JP2010179514A - Electrostatic actuator, liquid droplet ejection head, method for manufacturing those, and liquid droplet ejection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電駆動方式のインクジェットヘッド等に用いられる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置に関する。 The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, a manufacturing method thereof, and a droplet discharge device used for an electrostatic drive type inkjet head or the like.
ノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドには、アクチュエータの駆動方式として、静電気力を利用したものがある。以下、この駆動方式によるアクチュエータを「静電アクチュエータ」と称するものとする。
例えば、液滴吐出ヘッドの代表例であるインクジェットヘッドの静電アクチュエータは、一般に、ガラス等の基板上に形成された個別電極(固定電極)と、この個別電極に所定のギャップ(空隙)を介して対向配置されたシリコン製の振動板(可動電極)と、振動板と個別電極との間に静電気力を発生させて、振動板に変位を生じさせる駆動手段とを備えている。そして、インク流路中に形成された吐出室の振動板を静電気力で振動させることにより、インク滴をノズル孔より記録紙に向けて吐出・着弾させて印字等が行われる。
Some droplet discharge heads that discharge droplets from nozzle holes use an electrostatic force as a driving method of an actuator. Hereinafter, an actuator based on this driving method is referred to as an “electrostatic actuator”.
For example, an electrostatic actuator of an inkjet head, which is a typical example of a droplet discharge head, generally has an individual electrode (fixed electrode) formed on a substrate such as glass and a predetermined gap (gap) between the individual electrodes. And a diaphragm made of silicon (movable electrode) disposed opposite to each other, and driving means for generating an electrostatic force between the diaphragm and the individual electrode to cause displacement of the diaphragm. Then, by oscillating the vibration plate of the discharge chamber formed in the ink flow path with electrostatic force, ink droplets are ejected and landed on the recording paper from the nozzle holes to perform printing or the like.
このような静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、ノズル密度を高密度化するとともに、駆動電圧の上昇を引き起こすことなく、振動板の変位量を増加させ、液滴の吐出エネルギーを増加させる構造について検討されてきた。そのような構造の一つに、個別電極に複数の段差を階段状に設けて個別電極を多段に構成する方式がある(例えば、特許文献1〜3参照)。
特許文献1では、個別電極が形成されるシリコン基板上の酸化膜またはガラス基板に階段状の段差を形成し、その上に個別電極を多段に形成する。
特許文献2では、個別電極が形成されるガラス基板に階段状の段差を形成し、その上に個別電極を多段に形成する。
特許文献3では、個別電極が形成されるガラス基板に電極材料を階段状に積層することにより個別電極を多段に形成する。
In such an electrostatic drive type ink jet head, the nozzle density is increased and the displacement of the diaphragm is increased without increasing the drive voltage, thereby increasing the droplet ejection energy. Has been studied. As one of such structures, there is a system in which a plurality of steps are provided on individual electrodes in a stepped manner, and the individual electrodes are configured in multiple stages (for example, see
In
In
In
上記の特許文献1〜3に開示される静電アクチュエータは、個別電極と振動板との間に静電引力が働くと、振動板が個別電極と振動板との間隔(ギャップ長ともいう)の小さい方から順次変位して個別電極に当接していく。このような振動板の変位・変形による当接のことを以下「連成当接」と称するものとする。従って、これまでの平行平板型電極の静電アクチュエータに比べて、多段構造の静電アクチュエータは、ギャップ長が段階的に変化するので、駆動電圧の上昇を引き起こすことなく、振動板の変位量を増加させることができる。
しかしながら、多段構造の静電アクチュエータでは、振動板が上段から段階的に当接するため、特に最上段に設けられる絶縁膜は高硬度の絶縁膜を用いる必要がある。本発明者らの検討によれば、SiO2絶縁膜どうしが当接・離脱する系においては、当接・離脱を繰り返すことにより、絶縁膜が摩耗し、異物化することで、静電アクチュエータの駆動能力が大きく低下するという課題があった。
In the electrostatic actuators disclosed in the
However, in the electrostatic actuator having a multi-stage structure, since the diaphragm abuts stepwise from the upper stage, it is necessary to use a high-hardness insulating film as the insulating film provided at the uppermost stage. According to the study by the present inventors, in a system in which the SiO 2 insulating films are in contact with and separated from each other, the insulating film is worn away and becomes a foreign object by repeating the contact and separation. There was a problem that the driving ability was greatly reduced.
そこで、静電アクチュエータの駆動耐久性を向上させる手段として、高硬度、低摩擦係数を有するダイアモンドライクカーボン膜(DLC膜)を当接面に設けた静電アクチュエータが提案されている(例えば、特許文献4参照)。 Therefore, as a means for improving the drive durability of the electrostatic actuator, an electrostatic actuator having a diamond-like carbon film (DLC film) having a high hardness and a low friction coefficient on the contact surface has been proposed (for example, a patent) Reference 4).
ところで、最近のインクジェットヘッドにあっては高密度化の要求が強く、そのためノズル径はますます微小化の傾向にあり、それに伴い静電アクチュエータも微小化している。従って、このような微小径のノズル孔を有するインクジェットヘッドでは、インク滴の吐出を可能にするために、静電アクチュエータの駆動電圧を高くする必要がある。しかし、いままでの駆動電圧よりも高い、例えば60Vで駆動すると、DLC膜を個別電極の当接面上に設けていても、DLC膜の電気特性によっては、当接・離脱を繰り返すことにより静電アクチュエータが帯電し、正常な駆動特性を長期間保持することができないという課題があった。 By the way, recent ink jet heads have a strong demand for higher density, and as a result, nozzle diameters are becoming increasingly smaller, and electrostatic actuators are also becoming smaller. Therefore, in an inkjet head having such a small diameter nozzle hole, it is necessary to increase the drive voltage of the electrostatic actuator in order to enable ejection of ink droplets. However, when driving at a higher voltage than the conventional driving voltage, for example, 60 V, even if the DLC film is provided on the contact surface of the individual electrode, depending on the electrical characteristics of the DLC film, it may be There is a problem in that the electric actuator is charged and normal drive characteristics cannot be maintained for a long time.
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、駆動耐久性に優れ、かつ高電圧駆動が可能で高密度化に対応でき、またプロセス適応性に優れた静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッドおよびそれらの製造方法並びに液滴吐出装置を提供することを目的とする。 In view of the problems of the prior art, the present invention provides an electrostatic actuator, a droplet discharge head, and their excellent driving durability, high voltage driving, high density, and excellent process adaptability. It is an object to provide a manufacturing method and a droplet discharge device.
本発明に係る静電アクチュエータは、基板上に形成された固定電極と、固定電極に対して所定のギャップを介して対向配置された可動電極とを備え、固定電極の対向面を階段状の多段構造に形成した静電アクチュエータであって、固定電極の対向面の最上段と最下段とに、物性が異なる表面保護膜が形成されているものである。 An electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a substrate, and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween, and the opposing surface of the fixed electrode has a stepped multi-stage. In the electrostatic actuator formed in the structure, surface protective films having different physical properties are formed on the uppermost and lowermost stages of the opposing surface of the fixed electrode.
このように、多段構造の固定電極の対向面の最上段と最下段とに、物性が異なる表面保護膜を形成することにより、可動電極の当接・離脱による絶縁膜の摩耗を防止し、絶縁膜の異物化を抑制することができ、かつ静電アクチュエータの帯電防止が可能となる。従って、駆動耐久性に優れ、かつ高電圧駆動が可能で高密度化に対応できる静電アクチュエータを実現することができる。 In this way, by forming a surface protective film with different physical properties on the uppermost and lowermost surfaces of the opposed surface of the fixed electrode having a multi-stage structure, it is possible to prevent the insulating film from being worn due to contact and detachment of the movable electrode. It is possible to prevent the film from becoming a foreign substance and to prevent the electrostatic actuator from being charged. Therefore, it is possible to realize an electrostatic actuator that is excellent in driving durability, can be driven at a high voltage, and can cope with high density.
本発明の静電アクチュエータにおいて、表面保護膜としては、ダイアモンドライクカーボン膜(以下、DLC膜という)であることが望ましい。 In the electrostatic actuator of the present invention, the surface protective film is preferably a diamond-like carbon film (hereinafter referred to as a DLC film).
また、最上段の表面保護膜は硬度が最も高いDLC膜であり、最下段の表面保護膜は体積抵抗率が最も高いDLC膜であることが望ましい。
多段構造の静電アクチュエータは、最上段が可動電極の当接圧力が最も大きいため、最上段の表面保護膜は硬度が最も高いDLC膜とするのが適している。また、最下段は、高電圧駆動の場合帯電する可能性が高いため、最下段の表面保護膜は体積抵抗率が最も高いDLC膜とするのが適している。ここで、体積抵抗率とは、単位体積当たりの電気抵抗値をいい、導体の場合の電気抵抗率と同様の概念である。
The uppermost surface protective film is preferably a DLC film having the highest hardness, and the lowermost surface protective film is preferably a DLC film having the highest volume resistivity.
In the electrostatic actuator having a multi-stage structure, the uppermost stage has the highest contact pressure of the movable electrode, and therefore the uppermost surface protective film is suitably a DLC film having the highest hardness. In addition, since the lowermost stage is highly likely to be charged when driven at a high voltage, the lowermost surface protective film is suitably a DLC film having the highest volume resistivity. Here, the volume resistivity refers to an electrical resistance value per unit volume, and is the same concept as the electrical resistivity in the case of a conductor.
また、表面保護膜は、固定電極上に形成された絶縁膜の上に形成する。表面保護膜がDLC膜であるため、表面保護膜の剥離を防ぐためには下地膜として絶縁膜を介在させることが望ましい。 The surface protective film is formed on an insulating film formed on the fixed electrode. Since the surface protective film is a DLC film, it is desirable to interpose an insulating film as a base film in order to prevent peeling of the surface protective film.
多段構造の静電アクチュエータを構成するためには、次の3つの方法がある。
(1)固定電極が形成される基板を階段状の多段構造に形成する。
(2)固定電極上に形成される絶縁膜を階段状の多段構造に形成する。
(3)固定電極に形成される表面保護膜を階段状の多段構造に形成する。
(1)の方法は、例えばガラス基板のパターニングとエッチングを繰り返すことで多段に形成できるので、安価にできる。
(2)の方法は、例えばシリコン酸化膜のパターニングとエッチングを繰り返すことで多段に形成できるので、(1)に比べて段差を高精度に形成することができる。従って、連成当接のバラツキが少なく、吐出特性が向上する。
(3)の方法は、CVD法を用いることにより、目的の膜特性を有する表面保護膜を多段に形成できるので、プロセス適応性に優れた静電アクチュエータを安価に実現することができる。
There are the following three methods for constructing a multistage electrostatic actuator.
(1) The substrate on which the fixed electrode is formed is formed in a stepped multi-stage structure.
(2) An insulating film formed on the fixed electrode is formed in a stepped multistage structure.
(3) The surface protective film formed on the fixed electrode is formed in a stepped multistage structure.
The method (1) can be formed at a low cost because it can be formed in multiple stages by repeating patterning and etching of the glass substrate, for example.
Since the method (2) can be formed in multiple stages by repeating patterning and etching of the silicon oxide film, for example, the step can be formed with higher precision than in (1). Therefore, there is little variation in coupled contact, and the discharge characteristics are improved.
In the method (3), since the surface protective film having the desired film characteristics can be formed in multiple stages by using the CVD method, an electrostatic actuator excellent in process adaptability can be realized at low cost.
前述のように表面保護膜の下地膜としての絶縁膜は、シリコン酸化膜が適している。シリコン酸化膜であれば、必要な絶縁耐圧および接合強度を確保することができるからである。 As described above, a silicon oxide film is suitable for the insulating film as the base film of the surface protective film. This is because the silicon oxide film can ensure the required withstand voltage and bonding strength.
また、絶縁膜は、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料により形成することもできる。
絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率の大きい誘電材料、いわゆるHigh−k材を用いると、静電アクチュエータの発生圧力を向上できるので、静電アクチュエータの微小化、高密度化が可能となる。
High−k材の中でも、プロセス適性、膜質の安定性等の見地から、特に、酸化シリコンよりも比誘電率が高い誘電材料として、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)が望ましく、これらの中から少なくとも一つを選べばよい。
The insulating film can also be formed of a dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide.
When a dielectric material having a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide, a so-called High-k material, is used as the insulating film, the generated pressure of the electrostatic actuator can be improved, so that the electrostatic actuator can be miniaturized and densified. .
Among the high-k materials, from the viewpoints of process suitability, film quality stability, etc., in particular, as a dielectric material having a higher dielectric constant than silicon oxide, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), Hafnium nitride silicate (HfSiN) and oxynitride hafnium silicate (HfSiON) are desirable, and at least one of them may be selected.
本発明に係る静電アクチュエータの第1の製造方法は、ガラス基板上に形成された固定電極と、固定電極に対して所定のギャップを介して対向配置された可動電極とを備え、固定電極の対向面を階段状の多段構造に形成した静電アクチュエータの製造方法において、
ガラス基板に凹部を形成するとともに、凹部の底面を階段状の多段構造に形成する工程と、凹部の底面上に固定電極を形成する工程と、固定電極上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成するとともに、パターニングとエッチングにより選択的に表面保護膜を除去することにより、最上段を硬度が最も高い表面保護膜、最下段を体積抵抗率が最も高い表面保護膜とする工程と、を有するものである。
第1の製造方法によれば、固定電極を形成するためのガラス基板の凹部底面を多段に形成するものであるので、駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを安価に製造することができる。
A first manufacturing method of an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a glass substrate, and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween. In the manufacturing method of the electrostatic actuator in which the opposing surface is formed in a stepped multistage structure,
Forming a recess in the glass substrate, forming a bottom surface of the recess into a stepped multi-stage structure, forming a fixed electrode on the bottom surface of the recess, forming an insulating film on the fixed electrode, and insulating Two types of surface protection films with different physical properties are formed on the film, and the surface protection film is selectively removed by patterning and etching, so that the top layer has the highest hardness and the bottom layer has volume resistance. A surface protection film having the highest rate.
According to the first manufacturing method, since the bottom surface of the concave portion of the glass substrate for forming the fixed electrode is formed in multiple stages, an electrostatic actuator excellent in driving durability can be manufactured at low cost.
本発明に係る静電アクチュエータの第2の製造方法は、ガラス基板上に形成された固定電極と、固定電極に対して所定のギャップを介して対向配置された可動電極とを備え、固定電極の対向面を階段状の多段構造に形成した静電アクチュエータの製造方法において、
ガラス基板に凹部を形成するとともに、凹部の底面上に前記固定電極を形成する工程と、固定電極上に絶縁膜を形成するとともに、絶縁膜を階段状の多段構造に形成する工程と、絶縁膜上に、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成するとともに、パターニングとエッチングにより選択的に表面保護膜を除去することにより、最上段を硬度が最も高い表面保護膜、最下段を体積抵抗率が最も高い表面保護膜とする工程と、を有するものである。
第2の製造方法によれば、固定電極上に形成される絶縁膜を多段に形成するものであるので、段差精度が向上し、かつ駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを安価に製造することができる。
A second method for manufacturing an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a glass substrate, and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween. In the manufacturing method of the electrostatic actuator in which the opposing surface is formed in a stepped multistage structure,
Forming a recess in the glass substrate, forming the fixed electrode on the bottom surface of the recess, forming an insulating film on the fixed electrode, forming the insulating film in a stepped multistage structure, and an insulating film On top of this, two types of surface protection films with different physical properties are formed, and the surface protection film is selectively removed by patterning and etching, so that the top layer has the highest hardness and the bottom layer has volume resistivity. Having the highest surface protective film.
According to the second manufacturing method, since the insulating film formed on the fixed electrode is formed in multiple stages, an electrostatic actuator having improved step accuracy and excellent driving durability can be manufactured at low cost. Can do.
本発明に係る静電アクチュエータの第3の製造方法は、ガラス基板上に形成された固定電極と、固定電極に対して所定のギャップを介して対向配置された可動電極とを備え、固定電極の対向面を階段状の多段構造に形成した静電アクチュエータの製造方法において、
ガラス基板に凹部を形成するとともに、凹部の底面上に固定電極を形成する工程と、固定電極上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成するとともに、パターニングとエッチングにより選択的に表面保護膜を除去することにより、最上段を硬度が最も高い表面保護膜、最下段を体積抵抗率が最も高い表面保護膜とする工程と、を有する。
第3の製造方法によれば、固定電極上の絶縁膜上に形成される物性が異なる2種類の表面保護膜を多段に形成するものであるので、プロセス適応性に優れ、かつ駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを安価に製造することができる。
A third method for manufacturing an electrostatic actuator according to the present invention includes a fixed electrode formed on a glass substrate, and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween. In the manufacturing method of the electrostatic actuator in which the opposing surface is formed in a stepped multistage structure,
Forming recesses in the glass substrate, forming a fixed electrode on the bottom surface of the recess, forming an insulating film on the fixed electrode, and forming two types of surface protective films with different physical properties on the insulating film In addition, by selectively removing the surface protective film by patterning and etching, the uppermost stage is a surface protective film having the highest hardness and the lowermost stage is a surface protective film having the highest volume resistivity.
According to the third manufacturing method, since two types of surface protective films having different physical properties formed on the insulating film on the fixed electrode are formed in multiple stages, the process adaptability is excellent and the driving durability is improved. An excellent electrostatic actuator can be manufactured at low cost.
また、表面保護膜は、RF−CVD法により形成するとともに、成膜の際または成膜中にRF出力を変更することにより、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成する。
DLC膜の場合、RF出力を高くして成膜すると、高硬度、低体積抵抗率、高摩擦係数のDLC膜が得られ、RF出力を低くして成膜すると、低硬度、高体積抵抗率、低摩擦係数のDLC膜が得られる。従って、多段構造の静電アクチュエータでは、最上段を高硬度のDLC膜、最下段を高体積抵抗率のDLC膜となるように、RF出力を変えて成膜する。
The surface protective film is formed by the RF-CVD method, and two kinds of surface protective films having different physical properties are formed by changing the RF output during film formation or during film formation.
In the case of a DLC film, a high hardness, low volume resistivity, and a high friction coefficient DLC film are obtained when the RF output is increased, and a low hardness and high volume resistivity are obtained when the RF output is decreased. A DLC film having a low friction coefficient can be obtained. Therefore, in an electrostatic actuator having a multi-stage structure, films are formed with different RF outputs so that the uppermost stage is a high-hardness DLC film and the lowermost stage is a high volume resistivity DLC film.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかの静電アクチュエータを搭載したものである。
これにより、駆動耐久性に優れ、かつ高電圧駆動が可能で高密度化に対応できる液滴吐出ヘッドを実現することができる。
A droplet discharge head according to the present invention is one in which any one of the electrostatic actuators described above is mounted.
Accordingly, it is possible to realize a droplet discharge head that has excellent driving durability, can be driven at a high voltage, and can cope with high density.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記のいずれかの静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造するものである。
これにより、駆動耐久性に優れ、かつ高電圧駆動が可能で高密度化に対応できる液滴吐出ヘッドを安価に製造することができる。
A method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention is a method of manufacturing a droplet discharge head by applying any one of the above-described electrostatic actuator manufacturing methods.
As a result, a droplet discharge head that has excellent driving durability, can be driven at a high voltage, and can cope with high density can be manufactured at low cost.
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。したがって、駆動耐久性に優れ、かつ高電圧駆動が可能で高密度化に対応できる液滴吐出装置を提供することができる。 A droplet discharge apparatus according to the present invention is equipped with the above-described droplet discharge head. Therefore, it is possible to provide a droplet discharge device that is excellent in driving durability, can be driven at a high voltage, and can cope with high density.
以下、本発明を適用した静電アクチュエータを備える液滴吐出ヘッドの実施の形態について図面を参照して説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、ノズル基板の表面に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するフェイス吐出型の静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図1から図4を参照して説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、吐出室とリザーバ部が別々の基板に設けられた4枚の基板を積層した4層構造のものや、基板の端部に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。 Hereinafter, embodiments of a droplet discharge head including an electrostatic actuator to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. Here, as an example of a droplet discharge head, a face discharge type electrostatic drive type inkjet head that discharges ink droplets from nozzle holes provided on the surface of a nozzle substrate will be described with reference to FIGS. . Note that the present invention is not limited to the structure and shape shown in the following drawings, and has a four-layer structure in which four substrates each having a discharge chamber and a reservoir portion provided on separate substrates are laminated, The present invention can be similarly applied to an edge discharge type droplet discharge head that discharges ink droplets from a nozzle hole provided at the end of the nozzle.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1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は組立状態における図1の略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(但し、多段構造の個別電極の構成は図1と異なる)。図3は図2のA−A拡大断面図、図4は図2のインクジェットヘッドの上面図である。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。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an exploded schematic configuration of an ink jet head according to
本実施の形態1に係るインクジェットヘッド10は、図1から図4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基板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基板2と、キャビティ基板2に設けられた振動板6に対峙して多段構造の個別電極5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。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
ここで、個別電極5の対向面は、所要数の段差を階段状に設けた多段構造を有する構成となっている。なお、段差の数は任意であるが、本実施の形態ではわかりやすくするために2段で構成されている。本実施の形態の場合、個別電極5が形成される電極基板3を2段構造としている。例えば、ガラス基板に細溝状の凹部32、32aを複数形成し、凹部32の底面に第2の凹部32aを形成することにより、凹部32の底面を多段構造に形成する。そして、凹部32の階段状の底面に例えばITO(Indium Tin Oxide)膜をパターン形成することで、個別電極5が2段以上の多段構造に形成される。
Here, the opposing surface of the
個別電極5は、振動板6に対向する電極部5aと、基板端部側へ延設されるリード部5b、および図示省略のフレキシブルプリント基板(FPC)と配線接続される端子部5cとを有し、電極部5aが長手方向に多段に形成されている。
さらに個別電極5の上に、シリコン酸化膜(SiO2膜)からなる絶縁膜7が形成され、最下段と最上段の絶縁膜7の上に、物性が異なる2種類の第1の表面保護膜8aと第2の表面保護膜8bとが形成されている。
The
Further, an insulating
ここで、振動板6とのギャップ長が最も大きい最下段(2段目)に形成される第1の表面保護膜8aは、体積抵抗率が最も高いDLC膜となっており、振動板6とのギャップ長が最も小さい最上段(1段目)に形成される第2の表面保護膜8bは、硬度が最も高いDLC膜となっている。
Here, the first surface
個別電極5に所定のギャップGを介して対向配置される振動板6は、シリコン製のキャビティ基板2の吐出室21の底壁で構成され、さらに振動板6の対向面には、静電アクチュエータ4の絶縁破壊や短絡等を防ぐために、シリコンの熱酸化膜からなる絶縁膜9が形成されている。
The
また、段差の距離は、任意に設定することができるが、1段目(最上段)ギャップ長G1の20%以下が望ましい。段差が大きすぎると振動板6が連成当接しなくなり、本発明の効果が得られなくなる。本実施の形態1の場合、振動板6側の絶縁膜9の厚みを110nm、個別電極5側の絶縁膜7の厚みを40nm、1段目ギャップ長G1を200nm、段差を40nm、第1および第2の表面保護膜8a、8bとなるDLC膜の厚みを各10nmとしている。
The step distance can be arbitrarily set, but is preferably 20% or less of the first (top) gap length G1. If the level difference is too large, the
上記のように構成された多段構造の個別電極5と、個別電極5に所定のギャップGを介して対向配置された振動板6とで、多段構造の静電アクチュエータ4がノズル孔11ごとに構成される。なお、個別電極5は、一般に透明電極であるITO(Indium Tin Oxide)により形成されるが、特にこれに限定されるものではない。IZO(Indium Zinc Oxide)よりなる透明電極、あるいはAu、Al等の金属等でもかまわない。また、個別電極5の電極材料によっては絶縁膜7を省くことも可能であり、直接第1および第2の表面保護膜8a、8bが多段構造の個別電極5上に形成される。
以上のように構成された個別電極5の端子部5cとキャビティ基板2上に設けられた共通電極26とに、図4に簡略化して示すように、静電アクチュエータ4の駆動手段として、ドライバICなどの駆動制御回路40がFPCを介して配線接続される。
The
As shown in FIG. 4 in a simplified manner in the
各基板の構成についてさらに詳細に説明する。
ノズル基板1は、例えばシリコン基板から作製されている。インク滴を吐出するためのノズル孔11は、例えば径の異なる2段の同軸円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち径の小さい噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから構成されている。噴射口部分11aおよび導入口部分11bは基板面に対して垂直にかつ同軸上に設けられており、噴射口部分11aは先端がノズル基板1の表面(インク吐出面)に開口し、導入口部分11bはノズル基板1の裏面(キャビティ基板2と接合される接合側の面)に開口している。
また、ノズル基板1には、キャビティ基板2の吐出室21とリザーバ23とを連通するオリフィス12とリザーバ23部の圧力変動を補償するためのダイヤフラム部13が形成されている。
The configuration of each substrate will be described in more detail.
The
In addition, the
ノズル孔11を噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから2段に構成することにより、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。すなわち、インク滴の飛翔方向のバラツキがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のバラツキを抑制することができる。また、ノズル密度を高密度化することが可能である。
By forming the
電極基板3に接合されるキャビティ基板2は、例えば面方位が(110)のシリコン基板から作製されている。キャビティ基板2には、インク流路に設けられる吐出室21となる凹部22、およびリザーバ23となる凹部24がエッチングにより形成されている。凹部22は前記ノズル孔11に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図2に示すようにノズル基板1とキャビティ基板2を接合した際、各凹部22は吐出室21を構成し、それぞれノズル孔11に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス12ともそれぞれ連通している。そして、吐出室21(凹部22)の底部が振動板6となっている。また、この振動板6は、シリコン基板の表面に高濃度のボロン(B)を拡散させたボロン拡散層により形成されており、ボロン拡散層の厚さを振動板6の厚さと同じにするものである。これは、アルカリによる異方性ウェットエッチングにより、吐出室21を形成する際に、ボロン拡散層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなるため、いわゆるエッチングストップ技術により振動板6を所望の厚さに精度よく形成することができるからである。
The
凹部24は、インク等の液状材料を貯留するためのものであり、各吐出室21に共通のリザーバ(共通インク室)23を構成する。そして、リザーバ23(凹部24)はそれぞれオリフィス12を介して全ての吐出室21に連通している。また、リザーバ23の底部には電極基板3を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔33を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
The
電極基板3は、ガラス基板から作製される。中でも、キャビティ基板2のシリコン基板と熱膨張係数の近いホウ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とキャビティ基板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とキャビティ基板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とキャビティ基板2を強固に接合することができるからである。
The
以上のように作製された電極基板3とキャビティ基板2とを陽極接合し、その上にノズル基板1を接着接合することにより、図2に示すようにインクジェットヘッド10の本体部が完成する。その後、FPCを用いて駆動制御回路40を各個別電極5と共通電極26とに配線接続する。さらに、電極取り出し部(FRP実装部ともいう)34における静電アクチュエータ4のギャップの開放端部にエポキシ系樹脂等の封止材35を塗布するなどして気密に封止する。これにより、湿気や異物等が静電アクチュエータ4のギャップへ侵入するのを確実に防止することができ、駆動の安定性および耐久性を実現できる。つまり、インクジェットヘッド10の信頼性が向上する。
The
次に、以上のように構成される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40により個別電極5とキャビティ基板2の共通電極26の間にパルス電圧を印加すると、振動板6は静電引力により個別電極5側に引き寄せられて吸着する。その際、多段構造の個別電極5上には絶縁膜7を介して第1および第2の表面保護膜8a、8bが形成されているので、振動板6はギャップ長の小さい方、すなわち図2の上の段から第2の表面保護膜8bに接触し、ついで最深部(2段目)の第1の表面保護膜8aに当接する。言い換えれば、上の段のギャップ長G1を埋めるのに十分な電圧を印加することにより振動板6は第2の表面保護膜8bに当接し、次段のギャップ長G−G1=t(t:段差)を埋めるのに十分な電圧を印加することにより振動板6は第1の表面保護膜8aに当接する。このように振動板6は、個別電極5の対向面の多段構造の段数に応じて順次各段の端部に接触しながら連成当接する。振動板6が連成当接にて変位することによって、吐出室21内に負圧を発生させ、リザーバ23内のインクを吸引し、インクの振動(メニスカス振動)を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板6は離脱して、インクをノズル11から押出し、インク滴を吐出する。
Next, the operation of the
When a pulse voltage is applied between the
従って、本実施の形態の静電アクチュエータ4によれば、個別電極5の対向面が多段構造となっており、最上段(1段目)には高硬度のDLC膜からなる第2の表面保護膜8bが形成されているので、振動板6の当接力が大きくなる最上段の第2の表面保護膜8bが摩耗することがなく、かつ膜の異物化を抑制することができる。また高電圧駆動をしても、最下段の第1の表面保護膜8aが高体積抵抗率のDLC膜であるため、帯電を生じにくい。よって、高電圧駆動が可能で、長期駆動耐久性を有する静電アクチュエータ4を実現することができる。また、高電圧駆動が可能なので、より高密度化が可能となる。
Therefore, according to the
また、絶縁膜(表面保護膜も含む)の比誘電率εが大きいほど、あるいは絶縁膜の厚さtに対する比誘電率εの比(t/ε)が小さいほど、静電アクチュエータの平均圧力Peが高くなることがわかっている。酸化シリコンは比誘電率が空気より大きいため、多段で構成されたギャップが狭い部分は、ギャップが広い部分に比べて静電アクチュエータの発生圧力を高くすることができる。
すなわち、本発明の静電アクチュエータに電圧を印加すると、発生圧力が相対的に大きな絶縁膜厚みが厚い部分から連成当接が生じるため、絶縁膜厚みが薄い部分が本来必要な当接電圧以下の電圧で静電アクチュエータの当接が可能となる。また、静電アクチュエータにおけるTDDB(Time Depend Dielectric Breakdown、長時間の絶縁破壊強度)、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown、瞬間における絶縁破壊強度)等の耐絶縁破壊強度をより向上することができる。また、同じ当接電圧で比較した場合、吐出室の体積変化量をより大きくでき、インク排除体積を大きく確保することができる。
In addition, the average pressure P of the electrostatic actuator increases as the relative dielectric constant ε of the insulating film (including the surface protective film) increases, or as the ratio (t / ε) of the relative dielectric constant ε to the thickness t of the insulating film decreases. e is known to be high. Since silicon oxide has a relative dielectric constant larger than that of air, a portion having a narrow gap formed by multiple stages can increase a generated pressure of the electrostatic actuator as compared with a portion having a wide gap.
That is, when a voltage is applied to the electrostatic actuator according to the present invention, the coupled contact is generated from a portion where the generated pressure is relatively large and the insulating film thickness is thick. The electrostatic actuator can be brought into contact with a voltage of. In addition, it is possible to further improve dielectric breakdown strength such as TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown, long-time dielectric breakdown strength) and TZDB (Time Zero Dielectric Breakdown, instantaneous dielectric breakdown strength) in the electrostatic actuator. Further, when compared with the same contact voltage, the volume change amount of the discharge chamber can be increased, and a large ink rejection volume can be ensured.
また、個別電極5の表面保護膜としてDLC膜をRF−CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって成膜した場合、DLC膜の物性に関し本発明者らが検討した結果、成膜時のRF出力値によって膜質が大きく変化することがわかった。
具体的にはRF出力が大きい場合、すなわち原料ガスに加えるエネルギーが大きい場合は原料ガスの分解が十分に進む。そのため十分なDLC化が促進され、より均質なDLC膜が得られる。しかし、分解の過程で原料ガスに含まれる水素原子が離脱するため、膜は相対的に高摩擦係数、高硬度、低体積抵抗率のDLC膜となる。逆にRF出力が小さい場合、すなわち原料ガスに加えるエネルギーが小さい場合には原料ガスの分解が十分に進まない。そのため十分なDLC化が促進されず、分解の過程で原料ガスに含まれる水素原子が離脱しにくく、膜は相対的に低摩擦係数、低硬度、高体積抵抗率のDLC膜となる。
Further, when a DLC film is formed as a surface protective film of the
Specifically, when the RF output is large, that is, when the energy applied to the raw material gas is large, the decomposition of the raw material gas proceeds sufficiently. Therefore, sufficient DLC conversion is promoted, and a more uniform DLC film can be obtained. However, since the hydrogen atoms contained in the source gas are released during the decomposition process, the film becomes a DLC film having a relatively high friction coefficient, high hardness, and low volume resistivity. Conversely, when the RF output is small, that is, when the energy applied to the raw material gas is small, the decomposition of the raw material gas does not proceed sufficiently. Therefore, sufficient DLC conversion is not promoted, hydrogen atoms contained in the raw material gas are not easily separated during the decomposition process, and the film becomes a DLC film having a relatively low friction coefficient, low hardness, and high volume resistivity.
多段構造の静電アクチュエータでは、振動板6と1段目のDLC膜との空隙(1段目ギャップ長G1)が非常に広く、1段目と2段目の段差は上記空隙(G1)に比べて小さい。従って、振動板6が当接する際に個別電極5側のDLC膜に与える圧力は1段目当接時の方が、2段目当接時よりもかなり大きい。しかしながら、振動板6の当接保持や離脱特性は2段目の当接状態が大きく関係する。
従って、1段目(最上段)は硬いDLC膜を用いることが望ましく、2段目(最下段)は帯電しにくい高体積抵抗率のDLC膜を用いることが望ましい。
In the electrostatic actuator having a multi-stage structure, the gap between the
Therefore, it is desirable to use a hard DLC film for the first stage (uppermost stage), and it is desirable to use a DLC film having a high volume resistivity that is difficult to be charged for the second stage (lowermost stage).
(インクジェットヘッドの製造方法)
次に、実施の形態1に係るインクジェットヘッド10の製造方法の一例について、図5及び図6を参照して概要を説明する。
図5は実施の形態1に係るインクジェットヘッド10の電極基板の製造工程を示す部分断面図であり、ウエハ状のガラス基板に複数個作製されるもののうちの一部分を断面であらわしたものである。図6は実施の形態1に係るインクジェットヘッド10の製造工程の部分断面図で、シリコンウエハのある部分の断面をあらわしたものである。なお、以下に記載する基板の厚み、膜厚、エッチング深さ等についての数値はその一例を示すもので、これに限定されるものではない。
(Inkjet head manufacturing method)
Next, an outline of an example of a method for manufacturing the
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing the manufacturing process of the electrode substrate of the
はじめに、実施の形態1に係る電極基板3の製造方法について説明する。
(a)ホウ珪酸ガラス等からなる板厚約1mmのガラス基板300に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより所望の深さの凹部32を形成する。さらに、この凹部32の底面に第2の凹部32aを形成することにより、所要の段差を形成する(図5(a))。なお、凹部32、32aは個別電極5の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極5ごとに複数形成される。
First, a method for manufacturing the
(A) A
(b)次に、例えば、スパッタ法によりITO(Indium Tin Oxide)膜を100nmの厚さで形成し、このITO膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして個別電極5となる部分以外をエッチング除去して、凹部32、32aの内部に多段構造の個別電極5を形成する(図5(b))。
(B) Next, for example, an ITO (Indium Tin Oxide) film is formed with a thickness of 100 nm by a sputtering method, and this ITO film is patterned by photolithography to remove the portions other than the
(c)次に、多段構造の個別電極5上に絶縁膜7として、ガラス基板300の接合面側から、TEOS(Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン)を原料ガスとして用いたRF−CVD(Chemical Vapor Deposition)法(以下、TEOS−CVD法という)によりSiO2膜を40nmの厚さで全面成膜する。そして、このSiO2膜の絶縁膜7の上に、第2の表面保護膜8bとして、高硬度のDLC膜をRF−CVD法により10nm全面成膜する(図5(c))。DLC膜の成膜条件は以下のとおりである。
原料ガス:トルエン、RF出力:600W、原料ガス流量:5sccmとした。
また、このDLC膜の体積抵抗率は8×1011Ωcmであった。但し、膜厚100nmで測定電圧10Vのときの測定値である。
膜硬度については、測定装置として「ナノインデンテータENT−1100a(エリオニクス社製)」を用い、押し込み荷重2mNで測定したとき、押し込み深さは83.6nmであった。
(C) Next, RF-CVD (Chemical Vapor Deposition) using TEOS (Tetraethoxysilane) as a source gas from the bonding surface side of the
Source gas: Toluene, RF output: 600 W, Source gas flow rate: 5 sccm.
Further, the volume resistivity of this DLC film was 8 × 10 11 Ωcm. However, it is a measurement value when the film thickness is 100 nm and the measurement voltage is 10V.
The film hardness was 83.6 nm when measured with an indentation load of 2 mN using “Nanoindenter ENT-1100a (manufactured by Elionix)” as a measuring device.
(d)次に、DLC膜は陽極接合ができないので、個別電極5の1段目のDLC膜(第2の表面保護膜8b)のみを残すように、それ以外のDLC膜部分をCHF3ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)ドライエッチングで除去する。すなわち、全面成膜されたDLC膜に対してレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行い、2段目と接合部36と電極取り出し部34(個別電極5の端子部5c)のDLC膜(第2の表面保護膜8b)部分のみをCHF3ガスを用いたRIEドライエッチングで除去する(図5(d))。
(D) Next, since the DLC film cannot be anodically bonded, the other DLC film portion is left with CHF 3 gas so as to leave only the first-stage DLC film (second surface
(e)次に、第1の表面保護膜8aとして、高体積抵抗率のDLC膜をRF−CVD法により10nm全面成膜する(図5(e))。DLC膜の成膜条件は以下のとおりである。
原料ガス:トルエン、RF出力:300W、原料ガス流量:5sccmとした。
また、このDLC膜の体積抵抗率は3×1014Ωcmであった。但し、膜厚100nmで測定電圧10Vのときの測定値である。
膜硬度については、測定装置として「ナノインデンテータENT−1100a(エリオニクス社製)」を用い、押し込み荷重2mNで測定したとき、押し込み深さは94.8nmであった。なお、押し込み深さの値が小さい方が硬い(高硬度)ことを示している。従って、第2の表面保護膜8bの方が第1の表面保護膜8aよりも高硬度である。
(E) Next, as the first surface
Source gas: Toluene, RF output: 300 W, Source gas flow rate: 5 sccm.
The volume resistivity of this DLC film was 3 × 10 14 Ωcm. However, it is a measurement value when the film thickness is 100 nm and the measurement voltage is 10V.
The film hardness was 94.8 nm when measured with an indentation load of 2 mN using “Nanoindenter ENT-1100a (manufactured by Elionix)” as a measuring device. In addition, the one where the value of indentation depth is small has shown that it is hard (high hardness). Therefore, the second surface
(f)そして、2段目のDLC膜(第1の表面保護膜8a)のみを残すようにパターニングして、それ以外のDLC膜部分をCHF3ガスを用いたRIEドライエッチングで除去する(図5(f))。
(F) Then, patterning is performed so that only the second-stage DLC film (first surface
(g)その後、除去部の電極取り出し部34が開口したシリコンマスクを用い、CHF3ガスを用いたRIEドライエッチングにより電極取り出し部34の絶縁膜7(SiO2膜)を除去する(図5(g))。最後に、ブラスト加工等によってインク供給孔33となる孔部33aをガラス基板300に形成する。
(G) Thereafter, the insulating film 7 (SiO 2 film) of the
次に、図6を参照して、実施の形態1に係るインクジェットヘッド10の製造方法について説明する。ここでは、主にキャビティ基板2の製造方法を示す。キャビティ基板2は上記により作製された電極ガラス基板300Aにシリコン基板200を陽極接合してから作製される。
Next, with reference to FIG. 6, the manufacturing method of the
(a)まず、例えば厚さが280μmのシリコン基板200の片面全面に、例えば厚さが0.8μmのボロン拡散層201を形成したシリコン基板200を作製する。次に、そのシリコン基板200のボロン拡散層201の表面上に、絶縁膜9として、熱酸化法によりSiO2膜を110nmの厚さで全面成膜する(図6(a))。
(A) First, a
(b)次に、このシリコン基板200を電極ガラス基板300A上にアライメントして陽極接合する(図6(b))。
(c)ついで、この接合済みシリコン基板200の表面全面を研磨加工して、厚さを例えば50μm程度に薄くし(図6(c))、さらにこのシリコン基板200の表面全面をウェットエッチングによりライトエッチングして加工痕を除去する。
(B) Next, the
(C) Next, the entire surface of the bonded
(d)次に、薄板に加工された接合済みシリコン基板200の表面にフォトリソグラフィーによってレジストパターニングを行い、KOH水溶液による異方性ウェットエッチングによってインク流路溝を形成する。これによって、底壁を振動板6とする吐出室21となる凹部22、リザーバ23となる凹部24および電極取り出し部34となる凹部27が形成される(図6(d))。その際、ボロン拡散層201の表面でエッチングストップがかかるので、振動板6の厚さを高精度に形成することができるとともに、表面荒れを防ぐことができる。
(D) Next, resist patterning is performed by photolithography on the surface of the bonded
(e)次に、CHF3ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)ドライエッチングで、凹部27の底部を除去して電極取り出し部34を開口する(図6(e))。その後、静電アクチュエータの内部に付着している水分を除去する。水分除去はこのシリコン基板を例えば真空チャンバ内に入れ、加熱真空引きをすることにより水分を除去する。
(f)そして、所要時間経過後、窒素ガスを導入し窒素雰囲気下でギャップの外部連通部にエポキシ樹脂等の封止材35を塗布して気密に封止する(図6(f))。
さらに、マイクロブラスト加工等により凹部24の底部を貫通させてインク供給孔33を形成する。さらに、インク流路溝の腐食を防止するため、このシリコン基板の表面にプラズマCVD法によりTEOS−SiO2膜からなるインク保護膜(図示せず)を形成する。また、シリコン基板上に金属からなる共通電極26を形成する。
(E) Next, the bottom of the concave portion 27 is removed by RIE (Reactive Ion Etching) dry etching using CHF 3 gas to open the electrode lead-out portion 34 (FIG. 6E). Thereafter, moisture adhering to the inside of the electrostatic actuator is removed. For the moisture removal, the silicon substrate is placed in, for example, a vacuum chamber, and the moisture is removed by heating and vacuuming.
(F) Then, after the required time has elapsed, nitrogen gas is introduced, and a sealing
Further, the
以上の工程を経て電極基板3に接合されたシリコン基板200からキャビティ基板2が作製される。
(g)その後、このキャビティ基板2の表面上に、別途ノズル孔11等が形成されたノズル基板1を接着により接合する。そして最後に、ダイシングにより個々のヘッドチップに切断すれば、上述したインクジェットヘッド10の本体部が完成する(図6(g))。
The
(G) Thereafter, the
本実施の形態1に係るインクジェットヘッド10の製造方法によれば、DLC膜のRF−CVD法による成膜の際に、RF出力を変更することにより、高体積抵抗率の第1の表面保護膜8aを最下段の2段目に、高硬度の第2の表面保護膜8bを最上段の1段目に、選択的に成膜することができるので、駆動耐久性に優れ、高電圧駆動が可能で高密度化に対応できるインクジェットヘッド10を安価に製造することができる。
また、キャビティ基板2を、別途作製された電極ガラス基板300Aに接合した状態のシリコン基板200から作製するので、その電極ガラス基板300Aによりシリコン基板200を支持した状態となり、シリコン基板200を薄板化しても割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。従って、キャビティ基板2を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。
According to the method for manufacturing the
Further, since the
実施の形態2.
図7は本発明の実施の形態2に係るインクジェットヘッドの概略断面図、図8は図7のB−B拡大断面図である。なお、実施の形態2以降において、実施の形態1と同じ構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。
本実施の形態2は、振動板6側の絶縁膜9上に第1の表面保護膜8aと同様の高体積抵抗率を有する第3の表面保護膜8cを形成したものであり、これ以外は実施の形態1と同様である。但し、第3の表面保護膜8cとなるDLC膜は陽極接合ができないので、図8に示すように、振動板6の対向面のみに第3の表面保護膜8cが形成されている。第3の表面保護膜8cの膜厚は第1および第2の表面保護膜8a、8bと同様に10nmとしている。
7 is a schematic cross-sectional view of an ink jet head according to
In the second embodiment, a third surface
このように、振動板6と個別電極5の当接面(対向面)の両方にDLC膜を設けた場合、当接面絶縁膜の絶縁性が低いと、当接時の電界保持が不十分となる。従って、当接面は高絶縁性の膜から形成されていることが望ましい。特に高電圧駆動においては、駆動電圧に応じた高い絶縁性を有することが望ましい。なお、振動板6が当接保持可能かどうかは、駆動電圧や駆動波形、アクチュエータ設計等で大きく変わるので、一概に最適値については言えない。また、機械特性という観点からは、摩擦係数が低く、高硬度のDLC膜が望ましい。
As described above, when the DLC film is provided on both the abutting surface (opposing surface) of the
本実施の形態のインクジェットヘッド10の製造方法においては、電極基板3は図5と同様の方法で作製される。キャビティ基板2は、基本的に図6と同様であり、図6(a)において振動板6の対向面のみに第3の表面保護膜8cをパターニングしたシリコン基板200を用いればよい。なお、第3の表面保護膜8cはDLC膜を全面成膜後、振動板6の対向面をパターニングし、対向面以外のDLC膜部分をCHF3ガスを用いたRIEドライエッチングで除去すればよい。
In the manufacturing method of the
本実施の形態では、実施の形態1と同様の効果を有するとともに、振動板6と個別電極5との当接面どうしが高体積抵抗率のDLC膜で形成された第3および第1の表面保護膜8c、8aであるため、更なる高電圧駆動が可能なインクジェットヘッド10を実現することができる。
In the present embodiment, the third and first surfaces have the same effects as those of the first embodiment, and the contact surfaces of the
実施の形態3.
図9は本発明の実施の形態3に係るインクジェットヘッドの概略断面図である。
本実施の形態3は、個別電極5上に形成される絶縁膜7(SiO2膜)を多段に形成するものである。従って、本実施の形態の場合、凹部32の底面はフラットで、またその底面上に形成される個別電極5もフラットな表面を有する。個別電極5上の絶縁膜7は、1段目絶縁膜7aおよび2段目絶縁膜7bにより形成されており、いずれもSiO2膜から形成されている。振動板6側は実施の形態2と同じ構成であり、絶縁膜9上の対向面のみに高体積抵抗率のDLC膜からなる第3の表面保護膜8cが形成されている。また、膜厚等については、振動板6側の絶縁膜9の厚みを90nm、個別電極5側の絶縁膜7の厚みを60nm(1段目、2段目絶縁膜:各30nm)、1段目のギャップ長G1を200nm、段差を30nm、第1〜第3の表面保護膜8a、8b、8cのDLC膜の各厚みを10nmとしている。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an ink jet head according to
In the third embodiment, insulating films 7 (SiO 2 films) formed on the
図10は実施の形態3に係るインクジェットヘッドの電極基板の製造工程を示す概略断面図である。
まず、図10(a)に示すように、ホウ珪酸ガラス等からなるガラス基板300に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより所望の深さの凹部32を形成する。そして、例えば、スパッタ法によりITO膜を100nmの厚さで形成し、このITO膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして個別電極5となる部分以外をエッチング除去して、凹部32の内部に表面がフラットな個別電極5を形成する。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of the electrode substrate of the ink jet head according to the third embodiment.
First, as shown in FIG. 10A, a
次に、図10(b)に示すように、個別電極5上の絶縁膜7として、ガラス基板300の接合面側から、TEOS−CVD法によりSiO2膜を60nmの厚さで全面成膜する。
Next, as shown in FIG. 10B, as the insulating
次に、図10(c)に示すように、全面成膜されたSiO2膜に対してレジストを塗布し、フォトリソグラフィーにより1回目のパターニングを行う。パターニングは、1段目絶縁膜7aの形成と電極取り出し部34のSiO2膜を一部除去するようにレジストを開口する。
Next, as shown in FIG. 10C, a resist is applied to the SiO 2 film formed on the entire surface, and the first patterning is performed by photolithography. In the patterning, a resist is opened so that the formation of the first-stage insulating film 7a and the SiO 2 film of the
次に、図10(d)に示すように、除去部の電極取り出し部34が開口したシリコンマスクを用い、CHF3ガスを用いたRIEドライエッチングにより、電極取り出し部34の残りのSiO2膜を除去する。
Next, as shown in FIG. 10D, the remaining SiO 2 film of the electrode lead-out
次に、図10(e)に示すように、1段目と2段目が形成されたSiO2膜の上に第2の表面保護膜8bとして、高硬度のDLC膜をRF−CVD法により全面成膜する。これ以降、DLC膜の成膜方法および成膜条件は実施の形態1の図5(c)〜(f)で説明したとおりである。
Next, as shown in FIG. 10E, a high-hardness DLC film is formed by RF-CVD as a second surface
すなわち、図10(f)に示すように、1段目のDLC膜(第2の表面保護膜8b)のみを残すようにパターニングし、それ以外のDLC膜部分をCHF3ガスを用いたRIEドライエッチングにより除去する。そして最後に、図10(g)に示すように、第1の表面保護膜8aとして、高体積抵抗率のDLC膜をRF−CVD法により10nm全面成膜した後、電極取り出し部34が開口したシリコンマスクを用い、CHF3ガスを用いたRIEドライエッチングで電極取り出し部34のSiO2膜を除去する。
That is, as shown in FIG. 10 (f), patterning is performed so as to leave only the first-stage DLC film (second surface
以上により、個別電極5上の絶縁膜7を多段に形成し、1段目絶縁膜7a上に高硬度の第2の表面保護膜8bが、また2段目絶縁膜7b上には高体積抵抗率の第1の表面保護膜8aが形成された電極ガラス基板300Bが作製される。
そして、図6の電極ガラス基板300Aに代えて、上記により作製された電極ガラス基板300Bを用いれば図6のとおりに、本実施の形態のインクジェットヘッド10を製造することができる。
As described above, the insulating
And if it replaces with
本実施の形態3によれば、実施の形態1の効果に加えて、絶縁膜7を2段以上の多段に形成することによりアクチュエータ発生圧力を高くすることができるため、静電アクチュエータ4の微小化、インクジェットヘッド10の高密度化にさらに寄与するものとなる。 また、実施の形態1や実施の形態2のように、凹部32の底面をエッチングで多段に形成する方法に比べて、個別電極5上に形成される絶縁膜7を多段に形成するものであるため、段差の精度を高精度に形成することができる。
According to the third embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the pressure generated by the actuator can be increased by forming the insulating
実施の形態4.
図11は本発明の実施の形態4に係るインクジェットヘッドの概略断面図である。
本実施の形態4は、個別電極5の絶縁膜7上に形成されるDLC膜を多段に形成するものである。従って、凹部32の底面、個別電極5、および絶縁膜7(SiO2膜)は全て表面がフラットに形成される。振動板6側は実施の形態2と同じであり、絶縁膜9上の対向面のみに高体積抵抗率のDLC膜からなる表面保護膜8cが形成されている。また、膜厚等については、振動板6側の絶縁膜9の厚みを110nm、個別電極5側の絶縁膜7の厚みを40nm、1段目のギャップ長G1を200nm、段差を10nm、第1〜第3の表面保護膜8a、8b、8cのDLC膜の各厚みを10nmとしている。
FIG. 11 is a schematic sectional view of an ink jet head according to
In the fourth embodiment, the DLC film formed on the insulating
図12は実施の形態4に係るインクジェットヘッドの電極基板の製造工程を示す概略断面図である。
電極基板3の製造工程において、図12(a)、(b)は、実施の形態3の図10(a)、(b)と同じである。そして、図12(c)に示すように、全面成膜された絶縁膜7(SiO2膜)上に、第1の表面保護膜8aとして高体積抵抗率のDLC膜をRF−CVD法により全面成膜し、さらにその上に第2の表面保護膜8bとして高硬度のDLC膜をRF−CVD法により全面成膜する。DLC膜の成膜条件は実施の形態1と同様であるが、DLC膜の成膜中にRF出力を変更して第1の表面保護膜8aと第2の表面保護膜8bとをこの順に積層する。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of the electrode substrate of the ink jet head according to the fourth embodiment.
In the manufacturing process of the
次に、図12(d)に示すように、上段(2段目)の第2の表面保護膜8bに対してパターニングし、下段(1段目)の第1の表面保護膜8aが露出するようにCHF3ガスを用いたRIEドライエッチングにより第2の表面保護膜8bを除去する。その後、図12(e)に示すように、電極取り出し部34が開口したシリコンマスクを用い、CHF3ガスを用いたRIEドライエッチングにより電極取り出し部34の絶縁膜7を除去する。
そして、このように製造された電極ガラス基板300Cを用いて、図6のようにキャビティ基板2を作製することにより、本実施の形態のインクジェットヘッド10を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 12D, patterning is performed on the upper (second stage) second surface
And the
本実施の形態では、DLC膜の成膜中に、RF出力を変更することにより所望の膜特性を有する第1の表面保護膜8aと第2の表面保護膜8bとをこの順に積層し、かつパターニングにより第1の表面保護膜8aを露出させることで多段に形成することができるので、より簡単に多段構造の静電アクチュエータ4を製造することができる。
In the present embodiment, the first surface
実施の形態5.
図13は本発明の実施の形態5に係るインクジェットヘッドの概略断面図である。
本実施の形態5は、個別電極5上に形成される絶縁膜7として、酸化アルミニウム(Al2O3、アルミナ)のような所謂High−k材(高誘電率絶縁材料)を用いるものである。アルミナは、比誘電率が7.9程度と酸化シリコンの比誘電率3.8よりも大きいので、静電アクチュエータ4の発生圧力をより高めることが可能となる。その他の構成は、実施の形態4と同じである。膜厚等については、振動板6側の絶縁膜9の厚みを110nm、個別電極5側の絶縁膜7(Al2O3)の厚みを40nm、1段目のギャップ長G1を200nm、段差を10nm、第1〜第3の表面保護膜8a、8b、8cのDLC膜の各厚みを10nmとしている。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an ink jet head according to
In the fifth embodiment, a so-called High-k material (high dielectric constant insulating material) such as aluminum oxide (Al 2 O 3 , alumina) is used as the insulating
比誘電率が酸化シリコンよりも大きいHigh−k材としては、アルミナのほか、酸窒化シリコン(SiON)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化タンタル(Ta2O3)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)、窒化アルミ(AlN)、窒化ジルコニウム(ZrO2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、ジルコニウムシリケート(ZrSiO)、ハフニウムシリケート(HfSiO)、ジルコニウムアルミネート(ZrAlO)、窒素添加ハフニウムアルミネート(HfAlON)、及びこれらの複合膜等を挙げることができる。その中でも膜の低温成膜性、膜の均質性、プロセス適応性等を考慮した場合、酸化アルミニウム(Al2O3、アルミナ)、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)を使用することが望ましく、これらの中から少なくとも一つが選ばれる。 High-k materials having a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide include alumina, silicon oxynitride (SiON), hafnium oxide (HfO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 3 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), Hafnium oxynitride silicate (HfSiON), aluminum nitride (AlN), zirconium nitride (ZrO 2 ), cerium oxide (CeO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium silicate (ZrSiO), Examples thereof include hafnium silicate (HfSiO), zirconium aluminate (ZrAlO), nitrogen-added hafnium aluminate (HfAlON), and composite films thereof. Among them, when considering low-temperature film formability, film homogeneity, process adaptability, etc., aluminum oxide (Al 2 O 3 , alumina), hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium nitride silicate (HfSiN), oxynitride It is desirable to use hafnium silicate (HfSiON), at least one of which is selected.
本実施の形態の電極基板3を製造するには、例えば、図12(a)のように個別電極5を形成した後、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法を用いて、絶縁膜7としてAl2O3膜を40nmの厚さでガラス基板300上に全面成膜する。その後は、図12(c)〜(e)のように実施すればよい。そして、この電極基板3を用いて図6のようにキャビティ基板2を作製することにより、本実施の形態のインクジェットヘッド10を製造することができる。
In order to manufacture the
本実施の形態では、個別電極5側の絶縁膜7として比誘電率が酸化シリコンよりも大きいHigh−k材を用いているので、静電アクチュエータ4の発生圧力をさらに高めることができ、吐出特性が向上し、さらには静電アクチュエータ4の微小化・高密度化が可能となる。
In the present embodiment, since the high-k material having a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide is used as the insulating
実施の形態6.
図14は本発明の実施の形態6に係るインクジェットヘッドの概略断面図である。
これまでの実施の形態1から5では、ギャップ長Gの最深部を個別電極5の電極部5aの中央部に設けたものであったが、本実施の形態6では、電極部5aの先端部(ノズル孔11に近い位置)にギャップ長Gの最深部を設けたものである。すなわち、個別電極5側の絶縁膜7上に形成される第1および第2の表面保護膜8a、8bの段構造を、個別電極5の先端側から階段状に形成したものである。また、膜厚等については、実施の形態4と同様に、振動板6側の絶縁膜9の厚みを110nm、個別電極5側の絶縁膜7の厚みを40nm、1段目のギャップ長G1を200nm、段差を10nm、表面保護膜8a、8b、8cのDLC膜の各厚みを10nmとしている。
FIG. 14 is a schematic sectional view of an ink jet head according to
In the first to fifth embodiments so far, the deepest part of the gap length G is provided at the center of the electrode part 5a of the
本実施の形態の電極基板3の製造は、図12に準じて行うことができ、またインクジェットヘッド10の製造も図6に準じて行うことができる。
The
本実施の形態6は、実施の形態3と同様の効果を有するほか、ギャップ長の最深部をノズル孔11に近い電極部5aの先端部に設けているので、吐出時にインク整流効果があるため、インクの吐出重量を大きくすることが可能である。従って、印刷速度が向上する。
The sixth embodiment has the same effect as that of the third embodiment. In addition, since the deepest part of the gap length is provided at the tip of the electrode part 5a close to the
以上の実施の形態では、静電アクチュエータおよびインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、本発明の静電アクチュエータは、光スイッチやミラーデバイス、マイクロポンプ、レーザプリンタのレーザ操作ミラーの駆動部などにも利用することができる。また、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、例えば図15に示すようなインクジェットプリンタ400のほか、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、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。
In the above embodiment, the electrostatic actuator, the ink jet head, and the manufacturing method thereof have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are made within the scope of the idea of the present invention. be able to. For example, the electrostatic actuator of the present invention can be used for an optical switch, a mirror device, a micropump, a drive unit of a laser operation mirror of a laser printer, or the like. Further, by changing the liquid material discharged from the nozzle hole, for example, in addition to the
1 ノズル基板、2 キャビティ基板、3 電極基板、4 静電アクチュエータ、5 個別電極(固定電極)、6 振動板(可動電極)、7 絶縁膜、8a 第1の表面保護膜、8b 第2の表面保護膜、8c 第3の表面保護膜、9 絶縁膜、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、12 オリフィス、13 ダイヤフラム部、21 吐出室、23 リザーバ、26 共通電極、32 凹部、32a 第2の凹部、33 インク供給孔、34 電極取り出し部(FPC実装部)、35 封止材、36 接合部、40 駆動制御回路(駆動手段)、200 シリコン基板、300 ガラス基板、400 インクジェットプリンタ。 1 nozzle substrate, 2 cavity substrate, 3 electrode substrate, 4 electrostatic actuator, 5 individual electrode (fixed electrode), 6 diaphragm (movable electrode), 7 insulating film, 8a first surface protective film, 8b second surface Protective film, 8c Third surface protective film, 9 Insulating film, 10 Inkjet head, 11 Nozzle hole, 12 Orifice, 13 Diaphragm part, 21 Discharge chamber, 23 Reservoir, 26 Common electrode, 32 Recessed part, 32a Second recessed part, 33 Ink supply hole, 34 Electrode extraction part (FPC mounting part), 35 Sealing material, 36 Joint part, 40 Drive control circuit (drive means), 200 Silicon substrate, 300 Glass substrate, 400 Inkjet printer.
Claims (17)
前記固定電極の対向面の最上段と最下段とに、物性が異なる表面保護膜が形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。 An electrostatic actuator comprising: a fixed electrode formed on a substrate; and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween, wherein the opposing surface of the fixed electrode is formed in a stepped multistage structure Because
An electrostatic actuator, wherein surface protective films having different physical properties are formed on an uppermost stage and a lowermost stage of an opposing surface of the fixed electrode.
前記ガラス基板に凹部を形成するとともに、前記凹部の底面を階段状の多段構造に形成する工程と、
前記凹部の底面上に前記固定電極を形成する工程と、
前記固定電極上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成するとともに、パターニングとエッチングにより選択的に前記表面保護膜を除去することにより、最上段を硬度が最も高い表面保護膜、最下段を体積抵抗率が最も高い表面保護膜とする工程と、
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。 An electrostatic device comprising: a fixed electrode formed on a glass substrate; and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween, wherein the opposing surface of the fixed electrode is formed in a stepped multistage structure. In the manufacturing method of the actuator,
Forming a recess in the glass substrate and forming a bottom surface of the recess in a stepped multi-stage structure;
Forming the fixed electrode on the bottom surface of the recess;
Forming an insulating film on the fixed electrode;
Two types of surface protective films having different physical properties are formed on the insulating film, and the surface protective film is selectively removed by patterning and etching, so that the uppermost layer has the highest hardness and the lowermost layer A surface protective film having the highest volume resistivity,
A method for manufacturing an electrostatic actuator, comprising:
前記ガラス基板に凹部を形成するとともに、前記凹部の底面上に前記固定電極を形成する工程と、
前記固定電極上に絶縁膜を形成するとともに、前記絶縁膜を階段状の多段構造に形成する工程と、
前記絶縁膜上に、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成するとともに、パターニングとエッチングにより選択的に前記表面保護膜を除去することにより、最上段を硬度が最も高い表面保護膜、最下段を体積抵抗率が最も高い表面保護膜とする工程と、
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。 An electrostatic device comprising: a fixed electrode formed on a glass substrate; and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween, wherein the opposing surface of the fixed electrode is formed in a stepped multistage structure. In the manufacturing method of the actuator,
Forming a recess in the glass substrate and forming the fixed electrode on a bottom surface of the recess;
Forming an insulating film on the fixed electrode, and forming the insulating film in a stepped multi-stage structure;
Two types of surface protective films having different physical properties are formed on the insulating film, and the surface protective film is selectively removed by patterning and etching, so that the uppermost layer has the highest hardness and the lowermost layer A surface protective film having the highest volume resistivity,
A method for manufacturing an electrostatic actuator, comprising:
前記ガラス基板に凹部を形成するとともに、前記凹部の底面上に前記固定電極を形成する工程と、
前記固定電極上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、物性が異なる2種類の表面保護膜を形成するとともに、パターニングとエッチングにより選択的に前記表面保護膜を除去することにより、最上段を硬度が最も高い表面保護膜、最下段を体積抵抗率が最も高い表面保護膜とする階段状の多段構造に形成する工程と、
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。 An electrostatic device comprising: a fixed electrode formed on a glass substrate; and a movable electrode disposed to face the fixed electrode with a predetermined gap therebetween, wherein the opposing surface of the fixed electrode is formed in a stepped multistage structure. In the manufacturing method of the actuator,
Forming a recess in the glass substrate and forming the fixed electrode on a bottom surface of the recess;
Forming an insulating film on the fixed electrode;
Two types of surface protective films having different physical properties are formed on the insulating film, and the surface protective film is selectively removed by patterning and etching, so that the uppermost layer has the highest hardness and the lowermost layer Forming a step-like multistage structure with a surface protective film having the highest volume resistivity,
A method for manufacturing an electrostatic actuator, comprising:
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