JP2005233029A - Electrostatic actuator, droplet delivery head, image forming device and micropump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は静電型アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、画像形成装置及びマイクロポンプに関する。 The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, an image forming apparatus, and a micropump.
例えば、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用するインクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室(吐出室、圧力室、加圧液室、インク流路とも称される)と、この液室内のインクを加圧するためのエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備えて、エネルギーを発生することによって液室内のインクに圧力を作用させ、ノズルからインク滴を吐出させるものである。 For example, an ink jet head used in an ink jet recording apparatus used as an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, a copying machine, or a plotter has a nozzle that ejects ink droplets and a liquid chamber (discharge chamber, pressure chamber, pressure chamber) that communicates with the nozzle. Pressure chamber, also referred to as an ink flow path) and actuator means for generating energy for pressurizing the ink in the liquid chamber, and generating pressure to apply pressure to the ink in the liquid chamber. Ink droplets are ejected from the nozzles.
インクジェットヘッドとしては、電気機械変換素子などの圧電型アクチュエータを用いたもの、電気熱変換素子に膜沸騰を利用するサーマル型アクチュエータを用いたもの、振動板と電極間の静電力を利用する静電型アクチュエータを用いたものなどがあり、この中でも静電型アクチュエータを用いたインクジェットヘッドは、小型化、高速化、高密度化、省電力化において他の方式のヘッドに比べて優位であることから、現在開発が盛んに行われている。 As an ink jet head, one using a piezoelectric actuator such as an electromechanical transducer, one using a thermal actuator utilizing film boiling as an electrothermal transducer, or an electrostatic utilizing an electrostatic force between a diaphragm and an electrode. Ink jet heads using electrostatic actuators are superior to other types of heads in terms of size reduction, speed, density, and power saving. Currently, development is actively underway.
このような静電型アクチュエータを用いたインクジェットヘッドとしては、個別電極を形成した電極基板と、液室及び個別電極に空隙(ギャップ)を介して対向する振動板を形成した流路基板と、ノズルを形成したノズル基板との積層構造で構成されるものが知られている。
この静電型インクジェットヘッドでは、ノズルに連通した液室の一面(底面)に振動板を形成し、また振動板に対向させて個別電極を配し、振動板と個別電極間に駆動パルス電圧を印加することで、個別電極と振動板の間に発生する静電力によって振動板を変形させ、電圧を除去することによって振動板が復帰変形することにより、液室内のインクに圧力をかけ、ノズルからインク滴を吐出させる。 In this electrostatic ink jet head, a diaphragm is formed on one surface (bottom surface) of a liquid chamber communicating with a nozzle, an individual electrode is disposed opposite to the diaphragm, and a drive pulse voltage is applied between the diaphragm and the individual electrode. By applying voltage, the diaphragm is deformed by the electrostatic force generated between the individual electrode and the diaphragm, and the diaphragm is restored by deforming by removing the voltage. To discharge.
ところで、インクジェットヘッドを用いて高密度高画質記録を行うためには、液滴を吐出するノズル孔を高密度に形成する必要がある。 By the way, in order to perform high-density and high-quality recording using an inkjet head, it is necessary to form nozzle holes for discharging droplets at high density.
しかしながら、上述した構造の静電型インクジェットヘッドにあっては、振動板が液室の並び方向に沿って並ぶために、ノズルを高密度に配置するために液室を高密度に配置しようとすると、振動板の面積が小さくなり、低電圧駆動で所要の振動板変位が得られなくなるという問題がある。 However, in the electrostatic ink jet head having the above-described structure, since the diaphragms are arranged along the direction in which the liquid chambers are arranged, if the liquid chambers are arranged with high density in order to arrange the nozzles with high density, There is a problem that the area of the diaphragm is reduced, and a required diaphragm displacement cannot be obtained by low voltage driving.
そこで、液室基板などの流路形成部材に形成した液室(流路)間の隔壁(液室間隔壁)の壁面に振動板及びギャップを形成することにより、ノズルを高密度に配置できるようにしたインクジェトヘッドが知られている。
このようなヘッドにおいて、液室基板の液室間隔壁に振動板及びギャップを形成する方法として、上記特許文献2には、(1)単結晶シリコン基板の異方性エッチング及び熱酸化を利用して形成した振動板部材を異方性エッチングにより凹部形成したシリコン基板に、間隔をあけて貼り付けることで形成する方法、(2)エッチングにより基板の電極側と液室側の両側から凹部形成し、それら凹部間に挟まれた部分を振動板とし、電極凹部に充填した部材の収縮によりギャップを形成する方法が開示されている。
In such a head, as a method of forming a diaphragm and a gap in the liquid chamber interval wall of the liquid chamber substrate, the above-mentioned
また、上記特許文献3には、単結晶シリコン基板を異方性エッチングすることにより液室となる凹部の壁面から振動板となる部分を残してギャップとなる掘り込みを形成する方法が開示されている。
しかしながら、上述したように液室基板の液室間隔壁に振動板及びギャップを形成するインクジェットヘッドにおいて、液室基板と振動板部材とを別個に形成して、振動板部材を液室基板の壁面に間隔をあけて貼り付けるのでは、高精度なギャップを形成することができず、また、エッチングにより基板の電極側と液室側の両側から凹部形成し、それら凹部間に挟まれた部分を振動板とし、電極凹部に充填した部材の収縮によりギャップを形成するでは、振動板を高精度に形成することができないという課題がある。 However, in the inkjet head in which the diaphragm and the gap are formed on the liquid chamber interval wall of the liquid chamber substrate as described above, the liquid chamber substrate and the diaphragm member are separately formed, and the diaphragm member is attached to the wall surface of the liquid chamber substrate. If a gap is pasted, a high-precision gap cannot be formed, and recesses are formed on both the electrode side and the liquid chamber side of the substrate by etching, and a portion sandwiched between the recesses is formed. If the gap is formed by contraction of the member filled in the electrode concave portion with the diaphragm, there is a problem that the diaphragm cannot be formed with high accuracy.
また、単結晶シリコン基板の異方性エッチングで振動板となる部分を残してギャップとなる掘り込みを形成するのでは、深さ方向に長い微小なギャップをエッチング形成しなければならないために、エッチング時間がかかるとともに、サイドエッチなどの関係で高精度に同一の幅で所要深さのエッチングを行うことが困難であるために、振動板及びギャップを高精度に形成することは困難であるという課題がある。 In addition, when forming a digging that becomes a gap while leaving a portion that becomes a vibration plate by anisotropic etching of a single crystal silicon substrate, a long gap in the depth direction must be formed by etching. It takes time, and it is difficult to form the diaphragm and the gap with high precision because it is difficult to perform etching with the same width with the same width because of side etching. There is.
その結果、ヘッドの滴吐出特性が変動し、高品質な画像形成ができないという課題がある。 As a result, there is a problem that the droplet ejection characteristics of the head fluctuate and high-quality image formation cannot be performed.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高密度配置が可能で安定した動作特性が得られる静電型アクチュエータ、小型かつ、低コストで高密度配置が可能で、安定した滴吐出特性が得られる液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを搭載した高画質画像を形成できる画像形成装置、及びこの静電型アクチュエータを備えて安定した液体輸送が可能なマイクロポンプを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is an electrostatic actuator capable of high-density arrangement and capable of obtaining stable operation characteristics, small size, low-cost high-density arrangement, and stable droplet discharge. To provide a droplet discharge head capable of obtaining characteristics, an image forming apparatus capable of forming a high-quality image equipped with this droplet discharge head, and a micropump including the electrostatic actuator and capable of stable liquid transport Objective.
本発明に係る静電型アクチュエータは、振動板が液室間隔壁の壁面に設けられ、振動板と電極間のギャップが犠牲層エッチングプロセスによって形成された構成とした。なお、本明細書において、液室間隔壁とは液室と外部とを隔てる隔壁をも含む意味で用いる。 The electrostatic actuator according to the present invention has a configuration in which a vibration plate is provided on the wall surface of the liquid chamber interval wall, and a gap between the vibration plate and the electrode is formed by a sacrificial layer etching process. In this specification, the liquid chamber interval wall is used to include a partition that separates the liquid chamber from the outside.
ここで、犠牲層を除去するための犠牲層除去孔は液室間隔壁の液室壁面を形成しない面に対応する部分に形成されていることが好ましい。また、液室間隔壁の液室の壁面を形成する液室の並び方向の少なくとも1つの面が傾斜面であることが好ましい。 Here, it is preferable that the sacrificial layer removal hole for removing the sacrificial layer is formed in a portion corresponding to a surface of the liquid chamber interval wall that does not form the liquid chamber wall surface. In addition, it is preferable that at least one surface of the liquid chambers forming the wall surface of the liquid chamber interval wall in the arrangement direction is an inclined surface.
さらに、液室の対向する壁面にそれぞれ振動板が設けられていることが好ましい。そして、振動板の変形可能領域が液室間隔壁の壁面領域よりも小さいことが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a diaphragm is provided on each of the opposing wall surfaces of the liquid chamber. And it is preferable that the deformable area | region of a diaphragm is smaller than the wall surface area | region of a liquid chamber space | interval wall.
また、各振動板に対応するギャップを相互に連通する連通路が設けられていることが好ましい。さらに、連通路が複数設けられていることが好ましい。 In addition, it is preferable that a communication path that communicates gaps corresponding to the diaphragms is provided. Furthermore, it is preferable that a plurality of communication paths are provided.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、本発明にかかる静電型アクチュエータを含む構成とした。 The liquid droplet ejection head according to the present invention includes the electrostatic actuator according to the present invention.
本発明に係る画像形成装置は、本発明にかかる液滴吐出ヘッドを搭載したものである。 An image forming apparatus according to the present invention is equipped with a droplet discharge head according to the present invention.
本発明に係るマイクロポンプは、本発明にかかる静電型アクチュエータを備えたものである。 The micropump according to the present invention includes the electrostatic actuator according to the present invention.
本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動板が液室間隔壁の壁面に設けられ、振動板と電極間のギャップが犠牲層エッチングプロセスによって形成されているため、高精度な振動板及びギャップ(空隙)を形成することができ、高密度配置が可能になり、また安定した動作特性が得られる。 According to the electrostatic actuator according to the present invention, the diaphragm is provided on the wall surface of the liquid chamber interval wall, and the gap between the diaphragm and the electrode is formed by the sacrificial layer etching process. A gap (air gap) can be formed, high-density arrangement becomes possible, and stable operating characteristics can be obtained.
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、高密度記録が可能な安定した滴吐出特性を得られるとともに、ヘッド部材の小型化、及び低コスト化を図ることができる。 According to the droplet discharge head according to the present invention, since the electrostatic actuator according to the present invention is provided, stable droplet discharge characteristics capable of high-density recording can be obtained, and the head member can be downsized and reduced. Cost can be reduced.
本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているので、低消費電力で高画質記録を行うことができる。 According to the image forming apparatus of the present invention, since the liquid droplet ejection head according to the present invention is provided, high image quality recording can be performed with low power consumption.
本発明に係るマイクロポンプによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、低消費電力で効率的な液体の移動を安定して行うことができる。 According to the micropump according to the present invention, since the electrostatic actuator according to the present invention is provided, efficient liquid movement can be stably performed with low power consumption.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
先ず、本発明に係る静電型アクチュエータを含む本発明に係る液滴吐出ヘッドの第1実施形態について図1ないし図8を参照して説明する。なお、図1は同ヘッドを分解した状態の概略斜視説明図、図2は同ヘッドをノズル板側から見た透過状態で示す平面説明図、図3は図2の各部のパターンを抜き出した平面説明図、図4は図2のX1−X1線に沿う断面説明図、図5は図2のX2−X2線に沿う断面説明図、図6は図2のY1−Y1線に沿う断面説明図、図7は図2のY2−Y2線に沿う断面説明図、図8は図2のY3−Y3線に沿う断面説明図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
First, a first embodiment of a droplet discharge head according to the present invention including an electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a schematic perspective explanatory view showing the head disassembled, FIG. 2 is a plan explanatory view showing the head viewed from the nozzle plate side, and FIG. 3 is a plan view showing extracted patterns of each part of FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view taken along line X1-X1 in FIG. 2, FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view taken along line X2-X2 in FIG. 2, and FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y1-Y1 in FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view taken along the line Y2-Y2 of FIG. 2, and FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view taken along the line Y3-Y3 of FIG.
この液滴吐出ヘッドは、流路・アクチュエータ基板1とノズル基板2を積層して構成している。流路・アクチュエータ基板1には、加圧液室4、流体抵抗部5及び共通液室6等となる凹部が予め形成されており、ノズル基板2にはノズル孔3が形成されている。
This droplet discharge head is configured by laminating a flow path /
流路・アクチュエータ基板1とノズル基板2を接合することで、ノズル基板2に形成された液滴を吐出するノズル孔3が連通する加圧液室4、加圧液室4に液体(インク)を供給するための流体抵抗部5及び共通液室6を形成している。各加圧液室4は液室間隔壁8で仕切られている。また、共通液室6に液体を供給するための液供給口7が、流路・アクチュエータ基板1の背面から基板を貫通して予め形成されている。
By joining the flow path /
なお、図1に示す流体抵抗部5は、流路幅・高さは絞られていないが、幅や高さを絞ることができる。また、加圧液室4を隔てる液室間隔壁8は、流路・アクチュエータ基板1の水平方向に対し概ね垂直に形成され、液室間隔壁8の壁面は垂直面8aとなっている。
In addition, although the
そして、液室間隔壁8の壁面(液室の並び方向での液室の壁面には、図4及び図5にも示すように、振動板11及びこれにギャップ(空隙)12を置いて対向する電極13(これを「固定電極13」という。)とで構成した本発明に係る静電型アクチュエータであるアクチュエータ素子10を配置している。この場合、1つの加圧液室4の液室並び方向の液室間隔壁8、8の各壁面8a,8aにアクチュエータ素子10を配置した構成としている。
And the wall surface of the liquid chamber space | interval wall 8 (as shown also in FIG.4 and FIG.5 on the wall surface of the liquid chamber in the alignment direction of a liquid chamber, arrange | positions the
ここで、振動板11と固定電極13との間のギャップ12は、振動板11と固定電極13との間に形成した犠牲層を、振動板11に形成した犠牲層除去孔14を介してエッチングで除去することによって形成している。この犠牲層除去孔14は、液室間隔壁8の液室壁面を形成しない面、ここでは、ノズル基板2との接合面に形成して、流路・アクチュエータ基板1とノズル基板2を接着剤接合するときに接着剤により犠牲層除去孔14を封止して、ギャップ12内に液体等が入らない構成としている。また、犠牲層除去孔14とギャップ12との間は連通路(空隙)12aで連通される。
Here, the
なお、図2では、便宜上2ノズル分のみ図示しているが、実際にはそれ以上の数のノズルが並んでいる。また、犠牲層除去孔14も加圧液室4の1壁面当たり5個しか描いていないが、実際には多数(例えば、10〜50μmピッチ。加圧液室長が1000μmの場合は、1壁面あたり100〜20個)配置することが好ましい。以下の図示でも同様である。
In FIG. 2, only two nozzles are shown for convenience, but in actuality, a larger number of nozzles are arranged. In addition, although only five sacrificial layer removal holes 14 are drawn per wall surface of the pressurized
また、このヘッドでは、固定電極13を個別電極として各ノズル(加圧液室)毎に電気的に分離して設け、振動板11を共通電極として各ノズル(加圧液室)で電気的に共通に設け、固定電極13へ印加する駆動電圧の有無により噴射するノズル3の選択を行う構成している。
Further, in this head, the fixed
なお、固定電極13は加圧液室4内から流路・アクチュエータ基板1の表面の平坦面まで延ばして設け、平坦面部分には固定電極13の電極取り出しパッド15A及び電極接続孔16Aを形成している。振動板11も加圧液室4内から流路・アクチュエータ基板1の表面の平坦面まで延ばして設け、平坦面部分には図示しないが振動板電極用の電極取り出しパッド及び電極接続孔を形成している。
The fixed
このように、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動板を液室間隔壁の壁面に設け、振動板と電極間のギャップが犠牲層エッチングプロセスによって形成されているため、高精度な振動板及びギャップを形成することができるので、高密度配置が可能になるとともに安定した動作特性が得られ、この静電型アクチュエータを含む液滴吐出ヘッドを構成することによって安定した液吐出特性が得られ、高密度記録を安定して行うことができる。 Thus, according to the electrostatic actuator according to the present invention, the diaphragm is provided on the wall surface of the liquid chamber interval wall, and the gap between the diaphragm and the electrode is formed by the sacrificial layer etching process. Since the diaphragm and the gap can be formed, high-density arrangement is possible and stable operation characteristics can be obtained. By configuring a droplet discharge head including this electrostatic actuator, stable liquid discharge characteristics can be obtained. As a result, high-density recording can be performed stably.
ここで、流路・アクチュエータ基板1は、例えば、結晶面方位(110)のシリコン基板上に、異方性エッチマスク層となる熱酸化膜を成長させ、液室・流路となる部分をフォトリソ・エッチングプロセスにより開口させ、その後、KOH水溶液又はTMAH水溶液等により、シリコンの異方性エッチを行ったのち、異方性エッチマスクとして使用した熱酸化膜を緩衝フッ酸等で除去することにより形成することができる。
Here, the flow path /
また、ノズル基板2は、NiやSUSなどの金属板、あるいはセラミックス、ガラス、あるいは樹脂などにより形成し、ノズル孔3はドライ又はウェットエッチングやレーザー加工などの周知の方法で形成することができる。このノズル基板2の吐出方向面には、インクとの撥水性を確保するために、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜が形成されている。
The
そして、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの液滴吐出は、ノズル基板2に形成されたノズル孔3からノズル基板面にほぼ垂直な方向に吐出する、いわゆるサイドシュータ(フェースシュータ)の構成になっている。
The droplet discharge of the droplet discharge head according to the present invention is configured as a so-called side shooter (face shooter) that discharges from a
次に、上述した液滴吐出ヘッドの構成の詳細について図9ないし図15をも参照して説明する。なお、図9は図2のX1−X1線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図10は図2のX2−X2線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図11は図2のY3−Y3線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図12はノズルの並び方向に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図13は図2のY1−Y1線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図14は図2のY1−Y1線に沿う固定電極用電極取り出しパッド部の断面説明図、図15は図2では図示していないが、振動板電極用電極取り出しパッド部の断面説明図である。 Next, details of the configuration of the above-described droplet discharge head will be described with reference to FIGS. 9 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the liquid chamber interval wall along the X1-X1 line of FIG. 2, FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the liquid chamber interval wall along the X2-X2 line of FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the upper portion of the liquid chamber interval wall along the line Y3-Y3, FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurized liquid chamber along the nozzle arrangement direction, and FIG. 13 is an additional view along the line Y1-Y1 of FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the hydraulic fluid chamber, FIG. 14 is a cross-sectional explanatory view of a fixed electrode electrode take-out pad portion along line Y1-Y1 in FIG. 2, and FIG. 15 is not shown in FIG. It is a cross-sectional explanatory view of the take-out pad portion.
上記のとおり、加圧液室4の対向する液室間隔壁8,8の壁面8a、8aに、振動板11と、この振動板11と犠牲層エッチングで形成されたギャップ(空隙)12を介して対向する固定電極13とを設けて本発明に係る静電型アクチュエータであるアクチュエータ素子10を構成している。
As described above, the
ここでは、振動板11は、振動板側絶縁膜18と、振動板電極19と、応力調整膜20と振動板割れ防止膜21の4つの層で構成し、所望の剛性となるように、それぞれの膜厚を調整している。
Here, the
振動板絶縁膜18は、振動板電極19と固定電極13との短絡防止、及び犠牲層除去時の振動板電極19を保護する機能を有しており、電極層13が犠牲層エッチングに対する耐性がない、或いは低い場合に有効である。例えば、犠牲層及び振動板電極19の材料としては、ポリシリコンを用いることが可能であり、この材料を用いた場合、犠牲層除去時に電極層19が保護膜で覆われている必要がある。また、振動板電極層19の素材としては、例えばドープドポリシリコンを用いることができる。
The
応力調整膜20は例えば窒化膜であり、酸化膜やポリシリコン膜などの圧縮応力をキャンセルし、振動板11が初期状態(固定電極13との間に電圧を印加していない状態)において撓んでしまうことを防止する機能を有している。
The
振動板割れ防止膜21は例えば酸化膜であり、振動板11の割れを防止する機能を有している。つまり、振動板11の最表面が窒化膜の場合、犠牲層エッチングプロセスによる加工中や、ヘッドの完成後、その動作中において振動板11が割れやすいという問題が生じるが、窒化膜上に、例えば酸化膜を成膜することにより、振動板の割れを防止することができる。
The diaphragm
ここで、犠牲層除去孔14付近では、図9及び図11に示すように、振動板電極19表面が露出しないように、振動板電極19の開口径を犠牲層除去孔14の径よりも大きく形成し、振動板電極19の開口縁部を応力調整膜20と振動板割れ防止膜21で覆うようにしている。
Here, in the vicinity of the sacrificial
一方、固定電極13は、各ノズル3に対応した個別電極とするため、図9及び図10に示すように、液室間隔壁8に上面(ノズル基板2との接合面)側で分離溝13Aによって分離して形成している。そして、固定電極13のギャップ12側表面には各固定電極13間の分離溝を含めて固定電極側絶縁膜22を、液室間隔壁8側には絶縁膜23をそれぞれ形成している。
On the other hand, since the fixed
ここで、固定電極側絶縁膜22と振動板側絶縁膜18の間に形成されるギャップ12は所定の領域にのみ形成して振動板11を変形可能とし、その領域以外の部分では、固定電極側絶縁膜22と振動板側絶縁膜18は密着して、加圧液室4の底部等において振動板固定部25を構成している。この構成は、後述する犠牲層パターンの有無によって決められる。
Here, the
さらに、流路・アクチュエータ基板1上には、ノズル基板2を接着剤層17を介して接着接合し、このノズル基板2と接着剤層17によって犠牲層除去孔14を封止している。このように、犠牲層除去孔を液室間隔壁の液室壁面を形成しない面に対応する部分に形成することにより、犠牲層除去孔の封止が容易になる。また、犠牲層除去孔を高密度、高精度に形成できるので、高効率、低バラツキの犠牲層除去が可能となる。
Further, the
また、図14に示すように、固定電極側絶縁膜22、振動板側絶縁膜18、振動板電極19、応力調整膜20及び振動板割れ防止膜21に電極接続孔16Aを開口し、例えば、Al、Al−Si、Al−Si−Cu等で固定電極13用の電極取り出しパッド15Aを形成している。
Further, as shown in FIG. 14, the electrode connection holes 16A are opened in the fixed electrode
同様に、図15に示すように、応力調整膜20及び振動板割れ防止膜21に電極接続孔16Bを開口し、例えば、Al、Al−Si、Al−Si−Cu等で振動板電極19用の電極取り出しパッド15Bを形成している。
Similarly, as shown in FIG. 15, an
次に、この第1実施形態の他の例について、図16ないし図18をも参照して説明する。なお、図16は図2のX1−X1線に沿う断面に相当する液室間隔壁上部の拡大断面図、図17は図2のX2−X2線に沿う断面に相当する液室間隔壁上部の拡大断面図、図18は図2のY3−Y3線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図である。 Next, another example of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 16 is an enlarged cross-sectional view of the upper portion of the liquid chamber interval wall corresponding to the cross section taken along line X1-X1 in FIG. 2, and FIG. 17 is an upper view of the liquid chamber interval wall corresponding to the cross section taken along line X2-X2 of FIG. FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view, and FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view of the upper portion of the liquid chamber interval wall along the line Y3-Y3 in FIG.
この例では、液室間隔壁8上部の振動板11を固定する領域に犠牲層エッチングプロセスで除去されない犠牲層24を形成することによって、液室間隔壁8の上部(ノズル基板との接合面)をより平坦にする構成としている。このような構成にすることにより、構成部材(ここでは、流路・アクチュエータ基板1とノズル基板2)の接合度を向上させることができる。なお、その他の構成は前述したと同様である。
In this example, a
ここで、犠牲層24は、固定電極13上に犠牲層を形成した後、残存させる領域とギャップ12となる領域とを予め分離しておいて、残存部分には犠牲層除去孔14を設けないことで得ることができる。
Here, after the sacrificial layer is formed on the fixed
次に、この第1実施形態の更に他の例について図19及び図20を参照して説明する。なお、図19はノズルの並び方向に沿う加圧液室底部の断面説明図、図20は図2のY1−Y1線に沿う加圧液室底部の拡大断面図である。 Next, still another example of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 19 and 20. 19 is a cross-sectional explanatory view of the bottom of the pressurizing liquid chamber along the nozzle arrangement direction, and FIG. 20 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurizing liquid chamber along the Y1-Y1 line of FIG.
この例は、加圧液室4の底面には固定電極13を形成しない構成したものである。これにより加圧液室4を形成するための凹部(掘り込み)の深さが同じであれば相対的に実質的な加圧液室4の容量を大きくすることができ、加圧液室4の容量が同じであれば流路・アクチュエータ基板1の厚みを薄くすることができる。また、加圧液室4の底部部分において固定電極と振動板間の静電容量、固定電極と基板間の静電容量がなくなるので、固定電極の静電容量が小さくなり、これによりドライバICなどの駆動回路の負荷が低減する。
In this example, the fixed
次に、上記第1実施形態に係る液滴吐出ヘッドの製造方法の一例について図21ないし図28を参照して説明する。なお、図21ないし図28の各(a)は、図2のX1−X1線に沿う液室間隔壁部部分の断面説明図、図21ないし図28の各(b)は、図2のY1−Y1線に沿う電極取り出しパット15A周辺部の断面説明図である。なお、以下では(a)、(b)の付記を省略する。
Next, an example of a manufacturing method of the droplet discharge head according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 21A to 28A are cross-sectional explanatory views of the liquid chamber interval wall portion along line X1-X1 in FIG. 2, and FIGS. 21A to 28B are Y1 in FIG. It is sectional explanatory drawing of the
先ず、図21に示すように、流路・アクチュエータ基板1となる結晶面方位(110)のシリコン基板上に、異方性エッチマスク層となる熱酸化膜を成長させ、液室・流路となる部分をフォトリソ・エッチングプロセスにより開口させる。その後、KOH溶液またはTMAH水溶液等により、シリコンの異方性エッチングを行って、加圧液室4、流体抵抗部5、共通液室6などの液室、流路となる凹部を形成した後、異方性エッチマスクとして使用した熱酸化膜を緩衝フッ酸等で除去し、液室間隔壁8などを有する流路・アクチュエータ基板1を得る。
First, as shown in FIG. 21, a thermal oxide film serving as an anisotropic etch mask layer is grown on a silicon substrate having a crystal plane orientation (110) serving as a flow path /
このとき、異方性エッチングをすることにより、結晶面方位(111)面が現れるので、パターンの方向を選択することにより、隣接するノズルに対応する液室間隔壁8を流路・アクチュエータ基板1の表面に対し、ほぼ垂直に形成することができる。
At this time, since the crystal plane orientation (111) plane appears by performing anisotropic etching, by selecting the pattern direction, the liquid
次いで、図22に示すように、液室、流路が形成された流路・アクチュエータ基板1の表面に基板絶縁膜23としての熱酸化膜を1.6μmの厚さで形成し、更に固定電極13となるリンドープポリシリコンを厚さ0.4μm程度に成膜し、フォトリソ・エッチングプロセスにより、リンドープポリシリコンに分離溝13Aを形成して各液室4に対応する固定電極13をパターニング形成する。
Next, as shown in FIG. 22, a thermal oxide film as a
次に、図23に示すように、パターニングした固定電極13上に、固定電極側絶縁膜22としてCVD酸化膜を厚さ0.2μm程度に成膜する。この酸化膜は、後の犠牲層24除去時に固定電極13をエッチャントから保護すると同時に、ヘッド駆動時には振動板電極19との短絡を防止する機能を有する。
Next, as shown in FIG. 23, a CVD oxide film having a thickness of about 0.2 μm is formed on the patterned fixed
その後、犠牲層24としてポリシリコンを厚さ0.3μm程度堆積させ、フォトリソ、エッチングプロセスにて、ギャップ12及び連通路12aをパターニングする。このときのパターン及び犠牲層除去孔14の配置によりギャップ12が形成される部分を決める。
Thereafter, polysilicon is deposited to a thickness of about 0.3 μm as the
次に、図24に示すように、パターニングした犠牲層24上に、振動板側絶縁膜18としてCVD酸化膜を厚さ0.2μm程度成膜する。この酸化膜は、後の犠牲層24除去時に固定電極13をエッチャントから保護すると同時に、ヘッド駆動時には固定電極13との短絡を防止する機能を有する。
Next, as shown in FIG. 24, a CVD oxide film having a thickness of about 0.2 μm is formed on the patterned
その後、振動板電極19としてリンドープドポリシリコンを0.2μm堆積させ、フォトリソ・エッチングプロセスにてパターニングする。
Thereafter, 0.2 μm of phosphorus-doped polysilicon is deposited as the
次に、図25に示すように、パターニングした振動板電極19上に、応力調整膜20としてCVD窒化膜を厚さ0.15μm程度に成膜し、その上に振動板割れ防止膜21としてCVD酸化膜を厚さ0.4μm程度に成膜する。その後、これらのCVD窒化膜及びCVD酸化膜に犠牲層除去孔14及び電極パッド接続孔16Aを開口するためにレジストマスク26をフォトリソプロセスにて形成する。
Next, as shown in FIG. 25, a CVD nitride film is formed as a
この工程において、段差構造を完全に覆うようにレジスト26を塗布しようとすると、加圧液室4等の凹部分が概ねレジストで埋め込まれるような形状になることが多い。このとき、レジスト26が完全に埋め込まれなくとも、最初に基板表面であった部分ではレジスト26厚みは薄く、加圧液室4底部のような基板表面から見て低い部分ではレジスト26厚みは厚くなる。一方、レジスト26の厚みとパターニング寸法の関係は、レジスト26の厚みが厚くなると、解像度が小さく(最小加工寸法が大きく)なり、寸法バラツキも大きくなる傾向がある。
In this step, if the resist 26 is applied so as to completely cover the stepped structure, the concave portion of the pressurized
また、露光については、投影露光装置にて露光する場合、パターニングする面が概ね平坦な方が、焦点合わせの関係上高精度のパターニングをすることが可能となる。ここで、投影光学系を用いない露光装置、いわゆる一般的なアライナーを用いる場合は、焦点深度は非常に深くすることができるが、高い解像度を得ることはできない。 As for the exposure, when exposure is performed by a projection exposure apparatus, patterning with high accuracy can be performed when the patterning surface is generally flat because of focusing. Here, when using an exposure apparatus that does not use a projection optical system, that is, a so-called general aligner, the depth of focus can be made very deep, but high resolution cannot be obtained.
本実施形態では、犠牲層除去孔14を基板1表面の概ね平坦な面に形成していることから、その部分ではレジスト26の厚みが薄いので、高密度・高精度の犠牲層除去孔14のパターン形成が可能となる。
In this embodiment, since the sacrificial
次いで、図26に示すように、上述した工程で形成したレジスト26をマスクとして用いて犠牲層除去孔14及び電極接続孔16Aをエッチングにて開口する。このときCF4+CHF3ガスによるRIEによりエッチングを行うことにより、酸化膜と窒化膜の積層膜(振動板割れ防止層21、応力調整膜20、振動板側絶縁膜18)を連続的にエッチングすることができ、かつ、ポリシリコン層(犠牲層24)でエッチングを止めることができる。
Next, as shown in FIG. 26, the sacrifice
このエッチング処理をした後、レジスト26を除去することにより、所定の犠牲層除去孔14及び電極接続孔16Aを得ることができる。
After this etching process, the resist 26 is removed to obtain the predetermined sacrificial
次に、図27に示すように、電極取り出しパッド15Aとなる、Al−1%Si膜を厚さ0.8μm程度成膜した後、フォトリソ、エッチングプロセスにてパターニングを行う。その後、SF6プラズマやXeF2ガスによるドライエッチ、又は過硫酸アンモニウム添加のTMAHによるウェットエッチによりギャップ(空隙)12形成する部分の犠牲層24を除去する。
Next, as shown in FIG. 27, after an Al-1% Si film serving as an
ここで、上記の材料とエッチング方法を用いた場合、エッチャントに晒される固定電極側絶縁層22、振動板側絶縁層18、振動板割れ防止膜21(以上、いずれも酸化膜)及び電極取り出しパッド15A(Al−1%Si膜)に対し十分な選択性をもって犠牲層24を除去することが可能である。
Here, when the above materials and etching methods are used, the fixed electrode
その後、図28に示すように、上述したようにして得られた流路・アクチュエータ基板1上に、別途作製したノズル基板2を、接着剤層17を介して貼り付ける。このとき、犠牲層除去孔14が基板1表面の平坦部分に形成されているため、ノズル基板2の貼り付けと同時に犠牲層除去孔14を塞ぐことができる。
Then, as shown in FIG. 28, a separately
次に、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの第2実施形態について、図29ないし37を参照して説明する。なお、図29は同ヘッドをノズル板側から見た透過状態で示す平面説明図、図30は図29の各部のパターンを抜き出した平面説明図、図31は図29のX3−X3線に沿う断面説明図、図32は図29のX4−X4線に沿う断面説明図、図33は図29のY4−Y4線に沿う断面説明図、図34は図29のY5−Y5線に沿う断面説明図、図35は図29のX3−X3線に沿う加圧液室底部の断面説明図、図36は図29のX4−X4線に沿う加圧液室底部の断面説明図、図37は図29のY4−Y4線に沿う加圧液室底部の断面説明図である。 Next, a second embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 29 is an explanatory plan view showing the head seen from the nozzle plate side in a transparent state, FIG. 30 is an explanatory plan view showing the pattern of each part in FIG. 29, and FIG. 31 is along the line X3-X3 in FIG. FIG. 32 is a sectional explanatory view taken along line X4-X4 of FIG. 29, FIG. 33 is a sectional explanatory view taken along line Y4-Y4 of FIG. 29, and FIG. 34 is a sectional explanatory view taken along line Y5-Y5 of FIG. FIG. 35 is a cross-sectional explanatory view of the bottom of the pressurized liquid chamber along line X3-X3 in FIG. 29, FIG. 36 is a cross-sectional explanatory view of the bottom of the pressurized liquid chamber along line X4-X4 in FIG. It is sectional explanatory drawing of the pressurized liquid chamber bottom part in alignment with 29 Y4-Y4 lines.
本実施形態は、1つの加圧液室4の対応する2つの液室隔壁部8の壁面に形成した振動板11と固定電極13との間のギャップ(空隙)12、12を連通する複数の連通路12bを、加圧液室4の底面に形成している。なお、その他の構成は前記第1実施形態とほぼ同様である。
In the present embodiment, a plurality of gaps (air gaps) 12 and 12 between the
ここで、この複数の連通路12bの形成位置は、図30(b)に示すように、犠牲層除去孔14に対応する連通路12aとは平面的に見て互い違いになる位置としている。
Here, as shown in FIG. 30 (b), the formation positions of the plurality of
また、この連通路12bは、加圧液室4の底面で振動板固定部25と交互に配置している。加圧液室4の底面に振動板固定部25を形成することにより、加圧液室4を介して対向する振動板11の相互干渉を抑制することができる。これに対して、加圧液室4の底面の振動板固定部25を形成せずに、連通路12bで全面が連通するような構成とした場合、対向する2つの振動板11、11の相互干渉が生じ、安定した液滴吐出特性を得ることができなくなる。
Further, the
このように、対向する壁面のギャップ12、12を連通する連通路12bを形成することにより、ウェットプロセスで犠牲層除去を実施した際の液の澱みが少なくなるため、エッチング後の水洗や乾燥工程が行い易くなる。その結果として、量産性の高いウェットプロセスによる犠牲層除去工程の適用がし易くなり、同時にコストダウンを図ることができる。
In this way, the formation of the
また、ドライプロセスで犠牲層除去を行う場合において、エッチング後にウェット洗浄を行う場合にも、同様な効果を得ることができる。 Further, when the sacrificial layer is removed by a dry process, the same effect can be obtained when wet cleaning is performed after etching.
なお、図29の平面図と図33及び図34の断面図では連通路12bの数を異にして図示しているが、これは図示の便宜上のものであって実際には同じである。また、形成する連通路12bもこれらの図に示す個数に限ったものではなく、例えば、液室長が1000μmの加圧液室4に連通路12bを10〜50μmのピッチで配置するとした場合、1ノズルあたりの個数は100〜20個形成することができる。
Note that the plan view of FIG. 29 and the cross-sectional views of FIGS. 33 and 34 show different numbers of
本実施形態は、第1実施形態と比較して犠牲層24のパターンが異なるが、それ以外は第1実施形態と同様の構成であるので、その製造工程も第1実施形態で説明したのとほぼ同様である。具体的には、図23を参照して説明した、第1実施形態の固定電極側絶縁膜22及び犠牲層24の形成工程において、連通路12bとなる部分にも犠牲層24が残るように、図30(b)に示す犠牲層(ギャップ及び連通路)パターンのマスク等を用いてフォトリソプロセスを行うことにより形成することができる。
This embodiment is different from the first embodiment in the pattern of the
次に、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの第3実施形態について図38ないし43を参照して説明する。なお、図38は同ヘッドをノズル板側から見た透過状態で示す平面説明図、図30は図29の各部のパターンを抜き出した平面説明図、図40は図38のX5−X5線に沿う断面説明図、図41は図38のX6−X6線に沿う断面説明図、図42は図38のY7−Y7線に沿う断面説明図、図43は図38のY8−Y8線に沿う断面説明図である。 Next, a third embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 38 is an explanatory plan view showing the head seen from the nozzle plate side in a transparent state, FIG. 30 is an explanatory plan view showing the pattern of each part in FIG. 29, and FIG. 40 is along the line X5-X5 in FIG. 41 is a cross-sectional explanatory view taken along line X6-X6 in FIG. 38, FIG. 42 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y7-Y7 in FIG. 38, and FIG. 43 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y8-Y8 in FIG. FIG.
本実施形態においては、振動板11をノズル3毎に個別的に分割して個別電極とし、振動板11に対向する電極(固定電極)側を共通電極として、この共通電極は流路・アクチュエータ基板1が兼ねるようにしている。なお、その他の構成は前記第1実施形態とほぼ同様である。
In this embodiment, the
この場合、流路・アクチュエータ基板1としては結晶面方位(110)のシリコン基板を用いているが、電極として機能させるため、低抵抗なシリコンウェハから作製するか、流路形成後に低抵抗化のための不純物のドープを行うことが好ましい。
In this case, a silicon substrate having a crystal plane orientation (110) is used as the flow path /
次に、この第3実施形態のヘッド構成の詳細について図44ないし図50をも参照して説明する。なお、図44は図38のX5−X5線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図45は図38のX6−X6線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図46は図38のY9−Y9線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図47はノズルの並び方向に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図48は図38のY7−Y7線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図49は図38のY9−Y9線に沿う振動板電極用電極取り出しパッド部の詳細断面説明図、図50は固定電極用電極取り出しパッド部の詳細断面説明図である。 Next, details of the head configuration of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 44 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the liquid chamber interval wall taken along line X5-X5 in FIG. 38, FIG. 45 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the liquid chamber interval wall taken along line X6-X6 in FIG. 38 is an enlarged cross-sectional view of the upper portion of the liquid chamber interval wall along the line Y9-Y9, FIG. 47 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurized liquid chamber along the nozzle arrangement direction, and FIG. 48 is an additional view along the line Y7-Y7 of FIG. 49 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurized fluid chamber, FIG. 49 is a detailed cross-sectional view of the electrode take-out pad portion for the diaphragm electrode along the line Y9-Y9 in FIG. 38, and FIG. It is.
本実施形態においても、振動板11は、第1実施形態と同様に、振動板側絶縁膜18、振動板電極19、応力調整膜20及び振動板割れ防止膜21の4つの層で構成されており、所望の剛性となるように、それぞれの膜厚を調整しているまた、流路・アクチュエータ基板1を振動板11に対向する電極として用いるために、流路・アクチュエータ基板1とは別に固定電極を形成せず、電極側絶縁膜22を流路・アクチュエータ基板1上に形成している。
Also in the present embodiment, the
このように、流路・アクチュエータ基板1を振動板11に対向する電極(共通電極)とすることによって、第1実施形態に係るヘッドと比較して、少ない工程で作製することができる。具体的には、前述した図22に示す第1実施形態の例で基板絶縁膜23及び固定電極13の形成工程を省略し、振動板電極19を個別電極に分割するパターンニングを行う。
Thus, by using the flow path /
また、本実施形態においては、固定電極用電極取り出しパッド部15Aは、流路・アクチュエータ基板1まで貫通する電極接続孔16Aを形成して電極取り出しパッド15Aを形成する。
Further, in the present embodiment, the electrode take-out
次に、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの第4実施形態について図51ないし59を参照して説明する。なお、図51は同ヘッドをノズル板側から見た透過状態で示す平面説明図、図52は図51の各部のパターンを抜き出した平面説明図、図53は図51のX8−X8線に沿う断面説明図、図54は図51のX8−X8線に沿う断面説明図、図55は図51のY1−Y10線に沿う断面説明図、図56は図51のY11−Y11線に沿う断面説明図、図57は図51のX7−X7線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図58は図51のX8−X8線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図59は図51のY10−Y10線に沿う加圧液室底部の拡大断面図である。 Next, a fourth embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 51 is an explanatory plan view showing the head seen from the nozzle plate side in a transparent state, FIG. 52 is an explanatory plan view extracting patterns of each part of FIG. 51, and FIG. 53 is along the line X8-X8 in FIG. 54 is a cross-sectional explanatory view taken along line X8-X8 in FIG. 51, FIG. 55 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y1-Y10 in FIG. 51, and FIG. 56 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y11-Y11 in FIG. 57 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurized liquid chamber taken along line X7-X7 in FIG. 51, FIG. 58 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurized liquid chamber taken along line X8-X8 in FIG. It is an expanded sectional view of the pressurization liquid room bottom which meets the Y10-Y10 line of 51.
本実施形態は、上述した第3実施形態に前述した第2実施形態の連通路12bを設ける構成を適用したものである。これにより、第3実施形態の作用効果に加えて、第2実施形態と同様に、量産性の高いウェットプロセスによる犠牲層除去の適用がし易くなり、同時にコストダウンを図ることができる。
In the present embodiment, a configuration in which the
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第5実施形態について図60ないし図75を参照して説明する。なお、図60は同ヘッドの分解斜視説明図、図61は同ヘッドをノズル板側から見た透過状態で示す平面説明図、図62は図61の各部のパターンを抜き出した平面説明図、図63は図61のX9−X9線に沿う断面説明図、図64は図61のX10−X10線に沿う断面説明図、図65は図61のY13−Y13線に沿う断面説明図、図66は図61のY14−Y14線に沿う断面説明図、図67は図61のX9−X9線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図68は図61のX10−X10線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図69は図61のY3−Y3線に沿う液室間隔壁上部の拡大断面図、図70はノズルの並び方向に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図71は図61のY13−Y13線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図72は振動板電極用電極取り出しパッド部の断面説明図、図73は固定電極用電極取り出しパッド部の断面説明図である。 Next, a fifth embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 60 is an exploded perspective view of the head, FIG. 61 is a plan view showing the head viewed from the nozzle plate side in a transparent state, and FIG. 62 is a plan view showing the extracted patterns of each part of FIG. 63 is a sectional view taken along line X9-X9 in FIG. 61, FIG. 64 is a sectional view taken along line X10-X10 in FIG. 61, FIG. 65 is a sectional view taken along line Y13-Y13 in FIG. 61 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y14-Y14 in FIG. 61, FIG. 67 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the liquid chamber interval wall taken along line X9-X9 in FIG. 69 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the partition wall, FIG. 69 is an enlarged cross-sectional view of the upper part of the liquid chamber interval wall along the line Y3-Y3 in FIG. 61, FIG. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the bottom of the pressurized liquid chamber along the line Y13-Y13 in FIG. The cross-sectional view of the pad portion extraction electrode diaphragm electrode, FIG. 73 is a sectional view of the pad portion extraction electrode for the fixed electrode.
この液滴吐出ヘッドは、流路・アクチュエータ基板1の加圧液室4を液室並び方向の断面でV字状に形成し、加圧液室4を隔てる液室間隔壁8の壁面を傾斜面8bとしている。
In this droplet discharge head, the pressurized
このような傾斜面8bを有する液室間隔壁8は、結晶面方位(100)シリコンウェハ(シリコン基板)を用いて異方性エッチングによって加圧液室4となる掘り込みを形成することによって、結晶面方位の関係で傾斜面が現出することから容易に形成することができる。なお、液室間隔壁8の形成方法としては、他の方法を用いることも可能だが、(100)単結晶シリコン基板と異方性エッチングを組み合せることで、容易かつ高精度に傾斜面を形成することができる。
The liquid
そして、前述した第3実施形態と同様に、流路・アクチュエータ基板1を共通電極とし、振動板11を個別電極としている。ここで、液室間隔壁8の1つの壁面(傾斜面8b)に対応する振動板11は、傾斜面8aの上部と下部を振動板固定部25、25として固定している。つまり、振動板11の変形可能領域11aの面積は液室間隔壁8の傾斜面の面積より小さく、また、振動板11の変形可能領域11aの短辺長は液室間隔壁8の傾斜面の長さよりも短く、あるいは、振動板11の変形可能領域11aは液室間隔壁8の傾斜面8b内で傾斜面8bに対向する構成としている。なお、その他の構成及び各部の詳細は前述した第3実施形態と同様である。
As in the third embodiment, the flow path /
このように、このヘッドにおいては、振動板11は液室間隔壁8の傾斜面8aの上部(液室上部)と下部(液室底部)に振動板固定部25、25を形成して固定する構成であるので、振動板11の長さ(短辺長)は、液室間隔壁8の傾斜面8bの角度と犠牲層フォトリソ・エッチングでのパターン精度で決定されることになり、高精度に振動板(変形可能領域)を形成することができるとともに、安定した動作を得ることができる。
Thus, in this head, the
つまり、異方性エッチングで形成した場合は、前述したように、傾斜面8bの角度は結晶面方位で決定されるため、バラツキを抑えて形成することが可能である。また、フォトリソ・エッチングによるパターン精度は、その用いる装置やレジスト種類、或いはプロセス条件等により異なるが、±1μm以内(振動板長。平面に投影した長さでは、±0.6μm以内)に収めることが十分可能になる。
That is, in the case of forming by anisotropic etching, as described above, the angle of the
これに対して、例えば、図74に示すように、液室間隔壁8の傾斜面8bの下部、すなわち、加圧液室4の底部側にのみ振動板固定部25を設け、液室間隔壁8の傾斜面8bの上部には振動板固定部25を設けない構成とすることもできるが、この場合の振動板長(短辺長)のバラツキは、加圧液室4の上部側にも振動板固定部25を設ける場合よりも大きくなる。
On the other hand, for example, as shown in FIG. 74, the
この点について図76及び図77をも参照して説明する。なお、図76は液室間隔壁8の傾斜面8bの上部及び下部に振動板固定部25、25を設ける構成とした場合の振動板長バラツキの説明図、図77は液室間隔壁8の傾斜面8bの下部のみに振動板固定部25を設ける構成とした場合の振動板長バラツキの説明図である。
This point will be described with reference to FIGS. 76 is an explanatory view of the vibration plate length variation when the
まず、図76に示す液室上部及び液室下部に振動板固定部を設ける構成では、流路・アクチュエータ基板1にシリコン基板を用いて異方性エッチングによって掘り込みを形成して液室間隔壁8の傾斜面8bを形成するとき、(異方性エッチングのマスク寸法のバラツキ+異方性エッチング時のサイドエッチのバラツキ)のバラツキW1が生じる。一方、ギャップ12を形成するための犠牲層を残す犠牲層パターニングはマスクを用いて行うために、液室上部固定端及び液室下部固定端ではマスクアライメントによるバラツキW2、W2が生じる。
First, in the configuration in which the diaphragm fixing portions are provided in the upper part and the lower part of the liquid chamber shown in FIG. 76, a recess is formed by anisotropic etching using a silicon substrate in the flow path /
この場合、マスクアライメントのバラツキW2、W2は、液室上部固定端及び液室下部固定端を1つのマスクで同時に形成するので、アライメントズレは同方向に生じることになり、振動板長さ(短辺長)としては変化しないことになる。そして、図76の上方から犠牲層パターニングのための露光を行うので、異方性エッチングによる傾斜面8bにバラツキW1が生じても、振動板長さ(短辺長)としては変化しないことになる。例えば、傾斜面8bが実線図示の位置にある場合の振動板長さb1と傾斜面8bが仮想線図示の位置にある場合の振動板長さb2とは同じになる。言い換えれば、振動板長さ(短辺長)bは液室上部固定端及び液室下部固定端で規定されるので精度が得られる。
In this case, the variations W2 and W2 of the mask alignment simultaneously form the liquid chamber upper fixed end and the liquid chamber lower fixed end with one mask, so that the alignment deviation occurs in the same direction, and the diaphragm length (short) The side length) will not change. Since exposure for sacrificial layer patterning is performed from above in FIG. 76, the vibration plate length (short side length) does not change even if the variation W1 occurs on the
これに対して、図77に示す液室下部のみに振動板固定部を設ける構成では、犠牲層パターニングのマスクアライメントのバラツキW2が生じると、傾斜面8bの位置が一定であるとしてもバラツキW2に相当量だけ振動板長さは変化することになり、また、マスクアライメントのバラツキW2であるとしても傾斜面8bを形成するときの異方性エッチングのマスク寸法及びサイドエッチによるバラツキW1によっても変化する。例えば、傾斜面8bが実線図示の位置にある場合の振動板長さb11と傾斜面8bが仮想線図示の位置にある場合の振動板長さb12とでは、(b12−b11)の差が生じることになり、精度が得られない。
On the other hand, in the configuration in which the diaphragm fixing portion is provided only at the lower part of the liquid chamber shown in FIG. 77, if the variation W2 in the mask alignment for sacrificial layer patterning occurs, the variation W2 is obtained even if the position of the
なお、液室底部側のみに振動板固定部25を設ける構成とした場合の振動板長バラツキの値は、(加圧液室4下部の振動板固定部25寸法(固定部端位置)バラツキ+アライメントバラツキ+異方性エッチマスクバラツキ+異方性エッチ時サイドエッチバラツキ)となる。
The value of the vibration plate length variation when the vibration
一方、図75に示すように、加圧液室4の下部に振動板固定部25を形成しない場合には、振動板11の加圧液室4を介して対向する2つの傾斜面8b、8bに対向する領域が干渉し合い、安定した動作特性を得ることができない。
On the other hand, as shown in FIG. 75, when the
なお、この実施形態では、振動板電極19をノズル3ごとに個別的に設けて振動板11を個別電極とし、流路・アクチュエータ基板1を共通電極としたが、振動板電極19を共通電極とし、流路・アクチュエータ基板1側に個別電極を設ける構成とすることもできる。
In this embodiment, the
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第6実施形態について図78ないし図86を参照して説明する。なお、図78は同ヘッドをノズル板側から見た透過状態で示す平面説明図、図79は図78の各部のパターンを抜き出した平面説明図、図80は図78のX11−X11線に沿う断面説明図、図81は図78のX12−X12線に沿う断面説明図、図82は図78のY16−Y16線に沿う断面説明図、図83は図78のY17−Y17線に沿う断面説明図、図84は図78のX11−X11線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図85は図78のX12−X12線に沿う加圧液室底部の拡大断面図、図86は図78のY16−Y16線に沿う加圧液室底部の拡大断面図である。 Next, a sixth embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 78 is an explanatory plan view showing the head viewed from the nozzle plate side in a transparent state, FIG. 79 is an explanatory plan view extracting patterns of each part of FIG. 78, and FIG. 80 is taken along line X11-X11 in FIG. 81 is a cross-sectional explanatory view taken along line X12-X12 in FIG. 78, FIG. 82 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y16-Y16 in FIG. 78, and FIG. 83 is a cross-sectional explanatory view taken along line Y17-Y17 in FIG. 84 and FIG. 84 are enlarged sectional views of the bottom of the pressurized liquid chamber along line X11-X11 in FIG. 78, FIG. 85 is an enlarged sectional view of the bottom of the pressurized liquid chamber along line X12-X12 in FIG. It is an expanded sectional view of the pressurization liquid room bottom which meets the Y16-Y16 line of 78.
本実施形態では、前述した第2実施形態及び第4実施形態と同様に、加圧液室4を介して対向する2つの液室間隔壁8の傾斜面8b、8bに形成したギャップ12を、加圧液室4の底面に形成した複数の連通路12bを介して連通させている。その他の構成は上記第5実施形態とほぼ同様の構成である。
In the present embodiment, as in the second and fourth embodiments described above, the
このような構成にすることにより、第5実施形態の作用効果に加えて、前記第2実施形態及び第4実施形態で説明したと同様に、量産性の高いウェットプロセスによる犠牲層除去の適用がし易くなり、同時にコストダウンを図ることができる。 By adopting such a configuration, in addition to the effects of the fifth embodiment, the sacrificial layer removal by the wet process with high mass productivity can be applied as described in the second and fourth embodiments. At the same time, and cost can be reduced.
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第7実施形態について図87を参照して説明する。なお、図87は同ヘッドを分解した状態の斜視説明図である。
この液滴吐出ヘッドは、流路・アクチュエータ基板1とノズル基板2を積層して構成している。流路・アクチュエータ基板1には、加圧液室4及び共通液室6等となる凹部が予め形成されており、ノズル基板2にはノズル孔3、流体抵抗部5及び共通液室6に液体を供給するための液供給口7が形成されている。
Next, a seventh embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 87 is an explanatory perspective view of the head in an exploded state.
This droplet discharge head is configured by laminating a flow path /
流路・アクチュエータ基板1とノズル基板2を接合することで、ノズル基板2に形成された液滴を吐出するノズル孔3が連通する加圧液室4、加圧液室4に液体(インク)を供給するための流体抵抗部5及び共通液室6を形成している。各加圧液室4は液室間隔壁8で仕切られている。
By joining the flow path /
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第8実施形態について図88を参照して説明する。なお、図88は同ヘッドを分解した状態の斜視説明図である。
この液滴吐出ヘッドは、流路・アクチュエータ基板1と天板42を積層して構成している。流路・アクチュエータ基板1には、ノズル43、加圧液室4、流体抵抗部5並びに共通液室6等となる凹部が予め形成されており、天板42には共通液室6に液体を供給するための液供給口7が形成されている。
Next, an eighth embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 88 is an explanatory perspective view of the head in an exploded state.
This droplet discharge head is formed by laminating a flow path /
流路・アクチュエータ基板1と天板2を接合することで、ノズル43が連通する加圧液室4、加圧液室4に液体(インク)を供給するための流体抵抗部5及び共通液室6を形成している。各加圧液室4は液室間隔壁8で仕切られている。
By joining the flow path /
本実施形態と第1実施形態を比較した場合、第1実施形態の液滴吐出ヘッドの液滴吐出は、ノズル基板2に形成されたノズル孔3からノズルプレート面にほぼ垂直な方向に吐出する、いわゆるサイドシュータ(フェースシュータ)の構成になっているのに対して、本実施形態にかかる液滴吐出ヘッドの液滴吐出は、流路・アクチュエータ基板1に形成されたノズル43より、接合された基板面に対しほぼ水平な方向に吐出する、いわゆるエッジシュータ型の構成となっている。なお、図88は本実施形態の概念図でありノズル3の詳細については図示していない。
When this embodiment is compared with the first embodiment, the droplet discharge of the droplet discharge head of the first embodiment is discharged from the
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第9実施形態について図89を参照して説明する。なお、図89は同ヘッドを分解した状態の斜視説明図である。
本実施形態は、上記の第5実施形態と同様に、液室間隔壁8が傾斜面8bを有する構成としたものであり、その他の構成は上記第9実施形態とほぼ同様である
Next, a ninth embodiment of the droplet discharge head according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 89 is an explanatory perspective view of the head in an exploded state.
In the present embodiment, like the fifth embodiment, the liquid
このように、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、振動板が液室間隔壁の壁面に設けられ、振動板と電極間のギャップが犠牲層エッチングプロセスによって形成されているため、高精度な振動板及びギャップを形成することができ、高精度の液滴吐出が可能となる。 As described above, according to the electrostatic actuator according to the present invention, the diaphragm is provided on the wall surface of the liquid chamber interval wall, and the gap between the diaphragm and the electrode is formed by the sacrificial layer etching process. A diaphragm and a gap can be formed, and highly accurate droplet discharge can be performed.
また、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、犠牲層除去孔は液室間隔壁の液室壁面を形成しない面に対応する部分に形成されているため、犠牲層除去孔の封止が容易になる。また、犠牲層除去孔を高密度・高精度に形成できるので、高効率・低バラツキの犠牲層除去が可能となる。 Further, according to the electrostatic actuator according to the present invention, the sacrificial layer removal hole is formed in a portion corresponding to the surface of the liquid chamber interval wall that does not form the liquid chamber wall surface. It becomes easy. Further, since the sacrificial layer removal holes can be formed with high density and high accuracy, the sacrificial layer can be removed with high efficiency and low variation.
そして、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、液室間隔壁の液室の壁面を形成する少なくとも1つ面が傾斜面である構成としているため、振動板の長さの精度が向上し、液滴吐出特性のバラツキを低減することができる。 According to the electrostatic actuator according to the present invention, since at least one surface forming the wall surface of the liquid chamber interval wall is an inclined surface, the accuracy of the length of the diaphragm is improved. In addition, variations in droplet discharge characteristics can be reduced.
さらに、本発明に係る静電型アクチュエータによれば、液室の対向する壁面にそれぞれ振動板とそれに対応するギャップ(空隙)及び犠牲層除去孔、並びに振動板固定部が設けられ、振動板の変形可能領域が液室間隔壁の壁面領域よりも小さく形成され、かつ、振動板に対応するギャップを相互に連通する連通路が設けられていることから、複数の振動板の相互干渉は抑えられ、連通路の効果により犠牲層除去をウェットプロセスで行った場合に、エッチング後の水洗や乾燥工程が行い易くなるので、量産性の高いウェットプロセスによる犠牲層除去適用がし易くなりコストダウンを図ることができる。 Furthermore, according to the electrostatic actuator according to the present invention, the diaphragm, the gap (gap) corresponding to the diaphragm, the sacrificial layer removal hole, and the diaphragm fixing portion are provided on the opposing wall surfaces of the liquid chamber, Since the deformable region is formed smaller than the wall surface region of the liquid chamber interval wall and the communication path that connects the gaps corresponding to the diaphragms to each other is provided, the mutual interference of the plurality of diaphragms can be suppressed. When the sacrificial layer is removed by a wet process due to the effect of the communication path, it becomes easy to perform the water washing and drying process after etching, so that the sacrificial layer can be easily removed by the wet process with high productivity and the cost is reduced. be able to.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、本発明に係る静電型アクチュエータを備えているので、安定した滴吐出特性を得られるとともに、ヘッド部材の小型化、及び低コスト化を図ることができる。 Further, according to the droplet discharge head according to the present invention, since the electrostatic actuator according to the present invention is provided, stable droplet discharge characteristics can be obtained, and the head member can be reduced in size and cost. be able to.
なお、上記の全ての実施形態において、振動板11の構成として、酸化膜、ポリシリコン、窒化膜、酸化膜からなる4層構造を示しているが、層数及びその組合せはこれに限定されるものではなく、積層数や材料が異なる他の組合せとすることもできる。
In all the above embodiments, the configuration of the
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載した本発明に係る画像形成装置であるインクジェット記録装置の機構の一例について図91及び図92を参照して説明する。なお、図91は同記録装置の斜視説明図、図92は同記録装置の機構部の側面説明図である。 Next, an example of the mechanism of an ink jet recording apparatus that is an image forming apparatus according to the present invention on which an ink jet head that is a liquid droplet ejection head according to the present invention is mounted will be described with reference to FIGS. 91 and 92. FIG. 91 is a perspective explanatory view of the recording apparatus, and FIG. 92 is a side explanatory view of a mechanism portion of the recording apparatus.
このインクジェット記録装置は、記録装置本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係る液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部112等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙113を手差しで給紙するための手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カセット114或いは手差しトレイ115から給送される用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ116に排紙する。
The ink jet recording apparatus includes a carriage that can move in the main scanning direction inside the recording apparatus
印字機構部112は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド124を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ123にはヘッド124に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ125を交換可能に装着している。なお、本発明に係るインクカートリッジを搭載する構成とすることもできる。
The
インクカートリッジ125は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
The
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド124を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
Further, although the
ここで、キャリッジ123は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド122に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動プーリ129との間にタイミングベルト130を張装し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に固定しており、主走査モータ127の正逆回転によりキャリッジ123が往復駆動される。
Here, the
一方、給紙カセット114にセットした用紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ローラ131及びフリクションパッド132と、用紙113を案内するガイド部材133と、給紙された用紙113を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ134は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転駆動される。
On the other hand, in order to convey the
そして、キャリッジ123の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材139を設けている。この印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車144と、排紙経路を形成するガイド部材145,146とを配設している。
A
記録時には、キャリッジ123を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動することにより、停止している用紙113にインクを吐出して1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙113を排紙する。
At the time of recording, the
また、キャリッジ123の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良を回復するための回復装置147を配置している。回復装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこの回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
A
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド124の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle) of the
このインクジェット記録装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを備えているので、低消費電力でバラツキが少ない、安定した液滴吐出特性を得ることができ、高品質の画像形成装置を実現できる。 According to this ink jet recording apparatus, since the ink jet head which is the liquid droplet ejection head according to the present invention is provided, stable liquid droplet ejection characteristics with low power consumption and little variation can be obtained, and high quality images can be obtained. A forming apparatus can be realized.
次に、本発明に静電型アクチュエータを含む本発明に係るマイクロポンプの一例について図93を参照して説明する。
このマイクロポンプは、本発明に係る静電型アクチュエータを構成するアクチュエータ基板201と、このアクチュエータ基板201との間で流体を流すための流路203を形成する天板202とを有している。アクチュエータ基板201には液滴吐出ヘッドの第5実施形態で説明したと同様に、断面略V字状の傾斜面を有する液室204(液室間隔壁208)を形成し、このアクチュエータ基板201自体を共通電極として、各液室間隔壁208の傾斜面に振動板211を設けている。なお、振動板211が傾斜面の上部側及び下部側で基板201に固定されることは同第5実施形態の場合と同じである。
Next, an example of a micropump according to the present invention that includes an electrostatic actuator according to the present invention will be described with reference to FIG.
The micropump includes an
このマイクロポンプの動作原理を説明すると、前述した液滴吐出ヘッドの場合と同様に、振動板211に対して選択的にパルス電位を与えることによって振動板211と固定電極であるアクチュエータ基板201との間で静電吸引力が生じるので、振動板211が変形する。ここで、1つの液室204に対応する振動板211を図中右側から順次駆動することによって流路201内の流体は、矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。
The operation principle of the micropump will be described. As in the case of the liquid droplet ejection head described above, the pulsed potential is selectively applied to the
この場合、本発明に係る静電型アクチュエータを備えることで、特性バラツキが少なく、安定した液体輸送を可能な小型で低消費電力のマイクロポンプを得られる。なお、ここでは振動板(変形可能領域)が複数ある例を示したが、変形可能領域は1つでも良い。また、輸送効率を上げるために、液室間に1又は複数の弁、例えば逆止弁などを設けることもできる。 In this case, by providing the electrostatic actuator according to the present invention, it is possible to obtain a small and low-power-consumption micropump capable of stable liquid transportation with little variation in characteristics. In addition, although the example which has two or more diaphragms (deformable area | regions) was shown here, one deformable area | region may be sufficient. In order to increase transport efficiency, one or more valves such as a check valve may be provided between the liquid chambers.
1…流路・アクチュエータ基板
2…ノズル基板
3…ノズル孔
4…加圧液室
5…流体抵抗部
6…共通液室
7…液供給口
8…液室間隔壁部
10…アクチュエータ素子
11…振動板
24…犠牲層
12…ギャップ(空隙)
12b…連通路
13…固定電極
14…犠牲層除去孔
15…電極取り出しパッド
16…電極接続孔
17…接着剤層
18…振動板側絶縁層
19…振動板電極
20…応力調整層
21…振動板割れ防止膜
22…固定電極側絶縁層
23…絶縁膜
24…犠牲層
25…振動板固定部
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