(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが個別に分割された少なくとも１つの個室と、
前記個室に導通する流路と、
前記個室に導通する吐出口と、
前記個室の一方の面を覆い、導電性を有する弾性体と、厚みが７μｍ以下の圧電材料と、個別電極との積層体からなる圧力発生部と、から構成され、
前記弾性体の厚みは、前記圧電材料の厚みと同等かあるいはそれ以下であり、前記圧電材料は、各個室に対応してそれぞれ分割され、少なくとも前記圧電材料の分割箇所には樹脂材料層が設けられていることを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
前記個室と、前記流路と、前記吐出口とが、シリコン板とガラス板の平板形状部材の積層により形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の流体噴射装置。
【請求項３】
前記圧電材料の主成分がＰｂＺｒxＴｉ1-xＯ3であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の流体噴射装置。
【請求項４】
前記シリコン板と前記ガラス板とは直接接合により接合されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の流体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はインクジェットプリンタのヘッド等に用いられ、インク等の流体を制御性良く吐出するための流体噴射装置およびその製造方法に関するものである。
背景技術
近年の情報化社会の進展に伴い、各種ＯＡ機器が急速に需要を伸ばしている。この中で各種プリンタは単なる記録手段としてではなく、高速印刷、高画質等の面での要求はますます強いものとなっている。
一般に広く普及しているインクジェットプリンタにおいて、インクの吐出を高速に、かつ任意に行うことができるオンデマンド方式のインクジェットヘッドは、機器の性能を決定するキーデバイスである。インクジェットヘッドは大きくはインクの流路と、インクが加圧される圧力室、アクチュエータ等のインクの加圧手段、そしてインクを吐出する吐出口からなる。オンデマンド方式の実現には制御性の良い加圧手段が必要となるが、従来はインクに対する加熱によって発生するバブルで吐出する方式（加熱方式）や、圧電セラミックス等の変形によって直接インクを加圧する方式（圧電方式）などが多く用いられている。
図１１は従来のインクジェットヘッドの構成の一例を示す断面斜視図である。
従来の圧電方式インクジェットヘッドは、圧電式１１１、圧力室１１２、流路１１３、吐出口１１４、流体（インク）供給口１１５、構造体Ａ１１６、構造体Ｂ１１７、構造体Ｃ１１８、振動板１１９、および個別電極１２０（１２０ａ、１２０ｂ）から構成される。
ここで、圧電体１１１の第１の面には個別電極１２０が設けられ、第２の面にも同様に電極（図示せず）が形成されている。圧電体１１１は、第２の面の電極を介して振動１１９に接合されている。
次に振動板１１９と構造体Ａ１１６、構造体Ｂ１１７、構造体Ｃ１１８は接着剤などにより接合され、積層構造を成している。構造体Ａ１１６の内部には圧力室１１２および流路１１３を形成するための空洞が設けられる。圧力室１１２、流路１１３、個別電極１２０等は、一般に複数組設けられ、個別に区画されている。構造体Ｂ１１７も同様であり、かつインク供給口１１５が形成されている。また圧力室１１２の位置に対応して構造体Ｃ１１８には吐出口１１４が設けられており、インク供給口１１５よりインクが導入され、流路１１３と圧力室１１２にインクが充填される。
振動板１１９は導電材料であり、かつ圧電体１１１との接着側の電極と導通がとれている。したがって、振動板１１９と個別電極１２０の間に電圧を加えることによって、圧電体１１１と振動板１１９の積層部がたわみ変形する。この時、電圧を加える電極を選択することにより、圧電体１１１の任意の位置、すなわち任意の圧力室１１２に対応した位置にたわみ変形を生じさせることができる。この変形によって圧力室１１２内部のインクが押圧され、吐出口１１４より押圧力に応じた量のインクが吐出される。変形量は圧電体１１１に加える電圧によるので、電圧の大きさと印加位置とを制御することにより、任意の位置から任意の量だけインクを吐出することが可能となる。
従来の加熱方式のインクジェットヘッドは一般に応答速度等の点で圧電方式に劣る。一方、圧電方式のインクジェットヘッドの場合は、圧電体の厚みによって振動板とのたわみ変形が制約を受ける。すなわち厚みが大きいと圧電体そのものの剛性によって十分な変形が得られない。十分な変形を得るために圧電体の面積を拡大すれば、インクジェットヘッドが大型化し、ノズルの高密度化が阻害され、材料コストが増加する等の要因となる。また面積が拡大できない場合は、十分な変形を得るためにより高い駆動電圧が必要となる。
現在、厚膜形成や一体焼成の技術により圧電体厚み２０μｍ程度のものが実現されているが、更なる高画質化のためにはよりノズルを高密度化する必要がある。ノズル高密度化のための圧電体の面積の縮小には圧電体厚みの減少が不可欠であるが、従来の技術においては限界があった。
また流路を形成するためにステンレス等の構造体内部に空洞部を設ける必要があるが、精密でかつ複雑な流路実現のためにはより多くの積層が必要となる。また接合部の接着材料は長時間液体にさらされるため、信頼性の面からの注意が必要であった。
本発明は、より高画質で信頼性が高くかつ低コストな、インクジェットヘッド等に代表される流体噴射装置を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の流体噴射装置は、それぞれが個別に分割された少なくとも１つの個室と、前記個室に導通する流路と、前記個室に導通する吐出口と、前記個室の一方の面を覆い、導電性を有する弾性体と、厚みが７μｍ以下の圧電材料と、個別電極との積層体からなる圧力発生部と、から構成される。
また本発明の流体噴射装置の製造方法は、第１の基板に圧力室用貫通孔と供給口用貫通孔を形成する工程と、前記第１の基板と第２の基板とを接合する工程と、前記第２の基板と第３の基板とを接合する工程と、前記圧力室用貫通孔を覆うように導電性を有する弾性体と、圧電材料と、個別電極との積層体からなる圧力発生部を形成する工程と、から構成される。
また本発明は、圧電体としてスパッタリング法によって形成されたＰＺＴ系の薄膜材料を用いる。
また本発明は、構造体としてシリコン基板とガラス基板とを用い、エッチングおよびサンドブラスト法によって加工を行う。
また本発明は、構造体の接合は、樹脂などを用いずに表面処理と加熱処理による直接接合によって行う。
このような構成により、圧電体は容易に薄型化が図れ、ノズル（吐出口）の高密度化に寄与する。またシリコンとガラスはエッチングおよびサンドブラストによって、複数を一度に微細な加工が行えるので、製品の加工精度の向上や、生産工数の削減が図れる。かつシリコンおよびガラスは互いに直接接合が可能であり、液体の封入に対する長期的な信頼性を容易に確保できるとともに、一括処理での接合が行えるので工程の簡略化を図ることもできる。
発明を実施するための最良の形態
第１の実施形態
図１はシリコン、ガラス、および圧電薄膜を用いた流体噴射装置の一例を示す断面斜視図である。
本実施形態の流体噴射装置は、図１に示すように、圧電薄膜１１、圧力室１２、流路１３、吐出口１４、貫通孔１５、流体（インク）供給口１６、第１シリコン基板１７、ガラス基板１８、第２シリコン基板１９、弾性体２０、および個別電極２１（２１ａ、２１ｂ、…）から構成される。すなわち本実施形態の流体噴射装置は、第１シリコン基板１７とガラス基板１８と第２シリコン基板１９の積層体に、圧電薄膜１１と弾性体２０、さらに圧電薄膜１１上に設けられた個別電極２１からなる。
第１シリコン基板１７には、個別電極２１の位置に対応して個別に設けられた貫通孔である圧力室１２と、圧力室１２と導通して厚み方向に途中までの深さに加工された流路１３と、流路１３と導通する貫通孔である流体供給口１６とが設けられている。流路１３は途中で圧力室１２から離れるに従い開口面積が大きくなるような形状をとっている（図１の点線で図示）。なお、図１では主として、１組の個別電極、圧力室、吐出口等を示している。流体噴射装置は、一般には同様の構成の複数組の個別電極、圧力室、吐出口等から構成される。図１では個別電極２１は２１ａと２１ｂの２組を示す。
次に、第１シリコン基板１７とガラス基板１８とを接合することにより、圧力室１２と流路１３は一部を残して封止される。ガラス基板１８の圧力室１２に対応する部分にはそれぞれ貫通孔１５が設けられる。さらに貫通孔１５のほぼ中央部に対応して、貫通孔１５の開口部よりも狭い面積の吐出口１４が第２シリコン基板１９に形成される。またガラス基板１８と第２シリコン基板１９とは接合されている。圧力室１２の貫通孔１５と反対側の面には圧電薄膜１１が弾性体２０を介して接合されている。圧電薄膜１１の表面には個別電極２１が、裏面にも個別電極（図示せず）が設けられている。
流体供給口１６から流入した液体は、流路１３、圧力室１２、貫通孔１５に充填され、吐出口１４近傍に停滞する。この状態で圧電薄膜１１の両面の電極間に電圧を加えると、圧電薄膜１１と弾性体２０の積層体がたわみ変形を起こす。弾性体２０が導電材料であれば圧電体の裏面電極と導通がとれ、弾性体２０と個別電極２１間に電圧を加えることでたわみ変形が発生する。電圧を加える個別電極２１の場所を選択することで、任意の箇所のみ変形を発生させることができる。そして圧電薄膜１１と弾性体２０の積層体のたわみによって圧力室１２内の流体が押圧され、吐出口１４より押圧量に応じて流体が噴射される。
一般に、圧電薄膜１１は高い圧電定数を有するＰｂＺｒXＴｉ1-XＯ3（ＰＺＴ系）の材料などが用いられる。この材料の薄膜は、例えば圧電薄膜用基板ＭｇＯ上に、ある条件下でスパッタリング法により成膜することで得られる。圧電薄膜用基板ＭｇＯは燐酸などへの浸漬によってエッチングされ、容易に圧電薄膜１１の薄膜のみを得ることができる。
吐出口１４の形状は噴射される流体の噴射速度や面積等に影響し、インクジェット等では印字の性能を決定する重要な要素である。吐出口１４の開口面積が小さければより細かい印字が可能となるが、圧力室との面積差が大きすぎると損失が大きく、良好な吐出が行われない。そこでガラス基板１８において貫通孔１５を設け、かつ貫通孔１５に圧力室から吐出口へ向けて面積が減少するテーパを設けることで、損失を軽減することができる。またこの構成をとれば、テーパ孔のみを設けるよりも吐出口の形状が制御しやすく、より微細で均一な形状の吐出口１４を形成できる。
ここで、押圧時には吐出口１４のみならず流路１３側へも圧力が伝達して、流体が逆流することがあり得る。そこで流路１３に圧力室１２へ向かって開口面積が狭くなるテーパを設けることにより、逆流に対する抵抗が増加して吐出がより良好に行えるようになる。また流路１３中に面積の狭い部分を設けることでも同様の効果が期待でき、流路１３の狭い部分の面積を吐出口１４の面積に対して０．５から１．５倍程度とすることにより逆流を防いで良好な吐出が行える。
また、圧電薄膜１１はスパッタリング法によれば数μｍの厚みのものが容易に得られ、従来のものに比較して極めて薄型である。圧電薄膜１１の厚みが薄くなれば、自身の剛性が低下するのでより大きなたわみが得られやすく、同一のたわみにおいては薄い方が歪み量が小さく、繰り返し荷重に対する信頼性が増す。よって圧電材料の薄型化は、アクチュエータ部の小型化と吐出口１４の面積を小さくすること、さらには密度の増加に寄与し、更なる高画質化に寄与する。
圧電薄膜１１の厚みに関しては、薄すぎれば駆動力の不足を招き、逆に薄膜技術で厚い材料を得ようとすればスパッタリングの時間が増して効率が悪い。このため、圧電薄膜１１の厚みとしては７μｍ以下が、駆動力および成膜コストの面から妥当な線である。アクチュエータは圧電薄膜１１のみではたわみ変形をしないので、他の弾性体２０と積層構造とする必要がある。弾性体２０として機能し、かつ導電性を有する観点から見てステンレス等の金属材料が用いられるが、両者の厚みと、材料に起因する剛性によってたわみ変形時の中立面が変化する。中立点が界面から離れるほど界面における歪みが増して剥離の危険性が生じ、また圧電体内部であれば駆動効率が低下する。よって中立点の位置を界面近傍とするため両者の厚み関係は、圧電体厚みに対し、金属材料の弾性体は同等か、それ以下とする。
圧電材料は各圧力室のみで駆動できればよいので、隣接する圧力室の隔壁部においては圧電材料を形成する必要がない。むしろ各圧力室単位に分割されることによって隣接する圧電体同士の干渉を防止でき、かつ接合作業時や駆動時において圧電材料に応力が加わることを回避できるので、圧電材料の割れなどが防止できる。
図２は圧電材料を分割する場合の工法の一例を示す断面図である。
まず図２Ａのように、圧電薄膜用基板ＭｇＯ２４上にスバッタリングにより個別電極用材料２３、圧電薄膜２２が積層される。次に個別電極用材料２３と圧電薄膜２２を選択エッチングにより除去して、個別電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、圧電薄膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃに分割する（図２Ｂ）。続いてクロム等の金属材料からなる弾性体２８を形成し、その上にポリイミド等の樹脂材料２５を塗布する（図２Ｃ）。次に分割箇所すなわち個別電極用材料２３と圧電薄膜２２を選択エッチングにより除去した箇所においてシリコン基板２７を接合し、圧力室２６ａ，２６ｂ，２６ｃの部分にのみ圧電薄膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃが配されるようにする。最後に圧電薄膜用基板ＭｇＯを燐酸へ浸漬し除去する（図２Ｄ）。この結果、樹脂材料２５によって分割箇所の補強が成され、しかも樹脂材料２５は剛性が低いため駆動に対しては大きな影響がない。
以上の構成により、基板平面より任意の吐出口から流体を吐出できる流体噴射装置が実現できる。
次に組立工程の一例を示す。図３Ａ〜３Ｅ、図４Ａ〜４Ｅ、図５Ａ〜５Ｄは本発明における流体噴射装置の組立工程を示す断面図である。
図３Ａ〜３Ｅは第１シリコン基板３１の加工方法の一例を示す。図３Ａのような第１シリコン基板３１の両面にはレジスト３２ａ，３２ｂが塗布され、フォトリソ工法を用いて所定の位置にパターニングされる（図３Ｂ）。このとき各圧力室３４や流路３３等に対応する位置および形状に応じてパターンが形成される。
次にレジスト３２ｂ側からＲＩＥ（reactive ion etching）によりＳｉをエッチングする。このエッチングは基板厚み方向に所定の深さになる位置で停止し、片面にのみ開口して流路３３が形成される（図３Ｃ）。次にレジスト３２ａ側からエッチングを行い、流路３３と導通する貫通部を形成する。これにより圧力室３４および流体供給口３５が作られる（図３Ｄ）。最後にレジスト３２ａ，３２ｂを剥離して第１シリコン基板３１の加工が終了する（図３Ｅ）。
図４Ａ〜４Ｅはガラス基板４１と第２シリコン基板４４の加工方法の一例を示す。
まずガラス基板４１の両面にレジスト４２ａ，４２ｂが塗布され、４２ａ側のみに、圧力室に対応する位置にパターンが形成される（図４Ａ）。次にレジスト４２ａ側からサンドブラスト工法により砥粒を吹き付け、ガラス基板４１を加工して貫通孔４３を設ける（図４Ｂ）。このとき、貫通孔４３は砥粒噴射側から貫通側に向かって狭くなるテーパが形成される。またレジスト４２ｂは砥粒によって裏側が損傷することを防ぐ働きをする。
続いてレジスト４２ａ，４２ｂを剥離した後、第２シリコン基板４４とガラス基板４１を直接接合し、第２シリコン基板４４上には各圧力室に対応して吐出口４６を形成するためのレジスト４５のパターンが形成される（図４Ｃ）。
直接接合は各基板を樹脂などの介在物を用いることなく、かつ陽極接合などのように高い電圧も用いることなく、基板洗浄と加熱のみによって接合する手法である。例えば表面の平坦性の良いガラスとシリコンを硫酸過水等で洗浄し、乾燥の後に重ね合わせる。
この後両基板を加圧すれば一応の吸着が得られ、さらに数百度の加熱処理を行うことにより、両基板間の接合強度が上昇するものである。この手法は基板材料、洗浄条件、加熱条件等の最適化によって極めて高い強度が得られる。例えばガラス基板同士の接合では剥離試験の結果界面ではなく基板内で破壊を起こすモードが見られるまでになる。よって樹脂などを用いた場合に比べて接着層に見られるような経時的な劣化や、流体との接触による劣化等の心配がなく、高い信頼度が得られる。さらに洗浄と加熱のみの工程であるので工程が簡単である。この後第２シリコン基板４４にＲＩＥによってエッチング加工を行い（図４Ｄ）、レジスト４５を剥離して完成する（図４Ｅ）。
このように図４Ａ〜４Ｅに示す方法を用いると、両方の貫通孔同士の位置決めが容易であり、また接合によって基板の厚みが増すので取り扱いが容易で、より薄い第２のシリコン基板の使用が可能となり、吐出性に大きく影響する第２のシリコン基板の吐出口用貫通孔を精度良く均一な形で形成することができる。
図５Ａ〜５Ｄは、加工後の第１シリコン基板５６、ガラス基板５７と第２シリコン基板５８との接合体、および圧電薄膜５９（弾性体を含む）を貼り合わせる工程を示す断面図である。
まず前述の図３Ａ〜３Ｅのようにして加工済みの第１シリコン基板５６と、図４Ａ〜４Ｅのようにして加工された第２シリコン基板５８とガラス基板５７との接合体（図５Ａ）を、前述と同様の手法で直接接合を行う（図５Ｂ）。このとき、事前に圧力室５１と貫通孔５４の位置合わせを行う。この後、圧力室５１上部にＭｇＯ等の圧電薄膜用基板６０上に成膜された圧電薄膜５９（弾性体を含む）を貼り合わせる（図５Ｃ）。最後に圧電薄膜用基板６０を除去して完成する（図５Ｄ）。圧電薄膜用基板６０がＭｇＯであれば、燐酸水溶液等への浸漬によって除去できる。
上記の手法によれば、微細加工技術により高精度でかつ効率の良い加工が行え、また接合工程も簡易であり信頼性も高い。またサンドブラスト工程を用いれば、特にガラス等の脆性材料の加工が速やかに行え、かつ貫通孔の形状は自動的に均一性良くテーパを有するので、流体吐出に適した形状を形成できる。また前記の加工は、パターン設計により様々な形状の加工が可能であり、設計の幅が広い。
なお、上記の第１シリコン基板５６の加工方法における流路形成方法では基板厚み方向に所定の深さの溝を形成したが、流路部においても貫通部を形成する他の方法もあり、以下に説明する。
図６Ａ〜６Ｆは第１シリコン基板６１の加工および組立方法を示す断面図である。
図６Ａに示す第１シリコン基板６１に第１のレジスト６２を塗布してパターニングする（図６Ｂ）。この際、流路６３、圧力室６４、流体供給口６５が加工可能なように所定の位置にパターニングを行う。次にＲＩＥ等の手法により流路６３、圧力室６４、流体供給口６５の全てを貫通させて形成する（図６Ｃ）。第１のレジスト６２を除去した後、封止用ガラス基板６６を直接接合し、さらに第２のレジスト６７を塗布、パターニングする（図６Ｄ）。この後サンドブラストにより圧力室６４と流体供給口６５に対応した部分の加工を行い、圧力室６４と流体供給口６５にそれぞれが導通する第１のガラス貫通孔６８、第２のガラス貫通孔６９を形成する（図６Ｅ）。この場合第１シリコン基板６１をサンドブラストから保護する必要がある場合は、両面にレジストを設けてもよい。あるいはサンドブラストによる加工を貫通直前で止め、重フッ化アンモニウムなどによって残りの部分のガラスをエッチングしてガラス貫通孔を形成してもよい。
最後に第２のレジスト６７を剥離して完成する（図６Ｆ）。
この方法において加工された第１のシリコン基板の形状を基板表面から見た概観を図１２に示す。圧力室６４と供給口６５をつなぐ流路６３は、図のように、圧力室にいくほど狭くなるように形成される。これは先にも述べたように、流体の逆流に対する抵抗を増加して吐出をより良好に行うためである。
この方法によれば、第１シリコン基板６１の加工は図３Ａ〜３Ｅのように２度行う必要はなく、一度に行えて効率が良く、かつ流路６３の形状も第１シリコン基板６１の厚みによって決定されるので、均一な形状で形成できる。加えて圧力室の空洞部分が封止用ガラス基板６６部分の厚み分増加でき、より多くの流体を圧力室内に充填させ、吐出条件の最適化に寄与することができる。シリコン基板の厚みが大きいと貫通加工が良好に行えなくなるので、その意味でも非常に有効である。
そして図６で示した工程により、流路６３の片側は封止されるので、他の要素との貼り合わせ工程は図５で示した例と同様に実施可能である。また図６で示した例においてはガラス基板とシリコン基板とを直接接合した後にガラス基板の加工を行ったが、これと同様の方法は他の工程においても同様に実施可能である。
１例として、図１３を参照して流路部を形成するさらに他の方法について述べる。サンドブラストによってすでに貫通孔５４が設けられたガラス基板５７（図１３Ａ）を第１シリコン基板６１と直接接合する（図１３Ｂ）。次に第１のシリコン基板６１にレジスト６２を塗布、パターニングする（図１３Ｃ）。ここでレジストは平面的には図１２に示す形状にパターニングされている。その後、ＲＩＥにより圧力室と流体供給口に対応する貫通孔６４、６５と流路用貫通孔６３を一括して加工し（図１３Ｄ）、レジスト６２を除去して完成させる（図１３Ｅ）。
この方法によれば基板の総厚みが増して強度が向上するので、工程中における破損が防止できる。またゴミや汚れによって影響を受けやすい直接接合を最初に行うことで、その後の工程での影響がなくなる。また直接接合であるので、樹脂などによる接合と比較してエッチング等の際の界面への浸食を考慮する必要がない。さらに、ガラスと第１のシリコンとを接合後に第１のシリコンの加工を行うので、貫通孔などの位置決めが容易でかつ、板厚の増加により割れが発生しにくい。また第１のシリコンのエッチングはガラス基板との接合面で阻害されるので、溝部の貫通側の形状が均一性良く制御でき、均一性の良い流路が形成できる。
また本実施形態の最初の方法（図３Ａ〜図５Ｄ）においても、次のような加工法が可能である。第１のシリコン基板３１にレジスト３２ａ、３２ｂを塗布、パターニングする（図１４Ａ）。ＲＩＥにてシリコン基板３１の厚み方向に途中まで加工することによって流路３３を形成する（図１４Ｂ）。次にサンドブラストによってすでに貫通孔５４が設けられたガラス基板５７と直接接合する（図１４Ｃ）。
第１のシリコン基板３１にレジスト３２ｃを塗布、パターニングする（図１４Ｄ）。次にＲＩＥにより第１のシリコン基板３１に圧力室と流体供給口に対応する貫通孔３４，３５を加工する（図１４Ｅ）。この方法によれば、第１のシリコン基板３１の貫通孔３４加工の位置決めや大きさの制御が、ガラス基板５７の貫通孔５４を参照しつつ行えるので精度高くかつ容易である。第１のシリコン基板３１とガラス基板５７との接合部においては材質が異なるのでエッチング速度が異なり、貫通孔５４の加工は正確に停止され、貫通孔形状の均一性が良い。
これと同様のことは図７に示すように、ガラス基板７１と第２シリコン基板７２を接合する場合についても同様であり、両者を直接接合後、両者の貫通孔を加工してもよい。
また第２シリコン基板７２を研磨により薄板化することで、より微細で精密な加工が可能となる。図７Ａ〜７Ｄは研磨により第２シリコン基板７２を薄くする場合を含めた工程の一例を示す断面図である。
ガラス基板７１と第２シリコン基板７２は前記の例と同様に直接接合される（図７Ａ）。この後第２シリコン基板７２を研磨して厚みを減少させる（図７Ｂ）。
続いて前記と同様にサンドブラスト、ＲＩＥ等によって貫通孔７３と吐出口７４とを形成する（図７Ｃ、７Ｄ）。第２シリコン基板７２の厚みが厚いと加工に時間がかかり、加えて加工バラツキが発生しやすく均一な孔が得られにくく、さらに微小で深い貫通孔を加工することはより困難である。よって第２シリコン基板７２の厚みが薄い場合が望ましいが、シリコン単板では工程の取り扱い上および加工上の歩留まりの観点から限界がある。そこでガラス基板と直接接合を行うことで剛性が増し、研磨作業が容易となる。また研磨後、そのまま次工程へ流すことができる。より吐出高密度の高い流体噴射装置の実現のためには吐出口径を約数十μｍ以下にまで小型化が必要になるが、シリコンの板厚も同様に縮小し、５０μｍ以下とすることで、より小型、高密度かつ均一形状の吐出口の形成が可能となる。また、ガラス基板と第２のシリコンの貫通孔の加工を両基板の接合後に行うので、接合の際の位置決めの必要がなく、かつ加工前に接合されているので加工中に接合面を損傷したり、汚れが付着することもなく、良好な接合が得られるといった作用を有する。
なお研磨の際に問題がなければ、ガラス基板に貫通孔を設けた後に直接接合、研磨を行ってもよいし、また第１シリコン基板の厚みが大きすぎる場合も同様に実施可能であり、同様の効果が得られることはいうまでもない。
また加えて、サンドブラストによって加工された貫通孔は、前述のように砥粒噴射側から貫通側に向かって開口面積が縮小するテーパ形状を有する。したがって、砥粒の大きさや噴射速度等にも若干は影響されるが、ガラスの板厚と、砥粒噴射側の径（レジストの開口径）とを均一にすれば、貫通側の開口径も決定される。よって貫通側の経が吐出口径よりもやや大きい程度になるようにガラス板厚と砥粒噴射側の経とを選ぶことにより、最適な形状が一意的に加工できる。前述のように数十μｍ以下の吐出口に対応するため、０．８mm以下のガラス基板の場合、砥粒噴射側の経をｒｇ、貫通側の経をｒｓとした場合のガラス基板の厚みは、ほぼ１．２〜１．９×（ｒｇ−ｒｓ）という条件となる。
第２の実施形態
図８は第２の実施形態における、流体噴射装置を示す断面斜視図である。
図８において、シリコン基板８６、第１ガラス基板８７、第２ガラス基板８８は第１の実施形態に述べた直接接合によって接合され、積層構造を成している。シリコン基板８６はＲＩＥ等の手法によって、基板端面部に開口する吐出口８４（８４ａ，８４ｂ）と、これに導通して貫通している圧力室８２と、流体供給口８５の一部を成す貫通部が設けられている。また第１ガラス基板８７においても貫通部が設けられ、貫通部の一部は圧力室８２と導通して流路８３を形成し、さらに一部は流体供給口８５の一部を構成する。
圧力室８２の直上には個別電極９０（９０ａ，９０ｂ）等が設けられた圧電薄膜８１と弾性体８９の積層体が接合される。それぞれの圧力室８２と流路８３は互いに分割されて独立しており、各圧力室８２に対応して各個別電極９０ａ，９０ｂが配置されている。第２ガラス基板８８は第１ガラス基板８７の貫通部の一方を封止し、流路８３の一部を形成する。流体供給口８５から流体が流路８３を通じて圧力室８２へ充填され、圧電薄膜への電圧印加時の変形によって流体が押圧され、吐出口８４ａ，８４ｂ等から流体が噴射される。
次に製造方法を説明する。
図９Ａ〜９Ｂはシリコン基板の加工方法を示す断面図である。図９Ａのようなシリコン基板９１の両面にレジスト９２ａ，９２ｂを塗布してパターニングする（図９Ｂ）。次に一方の面からＲＩＥによりエッチングし、浅い加工を行い吐出口９３を形成する（図９Ｃ）。次にもう一方の面から貫通加工を行い、圧力室９４と流体供給口９５を形成する。このとき吐出口９３と圧力室９４とは一部が導通する構成とする（図９Ｄ）。最後に両面のレジストを剥離して完成する（図９Ｅ）。
図１０Ａ〜図１０Ｆは全体の組立方法を示す断面図である。
図９Ａ〜９Ｅのようにして加工済みのシリコン基板１０１（図１０Ａ）に対し、サンドブラストによって貫通加工を行い流路１０６がすでに設けてある第１ガラス基板１０５を直接接合する（図１０Ｂ）。その際に流路１０６は圧力室１０３と流体供給口１０４とに貫通するようにし、かつ直接接合は吐出口１０２の側とする。さらに第２ガラス基板１０７と第１ガラス基板１０５とを直接接合し、流路１０６の片側を封止する（図１０Ｃ）。
次に第１の実施形態と同様にＭｇＯ基板１１０上に設けられた圧電薄膜１０８と弾性体１０９とを接合し（図１０Ｄ）、燐酸水溶液に浸漬してＭｇＯ基板１１０を除去する（図１０Ｅ）。最後に３枚の基板の積層体を分割するにあたり、吐出口１０２の長手方向と直交する方向でダイシング等を行うことで、吐出口１０２が外部に開口して完成する（図１０Ｆ）。
さて、吐出口１０２の形状は流体吐出能力を左右する重要な要因であるが、吐出口１０２が微細な場合は上記のダイシング等による分割時のチッピング等の発生により形状が破壊されるおそれがある。これを回避する方法の一例としては、まずシリコン基板のエッチング加工による吐出口の形成前に吐出口となる位置でシリコン基板をあらかじめ切断しておき、吐出口形成後には加工を加えないようにすることが挙げられる。また切断によってウエハ処理上の問題などが生じる場合は、吐出口部分を完全に切断せずに途中まで切り込みを入れるなどの方法がある。例えば図１５Ａにシリコン基板の断面形状、図１５Ｂにシリコン基板を下から見た平面図を示すように、シリコン基板１０１に凹型部分１３０を形成しておきこれに直交して吐出口用溝１０２を形成し、全体分割時には前記の凹部よりも狭いブレード等で切断線１４０で切断し、吐出口は切断時には加工しない等の方法が挙げられる。
なお、図１５Ａ〜１５Ｂにおいて１０３は圧力室、１０４は供給口である。これにより、シリコン基板への溝形成と同時に吐出口がすべて形成され、吐出口部分にはその後加工を加える必要がないので吐出口が均一なまま保持され、吐出性能が損なわれない。
なお、本発明のすべての実施形態では、すべてが平板部材の積層により形成できるという特徴があるので微細加工が容易で構造の微細化が可能である。さらに、図９あるいは図１５に示すような単位構造を大面積のシリコン基板に多数マトリックス状に作りこみ、第１および第２のガラス基板にも同様に単位構造を多数作りこんでそれらを図１０のように接合し、その後個別に切断するという方法が採用できる。そのため一度に大量の流体噴射装置が製造できて効率が良い。
以上本実施形態の方法によれば、第１の実施形態に記した微細加工および直接接合、圧電薄膜の効果が同様に得られるのに加え、端面からの噴射という異なった形態の流体噴射装置の形成が可能である。この方法によれば、吐出口の設計がレジストパターンによって任意で行え、形状の最適化に大きく寄与する。吐出口の面積は加工の幅と深さ量のみで容易にかつ均一性良く微細に設定できる。さらに第１ガラス基板の流路が貫通ではなくハーフエッチングできる場合は、第２ガラス基板の必要がなく一回の直接接合のみで実施可能であるのはいうまでもなく、工数の更なる削減が図れる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明によれば、シリコンおよびガラスの微細加工技術と圧電薄膜とを用いることにより、より小型で、高密度な吐出口を有する流体噴射装置が形成可能である。
また平板状の基板の面方向からの加工および積層であるので、複数一体で形成でき、生産効率が非常に良く、設計の自由度も大きい。また各基板間の接合は直接接合であるので、接着材料の使用の必要性がなく工程管理が容易で、また流体の封止の観点における長期的な信頼性の劣化要因も削除できる。
その結果、インクジェットプリンタのオンデマンド方式インクジェットヘッドの高密度化、高信頼性化、低価格化が実現する。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の実施形態における流体噴射装置の断面斜視図
図２Ａ〜２Ｄは同圧電薄膜の製造工程図
図３Ａ〜３Ｅは同シリコン基板加工の製造工程図
図４Ａ〜４Ｅは同吐出口形成の製造工程図
図５Ａ〜５Ｄは同流体噴射装置の製造工程図
図６Ａ〜６Ｆはシリコン基板加工の他の製造工程図
図７Ａ〜７Ｄは吐出口形成の他の製造工程図
図８は本発明の第２の実施形態における流体噴射装置の断面斜視図
図９Ａ〜９Ｅは同シリコン基板加工の製造工程図
図１０Ａ〜１０Ｆは同流体噴射装置の製造工程図
図１１は従来の流体噴射装置の構成を示す断面斜視図
図１２は本発明の第１の実施形態における加工されたシリコン基板の平面図
図１３Ａ〜１３Ｅは同シリコン基板とガラス基板の加工手順を示す製造工程図
図１４Ａ〜１４Ｅは同シリコン基板とガラス基板の他の加工手順を示す製造工程図
図１５Ａ、１５Ｂは本発明の第２の実施形態におけるシリコン基板の加工状態を示す図
符号の説明
１１，２２，５９，８１，１０８  圧電薄膜
１２，３４，５１，６４，８２，９４，１０３  圧力室
１３，３３，５２，６３，８３，１０６  流路
１４，４６，５３，７４，８４ａ，８４ｂ，９３，１０２  吐出口
１５，４３，５４，７３  貫通孔
１６，５５，６５，８５  流体供給口
１７，５６，６１  第１シリコン基板
１８，５７  ガラス基板
１９，５８  第２シリコン基板
２０，２８，８９，１０９  弾性体
２１  個別電極
２３  個別電極用材料
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，９０ａ，９０ｂ  個別電極
２４，６０，１１０  圧電薄膜用基板ＭｇＯ
２５  樹脂材料
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ  圧力室
２７，８６，９１，１０１  シリコン基板
３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂ，４５，６２，６７，９２ａ，９２ｂ  レジスト
４１，７１  ガラス基板
４４，７２  第２シリコン基板
６２  第１のレジスト
６６  封止用ガラス基板
６７  第２のレジスト
６８  第１のガラス貫通孔
６９  第２のガラス貫通孔
８７，１０５  第１のガラス基板
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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