JP2007210198A - Liquid droplet ejection head, its manufacturing method, and liquid droplet ejector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、インクジェット記録方式に代表されるような液滴を吐出して画像記録などを行う液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。 The present invention relates to, for example, a method for manufacturing a droplet discharge head that performs image recording by discharging droplets typified by an ink jet recording method, a droplet discharge head, and a droplet discharge apparatus.
従来、複数のノズルから液滴を吐出し、用紙等の記録媒体に印字を行う液滴吐出装置には、インクジェット記録装置があり、このインクジェット記録装置は、小型で安価、静寂性等の種々の利点があり、広く市販されている。特に、圧電素子を用いて圧力室内の圧力を変化させてインク滴を吐出するピエゾインクジェット方式や、熱エネルギーの作用でインクを膨張させてインク滴を吐出する熱インクジェット方式の記録装置は、高速印字、高解像度が得られる等、多くの利点を有している。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is an ink jet recording apparatus as a liquid droplet ejecting apparatus that ejects liquid droplets from a plurality of nozzles and prints on a recording medium such as paper. The ink jet recording apparatus is small, inexpensive, and quiet. It has advantages and is widely available commercially. In particular, piezo inkjet systems that eject ink droplets by changing the pressure in the pressure chamber using piezoelectric elements and thermal inkjet recording devices that eject ink droplets by expanding the ink by the action of thermal energy are high-speed printing. It has many advantages such as high resolution.
このようなインクジェット方式の記録装置においては、例えば、振動板を挟んで、圧力室及びこれに連通するノズルと圧電素子とを形成した構造の記録ヘッドが採用されている。この記録ヘッドでは、インクはインクプールよりインク供給口を経由して圧力室とノズルへ供給される。そして、圧電素子の振動板側に形成された下部電極と圧電体を挟んで上方に形成された上部電極に電圧を印加することにより、圧電素子が変形し、ノズルからインクを押し出すことによってインク滴を噴射するように構成されている。このような記録ヘッドは、圧電素子から外部(制御用IC)への接続を圧電体の上部へ引き出すことで、小型化に優位であり、高解像度化(マトリックス配列ノズル)への対応が可能である。 In such an ink jet recording apparatus, for example, a recording head having a structure in which a pressure chamber, a nozzle communicating with the pressure chamber, and a piezoelectric element are formed with a diaphragm interposed therebetween is employed. In this recording head, ink is supplied from the ink pool to the pressure chamber and the nozzle via the ink supply port. Then, by applying a voltage to the lower electrode formed on the diaphragm side of the piezoelectric element and the upper electrode formed above the piezoelectric body, the piezoelectric element is deformed and ink is ejected from the nozzle by ejecting ink. Is configured to inject fuel. Such a recording head is superior in miniaturization by pulling out the connection from the piezoelectric element to the outside (control IC) to the upper part of the piezoelectric body, and can cope with high resolution (matrix array nozzle). is there.
このような記録ヘッドは、半導体工程をベースに製作され、Siあるいはガラス基板上に複数のプレート材を位置合わせして積層し、ダイスで切り出すことにより記録ヘッドを作製する。このような工程により、コストダウンを図ると共に、高精度な記録ヘッドを得る。 Such a recording head is manufactured based on a semiconductor process, and a recording head is manufactured by aligning and laminating a plurality of plate materials on a Si or glass substrate and cutting out with a die. Through such steps, the cost is reduced and a highly accurate recording head is obtained.
例えば、圧電素子を用いた記録ヘッドでは、振動板となるプレート材に圧電素子を接着し、振動板を挟んで圧電素子に対向する位置に、別に形成した圧力室およびノズルプレートを積層する方法が広く用いられている(例えば、特許文献1参照)。このような製造方法では、積層するプレート材の精度や圧電素子と圧力室のアライメントが、ノズルから噴射されるインク滴量、方向性などに大きな影響を与えるため、高精度のアライメントで積層する必要がある。 For example, in a recording head using a piezoelectric element, there is a method in which a piezoelectric element is bonded to a plate material serving as a vibration plate, and a pressure chamber and a nozzle plate that are separately formed are stacked at a position facing the piezoelectric element with the vibration plate interposed therebetween. Widely used (see, for example, Patent Document 1). In such a manufacturing method, since the accuracy of the plate material to be laminated and the alignment between the piezoelectric element and the pressure chamber have a great influence on the amount of ink droplets ejected from the nozzle, the directionality, etc., it is necessary to perform lamination with high accuracy. There is.
しかし、高密度、高画質化に伴い、積層による製造方法では、求められる寸法精度やアライメント精度を得ることが困難となってきている。 However, with high density and high image quality, it has become difficult to obtain the required dimensional accuracy and alignment accuracy in the manufacturing method using lamination.
一方、アライメント精度に関しては、従来のSUSなどの精密加工部品から、Siあるいはガラス基板上に必要な材料を積層加工していく製造方法(半導体プロセスベースの製造方法)が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, with respect to alignment accuracy, a manufacturing method (semiconductor process-based manufacturing method) in which a necessary material is laminated on a Si or glass substrate from a precision processing part such as conventional SUS has been proposed (for example, Patent Document 2).
しかしながら、この方法では、アライメント寸法は半導体プロセスを導入することにより改善可能であるが、圧力室など数百μmサイズの深さ方向への加工では、寸法サイズの制御は非常に困難である。すなわち、精密加工部品の積層でのアライメント精度は、一般的に±10μm程度であり、部品の寸法精度も±10μm程度である。一方、半導体プロセスでは数μm以下の深さ方向への加工精度は非常に高く、寸法精度や再現性も良いが、圧力室のような深さ100μmを越えるような加工の場合、寸法精度も大きく低下する。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、圧力室を高精度に形成し、良好な印字品質を得ることを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to form a pressure chamber with high accuracy and to obtain good print quality.
本発明者らは、圧力室の寸法で印字品質に影響する項目は、振動板に接する圧力室の開口寸法と、圧力室の体積(深さ×面積)であることを見出した。特に、振動板に接する圧力室の開口寸法は、振動板の変位量に大きな影響を与えるため、非常に重要である。したがって、圧力室の寸法精度を要求される部分は高精度に作成し、精度をあまり要求されない部分は機械加工などを利用して精度とスループット(生産効率、低コスト化)を向上させるようにしている。 The present inventors have found that the items that affect the printing quality by the dimensions of the pressure chamber are the opening dimension of the pressure chamber in contact with the diaphragm and the volume (depth × area) of the pressure chamber. In particular, the opening size of the pressure chamber in contact with the diaphragm is very important because it greatly affects the displacement of the diaphragm. Therefore, parts that require dimensional accuracy of the pressure chamber should be made with high accuracy, and parts that do not require much accuracy should be machined to improve accuracy and throughput (production efficiency and cost reduction). Yes.
請求項1に記載の発明は、液体が収容される圧力室に接する振動板の振動により、前記圧力室と連通するノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、圧力室となる基板の部分に、犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に振動板となる振動板層を形成する工程と、前記基板のノズルを形成する側からエッチングし、前記犠牲層を残して前記犠牲層の内側領域に圧力室を形成する工程と、前記犠牲層を除去することによって、前記圧力室の壁と前記振動板とが接触する領域に前記犠牲層の外形に沿った凹状部を形成する工程と、を有することを特徴としている。 The invention according to claim 1 is a method of manufacturing a droplet discharge head that discharges droplets from a nozzle communicating with the pressure chamber by the vibration of a vibration plate in contact with the pressure chamber in which the liquid is stored. Forming a sacrificial layer on a portion of the substrate to be formed, a step of forming a diaphragm layer serving as a diaphragm on the sacrificial layer, and etching from the side of the substrate where the nozzle is formed, Forming a pressure chamber in an inner region of the sacrificial layer, and removing the sacrificial layer to form a concave shape along the outer shape of the sacrificial layer in a region where the wall of the pressure chamber and the diaphragm are in contact with each other Forming a portion.
請求項1に記載の発明では、圧力室となる基板の部分に犠牲層を形成した後、犠牲層の上に振動板層を形成する。さらに、基板のノズルを形成する側からエッチングすることにより、犠牲層を残して犠牲層の内側領域に圧力室を形成する。その後、犠牲層を除去することによって、圧力室の壁と振動板とが接触する領域に犠牲層の外形に沿った凹状部を形成する。この製造方法では、犠牲層の外形に沿った凹状部が圧力室と振動板とが接触する領域となるので、振動板に接する圧力室の開口寸法を高精度に形成することが可能である。このため、振動板の変位量を適切に制御することができ、ノズルからの液滴の吐出量や方向性が安定化する。 In the first aspect of the present invention, the sacrificial layer is formed on the portion of the substrate that becomes the pressure chamber, and then the diaphragm layer is formed on the sacrificial layer. Further, by etching from the side of the substrate where the nozzle is formed, a pressure chamber is formed in the inner region of the sacrificial layer leaving the sacrificial layer. Thereafter, by removing the sacrificial layer, a concave portion along the outer shape of the sacrificial layer is formed in a region where the wall of the pressure chamber and the diaphragm are in contact with each other. In this manufacturing method, since the concave portion along the outer shape of the sacrificial layer becomes a region where the pressure chamber and the diaphragm come into contact with each other, the opening dimension of the pressure chamber in contact with the diaphragm can be formed with high accuracy. For this reason, the displacement amount of the diaphragm can be appropriately controlled, and the discharge amount and directionality of droplets from the nozzle are stabilized.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記犠牲層を形成する工程が、前記基板上に前記犠牲層をパターニングすることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a droplet discharge head according to the first aspect, the step of forming the sacrificial layer patterns the sacrificial layer on the substrate.
請求項2に記載の発明では、基板上に犠牲層をパターニングすることで、圧力室となる基板の所定の位置に犠牲層を形成することが可能となる。これにより、振動板に接する圧力室の開口寸法を高精度に形成することができる。 According to the second aspect of the present invention, it is possible to form the sacrificial layer at a predetermined position of the substrate to be the pressure chamber by patterning the sacrificial layer on the substrate. Thereby, the opening dimension of the pressure chamber in contact with the diaphragm can be formed with high accuracy.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記犠牲層を形成する工程が、前記圧力室に相当する前記基板の部分を削り込んで凹部を形成する工程と、前記凹部が形成された側の前記基板に前記犠牲層となる犠牲層材料を塗布する工程と、前記犠牲層材料を削り、前記基板をフラットとして前記犠牲層を形成する工程と、を有することを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a droplet discharge head according to the first aspect, the step of forming the sacrificial layer forms a recess by cutting away a portion of the substrate corresponding to the pressure chamber. A step of applying a sacrificial layer material to be the sacrificial layer to the substrate on the side where the recess is formed, a step of cutting the sacrificial layer material and forming the sacrificial layer with the substrate being flat, It is characterized by having.
請求項3に記載の発明では、圧力室に相当する基板の部分を削り込んで凹部を形成し、凹部が形成された側の基板に犠牲層となる犠牲層材料を塗布する。その後、犠牲層材料を削り、基板をフラットとして犠牲層を形成することで、圧力室となる基板の所定の位置に犠牲層を形成することが可能となる。これにより、振動板に接する圧力室の開口寸法を高精度に形成することができる。 In a third aspect of the invention, a portion of the substrate corresponding to the pressure chamber is cut away to form a recess, and a sacrificial layer material to be a sacrificial layer is applied to the substrate on which the recess is formed. Thereafter, the sacrificial layer material is shaved, and the sacrificial layer is formed by flattening the substrate, whereby the sacrificial layer can be formed at a predetermined position of the substrate to be the pressure chamber. Thereby, the opening dimension of the pressure chamber in contact with the diaphragm can be formed with high accuracy.
請求項4に記載の発明は、液体が収容され、液滴を吐出するノズルと連通する圧力室と、前記圧力室に接し、前記圧力室内の液体に圧力を加える振動板と、を備え、前記振動板の振動により前記ノズルから液滴が吐出される液滴吐出ヘッドであって、前記圧力室の壁と前記振動板とが接触する領域に前記圧力室の開口面積を拡大する凹状部が形成されていることを特徴としている。 The invention according to claim 4 includes a pressure chamber that contains a liquid and communicates with a nozzle that discharges liquid droplets, and a diaphragm that contacts the pressure chamber and applies pressure to the liquid in the pressure chamber, A droplet discharge head that discharges droplets from the nozzle by vibration of a vibration plate, wherein a concave portion that enlarges an opening area of the pressure chamber is formed in a region where the wall of the pressure chamber and the vibration plate are in contact with each other It is characterized by being.
請求項4に記載の発明では、圧力室の壁と振動板とが接触する領域に圧力室の開口面積を拡大する凹状部が形成されており、凹状部によって振動板に接する圧力室の開口寸法を精度良く形成することができる。これにより、振動板の変位量を適切に制御することが可能となり、ノズルからの液滴の吐出量や方向性が安定化する。 In the invention according to claim 4, a concave portion that enlarges the opening area of the pressure chamber is formed in a region where the wall of the pressure chamber and the diaphragm are in contact with each other, and the opening size of the pressure chamber that is in contact with the diaphragm by the concave portion. Can be formed with high accuracy. As a result, the displacement amount of the diaphragm can be appropriately controlled, and the discharge amount and directionality of the droplets from the nozzle are stabilized.
請求項5に記載の発明に係る液滴吐出装置は、請求項4に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, a liquid droplet ejection apparatus includes the liquid droplet ejection head according to the fourth aspect.
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の液滴吐出ヘッドを備えているので、凹状部によって振動板に接する圧力室の開口寸法を精度良く形成することができる。これにより、振動板の変位量を適切に制御することが可能となり、ノズルからの液滴の吐出量や方向性が安定化し、良好な画像品質が得られる。 According to the fifth aspect of the present invention, since the droplet discharge head according to the fourth aspect is provided, the opening size of the pressure chamber in contact with the diaphragm can be accurately formed by the concave portion. This makes it possible to appropriately control the displacement amount of the diaphragm, stabilize the discharge amount and directionality of droplets from the nozzle, and obtain good image quality.
本発明によれば、液滴吐出ヘッドの振動板の変位量を適切に制御することができるため、ノズルからの液滴の吐出量や方向性が安定化し、良好な画像品質を得ることができる。 According to the present invention, since the displacement amount of the diaphragm of the droplet discharge head can be appropriately controlled, the droplet discharge amount and directionality from the nozzle can be stabilized, and good image quality can be obtained. .
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施形態のインクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)32を備えたインクジェット記録装置(液滴吐出装置)10を示す概略構成図である。また、図2は、インクジェット記録装置10におけるインクジェット記録ユニット30の記録ヘッド配置を示す概略図であり、図3は、インクジェット記録装置10におけるインクジェット記録ユニット30による印字領域を示す図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an inkjet recording apparatus (droplet ejection apparatus) 10 including an inkjet recording head (droplet ejection head) 32 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of the recording heads of the
図1に示すインクジェット記録装置10は、用紙を送り出す用紙供給部12と、用紙の姿勢を制御するレジ調整部14と、インク滴(液滴)を吐出して用紙(記録媒体)Pに画像形成する記録ヘッド部16とこの記録ヘッド部16のメンテナンスを行なうメンテナンス部18とを備える記録部20と、記録部20で画像形成された用紙を排出する排出部22とから基本的に構成される。
An ink
用紙供給部12は、用紙が積層されてストックされているストッカ24と、ストッカ24から1枚ずつ枚葉してレジ調整部14に搬送する搬送装置26とから構成されている。
The
レジ調整部14は、ループ形成部28と用紙の姿勢を制御するガイド部材29が備えられており、この部分を通過することによって用紙のコシを利用してスキューが矯正されると共に搬送タイミングが制御されて記録部20に進入する。
The
排出部22は、記録部20で画像が形成された用紙が排紙ベルト23を介してトレイ25に収納するものである。
The
記録ヘッド部16とメンテナンス部18の間には、用紙Pが搬送される用紙搬送路が構成されている。用紙搬送路に沿って複数のスターホイール17と搬送ロール19が配置されており、スターホイール17と搬送ロール19とで用紙Pを挟持しつつ連続的に(停止することなく)搬送する。そして、この用紙Pに対して、記録ヘッド部16からインク滴が吐出され用紙Pに画像が形成される。
Between the
メンテナンス部18は、インクジェット記録ユニット30(インクジェット記録ヘッド32)に対して対向配置されるメンテナンス装置21で構成されており、インクジェット記録ユニット30(インクジェット記録ヘッド32)に対するキャッピングや、ワイピング、さらにダミージェットやバキューム等の処理を行うことができる。
The
図2に示すように、インクジェット記録ユニット30のそれぞれは、用紙搬送方向と直交する方向に配置された、複数のインクジェット記録ヘッド32を備えている。インクジェット記録ヘッド32には、マトリックス状に複数のノズル56が形成されている。用紙搬送路を連続的に搬送される用紙Pに対し、ノズル56からインク滴を吐出することで、用紙P上に画像が記録される。なお、インクジェット記録ユニット30は、たとえば、いわゆるフルカラーの画像を記録するために、YMCKの各色に対応して、少なくとも4つ配置されている。
As shown in FIG. 2, each of the
図3に示すように、それぞれのインクジェット記録ユニット30のノズル56による印字領域幅は、このインクジェット記録装置10での画像記録が想定される用紙Pの用紙最大幅PWよりも長くされており、インクジェット記録ユニット30を紙幅方向に移動させることなく用紙Pの全幅にわたる画像記録が可能とされている(いわゆるFull Width Array(FWA))。ここで、印字領域とは、用紙の両端から印字しないマージンを引いた記録領域のうち最大のものが基本となるが、一般的には印字対象となる用紙最大幅PWよりも大きくとっている。これは、用紙が搬送方向に対して所定角度傾斜して(スキューして)搬送されるおそれがあること、また縁無し印字の要請が高いためである。
As shown in FIG. 3, the print area width by the
次に、以上のような構成のインクジェット記録装置10に搭載された本発明の第1実施形態であるインクジェット記録ヘッド32について詳細に説明する。図4は、インクジェット記録ヘッド32を部分的に取り出して主要部分が明確になるように示す概略断面図である。図5及び図6は、インクジェット記録ヘッド32の製造方法の製造工程の一例を示す工程図である。
Next, the ink
このインクジェット記録ヘッド32には、天板部材40が配置されている。本実施形態では、天板部材40を構成するガラス板製の天板41は板状で配線を有しており、インクジェット記録ヘッド32全体の天板となっている。天板部材40には、駆動IC60と、駆動IC60に通電するための金属配線90が設けられている。金属配線90は、樹脂保護膜92で被覆保護されている。
A
また、この駆動IC60の下面には、複数のバンプ(図示省略)がマトリックス状に所定高さ突設されており、天板41上の金属配線90にフリップチップ実装されるようになっている。したがって、圧電素子46に対する高密度配線と低抵抗化が容易に実現可能であり、これによって、インクジェット記録ヘッド32の小型化が実現可能となっている。駆動IC60の周囲は樹脂材58で封止されている。
In addition, a plurality of bumps (not shown) protrude in a matrix shape at a predetermined height on the lower surface of the
天板部材40には、耐インク性を有する材料で構成されたプール室部材39が貼着されており、天板41との間に、所定の形状及び容積を有するインクプール室38が構成されている。プール室部材39には、インクタンクと連通するインク供給ポート36が所定箇所に穿設されており、インク供給ポート36から注入されたインク110は、インクプール室38に貯留される。
A
天板41には、後述する圧力室50と一対一で対応するインク供給用貫通口112が形成されており、その内部が第1インク供給路114Aとなっている。
The
また、天板41には、後述する上部電極54に対応する位置に、電気接続用貫通口42が形成されている。天板41の金属配線90は電気接続用貫通口42内にまで延長されてその電気接続用貫通口42の内面の一部を覆っている。そして、電気接続用貫通口42の内部には、金属配線90に接触するようにして、半田86が充填されている。これにより、金属配線90が補強されて半田86を介して金属配線90と上部電極54とが電気的に接続され、圧電素子基板70の個別配線が不要になっている。また、半田86によって電気的な接続状態が向上されており、たとえば、熱ストレスや機械的ストレスなどを受けても半田86によって金属配線90と上部電極54との電気的接続が良好に維持される。
The
流路基板72には、インクプール室38から供給されたインクが充填される圧力室50が形成されている。また、圧力室50の下部には連通路51とノズル56が形成されたノズルプレート74が接合されており、圧力室50と連通するノズル56からインク滴が吐出されるようになっている。そして、インクプール室38と圧力室50とが同一水平面上に存在しないように構成されている。したがって、圧力室50を互いに接近させた状態に配置することが可能であり、ノズル56をマトリックス状に高密度に配設することが可能となっている。
A
流路基板72のノズル56側と反対の面には、圧電素子基板70が貼着されており、圧力室50の1つの面を構成している。圧電素子基板70は振動板48を有しており、振動板48の振動によって圧力室50の容積を増減させて圧力波を発生させることで、ノズル56からのインク滴の吐出が可能になる。
A
この圧力室50には、振動板48と直交する方向の壁部50Aの上方であって、圧力室50と振動板48とが接触する領域に、圧力室50の開口寸法を周囲に拡大した凹状部50Bが形成されている。すなわち、この凹状部50Bにより圧力室50の壁部50Aとの間に段差が形成されており、凹状部50Bによって圧力室50の振動板48に対する開口寸法(圧力室50が振動板48に接する面積)が規定されている。また、圧力室50の壁部50Aの寸法によって、固有周期(圧力室50の容積)が規定されている。壁部50Aと凹状部50Bの製造工程については後述する。
This
圧電素子46は、圧力室50毎に振動板48の上方に配設されている。圧電素子46を構成する圧電体46Aの下面には一方の極性となる下部電極52が配置され、圧電素子46の上面には他方の極性となる上部電極54が配置されている。振動板48は、ガラスで成形され、少なくとも上下方向に弾性を有し、圧電素子46に通電されると(電圧が印加されると)、上下方向に撓み変形する(変位する)構成になっている。なお、振動板48は、SUS等の金属材料であっても差し支えはない。
The
また、圧電素子46は、低透水性の絶縁膜(例えば、SiOx膜)80で被覆保護されている。圧電素子46を被覆保護している低透水性の絶縁膜80は、水分透過性が低くなる条件で着膜するため、水分が圧電素子46の内部に侵入して信頼性不良となること(PZT膜内の酸素を還元することにより生ずる圧電特性の劣化)を防止できる。
The
さらに、絶縁膜80上には、隔壁樹脂層119が積層されている。なお、図示を省略するが、この隔壁樹脂層119は、圧電素子基板70と天板部材40との間の空間を区画している。
Further, a
隔壁樹脂層119には、天板41のインク供給用貫通口112と連通するインク供給用貫通口44が形成されており、その内部が第2インク供給路114Bとなっている。第2インク供給路114Bは、第1インク供給路114Aの断面積よりも小さい断面積を有しており、インク供給路全体での流路抵抗が所定の値になるように調整されている。これに対し、第1インク供給路114Aの断面積は第2インク供給路114Bの断面積よりも十分に大きくされており、第2インク供給路114Bでの流路抵抗と比べて実質的に無視できる程度とされている。すなわち、インクプール室38から圧力室50へのインク供給路114の流路抵抗は、第2インク供給路114Bのみで規定される。また、このように隔壁樹脂層119に形成したインク供給用貫通口44でインクを供給するようにしたことで、供給途中でのインク漏れが防止されている。
The
また、電気接続用貫通口42に対応する位置にも隔壁樹脂層118が積層されている。なお、図4では、隔壁樹脂層118と隔壁樹脂層119が分離された位置での断面としているが、これらは、実際には部分的に繋がっている。隔壁樹脂層118、119によって、天板部材40と圧電素子46(厳密には、圧電素子46上の絶縁膜80)との間に間隙が構成され、空気層となっている。この空気層により、圧電素子46の駆動や振動板48の振動に影響を与たりしないようになっている。
A
このようなインクジェット記録ヘッド32では、駆動IC60からの信号が、天板部材40の金属配線90に通電され、さらに金属配線90から半田86を介して上部電極54に通電される。そして、所定のタイミングで圧電素子46に電圧が印加され、振動板48が上下方向に撓み変形することにより、圧力室50内に充填されたインク110が加圧されて、ノズル56からインク滴が吐出する。
In such an ink
隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118とは、その上面の高さが一定、すなわち面一になるように構成されている。したがって、天板41から測った隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118の対向面の高さ(距離)も同一になっている。これにより、天板41が接触する際の接触性が高くなり、シール性も高くなっている。
The
次に、以上のような構成のインクジェット記録ヘッド32の主要部分の製造方法であって、本発明の第1実施形態のインクジェット記録ヘッド32の製造方法について、図5及び図6を基に詳細に説明する。
Next, a method for manufacturing the main part of the ink
図5(A)に示すように、圧力室50(図4参照)となる流路基板72上の部分に、犠牲層200を積層し、パターニングする。この犠牲層200は、振動板48(図4参照)と接する圧力室50に相当する部分に形成するものであり、この犠牲層200の寸法が圧力室50の開口寸法となる。犠牲層200の厚みは、2.0μm以下であり、特に、0.2〜0.3μmが好ましい。また、犠牲層200の材料は、例えば、Poly-Siが用いられるが、SiO2やGe、高融点金属(Ta、Wなど)などを用いてもよい。犠牲層200の形成は、具体的には、RFあるいはDCスパッタによる犠牲層膜積層、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離などにより行う。
As shown in FIG. 5A, a
次いで、図5(B)に示すように、流路基板72の犠牲層200の上から振動板48を積層する。振動板48の材料は、例えば、SiO2、CrN、TaAlなどが用いられる。また、振動板48の上にスパッタ法により下部電極52を積層する。下部電極52の材料は、IrあるいはPtなどが用いられる。
Next, as shown in FIG. 5B, the
次いで、下部電極52の上に圧電体46Aの材料と上部電極54を順にスパッタ法により積層し、図5(C)に示すように、圧電体46Aと上部電極54をパターニングする。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。圧電体46Aの材料は、例えば、PZT、PNNなどが用いられる。上部電極54の材料は、例えば、IrあるいはPtなどが用いられる。圧電体46Aの着膜は、スパッタ法の他、ゾルゲル法、MOCVD法などから選択してもよい。
Next, the material of the
次いで、図6(A)に示すように、流路基板72の裏面側(振動板48が形成された面と反対側)をエッチングすることで、犠牲層200を残して圧力室50の壁部50Aを形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離などにより行う。エッチングは、プラスト、ウェット、ドライなどで実施する。その際、圧力室50の開口寸法が犠牲層200より小さい寸法となるように、犠牲層200の内側領域に壁部50Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, the back surface side of the flow path substrate 72 (the side opposite to the surface on which the
次いで、図6(B)に示すように、犠牲層200を除去することにより、圧力室50の壁部50Aと振動板48との接触する領域に犠牲層200の外形に沿った凹状部50Bを形成する。このとき、凹状部50Bは、圧力室50の壁部50Aの上部の振動板48の部分に形成される。犠牲層200の除去は、犠牲層200がPoly-Si、SiNの場合は、ケミカルドライエッチング(CDE)による等方性除去、又は、燐酸による除去を行う。なお、犠牲層200がSiO2系の場合は、フッ酸による除去、Ta系の場合は、ケミカルドライエッチング(CDE)により除去する。犠牲層200の除去は、流路基板72、振動板48との選択性により適宜に設定される。
Next, as shown in FIG. 6B, by removing the
その後、図6(C)に示すように、別途作製したノズルプレート74を圧力室50の位置に合わせて流路基板72に接合する。
Thereafter, as shown in FIG. 6C, a separately
このようなインクジェット記録ヘッド32の製造方法では、圧力室50となる流路基板72の部分に犠牲層200を形成し、その後、犠牲層200を除去することで、圧力室50の壁部50Aと振動板48とが接触する領域に犠牲層200の外形に沿った凹状部50Bを形成する。この凹状部50Bによって、振動板48に接する圧力室50の開口寸法(圧力室50の振動板48が接する面積)を高精度に作製することができる。また、圧力室50の壁部50Aの寸法によって、固有周期(圧力室50の容積)を規定することができる。このため、振動板48の変位量を適切に制御することができ、ノズル56からのインク滴の吐出量や方向性が安定化し、良好な画像品質を得ることができる。
In such a manufacturing method of the ink
また、圧力室50の開口寸法は高精度に作製し、精度をあまり要求されない部分は機械加工などを利用して作製することができ、精度とスループット(生産効率、低コスト化)を向上させることができる。
In addition, the opening size of the
次に、本発明の第2実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの製造方法について、図7〜図9を基に詳細に説明する。 Next, the manufacturing method of the inkjet recording head in 2nd Embodiment of this invention is demonstrated in detail based on FIGS.
なお、第1実施形態と同じ部材には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。 In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図7(A)に示すように、流路基板272を所定のパターンでエッチングして凹部272Aを形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。エッチングは、ドライ、ウェットなどで実施する。流路基板272の材料は、例えば、Siやガラスなどが用いられる。凹部272Aの深さは、エッチング量が増えると寸法のバラツキが大きくなるため、0.5μm〜1.0μmが好適である。
As shown in FIG. 7A, the
次いで、図7(B)に示すように、流路基板272の凹部272Aとその周囲を覆う流路基板272の全面に犠牲層202となる犠牲層材料を塗布する。この犠牲層材料は、例えば、Poly-Siが用いられるが、この他、SiO2やGe、高融点金属(Ta、Wなど)などを用いてもよい。犠牲層202となる犠牲層材料の塗布は、樹脂材料の塗布や、印刷などにより行う。
Next, as shown in FIG. 7B, a sacrificial layer material to be the
次いで、図7(C)に示すように、犠牲層202となる犠牲層材料をエッチング又は研磨し、流路基板272の表面をフラットにする。これにより、凹部272Aに犠牲層202が埋め込まれた状態となる。この犠牲層202は、振動板48(図9参照)と接する圧力室250(図9参照)に相当する部分に形成するものであり、この犠牲層202の寸法が圧力室50の開口寸法となる。
Next, as shown in FIG. 7C, the sacrificial layer material to be the
次いで、図7(D)に示すように、流路基板272の犠牲層202の上から振動板48を積層する。振動板48の材料は、例えば、SiO2、CrN、TaAlなどが用いられる。
Next, as shown in FIG. 7D, the
次いで、図8(A)に示すように、振動板48の上にスパッタ法により下部電極52を積層する。下部電極52の材料は、IrあるいはPtなどが用いられる。
Next, as shown in FIG. 8A, the
次いで、下部電極52の上に圧電体46Aの材料と上部電極54を順にスパッタ法により積層し、図8(B)に示すように、圧電体46Aと上部電極54をパターニングする。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。圧電体46Aの材料は、例えば、PZT、PNNなどが用いられる。上部電極54の材料は、例えば、IrあるいはPtなどが用いられる。圧電体46Aの着膜は、スパッタ法の他、ゾルゲル法、MOCVD法などから選択してもよい。
Next, the material of the
次いで、図8(C)に示すように、流路基板272の裏面側を研磨して所望の厚さ(100μm〜300μm)の流路基板272Bを形成する。なお、流路基板272の研磨は必須の工程ではなく、最初から薄い基板を使用しても良い。
Next, as shown in FIG. 8C, the back surface side of the
次いで、図9(A)に示すように、流路基板272Bの裏面側(振動板48が形成された面と反対側)をウエットエッチングすることで、犠牲層202を残して圧力室250の壁部250Aを形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(エッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離により行う。エッチングは、ウェットの他、プラスト、ドライなどで実施してもよい。このとき、圧力室250の開口寸法が犠牲層202より小さい寸法となるように、犠牲層202の内側領域に壁部250Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 9A, the back surface side of the
次いで、図9(B)に示すように、犠牲層202を除去することによって、圧力室250の壁部250Aと振動板48との接触する領域に犠牲層202の外形に沿った凹状部250Bを形成する。このとき、凹状部250Bは、圧力室250の壁部250Aの上部の圧力室250の壁面に形成される。犠牲層202の除去は、犠牲層202がPoly-Si、SiNの場合は、ケミカルドライエッチング(CDE)による等方性除去、又は、燐酸による除去を行う。なお、犠牲層202がSiO2系の場合は、フッ酸による除去、Ta系の場合は、ケミカルドライエッチング(CDE)により除去する。犠牲層202の除去は、流路基板272B、振動板48との選択性により適宜に設定できる。
Next, as shown in FIG. 9B, by removing the
その後、図9(C)に示すように、別途作製したノズルプレート74を圧力室250の位置に合わせて流路基板272Bに接合することによって、インクジェット記録ヘッド232を作製する。
After that, as shown in FIG. 9C, an ink
このようなインクジェット記録ヘッド232の製造方法では、凹部272Aに埋め込まれた犠牲層202を形成し、その後、犠牲層202を除去することで、圧力室250の壁部250Aの上方の振動板48に接する部分に凹状部250Bを形成する。この凹状部250Bによって、振動板48に接する圧力室250の開口寸法(圧力室250の振動板48が接する面積)を高精度に作製することができる。また、圧力室250の壁部250Aの寸法によって、固有周期(圧力室250の容積)を規定することができる。このため、振動板48の変位量を適切に制御することができ、ノズル56からのインク滴の吐出量や方向性が安定化し、良好な画像品質を得ることができる。また、圧力室250の開口寸法は高精度に作製し、精度をあまり要求されない部分は機械加工などを利用して作製することができ、精度とスループット(生産効率、低コスト化)を向上させることができる。
In such a method of manufacturing the ink
なお、図1等に示した例では、紙幅対応のFWAの例について説明したが、本発明のインクジェット記録ヘッドは、これに限定されず、主走査機構と副走査機構を有するPartial Width Array(PWA)の装置にも適用することができる。 In the example shown in FIG. 1 and the like, an example of FWA corresponding to the paper width has been described. However, the inkjet recording head of the present invention is not limited to this, and a partial width array (PWA) having a main scanning mechanism and a sub-scanning mechanism. It can also be applied to the apparatus of
また、図1等に示した例では、記録媒体として用紙P上へ画像(文字を含む)を記録するものであったが、本発明の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、これに限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりする等、工業用的に用いられる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置全般に適用することができる。 In the example shown in FIG. 1 and the like, an image (including characters) is recorded on the paper P as a recording medium. However, the liquid droplet ejection head and the liquid droplet ejection apparatus of the present invention are not limited to this. Is not to be done. That is, the recording medium is not limited to paper, and the liquid to be ejected is not limited to ink. For example, it is industrially useful to create color filters for displays by discharging ink onto polymer films or glass, or to form bumps for component mounting by discharging solder in a welded state onto a substrate. The present invention can be applied to all droplet discharge heads and droplet discharge apparatuses used.
10 インクジェット記録装置(液滴吐出装置)
16 記録ヘッド部
30 インクジェット記録ユニット
32 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
46 圧電素子
46A 圧電体
48 振動板
50 圧力室
50A 壁部
50B 凹状部
56 ノズル
72 流路基板
110 インク
200 犠牲層
202 犠牲層
232 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
250 圧力室
250A 壁部
250B 凹状部
272 流路基板
272A 凹部
272B 流路基板
10 Inkjet recording device (droplet ejection device)
16
46
250
Claims (5)
圧力室となる基板の部分に、犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に振動板となる振動板層を形成する工程と、
前記基板のノズルを形成する側からエッチングし、前記犠牲層を残して前記犠牲層の内側領域に圧力室を形成する工程と、
前記犠牲層を除去することによって、前記圧力室の壁と前記振動板とが接触する領域に前記犠牲層の外形に沿った凹状部を形成する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 A method of manufacturing a droplet discharge head for discharging droplets from a nozzle communicating with the pressure chamber by vibration of a vibration plate in contact with a pressure chamber in which a liquid is stored,
Forming a sacrificial layer on the portion of the substrate that becomes the pressure chamber;
Forming a diaphragm layer to be a diaphragm on the sacrificial layer;
Etching from the nozzle forming side of the substrate, leaving the sacrificial layer and forming a pressure chamber in an inner region of the sacrificial layer;
Removing the sacrificial layer to form a concave portion along the outer shape of the sacrificial layer in a region where the wall of the pressure chamber and the diaphragm are in contact with each other;
A method of manufacturing a droplet discharge head, comprising:
前記圧力室に相当する前記基板の部分を削り込んで凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された側の前記基板に前記犠牲層となる犠牲層材料を塗布する工程と、
前記犠牲層材料を削り、前記基板をフラットとして前記犠牲層を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 Forming the sacrificial layer comprises:
Cutting the portion of the substrate corresponding to the pressure chamber to form a recess;
Applying a sacrificial layer material to be the sacrificial layer to the substrate on the side where the recess is formed;
Scraping the sacrificial layer material to form the sacrificial layer with the substrate flat;
The method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 1, wherein:
前記圧力室に接し、前記圧力室内の液体に圧力を加える振動板と、を備え、
前記振動板の振動により前記ノズルから液滴が吐出される液滴吐出ヘッドであって、
前記圧力室の壁と前記振動板とが接触する領域に前記圧力室の開口面積を拡大する凹状部が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A pressure chamber containing liquid and communicating with a nozzle for discharging droplets;
A diaphragm that contacts the pressure chamber and applies pressure to the liquid in the pressure chamber;
A droplet discharge head for discharging droplets from the nozzle by vibration of the diaphragm,
A droplet discharge head, wherein a concave portion that enlarges an opening area of the pressure chamber is formed in a region where the wall of the pressure chamber and the diaphragm are in contact with each other.
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-
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CN104085195B (en) * | 2013-09-27 | 2016-02-03 | 大连理工大学 | The manufacture method of jet head liquid, jet head liquid and printing device |
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