液滴吐出ヘッド
【課題】 インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを備え、振動板を静電力で変形させてノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドにおいて、振動板と電極基板とのギャップを高精度に維持して接合できる、低コストでインク滴吐出性能に優れた液叶出ヘッドの提供。
【解決手段】 振動板１０と電極基板３のギャップスペーサ部１３とをシリコンを含有した金属薄膜２０で接合した。
【解決手段】 振動板１０と電極基板３のギャップスペーサ部１３とをシリコンを含有した金属薄膜２０で接合した。
【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に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置を含む。）に用いられるインクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとして、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室（インク流路、インク室、液室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。）と、吐出室の壁面を形成する第一電極を兼ねる振動板と、これに対向する電極（第二電極）とを備え、振動板を静電力で変形変位させてノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【０００３】従来の静電型インクジェットヘッドとしては、例えば特開平６−７１８８２号公報や特開平５−５０６０１号公報に開示されているように、吐出室及び振動板を形成する基板（これを「振動板基板」という。）にシリコン基板を用い、電極を設ける基板（これを「電極基板」という。）に硼珪酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラス）やシリコン基板を用いて、これらの振動板基板と電極基板とを接合している。
【０００４】この静電型インクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性がインク吐出特性に大きく影響し、また、振動板と電極との間のギャップ精度もインク滴吐出特性に大きく影響を与えるので、振動板基板と電極基板とを高精度ギャップを維持して接合しなければならない。
【０００５】そこで、従来、特開平９−２８６１０１号公報に記載されているように電極基板と振動板基板の接合に水ガラス（珪酸ナトリウム溶液）を用いるもの、特開平１０−２８６９５４号公報に記載されているように、電極基板と振動板基板とをポリシラザンを介して接合するもの、特開平９−２８６１０１号公報に記載されているように電極基板と振動板基板とを陽極接合するもの、特開平６−８４４９号公報に記載されているように電極基板と振動板基板とを直接接合するもの、特開平６−１２６９５６号公報や特開平９−２０００７号公報に記載されているようにギャップを規定するギャップスペーサ部を金属材料で形成して、この金属材料からなるギャップスペーサ部材を介して振動板基板と電極基板とを共晶接合するものなどが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ギャップスペーサ部全体を金属材料で形成して、これを接着層として用いる場合には、所定のギャップ長を高精度に安定して低コストで製造することが困難になる。
【０００７】また、シリコン或いはシリコンの化合物から振動板基板と電極基板とを形成して、これらの基板を金属薄膜を接着層として共晶接合で接合する場合、熱処理によっては、金属薄膜と接しているシリコン、シリコン化合物部分のＳｉ原子が金属薄膜中に拡散し、金属薄膜の金属原子がＳｉ中へと拡散することになるが、振動板は板厚が薄く、少しの組成変化においても機械的変位特性が大きく影響を受けるため、このような拡散が生じると、インクの吐出特性が変化して画像品質が低下するという課題が生ずる。
【０００８】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、低コストでインク滴吐出性能に優れた液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【０００９】
【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、振動板と電極を設けた基板に形成したギャップスペーサ部とが金属薄膜を介して接合されている構成としたものである。
【００１０】ここで、振動板及びギャップスペーサ部がシリコン又はシリコンの化合物であることが好ましい。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることが好ましい。さらに、金属薄膜にはＳｉを含有していることが好ましい。この場合、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことが好ましい。
【００１１】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板と電極を設けた基板とがＳｉを含有した金属薄膜を介して接合されている構成としたものである。
【００１２】ここで、振動板及び電極を形成した基板がシリコン又はシリコンの化合物であることが好ましい。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることが好ましい。さらに、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことが好ましい。さらにまた、金属薄膜が振動板の全面に形成されていることが好ましい。
【００１３】上記本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、金属薄膜がＡｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金であることが好ましい。
【００１４】
【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。図１は本発明を適用した静電型インクジェットヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの振動板長手方向に沿う模式的断面説明図、図３は同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説明図である。
【００１５】このインクジェットヘッドは、第一基板である流路基板１と、流路基板１の下側に設けた第二基板である電極基板３と流路基板１の上側に設けた第三基板であるノズル板４との３つの基板を重ねて接合した積層構造からなり、複数のノズル５、各ノズル５が連通するインク流路である吐出室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。
【００１６】流路基板１には、例えば結晶面方位（１１０）のシリコン基板からなるベース基板２１に熱酸化膜２２を介して結晶面方位（１００）のシリコン基板からなる活性層基板２３を貼り合わせたＳＯＩ基板を用いて、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、各吐出室６を隔てる隔壁を形成する凹部、共通液室８を形成する凹部などを形成している。ここでは、活性層基板２３の厚さが３μｍのものを用いた。
【００１７】このような流路基板１は、ベース基板２１側からＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＥＤＰ、ＬｉＯＨなどのアルカリ液による異方性エッチングを施すことにより、吐出室６、共通液室８、活性層基板２３からなる振動板１０などを形成することにより得られる。なお、異方性エッチングは熱酸化膜２２に達したところでエッチングストップするので、振動板１０の厚さは活性層基板２３の厚さで制御できる。また、振動板１０上の熱酸化膜２２は除去している。
【００１８】電極基板３には、シリコン基板を用いて、熱酸化膜１１を形成し、この熱酸化膜１１に電極形成用溝となる凹部１２を形成している。各凹部１２、１２間の隔壁部分がギャップスペーサ部１３となる。そして、この凹部１２の底面に振動板１０に所定のギャップ１６を置いて対向する電極１５を形成し、この電極１５と振動板１０によって、振動板１５を変位させて吐出室６の内容積／圧力を変化させるアクチュエータ部を構成している。
【００１９】この電極基板３の電極１５上には振動板１０との接触によって電極１５が破損するのを防止するためのシリコン酸化膜（ＳiＯ2）などの絶縁層１７を成膜している。また、電極１５を電極基板３の端部付近まで延設して外部駆動回路と接続手段を介して接続するための電極パッド部１５ａを形成している。
【００２０】この電極基板３は、酸化膜１１などを形成したシリコン基板上に、ＨＦ水溶液などでエッチングにより凹部１２及びギャップスペーサ部１３を形成し、この凹部１２に窒化チタンなどの高耐熱性を有する電極材料をスパッタ、ＣＶＤ、蒸着などの成膜技術で所望の厚さに成膜し、その後、フォトレジストを形成してエッチングすることにより、凹部１２の底面にのみ電極１５を形成したものである。
【００２１】ここでは、電極１５は、シリコン基板に厚さ２μｍで形成した酸化膜１１にエッチングで形成した深さ０．３μｍの凹部１４内に窒化チタン膜を０．１μｍの厚さに形成している。したがって、このヘッドにおいては、電極基板３と流路基板１とを接合した後のギャップスペーサ部１３で規定されるギャップ１６の長さ（振動板１０と電極１５との間隔）は、０．２μｍとなっている。
【００２２】ノズル板４は、厚さ５０μｍのステンレス材（ＳＵＳ）を用いて、ノズル５、液体抵抗部７及び共通液室８へ外部からインクを供給するためのインク供給口１９を形成している。
【００２３】そして、このインクジェットヘッドにおいては、流路基板１の振動板１０と電極基板３とは、流路基板１の振動板１０の外面に形成したシリコンを含有する金属薄膜２０を介して共晶接合している。この場合、振動板１０の外面に形成する金属薄膜２０としては、Ｓｉと合金をなす金属材料であれば良く、例えば、Ａｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金などを用いることができる。
【００２４】また、金属薄膜２０をなす金属材料に含有するＳｉの量としては１０ｗｔ％以下でよく、これを越えると接合強度が低下することがある。さらに、金属薄膜２０の厚みとしては、振動板１０の剛性に影響を与えない厚みであれば良く、好ましくは、振動板１０の厚みの１／３０〜１／１００程度である。これより金属薄膜２０の厚みが薄すぎるときには接合強度が得られないことがあり、厚すぎるときには振動板１０の機械的変位特性に影響を与えることがある。
【００２５】ここでは、金属薄膜２０としてＡｕの中に４％のＳｉを含有させた金属材料を用いて形成し、厚みを０．１μｍとしている。
【００２６】このように、流路基板１の振動板１０と電極基板３とをＳｉを含有する金属薄膜２０を介して接合することにより、振動板１０と金属薄膜２０との間及び電極基板３と金属薄膜２０との間でＳｉ−金属（ここではＡｕ）の共晶結合が生じて低温で強固な信頼性の高い接合を行うことができる。そして、単に金属薄膜２０を接着層として用いるだけでギャップスペーサ部としていないので、低コストで安定した高精度のギャップを形成することができ、インク滴吐出特性のバラツキが少なくなる。
【００２７】また、接着層となる金属薄膜２０にはＳｉを含有させているので、振動板１０中のＳｉが金属薄膜２０（ここではＡｕ）中に拡散し、金属薄膜２０（ここではＡｕ）中の金属原子が振動板１０中に拡散する相互拡散を抑制することができる。これにより、振動板１０の組成変化による振動特性の変化を防止することができ、インク滴吐出特性が安定して印字品質が向上する。
【００２８】上記のように構成したインクジェットヘッドにおいては、電極１５に駆動回路によって０Ｖ〜３５Ｖのパルス電位を印加すると、電極１５の表面がプラスに帯電し、対応する振動板１０の下面がマイナス電位に帯電するので、振動板１０は静電気の吸引作用により電極１５側に撓む。次に、電極１５へのパルス電位の印加をオフにすると、振動板１０が復元し、これにより、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル５からインク滴が吐出される。さらに、振動板１０が再び電極１５側へ撓むことにより、インクが共通インク室８から流体抵抗部７を介して吐出室６内に補給される。
【００２９】次に、このヘッドの製造工程について図４以降をも参照して説明する。先ず、電極基板３の形成工程について図４を参照して説明すると、同図（ａ）に示すように、Ｓｉ基板からなる電極基板３に酸素及び水蒸気中で熱酸化処理を行って熱酸化膜１１を２μｍの厚みで形成し、この熱酸化膜１１にレジストパターンを形成して、同図（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより深さが０．３μｍの凹部１２を形成する。
【００３０】次いで、同図（ｃ）に示すように、凹部１２の底面に約０．１μｍの厚みでＴｉＮをスパッタし、ドライエッチングによりパターニングして、凹部１２の底面積よりやや小さめのＴｉＮからなる電極１５を形成した。その後、同図（ｄ）に示すように、酸化膜１１の全面に電極１５表面を含めてＳｉＯ2膜３１をＬＰ−ＣＶＤにより約０．１μｍの厚みで成膜し、同図（ｅ）に示すように、このＳｉＯ2膜３１上にフォトレジストパターンを形成しドライエッチングを行うことで、電極１５表面を覆う保護膜１７を形成して、電極基板３を得た。
【００３１】次に、インクジェットヘッド完成までの工程について図５及び図６参照して説明する。先ず、図５（ａ）に示すように、厚さ４００μｍのベース基板２１の表面に膜厚０．５μｍの熱酸化膜２２を介して厚さ２μｍの活性層基板２３を接合したＳＯＩ基板４１（ウエハ）を用いて、同図（ｂ）に示すように、活性層基板２２の表面に厚さ０．０３μｍでＡｕ（Ｓｉを３％含有）を真空蒸着法で成膜することで金属薄膜２０を形成した。
【００３２】そして、同図（ｃ）に示すように、上記した電極１５を設けた電極基板３上にＳＯＩ基板４１を重ね合わせた。このとき、ＩＲアライナーを用いて位置合わせて行った。その後、これを４００℃に加熱しながらスクラブ加圧することで、ＳＯＩ基板４１の振動板となる活性層基板２３と電極基板３のギャップスペーサ部１３として金属薄膜２０を介して共晶接合した。
【００３３】このとき、前述したように、振動板１０となる活性層基板２３と金属薄膜２０と電極基板３との間でＳｉ−Ａｕの共晶結合が生じて低温で強固な接合が得られるとともに、金属薄膜２０を形成するＡｕ中にはＳｉが含有されているので、振動板１０となる活性層基板２３と金属薄膜２０との間での相互拡散が抑制される。
【００３４】次いで、同図（ｄ）に示すように、厚さ４００μｍのベース基板２１を厚さ１００μｍまで研磨によって薄くした。
【００３５】その後、図６（ａ）に示すように、ベース基板２１上にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜をＬＰ−ＣＶＤにより成膜し、これをパターニングしてシリコン窒化膜４２の流路パターンに形成する。そして、同図（ｂ）に示すように、エッチング液として例えば２５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）によって温度８０℃にてベース基板２１の異方性エッチングを行うと、熱酸化膜２２でエッチングがストップして凹部４３が形成される。
【００３６】続いて、露出している（凹部３３の底面となっている。）熱酸化膜２２をドライエッチングして除去することにより、同図（ｃ）に示すように、活性層基板２３からなる振動板１０を底面とする吐出室６などが形成された流路基板１が得られる。そこで、シリコン窒化膜４２を１８０℃に加熱したリン酸で除去し、ノズル板４を流路基板１上に接合してインクジェットヘッドを完成する。
【００３７】なお、この場合、熱酸化膜２２を必ずしも除去する必要はなく、インクに対する保護膜として用いることもでき、このときには振動板１０は活性層基板２３と熱酸化膜２２の２層構造となる。
【００３８】次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの他の実施形態について図７の製造工程を参照して説明する。この実施形態では、振動板１０の電極基板３のギャップスペーサ部１３との接合面にのみ金属薄膜２０を成膜している。すなわち、同図（ａ）に示すように、前記した流路基板となるＳＯＩ基板４１の活性層基板２３の外面に、Ａｕを０．０３μｍ厚さに真空蒸着した後、電極基板３のギャップスペーサ部１３と接合される領域のみを残すようにフォトレジストでパターニングした後、ドライエッチングにより、同図（ｂ）に示すように金属薄膜２０のパターンを形成した。こうして得られたＳＯＩ基板４１と電極基板３とを４００℃に加熱しながらスクラブ加圧して接合している。その後の工程は前述した工程と同様である。
【００３９】このようにした場合には、振動板１０の変形変位部分には金属薄膜２０が形成されていないので、振動板１０への金属の拡散を確実に防止することができるが、ギャップ１６の長さが金属薄膜２０の厚み分増加することになるので、金属薄膜２０の厚みは０．０５μｍ以下にすることが好ましい。
【００４０】なお、上記各実施形態においては、本発明に係る液滴吐出ヘッドとして静電型インクジェットヘッドに適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【００４１】また、液滴吐出ヘッドとして、振動板変位方向とノズル滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式で説明しているが、振動板変位方向とノズル滴吐出方向が直交するサイドシュータ方式にすることもできる。さらに、上記実施形態では振動板と電極が平行状態で配置される液滴吐出ヘッドに本発明を適用したが、振動板と電極の全体若しくは一部が非平行状態で配置される液滴吐出ヘッドにも適用することができる。
【００４２】
【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、振動板と電極を設けた基板に形成したギャップスペーサ部とが金属薄膜を介して接合されているので、高精度のギャップを安定して低コストで形成することができて、インク滴吐出特性が向上し、画像品質が向上する。
【００４３】ここで、振動板及びギャップスペーサ部がシリコン又はシリコンの化合物であることににより、金属薄膜との共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることで、Ｓi又はＳｉの化合物との間で共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。さらに、金属薄膜にはＳｉを含有していることにより相互拡散を防止することができて振動板の特性変化を抑制できる。この場合、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないようにすることで接合強度の確保と相互拡散の抑制をより効果的に行うことができる。
【００４４】本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板と電極を設けた基板とがＳｉを含有した金属薄膜を介して接合されているので、振動板と金属薄膜との間での相互拡散が防止されて振動板の特性変化を抑制でき、低コストでインク滴吐出特性に優れ、画像品質が向上したヘッドを得ることができる。
【００４５】ここで、振動板及び電極を形成した基板がシリコン又はシリコンの化合物であることにより、金属薄膜との共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることで、Ｓi又はＳｉの化合物との間で共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。さらに、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えない超えないようにすることで接合強度の確保と相互拡散の抑制をより効果的に行うことができる。さらにまた、金属薄膜が振動板の全面に形成されていることで、金属薄膜のパターニングが不要になって低コスト化を図れる。
【００４６】上記本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、金属薄膜がＡｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金であることにより、Ｓｉ又はＳｉの化合物との強固な接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した静電型インクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板長手方向に沿う模式的断面説明図
【図３】同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説明図
【図４】同ヘッドの電極基板の製造工程を説明する説明図
【図５】同ヘッドの振動板基板と電極基板との接合までの製造工程を説明する説明図
【図６】同ヘッドの振動板形成工程を説明する説明図
【図７】本発明に係る液滴吐出ヘッドの他の実施形態の製造工程の説明に供する説明図
【符号の説明】
１…流路基板、３…電極基板、４…ノズル板、５…ノズル、６…吐出室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１０…振動板、１１…熱酸化膜、１２…凹部、１３…ギャップスペーサ部、１５…電極、２０…金属薄膜。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は液滴吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置を含む。）に用いられるインクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとして、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室（インク流路、インク室、液室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。）と、吐出室の壁面を形成する第一電極を兼ねる振動板と、これに対向する電極（第二電極）とを備え、振動板を静電力で変形変位させてノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【０００３】従来の静電型インクジェットヘッドとしては、例えば特開平６−７１８８２号公報や特開平５−５０６０１号公報に開示されているように、吐出室及び振動板を形成する基板（これを「振動板基板」という。）にシリコン基板を用い、電極を設ける基板（これを「電極基板」という。）に硼珪酸ガラス（パイレックス（登録商標）ガラス）やシリコン基板を用いて、これらの振動板基板と電極基板とを接合している。
【０００４】この静電型インクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性がインク吐出特性に大きく影響し、また、振動板と電極との間のギャップ精度もインク滴吐出特性に大きく影響を与えるので、振動板基板と電極基板とを高精度ギャップを維持して接合しなければならない。
【０００５】そこで、従来、特開平９−２８６１０１号公報に記載されているように電極基板と振動板基板の接合に水ガラス（珪酸ナトリウム溶液）を用いるもの、特開平１０−２８６９５４号公報に記載されているように、電極基板と振動板基板とをポリシラザンを介して接合するもの、特開平９−２８６１０１号公報に記載されているように電極基板と振動板基板とを陽極接合するもの、特開平６−８４４９号公報に記載されているように電極基板と振動板基板とを直接接合するもの、特開平６−１２６９５６号公報や特開平９−２０００７号公報に記載されているようにギャップを規定するギャップスペーサ部を金属材料で形成して、この金属材料からなるギャップスペーサ部材を介して振動板基板と電極基板とを共晶接合するものなどが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ギャップスペーサ部全体を金属材料で形成して、これを接着層として用いる場合には、所定のギャップ長を高精度に安定して低コストで製造することが困難になる。
【０００７】また、シリコン或いはシリコンの化合物から振動板基板と電極基板とを形成して、これらの基板を金属薄膜を接着層として共晶接合で接合する場合、熱処理によっては、金属薄膜と接しているシリコン、シリコン化合物部分のＳｉ原子が金属薄膜中に拡散し、金属薄膜の金属原子がＳｉ中へと拡散することになるが、振動板は板厚が薄く、少しの組成変化においても機械的変位特性が大きく影響を受けるため、このような拡散が生じると、インクの吐出特性が変化して画像品質が低下するという課題が生ずる。
【０００８】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、低コストでインク滴吐出性能に優れた液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【０００９】
【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、振動板と電極を設けた基板に形成したギャップスペーサ部とが金属薄膜を介して接合されている構成としたものである。
【００１０】ここで、振動板及びギャップスペーサ部がシリコン又はシリコンの化合物であることが好ましい。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることが好ましい。さらに、金属薄膜にはＳｉを含有していることが好ましい。この場合、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことが好ましい。
【００１１】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板と電極を設けた基板とがＳｉを含有した金属薄膜を介して接合されている構成としたものである。
【００１２】ここで、振動板及び電極を形成した基板がシリコン又はシリコンの化合物であることが好ましい。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることが好ましい。さらに、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことが好ましい。さらにまた、金属薄膜が振動板の全面に形成されていることが好ましい。
【００１３】上記本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、金属薄膜がＡｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金であることが好ましい。
【００１４】
【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。図１は本発明を適用した静電型インクジェットヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの振動板長手方向に沿う模式的断面説明図、図３は同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説明図である。
【００１５】このインクジェットヘッドは、第一基板である流路基板１と、流路基板１の下側に設けた第二基板である電極基板３と流路基板１の上側に設けた第三基板であるノズル板４との３つの基板を重ねて接合した積層構造からなり、複数のノズル５、各ノズル５が連通するインク流路である吐出室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。
【００１６】流路基板１には、例えば結晶面方位（１１０）のシリコン基板からなるベース基板２１に熱酸化膜２２を介して結晶面方位（１００）のシリコン基板からなる活性層基板２３を貼り合わせたＳＯＩ基板を用いて、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、各吐出室６を隔てる隔壁を形成する凹部、共通液室８を形成する凹部などを形成している。ここでは、活性層基板２３の厚さが３μｍのものを用いた。
【００１７】このような流路基板１は、ベース基板２１側からＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＥＤＰ、ＬｉＯＨなどのアルカリ液による異方性エッチングを施すことにより、吐出室６、共通液室８、活性層基板２３からなる振動板１０などを形成することにより得られる。なお、異方性エッチングは熱酸化膜２２に達したところでエッチングストップするので、振動板１０の厚さは活性層基板２３の厚さで制御できる。また、振動板１０上の熱酸化膜２２は除去している。
【００１８】電極基板３には、シリコン基板を用いて、熱酸化膜１１を形成し、この熱酸化膜１１に電極形成用溝となる凹部１２を形成している。各凹部１２、１２間の隔壁部分がギャップスペーサ部１３となる。そして、この凹部１２の底面に振動板１０に所定のギャップ１６を置いて対向する電極１５を形成し、この電極１５と振動板１０によって、振動板１５を変位させて吐出室６の内容積／圧力を変化させるアクチュエータ部を構成している。
【００１９】この電極基板３の電極１５上には振動板１０との接触によって電極１５が破損するのを防止するためのシリコン酸化膜（ＳiＯ2）などの絶縁層１７を成膜している。また、電極１５を電極基板３の端部付近まで延設して外部駆動回路と接続手段を介して接続するための電極パッド部１５ａを形成している。
【００２０】この電極基板３は、酸化膜１１などを形成したシリコン基板上に、ＨＦ水溶液などでエッチングにより凹部１２及びギャップスペーサ部１３を形成し、この凹部１２に窒化チタンなどの高耐熱性を有する電極材料をスパッタ、ＣＶＤ、蒸着などの成膜技術で所望の厚さに成膜し、その後、フォトレジストを形成してエッチングすることにより、凹部１２の底面にのみ電極１５を形成したものである。
【００２１】ここでは、電極１５は、シリコン基板に厚さ２μｍで形成した酸化膜１１にエッチングで形成した深さ０．３μｍの凹部１４内に窒化チタン膜を０．１μｍの厚さに形成している。したがって、このヘッドにおいては、電極基板３と流路基板１とを接合した後のギャップスペーサ部１３で規定されるギャップ１６の長さ（振動板１０と電極１５との間隔）は、０．２μｍとなっている。
【００２２】ノズル板４は、厚さ５０μｍのステンレス材（ＳＵＳ）を用いて、ノズル５、液体抵抗部７及び共通液室８へ外部からインクを供給するためのインク供給口１９を形成している。
【００２３】そして、このインクジェットヘッドにおいては、流路基板１の振動板１０と電極基板３とは、流路基板１の振動板１０の外面に形成したシリコンを含有する金属薄膜２０を介して共晶接合している。この場合、振動板１０の外面に形成する金属薄膜２０としては、Ｓｉと合金をなす金属材料であれば良く、例えば、Ａｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金などを用いることができる。
【００２４】また、金属薄膜２０をなす金属材料に含有するＳｉの量としては１０ｗｔ％以下でよく、これを越えると接合強度が低下することがある。さらに、金属薄膜２０の厚みとしては、振動板１０の剛性に影響を与えない厚みであれば良く、好ましくは、振動板１０の厚みの１／３０〜１／１００程度である。これより金属薄膜２０の厚みが薄すぎるときには接合強度が得られないことがあり、厚すぎるときには振動板１０の機械的変位特性に影響を与えることがある。
【００２５】ここでは、金属薄膜２０としてＡｕの中に４％のＳｉを含有させた金属材料を用いて形成し、厚みを０．１μｍとしている。
【００２６】このように、流路基板１の振動板１０と電極基板３とをＳｉを含有する金属薄膜２０を介して接合することにより、振動板１０と金属薄膜２０との間及び電極基板３と金属薄膜２０との間でＳｉ−金属（ここではＡｕ）の共晶結合が生じて低温で強固な信頼性の高い接合を行うことができる。そして、単に金属薄膜２０を接着層として用いるだけでギャップスペーサ部としていないので、低コストで安定した高精度のギャップを形成することができ、インク滴吐出特性のバラツキが少なくなる。
【００２７】また、接着層となる金属薄膜２０にはＳｉを含有させているので、振動板１０中のＳｉが金属薄膜２０（ここではＡｕ）中に拡散し、金属薄膜２０（ここではＡｕ）中の金属原子が振動板１０中に拡散する相互拡散を抑制することができる。これにより、振動板１０の組成変化による振動特性の変化を防止することができ、インク滴吐出特性が安定して印字品質が向上する。
【００２８】上記のように構成したインクジェットヘッドにおいては、電極１５に駆動回路によって０Ｖ〜３５Ｖのパルス電位を印加すると、電極１５の表面がプラスに帯電し、対応する振動板１０の下面がマイナス電位に帯電するので、振動板１０は静電気の吸引作用により電極１５側に撓む。次に、電極１５へのパルス電位の印加をオフにすると、振動板１０が復元し、これにより、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル５からインク滴が吐出される。さらに、振動板１０が再び電極１５側へ撓むことにより、インクが共通インク室８から流体抵抗部７を介して吐出室６内に補給される。
【００２９】次に、このヘッドの製造工程について図４以降をも参照して説明する。先ず、電極基板３の形成工程について図４を参照して説明すると、同図（ａ）に示すように、Ｓｉ基板からなる電極基板３に酸素及び水蒸気中で熱酸化処理を行って熱酸化膜１１を２μｍの厚みで形成し、この熱酸化膜１１にレジストパターンを形成して、同図（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより深さが０．３μｍの凹部１２を形成する。
【００３０】次いで、同図（ｃ）に示すように、凹部１２の底面に約０．１μｍの厚みでＴｉＮをスパッタし、ドライエッチングによりパターニングして、凹部１２の底面積よりやや小さめのＴｉＮからなる電極１５を形成した。その後、同図（ｄ）に示すように、酸化膜１１の全面に電極１５表面を含めてＳｉＯ2膜３１をＬＰ−ＣＶＤにより約０．１μｍの厚みで成膜し、同図（ｅ）に示すように、このＳｉＯ2膜３１上にフォトレジストパターンを形成しドライエッチングを行うことで、電極１５表面を覆う保護膜１７を形成して、電極基板３を得た。
【００３１】次に、インクジェットヘッド完成までの工程について図５及び図６参照して説明する。先ず、図５（ａ）に示すように、厚さ４００μｍのベース基板２１の表面に膜厚０．５μｍの熱酸化膜２２を介して厚さ２μｍの活性層基板２３を接合したＳＯＩ基板４１（ウエハ）を用いて、同図（ｂ）に示すように、活性層基板２２の表面に厚さ０．０３μｍでＡｕ（Ｓｉを３％含有）を真空蒸着法で成膜することで金属薄膜２０を形成した。
【００３２】そして、同図（ｃ）に示すように、上記した電極１５を設けた電極基板３上にＳＯＩ基板４１を重ね合わせた。このとき、ＩＲアライナーを用いて位置合わせて行った。その後、これを４００℃に加熱しながらスクラブ加圧することで、ＳＯＩ基板４１の振動板となる活性層基板２３と電極基板３のギャップスペーサ部１３として金属薄膜２０を介して共晶接合した。
【００３３】このとき、前述したように、振動板１０となる活性層基板２３と金属薄膜２０と電極基板３との間でＳｉ−Ａｕの共晶結合が生じて低温で強固な接合が得られるとともに、金属薄膜２０を形成するＡｕ中にはＳｉが含有されているので、振動板１０となる活性層基板２３と金属薄膜２０との間での相互拡散が抑制される。
【００３４】次いで、同図（ｄ）に示すように、厚さ４００μｍのベース基板２１を厚さ１００μｍまで研磨によって薄くした。
【００３５】その後、図６（ａ）に示すように、ベース基板２１上にシリコン窒化（ＳｉＮ）膜をＬＰ−ＣＶＤにより成膜し、これをパターニングしてシリコン窒化膜４２の流路パターンに形成する。そして、同図（ｂ）に示すように、エッチング液として例えば２５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）によって温度８０℃にてベース基板２１の異方性エッチングを行うと、熱酸化膜２２でエッチングがストップして凹部４３が形成される。
【００３６】続いて、露出している（凹部３３の底面となっている。）熱酸化膜２２をドライエッチングして除去することにより、同図（ｃ）に示すように、活性層基板２３からなる振動板１０を底面とする吐出室６などが形成された流路基板１が得られる。そこで、シリコン窒化膜４２を１８０℃に加熱したリン酸で除去し、ノズル板４を流路基板１上に接合してインクジェットヘッドを完成する。
【００３７】なお、この場合、熱酸化膜２２を必ずしも除去する必要はなく、インクに対する保護膜として用いることもでき、このときには振動板１０は活性層基板２３と熱酸化膜２２の２層構造となる。
【００３８】次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの他の実施形態について図７の製造工程を参照して説明する。この実施形態では、振動板１０の電極基板３のギャップスペーサ部１３との接合面にのみ金属薄膜２０を成膜している。すなわち、同図（ａ）に示すように、前記した流路基板となるＳＯＩ基板４１の活性層基板２３の外面に、Ａｕを０．０３μｍ厚さに真空蒸着した後、電極基板３のギャップスペーサ部１３と接合される領域のみを残すようにフォトレジストでパターニングした後、ドライエッチングにより、同図（ｂ）に示すように金属薄膜２０のパターンを形成した。こうして得られたＳＯＩ基板４１と電極基板３とを４００℃に加熱しながらスクラブ加圧して接合している。その後の工程は前述した工程と同様である。
【００３９】このようにした場合には、振動板１０の変形変位部分には金属薄膜２０が形成されていないので、振動板１０への金属の拡散を確実に防止することができるが、ギャップ１６の長さが金属薄膜２０の厚み分増加することになるので、金属薄膜２０の厚みは０．０５μｍ以下にすることが好ましい。
【００４０】なお、上記各実施形態においては、本発明に係る液滴吐出ヘッドとして静電型インクジェットヘッドに適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【００４１】また、液滴吐出ヘッドとして、振動板変位方向とノズル滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式で説明しているが、振動板変位方向とノズル滴吐出方向が直交するサイドシュータ方式にすることもできる。さらに、上記実施形態では振動板と電極が平行状態で配置される液滴吐出ヘッドに本発明を適用したが、振動板と電極の全体若しくは一部が非平行状態で配置される液滴吐出ヘッドにも適用することができる。
【００４２】
【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、振動板と電極を設けた基板に形成したギャップスペーサ部とが金属薄膜を介して接合されているので、高精度のギャップを安定して低コストで形成することができて、インク滴吐出特性が向上し、画像品質が向上する。
【００４３】ここで、振動板及びギャップスペーサ部がシリコン又はシリコンの化合物であることににより、金属薄膜との共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることで、Ｓi又はＳｉの化合物との間で共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。さらに、金属薄膜にはＳｉを含有していることにより相互拡散を防止することができて振動板の特性変化を抑制できる。この場合、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないようにすることで接合強度の確保と相互拡散の抑制をより効果的に行うことができる。
【００４４】本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板と電極を設けた基板とがＳｉを含有した金属薄膜を介して接合されているので、振動板と金属薄膜との間での相互拡散が防止されて振動板の特性変化を抑制でき、低コストでインク滴吐出特性に優れ、画像品質が向上したヘッドを得ることができる。
【００４５】ここで、振動板及び電極を形成した基板がシリコン又はシリコンの化合物であることにより、金属薄膜との共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。また、金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料で形成されていることで、Ｓi又はＳｉの化合物との間で共晶接合が可能になって強固な接合を行うことができる。さらに、金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えない超えないようにすることで接合強度の確保と相互拡散の抑制をより効果的に行うことができる。さらにまた、金属薄膜が振動板の全面に形成されていることで、金属薄膜のパターニングが不要になって低コスト化を図れる。
【００４６】上記本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいて、金属薄膜がＡｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金であることにより、Ｓｉ又はＳｉの化合物との強固な接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した静電型インクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板長手方向に沿う模式的断面説明図
【図３】同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説明図
【図４】同ヘッドの電極基板の製造工程を説明する説明図
【図５】同ヘッドの振動板基板と電極基板との接合までの製造工程を説明する説明図
【図６】同ヘッドの振動板形成工程を説明する説明図
【図７】本発明に係る液滴吐出ヘッドの他の実施形態の製造工程の説明に供する説明図
【符号の説明】
１…流路基板、３…電極基板、４…ノズル板、５…ノズル、６…吐出室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１０…振動板、１１…熱酸化膜、１２…凹部、１３…ギャップスペーサ部、１５…電極、２０…金属薄膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 液滴を吐出するノズルに連通している液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極と、前記振動板を静電気力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板と前記電極を設けた基板に形成したギャップスペーサ部とが金属薄膜を介して接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板及びギャップスペーサ部がシリコン又はシリコンの化合物であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】 請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料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４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜にはＳｉを含有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】 請求項４に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】 液滴を吐出するノズルに連通している液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極と、前記振動板を静電気力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板と前記電極を設けた基板とがＳｉを含有した金属薄膜を介して接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板及び前記電極を形成した基板がシリコン又はシリコンの化合物であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】 請求項６又は７に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料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９】 請求項６乃至８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】 請求項６乃至９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜が振動板の全面に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１１】 請求項３又は８に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜がＡｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１】 液滴を吐出するノズルに連通している液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極と、前記振動板を静電気力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板と前記電極を設けた基板に形成したギャップスペーサ部とが金属薄膜を介して接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板及びギャップスペーサ部がシリコン又はシリコンの化合物であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】 請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料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４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜にはＳｉを含有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】 請求項４に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】 液滴を吐出するノズルに連通している液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極と、前記振動板を静電気力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板と前記電極を設けた基板とがＳｉを含有した金属薄膜を介して接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板及び前記電極を形成した基板がシリコン又はシリコンの化合物であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】 請求項６又は７に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜がＳｉと合金をなす金属材料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９】 請求項６乃至８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜に含有するＳｉの量が１０ｗｔ％を超えないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】 請求項６乃至９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜が振動板の全面に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１１】 請求項３又は８に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記金属薄膜がＡｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｔａ、Ｐｂ、Ａｎ，Ｚｎ、Ｓｂのいずれか又は二種以上の合金であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００２−５９５４８（Ｐ２００２−５９５４８Ａ）
【公開日】平成１４年２月２６日（２００２．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−２５１７３５（Ｐ２０００−２５１７３５）
【出願日】平成１２年８月２３日（２０００．８．２３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年２月２６日（２００２．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年８月２３日（２０００．８．２３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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