(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とをそれぞれ有する第１半導体基板及び第２半導体基板と、
前記第１半導体基板の第１面に設けられたベースを有するキャビティと、
前記キャビティのベースから第１半導体基板の第２面へ延びる前記第１半導体基板に形成された開口と、
前記第２半導体基板の第１面側に設けられた空気室と、当該空気室を介して形成された薄膜圧電変換器と、
前記第２半導体基板を貫通して前記空気室に通じる少なくとも１つの空気チャンネルと、
前記薄膜圧電変換器に隣接して形成され、前記第２半導体基板を貫通する少なくとも１つのインクチャンネルと、を有し、
前記第１半導体基板の第１面と前記第２半導体基板の第１面とが接合されることにより、前記キャビティ内に前記薄膜圧電変換器が配置され、前記少なくとも１つのインクチャンネルが前記キャビティと流体的に連通し、前記第２半導体基板が前記キャビティを閉じてインク貯蔵部を形成し、前記キャビティのベースに形成された前記開口がインクノズルを形成し、前記インク貯蔵部から前記インクノズルを通じてインクが送出する、ように形成されたことを特徴とするインクジェットプリンタ用印字ヘッド。
【請求項２】
インクジェットプリンタ用印字ヘッドの製造方法であって、（ａ）第１面および第２面をそれぞれ有する第１半導体基板および第２半導体基板を設ける工程と、
（ｂ）前記第１半導体基板の第１面に、ベースを有するキャビティをエッチングにより形成する工程と、
（ｃ）前記キャビティのベースから前記第１半導体基板の第２面へ延びる開口を前記第１半導体基板に形成する工程と、
（ｄ）前記第２半導体基板の第１面に空気室を介して薄膜圧電変換器を形成する工程と、
（ｅ）前記第２半導体基板を貫通して前記空気室に通じる少なくとも１つの空気チャンネルを形成する工程と、
（ｆ）前記第２半導体基板を貫通する少なくとも１つのインクチャンネルを前記薄膜圧電変換器に隣接して形成する工程と、
（ｇ）前記第１半導体基板の第１面と前記第２半導体基板の第１面とを対向させた状態で接合する工程であって、前記キャビティ内に前記薄膜圧電変換器が位置し且つ前記少なくとも１つのインクチャンネルが前記キャビティと流体的に連通し、前記第２半導体基板が前記キャビティを閉じてインク貯蔵部を形成し、前記キャビティのベースに形成された前記開口がインクノズルを形成する工程と、
（ｈ）前記インク貯蔵部から前記インクノズルを通じてインクを送出する手段を形成する工程と、
（ｉ）前記インク貯蔵部にインクを補充する手段を前記インクチャンネルが形成する工程と、
の各工程を有することを特徴とするインクジェットプリンタ用印字ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はインクジェット・プリンタ用印字ヘッド全般に関し、特に印字ヘッドの各要素がエッチングまたは蒸着などの工程により形成可能な二つの基板の接合体で構成される印字ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット・プリンタ用の印字ヘッドは通常配列されたインクノズルで構成される。インクは水滴状に噴射され、用紙またはその他の図形記録媒体上に文字を印字する。各ノズルにはインク貯蔵部からインクが供給される。インクは、例えば、インク貯蔵部と接続している圧電変換器によりインク貯蔵部を脈動させることにより、インクノズルから噴射される。
【０００３】
インクノズル配列は、記録媒体上の印字ヘッドの走行方向と垂直に配列した、単独直線状に等間隔を置いて配置したインクノズルで構成してもよい。また別の方法として、インクノズル配列は、印字ヘッドが記録媒体上を走行する際、インクノズルが等間隔列のドットを形成するように配置したマトリックス状のインクノズルで構成してもよい。
【０００４】
最適の印字品質を得るため、いかなる配置のノズルも互いに正確な間隔を設ける必要がある。またノズル全体は同一平面内に配置する必要があり、したがって印字実行中各ノズルは記録媒体から同一距離にある。
【０００５】
従来技術によるインクジェット印字ヘッドは、個別のノズルとインク送出装置を機械的に一体化したものである。例えば、米国特許Ｎｏ．４，４１８，３５６は、細長い管状のインク貯蔵部の配列を開示しているが、そのなかで各インク貯蔵部はその一端にノズルを有し、圧電変換器スリ−ブで囲まれている。
【０００６】
米国特許Ｎｏ．４，２４８，８２３に開示されている成型形印字ヘッドは、細長いノズル一体型管状インク貯蔵部を備えている。インク貯蔵部は、複数のロッドまたは繊維を指定のパタ−ンで空の型に挿入し、型に硬化性合成材料を充填し、
合成材料が硬化した後、ロッドと繊維を引き出し、管状インク貯蔵部とそれに連続したノズルが成型されて残るよう構成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような形式の機械的に一体化した従来技術におけるインクジェット印字ヘッドでは、ノズルの複雑かつ正確な機械的整合を必要とし、または従来の成型形印字ヘッドでは、インク貯蔵部とノズルを構成するロッドの整合を要することが共通した特徴であった。従って、精確かつ複雑な機械的一体化と整合を要することなく作成可能な印字ヘッドが従来要求されてきた。        本発明の目的は、フォ−トリトグラフィ、薄膜層蒸着およびエッチングなどの半導体および電子回路製造技術を用いてインクジェット印字ヘッドを形成することにより達成される。半導体および電子回路の製造にはフォ−トリトグラフィ技術が開発されており、固体回路の各要素は約１マイクロメ−タ以下の許容差の範囲で通常技術により自動的にかつ容易に形成可能である。本発明はこのようなフォ−トリトグラフィ方法を用いて、従来技術によるインクジェット印字ヘッドの作成に伴う複雑な機械的整合や機械的一体化手順を不要としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
好ましくは、半導体および電子回路製造技術および材料を用いる本発明により製造される印字ヘッドは、第１半導体基板および第２半導体基板を有する。少なくともひとつのキャビティが、好ましくはエッチングにより第１基板の第１面に指定深さに形成される。  第１基板には、キャビティのベ−スから第１基板の第２面まで延長している開口部が形成される。圧電材料の蒸着層を含む薄膜圧電変換器が第２基板の第１面に形成される。第１基板および第２基板は、薄膜圧電変換器が第１基板内のキャビティ内に設けられるように、それぞれの第１面をいわゆる対面構成として一体に接合されており、第２基板がキャビティを囲んでインク貯蔵部を形成し、キャビティのベ−スに位置する開口部がインクノズルを形成する構成とされる。圧電変換器はインクノズルを介してインク貯蔵部からインクを送り出す手段を備えており、インクチャンネルはインク貯蔵部にインクを補給する手段を備えている。
【０００９】
第２基板の第１面に不活性化層によって形成される上面と壁面で囲まれる空気室が設けられ、圧電変換器がその空気室に形成されることが望ましい。圧電変換器には、第１電極を形成するため空気室の上面に形成された導電材料による第１層、第１導電層に形成された圧電材層、および第２電極を設けるために圧電材層に形成された第２導電層が含まれる。
【００１０】
【作用】
本発明に基づいてインクジェット印字ヘッドを作成する好ましい方法は、第１半導体基板および第２半導体基板を供給することと、第１基板の第１面にキャビティを設けることと、第１基板を介してキャビティのベ−スから第１基板の第２面まで延長する開口部を形成することとで構成される。薄膜圧電変換器は第２基板の第１面に形成される。薄膜圧電変換器に隣接する第２基板を介して少なくともひとつのインクチャンネルがエッチングにより形成さる。第１基板および第２基板は、それぞれの第１面をいわゆる対面位置関係に置き、薄膜圧電変換器を第１基板のキャビティ内に設けて一体に接合し、従って第２基板はキャビティを囲んでインク貯蔵部を形成し、キャビティのベ−スにある開口部はインクノズルを形成し、インクチャンネルはキャビティと流体連結部を形成する構成とされる。
【００１１】
薄膜圧電変換器を形成する方法は、第２基板の第１面の指定領域に、エッチングの容易な材料を用いて暫定アイランド層を蒸着形成するものが好ましい。不活性化層は、第２基板の第１面に蒸着され、エッチング可能な材料により形成された暫定アイランド層を覆いかつそれに重畳される。第１導電層は、指定領域内の不活性化層に蒸着形成され、第１電極を形成するようパタ−ン化される。次に圧電材層が第１電極の上に蒸着形成され、第２電極を形成するようにパタ−ン化される。第２基板内には少なくともひとつの空気チャンネルが形成され、第２基板を介してその第２面から暫定アイランド層まで延長される。次に例えば圧電変換器の下に空気室を形成するため、空気チャンネルを介して腐食液を導入し上記の暫定アイランド層を除去する。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明に基づき、半導体および電子回路製造技術を用いて形成されたインクジェット印字ヘッド１０の１実施例の概略斜視図である。印字ヘッド１０は、インク貯蔵部１２とインク貯蔵部に接合されたインク送出部１４とを有する。インク送出部１４には、電位を加えると、インク貯蔵部１２内のインク充填部１８内に膨張する変換器、好ましくは圧電変換器が設けられ、開口部またはインク貯蔵部１２から紙などの記録媒体（図示せず）上に送り出す。
【００１３】
インク送出部１２は空気室２２に隣接し、変換器を自由に膨張収縮させる。二つの空気チャンネル２４が設けられ、変換器の膨張収縮の際に空気が自由に出入りできるようにしている。  それぞれインク充填部１８と流体連絡している二つのインクチャンネル２６を設けてインク充填部にインクを補給している。インクチャンネル２６は、インク充填部１８にインクを供給するインク供給手段（図示せず）と接続されている。２本の導電線４２ａおよび４６ａ（図７参照）は、変換器の対向側面に形成された電極４２および４６（図７参照）からインク送出部１４の外部まで配設されており、そこで電気接点またはパッドを構成している。変換器は電気接点３０に接続された交流電源（図示せず）により駆動される。
【００１４】
インク貯蔵部１２およびインク送出部１４は、全体に平坦な平行側面を有する基板上に設けるのが好ましい。インク貯蔵部およびインク送出部の機能および構成要素は、マスキング、エッチング、レ−ザまたは電子ビ−ムドリリング、蒸着および液相または気相エピタキシ−（成長法）など半導体回路の製造において公知の技術を用いて構成されている。これらの技術は公知であり、その詳細説明は本発明の原理の説明には必要ではないから省略する。また「パタ−ン」もしくは「パタ−ン化」などの用語を用いる場合、マスキングおよびエッチングなどの従来技術を用いて、所要のパタ−ン化またはパタ−ンを達成できることが理解される。
【００１５】
図２に示すように、インク送出部１４を形成するための基板３２は、全体として平坦で平行な第１および第２側面３４および３６をそれぞれ備えている。基板Ｍ３２派、約４００μｍから６００μｍの厚さを有するシリコンウェ−ハであることが好ましい。
【００１６】
酸化物などのエッチングし易い材料による暫定または使い捨て層３８は、基板３２のアイランドを形成する側３４の領域に蒸着形成される。アイランド３８は、全体として方形または円形の輪郭と約１Ｅ２μｍ２から１Ｅ６μｍ２の表面領域と約０，１μｍから１００μｍの厚さを有することが好ましい。
【００１７】
次に図３に示すように、絶縁材、例えば窒化シリコン、酸窒化シリコンまたは二酸化シリコンなどの化学蒸着層は、使い捨てアイランド層３８の上面に実質的には重畳して蒸着される。層４０は約１０ｎｍから５００ｎｍの厚さを有することが望ましい。  可撓性の導電電極層４２は、使い捨てアイランド層３８を覆う絶縁層４０の上に蒸着され、標準的なマスキングおよびエッチング技術を用いてパタ−ン化され、使い捨てアイランド層３８上の圧電変換器１６（図１）に対する第１電極４２ｂを一方の使い捨て層３８を覆うように形成し、接点パッド３０（図１）のひとつで終端する導線４２ａを形成している。層４２は、金、白金、積層または二重膜Ｐｔ／Ｔｉ，導電性酸化物（ＲｕＯ2 ）、珪化物（珪化白金（ＰｔＳｉ），珪化チタニュウム（ＴｉＳｉ）、珪化コバルト（ＣｏＳｉ）など）または窒素化物（ＴｉＮ）などの金属または材料を用いて構成するのが好ましい。
【００１８】
図４に示すように、ＫｎｂＯ３、ＢＭＦ（弗化ボロンマグネシウム）、ＰＺＴ（チタン酸塩ジルコニウム鉛）またはＰＬＺＴ（チタン酸塩リチウムジルコニウム鉛）などの圧電材料から成る拡大可能層４４は、例えば公知のゾルゲル（sol-gel）技術により、暫定アイランド層３８上の第一電極層４２を覆うように堆積されるとともに、電極４２の導線部４２ａと反対側で層３８と重なる。層４４は約１００ｎｍから４０００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。次に、図５に示すように、第２可撓性導電層４６は、圧電層４４上に蒸着された後にパターン化され、圧電変換器１６のための第２電極４６ｂを形成するとともに、第１電極層４２の導線部４２ａと反対側で圧電層４４を覆う導線４６ａを形成する。電極４６ｂは二番目の接点パッド（図１）で終端する。これにより、変換器１６の機能的構成要素が完成する。
【００１９】
図６に示すように、圧電変換器１６の機能要素が完成した後、基板３２は、側面３４および３６それぞれにおいて、保護層または絶縁層４８，５０によってコーティングされるのが好ましい。絶縁層４８は、電極層４２，４６の導線部４２ａ、４６ａも含めて、圧電変換器１６にほぼ重合している。保護層４８，５０の蒸着に続いて、少なくとも１つの、好ましくは２つの空気チャンネル２４が、例えばレーザドリル加工により基板３２に形成される。空気チャンネル２４は、基板３２を貫通して側面３６から側面３４まで延び、使い捨てアイランド層３８に接している。空気チャンネルは、図１に示すように、方形（または円形）の断面を有し、方形（円形）断面はその一方の寸法（直径）が約１０μｍから５００μｍである。
【００２０】
インク送出部１４は、暫定アイランド層３８を除去することにより、例えば、空気チャンネル２４の一方または両方を通じて例えば湿性（液体）腐食液を暫定アイランド層３８に導入することにより、継続して形成される。図７に示すように、暫定アイランド層３８が除去されると、圧電変換器１６に直ぐ隣接した基板３２の側面３４に、空隙または空気室２２（図１参照）が形成される。空気室２２は、上面２３と保護層４０によって形成される側面２５とを有し、空気チャンネル２４を介して基板３２の側面３６と流体的に連通している。空気室２２は、実際には、層４４に電圧を印加した状態で圧電層４４を自由に拡大収縮できるエアクッションを形成する。
【００２１】
図８に示すように、インク送出部１４の形成は、少なくともひとつの、好ましくは二つのインクチャンネル２６を例えばレ−ザ穴明けまたはエッチングにより形成することにより完了する。インクチャンネル２６は、図１に示すようなスリット状の横断面を有するのが好ましく、スリットの長さ早く１００μｍから２０００μｍであり、幅は１０μｍから５００μｍである。インクチャンネル２６は、基板３２を介して側面３６から側面３４まで延長している。更に、不活性化層４８は、第２電極４６との接触を行うため、開口部４９のような開口部を形成するために一部をエッチングにより除去しても良い。同様の開口部（図示せず）第１電極４２との接触を行うため、不活性化層４８をエッチングして形成することができる。
【００２２】
インク貯蔵部１２を形成するための好ましい方法を継続して説明する。全体として平坦で平行な側面５８および６０を有する基板５６を示す。基板５６は好ましくはシリコンを素材とし、例えば単結晶シリコンウェ−ハが使用可能な軽度のド−ピングを与えたベ−ス５６ａと、エピタキシャル成長法でウェ−ハ上に形成可能な重度のド−ピングを与えた領域５６ｂとで構成される。基板５６は約１０ミルから４０ミルの厚さを有することが好ましい。重度のド−ピングを与えた領域５６ｂは、約１ミルから５ミルの厚さを有することが好ましい。基板５６は、対向主要面５８および６０にそれぞれ蒸着した絶縁層または不活性化層６２および６４を有することが好ましい。
図１０に示すように、キャビティ６６は、例えば不活性化層６２を介して、好ましくは基板５６のエピタキシャル成長による重度のド−ピングを与えた領域５６Ｂ全体を介して、例えばエッチングにより基板５６に形成され、従ってキャビティのベ−ス６８は軽度のド−ピングを与えた領域５６ａによって形成される。異なるド−ピングレベルを有する基板の二つの領域は、軽度のド−ピング領域５６ａよりもはるかに速い速度で基板の比較的重度のド−ピングを与えた領域５６ｂに対し差別的または選択的にエッチングを行うＫＯＨなどの腐食液を使用することが可能であり、キャビティ６８の深さを高度ド−ピングしたエピタキシャル領域５６ｂの深さ、すなわち重度ド−ピングした領域を形成する層の厚さによって制御することができる。
基板５６の側方５８にキャビティ６８を形成した後、図１１に示すように、開口部７０がキャビティ６６のベ−ス６８にエッチングまたはレ−ザドリリングにより形成される。開口部７０は基板５６を通ってその側面６０まで延長し、インクノズル２０を形成する。インクノズル２０は図１に示すような円形断面を有することが好ましく、約５μｍから１００μｍ、好ましくは約２０μｍのサイズを有する。
【００２３】
図１２に示すように、印字ヘッド１０は、インク送出部１４とインク貯蔵部１２を一体に接合し、すなわち基板３２および５６をそれぞれの側面３４および５８を対面位置関係において接合して構成する。上記各装置部は、変換器１６がキャビティ６６内に位置し、インクチャンネル２６がキャビティ６６と流体連通可能に構成され、基板３２（およびその上に形成された各層）がキャビティ６６を囲んでインク貯蔵部１８を形成するように一体に接合される。適正な電位を接点３０（図１）を介して電極４２ｂおよび４６および圧電層４４に印加して変換器１６が作動されると、インク（図示せず）は矢印７４が示すようにインクノズル２０を介して水滴状にインク貯蔵部から排出され記録媒体（図示せず）に当たる。装置部１２および１４を接合する適正な接着剤は低温のガラスである。      本発明による印字ヘッド１０は、説明の便宜上ひとつのインク貯蔵部とひとつのインクノズルのみの構成として説明している。ただし上述したように、印字ヘッドにおいては、通常それぞれインク貯蔵部を備えた一列のインクノズルまたは一配列のインクノズルおよびインク貯蔵部にインクを供給する手段を備えている。
【００２４】
ひとつのインク貯蔵部およびひとつのインクノズルを構成する上記の方法の各手段を、一連の変換器およびインクチャンネルを設けるため、基板３２上の異なる位置で同時に行うことができ、また対応した配列のインクノズルおよびインク貯蔵部を形成するため基板５６上で同時に行うことができることは、本発明に関する当業習熟者には明らかである。このような手順は、半導体回路の機能を複雑な情報処理回路を構築するためにシリコンウェ−ハの表面に反復構成させる手順と同様である。このように、半導体装置の製造において実践されているマスキングおよび機能情報技術を用いることにより、回路機能と構成部品の整合が現在半導体装置の製造において実現されているのと同様のインクノズル配列についての整合および設定精度を達成することが可能となる。さらに、通常の基板上に、特定のインクノズル配列にすべてのインク貯蔵部およびインクノズルを形成することにより、インクノズルは、インクノズルが設けられる基板表面により規定される同一平面内に自動的に配置される。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明するところにおいて、従来技術による機械的に一体化したインクジェット印字ヘッドにおけるインクノズルの複雑かつ正確な機械的整合または従来技術による成型形印字ヘッドにおけるインク貯蔵部とインクノズルを形成するためのロッドの整合に要する負荷および努力を不要とし、フォトリソグラフィ、薄膜蒸着およびエッチングなどの半導体および電子回路製造技術を用いてインクジェット印字ヘッドを形成することにより、従来技術における複雑かつ正確な機械的一体化や機械的整合を要する手順を排除しており、同一基板上にすべてのインク貯蔵部とインクノズルを形成することによりインクノズルの同一平面内の自動的配列を可能にしている。
また、本発明にあっては、インクキャビティ内に位置する圧電変換器と協働する空気室と、空気室と本体（基板）の外側との間を連通させる少なくとも１つの空気チャンネルとが設けられ、前記空気室が、圧電変換器の圧電層に電圧を印加した状態で圧電層を自由に拡大収縮できるエアクッションを形成する。つまり、空気チャンネルにより空気室に対する空気の出入りを自由にして、圧電変換器を自由に拡大（膨張）収縮させることができるようにしている。したがって、前記圧電変換器の拡大収縮作用と前記エアクッション作用との相乗効果により、インク貯蔵部からインクノズルを通じてインクを良好に送出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づき、半導体および電子回路製造技術を用いて第１および第２半導体基板上および同基板内に形成されるインクジェット印字ヘッドを概略説明する斜視図である。
【図２】第１側面に蒸着される暫定アイランド層を含め、図１の第２基板を概略説明する断面図である。
【図３】暫定アイランド層上に蒸着される不活性化層および不活性化層上に蒸着形成される第１電極を含め、図２の第２基板を概略説明する断面図である。
【図４】第１電極上に蒸着形成される圧電層を含め、図３の第２基板を概略説明する断面図である。
【図５】圧電層上に蒸着形成される第２電極と圧力変換器を構成する第１および第２電極と圧電層を含め、図４の第２基板を概略説明する断面図である。
【図６】基板の第２側面に蒸着される不活性化層と第１および第２電極に蒸着される不活性化層および更に基板から暫定層に延長する二つの空気チャンネルを含め、図５の第２基板を概略説明する断面図である。
【図７】暫定層がエッチングにより除去されて圧力変換器に隣接して空気間隙が形成される図６の第２基板を概略説明する断面図である。
【図８】基板を通って延長する二つのインクチャンネルを含め、図６の第２基板を概略説明する断面図である。
【図９】重度ド−ピングした領域および軽度ド−ピングした領域と基板の第１および第２側面の不活性化層を含め、図１の第１基板を概略説明する断面図である。
【図１０】基板内の位置側面に形成するキャビティを含め、図９の第１基板を概略説明する断面図である。
【図１１】基板を通ってキャビティのベ−スから基板の第２側面に延長する開口部を含  め、図１の第１基板を概略説明する断面図である。
【図１２】図８の基板と図１１の基板の接合形成した印字ヘッドを概略説明する断面図である。
【図１】
0003549232.tif 000002
【図２】
0003549232.tif 000003
【図３】
0003549232.tif 000004
【図４】
0003549232.tif 000005
【図５】
0003549232.tif 000006
【図６】
0003549232.tif 000007
【図７】
0003549232.tif 000008
【図８】
0003549232.tif 000009
【図９】
0003549232.tif 000010
【図１０】
0003549232.tif 000011
【図１１】
0003549232.tif 000012
【図１２】
0003549232.tif 000013