JP2008062414A

JP2008062414A - インクジェットヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2008062414A
Application number: JP2006239965A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Ueno; 修敬上野; Shigekazu Sakai; 繁一坂井
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】本発明は、少なくとも３枚の基板の陽極接合を行う場合に、生産性が高く、加わる熱量を最小限に抑えてインクジェットヘッドに歪みが発生することを防止できる陽極接合法にて接合する工程を有するインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】少なくとも３枚の基板を重ね合わせた後、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合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の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェットヘッドの製造方法に関する。

従来、半導体基板同士や半導体基板とガラス基板とを接合するための種々の技術が知られている。例えばマイクロマシニング分野においては、シリコンウエハとホウケイ酸ガラス基板とを接触させ、この状態で陽極接合により半導体基板とガラス基板とを接合する技術があり、この技術によりインクジェットヘッドを製造する試みがなされている（特許文献１参照）。

特許文献１には、第１及び第２基板とを密着させた状態で保持し、その上方に第３基板を非接触状態で保持し、前記第１乃至第３の基板を加熱昇温後、前記第１及び第２基板間の第１の陽極接合を行い、その後に前記第３基板を前記第２基板面上に押圧下降させ、前記第３基板と前記第２基板間の第２の陽極接合を行う工程を有するインクジェットヘッドの製造方法が開示されている。
特開平１１−１９２７１２号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法は、各基板を異なるタイミングで陽極接合法にて接合するため、陽極接合を２回行わなければならず、手間がかかり、生産性が低下する欠点を有している。

また、陽極接合時の加熱を２回分行わなければならず、各基板に加わる熱量が増大し、インクジェットヘッドに歪みが発生してしまう場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、少なくとも３枚の基板の陽極接合を行う場合に、生産性が高く、加わる熱量を最小限に抑えてインクジェットヘッドに歪みが発生することを防止できる陽極接合法にて接合する工程を有するインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の上記課題は、以下の構成により達成される。
１．
少なくとも３枚の基板を重ね合わせた後、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合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の製造方法。
２．
少なくとも３枚の基板は、シリコン基板あるいはガラス基板からなり、シリコン基板とガラス基板を交互に重ね合わせた後、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合する工程を有することを特徴とする前記１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
３．
３枚の基板は、シリコン基板あるいはガラス基板からなり、シリコン基板、ガラス基板、シリコン基板の順に重ね合わせた後、３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合する工程を有することを特徴とする前記２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
４．
少なくとも１枚の基板の一部に切り欠き部を設けて、該切り欠き部を介して陽極接合用の電極を取り出すことを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。

本発明によれば、１回の陽極接合にて少なくとも３枚の基板の陽極接合が完了するため、接合時間を大幅に短縮することがで、生産性が向上する。例えば、１回の陽極接合にてインクジェットヘッド全体の接合が完了することも可能になる。

また、陽極接合時に基板に加わる熱量を最小限に抑えることができるため、インクジェットヘッドに歪みが発生することを防止できる。

＜第１の実施の形態＞
以下に、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、少なくとも３枚の基板を重ね合わせた後、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合する工程を有することを特徴とする。

本実施形態では、インクジェットヘッドとして静電吸引式インクジェットヘッド（以下、インクジェットヘッドと記す場合がある。）の例を説明する。

図１（ａ）は本実施形態の静電吸引式インクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の静電吸引式インクジェットヘッドの組み立てられた状態の斜視図である。図２は、図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

なお、図２においては、便宜上、ノズルが２個分についての構成しか図示されていないが、本実施形態のインクジェットヘッドは、図１に示すように９個のノズルが所定のピッチで１列に配置された構成になっている。ここで、インクジェットヘッドのノズル列は、１列に限定されるものではなく、例えば、複数のノズルが所定のピッチで２列に配置された構成でもよい。また、インクジェットヘッドのノズルの数についても、９個に限定されるものではない。

図１，２に示すように、本実施形態の静電吸引式インクジェットヘッドは、ノズル形成基板１と、溝形成基板２（以下、シリコン基板２と記す場合がある、）と、圧電素子３、補強部材５０とを備える。

ノズル形成基板１は、シリコン基板４とガラス基板５とを接合した複合基板である。シリコン基板４には、貫通孔６と切り欠き部１００が設けられている。シリコン基板４の貫通孔６の内径は軸方向について一定である。ガラス基板５には貫通孔７が設けられている。ガラス基板５の貫通孔７の内径は軸方向について一定であり、シリコン基板４の貫通孔６の内径より大きい。

溝形成基板２は、シリコン基板であり、これにガラス基板５を被せて接合することで、インク加圧室１５となるインク加圧室溝１３、インク供給路となるインク供給路溝２０３、共通インク室となる共通インク室溝２０２、及びインク供給口２０１が形成されている。溝形成基板２とガラス基板５とは陽極接合法により接合され、インク供給口、共通インク室、インク供給路、及びインク加圧室１５とでインク加圧室１５を含むインク流路が形成されている。

インク流路の一端は、インク加圧室１５で構成されており、他端のインク供給口２０１まで形成されている。インク加圧室１５はノズル１０の流入口１１直前に配置されており、ノズル１０にインクを供給する流路の一部となっている。また、流入口１１に対向するインク加圧室１５の底部は薄膜１６で構成されている。薄膜１６のインク加圧室１５の外側となる面には圧電素子３が付設されており、圧電素子３の駆動によって薄膜１６が変形し、インク加圧室１５の容積を変化させる。インク加圧室１５の容積変化によりノズル１０に形成されるメニスカスが変化する。

圧電素子３としては、加圧力のみにより吐出するインクジェットヘッドに多用されているＰＺＴを用いても良いが、静電吸引式インクジェットヘッドの場合、吐出力は主に静電吸引力で発生させ、圧電素子３はメニスカスを制御できるだけの圧力を発生できればよいので、圧電素子３としては、ＰＺＴより圧電定数の弱い圧電材料を適用しても良い。

本実施形態に拘わらず、貫通孔６及び／又は貫通孔７を吐出口１２に近い断面ほど面積が減少する先細り形状に形成しても良い。貫通孔６と貫通孔７の連結部においては貫通孔７の径は貫通孔６の径と同一又はそれ以上とする。

更に、シリコン基板２のガラス基板５が接合された面と反対側の面に補強部材５０が接着される。

図１に示すように、補強部材５０は圧力室及び圧電素子３が配置された領域、インク供給口２０１並びに個々の圧力室を隔てる隔壁が配置された領域を包含する第１領域を開放する開口５０１を有し、第１領域を囲む第２領域を覆う枠状の部材として形成される。

補強部材５０は、アルミ、ステンレス、ガラス等高い剛性を有する材料からなり、厚さ２００〜５００μｍを有する。補強部材５０が２００μｍよりも薄いと補強機能が十分でない。また、補強部材５０は板材料から機械加工により所望のサイズに成型されるとともに、開口５０１も機械加工により形成される。

補強部材５０を設けることにより、複数の圧電素子３を同時駆動した場合に生ずる、駆動効率の低下にようインク吐出特性の変化、駆動していない圧力室の隔壁が変位するクロストーク、駆動する圧力室の数によりインクの吐出特性が変化する、等の望ましくない現象が効果的に防止される。

本静電吸引式インクジェットヘッドは、以上のノズル１０、インク加圧室１５及び圧電素子３の構成が多数設けられた多ノズルヘッドである。図示しない対向電極板上に記録基板が保持され、インク吐出動作は次ぎのように行われる。

静電吸引のためには、インクそのものから電極をとる（アース）必要がある。

本実施形態では、図１におけるインク供給口２０１にインク供給管を接続するか、あるいは、共通インク室よりも大容量のインクを貯留可能な箱形状のインクマニホールドを、インク供給口２０１を覆うようにして更に接合し、インクマニホールドにインク供給管を接続することにより吐出対象のインクをインク流路を通して各ノズル１０まで供給する。

インク供給管の中に細いワイヤー電極を入れて直にアースを取るか、あるいは、インクマニホールドを金属材料で構成し、マニホールドを電極としてアースを取っており、ワイヤー電極あるいは、マニホールド（電極）が、ノズル１０に供給されるインクに接触し帯電させる。吐出対象の帯電したインクをインク流路を通して各ノズル１０まで供給する。

インクと対向電極との間の電圧が所定の吐出電圧より低い状態において、圧電素子３を駆動して吐出動作させるノズルに形成されるメニスカスを吐出電圧下で飛翔する程度の凸に制御し、吐出動作させないノズルに形成されるメニスカスは、吐出電圧下で飛翔しない程度の水準に制御しておく。その上で、インクと対向電極との間に吐出電圧を印加し、吐出動作させるノズルとして選択されたノズルから液滴を静電吸引力によって吐出し、対向電極上の記録基板に着弾させる。以上のようにして、多ノズルから液滴を選択的に吐出する。

次に、インクジェットヘッドの製造方法について説明する。

シリコン基板４の作製方法は、基材としてシリコン基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることで貫通孔６と切り欠き部１００を形成するという手順により行われる。エッチング方法としては、ドライエッチングが好ましい。

ガラス基板５の作製方法は、基材としてガラス基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることで貫通孔７を形成するという手順により行われる。

シリコン基板２は、シリコン基板４の作製方法と同様に、基材としてシリコン基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることで、ガラス基板５の貫通孔７にそれぞれ連通する複数のインク加圧室１５となるインク加圧室溝１３、インク加圧室にそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給路溝２０３、及びインク供給路に連通する共通インク室となる共通インク室溝２０２、並びにインク供給口２０１とを形成する。

インク加圧室溝１３の底部の薄膜１６は、インク加圧室溝１３を形成する工程の後、シリコン基板２のインク加圧室溝１３が形成された面の反対面の圧電素子３が付設される部分をエッチング加工することにより、所望の薄さに薄膜化させて形成する。又は、薄膜１６は、圧電素子３が付設されるインク加圧室溝１３の底部のみ特別にエッチングして他より深く掘り下げて形成しても良い。前記２方法を両方実施しても良い。

次に、このようにして形成されたシリコン基板２、シリコン基板４，ガラス基板５の３枚の基板を位置合わせして図３の陽極接合装置により陽極接合する。

図３は、シリコン基板２、シリコン基板４，ガラス基板５の３枚の基板を同時に陽極接合する工程を模式的に示している。

なお、本実施形態では、ガラス基板５として、可動イオンを含む硼珪酸ガラス基板であるテンパックス（登録商標）ガラスを用いている。以下、図３に沿って説明する。

シリコン基板２、シリコン基板４，ガラス基板５は、十分に洗浄して乾燥させ、接合面にゴミが無いようにする。この洗浄及び乾燥するに先だって、シリコン基板２、シリコン基板４，ガラス基板５の各接合面は、以降で行う分子間力による３枚の基板を密着することができるように、ダイヤモンドペースト（粒径はおおよそ０．１μｍ〜０．３μｍの範囲）等を用いたバフ研磨等により表面粗さＲａ＜１０ｎｍになるように研磨を行うことが好ましい。

ここで、表面粗さＲａは、触針式表面粗計Ｄｅｋｔａｋ３０３０（ＳｌｏａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｅｅｃｏＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製、触針：ダイヤモンド製半径１２．５μｍ、針圧：０．０５ｍＮ）を使用して、測定幅３ｍｍとする任意の３箇所における各表面粗さの算術平均値としている。

上記のようにして用意したシリコン基板２、シリコン基板４，ガラス基板５を加熱するヒーター（図示しない）と陽極接合を行うための載せる基板より大きいベース電極２０ａとを備えた基板固定台２０の上に、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４，の順に、研磨面が対峙するように重ね合わせる（図３（ａ））。

次に、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４の位置関係を確認した後、シリコン基板４と同じ材料の電極となる押圧部材１１０を設けて、シリコン基板４を押圧し、基板固定台２０が備えているヒーター（図示しない）により３枚の基板を加熱する（図３（ｂ））。陽極接合温度まで３枚の基板を加熱し、その後、その温度を維持した状態で、シリコン基板２に接触するベース電極２０ａと、電極となる押圧板１１０と接触する電極プローブ６０とをプラスとし、切り欠き部１００を介してガラス基板５と接触する電極プローブ６１をマイナスとして直流電源９０より直流電圧を３枚の基板に印加することで陽極接合を行う（図３（ｃ））。

このように、切り欠き部１００を設けることにより。切り欠き部１００を介してガラス基板５と接触する電極プローブ６１を取り出すことができるため、陽極接合の便宜のためにシリコン基板４の大きさを考慮する（ガラス基板５より小さくする）必要はなくなる。本実施形態のように、陽極接合するシリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４がほぼ同じ大きさである場合に特に有効である。

また、インクジェットヘッド面に対して、同一方向から陽極接合用の電極を接地させることができ、陽極接合装置の構成を簡略化できる。

また、押圧部材１１０で押圧することで、３枚の基板間の間隔を狭くして、薄い空気層を周囲に押し出し、空気が押し出された領域は、研磨等で表面粗さがＲａ＜１０ｎｍと小さい面同士が、ついには接触して分子間力で密着される。

シリコン基板４を押圧する押圧部材１１０は、電極となる材料であれば特に限定されない。

押圧部材１１０の大きさは、シリコン基板２、シリコン基板４，ガラス基板５のうち最も小さい基板の大きさの８０％から同じ程度の大きさとするのが好ましい。この大きさにすることで、接合する３枚の基板の接合面全域をより気泡を排除した状態で陽極接合することができる。

上記の陽極接合温度とは、ガラス基板５の中のＮａ⁺等の可動イオンが移動可能になる温度範囲ということから、３５０℃から５５０℃の範囲が好ましい。この温度範囲を超えて接合を行う場合、接合ができない又は接合が十分でないといった不都合が生じやすくなる。例えば、５５０℃以上では、印加電圧にもよるが、可動イオンが一気に流れ出して、ガラス基板５が白濁して劣化が生じ、結果的に強固な接合ができない場合がある。また、３５０℃以下では、可動イオンが移動しにくい状態であり、これを移動しやすくするためには、印加電圧を大きくすることが必要である。印加電圧を大きくする結果、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４の間で短絡が発生し、結果として陽極接合が十分できない場合がある。

また、上記の直流電圧は、ガラス基板５の中のＮａ⁺等の可動イオンの濃度によって若干異なるが、０．５ｋＶから２ｋＶの範囲が好ましく、より好ましくは０．８ｋＶから１．５ｋＶ程度である。０．５ｋＶ以下であると可動イオンの動きが遅く、接合に時間がかかってしまう。２ｋＶ以上では、高電圧に対する絶縁の確保だけでなく周囲の環境（たとえば湿度など）の条件によっては、接合するガラス基板を貫通する形で放電が起こる場合があり、接合不良となる。

陽極接合は、陽極接合温度でガラス基板５の中の可動イオンが高電界に引かれて移動拡散する現象であり、この現象が顕著なガラスが好ましい。好ましいガラスとしてテンパックス（登録商標）ガラス及びパイレックス（登録商標）ガラスがある。テンパックス（登録商標）ガラス及びパイレックス（登録商標）ガラスは、Ｎａ⁺を可動イオンとして持っており、Ｎａ₂Ｏが高温時にＮａ⁺とＯ^2-になって、Ｏ^2-が相手側に拡散することで接合が成立する。

また、接合する３枚の基板の熱膨張係数が近いことが好ましい。例えば、上記のガラスの他に通称ソーダガラス（青板ガラスとも称する。）を用いてもシリコン基板との陽極接合は可能であるが、互いの熱膨張係数の差により、接合後の室温までの冷却過程で生じる応力により割れ等の破損が生じてしまう場合がある。

上記実施形態では、基板固定台２０の上に、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４，の順に、重ね合わせて接合する工程を例にして説明したが、ガラス基板５は、ガラスに代え、シリコンを材料として適用し、シリコン基板２及びシリコン基板４は、シリコンに代え、ガラスを材料として適用してもよい。この場合、ガラス基板４を押圧する押圧部材１１０は、接合されるガラス基板４と同じ材料とするのが好ましい。押圧部材１１０を金属からなる電極としても陽極接合は可能であるが、ガラス基板４に接した押圧部材１１０の周囲に、例えば、Ｎａ化合物等のアルカリ金属化合物が析出される。押圧部材１１０を接合されるガラス基板４と同じ材料とすると、押圧部材１１０とガラス基板４とが接触する周囲等には、この両者が同一材料であることから析出物が生じることがない。

本実施形態のように、基板固定台２０の上に、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４，の順に、重ね合わせて接合する工程によれば、押圧に用いる押圧部材１１０は、上記で説明したような析出物を考慮する必要がないため接合する材料であるシリコンと同じシリコン板とする必要はなく、電極となる材料であれば特に限定されないため好ましい。

このように、本実施形態では、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４とを同時に陽極接合しており、したがって、１回の陽極接合にて３枚の基板の陽極接合が完了するため、接合時間を大幅に短縮することがで、生産性が向上する。

シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４が接合されることによって、ノズル１０に接続するインク流路が組み立てられる。

インク流路の組立て後に、薄膜１６に圧電素子３を付設する。さらに補強部材５０が接着剤により接着され、インクジェットヘッドが完成する。
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、上記第１の実施の形態と同様の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４（ａ）は本実施形態の静電吸引式インクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の静電吸引式インクジェットヘッドの組み立てられた状態の斜視図である。図５は本実施形態に関わる陽極接合をする工程を模式的に示している図である。なお図５において、陽極接合する前の工程は、第１の実施形態（図３の（ａ）、（ｂ））と同様であるため図示を省略してある。

上記第１の実施形態においては、ベース電極２０ａを介して、シリコン基板２に直流電圧を印加した。

本実施形態では、図４に示すように、シリコン基板４、ガラス基板５の一部の同じ位置に切り欠き部１０１を設けている。図５に示すように、陽極接合温度まで３枚の基板を加熱し、その後、その温度を維持した状態で、切り欠き部１０１を介してシリコン基板２に接触する電極プローブ６２と、電極となる押圧板１１０と接触する電極プローブ６０とをプラスとし、切り欠き部１００を介してガラス基板５と接触する電極プローブ６１をマイナスとして直流電源９０より直流電圧を３枚の基板に印加することで陽極接合を行う。

このように、切り欠き部１０１を設けることにより、切り欠き部１０１を介してシリコン基板２と接触する電極プローブ６２を取り出すことができるため、ベース電極２０ａが不要になり、陽極接合装置の構成を簡略化できる。

以上の実施形態においては、切り欠き部１００，１０１の形状として、半円形状の例を示したが、その下部に位置する基板からの電極の取り出しが可能であれば、如何なる形状でも良く、例えば、図６（ａ）に示すような貫通孔の切り欠き部１０２や図６（ｂ）に示すように基板の外周角部を面取りした切り欠き部１０３でもよい。

以上の実施形態においては、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４の３枚の基板を同時に陽極接合する例を示したが、これに限らす、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合する工程を有すれば本発明に含まれる。少なくとも３枚の基板は、シリコン基板あるいはガラス基板からなり、シリコン基板とガラス基板を交互に重ね合わせることが好ましい。各基板を直接、陽極接合できるため、接合が容易になる。

以上の実施形態においては、補強部材５０は接着剤によりシリコン基板２に接着される例を示したが、補強部材５０は、前記に説明した陽極接合により、シリコン基板２に接合するようにしてもよい。補強部材５０をガラス基板として、基板固定台２０の上に、補強部材（ガラス基板）５０、シリコン基板２、ガラス基板５、シリコン基板４，の順に、重ね合わせて４枚を同時に陽極接合させればよい。１回の陽極接合にてインクジェットヘッド全体の接合が完了することができ、好ましい態様である。

（ａ）は本発明の実施形態の静電吸引式インクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の静電吸引式インクジェットヘッドの組み立てられた状態の斜視図である。図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施形態に関わる陽極接合をする工程を模式的に示している図である。（ａ）は本発明の実施形態の静電吸引式インクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の静電吸引式インクジェットヘッドの組み立てられた状態の斜視図である。本発明の実施形態に関わる陽極接合をする工程を模式的に示している図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態に関わる切り欠き部の形状の他の例を模式的に示している図である。

符号の説明

１ノズル形成基板
２シリコン基板（溝形成基板）
３圧電素子
４シリコン基板
５ガラス基板
２０基板固定台
２０ａベース電極
９０直流電源

Claims

少なくとも３枚の基板を重ね合わせた後、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合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の製造方法。
少なくとも３枚の基板は、シリコン基板あるいはガラス基板からなり、シリコン基板とガラス基板を交互に重ね合わせた後、少なくとも３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合する工程を有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
３枚の基板は、シリコン基板あるいはガラス基板からなり、シリコン基板、ガラス基板、シリコン基板の順に重ね合わせた後、３枚の基板を同時に陽極接合法にて接合する工程を有することを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
少なくとも１枚の基板の一部に切り欠き部を設けて、該切り欠き部を介して陽極接合用の電極を取り出すことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。