JPH11334079A - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】オリフィスへのインクの補給が容易なインクジ
ェットヘッド及びその製造方法を提供する。 【解決手段】感光性ポリイミド等を用いた樹脂膜の形成
を２層構造で且つ異なるパターンで形成することによっ
て、インク封止・離隔部の高さがインク通路溝の隔壁部
の高さのおよそ２倍の高さになるように形成する。この
とき低いほうの高さとなるインク通路溝となる隔壁部の
形成は２度目の樹脂膜形成によって行うことによって段
差を滑らかにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オリフィスへのイ
ンクの補給が容易なインクジェットヘッド及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サーマルインクジェット方式を用
いたプリンタが主流を占めてきている。このサーマルイ
ンクジェット方式は、印字のために射出するインクの液
滴形成過程において、ヒータを熱してヒータ面上に核
気泡を発生させる。この核気泡が合体して膜気泡が生
まれる。この膜気泡が断熱膨脹して成長する。その
成長した膜気泡が周囲のインクに熱を取られて収縮す
る。ついには膜気泡が消滅し、次のヒータ加熱を待
つ、という一連の工程を瞬時に行うことによって成り立
っている。そして、上記の〜の工程には膜沸騰現象
が利用されている。

【０００３】膜沸騰現象は、例えば鉄の焼き入れのよう
に高温に加熱された物体を液体中に漬けた場合と、液体
と接する物体の表面温度を急激に上げた場合とに発現す
るが、サーマルインクジェットプリンタに用いられる膜
沸騰現象は後者の「液体と接する物体の表面温度を急激
に上げる」方法によっている。

【０００４】また、このように膜沸騰現象を利用し、三
原色のインクを吐出して、フルカラー印刷を行うインク
ジェットプリンタの印字ヘッド（サーマルインクジェッ
トヘッド）は、一般に、シリコンＬＳＩと薄膜技術を利
用して、個々の駆動回路とインク吐出ノズル（オリフィ
ス）が一括して形成されることにより製造される。

【０００５】図２(a),(b),(c) 、図３(a),(b),(c) 及び
図４(a),(b),(c) は、そのようなインクジェットヘッド
の製造方法を工程順に示す図である。図２(a),(b),(c)
はそれぞれ概略の平面図を示しており、図３(a),(b),
(c) はそれぞれ図２(a),(b),(c) の詳細拡大部分図、図
４(a) は、左方に図３(a) のＡ−Ａ′断面矢視図、右方
に同じくＢ−Ｂ′断面矢視図を示し、図４(b),(c) は、
同図(a) と同一部分の図３(b),(c) にそれぞれ対応する
断面図である。

【０００６】尚、これらの図では、説明の便宜上、いず
れもサーマルインクジェットヘッドの１個の発熱ヘッド
のみを示しているが、実際にはこのような発熱ヘッドが
複数個連なって、１枚のシリコン基板上に形成される。
また、図２(a),(b),(c) のそれぞれ下に示している断面
図は、図４(a),(b),(c) のそれぞれ左方に示す断面図と
同一のものである。

【０００７】先ず、工程１として、４インチ以上のシリ
コン基板にＬＳＩ形成処理により駆動回路とその端子を
形成し、次に、工程２として、薄膜技術を用いて、Ｔａ
−Ｓｉ−ＳｉＯなどの微細抵抗、及びＮｉなどによる電
極を形成する。この工程で発熱抵抗体の位置が決められ
る。

【０００８】図２(a) 、図３(a) 及び図４(a) は、その
工程１及び工程２が終了した直後の状態を示している。
すなわち、シリコン基板１上には、共通電極２、共通電
極給電端子３（図２(a) 参照）、個別配線電極４、抵抗
５、駆動回路６、及び駆動回路端子７（図２(a) 参照）
が形成されている。

【０００９】続いて、工程３として、個々のインク吐出
口に対応するインク溝を形成すべく感光性ポリイミドな
どの有機材料からなる隔壁兼離隔部材を積層する。ここ
では上記の感光性ポリイミドをコーティングし、パター
ン化した後に、３００℃〜４００℃の熱を３０分〜６０
分加えて上記感光性ポリイミド（隔壁兼離隔部材）をシ
リコン基板上に固着させるキュア（乾燥硬化）を行う。
更に、工程４として、ウェットエッチングまたはサンド
ブラスト法などにより上記シリコン基板にインク供給路
とインク供給孔を形成する。

【００１０】図２(b) 、図３(b) 及び図４(b) は、上述
の工程３及び工程４が終了した直後の状態を示してい
る。すなわち、インク供給路８、及びインク供給孔１０
（図４(a) 参照）が形成され、共通電極２のインク供給
路８の左側に位置する部分と、個別配線電極４が配設さ
れている部分、及び各抵抗５と抵抗５の間に、隔壁兼離
隔部材９が積層されている。隔壁兼離隔部材９の上記各
抵抗５間に積層される部分は、個別配線電極４上の部分
９−１を櫛の胴とすれば、各抵抗５間に伸び出す部分９
−２は櫛の歯に相当する形状をなしている。これによ
り、この櫛の歯を隔壁として、その歯と歯の間の付け根
部分に抵抗５が位置する微細なインク溝が、抵抗５の数
だけ形成される。

【００１１】この後、工程５として、厚さ２０〜４０μ
ｍのポリイミドのフィルムの両面に５μｍ程度の薄いポ
リイミド系の熱可塑材をコーティングし、片面にＮｉ、
Ｃｕ又はＡｌなどの金属膜を真空装置で１μｍ程度蒸着
したフィルムからなるオリフィス板を、上記の最上層に
張り付けて、上記隔壁兼離隔部材によって形成されたイ
ンク溝に蓋をして個別の微細通路（インク溝坑）を形成
し、熱可塑材料のガラス転移温度より高い温度に設定し
た環境で、数ｋｇ／ｃｍ² の平行加圧を行いながら、数
１０分均一に固定し、シリコン基板に張り付ける。

【００１２】ポリイミド系の熱可塑材料はガラス転移温
度（Ｔｇ）以上になると急激に弾性率が低下し粘着性が
増加し、接着効果が出る。この性質を利用することで、
このような製法が出来る。

【００１３】更に、工程６として、オリフィス板の上の
金属膜をパターン化して、ポリイミドを選択的にエッチ
ングするマスクを形成する。工程７として、オリフィス
板をＥＣＲなどのドライエッチングなどにより上記の金
属膜マスクに従って４０μｍφ〜２０μｍφの孔空けを
して多数のノズル孔（オリフィスともいう）を一括形成
する。尚、孔空けはエキシマレーザなどを用いて行って
もよい。

【００１４】ここまでが、ウェハの状態で処理される。
そして、最後に、工程８として、ダイシングソーなどを
用いてカッテングして、単位毎に個別に分割し、実装基
板にダイスボンデングし、端子接続して完成する。

【００１５】図２(c) 、図３(c) 及び図４(c) は、上述
した工程５と工程６が終了した直後の状態を示してい
る。すなわちオリフィス板１１が駆動回路６と給電端子
３及び７の部分を除く全領域を覆っており、上記のイン
ク溝も上を覆われて隔壁兼離隔部材９の厚さ１０μｍに
対応する高さの坑状のインク溝１２を形成している。

【００１６】そして、オリフィス板１１には、抵抗５に
対応する部分にノズル孔（オリフィス）１３がドライエ
ッチングまたエキシマレーザによって形成されており、
これにより、１列のノズル孔１３を備えた発熱ヘッド１
４が完成する。

【００１７】このようにオリフィス板１１を張り付け
て、その後で、下地のパターンつまり発熱抵抗体５の位
置に合わせてオリフィス孔を加工することは、予めオリ
フィス孔を加工したオリフィス板を張り合わせるより
も、遥かに生産性の高い実用性のある方法である。ま
た、ドライエッチングによる場合は、マスクはＮｉ、Ｃ
ｕ、又はＡｌなどの金属膜を使うことで樹脂と金属膜と
の選択比が概略１００程度得られるので、２０〜４０μ
ｍのポリイミドフィルムのエッチングには１μｍ以下の
金属膜でマスクを形成することで十分である。

【００１８】尚、上記の製造方法では、インク吐出部と
駆動回路とを一体で構成する例で説明したが、サーマル
インクジェットヘッドの部分だけをシリコン基板または
ガラス基板などの基板に形成する場合でも、駆動回路を
形成する工程を除いて他の工程は全く同様である。ま
た、上記の例では、駆動回路が露出した状態で示されて
いるが、実際には、説明では省略したが保護膜が形成さ
れている。また、保護膜を後からわざわざ形成するので
はなく、オリフィス板１１を図２(c) の右方に延長して
積層するようにして、オリフィス板１１に駆動回路の保
護膜を兼用させるようにすることも考えられる。

【００１９】また、通常フルカラー印字においては、減
法混色の三原色であるイエロー（Ｙ）、マゼンタ
（Ｍ）、シアン（Ｃ）の３色に、文字や画像の黒部分に
専用されるブラック（Ｂｋ）を加えて合計４色のインク
を必要とする。したがって、最低でも４列のノズル列が
必要である。そして、上述した製造方法によれば４列の
素子をモノリシックに構成することは可能であり、各列
の位置関係も今日の半導体の製造技術により正確に配置
することが可能である。

【００２０】図４(b) は、上述の図２、図３及び図４に
示したシリコン基板１、共通電極２、共通電極給電端子
３、個別配線電極４、抵抗５、駆動回路６、駆動回路端
子７、インク供給路８、隔壁部材９、インク供給孔１
０、オリフィス板１１、インク溝１２、ノズル孔１３の
各部を１組としてなる素子（発熱ヘッド）１４を４列並
べてフルカラーのサーマルインクジェットヘッド１５を
構成した状態を示す図である。尚、図４(a) には、発熱
ヘッド１４が４列並んだ構成を分かり易く示すため、図
２(a) に示した工程１〜工程２まで終了した状態のもの
を示している。また、図４(b) に示す形態は、オリフィ
ス板１１に駆動回路の保護膜を兼用させる形態のものを
示している。

【００２１】図４(a),(b) に示すように、サーマルイン
クジェットヘッド１５は、４個の発熱ヘッド１４（１４
ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）が並んで配置され、例え
ばインク供給路８ａからＹインクが発熱ヘッド１４ａの
インク溝１２（図４(c) 参照）に供給され、インク供給
路８ｂからＭインクが発熱ヘッド１４ｂのインク溝１２
に供給され、インク供給路８ｃからＣインクが発熱ヘッ
ド１４ｃのインク溝１２に供給され、そして、インク供
給路８ｄからはＢｋインクが発熱ヘッド１４ｄのインク
溝１２に供給される。

【００２２】印字に際しては、抵抗５が印字情報に応じ
て選択的に通電され、瞬時に発熱して膜沸騰現象を発生
させ、その抵抗５に対応するノズル孔１３からインク滴
が吐出される。このようなインクジェット方式ではイン
ク滴はノズル孔１３の径に対応する大きさの略球形で吐
出され、紙面上には略その倍の径の大きさとなって印字
される。

【００２３】このようにして得られるフルカラーのサー
マルインクジェットヘッドは、解像度が３６０ｄｐｉの
場合であれば１２８ノズル×４列＝６４０ノズルを備え
ることになり、概略８．５ｍｍ×１９．０ｍｍの大きさ
に形成される。また解像度が７２０ｄｐｉの場合であれ
ば、２５６ノズル×４列＝１２８０ノズルが、ほぼ８．
５ｍｍ×１９．０ｍｍの大きさの中に形成される。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、隔壁によってシリコン基板から隔てられ、そ
のシリコン基板に対向して張り付けられるオリフィス板
には、しばしばシリコン基板と接触する不具合が発生す
る。これは、隔壁の厚みが１０μｍ程度の厚さであるた
め、オリフィス板とシリコン基板との間隙が１０μｍと
狭いうえに、オリフィス板がポリイミドフィルムや感光
性ドライフィルムから成るため接着層の「だれ」やおよ
そ３００℃で行われる熱処理における軟化などで、シリ
コン基板面との接触が助長されるからでる。

【００２５】また、このようなインクジェットヘッドは
多素子構成を基本としているので、例えば規模の大きい
２５６オリフィスの素子ではヘッドの長さが１０ｍｍ程
度に長くなる。こうなると、薄膜であるオリフィス板の
撓みによってもシリコン基板面との接触が発生する。

【００２６】ところで、インクジェットヘッドのインク
は、インク供給路からインク溝を経てオリフィスに運ば
れる。インク供給路からインク溝までは、オリフィス板
に囲まれており、上記の１０μｍのギャップを通してイ
ンクが供給（補給）される。したがって、上記のように
オリフィス板とシリコン基板面との接触が発生している
と、インクの通路が妨害される。すなわちインクの目詰
まりが発生する。

【００２７】一方、インクジェットヘッドによる印字で
は、先の印字でインクが無くなったオリフィス近傍にイ
ンクを補給して次のパルス加熱で再びインク滴を飛ばし
ている。このような印字を安定して行うには、インクが
オリフィスに素早く補給される必要がある。しかし、上
記のようなオリフィス板の張り付けでは、シリコン基板
とのギャップが狭いことによって接触が発生し、安定し
た印字が保障されない。すなわち不良品が発生して、デ
バイスとしての製造歩留まりが低下する。

【００２８】そうかといって、隔壁部材はスピンナー
（液滴を遠心力を利用して塗布する装置）などによって
感光性ポリイミドを均一に塗布したものであり、この場
合の塗布の厚さは２０μｍがほぼ限界であり、この厚さ
はキュア（焼成、乾燥硬化）の処理によって５０％に収
縮するものであり、したがって、前述した製造工程３に
おける感光性ポリイミドを用いた隔壁形成ではウェーハ
全面での均一性を考えると、１０μｍ程度の高さが限界
である。

【００２９】そして、その上にオリフィス板が平らに乗
せられるものであるから、シリコン基板面とオリフィス
板との１０μｍのギャップ構成は、これ以上如何とも成
し難く、このため、インクのオリフィスへのコンダクタ
ンスをこれ以上大きくできないという問題を有してい
た。

【００３０】本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、
オリフィスへのインクの補給が容易なインクジェットヘ
ッド及びその製造方法を提供することである。

【００３１】

【課題を解決するための手段】先ず、請求項１記載の発
明のインクジェットヘッドの製造方法は、基板上に複数
の発熱素子をアレイ状に形成する工程と、インク供給部
から上記発熱素子へ供給されるインクの漏液を防止する
ための第１のインク封止層を形成する工程と、該第１の
インク封止層上に第２のインク封止層を形成すべく感光
性樹脂を塗布すると共に該感光性樹脂を少なくとも上記
発熱素子上に塗布する工程と、該発熱素子上の上記感光
性樹脂を除去し上記発熱素子間に隔壁を形成する工程と
を含んで編成される。

【００３２】次に、請求項２記載の発明のインクジェッ
トヘッドは、基板上に形成された複数の発熱素子と、イ
ンク供給部から上記発熱素子へ供給されるインクの漏液
を防止するためのインク封止部と、上記発熱素子間を隔
てる隔壁部と、上記インク封止部と上記隔壁部に密着し
て設けられ、上記発熱素子に対応する位置にオリフィス
が形成されたオリフィス板とを有し、上記インク封止部
における上記基板と上記オリフィス板間のギャップより
も上記隔壁部における上記基板と上記オリフィス板間の
ギャップの方が狭く形成されて構成される。

【００３３】そして、例えば請求項３記載のように、上
記インク封止部における上記基板と上記オリフィス板間
のギャップと上記隔壁部における上記基板と上記オリフ
ィス板間のギャップの比率は約２：１であるように構成
される。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１(a),(b),(c) は一実施の
形態におけるインクジェットヘッドの主要部の構成を示
す図であり、同図(a) は、インク封止部分と隔壁部分の
断面図であり、同図(b) はインク封止部分とインク溝部
分の断面図、同図(c) は、そのシリコン基板を取り除い
た（又は透視した）底面図である。尚、同図(a) は同図
(c) のＣ−Ｃ′断面矢視図であり、同図(b) は同図(c)
のＤ−Ｄ′断面矢視図である。

【００３５】同図(a),(b),(c) に示すように、このイン
クジェットヘッド２０は、シリコン基板（ガラス基板で
もよい）２１の上に例えば感光性ポリイミドなどの感光
性樹脂２２を厚さ２０μｍにコーティングし、露光現像
して同図(a),(b) に示すインク封止部２３のようにパタ
ーンを形成し、キュア（焼結、乾燥硬化）処理により、
およそ１０μｍの厚さの一層目の樹脂層２２−１（第１
のインク封止層）を形成して固着させる。

【００３６】さらに上記と同様の方法で感光性樹脂をコ
ーティングし、これを露光現像することにより、樹脂層
２４（２４−０、２４−１、２４−２）が形成される。
これにより樹脂層２４−０（第２のインク封止層）と樹
脂層２２−１（第１の樹脂層）からなる二層構造のイン
ク封止部２３と、樹脂層２４−１、２４−２の形成によ
り樹脂層２４−２の一層のみの隔壁部２５が形成され
る。この後、キュア処理を施して固着させる。このよう
な工程で樹脂層２２−１及び樹脂層２４−０からなる二
層の部分と、樹脂層２４−１と２４−２のみからなる一
層の部分を形成すると、同図(a),(b) に示すように、段
差部２６は２層目の樹脂２４でコーティングされるため
段差が円滑（斜め）に変化した状態で形成することが出
来る。

【００３７】このように段差の付いた一層及び二層構造
の隔壁兼インク封止部２４の構造の上にオリフィス板２
７を乗せる。このオリフィス板２７は、１０〜３０μｍ
のポリイミドフィルムに３〜６μｍの熱可塑性ポリイミ
ドをコートして成る。オリフィス板２７を隔壁兼インク
封止部２４上に乗せる際には、およそ１〜２μｍの厚さ
のフツ素ゴムを重ねる。そして、温度２００〜３００℃
及び圧力１０ｋｇ／ｃｍ² での加熱加圧をおよそ一時間
行う。

【００３８】この処理によって、同図(a),(b) に示すよ
うに、段差部２６にも一様に密着した状態でオリフィス
板２７を張り付けることが出来る。この後、発熱抵抗体
２８に対応する位置にオリフィス２９を形成する。

【００３９】この処理の結果、インクジェットヘッド２
０のインク封止部２３は二層構造になり、そしてインク
通路溝３１の隔壁部２５８（樹脂層２４−２）は一層構
造になる。つまり、オリフィス板２７のオリフィス２９
と発熱抵抗体２８間の距離も一層構造の隔壁部２４−２
つまり２４−１の高さと同一になる。このようにオリフ
ィス板２７と発熱抵抗２８の距離は狭いので、インク吐
出のためのエネルギーは低エネルギーでよい。

【００４０】また、このようにインク封止部分２３がイ
ンク通路溝３１の２倍の高さに形成されているので、イ
ンク供給路３２をインク溝よりも高く形成でき、これに
より、インク補給のための液路のコンダクタンスを大き
くすることが出来る。

【００４１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、隔壁部材の構造を複数階層で形成するので、一層
のみで形成した隔壁部材の構成の場合と比較してオリフ
ィス板の張り付けのとき対向面の接触による不良発生が
解消され、これにより、製品歩留まりが向上し、したが
って、製品コストが低減する。

【００４２】また、同様に隔壁部材の構造を複数階層で
形成するので、インクシール部の高さをインク溝やイン
ク通路の２倍の高さに形成することが容易にでき、これ
により、インク補給のための液路のコンダクタンスを大
きくすることが出来、したがって、インクかすれの無い
安定した高速印字を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は一実施の形態におけるインクジェットヘ
ッドのインク封止部分と隔壁部分（(c) のＣ−Ｃ′部
分）の断面図、(b) はインク封止部分とインク溝部分
（(c) のＤ−Ｄ′部分）の断面図、(c) は(a),(b) のシ
リコン基板を取り除いた（又は透視した）底面図であ
る。

【図２】(a),(b),(c) は従来のインクジェットヘッドの
製造方法を工程順に示す概略の平面図である。

【図３】(a),(b),(c) は図２の詳細拡大部分図である。

【図４】(a),(b),(c) は図３のそれぞれ異なる位置の断
面図である。

【図５】(a),(b) はフルカラーのサーマルインクジェッ
トヘッドを示す図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 共通電極 ３ 共通電極給電端子 ４ 個別配線電極 ５ 抵抗 ６ 駆動回路 ７ 駆動回路端子 ８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ） インク供給路 ９ 隔壁兼離隔部材 ９−１ 櫛の胴相当部分 ９−２ 櫛の歯相当部分 １０ インク供給孔 １１ オリフィス板 １２ インク溝 １３ ノズル孔（オリフィス） １４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ） 発熱ヘッド １５ フルカラーのサーマルインクジェットヘッド ２０ インクジェットヘッド ２１ シリコン基板（ガラス基板） ２２ 感光性樹脂 ２２−１ 一層目の樹脂層（第１のインク封止層） ２３ インク封止部 ２４ ２回目の積層樹脂層 ２４−０ ２層目の樹脂層（第２のインク封止層） ２４−１、２４−２ ２回目の積層による一層構造の樹
脂層 ２５ 隔壁部 ２６ 段差 ２７ オリフィス板 ２８ 発熱抵抗体 ２９ オリフィス ３１ インク通路溝 ３２ インク通路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に複数の発熱素子をアレイ状に形
   成する工程と、 インク供給部から前記発熱素子へ供給されるインクの漏
   液を防止するための第１のインク封止層を形成する工程
   と、 該第１のインク封止層上に第２のインク封止層を形成す
   べく感光性樹脂を塗布すると共に該感光性樹脂を少なく
   とも前記発熱素子上に塗布する工程と、 該発熱素子上の前記感光性樹脂を除去し前記発熱素子間
   に隔壁を形成する工程と、 を含んで成ることを特徴とするインクジェットヘッドの
   製造方法。
2. 【請求項２】 基板上に形成された複数の発熱素子と、 インク供給部から前記発熱素子へ供給されるインクの漏
   液を防止するためのインク封止部と、 前記発熱素子間を隔てる隔壁部と、 前記インク封止部と前記隔壁部に密着して設けられ、前
   記発熱素子に対応する位置にオリフィスが形成されたオ
   リフィス板と、 を有し、 前記インク封止部における前記基板と前記オリフィス板
   間のギャップよりも前記隔壁部における前記基板と前記
   オリフィス板間のギャップの方が狭く形成されて成るこ
   とを特徴とするインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記インク封止部における前記基板と前
   記オリフィス板間のギャップと前記隔壁部における前記
   基板と前記オリフィス板間のギャップの比率は約２：１
   であることを特徴とする請求項２記載のインクジェット
   ヘッド。