JP4731270B2 - 圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドに係り、さらに詳細にはクロストークを減少させることができる圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関する。
一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微細な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させ、所定色相の画像を印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドは、インク吐出方式により、二種に大別される。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱変換方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用し、その圧電体の変形によりインクに加えられる圧力によりインクを吐出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。
前記の圧電方式インクジェットプリントヘッドの一般的な構成は、図1に図示されている。図1を参照すれば、流路プレート1の内部には、インク流路をなすマニフォールド2と、リストリクタ3と、圧力チャンバ4と、ノズル5とが形成されており、流路プレート1の上部には、圧電アクチュエータ6が設けられている。マニフォールド2は、インク保存庫から流入されたインク(図示せず)を各圧力チャンバ4に供給する通路であり、リストリクタ3は、マニフォールド2から圧力チャンバ4にインクが流入される通路である。圧力チャンバ4は、吐出されるインクが充填されるところであり、圧電アクチュエータ6の駆動によりその体積が変化することにより、インクの吐出または流入のための圧力変化を生成する。このために、流路プレート1の圧力チャンバ4の上部壁をなす部位は、圧電アクチュエータ6により変形される振動板1aの役割を果たす。
このような構成を有した従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、圧電アクチュエータ6の駆動により、振動板1aが変形されれば、圧力チャンバ4の体積が減少し、これによる圧力チャンバ4内の圧力変化により圧力チャンバ4内のインクは、ノズル5を介して外部に吐出される。次に、圧電アクチュエータ6の駆動により、振動板1aが元来の形態に復元されれば、圧力チャンバ4の体積が増加し、これによる圧力変化により、インクがマニフォールド2からリストリクタ3を介して圧力チャンバ4内に流入される。
このような圧電方式インクジェットプリントヘッドの具体的な一例として、図2に特許文献1に開示された圧電方式インクジェットプリントヘッドが図示されている。
図2を参照すれば、従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドは、複数の薄い第1プレート11から第6プレート16を積層して接合することによりなる。すなわち、プリントヘッドの一番下には、インクを吐出するためのノズル11aが形成されている第1プレート11が配置され、その上に、マニフォールド12aとインク排出口12bとが形成されている第2プレート12が積層され、またその上には、インク流入口13aとインク排出口13bとが形成されている第3プレート13が積層される。そして、第3プレート13には、インク保存庫(図示せず)からマニフォールド12aにインクを導入するためのインク導入口17が設けられている。第3プレート13上には、インク流入口14aとインク排出口14bとが形成されている第4プレート14が積層され、その上には、両端部がそれぞれインク流入口14aとインク排出口14bとに連通されている圧力チャンバ15aが形成されている第5プレート15が積層される。前記のインク流入口13a,14aは、マニフォールド12aから圧力チャンバ15aにインクが流入する通路の役割を果たし、インク排出口12b,13b,14bは、圧力チャンバ15aからノズル11a側にインクが排出される通路の役割を果たす。第5プレート15上には、圧力チャンバ15aの上部を封止する第6プレート16が積層され、その上には、圧電アクチュエータとして、駆動電極20と圧電膜21とが形成されている。従って、第6プレート16は、圧電アクチュエータにより振動する振動板としての機能を果たし、その反り変形により、その下の圧力チャンバ15aの体積を変化させる。
図3には、従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの他の例として、本出願人による特許文献2に開示されたインクジェットプリントヘッドが図示されており、図4には、図3で図示されたインクジェットプリントヘッドの垂直断面図が図示されている。
図3及び図4に図示されたインクジェットプリントヘッドは、3枚のシリコン基板30,40,50が積層されて接合された構造を有する。3枚の基板30,40,50のうち、上部基板30の底面には、所定深さの圧力チャンバ32が形成されており、その一側には、インク保存庫(図示せず)と連結されたインク導入口31が貫通形成されている。前記圧力チャンバ32は、中間基板40に形成されているマニフォールド41の長手方向にプリントヘッドチップの両側に二列に配列されている。そして、上部基板30の上面には、圧力チャンバ32にインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータ60が形成されている。中間基板40には、インク導入口31と連結されるマニフォールド41が形成されており、このマニフォールド41の両側に、複数の圧力チャンバ32それぞれと連結されるリストリクタ42が形成されている。また、中間基板40には、上部基板30に形成されている圧力チャンバ32に対応する位置にダンパ43が垂直に貫通形成されている。そして、下部基板50には、前記ダンパ43と連結されるノズル51が形成されている。
前記インク導入口31を介して前記マニフォールド41内に流入されたインクは、前記リストリクタ42を経て前記圧力チャンバ32に流入される。その後、前記圧電アクチュエータ60が作動し、前記圧力チャンバ32を加圧すれば、前記圧力チャンバ32内のインクは、前記ダンパ43を通過し、前記ノズル51を介して噴射される。ここで、前記リストリクタ42は、前記マニフォールド41から前記圧力チャンバ32にインクを供給する通路の役割を果たすだけではなく、インクが吐出されるとき、前記圧力チャンバ32から前記マニフォールド41側にインクが逆流することを抑制する役割も果たす。
しかし、従来には、前記圧電アクチュエータ60が前記圧力チャンバ32を加圧するとき、前記圧力チャンバ32に伝えられる圧力が前記リストリクタ42にも伝えられ、隣接したリストリクタ42間にクロストーク現象が発生する。クロストーク現象とは、インクの噴射時に隣接したリストリクタ42間に圧力の相互干渉が発生し、前記ノズル51を介して噴射されるインク滴のサイズが不均一になる現象をいう。前記クロストーク現象が発生すれば、意図しないインクが噴射されたり、または噴射されねばならない量と異なったインクが噴射され、印刷品質が低下するという問題点がある。
米国特許第5,856,837号明細書 韓国特許公開第2003−0050477号公報
本発明は、前記のような問題点を解決するためのものであり、マニフォールドの体積を増加させることにより、リストリクタ相互間のクロストーク現象を低減させることができる圧電方式のインクジェットプリン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。
前記のような目的を達成するための本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、インクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータが上面に設置され、インクが導入されるインク導入口が貫通形成され、吐出されるインクが充填される圧力チャンバと、前記圧力チャンバの幅より小幅で前記圧力チャンバから延びる第1リストリクタとがその底面に形成される上部基板と、前記インク導入口と連結されて流入されたインクが保存されるマニフォールドがその底面に所定の深さで形成され前記マニフォールドから前記圧力チャンバにインクを流入させる第2リストリクタが前記第1リストリクタと連通するように貫通形成され、前記圧力チャンバの他端部に対応する位置にダンパが貫通形成されている中間基板と、前記ダンパと対応する位置にインクを吐出するためのノズルが貫通形成されている下部基板とを備え、前記下部基板、中間基板及び上部基板は、順次積層されて互いに接合され、いずれも単結晶シリコン基板からなる。
前記上部基板は、第1シリコン基板と、中間酸化膜と、第2シリコン基板とが順次積層された構造を有したSOI(Silicon On Isolator)ウェーハからなり、前記第1シリコン基板に前記圧力チャンバと第1リストリクタとが形成され、前記第2シリコン基板が前記振動板としての役割を果たす。
前記中間基板は、前記マニフォールドの天井壁を支持する少なくとも1つの支持柱を備える。前記少なくとも1つの支持柱は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接して前記マニフォールドの天井壁を支持する。
そして、前記中間基板は、隣接したリストリクタ間にクロストークを減少させるための遮断壁を備える。前記遮断壁は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接する。
前記圧力チャンバの幅方向に沿う前記第1リストリクタの幅は、前記第2リストリクタの幅より小さく形成されているか、または前記第2リストリクタの幅より大きく形成されうる。
前記圧力チャンバは、前記マニフォールドの長手方向であってプリントヘッドチップの両側に二列に配列され、前記マニフォールドを左右に分離させるために、前記マニフォールドの内部には、その長手方向に隔壁が形成されうる。
前記圧電アクチュエータは、前記上部基板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記圧力チャンバの上部に位置するように形成される圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成され、前記圧電薄膜に電圧を印加するための上部電極とを備える。
本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法は、単結晶シリコン基板からなる上部基板、中間基板及び下部基板を準備するステップと、準備された前記上部基板を微細加工し、インク導入口と、複数の圧力チャンバと、前記圧力チャンバと連結される複数の第1リストリクタとを形成する上部基板の加工ステップと、準備された前記中間基板を微細加工し、前記インク導入口と連結されるマニフォールドを前記中間基板の底面に所定の深さで形成し、前記マニフォールドと前記複数の第1リストリクタとをそれぞれ連結する複数の第2リストリクタを前記第1リストリクタに対応する位置に形成し、前記複数の圧力チャンバそれぞれの他端部に連結される複数のダンパを前記中間基板を貫通するように形成する中間基板の加工ステップと、準備された前記下部基板を微細加工し、前記ダンパと連結されるノズルを貫通されるように形成する下部基板の加工ステップと、前記下部基板、中間基板及び上部基板を積層して接合させるステップと、前記上部基板上にインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータを形成するステップとを含む。
前記基板の加工ステップ前に、前記3枚の基板それぞれに、前記接合ステップでの整列基準として利用されるベースマークを形成するステップをさらに含む。
前記上部基板の加工ステップは、前記上部基板の底面を所定深さに乾式エッチングし、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第1リストリクタとを形成できる。前記上部基板の加工ステップで、前記上部基板として、第1シリコン基板と、中間酸化膜と、第2シリコン基板とが順次積層された構造を有したSOIウェーハを使用し、前記中間酸化膜をエッチング停止層として、前記第1シリコン基板を乾式エッチングすることにより、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第1リストリクタとを形成できる。
前記中間基板の加工ステップは、前記中間基板の底面に所定パターンの第1エッチングマスクを形成するステップと、前記第1エッチングマスクを利用し、前記中間基板の底面を所定深さにエッチングすることにより、前記マニフォールドと前記ダンパの下部とを形成するステップと、前記中間基板の上面に所定パターンの第2エッチングマスクを形成するステップと、前記第2エッチングマスクを利用し、前記中間基板の上面を所定深さにエッチングすることにより、前記ダンパの下部と連結される前記ダンパの上部と第2リストリクタとを形成するステップとを含むことができる。前記中間基板のエッチングは、誘導結合プラズマ(ICP)による乾式エッチングにより行われる。
前記下部基板の加工ステップは、前記下部基板の上面を所定深さにエッチングし、前記ダンパと連結されるインク誘導部を形成するステップと、前記下部基板の底面をエッチングし、前記インク誘導部と連結されるインク吐出口を形成するステップとを含むことができる。
前記接合ステップで、前記3枚の基板間の接合は、シリコンダイレクトボンディング(SDB)により行われる。
前記圧電アクチュエータの形成ステップ前に、前記上部基板上にシリコン酸化膜を形成するステップをさらに備える。
前記圧電アクチュエータの形成ステップは、前記上部基板上にTi層とPt層とを順次積層して下部電極を形成するステップと、前記下部電極上に圧電膜を形成するステップと、前記圧電膜上に上部電極を形成するステップとを含むことができる。
本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法によれば、中間基板の底面を加工してマニフォールドを形成し、これを圧力チャンバの下部に設置することにより、マニフォールドの幅を容易に増加させることができる。従って、マニフォールドの体積が増加し、複数ノズルから同時にインクが吐出されるとき、隣接したリストリクタ間に発生するクロストークが低減される。また、マニフォールドの断面積が増加し、再充填過程でインク供給流量が増大するので、高周波数の吐出時にも安定した作動が可能である。
本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法によれば、中間基板の底面を加工してマニフォールドを形成し、これを圧力チャンバの下部に設置することにより、マニフォールドの幅を容易に増加させることができる。従って、マニフォールドの体積が増加し、内部に収容されるインクの量が増加し、リストリクタを介してマニフォールド内部に伝えられる圧力が分散吸収される。従って、複数ノズルから同時にインクが吐出されるとき、隣接したリストリクタ間に発生するクロストークが低減される。また、マニフォールドの幅が大きくなれば、断面積が増加し、これによりマニフォールドの流動抵抗が減少するので、噴射されたインクの量ほどを再充填する過程で、インク供給流量が増大するので、高周波数の吐出時にも安定した作動が可能である。
また、本発明によれば、マニフォールドが天井壁を挟んで圧力チャンバと第1リストリクタの下部に設置されるので、プリントヘッドのチップサイズを左右する基板上の平面配置において、マニフォールドの幅ほどの大きさを節減できるので、ウェーハ当たりの得ることができるチップ数が増加し、生産性を向上させることができる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図面にて同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭さと便宜とを図って誇張されていることがある。また、ある層が基板や他の層の上に存在すると説明されるとき、その層は、基板や他の層に直接接してその上に存在することもあり、その間に第3の層が存在することもある。
図5は、本発明の望ましい実施形態による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを部分切断して表した分解斜視図であり、図6は、図5に図示された圧力チャンバの長手方向に切断した本発明によるプリントヘッドの組立て状態の部分断面図であり、図7は、図6に表示されたA−A線に沿って切断した部分斜視図である。
図5から図7を共に参照すれば、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、3枚の基板100,200,300を積層して接合することによりなる。そして、3枚の基板100,200,300それぞれには、インク流路をなす構成要素が形成され、上部基板100上には、インクの吐出のための駆動力を発生させる圧電アクチュエータ190が設けられる。特に、3枚の基板100,200,300は、いずれも単結晶シリコンウェーハからなっている。これにより、フォトリソグラフィとエッチングのような微細加工技術を利用し、3枚の基板100,200,300それぞれにインク流路をなす構成要素をさらに精密、かつ容易に形成可能である。
前記のインク流路は、インクコンテナ(図示せず)からインクが導入されるインク導入口110と、インク導入口110を介して流入されたインクが保存されるマニフォールド210と、マニフォールド210から圧力チャンバ120にインクを供給するためのリストリクタ130,220と、吐出されるインクが充填され、インクを吐出させるための圧力変化を発生させる圧力チャンバ120と、インクが吐出されるノズル310とからなる。そして、圧力チャンバ120とノズル310との間には、圧電アクチュエータ190により圧力チャンバ120で発生したエネルギーをノズル310側に集中させ、急激な圧力変化を緩衝するためのダンパ230が形成されうる。このようなインク流路を形成する構成要素は、前述のように3枚の基板100,200,300に分けられて配置される。
まず、上部基板100の底面には、所定深さの圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とが形成され、その一側には、貫通されたインク導入口110が形成される。前記圧力チャンバ120は、インクのフロー方向にさらに長い直方体の形状によりなっており、中間基板200に形成されるマニフォールド210の長手方向であってプリントヘッドチップの両側に二列に配列されている。しかし、前記圧力チャンバ120は、前記マニフォールド210の長手方向にプリントヘッドチップの一側に一列にだけ配列されることもある。前記第1リストリクタ130は、第2リストリクタ220と連繋し、前記マニフォールド210から前記圧力チャンバ120にインクを流入させる通路となる。前記第1リストリクタ130は、前記圧力チャンバ120の幅より小幅に前記圧力チャンバ120から延び、前記第2リストリクタ220と連結される。
上部基板100は、集積回路の製造に広く使われる単結晶シリコンウェーハからなり、特にSOI(Silicon−On−Insulator)ウェーハからなることが望ましい。SOIウェーハは、一般的に第1シリコン基板101と、第1シリコン基板101上に形成されている中間酸化膜102と、中間酸化膜102上に接着される第2シリコン基板103との積層構造である。第1シリコン基板101は、シリコン単結晶からなり、数百μmほどの厚さを有し、中間酸化膜102は、第1シリコン基板101の表面を酸化させることにより形成され、その厚さは、ほぼ1μmから2μmである。第2シリコン基板103も、シリコン単結晶からなり、その厚さは、数十μmほどである。このように、上部基板100としてSOIウェーハを使用する理由は、圧力チャンバ120の高さを正確に調節できるためである。すなわち、SOIウェーハの中間層をなす中間酸化膜102がエッチング停止層の役割を果たすので、第1シリコン基板101の厚さが決まれば、圧力チャンバ120の高さもそれによって決まる。また、圧力チャンバ120の上部壁をなす第2シリコン基板103は、圧電アクチュエータ190により反り変形されることにより、圧力チャンバ120の体積を変化させる振動板の役割を果たすが、この振動板の厚さも、第2シリコン基板103の厚さにより決まる。これについては、後述する。
上部基板100上には、圧電アクチュエータ190が設けられる。そして、上部基板100と圧電アクチュエータ190との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜180が形成される。圧電アクチュエータ190は、共通電極の役割を果たす下部電極191,192と、電圧の印加によって変形される圧電薄膜193と、駆動電極の役割を果たす上部電極194とを備える。下部電極191,192は、前記のシリコン酸化膜180の全表面に形成され、Ti層191とPt層192の二層の金属薄膜層からなることが望ましい。このようなTi層191及びPt層192は、共通電極の役割を果たすだけではなく、その上に形成される圧電薄膜193とその下の上部基板100との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も果たす。圧電薄膜193は、下部電極191,192上に形成され、圧力チャンバ120の上部に位置するように配置される。圧電薄膜193は、電圧の印加により変形され、その変形により圧力チャンバ120の上部壁をなす上部基板100の第2シリコン基板103、すなわち振動板を反り変形させる役割を果たす。上部電極194は、圧電薄膜193上に形成され、圧電薄膜193に電圧を印加する駆動電極の役割を果たす。
前記中間基板200には、前記インク導入口110と連結され、前記インク導入口110を介して流入されたインクを複数の圧力チャンバ120に供給する共通流路であるマニフォールド210が形成される。前記マニフォールド210は、中間基板200の底面から所定深さほど形成され、これにより、マニフォールド210の上部には、所定厚さの天井壁217が残存する。すなわち、前記マニフォールド210の下端は、下部基板300により限定され、その上端は、中間基板200の残存した部分である前記天井壁217により限定される。そして、前述のように、前記圧力チャンバ120が前記マニフォールド210の長手方向にプリントヘッドチップの両側に二列に配列されれば、前記マニフォールド210の内部に、その長手方向に隔壁215を形成し、前記マニフォールド210を左右に分離させていることが、インクの円滑な流れと、前記マニフォールド210の両側の前記圧電アクチュエータ190を駆動させるとき、相互間のクロストークを防止することとにおいて望ましい。
前記中間基板200には、前記マニフォールド210と前記第1リストリクタ130とを連結する個別流路である第2リストリクタ220が形成される。前記第2リストリクタ220は、前記隔壁215と所定距離をおいて中間基板200を垂直に貫通するように形成され、その出口は、前記第1リストリクタ130と連通するように形成される。前記第2リストリクタ220は、前記第1リストリクタ130と連繋し、前記マニフォールド210から前記圧力チャンバ120に適正量のインクを供給する役割だけではなく、インクが吐出されるとき、前記圧力チャンバ120から前記マニフォールド210側にインクが逆流することを抑制する役割も果たす。
そして、前記中間基板200には、前記圧力チャンバ120の他端部に対応する位置に、前記圧力チャンバ120とノズル310を連結するダンパ230が垂直に貫通形成される。
本発明では、前記圧力チャンバ120から延びる前記第1リストリクタ130が前記上部基板100に形成され、前記第2リストリクタ220が前記第1リストリクタ130と対応する前記中間基板200上の位置に形成される。前記のような構造により、第1リストリクタ130及び第2リストリクタ220を前記中間基板200の中央部付近に形成でき、前記中間基板200には、前記マニフォールド210を拡張設計できる空間が確保される。言い換えれば、前記マニフォールド210は、一側面が前記隔壁215からなり、他側面が前記ダンパ230と所定の間隔で壁を形成できるが、前記ダンパ230との間隔で形成される壁の厚さが従来に比べて薄くなる。従って、前記マニフォールド210の幅が従来に比べて大きくなる。
上記の通りに、前記マニフォールド210の幅が大きくなれば、それにより体積が大きくなり、隣接したリストリクタ130,220相互間のクロストークが減少されうる。詳細に説明すれば、インク噴射時に、前記圧電アクチュエータ190により前記圧力チャンバ120の内部に収容されているインクに圧力が加えられれば、前記圧力は、前記圧力チャンバ120と連結されている前記リストリクタ130,220内部のインクにも伝えられる。それにより、前記圧力は、前記リストリクタ130,220が連結されている前記マニフォールド210に伝えられ、隣接したリストリクタ130,220相互間のクロストークを発生させる原因になりうる。本発明によるインクジェットプリントヘッドでは、前記マニフォールド210の体積が大きくなり、前記マニフォールド210の内部に収容されるインクの容量が増加する。従って、前記マニフォールド210の内部インクの単位体積に対する前記リストリクタ130,220を介して伝えられる圧力が小さくなるので、前記圧力の分散吸収効果が発生する。上記の通りに、圧力の分散吸収効果が発生することにより、前記リストリクタ130,220に影響を及ぼす圧力が小さくなることにより、隣接したリストリクタ130,220相互間のクロストークが減少しうる。
また、上記の通りに、前記マニフォールド210の幅が大きくなれば、断面積が大きくなり、高周波数でもインク吐出が安定して作動可能である。詳細に説明すれば、前記ノズル310からインク液滴で吐出された後、前記圧電薄膜193の復元により、前記圧力チャンバ120内の圧力低下により、インクコンテナ(図示せず)に保存されているインクが前記マニフォールド210と前記リストリクタ130,220とを介して前記圧力チャンバ120内に流入され、吐出された量ほどのインクを補充する再充填過程において、前記マニフォールド210の断面積が大きくなれば、インク粘性により、前記マニフォールド210の壁面からインクに作用する流動抵抗が減少するので、前記マニフォールド210を介して供給されるインク流量は増大する。上記の通り、前記マニフォールド210の幅の増大によって、インク吐出回数の多い高周波数吐出時にも、インク供給が円滑に具現されるので、インク吐出が安定的に具現可能である。
下部基板300には、ダンパ230と対応する位置に貫通されたノズル310が形成される。ノズル310は、下部基板300の下部分に形成されてインクが吐出されるインク吐出口312と、下部基板300の上部分に形成されてダンパ230とインク吐出口312とを連結し、ダンパ230からインク吐出口312側にインクを加圧誘導するインク誘導部311とからなっている。インク吐出口311は、一定の直径を有した垂直ホールの形状になっており、インク誘導部311は、ダンパ230からインク吐出口312側に向かって、順次その断面積が小さくなる四角錐の形状になっている。一方、インク誘導部311は、四角錐形状ではないにしても、円錐などの形状よりなることもある。しかし、後述するように、単結晶シリコンウェーハからなる下部基板300には、四角錐状のインク誘導部311を形成することが容易である。
このように形成されている3枚の基板100,200,300は、前述のように積層され、互いに接合されることにより、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドをなす。そして、3枚の基板100,200,300の内部には、インク導入口110、マニフォールド210、リストリクタ130,220、圧力チャンバ120、ダンパ230及びノズル310が順番に連結されてなるインク流路が形成される。
このような構成を有した本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明すれば、次の通りである。インクコンテナ(図示せず)からインク導入口110を介してマニフォールド210の内部に流入されたインクは、リストリクタ130,220を介して圧力チャンバ120の内部に供給される。圧力チャンバ120の内部にインクが充填されている状態で、圧電アクチュエータ190の上部電極194を介して圧電薄膜193に電圧が印加されれば、圧電薄膜193は変形され、これにより、振動板の役割を果たす上部基板100の第2シリコン基板103は、下方に曲がる。第2シリコン基板103の反り変形により圧力チャンバ120の体積が小さくなり、これによる圧力チャンバ4内の圧力上昇により、圧力チャンバ120内のインクは、ダンパ230を経てノズル310を介して外部に吐出される。
次に、圧電アクチュエータ190の圧電薄膜193に印加された電圧が遮断されれば、圧電薄膜193は、元の状態に戻り、これにより、振動板の役割を果たす第2シリコン基板103が元も状態に戻りつつ、圧力チャンバ120の体積が増加する。これによる圧力チャンバ120内の圧力低下により、インクコンテナ(図示せず)に保存されているインクがマニフォールド210とリストリクタ130,220とを介して圧力チャンバ120内に流入され、圧力チャンバ120には、吐出された量ほどのインクが補充される。
図8は、図7に図示された圧力チャンバとリストリクタとについての平面図であり、図9は、本発明によるプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについての他の実施形態を表す平面図であり、図10は、本発明の他のプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについてのさらに他の実施形態を表す平面図である。
図8から図10を共に参照すれば、本発明によるプリントヘッドの上部基板100は、圧力チャンバ120と、前記圧力チャンバ120と連結されている第1リストリクタ130とを備え、中間基板200は、前記第1リストリクタ130と連結される第2リストリクタ220を備える。
図8で図示された実施形態では、前記圧力チャンバ120の幅方向における前記第2リストリクタ220の幅が前記第1リストリクタ130の幅より小さく形成されている。従って、前記上部基板100と前記中間基板200との間に整列誤差が発生しても、前記第2リストリクタ220の出口が前記第1リストリクタ130側に完全に開放されうる。
図9で図示された実施形態では、前記圧力チャンバ120の幅方向における前記第2リストリクタ220の幅が前記第1リストリクタ130の幅より大きく形成されている。従って、前記上部基板100と前記中間基板200との間に整列誤差が発生しても、前記第2リストリクタ220の出口は、前記第1リストリクタ130の対応幅ほど常に開放されている。
図10で図示された実施形態では、前記圧力チャンバ120の幅方向における前記第2リストリクタ220の幅が長くなっており、同一方向に沿う前記第1リストリクタ130の幅も前記第2リストリクタ220の大きくなった幅より大きく形成されている。従って、前記上部基板100と前記中間基板200との間に整列誤差が発生しても、前記第2リストリクタ220の出口が常に開放されている。
前記で提示されている実施形態以外にも、前記第2リストリクタ220の出口が前記第1リストリクタ130側に要求される面積ほど開放されうる多様な実施形態が提案可能であることを明らかにしておく。
図11は、本発明によるインクジェットプリントヘッドの他の実施形態を圧力チャンバの長手方向に切断した部分断面図であり、図12は、図11で図示された中間基板のマニフォールドを表す底面斜視図であり、図13は、図12で表示されたBに対する平面図である。
図11から図13を共に参照すれば、本実施形態によるインクジェットプリントヘッドの中間基板200は、前記マニフォールド210の内部に支持柱250と、遮断壁260とを備える。
前記支持柱250は、前記マニフォールド210の天井壁217を支持する支持物になる。詳細に説明すれば、前記マニフォールド210の体積が大きくなることにより、圧力チャンバ120から伝えられる圧力により、前記マニフォールド210の天井壁217の変形が発生しうるが、前記支持柱250が前記マニフォールド210の天井壁217を支持し、前記のような変形可能性を解消できる。前記支持柱250は、前記マニフォールド210の天井壁217から突設され、下部基板300に接して前記マニフォールド210の天井壁217を支持する。
ここで、前記支持柱250は、前記マニフォールド210の天井壁217に対する支持機能を効率的に果たせるように、前記マニフォールド210の内部に複数個が形成されることが望ましい。そして、前記支持柱250は、前記マニフォールド210の内部のインク流動を妨害しない形状と配置とをなすことが望ましい。
前記遮断壁260は、第2リストリクタ220相互間のクロストークを減少させるための遮断物になる。詳細に説明すれば、前記遮断壁260は、図13に図示されているように、前記第2リストリクタ220間に形成され、前記第2リストリクタ220を介して伝えられる圧力が相互間に及ぼす影響を減少させる。従って、隣接した第2リストリクタ220間に発生するクロストークが減少しうる。
ここで、前記遮断壁260は、前記第2リストリクタ220相互間の干渉を効果的に減少させることができるように、前記第2リストリクタ220の長さに比べて十分に長く形成されることが望ましい。
以下では、添付された図面を参照し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを製造する方法を説明する。
まず、本発明の望ましい製造方法を概括的に説明すれば、インク流路をなす構成要素が形成されている上部基板、中間基板及び下部基板をそれぞれ製造し、次に、製造された3枚の基板を積層して接合した後、最後に上部基板上に圧電アクチュエータを形成することにより、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドが完成される。一方、上部基板、中間基板及び下部基板を製造するステップは、順序に関係なく行われる。すなわち、下部基板や中間基板がまず製造されたり、または2枚または3枚の基板が同時に製造されることもある。ただし、説明の便宜上、以下では、上部基板、中間基板、下部基板の順序で、それぞれの製造方法を説明する。
図14Aから図14Eは、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。
まず、図14Aを参照すれば、本実施形態で上部基板100は、単結晶シリコン基板からなる。これは、半導体素子の製造に広く使われるシリコンウェーハをそのまま使用でき、大量生産に効果的なためである。上部基板100の厚さは、ほぼ100μmから200μmほどであり、これは、上部基板100の底面に形成される圧力チャンバ(図5の120)の高さによって適切に決まりうる。そして、上部基板100として、SOIウェーハを使用することが圧力チャンバ(図5の120)の高さを正確に形成できるので望ましい。SOIウェーハは、前述のように、第1シリコン基板101と、第1シリコン基板101上に形成されている中間酸化膜102と、中間酸化膜102上に接着された第2シリコン基板103との積層構造である。このような上部基板100を酸化炉に入れて湿式または乾式の酸化を行えば、上部基板100の上面と底面とが酸化され、シリコン酸化膜151a,151bが形成される。
次に、図14Bに図示されているように、上部基板100の上面と底面とに形成されているシリコン酸化膜151a,151bの表面に、それぞれフォトレジスト(PR)を塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、上部基板100の縁付近にベースマークを形成するための開口部141を形成する。
次に、図14Cに図示されているように、前記開口部141を介して露出された部位のシリコン酸化膜151a,151bを、PRをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、上部基板100を部分的に露出した後、PRをストリップする。
次に、図14Dに図示されているように、露出された部位の上部基板100を、シリコン酸化膜151a,151bをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、ベースマーク140を形成する。このとき、上部基板100の湿式エッチングでは、シリコン用エッチング液(etchant)として、例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)を使用できる。
ベースマーク140が形成された後には、残存したシリコン酸化膜151a,151bを湿式エッチングにより除去できる。これは、前記のステップを経る過程で発生する副産物などの汚染物質をシリコン酸化膜151a,151bの除去と共に洗浄するためである。
これで、図14Eに図示されているように、上面と底面の縁付近にベースマーク140が形成されている状態の上部基板100が準備される。
前記のステップを経て形成されるベースマーク140は、上部基板100と後述する中間基板及び下部基板を積層して接合するとき、それらを正確に整列させるための基準として使われる。従って、上部基板100の場合には、前記ベースマーク140は、その底面だけに形成されることもある。また、他の整列方法や装置が使われる場合には、前記のベースマーク140は、必要ないこともあり、その場合には、前記のステップは行われない。
図15Aから図15Gは、上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。
まず、図15Aに図示されているように、前述したステップを経て準備された上部基板100を酸化炉に入れて湿式または乾式酸化させ、上部基板100の上面と底面とにシリコン酸化膜152a,152bを形成する。このとき、上部基板100の底面だけにシリコン酸化膜152bを形成することもある。
次に、図15Bに図示されているように、上部基板100の底面に形成されているシリコン酸化膜152bの表面にPRを塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、上部基板100の底面に所定深さの圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するための開口部121を形成する。
次に、図15Cに図示されているように、前記開口部121を介して露出された部位のシリコン酸化膜152bを、PRをエッチングマスクとして反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)のような乾式エッチングにより除去することにより、上部基板100の底面を部分的に露出させる。このとき、シリコン酸化膜152bは、湿式エッチングにより除去されることもある。
次には、図15Dに図示されているように、露出された部位の上部基板100を、PRをエッチングマスクとして所定深さエッチングすることにより、圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とを形成する。このとき、上部基板100のエッチングは、誘導結合型プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)による乾式エッチング法により行われる。
そして、図示されているように、上部基板100としてSOIウェーハを使用すれば、SOIウェーハの中間酸化膜102がエッチング停止層の役割を果たすので、このステップでは、第1シリコン基板101だけエッチングされる。従って、第1シリコン基板101の厚さを調節すれば、圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とを所望の高さに正確に合わせられる。そして、第1シリコン基板101の厚さは、ウェーハ研磨工程で容易に調節可能である。一方、圧力チャンバ120の上部壁をなす第2シリコン基板103は、前述のように、振動板の役割を果たすが、その厚さも、同様にウェーハ研磨工程で容易に調節可能である。
圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とが形成された後に、PRをストリップすれば、図15Eに図示されているような状態の上部基板100が準備される。ところで、このような状態では、前述した湿式エッチングやRIEまたはICPによる乾式エッチング過程で発生する副産物やポリマーなどの汚染物質が、上部基板100の表面に付着していることがある。従って、それら汚染物質を除去するために、TMAHを使用し、上部基板100の全表面を洗浄することが望ましい。また、残存したシリコン酸化膜152a,152bも、湿式エッチングにより除去可能である。
これで、図15Fに図示されているように、上面と底面の縁付近にベースマーク140が形成され、その底面に圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とが形成されている状態の上部基板100が準備される。
以上では、PRをエッチングマスクとして上部基板100を乾式エッチングし、圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とを形成した後でPRをストリップすると図示されて説明された。しかし、これとは異なり、まずPRをストリップした後でシリコン酸化膜152bをエッチングマスクとして、上部基板100を乾式エッチングすることにより、圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とを形成することもある。すなわち、上部基板100の底面に形成されているシリコン酸化膜152bが、比較的薄い場合には、PRをそのままにしておいて圧力チャンバ120と第1リストリクタ130とを形成するためのエッチングを行うことが望ましく、シリコン酸化膜152bが比較的厚い場合には、PRをストリップした後でシリコン酸化膜152bをエッチングマスクとしてエッチングを行うことが望ましい。
そして、図15Gに図示されているように、図15Fに図示された状態の上部基板100の上面と底面とに、さらにシリコン酸化膜153a,153bを形成できる。このように、シリコン酸化膜153a,153bを形成すれば、後述する図20Aのステップで、上部基板100上に絶縁膜としてシリコン酸化膜180を形成するステップを省略できる。また、インク流路を形成する圧力チャンバ120と第1リストリクタ130の内面にシリコン酸化膜153bが形成されれば、シリコン酸化膜153bの特性上、ほとんどの種類のインクと反応性がないので、多様なインクを使用できる。
図16Aから図16Dは、上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。
図16Aを参照すれば、インク導入口110は、図15Aから図15Gに図示されたステップを経て圧力チャンバ120と共に形成可能である。
次に、図16Bに図示されているように、上部基板100の上面に形成されているシリコン酸化膜152aの表面にPRを塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、上部基板100の上面にインク導入口110の貫通のための開口部111を形成する。
次に、図16Cに図示されているように、前記開口部111を介して露出された部位のシリコン酸化膜152aを、PRをエッチングマスクとしてRIEのような乾式エッチングにより除去することにより、上部基板100の上面を部分的に露出させる。このとき、シリコン酸化膜152aは、湿式エッチングにより除去されることもある。
次には、図16Dに図示されているように、露出された部位の上部基板100を、PRをエッチングマスクとして所定深さエッチングした後、PRをストリップする。このとき、上部基板100のエッチングは、ICPによる乾式エッチング法により行われる。そして、前述のように、PRをまずストリップした後、シリコン酸化膜152aをエッチングマスクとして上部基板100をエッチングすることもある。このステップでは、上部基板100として使用したSOIウェーハの中間酸化膜102がエッチング停止層の役割を果たすので、第2シリコン基板103だけエッチングされ、インク導入口110上に中間酸化膜102は残存する。残存した中間酸化膜102は、前述のように後加工を介して除去され、これによりインク導入口110は貫通される。
この後には、前述のように、図15Fと図15Gのステップを経て、上部基板100が完成される。
一方、上部基板にインク導入口を形成するステップは、圧電アクチュエータの形成ステップが完了した後に行われる。すなわち、インク導入口(図5の110)の下部の一部は、図15Aから図15Gに図示されたステップを経て圧力チャンバ120と共に形成される。すなわち、図15Eに図示されたステップに至れば、上部基板100の底面には、所定深さの圧力チャンバ120と共にこのような深さのインク導入口110の一部が形成される。このように、上部基板100の底面に、所定深さに形成されているインク導入口110は、基板の接合と圧電アクチュエータの設置の工程が完了した後、上部基板100を貫通させる後加工を介し、インク保存庫(図示せず)と連結されうるように形成される。すなわち、前記インク導入口110の貫通は、圧電アクチュエータの形成ステップが完了した後に行われる。
図17Aから図17Hは、中間基板に第2リストリクタ、マニフォールド、ダンパを形成するステップを説明するための断面図である。
図17Aを参照すれば、中間基板200は、単結晶シリコン基板からなり、その厚さは、ほぼ200μmから300μmである。中間基板200の厚さは、その上面に形成されるマニフォールド(図5の210)の深さと貫通形成されるダンパ(図5の230)の深さとによって適切に決まりうる。
まず、中間基板200の上面と底面の縁付近に、ベースマーク240を形成する。中間基板200にベースマーク240を形成するステップは、図14Aから図14Eに図示されたステップと同一なので、中間基板200のための別途の図示とその説明とは省略する。
このように、ベースマーク240が形成されている状態の中間基板200を酸化炉に入れ、湿式または乾式酸化させれば、図17Aに図示されているように、中間基板200の上面と底面とが酸化され、シリコン酸化膜251a,251bが形成される。
次に、図17Bに図示されているように、中間基板200の底面に形成されているシリコン酸化膜251bの表面にPRを塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、中間基板200の底面にマニフォールドを形成するための開口部211とダンパを形成するための開口部231とを形成する。
次に、図17Cに図示されているように、前記開口部211,231を介して露出された部位のシリコン酸化膜251bを、PRをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、中間基板200の底面を部分的に露出した後、PRをストリップする。このとき、シリコン酸化膜251bは、RIEのような乾式エッチングにより除去されることもある。
次には、図17Dに図示されているように、露出された部位の中間基板200を、シリコン酸化膜251bをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、マニフォールド210とダンパの下部232とを形成する。このとき、中間基板200の湿式エッチングでは、シリコン用エッチング液として、例えばTMAHを使用する。
その次に、図17Eに図示されているように、中間基板200の上面に形成されているシリコン酸化膜251a表面にPRを塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、中間基板200の上面に第2リストリクタを形成するための開口部221とダンパの上部を形成するための開口部233とを形成する。
その次に、図17Fに図示されているように、前記開口部221,233を介して露出された部位のシリコン酸化膜251aを、PRをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、中間基板200の上面を部分的に露出した後、PRをストリップする。このとき、シリコン酸化膜251aは、RIEのような乾式エッチングにより除去されることもある。
その次には、図17Gに図示されているように、露出された部位の中間基板200を、シリコン酸化膜251aをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、第2リストリクタ220と、図17Dのダンパの下部232と貫通されて形成されるダンパ230とを形成する。
次に、残存したシリコン酸化膜251a,251bを湿式エッチングにより除去すれば、図17Hに図示されているように、ベースマーク240、第2リストリクタ220、マニフォールド210、隔壁215及びダンパ230が形成されている状態の中間基板200が準備される。
一方、図示されていないが、図17Hに図示された状態の中間基板200の上面と底面全体にさらにシリコン酸化膜を形成できる。
図18Aから図18Hは、下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。
図18Aを参照すれば、下部基板300は、単結晶シリコン基板からなり、その厚さはほぼ100μmから200μmである。
まず、下部基板300の上面と底面の縁付近にベースマーク340を形成する。下部基板300にベースマーク340を形成するステップは、図14Aから図14Eに図示されたステップと同一なので、下部基板300のための別途の図示とその説明とは省略する。
このように、ベースマーク340が形成されている状態の下部基板300を酸化炉に入れ、湿式または乾式の酸化を行えば、図18Aに図示されているように、下部基板300の上面と底面とが酸化され、シリコン酸化膜351a,351bが形成される。
次に、図18Bに図示されているように、下部基板300の上面に形成されているシリコン酸化膜351aの表面にPRを塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、下部基板300の上面にノズルのインク誘導部を形成するための開口部315を形成する。前記開口部315は、図17Hに図示された中間基板200に形成されているダンパ230に対応する位置に形成される。
次に、図18Cに図示されているように、前記開口部315を介して露出された部位のシリコン酸化膜351aを、PRをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、下部基板300の上面を部分的に露出した後、PRをストリップする。このとき、シリコン酸化膜351aは、RIEのような乾式エッチングにより除去されることもある。
次には、図18Dに図示されているように、露出された部位の下部基板300を、シリコン酸化膜351aをエッチングマスクとして所定深さに湿式エッチングすることにより、インク誘導部311を形成する。このとき、下部基板300の湿式エッチングでは、エッチング液としてTMAHを使用する。そして、下部基板300として、(100)面シリコン基板を使用すれば、(100)面と(111)面の異方性湿式エッチング特性を利用し、四角錐状のインク誘導部311を形成できる。すなわち、(111)面のエッチング速度は、(100)面のエッチング速度に比べてかなり遅いので、結果的に、下部基板300は、(111)面に沿って傾斜エッチングされ、四角錐状のインク誘導部311を形成する。そして、インク誘導部311の底面は、(100)面になる。
次には、図18Eに図示されているように、下部基板300の底面に形成されているシリコン酸化膜351bの表面にPRを塗布する。次に、塗布されたPRを現像し、下部基板300の底面にノズルのインク吐出口を形成するための開口部316を形成する。
次に、図18Fに図示されているように、前記開口部316を介して露出された部位のシリコン酸化膜351bをPRをエッチングマスクとして湿式エッチングして除去することにより、下部基板300の底面を部分的に露出する。このとき、シリコン酸化膜351bは、RIEのような乾式エッチングにより除去されることもある。
次には、図18Gに図示されているように、露出された部位の下部基板300を、PRをエッチングマスクとして貫通されるようにエッチングすることにより、インク誘導部311と連結されるインク吐出口312を形成する。このとき、下部基板300のエッチングは、ICPによる乾式エッチング法により行われる。
次に、PRをストリップすれば、図18Hに図示されているように、上面と底面の縁付近にベースマーク340が形成され、インク流入口311とインク吐出口312とからなるノズル310が貫通形成されている状態の下部基板300が準備される。
一方、下部基板300の上面と底面とに形成されているシリコン酸化膜351a,351bは、洗浄のために除去され、次に下部基板300の全表面に新しいシリコン酸化膜をさらに形成することもある。
図19は、下部基板、中間基板及び上部基板を順次積層して接合するステップを示す断面図である。
図19を参照すれば、前述のステップを経て準備された下部基板300、中間基板200及び上部基板100を順次積層し、それらを互いに接合させる。このとき、下部基板300上に中間基板200を接合させた後、また中間基板200上に上部基板300を接合させるが、その順序は、可変である。3枚の基板100,200,300は、マスク整列装置を使用して整列させ、さらに3枚の基板100,200,300それぞれに整列用ベースマーク140,240,340が形成されているので、ボンディング工程での整列精度が高く確保される。そして、3枚の基板100,200,300間の接合は、公知のシリコンダイレクトボンディング(SDB:Silicon Direct Bonding)法により行われる。一方、SDB工程において、シリコンとシリコンとの接合性より、シリコンとシリコン酸化膜との接合性が優れている。従って、望ましくは、図19に図示されているように、上部基板100と下部基板300は、その表面にそれぞれシリコン酸化膜153a,153b,351a,351bが形成されている状態で使われ、中間基板200は、その表面にシリコン酸化膜が形成されていない状態で使われる。
図20A及び図20Bは、上部基板上に圧電アクチュエータを形成し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成するステップを説明するための断面図である。
まず、図20Aを参照すれば、下部基板100、中間基板200及び上部基板300を順次積層して接合した状態で、上部基板100の上面に絶縁膜としてシリコン酸化膜180を形成する。しかし、このシリコン酸化膜180を形成するステップは省略可能である。すなわち、図19に図示されているように、上部基板100の上面にすでにシリコン酸化膜153aが形成されている場合、または前述したSDB工程でのアニーリングステップで、上部基板100の上面に十分な厚さの酸化膜がすでに形成されている場合には、さらにその上に絶縁膜として、図20Aに図示されたシリコン酸化膜180を形成する必要がない。
次に、シリコン酸化膜180上に圧電アクチュエータの下部電極191,192を形成する。下部電極191,192は、Ti層191とPt層192の二層の金属薄膜層からなる。Ti層191とPt層192は、シリコン酸化膜180の全表面に所定厚さにスパッタリングすることにより形成されうる。このようなTi層191及びPt層192は、圧電アクチュエータの共通電極の役割を果たすだけではなく、その上に形成される圧電薄膜(図20Bの193)とその下の上部基板100との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も果たす。特に、下層のTi層191は、Pt層192の接着性を強める役割も果たす。
次に、図20Bに図示されているように、下部電極191,192上に圧電薄膜193と上部電極194とを形成する。具体的に、ペースト状態の圧電材料をスクリーンプリンティングにより圧力チャンバ120の上部に所定厚さに塗布した後、これを所定時間乾燥させる。前記圧電材料には、さまざまなものが使われうる、望ましくは、一般的なPZT(Lead Zirconate Titanate)セラミック材料が使われる。次に、乾燥された圧電薄膜193上に、電極材料、例えばAg−Pdペーストをプリンティングする。次に、圧電薄膜193を所定温度、例えば900℃から1,000℃で焼結させる。このとき、圧電薄膜193の高温焼結過程で発生しうる圧電薄膜193と上部基板100との間の相互拡散は、前記のTi層191及びPt層192により防止される。
これにより、上部基板100上に下部電極191,192と、圧電薄膜193と、上部電極194からなる圧電アクチュエータ190とが形成される。
一方、圧電薄膜193の焼結は、大気圧下で行われるので、そのステップで3枚の基板100,200,300に形成されているインク流路の内面にシリコン酸化膜が形成される。このように形成されたシリコン酸化膜は、ほとんどの種類のインクと反応性がないので、多様なインクを使用できる。また、シリコン酸化膜は、親水性を有するので、インクの初期充填時に気泡の流入が防止され、インクの吐出時にも気泡の発生が抑制される。
最後に、接合された状態の3枚の基板100,200,300をチップ単位に切断するダイシング工程と、圧電薄膜193に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程とを経れば、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドが完成される。一方、ダイシングは、前記の圧電薄膜193の焼結ステップ前になされることもある。
以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、それらは、例示的なものに過ぎず、当分野の当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解可能であろう。例えば、本発明で、プリントヘッドの各構成要素を形成する方法は、単に例示されたものであり、多様なエッチング方法が適用され、製造方法の各ステップの順序も例示されたところと別途に行うことができる。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決まるものである。
本発明は、マニフォールドの体積を大きくすることにより、リストリクタ相互間のクロストーク現象を低減させることができる圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に利用でき、例えばインクジェットプリンティング関連の技術分野に効果的に適用可能である。
従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの一般的な構成を表す図面である。 従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの具体的な一例を表す図面である。 従来の圧電方式インクジェットプリントヘッドの他の例を表す図面である。 図3で図示されたインクジェットプリントヘッドの垂直断面図である。 本発明の望ましい実施形態による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを部分切断して表した分解斜視図である。 図5に図示された圧力チャンバの長手方向に切断した本発明によるプリントヘッドの組立て状態の部分断面図である。 図6に表示されたA−A線に沿って切断した部分斜視図である。 図7に図示された圧力チャンバとリストリクタとについての平面図である。 本発明によるプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについての他の実施形態を表す平面図である。 本発明の他のプリントヘッドに適用される圧力チャンバとリストリクタとについてのさらに他の実施形態を表す平面図である。 本発明によるインクジェットプリントヘッドの他の実施形態を圧力チャンバの長手方向に切断した部分断面図である。 図11で図示された中間基板のマニフォールドを表す底面斜視図である。 図12で表示されたBに対する平面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドの望ましい製造方法において、上部基板にベースマークを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板に圧力チャンバと第1リストリクタとを形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 上部基板にインク導入口を形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 中間基板に第2リストリクタを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板にノズルを形成するステップを説明するための断面図である。 下部基板、中間基板及び上部基板を順次積層して接合するステップを示す断面図である。 上部基板上に圧電アクチュエータを形成し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成するステップを説明するための断面図である。 上部基板上に圧電アクチュエータを形成し、本発明による圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成するステップを説明するための断面図である。
符号の説明
100 上部基板
101 第1シリコン基板
102 中間酸化膜
103 第2シリコン基板
110 インク導入口
120 圧力チャンバ
130 第1リストリクタ
180 シリコン酸化膜
190 圧電アクチュエータ
191,192 下部電極
193 圧電薄膜
194 上部電極
200 中間基板
210 マニフォールド
215 隔壁
217 天井壁
220 第2リストリクタ
230 ダンパ
300 下部基板
310 ノズル
311 インク誘導部
312 インク導出口

Claims (22)

  1. インクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、
    前記圧電アクチュエータが上面に設置され、インクが導入されるインク導入口が貫通形成され、吐出されるインクが充填される圧力チャンバと、前記圧力チャンバの幅より小幅で前記圧力チャンバから延びる第1リストリクタとがその底面に形成される上部基板と、
    前記インク導入口と連結されて流入されたインクが保存されるマニフォールドがその底面に所定の深さで形成され前記マニフォールドから前記圧力チャンバにインクを流入させる第2リストリクタが前記第1リストリクタと連通するように貫通形成され、前記圧力チャンバの他端部に対応する位置にダンパが貫通形成されている中間基板と、
    前記ダンパと対応する位置にインクを吐出するためのノズルが貫通形成されている下部基板とを備え、
    前記下部基板、中間基板及び上部基板は、順次に積層されて互いに接合され、いずれも単結晶シリコン基板からなることを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  2. 前記中間基板に形成されている前記マニフォールドの天井壁の一部が前記上部基板に設置された圧力チャンバの底面を形成することを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  3. 前記上部基板は、第1シリコン基板と、中間酸化膜と、第2シリコン基板とが順次積層された構造を有したSOIウェーハからなり、前記第1シリコン基板に前記圧力チャンバと第1リストリクタとが形成され、前記第2シリコン基板振動板としての役割を果たすことを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  4. 前記中間基板は、前記マニフォールドの天井壁を支持する少なくとも1つの支持柱を備えることを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  5. 前記支持柱は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接して前記マニフォールドの天井壁を支持することを特徴とする請求項4に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  6. 前記中間基板は、隣接したリストリクタ間にクロストークを減少させるための遮断壁を備えることを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  7. 前記遮断壁は、前記マニフォールドの天井壁から突出され、前記下部基板と接することを特徴とする請求項6に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  8. 前記圧力チャンバの幅方向に沿う前記第1リストリクタの幅は、前記第2リストリクタの幅より小さいことを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  9. 前記圧力チャンバの幅方向に沿う前記第1リストリクタの幅は、前記第2リストリクタの幅より大きいことを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  10. 前記圧力チャンバは、前記マニフォールドの長手方向であってプリントヘッドチップの両側に二列に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  11. 前記マニフォールドを左右に分離させるために、前記マニフォールドの内部には、その長手方向に隔壁が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  12. 前記圧電アクチュエータは、前記上部基板上に形成される下部電極と、前記下部電極上であって前記圧力チャンバの上部に位置するように形成される圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成され、前記圧電薄膜に電圧を印加するための上部電極とを含むことを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
  13. 単結晶シリコン基板からなる上部基板、中間基板及び下部基板を準備するステップと、
    準備された前記上部基板を微細加工し、インク導入口と、複数の圧力チャンバと、前記圧力チャンバと連結される複数の第1リストリクタとを形成する上部基板の加工ステップと、
    準備された前記中間基板を微細加工し、前記インク導入口と連結されるマニフォールドを前記中間基板の底面に所定の深さで形成し、前記マニフォールドと前記複数の第1リストリクタとをそれぞれ連結する複数の第2リストリクタを前記第1リストリクタに対応する位置に形成し、前記複数の圧力チャンバそれぞれの他端部に連結される複数のダンパを前記中間基板を貫通するように形成する中間基板の加工ステップと、
    準備された前記下部基板を微細加工し、前記ダンパと連結されるノズルを貫通されるように形成する下部基板の加工ステップと、
    前記下部基板、中間基板及び上部基板を積層して接合させるステップと、
    前記上部基板上にインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータを形成するステップとを含むことを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  14. 前記基板の加工ステップ前に、前記3枚の基板それぞれに前記接合ステップでの整列基準として利用されるベースマークを形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  15. 前記上部基板の加工ステップは、前記上部基板の底面を所定深さに乾式エッチングし、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第1リストリクタとを形成することを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  16. 前記上部基板の加工ステップで、前記上部基板として、第1シリコン基板と、中間酸化膜と、第2シリコン基板とが順次積層された構造を有したSOIウェーハを使用し、前記中間酸化膜をエッチング停止層として、前記第1シリコン基板を乾式エッチングすることにより、前記インク導入口と前記圧力チャンバと前記第1リストリクタとを形成することを特徴とする請求項15に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  17. 前記中間基板の加工ステップは、
    前記中間基板の底面に所定パターンの第1エッチングマスクを形成するステップと、
    前記第1エッチングマスクを利用し、前記中間基板の底面を所定深さにエッチングすることにより、前記マニフォールドと前記ダンパの下部とを形成するステップと、
    前記中間基板の上面に所定パターンの第2エッチングマスクを形成するステップと、
    前記第2エッチングマスクを利用し、前記中間基板の上面を所定深さにエッチングすることにより、前記ダンパの下部と連結される前記ダンパの上部と第2リストリクタを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  18. 前記中間基板のエッチングは、誘導結合プラズマによる乾式エッチングにより行われることを特徴とする請求項17に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  19. 前記下部基板の加工ステップは、
    前記下部基板の上面を所定深さにエッチングし、前記ダンパと連結されるインク誘導部を形成するステップと、
    前記下部基板の底面をエッチングし、前記インク誘導部と連結されるインク吐出口を形成するステップとを含むことを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  20. 前記接合ステップで、前記3枚の基板間の接合は、シリコンダイレクトボンディング法により行われることを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  21. 前記圧電アクチュエータの形成ステップ前に、前記上部基板上にシリコン酸化膜を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
  22. 前記圧電アクチュエータの形成ステップは、
    前記上部基板上にTi層とPt層とを順次に積層して下部電極を形成するステップと、
    前記下部電極上に圧電膜を形成するステップと、
    前記圧電膜上に上部電極を形成するステップとを含むことを特徴とする請求項13に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
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