JPH11129463A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で高精度な静電型ヘッドを提供する。 【解決手段】 基板１の個別電極２１と端子部２３をつ
なぐリード部２２に対向する面に凹部１７が形成してあ
る。個別電極２１と基板１との電流のリークは個別電極
２１の振動板１０に対向する部分のみならずリード部２
２との間でも起こりうる。凹部１７のためにリード部２
２ではギャップＧが大きくなり、リード部２２の部分で
は電流のリークは起こりにくくなる。また、振動板１０
が変位したときギャップＧ内の空気が流出入し、このと
きの空気の流れの抵抗は振動板１０の変位を妨げるが、
リード部２２上のギャップが大きくなっているので、空
気の流れによる抵抗が小さく、効率良く振動板１０を変
位させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットヘ
ッド、より詳細には、インク液滴を吐出し、記録媒体に
インクを付着させて記録をするインクジェットヘッドに
関し、特に、その駆動方式として静電気力を利用したイ
ンクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットヘッドは、記録時の騒音
がきわめて少ないこと、高速印字が可能であること、イ
ンクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど
多くの利点を有する。その中でも、記録を必要とすると
きにのみインク液滴を吐出する、いわゆるオンデマンド
方式が記録に不要なインク液滴の回収を必要としないた
め、現在主流となってきている。

【０００３】このオンデマンド方式のインクジェット方
式には、特開平６−７１８８２号公報に示されるように
駆動手段に静電気力を利用したインクジェットヘッドが
ある。このインクジェットヘッドは２つの対向する電極
間に電圧が印加されると静電気力により振動板がたわ
み、続いて印加電圧を切るとたわんでいた振動板がもと
に戻り、インクを加圧してインク滴として吐出させるも
のであり、低騒音、高印字品質、長寿命および低コスト
であるという利点を有している。

【０００４】図７は、前記特開平６−７１８８２号公報
に記載のインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断
面図で示しており、３枚の基板１，２，３を重ねて接合
した積層構造となっている。このインクジェットヘッド
はインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出す
るサイドシュータタイプの例を示し、第３の基板３の面
に設けられたノズル孔３０よりインク液滴を吐出させる
ようにしたものである。

【０００５】中間の第１の基板１はシリコン基板であ
り、底壁を振動板１０とする吐出室１１を構成すること
になる凹部１２と、該凹部１２の後部に設けられた流体
抵抗１３を構成することになるインク流入口のための細
溝１４と、それぞれの吐出室１１にインクを供給するた
めの共通インク室１５を構成することになる凹部１６を
有する。

【０００６】第１の基板１の下面に接合される下側の第
２の基板２にはパイレックスガラス（ホウ珪酸ガラス）
を使用し、この基板２に個別電極２１を装着するための
凹部２４を０．５μｍエッチングすることにより、第１
の基板１と第２の基板２の接合後、振動板１０と第２の
基板２上の個別電極２１との間にギャップを形成する。
この凹部２４はその内部に個別電極２１、リード部２２
及び端子部２３を装着できるように電極部形状に類似し
たやや大きめの形状にパターン形成することで作製す
る。個別電極２１は凹部２４内に金を０．１μｍスパッ
タして形成する。さらに端子部２３もボンディングのた
めの金をスパッタしている。基板２と基板１を接合する
ことによって、振動板１０と個別電極２１との間に微小
ギャップが０．４μｍ形成される。

【０００７】第１の基板１の上面に接合される第３の基
板３には、厚さ１００μｍのＳＵＳ板を用い、基板３の
面部に吐出室用の凹部１２と連通するようにそれぞれノ
ズル孔３０を設け、また共通インク室用の凹部１６と連
通するようにインク供給口３１を設ける。インク供給口
３１は接続パイプ３２及びチューブ３３を介して図示し
ないインクタンクに接続される。

【０００８】図８に示すように、基板１には結晶面方位
（１００）の単結晶シリコンを用い、そのシリコン基板
を両面研磨し、厚さ２００μｍのシリコン基板４０を作
製し、シリコン基板４０を酸素及び水蒸気雰囲気中で熱
酸化処理を施し、シリコン基板の両面に酸化膜４１ａ及
び４１ｂを形成する（図８（Ａ））。次いで、上面の酸
化膜４１ａの上に、吐出室１１，流体抵抗１３，共通イ
ンク室１５の形状に相当するフォトレジストパターンを
形成し、フッ酸系エッチング液にて酸化膜４１ａの露出
部分をエッチング除去し、該フォトレジストパターンを
除去する（図８（Ｂ））。次に、厚さ２００μｍのシリ
コン基板４０に、深さ１７０μｍのアルカリ液による異
方性エッチングを施し、残った酸化膜４１ａおよび４１
ｂを除去し、厚さが３０μｍの振動板１０を形成する
（図８（Ｃ））。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平６−７１８
８２号公報に記されているインクジェットヘッドは、振
動板１０と個別電極２１との間のギャップが０．４μｍ
形成されているが、このような微小なギャップを均等に
保つのは難しい。個別電極２１あるいは基板１の個別電
極２１に対向する面に突起，凸部などが存在したり、ギ
ャップ内に導電性の異物が混入したりすると、個別電極
２１と基板１が接触して電流がリークしてしまう。電流
がリークすると振動板１０は正常に動作しなくなり不良
となってしまう。

【００１０】本発明は、上述のごとき不良を少なくし、
安価で高精度な静電型インクジェットヘッドを提供する
ことを目的としてなされたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、イン
ク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズ
ル孔のそれぞれに連通する吐出室と、該吐出室の少なく
とも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生
じさせる駆動手段とを備え、該駆動手段が前記各振動板
に対向して配設された個別電極を有し、該個別電極と前
記振動板との間に働く静電気力により前記振動板を変形
させてインク滴を噴出させるインクジェットヘッドにお
いて、前記振動板を形成した基板は、前記個別電極と該
個別電極の端子部とをつなぐリード部に対向する部分に
凹部を有することを特徴とし、もって、個別電極と端子
部とをつなぐリード部に対向する部分に凹部を形成する
ことにより、該リード部と振動板を形成した基板との間
で電流のリークが起こらないようにして歩留まりを向上
させ、また、振動板が変位したときの空気の流出入の抵
抗を小さくしてインク滴噴射の効率をよくしたものであ
る。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記凹部をウェットエッチで作製することを特徴と
し、もって、前記凹部をウェットエッチで作製すること
により、簡易な装置で容易に作製できるようにしたもの
である。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記凹部をドライエッチで作製することを特徴と
し、もって、前記凹部をドライエッチで作製することに
より、マスク材としてフォトレジストを用いることを可
能とし、工程数を削減でき、コストダウンを可能にした
ものである。

【００１４】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記リード部と対向する部分に絶縁膜を形成したこ
とを特徴とし、もって、前記リード部と対向する部分に
絶縁膜を形成することにより、エッチングによる前記凹
部作製工程を不要とし、コストダウンを可能にしたもの
である。

【００１５】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記リード部および前記個別電極と対向する部分に
絶縁膜を形成したことを特徴とし、もって、前記リード
部および前記個別電極と対向する部分に絶縁膜を形成す
ることにより、前記個別電極と振動板との間の電流のリ
ークを防ぐことができ、歩留まりが向上するようにした
ものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明によるインクジェ
ットヘッドの一実施例を説明するための断面構成図で、
図１に示す実施例は、図７に示した基板３が３枚のＳＵ
Ｓ板３₁，３₂，３₃からなっており、該基板３に共通イ
ンク室３４，流体抵抗３５が形成されている。本実施例
は、図１に示すように、基板１の個別電極２１と端子部
２３をつなぐリード部２２に対向する面に凹部１７を形
成したものである。前に説明した個別電極２１と基板１
との電流のリークは個別電極２１の振動板１０に対向す
る部分のみならずリード部２２との間でも起こりうる。
本発明では、基板１のリード部２２に対向する面に凹部
１７を設けたもので、この凹部１７のためにリード部２
２ではギャップＧが大きくなり、リード部２２の部分で
の電流のリークが起こりにくくなる。このように、本発
明では、電流のリークによる不良を低減することができ
る。また、振動板１０が変位したときギャップＧ内の空
気が流出入する。このときの空気の流れの抵抗は振動板
１０の変位を妨げるものである。本発明では、リード部
２２上のギャップが大きくなっているので、空気の流れ
による抵抗が小さく、効率良く振動板１０を変位させる
ことができる。

【００１７】続いて、図２を参照して本発明のインクジ
ェットヘッドの第１の基板１の作製方法について記す。
基板１には結晶面方位（１００）の単結晶シリコン基板
を用いている。シリコン基板の両面を研磨し、厚さ２０
０μｍのシリコン基板４０を作製し、このシリコン基板
４０を酸素及び水蒸気雰囲気中で熱酸化処理を施し、シ
リコン基板の両面に酸化膜４１ａ及び４１ｂを形成する
（図２（Ａ））。

【００１８】次いで、下面となる酸化膜４１ｂの上に、
基板２のリード部２２に相当する位置に、凹部１７の形
状のフォトレジストパターンを形成し、フッ素系エッチ
ング液にて酸化膜４１ｂの露出部分をエッチング除去
し、該フォトレジストパターンを除去する（図２
（Ｂ））。裏面の凹部１７はウェットエッチで作製可能
である。下面の酸化膜４１ｂに凹部１７の形状に相当す
るフォトレジストパターンを形成し、フッ酸系エッチン
グ液にて酸化膜の露出部分をエッチング除去し、該フォ
トレジストパターンを除去する（図２（Ｃ））。次に、
酸化膜４１ｂの開口部を水酸化カリウム水溶液などのア
ルカリ液により異方性エッチングし、凹部１７を作製す
る。水酸化カリウム水溶液以外にも、ＥＤＰ，ＴＭＡ
Ｈ，ヒドラジンなども有効である。また、等方性エッチ
ングでも可能である。このときにエッチング液はフッ酸
と硝酸に水を混合したＨＦ−ＨＮＯ₃系のエッチング液
を用いる。希釈液に酢酸を用いることによって、水に比
べてエッチング形状のＨＦ−ＨＮＯ₃濃度依存性の許容
度を増大させることが可能である。ウェットエッチは簡
易な装置で行うことができる。

【００１９】また、ドライエッチにより、酸化膜４１ｂ
の開口部をエッチングし、凹部１７を形成することも可
能である。シリコンのエッチングガスはＣＦ₄が適当で
あるが、ＣＦ₄−Ｏ₂，Ｃ₂Ｈ₆，ＣＣｌ₄，ＣＢｒＦ₃，Ｃ
Ｆ₂Ｃｌ₂なども可能である。凹部１７を作製する際、本
実施例では酸化膜４１ｂをマスク材としたが、フォトレ
ジストでも可能であり、酸化膜４１ａ及び４１ｂの成膜
工程を省くこともでき、コストダウンにもつながる。

【００２０】次いで、上面となる酸化膜４１ａの上に、
吐出室６の形状に相当するフォトレジストパターンを形
成し、フッ素系エッチング液にて酸化膜４１ａの露出部
分をエッチング除去し、該フォトレジストパターンを除
去する（図２（Ｄ））。前記同様、ドライエッチによ
り、酸化膜４１ａの開口部を１９０μｍエッチングし、
残った酸化膜４１ａ及び４１ｂを除去する（図２
（Ｅ））。２００μｍ近くの深さの深堀りでは、マスク
材は酸化膜がシリコンとの選択比が大きくて適当である
が、酸化膜を使わずフォトレジストを厚く付けることに
よっても可能である。１９０μｍのエッチングの結果と
して厚さ１０μｍの振動板１０が得られる。凹部１７を
設けないヘッドに対して、凹部１７を設けたヘッドの電
流リークの発生するビットの数の割合を評価した結果を
表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１よりは凹部１７の効果は深さが０．１
μｍ以上の時効果があることがわかる。好ましくは０．
３μｍ以上、さらに好ましくは１．０μｍ以上である。
ドライエッチを用いることにより、垂直に掘ることがで
きるので吐出室１５を高密度に並べることができ、高密
度ヘッドが実現可能である。

【００２３】図３は、第１の基板１を作成する別の実施
例を説明するための図で、図２に示した実施例と同様、
シリコン基板の両面を研磨し、厚さ２００μｍのシリコ
ン基板４０を作製し、該シリコン基板４０を酸素及び水
蒸気雰囲気中で熱酸化処理を施し、シリコン基板の両面
に酸化膜４１ａ及び４１ｂを形成する（図３（Ａ））。
次に、前記同様、酸化膜４１ｂの上に凹部１７の形状に
相当するフォトレジストパターンを形成し、ドライエッ
チあるいはウェットエッチにより、フォトレジストパタ
ーンの開口部をエッチングし、凹部１７を形成する（図
３（Ｂ））。

【００２４】次いで、上面の酸化膜４１ａの上に、吐出
室１５の形状に相当するフォトレジストパターンを形成
し、フッ酸系エッチング液にて酸化膜４１ａの露出部分
をエッチング除去し、該フォトレジストパターンを除去
する（図３（Ｃ））。次に、アルカリ液によるシリコン
基板４０の異方性ウェットエッチングを行い、その後残
った酸化膜４１ａ及び４１ｂを除去する。単結晶シリコ
ンにおいては、周知のごとく水酸化ナトリウム水溶液や
ヒドラジンなどのアルカリ液でエッチングする場合、結
晶面によるエッチング速度の差が大きいため、異方性エ
ッチングが可能となる。具体的には（１１１）結晶面の
エッチング速度が小さいため、エッチングの進行ととも
に（１１１）面が平滑面として残存する構造が得られる
（図３（Ｄ））。

【００２５】アルカリ液による異方性エッチングでは、
エッチング液の温度，濃度によってエッチング速度が変
化するので、時間管理で所望の振動板１０の厚さを得る
のは難しい。そこでｐ型シリコン基板の下面にｎ型シリ
コン層をエピタキシャル成長させたシリコン基板を電気
化学エッチングすることによって、ｐ型シリコン基板を
選択的にエッチング除去し、厚み精度の高い振動板１０
を得ることができる。

【００２６】また、振動板１０を高濃度のＢ（ホウ酸）
のドープ層であって、ドープ層は振動板の厚さと同じだ
けの厚さとするアルカリ液によるシリコンのエッチング
におけるエッチレートは、ドーパントがＢの場合、高濃
度（約５×１０¹⁹ｃｍ^-3以上)の領域において、エッチ
レートが非常に小さくなることが知られている。このこ
とを利用して、振動板形成領域を高濃度Ｂドープ層とし
アルカリ液による異方性エッチングにより、吐出室１１
を形成する際に、Ｂドープ層が露出した時点でエッチレ
ートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術
により、振動板１０を所望の厚さに作製することができ
る。ウェットエッチングで振動板１０を作製する場合、
電気化学エッチングやエッチストップ技術を使うことが
できるので、振動板の厚さを精度よく作製できる。ま
た、凹部１７は、サンドブラスト，精密切削加工などで
も作製可能である。

【００２７】図４は、別の実施例を示す図で、本実施例
では、図４に示すように、基板１のリード部２２に相当
する位置に、酸化膜４１ｂを残したものである。図５
は、その作成方法を説明するための工程図で、前記と同
様に、ドライエッチあるいはウェットエッチによって振
動板１０を作製する（図５（Ａ））。その後、酸化膜４
１ｂの厚さをギャップＧの大きさよりも薄くなるように
フッ酸系エッチング液にてエッチングする。続いて、酸
化膜４１ｂの上に、基板１のリード部２２に相当する位
置に、フォトレジストパターンを形成し、フッ酸系エッ
チング液にて酸化膜４１ｂの露出部分をエッチング除去
し、該フォトレジストパターンを除去する（図５
（Ｂ））。本実施例では、リード部２２のギャップ内に
絶縁膜が入った形となるので、リード部２２におけるリ
ークを防ぐことができる。本実施例では、リード部２２
で、シリコンのエッチングの工程がない分、工程数を少
なくできる。また、酸化膜４１ｂはリード部２２全面で
はなく図５（Ｃ）のように一部でも有効である。

【００２８】酸化膜４１ｂがシリコンのエッチングプロ
セスなどで表面性や膜質などが劣化した場合は、一度酸
化膜４１ｂを除去し、再び熱酸化膜を形成するか、ある
いはパイレックススパッタ膜、ＳｉＯ₂スパッタ膜など
の絶縁膜を形成しパターンニングすることによって解決
することができる。また、本実施例では、リード部２２
で基板１と基板２の間隔が小さくなるので、振動板５が
変形したときの、ギャップＧ内の空気流れを妨げてしま
う場合には、図５（Ｄ）のように大気連通孔１９を別に
設けても良い。

【００２９】図６は、別の実施例を示す図で、本実施例
では、図４で示した実施例の酸化膜４１ｂを、振動板１
０の位置まで延ばしたものである。このようにすること
によって、振動板１０と個別電極２１の間で発生する電
流リークも防ぐことができる。酸化膜４１ｂのために、
振動板１０の可動範囲が小さくなってしまうが、酸化膜
４１ｂを極薄くすることによってほとんど影響ないよう
にすることができる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１の発明は、インク液滴を吐出す
る単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔のそれぞれ
に連通する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を
構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手
段とを備え、該駆動手段が前記各振動板に対向して配設
された個別電極を有し、該個別電極と前記振動板との間
に働く静電気力により前記振動板を変形させてインク滴
を噴出させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動
板を形成した基板は、前記個別電極と該個別電極の端子
部とをつなぐリード部に対向する部分に凹部を有するの
で、個別電極と端子部をつなぐリード部と対向する部分
に凹部を形成したことにより、リード部と振動板を形成
した基板との間で電流のリークが起こらず、歩留まりが
向上し、また、振動板が変位したときの空気の流出入の
抵抗が小さく、振動板を効率よく変位させることができ
る。

【００３１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記凹部をウェットエッチで作製するようにしたの
で、簡易な装置で容易に作製できる。

【００３２】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記凹部をドライエッチで作製するようにしたの
で、マスク材としてフォトレジストを用いることが可能
であり、工程数を削減でき、コストダウンが可能であ
る。

【００３３】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記リード部と対向する部分に絶縁膜を形成したの
で、エッチングによる前記凹部作製工程が不要で、コス
トダウンが可能である。

【００３４】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記リード部および前記個別電極と対向する部分に
絶縁膜を形成したので、前記個別電極と振動板との間の
電流のリークを防ぐことができ、歩留まりが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるインクジェットヘッドの一実施
例を説明するための断面図である。

【図２】 第１の基板１の作成方法を説明するための工
程図である。

【図３】 第１の基板１の他の作成方法を説明するため
の工程図である。

【図４】 第１の基板１の他の例を説明するための要部
構成図である。

【図５】 図４に示した第１の基板１の作成方法を説明
するための工程図である。

【図６】 第１の基板１の他の例を示す要部構成図であ
る。

【図７】 従来のインクジェットヘッドの要部分解斜視
図である。

【図８】 図７に示した第１の基板の作成方法を説明す
るための工程図である。

【符号の説明】

１…第１の基板、２…第２の基板、３…第３の基板、
５，１０…振動板、１１…吐出室、１２…凹部、１３…
流体抵抗、１５…共通インク室、２１…個別電極、２２
…リード部、２３…端子部、３０…ノズル孔、３１…イ
ンク供給口、３２…接続パイプ、３３…チューブ、３４
…共通インク室、３５…流体抵抗、４０…シリコン基
板、４１ａ，４１ｂ…酸化膜。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク液滴を吐出する単一または複数の
   ノズル孔と、該ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室
   と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板
   と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、該
   駆動手段が前記各振動板に対向して配設された個別電極
   を有し、該個別電極と前記振動板との間に働く静電気力
   により前記振動板を変形させてインク滴を噴出させるイ
   ンクジェットヘッドにおいて、前記振動板を形成した基
   板は、前記個別電極と該個別電極の端子部とをつなぐリ
   ード部に対向する部分に凹部を有することを特徴とする
   インクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記凹部をウェットエッチで作製するこ
   とを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記凹部をドライエッチで作製すること
   を特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記リード部と対向する部分に絶縁膜を
   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
   トヘッド。
5. 【請求項５】 前記リード部および前記個別電極と対向
   する部分に絶縁膜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ヘッド。