JPH09323431A - インクジェット式記録ヘッド、その製造方法及びそれを用いたインクジェット式記録装置 - Google Patents
インクジェット式記録ヘッド、その製造方法及びそれを用いたインクジェット式記録装置Info
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Abstract
動させたり、インクの流動、機械的な振動により、イン
クリザーバー部上の膜にクラックが発生し、インクリザ
ーバー部上の膜が破壊される等の機械的な強度不足を防
止すること。 【解決手段】 複数の圧力発生室4と連通するリザーバ
5を単一のインク室11と複数の凹部9により形成し
た。
Description
て紙などの記録媒体上に画像データ等に基づいた記録画
像を形成するインクジェットプリンタ等のインクジェッ
ト記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッドに
関し、詳細には圧力発生室、インク供給路、インクリザ
ーバーが単結晶シリコン基板で形成されたインクジェッ
ト式記録ヘッドに関する。
る圧力発生室の一部を弾性板で構成し、この弾性板を圧
電振動子により変形させて圧力発生室のインクを加圧し
てノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット
式記録ヘッドには、圧電振動子の軸方向に伸長、収縮す
る縦振動モードの圧電振動子を使用したものと、たわみ
振動モードの圧電振動子を使用したものの2種類が実用
化されている。
せることにより圧力発生室の容積を変化させることがで
きて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反
面、圧電弾性板をノズル開口の配列ピッチに一致させて
櫛歯状に切分けるという困難な工程や、切分けられた圧
電振動体を圧力発生室に位置合わせして固定する作業が
必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
シートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼
成するという比較的簡単な工程で弾性板に圧電振動体を
作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する
関係上、或程度の面積が必要となり、高密度配列が困難
であるという問題がある。
特開平5-286131号公報に見られるように、弾性板の表面
全体に亙って成膜技術により均一な圧電体膜を形成し、
この圧電体膜をリソグラフィ法により圧力発生室に対応
する形状に切分けて各圧力発生室毎に独立するように圧
電振動子を形成したものが提案されている。
シリコン基板の一方の面に成膜技術によって圧電体膜を
形成し、単結晶シリコン基板の他方の面に圧力発生室等
を構成する凹部をエッチングにより形成し、この凹部が
形成された面にノズル開口が形成されたノズルプレート
を接合することによりインクジェット式記録ヘッドを形
成したものが提案されている。 これによればPZT素
子の切断・貼付工程が不要となって、リソグラフィー法
という精密で、かつ簡便な手法で圧電振動子を作り付け
ることができるばかりでなく、厚みを薄くできて高速駆
動が可能であるという利点がある。
料層が非常に薄いため、バルクの圧電体を貼付したもの
に比較して剛性が低いという問題点を持っている。
0)の単結晶シリコン基板Aに、酸化シリコン膜Bを形
成し、この酸化シリコン膜B上に振動板C、下電極D、
圧電体膜E、上電極Fを成膜技術により一体的に形成
し、次に単結晶シリコン基板Aに、複数の圧力発生室
G、及び各圧力発生室GとインクリザーバーIを連通す
るインク供給路Hが形成され、その後ノズル開口Kが形
成されたノズルプレートJを封止することによって形成
されたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体膜
E及び上電極Fを配線の関係でインクリザーバーI上ま
で延ばして形成する事が考えられる。
ように圧電体膜に上下の電極により電圧を印加すると圧
電体膜が収縮し、これにより振動板が図面アの方向にた
わみ圧力発生室が加圧されてインクがノズル開口より吐
出する。このインクの吐出とあわせてインク供給口から
リザーバにもインクが逆流し、逆流したインクによって
リザーバ内の圧力が高まり、リザーバ上の振動板を変形
させ、更に振動板上の下電極、圧電体膜、上電極も変形
させてしまい、場合によっては圧電体膜にクラックが入
り、インクジェット式記録ヘッドとして機能しなくなる
という課題を有する。
バ部の単結晶シリコンを一部残して機械的強度を大きく
する方法も考えられるが、この方法ではリザーバのイン
ク容量が減少するため、例えば全ノズルからインクを高
速に吐出するような場合圧力発生室へのインクの供給不
足が生じドット抜けなどを起こす可能性がある。また、
この方法で供給量を大きくするためにインクリザーバを
更に大きくするとまた機械強度が下がり、更に単結晶シ
リコン膜のインクリザーバと対向する部位を厚くしなけ
らばならず、結果としてヘッドの大型化を招いてしま
う。さらに、リザーバの深さ方向の精度を出すのが非常
に困難である。
るもので、その目的とするところは、インクリザーバの
機械的強度を向上させて下電極、圧電体膜、上電極にク
ラックを発生させることがなく、またインク供給不足が
生じることのない小型のインクジェット式記録ヘッドを
提供することにある。
ために、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、イン
クを吐出する複数のノズル開口が形成されたノズルプレ
ートと、前記ノズル開口に各々連通した複数の圧力発生
室、前記圧力発生室にインクを供給するインク供給路及
びこのインク供給路に連通するリザーバが形成された流
路形成基板と、この流路形成基板上に形成された振動板
と、この振動板上の前記圧力発生室に対応する位置に形
成された電極と圧電体膜よりなる薄膜圧電体素子とを備
えたインクジェット式記録ヘッドであって、前記リザー
バが共通インク室と、複数の凹部により形成されている
ことを特徴とする。
いて詳細に説明する。
ドの分解斜視図であり、図2(a)は後述する流路形成
基板の平面図、図2(b)は図2(a)のXX線断面図
である。
する単結晶シリコン基板をエッチングして形成された流
路形成基板で、複数の圧力発生室4,4・・・と、これ
ら圧力発生室にインクを供給するリザーバ5と、これら
圧力発生室4,4・・・と、リザーバ5とを一定の流体
抵抗で連通させるインク供給路8とを形成するように構
成されている。この流路形成基板1の一方の面には圧力
発生室4,4・・・の一端側で連通する様にノズル開口
10が穿設されたノズルプレート12が固定され、また
裏面には振動板2、この振動板上の前記圧力発生室4,
4,・・・に対応する位置に薄膜形成方法で下電極6,
圧電体膜3,上電極7が形成されている。
インク供給路8と同じ深さを有する単一の凹部により形
成された共通インク室11と、この共通インク室11と
連通する複数の凹部9により構成されている。このリザ
ーバ5の凹部9は、壁面21,21及び壁面22,22
を有しており、この壁面21は、(110)の面方位の
単結晶シリコンの異方性エッチングによって面方位(1
10)と約35度の角度で出現する(111)面であ
り、壁面22,22は面方位(110)とほぼ90度の
角度を有する(111)面である。
り区画されるように配置されており、圧力発生室4の並
び方向でかつリザーバ中央の壁25の前記共通インク室
11の底面を形成する面25aの幅は、圧力発生室4と
同一ピッチに形成された壁26の前記共通インク室11
の底面を形成する面26aの幅よりも幅広に形成されて
おり、これによりリザーバの強度をより強くしている。
り、リザーバ内の機械強度を高くすることができると共
に、リザーバを極端に大きくすることなくリザーバ内の
体積をインク供給不足を生じることない程度の大きさに
することができる。
重量20μccとして、1秒間に14400ドットを吐
出し、10ノズル開口から同時にインクを吐出させた場
合、リザーバ5の体積が0.271mm3必要である
が、上述したように部分的に異方性エッチングによって
(110)面と約35度の角度で出現する(111)面
で囲まれた凹部が形成されているため、インクリザーバ
5の体積を1.2mm3にする事が可能であり、充分な
インク容量が確保できる。
定されるものでは無いが、圧力発生室4と同一ピッチに
配列する事がより望ましい。これは、圧力発生室4に流
入するインク経路が各々の圧力発生室4に対して同様の
形状にする事ができるため、インクの流路抵抗にばらつ
きを生じさせることなく圧力発生室4にインクを供給す
ることができ、各圧力発生室4間でのインク供給量にば
らつきが生じることなく、吐出インク量を均一にできる
ためである。
発生室配列方向に2列形成したが、1列や3列以上形成
することも可能である。
び壁面23,23により形成されており、壁面24は、
(110)の面方位の単結晶シリコンの異方性エッチン
グによって面方位(110)と約35度の角度で出現す
る(111)面であり、壁面23,23は面方位(11
0)とほぼ90度の角度を有する(111)面である。
ザーバ5とインク供給路8を接続するための流路であ
る。リザーバ5とインク供給路8の幅が異なるため、単
結晶シリコン基板をエッチングするときにリザーバ5と
インク供給路8との接続部の形状が不安定になりやすい
が、リザーバ5とインク供給路8の間に流路を形成する
ことによりインク供給路8を精度良く形成することがで
きる。なお、製造上の精度があがればなくすことも可能
である。
ト式記録ヘッドの他の製造方法について図面を用いて説
明する。
基板1となる結晶面方位が(110)である厚み220
μmの単結晶シリコン基板201を、水蒸気を含む酸素
雰囲気下で60分間、摂氏1100度に加熱し、1μm
の酸化シリコン膜207を熱酸化法により単結晶シリコ
ン基板102の両面に形成する。この酸化シリコン膜2
07は、この上に形成される能動素子の絶縁膜として機
能すると共に、単結晶シリコン基板102のエッチング
加工時にエッチングマスクとして機能する。もちろん、
酸化シリコン膜に制限されるわけでなく、窒化シリコン
膜又は、金属膜など、シリコンエッチング液に対して耐
食性を示す膜(耐単結晶シリコンエッチング膜)であれ
ば何でも良い。
単結晶シリコン基板201上に、ジルコニウムをスパッ
タ法を用い成膜し、その後熱酸化法で、0.8μm程度
の厚みの酸化ジルコニウムとし、振動板2となる膜20
1を形成する。
mの厚さで膜201上に成膜し、下電極6となる金属層
202を形成する。同様に、金属層202上に、1μm
の厚みのジルコン酸チタン酸鉛(PZT)の圧電体膜2
03、圧電体膜203上に、0.2μmの厚みの上電極
となるアルミニウムの金属層204を成膜する。この際
各層間に各膜間の密着力を向上するためにチタン、酸化
チタン、クロム等の中間層を積層しても良い。
04、圧電体膜203、金属層202に図示しないフォ
トレジストをスピンコート法によって全面に塗布し、フ
ォトリソグラフィー及びエッチングにより所望の形状の
上電極、圧電体膜、下電極になるように、ここでは圧力
発生室に対応する形状にパターニングした。この様なパ
ターンを形成する場合、金属層202、圧電体膜20
3、金属層204についてそれぞれの膜の成膜後にパタ
ーニングを行い、積層を繰り返しても差し支えない。
結晶シリコン基板102の面を能動面、その反対の面を
非能動面という。
び非能動面に、それぞれ一般的なポジ型のフォトレジス
ト209、208をスピンコート法によって全面に塗布
する。この際、フォトレジスト塗布はロールコート法を
用いても良い。能動面のフォトレジスト209は、後述
の酸化シリコン膜207のエッチング保護として機能す
る。その後プレベーキングを摂氏80度で10分間行
う。
ターンが形成されているガラスマスク210ではさみ、
紫外線を照射する。ガラスマスク210において、紫外
線の透過する部分を実線の細線で、又、紫外線の反射す
る部分は太線で示した。このガラスマスクの平面図は図
7(a)に示す。
ォトレジスト209,208の現像を行う。現像は、一
般的なアルカリ性の現像液に常温で1分30秒程度攪
拌、揺動を実施しながら浸漬した。その後、ポストベー
キングを摂氏120度で10分間行った。
コン膜207を緩衝弗酸を用いエッチングによりパター
ン加工する。この時、約1μmの厚さで形成された酸化
シリコン膜207は10分程度でパターンが形成でき
る。
5、インク供給路8に相当する形状にパターンが形成さ
れているガラスマスク211で、紫外線を照射する。ガ
ラスマスクの平面図は図7(b)に示す。
ォトレジストの現像を行った。現像は前記と同じく一般
的な、アルカリ性の現像液に常温で1分30秒程度攪
拌、揺動を実施しながら浸漬した。その後、ポストベー
キングを摂氏140度で10分間行った。
ォトレジスト現像剥離部の酸化シリコン膜207を緩衝
弗酸を用いハーフエッチングによりパターン加工した。
この時、エッチング時間は5分程度であり、約1μmの
厚さである酸化シリコン膜207は、約0.5μmにな
る。このように、既にパターニングした部分以外のフォ
トレジストを再度感光し、現像を行い、酸化シリコン膜
の厚みの異なる部分を形成する技術を多重露光法と称す
る。この工程を行うことにより、図6(a)の工程にお
いて酸化シリコン膜207を完全に除去することができ
る。
離液、又はアッシングにより除去した後、図5(c)の
ように、アルカリ液による単結晶シリコン基板102の
異方性エッチングを行う。これにより、圧力発生室4、
リザーバ5を形成する凹部104及び101が形成され
る。これは、面方位(110)面の単結晶シリコン基板
102を、アルカリ液により、エッチングすると(11
0)面に対し35度の角度を持って(111)面が出現
し、それ以降は、エッチングが進まないためである。
の最深部迄の長さ(イ)を決めれば、エッチングされる
両端面迄の長さ(ウ)が求まる。よって、前記エッチン
グされる両端面迄の長さ(ウ)を変更することにより、
自由に単結晶シリコン基板102の厚さを設計できる。
さらに、リザーバ5の深さは、図5(c)の(ウ)の長
さで決まるため、リザーバ5の深さを確実に制御でき、
精度を確保する上でこのような構造にする事が良いので
ある。これにより、アルカリ液で単結晶シリコン基板1
02の異方性エッチングを行うと、酸化シリコン膜20
7も同じくエッチングされ、約0.4μm程度溶解す
る。従ってインク供給路8を形成する部分の酸化シリコ
ン膜207はパターンの厚さが0.1μm程度となり、
それ以外の酸化シリコン膜は0.6μm程度の厚さにな
る。
液に1分程度浸漬し、酸化シリコン膜207のエッチン
グを行う。これにより、インク供給路8、リザーバー5
を形成する部分の酸化シリコン膜207は除去される
が、それ以外の酸化シリコン膜207は0.5μm程度
の厚さで残る。
給路8、リザーバ5となる部位103,101を形成す
るために、アルカリ液に浸漬して単結晶シリコン基板1
02をエッチングする。
形成する方法が量産性に優れ、安価に提供できる。
ウエハで複数形成されている場合は各ユニットごとに分
割し、ノズル開口10が穿設されたステンレス又はプラ
スチック製のノズルプレート12を貼り合わせ、インク
ジェット式記録ヘッドを形成する。
に、本実施例では非能動面に残されていた酸化シリコン
膜207及び圧力発生室4に対向する酸化シリコン膜2
07を除去しているが、そのまま残しておき、図6
(c)に示す如くノズルプレート12を貼り合わせても
良い。
晶シリコン基板102のエッチング液として、水酸化カ
リウム水溶液(水酸化カリウム濃度10重量%、摂氏8
0度)、2回目の単結晶シリコン基板102のエッチン
グ液として水酸化カリウム水溶液(水酸化カリウム濃度
40重量%、摂氏80度)。酸化シリコン膜207のエ
ッチング液として緩衝弗酸(弗化水素酸濃度16重量
%、常温)を用いた。前述の条件では、水酸化カリウム
溶液での単結晶シリコン基板102のエッチングレート
は2.3μm/分であり、酸化シリコン膜207のエッ
チングレートは0.1μm/分である。1回目のアルカ
リエッチングにより、220μmのシリコンエッチング
で圧力発生室4の最深部が形成される。又、この時、イ
ンク供給路8は酸化シリコン膜207で覆われているた
め形成されない。さらに、リザーバ5は異方性エッチン
グのため、一部分が形成される。次に、前記未エッチン
グ部分の酸化シリコン膜207にフォトリソを行い、2
回目のアルカリハーフエッチングを行う事により単結晶
シリコンが100μmエッチングされる。即ち、図6
(b)の工程に於いて、インクジェット式記録ヘッドの
インク供給路8とリザーバ5が形成される。
ザーバ5に形成された凹部の深さを精密に制御する事が
可能である。さらに、後工程製造中、輸送中等の振動に
よりインクリザーバー101のシリコン基板102の機
械的な強度不足による不良の発生という問題が無い。
を適用したインクジェット記録装置について説明する。
ドを搭載したインクジェット記録装置を説明するための
斜視図であり、図において、301は本発明の上述した
記録ヘッドであり、モータ305により駆動されるタイ
ミングベルト306と固定されたキャリッジ304に搭
載され、ガイド309にガイドされながらプラテン30
8により搬送される記録用紙307の幅方向に往復動す
る様に構成されている。記録ヘッド301には、インク
組成物を収容したインクカートリッジ302からインク
供給チューブ303を介して吐出に必要なインクが供給
される。
ッド301が非印字状態の時にインク滴を吐出するノズ
ル開口の目詰まりを防止すべく封止するとともに、吸引
ポンプ311と接続しており、ノズル開口の目詰まり回
復のための記録ヘッド301からインクを排出させる機
能も備えている。吸引ポンプ311は、チューブ312
を介して廃インクタンク313に接続されている。
ジを搭載するタイプのインクジェット記録装置、記録ヘ
ッドとインクカートリッジが一体化されたインクジェッ
ト記録装置にもむろん適用可能である。
視図である。
ドの平面図、(b)は、本発明のインクジェット式記録
ヘッドのXX断面図である。
式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
記録ヘッドの製造方法で使用するガラスマスクの平面図
である。
たインクジェット記録装置を説明するための斜視図であ
る。
の斜視図、(b)は、従来のインクジェット式記録ヘッ
ドのAーA’断面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 インクを吐出する複数のノズル開口が形
成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に各々連通
した複数の圧力発生室、前記圧力発生室にインクを供給
するインク供給路及びこのインク供給路に連通するリザ
ーバが形成された流路形成基板と、この流路形成基板上
に形成された振動板と、この振動板上の前記圧力発生室
に対応する位置に形成された電極と圧電体膜よりなる薄
膜圧電体素子とを備えたインクジェット式記録ヘッドで
あって、 前記リザーバが、共通インク室と、複数の凹部により形
成されたインクジェット式記録ヘッド。 - 【請求項2】 前記流路形成基板が単結晶シリコンによ
り形成されている請求項1記載のインクジェット式記録
ヘッド。 - 【請求項3】 前記単結晶シリコン基板が(110)面
方位であり、前記凹部を形成する壁面の少なくとも一面
が面方位(111)面を有する請求項2記載のインクジ
ェット式記録ヘッド。 - 【請求項4】 前記凹部が、圧力発生室の配列ピッチと
同一ピッチで形成されている請求項1記載のインクジェ
ット式記録ヘッド。 - 【請求項5】 前記凹部間の壁面が前記リザーバ中に格
子状に形成されている請求項1記載のインクジェット式
記録ヘッド。 - 【請求項6】 前記圧力発生室長手方向に凹部が複数形
成されていると共に、前記リザーバの圧力発生室配列方
向に延びる前記凹部間の壁面の間隔が、前記リザーバの
圧力発生室長手方向に延びる前記凹部間の壁面の間隔よ
りも広く形成されているインクジェット式記録ヘッド。 - 【請求項7】 前記共通インク室の深さが前記インク供
給路の深さと同じである請求項1記載のインクジェット
式記録ヘッド。 - 【請求項8】 請求項1乃至7記載のインクジェット式
記録ヘッドの製造方法であって、 面方位(110)面の単結晶シリコン基板上に耐単結晶
シリコンエッチング膜を形成する第1工程と、 前記耐単結晶シリコンエッチング膜をリザーバの凹部を
形成するパターンにエッチングする第2工程と、 前記第2工程でエッチングしなかった部位をハーフエッ
チングする第3工程と、 前記圧力発生室、インク供給路、リザーバとなる部位の
単結晶シリコン基板をエッチングする第4工程と、 前記第3工程でハーフエッチングされた耐単結晶シリコ
ンエッチング膜を全てエッチングする第5工程と、 前記第5工程で露出した単結晶シリコン基板を所定量エ
ッチングする第6工程とを含むインクジェット式記録ヘ
ッドの製造方法。 - 【請求項9】 請求項1乃至7記載のインクジェット式
記録ヘッドを用いたインクジェット式記録装置。
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