JP2008168619A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通電極に外部電極を接合可能な補強板を備えた液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０１の表面から基板１０１の裏面まで貫通する、発熱抵抗体１１０に電力を供給する第１の貫通電極１０５を有する。さらに、基板１０１の裏面側に接合された補強板１０６と、補強板１０６の表面から補強板１０６の裏面まで貫通する第２の貫通電極１０５とを有する。第２の貫通電極１０５と第１の貫通電極１０６とは電気的に接続されている。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、液体を吐出口から吐出する液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

液体を吐出口から吐出する液体吐出ヘッドとして、従来よりインクジェットヘッドが最も広く知られている。

このインクジェットヘッドの製造方法としては、特許文献１に記載されているような、インク供給口を異方性エッチングで形成する方法が知られている。

さらに、高密度、高精度の流路及び吐出口を形成する方法として、特許文献２及び特許文献３に記載されている方法が知られており、さらに、インク供給口を異方性エッチングで組み合わせる方法も特許文献１に記載されている。

また、発熱抵抗体の発熱面に対向する方向にインクを吐出する形態のインクジェットヘッドでは、基板の発熱抵抗体に電気を供給する電極と外部配線板との電気接続が、基板の吐出口が開口している面（吐出口形成面）の近傍で接続される。このとき、特許文献４に記載されているように、電気接合部分が吐出口と紙との間に入るため、記録性能に影響を及ぼす。しかしながら、基板の吐出口形成面側に電気接続部を設けることは、必ず出っ張り部が形成されるので、その分、紙と吐出口との間隔が大きくなってしまう。

そこで、この出っ張り部をなくすために、基板の吐出口形成面とは反対側の面で電気接合することが考えられた。具体的には、特許文献５に記載されているように、基板の吐出口形成面側から反対側の面に貫通電極を設け、基板の吐出口から反対側の面で外部配線板と接合する方式である。

ここで、図６に貫通電極を備えたインクジェットヘッドの一例を示す。図６Ａはこのようなインクジェットヘッドの模式的平面図である。なお、貫通電極３０５は、ここでは不図示である。また、図６Ｂは図６Ａに示すＸ３−Ｙ３線における模式的断面図である。

基板３０１を貫通するインク供給口３０２は発熱抵抗体の列方向すなわち記録幅方向に矩形に貫通されている。ここで、記録速度を向上させるには、１回のヘッドの走査による記録幅を大きくする要求がある。
特開平１０−１３８４９号公報 特開平５−３３００６６号公報 特開平６−２８６１４９号公報 特公平８−２５２７２号公報 特開２００６−３２１２２２号公報

しかしながら、記録幅を大きくすることは、吐出口列を長くすることであり、その結果としてインク供給口３０２が長くなってしまう。インク供給口３０２が大きくなると、インク供給口３０２の中央部の変形が大きくなり、基板３０１の表面に形成された流路形成部材等が基板３０１から剥がれたり、基板３０１そのものに割れが発生することがあった。

そこで、本発明は、貫通電極を備えた液体吐出ヘッドの基板の液体供給口の中央部の変形が抑えられた液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出エネルギーを発生する吐出エネルギー発生手段と、吐出口を備えた流路形成部材と、を表面に備える。そして、本発明の液体吐出ヘッドは、吐出エネルギーによって吐出される液体を流路形成部材の流路に供給する液体供給口が貫通して形成された基板を有する。このような本発明の液体吐出ヘッドは、基板の表面から基板の裏面まで貫通する、吐出エネルギー発生手段に電力を供給する第１の貫通電極を有する。さらに、本発明の液体吐出ヘッドは、基板の裏面側に接合された補強部材と、補強部材の表面から補強部材の裏面まで貫通する第２の貫通電極とを有する。そして、本発明の液体吐出ヘッドは、第２の貫通電極が、第１の貫通電極と電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、第２の貫通電極が補強板の裏面にまで貫通しているため、この第２の貫通電極に熱エネルギー発生手段を駆動する電力を供給するための外部電極を接合することが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

なお、以下の説明では、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態としてインクジェットヘッドを用いている。従って、インクジェットヘッドは液体吐出ヘッドの一実施形態であり、インクジェットヘッド基板は液体吐出ヘッド基板の一実施形態である。同様に、インクは液体の、インク吐出口は液体吐出口の、インク供給口は液体供給口の、インク供給部材は液体供給部材の、各々一実施形態である。本発明の液体吐出ヘッドは、液体として、インクの他に液体燃料、化粧液、薬液等々を吐出するデバイスとして用いることができるものである。

図１Ａは、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す模式的平面図である。なお、第１の貫通電極１０５は、ここでは不図示である。また、図１Ｂは、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、図１Ａに示すＸ１−Ｙ１線における模式的断面図である。また、図１Ｃは、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、図１Ａに示すＸ２−Ｙ２線における模式的断面図である。

本実施形態のインクジェットヘッドは、流路形成部材１０４等が形成された基板表面とその反対側の裏面とを貫通するインク供給口１０２等の開口の変形を防止するために、基板裏面側に補強部材である補強板１０６を備えている。更に、本実施形態では、基板１０１に設けられた第１の貫通電極１０５と基板外部との導通を得るために、補強板１０６に第１の貫通電極１０５と電気的に接続される第２の貫通電極１０９を備えている。

ここで、第１の貫通電極１０５が設けられた基板１０１の裏面に、第２の貫通電極１０９が設けられていない補強板（貫通電極無しの補強板）を接合した場合、第１の貫通電極１０５に外部電極を接合して外部に配線を取り出すことができない。これに対し、貫通電極無しの補強板を基板１０１の裏面に接合する前に、第１の貫通電極１０５に外部取り出し用の配線を直接取り付けることも考えられる。しかしながら、そのためには、基板１０１をシリコンウエハ１００ａから切り出した後のチップに、貫通電極無しの補強板を接合することになるため、これでは補強の意味が無くなってしまうことになる。

そこで、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程では、シリコンウエハ１００ａに多数構成された、第１の貫通電極１０５を設けた基板１０１の裏面に、各基板１０１に対応する補強板１０９を多数設けたシリコンウエハ１００ｂを接合する。このとき、各補強板１０９は、各々の基板１０１に対応するとともに、各基板１０１の第１の貫通電極１０５に電気的導通可能に設けられた第２の貫通電極１０９を備えている。さらに、各々の基板１０１のインク供給口１０２は補強板接合前に形成されており、補強板１０９の開口１０６ｃは補強板接合後に形成される。

以下、本実施形態に係るインクジェットヘッドを詳述する。

シリコンウエハ１００ａの表面に多数形成された基板１０１の表面１０１ａに、流路形成部材１０４を形成する。この流路形成部材１０４には、インクを吐出する複数のインク吐出口１０３及び各インク吐出口１０３に連通する流路１０４ａが形成されている。

基板１０１には、流路形成部材１０４の流路１０４ａにインクを供給するための矩形のインク供給口１０２が形成されている。また、基板１０１の表面１０１ａには、インク吐出口１０３に対応した位置に、インク吐出口１０３からインクを吐出する吐出エネルギーを発生させる吐出エネルギー発生手段が設けられている。この吐出エネルギー発生手段としては、吐出エネルギーとしての熱エネルギーを発生させる発熱抵抗体１１０が設けられている。さらに、基板１０１には表面１０１ａ側から裏面１０１ｂ側まで貫通した第１の貫通電極１０５が設けられている。第１の貫通電極１０５は、発熱抵抗体１１０を発熱させるための電力を供給する経路となる。

基板１０１の補強部材としての補強板１０６は、インク供給口１０２が形成された基板１０１の変形を抑制するためのものであり、基板１０１の裏面１０１ｂ側に配置されている。補強板１０６には、インク供給口１０２に対応した開口１０６ｃが形成されている。また、補強板１０６の開口１０６ｃの長手方向に向けて所定の間隔を空けて梁１０７が並列配置されている。さらに、補強板１０６には、表面１０６ａ側から裏面１０６ｂ側まで貫通した第２の貫通電極１０９が設けられている。

配線１０８は、補強板１０６の表面１０６ａに形成されており、基板１０１と補強板１０６とが接合されることで第１の貫通電極１０５と第２の貫通電極１０９とを電気的に接続する。つまり、第１の貫通電極１０５と第２の貫通電極１０９とは、配線１０８を介して電気的に接続されることになる。

次に、本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について説明する。

まず、基板１０１の製造工程について説明する。

３００μｍ厚のシリコンウエハ１００ａの基板上に発熱抵抗層としてのＴａＮ層及び電極層としてのＡｌ層をスパッタ法にて成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いて発熱抵抗体１１０と電極を形成する。発熱抵抗体１１０のサイズは３０μｍ×３０μｍである。必要があればその上に保護層を設けても良い。次に、このシリコンウエハ１００ａに、各々の基板１０１に対応する貫通電極を形成するため、ドライエッチングにより直径５０μｍの貫通穴を形成する。そして、貫通穴内にメッキシード層を成膜し、電解メッキによって貫通穴に金を充填することにより、金メッキによる第１の貫通電極１０５を形成する。このようにして、第１の貫通電極１０５が形成された発熱抵抗体１１０付きの基板１０１が完成する。シリコンウエハ１００ａには、このような基板１０１が格子状に多数形成される。

次に、インク供給口１０２からインク吐出口１０３へ至るインクの流路１０４ａを形成するための型として、厚膜のポジレジストを基板１０１の表面１０１ａ上に１５μｍ塗布し、露光、現像することによって、所望のパターンを形成して構成する。そして、表面１０１ａ上に形成されたポジレジストからなる型を覆うように、流路形成部材１０４となる感光性のネガ型のエポキシを３０μｍ塗布する。その後、ネガ型エポキシを露光、現像することによって、直径２５μｍのインク吐出口１０３を形成する。

次に、その上に保護材として樹脂を塗布し、裏面１０１ｂにエッチング用のマスクとなるマスク材を形成・パターニングした後、基板１０１全体を異方性エッチング液に浸漬してエッチングする。これにより、各基板１０１に各々インク供給口１０２が形成される。最後に、流路形成部材１０４の表面に塗布されていた保護材としての樹脂と、流路１０４ａの型材であるポジレジストと、を除去する。

このようにして、インク吐出口１０３と流路１０４ａとが形成された、発熱抵抗体１１０付きの基板１０１が完成する。シリコンウエハ１００ａには、このような基板１０１が格子状に多数形成される。

図２Ａは、このようにして完成した基板１０１が格子状に配列して形成されたシリコンウエハ１００ａの模式図である。また、シリコンウエハ１００ａに形成された、完成した基板１０１の１つを拡大したものを図２Ｂに示す。

次に、補強板１０６の製造工程について説明する。

まず、厚さ３００μｍのシリコンウエハ１００ｂの基板にドライエッチングにより直径５０μｍの貫通穴を形成する。そして、この貫通穴内にメッキシード層を成膜し、電解メッキによって貫通穴に金を充填することにより、金メッキによる第２の貫通電極１０９を形成する。その際、同時にシリコン基板の表面や裏面に配線を形成することができるので、表面１０６ａに金メッキにより配線１０８を形成する。なお、必要に応じて裏面１０６ｂに配線を形成することもできる。

次に、梁１０７が設けられた開口１０６ｃをドライエッチングにより形成する。このようにして、配線１０８及び第２の貫通電極１０９が形成された補強板１０６が完成する。図３Ａは、このようにして完成した補強板１０６が格子状に配列して形成されたシリコンウエハ１００ｂの模式的平面図である。また、シリコンウエハ１００ｂに形成された、完成した補強板１０６の１つを拡大したものを図３Ｂに示す。

以上のようにして形成された基板１０１及び補強板１０６は、未だ６インチ（１５２．４ｍｍ）のウエハの形態である。次に、シリコンウエハ１００ａ、１００ｂとは、基板１０１の裏面１０１ｂと補強１０６の表面１０６ａとが向かい合いあうようにする。さらに、インク供給口１０２と開口１０６ｃが連通し、第１の貫通電極１０５と第２の貫通電極１０９とが電気的導通可能となるように、位置決め・固定される。そして、２００℃の温度条件下で圧力をかけて圧接・接合する。これにより、基板１０１の第１の貫通電極１０５と補強板１０６の配線１０８とがＡｕ−Ａｕ接合で電気接合され、第１の貫通電極１０５と第２の貫通電極１０９との電気的配線が完成する。その結果、基板１０１の表面１０１ａ上に形成された発熱抵抗体１１０と第２の貫通電極１０９とが電気的に接続された状態となる。

図４Ａは、このようにして完成した、シリコンウエハ１００ａの裏面とシリコンウエハ１００ｂの表面とが接合した状態の模式的平面図である。また、２つのウエハが接合した状態での補強板１０６付きの基板１０１の１つを拡大して図４Ｂに示す。

次に、接合状態のシリコンウエハを切断することで、ウエハの状態で補強板１０６が接合された基板１０１がチップ化される。チップ化された基板１０１は、電気接合部やインク供給の接合部を封止材にて封止される。その後、外部配線板の実装工程、インク供給部材の接着工程を経てインクジェットヘッドが完成する。

以上、本実施形態によれば、補強板１０６に第２の貫通電極１０９を設けることで、補強板１０６の裏面１０６ｂ側にて外部電極を接合することができる。また、本実施形態の場合、ウエハの状態で基板１０１に補強板１０６を接合する。このため、チップ化されてもインク供給口１０２の変形を補強板１０６にて抑制することができるため、流路形成部材１０４の剥がれや割れの発生を防止できる。また、補強板１０６を備えることで、外部配線板の実装工程、インク供給部材の接着工程における熱による応力の発生にも耐え、インク供給口１０２の変形が抑制される。このようにチップ化された状態におけるインク供給口１０２の変形が抑制されることで記録速度向上の為の記録幅の増大にも問題なく対応することが可能となる。

さらに、本実施形態の場合、外部電極をインク吐出口１０３が設けられている基板の表面１０６ａ側に設ける必要がないため、基板１０１の表面１０１ａ上の電気実装がなくなる。このため、インクジェットヘッドと記録媒体である紙との間隔を狭くすることができ、インクの記録媒体への着弾精度の向上に伴なって、記録品位を向上させることができる。

なお、本実施形態のインクジェットヘッドは、補強板１０６がシリコンであるので、図５に示すように補強板１０６に駆動素子２１１を設けるような、他の形態を採用することも可能である。図５Ａはインクジェットヘッドの模式的平面図である。なお、第２の貫通電極１０５は、ここでは不図示である。また、図５Ｂは図５Ａに示すＸ２−Ｙ２線における模式的断面図であり、図５Ｃは図５Ａに示すＸ２−Ｙ２線における模式的断面図である。

補強板１０６の表面１０６ａには、発熱抵抗体１１０を駆動する駆動素子２１１、配線１０８ａ、１０８ｂが形成されている。駆動素子２１１は、配線１０８ａを介して第１の貫通電極１０５に電気的に接続されるとともに、配線１０８ｂを介して第２の貫通電極１０９に電気的に接続されている。駆動素子２１１を補強板１０６に設けることで基板１０１側に駆動素子を設ける必要がなくなるので、基板１０１を小型化することができるとともに、基板１０１のコストを下げることができる。

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す模式的平面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、図１Ａに示すＸ１−Ｙ１線における模式的断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、図１Ａに示すＸ２−Ｙ２線における模式的断面図である。 インクジェットヘッド基板が格子状に配列して形成されたシリコンウエハの模式的平面図である。 図２Ａのシリコンウエハに形成されたインクジェットヘッド基板の１つを拡大した模式的平面図である。 補強板が格子状に配列して形成されたシリコンウエハの模式的平面図である。 図３Ａのシリコンウエハに形成された補強板の１つを拡大した模式的平面図である。 インクジェットヘッド基板を格子状に形成したシリコンウエハの裏面に、対応する補強板を格子状に形成したシリコンウエハを接合した状態を示す模式的平面図である。 図４Ａの２枚のシリコンウエハを接合した状態での補強板付きのインクジェットヘッド基板の１つを拡大した模式的平面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、駆動素子を補強板に備えた形態の基板を示す模式的平面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、図５Ａに示すＸ１−Ｙ１線における模式的断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの、図５Ａに示すＸ２−Ｙ２線における模式的断面図である。 従来のインクジェットヘッドの一例を示す模式的平面図である。 図６Ａに示すＸ３−Ｙ３線における模式的断面図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０１ａ、１０６ａ 表面
１０１ｂ、１０６ｂ 裏面
１０２ インク供給口
１０３ 吐出口
１０４ ノズル材
１０５ 第１の貫通電極
１０６ 補強板
１０７ 梁
１０８ 電極
１０９ 第２の貫通電極
２１１ 駆動素子

Claims (7)

1. 液体を吐出する吐出エネルギーを発生する吐出エネルギー発生手段と、吐出口を備えた流路形成部材と、を表面に備え、前記吐出エネルギーによって吐出される液体を前記流路形成部材の流路に供給する液体供給口が貫通して形成された基板を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記基板の表面から前記基板の裏面まで貫通する、前記吐出エネルギー発生手段に電力を供給する第１の貫通電極と、
   前記基板の裏面側に接合された補強部材と、
   前記補強部材の表面から前記補強部材の裏面まで貫通する第２の貫通電極と、を有し、
   前記第２の貫通電極が、前記第１の貫通電極と電気的に接続されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記補強部材は、前記基板の前記液体供給口と連通する開口が当該補強部材の表面から当該補強部材の裏面まで貫通して形成されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の貫通電極と前記第２の貫通電極とは、前記補強部材の前記表面に形成された配線を介して電気的に接続されている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記補強部材には、前記吐出エネルギー発生手段を駆動する駆動手段が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体を吐出する吐出エネルギーを発生する吐出エネルギー発生手段と液体供給口とを基板に備える液体吐出ヘッドの製造方法において、
   第１のウエハに当該第１のウエハを貫通して、複数の前記液体供給口を形成する工程と、
   基板の表面から前記基板の裏面まで貫通する、前記吐出エネルギー発生手段に電力を供給する第１の貫通電極を、前記第１のウエハを貫通して形成する工程と、
   第２のウエハに当該第２のウエハを貫通して、複数の開口を形成する工程と、
   前記基板の裏面に後の工程で接合される補強部材の表面から当該補強部材の裏面まで貫通する第２の貫通電極を、前記第２のウエハを貫通して形成する工程と、
   前記第１のウエハの裏面と前記第２のウエハの表面とを、前記液体供給口と前記開口とが連通し、前記第１の貫通電極と前記第２の貫通電極とが電気的に導通するように接合する工程と、
   前記補強部材が接合された前記基板を、接合した前記第１のウエハと前記第２のウエハとから切り出す工程と、を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記第１の貫通電極と前記第２の貫通電極とを電気的に接続するための配線を前記補強部材の表面に形成した後に、前記第１のウエハと前記第２のウエハとを接合する、請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記補強部材に、前記吐出エネルギー発生手段を駆動する駆動手段を形成した後に、前記第１のウエハと前記第２のウエハとを接合する、請求項５または６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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