JP2009023157A - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルの高密度化、記録速度の高速度化に対応しつつ、有効な応力緩和を行うことができる液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】ノズル３１と、ノズル３１に連通する流路上にあって、変位して液体を加圧する振動板２２を有する吐出室２１と、振動板２２を変位させる加圧手段となる個別電極１２Ａとを備え、吐出室２１を形成する壁の振動板２２との境界部分には、応力集中を減らすための応力集中防止溝２１Ａを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細加工素子において、加わった力により可動部である振動板が変位し、動作（駆動）等を行う液滴吐出ヘッド、その液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置及び、それらの製造方法に関するものである。

例えばシリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）が急激な進歩を遂げている。微細加工技術により形成される微細加工素子の例としては、例えば液滴吐出方式のプリンタのような記録（印刷）装置で用いられている液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）、マイクロポンプ、波長可変光フィルタ、モータに利用される静電アクチュエータ、圧力センサ等がある。

ここで、微細加工素子の一例として液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出方式の記録（印刷）装置は、家庭用、工業用を問わず、あらゆる分野の印刷に利用されている。液滴吐出方式とは、例えば複数のノズルを有する液滴吐出ヘッドを対象物（紙等）との間で相対移動させ、液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を対象物の所定の位置に付着させて印刷等をするものである。この方式は、液晶（Liquid Crystal）を用いた表示装置を作製する際のカラーフィルタ、有機化合物等の電界発光（ElectroLuminescence ）素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ）、ＤＮＡ、タンパク質等、生体分子のマイクロアレイ等の製造にも利用されている。

そして液滴吐出ヘッドには、液体をためておく吐出室を流路の一部に備え、吐出室の少なくとも一面の壁（ここでは、底部の壁とし、以下、この壁のことを振動板ということにする）を撓ませて（駆動させて）形状変化（変位）により吐出室内の圧力を高め、連通するノズルから液滴を吐出させる方法を利用したヘッドがある。振動板を変位させ、撓ませる力としては、例えば、電圧を印加したときの圧電素子の変形を利用するもの、振動板を可動電極とし、振動板と距離を隔てて対向するもう一方の電極（固定電極）との間に電圧（以下、駆動電圧という）を印加し、それにより発生する静電気力（特に静電引力）を利用するもの等がある。

ここで、振動板は吐出室の一部であるため、他の壁と一体となっており両端固定の状態となっている。そのため、振動板が変位すると応力が発生するが、その応力は、振動板の固定端となる他の壁との境界部分において集中する。そして、振動板の変位量が大きくなるほど過大になる。特に異方性エッチング等により吐出室の他の壁と振動板とを一体形成したときには、結晶面同士の交線にて応力集中が大きくなってしまう。そこで、応力を緩和し、振動板の材質の破壊応力を越えないようにする構造等が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
特開平１１−２７７４２号公報（図１） 特開平１１−２９１４８２号公報（図４〜図７） 特開２００５−２３８５４０号公報（図１）

例えば、液滴吐出ヘッドに関しては、近年、高精細な印刷等が要求されており、そのためにノズルの高密度化が進んでいる。ノズルを高密度化するということは、例えば各ノズルに連通する吐出室の間隔が狭まり、振動板の幅も狭まる。一方、高精細な印刷等を行うと共に、記録速度を高速化することも要求されている。記録速度を向上させるには、駆動電圧の駆動周波数を上げ、時間あたりの吐出回数を増やす必要があるが、このとき、吐出する液滴の量は減らさないようにする必要がある。

上記の要求を満たすためには、振動板の厚みをできる限り維持し、剛性を保ちつつ、振動板の変位量を増やす必要がある。例えば、静電方式の液滴吐出ヘッドの場合、振動板と固定電極との間の空間により形成される圧力室の排除体積の量を減らさず、圧力室の長さが長くならないようにする必要がある。このためには振動板と対向する個別電極との距離を拡げ、かつ、振動板の長さや厚みを維持する必要がある。

しかしながら、振動板の剛性、排除体積の確保等の面から考えると、各特許文献のような構造では、上述したすべての要求を満たすことが困難であった。

そこで、本発明はこのような問題を解決するため、ノズルの高密度化、記録速度の高速度化に対応しつつ、有効な応力緩和を行うことができる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びにそれらの製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズルと、ノズルに連通する流路上にあって、変位して液体を加圧する振動板を有する吐出室と、振動板を変位させる加圧手段とを備え、吐出室を形成する壁の振動板との境界部分には、応力集中を減らすための溝を設ける。
本発明によれば、吐出室を形成する流路壁の振動板との境界部分に、応力集中を減らすための溝を設けるようにしたので、振動板の厚みを維持して剛性を保ちつつ、振動板の変位量を増やすことができ、ノズルの高密度化、高速駆動に対応しながら、有効な応力緩和により振動板の破壊を防止し、耐久性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、溝は、丸みを有する凹部である。
本発明によれば、丸みを有する凹部によって応力集中を減らすための溝を形成するようにしたので、吐出室を形成する流路壁の振動板との境界部分に角が形成されなくなるため、応力集中を効果的に減らすことができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、加圧手段は、振動板に対向し、振動板との間に静電気力を発生させて振動板を変位させる個別電極である。
本発明によれば、特に振動板を引きつける静電引力を発生させる個別電極を加圧手段としたので、応力集中緩和の効果を最も発揮することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、個別電極は、長辺方向について端部から中央部に行くにしたがって、振動板との距離が長くなるような段構成を有し、溝は、距離が最も長い部分に対応して、吐出室を形成する壁の振動板との境界部分に設けられる。
本発明によれば、個別電極が段構成である場合に、特に変位量が大きくなる振動板との距離が最も長い部分に対応して応力集中を減らすための溝を設けるようにしたので、効果的に応力集中を緩和することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、距離が最も長い部分に対応した振動板の厚みが、振動板の他の部分よりも薄く形成されている。
本発明によれば、変位量が大きくなる振動板との距離が最も長い部分に対応した振動板の厚みが他の部分よりも薄いので、さらなる応力緩和を図ることができ、振動板の破壊を効果的に防止することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、加圧手段は、電圧を印加して前記振動板を変位させる圧電素子である。
本発明によれば、電圧を印加して前記振動板を変位させる圧電素子を加圧手段としたので、溝による応力集中緩和の効果を発揮することができる。

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ものである。
本発明によれば、上記のような応力集中を減らすための溝を液滴吐出ヘッドに設けるようにしたので、ノズルの高密度化、高速駆動に対応しながら、液滴吐出ヘッドの耐久性を向上させた液滴吐出装置を得ることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、底面に変位可能な振動板を形成し、液体を溜めておく吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、液体を液滴として吐出させるために振動板を加圧する加圧手段とを備える液滴吐出ヘッドの製造方法であって、キャビティ基板となるシリコン基板を異方性ウェットエッチングして、吐出室となる凹部を形成する工程と、異方性ドライエッチングにより、吐出室を形成する壁の振動板との境界部分に、丸みを有する凹部を形成する工程とを有する。
本発明によれば、吐出室を形成する流路壁の振動板との境界部分に、異方性ドライエッチングを行って応力集中を減らすための溝となる丸みを有する凹部を形成するようにしたので、振動板の厚みを維持して剛性を保ちつつ、振動板の変位量を増やすことができ、ノズルの高密度化、高速駆動に対応しながら、有効な応力緩和により振動板の破壊を防止し、耐久性の高い液滴吐出ヘッドを製造することができる。また、他の部分を不用意にエッチングすることなく、吐出室を形成する流路壁の振動板との境界部分に、効率的に所定の丸み半径（深さ）を有する応力集中を減らすための溝を形成することができる。

また、本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造する。
本発明によれば、上記のような製造方法で応力集中を減らすための溝を液滴吐出ヘッドに設けた液滴吐出装置を製造するようにしたので、ノズルの高密度化、高速駆動に対応しながら、液滴吐出ヘッドの耐久性を向上させる装置を製造することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１では液滴吐出ヘッドの一部を示している。本実施の形態では、例えば静電方式で駆動する静電アクチュエータを用いたデバイスの代表として、フェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する。なお、構成部材を図示し、見やすくするため、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異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下とする。さらに、ノズル３１が並んでいる方向を短手方向、短手方向に直交する方向を長手方向として説明する。

図１に示すように本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板を下から順に積層して構成する。ここで本実施の形態では、電極基板１０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合する。また、キャビティ基板２０とノズル基板３０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合する。

電極基板１０は、厚さ約１ｍｍの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス等の基板を主要な材料としている。本実施の形態ではガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。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となる凹部に合わせて複数の凹部１１を形成している。凹部１１は、後述するキャビティ基板２０の振動板２２が撓む（変位する）ことができる空間（以下、この空間をギャップという）を有している。また、凹部１１の内側（特に底部）には、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、固定電極となる個別電極１２Ａを設け、さらにリード部１２Ｂ及び端子部１２Ｃを個別電極１２Ａと一体として設けている（以下、特に区別する必要がなければこれらを合わせて電極部１２とする）。電極部１２は、例えばスパッタ法により、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）を約０．１μｍ（１００ｎｍ）の厚さで凹部１１の内側に成膜して形成する。また、電極基板１０には、他にも外部のタンク（図示せず）から供給された液体を取り入れる流路となる液体供給口１３となる貫通穴を設けている。

キャビティ基板２０は、例えば表面が（１００）面方位、（１１０）面方位等のシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板という）を主要な材料としている。キャビティ基板２０には、吐出させる液体を一時的に溜めるために流路上に設ける吐出室２１となる凹部（底壁が可動電極となる振動板２２となっている）を形成している。本実施の形態においては、後述するように、吐出室２１の側壁（流路壁）となる部分（各吐出室２１を隔てる隔壁部分）の、振動板２２との境界部分に、丸みを有し、Ｒがついた深さをもった凹部となる応力集中防止溝２１Ａを形成している。そして、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１２Ａ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）である絶縁膜２３をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１μｍ（１００ｎｍ）成膜している。ここでは絶縁膜２３をＴＥＯＳ膜としているが、例えばＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））を用いてもよい。また、各吐出室２１に液体を供給するリザーバ（共通液室）２４となる凹部を形成している。さらに、外部の発振回路から基板（振動板２２）に電荷を供給するための端子となる共通電極端子２７も設けている。

ノズル基板３０についても、例えばシリコン基板を主要な材料とする。ノズル基板３０には、複数のノズル３１を形成している。各ノズル３１は、振動板２２の駆動（変位）により加圧された液体を液滴として外部に吐出する。ノズル３１を複数段で形成すると、液滴を吐出する際の直進性向上が期待できるため、本実施の形態ではノズル３１を２段で形成している。また、実施の形態１の液滴吐出ヘッドでは、振動板２２が変位することでリザーバ２４方向に加わる圧力を緩衝するダイヤフラム３２がさらに設けられている。さらに、吐出室２１とリザーバ２４とを連通させるためのオリフィス３３を下面に有している。

図２は液滴吐出ヘッドの断面図である。図２（ａ）は長手方向の断面を表し、図２（ｂ）は短手方向の断面を表す。封止材２５は、異物、水分（水蒸気）等がギャップに浸入しないように、ギャップと外の空間とを遮断し、密閉するために電極取出し口２６に設ける。電極取出し口２６は端子部１２Ｃを外部に露出させるために設けている。発振回路４１は、ワイヤ、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）等の配線４２を介して、電気的に共通電極端子２７及び電極取出し口２６から露出した端子部１２Ｃと接続し、個別電極１２Ａ、キャビティ基板２０（振動板２２）への電荷（電力）の供給及び停止を制御する。例えば、発振回路４１が発振駆動して、例えば０Ｖと４０Ｖのパルス電圧を印加し、個別電極１２Ａに電荷を供給して正に帯電させ、振動板２２を相対的に負に帯電させると、振動板２２は静電気力により個別電極１２Ａに引き寄せられて撓む。これにより吐出室２１の容積は排除体積分広がる。そして電荷供給を止めると振動板２２は元の形に戻る（復元する）が、そのときの吐出室２１の容積も元に戻り、その圧力により差分の液滴が吐出する。この液滴が例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって印刷等の記録が行われることとなる。

そして、本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、吐出室２１の隔壁と振動板２２との間の境界部分に集中する応力を緩和するための応力集中防止溝２１Ａを有している。本実施の形態では、応力集中防止溝２１Ａによって、応力集中係数が１．５以下（さらに好ましくは、１．３以下）になるようにする。応力集中係数とは、最大応力の公称応力に対する比のことである。本実施の形態においては、応力集中防止溝２１Ａは半円状に溝を形成しているものとする。そして、その丸み半径（溝の深さ）をＲ、振動板２２の厚みをＴとすると、その比であるＲ／Ｔと応力集中係数とは反比例の関係にある。そのため、少なくともＲを大きくするか、又はＴを小さくすると、応力集中係数は小さくなり、強度的な悪影響は減少する。

例えば、異方性ウェットエッチングによる吐出室２１となる凹部の形成においては、結晶面方位に基づいてエッチングすることになる。このとき、振動板２２の固定端となる吐出室２１の隔壁との境界部分には原子レベルの大きさでしかＲがつかない（丸み半径を有さない）。例えば、このＲが１０ｎｍ（０．０１μｍ）、振動板２２の厚みＴが１μｍのとき、Ｒ／Ｔは０．０１となり、応力集中係数は３．５よりも大きくなる。このように応力集中係数が大きいと、振動板２２の変位を繰り返せば破壊するおそれがある。

一方、Ｒ／Ｔが約０．６５（丸み半径Ｒが振動板厚みＴの６５％）となると、応力集中係数が約１．５となるが、それ以上Ｒ／Ｔを大きくしてもあまり変化がない。上述したように、振動板厚みＴを薄くしすぎると剛性が維持できなくなるし、丸み半径Ｒを大きくしすぎるといわゆるクロストーク（振動板２２の圧力が隔壁を介して隣接する吐出室２１に伝わり、本来、吐出すべきでないノズル３１から液滴が吐出してしまう現象）の問題も生じる可能性がある。そこで、通常、振動板２２の厚みＴは約０．３〜約１μｍ（本実施の形態では０．６μｍとする）であり、また、ギャップ（振動板２２の変位）の長さが約０．０５〜約１μｍ（本実施の形態では例えば０．２μｍとする）であることから、本実施の形態では、応力集中防止溝２１Ａは、例えば約１μｍ〜約２μｍの丸み半径Ｒを有するように形成する。これにより、Ｒ／Ｔを０．６５以上になるようにし、応力集中係数を１．５以下にする。また、例えば、７２０ｄｐｉ（dots per inch ）の液滴吐出ヘッドの場合、吐出室２１の高さ（上下方向の長さ）は約３０μｍ、幅（短手方向の長さ）は約３５μｍである。また、吐出室２１間の隔壁の厚さ６μｍに基づく隔壁の剛性を考えると、上述のような丸み半径Ｒであれば、クロストークが生じないと考えられる。

図３は電極基板１０の製造工程を表す図である。図３に基づいて電極基板１０の製造について説明する。実際には電極基板１０は、ウェハ状のガラス基板で複数個分を同時形成する。そして、他の基板と接合等をした後、個々に切り離して液滴吐出ヘッドを製造するが、図３では１つの液滴吐出ヘッドの電極基板１０の一部分だけを示している。

約１ｍｍのガラス基板５１の一方の面に対し、例えば、マスクとなるクロム（Ｃｒ）等の膜５２（以下、マスク膜５２という）を成膜する（図３（ａ））。マスク膜５２の形成は、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition ）法で行う。例えば、ＰＶＤ法としては、スパッタ、真空蒸着、イオンプレーティング等の方法がある。さらに、マスク膜５２上の全面にフォトレジスト５３を塗布する。そして、フォトリソグラフィ（Photolithography）法を用い、クロム膜上の全面に塗布したフォトレジスト用の感光性樹脂をマスクアライナ等で露光し、現像液で現像することで、ガラス基板５１に、電極基板１０の凹部１１の中央部分（最もギャップ長が長い）となる形状（長方形）に対応させてフォトレジスト５３によるパターンを形成する。

フォトレジストパターンを形成した後、例えば硝酸セリウムアンモニウム水溶液によりウェットエッチングを行い、クロム５２膜の不要な部分を除去する（図３（ｂ））。これにより、マスク膜５２による凹部１１のガラス基板５１が露出したエッチングパターンが形成される。そして、例えばフッ化アンモニウム水溶液によりガラス基板５１のウェットエッチングを行って、凹部１１を形成する（図３（ｃ））。その後、マスク膜５２を剥離する。

その後、例えばスパッタによってＩＴＯ膜５４をガラス基板５１の凹部１１を形成した側の面全体に形成する（図３（ｄ））。そしてフォトリソグラフィーによってレジスト（図示せず）をパターニングし、電極部１２として残す部分だけを保護した上でＩＴＯ膜５４をエッチングする。また、液体供給口１３となる貫通穴をサンドブラスト法または切削加工により形成する（図３（ｅ））。以上の工程により電極基板１０を作製する。

図４は液滴吐出ヘッドの製造工程を示す図である。シリコン基板６０の片面（電極基板１０との接合面側）を鏡面研磨した例えば２２０μｍの厚みの基板（キャビティ基板２０となる）にボロンを拡散させ、高濃度（約５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）のボロンドープ層を形成する。そして、ボロンドープ層を形成した面に、プラズマＣＶＤ法により、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で絶縁膜２３を０．１μｍ成膜する。

シリコン基板６０と電極基板１０とを３６０℃に加熱した後、電極基板１０に負極、シリコン基板６０に正極を接続して、例えば８００Ｖの電圧を印加し、陽極接合を行う。そして、陽極接合した後の基板（以下、接合済み基板という）において、シリコン基板６０の厚みが約６０μｍになるまでシリコン基板６０表面の研削加工を行う。その後、加工変質層を除去するために、３２ｗ％の濃度の水酸化カリウム溶液でシリコン基板６０を約１０μｍ分の異方性ウェットエッチング（以下、ウェットエッチングという）を行う。これによりシリコン基板６０の厚みを約５０μｍにする（図４（ａ））。

次に、ウェットエッチングを行った面に対し、ＴＥＯＳによるエッチングマスク（以下、ＴＥＯＳエッチングマスクという）７０をプラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜条件としては、例えば、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は７００Ｗ、圧力は３３．３Ｐａ（０．２５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で約１．０μｍ成膜する。ＴＥＯＳを用いた成膜は比較的低温で行うことができ、基板の加熱を抑えることができる。

そして、吐出室２１、リザーバ２４及び電極取出し口２６となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク７０をエッチングするため、レジストパターニングを施す。そして、フッ酸水溶液を用いてＴＥＯＳエッチングマスク７０がなくなるまで、その部分についてエッチングを行い、パターニングしてシリコンを露出させる（図４（ｂ））。そして、レジストを剥離する。ここで、電極取出し口２６となる部分については、全体についてシリコンを露出させなくても、例えば電極取出し口２６とキャビティ基板２０との境界となる部分を露出させ、残りの部分を島状に残して、シリコンの割れを防ぐようにしてもよい。また、リザーバ２４については、駆動時における電極部１２との間に発生する静電力の影響を抑えるために、シリコンを露出させるまでエッチングを行わず、凹部の底部分に厚みを残しておくようにしてもよい。

次に、接合済み基板を例えば３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、シリコンを露出させた部分の厚みが約１０μｍになるまでウェットエッチングを行う。そして、さらに、振動板２２の面荒れを抑制し、厚み精度を高めるため、接合済み基板を３ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ボロンドープ層において、エッチングストップが十分効いたものと判断するまでエッチングを続ける。この工程により吐出室２１、リザーバ２４となる部分には、（１１１）面の結晶面が表れ、隔壁（側壁）として形成される。また、吐出室２１となる凹部の底面には振動板２２が形成される（図４（ｃ））。ここでは、２種類の濃度の水酸化カリウム水溶液を用いてウェットエッチングを行っているが、後にドライエッチングを行う際に、振動板２２の厚み調整を行うこともできるため、この方法に限定するものではない。また、ウェットエッチングを行って形成するようにしたが、これに限定するものではなく、ドライエッチングにより形成するようにしてもよい。

ウェットエッチングを終了すると、接合済み基板をフッ酸水溶液に浸し、シリコン基板６０表面のＴＥＯＳエッチングマスク７０を剥離する。そして、シリコン基板６０の電極取出し口２６となる部分のシリコンを除去する為に、電極取出し口２６となる部分が開口したシリコンマスクを接合済み基板のシリコン基板６０側の表面に取り付ける。そして、例えば、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ₄ 流量３０ｃｍ³ ／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件で、ＲＩＥドライエッチング（異方性ドライエッチング）を例えば２時間行い、電極取出し口２６となる部分のみにプラズマを当てて、開口する。開口することでギャップについても大気開放される。ここで、ピン等で突いて電極取出し口２６となる部分のシリコンを除去するようにしてもよい。そして、例えばエポキシ樹脂からなる封止材２５を流し込み、ギャップを封止する。

次に、本実施の形態では、応力集中防止溝２１Ａを形成するための処理を行う。ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）放電を利用したドライエッチング装置により、Ｃ₄Ｆ₈（オクタフルオロシクロブタン）系ガスにて吐出室２１となる凹部表面にフッ素系の保護膜（パッシベーション膜）を形成する。ここで、例えば吐出室２１となる凹部の部分を開口したマスク等を接合済み基板に取り付けるようにしてもよい。

次に、ＳＦ₆ 系ガスにて、吐出室２１となる凹部の底壁（振動板２２）部分の保護膜をエッチングする。また、場合によっては、保護膜をエッチングした後、さらにエッチングを続けて振動板２２を所望の厚さにする。このとき、底面方向に送り出された（圧力が加わった）ＳＦ₆ 系ガスは底壁だけでなく、隔壁（側壁）の底壁に近い部分にもぶつかる。そのため、隔壁（側壁）の低い部分に成膜された保護膜もエッチングされる。そして、さらにはその部分のシリコンもエッチングされ、これにより、応力集中防止溝２１Ａが形成される（図４（ｄ））。

ここで、流路を流れる液体からキャビティ基板２０を保護するため、例えば酸化シリコン等の液体保護膜（図示せず）をさらに成膜してもよい。 また、共通電極端子２７となる部分を開口したマスクを、接合基板のシリコン基板６０側の表面に取り付ける。そして、例えばプラチナ（Ｐｔ）をターゲットとして、酸化シリコン等の液体保護膜を逆スパッタにより除去加工した後、スパッタ等を行い、共通電極端子２７を形成する（図４（ｅ））。また、液体供給口１３とリザーバ２４とを連通させる貫通穴をシリコン基板６０に形成する。これにより、接合済み基板に行う加工処理は完了する。

ノズル３１、ダイヤフラム３２及びオリフィス３３を形成してあらかじめ作製していたノズル基板３０を、例えば、エポキシ系接着剤により、接合済み基板のキャビティ基板２０側から接着する。そして、ダイシングを行い、個々の液滴吐出ヘッドに切断し、液滴吐出ヘッドが完成する（図４（ｆ））。

以上のように、実施の形態１の液滴吐出ヘッドによれば、振動板２２との境界部分に、丸み（Ｒ）を有する深さをもった応力集中防止溝２１Ａを形成するようにしたので、有効に応力緩和を行うことができ、振動板２２の破壊を防止し、耐久性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。また、振動板２２の厚みを維持し、剛性を保ちつつ、振動板２２の変位量を増やすことができるので、ノズル３１の高密度化、液滴吐出装置に適用したときの記録速度の高速度化に対応することができる。また、装置の小型化等も図ることができる。そして、応力集中防止溝２１Ａの丸み半径（溝の深さ）をＲ、振動板２２の厚みをＴとしたときに、Ｒ／Ｔが約０．６５以上となるようにしたので、振動板２２の厚みとのバランス、吐出室２１の隔壁間のクロストークの影響を考慮しつつ、所定の応力集中防止溝２１Ａを形成することができる。

また、ドライエッチングを行って応力集中防止溝２１Ａを形成するようにしたので、吐出室２１の側壁となる部分（各吐出室２１を隔てる隔壁部分）の振動板２２との境界部分に、他の部分をエッチングすることなく、所定の丸み半径（深さ）を有する応力集中防止溝２１Ａを形成することができる。

実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。また、図６は液滴吐出ヘッドの断面図である。図５、図６に示すように、本実施の形態の液滴吐出ヘッドでは、凹部１１Ａは３段で形成されており、凹部１１Ａの底壁部分に個別電極１２Ｄが形成されている。この個別電極１２Ｄは実施の形態１と同様に凹部１１Ａの底壁に同じ厚さで形成されており、振動板２２と個別電極１２Ｄの間のギャップ長は位置によって異なる。ここで、各ギャップ長をそれぞれ中央部分から外側部分（両端部とする）に向かってＧ３、Ｇ２、Ｇ１とする。このとき、中央部が最も深いのでＧ３＞Ｇ２＞Ｇ１の関係が成り立つ。段差が発生する部分での段切れ（電気的な断線）を防止するため、個別電極１２Ｄの厚さを凹部１１Ａが有する段差よりも厚く形成している。ここで、階段状の凹部１１Ａの内側に個別電極１２Ｄを均一に形成することで、個別電極１２Ｄが階段状になっているが、個別電極１２Ｄ自体を階段状に形成してもよい。

また、本実施の形態においては、応力集中防止溝２１Ａの代わりに応力集中防止溝２１Ｂを設けている。応力集中防止溝２１Ｂは、振動板２２において最も変位が大きく、最も応力が集中する中央部分に設けている点で、応力集中防止溝２１Ａと異なる。

本実施の形態における液滴吐出ヘッドの製造方法についても、基本的には実施の形態１と同様である。ただ、本実施の形態において、凹部１１Ａの形成については、まず、凹部１１Ａの中央部分（ギャップ長Ｇ３の部分）となる形状（長方形）に対応させて、上述したフォトレジストパターン、さらにエッチングパターンを形成し、ウェットエッチングを行う。同様にして、凹部１１Ａのギャップ長Ｇ２となる部分について、エッチングパターンを形成し、中央部分とギャップ長Ｇ２の部分とについてウェットエッチングを行う。また、凹部１１Ａのギャップ長Ｇ１、リード部１２Ｂ及び端子部１２Ｃの部分について、エッチングパターンを形成し、中央部分、ギャップ長Ｇ２の部分とともに、ウェットエッチングを行って、凹部１１Ａを形成する。

また、応力集中防止溝２１Ｂについては、応力が集中する中央部分に応力集中防止溝２１Ｂを形成するため、吐出室２１となる凹部の中央部分を開口したマスク（例えば酸化シリコンで表面を保護したシリコンマスク）を接合済み基板に取り付け、ＳＦ₆ 系ガスにてドライエッチングを行う。

このとき、中央部分を開口したシリコンマスクを取り付けてドライエッチングを行っており、応力集中防止溝２１Ｂの形成と共に、振動板２２の中央部分もエッチングされて他の部分に比べて薄くすることができる。そのため、ギャップ長が最も長い中央部分の剛性の調整を行うことができる。一方、他の部分においては、所定の厚さで振動板２２が形成されているので、振動板２２全体として、吐出特性を向上させるために必要な剛性は維持することができる。

また、吐出室２１となる凹部には、マスクが密着していないので、回り込みが生じる可能性があるが、応力集中防止溝２１Ｂの深さを徐々に浅くしていくことができ、急激に変化させずにすみ、応力集中防止溝２１Ｂを形成した部分と、そうでない部分との境界において応力集中が発生することを防ぐことができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態では、個別電極１２Ａ（個別電極１２Ｄ）と振動板２２との間で静電力を発生させて振動板２２を変位させて液体の加圧を行うようにした。本発明はこれに限定するものではない。例えば、圧電素子を振動板２２に付し、圧電素子に電圧を印加して変形させることにより、振動板２２に力を加えて液体を加圧するようにしてもよい。このときも振動板２２が変位するため、応力緩和を図ることができる。

実施の形態４．
図７は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。また、図８は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図７及び図８の液滴吐出装置は液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図８において、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１０２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１０２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１０２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１０２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、ここでは図示していないが、発振回路を駆動させて振動板２２を振動させ、制御をしながらプリント紙１１０に印刷を行わせる。

ここでは液体をインクとしてプリント紙１１０に吐出するようにしているが、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、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、ＯＬＥＤ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。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。 液滴吐出ヘッドの断面図である。 電極基板１０の作製工程例を表す図である。 液滴吐出ヘッドの製造工程を示す図である。 実施の形態２に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。 液滴吐出ヘッドの断面図である。 液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。 液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。

符号の説明

１０ 電極基板、１１，１１Ａ 凹部、１２ 電極部、１２Ａ，１２Ｄ 個別電極、１２Ｂ リード部、１２Ｃ 端子部、１３ 液体供給口、２０ キャビティ基板、２１ 吐出室、２１Ａ，２１Ｂ 応力集中防止溝、２２ 振動板、２３ 絶縁膜、２４ リザーバ、２５ 封止材、２６ 電極取出し口、２７ 共通電極端子、３０ ノズル基板、３１ ノズル、３２ ダイヤフラム、３３ オリフィス、４１ 発振回路、４２ 配線、５１ ガラス基板、５２ エッチングマスク、５３ フォトレジスト、５４ ＩＴＯ膜、６０ シリコン基板、７０ ＴＥＯＳエッチングマスク、１００ プリンタ、１０１ ドラム、１０２ 液滴吐出ヘッド、１０３ 紙圧着ローラ、１０４ 送りネジ、１０５ ベルト、１０６ モータ、１０７ プリント制御手段、１１０ プリント紙。

Claims (9)

1. ノズルと、
   前記ノズルに連通する流路上にあって、変位して液体を加圧する振動板を有する吐出室と、
   前記振動板を変位させる加圧手段とを備え、
   前記吐出室を形成する壁の前記振動板との境界部分には、応力集中を減らすための溝を設けることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記溝は、丸みを有する凹部であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記加圧手段は、前記振動板に対向し、前記振動板との間に静電気力を発生させて前記振動板を変位させる個別電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記個別電極は、長辺方向について端部から中央部に行くにしたがって、前記振動板との距離が長くなるような段構成を有し、
   前記溝は、前記距離が最も長い部分に対応して、前記吐出室を形成する壁の前記振動板との境界部分に設けられることを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出ヘッド。
5. 前記距離が最も長い部分に対応した前記振動板の厚みが、前記振動板の他の部分よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出ヘッド。
6. 前記加圧手段は、電圧を印加して前記振動板を変位させる圧電素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッド。
7. 請求項１〜６のいずれか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。
8. 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、底面に変位可能な振動板を形成し、液体を溜めておく吐出室となる凹部が形成されたキャビティ基板と、前記液体を液滴として吐出させるために前記振動板を加圧する加圧手段とを備える液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記キャビティ基板となるシリコン基板を異方性ウェットエッチングして、前記吐出室となる凹部を形成する工程と、
   異方性ドライエッチングにより、前記吐出室を形成する壁の前記振動板との境界部分に、丸みを有する凹部を形成する工程と
   を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
9. 請求項８に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。

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