液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置並びに液滴吐出ヘッドの製造方法
【課題】 サイズを小さくすることができ、しかもノズル、吐出室等を高密度化、多列化することが可能な液滴吐出ヘッドを得ること。
【解決手段】 液滴を吐出する複数のノズル孔１６が形成されたノズル基板５と、底壁が振動板１１を構成し吐出用液滴を溜めておく吐出室１２となる複数の凹部が形成されたシリコン製のキャビティ基板３と、振動板１１に隙間を介して対向する共通電極７が形成された電極基板２と、吐出室１２に液滴を供給するリザーバ１３となる凹部、リザーバ１３から吐出室１２へ液滴を移送するための供給口１４、及び吐出室１２からノズル孔１６へ液滴を移送するノズル連通孔１５を有するリザーバ基板４と、振動板１１を静電駆動するキャビティ基板３に作り込まれたドライバＩＣ１８とを備え、共通電極７が密閉されている液滴吐出ヘッド。
【解決手段】 液滴を吐出する複数のノズル孔１６が形成されたノズル基板５と、底壁が振動板１１を構成し吐出用液滴を溜めておく吐出室１２となる複数の凹部が形成されたシリコン製のキャビティ基板３と、振動板１１に隙間を介して対向する共通電極７が形成された電極基板２と、吐出室１２に液滴を供給するリザーバ１３となる凹部、リザーバ１３から吐出室１２へ液滴を移送するための供給口１４、及び吐出室１２からノズル孔１６へ液滴を移送するノズル連通孔１５を有するリザーバ基板４と、振動板１１を静電駆動するキャビティ基板３に作り込まれたドライバＩＣ１８とを備え、共通電極７が密閉されている液滴吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関し、特にその小型化、高密度化に関連するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の静電駆動方式のインクジェットプリンタでは、高解像度画像の高速印刷及び多色印刷のために、インクジェットヘッドの多ノズル化及び多列化が進んでおり、それに伴って１列当たりのノズル及び吐出室の数が増加し、ノズル列の長尺化が進んでいる。このノズル列は一般的に、１列ごとに異なった色のインク（例えば、赤、緑、青など）を吐出するようになっている。
【０００３】
従来の液体噴射ヘッド及び液体噴射装置において、インク流路及び電気熱変換素子を設けた基板の表面に素子の駆動制御用ＩＣを直接実装すると共に、該ＩＣを駆動するための入力信号を供給するためのＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）を基板に実装したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２１０９６９号公報（図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような素子の駆動制御用ＩＣを基板上に実装する液体噴射ヘッドでは（例えば、特許文献１参照）、以下のような問題があった。
・製造に際して歩留まり低下やコスト上昇を招く。
・ノズル列密度はＩＣの実装密度に拘束される。
・アクチュエータを構成する電極とＩＣとの接点に寄生容量が発生して、高駆動周波数化と低消費電力化の点において不利となる場合がある。
・ＩＣはその厚さを薄くする必要があり、ＩＣの薄形化工程などにコストがかかる。
【０００５】
本発明は、上記課題に対応してなされたもので、サイズを小さくすることができ、しかもノズル、吐出室などを高密度化、多列化することが可能な液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することを目的とする。加えて、アクチュエータを構成する電極とＩＣとの接点に発生する寄生容量を少なくでき、製造コストも低減できる液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、底壁が振動板を構成し吐出用液滴を溜めておく吐出室となる複数の凹部が形成されたシリコン製のキャビティ基板と、前記振動板に隙間を介して対向する電極が形成された電極基板と、前記吐出室に液滴を供給するリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室から前記ノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板と、前記振動板を静電駆動する前記キャビティ基板に作り込まれたドライバＩＣとを備え、前記電極基板、前記キャビティ基板、前記リザーバ基板、前記ノズル基板が順に積層され、前記電極が密閉されているものである。
この液滴吐出ヘッドによれば、ドライバＩＣを実装する工程がなくなり、製造工程数の低減と製造コストの削減に寄与する。また、ドライバＩＣの実装密度に拘束されることなく電極を形成できるので、ノズル列密度の向上にも寄与する。
【０００７】
上記液滴吐出ヘッドにおいては、前記電極基板の前記電極を共通電極とし、前記各吐出室の底壁を個別電極とすることが好ましい。これによれば、異なる基板に形成されているＩＣと共通電極の接点の面積をノズル密度に拘束されることなく大きくとることができるので、接続の確実性が向上する。
また、前記共通電極は前記電極基板の表面の溝内に形成され、かつ前記溝の一端で前記溝の周囲壁にまで乗り上げて形成されていて、前記ＩＣが前記溝の周囲壁に乗り上げて形成された共通電極上に配置されて前記共通電極と直接接続される態様が好ましい。これによれば、キャビティ基板に形成する振動板、個別電極、絶縁膜の膜厚を調整することで、共通電極に対する接点が比較的容易に形成できる。
【０００８】
また、前記共通電極の密閉領域とは別の領域に形成された溝内に、ＩＣから配線を引き出す外部接続端子を形成しているのが好ましい。これによれば、共通電極部分から外部接続端子を引き出す構造の場合に行っていた共通電極のある隙間（振動室とも称する）を有機物などで封止することが不要となる。従って、コストの削減や耐久性の向上に寄与できる。
また、前記個別電極が前記振動板の表面に形成され、前記個別電極を含めて前記振動板が絶縁膜で被膜されているのが好ましい。これにより、個別電極を共通電極から絶縁することができるとともに、吐出室の液滴からの保護も可能となる。しかも、キャビティ基板に形成された個別電極とＩＣとを接続しているため接続が容易で、その接続に起因する寄生容量も低減する。従って、高駆動周波数化と低消費電力化が可能となる。
また、前記振動板が前記キャビティ基板に形成されたエッチングストップ層と絶縁膜との間にあるのが好ましい。これによれば、キャビティ基板と振動板を同一の素材にすることができ、熱膨張係数差や応力差による不具合を回避することができる。
【０００９】
また、前記個別電極が金属薄膜からなることが好ましい。こうすることで、厚さが均一で電気伝導性に優れ、振動板の動作に悪影響を及ぼさないしなやかな電極を容易に形成することができる。
また、前記振動板と前記絶縁膜が同じ物質からなることが好ましい。これにより、振動板及び絶縁膜の除去を同時に実施することができるという利点が得られる。
【００１０】
また、前記キャビティ基板は単結晶シリコンとし、前記振動板は酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、のいずれかからなるものであることが好ましい。これにより、厚さが均一な振動板を容易に形成することができる。また、振動板を上記の種類のものとすることで、それらをキャビティ基板の吐出室をエッチングする際のエッチングストップ層として機能させることができる。なお、窒化シリコンは酸化シリコンに比べ、ウェットエッチング耐性に優れる。一方、アルミナは酸化シリコンに比べ、ドライエッチング耐性に優れる。
また、前記キャビティ基板は単結晶シリコンとし、前記振動板はポリシリコンから構成してもよい。これによれば、厚さが均一な振動板を容易に形成することができることに加え、前記キャビティ基板と振動板を同一の素材にすることができ、熱膨張係数差や応力差による不具合を回避することができる。また、高精度な個別電極を拡散で容易に形成することが可能となる。
【００１１】
また、前記共通電極及び前記外部接続端子がＩＴＯからなることが好ましい。これにより、表面状態が良好で振動板が張り付かない電極を容易に形成できる。しかも、透明であるため、アクチュエータの観察が容易に行える。さらに、共通電極と外部接続端子を同時に形成できるので有利である。
また、前記電極基板は硼珪酸ガラスであることであることが好ましい。硼珪酸ガラスはシリコン製のキャビティ基板と線膨張係数が近似するので、電極基板とキャビティ基板の接合及びそれ以降の工程で高温プロセスを採用しても接合界面に応力が発生せず、界面欠陥を減らすことができる。
【００１２】
本発明の液滴吐出装置は、その液滴吐出ヘッドとして上記いずれかの液滴吐出ヘッドを備えたものである。この液滴吐出装置は、上述したような液滴吐出ヘッドに伴う効果により、小型で耐久性に優れた装置となっている。
【００１３】
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン製のキャビティ基板に、静電駆動用のドライバＩＣ、前記ＩＣで駆動制御される複数の個別電極及び振動板を形成するステップと、共通電極が形成された電極基板と前記キャビティ基板を、前記共通電極と前記個別電極とを隙間を介して対向させ、かつ前記共通電極と前記ＩＣとを接続させて接合するステップと、前記電極基板と接合された前記キャビティ基板の個別電極対応部分に、吐出用液滴を溜めておく吐出室となる凹部を形成するステップと、液滴を貯えておくリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板を、前記キャビティ基板に接合するステップと、複数の前記ノズル孔が形成されたノズル基板を、前記リザーバ基板に接合するステップとを備える。なおこれには、振動板が拡散処理されて個別電極を兼用している場合も含む。
この方法により、ドライバＩＣを実装する必要が無くなり、製造の際の工程数とコストの削減が図れる。また、ドライバＩＣの実装密度に拘束されることなく電極を形成できるので、ノズル列密度も向上する。
【００１４】
なお、前記個別電極を拡散を利用して形成することが好ましい。これによれば、高精度な電極を半導体プロセスで容易に形成することができる。しかも、駆動による断線などの欠陥のない耐久性の高い電極を提供できる。
また、前記電極基板と前記キャビティ基板とを表面活性常温接合することが好ましい。電極基板とキャビティ基板の接合には陽極接合が広く行われているが、陽極接合では３００℃以上の高温と６００Ｖ以上の強電界が必要となる。これに対して、表面活性常温接合では常温かつ無電界で接合するため、接合時にドライバＩＣを破壊するリスクが回避できる。
さらに、前記キャビティ基板の前記吐出室用の凹部をドライエッチングで形成することが好ましい。ドライエッチングは、サイドエッチング量が小さいく垂直性に優れるため、高密度かつ高精度なキャビティを形成できる。また、ドライプロセスのため対向する電極で構成される振動室へ薬液が浸入するリスクを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１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が組み立てられた状態の縦断面図であり、図１におけるＡ−Ａ方向断面を示している。なお、図２の外部接続端子２０の部分は図１では現れていない。図１及び図２に示す液滴吐出ヘッド１は、ノズル基板５の表面側に設けられたノズル孔１６から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものであり、また静電気力により駆動される静電駆動方式のものである。以下、図１及び図２を用いて本実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの構造及び作用について説明する。
【００１６】
本実施形態１に係る液滴吐出ヘッド１は、従来の一般的な静電駆動方式の液滴吐出ヘッドのように３層構造ではなく、電極基板２、キャビティ基板３、リザーバ基板４、及びノズル基板５の４層構造となっている。すなわち、リザーバ基板４の一方の面にはノズル基板５が接合されており、リザーバ基板４の他方の面にはキャビティ基板３が接合されている。またキャビティ基板３のリザーバ基板４が接合された面と反対側の面には、電極基板２が接合されている。このように、液滴吐出ヘッド１は、電極基板２、キャビティ基板３、リザーバ基板４、ノズル基板５が順に接合されている。
【００１７】
電極基板２はガラスあるいはシリコンなどからなる。なおガラスの場合には、厚さが１ｍｍ程度の硼珪酸ガラスを利用することが好ましい。その理由はシリコン製のキャビティ基板３と線膨張係数が近似しているからである。
電極基板２には表面に複数の電極形成用の溝６ａの列が形成されている。電極形成用の溝６ａの深さは、例えば深さ０．３μｍであり、これらの溝６ａの内部には、全ての溝６ａ間で共通する共通電極７が、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製されている。そして、電極基板２とキャビティ基板３を接合した後の共通電極７とキャビティ基板３の対向面（振動板１１が形成された領域）の隙間（振動室ともいう）２１は０．２μｍとなっている。この例の場合、隙間２１は電極基板２の電極形成用の溝６ａの形状とキャビティ基板３の底面によって密閉状態とされている。
また、電極基板２には液滴供給孔１０ａが形成されており、この液滴供給孔１０ａは電極基板２を貫通している。
【００１８】
図２に示すように、共通電極７はその一端において、キャビティ基板３に作り込まれたドライバＩＣ１８に接続されている。すなわち、共通電極７は電極基板２の電極形成用の溝６ａ内に形成されるとともに、その溝６ａの一端では溝周囲壁にまで乗り上げて形成されている。この電極形成用の溝６ａの周囲壁に乗り上げて形成された共通電極７の接続部９上に、ドライバＩＣ１８が配置されて共通電極７と電気的に直接接続されている。これにより、キャビティ基板３に作り込まれたドライバＩＣ１８と電極基板２の共通電極７との接点数を少なくでき、これらの間の接点に起因する寄生容量の発生を低減することができる。また、ドライバＩＣ１８と共通電極７の接点の面積をノズル密度に拘束されることなく大きくとることができる。
さらに、電極基板２は溝６ａとキャビティ基板３の底面で形成される共通電極７の密閉領域とは別の領域に、外部接続端子用の溝６ｂを備え、その溝６ｂ内にドライバＩＣ１８から配線を引き出す外部接続端子２０を形成している。このようにすることで、液滴吐出ヘッドのアクチュエータを構成する電極７，１７を封止材を用いることなく、密閉構造とすることが可能となっている。
【００１９】
キャビティ基板３はシリコン製で、例えば単結晶シリコン基板などからなる。キャビティ基板３は、振動板１１として作用する底壁を有した吐出室（ノズル孔１６へ吐出液を送り出す部屋）１２となる凹部１２ａが、共通電極７の複数の列に対応して複数形成されている。また、その振動板１１の表面には、電極基板２の共通電極７に対応する個別電極１７が金属薄膜で形成されている。そして、それらの振動板１１及び個別電極１７は、酸化シリコンの絶縁膜１９で被膜されている。絶縁膜１９は振動板１１の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止する作用を果たしている。
このキャビティ基板３には、液滴吐出のためのアクチュエータを構成している振動板１１の振動を静電駆動制御するためのドライバＩＣ１８が、半導体プロセスによって直接作り込まれている。
また、キャビティ基板３には、キャビティ基板３を貫通する液滴供給孔１０ｂが形成されている。
【００２０】
振動板１１は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、あるいはポリシリコン（Poly-Si）などから構成することができる。なお、酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナを振動板とする場合には、キャビティ基板３表面に予め形成したそれらを、吐出室１２の凹部１２ａ形成時のエッチングストップ層として利用できる。ポリシリコンを振動板とする場合には拡散を利用して振動板１１を個別電極１７としても作用させることができるので、半導体プロセスによる高精度な個別電極１７を形成することができる。
【００２１】
リザーバ基板４は、例えば単結晶シリコンからなり、吐出室１２に液滴を供給するためのリザーバ（共通液滴室）１３となる凹部１３ａが形成されており、凹部１３ａの底面には、リザーバ１３からキャビティ基板３の吐出室１２へ液滴を移送するための流路である供給口１４が形成されている。また、凹部１３ａの底面には、その底面を貫通する液滴供給孔１０ｃが形成されている。リザーバ基板４に形成された液滴供給孔１０ｃと、キャビティ基板３に形成された液滴供給孔１０ｂ及び電極基板２に形成された液滴供給孔１０ａは、リザーバ基板４、キャビティ基板３及び電極基板２が接合された状態において互いに繋がって、外部からリザーバ１３内へ液滴を供給するための液滴供給孔１０を形成している（図２参照）。
さらに、リザーバ基板４には、キャビティ基板３の各吐出室１２に連通し、吐出室１２からノズル孔１６に液滴を移送するためのノズル連通孔１５が、リザーバ基板４を貫通して形成されている。
【００２２】
ノズル基板５は、液滴吐出用のノズル孔１６を備えた基板であり、例えば厚さ１００μｍのシリコン基板からなる。ノズル孔１６はキャビティ基板３の各吐出室１２にリザーバ基板４のノズル連通孔１５を介して連通しており、各吐出室１２に対応した数だけ形成されている。なお、本実施形態１では、ノズル孔１６を２段に形成することで液滴を吐出する際の直進性を向上させている（図２参照）。
【００２３】
次に、上記のような各基板２〜５が積層されてなる液滴吐出ヘッド１の作用について説明する。リザーバ１３には液滴供給孔１０を介して外部からインクなどの液滴が供給されている。また、吐出室１２にはリザーバ１３から供給口１４を介して液滴が供給されている。ドライバＩＣ１８には、外部接続端子２０を介して液滴吐出装置の制御部（図示せず）から駆動信号であるパルス電圧が供給されている。ドライバＩＣ１８は上記制御部の制御信号に対応して、各振動板１１に対応した個別電極１７に０Ｖから４０Ｖ程度のパルス電圧を印加し、例えば個別電極１７をプラスに帯電させ、共通電極７をマイナスに帯電させる。このとき振動板１１は静電気力によって共通電極７側に吸引されて撓む。次にパルス電圧をオフにすると、振動板１１にかけられた静電気力がなくなり振動板１１は復元する。このとき吐出室１２の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室１２内の液滴がノズル連通孔１５を介してノズル孔１６から外部に吐出されることとなる。その後、液滴がリザーバ１３から供給口１４を通じて吐出室１２内に補給されて初期状態に戻る。
【００２４】
図３は、図１及び図２に示す液滴吐出ヘッド１が搭載された液滴吐出装置であるインクジェットプリンタの制御系の一例を示す概略ブロック図である。
液滴吐出ヘッド１が搭載された液滴吐出装置は、液滴吐出ヘッド１を駆動制御するための液滴吐出ヘッド駆動制御装置４１を有しており、この液滴吐出ヘッド駆動制御装置４１は、ＣＰＵ４２ａを中心に構成された制御部４２を備えている。ＣＰＵ４２ａにはパーソナルコンピュータなどの外部装置４３からからバス４３ａを介して印刷情報が供給され、また内部バス４２ｂを介してＲＯＭ４４ａ、ＲＡＭ４４ｂ及びキャラクタジェネレータ４４ｃが接続されている。
【００２５】
制御部４２では、ＲＡＭ４４ｂ内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ４４ａ内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタジェネレータ４４ｃから発生するキャラクタ情報に基づき、液滴吐出ヘッド１を駆動するための制御信号を生成する。制御信号は論理ゲートアレイ４５及び駆動パルス発生回路４６を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ４７を経由して液滴吐出ヘッド１に内蔵されたドライバＩＣ１８に供給されるほか、ＣＯＭ発生回路４６ａに供給される。またドライバＩＣ１８には、印字用の駆動パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶなども供給される。なおＣＯＭ発生回路４６ａは、例えば駆動パルスを発生するための共通電極ＩＣ（図示せず）から構成されている。
【００２６】
ＣＯＭ発生回路４６ａでは、供給された上記の各信号に基づき、液滴吐出ヘッド１の共通電極７に印加すべき駆動信号（駆動電圧パルス）をその共通出力端子ＣＯＭ（図示せず）から出力する。またドライバＩＣ１８では、供給された上記の各信号及び電源回路５０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、各個別電極１７に印加すべき駆動信号（駆動電圧パルス）を、各個別電極１７に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力する。共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が、各振動板１１に対応する個別電極１７と共通電極７との間に印加される。振動板１１の駆動時（液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。
【００２７】
図４は、ドライバＩＣ１８及びＣＯＭ発生回路４６ａの内部構成の一例を示す概略ブロック図である。なお、図４に示すドライバＩＣ１８及びＣＯＭ発生回路４６ａは、１組で６４個の個別電極１７及び共通電極７に駆動信号を供給するものとする。
ドライバＩＣ１８は電源回路５０から高電圧系の駆動電圧Ｖｐ及び論理回路系の駆動電圧Ｖｃｃが供給されて動作するＣＭＯＳの６４ビット出力の高耐圧ドライバである。ドライバＩＣ１８は、供給された駆動制御信号に応じて、駆動電圧パルスとＧＮＤ電位の一方を、個別電極７に印加する。
ドライバＩＣ１８は６４ビットのシフトレジスタ６１を有し、シフトレジスタ６１はシリアルデータとして論理ゲートアレイ４５より送信された６４ビット長のＤＩ信号入力を、ＤＩ信号に同期する基本クロックパルスであるＸＳＣＬパルス信号入力によりデータをシフトアップし、シフトレジスタ６１内のレジスタに格納するスタティクシフトレジスタとなっている。ＤＩ信号は６４個の個別電極７のそれぞれを選択するための選択情報をオン／オフにより示す制御信号であり、この信号がシリアルデータとして送信される。
【００２８】
また、ドライバＩＣ１８は６４ビットのラッチ回路６２を有し、ラッチ回路６２はシフトレジスタ６１内に格納された６４ビットデータを制御信号（ラッチパルス）ＬＰによりラッチしてデータを格納し、格納されたデータを６４ビット反転回路６３に信号出力するスタティクラッチである。ラッチ回路６２では、シリアルデータのＤＩ信号が各振動板１１の駆動を行うための６４セグメント出力を行うための６４ビットのパラレル信号へと変換される。
反転回路６３では、ラッチ回路６２から入力される信号と、ＲＥＶ信号との排他的論理和をレベルシフタ６４へ出力する。レベルシフタ６４は、反転回路６３からの信号の電圧レベルをロジック系の電圧レベル（５Ｖレベル又は３．３Ｖレベル）からヘッド駆動系の電圧レベル（０〜４５Ｖレベル）に変換するレベルインターフェイス回路である。
【００２９】
ＳＥＧドライバ６５は、６４チャンネルのトランスミッションゲート出力となっていて、レベルシフタ６４の入力によりＳＥＧ１〜ＳＥＧ６４のセグメント出力に対して、駆動電圧パルス入力か又はＧＮＤ入力のいずれかを出力する。ＣＯＭ発生回路４６ａに内蔵されたＣＯＭドライバ６６は、ＲＥＶ入力に対して駆動電圧パルスか又はＧＮＤ入力のいずれかをＣＯＭへ出力する。
ＸＳＣＬ、ＤＩ、ＬＰ及びＲＥＶの各信号は、ロジック系の電圧レベルの信号であり、論理ゲートアレイ４５よりドライバＩＣ１８に送信される信号である。
このようにドライバＩＣ１８及びＣＯＭ発生回路４６ａを構成することにより、駆動するセグメント数（振動板１１の数）が増加した場合においても容易に液滴吐出ヘッド１の振動板１１の駆動する駆動電圧パルスとＧＮＤとを切り替えることが可能となる。
【００３０】
本実施形態１の液滴吐出ヘッド１は、静電駆動制御のためのドライバＩＣ１８がキャビティ基板３に半導体プロセスによって予め作り込まれているので、液滴吐出ヘッド１のサイズが小さく、しかもノズル孔１６の多列化、高密度化が可能となっている。また、電極基板２の共通電極７とキャビティ基板３のドライバＩＣ１８との電気的な接触面積をノズル密度に拘束されることなく大きくでき、その接続を確実にすることができる。さらに、ドライバＩＣ１８を実装する作業が不要となり、また、電極基板２の共通電極７とキャビティ基板３のドライバＩＣ１８との電気的な接点数も少なくできるので、製造コストも大きく低減することが可能となる。さらに、共通電極７と個別電極１７とが対向する隙間（振動室）２１が、電極基板２の溝６ａとキャビティ基板３の底面とによって密閉されているので、それを封止材などを用いて封止する場合に比べて耐久性が向上する。
【００３１】
次に、液滴吐出ヘッド１の製造方法について説明する。以下では、まず、液滴吐出ヘッド１を構成するキャビティ基板３、リザーバ基板４、ノズル基板５並びに電極基板２の各製造方法を順に説明し、最後にそれらの組み付け方法を説明する。
【００３２】
（Ａ）キャビティ基板３の製造方法−実施例１
図５〜図６はキャビティ基板３の製造方法の一例を示す工程図である。以下、これらの図に沿って説明する。まず、キャビティ基板３となる適当な厚さのシリコン基板３ａの片面に、ドライバＩＣ１８を半導体プロセスにより形成する（図５-ａ）。
次に、シリコン基板３ａのドライバＩＣ１８形成側面に、振動板１１となる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、さらに、後から形成される個別電極１７との接点１７ａとなる箇所をパターニングする（図５−ｂ）。
次に、上記酸化シリコン膜の表面に、個別電極１７となる金属膜をスパッタで形成し、その全面を個別電極１７の形状に合わせてパターニングする（図５−ｃ）。
次に、絶縁膜１９となる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、共通電極７の接点７ａ、外部接続端子２０の接点２０ａ、及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングする（図５−ｄ）。なお、この際、振動板１１の酸化シリコンも同時にパターニングされる。
次に、図５−ｄまでの工程が完了したシリコン基板３ａと、振動板１１に対応する共通電極７が形成された電極基板２とを隙間２１を介して接合する（図５−ｅ）。この接合は、接着剤、又は陽極接合あるいは表面活性常温接合などを利用して行うことができる。なお、電極基板２の製造方法および接合方法については後で改めて詳細に説明する。
次に、シリコン基板３ａを所望の厚さに研削し、更に表面の加工変質層をエッチングなどを利用して除去する（図６−ｆ）。
次に、シリコン基板３ａの振動板１１形成側と反対側の表面にレジスト２５を塗布し、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングする（図６−ｇ）。
次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）放電によるドライエッチングで、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａを形成する（図６−ｈ）。
そして、液滴供給孔１０ｂの底部に残った酸化シリコン膜を電極基板２側からＲＩＥ（Reactive Ion Etching）で除去する（図６−ｉ）。以上で電極基板２に接合されたキャビティ基板３の加工が完了する。
【００３３】
(Ｂ)キャビティ基板３の製造方法−実施例２
図７〜図８はキャビティ基板３の製造方法の他の例を示す工程図である。以下、これらの図に沿って説明する。まず、キャビティ基板３となる適当な厚さのシリコン基板３ａの片面に、ドライバＩＣ１８を半導体プロセスにより形成する（図７-ａ）。
次に、シリコン基板３ａのドライバＩＣ１８形成側面に、エッチングストップ層１１ａとなる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、さらに、個別電極の接点１７ａとなる箇所をパターニングする（図７−ｂ）。
次に、振動板１１となるポリシリコン層をＣＶＤで形成し、シリコン基板３ａの片側面全域をＰ型にする。その後、個別電極１７の形状に合わせてＮ型、Ｐ型の順で拡散し、個別電極１７となる拡散領域を形成する（図７−ｃ）。なお、このようにして形成された拡散電極の斜視図を、電極基板２側から見た図として図９に示しておく。
次に、絶縁膜１９となる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、共通電極の接点７ａ、外部接続端子２０の接点２０ａ及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングして開口する（図７−ｄ）。
次に、図７−ｄまでの工程が完了したシリコン基板３ａと、振動板１１に対応する共通電極７が形成された電極基板２とを隙間２１を介して接合する（図７−ｅ）。
次に、シリコン基板３ａを所望の厚さに研削し、更に表面の加工変質層をエッチングなどを利用して除去する（図８−ｆ）。
次に、シリコン基板３ａの振動板１１形成側と反対側の表面にレジスト２５を塗布し、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングする（図８−ｇ）。
次に、ＩＣＰ放電によるドライエッチングで、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａを形成する（図８−ｈ）。
そして、液滴供給孔１０ｂの底部に残った酸化シリコン膜／ポリシリコン層／酸化シリコン膜を、電極基板２側からＲＩＥで除去する（図８−ｉ）。以上で電極基板２に接合されたキャビティ基板３の加工が完了する。
【００３４】
(Ｃ)リザーバ基板４の製造方法
図１０〜図１１はリザーバ基板４の製造方法の一例を示す工程図である。以下、これらの図に沿って説明する。まず、リザーバ基板４となるシリコン基板４ａの全面に熱酸化膜２７を形成し、キャビティ基板３と対峙する側の面（以下、Ｃ面と称する）に、ノズル連通孔１５、供給口１４、液滴供給孔１０ｃをパターニングする（図１０-ａ）。なお、シリコン基板４ａは、厚さが例えば１８０μｍで面方位が１００の基板とする。
この例では、キャビティ基板３の吐出室１２に対応する領域２２も凹部（第２キャビティ２２と称す）とするようにパターニングしているが、リザーバ基板４に第２キャビティ２２は必ずしも必要なものではない。
パターニングした後の熱酸化膜２７の厚さは、
ノズル連通孔１５部＝０、供給口１４部＝液滴供給孔１０ｃ部＜第２キャビティ２２部
とする。
次に、シリコン基板４ａのＣ面のノズル連通孔１５をＩＣＰで１５０μｍ程度ドライエッチングする（図１０−ｂ）。
次に、シリコン基板４ａの熱酸化膜２７をハーフエッチングする。この場合、供給口１４部及び液滴供給孔１０ｃ部では熱酸化膜２７がない状態とし、他の部分はその厚みを薄くする（図１０−ｃ）。
次に、シリコン基板４ａのＣ面のノズル連通孔１５、供給口１４及び液滴供給孔１０ｃをＩＣＰで２５μｍ程度ドライエッチングする（図１０−ｄ）。
次に、シリコン基板４ａの熱酸化膜２７を再びハーフエッチングする。この場合、第２キャビティ部２２では熱酸化膜２７がない状態とし、他の部分はその厚みを薄くする（図１０−ｅ）。
次に、シリコン基板４ａのＣ面のノズル連通孔１５、供給口１４及び液滴供給孔１０ｃをＩＣＰ放電で２５μｍ程度ドライエッチングする。この工程により、ノズル連通孔１５はシリコン基板４ａを貫通する（図１１−ｆ）。
次に、シリコン基板４ａの熱酸化膜２７を剥離する（図１１−ｇ）。
次に、シリコン基板４ａに再び熱酸化膜２７を形成し、ノズル基板５と対峙する面側（以下、Ｎ面と称する）に、リザーバ１３を形成するためのパターニングを行う（図１１−ｈ）。
次に、シリコン基板４ａのＮ面を水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液で１３０μｍ程度ウェットエッチングする（図１１−ｉ）。
次に、シリコン基板４ａから熱酸化膜２７を除去して、供給口１４及び液滴供給孔１０ｃを貫通させ、その後ドライ酸化でシリコン基板４ａの表面に液保護膜２８を形成する（図１１−ｊ）。以上でリザーバ基板４の加工が完了する。
【００３５】
(Ｄ)ノズル基板５の製造方法
図１２はノズル基板５の製造方法の一例を示す工程図である。以下、図１２に沿って説明する。まず、ノズル基板５となる例えば厚さ１００μｍのシリコン基板５ａの全面に熱酸化膜２７を形成し、ノズル孔１６の形状に合わせてその熱酸化膜２７をパターニングする（図１２-ａ）。なお、ここではノズル孔１６を２つの径を有する第１ノズル孔１６ａと第２ノズル孔１６ｂの２段構成にするものとし、そのためそれに対応する部分の熱酸化膜２７も２段構成にパターニングする。
次に、シリコン基板５ａの第１ノズル孔１６ａの先導部分をＩＣＰによるドライエッチングで形成する（図１２−ｂ）。
次に、シリコン基板５ａの第２ノズル孔１６ｂの先導部分の熱酸化膜２７を緩衝ふっ酸水溶液（ＢＨＦ：NH4F/HF/H2O）でハーフエッチングする（図１２−ｃ）。
次に、シリコン基板５ａの第１ノズル孔１６ａ及び第２ノズル孔１６ｂに対応する部分をＩＣＰによるドライエッチングで形成する（図１２−ｄ）。
そして、シリコン基板５ａの熱酸化膜２７を一旦除去し、その後再びシリコン基板５ａの表面を熱酸化して液保護膜２８を形成する（図１２−ｅ）。以上でノズル基板５の加工が完了する。
【００３６】
(Ｅ)電極基板２の製造方法
図１３は電極基板２の製造方法の一例を示す工程図である。以下、図１３に沿って説明する。まず、電極基板２となる例えば厚さ１ｍｍのガラス基板２ａの片面にクロム（Ｃｒ）膜２９をスパッタで形成する（図１３-ａ）。なお、電極基板２のガラス基板は、シリコンと線膨張係数が近い硼珪酸ガラスとするのが好ましい。これにより、キャビテイ基板３となるシリコン基板３ａの接合、及びそれ以降の工程で高温プロセスを採用しても、接合界面に応力が発生せず、界面欠陥を減らすことができる。
次に、ガラス基板２ａのクロム膜２９上に形成したレジスト３０を利用して、クロム膜２９をガラス基板２ａにこれから形成しようとする溝６ａ，６ｂの形状に合わせてパターニングする（図１３−ｂ）。
次に、ガラス基板２ａをフッ酸水溶液を利用したエッチングにより、深さ０．３μｍ程度の共通電極７用の溝６ａ及び外部接続端子２０用の溝６ｂを形成する（図１２−ｃ）。
次に、クロム膜２９及びレジスト３０を除去した後、ガラス基板２ａの溝６ａ，６ｂが形成された側の全面にＩＴＯ３１を成膜する（図１２−ｄ）。
次に、共通電極７、外部接続端子２０、及びこれらのドライバＩＣ１８との接点７ａ、２０ａの形状に合わせてＩＴＯをパターニングする（図１２−ｅ）。
最後、ガラス基板２ａに液滴供給孔１０ａをサンドブラスで形成する（図１２−）。以上でガラス基板２の加工が完了する。
【００３７】
（Ｆ）各基板２〜５の組み付け方法
上記（Ｅ）のようにして作成された電極基板は、上記（Ａ）、（Ｂ）で説明したように、ドライバＩＣ１８が半導体プロセスにより形成されているが吐出室１２となる凹部１２ａなどが形成前のシリコン基板３ａに接合される。この接合により、キャビティ基板３の各振動板１１及び個別電極１７と、電極基板２の共通電極７とが隙間２１を介して対峙し、その隙間２１は電極基板２の個別電極用の溝６ａとシリコン基板３ａの底面により密閉される（図２参照）。従って、隙間２１の密閉のために封止材を使用する必要はない。
なお、電極基板２とシリコン基板３ａの接合には各種の接合方法が利用できるが、接合時、シリコン基板３ａ中に作り込まれているドライバＩＣ１８を破壊しないよう注意する必要がある。このような問題を回避するには、表面活性常温接合の利用が好ましい。表面活性常温接合は、接合の妨げになる各基板２，３ａの表面層を除去することにより、常温で表面の原子の結合手同士を直接結合させ強固な接合を形成するもので、表面層の除去には、イオンビームやプラズマなどによるスパッタエッチングを用いる。なお、イオンビームにはアルゴンなどの不活性ガスが用いられ、またそのプロセスは高真空に排気した真空チャンバ中で行う。このように、表面活性常温接合では常温かつ無電界で２つの基板の接合が行われるため、ドライバＩＣ１８を破壊するリスクが回避できる。
【００３８】
また、キャビティ基板３を製造するためのシリコン基板３ａの加工に、ドライエッチングを使用したことで、次のような効果も得られる。すなわち、ドライエッチングは再度エッチング量が小さく垂直性に優れるため、高密度かつ高精度なキャビティが形成できる。加えて、ドライプロセスのため、アクチュエータが構成されている隙間（振動室）２１にエッチング液が侵入するのも防止できる。
【００３９】
以上のようにして電極基板２に接合されたシリコン基板３ａに、吐出室１２などの必要な凹部（キャビティ）を形成してキャビティ基板３とした後、そのキャビティ基板３に接着剤を利用してリザーバ基板４を接合する。さらに、キャビティ基板３に接合されたリザーバ基板４にノズル基板５を、ノズル連通孔１５とノズル孔１６とを対応させて、接着剤を利用して接合する。これにより、液滴吐出ヘッド１が完成する。
【００４０】
実施形態２
図１４は、実施形態１で説明した液滴吐出ヘッド１を搭載した液滴吐出装置であるインクジェットプリンタ１００の斜視図である。
液滴吐出ヘッド１は既に説明したように、静電駆動のためのドライバＩＣ１８がキャビティ基板３に半導体プロセスによって予め作り込まれているので、そのサイズが小さくなり、しかもノズル孔１６の高密度化が可能となっている。さらに耐久性にも優れている。従って、この液滴吐出ヘッド１を備えたプリンタ１００は、小型で多くの色を出すことができ、耐久性にも優れたものとなっている。
なお、実施形態１の液滴吐出ヘッド１は、図１４に示すインジェットプリンタの他に、吐出させる液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、基板の配線形成、生体液体のサンプリングなどにおける各種液滴を吐出する装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】図１に示す液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の縦断面図。
【図３】液滴吐出ヘッドが搭載された液滴吐出装置の制御系を示す概略ブロック図。
【図４】ドライバＩＣ及びＣＯＭ発生回路の内部構成の一例を示す概略ブロック図。
【図５】キャビティ基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図６】図５の続きを示す工程図。
【図７】キャビティ基板の製造方法の別の例を示す工程図。
【図８】図７の続きを示す工程図。
【図９】拡散により個別電極が形成されたキャビティ基板の斜視図。
【図１０】リザーバ基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図１１】図１０の続きを示す工程図。
【図１２】ノズル基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図１３】電極基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図１４】本発明の実施形態２に係る液滴吐出装置の外観斜視図。
【符号の説明】
【００４２】
１ 液滴吐出ヘッド、２ 電極基板、３ キャビティ基板、４ リザーバ基板、５ ノズル基板、６ａ 電極形成用の溝、６ｂ 外部接続端子形成用の溝、７ 共通電極、７ａ 接点、９ 接続部、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 液滴供給孔、１１ 振動板、１２ 吐出室、１２ａ 吐出室用の凹部、１３ リザーバ、１３ａ リザーバ用の凹部、１４ 供給口、１５ ノズル連通孔、１６ ノズル孔、１７ 個別電極、１７ａ 接点、１８ ドライバＩＣ、１９ 絶縁膜、２０ 外部接続端子、２０ａ 接点、２１ 隙間（振動室）、２１ａ 外部接続端子用開口部、１００ 液滴吐出装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関し、特にその小型化、高密度化に関連するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の静電駆動方式のインクジェットプリンタでは、高解像度画像の高速印刷及び多色印刷のために、インクジェットヘッドの多ノズル化及び多列化が進んでおり、それに伴って１列当たりのノズル及び吐出室の数が増加し、ノズル列の長尺化が進んでいる。このノズル列は一般的に、１列ごとに異なった色のインク（例えば、赤、緑、青など）を吐出するようになっている。
【０００３】
従来の液体噴射ヘッド及び液体噴射装置において、インク流路及び電気熱変換素子を設けた基板の表面に素子の駆動制御用ＩＣを直接実装すると共に、該ＩＣを駆動するための入力信号を供給するためのＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）を基板に実装したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２１０９６９号公報（図１、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記のような素子の駆動制御用ＩＣを基板上に実装する液体噴射ヘッドでは（例えば、特許文献１参照）、以下のような問題があった。
・製造に際して歩留まり低下やコスト上昇を招く。
・ノズル列密度はＩＣの実装密度に拘束される。
・アクチュエータを構成する電極とＩＣとの接点に寄生容量が発生して、高駆動周波数化と低消費電力化の点において不利となる場合がある。
・ＩＣはその厚さを薄くする必要があり、ＩＣの薄形化工程などにコストがかかる。
【０００５】
本発明は、上記課題に対応してなされたもので、サイズを小さくすることができ、しかもノズル、吐出室などを高密度化、多列化することが可能な液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することを目的とする。加えて、アクチュエータを構成する電極とＩＣとの接点に発生する寄生容量を少なくでき、製造コストも低減できる液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、底壁が振動板を構成し吐出用液滴を溜めておく吐出室となる複数の凹部が形成されたシリコン製のキャビティ基板と、前記振動板に隙間を介して対向する電極が形成された電極基板と、前記吐出室に液滴を供給するリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室から前記ノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板と、前記振動板を静電駆動する前記キャビティ基板に作り込まれたドライバＩＣとを備え、前記電極基板、前記キャビティ基板、前記リザーバ基板、前記ノズル基板が順に積層され、前記電極が密閉されているものである。
この液滴吐出ヘッドによれば、ドライバＩＣを実装する工程がなくなり、製造工程数の低減と製造コストの削減に寄与する。また、ドライバＩＣの実装密度に拘束されることなく電極を形成できるので、ノズル列密度の向上にも寄与する。
【０００７】
上記液滴吐出ヘッドにおいては、前記電極基板の前記電極を共通電極とし、前記各吐出室の底壁を個別電極とすることが好ましい。これによれば、異なる基板に形成されているＩＣと共通電極の接点の面積をノズル密度に拘束されることなく大きくとることができるので、接続の確実性が向上する。
また、前記共通電極は前記電極基板の表面の溝内に形成され、かつ前記溝の一端で前記溝の周囲壁にまで乗り上げて形成されていて、前記ＩＣが前記溝の周囲壁に乗り上げて形成された共通電極上に配置されて前記共通電極と直接接続される態様が好ましい。これによれば、キャビティ基板に形成する振動板、個別電極、絶縁膜の膜厚を調整することで、共通電極に対する接点が比較的容易に形成できる。
【０００８】
また、前記共通電極の密閉領域とは別の領域に形成された溝内に、ＩＣから配線を引き出す外部接続端子を形成しているのが好ましい。これによれば、共通電極部分から外部接続端子を引き出す構造の場合に行っていた共通電極のある隙間（振動室とも称する）を有機物などで封止することが不要となる。従って、コストの削減や耐久性の向上に寄与できる。
また、前記個別電極が前記振動板の表面に形成され、前記個別電極を含めて前記振動板が絶縁膜で被膜されているのが好ましい。これにより、個別電極を共通電極から絶縁することができるとともに、吐出室の液滴からの保護も可能となる。しかも、キャビティ基板に形成された個別電極とＩＣとを接続しているため接続が容易で、その接続に起因する寄生容量も低減する。従って、高駆動周波数化と低消費電力化が可能となる。
また、前記振動板が前記キャビティ基板に形成されたエッチングストップ層と絶縁膜との間にあるのが好ましい。これによれば、キャビティ基板と振動板を同一の素材にすることができ、熱膨張係数差や応力差による不具合を回避することができる。
【０００９】
また、前記個別電極が金属薄膜からなることが好ましい。こうすることで、厚さが均一で電気伝導性に優れ、振動板の動作に悪影響を及ぼさないしなやかな電極を容易に形成することができる。
また、前記振動板と前記絶縁膜が同じ物質からなることが好ましい。これにより、振動板及び絶縁膜の除去を同時に実施することができるという利点が得られる。
【００１０】
また、前記キャビティ基板は単結晶シリコンとし、前記振動板は酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、のいずれかからなるものであることが好ましい。これにより、厚さが均一な振動板を容易に形成することができる。また、振動板を上記の種類のものとすることで、それらをキャビティ基板の吐出室をエッチングする際のエッチングストップ層として機能させることができる。なお、窒化シリコンは酸化シリコンに比べ、ウェットエッチング耐性に優れる。一方、アルミナは酸化シリコンに比べ、ドライエッチング耐性に優れる。
また、前記キャビティ基板は単結晶シリコンとし、前記振動板はポリシリコンから構成してもよい。これによれば、厚さが均一な振動板を容易に形成することができることに加え、前記キャビティ基板と振動板を同一の素材にすることができ、熱膨張係数差や応力差による不具合を回避することができる。また、高精度な個別電極を拡散で容易に形成することが可能となる。
【００１１】
また、前記共通電極及び前記外部接続端子がＩＴＯからなることが好ましい。これにより、表面状態が良好で振動板が張り付かない電極を容易に形成できる。しかも、透明であるため、アクチュエータの観察が容易に行える。さらに、共通電極と外部接続端子を同時に形成できるので有利である。
また、前記電極基板は硼珪酸ガラスであることであることが好ましい。硼珪酸ガラスはシリコン製のキャビティ基板と線膨張係数が近似するので、電極基板とキャビティ基板の接合及びそれ以降の工程で高温プロセスを採用しても接合界面に応力が発生せず、界面欠陥を減らすことができる。
【００１２】
本発明の液滴吐出装置は、その液滴吐出ヘッドとして上記いずれかの液滴吐出ヘッドを備えたものである。この液滴吐出装置は、上述したような液滴吐出ヘッドに伴う効果により、小型で耐久性に優れた装置となっている。
【００１３】
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン製のキャビティ基板に、静電駆動用のドライバＩＣ、前記ＩＣで駆動制御される複数の個別電極及び振動板を形成するステップと、共通電極が形成された電極基板と前記キャビティ基板を、前記共通電極と前記個別電極とを隙間を介して対向させ、かつ前記共通電極と前記ＩＣとを接続させて接合するステップと、前記電極基板と接合された前記キャビティ基板の個別電極対応部分に、吐出用液滴を溜めておく吐出室となる凹部を形成するステップと、液滴を貯えておくリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板を、前記キャビティ基板に接合するステップと、複数の前記ノズル孔が形成されたノズル基板を、前記リザーバ基板に接合するステップとを備える。なおこれには、振動板が拡散処理されて個別電極を兼用している場合も含む。
この方法により、ドライバＩＣを実装する必要が無くなり、製造の際の工程数とコストの削減が図れる。また、ドライバＩＣの実装密度に拘束されることなく電極を形成できるので、ノズル列密度も向上する。
【００１４】
なお、前記個別電極を拡散を利用して形成することが好ましい。これによれば、高精度な電極を半導体プロセスで容易に形成することができる。しかも、駆動による断線などの欠陥のない耐久性の高い電極を提供できる。
また、前記電極基板と前記キャビティ基板とを表面活性常温接合することが好ましい。電極基板とキャビティ基板の接合には陽極接合が広く行われているが、陽極接合では３００℃以上の高温と６００Ｖ以上の強電界が必要となる。これに対して、表面活性常温接合では常温かつ無電界で接合するため、接合時にドライバＩＣを破壊するリスクが回避できる。
さらに、前記キャビティ基板の前記吐出室用の凹部をドライエッチングで形成することが好ましい。ドライエッチングは、サイドエッチング量が小さいく垂直性に優れるため、高密度かつ高精度なキャビティを形成できる。また、ドライプロセスのため対向する電極で構成される振動室へ薬液が浸入するリスクを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施形態１
図１は本発明の実施形態１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が組み立てられた状態の縦断面図であり、図１におけるＡ−Ａ方向断面を示している。なお、図２の外部接続端子２０の部分は図１では現れていない。図１及び図２に示す液滴吐出ヘッド１は、ノズル基板５の表面側に設けられたノズル孔１６から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものであり、また静電気力により駆動される静電駆動方式のものである。以下、図１及び図２を用いて本実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの構造及び作用について説明する。
【００１６】
本実施形態１に係る液滴吐出ヘッド１は、従来の一般的な静電駆動方式の液滴吐出ヘッドのように３層構造ではなく、電極基板２、キャビティ基板３、リザーバ基板４、及びノズル基板５の４層構造となっている。すなわち、リザーバ基板４の一方の面にはノズル基板５が接合されており、リザーバ基板４の他方の面にはキャビティ基板３が接合されている。またキャビティ基板３のリザーバ基板４が接合された面と反対側の面には、電極基板２が接合されている。このように、液滴吐出ヘッド１は、電極基板２、キャビティ基板３、リザーバ基板４、ノズル基板５が順に接合されている。
【００１７】
電極基板２はガラスあるいはシリコンなどからなる。なおガラスの場合には、厚さが１ｍｍ程度の硼珪酸ガラスを利用することが好ましい。その理由はシリコン製のキャビティ基板３と線膨張係数が近似しているからである。
電極基板２には表面に複数の電極形成用の溝６ａの列が形成されている。電極形成用の溝６ａの深さは、例えば深さ０．３μｍであり、これらの溝６ａの内部には、全ての溝６ａ間で共通する共通電極７が、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製されている。そして、電極基板２とキャビティ基板３を接合した後の共通電極７とキャビティ基板３の対向面（振動板１１が形成された領域）の隙間（振動室ともいう）２１は０．２μｍとなっている。この例の場合、隙間２１は電極基板２の電極形成用の溝６ａの形状とキャビティ基板３の底面によって密閉状態とされている。
また、電極基板２には液滴供給孔１０ａが形成されており、この液滴供給孔１０ａは電極基板２を貫通している。
【００１８】
図２に示すように、共通電極７はその一端において、キャビティ基板３に作り込まれたドライバＩＣ１８に接続されている。すなわち、共通電極７は電極基板２の電極形成用の溝６ａ内に形成されるとともに、その溝６ａの一端では溝周囲壁にまで乗り上げて形成されている。この電極形成用の溝６ａの周囲壁に乗り上げて形成された共通電極７の接続部９上に、ドライバＩＣ１８が配置されて共通電極７と電気的に直接接続されている。これにより、キャビティ基板３に作り込まれたドライバＩＣ１８と電極基板２の共通電極７との接点数を少なくでき、これらの間の接点に起因する寄生容量の発生を低減することができる。また、ドライバＩＣ１８と共通電極７の接点の面積をノズル密度に拘束されることなく大きくとることができる。
さらに、電極基板２は溝６ａとキャビティ基板３の底面で形成される共通電極７の密閉領域とは別の領域に、外部接続端子用の溝６ｂを備え、その溝６ｂ内にドライバＩＣ１８から配線を引き出す外部接続端子２０を形成している。このようにすることで、液滴吐出ヘッドのアクチュエータを構成する電極７，１７を封止材を用いることなく、密閉構造とすることが可能となっている。
【００１９】
キャビティ基板３はシリコン製で、例えば単結晶シリコン基板などからなる。キャビティ基板３は、振動板１１として作用する底壁を有した吐出室（ノズル孔１６へ吐出液を送り出す部屋）１２となる凹部１２ａが、共通電極７の複数の列に対応して複数形成されている。また、その振動板１１の表面には、電極基板２の共通電極７に対応する個別電極１７が金属薄膜で形成されている。そして、それらの振動板１１及び個別電極１７は、酸化シリコンの絶縁膜１９で被膜されている。絶縁膜１９は振動板１１の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止する作用を果たしている。
このキャビティ基板３には、液滴吐出のためのアクチュエータを構成している振動板１１の振動を静電駆動制御するためのドライバＩＣ１８が、半導体プロセスによって直接作り込まれている。
また、キャビティ基板３には、キャビティ基板３を貫通する液滴供給孔１０ｂが形成されている。
【００２０】
振動板１１は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、あるいはポリシリコン（Poly-Si）などから構成することができる。なお、酸化シリコン、窒化シリコン、アルミナを振動板とする場合には、キャビティ基板３表面に予め形成したそれらを、吐出室１２の凹部１２ａ形成時のエッチングストップ層として利用できる。ポリシリコンを振動板とする場合には拡散を利用して振動板１１を個別電極１７としても作用させることができるので、半導体プロセスによる高精度な個別電極１７を形成することができる。
【００２１】
リザーバ基板４は、例えば単結晶シリコンからなり、吐出室１２に液滴を供給するためのリザーバ（共通液滴室）１３となる凹部１３ａが形成されており、凹部１３ａの底面には、リザーバ１３からキャビティ基板３の吐出室１２へ液滴を移送するための流路である供給口１４が形成されている。また、凹部１３ａの底面には、その底面を貫通する液滴供給孔１０ｃが形成されている。リザーバ基板４に形成された液滴供給孔１０ｃと、キャビティ基板３に形成された液滴供給孔１０ｂ及び電極基板２に形成された液滴供給孔１０ａは、リザーバ基板４、キャビティ基板３及び電極基板２が接合された状態において互いに繋がって、外部からリザーバ１３内へ液滴を供給するための液滴供給孔１０を形成している（図２参照）。
さらに、リザーバ基板４には、キャビティ基板３の各吐出室１２に連通し、吐出室１２からノズル孔１６に液滴を移送するためのノズル連通孔１５が、リザーバ基板４を貫通して形成されている。
【００２２】
ノズル基板５は、液滴吐出用のノズル孔１６を備えた基板であり、例えば厚さ１００μｍのシリコン基板からなる。ノズル孔１６はキャビティ基板３の各吐出室１２にリザーバ基板４のノズル連通孔１５を介して連通しており、各吐出室１２に対応した数だけ形成されている。なお、本実施形態１では、ノズル孔１６を２段に形成することで液滴を吐出する際の直進性を向上させている（図２参照）。
【００２３】
次に、上記のような各基板２〜５が積層されてなる液滴吐出ヘッド１の作用について説明する。リザーバ１３には液滴供給孔１０を介して外部からインクなどの液滴が供給されている。また、吐出室１２にはリザーバ１３から供給口１４を介して液滴が供給されている。ドライバＩＣ１８には、外部接続端子２０を介して液滴吐出装置の制御部（図示せず）から駆動信号であるパルス電圧が供給されている。ドライバＩＣ１８は上記制御部の制御信号に対応して、各振動板１１に対応した個別電極１７に０Ｖから４０Ｖ程度のパルス電圧を印加し、例えば個別電極１７をプラスに帯電させ、共通電極７をマイナスに帯電させる。このとき振動板１１は静電気力によって共通電極７側に吸引されて撓む。次にパルス電圧をオフにすると、振動板１１にかけられた静電気力がなくなり振動板１１は復元する。このとき吐出室１２の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室１２内の液滴がノズル連通孔１５を介してノズル孔１６から外部に吐出されることとなる。その後、液滴がリザーバ１３から供給口１４を通じて吐出室１２内に補給されて初期状態に戻る。
【００２４】
図３は、図１及び図２に示す液滴吐出ヘッド１が搭載された液滴吐出装置であるインクジェットプリンタの制御系の一例を示す概略ブロック図である。
液滴吐出ヘッド１が搭載された液滴吐出装置は、液滴吐出ヘッド１を駆動制御するための液滴吐出ヘッド駆動制御装置４１を有しており、この液滴吐出ヘッド駆動制御装置４１は、ＣＰＵ４２ａを中心に構成された制御部４２を備えている。ＣＰＵ４２ａにはパーソナルコンピュータなどの外部装置４３からからバス４３ａを介して印刷情報が供給され、また内部バス４２ｂを介してＲＯＭ４４ａ、ＲＡＭ４４ｂ及びキャラクタジェネレータ４４ｃが接続されている。
【００２５】
制御部４２では、ＲＡＭ４４ｂ内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ４４ａ内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタジェネレータ４４ｃから発生するキャラクタ情報に基づき、液滴吐出ヘッド１を駆動するための制御信号を生成する。制御信号は論理ゲートアレイ４５及び駆動パルス発生回路４６を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ４７を経由して液滴吐出ヘッド１に内蔵されたドライバＩＣ１８に供給されるほか、ＣＯＭ発生回路４６ａに供給される。またドライバＩＣ１８には、印字用の駆動パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶなども供給される。なおＣＯＭ発生回路４６ａは、例えば駆動パルスを発生するための共通電極ＩＣ（図示せず）から構成されている。
【００２６】
ＣＯＭ発生回路４６ａでは、供給された上記の各信号に基づき、液滴吐出ヘッド１の共通電極７に印加すべき駆動信号（駆動電圧パルス）をその共通出力端子ＣＯＭ（図示せず）から出力する。またドライバＩＣ１８では、供給された上記の各信号及び電源回路５０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、各個別電極１７に印加すべき駆動信号（駆動電圧パルス）を、各個別電極１７に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力する。共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が、各振動板１１に対応する個別電極１７と共通電極７との間に印加される。振動板１１の駆動時（液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。
【００２７】
図４は、ドライバＩＣ１８及びＣＯＭ発生回路４６ａの内部構成の一例を示す概略ブロック図である。なお、図４に示すドライバＩＣ１８及びＣＯＭ発生回路４６ａは、１組で６４個の個別電極１７及び共通電極７に駆動信号を供給するものとする。
ドライバＩＣ１８は電源回路５０から高電圧系の駆動電圧Ｖｐ及び論理回路系の駆動電圧Ｖｃｃが供給されて動作するＣＭＯＳの６４ビット出力の高耐圧ドライバである。ドライバＩＣ１８は、供給された駆動制御信号に応じて、駆動電圧パルスとＧＮＤ電位の一方を、個別電極７に印加する。
ドライバＩＣ１８は６４ビットのシフトレジスタ６１を有し、シフトレジスタ６１はシリアルデータとして論理ゲートアレイ４５より送信された６４ビット長のＤＩ信号入力を、ＤＩ信号に同期する基本クロックパルスであるＸＳＣＬパルス信号入力によりデータをシフトアップし、シフトレジスタ６１内のレジスタに格納するスタティクシフトレジスタとなっている。ＤＩ信号は６４個の個別電極７のそれぞれを選択するための選択情報をオン／オフにより示す制御信号であり、この信号がシリアルデータとして送信される。
【００２８】
また、ドライバＩＣ１８は６４ビットのラッチ回路６２を有し、ラッチ回路６２はシフトレジスタ６１内に格納された６４ビットデータを制御信号（ラッチパルス）ＬＰによりラッチしてデータを格納し、格納されたデータを６４ビット反転回路６３に信号出力するスタティクラッチである。ラッチ回路６２では、シリアルデータのＤＩ信号が各振動板１１の駆動を行うための６４セグメント出力を行うための６４ビットのパラレル信号へと変換される。
反転回路６３では、ラッチ回路６２から入力される信号と、ＲＥＶ信号との排他的論理和をレベルシフタ６４へ出力する。レベルシフタ６４は、反転回路６３からの信号の電圧レベルをロジック系の電圧レベル（５Ｖレベル又は３．３Ｖレベル）からヘッド駆動系の電圧レベル（０〜４５Ｖレベル）に変換するレベルインターフェイス回路である。
【００２９】
ＳＥＧドライバ６５は、６４チャンネルのトランスミッションゲート出力となっていて、レベルシフタ６４の入力によりＳＥＧ１〜ＳＥＧ６４のセグメント出力に対して、駆動電圧パルス入力か又はＧＮＤ入力のいずれかを出力する。ＣＯＭ発生回路４６ａに内蔵されたＣＯＭドライバ６６は、ＲＥＶ入力に対して駆動電圧パルスか又はＧＮＤ入力のいずれかをＣＯＭへ出力する。
ＸＳＣＬ、ＤＩ、ＬＰ及びＲＥＶの各信号は、ロジック系の電圧レベルの信号であり、論理ゲートアレイ４５よりドライバＩＣ１８に送信される信号である。
このようにドライバＩＣ１８及びＣＯＭ発生回路４６ａを構成することにより、駆動するセグメント数（振動板１１の数）が増加した場合においても容易に液滴吐出ヘッド１の振動板１１の駆動する駆動電圧パルスとＧＮＤとを切り替えることが可能となる。
【００３０】
本実施形態１の液滴吐出ヘッド１は、静電駆動制御のためのドライバＩＣ１８がキャビティ基板３に半導体プロセスによって予め作り込まれているので、液滴吐出ヘッド１のサイズが小さく、しかもノズル孔１６の多列化、高密度化が可能となっている。また、電極基板２の共通電極７とキャビティ基板３のドライバＩＣ１８との電気的な接触面積をノズル密度に拘束されることなく大きくでき、その接続を確実にすることができる。さらに、ドライバＩＣ１８を実装する作業が不要となり、また、電極基板２の共通電極７とキャビティ基板３のドライバＩＣ１８との電気的な接点数も少なくできるので、製造コストも大きく低減することが可能となる。さらに、共通電極７と個別電極１７とが対向する隙間（振動室）２１が、電極基板２の溝６ａとキャビティ基板３の底面とによって密閉されているので、それを封止材などを用いて封止する場合に比べて耐久性が向上する。
【００３１】
次に、液滴吐出ヘッド１の製造方法について説明する。以下では、まず、液滴吐出ヘッド１を構成するキャビティ基板３、リザーバ基板４、ノズル基板５並びに電極基板２の各製造方法を順に説明し、最後にそれらの組み付け方法を説明する。
【００３２】
（Ａ）キャビティ基板３の製造方法−実施例１
図５〜図６はキャビティ基板３の製造方法の一例を示す工程図である。以下、これらの図に沿って説明する。まず、キャビティ基板３となる適当な厚さのシリコン基板３ａの片面に、ドライバＩＣ１８を半導体プロセスにより形成する（図５-ａ）。
次に、シリコン基板３ａのドライバＩＣ１８形成側面に、振動板１１となる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、さらに、後から形成される個別電極１７との接点１７ａとなる箇所をパターニングする（図５−ｂ）。
次に、上記酸化シリコン膜の表面に、個別電極１７となる金属膜をスパッタで形成し、その全面を個別電極１７の形状に合わせてパターニングする（図５−ｃ）。
次に、絶縁膜１９となる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、共通電極７の接点７ａ、外部接続端子２０の接点２０ａ、及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングする（図５−ｄ）。なお、この際、振動板１１の酸化シリコンも同時にパターニングされる。
次に、図５−ｄまでの工程が完了したシリコン基板３ａと、振動板１１に対応する共通電極７が形成された電極基板２とを隙間２１を介して接合する（図５−ｅ）。この接合は、接着剤、又は陽極接合あるいは表面活性常温接合などを利用して行うことができる。なお、電極基板２の製造方法および接合方法については後で改めて詳細に説明する。
次に、シリコン基板３ａを所望の厚さに研削し、更に表面の加工変質層をエッチングなどを利用して除去する（図６−ｆ）。
次に、シリコン基板３ａの振動板１１形成側と反対側の表面にレジスト２５を塗布し、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングする（図６−ｇ）。
次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）放電によるドライエッチングで、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａを形成する（図６−ｈ）。
そして、液滴供給孔１０ｂの底部に残った酸化シリコン膜を電極基板２側からＲＩＥ（Reactive Ion Etching）で除去する（図６−ｉ）。以上で電極基板２に接合されたキャビティ基板３の加工が完了する。
【００３３】
(Ｂ)キャビティ基板３の製造方法−実施例２
図７〜図８はキャビティ基板３の製造方法の他の例を示す工程図である。以下、これらの図に沿って説明する。まず、キャビティ基板３となる適当な厚さのシリコン基板３ａの片面に、ドライバＩＣ１８を半導体プロセスにより形成する（図７-ａ）。
次に、シリコン基板３ａのドライバＩＣ１８形成側面に、エッチングストップ層１１ａとなる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、さらに、個別電極の接点１７ａとなる箇所をパターニングする（図７−ｂ）。
次に、振動板１１となるポリシリコン層をＣＶＤで形成し、シリコン基板３ａの片側面全域をＰ型にする。その後、個別電極１７の形状に合わせてＮ型、Ｐ型の順で拡散し、個別電極１７となる拡散領域を形成する（図７−ｃ）。なお、このようにして形成された拡散電極の斜視図を、電極基板２側から見た図として図９に示しておく。
次に、絶縁膜１９となる酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤで成膜し、共通電極の接点７ａ、外部接続端子２０の接点２０ａ及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングして開口する（図７−ｄ）。
次に、図７−ｄまでの工程が完了したシリコン基板３ａと、振動板１１に対応する共通電極７が形成された電極基板２とを隙間２１を介して接合する（図７−ｅ）。
次に、シリコン基板３ａを所望の厚さに研削し、更に表面の加工変質層をエッチングなどを利用して除去する（図８−ｆ）。
次に、シリコン基板３ａの振動板１１形成側と反対側の表面にレジスト２５を塗布し、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａをパターニングする（図８−ｇ）。
次に、ＩＣＰ放電によるドライエッチングで、吐出室用の凹部１２ａ、液滴供給孔１０ｂ及び外部接続端子用開口部２１ａを形成する（図８−ｈ）。
そして、液滴供給孔１０ｂの底部に残った酸化シリコン膜／ポリシリコン層／酸化シリコン膜を、電極基板２側からＲＩＥで除去する（図８−ｉ）。以上で電極基板２に接合されたキャビティ基板３の加工が完了する。
【００３４】
(Ｃ)リザーバ基板４の製造方法
図１０〜図１１はリザーバ基板４の製造方法の一例を示す工程図である。以下、これらの図に沿って説明する。まず、リザーバ基板４となるシリコン基板４ａの全面に熱酸化膜２７を形成し、キャビティ基板３と対峙する側の面（以下、Ｃ面と称する）に、ノズル連通孔１５、供給口１４、液滴供給孔１０ｃをパターニングする（図１０-ａ）。なお、シリコン基板４ａは、厚さが例えば１８０μｍで面方位が１００の基板とする。
この例では、キャビティ基板３の吐出室１２に対応する領域２２も凹部（第２キャビティ２２と称す）とするようにパターニングしているが、リザーバ基板４に第２キャビティ２２は必ずしも必要なものではない。
パターニングした後の熱酸化膜２７の厚さは、
ノズル連通孔１５部＝０、供給口１４部＝液滴供給孔１０ｃ部＜第２キャビティ２２部
とする。
次に、シリコン基板４ａのＣ面のノズル連通孔１５をＩＣＰで１５０μｍ程度ドライエッチングする（図１０−ｂ）。
次に、シリコン基板４ａの熱酸化膜２７をハーフエッチングする。この場合、供給口１４部及び液滴供給孔１０ｃ部では熱酸化膜２７がない状態とし、他の部分はその厚みを薄くする（図１０−ｃ）。
次に、シリコン基板４ａのＣ面のノズル連通孔１５、供給口１４及び液滴供給孔１０ｃをＩＣＰで２５μｍ程度ドライエッチングする（図１０−ｄ）。
次に、シリコン基板４ａの熱酸化膜２７を再びハーフエッチングする。この場合、第２キャビティ部２２では熱酸化膜２７がない状態とし、他の部分はその厚みを薄くする（図１０−ｅ）。
次に、シリコン基板４ａのＣ面のノズル連通孔１５、供給口１４及び液滴供給孔１０ｃをＩＣＰ放電で２５μｍ程度ドライエッチングする。この工程により、ノズル連通孔１５はシリコン基板４ａを貫通する（図１１−ｆ）。
次に、シリコン基板４ａの熱酸化膜２７を剥離する（図１１−ｇ）。
次に、シリコン基板４ａに再び熱酸化膜２７を形成し、ノズル基板５と対峙する面側（以下、Ｎ面と称する）に、リザーバ１３を形成するためのパターニングを行う（図１１−ｈ）。
次に、シリコン基板４ａのＮ面を水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液で１３０μｍ程度ウェットエッチングする（図１１−ｉ）。
次に、シリコン基板４ａから熱酸化膜２７を除去して、供給口１４及び液滴供給孔１０ｃを貫通させ、その後ドライ酸化でシリコン基板４ａの表面に液保護膜２８を形成する（図１１−ｊ）。以上でリザーバ基板４の加工が完了する。
【００３５】
(Ｄ)ノズル基板５の製造方法
図１２はノズル基板５の製造方法の一例を示す工程図である。以下、図１２に沿って説明する。まず、ノズル基板５となる例えば厚さ１００μｍのシリコン基板５ａの全面に熱酸化膜２７を形成し、ノズル孔１６の形状に合わせてその熱酸化膜２７をパターニングする（図１２-ａ）。なお、ここではノズル孔１６を２つの径を有する第１ノズル孔１６ａと第２ノズル孔１６ｂの２段構成にするものとし、そのためそれに対応する部分の熱酸化膜２７も２段構成にパターニングする。
次に、シリコン基板５ａの第１ノズル孔１６ａの先導部分をＩＣＰによるドライエッチングで形成する（図１２−ｂ）。
次に、シリコン基板５ａの第２ノズル孔１６ｂの先導部分の熱酸化膜２７を緩衝ふっ酸水溶液（ＢＨＦ：NH4F/HF/H2O）でハーフエッチングする（図１２−ｃ）。
次に、シリコン基板５ａの第１ノズル孔１６ａ及び第２ノズル孔１６ｂに対応する部分をＩＣＰによるドライエッチングで形成する（図１２−ｄ）。
そして、シリコン基板５ａの熱酸化膜２７を一旦除去し、その後再びシリコン基板５ａの表面を熱酸化して液保護膜２８を形成する（図１２−ｅ）。以上でノズル基板５の加工が完了する。
【００３６】
(Ｅ)電極基板２の製造方法
図１３は電極基板２の製造方法の一例を示す工程図である。以下、図１３に沿って説明する。まず、電極基板２となる例えば厚さ１ｍｍのガラス基板２ａの片面にクロム（Ｃｒ）膜２９をスパッタで形成する（図１３-ａ）。なお、電極基板２のガラス基板は、シリコンと線膨張係数が近い硼珪酸ガラスとするのが好ましい。これにより、キャビテイ基板３となるシリコン基板３ａの接合、及びそれ以降の工程で高温プロセスを採用しても、接合界面に応力が発生せず、界面欠陥を減らすことができる。
次に、ガラス基板２ａのクロム膜２９上に形成したレジスト３０を利用して、クロム膜２９をガラス基板２ａにこれから形成しようとする溝６ａ，６ｂの形状に合わせてパターニングする（図１３−ｂ）。
次に、ガラス基板２ａをフッ酸水溶液を利用したエッチングにより、深さ０．３μｍ程度の共通電極７用の溝６ａ及び外部接続端子２０用の溝６ｂを形成する（図１２−ｃ）。
次に、クロム膜２９及びレジスト３０を除去した後、ガラス基板２ａの溝６ａ，６ｂが形成された側の全面にＩＴＯ３１を成膜する（図１２−ｄ）。
次に、共通電極７、外部接続端子２０、及びこれらのドライバＩＣ１８との接点７ａ、２０ａの形状に合わせてＩＴＯをパターニングする（図１２−ｅ）。
最後、ガラス基板２ａに液滴供給孔１０ａをサンドブラスで形成する（図１２−）。以上でガラス基板２の加工が完了する。
【００３７】
（Ｆ）各基板２〜５の組み付け方法
上記（Ｅ）のようにして作成された電極基板は、上記（Ａ）、（Ｂ）で説明したように、ドライバＩＣ１８が半導体プロセスにより形成されているが吐出室１２となる凹部１２ａなどが形成前のシリコン基板３ａに接合される。この接合により、キャビティ基板３の各振動板１１及び個別電極１７と、電極基板２の共通電極７とが隙間２１を介して対峙し、その隙間２１は電極基板２の個別電極用の溝６ａとシリコン基板３ａの底面により密閉される（図２参照）。従って、隙間２１の密閉のために封止材を使用する必要はない。
なお、電極基板２とシリコン基板３ａの接合には各種の接合方法が利用できるが、接合時、シリコン基板３ａ中に作り込まれているドライバＩＣ１８を破壊しないよう注意する必要がある。このような問題を回避するには、表面活性常温接合の利用が好ましい。表面活性常温接合は、接合の妨げになる各基板２，３ａの表面層を除去することにより、常温で表面の原子の結合手同士を直接結合させ強固な接合を形成するもので、表面層の除去には、イオンビームやプラズマなどによるスパッタエッチングを用いる。なお、イオンビームにはアルゴンなどの不活性ガスが用いられ、またそのプロセスは高真空に排気した真空チャンバ中で行う。このように、表面活性常温接合では常温かつ無電界で２つの基板の接合が行われるため、ドライバＩＣ１８を破壊するリスクが回避できる。
【００３８】
また、キャビティ基板３を製造するためのシリコン基板３ａの加工に、ドライエッチングを使用したことで、次のような効果も得られる。すなわち、ドライエッチングは再度エッチング量が小さく垂直性に優れるため、高密度かつ高精度なキャビティが形成できる。加えて、ドライプロセスのため、アクチュエータが構成されている隙間（振動室）２１にエッチング液が侵入するのも防止できる。
【００３９】
以上のようにして電極基板２に接合されたシリコン基板３ａに、吐出室１２などの必要な凹部（キャビティ）を形成してキャビティ基板３とした後、そのキャビティ基板３に接着剤を利用してリザーバ基板４を接合する。さらに、キャビティ基板３に接合されたリザーバ基板４にノズル基板５を、ノズル連通孔１５とノズル孔１６とを対応させて、接着剤を利用して接合する。これにより、液滴吐出ヘッド１が完成する。
【００４０】
実施形態２
図１４は、実施形態１で説明した液滴吐出ヘッド１を搭載した液滴吐出装置であるインクジェットプリンタ１００の斜視図である。
液滴吐出ヘッド１は既に説明したように、静電駆動のためのドライバＩＣ１８がキャビティ基板３に半導体プロセスによって予め作り込まれているので、そのサイズが小さくなり、しかもノズル孔１６の高密度化が可能となっている。さらに耐久性にも優れている。従って、この液滴吐出ヘッド１を備えたプリンタ１００は、小型で多くの色を出すことができ、耐久性にも優れたものとなっている。
なお、実施形態１の液滴吐出ヘッド１は、図１４に示すインジェットプリンタの他に、吐出させる液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、基板の配線形成、生体液体のサンプリングなどにおける各種液滴を吐出する装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】図１に示す液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の縦断面図。
【図３】液滴吐出ヘッドが搭載された液滴吐出装置の制御系を示す概略ブロック図。
【図４】ドライバＩＣ及びＣＯＭ発生回路の内部構成の一例を示す概略ブロック図。
【図５】キャビティ基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図６】図５の続きを示す工程図。
【図７】キャビティ基板の製造方法の別の例を示す工程図。
【図８】図７の続きを示す工程図。
【図９】拡散により個別電極が形成されたキャビティ基板の斜視図。
【図１０】リザーバ基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図１１】図１０の続きを示す工程図。
【図１２】ノズル基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図１３】電極基板の製造方法の一例を示す工程図。
【図１４】本発明の実施形態２に係る液滴吐出装置の外観斜視図。
【符号の説明】
【００４２】
１ 液滴吐出ヘッド、２ 電極基板、３ キャビティ基板、４ リザーバ基板、５ ノズル基板、６ａ 電極形成用の溝、６ｂ 外部接続端子形成用の溝、７ 共通電極、７ａ 接点、９ 接続部、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 液滴供給孔、１１ 振動板、１２ 吐出室、１２ａ 吐出室用の凹部、１３ リザーバ、１３ａ リザーバ用の凹部、１４ 供給口、１５ ノズル連通孔、１６ ノズル孔、１７ 個別電極、１７ａ 接点、１８ ドライバＩＣ、１９ 絶縁膜、２０ 外部接続端子、２０ａ 接点、２１ 隙間（振動室）、２１ａ 外部接続端子用開口部、１００ 液滴吐出装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、
底壁が振動板を構成し吐出用液滴を溜めておく吐出室となる複数の凹部が形成されたシリコン製のキャビティ基板と、
前記振動板に隙間を介して対向する電極が形成された電極基板と、
前記吐出室に液滴を供給するリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室から前記ノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板と、
前記振動板を静電駆動する前記キャビティ基板に作り込まれたドライバＩＣとを備え、 前記電極基板、前記キャビティ基板、前記リザーバ基板、前記ノズル基板が順に積層され、前記電極が密閉されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記電極基板の前記電極を共通電極とし、前記各吐出室の底壁を個別電極としていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記共通電極は前記電極基板の表面の溝内に形成され、かつ前記溝の一端で前記溝の周囲壁にまで乗り上げて形成されており、
前記ＩＣが前記溝の周囲壁に乗り上げて形成された共通電極上に配置されて前記共通電極と直接接続されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記電極の密閉領域とは別の領域に形成された溝内に、前記ＩＣから配線を引き出す外部接続端子を形成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記個別電極が前記振動板の表面に形成され、前記個別電極を含めて前記振動板が絶縁膜で被膜されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
前記振動板が前記キャビティ基板に形成されたエッチングストップ層と絶縁膜との間にあることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
前記個別電極が金属薄膜からなることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
前記振動板と前記絶縁膜が同じ物質からなることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板は酸化シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板は窒化シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板はアルミナであることを特徴とする請求項８に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１２】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板はポリシリコンであることを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１３】
前記共通電極及び前記外部接続端子がＩＴＯからなることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１４】
前記電極基板は硼珪酸ガラスであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
【請求項１６】
シリコン製のキャビティ基板に、静電駆動用のドライバＩＣ、前記ＩＣで駆動制御される複数の個別電極及び振動板を形成するステップと、
共通電極が形成された電極基板と前記キャビティ基板を、前記共通電極と前記個別電極とを隙間を介して対向させ、かつ前記共通電極と前記ＩＣとを接続させて接合するステップと、
前記電極基板と接合された前記キャビティ基板の個別電極対応部分に、吐出用液滴を溜めておく吐出室となる凹部を形成するステップと、
液滴を貯えておくリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板を、前記キャビティ基板に接合するステップと、
複数の前記ノズル孔が形成されたノズル基板を、前記リザーバ基板に接合するステップと、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１７】
前記個別電極を拡散を利用して形成することを特徴とする請求項１６に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１８】
前記電極基板と前記キャビティ基板とを表面活性常温接合することを特徴とする請求項１６または１７に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１９】
前記キャビティ基板の前記吐出室用の凹部をドライエッチングで形成することを特徴とする請求項１６ないし１８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１】
液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、
底壁が振動板を構成し吐出用液滴を溜めておく吐出室となる複数の凹部が形成されたシリコン製のキャビティ基板と、
前記振動板に隙間を介して対向する電極が形成された電極基板と、
前記吐出室に液滴を供給するリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室から前記ノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板と、
前記振動板を静電駆動する前記キャビティ基板に作り込まれたドライバＩＣとを備え、 前記電極基板、前記キャビティ基板、前記リザーバ基板、前記ノズル基板が順に積層され、前記電極が密閉されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記電極基板の前記電極を共通電極とし、前記各吐出室の底壁を個別電極としていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記共通電極は前記電極基板の表面の溝内に形成され、かつ前記溝の一端で前記溝の周囲壁にまで乗り上げて形成されており、
前記ＩＣが前記溝の周囲壁に乗り上げて形成された共通電極上に配置されて前記共通電極と直接接続されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記電極の密閉領域とは別の領域に形成された溝内に、前記ＩＣから配線を引き出す外部接続端子を形成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記個別電極が前記振動板の表面に形成され、前記個別電極を含めて前記振動板が絶縁膜で被膜されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
前記振動板が前記キャビティ基板に形成されたエッチングストップ層と絶縁膜との間にあることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
前記個別電極が金属薄膜からなることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
前記振動板と前記絶縁膜が同じ物質からなることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板は酸化シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板は窒化シリコンであることを特徴とする請求項８に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板はアルミナであることを特徴とする請求項８に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１２】
前記キャビティ基板は単結晶シリコン、前記振動板はポリシリコンであることを特徴とする請求項６に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１３】
前記共通電極及び前記外部接続端子がＩＴＯからなることを特徴とする請求項７ないし１２のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１４】
前記電極基板は硼珪酸ガラスであることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
【請求項１６】
シリコン製のキャビティ基板に、静電駆動用のドライバＩＣ、前記ＩＣで駆動制御される複数の個別電極及び振動板を形成するステップと、
共通電極が形成された電極基板と前記キャビティ基板を、前記共通電極と前記個別電極とを隙間を介して対向させ、かつ前記共通電極と前記ＩＣとを接続させて接合するステップと、
前記電極基板と接合された前記キャビティ基板の個別電極対応部分に、吐出用液滴を溜めておく吐出室となる凹部を形成するステップと、
液滴を貯えておくリザーバとなる凹部、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有するリザーバ基板を、前記キャビティ基板に接合するステップと、
複数の前記ノズル孔が形成されたノズル基板を、前記リザーバ基板に接合するステップと、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１７】
前記個別電極を拡散を利用して形成することを特徴とする請求項１６に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１８】
前記電極基板と前記キャビティ基板とを表面活性常温接合することを特徴とする請求項１６または１７に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１９】
前記キャビティ基板の前記吐出室用の凹部をドライエッチングで形成することを特徴とする請求項１６ないし１８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−４５１２３（Ｐ２００７−４５１２３Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３４７８９（Ｐ２００５−２３４７８９）
【出願日】平成１７年８月１２日（２００５．８．１２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１２日（２００５．８．１２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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