JPH11170546A - インクジェットヘッド用弁の製造方法、該方法により製造したインクジェットヘッド用弁及びインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

インクジェットヘッド用弁の製造方法、該方法により製造したインクジェットヘッド用弁及びインクジェットヘッドの製造方法

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JPH11170546A
JPH11170546A JP9336059A JP33605997A JPH11170546A JP H11170546 A JPH11170546 A JP H11170546A JP 9336059 A JP9336059 A JP 9336059A JP 33605997 A JP33605997 A JP 33605997A JP H11170546 A JPH11170546 A JP H11170546A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトリソ工程を用いた高精度な弁の位置合
わせが可能で弁の厚さのコントロールが容易となり、工
程の簡略化を図れるインクジェットヘッド用弁の製造方
法、該方法により製造したインクジェットヘッド用弁及
びインクジェットヘッドの製造方法を提供する。 【解決手段】 インクジェットヘッド用弁をメタルＣＶ
Ｄ法により製造することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はインクジェットヘッ
ド用弁の製造方法、該方法により製造されたインクジェ
ットヘッド用弁及びインクジェットヘッドの製造方法に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】熱等のエネルギーをインクに与えること
で、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態
変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって
吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着
させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわ
ゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。この
バブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特
許第４，７２３，１２９号明細書等の公報に開示されて
いるように、インクを吐出するための吐出口と、この吐
出口に連通するインク流路と、インク流路内に配された
インクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電
気熱変換体が一般的に配されている。
【０００３】この様な記録方法によれば、品位の高い画
像を高速、低騒音で記録することができるとともに、こ
の記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐
出口を高密度に配置することができるため、小型の装置
で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得
ることができるという多くの優れた点を有している。こ
のため、このバブルジェット記録方法は、近年、プリン
タ、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利
用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムに
まで利用されるようになってきている。
【０００４】このようにバブルジェット技術が多方面の
製品に利用されるに従って、次のような様々な要求が近
年さらにたかまっている。
【０００５】例えば、エネルギー効率の向上の要求に対
する検討としては、保護膜の厚さを調整するといった発
熱体の最適化が挙げられている。この手法は、発生した
熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。
【０００６】また、高画質な画像を得るために、インク
の吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好
なインク吐出を行える液体吐出方法等を与えるための駆
動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐
出された液体の液流路内への充填（リフィル）速度の速
い液体吐出ヘッドを得るために流路形状を改良したもの
も提案されている。
【０００７】この流路形状の内、特開昭６３−１９９９
７２号公報等に記載されている流路構造やヘッド製造方
法は、気泡の発生に伴って発生するバック波（吐出口へ
向かう方向とは逆の方向へ向かう圧力、即ち、液室へ向
かう圧力）に着目した発明である。このバック波は、吐
出方向へ向かうエネルギーでないため損失エネルギーと
して知られている。
【０００８】特開昭６３−１９９９７２号公報に開示さ
れているヘッドは、発熱素子が形成する気泡の発泡領域
よりも離れ、かつ、発熱素子に関して吐出口とは反対側
に位置するインクジェットヘッド用弁を有する。この弁
は、板材等を利用する製造方法によって流路の天井に貼
り付いたように初期位置を持ち、気泡の発生に伴って流
路内に垂れ下がる。この発明は、上述したバック波の一
部を弁によって制御することでエネルギー損失を制御す
るものとして開示されている。
【０００９】上記のようなインクジェットヘッド用弁を
具備した液体吐出ヘッドの一例の部分破断斜視図を図４
に示す。
【００１０】この図４の液体吐出ヘッドは、液体を吐出
するための吐出エネルギー発生素子として、液体に熱エ
ネルギーを作用させる発熱体２が素子基板１に設けられ
ており、この素子基板１上に発熱体２に対応して液流路
７が配されている。液流路７は吐出口５に連通している
とともに、複数の液流路７に液体を供給するための共通
液室１３に連通しており、吐出口から吐出された液体に
見合う量の液体をこの共通液室１３から受け取る。
【００１１】この液流路７の素子基板１上には、前述の
発熱体２に対向するように面して薄膜の樹脂、金属等の
弾性を有する材料で構成され、平面部を有する厚さ１μ
ｍの板状の可動部材６が片持梁状に設けられたインクジ
ェットヘッド用弁が配設される。
【００１２】図４において発熱体２を発熱させると可動
部材６と発熱体との間の気泡発生領域の液体に熱が作用
し、膜沸騰現象に基づく気泡を発生させる。気泡の発生
に基づく圧力と気泡は可動部材６に作用し、図４のよう
に支点６ａを中心に吐出側に大きく開くように変位し、
気泡の発生に伴う圧力や気泡自身を吐出口５が配された
下流側に導くことができる。
【００１３】上記のようなインクジェットヘッド用弁を
製造するには従来は電鋳法等によって形成した弁材料を
用い基板上に貼り合わせにより行っていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】そしてこの弁材料を基
板上に貼り合わせる際、可動部材の効果を十分に引き出
すために可動部材と発熱体との間に１〜２０μｍ程度の
隙間を設ける必要がある。そして、電鋳法等で形成した
弁を可動部分に隙間ができるように貼り合わせるために
は予め弁が基板に固定できるように基板上に台座部分を
形成する必要がある。しかも隙間の高さだけ台座部分を
例えば５μｍ形成し、しかもその台座部分がインクに対
し、腐食しないようにするためには、Ａｕメッキなどの
方法で形成する必要がある。そしてこのＡｕメッキを形
成するためには、Ａｕのスパッタやフオトリソのパター
ニングが必要である。またＡｕメッキ形成後このＡｕ台
座の面に電鋳弁を置き、位置を合わせ、スタッドバンプ
法等の方法で固定する必要があり、高精度な弁の位置合
わせは困難である。
【００１５】従って弁の厚さのコントロール及び高精度
な弁の位置合わせが困難ばかりでなく製造工程も極めて
複雑なものであった。
【００１６】本発明は前記の問題点を解決した新規のイ
ンクジェットヘッド用弁の製造方法及び該方法により製
造したインクジェットヘッド用弁を提供することを目的
とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】前記の目的は以下の手段
によって達成される。
【００１８】すなわち、本発明は、インクを吐出するた
めの吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、イ
ンク流路内にインクを吐出するためのエネルギー発生手
段として電気熱変換体を配してなるインクジェット記録
装置のインクジェットヘッド用弁の製造方法において、
前記インクジェットヘッド用弁をメタルＣＶＤ法により
製造することを特徴とするインクジェットヘッド用弁の
製造方法を提案するものであり、前記インクジェットヘ
ッド用弁をＴａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕを用いて製造することを含む。
【００１９】また本発明は前記の方法で製造することを
特徴とするインクジェットヘッド用弁を提案するもので
ある。さらに本発明は、インクを吐出するための吐出口
と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内
にインクを吐出するためのエネルギー発生手段として電
気熱変換体を配してなるインクジェット記録装置のイン
クジェットヘッドの製造方法において、表面に導電部を
有する電気熱変換体を備える基板を用意し、該基板表面
に弁の台座部を形成するための第一のマスク層を形成す
る工程と前記第一のマスク層の弁の台座部となる部分を
エッチングする工程と台座部をメタルＣＶＤで形成し、
台座部及び第一のマスク層上に導電層を形成する工程と
該導電層上に第二のマスク層を形成し、該第二のマスク
層の可動部材となる部分をエッチングする工程と前記導
電層上にメタルＣＶＤ法により可動部材を形成した後、
第一及び第二のマスク層を除去する工程とから成ること
を特徴とするインクジェットヘッドの製造方法を提案す
るものである。
【００２０】本発明によればフォトリソ工程を用いた高
精度な弁の位置合わせが可能となると共に弁の厚みのコ
ントロールが容易となり工程の簡略化を図ることが可能
である。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により具体
的に説明する。
【００２２】
【実施例】（実施例１）図１ａ〜ｊの図は本発明の構造
を達成するための工程フローを示す。
【００２３】まず基板上に弁の台座を形成するため、耐
キャビテーション膜としてのＴａ上に約５μｍの厚さに
ＰＳＧ膜を３５０℃の条件でプラズマＣＶＤ法によって
形成する（図１−ａ）。次にフォトリソ法によってパタ
ーニングするため、レジストをスピンコートし、露光現
像をおこなう。ここで弁の台座形成用にＰＳＧを用いた
がこれに限らず、後述するメタルＣＶＤ工程において変
質しなければ他の材料、例えばＢＰＳＧあるいはＳｉＯ
等の無機材料、あるいは有機材料でも良い。次にバッフ
ァードフッ酸によるエッチングによってＰＳＧを所定の
パターンに形成する（図１−ｂ）。次にこの基板を選択
タングステン（Ｗ）ＣＶＤ法によってＷＦ6 ／ＳｉＨ4
／Ｈ2 ＝１０／７／１０００ｓｃｃｍ、圧力２６．６Ｐ
ａ、２６０℃の条件で約５μｍの厚さにタングステンを
形成する。このタングステンは、選択的にＴａの露出し
ている部分のみ成膜され、弁の台座となる（図１−
ｃ）。本実施例は弁の台座としてＷを選択したが、これ
にかかわらず弁の台座あるいは弁の材料としての機能を
備えているものであれば良く、Ｔａ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃ
ｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ等、他の膜でもかま
わない。あるいは機能別に台座と弁の材料を変更する事
が出来る。
【００２４】続いて、この上に、弁材料としてのメタル
ＣＶＤのための配線層をＮｉを材料として、スパッタリ
ング法によって１０００オングストロームの厚さに形成
する（図１−ｄ）。ここで配線をＰｄとしたが、他のメ
タルでもかまわない。次にプラズマＣＶＤ法によってＰ
ＳＧ膜を３５０℃の条件で約５μｍの厚さに形成する
（図１−ｅ）。ここではＰＳＧ膜としたが、これに限ら
ず、後述するメタルＣＶＤ工程において変質しなければ
他の材料、例えばＢＰＳＧあるいはＳｉＯ等の無機材
料、あるいは有機材料でも良い。次にバッファードフッ
酸によるエッチングによってＰＳＧを所定のパターンに
形成する（図２−ｆ）。
【００２５】次にこの基板を選択タングステン（Ｗ）Ｃ
ＶＤ法によってＷＦ6 ／ＳｉＨ4 ／Ｈ2 ＝１０／７／１
０００ｓｃｃｍ、圧力２６．６Ｐａ、２６０℃の条件で
約５μｍの厚さにタングステンを形成する。このタング
ステンは選択的にＰｄの露出している部分のみ成膜され
弁となる（図２−ｇ）。
【００２６】次に、バッファードフッ酸によって弁の周
辺のＰＳＧを除去する（図２−ｈ）。次に過酸化水素水
によって配線層としてのＮｉを除去する（図２−ｉ）。
最後にバッファードフッ酸によってＰＳＧを除去して台
座と弁を形成する（図２−ｊ）。 （実施例２）実施例１における図１ａ〜ｊで示すような
工程において、下引きの配線層とメタルＣＶＤの応力を
調製すれば最終形態として図１ｊのような断面構造では
なく図５で示すような弁が予め反った形状とすることが
できる。例えば、下引きの配線層の成膜時応力１×１０
9 ｄｙｎ／ｃｍ2 の圧縮応力で形成し、メタルＣＶＤ側
を１×１０9 ｄｙｎ／ｃｍ2 の引っぱり応力で形成すれ
ば、弁は、図５のようにメタルＣＶＤ側に反って変形す
る。このようにして形成した弁は、発泡時に弁を変形さ
せるパワーが不要となり、リフィル時にのみ可動するた
め、エネルギーのロス分を減らすことが出来る。 （その他の実施例）図３は、本発明の液体吐出ヘッドの
基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断
面図である。
【００２７】図３に示すように、この液体吐出ヘッド
は、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与え
る複数個（図３では１つのみ示す）の発熱体２が並列に
設けられた素子基板１と、この素子基板１上に接合され
た天板３と、素子基板１および天板３の前端面に接合さ
れたオリフィスプレート４とを有する。
【００２８】素子基板１は、シリコン等の基板上に絶縁
および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリ
コン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵
抗層および配線をパターニングしたものである。この配
線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を
流すことで発熱体２が発熱する。
【００２９】天板３は、各発熱体２に対応した複数の液
流路７および各液流路７に液体を供給するための共通液
室８を構成するためのもので、天井部分から各発熱体２
の間に延びる流路側壁９が一体的に設けられている。天
板３はシリコン系の材料で構成され、液流路７および共
通液室８のパターンをエッチングで形成したり、シリコ
ン基板上にＣＶＤ等の公知の成膜方法により窒化シリコ
ン、酸化シリコンなど、流路側壁９となる材料を堆積し
た後、液流路７の部分をエッチングして形成することが
できる。
【００３０】オリフィスプレート４には、各液流路７に
対応しそれぞれ液流路７を介して共通液室８に連通する
複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート
４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐
出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍ程度
の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィス
プレート４は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、
オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３に液流
路７を形成する際に天板３の先端面にオリフィスプレー
ト４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成
することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【００３１】さらに、この液体吐出ヘッドには、液流路
７を吐出口５に連通した第１の液流路７ａと、発熱体２
を有する第２の液流路７ｂとに分けるように、発熱体２
に対面して配置された片持梁状の可動部材６が設けられ
ている。可動部材６は、窒化シリコンや酸化シリコンな
どのシリコン系の材料で形成された薄膜である。
【００３２】この可動部材６は、液体の吐出動作によっ
て共通液室８から可動部材６を経て吐出口５側へ流れる
大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに
対して下流側に自由端６ｂを持つように、発熱体２に面
した位置に発熱体２を覆うような状態で発熱体２から所
定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部
材６との間が気泡発生領域１０となる。
【００３３】上記構成に基づき、発熱体２を発熱させる
と、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の
液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象
に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴
う圧力は可動部材６に優先的に作用し、可動部材６は図
３に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５
側に大きく開くように変位する。可動部材６の変位もし
くは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の
伝搬や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５
から液体が吐出する。
【００３４】つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７
内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを
持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材
６を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側
へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与す
ることになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬
方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく
成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材
によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御すること
で、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出
特性を向上させることができる。
【００３５】一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材
６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部
材６も最終的には図３に実線で示した初期位置に復帰す
る。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を
補うため、また、吐出された液体の体積分を補うため
に、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、
液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、こ
の液体のリフィルは、可動部材６の復帰作用に伴って効
率よく合理的かつ安定して行われる。
【００３６】
【発明の効果】本発明によればフォトリソ工程を用いた
高精度な弁の位置合わせが可能となり、弁の厚さのコン
トロールが極めて容易となり、成膜プロセスで弁を形成
することによって工程の簡略化を図ることができるもの
である。
【００３７】また下引きの金属の応力コントロールとＣ
ＶＤの応力コントロールにより弁を反った形状にするこ
とも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜（ｅ）は、インクジェットヘッド
弁の前半の製造工程を示す断面図である。
【図２】図２（ｆ）〜（ｊ）は、インクジェットヘッド
弁の後半の製造工程を示す断面図である。
【図３】本発明の液体吐出ヘッドの基本的な構造を説明
するための液流路方向に沿った断面図である。
【図４】インクジェットヘッド用弁を具備した液体吐出
ヘッドの一例の部分破断斜視図である。
【図５】実施例２で製造されるインクジェットヘッド弁
の断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板 ２ 発熱体 ３ 天板 ４ オリフィスプレート ５、１８ 吐出口 ６ 可動部材 ６ａ 支点 ６ｂ 自由端 ７ 液流路 ７ａ 第１の液流路 ７ｂ 第２の液流路 ８、１３ 共通液室 ９ 流路側壁 １０ 気泡発生領域 ３４ 支持部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今仲 良行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 久保田 雅彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 石永 博之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 池田 雅実 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 小川 正彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インクを吐出するための吐出口と、この
    吐出口に連通するインク流路と、インク流路内にインク
    を吐出するためのエネルギー発生手段として電気熱変換
    体を配してなるインクジェット記録装置のインクジェッ
    トヘッド用弁の製造方法において、前記インクジェット
    ヘッド用弁をメタルＣＶＤ法により製造することを特徴
    とするインクジェットヘッド用弁の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記インクジェットヘッド用弁をＴａ、
    Ｗ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ
    を用いて製造する請求項１に記載のインクジェットヘッ
    ド用弁の製造方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の方法で製造す
    ることを特徴とするインクジェットヘッド用弁。
  4. 【請求項４】 インクを吐出するための吐出口と、この
    吐出口に連通するインク流路と、インク流路内にインク
    を吐出するためのエネルギー発生手段として電気熱変換
    体を配してなるインクジェット記録装置のインクジェッ
    トヘッドの製造方法において、表面に導電部を有する電
    気熱変換体を備える基板を用意し、該基板表面に弁の台
    座部を形成するための第一のマスク層を形成する工程と
    前記第一のマスク層の弁の台座部となる部分をエッチン
    グする工程と台座部をメタルＣＶＤで形成し、台座部及
    び第一のマスク層上に導電層を形成する工程と該導電層
    上に第二のマスク層を形成し、該第二のマスク層の可動
    部材となる部分をエッチングする工程と前記導電層上に
    メタルＣＶＤ法により可動部材を形成した後、第一及び
    第二のマスク層を除去する工程とから成ることを特徴と
    するインクジェットヘッドの製造方法。
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