JP2007331167A - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】各ノズル間の圧力干渉を防止するのに適した液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供する。
【解決手段】液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板20と、電極基板10と、リザーバ基板30と、リザーバ31内で発生する圧力変動を緩衝する圧力緩衝溝42がリザーバ31側に形成されたノズル基板40と、可撓性を有し、ノズル孔41に対応する部分を貫通させたダイヤフラム層50とを備え、ダイヤフラム層50を、圧力緩衝溝42に所定の空間を形成するようにノズル基板40とリザーバ基板30との間に設けたことを特徴とする。
【選択図】図2
【解決手段】液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板20と、電極基板10と、リザーバ基板30と、リザーバ31内で発生する圧力変動を緩衝する圧力緩衝溝42がリザーバ31側に形成されたノズル基板40と、可撓性を有し、ノズル孔41に対応する部分を貫通させたダイヤフラム層50とを備え、ダイヤフラム層50を、圧力緩衝溝42に所定の空間を形成するようにノズル基板40とリザーバ基板30との間に設けたことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
本発明は、インクやその他の液体を吐出する液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関し、特に各インクノズル間の圧力干渉を効果的に防止する液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関する。
液滴を吐出するための装置として、たと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。一般に、このインクジェットヘッドは、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基板と、このノズル基板に接合されノズル孔に連通する吐出室や、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、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。このようにインク滴を吐出させる方式としては、静電気力を利用する静電駆動方式や、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。
このうち、静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、吐出室の底部を振動板としたキャビティ基板と、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形成した電極基板とを接合させた構成となっている。インク滴を吐出する際には、個別電極に駆動電圧を印加してプラスに帯電させ、対応する振動板に駆動電圧を印加してマイナスに帯電させる。そうすると、この時に生じる静電引力により振動板が個別電極側に弾性変形する。そして、この駆動電圧をオフにすると、振動板が復元する。このとき、吐出室の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室内のインクの一部をインク滴としてノズル孔から吐出されることになる。
なお、このようなインクジェットヘッドでは、吐出室内部の圧力変動を利用してインク滴を吐出させるようになっているが、インク滴を吐出させる際、吐出室内のインク滴にはノズル孔が設けられている方向に圧力が加わるだけでなく、その方向とは逆の方向にも圧力が加わることになる。つまり、ノズル孔が設けられている方向とは逆の方向にもインク滴の流れが発生することになる。
このように、キャビティ基板に形成されている各流路においてノズル孔が設けられている方向とは逆の方向に圧力が加わると、吐出室内部のインク滴が各ノズル孔に共通して連通しているリザーバに流れ込むことになる。つまり、ある流路からリザーバに加わった圧力が他のインク流路に伝播することになるのである。そうなると、他の流路を流れるインク滴のインク吐出特性に影響を及ぼすことになり、各ノズル孔のインク吐出特性にばらつきが生じ、信頼性の低いものとなってしまう。そのため、リザーバには圧力を緩衝させるためのダイヤフラムが設けられることが多い。
そのようなものとして、たとえば、「圧電により噴射されるノズルを有する多色用インクジェットマトリックス印字ヘッドのインク分配板において、インク分配板としてインク流出口を有する支持板と組立板との間に装着されたエラストマ板が用いられ、このエラストマ板が支持板に向かって開放されたインク溝と補償室とを備え、補償室が組立板側に向い組立板と間隙を隔てて分配板と一体に付加形成された円形状のダイヤフラムにより閉鎖され、さらにこのダイヤフラムは前記インク溝の幅寸法に比して大きな直径寸法を有しダイヤフラムとしての有効面積が大きくなるように形成されており、またインク溝と補償室とにインクを導くためにインク分配板の縁面に孔を備えることを特徴とするインク分配板」が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
また、「第1の基板および第2の基板を相互に重ね合わせることにより、これらの間に、インクを吐出する複数のインクノズルのそれぞれに対応して配置され、圧力変動によって対応するインクノズルからインク液滴を吐出させる圧力室と、各圧力室にインクを供給するインクリザーバと、各圧力室を前記インクリザーバに連通させているインク供給口とが平面方向に配列された状態に区画形成されているインクジェットヘッドにおいて、前記インクリザーバを区画形成している前記第1および第2の基板からなる仕切り壁部分は、相互に対峙していると共に前記平面方向に延びる第1および第2の仕切り壁部分を備えており、これらの第1および第2の仕切り壁部分のうち、前記インク供給口に近い側の仕切り壁部分には、前記インクリザーバの圧力変動を緩衝させるために、薄い厚さの圧力変動緩衝部分が形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド」が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
さらに、「流路に充填された液体を加圧することで、前記流路と連通するノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、前記液滴を吐出する方向以外の方向に前記液体に加わる圧力を緩衝させる、ゴム弾性を有する部材が設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド」が提案されている(たとえば、特許文献3参照)。
また、近年、このようなインクジェットヘッドにおいては、印刷速度の高速化及びカラー化を目的として、ノズル列を複数有することが要求されている。さらに、ノズル密度の高密度化及び長尺化(1列当りのノズル数の増加)が進行し、それに伴いインクジェットヘッド内のアクチュエータ数も益々増加している。すなわち、アクチュエータ数を増加させたとしても、各ノズル孔間における圧力干渉を効果的に防止し、各ノズル孔間におけるインク吐出特性の均一化を図り、高い信頼性を実現することがインクジェットヘッドに要求されているのである。
特許文献1に記載のインク分配板は、圧力衝撃を緩和するダイヤフラムを備えたインク分配板と呼ばれるユニットをインクノズルが形成されている部材に組み付けるようにしたものである。しかしながら、このインク分配板は、インク分配板を別途組み付けるという構成になっているので、インクジェットヘッドの小型化及び薄型化の要求に応えられないといった問題があった。
特許文献2に記載のインクジェットヘッドは、インクリザーバを形成する壁の一部、具体的にはノズル基板に、圧力変動を緩衝させるための薄い厚さの圧力変動緩衝部分を形成するようにしたものである。しかしながら、インクリザーバがインクキャビティと同一の基板に形成される構造のため、ノズルの高密度化に伴ってキャビティ基板が薄くなると、十分なリザーバ体積を確保できなくなり、リザーバでの流路抵抗が高くなるといった問題があった。また、圧力変動緩衝部をノズル基板に形成する構造となっているため、強度の低い部位が外部に露出することになるため、圧力変動緩衝部を薄くするのにも限界があり、十分な緩衝性能が得られないといった問題もあった。
特許文献3に記載の液滴吐出ヘッドは、インクリザーバを形成する壁の一部、具体的にはノズル基板に、圧力変動を緩衝させるための圧力変動緩衝部分を樹脂で形成するようにしたものである。しかしながら、インクリザーバがインクキャビティと同一の基板に形成される構造のため、ノズルの高密度化に伴いキャビティ基板が薄くなると、十分なリザーバ体積を確保できなくなり、リザーバでも流路抵抗が高くなるといった問題があった。また、圧力変動緩衝部をノズル基板に形成する構造となっているため、強度の弱い部位が外部に露出するため、外力に対する保護カバー等が必要になるといった問題もあった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、各ノズル間の圧力干渉を効果的に防止可能にした液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁が振動板を形成し、液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板にギャップを隔てて対向し、該振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板と、吐出室に液滴を供給するリザーバ、リザーバから吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通穴が形成されたリザーバ基板と、ノズル連通穴を介して移送される液滴を吐出するノズル孔及びリザーバ内で発生する圧力変動を緩衝する圧力緩衝溝が形成されたノズル基板と、可撓性を有し、ノズル孔に対応する部分を貫通させたダイヤフラム層とを備え、ダイヤフラム層を、圧力緩衝溝に所定の空間を形成するようにノズル基板とリザーバ基板との間に設けたことを特徴とする。
したがって、ダイヤフラム層が圧力緩衝溝に形成される空間側に変形することによって、リザーバ内で発生する圧力の変動を緩衝(吸収)するので、各インク間の圧力干渉を防止できる。つまり、リザーバはノズル孔共通に形成されているため、あるノズル孔に連通している吐出室で発生した圧力変動が他の吐出室及びノズル孔に伝播(干渉)することになるが、この圧力変動をダイヤフラム層で緩衝することができるので、インク吐出特性にばらつきがなく、安定性及び信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ダイヤフラム層が樹脂で形成されていることを特徴とする。すなわち、樹脂は、金属やシリコンに比べて縦弾性係数(材料定数)が小さいものであり、コンプライアンスを大きくでき、圧力変動を十分に緩衝することが可能になるのである。したがって、ダイヤフラム層が圧力緩衝溝に形成される空間側に変形することで圧力変動を緩衝することに加えて、縦弾性係数が小さいダイヤフラム層自体でも圧力変動を緩衝することができる。また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする。したがって、上述の液滴吐出ヘッドの効果をすべて有している。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、個別電極が形成された電極基板に吐出室が形成されるシリコン基板を接合し、該シリコン基板に吐出室を形成してキャビティ基板を作製し、吐出室に液滴を供給するリザーバ、リザーバから吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通穴が形成されたリザーバ基板をキャビティ基板に接合し、ノズル連通穴を介して移送される液滴を吐出するノズル孔及びリザーバ内で発生する圧力変動を緩衝する圧力緩衝溝が形成されたノズル基板の該圧力緩衝溝の形成面にダイヤフラム層を接合し、電極基板、キャビティ基板、リザーバ基板、ダイヤフラム層及びノズル基板の順で積層させることを特徴とする。
したがって、リザーバ基板とノズル基板との間にダイヤフラム層を設けるという簡略した構造でリザーバ内で発生する圧力変動を緩衝するようになっているので、製造に要する特別な手間や費用を要することがない。つまり、液滴吐出ヘッドを製造するために要する作業や構造を複雑にすることなく、吐出室内で発生しリザーバ内に伝播した圧力変動を十分緩衝することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、圧力緩衝溝は、リザーバに対向する位置でノズル孔と同時に形成することを特徴とする。したがって、圧力緩衝溝を形成するためだけの特別な製造工程や、手間、時間等を要しなくて済み、ノズル孔の形成と同時に圧力緩衝溝も形成できる。つまり、ノズル基板にノズル孔を形成するのに要する手間や時間だけで容易に圧力緩衝溝を形成することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ダイヤフラム層をノズル基板に接合した後、該ノズル基板側からドライエッチングしてノズル孔に対応した部分を開口させることを特徴とする。したがって、ノズル基板をエッチングマスクとして利用することができ、新たにエッチングマスクを作製する必要がなく、その分の手間や時間が省略できる。また、ドライエッチングでダイヤフラム層のノズル孔に対応した部分を開口させるので、開口部を高精度に加工できる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、O2 プラズマを使用して前記ドライエッチングを行なうことを特徴とする。したがって、樹脂で形成されているダイヤフラム層だけをエッチングすることができ、ノズル孔に対応した部分の樹脂だけをきれいに除去することができる。本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上述の液滴吐出ヘッドの製造方法を含むことを特徴としている。したがって、上述の液滴吐出ヘッドの製造方法の効果をすべて有している。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100を分解した状態を示す分解斜視図である。図1に基づいて、液滴吐出ヘッド100の構成について説明する。この液滴吐出ヘッド100は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明するものとする。
図1は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100を分解した状態を示す分解斜視図である。図1に基づいて、液滴吐出ヘッド100の構成について説明する。この液滴吐出ヘッド100は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。なお、図1を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明するものとする。
図1に示すように、この液滴吐出ヘッド100は、電極基板10、キャビティ基板20、リザーバ基板30、ダイヤフラム層50及びノズル基板40の5つの基板が順に積層されて接合された構造となっている。この実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100は、電極基板10、キャビティ基板20、リザーバ基板30及びノズル基板40の4つの基板を基本的な構成としているが、リザーバ基板30とノズル基板40との間にダイヤフラム層50(図2で詳細に説明する)を設けて5層構造としたことを特徴としているのである。
つまり、リザーバ基板30の一方(上)の面にダイヤフラム層50が接合されており、リザーバ基板30の他方(下)の面にキャビティ基板20が接合されている。また、キャビティ基板20のリザーバ基板30が接合された面の反対面に電極基板10が接合されており、ダイヤフラム層50のリザーバ基板30が接合された面の反対面にノズル基板40が接合されている。
また、この実施の形態では、電極基板10とキャビティ基板20は陽極接合により接合するものとし、キャビティ基板20とリザーバ基板30、リザーバ基板30とダイヤフラム40、ダイヤフラム40とノズル基板40はエポキシ接着剤等を用いて接着接合するものとして説明する。さらに、液滴吐出ヘッド100には、電極基板10の個別電極12に駆動信号を供給するドライバIC61が設けられている。
[電極基板10]
電極基板10は、たとえば、厚さ1mmのホウ珪酸ガラス等のガラスを主要な材料として形成するとよい。ここでは、電極基板10がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、たとえば、電極基板10を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極基板10の表面には、後述するキャビティ基板20の吐出室21の形状に合わせたガラス溝11が形成されている。このガラス溝11は、たとえばエッチングにより深さ0.3μmで形成するとよい。
電極基板10は、たとえば、厚さ1mmのホウ珪酸ガラス等のガラスを主要な材料として形成するとよい。ここでは、電極基板10がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、たとえば、電極基板10を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極基板10の表面には、後述するキャビティ基板20の吐出室21の形状に合わせたガラス溝11が形成されている。このガラス溝11は、たとえばエッチングにより深さ0.3μmで形成するとよい。
このガラス溝11は、その一部が固定電極となる個別電極12を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成されており、その他の部分(中央部)は、ドライバIC65を装着できるようにパターン形成されている。そして、このガラス溝11の内部(特に底部)には、個別電極12が一定の間隔を有して後述のキャビティ基板20の各吐出室21(振動板22)と対向するように作製されている。この個別電極12は、たとえばITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)を0.1μmの厚さでスパッタして作製するとよい。
このようにITOで個別電極12を作製すると、透明なので放電したかどうかの確認が行いやすいという利点がある。この個別電極12の一端(電極基板10に実装されるドライバIC61側)には、ドライバIC61が接続されており、そのドライバIC61から個別電極12に駆動信号が供給されるようになっている。このドライバIC61は、個別電極12の2つの電極列の間(電極基板10の中央部)に実装され、両方の電極列に接続されるようになっている。したがって、ドライバIC61から2つの電極列に駆動信号を供給することが可能となり、電極列の多列化が容易となる。また、電極基板10のガラス溝11には、FPC(Flexible Print Circuit:フレキシブルプリント基板)実装部13が形成されている。
さらに、ガラス溝11には、FPC実装部16からドライバIC61を駆動する入力信号を供給するための配線14が形成されており、FPC62とドライバIC61とを接続するようになっている。つまり、FPC62は、接続ケーブルとしての役目を果たすようになっているのである。なお、電極基板10とキャビティ基板20とを接合した後に、ギャップ16を封止するための封止部60を形成するとよい(図2参照)。また、個別電極12を駆動するための駆動信号を供給するドライバIC61は、個別電極12の個数に応じて搭載する個数を決定するとよい。
電極基板10とキャビティ基板20とを接合して積層体を形成すると、振動板22と個別電極12との間には、振動板22を撓ませる(変位させる)ことができる一定のギャップ(空隙)16が、電極基板10のガラス溝11により形成されるようになっている。このギャップ16は、たとえば深さ0.2μmとなるように形成するとよい。このギャップ16は、ガラス溝11の深さ、個別電極12及び振動板22の厚さにより決まることになる。
また、このギャップ16は、各振動板22に対向する位置に細長い一定の深さを有するように形成されている。なお、ギャップ16は、電極基板10にガラス溝11を形成する他に、キャビティ基板20となるシリコン基板に凹部を形成したり、スペーサを挟むことによって設けたりすることも可能である。なお、このギャップ16は、液滴吐出ヘッド100の吐出特性に大きく影響することになるため、ギャップ16には厳格な精度管理が要求される。
この液滴吐出ヘッド100は、複数の個別電極12が長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この個別電極12が、互いの長辺が平行になるように配置されている。そして、図1では、個別電極12の短辺方向に伸びる2つの電極列を示している。なお、個別電極12の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極12が細長い平行四辺形状になっている場合には、長辺方向に直角方向に伸びる電極列を形成するようにすればよい。
また、個別電極12をITOで作製した場合を例に示したが、これに限定するものではなく、個別電極12をクロム等の金属等で作製してもよい。さらに、ここで示したガラス溝11の深さやギャップ16の長さ、個別電極12の厚さは一例であり、ここで示す値に限定するものではない。なお、電極基板10には、図示省略の外部のインクタンクから供給される液体を取り入れる流路となるインク供給穴18が形成されている。
[キャビティ基板20]
キャビティ基板20は、たとえば厚さ約50μm(マイクロメートル)の(110)面方位のシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板という)を主要な材料として構成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、底壁が可撓性を有する振動板22となる吐出室(または、圧力室)21が複数形成されている。この吐出室21は、個別電極12の電極列に対応して形成されており、インク等の液滴が保持されて吐出圧が加えられるようになっている。また、吐出室21は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。なお、キャビティ基板20の中央部には、電極基板10に実装されるドライバIC61の形状に対応した貫通穴24が形成されている。
キャビティ基板20は、たとえば厚さ約50μm(マイクロメートル)の(110)面方位のシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板という)を主要な材料として構成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、底壁が可撓性を有する振動板22となる吐出室(または、圧力室)21が複数形成されている。この吐出室21は、個別電極12の電極列に対応して形成されており、インク等の液滴が保持されて吐出圧が加えられるようになっている。また、吐出室21は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。なお、キャビティ基板20の中央部には、電極基板10に実装されるドライバIC61の形状に対応した貫通穴24が形成されている。
このキャビティ基板20の下面(電極基板10と対向する面)には、振動板22と個別電極12との間を電気的に絶縁するためのTEOS膜(ここでは、Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン(珪酸エチル)を用いてできるSiO2 膜をいう)である図示省略の絶縁膜をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:TEOS−pCVDともいう)法を用いて、0.1μm成膜するとよい。
なお、ここでは、絶縁膜がTEOS膜である場合を示しているが、これに限定するものではなく、絶縁性能が向上する物質であればよい。たとえば、Al2O3(酸化アルミニウム(アルミナ))を用いてもよい。また、キャビティ基板20の上面にも、図示省略の液体保護膜となるSiO2 膜(TEOS膜を含む)を、プラズマCVD法又はスパッタリング法により成膜するとよい。液体保護膜を成膜することによって、インク滴で流路が腐食されるのを防止できるからである。この液体保護膜の応力と絶縁膜の応力とを相殺させ、振動板22の反りを小さくできるという効果も期待できる。
なお、振動板22は、高濃度のボロンドープ層で形成するようにしてもよい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約5×1019atoms/cm3 以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板22の部分を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによって吐出室21を形成する際に、ボロンドープ層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板22を所望の厚さに形成することができる。
また、キャビティ基板20にも、インク供給穴18が設けられている(電極基板10に設けられたインク供給穴18と連通するようになっている)。さらに、キャビティ基板20には、外部電極端子としての共通電極端子27が形成されている。この共通電極端子27は、図示省略の外部の発振回路等から振動板22に個別電極12と反対の極性の電荷が供給される際の端子となるものである。
[リザーバ基板30]
リザーバ基板30は、たとえば単結晶シリコンを主要な材料としており、各吐出室21にインク等の液滴を供給するためのリザーバ31が各吐出室21に共通して形成されている。このリザーバ31の底面には、リザーバ31から吐出室21へ液滴を移送するための供給口32が各吐出室21の位置に合わせて形成されている。また、リザーバ31の底面には、リザーバ31の底面を貫通するインク供給穴18が形成されている。
リザーバ基板30は、たとえば単結晶シリコンを主要な材料としており、各吐出室21にインク等の液滴を供給するためのリザーバ31が各吐出室21に共通して形成されている。このリザーバ31の底面には、リザーバ31から吐出室21へ液滴を移送するための供給口32が各吐出室21の位置に合わせて形成されている。また、リザーバ31の底面には、リザーバ31の底面を貫通するインク供給穴18が形成されている。
このインク供給穴18と、キャビティ基板20に形成されたインク供給穴18及び電極基板10に形成されたインク供給穴18は、リザーバ基板30、キャビティ基板20及び電極基板10が接合された状態において互いに連通するようになっており、外部のインクタンクから液滴が供給されるようになっている。さらに、リザーバ基板30には、吐出室21で加圧されたインク滴をノズル孔41に移送するための流路である複数のノズル連通穴33が各ノズル孔41に合わせて形成されている。
[ノズル基板40]
ノズル基板40は、たとえば厚さ100μmのシリコン基板を主要な材料としており、リザーバ基板30に形成されている複数のノズル連通穴33と連通する複数のノズル孔41が形成されている。そして、各ノズル孔41は、各ノズル連通穴33から移送された液滴を外部に吐出するようになっている。なお、ノズル孔41を複数段(たとえば、第1のノズル孔41a及び第1のノズル孔41bのような2段)で形成すると、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。ここでは、ノズル孔41を有するノズル基板40を上面とし、電極基板10を下面として説明するが、実際に用いられる場合には、ノズル基板40の方が電極基板10よりも下面となることが多い。
ノズル基板40は、たとえば厚さ100μmのシリコン基板を主要な材料としており、リザーバ基板30に形成されている複数のノズル連通穴33と連通する複数のノズル孔41が形成されている。そして、各ノズル孔41は、各ノズル連通穴33から移送された液滴を外部に吐出するようになっている。なお、ノズル孔41を複数段(たとえば、第1のノズル孔41a及び第1のノズル孔41bのような2段)で形成すると、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。ここでは、ノズル孔41を有するノズル基板40を上面とし、電極基板10を下面として説明するが、実際に用いられる場合には、ノズル基板40の方が電極基板10よりも下面となることが多い。
また、ノズル基板40のリザーバ基板30側には、振動板22の駆動によりリザーバ31側に伝播する圧力変動を緩衝するための圧力緩衝溝42が形成されている。この圧力緩衝溝42は、リザーバ31の大きさに対応した大きさで形成するとよい。なお、圧力緩衝溝42に深さを特に限定するものではない。たとえば、ノズル基板40の下面側に形成する第2のノズル孔41bと同時に形成すれば、この第2のノズル孔41bの深さと同じ深さの圧力緩衝溝42が形成できる。
[ダイヤフラム層50]
このダイヤフラム層50は、可撓性を有し、ノズル基板40に形成されている圧力緩衝溝42に所定の空間を形成するようにリザーバ基板30とノズル基板40との間に設けられるようになっている。このダイヤフラム層50は、コンプライアンスを大きくするために剛性が低い、つまり縦弾性係数(材料定数)が小さい材料ほど好ましい。したがって、ダイヤフラム層50は、樹脂で構成するのが望ましい。それは、樹脂が金属やシリコンに比較して、縦弾性係数の小さい材料だからである。なお、ダイヤフラム層50は、コンプライアンスが1×10-17 [N/m5 ]以上となるように厚さを決定することが望ましく、特に数値を限定するものではない。
このダイヤフラム層50は、可撓性を有し、ノズル基板40に形成されている圧力緩衝溝42に所定の空間を形成するようにリザーバ基板30とノズル基板40との間に設けられるようになっている。このダイヤフラム層50は、コンプライアンスを大きくするために剛性が低い、つまり縦弾性係数(材料定数)が小さい材料ほど好ましい。したがって、ダイヤフラム層50は、樹脂で構成するのが望ましい。それは、樹脂が金属やシリコンに比較して、縦弾性係数の小さい材料だからである。なお、ダイヤフラム層50は、コンプライアンスが1×10-17 [N/m5 ]以上となるように厚さを決定することが望ましく、特に数値を限定するものではない。
ダイヤフラム層50は、リザーバ基板30に形成されているリザーバ31に伝播(干渉)する圧力変動を緩衝(吸収)し、各インク孔41間の圧力干渉を防止するための役目を果たす。つまり、ダイヤフラム層50の有する縦弾性係数に伴って、リザーバ31に伝播する圧力変動を緩衝することができるとともに、ノズル基板40に形成されている圧力緩衝溝42側にダイヤフラム層50が変形することによってリザーバ31に伝播する圧力変動を更に緩衝するようになっているのである。
なお、ダイヤフラム層50は、ノズル孔41に対応する部分が貫通して形成されるようになっている。これは、ダイヤフラム層50となる樹脂状のフィルム等にノズル孔41が形成されているノズル基板40を接合し、ノズル基板40側からO2 プラズマ等を照射することで、ノズル孔41に対応する部分が開口するからである。すなわち、ノズル基板40をエッチングマスクとして利用することによって、ノズル孔41に対応した部分のみを貫通させたダイヤフラム層50を形成できるのである。
図2は、液滴吐出ヘッド100の断面構成を示す縦断面図である。この図は、液滴吐出ヘッド100が組み立てられた状態のA−A断面(図1参照)の片側半分を示す縦断面図である。図2に基づいて、液滴吐出ヘッド100の組み立てられた状態の構成及び動作について説明する。図2に示すように、液滴吐出ヘッド100は、キャビティ基板20と接合した電極基板10の各個別電極12を露出させるため、キャビティ基板20の中央部を開口して貫通穴24を形成している。
そして、個別電極12に対する電力(電荷)供給手段となるドライバIC61は、貫通穴24において各個別電極12と電気的に接続し、選択した個別電極12に電荷を供給するようになっている。つまり、この液滴吐出ヘッド100では、ドライバIC61が液滴吐出ヘッド100の内部に収容されており、上面をダイヤフラム層50、側面をリザーバ基板30及びキャビティ基板20、下面を電極基板10によって閉塞されるようになっている。
また、電極基板10とキャビティ基板20とを接合した際に形成されるギャップ16を密閉するために貫通穴24側に封止部60を形成するようになっている。こうすることで、ギャップ16を気密に封止することができる。なお、封止部60に使用する材料を特に限定するものではなく、ギャップ16を気密封止できる材料であればよい。さらに、リザーバ基板30とノズル基板40との間に設けられるダイヤフラム層50は、上述したようにノズル孔41に対応する部分のみを貫通させて形成されている。
ノズル基板40には、リザーバ31に対応する位置に圧力緩衝溝42が形成されている。したがって、リザーバ31に伝播する圧力変動をダイヤフラム層50が緩衝できるようになっている。なお、この図2では、リザーバ31及び電極基板10のインク供給穴18がテーパ状になっている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、リザーバ31及び電極基板10のインク供給穴18を異方性ドライエッチングで形成し、それらの内部壁面を垂直としてもよい。
ここで、液滴吐出ヘッド100の動作について簡単に説明する。リザーバ31には、インク供給穴18を介して外部からインク等の液滴が供給されている。また、吐出室21には、供給口32を介してリザーバ31から液滴が供給されている。そして、ドライバIC61によって選択された個別電極12には0V〜40V程度のパルス電圧が印可され、その個別電極12を正に帯電させる。
このとき、共通電極端子27を介してキャビティ基板20には負の極性を有する電荷が外部の発振回路等から供給され、正に帯電された個別電極12に対応する振動板22を相対的に負に帯電させる。そのため、選択された個別電極12と振動板22との間では静電気力が発生することになる。そうすると、振動板22は、静電気力によって個別電極12側に引き寄せられて撓むことになる。これにより吐出室21の容積は広がる。
次に、個別電極12へのパルス電圧の供給を止めると、振動板22と個別電極12との間の静電気力がなくなり、振動板22は元の状態に復元する。このとき、吐出室21の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室21内の液滴がノズル連通穴33を通過してノズル孔41から吐出されることになる。この液滴が、たとえば記録紙に着弾することによって印刷等が行われるようになっている。その後、液滴がリザーバ31から供給口32を通じて吐出室21内に補給され、初期状態に戻る。このような方法は、引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。
なお、吐出室21の内部の圧力が急激に上昇した際、液滴がノズル孔41から吐出されるのと同様に、ノズル孔41が設けられている方向とは逆の方向であるリザーバ31側にも液滴が流れ込むことになる。つまり、吐出室21での圧力変動がリザーバ31にも伝播することになるのである。そして、リザーバ31に伝播した圧力変動は、液滴を介して他の吐出室12まで伝播することになる。
したがって、液滴吐出ヘッド100は、ダイヤフラム層50と圧力緩衝溝42とを設けて、各ノズル孔41に共通で設けられているリザーバ31に伝播する圧力変動を緩衝するようになっている。このように、リザーバ31に伝播する圧力変動を緩衝するようになっているので、各ノズル孔41間における圧力干渉を防止することができる。また、各ノズル孔41間の圧力干渉を防止することができるので、各ノズル孔41でのインク吐出特性を安定化することができ、信頼性を高いものとすることができる。
次に、液滴吐出ヘッド100の製造工程について説明する。
図3〜図5は、この実施の形態の特徴部分であるノズル基板40及びダイヤフラム層50の製造工程の一例を示す縦断面図である。図3〜図5に基づいて、液滴吐出ヘッド100を構成するノズル基板40及びダイヤフラム層50の製造工程について説明する。なお、ここでは、ノズル基板40及びダイヤフラム層50の製造工程の一例を示すが、これに限定するものではない。
図3〜図5は、この実施の形態の特徴部分であるノズル基板40及びダイヤフラム層50の製造工程の一例を示す縦断面図である。図3〜図5に基づいて、液滴吐出ヘッド100を構成するノズル基板40及びダイヤフラム層50の製造工程について説明する。なお、ここでは、ノズル基板40及びダイヤフラム層50の製造工程の一例を示すが、これに限定するものではない。
まず、たとえば厚さが525μmのシリコン基板40aを準備し、このシリコン基板40aの全面にシリコン酸化膜63を均一に成膜する(図3(a))。たとえば、このシリコン酸化膜63は、熱酸化装置により温度1075℃、酸素と水蒸気との混合雰囲気中で4時間熱酸化することにより形成するとよい。次に、シリコン基板40aの片面にレジスト64をコーティングし、第2のノズル孔41bとなる部分をパターニングして、その第2のノズル孔41bとなる部分のレジスト64を除去する。このとき、圧力緩衝溝42となる部分も同時にパターニングする。そして、圧力緩衝溝42となる部分のレジスト64も除去する(図3(b))。
そして、たとえばフッ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液を1対6で混合した緩衝フッ酸水溶液でシリコン酸化膜63をハーフエッチングし、第2のノズル孔41bとなる部分及び圧力緩衝溝42となる部分のシリコン酸化膜63を薄膜化する(図3(c))。なお、このときレジスト64の形成されていない面のシリコン酸化膜63も同様に薄くなる。それから、シリコン酸化膜63の片面に形成されているレジスト64を剥離する(図3(d))。
その後、シリコン酸化膜63の表面に再度レジスト65をコーティングし、第1のノズル孔41aとなる部分をパターニングして、その第1のノズル孔41aとなる部分のレジスト65を除去する(図3(e))。そして、たとえばフッ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液を1対6で混合した緩衝フッ酸水溶液でシリコン酸化膜63をハーフエッチングし、第1のノズル孔41aとなる部分のシリコン酸化膜63を除去する(図4(f))。なお、このときレジスト65の形成されていない面のシリコン酸化膜63もすべて除去されることになる。それから、残っているレジスト65を剥離する(図4(g))。
次に、たとえばICP(Inductively Coupled Plasma)放電によるドライエッチングによって第1のノズル孔41aとなる部分を深さ25μmまで掘り下げる(図4(h))。この異方性ドライエッチングのエッチングガスとしては、C4F8、SF6 を交互に使用するとよい。つまり、C4F8は第1のノズル孔41aの側面方向にエッチングが進行しないようにするために使用し、SF6 は第1のノズル孔41aの垂直方向のエッチングを促進するために使用する。
その後、シリコン酸化膜63をハーフエッチングして、第2のノズル孔41bとなる部分及び圧力緩衝溝42となる部分のシリコン酸化膜63を除去する(図4(i))。このとき、シリコン酸化膜63のその他の部分も薄くなる。そして、たとえば異方性ドライエッチングによって第2のノズル孔41bとなる部分及び圧力緩衝溝42となる部分を掘り下げる(図4(j))。この第2のノズル孔41bとなる部分及び圧力緩衝溝42となる部分は、ICP放電によって深さ40μmとして形成するとよい。なお、第1のノズル孔41aとなる部分も、同時にエッチングことになる。
その後、シリコン基板40aをバックグラインダーやポリッシャー、CMP(Chemical Mechamical Polishing)等によって研磨加工を行い、第1のノズル孔41aの先端が開口するまでシリコン基板40aを薄板化し、第1のノズル孔41a、第2のノズル孔41b及び圧力緩衝溝42の内壁表面に撥水処理等を施せばノズル基板40が完成する(図4(k))。
次に、このノズル基板40に、ダイヤフラム層50となる樹脂状フィルム50aをエポキシ接着剤等を使用して接着接合する(図5(l))。このダイヤフラム層50に使用する材料としては、上述したように剛性が低い、つまり縦弾性係数(材料定数)が小さいものほど好ましい。したがって、ここでは樹脂状フィルム50aでダイヤフラム層50を構成するようにしている。なお、この樹脂状フィルム50aに使用する樹脂の種類については、上述のような性質を有しているものであればよく、特に限定するものではない。また、この樹脂状フィルム50aの厚さについても、上述した値を満たしていればよく、特に限定するものではない。
ノズル基板40に樹脂状フィルム50aを接着接合したら、樹脂状フィルム50aの下表面に保護基板55を密着するように押し当てる(図5(m))。そして、ノズル基板40側から樹脂状フィルム50aに向けてO2 プラズマを照射する(図5(n))。そうすると、シリコン製のノズル基板40がエッチングマスクとなって、ノズル孔41部分にO2 プラズマが入り込み、その部分に対応する樹脂状フィルム50aのみが開口されることになる(図5(o))。
つまり、ノズル基板40がエッチングマスクとしての役目を果たし、樹脂状フィルム50aのノズル孔41に対応する部分のみを選択的に開口することができるのである。なお、樹脂状フィルム50aに保護基板55を押し当てているので、O2 プラズマの回り込みによる余剰な開口を防止できるようになっている。ここでは、樹脂状フィルム50aの開口をO2 プラズマで行なった場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、樹脂状フィルム50aのみを選択的に開口できるものであればよい。その後、樹脂状フィルム50aのノズル孔41に対応する部分が貫通し、保護基板55を取り外せば、ノズル基板40及びダイヤフラム層50が完成する(図5(p))。
このようにダイヤフラム層50を形成するので、特別な構造とすることなく簡易な構造で圧力緩衝溝42の全面に変形可能なダイヤフラムを形成することができ、製造工程に要する手間、費用及び時間を低減することが可能になる。また、ノズル基板40をエッチングマスクとして機能させてノズル孔41に対応する部分のみを開口できるので、ノズル連通穴33の導通を容易に図ることができ、リザーバ基板30との接着が確実かつ容易に可能になる。
図6及び図7は、液滴吐出ヘッド100の製造工程の一例を示す縦断面図である。図6及び図7に基づいて、電極基板10、キャビティ基板20及びリザーバ基板30を接合したものに、ノズル基板40及びダイヤフラム層50を接合させたものを組み合わせて液滴吐出ヘッド100を完成させる製造工程について説明する。なお、最初にノズル基板40及びダイヤフラム層50を作製した場合を例に示しているが、電極基板10、キャビティ基板20及びリザーバ基板30を接合してから、ノズル基板40及びダイヤフラム層50を作製してもよい。
まず、個別電極12、インク供給穴18等が形成された電極基板10に、たとえば厚さ525μmのシリコン基板20aを陽極接合する(図6(a))。この陽極接合は、シリコン基板20aとホウ珪酸ガラス製の電極基板10とを360℃に加熱した後、電極基板10に負極、シリコン基板20aに正極を接続して、800Vの電圧を印加することで行なう。シリコン基板20aと電極基板10とを陽極接合することによって、シリコン基板20aと電極基板10とが原子レベルで接合される。
ここで電極基板10の製造方法の一例を簡単に説明する。まず、レジストをガラス基板の片面全体に塗布して所定形状にパターニングした後、フッ酸水溶液等でエッチングしてガラス溝11を形成してレジストを剥離する。そして、ガラス溝11の形成された面の全面にスパッタ等でITOを成膜し、ITOの表面にレジストを塗布してパターニングし、エッチングによって個別電極12を形成した後にレジストを剥離する。なお、インク供給穴18は、ドリル等によって形成することが可能になっている。
次に、機械研削によってシリコン基板20aを薄板化して、シリコン基板20aの厚さを140μmにする(図6(b))。なお、機械研削した後に、シリコン基板20aの表面に発生した加工変質層を水酸化カリウム水溶液等で除去するのが望ましい。そして、シリコン基板20aの表面にプラズマCVDによって絶縁膜23を形成した後(図6(c))、酸化膜23の表面にレジストを塗布して吐出室21、貫通穴24及びインク供給穴18の形状をパターニングする(図6(d))。
それから、たとえば水酸化カリウム水溶液でシリコン基板20aをエッチングして吐出室21、貫通穴24及びインク供給穴18を形成して、酸化膜23を剥離する(図6(e))。なお、上記のようにシリコン基板20aにボロンドープ層を形成していた場合には、ボロンドープ層が振動板22等の薄膜として残ることとなる。その後、RIE(Reactive Ion Etching)等によって貫通穴24及びインク供給穴18に残ったシリコンの薄膜を除去し、貫通穴24及びインク供給穴18を形成し、キャビティ基板20が作製される(図6(f))。
そして、ドライバIC61を準備し、このドライバIC61を貫通穴24が形成されている部分において2列の電極列を構成する個別電極12と接続するように電極基板10上に実装する(図7(g))。なお、ドライバIC61は、ドライバIC61の下部に形成された接続端子に、異方導電性接着剤であるACF(Anisotropic Conductive Film)やACP(Anisotropic Conductive Paste)を貼付けて実装すればよい。
ドライバIC61を実装したら、貫通穴24に封止部60を形成して個別電極12との間のギャップ16を封止する(図7(h))。なお、ポリパラキシレン等の樹脂を材料として封止部60を形成する場合には、ニードル(針)によって所定位置に塗布するように形成するとよい。また、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の金属系のものを封止部60の材料とする場合には、シリコン等からなるマスクを使用したCVDによって形成するとよい。
それから、キャビティ基板20の吐出室21が形成された面に、リザーバ基板30を接合する(図7(i))。リザーバ基板30には、予め吐出室21に液滴を供給するリザーバ31と、リザーバ31から吐出室21へ液滴を移送するための供給口32と、吐出室21からノズル孔41へ液滴を移送するノズル連通穴33とが形成されている。なお、リザーバ基板30は、シリコン基板にシリコン酸化膜を形成した後、シリコン酸化膜の表面にレジストをパターニングして所定部分のシリコン酸化膜をエッチングし、その後水酸化カリウム水溶液等でシリコン基板をエッチングすることにより形成することができる。また、リザーバ基板30には、キャビティ基板20の貫通穴24に対応した部分が開口されているものとする。
そして、予め接着してあるノズル基板40及びダイヤフラム層50を、エポキシ接着剤等を用いてリザーバ基板30の上面に接合する(図7(j))。最後に、電極基板10、キャビティ基板20、リザーバ基板30、ダイヤフラム層50及びノズル基板40が順に接合された接合基板をダイシング(切断)することによって個々の液滴吐出ヘッド100に分割され、液滴吐出ヘッド100が完成する。
図8は、上述の液滴吐出ヘッド100を搭載した液滴吐出装置150の一例を示した斜視図である。図8に示す液滴吐出装置150は、一般的なインクジェットプリンタを表しているものである。なお、この液滴吐出装置150は、周知の製造方法によって製造することができる。また、上述の液滴吐出ヘッド100は、リザーバ基板30とノズル基板40との間にダイヤフラム層50を設けたことを特徴としている。
なお、実施の形態で得られた液滴吐出ヘッド100は、図8に示す液滴吐出装置150の他に、液滴を種々変更することで、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、生体液体の吐出等にも適用することができる。また、実施の形態で得られた液滴吐出ヘッド100は、圧電駆動方式の液滴吐出装置や、バブルジェット(登録商標)方式の液滴吐出装置にも使用できる。
たとえば、液滴吐出ヘッド100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。なお、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法は、上述の実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。
10 電極基板、11 ガラス溝、12 個別電極、13 FPC実装部、14 配線、16 ギャップ、18 インク供給穴、20 キャビティ基板、20a シリコン基板、21 吐出室、22 振動板、23 絶縁膜、24 貫通穴、27 共通電極端子、30 リザーバ基板、31 リザーバ、32 供給口、33 ノズル連通穴、40 ノズル基板、40a シリコン基板、41 ノズル孔、41a 第1のノズル孔、41b 第2のノズル孔、42 圧力緩衝溝、50 ダイヤフラム層、50a 樹脂状フィルム、55 保護基板、60 封止部、61 ドライバIC、62 FPC、63 シリコン酸化膜、64 レジスト、65 レジスト、100 液滴吐出ヘッド、150 液滴吐出装置。
Claims (8)
- 底壁が振動板を形成し、液滴を溜めて吐出させる吐出室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板にギャップを隔てて対向し、該振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板と、
前記吐出室に液滴を供給するリザーバ、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通穴が形成されたリザーバ基板と、
前記ノズル連通穴を介して移送される液滴を吐出するノズル孔及び前記リザーバ内で発生する圧力変動を緩衝する圧力緩衝溝が形成されたノズル基板と、
可撓性を有し、前記ノズル孔に対応する部分を貫通させたダイヤフラム層とを備え、
前記ダイヤフラム層を、前記圧力緩衝溝に所定の空間を形成するように前記ノズル基板と前記リザーバ基板との間に設けた
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記ダイヤフラム層が樹脂で形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。 - 前記請求項1または2に記載の液滴吐出ヘッドを搭載した
ことを特徴とする液滴吐出装置。 - 個別電極が形成された電極基板に吐出室が形成されるシリコン基板を接合し、該シリコン基板に前記吐出室を形成してキャビティ基板を作製し、
前記吐出室に液滴を供給するリザーバ、前記リザーバから前記吐出室へ液滴を移送するための供給口、及び前記吐出室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通穴が形成されたリザーバ基板を前記キャビティ基板に接合し、
前記ノズル連通穴を介して移送される液滴を吐出するノズル孔及び前記リザーバ内で発生する圧力変動を緩衝する圧力緩衝溝が形成されたノズル基板の該圧力緩衝溝の形成面にダイヤフラム層を接合し、
前記電極基板、前記キャビティ基板、前記リザーバ基板、前記ダイヤフラム層及び前記ノズル基板の順で積層させる
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記圧力緩衝溝は、前記リザーバに対向する位置で前記ノズル孔と同時に形成する
ことを特徴とする請求項4に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ダイヤフラム層を前記ノズル基板に接合した後、
該ノズル基板側からドライエッチングしてノズル孔に対応した部分を開口させる
ことを特徴とする請求項4または5に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - O2 プラズマを使用して前記ドライエッチングを行なう
ことを特徴とする請求項6に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記請求項5〜7のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を含む
ことを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
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