JP2007038629A - 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び静電デバイス並びにそれらの製造方法 - Google Patents

静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び静電デバイス並びにそれらの製造方法 Download PDF

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【課題】サイズの小型化が可能で、ギャップ内に水分等が入り込むのを効果的に防止することのできる静電アクチュエータ等を得る。
【解決手段】固定電極である個別電極12を有する電極基板10と、個別電極12と距離をおいて対向し、個別電極12との間で発生した静電気力により動作する可動電極である振動板22を有するキャビティ基板20とを備え、電極基板10又はキャビティ基板20の一方に、個別電極12と振動板22との間で形成される空間を外気と遮断する封止材25からなる封止層(TEOS層25a、水分透過防止層25b)を複数積層し、封止部26aを形成するものである。
【選択図】図2

Description

本発明は、微細加工素子において、加わった力により可動部が変位等し、動作等を行う静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド等の静電デバイス、そのデバイスを用いた装置、それらの製造方法に関するものである。特に微細加工素子で行われる封止に関するものである。
例えばシリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)が急激な進歩を遂げている。微細加工技術により形成される微細加工素子の例としては、例えば液滴吐出方式のプリンタのような記録(印刷)装置で用いられている液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)、マイクロポンプ、光可変フィルタ、モータのような静電アクチュエータ、圧力センサ等がある。
ここで、微細加工素子の一例として静電アクチュエータである液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出方式の記録(印刷)装置は、家庭用、工業用を問わず、あらゆる分野の印刷に利用されている。液滴吐出方式とは、例えば複数のノズルを有する液滴吐出ヘッドを対象物(紙等)との間で相対移動させ、対象物の所定の位置に液滴を吐出させて印刷等をするものである。この方式は、液晶(Liquid Crystal)を用いた表示装置を作製する際のカラーフィルタ、有機化合物等の電界発光(ElectroLuminescence )素子を用いた表示パネル(OLED)、DNA、タンパク質等、生体分子のマイクロアレイ等の製造にも利用されている。
液滴吐出ヘッドの中で、液体をためておく吐出室を流路の一部に備え、吐出室の少なくとも一面の壁(ここでは、底部の壁とし、以下、この壁のことを振動板ということにする)を撓ませて(動作させて)形状変化により吐出室内の圧力を高め、連通するノズルから液滴を吐出させる方法がある。可動電極となる振動板を変位させる力として、例えば、振動板と距離を空けて対向する、電極(固定電極)との間に発生する静電気力(静電引力を用いることが多い)を利用している。
上記のような静電力を利用した静電アクチュエータにおいては、振動板と個別電極(対向電極)を帯電させることにより振動板を個別電極側に吸引して撓ませる。振動板と個別電極の間には、一定の間隔のギャップ(空隙、空間)が設けられており、振動板と個別電極はこのギャップを隔てて対向配置されている。
ここで、一般的に静電駆動方式のインクジェット記録装置では、振動板と個別電極の間のギャップは封止材によって封止されている。これは、例えば振動板の底面や個別電極の表面に水分が付着することにより、静電吸引力及び静電反発力が低下するのを防止するためである。またこの封止材は、ギャップ内に異物等が入り込むのを防止する機能も有する。
従来の一般的な静電駆動方式のインクジェットヘッドでは、エポキシ系樹脂等を振動板と個別電極の間のギャップに流し込むことにより、ギャップの封止を行っていた。
また従来のインクジェットヘッド及びその製造方法では、振動板と個別電極の間のギャップの開口部(連通穴)に、CVD(Chemical Vapor Deposition )等によって酸化膜を形成して封止を行っていた(例えば、特許文献1参照)。
また従来の静電アクチュエータ及びそれを用いたインクジェットヘッドでは、振動板と個別電極の間のギャップを、珪素含有ポリイミド系封止材を用いて封止するようにしていた(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−1972号公報(第1頁、図1) 特開2002−172790号公報(第1頁、図1)
従来の静電駆動方式のインクジェットヘッドをはじめとして、静電アクチュエータでは、一般的にギャップの封止にエポキシ系樹脂等を用いているが、エポキシ系樹脂を封止材とした場合には、エポキシ系樹脂が毛細管力によりギャップの奥まで入り込んでしまうため、封止材が静電アクチュエータ内に浸入しないように封止代を大きくする必要があり、インクジェットヘッドの小型化が困難になってしまうという問題点があった。また毛細管力は一般的に制御不能なため、ギャップごとの封止状態がバラついてしまうという問題点もあった。
また従来のインクジェットヘッド及びその製造方法では(例えば、特許文献1参照)、1種類のみの酸化膜によって封止を行っているが、例えば酸化膜が酸化シリコン膜である場合、シリコン酸化膜は水分透過性が高いため、封止材の厚みを厚くしなければならず、その結果インクジェットヘッドの小型化が困難になってしまうという問題点があった。
また酸化膜が酸化アルミニウム膜である場合には、酸化アルミニウムは水分透過性が低いため封止材の厚みを薄くできるものの、成膜に時間が掛かる、アルカリ性溶液に反応しやすくインクジェットヘッドの製造が困難になる等の問題点があった。
さらに従来の静電アクチュエータ及びそれを用いたインクジェットヘッドでは(例えば、特許文献2参照)、封止材として珪素含有ポリイミド系封止材を用いているが、珪素含有ポリイミド系封止材は液状であるため、エポキシ系樹脂と同様に、珪素含有ポリイミド系封止材が毛細管力によりギャップの奥まで入り込んでしまい、インクジェットヘッドの小型化が困難になってしまうという問題点があった。さらに、その製造工程において、本来封止を必要としない、例えば他の基板と接合する部分、取り出された電極の端子となる部分に付着してしまうと、他の基板との接合、電力供給手段との電気的接続を邪魔するため、除去工程を必要であった。
本発明は、サイズの小型化が可能で、ギャップ内に水分等が入り込むのを効果的に防止することができ、所望の部分のみに封止材を付着等して確実な封止を効率よく行い、余分に付着した封止材を除去する工程を行わなくてもよいような構成の静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び静電デバイス並びにそれらの製造方法を得ることを目的とする。
本発明に係る静電アクチュエータは、固定電極を有する第1の基板と、固定電極と距離をおいて対向し、固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電極を有する第2の基板とを備え、第1の基板又は第2の基板の一方に、固定電極と可動電極との間で形成される空間を外気と遮断する封止材からなる封止層を複数積層した封止部を形成するものである。
本発明によれば、固定電極と可動電極との間で形成される空間を封止する封止部が、異なる材料からなる封止層を少なくとも2層以上有するため、例えば1層を水分透過性の低い物質で構成し、1層を耐薬品性に優れた物質で構成することにより、空間内に水分が入り込むのを防止することができ、また耐薬品性に優れた封止を行うことができる。また水分透過性の低い層を形成するため、単層の場合に比べて封止部の厚みを薄くすることができ、静電アクチュエータを小型化することができる。
また例えば、プラズマCVDによってTEOS(TetraEthylOrthosilicate )からなる封止層を形成すれば、封止材がギャップの奥まで入り込むことがないため、封止代を小さくすることができ、静電アクチュエータを平面的に小型化することが可能となる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、固定電極を有する第1の基板と、固定電極と距離をおいて対向し、固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電極を有する第2の基板とを備え、第1の基板又は第2の基板の一方に、固定電極と可動電極との間で形成される空間を外気と遮断する封止材を所望範囲内に形成するための貫通溝穴を設け、貫通溝穴から封止材を封入して封止部を形成する。
本発明によれば、貫通溝穴を封止部として設け、貫通溝穴を壁として、所望の範囲内に第1の基板と第2の基板とにわたる封止材を形成するようにしたので、例えば、封止材料をスパッタ、CVD等により堆積させて封止材を形成する際、本来、封止材料を付着させるべきでない固定電極と外部の電力供給手段との接点への付着を防ぐことができ、接続不良の防止等をはかり、確実な封止を行い、長寿命化をはかることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの第2の基板は、積層される第3の基板と接合されない露出部を有し、貫通溝穴は、露出部に形成されている。
本発明によれば、キャビティ基板がノズル基板と接合されていない露出部を有するため、露出部に封止用貫通穴を容易に設けることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、封止部を塞ぐ第3の基板をさらに備える。
本発明によれば、第3の基板により封止部を塞ぎ、封止に対して二重の対策を施すようにしたので、より確実な封止を行うことができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、貫通溝穴からはみ出した封止材と第3の基板とが接触しないように、第3の基板の封止部を塞ぐ面に、封止部に合わせた封止材逃げ溝が形成されている。
本発明によれば、第3の基板に封止材逃げ溝を設けたので、万一、封止部から封止材がはみ出して形成されてしまっても除去工程を行うことなく、良好に接合することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、封止材逃げ溝の深さを40μm以上とする。
本発明によれば、封止材逃げ溝の深さを40μm以上とすることで、確実に封止材と基板とが接触しないようにすることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の封止層のうち少なくとも1つが、TEOSからなるTEOS層であるものである。
本発明によれば、封止層の1つをTEOSからなるTEOS層とすることにより、封止代を小さくして、静電アクチュエータを平面的に小型化することができる。またTEOSは耐薬品性に優れているため、耐薬品性に優れた封止部を形成することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の封止層のうち少なくとも1つが、TEOSよりも水分透過度の低い物質からなる水分透過防止層であるものである。
本発明によれば、封止層の1つをTEOSよりも水分透過度の低い物質からなる水分透過防止層とすることにより、ギャップ内に水分が入り込むのを防止することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の水分透過防止層が、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン又は窒化アルミニウムからなるものである。
本発明によれば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン又は窒化アルミニウムから水分透過防止層を形成すれば、ギャップ内に水分が入り込むのを効果的に防止することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータにおいては、封止層のうち少なくとも1つは、五酸化タンタル、DLC、PDMS又はエポキシ樹脂からなる層である。
本発明によれば、水蒸気、ガス透過性の面での効果、絶縁効果が特に高い、上記の材料を用いるようにしたので、封止効果を高めることができる。さらに、それぞれの特徴に基づいて、複数の材料を順序よく多層にすれば、さらに封止効果を高めることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の封止部が、1つのTEOS層の上に1つの水分透過防止層を積層して形成されているものである。
本発明によれば、1つのTEOS層の上に1つの水分透過防止層を積層することにより封止部が形成されているため、ギャップ内に水分が入り込むのを効果的に防止することができる。また封止部の厚さをTEOS層単層の場合に比べて薄くすることができるため、静電アクチュエータを小型化することが可能となる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の封止部が、1つのTEOS層の上に1つの水分透過防止層を積層し、さらに該1つの水分透過防止層の上に1つのTEOS層を積層して形成されているものである。
本発明によれば、1つのTEOS層の上に1つの水分透過防止層を積層し、さらにこの1つの水分透過防止層の上に1つのTEOS層を積層することにより封止部が形成されているため、ギャップ内に水分が入り込むのを効果的に防止することができ、且つ耐薬品性に優れた封止部を形成することができる。また封止部の厚さを薄くすることができるため、静電アクチュエータを小型化することが可能となる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、下層に形成されたTEOS層が、1層でギャップの開口部を被覆しているものである。
本発明によれば、TEOS層で開口部を被覆しているため封止代を小さくすることができ、平面的に静電アクチュエータを小型化することができる。また上記の水分透過防止層は成膜に長時間を要するため、下層に形成されたTEOS層でギャップの開口部を被覆することにより短時間に封止部を形成することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の封止層のうち少なくとも1つが、ポリパラキシリレンからなるポリパラキシリレン層であるものである。
本発明によれば、封止層の1つを水分透過防止性及び耐薬品性に優れたポリパラキシリレンからなるポリパラキシリレン層とすることにより、封止部の厚さをさらに薄くすることができ、静電アクチュエータの小型化が可能となる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエータを有し、液体が充填される吐出室の少なくとも一部分を可動電極として、可動電極の変位により吐出室と連通するノズルから液滴を吐出させる。
本発明によれば、例えば1層を水分透過性の低い物質で構成し、1層を耐薬品性に優れた物質で構成することにより、空間内に水分が入り込むのを防止することができ、また耐薬品性に優れた封止を行うことができる。また貫通溝穴を設け、貫通溝穴を壁として、所望範囲(貫通溝穴内)に封止材を封入して封止部を形成するようにしたので、例えば、封止材をスパッタ、CVD等により堆積させて封止部を形成する際、本来、封止材を付着させるべきでない個別電極と外部の電力供給手段との接点への付着を防ぐことができ、接続不良の防止等をはかることができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、複数の吐出室にそれぞれ液体を送るための共通液室となるリザーバが形成された基板により封止部を塞ぐ。
本発明によれば、封止部を塞ぐ基板をリザーバが形成された基板としたので、電極基板、キャビティ基板、リザーバ基板、ノズル基板の4層構造の液滴吐出ヘッドに適用することができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、吐出室と連通し、吐出室で加圧された液体を液滴として吐出するノズルが形成された基板により封止部を塞ぐ。
本発明によれば、封止部を塞ぐ基板をノズルが形成された基板としたので、電極基板、キャビティ基板、ノズル基板の3層構造の液滴吐出ヘッドに適用することができる。
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
本発明によれば、複数の封止材料で複数の層を形成し、貫通溝穴を設けて封止部を形成し、封止を確実にした液滴吐出ヘッドを用いているので、長寿命の液滴吐出装置を得ることができる。
また、本発明に係る静電デバイスは、上記の静電アクチュエータを搭載したものである。
本発明によれば、複数の封止材料で複数の層を形成し、貫通溝穴を設けて封止部を形成し、封止を確実にした静電デバイスを用いているので、長寿命の液滴吐出装置を得ることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、距離をおいて対向し、それぞれに電極が形成される2つの基板のうちの一方の基板に対し、2つの基板により形成される空間を外気と遮断する封止材からなる封止層を複数積層した封止部を形成する工程を有するものである。
本発明によれば、キャビティ基板と電極基板を接合した後に、封止層を2層以上有する封止部でギャップを封止するため、例えば1層を水分透過性の低い物質で構成し、1層を耐薬品性に優れた物質で構成することにより、ギャップ内に水分が入り込むのを防止することができ、また耐薬品性に優れた封止部を形成することができる。また例えば、プラズマCVDによってTEOSからなる封止層を形成すれば、封止代の長さを短くすることができ、液滴吐出ヘッドを平面的に小型化することが可能となる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、上記の封止層の少なくとも1つを、TEOSからなるTEOS層として形成するものである。
本発明によれば、封止層の1つをTEOSからなるTEOS層として形成するため、封止代を小さくして液滴吐出ヘッドを平面的に小型化することができる。またTEOSは耐薬品性に優れているため、耐薬品性に優れた封止部を形成することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、上記の封止層の少なくとも1つを、TEOSよりも水分透過度の低い物質からなる水分透過防止層として形成するものである。
本発明によれば、封止層の1つをTEOSよりも水分透過度の低い物質からなる水分透過防止層として形成するため、ギャップ内に水分が入り込むのを防止することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、距離をおいて対向し、それぞれに電極が形成される2つの基板のうちの一方の基板に対し、2つの基板により形成される空間を外気と遮断する封止材を所望範囲内に形成するための貫通溝穴を形成する工程と、貫通溝穴から封止材を封入して封止部を形成する工程とを有する。
本発明によれば、貫通溝穴を設け、封止材を所望の範囲(貫通溝穴内)に封入して封止部を形成するようにしたので、効率よく、確実に封止を行え、長寿命の静電アクチュエータを製造することができる。また所望の範囲だけに封止部を形成するので、本来、封止材を付着させるべきでない部分への付着を防ぐことができ、付着した封止材の除去工程を省略することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、CVD、スパッタ、蒸着、印刷、転写、成型のうち、1又は複数の方法で、貫通溝穴から封止材を封入する。
本発明によれば、上記の1又は複数の方法で、封止材を形成するようにしたので、封止材料に合わせた方法で容易に封止材を形成することができる。また複数の静電アクチュエータ又はウェハに対し、一度に行うことができ、生産性を高めることができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造する。
本発明によれば、所望の範囲内において封止部を形成し、確実な封止を行うことができるので、長寿命の液滴吐出ヘッドを製造することができる。
また、本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造する。
本発明によれば、貫通溝穴に封止材を封入し、確実な封止部を形成した液滴吐出ヘッドを用いているので、長寿命の液滴吐出装置を製造することができる。
また、本発明に係る静電デバイスの製造方法は、上記の静電アクチュエータの製造方法を適用して静電デバイスを製造する。
本発明によれば、貫通溝穴に封止材を封入し、確実な封止部を形成した静電アクチュエータを用いているので、長寿命の静電デバイスを製造することができる。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図1は液滴吐出ヘッドの一部を示している。また、図2は液滴吐出ヘッドの上面図と縦断面図とを表す図である。本実施の形態では、例えば静電方式で駆動する静電アクチュエータを用いるデバイスの代表として、フェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する。(なお、構成部材を図示し、見やすくするため、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものと異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明する)。
図1に示すように本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板10、キャビティ基板20、リザーバ基板30及びノズル基板40の4つの基板が下から順に積層されて構成される。ここで本実施の形態では、電極基板10とキャビティ基板20とは陽極接合により接合する。また、キャビティ基板20とリザーバ基板30、リザーバ基板30とノズル基板40とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合する。
第1の基板となる電極基板10は、厚さ約1mmの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス等の基板を主要な材料としている。本実施形態では、ガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。電極基板10の表面には、後述するキャビティ基板20の吐出室21となる凹部21aに合わせて例えば深さ約0.3μmを有する複数の凹部11が形成されている。そして、凹部11の内側(特に底部)に、キャビティ基板20の各吐出室21(振動板11)と対向するように固定電極となる個別電極12が設けられ、さらにリード部13及び端子部14が一体となって設けられている(以下、特に区別する必要がない限り、これらを合わせて個別電極12として説明する)。振動板22と個別電極12との間には、振動板22が撓む(変位する)ことができる一定のギャップ12a(空間、空隙)が凹部11により形成されている。個別電極12は、例えばスパッタ法により、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)を0.1μmの厚さで凹部11の内側に成膜することで形成される。電極基板10には、他にも外部のタンク(図示せず)から供給された液体を取り入れる流路となる液体取り入れ口15となる貫通穴が設けられている。
第2の基板となるキャビティ基板20は、シリコン単結晶基板(以下、シリコン基板という)を主要な材料としている。キャビティ基板20には、吐出室21となる凹部(底壁が可動電極となる振動板22となっている)及び後述するように封止材25をリード部13の直上部分に堆積し、封止部26aを形成するための貫通溝穴26が形成されている。ここで、封止材25は、図2のようにTEOS層25a((ここでは、Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン(珪酸エチル)を用いてできるSiO2 の層をいう))及び例えばAl23(酸化アルミニウム(アルミナ))等の1つの水分透過防止層25bの2層から構成されている。なお水分透過防止層25bは、TEOS層25aの上に形成されている。ここでTEOS層25aが1層だけでギャップ12aを被覆し、外気と遮断している。さらに、キャビティ基板20の下面(電極基板10と対向する面)には、振動板22と個別電極12との間を電気的に絶縁するためのTEOS膜である絶縁膜23をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition :TEOS−pCVDともいう)法を用いて、0.1μm成膜している。ここでは絶縁膜23をTEOS膜としているが、例えばAl23(酸化アルミニウム(アルミナ))を用いてもよい。ここで、キャビティ基板20にも液体取り入れ口15となる貫通穴が設けられている(電極基板10に設けられた貫通穴と連通する)。さらに、外部の電力供給手段(図示せず)から基板(振動板22)に個別電極7と反対の極性の電荷を供給する際の端子となる共通電極端子27を備えている。
リザーバ基板30は例えばシリコン基板を主要な材料とする。リザーバ基板30には、各吐出室21に液体を供給するリザーバ(共通液室)31となる凹部が形成されている。凹部の底面にも液体取り入れ口15となる貫通穴(電極基板10に設けられた貫通穴と連通する)が設けられている。また、リザーバ31から各吐出室21に液体を供給するための供給口32が各吐出室21の位置に合わせて形成されている。さらに、各吐出室21とノズル基板40に設けられたノズル孔41との間の流路となり、吐出室21で加圧された液体がノズル孔41に移送する流路となる複数のノズル連通孔33が各ノズル(各吐出室21)に合わせて設けられている。
ノズル基板40についても、例えばシリコン基板を主要な材料とする。ノズル基板40には、複数のノズル孔41が形成されている。各ノズル孔41は、各ノズル連通孔33から移送された液体を液滴として外部に吐出する。ノズル孔41を複数段で形成すると、液滴を吐出する際の直進性向上が期待できる。本実施の形態ではノズル孔41を2段で形成する。ここで、振動板22によりリザーバ31側の液体に加わる圧力を緩衝するためのダイヤフラムを設けるようにしてもよい。
一方、図2は液滴吐出ヘッド1をキャビティ基板20を中心として上から見た図(図2(a))とA−A’一点鎖線で切ったときの断面を表す図(図2(b))となっている。キャビティ基板20と接合した電極基板10の各端子部14を露出させるため、キャビティ基板20の一部を開口等して、電極基板10とキャビティ基板20との間で空間を形成する(この空間を以下、電極取出し口24という)。そして、個別電極12に対する電力(電荷)供給手段となるドライバIC50は、電極取出し口24において各端子部14と電気的に接続し、選択した個別電極12に電荷を供給する。
ドライバIC50に選択された個別電極12には約40Vの電圧が印可され、正に帯電する。このとき、振動板22は相対的に負に帯電する(ここでは、FPC(Flexible Print Circuit)等、共通電極端子27を介してキャビティ基板2には負の極性を有する電荷が供給される)。そのため、選択された個別電極12と振動板22との間では静電気力が発生し、個別電極12に引き寄せられて撓む。これにより吐出室21の容積は広がる。そして電荷供給を止めると振動板22は元に戻るが、そのときの吐出室21の容積も元に戻り、その圧力で加圧された液体がノズル孔41から液滴として吐出する。この液滴が例えば記録紙に着弾することによって印刷等が行われる。
図3はキャビティ基板20に設けられた貫通溝穴26と電極基板10上のリード部13との関係を表す図である。図3のように、本実施の形態では、リード部13を露出させるための貫通溝穴26をキャビティ基板20に開口し、設ける。ここで、貫通溝穴26の長手方向の幅については狭いほど小型化に寄与することができる。ただ、幅が狭すぎるとうまく堆積しない可能性があるため、10μm〜20μmであることが望ましい。場合によっては、キャビティ基板20の厚さによって加工時に制限を受けることがあるため、10μm〜20μmに特に限定するものではない。確実な封止ができるのであれば、例えば300μm(0.3mm)等の幅があってもよい。また、堆積する封止材25として、ここでは絶縁性、気密封止能力が高く、洗浄等に用いる酸性、アルカリ性溶液に対して耐性を有する酸化シリコン(無機化合物)を用いるものとする。堆積した封止材25の厚さは例えば、少ない部分でもギャップ12aの幅(約0.18μm)以上有するようにする。リザーバ基板30との接合に影響しない範囲で、約2〜3μm又はそれ以上あることが望ましい。
そして、貫通溝穴26の開口部分から、CVD(Chemical Vapor Deposition :化学的気相法)、(ECR)スパッタ、蒸着等の方法により、電極基板10のリード部13部分からキャビティ基板20に至る空間(ギャップ12aの一部)に、封止材25である酸化シリコン(SiO2 )を堆積させ、封止部26aを形成し、ギャップ12aを外気と遮断して、水分、異物等の侵入を防ぐ。
従来、封止材25は、凹部11により電極基板10とキャビティ基板20との間で開口している部分(端子部14上)にエポキシ樹脂を塗布し、硬化させて形成していた。しかし、エポキシ樹脂を用いる場合、毛細管現象等により個別電極12と振動板22との間にまで侵入しないように、リード部13を十分長くする必要があり、小型化の阻害要因となっていた。そこで、SiO2 等の封止材料を、蒸着、スパッタ等により開口部分に堆積させる方法もあるが、電極取出し口24となる空間は広いため、例えばマスク等を取り付けたとしても、電極取出し口24の所定の部分だけに封止材25を堆積させることは困難である。そのため、堆積させるべきでない部分に封止材25が堆積、付着する場合がある。例えば、ドライバ1C50と端子部14との接続部分に封止材25が堆積、付着すると、ドライバ1C50と端子部14とを電気的にうまく接続させることができず、接続不良(導通不良)が生じる可能性がある。
接続不良を防止するためには封止材料を除去する工程が余分に必要となるが、この工程は時間を費やすだけでなく、異物を発生させる原因ともなり、他の部材に影響を及ぼす。そこで、本実施の形態では、所望の箇所だけに封止材25を選択的に堆積等させて封入し、効率よく封止部26aを形成することができるように、その箇所に合わせて貫通溝穴26を開口する。これにより、マスク等を密着させて取り付けができ、貫通溝穴26が周囲を囲む壁となり、所望の箇所(リード部13直上)だけに封止材25を堆積させ、封止部26aを形成することができる。これだけでも封止効果は十分であるが、さらに本実施の形態では、封止部26aの開口部分をリザーバ基板30で塞いで接着剤で接合する。キャビティ基板20とリザーバ基板30との接合により、いわゆる蓋をすることでさらに封止を確実なものとする。
図4及び図5は第1の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド1の製造工程を表す図である。図4及び図5に基づいて液滴吐出ヘッド1製造工程について説明する。なお、実際には、ウェハ単位で複数個分の液滴吐出ヘッド1の部材を同時形成するが、図4及び図5ではその一部分だけを示している。
(a)シリコン基板61の片面(電極基板10との接合面側となる)を鏡面研磨し、例えば220μmの厚みの基板(キャビティ基板20となる)を作製する。次に、シリコン基板61のボロンドープ層62を形成する面を、B23を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。さらに縦型炉に石英ボートをセットして、炉内を窒素雰囲気にし、温度を1050℃に上昇させて7時間保持することで、ボロンをシリコン基板61中に拡散させ、ボロンドープ層62を形成する。取り出したボロンドープ層62の表面にはボロン化合物(SiB6 :ケイ化6ホウ素)が形成されているが(図示せず)、酸素及び水蒸気雰囲気中、600℃の条件で1時間30分酸化させると、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なB23+SiO2 に化学変化させることができる。B23+SiO2 に化学変化させた状態で、B23+SiO2 をふっ酸水溶液にてエッチング除去する。
(b)ボロンドープ層62を形成した面に、プラズマCVD法により、成膜時の処理温度は360℃、高周波出力は250W、圧力は66.7Pa(0.5Torr)、ガス流量はTEOS流量100cm3 /min(100sccm)、酸素流量1000cm3 /min(1000sccm)の条件で絶縁膜14を0.1μm成膜する。
(c)電極基板10については、上記(a)、(b)とは別工程で作製する。約1mmのガラスの基板の一方の面に対し、約0.3μmの深さの凹部11を形成する。凹部11の形成後、例えばスパッタリング法を用いて、0.1μmの厚さの個別電極12を同時に形成する。最後に液体取り入れ口15となる穴をサンドブラスト法または切削加工により形成する。これにより、電極基板10を作製する。そして、シリコン基板61と電極基板10を360℃に加熱した後、電極基板10に負極、シリコン基板61に正極を接続して、800Vの電圧を印加して陽極接合を行う。
(d)陽極接合後の接合済み基板に対し、シリコン基板61の厚みが約60μmになるまでシリコン基板61表面の研削加工を行う。その後、加工変質層を除去する為に、32w%の濃度の水酸化カリウム溶液でシリコン基板61を約10μm異方性ウェットエッチング(以下、ウェットエッチングという)を行う。これによりシリコン基板61の厚みを約50μmにする。
(e)次に、ウェットエッチングを行った面に対し、TEOSによる酸化シリコンのハードマスク(以下、TEOSハードマスクという)63をプラズマCVD法により成膜する。成膜条件としては、例えば、成膜時の処理温度は360℃、高周波出力は700W、圧力は33.3Pa(0.25Torr)、ガス流量はTEOS流量100cm3 /min(100sccm)、酸素流量1000cm3 /min(1000sccm)の条件で1.5μm成膜する。TEOSを用いた成膜は比較的低温で行うことができ、基板の加熱をできる限り抑えられる点で都合がよい。
(f)TEOSハードマスク63を成膜した後、吐出室21、貫通溝穴26、電極取出し口24となる部分のTEOSハードマスク63をエッチングするため、レジストパターニングを施す。そして、ふっ酸水溶液を用いてTEOSハードマスク63が無くなるまで、それらの部分をエッチングしてTEOSハードマスク63をパターニングし、それらの部分について、シリコン基板61を露出させる。エッチングした後にレジストを剥離する。
(g)次に、接合済み基板を35wt%の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室5、貫通溝穴26、電極取出し口24となる部分の厚みが約10μmになるまで異方性ウェットエッチング(以下、ウェットエッチングという)を行う。さらに、接合済み基板を3wt%の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ボロンドープ層62が露出し、エッチングの進行が極度に遅くなるエッチングストップが十分効いたものと判断するまでウェットエッチングを続ける。このように、前記2種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングを行うことによって、吐出室21となる部分に形成される振動板22の面荒れを抑制し、厚み精度を0.80±0.05μm以下にすることができる。その結果、液滴吐出ヘッド1の吐出性能を安定化することができる。
(h)ウェットエッチングを終了すると、接合済み基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板61表面のTEOSハードマスク63を剥離する。次に、貫通溝穴26及び電極取出し口24となる部分のボロンドープ層62を除去するため、貫通溝穴26及び電極取出し口24となる部分が開口したシリコンマスクを、接合済み基板のシリコン基板61側の表面に取り付ける。そして、例えば、RFパワー200W、圧力40Pa(0.3Torr)、CF4 流量30cm3 /min(30sccm)の条件で、RIEドライエッチング(異方性ドライエッチング)を30分間行い、貫通溝穴26、電極取出し口24となる部分のみにプラズマを当てて、開口する。ここで、例えば接合済み基板とシリコンマスクとのアライメント精度を高めるため、シリコンマスクの装着は、接合済み基板とシリコンマスクとにピンを通すピンアライメントにより行うようにするとよい。
(i)さらに、貫通溝穴26の部分に合わせて開口したシリコンマスクを、接合済み基板のシリコン基板61側の表面に取り付ける。本工程においてもピンアライメントにより行うようにするとよい。ここで、アライメントの精度等を考慮し、封止材25がキャビティ基板20表面(リザーバ基板30との接合面)に付着しないように、シリコンマスクの開口部分を、貫通溝穴26の開口部分より小さくしておくことが望ましい。そして、例えば、TEOSを用いたプラズマCVD、蒸着、スパッタ等により、封止材25(TEOS層25a及び水分透過防止層25b)を貫通溝穴26に堆積させ、封止部26aを形成する。堆積させる封止材25の厚さについては、上述したように特に限定しないが、ギャップ12aの幅が約0.2μmであることから、例えば最薄部分で約2〜3μm又はそれ以上、他の基板との接合に影響しない範囲で堆積できればよい。ここで、時間当たりの堆積量が多いTEOS層25aだけでギャップ12aを塞いでしまい、その上に、水分透過防止層25bが形成されるようにすると、形成時間が短く、かつより効果的に封止を行うことができる。
(j)封止が完了すると、例えば、さらに共通電極端子27となる部分を開口したマスクを、接合済み基板のシリコン基板61側の表面に取り付ける。そして、例えばプラチナ(Pt)をターゲットとしてスパッタ等を行い、共通電極端子27を形成する。
(k)あらかじめ別工程で作製していたリザーバ基板30を、例えばエポキシ系接着剤により、接合済み基板のキャビティ基板20側から接着し、接合する。また、ドライバIC50を端子部14と接続する。さらに別工程で作製していたノズル基板40についても同様に、例えばエポキシ系接着剤により、接合したリザーバ基板30側から接着する。そして、ダイシングラインに沿ってダイシングを行い、個々の液滴吐出ヘッド1に切断し、液滴吐出ヘッドが完成する。
以上のように実施の形態1によれば、封止部25が、異なる材料からなるTEOS層25a及び水分透過防止層25bを有するようにしたので、ギャップ12a内に水分が入り込むのをより効果的に防止することができる。また下層に形成されたTEOS層25aだけでギャップ12aを被覆して外気と遮断し、さらにその上に水分透過防止層25bを堆積するため、成膜に長時間を要する水分透過防止層25bを薄くすることができ、形成時間を短縮することができる。そして、キャビティ基板20に貫通溝穴26を設け、貫通溝穴26を介して、リード部13の直上部分だけに、封止材25とする封止部26aを形成し、振動板22と個別電極12の対向部分にできる部分のギャップ12a(空隙)を外気と遮断するようにしたので、貫通溝穴26が壁となって、選択された範囲(貫通溝穴の範囲)内で、堆積等により封止部26aを形成し、より効率よく、確実な封止部26aの形成を行うことができる。また、封止部26aを形成する工程において、電極取出し口24の部分は、シリコンマスクによりマスクされており、端子部14には余分な封止材25が付着しない。そのため、除去工程を行わなくても、例えばドライバIC50等の外部の電力供給手段との電気的接続を損なうことなく、接続不良を防止することができる。
実施の形態2.
図6は本発明に実施の形態2に係るキャビティ基板20に設けられた貫通溝穴26と電極基板10上のリード部13との関係を表す図である。上述の実施の形態1では、キャビティ基板20とリザーバ基板30との接合面に封止材25が付着しないものとして説明した。しかし、例えば、取り付けたシリコンマスクが密着しておらず、シリコンマスクとキャビティ基板20との間に隙間が生じていた場合、アライメントにずれがあった場合等、接合面への封止材25の付着があり得ないとはいえない。そこで、本実施の形態では、万が一、付着が合った場合でもリザーバ基板30にあらかじめ形成した封止材逃げ溝34により、リザーバ基板30が封止材25と接触しないようにし、接合不良が起こらないようにする。
ここで、封止材逃げ溝34の溝の大きさについては、貫通溝穴26の開口部分の大きさにもよるが、例えば、開口部分よりもそれぞれ約100μm広げた大きさの溝を形成することが望ましい。また、溝の深さについては40μm以上にすることが望ましい。
図7は実施の形態2に係るリザーバ基板30の製造工程を表す図である。図7に基づいて、封止材逃げ溝34を設けたリザーバ基板30について説明する。
(a)シリコン基板71に、熱酸化等によって全面に酸化シリコンからなるエッチングマスク72を形成する。そしてシリコン基板71の表面にレジストパターニングを行い、フッ酸等でエッチングすることにより、シリコン基板71の一方の表面の液体取り入れ口15、供給口32及びノズル連通孔33及び封止材逃げ溝34に対応する部分のエッチングマスク72を除去する。
(b)次に、例えばICP(Inductively Coupled Plasma)放電によるドライエッチング等を行ってシリコン基板71をエッチングし、液体取り入れ口15となる凹部73、供給口32となる凹部74、ノズル連通孔33となる凹部75及び封止材逃げ溝34を形成する。ここでは、ICP放電によるドライエッチングを行ったが、例えば水酸化カリウム(KOH)水溶液等を用いたウェットエッチングを行うようにしてもよい。
(c)封止材逃げ溝34等が形成されている面に、例えばガラス基板、シリコン基板等の支持基板76をレジスト等を用いて接着する。
(d)さらにシリコン基板71の表面にレジストをパターニングしてフッ酸水溶液等でエッチングすることにより、支持基板76が接合されている面と反対面のリザーバ31及びノズル連通孔33に対応する部分のエッチングマスク72を除去する。
(e)そして例えばICP放電によるドライエッチングにより、シリコン基板71のエッチングを行い、支持基板76が接合されている面と反対面側からリザーバ31となる凹部77及びノズル連通孔33となる凹部78を形成していく。
(f)続けてICP放電によるドライエッチングを行うことにより、リザーバ31となる凹部77と凹部73、凹部74、そしてノズル連通孔33となる凹部78が凹部75とが連通する。
(g)最後にシリコン基板71から支持基板76を取り外して、例えばフッ酸水溶液を用いてすべてのエッチングマスク72を除去することにより、リザーバ基板30が完成する。
以上のように実施の形態2によれば、貫通溝穴26(封止部26a)を形成したキャビティ基板20とリザーバ基板30とを接合する際、リザーバ基板30が封止材25と接触しないように、リザーバ基板30にあらかじめ封止材逃げ溝34を形成しておくようにしたので、万一、キャビティ基板20のリザーバ基板30との接合面に封止材25が付着していたとしても、接合不良を起こすことはない。そのため、付着した除去工程を行う必要がなく、また、その除去工程の際に発生し得る異物が、液滴吐出ヘッドの製造、性能に影響を与えることもなくなる。そのため、液滴吐出ヘッド製造の効率化、歩留まり向上を図ることができる。
実施の形態3.
上述の実施の形態では、封止材25としてTEOS層25a及び水分透過防止層25bを用いた。酸化シリコンは、その後の工程で用いられる液体、気体に対する耐性に優れており、最良の材料といえるが、これに限定するものではない。また、水分透過防止層25bについても、例えばAl23(酸化アルミニウム(アルミナ))の他にも、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)を用いることができる。また、Ta25(五酸化タンタル)、DLC(Diamond Like Carbon )、ポリパラキシリレン(polypalaxylylene)、PDMS(polydimethylsiloxane:シリコーンゴムの一種)、エポキシ樹脂等の無機又は有機化合物等、例えば分子量が比較的小さく、蒸着、スパッタ等により堆積させることができ、水分を通さない物質を用いることができる。無機化合物の材料は、一般的にガスバリア性、水蒸気バリア性、プロセス耐性、耐熱性等が高い。一方、有機化合物の材料は、低応力であり、所望の厚さを低温プロセスで容易に行うことができる。
また、TEOS層25a及び水分透過防止層25bを積層したが、複数種の封止材がそれぞれ有する特徴に基づいて、特徴が効果的にあらわれる順序で積層して封止部26aを形成することもできる。例えば、無機化合物の材料が下層になるように、先にリード部13の直上に堆積し、その後、有機化合物の材料をコーティング材として、覆うように堆積等を行い、より確実な封止を行うようにしてもよい。これにより、無機化合物を堆積したときにピンホールが発生した場合でも、有機化合物がそのピンホールをコーティングすることにより、より確実な封止効果を上げることができる。また、例えば、下層をAl23とし、上層をプロセス耐性を有するSiO2 とした2層の封止材25で封止部26aを形成してもよい。また、例えば、最下層として堆積する封止材をDLCとし、Al23、SiO2 の順に堆積等により積層し、最上層にポリパラキシリレンを堆積等して封止部26aを形成すれば、水蒸気透過性の面で優れ、プロセス耐性(耐薬品性)により、酸、アルカリ溶液による洗浄等を行っても気密封止を確実に行える封止材25を形成することができる。
SiN、SiONは、SiO2 と同様に、蒸着、スパッタ等で形成することができる。Al23は、耐水蒸気透過性の面で優れており、封止材25として好適な材料である。Al23は例えばECRスパッタ等を行って貫通溝穴26に堆積する。ここでALD/CVD(ALD(Atomic Layer Deposition :原子堆積法)とCVDを交互に行う)による方法は、膜密度を高めて堆積等を行うことができ、都合がよい。
Ta25は、硬質であり、特にインクを吐出させる際の耐インク性に優れている。Ta25は、例えばECRスパッタ等を行って貫通溝穴26に堆積する。また、DLCも硬質であり、さらに、振動板22と個別電極12との表面にある水酸基を低減させる効果を有している。そのため、振動板22と個別電極12との間で起こり得る水素結合の発生を防止することができる。DLCはECRスパッタ、CVDにより貫通溝穴26に堆積する。
さらに、ポリパラキシリレンは、撥水性に優れ、耐薬品性を有している。また、ゴム弾性を有し、低応力で、形成する膜を選ばない。ポリパラキシリレンは、例えば蒸着を行って貫通溝穴26に堆積する。PDMSは形成後の収縮が少なく、寸法精度が高い。そのため、隙間が発生しない。印刷、成型を行うことによって、PDMSによる封止材25を貫通溝穴26に封入することができる。そして、エポキシ樹脂は、上述したようにギャップ12aにおいて広がってしまうため、例えば複数の封止材25で封止部26aを形成する際のコーティング材として用いることが望ましい。特に耐水性、耐薬品性に優れているのでコーティング材として都合がよい。また、低温でも硬化し、形成することができる。
実施の形態4.
図8は、本発明の実施の形態4に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。なお図8では、振動板12を駆動するための駆動回路を省略している。また図8に示す液滴吐出ヘッドは、静電駆動方式でフェイスイジェクトタイプのものである。本実施の形態4に係る液滴吐出ヘッド1は、主にキャビティ基板20、電極基板10、及びノズル基板40が接合されることにより構成されている。なおキャビティ基板20の片面にはノズル基板40が接合されており、その反対面には電極基板10が接合されている。
ノズル基板40は、例えばシリコンからなり、円筒状の第1のノズル孔41aと、第1のノズル孔41aと連通し、第1のノズル孔41aよりも径の大きい円筒状の第2のノズル孔41bを有するノズル孔41が形成されている。第1のノズル孔41aは、液滴吐出面10(キャビティ基板20との接合面11の反対面)に開口するように形成されており、第2のノズル孔41bは、キャビティ基板20との接合面11に開口するように形成されている。またノズル基板40には、後述する吐出室21とリザーバ31を連通するオリフィス42となる凹部が形成されている。なおオリフィス42となる凹部は、キャビティ基板20に形成するようにしてもよい。
キャビティ基板20は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が振動板22である吐出室21となる凹部が複数形成されている。なお複数の吐出室21は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。またキャビティ基板20には、各吐出室21にインク等の液滴を供給するためのリザーバ31となる凹部が形成されている。図8に示す液滴吐出ヘッド1では、リザーバ31は単一の凹部から形成されており、オリフィス42は各吐出室21に対して1つずつ形成されている。
さらにキャビティ基板20の電極基板10が接合される側の面には、絶縁膜23が形成されている。この絶縁膜23は、液滴吐出ヘッド1の駆動時の絶縁破壊やショートを防止するためのものである。またキャビティ基板20のノズル基板40が接合される側の面には、一般的に液滴保護膜(図示せず)が形成される。この液滴保護膜は、吐出室21やリザーバ31の内部の液滴によりキャビティ基板20がエッチングされるのを防止するためのものである。
キャビティ基板20の振動板22側には、例えばホウ珪酸ガラスからなる電極基板10が接合されている。電極基板10には、振動板22と対向する複数の個別電極12が形成されている。この個別電極12は電極基板10に形成された凹部11の内部に、例えばITO(Indium Tin Oxide)をスパッタすることにより形成する。また電極基板10には、リザーバ31と連通する液体取り入れ口15が形成されている。この液体取り入れ口15は、リザーバ31の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ31にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。
なお、キャビティ基板20が単結晶シリコンからなり、電極基板10がホウ珪酸ガラスからなる場合には、キャビティ基板20と電極基板10の接合を陽極接合によって行うことができる。
ここで図8に示す液滴吐出ヘッド1の動作について説明する。キャビティ基板20と個々の個別電極12には駆動回路(図示せず)が接続されている。駆動回路によりキャビティ基板20と電極17の間にパルス電圧が印加されると、振動板22が個別電極12の側に撓み、リザーバ31の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室21に流れ込む。なお本実施の形態1では、振動板22が撓んだときに、個別電極12と振動板22(絶縁膜23)が当接するようになっている。そして、キャビティ基板20と個別電極12の間に印加されていた電圧がなくなると、振動板22が元の位置に戻って吐出室21の内部の圧力が高くなり、ノズル孔41からインク等の液滴が吐出される。
本実施の形態4に係る液滴吐出ヘッド1では、振動板22と個別電極12(又は凹部11)の間はギャップ12aとなっている。なおギャップ12aは振動板と個別電極12との間の空隙であり、電極取出し部21側まで伸びている。なお電極取出し部21は、個別電極12と駆動回路を接続する部分である。
また本実施の形態1に係る液滴吐出ヘッド1では、キャビティ基板20のノズル基板40が接合されている側の面にノズル基板40と接合されていない露出部22を有し、この露出部22にはギャップ12aを封止する封止部26aを形成するための貫通溝穴26が設けられている。この貫通溝穴26は、キャビティ基板20を上面側から下面側に貫通するように形成されている。
封止部26aは、上記のようにギャップ12aに水分等が入り込んで振動板22の底面や個別電極12の表面に水分が付着することにより、静電吸引力及び静電反発力が低下するのを防止するためのものである。
本実施の形態4では、封止部26aの封止材25が1つのTEOS層25a及び1つの水分透過防止層25bの2層から構成されている。なお水分透過防止層25bは、TEOS層25aの上に形成されている。またTEOS層25aは1層でギャップ12aの開口部を被覆している。なおここでギャップ12aの開口部とは、貫通溝穴26の下の部分のギャップと外部が連通している部分をいうものとする。
TEOS層25aはTEOSからなり、例えばプラズマCVDによって形成される。なおTEOS層25aをプラズマCVDで形成した場合には、TEOSがギャップ12aの内部にほとんど入り込まず、TEOS層25aを小さくすることができる。
また水分透過防止層2bは、TEOSよりも水分透過度が低い物質、例えば酸化アルミニウム(Al23)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)、窒化アルミニウム(AlN)からなり、スパッタやCVD等によって形成される。
図9は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを示した上面図である。
図9に示すように、キャビティ基板20の露出部28には貫通溝穴26が設けられており、この中にTEOS層25a(図2において図示せず)及び水分透過防止層25bが形成されている。本実施の形態1では、複数のギャップ12aを一括して封止するために、複数のギャップ12a(個別電極12)にまたがる単一の貫通溝穴26が形成されている。本実施の形態1では単一の貫通溝穴26が形成されているが、貫通溝穴26は、例えば個々のギャップ12aに対して1つずつ設けるようにしてもよい。
なお図9では、キャビティ基板20と駆動回路を接続するための共通電極端子27を示している。
図10及び図11は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図である。図10及び図11では、図8及び図9に示す液滴吐出ヘッド1を製造する工程を示している。なおキャビティ基板20及び電極基板10の製造方法は、図10及び図11に示されるものに限定されるものではない。
まず、ホウ珪酸ガラス等からなるガラス基板を、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより凹部11を形成する。なおこの凹部11は、個別電極12の形状より少し大きい溝状のものであって複数形成するものとする。
そして凹部11の内部に、例えばスパッタによってITO(Indium Tin Oxide)からなる個別電極12を形成する。
その後、ドリル等によって液体取り入れ口15となる孔部15aを形成して電極基板10を形成する(図10(a))。
次に、例えば厚さが525μmのシリコン基板20aの両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板20aの片面にプラズマCVDによってTEOSからなる例えば厚さ0.1μmのシリコン酸化膜からなる絶縁膜23を形成する(図10(b))。なおシリコン酸化膜31を形成する前に、エッチングストップのためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。振動板22をボロンドープ層から形成することにより、厚み精度の高い振動板22を形成することができる。
それから、図10(b)に示すシリコン基板20aと、図10(a)に示す電極基板10を例えば360℃に加熱し、シリコン基板20aに陽極、電極基板10に陰極を接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合を行う(図10(c))。
シリコン基板20aと電極基板10を陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で図10(c)の工程で得られた接合基板をエッチングすることにより、シリコン基板20aの全体を例えば厚さ140μmになるまで薄板化する(図10(d))。なおシリコン基板20aの薄板化は、機械研削によって行っても良い。この場合、機械研削の後に加工変質層を除去するために水酸化カリウム水溶液等でライトエッチングを行うのが望ましい。
それから、シリコン基板20aの上面(電極基板10が接合されている面の反対面)の全面にプラズマCVDによって例えば厚さ1.5μmのTEOS膜を形成する。
そしてこのTEOS膜に、吐出室21となる凹部21a、リザーバ31となる凹部31a及び貫通溝穴26となる凹部を形成するためのレジストをパターニングし、この部分のTEOS膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板20aを水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、吐出室21となる凹部21a、リザーバ31となる凹部31a及び貫通溝穴26となる凹部を形成する(図11(e))。このとき、電極取出し部24の上部もエッチングして薄板化しておく。なお図11(e)のウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板22の面荒れを抑制することができる。
シリコン基板20aのエッチングが終了した後に、接合基板をフッ酸水溶液でエッチングしてシリコン基板20aに形成されたTEOS膜を除去する。また電極基板10の液体取り入れ口15となる孔部15aにレーザー加工を施し、液体取り入れ口15が電極基板10を貫通するようにする。
この後、シリコン基板20aの吐出室21となる凹部21a等の形成された面に、例えばCVDによってTEOS等からなる液滴保護膜(図示せず)を、例えば厚さ0.1μmで形成するのが望ましい。
それからRIE(Reactive Ion Etching)等によって貫通溝穴26を貫通させ、電極取出し部24を開放する。またシリコン基板20aに機械加工又はレーザー加工を行って、液体取り入れ口15をリザーバ31となる凹部31aまで貫通させる(図11(f))。
次に、例えばプラズマCVDによって貫通溝穴26の内部にTEOS層25aを形成する。このとき上記のように、TEOS層25aのみでギャップ12aの開口部を被覆して、ギャップ12aが密閉されるようにする。なおTEOS層25aの代わりに、ポリパラキシリレンからなるポリパラキシリレン層を形成してもよい。ポリパラキシリレンは結晶性ポリマー樹脂であり、水分透過防止性及び耐薬品性に優れている。
そしてTEOS層25aの上に、例えばスパッタやCVDにより酸化アルミニウムからなる水分透過防止層25bを形成する(図11(g))。なお酸化アルミニウムからなる水分透過防止層25bをスパッタやCVDで形成するのは時間がかかるため、水分透過防止層25bは例えば厚さ100〜500nmで形成するのが望ましい。また水分透過防止層25bは、酸化アルミニウムの他に窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム等から形成することもできる。
これにより、TEOS層25a及び水分透過防止層25bの2層による封止部26aが形成される。
それから、ICP(Inductively Coupled Plasma)放電やエッチング等によってノズル孔41及びオリフィス42となる凹部が形成されたノズル基板40を、接着剤等によりシリコン基板20a(キャビティ基板20)に接合する(図11(i))。
最後に、例えばキャビティ基板20、電極基板10、及びノズル基板40が接合された接合基板をダイシング(切断)により分離して、液滴吐出ヘッド1が完成する。
本実施の形態4では、振動板22と個別電極12との間のギャップ12aを封止する封止部26aが、異なる材料からなるTEOS層25a及び水分透過防止層25bを有するため、ギャップ12a内に水分が入り込むのを防止することができる。また下層に形成されたTEOS層25aでギャップ12aの開口部を被覆するため、成膜に長時間を要する水分透過防止層25bを薄くすることができ、封止部26aの成膜時間を短縮することができる。
さらにキャビティ基板20に封止部26aを形成するための貫通溝穴26を設けるため、上記のような多層構造の封止部26aを個別電極12を傷つけることなく容易に形成することができる。
またプラズマCVDによってTEOS層25aを形成するため、封止材がギャップ12aの奥まで入り込むことはない。これにより、封止部26aを小さくすることができ、液滴吐出ヘッド1を平面的に小型化することが可能となる。
実施の形態5.
図12は、本発明の実施の形態5に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。なお本実施の形態2に係る液滴吐出ヘッド1では、封止部26aが、1つのTEOS層25aの上に1つの水分透過防止層25bを積層し、さらに水分透過防止層25bの上に1つのTEOS層25cを積層して形成されている。その他の構成については実施の形態1に係る液滴吐出ヘッド1と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付している。
本実施の形態2では、1つのTEOS層25aの上に1つの水分透過防止層25bを積層し、さらに水分透過防止層25bの上に耐薬品性に優れたTEOS層25cを積層することにより封止部26aが形成されているため、ギャップ12a内に水分が入り込むのを効果的に防止することができ、且つ耐薬品性に優れた封止部26aを形成することができる。また実施の形態1と同様に封止部26aの厚さを薄くすることができるため、液滴吐出ヘッド1を小型化することが可能となる。
実施の形態6.
図13は、本発明の実施の形態6に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。なお本実施の形態3に係る液滴吐出ヘッド1では、貫通溝穴26が形成されておらず、代わりにギャップ12aの開口部に1つのTEOS層25aと1つの水分透過防止層25bからなる封止部26aが形成されている。ここでギャップ12aの開口部とは、ギャップ12aの電極取出し部21側の外部と連通する部分をいうものとする。なお図6の液滴吐出ヘッド1では、TEOS層25aの上に水分透過防止層25bが形成されている。その他の構成については実施の形態1に係る液滴吐出ヘッド1と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付している。
本実施の形態3の封止部26aを形成するには、例えばシリコン等のマスクで電極取出し部21の個別電極12を保護しながらプラズマCVDやスパッタ等によりTEOS層25a及び水分透過防止層25bを形成すればよい。なお水分透過防止層25bの上にさらにTEOS層を形成すれば、封止部26aの耐薬品性を向上させることができる。
本実施の形態3では、振動板22と個別電極12との間のギャップ12aを封止する封止部26aが、異なる材料からなるTEOS層25a及び水分透過防止層25bを有するため、従来の封止部に比べてギャップ内に水分が入り込むのを効果的に防止することができる。
実施の形態7.
図14は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置(プリンタ100)の外観図である。また、図15は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図14及び図15の液滴吐出装置は液滴吐出方式(インクジェット方式)による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図15において、被印刷物であるプリント紙110が支持されるドラム101と、プリント紙110にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド102とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド102にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙110は、ドラム101の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ103により、ドラム101に圧着して保持される。そして、送りネジ104がドラム101の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド102が保持されている。送りネジ104が回転することによって液滴吐出ヘッド102がドラム101の軸方向に移動するようになっている。
一方、ドラム101は、ベルト105等を介してモータ106により回転駆動される。また、プリント制御手段107は、印画データ及び制御信号に基づいて送りネジ104、モータ106を駆動させ、また、ここでは図示していないが、発振駆動回路を駆動させて振動板4を振動させ、制御をしながらプリント紙110に印刷を行わせる。
ここでは液体をインクとしてプリント紙110に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル(OLED等)の基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッドをディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、DNA(Deoxyribo Nucleic Acids :デオキシリボ核酸)、他の核酸(例えば、Ribo Nucleic Acid:リボ核酸、Peptide Nucleic Acids:ペプチド核酸等)タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。
実施の形態8.
図16は本発明を利用した波長可変光フィルタを表す図である。上述の実施の形態は、液滴吐出ヘッドを例として説明したが、本発明は液滴吐出ヘッドだけに限定されず、他の微細加工による静電アクチュエータを利用した静電型のデバイスにも適用することができる。例えば、図12の波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用し、可動鏡120と固定鏡121との間隔を変化させながら選択した波長の光を出力するものである。可動鏡120を変位させるためには、可動鏡120が設けられている、シリコンを材料とする可動体122を変位させる。そのために固定電極123と可動体122(可動鏡120)とを所定の間隔(ギャップとなる)で対向配置する。ここで、固定電極に電荷を供給するために固定電極端子124を取り出す。その際、可動体を有する基板と固定電極123を有する基板との間を封止材125により確実に気密封止するため、本発明のように、貫通溝穴126を設け、さらに別の基板で塞ぐことにより、封止を確実にする。
同様にモータ、センサ、SAWフィルタのような振動素子(レゾネータ)、波長可変光フィルタ、ミラーデバイス等、他の種類の微細加工のアクチュエータ、圧力センサ等のセンサ等にも上述の封止部の形成等を適用することができる。また、本発明は、静電方式のアクチュエータ等には特に有効であるが、他に基板間の小さな開口部分を封止する場合にも適用することができる。
実施の形態8.
上述の実施の形態では、固定された電極を有する基板の厚さの方が厚く、またガラス基板であることから、振動板22等の可動する電極を有する基板の方に貫通溝穴26を形成したが、特にこれに限定されるものではない。構成、プロセス等の上で形成しやすい方に貫通溝穴26を形成するようにすればよい。また、上述の第1の実施の形態では、貫通溝穴26は1つであったが、これに限定するものではなく、封止効果を損なわない範囲で、複数の貫通溝穴等を形成してもよい。
実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。 液滴吐出ヘッドの上面図と断面図とを表す図である。 貫通溝穴26と電極基板10上のリード部13との関係を表す図である。 実施の形態1の液滴吐出ヘッドの製造工程(その1)を表す図である。 実施の形態1の液滴吐出ヘッドの製造工程(その2)を表す図である。 貫通溝穴26と電極基板10上のリード部13との関係を表す図である。 リザーバ基板30の製造工程を表す図である。 実施の形態4に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。 実施の形態4に係る液滴吐出ヘッドを示した上面図である。 液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図(その1)である。 液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図(その2)である。 実施の形態5に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。 実施の形態6に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。 液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。 液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。 本発明を利用した波長可変光フィルタを表す図である。
符号の説明
1 液滴吐出ヘッド、10 電極基板、11 凹部、12 個別電極、12a ギャップ、13 リード部、14 端子部、15 液体取り入れ口、20 キャビティ基板、20a シリコン基板、21 吐出室、22 振動板、23 絶縁膜、24 電極取出し口、25 封止材、25a、25c TEOS層、25b 水分透過防止層、26 貫通溝穴、26a 封止部、27 共通電極端子、28 露出部、30 リザーバ基板、31 リザーバ、32 供給口、33 ノズル連通孔、34 封止材逃げ溝、40 ノズル基板、41 ノズル孔、41a 第1のノズル孔、41b 第2のノズル孔、50 ドライバIC、61 シリコン基板、62 ボロンドープ層、63 TEOSハードマスク、71 シリコン基板、72 エッチングマスク、73,74,75,77,78 凹部、76 支持基板、100 プリンタ、101 ドラム、102 液滴吐出ヘッド、103 紙圧着ローラ、104 送りネジ、105 ベルト、106 モータ、107 プリント制御手段、110 プリント紙、120 可動鏡、121 固定鏡、122 可動体、123 固定電極、124 固定電極端子、125 封止材、126 貫通溝穴。

Claims (27)

  1. 固定電極を有する第1の基板と、
    前記固定電極と距離をおいて対向し、前記固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電極を有する第2の基板とを備え、
    前記第1の基板又は前記第2の基板の一方に、前記固定電極と前記可動電極との間で形成される空間を外気と遮断する封止材からなる封止層を複数積層した封止部を形成することを特徴とする静電アクチュエータ。
  2. 固定電極を有する第1の基板と、
    前記固定電極と距離をおいて対向し、前記固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電極を有する第2の基板とを備え、
    前記第1の基板又は前記第2の基板の一方に、前記固定電極と前記可動電極との間で形成される空間を外気と遮断する封止材を所望範囲内に形成するための貫通溝穴を設け、前記貫通溝穴から前記封止材を封入して封止部を形成することを特徴とする静電アクチュエータ。
  3. 前記第2の基板は、積層される第3の基板と接合されない露出部を有し、前記貫通溝穴は、前記露出部に形成されていることを特徴とする請求項2記載の静電アクチュエータ。
  4. 前記封止部を塞ぐ第3の基板をさらに備えることを特徴とする請求項2記載の静電アクチュエータ。
  5. 前記貫通溝穴からはみ出した前記封止材と前記第3の基板とが接触しないように、前記第3の基板の前記封止部を塞ぐ面に、前記封止部に基づく大きさの封止材逃げ溝が形成されていることを特徴とする請求項4記載の静電アクチュエータ。
  6. 前記封止材逃げ溝の深さを40μm以上とすることを特徴とする請求項5記載の静電アクチュエータ。
  7. 前記封止層のうち少なくとも1つは、TEOSからなるTEOS層であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
  8. 前記封止層のうち少なくとも1つは、TEOSよりも水分透過度の低い物質からなる水分透過防止層であることを特徴とする請求項7記載の静電アクチュエータ。
  9. 前記水分透過防止層は、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸窒化シリコン又は窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項8記載の静電アクチュエータ。
  10. 前記封止層のうち少なくとも1つは、五酸化タンタル、DLC、PDMS又はエポキシ樹脂からなる層であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
  11. 前記封止部は、1つのTEOS層の上に1つの水分透過防止層を積層して形成されていることを特徴とする請求項8又は9記載の静電アクチュエータ。
  12. 前記封止部は、1つのTEOS層の上に1つの水分透過防止層を積層し、さらに該1つの水分透過防止層の上に1つのTEOS層を積層して形成されていることを特徴とする請求項8又は9記載の静電アクチュエータ。
  13. 下層に形成された前記TEOS層は、1層で前記空間の開口部分を被覆していることを特徴とする請求項10又は11記載の静電アクチュエータ。
  14. 前記封止層のうち少なくとも1つは、ポリパラキシリレンからなるポリパラキシリレン層であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
  15. 請求項1〜14のいずれかに記載の静電アクチュエータを有し、
    液体が充填される吐出室の少なくとも一部分を前記可動電極として、前記可動電極の変位により前記吐出室と連通するノズルから液滴を吐出させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  16. 複数の吐出室にそれぞれ液体を送るための共通液室となるリザーバが形成された基板により、前記封止部を塞ぐことを特徴とする請求項15記載の液滴吐出ヘッド。
  17. 吐出室と連通し、吐出室で加圧された液体を液滴として吐出するノズルが形成された基板により、前記封止部を塞ぐことを特徴とする請求項15記載の液滴吐出ヘッド。
  18. 請求項15〜17のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
  19. 請求項1〜14のいずれかに記載の静電アクチュエータを搭載したことを特徴とする静電デバイス。
  20. 距離をおいて対向し、それぞれに電極が形成される2つの基板のうちの一方の基板に対し、前記2つの基板により形成される空間を外気と遮断する封止材からなる封止層を複数積層した封止部を形成する工程を
    を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
  21. 前記封止層の少なくとも1つを、TEOSからなるTEOS層として形成することを特徴とする請求項20記載の静電アクチュエータの製造方法。
  22. 前記封止層の少なくとも1つを、TEOSよりも水分透過度の低い物質からなる水分透過防止層として形成することを特徴とする請求項20又は21記載の静電アクチュエータの製造方法。
  23. 距離をおいて対向し、それぞれに電極が形成される2つの基板のうちの一方の基板に対し、前記2つの基板により形成される空間を外気と遮断する封止材を所望範囲内に形成するための貫通溝穴を形成する工程と、
    前記貫通溝穴から封止材を封入して前記封止部を形成する工程と
    を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
  24. CVD、スパッタ、蒸着、印刷、転写、成型のうち、1又は複数の方法で、前記貫通溝穴から封止材を封入することを特徴とする請求項23記載の静電アクチュエータの製造方法。
  25. 請求項20〜24のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
  26. 請求項25に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
  27. 請求項20〜24のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用してデバイスを製造することを特徴とする静電デバイスの製造方法。
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