(57)【要約】【課題】本発明は、インクジェットヘッド及びその製造方法に関する。【解決手段】本発明は、インクを保存するインクチャンバが形成されたシリコン材質の上部基板と、前記上部基板に接合され、前記インクチャンバと連結される連結通路及びレストリクタが加工されて形成された低温同時焼成セラミック材質の中間基板と、前記中間基板に接合され、前記連結通路と連結されるノズルが加工されて形成されたシリコン材質の下部基板と、を含むインクジェットヘッド及びその製造方法を提供する。本発明によると、陽極接合により、シリコン基板からなる基板とセラミック基板とを接合することによって基板間の接合を緻密で容易にし、製造歩留りが向上したインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを保存するインクチャンバが形成されたシリコン材質の上部基板と、
前記上部基板に接合され、前記インクチャンバと連結される連結通路及びレストリクタが加工されて形成された低温同時焼成セラミック材質の中間基板と、
前記中間基板に接合され、前記連結通路と連結されるノズルが加工されて形成されたシリコン材質の下部基板と、
を含むインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記中間基板と前記上部基板または前記下部基板とは、２ｐｐｍ／Ｃ以下の熱膨張係数の差を有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記レストリクタの直径は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記レストリクタは、前記連結通路より小さい直径を有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記連結通路は、多数のフィルター孔をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
インクチャンバが形成されたシリコン材質の上部基板を提供するステップと、
前記インクチャンバと連結される連結通路及びレストリクタが加工されて形成された低温同時焼成セラミック材質の中間基板を提供するステップと、
前記連結通路と連結されるノズルが加工されて形成されたシリコン材質の下部基板を提供するステップと、
前記中間基板及び前記上部基板または前記下部基板を夫々接合するステップと、
を含むインクジェットヘッド製造方法。
【請求項７】
前記中間基板と前記上部基板または前記下部基板との熱膨張係数の差は、２ｐｐｍ／Ｃ以下であることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【請求項８】
前記レストリクタの直径は、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【請求項９】
前記レストリクタは、前記連結通路より小さい直径を有するように形成されることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【請求項１０】
前記連結通路は、多数のフィルター孔で形成されることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【請求項１１】
前記接合ステップは、陽極接合によって行われることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【請求項１２】
前記陽極接合は、４００℃から６５０℃の温度で行われることを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【請求項１３】
前記陽極接合は、８００Ｖから１０００Ｖの電圧が印加されて行われることを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットヘッド製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッド及びその製造方法に関し、陽極接合により、シリコン基板からなる基板とセラミック基板とを接合することによって基板間の接合を緻密で容易にし、製造歩留りが向上したインクジェットヘッド及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドは、電気信号を物理的な力に変換し、小さいノズルを通じてインクが液滴状で吐出されるようにする原理を用いるものである。このようなインクジェットヘッドには多様な機能を有する構造が形成されるが、インクジェットヘッドを駆動させる駆動体としては、圧電体（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ、ＰＺＴ）が使用され、その構造材料はステンレス鋼（ＳＵＳ）、セラミックまたはシリコン材質からなる。
【０００３】
最近は、半導体技術とともにシリコンウエハ（Ｓｉ  ｗａｆｅｒ）を用いた加工技術の発達につれて、インクジェットヘッドの各レイヤーをシリコンウエハで加工した後、シリコンダイレクトボンディング（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｄｉｒｅｃｔ  ｂｏｎｄｉｎｇ）により接合することによって、接合層の存在しないヘッドの製造が可能となった。ステンレス鋼やセラミックの場合、各レイヤーを接合するために高分子接合層を必要とすることに対し、シリコン材料はこのような接合層が不要であるため、前述した接合層を有するヘッドに比べて多様な機能性インクを吐出することが可能である。また、ステンレス鋼やセラミック材質のヘッドは、金型を用いた製作が必要であり設計の変更が容易でないことに対し、シリコン材質のヘッドは、フォトリソグラフィー（Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）方式を適用して構造を容易に変更することができるという長所も有する。従って、産業用インクジェット技術分野では、化学的に反応性の少ないシリコン材質のヘッドとして、ＳＤＢを用いて接合したものが適合すると判断される。しかし、シリコンダイレクトボンディングは工程が難しく、歩留りが低く、かつ多くの工程時間がかかるという短所を有する。
【０００４】
シリコン単結晶ウエハを用いた従来のインクジェットヘッドの製作方式は、夫々の機能を有する構造を２枚または３枚のウエハで製作した後、相互接合することによってなされる。
【０００５】
シリコンウエハを使用してインクジェットヘッドを製造するためには、チャンバとメンブレイン等の様々な構造を形成すべきであり、このような構造物が製造されると、夫々の構造を一体化するための接合工程が必要となる。接合工程は、夫々のシリコンウエハを整列（ａｌｉｇｎ）して仮接合し、約１０００℃の高温で熱処理する過程を経る。
【０００６】
しかし、シリコンダイレクトボンディング技術は、前述した仮接合工程において、分子間の引力だけで接合がなされるため、表面上の微細な不純物により接合品質に大きな損傷を与える可能性があるという短所を有する。従って、このように外部環境条件に敏感なシリコンダイレクトボンディング技術を用いてシリコンウエハを数枚重ねて接合する技術はかなり難しいため、高い接合歩留りも期待し難い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、本発明の目的は陽極接合により、シリコン基板からなる基板とセラミック基板とを接合することによって基板間の接合を緻密で容易にし、製造歩留りが向上したインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の一実施形態は、インクを保存するインクチャンバが形成されたシリコン材質の上部基板と、上記上部基板に接合され、上記インクチャンバと連結される連結通路及びレストリクタが加工されて形成された低温同時焼成セラミック材質の中間基板と、上記中間基板に接合され、上記連結通路と連結されるノズルが加工されて形成されたシリコン材質の下部基板とを含むインクジェットヘッド及びその製造方法を提供する。
【０００９】
ここで、上記低温同時焼成セラミック基板と上記上部基板または上記下部基板とは、２ｐｐｍ／Ｃ以下の熱膨張係数の差を有することができる。
【００１０】
また、上記レストリクタの直径は、１００μｍ以下に形成されることができる。
【００１１】
ここで、上記レストリクタは、上記連結通路より小さい直径を有することができる。
【００１２】
上記連結通路は、多数のフィルター孔をさらに含んで構成されることができる。
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明の他の実施形態は、インクチャンバが形成されたシリコン材質の上部基板を提供するステップと、上記インクチャンバと連結される連結通路及びレストリクタが加工されて形成された低温同時焼成セラミック材質の中間基板を提供するステップと、上記連結通路と連結されるノズルが加工されて形成されたシリコン材質の下部基板を提供するステップと、上記中間基板及び上記上部基板または上記下部基板を夫々接合するステップとを含むインクジェットヘッド製造方法を提供する。
【００１４】
上記低温同時焼成セラミック基板と上記上部基板または上記下部基板との熱膨張係数の差は、２ｐｐｍ／Ｃ以下であることができる。
【００１５】
上記レストリクタの直径は、１００μｍ以下に形成されることができる。
【００１６】
上記レストリクタは、上記連結通路より小さい直径を有するように形成されることができる。
【００１７】
上記連結通路は、多数のフィルター孔で形成されることができる。
【００１８】
上記接合ステップは、陽極接合によって行われることができる。
【００１９】
上記陽極接合は、４００℃から６５０℃の温度で８００Ｖから１０００Ｖの電圧が印加されて行われることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、シリコン基板からなる基板とセラミック基板からなる基板とを接合することによって、精密度を確保しながら剛性を維持できるインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することができる。
【００２１】
また、本発明によるインクジェットヘッド及びその製造方法によると、陽極接合により、シリコン基板からなる基板とセラミック基板とを接合することによって基板間の接合を緻密で容易にし、インクジェットヘッドの製造歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態によるインクジェットヘッドを説明するために概略的に示した断面図である。
【図２ａ】本発明の実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するために概略的に示した工程別断面図である。
【図２ｂ】本発明の実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するために概略的に示した工程別断面図である。
【図２ｃ】本発明の実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するために概略的に示した工程別断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００２４】
しかし、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態のみに限定されるわけではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野において通常の知識を持った者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における構成要素の形状及びサイズなどは、より明確な説明のために誇張することもあり、図面上において同一の符号で示される構成要素は同一の構成要素である。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態によるインクジェットヘッドを説明するために概略的に示した断面図である。
【００２６】
図１を参照すると、インクジェットヘッド１は、インクを保存するインクチャンバ１５が形成された上部基板１０と、上部基板１０に接合され、インクチャンバ１５と連結される連結通路２７及びレストリクタ２３が加工されて形成されたセラミック材質の中間基板２０と、中間基板２０に接合され、連結通路２７と連結されるノズル３５が加工されて形成された下部基板３０とを含む。
【００２７】
ここで、上部基板１０及び下部基板３０は、加工性の良いシリコン基板で構成される。上部基板１０にはインクを収容して加圧する空間であるインクチャンバ１が加工され、下部基板３０にはインクが液滴状で吐出される通路であるノズル５が加工される。このように上部基板１０及び下部基板３０には、インクジェットヘッド１の構造のうち一定水準の精密度が確保されなければならない構造が形成される。このため、本実施例では、加工性の良いシリコン基板を加工して上部基板１０と下部基板３０とを製作するものである。
【００２８】
シリコン基板で構成される上部基板１０及び下部基板３０とは異なって、中間基板２０はセラミック基板、その中でも、特に、低温同時焼成セラミック基板で構成される。本実施例において使用される低温同時焼成セラミック基板は、シリコン基板からなる上部基板１０及び下部基板３０と類似した焼成挙動を有し、焼成後もインクジェットヘッド１の寸法精密度を維持することが非常に重要である。従って、上部基板１０または下部基板３０との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／Ｃ以下である低温同時焼成セラミック基板で中間基板２０を構成するが、上部基板１０または下部基板３０との熱膨張係数の差がほとんどない低温同時焼成セラミック基板を中間基板２０として使用する方が、焼成後のインクジェットヘッドの全体構造の接合部にずれや浮き上がりが発生しないため好ましい。
【００２９】
上部基板１０は、インク導入部１３をさらに備えるように構成され、中間基板２０は、連結通路２７と連結されたインク流路２９及びレストリクタ２３と連結されたリザーバ２５をさらに備えるように構成され、下部基板３０は、インク流路２９とノズル３５との間に形成されたダンパ３３をさらに備えるように構成することができる。また、上部基板１０上には、インクチャンバ１５を加圧してインクを移動させる圧電アクチュエータ４０をさらに備えることができる。また、レストリクタ２３は、連結通路２７より小さい直径を有することがインク吐出量を調節するために好ましい。そして、連結通路２７は、多数のフィルター孔をさらに含んで構成されることができ、多数のフィルター孔が集まってインクフィルターＦを構成する。
【００３０】
前述したように、シリコン基板を加工して複数の基板を製作した後に相互接合してインクジェットヘッドを製造する場合は、シリコン基板同士の接合が容易でなく、さらに、一部に不良があると全体的な接合不良を招く恐れもある。
【００３１】
本実施例では、シリコン基板からなる上部基板１０と下部基板３０との間に配置される中間基板２０を、シリコンと類似した焼成挙動を有する低温同時焼成セラミック基板で構成することによって、インクジェットヘッド１の基本的な機能を有する構造体を形成しながら、且つ各基板１０、２０、３０間の接合力を向上させることができるインクジェットヘッド１を提供することができる。即ち、シリコン基板同士の接合より、セラミック基板とシリコン基板間の接合がより良好であるという点から、上部基板１０と下部基板３０とはシリコン基板で製作し、中間基板２０は低温同時焼成セラミック基板で製作することによって、ヘッド全体的にはシリコン基板−低温同時焼成セラミック基板−シリコン基板の接合になるように構成するものである。
【００３２】
低温同時焼成セラミック基板は、良い加工性を有するだけでなく、材質自体の剛性がシリコン基板より優れている。従って、精密加工を要する連結通路２７及びレストリクタ２３は、低温同時焼成セラミック基板からなる中間基板２０に形成されるように構成する。
【００３３】
ここで、レストリクタ２３は、一般的に直径ｄが１００μｍ以下を有するように形成するが、ノズル３５の直径ｄ'と比較して最適の吐出挙動が見られる直径に設計される。
【００３４】
レストリクタ２３は、インク導入部１３を通じて導入されたインクが保存されているリザーバ２５からのインクが移送される通路であり、このように移送されたインクは、インクチャンバ１５を加圧してインクを移動させる圧電アクチュエータ４０の駆動に従ってインクチャンバ１５に移送され、次いで、連結通路を介してダンパ３３に収容された後、ノズル３５によって液滴状で印刷対象物に噴射される。従って、リザーバ２５とインクチャンバ１５との境界であるレストリクタ２３及びノズル３５の直径ｄ'によってインクの吐出量が調節できる。
【００３５】
また、連結通路２７も既存のインクジェットヘッドより狭く加工して形成することによって、インクチャンバ１５からノズル３５に輸送されるインクの量を調節することができる。ここで、ダンパ３３は、インクチャンバ１５から圧電アクチュエータ４０により吐出されるインクを輸送してノズル３３に到逹するようにするものであり、形状を多様に変更することによって、インクチャンバ１５から受け入れるインク量とノズル３５に進行されるインク量とを調節することができるようになる。ダンパ３３は選択事項であり、省略することもできる。
【００３６】
以下では、図２ａから図２ｃを参照し、本発明の実施例によるインクジェットヘッドの製造方法について説明する。
【００３７】
図２ａから図２ｃは、本発明の実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するために概略的に示した工程別断面図である。
【００３８】
図２ａから図２ｃを参照すると、夫々シリコン基板からなる上部基板１０ａと下部基板３０ａ、及び低温同時焼成セラミック基板からなる中間基板２０ａを配置する。
【００３９】
次に、シリコン基板からなる上部基板１０ａを加工してインクチャンバ１５とインク導入部１３とを備えた上部基板１０ｂ、シリコン基板からなる下部基板３０ａを加工してダンパ３３とノズル３５とを備えた下部基板３０ｂ、及び低温同時焼成セラミック基板からなる中間基板２０ａを加工してインクチャンバ１５と連結される連結通路２７、インク流路２９、レストリクタ２３とリザーバ２５が備えられた中間基板２０ｂを製造する。
【００４０】
本実施例において使用される低温同時焼成セラミック基板は、シリコン基板からなる上部基板１０及び下部基板３０と類似した焼成挙動を有し、焼成後もインクジェットヘッド１の寸法精密度を維持することが非常に重要である。従って、上部基板１０及び下部基板３０との熱膨張係数の差が２ｐｐｍ／Ｃ以下である低温同時焼成セラミック基板で中間基板２０を構成するが、上部基板１０または下部基板３０との熱膨張係数の差がほとんどない低温同時焼成セラミック基板を中間基板２０として使用する方が、焼成後のインクジェットヘッドの全体構造の接合部にずれや浮き上がりが発生しないため好ましい。
【００４１】
ここで、レストリクタ２３は、一般的に直径ｄが１００μｍ以下を有するように形成するが、ノズル３５の直径ｄ'と比較して最適の吐出挙動が見られる直径に設計される。
【００４２】
レストリクタ２３は、インク導入部１３を通じて導入されたインクが保存されているリザーバ２５からのインクが移送される通路であり、このように移送されたインクは、インクチャンバ１５を加圧してインクを移動させる圧電アクチュエータ４０の駆動に従ってインクチャンバ１５に移送され、次いで、連結通路を介してダンパ３３に収容された後、ノズル３５によって液滴状で印刷対象物に噴射される。従って、リザーバ２５とインクチャンバ１５との境界であるレストリクタ２３及びノズル３５の直径ｄ'によってインクの吐出量を調節することができる。
【００４３】
また、連結通路２７も既存のインクジェットヘッドより狭く加工して接合することによって、インクチャンバ１５からノズル３５に輸送されるインクの量を調節することができる。そして、連結通路２７は、多数のフィルター孔をさらに含んで構成されることができ、多数のフィルター孔が集まってインクフィルターＦを構成する。
【００４４】
ここで、ダンパ３３は、インクチャンバ１５から圧電アクチュエータ４０により吐出されるインクを輸送してノズル３３に到逹するようにするものであり、形状を多様に変更することによって、インクチャンバ１５から受け入れるインク量とノズル３５に進行されるインク量とを調節することができるようになる。ダンパ３３は選択事項であり、省略することもできる。
【００４５】
次に、加工が完了した上部基板１０ｂと中間基板２０ｂ、そして中間基板２０ｂと下部基板３０ｂとを夫々接合し、接合された上部基板１０、中間基板２０及び下部基板３０を形成する。
【００４６】
ここで、夫々のシリコン基板からなる上部基板１０ｂと低温同時焼成セラミック基板からなる中間基板２０ｂ、そして、低温同時焼成セラミック基板からなる中間基板２０ｂとシリコン基板からなる下部基板３０ｂとは、陽極接合により接合する。
【００４７】
陽極接合とは、材料間のイオン結合を誘導し、接合部で流体の漏水が発生せず、物理的、化学的に安定した接合が行われるようにする接合方法であって、低温同時焼成セラミック基板とシリコン基板間のイオン結合によって別途の接合層を介在しなくとも接合することができ、接合面でインクによる物理的、化学的反応を防止して堅固なヘッド構造を形成することができる。約４００℃から６５０℃の温度で、約８００Ｖから１０００Ｖの電圧を印加する陽極接合により、低温同時焼成セラミック基板とシリコン基板間の界面を溶融した後に接合することができる。
【００４８】
このように製造されたインクジェットヘッドの基本構造に圧電アクチュエータ４０を結合し、図１に示すように、インクジェットヘッド１の製造を完了する。
【００４９】
本発明によると、シリコン基板からなる基板とセラミック基板からなる基板とを接合することによって、精密度を確保しながら剛性を維持できるインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することができる。
【００５０】
また、本発明によるインクジェットヘッド及びその製造方法によると、陽極接合により、シリコン基板からなる基板とセラミック基板とを接合することによって基板間の接合を緻密で容易にし、インクジェットヘッドの製造歩留りを向上させることができる。
【００５１】
本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲によって限定される。従って、請求範囲に記載の本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当技術分野において通常の知識を有する者には自明であり、これも添付された請求範囲に記載された技術的思想に属する。
【符号の説明】
【００５２】
１０  上部基板
１３  インク導入部
１５  インクチャンバ
２０  中間基板
２３  レストリクタ
２５  リザーバ
２７  連結通路
２９  インク流路
３０  下部基板
３３  ダンパ
３５  ノズル
【図１】
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【図２ａ】
2011056937.tif 000004
【図２ｂ】
2011056937.tif 000005
【図２ｃ】
2011056937.tif 000006