JP2009073099A - オリフィスプレート、及びオリフィスプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 吐出口の長さ（深さ）を基板の厚みに依存せずに形成する。
【解決手段】 ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に吐出口を形成し、エッジシュータ型のオリフィスプレートとする
【選択図】 図１

Description

本発明は、液滴を吐出する吐出口とこれに連通する個別液室を備え、この個別液室の一部を構成する振動板に、時間とともに推移する変位を与えるにより液滴を吐出させる圧電体を用いたインクジェットヘッドに関する。また本発明のよる圧電体を用いたインクジェットヘッドは、紙、布、革、不織布、OHPシート等に印刷するインクジェット記録装置や、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗布装置等に適用可能である。

従来よりインクジェットヘッドは、低騒音、低ランニングコスト、装置の小型化およびカラー化が容易である等の理由から、プリンターやファクシミリ等の記録装置に広く内蔵されている。また特に圧電体を用いたインクジェットヘッドは、吐出させる液体の選択自由度の高さからデバイス製造向けのパターニング装置としての用途も拡大しつつある。

インクジェット記録装置は、カラー化が容易であり、記録品位が高く、また高速記録が可能であるという利点を有している。さらに普通紙等にも記録でき、装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有していることより、プリンターやファクシミリ等の画像記録装置として用いられている。

従来から知られているインクジェットヘッドは、インク滴を吐出させる吐出口、吐出口と個別液室をつなぐ連通部、流路抵抗となる供給口などから形成されている。

インク滴の吐出を行うためには個別液室内を加圧させる必要があるが、その圧力発生手段としては、個別液室内に設置された発熱体により液体を発砲させて液滴を吐出させるバブル型のもの、個別液室の一部を形成している振動板を圧電素子により変形させることで液滴を形成させるピエゾ型のもの、静電気力で振動板を変形させることで液滴を吐出させる静電型が一般的に用いられている。

このようなインクジェットヘッドにおいては、近年の画像形成の高精細化の要求に伴い、個別液室をはじめとする液室を高密度かつ多数配列した高集積化が行なわれている。

これらの要求に応えるため、個別液室や吐出口などをフォトリソ技術を用いて加工することにより高密度かつ高精細なインクジェットヘッドが実現されている。

例えば特許文献１では、SOI基板を用いてオリフィスプレートを形成している。
特開平9-216368号公報

しかしながらこのようなインクジェットヘッドでは、アルカリによる異方性エッチングやドライエッチングにより吐出口（オリフィス、テーパ穴）を形成しているが、これでは吐出口の深さはSOI基板の活性層や支持体の厚みに依存してしまう。例えば、吐出口深さを浅く形成したい場合でも、取り扱うSOI基板を薄くするには限界があり所望の吐出口深さにすることができない。

さらに、高密度のインクジェットヘッド作製にあたっては、吐出口は小型化、高精度とする必要がありこれらに対応した構成や製造方法が求められている。

本発明は上記問題点を鑑みて為されたものである。

本出願に係る請求項１の発明は、液滴を吐出するための複数の吐出口と、流路抵抗となる複数の供給口からなるオリフィスプレートにおいて、前記オリフィスプレートは第１及び第２のSi層間にＳｉＯ２層を有するSOI基板からなり、
前記吐出口と前記供給口が前記第１または第２のＳｉ層のどちらか一方に形成されていることを特徴とするオリフィスプレートにある。

これにより、吐出口及び供給口の長さ（深さ）はSOI基板の厚みに依存することなく自由に設計することができる。

本出願に係る請求項2の発明は前記吐出口と連通する複数の連通部と、前記複数の供給口と連通する共通液室のどちらか一方もしくは両方が、前記吐出口と同一Ｓｉ層内に形成されていることを特徴とするオリフィスプレートにある。

これにより、吐出口、供給口、連通部並びに共通液室が同一Si層に形成することができ、もう一方のSi層はウエハハンドリング用の層として用いることができる。

本出願に係る請求項3の発明は液滴を吐出するための複数の吐出口と、流路抵抗となる複数の供給口からなるオリフィスプレートの製造方法であって、
第１及び第２のＳｉ層間にＳｉＯ２層を有するＳＯＩ基板を一方面側から前記SiO2層をエッチストップ層として加工することで、前記複数の吐出口及び前記複数の供給口を前記第1または前記第2のSi層内に形成する工程を有することを特徴とするオリフィスプレートの製造方法にある。

これにより、SOI基板を用いて所望の長さ（深さ）の吐出口や供給口を高精度に形成することができる。

本出願に係る請求項4の発明は液滴を吐出するための複数の吐出口と、流路抵抗となる複数の供給口からなるオリフィスプレートの製造方法であって、第１及び第２のＳｉ層間にＳｉＯ２層を有するＳＯＩ基板を一方面側から前記SiO2層をエッチストップ層として加工することで、前記複数の吐出口及び前記複数の供給口と、前記吐出口と連通する複数の連通部と前記複数の供給口と連通する共通液室の少なくとも一方とを前記第1または前記第2のSi層内に形成する工程を有することを特徴とするオリフィスプレートの製造方法にある。

これにより、SOI基板を用いて所望の長さ（深さ）の連通部と共通液室を高精度に形成することができる。

本出願に係る請求項5の発明は個別液室と振動板とアクチュエータが設けられた流路基板と、前記オリフィスプレートとを有することを特徴とする液滴吐出ヘッドにある。

これにより高精度に形成されたオリフィスプレートを持つ液滴吐出ヘッドを作製することができる。

以上説明してきたように本発明はSOI基板を用い、SOI層に吐出口や供給口及び共通液室を形成しオリフィスプレートとしている。よって高精細なインクジェットヘッド作製にあたって、吐出口や液滴吐出の流路抵抗となる供給口を所望の吐出性能に合わせ小型かつ高精度に形成することが可能となる。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

次に本実施例の第1の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るオリフィスプレート100を模式的に示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態のオリフィスプレート100は、複数の吐出口101、流路抵抗となる供給口102、複数の供給口102と連通している共通液室103が形成されたSOI（silicon-on-insulator）基板104を有している。

吐出口101及び供給口102は、別途用意された流路基板105の個別液室106と連通しインクジェットヘッドの機能を果たす。（図2）すなわち、個別液室106の上部にあり個別液室106の一面となる振動板107があり、振動板107上部には下電極108、圧電体薄膜109、上電極110とからなるアクチュエータ111を有している。アクチュエータ111が給電され振動板107が変形することで、振動板107が接する個別液室106内に貯留されているインク等の液体が加圧され、吐出口101から液滴として吐出される。またその際、供給口102は液滴吐出時の流路抵抗の役割を果たす。

なお吐出口101は後述するように、流路基板105との接合後に切断することで吐出口の断面を形成する、すなわちエッジシュータタイプのインクジェットヘッドである。

次に、本実施形態の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。

図３(a)に示すようにSOI層120の厚みが20μm、絶縁層121の厚みが1μm、ベース層122の厚みが200μmの6inchサイズのSOI（silicon-on-insulator）基板104を用意する。

続いて図３（b）に示すようにSOI層120側にエッチングマスク123を施す。次に図３（c）のように絶縁層121をエッチングストップ層としてエッチングを行い吐出口101、供給口102及び共通液室103を形成する。本実施例では吐出口101はテーパ型とし、出口の幅は20μm、個別液室106と連通する個所の幅は40μm、長さ（深さ）は50μmとした。また供給口102は幅25μm、長さ80μmとした。

エッチングにはSiの深堀り技術として知られているICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いる。本実施例では、CF4とSF6のガスを用いて垂直にエッチングを行なっている。なお、エッチングマスク123はレジストのみで形成してもよいし、SiO2やSiONで形成してもよい。

吐出口101、供給口102はICPによるドライエッチングを用いることで高精度に形成することができる。なお、これらはICPによるドライエッチングの他にアルカリ溶液を用いた異方性エッチングを用いてもよい。

このようにして形成したオリフィスプレート100において、吐出口101の長さはSOI基板104の厚みに依存することなく形成することができる。また吐出口断面の寸法は、SOI層120の厚みと、フォトリソ時のマスク幅の調整により所望の寸法とすることができる。またSOI層120の厚みを薄くしたSOI基板104を用いたい場合でも、ベース層122の厚みがある分ハンドリング等に問題はなく、ウエハの割れや欠けが発生することなく、オリフィスプレート100を作製することができる。

なお、絶縁層121を除去したい場合は、バッファードフッ酸等で、露出した絶縁層121をエッチングしてもよい。

続いて、図4（a）に示すように別途用意した流路基板105とオリフィスプレート100を接合する。流路基板105には個別液室106、振動板107及び下電極108、圧電体薄膜109、上電極110とからなるアクチュエータ111が形成されている。

接合にはSi同士の直接接合技術や、Siの表面にAuを形成しAu同士による固相接合技術を用いる。

最後に図4（b）に示すように、吐出口101の断面が露出するようブレードダイサー等で切断を行いエッジシュータ型のインクジェットヘッドを作製する。

なお、吐出口101の断面形成後、断面に撥水膜等を形成しても構わない。

一般的にサイドシュータ型のインクジェットヘッドの場合、吐出口の長さ（深さ）は基板の厚みに依存してしまい、ウエハのハンドリングの問題から吐出口の長さ（深さ）はある程度までしか小さくすることはできなかった。しかし本実施例のインクジェットヘッドはエッジシュータ型、すなわち吐出口101の長さはウエハの厚み方向と垂直方向に形成していることより、吐出口101の長さ（深さ）を小さくすることができる。またその形状もエッチングマスクのパターンの形状により面内方向で自由に形成することができ、高精度の吐出を実現することができる。

また吐出口101はアクチュエータ111から離れていることより、アクチュエータ111の振動の影響を受けにくい構造となり、安定した液滴吐出が実現される。同様に供給口102もアクチュエータ111から離れていることより、駆動時のアクチュエータ111の振動の影響を受けづらく、流路抵抗として安定した機能を果たすことができる。

なお、本実施例ではSOI層120の厚さは20μm、絶縁層121の厚さは1μm、ベース層の厚さが200μmである6inchのSOI基板104を用いたが、上記に関わらず、吐出口101の所望の寸法に合わせてSOI基板104を決定していよい。

また、吐出口101、供給口102は上記寸法に限定したものではない。また共通液室103は必ずしもSOI層120に形成する必要はなく、流路基板105に形成してもよい。

次に本実施例の第2の形態について説明する。

実施例２はオリフィスプレート100側に連通部124も同時に形成する点以外は実施例1と同様である。符号は実施例1と同じものを用いて説明する。

図５（a）に示すように、本実施形態のオリフィスプレート100は、複数の吐出口101、流路抵抗となる供給口102、共通液室103及び吐出口101と個別液室106とを連結する連通部124から形成されたSOI（silicon-on-insulator）基板104を有している。

図５（b）に示すようにオリフィスプレート100は別途用意された流路基板105と接合し、吐出口断面を出すことでインクジェットヘッドとしての機能を果たす。

オリフィスプレート100と流路基板105との接合時には多少の位置ずれが生じるものと思われる。吐出口101と個別液室106とを連結する連通部124は接合時の接合のずれを吸収する接合のりしろの役割を果たす。

また吐出口101の形状と供給口102の形状のみで流路抵抗のバランスが取れない場合に、連通部124を形成することで、所望の吐出性能を持つインクジェットヘッドを形成することが可能となる。

このような実施例2の形態、製法においても実施例1と同様の効果を得ることができる。

実施例1を説明するSOI基板を用いたオリフィスプレートの構成図。 実施例1を説明するインクジェットヘッドの構成図。 実施例1を説明するオリフィスプレートの構成図。 実施例1を説明するインクジェットヘッドの構成図。 実施例2を説明するインクジェットヘッドの構成図。

符号の説明

101 吐出口
102 供給口
103 共通液室
104 SOI基板
105 流路基板
106 個別液室
107 振動板
108 下電極
111 アクチュエータ
120 SOI層
121 絶縁層
122 ベース層
123 エッチングマスク
124 連通部

Claims (5)

1. 液滴を吐出するための複数の吐出口と、流路抵抗となる複数の供給口からなるオリフィスプレートにおいて、
   前記オリフィスプレートは第１のSi層及び第2のSi層間にSiO2層を有するSOI基板からなり、前記吐出口と前記供給口が前記第１のSi層または第2のSi層のどちらか一方に形成されていることを特徴とするオリフィスプレート。
2. 前記吐出口と連通する複数の連通部と、前記複数の供給口と連通する共通液室のどちらか一方もしくは両方が、前記吐出口と同一Ｓｉ層内に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のオリフィスプレート。
3. 液滴を吐出するための複数の吐出口と、流路抵抗となる複数の供給口からなるオリフィスプレートの製造方法であって、
   第１のSi層及び第２のSi層間にSiO2層を有するSOI基板を一方面側から前記SiO2層をエッチストップ層として加工することで、前記複数の吐出口及び前記複数の供給口を前記第1のSi層または前記第2のSi層内に形成する工程を有することを特徴とするオリフィスプレートの製造方法。
4. 液滴を吐出するための複数の吐出口と、流路抵抗となる複数の供給口からなるオリフィスプレートの製造方法であって、
   第１のSi層及び第２のSi層間にSiO2層を有するSOI基板を一方面側から前記SiO2層をエッチストップ層として加工することで、前記複数の吐出口及び前記複数の供給口と、前記吐出口と連通する複数の連通部と前記複数の供給口と連通する共通液室の少なくとも一方とを
   前記第1のSi層または前記第2のSi層内に形成する工程を有することを特徴とするオリフィスプレートの製造方法。
5. 個別液室と振動板とアクチュエータが設けられた流路基板と、請求項１又は請求項２に記載のオリフィスプレートとを有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。

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