(57)【特許請求の範囲】
【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、該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の電気熱変換体と、を配してなるインクジェットヘッドの、前記電気熱変換体に対向して前記インク流路内に配置されるインクジェットヘッド用弁の製造方法において、
インクジェットヘッド用弁の構造が引っ張りと圧縮の異なる応力を持つ金属を積層した構造であり、かつ、
圧縮応力を持つ金属層をスパッタリング法により形成する工程、および、
引っ張り応力を持つ金属層をメタルＣＶＤ法により形成する工程
を有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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は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されたインクジェットヘッド用弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、特許文献１等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、特許公報２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】
特許公報２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１μｍ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。
【特許文献１】米国特許第４，７２３，１２９号公報
【特許文献２】特開昭６３−１９９９７２号公
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
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グラフィ（以下「フォトリソ」と略す）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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記の目的は以下の手段によって達成される。
【００２０】
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、該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の電気熱変換体と、を配してなるインクジェットヘッドの、前記電気熱変換体に対向して前記インク流路内に配置されるインクジェットヘッド用弁の製造方法において、インクジェットヘッド用弁の構造が引っ張りと圧縮の異なる応力を持つ金属を積層した構造であり、かつ、圧縮応力を持つ金属層をスパッタリング法により形成する工程、および、引っ張り応力を持つ金属層をメタルＣＶＤ法により形成する工程を有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。
【発明の効果】
【００２１】
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。また、本発明によれば、作製された弁は予め反った構造であるので、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００２３】
（参考例１）
図１−ａ〜ｅ及び図２−ｆ〜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。
【００２４】
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、露光現像を行なう。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２６．６Ｐａ、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、Ｃｒ、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できる。
【００２５】
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Ｐｄ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ＰＳＧ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）。
【００２６】
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２６．６Ｐａ、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）。
【００２７】
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Ｐｄ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１）
参考例１における図１−ａ〜図２−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２−ｊ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１×１０9ｄｙｎ／ｃｍ2の圧縮応力で形成し、メタルＣＶＤ側を１×１０9ｄｙｎ／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。
（使用例１）
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
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。
【００３８】
また下引きの金属の応力コントロールとＣＶＤ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】
【００３９】
【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１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】
【００４０】
１        素子基板
２        発熱体
３        天板
４        オリフィスプレート
５        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
【図１】
0003697255.tif 000002
【図２】
0003697255.tif 000003
【図３】
0003697255.tif 000004
【図４】
0003697255.tif 000005
【図５】
0003697255.tif 000006