JPH071728A - インクジェット印字ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
術等の半導体製法技術を用いてインクジェット印字ヘッ
ドを形成する。 【構成】 インクジェット印字ヘッドは、第1基板に形
成されるインク送出部と第2基板に形成されるインク貯
蔵部とを有する。インク送出部には基板の一方の側面に
形成される薄膜圧電変換器が設けられる。インク貯蔵部
にはインク貯蔵部を形成するための基板にエッチングに
よりキャビティが設けられ、キャビティは基板を通って
延長しインクノズルを形成するベ−ス内の開口部を有す
る。インク送出部とインク貯蔵部はインク貯蔵装置内で
圧電変換器と一体に接合される。変換器を起動すること
によりインクノズルを介してインク貯蔵装置からインク
が排出される。
Description
タ用印字ヘッド全般に関し、特に印字ヘッドの各要素が
エッチングまたは蒸着などの工程により形成可能な二つ
の基板の接合体で構成される印字ヘッドに関する。
ドは通常配列されたインクノズルで構成される。インク
は水滴状に噴射され、用紙またはその他の図形記録媒体
上に文字を印字する。各ノズルにはインク貯蔵部からイ
ンクが供給される。インクは、例えば、インク貯蔵部と
接続している圧電変換器によりインク貯蔵部を脈動させ
ることにより、インクノズルから噴射される。
ッドの走行方向と垂直に配列した、単独直線状に等間隔
を置いて配置したインクノズルで構成してもよい。また
別の方法として、インクノズル配列は、印字ヘッドが記
録媒体上を走行する際、インクノズルが等間隔列のドッ
トを形成するように配置したマトリックス状のインクノ
ズルで構成してもよい。
のノズルも互いに正確な間隔を設ける必要がある。また
ノズル全体は同一平面内に配置する必要があり、したが
って印字実行中各ノズルは記録媒体から同一距離にあ
る。
は、個別のノズルとインク送出装置を機械的に一体化し
たものである。例えば、米国特許No.4,418,3
56は、細長い管状のインク貯蔵部の配列を開示してい
るが、そのなかで各インク貯蔵部はその一端にノズルを
有し、圧電変換器スリ−ブで囲まれている。
されている成型形印字ヘッドは、細長いノズル一体型管
状インク貯蔵部を備えている。インク貯蔵部は、複数の
ロッドまたは繊維を指定のパタ−ンで空の型に挿入し、
型に硬化性合成材料を充填し、合成材料が硬化した後、
ロッドと繊維を引き出し、管状インク貯蔵部とそれに連
続したノズルが成型されて残るよう構成されている。
ような形式の機械的に一体化した従来技術におけるイン
クジェット印字ヘッドでは、ノズルの複雑かつ正確な機
械的整合を必要とし、または従来の成型形印字ヘッドで
は、インク貯蔵部とノズルを構成するロッドの整合を要
することが共通した特徴であった。従って、精確かつ複
雑な機械的一体化と整合を要することなく作成可能な印
字ヘッドが従来要求されてきた。本発明の目的は、フォ
−トリトグラフィ、薄膜層蒸着およびエッチングなどの
半導体および電子回路製造技術を用いてインクジェット
印字ヘッドを形成することにより達成される。半導体お
よび電子回路の製造にはフォ−トリトグラフィ技術が開
発されており、固体回路の各要素は約1マイクロメ−タ
以下の許容差の範囲で通常技術により自動的にかつ容易
に形成可能である。本発明はこのようなフォ−トリトグ
ラフィ方法を用いて、従来技術によるインクジェット印
字ヘッドの作成に伴う複雑な機械的整合や機械的一体化
手順を不要としている。
び電子回路製造技術および材料を用いる本発明により製
造される印字ヘッドは、第1半導体基板および第2半導
体基板を有する。少なくともひとつのキャビティが、好
ましくはエッチングにより第1基板の第1面に指定深さ
に形成される。 第1基板には、キャビティのベ−スか
ら第1基板の第2面まで延長している開口部が形成され
る。圧電材料の蒸着層を含む薄膜圧電変換器が第2基板
の第1面に形成される。第1基板および第2基板は、薄
膜圧電変換器が第1基板内のキャビティ内に設けられる
ように、それぞれの第1面をいわゆる対面構成として一
体に接合されており、第2基板がキャビティを囲んでイ
ンク貯蔵部を形成し、キャビティのベ−スに位置する開
口部がインクノズルを形成する構成とされる。圧電変換
器はインクノズルを介してインク貯蔵部からインクを送
り出す手段を備えており、インクチャンネルはインク貯
蔵部にインクを補給する手段を備えている。
成される上面と壁面で囲まれる空気室が設けられ、圧電
変換器がその空気室に形成されることが望ましい。圧電
変換器には、第1電極を形成するため空気室の上面に形
成された導電材料による第1層、第1導電層に形成され
た圧電材層、および第2電極を設けるために圧電材層に
形成された第2導電層が含まれる。
作成する好ましい方法は、第1半導体基板および第2半
導体基板を供給することと、第1基板の第1面にキャビ
ティを設けることと、第1基板を介してキャビティのベ
−スから第1基板の第2面まで延長する開口部を形成す
ることとで構成される。薄膜圧電変換器は第2基板の第
1面に形成される。薄膜圧電変換器に隣接する第2基板
を介して少なくともひとつのインクチャンネルがエッチ
ングにより形成さる。第1基板および第2基板は、それ
ぞれの第1面をいわゆる対面位置関係に置き、薄膜圧電
変換器を第1基板のキャビティ内に設けて一体に接合
し、従って第2基板はキャビティを囲んでインク貯蔵部
を形成し、キャビティのベ−スにある開口部はインクノ
ズルを形成し、インクチャンネルはキャビティと流体連
結部を形成する構成とされる。
板の第1面の指定領域に、エッチングの容易な材料を用
いて暫定アイランド層を蒸着形成するものが好ましい。
不活性化層は、第2基板の第1面に蒸着され、エッチン
グ可能な材料により形成された暫定アイランド層を覆い
かつそれに重畳される。第1導電層は、指定領域内の不
活性化層に蒸着形成され、第1電極を形成するようパタ
−ン化される。次に圧電材層が第1電極の上に蒸着形成
され、第2電極を形成するようにパタ−ン化される。第
2基板内には少なくともひとつの空気チャンネルが形成
され、第2基板を介してその第2面から暫定アイランド
層まで延長される。次に例えば圧電変換器の下に空気室
を形成するため、空気チャンネルを介して腐食液を導入
し上記の暫定アイランド層を除去する。
路製造技術を用いて形成されたインクジェット印字ヘッ
ド10の1実施例の概略斜視図である。印字ヘッド10
は、インク貯蔵部12とインク貯蔵部に接合されたイン
ク送出部14とを有する。インク送出部14には、電位
を加えると、インク貯蔵部12内のインク充填部18内
に膨張する変換器、好ましくは圧電変換器が設けられ、
開口部またはインク貯蔵部12から紙などの記録媒体
(図示せず)上に送り出す。
変換器を自由に膨張収縮させる。二つの空気チャンネル
24が設けられ、変換器の膨張収縮の際に空気が自由に
出入りできるようにしている。 それぞれインク充填部
18と流体連絡している二つのインクチャンネル26を
設けてインク充填部にインクを補給している。インクチ
ャンネル26は、インク充填部18にインクを供給する
インク供給手段(図示せず)と接続されている。2本の
導電線42aおよび46a(図7参照)は、変換器の対
向側面に形成された電極42および46(図7参照)か
らインク送出部14の外部まで配設されており、そこで
電気接点またはパッドを構成している。変換器は電気接
点30に接続された交流電源(図示せず)により駆動さ
れる。
は、全体に平坦な平行側面を有する基板上に設けるのが
好ましい。インク貯蔵部およびインク送出部の機能およ
び構成要素は、マスキング、エッチング、レ−ザまたは
電子ビ−ムドリリング、蒸着および液相または気相エピ
タキシ−(成長法)など半導体回路の製造において公知
の技術を用いて構成されている。これらの技術は公知で
あり、その詳細説明は本発明の原理の説明には必要では
ないから省略する。また「パタ−ン」もしくは「パタ−
ン化」などの用語を用いる場合、マスキングおよびエッ
チングなどの従来技術を用いて、所要のパタ−ン化また
はパタ−ンを達成できることが理解される。
成するための基板32は、全体として平坦で平行な第1
および第2側面34および36をそれぞれ備えている。
基板M32派、約400μmから600μmの厚さを有
するシリコンウェ−ハであることが好ましい。
暫定または使い捨て層38は、基板32のアイランドを
形成する側34の領域に蒸着形成される。アイランド3
8は、全体として方形または円形の輪郭と約1E2μm
2から1E6μm2の表面領域と約0,1μmから10
0μmの厚さを有することが好ましい。
化シリコン、酸窒化シリコンまたは二酸化シリコンなど
の化学蒸着層は、使い捨てアイランド層38の上面に実
質的には重畳して蒸着される。層40は約10nmから
500nmの厚さを有することが望ましい。 可撓性の
導電電極層42は、使い捨てアイランド層38を覆う絶
縁層40の上に蒸着され、標準的なマスキングおよびエ
ッチング技術を用いてパタ−ン化され、使い捨てアイラ
ンド層38上の圧電変換器16(図1)に対する第1電
極42bを一方の使い捨て層38を覆うように形成し、
接点パッド30(図1)のひとつで終端する導線42a
を形成している。層42は、金、白金、積層または二重
膜Pt/Ti,導電性酸化物(RuO2 )、珪化物(珪
化白金(PtSi),珪化チタニュウム(TiSi)、
珪化コバルト(CoSi)など)または窒素化物(Ti
N)などの金属または材料を用いて構成するのが好まし
い。
(弗化ボロンマグネシュウム)、PZT(チタン酸塩ジ
ルコニュウム鉛)またはPLZT(チタン酸塩リチュウ
ムジルコニュウム鉛)などの圧電材料による拡大可能層
44は、例えば公知のゾルゲル(sol−gel)技術
により、暫定アイランド層38の上面の第一電極層42
および電極42の対向導線部42aの側面上の重畳層3
8に蒸着される。層44は約100nmから4000n
mの厚さを有するのが好ましい。 次に、図5に示すよ
うに、第2可撓姓導電層46は、圧電層44に蒸着され
た後パタ−ン化され、圧電変換器16に対する第2電極
を形成し、第1電極層42の導線部42aの側面に圧電
層44を覆う導線46aが形成される。電極46bは二
番目の接点パッド(図1)で終端する。この点で変換器
16の機能的構成要素が完成する。
要素が完成した後、基板32は、側面34および36そ
れぞれにおいて、不活性化層または絶縁層48でコ−テ
ィングされるのが好ましい。絶縁層48は、電極層42
および46の導線部42aおよび46aも含めて、圧電
変換器16に実質的に重畳している。不活性化層48お
よび50の蒸着に続いて、少なくともひとつの、好まし
くは二つの空気チャンネルが、例えばレ−ザ穴明けによ
り基板32に形成される。空気チャンネル24は、基板
32を介して側面36から側面34まで延長して使い捨
てアイランド層38に接している。空気チャンネルは、
図1に示すように、方形(または円形)の断面を有し、
方形(円形)断面はその一方の寸法(直径)が約10μ
mから500μmである。
の一方または両方を介して、例えば湿性(液体)腐食液
を暫定アイランド層38に導入することにより継続して
形成される。図7に示すように、暫定アイランド層38
が除去されると、圧電変換器16に直ぐ隣接した基板3
2の側面34に、空気間隙または空気室22(図1参
照)が形成される。空気室22は不活性化層40が形成
する上面23と側面25を有し、空気チャンネル24を
介して基板32の側面36と流体連絡している。空気室
22は、実際上は、暫定アイランド層に電位を加えた状
態で、圧電層44が自由に拡大収縮できるようにするエ
アクッションを備えている。
成は、少なくともひとつの、好ましくは二つのインクチ
ャンネル26を例えばレ−ザ穴明けまたはエッチングに
より形成することにより完了する。インクチャンネル2
6は、図1に示すようなスリット状の横断面を有するの
が好ましく、スリットの長さ早く100μmから200
0μmであり、幅は10μmから500μmである。イ
ンクチャンネル26は、基板32を介して側面36から
側面34まで延長している。更に、不活性化層48は、
第2電極46との接触を行うため、開口部49のような
開口部を形成するために一部をエッチングにより除去し
ても良い。同様の開口部(図示せず)第1電極42との
接触を行うため、不活性化層48をエッチングして形成
することができる。
い方法を継続して説明する。全体として平坦で平行な側
面58および60を有する基板56を示す。基板56は
好ましくはシリコンを素材とし、例えば単結晶シリコン
ウェ−ハが使用可能な軽度のド−ピングを与えたベ−ス
56aと、エピタキシャル成長法でウェ−ハ上に形成可
能な重度のド−ピングを与えた領域56bとで構成され
る。基板56は約10ミルから40ミルの厚さを有する
ことが好ましい。重度のド−ピングを与えた領域56b
は、約1ミルから5ミルの厚さを有することが好まし
い。基板56は、対向主要面58および60にそれぞれ
蒸着した絶縁層または不活性化層62および64を有す
ることが好ましい。図10に示すように、キャビティ6
6は、例えば不活性化層62を介して、好ましくは基板
56のエピタキシャル成長による重度のド−ピングを与
えた領域56B全体を介して、例えばエッチングにより
基板56に形成され、従ってキャビティのベ−ス68は
軽度のド−ピングを与えた領域56aによって形成され
る。異なるド−ピングレベルを有する基板の二つの領域
は、軽度のド−ピング領域56aよりもはるかに速い速
度で基板の比較的重度のド−ピングを与えた領域56b
に対し差別的または選択的にエッチングを行うKOHな
どの腐食液を使用することが可能であり、キャビティ6
8の深さを高度ド−ピングしたエピタキシャル領域56
bの深さ、すなわち重度ド−ピングした領域を形成する
層の厚さによって制御することができる。基板56の側
方58にキャビティ68を形成した後、図11に示すよ
うに、開口部70がキャビティ66のベ−ス68にエッ
チングまたはレ−ザドリリングにより形成される。開口
部70は基板56を通ってその側面60まで延長し、イ
ンクノズル20を形成する。インクノズル20は図1に
示すような円形断面を有することが好ましく、約5μm
から100μm、好ましくは約20μmのサイズを有す
る。
インク送出部14とインク貯蔵部12を一体に接合し、
すなわち基板32および56をそれぞれの側面34およ
び58を対面位置関係において接合して構成する。上記
各装置部は、変換器16がキャビティ66内に位置し、
インクチャンネル26がキャビティ66と流体連通可能
に構成され、基板32(およびその上に形成された各
層)がキャビティ66を囲んでインク貯蔵部18を形成
するように一体に接合される。適正な電位を接点30
(図1)を介して電極42bおよび46および圧電層4
4に印加して変換器16が作動されると、インク(図示
せず)は矢印74が示すようにインクノズル20を介し
て水滴状にインク貯蔵部から排出され記録媒体(図示せ
ず)に当たる。装置部12および14を接合する適正な
接着剤は低温のガラスである。本発明による印字ヘッド
10は、説明の便宜上ひとつのインク貯蔵部とひとつの
インクノズルのみの構成として説明している。ただし上
述したように、印字ヘッドにおいては、通常それぞれイ
ンク貯蔵部を備えた一列のインクノズルまたは一配列の
インクノズルおよびインク貯蔵部にインクを供給する手
段を備えている。
クノズルを構成する上記の方法の各手段を、一連の変換
器およびインクチャンネルを設けるため、基板32上の
異なる位置で同時に行うことができ、また対応した配列
のインクノズルおよびインク貯蔵部を形成するため基板
56上で同時に行うことができることは、本発明に関す
る当業習熟者には明らかである。このような手順は、半
導体回路の機能を複雑な情報処理回路を構築するために
シリコンウェ−ハの表面に反復構成させる手順と同様で
ある。このように、半導体装置の製造において実践され
ているマスキングおよび機能情報技術を用いることによ
り、回路機能と構成部品の整合が現在半導体装置の製造
において実現されているのと同様のインクノズル配列に
ついての整合および設定精度を達成することが可能とな
る。さらに、通常の基板上に、特定のインクノズル配列
にすべてのインク貯蔵部およびインクノズルを形成する
ことにより、インクノズルは、インクノズルが設けられ
る基板表面により規定される同一平面内に自動的に配置
される。
は、従来技術による機械的に一体化したインクジェット
印字ヘッドにおけるインクノズルの複雑かつ正確な機械
的整合または従来技術による成型形印字ヘッドにおける
インク貯蔵部とインクノズルを形成するためのロッドの
整合に要する負荷および努力を不要とし、フォ−トリト
グラフィ、薄膜蒸着およびエッチングなどの半導体およ
び電子回路製造技術を用いてインクジェット印字ヘッド
を形成することにより、従来技術における複雑かつ正確
な機械的一体化や機械的整合を要する手順を排除してお
り、同一基板上にすべてのインク貯蔵部とインクノズル
を形成することによりインクノズルの同一平面内の自動
的配列を可能にしている。
術を用いて第1および第2半導体基板上および同基板内
に形成されるインクジェット印字ヘッドを概略説明する
斜視図である。
め、図1の第2基板を概略説明する断面図である。
よび不活性化層上に蒸着形成される第1電極を含め、図
2の第2基板を概略説明する断面図である。
3の第2基板を概略説明する断面図である。
器を構成する第1および第2電極と圧電層を含め、図4
の第2基板を概略説明する断面図である。
および第2電極に蒸着される不活性化層および更に基板
から暫定層に延長する二つの空気チャンネルを含め、図
5の第2基板を概略説明する断面図である。
器に隣接して空気間隙が形成される図6の第2基板を概
略説明する断面図である。
を含め、図6の第2基板を概略説明する断面図である。
した領域と基板の第1および第2側面の不活性化層を含
め、図1の第1基板を概略説明する断面図である。
め、図9の第1基板を概略説明する断面図である。
第2側面に延長する開口部を含め、図1の第1基板を概
略説明する断面図である。
字ヘッドを概略説明する断面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 インクキャビティを形成する本体と、前
記キャビティ内に設けた圧電変換器と、前記キャビティ
からインクを移送するための開口部とを有することを特
徴とするインクジェット印字ヘッド。 - 【請求項2】 インクジェット・プリンタ用の印字ヘッ
ドを構成する方法において、(a) それぞれ第1面お
よび第2面を有する第1および第2半導体基板を供給
し、(b) 前記第1半導体基板の前記第1面にベ−ス
を有するキャビティのエッチングを行い、(c) 前記
第1基板に、前記キャビティのベ−スから第1基板の第
2面に延長する開口部を形成し、(d) 第2基板の第
1面に薄膜電気変換器を形成し、(e) 前記変換器に
隣接する第2基板を介して少なくともひとつのインクチ
ャンネルを形成し、および(f) キャビティ内の変換
器と面接触した状態の第1面とキャビティとの液体連通
部内の少なくともひとつのインクチャンネルと第1基板
および第2基板を一体に接合する手順を有し、ここにお
いて、キャビティの第2基板はキャビティを囲んでイン
ク貯蔵部を形成し、キャビティのベ−スにある開口部は
インクノズルを形成し、変換器はインクノズルを介して
インク貯蔵部からインクを噴射させる手段を備えている
ことを特徴とするインクジェット・プリンタ用の印字ヘ
ッドを構成する方法。
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