JP2006007560A - 機能素子およびその製造方法、流体吐出装置、並びに印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度配置に容易に対応し得るとともに、高密度配置した場合であってもクロストークの発生を回避することができ、安定した流体噴射特性を得られるようにする。
【解決手段】基板１２上に形成された振動アクチュエータ１１，１３，１５，１６と、当該振動アクチュエータ１１，１３，１５，１６によって流体に圧力変化が与えられる圧力室２２と、当該流体の排出口２５とを備えたを備えた機能素子において、前記基板１２に前記圧力室２２へ通じる少なくとも一つの貫通孔３０を設け、その貫通孔３０を介して前記圧力室２２内への流体の供給を行い、前記排出口２５を介して当該圧力室２２内からの当該流体の排出を行うように構成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、振動アクチュエータとしての機能を備えた機能素子およびその製造方法、並びに、その機能素子を用いて構成された流体吐出装置および印刷装置に関する。

近年、薄膜形成技術により形成される、振動アクチュエータとしての機能を備えた機能素子が利用されつつある。「薄膜形成技術」とは、例えば半導体製造プロセスにてシリコン半導体基板に微細加工を施す際に用いられるもののように、蒸着、スパッタ、エッチング等を行って薄膜を形成するための技術をいう。また、「振動アクチュエータとしての機能を備えた機能素子」とは、入力信号に対して何らかの応答を示す振動子を備えて構成された素子のことをいう。このような機能素子としては、このような機能素子の一例としては、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）が知られている。

ここで、振動アクチュエータとしての機能を備えた機能素子が用いられる一具体例として、プリンタやファクシミリ等の印刷装置を構成するインクジェットヘッド（流体吐出装置）を例に挙げ、その構成について図１４を参照しつつ簡単に説明する。図１４（ａ）に示すように、インクジェットヘッドは、インク液を吐出するノズル５１と、このノズル５１に連通するインク液の圧力室５２と、この圧力室５２内のインク液を加圧する振動アクチュエータ５３とを備えている。また、振動アクチュエータ５３は、圧力室５２の床面（下面）を構成する振動板５４と、その振動板を変形可能にする中空構造部分５５と、その中空構造部分５５を挟んで振動板５４に対向する個別電極５６とを備えている。そして、インクジェットヘッドでは、振動板５４と個別電極５６との間に電界を印加することで静電力を発生させて振動板５４を変形させ、これにより圧力室５２内の圧力や体積を変化させることによって、圧力室５２内のインク液に対する加圧を行ってノズル５１からインク液を吐出させるのである（例えば、特許文献１参照）。

特許第２８５４８７６号公報

ところで、インクジェットヘッドに対しては、更なる出力画像の高画質化や印刷出力の高速化等といった要求に応えるため、消費電力を増加させず、しかもインク液の吐出性能を落とすことなく、ノズル５１を高密度に配置することが求められている。

しかしながら、上述した従来における機能素子では、図１４（ａ）に示すように、複数の圧力室５２の間に配された共通流路６０と各圧力室５２との間を各圧力室５２の側方側からオリフィス６１で繋ぎ、その共通流路６０から各圧力室５２へのインク液の供給を行うようになっており、各圧力室５２の床面側はその圧力室５２を加圧する振動アクチュエータ５３の振動板５４が全面に配されていることから、ノズル５１を高密度に配置することが必ずしも容易ではない。すなわち、図１４（ｂ）に示すように、従来構成では、共通流路６０を挟んで各圧力室５２が配列されるため、各圧力室５２の挟ピッチ配置化を実現する上で、その共通流路６０が平面的に無駄な面積を占めてしまうことになる。
また、従来のノズル５１の一列配置では圧力室５２はアスペクト比（長短比）を大きくせざるを得ず、このため流路抵抗が大きく、効率が悪くなる。
また、この細長い圧力室５２のため、圧力室内の流体の固有周期が長くなり、ノズルの流体表面の振動が吐出量に影響しなくなるまで減衰するまでの時間が長くなり、駆動周波数を高く出来ない。

また、各圧力室５２の間に配された共通流路６０がそれぞれの圧力室５２に対してインク液を供給するように構成されていると、ある圧力室５２におけるノズル５１からインク液を吐出する際に、当該ある圧力室５２から共通流路６０へのインク液の逆流が発生し、その影響で他の圧力室（例えば、ある圧力室５２と隣り合って配置された圧力室）５２内における圧力が変動してしまい、当該他の圧力室５２におけるインク液の吐出量に変動が生じてしまう、いわゆるクロストークが発生することも考えられる。

そこで、本発明は、微少量の流体を高密度に吐出する需要の高まりを受け素子の高密度配置に容易に対応し得るとともに、高密度配置した場合であってもクロストークの発生を回避することができ、高効率で、高速駆動が可能、安定した流体噴射特性を得ることのできる機能素子およびその製造方法、流体吐出装置、並びに印刷装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するための案出された機能素子である。すなわち、基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えた機能素子において、前記基板に前記圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられ、当該供給口を介して前記圧力室内への流体の供給を行い、前記排出口を介して当該圧力室内からの当該流体の排出を行うように構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明は、上記目的を達成するための案出された機能素子である。すなわち、基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えてなる機能素子の製造方法において、前記圧力室内への流体の供給を行うための当該圧力室へ通じる供給口を前記基板に少なくとも一つ設ける工程を含むことを特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するための案出された流体吐出装置である。すなわち、基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えた機能素子を用いて構成された流体吐出装置において、前記基板に前記圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられ、当該供給口を介して前記圧力室内への流体の供給を行い、前記排出口を介して当該圧力室内からの当該流体の排出を行うように構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明は、上記目的を達成するための案出された印刷装置である。すなわち、基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えた機能素子を、流体吐出装置として用いて構成された印刷装置において、前記基板に前記圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられ、当該供給口を介して前記圧力室内への流体の供給を行い、前記排出口を介して当該圧力室内からの当該流体の排出を行うように構成されたことを特徴とするものである。

上記構成の機能素子、上記手順の機能素子の製造方法、上記構成の流体吐出装置、および上記構成の印刷装置によれば、振動アクチュエータの下方に配された基板に、圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられる。すなわち、一つの圧力室に対して一つまたは複数の供給口が設けられ、しかもその供給口は基板に設けられる。したがって、例えば圧力室が複数配列されている場合であっても、各圧力室に対しては、それぞれの圧力室に対応して設けられた供給口を介して、振動アクチュエータの下方側から圧力室内への流体の供給を行うことになり、従来のように各圧力室の間に流体の供給のための共通流路を配する必要がなく、圧力室を基板面内一杯に配置し得るようになる。しかも、圧力室を基板面内一杯に配置できれば、平面形状が円形状または方形状の振動アクチュエータも形成可能となるので、圧力室内の流路抵抗を低減して流体の供給または排出の効率を向上させ得るようになり、その結果振動アクチュエータの配置面積も低減し得るようになる。また、流体の供給または排出にあたり、供給口の分、すなわち基板の厚さ分だけ当該流体が迂回することになるので、例えば複数の圧力室が隣接して配列されていても、各圧力室におけるクロストークの発生は軽微となる。

本発明によれば、振動アクチュエータの下方に配された基板に少なくとも一つの供給口を設け、その供給口を介して圧力室内への流体の供給を行うようにすることで、圧力室を基板面内一杯に配置し得るようになるので、各圧力室の挟ピッチ配置化を実現することが容易となる。さらには、流体の供給または排出の効率を向上させ得るようにもなる。その上、各圧力室の挟ピッチ配置化を実現した場合であっても、各圧力室におけるクロストークの発生を抑制することができる。
これらのことから、本発明を用いれば、消費電力を増加させず、しかも流体の排出性能を落とすことなく、各圧力室を高密度に配置することが可能となるので、例えばインク液の液滴を吐出して画像を印刷する場合であっても、出力画像の高画質化や印刷出力の高速化等といった要求に十分に対応することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明に係る機能素子およびその製造方法、流体吐出装置、並びに印刷装置について説明する。

〔流体吐出装置および印刷装置の説明〕
はじめに、機能素子の説明に先立ち、その機能素子を用いて構成された流体吐出装置および印刷装置について説明する。

先ず、印刷装置について説明する。印刷装置としては、その一例として、インクジェットプリンタ装置が知られている。図１は、インクジェットプリンタ装置の概要を示す説明図である。インクジェットプリンタ装置は、インク液を細かい粒状にして用紙に吐出することで、写真画質の印刷物を高速で印刷出力するものである。このようなインクジェットプリンタ装置には、大別すると、シリアルヘッド方式のものと、ラインヘッド方式のものとがある。

シリアルヘッド方式のものでは、図１（ａ）に示すように、印刷対象物である用紙１をその主走査方向に送るローラ２と、その用紙１の副走査方向に移動可能なキャリッジ３に搭載されたインクジェットヘッド４とを備えている。そして、用紙１およびキャリッジ３を移動させつつ、インクジェットヘッド４が用紙１にインク液を吐出することで、印刷出力を行うようになっている。
一方、ラインヘッド方式のものでは、図１（ｂ）に示すように、用紙１をその主走査方向に送るローラ２と、その用紙１の副走査方向に沿ってインク液の吐出口がライン状に配されたインクジェットヘッド５とを備えている。そして、用紙１を移動させつつ、インクジェットヘッド５の各吐出口から用紙１にインク液を吐出することで、印刷出力を行うようになっている。
なお、上述したインクジェットプリンタ装置の構成は、印刷装置の一例であり、流体を吐出させるヘッド部と印刷対象物の相対位置を変化させることで印刷を行うことができれば、この構成にはこだわらない。

ところで、インクジェットプリンタ装置に対しては、シリアルヘッドまたはラインヘッドのいずれの方式であっても、さらに高い画質を高速に印刷するというニーズに対応するため、消費電力を増加させず、吐出性能を落とさずに、さらに画素数の高密度化を実現することが求められている。このような要求に応えるべく、インクジェットプリンタ装置の中には、静電ＭＥＭＳ方式によるインクジェットヘッド４，５を用いて構成されたものがある。静電ＭＥＭＳ方式によるものでは、インクジェットヘッド４，５が、振動アクチュエータとしての機能を備えた機能素子を用いて構成されており、その機能による振動を圧力印加手段として利用することで、用紙１へのインク液の吐出を行うようになっている。なお、インクジェットプリンタ装置におけるインクジェットヘッド４，５以外の構成要素については、公知技術により実現すればよいため、ここではその説明を省略する。

続いて、インクジェットプリンタ装置に用いられるインクジェットヘッド、すなわち機能素子を用いて構成される流体吐出装置の一具体例について説明する。ただし、ここでは、シリアルヘッド方式とラインヘッド方式との別に関係なく、機能素子を用いて構成された流体吐出装置としてのインクジェットヘッドの要部についてのみ説明する。図２〜５は本発明が適用されたインクジェットヘッドの要部構成例を示す模式図であり、図２はその斜視図、図３はその平面図、図４，５はその側断面図である。

図２に示すように、ここで説明するインクジェットヘッドは、大別すると、微小流体駆動部１０と、流体供給部２０とを備えている。このうち、微小流体駆動部１０は、静電気力により駆動（振動）される複数の振動板１１を高密度に配置してなるもので、その振動板１１が駆動されることで振動アクチュエータとして機能するものである。一方、流体供給部２０は、その微小流体駆動部１０上に配され、流体であるインク液２１が溜められる圧力室（いわゆるキャビティ）２２と、その圧力室２２を形成するための外壁となる流路壁２３およびノズル板２４と、圧力室２２内のインク液２１を外部に吐出するための吐出部（いわゆるノズル）２５と、を備えてなるものである。

また、微小流体駆動部１０は、図３〜５に示すように、基板１２上に、導電性物質薄膜からなる共通の基板側電極１３が形成され、その基板側電極１３の表面に絶縁膜１４が形成され、この基板側電極１３に対向するように中空構造の空間（以下「中空構造部分」という）１５を挟んで各々独立に駆動される複数の振動板側電極１６および振動板１１が一体に配置され、さらに各振動板１１を両持ち梁で支持するように支柱１７ａが基板１２上に形成されて、構成されたものである。

このうち、基板１２は、例えばシリコン基板１２ａ上にシリコン酸化膜等による絶縁膜１２ｂを形成したものを用いることが考えられるが、その他にも、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体基板上に絶縁膜を形成したものや、石英基板を含むガラス基板のように絶縁性を有したものを用いるようにしてもよい。

基板側電極１３は、例えば不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成することが考えられるが、金属膜（例えばＰｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の蒸着膜）やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜等で形成されたものであってもよい。また、振動板側電極１６についても同様に、不純物ドープの多結晶シリコン膜、金属膜、ＩＴＯ膜等で形成すればよい。

振動板１１は、絶縁膜で形成されたものであるが、特に高い反発力が得られるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で形成するのが好ましい。ただし、振動板１１は、ＳｉＮ膜の上面および下面にシリコン酸化膜が形成されて、実質的にこれらの各膜の積層によって構成される。また、振動板１１は、夫々所定間隔（支柱間ピッチ）を置いて形成された複数の支柱１７ａによって支持されている。この所定間隔は２μｍ以上、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ程度が最適である。そして、並列配置されたうちの隣り合う振動板１１は、支柱１７ａを介して連続して形成され、かつ、支柱１７ａも振動板１１と同じ材料で一体に形成されている。したがって、振動板１１と基板側電極１３間の空間を構成する中空構造部分１５は、並列する複数の振動板１１の間で連通していることになり、また密閉空間になるように形成されたものとなる。

また、各振動板１１の支柱１７ａの近傍には、中空構造部分１５を形成するための犠牲層エッチングを行う際に利用する開口１８が形成される。開口１８の大きさは、小さいほど閉塞し易いことから、□２μｍ以下とすることが考えられるが、犠牲層エッチングがドライエッチングの場合であれば、□０.５μｍでも十分である。

この開口１８は、犠牲層エッチングの後には、封止膜１９によって閉塞される。封止膜１９による開口１８の封止は、蒸着、スパッタまたはＰＥＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）のいずれかによって行うことが考えられる。また、封止膜１９の形成材料としては、成形加工の容易さから、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、ケイ素（Ｓｉ）等の金属類やその合金類、ＳｉＯ₂等の酸化膜、または窒化膜等が挙げられるが、予め成形したセラミックや樹脂等を接合して用いることもできる。

なお、振動板１１には、絶縁膜を介して振動板側電極１６が接合されており、しかもその振動板１１の折曲された下面凹部内に挿入されるように振動板側電極１６が配設されているものとする。また、振動板１１の下方には、当該振動板１１が薄く形成された場合の反発力を高めるべく、支柱（いわゆるアンカー）１７ａと合わせて、その中央部直下近傍に補助支柱（いわゆるポスト）１７ｂを形成してもよい。

このような微小流体駆動部１０および流体供給部２０によって、インクジェットヘッドが構成されているのである。なお、微小流体駆動部１０上に配設された流体供給部２０の圧力室２２には、詳細を後述するように、微小流体駆動部１０の基板１２に設けられた少なくとも一つの貫通孔（ただし不図示）が連通しており、その貫通孔を介して圧力室２２内へのインク液２１の供給が行われるものとする。

ここで、以上のような構成のインクジェットヘッドにおける処理動作を説明する。インクジェットヘッドでは、微小流体駆動部１０における基板側電極１３と振動板側電極１６との間に所要の電圧を印加すると、図６（ａ）に示すように、各電極間に静電引力が発生して、振動板側電極１６と一体な振動板１１が基板側電極１３の側に撓む。逆に、基板側電極１３と振動板側電極１６との間への電圧印加を開放すると、図６（ｂ）に示すように、振動板１１が静電引力から開放され、自身の復元力により減衰振動する。この振動板１１の上下振動に伴う流体供給部２０における圧力室２２の容積変動で、インクジェットヘッドでは、圧力室２２内のインク液２１がノズル２５から外部に吐出され、また圧力室２２内へ貫通孔を介してインク液２１が供給されるのである。

このとき、振動板１１が基板側電極１３の側に撓むと、中空構造部分１５が閉空間であるため、その中空構造部分１５内の空気は圧縮されて、振動板１１の撓みを阻害しようとする。ところが、振動板１１が支柱１７ａ、補助支柱１７ａ等による支持構造であれば、隣接する振動板１１の下の中空構造部分１５内に圧縮された空気を逃がすことができ、結果として十分に振動板１１を撓ませることが可能となる。

〔機能素子の説明〕
次に、以上のような構成のインクジェットヘッドにおいて用いられる機能素子、すなわち本発明に係る機能素子について、さらに詳しく説明する。機能素子は、既に説明したように、振動アクチュエータとしての機能を備えた素子の全てを含むが、その一例としてインクジェットヘッドにおいて用いられるもの、すなわち図７〜９に示すようなものがある。図７は本発明に係る機能素子の概略構成の一例を示す説明図であり、図８はその要部構成の一例を示す説明図であり、図９はその配置例を示す説明図である。

図７に示すように、ここで説明する機能素子は、基板１２上に基板側電極１３が形成され、その基板側電極１３の表面に絶縁膜１４が形成され、この基板側電極１３に対向するように中空構造部分１５を挟んで各々独立に駆動される複数の振動板側電極１６および振動板１１が一体に配置され、さらに各振動板１１を両持ち梁で支持するように支柱１７ａが基板１２上に形成されて、構成されたものである。そして、基板側電極１３と振動板側電極１６との間に所要の電圧を印加して、各電極間に静電引力が発生させることで、振動板側電極１６と一体な振動板１１を振動させ得るようになっている。つまり、これらの構成によって、機能素子では、振動アクチュエータとしての機能を果たすようになっている。

なお、振動板１１は、振動板側電極１６と一体に複数のものが配置されるが、その配置を例えば環状にすることが考えられる。すなわち、平面的に環状に配された複数の振動板１１を備えて機能素子における振動アクチュエータを構成することが考えられる。ここで、「環状」とは、環を描く形状のことをいうが、その環が円形状の場合の他に方形状や多角形状の場合をも含み、またその環が多重の場合の他に一重の場合をも含むものとする。したがって、振動板１１は、後述する理由により独立して駆動可能な複数のものを配設することが望ましいが、一つのみが配設されていてもよい。また、複数のものを配設する場合であれば、例えば図８（ａ）に示すような同心円状に配置したり、図８（ｂ）に示すような同心方形状に配置したり、あるいは図８（ｂ）に示すような同心多角形状に配置にすることが考えられる。

また、図７において、このような振動板１１の上方には、流路壁２３およびノズル板２４によって圧力室２２が形成されており、振動板１１の振動によってその圧力室２２に圧力変化が与えられるようになっている。つまり、この振動板１１の上下振動に伴う圧力室２２内の圧力変化で、その圧力室２２内のインク液２１がノズル２５から外部に吐出され、また圧力室２２内へのインク液２１の供給が行われるのである。

ところで、ここで説明する機能素子では、その特徴的な構成として、圧力室２２内へのインク液２１の供給を行うために、圧力室２２へ通じる少なくとも一つの供給口（以下、単に「貫通孔」という）３０が基板１２に設けられている。そして、その貫通孔３０を介して圧力室２２内へのインク液２１の供給を行うように構成されている。

貫通孔３０は、例えば図７または図８（ａ）に示すように、環状に配された複数の振動板１１の央部を貫通するように配することが考えられる。また、例えば図８（ｂ）に示すように、環状に配された複数の振動板１１がさらに複数並べて配置されている場合には、それぞれの環状央部を貫通するように、複数の貫通孔３０を配してもよい。また、圧力室２２へ通じていれば、例えば図８（ｃ）に示すように、環状の振動板１１の外側に一つまたは複数を配しても構わない。つまり、貫通孔３０は、圧力室２２へ通じるように少なくとも一つのものが設けられていればよい。

ただし、貫通孔３０には、図７に示すように、圧力室２２の近傍に、その貫通孔３０におけるインク液２１の流れを絞るためのオリフィス部３１が形成されている。このオリフィス部３１における絞り径（開口径）の大きさは、ノズル２５の径、圧力室２２の容量等を考慮しつつ、そのノズル２５からのインク液２１の吐出量に応じて決定されているものとする。さらに詳しくは、オリフィス部３１は、貫通孔３０を介して圧力室２２内へのインク液２１の供給は行い得るが、その圧力室２２内から貫通孔３０側へのインク液２１の逆流を抑制するように形成されている。

以上のように構成された機能素子では、基板１２に設けられた貫通孔３０を介して圧力室２２内へのインク液２１の供給が行われる。すなわち、一つの圧力室２２に対して一つまたは複数の貫通孔３０が設けられ、しかもその貫通孔３０は基板１２に設けられている。そのために、例えばインクジェットヘッドを構成する場合のように、圧力室２２が複数配列されていても、各圧力室２２に対しては、それぞれの圧力室２２に対応して設けられた貫通孔３０を介して、振動アクチュエータの下方側からインク液２１の供給を行うことが可能となる。また、下方側からインク液２１の供給を行っても、貫通孔３０にはオリフィス部３１が形成されているため、インク液２１の逆流等が軽微である。つまり、オリフィス部３１が形成されているので、下方側からの圧力室２２内へのインク液２１の供給が可能となるのである。

このように、振動アクチュエータの下方側からのインク液２１の供給が可能になれば、各圧力室２２は、例えば図９（ａ）に示すようにそれぞれを隣接配置することができ、図９（ｂ）に示すような従来必要とした共通流路を圧力室同士の間に配する必要がない。したがって、圧力室２２を複数配列する場合に、各圧力室２２を基板１２面内一杯に配置し得るようになるため、各圧力室２２の挟ピッチ配置化を実現することが容易となる。すなわち、インク液２１を吐出するノズル２５の高密度化を実現する上で非常に好適となる。図９（ａ）の場合横１列では１８６μｍピッチであるが、縦５列を１色に割り当てれば、６８３ｎｐｉ(nozzles per inch)が可能となり、高密度化の自由度が高まる。

しかも、圧力室２２を基板１２面内一杯に配置してノズル２５の高密度化を実現できれば、図８（ａ）〜（ｃ）に示したような平面形状が円形状、方形状または多角形状の振動板１１も形成可能となる。このような形状の振動板１１を形成すれば、従来のように長方形状で、かつ、そのアスペクト比（長短比）の大きな振動板を形成する場合に比べて、圧力室２２内の流路抵抗を低減して、ノズル２５からのインク液２１の吐出効率を向上させ得るようになる。そして、吐出効率を向上させることで、必要となる振動板１１の大きさ、すなわち振動アクチュエータの配置面積も低減し得るようになるので、この点においてもノズル２５の高密度化を実現する上で非常に好適となる。

その上、振動板１１を円形状、方形状または多角形状といった環状に配するだけではなく、複数のものを並べて配設した場合、すなわち環状の環が多重の場合であれば、複数の振動板１１のそれぞれに対応して基板側電極１３または振動板側電極１６の少なくとも一方を個別に設け、それぞれの振動板１１を独立して駆動可能にすることにより、例えば複数の振動板１１のそれぞれを段階的に振動させるといったことを行い得るので、より一層のノズル２５からのインク液２１の吐出効率の向上が図れるようになる。
さらに、駆動する振動板１１の数（面積）により吐出する量を調整することも可能である。

さらに、以上のように構成された機能素子では、複数の圧力室２２を隣接して配列する場合であっても、従来のように共通流路６０を圧力室同士の間に位置する場合に比べると、圧力室２２へのインク液２１の供給にあたり、貫通孔３０の分、すなわち基板１２の厚さ分だけ当該インク液２１が迂回することになるので、各圧力室２２におけるクロストークの発生は軽微となる。

これらのことから、以上のような構成の機能素子では、各圧力室２２の挟ピッチ配置化を実現することが容易となり、さらにはインク液２１の吐出効率を向上させ、吐出量を可変とし得るようにもなり、その上各圧力室２２の挟ピッチ配置化を実現した場合であってもクロストークの発生を抑制することができるので、インクジェットヘッドまたはインクジェットプリンタ装置を構成する場合であっても、消費電力を増加させず、しかもインク液２１の吐出性能を落とすことなく、各圧力室２２を高密度に配置することが可能となり、その結果出力画像の高画質化や印刷出力の高速化等といった要求に十分に対応することが可能となる。

〔機能素子の製造方法の説明〕
次に、以上のように構成された機能素子の製造方法について説明する。

機能素子の製造にあたっては、先ず、従来と同様の手順で、基板１２上に微小流体駆動部１０を形成する。この際、オリフィス部３１の部分には膜構造が残らない様にパターニングを行う。次に酸化膜１２を除去する。続いて基板１２の上面側（圧力室２２が形成される側）から、例えばSF6とC4 F8 のガスを交互に導入してエッチングと側壁保護を繰り返すDeep ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）を２０μｍ程度行うことで、その基板１２に一つまたは複数のオリフィス部３１を形成する。そして、オリフィス部３１の形成後、あるいはオリフィス部３１の形成に先立って、基板１２の下面側をその基板１２が１００μｍ程度の厚さとなるまで研磨し、下面側と上面側との位置合わせのための両面アライメントを経て、下面側からDeep ＲＩＥを行うことで、その基板１２に一つまたは複数の貫通孔３０を形成する。なお、このときに行うDeep ＲＩＥは、シリコン基板等に対して垂直に、しかも深くエッチングを行うドライエッチング方法であるが、必ずしもこれを用いる必要はなく、他の公知の手法を用いて貫通孔３０またはオリフィス部３１を形成するようにしても構わない。そして、その後に、流体供給部２０を形成する。

ところで、微小流体駆動部１０における中空構造部分１５については、例えば、振動板１１に形成された開口１８からの犠牲層エッチングにより形成することが考えられる。ただし、犠牲層エッチングではなく、他の公知の形成方法を用いても構わない。このとき、微小流体駆動部１０における振動板１１、基板側電極１３、中空構造部分１５および振動板側電極１６の基板１２上での配置は、その基板１２に設けられている貫通孔３０およびオリフィス部３１に対応しているものとする。すなわち、貫通孔３０およびオリフィス部３１と干渉しない位置に配置されるものとする。

また、中空構造部分１５の形成に利用した開口１８については、これを封止膜１９によって閉塞することになるが、その封止膜１９の上には、外気や流体等の侵入を防止するためのカバー層を成膜してもよい。カバー層で封止膜１９を覆えば、その封止膜１９による開口１８の封止が、より一層確実なものとなるからである。このようなカバー層としては、耐湿性等に優れており、流体等の侵入を防止する上で有効となるプラズマシリコン窒化（ＰＥ−ＳｉＮ）膜が考えられる。ただし、カバー層は、必ずしも必須ではなく、成膜しなくてもよい。また、成膜する場合であっても、カバー層は、必ずしもＰＥ−ＳｉＮ膜のような単層のものである必要はなく、複層のものであっても構わない。

振動板１１等を環状に複数配置する場合には、その振動板１１等を形成するためのエッチングプロセスを利用したパターニングの際に用いる露光用マスクとして、その環状に対応したマスクパターンのものを用いればよい。

また、圧力室２２を構成する流路壁２３、ノズル２５については、シリコン、石英、ガラス等の母材を例えば図１０（ａ）〜（ｃ）に示すような形状にDeep ＲＩＥで形成するか、感光性材料、例えば感光性樹脂または感光性ガラスで形成することが考えられる。感光性材料を用いて形成すれば、その感光性材料に対する露光によって形成を行うので、母材を削るエッチング処理の場合とは異なり、側壁面を垂直に近い形状に成形したりその形成ばらつきを抑えることが非常に容易となるからである。これを微小流体駆動部１０の上面へハンダ付け、陽極接合、拡散接合、接着等によって取り付けることで形成してもよい。図例の断面形状においては、（ｃ）に示したものよりも（ａ）に示したもののほうがノズル２５に向けて徐々に狭くなっているため、流路抵抗が少なく、ノズル面のたわみも少なく、良好な吐出効率が得られる。ノズル２５は透明材料で形成すると圧力室内部がのゴミや欠陥が観察可能となる。

以上のような手順を経ることで、上述した機能素子が構成されることになる。

〔機能素子の他の例についての説明〕
次に、本発明に係る機能素子の他の実施の形態について説明する。図１１および図１２は、本発明に係る機能素子の要部構成の他の例を示す説明図である。

図１１に示すように、ここで説明する機能素子では、貫通孔３０に整流弁３２が付設されている。さらに詳しくは、貫通孔３０のオリフィス部３１と圧力室２２との間に整流弁３２が配設されている。

整流弁３２は、貫通孔３０に付設されることで、その貫通孔３０から圧力室２２内へのインク液２１の流れは阻害しないが、圧力室２２から貫通孔３０へのインク液２１の逆流は抑制するためのものである。このような整流弁３２は、例えば振動板１１の形成材料であるＳｉＮとPoly−Ｓｉ、ＳｉＯ₂の積層による片持梁構造を、その振動板１１と同時に形成することによって構成することが考えられる。この片持ち梁構造は、積層膜の内部応力差で反りを有する。また、片持ち梁構造ではなく、図１２に示すような腕部３３を有した両持ち梁構造であってもよく、その場合にも反りによって整流弁３２が基板１２に貼り付くことになる。なお、整流弁３２を設ける場合は、貫通孔３０にはオリフィス部３１を設ける必要がなくなるため、貫通孔３０のみを基板１２の裏面側から形成することになる。

このような整流弁３２が付設されていれば、ノズル２５からインク液２１を吐出する際には、圧力室２２内から下向きの圧力が整流弁３２に加わり、その整流弁３２がオリフィス部３１を塞ぐことになる。また、これとは逆に、振動板１１が基板側電極１３の側に撓んだ際には、オリフィス部３１からのインク液２１の流れを受けて、整流弁３２が圧力室２２内の側に撓み、その圧力室２２内へインク液２１を流すことになる。したがって、整流弁３２が付設されていれば、単にオリフィス部３１のみが設けられている場合に比べて、圧力室２２から貫通孔３０へのインク液２１の逆流を大幅に低減することができ、その結果、クロストークの発生低減をより一層確実なものとすることができる。

〔機能素子のさらに他の例についての説明〕
上述した実施の形態の説明では、機能素子をインクジェットヘッドに用いた場合、すなわち流体吐出装置がインクジェットヘッドであり、印刷装置がインクジェットプリンタ装置である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、本発明に係る流体吐出装置は、インクジェットヘッドの他にも、有機電界発光素子等の高分子または低分子有機材料の塗布装置、プリント基板配線用の印刷装置、ハンダバンプ印刷装置、三次元モデリング装置、ＤＮＡチップ、μＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）として薬液その他の液体をｐｌ（ピコリットル）以下の微小単位にて精度良くコントロールして供給する供給ヘッド、さらには気体を微小量精度良くコントロールして供給する供給ヘッド等に適用することができる。

ここで、本発明に係る他の実施の形態として、本発明を微小流体駆動部と整流弁とを組み合わせてなる、いわゆるマイクロポンプに適用した場合を例に挙げる。図１３は、本発明が適用されたマイクロポンプの要部構成の一例を示す模式図である。

図例のように、ここで説明するマイクロポンプは、静電ＭＥＭＳ方式またはピエゾ方式の振動板４１を有する振動アクチュエータ４２上に、流路４３に連通する圧力室４４を配置し、その圧力室４４の流体供給口および流体排出口に夫々上述の流路抵抗が異方性を有する整流弁４５ａ，４５ｂを配置して構成されている。そして、これらが配置される基板４６には、整流弁４５ａ，４５ｂを介して圧力室４４へ通じる貫通孔４７ａ，４７ｂが設けられており、貫通孔４７ａを通じて圧力室４４内への流体の供給を行うとともに、貫通孔４７ｂを通じて圧力室４４内からの流体の排出を行うように構成されている。なお、流体は、インクジェットヘッドにおけるインク液のような液体だけではなく、環境空気または所定ガスといった気体も可能である。

このような構成のマイクロポンプでは、以下に述べるような処理動作を行う。図１３（ａ）に示すように、マイクロポンプは、デフォルト状態では、整流弁４５ａ，４５ｂがいずれも応力差のため反っており、その先端が圧力室４４の天井に接している。そして、図１３（ｂ）に示すように、振動板４１が下方に変位して、圧力室４４の体積増加でその圧力室４４内の圧力が低下すると、流体の流れにより貫通孔４７ａの側の整流弁４５ａが撓み、その貫通孔４７ａから圧力室４４内に流体が流れ込む。その後、図１３（ｃ）に示すように、振動板４１が上方に変位して、圧力室４４の体積減少でその圧力室４４内の圧力が増加すると、貫通孔４７ａの側の整流弁４５ａはその先端が圧力室４４の天井に接し、圧力室４４内の流体の貫通孔４７ａの側への逆流を防ぐ一方、貫通孔４７ｂの側の整流弁４５ｂが撓み、その貫通孔４７ｂから圧力室４４内の流体が排出される。

このような処理動作を行うマイクロポンプは、例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）の冷却用のポンプとして用いることが考えられる。すなわち、ＬＳＩ冷却用のポンプとして用いれば、冷媒として機能する流体をＬＳＩからの発熱量に応じて循環させることが可能となる。

上述したインクジェットヘッドの場合とは異なってノズルがなく基板貫通孔３０のみのマイクロポンプの構成では吸気の際には基板貫通孔３０を通じてあらゆる方向から気体を吸い込むが、吐出（排気）の際には基板４６の面に対して垂直な方向にしか速度ベクトルを生じないため、貫通孔４７ｂに近傍に冷却対象物を配置すると、その冷却対象物に対して高速の気体を吹き付けることが可能となる。

以上のようなマイクロポンプにおいても、基板４６に貫通孔４７ａ，４７ｂが設け、その貫通孔４７ａ，４７ｂを介して圧力室４４内への流体の供給または当該圧力室４４内からの流体の排出を行うことで、高密度配置に容易に対応し得るとともに、高密度配置した場合であってもクロストークの発生を回避することができ、安定した流体噴射特性を得られるようになる。

このように、基板に設けられる貫通孔は、上述したインクジェットヘッドの場合のように必ずしも流体の供給を行うためのものに限定されることはなく、ここで説明するマイクロポンプの場合のように流体の排出を行うためのものをも含む。また、貫通孔を流れる流体についても、液体、気体の別を問わない。

つまり、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

インクジェットプリンタ装置の概要を示す説明図である。 本発明に係る流体吐出装置の一具体例で、本発明が適用されたインクジェットヘッドの要部構成例を模式的に示す斜視図である。 本発明が適用されたインクジェットヘッドの要部構成例を模式的に示す平面図である。 本発明が適用されたインクジェットヘッドの要部構成例を模式的に示す側断面図（その１）であり、図３におけるＡ−Ａ断面を示す図である。 本発明が適用されたインクジェットヘッドの要部構成例を模式的に示す側断面図（その２）であり、図３におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。 本発明が適用されたインクジェットヘッドにおける処理動作の概要を模式的に示す説明図である。 本発明に係る機能素子の概略構成の一例を示す説明図である。 本発明に係る機能素子の要部構成の一例を示す説明図である。 本発明に係る機能素子の配置例を示す説明図である。 本発明に係る機能素子における圧力室形状の具体例を示す説明図である。 本発明に係る機能素子の要部構成の他の例を示す説明図（その１）である。 本発明に係る機能素子の要部構成の他の例を示す説明図（その２）である。 本発明に係る流体吐出装置の他の具体例で、本発明が適用されたマイクロポンプの要部構成の一例を示す模式図である。 従来における機能素子の概略構成の一例を示す説明図である。

符号の説明

１…用紙、２…ローラ、３…キャリッジ、４，５…インクジェットヘッド、１０…微小流体駆動部、１１…振動板、１２…基板、１３基板側電極、１４…絶縁膜、１５…中空構造部分、１６…振動板側電極、１７ａ…支柱（アンカー）、１７ｂ…補助支柱（ポスト）、１８…開口、１９…封止膜、２０…流体供給部、２１…インク液、２２…圧力室（キャビティ）、２３…流路壁（壁体）、３０…貫通孔、３１…オリフィス部、３２…整流弁、４１…振動板、４２…振動アクチュエータ、４３…流路、４４…圧力室、４５ａ，４５ｂ…整流弁、４６…基板、４７ａ，４７ｂ…貫通孔

Claims (12)

1. 基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えた機能素子において、
   前記基板に前記圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられ、当該供給口を介して前記圧力室内への流体の供給を行い、前記排出口を介して当該圧力室内からの当該流体の排出を行うように構成されたことを特徴とする機能素子。
2. 前記振動アクチュエータは、環状に配された１つまたは複数の振動板を備えたものであることを特徴とする請求項１記載の機能素子。
3. 前記供給口に整流弁が付設されていることを特徴とする請求項１記載の機能素子。
4. 基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えてなる機能素子の製造方法において、
   前記圧力室内への流体の供給を行うための当該圧力室へ通じる供給口を前記基板に少なくとも一つ設ける工程
   を含むことを特徴とする機能素子の製造方法。
5. 環状に配された１つまたは複数の振動板を形成して前記振動アクチュエータを構成するする工程を含むことを特徴とする請求項４記載の機能素子の製造方法。
6. 前記供給口に整流弁を付設する工程を含むことを特徴とする請求項４記載の機能素子の製造方法。
7. 基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えた機能素子を用いて構成された流体吐出装置において、
   前記基板に前記圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられ、当該供給口を介して前記圧力室内への流体の供給を行い、前記排出口を介して当該圧力室内からの当該流体の排出を行うように構成されたことを特徴とする流体吐出装置。
8. 前記振動アクチュエータは、環状に配された１つまたは複数の振動板を備えたものであることを特徴とする請求項７記載の流体吐出装置。
9. 前記供給口に整流弁が付設されていることを特徴とする請求項７記載の流体吐出装置。
10. 基板上に形成された振動アクチュエータと、当該振動アクチュエータによって流体に圧力変化が与えられる圧力室と、当該流体の排出口とを備えた機能素子を、流体吐出装置として用いて構成された印刷装置において、
    前記基板に前記圧力室へ通じる少なくとも一つの供給口が設けられ、当該供給口を介して前記圧力室内への流体の供給を行い、前記排出口を介して当該圧力室内からの当該流体の排出を行うように構成されたことを特徴とする印刷装置。
11. 前記振動アクチュエータは、環状に配された１つまたは複数の振動板を備えたものであることを特徴とする請求項１０記載の印刷装置。
12. 前記供給口に整流弁が付設されていることを特徴とする請求項１０記載の印刷装置。
    

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