JP2007055160A - Manufacturing method for electrode substrate, manufacturing method for electrostatic actuator, and manufacturing method for liquid droplet delivering head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電駆動方式の静電アクチュエータに適用される電極基板の製造方法、その電極基板を用いる静電アクチュエータの製造方法、およびその静電アクチュエータを用いる液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode substrate manufacturing method applied to an electrostatic drive type electrostatic actuator, an electrostatic actuator manufacturing method using the electrode substrate, and a droplet discharge head manufacturing method using the electrostatic actuator.
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズルプレートと、このノズルプレートに接合されノズルプレートとの間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティプレートとを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット(登録商標)方式等がある。 As a droplet discharge head for discharging droplets, for example, an inkjet head mounted on an inkjet recording apparatus is known. Ink jet heads generally include a nozzle plate in which a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets are formed, and an ink in a discharge chamber, a reservoir, or the like that is joined to the nozzle plate and communicates with the nozzle holes. And a cavity plate in which a flow path is formed, and an ink droplet is ejected from a selected nozzle hole by applying pressure to the ejection chamber by a driving unit. As a driving means, there are a method using an electrostatic force, a piezoelectric method using a piezoelectric element, a bubble jet (registered trademark) method using a heating element, and the like.
ところで、静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、一般に、吐出室の底部を振動板とし、この振動板に所定のギャップ(空隙)を介して対向する個別電極をガラス基板上に形成する構成となっている。個別電極は、振動板の変位を可能とするよう所定のギャップ長を確保するために、ガラス基板の表面に形成された凹部の底面にITO(Indium Tin Oxide)などにより形成されている。
そして、インク滴を吐出する際には、振動板と個別電極間に駆動電圧を印加し、この時に生じる静電引力により振動板を弾性変形させ、駆動電圧をOFFした時の振動板の復元力によって、吐出室内のインクの一部をインク滴としてノズル孔より吐出させる。
By the way, an electrostatic drive type inkjet head generally has a configuration in which a bottom portion of a discharge chamber is used as a vibration plate, and an individual electrode facing the vibration plate with a predetermined gap (gap) is formed on a glass substrate. ing. The individual electrode is formed of ITO (Indium Tin Oxide) or the like on the bottom surface of the recess formed on the surface of the glass substrate in order to ensure a predetermined gap length so as to enable displacement of the diaphragm.
When ejecting ink droplets, a driving voltage is applied between the diaphragm and the individual electrodes, the diaphragm is elastically deformed by the electrostatic attractive force generated at this time, and the restoring force of the diaphragm when the driving voltage is turned off Thus, a part of the ink in the discharge chamber is discharged as an ink droplet from the nozzle hole.
このような静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、高密度化が求められる一方、駆動電圧の上昇を引き起こすことなく、インク吐出量を確保することが求められている。その一つの方策として、ガラス基板の凹部の底面を多段の階段状に形成することにより個別電極と振動板間のギャップ長を多段の階段状に形成するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
このように個別電極を階段状に多段に形成することによって、振動板が静電引力により弾性変形したときに階段状の個別電極の段差部に沿って当接し十分な弾性変形が得られるので、駆動電圧を上げなくても(もしくは駆動電圧を低くしても)所定のインク吐出量を確保することができる。
Such an electrostatic drive type ink jet head is required to have a high density, while ensuring an ink discharge amount without causing an increase in drive voltage. As one of the measures, a method has been proposed in which the gap length between the individual electrode and the diaphragm is formed in a multi-stepped shape by forming the bottom surface of the concave portion of the glass substrate in a multi-stepped shape (for example, Patent Documents). 1).
By forming the individual electrodes in a stepwise manner in this way, when the diaphragm is elastically deformed due to electrostatic attraction, it abuts along the stepped portion of the stepped individual electrode and sufficient elastic deformation is obtained. Even if the drive voltage is not increased (or even if the drive voltage is lowered), a predetermined ink discharge amount can be ensured.
ところで、静電アクチュエータの製造方法に関して、特許文献1には、「n個の階段状の段差が形成されn個のギャップ長を持つ静電アクチュエータにおいて、・・・第nのギャップパターニングとエッチングを同様に繰り返す。このように、ギャップのパターニングとエッチングを繰り返し行うことにより、多数段の段差をもつギャップが酸化シリコン膜或いはガラス基板に形成される。」(第5頁第7欄22行〜第8欄19行)と記載されている。
しかし、このような製造方法では、段差数が増加すればするほどパターニングとエッチングの回数が比例して増加し、それによって工数が増加することと、歩留まりが低下することから、製造コストが大幅に上昇するといった課題がある。
By the way, regarding the manufacturing method of the electrostatic actuator,
However, in such a manufacturing method, as the number of steps increases, the number of times of patterning and etching increases proportionally, thereby increasing the number of steps and lowering the yield. There is a problem of rising.
本発明は、上記のような課題に鑑み、複数段の段差部を有する電極基板の製造方法において、製造コストの低減が可能な電極基板の製造方法、ならびにその電極基板を用いた静電アクチュエータの製造方法および液滴吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention provides a method for manufacturing an electrode substrate having a plurality of steps, and a method for manufacturing an electrode substrate capable of reducing manufacturing costs, as well as an electrostatic actuator using the electrode substrate. It is an object to provide a manufacturing method and a manufacturing method of a droplet discharge head.
前記課題を解決するため、本発明に係る電極基板の製造方法は、被加工基板に、4段以上の複数段の階段状の段差部を有する電極を形成するための凹部を形成する電極基板の製造方法であって、
前記電極が前記凹部の幅方向または長手方向に(2(n-1)+1)〜2n(但し、nは整数である。)段の階段状の段差部を有するように、n+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングを繰り返すことにより最大2n段の段差部を前記凹部の底面に形成するものである。
In order to solve the above-mentioned problems, an electrode substrate manufacturing method according to the present invention includes an electrode substrate in which a recess for forming an electrode having a plurality of stepped step portions of four or more steps is formed on a substrate to be processed. A manufacturing method comprising:
Etching n + 1 times so that the electrode has a stepped step portion of (2 (n-1) +1) to 2 n (where n is an integer) in the width direction or longitudinal direction of the recess. By repeating mask patterning and etching, a maximum of 2 n step portions are formed on the bottom surface of the recess.
本発明によれば、最大2n段の段差部をn+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングを繰り返すことにより凹部の底面に形成するものであるので、段数が増加してもパターニングとエッチングの回数が対数的にしか増加しないため、工数が少なくて済み、かつ歩留まりも向上する。したがって、製造コストの低減効果がきわめて大きいものである。 According to the present invention, since a step portion of a maximum of 2 n steps is formed on the bottom surface of the recess by repeating n + 1 etching patterning and etching, the number of patterning and etching steps can be increased even if the number of steps is increased. Since it increases only logarithmically, man-hours are reduced and the yield is improved. Therefore, the effect of reducing the manufacturing cost is extremely large.
また、本発明に係る電極基板の製造方法は、被加工基板に、4段以上の複数段の階段状の段差部を有する電極を形成するための凹部を形成する電極基板の製造方法であって、
前記電極が前記凹部の幅方向または長手方向に(2(n-1)+1)〜2n(但し、nは整数である。)段の階段状の段差部を有するように、n+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングを繰り返すことにより最大2n段の段差部を前記凹部の底面に形成するとともに、2回目以降のエッチングマスクのパターニングにおいてエッチング箇所を重複させることにより当該段差部の境界部に窪みを形成するものである。
The electrode substrate manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing an electrode substrate in which a recess for forming an electrode having a plurality of stepped step portions of four or more steps is formed on a substrate to be processed. ,
Etching n + 1 times so that the electrode has a stepped step portion of (2 (n-1) +1) to 2 n (where n is an integer) in the width direction or longitudinal direction of the recess. By repeating mask patterning and etching, a maximum of 2 n step portions are formed on the bottom surface of the recess, and the etching portion is overlapped in the second and subsequent etching mask patterning to form a depression at the boundary of the step portion. Is formed.
エッチングマスクのパターニングにおいて、アライメントのずれが発生すると、段差部の境界部に突起が生じ、このような突起が生じると、静電アクチュエータの駆動時において、他方の電極である振動板の連成当接(一方の電極の複数段の段差部に沿って振動板が変形当接することを「連成当接」と呼ぶ)の障害となり静電アクチュエータの駆動を妨げることになる。そこで、本発明のように構成することで、2回目以降のエッチングマスクのパターニングにおいてエッチング箇所を重複させ、これによって当該段差部の境界部に突起を発生させることなく窪みを形成することができる。 In the patterning of the etching mask, if alignment misalignment occurs, a protrusion is formed at the boundary of the stepped portion. When such a protrusion is generated, the vibration plate, which is the other electrode, is coupled when the electrostatic actuator is driven. It becomes an obstacle to contact (the contact of the diaphragm along the stepped portions of one electrode in a deformed manner is referred to as “coupled contact”) and hinders driving of the electrostatic actuator. Therefore, by configuring as in the present invention, it is possible to form a recess without generating a protrusion at the boundary portion of the stepped portion by overlapping etching portions in the second and subsequent etching mask patterning.
また、本発明の電極基板の製造方法においては、被加工基板として、ガラス基板を用いることが好ましい。
ガラス基板を用いることにより、接合技術の確立されている陽極接合法を用いてガラス基板とシリコン振動板とを容易かつ強固に接合することができる。
Moreover, in the manufacturing method of the electrode substrate of this invention, it is preferable to use a glass substrate as a to-be-processed substrate.
By using the glass substrate, the glass substrate and the silicon diaphragm can be easily and firmly bonded using the anodic bonding method in which bonding technology is established.
本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、上記のいずれかの製造方法により製造された電極基板に、前記電極に対向させて、かつ最大2n段の階段状のギャップ長を持たせて、シリコン振動板を絶縁膜を介して接合するものである。
本発明により、広範な用途に適用されるマイクロデバイスの駆動手段として、高性能の静電アクチュエータを提供することができる。
The manufacturing method of the electrostatic actuator according to the present invention is such that the electrode substrate manufactured by any one of the above manufacturing methods is opposed to the electrode and has a stepped gap length of a maximum of 2 n steps, The silicon diaphragm is joined via an insulating film.
According to the present invention, a high-performance electrostatic actuator can be provided as a driving device for a micro device applied to a wide range of applications.
また、前記ギャップ長は、中央部が最も大きく、両端部が最も小さく、ほぼ対称になっていることが好ましい。
この静電アクチュエータを特にインクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドに利用する場合には、本発明のように構成することで、振動板の弾性変形が中心に対して対称となるため、常に一定の吐出量が得られ安定した吐出特性が得られる。
Further, it is preferable that the gap length is the largest at the center, the smallest at both ends, and substantially symmetrical.
In particular, when this electrostatic actuator is used for a droplet discharge head such as an inkjet head, the elastic deformation of the diaphragm is symmetrical with respect to the center by configuring as in the present invention. The amount can be obtained and stable ejection characteristics can be obtained.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記のいずれかの静電アクチュエータの製造方法を用いて液滴吐出ヘッドを製造するものである。
本発明により、安定した吐出特性を有し、高密度で安価な液滴吐出ヘッドを提供することができる。
A method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention is a method for manufacturing a droplet discharge head using any one of the above-described electrostatic actuator manufacturing methods.
According to the present invention, it is possible to provide a low-density and inexpensive droplet discharge head having stable discharge characteristics.
実施形態1.
以下、本発明を適用した静電アクチュエータの実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本実施形態1に係る静電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。
この静電アクチュエータは、一方の電極を構成するシリコン等からなる振動板22と、電極基板3の凹部32内に形成され、振動板22との間に階段状の複数段のギャップ長Gi(ここではi=1〜4)を有するように対向する対向電極31とを備えた構成となっている。また、振動板22の対向電極31と対向する面にはSiO2やTEOS(Tetraethylorthosilicate、Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)膜等からなる絶縁膜26が形成されており、振動板22と電極基板3は絶縁膜26を介して接合されている。この絶縁膜26は、静電アクチュエータの駆動時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
さらに、振動板22と対向電極31との間にはそれらの電極間にパルス状の電圧を印加するための駆動制御回路4が接続されている。
Hereinafter, an embodiment of an electrostatic actuator to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of the electrostatic actuator according to the first embodiment.
The electrostatic actuator is formed in a
Further, a
凹部32は、平面が略長方形状に形成されており、その底面は中央部に行くに従って深さが深くなるように左右対称の階段状の段差部32a、32b、32c、32dを有するように形成されている。したがって、対向電極31は、この凹部32内の複数段の底面上に例えばITO(Indium Tin Oxide)によりほぼ同じ厚さで形成され、振動板22との間に凹部32底面と同じ段数の段差部すなわち階段状のギャップ長Giを有する。なお、これらの段差部は、凹部32の幅方向(短辺方向)または長手方向(長辺方向)のいずれの方向にも設けることができる。図1は凹部32の幅方向(短辺方向)の断面を示している。
The
図1の静電アクチュエータの場合、凹部32の底面および対向電極31は4段の段差部を有するように形成されており、ギャップ長Giは、G4>G3>G2>G1となっている。なお、ギャップ長Giは、最も大きい(深い)中央部では例えば140μm、最も小さい(浅い)両端部では例えば80μmとなっている。
また、対向電極31の各段の段差は、凹部32の中央部に行くに従って小さくなるように形成されていることが好ましい。ただし、必ずしもそのようにする必要はなく、
(G2−G1)≧(G3−G2)≧(G4−G3)、ただし、G1≧(G2−G1)
としてもよい。このようにすると、ギャップ長Giが最も小さい部分において振動板22と対向電極31が当接する駆動電圧で、図1に点線で示すように振動板22の全体を対向電極31に当接しやすくなる。
In the case of the electrostatic actuator of FIG. 1, the bottom surface of the
Further, the step of each step of the
(G2-G1) ≧ (G3-G2) ≧ (G4-G3), where G1 ≧ (G2-G1)
It is good. In this way, the
対向電極31の厚さは、通常、各段において一定の厚さとされる。したがって、ギャップ長Giの大きさがG1、G2、G3、G4に対応する部分の凹部32の深さをA1、A2、A3、A4とし、対向電極31の厚さをtとすると、
A1=G1+t、A2=G2+t、A3=G3+t、A4=G4+t
となっている。すなわちA4>A3>A2>A1となっている。
また、対向電極31の厚さtは、凹部32の底面の各段のどの段差よりも厚く形成するのが好ましい。これにより、
t>(A2−A1)>(A3−A2)>(A4−A3)の関係が成り立つので、対向電極31の段差部における段切れ(断線)を防止することができる。
The thickness of the
A1 = G1 + t, A2 = G2 + t, A3 = G3 + t, A4 = G4 + t
It has become. That is, A4>A3>A2> A1.
In addition, the thickness t of the
Since the relationship of t>(A2-A1)>(A3-A2)> (A4-A3) is established, step disconnection (disconnection) at the step portion of the
上記のように構成された静電アクチュエータにおいて、振動板22と対向電極31との間に、ギャップ長G1に対応する部分の振動板22が対向電極31に当接するに必要十分な電圧を印加すると、振動板22がギャップ長の最も小さい1段目の対向電極31に当接し保持される。この時、ギャップ長のG1とG2に対応する境界部では、ギャップ長が一時的に(G2−G1)となり、それにより大きな静電吸引力が振動板22に作用するため、次のギャップ長G2に対応する部分の振動板22も、対向電極31に同一電圧にて当接する。このように順送りの作用が、ギャップ長の最も大きいG4に対応する部分まで連続して誘発されるため、結局、ギャップ長G1に対応する部分の振動板22が対向電極31に当接するに必要十分な電圧で、振動板22の全体が対向電極31に当接可能となる。以下では、上記のように振動板22が対向電極31の各段に沿って当接する仕方もしくは当接状態を「連成当接」と呼ぶことにする。なお、振動板22は必ずしも対向電極31の全ての段差部に当接させる必要はない。例えば、最下段の対向電極31に振動板22が当接しない場合もあるが、このような状態も「連成当接」の概念に含むものとする。
In the electrostatic actuator configured as described above, when a sufficient voltage is applied between the
したがって、本実施形態の静電アクチュエータは、駆動電圧を上げることなく、もしくは低い駆動電圧でも、振動板22の変位を大きくすることができる。そのため、後述するようなインクジェットヘッドに利用した場合にはインク吐出量を安定して確保することができる。
Therefore, the electrostatic actuator of the present embodiment can increase the displacement of the
次に、本発明の電極基板3の製造方法を図2乃至図4の工程図を参照して説明する。本発明では、段数が(2(n-1)+1)〜2nの段差部をn+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングにより形成するものである。ここでは例えば4段の段差部を有する電極基板3の製造方法を示す。なお、以下の説明における基板の厚さやエッチング深さ等はあくまでも一例であり、本発明を限定するものではない。
Next, the manufacturing method of the
まず、図2(a)に示すように、被加工基板として、所定の厚さ、例えば1mmの厚さに加工された硼珪酸系のガラス基板300を用意する。次に、このガラス基板300の表面に、例えばスパッタによりクロム(Cr)からなるエッチングマスク301を形成し、フォトリソグラフィーによってエッチングマスク301の表面に所定形状のレジスト(図示せず)をパターニングしてエッチングを行い、エッチングマスク301に凹部32の2段目の段差部32bと4段目の段差部32dに対応する形状の開口部を形成する(図2(b))。
First, as shown in FIG. 2A, a
次に、例えばふっ酸水溶液でガラス基板300をエッチングすることにより、例えば2段目と4段目の凹部305b、305dを形成する(図2(c))。なおこのとき、2段目の凹部305bのエッチング深さは、図1の(A2−A1)にほぼ等しくなるようにし、4段目の凹部305dのエッチング深さは、図1の(A4−A3)にほぼ等しくなるようにする。ついで、レジストを有機剥離液等で剥離後、ガラス基板300をクロムエッチング液に浸しエッチングマスク301を除去する(図2(d))。
Next, by etching the
次に、ガラス基板300の端から2段目の凹部304bまでの部分を覆うように、フォトリソグラフィーによって2回目のエッチングマスク302のパターニングとエッチングを行う(図2(e))。すなわち、図2(d)のガラス基板300の表面に例えばスパッタによりクロムからなるエッチングマスク302を形成し、フォトリソグラフィーによってエッチングマスク302の表面に所定形状のレジスト(図示せず)をパターニングしてエッチングを行い、エッチングマスク302に3段目と4段目の部分に対応する形状の開口部を形成する。そして、例えばふっ酸水溶液でガラス基板300をエッチングすることにより、3段目と4段目の部分を掘り下げる(図3(f))。なおこのとき、3段目のエッチング深さは、図1の(A3−A2)にほぼ等しくなるようにする。ついで、レジストを有機剥離液等で剥離後、ガラス基板300をクロムエッチング液に浸しエッチングマスク302を除去すれば、2段目から4段目までの段差部32b〜32dが階段状に形成される(図3(g))。
Next, the
次に、ガラス基板300の端から1段目の端までの表面部分を覆うように、フォトリソグラフィーによって3回目のエッチングマスク303のパターニングとエッチングを行う(図3(h))。すなわち、図3(g)のガラス基板300の表面に例えばスパッタによりクロムからなるエッチングマスク303を形成し、フォトリソグラフィーによってエッチングマスク303の表面に所定形状のレジスト(図示せず)をパターニングしてエッチングを行い、エッチングマスク303に1段目から4段目の部分に対応する形状の開口部を形成する。そして、例えばふっ酸水溶液でガラス基板300をエッチングすることにより、1段目の部分を掘り下げる(図3(i))。なおこのとき、1段目のエッチング深さは図1のA1となるようにする。ついで、レジストを有機剥離液等で剥離後、ガラス基板300をクロムエッチング液に浸しエッチングマスク303を除去すれば、1段目から4段目までの段差部32a〜32dが階段状に形成される(図3(j))。
Next, the
以上により、301、302、303のエッチングマスクを計3回それぞれパターニングとエッチングを繰り返し行うことにより、底面に4段の段差部32a〜32dを有する凹部32を形成することができる。なお、各段の段差および深さA1、A2、A3、A4はエッチング時間を調整することにより所要の寸法に形成することができる。なお、エッチング深さは、一例をあげれば、A1=180nm、A2=200nm、A3=220nm、A4=240nmとなっている。
As described above, by repeatedly performing patterning and etching on the etching masks 301, 302, and 303 three times in total, the
その後、このガラス基板300の凹部32を含む全面に、例えばITO(Indium Tin Oxide)膜306をスパッタにより成膜する(図4(k))。ITO膜306の厚さは、階段状に形成された凹部32のいずれの段差よりも厚く形成する。例えば図1のt=0.1μmとなるようにITO膜306を成膜する。そして、フォトリソグラフィーによってレジスト(図示せず)をパターニングしてエッチングすることにより、対向電極31の部分に対応するITOパターンを形成する(図4(l))。
なお、対向電極31の材料はITOに限定するものではなく、クロム等の金属等を用いてもよいが、ITOは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすいことなどの理由から、一般にITOが用いられる。
Thereafter, for example, an ITO (Indium Tin Oxide)
The material of the
以上により、図1に示した電極基板3が作製される。その後、この電極基板3に、振動板22を対向電極31に対向させて絶縁膜26を介して陽極接合することにより図1の静電アクチュエータが作製される。
なお、上記の説明では被加工基板としてガラス基板を用いたが、基板材料は特に限定されるものではなく、例えばシリコン基板を用いることもできる。
Thus, the
In the above description, a glass substrate is used as the substrate to be processed, but the substrate material is not particularly limited, and for example, a silicon substrate can be used.
本実施形態の電極基板3の製造方法によれば、凹部32の底面に4段の段差部32a〜32dを形成するのに、従来は段差部ごと計4回のエッチングマスクのパターニングとエッチングを行っていたが、本実施形態では計3回のエッチングマスクのパターニングとエッチングで済むため、電極基板の製造コストを低減することができる。そして、段数が増加するにつれてパターニングとエッチングの回数は対数的にしか増加しないので更なる製造コストの低減が可能となる。
According to the method for manufacturing the
例えば、凹部32の底面に8段の段差部32a〜32hを形成する場合のエッチングマスクのパターニング方法を図5に模式的に示す。この場合、エッチングマスクは301〜304の計4回パターニングとエッチングを繰り返し行えばよいことになる。
したがって、本発明は一般に、段数が(2(n-1)+1)〜2nの段差部をn+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングにより形成することができるので、段数が増加してもパターニングとエッチングの回数が対数的にしか増加しないため、工数が少なくて済み、かつ歩留まりも向上する。よって、大幅なコスト低減が可能となる。
For example, FIG. 5 schematically shows an etching mask patterning method in the case where eight
Accordingly, in general, the present invention can form the stepped portion having the number of steps of (2 (n-1) +1) to 2n by patterning and etching of the etching mask n + 1 times. Since the number of times of etching increases only logarithmically, man-hours can be reduced and the yield can be improved. Therefore, significant cost reduction is possible.
次に、本発明のエッチングマスクのパターニング方法において、アライメントずれが発生した場合を図6、図7に示す。段数は4段の場合を例にとり簡単に説明する。製造方法は上述したとおりであるので省略する。
例えば、1回目のエッチングマスク301と2回目のエッチングマスク302のパターニングにおいて、アライメントのずれが発生した場合(図6(e)参照)、2段目と3段目の段差部の境界部に突起307が発生する(図7(g)参照)。この場合、他方の段差部の境界部には窪みが生じるが窪みは問題ない。しかし、このような突起307がガラス基板300をエッチングしたときに発生すると、突起307が振動板22の連成当接の阻害要因となってしまい、静電アクチュエータの良好な駆動ができなくなってしまう。
Next, in the etching mask patterning method of the present invention, FIGS. 6 and 7 show cases where misalignment occurs. A simple explanation will be given by taking the case of four stages as an example. Since the manufacturing method is as described above, the description is omitted.
For example, when alignment misalignment occurs in the patterning of the
そこで、本発明では、図8、図9に示すように、1回目のエッチングマスク301と2回目のエッチングマスク302のパターニングにおいて、エッチング箇所が重複するように、2段目と3段目の段差部の境界部に両方とも窪み308がエッチングにより生じるようにエッチングマスクのパターニングを行うものである(図8(e)、図9(f)参照)。
このように段差部の境界部に窪み308を設けることにより、振動板22の連成当接の阻害要因となる突起が生じないようにすることができる。なお、窪み308によってITO膜からなる対向電極にもほぼ同様の窪みが生じるが、静電アクチュエータの駆動には問題はない。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 8 and FIG. 9, the second step and the third step are provided so that etching portions overlap in the patterning of the
By providing the
図10は、4〜8段および16段の場合について、上記の突起307が発生する箇所(段差部の境界部)を例示した説明図(表)である。各表の横軸は段数を表し、縦軸はエッチングマスクのパターニング回数を表している。また、表中の数字有りの欄はその段をエッチングすることを意味し、数字無しの欄はその段をエッチングしないことを意味する。また、欄外の下の数字は突起が発生する箇所(段差部の境界部)を表している。
この図に示すように、エッチングマスクのパターニング方法を変えることによって突起の発生箇所が異なる。したがって、2回目以降のパターニングではアライメントのずれが生じないように注意を要する。よって、2回目以降は、エッチングマスクのパターニングにおいてアライメントのずれを生じないように厳密に位置合わせをするか、もしくは前述のようにエッチング箇所が重複するように、すなわち段差部の境界部に窪みが生じるように、パターニングを行うのがよい。
FIG. 10 is an explanatory diagram (table) illustrating the locations where the
As shown in this figure, the locations where the protrusions are generated vary depending on the etching mask patterning method. Therefore, care must be taken not to cause misalignment in the second and subsequent patterning. Therefore, in the second and subsequent times, the alignment is strictly performed so as not to cause misalignment in the patterning of the etching mask, or the etching portions overlap as described above, that is, there is a depression at the boundary of the stepped portion. Patterning may be performed to produce it.
実施形態2.
図11は、本発明の製造方法により製造された電極基板および静電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、フェイス吐出型の静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図11乃至図14を参照して説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、エッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。
FIG. 11 is an exploded perspective view showing an exploded schematic configuration of a droplet discharge head using an electrode substrate and an electrostatic actuator manufactured by the manufacturing method of the present invention, and a part thereof is shown in cross section. Here, as an example of a droplet discharge head, a face discharge type electrostatic drive type inkjet head will be described with reference to FIGS. Note that the present invention is not limited to the structure and shape shown in the following drawings, and can be similarly applied to an edge discharge type droplet discharge head.
図12は、図11の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図であり、さらに振動板の変形状態を点線で模式的に表してある。図13は、図2のインクジェットヘッドの上面図であり、図14は静電アクチュエータ部の拡大断面図である。なお、図11および図12では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。 FIG. 12 is a cross-sectional view of the ink jet head showing a schematic configuration of the right half of FIG. 11, and schematically shows a deformed state of the diaphragm with a dotted line. FIG. 13 is a top view of the inkjet head of FIG. 2, and FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of the electrostatic actuator section. 11 and 12 are shown upside down from the normally used state.
本実施形態のインクジェットヘッド(液滴吐出ヘッドの一例)10は、図11および図12に示すように、複数のノズル孔11が所定のピッチで設けられたノズルプレート1と、各ノズル孔11に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティプレート2と、キャビティプレート2の振動板22に対峙して階段状に複数段のギャップ長Gi(ここでは、i=1〜3)を有する個別電極31が配設された電極基板3とが貼り合わされた構成となっている。電極基板3は前述した製造方法により作製されているものである。
As shown in FIGS. 11 and 12, the inkjet head (an example of a droplet discharge head) 10 according to the present embodiment includes a
ノズルプレート1は、例えば厚さ180μmのシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。ノズルプレート1は、複数のノズル孔11が設けられる領域に凹部12が形成され、この凹部12の底面にインク液滴を吐出するためのノズル孔11が開口している。すなわち、ノズル部分の長さ(基板厚み)を凹部12により薄肉化することにより各ノズル孔11の流路抵抗を調整している。これにより、均一な吐出性能を確保するとともに、吐出面(凹部12の底面)に記録用紙などの他の物体が直接接触することがないので、記録用紙の汚損やノズル孔11の先端の損傷などを防止することができる。
The
インク滴を吐出するためのノズル孔11は、例えば径の異なる2段の円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち径の小さい噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから構成されている。噴射口部分11aおよび導入口部分11bは基板面に対して垂直にかつ同軸上に設けられており、噴射口部分11aは先端がノズルプレート1の表面に開口し、導入口部分11bはノズルプレート1の裏面(キャビティプレート2と接合される接合側の面)に開口している。
The nozzle holes 11 for ejecting ink droplets are composed of, for example, two-stage cylindrical nozzle holes having different diameters, that is, an
上記のように、ノズル孔11を噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから2段に構成することにより、インク滴の吐出方向をノズル孔11の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度を高密度化することが可能である。
As described above, the
また、ノズルプレート1の図12において下面(キャビティプレート2との接合側の面)にはインク流路の一部を形成するオリフィス(細溝)13が設けられている。また、後述するキャビティプレート2のリザーバ23に対応する位置に凹部により薄肉化されたダイヤフラム部14が設けられている。ダイヤフラム部14はリザーバ23内の圧力変動を抑制するために設けられている。
Further, in FIG. 12 of the
キャビティプレート2は、例えば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン単結晶基板(この基板も以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。このシリコン基板はボロンドープ層を有し、シリコン基板に異方性ドライエッチングおよび異方性ウェットエッチングを施すことにより、インク流路の吐出室21およびリザーバ23を構成するための凹部24、25が高精度に形成される。凹部24は前記ノズル孔11に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図12に示すようにノズルプレート1とキャビティプレート2を接合した際、各凹部24は吐出室21を構成し、それぞれノズル孔11に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス13ともそれぞれ連通している。そして、吐出室21(凹部24)の底壁を構成するボロンドープ層の厚さにより厚さ精度の高い振動板22が構成されている。
The
他方の凹部25は、液状材料のインクを貯留するためのものであり、各吐出室21に共通のリザーバ(共通インク室)23を構成する。そして、リザーバ23(凹部25)はそれぞれオリフィス13を介して全ての吐出室21に連通している。また、リザーバ23の底部には後述する電極基板3を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給口35を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
The
また、上述のように、キャビティプレート2に(110)面方位のシリコン単結晶基板を用いるのは、このシリコン基板に異方性ドライエッチングと異方性ウエットエッチングの2段階のエッチングを行うことにより、凹部や溝の側面をシリコン基板の上面または下面に対して垂直にかつ高い寸法精度でエッチングすることができるためであり、これによりインクジェットヘッドの高密度化および吐出特性の安定化ならびに低コスト化を図ることができる。
Further, as described above, the (110) orientation silicon single crystal substrate is used for the
また、キャビティプレート2の少なくとも下面すなわち電極基板3と対向する面には、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)により例えばTEOS膜からなる絶縁膜26が0.1μmの厚さで形成されている。
キャビティプレート2の上面すなわちノズルプレート1と対向する面(吐出室21、リザーバ23の内面を含む)には、図示しないインク保護膜となるSiO2膜(TEOS膜を含む)がプラズマCVDまたはスパッタにより形成されている。このインク保護膜は、インクにより流路の腐食を防ぐために設けられている。
Further, an insulating
On the upper surface of the
電極基板3は、前述した製造方法により、例えば厚さ1mmのガラス基板から作製されている。電極基板3には、図11に示すように、キャビティプレート2の各振動板22に対向する面の位置にそれぞれ平面視、長方形状の凹部32が設けられている。そして、凹部32の底面には、この例では長手方向に3段の階段状の段差部32a、32b、32cが設けられ、これらの段差部32a、32b、32c上に同数の段差部を持つ対向電極すなわち個別電極31が例えば、ITOにより0.1μmの厚さでスパッタにより形成されている。したがって、個別電極31は、電極基板3とキャビティプレート2の接合時において、振動板22との間に階段状のギャップ長G1、G2、G3を有する構成となっている。なお、ギャップ長Giは、振動板22の下面に形成された絶縁膜26の表面(下面)と第i段目の電極部の表面との距離である。
また、個別電極31はリード部31aと端子部31bを有する。そのため、リード部31aを引き出すために凹部32には連通溝33が形成されている。リード部31aは、個別電極31の最上段から最下段のどの段から引き出してもよい。
The
The
個別電極31の端子部31bには図示しないフレキシブル配線基板が接続される。これらの端子部31bは、図11乃至図13に示すように、配線のためにキャビティプレート2の末端部が開口された電極取り出し部29内に露出している。
A flexible wiring board (not shown) is connected to the
上述したように、ノズルプレート1、キャビティプレート2、および電極基板3は、図12に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド10の本体部が作製される。さらに、振動板22と個別電極31との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材37で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド10の信頼性を高く保持することができる。
As described above, the
そして最後に、図12、図13に簡略化して示すように、ICドライバ等の駆動制御回路4が各個別電極31の端子部31bとキャビティプレート2上に設けられた共通電極28とに前記フレキシブル配線基板(図示せず)を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド10が完成する。
Finally, as shown in a simplified manner in FIGS. 12 and 13, the
Thus, the
次に、以上のように構成されるインクジェットヘッド10の動作を説明する。
駆動制御回路4は、個別電極31に電荷の供給および停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば24kHzで発振し、個別電極31に例えば0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極31に電荷を供給して正に帯電させると、振動板22は負に帯電し、個別電極31と振動板22間に静電気力(クーロン力)が発生する。したがって、この静電気力により振動板22は個別電極31に引き寄せられて撓む(変位する)。この時、個別電極31は前述のように長手方向の中央部が最も低くなるように複数段の段差部が設けられており、これによりギャップ長Giが階段状に大きくなっているので、振動板22が第1段の段差部から順送りで変位していき、個別電極31に連成当接する。これによって吐出室21の容積が増大する。そして、個別電極31への電荷の供給を止めると振動板22はその弾性力により元に戻り、その際、吐出室21の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により吐出室21内のインクの一部がインク滴としてノズル孔11より吐出する。振動板22が次に同様に変位すると、インクがリザーバ23からオリフィス13を通じて吐出室21内に補給される。
Next, the operation of the
The
このように、本実施形態のインクジェットヘッド10は、電極基板3の凹部32の底面が長手方向に階段状の段差部32a〜32cを有し、かつその底面上に形成される個別電極31が同数の階段状のギャップ長G1〜G3を有するように形成されているので、駆動時、振動板22の弾性変形が図12に点線で示すように個別電極31の段差部に沿って変形当接(連成当接)するため、吐出室21の容積増加が大きくなり、その結果、駆動電圧を上げなくても必要なインク吐出量を確保することができる。換言すれば、低い駆動電圧でも必要な量のインク滴を常に安定して吐出させることができる。
Thus, in the
実施形態3.
図15は本発明の他の実施形態を示すインクジェットヘッドの幅方向の断面図であり、図16は図15のA−A矢視上面図である。すなわち電極基板3の平面図である。
前記の実施形態では、電極基板3における凹部32の長手方向の断面について示したが、本実施形態は凹部32の幅方向の断面および電極基板3の平面を示すものである。
凹部32の幅方向についても長手方向と同様に最大2n段の階段状の段差部32a、32b、32c、32dを形成し、その底面上に同数の階段状のギャップ長を有する個別電極31を形成することができる。
FIG. 15 is a cross-sectional view in the width direction of an ink jet head showing another embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a top view taken along the line AA of FIG. That is, it is a plan view of the
In the above-described embodiment, the longitudinal section of the
In the width direction of the
本実施形態のインクジェットヘッド10においても、駆動時、振動板22が図15に点線で示すように、幅方向において、階段状のギャップ長を有する個別電極31に連成当接するので、吐出室21の容積を増加させることができ、これにより駆動電圧を上げなくても必要なインク吐出量を確保することができ、常に安定した吐出を実現できる。
Also in the
上記の実施形態では、電極基板の製造方法、ならびにその電極基板を用いた静電アクチュエータおよびインクジェットヘッドならびにそれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、インクジェットプリンタのほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機EL表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。
また、振動板は、両端支持梁もしくは略長方形の全周が固定された薄板の形式のものとして説明したが、カンチレバー形式のものでもよい。この場合、対向電極の複数段の段差部は片側だけでよい。また、振動板の形状は特に限定されない。例えば円形でもよく、この場合には対向電極の段差部も同心円状に設けるのが適している。円形の振動板をもつ静電アクチュエータは、例えばマイクロポンプのダイヤフラム部に利用することができる。
In the above embodiment, the electrode substrate manufacturing method, the electrostatic actuator and the inkjet head using the electrode substrate, and the manufacturing method thereof have been described, but the present invention is not limited to the above embodiment, Various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. For example, by changing the liquid material ejected from the nozzle holes, in addition to inkjet printers, the production of color filters for liquid crystal displays, the formation of light-emitting portions of organic EL display devices, the microarray of biomolecule solutions used for genetic testing, etc. It can be used as a droplet discharge device for various uses such as manufacture of
In addition, although the vibration plate has been described as a thin plate type in which both ends are supported or a substantially rectangular whole circumference is fixed, a cantilever type may be used. In this case, the stepped portions of the counter electrode need only be on one side. Further, the shape of the diaphragm is not particularly limited. For example, it may be circular, and in this case, it is suitable to provide the stepped portion of the counter electrode in a concentric manner. An electrostatic actuator having a circular diaphragm can be used, for example, in a diaphragm portion of a micropump.
1 ノズルプレート、2 キャビティプレート、3 電極基板、4 駆動制御回路、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、13 オリフィス、21 吐出室、22 振動板、23 リザーバ、26 絶縁膜、28 共通電極、29 電極取り出し部、31 対向電極(個別電極)、32 凹部、32a〜32h 段差部、33 連通溝、35 インク供給口、37 封止材、300 ガラス基板、301〜304 エッチングマスク、307 突起、308 窪み。
1 Nozzle plate, 2 Cavity plate, 3 Electrode substrate, 4 Drive control circuit, 10 Inkjet head, 11 Nozzle hole, 13 Orifice, 21 Discharge chamber, 22 Vibration plate, 23 Reservoir, 26 Insulating film, 28 Common electrode, 29 Extracting electrode Part, 31 counter electrode (individual electrode), 32 recessed part, 32a to 32h step part, 33 communication groove, 35 ink supply port, 37 sealing material, 300 glass substrate, 301 to 304 etching mask, 307 protrusion, 308 depression.
Claims (6)
前記電極が前記凹部の幅方向または長手方向に(2(n-1)+1)〜2n(但し、nは整数である。)段の階段状の段差部を有するように、n+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングを繰り返すことにより最大2n段の段差部を前記凹部の底面に形成することを特徴とする電極基板の製造方法。 An electrode substrate manufacturing method for forming a recess for forming an electrode having a plurality of stepped step portions of four or more steps on a workpiece substrate,
Etching n + 1 times so that the electrode has a stepped step portion of (2 (n-1) +1) to 2 n (where n is an integer) in the width direction or longitudinal direction of the recess. A method of manufacturing an electrode substrate, comprising forming a stepped portion having a maximum of 2 n steps on the bottom surface of the recess by repeating mask patterning and etching.
前記電極が前記凹部の幅方向または長手方向に(2(n-1)+1)〜2n(但し、nは整数である。)段の階段状の段差部を有するように、n+1回のエッチングマスクのパターニングとエッチングを繰り返すことにより最大2n段の段差部を前記凹部の底面に形成するとともに、2回目以降のエッチングマスクのパターニングにおいてエッチング箇所を重複させることにより当該段差部の境界部に窪みを形成することを特徴とする電極基板の製造方法。 An electrode substrate manufacturing method for forming a recess for forming an electrode having a plurality of stepped step portions of four or more steps on a workpiece substrate,
Etching n + 1 times so that the electrode has a stepped step portion of (2 (n-1) +1) to 2 n (where n is an integer) in the width direction or longitudinal direction of the recess. By repeating mask patterning and etching, a maximum of 2 n step portions are formed on the bottom surface of the recess, and the etching portion is overlapped in the second and subsequent etching mask patterning to form a depression at the boundary of the step portion. Forming an electrode substrate.
A method for manufacturing a droplet discharge head, wherein the droplet discharge head is manufactured using the method for manufacturing an electrostatic actuator according to claim 4.
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JP2008284824A (en) * | 2007-05-21 | 2008-11-27 | Seiko Epson Corp | Electrostatic actuator and liquid droplet discharge head |
JP2013028175A (en) * | 2012-09-28 | 2013-02-07 | Seiko Epson Corp | Electrostatic actuator and liquid droplet discharge head |
-
2005
- 2005-08-26 JP JP2005245257A patent/JP2007055160A/en not_active Withdrawn
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