JPH03253346A - インクジェットプリンタヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、インク室に設けられた振動板によりインク室
の容積を変化させてノズルよりインクを吐出するインク
ジェットプリンタへ・ノドの構造とその製造方法に関す
るものである。

〈従来の技術〉 インクジエンドブリンターは、低騒音で普通紙に記録で
きて、カラー化もできることなどから、最近注目されて
いる。インクシェフ）記録方式には、大別してコンテニ
アス方式とオンデマンド方式があう、インクの回収が不
要で、装置の小型化と低価格化に適したオンデマンド方
式が主流になりつつある。このオンデマンド方式には、
主としてサーマル式と圧電式があり、両者はインクの吐
出方法で異なっている。サーマル式は発熱によるインク
の沸騰を利用し、圧電式は圧電素子の振動によるインク
室の体積変化を利用している。圧電式はサーマル式に比
べて、インクの物性に関する制約が少なく、印加電圧に
よりインク滴の大きさを制御することができるという利
点を備えている。

しかしながら、周波数応答性が低い、圧電素子の配列ピ
ッチを狭くできないという欠点も有している。

この圧電式のインク吐出に用いられるインクジェットノ
ズルはステンレススチール又はガラスを用いて作られて
きた。そして、その作製にはステンレスの場合にはパン
チングやエツチングの方法が、ガラスの場合にはガラス
細工やエノ・°　　グの方法が用いられる。しかし、こ
れらの丈　では、微細化に限界があシ、寸法精度が悪い
。筐た、ノズルとインク室を別々に作製した後組み立て
るという方法を採っているので、インクシエ・ドブリン
ターヘッドの製造精度、生産性が悪く、製品が高価にな
っている。

これに対し、上記の問題を解決できる方法として、異方
性エツチング技術を用いて、ノズルに用いる微小な貫通
孔をシリコン基板に垂直に精度良く作製する方法が提案
されているｃｓｓｐυ ４．００７．４６４及び？ＳＰ３，９２１．９１６）。

また、シリコンを用いたインクジェットプリンターヘッ
ドの作製方法がＫｕｓｔ　　Ｅ−Ｐｅｔｅｒｓｅｎによ
って提案されている（　Ｉ　ＥＥＥ　　Ｔｒａｎ５ａｃ
ｔｉｏｎ　　ｏｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ　　ＥＤ−２６（１９７９）、１９１８）。第４図に
Ｐｅｔｅｒｓｅｎ　によるインクジェットプリンターへ
・ノドの構造図を示す。同図（ａｌは上面図、同図（ｂ
ｌはＡ−Ａ’における断面図、同図（ｄはＢ−Ｂ’にふ
・ける断面図、同図ｆｄｌはｃ−ｃ’における断面図で
ある。このインクジェットプリンターへノドは底板６、
溝の形成されたシリコン基板１、振動板５及び圧電素子
７がこの順に接合された構造となって釦り、以下のよう
にして作製される。渣ず（１１０）の酊を有するシリコ
ン基板１にノズル溝２を等方性エツチングで形成する。

次に、ノズル溝２が再びエツチングされないようにシリ
コン基板１表面に酸化膜を形成する。さらに、インク室
３及びノズル端前４を形成する部分の酸化膜を除去した
後、インク室３を形成する部分のシリコン基板１が貫通
する筐で異方性エツチングを行う。

この異方性エツチングに際しては、ノズル端面４が（１
１１）面になるようにし、（１１１）面のエンチング速
度が遅いことを利用してノズル端前４が鏡筒となるよう
にしている。こうして加工の施されたシリコン基板１の
両面に、厚い力″ラス板の底板６と薄いガラス板Ｃ厚さ
２３０μｍ）の振動板５を接合してインク室８を形成す
る。最後に振動板５上に圧電素子７を貼シ付け、インク
導入パイプ８を差し込んで完成する。これにより、ノズ
ルの加工に伴う問題が解決されている。

〈発明が解決しようとする課Ｂ〉 圧電式のインクジェットプリンターヘッドを構成する主
要な部品の一つに振動板がある。一般にこの振動板には
ガラスや７テンレスの薄板が用いられ、インク室を形成
する基板に接合されている。

振動板は薄い程たわみやすくなり、圧電素子の駆動電圧
を小さくでき、スパン長さを短くできて高密度化が容易
となる。

しかしながら、振動板を薄くする程、反りが生じたり割
れたりしゃすくなシ、取扱いに注意を要し接合が難しく
なる。

この接合を容易にするために、接着した後振動板を研磨
して薄くする方法もあるが、研磨中に振動板が割れるな
どの問題が生じ、生産性やコヌトの崩で有利ではない。

さらに、振動板には圧電素子による大きな力がかかるの
で、接合には十分な強度が要求され、強固な接合を得る
ための技術が必要であった。

筐た、シリコンの異方性エツチングによりノズルを加工
しノズル端前を（１１１）面の鏡面とする方法では、第
４図ｆｂ）に示されたインク室８のノズル端面４に平行
な側面１０は（１１１）面で鏡面となるが、第４図［ｃ
ｌに示すこれに垂直な側面９は（１１１）［［とはなら
ず形状が不規則で、エツチング時間とともに側面９のエ
ツチングが進行する。これによって、振動板５のスパン
長さＤが大きくなシ、振動板５のたわみ特性に変化が生
じることになる。

そこで、各へ・・ドでのたわみ特性を均一にするために
、シリコン基板に貫通溝を形成するための時間を一定に
保ち、シリコン基板の厚さを厳密に揃える必要があった
。

本発明はこのような問題点を解決することを目的とする
。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成する為に本発明は、互いにつなが−た溝
と凹部を有するシリコン基板を構成部として有し、上記
溝はノズルの構成部であυ、上記凹部はインク室の構成
部であジ、上記凹部の底面部は振動板を構成しているこ
とを特徴とする。上記インク室に設けられた上記振動板
の振動により上記インク室の容積を変化させて上記ノズ
ルよりインクを吐出するインクジェットプリンタヘッド
を提供する。

普た本発明は、（１１０）シリコン単結晶基板を用い、
上記基板上に上記凹部形成のための長方形の開口部を有
する上記エツチングに対する保護膜を形成し、上記開口
部の長辺が（１１０）面とこれと直交する（１１１）面
との交線と一致するようにし、上記開口部の短辺側に上
記溝が形成されるようにして、上記基板に異方性エツチ
ングを施して、上記溝と凹部をシリコン基板に形成する
ことを特徴とするインクジエ・トプリンタヘノドの製造
方法を提供する。

く作　用〉 本発明のインクジェットプリンタヘッドでは、シリコン
基板の溝と凹部の形成された側に例えば板が接合されて
、凹部の部分でインク室が構成され、溝の部分でノズル
が構成される。そして、凹部底面部に圧電素子等が接続
されて凹部底面部が振動板として働き、振動板を別に接
合する必要がなくなる。また、シリコン基板はエツチン
グによる微細加工が容易であり、精度良く加工すること
が可能になる。

本発明の製造方法によれば、エツチング時間の経過につ
れて、基板の深さ方向の工・チングが進み、開口部の長
辺側には（１１１）面が現れて、凹部が形成される。そ
して、上記（１１１）面を有する１組の側面の間隔はエ
ツチング時間にかかわらず一定に保たれる。これは、（
１１１）面のエンチング速度が（１１Ｏ）面のエツチン
グ速度に比べて極めて遅い為である。従−て、凹部の底
面部により構成される振動板の短い方のスパンがエツチ
ング時間に関係なく一定の長さで形成され振動板のたわ
み特性を一定にそろえる。さらに、溝が開口部の短辺側
に形成されるので、多数のノズルを配列してインクジェ
ットプリンタヘッドを作製した場合に、インク室の幅の
狭い方向で配列できるようになシ、インクジェ・ントプ
リンタへ１ドの高密度での作製を可能にする。

〈実施例〉 第１図乃至第３図を参照にして本発明の実施例を示す。

第１図は本実施例のインクシェ・トプリンタヘッドの構
造図であり、同図１ａ）は上面図、同図ｆｂｌはＡ−Ａ
’断面図、同図１ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、同図ｆｄｌは
ｃ−ｃ’断面図である。第２図は本実施例のインクジェ
ットプリンタヘッドの製造工程図であう、第８図は本実
施例のノズル溝２周辺の斜視図である。

以下に本実施例のインクジェットプリンタヘッドの製造
方法を説明する。筐ず、（１１０）Ｊの単結晶のシリコ
ン基板１表面に工・チングに対する保護膜１８を形成す
る。保護膜１３としては５ｉ０２熱酸化膜、Ｓｉ３Ｎ４
膜オたはシリコンのホウ素ドープ膜等を用いることがで
き、本実施例では透明な膜を簡便に形成することのでき
る５ｉ０２熱酸化膜を用いた。次に、上記シリコン基板
１片面の保護膜１８をノズル溝２及び貫通孔１１を設け
る部位で除去して開口部を形成する。該開口部の形状は
、ノズル溝２にあたる部分、貫通孔１１にあたる部分共
に長方形とし、長辺を＜ＩＴ２＞の方向にとった。次に
エチレンジアミン・ピロヵテコール水溶液、ＫＯＨ水溶
液等のアルカリエツチング溶液で異方性工・チングを行
なう（第２図（ａ））。工・チング深さは４０μ門とし
た。次にノズル溝２の再工・チングを防ぐために上記基
板１表前に重ねて保護＠１３を形成する。この保護膜は
先の保護膜１３と同じ５ｉｎ２熱酸化摸で先の保護膜と
一体となるＣ第２図（ｂ））。次にインク室３を設ける
部位の形状は先と同様長方形とし、長辺を＜１１２＞の
方向とした（第２図（Ｃ））。次に先と同様アルカリニ
・・チング溶液を用いて異方性エツチングを行う。エツ
チングはシリコン基板ｌに貫通孔が形成された時点でこ
れを停止した（第２図（ｄ））。

これにより、インク室８となる凹部が形成されその底筒
の厚さは４０μ解となシ、この部分が振動板５となる。

渣た、貫通孔１１はインク導入孔となる。

この後、上記基板１全体のエツチング保護膜を除去し、
これを底板６に接合し、ノズル溝２を横切って切断する
（第２図（ｅ））。底板６にはガラス、シリコン等を用
い、接合には低融点ガラスを介した熱融着、静電接合法
等を用いる。以上の工程を経てノズル、インク室８及び
ノズル端拵４が形成される。最後に、圧電素子７を振動
板５に貼りつける。

以上のようにして、ノズル形状が４０μｍ×４０μｍの
正方形で、厚さ４　Ｑ　ｐｅ＋の振動板が一体形成され
たインクジェットプリンタへノドが作製される。この振
動板の厚さは、従来の振動板がせいぜい１５０μｍの厚
みが限界であったのに比べて非常に薄い。

尚、ノズルの大きさは印字ドツト径に合わせて選べば良
く、２０〜１００μｍ程度とする。またシリコン表面は
インクをはじくので、漏れ性を良くする為に熱酸化膜や
Ｓｉ３Ｎ、膜をシリコン表を用いても良い。

本実施例ではエツチング形状を長方形とし、その長辺を
ぐ１１２〉方向としたので、ノズ／”溝の側面１２及び
インク室の側面９はＣ１１１）前となシ、シリコン基板
１表前に垂直な面を形成する。

このために、インク室の側面１０では、エツチング時間
とともに側何１０に垂直な方向の二１チングが進むが、
側面９ではこの方向の工・チングは進筐ず、短い方のス
パンの長さは一定に保たれる。

振動板のたわみ特性は、短い方のスパン長さＤによって
決筐るので、エツチング時間やエツチング溶液の質の変
化によって上記たわみ特性にバラツキが生じることがな
い。

ｌた、同様にノズル幅の制御性も良いので、ノズル形状
によるインク吐出特性をそろえることができる。

さらに、ノズル溝２のエツチングと同時に、貫通孔１１
の部分を同じ深さだけエツチングし、インク室３となる
凹部を工・チングする際に、貫通孔１１が形成されたこ
とを検出して振動板を形成したので、シリコン基板の厚
みのバラツキに影響されず、振動板の厚みの制御が容易
で制御性も高い。

尚、貫通孔が形成された後もエツチングを継続して、よ
り薄い振動板を形成することもできる。

さらに、工・チング保護膜である３＋０２の熱酸化膜、
５１３Ｎ４膜、シリコンのホウ素ドープ膜は、アルカリ
ニ・チング溶液に対して耐エツチング性の高い膜であり
、この膜だけを残してエツチングを行い、これを振動板
として用いることも可能である。この場合、振動板の厚
みは数ｔｏｏｏ、Ｎから数μｍ程度となる。

〈発明の効果〉 本発明のインクジエノトプリンタヘノドは、振動板を別
途接合する必要がないので、振動板の厚さを薄くしても
製造上の取扱いは簡単であり、生産性良く、低コストで
インクジエノトプリンタヘノドを製造することができる
。

筐た、振動板が一体構造とな−ているので、振動板の接
合強度が弱いといった問題は生じない。

さらに、薄い振動板の形成が可能となるので、圧電素子
の駆動電圧を低くできるとともに、より高密度化が可能
となる。

本発明の製造方法を用いると、振動板のたわみ特性を左
右する方向の振動板のスベン長さを、エツチング条件に
関係なく一定に保てるので基板の厚さを厳密に揃える必
要がなく、製造条件の制御が容易であり、特性の揃った
振動板を製造できる。

また、シリコン単結晶基板のエツチング加工は容易であ
る。従−て、安価に、特性の均一なインクジェットプリ
ンタへ・フドの製造をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のインクジェットプリンタヘッ
ドの構造図、第２図は本実施例の製造工程図、第８図は
本実施例のノズル溝周辺の斜視図、第４図は従来のイン
クジェットプリンタベンドの構造図である。 １：シリコン基板、　　　２：ノズル溝、８：インク室
、　　　　５：振動板 ９二側　面、　　　　１０：側　面 １２：側　面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、インク室に設けられた振動板の振動によりインク室
   の容積を変化させてノズルよりインクを吐出するインク
   ジェットプリンタヘッドにおいて、 互いにつながった溝と凹部を有するシリコン基板を構成
   部として有し、上記溝はノズルの構成部であり、上記凹
   部はインク室の構成部であり、上記凹部の底面部は振動
   板を構成していることを特徴とするインクジェットプリ
   ンタヘッド。 ２、（１１０）シリコン単結晶基板を異方性エッチング
   することによって前記溝と凹部をシリコン基板に形成す
   る方法であって、 上記基板上に上記凹部形成のための長方形の開口部を有
   する上記エッチングに対する保護膜を形成し、 上記開口部の長辺が（１１０）面とこれと直交する（１
   １１）面との交線と一致するようにし、 上記開口部の短辺側に上記溝が形成されるようにする ことを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリン
   タヘッドの製造方法。