JP2007253437A - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ノズル孔を高密度に配置でき、しかも安定して吐出できる液滴吐出ヘッドを提案すること。
【解決手段】複数のノズル孔21を有したノズル基板2と、ノズル基板2とともに複数の吐出室31を構成する第1凹部31を有し、第1凹部31の底壁の変形を利用して各吐出室31に対応したノズル孔21から液滴を吐出させるキャビティ基板3と、第1凹部31の底壁に隙間16を介して対向し該底壁を変形させる複数の電極41が形成された電極基板4との3枚の基板が積層された液滴吐出ヘッド1であって、ノズル基板2はキャビティ基板3より板厚の厚い部材から構成され、ノズル基板2に、吐出室31へ供給する液体を貯えるリザーバ23となる第2凹部23が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、プリンタなどに使用される液滴吐出ヘッド及びそれを備えた液滴吐出装置に関する。
プリンタの液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドでは、印刷速度の高速化及びカラー化を目的として、インク吐出用のノズル孔を複数有する構造が求められている。更に、近年、ノズル密度は高密度化するとともに、ノズル孔の列が長尺化(1列当りのノズル孔数の増加)しており、ノズル孔から液滴を吐出させる機構を構成するアクチュエータの数も益々増加している。
上記のような構造のインクジェットヘッドにおいて、アクチュエータを駆動してインクを吐出させると、吐出時に吐出室内のインクが振動する。この振動は吐出室にインクを供給している共通インク室(リザーバ)のインクも振動させる。この振動により、駆動していないアクチュエータに影響を与えてしまい、その駆動していないアクチュエータからもインクが吐出してしまう(クロストークと称される)問題があった。
上記課題を解決するために、ノズル孔が形成されている基板のリザーバ対応部分を薄くすることにより、リザーバのコンプライアンスを大きくして、圧力干渉を防ぐようにしたインクジェットヘッドが公知となっている(例えば、特許文献1)。しかしながら、駆動するアクチュエータの数が益々増えつつある現在の状況を考慮すると、その対応だけでは不十分となる可能性がある。
特開平11−115179号公報
本発明は、上記課題に対応するものであり、ノズル孔を高密度に配置でき、しかも安定した吐出が可能となる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提案するものである。
本発明の液滴吐出ヘッドは、複数のノズル孔を有したノズル基板と、前記ノズル基板とともに複数の吐出室を構成する第1凹部を有し、前記第1凹部の底壁の変形を利用して各吐出室に対応した前記ノズル孔から液滴を吐出させるキャビティ基板と、前記底壁に隙間を介して対向し前記底壁を変形させる複数の電極が形成された電極基板との3枚の基板が積層された液滴吐出ヘッドであって、前記ノズル基板は前記キャビティ基板より板厚の厚い部材から構成され、前記ノズル基板に、前記吐出室へ供給する液体を貯えるリザーバとなる第2凹部が形成されているものである。
上記構成によれば、ノズル基板内にリザーバを形成することにより、リザーバを作り込むための専用の基板(リザーバ基板)の利用が不要となる。また、リザーバの容積を大きく形成できるため、リザーバのコンプライアンスが増大して、クロストークを抑えることが可能となる。
なお、前記電極基板には前記電極に接続されて該電極への電力供給を制御するドライブICを設け、前記ノズル基板には前記キャビティ基板から突出する前記ドライブICを収容する第3凹部が形成されていることが好ましい。これにより、ノズル基板の厚さを有効に利用したコンパクトな液滴吐出ヘッドが得られる。
また、前記第2凹部の底壁あるいは前記第2凹部の底壁及び側壁を、可撓性を有した液圧変動緩衝部としていることが好ましい。これらにより、リザーバのコンプライアンスをさらに増大でき、より多くのノズルを駆動してもクロストークの発生を抑制できる。
本発明の液滴吐出装置は、上記いずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えたものであり、その動作時にクロストークが生じない、高性能の液滴吐出装置が得られる。
実施の形態1
(液滴吐出ヘッドの構成)
図1は本発明の実施形態1に係る液滴吐出ヘッド1の部分断面図、図2は図1の液滴吐出ヘッド1の一部(封止部の形状)を変形した実質的に液滴吐出ヘッド1と同じ構成の液滴吐出ヘッド1Aの部分断面図である。これらの液滴吐出ヘッド1,1Aは、ノズル基板2、キャビティ基板3及び電極基板4の3枚の基板を順に貼り合わせた積層構造に構成されている。以下では、液滴吐出ヘッド1について図を参照しながらその構成を詳述する。
ノズル基板2は、例えば厚さ約300μmのシリコン基板から作製されている。ノズル基板2には複数のノズル孔21が所定のピッチで設けられている。各ノズル孔21はノズル連通孔22を介して、後述する複数の吐出室31のうちの対応するそれぞれの吐出室31に連通している。ノズル連通孔22は、ノズル孔21と同軸上に設けられているので、吐出液の直進性が得られ、そのため吐出特性が向上する。従って、プリンタに適用した場合には、微小なインク滴を狙い通りに着弾させて、色ずれ等を生じることなく微妙な階調変化を忠実に再現することができ、より鮮明で高品位の画質を実現することができる。
ノズル基板2にはまた、吐出室31に対して共通のリザーバ(共通インク室)23となる第2凹部(これも符号23で表す)が形成されている。第2凹部23の底壁23aと側壁23bは、その厚みを薄く形成して可撓性を持たせ、リザーバ23内の液圧変動を緩衝させる液圧変動緩衝部(ダイアフラム)としている。なお、この側壁23bは、吐出室31の入口(これを後に連通口31aで表している)と対向する側に位置させるのがよい。
ノズル基板2はさらに、電極基板4に設けられキャビティ基板3から突出するドライブIC5を収容する空間となる第3凹部24が形成されている。
キャビティ基板3は、例えば厚さ約50μmのシリコン基板から作製されている。このキャビティ基板3には、ノズル基板2のノズル連通孔21のそれぞれに独立して連通する吐出室31となる第1凹部(これも符号31で表す)がノズル孔21の間隔と同じ間隔で複数設けられている。そして、この第1凹部31とキャビティ基板3に密着接合されたノズル基板2とで各吐出室31が区画形成されている。この場合、各吐出室31は、その端部においてノズル基板2との間に形成される連通口31aを介して、リザーバ23と個別に連通している。
吐出室31の底壁は、可撓性を有し変形可能な振動板32を構成している。この振動板32は、シリコンに高濃度のボロンを拡散することにより形成されるボロンドープ層により構成するのが好ましい。ボロンドープ層はウェットエッチングの際に、エッチングストップを十分に働かせることができるので、振動板32の厚さや面荒れを精度よく調整することができるからである。
キャビティ基板3の電極基板4と対向する面には、例えばTEOS(Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)を原料としたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長法)によるSiO2膜からなる絶縁膜(図示せず)が、例えば0.1μmの厚さで形成されている。この絶縁膜は、液滴吐出ヘッドの駆動時における絶縁破壊や短絡を防止するために設けられている。一方、キャビティ基板3のノズル基板2と対向する面には、インク保護膜(図示せず)が形成されている。
また、キャビティ基板3には、ノズル基板2の第2凹部23と第3凹部24に連通する貫通口33,34、及び、後述するキャビティ基板3と電極基板4とで形成されるギャップ16を封止するための開口部35が形成されている。
この他、キャビティ基板3には、キャビティ基板3を電源などへ電気的に接続する共通電極(図示せず)も設けられている。
電極基板4は、例えば厚さ約1mmのガラス基板から製作されている。特に、キャビティ基板3となるシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬ガラスを用いるのが適している。こうすることにより、電極基板4とシリコン基板を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板4とシリコン基板との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく、電極基板4とシリコン基板を強固に接合することができるからである。
電極基板4には、キャビティ基板3の第1凹部31の底壁をなす各振動板32に対向する位置に、それぞれ電極形成溝42が設けられている。各電極形成溝42は、エッチングにより例えば約0.2μmの深さで形成され、その底面には、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極41が、例えば0.1μmの厚さでスパッタにより形成されている。これにより、振動板32と個別電極41との間には、0.1μmのギャップ(振動板32の振動空間となる)16が形成されている。そして、キャビティ基板3の開口部35に対応しているギャップ16の端部は、エポキシ接着剤等からなる封止材45により気密に封止される。これにより異物や湿気等がギャップ16へ侵入するのを防止することができ、液滴吐出ヘッド1の信頼性を高く保持することができる。
なお、個別電極41の材料はITOに限定するものではなく、IZO(Indium Zinc Oxide)あるいは金、銅等の金属を用いてもよい。ただ、ITOは透明であるので振動板32の当接具合の確認が行いやすいことなどの理由から、一般にはITOが用いられている。
また、個別電極41の一方の端部は電極端子部41aとなっており、そこでドライブIC5と接続されている。これに対応して電極基板4には、ドライブIC5に対する信号線や電源線も設けられており、それらの配線の外部機器接続部には、例えばFPC(Flexible Printed Circuit)が接続される。なお、信号線、電源線及び外部機器接続部の図示は省略している。
電極基板4にはまた、液体カートリッジ(図示せず)に接続される液体供給孔43が形成されている。液体供給孔43は、キャビティ基板3に設けられた液体供給孔33を通じてリザーバ23に連通している。
次に、上記のように構成された液滴吐出ヘッド1の動作について説明する。なお、この液滴吐出ヘッドには、外部のカートリッジからインク等の液体が液体供給孔43,33を介してリザーバ23内に供給され、さらにその液体は連通口31a、吐出室31、ノズル連通孔22を経てノズル孔21の先端まで満たされている。また、キャビティ基板3の共通電極と電極基板4の外部機器接続部とが、FPCを介して別体の駆動回路に接続されていて、振動板31と個別電極41とから構成される静電アクチュエータの電極間に、電荷を付加できる状態となっている。
各個別電極41への電圧供給はドライブIC5により制御される。ドライブIC5は、例えば24kHzで発振し、個別電極41に0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。例えば、個別電極41に電荷を供給してプラスに帯電させると、振動板32はマイナスに帯電し、静電気力により個別電極41側に引き寄せられて撓む。これによって吐出室31の容積が増大する。次に、その電荷供給を停止すると、静電気力がなくなり振動板32はその弾性力により元に戻る。その際、吐出室31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31内の液体の一部がノズル連通孔22を通過し液滴となってノズル孔21から吐出される。そして、再びパルス電圧が印加され、振動板32が個別電極41側に撓むことにより、液体がリザーバ23から吐出室31内に補給される。
上記のように構成した液滴吐出ヘッド1(液滴吐出ヘッド1Aも含む)において、その動作時、吐出室31の圧力変動はリザーバ23にも伝達される。しかし、液滴吐出ヘッド1では、ノズル基板2内にリザーバ23を形成しているので、リザーバ23の容積が従来に比べてかなり大きくなっており、それによりリザーバ23のコンプライアンスが増大して、クロストークを抑えることが可能となる。
しかも、リザーバ23を構成している第2凹部23の底壁23a及び側壁23bを、可撓性を有した液圧変動緩衝部としているので、リザーバ23のコンプライアンスをさらに増大でき、より多くのノズルを駆動してもクロストークの発生を抑制できる。なお、吐出室31の圧力変動が小さい場合には、リザーバ23の底壁23aだけを液圧変動緩衝部としてもよい。
また、液滴吐出ヘッド1の場合、キャビティ基板3から突出するドライブIC5が第3凹部24に収納されているため、コンパクトな液滴吐出ヘッド1が得られる。
(液滴吐出ヘッドの製造方法)
次に、実施の形態1の液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。ここでは、まず滴吐出ヘッド1又は1Aに使用するノズル基板2の製造方法の一例を、図3の工程図に基づいて説明する。
(1)シリコン基板200の表裏両面を鏡面研磨し、約300μmの厚みの基板を作製する。次に、酸素及び水蒸気雰囲気中にて、シリコン基板200の両面に約1.2μmの熱酸化膜(SiO2膜)201を成膜する。
(2)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、ノズル孔21に対応するレジストパターニングを片側に施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜をパターニングする。そしてレジストを剥離する。
(3)ICPドライエッチング装置を用いて、シリコン基板200にノズル孔21をドライエッチングする。ここでは、例えばノズル孔21の深さが約50μmになるまでエッチングする。
(4)シリコン基板200の両面にレジストを塗布し、ノズル連通孔22、第2凹部23、第3凹部24及びダイアフラム形成溝25に対応するレジストパターニングをノズル孔21を形成した面に施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2膜をパターニングする。そしてレジストを剥離す。
(5)ICPドライエッチング装置を用いて、シリコン基板200に、ノズル連通孔22、第2凹部23、第3凹部24及びダイアフラム形成溝25をドライエッチングする。なお、ノズル孔21はエッチングしないように保護しておく。ここでは、例えばノズル基板2の底面厚さが約50μmになるまでエッチングする。ただし、第2凹部23の底壁23a及び側壁23bは、充分な圧力緩衝作用が得られるような厚さに形成する。
(6)最後に、シリコン基板200の表面からSiO2膜を除去して、ノズル孔21、ノズル連通孔22、底壁23a及び側壁23bを有した第2凹部23、第3凹部24を備えたノズル基板2とする。
次に、図4に示す液滴吐出ヘッドの製造工程を示す流れ図に従って、液滴吐出ヘッド1の製造方法を説明する。なお、実際には、シリコンウェハから複数個分の液滴吐出ヘッドを同時形成するが、図4ではその一部分だけを示している。また、ここで示している符号は、図1〜図3における符号に対応している。
(S1)約1mmのガラス基板に対し、個別電極41を成膜するための深さ0.2μmの電極形成溝42を形成する。電極形成溝42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41を形成する。併せて、ドライブIC5を装着するための電極端子部41a、ドライブIC5に対する信号や電源の引出線及びその外部機器接続部も形成される。その後、液体供給口43を切削加工等により形成して電極基板4とする。
(S2)キャビティ基板3となるシリコン基板(これも符号3で表す)の片面を鏡面研磨した220μmの厚みの基板を作製する。そのシリコン基板3の鏡面側に、振動板31の厚みと同等の高濃度ボロンドープ層を形成する。そして、そのボロンドープ層の表面にTEOS絶縁膜を0.1μm成膜する。
(S3)シリコン基板3と電極基板4を360℃に加熱した後、電極基板4に負極、シリコン基板3に正極を接続して、800Vの電圧を印加してそれらの基板を陽極接合する。この接合により、シリコン基板3のTEOS絶縁膜と電極基板4の個別電極41との間には、電極形成溝42に起因するギャップ16が形成される。
(S4)陽極接合後、シリコン基板3の表面を、その厚みが約60μmになるまで研削加工を行う。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3を約10μmエッチングする。これによりシリコン基板3の厚みは約50μmとなる。
(S5)電極基板4とシリコン基板3との接合済み基板を水酸化カリウム水溶液を用いてエッチングし、シリコン基板3に吐出室31を形成する。このエッチング工程では、ボロンドープ層でのエッチングレートの低下を利用してエッチングをストップをさせる。これにより、吐出室31の底面を構成する振動板32の面荒れを抑制し、その厚み精度を0.80±0.05μm以下にして、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。また、シリコン基板3には、貫通口33,34および開口部35などの貫通部を形成し、更に共通電極を設けてキャビティ基板3とする。
(S6)上記接合済み基板を乾燥し、ギャップ16内部の水分を除去した後、エポキシなどの封止材45を開口部35に流し込み、ギャップ16を封止する。これによって、ギャップ16は密閉状態となる。
(S7)電極基板4の電極端子部41aに、貫通口34を通してドライブIC5を実装し、個別電極41と電気的に接続する。
(S8)先に製造しておいたノズル基板2を、エポキシ系接着剤を利用してキャビティ基板3に接着する。最後にダイシングを行い、個々のヘッドに切断し、液滴吐出ヘッド1とする。
以上の液滴吐出ヘッド1の製造方法によれば、キャビティ基板3より厚いノズル基板2にリザーバ23を構成する第2凹部23を形成しているため、リザーバ23の流路抵抗を低くし、吐出能力の向上が可能となる。
また、第2凹部23の底壁23a及び側壁23bを薄く形成して可撓性を持たせ、その部分を液圧変動緩衝部としているので、リザーバ23のコンプライアンスをさらに増大でき、より多くのノズル孔21を有していても、クロストークの発生が抑制できる。
実施の形態2
ここでは、実施の形態1の液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置について説明する。図5は液滴吐出ヘッド1を備えたインクジェット方式によるプリンタの構成図である。この液滴吐出装置は、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1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1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1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1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、図示していない発振駆動回路を駆動させて液滴吐出ヘッド1の振動板を振動させ、プリント紙110に印刷を行わせる。
なお、実施の形態2ではインクを吐出する液滴吐出ヘッドの例を示したが、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、染料や顔料を含む液体、有機EL等の表示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。
本発明の実施の形態1に係る滴吐出ヘッドの部分断面図。 本発明の実施の形態1に係る別の滴吐出ヘッドの部分断面図。 本発明の滴吐出ヘッドに使用するノズル基板の製造工程例示図。 本発明の実施の形態1に係る滴吐出ヘッドの製造工程を示す流れ図。 本発明の実施の形態2に係る液滴吐出装置の構成図。
符号の説明
1,1A 液滴吐出ヘッド、2 ノズル基板、3 キャビティ基板、4 電極基板、5 ドライブIC、16 ギャップ、21 ノズル孔、22 ノズル連通孔、23 第2凹部(リザーバ)、23a 第2凹部の底壁(ダイアフラム)、23b 第2凹部の側壁(ダイアフラム)、24 第3凹部、25 ダイアフラム形成溝、31 第1凹部(吐出室)、31a 連通口、32 振動板、33,34 貫通口、35 開口部、41 個別電極、41a 電極端子部、42 電極形成溝、43 液体供給口、45 封止材。

Claims (5)

  1. 複数のノズル孔を有したノズル基板と、前記ノズル基板とともに複数の吐出室を構成する第1凹部を有し、前記第1凹部の底壁の変形を利用して各吐出室に対応した前記ノズル孔から液滴を吐出させるキャビティ基板と、前記底壁に隙間を介して対向し前記底壁を変形させる複数の電極が形成された電極基板との3枚の基板が積層された液滴吐出ヘッドであって、
    前記ノズル基板は前記キャビティ基板より板厚の厚い部材から構成され、前記ノズル基板に、前記吐出室へ供給する液体を貯えるリザーバとなる第2凹部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。
  2. 前記電極基板には前記電極へ電力供給を制御するドライブICが設けられており、
    前記ノズル基板には前記キャビティ基板から突出する前記ドライブICを収容する第3凹部が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  3. 前記第2凹部の底壁を可撓性を有した液圧変動緩衝部としていることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
  4. 前記第2凹部の側壁を可撓性を有した液圧変動緩衝部としていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
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