JPH03240547A

JPH03240547A - 液体噴射ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03240547A
Application number: JP3875290A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Hasegawa; 和正長谷川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1991-10-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はインクジェットプリンタ等に用いられる液体噴
射ヘッド及びその製造方法に関する。

［従来の技術］従来のインクジェットプリンタにおける液体噴射ヘッド
は、小林正人他（画像電子学会誌１２巻４号ｐｐ、２７
７〜２８４．１１８３）等に示されるごとく、基板と該
基板に対向して設ける可動板により形成されていた。ま
た特公昭６０−８９５３に示されるごとく、自由端を有
する枠の曲げ振動を利用した液体噴射ヘッドも存在する
。

示される、自由端を有する棹の曲げ振動を利用した液体
噴射ヘッドも、櫛状に製作した枠を取り付ける構造であ
るため、枠の製作やノズルとの位置合わせ等の問題があ
り、このためノズルの高密度化やマルチノズル化が困難
であった。また、いずれの液体噴射ヘッドにおいても組
立が煩雑であるため、該液体噴射ヘッドは高価なものと
なっていた。

本発明は以」１０脚題を解決するもので、その目的とす
るところは、ノズルの高密度化やマルチノズル化が容易
であり、更に安価に形成できる液体噴射ヘッドを実現す
ることにある。

［発明が解決しようとする課題］従来の、基板と可動板によりなる液体噴射ヘッドにおい
ては、該可動板に圧電素子を貼り付けていたため、該圧
電素子を微細化するのが困難であり、このため液体噴射
を行うノズルの高密度化や、ノズルをライン状に長尺に
形成するマルチノズル化が困難であった。また特公昭６
Ｃ１−８９５３に［課題を解決するための手段］以上述べた課題を解決するため、本発明の液体噴射ヘッ
ドは、（１）ｐ型単結晶珪素層を貫通するノズル、該ノズルと
接続し、その側壁が単結晶珪素である圧力室、該圧力室
」二に張った梁、該梁上に形成した圧′Ｋｉ素子を具備
して成ること３（２）前記圧力室上に張る梁が、ｐ型単結晶珪素により
形成されることを特徴とする。

また、本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、（３）単
結晶珪素基板上の一表面にｐ型の導電型を有する珪素層
をエピタキシャル成長させる工程、少なくとも前記ｐ型
の導電型を有する珪素層にノズルを形成する工程、前記
ｐ型の導電型を有する珪素層と反対側の単結晶珪素基板
表面をエツチングし圧力室を形成する工程、前記圧力室
上に梁を張る工程、及び前記梁上に圧電素子を形成する
工程を有すること（４）前記ノズルを形成する工程後に、ｐ型の導電型を
有する珪素層と反対側の単結晶珪素基板表面にｐ型の導
電型を有する珪素層をエピタキシャル成長させる工程、
該ｐ型珪索層及び単結晶珪素基板をエツチングし圧力室
及び該圧力室上の梁を形成する工程を有すること（５）単結晶珪素基板の二表面にｐ型の導電型を有する
珪素層をエピタキシャル成長させる工程、　− 一方のｐ型の導電型を有する珪素層にノズルを形成する
工程、他方のｐ型珪索層及び単結晶珪素基板をエツチン
グし圧力室及び該圧力室上の梁を形成する工程、及び前
記梁」二に圧電素子を形成する工程を有することを特徴とする。

［実施例］第１図（ａ）乃至（ｄ）に、本発明の実施例における片
持ち梁を用いた液体噴射ヘッドの製造工程順の断面図、
同図（ｅ）にその平面図を示す。

以下、この液体噴射ヘッド及びその製造方法を製造工程
に従って説明する。同図（ａ）はノズル形成工程終了時
の断面図であり、１０１は単結晶珪素基板、１０２は単
結晶珪素基板１０１上にエピタキシャル成長させたｐ型
単結晶珪素層、１０３はノズルである。単結晶珪素基板
１０１上にｐ型単結晶珪素層１０２を５〜５０μｍ程度
エピタキシャル成長させ、更にこれを貫通するノズル１
０３をＲＩＥＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　　Ｉｏｎ　　Ｂｅ
ａｍ　　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法で形成すると、かくのごと
き断面図となる。同図（ｂ）は圧力室形成工程終了時の
断面図であり、１０４は単結晶珪素基板１０１をエツチ
ングして形成される圧力室である。ｐ型理素層１０２表
面をフォトレジストで全面覆い、その反対側の表面から
エツチングを行う。

このエツチングは湿式法で、エチレンジアミン、ピロカ
テコール、水の混合液を用いれば良い。このエツチング
液を用いると、ｐ型理素層１０２のエツチングレートは
単結晶珪素基板１０１のそれに比べ格段に小さいため、
ｐ型理素層１０２やノズル１０３はほとんどエツチング
されずに残り、かくのごとき断面図となる。同図（Ｃ）
は片持ち梁形成工程終了時の断面図であり、１０５は圧
力室１０４上に張った片持ち梁である。この片持ち梁１
０５は、薄板ガラス、金属板、５ｒＴｉ０３等の材料を
熱圧着等の方法で貼り付け、形成してかくのごとき構造
となる。同図（ｄ）は圧電素子形成工程終了時の断面図
であり、１０６は下電極、１０７は圧電膜、１０８は上
電極である。１０６乃至１０８により、圧電素子が形成
される。電極１０６及′ｏｅ１０８にはＰｔ、Ｎｉ、Ａ
１等の金属材料、圧電膜１０７にはＰＺＴＳ　ＰｂＴｉ
Ｏ３、ＺｎＯ等の圧電材料を用いれば良い。片持ち梁１
０５にＳｒＴｉＯ３を用いる場合は、下電極１０６　Ｇ
、：　Ｐ　ｔ、圧電膜１０７にペロブスカイト構造を持
っＰＺＴやＰ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ３をそれぞれスパッタ法
で形成すれば、エピタキシャル成長する事が可能であり
、構造強度や圧電性の優れた圧電膜１０７を形成する事
ができる。

以上のごとく形成した液体噴射ヘッドの動作の一例を示
すと、以下のごとくなる。圧電素子を取り巻く空間及び
圧力室１０４及びノズル１０３には液体が満たされてい
るものとする。圧電素子の上下電極１０８．１０６間に
電圧を印加すると、圧電素子及び片持ち梁１０５が歪む
。すると圧力室１０４中の液体に圧力が印加され、液体
はノズル１０３より外側へ噴射される。次に圧電素子の
上下電極１０８．１０６間の電圧印加をやめると、圧電
素子の歪は元に戻り、圧力室１０４中の液体− は減圧され、圧電素子を取り巻く空間から液体が補充さ
れる。

この液体噴射ヘッドの平面図の一例を同図（ｅ）に示す
。ノズル１０３及び圧力室１０４をフォトリソグラフィ
ー技術を用いて連続形成し、また片持ち梁形成後の工程
も同様に連続形成できるため、１０１乃至１０８で構成
される要素は、精度良くかつ微細に形成できる。このた
め、液体噴射を行うノズルの高密度化や、ノズルをライ
ン状に長尺に形成するマルチノズル化が容易となった。

第２図（ａ）乃至（Ｃ）に、本発明の実施例における、
圧力室上に張る片持ち梁がｐ型単結晶珪素により形成さ
れる液体噴射ヘッドの製造工程順の断面図を示す。第１
図と同一の記号は第１図と同一のものを表す。以下、製
造工程の一例に従って本液体噴射ヘッド及びその製造方
法を説明する。

同図（ａ）は、ノズルと反対側の単結晶珪素基板表面に
ｐ型単結晶珪素層形成工程終了時の断面図である。前述
の方法により第１図（ａ）に示すごとくノズル１０３を
形成した後、反対側の単結晶一珪素板表面にｐ型の導電型を有する珪素層２０１をエピ
タキシャル成長させ、第２図（ａ）のごとき断面図とな
る。同図（ｂ）は圧力室及び圧力室上の片持ち梁を形成
する工程終了時の断面図である。この加工方法の一例を
示すと、まずノズル１０３側の表面をフォトレジスト等
で覆っておき、奥山雅則ら（材料別冊第３８巻第４２５
号ｐｐ。

８９〜９９）に示されるごとく、前記のエチレンジアミ
ン、ピロカテコール、水の混合液により選択エツチング
し、圧力室１０４及び片持ち梁を形成すれば良い。同図
（ｃ）は圧電素子形成工程終了時の断面図である。これ
はｐ型単結晶珪素層２０１で形成される片持ち梁を圧電
素子の下電極に用いている例である。このうえに圧電膜
１０７、上電極１０８を形成すればかくのごとき断面図
となる。もちろん、片持ち梁補強用や相互拡散防止用等
の目的で、ｐ型珪素層２０１と圧電膜１０７間に金属膜
をはさむ構造にしても良い。

この液体噴射ヘッドは、その全製造工程を完全に薄膜形
成技術とフォトリソグラフィー技術を用いて連続形成で
きるため、第１図に示す実施例に比べ、更に精度良くか
つ微細に形成できる。このため、液体噴射を行うノズル
の高密度化や、ノズルをライン状に長尺に形成するマル
チノズル化が容易となり、１．０ｄａｔ／ｍｍの解像度
で５ｃｍの長さを持つライン液体噴射ヘッドが形成でき
た。

また、本発明の構成をとることにより１００ｄ。

ｔ　／　ｍ　ｍ程度までの高解像度化も可能である。更
に、この液体噴射ヘッドは、前述のごとくその全製造工
程を完全に薄膜形成技術とフォトリソグラフィー技術を
用いて連続形成できるため、その組立に要する工程が大
いに軽減され、このため安価なものとなる。

また、この実施例の液体噴射ヘッドの製造方法において
は、最初に単結晶珪素基板の二表面（両面）にｐ型の導
電型を有する珪素層１０２及び２０１をエピタキシャル
成長させておく事も可能である。その後、ノズルを形成
し第２図（ａ）に示すごとき断面図とし、以下の工程は
前述のごとく同図（ｂ）、（Ｃ）に示すごとく進めれば
良い。

かくのごとき製造方法とする事により、ｐ型理素層２０
１をエピタキシャル成長させる時における珪素分子のノ
ズル１０３への回り込みを防ぐ事ができる。

第３図に、本発明の実施例における、圧力室上に両端支
持梁を張った液体噴射ヘッドの断面図を示す。同図にお
いて、第１図、第２図と同一の記号はそれぞれ第１図、
第２図と同一のものを表す。

本実施例のごとき構造の液体噴射ヘッドは、前述の製造
方法いずれを用いても容易に形成できる。

両端支持梁の構造は自由端を有する片持ち梁に比べて強
固であり、またその固有振動数も大きいため圧力室１０
４中の液体に印加される圧力が大きい。よって本実施例
の液体噴射ヘッドは構造的に強固であり、またその液体
噴射特性も良い。圧力室−Ｌに張る梁は以上の実施例に
限定される事なく、例えば周辺を固定した梁等を用いて
液体噴射ヘッドを形成しても良い。

以上述べてきた液体噴射ヘッドは、平面方向のパターン
精度のみならず、垂直方向の寸法精度も１良い。特に、液体噴射特性を大きく支配する圧力室１０
４の深さ、ｐ型理素層２０１や圧電膜１０７の厚み等を
、薄膜形成技術やフォトリソグラフィー技術により容易
に制御できる。このため、本発明の液体噴射ヘッドは液
体噴射特性が良く、マルチノズル化してもその均一性が
良い。

なお、本発明の液体噴射ヘッド及びその製造方法は以上
述べた実施例のみならず、本発明の主旨を逸脱しない範
囲において広く適用が可能である。

また、この液体噴射ヘッドは、インクジェットプリンタ
のみならず、他の印字、印刷装置（例えばコピー機等）
や、塗装装置、捺染装置等に広く適用される。

［発明の効果］以上述べたごとく本発明を用いる事により、薄膜形成技
術及びフォトリソグラフィー技術を用いてノズル、圧力
室、梁、圧電素子が連続形成できるため、平面的なパタ
ーンの微細化や、液体噴射特性を支配する厚み方向の寸
法制御が可能となり、２ノズルの高密度化やマルチノズル化が容易で、液体噴射
特性の良い液体噴射ヘッドが実現される。

また同時に、煩雑な組立工程が不要となるため、安価な
液体噴射ヘッドが実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施例における片
持ち梁を用いた液体噴射ヘッドの製造工程順の断面図、
同図（ｅ）はその平面図。第２図（ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の実施例における、
圧力室上に張る片持ち梁がｐ型単結晶珪素により形成さ
れる液体噴射ヘッドの製造工程順の断面図。第３図は、本発明の実施例における、圧力室上に両端支
持梁を張った液体噴射ヘッドの断面図。１０１・・・単結晶珪素基板１０２・・・ｐ型理素層１０３・・・ノズル１０４・・・圧力室１０５・・・片持ち梁１０６・−・下電極１０７・・・圧電膜１０８・・・上電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ｐ型単結晶珪素層を貫通するノズル、該ノズルと
接続し、その側壁が単結晶珪素である圧力室、該圧力室
上に張った梁、該梁上に形成した圧電素子を具備して成
ることを特徴とする、液体噴射ヘッド。
（２）前記圧力室上に張る梁が、ｐ型単結晶珪素により
形成されることを特徴とする、請求項１記載の液体噴射
ヘッド。
（３）単結晶珪素基板上の一表面にｐ型の導電型を有す
る珪素層をエピタキシャル成長させる工程、少なくとも
前記ｐ型の導電型を有する珪素層にノズルを形成する工
程、前記ｐ型の導電型を有する珪素層と反対側の単結晶
珪素基板表面をエッチングし圧力室を形成する工程、前
記圧力室上に梁を張る工程、及び前記梁上に圧電素子を
形成する工程を有することを特徴とする、液体噴射ヘッ
ドの製造方法。
（４）前記ノズルを形成する工程後に、ｐ型の導電型を
有する珪素層と反対側の単結晶珪素基板表面にｐ型の導
電型を有する珪素層をエピタキシャル成長させる工程、
該ｐ型珪素層及び単結晶珪素基板をエッチングし圧力室
及び該圧力室上の梁を形成する工程を有することを特徴
とする、請求項３記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
（５）単結晶珪素基板の二表面にｐ型の導電型を有する
珪素層をエピタキシャル成長させる工程、一方のｐ型の
導電型を有する珪素層にノズルを形成する工程、他方の
ｐ型珪素層及び単結晶珪素基板をエッチングし圧力室及
び該圧力室上の梁を形成する工程、及び前記梁上に圧電
素子を形成する工程を有することを特徴とする、液体噴
射ヘッドの製造方法。