JPH0820108A - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 座屈体を用いて効率のよい吐出特性を有する
インクジェットヘッドを得る。 【構成】 基板１０１にはインク供給孔１０２が設けら
れている。基板１０１に両端を固定され座屈変形を生じ
る座屈体１０６は、これに設けられたヒータ層１０９で
加熱され、インク供給孔１０２内部で基板１０１に垂直
方向に移動する。座屈体１０６と一体的に構成された、
インク供給孔１０２とほぼ同等な大きさのピストン１０
３の基板に垂直な方向への運動でインクを吐出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液状のインクを微小な
液滴状にして吐出させ、紙面に飛翔させて印刷を行な
う、いわゆるインクジェットヘッドプリンタのヘッドに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】計算機の発達に伴い、その情報の出力装
置としてプリンタの存在が最近重要となっている。すな
わち、計算機からのコード情報，画像情報等を、紙やＯ
ＨＰ（オーバヘッドプロジェクタ）用のフィルムに印
字，印刷するためのプリンタに、計算機の小型高性能化
に伴い、より高性能，小型，高機能化が求められてい
る。このうち、液状のインクを紙，高分子フィルム等に
吐出させ、文字情報，画像を形成するインクジェットプ
リンタは、装置の小型化，高性能化，低消費電力などの
特徴があり、近年開発が盛んに行なわれている。

【０００３】インクジェットプリンタの構造のうち、最
も重要なのは、インクを吐出させるインクジェットヘッ
ドと呼ばれる部分であり、このヘッドをいかに小型にか
つ低コストで作成できるかが鍵となる。

【０００４】インクジェットヘッドの形式としては、従
来よりいくつかの方式が行なわれてきている。１つは圧
電素子を用いたもので、図１３（ａ）および（ｂ）は、
それぞれ圧電素子に通電した場合および通電を停止した
場合の略断面図である。容器１０の内部に圧電素子１１
が設けられ、圧電素子１１と容器１０の内壁との間にイ
ンク圧力室が形成され、容器１０の一方にはインク流入
孔１２、他方にはノズル１３が設けられている。圧電素
子１１に高電圧を印加して圧電素子１１に機械的な変形
を生じさせ、この機械的な変位を用いてインク圧力室に
圧力を発生させ、これによりノズルよりインクを粒状に
して吐出させるものである。

【０００５】また、別の方式として、バブルジェット方
式がある。図１４はその一例の分解斜視図である。複数
のノズル２２となる溝を形成した蓋２０と基板２１との
間のキャビティの内部にヒータ２３が設けられている。
キャビティにはインクが充満されている。このヒータ２
３を急速に加熱することによりインクを沸騰させて泡を
形成し、この泡の発生による圧力変化でインクをノズル
から吐出させる。

【０００６】また、公開特許公報平成２年第３０５４３
号に示したように、インク室中にバイメタル素子を設
け、このバイメタル素子を加熱して変形させ、この変形
によりインクを加圧して吐出させるバックリング方式も
ある。

【０００７】さらに、バイメタル素子の代わりに、座屈
構造体（以下座屈体という）を用いその変形によりイン
クを加圧して吐出させる方式がある。本出願人の出願に
係る特願平５−２７８２７１，特願平６−５５５２５，
特願平６−９６６７０等である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】まず、第１の圧電素子
を用いた方式では、圧電材料を多層化して圧電素子を形
成し、それを機械的に加工してヘッドを形成するが、圧
電素子を形成するときに機械的に加工する必要があるた
め、インク室の間隔をあまり小さくできず、結果的にイ
ンクを吐出させるノズルの間隔を小さくできないという
欠点があった。また、圧電素子の変形には高い電圧を必
要とする。

【０００９】第２のバブルジェット方式の場合は、イン
クを沸騰させて泡を形成する必要があるため、ヒータを
瞬間的に数百℃の高温にする必要があり、ヒータの劣化
が避けられず、寿命が短いという欠点があった。

【００１０】第３のバックリング方式は、駆動源として
異種材料を積層したバイメタル構造を形成する必要があ
り、構造が複雑となる欠点があった。また駆動源を作成
する場合、微小な駆動源を多数一括して作成することが
要求されるが、前述の公開特許公報の方法では、個別に
部品を作成して組立てなくてはならず、集積化が困難で
あった。さらにインク供給孔とバックリング体の形状に
問題があり、インク供給の効率が悪い。

【００１１】座屈体を用いると、従来のバックリング方
式の欠点が除かれるが、さらに吐出特性の向上が望まれ
ている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明においては前記の
課題を解決するため以下のような手段を用いる。

【００１３】 基板上にインクを供給するための供給
孔と、基板上に両端を固定され座屈変形を生じる座屈体
と、座屈体に絶縁層を介して取付けられ座屈体を加熱す
るヒータと、インク供給孔内部でその壁面に沿って往復
運動をし座屈体と一体的に構成されたピストン部を設
け、ピストン部の基板に垂直な方向の運動でインクを吐
出させる。

【００１４】 座屈体の一方の面に接着層を介してオ
リフィスプレートを接着するとき、接着層と座屈体との
接着面の高さが実質的に等しくされる。

【００１５】 基板の材料を単結晶シリコンとし、イ
ンク供給孔壁面が（１１１）面により構成されるように
する。

【００１６】 ピストン部は座屈体とともに殻構造に
より構成される。 基板上にインク供給孔に対応する凹部を形成する工
程と、前記凹部の内部および基板上面に形成する座屈体
下部に犠牲層を形成する工程と、基板上面に座屈体およ
び前記凹部内部にピストン部を形成する工程と、その後
にインク供給孔の形成および犠牲層の除去を行なう工程
とを含む製造方法とする。

【００１７】 前記の製造方法において基板にシリコ
ン単結晶を用い、凹部形成をシリコン異方性エッチング
により行なう。

【００１８】 前記の製造方法において、座屈体下部
に形成する犠牲層をアルミニウム薄膜により形成する。

【００１９】 前記の製造方法においてピストン部お
よび座屈体を同時にめっきにより形成する。

【００２０】

【作用】 本発明においては、インクの吐出に座屈体の座屈現
象を用いているので、バイメタルや圧電素子などを用い
る場合に比べて駆動体の構造が簡単である。また、特に
ピストンの寸法を適切な大きさにすると、解像度が高く
かつ小型の集積ヘッドが構成できる。また、ピストンと
その周囲の壁面との隙間を適切に設定すると、インクの
逆流が防止でき、効率的な吐出が行なえる。隙間を基板
に垂直に設けると、ピストンの駆動によっても隙間の大
きさが変化せず、特性が変わりにくいとともに、隙間の
基板方向への長さ、すなわちピストンの厚さを大きくす
ることによって、インクの逆流抵抗（流路抵抗）を容易
に大きくでき、インクの逆流防止の作用を増大できる。

【００２１】また、ヒータ回路を別に形成すると、座屈
体に直接電流を流す場合より抵抗値を高くでき、同じ電
力を与える場合に消費電力を小さくできる。また、ヒー
タを犠牲層によってできるギャップの上に形成するとヒ
ータ層が基板から浮いた状態になるため、加熱のとき基
板に逃げる熱が少なく、消費電力を低減できる。

【００２２】 接着層をキャビティの形にパターニン
グすることにより、キャビティ形成を容易に行なうこと
が可能となる。また、このとき隣接するキャビティ間に
インクの流通が生じないよう隔離を完全にして作成でき
るので、インク吐出時に圧力の損失がなく効率を高めら
れる。

【００２３】 基板の供給孔壁面に（１１１）面を用
いると、異方性エッチングの速度が遅いため、最後まで
この面が残り、供給孔および隙間の寸法が正確である。

【００２４】また、このとき、基板の結晶面方位が（１
００）方位の基板を用いると、基板に垂直に供給孔を形
成でき、ピストンが移動しても隙間の大きさが変わら
ず、特性に変化がない。また、インクの逆流を防止する
作用が大きい。また、基板の結晶面方位が（１１０）で
ある基板を用いると、この基板は半導体の作成に主に用
いられ大量に消費されているため、安価にできるという
利点があり、コスト削減が可能となる。

【００２５】 座屈体の中央部に設けたこれと一体の
殻構造のピストンは、凹形状となっているため、曲げ剛
性が高く変形を生じにくく、強固な構造体を構成でき
る。また、殻構造により構成されているので体積を大き
くしても稼働部の重量が小さく高速で駆動することが可
能となる。

【００２６】また、座屈体，ピストンおよび配線部のめ
っきを一度にほぼ同じ厚さで行なうことができる。この
ようにすると、一部に肉厚の部分を設ける必要がなく、
全体を均等な厚さにできる。めっきを行なうときに、各
部の膜厚が異なると、往往にして膜内部に内部応力が発
生し、膜の形成後に残留応力が生じたり、残留応力によ
り膜が剥離したりすることがある。均等な厚さにめっき
が行なえれば、このような問題は解消され、内部応力の
発生を抑えることが可能で、作成後応力により変形した
りすることが避けられ、精密な構造物を作成できる。

【００２７】 基板に凹部を形成してそこにピストン
部を形成し、凹部をそのままインク供給部に利用できる
ので、ピストン部の形状を正確に形成できる。また、凹
部に犠牲層を形成してから座屈体，ピストン部を形成す
るので、隙間の大きさを犠牲層の厚さにより制御でき、
極めて小さな隙間を容易に形成することができる。

【００２８】 基板にシリコン単結晶を用い、供給孔
壁面に（１１１）面を残すようなプロセスを用いると、
異方性エッチングの速度が遅いため、最後までこの面が
残り、供給孔および隙間の寸法が正確である。

【００２９】また、このとき基板に（１００）方位の基
板を使うプロセスを用いると、基板に垂直に供給孔を形
成でき、ピストンが移動しても隙間の大きさが変わら
ず、特性に変化がない。また、インクの逆流も防止す
る。また、結晶面方位が（１１０）である基板を使うプ
ロセスを用いると、この基板は半導体の作成に大量に消
費されているため、安価に入手できるという利点があ
り、コストを削減できる。

【００３０】 犠牲層としてアルミニウムを用いる
と、犠牲層の形成に蒸着，スパッタを用いることがで
き、薄い犠牲層が容易に形成でき、また容易にエッチン
グが可能なので、微細なパターンの形成が容易である。
また、アルミニウムの場合、エッチングを行なうと薄い
隙間の内部も残渣が残らず容易にエッチングできるとい
う特性があり、薄い犠牲層を形成できる作用があるの
で、インクの逆流を防止する。

【００３１】犠牲層にアルミニウムを用いると、異方性
エッチングと同時にアルミニウムのエッチングも進行
し、犠牲層の除去が同時に行なわれるので、プロセスの
簡易化が図れる。

【００３２】 ピストン形成をめっきで行なうと、凹
部へのピストン形成を容易に行なうことができる。ま
た、特にめっきの場合、材料としてＮｉ，Ｃｕ，Ｃｏ等
を用いることができるが、これらはめっきが容易で内部
応力の低い膜を形成するのが容易である。また、これら
の金属は熱膨張率もヤング率も比較的大きく、座屈体に
蓄えられる歪みエネルギを大きくすることが可能であ
る。また、これらの合金を作ることも容易であり、この
場合は座屈体の強度を高めて寿命を伸ばすとともに、歪
みエネルギを増やすことが可能である。また、めっきを
用いると、ピストン部を凹部を持つ等しい厚さの殻構造
で構成することが可能である。

【００３３】

【実施例】図１は本発明の一実施例の断面図である。シ
リコンの単結晶の基板１０１の面に垂直にインク供給孔
１０２が設けられている。インク供給孔１０２内部に
は、その壁面１０４に沿って基板１０１に垂直な方向に
可動なピストン１０３が設けられている。ピストン１０
３とインク供給孔１０２の壁面１０４との隙間１０５
は、およそ０．０５〜５μｍの範囲に設定される。ピス
トン１０３は座屈体１０６と一体的に固着され、支持さ
れる。

【００３４】座屈体１０６の両端部はそれぞれ固定部１
０７，１０７で基板１０１に固着されるが、それ以外の
部分は固着されることなく、基板１０１からは隙間１０
８を保って浮いた状態にある。座屈体１０６の端部の裏
面には、それぞれ上部絶縁層１１０を介してヒータ層１
０９が設けられている。ヒータ層１０９の裏面は下部絶
縁層１１１により挟まれ、座屈体１０６と電気的な絶縁
および加熱時の酸化・劣化および腐食の防止の役割を果
たしている。基板１０１の両面はＳｉＯ₂ による酸化膜
１１２が設けられている。図では下部絶縁層１１１は座
屈体１０６の全長にわたって設けられているが、特に全
長にわたって設ける必要はなく、ヒータ層１０９を覆っ
ていれば十分である。

【００３５】ヒータ層１０９へは配線層１１３により電
気信号が供給され、加熱を行なう。座屈体１０６に通電
して加熱することもできるが、ヒータ層を設ける方が加
熱に便利である。

【００３６】座屈体１０６の両端の固定部１０７および
その周囲上には、接着層１１４が設けられ、その上にオ
リフィス板１１５を接着している。接着層１１４で囲ま
れた空間はインクを収容するキャビティ１１７となる。
オリフィス板１１５にはノズル１１６が設けられ、ここ
からインクが吐出する。次に、図１の素子の動作につい
て説明する。

【００３７】この素子の動作時には、接着層１１４によ
り囲まれたキャビティ１１７にインク供給孔１０２より
インクが供給され、キャビティ１１７、隙間１０８、１
０５、インク供給孔１０２がすべてインクで充満された
状態にされる。

【００３８】そしてヒータ層１０９にパルス状に電流が
外部電源（図示せず）より供給され、急激に加熱され
る。すると、それに接している座屈体１０６も急激に加
熱されて熱膨張を生じる。ところが、座屈体１０６の両
端はそれぞれ固定部１０７により基板１０１に固定され
ているため、熱膨張は座屈体１０６内部に圧縮応力をも
たらす。この圧縮応力がある限界を越えると、座屈体１
０６は、急激に変形を生じ（座屈し）、図１に点線で示
すように、基板１０１の垂直方向に変形する。すると、
座屈体１０６と一体的に構成されているピストン１０３
も点線の位置まで移動する。

【００３９】このとき、キャビティ１１７にはピストン
１０３の移動によって、図１で斜線を設けた部分１１８
だけの体積変化が生じる。この体積変化は、ヒータ１０
９の加熱を急速に行なうことにより、座屈体１０６の変
形を生じさせられるので、急速に生じさせることができ
る。このため、キャビティ１１７には圧力増大が急速に
生じ、これによりノズル１１６よりインクを吐出させる
ことができる。

【００４０】ヒータ層１０９への電流パルスが流れなく
なると、座屈体１０６は冷却され、元の状態に戻り変形
はなくなる。このとき、吐出したインクに見合う量のイ
ンクがインク供給孔１０２から、隙間１０５を通ってキ
ャビティ１１７内に供給されるので、再度電流パルスを
ヒータ層１０９に加えることによりインクの吐出を行な
うことが可能になる。

【００４１】このピストンの動作をさらに詳しく表わし
たものが図９（ａ），（ｂ）であり、それぞれ座屈体１
０６の変形前および変形後の状態を示す断面図である。
座屈体１０６が加熱により熱膨張し、図９（ｂ）のよう
に座屈変形を生じる。この結果、ピストン１０３が基板
１０１に対して垂直方向に駆動される。インクの吐出は
図１２（ａ）および（ｂ）に示される。（ａ）は座屈体
の変形前の状態であり（ｂ）は座屈体の変形後の状態で
ある。座屈体１０６の変形によりピストン１０３は基板
１０１に垂直に駆動されキャビティ１１７内に圧力上昇
をもたらしインク滴を吐出させる。

【００４２】ここで、インクの吐出を効率的に行なうに
は、次のような点が重要である。 ピストン１０３の移動によりインクの吐出を行なう
ときに、体積変化１１８を、吐出させるインク粒の体積
の２〜３倍以上にとる必要がある。したがって、ピスト
ン１０３は大きい方がよい。しかし大き過ぎるとヘッド
全体が大型化するため、適度な大きさを選択しなくては
ならない。一般に、プリンタの解像度は３００〜６００
ｄｐｉ（dot per inch）必要とされている。ノズルがこ
の間隔で並ぶと、一体的に構成されたヘッドが作成でき
る。したがって、ヘッドの横幅は８０から４０μｍ以下
であるのが望ましい。したがって、ピストン１０３の長
さを３００から６００μｍにし、インク滴の直径をおよ
そ４０μｍとすると最低５から６μｍの変位が必要であ
る。一方、座屈体１０６の加熱される部分の長さ（ピス
トン１０３を除いた片側の長さ）が３００μｍとする
と、厚さ，上昇温度にもよるが５から２０μｍの変形が
可能であり、インクの吐出が可能になる。

【００４３】特に、ピストン１０３の長さを３００μ
ｍ、幅を５０μｍ、厚さを５０μｍ程度にすると、解像
度が高くかつ小型の集積ヘッドが構成できる。

【００４４】 ピストン１０３が移動してインクの吐
出を行なうときは、キャビティ１１７のインクは加圧さ
れ、ノズル１１６から吐出するが、同時に隙間１０５を
通って供給孔１０２側に逆流する。したがって、隙間１
０５はできるだけ小さい方が好ましい。ただし、あまり
小さくし過ぎると、ピストン１０３の駆動が終わって、
元の位置に戻るときに、キャビティ１１７へのインクの
供給が追いつかず、キャビティ１１７にノズル１１６か
ら空気を吸い込んで、動作不良の原因になるので適度な
隙間を選択するのが重要である。

【００４５】隙間１０５は、実施例に示したように基板
に垂直方向に設け、その大きさを５μｍ以下特に好まし
くは１から０．０５μｍの間に設定すると、インクの逆
流が防止でき効率的な吐出が行なえる。隙間１０５を基
板に垂直に設けると、ピストン１０３の駆動によっても
隙間１０５の大きさが変化せず、特性が変わりにくい。

【００４６】また、隙間１０５を基板に垂直に設ける
と、隙間１０５の基板１０１に垂直方向への長さ、すな
わちピストン１０３の厚さを大きくすることによって、
インクの逆流抵抗（流路抵抗）を容易に大きくでき、イ
ンクの逆流防止の作用を増大できる。ピストン１０３の
厚さとしては、ピストンの移動距離より大きいことが望
ましく、最低５μｍ、好ましくは２０μｍ以上である。

【００４７】図２（ａ）〜（ｆ）は、前述の第１の実施
例の素子を作成する各工程の略断面図である。

【００４８】まず図２（ａ）に示すように、基板１０１
の両面に酸化膜１１２を形成しこれにパターニングを行
なって窓をあけた後、ＫＯＨ溶液を用いて異方性エッチ
ングを行なう。ここで基板１０１に基板面の結晶面方位
が（１１０）である基板を用いると、エッチング速度の
遅い（１１１）面が残り、基板１０１に垂直な方向にエ
ッチングが進行し、両面に凹部２０３−ａ，２０３−ｂ
が形成されるので、図１で説明したインクの逆流を防止
する隙間１０５を正確に形成できる。凹部２０３−ａ，
２０３−ｂで挟まれる残存部２１２はピストン形成のた
めの土台となる。

【００４９】次に図２（ｂ）に示すように、犠牲層２０
４を形成する。犠牲層２０４は、最後にエッチングによ
り除去され、図１の隙間１０５，１０８を形成するため
のもので、材料としてはアルミニウム、二酸化シリコ
ン、フォトレジスト、ポリイミド樹脂を用いることがで
きる。アルミニウム、二酸化シリコンを犠牲層として作
成する方法としては、蒸着，スパッタ，ＣＶＤ等の方法
を用いることができる。次に上方の凹部２０３−ａに金
属をめっきすることによりピストン１０３を作成する。
これは、めっき前に全体に下地となる導電層（たとえば
Ｎｉ，Ｔａ，Ａｇ）を０．０１〜１μｍの厚さで形成
し、この上に、めっきしたくない部分をフォトレジスト
で覆い、部分めっきを行なうことで達成できる。この場
合、凹部２０３−ａの角部２１７によって前記の導電層
が断線しないよう、導電層の作成時に基板１０１の回転
や斜め方向からの成膜を行なうことが有効である。ま
た、段差の被覆を良好にできるＣＶＤ等の成膜方法を採
用するのも特に有効である。ピストン１０３は、ほぼ基
板１０１の上面と同じ高さまで形成する。ピストン１０
３を構成する材料としては、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｐ，Ｓ
あるいはそれらの合金を用いることができる。

【００５０】ここで犠牲層２０４としてアルミニウムを
用いると、犠牲層の形成に、蒸着，スパッタを用いるこ
とができ、薄い犠牲層が容易に形成でき、また、容易に
エッチングが可能なので、微細なパターンの形成が容易
である。また、アルミニウムの場合、エッチングを行な
うと薄い隙間の内部も残渣が残らず容易にエッチングが
できるという特性があり、薄い犠牲層を形成できるの
で、隙間を小さくしインクの逆流を防止する。

【００５１】また、ピストン１０３の材料としてＮｉを
用いると、めっきが容易で特に内部応力の低い膜を容易
に形成できる。

【００５２】次に図２（ｃ）に示すように、下部絶縁層
１１１，ヒータ層１０９、上部絶縁層１１０を順次形成
する。

【００５３】上部および下部絶縁層１１０，１１１の材
料としては、ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃等の酸化物、Ｓｉ
Ｎ，ＡｌＮ，ＴａＮ，ＭｏＮ等の窒化物、ＳｉＣ等の炭
化物を用いることができる。

【００５４】ヒータ層１０９の材料は、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃ
ｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｔａまたはその合金を用いることがで
きる。ヒータ層１０９はジグザグ状、あるいは鋸歯状等
長さを長くするように形成することが可能で、このこと
により抵抗値を大きくし、消費電流を低減できる作用が
ある。

【００５５】また、ヒータ層１０９を犠牲層２０４の上
に形成すると、図１のようにヒータ層１０９が基板１０
１から浮いた状態になるため、加熱のとき基板１０１に
逃げる熱が少なく、消費電力を低減できる。

【００５６】次に図２（ｄ）に示すように、座屈体１０
６および配線パターン２１０をめっきにより形成する。
めっきの方法は、めっきの不要な部分２１１にフォトレ
ジストでパターンを形成し、めっき後レジストを除去す
ることで行なえる。配線パターン２１０は、配線をヒー
タ層１０９に接続するようなパターンに形成する。座屈
体１０６を構成する材料としてはＮｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，
Ｐ，Ｓあるいはそれらの合金を用いることができる。

【００５７】特にＮｉ，Ｃｕ，Ｃｏは熱膨張率もヤング
率も比較的大きく、座屈体に蓄える歪みエネルギを大き
くすることが可能で大きな吐出エネルギを得られる。ま
た、これらの合金を用いると座屈体１０６の強度を向上
させ、寿命を伸ばすとともに、ヤング率を増大させて歪
みエネルギを増やして吐出エネルギを増大させる。

【００５８】次に図２（ｅ）に示すように、以上の処理
を施した基板１０１全体をＫＯＨ溶液に浸して異方性エ
ッチングを行ない、残っていた残存部２１２を除く。こ
のとき犠牲層２０４にアルミニウムを用いていると、異
方性エッチングと同時にアルミニウムのエッチングも進
行し、犠牲層２０４の除去が同時に行なわれるので、プ
ロセスの簡略化が図れる。

【００５９】次に図２（ｆ）に示すように基板１０１の
上部に、ノズル１１６を有するオリフィス板１１５を接
着層１１４により接着する。接着層１１４としては紫外
線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤を用いることができ
る。

【００６０】図３は接着層１１４のパターンおよびその
周辺の平面図である。接着層１１４は斜線のような形状
に構成され、これによりキャビティ１１７を形成する。
ヒータ層１０９は座屈体１０６の固定部１０７の下をく
ぐって座屈体１０６の下部に形成されているヒータ層に
接続されている。ヒータ層１０９は配線層１１３に接続
されている。座屈体１０６は、たとえばニッケルめっき
層に隙間３０１，３０１を穿設して形成される。

【００６１】ここで、接着層１１４が形成される図２
（ｆ）の面２１６の高さは、基板全体にわたってほぼ等
しく設定する。ヒータ層１０９が固定部１０７をくぐる
一部分のみ高くなるが、ヒータ層１０９ならびに上部お
よび下部絶縁層１１０，１１１の厚さを薄くしておけ
ば、実質的に無視できる程度に構成することができる。
第１の実施例の場合、キャビティ１１７の高さは１０か
ら５０μｍは必要であるため、接着層１１４の厚さはこ
の厚さに設定する。一方ヒータ層１０９、上部および下
部絶縁層１１０，１１１の厚さはいずれも０．１から１
μｍ程度の厚さに形成する。本発明の場合、ヒータ層は
薄い方が座屈体に対する熱伝導が良くなり、効率的に加
熱することが可能になる。また、ヒータ層、上部および
下部絶縁層は薄膜プロセスで構成するので、前記のよう
な厚さに形成することが可能である。すると、面２１６
の高さは実質的に同じ高さに構成することができる。こ
のようにすると接着層１１４を図３のようにキャビティ
の形にパターニングした時、隣接するキャビティ間にイ
ンクの流通が生じないよう、隔離を完全にすることが容
易にできる。もし、段差があると、その部分に隙間が生
じてインク吐出の時に圧力の損失が生じて吐出が行なえ
なくなる。したがって、このようにするとインクを吐出
させるときに圧力の損失がなく効率を高められる。

【００６２】図４は本発明の第２の実施例の略断面図で
ある。シリコン単結晶の基板１０１の基板面に斜めに上
下の斜面４０４−ａ，４０４−ｂを有するインク供給孔
４０２が設けられている。供給孔４０２内部には、供給
孔４０２の上部の壁面４０４−ａとほぼ同等な断面をも
ち、基板１０１に垂直な方向に可動な断面台形のピスト
ン４０３が設けられている。ピストン４０３とインク供
給孔４０２の上方の壁面４０４−ａとの隙間４０５は、
およそ０．０５〜５μｍの範囲に設定される。ピストン
４０３は座屈体１０６と一体的に固着され支持される。
座屈体１０６の両端部は、シリコン基板１０１に固着さ
れるが、それ以外の部分は固着されることなく、基板１
０１からは隙間４０８を保って浮いた状態にある。座屈
体１０６の裏面にはヒータ層１０９が設けられ、図４の
例では左右に１個ずつ設けられている。ヒータ層１０９
は上部絶縁層１１０、下部絶縁層１１１により挟まれ、
座屈体１０６と電気的な絶縁および加熱時の酸化・劣化
および腐食の防止の役割を果たしている。シリコン基板
１０１の両面には、それぞれ酸化膜１１２が設けられて
いる。

【００６３】ヒータ層１０９へは配線層１１３により電
気信号が供給され加熱を行なう。座屈体１０６の固定部
１０７およびその周囲上には接着層１１４が設けられ、
その上にオリフィス板１１５を接着している。オリフィ
ス板１１５にはノズル１１６が設けられ、ここからイン
クが吐出する。

【００６４】第２の実施例では、インク供給孔４０４の
壁面４０４−ａ，４０４−ｂが基板１０１に対して垂直
でなく、ある角度を有している以外構造的には第１の実
施例と全く等価であり、これと同じ構造的な利点を有す
る。ただし、ピストン４０３の往復に際し隙間４０５が
変動する。ここで、インク供給孔４０２は酸化膜１１２
にパターニングを行なって窓を開けた後、ＫＯＨ溶液を
用いて異方性エッチングを行なう。この際基板１０１に
基板面の結晶面方位が（１００）であるシリコン単結晶
を用いると、エッチング速度の遅い（１１１）面が残
り、基板１０１に対し５５°の方向に壁面４０４−ａ，
４０４−ｂが形成される。

【００６５】結晶面方位が（１００）である基板は、半
導体の作成に主に用いられ、大量に消費されているた
め、安価に入手できるという利点があり、コストを削減
できる。

【００６６】また、この吐出の動作についても、図１に
示した第１の実施例と全く同じで、基板に対し垂直方向
にピストン４０３が移動し、インクをノズル１１６から
吐出させる。図１０（ａ）および（ｂ）はこのピストン
の動作をさらに詳しく表わしたもので、それぞれ、座屈
体１０６の変形前および変形後の断面図である。座屈体
１０６は加熱により熱膨張し、図１０（ｂ）のように座
屈変形を生じる。この結果、ピストン４０３が基板１０
１に対して垂直方向に駆動される。

【００６７】ここで、インクの吐出を効率的に行なう点
についても第１の実施例と同じであり、次のような点が
重要であり、ピストン４０３の大きさに関して同じ議論
を行なうことができ、その結果、特にピストン４０３の
長さを断面台形の長辺の長さを３００μｍ、幅を５０μ
ｍ、厚さを５０μｍ程度にすると、解像度が高く、かつ
小型の集積ヘッドが構成できる。

【００６８】また隙間４０５の大きさについても第１の
実施例と同じであり、第２の実施例では基板に５５°の
面方向に設けられるが、その大きさを５μｍ以下、特に
好ましくは１から０．０５μｍの間に設定するとインク
の逆流が防止でき、効率的な吐出を行なえる。また、隙
間４０５の長さ、すなわちピストン４０３の厚さを大き
くすることによって、インクの逆流抵抗（流路抵抗）を
容易に大きくでき、インクの逆流防止の作用を増大でき
る。ピストン４０３の厚さとしては、ピストン４０３の
移動距離より大きいことが望ましく、最低５μｍ、好ま
しくは２０μｍ以上であるということについても同じで
ある。

【００６９】図５（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施例の構
成を作成する各工程の略断面図である。この各工程が図
２（ａ）〜（ｆ）の各工程と同じプロセスを用いて行な
うことができる。異なるのは最初のシリコン単結晶の基
板１０１に（１００）の方位を持つ基板を用いることで
ある。したがって、図５（ａ）で示すように、凹部２０
３−ａおよび２０３−ｂが基板１０１に対して５５°の
角度で形成される。その他のプロセスは全く同一であ
り、したがって、各工程の説明は省略する。

【００７０】オリフィス板１１５の接着についても第１
の実施例と同じ方法を採用できる。すなわち、接着層１
１４が形成される図５（ｆ）の面２１６の高さは、基板
全体にわたってほぼ等しく設定し、接着層１１４を図３
と同じように、キャビティの形にパターニングすると、
隣接するキャビティ間にインクの流通が生じないよう、
隔離を完全にして容易に作成できる。もし段差がある
と、その部分に隙間を生じて、インク吐出のときに圧力
の損失が生じて吐出が行なえなくなる。したがって、こ
のようにするとインクを吐出させるときに圧力の損失が
なく効率を高められる。

【００７１】次に、本発明の第３の実施例を説明する。
図６（ａ）は本発明の第３の実施例の断面図であり、図
６（ｂ）はオリフィス板を除いた略平面図である。シリ
コン単結晶の基板１０１の面に垂直にインク供給孔１０
２が設けられている。供給孔１０２内部にはその壁面１
０４に沿って基板１０１に垂直な方向に可動なピストン
６０３が設けられている。ピストン６０３とインク供給
孔１０２の壁面１０４との隙間１０５はおよそ０．０５
〜５μｍの範囲に設定される。ピストン６０３は座屈体
６０６と一体的に固着され支持される。座屈体６０６の
両端部はそれぞれ固定部１０７でシリコンの基板１０１
に固着されるが、それ以外の部分は固着されることな
く、基板１０１からは隙間１０８を保って浮いた状態に
ある。また、座屈体６０６、ピストン６０３はおよそ等
厚の部材により一体的に構成されている。ピストン６０
３は座屈体６０６に凹部６１９を設けることにより構成
されている。

【００７２】図７は、座屈体６０６およびピストン６０
３の中心線付近に沿った断面斜視図である。すなわち、
座屈体６０６の中央に凹部６１９が設けられ、これによ
りピストン６０３が構成されている。

【００７３】図６（ａ）に示されるように、座屈体６０
６の裏面にはヒータ層１０９が設けられ、この例では左
右に１個ずつ設けられている。ヒータ層１０９は上部絶
縁層１１０，下部絶縁層１１１により挟まれ、座屈体６
０６と、電気的な絶縁および加熱時の酸化・劣化および
腐食の防止の役割を果たしている。シリコン基板１０１
の両面には酸化膜１１２が設けられている。

【００７４】ヒータ層１０９へは配線層１１３により電
気信号が供給され加熱を行なう。座屈体６０６の固定部
１０７およびその周囲上には接着層１１４が設けられ、
オリフィス板１１５を接着している。オリフィス板１１
５にはノズル１１６が設けられ、ここからインクが吐出
する。

【００７５】図６（ｂ）に示されるように、座屈体６０
６はめっき層に設けた２本の間隙６０１，６０１により
分離され座屈するようになっている。中央部に一体でめ
っきにより形成された凹部６１９は中空のピストン６０
３の内面となる。

【００７６】次に、図６の素子の動作について説明す
る。この素子の動作時には、接着層１１４により囲まれ
た空間であるキャビティ１１７にはインク供給孔１００
によりインクが供給され、キャビティ１１７、隙間１０
８，１０５、インク供給孔１０２がすべてインクで充填
された状態にされる。

【００７７】そして、ヒータ層１０９にパルス状に電流
が図示されない外部電源より供給され加熱される。する
と、それに接している座屈体６０６も急速に加熱されて
熱膨張を生じる。ところが座屈体６０６の両端はそれぞ
れ固定部１０７により基板１０１に固定されているた
め、熱膨張は座屈体６０６内部に圧縮応力をもたらす。
この圧縮応力がある限界を越えると、座屈体６０６は急
激に変形を生じ（座屈し）、基板１０１の垂直方向に変
形する。すると、座屈体６０６と一体的に構成されてい
るピストン６０３も垂直方向に移動する。

【００７８】この場合、座屈体６０６の中央部のピスト
ン６０３は、図７に示すように凹形状となっているた
め、曲げ剛性が高く変形を生じにくい。したがって、座
屈変形は座屈体６０６のピストン部以外の部分にのみ生
じる。また、座屈体６０６に生じる変形は、座屈体６０
６のピストン部以外の中央部６２０を腹とした変形が生
じて座屈体６０６とピストン６０３との境界の端部６２
１の変形が生じない懸念もあるが、本発明の構成では、
この変形のエネルギは座屈体６０６の固定部１０７を節
として端部６２１を腹とする変形のエネルギより大きい
ので、変形としては端部６２１を腹として所望の変形を
生じさせる。

【００７９】このように変形するとき、キャビティ１１
７にはピストン６０３の移動によって、図１で斜線を設
けた部分に対応するだけの体積変化が生じる。この体積
変化はヒータ１０９の加熱を急速に行なうことにより、
座屈体６０６の変形を生じさせられるので、急速に生じ
させることができる。このためキャビティ１１７には圧
力増大が急速に生じ、これによりノズル１１６よりイン
クを吐出させることができる。

【００８０】ヒータ層１０９への電流パルスが流れなく
なると、座屈体６０６は冷却され、元の状態に戻り変形
はなくなる。このとき吐出したインクに見合う量のイン
クがインク供給孔１０２から隙間１０５を通ってキャビ
ティ１１７内に供給されるので、再度電流パルスをヒー
タ層１０９に加えることによりインクの吐出を行なうこ
とが可能になる。このピストンの動作をさらに詳しく表
わしたものが図１１（ａ），（ｂ）であり、それぞれ座
屈体の変形前および変形後の状態を示す断面図である。
座屈体６０６が加熱により熱膨張し、同図（ｂ）のよう
に座屈変形を生じる。この結果、ピストン６０３が基板
１０１に対して垂直方向に駆動される。

【００８１】第３の実施例では、ピストン６０３が薄い
構造体の立体的な殻により構成されているので、殻の厚
さが薄いにもかかわらず剛性が高く強固な構造体を構成
できる。また殻構造により構成されているので、可動部
の重量が小さく高速で駆動することが可能となる。

【００８２】ここでインクの吐出を効率的に行なうため
の、ピストンの寸法，隙間の大きさ等に関する配慮は第
１の実施例の場合と同様である。

【００８３】図８（ａ）〜（ｆ）は第３の実施例の構造
を作成する各工程の略断面図である。図８（ａ）は図２
（ａ）と同様であるから説明を省略する。

【００８４】図８（ｂ）は図２（ｂ）とほぼ同様である
が、この場合は凹部２０３−ａにピストンを形成しな
い。

【００８５】次に図８（ｃ）に示すように、下部絶縁層
１１１，ヒータ層１０９，上部絶縁層１１０を順次形成
する。各絶縁層の材料、ヒータ層の材料および形状、ヒ
ータ層を犠牲層の上に形成することによる利点等につい
ては図２（ｃ）について説明したのと同様であるから省
略する。

【００８６】次に図８（ｄ）に示すように凹部２０３−
ａにピストン６０３、座屈体６０６および配線パターン
２１０をめっきにより形成する。これは、めっき前に全
体に下地の導電層（たとえばＮｉ，Ｔａ，Ａｇ）を０．
０１〜１μｍの厚さで形成し、この上に、めっきの不要
な部分２１１にフォトレジストでパターンを形成し、め
っき後レジストを除去することによって行なうことがで
きる。この場合、凹部２０３−ａの角部２１７によって
前記の導電層が断線しないよう、導電層の作成時に基板
１０１の回転や斜め方向からの成膜を行なうことが有効
である。また段差の被覆を良好にできるＣＶＤ等の成膜
方法を採用するのも特に有効である。

【００８７】配線パターン２１０はヒータ層１０９に接
続するようなパターンに形成する。座屈体６０６を構成
する材料としてはＮｉ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｐ，Ｓあるいはそ
れらの合金を用いることができる。特にＮｉ，Ｃｕ，Ｃ
ｏは熱膨張率もヤング率も比較的大きく、座屈体に蓄え
る歪みエネルギを大きくすることが可能で大きな吐出エ
ネルギを得られる。また、これらの合金を用いると座屈
体６０６の強度を向上させ、寿命を伸ばすとともにヤン
グ率を増大させて歪みエネルギを増やして吐出エネルギ
を増大させることは、図２（ｄ）の説明において述べた
と同様である。

【００８８】本実施例の場合、座屈体６０６、ピストン
６０３および配線部のめっきを一度にほぼ同じ厚さで行
なう。このようにすると、一部に肉厚の部分を設ける必
要がなく全体を均等な厚さにできる。めっきを行なうと
きに、各部の膜厚が異なると、往々にして膜内部に内部
応力が発生し、膜の形成後に残留応力が生じたり、残留
応力により膜が剥離したりすることがある。均等にめっ
きが行なえれば、このような問題は解消され、内部応力
の発生を抑えることが可能で、作成後応力により変形し
たりすることが避けられ、精密な構造物を作成できる。

【００８９】次に図８（ｅ）に示すように、前記の処理
を施した基板１０１全体をＫＯＨ溶液に浸して異方性エ
ッチングを行ない、残存部２１２を除く。このとき犠牲
層２０４にアルミニウムを用いていると、異方性エッチ
ングと同時にアルミニウムのエッチングも進行し、犠牲
層２０４の除去が同時に行なわれるのでプロセスの簡略
化が図れる。これは図２（ｅ）について説明したのと同
様である。次に図８（ｆ）に示すようにノズル１１５を
有するオリフィス板１１５を接着層１１４により接着す
る。接着層１１４としては紫外線硬化型接着剤、熱硬化
型接着剤を用いることができる。接着層１１４のパター
ンの平面図は図３に示すような形状にすることで、簡便
にキャビティの隔離が行なえるのは第１および第２の実
施例について説明したのと同様である。

【００９０】

【発明の効果】簡単な構造のヘッドが実現できるのでコ
ストの低減が可能となる。また、集積化が容易な構造で
あるので、小型のヘッドが実現でき、また同時に高解像
度のヘッドが得られ高品質の印字が行なえる。インク供
給孔の隙間が狭いので吐出時にインクの逆流が防止で
き、効率の高いヘッドが実現できる。逆流の抵抗を高め
るのも容易であるから効率の向上が容易である。効率の
向上により消費電力の低減が図れる。ヒータ層を別に設
けると消費電流を低減でき、駆動電源の電流容量を小さ
くでき、駆動装置の小型軽量化が図れる。

【００９１】キャビティ形成を容易にできるので製造コ
ストが低減される。また、インクの隔離が完全に行なえ
るので効率の向上や、隣接するヘッドのクロストークが
防止できる。

【００９２】供給孔，隙間等の形成が正確に行なえるの
で、作成の精度が向上し、高集積度のヘッドが得られ、
解像度の高い小型のヘッドが得られる。また、作成時に
ばらつきの少ない歩留りの高いヘッドが得られる。結晶
面方位が（１００）の基板を用いると特性変化の少ない
ヘッドが得られ、使用時に耐環境性の高いヘッドが得ら
れる。また、結晶面方位が（１１０）の基板を用いると
安価なヘッドが得られる。

【００９３】ピストンを殻構造にすると、厚さを薄くし
てもピストンの剛性を高められる結果、駆動時に変形せ
ず効率の高いヘッドが得られる。また、剛性の高い薄い
軽量のピストンを作れるから、周波数応答の高いヘッド
が得られる。めっきの厚さを一様にでき残留応力を低減
できるので、精密な構造物の形成が可能で、集積度の高
いヘッドを歩留りよく作成できる。

【００９４】各部の寸法および形状を正確に作成できる
ので、特性の揃ったヘッドを一度に形成することが可能
で、ヘッド作成コストの低減が図れる。また作成時のば
らつきを低減できるので、特性の向上や歩留りの向上が
図れる。さらに隙間の大きさを極めて小さく、しかも正
確に形成できるので逆流を防止する効果が大きく、効率
の向上が図れ、その結果小型で消費電力の小さなヘッド
が得られる。その作成を異方性エッチングを用いて一度
に行なうことができるので作成プロセスが簡便となりコ
スト低減の効果がある。

【００９５】アルミニウムを犠牲層として用いると、微
細なパターン形成が容易なので、集積度が高く、解像度
の高い小型のヘッドが構成できる。薄い隙間を形成で
き、インク逆流を防止できるので、効率の高いヘッドを
構成でき、小型，低消費電力のヘッドが得られる。シリ
コン異方性エッチングと同時に犠牲層の除去が行なわれ
るのでプロセスの簡略化が図れる。

【００９６】座屈体，ピストン等の形成にめっきを用い
ると、残留応力の小さな膜を容易に形成できる。したが
って微細で精密な構造体を形成でき、集積度が高く小型
のヘッドを形成できる。また、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ等の座
屈体の歪みエネルギの大きな材料を用いることができ、
吐出速度の大きいインクジェットヘッドが得られ、印字
品質の向上が図れる。また、めっきを用いると殻構造の
ピストンを容易に形成でき、周波数応答が高く軽量で剛
性の高いピストンが得られ、高速で印字品質の高いヘッ
ドが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の略断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ第１の実施例の作成
の各工程の略断面図である。

【図３】接着層およびその周辺の平面図である。

【図４】本発明の第２の実施例の略断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ第２の実施例の作成
の各工程の略断面図である。

【図６】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の第３の
実施例の断面図および接着層およびその周辺の平面図で
ある。

【図７】第３の実施例の座屈体およびピストンの断面斜
視図である。

【図８】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ第３の実施例の作成
の各工程の略断面図である。

【図９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ第１の実施例に
おける座屈体の変形前および変形後の説明図である。

【図１０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ第２の実施例
の座屈体の変形前および変形後の説明図である。

【図１１】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ第２の実施例
の座屈体の変形前および変形後の説明図である。

【図１２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ座屈体の変形
前と変形によるインクの吐出の説明図である。

【図１３】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ従来の一例の
圧電素子の変形前および変形後の断面図である。

【図１４】従来の他の一例の分解斜視図である。

【符号の説明】

１０１ 基板 １０２ インク供給孔 １０３ ピストン １０４ 壁面 １０５ 隙間 １０６ 座屈体 １０７ 固定部 １０８ 隙間 １０９ ヒータ層 １１０ 上部絶縁層 １１１ 下部絶縁層 １１２ 酸化膜 １１３ 配線層 １１４ 接着層 １１５ オリフィス板 １１６ ノズル １１７ キャビティ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 頼成 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 阿部 新吾 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 太田 賢司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク供給孔を有する基板と、 インク供給孔をまたいで両端を基板の一方の面に固定さ
   れた加熱により座屈変形を生じる座屈体と、 座屈体を加熱する手段と、 インク供給孔の壁面に沿って往復運動をするように座屈
   体の一方の面にこれと一体に構成されたピストン部と、 座屈体の他方の面に接着層を介して取付けられたノズル
   を有するオリフィス板と、 オリフィス板と接着層と座屈体とにより囲まれるキャビ
   ティとを有し、 座屈体の座屈変形によるピストンの運動による加圧によ
   りノズルよりインクを吐出させることを特徴とするイン
   クジェットヘッド。
2. 【請求項２】 座屈体を構成する材料と接着層との接着
   面との高さは全面にわたり実質的に等しいことを特徴と
   する請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 基板の材料は単結晶シリコンであり、イ
   ンク供給孔壁面が（１１１）面により構成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 ピストン部は座屈体と一体に殻構造によ
   り構成されていることを特徴とする請求項１記載のイン
   クジェットヘッド。
5. 【請求項５】 基板にインク供給孔に対応する凹部を形
   成する工程と、 前記凹部の内部および基板上面に形成する座屈体下部
   に、犠牲層を形成する工程と、 基板上面に座屈体、前記の凹部内部にピストン部を形成
   する工程と、 その後にインク供給孔の形成および犠牲層の除去を行な
   う工程とを含むインクジェットヘッドの製造方法。
6. 【請求項６】 基板にシリコン単結晶を用い、凹部形成
   をシリコン異方性エッチングにより行なうことを特徴と
   する請求項５記載のインクジェットヘッドの製造方法。
7. 【請求項７】 座屈体下部に形成する犠牲層をアルミニ
   ウム薄膜によって形成することを特徴とする請求項５記
   載のインクジェットヘッドの製造方法。
8. 【請求項８】 ピストン部と座屈体を同時にめっきによ
   り形成することを特徴とする請求項５記載のインクジェ
   ットヘッドの製造方法。