JP2010241064A

JP2010241064A - ノズル基板、及びそれを備えた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置

Info

Publication number: JP2010241064A
Application number: JP2009094617A
Authority: JP
Inventors: Seiki Koide; 清貴小出
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP5287447B2

Abstract

【課題】帯電した被印刷物の静電気がノズル基板に放電しても、ノズル基板のダメージを軽減させることが可能なノズル基板を提案する。
【解決手段】シリコン製のノズル基板１であって、ノズル基板１を貫通するノズル孔１０と、ノズル基板１の液滴吐出面１ａからノズル孔１０の内壁まで連続する液滴保護膜１１とを有したものにおいて、ノズル基板１の比抵抗が１００Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍであり、ノズル基板１の液滴吐出面１ａに撥水膜１２が形成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、インクジェットヘッド等の液滴吐出ヘッドに係り、特にそのノズル基板に関する。

インクジェットの様な液滴吐出ヘッドでは、ノズル孔が形成されたノズル基板を備え、圧力室に貯えられたインクを、圧力室の圧力変動を利用して上記ノズル孔から吐出している。その場合、シリコン製のノズル基板では、その吐出面側にメッキ法による撥水膜を形成し、液滴の吐出特性のばらつきを改善している(例えば、特許文献１)。

特開２０００−２０３０３３号公報

従来は、シリコン製のノズル基板にメッキ法で撥水膜を形成するため、ノズル孔及びノズル孔近傍には不純物を注入して抵抗を下げ、他の部分はメッキが付かないようにシリコンの比抵抗を高抵抗にしている。しかしこのようにすることで、シリコン製のノズル基板では、ノズル孔周囲に被印刷物の静電気が放電しやすく、それによってノズル孔にダメージを生じさせるおそれがあった。
本発明はこの課題に対応したもので、静電気に対してダメージの小さいノズル基板を提案し、併せてそれを備えた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置を提供するものである。

本発明のノズル基板は、シリコン製のノズル基板であって、前記ノズル基板を貫通するノズル孔と、前記ノズル基板の液滴吐出面から前記ノズル孔の内壁まで連続する液滴保護膜とを有したものにおいて、前記ノズル基板の比抵抗が１０Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍであり、前記ノズル基板の液滴吐出面に撥水膜が形成されているものである。なお、ノズル基板の比抵抗は、１００Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍが特に好ましい。また、シリコン基板は、Ｐ型またはＮ型のいずれでもよい。
このノズル基板によれば、帯電した被印刷物の静電気がノズル基板上に放電しても、基板を構成するシリコンの時定数により放電するため、ノズル基板への放電ダメージを軽減することができる。
また、シリコンに腐食性のある液滴材料でもシリコン酸化膜の耐性があれば使用可能となり、液滴材料の選択範囲が広くなる。
しかも、放電に対する耐性を向上させるのにシリコン材料の仕様変更のみで済む、特別な構造を形成する必要がないため、安価で信頼性の高いノズル基板の製造が可能となる。

本発明の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、上記のノズル基板を液滴吐出部に備えたものである。これにより信頼性の高い液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置が実現できる。

本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図。実施形態１に係る液滴吐出ヘッドのノズル基板を液滴吐出面側から見た図。シリコン製ノズル基板の比抵抗と静電気によるノズル基板へのダメージサイズの関係を示す図。本発明の実施形態２に係るノズル基板の製造方法を示す工程図。図４に続く工程図。図５に続く工程図。本発明の実施形態３に係る液滴吐出装置の例示図。

実施形態１（ノズル基板、液滴吐出ヘッド）
図１は、本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。なお図１では、駆動回路４の部分を模式的に示している。実施形態１に係る液滴吐出ヘッドは、ノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３が順に積層されて構成されている。

ノズル基板１は、Ｐ型またはＮ型のシリコンで、比抵抗が１００Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍのシリコン基板からなる。ノズル基板１には、狭い孔径の第１ノズル孔１０ａとそれより広い孔径の第２ノズル孔１０ｂからなるノズル穴１０が形成されている。第１ノズル孔１０ａは、液滴吐出面１ａの側に形成されており、第２ノズル孔１０ｂは、キャビティ基板２との接着面１ｂの側に形成されている。
ノズル基板１は、液滴吐出面１ａからノズル孔１０の内壁まで連続する液滴保護膜１１を有し、液滴吐出面１ａには撥水膜（後述の図５，６参照）も形成されている。
また、ノズル基板１の接着面１ｂ側にも液滴保護膜（後述の図５，６参照）が形成されている。

キャビティ基板２は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が変形可能な振動板２３に形成された吐出室（圧力室ともいう）２０が複数形成されている。吐出室２０はノズル基板１のノズル孔１０に連通している。なお、吐出室２０は、図１の紙面奥側又は紙面手前側に並んで形成されているものとする。また、キャビティ基板２には、各吐出室２０にインク等の液滴を供給するためのリザーバ２２が形成されており、このリザーバ２２と各吐出室２０の間には細溝状のオリフィス２１が形成されている。さらに、キャビティ基板２の電極基板３との対向面には、例えば熱酸化によって酸化シリコンからなる絶縁膜２４が形成されている。この絶縁膜２４は、液滴吐出ヘッドの駆動時の絶縁破壊やショートを防止するために設けられる。

電極基板３は、キャビティ基板２の振動板２３と対向する位置に配置されたガラス等から成る基板である。電極基板３には、複数の溝が形成され、各溝内に各振動板２３と対向するそれぞれ独立した複数の固定電極（個別電極ともいう）３１が形成されて、そのリード部３１ａが開口部まで引き出されている。振動板２３と固定電極３１との間にはギャップ３０が形成されており、そのギャップ３０は封止材３３で封止されている。このギャップ３０を介した振動板２３と固定電極３１とにより、振動板２３が静電力により変形する静電アクチュエータが構成される。
電極基板３にはまた、リザーバ２２と連通するインク供給孔３２が形成されている。このインク供給孔３２は、リザーバ２２の底壁に設けられた孔２５と繋がっており、リザーバ２２にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。

ここで図１に示す液滴吐出ヘッドの動作について説明する。なお、キャビティ基板２と各固定電極３１の間には駆動回路４が接続されている。駆動回路４によりキャビティ基板２と固定電極３１の間にパルス電圧が印加されると、振動板２３が静電力によって固定電極３１の側に撓み、リザーバ２２の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室２０に流れ込む。そして、キャビティ基板２と固定電極３１の間に印加された電圧がなくなると、振動板２３が元の位置に戻るため吐出室２０の内部圧力が高くなり、その圧力によってノズル孔１０からインク等の液滴が吐出される。

図２は、ノズル基板１を液滴吐出面側１ａから見た上面図である。図２に示すように、ノズル基板１の表面には複数のノズル孔１０が直線状に列を形成して配置されている。なお、符号１３は、ノズル基板１をキャビティ基板２に接合する際に利用するピンアライメント穴である。

図３は、シリコン製ノズル基板の比抵抗と静電気によるノズル基板へのダメージサイズの関係を示す図である。図３に示すように、ノズル基板１の比抵抗が０．１Ωｃｍでは、ダメージサイズが直径約２００μｍもあるのに対して、１０Ωｃｍでは約７０μｍ、１００〜２０００Ωｃｍでは約２０μｍとなっている。従って、ノズル基板１の静電気によるダメージ抑制の観点からは１００Ωｃｍ以上が好ましい。ただし、ノズル基板１が半導体であることから、過度に比抵抗を増すことは流通量の問題からコスト高につながる。従って、ノズル基板１の比抵抗は、１０Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍとするのが望ましく、特に、１００Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍとするのが好ましい。なお、そのシリコン基板はＰ型でもＮ型でもよい。そのような比抵抗のノズル基板１であれば、帯電した被印刷物の静電気がノズル基板１上に放電しても、ノズル基板１を構成するシリコンの時定数により放電するため、ノズル基板１への放電ダメージを軽減することができる。
また、シリコンに腐食性のある液滴材料でもシリコン酸化膜の耐性があれば使用可能となり、液滴材料の選択範囲も広くなる。

実施形態２（ノズル基板及び液滴吐出ヘッドの製造方法）
図４〜図６は、実施形態１で説明したノズル基板１の製造工程の一例を示した工程図である。これに基づいて、ノズル基板１の製造方法を説明する。
（Ａ）まず、例えば厚さが７２５μｍ、比抵抗１０〜２０００Ωｃｍ（望ましくは１００〜２０００Ωｃｍ）の単結晶シリコン基板（以下、ノズル基板１と称する）を準備し、このノズル基板１の両面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）１５を厚さ０．５μｍ程度形成する。さらに、接着面１ｂ側の第２ノズル孔１０ｂとなる部分の熱酸化膜１５を除去するパターニングを施す。
（Ｂ）ノズル基板１の接着面１ｂ側にレジスト膜１６を形成し、第１ノズル孔１０ａとなる部分のレジスト膜１６を除去するパターニングを施す。
（Ｃ）異方性ドライエッチングで第１ノズル孔１０ａを所定の深さまでエッチングする。
（Ｄ）レジスト膜１６を除去し、異方性ドライエッチングで第２ノズル孔１０ｂを所定の深さまでエッチングする。このとき、第１ノズル孔１０ａも対応して所定量エッチングされる。
（Ｅ）続いて、酸化膜１５を剥離し、厚さ０．１μｍの液滴保護膜１１ａを熱酸化で形成する。
（Ｆ）ノズル基板の接着面１ｂにサポート基板１７を貼り付けた後、液滴吐出面１ａ側を所定の板厚になるまで研削などで薄くし、ノズル孔１０を貫通させる。
（Ｇ）液滴吐出面１ａ及びノズル孔１０内面に、液滴保護膜１１となる厚さ０．２〜２μｍのシリコン重合膜、シロキサン原料のプラズマＣＶＤで形成する。さらに、空気中で、ＵＶを照射して脱水縮合させ、液滴保護膜１１の表面をＳｉＯ２化する。
（Ｈ）シランカップリング材をディップコートし、液滴吐出面１ａに撥水膜１２を形成する。この際、ノズル孔１０の内壁にも撥水膜１２が形成される。
（Ｉ）ノズル基板の液滴吐出面１ａにサポートテープ１８を貼り付けてから、接着面１ｂのサポート基板１７を剥離し、接着面１ｂから酸素若しくはアルゴンのプラズマ処理をして、ノズル孔１０の内壁の撥水膜１２を親水化する。
（Ｊ）最後にサポートテープ１８を剥離して、ノズル基板１が完成する。
以上により、構造等に特別な配慮をすることなく、静電気のダメージに対して強いノズル基板１を、材料であるシリコン基板の仕様変更のみで実現することができる。

ここで、ノズル基板１を利用した液滴吐出ヘッドの製造方法の一例を簡単に説明しておく。まず、ガラス基板に溝を形成し、その溝内にＩＴＯを成膜して固定電極（個別電極）３１及びリード部３１ａを形成して、電極基板３を製造する。
続いて、キャビティ基板２となるシリコン基板を電極基板３に陽極接合する。このとき、シリコン基板と固定電極３１との間には、後に形成される振動板２３が変形する空間となるギャップ３０を介在させる。そして、そのシリコン基板にウェットエッチング等を施して、振動板２３を底面とした吐出室２０、オリフィス２１及びリザーバ２２等の流路を形成してキャビティ基板２とする。
その後、固定電極３１と振動板２３との間のギャップ３０を封止材３３で封止する。
最後に、先に製造しておいた静電気ダメージに対し強いノズル基板１を、電極基板３と一体となっているキャビティ基板２の流路形成面側に接着剤で接合して、液滴吐出ヘッドが完成する。

実施形態３（液滴吐出装置）
図７は、本発明の実施形態３に係る液滴吐出装置の例を示すインクジェット記録装置１００である。このインクジェット記録装置１００は、実施形態１で説明したノズル基板１を有した液滴吐出ヘッドを備えたものであり、帯電した被印刷物の静電気がノズル基板１に放電してもノズル基板１のダメージが軽減される。このため、インクの吐出精度や装置の耐久性が従来に比較して向上している。
なお、本発明に係る液滴吐出装置は、上記のインクジェットプリンタの他に、有機エレクトロルミネッセンス表示装置の製造装置や、液晶表示装置のカラーフィルタの製造装置、ＤＮＡデバイスの製造装置等にも適用できる。

１ノズル基板、１ａノズル基板の液滴吐出面、１ｂノズル基板の接着面、２キャビティ基板、３電極基板、４駆動回路、１０ノズル孔、１０ａ第１ノズル孔、１０ｂ第２ノズル孔、１１，１１ａ液滴保護膜、１２撥水膜、２０吐出室（圧力室）、２１オリフィス、２２リザーバ、２３振動板、２４絶縁膜、２５キャビティ基板の液滴供給孔、２６共通電極、３０ギャップ、３１固定電極（個別電極）、３１ａリード部、３２電極基板の液滴供給孔、３３封止材。

Claims

シリコン製のノズル基板であって、前記ノズル基板を貫通するノズル孔と、前記ノズル基板の液滴吐出面から前記ノズル孔の内壁まで連続する液滴保護膜とを有したものにおいて、
前記ノズル基板の比抵抗が１０Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍであり、前記ノズル基板の液滴吐出面に撥水膜が形成されていることを特徴とするノズル基板。
前記ノズル基板の比抵抗が、１００Ωｃｍ〜２０００Ωｃｍであることを特徴とする請求項１記載のノズル基板。
前記ノズル基板は、Ｐ型シリコンまたはＮ型シリコンであることを特徴とする請求項１または２記載のノズル基板。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のノズル基板を液滴吐出部に備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。