JP3657284B2 - Inkjet recording head and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリコン単結晶基板を使用したインクジェット式記録ヘッド、及びこれの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ノズル開口が形成されたノズルプレートと振動板をスペーサを挟んで接着して圧力室を形成し、振動板を圧電振動子により変形させる形式のインクジェット式記録ヘッドは、インク滴を飛翔させるための駆動源として熱エネルギを使用しないから、熱によるインクの変質がなく、しかも高密度印字が可能なため、簡易的なカラー印刷に最適な記録ヘッドである。
一方、インクジェット式記録ヘッドを用いてより品質の高いカラー印刷を行おうとすると、一層高い解像度が要求されるため、圧電振動子や、スペーサ部材の隔壁等のサイズが必然的に小さくなって、部材の加工や、部材の組立に高い精度が要求される。
【0003】
このため、比較的簡単な手法で微細な形状を高い精度で加工できる結晶軸(110)を結晶面とするシリコン単結晶基板の異方性エッチングを用いたパーツ製作技術、いわゆるマイクロマシニング技術を適用してインクジェット式記録ヘッドを構成する部材を加工することが検討され、種々な技術や手法が提案されている(例えば、特開平3-187755号公報、特開平3-187756号公報、特開平3-187757号公報、特開平4-2790号公報、特開平4-129745号公報、特開平5-62964号公報)。
【0004】
これらの技術は、圧電振動子が理想的な機械的エネルギ、つまりインクを飛翔させるに足る程度に圧力板を変形できることを前提としていたり、またシリコン単結晶基板のエッチングによる加工特性を積極的に利用するに当たっての手法を開示しているだけで、高い高解像度でドットを安定して印刷できる記録ヘッドを大量生産するための製造プロセスの簡素化や、安定した品質が実現できる製造技術を提案するには至ってない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところはシリコン単結晶基板のエッチングプロセスの簡素化と、組み立ての容易さを実現することができる新規なインクジェット式記録ヘッドを提供することである。
本発明の他の目的は上記インクジェット式記録ヘッドの製造方法を提案することである。
【0006】
【課題を解消するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、結晶方位(110)を有するシリコン単結晶基板の異方性エッチングにより圧力発生室、インク供給口、及びリザーバを形成した流路形成部材と、前記圧力発生室に一致したピッチでノズル開口が穿設されたノズルプレートとを接合するとともに、圧電振動子により前記圧力発生室の容積を膨張収縮させる振動板とを備え、前記圧力発生室が、前記シリコン単結晶基板の表面に対して垂直な結晶方位(111)の面と、ノズルプレート側に拡開する結晶方位(111)の斜面とで区画されていて、前記斜面に覆われる領域に前記ノズルプレートのノズル開口が存在するようにした。
【0007】
【作用】
圧力発生室の断面形状が台形状になることを積極的に利用して斜面の領域にノズル開口を配置することにより、ノズル開口列間の距離を小さくし、記録ヘッド全体の傾きによるドット形成位置の狂いをなくして印字品質の向上を図る。
【0008】
【実施例】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施例を示す組み立て斜視図であり、また図2は構造を簡素化するためにノズル開口列を2列とした場合の断面図であって、図中符号1はノズルプレートで、所定のピッチ、例えば180DPIとなるようにノズル開口2、2、2‥‥、3、3、3‥‥を穿設したノズル開口列4、5‥‥が対向するように形成されている。
【0009】
6は、後述する振動板8と一体に製造されたスペーサで、構造を簡素化して示すためにノズル開口列を2列の場合に例を採って説明すると、図3に示したようにノズル開口列2、3に対応するように圧力発生室12、13、リザーバ14、15、及びこれらを接続するインク供給口17、18を形成する通孔22、22、22‥‥、23、23、23‥‥、通孔24、25、及び通孔27、27、27‥‥、28、28、28‥‥が形成されている。
【0010】
8は前述の振動板で、スペーサ6と一体に構成されており、ノズルプレート1と対向して圧力発生室12、13、リザーバ14、15、インク供給口17、18を形成するもので、図4に示したように圧電振動子ユニット31、31、31‥‥の圧電振動子33、33、33の先端に当接してこれの変位を圧力発生室12、13の広い面積に伝達するように剛性を備えたアイランド部35、35と、その周縁領域の薄肉部37、37とで構成されている。
【0011】
33、33、33‥‥は、圧電振動子で、圧電振動材料40、セグメント電極42、42、及び共通電極44、44とを交互にサンドイッチ状に積層して構成され、ノズル開口2、3の配列ピッチに一致させて固定板46に固定されてユニット31、31、31に纏められている。これら振動子ユニット31は、ヘッドの基台50の圧電振動子収容穴52、52に収容されて、固定板46を介して基台50に固着されている。セグメント電極42、42、42‥‥は、フレキシブルケーブル54、54により回路基板56に接続され、外部装置から印刷データに対応して信号を受けるようになっている。
【0012】
振動子ユニット31、31、31は、圧電振動子33、33、33‥‥の自由端側が露出するようにユニット収容穴43、43、43‥‥に収容されて、表面に振動板8とスペーサ6とが一体となった部材とノズルプレート1を位置決めして静電シールドを兼ねる枠体58により基台50に固定して記録ヘッド本体としてまとめ上げている。なお、図中符号60は、プリンタのキャリッジに固定するための固定基板を、また61は、図示しないインクタンクに連通してリザーバ14、15にインクを供給するインク供給口を示す。
【0013】
これによりスペーサ6の通孔22、22、22‥‥、23、23、23‥‥は、その開口部がノズルプレート1と振動板8により封鎖されて圧力発生室12、12、12‥‥、13、13、13‥‥を、通孔24、25はリザーバ14、15を、さらに通孔27、27、27‥‥、2828、28‥‥は、インク供給口17、17、17‥‥、18、18、18‥‥を構成することになる。そして圧力発生室12、13は、圧電振動子33、33の伸縮をアイランド部35、35、35で受ける振動板10の変形により収縮され、ここに存在するインクを圧縮して、ノズル開口2、3からインク滴として吐出することになる。
【0014】
図5は、前述したスペーサ4の一実施例を圧力発生室を構成する通孔12、13の近傍を拡大して示すものであって、スペーサとして必要な厚み、例えば220μmを備えた結晶方位(110)を表面に持つシリコン単結晶基板を一方の面から異方性エッチングを行って製造されているため、ノズル開口に対向する面がシリコン単結晶基板の表面に対して開放側に拡開する結晶方位(111)の斜面6b、6bとして形成され、また他の面6dはシリコン単結晶基板の表面に垂直な結晶方位(111)の面として形成されている。
【0015】
このように圧力発生室の断面形状が台形状になることを積極的に利用すると、図7に示したようにノズルプレート1の対向するノズル開口列4、5のノズル開口2、3を斜面6b、6bに覆われる位置に配置することにより、ノズル開口列間の距離ΔLを可及的に小さく配置することが可能となる。このように対向するノズル開口列4、5の間隔ΔLが小さくなるほど、記録ヘッド全体の傾きによるドット形成位置の狂いが小さくなるため、印字品質の向上を図ることができる。
【0016】
そして、振動板8は、圧電振動子33に当接する領域以外に、ノズル開口2、3の近傍で基台50に支持される領域にも厚肉部35aを形成するとともに、これの端部35b、35bが、ノズル開口列を区分しているスペーサの開口側の端部6c、6cよりも圧力発生室12、13に突出するように構成することにより、振動板8の薄肉部37、37が不用意にスペーサ6aの端部6c、6cに接触して応力が集中するのを防止することができる。
【0017】
次に、上述した圧力発生室、インク供給口、及びリザーバとなる通孔を備えたスペーサ6と、アイランド部及び薄肉部を備えた振動板8とを一体に構成するための製造方法について説明する。
図8において符号100は、結晶方位(110)を表面に有し、圧力発生室の厚みを確保するに必要な厚み、例えば220μmのシリコン単結晶基板で、少なくとも異方性エッチングを行う側の面全体には、水蒸気を含む酸素雰囲気下で、1000℃で4時間程度加熱する、いわゆる熱酸化法などにより二酸化珪素膜(SiO2)102が、後述するエッチング工程における保護膜として機能する程度の厚み、例えば1μmで形成されている(図8(a))。振動板が形成される面とは反対の面にフォトレジスト膜を形成するとともに、これに圧力発生室等の流路に対応したパターンを露光、現像してレジスト層104を形成する(図8(b))。
【0018】
この基板を酸化シリコンエッチング液、例えば緩衝フッ酸溶液によりエッチング処理してレジスト層104以外の領域の二酸化珪素膜102を除去する。これにより基板100の一方の面には流路を規定する領域のパターンに一致した二酸化珪素膜106が残り、異方性エッチング用、例えば幅100μmの窓108が形成される(図8(c))。なお、二酸化珪素膜106の形成後は、フォトレジスト層104が不要となるからこれを除去しておく。
【0019】
異方性エッチング用の窓108が形成されている面と反対の面には、ニッケル、クロム等の異方性エッチング液に耐久性を持つ金属材料を蒸着や、スパッタリング、イオンプレーテンク等の膜形成手段によりインクジェット式記録ヘッドの振動板の薄肉部として機能できる程度の厚み、例えば2μmの金属層110を形成する。密着強度、及び耐インク性の観点から先ずクロムの層を形成し、ついでニッケルの層を形成するのが望ましい。この金属層110は、エッチング時には異方性エッチングに対する保護膜として機能し、また記録ヘッドとして組み立てられたときには振動板8の薄肉部37として機能する(図8(d))。
【0020】
金属層110の表面全体に前述したのと同様のフォレジスト層112を形成して(図8(e))、アイランド部35やその他肉厚が必要な領域に対応する、例えば幅30μmの窓114を区画するレジスト層116を設ける(図9(a))。金属層110を一方のマイナス極としてニッケル等のメッキを、アイランド部として必要な厚み、例えば20μmに成長するまで実行、いわゆる電鋳を行うと、アイランド部35となる厚肉部118が形成されることになる(図9(b))。アイランド部形成後、フォトレジスト膜116は不要となるから除去しておく。
【0021】
ついで、基板全体を濃度25wt%程度で温度80℃に維持されたKOHの水溶液に浸漬する。これにより二酸化珪素膜106で形成された窓108から異方性エッチングが開始される。いうまでもなく金属層110は、KOHの水溶液に対しては耐久性を有しているので、窓108が形成されている一方の面からだけエッチングが進行する(図9(c))。
このようにしてエッチングが金属層110まで進行した時点で、シリコン単結晶基板をエッチング液から引き上げ、二酸化珪素膜106を緩衝フッ酸溶液により除去すると、圧力発生室等のノズルプレートと振動板との間に形成すべき空間に対応する例えば幅100μm、深さ220μmの通孔120、120と、これら通孔120、120との間に例えば41μm厚の壁を備えたスペーサと振動板との一体物が完成する(図9(d))。
【0022】
このようにして製作されたスペーサと振動板との一体物の開口側、つまりスペーサの表面に接着剤を塗布してノズルプレート1を接合することにより、流路構成部材が完成する。この発明においては、スペーサと振動板とは接着剤を用いることなく一体に構成されていて、ただノズルプレートとの接合に接着剤を使用するだけであるから、圧力発生室やインク供給口への接着剤の流れ込みを可及的に少なくすることができて、信頼性の向上と組み立て工程の簡素化を図ることができる。
【0023】
ところで、異方性エッチングにより製造されたスペーサだけを単独で見ると、ノズル開口側でシリコン単結晶基板100の本体と一体に接続されているものの、リザーバ14、24、25側が切り離された、例えば厚さ41μm、長さ2mmの細長い、いわゆる片持梁状の多数のシリコン片19、19‥‥として形成されることになるが(図3、図6)、振動板の一部として機能する金属層110と一体となってエッチングが行われているため、ノズルプレート1を接合する際に片持ち梁状のシリコン片19、19が曲がる等の変形に起因する位置ずれを起こすことなく、エッチングパターン通りの正確な位置でもってノズルプレート1に接合されることになる。
また、剛性を有するシリコン単結晶基板上に直接、薄肉部と厚肉部を持つ振動板を形成するため、振動板を単独で形成する場合に比較して破れや、反り等を激減せることができて、極めて品質の高い振動板を形成することができる。
【0024】
なお、上述の実施例においてはアイランド部となる厚肉部118を形成してからシリコン単結晶基板100を異方性エッチングするようにしているが、前述の図8(a)乃至(e)、図9(a)の工程が終了した段階で(図10(a))、異方性エッチングを実行して圧力発生室等を区画する通孔122を形成し、それから厚肉部を形成することもできる。
【0025】
すなわち、異方性エッチングにより金属層110が露出した段階で(図10(b))、これの表面に前述したのと同様にアイランド部やその他肉厚が必要な領域に対応する窓126を区画するレジスト層128を設ける(図10(c))。金属層110を一方のマイナス極としてニッケル等のメッキを、アイランド部として必要な厚みに成長するまで実行してアイランド部となる厚肉部130を形成すればよい(図10(d))。
【0026】
図11は本発明の第2の製造方法を示すものであって、図において符号100は、結晶方位(110)有し、圧力発生室の厚みを確保するに必要な厚み、例えば220μmのシリコン単結晶基板で、少なくとも異方性エッチングを行う側の面全体には、水蒸気を含む酸素雰囲気下で、1000℃で4時間程度加熱する、いわゆる熱酸化法などにより二酸化珪素膜132が、後述するエッチング工程における保護膜として機能する程度の厚み、例えば1μmで形成されている(図11(a))。
【0027】
ドープを行わない側の二酸化珪素膜132上に保護膜を形成して緩衝フッ酸溶液によりエッチングを実行し、その後保護膜を除去する(図11(b))。このエッチングにより露出した結晶面に酸化ボロンと有機バインダからなるボロンドープ剤136を所定の厚さコーテングする。コーテングが終了した段階で、600℃の酸素雰囲気中で1時間程度焼成して有機バインダを酸化して除去する。ついで温度1100℃の窒素等の不活性ガス雰囲気中で4時間程度焼成してボロンをシリコン単結晶基板100に拡散させる。(図11(c))。
【0028】
これにより振動板として機能できる程度の厚みまでボロンが拡散する(図11(d))。ついでボロン拡散による後始末、つまり二酸化珪素膜の表面に再びレジストコート層を形成して除去剤で表面に残っている酸化ボロン層140を除去し、また不要となったレジストコート層を除去すると、一方の面にボロン拡散層138とホウ化シリコン層139が、また他方に二酸化珪素膜132を有する基板ができあがる(図11(e))。
【0029】
この基板を温度600℃の水蒸気を含む酸素雰囲気中で1時間程度焼成してホウ化シリコン層139を酸化してボロン拡散層138の表面に二酸化珪素と酸化ボロンの膜142を形成する(図12(a))。次に二酸化珪素膜132の表面に前述したのと同様に流路を形成する通孔をエッチングするための窓144を区画するフォトレジスト層146を形成する(図12(b))。そして二酸化珪素エッチング液によりエッチングを実行すると、流路となる通孔を形成するための窓148を区画する二酸化珪素膜150のパターンが形成され、また同時に他面のボロン拡散層138の表面の二酸化珪素と酸化ボロンの膜142が除去される(図12(c))。そして不要となったレジストコート膜146を除去する。ボロン拡散層138の表面に電極となるニッケルやクロム等の金属層152を蒸着やスパッタリング、イオンプレーテイング等の膜形成手段により厚さ100nmで形成する(図12(d))。
【0030】
この金属層152の表面にアイランド部等厚肉部を形成するためのパターンを備えたフォトレジスト層154を形成する(図13(a))。金属層152をマイナス極としてニッケル等のメッキを、アイランド部として必要な厚みに成長するまで実行すると、アイランド部となる厚肉部156が形成されることになる(図13(b))。
【0031】
ついで、全体を濃度25wt%程度で温度80℃に維持されたKOHの水溶液に浸漬する。これにより二酸化珪素膜150で区画された窓158からシリコン単結晶基板100が異方性エッチングを受ける。ボロンが拡散された層は、KOHの水溶液に対しては耐久性を有しているので、窓158が形成されている一方の面からだけエッチングが進行する(図13(c))。
【0032】
このようにしてエッチングがボロン拡散層138の境界領域まで進行した時点で、エッチング液から引き上げ、二酸化珪素膜150を緩衝フッ酸溶液により除去すると、ボロン拡散層138と金属層152により構成された薄肉部、及び電鋳により形成された厚肉部156を有する振動板と、流路を構成する通孔160が形成されたスペーサとの一体物が完成する(図13(d))。
この実施例によればスペーサと同一の材料で振動板の薄肉部が形成されているため、密着力不足や熱膨張率の差に起因するスペーサと振動板との剥離等がなく、耐久性の高いインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【0033】
なお、上述の実施例においてはボロン拡散層138を実質的に振動板の薄肉部として使用しているが、ボロン拡散層を薄くする場合には、補強のために樹脂層を形成するようにしてもよい。すなわち、前述の工程(図12(c))により所定厚、例えば0.1乃至0.5μm程度のボロン拡散層162の形成が終了した段階で、化学的気相成長法やコーテング法により、厚さ3μm程度の樹脂膜、例えばポリイミド膜164を形成する(図14(a))。
【0034】
この樹脂膜164の表面に金属層166を形成し、また流路となる通孔の窓158を区画する二酸化珪素膜150を形成する(図14(b))。そして金属層166の表面にアイランド部等厚肉部を形成するためのパターンをフォトレジスト層167により形成する(図14(c))。金属層166を一方のマイナス極としてニッケル等のメッキを、アイランド部として必要な厚みに成長するまで実行すると、アイランド部となる厚肉部168が形成される。そして二酸化珪素のパターン150を用いて異方性エッチングを実行し、エッチングがボロン拡散層162まで進行した時点で、エッチング液から引き上げ、二酸化珪素膜150を緩衝フッ酸溶液により除去すると、ボロン拡散層162、樹脂膜164と金属層166により構成された薄肉部と厚肉部168を有する振動板と、流路を構成する通孔160が形成されたスペーサとの一体物が完成する(図14(d))。
【0035】
この実施例によれば、振動板の薄肉部をスペーサと同一の材料に加えて樹脂を複合化しているため、振動板としての柔軟性を向上できる一方、ボロン拡散シリコン層により樹脂が吸液して膨潤するのを防止することができる。
【0036】
なお、上述の実施例では厚肉部を形成するための電極として機能する金属層152、166をも振動板として機能させるようにしているが、必要に応じてこの膜だけをエッチングにより選択的に除去してもよい。これら金属層152、166は厚さ100nmと極めて薄いため、これを除去するためのエッチングを実施してもアイランド部等他の金属部のサイズは実質的に変化することがない。
【0037】
また、上述の実施例においてはアイランド部を形成してからシリコン単結晶基板の異方性エッチングを実行するようにしていたが、異方性エッチングによりシリコン単結晶基板に通孔を形成してからアイランド部を形成するようにしてもよい。また、ボロン拡散シリコン層に代えて、熱酸化による二酸化珪素膜と樹脂との2層の複合振動板、または薄いボロン拡散層や二酸化珪素膜を最終的にエッチング除去した樹脂材だけの振動板とすることも可能である。
【0038】
図15は、本発明の第3の実施例を示すものであって、図において符号100は、結晶方位(110)有し、圧力発生室の厚みを確保するに必要な厚み、例えば220μmのシリコン単結晶基板で、少なくとも異方性エッチングを行う側の面全体には、水蒸気を含む酸素雰囲気下で、1000℃で4時間程度加熱する、いわゆる熱酸化法などによりシリコンの酸化膜(SiO2)170が、後述するシリコンエッチング工程における保護膜として機能する程度の厚み、例えば1μmに形成されている(図15(a))。
【0039】
窒素の化学的気相成長法により窒化を行わない側に二酸化珪素172により異方性エッチングの保護パターンを形成する(図15(b))。
この基板を窒素雰囲気によりプラズマ化学的気相成長法により振動板の薄肉部として機能できる程度の厚みを備えた窒化珪素(Si3N2)の層174を形成する(図15(c))。ついで前述したのと同様の工程により異方性エッチングを実行すると、異方性エッチングは窒化珪素層174で停止するので、流路となる通孔176が形成される(図15(d))。
【0040】
異方性エッチングが終了した段階で、窒化珪素層174の表面に、アイランド部として機能する程度の厚み、例えば20μmの感光性樹脂178を塗布して(図16(a))、アイランド部等厚肉部とすべき領域に一致するパターンを露光する。これにより、露光を受けた領域、つまり厚肉部178となる領域の感光性樹脂が硬化(図16(b))する。これを現像処理することにより未露光領域が除去され、アイランド部180が形成される(図16(c))。なお、必要に応じて硬化処理を行う。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧力発生室の斜面の領域にノズル開口を配置することにより、ノズル開口列間の距離を小さくし、記録ヘッド全体の傾きによるドット形成位置の狂いをなくして印字品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されるインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す組み立て分解図である。
【図2】同上装置における対向するノズル開口列近傍の構造を示す断面図である。
【図3】同上装置におけるスペーサの構造をノズル開口列が2列の場合に例を採って示す上面図である。
【図4】同上装置のおける振動板の構造をノズル開口列が2列の場合に例を採って示す斜視図である。
【図5】圧力室を形成するスペーサの通孔の構造を示す図である。
【図6】ノズルプレートの一部を除去して流路の構成を示す図である。
【図7】ノズル開口列を2列対向させて配置した場合のノズル開口近傍の構造を示す断面図である。
【図8】上述した振動板とスペーサの一体物の製造方法の第1実施例の前半の工程を示す説明図である。
【図9】第1実施例の後半の工程を示す説明図である。
【図10】本発明の製造方法の第1実施例の工程を入れ替えた変形例を示す説明図である。
【図11】上述した振動板とスペーサの一体物の製造方法の第2実施例の前半の工程を示す説明図である。
【図12】第2実施例の中盤の工程を示す説明図である。
【図13】第2実施例の後半の工程を示す説明図である。
【図14】第2実施例の工程を変えた変形例を示す図である。
【図15】第3実施例の前半の工程を示す図である。
【図16】第3実施例の後半の工程を示す図である。
【符号の説明】
1 ノズルプレート
2、3 ノズル開口
4、5 ノズル開口列
6 スペーサ
8 振動板
12、13 圧力発生室
17、18 インク供給口
31 圧電振動子ユニット
33 圧電振動子
50 基台[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an ink jet recording head using a silicon single crystal substrate and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
An ink jet recording head of a type that forms a pressure chamber by adhering a nozzle plate with a nozzle opening and a diaphragm sandwiched by a spacer to deform the diaphragm by a piezoelectric vibrator. Since no thermal energy is used as a source, the ink is not deteriorated by heat and high-density printing is possible. Therefore, the recording head is optimal for simple color printing.
On the other hand, if higher-quality color printing is performed using an ink jet recording head, a higher resolution is required. Therefore, the size of the piezoelectric vibrator, the partition wall of the spacer member is inevitably reduced, and the member High accuracy is required for processing and assembly of members.
[0003]
For this reason, a part manufacturing technique using anisotropic etching of a silicon single crystal substrate with a crystal axis (110) as a crystal plane that can process a fine shape with high accuracy by a relatively simple method, so-called micromachining technique is applied. Then, it has been studied to process the members constituting the ink jet recording head, and various techniques and techniques have been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 3-187755, 3-187756, and 3). JP-A-187757, JP-A 4-2790, JP-A-4-129745, JP-A-5-62964).
[0004]
These technologies are based on the premise that the piezoelectric vibrator can deform the pressure plate to an ideal mechanical energy, that is, enough to fly ink, and actively utilize the processing characteristics of silicon single crystal substrates by etching. In order to propose a manufacturing technology that simplifies the manufacturing process and realizes stable quality for mass production of recording heads that can stably print dots with high resolution and high resolution simply by disclosing the method Is not reached.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such circumstances, and the object of the present invention is a novel ink jet recording capable of realizing the simplification of the etching process of a silicon single crystal substrate and the ease of assembly. Is to provide a head.
Another object of the present invention is to propose a method for manufacturing the ink jet recording head.
[0006]
[Means for solving problems]
In order to solve such a problem, in the present invention, a flow path forming member in which a pressure generation chamber, an ink supply port, and a reservoir are formed by anisotropic etching of a silicon single crystal substrate having a crystal orientation (110) , The pressure generating chamber includes a vibration plate that joins a nozzle plate having nozzle openings formed at a pitch that matches the pressure generating chamber, and expands and contracts the volume of the pressure generating chamber by a piezoelectric vibrator. The region is divided by a plane having a crystal orientation (111) perpendicular to the surface of the silicon single crystal substrate and a slope having a crystal orientation (111) expanding toward the nozzle plate, and is covered with the slope. There was a nozzle opening in the nozzle plate .
[0007]
[Action]
Dot formation position due to the inclination of the whole recording head by reducing the distance between the nozzle opening rows by arranging the nozzle openings in the slope area by actively utilizing the trapezoidal cross section of the pressure generating chamber To improve printing quality.
[0008]
【Example】
Therefore, details of the present invention will be described below based on the illustrated embodiment.
FIG. 1 is an assembled perspective view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view in which two nozzle opening rows are provided in order to simplify the structure. The nozzle plate is formed so that the
[0009]
[0010]
[0011]
33, 33, 33,... Are piezoelectric vibrators, which are configured by alternately laminating
[0012]
The
[0013]
As a result, the through
[0014]
FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of the through
[0015]
If the fact that the cross-sectional shape of the pressure generating chamber becomes trapezoidal in this way is positively utilized, the
[0016]
The
[0017]
Next, a manufacturing method for integrally configuring the
In FIG. 8,
[0018]
The substrate is etched with a silicon oxide etchant, for example, a buffered hydrofluoric acid solution, to remove the
[0019]
On the surface opposite to the surface on which the
[0020]
A
[0021]
Next, the entire substrate is immersed in an aqueous solution of KOH maintained at a temperature of 80 ° C. with a concentration of about 25 wt%. Thereby, anisotropic etching is started from the
When the etching proceeds to the
[0022]
By applying an adhesive to the opening side of the integrated spacer and diaphragm manufactured in this way, that is, on the surface of the spacer and joining the
[0023]
By the way, when only the spacers manufactured by anisotropic etching are viewed alone, the
In addition, since the diaphragm having a thin part and a thick part is formed directly on the rigid silicon single crystal substrate, tearing, warping, etc. can be drastically reduced compared with the case where the diaphragm is formed alone. Thus, a very high quality diaphragm can be formed.
[0024]
In the above-described embodiment, the silicon
[0025]
That is, at the stage where the
[0026]
FIG. 11 shows a second manufacturing method of the present invention. In FIG. 11,
[0027]
A protective film is formed on the non-doped
[0028]
As a result, boron diffuses to such a thickness that it can function as a diaphragm (FIG. 11D). Next, after the completion of boron diffusion, that is, the resist coating layer is again formed on the surface of the silicon dioxide film, the
[0029]
This substrate is baked in an oxygen atmosphere containing water vapor at a temperature of 600 ° C. for about 1 hour to oxidize the
[0030]
A
[0031]
Next, the whole is immersed in an aqueous solution of KOH maintained at a temperature of 80 ° C. with a concentration of about 25 wt%. Thereby, the silicon
[0032]
When the etching proceeds to the boundary region of the
According to this embodiment, since the thin portion of the diaphragm is formed of the same material as the spacer, there is no separation between the spacer and the diaphragm due to insufficient adhesion or a difference in thermal expansion coefficient, and durability is improved. A high ink jet recording head can be realized.
[0033]
In the above-described embodiment, the
[0034]
A
[0035]
According to this embodiment, since the resin is compounded by adding the thin portion of the diaphragm to the same material as the spacer, the flexibility as the diaphragm can be improved, while the resin is absorbed by the boron diffusion silicon layer. It is possible to prevent swelling.
[0036]
In the above-described embodiment, the metal layers 152 and 166 that function as electrodes for forming the thick portion are also made to function as the diaphragm, but only this film is selectively etched by etching as necessary. It may be removed. Since these
[0037]
In the above-described embodiment, the anisotropic etching of the silicon single crystal substrate is performed after the island portion is formed. However, after the through holes are formed in the silicon single crystal substrate by anisotropic etching. An island part may be formed. Also, instead of the boron diffusion silicon layer, a two-layer composite vibration plate of a silicon dioxide film and a resin by thermal oxidation, or a vibration plate only of a resin material from which a thin boron diffusion layer or a silicon dioxide film is finally removed by etching, It is also possible to do.
[0038]
FIG. 15 shows a third embodiment of the present invention. In the figure,
[0039]
A protective pattern for anisotropic etching is formed by
A silicon nitride (Si 3 N 2 )
[0040]
When the anisotropic etching is completed, a
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the nozzle openings are arranged in the slope region of the pressure generating chamber, thereby reducing the distance between the nozzle opening rows and eliminating the deviation of the dot formation position due to the inclination of the entire recording head. Printing quality can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded view showing an embodiment of an ink jet recording head to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure in the vicinity of an opposing nozzle opening row in the apparatus.
FIG. 3 is a top view showing an example of the structure of the spacer in the apparatus according to the embodiment when there are two nozzle opening rows.
FIG. 4 is a perspective view showing an example of the structure of the diaphragm in the above-described apparatus when there are two nozzle opening rows.
FIG. 5 is a view showing a structure of a through hole of a spacer forming a pressure chamber.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a flow path by removing a part of a nozzle plate.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure in the vicinity of a nozzle opening when two nozzle opening rows are arranged facing each other.
FIG. 8 is an explanatory view showing the first half of the first embodiment of the method for manufacturing the above-described integrated diaphragm and spacer.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a latter half of the process of the first embodiment.
FIG. 10 is an explanatory view showing a modification in which the steps of the first embodiment of the manufacturing method of the present invention are replaced.
FIG. 11 is an explanatory view showing the first half of the second embodiment of the method for manufacturing the above-described integral diaphragm and spacer.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a process in the middle of the second embodiment.
FIG. 13 is an explanatory view showing the latter half of the process of the second embodiment.
FIG. 14 is a view showing a modification in which the steps of the second embodiment are changed.
FIG. 15 is a diagram showing the first half of the third embodiment.
FIG. 16 is a diagram illustrating a process in the latter half of the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記圧力発生室が、前記シリコン単結晶基板の表面に対して垂直な結晶方位(111)の面と、ノズルプレート側に拡開する結晶方位(111)の斜面とで区画されていて、前記斜面に覆われる領域に前記ノズルプレートのノズル開口が存在するインクジェット式記録ヘッド。A flow path forming member in which a pressure generating chamber, an ink supply port, and a reservoir are formed by anisotropic etching of a silicon single crystal substrate having a crystal orientation (110), and nozzle openings are formed at a pitch that matches the pressure generating chamber. And a vibrating plate that expands and contracts the volume of the pressure generating chamber by a piezoelectric vibrator,
The pressure generating chamber is partitioned by a plane having a crystal orientation (111) perpendicular to the surface of the silicon single crystal substrate and a slope having a crystal orientation (111) expanding toward the nozzle plate, An ink jet recording head in which a nozzle opening of the nozzle plate is present in a region covered with the ink.
前記斜面にノズル開口が対向するようにノズルプレートを接合する工程と、
とからなるインクジェット式記録ヘッドの製造方法。A silicon single crystal substrate having a crystal orientation (110) is anisotropically etched to have a crystal orientation (111) surface perpendicular to the surface of the silicon single crystal substrate and a crystal orientation ( 111) forming a pressure generating chamber partitioned by the slope of
Bonding the nozzle plate such that the nozzle opening faces the inclined surface;
An ink jet recording head manufacturing method comprising:
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