JPWO2014119418A1 - 液滴吐出ヘッド基板及び液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
積層されたチップを接合して液滴吐出ヘッド基板を製造する方法において、ノズル孔を傷つけずに高い吐出性能を維持した形で接合できる接合方法を提供する。前記第1〜第2プレートの各接合面を表面活性化処理する第1工程と、前記第1〜第2プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、積層された前記第1、第2プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面から前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合する。
Description
本願発明は液体をノズル孔から吐出する液滴吐出ヘッド基板及び液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。
プリンタなどの印刷装置や、半導体装置の製造に用いられる成膜装置においては近年、インクや当該製膜装置で用いられる成膜材料としての液滴を対象物に吐出、飛翔させる技術、いわゆる液滴吐出技術が用いられる。
このような液滴吐出技術には、印刷画質の向上や成膜精度の向上が望まれるため、それに応じて液滴吐出技術で用いられる液滴吐出ヘッドについても、より微小な液体を精度よく対象物に着弾できるような吐出特性を備える事が望まれている。また近年の液滴吐出ヘッドの小型化、高解像化に対応し、高い吐出特性を維持しつつ、液滴を吐出するノズルが高密度に形成された液滴吐出ヘッドの供給が望まれる。複数のノズル孔が高密度に形成された液滴吐出ヘッド基板の製造には、基板を構成するプレートの位置合わせや各プレート間の接合において高い加工精度が求められる。
このような液滴吐出ヘッド基板の一例を液滴吐出ヘッドの分解斜視図である図1で示す。液滴吐出ヘッド基板2は、ノズルプレート21、中間プレート22、及びボディプレート23からなる。ノズルプレート21は、複数のノズル孔211が高密度に形成されている。中間プレート22は、ノズル孔211の各々に連通する複数の流路を形成する複数の連通孔221が形成されている。ボディプレート23は、これらの各貫通孔に個別に連通する流路と当該流路に連通し、液滴を吐出するための圧電素子234が対応箇所に配置された圧力室を備えている。吐出ヘッドとして高い吐出特性を維持するためには、これらのプレートを精度よく接合する事が必要となる。
従来、このようなプレートの接合方法としては各接合面を接着剤によって接着する方法を用いていた。しかしながら、接着剤による接合は、プレートに設けられた開口部を接着剤によって塞いでしまう可能性があり、吐出特性に影響を及ぼすおそれがある。特に高密度に形成されたノズル孔、流路等の開口部を備える液滴吐出ヘッド基板ではその可能性が高い。
そこで接着剤を用いない接合方法として陽極接合や、陽極接合に比して低い温度で部材表面を表面活性化して接合する表面活性化接合方法が考えられる。
そこで接着剤を用いない接合方法として陽極接合や、陽極接合に比して低い温度で部材表面を表面活性化して接合する表面活性化接合方法が考えられる。
ここで陽極接合法とは、ガラスプレートに含まれる陽イオンの移動による共有結合を用いた接合方法である。例えば特許文献1に開示されている通り、接着剤を必要とせずに部材間を強固に接合できる。Si基板とガラス部材とを接合する液滴吐出ヘッドを陽極接合によって形成する場合、引用文献1では接合面を軟化させて接近させつつ、陽イオンの移動を行うために300℃以上の高温をかける必要がある。
また表面活性化接合法とは、シリコン基材とガラス基材の接合面に対して、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を照射することによって表面活性化処理を行い、接合面表面にOH基またはON基を付加した後に基材間の原子結合によって接合を行う方法である。陽極接合と同様、表面活性化接合は、特許文献2に開示されているように接着剤を使わずに接合面どうしを接合できるものである。なお、表面活性化接合法では、陽極接合のように高温を要するイオン移動によって接合を行わない代わりに、上述した低温条件下で接合面を軟化させつつ、高い押圧力でプレート同士を押し付けて各接合面を接近させて接合することが必要である。
引用文献1で用いられる陽極接合は一般に、接合面を軟化させて密着させて、上述した陽イオンを移動させるイオン移動を起こすために、両プレートを接触させた状態でガラス側をカソードとして直流の高電圧を印加し、かつ300℃以上500℃以下程度の高温加熱を併用しなければならない。図9は、大気圧下において200℃と300℃の条件下での陽イオンの移動量を示したグラフである。図9のグラフの縦軸は、陽イオンの移動によって生じる電流であり、電流が流れると陽極接合を示す陽イオンの移動が起こっていることを示している。また、200℃条件下で流れる電流は0μAで陽イオンの移動が起こっていないことが分かる。従って、200℃程度の温度条件では陽イオン移動を要する陽極接合を行うことができないことを示している。
引用文献1では、仮接合で表面活性化接合を行った後、本接合として陽極接合を行うことによって、陽極接合のみで接合する場合と比較して陽極接合時の温度を低くできるが、依然として200℃以上400℃以下程度の高い温度をかける構成となっており、液滴吐出ヘッドのような高密度に多数のノズル孔等の開口部を形成したプレート部材を接合する場合に、開口部が変形、プレート部材の割れ、反りといった問題が生じ、上述したような吐出性能を維持した形で接合する事は困難である。
また、引用文献2に記載の表面活性化接合は引用文献1に記載の陽極接合と比べて更に低い温度で接合を行うことができる。しかしながら、特許文献2のようなウエハー部材の接合とは異なり、液滴吐出ヘッド基板のような高密度に多数のノズル孔等の開口部を形成したプレート部材をこのような表面活性化接合で接合を行う場合には新たな問題が生じる。即ち、高密度に形成されたノズル孔等の開口部を備える液滴吐出ヘッド基板用プレート部材の全表面に直接接触して高い押圧力を付与してしまうと、ノズル孔の傷つきや、割れ、欠けといった問題が生じる可能性があり、液滴吐出ヘッド基板の接合としての採用は困難である。
そこで、本発明は、積層されたプレートを接合して液滴吐出ヘッド基板を製造する方法において、ノズル孔を傷つけずに高い吐出性能を維持した形で接合できる接合方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本願発明の第1の態様は、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成された第1プレートと、前記第1プレートの液滴吐出側の面とは反対の面に接合され、前記複数のノズル孔にそれぞれ連通して複数の流路を形成する複数の貫通孔を備えた第2プレートと、を有する液滴吐出ヘッド基板の製造方法であって、
前記第1、及び第2プレートの各接合面を原子ビーム、イオンビーム、またはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理する第1工程と、前記第1及び第2プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、積層された前記第1、及び第2プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面の前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合することを特徴とする。
前記第1、及び第2プレートの各接合面を原子ビーム、イオンビーム、またはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理する第1工程と、前記第1及び第2プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、積層された前記第1、及び第2プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面の前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合することを特徴とする。
また第2の態様は、前記第1の態様における第3工程で付加される荷重は、0.196N以上4.90N以下の範囲の荷重である事を特徴とする。
また第3の態様は、前記第1又は第2の態様における第3工程が、100℃以上200℃以下の温度条件下で行う事を特徴とする。
また第4の態様は、前記第1乃至第3の態様のいずれかにおける第1プレートがシリコンからなり、第2プレートはガラスからなり、前記第1,第2プレートはそれぞれのプレート厚みが100μm以上300μm以下である事を特徴とする。
また第5の態様は、前記第1乃至第4の態様のいずれかにおける第1プレートの液滴吐出側の面には撥液膜が形成されている事を特徴とする。
また本願発明における第6の態様は、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成された第1のプレートと、前記第1プレートの液滴吐出側の面とは反対の面に接合され、前記複数のノズル孔にそれぞれ連通して複数の流路を形成する複数の貫通孔を備えた第2プレートと、前記第2プレートの前記第1プレートとの接合面とは反対側の面に接合され、前記貫通孔と連通して設けられた複数の圧力室が形成された第3プレートと、を有し、
前記複数の圧力室各々の対応位置に圧電素子が配置され、前記圧電素子の変形により前記圧力室内の容積変化により生ずる圧力により前記圧力室内に供給される液体を前記ノズル孔から液滴として吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記第1、第2プレート及び第3プレートの各接合面を原子ビーム、イオンビーム、またはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理する第1工程と、前記第1、第2及び第3プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、積層された前記第1、第2及び第3プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面から前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合することを特徴とする。
前記複数の圧力室各々の対応位置に圧電素子が配置され、前記圧電素子の変形により前記圧力室内の容積変化により生ずる圧力により前記圧力室内に供給される液体を前記ノズル孔から液滴として吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記第1、第2プレート及び第3プレートの各接合面を原子ビーム、イオンビーム、またはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理する第1工程と、前記第1、第2及び第3プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、積層された前記第1、第2及び第3プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面から前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合することを特徴とする。
また第7の態様は、前記第6の態様における第3工程で付加される荷重は、0.196N以上4.90N以下の範囲の荷重である事を特徴とする。
また第8の態様は、前記第6又は第7の態様における第3工程は、100℃以上200℃以下の温度条件下で行う事を特徴とする。
また第9の態様は、前記第6乃至第9の態様のいずれかの態様における前記第1及び第3プレートはシリコンからなり、第2プレートはガラスからなり、前記第1,第2及び第3プレートはそれぞれのプレート厚みが100μm以上300μm以下である事を特徴とする。
また第10の態様は、前記第6乃至第10の態様のいずれかの態様における前記第1プレートの液滴吐出側の面には撥液膜が形成されている事を特徴とする。
本願発明によれば、高い吐出特性を維持した形で接合がなされた液滴吐出ヘッド基板、液滴吐出ヘッドを提供する事ができる。また、液滴吐出ヘッド基板を構成する各プレート間の接合に際してプレートの反りや、割れ、傷つきを極力抑制した形で接合を行う事ができる。
まず、本願発明に係る液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッド基板について説明する。
図1は、本発明に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図、図2は、図1に示す液滴吐出ヘッドにおける液滴吐出ヘッド基板2の層構成を示す部分断面図である。
以下、図1及び図2を用いて説明する。
図1は、本発明に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図、図2は、図1に示す液滴吐出ヘッドにおける液滴吐出ヘッド基板2の層構成を示す部分断面図である。
以下、図1及び図2を用いて説明する。
図1において、1は液滴吐出ヘッドであり、液滴吐出ヘッド1は、液滴吐出ヘッド基板2と保持基板3と外部配線部材4とインク流路部材5とを有している。
液滴吐出ヘッド基板2は、ノズルプレート21(第1プレート)、中間プレート22(第2プレート)、ボディプレート23(第3プレート)の3枚の基板が積層一体化されることによって構成されている。
ノズルプレート21は、厚みが100μm以上300μm以下程度のSi基板からなり、中間プレート22と積層された際に、中間プレート22の連通孔221に対応する位置に、それぞれインク滴を吐出するノズル孔211が形成されている。各ノズル孔211はノズルプレート21における中間プレート22とは反対面に備えられる。中間プレート22側の面には、ノズル孔211に対応した開口部(大径部212)が備えられる。大径部212はノズル孔211よりも大径な凹部からなっており、ノズル孔211と連通する構造となっている。
なお、ノズルプレート21においてノズル孔211を備えるノズルの形成面(ノズル面)210に、不図示の撥液膜を形成することにより、液滴吐出ヘッドの射出安定性を向上させることができる。液滴吐出ヘッドの射出安定性を向上させるためには、ノズル孔から吐出される液滴に応じて好適な撥液膜を形成することが好ましく、例えば液滴としてインクを射出する場合は、フッ素系の樹脂、例えばオプツールを用いることが好ましい。
上述したように液滴としてインクを吐出する場合、ノズルプレート21に形成するオプツール等の撥液膜の耐熱温度は一般に200℃以下である。本発明に係る製造方法によればノズルプレート21に予め上述した撥液膜を形成した後、接合して液滴吐出ヘッド基板を構成しても200℃以下で接合を行うことができるので、撥液性能は良好に保たれ、液滴吐出ヘッドの射出安定性を向上することができる。撥液膜を形成した後に陽極接合によって液滴吐出ヘッド基板を形成しようとした場合、撥液膜の耐熱温度(200℃以下)を超える温度で接合を行うので撥液膜が劣化してしまい、液滴吐出ヘッドの射出安定性を良好に保つことができない。
中間プレート22は、ボディプレート23と平面視形状が同一形状で、厚みが100μm以上300μm以下程度のガラス基板からなり、ボディプレート23と積層された際に、ボディプレート23の圧力室231に形成された膨出部231aに対応する位置に、それぞれ中間プレート22を表裏に貫通し、吐出時のインク流路となる連通孔221が個別に形成されている。
ボディプレート23は、図1中のA方向に沿って長さが長く、厚みが100μm以上300μm以下程度のSi基板からなり、一方の面(図1における下面)をエッチングすることによって、平面視で略円形状となる複数の圧力室231と、複数の圧力室231に対して共通にインクを供給するための凹溝からなる共通流路232と、共通流路232と各圧力室231とを個別に連通し、共通流路232内のインクを圧力室231に供給するための細溝からなるインク供給路233とが凹設された流路形成基板である。
各圧力室231は、前述する中間プレート22に形成された連通孔221との連通部となるための、一部が外側に膨出する形状となる膨出部231aを有している。図1では、16個の圧力室231をA方向に沿って配列したボディプレート23を示しており、一つおきの8個ずつの圧力室231に対してそれぞれインクを供給するための2本の共通流路232が、間に圧力室231の列を挟むように配置されている。
ボディプレート23の他方の面(図1における上面)には、各圧力室231の位置に対応するように圧力発生手段であるPZT等からなる圧電素子234が積層されており、この圧電素子234の変形により、該圧電素子234と圧力室231との間の変形壁235を変形させて、圧力室231内のインクに吐出のための圧力を付与するようになっている。なお、各圧電素子234は、上下両面に電極(図示せず)を有しており、上面電極は個別電極となり、下面電極はボディプレート23上面に設けられた共通電極と接している。
各共通流路232は、ボディプレート23の長手方向であるA方向に沿って延びており、その端部は、ボディプレート23のA方向の両端部近傍においてボディプレート23を表裏に貫通するように形成されている貫通口236にそれぞれ連通している。貫通口236は、ボディプレート23の各端部において、2つずつがA方向と直交するボディプレート23の短手方向であるB方向に沿うように並んで配置されており、各々共通流路232の端部と連通している。
なお上記説明では、液滴吐出ヘッドとして吐出する液体をインクとする液滴吐出ヘッドを例として説明しているが、本願発明に係る液体は特にインクには限定されず、UVインク、水溶性インクの他に半導体の回路を形成する金属を含有する液体等を吐出するヘッドであっても良い。
また上記説明では、ヘッド基板としてノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23の3プレート部材のみで説明しているが、4枚以上のプレート部材を積層するものであっても良い事は言うまでもない。
また上記説明では、ヘッド基板としてノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23の3プレート部材のみで説明しているが、4枚以上のプレート部材を積層するものであっても良い事は言うまでもない。
次に本願に係る液滴吐出ヘッド基板の製造法について、図1で示した液滴吐出ヘッド基板を例に詳細に説明する。当該製造方法は、以下の工程で構成される。(図3参照)
(1)表面活性化処理工程
(2)積層・位置合わせ工程
(3)固定工程
(4)荷重付加工程
(5)静電吸引工程
以下、各工程について詳細に説明する。
(1)表面活性化処理工程
(2)積層・位置合わせ工程
(3)固定工程
(4)荷重付加工程
(5)静電吸引工程
以下、各工程について詳細に説明する。
(1)表面化処理工程
表面活性化処理は、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を接合面に照射することで達成される。具体例として、窒素プラズマや酸素プラズマなどのプラズマを用いて、OH基またはON基を化学処理によって付加する表面活性化処理が行われる。この他、Arイオンビームの照射によって接合面を活性化させた後、大気中に含まれる水分子と反応させてOH基を付加する方法も使用することができる。
表面活性化処理は、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波を接合面に照射することで達成される。具体例として、窒素プラズマや酸素プラズマなどのプラズマを用いて、OH基またはON基を化学処理によって付加する表面活性化処理が行われる。この他、Arイオンビームの照射によって接合面を活性化させた後、大気中に含まれる水分子と反応させてOH基を付加する方法も使用することができる。
図4に示すように、表面活性化処理は、減圧下でプラズマ発生源70の下にノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23を照射台71に並べ、各接合面に酸素プラズマ又は窒素プラズマを照射する。プラズマの照射によりノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23の接合面であるSi(シリコン)表面にOH基またはON基が付着し、親水化される。
(2)積層・位置合わせ工程
表面活性化処理が施された各プレートは、ノズルプレート21の貫通口、中間プレート22の連通孔、ボディプレート23の貫通口が連通するように位置合わせされた後、積層される。位置合わせ工程は、CCDカメラ等を用いて各プレートの隅に形成されるアライメントマーク(図示しない)を目視しながらプレートを操作して行う。アライメントマークは積層・位置合わせ工程の前に、各プレートを合わせて積層するとノズルプレート21の貫通口、中間プレート22の連通孔、ボディプレート23の貫通口が連通するような場所に予め設けておく。エッチング等を用いてプレート隅の2か所に切削孔を設け、これをアライメントマークとして用いることが好ましい。
表面活性化処理が施された各プレートは、ノズルプレート21の貫通口、中間プレート22の連通孔、ボディプレート23の貫通口が連通するように位置合わせされた後、積層される。位置合わせ工程は、CCDカメラ等を用いて各プレートの隅に形成されるアライメントマーク(図示しない)を目視しながらプレートを操作して行う。アライメントマークは積層・位置合わせ工程の前に、各プレートを合わせて積層するとノズルプレート21の貫通口、中間プレート22の連通孔、ボディプレート23の貫通口が連通するような場所に予め設けておく。エッチング等を用いてプレート隅の2か所に切削孔を設け、これをアライメントマークとして用いることが好ましい。
(3)固定工程
図5を用いて固定工程を以下で説明する。
装置は、台64、固定部材61、支持部材63、弾性部材65からなっている。台64は、ノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23を置く場所であるとともに、支持部材63が固定される。台64は、一般に用いられる金属であれば用いることができるが、導電性のある部材であればよく、静電吸引の際の加熱に対して変形等を生じない部材であれば良い。
図5を用いて固定工程を以下で説明する。
装置は、台64、固定部材61、支持部材63、弾性部材65からなっている。台64は、ノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23を置く場所であるとともに、支持部材63が固定される。台64は、一般に用いられる金属であれば用いることができるが、導電性のある部材であればよく、静電吸引の際の加熱に対して変形等を生じない部材であれば良い。
ノズルプレート21,中間プレート22,ボディプレート23は、この後の接合工程2において位置ずれしないように固定部材61によってノズルプレート21に形成されたノズル孔形成領域a(ノズルプレート21の長手方向に沿って複数のノズル孔によって形成された領域:図1)を避けた両端部分を台64との間で挟持して固定される(図5A、図5C)。支持部材63は、固定部材61を支持すると共に、弾性部材65を備える。ノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23を固定部材によって挟むと、積層されたプレートの高さが固定部材に支持されている弾性部材の高さよりも高い場合に当該弾性部材65の弾性による復元力によってノズルプレートをボディプレートへの方向に押し付ける力が生じて固定部材61が積層された各プレートの両端を押圧して固定できるようになっている。
なお、固定工程として固定部材によってプレートの両端を押圧して固定する方法を示したが、位置合わせして積層された各プレートが後述する工程で位置ずれをおこさないように固定できればよい。例えば、プレートの四隅のうち対角線状に位置した二隅に位置ずれ防止枠(図示しない)を設け、積層方向に対して垂直方向のずれを防止するようにしてもよい。
(4)荷重付加工程
荷重付加工程は主にプレート自体の反りを矯正するための押圧力をプレートに付加する工程である。なお、本工程のみで接合面同士を接近、接合させるのではなく、後述する静電吸引力と組み合わせて各プレートの接合面同士を接合に十分な距離まで接近させるものである。
荷重付加工程は主にプレート自体の反りを矯正するための押圧力をプレートに付加する工程である。なお、本工程のみで接合面同士を接近、接合させるのではなく、後述する静電吸引力と組み合わせて各プレートの接合面同士を接合に十分な距離まで接近させるものである。
本来、プレート全面に対して荷重をかければ、反りを矯正することができる。しかしながら、プレート全面に荷重をかけるとノズル孔形成領域aにも荷重がかかってしまい、当該領域に傷が付いてしまう。そこで、荷重を付加する位置は図7のようにノズル孔形成領域aを避けて構成されると共に、ノズル孔形成領域aを避けた領域において均等に荷重が掛かるように配置する。荷重がノズル孔形成領域aを避けた領域で均等にかかるように配置すれば、各プレート固有の中央部に凸状の反りをより少ない荷重で矯正することができる。上述したように、荷重とノズルプレートとの接触面積を抑えることができるので射出特性に影響を及ぼすノズルの傷つきが防止される。また、荷重付加工程は大気圧下で行う事により、接合時に貫通口を通じて空気を逃がすことができるので、より接合面間の距離を接近させる事ができ、液滴吐出ヘッド基板の製造に必要な接合を行うことができる。なお荷重は、部材自体の反りを矯正する程度で十分である。部材自体の反りの矯正に必要な荷重は、部材の厚みによって異なるが、例えば各プレート厚み100μm以上300μm以下、各プレートの表面積480mm2以上550mm2の場合には、0.196N以上〜4.90N以下の押圧力をプレートにかけると、プレート固有の反りの矯正に使う荷重をより少なくすることができ、ノズルの傷つきや、プレートの割れを防ぐことができるので好ましい。
反りを矯正し、ノズル孔形成領域aを避けるような荷重62の配置としては図7A〜図7Cに示すように様々な配置を取る事が可能である。特に図7Aは、ノズル孔形成領域aを避けるように板状の荷重62を置くことによってノズル孔形成領域aを避けた領域に対して均等に荷重をかけるという観点で好ましく、図7Bは、荷重とノズルプレートの接触面積をできるだけ抑えつつ、ノズル孔形成領域aを避けた領域に対して均等に荷重をかけるという観点で好ましい。また図7Cのようにノズル孔形成領域aを挟んで千鳥状に配列すれば、図7Bと比較してノズル孔形成領域aを避けた領域に対して均等に荷重をかけることが出来ると共に、さらに荷重とノズルプレートとの接触面積を抑制できるという観点でより好ましい。
荷重62には様々な材料を用いることができ、一般に使われる金属であれば荷重62として用いることができる。荷重は図7Aに示されるように板状の形状を用いることもできるが、開口部の密度が高い場合、図6のように針状の荷重を開口部に当たらないような針状荷重621を配置して使用することもできる。針状荷重621は針状部622と基部623で構成される。針状部622及び基部623は静電吸引の際にかける熱によって変形しない部材、例えば金属等を用いることが好ましい。ノズルの開口部の位置パターンに合わせてノズル孔形成領域aを避けた領域に対して均等に荷重を配置できるような針状荷重621を用意しておくと、複数の荷重を1つずつかけていく方法に比べて、1度に荷重を掛けることができるので生産効率を向上させることができる。特に荷重を多く分割することにより、ノズル孔形成領域aを避けた領域に対して均等に荷重をかける必要がある高密度にノズルが配置されるノズルプレートにおいて、上述した針状荷重621を用いることが好ましい。
(5)静電吸引工程
次に静電吸引について図8を用いて詳細に説明する。
本願発明に係る接合方法においては、荷重62によってノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23の反りを矯正しつつ、被接合面表面に付加されたOH基またはON基がファンデルワールス力により分子レベルで接合できるように接近させる必要がある。
次に静電吸引について図8を用いて詳細に説明する。
本願発明に係る接合方法においては、荷重62によってノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23の反りを矯正しつつ、被接合面表面に付加されたOH基またはON基がファンデルワールス力により分子レベルで接合できるように接近させる必要がある。
そこで、図8のように中間プレート22に−電位をつなぐと共に、ノズルプレート21とボディプレート23にGNDを接続すると、中間プレート22がノズルプレート21とボディプレート23と比較して低い電位を持ち、GNDに接続されたノズルプレート21とボディプレート23は電位が高い状態となるため電位差によって積層されたプレートの分子間が接近する方向の静電引力が生じる。
その結果、静電引力によって各プレート間が引きつけられ、隙間に残留した空気がボディプレートからノズルまで連通した流路を通じて排出されて密着し、基材間距離を数百nmまで近づけることができる。基材間距離を数百nmまで近づけるとOH基またはON基がファンデルワールス力により分子レベルで密着することができるので水素結合が生じ、表面活性化接合を行うことができる。なお、各プレート表面に微小な凹凸があり、当該凹凸によってプレート間に隙間が生じている場合、100℃以上200℃以下の条件で各プレートの接合面を軟化させつつ、静電吸引で各プレート間をさらに接近させると、軟化された各プレート間の接合面の隙間が埋められ、密着性を高めて接合できるのでより好ましい。
つまり本願発明に係る静電吸引は、部材との接触を要さない静電吸引力を利用してプレート間の隙間を無くし、プレート間を後の原子結合による接合が可能な程度に近づけるためのものである。従って、通常の表面活性化接合のような接合のための高い加圧を必要とせず、前段の荷重付加工程と併せてプレート部材表面の割れや反り、傷つきを極力低減させる事が可能となる。
静電吸引時における条件は、常圧下で直流高電圧500V以上2000V以下である。また、上述したように各プレート表面に微小な凹凸がある場合においても、100℃以上200℃以下の温度条件で行うことができるので、最低でも250℃以上の温度と高電圧を必要とする陽極接合と比較して低温条件で接合を行うことができ、再び各プレートが反る現象を防ぐことができる。
ノズルを傷つけないような位置に反りを矯正するために必要な荷重をかけ、各プレート間の微小な凹凸の隙間を静電吸引で埋める接合工程2の荷重付加工程と静電吸引工程の組み合わせによって、液滴吐出ヘッド基板を構成するプレートの反りや、割れ、傷つきを極力抑制した形で各プレート間の接合を行う事ができる。
また、上述したようにイオン移動を行わない静電吸引力を利用するため、中間プレート22としてホウケイ酸ガラス(テンパックスガラス)やSWシリーズ陽極接合用ガラス等の高価な陽極接合用ガラスを用いずに接合を行うことができる。本発明に係る接合方法に適用できる陽極接合用ガラス以外のガラスには、ソーダ石灰ガラス等があり、陽極接合用ガラスと比較して安価なため製造コストを抑制することができる。
以上、実施例について述べたが、本発明は上述した実施例で開示した表面活性化方法や、荷重の配置には限定されない。なお、便宜上実施例では、ノズルプレート、中間プレート、ボディプレートの接合面に対して行う全ての接合を本発明に係る接合方法によって行ったが、この方法に限定されることはない。例えばノズルプレートと中間プレートを本発明に係る接合方法で接合し、中間プレートとボディプレートは接着剤や陽極接合等の従来の接合方法によって液滴吐出ヘッド基板を形成する場合も本願発明の範囲に含まれる。
液体をノズル孔から吐出する液滴吐出ヘッド基板及び液滴吐出ヘッドを製造する分野において利用可能性がある。
1 液滴吐出ヘッド
2 液滴吐出ヘッド基板
21 ノズルプレート
210 ノズルの形成面(ノズル面)
211 ノズル孔
212 大径部
22 中間プレート
221 連通孔
23 ボディプレート
231 圧力室
231a 膨出部
232 共通流路
233 インク供給路
234 圧電素子
235 変形壁
236 貫通口
3 保持基板
4 外部配線部材
5 インク流路部材
61 固定部材
62 荷重
621 針状荷重
622 針状部
623 基部
63 支持部材
64 台
65 弾性部材
70 プラズマ発生源
71 照射台
a ノズル孔形成領域
2 液滴吐出ヘッド基板
21 ノズルプレート
210 ノズルの形成面(ノズル面)
211 ノズル孔
212 大径部
22 中間プレート
221 連通孔
23 ボディプレート
231 圧力室
231a 膨出部
232 共通流路
233 インク供給路
234 圧電素子
235 変形壁
236 貫通口
3 保持基板
4 外部配線部材
5 インク流路部材
61 固定部材
62 荷重
621 針状荷重
622 針状部
623 基部
63 支持部材
64 台
65 弾性部材
70 プラズマ発生源
71 照射台
a ノズル孔形成領域
Claims (10)
- 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成された第1プレートと、前記第1プレートの液滴吐出側の面とは反対の面に接合され、前記複数のノズル孔にそれぞれ連通して複数の流路を形成する複数の貫通孔を備えた第2プレートと、を有する液滴吐出ヘッド基板の製造方法であって、
前記第1、及び第2プレートの各接合面を原子ビーム、イオンビーム、またはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理する第1工程と、前記第1及び第2プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、積層された前記第1、及び第2プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面の前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合することを特徴とする液滴吐出ヘッド基板の製造方法。 - 前記第3工程で付加される荷重の合計は、0.196N以上4.90N以下の範囲の荷重である事を特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド基板の製造方法。
- 前記第3工程は、100℃以上200℃以下の温度条件下で行う事を特徴とする請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッド基板の製造方法。
- 前記第1プレートはシリコンからなり、前記第2プレートはガラスからなり、前記第1,第2プレートはそれぞれのプレート厚みが100μm以上300μm以下である事を特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の液滴吐出ヘッド基板の製造方法。
- 前記第1プレートの液滴吐出側の面には撥液膜が形成されている事を特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の液滴吐出ヘッド基板の製造方法。
- 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成された第1のプレートと、
前記第1プレートの液滴吐出側の面とは反対の面に接合され、前記複数のノズル孔にそれぞれ連通して複数の流路を形成する複数の貫通孔を備えた第2プレートと、
前記第2プレートの前記第1プレートとの接合面とは反対側の面に接合され、前記貫通孔と連通して設けられた複数の圧力室が形成された第3プレートと、を有し、
前記複数の圧力室各々の対応位置に圧電素子が配置され、前記圧電素子の変形により前記圧力室内の容積変化により生ずる圧力により前記圧力室内に供給される液体を前記ノズル孔から液滴として吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記第1、第2プレート及び第3プレートの各接合面を原子ビーム、イオンビーム、またはプラズマであるエネルギー波で表面活性化処理する第1工程と、
前記第1、第2及び第3プレートを、前記第1のプレートに形成された複数のノズル孔と前記第2プレートに形成された前記複数の貫通孔とが互いに連通するよう位置合わせして積層する第2工程と、
積層された前記第1、第2及び第3プレートの各接合面をイオン移動による共有結合を伴わない原子結合により接合する第3工程と、を有し、
前記第3工程は、大気圧下で荷重を前記第1プレートの前記液滴吐出側の面から前記複数のノズル孔を避けた位置で接触させて、押圧すると共に、各接合面間に生じさせた静電吸引力で接近させて接合することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第3工程で付加される荷重の合計は、0.196N以上4.90N以下の範囲の荷重である事を特徴とする請求項6記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第3工程は、100℃以上200℃以下の温度条件下で行う事を特徴とする請求項6又は7に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1及び第3プレートはシリコンからなり、前記第2プレートはガラスからなり、前記第1,第2及び第3プレートはそれぞれのプレート厚みが100μm以上300μm以下である事を特徴とする請求項6乃至8のいずれか一つに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第1プレートの液滴吐出側の面には撥液膜が形成されている事を特徴とする請求項6乃至9のいずれか一つに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
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