JP2008265338A - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シグナルに対する反応速度が高くなって周波数特性を向上させることができるインクジェットヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明はインク流路を通して流入されるインクをチャンバに収容し、チャンバの一面を区画する膜を加圧してノズルを通してインクを吐出させるインクジェットヘッドを製造する方法であって、第１基板の一面の一部をエッチングしてチャンバを形成する段階と、第１基板の他面の一部をエッチングしてチャンバに繋がるインク流路を形成する段階と、第１基板の一面にチャンバをカバーするように第２基板を接合する段階、とを含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェットヘッド及びその製造方法に関する。

インクジェットヘッドは、電気信号を物理的力に変換し、この物理的力に基いてインクの液滴が微細なノズルを通して吐出される原理を用いる。このようなインクジェットヘッドでは、液滴が吐出されるようにする準備空間であるチャンバの大きさが吐出性能に大きな影響を与える。

図１のように、従来のインクジェットヘッドの構造を見ると、チャンバの容量はチャンバの幅に依存する。しかし、チャンバの幅を広げるのは、駆動部に該当する圧電体（Piezoelectric material）と膜（Membrane）のサイズを考慮する必要があるため、設計上限界がある。よって、チャンバの幅の変動の差は大きくない。すなわち、実質的に、チャンバの容量は、チャンバの幅に基いて調節するというよりは、チャンバの厚さにより調節できる。

従来のインクジェットヘッドは、主にステンレススチール（ＳＵＳ）、セラミック（Ｃｅrａmiｃ）、シリコン（Ｓｉ）ウエハなどを加工して構造体が作られる。ＳＵＳやセラミック材質の場合には、チャンバの容積を調節するには大きい問題はないが、このような材質のヘッドは別途の金型製作が必要であり、設計の変更が容易ではないという問題がある。

そのような理由により、シリコン材質のヘッド製作が次第に脚光を浴びている。シリコン材質のインクジェットヘッドは、図２に示すように、シリコン単結晶のウエハを用いてそれぞれの機能を持つ構造を２枚または３枚のウエハで製作して相互接合する方式により製造される。

シリコンウエハを使用してチャンバと膜などの構造を形成し、各基板を接合してインクジェットヘッドを製造する従来の工程においては、膜とチャンバとが一体になるように絶縁体上シリコン（Silicon-On-Insulator：ＳＯＩ）ウエハを使用していた。すなわち、表面に酸化層が形成された２枚のシリコン基板をシリコン直接ボンディング（Silicon direct bonding:ＳＤＢ）などで接合し、上板は研磨加工（ポリシング：polishing）して膜を形成し、下板はパターニング（patterning）してチャンバ部分がエッチングされるように加工する。このように製作された上部基板をシリコンウエハから製作された他の中間基板及び下部基板と結合させればインクジェットヘッドの構造体が完成される。

したがって、従来のインクジェットヘッド構造でのチャンバの厚さを薄くするためには、上部基板の製作に使用される下板の厚さを薄くしなければならなかった。しかし、製作工程上、シリコンウエハが割れる虞がある厚さの限界値が２００μｍであるとされており、従来技術ではチャンバの厚さを限界値の２００μｍより薄くすることができないという限界がある。

インクジェットヘッドのチャンバの容積はシグナルに対する反応速度と相関関係がある。具体的には、チャンバの容積が小さいほど、インクジェットヘッドのシグナルに対する反応速度が早い。これはチャンバの容積がインクジェットヘッドの駆動波形に影響を与え、チャンバの容積が小さいほど駆動が速くなり、周波数特性がよくなるためである。しかし、前述したように、従来のインクジェットヘッド製造方式では、チャンバの厚さを限界値を超えて薄くしすぎるとシリコンウエハが割れる虞があるため、チャンバの容量を小さくするには限界がある。

こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、シリコン基板の厚さを増加させながらもチャンバの厚さを薄くすることにより、周波数特性を向上させ、製造が容易である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。

従来には、前述したように、シリコンウエハのような基板を使用するインクジェットヘッドのチャンバをパターニングするためにフォトリソグラフィ方式が適用された。しかし、フォトリソグラフィ方式を適用してチャンバをパターニングする方式は、一般的にフォトレジストコーティング、整列（Align）、露光、現像、エッチング、フォトレジスト剥離などのような多数の工程を経ることになる。したがって、チャンバと膜１２とを製作するためのＳＯＩウエハの厚さが所定厚さ以下であると、多数の工程中にウエハが割れることがあるので製作が困難であった。すなわち、シリコン基板を穿孔してチャンバを製作する既存の方法では、チャンバの厚さを薄くすることによりチャンバの容積を減らすのは困難であった。

特にシリコンウエハの直径が４インチ（inches：ins.）〜６ins.,さらに８insに増加すると、ウエハの大きさに伴ってそれに相当する厚さを確保しなくてはならなくなる。

そこで、本実施例は、シリコン基板のようた第１基板の両面にてインクジェットヘッドの構造を加工することにより、ウエハの厚さが増加してもチャンバの厚さは低めることができるインクジェットヘッドの製造方法を特徴とする。

このために、本発明に係るインクジェットヘッド製造方法は、前記の課題を解決するために、インク流路を通して流入されたインクをチャンバに収容し、チャンバの一面を区画する膜を加圧してノズルを通してインクを吐出させるインクジェットヘッドを製造する方法であって、第１基板の一面の一部をエッチングしてチャンバを形成する段階と、第１基板の他面の一部をエッチングしてチャンバに繋がるインク流路を形成する段階と、第１基板の一面にチャンバをカバーするように第２基板（膜用基材）を接合する段階とを備える。

本発明に係るインクジェットヘッド製造方法にて用いる第１基板及び第２基板（膜用基材）はシリコンウエハであることが好ましい。また、本発明に係るインクジェットヘッド製造方法のチャンバの形成段階は、第１基板の一面の他の一部をエッチングしてインク流路に繋がるインク流入口を形成する段階を含むのが好ましい。

本発明に係るインクジェットヘッド製造方法は、第２基板（膜用基材）の接合段階以降に、第２基板（膜用基材）をポリッシングして膜を形成する段階をさらに含むことができる。また、さらに、膜形成段階の以降に、第１基板の他面に、インク流路に繋がるリストリクタとチャンバに繋がるノズル流路とが穿孔された第３基板を接合する段階をさらに含むことができる。

本発明に係るインクジェットヘッド製造方法は、第３基板接合段階の以降に、第３基板にノズル流路に繋がるノズルが穿孔された第４基板を接合する段階をさらに含むことができる。

本発明に係るインクジェットヘッドは、前記課題を解決するために、第１基板（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって説明した第１基板）の一面の一部をエッチングして形成されるチャンバと、第１基板の他面の一部をエッチングして形成され、チャンバに繋がるインク流路と、第１基板の一面にチャンバをカバーするように接合される膜（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって第２基板（膜用基材）をポリッシングして形成される）と、第１基板の他面側に結合され、チャンバに繋がるノズルが穿孔された第２基板（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって説明した第４基板）を含むインクジェットヘッドが提供される。なお、ここで記載したように、本発明に係るインクジェットを構成する基板の表現については、前記インクジェットヘッドの製造方法で用いた基板の名称と一部重複するものもあるが、異なるものもある。そこで、混同を避けるために、例えば、第２基板（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって説明した第４基板）のように補足している。また、念のため、同一名称を用いている場合についても同様に記載した。

本発明に係るインクジェットヘッドで用いる第１基板及び第２基板（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって説明した第４基板）はシリコンウエハであることが好ましい。また、第１基板の一面の他の一部をエッチングして、インク流路に繋がるインク流入口をさらに備えることが好ましい。

本発明に係るインクジェットヘッドは、第１基板と前記第２基板（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって説明した第４基板）との間に、インク流路に繋がるリストリクタと、チャンバ及びノズルを連結させるノズル流路とが穿孔された第３基板（前記インクジェットヘッドの製造方法にあって説明した第３基板）を介在させることができる。

前述した以外の他の側面、特徴、及び利点が以下の図面、特許請求範囲、及び発明の詳細な説明により明確になるだろう。

本発明によれば、一枚のシリコンウエハの両面をエッチングしてチャンバとインク流路とを形成することにより、より厚いシリコンウエハを使用してチャンバを加工できるので製作が容易である。また、作業中にウエハが割れるおそれがないので収率が高くなる。さらに、シリコンウエハの厚さにかかわらずチャンバの厚さを低めることができるのでシグナルに対する反応速度が高くなって周波数特性を向上させることができる。

以下、本発明によるインクジェットヘッド及びその製造方法の好ましい実施例をより詳しく説明する。添付図面を参照して説明することにおいて図面番号にかかわらず同一かつ対応する構成要素は同一の参照番号を付し、これに対して重複する説明は省略する。

図３は本発明の好ましい実施例によるインクジェットヘッド製造方法を実行するための順序図である。また、図４は本発明の好ましい一実施例によるインクジェットヘッド製造工程を示す工程図である。また、図５は本発明の好ましい一実施例によるインクジェットヘッドの断面図である。

先ず、図５を参照して本発明のインクジェットヘッドの実施の形態について説明する。その後、インクジェットヘッドを製造するための製造方法について図３及び図４を参照して説明する。

本実施の形態となるインクジェットヘッドは、図５に示すように、第１基板となる上部基板１の一面をエッチングして形成されるチャンバ３と、上部基板１の他面の一部をエッチングして形成され、チャンバ３に繋がるインク流路７と、上部基板１の一面にチャンバ３を覆うように接合される膜１２と、上部基板１の他面側に結合され、チャンバ３に繋がるノズル３２が穿孔された下部基板３０（第２基板）とを備える。上部基板１と下部基板３０は、シリコンウエハである。

また、インクジェットヘッドは、上部基板１の一面の他の一部をエッチングして形成され、インク流路７に繋がるインク流入口５を備える。また、インクジェットヘッドは、上部基板１と下部基板３０との間に、インク流路７に繋がるように設けられるリストリクタ２２と、チャンバ３及びノズル３２を連結させるノズル流路２４とが穿孔された中間基板２０（第３基板）とが介在される。

図５に示したインクジェットヘッドは、インク流入口５から流入されたインクをインク流路７、リストリクタ２２を介してチャンバ３に供給する。チャンバ３は膜１２によって覆われている。膜１２には圧電素子のようなアクチュエータが結合されている。アクチュエータは、外部から制御信号（シグナル）が供給されると駆動力を発生し、膜１２を変形する。膜１２は変形することにより、チャンバ３内のインクを加圧する。加圧されたインクはノズル３２を通して液滴の形態で印刷紙などに吐出される。つまり、インクジェットヘッドは、チャンバ３の一面を区画している膜１２を用いて、外部から印加されるシグナルに応じてチャンバ３内のインクを加圧し、インクをノズル流路２４を通し、ノズル３２からインクを吐出させる。

インク流路７はインク流入口５から流入されたインクをインクチャンバ３に収容する通路である。また、インク流路７は、リストリクタ２２に繋がってチャンバ３から加えられる圧力がノズルの方に伝達されるようにインクの逆流動を制限する。

図５に示したインクジェットヘッドは、チャンバ３の厚さを薄くでき、よってチャンバ３の容積を小さくしている。チャンバ３の容積は、シグナルに対する反応速度と相関関係があり、容積が小さいほどシグナルに対する反応速度が速い。これはチャンバの容積がインクジェットヘッドの駆動波形に影響を与え、チャンバの容積が小さいほど駆動が速くなり、周波数特性がよくなるためである。シグナルに対する反応速度が高くなって周波数特性を向上できれば、インクジェットヘッドの反応速度などを上げることができるので、高品質の印刷を実現できる。

次に、チャンバ３の厚さを薄くできるインクジェットヘッドの製造方法について図３及び図４を参照して説明する。このインクジェットヘッドの製造方法は、製造時におけるシリコン基板の厚さを増加させながらもチャンバの厚さを薄くすることができる。よって、製造時にチャンバの厚さを薄くしてもシリコンウエハが割れる虞がない。

以下、本実施の形態では、シリコン基板を使用してインクジェットヘッドの構造を形成する場合を例に挙げて説明するが、本発明の技術的思想がシリコン材質の基板に限定されることではない。

本実施例によりインクジェットヘッドを製造するために、先ず、図３の段階１００により、図４の（ａ）に示すようなウエハ状態のシリコン基板１を用意し、図４の（ｂ）に示すように、チャンバ３が形成される位置の基板１の一面をエッチングしてチャンバ３を形成する。

本実施例は１枚の基板１の両面にてインクジェットヘッドの構造を形成することを特徴とする。このため、段階１０２で、図４の（ｂ）に示すように、基板１の一面に、他の構造、例えば、インク流路７に繋がるインク流入口５をさらに形成することができる。このインク流入口５の形成以外にも必要により、基板１の一面に他の構造をさらに形成することもできる。

次に、段階１１０で、図４の（ｃ）に示すように、基板１の他面にインク流路７が形成される位置をエッチングしてチャンバ３に繋がるインク流路７を形成する。インク流路７はインク流入口５から流入されたインクがインクチャンバ３に収容されるようにする通路の役割をする。インク流路７は、リストリクタ２２に繋がってチャンバ３から加えられる圧力がノズルの方に伝達されるようにインクの逆流動を制限する役割もすることができる。

従来技術では、インク流路７は、図５に示した、チャンバ３が形成される上部基板１ではなく中間基板２０や下部基板３０に形成されたが、本実施例では、チャンバ３が加工される上部基板１にインク流路７も形成する。

すなわち、インク流路７をチャンバ３が形成される基板１に形成することにより、より厚い基板１を使用したにもかかわらずチャンバ３の厚さを薄くできるようになる。例えば、２００μｍ以上の厚さのシリコンウエハを使用してヘッド構造を加工しても１００μｍ以下の厚さのチャンバ３を形成できるようになる。

このように本発明によれば、１枚の基板１の両面にてチャンバ３とインク流路７とを各々形成することによりチャンバ３の厚さを低めることができる。これは、シリコン基板１に膜１２となる基板１０を接合した後にチャンバを加工した従来技術と大きく異なる製造方法である。この相違点は、チャンバ３などの構造を加工した後に、後述するように膜１２となる基板１０を接合する本実施例による製造工程の差から起因するものである。

次に、段階１２０で、図４の（ｄ）に示すように、チャンバ３をカバーするように基板１のチャンバ３が形成された面側に他の基板（膜用基材）１０を接合する。接合された基板１０は膜１２を構成するためのものであって、接合後に、段階１２２で、図４の（ｅ）に示すように、基板１０をポリッシングして膜１２を形成する。

膜１２には圧電素子のようなアクチュエータ１６が結合され、アクチュエータ１６から駆動力を受けた膜１２が変形しながらチャンバ３内に収容されているインクを加圧することにより、加圧されたインクはノズルを通して液滴の形態に吐出されることになる。

このような膜１２は、チャンバ３が形成された基板１の上に、チャンバ３をカバーするように薄膜の形態に接合すればよく、したがって、前述したように他の基板１０を接合した後にポリッシングする方法以外にも薄膜形態の膜１２を直接接合するなどの他の方法が使用できることは明らかである。

膜１２のポリッシング以降に、図４の（f）に示すように、インク流入口５を連通させるなど、必要によりインクジェットヘッドの多様な構造を加工することができる。

このように、基板１の加工過程を経てインク流入口５、インク流路７、チャンバ３、及び膜１２を具備するインクジェットヘッドの上部基板１が製作される。

以上に説明した実施例により上部基板１が製作された後には、中間基板２０及び/または下部基板３０を結合してインクジェットヘッドの製造を完了する。段階１３０に示す、第３基板は中間基板２０のことであり、これは図５に示すように、上部基板１のインク流路７に繋がり、リストリクタ２２と上部基板１のチャンバ３に繋がるノズル流路２４とが穿孔された基板である。シリコンウエハを加工して中間基板２０を製作した場合、シリコンダイレクト接合により上部基板１と中間基板２０とを結合できる。

そして、段階１４０で、中間基板２０の下部には下部基板３０（インクジェットヘッド製造方法の特許請求の範囲では第４基板としている。ただし、インクジェットヘッドの特許請求の範囲では第２基板としている。また、図５を参照した説明でも第２基板としている）が結合され、下部基板３０には中間基板２０（第３基板）のノズル流路２４に繋がるノズル３２が穿孔されている。中間基板２０と同様にシリコンウエハを加工して下部基板３０を製作する場合、シリコンダイレクト接合により中間基板２０と下部基板３０とを結合できる。

ただし、本実施例はインクジェットヘッドの上部基板１の製作方法にその特徴があることで、複数の中間基板２０を使用してインクジェットヘッドを製造することも可能であり、必要とされる構造が全て形成されていれば、中間基板２０なしで上部基板１にすぐ下部基板３０を接合してインクジェットヘッドを製造することも可能である。

一方、必要により、インク流路７に繋がるリストリクタ２２と、チャンバ３及びノズル３２を連結させるノズル流路２４とが穿孔された中間基板２０を介在して上部基板１を下部基板３０に結合することもできる。

中間基板２０は、前述したように１枚または複数の基板２０を使用して加工できることは勿論である。

シリコンウエハを加工して上部基板１、中間基板２０、及び下部基板３０を製作することができ、この場合、各基板１、２０、３０はシリコンダイレクト接合により結合できることは前述した通りである。

図５に示したインクジェットヘッドは、インクジェットヘッド製造方法の実施例により上部基板１を製作し、これに中間基板２０及び下部基板３０を各々製作して接合した事例を示すものである。

すなわち、本実施例によるインクジェットヘッドは１枚の基板１の両面を加工して上部基板１を製作し、上部基板１の一面の一部がエッチングされてチャンバ３が形成され、その他面の一部がエッチングされてチャンバ３に繋がるインク流路７が形成される。これ以外に、チャンバ３をカバーする膜１２が接合され、インク流路７が穿孔されることにより上部基板１が製作されることは前述した通りである。

上部基板１の膜１２にはアクチュエータ１６が結合され、上部基板１の下部にはチャンバ３に繋がるノズル３２が穿孔された下部基板３０が接合されることによりインクジェットヘッドの製造が完了できる。

前述した実施例以外の多い実施例が本発明の特許請求範囲内に存在する。

従来技術によるインクジェットヘッドの構造の分解斜視図である。 従来技術によるインクジェットヘッドの断面図である。 本発明の好ましい実施例によるインクジェットヘッド製造方法の順序図である。 本発明の好ましい実施例によるインクジェットヘッド製造工程の工程図である。 本発明の好ましい実施例によるインクジェットヘッドの断面図である。

符号の説明

１、１０、２０、３０ 基板
３ チャンバ
５ インク流入口
７ インク流路
１２ 膜
１６ アクチュエータ
２２ リストリクタ
２４ ノズル流路
３２ ノズル

Claims (10)

1. インク流路を通して流入されたインクをチャンバに収容し、前記チャンバの一面を区画する膜を加圧してノズルを通して前記インクを吐出するインクジェットヘッドを製造する方法であって、
   第１基板の一面の一部をエッチングして前記チャンバを形成する段階と、
   前記第１基板の他面の一部をエッチングして前記チャンバに繋がる前記インク流路を形成する段階と、
   前記第１基板の一面に前記チャンバをカバーするように第２基板を接合する段階と、
   を含むインクジェットヘッド製造方法。
2. 前記第１基板及び前記第２基板は、シリコンウエハであ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製造方法。
3. 前記チャンバの形成段階は、
   前記第１基板の一面の他の一部をエッチングして前記インク流路に繋がるインク流入口を形成する段階を含む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製造方法。
4. 前記第２基板の接合段階以降に、
   前記第２基板をポリッシングして前記膜を形成する段階をさらに含む請求項１に記載のインクジェットヘッド製造方法。
5. 前記膜形成段階以降に、
   前記第１基板の他面に、前記インク流路に繋がるリストリクタと前記チャンバに繋がるノズル流路とが穿孔された第３基板を接合する段階をさらに含む請求項４に記載のインクジェットヘッド製造方法。
6. 前記第３基板接合段階の以降に、
   前記第３基板に前記ノズル流路に繋がる前記ノズルが穿孔された第４基板を接合する段階をさらに含む請求項５に記載のインクジェットヘッド製造方法。
7. 第１基板の一面の一部をエッチングして形成されるチャンバと、
   前記第１基板の他面の一部をエッチングして形成され、前記チャンバに繋がるインク流路と、
   前記第１基板の一面に前記チャンバをカバーするように接合される膜と、
   前記第１基板の他面に結合され、前記チャンバに繋がるノズルが穿孔された第２基板と、
   を含むインクジェットヘッド。
8. 前記第１基板及び前記第２基板は、シリコンウエハであることを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッド。
9. 前記第１基板の一面の他の一部をエッチングして形成され、前記インク流路に繋がるインク流入口をさらに含む請求項７に記載のインクジェットヘッド。
10. 前記第１基板と前記第２基板との間に、前記インク流路に繋がるリストリクタと、前記チャンバ及び前記ノズルを連結させるノズル流路とが穿孔された第３基板が介在されることを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッド。

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