JP2009066794A

JP2009066794A - 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

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Publication number: JP2009066794A
Application number: JP2007235050A
Authority: JP
Inventors: Yuki Sakashita; 友樹坂下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】リザーバダイアフラムの接着剤による影響を低減し、ダイアフラムとしての機能を十分に発揮できる液滴吐出ヘッド、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を提供する。
【解決手段】液滴吐出ヘッド１００は、複数のノズル孔５を有するノズル基板１と、ノズル孔５毎に連通し、ノズル孔５より液滴を吐出する複数の独立した吐出室７を有するキャビティ基板３と、吐出室７に対して共通に連通するリザーバ１０を有し、ノズル基板１とキャビティ基板３との間に設けられるリザーバ基板２とを少なくとも備え、リザーバ１０の底面の一部を薄膜化してリザーバ１０内における液滴による圧力変動を緩衝するダイアフラム部４０を形成し、ダイアフラム部４０の両面に撥水膜４２を形成し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、特にリザーバダイアフラムの機能を十分に発揮できるよう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に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、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。このようなインクジェットヘッドは、極小の液滴を吐出することによって写真や文字等を印刷することができる。インクジェットヘッドは、一般に、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基板との間で、上記ノズル孔に連通する吐出室、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、駆動部により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駆動方式としては、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。その中でも、特に駆動手段に静電気力を利用してインク液滴を吐出させる駆動方式のインクジェットヘッドは、チップサイズの小型高密度化、印字性能の高品質化及び長寿命化できるということに優れている。このように構成されたインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置においては、高精彩かつ高速なプリント品質が要求されている。このような要求を実現するに当たっては、高密度化したノズル孔を用いるとともに、高周波数にて駆動部を駆動させて液滴を吐出させることが考えられる。また、安定性、つまりノズル孔から安定して液滴を吐出させることが求められる。

インクジェットヘッドでは、各吐出室に共通に連通するリザーバが設けられているので、ノズル密度の高密度化に伴い、吐出室の圧力がリザーバにも伝達し、その圧力の影響が他の吐出室とその吐出室に連通するノズル孔にも及ぶことになる。たとえば、アクチュエータを駆動することにより、リザーバに正圧がかかると、本来インク滴を吐出すべきノズル孔（駆動ノズル）以外の非駆動ノズルからもインク滴が漏れ出たり、逆にリザーバに負圧がかかると、駆動ノズルから吐出するべきインク滴の吐出量が減少したりして、吐出性能の安定化を妨げる。

このような背景から、リザーバの圧力変動を緩衝させるための圧力調整機構を設けることが従来から提案されている。このような圧力調整機構は、ノズル基板の一部を薄膜化し、その部分がダイアフラム部として構成されることが多い。このようなものとして、「インクリザーバを区画形成している仕切り壁部分のうち、第１の仕切り壁部分には、インクリザーバの圧力変動を緩衝させるための圧力変動緩衝部分が形成されているインクジェットヘッド」が存在する（たとえば、特許文献１参照）。

特開平１１−１１５１７９号公報（第２頁、図１及び図２）

特許文献１に記載されているインクジェットヘッドでは、リザーバが吐出室と同一の第２の基板（キャビティ基板）に形成されている。このため、リザーバの体積確保の観点から、ダイアフラム部をリザーバと同一の第２の基板に設けることは難しい。そこで、ダイアフラム部を第１の基板であるノズル基板に形成している。しかしながら、このような構造では、強度の低い部位（ダイアフラム部）が外側に露出するため、ダイアフラム部を薄くするのにも限界がある。また、ダイアフラム部を薄くするのであれば、ダイアフラム部を保護するための保護カバー等が別途必要になる。

この対策としては、ダイアフラム部と吐出室とを別々の基板（たとえば、リザーバ基板とキャビティ基板）に設け、リザーバの体積を確保しつつ、リザーバと同一の基板にダイアフラム部を設けるようにすることが考えられる。このような対策では、より厚みのある基板（たとえば、リザーバ基板）に接着剤を転写し、キャビティ基板及びノズル基板を貼り合わせることが多い。そうすると、接着剤を転写する際、ダイアフラム部にまで接着剤が転写されてしまうことがある。ダイアフラム部に接着剤が転写すると、ダイアフラム部は薄膜で構成されているため、しなやかに膨張、収縮を繰り返す機能が阻害されてしまうといった課題が生じることになる。また、ダイアフラム部の機能が阻害されると、最終的に安定的な液滴吐出ができなくなる可能性が高くなってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、リザーバダイアフラムの接着剤による影響を低減し、ダイアフラムとしての機能を十分に発揮できる液滴吐出ヘッド、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、複数のノズル孔を有するノズル基板と、ノズル孔毎に連通し、ノズル孔より液滴を吐出する複数の独立した吐出室を有するキャビティ基板と、吐出室に対して共通に連通するリザーバを有し、ノズル基板とキャビティ基板との間に設けられるリザーバ基板とを少なくとも備え、リザーバの底面の一部を薄膜化してリザーバ内における液滴による圧力変動を緩衝するダイアフラム部を形成し、ダイアフラム部の両面に撥水膜を形成したことを特徴とする。

したがって、ダイアフラム部に選択的に撥水膜を形成したので、ダイアフラム部を接着剤から保護するとともに、ダイアフラム部に接着剤が付着したとしても、物理的に容易にふき取ることができ、接着剤による影響を低減することができる。すなわち、ダイアフラム部の機能（可撓性）を低減させることなく、十分に発揮することができる。また、ダイアフラム部が十分に撓むことができるので、リザーバ内における圧力変動を効果的に抑制することができる。

また、ダイアフラム部と吐出室とを別々の基板（リザーバ基板とキャビティ基板）に設けたので、リザーバの体積を確保することができる。このため、ノズル孔の高密度化が可能になる。さらに、リザーバ内の圧力変動を効果的に抑制できるので、インク吐出時に発生するノズル間の圧力干渉を防止することができ、良好な吐出特性を得ることができ、吐出特性の安定化を図ることができる。すなわち、信頼性を向上させた液滴吐出ヘッドを提供することができる。

さらに、リザーバ基板の内部にダイアフラム部を設け、ダイアフラム部が液滴吐出ヘッドの各ヘッドチップに内包される構造としたため、ダイアフラム部に直接外力が加わることはなく、ダイアフラム部を薄くすることができ、かつ保護カバー等のような特別の保護部材が不要となる。また、ダイアフラム部をリザーバの底面に形成するので、ダイアフラム部の面積を大きくすることができ、ダイアフラム部の圧力緩衝効果を大きくすることができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ダイアフラム部は、リザーバの形成面とは反対側に、ダイアフラム部の振動を可能にする空間部を有していることを特徴とする。したがって、ダイアフラム部の両面に空間（リザーバ及び空間部）を有するので、この空間内でダイアフラム部が振動可能となる。またダイアフラム部が変形するための空間部をキャビティ基板あるいはノズル基板に形成する必要がないので、キャビティ基板あるいはノズル基板の設計及び加工に対する影響をなくすことができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、撥水膜がシランカップリング剤で構成されていることを特徴とする。したがって、ダイアフラム部の表面荒れを防止できるとともに、ダイアフラム部への撥水膜の密着性を向上させることができる。また、シランカップリング剤（ＳＣＡ）は、膜厚が数ｎｍ（たとえば、２〜３ｎｍ）程度でも撥水特性を有するために、非常に薄く形成することができ、ダイアフラム部の機能を妨げることがない。

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、上記の液滴吐出ヘッドの効果をすべて有していることになる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、複数のノズル孔を有するノズル基板と、ノズル孔毎に連通し、ノズル孔より液滴を吐出する複数の独立した吐出室を有するキャビティ基板と、吐出室に対して共通に連通するリザーバを有し、ノズル基板とキャビティ基板との間に設けられるリザーバ基板とを、接着剤を介して積層させる液滴吐出ヘッドの製造方法であって、リザーバ基板になるシリコン基材の一方の面からリザーバを形成する工程と、シリコン基材の他方の面から掘り下げて、シリコン基材の一部を薄膜化し、ダイアフラム部を形成する工程と、シリコン基材の全面に撥水膜を形成する工程と、ダイアフラム部の両面をマスクで覆い、マスクで覆った部分以外の撥水膜を除去する工程と、マスクを除去する工程とを経てリザーバ基板を作製し、リザーバ基板の両面に接着剤を転写し、ノズル基板及びキャビティ基板をリザーバ基板に接合することを特徴とする。

したがって、ダイアフラム部に選択的に撥水膜を形成するので、リザーバ基板の接着面には撥水膜が形成されず、ノズル基板及びキャビティ基板との接合に影響を与えることがない。また、ダイアフラム部に選択的に撥水膜を形成したので、ダイアフラム部を接着剤から保護するとともに、ダイアフラム部に接着剤が付着したとしても、物理的に容易にふき取ることができ、接着剤による影響を低減することができる。すなわち、ダイアフラム部の機能（可撓性）を低減させることなく、十分に発揮することができる。また、ダイアフラム部が十分に撓むことができるので、リザーバ内における圧力変動を効果的に抑制することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、マスクにＰＥＴフィルムを用いたことを特徴とする。したがって、ＰＥＴフィルムは、強度と耐熱性に優れているために、撥水膜を効果的に保護することができる。

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２は、液滴吐出ヘッド１００が組み立てられた状態の断面構成を示す縦断面図である。図１及び図２に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の構成及び動作について説明する。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（電極ガラス基板）４、キャビティ基板３、リザーバ基板２及びノズル基板１の４つの基板が順に積層されて接合された４層構造で構成されている。リザーバ基板２の一方の面（上面）にはノズル基板１が接合されており、リザーバ基板２の他方の面（下面）にはキャビティ基板３が接合されている。また、キャビティ基板３のリザーバ基板２が接合された面の反対面には、電極基板４が接合されている。すなわち、吐出室７とリザーバ１０とが別々の基板に設けられている。また、液滴吐出ヘッド１００には、個別電極１７に駆動信号を供給するドライバＩＣ等の駆動制御回路１５が接続されている。

［ノズル基板１］
ノズル基板１は、たとえば厚さ５０［μｍ］（マイクロメートル）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。ノズル基板１には、複数のノズル孔５が所定のピッチで形成されている。各ノズル孔５は、後述する各ノズル連通孔６から移送された液滴を外部に吐出する機能を有している。なお、図２に示すように、ノズル孔５を複数段（たとえば、基板面に対し垂直かつ同軸上に小さい径で形成されている第１ノズル孔部５ａと、第１ノズル孔部５ａよりも径の大きい第２ノズル孔部５ｂの２段）で形成したり、テーパー形状で形成したりすると、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。

また、図１では、ノズル孔５を有するノズル基板１を上面とし、電極基板４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１の方が電極基板４よりも下面となることが多い。さらに、図１では、簡略化のため、１列に５つのノズル孔５が形成され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、ノズル孔５の列を複数列とするとともに、ノズル孔５の個数を６つ以上としてノズル孔５を形成してもよい。

［リザーバ基板２］
リザーバ基板２は、たとえば厚さ１８０［μｍ］のシリコン基板を主要な材料として構成されている。このリザーバ基板２には、リザーバ基板２に垂直に貫通し、各ノズル孔５に独立して連通するノズル連通孔６が形成されている。このノズル連通孔６は、ノズル孔５の径よりも少し大きい径で形成されている。また、リザーバ基板２には、各吐出室７にインク等の液滴を供給するためのリザーバ１０が各吐出室７に共通して形成されている。このリザーバ１０は、ノズル基板１との接着面（以下、Ｎ面ともいう）側に拡径した断面形状（ほぼ逆台形状）となっている。

また、リザーバ１０の底面には、リザーバ１０の底面を垂直に貫通し、リザーバ１０から各吐出室７へ液滴を移送するための供給口９が各吐出室７の位置に合わせて形成されている。すなわち、リザーバ１０は、各供給口９を介して各ノズル連通孔６及びノズル孔５と連通するようになっている。さらに、リザーバ１０の底面には、リザーバ１０の底面を垂直に貫通し、図示省略の外部のインクタンクからリザーバ１０に供給される液体を取り入れる流路となるインク供給孔３１が形成されている。

リザーバ基板２とキャビティ基板３との接着面（以下、Ｃ面ともいう）におけるリザーバ１０の底面には、圧力変動緩衝部であるリザーバダイアフラム（以下、ダイアフラム部４０という）が設けられている。このダイアフラム部４０は、リザーバ１０の底面をＣ面側から薄膜化することで形成されている。つまり、リザーバ１０の底面のＣ面側に空間部４１を設けることによって、ダイアフラム部４０を形成しているのである。この空間部４１は、供給口９及びインク供給孔３１との間に形成されている。また、リザーバ基板２のＣ面には、吐出室７の一部を構成する細溝状の凹部（第２キャビティ）２８が形成されている。この凹部２８は、キャビティ基板３を薄くすることによる吐出室７での流路抵抗の増加を防ぐために設けられているが、省略することも可能である。

また、ダイアフラム部４０を構成するリザーバ基板２の底面両面には、撥水膜４２が数ｎｍ（ナノメートル）程形成されている。この撥水膜４２は、ダイアフラム部４０の接着剤による影響を低減するための保護膜として機能する。つまり、撥水膜４２は、接着剤の転写をしにくくするとともに、転写されたとしても物理的に拭き取り可能にする機能を有している。なお、リザーバ１０の形成面側に形成された撥水膜４２は、少なくともダイアフラム部４０に形成されていればよく、リザーバ１０の底面全体に形成されていなくてもよい。また、撥水膜４２の材料を特に限定するものではない。たとえば、ＳＣＡ（ｓｉｌａｎｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔ：シランカップリング剤）で構成するとよい。

撥水膜４２をＳＣＡで構成すれば、ダイアフラム部４０（詳しくは、以下で示す熱酸化膜２０３）の表面荒れを防止できるとともに、ダイアフラム部４０への撥水膜４２の密着性を向上させることができる。また、膜厚を数ｎｍ（たとえば、２〜３［ｎｍ］）としても撥水特性を発揮するために、非常に薄い撥水膜４２を形成することができる。したがって、撥水膜４２をダイアフラム部４０に形成したとしても、ダイアフラム部４０の機能に影響を与えることなく、ダイアフラム部４０が十分に機能することになる。

このように、ダイアフラム部４０に撥水膜４２を形成しても、撥水膜４２の膜厚は数ｎｍ程度であるために、ダイアフラム部４０の機能、つまりしなやかに膨張、収縮を繰り返すという可撓性を十分に発揮できる。すなわち、ダイアフラム部４０を設けることによって、リザーバ１０内における液滴によって発生する圧力変動を十分に緩衝することができるのである。また、ノズル連通孔６は、ノズル基板１のノズル孔５と同軸上に設けられているので、インク滴の吐出の直進性が得られ、そのため吐出特性が格段に向上する。特に、微小なインク滴を狙い通りに着弾させることができるため、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。

［キャビティ基板３］
キャビティ基板３は、たとえば厚さ約５０［μｍ］の（１１０）面方位のシリコン基板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８となる吐出室（または、圧力室）７が複数形成されている。この吐出室７は、電極基板４の個別電極１７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７は、紙面手前側から奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。

この吐出室７は、リザーバ基板２のノズル連通孔６のそれぞれに独立して連通するように形成されている。また、リザーバ基板２の凹部２８が各吐出室７の一部を構成するようになっている。さらに、キャビティ基板３の下面（電極基板４と対向する面）には、振動板８と個別電極１７との間を電気的に絶縁するためのＴＥＯＳ膜（ここでは、ＴｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅＴｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン（珪酸エチル）を用いてできるＳｉＯ₂をいう）である図示省略の絶縁膜をプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１［μｍ］形成するとよい。

この絶縁膜を形成することで、振動板８の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止できるとともに、インク等の液滴によるキャビティ基板３のエッチングを防止できる。また、絶縁膜をＴＥＯＳ膜に限定するものではなく、絶縁性能が向上する物質、たとえばＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））等を用いてもよい。さらに、キャビティ基板３の上面には、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。この液体保護膜を成膜することで、インク滴で流路が腐食されるのを防止できる。また、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８の反りを小さくできるという効果もある。

振動板８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（ＫＯＨ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５×１０¹⁹［ａｔｏｍｓ／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８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７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８を所望の厚さに形成することができる。また、振動板８の面荒れを精度よく抑制することができる。

また、キャビティ基板３には、キャビティ基板３を垂直に貫通し、リザーバ基板２のインク供給孔３１と連通するインク供給孔３２が形成されている。さらに、キャビティ基板３には、駆動制御回路１５が搭載されている図示省略のフレキシブル配線基板と接続される部分に電極端子としての共通電極端子１６が設けられている。この共通電極端子１６は、駆動制御回路１５から個別電極１７に供給される電荷と反対の極性の電荷を振動板８に供給する際の端子となるものである。

［電極基板４］
電極基板４は、たとえば、厚さ１［ｍｍ］のガラス材を主要な材料として形成するとよい。中でも、キャビティ基板３を構成するシリコン材と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスで形成するのが適している。この硼珪酸系の耐熱硬質ガラスで電極基板４を形成すれば、電極基板４とキャビティ基板３とを陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板４とキャビティ基板３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とキャビティ基板３とを強固に接合することができる。なお、電極基板４がガラス材で形成されている場合を例に示すが、単結晶シリコンで形成してもよい。

この電極基板４の表面には、キャビティ基板３の各吐出室７の形状に応じたガラス溝（凹部）１２が形成されている。このガラス溝１２は、たとえばエッチングにより深さ０．３［μｍ］で形成するとよい。また、ガラス溝１２は、その一部が個別電極１７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いる。各ガラス溝１２の内部（特に底部）には、固定電極となる個別電極１７が、一定の間隔を有してキャビティ基板３の各吐出室７（振動板８）と対向するように作製されている。

この個別電極１７は、たとえばＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を０．１［μｍ］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１７を作製すると、透明なので放電したかどうかの確認が行ないやすいという利点がある。なお、個別電極１７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、ＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）あるいは金、銅、クロム等の金属等で作製してもよい。

したがって、電極基板４とキャビティ基板３とを接合して積層体を形成すると、振動板８と個別電極１７との間には、振動板８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）１８が、電極基板４のガラス溝１２により形成されるようになっている。ここでは、ギャップ１８が０．２［μｍ］となっている。このギャップ１８は、ガラス溝１２の深さ、個別電極１７及び振動板８の厚さにより決まることになる。このギャップ１８は、液滴吐出ヘッド１００の吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が要求される。

また、このギャップ１８の開放端部に、たとえばエポキシ接着剤等からなる封止部１４を形成し、ギャップ１８内に異物や湿気等が侵入するのを防止するとよい。なお、封止部１４に使用する材料を特に限定するものではなく、ギャップ１８を気密に封止できるものであればよい。たとえば、水分透過性の低い酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ポリパラキシリレン等で封止部１４を形成するとよい。

なお、ギャップ１８は、電極基板４にガラス溝１２を形成する他に、キャビティ基板３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。また、個別電極１７は、一定の間隔の隙間（ギャップ１８）をもって振動板８に対向しており、ガラス溝１２の底面に沿って電極基板４の片側末端まで伸びている。そして、この個別電極１７の末端を構成する端子部１７ａで駆動制御回路１５が搭載されている図示省略のフレキシブル配線基板と接続され、その駆動制御回路１５から個別電極１７に駆動信号が供給されるようになっている。端子部１７ａは、リザーバ基板２及びキャビティ基板３の端部が開口された電極取り出し部４４に露出している。

この液滴吐出ヘッド１００は、図１に示すように、複数の個別電極１７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１７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、個別電極１７の短辺方向に伸びる１つの電極列を示している。なお、個別電極１７の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極１７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、電極基板４には、電極基板４を垂直に貫通し、キャビティ基板３のインク供給孔３２と連通するインク供給孔３３が形成されている。このインク供給孔３３は、電極基板４、キャビティ基板３及びリザーバ基板２が接合された状態において、キャビティ基板３に形成されたインク供給孔３２、及びリザーバ基板２に形成されたインク供給孔３１と連通し、インク供給孔３４を形成し、液滴をリザーバ１０に供給するようになっている。なお、ここで示したガラス溝１２の深さ及び長さやギャップ１８の深さ、個別電極１７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。

電極基板４、キャビティ基板３、リザーバ基板２及びノズル基板１を接合するときに、シリコンからなる基板とホウ珪酸ガラスからなる基板を接合する場合（電極基板４とキャビティ基板３とを接合する場合）は陽極接合により、シリコンからなる基板同士を接合する場合（キャビティ基板３とリザーバ基板２、リザーバ基板２とノズル基板１とを接合する場合）は直接接合によって接合することができる。また、シリコンからなる基板同士は、接着剤を用いて接合することもできる。

ここで、液滴吐出ヘッド１００の動作について説明する。リザーバ基板２のリザーバ１０には、インク供給孔３４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７には、供給口９を介してリザーバ１０から液滴が供給されている。吐出室７内の液滴は、ノズル連通孔６を介してノズル孔５の先端まで満たされている。また、駆動制御回路１５は、各個別電極１７と、共通電極端子１６との間に接続されている。この駆動制御回路１５には、液滴吐出装置の図示省略の制御部から駆動信号（パルス電圧）が供給されている。そして、駆動制御回路１５によって選択された個別電極１７には０［Ｖ］〜４０［Ｖ］程度のパルス電圧が印加され、その個別電極１７を正に帯電させる。

このとき、共通電極端子１６を介してキャビティ基板３には負の極性を有する電荷が印加され、正に帯電された個別電極１７に対応する振動板８が相対的に負に帯電する。そのため、選択された個別電極１７と振動板８との間では静電気力（クーロン力）が発生することになる。そうすると、振動板８は、静電気力によって個別電極１７側に引き寄せられて撓むことになる。これによって、吐出室７の容積が増大する。次に、個別電極１７へのパルス電圧の供給を止めると、振動板８と個別電極１７との間の静電気力がなくなり、振動板８は元の状態に復元する。このとき、吐出室７の内部の圧力が急激に上昇し、吐出室７内の液滴がノズル連通孔６を通過してノズル孔５から吐出されることになる。

この吐出液滴が、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１０から供給口９を通じて吐出室７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、液滴吐出ヘッド１００のリザーバ１０への液滴の供給は、たとえばインク供給孔３４に接続された図示省略の液滴供給管により行われている。

この液滴吐出ヘッド１００では、駆動時において、吐出室７の圧力がリザーバ１０にも伝達される。このとき、リザーバ１０の底面には、ダイアフラム部４０が設けられているので、リザーバ１０が正圧になるとダイアフラム部４０は空間部４１の下方へ撓み、逆にリザーバ１０が負圧になるとダイアフラム部４０は空間部４１の上方へ撓むため、リザーバ１０内の圧力変動を緩衝することができ、ノズル孔５間の圧力干渉を防止することができる。そのため、駆動ノズル以外の非駆動ノズルから液滴が漏れ出たり、駆動ノズルから吐出に必要な吐出量が減少したりするといったようなことをなくすことができる。

ダイアフラム部４０は、リザーバ１０の底面の一部を薄膜化して形成されているため、ダイアフラム部４０の面積を大きくすることができ、圧力緩衝効果を大きくすることができる。また、ダイアフラム部４０は、リザーバ基板２内に設けられており、Ｃ面側がキャビティ基板３によって蓋がされ、外部に露出していないので、ダイアフラム部４０を外力から確実に保護することができる。さらに、保護カバー等特別な保護部材を全く必要としなくて済み、液滴吐出ヘッド１００の小型化及び低コスト化を図れる。

次に、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１００の製造工程について説明する。まず、リザーバ基板２の製造工程について説明する。図３及び図４は、リザーバ基板２の製造工程を説明するための説明図である。図３及び図４に基づいて、この実施の形態の特徴事項であるリザーバ基板２の製造工程について説明する。なお、以下に示す基板の厚さやエッチング深さ、温度、圧力等の値はあくまでも一例であり、本発明はこれらの値によって限定されるものではない。

面方位（１００）、厚さ１８０［μｍ］のシリコン基板よりなるリザーバ基材２００を用意し、このリザーバ基材２００に熱酸化膜２０１を１．５［μｍ］形成し、フォトリソグラフィー法により、キャビティ基板３と接着する側の面（Ｃ面）に、ノズル連通孔６になる部分６ａ、凹部２８になる部分２８ａ、供給口９になる部分９ａ、ダイアフラム部４０になる部分４０ａ（後に、空間部４１となる部分）及びインク供給孔３１の外縁になる部分３１ａをパターニングする（図３（ａ））。このとき、ノズル連通孔６になる部分６ａ＝０＜供給口９になる部分９ａ＝インク供給孔３１の外縁になる部分３１ａ＜凹部２８になる部分２８ａ＝ダイアフラム部４０になる部分４０ａの関係になるように熱酸化膜２０１の残し膜厚を決定する。

次に、ノズル連通孔６になる部分６ａを、たとえばＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）によって１５０［μｍ］程、ドライエッチングする（図３（ｂ））。それから、熱酸化膜２０１を適量エッチングして、供給口９になる部分９ａ、及びインク供給孔３１の外縁になる部分３１ａを開口させ、たとえばＩＣＰで１５［μｍ］程、ドライエッチングする（図３（ｃ））。そして、熱酸化膜２０１を適量エッチングして、凹部２８になる部分２８ａ及びダイアフラム部４０になる部分４０ａを開口させ、たとえばＩＣＰで２５［μｍ］程、ドライエッチングして掘り下げる（図３（ｄ））。このとき、ノズル連通孔６になる部分６ａもドライエッチングされて、Ｎ面にまで貫通することになる。

その後、熱酸化膜２０１を除去し、再度、熱酸化膜２０２を１．０［μｍ］形成し、ノズル基板１と接着する側の面（Ｎ面）に、リザーバ１０になる部分１０ａをフォトリソグラフィー法で開口する（図３（ｅ））。このリザーバ基材２００をＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）で１５０［μｍ］程、ウエットエッチングしてリザーバ１０になる部分１０ａをウエットエッチングする（図４（ｆ））。このとき、インク供給孔３１になる部分は、インク供給孔３１の外縁になる部分３１ａによりリザーバ基材２００から分離されることになる。

熱酸化膜２０２を除去した後、再度、熱酸化膜２０３を０．２［μｍ］形成する（図４（ｇ））。このリザーバ基材２００の全体にＳＣＡ等を用いて撥水膜４２ａを形成する（図４（ｈ））。その後、ダイアフラム部４０（リザーバ１０の形成面側及び空間部４１側）をＰＥＴ（ＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＴｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）フィルム等をマスクとして用いて保護し、それ以外の部分に形成されている撥水膜４２ａを除去し、撥水膜４２ａをダイアフラム部４０に選択的に残るようにする（図４（ｉ））。その後、ダイアフラム部４０を覆っているＰＥＴフィルム等を除去し、ダイアフラム部４０に撥水膜４２が形成されることになる。

このように、ダイアフラム部４０に選択的に撥水膜４２が形成され、リザーバ基板２が作製される。なお、リザーバ１０の形成面側における撥水膜４２ａは、ダイアフラム部４０に少なくとも形成されていればよい。また、リザーバ基材２００のダイアフラム部４０以外に形成されている撥水膜４２ａの除去には、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）装置等を使用するとよい。このときの条件は、たとえばＡｒプラズマをガス流量５０［ｓｃｃｍ］、圧力０．０５［Ｔｏｒｒ］、放電パワー２００［Ｗ］、照射時間１分間として行うようにするとよい。

次に、電極基板４及びキャビティ基板３の製造工程について説明する。図５〜図７は、電極基板４及びキャビティ基板３の製造工程を説明するための説明図である。図５〜図７に基づいて、電極基板４及びキャビティ基板３の製造工程について簡単に説明する。なお、以下に示す基板の厚さやエッチング深さ、温度、圧力等の値はあくまでも一例であり、電極基板４及びキャビティ基板３の製造工程は、これらの値によって限定されるものではない。

電極基板４は、以下のようにして作製される。硼珪酸ガラス等からなる厚さ約１［ｍｍ］のガラス基材４００に、金・クロムのエッチングマスクを使用し、フッ酸によってエッチングすることにより、ガラス溝１２を形成する。なお、このガラス溝１２は、個別電極１７の形状より少し大きめの形状に、個別電極１７ごとに複数形成されるものとする。そして、ガラス溝１２の内部に、スパッタとパターニングにより、たとえばＩＴＯからなる個別電極１７を形成する。その後、ブラスト等によってインク供給孔３３を形成することにより、電極基板４が作製される（図５（ａ））。

次に、電極基板４と接合するＥ面に所要の厚さのキャビティ基材３００を用意し、このキャビティ基材３００のＥ面に、たとえばＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤによって、厚さ０．１［μｍ］の酸化膜からなる絶縁膜３０１を形成する（図５（ｂ））。この絶縁膜３０１の形成は、たとえば温度３６０［℃］、高周波出力２５０［Ｗ］、圧力６６．７［Ｐａ］（０．５［Ｔｏｒｒ］）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００［ｃｍ³／ｍｉｎ］（１００［ｓｃｃｍ］）、酸素流量１０００［ｃｍ³／ｍｉｎ］（１０００［ｓｃｃｍ］）の条件で行うとよい。また、キャビティ基材３００は、所要の厚さのボロンドープ層が形成してあるものを用いるとよい。

それから、キャビティ基材３００と、電極基板４とを陽極接合する（図５（ｃ））。この陽極接合は、キャビティ基材３００及び電極基板４を３６０［℃］に加熱した後、電極基板４に負極、キャビティ基材３００に正極を接続して、８００［Ｖ］の電圧を印加して行なうとよい。陽極接合されたキャビティ基材３００の表面を、たとえばバックグラインダーやポリッシャー等によって研削加工し、さらにＫＯＨで表面を１０〜２０［μｍ］エッチングして加工変質層を除去し、厚さが３０［μｍ］になるまで薄くする（図５（ｄ））。

次に、薄板化されたキャビティ基材３００の表面に、エッチングマスクとなるＴＥＯＳ酸化膜３０２を、たとえばプラズマＣＶＤによって厚さ約１．０［μｍ］で形成する（図６（ｅ））。そして、ＴＥＯＳ酸化膜３０２の表面上に図示省略のレジストをコーティングし、フォトリソグラフィーによってレジストをパターニングし、ＴＥＯＳ酸化膜３０２をエッチングすることにより、吐出室７になる部分７ａ、インク供給孔３２になる部分３２ａ、及び電極取り出し部４４になる部分４４ａを開口する（図６（ｆ））。その後、レジストを剥離する。

それから、薄板化されたキャビティ基材３００をＫＯＨでエッチングすることにより、吐出室７になる部分７ａと、インク供給孔３２になる部分３２ａを形成する（図６（ｇ））。このとき、電極取り出し部４４になる部分４４ａは、ボロンドープ層が形成されているため、振動板８になる部分８ａと同じ厚さで残留することになる。また、インク供給孔３２になる部分３２ａにもボロンドープ層が形成されているが、電極基板４のインク供給孔３３から侵入するＫＯＨにも曝露されているため、エッチング中に消滅することになる。

なお、このエッチング工程では、最初は、濃度３５［ｗｔ％］のＫＯＨを用いて、キャビティ基材３００の残りの厚さが、たとえば５［μｍ］になるまでエッチングを行い、それから、濃度３［ｗｔ％］のＫＯＨに切り替えてエッチングを行うとよい。こうすることによって、エッチングストップが十分に働くため、振動板８になる部分８ａの面荒れを防ぐことができ、その厚さを０．８０±０．０５［μｍ］と、高精度の厚さに形成することができる。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウエットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。

キャビティ基材３００のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングすることにより、キャビティ基材３００の上面に形成されているＴＥＯＳ酸化膜３０２を除去する（図６（ｈ））。それから、キャビティ基材３００の吐出室７になる部分７ａの表面に、たとえばプラズマＣＶＤによりＴＥＯＳ膜からなるインク保護膜３０３を、厚さ０．１［μｍ］で形成するとよい（図７（ｉ））。その後、ＲＩＥ等によって電極取り出し部４４になる部分４４ａを開口し、ギャップ１８の開放端部を封止部１４で気密封止し、Ｐｔ（白金）等の金属電極からなる共通電極端子１６を、たとえばスパッタ等により、キャビティ基材３００の表面端部に形成する（図７（ｊ））。このように、電極基板４に接合した状態のキャビティ基材３００からキャビティ基板３が作製される。

次に、液滴吐出ヘッド１００の完成までの製造工程について説明する。図８は、液滴吐出ヘッド１００の完成までの製造工程を説明するための説明図である。図８に基づいて、液滴吐出ヘッド１００の完成までの製造工程について簡単に説明する。ここでは、図３及び図４で説明したリザーバ基板２と、図５〜図７で説明した電極基板４及びキャビティ基板３とを用いるとともに、シリコン材で構成されているノズル基板１を用いて液滴吐出ヘッド１００を完成させる場合について示している。

リザーバ基板２のＣ面に接着剤を転写し、このリザーバ基板２とキャビティ基板３を接合する（図８（ａ））。このとき、リザーバ基板２のダイアフラム部４０の空間部４１側には、撥水膜４２が形成されているために、接着剤がダイアフラム部４０に付着しにくく、また付着したとしても、物理的に容易にふき取ることができる。それから、リザーバ基板２のＮ面に接着剤を転写し、このリザーバ基板２と予めノズル孔５が形成されたノズル基板１とを接合する（図８（ｂ））。このとき、リザーバ基板２のリザーバ１０の形成面側には、撥水膜４２が形成されているために、接着剤がダイアフラム部４０に付着しにくく、また付着したとしても、物理的に容易にふき取ることができる。最後に、ダイシングにより個々のヘッドに分離すれば、液滴吐出ヘッド１００が完成する（図８（ｃ））。

以上のように、この実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１００は、ダイアフラム部４０に選択的に撥水膜４２を形成したので、ダイアフラム部４０を接着剤から保護するとともに、ダイアフラム部４０に接着剤が付着したとしても、物理的に容易にふき取ることができ、接着剤による影響を低減することができる。したがって、ダイアフラム部４０の機能を低減させることなく、十分に発揮することができる。すなわち、ダイアフラム部４０が十分に撓むことができるので、リザーバ１０内における圧力変動を効果的に抑制することができるのである。

また、ダイアフラム部４０と吐出室７とを別々の基板（リザーバ基板２とキャビティ基板３）に設けたので、リザーバ１０の体積を確保することができる。このため、ノズル孔５の高密度化が可能になる。さらに、リザーバ１０内の圧力変動を効果的に抑制できるので、インク吐出時に発生するノズル孔５間の圧力干渉を防止することができ、良好な吐出特性を得ることができ、吐出特性の安定化を図ることができる。したがって、液滴吐出ヘッド１００の信頼性を向上させることができる。

リザーバ基板２の内部にダイアフラム部４０を設け、ダイアフラム部４０がヘッドチップに内包される構造としたため、ダイアフラム部４０に直接外力が加わることはなく、ダイアフラム部４０を薄くすることができ、かつ保護カバー等のような特別の保護部材が不要となる。また、ダイアフラム部４０をリザーバ１０の底面に形成するので、ダイアフラム部４０の面積を大きくすることができ、ダイアフラム部４０の圧力緩衝効果を大きくすることができる。

図９は、上述した液滴吐出ヘッド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９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、液滴吐出ヘッド１００は、図９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。

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（ＤｅｏｘｙｒｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、ＲｉｂｏＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄ：リボ核酸、ＰｅｐｔｉｄｅＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄｓ：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。たとえば、ウエットエッチングに使用するエッチング液の選択比やドライエッチングに使用するエッチングガスの選択比等は、エッチングする深さやエッチングされる材料の厚さ等の条件によって適宜変更するとよい。さらに、静電駆動方式以外の駆動方式によるインクジェットヘッドについても、本発明を適用することができる。圧電方式の場合は、電極基板に代えて、圧電素子を各吐出室の底部に接着すればよく、バブル方式の場合は各吐出室の内部に発熱素子を設ければよい。

液滴吐出ヘッドを分解した状態を示す分解斜視図である。液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態の断面構成を示す縦断面図である。リザーバ基板の製造工程を説明するための説明図である。リザーバ基板の製造工程を説明するための説明図である。電極基板及びキャビティ基板の製造工程を説明するための説明図である。電極基板及びキャビティ基板の製造工程を説明するための説明図である。電極基板及びキャビティ基板の製造工程を説明するための説明図である。液滴吐出ヘッドの完成までの製造工程を説明するための説明図である。液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例を示した斜視図である。

符号の説明

１ノズル基板、２リザーバ基板、３キャビティ基板、４電極基板、５ノズル孔、５ａ第１ノズル孔部、５ｂ第２ノズル孔部、６ノズル連通孔、６ａノズル連通孔になる部分、７吐出室、７ａ吐出室になる部分、８振動板、８ａ振動板になる部分、９供給口、１０リザーバ、１０ａリザーバになる部分、１２ガラス溝、１４封止部、１５駆動制御回路、１６共通電極端子、１７個別電極、１７ａ端子部、１８ギャップ、２８凹部、２８ａ凹部になる部分、３１インク供給孔、３１ａインク供給孔になる部分、３２インク供給孔、３２ａインク供給孔になる部分、３３インク供給孔、３４インク供給孔、４０ダイアフラム部、４０ａダイアフラム部になる部分、４１空間部、４２撥水膜、４２ａ撥水膜、４４電極取り出し部、４４ａ電極取り出し部になる部分、１００液滴吐出ヘッド、１５０液滴吐出装置、２００リザーバ基材、２０１熱酸化膜、２０２熱酸化膜、２０３熱酸化膜、３００キャビティ基材、３０１絶縁膜、３０２ＴＥＯＳ酸化膜、３０３インク保護膜、４００ガラス基材。

Claims

複数のノズル孔を有するノズル基板と、
前記ノズル孔毎に連通し、前記ノズル孔より液滴を吐出する複数の独立した吐出室を有するキャビティ基板と、
前記吐出室に対して共通に連通するリザーバを有し、前記ノズル基板と前記キャビティ基板との間に設けられるリザーバ基板とを少なくとも備え、
前記リザーバの底面の一部を薄膜化して前記リザーバ内における液滴による圧力変動を緩衝するダイアフラム部を形成し、
前記ダイアフラム部の両面に撥水膜を形成した
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記ダイアフラム部は、
前記リザーバの形成面とは反対側に、前記ダイアフラム部の振動を可能にする空間部を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
前記撥水膜がシランカップリング剤で構成されている
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。
前記請求項１〜３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。
複数のノズル孔を有するノズル基板と、
前記ノズル孔毎に連通し、前記ノズル孔より液滴を吐出する複数の独立した吐出室を有するキャビティ基板と、
前記吐出室に対して共通に連通するリザーバを有し、前記ノズル基板と前記キャビティ基板との間に設けられるリザーバ基板とを、接着剤を介して積層させる液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記リザーバ基板になるシリコン基材の一方の面から前記リザーバを形成する工程と、
前記シリコン基材の他方の面から掘り下げて、前記シリコン基材の一部を薄膜化し、ダイアフラム部を形成する工程と、
前記シリコン基材の全面に撥水膜を形成する工程と、
前記ダイアフラム部の両面をマスクで覆い、前記マスクで覆った部分以外の前記撥水膜を除去する工程と、
前記マスクを除去する工程とを経て前記リザーバ基板を作製し、
前記リザーバ基板の両面に前記接着剤を転写し、前記ノズル基板及び前記キャビティ基板を前記リザーバ基板に接合する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記マスクにＰＥＴフィルムを用いた
ことを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記請求項５又は６に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用した
ことを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。