JPH1034928A

JPH1034928A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JPH1034928A
Application number: JP19333196A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kobayashi; 順一小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JP3652022B2

Abstract

(57)【要約】【課題】インク吐出圧力発生素子でインク内に気泡を
形成させてインク液滴を吐出させるインクジェット記録
ヘッドであって、気泡の成長方向とインクの吐出方向と
がほぼ同一方向であり、前記インク吐出圧力発生素子
が、インク流路内に設けられているインクジェット記録
ヘッドにおいて、吐出周波数を高くでき、高速印字が可
能な構造をもつ記録ヘッドを提供する。【解決手段】インク吐出圧力発生素子とインク液滴吐
出用オリフィスの吐出面との距離ＯＨと、インク流路の
高さＬＨとの関係がＯＨ≦ＬＨになるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録方式に用いる記録液小滴を発生するためのインクジェ
ット記録ヘッド及びインクジェット記録ヘッドの製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録方式（液体噴射記録
方式）に適用されるインクジェット記録ヘッドは、一般
に微細な記録液吐出口（以下、オリフィスと称す）、液
流路およびその液流路の一部に設けられる液体吐出エネ
ルギー発生部を複数備えている。そして、このようなイ
ンクジェット記録ヘッドで高品位の画像を得るために
は、前記オリフィスから吐出される記録液小滴がそれぞ
れの吐出口より常に同じ体積、吐出速度で吐出されるこ
とが望ましい。これを達成する方法として、特開平４−
１０９４０号〜特開平４ー１０９４２号公報において
は、インク吐出圧力発生素子（電気熱変換素子）に記録
情報に対応して駆動信号を印加し、電気熱変換素子にイ
ンクの核沸騰を越える急激な温度上昇を与える熱エネル
ギーを発生させ、インク内に気泡を形成させ、この気泡
を外気と連通させてインク液滴を吐出させる方法が開示
されている。

【０００３】このような方法を実現するためのインクジ
ェット記録ヘッドとしては、電気熱変換素子とオリフィ
スとの距離（以下、「ＯＨ距離」と称す。）が短い方が
望ましい。また、前記方法においては、ＯＨ距離がその
吐出体積をほぼ決定するため、ＯＨ距離を正確に、また
再現よく設定できることが必要である。

【０００４】従来、インクジェット記録ヘッドの製造方
法としては、特開昭５７−２０８２５５号公報および特
開昭５７−２０８２５６号公報に記載されている方法、
すなわち、インク吐出圧力発生素子が形成された基板上
にインク流路およびオリフィス部からなるノズルを感光
性樹脂材料を使用してパターン形成して、この上にガラ
ス板などの蓋を接合する方法や、特開昭６１−１５４９
４７号公報に記載されている方法、すなわち強アルカリ
や有機溶剤等の液体に溶解可能な樹脂でインク流路パタ
ーンを形成し、このパターンをエポキシ樹脂などで被覆
してこの樹脂を硬化し、基板を切断後に前記溶解可能な
樹脂パターンを溶出除去する方法等がある。しかし、こ
れらの方法は、いずれも気泡の成長方向と吐出方向とが
異なる（ほぼ垂直）タイプのインクジェット記録ヘッド
の製造方法である。そして、このタイプのヘッドにおい
ては、基板を切断することによりインク吐出圧力発生素
子とオリフィスとの距離が設定されるため、インク吐出
圧力発生素子とオリフィスとの距離の制御においては、
切断精度が非常に重要なファクターとなる。しかしなが
ら、切断は公知のＩＣウエハーを切断するダイシングソ
ウー等の機械的手段にて行うことが一般的であり、高い
精度の安定した加工を再現性良く実現することは難し
い。

【０００５】気泡の成長方向と吐出方向とがほぼ同じタ
イプのインクジェット記録ヘッドの製造方法としては、
特開昭５８−８６５８号公報に記載されている方法、す
なわち、基体とオリフィスプレートとなるドライフィル
ムとをパターニングされた別のドライフィルムを介して
接合し、フォトリソグラフィーによってオリフィスを形
成する方法や、特開昭６２−２６４９５７号公報に記載
されている方法、すなわち、インク吐出圧力発生素子が
形成された基板と電鋳加工により製造されるオリフィス
プレートとをパターニングされたドライフィルムを介し
て接合する方法等がある。しかし、これらの方法では、
いずれもオリフィスプレートを薄く（例えば２０μｍ以
下）かつ均一に作成することは困難であり、たとえ作成
できたとしても、インク吐出圧力発生素子が形成された
基板との接合工程はオリフィスプレートの脆弱性により
きわめて困難となる。

【０００６】図１５に従来の方法により得られたインク
ジェット記録ヘッドの断面図を模式的に示した。図にお
いて１１は基板、１４はインク吐出圧力発生素子、１５
はそのインク吐出圧力発生素子にエネルギーを与えるた
めの電極、１７は被覆樹脂層で、この樹脂層と基板とに
囲まれてインク流路が形成されており、基板上のインク
吐出圧力発生素子に相対する被覆樹脂層の位置にインク
吐出口１８が設けられている。

【０００７】被覆樹脂層（オリフィスプレート）の厚さ
は前述のように極端に薄くすることはできず、吐出圧力
発生素子はかなり薄くできるので、インク流路の高さ
（流路を形成する基板とオリフィスプレート内面との距
離）ＬＨと、インク吐出口の吐出面（オリフィスプレー
トの外面）と吐出圧力発生素子の上面との距離（前記Ｏ
Ｈ）とは、ＯＨ≧ＬＨの関係にある。したがって図１５
に示す従来の製造方法で得られるインクジェット記録ヘ
ッドでは、ＯＨ距離を短くすると、インク流路の高さも
同時に低くなりインク吐出圧力発生素子へのインク供給
が必ずしも十分に行うことができず、特に吐出周波数を
早くするとこれが顕著になることから、高い周波数（１
０ｋＨｚ以上）の駆動が困難である。このような問題に
対し、従来の製造方法では、インク供給口をできるだけ
インク吐出圧力発生素子に近づける方法すなわち、高
さの低いインク流路を短くすることで対応してきたが、
精度の限界及び、インク流路としての役割（多数配列さ
れたノズル同士の干渉を避ける）などから自ずと設計に
制約があり、根本的な改善には至らなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の諸点
に鑑み成されたものであって、インク吐出圧力発生素子
とオリフィス間の距離をきわめて高精度で短くかつ再現
良く設定可能で、さらにインク流路が十分な容積を確保
でき抵抗が小さくインク吐出圧力発生素子にインクを供
給でき、吐出周波数を高くして、高速印字が可能なイン
クジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

１．本発明はインク吐出圧力発生素子でインク内に気
泡を形成させてインク液滴を吐出させインク吐出圧力発
生素子に対向する吐出口が配されているインクジェット
記録ヘッドであって、前記インク吐出圧力発生素子が、
インク流路内に設けられ、該インク吐出圧力発生素子と
インク液滴吐出用オリフィスの吐出面との距離ＯＨと、
該インク流路の高さＬＨとの関係がＯＨ≦ＬＨになるように構成されていることを特徴とするインクジ
ェット記録ヘッド及び２．インク吐出圧力発生素子でインク内に気泡を形成
させてインク液滴を吐出させインク吐出圧力発生素子に
対向する側に吐出口が配されているインクジェット記録
ヘッドの製造方法において、前記インク吐出圧力発生素
子が、インク流路内に設けられ、該インク吐出圧力発生
素子とインク液滴吐出用オリフィスの吐出面との距離Ｏ
Ｈと、該インク流路の高さＬＨとの関係がＯＨ≦ＬＨになるように構成することを特徴とするインクジェット
記録ヘッドの製造方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明を
詳細に説明する。

【００１１】図１から図１３は、本発明の基本的な態様
を示すための模式図であり、本発明の方法に係わるイン
クジェット記録ヘッドの構成とその製法の手順の一例が
示されている。

【００１２】まず、本発明の方法には、ガラス、セラミ
ックス、プラスチックあるいは金属等からなる基板が用
いられる。このような基板の材質は、本発明の本質では
なく、流路構成部材の一部として機能し、インク吐出発
生素子および、後述するインク流路、インク吐出口を形
成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、
特に限定されるものではない。以下基板にＳｉ基板（ウ
エハー）を用いた場合で説明する。

【００１３】（１）基板１の両面に例えばプラズマＣＶ
Ｄ装置により、後述する加工に必要な耐エッチングマス
ク２としてＳｉＮ（またはＳｉＯ₂ 等）を図１のように
成膜形成する。

【００１４】（２）ＳｉＮ膜が形成された基板１の片面
側を、インク供給口３を形成する位置に合わせ、フォト
リソグラフィー技術によりＳｉＮ膜を図２のようにパタ
ーン形成する。

【００１５】（３）図２のように形成されたＳｉＮ膜の
パターンをエッチングマスクとしてＳｉを湿式エッチン
グを行う。エッチング方法は、公知の方法で基板１とし
て用いるウエハーの結晶方位を利用して、いわゆる異方
性エッチングを行うのが好ましい。ウエハー面に＜１０
０＞、厚さ方向に＜１１１＞の結晶方位を持つ場合、ア
ルカリ系（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジン等）の異方性
エッチングにより、約５４．７°の角度でエッチングが
進行して図３に示すインク供給口３が形成される。

【００１６】（４）インク供給口が形成された面と反対
面側のＳｉＮ膜をインク吐出圧力発生素子４’を形成す
るパターンに対応して、（２）と同様の方法で、図４の
ように吐出圧力発生素子形成部４をパターン形成する。

【００１７】（５）（３）と同様の異方性エッチングに
より、図５のように所望の深さにエッチングする。本発
明は、ここがポントで、設計値がＯＨ≦ＬＨとなるよう
な深さにエッチング加工する。

【００１８】（６）エッチングマスクとして用いたＳｉ
Ｎ膜を除去する（図６）。但しエッチングマスク用のＳ
ｉＮ膜は必ずしも除去する必要はなく、形成されたまま
でもなんら問題はない。

【００１９】上記手順において、基板の両面の加工工程
の順番は特に限定されるものではなく、任意に選ぶこと
ができる。

【００２０】図７は、（１）〜（６）の処理で得られた
基板１の模式的斜視図である。

【００２１】（７）（５）の異方性エッチングで凸状に
形成されたインク吐出圧力発生素子形成部４に合わせ
て、電気熱変換素子あるいは圧電素子等のインク吐出圧
力発生素子４’と、これらの素子を動作させるための制
御信号入力用電極５とを図８のように配置形成する。こ
のような、インク吐出圧力発生素子４’によって記録液
小滴を吐出させるための吐出エネルギーがインク液に与
えられ、記録が行われる。例えば、上記インク吐出圧力
発生素子４’として電気熱変換素子が用いられる時に
は、この素子が近傍の記録インク液を加熱することによ
り、記録インク液に状態変化を生起させ吐出エネルギー
を発生する。また、例えば、圧電素子が用いられる時
は、この素子の機械的振動によって、吐出エネルギーが
発生する。なお、特に図示していないが、一般に吐出圧
力発生素子及び電極の一部には耐久性の向上を目的とし
て、保護膜層等の各種機能層が設けることができる。

【００２２】（８）（７）で得られたインク吐出圧力発
生素子４’電極５等を含む基板１上に、強アルカリや有
機溶剤等の液体に溶解可能な樹脂でインク流路パターン
６を図９のように形成する。最も一般的な手段としては
感光性材料で形成する手段が挙げられるが、スクリーン
印刷法等の手段でも形成は可能である。感光性材料を使
用する場合は、インク流路パターンが溶解可能であるた
め、ポジ型レジストか、あるいは溶解性変化型のネガ型
レジストの使用が可能である。

【００２３】レジスト層の形成方法としては、基板１上
にインク供給口３を設けてある場合には、この感光性材
料を適当の溶剤に溶解し、ＰＥＴなどのフィルム上に塗
布、乾燥していわゆるドライフィルムを作成し、ラミネ
ートによって形成することができる。ドライフィルムと
しては、ポリメチルイソプロピルケトン、ポリビニルケ
トン等のビニルケトン系光崩壊性高分子化合物を用いる
と効果的である。なお、インク供給口３を本工程より後
の工程で形成するような場合には、スピンコート法、ロ
ールコート法等で形成可能である。

【００２４】（９）（８）でインク流路パターンを形成
した溶解可能な樹脂材料層６上に、さらに被覆樹脂層７
を図１０に示すようにスピンコート法、ロールコート法
等で形成する。ここで、この被覆樹脂層７を形成する工
程において必要とされるのは、溶解可能な樹脂材料層６
のパターンを変形させない等の材料特性である。すなわ
ち、被覆樹脂層７を溶剤に溶解し、これをスピンコー
ト、ロールコート等で形成する場合、インク流路形成用
の溶解可能な前記樹脂材料を溶解しないような溶剤を選
択する必要がある。被覆樹脂層７として、さらに感光特
性を有するものであれば、図１１に示すようなフォトマ
スク１００を用いてインク吐出圧力発生素子４’に対応
してインク吐出口８と電極５の外部接続部９をフォトリ
ソグラフィーで容易にかつ精度良く形成することが可能
である（図１２）。上記形成が行われた後、被覆樹脂層
７の特性に応じて、光硬化、熱硬化等の硬化を行う。被
覆樹脂層７の材料としては、エポキシ樹脂のカチオン重
合硬化物が構造材料として優れた強度、密着性、耐イン
ク性を有しており、好適である。

【００２５】（１０）溶解可能な樹脂材料層６を溶剤等
により溶解除去し、インクジェット記録ヘッドとしての
機能が完成する（図１３）。

【００２６】なお本発明の方法においてはＯＨ≦ＬＨと
なるような構造を取ることが必要条件であることからイ
ンク吐出圧力発生素子が形成される面側の形状は、イン
ク流路形成部１０のみを掘込んだ図１４に示す形状をと
ることも可能である。

【００２７】以上述べたように本発明によれば、インク
吐出圧力発生素子とオリフィス間距離をきわめて高い精
度で短くかつ再現良く設定可能で、高品位記録で、高速
印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供すること
ができる。

【００２８】

【実施例】以下、上記手順（１）〜（１０）に従った本
発明の方法の実施例を述べる。基板として〈１００〉面
のＳｉ基板を使用した。

【００２９】（１）まずウエハー両面にプラズマＣＶＤ
装置により耐エッチングマスク２としてＳｉＮを約１μ
ｍ成膜した。

【００３０】（２）ＳｉＮ膜を形成した基板の片面に、
インク供給口を形成する位置に合わせて公知のフォトリ
ソグラフィー技術により図２のようなパターン形成を行
った。

【００３１】（３）ウエハーの結晶方位を利用してＴＭ
ＡＨの異方性エッチングにより約５４．７°の角度でエ
ッチングを進行させ、インク供給口３を形成した。

【００３２】（４）インク供給口を形成した面と反対側
の面に、インク吐出圧力発生素子４’を形成するパター
ンに対応して、フォトリソグラフィー技術によりＳｉＮ
膜を図４のようにパターン形成した。

【００３３】（５）（３）と同様の異方性エッチングに
より深さ２０μｍにエッチングした。

【００３４】（６）エッチングマスクとして用いたＳｉ
Ｎ膜をＣＦ₄，Ｏ₂プラズマエッチングを用いて除去し
た。

【００３５】（７）インク吐出圧力発生素子４’とし
て、厚さ１５００Åの電気熱変換素子（材盾ＨｆＢ₂）
と、これに連結した制御信号入力用電極５を図８のよう
に配置した。

【００３６】（８）電気熱変換素子が配置された面に、
ポジ型ドライフィルムから成る厚さ３０μｍの感光層を
ラミネーションによって形成し、電気熱変換素子を設け
た基板上の液体流路形成予定部分に公知の方法で厚さ２
０μｍのレリーフの樹脂材料層６を形成した。

【００３７】（９）次にエポキシ樹脂を主成分とする硬
化性材料をアプリケーターを用いて４０μｍの厚さに塗
布し、硬化させて図１０に示す被覆樹脂層７を形成し
た。ついで図１１に示すフォトマスクを用いて、インク
吐出口８と電極の外部接続部９をフォトリソグラフィー
により図１２のように形成した。さらに、基板の両面か
ら３０００ｍＪ／ｃｍ² の量の紫外線を照射してポジ型
ドライフィルムの樹脂材料層６を可溶化した。

【００３８】（１０）上記基板を５％荷性ソーダ水溶液
中に浸積し、超音波洗浄槽中で約１０分間樹脂材料層の
溶解除去操作を行い、その後純水で５分間洗浄し乾燥し
た。

【００３９】このようにして得られたインクジェット記
録ヘッドのＯＨおよびＬＨはそれぞれ２０μｍおよび５
０μｍで、ＯＨ≧ＬＨを満足し、吐出周波数を２０ｋＨ
ｚで駆動しても印字のカスレ、インクの不吐出がない高
品位な印字が得られた。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によってもた
らされる効果としては、インク流路の容積を十分確保し
流路抵抗を小さく保持しながらインク吐出圧力発生素子
とオリフィス間の距離を小さくできるので、微小なイン
ク液滴を高い周波数の駆動においても吐出特性の安定、
信頼性の高いインクジェット記録ヘッドが容易な方法で
製造できること、また本発明の製造方法で得られるイン
クジェット記録ヘッドを用いた記録装置は高速、高精細
で極めて高品位な印字が可能であることが挙げられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用する、両面に耐エッチングマスク
を形成した基板の模式的断面図である。

【図２】図１に示す基板の耐エッチングマスクにインク
供給口のパターンを形成した状態を示す模式的断面図で
ある。

【図３】図２に示す基板に、異方性エッチングを行っ
た、状態を示す模式断面図である。

【図４】図３に示す基板のインク吐出圧力発生素子を形
成する面側に耐エッチングマスクをパターニングした状
態を示す模式的断面図である。

【図５】図４に示す基板を異方性エッチングした状態を
示す模式的断面図である。

【図６】図５に示す基板両面の耐エッチングマスクを除
去した状態を示す模式的断面図である。

【図７】図６の模式的斜視図である。

【図８】図６の基板にインク吐出圧力発生素子と電極を
形成した状態を示す模式的断面図である。

【図９】図８の基板に溶解可能な樹脂層でインク流路パ
ターンを形成した状態を示す模式的断面図である。

【図１０】図９の基板に被覆樹脂層を形成した状態を示
す模式的断面図である。

【図１１】図１０の基板の被覆樹脂層にインク吐出口及
び電極の外部取り出し部用のパターン露光を行なう状態
を示す模式的模式的断面図である。

【図１２】図１１のパター露光された被覆樹脂層を現像
した状態を示す模式的模式的断面図である。

【図１３】図１２の基板の溶解可能な樹脂層を溶出除去
し、インク流路パターンを形成した状態を示す模式的断
面図である。

【図１４】本発明の他の実施形態である基板を示す模式
的斜視図である。

【図１５】従来のインクジェット記録ヘッドの態様を示
す模式的断面図である。

【符号の説明】

１，１１基板２耐エッチングマスク３インク供給口４インク吐出圧力発生素子形成部４’，１４インク吐出圧力発生素子５，１５電極６溶解可能な樹脂層で形成されたインク流路７，１７被覆樹脂層８，１８インク吐出口９電極の外部取り出し部１０インク流路部１００フォトマスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク吐出圧力発生素子でインク内に気
泡を形成させてインク液滴を吐出させインク吐出圧力発
生素子に対向する側に吐出口が配されているインクジェ
ット記録ヘッドであって、前記インク吐出圧力発生素子
が、インク流路内に設けられ、該インク吐出圧力発生素
子と、インク液滴吐出用オリフィスの吐出面との距離Ｏ
Ｈと、該インク流路の高さＬＨとの関係が、ＯＨ≦ＬＨになるように構成されていることを特徴とするインクジ
ェット記録ヘッド。
【請求項２】インク吐出圧力発生素子でインク内に気
泡を形成させてインク液滴を吐出させインク吐出圧力発
生素子に対向する側に吐出口が配されているインクジェ
ット記録ヘッドの製造方法において、前記インク吐出圧
力発生素子が、インク流路内に設けられ、該インク吐出
圧力発生素子と、インク液滴吐出用オリフィスの吐出面
との距離ＯＨと、該インク流路の高さＬＨとの関係が、ＯＨ≦ＬＨになるように構成することを特徴とするインクジェット
記録ヘッドの製造方法。