JP2007320284A

JP2007320284A - 液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置

Info

Publication number: JP2007320284A
Application number: JP2006156045A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shikame; 修鹿目; Koichiro Nakanishi; 宏一郎中西
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】吐出不良を検出することで吐出の安定性を高めた液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】本発明の液滴吐出ヘッドのアクチュエータ６ａ〜６ｄは薄膜振動板２の圧力室３ａ〜３ｄ内に面する面と反対側の面上の圧力室３ａ〜３ｄに対向する位置に薄膜を積層して形成されている。また、圧力波検知素子４ａ〜４ｅは薄膜振動板２の面上で、かつ圧力室３ａ〜３ｄに対向していない位置に薄膜を積層して形成されている。アクチュエータ６ａ〜６ｄと圧力波検知素子４ａ〜４ｅとが同じ積層構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の流路基板を接合して構成された、アクチュエータの駆動により液体を吐出する液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。

特許文献１において、振動板の表面全体にわたって成膜技術により均一な圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜をフォトリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に分割して圧力発生室毎に独立するようにアクチュエータを形成したものが提案されている。これによればアクチュエータを振動板に貼付ける作業が不要となって、フォトリソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法でアクチュエータを薄膜振動板上に作り付けることができる。また、振動板及びアクチュエータの厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。上記特許文献１では液滴吐出口についてはほとんど言及されていないが、高密度化などの観点からは振動板と圧電膜の積層方向に概略垂直な面から液滴吐出を行う、いわゆるサイドシュータタイプが好ましい。サイドシュータタイプの液滴吐出装置は一般的にはアクチュエータを備えた流路基板と、微細な吐出口を有するノズルプレートを接合して構成される。
特開平５−２８６１３１号公報

薄膜振動板上にアクチュエータを有する液滴吐出装置においては、薄膜振動板上のアクチュエータに印加された電圧によって、流路内の液体を吐出させる。しかし、産業用途に用いる場合には長時間連続で駆動するためにアクチュエータの経時劣化により吐出力が弱くなり安定した吐出ができなくなるという問題点がある。また、流路内に気泡が発生したりすることによっても吐出が不安定になることがあった。

そこで、本発明は、吐出不良を検出することで吐出の安定性を高めた液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の液滴吐出ヘッドは、以下の構成を有する。本発明の液滴吐出ヘッドは、薄膜を積層して形成され、液体を吐出するエネルギーを発生するアクチュエータが設けられた振動板と、該振動板の前記アクチュエータが形成された面とは逆側に、壁部を介して対向して設けられた、吐出口を有するノズルプレートと、を有し、前記振動板と前記側壁と前記ノズルプレートとにより構成される圧力室内の液体を前記吐出口から吐出する液滴吐出ヘッドであって、前記振動板において、前記圧力室に対応する位置に前記アクチュエータが設けられ、前記圧力室に対応していない位置に前記アクチュエータと同じ積層構造の圧力波検知素子が設けられている。

本発明によれば、吐出不良を検出することで吐出の安定性を高めることができる。

以下に本発明を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態による液滴吐出ヘッドの概念を説明する図である。吐出口８が形成されたノズルプレート７に対面して薄膜振動板２が配置されており、これらノズルプレート７と薄膜振動板２との間に壁部５が所定の間隔を空けて配置されることで圧力室３ａ〜３ｄが形成されている。ノズルプレート７の吐出口８と圧力室３ａ〜３ｄとは連通している。圧力室３ａ〜３ｄに面する面と反対側の薄膜振動板２の面上には、薄膜を積層して構成されたアクチュエータ６ａ〜６ｄと、アクチュエータ６ａ〜６ｄと同じ積層構造を有する圧力波検知素子４ａ〜４ｅとが形成されている。アクチュエータ６ａ〜６ｄは圧力室３ａ〜３ｄと対向する位置に設けられている。圧力波検知素子４ａ〜４ｅは、圧力室３ａ〜３ｄと対向しない場所に設けられており、取出電極１ａ〜１ｅが接続されている。すわなち、本実施形態の液体吐出ヘッドは、ノズルプレート７上に壁部５が積層され、さらに壁部５上に薄膜振動板２が積層され、この薄膜振動板２上にさらにアクチュエータ６ａ〜６ｄおよび圧力波検知素子４ａ〜４ｅが積層された構成となっている。これらアクチュエータ６ａ〜６ｄと圧力波検知素子４ａ〜４ｅとは略平行かつ交互に形成されている。

本実施形態による液滴吐出ヘッドによる液体吐出方法は以下の通りである。まず、圧力室３ａ〜３ｄには外部から液体が供給される。ここで、たとえば圧力室３ａから液体を吐出させる場合には薄膜振動板２上の圧力室３ａ上に設けられたアクチュエータ６ａに所定の駆動波形を与える。これにより、アクチュエータ６ａが駆動され圧力室３ａの体積が変化し圧力室３ａ内の液体がノズルプレート７の吐出口８から吐出される。このとき、圧力波検知素子４ａ、４ｂにもアクチュエータ６ａからの圧力波が伝わり、取出電極１ａ、１ｂと不図示の共通電極からの取出し部分の間に電圧が発生する。

次に、本実施形態の液体吐出不良検出方法について図２を用いて説明する。図２は本実施形態の液体吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置の吐出検知の回路のブロック図である。取出電極１ａ、１ｂから出力された信号はＣＰＵ５０に接続されたメモリ６０に蓄積される。なお、メモリ６０内には予め正常な吐出がなされているときに測定しておいた取出電極１ａ、１ｂからの電圧値が記憶されている。メモリ６０のデータには必要に応じて、温度毎や気圧等の環境変化によるデータや周波数や液体の組成等駆動条件による変化のデータ等、任意のものを蓄積しておき正常時のデータとすることができる。ＣＰＵ５０にて取出電極１ａ、１ｂから出力された電圧値と、メモリ６０に記憶されている正常な電圧値とを比較し、所定の範囲内にあるときは正常と判断し、吐出動作を継続する。これに対して、例えば、泡の混入、アクチュエータ６ａの部分的な剥がれや部分劣化等により、比較結果が所定の範囲を超えた場合は、警告を発する。さらに、圧力室３ａ上に設けられたアクチュエータ６ａへの信号を遮断するとともに、他のアクチュエータでの代替処理を行う。本実施形態の場合、各アクチュエータ毎の状態がリアルタイムに検出可能なために代替処理をリアルタイムに行うことも可能である。また、本実施形態の場合、アクチュエータ６ａ〜６ｄに隣接する２つの圧力波検知素子４ａ〜４ｅからの出力信号を用い、アクチュエータ６ａ〜６ｄからの振動を最も近い位置で検出するために、最も効率よく吐出不良を検出することができる。また、隣接するアクチュエータが駆動中であっても不良検知ができる。

なお、ＣＰＵ５０およびメモリ６０は、液滴吐出ヘッドが保持していても良いし、液体吐出装置が保持していても良い。さらに、液体吐出装置に接続された外部のコンピューターがＣＰＵ５０およびメモリ６０を保持したシステムであってもよい。

次に、図３を参照して本実施形態に用いることのできる液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。

本実施形態においては、第一の基体１００として厚さ２００μｍの単結晶シリコンの６インチ基板を用いた。また、薄膜振動板２０２として１μｍ厚さの二酸化シリコンと厚さ５μｍの単結晶シリコンと厚さ０．３μｍの熱酸化膜が第一の基体１００側からこの順に積層されている積層構造を用いた。さらに厚さ３０ｎｍのチタンと厚さ３００ｎｍの白金をこの順番に積層し、第一の導電層２０４とした。チタン及び白金の成膜方法としてはスパッタ法や真空蒸着法などの一般的な薄膜成膜方法を適用することができる。また、第一の導電層２０４としてはこの構成に限定されるものではないが、良好な導電性及び圧電体の焼成温度に耐えうる耐熱性を備えた物または積層構造で有ることが好ましい。例えばＩＴＯなどの酸化物導電体や、イリジウムなどの貴金属またはタングステンなどの高耐熱金属などが好適に用いることができる。また、第一の導電層２０４はアクチュエータ部分とそれ以外の部分に分割してそれぞれ電気的に外部と接続可能となっていても良いし、さらに個別に分割されていても良いし、全体が共通電極となっていてもかまわない。

次に圧電体層２０６として厚さ３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を形成した。チタン酸ジルコン酸鉛の形成方法としては、スパッタ法やゾルゲル法、ガスデポジション法などから好適なものを選択することができる。本実施形態においてはスパッタ法を用いて成膜した後に、酸素雰囲気中で７００℃で焼成を行い、圧電体層２０６を形成した。圧電体層としてはチタン酸ジルコン酸鉛に限定されることなく、好適な物を選択すればよい。

次に第二の導電層２０８としてチタン３０ｎｍ、白金３００ｎｍをこの順番に成膜した。第二の導電層２０８の材料や形成方法は第一の導電層２０４とほぼ同様であるが、圧電体の焼成温度に対する耐熱性が必要なくなるために、使用できる材料範囲は広くなる。例えば、金や銅、アルミニウムやその合金なども使用することができる。その後、周知の技術であるフォトリソグラフィ技術を用いて第二の導電層２０８をパターニングして上部電極を形成し、続いて圧電体層２０６を同様にパターニングし、図３（Ｂ）に示すようにアクチュエータを作製した。ここで部材１０６が液室となる圧力室３の上の薄膜振動板２上に形成されたアクチュエータ６である。このアクチュエータ６を形成する工程と同一工程において、圧力室３と対向しない部分に圧力波検知素子４となる部材１０４を同時に作製した。従って、本実施形態においては圧力室３と対向しない部分に設けられた部材１０４の積層方向の層構成は、圧力室３と対向する部分に設けられた部材１０６と同じである。

また、部材１０６と、圧力室３と対向しない部分に設けられた部材１０４とは、略平行にパターニングされている。不良検知の感度を向上させるには、圧力室３と対向しない部分に設けられた部材１０４の面積を大きくする方が有利である。また、圧力室３間のクロストークを防止する観点から圧力室３の側壁の厚さは厚い方が有利である。また、流路基板２００とノズルプレート１１４との接合時の圧力分散の考えからも部材１０４の面積を大きくする方が有利である。これらの観点から圧力室３と対向しない部分に設けられた部材１０４の面積は部材１０６の面積よりも大きい方がよい。

さらに第一の基体１００を、部材１０４、１０６が形成された面と対向する面から異方性エッチングを行い、圧力発生室となる圧力室３を形成する。異方性エッチングの手段としては高密度プラズマを用いるドライエッチングを好適に用いることができる。例えば、誘導結合性プラズマやヘリコン波プラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いたドライエッチングなどである。また、第一の基体１００として適切な方位のシリコンを選択し、圧力発生室のパターンを適切に設定すればアルカリ性エッチャントを用いたウエットエッチングも用いることができる。

本実施形態においては前述した薄膜振動板２０２の、第一の基体１００側にある厚さ１μｍの熱酸化膜をエッチングストップ層として用い、誘導結合性プラズマを用いたリアクティヴイオンエッチングを行って圧力発生室となる液室１０３を形成した。エッチングストップ層を用いてエッチングを行い、圧力発生室となる液室１０３を形成したことで、圧力発生室の深さ及び振動板の厚さを精度良く作製することができた（図３（Ｃ））。

第一の基体１００のアクチュエータを形成した面と対向する面にＴｉを３０ｎｍ、Ａｕを１００ｎｍ順次積層し、図３（Ｄ）に示すように接合層１１０を形成し、流路基板２００とした。接合層１１０の形成手段としてはスパッタ法を用いたが、真空蒸着法なども好適に用いることができる。密着性が良く、Ａｕの表面が平滑に形成できる手法が好ましい。また、各層の厚みもこの数値に限定されるものではなく、密着性と表面の平滑性が良好に保たれるように留意しながら適切な値を選択することができる。表面の平滑性が損なわれると接合に必要な圧力が増大し、歩留まりが悪くなるため、Ａｕ表面の算術平均粗さを３ｎｍ以下にする必要がある。本実施形態において形成した接合層のＡｕ表面の算術平均粗さは０．５ｎｍ程度であり、接合には十分問題ないレベルであった。

次に流路基板２００とノズルプレート１１４を接合した。本実施形態においてはノズルプレート１１４として厚さ２００μｍの単結晶シリコンの６インチ基板を用い、流路基板２００と接合される面にＴｉを３０ｎｍ、Ａｕを１００ｎｍ順次積層してノズルプレート側接合層１１２を形成した。ノズルプレート１１４側の接合層１１２の表面粗さは流路基板２００側の接合層１１０と同程度であった。図４に示すように、このノズルプレート１１４と流路基板２００とを互いに位置合わせを行った状態で接合装置のステージ１１６に設置し、加圧部材１０８を介して接合するための力１１８を印加した。加圧部材１０８として本実施形態ではカーボングラファイトシートを用い、接合温度３００℃、接合圧力２ＭＰａの条件において接合を行った。以上述べた手法を用いて流路基体２００とノズルプレート１１４の接合を行った結果、６インチ基板の有効領域で全域に渡って良好な接合が得られ、接合工程に起因する振動板の破損も見られなかった。該接合基板には、２０個の液滴吐出装置のパターンが形成されていた。これをチップに切断しＦＰＣを接合する。

上述のようにして形成された基板は、圧力波検知素子４による吐出信号検出が可能であり、泡の混入やアクチュエータの故障による吐出不良の検出も可能であった。

以上、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置によれば、長期間安定吐出が可能となり、ひいては歩留まり良く所望のものを作製することができる。また、圧力検知用部材がアクチュエータと同時に製作されるので対向する場所に別な圧力検知用部材を設けた場合よりコストを抑えることもできる。

本発明の一実施形態による液滴吐出ヘッドの概念図である。本発明の一実施形態による液滴吐出装置の吐出検知の回路のブロック図である。本発明の流路基板の製造工程図である。本発明に用いる液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。

符号の説明

１ａ取出電極
２薄膜振動板
３ａ〜３ｄ圧力室
４ａ〜４ｅ圧力波検知素子
５壁部
６ａ〜６ｄアクチュエータ
７ノズルプレート
８吐出口

Claims

薄膜を積層して形成され、液体を吐出するエネルギーを発生するアクチュエータが設けられた振動板と、該振動板の前記アクチュエータが形成された面とは逆側に、壁部を介して対向して設けられた、吐出口を有するノズルプレートと、を有し、前記振動板と前記側壁と前記ノズルプレートとにより構成される圧力室内の液体を前記吐出口から吐出する液滴吐出ヘッドであって、
前記振動板において、前記圧力室に対応する位置に前記アクチュエータが設けられ、前記圧力室に対応していない位置に前記アクチュエータと同じ積層構造の圧力波検知素子が設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記圧力室は複数設けられ、前記アクチュエータと前記圧力波検知素子とは略平行かつ交互に配置されている、請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
前記圧力波検知素子は前記壁部に対応する位置に形成されている、請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
前記振動板に面する前記圧力波検知素子の面積は、前記振動板に面する前記アクチュエータの面積よりも大きい、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置であって、
前記液滴吐出ヘッドの正常な吐出動作における前記アクチュエータの両側に隣接する２つの前記圧力波検知素子の出力値を記憶している記憶手段と、
前記２つの前記圧力波検知素子で検知した検出値と、前記記憶手段に記憶された正常な吐出状態の値とを比較し、比較結果が所定の範囲を超えると吐出不良と判断する比較判断手段とを有する液滴吐出装置。