專利名稱：流體噴射裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于噴墨型打印機(jī)的打印頭等、且用來(lái)在良好控制下吐出墨水等流體的流體噴射裝置及其制造方法、技術(shù)背景隨著近年來(lái)信息化社會(huì)的進(jìn)展，各種OA機(jī)器的需求迅速提高。其中，各種打印機(jī)不只是用作單純的記錄機(jī)構(gòu)，且在高速印刷、高圖像品質(zhì)等方面的要求也愈來(lái)愈強(qiáng)。
在廣泛普及的一般噴墨型打印機(jī)中，可高速度、且任意地進(jìn)行墨水吐出的按指令方式的噴墨頭是決定機(jī)器性能的關(guān)鍵裝置。大型噴墨頭系由墨水流路、用于加壓墨水的壓力室、激勵(lì)器等墨水加壓機(jī)構(gòu)、以及吐出墨水的吐出口所構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)按指令方式，需要控制良好的加壓機(jī)構(gòu)，以往多使用通過(guò)對(duì)于墨水加熱而產(chǎn)生的氣泡吐出的方式(加熱方式)、及通過(guò)壓電陶瓷等的變形直接加壓墨水的方式(壓電方式)等。


圖11為表示噴墨頭的構(gòu)成一例的立體剖面圖?，F(xiàn)有的壓電式噴墨頭系由壓電體111、壓力室112、流路113、吐出口114、流體(墨水)供給口115、構(gòu)造體A116、構(gòu)造體B117、構(gòu)造體C118、振動(dòng)板119、及各別電極120(120a、120b)構(gòu)成。
在此，在壓電體的第一面設(shè)有各別電極120，在第二面也同樣形成有電極(未圖示)。壓電體111系透過(guò)第二面的電極而與振動(dòng)板119接合。
其次，振動(dòng)板119、構(gòu)造體A116、構(gòu)造體B117、構(gòu)造體C118系通過(guò)粘合劑等接合而成為一層合構(gòu)造。在構(gòu)造體116的內(nèi)部設(shè)有用來(lái)形成壓力室112及流路113的空洞。壓力室112、流路113、各別電極120等一般設(shè)有多個(gè)組，并各別地加以劃分。構(gòu)造體B117也一樣，并形成有墨水供給口115。又，在構(gòu)造體C118上與壓力室112的位置相對(duì)地設(shè)有吐出口114；其系從墨水供給口115導(dǎo)入墨水，并將此墨水填充于流路113及壓力室112中。
振動(dòng)板119為導(dǎo)電材料，且與壓電體11的粘接側(cè)的電極導(dǎo)通。因此，通過(guò)在振動(dòng)板119與各別電極120間施加電壓，使壓電體111與振動(dòng)板119的層合部彎曲變形。此時(shí)，通過(guò)選擇施加電壓的電極，可使壓電體111的任何位置，即對(duì)應(yīng)于任意的壓力室112的位置產(chǎn)生彎曲變形。通過(guò)由此變形推壓壓力室112內(nèi)的墨水，從吐出口114吐出按照推壓力的量的墨水。變形量因加在壓電體111的電壓而異，即，通過(guò)控制電壓的大小及外加位置，可從任意位置吐出任意量的墨水。
現(xiàn)有的加熱方式的噴墨頭一般在響應(yīng)速度等方面不如壓電方式。一方面，采用壓電方式的噴墨頭時(shí)，與振動(dòng)板的彎曲變形由于壓電體厚度而受到限制。即，在厚度大的情況下，因壓電體其本身的剛性而無(wú)法獲得充分的變形。若為獲得充分的變形而擴(kuò)大壓電體的面積，則噴墨頭變大而阻礙噴嘴的高密度化，并成為增加材料成本的重要原因。另外在面積無(wú)法擴(kuò)大時(shí)，為了獲得充分的變形而需要更高的驅(qū)動(dòng)電壓。
現(xiàn)在，通過(guò)厚膜形成和一體燒成的技術(shù)，雖已實(shí)現(xiàn)了壓電體厚度20微米左右的壓電體，但為了更高的圖像品質(zhì)化而有必要使噴嘴高密度化。當(dāng)為了噴嘴的高密度化而縮小壓電體的面積時(shí)，壓電體厚度的減少雖不可或缺，但在現(xiàn)有技術(shù)方面卻對(duì)此有界限。
另外，雖為形成流路而在不銹鋼等的構(gòu)造體內(nèi)部必需設(shè)置空洞部，但為了實(shí)現(xiàn)既精密且復(fù)雜的流路，卻有必要更多的層疊。又，接合部的粘接材料由于長(zhǎng)時(shí)間暴露于液體，必須從可靠性方面加以注意。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有更高圖樣品質(zhì)且高可靠性、低成本的噴墨頭的流體噴射裝置。
發(fā)明的揭示本發(fā)明的流休噴射裝置包含有分別分割成各別的至少一個(gè)腔室；導(dǎo)通于所述腔室的流路；與所述腔室導(dǎo)通的吐出口；及覆蓋所述腔室一方的面、由厚度為7微米以下的壓電材料與彈性材料的層合體構(gòu)成的壓力產(chǎn)生部。
又，本發(fā)明的流體噴射裝置制造方法包含有在第一基板上形成壓力室用貫穿孔及供給口用貫穿孔的形成工序；接合羊述第一基板與第二基板的接合工序；接合所述第二基板與第三基板的接合工序；
形成由壓電材料與彈性材料的層合體構(gòu)成的壓力產(chǎn)生部以覆蓋所述壓力室用貫穿孔的形成工序。
又，本發(fā)明系使用用濺射法所形成的PZT系薄膜材料作為壓電體。
又，本發(fā)明系使用硅基板及玻璃基板作為構(gòu)造體，且通過(guò)蝕刻及噴砂法進(jìn)行加工。
又，本發(fā)明其構(gòu)造體的結(jié)合并不使用樹脂，而通過(guò)表面處理及加熱處理來(lái)進(jìn)行直接接合。
由于這種構(gòu)成，壓電體可容易實(shí)現(xiàn)薄型化，有助于噴嘴(吐出口)的高密度化。又，硅及玻璃可通過(guò)蝕刻及噴砂一次對(duì)多個(gè)進(jìn)行微細(xì)加工，可提高制品加工精度、減少生產(chǎn)工序。而且硅及玻璃可互相直接接合，可容易地確保對(duì)于液體的充灌的長(zhǎng)期可靠性，同時(shí)可進(jìn)行成批處理的接合，故可實(shí)現(xiàn)工序的簡(jiǎn)單化。
附圖簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1系本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)中的流體噴射裝置的截面立體圖；圖2A～2D系該壓電薄膜的制造工序圖；圖3A～3E系該硅基板加工的制造工序圖；圖4A～4E系該吐出口形成的制造工序圖；圖5A～5D系該流體噴射裝置的制造工序圖；圖6A～6F系硅基板加工的其他制造工序圖；圖7A～7D系吐出口形成的其他制造工序圖；圖8系本發(fā)明第二實(shí)施形態(tài)中的流體噴射裝置的截面立體圖；圖9A～9E系該硅基板加工的制造工序圖；圖10A～10F系該流體噴射裝置的制造工序圖；圖11為一表示習(xí)知流體噴射裝置的構(gòu)成的截面立體圖；圖12系本發(fā)明第一實(shí)施形態(tài)中已加工硅基板的俯視圖；圖13A～13E為一表示該硅基板及玻璃基板的加工順序的制造工序圖；圖14A～14E為一表示該硅基板及玻璃基板的其他加工順序的制造工序圖；第15A、15B圖系表示本發(fā)明第二實(shí)施形態(tài)的硅基板的加工狀態(tài)。
用以實(shí)施發(fā)明的最佳形態(tài)第一實(shí)施形態(tài)圖1為一表示使用硅、玻璃及壓電薄膜的流體噴射裝置一例的截面立體圖。
如圖1所示，本實(shí)施形態(tài)的流體噴射裝置包含有壓電薄膜11；壓力室12；流路13；吐出口14；貫穿孔15；流體(墨水)供給口16；第一硅基板17；玻璃基板18；第二硅基板19；彈性體20；及各別電極21(21a，21b，...)。即，本實(shí)施形態(tài)的流體噴射裝置系包含由第一硅基板17、玻璃基板18及第二硅基板19所成的層合體；壓電體11及彈性體20；及設(shè)在該壓電膜11上的各別電極21。
在第一硅基板17上設(shè)有相對(duì)于各別電極21的位置各別地設(shè)置的貫穿孔即壓力室12；與壓力室12導(dǎo)通且加工至厚度方向的中途的深度的流路13；及與流路13導(dǎo)通的貫穿孔即流體供給口16。流路13采用一種在中途愈離開壓力室12開口面積愈大的形狀(以圖1的虛線表示)。又，圖1中主要表示一組各別電極、壓力室、吐出口等。流體噴射裝置一般由同一構(gòu)成的多個(gè)組的各別電極、壓力室、吐出口所構(gòu)成。圖1中各別電極21系表示21a及21b二組。
其次，接合第一硅基板17與玻璃基板18，通過(guò)此將壓力室12及流路13留下一部分并密封。在對(duì)應(yīng)于玻璃基板18的壓力室12的部分分別設(shè)有貫穿孔15。另外，與在第二硅基板19上貫穿孔15大致中央部對(duì)應(yīng)地形成有一面積比貫穿孔15的開口部狹窄的吐出口14。又，將玻璃基板18與第二硅基板19接合。在與壓力室12的貫穿孔15相反側(cè)的面上經(jīng)彈性體20接合有壓電薄膜11。在壓電薄膜11的表面設(shè)有各別電極21，而在背面也設(shè)有各別電極(未圖示)。
從流體供給口16流入的液體系填充在流路13、壓力室12、貫穿孔15中，而停滯在吐出口14附近。當(dāng)以此狀態(tài)將電壓施加于壓電薄膜11兩面的兩極間時(shí)，壓電薄膜11及彈性體的層合體則產(chǎn)生彎曲變形。如彈性體20為薄電材料，便與壓電體的背面電極導(dǎo)通，并通過(guò)在彈性體20與各別21間外加電壓而產(chǎn)生彎曲變形。又，通過(guò)選擇外加電壓的各別電極21的場(chǎng)所，可僅在任意部位產(chǎn)生變形。而且由于壓電薄膜11及彈性體20的層合體的彎曲而推壓壓力室12內(nèi)的流體，相應(yīng)于推壓量從吐出口14噴射流體。
一般而言，壓電薄膜11使用具有高壓電常數(shù)的PbZrxTi1-xO3(PZT系)材料等。此材料的薄膜例如可在壓電薄膜用基板MgO上以一定條件通過(guò)由濺射法加以成膜而得。通過(guò)將壓電薄膜用基板MgO浸漬于磷酸等中加以蝕刻，可容易地僅得到壓電薄膜11的薄膜。
吐出口14的形狀影響到流體的噴射速度和面積等，是噴墨等方面決定印字性能的重要要素。吐出口14的開口面積小雖可實(shí)現(xiàn)更細(xì)的印字，但其與壓力室的面積差過(guò)大則損失增大而無(wú)法進(jìn)行良好的吐出。故在玻璃基板18上設(shè)置貫穿孔15，且通過(guò)在貫穿孔15中形成一從壓力室朝向吐出口減少面積的圓錐以減輕損失。另外，如采取該構(gòu)成，與只設(shè)置錐形孔相比更易于控制吐出口的形狀，可形成更微細(xì)且均勻形狀的吐出口。
在此，推壓時(shí)壓力不僅傳遞給吐出口14，且也傳遞至流路13側(cè)，以致有流體倒流的情況。故在流路13設(shè)置一朝向壓力室12且開口面積變?yōu)楠M窄的圓錐，通過(guò)此增加對(duì)于倒流的阻力而使吐出更良好地進(jìn)行。又，通過(guò)在流路13中設(shè)置面積狹窄部分，也可期待同樣的效果；且將流路13的狹窄部分作成吐出口14的面積的0.5倍～1.5倍，通過(guò)此可防止倒流并進(jìn)行良好的吐出。
又，如果采用濺射法，可輕易獲得數(shù)微米厚度的壓電薄膜11，與以往相比為薄型。如果壓電薄膜11的厚度變薄，由于本身的剛性則降低而易于獲得更大的彎曲，且在同一彎曲方面其偏斜量較薄者小，從而增加對(duì)于重覆荷重的可靠性。因此，壓電材料的薄型化，可使激勵(lì)器部小型化及使吐出口14的面積變小，進(jìn)而有助于密度的增加，及有助于進(jìn)一步提高圖像品質(zhì)。
壓電薄膜11的厚度過(guò)薄將招致驅(qū)動(dòng)力的不足；反的，若要通過(guò)薄膜技術(shù)來(lái)獲得厚材料，將招致濺射時(shí)間的增加并造成效率的惡化。為此，壓電薄膜11的厚度為7微米以下在驅(qū)動(dòng)力及成膜成本上較為妥當(dāng)。激勵(lì)器若是只壓電薄膜11時(shí)并不會(huì)彎曲變形，所以有必要與其他彈性體20作成層合構(gòu)造。雖從作為彈性體20作用且具有導(dǎo)電性的觀點(diǎn)來(lái)看宜使用不銹鋼等的金屬材料，但彎曲變形時(shí)的中立面將根據(jù)兩者的厚度及材料的剛性改變。中立點(diǎn)愈離開界面，界面的偏斜愈增加并產(chǎn)生剝離的危險(xiǎn)性；而如為壓電體內(nèi)部，將降低驅(qū)動(dòng)效率。因此，為了使中立點(diǎn)的位置為界面附近而將兩者的厚度關(guān)系作成金屬材料的彈性體與壓電體的厚度相比為相等或其以下。
由于壓電材料僅在各壓力室能加以驅(qū)動(dòng)即可，故在鄰接壓力室的隔壁部并不需要形成壓電材料。不如說(shuō)通過(guò)分割成各壓力室單位可防止鄰接壓電體彼此間的干擾，且在接合作業(yè)時(shí)和驅(qū)動(dòng)時(shí)可回避壓力加上壓電材料，故可防止壓電材料的裂痕。
圖2為一表示分割壓電材料的工法的一例的截面圖。
首先，如圖2A圖所示，通過(guò)濺射在壓電薄膜用基板MgO 24上層疊各別電極用材料23、壓電薄膜22。其次，通過(guò)選擇蝕刻來(lái)除去各別電極用材料23及壓電薄膜22，以分割成各別電極23a、23b、23c、及壓電薄膜22a、22b、22c(圖2B)。接著形成由鉻等的金屬材料構(gòu)成的彈性體28，并在其上涂布聚酰亞胺等的樹脂材料25(圖2C)。接著，在通過(guò)選擇蝕刻來(lái)除去分割部位即各別電極用材料23及壓電薄膜22的部位，接合硅基板27，以使壓電薄膜22a、22b、22c僅配置在壓力室26a、26b、26c。最后將壓電薄膜用基板MgO浸漬于磷酸中加以除去(圖2D)。其結(jié)果，通過(guò)樹脂材料25來(lái)加強(qiáng)分割部位，而且樹脂材料25因剛性低而對(duì)于驅(qū)動(dòng)影響不大。
采用以上的構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)一種從基板平面的任意吐出口吐出流體的流體噴射裝置。
其次示出裝配工序的一例。圖3A-3E、圖4A～4E、圖5A～5D為表示本發(fā)明流體噴射裝置的裝配工序的剖面圖。
圖3A～3E系表示第一硅基板31的加工方法的一例。在圖3A所示的第一硅基板31的兩面涂布抗蝕劑層32a、32b，使用照相平版印刷工法在給定的位置形成圖案(圖3B)。此時(shí)按照對(duì)應(yīng)于各壓力室34和流路33等的位置及形狀形成圖案。
其次，通過(guò)RIE(Reactive Ion Etching反應(yīng)離子蝕刻)從抗蝕劑層32b側(cè)蝕刻Si。而在向基板厚度方向?yàn)榻o定深度的位置停止蝕刻，僅向單面開口形成流路33(圖3C)。接著從抗蝕劑層32a側(cè)進(jìn)行蝕刻，形成與流路33導(dǎo)通的貫穿部。通過(guò)此形成壓力室34及流體供給口35(圖3D)。最后，剝離抗蝕劑層32a、32b，完成第一硅基板31的加工(圖3E)。
圖4A～4E系表示玻璃基板41與第二硅基板44的加工方法的一例。
首先，在基板41的兩面涂布抗蝕劑層42a、42b，并只在42a側(cè)對(duì)應(yīng)于壓力室的位置形成圖案(圖4A)。其次，通過(guò)噴砂工法從抗蝕劑層42a側(cè)噴射磨砂粒，加工玻璃基板41并形成貫穿孔43(圖4B)。此時(shí)，貫穿孔43系形成從磨砂粒噴射側(cè)朝向貫穿側(cè)變窄的圓錐。又，抗蝕劑層42b具有用來(lái)防止因磨砂粒而損傷背面?zhèn)鹊淖饔谩?br> 接著，在剝離抗蝕劑層42a、42b的后，直接接合第二硅基板44與玻璃基板41，而在第二硅基板44上形成抗蝕劑層45的圖案，此抗蝕劑層系用來(lái)與各壓力室對(duì)應(yīng)地形成吐出口46(圖4C)。
直接接合系在不使用樹脂等的中間物、且也不使用如陽(yáng)極接合等那樣的高電壓下，僅通過(guò)基板洗凈及加熱來(lái)接合各基板的方法。例如，用硫酸過(guò)水等來(lái)洗凈表面平坦性良好的玻璃及硅，乾燥后加以重疊。
如此后兩基板加壓，可獲得大致上的吸附，進(jìn)而通過(guò)幾百度的加熱處理使兩基板間的接合強(qiáng)度上升。該手法系通過(guò)基板材料、洗凈條件、加熱條件的最適合化而獲得極高的強(qiáng)度。例如在玻璃基板彼此的接合中，能見到非在剝離試驗(yàn)的結(jié)果界面的基板內(nèi)引起破壞的模式看出。因此，與使用樹脂等的場(chǎng)合相比，更不需要擔(dān)心如黏接層中所見的經(jīng)時(shí)性劣化(老化)和因與流體的接觸而引起的劣化等，可獲得高可靠度。再者，由于只是洗凈及加熱的工序，故工序簡(jiǎn)單。此后，通過(guò)RIE對(duì)于第二硅基板施行蝕刻加工(圖4D)，并剝離抗蝕劑層，完成作業(yè)(圖4E)。
采用圖4A～4E所示的方法，兩方的貫穿孔的定位將變成容易；又，由于因接合而增加厚度，所以易于處理，可使用更薄的第二硅基板，進(jìn)而可高精度且均勻地形成一對(duì)于吐出性影響頗大的第二硅基板的吐出口用貫穿孔。
圖5A～5D為截面圖，系表示加工后的第一硅基板56、玻璃基板57及第二硅基板58的接合體，及貼合壓電薄膜59(包含彈性體)的工序。
首先，將按照所述圖3A～3E施行的加工完成的第一硅基板56、按照?qǐng)D4A～4E加工的第二硅基板58與玻璃基板的接合體(圖5A)，經(jīng)與所述同樣的手法進(jìn)行直接接合(圖5B)。此時(shí)，事前進(jìn)行壓力室51與貫穿孔54的位置對(duì)準(zhǔn)。此后，在壓力室51上部貼合一在MgO等的壓電薄膜用基板60上成膜的壓電薄膜59(包含彈性體)(圖5C)。最后除去壓電薄膜用基板60并完成作業(yè)(圖5D)。若壓電薄膜用基板60為MgO時(shí)，可通過(guò)浸漬于磷酸液等除去。
采用上述方法，可通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)來(lái)進(jìn)行高精度且高效率的加工，且接合工序也簡(jiǎn)易，可靠性也高。另外，若使用噴砂工序，則特別可快速地進(jìn)行玻璃等脆性材料的加工，且貫穿孔的形狀自動(dòng)具有均勻的圓錐，所以可形成適于流體吐出的形狀。另外，所述加工可通過(guò)圖案設(shè)計(jì)來(lái)加工各種形狀，設(shè)計(jì)范圍寬廣。
另外，在上述第一硅基板56的加工方法中的流路形成方法中雖沿厚度方向形成給定深度溝槽槽槽，但也有將貫穿部形成在流路部的其他方法，現(xiàn)說(shuō)明如下。
圖6A～6F系表示第一硅基板61的加工及裝配方法的截面圖。
在圖6A圖所示的第一硅基板61上涂布第一抗蝕劑層62以進(jìn)行圖案形成(圖6B圖)。此時(shí)，在給定的位置進(jìn)行圖案形成，以使流路63、壓力室64、流體供給口65成為可加工狀態(tài)。其次，通過(guò)由RIE等的手法貫穿形成流路63、壓力室64、流體供給口65的全部(圖6C)。除去第一抗蝕劑層62以后，直接接合密封用玻璃基板66，進(jìn)而涂布第二抗蝕劑層67，進(jìn)行圖案形成(圖6D)。此后，通過(guò)噴砂來(lái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)于壓力室67及流體供給口65部分的加工，形成分別導(dǎo)通于壓力室64及流體供給口65的第一玻璃貫穿孔68、第二玻璃貫穿孔69(第6E圖)。此時(shí)，若需要從噴砂保護(hù)第一硅基板61時(shí)，在兩面設(shè)抗蝕劑層也可?；蛘撸部蓪⒇灤┣巴Ｖ菇柚鷩娚暗募庸ご挠梅瘹滗@等來(lái)蝕刻殘留部分的玻璃以形成玻璃貫穿孔。最后，剝離第二抗蝕劑層67并完成作業(yè)(圖6F)。
圖12中表示從基板表面看的用該方法加工的第一硅基板的形狀。如圖所示，連接壓力室64與供給口65的流路63形成為愈接近壓力室愈變窄。這是如前所述為了增加對(duì)于流體倒流的阻止以使吐出更佳。
采用該方法，第一硅基板61的加工并不需要如圖3A～3E那樣進(jìn)行二次，進(jìn)行一次具有良好的效率，且流路63的形狀也依第一硅基板61的厚度而定，故可形成均勻的形狀。加上壓力室的空洞部分可增加密封用玻璃基板66部分的厚度，可使更多的流體充填于壓力室內(nèi)，有助于吐出條件的最適合化。由于硅基板的厚度大，無(wú)法進(jìn)行良好的貫穿加工，所以在其意義上也非常有效。
而且由于通過(guò)圖6所示的工序密封流路63的一側(cè)，所以與圖5所示例一樣可實(shí)施與其它要素的貼合工序。另外，在圖6所示例方面，雖直接接合玻璃基板及硅基板后進(jìn)行玻璃基板的加工，但與的同樣的方法也可在其他工序中同樣地實(shí)施。
參照?qǐng)D13作為一例來(lái)說(shuō)明形成流路部的其他方法。將已通過(guò)噴砂形成有貫穿孔54的玻璃基板57(圖13A)與第一硅基板61直接接合(圖13B)。其次，在第一硅基板61上涂布抗蝕劑層62并進(jìn)行圖案形成(圖13C)。在此，將抗蝕劑層平面地制作圖案成圖12所示的形狀。其后，通過(guò)由RIE總括地加工對(duì)應(yīng)于壓力室及流體供給口的貫穿孔64、65及流路用貫穿孔63(圖13D)，然后除去抗蝕劑層62，完成作業(yè)(圖13E)。
采用該方法，因基板的總厚度增加而提高強(qiáng)度，故可防止工序中造成的損壞。又，由于易受垃圾及污臟影響的直接接合最初進(jìn)行，其后的工序不會(huì)受到影響。另外，由于直接接合，而較的使用樹脂等的接合更不需要考慮蝕刻等時(shí)的對(duì)于界面的浸蝕。再者，由于玻璃基板與第一硅基板接合之后進(jìn)行第一硅基板的加工，所以貫穿孔等的定位容易，且因板厚的增加而不易產(chǎn)生裂痕。又，由于第一硅基板的蝕刻在與玻璃基板的接合面受到阻礙，所以可均勻地控制溝槽槽部的貫穿側(cè)的形狀，可形成高均勻性的流路。
另外，即使在本實(shí)施例的最初方法(圖3A圖～圖5D)中，也可施行如下的加工法。在第一硅基板31上涂布抗蝕劑層32a、32b后，進(jìn)行圖案形成(圖14A)。用RIE沿硅基板31的厚度方向加工到中途為止，通過(guò)此形成流路33(圖14B)。其次，與已通過(guò)噴砂形成有貫穿孔54的玻璃基板直接接合(圖14C)。在第一硅基板31上涂布抗蝕劑層32c，并進(jìn)行圖案形成(圖14D)。其次通過(guò)RIE，于第一硅基板31上形成對(duì)應(yīng)于壓力室及流體供給口的貫穿孔34、35(圖14E)。采用該方法，則由于可一面參照玻璃基板57的貫穿孔54，一面進(jìn)行第一硅基板31的貫穿孔34的加工的定位和大小的控制，因而精度高且容易。在第一硅基板31與玻璃基板57的接合部方面，由于材質(zhì)各異而蝕刻速也不同，可正確地停止貫穿孔54的加工，貫穿孔形狀的均一性良好。
與此相同，如圖7所示，接合玻璃基板71與第二硅基板72時(shí)的情況相同，也可將兩者直接接合后加工兩者的貫穿孔。
另外，通過(guò)由研磨使第二硅基板72成為薄板，通過(guò)此可完成更微細(xì)且精密的加工。圖7A～7D為表示包含有通過(guò)研磨使第二硅基板72變薄時(shí)的工序的一例的截面圖。
與前例一樣，直接接合玻璃基板71與第二硅基板72(圖7A)。此后，研磨第二硅基板72使厚度減少(圖7B)。接著，與所述一樣通過(guò)噴砂、RIE等形成貫穿孔73及吐出口74(圖7C、7D)。如第二硅基板72的厚度較厚，加工則費(fèi)時(shí)，加上易產(chǎn)生加工偏差而不易獲得均勻的孔，更難以加工既微小且深的貫穿孔。
因此，雖說(shuō)第二硅基板72的厚度薄些較為理想，但在硅單板中，從工序的處理上及加工成品率的觀點(diǎn)卻有限制。因此通過(guò)與玻璃基板直接接合以增加剛性，使研磨作業(yè)變?yōu)槿菀?。另外，研磨后可直接進(jìn)入下一工序。雖為了實(shí)現(xiàn)更高的吐出高密度的流體噴射裝置而需要將吐出口徑小型化至大約幾十微米以下，但如將硅板厚也同樣縮小到50微米以下，則可形成更小型、高密度且均勻形狀的吐出口。另外，由于待兩基板的接合后進(jìn)行玻璃基板及第二硅基板的貫穿孔的加工，而不需要接合時(shí)的定位，且在加工前即己接合，所以在加工中不會(huì)損壞接合面，也不會(huì)粘附污臟，具有可獲得良好接合的作用。
毋庸置言，如研磨時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，則也可在玻璃基板設(shè)貫穿孔后進(jìn)行直接接合、研磨，可獲得同樣效果。
加以由噴砂所加工的貫穿孔如前所述具有開口面積從磨砂粒噴射側(cè)朝向貫穿側(cè)縮小的圓錐形狀。因此，雖受磨砂粒的大小和噴射速度等的若干影響，但只要將玻璃的板厚及磨砂粒噴射側(cè)的直徑(抗蝕劑層的開口直徑)作成均一，也就決定了貫穿側(cè)的開口直徑。因此，通過(guò)選擇玻璃板厚及磨砂粒噴射側(cè)的直徑以便貫穿側(cè)的直徑稍大于吐出口徑，能均勻地加工最適合的形狀。如前所述，為了與幾十微米以下的吐出口對(duì)應(yīng)，若為0.8mm以下的玻璃基板時(shí)，將磨砂粒噴射側(cè)的直徑設(shè)為rg，并將貫穿側(cè)的直徑設(shè)為rs時(shí)的玻璃基板的厚度大致為1.2～1.9×(rg-rs)的條件。
第二實(shí)施形態(tài)圖8為一表示第二實(shí)施形態(tài)的流體噴射裝置的截面立體圖。
在圖8中，硅基板86、第一玻璃基板87、第二玻璃基板88，系通過(guò)第一實(shí)施形態(tài)中所述的直接接合加以接合而成為層合構(gòu)造。硅基板86系通過(guò)RIE等手法設(shè)有向基板端面部開口的吐出口84(84a、84b)、與其導(dǎo)通且貫穿的壓力室82、及成為流體供給口85的一部分的貫穿部。又，在第一玻璃基板87中也設(shè)有貫穿部，貫穿部的一部分則與壓力室82導(dǎo)通而形成流路83，另一部分構(gòu)成流體供給口85的一部分。
在壓力室82的正上面接合有壓電薄膜81與彈性體89的層合體，該壓電薄膜81上設(shè)有各別電極90(90a、90b)。各壓力室82與流路83系互相被分割而獨(dú)立，與各壓力室82對(duì)應(yīng)地配置有各別電極90a、90b。第二玻璃基板88系密封第一玻璃基板87的貫穿部的一方并形成流路83的一部分。流體則從流體供給口85經(jīng)由流路83而填充于壓力室82；其后通過(guò)壓電薄膜上外加電壓時(shí)的變形推壓流體并從吐出口84a、84b等噴射流體。
其次說(shuō)明制造方法。
圖9A～9E系表示硅基板的加工方法的截面圖。
在圖9A所示的硅基板91的兩面涂布抗蝕劑層92a、92b并進(jìn)行圖案形成(圖9B)。其次，通過(guò)由RIE從一方的面加以蝕刻進(jìn)行淺加工并形成吐出口93(圖9C圖)。接著從另一方的面進(jìn)行貫穿加工并形成壓力室94及流體供給口95。此時(shí)將吐出口93及壓力室94作成一部分導(dǎo)通的結(jié)構(gòu)(圖9D)。最后，剝離兩面的抗蝕劑層而完工(圖9E)。
圖10A～10F系表示全體的裝配方法的截面圖。
如圖9A～9E所示，通過(guò)由噴砂對(duì)于已加工完成的硅基板101(圖10A)進(jìn)行貫穿加工并直接接合已設(shè)有流路106的第一玻璃基板105(圖10B)。此時(shí)，將流路106設(shè)成導(dǎo)通于壓力室103及流體供給口104，且在吐出口10側(cè)直接接合。進(jìn)而直接接合第二玻璃基板107及第一玻璃基板105并密封流路106的一側(cè)(圖10C)。
其次，與第一實(shí)施形態(tài)同樣地將設(shè)在MgO基板110上的壓電薄膜108與彈性體(圖10D)接合并浸漬于磷酸水溶液以除去MgO基板110(圖10E)。最后，當(dāng)分割三片基板的層合體時(shí)，在與吐出口102長(zhǎng)度方向垂直方向進(jìn)行切塊等，使吐出口102向外部開口而完成作業(yè)(圖10F)。
還有，吐出口102的形狀雖是決定流體吐出能力的重要因素，但吐出口102為微細(xì)時(shí)，因通過(guò)上述切塊等分割時(shí)產(chǎn)生切屑而可能損壞形狀。作為回避此形狀損壞的一例，首先在借助硅基板的蝕刻加工形成吐出口前，在吐出口位置預(yù)先切斷硅基板，以便在吐出口形成后不進(jìn)行加工。又，若因切斷而產(chǎn)生晶圓處理上的問(wèn)題時(shí)，有不完全切斷吐出口部分而使切入量至中途等方法。例如，如圖15A圖中的硅基板的截面形狀及圖15B的從下觀看硅基板的俯視圖所示，有預(yù)先在硅基板101中形成凹型部分130并與之垂直地形成吐出口用溝槽槽102，在全體分割時(shí)，用比所述凹部狹窄的刀片等沿切斷線140切斷而吐出口則在切斷時(shí)不施加加工等方法。又，在圖15A～15B中，103為壓力室，104為供給口。由此，在硅基板形成溝槽槽槽的同時(shí)形成所有吐出口，在吐出口部分由于其后不需要加工，所以可保持吐出口的均勻狀態(tài)而不損及吐出性能。
又，本發(fā)明的所有實(shí)施形態(tài)由于具有全部可由平板構(gòu)件的層疊形成等的特征，所以易于微細(xì)加工，且可實(shí)現(xiàn)構(gòu)造的微細(xì)化。并可采用將圖9或15所示的單位構(gòu)造作成在大面積的硅基板上形成多個(gè)矩陣狀，并在第一及第二玻璃基板上也同樣造作多個(gè)單位構(gòu)造，如圖10所示將它們接合、其后各別地加以切斷等的方法。因此，可一次制造大量流體噴射裝置而具有高效率。
采用上述本實(shí)施形態(tài)的方法，除了可一樣獲得第一實(shí)施形態(tài)所述的微細(xì)加工及直接接合、壓電薄膜的效果以外，更可形成從端面噴射等的不同形態(tài)的流體噴射裝置。采用該方法可通過(guò)抗蝕劑層圖案來(lái)任意進(jìn)行吐出口的設(shè)計(jì)，大大有助于形狀的最適化。吐出口的面積僅加工的寬度及深度量，可容易以良好的均勻性地微細(xì)地設(shè)定。再者，若第一玻璃基板的流路并不貫穿而能半蝕刻時(shí)，只通過(guò)一次的直接接合即可實(shí)施而不需要第二基板，可進(jìn)一步削減工序。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如上所述，依照本發(fā)明，通過(guò)使用硅及玻璃的微細(xì)加工技術(shù)及壓電薄膜，可形成更小型且具有高密度的流體噴射裝置。另外，由于從平板狀基板的兩方向的加工及層合，能以多個(gè)一體形成，生產(chǎn)效率非常良好，設(shè)計(jì)的自由度也大。此外，各基板間的接合為直接接合，所以不需要使用粘接材料，易于工序管理，還可消除從流體密封方面的長(zhǎng)期可靠性的劣化因素。
其結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)噴墨型打印機(jī)的按指令方式噴墨頭的高密度化、高可靠性化、低價(jià)格化。
權(quán)利要求
1.一種流體噴射裝置，其特征在于，包含有至少一個(gè)腔室，系分別分割成各別狀態(tài)；流路，系導(dǎo)通于前所腔室；吐出口，系導(dǎo)通于所述腔室；以及壓力產(chǎn)生部，系覆蓋所述腔室的一方的面、由厚度為7微米以下的壓電材料與彈性體材料的層合體構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置，其特征在于所述彈性材料系由厚度與所述壓電材料的厚度相等或其以下的金屬材料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置，其特征在于所述壓電材料系分別被分割成與各腔室對(duì)應(yīng)，且至少在所述壓電材料的分割部位設(shè)有樹脂材料層。
4.如權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置，其特征在于所述腔室、所述流路、及所述吐出口系由硅板與玻璃板的平板形狀構(gòu)件的層疊形成。
5.如權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置，其特征在于所述壓電材料的主成分為PbZrxTi1-xO3。
6.如權(quán)利要求4所述的流體噴射裝置，其特征在于所述硅板與所述玻璃板系由直接接合加以接合。
7.一種流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，包含有在第一基板形成壓力室用貫穿孔及供給口用貫穿孔的工序A1；接合所述第一基板與第二基板的工序B；接合所述第二基板與第三基板工序C；以及形成由壓電材料與彈性材料之層合體構(gòu)成的壓力產(chǎn)生部工序D。
8.如權(quán)利要求7所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，還包含在所述第一基板中形成其一部分所述壓力室貫穿孔及供給口用貫穿孔導(dǎo)通的流路用溝槽的工序A2；在所述第二基板中形成與所述第一基板接合的一側(cè)具有較寬的圓錐的貫穿孔的工序E；在所述第三基板中形成吐出口用貫穿孔的工序F。
9.如權(quán)利要求8所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在進(jìn)行了所述工序A2及工序B之后進(jìn)行所述工序A1。
10.如權(quán)利要求7所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，還包含在所述第一基板形成流路用貫穿孔的工序A3；在所述第二基板中形成與所述第一基板接合的一側(cè)具有較寬的圓錐的貫穿孔的工序E；在所述第三基板，形成吐出口用貫穿孔的工序F；在第四基板形成壓力室用貫穿孔的工序G；以及接合述第一基板與第四基板以形成流路用溝槽的工序H。
11.如權(quán)利要求10所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在進(jìn)行了所述工序E及所述工序B之后進(jìn)行所述工序A1及工序A3。
12.如權(quán)利要求8或10所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于進(jìn)行所述工序E及所述工序C，其后進(jìn)行工序F。
13.如權(quán)利要求8或10所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在進(jìn)行了所述工序C之后進(jìn)行所述工序E及所述工序F。
14.如權(quán)利要求8或10所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，還包含一在進(jìn)行了所述工序E及所述工序F之后、或者進(jìn)行了所述工序E之后進(jìn)行工序C、其后研磨所述第三基板并至少使對(duì)應(yīng)于第二基板中形成的貫穿孔的位置附近的厚度變薄的工序。
15.如權(quán)利要求8或10所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于將所述第三基板的厚度作成50微米以下。
16.如權(quán)利要求8或10所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于通過(guò)在所述工序F中將形成在所述第三基板的吐出口用貫穿孔的直徑形成得小于一形成在所述第二基板貫穿孔的圓錐狹窄側(cè)的直徑、同時(shí)在所述工序C中使所述第三基板的吐出口用貫穿孔位于所述第二基板貫穿孔徑的狹窄側(cè)的大致中央部并接合。
17.如權(quán)利要求15所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在將所述第二基板的厚度作成0.8mm以下的同時(shí)，將所述第二基板所形成的圓錐狀貫穿孔的寬側(cè)的直徑設(shè)為rg、將所述第三基板中形成的吐出用貫穿孔的直徑設(shè)為rs時(shí)，所述第二基板形成為具有1.2×(rg-rs)～1.9×(rg-rs)之厚度。
18.如權(quán)利要求7所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，還包含在所述第一基板中形成吐出口用溝槽并使其一部分導(dǎo)通于所述壓力室用貫穿孔的工序A4；以及在所述第二基板中形成流路用貫穿孔的工序I。
19.如權(quán)利要求18所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在所述工序B中定位接合，以使所述第一壓力室用貫穿孔及供給口用貫穿孔與所述第二基板的流路用貫穿孔在一部分導(dǎo)通以形成流路。
20.如權(quán)利要求18所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在所述工序A4中將所述吐出口用溝槽形成為向所述第一基板的端面開口。
21.如權(quán)利要求18所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，還包含一在所述工序A4中，通過(guò)進(jìn)一步將凹型部分設(shè)在所述第一基板上、同時(shí)將所述吐出口用溝槽形成為與所述凹型部分交叉并形成與所述吐出口用溝槽長(zhǎng)度方向大致垂直的開口部、同時(shí)將所述第一基板沿所述凹型部分且與所述開口部不接觸地加以切斷的工序。
22.如權(quán)利要求17所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于，還包含一將所述第一基板切斷成與所述第一基板中形成的吐出口用溝槽的長(zhǎng)度方向成直角的工序。
23.如權(quán)利要求8、10或18中任一項(xiàng)所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于將流路形成為所述流路之一部分之面積為吐出口面積的0.5～1.5倍范圍。
24.如權(quán)利要求8、10或18中任一項(xiàng)所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于在所述工序A2、所述工序A3、或所述工序I中獎(jiǎng)流路形成為愈接近所述吐出口側(cè)其面積愈窄。
25.如權(quán)利要求8、10或18中任一項(xiàng)所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于所述第一基板為硅單晶基板；所述第二基板為玻璃基板，所述第三及第四基板為玻璃或單晶硅。
26.如權(quán)利要求8、10或18中任一項(xiàng)所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于所述工序B、工序C及工序H中的接合系通過(guò)直接接合進(jìn)行。
27.如權(quán)利要求25所述的流體噴射裝置的制造方法，其特征在于通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻(RIEReactive Ion Etch)進(jìn)行硅基板的加工，并主要通過(guò)噴砂來(lái)進(jìn)行玻璃基板的加工。
全文摘要
用于謀求噴嘴的高密度化及工序效率化噴墨的流體噴射裝置及其制造方法。玻璃基板(18)上通過(guò)噴砂設(shè)有貫穿孔(15),其上直接接合第二硅基板(19)形成排出口(14)。另外,蝕刻第一硅基板(17)以形成壓力室(12)、流路(13)及流體供給口(16)并與玻璃基板(18)直接接合后,在壓力室(12)正上面與具有彈性體(20)的壓電薄膜(11)接合。
文檔編號(hào)B41J2/16GK1272818SQ99800949
公開日2000年11月8日 申請(qǐng)日期1999年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月18日
發(fā)明者三木勝政, 中谷將也, 神野伊策, 高山良一, 野村幸治 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社