JP2010046847A - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動板の厚みばらつきが低減されて厚みが高精度化され、さらに共通電極を容易に取り出すことができる液滴吐出ヘッド等を提供する。
【解決手段】複数の積層された基板１、２、３に、少なくとも、液滴を吐出する複数のノズル孔３０と、各ノズル孔３０のそれぞれに連通する吐出室１３と、吐出室１３の底壁に形成された振動板１２と、各吐出室１３と連通され吐出室１３に液体を供給するリザーバ１４と、振動板１２と対向配置されて振動板１２を駆動する個別電極２１とが形成され、積層された基板１、２、３のうちの一の基板１がシリコン製の基板であって、少なくとも吐出室１３を形成した基材と、この基材の底面に接合した振動板１２とを備え、基材が（１１０）面方位のシリコン単結晶基材１０からなり、振動板１２が（１１１）面方位のシリコン単結晶基材１１からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法に関する。

静電駆動方式の液滴吐出ヘッドにおいては、振動板厚みが吐出性能に大きく影響するので、振動板厚みのばらつきを低減すること、すなわち厚みを高精度に制御することが望まれている。

従来のインクジェットヘッドに、ボロンドープ層が形成されているシリコン基材を水酸化カリウム溶液でボロンドープ層に達するまでエッチングしてエッチングストップさせ、振動板を形成する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のインクジェットヘッドに、水酸化カリウム溶液によってベース基板のエッチングを行い、熱酸化膜に達するとエッチングはストップし、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の活性層基板からなる振動板を形成する方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１２９４７３号公報（第４頁、図５） 特開２００２−６７３０７号公報（第５頁、図６）

特許文献１記載の技術によれば、シリコン基板ごと、または製造ロットごとにボロンドープ層の深さばらつきが大きくなり、振動板厚みの管理が難しい。

また、特許文献２記載の技術によれば、振動板とベース基板とを電気的に接続すること、すなわち共通電極の取り出しが困難である。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、振動板の厚みばらつきが低減されて厚みが高精度化され、さらに共通電極を容易に取り出すことができる液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、複数の積層された基板に、少なくとも、液滴を吐出する複数のノズル孔と、各ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室と、吐出室の底壁に形成された振動板と、各吐出室と連通され吐出室に液体を供給するリザーバと、振動板と対向配置されて振動板を駆動する個別電極とが形成され、
積層された基板のうちの一の基板がシリコン製の基板であって、少なくとも吐出室を形成した基材と、この基材の底面に接合した振動板とを備え、
前記基材が（１１０）面方位のシリコン単結晶基材からなり、前記振動板が（１１１）面方位のシリコン単結晶基材からなるものである。

一の基板は、（１１０）面方位の基材と（１１１）面方位の基材とを接合することにより形成され、（１１０）面方位の基材に少なくとも吐出口を形成し、（１１１）面方位の基材を振動板として機能させるようにしたので、振動板の厚みばらつきを低減して厚みの高精度化をはかることができ、吐出特性を安定化させることができる。

本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
吐出特性が安定した液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を得ることができる。

本発明に係るシリコン製基板の製造方法は、
（１１０）面方位のシリコン単結晶基材と、（１１１）面方位のシリコン単結晶基材とを貼り合わせて接合基材を形成する工程と、
前記（１１１）面方位のシリコン単結晶基材の表面を研削して薄板化する工程と、
前記（１１０）面方位のシリコン単結晶基材をウェットエッチングし、前記（１１１）面方位のシリコン単結晶基材によりエッチングストップして、前記（１１０）面方位のシリコン単結晶基材に少なくとも吐出室を形成すると共に、前記（１１１）面方位のシリコン単結晶基材を振動板とする工程と、
を含むものである。

（１１０）面方位のシリコン単結晶基材をウェットエッチングし、エッチング液が（１１１）面方位のシリコン単結晶基材に達したときにエッチングレートが極端に低下するために、（１１１）面方位のシリコン単結晶基材の厚みのばらつきを低減することができ、振動板厚みを高精度化することができる。
また、（１１０）面方位のシリコン単結晶基材と（１１１）面方位のシリコン単結晶基材とは直接接しており、電気的にも接続されているため、これらの基材から共通電極を容易に取り出すことができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、
上記のシリコン製基板の製造方法を適用して、液滴吐出ヘッドのシリコン製基板部分を製造するものである。
（１１１）面方位のシリコン単結晶基材の厚みのばらつきを低減させ、振動板厚みを高精度化したシリコン製基板を備えた、吐出特性が安定した液滴吐出ヘッドを得ることができる。

本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、
上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置の液滴吐出ヘッド部分を製造するものである。
吐出特性が安定した液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図、図２は図１の液滴吐出ヘッドを組み立てた状態の縦断面図である。なお、本実施の形態１では、液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイス型のインクジェットヘッドの場合を示している。
図１、図２に示すように、液滴吐出ヘッドは、振動板を有するキャビティ基板１と、電極部を有するガラス基板２と、ノズル孔を有するノズル基板３とが積層された３層構造になっている。

中間に位置するキャビティ基板１は、例えば厚み１８０μｍの、（１１０）を面方位とするシリコン（Ｓｉ）単結晶基材（以下、（１１０）基材、あるいは流路基材ともいう）１０と、厚さ約２μｍの（１１１）を面方位とするシリコン（Ｓｉ）単結晶基材（以下、（１１１）基材、あるいは振動板基材ともいう）１１とが、直接接合や表面活性化接合によって接合されている。
このキャビティ基板１は、接合された基材のうち、（１１１）基材１１を研磨により薄板化し、さらに（１１０）基材１０に異方性ウェットエッチングを施して形成したもので、底壁が振動板１２となる吐出室１３、及び各ノズル孔３０に共通して吐出するための液体を溜めておくリザーバ１４を有する。

振動板１２は、薄板化した（１１１）基材１１により形成されているので、アルカリ性水溶液で（１１０）基材１０に異方性ウェットエッチングを行った場合、（１１１）基材１１では、（１１０）基材１０や、（１００）面方位のシリコン単結晶基材（（１００）基材ともいう）と比較してエッチングレートが極端に小さくなるため、振動板１２の厚みや、吐出室１３の体積を高精度に制御することができる。

キャビティ基板１の下面（図２の下側面）には、絶縁膜１５となるＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜０．１μｍが形成されている。
なお、リザーバ１４には液滴供給孔１６が設けられている。また、キャビティ基板１上には共通電極の端子部１７が形成されている。

キャビティ基板１の下面に陽極接合されたガラス基板２は、厚み約１ｍｍであり、ホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスよりなる。ガラス基板２には、キャビティ基板１に形成されている各吐出室１３に合わせて、エッチングにより深さ約０．２μｍの個別電極凹部（溝部）２０が設けられており、その内部には、個別電極２１、リード部２２及び端子部２３（以下、これらを合わせて個別電極部という）を設けているので、個別電極凹部２０のパターン形状は個別電極部の形状よりも少し大きめに作製してある。

個別電極凹部２０に設ける個別電極部の材料としては、酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）を用い、例えば０．１μｍの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。
したがって、振動板１２と個別電極２１との間で形成されるギャップＧは、個別電極凹部２０の深さ、個別電極２１の厚みにより決まることになる。このギャップＧは吐出特性に大きく影響する。
ここで、個別電極部の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよい。
液滴供給穴２４はサンドブラスト加工または切削加工により形成されており、キャビティ基板１のリザーバ１４に設けられた液滴供給孔１６と連通する。
なお、ガラス基板２上に形成した個別電極部の端子部２３は、キャビティ基板１上に形成した共通電極の端子部１７とともに、発振回路４０に接続されている。

キャビティ基板１の上面（図２の上側面）に接合されたノズル基板３は、例えば厚み約１８０μｍのシリコン基板からなり、ガラス基板２とは反対の面でキャビティ基板１に接合している。ノズル基板３には、吐出室１３と連通するノズル孔３０が形成されており、下面にはオリフィス３１が設けられ、吐出室１３とリザーバ１４とを連通させている。リザーバ１４と接する部分には、リザーバ１４のコンプライアンスを高め、インクジェット駆動時のクロストークを吸収するため、ダイヤフラム３２が形成されている。
ここではノズル孔３０を有するノズル基板３を上面とし、ガラス基板２を下面として説明しているが、実際に用いられる場合には、ノズル基板３の方が下面になることが多い。

上記のように構成した液滴吐出ヘッドの動作を説明する。
図２に示すように、吐出室１３にはノズル孔３０から吐出する吐出液体を溜めておく。そして、吐出室１３の底壁である振動板１２を撓ませ、吐出室１３内の圧力を高め、ノズル孔３０から液滴を吐出させる。
この際、キャビティ基板１上に形成した共通電極の端子部１７と、ガラス基板２上に形成した個別電極部の端子部２３は、発振回路４０に接続されており、個別電極２１への電荷の供給及び停止を制御する。例えば、２４ｋＨｚで発振し、個別電極２１に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。

個別電極２１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板１２は負に帯電し、静電気力により個別電極２１に引き寄せられて撓む。これにより吐出室１３の体積は広がる。そして個別電極２１への電荷供給を止めると振動板１２は元に戻るが、そのときの吐出室１３の体積も元に戻るため、その圧力により差分の液滴がノズル孔３０から吐出し、例えば液滴がインクである場合は、記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。
なお、このような方法は引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。

上記のように、キャビティ基板１は、（１１０）基材１０と（１１１）基材１１とを貼りあわせてあり、（１１０）基材１０ａに吐出室１３などの流路を形成し、（１１１）基材を振動板１６としたので、振動板１６の厚みばらつきが低減され、厚みの高精度化がはかられるので、吐出特性を安定化させることができる。

上記のように構成した液滴吐出ヘッドのキャビティ基板１の製造方法を、図３〜図５の製造工程図により説明する。実際には、シリコン基材から複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図３〜図５ではその一部分だけを示している。
なお、以下の説明で記載した数値はその一例を示すもので、これに限定するものではない。

（ａ） 図３（ａ）に示すように、（１１０）を面方位とする酸素濃度の低い、両面研磨した、厚み１８０μｍのシリコン基材（（１１０）基材）１０と、（１１１）を面方位とする片面研磨した厚み５２５μｍのシリコン基材（（１１１）基材）１１とを直接接合し、あるいは表面活性化接合して、（１１０）基材１０と（１１１）基材１１との接合体であるキャビティ基材１００を作製する。

（ｂ） 図３（ｂ）に示すように、（１１１）基材１１を研削、研磨して、厚み２．５μｍまで薄板化する。

（ｃ） 図３（ｃ）に示すように、キャビティ基材１００の両面に熱酸化によりＳｉＯ₂ 膜１０１を１μｍ形成する。

（ｄ） 図４（ｄ）に示すように、キャビティ基材１００の両面のＳｉＯ₂ 膜１０１にレジストを塗布し、（１１０）基材１０側のＳｉＯ₂ 膜１０１に、吐出室１３及びリザーバ１４を形成するためのレジストパターニングを施し、フッ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ₂ 膜１０１をパターニングする。そしてレジストを剥離する。

（ｅ） 図４（ｅ）に示すように、キャビティ基材１００を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、（１１１）基材１１の基材表面に達するまで、（１１０）基材１０をエッチングする。（１１１）基材１１の基材表面に達した時点でエッチングレートが極端に低下する。こうして、吐出室１３、リザーバ１４及び振動板１２が形成される。

（ｆ） キャビティ基材１００をフッ酸水溶液に浸し、図４（ｆ）に示すように、キャビティ基材１００の両面のＳｉＯ₂ 膜１０１を剥離する。

（ｇ） 図５（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により絶縁膜１５を、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ３／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ３／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で、振動板１４の表面に０．１μｍ成膜する。

（ｈ） 図５（ｈ）に示すように、リザーバ１４の底に、液滴供給孔１６をピン等で突付いて貫通させる。

上記のように、キャビティ基材１００を（１１０）基材１０と（１１１）基材１１とを貼り合わせて形成し、（１１１）基材１１を振動板の厚みまで研磨して薄くし、さらに吐出室１３及びリザーバ１４をエッチングする際に、（１１１）基材１１の表面でエッチングストップするようにしたので、（１１１）基材１１にエッチング液が達したときにエッチングレートが極端に低下して、振動板の厚みばらつきを低減させることができる。こうして、キャビティ基板１の振動板厚みの高精度化をはかることができる。
また、キャビティ基材１００の（１１０）基材１０と（１１１）基材１１とは直接接しており、電気的にも接続されているため、共通電極の取り出しが容易である。

次に、図３〜図５に示した工程によって製造されたキャビティ基板１を用いて液滴吐出ヘッドを製造する方法を、図６の製造工程図を用いて説明する。
なお、実際には、基材から複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、以下の説明ではその一部分だけを示している。
（ａ） 図６（ａ）に示すように、個別電極２１、リード部２２、端子部２３、インク供給穴２４を形成したガラス基板２を作製する。

（ｂ） 図３〜図５に示した製造工程によって製造されたシリコン製のキャビティ基板１と、図６（ａ）のようにして製造されたガラス基板２とを３６０℃に加熱した後、ガラス基板２に負極、キャビティ基板１に正極を接続し、８００Ｖの電圧を印加して、図６（ｂ）に示すように陽極接合する。

（ｃ） ギャップＧ内の水分除去及び疎水化処理を行った後、図６（ｃ）に示すように、封止部にエポキシ系樹脂を盛り、封止材４１を形成してギャップＧの封止を行う。

（ｄ） 図６（ｄ）に示すように、ノズル基板３をエポキシ系接着剤によりキャビティ基板１に接着する。
そして、ダイシングを行い、個々のヘッドに切断する。
こうして、液滴吐出ヘッドが完成する。

実施の形態２．
図７は実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を示す斜視図である。図７に示す液滴吐出装置は、一般的なインクジェットプリンタである。
実施の形態１に示す液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板１が、（１１０）基材１０と（１１１）基材１１とを貼りあわせてあり、（１１０）基材１０に吐出室１３などの流路を形成し、（１１１）基材１１を振動板１６としたので、振動板１６の厚みばらつきが低減され、厚みの高精度化がはかられて、吐出特性を安定化させることができ、このような液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置は、高精度で信頼性が高い。
なお、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドは、図７に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図。 図１の液滴吐出ヘッドを組み立てた状態の縦断面図。 実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドのキャビティ基板の製造工程を示す断面図。 図３に続く液滴吐出ヘッドのキャビティ基板の製造工程を示す断面図。 図４に続く液滴吐出ヘッドのキャビティ基板の製造工程を示す断面図。 実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す断面図。 本発明の実施の形態２に係る液滴吐出装置の斜視図。

符号の説明

１ キャビティ基板、２ ガラス基板、３ ノズル基板、１０ （１１０）面方位のシリコン単結晶基材（（１１０）基材）、１１ （１１１）面方位のシリコン単結晶基材（（１１１）基材）、１２ 振動板、１３ 吐出室、１４ リザーバ、１５ 絶縁膜、１７ 共通電極端子部、２０ 個別電極凹部（溝部）、２１ 個別電極、２２ リード部、２３ 端子部、３０ ノズル孔、３１ オリフィス、３２ ダイヤフラム、１００ キャビティ基材。

Claims (5)

1. 複数の積層された基板に、少なくとも、液滴を吐出する複数のノズル孔と、前記各ノズル孔のそれぞれに連通する吐出室と、前記吐出室の底壁に形成された振動板と、前記各吐出室と連通され前記吐出室に液体を供給するリザーバと、前記振動板と対向配置されて前記振動板を駆動する個別電極とが形成され、
   前記積層された基板のうちの一の基板がシリコン製の基板であって、少なくとも前記吐出室を形成した基材と、この基材の底面に接合した振動板とを備え、
   前記基材が（１１０）面方位のシリコン単結晶基材からなり、前記振動板が（１１１）面方位のシリコン単結晶基材からなることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
3. （１１０）面方位のシリコン単結晶基材と、（１１１）面方位のシリコン単結晶基材とを貼り合わせて接合基材を形成する工程と、
   前記（１１１）面方位のシリコン単結晶基材の表面を研削して薄板化する工程と、
   前記（１１０）面方位のシリコン単結晶基材をウェットエッチングし、前記（１１１）面方位のシリコン単結晶基材によりエッチングストップして、前記（１１０）面方位のシリコン単結晶基材に少なくとも吐出室を形成すると共に、前記（１１１）面方位のシリコン単結晶基材を振動板とする工程と、
   を含むことを特徴とするシリコン製基板の製造方法。
4. 請求項３記載のシリコン製基板の製造方法を適用して液滴吐出ヘッドのシリコン製基板部分を製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
5. 請求項４記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置の液滴吐出ヘッド部分を製造することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。

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