JPH04193546A - インクジェットプリンタヘッド及びその製造方法 - Google Patents

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、インク室の容積を変化させて、ノズルよりイ
ンクを吐出するインクジェットプリンタヘッドの構造及
びその製造方法に関するものである。

〈従来の技術〉 インクジェットプリンタは、低騒音で普通紙に記録でき
て、カラー化も容易である事などから、最近注目されて
いる。インクジェット記録方式には大別してコンティニ
アス方式とオンデマンド方式があり、インク回収が不要
で、装置の小型化と低価格化に適したオンデマンド方式
が主流になりつつある。このオンデマンド方式には、主
としてサーマル式と圧電式があり、両者はインクの吐出
方法で異なっている。サーマル式は発熱によるインクの
沸騰を利用し、圧電式は圧電素子の振動によるインク室
の体積変化を利用している。圧電式はサーマル式に比べ
て、インクの物性に関する制約が少なく、印加電圧によ
りインク滴の大きさを制御することができるという利点
を備えている。

しかしながら、周波数応答性が低い、圧電素子の配列ピ
ッチを狭くできないという欠点も宵している。

ところで、これらのインク吐出に用いられるインクジェ
ットノズルの加工精度はインクジェットプリンタの印字
品質に直接影響する重要な要因であり、特にノズルを複
数個形成するマルチノズルの場合には、各ノズルの大き
さにより文字の印字ドツト径が変化するため、各ノズル
の大きさのバラツキにより、均一な印字かできなくなる
という問題か発生する。

ノズル精度を向上させるために、シリコンの異方性エツ
チング技術を用いて、シリコン基板に溝加工をする方法
が特開昭５４−１４６６３３及び特開昭５５−９４６６
０に開示されている。これらの公開特許公報に開示され
ているインクジエ。

トプリンタヘッドを第７図に示す。同図（ａ）は上面図
、同図（ｂ）はＡ−Ａ’　における断面図である。図に
示すとおり、従来のインクシェフ）プリンタヘッドは、
ノズル部７１、インク室７２、圧力室７３の溝を形成し
た第１のシリコン基板７０と、溝加工を施さない第２の
シリコン基板７４とで構成されており、第１のシリコン
基板に圧電体７５が挿入された構造になっている。この
従来のインクジェットプリンタヘッドは、以下のように
して作製される。まず、（１００）の面を有する第１の
シリコン基板７０にエツチングマスクによりノズルパタ
ーンを形成した後、ノズル溝を異方性エツチングにより
形成することにより、ノズル溝か（１１１）の面により
両側面が形成される深さ３０〜１００μｍの７字溝にな
るように作製される。同時に圧電体用貫通孔７６、イン
ク室７２、圧力室７３の溝をエツチングにより形成させ
るが、エツチングはシリコン基板７０に貫通孔が形成さ
れた時点でこれを停止している。この時、圧力室及びイ
ンク室の溝の深さは約１５０〜３００μｍに形成される
。このように、上記方法では、深さの異なる、ノズル溝
と圧力室及びインク室の溝とを形成する際、ノズル溝の
両側面を形成する（１１１）の面のエツチング速度が遅
いことを利用してノズル溝の寸法精度が保たれるように
している。

また、特開昭５８−５１１６２では、ノズル部と圧力室
及びインク室を別々に作製した後、結合する方法が開示
されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記特開昭５４−１４６６３３及び、特
開昭５５−９４６６０では、同一シリコン基板内にノズ
ル溝、インク室及び圧力室用溝を形成しているので、ノ
ズル溝かオーバーエツチングされ、寸法精度か悪くなっ
てしまうという問題か発生していた。即ち、（１００）
面のシリコン基板に異方性エツチングを施すと、理想的
には（１１１）面で囲まれた７字溝の部分は、形成か完
了した時点で自動的にエツチングが停止するはずである
が、実際には（１１１）而も、ごくゆっくりであるかエ
ツチングか進行し、設計値からずれが生じることになる
。印字ドツト径は、ノズルの大きさにより変化するため
、ノズル部の寸法精度が悪くなると、印字濃度が均一に
ならなかったり、マルチノズルの場合は印字むらが発生
する等の問題が発生していた。

また、ノズルの方向は＜１１０＞結晶軸の方向に正確に
一致しているのが好ましいが、実際には完全な一致は不
可能である。第６図はシリコン基板の結晶の方位角とマ
スクパターンとのずれ角度とノズル幅の関係を示した図
であり、横軸は基板の結晶に対する方位角に対するマス
クパターンのずれ角度、縦軸はエツチング後のノズル幅
である。

同図に示すように、方位角とマスクパターンのずれ角度
が大きいほどノズル幅も増大し、寸法精度も悪くなる。

また、特開昭５８−５１１６２のように、ノズル部と他
のインク流路である圧力室及びインク室とを別々に作製
してから結合させると、余分な部品や組み立て工程が必
要となり、生産性が悪くなる。

本発明は、ノズル部の寸法精度が高く、かつノズル部と
インク室及び圧力室とを一体形成させることが可能なイ
ンクジェットプリンタへノドを提供することを目的とす
る。

く課題を解決するための手段〉 前記目的を達成するするために本発明のインクジェット
プリンタヘッドは、シリコン基板に溝加ｆを施すことに
よりインク流路を形成するインクジェットプリンタヘッ
ドにおいて、 ノズル溝を形成した第１のシリコン基板と、上記ノズル
溝より後方に、インク流路用溝を形成する第２の基板か
らなり、上記ノズル溝とインク流路用溝が連続するよう
に第１の基板表面と第２の基板表面を重ね合わせて構成
する。

そして、本発明のインクンエツトプリンタヘッドの製造
方法では、第１のシリコン基板として（ＩＯＱ）結晶面
のシリコン基板を用い、この第１のシリコン基板にＶ字
型のノズル溝を異方性エツチングにより形成させる工程
と、 第２のシリコン基板にインク流路部の溝を形成する工程
と、 たがいに溝を内側に重ね合わせて接合する工程によって
インクジェットプリンタヘッドを製造する。

尚、上記ノズル溝のノズル方向は第１のシリコン基板の
＜１１’０＞結晶方向に一致させるのが好ましい。

〈作用〉 本発明のインクジェットプリンタヘッドでは、ノズル溝
を形成させた第１の基板と圧力室、インク室用溝が形成
された第２の基板とで構成しているため、ノズル溝を高
い寸法精度で形成させることが可能となる。

さらに、本発明の製造方法では、上記第１の基板として
、（１００）結晶面のシリコン基板を使用するため、ノ
ズル部を異方性エツチングで形成すると、７字溝か形成
される。そして、この７字溝の両側面を形成する、（１
１１）結晶面かエツチング停止の役割を果すため寸法精
度の高いノズル溝を形成することができる。

また、ノズル溝を第１の基板に形成させ、ノズル溝より
も深い圧力室およびインク室用溝を形成させた後、互い
に溝を内側に重ね合わせて、第１の基板と第２の基板と
を接合しているため、これらのインク流路を一体形成さ
せることができる。

〈実施例１〉 以下、本発明の実施例を第１図〜第２図に従って詳細に
説明する。

第１図は本発明のインクジェットプリンタヘッドの構造
図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ’
断面図、同図（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、同図（ｄ）はｃ
−ｃ’断面図であり、１は（１００）結晶面を有する第
１のシリコン基板であり、２は第２のシリコン基板、３
は圧電体、４はノズル部、５は圧力室、６はインク室、
ｌＯは熱酸化膜、１３は圧電体用貫通孔である。

第２図（ａ）乃至（ｊ）は、第１のインクジェットプリ
ンタヘッドの製造工程を示す工程図である。

まず、第１図（ｂ）に示したノズル部４を以下の方法で
第１のシリコン基板上に形成した。

第２図（ａ）において、（１００）結晶面の第１のシリ
コン基板１の両面に熱酸化膜７を形成し、その上に７オ
トレジスト８を用いてノズルパターンを形成した。次に
、第２図（ｂ）において、ＨＦ　：　ＮＨ，Ｆ＝１　：
　６のフッ酸緩衝液でエツチングすることにより熱酸化
膜７をノズルパターン状に除去した。この際、ノズル方
向は溝の寸法精度を高くするために、第１のシリコン基
板の＜１００＞方向と一致させておくことが望ましい。

次に、第２図（Ｃ）において、２５ｗｔ％のＫＯＨ水溶
液で異方性エツチングを行うことで第１のシリコン基板
１上にノズル部４の溝を形成した。異方性エツチングは
Ｖ字溝が形成された時点でこれを停止した。ノズル溝の
深さはエツチングマスクパターン幅に応して制御され、
通常２０〜６０μｍの間で選択されるか、本実施例では
マスクパターン幅５５μｍで深さ３９μｍのノズル溝を
形成させた。その後、第２図（ｄ）において、−度フッ
酸で熱酸化膜７を除去した後、再度保護膜として熱酸化
膜７を全面に形成した。

次に、第１図（ｂ）に示した、圧力室５、インク室６、
圧電体用貫通孔１３を以下の方法で第２の基板２上に形
成した。

第２図（ｅ）において、第２のシリコン基板２の両面に
熱酸化膜７を形成し、その上にフォトレジスト８を用い
て圧力室５、インク室６、圧電体用貫通孔１３用のパタ
ーンを形成した。次に、第２図（ｆ）においてＨＦ　：
　ＮＨ，Ｆ＝　ｌ　：　６のフッ酸緩衝液でエツチング
することにより、圧力室５、インク室６、圧電体用貫通
孔１３のパターン状に熱酸化膜７を除去する。次に、第
２図（ｇ）において、２５ｗｔ％のＫＯＨ水溶液で異方
性エツチングを行うことにより第２のシリコン基板上に
圧力室５及びインク室６の溝、圧電体用貫通孔１３を形
成した。尚、エツチングは圧電体用貫通孔か形成された
時点でこれを停止した。この時、圧力室５及びインク室
６の溝の深さはウニ／・−厚さ３００μｍの半分の１５
０μｍであった。その後、第２図（ｈ）において、−度
フン酸で熱酸化膜７を除去した後、再度保護膜として熱
酸化膜１０を形成した。

次に、第２図（ｉ）において、上記のようにしてノズル
部４を形成した第１の基板１と、圧力室５、インク室６
、圧電体用貫通孔１３を形成した第２の基板２を低融点
ガラスを介した熱融着法や静電接合法等の方法によって
接合した後、ノズル長さが３０〜２００μｍとなるよう
にノズル部４を切断する。

その後、第２図（ｉ）の圧電体用貫通孔１３にくし歯状
のＰＺＴ圧電体３を挿入して第１図に示したインクジェ
ットプリンタヘッドを得た。

〈実施例２〉 本発明をダイアフラム型インクジェットプリンタヘッド
に適用した第２の実施例について説明する。第３図は本
発明の第２の実施例のインクシェツトプリンタヘッドを
示す構造図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は
Ａ−Ａ’断面図、同図（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、同図（
ｄ）はｃ−ｃ’断面図である。

同図（ｂ）に示したように、本実施例では圧力室３４を
実施例１よりもさらに深くエツチングして、ご（薄いシ
リコンダイアフラム３９を形成し、その上に、圧電体４
０を接着した。

以下、第４図（ａ）乃至（ｇ）に基づいて、本発明の第
２の実施例のインクジェットプリンタヘッドの製造方法
を説明する。まず、第４図（ａ）において、第１の実施
例に記載した方法でノズル部３３の溝を形成させた第１
のシリコン基板３１を作製した。尚、同図において、３
８は熱酸化膜である。

次に、ダイアフラム部３９、圧力室３４及びインク室３
５の溝を以下の方法で第２の基板３２上に形成させた。

まず、第４図（ｂ）において、（１１０）結晶面の第２
のシリコン基板３２の両面に、熱酸化膜３６を形成し、
その上にフォトレジスト３７を用いて、圧力室３４及び
インク室３５のパターンを形成し、第４図（Ｃ）におい
て、 ＨＦ　：　ＮＨ４Ｆ＝　１　：　６のフッ酸緩衝液でエ
ツチングすることにより、圧力室３４及びインク室３５
のパターン状に熱酸化膜３６を除去した。次に第４図（
ｄ）において、２５ｗｔ％のＫＯＨ溶液でエツチングを
行うことにより圧力室３４及びインク室３５の溝を形成
すると共にダイアフラム部３９の厚さを４０μｍに形成
した。その後、第４図（ｅ）において、−度フッ酸で熱
酸化膜３６を除去した後、再度保護膜として熱酸化膜３
８を形成した。

次に、第４図（ｆ）において、上記のようにしてノズル
部３３を形成した第１の基板３１と、圧力室３４及びイ
ンク室３５の溝とダイアフラム３９を形成した第２の基
板３２とを接合した後、ノズル部の長さが３０〜２００
μｍとなるようにノズル部を切断する。接合には、低融
点ガラスを介した熱融着、静電接合法等を用いる。

その後、ダイアフラム３９の上に圧電体４０を接着させ
て、第３図に示したダイアフラム型インクジェットプリ
ンタヘッドを得た。

本実施例によれば、上記のように基板にダイアフラムを
形成させるような長時間のエツチングにおいても、ノズ
ル部を他の基板に形成しているため、従来のような一つ
の基板にすべてのインク流路部を形成する場合に発生し
ていたノズル部のオーバーエツチングを防ぐことができ
る。

〈実施例３〉 第５図は本発明の第３の実施例のインクシェツトプリン
タヘッドを示す構造図である。同図（ａ）は平面図、同
図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、同図（Ｃ）はのＢ−Ｂ’断
面図、同図（ｄ）は同図（ａ）のｃ−ｃ’断面図である
。第５図において、５１は（１００）結晶面を有する第
１のシリコン基板、５２は第２のシリコン基板、５３は
ノズル部、５４はインクフィルタ、５５は圧力室、５６
はインク室、５７は圧電体用貫通孔、５８は圧電体であ
る。

同図に示すとおり本実施例は実施例１の第１の基板上に
ノズル部５３の他にインクフィルタ５４を形成した構造
になっている。本実施例によればインクフィルタ５４を
形成することにより、印字時におけるインクの目詰まり
を効果的に防止することができる。

以下に本実施例のインクジェットプリンタヘッドの製造
方法にって説明する。

ノズル部５３を形成させると同時に第５図（ｂ）及び（
Ｃ）に示したインクフィルタ５４の溝をノズル部５３の
溝と同じ方法で形成させる以外は第１の実施例に記載し
た方法と同様にしてインクフィルタ５４及びノズル部５
３の溝を形成させた第１の基板５１を作製する。

上記インクフィルタ５４の形状は、ノズル部５３とほぼ
同じであるため、ノズル溝と同時に第１の基板上に形成
するのか効率的である。この場合インクフィルタ５４と
ノズル部５３の二ンチング深さは、同程度であるのでノ
ズル部５３の寸法精度は保たれる。

次に、第１の実施例に記載した方法と同様にして、圧力
室５５及びインク室５６の溝と圧電体用貫通孔５７を形
成させた第２の基板５２を作製する。

上記第１の基板５１と第２の基板５２とを低融点ガラス
を介した熱融着、静電接合法等により接合した後、ノズ
ルの長さが３０〜２００μｍとなるようにノズル部５３
を切断する。

その後第１の実施例同様第５図（ｂ）において、圧電体
用貫通孔５７にくし歯状のＰＺＴ圧電体５８を挿入して
第５図に示したインクジェットプリンタヘッドを得た。

シリコン表面はインクをはじくので、インクの濡れ性を
良くするために本発明の実施例ではいずれも熱酸化膜を
シリコン表面に形成させた。

〈発明の効果〉 本発明によると、ノズル溝を形成させた第１のシリコン
基板と圧力室及びインク室用溝を形成させた第２のシリ
コン基板とで構成させることにより、高い寸法精度を有
するノズル部を形成させることができるため、印字ドツ
ト径の均一なインクジェットプリンタヘッドを得ること
ができる。また、本発明の製造方法を用いると、ノズル
部よりも深い溝を有する圧力室及びインク室とを一体形
成できるため、高性能のインクジェットプリンタヘッド
を生産性よく、低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１の実施例のイン
クジェットプリンタヘッドの構造図、第２図（ａ）乃至
（ｊ）は第１の実施例の製造工程図、第３図（ａ）乃至
（ｄ）は本発明の第２の実施例のインクジェットプリン
タヘッドの構造図、第４図（ａ）乃至（ｇ）は本発明の
第２の実施例のインクジェットプリンタヘッドの製造工
程図、第５図（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第３の実施例
の構造図、第６図はシリコン基板の結晶の方位角とマス
クパターンとのずれ角度とノズル幅との関係を示した説
明図、第７図は従来のインクジェットプリンタヘッドの
構造図である。 １・・・第１のシリコン基板 ２・・・第２のシリコン基板 ３・・・圧電体 ４・・・ノズル部 ５・・・圧力室 ６・・・インク室 ＩＯ・・・熱酸化膜 工３・・・圧電体用貫通孔 代理人　弁理士　梅１）勝（他２名） 千　ｌ　図 （ｄ）　　　　　　　　　　　（ｈ、）７２図 Ｃ ｔＣ） （ｄン Ｐ３　図 （グ） １４図 Ｂ　　　　　　　　　　　　　ｃ （ｄ） 芋５図 −４・　　　−２°　　　ｏ’　　　　２°　　　４゜
ｈよ品名　丁ｎ　角　　１−　ハクｊ　ンス７１ぐ２−
ン　っ７・・φ、ｖ子　６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン基板に溝加工することによってインク流路
   を形成するインクジェットプリンタヘッドにおいて、 ノズル溝を形成した第１のシリコン基板と、上記ノズル
   溝より後方に、インク流路用溝を形成する第２の基板か
   らなり、上記ノズル溝とインク流路用溝が連続するよう
   に第１の基板の基板表面と第２の基板表面を重ね合わせ
   て、構成されていることを特徴とするインクジェットプ
   リンタヘッド。 ２、第１のシリコン基板にノズル溝とこのノズル溝と同
   程度の深さのインクフィルタ溝を形成した事を特徴とす
   る請求項１記載のインクジェットプリンタヘッド。 ３、（１１０）結晶面を有するシリコン基板を第２のシ
   リコン基板とし、この第２のシリコン基板を深くエッチ
   ングすることにより、圧力室および振動板となるダイア
   フラムを形成したことを特徴とする請求項１記載のイン
   クジェットプリンタヘッド。 ４、第１のシリコン基板として（１００）結晶面のシリ
   コン基板を用い、この第１のシリコン基板にＶ字型のノ
   ズル溝を形成する工程と、 第２のシリコン基板にインク流路部の溝を形成する工程
   と、 互いに溝を内側に重ね合わせて接合する工程からなるイ
   ンクジェットプリンタヘッドの製造方法。