JP4082424B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェットヘッドの製造方法の関する。

インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流となっている。

このインク・オン・デマンド方式の記録にインクジェットヘッド記録装置には、インクを吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用したインクジェットヘッド記録装置（特開平６−７１８８２号公報）があり、この方式は小型高密度・高印字品質及び長寿命とあるという利点を有している。

また、振動板をＳｉ基板をエッチングして形成する手段として、特願平８−４３６０２号７頁９行記載のエッチングストップ技術を用い、Ｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、Ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留せしめて、振動板となるＳｉ薄膜を高精度に形成する方法が取られるようになってきた。

特開平６−７１８８２号公報 特願平８−４３６０２号公報

しかしながら、振動板を形成したＳｉ基板をヘッドに組み立てて長期間駆動させると、吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に応力が集中し、この応力の集中により振動板接続部に亀裂が走り、インクが静電駆動に必要な振動板と対向電極のギャップに侵入して、駆動が不可能になる課題があった。そこで、本発明は上記した様な課題を解決するもので、その目的とするところは隔壁部と振動板の接続部の機械的強度を増し、振動板の長期間駆動に対する耐久性を向上させ、信頼性の高いインクジェットヘッドの製造方法を提供するところにある。

本発明のインクジェットは、
インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、該駆動手段が該振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形成される基板がSi基板であるインクジェットヘッドにおいて、該吐出室を構成する隔壁部と該振動板の接続部に斜面部を設けたことを特徴とする。

また、前記インクジェットヘッドの製造方法において、振動板が高濃度p型不純物層からなるＳｉ基板であって、該Ｓｉ基板の高濃度ｐ型不純物層が形成された面の反対面の、該高濃度ｐ型不純物層の近傍までのＳｉ基板のエッチングを高濃度水酸化カリウム水溶液で行い、該高濃度p型不純物層の近傍から該高濃度ｐ型不純物層までのエッチングを低濃度水酸化カリウム水溶液で行い、該高濃度ｐ型不純物層を残留させて該振動板を形成することを特徴とする。

また、前記インクジェットヘッドの製造方法において、振動板が高濃度p型不純物層からなるＳｉ基板であって、該Ｓｉ基板の高濃度ｐ型不純物層が形成された面の反対面の、該高濃度ｐ型不純物層の近傍までのＳｉ基板のエッチングを複数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマスクで行うことを特徴とする。

前記した低濃度水酸化カリウム水溶液の濃度が、０．５〜１０wt％であることを特徴とし、あるいは、高濃度水酸化カリウム水溶液の濃度が、３５〜５５wt％であることを特徴とする。

インクジェットヘッドの吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に斜面を形成したことにより、隔壁部と振動板の接続部への応力集中が減少し、接続部の耐久性が向上する。そして、接続部への応力集中による振動板の破損を防いだことによってインクジェットヘッドの長期駆動における信頼性を高めることができる。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に関わるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。本実施例はインク液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ンクジェットヘッドの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の側面の断面図、図３は図２のＡ−Ａ‘線矢視図である。本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構造を持つ３枚の基板１・２・３を重ねて接合した積層構造となっている。

中間の第１の基板１は、Ｓｉ基板であり、底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたオリフィス８を構成することになるインク流入口のための細溝９と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ１０を構成することになる凹部１１を有する。そして、隔壁部１８と振動板５の接続部１９に斜面２０を儲けている。第１の基板の全面に、熱酸化により酸化膜を０．１ミクロン形成し絶縁膜としている。これは、インクジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するためである。

第１の基板１の下面に接合される第2の基板２は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この第一の基板１に電極１５を装着するための凹部１４を０．３ミクロンエッチングすることにより、振動板５とこれに対向して配置させる電極１５との対向間隔、すなわちギャップＧを形成している。この凹部１４はその内部に電極１５、リード部１６及び端子１７を装着できるように電極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成している。電極は凹部１４内にＩＴＯを０．１ミクロンスパッタし、ＩＴＯパターンを形成することで作製する。したがって、本実施例における第１の基板１と第２の基板２を陽極接合した後のギャップＧは、０．２ミクロンとなっている。

また、第１の基板の上面に接合される第３の基板３には、厚さ１００ミクロンのＳｉ基板を用い、基板３の面部に、吐出室６用の凹部７と連通するようにそれぞれノズル孔１２を設け、またインクキャビティ１０用の凹部１１と連通するようにインク供給口１３を設ける。

上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。電極１５に発信回路２３により０Ｖから３５Ｖのパルス電極を印加し、電極１５の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板５の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へたわむ。次に、電極１５をOFFにすると、振動板５は復元する。そのため、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔１２よりインク液滴２１を記録紙２２に向けて吐出する。次に、振動板５が再び下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ１０よりオリフィス８を通じて吐出室６内に補給される。なお、基板１と発信回路２３との接続は、ドライエッチングにより基板１の１部に開けた酸化膜の窓（図示せず）において行う。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、インクキャビティ１０の端部のインク供給口１３により行う。

本発明第一の実施例におけるインクジェットヘッドの振動板と隔壁部に斜面を形成した場合について、第１の基板１の製造方法を図４の第１の基板の拡散工程図および図５の第１の基板のエッチング工程図において、Ｂ２Ｏ３を不純物拡散源として、厚さ２ミクロンの振動板を形成する場合について詳細に説明する。

本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板は、高濃度にＰ型不純物を拡散したＳｉ薄膜である。このＳｉ薄膜は、アルカリ水溶液によるＳｉエッチングにおけるエッチングレートが、ドーパントがボロンの場合、高濃度（約５×１０１９ｃｍ−３以上）の領域において、エッチングレートが非常に小さくなることを利用して作製される。すなわち、振動板形成領域を高濃度ボロンドープ層とし、アルカリ異方性エッチングにより、吐出室、インクキャビティを形成する際に、ボロンドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術によって、振動板は所望の板厚に作製される。

先ず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板４１の両面を鏡面研磨し、１８０ミクロンの厚みの基板を作製する（図４（ａ））。Ｓｉ基板４１を、熱酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気中で摂氏１１００度、４時間で熱酸化処理を施し、Ｓｉ基板４１表面に酸化膜４２を１．２ミクロン成膜する（図４（ｂ））。次いで、ボロンドープ層を形成する面４３の酸化膜４２を剥離するため、Ｓｉ基板４１のボロンドープ層を形成する面４３の反対の面４４にレジストをコートし、レジストを保護膜としてボロンドープ層を形成する面４３の酸化膜４２をふっ酸水溶液にてエッチング除去し、レジストを剥離する（図４（ｃ））。拡散源となるＢ２Ｏ３を有機溶剤中に３．１５ｗｔ％を分散した拡散剤４５を、酸化膜を除去したボロンドープ層を形成する面４３に２０００ｒｐｍ、１分間の条件でス
ピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏１４０度の温度で３０分間ベークする（図４（ｄ））。このとき拡散剤４５の厚みは１．２ミクロンとなる。

拡散剤４５をコーティングしたＳｉ基板４１を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、摂氏６００度の条件で加熱し、拡散剤４５中の有機バインダーを酸化除去しＢ２Ｏ３を焼成する。引き続き炉内を窒素雰囲気にし、温度を摂氏１１００度に上昇させ、そのまま温度を１２時間保持し、ボロンをＳｉ基板中に拡散させ、ボロンドープ層４６を形成する。このとき、拡散剤４５（Ｂ２Ｏ３）とＳｉ基板４１表面ボロンドープ層４６の界面にボロン化合物４７が形成されている（図４（ｅ））。

ボロンドープ層４６を形成した面の反対側にレジストをコートし、拡散剤４５をふっ酸水溶液によりエッチング除去する（図４（ｆ））。Ｓｉ基板４１表面に現れたボロン化合物４７は耐エッチング性が高く、ウェットエッチングによる除去が不可能なため、次のような手段をとる。まず、Ｓｉ基板４１のレジストを剥離した後、Ｓｉ基板４１を酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気、摂氏６００度の条件でボロン化合物４７を１時間酸化し、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ２Ｏ３＋ＳｉＯ２ に化学変化させる。なお、酸化の温度が低いため、拡散が進行することはなく、ボロン化合物４７を酸化せずドライエッチングで除去することも可能である。拡散面のボロン化合物４７を酸化してＢ２Ｏ３＋ＳｉＯ２ に化学変化させた状態でさらに熱酸化して、ボロンドープ層側に１．
２ミクロンの酸化膜４８を形成する（図４（ｇ））。

以上が、高濃度ボロンドープ層４６の形成を塗布法で実施した場合であり、他の高濃度のドープ層を形成する手段として、ボロン拡散板をＳｉ基板に対向させて熱拡散を行う方法がある。

次に、エッチングによる振動板および振動板斜面部の作製方法を説明する。

ボロンドープ層４６が形成され、酸化膜４２を成膜したＳｉ基板４１のボロンドープ側と反対面にレジストをコートし、キャビティとなる部分５１をパターニングし、フッ酸水溶液で酸化膜４２をエッチングする。さらに、レジストを剥離して、酸化膜４２がパターニングされた状態になる（図５（ａ））。次に、４０ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でエッチングがボロンドープ層４６（厚み３ミクロン）に達し、エッチングストップが起こり始めるエッチング深さ（残り３ミクロン程度）まで行う（図５（ｂ））。このとき、高濃度水酸化カリウム水溶でのエッチングではキャビティ底部５２に斜面５３が残る性質があり、４０ｗｔ％水酸化カリウム水溶液においては高さ１８ミクロンの斜面５３が形成される。次に高濃度ボロンドープ層４６でのエッチングストップ性が高い５ｗｔ％水酸化カリウ
ム水溶液で、Ｓｉ基板４１のエッチングを継続してエッチングストップさせる（図５（ｃ））。しかし、５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液のような低濃度のエッチング液においては、キャビティ底部５２に斜面５３を形成しない性質があり、所定厚みの振動板５４になるまでエッチングを継続すると、斜面５３は消失していき斜面５３のテーパー角は小さくなっていく。

以上の工程により、隔壁部と振動板の接続部に微小なテーパー角を持つ斜面を有するインクジェットキャビティを形成することができる。このことにより、振動板の耐久性が向上し、インクジェットヘッドの安定した長期駆動を実現できた。

（実施例２）
本発明第２の実施例である複数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして斜面部を形成する方法について図６のエッチング工程図において説明する。

高濃度水酸化カリウム水溶液で形成されるキャビティ底部の斜面部の大きさは、エッチング液濃度のほぼ規定されるため、より大きな斜面を形成しようとした場合、次のような方法をとる。

Ｓｉ基板４１にボロンドープ層４６を形成し、酸化膜４６の形成までを前記実施例の拡散工程と同様に行う。Ｓｉ基板４１のボロンドープ側と反対面にレジストをコートし、キャビティとなる部分６１をパターニングし、ふっ酸水溶液で酸化膜４２をハーフエッチングする（図６（ａ））。一度レジストを除去した後、再度レジストをコートし振動板となる部分６２の酸化膜４２をふっ酸水溶液で完全に除去し、レジストを剥離する（図６（ｂ））。この酸化膜４２をパターニングしたＳｉ基板４１を３０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液で振動板となる部分６２を６０ミクロンの深さでエッチングする（図６（ｃ））。次にハーフエッチングで薄くした酸化膜部分６３のみをエッチング除去できるように、エッチング時間を調整しＳｉ基板４１を浸漬する（図６（ｄ））。そして、最初にエッチング
した振動板となる部分６２の厚みが３ミクロン程度になるように水酸化カリウム水溶液によるエッチングを継続する。この時、酸化膜４２を除去した部分もエッチングされていき、角６４が徐々にエッチングされて（図６（ｅ））、最終的には大きなテーパー形状の斜面６５となる（図６（ｆ））。次に高濃度ボロンドープ層４６でのエッチングストップ性が高い５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で、Ｓｉ基板４１のエッチングを継続して所定の厚みの振動板６６を形成する（図６（ｇ））。高濃度エッチング終了後の斜面６５のテーパーが大きいため最終的に残るテーパー形状も大きくできた。このことにより、隔壁部と振動板の接続部の強度が増し、振動板の耐久性がさらに向上した。

（実施例３）
本発明第３の実施例である高濃度水酸化カリウム水溶液と低濃度水酸化カリウム水溶液の濃度について、エッチング液濃度と斜面幅の関係を示した図７、及びエッチング液濃度とエッチングストップ選択比（ボロンドープされたＳｉのエッチングレートに対するドープされていないＳｉのエッチングレートの比）の関係を示した図８、さらにエッチングの状況をシュミレーションして示した図９において説明する。

水酸化カリウム水溶液によるＳｉ基板のエッチングにおいて、エッチング溝底部に形成される斜面の斜面幅と濃度には図７のような関係があり、３２ｗｔ％以上で斜面が形成され、３０ｗｔ％以下では斜面は全く形成されない。すなわち、水酸化カリウム水溶液の最高濃度は５５ｗｔ％であり、振動板形成において斜面部形成を目的とした高濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は、３２〜５５ｗｔ％である。

一方、水酸化カリウム水溶液の低濃度エッチング液の濃度選定のポイントは、いかにエッチングストップ選択比を大きく取るかと言うことである。すなわち、エッチングストップによって、Ｓｉ基板厚みのばらつきをどれだけ吸収できるかを意味し、エッチングストップ選択比は高いことが望ましい。Ｓｉ基板厚みばらつきが１０ミクロン程度であることを考慮すると、振動板厚み精度を最悪でも±０．３ミクロン以内に抑えるため、必要となる選択比は１６以上である。すなわち、選択比１６以上を確保するためには、図８より水酸化カリウム水溶液の濃度は、１０ｗｔ％以下で良いことが解る。一方、水酸化カリウム水溶液は濃度が極端に低くなると、Ｓｉに対するエッチング能力が不安定になり易く、０．５ｗｔ％より低い濃度では実用的ではない。したがって、振動板形成においてエッチン
グストップを目的とした低濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は０．５〜１０ｗｔ％である。

高濃度エッチング後の隔壁部９１と振動板部９２の接続部の斜面９３の形状は、図９（０）のようになり斜面幅ｄ、斜面高さｈはほぼ等しい。ここで、低濃度エッチング後の形状を推定するため、低濃度エッチング液でのエッチングストップ選択比をＳとし、高濃度ボロンドープ層９５に達してからのエッチング量をａすると、ｈとＳの関係において低濃度エッチング後の形状は図９（Ι）、（П）、（Ш）のように３タイプになる。低濃度エッチング後の斜面部の高さをｘとすると、
Ｓ×ａ＜ｈのとき、
ｘ＝ｈ−（Ｓ×ａ）＋ａ
Ｓ×ａ=ｈのとき、
ｘ＝ａ
Ｓ×ａ＞ｈのとき、
斜面部上部９４が高濃度ボロンドープ層に達するまでに高濃度ボロンドープ層がエッチングされる量をａ１ とし、斜面部上部９４が高濃度ボロンドープ層に達してからのエッチング量をａ２ とすると、
Ｓ×ａ１ ＝ｄ、 ａ＝ａ１ ＋ａ２
ａ１ ＝ｈ／Ｓ
ｘ＝ａ−ａ２
＝ａ１
＝ｈ／Ｓ
ここで、高濃度ボロンドープ層９５の厚みは３ミクロンであり、振動板９６の目標厚みは２ミクロンであるため、高濃度ボロンドープ層９５のエッチング量はａ＝１ミクロンとなる。例えば、高濃度エッチング液の濃度を４０ｗｔ％、低濃度エッチング液の濃度を５ｗｔ％とすると、図７及び図８のグラフより、
ｈ＝１８ミクロン、Ｓ＝２２であり、
Ｓ×ａ＝２２＞ｈ＝１８となるため、
ｘは、
ｘ＝ｈ／Ｓ＝１８／２２＝０．８２
したがって、この場合、エッチング終了後の斜面部高さは０．８２ミクロンとなる。

以上のことより、高濃度エッチング液及び低濃度エッチング液の濃度選定により斜面形状を任意に制御可能できる。

本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの構造を分解して示す斜視図。 本発明の第１の実施例のおけるインクジェットヘッドの断面側面図。 図２のＡ−Ａ‘線矢視図。 本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程を構成する拡散の工程図。 本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程を構成するエッチングの工程図。 本発明の第２の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程を構成するエッチングの工程図。 本発明の第３の実施例における水酸化カリウム水溶液濃度と斜面幅の関係図。 本発明の第３の実施例における水酸化カリウム水溶液濃度と選択比の関係図。 本発明の第３の実施例における隔壁部と振動板接続部の斜面部のエッチング形状をシュミレートし、説明する概略図。

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第３の基板
５ 振動板
６ 吐出室
７ 凹部
８ オリフィス
９ 細溝
１０ インクキャビティ
１１ 凹部
１２ ノズル孔
１３ インク供給口
１４ 凹部
１５ 電極
１６ リード部
１７ 端子
１８ 隔壁部
１９ 接続部
２０ 斜面
２１ インク液滴
２２ 記録紙
２３ 発信回路
４１ Ｓｉ基板
４２ 酸化膜
４３ ボロンドープ層を形成する面
４４ 反対の面
４５ 拡散剤
４６ ボロンドープ層
４７ ボロン化合物
４８ 酸化膜
５１ キャビティとなる部分
５２ キャビティ底部
５３ 斜面
５４ 振動板
５５ 隔壁部
５６ 斜面
６１ キャビティとなる部分
６２ 振動板となる部分
６３ 薄くした酸化膜部分
６４ 角
６５ 斜面
６６ 振動板
９１ 隔壁部
９２ 振動板部
９３ 斜面
９４ 斜面上部
９５ ボロンドープ層

Claims (2)

1. インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、該駆動手段が該振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形成される基板がＳｉ基板であるインクジェットヘッドにおいて、
   前記基板の前記振動板側はｐ型不純物層が形成され、
   各々の前記吐出室を隔てる隔壁部と前記振動板の接続部は異なる傾斜角からなる２つの斜面により構成され、
   前記２つの斜面は前記基板の前記ｐ型不純物層の境界部にて接し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１記載の前記基板は面方位は（１１０）面の基板であることを特徴とするインクジェットヘッド。
   

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