JP2007185832A - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズルの高密度化を可能にし、かつノズル間の圧力干渉を防止できる液滴吐出ヘッド及びその製造方法などを提供すること。
【解決手段】複数のノズル孔11を有したノズル基板1と、複数の吐出室31を有し、該吐出室31の圧力変動を利用して各吐出室31に対応したノズル孔11から液滴を吐出させるキャビティ基板3と、吐出室31と連通し、吐出室31に供給する液体を貯えるリザーバ23を有したリザーバ基板2とを備え、リザーバ基板2はその表裏面が面方位100のシリコン基板からなり、リザーバ23を構成する側壁25が、シリコン基板を両面からエッチングして得られた面方位111の傾斜壁からなるダイアフラムとなっている。
【選択図】図2
【解決手段】複数のノズル孔11を有したノズル基板1と、複数の吐出室31を有し、該吐出室31の圧力変動を利用して各吐出室31に対応したノズル孔11から液滴を吐出させるキャビティ基板3と、吐出室31と連通し、吐出室31に供給する液体を貯えるリザーバ23を有したリザーバ基板2とを備え、リザーバ基板2はその表裏面が面方位100のシリコン基板からなり、リザーバ23を構成する側壁25が、シリコン基板を両面からエッチングして得られた面方位111の傾斜壁からなるダイアフラムとなっている。
【選択図】図2
Description
本発明は、プリンタなどに使用される液滴吐出ヘッド、その製造方法及び液滴吐出装置に関する。
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用する方式等がある。
このようなインクジェットヘッドでは、印刷速度の高速化およびカラー化を目的として、ノズル列を複数有する構造のインクジェットヘッドが求められている。さらに、近年ノズル密度は高密度化するとともに、長尺化(1列当たりのノズル数の増加)しており、インクジェットヘッド内の吐出室の数はますます増加している。
インクジェットヘッドでは、各ノズル孔に共通に連通するリザーバが設けられているので、ノズル密度の高密度化に伴い、吐出室の圧力がリザーバにも伝わり、その圧力の影響が他のノズル孔にも及ぶことになる。例えば、アクチュエータを駆動することにより、リザーバに正圧がかかると、本来インク滴を吐出するべきノズル孔(駆動ノズル)以外の非駆動ノズルからもインク滴が漏れるクロストーク現象が生じたり、逆にリザーバに負圧がかかると駆動ノズルから吐出するべきインク滴の吐出量が減少したりして印字品質が劣化する。そこで、このようなノズル間の圧力干渉を防止するために、リザーバの圧力変動を緩衝させるためのダイアフラム部をノズル基板に設けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
インクジェットヘッドでは、各ノズル孔に共通に連通するリザーバが設けられているので、ノズル密度の高密度化に伴い、吐出室の圧力がリザーバにも伝わり、その圧力の影響が他のノズル孔にも及ぶことになる。例えば、アクチュエータを駆動することにより、リザーバに正圧がかかると、本来インク滴を吐出するべきノズル孔(駆動ノズル)以外の非駆動ノズルからもインク滴が漏れるクロストーク現象が生じたり、逆にリザーバに負圧がかかると駆動ノズルから吐出するべきインク滴の吐出量が減少したりして印字品質が劣化する。そこで、このようなノズル間の圧力干渉を防止するために、リザーバの圧力変動を緩衝させるためのダイアフラム部をノズル基板に設けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、従来のインクジェットヘッドでは、リザーバが吐出室と同一の基板(キャビティ基板)に形成される構造であるため、十分なリザーバ容積を取ることが難しく、クロストークが生じ易くなる。そこで特許文献1の場合には、ダイアフラム部をノズル基板に形成している。しかしながら、この構造では強度の低いダイアフラム部が外部に露出するため、ダイアフラム部を薄くするのにも限界があり、また保護カバー等が別途必要になる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、ノズルの高密度化を可能にし、かつノズル間の圧力干渉を防止できる液滴吐出ヘッド、その製造方法およびそれを備えた液滴吐出装置を提案することを目的とする。
本発明の液滴吐出ヘッドは、複数のノズル孔を有したノズル基板と、複数の吐出室を有し、該吐出室の圧力変動を利用して各吐出室に対応したノズル孔から液滴を吐出させるキャビティ基板と、前記吐出室と連通し、前記吐出室に供給する液体を貯えるリザーバを有したリザーバ基板とを備え、前記リザーバ基板はその表裏面が面方位100のシリコン基板からなり、前記リザーバを構成する側壁が、前記シリコン基板を両面からエッチングして得られた面方位111の傾斜壁からなるダイアフラムとなっているものである。この場合、液滴を吐出させる方式については特に問わない。なお、前記リザーバには、該リザーバから各吐出室に液体を供給する供給口が、各吐出室毎に設けられているのが好ましい。
この液滴吐出ヘッドは次のような効果を奏する。(i)リザーバのコンプライアンスを高め、インクジェット駆動時のクロストークを吸収できる。(ii)ダイアフラムの厚み精度が向上して、所望の圧力変動緩衝力が得られる。(iii)リザーバとダイアフラムとを同時にエッチングにより形成できるため、製造時間や製造コストを短縮できる。
前記リザーバは前記複数の吐出室が平行に並んでいる方向に沿って長く延びる形状に形成されており、該方向に沿って構成されている側壁が前記ダイアフラムとなっていることが好ましい。これにより、ダイアフラムとなる側壁の面積を大きくして、ダイアフラムの緩衝能力を大きくできるからである。
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、複数のノズル孔を有したノズル基板と、複数の吐出室を有し、該吐出室の圧力変動を利用して各吐出室に対応したノズル孔から液滴を吐出させるキャビティ基板と、前記吐出室と連通し、前記吐出室に供給する液体を貯えるリザーバを有したリザーバ基板とを接合する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記リザーバ基板に表裏面が面方位100のシリコン基板を用い、該シリコン基板の一方の面に前記リザーバをエッチング形成するためのパターニングを施し、前記シリコン基板の他方の面に前記リザーバの側壁を構成しかつダイアフラムとして作用するリザーバ側壁をエッチング形成するためのパターニングを施して、前記シリコン基板を両面からエッチングして前記リザーバと、前記リザーバ側壁とを形成するものである。
これによれば、ダイアフラムがシリコン基板の(111)面で形成されるため、ダイアフラムとして作用するリザーバ側壁を精度よく形成でき、リザーバの圧力変動緩衝力が向上する。また、リザーバとダイアフラムとを同時にエッチングして形成することもできるので、製造時間や製造コストを短縮できる。
これによれば、ダイアフラムがシリコン基板の(111)面で形成されるため、ダイアフラムとして作用するリザーバ側壁を精度よく形成でき、リザーバの圧力変動緩衝力が向上する。また、リザーバとダイアフラムとを同時にエッチングして形成することもできるので、製造時間や製造コストを短縮できる。
本発明の液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたものであり、インクジェット駆動時にクロストークが生じない、高性能の液滴吐出装置が得られる。
実施の形態1
図1は本発明の実施形態1に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図、図2は組付状態のインクジェットヘッドの断面図である。図1、図2に示す本実施形態に係るインクジェットヘッドは、従来の一般的な静電駆動方式のインクジェットヘッドのようにノズル基板、キャビティ基板、電極基板の3つの基板を貼り合わせた3層構造ではなく、ノズル基板1、リザーバ基板2、キャビティ基板3、電極基板4の4つの基板をこの順に貼り合わせた4層構造で構成されている。以下、各基板の構成について詳述する。
図1は本発明の実施形態1に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図、図2は組付状態のインクジェットヘッドの断面図である。図1、図2に示す本実施形態に係るインクジェットヘッドは、従来の一般的な静電駆動方式のインクジェットヘッドのようにノズル基板、キャビティ基板、電極基板の3つの基板を貼り合わせた3層構造ではなく、ノズル基板1、リザーバ基板2、キャビティ基板3、電極基板4の4つの基板をこの順に貼り合わせた4層構造で構成されている。以下、各基板の構成について詳述する。
ノズル基板1は、例えば厚さ約50μmのシリコン基板から作製されている。ノズル基板1には多数のノズル孔11が所定のピッチで設けられている。各ノズル孔11は、2つの孔径を備え、ノズル先端側が小さい孔径に、ノズル後端側がノズル先端側より大きな孔径になっている。各ノズル孔11は後述する複数の吐出室31にそれぞれ対応している。
リザーバ基板2は、例えば厚さ約180μmの表裏面の面方位が(100)のシリコン基板から作製されている。このリザーバ基板2には、リザーバ基板2を垂直に貫通し各ノズル孔11に独立して連通する複数のノズル連通孔21が設けられている。また、後述する複数の吐出室31に対して共通のリザーバ(共通インク室)23となる凹部が、ウェットエッチングにより形成されており、その内壁面は面方位が(111)となっている。リザーバ23となる凹部は、キャビティ基板3の吐出室31が複数並んでいる方向に長く延びた形状に形成されており、ノズル基板1と接合する側の面(以下、N面ともいう)がエッチングされて凹んだ形状になっている。また、吐出室31が平行に並んでいる方向に沿って対向して存在する2つのリザーバ構成壁のうち、吐出室31からより離れている側の側壁25は、その裏面側もウェットエッチングにより形成されて面方位が(111)の薄い傾斜壁となっている。そして、この傾斜した側壁25がリザーバ23内の圧力変動を緩衝させる作用を果たすダイアフラムとなっている。
リザーバ23となる凹部の底部には、リザーバ23と後述する各吐出室31とをそれぞれ連通している複数の供給口22と、外部からリザーバ23にインクを供給するためのインク供給孔27とが設けられている。
また、リザーバ基板2のキャビティ基板3と接合する側の面(以下、C面ともいう)には、次に述べるキャビティ基板3の吐出室31の一部を構成する細溝状の第2の凹部28が形成されている。第2の凹部28は、キャビティ基板3を薄くすることによる吐出室31での流路抵抗の増加を防ぐために設けられている。なお、この第2の凹部28は必ずしも必要なものではない。
さらに、リザーバ基板2には、中央部に後述するICドライバ5を収容する空間としてのIC収容口51が開口され、端部にそのICドライバから延びる電極基板4の配線の接続端部(ケーブル接続部となる部分)を開放する配線取出口52が開口されている。
なお、図示は省略するが、リザーバ基板2の全面にはインクによるシリコンの腐食を防ぐために、例えば熱酸化膜(SiO2膜)からなるインク保護膜が形成されている。
また、リザーバ基板2のキャビティ基板3と接合する側の面(以下、C面ともいう)には、次に述べるキャビティ基板3の吐出室31の一部を構成する細溝状の第2の凹部28が形成されている。第2の凹部28は、キャビティ基板3を薄くすることによる吐出室31での流路抵抗の増加を防ぐために設けられている。なお、この第2の凹部28は必ずしも必要なものではない。
さらに、リザーバ基板2には、中央部に後述するICドライバ5を収容する空間としてのIC収容口51が開口され、端部にそのICドライバから延びる電極基板4の配線の接続端部(ケーブル接続部となる部分)を開放する配線取出口52が開口されている。
なお、図示は省略するが、リザーバ基板2の全面にはインクによるシリコンの腐食を防ぐために、例えば熱酸化膜(SiO2膜)からなるインク保護膜が形成されている。
リザーバ基板2を貫通するノズル連通孔21は、ノズル基板1のノズル孔11と同軸上に設けられているので、インク滴の吐出の直進性が得られ、そのため吐出特性が格段に向上するものとなる。特に、微小なインク滴を狙い通りに着弾させることができるため、色ずれ等を生じることなく微妙な階調変化を忠実に再現することができ、より鮮明で高品位の画質を実現することができる。
キャビティ基板3は、例えば厚さ約50μmのシリコン基板から作製されている。このキャビティ基板3にはノズル連通孔21のそれぞれに独立して連通する吐出室31となる第1の凹部33が設けられている。この例では、この第1の凹部33とリザーバ基板2の第2の凹部28とで各吐出室31が区画形成されている。また、吐出室31を構成する第1の凹部33の底壁が可撓性を有し変形可能な振動板32を構成している。振動板32は、シリコンに高濃度のボロンを拡散することにより形成されるボロン拡散層により構成するのが好ましい。ボロン拡散層はウェットエッチングの際に、エッチングストップを十分に働かせることができるので、振動板32の厚さや面荒れを精度よく調整することができるからである。
キャビティ基板3の少なくとも下面には、例えばTEOS(Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)を原料としたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長法)によるSiO2膜からなる絶縁膜(図示せず)が、例えば0.1μmの厚さで形成されている。この絶縁膜は、インクジェットヘッドの駆動時における絶縁破壊や短絡を防止するために設けられている。キャビティ基板3の上面にはリザーバ基板2と同様のインク保護膜(図示せず)が形成されている。また、キャビティ基板3にはリザーバ基板2のインク供給孔27に連通するインク供給孔35が設けられている。
さらに、キャビティ基板3にも、中央部に後述するICドライバを収容する空間としてのIC収容口51Aが開口され、端部にそのICドライバから延びる電極基板4の配線の接続端部を開放する配線取出口52Aが開口されている。なお、キャビティ基板3には、キャビティ基板3を電源などへ電気的に接続する共通電極36も設けられている。
さらに、キャビティ基板3にも、中央部に後述するICドライバを収容する空間としてのIC収容口51Aが開口され、端部にそのICドライバから延びる電極基板4の配線の接続端部を開放する配線取出口52Aが開口されている。なお、キャビティ基板3には、キャビティ基板3を電源などへ電気的に接続する共通電極36も設けられている。
電極基板4は、例えば厚さ約1mmのガラス基板から製作されている。中でも、キャビティ基板3となるシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにより、電極基板4とシリコン基板を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板4とシリコン基板との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく、電極基板4とシリコン基板を強固に接合することができるからである。
電極基板4には、キャビティ基板3の各振動板32に対向する表面の位置にそれぞれ凹部42が設けられている。各凹部42は、エッチングにより例えば約0.2μmの深さで形成されている。そして、各凹部42の底面には、一般に、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極41が、例えば0.1μmの厚さでスパッタにより形成されている。したがって振動板32と個別電極41との間に形成されるギャップ(振動板32の動作空間)16は、本実施形態の場合、0.1μmとなっている。このギャップ16の開放端部は、エポキシ接着剤等からなる封止材43により気密に封止される。これにより異物や湿気等がギャップ16へ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッドの信頼性を高く保持することができる。
なお、個別電極41の材料はITOに限定するものではなく、IZO(Indium Zinc Oxide)あるいは金、銅等の金属を用いてもよい。ただ、ITOは透明であるので振動板の当接具合の確認が行いやすいことなどの理由から、一般にはITOが用いられている。
なお、個別電極41の材料はITOに限定するものではなく、IZO(Indium Zinc Oxide)あるいは金、銅等の金属を用いてもよい。ただ、ITOは透明であるので振動板の当接具合の確認が行いやすいことなどの理由から、一般にはITOが用いられている。
また、個別電極41の一方の端部は電極端子部41aとなっており、リザーバ基板2およびキャビティ基板3のIC収容口51,51Aに対応する領域で、動作制御用のICドライバ5と接続されている。
さらに、ICドライバ5に対する信号線や電源線が、リザーバ基板2およびキャビティ基板3の配線取出口52,52Aの領域まで配線され、そこで露出した状態とされる。そして、その配線の露出部が外部機器との接続に供される接続端部44となっている。接続端部44には、例えばFPC(Flexible Printed Circuit)のコネクタ部が接続され、それを介してICドライバ5が、駆動回路を有した外部機器などに接続される。
さらに、ICドライバ5に対する信号線や電源線が、リザーバ基板2およびキャビティ基板3の配線取出口52,52Aの領域まで配線され、そこで露出した状態とされる。そして、その配線の露出部が外部機器との接続に供される接続端部44となっている。接続端部44には、例えばFPC(Flexible Printed Circuit)のコネクタ部が接続され、それを介してICドライバ5が、駆動回路を有した外部機器などに接続される。
電極基板4にはインクカートリッジ(図示せず)に接続されるインク供給孔45が設けられている。インク供給孔45は、キャビティ基板3に設けられたインク供給孔35およびリザーバ基板2に設けられたインク供給孔27を通じてリザーバ23に連通している。
ここで、上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作について概要を説明する。なお、インクジェットヘッドには、外部のインクカートリッジからインクがインク供給孔45、35、27を通じてリザーバ23内に供給され、さらにインクは個々の供給口22からそれぞれの吐出室31、ノズル連通孔21を経てノズル孔11の先端まで満たされている。また、キャビティ基板3の共通電極36と電極基板の接続端部44とが、FPCを介して別体の駆動回路に接続されて、振動板31と個別電極41との電極間に、電荷を付加できる状態となっているものとする。なお、各個別電極41への電圧供給はICドライバ5により制御される。ICドライバ5は、例えば24kHzで発振し、個別電極41に0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。例えば、個別電極41に電荷を供給してプラスに帯電させると、振動板32はマイナスに帯電し、静電気力により個別電極41側に引き寄せられて撓む。これによって吐出室31の容積が増大する。次に、その電荷供給を停止すると、静電気力がなくなり振動板32はその弾性力により元に戻る。その際、吐出室31の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により、吐出室31内のインクの一部がノズル連通孔21を通過しインク滴となってノズル孔11から吐出される。そして、再びパルス電圧が印加され、振動板32が個別電極41側に撓むことにより、インクがリザーバ23から供給口22を通って吐出室31内に補給される。
上記のようなインクジェットヘッドの駆動時において、吐出室31の圧力変動はリザーバ23にも伝達される。しかし、リザーバ23の側壁25がダイアフラムとして形成されているため、リザーバ23が正圧になると、そのダイアフラムはリザーバ23の空間を広げる方向に撓み、逆にリザーバ23が負圧になるとダイアフラムはリザーバ23の空間を狭める方向に撓む。このため、リザーバ23内における圧力変動を緩衝することができ、吐出室31間の圧力干渉を防止することができる。そのため、駆動ノズル以外の非駆動ノズルからインクが漏れ出たり、駆動ノズルから吐出に必要な吐出量が減少するといったような不具合をなくすことができる。
なお、リザーバ23は複数の吐出室31が平行に並んでいる方向に沿って長く延びる形状に形成されており、該方向に沿って構成されている側壁25をダイアフラムとしているので、ダイアフラムの面積が大きく取れ、リザーバ23の緩衝能力が向上している。
なお、リザーバ23は複数の吐出室31が平行に並んでいる方向に沿って長く延びる形状に形成されており、該方向に沿って構成されている側壁25をダイアフラムとしているので、ダイアフラムの面積が大きく取れ、リザーバ23の緩衝能力が向上している。
図3、図4は上記のリザーバ基板2の製造方法の一例を示す製造工程図である。これらの図の(a)〜(p)に従って、リザーバ基板2の製造方法を順に説明する。なお、以下に示す各種条件は一例であり、それらの条件に限定されるものではない。
(a)(100)を面方位とするシリコン基板200の表裏両面を鏡面研磨し、180μmの厚みの基板を作製する。次に、酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で4時間酸化して、シリコン基板200の両面に約1.2μmのSiO2膜201を成膜する。
(b)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、ノズル連通孔21のレジストパターニングを片側に施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜をパターニング201する。そしてレジストを剥離する。
(c)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、リザーバ23を吐出室31へ連通させるための供給口22、キャビティ基板側からインクを取り込むインク供給孔27、IC収容口51(工程図3、4では図示せず)および配線取出口52(工程図3、4では図示せず)のレジストパターニングをノズル連通孔21と同じ面に施し、ふっ酸水溶液で約0.8μmエッチングして、それらの部分にSiO2膜201が約0.4μm残るようにパターニングする。そしてレジストを剥離する。
(a)(100)を面方位とするシリコン基板200の表裏両面を鏡面研磨し、180μmの厚みの基板を作製する。次に、酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で4時間酸化して、シリコン基板200の両面に約1.2μmのSiO2膜201を成膜する。
(b)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、ノズル連通孔21のレジストパターニングを片側に施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜をパターニング201する。そしてレジストを剥離する。
(c)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、リザーバ23を吐出室31へ連通させるための供給口22、キャビティ基板側からインクを取り込むインク供給孔27、IC収容口51(工程図3、4では図示せず)および配線取出口52(工程図3、4では図示せず)のレジストパターニングをノズル連通孔21と同じ面に施し、ふっ酸水溶液で約0.8μmエッチングして、それらの部分にSiO2膜201が約0.4μm残るようにパターニングする。そしてレジストを剥離する。
(d)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、第2の凹部28のレジストパターニングをノズル連通孔21と同じ面に施し、ふっ酸水溶液で約0.5μmエッチングして、第2の凹部28にSiO2膜201が約0.7μm残るようにパターニングする。そしてレジストを剥離する。
(e)ICPドライエッチング装置を用いて、ノズル連通孔21の深さが約70μmになるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約130サイクル行う。
(f)パターニングを施した面と反対面にレジストを塗布する。そして、ふっ酸水溶液にシリコン基板200を浸し、供給口22、インク供給孔27、IC収容口および配線取出口に残っているSiO2膜201をエッチングする。そしてレジストを剥離する。
(e)ICPドライエッチング装置を用いて、ノズル連通孔21の深さが約70μmになるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約130サイクル行う。
(f)パターニングを施した面と反対面にレジストを塗布する。そして、ふっ酸水溶液にシリコン基板200を浸し、供給口22、インク供給孔27、IC収容口および配線取出口に残っているSiO2膜201をエッチングする。そしてレジストを剥離する。
(g)ICPドライエッチング装置を用いて、供給口22、インク供給孔27、IC収容口および配線取出口の深さが約20μm(ノズル連通孔21は深さ約90μm)になるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約50サイクル行う。
(h)パターニングを施した面と反対面にレジストを塗布する。そして、ふっ酸水溶液にシリコン基板200を浸し、第2の凹部28に残っているSiO2膜をエッチングする。そしてレジストを剥離する。
(h)パターニングを施した面と反対面にレジストを塗布する。そして、ふっ酸水溶液にシリコン基板200を浸し、第2の凹部28に残っているSiO2膜をエッチングする。そしてレジストを剥離する。
(i)ICPドライエッチング装置を用いて、第2吐出室28の深さが約10μm(ノズル連通孔21の深さが約100μm、供給口22、インク供給孔27、IC収容口および配線取出口の深さ約30μm)になるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約25サイクル行う。
(j)ドライエッチングを行った面と反対面にレジストを塗布し、ノズル連通孔21のレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜201をパターニングする。そしてレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングを行った面に残っていたSiO2膜201は全て除去される。
(j)ドライエッチングを行った面と反対面にレジストを塗布し、ノズル連通孔21のレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜201をパターニングする。そしてレジストを剥離する。このとき、ドライエッチングを行った面に残っていたSiO2膜201は全て除去される。
(k)ICPドライエッチング装置を用いて、ノズル連通孔21を約80μmエッチングし、ノズル連通孔21を貫通させる。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約150サイクル行う。
(l)シリコン基板200をふっ酸水溶液に浸し、残っているSiO2膜201を全て除去する。その後、酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で8時間酸化して、シリコン基板200の表面に約1.7μmのSiO2膜201を成膜する。
(m)シリコン基板200のドライエッチングを行った面に、レジストを塗布し、ダイアフラムとなるリザーバ23の側壁を形成するV溝25a形成用のレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜201をパターニングする。そしてレジストを剥離する。
レジストを塗布する際には、貫通しているノズル連通孔21からレジストが抜けていかないように塗布する面と反対面に材質がポリエステルのテープを貼り、ノズル連通孔21を塞ぐ。ポリエステルのテープは、ふっ酸水溶液に難溶であるため、反対面のSiO2膜がエッチングされることは無い。
(l)シリコン基板200をふっ酸水溶液に浸し、残っているSiO2膜201を全て除去する。その後、酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で8時間酸化して、シリコン基板200の表面に約1.7μmのSiO2膜201を成膜する。
(m)シリコン基板200のドライエッチングを行った面に、レジストを塗布し、ダイアフラムとなるリザーバ23の側壁を形成するV溝25a形成用のレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜201をパターニングする。そしてレジストを剥離する。
レジストを塗布する際には、貫通しているノズル連通孔21からレジストが抜けていかないように塗布する面と反対面に材質がポリエステルのテープを貼り、ノズル連通孔21を塞ぐ。ポリエステルのテープは、ふっ酸水溶液に難溶であるため、反対面のSiO2膜がエッチングされることは無い。
(n)シリコン基板200のドライエッチングを行った面と反対面に、レジストを塗布し、リザーバ23、IC収容口、配線取出口を形成するためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、パターニングする。そしてレジストを剥離する。この場合も、工程(m)と同様にレジストを塗布する際には、貫通しているノズル連通孔21からレジストが抜けていかないように塗布する面と反対面に材質がポリエステルのテープを貼り、穴を塞ぐ。
(o)シリコン基板200を25w%の水酸化カリウム水溶液に浸し、リザーバ23、ダイアフラムとなるリザーバ23の側壁25、IC収容口、配線取出口をエッチングにより形成する。リザーバ23、IC収容部および配線取出口は、図示のシリコン基板200の上側面からエッチングされ、底部に反対面のSiO2膜が出てくるまでエッチングを行う。これらのエッチング部の内壁面の面方位は(111)面となる。
同時に、図示のシリコン基板200の下側面から、リザーバ23の側壁25外側面を形成するエッチングが進行し、面方位(111)面で構成されるV溝25aが形成される。これらにより、リザーバ23の凹部とこのV溝25aとにより、傾斜した側壁25が形成される。従って、V溝25aの位置を変えることで、所望の可撓性を有した圧力緩衝用ダイアフラムの側壁25を得ることができる。
なお、この工程のシリコン基板200の上下(又は表裏)両面のエッチングは、それら両面を同時にエッチングするのが効率的であるが、片面づつ順にエッチングしてもよい。(p)シリコン基板200をふっ酸水溶液に浸し、全面のSiO2膜を剥離する。これにより、リザーバ基板2が完成する。
(o)シリコン基板200を25w%の水酸化カリウム水溶液に浸し、リザーバ23、ダイアフラムとなるリザーバ23の側壁25、IC収容口、配線取出口をエッチングにより形成する。リザーバ23、IC収容部および配線取出口は、図示のシリコン基板200の上側面からエッチングされ、底部に反対面のSiO2膜が出てくるまでエッチングを行う。これらのエッチング部の内壁面の面方位は(111)面となる。
同時に、図示のシリコン基板200の下側面から、リザーバ23の側壁25外側面を形成するエッチングが進行し、面方位(111)面で構成されるV溝25aが形成される。これらにより、リザーバ23の凹部とこのV溝25aとにより、傾斜した側壁25が形成される。従って、V溝25aの位置を変えることで、所望の可撓性を有した圧力緩衝用ダイアフラムの側壁25を得ることができる。
なお、この工程のシリコン基板200の上下(又は表裏)両面のエッチングは、それら両面を同時にエッチングするのが効率的であるが、片面づつ順にエッチングしてもよい。(p)シリコン基板200をふっ酸水溶液に浸し、全面のSiO2膜を剥離する。これにより、リザーバ基板2が完成する。
図5、図6は実施の形態1のインクジェットヘッドの製造方法の一例を示す工程図である。これらの図の(1)〜(8)に従って、インクジェットヘッドの製造方法を順に説明する。なお、実際には、シリコンウェハから複数個分のインクジェットヘッドの部材を同時形成するが、図5、図6ではその一部分だけを示している。
(1)約1mmのガラス基板400に対し、個別電極41を成膜するための深さ0.2μmの凹部42を形成する。凹部42形成後、例えばスパッタリング法を用いて0.1μmの厚さの個別電極41を形成する。また、ICドライバ5を装着するための電極端子部、ICドライバ5に対する信号や電源の引き出し線およびその接続端部も形成される。その後、インク供給口45をサンドブラスト法または切削加工により形成して、電極基板4とする。
(2)(110)を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板300の片面を鏡面研磨した220μmの厚みの基板を作製する。そのシリコン基板300の鏡面側に、振動板31の厚みと同等の高濃度ボロンドープ層を形成する(図示せず)。そして、そのボロンドープ層の表面にTEOS絶縁膜を0.1μm成膜する(図示せず)。
(2)(110)を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板300の片面を鏡面研磨した220μmの厚みの基板を作製する。そのシリコン基板300の鏡面側に、振動板31の厚みと同等の高濃度ボロンドープ層を形成する(図示せず)。そして、そのボロンドープ層の表面にTEOS絶縁膜を0.1μm成膜する(図示せず)。
その後、シリコン基板300と電極基板4を360℃に加熱した後、電極基板4に負極、シリコン基板300に正極を接続して、800Vの電圧を印加してそれらの基板を陽極接合する。なお、シリコン基板300のTEOS絶縁膜と電極基板4の個別電極41との間には、凹部42に起因するギャップ16が形成される。
(3)陽極接合後、シリコン基板300の表面を、その厚みが約60μmになるまで研削加工を行う。その後、加工変質層を除去する為に、32w%の濃度の水酸化カリウム溶液でシリコン基板300を約10μmエッチングする。これによりシリコン基板300の厚みは約50μmとなる。
(4)電極基板4とシリコン基板300との接合済み基板を水酸化カリウム水溶液を用いてエッチングし、シリコン基板300に吐出室31を形成する。このエッチング工程では、ボロンドープ層でのエッチングレートの低下を利用してエッチングをストップさせる。これにより、吐出室31の底面を構成する振動板32の面荒れを抑制し、その厚み精度を0.80±0.05μm以下にして、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。
また、シリコン基板300には、インク供給孔35、IC収容口51A、封止穴53、配線取出口などの貫通部を形成し、キャビティ基板3とする。これらの貫通部は、まずウェットエッチングにより薄膜とした後、シリコン基板300表面にそれら貫通部分が開口したシリコンマスクを取り付けて、RIEドライエッチングを行い、それらの貫通穴部のみにプラズマを当てて、薄膜を除去し開口する。
(4)電極基板4とシリコン基板300との接合済み基板を水酸化カリウム水溶液を用いてエッチングし、シリコン基板300に吐出室31を形成する。このエッチング工程では、ボロンドープ層でのエッチングレートの低下を利用してエッチングをストップさせる。これにより、吐出室31の底面を構成する振動板32の面荒れを抑制し、その厚み精度を0.80±0.05μm以下にして、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。
また、シリコン基板300には、インク供給孔35、IC収容口51A、封止穴53、配線取出口などの貫通部を形成し、キャビティ基板3とする。これらの貫通部は、まずウェットエッチングにより薄膜とした後、シリコン基板300表面にそれら貫通部分が開口したシリコンマスクを取り付けて、RIEドライエッチングを行い、それらの貫通穴部のみにプラズマを当てて、薄膜を除去し開口する。
(5)接合済み基板を乾燥し、ギャップ16内部の水分を除去した後、エポキシなどの封止材43を封止穴53に流し込み、ギャップ16を封止する。これによって、ギャップ16は密閉状態となる。
(6)続いて、先に製作しておいたリザーバ基板2をエポキシ系接着剤により、キャビティ基板3接着する。
(7)IC収容口51,51Aを利用して、電極基板4の電極端子部41aにICドライバ5を実装する。
(8)ノズル基板1をエポキシ系接着剤によりリザーバ基板2に接着する。そして、ダイシングを行い、個々のヘッドに切断し、インクジェットヘッドとする。
(6)続いて、先に製作しておいたリザーバ基板2をエポキシ系接着剤により、キャビティ基板3接着する。
(7)IC収容口51,51Aを利用して、電極基板4の電極端子部41aにICドライバ5を実装する。
(8)ノズル基板1をエポキシ系接着剤によりリザーバ基板2に接着する。そして、ダイシングを行い、個々のヘッドに切断し、インクジェットヘッドとする。
以上の液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、シリコン基板300と電極基板4とを接合した後に、シリコン基板300に吐出室等の各部位を形成してキャビティ基板3としているため、シリコン基板300の取り扱いが容易となる。これにより、シリコン基板300の割れを低減することができ、その基板の大口径化が可能となる。大口径化が可能となれば、一枚の基板から多くの液滴吐出ヘッドを取出すことができ、生産性を向上させることができる。
また、キャビティ基板3より厚いリザーバ基板2にリザーバ23となる凹部を形成してキャビティ基板3に積層するため、リザーバ23の流路抵抗を低くし、吐出能力の向上並びにヘッドの小型化が可能となる。
さらに、表裏面の面方位が100のリザーバ基板2を利用し、その両面からウェットエッチングを行って、リザーバ23とそれを構成するダイアフラムとして作用する側壁25を形成するので、リザーバ23の容積やダイアフラムの厚みを精度良く形成できる。それはエッチングがシリコン基板の(111)面に沿って進行するためである。そして、このように高精度で形成されたリザーバ23やダイアフラムにより、リザーバ23のコンプライアンスが向上し、インクジェット駆動時のクロストークを防止することが可能となる。
また、キャビティ基板3より厚いリザーバ基板2にリザーバ23となる凹部を形成してキャビティ基板3に積層するため、リザーバ23の流路抵抗を低くし、吐出能力の向上並びにヘッドの小型化が可能となる。
さらに、表裏面の面方位が100のリザーバ基板2を利用し、その両面からウェットエッチングを行って、リザーバ23とそれを構成するダイアフラムとして作用する側壁25を形成するので、リザーバ23の容積やダイアフラムの厚みを精度良く形成できる。それはエッチングがシリコン基板の(111)面に沿って進行するためである。そして、このように高精度で形成されたリザーバ23やダイアフラムにより、リザーバ23のコンプライアンスが向上し、インクジェット駆動時のクロストークを防止することが可能となる。
実施の形態2
図7は実施の形態1の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を用いた液滴吐出装置の概略構成図である。図7の液滴吐出装置はインクジェット方式による印刷を目的とするプリンタである。図7において、被印刷物であるプリント紙110が支持されるドラム101と、プリント紙110にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド102とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド102にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙110は、ドラム101の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ103により、ドラム101に圧着して保持される。そして、送りネジ104がドラム101の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド102が保持されている。送りネジ104が回転することによって液滴吐出ヘッド102がドラム101の軸方向に移動するようになっている。
図7は実施の形態1の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を用いた液滴吐出装置の概略構成図である。図7の液滴吐出装置はインクジェット方式による印刷を目的とするプリンタである。図7において、被印刷物であるプリント紙110が支持されるドラム101と、プリント紙110にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド102とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド102にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙110は、ドラム101の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ103により、ドラム101に圧着して保持される。そして、送りネジ104がドラム101の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド102が保持されている。送りネジ104が回転することによって液滴吐出ヘッド102がドラム101の軸方向に移動するようになっている。
一方、ドラム101は、ベルト105等を介してモータ106により回転駆動される。また、プリント制御手段107は、印画データ及び制御信号に基づいて送りネジ104、モータ106を駆動させ、また、図示していない発振駆動回路を駆動させて振動板4を振動させ、プリント紙110に印刷を行わせる。
なお、実施の形態1、2ではインクを吐出する液滴吐出ヘッドの例を示したが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、染料や顔料を含む液体、有機EL等の表示基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッドをディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、DNA(Deoxyribo Nucleic Acids :デオキシリボ核酸)、他の核酸(例えば、Ribo Nucleic Acid:リボ核酸、Peptide Nucleic Acids:ペプチド核酸等)タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。
1 ノズル基板、2 リザーバ基板、3 キャビティ基板、4 電極基板、5 ICドライバ、11 ノズル孔、16 ギャップ、21 ノズル連通孔、22 供給口、23 リザーバ、25 側壁(ダイアフラム)、27 インク供給孔、28 第2の凹部、31 吐出室、32 振動板、33 第1の凹部、35 インク供給孔、36 共通電極、41 個別電極、41a 電極端子部、42 電極基板の凹部、43 封止材、44 接続端部(ケーブル接続部)、45 インク供給孔、51,51A IC収容口、52,52A 配線取出口。
Claims (6)
- 複数のノズル孔を有したノズル基板と、
複数の吐出室を有し、該吐出室の圧力変動を利用して各吐出室に対応したノズル孔から液滴を吐出させるキャビティ基板と、
前記吐出室と連通し、前記吐出室に供給する液体を貯えるリザーバを有したリザーバ基板とを備え、
前記リザーバ基板はその表裏面が面方位100のシリコン基板からなり、前記リザーバを構成する側壁が、前記シリコン基板を両面からエッチングして得られた面方位111の傾斜壁からなるダイアフラムとなっていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記リザーバには、該リザーバから各吐出室に液体を供給する供給口が、各吐出室毎に設けられていることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記リザーバは前記複数の吐出室が平行に並んでいる方向に沿って長く延びる形状に形成されており、該方向に沿って構成されている側壁が前記ダイアフラムとなっていることを特徴とする請求項1または2記載の液滴吐出ヘッド。
- 複数のノズル孔を有したノズル基板と、
複数の吐出室を有し、該吐出室の圧力変動を利用して各吐出室に対応したノズル孔から液滴を吐出させるキャビティ基板と、
前記吐出室と連通し、前記吐出室に供給する液体を貯えるリザーバを有したリザーバ基板とを接合する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記リザーバ基板に表裏面が面方位100のシリコン基板を用い、該シリコン基板の一方の面に前記リザーバをエッチング形成するためのパターニングを施し、前記シリコン基板の他方の面に前記リザーバの側壁を構成しかつダイアフラムとして作用するリザーバ側壁をエッチング形成するためのパターニングを施して、前記シリコン基板を両面からエッチングして前記リザーバと、前記リザーバ側壁とを形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記シリコン基板のエッチングを両面から同時に行うことを特徴とする請求項4記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項1または2記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
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