JP3652022B2

JP3652022B2 - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP3652022B2
Application number: JP19333196A
Authority: JP
Inventors: 順一小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH1034928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット記録方式に用いる記録液小滴を発生するためのインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録方式（液体噴射記録方式）に適用されるインクジェット記録ヘッドは、一般に微細な記録液吐出口（以下、オリフィスと称す）、液流路およびその液流路の一部に設けられる液体吐出エネルギー発生部を複数備えている。そして、このようなインクジェット記録ヘッドで高品位の画像を得るためには、前記オリフィスから吐出される記録液小滴がそれぞれの吐出口より常に同じ体積、吐出速度で吐出されることが望ましい。これを達成する方法として、特開平４−１０９４０号〜特開平４ー１０９４２号公報においては、インク吐出圧力発生素子（電気熱変換素子）に記録情報に対応して駆動信号を印加し、電気熱変換素子にインクの核沸騰を越える急激な温度上昇を与える熱エネルギーを発生させ、インク内に気泡を形成させ、この気泡を外気と連通させてインク液滴を吐出させる方法が開示されている。
【０００３】
このような方法を実現するためのインクジェット記録ヘッドとしては、電気熱変換素子とオリフィスとの距離（以下、「ＯＨ距離」と称す。）が短い方が望ましい。また、前記方法においては、ＯＨ距離がその吐出体積をほぼ決定するため、ＯＨ距離を正確に、また再現よく設定できることが必要である。
【０００４】
従来、インクジェット記録ヘッドの製造方法としては、特開昭５７−２０８２５５号公報および特開昭５７−２０８２５６号公報に記載されている方法、すなわち、インク吐出圧力発生素子が形成された基板上にインク流路およびオリフィス部からなるノズルを感光性樹脂材料を使用してパターン形成して、この上にガラス板などの蓋を接合する方法や、特開昭６１−１５４９４７号公報に記載されている方法、すなわち強アルカリや有機溶剤等の液体に溶解可能な樹脂でインク流路パターンを形成し、このパターンをエポキシ樹脂などで被覆してこの樹脂を硬化し、基板を切断後に前記溶解可能な樹脂パターンを溶出除去する方法等がある。しかし、これらの方法は、いずれも気泡の成長方向と吐出方向とが異なる（ほぼ垂直）タイプのインクジェット記録ヘッドの製造方法である。そして、このタイプのヘッドにおいては、基板を切断することによりインク吐出圧力発生素子とオリフィスとの距離が設定されるため、インク吐出圧力発生素子とオリフィスとの距離の制御においては、切断精度が非常に重要なファクターとなる。しかしながら、切断は公知のＩＣウエハーを切断するダイシングソウー等の機械的手段にて行うことが一般的であり、高い精度の安定した加工を再現性良く実現することは難しい。
【０００５】
気泡の成長方向と吐出方向とがほぼ同じタイプのインクジェット記録ヘッドの製造方法としては、特開昭５８−８６５８号公報に記載されている方法、すなわち、基体とオリフィスプレートとなるドライフィルムとをパターニングされた別のドライフィルムを介して接合し、フォトリソグラフィーによってオリフィスを形成する方法や、特開昭６２−２６４９５７号公報に記載されている方法、すなわち、インク吐出圧力発生素子が形成された基板と電鋳加工により製造されるオリフィスプレートとをパターニングされたドライフィルムを介して接合する方法等がある。しかし、これらの方法では、いずれもオリフィスプレートを薄く（例えば２０μｍ以下）かつ均一に作成することは困難であり、たとえ作成できたとしても、インク吐出圧力発生素子が形成された基板との接合工程はオリフィスプレートの脆弱性によりきわめて困難となる。
【０００６】
図１５に従来の方法により得られたインクジェット記録ヘッドの断面図を模式的に示した。図において１１は基板、１４はインク吐出圧力発生素子、１５はそのインク吐出圧力発生素子にエネルギーを与えるための電極、１７は被覆樹脂層で、この樹脂層と基板とに囲まれてインク流路が形成されており、基板上のインク吐出圧力発生素子に相対する被覆樹脂層の位置にインク吐出口１８が設けられている。
【０００７】
被覆樹脂層（オリフィスプレート）の厚さは前述のように極端に薄くすることはできず、吐出圧力発生素子はかなり薄くできるので、インク流路の高さ（流路を形成する基板とオリフィスプレート内面との距離）ＬＨと、インク吐出口の吐出面（オリフィスプレートの外面）と吐出圧力発生素子の上面との距離（前記ＯＨ）とは、ＯＨ≧ＬＨの関係にある。したがって図１５に示す従来の製造方法で得られるインクジェット記録ヘッドでは、ＯＨ距離を短くすると、インク流路の高さも同時に低くなりインク吐出圧力発生素子へのインク供給が必ずしも十分に行うことができず、特に吐出周波数を早くするとこれが顕著になることから、高い周波数（１０ｋＨｚ以上）の駆動が困難である。このような問題に対し、従来の製造方法では、インク供給口をできるだけインク吐出圧力発生素子に近づける方法すなわち、高さの低いインク流路を短くすることで対応してきたが、精度の限界及び、インク流路としての役割（多数配列されたノズル同士の干渉を避ける）などから自ずと設計に制約があり、根本的な改善には至らなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の諸点に鑑み成されたものであって、インク吐出圧力発生素子とオリフィス間の距離をきわめて高精度で短くかつ再現良く設定可能で、さらにインク流路が十分な容積を確保でき抵抗が小さくインク吐出圧力発生素子にインクを供給でき、吐出周波数を高くして、高速印字が可能なインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
１．インクを加熱することで気泡を生起させるインク吐出圧力発生素子を複数備えるとともに、該複数のインク吐出圧力発生素子に前記インクを供給するためのインク供給口を有する基板と、
該複数のインク吐出圧力発生素子に対応する吐出口をそれぞれ備え、前記インク供給口と連通する複数のインク流路と、
を有し、インク吐出圧力発生素子に発生する熱エネルギーにより、該インク吐出圧力発生素子が設けられたインク流路内に気泡を形成させて、前記インク吐出圧力発生素子に対向する側に配された吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記吐出口が形成された吐出面と前記インク吐出圧力発生素子との距離ＯＨと、前記インク流路の高さＬＨと、の関係が、
ＯＨ≦ＬＨ
になるように、前記複数のインク流路は、それぞれ前記インク吐出圧力発生素子と前記インク供給口との間に、前記基板を掘り込んだインク流路形成部を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド、及び、
２．上記１ . のインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
複数のインク吐出圧力発生素子を備えた基板の各インク吐出圧力発生素子形成部とインク供給口との間に、基板面より掘込んだインク流路形成部を、インク吐出圧力素子形成部毎に形成する工程を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法
である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。
【００１１】
図１から図１３は、本発明の基本的な態様を示すための模式図であり、本発明の方法に係わるインクジェット記録ヘッドの構成とその製法の手順の一例が示されている。
【００１２】
まず、本発明の方法には、ガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等からなる基板が用いられる。このような基板の材質は、本発明の本質ではなく、流路構成部材の一部として機能し、インク吐出発生素子および、後述するインク流路、インク吐出口を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、特に限定されるものではない。以下基板にＳｉ基板（ウエハー）を用いた場合で説明する。
【００１３】
（１）基板１の両面に例えばプラズマＣＶＤ装置により、後述する加工に必要な耐エッチングマスク２としてＳｉＮ（またはＳｉＯ₂ 等）を図１のように成膜形成する。
【００１４】
（２）ＳｉＮ膜が形成された基板１の片面側を、インク供給口３を形成する位置に合わせ、フォトリソグラフィー技術によりＳｉＮ膜を図２のようにパターン形成する。
【００１５】
（３）図２のように形成されたＳｉＮ膜のパターンをエッチングマスクとしてＳｉを湿式エッチングを行う。エッチング方法は、公知の方法で基板１として用いるウエハーの結晶方位を利用して、いわゆる異方性エッチングを行うのが好ましい。ウエハー面に＜１００＞、厚さ方向に＜１１１＞の結晶方位を持つ場合、アルカリ系（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジン等）の異方性エッチングにより、約５４．７°の角度でエッチングが進行して図３に示すインク供給口３が形成される。
【００１６】
（４）インク供給口が形成された面と反対面側のＳｉＮ膜をインク吐出圧力発生素子４’を形成するパターンに対応して、（２）と同様の方法で、図４のように吐出圧力発生素子形成部４をパターン形成する。
【００１７】
（５）（３）と同様の異方性エッチングにより、図５のように所望の深さにエッチングする。本発明は、ここがポントで、設計値がＯＨ≦ＬＨとなるような深さにエッチング加工する。
【００１８】
（６）エッチングマスクとして用いたＳｉＮ膜を除去する（図６）。但しエッチングマスク用のＳｉＮ膜は必ずしも除去する必要はなく、形成されたままでもなんら問題はない。
【００１９】
上記手順において、基板の両面の加工工程の順番は特に限定されるものではなく、任意に選ぶことができる。
【００２０】
図７は、（１）〜（６）の処理で得られた基板１の模式的斜視図である。
【００２１】
（７）（５）の異方性エッチングで凸状に形成されたインク吐出圧力発生素子形成部４に合わせて、電気熱変換素子あるいは圧電素子等のインク吐出圧力発生素子４’と、これらの素子を動作させるための制御信号入力用電極５とを図８のように配置形成する。このような、インク吐出圧力発生素子４’によって記録液小滴を吐出させるための吐出エネルギーがインク液に与えられ、記録が行われる。例えば、上記インク吐出圧力発生素子４’として電気熱変換素子が用いられる時には、この素子が近傍の記録インク液を加熱することにより、記録インク液に状態変化を生起させ吐出エネルギーを発生する。また、例えば、圧電素子が用いられる時は、この素子の機械的振動によって、吐出エネルギーが発生する。なお、特に図示していないが、一般に吐出圧力発生素子及び電極の一部には耐久性の向上を目的として、保護膜層等の各種機能層が設けることができる。
【００２２】
（８）（７）で得られたインク吐出圧力発生素子４’電極５等を含む基板１上に、強アルカリや有機溶剤等の液体に溶解可能な樹脂でインク流路パターン６を図９のように形成する。最も一般的な手段としては感光性材料で形成する手段が挙げられるが、スクリーン印刷法等の手段でも形成は可能である。感光性材料を使用する場合は、インク流路パターンが溶解可能であるため、ポジ型レジストか、あるいは溶解性変化型のネガ型レジストの使用が可能である。
【００２３】
レジスト層の形成方法としては、基板１上にインク供給口３を設けてある場合には、この感光性材料を適当の溶剤に溶解し、ＰＥＴなどのフィルム上に塗布、乾燥していわゆるドライフィルムを作成し、ラミネートによって形成することができる。ドライフィルムとしては、ポリメチルイソプロピルケトン、ポリビニルケトン等のビニルケトン系光崩壊性高分子化合物を用いると効果的である。なお、インク供給口３を本工程より後の工程で形成するような場合には、スピンコート法、ロールコート法等で形成可能である。
【００２４】
（９）（８）でインク流路パターンを形成した溶解可能な樹脂材料層６上に、さらに被覆樹脂層７を図１０に示すようにスピンコート法、ロールコート法等で形成する。ここで、この被覆樹脂層７を形成する工程において必要とされるのは、溶解可能な樹脂材料層６のパターンを変形させない等の材料特性である。すなわち、被覆樹脂層７を溶剤に溶解し、これをスピンコート、ロールコート等で形成する場合、インク流路形成用の溶解可能な前記樹脂材料を溶解しないような溶剤を選択する必要がある。被覆樹脂層７として、さらに感光特性を有するものであれば、図１１に示すようなフォトマスク１００を用いてインク吐出圧力発生素子４’に対応してインク吐出口８と電極５の外部接続部９をフォトリソグラフィーで容易にかつ精度良く形成することが可能である（図１２）。上記形成が行われた後、被覆樹脂層７の特性に応じて、光硬化、熱硬化等の硬化を行う。被覆樹脂層７の材料としては、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物が構造材料として優れた強度、密着性、耐インク性を有しており、好適である。
【００２５】
（１０）溶解可能な樹脂材料層６を溶剤等により溶解除去し、インクジェット記録ヘッドとしての機能が完成する（図１３）。
【００２６】
なお本発明の方法においてはＯＨ≦ＬＨとなるような構造を取ることが必要条件であることからインク吐出圧力発生素子が形成される面側の形状は、インク流路形成部１０のみを掘込んだ図１４に示す形状をとることも可能である。
【００２７】
以上述べたように本発明によれば、インク吐出圧力発生素子とオリフィス間距離をきわめて高い精度で短くかつ再現良く設定可能で、高品位記録で、高速印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。
【００２８】
【実施例】
以下、上記手順（１）〜（１０）に従った本発明の方法の実施例を述べる。基板として〈１００〉面のＳｉ基板を使用した。
【００２９】
（１）まずウエハー両面にプラズマＣＶＤ装置により耐エッチングマスク２としてＳｉＮを約１μｍ成膜した。
【００３０】
（２）ＳｉＮ膜を形成した基板の片面に、インク供給口を形成する位置に合わせて公知のフォトリソグラフィー技術により図２のようなパターン形成を行った。
【００３１】
（３）ウエハーの結晶方位を利用してＴＭＡＨの異方性エッチングにより約５４．７°の角度でエッチングを進行させ、インク供給口３を形成した。
【００３２】
（４）インク供給口を形成した面と反対側の面に、インク吐出圧力発生素子４’を形成するパターンに対応して、フォトリソグラフィー技術によりＳｉＮ膜を図４のようにパターン形成した。
【００３３】
（５）（３）と同様の異方性エッチングにより深さ２０μｍにエッチングした。
【００３４】
（６）エッチングマスクとして用いたＳｉＮ膜をＣＦ₄，Ｏ₂プラズマエッチングを用いて除去した。
【００３５】
（７）インク吐出圧力発生素子４’として、厚さ１５００Åの電気熱変換素子（材盾ＨｆＢ₂）と、これに連結した制御信号入力用電極５を図８のように配置した。
【００３６】
（８）電気熱変換素子が配置された面に、ポジ型ドライフィルムから成る厚さ３０μｍの感光層をラミネーションによって形成し、電気熱変換素子を設けた基板上の液体流路形成予定部分に公知の方法で厚さ２０μｍのレリーフの樹脂材料層６を形成した。
【００３７】
（９）次にエポキシ樹脂を主成分とする硬化性材料をアプリケーターを用いて４０μｍの厚さに塗布し、硬化させて図１０に示す被覆樹脂層７を形成した。ついで図１１に示すフォトマスクを用いて、インク吐出口８と電極の外部接続部９をフォトリソグラフィーにより図１２のように形成した。さらに、基板の両面から３０００ｍＪ／ｃｍ² の量の紫外線を照射してポジ型ドライフィルムの樹脂材料層６を可溶化した。
【００３８】
（１０）上記基板を５％荷性ソーダ水溶液中に浸積し、超音波洗浄槽中で約１０分間樹脂材料層の溶解除去操作を行い、その後純水で５分間洗浄し乾燥した。
【００３９】
このようにして得られたインクジェット記録ヘッドのＯＨおよびＬＨはそれぞれ２０μｍおよび５０μｍで、ＯＨ≧ＬＨを満足し、吐出周波数を２０ｋＨｚで駆動しても印字のカスレ、インクの不吐出がない高品位な印字が得られた。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によってもたらされる効果としては、インク流路の容積を十分確保し流路抵抗を小さく保持しながらインク吐出圧力発生素子とオリフィス間の距離を小さくできるので、微小なインク液滴を高い周波数の駆動においても吐出特性の安定、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドが容易な方法で製造できること、また本発明の製造方法で得られるインクジェット記録ヘッドを用いた記録装置は高速、高精細で極めて高品位な印字が可能であることが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用する、両面に耐エッチングマスクを形成した基板の模式的断面図である。
【図２】図１に示す基板の耐エッチングマスクにインク供給口のパターンを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図３】図２に示す基板に、異方性エッチングを行った、状態を示す模式断面図である。
【図４】図３に示す基板のインク吐出圧力発生素子を形成する面側に耐エッチングマスクをパターニングした状態を示す模式的断面図である。
【図５】図４に示す基板を異方性エッチングした状態を示す模式的断面図である。
【図６】図５に示す基板両面の耐エッチングマスクを除去した状態を示す模式的断面図である。
【図７】図６の模式的斜視図である。
【図８】図６の基板にインク吐出圧力発生素子と電極を形成した状態を示す模式的断面図である。
【図９】図８の基板に溶解可能な樹脂層でインク流路パターンを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図１０】図９の基板に被覆樹脂層を形成した状態を示す模式的断面図である。
【図１１】図１０の基板の被覆樹脂層にインク吐出口及び電極の外部取り出し部用のパターン露光を行なう状態を示す模式的模式的断面図である。
【図１２】図１１のパター露光された被覆樹脂層を現像した状態を示す模式的模式的断面図である。
【図１３】図１２の基板の溶解可能な樹脂層を溶出除去し、インク流路パターンを形成した状態を示す模式的断面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態である基板を示す模式的斜視図である。
【図１５】従来のインクジェット記録ヘッドの態様を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１、１１基板
２耐エッチングマスク
３インク供給口
４インク吐出圧力発生素子形成部
４'、１４インク吐出圧力発生素子
５、１５制御信号入力用電極
６溶解可能な樹脂で形成されたインク流路パターン（溶解可能な樹脂材料層）
７、１７被覆樹脂層
８、１８インク吐出口
９電極の外部接続部
１０インク流路形成部
１００フォトマスク

Claims

インクを加熱することで気泡を生起させるインク吐出圧力発生素子を複数備えるとともに、該複数のインク吐出圧力発生素子に前記インクを供給するためのインク供給口を有する基板と、
該複数のインク吐出圧力発生素子に対応する吐出口をそれぞれ備え、前記インク供給口と連通する複数のインク流路と、
を有し、インク吐出圧力発生素子に発生する熱エネルギーにより、該インク吐出圧力発生素子が設けられたインク流路内に気泡を形成させて、前記インク吐出圧力発生素子に対向する側に配された吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記吐出口が形成された吐出面と前記インク吐出圧力発生素子との距離ＯＨと、前記インク流路の高さＬＨと、の関係が、
ＯＨ≦ＬＨ
になるように、前記複数のインク流路は、それぞれ前記インク吐出圧力発生素子と前記インク供給口との間に、前記基板を掘り込んだインク流路形成部を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記インク吐出圧力発生素子に発生する熱エネルギーにより前記インク流路内に形成される気泡を外気と連通させてインクを吐出する請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
複数のインク吐出圧力発生素子を備えた基板の各インク吐出圧力発生素子形成部とインク供給口との間に、基板面より掘込んだインク流路形成部を、インク吐出圧力素子形成部毎に形成する工程を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。