JPH11129473A - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

インクジェットヘッドおよびその製造方法

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JPH11129473A
JPH11129473A JP30218797A JP30218797A JPH11129473A JP H11129473 A JPH11129473 A JP H11129473A JP 30218797 A JP30218797 A JP 30218797A JP 30218797 A JP30218797 A JP 30218797A JP H11129473 A JPH11129473 A JP H11129473A
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etching
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克治 荒川
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    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14314Structure of ink jet print heads with electrostatically actuated membrane

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 i基板の異方性エッチングおよび高濃度ボロ
ンエッチングストップを利用して形成されるインクジェ
ットヘッドにおいて、振動板の長期駆動に対する機械的
強度を増し、長期駆動におけるインクジェットヘッドの
信頼性を向上させる。 【解決手段】 ボロンドープ層46が形成され、酸化膜
42がパターニングさているSi基板41を40wt%
水酸化カリウム水溶液で、ボロンドープ層46に達する
直前までエッチングし、5wt%水酸化カリウム水溶液
でエッチングを継続してエッチングストップさせ、さら
にエッチングを継続し、所定の振動板厚みになるまでエ
ッチングする。この方法により、隔壁部55と振動板5
4の接続部に微小な角度を持った斜面56を形成するこ
とができ、この斜面56により隔壁部55と振動板54
の接続部にかかる応力を低減することができ、インクジ
ェットヘッドの信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、記録を必要とする
時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるイ
ンクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェ
ットヘッドの製造方法の関する。
【0002】
【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒
音が極めて小さいこと、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。この中でも記録が必要な時にのみ
インク液滴を吐出する、いわゆるインク・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、現在主流となっている。
【0003】このインク・オン・デマンド方式の記録に
インクジェットヘッド記録装置には、インクを吐出させ
る方法として、駆動手段に静電気力を利用したインクジ
ェットヘッド記録装置(特開平6−71882号公報)
があり、この方式は小型高密度・高印字品質及び長寿命
とあるという利点を有している。
【0004】また、振動板をSi基板をエッチングして
形成する手段として、特願平8−43602号7頁9行
記載のエッチングストップ技術を用い、P型不純物層の
エッチング速度が遅いことを利用し、P型不純物層のみ
をエッチングにより残留せしめて、振動板となるSi薄
膜を高精度に形成する方法が取られるようになってき
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動板
を形成したSi基板をヘッドに組み立てて長期間駆動さ
せると、吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に応
力が集中し、この応力の集中により振動板接続部に亀裂
が走り、インクが静電駆動に必要な振動板と対向電極の
ギャップに侵入して、駆動が不可能になる課題があっ
た。そこで、本発明は上記した様な課題を解決するもの
で、その目的とするところは隔壁部と振動板の接続部の
機械的強度を増し、振動板の長期間駆動に対する耐久性
を向上させ、信頼性の高いインクジェットヘッドの製造
方法を提供するところにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
は、インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔
と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、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、該駆動手段が該振動
板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形
成される基板がSi基板であるインクジェットヘッドにお
いて、該吐出室を構成する隔壁部と該振動板の接続部に
斜面部を設けたことを特徴とする。
【0007】また、前記インクジェットヘッドの製造方
法において、振動板が高濃度p型不純物層からなるSi
基板であって、該Si基板の高濃度p型不純物層が形成
された面の反対面の、該高濃度p型不純物層の近傍まで
のSi基板のエッチングを高濃度水酸化カリウム水溶液
で行い、該高濃度p型不純物層の近傍から該高濃度p型
不純物層までのエッチングを低濃度水酸化カリウム水溶
液で行い、該高濃度p型不純物層を残留させて該振動板
を形成することを特徴とする。
【0008】また、前記インクジェットヘッドの製造方
法において、振動板が高濃度p型不純物層からなるSi
基板であって、該Si基板の高濃度p型不純物層が形成
された面の反対面の、該高濃度p型不純物層の近傍まで
のSi基板のエッチングを複数の厚みでパターニングさ
れた酸化膜をエッチングマスクで行うことを特徴とす
る。
【0009】前記した低濃度水酸化カリウム水溶液の濃
度が、0.5〜10wt%であることを特徴とし、あるい
は、高濃度水酸化カリウム水溶液の濃度が、35〜55
wt%であることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
(実施例1)図1は、本発明の第1の実施例に関わるイ
ンクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示し
てある。本実施例はインク液滴を基板の面部に設けたノ
ズル孔から吐出させるフェイスインクジェットヘッドの
例を示すものである。図2は組み立てられた全体装置の
側面の断面図、図3は図2のA−A‘線矢視図である。
本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構
造を持つ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。
【0011】中間の第1の基板1は、Si基板であり、
底壁を振動板5とする吐出室6を構成することになる凹
部7と、凹部7の後部に設けられたオリフィス8を構成
することになるインク流入口のための細溝9と、各々の
吐出室6にインクを供給するための共通のインクキャビ
ティ10を構成することになる凹部11を有する。そし
て、隔壁部18と振動板5の接続部19に斜面20を儲
けている。第1の基板の全面に、熱酸化により酸化膜を
0.1ミクロン形成し絶縁膜としている。これは、イン
クジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するため
である。
【0012】第1の基板1の下面に接合される第2の基
板2は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この第一の基板1
に電極15を装着するための凹部14を0.3ミクロン
エッチングすることにより、振動板5とこれに対向して
配置させる電極15との対向間隔、すなわちギャップG
を形成している。この凹部14はその内部に電極15、
リード部16及び端子17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してい
る。電極は凹部14内にITOを0.1ミクロンスパッ
タし、ITOパターンを形成することで作製する。した
がって、本実施例における第1の基板1と第2の基板2
を陽極接合した後のギャップGは、0.2ミクロンとな
っている。
【0013】また、第1の基板の上面に接合される第3
の基板3には、厚さ100ミクロンのSi基板を用い、
基板3の面部に、吐出室6用の凹部7と連通するように
それぞれノズル孔12を設け、またインクキャビティ1
0用の凹部11と連通するようにインク供給口13を設
ける。
【0014】上記のように構成されたインクジェットヘ
ッドの動作を説明する。電極15に発信回路23により
0Vから35Vのパルス電極を印加し、電極15の表面
がプラスに帯電すると、対応する振動板5の下面はマイ
ナス電位に帯電する。したがって、振動板5は静電気の
吸引作用により下方へたわむ。次に、電極15をOFFに
すると、振動板5は復元する。そのため、吐出室6内の
圧力が急激に上昇し、ノズル孔12よりインク液滴21
を記録紙22に向けて吐出する。次に、振動板5が再び
下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ1
0よりオリフィス8を通じて吐出室6内に補給される。
なお、基板1と発信回路23との接続は、ドライエッチ
ングにより基板1の1部に開けた酸化膜の窓(図示せ
ず)において行う。また、インクジェットヘッドへのイ
ンクの供給は、インクキャビティ10の端部のインク供
給口13により行う。
【0015】本発明第一の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの振動板と隔壁部に斜面を形成した場合につい
て、第1の基板1の製造方法を図4の第1の基板の拡散
工程図および図5の第1の基板のエッチング工程図にお
いて、Bを不純物拡散源として、厚さ2ミクロン
の振動板を形成する場合について詳細に説明する。
【0016】本実施例のインクジェットヘッドにおける
振動板は、高濃度にP型不純物を拡散したSi薄膜であ
る。このSi薄膜は、アルカリ水溶液によるSiエッチ
ングにおけるエッチングレートが、ドーパントがボロン
の場合、高濃度(約5×1019cm−3以上)の領域
において、エッチングレートが非常に小さくなることを
利用して作製される。すなわち、振動板形成領域を高濃
度ボロンドープ層とし、アルカリ異方性エッチングによ
り、吐出室、インクキャビティを形成する際に、ボロン
ドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小
さくなる、いわゆるエッチストップ技術によって、振動
板は所望の板厚に作製される。
【0017】先ず、(110)を面方位とするSi基板
41の両面を鏡面研磨し、180ミクロンの厚みの基板
を作製する(図4(a))。Si基板41を、熱酸化炉
にセットし、酸素および水蒸気雰囲気中で摂氏1100
度、4時間で熱酸化処理を施し、Si基板41表面に酸
化膜42を1.2ミクロン成膜する(図4(b))。次
いで、ボロンドープ層を形成する面43の酸化膜42を
剥離するため、Si基板41のボロンドープ層を形成す
る面43の反対の面44にレジストをコートし、レジス
トを保護膜としてボロンドープ層を形成する面43の酸
化膜42をふっ酸水溶液にてエッチング除去し、レジス
トを剥離する(図4(c))。拡散源となるB
有機溶剤中に3.15wt%を分散した拡散剤45を、
酸化膜を除去したボロンドープ層を形成する面43に2
000rpm、1分間の条件でスピンコーティングし、
クリーンオーブン中で摂氏140度の温度で30分間ベ
ークする(図4(d))。このとき拡散剤45の厚みは
1.2ミクロンとなる。
【0018】拡散剤45をコーティングしたSi基板4
1を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、摂氏600度
の条件で加熱し、拡散剤45中の有機バインダーを酸化
除去しBを焼成する。引き続き炉内を窒素雰囲気
にし、温度を摂氏1100度に上昇させ、そのまま温度
を12時間保持し、ボロンをSi基板中に拡散させ、ボ
ロンドープ層46を形成する。このとき、拡散剤45
(B)とSi基板41表面ボロンドープ層46の
界面にボロン化合物47が形成されている(図4
(e))。
【0019】ボロンドープ層46を形成した面の反対側
にレジストをコートし、拡散剤45をふっ酸水溶液によ
りエッチング除去する(図4(f))。Si基板41表
面に現れたボロン化合物47は耐エッチング性が高く、
ウェットエッチングによる除去が不可能なため、次のよ
うな手段をとる。まず、Si基板41のレジストを剥離
した後、Si基板41を酸化炉にセットし、酸素および
水蒸気雰囲気、摂氏600度の条件でボロン化合物47
を1時間酸化し、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能
なB+SiOに化学変化させる。なお、酸化
の温度が低いため、拡散が進行することはなく、ボロン
化合物47を酸化せずドライエッチングで除去すること
も可能である。拡散面のボロン化合物47を酸化してB
+SiOに化学変化させた状態でさらに熱酸
化して、ボロンドープ層側に1.2ミクロンの酸化膜4
8を形成する(図4(g))。
【0020】以上が、高濃度ボロンドープ層46の形成
を塗布法で実施した場合であり、他の高濃度のドープ層
を形成する手段として、ボロン拡散板をSi基板に対向
させて熱拡散を行う方法がある。
【0021】次に、エッチングによる振動板および振動
板斜面部の作製方法を説明する。
【0022】ボロンドープ層46が形成され、酸化膜4
2を成膜したSi基板41のボロンドープ側と反対面に
レジストをコートし、キャビティとなる部分51をパタ
ーニングし、フッ酸水溶液で酸化膜42をエッチングす
る。さらに、レジストを剥離して、酸化膜42がパター
ニングされた状態になる(図5(a))。次に、40w
t%水酸化カリウム水溶液でエッチングがボロンドープ
層46(厚み3ミクロン)に達し、エッチングストップ
が起こり始めるエッチング深さ(残り3ミクロン程度)
まで行う(図5(b))。このとき、高濃度水酸化カリ
ウム水溶でのエッチングではキャビティ底部52に斜面
53が残る性質があり、40wt%水酸化カリウム水溶
液においては高さ18ミクロンの斜面53が形成され
る。次に高濃度ボロンドープ層46でのエッチングスト
ップ性が高い5wt%水酸化カリウム水溶液で、Si基
板41のエッチングを継続してエッチングストップさせ
る(図5(c))。しかし、5wt%水酸化カリウム水
溶液のような低濃度のエッチング液においては、キャビ
ティ底部52に斜面53を形成しない性質があり、所定
厚みの振動板54になるまでエッチングを継続すると、
斜面53は消失していき斜面53のテーパー角は小さく
なっていく。
【0023】以上の工程により、隔壁部と振動板の接続
部に微小なテーパー角を持つ斜面を有するインクジェッ
トキャビティを形成することができる。このことによ
り、振動板の耐久性が向上し、インクジェットヘッドの
安定した長期駆動を実現できた。
【0024】(実施例2)本発明第2の実施例である複
数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマス
クとして斜面部を形成する方法について図6のエッチン
グ工程図において説明する。
【0025】高濃度水酸化カリウム水溶液で形成される
キャビティ底部の斜面部の大きさは、エッチング液濃度
のほぼ規定されるため、より大きな斜面を形成しようと
した場合、次のような方法をとる。
【0026】Si基板41にボロンドープ層46を形成
し、酸化膜46の形成までを前記実施例の拡散工程と同
様に行う。Si基板41のボロンドープ側と反対面にレ
ジストをコートし、キャビティとなる部分61をパター
ニングし、ふっ酸水溶液で酸化膜42をハーフエッチン
グする(図6(a))。一度レジストを除去した後、再
度レジストをコートし振動板となる部分62の酸化膜4
2をふっ酸水溶液で完全に除去し、レジストを剥離する
(図6(b))。この酸化膜42をパターニングしたS
i基板41を30wt%の水酸化カリウム水溶液で振動
板となる部分62を60ミクロンの深さでエッチングす
る(図6(c))。次にハーフエッチングで薄くした酸
化膜部分63のみをエッチング除去できるように、エッ
チング時間を調整しSi基板41を浸漬する(図6
(d))。そして、最初にエッチングした振動板となる
部分62の厚みが3ミクロン程度になるように水酸化カ
リウム水溶液によるエッチングを継続する。この時、酸
化膜42を除去した部分もエッチングされていき、角6
4が徐々にエッチングされて(図6(e))、最終的に
は大きなテーパー形状の斜面65となる(図6
(f))。次に高濃度ボロンドープ層46でのエッチン
グストップ性が高い5wt%水酸化カリウム水溶液で、
Si基板41のエッチングを継続して所定の厚みの振動
板66を形成する(図6(g))。高濃度エッチング終
了後の斜面65のテーパーが大きいため最終的に残るテ
ーパー形状も大きくできた。このことにより、隔壁部と
振動板の接続部の強度が増し、振動板の耐久性がさらに
向上した。
【0027】(実施例3)本発明第3の実施例である高
濃度水酸化カリウム水溶液と低濃度水酸化カリウム水溶
液の濃度について、エッチング液濃度と斜面幅の関係を
示した図7、及びエッチング液濃度とエッチングストッ
プ選択比(ボロンドープされたSiのエッチングレート
に対するドープされていないSiのエッチングレートの
比)の関係を示した図8、さらにエッチングの状況をシ
ュミレーションして示した図9において説明する。
【0028】水酸化カリウム水溶液によるSi基板のエ
ッチングにおいて、エッチング溝底部に形成される斜面
の斜面幅と濃度には図7のような関係があり、32wt
%以上で斜面が形成され、30wt%以下では斜面は全
く形成されない。すなわち、水酸化カリウム水溶液の最
高濃度は55wt%であり、振動板形成において斜面部
形成を目的とした高濃度水酸化カリウム水溶液の最適な
濃度は、32〜55wt%である。
【0029】一方、水酸化カリウム水溶液の低濃度エッ
チング液の濃度選定のポイントは、いかにエッチングス
トップ選択比を大きく取るかと言うことである。すなわ
ち、エッチングストップによって、Si基板厚みのばら
つきをどれだけ吸収できるかを意味し、エッチングスト
ップ選択比は高いことが望ましい。Si基板厚みばらつ
きが10ミクロン程度であることを考慮すると、振動板
厚み精度を最悪でも±0.3ミクロン以内に抑えるた
め、必要となる選択比は16以上である。すなわち、選
択比16以上を確保するためには、図8より水酸化カリ
ウム水溶液の濃度は、10wt%以下で良いことが解
る。一方、水酸化カリウム水溶液は濃度が極端に低くな
ると、Siに対するエッチング能力が不安定になり易
く、0.5wt%より低い濃度では実用的ではない。し
たがって、振動板形成においてエッチングストップを目
的とした低濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は
0.5〜10wt%である。
【0030】高濃度エッチング後の隔壁部91と振動板
部92の接続部の斜面93の形状は、図9(0)のよう
になり斜面幅d、斜面高さhはほぼ等しい。ここで、低
濃度エッチング後の形状を推定するため、低濃度エッチ
ング液でのエッチングストップ選択比をSとし、高濃度
ボロンドープ層95に達してからのエッチング量をaす
ると、hとSの関係において低濃度エッチング後の形状
は図9(Ι)、(П)、(Ш)のように3タイプにな
る。低濃度エッチング後の斜面部の高さをxとすると、 S×a<hのとき、 x=h−(S×a)+a S×a=hのとき、 x=a S×a>hのとき、 斜面部上部94が高濃度ボロンドープ層に達するまでに
高濃度ボロンドープ層がエッチングされる量をa
し、斜面部上部94が高濃度ボロンドープ層に達してか
らのエッチング量をa とすると、 S×a =d、 a=a +a =h/S x=a−a =a =h/S ここで、高濃度ボロンドープ層95の厚みは3ミクロン
であり、振動板96の目標厚みは2ミクロンであるた
め、高濃度ボロンドープ層95のエッチング量はa=1
ミクロンとなる。例えば、高濃度エッチング液の濃度を
40wt%、低濃度エッチング液の濃度を5wt%とす
ると、図7及び図8のグラフより、h=18ミクロン、
S=22であり、 S×a=22>h=18となるため、xは、 x=h/S=18/22=0.82 したがって、この場合、エッチング終了後の斜面部高さ
は0.82ミクロンとなる。
【0031】以上のことより、高濃度エッチング液及び
低濃度エッチング液の濃度選定により斜面形状を任意に
制御可能できる。
【0032】
【発明の効果】インクジェットヘッドの吐出室を構成す
る隔壁部と振動板の接続部に斜面を形成したことによ
り、隔壁部と振動板の接続部への応力集中が減少し、接
続部の耐久性が向上する。そして、接続部への応力集中
による振動板の破損を防いだことによってインクジェッ
トヘッドの長期駆動における信頼性を高めることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるインクジェット
ヘッドの構造を分解して示す斜視図。
【図2】本発明の第1の実施例のおけるインクジェット
ヘッドの断面側面図。
【図3】図2のA−A‘線矢視図。
【図4】本発明の第1の実施例におけるインクジェット
ヘッドの第1の基板の製造工程を構成する拡散の工程
図。
【図5】本発明の第1の実施例におけるインクジェット
ヘッドの第1の基板の製造工程を構成するエッチングの
工程図。
【図6】本発明の第2の実施例におけるインクジェット
ヘッドの第1の基板の製造工程を構成するエッチングの
工程図。
【図7】本発明の第3の実施例における水酸化カリウム
水溶液濃度と斜面幅の関係図。
【図8】本発明の第3の実施例における水酸化カリウム
水溶液濃度と選択比の関係図。
【図9】本発明の第3の実施例における隔壁部と振動板
接続部の斜面部のエッチング形状をシュミレートし、説
明する概略図。
【符号の説明】
1 第1の基板 2 第2の基板 3 第3の基板 5 振動板 6 吐出室 7 凹部 8 オリフィス 9 細溝 10 インクキャビティ 11 凹部 12 ノズル孔 13 インク供給口 14 凹部 15 電極 16 リード部 17 端子 18 隔壁部 19 接続部 20 斜面 21 インク液滴 22 記録紙 23 発信回路 41 Si基板 42 酸化膜 43 ボロンドープ層を形成する面 44 反対の面 45 拡散剤 46 ボロンドープ層 47 ボロン化合物 48 酸化膜 51 キャビティとなる部分 52 キャビティ底部 53 斜面 54 振動板 55 隔壁部 56 斜面 61 キャビティとなる部分 62 振動板となる部分 63 薄くした酸化膜部分 64 角 65 斜面 66 振動板 91 隔壁部 92 振動板部 93 斜面 94 斜面上部 95 ボロンドープ層

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、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、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
    該振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動
    板が形成される基板がSi基板であるインクジェットヘッ
    ドにおいて、該吐出室を構成する隔壁部と該振動板の接
    続部に斜面部を設けたことを特徴とするインクジェット
    ヘッド。
  2. 【請求項2】前記請求項1記載のインクジェットヘッド
    において、振動板が高濃度p型不純物層からなるSi基
    板であって、該Si基板の高濃度p型不純物層が形成さ
    れた面の反対面の、該高濃度p型不純物層の近傍までの
    Si基板のエッチングを高濃度水酸化カリウム水溶液で
    行い、該高濃度p型不純物層の近傍から該高濃度p型不
    純物層までのエッチングを低濃度水酸化カリウム水溶液
    で行い、該高濃度p型不純物層を残留させて該振動板を
    形成することを特徴とするインクジェットの製造方法。
  3. 【請求項3】前記請求項2記載のインクジェットヘッド
    の製造方法において、振動板が高濃度p型不純物層から
    なるSi基板であって、該Si基板の高濃度p型不純物
    層が形成された面の反対面の、該高濃度p型不純物層の
    近傍までのSi基板のエッチングを複数の厚みでパター
    ニングされた酸化膜をエッチングマスクで行うことを特
    徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
  4. 【請求項4】前記低濃度水酸化カリウム水溶液の濃度
    が、0.5〜10wt%であることを特徴とするインクジ
    ェットヘッドの製造方法。
  5. 【請求項5】前記高濃度水酸化カリウム水溶液の濃度
    が、35〜55wt%であることを特徴とするインクジェ
    ットヘッドの製造方法。
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