JP2007098812A

JP2007098812A - 液体噴射ヘッドの製造方法

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Publication number: JP2007098812A
Application number: JP2005292855A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Miyata; 佳直宮田; Kenichi Kitamura; 健一北村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: JP4835828B2

Abstract

【課題】リザーバ形成基板に所定形状のリザーバ部を良好に形成することができる液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】リザーバ部３１を形成する際に、リザーバ形成基板３０をエッチングする前又はその途中に、リザーバ部３１の圧力発生室１２の長手方向に沿った壁面である第１の（１１１）面と圧力発生室１２側の壁面を構成する第２の（１１１）面との角部が鈍角となる一方の漸小部の先端部に、レーザ加工によりリザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通する少なくとも一つの貫通孔１４５を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法に関する。

液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室とこの圧力発生室に連通する連通部が形成されると共に、その一方面側に圧電素子が設けられた流路形成基板と、流路形成基板の連通部と共にリザーバの一部を構成するリザーバ部が形成されたリザーバ形成基板（封止基板）とを具備するものがある。そして、このリザーバ形成基板としては、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板が用いられ、リザーバ部は、マスクパターン等を介してこのリザーバ形成基板を異方性エッチングすることによって形成されていた（例えば、特許文献１参照）。

また、このリザーバ部（インクリザーバ）としては、並設された複数の圧力発生室（圧力室）に連通するように形成され、列の中央部に位置する圧力発生室と端部に位置する圧力発生室とでインク滴の吐出特性を均一化するために、リザーバ部の長手方向両端部に幅が漸小する漸小部を設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。

このような漸小部を有するリザーバ部を、上述したように異方性エッチングのみによって形成すると、漸小部の先端部には、リザーバ形成基板（シリコン単結晶基板）がリザーバ部に対向する領域内に張り出して庇状に残ってしまい、これにより、各圧力発生室の流路抵抗に差が生じ、インク吐出特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法だけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても同様に存在する。

国際公開２００４／００７２０６号公報（第１２図、第２４〜２５頁等）特開平２００３−６３０１０号公報（第２図等）

本発明は、このような事情に鑑み、リザーバ形成基板に所定形状のリザーバ部を良好に形成することができる液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が複数並設されると共に一方面側に当該圧力発生室内に液滴を吐出させるための圧力を付与する圧力発生手段が設けられた流路形成基板と、複数の前記圧力発生室に連通すると共に前記圧力発生室の並設方向の両端部に外側に向かって幅が漸小する漸小部を有するリザーバ部が形成されたリザーバ形成基板とを有し、前記リザーバ部が、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる前記リザーバ形成基板を所定形状のマスクパターンを介して異方性エッチングすることによって形成され、当該リザーバ部の前記圧力発生室の長手方向に沿った壁面が（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面で構成されると共に、他の壁面がこの第１の（１１１）面と７０．５３°の角度をなす第２の（１１１）面を含む面で構成された液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記リザーバ部を形成する際、前記リザーバ形成基板をエッチングする前又はその途中に、前記リザーバ部の前記圧力発生室の長手方向に沿った壁面である前記第１の（１１１）面と前記圧力発生室側の壁面を構成する前記第２の（１１１）面との角部が鈍角となる一方の前記漸小部の先端部に、レーザ加工により当該リザーバ形成基板を厚さ方向に貫通する少なくとも一つの貫通孔を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第１の態様では、所定の開口形状でリザーバ形成基板を貫通するリザーバ部を良好に形成することができる。すなわち、リザーバ部となる領域にエッチング残りが生じることがない。したがって、並設された各圧力発生室の流路抵抗が一定となりインク吐出特性が均一化され、印刷品質が大幅に向上する。

本発明の第２の態様は、前記マスクパターンが、前記リザーバ部に対向する領域に複数の開口部を形成する補正パターンを有し、前記リザーバ部を形成する際に、前記開口部を介して前記リザーバ形成基板を異方性エッチングすることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第２の態様では、実質的にリザーバ形成基板のエッチング速度が上昇し、比較的短時間で所定形状のリザーバ部を形成することができる。

本発明の第３の態様は、前記リザーバ部の前記一方の角部を形成する前記圧力発生室側の壁面を構成する前記第２の（１１１）面の長さが２００μｍ以下となるようにすることを特徴とする第１又は第２の態様の液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる第３の態様では、レーザ加工により貫通孔を形成し易くなるため、リザーバ部をさらに良好に形成することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る製造方法によって製造されるインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。連通部１３は、後述するリザーバ形成基板３０のリザーバ部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５１が形成されている。さらに、この絶縁体膜５１上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。

また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等の金属材料からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。

さらに、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、例えば、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が、接着剤等からなる接着層を介して接合されている。リザーバ部３１は、圧力発生室の並設方向に沿って形成され、その長手方向両端部には、それぞれ外側に向かって幅が漸小する漸小部３２が設けられている。これにより、本実施形態に係るリザーバ部の開口は、略台形形状となっている。そして、このリザーバ部３１が、弾性膜５０及び絶縁体膜５１に設けられた貫通部５２を介して連通部１３と連通され、これらリザーバ部３１及び連通部１３によってリザーバ１００が形成されている。

なお、リザーバ部３１の漸小部３２は、各圧力発生室の流路抵抗が一定となるようにし、ノズル開口から吐出されるインク滴の吐出特性を均一化するために設けられている。

このようなリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０は、流路形成基板１０と同一材料である面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、リザーバ部３１は、詳しくは後述するが、リザーバ形成基板３０をその両面から異方性エッチングすることによって形成されている。その結果、図３に示すように、リザーバ部３１の圧力発生室の長手方向に沿った壁面３３は（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面で構成され、他の壁面はこの第１の（１１１）面（壁面３３）と７０．５３°の角度をなす第２の（１１１）面３４を含む面で構成されている。したがって、漸小部３２の一方では、この壁面３３と圧力発生室１２側の壁面を構成する第２の（１１１）面３４との角部の角度θは鈍角となり、他方の漸小部３２では、図示しないが鋭角となっている。

なお、リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子保持部３５が設けられている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３５内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部３５は、密封されていてもよいし密封されていなくてもよい。また、リザーバ形成基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ２１０が実装されている。そして、各圧電素子３００から圧電素子保持部３５の外側まで引き出された各リード電極９０の先端部と、駆動ＩＣ２１０とが駆動配線２２０を介して電気的に接続されている。

さらに、リザーバ形成基板３０のリザーバ部３１に対応する領域上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。また、コンプライアンス基板４０のリザーバ部３１に対向する領域には、インクカートリッジからのインクをリザーバ１００内に供給するためのインク導入口４４が設けられている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインク導入口４４を介してリザーバ１００内にインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ２１０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、圧電素子３００及び振動板をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインクが吐出する。

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法、具体的には、インクジェット式記録ヘッドを構成するリザーバ形成基板の形成方法について、図４及び図５を参照して説明する。なお、図４は、圧力発生室の長手方向におけるリザーバ形成基板の断面図であり、図４（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ’断面に相当し、図４（ｃ）は図５（ｂ）のＣ−Ｃ’断面に相当する。

まず、図４（ａ）に示すように、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板であるリザーバ形成基板３０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面にリザーバ部３１等を形成するためのマスクとなる二酸化シリコン膜１３０を形成する。なお、リザーバ形成基板３０の厚さは、特に限定されないが、本実施形態では、リザーバ形成基板３０として、厚さが４００μｍ程度のシリコン単結晶基板（シリコンウェハ）を用いている。

次に、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、二酸化シリコン膜１３０を、レジスト膜等を介してエッチングすることによりパターニングすることで、リザーバ部３１をエッチングにより形成する際のマスクとなるマスクパターン１４０を形成する。ここで、このマスクパターン１４０のリザーバ部３１に対向する領域には、複数の開口部１４２を有する補正パターン１４１が設けられている。なお、図５（ａ）では、３つの開口部１４２のみ図示しているが、リザーバ部３１が形成される領域（ハッチングを施した領域）全てに、このような開口部１４２が複数配置されている。

この補正パターン１４１の形状、すなわち、各開口部１４２の形状及び配置は特に限定されずリザーバ部３１の形状に応じて適宜決定されればよいが、各開口部１４２の端面は第１の（１１１）面又は第２の（１１１）面に沿って形成する必要がある。このため、上述したようにリザーバ部３１の一方の漸小部３２では、壁面３３と圧力発生室１２側の壁面を構成する第２の（１１１）面３４ａとの角部の角度θは鈍角となっている（図３参照）。また、リザーバ部３１は、壁面３３と交差する第２の（１１１）面３４ａの長さは２００μｍ以下となるように形成することが好ましい。このため、本実施形態では、補正パターン１４１の第２の（１１１）面３４ａに対応する部分の長さＬが２００μｍ以下となるように形成している（図５（ａ））。なお、本実施形態では、リザーバ部３１と共に、圧電素子保持部３５もエッチングによって同時に形成するため、リザーバ形成基板３０の流路形成基板１０との接合面側のマスクパターン１４０（二酸化シリコン膜１３０）の圧電素子保持部３５に対向する領域に、開口部１４３を形成する。

次に、本発明では、リザーバ部３１の圧力発生室１２の長手方向に沿った第１の（１１１）面（壁面３３）と、圧力発生室１２側の壁面を構成する第２の（１１１）面３４ａとの角部が鈍角となる漸小部３２の先端部に対応する位置に、図４（ｃ）及び図５（ｂ）に示すように、レーザ加工によりリザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通する少なくとも一つの貫通孔１４５を形成する。例えば、本実施形態では、この漸小部３２の先端部に直径３０μｍ程度の貫通孔１４５を３つ形成するようにした。

次に、図４（ｄ）に示すように、上述した所定形状のマスクパターン１４０を介してリザーバ形成基板３０をその両面側からそれぞれ異方性エッチングする。これにより、リザーバ形成基板３０には、リザーバ形成基板３０を所定の開口形状で貫通するリザーバ部３１が良好に形成され、また同時に、圧電素子保持部３５が形成される。

ここで、シリコン単結晶基板の異方性エッチングは、（１１０）面と約３５°の角度をなす（１１１）面が露出されながら深さ方向にエッチングが進行する。また、上述したように、補正パターン１４１の各開口部１４２は、リザーバ形成基板３０の第１の（１１１）面又は第２の（１１１）面に沿って形成する必要があるため、一方の漸小部の先端部では、これら各開口部１４２を比較的小さく形成しなければならない。このため、従来のように異方性エッチングのみでリザーバ部を形成しようとすると、上述した一方の漸小部の先端部に対応する領域には、リザーバ形成基板（シリコン単結晶基板）が庇状に残ってしまう虞があった。

しかしながら、本発明のように、レーザ加工によって貫通孔１４５を形成しておくことで、この貫通孔１４５を介してリザーバ形成基板３０が確実にエッチングされるため、庇状のエッチング残りが生じることなく、所定形状のリザーバ部３１が良好に形成される。なお、他方の漸小部３２の先端部では、開口部１４２の長さを比較的長くすることができるため、貫通孔１４５を形成しなくても、庇状のエッチング残りが生じる虞は極めて少ない。

そして、このように所定形状のリザーバ部３１が良好に形成されることで、並設されている各圧力発生室１２の流路抵抗が一定となり、インク滴の吐出特性が均一化される。よって、印刷品質を大幅に向上することができる。

なお、このようなリザーバ部３１等を有するリザーバ形成基板３０は、実際には、シリコンウェハに複数一体的に形成される。すなわち、リザーバ部３１等が、上述したような工程によりシリコンウェハに複数形成された後、このシリコンウェハを最終的に分割することでリザーバ形成基板３０となる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、リザーバ形成基板３０をエッチングする前に、貫通孔１４５を形成するようにしたが、これに限定されず、マスクパターン１４０を介してリザーバ形成基板３０をエッチングしてリザーバ部３１をある程度の深さまで形成した後、レーザ加工により貫通孔を形成し、その後、さらにリザーバ形成基板３０をエッチングすることによって、リザーバ部３１を形成するようにしてもよい。この場合でも、勿論、所定形状のリザーバ部３１を良好且つ効率的に形成することができる。

また、上述の実施形態では、インク滴を吐出するための圧力発生手段として薄膜からなる圧電素子を例示したが、この圧力発生手段は、特に限定されず、例えば、発熱素子等であってもよい。

なお、上述した実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係るリザーバ部の形状を示す平面図である。実施形態１に係るリザーバ形成基板の製造工程を示す断面図である。実施形態１に係るリザーバ形成基板の製造工程を示す平面図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０リザーバ形成基板、３１リザーバ部、３２漸小部、３５圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５１絶縁体膜、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、２１０駆動ＩＣ、２２０駆動配線、３００圧電素子

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室が複数並設されると共に一方面側に当該圧力発生室内に液滴を吐出させるための圧力を付与する圧力発生手段が設けられた流路形成基板と、複数の前記圧力発生室に連通すると共に前記圧力発生室の並設方向の両端部に外側に向かって幅が漸小する漸小部を有するリザーバ部が形成されたリザーバ形成基板とを有し、
前記リザーバ部が、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる前記リザーバ形成基板を所定形状のマスクパターンを介して異方性エッチングすることによって形成され、当該リザーバ部の前記圧力発生室の長手方向に沿った壁面が（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面で構成されると共に、他の壁面がこの第１の（１１１）面と７０．５３°の角度をなす第２の（１１１）面を含む面で構成された液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記リザーバ部を形成する際、前記リザーバ形成基板をエッチングする前又はその途中に、前記リザーバ部の前記圧力発生室の長手方向に沿った壁面である前記第１の（１１１）面と前記圧力発生室側の壁面を構成する前記第２の（１１１）面との角部が鈍角となる一方の前記漸小部の先端部に、レーザ加工により当該リザーバ形成基板を厚さ方向に貫通する少なくとも一つの貫通孔を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
前記マスクパターンが、前記リザーバ部に対向する領域に複数の開口部を形成する補正パターンを有し、前記リザーバ部を形成する際に、前記開口部を介して前記リザーバ形成基板を異方性エッチングすることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記リザーバ部の前記一方の角部を形成する前記圧力発生室側の壁面を構成する前記第２の（１１１）面の長さが２００μｍ以下となるようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。