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

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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