JP2008265339A - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、上部基板と下部基板とに設置される構造の精密度を確保でき、中間基板をより安価で製作でき、基板間の接合を容易にして収率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】本発明によるインクジェットヘッドは、シリコン基板にインクチャンバ１を加工して形成する上部基板１０と、上部基板１０に接合され、ガラス基板にインクチャンバ１に繋がるインク流路３を加工して形成する中間基板２０と、中間基板２０に接合され、シリコン基板にインク流路３に繋がるノズル５を加工して形成する下部基板３０と、を含み、シリコン基板を用いて上部基板１０と下部基板３０とを形成し、ガラス基板を用いて中間基板２０を形成して、シリコン−ガラスボンディングで接合することを特徴とする。
【選択図】図１

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(インキジェットヘッド：ink-jet head)は、電気信号を物理的力に変換し、小さいノズルを通してインクを液滴形態に吐出させる原理を用いる。このようなインクジェットヘッドには、多様な機能を有する構造が形成されるが、インクジェットヘッドを駆動する駆動体としては圧電体（piezoelectric material、ＰＺＴ）が使用され、構造材料としてはステンレススチール（ＳＵＳ）、セラミック、またはシリコン（シリコーン）材質が使用される。

近年、半導体技術の発達とともに、シリコンウエーハ（Ｓｉ wafer）を用いた加工技術が発達されて、インクジェットヘッドの各レイヤ（layer）をシリコンウエーハ(Wafer)で加工した後に、シリコンダイレクトボンディング（Silicon direct bonding）で接合することにより、接合層のないヘッドの製造が可能になった。

ステンレススチールやセラミックの場合、各レイヤを接合するためには高分子接合層が必要である反面、シリコン材料はこのような接合層を要しないため、優れた構造として認識される。しかし、シリコンダイレクトボンディングは、工程が難しく、収率が低くくて、工程時間が多くかかるという短所がある。

シリコンウエーハ(Wafer)を加工して構造体を作る場合には、大部分がシリコンダイレクトボンディングを用いる。ステンレススチールやセラミック材質のヘッドは、金型の製作が必要であり、設計の変更が容易ではないが、反面、シリコン材質のヘッドはフォトリソグラフィ（Photo lithography）方式を適用して構造を容易に変更できるからである。

図４に示すように、シリコン単結晶のウエーハ(Wafer)を用いた従来のインクジェットヘッドの製作方式は、それぞれの機能を有する構造を２枚または３枚のウエーハ(Wafer)で製作した後、互いに接合する過程により行われる。

シリコンウエーハ(Wafer)を用いてインクジェットヘッドを製造するためには、チャンバ及び膜などの多様な構造を形成しなくてはならなく、このような構造物が作られたら、それぞれの構造を一体化するための接合工程が必要とされる。接合工程は、それぞれのシリコンウエーハ(Wafer)を整列（align）して仮接し、約１０００℃の高温で熱処理する過程を経る。

このような接合工程からなる構造の一例が図５に示されている。すなわち、従来技術によるインクジェットヘッドの製造は、シリコンウエーハ(Wafer)で複数枚の基板を製作した後に、互いに接合する工程を行う。

シリコンダイレクトボンディング技術において、シリコンウエーハ(Wafer)を複数枚重ねて接合することは非常に難しい技術であって、表面上の若干の不良だけでも全体的な接合不良に繋がるという問題がある。

こうした従来技術の問題点に鑑み、本発明は、インクジェットヘッド構造の精密度を高めることができ、製作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。

本発明の一実施形態によれば、シリコン基板にインクチャンバを加工して形成する上部基板と、上部基板に接合され、ガラス基板にインクチャンバに繋がるインク流路を加工して形成する中間基板と、中間基板に接合され、シリコン基板にインク流路に繋がるノズルを加工して形成する下部基板と、を含むインクジェットヘッドが提供される。

上部基板にはインク流入口がさらに加工され、中間基板にはインク流入口に繋がるリザーバがさらに加工されることができ、シリコン基板とガラス基板とは、陽極接合により接合されることができる。

また、本発明の他の実施形態によれば、シリコン基板にインクチャンバを加工して上部基板を形成する段階と、ガラス基板にインクチャンバに繋がるインク流路を加工して中間基板を形成する段階と、シリコン基板にインク流路に繋がるノズルを加工して下部基板を形成する段階と、上部基板と中間基板、及び、中間基板と下部基板とをそれぞれ接合する段階と、を含むインクジェットヘッドの製造方法が提供される。

上部基板の形成段階は、シリコン基板にインク流入口を加工する段階をさらに含み、中間基板の形成段階は、ガラス基板にインク流入口に繋がるリザーバを加工する段階をさらに含むことができ、接合段階は陽極接合により行われることができる。前述した以外の他の実施形態、特徴、利点が以下の図面、特許請求の範囲及び発明の詳細な説明を通して明確になるだろう。

本発明の好ましい実施形態によれば、シリコン基板を用いて上部基板と下部基板とを形成し、ガラス基板を用いて中間基板を形成して、シリコン−ガラスボンディングにより接合してインクジェットヘッドを製造することにより、上部基板及び下部基板に設置される構造の精密度を確保でき、中間基板をより安価で製作することができ、基板間の接合を容易にして収率を向上することができる。
また、陽極接合により基板を接合するので、接合が緻密であり、中間基板であるガラス基板が親水力を有するのでインク充填が容易であってインクの初期充填時のプライミング（priming）が容易であり、性能が向上する。

以下、本発明に係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形態を添付図面に基づいて詳しく説明し、添付図面を参照して説明することにおいて、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複される説明は省略する。

図１は、本発明の好ましい一実施形態によるインクジェットヘッドの断面図である。図１を参照すると、インクチャンバ１、インク流入口２、インク流路３、リザーバ４、ノズル５、上部基板１０、中間基板２０、下部基板３０が示されている。

前述したように、シリコンウエーハ(Wafer)を加工して複数の基板を製作した後に互いに接合してインクジェットヘッドを製造する場合には、シリコン（シリコーン）基板間の接合が容易ではないし、一部に不良があると、図３に示すように全体的な接合不良をもたらすおそれがある。図３から分かるように、年輪状に滲んだように見える部分は、ウエーハ(Wafer)表面の小さな不良により接合が上手に行われなかった部分を示す。

本実施形態は、インクジェットヘッドの基本的機能を有する構造体を形成しながらも、基板間の接合力を向上できることを特徴とする。すなわち、シリコン基板間の接合により、ガラス基板とシリコン基板との間の接合が優れるということから、ヘッド構造の上部基板１０と下部基板３０とはシリコン基板により製作し、中間基板２０はガラス基板により製作して、ヘッド全体的にはガラス−シリコン接合になるようにすることである。

これは、シリコン基板の表面に酸化膜を形成してガラス層に相当する役割をさせたこととは異なり、本実施形態はシリコン基板と接合する中間基板自体のガラス基板を加工して形成することをその特徴とする。

ガラス基板の場合、サンディング（Sanding）方式（サンダー仕上げ）で加工すると、加工精密度が多少低くなるおそれがある。このため、本実施形態ではインクジェットヘッド構造においてリザーバ４などのような精密度が低くても影響を与えない部分に、ガラス基板を加工して中間基板２０として製作することにより、接合を容易にし、精密度を確保できるようにする。

すなわち、図１に示すように、本実施形態によるインクジェットヘッドは、上部基板１０、中間基板２０、下部基板３０を接合することで製造されるが、上部基板１０と下部基板３０とはシリコン基板を、中間基板２０はガラス基板を加工して製作する。

上部基板１０には、インクを収容して、加圧される空間であるインクチャンバ１が加工され、下部基板３０にはインクが液滴形態で吐出される通路であるノズル５が加工されて形成される。このように、上部基板１０及び下部基板３０には、ヘッド構造中、一定水準の精密度が確保されなくてはならない構造に形成し、このために、本実施形態ではシリコン基板を加工して上部基板１０と下部基板３０とを製作することである。シリコン基板をエッチングしてインクチャンバ１及びノズル５を加工する際には、既存の半導体工程を適用することができ、それに対する詳細な説明は省略する。

中間基板２０には、インクチャンバ１から加圧されたインクがノズル５を通して吐出されるように通路の役割を果たすインク流路３が加工される。一方、上部基板１０にインク流入口２が加工されると、流入されたインクはリザーバ４に収容され、インクチャンバ１に供給される。前述したインク流路３及びリザーバ４は、インクチャンバ１及びノズル５に比して相対的に精密度が低くてもインクジェットヘッドの全体的な性能には影響を与えることの少ない構造である。したがって、本実施形態ではガラス基板を加工して中間基板２０を製作したわけである。ガラス基板を加工してインク流路３及びリザーバ４を加工する際には、サンディング工程など既存の工法を適用することができ、それに対する詳細な説明は省略する。

このように、多数の構造物が加工された上部基板１０と中間基板２０、そして中間基板２０と下部基板３０との間の接合は、シリコン基板とガラス基板との接合になるため、陽極接合により行われることができる。陽極接合（anodic bonding）は、材料間のイオン結合を誘導し、接合部からの流体の漏水が発生せずに、物理的、化学的に安定した接合方法であって、ガラスとシリコンとの間のイオン結合により別途の接合層を介在しなくても基板を接合することができるため、接合面でのインクによる物理的、化学的反応を防止でき、堅固なヘッド構造を形成することができる。

図２は、本発明の好ましい一実施形態によるインクジェットヘッド製造方法を示す順序図である。本実施形態は、前述した実施形態によるインクジェットヘッドを製造するための方法であって、段階１００及び段階１２０で、シリコン基板を加工して上部基板１０及び下部基板３０を製作し、段階１１０で、ガラス基板を加工して中間基板２０を製作した後、段階１３０で、陽極接合によりシリコン基板とガラス基板とを接合することにより、インクジェットヘッドを製造する。

前述したように、上部基板１０にはインクチャンバ１とインク流入口２とがエッチングなどにより加工され、中間基板２０にはインクチャンバ１に繋がるインク流路３と、インク流入口２に繋がるリザーバ４とがサンディング方法などにより加工され、下部基板３０にはインク流路３に繋がるノズル５が加工される。シリコン基板とガラス基板とを加工してインクジェットヘッドの各構造を形成する方法に対する詳細な説明は省略する。

このように製造されたインクジェットヘッドの基本構造に圧電体（ＰＺＴ）を結合してインクジェットヘッドの製造を完了する。かかる圧電体（圧電素子）に電圧が印加されることによりノズルからインクが吐出される。前述した実施形態以外の多様な実施形態が本発明の特許請求の範囲内に存在する。

本発明の好ましい一実施形態によるインクジェットヘッドの断面図である。 本発明の好ましい一実施形態によるインクジェットヘッド製造方法の順序図である。 複数のウエーハ(Wafer)を接合して形成されたインクジェットヘッドを撮影した写真である。 従来技術によるインクジェットヘッド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。

符号の説明

１ インクチャンバ
２ インク流入口
３ インク流路
４ リザーバ
５ ノズル
１０ 上部基板
２０ 中間基板
３０ 下部基板

Claims (6)

1. シリコン基板にインクチャンバを加工して形成する上部基板と、
   前記上部基板に接合され、ガラス基板に前記インクチャンバに繋がるインク流路を加工して形成する中間基板と、
   前記中間基板に接合され、シリコン基板に前記インク流路に繋がるノズルを加工して形成する下部基板と、
   を含むことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記上部基板にはインク流入口がさらに加工され、
   前記中間基板には前記インク流入口に繋がるリザーバ（reservoir）がさらに加工され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。
3. 前記シリコン基板と前記ガラス基板とが、陽極接合（anodic bonding）により接合され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。
4. シリコン基板にインクチャンバを加工して上部基板を形成する段階と、
   ガラス基板に前記インクチャンバに繋がるインク流路を加工して中間基板を形成する段階と、
   シリコン基板に前記インク流路に繋がるノズルを加工して下部基板を形成する段階と、
   前記上部基板と前記中間基板、及び前記中間基板と前記下部基板とをそれぞれ接合する段階と、
   を含むことを特徴とするインクジェットヘッド製造方法。
5. 前記上部基板の形成段階が、前記シリコン基板にインク流入口を加工する段階をさらに含み、
   前記中間基板の形成段階が、前記ガラス基板に前記インク流入口に繋がるリザーバを加工する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド製造方法。
6. 前記接合段階が、陽極接合により行われることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド製造方法。