JPH1158737A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アクチュエータ上の振動板と液室部を接着ま
たは陽極接合する場合に接合又は接着の強度を最大限に
引き出す。 【解決手段】 振動板６に取り付けられた共通電極と個
別電極５との間に駆動電圧を印加し、振動板６を静電力
により変形させ、ノズル１３からインク液滴を吐出す
る。２００℃〜４００℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと線膨
張係数の近いガラス基板３に溝を形成し、この溝の底部
に個別電極５を形成し、単結晶Ｓｉ基板７を前記ガラス
基板３に陽極接着してエッチングまたは研磨で所定の板
厚の振動板６を形成する。振動板６はインクを加圧する
加圧液室８や各加圧液室にインクを供給する共通液室９
の隔壁１１に接着される部分の振動板表面が滑らかでな
く荒れており、接着剤と接着表面の接触面積を増やし接
着強度を高める。

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、静電力型のオンディマンド式イン
クジェットプリンタのインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】オンディマンド式インクジェットプリン
タは低価格ながら比較的高画質がえられ、更に、カラー
化も比較的容易なことからパーソナルコンピュータの高
速化，カラー化に伴いかなり普及している。液室の形成
およびアクチュエータ部への接着については従来技術と
して特開平５−３３００６８号公報に記載の発明があ
る。液室をドライフィルムで形成する方法などアクチュ
エータ部に液室隔壁を接着材等で接着する方法が広く用
いられている。

【０００３】圧電形では分割した各圧電素子を振動板に
それぞれ接着するため非常に煩雑であるが、静電型イン
クジェットヘッドはそれが不必要でプロセスが非常に容
易であることから検討されている。特開平５−５０６０
１号公報に見られるように１００Ｓｉウエハをアルカリ
エッチング液で異方性エッチングして振動板および液室
を製作し、ガラス基板にギャップを形成し、その底部に
対向電極を形成し、該基板を液室部に陽極接合する提案
がある。しかし、１００Ｓｉの異方性エッチングでは５
５°の角度でエッチングが進むため、ノズル密度が３本
／ｍｍ以上の高密度のインクジェットヘッドは実現でき
ない。そこで、高密度化を図るため、図１１（特開平６
−２３９８６号公報）に示すように第１の１００Ｓｉ基
板を１００μｍ幅のマスクで異方性エッチング後、第２
のＳｉ基板とＳｉ−Ｓｉ接合し該第２のＳｉを振動板厚
みまでエッチングし、さらに対向電極基板に陽極接合す
る方法が考案されている。

【０００４】高速印字のため振動板の駆動周波数を高く
する必要があり、振動板の電荷の吐き出しを速やかに行
うため振動板の低抵抗化が問題になり、図１２（特開平
６−５５７３２号公報）のように単結晶Ｓｉ振動板の上
下や周囲に金属薄膜を形成することが提案されている。

【０００５】図１０は、前記特開平６−２３９８６号公
報に記載されたインクジェットヘッドの一例を説明する
ための要部分解斜視（一部断面にて示す）図で、該イン
クジェットヘッドは、ノズル１０４，インク加圧液１０
５，インク供給路１０６、共通液室１０７等が、アルカ
リ異方性エッチングにより形成されたＳｉ基板１０１
と、Ｓｉ基板１０８から形成される振動板１０２と、電
極１０９、ギャップ部を形成するための溝１１０、イン
ク供給口１１１等が形成されたガラス基板１０３とを積
層，接合してなる構造を有する。

【０００６】Ｓｉ基板１０１は、結晶面方位が（１０
０）である単結晶Ｓｉ基板であって、該Ｓｉ基板の表側
の面（図では上側の面）には複数のノズル１０４と、各
々のノズル１０４に連通するキャビティ（インク加圧
室）１０５と各々のキャビティ１０５においてノズル１
０４と反対側の端部に形成されるインク供給路１０６
と、各々のインク供給路１０６にインクを供給するため
の共通のインク室１０７とが形成されている。振動板１
０２は、Ｓｉ基板１０８をエッチング及び研磨により該
Ｓｉ基板１０８の厚みを薄くして形成されたものであ
る。又、ガラス基板１０３には、Ｓｉ基板１０１上に形
成されたキャビティ１０５の各々に、前記振動板１０２
を挟んで対向して配置される電極１０９と、前記振動板
１０２と前記電極１０９との対向間隔（ギャップ）を保
持するための溝１１０が形成されている。

【０００７】図１１は、図１０に示したインクジェット
ヘッドの製造方法の一例を説明するための工程図で、ま
ず、Ｓｉ基板１２０の両面に、熱酸化処理によりＳｉＯ
₂膜１２１ａ及び１２１ｂを形成する（図１１
（Ａ））。次に、前記ＳｉＯ₂膜１２１ｂをフォトレジ
スト膜で保護し、前記ＳｉＯ₂膜１２１ａのみをフッ酸
系エッチング液にて除去する（図１１（Ｂ））。次に、
Ｓｉ基板１２０のＳｉが露出した面１２２にＢドーピン
グを行い、Ｓｉ面１２２にｐ型Ｓｉ層１２３を形成する
（図１１（Ｃ））。

【０００８】次に、キャビティ１０５が形成されている
Ｓｉ基板１０１との接合を行うが、その場合は、Ｓｉ基
板１０１及び１０３を硫酸と過酸化水素水の混合液にて
洗浄し、乾燥後、Ｓｉ基板１０１にノズル１０４，キャ
ビティ１０５等が形成されている面と、Ｓｉ基板１２０
の面１２２とを密着させ、その後、Ｓｉ基板１０１及び
１２０が一体化して形成された接合体１３０をＮ₂雰囲
気中で熱処理を行い、強固な接合状態を得る（図１１
（Ｄ））。

【０００９】次に、Ｓｉ基板１２０上のＳｉＯ₂膜１２
１ｂをフッ素系エッチング液で除去し、次いで、接合体
１３０にアルカリエッチングを施し、Ｓｉ基板１２０の
うち高濃度Ｂドープ（ｐ型Ｓｉ）層１２３のみを選択的
に残留せしめ、これを振動板１０２とし、ＳｉＯ₂膜を
フッ酸系エッチング液にて除去した。（図１１
（Ｅ））。次に、ガラス基板１０３と接合体１３０とを
キャビティ１０５と電極１０９との位置合わせを行った
後、陽極接合法により接合した（図１１（Ｆ））。

【００１０】図１２は、前記特開平６−５５７３２号公
報に記載されたインクジェットヘッドの一例を説明する
ための要部断面構成図で、図中、１３１はシリコン基
板、１３２はカバーガラス、１３３はホウ（Ｂ）珪酸ガ
ラス基板、１３４は対向電極、１３５はノズル、１３６
はキャビティ、１３７は振動板、１３８は流路、１３９
はインク室、１４０はインク供給パイプ、１４１は電
源、１４２はシール、１４３は絶縁膜、１４４は共通電
極である。このインクジェットヘッドの場合、振動板１
３７をホウ珪酸ガラス基板１３３に接合した後、感光性
樹脂を振動板１３７上面に貼り付け、紫外線露光により
キャビティ１３６の型を形成する。この型で電鋳を行
い、共通電極１４４とし電気抵抗を下げている。共通電
極１４４はインクへの耐蝕性が良好なことからＮｉが用
いられており、ノズル１３５、流路１３８、インク室１
３９はカバーガラス１３２にエッチングにより作られて
いる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、オンデ
ィマンド式インクジェットヘッドプリンタは低価格なが
ら比較的高画質であるため、広く使用されている。しか
し、印字速度が遅い問題がある。そのため高ノズル密度
でかつ高速の駆動ヘッドの開発が求められている。静電
型ヘッドは構造が簡単でマイクロマシンニング技術で製
作できるため、高密度化に有望な方法である。

【００１２】高密度静電型インクジェットヘッドを実現
する方法として、前述の特開平６−２３９８６号公報の
発明があるが、液室部分１０５を１００Ｓｉの異方性エ
ッチングで形成するため断面が底辺の角５５°の二等辺
三角形になり高さが限定されるため、インク流体抵抗が
充分低い加圧液室が得にくいという問題があった。ま
た、ガラス基板と陽極接合する場合、振動板が電界で変
形しないように対向電極と振動板を短絡しながら行う必
要がある。この場合、ウエハに複数のチップとして作り
込む場合はチップごとの短絡は煩雑かつ困難になる。

【００１３】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、本出願人が先に提案して特願平６−５５７
３２号の発明のようにガラス基板にギャップを形成し対
向電極を該ギャップ底部に成膜し、第２不純物層を形成
した第１導電形Ｓｉ基板を該ガラス基板に陽極接合し、
その後電気化学エッチングなどで振動板厚みを所定の厚
みにし、液室部と接着または陽極接合するようにしたも
のである。

【００１４】請求項１および２の発明では、アクチュエ
ータ上の振動板と液室部を接着または陽極接合するが、
振動板の表面性を接着接合する場合と陽極接合する場合
について最適化することで、接着または陽極接合での強
度を最大限に引き出すことができるようにした。さら
に、請求項３の発明では、振動板の振動する部分以外の
部分の厚みをより厚くすることで、引き出し電極上の振
動板の余分な振動を防止することができるようにした。

【００１５】従来、高速印字のため、振動板の駆動周波
数を向上するには振動板の抵抗を低減し電荷の排出を効
率良く行う必要があるため、Ｓｉ振動板の上下や周囲に
金属膜を形成していた。そこで、請求項４の発明では、
振動板それ自体を金属にすることで抵抗をさらに低減で
きると考え、Ｎｉ−Ｆｅ合金をＳｉ基板にメッキし、Ｆ
ｅ−Ｎｉ合金面をギャップおよび対向電極を形成したガ
ラス基板に陽極接合し、その後、Ｓｉをエッチングして
なくすことで、完全にＦｅ−Ｎｉ合金の振動板を形成す
ることを可能にした。

【００１６】ノズル密度が高密度になると液室隔壁は数
十μｍに薄くなり、ドライフィルムなどの有機材による
液室隔壁では、振動板変位よりインクを加圧した場合
に、変形して圧力損失が生じる。このため、硬度の高い
物質例えばＳｉやガラスなどが望ましい。Ｓｉの加工は
マイクロマシンニング技術として広く研究されており、
ガラスの加工よりもさらに容易である。１１０Ｓｉ基板
は１１１面方向にはエッチレートが遅く、１１１面を加
圧液室の長辺に使用すれば１００μｍ以下の狭いかつ深
い液室の製作が可能である。また、Ｓｉの低温リアクテ
ィブ・イオン・エッチングでは−９０℃でＳＦ６ガスの
エッチングで２００μｍも垂直にエッチングが可能であ
る。請求項５の発明では、このようにして製作したＳｉ
液室をＳｉまたはＮｉ−Ｆｅ振動板に接合する場合に膨
張係数が２００℃〜４００℃の範囲で単結晶Ｓｉに近い
ガラス材をスパッタ法やゾルゲル法で両基板間に形成す
ることで陽極接合できるようにした。

【００１７】さらに、請求項６の発明では、単結晶Ｓｉ
に線膨張係数の近いＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金でノズル孔の
あいたノズルプレートを、前記単結晶Ｓｉに線膨張係数
の近いガラス材をＳｉ液室隔壁に陽極接合することで液
室およびアクチュエータ部を信頼性の高い陽極接合でシ
ールすることができ、インクジェットヘッドの信頼性も
高めることができるようにした。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ノズ
ルと、該ノズルに連通するインク流路と、流路の一部に
設けられ、かつ、共通電極が取り付けられた振動板と、
該振動板に対向して設けられた個別電極とを有し、前記
振動板に取り付けられた共通電極と前記個別電極との間
に駆動電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形さ
せ、前記ノズルからインク液滴を吐出するインクジェッ
トヘッドであって、２００℃〜４００℃の温度範囲で単
結晶Ｓｉと線膨張係数の近いガラス基板に溝を形成し、
該溝の底部に前記個別電極を形成し、単結晶Ｓｉ基板を
前記ガラス基板に陽極接着してエッチングまたは研磨で
所定の板厚の振動板を形成したインクジェットヘッドに
おいて、前記振動板はインクを加圧する加圧液室や各加
圧液室にインクを供給する共通液室の隔壁に接着される
部分の振動板表面が滑らかでなく荒れていることを特徴
とし、もって、接着剤と接着表面の接触面積を増やし接
着強度を高めたものである。

【００１９】請求項２の発明は、ノズルと、該ノズルに
連通するインク流路と、流路の一部に設けられ、かつ、
共通電極が取り付けられた振動板と、該振動板に対向し
て設けられた個別電極とを有し、前記振動板に取り付け
られた共通電極と前記個別電極との間に駆動電圧を印加
し、前記振動板を静電力により変形させ、前記ノズルか
らインク液滴を吐出するインクジェットヘッドであっ
て、２００℃〜４００℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと線膨
張係数の近いガラス基板に溝を形成し、該溝の底部に前
記個別電極を形成し、単結晶Ｓｉ基板を前記ガラス基板
に陽極接合してエッチングまたは研磨で所定の板厚の振
動板を形成したインクジェットヘッドにおいて、前記液
室隔壁に接合される部分の振動板表面が滑らかであるこ
とを特徴とし、もって、陽極接合の接合強度を最大に引
き出すため、単結晶Ｓｉの表面平坦度を向上するように
したものである。

【００２０】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記振動板は、インクを吐出するためにイン
クを加圧する液室に面する振動面部分より、他の部分の
板厚が厚いことを特徴とし、もって、対向電極の配線部
分上の単結晶Ｓｉの板厚が振動板部分と同じ場合電極に
印加した電圧が配線部分にも当然加わるため変形する。
このため本請求項のように配線上の単結晶Ｓｉ板厚が厚
いと振動板変形する電圧では変形量が少なくしたもので
ある。

【００２１】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記振動板が単結晶Ｓｉに代えて、単結晶Ｓ
ｉの線膨張係数に近いＦｅ−Ｎｉ合金で形成されている
ことを特徴とし、もって、振動板の電気抵抗を低減しイ
ンク吐出周波数を向上できるようにしたものである。

【００２２】請求項５の発明は、請求項１又は２の発明
において、少なくとも隔壁を接着又は接合する単結晶Ｓ
ｉの表面にガラス材膜が積層されることを特徴とし、も
って、液室硬度を高め、陽極接合による接合が可能で信
頼性の向上が実現できるようにしたものである。

【００２３】請求項６の発明は、請求項１又は２の発明
において、ノズル孔を形成した液室天板にガラスの膨張
係数に近い金属であるＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎ
ｉ合金を用いることを特徴とし、もって、ノズル用天板
を接着剤による接着ではなく、陽極接合で液室隔壁に接
合することで、より信頼性の高い液室を形成できるよう
にしたものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による静電型イン
クジェットヘッドの一実施例を説明するための要部斜視
図、図２は、図１に示したインクジェットヘッドの断面
構成図で、図２（Ａ）は、図１の２Ａ−２Ａ線断面図、
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図で、図
中、１はアクチュエータ部、２は液室部で、アクチュエ
ータ部１は、ガラス基板３上のギャップ４の底部に設け
られた対向電極５と、該対向電極５との間の静電力で駆
動する振動板６（振動板部以外の肉厚部を７にて示す）
とからなる静電型アクチュエータで、液室部２は、イン
ク吐出のための加圧液室８、各加圧液室にインクを供給
する供給（共通）液室９と、加圧液室８と共通液室９を
連通する流路１０およびそれらを構成する隔壁１１と、
インク吐出口であるノズル１３のある天板であるノスル
プレート１２とからなる。これらアクチュエータ部１
と、液室部２と接着または陽極接合し、静電型インクジ
ェットヘッドを完成する。

【００２５】次に、本発明の静電型インクジェットヘッ
ドの実施例として、１振動部の短辺長１００μｍ，長辺
長１．５ｍｍ，ノズル密度６本／ｍｍで、ノズル数２５
６のインクジェットヘッドを製作する場合の構造および
製造方法について説明する。

【００２６】最初に、図３を参照して、静電型アクチュ
エータ部１の製造工程について説明する。 （ａ）ガラス基板３に超音波加工機で貫通しルーホール
３１を形成する（図３（Ａ））。 （ｂ）ガラス基板３にＮｉまたはＣｒ薄膜を蒸着法によ
り成膜し、フォトリソグラフィ技術により、有機レジス
トをパターンニングして、ＢＨＦ（緩衝フッ酸）により
エッチングし、１．０μｍ程度のギャップ４を形成する
（図３（Ｂ））。 （ｃ）有機レジストをフォトリソグラフィでパターンニ
ングし、電極となるＴｉ／Ｐｔの積層薄膜と保護層であ
るＳｉＯ₂スパッタ法で成膜し、有機レジストを除去し
リフトオフ法で電極のパターンニングを行い対向電極５
を形成する（図３（Ｃ））。

【００２７】（ｄ）１００面Ｓｉ基板３３に不純物硼素
又はＰ，Ａｓをイオン注入，拡散またはエピタキシャル
成長で振動板の所定の厚み例えば１．５から５μｍ程度
に対応した深さの不純物層３４でｐｎ接合を形成しＳｉ
基板３５を作製する（図３（Ｄ））。

【００２８】（ｅ）ガラス基板３と該Ｓｉ基板３５の不
純物導入した面を接触する。ガラス基板３側は針電極に
より負に、Ｓｉ基板を置いた台電極は正になるように配
線する。大気圧の空気中またはＡｒ，Ｎ２，Ｈｅなど不
活性ガス中で、４００℃に加熱し、前記電極に前記極性
に８００Ｖを印加する。このようにして、ガラス基板３
と該Ｓｉ基板３５を陽極接合し、基板３６を製作する
（図３（Ｅ））。

【００２９】（ｆ）次に、電気化学エッチングでエッチ
ングを行うが（図３（Ｆ））、該基板の振動板厚みに対
応した不純物層の導電形によりエッチング方法が異なる
ため、場合に分けて説明する。

【００３０】ｎ形の場合 基板３６のスルーホール３１を通して接合したＳｉ基板
３５のｎ形に抵抗性接触できるＡｕ電極コンタクト３７
をメタルマスクをし蒸着して形成し４００℃でシンタリ
ングする。Ａｕ電極配線３８を電極コンタクト３７にボ
ンディングしフッ素樹脂電極および配線を保護し、電極
配線３８を正、Ｐｔ電極を負し、８０℃のＫＯＨ水溶液
に浸してエッチングする。このとき印加する電圧が１．
０Ｖ程度でｎ形でのエッチングが停止し、ｐ形層はすべ
てエッチングされｎ形層のみ残った。

【００３１】ｐ形の場合 Ｂ濃度が１Ｅ２０程度に充分高ければ、ｐ形層のエッチ
ングレートが非常に遅くなることが知られており、ｐ形
層のみ残すことができる。エッチング液としてはＫＯＨ
の他エチレンジアミンとピロカテコールの水溶液も使用
できる。

【００３２】フォトリソグラフィで有機レジストを電極
パット上のみパターンニング開口し、単結晶Ｓｉをリア
クティブ・イオン・エッチングで除去しパット部を形成
する。このようにして単結晶Ｓｉ薄膜７がガラス基板３
上に形成されアクチュエータ部１が完成した（図３
（Ｇ））。

【００３３】液室の製作工程 次に、単結晶Ｓｉ（７）と２００〜４００度の範囲で熱
膨張係数の近いガラス材基板に液隔壁１１を形成し、該
ガラスの膨張係数に近い金属であるＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合
金からなる天板であるノズルプレート１２に該ガラス基
板と陽極接合して液室２を形成し、さらに、前述のごと
き本発明の静電型アクチュエータ部１と陽極接合して本
発明静電形インクジェットヘッドを構成する。

【００３４】次に、図４及び図５を参照して、液室部２
の製造方法について説明する。

【００３５】（１）厚み２００μｍの前記単結晶Ｓｉと
２００〜４００℃の範囲で線膨張係数の近い、ガラス材
基板４１に流路１０を形成するためフォトリソグラフィ
で有機レジストパターン４２を形成する。狭ギャップ−
リアクティブ・イオン・エッチング装置（ＲＩＥ）によ
りＣＨＦ３，ＣＦ４混合ガスで３０μｍエッチングする
（図４（Ａ））。 （２）基板４１に蒸着法でＮｉを成膜し、さらにスルフ
ァミン酸浴のＮｉ電解メッキにより１０μｍのＮｉ膜４
３を両面に形成する（図４（Ｂ））。 （３）フォトリソグラフィで有機レジストにより両面に
それぞれマスクする。１面には加圧液室および共通液室
パターン４４ａを形成し、他面（裏面）には１面の鏡反
転パターンを用い加圧液室および共通液室パターン４４
ｂを形成する（図４（Ｃ））。

【００３６】（４）硝酸，酢酸，アセトン各１：１：１
の比の混合液でエッチングする。このようにして、ガラ
ス基板４１の両面にＮｉマスク４５ａ，４５ｂが形成さ
れた（図５（Ａ））。 （５）この基板を狭ギャップ−リアクティブ・イオン・
エッチング装置（ＲＩＥ）でＣＨＦ３，ＣＦ４混合ガス
でエッチングする。１００μｍエッチングし、裏面のエ
ッチングを１００μｍ行い深さ２００μｍの垂直孔を貫
通して共通液室９と加圧液室８を形成する。両面のＮｉ
膜を硝酸，酢酸，アセトン各１：１：１の比のＮｉエッ
チング液で除去する（図５（Ｂ））。

【００３７】（６）該ガラス基板４１の膨張係数に近い
金属であるＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ合金の５
０μｍの板を用い、炭酸ガスレーザでノズル孔１３を形
成し液室のノズルプレート天板１２を形成する（図５
（Ｃ））。 （７）該天板１２と該ガラス液室隔壁１１を１Ｅ−３以
上の真空雰囲気で４００℃に加熱し陽極接合する。この
ようにして液室部２が完成した（図５（Ｄ））。 （８）最後に前述のごとくに形成した静電アクチュエー
タ部１と液室部２を接着または陽極接合し本発明による
静電型インクジェットヘッドを完成する（図５
（Ｅ））。

【００３８】（請求項１の発明の実施例）振動板６の表
面処理としての電気化学エッチン後、例えば、６７Ｐａ
でＳＦ６ガスによりリアクティブ・イオン・エッチング
を行い、振動板６の表面を荒すことができる。この場
合、振動部分の荒れを防止し、液室部との接着部分の表
面のみ荒らしたい場合は、有機レジストをフォトリソグ
ラフィでパターンニングすることもできる。請求項４の
発明に対しては電気化学エッチング後、例えば、６７Ｐ
ａでＳＦガス６によりリアクティブ・イオン・エッチン
グを行うことで表面を荒らすことができる。アクチュエ
ータ部１の単結晶Ｓｉと液室部２を接着する場合、接着
面がある程度荒れていないと接着力が低下するため請求
項４に記載した方法で処理した。化学切削性感光ガラス
とＳｉ基板をエポキシ系接着剤で接着し万能試験機で引
っ張り強度試験を行った場合、Ｓｉ表面が鏡面の場合は
０．６ＭＰａであったが、請求項４の発明の処理を行っ
た場合は１．１ＭＰａに向上した。

【００３９】（請求項２の発明の実施例）一方、２００
〜４００℃の範囲で単結晶Ｓｉに線膨張係数が近いガラ
ス材により液室部を形成しまたは単結晶Ｓｉ室で接合部
分にのみ前記ガラス材を成膜して液室部を形成し、該液
室部を静電形アクチュエータ部と陽極接合する場合は、
請求項５の発明のように、アクチュエータ部の接合する
部分を研磨して表面を鏡面にし、該液室部を陽極接合す
ることで接合強度を向上することができる。

【００４０】上述のようにして接合してアクチュエータ
部と液室部の接着強度を次のようにして強度を評価し
た。引っ張り強度試験サンプルは鏡面仕上げの単結晶Ｓ
ｉ基板と同質の基板を電気化学エッチした試料を１５ｍ
ｍ角に切断し、面積比が１／３になるパターンを用い
て、有機レジストをフォトリソグラフィでパターンニン
グし、約５μｍの深さにＲＩＥエッチングした基板を用
い、前記膨張係数の近いガラス基板と陽極接合したもの
を用いた。２本のステンレス製の直径１５ｍｍの円柱の
テストロッドの端面に陽極接合したサンプルをはさみエ
ポキシ系接着剤で接着した。万能試験機で引っ張り試験
を行った結果、鏡面を陽極接合した試料４０Ｍｐａ以上
の強度であったが、電気化学エッチングしたままの試料
は１０Ｍｐａ程度であった。以上のことから、請求項５
の発明のように単結晶Ｓｉの接合面を研磨し平坦にする
ことは有効であることが分かる。

【００４１】（請求項３の発明の実施例）静電型インク
ジェットヘッドの加圧液室や共通液室及びそれらを通ず
る流路の配置においては、対向電極からの引き出し配線
が流路や共通液室の下を通る場合が生じる。単結晶Ｓｉ
の厚みが（振動板の厚み）が面内で同一な場合は、共通
液室や流路に露出した単結晶Ｓｉ（図１の７の部分）が
引き出し配線（図１の５′の部分）との間の電界で不要
な振動を生ずることになる。ところが、本発明静電型イ
ンクジェットヘッドでは図１に示すように振動板以外の
単結晶Ｓｉの厚み（７部の厚み）が振動板６より厚い構
造となっている。図６は、上述のごとき振動板の製作工
程を示す図で、基本的製造方法は図３の方法を用い、単
結晶Ｓｉ基板の工程を変更することで実現できる。

【００４２】（ａ）単結晶Ｓｉ基板５１の全面に、例え
ばＡｓイオンを１００ｋｅＶ２Ｅ１５のドーズ量でイオ
ン注入し不純物層５２を形成する（図６（Ａ））。 （ｂ）Ｓｉ基板５１にフォトリソグラフィにより、有機
レジスト５３を用い２μｍ程度の膜厚で振動板の振動部
分になる領域上にレジストパターンを形成する（図５
（Ｂ））。

【００４３】次に、例えば、５００ｋＶの高いエネルギ
ーでＰを３Ｅ１５不純物注入を行う。 （ｃ）レジスト除去後、例えば活性化アニール処理を１
０００℃，６０分間行いＳｉ基板５４を形成する（図５
（Ｃ））。 （ｄ）対向電極５を形成した後のガラス基板３とＳｉ基
板５４を陽極接合する（図６（Ｄ））。 （ｅ）電気化学エッチングによりエッチングし、振動板
部６以外（７の部分）が厚い構造が実現できる（図６
（Ｅ））。 振動板の板厚に対する変位は次式（１）で示される。

【００４４】

【数１】

【００４５】式（１）の関係から同じ印加電圧に対する
変位量は板厚の３乗に反比例することが分かる。図１に
示したようにギャップは対抗電極５だけでなくその引き
出し配線５′に対しても形成されている。ノズル１３か
らインクを吐出するための加圧液室８に面する振動板６
は対向電極５と振動板６との間に印加した電圧で変位す
るが、このとき引き出し電極５′上の振動板と同質の部
材（７）も変位する。しかし、例えば、振動板６の厚さ
を３μｍに対し該部分７の厚みを例えば２倍の６μｍに
厚くした構造では、振動板６の変位の８分の１に抑制で
きる。

【００４６】（請求項４の発明の実施例）振動板の抵抗
を低減するため振動板をＮｉ−Ｆｅ合金にする。Ｎｉ−
ＦｅはＮｉ比が４０％で２００℃から４００℃の温度範
囲で単結晶Ｓｉの線膨張係数に近いことが知られてい
る。この温度範囲で単結晶Ｓｉに膨張係数の近いガラス
への陽極接合が可能である。図７は、請求項４の発明に
よる振動板の製作方法を説明するための工程図で、以
下、図７の工程図に従って請求項４の発明に係る振動板
を製作方法について説明する。

【００４７】（ａ）単結晶Ｓｉ基板６１にＮｉ薄膜をス
パッタリング法で成膜し、８００℃で１０分間熱処理し
Ｎｉシリサイド膜６２を形成し基板６３を製作する（図
７（Ａ））。 （ｂ）硫酸カリをベースとした電解メッキ液でＮｉ−Ｆ
ｅを用いＮｉ含有率が４０％程度になるようにＳｉ基板
６３にメッキ膜６４を１μｍから５μｍ程度形成する
（図７（Ｂ））。

【００４８】（ｃ）対向電極５を形成した後のガラス基
板（図３（Ｃ）参照）とＳｉ基板６３のＮｉ−Ｆｅ面６
４を陽極接合する（図７（Ｃ））。

【００４９】（ｄ）ＫＯＨ水溶液でのエッチングや研磨
により単結晶Ｓｉ部分６３を除きＮｉ−Ｆｅ膜６４を残
す。この場合Ｎｉ−Ｆｅの保護膜としてＳｉを１μｍ程
度残すことは可能である（図７（Ｄ））。 このようにして、Ｎｉ−Ｆｅ振動板が形成されるが、振
動板の材質が金属であるため抵抗率は単結晶Ｓｉより遥
かに低く、インクに接液状態で３５ＫＨｚでの動作が可
能になった。

【００５０】（請求項５および６の発明の実施例）図
８，図９に請求項５及び６の液室部の製造工程を次に示
す。単結晶Ｓｉ基板とＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎ
ｉ合金天板からなる液室部２に、前述のごとき本発明に
よる静電アクチュエータ部１との接合面に、２００〜４
００℃の温度範囲で単結晶Ｓｉの膨張係数の近い硼珪酸
ガラス材薄膜を成膜し、該静電型アクチュエータ部１と
陽極接合して、インクジェットヘッドを構成した。

【００５１】以下に、製造工程について説明する。 （１）１９０μｍ厚の両面研磨単結晶Ｓｉ基板７１に流
路１０を形成するため、フォトリソグラフィで有機レジ
ストパターンニングを形成７２し、Ｃ１２，ＨＢｒ混合
ガスで狭ギャップＲＩＥで２０μｍ程度エッチングする
（図８（Ａ））。 （２）蒸着法でＮｉを成膜し、さらに、スルファミン酸
浴のＮｉ電解メッキにより１０μｍのＮｉ膜７３ａ，７
３ｂを両面に形成する（図８（Ｂ））。 （３）フォトリソグラフィで有機レジストにより両面に
それぞれマスクする。一方の１面には共通液室９および
加圧液室８のパターン７４ａを形成し、他方の面（裏
面）には、前記一方の１面の鏡反転パターンを用いて加
圧液室８および共通液室９のパターン７４ｂを形成する
（図８（Ｃ））。その後、硝酸，酢酸，アセトン各１：
１：１の比の混合液で有機レジスト７４ａ，７４ｂをエ
ッチングする（図９（Ａ））。このようにして、該単結
晶Ｓｉ基板７１の両面にＮｉマスク７３ａ，７３ｂが形
成される（図９（Ａ））。

【００５２】（４）基板温度を−１００℃程度に冷却し
ＳＦ６ガスを用いてＲＩＥを行い、深さ１８０μｍの垂
直孔を貫通し加圧液室８と共通液室９となる部分を形成
する。 （５）Ｎｉメッキ膜７３ａ，７３ｂを硝酸，酢酸アセト
ン各１：１：１の比の混合液で除去し、単結晶Ｓｉ隔壁
１１を製作する（図９（Ｂ））。 （６）ガラスの膨張係数に近い金属であるＦｅ−Ｃｏ−
Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ合金の１００μｍの板を用い、炭
酸ガスレーザでノズル孔１３を形成し、液室のノズルプ
レート天板１２を形成する（図９（Ｃ））。 （７）２００〜４００℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと膨張
係数の近い硼珪酸ガラスをターゲットとし、液室部２の
両面スパッタ法で薄膜を成膜７５する。または、ゾルゲ
ル法により同様の材質の膜を両面にコーティングする。
このとき陽極接合の電圧印加用コンタクト部分はメタル
マスクで覆っておく。ガラス部材７５と該Ｆｅ−Ｃｏ−
Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ合金天板１２と１Ｅ−３以上の真
空雰囲気で４００℃に加熱し陽極接合し、液室部２を製
作する（図９（Ｄ））。 （８）液室部２と本発明による静電型アクチュエータ部
１と陽極接合し本発明静電型インクジェットヘッドを完
成する（図９（Ｅ））。

【００５３】上述のごとき製造方法を用いて、振動部分
の短辺長１００μｍ，長辺１．５ｍｍ，ノズル数２５６
本，ノズル密度６本／ｍｍのヘッドを製作し、インクジ
ェットヘッドプリンタに組み込み周波数３０ｋＨｚ，電
圧８５Ｖで駆動し、良好な印字が得られている。

【００５４】

【発明の効果】請求項１の発明は、ノズルと、該ノズル
に連通するインク流路と、流路の一部に設けられ、か
つ、共通電極が取り付けられた振動板と、該振動板に対
向して設けられた個別電極とを有し、前記振動板に取り
付けられた共通電極と前記個別電極との間に駆動電圧を
印加し、前記振動板を静電力により変形させ、前記ノズ
ルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドであ
って、２００℃〜４００℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと線
膨張係数の近いガラス基板に溝を形成し、該溝の底部に
前記個別電極を形成し、単結晶Ｓｉ基板を前記ガラス基
板に陽極接着してエッチングまたは研磨で所定の板厚の
振動板を形成したインクジェットヘッドにおいて、前記
振動板はインクを加圧する加圧液室や各加圧液室にイン
クを供給する共通液室の隔壁に接着される部分の振動板
表面が滑らかでなく荒れていることを特徴とし、もっ
て、接着剤と接着表面の接触面積を増やし接着強度を高
める。

【００５５】請求項２の発明は、ノズルと、該ノズルに
連通するインク流路と、流路の一部に設けられ、かつ、
共通電極が取り付けられた振動板と、該振動板に対向し
て設けられた個別電極とを有し、前記振動板に取り付け
られた共通電極と前記個別電極との間に駆動電圧を印加
し、前記振動板を静電力により変形させ、前記ノズルか
らインク液滴を吐出するインクジェットヘッドであっ
て、２００℃〜４００℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと線膨
張係数の近いガラス基板に溝を形成し、該溝の底部に前
記個別電極を形成し、単結晶Ｓｉ基板を前記ガラス基板
に陽極接合してエッチングまたは研磨で所定の板厚の振
動板を形成したインクジェットヘッドにおいて、前記液
室隔壁に接合される部分の振動板表面が滑らかであるこ
とを特徴とし、もって、陽極接合の接合強度を最大に引
き出すため、単結晶Ｓｉの表面平坦度を向上する。

【００５６】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記振動板は、インクを吐出するためにイン
クを加圧する液室に面する振動面部分より、他の部分の
板厚が厚いことを特徴とし、もって、対向電極の配線部
分上の単結晶Ｓｉの板厚が振動板部分と同じ場合電極に
印加した電圧が配線部分にも当然加わるため変形する。
このため本請求項のように配線上の単結晶Ｓｉ板厚が厚
いと振動板変形する電圧では変形量が少なくすることが
できる。

【００５７】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記振動板が単結晶Ｓｉに代えて、単結晶Ｓ
ｉの線膨張係数に近いＦｅ−Ｎｉ合金で形成されている
ことを特徴とし、もって、振動板の電気抵抗を低減しイ
ンク吐出周波数を向上できる。

【００５８】請求項５の発明は、請求項１又は２の発明
において、少なくとも隔壁を接着又は接合する単結晶Ｓ
ｉの表面にガラス材膜が積層されることを特徴とし、も
って、液室硬度を高め、陽極接合による接合が可能で信
頼性の向上が実現できる。

【００５９】請求項６の発明は、請求項１又は２の発明
において、ノズル孔を形成した液室天板にガラスの膨張
係数に近い金属であるＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎ
ｉ合金を用いることを特徴とし、もって、ノズル用天板
を接着剤による接着ではなく、陽極接合で液室隔壁に接
合することでより信頼性の高い液室を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明が適用されるインクジェットヘッドの
一例を説明するための要部斜視図である。

【図２】 図１に示したインクジェットヘッドの要部断
面図である。

【図３】 本発明におけるインクジェットヘッドの作製
方法を説明するための工程図である。

【図４】 本発明におけるインクジェットヘッドの他の
作製方法の前半の工程を説明するための工程図である。

【図５】 図４に示した作製方法の後半の工程を説明す
るための工程図である。

【図６】 図４に示した他の作製方法の後半の工程を説
明するための工程図である。

【図７】 図４に示した更に他の作製方法の後半の工程
を説明するための工程図である。

【図８】 図４に示した更に他の作製方法の前半の工程
を説明するための工程図である。

【図９】 図８に示した作製方法の後半の工程を説明す
るための工程図である。

【図１０】 従来のインクジェットヘッドの一例を説明
するための要部分解斜視図（一部断面にて示す）であ
る。

【図１１】 図１０に示したインクジェットヘッドの製
造方法の一例を説明するための工程図である。

【図１２】 従来のインクジェットヘッドの他の例を説
明するための要部断面図である。

【符号の説明】

１…アクチュエータ部、２…液室部、３，１０３…ガラ
ス基板、４…ギャップ、５，１３４…対向電極、５′…
対向電極５の配線部、６、１０２，１３７…振動板、７
…振動板の肉厚部、８…加圧液室、９，１０７…共通液
室、１０，１３８…流路、１１…隔壁、１３，１０４，
１３５…ノズル、１０１，１０８，１２０…Ｓｉ基板、
１０５…インク加圧室、１０６…インク供給路、１０９
…電極、１１０…溝、１１１…インク供給口、１２１
ａ，１２１ｂ…ＳｉＯ₂膜、１２２…Ｓｉ面、１２３…
ｐ型Ｓｉ層、１３０…接合体、１３１…シリコン基板、
１３２…カバーガラス、１３３…ホウ（Ｂ）珪酸ガラス
基板、１３６…キャビティ、１３９…インク室、１４０
…インク供給パイプ、１４１…電源、１４２…シール、
１４３…絶縁膜、１４４…共通電極。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルと、該ノズルに連通するインク流
   路と、流路の一部に設けられ、かつ、共通電極が取り付
   けられた振動板と、該振動板に対向して設けられた個別
   電極とを有し、前記振動板に取り付けられた共通電極と
   前記個別電極との間に駆動電圧を印加し、前記振動板を
   静電力により変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐
   出するインクジェットヘッドであって、２００℃〜４０
   ０℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと線膨張係数の近いガラス
   基板に溝を形成し、該溝の底部に前記個別電極を形成
   し、単結晶Ｓｉ基板を前記ガラス基板に陽極接着してエ
   ッチングまたは研磨で所定の板厚の振動板を形成したイ
   ンクジェットヘッドにおいて、前記振動板はインクを加
   圧する加圧液室や各加圧液室にインクを供給する共通液
   室の隔壁に接着される部分の振動板表面が滑らかでなく
   荒れていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 ノズルと、該ノズルに連通するインク流
   路と、流路の一部に設けられ、かつ、共通電極が取り付
   けられた振動板と、該振動板に対向して設けられた個別
   電極とを有し、前記振動板に取り付けられた共通電極と
   前記個別電極との間に駆動電圧を印加し、前記振動板を
   静電力により変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐
   出するインクジェットヘッドであって、２００℃〜４０
   ０℃の温度範囲で単結晶Ｓｉと線膨張係数の近いガラス
   基板に溝を形成し、該溝の底部に前記個別電極を形成
   し、単結晶Ｓｉ基板を前記ガラス基板に陽極接合してエ
   ッチングまたは研磨で所定の板厚の振動板を形成したイ
   ンクジェットヘッドにおいて、前記液室隔壁に接合され
   る部分の振動板表面が滑らかであることを特徴とするイ
   ンクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記振動板は、インクを吐出するために
   インクを加圧する液室に面する振動面部分より、他の部
   分の板厚が厚いことを特徴とする請求項１又は２に記載
   のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記振動板が単結晶Ｓｉに代えて、単結
   晶Ｓｉの線膨張係数に近いＦｅ−Ｎｉ合金で形成されて
   いることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジ
   ェットヘッド。
5. 【請求項５】 少なくとも隔壁を接着又は接合する単結
   晶Ｓｉの表面にガラス材膜が積層されることを特徴とす
   る請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
6. 【請求項６】 ノズル孔を形成した液室天板にガラスの
   膨張係数に近い金属であるＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金やＦｅ
   −Ｎｉ合金を用いることを特徴とする請求項１又は２に
   記載のインクジェットヘッド。