JP2000108342A

JP2000108342A - インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000108342A
Application number: JP28186298A
Authority: JP
Inventors: Zenichi Akiyama; 善一秋山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】信頼性が十分でない。【解決手段】シリコン基体で構成した圧力発生ユニッ
ト１と、セラミックス基材で構成した流路ユニット２と
を接着剤を用いないで接合した。

Description

【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ヘッド及
びその製造方法に関し、特に、シリコン基体で構成した
圧力発生ユニットと、セラミックス基材で構成した流路
ユニットとからなるインクジェットヘッド及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の
画像記録装置（画像形成装置）として用いるインクジェ
ット記録装置において使用するインクジェットヘッド
は、少なともインク滴を吐出するノズルと、このノズル
が連通する加圧室（インク加圧室、吐出室、圧力室、加
圧液室、液室、インク流路等とも称される。）と、各加
圧室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出さ
せるための圧力を発生するする圧電素子等の電気機械変
換素子、或いはヒータ等の電気熱変換素子、若しくは加
圧室壁面を形成する振動板と対をなす電極などの静電気
力発生手段などからなる圧力発生手段とを備え、この圧
力発生手段を画像情報に応じて駆動することで所要のノ
ズルからインク滴を吐出させて画像を記録する。

【０００３】従来のインクジェットヘッドとしては、例
えば、特開平６−２３４２１８号に記載されているよう
に、表面に圧電振動子を有したセラミックスからなる振
動板と、圧力室を形成する複数の通孔を有するセラミッ
クスからなるスペーサ部材と、スペーサ部材の他方を封
止するとともに、リザーバと圧力室との流路を形成する
通孔を有する蓋部材とを焼成により形成した圧力発生ユ
ニットと、ノズル開口と圧力室、及び圧力室とリザーバ
を接続する通孔を備えた金属板からなるインク供給部材
と、リザーバ及びノズル開口と圧力室とを接続する通孔
を備えた巣ペーサ部材と、スペーサ部材の他方の面に固
定されるノズルプレートとを一体に接続してなる流路ユ
ニットとからなり、蓋部材とインク供給部材との面を接
着剤により一体に接合したものがある。

【０００４】また、特開平７−１５６３９６号公報に記
載されているように、セラミックスからなる圧力室を形
成する圧力室形成板に振動板とこの振動板表面に設けた
圧電素子とを有する圧力発生ユニットと、圧力室に連通
するノズルと、圧力室にインクを供給する連通路を形成
した単層構造のセラミックスからなる流路ユニットとを
接合したものもある。この場合、セラミックスからなる
流路ユニットは、レーザー加工によって多数の開口や流
路を形成し、また連通路や共通液室流路をセラミックス
グリーンシートの加圧変形にて形成するようにしてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したインクジェッ
トヘッドのように、積層構造を採用することで、プレス
加工やエッチング加工した板材を接着するという簡単な
方法を適用することができて、製造工程の簡素化を図る
ことができる。しかしながら、各板材を接着剤で接合す
ると、微細な小孔への接着剤の流れ込みによって流路抵
抗が変動し、信頼性が十分でなく、また、ヘッドの高集
積化に伴なって微細加工が要求され、特に流体抵抗部な
どの一部のインク流路は従前からの加工法では作製が困
難になっている。

【０００６】また、流路ユニットをセラミックスの単層
構造で構成しても、加工法としてレーザー加工を施して
多数の開口や流路を形成するのでは、加工に手間がかか
り、また連通路や共通液室流路をセラミックスグリーン
シートの加圧変形にて形成させるため、焼成体の均一収
縮が得られず、歩留まりが低下する。

【０００７】さらに、セラミック振動板に圧電素子を印
刷法などで形成して圧力発生ユニットを構成する、セラ
ミックス振動板一体形成構造ではヘッドの高密度化に対
応することが困難になっている。

【０００８】そこで、シリコン単結晶基板を用いて、シ
リコンマイクロマシ−ニング技術を適用することで、現
状の４ヘッド／ｍｍをその２倍まで集積することが可能
になると推測されるが、この場合、圧力発生ユニットと
流路ユニットとを接着剤で接合すると、接着層のはみ出
しによる信頼性の低下を招くことになる。また、金属製
流路ユニットを用いた場合、シリコンと金属との熱膨張
率差によって接着硬化温度を８０℃程度にしても熱応力
による素子変形が発生する。

【０００９】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、各部材間の接合工程を少なくし、また接合部位の
信頼性を向上したインクジェットヘッド及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１のインクジェットヘッドは、シリコン基体
で構成した圧力発生ユニットと、セラミックス基材で構
成した流路ユニットとを接着剤を用いないで接合した構
成とした。

【００１１】請求項２のインクジェットヘッドは、上記
請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記流路ユ
ニットには、圧力発生ユニットの圧力室にインクを供給
する共通液室、共通液室から圧力室にインクを供給する
インク供給路、インク滴を吐出するノズル及びノズルと
前記圧力室とを連通するノズル連通路を設けた構成とし
た。

【００１２】請求項３のインクジェットヘッドは、上記
請求項１又は２のインクジェットヘッドにおいて、前記
セラミックス基材は、燒結体の熱膨張率において室温か
ら６００℃の温度範囲でＳiとの熱膨張率比が２以下の
セラミックス材料からなる構成とした。

【００１３】請求項４のインクジェットヘッドは、上記
請求項１乃至３のいずれかのインクジェットヘッドにお
いて、前記セラミックス基材は、酸化マグネシウム、酸
化アルミニウム、酸化珪素を主成分とするセラミックス
材料からなる構成とした。

【００１４】請求項５のインクジェットヘッドの製造方
法は、上記請求項１乃至４のいずれかのインクジェット
ヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法にお
いて、前記圧力発生ユニットと流路ユニットとをＳi−
金属の共晶接合で接合する構成とした。

【００１５】請求項６のインクジェットヘッドの製造方
法は、上記請求項１乃至４のいずれかのインクジェット
ヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法にお
いて、各ユニットの接合面を水酸基で表面改質した後、
加圧・加熱処理により脱水反応にて接合する構成とし
た。

【００１６】請求項７のインクジェットヘッドの製造方
法は、上記請求項１乃至４のいずれかのインクジェット
ヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法にお
いて、各ユニットの接合面を水酸基で表面改質した後、
シロキ酸結合を有するシリコン有機化合物を堆積させ、
加水分解・重縮合反応により接合する構成とした。

【００１７】請求項８のインクジェットヘッドの製造方
法は、上記請求項２乃至４のいずれかのインクジェット
ヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法にお
いて、前記共通液室、インク供給路、及びノズル連通路
を構成する通孔を形成したセラミックス材料からなる複
数枚のグリーンシートを積層して熱圧着し、焼成により
一体化させる工程と、前記ノズルを形成したノズル形成
部材とを一体に接合して流路ユニットを構成する工程
と、前記圧力発生ユニットと流路ユニットを接合する工
程とからなる構成とした。

【００１８】請求項９のインクジェットヘッドの製造方
法は、上記請求項８のインクジェットヘッドの製造方法
において、前記グリーンシートのインク供給路を構成す
る通孔はレーザー光の照射により部分的に脱脂を行なう
ことで開孔する構成とした。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して説明する。図１は本発明を適用し
たインクジェットヘッドの要部断面図である。このイン
クジェットヘッドは、シリコン基体で構成した圧力発生
ユニット１と、セラミックス基材で構成した流路ユニッ
ト２とを接着剤を用いないで接合したものである。

【００２０】圧力発生ユニット１は、シリコン基体１１
を異方性エッチングして複数の圧力室（加圧室）１２を
形成する凹部１３と振動板１４を形成し、このシリコン
基体１１の振動板１３上に各圧力室１２に対応して圧電
振動子１５を印刷法などで設け、この圧電振動子１５の
上下面にそれぞれ共通電極１６及び個別電極１７を形成
したものである。

【００２１】ここでは、シリコン基体１１には４００μ
ｍの結晶面方位（１１０）のＳi ウェハを用いている。
このシリコンウェハは張り合わせＳＯIウェハであり、
ＳiＯ ₂上のＳi厚さは７μｍである。また、振動板１４
はシリコン基体１１の異方性エッチング時に精度良くエ
ッチングを終了させて一定板厚を残すことで形成してい
る。

【００２２】流路ユニット２は、第１のスペーサ部材２
１と、第２のスペーサ部材２２と、第３のスペーサ部材
２３と、ノズルプレート２４とからなり、圧力発生ユニ
ット１の各圧力室１２にインクを供給するための共通液
室２５と、共通液室２５から圧力室１２にインクを供給
するための連通路となる流体抵抗部を含むインク供給路
２６と、圧力発生ユニット１の圧力室１２とノズルプレ
ート２４のノズル開口２７とを連通するノズル連通路２
８とを形成している。

【００２３】第１のスペーサ部材２１は、主として共通
液室２５を形成するのに適した厚さ、例えば１５０μｍ
のコーディエライトのセラミックス板に、共通液室２５
を形成する通孔３１と、ノズル連通路２８の一部を構成
する通孔３２を形成している。

【００２４】第２のスペーサ部材２２は、共通液室２５
と圧力室１２とを連通するインク供給路２８を構成する
開口３３と、ノズル連通路２８の一部を構成する開口３
４とを形成している。この第２のスペーサ部材２２もコ
ーディエライトのセラミックス板を用いている。

【００２５】第３のスペーサ部材２３は、インク供給路
２６のうちの流体抵抗部３５を形成する開口と、ノズル
連通路２８の一部を構成する開口３６とを形成してい
る。この第３のスペーサ部材２３もコーディエライトの
セラミックス板を用いている。

【００２６】なお、流体抵抗部（開口）３５は、圧力室
２５を圧電振動子１５で加圧してインク滴を吐出させる
とき、圧力室１２からインク供給路２６を通って共通液
室２５にインクも流れ込むときに、インクに対して流体
抵抗を与えることによってインク滴の飛翔に影響を与え
ないようにするための機能を有している部分である。ま
た、圧電振動子１５への駆動信号の印加が解除されて振
動板１４が元の形状に復帰すると、圧力室１２の容積が
膨張して負圧が生じ、共通液室２５から圧力室１２に対
して消費分に相当するインクが補給される。このとき、
圧力室１２に発生した負圧は、ノズル開口２７にも作用
するが、ノズル開口２７に生じているメニスカスにより
インクが圧力室１２側に後退するのが阻止されて共通液
室２５からのインク吸引に有効に作用する。

【００２７】一般に、流体抵抗部３５の口径は３０μｍ
程度が好適で、加工精度においてアスペクト比（加工縦
寸法／横寸法）が「１」の場合、第３のスペーサ部材２
３の厚さは３０μｍとする。なお、後述する高いアスペ
クト加工が可能な場合には、上述した第２のスペーサ部
材２２にこの流体抵抗部を形成することもでき、ここで
は副部材として示している。

【００２８】ノズルプレート２４は、第３のスペーサ部
材２３の他方の面に固定され、例えば直径３３μｍのノ
ズル開口２７を穿設するのに適した厚さ３０μｍのステ
ンレス鋼板からなり、圧力室１２に対向する位置にノズ
ル開口２７を形成している。また、ノズルプレート２４
のノズル表面にはインク濡れ性を適正化した表面処理を
施している。

【００２９】この流路ユニット２の第１、第２、第３の
スペーサ２１〜２３は上述したようにセラミックス材料
からなり一体に焼結している。また、ノズルプレート２
４との接合は、接着剤や溶着等により一体に積層して流
路ユニット２としてまとめ上げられている。なお、これ
らは、後述する共晶接合工程が終了した後、実施するも
のである。これら部材は剛性が高く、変形を生じること
がなく、高い精度寸法を維持して層状にまとめあげるこ
とができる。

【００３０】そして、これらの圧力発生ユニット１と流
路ユニット２は、その対向する面を後述する各種接合反
応によって接着剤を用いることなく接合されインクジエ
ツトヘツドとして構成される。

【００３１】そこで、先ず、ノズルプレート２４を除く
流路ユニット２を構成する各スペーサ部材２１〜２３で
構成される流路部材について説明するこれらの第１〜第
３のスペーサ部材２１〜２３は、セラミック材料を用い
て、ドクタブレード法によりグリーンシートを作製し、
所望する開口（通孔）を施し、積層、熱圧着、焼成工程
を経て一体化に焼結して流路部材としている。

【００３２】これを具体的に説明すると、下記の如くし
て各スペーサ部材２１〜２３を作製し、積層圧着して、
焼成を行なった。セラミック粉体の調製市販品コーディエライト粉末をアルミナボールを用い、
湿式ボールミルにて粉砕し、比表面積４ｍ²／ｇを有す
る粉体と比表面積８ｍ²／ｇを有する粉体を作製し、重
量比１：１にて混合させ、セラミック粉を調製した。

【００３３】なお、溶媒はトリクロロエチレン６０ｗｔ％、テトラク
ロロエチレン２３ｗｔ％、ブタノール１７ｗｔ％の混合
溶媒である。

【００３４】上記の組成を、アルミナボールを用いてポ
ットミル混合してスラリーを得、その後、真空脱泡、粘
度調整をし、１００００ｃｐｓとした後、ドクターブレ
ード法にて、かかるスラリーから、焼成後の厚みが所望
する膜厚になるようグリーンシートを成形した。なお、
乾燥は、８０℃で３時間行なった。

【００３５】上述のようにして得られたグリーンシート
を所定の金型にてパターン打ち抜きをした。このシート
の焼成収縮に伴う形状変化は、初期寸法に対して、等方
的に１５％縮む。したがって、この収縮を見越して打ち
抜きを行なう。なお、アルミナ多層セラミックス基板に
採用されているドリルなどの機械加工によって開孔形成
を行ってもよい。更に好適なことは、従来の金属板開孔
工程で加工される寸法の更に１５％小さな開孔を形成で
きることになり、最小加工限界を向上することができ
る。

【００３６】十分に工程管理されたグリーンシート、及
び焼結によって得られる構造体の加工寸法変動は±０．
１％に達し、十分実用に耐えるものであった。このよう
な処方により各スペーサ部材２１〜２３のセラミックグ
リーンシートを作製し、重ね合わせた後、６０ｋｇ／ｃ
ｍ² の圧力下で、１２０℃×３０分の条件にて熱圧着し
た。そして、このようにして得られた一体積層物を１１
５０℃の温度で２時間焼成し、流路ユニット２の各スペ
ーサ部材２１〜２３からなるセラミックス基材で構成さ
れる流路部材を形成した。

【００３７】次に、圧力発生ユニット１のシリコン基体
１１と流路ユニット２のセラミックス部材（流路部材）
との接合について説明すると、この接合は共晶接合を適
用した。Ｓi−金属材料の共晶反応は、Ｓi元素がほとん
どの金属と化合し、一般にシリサイドと呼ばれる材料群
を形成する。ここでは、プロセス温度の上限を６００℃
以下と限定し、その温度範囲内にて、共晶化合物を容易
に作り、良好な接合強度を与えるものなら特に制約は与
えられない。これらの要請を充足する材料として、Ｓi-
Ａuの共晶反応を行った。

【００３８】具体的には流路ユニット２のセラミックス
部材の片面にＡu薄膜をメタライズ処理し、Ｓi基体の圧
力発生ユニット１のシリコン基体１１との共晶接合を実
施する。流路ユニット２のセラミックス部材のメタライ
ズ処理は、十分洗浄したセラミックス部材にスパッタリ
ング法によりＡu を１μｍ堆積させて行なう。

【００３９】この場合、セラミックス／Ａu界面の密着
性向上のために、ＳiＯ₂ _、Ａuの同時堆積を行い、熱処理
（６００℃−３０分）にて堆積膜中のＳiＯ₂とセラミッ
ク界面での反応層を形成させてもよい。また１μｍの堆
積膜中にＳiＯ2成分を傾斜化させてもよい。

【００４０】さらに、圧力発生ユニット１の接合面は、
弗化水素水溶液によってシリコン基体１１表面の自然酸
化膜を除去した後、真空蒸着法にて膜厚１００Åほどの
島状のＡu堆積膜を配置した。

【００４１】なお、共晶接合とは処理温度において２種
以上の物質が相互拡散により物質移動が生じ、合金化反
応が進行し、接合が完了するものであり、その特徴は原
子レベルでの均一、かつ強固になされる点にある。従来
の接着剤による接合では、接着代を配置しなければなら
ないために、余計なデザインを施さなければならず、ヘ
ッドの集積化が阻害され、また界面でのはみ出しによる
インク滴吐出の安定性、信頼性を阻害する。

【００４２】上述したように、あらかじめ表面をメタラ
イズした流路ユニット２のセラミックス部材（流路部
材）と圧力発生ユニット１のシリコン基板１１とを、加
圧荷重ｌｋｇ／ｃｍ²、処理温度５００℃、加圧加熱時
間２時間にて反応処理を行った。

【００４３】そして、接合状態の評価として、試料断面
をＳＥＭ観察、及びＸ線マイクロアナライザにより分析
したところ、均一に接合がなされ、かつ共晶反応層は均
一に界面に存在していることが分かった。

【００４４】さらに、実際にインクを充填し、１ヘッド
を駆動させたときの隣接ヘッドへの影響を観察した。圧
力室１２はＳi隔壁にて独立しており、接合不良による
液体のリークがない限り隣接ヘッドのメニスカス振動は
観察されない。今回、この観察を行ったところ、隣接ヘ
ッドの影響はなく、良好な接合が得られた。

【００４５】次に、流路ユニット２の第１〜第３のスペ
ーサ部材２１〜２３を形成するセラミック基材として用
いるセラミックス材料の選定について説明する。本実施
例における接合技術においては反応が高温でなされるた
めに、異種材料間における熱膨張率差が問題になる。ま
た、本実施例では圧力発生ユニット１をシリコン基体１
１（Ｓi基体）で構成しているので、共晶可能なメタラ
イズ材料、共晶反応開始温度と室温の温度範囲内での熱
膨張率の整合がとれるセラミックス材料を選定しなけれ
ばならない。なお、Ｓiの熱膨張率は２．６ｐｐｍ／℃
である。

【００４６】そこで、接合不良は熱膨張率差に起因する
熱応力のみであると仮定し、実験の簡便さから、メタラ
イズ処理を施したＳi基板と、同様にメタライズ処理し
たセラミックス基板を接合し、目視にて剥離するかしな
いかの判断を行った。各種セラミックスでの結果を表１
に示している。なお、同表中の熱膨張率は室温から６０
０度の温度範囲での線形膨張率（ｐｐｍ／℃）である。
サイズ１は、接合面積：３ｃｍ×３ｃｍ、サイズ２は、
接合面積：５ｃｍ×５ｃｍの試料である。

【００４７】

【表１】

【００４８】この表１から分かるように、熱膨張比２．
５になると、サイズ１の寸法の試料では良かったもの
の、サイズ２の寸法の試料では悪かった。したがって、
スループットの向上面から見ると、熱膨張比は「２」以
下にすることが好ましい。

【００４９】次に、流路ユニット２の第１〜第３のスペ
ーサ部材２１〜２３を形成するセラミックス材料につい
て説明する。流路ユニット２を上述したようにグリーン
シートの積層体から作製するにあたり、セラミックス材
料としては、シート成形できること、熱圧着、焼成にて
シート間の界面が形成されぬほどの強固な一体化がなさ
れること、製造コストの面から焼成温度は１５００℃以
下、好ましくは１４００℃以下、更に好ましくは１２０
０℃以下の低温であることが望まれる。この焼成温度は
電気炉の各種方式に依存し、前述の低温度で焼成できる
ことが量産性、設備の面などの工業的な面で重要であ
る。

【００５０】そこで、これら要求される条件と上述した
熱膨張比とを兼ねそろえたセラミックス材料として、こ
こでは、ＭgＯ、Ａl₂Ｏ₃、ＳiＯ₂を主成分とするコーデ
ィエライトセラミックスを用いている。具体的な組成と
して、ＭgＯ：２．６〜１３．８％、Ａl₂Ｏ₃：２５．５
〜３８．８％、ＳiＯ₂：５１．４〜６４．９%の組成範
囲にて、更に、基本式：２ＭgＯ・２Ａl₂Ｏ₃・５ＳiＯ₂
を基にしているものが好ましい。また、副成分として、
Ｆe₂Ｏ₃、ＴiＯ₂、ＣaＯ、Ｋ₂Ｏ、Ｎa₂Ｏを含む場合も
ある。

【００５１】具体的には、流路ユニット２の第１〜第３
のスペーサ部材２１〜２３からなるセラミックス部材を
以下の工程に従って作製した。セラミック粉体の調製市販品コーディエライト粉末をアルミナボールを用い
て、湿式ボールミルにて粉砕し、比表面積４ｍ²／ｇを
有する粉体と比表面積８ｍ²／ｇを有する粉体を作製
し、重量比1:1にて混合させ、セラミック粉を調製し
た。

【００５２】グリーンシートの作製重量比率セラミック粉体１００ポリビニルブチラール樹脂（バインダ）６．０ブチルベンジルフタレート（可塑剤）３．０溶媒５５．０なお、溶媒はトリクロロエチレン６０ｗｔ％、テトラク
ロロエチレン２３ｗｔ％、ブタノール１７ｗｔ％の混合
溶媒である。

【００５３】そして、上記の組成を、アルミナボールを
用いてポットミル混合しスラリーを得、その後、真空脱
泡、粘度調整し、１００００cpsとした後、ドクタブレ
ード法にて、このスラリーから、焼成後の厚みが所望す
る膜厚になるようグリーンシートを成形した。なお、乾
燥は、８０℃で３時間行なった。

【００５４】このようにして得られたグリーンシートを
所定の金型にてパターン打ち抜きをした。打ち抜きによ
る加工限界はグリーンシート形成処方により異なる。具
体的にはアクリル樹脂を用いた場合、シート強度が不十
分であり、φ１５０μｍの開孔が限界であった。一方、
ポリビニルブチラール樹脂においてはシート強度が確保
され、φ１００μｍの開孔が可能であった。ただし、開
口可能な径は可塑剤量の最適化により変化する。

【００５５】このシートの焼成収縮に伴う形状変化は、
初期寸法に対し、等方的に１５％縮む。従って、得られ
た孔径は８５μｍ±０．５μｍの分布を示した。またバ
ッチ処理間のバラツキは、セラミックス粉の管理（特に
吸着水）、グリーン乾燥状態の管理、グリーン密度（粉
体充填率）などを管理することで加工中心値の±０．１
５％の範囲で再現できた。このことは、この加工が十分
使用できることを示している。

【００５６】また、微小ドリルによる機械加工によって
開口形成を行った。微小ドリルは８０μｍ径を用いた。
この種の機械加工の利点は、高いアスペクトが実施でき
る点にある。この加工においても上述した加工バラツキ
の範囲で作製することができた。

【００５７】さらに、従来の金属板開孔工程で加工され
る寸法の更に１５％小さな孔を形成できるので、最小加
工限界が向上し、上述した８０μｍドリルにて加工代が
かみされ９０μｍの孔ができたものの、焼成後の孔径は
７７μｍのものが厚さ２００μｍのシート（焼成後厚
さ）にでき、アスペクト２．６を実現できた。

【００５８】次に、流路ユニット２の第３のスペーサ２
３に形成する流体抵抗部３５の微小開口の加工について
説明する。上述したように、セラミックス母材を用いた
加工によって約７７μｍを達成できている。そこで、流
路ユニット２の流体抵抗部３５の微小径は次の方法にて
作製することができる。

【００５９】一般に、加工精度は加工材料の厚さに比例
して、加工寸法が制約されてくる場合が大きい。したが
って、微小加工を行なうには、その板厚を制限し、すな
わち薄層化することが重要になる。本実施例では、流路
ユニット２の流体抵抗部３５の加工に関して、その第３
スペーサ部材２３となるシートの厚さを３０μｍ以下に
して、３０μｍ程度の微小孔の作製を行った。

【００６０】セラミックスグリーンシートを構成するブ
チラール樹脂が効率よく光吸収を行うことから、レーザ
波長１．０６４ｎｍ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて、１
Ｊ／ｃｍ²・ショット以下のパワーでスリットを介して
限定した領域に照射する。この場合、光学系倍率及びメ
カニカルスリットの精度により、照射面積は５平方μｍ
以上の領域が照射可能になる。

【００６１】このようにレーザー光が照射されたセラミ
ックスグリーンシートは、バインダー樹脂が燃焼・除去
され、セラミック粉のみが存在する。次の工程で、この
部分的に脱バインダーされた領域の粉体を除去すること
でグリーンシート開孔を行った。シート厚さとレーザー
照射パワーの最適化を行い、３０３０μｍシートでは８
００Ｊ／ｃｍ²・ショットにより３０平方μｍの開孔を
形成できた。そして、これを焼成することで、約２５．
５平方μｍの通孔を作製することができた。

【００６２】次に、圧力発生ユニット１のシリコン基体
１１と流路ユニット１の第２のスペーサ部材２２との他
の接合方法について説明する。ここでは、圧力発生ユニ
ット１のシリコン基体１１と流路ユニット１の第２のス
ペーサ部材２２とを加熱・脱水反応によって接合してい
る。

【００６３】この加熱・脱水反応による接合は、Ｓi−
Ｓi直接接合技術として知られており、近年ＳＯI（Sili
con on Insulater）ウェハ作製などに応用されてい
る。この反応は実際にはＳi最表面が酸化膜、更にその
最表面は水酸基にて終端されており、両者のもつ水酸基
２個から加熱により、水が脱水反応することで酸素を介
した化学結合が形成され、強固な接合がなされることを
基本にするものである。

【００６４】圧力発生ユニット１はシリコン基体（Ｓi
基体）１１から構成され、流路ユニット２の接合部材で
ある第２のスペーサ部材２２はセラミックス基材から形
成されており、両者最表面は上述のＳi−Ｓi直接接合と
同様な水酸基終端がなされているので、同様な原理に基
づいて接合することができる。

【００６５】ここでは、強力な接合力を低温で得るため
に、Ｓi接合表面は、真空チャンバーに装着した後、酸
素プラズマ処理を施す。次に、ヘリコンガンを用い、水
により、水酸基イオンソースを発生させ、チャンバー内
の基板に照射してする。セラミックス部材についても同
様の処理を行った。

【００６６】このようにして、表面改質をしたシリコン
基体１１の接合面と第２のスペーサ部材２２の接合面を
加圧しながら合わせ、この状態で減圧下、５００℃にて
脱水反応を行い接合処理を施した。貼り合わせの加圧圧
力は１０ｋｇ／ｃｍ²、脱水により系外に水を排出し易
くするため、減圧は０．０１Ｔorrとし、また処理時間
は３時間とした。温度は３００℃以上にて接合が開始さ
れるものの、その強度は不十分であり、脱水反応時の温
度の上昇に伴い接合力は増加し、５００℃で飽和し、そ
の接合強度は８ｋｇ／ｃｍ²になり、十分な接合強度が
得られた。

【００６７】次に、圧力発生ユニット１のシリコン基体
１１と流路ユニット１の第２のスペーサ部材２２との更
に他の接合方法について説明する。ここでは、圧力発生
ユニット１のシリコン基体１１と流路ユニット１の第２
のスペーサ部材２２とを金属有機化合物の重縮合・脱水
反応によって接合している。

【００６８】ここで、金属有機化合物をＳi−Ｏ−Ｒ
（Ｒはアルキル基などの有機物）とし、一般には珪酸エ
チルエステル（テトラエトキシシラン）などの名称で知
られている、シロキ酸を含む化合物である。これらの重
縮合・脱水反応は、アルコキシド基（シロキ酸よりも広
い概念で一般に用いられる用語）の加水分解が生じ、重
縮合の結果、水と低級アルコールを形成し、これらが系
外に取り除かれることにより、Ｓi−Ｏ−金属の化学結
合が形成されるものである。

【００６９】本発明においてはセラミックスを構成する
金属酸化物に相当する、金属アルコキシドを用いてもか
まわないが、一般に金属アルコキシドは徴量の水分、大
気中の湿度から供給される水に対してでさえ、反応して
しまい、操作性が悪くなる。アルコキシド化合物の中
で、Ｓi、Ｇeのアルコキシドは比較すると、最も安定で
あり、本発明の実施においては、特にＳi−アルコキシ
ド（テトラエトキシシラン）が好適である。

【００７０】セラミックス接合面には各種流略に接続す
るための開孔が形成されるので、一般の塗布法は好まし
くない。ここでは、超音波アトマイザーによる、テトラ
エトキシシラン＋メトキシエタノール溶液のミストによ
る塗布が好ましい。

【００７１】そこで、上述したように、強力な接合力を
低温で得るために、Ｓi接合表面は、真空チャンバーに
装着した後、酸素プラズマ処理を施す。次に、ヘリコン
ガンを用い、水により、水酸基イオンソースを発生さ
せ、チャンバー内の基板に照射してする。セラミックス
部材についても同様の処理を行った。

【００７２】このようにして、表面改質をした後、テト
ラエトキシシラン／メトキシエタノール溶液、濃度０．
１mol／１、部分加水分解はアルコキシ基mol数の１０倍
量添加処理品を、超音波アトマイザー（ミスト発生周波
数７００ｋＨz）にて、約２μｍのミストを発生させ、
表面に堆積させた。そして、８０℃乾燥により、溶媒の
メトキシエタノールを一部乾燥させ、前述したと同様に
して接合処理を行う。

【００７３】この反応における反応生成物は、水と、エ
タノールであり、容易に系外に排出できる。ただし、Ｉ
Ｒからの結果、Ｓi−ＯＨ結合に基づく吸収ピークは５
００℃加熱により消失するものの、それ以下の温度では
検出され、強固な化学結合には５００℃以上の処理温度
が必要であった。また、このテトラエトキシシラン堆積
層による、最終接合膜の膜厚は２００ｎｍであった。

【００７４】なお、上記実施形態においては、圧電振動
子を用いるインクジェットヘッドに本発明を適用した例
で説明したが、圧力発生ユニットがシリコン基体を用い
て構成されるものであればよく、例えば振動板と微小ギ
ャップを置いて対向する電極を配置して、電界印加によ
って発生する静電気力にて振動板を変形させて圧力室内
のインクを加圧する静電型インクジェットヘッドにも同
様に適用することができる。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１のインク
ジェットヘッドによれば、シリコン基体で構成した圧力
発生ユニットと、セラミックス基材で構成した流路ユニ
ットとを接着剤を用いないで接合した構成としたので、
ヘッド製作工程が簡略化され、信頼性が向上する。

【００７６】請求項２のインクジェットヘッドによれ
ば、上記請求項１のインクジェットヘッドにおいて、流
路ユニットには共通液室、インク供給路、ノズル及びノ
ズル連通路を設けた構成としたので、ヘッド製作工程が
簡略化され、信頼性が向上する。

【００７７】請求項３のインクジェットヘッドによれ
ば、上記請求項１又は２のインクジェットヘッドにおい
て、セラミックス基材は、燒結体の熱膨張率において室
温から６００℃の温度範囲でＳiとの熱膨張率比が２以
下のセラミック材料からなる構成としたので、接合界面
にて熱応力を発生させることなく良好な接合を得ること
ができる。

【００７８】請求項４のインクジェットヘッドによれ
ば、上記請求項１乃至３のいずれかのインクジェットヘ
ッドにおいて、セラミックス基材は、酸化マグネシウ
ム、酸化アルミニウム、酸化珪素を主成分とするセラミ
ックス材料からなる構成としたので、接合界面にて熱応
力を発生させることなく良好な接合を得ることができ
る。

【００７９】請求項５のインクジェットヘッドの製造方
法によれば、上記請求項１乃至４のいずれかのインクジ
ェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方
法において、圧力発生ユニットと流路ユニットとをＳi
−金属の共晶接合で接合する構成としたので、強固な接
合を行なうことができて、信頼性が向上する。

【００８０】請求項６のインクジェットヘッドの製造方
法によれば、上記請求項１乃至４のいずれかのインクジ
ェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方
法において、各ユニットの接合面を水酸基で表面改質し
た後、加圧・加熱処理により脱水反応にして接合する構
成としたので、強固な接合を行なうことができて、信頼
性が向上する。

【００８１】請求項７のインクジェットヘッドの製造方
法によれば、上記請求項１乃至４のいずれかのインクジ
ェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製造方
法において、各ユニットの接合面を水酸基で表面改質し
た後、シロキ酸結合を有するシリコン有機化合物を堆積
させ、加水分解・重縮合反応により接合する構成とした
ので、強固な接合を行なうことができて、信頼性が向上
する。

【００８２】請求項８のインクジェットヘッドによれ
ば、上記請求項２乃至４のいずれかのインクジェットヘ
ッドを製造するインクジェットヘッドの製造方法におい
て、共通液室、インク供給路、及びノズル連通路を構成
する通孔を形成したセラミックス材料からなる複数枚の
グリーンシートを積層して熱圧着し、焼成により一体化
させる工程と、ノズルを形成したノズル形成部材とを一
体に接合して流路ユニットを構成する工程と、圧力発生
ユニットと流路ユニットを接合する工程とからなる構成
としたので、良好な接合を行なうことができて、信頼性
が向上する。

【００８３】請求項９のインクジェットヘッドの製造方
法によれば、上記請求項８のインクジェットヘッドの製
造方法において、グリーンシートのインク供給絽を構成
する通孔はレーザー光の照射により部分的に脱脂を行な
うことで開孔する構成としたので、微小寸法加工が可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドの要部
断面説明図

【符号の説明】１…圧力発生ユニット、２…流路ユニット、１１…シリ
コン基板、１２…圧力室、１４…振動板、１５…圧電振
動子、２１…第１のスペーサ部材、２２…第２のスペー
サ部材、２３…第３のスペーサ部材、２４…ノズルプレ
ート、２５…共通液室、２６…流体抵抗部、２７…ノズ
ル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基体で構成した圧力発生ユニッ
トと、セラミックス基材で構成した流路ユニットとを接
着剤を用いないで接合したことを特徴とするインクジェ
ットヘッド。
【請求項２】請求項１に記載のインクジェットヘッド
において、前記流路ユニットには、前記圧力発生ユニッ
トの圧力室にインクを供給する共通液室、共通液室から
圧力室にインクを供給するインク供給路、インク滴を吐
出するノズル及びノズルと前記圧力室とを連通するノズ
ル連通路を設けたことを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項３】請求項１又は２に記載のインクジェット
ヘッドにおいて、前記セラミックス基材は、燒結体の熱
膨張率において室温から６００℃の温度範囲でＳiとの
熱膨張率比が２以下のセラミックス材料からなることを
特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のイン
クジェットヘッドにおいて、前記セラミックス基材は、
酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素を主成
分とするセラミックス材料からなることを特徴とするイ
ンクジェットヘッド。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載のイン
クジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製
造方法において、前記圧力発生ユニットと流路ユニット
とをＳi−金属の共晶接合で接合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６】請求項１乃至４のいずれかに記載のイン
クジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製
造方法において、各ユニットの接合面を水酸基で表面改
質した後、加圧・加熱処理により脱水反応にて接合する
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７】請求項１乃至４のいずれかに記載のイン
クジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製
造方法において、各ユニットの接合面を水酸基で表面改
質した後、シロキ酸結合を有するシリコン有機化合物を
堆積させ、加水分解・重縮合反応により接合することを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項８】請求項２乃至４のいずれかに記載のイン
クジェットヘッドを製造するインクジェットヘッドの製
造方法において、前記共通液室、インク供給路、及びノ
ズル連通路を構成する通孔を形成したセラミックス材料
からなる複数枚のグリーンシートを積層して熱圧着し、
焼成により一体化させる工程と、前記ノズルを形成した
ノズル形成部材とを一体に接合して流路ユニットを構成
する工程と、前記圧力発生ユニットと流路ユニットを接
合する工程とからな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９】請求項８に記載のインクジェットヘッド
の製造方法において、前記グリーンシートのインク供給
路を構成する通孔はレーザー光の照射により部分的に脱
脂を行なうことで開孔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。