JP2003063020A

JP2003063020A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法

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Publication number: JP2003063020A
Application number: JP2001260546A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Mimura; 忠士三村
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】加工効率が低く歩留まりが悪い。【解決手段】インク供給口１９の少なくとも一部が薄
型円形ブレード３２による加工で形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液滴吐出ヘッド及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の
画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジ
ェット記録装置においては、液滴を吐出する液滴吐出ヘ
ッドとしてのインクジェットヘッドが記録ヘッドとして
用いられる。このインクジェットヘッドは、インク滴を
吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（インク
流路、インク室、圧力室、吐出室、加圧室、加圧液室等
とも称される。）と、この液室内のインクを加圧する圧
力を発生する駆動手段とを備え、駆動手段で液室内の圧
力／体積を変化させることによりノズルからインク滴を
吐出させるものである。

【０００３】従来のインクジェットヘッドとしては、圧
電素子を用いて液室の壁面を形成している振動板を変形
変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のも
の、液室内に配設した発熱抵抗体を用いてインクの膜沸
騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型
のもの、液室の壁面を形成する振動板（又はこれと一体
の電極）と電極を用いて静電力で振動板を変形変位させ
ることでインク滴を吐出させる静電型のものなどがあ
る。

【０００４】このようなインクジェットヘッドにおいて
は、マルチノズルヘッドの場合、各液室にインクを供給
する共通液室を備え、この共通液室に外部からインク供
給口を介してインクを供給する。ここで、特に、静電型
インクジェットヘッドの場合、振動板と電極との間に静
電気力を発生させるための電極取り出し部、インクを共
通液室へ供給するためのインク供給口、インク滴を吐出
されるノズルの配置構成が重要であり、例えば、特開平
１１−１２３８２４号公報には、液室、振動板及ぶ共通
液室を形成する第１基板と電極を形成する第２基板とを
接合したヘッドにおいて、第２基板の裏面側にインク供
給口を設けて、そのまま供給口から第２基板の貫通穴を
介して第１基板の共通液室へインクを供給するようにし
たものが開示されている。

【０００５】ところで、インク供給口を形成する場合、
上記特開平１１−１２３８２４号公報には、第２基板に
ドリル加工、サンドブラスト加工、超音波加工、抜き打
ちせん断加工、レーザー加工などの様々な機械加工方法
により、任意の場所にインク供給口と共通液室とを通じ
る貫通穴を形成することが記載されている。

【０００６】また、特開２０００１−１５１５号公報に
は、第１基板と熱酸化した第２基板を直接接合した後、
マスク層を形成しパターニングした後、高濃度のアルカ
リ液にてウェットエッチングすることで、目的とする個
所に貫通穴を形成することが記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のインクジェットヘッドにおける供給口加工方法
のうち、サンドブラスト加工法はマスクを形成し、パタ
ーニングをしなければならず、安価に供給口を形成でき
ない。なお、マスクの不要な微小ノズルを用いたブラス
ト加工方法も提案されているが、加工面への飛散により
ダメージを与えてしまい何らかの保護をしなくてはなら
ない点では同じである。

【０００８】また、ドリル加工、超音波加工法は、加工
ツールの寿命が問題で数カ所の加工でツールの破損、磨
耗に至り、交換しなくてはならず、コストの増加を招い
ている。更にレーザー加工法は、加工時に発生する熱に
より表面が改質してしまう問題がある。

【０００９】さらに、ウェットエッチングによる供給口
の形成法にあっては、１回のウェットエッチングで貫通
口を形成することが時間的に困難で、エッチングを２度
に分けて行う必要があるなど、コストが高くなる。

【００１０】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、歩留まりを向上して低コスト化を図れる液滴吐
出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液供給口の少なく
とも一部が薄型円形ブレードによる加工で形成されてい
る構成としたものである。

【００１２】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法
は、第１基板と第２基板を貼り合わせた後共通液室へ液
体を供給するための液供給口の少なくとも一部を薄型円
形ブレードを用いて加工形成するものである。

【００１３】ここで、高速回転中のブレードを貼り合わ
された貼り合わせ基板に対して垂直に動作させることに
より液供給口を形成することが好ましい。この場合、高
速回転中のブレードを貼り合わせ基板に対して平行に動
作させることにより供給口を形成することもできる。

【００１４】また、液供給口を加工する前に、共通液室
に対向して前記第２基板に溝を形成する工程を行うこと
ができる。

【００１５】さらに、第２基板側からハーフカットダイ
シングを行うことにより液供給口を形成することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。本発明に係る液滴吐出ヘッド
について図１及び図２を参照して説明する。なお、図１
は同ヘッドの振動板長手方向に沿う略断面説明図、図２
は同ヘッドの振動板短手方向に沿う略断面説明図であ
る。

【００１７】このインクジェットヘッドは、第１基板で
ある流路基板１と、流路基板１の下側に設けた第２基板
である電極基板２と、流路基板１の上側に設けた第３基
板であるノズル板３とを積層した積層構造体からなり、
これらにより、複数のノズル４が連通する液室吐出室
６、吐出室６に流体抵抗部７を介して連通する共通液室
８などを形成している。

【００１８】流路基板１は、（１１０）面方位の単結晶
シリコン基板からなり、吐出室６及びこの吐出室６の底
部となる壁面を形成する振動板１０を形成する凹部、共
通液室８を形成する凹部などを形成している。

【００１９】ここで、流路基板１は、例えば単結晶シリ
コン基板を用いた場合、予め振動板厚さにボロンを注入
してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層１ａを
形成し、電極基板２と接合した後、吐出室６となる凹部
をＫＯＨ水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッ
チングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッ
チングストップ層となり、高濃度ボロン層１ａからなる
振動板１０を高精度に形成したものである。

【００２０】また、流路基板１としては、シリコン基板
であるベース基板と活性層基板とを酸化膜を介して接合
したＳＯＩ（Ｓilicon Ｏn Ｉnsulator）基板を用いる
こともできる。この場合、厚さ１〜３μｍほどのシリコ
ン活性層を振動板１０に用いる。

【００２１】また、電極基板２には単結晶シリコン基板
を用いて、熱酸化法などで酸化膜１２を形成し、この酸
化膜１２に電極形成用凹部１４を形成して、この凹部１
４底面に振動板１０に所定のギャップ１６を置いて対向
する電極１５を設け、これらの振動板１０と電極１５と
によって静電型アクチュエータ部を構成している。

【００２２】また、電極１５表面にはＳiＯ_２膜などの
酸化膜系絶縁膜、Ｓi₃Ｎ_４膜などの窒化膜系絶縁膜から
なる誘電絶縁膜１７を成膜している。なお、電極１５表
面に絶縁膜１７を形成しないで、振動板１０側に絶縁膜
を形成することもできるし、電極１５表面及び振動板１
０側表面に絶縁膜を形成することもできる。

【００２３】さらに、電極１５としては、金、或いは、
通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるＡ
ｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属材料や、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ等の
高融点金属などを用いることができる。

【００２４】これらの流路基板１と電極基板２とはシリ
コンの直接接合で接合している。そして、電極基板２か
ら流路基板１の高濃度ボロン拡散層１ａを介して外部か
ら共通液室８に連通して外部から共通液室８にインクを
供給するための液供給口であるインク供給口１９を形成
している。このインク供給口１９は電極基板２の部分の
貫通穴２０と高濃度ボロン拡散層１ａの供給口２１とで
形成される。このインク供給口１９のうちの少なくとも
供給口２１は薄型円形ブレードによる加工で形成されて
いる。

【００２５】ノズル板３には、多数のノズル４を形成す
るとともに、共通液室８と吐出室６を連通するための流
体抵抗部７を形成する溝部を形成している。ここでは、
インク吐出面（ノズル表面側）には撥水性皮膜を成膜し
ている。このノズル板３にはステンレス基板を用いてい
るが、この他、エレクトロフォーミング（電鋳）工法に
よるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマ
レーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で
穴加工をしたもの等でも用いることができる。

【００２６】また、撥水性皮膜は、フッ素系樹脂微粒子
であるポリテトラフルオロエチレン微粒子を分散させた
電解又は無電解ニッケル共析メッキ（ＰＴＦＥ−Ｎi共
析メッキ）によるメッキ皮膜で形成することができる。

【００２７】このように構成したインクジェットヘッド
においては、振動板１０を共通電極とし、電極１５を個
別電極として、例えば、正の電圧パルスを印加すること
で、電極１５の表面が正の電位に帯電し、この電極１５
に対向する振動板１０の下面は負の電位に帯電するの
で、振動板１０は静電気力によって吸引されて個別の電
極１５との間隔が狭まる方向へ撓む。このとき、振動板
１０が撓むことにより、インクがインク供給口１９から
共通液室８へ、共通液室８から流体抵抗部７を経由して
吐出室６に供給される。

【００２８】そこで、個別の電極１５へ印加している電
圧パルスをオフにし、蓄えられている電荷を放電するこ
とによって、上述のように撓んだ振動板１０は元の位置
に復元し、この復元動作によって、吐出室６の内圧が急
激に上昇して、ノズル４からインク滴が記録紙（図示省
略）に向けて吐出される。

【００２９】そして、このインクジェットヘッドにおい
ては、インク供給口１９が薄型円形ブレードによる加工
で形成されているので、加工治具が安価で、寿命も長
く、効率的に供給口を形成することができて、ヘッドコ
ストの低減を図れる。

【００３０】次に、このインクジェットヘッドの製造方
法の第１実施形態について図３及び図４をも参照して説
明する。まず、図３に示すように、吐出室６、振動板１
０及び共通液室８を形成した厚さ１００μｍのシリコン
基板からなる流路基板１と、凹部１４、電極１５、絶縁
膜１７（図示省略）を形成した厚さ３００μｍのシリコ
ン基板からなる電極基板２とをダイレクトボンド技術を
用いて１０００℃にて接合した接合基板（貼り合わせ基
板）３１を得る。

【００３１】なお、この場合、凹部１４、電極１５、絶
縁膜１７（図示省略）を形成した厚さ３００μｍのシリ
コン基板からなる電極基板２に、流路基板１となるシリ
コン基板を直接接合した後、このシリコン基板をパター
ニングして、吐出室６、振動板１０及び共通液室８を形
成することもできる。

【００３２】その後、図４に示すように、薄型円形ブレ
ード３１が高速で回転する装置に接合した接合基板３１
をセットする。実験では、ＬＳＩなどのダイシングに用
いられるダイシングブレード３２を薄型円形ブレードの
代用とし、ブレードの幅は４０μｍのものを使用した。
ブレードを高速回転させる装置としてはダイシング装置
を改造し、任意のポイントでダイシングブレード３２を
上下左右に駆動させることが可能なものを用いた。ま
た、ブレードの回転数は３００００rpmとした。

【００３３】そして、接合基板３１とダイシングブレー
ド３２とをアライメントして共通液室８の上方からブレ
ード３２を０．５ｍｍ／secのスピードで基板に対して
略垂直に下降させ、ブレード３２の下面の先端が接合基
板３１を１００μｍ貫通した時点で下降を停止、続いて
上方へ移動すると、流路基板１の共通液室８の底面（こ
こではボロン拡散層１ａ）及び電極基板２を貫通し、基
板裏面へ通ずるインク供給口１９が得られた。

【００３４】この場合、必要とするインク供給口１９が
大きいときには、図５に示すように一旦ブレード３２を
下降させた後左右へ移動させることにより、より大きな
インク供給口１９を形成することができる。このとき、
ブレード３２は基板に対して平行に移動させることがイ
ンク供給口１９の形状を安定化するために好ましい。

【００３５】次に、インクジェットヘッドの製造方法の
第２実施形態について図６乃至図８を参照して説明す
る。ここでは、電極基板２に流路基板１と接合する前又
は接合した後にインク供給口を形成する部分に溝４１を
形成している。この溝４１の寸法はここでは幅１００μ
ｍ、深さ２００μｍとした。

【００３６】電極基板２に溝７１を形成には、例えば、
電極基板２となるシリコン基板を酸化炉にて３μｍ両面
酸化した後、裏面の溝加工を行う部分の酸化膜をパター
ニングにより除去し、フッ硝酸によりウェットエッチン
グを行い、２００μｍエッチングが進んだところでエッ
チング液より取り出して溝４１を形成したシリコン基板
を得る。 7そして、電極基板２の表面に凹部１４、電極
１５、絶縁膜１７を形成する。

【００３７】この電極基板２を流路基板１とダイレクト
ボンドにより接合し、図７に示すように、流路基板１側
からブレード４２を深さ２３０μｍで溝７１に沿ってヘ
ッドの端から端まで走査させるハーフカットダイシング
を行なう。つまり、ブレード３２の先端が電極基板２の
溝７１から３０μｍ突き出した状態で、溝７１の上を通
過し、流路基板１の共通液室８の底部と電極基板２を貫
通せしめ、インク供給口１９を得る。この場合は、切り
込み量が少なくてもインク供給口１９となる貫通穴を形
成することができ、また従来のダイサーの動作の範囲で
インク供給口１９を形成することができる。

【００３８】続いて、図８に示すように、ノズル板３を
流路基板１上に接合して、サイドにできた溝開口４２を
同時に樹脂で封止してヘッドを得る。

【００３９】なお、ここでは、ブレード３２を溝４１に
沿って動作させているので、溝開口４２が形成される
が、前述した第１実施形態のように、ブレードの上下動
作のみで切り込みを形成すれば溝開口４２は生じない。

【００４０】次に、インクジェットヘッドの製造方法の
第３実施形態について図９及び図１０を参照して説明す
る。ここでは、凹部１４、電極１５、絶縁膜１７を形成
した厚さ３００μｍのシリコン基板からなる電極基板２
に、流路基板１となる厚さ４００μｍのＳＯＩ基板を直
接接合した後、ＳＯＩ基板の厚さを研磨により１００μ
ｍまで薄くしている。

【００４１】そして、表面にシリコン窒化膜をデポし、
パターニングにより吐出室及び共通液室とする部分のシ
リコン窒化膜を除去して、ＫＯＨなどの高濃度アルカリ
液によりエッチングする。このとき、エッチングはＳＯ
Ｉ基板の酸化膜まで進行した時点でエッチングがストッ
プするので、酸化膜と表面のシリコン窒化膜を除去し
て、吐出室６、振動板１０及び共通液室８を形成する。

【００４２】その後、ブレード３２を電極基板２側から
切り込み、深さ３３０μｍの位置で共通液室８に沿って
ブレード３２を走査するハーフカットダイシングをする
ことで、電極基板２及び流路基板１の共通液室８の底部
を貫通せしめ、インク供給口１９を得る。

【００４３】続いて、図１０に示すように、インクタン
クよりインク供給口へ続くプレート５１を取り付けて同
時にサイドの溝開口５２を塞ぎ、これにノズル板３を接
合してヘッドの完成に至る。本実施形態においては第２
実施形態で説明したような電極基板２の溝加工の工程が
不要になって、同実施形態よりも低コスト化を図れる。

【００４４】なお、上記実施形態においては、液滴吐出
ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明
したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドと
して、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴
吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐
出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る液滴
吐出ヘッドによれば、液供給口の少なくとも一部が薄型
円形ブレードによる加工で形成されている構成としたの
で、加工効率が向上して歩留まりが向上し低コスト化を
図れる。

【００４６】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法に
よれば、第１基板と第２基板を貼り合わせた後共通液室
へ液体を供給するための液供給口の少なくとも一部を薄
型円形ブレードを用いて加工形成するので、加工効率が
向上して歩留まりが向上し低コストのヘッドを得られ
る。

【００４７】ここで、高速回転中のブレードを貼り合わ
された貼り合わせ基板に対して垂直に動作させることに
より液供給口を形成することで、位置合せが不要で、よ
り低コストのヘッドが得られる。この場合、高速回転中
のブレードを貼り合わせ基板に対して平行に動作させる
ことにより供給口を形成することで、必要な箇所に供給
口を形成できる。また、液供給口を加工する前に、共通
液室に対向して前記第２基板に溝を形成する工程を行う
ことで、溝を形成する工程を行った後にハーフカットす
ることにより液供給口を形成すれば、ブレードの切り込
み深さが少なくなり、ヘッド剛性を高めたまま供給口を
形成できる。

【００４８】さらに、第２基板側からハーフカットダイ
シングを行うことにより液供給口を形成することで、第
２基板への溝形成工程が不要になり、工程の短縮を図
れ、ヘッド剛性を高めたまま供給口を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るインクジェットヘッドの振動板長
手方向に沿う模式的断面説明図

【図２】同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説
明図

【図３】本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法
の第１実施形態の説明に供する分解斜視説明図

【図４】同実施形態の説明の供する斜視説明図

【図５】同実施形態の他の例の説明に供する斜視説明図

【図６】本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法
の第２実施形態の説明に供する分解斜視説明図

【図７】同実施形態の説明の供する斜視説明図

【図８】同実施形態の説明の供する斜視説明図

【図９】本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法
の第３実施形態の説明に供する分解斜視説明図

【図１０】同実施形態の説明の供する斜視説明図

【符号の説明】

１…流路基板、２…電極基板、３…ノズル板、４…ノズ
ル、６…吐出室、８…共通液室、１０…振動板、１５…
電極、１９…インク供給口、３１…接合基板、３２…ブ
レード、４１…溝。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通
する液室と、液室に液供給路を介して液体を供給するた
めの共通液室と、共通液室へ液体を供給するための液供
給口を備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記液供給口の
少なくとも一部が薄型円形ブレードによる加工で形成さ
れていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】ノズルが連通する液室、この液室の壁面
を形成する振動板、前記液室に液供給路を介して液体を
供給するための共通液室とを設ける第１基板と、前記振
動板を変形させる駆動手段を設ける第２基板とを備える
液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記第１基板と第
２基板を貼り合わせた後前記共通液室へ液体を供給する
ための液供給口の少なくとも一部を薄型円形ブレードを
用いて加工形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの
製造方法。
【請求項３】請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの製造
方法において、高速回転中のブレードを貼り合わされた
貼り合わせ基板に対して垂直に動作させることにより前
記液供給口を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッド
の製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの製造
方法において、高速回転中のブレードを貼り合わせ基板
に対して平行に動作させることにより前記供給口を形成
することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項５】請求項２乃至４のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドの製造方法において、前記液供給口を加工す
る前に、前記共通液室に対向して前記第２基板に溝を形
成する工程を行うことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製
造方法。
【請求項６】請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの製造
方法において、第２基板側からハーフカットダイシング
を行うことにより前記液供給口を形成することを特徴と
する液滴吐出ヘッドの製造方法。