JP3528586B2

JP3528586B2 - インクジェットヘッドの製造方法。

Info

Publication number: JP3528586B2
Application number: JP10429698A
Authority: JP
Inventors: 周史小枝
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: JPH11993A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を紙等に
吐出して印字するためのインクジェットヘッドの製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インクジェット記録装置は、高速
印字に対応するために多ノズル化が進んでおり、また、
高解像度化の要求から微小なアクチュエータが求められ
るようになってきている。このようなことから、アクチ
ュエータに静電気力を利用したインクジェットヘッド
（例えば特開平６−７１８８２号公報）が提案されてい
る。このインクジェットヘッドは、アクチュエータが平
行平板電極から構成されており、アクチュエータの小型
化が容易であるため、アクチュエータを高密度に構成す
ることができるという特徴がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、アクチュエー
タが高密度化されて構成されると振動板も薄くなるが、
薄い振動板は取り扱いが難しいという問題点があった。

【０００４】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、その目的は、薄い振動板を
形成するのに薄い基板を使用する必要がないようにした
インクジェットヘッドの製造方法を提供することにあ
る。

【０００５】

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドの製造方法は、複数のノズル孔と、ノズル孔の各
々に連通する複数の独立した吐出室と、吐出室の下面に
形成された振動板と、振動板に空隙をもって対向する電
極とを備え、振動板と電極との間に電圧を印加して振動
板を変形させて、ノズル孔よりインク滴を吐出させるイ
ンクジェットヘッドの製造方法において、前記第１の基
板の厚みを減らして、前記振動板及び前記吐出室の隔壁
をそれぞれ形成し、その上に第３の基板を接合して前記
吐出室を形成する。また、本発明のインクジェットヘッ
ドの製造方法は、複数のノズル孔と、ノズル孔の各々に
連通する複数の独立した吐出室と、吐出室の下面に形成
された振動板と、振動板に空隙をもって対向する電極と
を備え、振動板と電極との間に電圧を印加して振動板を
変形させて、ノズル孔よりインク滴を吐出させるインク
ジェットヘッドの製造方法において、前記第１の基板の
厚みを減らして振動板を形成し、第３の基板に吐出室の
隔壁及びノズル孔を形成し、その第３の基板を第１の基
板の上に接合して吐出室を形成する。また、本発明のイ
ンクジェットヘッドの製造方法は、複数のノズル孔と、
ノズル孔の各々に連通する複数の独立した吐出室と、吐
出室の下面に形成された振動板と、振動板に空隙をもっ
て対向する電極とを備え、振動板と電極との間に電圧を
印加して振動板を変形させて、ノズル孔よりインク滴を
吐出させるインクジェットヘッドの製造方法において、
第１の基板の厚みを減らして振動板を形成し、第１の基
板の上に、予めパターンニングされたドライフィルムを
積層して吐出室及びノズル孔を形成する。また、本発明
のインクジェットヘッドの製造方法は、上記の製造方法
において、第１の基板がシリコン単結晶基板からなり、
そして、湿式エッチングにより第１の基板の厚みを減ら
して薄くする。また、本発明のインクジェットヘッドの
製造方法は、上記の製造方法において、機械的加工によ
り第１の基板の厚みを減らして薄くする。

【０００７】

【０００８】

【０００９】

【発明の実施の形態】

実施形態１．図１は本発明の実施形態１に係るインクジ
ェットヘッドの断面図であり、図２は図１のインクジェ
ットヘッドの平面図である。本実施形態１においては、
インク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・イジェクトタイプのものに本発明を適用した
例を扱っている。

【００１０】本実施形態１に係るインクジェットヘッド
は、電極ガラス基板１００、振動板基板２００及びノズ
ルプレート３００を重ねて接合した積層構造となってい
る。電極ガラス基板１００にはインク供給口１０４が開
けられており、そのインク供給口１０４からリザーバ２
０４に供給されたインク４００は、オリフィス３０２を
介して複数のキャビティ（吐出室）２０３に均等に分配
される。キャビティ２０３の下面は変形可能な振動板２
０１を構成しており、短絡防止用の絶縁膜２０２を挟ん
で個別電極１０１と対向している。振動板２０１と個別
電極１０１との間に電圧を印加し、静電引力を発生さ
せ、振動板２０１を下方に変形させた後に、その印加電
圧を除去した時に発生する振動板２０１のバネ力による
圧力によってインク滴４０１をノズル３０１より吐出す
る。

【００１１】図３は図２のＡ−Ａ端面図である。同３に
おいて、キャビティ２０３の隔壁２０６の厚さＷは４０
μｍであるが、隔壁２０６の高さＬは次のように設定し
ている。隔壁２０６の高さＬの下限値は、１００μｍ以
上、１２０μｍ以上又は１４０μｍ以上に設定する。こ
の下限値は、インクの供給能力の観点から定められる
（壁が低いとインクが流れにくくなる。）。また、隔壁
２０６の高さＬの上限値は、１６０μｍ以下、１５０μ
ｍ以下又は１４０μｍ以下に設定する。この上限値は、
クロストークの抑制と生産性の向上という観点から定め
られる（壁が高いと隔壁の剛性が低くなりクロストーク
を効果的に抑制しにくくなる。）。上記のようにキャビ
ティ２０３の隔壁の高さを設定することにより、キャビ
ティ２０３の隔壁の横方向の振動が抑制されて、その振
動が原因となるクロストークの発生が阻止される。な
お、この吐出室の隔壁の高さの設定は後述する実施形態
２〜４においても同様に適用されるものとする。

【００１２】図４は図１のインクジェットヘッドの製造
工程を示した工程図である。（ａ）電極ガラス基板１００として硼珪酸ガラス基板を
用い、その硼珪酸ガラス基板上に０．３μｍの段差を、
個別電極１０１が形成される分のスペースを囲むように
エッチングにより形成する。そして、ＩＴＯをスパッ
タ、又は蒸着により０．１μｍの膜を形成した後に、フ
ォトリソグラフィにより個別電極１０１を７０μｍのピ
ッチでパターニングする（図４（ａ））。（ｂ）次に、初期厚さ４００μｍのシリコン単結晶から
なる振動板基板２００の下面に１μｍの深さで高濃度に
Ｂ（ホウ素）を拡散する。アルカリによるＳｉエッチン
グのレートはＢ濃度に依存し、高濃度（約５×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3以上）では非常に小さくなることが知られている。
この特性を利用すれば、エッチングにより均一性の高い
振動板２０１を形成することができる。Ｂ（ホウ素）を
拡散した後、絶縁膜２０２となる０．１μｍの熱酸化膜
を形成する（図４（ｂ））。

【００１３】（ｃ）電極ガラス基板１００と振動板基板
２００を３６０℃に加熱した後、電極ガラス基板１００
に負極、振動板基板２００に正極を接続して、８００Ｖ
の電圧を印加して陽極接合する（図４（ｃ））。（ｄ）陽極接合後、基板全体をＫＯＨ水溶液に浸漬して
振動板基板２００を１００μｍの厚さまでエッチングす
る（図４（ｄ））。また、この処理は、通常のシリコン
基板の研削・研磨と同じようにダイヤホイールを用いて
研削した後、ラッピングマシンによって研磨してもよ
い。

【００１４】（ｅ）上記のエッチングを行った後、振動
板基板２００の全面にエッチングマスクとなる二酸化珪
素膜をＣＶＤで１μｍの厚さで膜を形成し、フォトリソ
グラフィーによりキャビティパターンとリザーバパター
ンを形成する。次に、１０ｗ％、８０℃のＫＯＨ水溶液
に基板全体を浸漬し、キャビティ２０３とリザーバ２０
４、電極取り出し口２０５をそれぞれ形成する。さら
に、ダイヤモンドドリルにより電極基板１００とリザー
バ２０４の下面を穿孔してそれをインク供給口１０４と
する。キャビティ２０３の底面がボロンドープ層に達す
るとエッチング速度が急激に低下するため、厚さ１μｍ
の振動板２０２が容易に形成できる（図４（ｅ））。（ｆ）ノズル３０１とオリフィス３０２を有するノズル
プレート３００をエポキシ系接着剤により振動板基板２
００に接着する（図３（ｆ））。（ｇ）ノズルプレート３００を接着した後、個別電極配
線１０２を取り出すために、ドライエッチングを行って
電極取り出し口２０５の下面のシリコンを除去する。電
極取り出し口２０５を開口した後、アクチュエータ内に
水分や異物が浸入するのを防止する目的で、エポキシ樹
脂によるシール１０３で電極取り出し口２０５の縁を封
止する（図４（ｇ））。（ｈ）最後にダイシングにより個々のヘッドに切断する
（図４（ｈ））。

【００１５】本実施形態１においては上記のようにイン
クジェットヘッドを製造しており、振動板基板２００を
電極ガラス基板１００に接合した後に、その厚みを減ら
して振動板２０１を形成していることから、この振動板
基板２００として比較的厚い（振動板の厚さに対して）
大型の基板を使用するこことができる。例えば、直径が
４インチ、厚さ１００μｍのウェハであれば剛性がな
く、取り扱いが難しく、高密度にインクジェットヘッド
を取り出すことができないが、直径が４インチ、厚さ４
００μｍのウェハであれば或る程度剛性があることか
ら、その取り扱いが容易であり、しかも、高密度にイン
クジェットヘッドを取り出すことができる（例えば１枚
のウェハーから５０個）。このため、生産性を向上させ
ることができる。

【００１６】実施形態２．図５は本発明の実施形態２に
係るインクジェットヘッドの断面図であり、図６は図５
のインクジェットヘッドの平面図である。本実施形態２
においてはキャビティ２０３及びリザーバ２０４はノズ
ルプレート３００に設けられており、そして、オリフィ
ス３０２は水平方向にキャビティ２０３の断面を絞る形
で設けられている。

【００１７】図７は図５のインクジェットヘッドの製造
工程を示した断面工程図である。本実施形態２は、上記
の実施形態１の陽極接合工程まで（図４（ａ）〜
（ｄ））までの工程は同一であることから、それまでの
処理の説明については省略ししてそれ以降の処理につい
て説明する。（ａ）図４の工程において陽極接合した（（図４
（ｄ））後に、振動板基板２００の全体を１μｍの厚さ
まで全面エッチングして振動板２０１とし、ダイヤモン
ドドリルにより電極ガラス基板１００と振動板基板２０
０を穿孔してそれをインク供給口１０４とする。（図７
（ａ））。（ｂ）次に、厚さ１８０μｍのシリコン単結晶からなる
ノズルプレート３００を熱酸化し、フォトリソグラフィ
によりノズルパターンを形成し、異方性ドライエッチン
グで直径２０μｍ、深さ２０μｍのノズルストレート部
３０１ａを形成する。ノズルストレート部３０１ａを形
成した後、再度全体を熱酸化してエッチングマスクとす
る（図７（ｂ））。

【００１８】（ｃ）ノズルテーパ部パターン３１１ｂ、
リザーバパターン２１４、キャビティパターン２１３、
オリフィスパターン３１２及び電極取り出し口パターン
２１５をそれぞれパターニングし、リザーバパターン２
１４及びキャビティパターン２１３、オリフィスパター
ン３１２はハーフエッチングにより熱酸化膜を薄く残す
（図７（ｃ））。（ｄ）１０ｗ％、８０℃のＫＯＨ水溶液でノズルテーパ
部３０１ｂをキャビティ２０３の深さを残してエッチン
グする（図７（ｄ））。（ｅ）そして、緩衝フッ酸によりリザーバパターン２１
４、キャビティパターン２１３及びオリフィスパターン
３１２の熱酸化膜をエッチングする（図７（ｅ））。

【００１９】（ｆ）再度、ＫＯＨ水溶液でエッチングし
て、キャビティ２０３とリザーバー２０４、ノズル３０
１、オリフィス３０２及び電極取り出し口２０５を形成
する（図７（ｆ））。（ｇ）次に、エポキシ系接着剤でノズルプレート３００
を振動板基板２００に接着する（図７（ｇ））。（ｈ）以後、上記の実施形態１の図４（ｆ）及び（ｇ）
と同様の処理を経てヘッドを完成する（図７（ｈ））。

【００２０】実施形態３．図８は本発明の形態３に係る
インクジェットヘッドの断面図であり、図９は図８のイ
ンクジェットヘッドの平面図である。

【００２１】本実施形態３においては、上記の実施形態
２の全面エッチング工程（図７（ａ））までは同一であ
り、従って、図４（ａ）〜（ｄ）及び図７（ａ）の処理
工程を経る。しかし、その後は、３枚のドライフイルム
に、キャビティ２０３及びリザーバ２０４、オリフ
ィス３０２及びノズルテーパ部３０１ｂ、ノズルスト
レート部３０１ａを各々パターニングして、積層するこ
とによりインクジェットヘッドを製作している。この場
合、ドライフィルムが電極ガラス基板１００上に振動板
２００を介して順次積層されていくことになるので、薄
いドライフィルムでも取り扱いが容易である。その結
果、キャビティ２０３の深さが充分低くでき、隔壁２０
６の剛性が高くなるため、ドライフィルムでも充分な剛
性が得られる。

【００２２】実施形態４．図１０は本発明の実施形態４
に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。上述
の実施形態１〜３のインクジェットヘッドは静電駆動方
式のものであるが、本実施形態４のインクジェットヘッ
ドは、ピエゾ方式の駆動方法が採用されており、図１０
に示されるように、基板５０１，５０２，薄膜５０２ａ
を重ねて接合した積層構造となっている。上側の基板５
０１にはノズル孔５０４が多数設けられており（図の例
においては２列に配置された例が示されている。）、ノ
ズルプレートを構成している。中間の基板５０２は、上
側の基板５０１及び薄膜５０２ａと接合されることで、
キャビティ５０６、オリフィス（図示せず）及びリザー
バ５０８を構成しており、上側の基板５０１及び薄膜５
０２ａとともに流路ユニットを構成している。なお、キ
ャビティ５０６の底面は振動板を形成している。下側の
基板５０３は、振動子ユニット５１３を収納するための
凹部５３６と、インクタンク（図示せず）に接続される
インク供給管５１４を有し、振動子ユニット５１３は凹
部５３６に収納・固定される。また、流路ユニット（基
板５０１，５０２、薄膜５０２ａ）は枠体５４０によっ
てこの下側の基板５０３に固定してインクジェットヘッ
ドを構築しており、そして、そのインクジェットヘッド
を基板５４１を介して、キャリッジに固定している。

【００２３】上記の中間の基板（シリコン製）５０２
は、面方位（１００）の単結晶シリコンをフォトリソグ
ラフィーによりパターニングして湿式異方性エッチング
することにより、キャビティ５０６、オリフィス及びリ
ザーバ５０８に対応する凹部を形成している。一般に市
販されているシリコン基板の厚さは４００〜５００μｍ
であるが、吐出室５０６の隔壁に充分な剛性を与えるに
は１８０ｄｐｉの場合では、隔壁の厚さが４０〜５０μ
ｍである為、上記の中間の基板５０２の厚さを薄くする
必要がある。そこで、次のように処理をしてインクジェ
ットヘッドを製作する。ダイヤモンド砥石によりシリコン基板を荒研削して必
要な薄さにし、研削によって生じた加工変質層を粒度の
細かな砥粒とアルカリ性の研削液によるラッピングによ
り除去する。そして、フォトリソグラフイーと湿式異方性エッチン
グにより、その基板にキャビティ５０６、オリフィス及
びリザーバ５０８に対応する凹部を形成する。そのシリコン基板に、振動子ユニット５１３の当たる
部分にアイランド部を設けたポリイミドフィルムを貼り
合わせてそれを振動板とする。次に、個々のインクジェットヘッドに対応して上記の
シリコン基板を切断する。切断されたシリコン基板（図１０の中間の基板５０
２）に対してノズルプレート５０１及び薄膜５０２ａを
接合するとともに、振動子ユニット５１３が収納・固定
された下側の基板５０３に接合する。

【００２４】実施形態５．ところで、上記の実施形態１
〜４に係るインクジェットヘッド６００は、図１１に示
されるようにキャリッジ６０１に取り付けられ、そし
て、このキャリッジ６０１はガイドレール６０２に移動
自在に取り付けられており、ローラー６０３により送り
される用紙６０４の幅方向にその位置が制御される。こ
の図１１の機構は図１２に示されるインクジェット記録
装置６１０に搭載される。

【００２５】（評価試験）上記の実施形態１〜４のイン
クジェットヘッドについてクロストークが発生するかど
かうかについて確認にしたところ、クロストークが発生
していないことが確認された。その評価方法は次のとお
りである。（１）クロストークの試験方法についてインクジェットヘッド内の複数のノズルを様々な組み合
わせで駆動し、このとき非駆動のノズルからインク滴が
吐出しないことを確認する。最もクロストークが発生し
やすいのは、１ノズルを除いて全ノズルが駆動状態の場
合であり、この駆動状態についても行う。また、インク
の吐出を拡大レンズ付きＣＣＤカメラにより観察する
が、その際には、インク吐出信号と同期して、ストロボ
を点滅することで静止状態の飛翔しているインク滴を観
察する。（２）クロストークの判定方法について前述の試験方法でクロストークの発生の有無を判断す
る。クロストークによるインク滴が極小の場合には最終
的に印字試験を行ない、プリンタの仕様などを考慮して
クロストークによる文字の汚れが許容範囲内であるかど
うかを判定する。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、振動板を
構成することとなる第１の基板と、個別電極を備えた第
２の基板とを接合した後に、第１の基板の厚みを減らし
て振動板を形成していることから、この第１の基板とし
て薄い基板を使用する必要がなく、比較的厚い基板のも
のを使用することができることがら、安価で取り扱いが
容易な大型基板を使用することができ、また、インクジ
ェットヘッドを高密度且つ多数に取り出すことできる。
このため、生産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッ
ドの断面図である。

【図２】図１のインクジェットヘッドの平面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ端面図である。

【図４】図１のインクジェットヘッドの製造工程を示し
た工程図である。

【図５】本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッ
ドの断面図である。

【図６】図５のインクジェットヘッドの平面図である。

【図７】図５のインクジェットヘッドの製造工程を示し
た断面工程図である。

【図８】本発明の形態３に係るインクジェットヘッドの
断面図である。

【図９】図８のインクジェットヘッドの平面図である。

【図１０】本発明の実施形態４に係るインクジェットヘ
ッドの分解斜視図である。

【図１１】本発明の実施形態１〜４に係るインクジェッ
トヘッドの周辺の機構を示した説明図である。

【図１２】図１１の機構を内蔵したインクジェット記録
装置の外観図である。

【符号の説明】

１００電極ガラス基板１０１個別電極１０２個別電極配線１０３シール１０４インク供給口２００振動板基板２０１振動板２０２絶縁膜２０３吐出室２０４リザーバ２０５電極取り出し口２０６隔壁２１３キャビティ（吐出室）パターン２１４リザーバパターン２１５電極取り出し口パターン３００ノズルプレート３０１ノズル３０１ａノズルストレート部３０１ｂノズルテーパ部３０２オリフィス３１１ｂノズルテーパ部パターン３１２オリフィスパターン４００インク４０１インク滴

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に
連通する複数の独立した吐出室と、該吐出室の下面に形
成された振動板と、該振動板に空隙をもって対向する電
極とを備え、前記振動板と前記電極との間に電圧を印加
して該振動板を変形させて、該ノズル孔よりインク滴を
吐出させるインクジェットヘッドの製造方法において、前記振動板を構成することとなる第１の基板と、前記電
極を備えた第２の基板とを接合した後に、前記第１の基
板の厚みを減らして、前記振動板及び前記吐出室の隔壁
を形成し、その上に第３の基板を接合して前記吐出室を
形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造
方法。
【請求項２】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に
連通する複数の独立した吐出室と、該吐出室の下面に形
成された振動板と、該振動板に空隙をもって対向する電
極とを備え、前記振動板と前記電極との間に電圧を印加
して該振動板を変形させて、該ノズル孔よりインク滴を
吐出させるインクジェットヘッドの製造方法において、前記振動板を構成することとなる第１の基板と、前記電
極を備えた第２の基板とを接合した後に、前記第１の基
板の厚みを減らして前記振動板を形成し、第３の基板に
前記記吐出室の隔壁及び前記ノズル孔を形成し、その第
３の基板を第１の基板の上に接合して前記吐出室を形成
することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方
法。
【請求項３】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に
連通する複数の独立した吐出室と、該吐出室の下面に形
成された振動板と、該振動板に空隙をもって対向する電
極とを備え、前記振動板と前記電極との間に電圧を印加
して該振動板を変形させて、該ノズル孔よりインク滴を
吐出させるインクジェットヘッドの製造方法において、前記振動板を構成することとなる第１の基板と、前記電
極を備えた第２の基板とを接合した後に、前記第１の基
板の厚みを減らして前記振動板を形成し、前記第１の基
板の上に、予めパターンニングされたドライフィルムを
積層して前記吐出室及び前記ノズル孔を形成することを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項４】前記第１の基板がシリコン単結晶基板か
らなり、そして、該第１の基板の厚みを湿式エッチング
により減らすことを特徴とする請求項１〜請求項３のい
ずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項５】前記第１の基板の厚みを機械的加工によ
り減らすことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれ
かに記載のインクジェットヘッドの製造方法。