JP2008246956A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出能力を確保しつつ、安定した吐出特性を得ることができ、また、ヘッドの高密度化及びクロストークの低減を図ることが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】液滴を吐出するための複数のノズル孔１１と、各ノズル孔１１に連通して設けられ液滴に圧力を加えるための圧力室２１と、圧力室２１に液滴を供給する液滴供給路と、液滴を吐出するための吐出圧力を圧力室２１に発生させる圧力発生手段とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、複数のノズル孔１１を１列のノズル列構成とし、圧力室２１を、ノズル列におけるノズル孔１１の一個おきにノズル列に対して左右に分けて配置し、且つ、圧力室２１の幅の中心線上に、その圧力室２１に対応するノズル孔１１の中心が位置するように配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴を吐出するための液滴吐出ヘッド及びその製造方法に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例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。従来の一般的な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プレートと、このノズルプレートに接合されノズルプレートとの間で上記ノズル孔に連通する圧力室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティプレートとを備え、駆動部により圧力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（例えば、特許文献１参照）。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用する方式等がある。

近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まり、そのためノズル密度の高密度化並びに吐出性能（インクスピードと、インク重量）の向上が強く要求されている。ノズル密度が高密度化されると、ノズル孔毎に設けられた圧力室の隔壁が薄くなり、隔壁の剛性が低くなるため、１つの圧力室のインクが吐出されたときに隣接する圧力室が影響を受けるという、いわゆるクロストークの問題があった。また、圧力室の幅も狭くなり、所望のインク滴吐出量を達成できないという問題があった。

そこで、１列のノズル列構成において、圧力室をノズル孔の一個おきにノズル列に対して左右に分けて配置し、圧力室間に余裕を持たせることで、ノズル密度を低下させずに所望のインク液滴吐出量を吐出可能な圧力室の幅を確保することが可能と考えられる。このような構造については、既に特許文献２に提案されている。
特開２００５−１６１７０６号公報（図１） 特開２０００−２８９２０５号公報（図２）

しかしながら、特許文献２の構造では、ノズル孔中心が圧力室の幅の中心線から偏心した構造となっており、このため、ノズル孔からのインク液滴の飛翔が曲がる可能性がある。また、圧力室の形状が複雑な形状をしているため、インクの流れがスムーズでなく、不安定吐出に繋がる可能性もあるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、吐出能力を確保しつつ、安定した吐出特性を得ることができ、また、ヘッドの高密度化及びクロストークの低減を図ることが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するための複数のノズル孔と、各ノズル孔に連通して設けられ液滴に圧力を加えるための圧力室と、圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、液滴を吐出するための吐出圧力を圧力室に発生させる圧力発生手段とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、複数のノズル孔を１列のノズル列構成とし、圧力室を、ノズル列におけるノズル孔の一個おきにノズル列に対して左右に分けて配置し、且つ、圧力室の幅の中心線上に、その圧力室に対応するノズル孔の中心が位置するように配置したものである。
これにより、全ての圧力室をノズル列に対して同一側に並設するようにした構造に比べて、隔壁の厚みを確保することができ、クロストークを防止することが可能となる。また、圧力室の幅を広くすることが可能となり、アクチュエータの吐出能力を落とすことなく、安定吐出が可能となる。また、圧力室の幅の中心線上にノズル孔の中心が位置する配置構造としたので、ノズル孔からのインク液滴の飛翔曲がりを防止して、安定した吐出が可能となる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、圧力室のノズル孔側の平面形状が舳先状であるものである。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、圧力室のノズル孔側の断面形状が擂鉢状又はテーパーであるものである。
このような形状に圧力室のノズル孔側の形状を設定することにより、液滴の流れがスムーズとなり、流体ロスを軽減し、高速・安定吐出が可能となる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記の何れかの液滴吐出ヘッドの製造方法であって、圧力室を、誘導結合プラズマエッチングにより形成するものである。
これにより、短時間で高精度に形成することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、圧力室のノズル孔側部分以外の部分を隔壁保護膜形成工程とエッチング工程とを繰り返すエッチング方法にて形成するものである。
これにより、垂直エッチングが可能となり、矩形な流路を形成することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、圧力室のノズル孔側部分を隔壁保護膜形成工程を除きエッチング工程のみでエッチングする方法にて形成するものである。
これにより、ノズル孔側を擂鉢状に形成し、液滴の流れがスムーズとなり、流体ロスを軽減し、高速・安定吐出が可能となる。

以下、本発明のノズルプレートを備えた液滴吐出ヘッドの実施の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図１及び図２を参照して説明する。なお、アクチュエータ（圧力発生手段）は静電駆動方式で示してあるが、その他の駆動方式であってもよい。

図１は、本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図２は、図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図である。なお、図１および図２では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。

本実施の形態のインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）１０は、図１および図２に示すように、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズルプレート１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティプレート２と、キャビティプレート２の振動板２４に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。

ノズルプレート１は、例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板で構成され、キャビティプレート２と接合されている。また、ノズルプレート１には、インク滴を吐出する複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられており、１列のノズル列を形成している。各ノズル孔１１は、吐出方向の先端側の円筒状の第１のノズル孔１１ａと、第１のノズル孔１１ａよりも径の大きい円筒状の第２のノズル孔１１ｂとから構成され、第１のノズル孔１１ａと第２のノズル孔１１ｂとは同軸上に設けられている。かかる構成により、インク滴の吐出方向をノズル孔１１の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができるようになっている。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することが可能となっている。

また、ノズルプレート１において下面（キャビティプレート２との接合側の面）にはインク流路の一部を形成するオリフィス（細溝）１２が設けられている。また、キャビティプレート２の後述のリザーバ２２に対応する位置には、凹部により薄肉化されたダイヤフラム部１３が設けられている。ダイヤフラム部１３はリザーバ２２内の圧力変動を抑制するために設けられている。

キャビティプレート２は、例えば厚さ約５０μｍのシリコン単結晶基板（この基板も以下、単にシリコン基板とも称する）から作製されている。キャビティプレート２には、各ノズル孔１１のそれぞれに独立して連通して設けられ、インクに圧力を加えるための圧力室２１と、各圧力室２１に連通する共通のリザーバ２２とが形成されている。

キャビティプレート２の下面（電極基板３との接合側の面）には、例えばシリコンなどの金属で構成された薄膜２３が成膜されており、圧力室２１及びリザーバ２２は、キャビティプレート２に形成された貫通孔と、その貫通孔を覆う薄膜２３とによりインクを収容する凹部状に構成されている。そして、圧力室２１の底面を構成する薄膜部分が振動板２４となっている。また、リザーバ２２の底部にはインク供給孔２５が設けられている。

圧力室２１は、ノズル孔側の部分の平面形状が舳先状に形成され、また、断面形状が擂鉢状又はテーパーに形成されている。図２には、断面形状が擂鉢状に形成された例を示している。なお、圧力室２１のノズル孔側部分以外の部分は、直方体状に形成されている。そして、圧力室２１とノズル孔１１とは、次の図３に示すような位置関係に設定されている。

図３は、圧力室とノズル孔との位置関係を示す概念平面図である。
各圧力室２１は、ノズル列におけるノズル孔１１の一個おきにノズル列に対して左右に分かれて配置されており、ノズル孔１１の中心が圧力室２１の幅の中心線Ｌ１上に位置するように位置関係が設定されている。このように構成することで、全ての圧力室２１をノズル列に対して同一側に並設した構造のものに比べて、隣接する圧力室２１間の隔壁の厚みを確保することができ、クロストークを防止することが可能となる。

また、圧力室２１のノズル孔側の平面形状を舳先状とし、断面形状を擂鉢状又はテーパーとしたことによって、圧力室２１からノズル孔１１へ向かうインクの流れがスムーズとなり、流体ロスを軽減し、高速・安定吐出が可能となる。

電極基板３は、例えば厚さ約１ｍｍのガラス基板から作製される。中でも、キャビティプレート２のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板３とキャビティプレート２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３とキャビティプレート２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３とキャビティプレート２を強固に接合することができるからである。

電極基板３には、キャビティプレート２の各振動板２４に対向する面の位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。凹部３２は、エッチングにより深さ約０．３μｍで形成されている。そして、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）からなる個別電極３１が、例えば０．１μｍの厚さでスパッタにより形成される。なお、個別電極３１の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を用いてもよいが、ＩＴＯは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすい等の理由から、一般にＩＴＯが用いられる。

個別電極３１は、リード部３１ａと、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部３１ｂとを有する。これらの端子部３１ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティプレート２の末端部が開口された電極取り出し部２６内に露出している。

また、電極基板３には、外部のインクカートリッジ（図示せず）に接続されるインク供給孔３３が設けられている。インク供給孔３３は、キャビティプレート２に設けられたインク供給孔２５に連通しており、インクカートリッジから供給されたインクはインク供給孔３３及びインク供給孔２５を介してリザーバ２２に供給されるようになっている。

上述したように、ノズルプレート１、キャビティプレート２、および電極基板３は、一般に個別に作製され、これらを図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティプレート２と電極基板３は陽極接合により接合され、そのキャビティプレート２の上面（図２において上面）にノズルプレート１が接着等により接合される。さらに、振動板２４と個別電極３１との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材２７で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド１０の信頼性を高く保持することができる。

そして最後に、図２に簡略化して示すように、ＩＣドライバ等の駆動制御回路３０が各個別電極３１の端子部３１ｂとキャビティプレート２上に設けられた共通電極２８とに前記フレキシブル配線基板（図示せず）を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。

上記のように構成されたインクジェットヘッド１０の動作を説明する。
駆動制御回路３０は、個別電極３１に電荷の供給及び停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極３１に例えば０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極３１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板２４は負に帯電し、個別電極３１と振動板２４間に静電気力（クーロン力）が発生する。したがって、この静電気力により振動板２４は個別電極３１に引き寄せられて撓む（変位する）。これによって圧力室２１の容積が増大する。そして、個別電極３１への電荷の供給を止めると振動板２４はその弾性力により元に戻り、その際、圧力室２１の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により圧力室２１内のインクの一部がインク滴としてノズル孔１１より吐出する。振動板２４が次に同様に変位すると、インクがリザーバ２２からオリフィス１２を通じて圧力室２１内に補給される。

ここで、本例のインクジェットヘッド１０では、圧力室２１のノズル孔１１側の平面形状を舳先状とし、断面形状を擂鉢状（又はテーパー）としたので、インクの流れがスムーズとなり、流体ロスを軽減し、高速・安定吐出が行なわれる。

次に、本実施の形態のインクジェットヘッド１０の製造方法について説明する。なお、ここでは、キャビティ基板の製造工程を説明し、ノズル基板及び電極基板については従来公知の方法を用いることができ、ここではその説明を省略する。

図４は、キャビティ基板の製造方法を示す製造工程の断面図である。なお、図４では、圧力室２１の形成部分のみを示している。
（ａ）まず、Ｓｉ基板２００の片面に、ＳｉＯ₂ 膜２０１を成膜した後、シリコンなどの金属膜２０２を成膜する。
（ｂ）Ｓｉ基板２００の他方の面全体に、ＳｉＯ₂ 膜２０３を成膜する。そして、その上にレジスト２０４を塗布し、圧力室２１を形成するためのパターニングを施し、フッ酸水溶液でエッチングしてＳｉＯ₂ 膜２０３をパターニングする。
（ｃ）レジスト２０４を除去し、ＳｉＯ₂ 膜２０３をマスクとして隔壁保護膜形成工程とエッチング工程とを繰り返すエッチング方法による誘導結合プラズマエッチングを行う。具体的には、ＳＦ₆ガスを用いたプラズマエッチング工程と、Ｃ₄Ｆ₈ガスを用いた保護膜形成工程とを交互に繰り返すことで、Ｓｉ基板の高速異方性エッチングを可能としたプロセスである。このプロセスにより、垂直エッチングが可能となり、矩形な流路を形成することができる。そして、このエッチングプロセスをＳｉＯ₂ 膜２０１が露出するまで行う。
（ｄ）ＳｉＯ₂ 膜２０３をフッ酸により除去する。

（ｅ）再度ＳｉＯ₂ 膜２０５をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）又は熱酸化により成膜する。
（ｆ）スプレーレジストによりレジスト２０６を塗布し、圧力室２１のノズル孔側の部分を形成するためのパターニングを施し、フッ酸水溶液でエッチングしてＳｉＯ₂ 膜２０５をパターニングする。
（ｇ）レジスト２０６を除去し、Ｓｉ基板２００を隔壁保護膜形成工程を除きエッチング工程のみでエッチングを行う。これにより、圧力室２１のノズル孔側部分の平面形状が舳先状を成し、且つ、断面形状が擂鉢状に形成される。
（ｈ）ＳｉＯ₂ 膜２０６をフッ酸により除去する。これにより、圧力室２１と振動板２４とが形成される。
（ｉ）ＳｉＯ₂ からなるインク保護膜３６と絶縁膜３５をＣＶＤ又は熱酸化又はスパッタリングにより形成する。
以上によりキャビティプレート２が作製される。

このように、本実施の形態では、圧力室２１を、ノズル列におけるノズル孔１１の一個おきにノズル列に対して左右に分けて配置するとともに、圧力室２１の幅の中心線Ｌ１上にノズル孔１１の中心が位置する配置構造としたので、特許文献２のように圧力室２１の幅の中心線に対してノズル孔の中心が偏心した構造に比べて、ノズル孔１１からのインク液滴の飛翔曲がりを防止して、安定した吐出が可能となる。

また、圧力室２１のノズル孔１１側の平面形状を舳先状とし、断面形状を擂鉢状としたので、インクの流れがスムーズとなり、流体ロスを軽減し、高速・安定吐出が可能となる。

また、本例の構造は、圧力室２１を、ノズル列におけるノズル孔１１の一個おきにノズル列に対して左右に分けて配置した構造であるため、全ての圧力室２１をノズル列に対して同一側に並設するようにした構造に比べて、隔壁の厚みを確保することができ、クロストークを防止することが可能となる。また、圧力室２１の幅を広くすることが可能となり、アクチュエータの吐出能力を落とすことなく、安定吐出が可能となる。また、圧力室２１の幅の自由度が増すため、設計の幅が広がる効果がある。

また、本例の構造は、ノズル列に対して右側に配置された圧力室２１に対応するノズル孔１１のピッチが、左側に配置された圧力室２１に対応するノズル孔１１のピッチと半ピッチずれた構造となっている。この種の構造として、従来、特許文献１のように、右側に配置された圧力室に対応するノズル孔の列と、左側に配置された圧力室に対応するノズル孔の列とを離間させ、２列ノズル構成としたものがある。この構成の場合、ノズル列が離間しているため、各ノズルの制御タイミングを変える必要があり、ノズル列毎に駆動回路が必要となっていた。しかしながら、本例の構造では、ノズル列が１列であるため、各ノズルの制御タイミングを同一時間にすることができる。したがって、駆動制御回路の吐出タイミングを同じとすることができ、遅延回路が不要で、駆動制御回路が簡単にできて、小型で安価な制御部を形成することができる。

また、圧力室２１を形成する際には、誘導結合プラズマエッチングを用いるようにしたので、短時間で高精度に形成することができる。

なお、本実施の形態のインクジェットヘッドは、吐出する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。

一実施の形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。 図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図。 圧力室とノズル孔との位置関係を示す概念平面図。 キャビティプレートの製造工程の断面図。

符号の説明

１ ノズルプレート、２ キャビティプレート、３ 電極基板、１０ インクジェットヘッド、２１ 圧力室、２４ 振動板、２５ インク供給孔（液滴供給路）、３３ インク供給孔（液滴供給路）。

Claims (6)

1. 液滴を吐出するための複数のノズル孔と、該各ノズル孔に連通して設けられ液滴に圧力を加えるための圧力室と、該圧力室に液滴を供給する液滴供給路と、液滴を吐出するための吐出圧力を前記圧力室に発生させる圧力発生手段とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記複数のノズル孔を１列のノズル列構成とし、前記圧力室を、前記ノズル列における前記ノズル孔の一個おきに前記ノズル列に対して左右に分けて配置し、且つ、前記圧力室の幅の中心線上に、その圧力室に対応するノズル孔の中心が位置するように配置したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記圧力室の前記ノズル孔側の平面形状が舳先状であることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記圧力室の前記ノズル孔側の断面形状が擂鉢状又はテーパーであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記圧力室を、誘導結合プラズマエッチングにより形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記圧力室の前記ノズル孔側部分以外の部分を隔壁保護膜形成工程とエッチング工程とを繰り返すエッチング方法にて形成することを特徴とする請求項４記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記圧力室の前記ノズル孔側部分を隔壁保護膜形成工程を除きエッチング工程のみでエッチングする方法にて形成することを特徴とする請求項４記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。

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