JPH045051A

JPH045051A - 液体噴射ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH045051A
Application number: JP10803290A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Hasegawa; 和正長谷川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-04-24
Filing date: 1990-04-24
Publication date: 1992-01-09
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JP3089645B2

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
７〜２８４．１９８３）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
する棒の曲げ振動を利用した液体噴射ヘッドも存在する
。

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。

本発明は以上の課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
０−８９５３に示される、自由端を有する棒の曲げ振動
を利用した液体噴射ヘッドも、櫛状に製作した柿を取り
付［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）金属層１０２を貫通するノズル１０３、該ノズル
と接続し、その側壁が単結晶珪素である圧力室１０４、
該圧力室上に張った梁１０５、及び該梁上に形成した圧
電素子を具備して成ること（２）前記圧力室上に張る梁
が、ｐ型巣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金属層を形成する工程、該金
属層にノズルを形成する工程、前記ノズルを形成した側
に対し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、ノズルを形成し
た側に対し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）一表面にｐ型の導電型を有する単結晶珪素層を持
つ単結晶珪素基板を貫通する空洞を形成する工程、前記
ｐ型珪素層に対し反対側の基板表面上に金属層を形成す
る工程、前記ｐ型珪素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。

［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上に形成した金属層、１０３はノズ
ルである。単結晶珪素基板１０１上に金属層１０２を５
〜５０μｍ程度形成し、更にこれを貫通するノズル１０
３をＲＩＥＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　　Ｉｏｎ　　Ｂｅａ
ｍ　　Ｅｔｃｈｉｎｇ）法、スパッタエツチング法等で
形成すると、かくのごとき断面図となる。金属層１０２
は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等の材料をスパッタ法、蒸
着法、電着法等で形成し用いれば良い。

同図（ｂ）は圧力室形成工程終了時の断面図であリ、１
０４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。ノズル１０３を形成した側に対し反対
側の表面にフォトレジスト等でパターン形成し、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、金属層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、金属層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。前記の
ごとく、金属層１０２にＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等の材
料を用いた場合は、単結晶珪素基板１０１のエツチング
をＫＯＨ水溶液等で行っても良く、またドライエツチン
グ法で行っても良い。また特に、金属層１０２にＡｕ、
Ｐｔ等の貴金属を用いた場合、単結晶珪素基板１０１の
エツチングは任意の方法で良い。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１０５は、薄
板ガラス、金属板、５ｒＴｉｏ３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、１
０６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及び１０ＢにはＰｔ、Ｎｉ、Ａ１等の金属材
料、圧電膜１０７にはＰＺＴ、ＰｂＴｉＯ３、ＺｎＯ等
の圧電材料を用いれば良い。片持ち梁１０５にＳｒＴｉ
Ｏ３を用いる場合は、下電極１０６にｐｔ、圧電膜１０
７にペロブスカイト構造を持っＰＺＴやＰｂＴｉＯ３を
それぞれスパッタ法で形成すれば、圧電素子を形成する
１０６．１０７をエピタキシャル成長させる事が可能で
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６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。

また、圧力室１０４を形成する際、単結晶珪素基板１゜
１のエツチングは金属層１０２により自動的にストップ
する。このため、圧力室１０４の深さは均一であり再現
性も良いものとなり、この結果、本発明の液体噴射ヘッ
ドの液体噴射特性も良好で再現性の良いものとなる。

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
側に対し反対側の基板表面（ｐ型の導電型を有する珪素
層２０１の表面）にフォトレジスト等でパターン形成し
、奥山雅則ら（材料別冊筒３８巻筒４２５号ｐｐ、ｓ９
〜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１
．圧力室１０４及び片持ち梁を形成すれば良い。また、
前記のごとく金属層１０２にＡｕ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ等
の材料を用いた場合は、単結晶珪素基板１０１のエツチ
ングをＫＯＨ水溶液等で行っても良い。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１０日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型珪索層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、１０ｄｏｔ／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、第１
図に示す実施例と同様に、圧力室１０４を形成する際、
単結晶珪素基板１０１のエツチングは金属層１０２によ
り自動的にストップする。このため、圧力室１０４の深
さは均一であり再現性も良いものとなり、この結果、本
発明の液体噴射ヘッドの液体噴射特性も良好で再現性の
良いものとなる。

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
キシャル成長させておく事も可能であり、またもちろん
、ｐ型珪素層２０１をエピタキシャル成長済みの単結晶
珪素基板を用いることも可能である。その後、金属層１
０２及びノズル１０３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型珪素層２０１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。圧力室上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。

第４図（ａ）乃至（Ｃ）に、本発明の実施例における、
一表面にｐ型の導電型を有する単結晶珪素層を持つ単結
晶珪素基板を貫通する空洞を形成する工程を用いて形成
した液体噴射ヘッドの、製造工程順の断面図を示す。同
図において、第１図及び第２図と同一の記号はそれぞれ
第１図及び第２スと同一のものを表す。以下、製造工程
の一例に従って本実施例を説明する。第４図（ａ）は金
属層形成工程終了時の断面図であり、４０１は単結晶珪
素基板を貫通する空洞、４０２は単結晶珪素基板１０１
上に形成した電極である。まず、ｐ型珪素層２０１を有
する単結晶珪素基板１０１を貫通する空洞４０１を、Ｒ
ＩＢＥ法等により形成する。そして、ｐ型珪素層２０１
に対し反対側の基板表面に電極４０２を形成する。この
電極４０２は、金属層１０２をめっき法で形成するため
のものであり、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　　Ｔｉ
ｎ　　０ｘｉｄｅ）をスパッタ法で形成して電極４０２
とし、更にＡｕ、Ｐｔ、ＮｉＳ　Ｃｒ等の金属をめっき
法で形成して同図（ａ）のごとき断面図となる。この時
点でノズル１０３は自動的に形成されている。そしてこ
れを前述のごとく、エチレンジアミンとピロカテコール
の水溶液、ＫＯＨ水溶液等でエツチングし、片持ち梁及
び圧力室１０４を形成し、同図（ｂ）のごとき断面図と
なる。

この時、ノズル１０３の直上に単結晶珪素基板を貫通す
る空洞が形成されているため、ノズル１０３と圧力室１
０４、ｐ型珪素層２０１で形成される片持ち梁の位置合
わせが容易である。更に、圧電膜１０７、上電極１０８
と形成し、同図（ｃ）のごとき断面図となる０本実施例
においては、最初に単結晶珪素基板に該基板を貫通する
空洞４０１を形成しているが、もちろん、単結晶珪素基
板上に電極４０２、金属層１０２と形成した後に、ノズ
ル１０３及び単結晶珪素基板を貫通する空洞４０１を形
成するようにしても良い。

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良い、液体噴射
特性を大きく支配する圧力室１０４の深さのみならず、
ｐ型珪素層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（例えばコピー様等）
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、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。また、圧力室１０４を形
成する際、単結晶珪素基板１０１のエツチングは金属層
１０２により自動的にストップする。このため、圧力室
１０４の深さは均一であり再現性も良いものとなり、こ
の結果、本発明の液体噴射ヘッドの液体噴射特性も良好
で再現性の良いものとなる。

【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。第４図（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施例における、
一表面にｐ型の導電型を有する単結晶珪素層を持つ単結
晶珪素基板を貫通する空洞を形成する工程を用いて形成
した液体噴射ヘッドの、製造工程順の断面図。１０１・・・単結晶珪素基板１０２・・・金属層１０３・・・ノズル１０４・・・圧力室１０５・・・片持ち梁１０６・・・下電極１０７・・・圧電膜１０８・・・上電極以　　　上出願人　セイコーエプソン株式会社代理人　弁理士　鈴木喜三部　（化１名）第１図（ｅ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属層１０２を貫通するノズル１０３、該ノズル
と接続し、その側壁が単結晶珪素である圧力室１０４、
該圧力室上に張った梁１０５、及び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金属層を形成する工
程、該金属層にノズルを形成する工程、前記ノズルを形
成した側に対し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、ノズルを形成し
た側に対し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）一表面にｐ型の導電型を有する単結晶珪素層を持
つ単結晶珪素基板を貫通する空洞を形成する工程、前記
ｐ型珪素層に対し反対側の基板表面上に金属層を形成す
る工程、前記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。