(57)【要約】【課題】インクジェットヘッドを構成するダイヤフラム基板をシリコンで製作し、振動部分を二酸化シリコン膜とし、インクジェットヘッドの印字精度および印字速度を向上させ、耐久信頼性を高めること。【解決手段】ダイヤフラム基板をシリコンのドライエッチングプロセスで製作し、二酸化シリコンの振動部分をダイヤフラム基板の内面に形成する。【効果】本発明のインクジェットヘッドによれば、ノズルピッチを狭めることができ、さらに、耐久信頼性と歩留まりの高いインクジェットヘッドを提供することができる。耐食性の液体を吐出することができ、試薬や有機ＥＬ用の塗布液などに使用できるインクジェットヘッドの製造方法を提案することができる。【選択図】  図５
2005028737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、
シリコン基板の互いに反対側に位置する両面からドライエッチングすることによって前記シリコン基板に二酸化シリコン膜からなる前記ダイヤフラムを形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項２】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、
前記ダイアフラム基板を製作する工程は、
シリコン基板を熱酸化して前記シリコン基板の互いに反対側に位置する第１の面及び第２の面に二酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン基板の第１の面の二酸化シリコン膜に、ダイヤフラムを形成するためのダイヤフラム開口部と、ダンパー板を形成するためのダンパー板開口部とを有する第１のパターンを形成する工程と、
前記二酸化シリコン膜をエッチングマスクとして使用し、前記シリコン基板の第１の面をドライエッチングによりエッチングして、ダイヤフラム開口とダンパー板開口を形成する工程と、
前記二酸化シリコン膜を除去し、その後、前記シリコン基板を再度熱酸化して前記シリコン基板の第１及び第２の面に二酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記シリコン基板の第２の面の二酸化シリコン膜に、前記ダイヤフラムを形成するための第１のダイヤフラム溝部と、前記ダンパー板を形成するための第１のダンパー溝部とを有する第２のパターンを形成する工程と、
前記第２のパターンを形成した面にアルミニウム膜を形成し、その後、前記アルミニウム膜に第２のダイヤフラム溝部を形成する工程と、
前記アルミニウム膜をエッチングマスクとして使用し、前記シリコン基板の第２の面をドライエッチングによりエッチングしてダイヤフラム溝を途中まで形成する工程と、
前記アルミニウム膜を除去し、その後、前記二酸化シリコン膜をエッチングマスクとして使用し、前記シリコン基板の第２の面をドライエッチングによりエッチングして前記ダイヤフラム溝を深くすると共にダンパー溝を形成することによって、前記二酸化シリコン膜からなるダイヤフラムと、シリコンと前記二酸化シリコン膜の２層からなるダンパー板とを形成する工程とを有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
前記ダイヤフラム溝が開いた後もさらにオーバーエッチングを行って前記ダイヤフラム基板を製作したことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
前記ダイアフラム基板のダイヤフラム開口側の面に、硼珪酸ガラス層を形成するか、または金属層を形成した後に硼珪酸ガラス層を形成し、その後、前記ダイアフラム溝、前記ダンパー溝を加工することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項５】
請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
前記ダイヤフラム溝を途中まで形成する前記アルミニウム膜に形成されたダイヤフラム溝部パターンの開口部外周形状の大きさが、前記ダイヤフラム溝とダンパー溝を同時に形成する前記二酸化シリコン膜に形成された前記ダイアフラム開口部外周形状の大きさよりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項６】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドにおいて、
ダイヤフラム基板を請求項１乃至５により製作したことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項７】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを有するダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダイヤフラム基板の材質はシリコンで、前記ダイヤフラムの材質が二酸化シリコン膜または金属膜で、前記ダイヤフラムが、前記ダイヤフラム基板の内部に形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項８】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダイヤフラムは、インク流路面内に設けられた膜と主成分が同じであることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項９】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダイヤフラム基板の前記ダイヤフラムは、インク流路面からはなれた部分に形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１０】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダイヤフラムは、前記ダイヤフラム基板の表面から内部に入り込んでおり、内部の壁面にもダイヤフラムと同じ材質の膜が形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のうちの何れか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
ダイヤフラムのチャンバ基板接合側に硼珪酸ガラス膜、または金属膜とその上に硼珪酸ガラス膜を形成していることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１２】
請求項８乃至１０のうちの何れか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ダイヤフラムの材質は二酸化シリコン膜で、二酸化シリコン膜の両面に金属膜が形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１３】
インク流路を形成するチャンバ基板と、
前記チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを含むダイアフラム基板と、
前記ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板とを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダイヤフラムは、上面から見て、その輪郭の一部が曲線であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１４】
請求項６乃至１３のうちの何れか１項に記載のインクジェットヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット方式により連続的に印刷するプリンタのインクジェットヘッドにかかり、特に高速、高画質な印刷が可能なインクジェットヘッドである。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット方式のプリンタは、高速、高画質な印刷が要求されている。印刷速度を上げるためには、インクジェットヘッドが印刷紙の送り方向に対して垂直な方向に移動するシリアル方式よりも、紙面に対向して多数のインクジェットヘッドを並べて固定したライン方式の方が有利である。ライン方式の画質を精細にするためには、インクジェットヘッドに設けられているインク吐出用のオリフィスの間隔を狭くすることが必要となる。
【０００３】
また、ライン方式のプリンタは、プリント用紙の幅の長さ分インクジェットヘッドを多数並べて配置する必要があり、またカラー印刷の場合、ブラックとシアン、イエロー、マゼンダの３色で計４種類のインクジェットヘッド列が必要なため、多数のインクジェットヘッドが必要である。
【０００４】
インクジェットヘッドは、インクを吐出するためのオリフィスと、インクを加圧するためのダイアフラム、ダイアフラムを振動させるためのピエゾ素子などの駆動手段、インクを保持し加圧するための圧力室、インクを供給するための流路から構成されている。
【０００５】
印刷精度からオリフィスの間隔としては１００マイクロメートル〜４００マイクロメートル程度を要求されており、同じく、前記の圧力室や流路を微細に機械加工することは技術的に難しい寸法である。
【０００６】
そこで、シリコン単結晶の異方性エッチング技術を使用して、微細な流路や圧力室を基板ウエハに加工し、そのウエハにオリフィスを設けたオリフィスプレートやダイアフラムとピエゾ素子を接着して、ヘッドを製作する手法がある。シリコン単結晶の異方性エッチング技術を使用してインクだめとインク圧力室を備えた基板を形成したことが特許第３１６８７１３号（特許文献１）に記載されている。シリコン単結晶の異方性ウエットエッチングは、エッチングレートが結晶方位に依存することを利用して、溝や穴を形成することができるが、逆に、加工方向がシリコン単結晶の結晶方位に制限されるため、加工形状の自由度が少なく、流路形状などの点で最適設計が困難となる場合がある。そこで、最近では、シリコン単結晶の異方性ウエットエッチングに代わる加工方法として、高周波プラズマなどを用いたドライエッチングが使用されるようになってきている。
【０００７】
特開平５−５０６０１号公報（特許文献２）には、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティとを有するインクジェットヘッドで、シリコン単結晶基板に異方性エッチングを施すことにより振動板やオリフィス、インクキャビティを形成し、ノズル基板を作製することが記載されている。
【０００８】
また、特許第３１０８９５４号（特許文献３）には、インク圧力室、インクだまりを形成したシリコン基板に、あらかじめインクを供給するための孔を明けたガラス振動板を陽極接合することにより製作したインクジェットヘッドについて記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３１６８７１３号
【特許文献２】
特開平５−５０６０１号公報
【特許文献３】
特許第３１０８９５４号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特開平５−５０６０１号公報（特許文献２）は、シリコン単結晶の異方性ウエットエッチングで振動板を形成し、振動板の端部は傾斜面となっているため、傾斜面の部分がデッドスペースとなり、狭いピッチで振動板すなわちインクを吐出するノズルを配置することが困難である。
【００１１】
特許第３１０８９５４号（特許文献３）では、ガラス振動板を陽極接合しているが、ガラス振動板を単独で取り扱うためには、割れ破損を防止するためある程度の厚みが必要となって、吐出速度の高速化は困難である。
【００１２】
本発明は、上記のようなインクジェットヘッドのシリコン製ダイヤフラム基板において、ダイヤフラムの材質を二酸化シリコン膜とし、ダイヤフラムをダイヤフラム基板の内部に形成する方法を提案し、この方法で製作したインクジェットヘッドを提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によるインクジェットヘッドの製造方法は、インク流路を形成するチャンバ基板と、チャンバ基板に設けられた圧力室を加圧するダイヤフラムを有するダイアフラム基板と、ダイアフラムによって加圧されたインクを吐出するノズル基板からなるインクジェットヘッドの製造方法で、シリコンウエハの両面からドライエッチングすることによってシリコンウエハに二酸化シリコン膜のダイヤフラムを形成するものである。
【００１４】
具体的には、シリコンウエハを熱酸化して表面に二酸化シリコン膜を形成し、シリコンウエハの片面の二酸化シリコン膜にフォトリソグラフィー法により、ダイヤフラムとダンパー板を形成するためのダイヤフラム開口部とダンパー板開口部のパターンを形成し、次に、二酸化シリコン膜をエッチングマスクとして、ドライエッチングによりダイヤフラム開口とダンパー板開口を形成し、次に、二酸化シリコン膜を除去して、再度熱酸化により二酸化シリコン膜を形成し、シリコンウエハの他方の面の二酸化シリコン膜にフォトリソグラフィーにより、ダイヤフラムとダンパー板を形成するためのダイヤフラム溝部とダンパー溝部のパターンを形成し、次に、前記パターンを形成した面にアルミニウム膜を形成し、アルミニウム膜にフォトリソグラフィーによりダイヤフラム溝部を形成し、次に、前記アルミニウム膜をエッチングマスクとして、ドライエッチングにより前記ダイヤフラム溝を途中まで形成し、次に、アルミニウム膜を除去し、二酸化シリコン膜をエッチングマスクとして、ドライエッチングによりダイヤフラム溝とダンパー板を同時に形成し、二酸化シリコン膜からなるダイヤフラムと、シリコンと二酸化シリコン膜の２層からなるダンパー板を形成して、ダイヤフラム基板を製作したインクジェットヘッドである。
【００１５】
また、ダイヤフラム溝が開いた後もさらにオーバーエッチングを行ってダイヤフラム基板を製作し、ダイヤフラム溝のバリを完全に除去するものである。
【００１６】
また、ダイアフラム基板のダイヤフラム開口側の面に、硼珪酸ガラス層を形成するか、または金属層を形成した後に硼珪酸ガラス層を形成し、その後、ダイアフラム溝、ダンパー溝を加工する。金属膜により、ダイヤフラムが補強されて割れにくくなる。硼珪酸ガラスは、チャンバ基板と陽極接合するために形成する。
【００１７】
また、ダイヤフラム溝を途中まで形成するアルミニウム膜に形成されたダイヤフラム溝部パターンの開口部外周形状の大きさが、前記のダイヤフラム溝とダンパー溝を同時に形成する二酸化シリコン膜に形成されたダイアフラム開口部外周形状の大きさよりも大きい。
【００１８】
また、上記の方法で製作したインクジェットヘッドである。
本発明のインクジェットヘッドは、ダイヤフラム基板の材質がシリコンで、ダイヤフラムの材質が二酸化シリコン膜または金属膜である。さらに、ダイヤフラムが、ダイヤフラム基板の内部に形成されているインクジェットヘッドである。
【００１９】
また、ダイヤフラムは、インク流路面内に設けられた膜と主成分が同じであり、ダイヤフラムは、インク流路面からはなれた部分に形成されており、ダイヤフラム基板の表面から内部に入り込んでおり、内部の壁面にもダイヤフラムと同じ材質の膜が形成されている。
【００２０】
さらに、ダイヤフラムのチャンバ基板接合側に硼珪酸ガラス膜、または金属膜とその上に硼珪酸ガラス膜を形成しているインクジェットヘッドである。
あるいは、ダイヤフラムの材質が二酸化シリコンの場合、二酸化シリコン膜の両面に金属膜が形成されているインクジェットヘッドである。
【００２１】
また、ダイヤフラムは、上面から見て、その輪郭の一部が曲線であるインクジェットヘッド。さらに、上記のインクジェットヘッドを搭載したしたインクジェットプリンタである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に示した実施例を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例であるインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の斜視図である。
【００２３】
図１において、筺体１の上部にヘッドベース２が配置され、その上には、４本のヘッド列３が設けられている。筺体１の内部にはロール紙搬送装置や制御装置が収納されているが図示を省略してある。４本のヘッド列３には４本のインク供給管５から、カラーの印刷をするためにシアン、マジェンタ、イエロー、ブラックのインクが供給される。各ヘッド列３には、印刷用紙の長手方向と直角の方向（印刷用紙の長手方向と同一平面内における直角方向）に、例えば２０個のインクジェットヘッド３０（図２）が配列され、各インクジェットヘッド３０には図６に示したノズル１０１が例えば１２８個設けられている。ノズル１０１（図６）と対向するように印刷用紙４が搬送される。この図では矢印の方向にロール紙が搬送され、その上流にロール紙供給装置が配置されるが図面では省略してある。筺体１の上部のフレーム１０と１１との間にロッド８，９が設けられ、そのロッド８，９を支持体６，７が摺動できるように支持されている。この支持体６，７に前記ヘッドベース２が取付けられているので、各ヘッド列３は印刷用紙４の長手方向と直角の方向に移動してヘッドクリーニング機構１２の位置まで移動することができる。
【００２４】
図２は、図１に示したヘッド列３に配列されたインクジェットヘッド３０の概略構成を示す図である。
インクジェットヘッド３０は、インクの吐出口であるオリフィス、インクを加圧するための圧力室およびダイヤフラム、インク流路、インク溜まり、圧力吸収のためのダンパー板がそれぞれ複数設けられたヘッドプレート３１と前記ダイヤフラムに連接された圧電素子４００（図３）、圧電素子を固定するバックプレート３４と、バックプレート３４と圧電素子４００を収納して固定するハウジング３３からなり、ヘッドプレート３１は、ハウジング３３の先端面に取り付けられた構造である。圧電素子４００に駆動電流を流すためのフレキシブル基板３２は、圧電素子４００に接続されているバックプレート３４上に設けられた配線４０と接続されている。フレキシブル基板３２は、制御用回路基板３８に接続されている。印字用インク（図示せず）はインクタンクユニット３７に保持されており、インクの流量や圧力を調節するための送液ユニット３６を介して、インク中のゴミ等を除去するフィルタ３５を通って、インクジェットヘッド３０に供給される。インクタンクユニット３７はカートリッジとなっておりインクがなくなった場合に交換する。また、制御用回路基板３８、送液ユニット３６、インクタンクユニット３７は、コントローラパソコン３９に接続されており、入力された印字情報に従って圧電素子４００の駆動やインクの供給をコントロールする。また、コントローラパソコン３９は、インクタンクユニット３７のインクの残量を検知して、インクの不足を警告する。さらに、図１、図２には図示していないが、コントローラパソコン３９は、インクの安定吐出のために、インクジェットヘッド３０が、常に定温となるように、ヒータで温度管理している。
【００２５】
図３は、インクジェットヘッド３０の分解構造図である。また、図４は、インクジェットヘッド３０の断面構造図である。また、図１４は、インクジェットヘッド３０の内部構造を示す断面図である。
【００２６】
ヘッドプレート３１は、ノズル基板１００、インクチャンバ基板２００、ダイヤフラム基板３００を積層した構造である。ヘッドプレート３１は、ハウジング３３の端部に接合されている。ダイヤフラムプレート３００に圧電素子４００が接合され、圧電素子４００にはバックプレート３４が固着され、バックプレート３４は、ハウジング３３に固着された構造である。また、ハウジング３３にはインク供給管５に連通するインクチューブ４１が取り付けられている。
【００２７】
図５は、ヘッドプレート３１の一部を切り取った内部構造を示す図である。
インクチャンバ基板２００には、インクを加圧する圧力室部分と流路部分、およびインク溜まり部分が設けられており、ノズル基板１００とダイアフラム基板３００がチャンバ基板２００を挟んで密着することによりインク流路が形成された構造である。
【００２８】
図６は、ヘッドプレート３１の組み立て分解図である。
ノズル基板１００には多数のノズル１０１と組み立て用の位置決め孔１０２が設けられている。チャンバ基板２００には、ノズルと連通する貫通孔２０３、インクを加圧する圧力室２０１、加圧したときのインクの逆流を防止するためのリストリクタ２０２、インク溜まり２０４および、組み立て用の位置決め孔２０５が形成されている。ダイアフラム基板３００には、ダイアフラム３０１、インク吸入孔３０４、および組み立て用の位置決め孔３０３が形成されている。圧電素子４００には、ノズル数に対応してスリット４０２が設けられており、凸部４０１が、ダイアフラム基板３００のダイヤフラム３０１と連接する。また、図６には、組み立て用の位置決めピン５００も示した。この位置決めピンを位置決め孔１０２、２０５、３０３に通して位置決めする。
【００２９】
図７は、本発明の一実施例であるダイヤフラム基板３００を加工するプロセスを示し、図６のＡ−Ａ断面図であり、断面はハッチングで示した。順にプロセスを説明する。
【００３０】
まず、厚さ２００μｍの（１００）シリコンウエハ（シリコン基板）３１０を酸素雰囲気のもと１１００℃に加熱し、シリコンウエハ３１０の互いに反対側に位置する両面（第１の面及び第２の面）に、例えば１．４μｍ程度の厚さの二酸化シリコン膜３１１を形成する（図７（ａ））。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィー法でシリコンウエハ３１０の片側面（第１の面、図中、下面）の二酸化シリコン膜３１１に、ダイヤフラム３０１を形成するためのダイヤフラム開口部３１２とダンパー板３０５を形成するためのダンパー開口部３１３を有するパターンを形成する（図７（ｂ））。
【００３２】
次に、二酸化シリコン膜３１１をエッチングマスクとして使用し、シリコンウエハ３１０の第１の面をドライエッチングで例えば２０μｍ程度エッチングして、ダイヤフラム開口３１４とダンパー開口３１５を形成する図７（ｃ））。この工程において、ドライエッチングは、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（ＩＣＰ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）ドライエッチング装置で行う。
【００３３】
次に、シリコンウエハ３１０の両面の二酸化シリコン膜３１１を、フッ酸とフッ化アンモンの混酸で除去する（図７（ｄ））。
これで、片面（第１の面）の加工は完了した。次にシリコンウエハのもう一方の面（第２の面）を加工する。
【００３４】
前記の片面加工後のシリコンウエハ３１０を再度熱酸化し、シリコンウエハ３１０の両面（第１及び第２の面）に、例えば２μｍ程度の膜厚の二酸化シリコン膜３１６を形成する（図７（ｅ））。
【００３５】
次に、シリコンウエハ３１０の第２の面の二酸化シリコン膜３１６（シリコンウエハ３１０のもう一方の面）に、ダイヤフラムとダンパー板を形成するためのダイヤフラム溝部３１７とダンパー溝部３１８のパターンをフォトリソグラフィー法により形成し、１層目のエッチングマスクとする（図７（ｆ））。
【００３６】
次に、スパッタ法により、例えば０．５μｍ程度の膜厚のアルミニウム膜３１９を形成する（図６（ｇ））。
次に、フォトリソグラフィー法で、２層目のエッチングマスクとなるアルミニウム膜３１９にダイヤフラム溝部３２０をパターンニングする（図７（ｈ））。このとき、二酸化シリコン膜３１６に形成したダイヤフラム溝部３１７のパターンの大きさよりもアルミニウム膜３１９に形成したダイヤフラム溝部３２０のパターンの方が大きくなるように、フォトリソグラフィーに使用するフォトマスク（図示なし）を設計する。
【００３７】
次に、アルミニウム膜３１９をエッチングマスクとし使用し、シリコンウエハ３１０の第２の面をドライエッチングで例えば５０μｍ程度エッチングして、ダイヤフラム溝３２１を途中まで形成する（図７（ｉ））。この工程において、ドライエッチングは、例えばＩＣＰ−ＲＩＥドライエッチング装置で行う。
【００３８】
次に、アルミニウム膜３１９を１％のフッ酸で除去する（図７（ｊ））。その後、二酸化シリコン膜３１６をエッチングマスクとして使用し、シリコンウエハ３１０の第２の面を例えば１３０μｍ程度エッチングして、ダイヤフラム溝３２１とダンパー溝３２３を同時に形成する（図７（ｋ））。
【００３９】
この後、さらにオーバーエッチングを施して、ダイヤフラム溝のエッチング底面付近の壁面に残留しているシリコンを完全に除去するとともに、ダンパー板の厚みが２０μｍとなるように調節する。
【００４０】
以上が、シリコンウエハ３１０から、二酸化シリコン製ダイヤフラム３０１を設けたダイヤフラム基板３００を作製するためのプロセスである。二酸化シリコン製のダイヤフラム３０１は、強度的が低いため、後工程として、チタン、クロム、金などの金属膜を薄く積層形成して、補強することが好ましい。また、補強膜の製作プロセス手順としては、図７（ｉ）の工程のドライエッチングの前に実施しても良い。また、上記で、ダイヤフラム溝部３１７のパターンの大きさよりも、ダイヤフラム溝部３２０のパターン大きさの方が大きいため、ドライエッチングによるダイヤフラム溝の加工後寸法は、ダイヤフラム部３１７の小さい方のパターンで決まる。そのため、二酸化シリコン膜３１６とアルミニウム膜３１９の２回のフォトリソグラフィーで相対的に位置ずれが発生しても、位置ずれ量は吸収できる。上記のそれぞれのエッチング深さは、インクジェットヘッドの性能特性による設計にあわせて適宜変更する。
【００４１】
ここで、ドライエッチングについて説明すると、ドライエッチングは、ウエットエッチングとは異なり、任意のエッチングパターンを加工することができるが、エッチング深さに関しては、面内分布がウエットエッチングより大きい。そのため、シリコンウエハをドライエッチングした孔を空け、底面にシリコンを残して、振動部となるように、シリコンで作製すると、ダイヤフラムの厚みばらつきが生じるため、高精度なダイヤフラムとならず、インクの吐出ばらつきが発生する。そのため、ダイヤフラムを二酸化シリコン膜にすると、膜厚がシリコン膜の厚みて規定され、均一なダイヤフラムが形成できる。
【００４２】
図８は、ダイヤフラム基板３００の一つのダイヤフラム部分のＢ−Ｂ断面を示す図である。図８（ａ）のダイヤフラム部分は、ダイヤフラム３０１とダイヤフラム開口３１４、ダイヤフラム溝３２１からなり、ダイヤフラム３０１は、ダイヤフラム開口３１４側の二酸化シリコン膜３１６と連続したダイヤフラム膜３２３である。したがって、ダイヤフラム開口３１４の壁面にも同じ素材として、二酸化シリコン膜が形成されている。
【００４３】
図８（ｂ）は、ダイヤフラム基板３００とインクチャンバ基板２００を陽極接合によって組み立てる場合の、ダイヤフラム３０１の構成を示す図である。ダイヤフラム開口側の面がインクチャンバ２００との接合面である。ダイヤフラム３０１のダイヤフラム開口側の面に硼珪酸ガラス膜３２４を１μｍ以上形成する。
【００４４】
図８（ｃ）は、ダイヤフラム膜３２３を補強するために、図８（ｂ）で示した硼珪酸ガラス膜３２４とダイヤフラム膜３２３を含む二酸化シリコン膜３１６との間に、チタン３２５を形成する構造を示している。また、陽極接合はしないが、二酸化シリコン膜３１６を補強する場合は、ダイヤフラム膜３２３とチタン膜３２５の２層膜となる。
【００４５】
図９（ａ）は、陽極接合はしない場合で、チタンやクロムよりも弾性の高い金を補強層として構成した例であり、ダイヤフラム３０１を補強したい場合の構成で、ダイヤフラム膜３２３を含む二酸化シリコン膜３１６にチタン膜３２６、金膜３２７、チタン膜３２８の順で積層する。金はチタンよりも弾性に富むため、ダイヤフラム３０１が破れにくくなる。また、金膜は二酸化シリコン膜や硼珪酸ガラス膜との密着性が低い。密着性を高めるためにチタン膜を間に設けた構造とする。
図９（ｂ）は、図９（ａ）の積層ダイヤフラム３０１で、陽極接合する場合の構造で、チタン膜３２８の外側にさらに硼珪酸ガラス膜３２９を形成している。
【００４６】
図１０は、ダイヤフラム膜３２３をダイヤフラム開口３１４とダイヤフラム溝３２１の両側から補強したときの構造を示しており、ダイヤフラム開口３１４側は、二酸化シリコン３１６とチタン膜３２５、硼珪酸ガラス膜３２４を順に積層した構造である。インクチャンバ２００と陽極接合しない場合は、硼珪酸ガラス膜３２４はなくても良い。
【００４７】
上記、図８、図９、図１０で示したチタン膜３２５、３２６、３２８の代替としてクロム膜や窒化ケイ素膜でもよい。また、二酸化シリコンと密着性がよければその他の金属やセラミック膜でもよい。硼珪酸ガラス膜も強度増加となる。
【００４８】
また、チタン膜やその他の代替膜の厚みは０．１μｍから０．５μｍで十分である。また、金膜を補強膜とする場合のチタン膜やクロム膜の厚みは、０．０５μｍ程度で良い。
【００４９】
図１１は、ダイヤフラム３０１の一つのダイヤフラム部分の上面図である。図１１（ａ）は、ダイヤフラム３０１が矩形のタイプである。図１１（ｂ）は、ダイヤフラム３０１が長丸状となったタイプで角部がない。ダイヤフラム３０１を振動させた場合、角部に応力が集中し強度が低下するが、図１１（ｂ）のタイプの場合、応力集中がないため、ダイヤフラムの厚みを薄く設定でき、ダイヤフラム駆動時の振幅を大きくでき、吐出量をより多く確保できる。さらに、割れにくいため、組み立て時のハンドリングがよく歩留まりも向上する。
【００５０】
図１２は、ダイヤフラム基板３００とインクチャンバ基板２００との接合状態を示し、ダイヤフラム３０１を拡大した図である。また、図１３は、ダイヤフラム膜３２３の駆動状況を示した図である。図１２（ｂ）、図１３（ｂ）は従来例を示し、ダイヤフラム３０１がダイヤフラム基板３００の表面に形成されている。ダイヤフラムは熱酸化シリコンであるため、熱応力により図１２（ｂ）に示すように反っており、インクチャンバ基板との接合時の位置合わせで接触して破損しやすく、また、加工後のハンドリング時も接触のため破損しやすく、歩留まりが良くない。図１２（ａ）、図１３（ａ）は、本発明の実施例で、ダイヤフラム３０１をダイヤフラム基板３００の内面部に形成することにより、接触による破損がなくなり、歩留まりが向上する。また、インクチャンバ２００の内面には、インクの濡れ性を高めるために薄い二酸化シリコン膜２１０が形成されており、ダイヤフラム３０１が二酸化シリコンであるため、同様にインクに対して濡れ性がよく、インクの充填時に気泡の巻き込みなどがなくなる。このことは、陽極接合のために硼珪酸ガラス膜３２４、３２８を形成した場合も主成分が二酸化シリコン膜と同じで、濡れ性がよくなる。さらに、図１２（ａ）の場合は、二酸化シリコン膜が熱酸化により形成されたため、ダイヤフラム３０１の角部３３０、３３１は丸みがあり、応力集中しにくい構造となり好ましい。さらに、インクチャンバ基板２００の接合部の角部３３２がダイヤフラム３０１の振動部となるダイヤフラム膜３２３に当接しない構造であるため応力集中がなく、図１３（ａ）に示すようにダイヤフラム膜３２３が振動しても、応力集中部の繰り返し疲労の問題がない。しかし、図１２（ｂ）の従来例の場合は、インクチャンバ基板２００の角部３３２が、ダイヤフラム膜に当接するため応力集中が起こり、図１３（ｂ）に示すようにダイヤフラム膜３３２の振動による繰り返し疲労強度が低下し、寿命が短くなり好ましくない。したがって、上記のように、ダイヤフラムをダイヤフラム基板の内部に設けた構造とすることによって、長期にわたる稼動の信頼性が確保できる。
【００５１】
以上の発明を纏めると、シリコンのドライエッチングでダイヤフラム基板を製作することにより、ダイヤフラムの配置のピッチを小さくすることができ、さらに、二酸化シリコンのダイヤフラムとすることで、振動部の膜厚が均一となり、さらに、ダイヤフラムのシリコンウエハの内面に設けることで、長期信頼性と歩留まりが向上する。
【００５２】
【発明の効果】
上述のように、本発明のインクジェットヘッドのダイヤフラム基板の製造方法によれば、ダイヤフラム膜をダイヤフラム基板の内面に形成できるため、インクチャンバ基板の接合面角部とダイヤフラム膜との接触がなくなり、繰り返し疲労によるダイヤフラム膜の破損がなくなって、信頼性の高いインクジェットヘッドが提供できる。また、ダイヤフラム膜が反った場合にも、ダイヤフラム基板面からはみ出すことがないため、ダイヤフラム基板加工後のハンドリングや、ダイヤフラム基板とインクチャンバ基板とを接合または接着するときに接触して破損するといった事がなくなり、歩留まりが向上する。
【００５３】
また、本発明のダイヤフラム基板の製造方法によれば、ドライエッチングを使用しているため、垂直にダイヤフラム部の孔加工ができ、ダイヤフラムのピッチを狭くできる。したがって、ノズルの配列ピッチも狭くでき、高精細な印字が可能となる。
【００５４】
また、インクジェットヘッドの加工にドライエッチングを使用するため、曲線形状なども加工できて、最適形状に近いインクジェットヘッドを製造することができる。
【００５５】
また、本発明のダイヤフラム基板によれば、二酸化シリコン製のダイヤフラム膜であるため、ダイヤフラムの膜厚が均一であり、インクジェットヘッドに配置されたそれぞれのノズルから吐出される液滴速度、液滴量のばらつきが小さく、高精度の印刷が可能となる。
【００５６】
また、本発明のダイヤフラム基板によれば、二酸化シリコン製のダイヤフラム膜に、弾性のあるチタン膜またはクロム膜または金膜、またはその他の金属を形成しているため、ダイヤフラム膜が破損しにくく、ダイヤフラム膜の膜厚を薄く設定することができる。ダイヤフラム膜はさらに柔軟となって、ダイヤフラム膜の振幅が大きくとれ、吐出量を高めることができ、さらに、振動の追従性が高まるため、インクを高速吐出することができ、ひいては、高速印字が可能となる。
【００５７】
また、本発明のインクジェットヘッドによれば、ノズル基板とチャンバ基板と、ダイアフラム基板を耐食性の高いシリコンで製作しているため、耐食性のある液体も使用することができ、試薬や有機ＥＬ用強酸性液体や医療用の液体に対しても使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるインクジェットヘッドを用いたインクジェット式記録装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施例であるインクジェットヘッドの概略構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施例であるインクジェットヘッドの分解構造図である。
【図４】本発明の一実施例であるインクジェットヘッドの断面構造図である。
【図５】本発明の一実施例であるインクジェットヘッドの一部分を切り取った図である。
【図６】本発明の一実施例であるヘッドプレートの組み立て分解図である。
【図７】本発明の一実施例であるダイヤフラム基板を加工するプロセスを示す断面図である。
【図８】本発明のダイヤフラム基板の一つのダイヤフラム部分の断面図である。
【図９】本発明のダイアフラム基板の一つのダイヤフラム部分の断面図である。
【図１０】本発明のダイアフラム基板の一部分の上面図である。
【図１１】本発明のダイヤフラムの一つのダイヤフラム部分の上面図である。
【図１２】本発明のダイヤフラム基板とインクチャンバ基板との接合状態を示す図である。
【図１３】本発明のダイヤフラム膜の駆動状況を示した図である。
【図１４】本発明の一実施例であるインクジェットヘッドの内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
３０…インクジェットヘッド、１００…ノズル基板、２００…チャンバ基板、３００…ダイヤフラム基板、４００…圧電素子、３０１…ダイヤフラム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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