JP6659121B2 - 液体供給基板、その製造方法、および液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに液体を供給するための液体供給基板、その製造方法、および液体吐出ヘッドに関する。

インクジェット記録装置などに搭載される液体吐出ヘッドには、液体を吐出するための吐出口、当該吐出口まで液体を導く液路、および吐出口から吐出するエネルギを液体に付与するエネルギ発生素子が基板上に高密度に配備されている。そして、基板には複数のエネルギ発生素子に共通してインクを供給するための液体供給口が形成されている。

例えば特許文献１には、基板上にエネルギ発生素子や吐出口までインクを導く液路を高密度に配置した上で、ドライエッチングによって基板に液体供給口を形成する方法が開示されている。

米国特許第８６９０２９５号明細書

液体吐出ヘッドにおいては、エネルギ発生素子として、電気を熱に変換し、熱エネルギによって液体を吐出させる電気熱変換素子が用いられることがある。そして、そのような液体吐出ヘッドでは、電気熱変換素子で生成した熱によって基板の温度が上昇し、吐出状態が不安定になることがある。但し、例えば吐出動作が行われるたびに新たに供給されるインクの温度が低く電気熱変換素子の排熱効果が高ければ、基板の温度上昇を抑制することができる。

しかしながら、特許文献１で開示される液体吐出ヘッドでは、電気熱変換素子で発生した熱がシリコン基板を伝導し、液体供給口に収容されているインクまで伝わりやすい傾向がある。そのため、電気熱変換素子に新たに供給されるインクも、既に昇温している状態となり、電気熱変換素子の排熱効果が低く、結果として不安定な吐出状態になってしまうことがある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものである。よって、その目的とするところは、電気熱変換素子の駆動に伴う基板全体の温度上昇を抑えることが可能な構造を有する液体供給基板を提供することである。

そのために本発明は、チャンバーに供給された液体に電気熱変換素子から熱エネルギを付与することにより吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドの、前記チャンバーに液体を供給する液体供給基板であって、表面が前記チャンバーと前記吐出口が形成された吐出口プレートに接続され、前記チャンバーに液体を供給するための複数の供給口が形成された第１の基板と、前記第１の基板の前記表面とは反対の面に接続され、前記複数の供給口のそれぞれに共通して液体を供給するための液体共通供給室が形成された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置された中間層とを有し、前記中間層は、シリコン酸化膜で形成されている第１の領域と、前記第１の領域よりも熱伝導率が低い第２の領域とを有することを特徴とする。

本発明によれば、電気熱変換素子の駆動に伴う基板全体の温度上昇を抑えることが可能な構造を有する液体供給基板を提供することができる。

第１の実施形態の液体吐出ヘッドを示す図である。 液体吐出ヘッドの製造工程を説明するための図である。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドを示す図である。 第３の実施形態の液体吐出ヘッドを示す図である。 第４の実施形態の液体吐出ヘッドを示す図である。

（第１の実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）は本実施形態で使用可能な液体吐出ヘッド１００の断面図および上面図である。本実施形態の液体吐出ヘッド１００は、液体供給基板１０の上に吐出口プレート２０が積層された構造となっている。図１（ｂ）の上面図は、液体吐出ヘッド１００より、吐出口プレート２０を除去した状態を示している。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の液体供給基板１０は、第１の基板として第１のシリコン基板２８、第２の基板として第２のシリコン基板２７、さらにこれらの間に配置された中間層５０から成る３層構造を有している。第２のシリコン基板２７をＺ方向に貫通しＹ方向に延在する液体共通供給室４４は、その＋Ｚ方向の開口において、第１のシリコン基板２８に形成された複数の供給口４３と連結している。また、供給口４３のそれぞれは、第１のシリコン基板２８内をＺ方向に貫通し吐出口プレート２０内のチャンバー３２と連結している。吐出口プレート２０には、複数の吐出口２５が形成されており、それぞれの吐出口２５が対向する第１のシリコン基板２８の位置には、電気熱変換素子３１が配備されている。

一方、中間層５０は、例えば主にシリコン酸化膜で形成されている。中間層５０は、第１の領域と第２の領域とを有する。ここでは、中間層５０のうちシリコン酸化膜で形成されている領域が第１の領域５３、中空の領域が第２の領域５１である。即ち、シリコン酸化膜で形成された部分と中空の部分とをあわせて中間層５０と見なす。中空の領域である第２の領域５１は、図１（ｂ）に示すように、ＸＹ平面において電気熱変換素子３１のそれぞれに対応する位置に配備されており、そのＺ方向の厚みｄは、中間層５０の厚みＤのほぼ半分になっている。本実施形態の中間層５０として使用されるシリコン酸化膜である第１の領域５３の熱伝導率は１．３６Ｗ／ｍＫである。これに対し、第２の領域５１（第２の領域に含まれる空気）の熱伝導率は０．０２６Ｗ／ｍＫである。即ち、第２の領域５１の熱伝導率は、第１の領域５３の熱伝導率に対して低い値になっている。

液体共通供給室４４から供給口４３を経てチャンバー３２に供給された液体は、個々の電気熱変換素子３１よりエネルギが付与されることにより、対応する吐出口２５より、吐出口プレート２０表面に垂直な方向に吐出される。より具体的には、電気熱変換素子３１に対し所定のタイミングで電圧パルスが印加されると、印加された電気熱変換素子３１が急激に発熱し、これに接触するチャンバー３２内の液体に膜沸騰が生じる。そして、生成された泡の成長エネルギによってチャンバー３２内の液体が吐出口２５から吐出される。

このような構成において、電気熱変換素子３１が生成した熱エネルギのうち、一部は上記のような吐出エネルギとして消費されるが、他の一部は熱エネルギのまま第１のシリコン基板２８に伝導し、さらに供給口４３内の液体や中間層５０にも伝導する。但し、中間層５０の内部には第１の領域５３に比べて熱伝導率が十分に低い第２の領域５１があるので、第１のシリコン基板２８に伝導した熱は−Ｚ方向側には伝わりにくく、Ｘ方向に隣接する供給口４３内の液体に主に伝導する。このため、中間層５０の−Ｚ方向側に配置されている液体共通供給室４４に収容されている液体の昇温は抑制され、吐出時における電気熱変換素子の排熱効率を高めることができる。

図２（ａ）〜（ｊ）は、本実施形態の液体吐出ヘッド１００の製造工程を説明するための図である。まず、図２（ａ）に示すように第２のシリコン基板２７上に中間層５０となる層（ここでは中間層５０とする）が形成された基板を用意する。例えば、５００μmの厚みを有する第２のシリコン基板２７上に、４μmの厚みのシリコン酸化膜を成膜しこれを中間層５０とする。

次に、中間層５０のＺ方向の上方にマスク３６１を配置し、ドライエッチング処理を行う（図２（ｂ））。ドライエッチングとしては反応性イオンエッチングが挙げられる。マスク３６１としては、一般的なポジ型フォトレジストを用い、エッチングの深度ｄは中間層５０の厚みＤ＝４μｍの半分即ちｄ＝２μｍとする。その後、マスク３６１を除去する。これにより、中間層５０の中に、後に第２の領域５１となる凹部が形成される（図２（ｃ））。

次に、中間層５０のＺ方向の上方に２００μｍの厚みを有する第１のシリコン基板２８を接合する（図２（ｄ））。当該接合は、接着剤を用いない直接接合方式を採用することができる。

さらに、第１のシリコン基板２８上に、複数の電気熱変換素子３１およびこれに電力を供給するための配線や回路を形成する。この際、複数の電気熱変換素子３１は、図２（ｃ）で形成された第２の領域５１に対応する位置に形成される（図２（ｅ））。

次に、層の上下を反転させ、第２のシリコン基板２７の−Ｚ方向の面即ち中間層５０とは反対の面に、液体共通供給室用マスク３６２、第１のシリコン基板の＋Ｚ方向の面に保護膜３６３をそれぞれ配する。そして、第２のシリコン基板２７の−Ｚ方向の側からドライエッチング処理を行う。液体共通供給室用マスク３６２および保護膜３６３には一般的なポジ型フォトレジストを用いる。この際、シリコン酸化膜である中間層５０は、シリコンエッチングでの選択比が高く、エッチングストップ層として機能する。そのため、エッチング処理後には、図２（ｆ）に示すように、第２のシリコン基板２７内に中間層５０まで連通する液体共通供給室４４が形成される。図２（ｇ）は、液体共通供給室用マスク３６２および保護膜３６３を除去した状態を示している。

次に、再度上下を反転させ、第１のシリコン基板２８の＋Ｚ方向の面に供給口形成用マスク３６４を、第２のシリコン基板の−Ｚ方向の面にエッチングストップ用フィルム３６５を、それぞれ配する。そして、第１のシリコン基板２８の＋Ｚ方向の側から、ドライエッチング処理を行う。供給口形成用マスク３６４には一般的なポジ型フォトレジストを用い、エッチングストップ用フィルム３６５は一般的なバックグラインド用テープを貼り付けることにより形成することができる。この際のドライエッチングにおいて、中間層５０に達するまではシリコンエッチングを実施し、その後第２のシリコン基板に到達するまでは酸化膜エッチングを実施する。これにより、図２（ｈ）に示すように、第１のシリコン基板２８内に第２のシリコン基板２７まで連通する複数の供給口４３が形成される。図２（ｉ）は、供給口形成用マスク３６４およびエッチングストップ用フィルム３６５を除去した状態を示している。

なお、本工程においては、ドライエッチングの他にも、ウェットエッチング、レーザー加工等の方法を採用することもできる。但し、ドライエッチングを採用すれば、供給口４３をより高い位置精度で、即ち熱伝導率が低い第２の領域５１が存在しない正確な位置に形成することができる。

さらに、ドライフィルム化した感光性樹脂のラミネートと、露光、現像を繰り返すことにより、図２（ｊ）に示すように、第１のシリコン基板２７上に吐出口プレート２０を形成する。吐出口２５やチャンバー３２のような中空構造は、１層目と２層目の感光性樹脂で露光感度差を設けることによって形成する。以上の工程により、本実施形態の液体吐出ヘッド１００が完成する。

（第２の実施形態）
図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態で使用可能な液体吐出ヘッド２００の上面図および断面図である。第１の実施形態では第２の領域５１を電気熱変換素子３１に対応する位置即ち電気熱変換素子３１の直下のみに配置している。これに対し、本実施形態では、ＸＹ平面に延在する中間層５０の領域（第１の基板の表面に平行な面における中間層５０の領域）のうち、供給口４３が配されていない部分のほぼ全域に第２の領域５１を配置する。ほぼ全域とは、例えば供給口４３が形成されていない部分の面積の９０％以上を意味する。図３（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッド２００より、吐出口プレート２０を除去した状態の上面図である。また、図３（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ´断面を示し、同図（ｃ）はＢ−Ｂ´断面を示している。

本実施形態においても、図２（ａ）〜（ｉ）で説明した一連の工程によって液体吐出ヘッド２００を製造することができる。この際、図２（ｂ）の工程では、電気熱変換素子３１を配置する領域のみを露出させるマスクではなく、供給口４３を形成する領域以外のほぼ全域が露出されるようなマスクを用いる。このようにすれば、供給口４３以外のほぼ全域に第２の領域５１を配備することができる。但し、図３（ａ）に示すように、個々の供給口４３の側端部から第２の領域５１までの距離Ｗがあまり小さすぎると、中間層５０が第２のシリコン基板２７から剥離してしまうおそれが生じる。このため、本実施形態では、距離Ｗを第１の実施形態よりも大きく（Ｗ＝３μｍ）とし、十分な強度を確保する。このような本実施形態によれば、第１の実施形態よりも、さらに排熱効率の高い液体吐出ヘッド２００を提供することができる。

（第３の実施形態）
図４（ａ）および（ｂ）は本実施形態で使用可能な液体吐出ヘッド３００の断面図および上面図である。第１の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。本実施形態の第２のシリコン基板２７には、Ｙ方向に平行な２つの液体共通供給室４４が形成されており、それぞれがＹ方向に配列する複数の供給口４３と連結している。また、本実施形態の吐出口プレート２０には液体共通供給室４４のそれぞれに対応する２つのチャンバー３２が形成されており、それぞれのチャンバー３２はＹ方向に配列する複数の供給口４３に連結している。チャンバー３２は、供給口４３が連結する位置から±Ｘ方向に広がりその先端位置にて吐出口２５に接続されている。それぞれの吐出口２５が対向する第１のシリコン基板２８の位置には、電気熱変換素子３１が配備されている。本実施形態において、２つの液体共通供給室４４は同じ液体を供給してもよいし、異なる液体を供給してもよい。

一方、第１のシリコン基板２８と第２のシリコン基板２７との間には、第１の実施形態と同様にシリコン酸化膜からなる中間層５０が配置されている。但し、本実施形態の第２の領域５１は、中間層５０の一部がＺ方向に貫通し第２のシリコン基板２７の表面まで到達している。即ち、本実施形態の第２の領域５１は、−Ｚ方向には第２のシリコン基板２７、＋Ｚ方向には第１のシリコン基板２８、±Ｘ方向には中間層５０の一部（第１の領域）に囲まれて形成されている。

このような構成において、電気熱変換素子３１が生成した熱エネルギのうち、一部は吐出エネルギとして消費される。しかし、他の一部は熱エネルギのまま第１のシリコン基板２８に伝導し、さらに供給口４３内の液体、中間層５０の第１の領域５３および第２の領域５１に伝導する。但し、第２の領域５１についてはその熱伝導率が他に比べて十分小さいので、第１のシリコン基板２８に伝導した熱は−Ｚ方向には拡散しにくく、Ｘ方向に隣接する供給口４３内の液体や供給口４３の周囲に位置する中間層５０の第１の領域に主に伝導する。即ち、第２の領域５１を介して−Ｚ方向側に配置されている第２のシリコン基板２７への伝導は抑制され、結果として、吐出時における電気熱変換素子の排熱効率を高めることができる。

本実施形態においても、図２（ａ）〜（ｉ）で説明した一連の工程によって液体吐出ヘッド３００を製造することができる。この際、図２（ｂ）の工程では、電気熱変換素子３１を配置する領域のみを露出させるマスクではなく、図４（ｂ）の網掛け領域で示すように、供給口４３近傍の領域を除いたＹ方向に延在する領域が露出されるようなマスクを用いる。その上で、第２のシリコン基板２７に到達するまでエッチング処理を施す。

また、図２（ｆ）の工程で使用する液体共通供給室用マスク３６２を、吐出口プレート２０上の全ての吐出口２５に対応するマスクではなく、Ｙ方向に配列する供給口４３に対応するようなマスクを用い、複数の液体共通供給室４４を形成する。さらに、図２（ｈ）の工程では、液体共通供給室４４に対応する位置にＹ方向に配列する複数の供給口４３を形成する。

第１の実施形態の場合は、中間層５０のうち２μｍの下層部が液体共通供給室４４に接触しているため、第２の領域５１の周囲を回りこんできた熱が液体共通供給室４４に伝わることがある。これに対し、本実施形態のように、中間層５０の一部にＺ方向に貫通する第２の領域が形成されていれば、第１の実施形態よりも、さらに排熱効率の高い液体吐出ヘッド２００を提供することができる。

（第４の実施形態）
図５は、本実施形態で採用可能な液体吐出ヘッド４００の断面図である。第１の実施形態と異なる点は、中空ではなく、樹脂を充填した第２の領域５２を有することである。即ち、第２の領域５２は樹脂で形成されている。このような構成は、図２（ｃ）の段階で形成された凹部の中にポリイミドのような樹脂を充填した後、図２（ｄ）のような接合工程を行うことによって実現できる。ポリイミドの熱伝導率は空気に比べると高いものの、シリコンやシリコン酸化膜に比べれば十分低い値である。よって、本実施形態においても上記実施形態と同様、吐出時における電気熱変換素子の排熱効率を従来よりも高めることができる。

なお、図５では、第１の実施形態の第２の領域５１を、樹脂を充填した第２の領域５２に置き換える例を示したが、本実施形態は第１〜第３のいずれの構成にも対応可能である。この際、全ての第２の領域５１を本実施形態のような樹脂を充填した第２の領域５２に置き換える必要は無い。中空の第２の領域５１と樹脂を充填した第２の領域５２とを混在させることもできる。第１〜第３の実施形態のように、全ての第２の領域５１を中空とすると、排熱効率自体は高められるものの、薄膜構成である液体吐出ヘッドの強度は第２の領域５１を設けた分だけ弱まり、クラックなどが懸念される。本実施形態のように、樹脂を充填した第２の領域５２とすれば、液体吐出ヘッドの強度低下を抑制しつつ排熱効率を高めることができる。

１０ 液体供給基板
２０ 吐出口プレート
２５ 吐出口
２７ 第２の基板
２８ 第１の基板
３１ 電気熱変換素子
３２ チャンバー
４３ 供給口
４４ 液体共通供給室
５０ 中間層
５２ 第２の領域
５３ 第１の領域
１００ 液体吐出ヘッド

Claims (10)

1. チャンバーに供給された液体に電気熱変換素子から熱エネルギを付与することにより吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドの、前記チャンバーに液体を供給する液体供給基板であって、
   表面が前記チャンバーと前記吐出口が形成された吐出口プレートに接続され、前記チャンバーに液体を供給するための複数の供給口が形成された第１の基板と、
   前記第１の基板の前記表面とは反対の面に接続され、前記複数の供給口のそれぞれに共通して液体を供給するための液体共通供給室が形成された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置された中間層と
   を有し、
   前記中間層は、シリコン酸化膜で形成されている第１の領域と、前記第１の領域よりも熱伝導率が低い第２の領域とを有することを特徴とする液体供給基板。
2. 前記第１の基板および第２の基板はシリコン基板である請求項１に記載の液体供給基板。
3. 前記表面に平行な面において、前記第２の領域は前記電気熱変換素子に対応する位置に配置されている請求項１に記載の液体供給基板。
4. 前記表面に平行な面において、前記第２の領域は、前記中間層の領域のうち前記複数の供給口が形成されていない部分の面積の９０％以上に配置されている請求項１に記載の液体供給基板。
5. 前記第２の領域は中空の領域である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体供給基板。
6. 前記第２の領域は樹脂で形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体供給基板。
7. チャンバーに供給された液体に電気熱変換素子から熱エネルギを付与することにより、吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドであって、
   前記チャンバーと前記吐出口が形成された吐出口プレートと、
   表面が前記吐出口プレートに接続され、前記チャンバーに液体を供給するための複数の供給口が形成された第１の基板と、
   前記第１の基板の前記表面とは反対の面に接続され、前記複数の供給口のそれぞれに共通して液体を供給するための液体共通供給室が形成された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板の間に配置された中間層と
   を有し、
   前記中間層は、シリコン酸化膜で形成されている第１の領域と、前記第１の領域よりも熱伝導率が低い第２の領域とを有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. シリコン酸化膜が形成された第２の基板を用意する工程と、
   前記シリコン酸化膜の一部を除去することにより前記シリコン酸化膜の表面に凹部を形成する工程と、
   第１の基板を前記シリコン酸化膜を挟んで前記第２の基板と接合することにより、前記第１の基板と前記第２の基板の間に、第１の領域と、前記第１の領域よりも熱伝導率が低い前記凹部によって形成される第２の領域とを有する中間層を形成する工程と、
   前記第１の基板の、前記中間層とは反対の面に電気熱変換素子を形成する工程と、
   前記第２の基板に、前記中間層とは反対の面から前記中間層まで貫通する液体共通供給室を形成する工程と、
   前記第１の基板に、前記中間層とは反対の面から前記第２の基板まで貫通する複数の供給口を形成する工程と、
   を有することを特徴とする液体供給基板の製造方法。
9. 前記凹部は、前記シリコン酸化膜の一部を前記第２の基板に到達するまで除去することにより形成され、
   前記液体共通供給室は、前記第２の基板において、前記第２の領域が存在しない領域に対応した位置に形成される請求項８に記載の液体供給基板の製造方法。
10. 前記複数の供給口は、ドライエッチングによって形成される請求項８または９に記載の液体供給基板の製造方法。