濃度は5×1019個/cm3 となった。つ
いで、共通電極形成以降の工程は図15で示される実施
様態のインクジェットヘッドの場合と同様に行い、イン
クジェットヘッドを製造した。
The ion acceleration voltage was 120 keV, the doping amount was 5 × 10 16 ions / cm 2 , and the post-implantation annealing treatment was performed at 1000 ° C. for 1 hour, and the volume concentration of boron on the surface of the Si substrate was 5 × 10 5. It became 19 pieces / cm 3 . Then, the steps after the formation of the common electrode were performed in the same manner as in the case of the inkjet head of the embodiment shown in FIG. 15, to manufacture an inkjet head.

【0083】図11の回路及び図12に示したプリンタ
を用いて、駆動電圧40Vで、本実施例で得られたイン
クジェットヘッドの実印字試験を行ったところ、インク
滴吐出速度及びインク滴体積の周波数特性は、それぞ
れ、12kHzまで10±0.4m/秒及び0.1±
0.01×10-6ml/dotの範囲にあり、高周波数
までフラットな特性が得られ、高速・高密度なインクジ
ェットヘッドが得られた。
When the actual print test of the ink jet head obtained in this example was conducted at a driving voltage of 40 V using the circuit of FIG. 11 and the printer shown in FIG. 12, the ink drop ejection speed and the ink drop volume were confirmed. The frequency characteristics are 10 ± 0.4 m / sec and 0.1 ± up to 12 kHz, respectively.
In the range of 0.01 × 10 −6 ml / dot, flat characteristics were obtained up to high frequencies, and a high-speed and high-density inkjet head was obtained.

【0084】本実施例では、Si基板のホウ素ドープ部
分のホウ素の体積濃度は5×1019個/cm3 であった
が、原理上、ドープ部のホウ素体積濃度は、1019以上
であれば非常に抵抗値が小さくなり、同様の効果が得ら
れる。また、第1の基板としてn型Si基板を用いる場
合は、V族元素の不純物を同様にドープすれば同様の効
果が得られる。
In this example, the volume concentration of boron in the boron-doped portion of the Si substrate was 5 × 10 19 pieces / cm 3 , but in principle, the volume concentration of boron in the doped portion is 10 19 or more. The resistance value becomes very small, and the same effect can be obtained. When an n-type Si substrate is used as the first substrate, similar effects can be obtained by similarly doping the impurities of the V group element.

【0085】更に、本発明のインクジェットヘッドの共
通電極の他の様態について、以下の実施例に基づいて説
明する。
Further, another mode of the common electrode of the ink jet head of the present invention will be described based on the following examples.

【0086】図16に本発明における他の実施例のイン
クジェットヘッドの平面図を示す。
FIG. 16 shows a plan view of an ink jet head of another embodiment according to the present invention.

【0087】前述した2層のCr−Auの金属皮膜から
なる共通電極17は、共通インク室8後方に設けられお
り、シリコン基板1との接触面積を極力広げ接続抵抗を
下げる目的と振動板5から共通電極17の間にあるシリ
コンの距離を極力短くする為に、また、更に各ノズル4
から吐出されるインク液滴の速度、インク吐出量を均一
なものとする為に、吐出室6の並ぶ方向に幅広く、かつ
各振動板5から共通電極17の距離が等しくなるように
設けられている。
The common electrode 17 made of the two-layered Cr-Au metal film is provided at the rear of the common ink chamber 8 and has the purpose of expanding the contact area with the silicon substrate 1 as much as possible and reducing the connection resistance. To minimize the distance of silicon between the common electrode 17 and the
In order to make the speed of the ink droplets ejected from and the ink ejection amount uniform, they are provided so as to be wide in the direction in which the ejection chambers 6 are arranged and the distances between the respective vibration plates 5 and the common electrode 17 are equal. There is.

【0088】本実施様態によれば、共通電極17から各
振動板5までの距離が等しいので、駆動時の各振動板5
−共通電極間の抵抗値を均一にできるため、抵抗値の不
均一によって生じる各ノズル4のインク吐出特性が不均
一となることを防止できる。
According to this embodiment, since the distance from the common electrode 17 to each diaphragm 5 is equal, each diaphragm 5 at the time of driving.
Since the resistance value between the common electrodes can be made uniform, it is possible to prevent the ink ejection characteristics of the nozzles 4 from becoming non-uniform due to the non-uniform resistance value.

【0089】次に、本発明のインクジェットヘッドの共
通電極の他の様態について、以下の実施例に基づいて説
明する。
Next, another mode of the common electrode of the ink jet head of the present invention will be described based on the following examples.

【0090】図17に本発明における他の実施例のイン
クジェットヘッドの断面図を示す。
FIG. 17 shows a sectional view of an ink jet head of another embodiment of the present invention.

【0091】共通電極17は振動板5上面まで、前述し
た2層のCr−Auの金属皮膜が形成されている。共通
電極17はインクと接するが、インク全体が等電位にな
るようにすれば、共通電極17が電解腐食することはな
い。本実施様態によれば、共通電極17と第1の基板1
との接触面積をより大きく形成でき、第1の基板1内の
電荷の移動距離を最小にできるため、全体としての電気
抵抗値を下げることが可能である。特にインクジェット
ヘッドを小型化することが要求され、十分に共通電極を
とれない場合に効果的である。
The common electrode 17 is formed with the above-mentioned two-layered Cr-Au metal coating film up to the upper surface of the diaphragm 5. The common electrode 17 is in contact with the ink, but the common electrode 17 will not be galvanically corroded if the entire ink is set to an equipotential. According to the present embodiment, the common electrode 17 and the first substrate 1
Since it is possible to form a larger contact area with and to minimize the movement distance of charges in the first substrate 1, it is possible to reduce the electric resistance value as a whole. In particular, it is effective when the inkjet head is required to be downsized and the common electrode cannot be sufficiently obtained.

【0092】以上、第1の基板1の半導体として、各実
施例では、シリコンを主として説明したが、第1の基板
の材料として、シリコン以外の半導体でも良く、ゲルマ
ニウム(Ge)、砒化ガリウム(GaAs)、インジウ
ムスズ(InSn)を用いても、同様の作用、効果が得
られる。特にGeを用いた場合には、不純物濃度の制御
が容易であり、均一な抵抗値を有する基板を作成でき
る。
Although silicon has been mainly described as the semiconductor of the first substrate 1 in each of the embodiments, semiconductors other than silicon may be used as the material of the first substrate, such as germanium (Ge) and gallium arsenide (GaAs). ) And indium tin (InSn), the same action and effect can be obtained. Particularly when Ge is used, the impurity concentration can be easily controlled and a substrate having a uniform resistance value can be produced.

【0093】[0093]

【発明の効果】以上のように、本発明のインクジェット
ヘッドは、インクジェット記録装置の記録手段に適し、
特に低い電源電圧で効率良く駆動でき、かつ高印字速
度、高印字品質を期待される小型プリンタの記録手段と
して最適である。
As described above, the ink jet head of the present invention is suitable for the recording means of the ink jet recording apparatus,
It is particularly suitable as a recording means for a small printer that can be efficiently driven with a low power supply voltage and is expected to have high printing speed and high printing quality.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例におけるインクジェットヘッ
ドの分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に図示されたインクジェットヘッド全体の
断面側面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional side view of the entire inkjet head shown in FIG.

【図3】図2のA−A線矢視図である。FIG. 3 is a view taken along the line AA of FIG.

【図4】前記実施例における共通電極部分の部分断面詳
細図である。
FIG. 4 is a detailed partial cross-sectional view of a common electrode portion in the embodiment.

【図5】前記実施例における他の様態の共通電極部分の
部分断面詳細図である。
FIG. 5 is a detailed partial cross-sectional view of a common electrode portion according to another aspect of the embodiment.

【図6】共通電極と半導体基板間の接触を考慮したイン
クジェットヘッド駆動時の等価回路図である。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram when an inkjet head is driven in consideration of contact between a common electrode and a semiconductor substrate.

【図7】インク吐出速度Vmと駆動ノズルnの関係を示
す特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a relationship between an ink ejection speed Vm and a drive nozzle n.

【図8】本発明の他の実施例によるインクジェットヘッ
ドの断面側面図である。
FIG. 8 is a sectional side view of an inkjet head according to another embodiment of the present invention.

【図9】図8におけるインクジェットヘッドの基板の製
造工程図である。
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of the substrate of the inkjet head in FIG.

【図10】図8におけるインクジェットヘッドの基板の
製造工程図である。
FIG. 10 is a manufacturing process diagram of the substrate of the inkjet head in FIG.

【図11】前記実施例の制御駆動回路の構成を示した図
である。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a control drive circuit of the embodiment.

【図12】前記実施例のインクジェットヘッドを搭載し
たプリンタの概要図である。
FIG. 12 is a schematic diagram of a printer equipped with the inkjet head of the embodiment.

【図13】前記実施例のインクジェットヘッドの特性試
験に於ける駆動回路の等価回路図である。
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a drive circuit in a characteristic test of the inkjet head of the embodiment.

【図14】前記駆動回路の駆動波形をオシロスコープで
観測した特性図である。
FIG. 14 is a characteristic diagram in which a drive waveform of the drive circuit is observed with an oscilloscope.

【図15】本発明の他の実施例によるインクジェットヘ
ッドの側面断面図である。
FIG. 15 is a side sectional view of an inkjet head according to another embodiment of the present invention.

【図16】本発明の他の実施例のインクジェットヘッド
の平面図である。
FIG. 16 is a plan view of an inkjet head according to another embodiment of the present invention.

【図17】本発明の他の実施例のインクジェットヘッド
の側面断面図である。
FIG. 17 is a side sectional view of an inkjet head according to another embodiment of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 四谷 真一 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 (72)発明者 藤井 正寛 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 (72)発明者 小林 直樹 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 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/045 B41J 2/055 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Shinichi Yotsuya 3-3-5 Yamato, Suwa-shi, Nagano Seiko Epson Co., Ltd. (72) Inventor Masahiro Fujii 3-3.5 Yamato, Suwa-shi, Nagano Sei Co-Epson Corporation (72) Inventor Naoki Kobayashi 3-3-5 Yamato, Suwa City, Nagano Seiko Epson Corporation (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】少なくとも、ノズルに連通する吐出室の一
部と、該吐出室の一部に設けられた振動板とを一体に形
成した半導体基板と、前記振動板に空隙をもって対向す
る電極を形成した基板とを積層し、前記半導体基板と前
記電極間に電気パルスを印加し、発生する静電気力によ
って前記振動板を変形させ、インクを吐出するインクジ
ェットヘッドにおいて、 前記半導体基板の抵抗率が、20Ω・cm以下であるこ
とを特徴とするインクジェットヘッド。
1. A semiconductor substrate integrally formed with at least a part of a discharge chamber communicating with a nozzle and a diaphragm provided in a part of the discharge chamber, and an electrode facing the diaphragm with a gap. In the inkjet head that stacks the formed substrate, applies an electric pulse between the semiconductor substrate and the electrode, deforms the diaphragm by the generated electrostatic force, and ejects ink, the resistivity of the semiconductor substrate is: An inkjet head having a resistance of 20 Ω · cm or less.
【請求項2】 前記半導体基板の前記電極と対向する位
置以外の一部もしくは全部の面に、第1層がCrまたは
Tiからなり、第2層がAuまたはRhまたはPtから
なる金属皮膜が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。
2. A metal film formed of Cr or Ti for the first layer and Au, Rh, or Pt for the second layer is formed on a part or all of the surface of the semiconductor substrate other than the position facing the electrode. The inkjet head according to claim 1, wherein the inkjet head is provided.
【請求項3】前記半導体基板の前記電極と対向する位置
以外の一部もしくは全部の面にAlまたはSnまたはI
nからなる金属皮膜を形成した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. Al, Sn, or I on a part or all of the surface of the semiconductor substrate other than the position facing the electrode.
The inkjet head according to claim 1, wherein a metal film made of n is formed.
【請求項4】前記半導体基板は、p型半導体であり、該
半導体基板表面の少なくとも前記金属皮膜が形成される
箇所には、III族元素がドープされていることを特徴と
する請求項2又は請求項3記載のインクジェットヘッ
ド。
4. The semiconductor substrate is a p-type semiconductor, and at least a portion of the surface of the semiconductor substrate where the metal film is formed is doped with a group III element. The inkjet head according to claim 3.
【請求項5】前記半導体基板表面の、少なくとも前記金
属皮膜が形成される箇所のIII族元素体積濃度が、10
19個/cm3以上であることを特徴とする請求項4記載
のインクジェットヘッド。
5. A group III element volume concentration of at least a portion of the surface of the semiconductor substrate where the metal film is formed is 10.
The inkjet head according to claim 4, wherein the number is 19 / cm 3 or more.
【請求項6】前記半導体基板は、n型半導体であり、該
半導体基板表面の少なくとも前記金属皮膜が形成される
箇所には、V族元素がドープされていることを特徴とす
る請求項2又は請求項3記載のインクジェットヘッド。
6. The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is an n-type semiconductor, and a group V element is doped at least on the surface of the semiconductor substrate where the metal film is formed. The inkjet head according to claim 3.
【請求項7】前記半導体基板表面の、少なくとも前記金
属皮膜が形成される箇所のV族元素体積濃度が、1019
個/cm3以上であることを特徴とする請求項6記載の
インクジェットヘッド。
7. A group V element volume concentration of at least a portion of the surface of the semiconductor substrate where the metal film is formed is 10 19
7. The inkjet head according to claim 6, wherein the number is not less than 1 / cm 3 .
【請求項8】前記半導体基板には、複数の前記振動板が
形成され、前記金属皮膜は、前記各振動板から前記金属
皮膜までの各距離が等しくなる位置に形成されているこ
とを特徴とする請求項2乃至請求項7の何れかに記載の
インクジェットヘッド。
8. The semiconductor substrate is formed with a plurality of the vibrating plates, and the metal film is formed at a position where respective distances from the respective vibrating plates to the metal film are equal to each other. The inkjet head according to any one of claims 2 to 7.
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