JP2010137486A - Electrostatic actuator, liquid droplet discharge head, liquid droplet discharge apparatus, and electrostatic device - Google Patents
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Abstract
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が変位等し、動作(駆動)
等を行う静電アクチュエーター、液滴吐出ヘッド等の静電駆動デバイス等に関するもので
ある。
According to the present invention, in the microfabricated element, the movable part is displaced by the applied force, and the operation (drive)
The present invention relates to an electrostatic actuator that performs the above, an electrostatic drive device such as a droplet discharge head, and the like.
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ーのような記録(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、光可変
フィルター、モーターのような静電アクチュエーター等がある。
For example, microfabrication technology (MEMS: Micro) that forms fine elements by processing silicon, etc.
Electro Mechanical Systems) has made rapid progress. Examples of microfabricated elements formed by microfabrication technology include droplet ejection heads (inkjet heads), micropumps, and variable optical filters used in recording (printing) devices such as droplet ejection printers. And electrostatic actuators such as motors.
ここで、微細加工素子の一例として静電アクチュエーター(電気−機械エネルギー変換
素子)を利用した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との間で相対移動させ、対象物の所
定の位置に液滴を吐出させて印刷等の記録をするものである。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ー、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。
Here, a liquid droplet ejection head using an electrostatic actuator (electro-mechanical energy conversion element) will be described as an example of a microfabricated element. A droplet discharge type recording (printing) apparatus is used for printing in various fields regardless of whether it is for home use or industrial use. What is the droplet discharge method?
For example, a liquid droplet ejection head having a plurality of nozzles is moved relative to an object, and liquid droplets are ejected to a predetermined position of the object to perform recording such as printing. This method uses liquid crystal (Liquid
It is also used in the manufacture of microarrays of biomolecules such as color filters, display panels (OLED) using electroluminescent elements such as organic compounds, DNA, proteins, etc. ing.
液滴吐出ヘッドにおいて、流路の一部に液体を溜めておく複数の吐出室を備え、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)形状変化により吐出室内の圧力を高め、連通する各
ノズルから液滴を吐出させる方法がある。静電アクチュエーターを液滴吐出ヘッドに利用
する場合、可動部位である振動板を変位させる力(エネルギー)として、例えば、振動板
を可動電極とし、振動板と一定距離を空けて個別に対向する固定電極(以下、個別電極と
いう)との間に発生する静電気力(ここでは特に静電引力を用いている。以下、静電力と
いう)を利用している。
The droplet discharge head includes a plurality of discharge chambers for storing liquid in a part of the flow path, and is a wall on at least one surface of the discharge chamber (here, a bottom wall, hereinafter referred to as a diaphragm). There is a method in which the pressure in the discharge chamber is increased by changing the shape and the droplets are discharged from each communicating nozzle. When an electrostatic actuator is used for a droplet discharge head, as a force (energy) for displacing a diaphragm, which is a movable part, for example, a diaphragm is used as a movable electrode, and a fixed distance is set to face the diaphragm separately from each other. An electrostatic force (in particular, electrostatic attraction is used here, hereinafter referred to as electrostatic force) generated between the electrodes (hereinafter referred to as individual electrodes) is used.
そして、例えば駆動制御を行う制御手段の指示による電荷供給により、振動板と個別電
極との間に電位差を生じさせ、静電力を発生させて、振動板を個別電極に引きつけて変位
させ当接させる。その後、静電力を弱める、停止させる等すると、形状変化した吐出室(
変位した振動板)が元に戻って平衡状態になろうとする復元力(弾性力)の方が大きくな
るため、振動板が個別電極から離間して変位し、元の位置に戻る。これらを繰り返すこと
で振動板を変位駆動させる。
Then, for example, by supplying electric charges as instructed by a control means that performs drive control, a potential difference is generated between the diaphragm and the individual electrodes, an electrostatic force is generated, and the diaphragm is attracted to the individual electrodes to be displaced and brought into contact with each other. . After that, when the electrostatic force is weakened or stopped, the shape of the discharge chamber (
Since the restoring force (elastic force) at which the displaced diaphragm) returns to its original state and becomes in an equilibrium state becomes larger, the diaphragm is displaced away from the individual electrode and returned to its original position. By repeating these, the diaphragm is driven to be displaced.
ここで、振動板と個別電極との間の絶縁破壊や短絡を防止し、静電力を保つため、一般
的に振動板と個別電極とが対向する面に絶縁膜を形成している。ただ、このとき、当接に
よる接触を繰り返すことにより、絶縁膜に電荷が残留していく現象が生じることがある。
絶縁膜に電荷が残留すると、外部からの制御に基づく電荷供給がなくても個別電極と振動
板との間に常に静電力が発生してしまうため、時間経過と共に電荷量が増えると、変位量
、速度の低減等が生じ、駆動に係る特性が変化する。また、場合によっては振動板が貼り
付いてしまうこともある。そこで、個別電極の表面に体積抵抗率が高い保護膜、低い保護
膜の2種類の膜を積層させ、低抵抗の保護膜から導電性材料に電荷を移動させて電荷の残
留を防ぐ静電アクチュエーターがある(例えば、特許文献1参照)。
If charges remain in the insulating film, an electrostatic force is always generated between the individual electrode and the diaphragm without charge supply based on external control. As a result, speed reduction or the like occurs, and driving characteristics change. In some cases, the diaphragm may stick. Therefore, an electrostatic actuator that prevents the residual of charges by laminating two types of films, a protective film with a high volume resistivity and a protective film with a low volume resistivity, on the surface of the individual electrode, and transferring the charge from the protective film with a low resistance to the conductive material. (For example, refer to Patent Document 1).
しかしながら、上記のような静電アクチュエーターは、例えば、モリブデンやタングス
テン、ニッケルなどの金属で振動板を構成している。また、体積抵抗率の低い保護膜の形
成を行うために、燐、硼素等をドープする等の処理を行うこともある。そのため、静電ア
クチュエーターの構成が複雑になり、また、製造プロセスが煩雑化する可能性がある。
However, the electrostatic actuator as described above forms a diaphragm with a metal such as molybdenum, tungsten, or nickel. Further, in order to form a protective film having a low volume resistivity, a treatment such as doping with phosphorus, boron or the like may be performed. This complicates the configuration of the electrostatic actuator and may complicate the manufacturing process.
そこで、本発明はこのような問題を解決するため、製造プロセス、構成を簡単にし、残
留電荷等の除去等を行うことができる静電アクチュエーター等を得ることを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to obtain an electrostatic actuator or the like that can simplify the manufacturing process and configuration and can remove residual charges and the like in order to solve such problems.
そのため、本発明に係る静電アクチュエーターは、基板上に形成された固定電極と、固
定電極と所定の距離で対向し、固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電
極と、固定電極を覆う絶縁膜と、可動電極の固定電極と対向する面に直接設けられ、接触
による摩耗から絶縁膜を保護する、カーボン系材料からなる表面保護膜とを備える。
本発明によれば、固定電極を絶縁膜で覆い、可動電極と固定電極との絶縁をはかった上
で、表面保護膜を可動電極に直接設けることにより、電荷供給等を停止し、可動電極を離
脱させても絶縁膜に残留した電荷を、当接時に表面保護膜、可動電極に移動させて逃がす
ことで、絶縁膜に電荷が残らないようにすることができるので、残留電荷に影響を受けず
に駆動特性を維持することができる。そして、可動電極側に直接表面保護膜を付すことに
より実現するため、構成、製造を簡便にすることができる。また、例えば表面平滑性が高
く、摩擦係数が低い表面保護膜を設けることにより、当接等、可動電極との接触による摩
耗から絶縁膜を保護することができ、耐久性を維持し、長寿命の静電アクチュエーターを
得ることができる。
Therefore, an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a substrate, a movable electrode that is opposed to the fixed electrode at a predetermined distance and that is operated by electrostatic force generated between the fixed electrode, and the fixed electrode. And a surface protection film made of a carbon-based material that is provided directly on the surface of the movable electrode facing the fixed electrode and protects the insulation film from abrasion due to contact.
According to the present invention, the fixed electrode is covered with the insulating film, and after the movable electrode and the fixed electrode are insulated, the surface protection film is directly provided on the movable electrode, thereby stopping the supply of charge and the like. Even if it is detached, the charge remaining in the insulating film is moved to the surface protective film and the movable electrode at the time of contact and released, so that no charge remains in the insulating film. Drive characteristics can be maintained. And since it implement | achieves by attaching | subjecting a surface protective film directly to the movable electrode side, a structure and manufacture can be simplified. In addition, for example, by providing a surface protective film with high surface smoothness and a low coefficient of friction, the insulating film can be protected from abrasion due to contact with the movable electrode, such as contact, maintaining durability and long life The electrostatic actuator can be obtained.
また、本発明に係る静電アクチュエーターの表面保護膜は、ダイヤモンドまたはダイヤ
モンドライクカーボンからなる。
本発明によれば、表面保護膜を、硬質性を有するダイヤモンドまたはダイヤモンドライ
クカーボンで構成したので、可動電極の弾性による復元力を大きくするようにして固有振
動数を高め、駆動周波数を高めることで、省電力化、高速化を図ることができる。また、
復元力が大きくなるため、貼りつきを防ぐことができる。
The surface protective film of the electrostatic actuator according to the present invention is made of diamond or diamond-like carbon.
According to the present invention, since the surface protective film is composed of hard diamond or diamond-like carbon, it is possible to increase the natural frequency and increase the driving frequency by increasing the restoring force due to the elasticity of the movable electrode. , Power saving and high speed can be achieved. Also,
Since the restoring force is increased, sticking can be prevented.
また、本発明に係る静電アクチュエーターの表面保護膜の体積抵抗率は、109 〜10
12のオーダーである。
本発明によれば、表面保護膜の体積抵抗率が109 〜1012のオーダーとなるようにし
たので、表面保護膜における電気抵抗を低くし、絶縁膜に残留する電荷を移動させて残さ
ないようにし、駆動特性を維持することができる。
The volume resistivity of the surface protective film of the electrostatic actuator according to the present invention is 10 9 to 10.
12 orders.
According to the present invention, since the volume resistivity of the surface protective film is on the order of 10 9 to 10 12 , the electric resistance in the surface protective film is lowered, and the electric charge remaining in the insulating film is not moved and left. In this way, the driving characteristics can be maintained.
また、本発明に係る静電アクチュエーターは、固定電極を覆う絶縁膜上に、さらに体積
抵抗率が1012以上のオーダーの表面保護膜を設ける。
本発明によれば、体積抵抗率が1012以上のオーダーの表面保護膜を絶縁膜上に設ける
ようにしたので、個別電極側の表面保護膜においては絶縁性を保ちつつ、可動電極側の表
面保護膜との間で、表面保護膜同士で接触を行うことで、絶縁膜を可動電極等と接触させ
ることなく、保護することができる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, a surface protective film having a volume resistivity of the order of 10 12 or more is further provided on the insulating film covering the fixed electrode.
According to the present invention, since the surface protective film having a volume resistivity of the order of 10 12 or more is provided on the insulating film, the surface protective film on the individual electrode side maintains the insulating property while maintaining the surface on the movable electrode side. By making contact with the protective film between the surface protective films, the insulating film can be protected without contacting the movable electrode or the like.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエーターを有し、液体が充
填される吐出室の少なくとも一部分を可動電極として、可動電極の変位により吐出室と連
通するノズルから液滴を吐出させる。
本発明によれば、上記の静電アクチュエーターを液滴吐出ヘッドの液体加圧手段として
利用するようにしたので、電荷残留を防いで吐出特性を維持することができ、当接等を繰
り返した場合の貼り付き等を防ぎ、耐久性を維持し、長寿命の液滴吐出ヘッドを得ること
ができる。
In addition, a droplet discharge head according to the present invention includes the electrostatic actuator described above, and uses at least a part of a discharge chamber filled with a liquid as a movable electrode, and drops from a nozzle communicating with the discharge chamber by displacement of the movable electrode. To discharge.
According to the present invention, since the electrostatic actuator is used as a liquid pressurizing unit of the droplet discharge head, it is possible to prevent charge residue and maintain discharge characteristics, and when contact or the like is repeated Can be prevented, and durability can be maintained, and a long-life droplet discharge head can be obtained.
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、上記の液滴吐出ヘッドを搭載するようにしたので、長寿命の液滴吐出
装置を得ることができる。
A droplet discharge device according to the present invention is equipped with the above-described droplet discharge head.
According to the present invention, since the above-described droplet discharge head is mounted, a long-life droplet discharge device can be obtained.
また、本発明に係る静電駆動デバイスは、上記の静電アクチュエーターを搭載したもの
である。
本発明によれば、上記の静電アクチュエーターを静電駆動デバイスに搭載するようにし
たので、電荷残留を防いで駆動特性を維持することができ、当接等を繰り返した場合の貼
り付き等を防ぎ、耐久性を維持し、長寿命の静電駆動デバイスを得ることができる。
Moreover, the electrostatic drive device according to the present invention includes the above-described electrostatic actuator.
According to the present invention, since the above electrostatic actuator is mounted on an electrostatic drive device, the drive characteristics can be maintained while preventing residual charge, and sticking when contact or the like is repeated can be maintained. It is possible to prevent, maintain durability, and obtain a long-life electrostatic drive device.
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
アクチュエーターを用いる素子(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、下側を下として説明する)。また、厚さ、深さ等における具体的な数
値は一例である。
FIG. 1 is an exploded view of a droplet discharge head according to
The upper side of the figure is the upper side and the lower side is the lower side). Further, specific numerical values for thickness, depth, and the like are examples.
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、キャビティー
基板20、ノズル基板30を下から順に積層することにより構成する。一般的に、電極基
板10とキャビティー基板20とは陽極接合により接合する。また、キャビティー基板2
0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。
As shown in FIG. 1, the droplet discharge head according to the present embodiment is configured by laminating an
0 and the
電極基板10は、厚さ約1mmの例えば硼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ー基板20の吐出室21
となる凹部に合わせて複数の凹部11が形成されている。そして、凹部11の内側(特に
底面部分)には、個別電極部12A、リード配線部12B及び端子部12C(以下、特に
区別する必要がない場合はこれらを合わせて電極12として説明する)を設ける。振動板
22と個別電極部12Aとの間には、振動板22が撓む(変位する)ことができる一定の
ギャップ(空隙)が凹部11により形成されている。電極12は、例えばスパッタリング
により、ITOを約0.1μmの厚さで凹部11の内側に成膜することで形成される。さ
らに本実施の形態においては、振動板22と個別電極部12Aとの間を電気的に絶縁し、
個別電極部12Aを保護するための絶縁膜13を、少なくとも個別電極部12Aを覆うよ
うに、例えば約0.09μm(90nm)成膜する。絶縁膜13の材料については特に限
定するものではなく、例えば酸化シリコン(SiO2 )、窒化シリコン(SiN)を材料
とすることができる。本実施の形態では、プラズマCVD(TEOS−pCVDともいう
)法を用いたTEOS膜(ここでは、Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane:テ
トラエチルオルソシリケート(珪酸エチル)を原料ガスとして用いてできるSiO2 膜を
いう)を用いるものとして説明する。TEOSを原料ガスとして用いることにより、他の
材料で膜を形成する場合に比べてさらに緻密な膜を形成することができる。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14となる貫通穴を設けている。
The
A plurality of recesses 11 are formed in accordance with the recesses. In addition, an individual electrode portion 12A, a lead wiring portion 12B, and a terminal portion 12C (hereinafter referred to as the electrode 12 when they are not particularly required to be distinguished) are provided inside the recess 11 (particularly the bottom portion). . Between the
An insulating film 13 for protecting the individual electrode portion 12A is formed, for example, about 0.09 μm (90 nm) so as to cover at least the individual electrode portion 12A. The material of the insulating film 13 is not particularly limited. For example, silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) can be used as the material. In this embodiment, a TEOS film using a plasma CVD (also referred to as TEOS-pCVD) method (in this case, a SiO 2 film formed using tetraethyl orthosilicate (ethyl silicate) as a source gas) is used. It will be described as being used. By using TEOS as a source gas, a denser film can be formed as compared with the case where a film is formed using another material. In addition, the
キャビティー基板20は、例えば表面が(110)面方位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。キャビティー基板20には、吐出させ
る液体を一時的にためる吐出室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)及びリザーバー24となる凹部が形成されている。また、外部の電力供給手段(
図示せず)から基板(振動板22)に、例えば電極12に供給する電荷と反対の極性の電
荷を供給する際の端子となる共通電極端子27を備えている。
The
For example, a
さらに本実施の形態では、キャビティー基板20の下面の固定電極部12Aと対向する
部分(振動板22の部分)に、振動板22との接触により絶縁膜13を損傷させないよう
にするための表面保護膜23を設けるものとする。表面保護膜23は、シリコンとの密着
性が高く、表面平滑性が高く、低摩擦性を有する膜となるような例えばダイヤモンド、ダ
イヤモンドライクカーボン(以下、DLCという)等の硬質のカーボン系材料を用いるも
のとする。ここで、DLCは、水素等を含有させることで物理的な特性を異ならせること
ができる。そこで、本実施の形態の表面保護膜23は、体積抵抗率が1×109 〜1×1
012(Ω・cm)である(109 〜1012のオーダーとなる)DLCを材料として用いる
ものとする。これにより、当接による絶縁膜13との接触時に絶縁膜13に残った電荷が
表面保護膜23に移動し、さらに可動電極となる振動板22(キャビティー基板20)に
移動して絶縁膜13に電荷を残さないようにする。
Further, in the present embodiment, the surface for preventing the insulating film 13 from being damaged by the contact with the
It is assumed that DLC which is 0 12 (Ω · cm) (on the order of 10 9 to 10 12 ) is used as a material. As a result, the electric charge remaining on the insulating film 13 at the time of contact with the insulating film 13 due to contact moves to the surface
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が形成されている。各ノズル31は、振動板22の駆動により加
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段で形成する
。本実施の形態では、振動板22が撓むことでリザーバー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。また、吐出室21とリザーバー24とを連
通させるための溝となるオリフィス33が設けられている。
The
A plurality of nozzles 31 are formed. Each nozzle 31 discharges liquid pressurized by driving the
図2は実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドの断面の一部を表す図である。図2(a)は
液滴吐出ヘッドにおいてノズル31が並んでいる方向(吐出室21における短手方向)か
ら見た図であり、図2(b)はノズル31が並んでいる方向と直交する方向(吐出室21
における長手方向)から見た図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a part of a cross section of the droplet discharge head according to the first embodiment. 2A is a view as seen from the direction in which the nozzles 31 are arranged in the droplet discharge head (the short direction in the discharge chamber 21), and FIG. 2B is orthogonal to the direction in which the nozzles 31 are arranged. Direction (
It is the figure seen from (longitudinal direction in).
図2において、吐出室21はノズル31から吐出させる液体をためておく。吐出室21
の底壁である振動板22を撓ませることにより、吐出室21内の圧力を高め、ノズル31
から液滴を吐出させる。ここで、本実施の形態では、可動電極とすることができ、かつエ
ッチング工程の際に都合がよい高濃度のボロンドープ層をシリコン基板に形成し、振動板
22を構成するものとする。また、異物、水分(水蒸気)等がギャップに入り込まないよ
うに、ギャップを外気から遮断し、密閉するために電極取り出し口26に封止材25が設
けられている。
In FIG. 2, the
The pressure in the
A droplet is discharged from the nozzle. Here, in this embodiment, it is assumed that the
例えばドライバーIC等の発振駆動回路41は、FPC(Flexible Print Circuit)、
ワイヤ等の配線42を介して電気的に端子部12C、共通電極端子27と接続され、電極
12、キャビティー基板20(振動板22)に電荷(電力)の供給及び停止を制御する。
発振駆動回路41は例えば所定の周波数で発振し、例えばパルス電位を電極12に印加し
て電荷供給を行う。発振駆動回路41が発振駆動することにより、個別電極部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、静電気力により個
別電極部12Aに引き寄せられて撓む。これにより吐出室21の容積は広がる。そして電
荷供給を止めると振動板22は元に戻るが、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。
For example, an oscillation drive circuit 41 such as a driver IC has an FPC (Flexible Print Circuit),
It is electrically connected to the terminal portion 12C and the
The oscillation drive circuit 41 oscillates at a predetermined frequency, for example, and supplies a charge by applying, for example, a pulse potential to the electrode 12. When the oscillation drive circuit 41 is driven to oscillate, when an electric charge is supplied to the individual electrode portion 12A to be positively charged and the
本実施の形態では、個別電極部12Aを絶縁膜13で覆い、振動板22と個別電極部1
2Aとの間の絶縁性を絶縁膜13のみで確保する。また、振動板22の個別電極部12A
と対向する部分に表面保護膜23を設け、振動板22との当接によって絶縁膜13が摩耗
等が生じるのを防ぎ、長期の絶縁性、耐久性を確保できるようにする。さらに本実施の形
態の表面保護膜23では、絶縁膜13に電荷を残さないようにするため、接触時に絶縁膜
13に残った電荷を移動させるようにする。そのため、キャビティー基板20には絶縁膜
を成膜せず、直接、表面保護膜23を設ける。そして、表面保護膜23は、絶縁膜13に
残る電荷を移動できるだけの導電性を有するようにする。そのために、本実施の形態では
体積抵抗率が109 〜1012(Ω・cm)のオーダーであるDLCを用いる。DLCは膜
応力が大きく、下地の材料によっては密着性が課題となるが、シリコンについては密着性
がよい。そのため、変形する振動板22に合わせて歪みが生じてもギャップ内で剥がれる
心配がなく、信頼性を維持することができる。
In the present embodiment, the individual electrode portion 12A is covered with the insulating film 13, and the
Insulation with 2A is ensured by the insulating film 13 alone. In addition, the individual electrode portion 12A of the
A surface
図3は実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を表す図である。図3に基づいて
液滴吐出ヘッドの製造工程について説明する。なお、実際には、ウェハー単位で複数個分
の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図3ではその一部分だけを示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating a manufacturing process of the droplet discharge head according to the first embodiment. A manufacturing process of the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In practice, a plurality of droplet discharge head members are simultaneously formed for each wafer, but only a part of them is shown in FIG.
シリコン基板51の片面(電極基板10との接合面側となる)を鏡面研磨し、例えば2
20μmの厚みの基板(キャビティー基板20となる)を作製する(図3(a))。次に
、シリコン基板51のボロンドープ層52を形成する面を、B2O3を主成分とする固体の
拡散源に対向させ、縦型炉に入れてボロンをシリコン基板51中に拡散させ、ボロンドー
プ層52を形成する。
One side of the silicon substrate 51 (on the side of the bonding surface with the electrode substrate 10) is mirror-polished, for example 2
A substrate having a thickness of 20 μm (to be the cavity substrate 20) is produced (FIG. 3A). Next, the surface of the silicon substrate 51 on which the boron doped layer 52 is to be formed is opposed to a solid diffusion source mainly composed of B 2 O 3 , and boron is diffused into the silicon substrate 51 by being placed in a vertical furnace. Layer 52 is formed.
そして、プラズマCVD法により、ボロンドープ層52を形成した面に対し、直接、D
LC膜を所望の厚さで成膜する。そして、振動板22に対応する部分が残るようにパター
ニングし、例えばO2 アッシングにより、不要なDLC膜を除去して表面保護膜23を形
成する(図3(b))。
Then, D is directly applied to the surface on which the boron doped layer 52 is formed by plasma CVD.
An LC film is formed with a desired thickness. Then, patterning is performed so that a portion corresponding to the
電極基板10については、上記(a)、(b)とは別工程で作製する。約1mmのガラ
スの基板の一方の面に対し、約0.3μmの深さの凹部11を形成する。凹部11の形成
後、例えばスパッタリング法を用いて、例えば0.1μmの厚さの電極12を同時に形成
する。最後に液体取り入れ口14となる穴をサンドブラスト法または切削加工により形成
する。これにより、電極基板10を作製する。そして、シリコン基板51と電極基板10
を所定の温度に加熱した後、電極基板10に負極、シリコン基板51に正極を接続して、
電圧を印加して陽極接合を行う。
The
After heating to a predetermined temperature, the negative electrode is connected to the
Anodic bonding is performed by applying a voltage.
陽極接合を終えた基板(以下、接合基板という)に対し、シリコン基板51表面の研削
加工及び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)により、例えば
シリコン基板51の厚みを約50μmにする(図3(c))。
For example, the thickness of the silicon substrate 51 is reduced to about 50 μm by grinding the surface of the silicon substrate 51 and anisotropic wet etching (hereinafter referred to as wet etching) on the substrate after anodic bonding (hereinafter referred to as a bonded substrate) ( FIG. 3 (c)).
接合基板のウェットエッチングを行った面に対し、TEOSによる酸化シリコンのハー
ドマスク(以下、TEOSハードマスクという)53をプラズマCVD法により、例えば
約1.5μm成膜する。さらに、吐出室21及び電極取出し口26となる部分のTEOS
ハードマスク53をウェット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ハードマスク53が無くなるまで、それらの部分をウェ
ットエッチングしてTEOSハードマスク53をパターニングし、シリコン基板51を露
出させる。リザーバー24となる部分については、リザーバー24底部に厚みを残してお
くために、TEOSハードマスク53を若干残しておくようにする。また、例えば、面積
の大きく、割れやすい電極取出し口26となる部分についても、レジストの厚みを若干残
しておき、後の工程で割れを防止するための厚みを残すようにしてもよい。そして、ウェ
ットエッチングした後にレジストを剥離する(図3(d))。
A silicon oxide hard mask (hereinafter referred to as TEOS hard mask) 53 by TEOS is formed on the surface of the bonding substrate subjected to wet etching by plasma CVD, for example, about 1.5 μm. Further, the TEOS in the portion that becomes the
In order to wet-etch the hard mask 53, resist patterning is performed. Then, these portions are wet-etched using a hydrofluoric acid aqueous solution until the TEOS hard mask 53 disappears, and the TEOS hard mask 53 is patterned to expose the silicon substrate 51. As for the portion to be the reservoir 24, a TEOS hard mask 53 is left slightly in order to leave a thickness at the bottom of the reservoir 24. Further, for example, a portion of the
次に、接合基板を35wt%の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室21及び電
極取出し口26となる部分の厚みが約10μmになるまでウェットエッチングを行う。さ
らに、接合基板を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52が
露出し、エッチングの進行が極度に遅くなるエッチングストップが十分効いたものと判断
するまでウェットエッチングを続ける(図3(e))。
Next, the bonding substrate is dipped in a 35 wt% potassium hydroxide aqueous solution, and wet etching is performed until the thickness of the portion that becomes the
ウェットエッチングを終了すると、接合基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板51
表面のTEOSハードマスク53を剥離する。次に、電極取出し口26となる部分のボロ
ンドープ層52を除去するため、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、接合基板のシリコン基板51側の表面に取り付ける。
When the wet etching is completed, the bonding substrate is immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution, and the silicon substrate 51
The TEOS hard mask 53 on the surface is peeled off. Next, in order to remove the boron dope layer 52 in the portion serving as the
そして、RIEドライエッチング(異方性ドライエッチング)を30分間行い、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。ここで、例えば接合基板とマ
スクとのアライメント精度を高めるため、シリコンマスクの装着は、接合基板とシリコン
マスクとにピンを通すピンアライメントにより行うようにするとよい。ここでは、異方性
ドライエッチングにより開口しているが、ピン等で突くことで、ボロンドープ層52を壊
してもよい。そして、封止材25を用いて、ギャップ部分を外気から遮断するための封止
を行う(図3(f))。封止材25の材料、封止方法等については特に限定するものでは
ないが、例えば電極取り出し口26の開口部分にエポキシ系樹脂を塗布したり、酸化シリ
コンを堆積させたりして形成する。
Then, RIE dry etching (anisotropic dry etching) is performed for 30 minutes, and plasma is applied only to a portion that becomes the
封止が完了すると、例えば、さらに共通電極端子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51側の表面に取り付けて、例えばプラチナ(Pt)をターゲッ
トとしてスパッタ等を行い、共通電極端子27を形成する。そして、あらかじめ別工程で
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、接合基板のキャビティ
ー基板20側から接着し、接合する(図3(g))。そして、ダイシングラインに沿って
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。さらに
配線42を介してICドライバー等の発振駆動回路41との接続等を行う。
When the sealing is completed, for example, a mask having an opening in a portion that becomes the
The
以上のように、実施の形態1の静電アクチュエーターである液滴吐出ヘッドにおいては
、固定電極となる個別電極部12A上に絶縁膜13を設け、可動電極となる振動板22に
、直接表面保護膜23を設けるようにし、通常、電荷供給を停止しても絶縁膜13に残留
した電荷を、当接時に表面保護膜23、振動板22(キャビティー基板20)に移動させ
て逃がすようにしたので、絶縁膜13の電荷を除去することができる。これにより、残留
電荷の蓄積等による不要な静電力の発生を防ぐことができ、吐出特性を維持することがで
きる。そして、振動板22に直接、表面保護膜23を付すことで、絶縁膜13における残
留電荷の除去を実現するようにしたので、例えば、残留電荷除去を図るために、個別電極
上に複数の膜を積層させる必要がなく、表面平滑性が高く、接触の際の絶縁膜13の保護
膜となる表面保護膜23を兼用させることができる。そして、表面保護膜23により、当
接等、接触による摩耗から絶縁膜13を保護することができ、耐久性を維持し、長寿命の
静電アクチュエーターを得ることができる。
As described above, in the droplet discharge head that is the electrostatic actuator of the first embodiment, the insulating film 13 is provided on the individual electrode portion 12A serving as the fixed electrode, and the surface protection is directly applied to the
また、表面保護膜23については、DLCを材料とするようにしたので、振動板22の
弾性による復元力を大きくするようにして固有振動数を高めることで、省電力化、高速化
を図ることができる。また、復元力が大きくなるため、貼りつきを防ぐことができる。表
面保護膜23の体積抵抗率が109 〜1012のオーダーとなるようにすることで、電気抵
抗を低くし、絶縁膜13に残留する電荷を移動させることができる。
Further, since the surface
実施の形態2.
図4は実施の形態2に係る液滴吐出ヘッドの断面の一部を表す図である。図4(a)は
液滴吐出ヘッドにおいてノズル31が並んでいる方向(吐出室21における短手方向)か
ら見た図であり、図4(b)はノズル31が並んでいる方向と直交する方向(吐出室21
における長手方向)から見た図である。図4において、図1及び図2と同じ番号を付して
いる手段、膜等は、それぞれ同様の役割を果たすものである。
FIG. 4 is a diagram showing a part of a cross section of the droplet discharge head according to the second embodiment. 4A is a view as seen from the direction in which the nozzles 31 are arranged in the droplet discharge head (short direction in the discharge chamber 21), and FIG. 4B is orthogonal to the direction in which the nozzles 31 are arranged. Direction (
It is the figure seen from (longitudinal direction in). In FIG. 4, the means, membranes, etc., having the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 have the same role.
絶縁膜13上に設けた表面保護膜15は、表面保護膜23と同様に、絶縁膜13の保護
を行うための膜である。本実施の形態における表面保護膜15は表面保護膜23と同様に
、DLCを材料として用いている。低摩擦性を有する同種の材料を当接させるようにする
ことで、さらに長期の耐久性を確保するようにする。ここで、表面保護膜15と表面保護
膜23とが共に導電性を有すると、振動板22と個別電極部12とが短絡して貼り付いて
しまい、機能障害が生じる。そのため、本実施の形態の表面保護膜15は、絶縁性を確保
するため、体積抵抗率が1×1012以上(Ω・cm)である(1012以上のオーダーとな
る)DLCを用いる。したがって、表面保護膜23に、表面保護膜15に残った電荷が移
動することになる。
Similar to the surface
以上のように、実施の形態2の液滴吐出ヘッドは、絶縁膜13上にもDLCを材料とす
る表面保護膜15を設けるようにしたので、絶縁膜13を接触させることなく、摩耗を防
ぐことができる。同じ材料を接触させることで、さらに摩耗等を防ぐことができる。そし
て、表面保護膜15の体積抵抗率が1012以上(Ω・cm)となるDLCを用いるように
したので、当接の際の電極間の短絡を防ぐことができる。
As described above, in the droplet discharge head according to the second embodiment, since the surface protective film 15 made of DLC is provided on the insulating film 13, wear is prevented without contacting the insulating film 13. be able to. Wear and the like can be further prevented by contacting the same material. Since the DLC having the volume resistivity of the surface protective film 15 of 10 12 or more (Ω · cm) is used, a short circuit between the electrodes at the time of contact can be prevented.
実施の形態3.
上述の実施の形態では、フェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明したが、
例えば側面から液滴吐出を行うエッジイジェクト型の液滴吐出ヘッドにも適用することが
できる。また、電極基板10、キャビティー基板20及びノズル基板30の3層構造の液
滴吐出ヘッドについて説明したが、例えば、リザーバー部分を独立させた基板を新たに積
層して構成した4層構造の液滴吐出ヘッドについても適用することができる。
In the above-described embodiment, the face eject type droplet discharge head has been described.
For example, the present invention can be applied to an edge eject type droplet discharge head that discharges droplets from the side. In addition, the three-layer droplet discharge head of the
実施の形態4.
図5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6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5及び図6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100が支持
されるドラム101と、プリント紙100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ー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。
FIG. 5 is an external view of a droplet discharge apparatus using the droplet discharge head manufactured in the above embodiment. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of main components of the droplet discharge device. 5 and 6 is intended for printing by a droplet discharge method (inkjet method). Further, it is a so-called serial type device. In FIG. 8, a drum 101 that supports a printing paper 100 that is a substrate to be printed and a
一方、ドラム101は、ベルト105等を介してモーター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
、モーター106を駆動させ、また、ここでは図示していないが、発振駆動回路を駆動さ
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。
On the other hand, the drum 101 is rotationally driven by a motor 106 via a
The motor 106 is driven, and although not shown here, the oscillation driving circuit is driven to vibrate the
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、カラーフィルターとなる基板
に吐出させる用途においては、カラーフィルター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(De
oxyribo 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。
Here, the liquid is ejected onto the print paper 110 as ink, but the liquid ejected from the droplet ejection head is not limited to ink. For example, in applications that are discharged onto a substrate that will be a color filter, liquids that contain a pigment for a color filter, liquids that contain a compound that will be a light emitting element in applications that are discharged onto a display substrate such as an OLED, In this case, for example, a liquid containing a conductive metal may be discharged from a droplet discharge head provided in each device. In addition, in the case where the droplet discharge head is used as a dispenser and is used for discharging onto a substrate that is a microarray of biomolecules, DNA (De
oxyribo Nucleic Acids: other nucleic acids (eg Ribo Nucleic Acid)
: Ribonucleic acid, Peptide Nucleic Acids: Peptide nucleic acid, etc.) A liquid containing a probe such as a protein may be discharged. In addition, it can also be used for discharging dyes such as cloth.
実施の形態5.
図7は本発明を利用した波長可変光フィルターを表す図である。上述の実施の形態は、
液滴吐出ヘッドを例として説明したが、本発明は液滴吐出ヘッドだけに限定されず、他の
微細加工による静電アクチュエーターを利用した静電型の駆動デバイスにも適用すること
ができる。例えば、図7の波長可変光フィルターは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利
用し、可動鏡120と固定鏡121との間隔を変化させながら選択した波長の光を出力す
るものである。可動鏡120を変位させるためには、可動鏡120が設けられている、シ
リコンを材料とする可動体122を変位させる。そのために固定電極123と可動体12
2(可動鏡120)とを所定の間隔(ギャップ)で対向配置する。このとき、固定電極1
23には、絶縁膜124を成膜し、可動体122には表面保護膜125を成膜する。
FIG. 7 is a diagram showing a wavelength tunable optical filter using the present invention. The above embodiment is
Although the liquid droplet ejection head has been described as an example, the present invention is not limited to the liquid droplet ejection head, and can be applied to an electrostatic driving device using an electrostatic actuator by other fine processing. For example, the wavelength tunable optical filter shown in FIG. 7 uses the principle of a Fabry-Perot interferometer and outputs light of a selected wavelength while changing the distance between the
2 (movable mirror 120) are arranged to face each other at a predetermined interval (gap). At this time, the fixed
An insulating
同様にモーター、センサー、SAWフィルターのような振動素子(レゾネーター)、波
長可変光フィルター、ミラーデバイス等、他の種類の微細加工のアクチュエーター、圧力
センサー等のセンサー等にも上述の封止部の形成等を適用することができる。
Similarly, the above-mentioned sealing portion is formed on other types of micro-fabricated actuators such as motors, sensors, SAW filters, resonator elements, wavelength tunable optical filters, mirror devices, and pressure sensors. Etc. can be applied.
10 電極基板、11 凹部、12 電極、12A 個別電極部、12B リード配線
部、12C 端子部、13 絶縁膜、14 液体供給口、15 表面保護膜、20 キャ
ビティー基板、21 吐出室、22 振動板、23 表面保護膜、24 リザーバー、2
5 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 発振駆動回路、42 配線、51
シリコン基板、52 ボロンドープ層、53 TEOSハードマスク、100 プリンタ
ー、101 ドラム、102 液滴吐出ヘッド、103 紙圧着ローラー、104 送り
ネジ、105 ベルト、106 モーター、107 プリント制御手段、110 プリン
ト紙、120 可動鏡、121 固定鏡、122 可動体、123 固定電極、124
絶縁膜、125 表面保護膜。
DESCRIPTION OF
5 Sealing material, 26 Electrode outlet, 27 Common electrode terminal, 30 Nozzle substrate, 31 Nozzle, 32 Diaphragm, 33 Orifice, 41 Oscillation drive circuit, 42 Wiring, 51
Silicon substrate, 52 boron doped layer, 53 TEOS hard mask, 100 printer, 101 drum, 102 droplet discharge head, 103 paper pressure roller, 104 feed screw, 105 belt, 106 motor, 107 print control means, 110 print paper, 120 movable Mirror, 121 Fixed mirror, 122 Movable body, 123 Fixed electrode, 124
Insulating film, 125 Surface protective film.
Claims (7)
該固定電極と所定の距離で対向し、前記固定電極との間で発生した静電気力により動作
する可動電極と、
前記固定電極を覆う絶縁膜と、
前記可動電極の前記固定電極と対向する面に直接設けられ、接触による摩耗から前記絶
縁膜を保護する、カーボン系材料からなる表面保護膜と
を備えることを特徴とする静電アクチュエーター。 A fixed electrode formed on the substrate;
A movable electrode facing the fixed electrode at a predetermined distance and operated by electrostatic force generated between the fixed electrode;
An insulating film covering the fixed electrode;
An electrostatic actuator comprising: a surface protective film made of a carbon-based material that is provided directly on a surface of the movable electrode facing the fixed electrode and protects the insulating film from abrasion due to contact.
徴とする請求項1記載の静電アクチュエーター。 The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the surface protective film is made of diamond or diamond-like carbon.
項1又は2記載の静電アクチュエーター。 The electrostatic actuator according to claim 1, wherein the surface resistivity of the surface protective film is on the order of 10 9 to 10 12 .
保護膜を設けることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の静電アクチュエーター
。 The electrostatic actuator according to claim 1, further comprising a surface protective film having a volume resistivity on the order of 10 12 or more on the insulating film covering the fixed electrode.
液体が充填される吐出室の少なくとも一部分を前記可動電極として、前記可動電極の変
位により前記吐出室と連通するノズルから液滴を吐出させることを特徴とする液滴吐出ヘ
ッド。 It has the electrostatic actuator in any one of Claims 1-4,
A droplet discharge head, wherein at least a part of a discharge chamber filled with a liquid is used as the movable electrode, and droplets are discharged from a nozzle communicating with the discharge chamber by displacement of the movable electrode.
電デバイス。 An electrostatic device comprising the electrostatic actuator according to claim 1.
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