JP3883096B2

JP3883096B2 - Droplet discharge head and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3883096B2
Application number: JP2000230881A
Authority: JP
Inventors: 清山口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2020-07-31
Also published as: JP2002036550A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する圧力発生室（インク流路、インク室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。）と、この圧力発生室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、振動板と電極との間に電圧を印加することで発生する静電力により振動板を変形させて、圧力発生室内の圧力／体積を変化させることによりノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
このような静電型のインクジェットヘッドにおいては、静電アクチュエータを構成する振動板と電極との間に作用する静電力は、振動板と電極との間の距離の二乗に反比例して小さくなるので、液滴を吐出するため振動板の変位量を確保するためには、この振動板と電極との間の空間（以下、「ギャップ空間」と称する。）を非常に狭く形成する必要がある。さらに、この振動板の変位量は振動板の厚さの３乗に反比例するので、この所望の変位量を確保するには、振動板の厚さも薄くする必要がある。
【０００４】
ところが、このような微小ギャップ空間は、環境温度などの外乱による影響を受けやすく、外乱によって振動板の変位量が変化すると、インク滴噴射特性、即ちインク滴吐出量やインク滴吐出速度が増加又は減少する等の変化が起こり、画像品質が劣化することがある。
【０００５】
また、静電型アクチュエータにおいて、振動板は薄く成形されており、液滴吐出のために液室内に発生される圧力はそれほど大きくないので、振動板はギャップ内の圧力の影響を受けやすい。さらに、微小なギャップ内に水分や塵埃などの異物が侵入すると、アクチュエータの動作に影響を与え、動作が不安定になる。
【０００６】
そこで、従来の静電型インクジェットヘッドにおいては、例えば特開平７−２９９９０８号公報に記載されているように、ギャップ空間を封止し、その容積変化量を規定したり、一定値に保ったりするようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインクジェットヘッドのようにギャップ空間を封止した場合、振動板の変形によってギャップ空間内の空気が圧縮されると、ギャップ空間の圧力が増加し、振動板の変位を阻害することになり、振動板の変位効率が低下する。
【０００８】
また、振動板と電極の距離が１μｍ以下の場合、ギャップ空間内の空気の流れは非常に大きな抵抗を持つことになり、高速な内部変化には追従できないため、ギャップ空間が大気開放されていたとしても、パルス駆動などではギャップ空間の内部圧力の上昇が起こり、振動板の変位が阻害され、振動板の変位効率が低下する。
【０００９】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ギャップ内の内部圧力の上昇を防止して振動板の変位効率を向上し、低電圧駆動化を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状である構成としたものである。
【００１１】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状であり、且つ、電極は凸部表面側に設けられ、凸部側面及び凹部底面には設けられていない構成としたものである。
【００１２】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、電極側の凹部は平面形状で島状又はストライプ状に形成されていることが好ましい。また、電極側の凹部は深さが０．２μｍ以上であることが好ましい。さらに、電極側の凹部はアスペクト比が２を越えないことが好ましい。更にまた、電極側の凹部は複数個配置され、各凹部の間隔が５０μｍを越えないことが好ましい。
【００１３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、主平面を有する基板に凹部を形成した後、電極を形成するものである。また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、主平面を有する基板に電極を形成した後、凹部を形成するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図３は図２の要部拡大説明図、図４は同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図である。
【００１５】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板を用いた第一基板である流路基板１と、この流路基板１の下側に設けたシリコン基板を用いた第二基板である電極基板２と、流路基板１の上側に設けた第三基板であるノズル板３とを備え、インク滴を吐出する複数のノズル４、各ノズル４が連通するインク流路である圧力発生室６、各圧力発生室６にインク供給路を兼ねた流体抵抗部７を介して連通する共通液室８などを形成している。
【００１６】
ここでは、流路基板１として結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を用いて、ノズル４が連通する複数の圧力発生室６及びこの圧力発生室６の壁面である底部をなす振動板１０（電極を兼ねている）を形成する凹部を形成している。ノズル板３にはノズル４となる孔及び流体抵抗部７を形成する溝を形成し、また流路基板１と電極基板２には共通液室８を形成する貫通部を形成している。
【００１７】
この場合、流路基板１には予め振動板厚さにボロンを注入してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層を形成し、電極基板２と接合した後、圧力発生室６となる凹部をＫＯＨ水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッチングストップ層となって振動板１０が高精度に形成される。
【００１８】
なお、振動板１０に別途第一電極となる電極膜を形成してもよいが、上述したように不純物の拡散などによって振動板が電極を兼ねるようにしている。また、振動板１０の電極基板２側の面に絶縁膜を形成することもできる。この絶縁膜としてはＳiＯ₂等の酸化膜系絶縁膜、Ｓi₃Ｎ₄等の窒化膜系絶縁膜などを用いることができる。絶縁膜の成膜は、振動板表面を熱酸化して酸化膜を形成したり、成膜手法を用いたりすることができる。
【００１９】
また、電極基板２は、結晶面方位（１００）のシリコン基板を用いて、熱酸化法などで酸化層（酸化膜層）２ａを形成し、この酸化層２ａにエッチングで凹部１４を形成して、この凹部１４底面に振動板１０にギャップ空間１６を置いて対向する電極１５を形成して、これらの振動板１０と電極１５とによってアクチュエータ部（圧力発生手段）を構成している。この電極１５の表面にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）などの酸化系絶縁膜或いはＳi₃Ｎ₄膜などの窒化膜系絶縁膜からなる保護膜１７を成膜している。
【００２０】
ここで、電極基板２の凹部１４底面（これを「主平面」という。）には、図３に示すように、振動板短手方向で複数の第二凹部１８を形成し、主平面並びに第二凹部１８の壁面及び底面を含めて、電極１５及び保護膜１７を形成することにより、このインクジェットヘッドにおける電極側は断面形状で凹凸形状に形成し、電極基板２の主平面に、ギャップ空間１６に連通する凹部である窪み（凹部空間）１９を形成している。
【００２１】
ここで、窪み１９の配置パターン（第二凹部１８の配置パターン）は、例えば図５に示すように平面形状（振動板側から見た状態の形状）で島状に配置することもできるし、或いは図６に示すように平面形状でストライプ状に配置することもできる。窪み１９の配置パターンを規則的なパターンとすることによって振動板１０と電極１５との間に作用する静電力のバラツキを低減することができる。
【００２２】
また、窪み１９の深さは０．２μｍ以上、アスペクト比が２を越えないようにするとともに、各窪み１９の間隔は５０μｍ以下としている。具体的には、窪み１９の振動板短手方向の幅は２μｍ、間隔は５μｍ、深さは０．８μｍとしている。
【００２３】
なお、電極基板２の電極１５としては、金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるＡｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属材料や、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ等の高融点金属、または不純物により低抵抗化した多結晶シリコン材料などを用いることができる。
【００２４】
また、電極基板２にはパイレックスガラス（硼珪酸ガラス）やセラミック基板などを用いることができ、この場合には絶縁性を有しているので、そのまま凹部１４を形成することができる。
【００２５】
さらに、電極基板２の凹部１４は振動板短手方向で断面形状が傾斜面を有する形状或いはガウシアン形状などともすることができ、この凹部１４の底面に電極１５を形成することにより、振動板１０と電極１５とを振動板短手方向で非平行状態で対向させることもできる。なお、このように非平行な振動板１０と電極１５で形成されるギャップ１６を非平行ギャップと称する。また、振動板１０と電極１５とを振動板長手方向で非平行状態で対向させることもできる。
【００２６】
ノズル板３には、多数のノズル４を形成するとともに、共通液室８と圧力発生室６を連通するための流体抵抗部７を形成する溝部を形成している。ここでは、インク吐出面（ノズル４表面側）には撥水性皮膜を成膜している。このノズル板３にはステンレス基板（ＳＵＳ）を用いているが、この他、エレクトロフォーミング（電鋳）工法によるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマレーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で穴加工をしたもの等でも用いることができる。
【００２７】
このインクジェットヘッドは、ノズル４を二列配置し、この各ノズル４に対応して圧力発生室６、振動板１０、電極１５なども二列配置し、各ノズル列の中央部（ヘッド中央部）に共通液室８を配置して、共通液室８から左右の圧力発生室６にインクを振り分けて供給する構成を採用している。これにより、各圧力発生室６へのインク供給を均等に配分することができ、各圧力発生室の駆動状態の緩衝をほとんど受けることなく、均一なインク滴吐出特性を確保することができて、簡単なヘッド構成で多数のノズル４を有するマルチノズルヘッドを構成することができる。
【００２８】
そして、電極１５は外部に延設して接続部（電極パッド部）１５ａとし、これに図示しないが、ヘッド駆動回路であるドライバＩＣをワイヤボンドによって搭載したＦＰＣケーブルを異方性導電膜などを介して接続している。このとき、電極基板２とノズル板３との間（ギャップ１６入口）はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤にて気密封止することもできる。
【００２９】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板１０を共通電極とし、電極１５を個別電極として、振動板１０と電極１５との間にパルス電圧を印加することにより、振動板１０と電極１５との間に静電力（静電吸引力）が発生して、図４に示すように、振動板１０が電極１５側に変形変位する。これにより、圧力発生室６の内容積が拡張されて内圧が下がるため、流体抵抗部７を介して共通液室８から圧力発生室６にインクが充填される。
【００３０】
次いで、電極１５への電圧印加を断つと、静電力が作用しなくなり、振動板１０はそれ自身のもつ弾性によって復元する。この動作に伴い圧力発生室６の内圧が上昇し、ノズル４からインク滴が吐出される。再び電極１５に電圧を印加すると、再び静電吸引力によって振動板１０は電極側に引き込まれる。
【００３１】
ここで、このインクジェットヘッドにおいては、電極側を断面形状で凹凸形状とすることにより、電極側にギャップ空間１６に連通する窪み（凹部空間）１９を形成しているので、この凹部空間１９の体積分、実効的なギャップ空間１６の体積が増加する。この場合、振動板１０によって排除される体積に対して、ギャップ空間１６内の体積が大きくなるほど内部の圧力上昇を抑えることができるので、窪み１９を設けることによって圧力上昇を抑えて、低電圧駆動化を図ることができる。
【００３２】
すなわち、前述したようにギャップ空間１６が大気開放されていても、パルス駆動では内部圧力の上昇が起こり、振動板１０の変位を阻害する。これを確認するために、振動板と電極との間隔（ギャップ長）を０．２μｍ、振動板厚さを２μｍとしたアクチュエータに対してパルス電圧を印加し、振動板が電極表面に接触する閾電圧Ｖを、振動板の幅Ｗを変えて求めたところ図７に示すようになった。
【００３３】
同図から分かるように、振動板の幅を広くすると閾電圧Ｖは低下するが、振動板の幅がある幅を超える（同図の例では振動板幅Ｗが約１００μｍを越える）と、振動板の幅を広くしても閾電圧Ｖが低下しなくなる。これは、振動板によって排除されるギャップ空間内の空気が、ギャップ空間内の空気抵抗のために局所的な圧力上昇を起こし、振動板の変位を阻害するようになるためである。
【００３４】
そこで、上述したように電極側を断面凹凸形状として窪み１９を設け、ギャップ空間１６の容積を大きくすることによって、振動板１０の変位によるギャップ空間１６内圧力の上昇を防止することができて、窪み１９を有しない場合に比べて低電圧駆動を行うことができるようになる。
【００３５】
また、窪み１９の深さは０．２μｍ以上とすることが好ましい。窪み１９の深さが０．２μｍより小さい場合には、ギャップ空間１６の実効的な体積を十分に増加することができず、内部圧力の上昇を効果的に抑えることができないことが多い。更に窪み１９のアルペクト比（深さ／幅）は２以下とすることが好ましい。アスペクト比が２を越えると、特殊なエッチングプロセスが必要となり、製造工程の煩雑化によるコストアップやばらつきが発生することがある。
【００３６】
さらに、複数の窪み１９の間隔は５０μｍ以下にすることが好ましい。特に、ギャップ長が１μｍ以下の微小なギャップ空間１６内における空気の移動には極めて大きな抵抗が加わるので、窪み１９の間隔が５０μｍより広いと、この抵抗によって窪み１９内への空気の流れが阻害され、効果的に内部圧力の上昇を抑えることができないことがある。
【００３７】
次に、本発明の他の実施形態に係るインクジェットヘッドについて図８を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの電極基板の振動板短手方向の模式的断面説明図である。
この実施形態では、電極基板２の凹部１４底面（主平面）に、同図に示すように、振動板短手方向で複数の第二凹部１８を形成し、主平面に電極１５を形成するとともに、電極１５及び第二凹部１８の壁面及び底面を含めて保護膜１７を形成することにより、このインクジェットヘッドにおける電極側は断面形状で凹凸形状に形成し、電極基板２の主平面に、ギャップ空間１６に連通する凹部である窪み（凹部空間）１９を形成している。
【００３８】
すなわち、この実施形態においては、電極側の断面凹凸形状を形成する第二凹部１８間に残存している凸部２０の表面に電極１５を形成し、第二凹部１８の壁面及び底面には電極１５を形成していない構成としている。
【００３９】
このように第二凹部１８の壁面及び底面に電極１５を形成しないことにより、第二凹部１８の振動板短手方向の幅が電極１５によって狭められないので、第二凹部１８の振動板短手方向の幅を狭くしつつ窪み１９の振動板短手方向の幅を確保することができる。
【００４０】
次に、本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について図９を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの電極基板２の製造工程を説明する振動板短手方向の断面説明図である。
【００４１】
まず、同図（ａ）に示すように、電極基板２となるｎ型シリコン基板３２には熱酸化によって酸化層３２ａを２μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法によって、この酸化層３２ａに深さ０．６μｍの凹部１４を形成する。次いで、同図（ｂ）に示すように、凹部１４の底面（主平面）にフォトリソグラフィー法とドライエッチング法によって第二凹部１８を深さ０．８μｍで形成する。
【００４２】
その後、同図（ｃ）に示すように、電極１５となるＴｉＮ膜を０．２μｍの厚さで成膜し、このＴｉＮ膜を電極形状にパターニングして主平面の一部及び第二凹部１８の壁面及び底面に電極１５を形成する。次いで、同図（ｄ）に示すように、電極１５表面を含めて全面に保護膜１７となるＳｉＯ₂膜を０．２μｍの厚さで成膜し、これをパターンニングして、保護膜１７を主平面並びに第二凹部１８の壁面及び底面に有し、窪み１９が形成された電極基板２を得る。
【００４３】
次に、本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について図１０及び図１１を参照して説明する。なお、図１０は同ヘッドの電極基板２の製造工程を説明する振動板短手方向の断面説明図、図１１は同ヘッドの電極基板２の上面説明図である。
【００４４】
まず、各図（ａ）に示すように、電極基板２となるｎ型シリコン基板３２には熱酸化によって酸化層３２ａを２μｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法によって、この酸化層３２ａに深さ０．６μｍの凹部１４を形成し、この酸化層３２ａの全面に電極１５を形成するためのＴｉＮ膜３３を０．２μｍの厚さで成膜する。
【００４５】
次に、各図（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法によってＴｉＮ膜３３をパターニングして第二凹部１８を形成する部分のＴｉＮ膜３３を除去し、連続して酸化層３２ａを深さ０．８μｍまでドライエッチング法によってエッチングして、第二凹部１８を形成するとともに、第二凹部１８間の凸部２０表面に電極１５を形成する。
【００４６】
次いで、各図（ｃ）に示すように、電極１５及び残存しているＴｉＮ膜３３表面並びに第二凹部１８の壁面及び底面を含めて全面に、ＴＥＯＳ或いはモノシランソースによるプラズマＣＶＤ法によって保護膜１７となるＳｉＯ₂膜３４を０．２μｍの厚みで成膜する。そして、同図（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィー法とウェットエッチング法によってパターニングして、不要な部分のＴｉＮ膜３３をアルカリ系のエッチャントを用いて除去して、電極１５を主平面（凸部２０表面）に、保護膜１７を電極表面並びに第二凹部１８の壁面及び底面に有し、窪み１９が形成された電極基板２を得る。
【００４７】
なお、上記各実施形態においては、本発明をインク滴を吐出するインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インク以外の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができる。
【００４８】
【課題を解決するための手段】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状である構成としたので、ギャップ空間内の圧力上昇を低減することができて、振動板の変位効率が向上し、低電圧駆動化を図ることができる。
【００４９】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の振動部に対向する電極側は断面形状が振動部の長手方向に伸びるストライプ状の凹凸形状であり、且つ、電極は凸部表面側に設けられ、凸部側面及び凹部底面には設けられていない構成としたので、ギャップ空間内の圧力上昇を低減することができて、振動板の変位効率が向上し、低電圧駆動化を図ることができるとともに、凹部内に電極がない分小さな凹部で同じ凹部空間を確保することができる。
【００５０】
これらの各本発明に係る液滴吐出ヘッドにおいては、電極側の凹部は平面形状で島状又はストライプ状に形成することで、振動板と電極との間に生じる静電力のバラツキを低減することができる。
【００５１】
また、電極側の凹部は深さが０．２μｍ以上とすることにより、ギャップ空間の実効的な体積を十分に増加することができる。さらに、電極側の凹部はアスペクト比が２を越えないことにより、簡単な製造プロセスで凹部を形成することができる。
【００５２】
更にまた、電極側の凹部は複数個配置し、各凹部の間隔が５０μｍを越えないものとすることにより、電極側凹部への空気の流れが阻害されることを回避できる。
【００５３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、主平面を有する基板に凹部を形成した後、電極を形成するので、凹凸部全面に電極を形成したヘッドを容易に得ることができる。また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、主平面を有する基板に電極を形成した後、凹部を形成するので、凹部内に電極を有さず、凸部表面側に電極を有するヘッドを容易にえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板長手方向の模式的要部説明図
【図３】同ヘッドの振動板短手方向の模式的要部説明図
【図４】同実施形態の作用説明に供する模式的要部説明図
【図５】同実施形態における窪みの配置パターンの一例を説明する平面説明図
【図６】同実施形態における窪みの配置パターンの他の例を説明する平面説明図
【図７】静電型ヘッドにおける閾電圧と振動板幅との関係を説明する説明図
【図８】本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短手方向の模式的要部説明図
【図９】本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明する断面説明図
【図１０】本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明する断面説明図
【図１１】同実施形態に説明に供する平面説明図
【符号の説明】
１…流路基板、２…電極基板、３…ノズル板、４…ノズル、６…圧力発生室、７…流体抵抗部、８…共通液室、１０…振動板、１４…凹部、１５…電極、１６…ギャップ空間、１７…保護膜、１８…第二凹部、１９…窪み、２０…凸部。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a droplet discharge head and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
An ink jet head, which is a liquid droplet ejection head used in an image recording apparatus such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, or an image forming apparatus, includes a nozzle for ejecting ink droplets and a pressure generating chamber in communication with the nozzle. (Also referred to as an ink flow path, an ink chamber, a pressure chamber, a pressurizing chamber, a pressurized liquid chamber, etc.), a diaphragm that forms the wall surface of the pressure generating chamber, and an electrode that faces the diaphragm The electrostatic force generated by applying a voltage between the diaphragm and the electrode to deform the diaphragm and changing the pressure / volume in the pressure generating chamber to discharge ink droplets from the nozzle. A type inkjet head is known.
[0003]
In such an electrostatic ink jet head, the electrostatic force acting between the diaphragm and the electrode constituting the electrostatic actuator becomes smaller in inverse proportion to the square of the distance between the diaphragm and the electrode. In order to ensure the amount of displacement of the diaphragm for discharging droplets, it is necessary to form a very narrow space (hereinafter referred to as “gap space”) between the diaphragm and the electrode. Furthermore, since the amount of displacement of the diaphragm is inversely proportional to the cube of the thickness of the diaphragm, it is necessary to reduce the thickness of the diaphragm in order to secure this desired amount of displacement.
[0004]
However, such a minute gap space is easily affected by disturbances such as environmental temperature. When the displacement of the diaphragm changes due to the disturbances, the ink droplet ejection characteristics, that is, the ink droplet ejection amount and the ink droplet ejection speed increase or Changes such as a decrease may occur and image quality may deteriorate.
[0005]
In the electrostatic actuator, the vibration plate is thinly formed, and the pressure generated in the liquid chamber for discharging the droplet is not so large, so the vibration plate is easily affected by the pressure in the gap. Furthermore, if a foreign substance such as moisture or dust enters the minute gap, the operation of the actuator is affected and the operation becomes unstable.
[0006]
Therefore, in the conventional electrostatic ink jet head, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-299908, the gap space is sealed and the volume change amount thereof is regulated or kept constant. I am doing so.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the gap space is sealed as in the conventional ink jet head described above, when the air in the gap space is compressed by deformation of the diaphragm, the pressure in the gap space increases, thereby inhibiting the displacement of the diaphragm. As a result, the displacement efficiency of the diaphragm is reduced.
[0008]
In addition, when the distance between the diaphragm and the electrode is 1 μm or less, the air flow in the gap space has a very large resistance and cannot follow high-speed internal changes, so the gap space is open to the atmosphere. However, in the pulse drive or the like, the internal pressure of the gap space increases, the displacement of the diaphragm is hindered, and the displacement efficiency of the diaphragm is lowered.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent an increase in internal pressure in the gap, improve the displacement efficiency of the diaphragm, and achieve low voltage driving.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the droplet discharge head according to the present invention is configured such that the electrode side facing the vibrating portion of the diaphragm has a striped uneven shape whose cross-sectional shape extends in the longitudinal direction of the vibrating portion. It is.
[0011]
In the droplet discharge head according to the present invention, the electrode side facing the vibration part of the vibration plate has a striped uneven shape whose cross-sectional shape extends in the longitudinal direction of the vibration part , and the electrode is provided on the surface side of the convex part. In addition, it is configured not to be provided on the side surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion .
[0012]
In the droplet discharge head according to each of the present inventions, the concave portion on the electrode side is preferably formed in a planar shape in an island shape or a stripe shape. Moreover, it is preferable that the depth of the recess on the electrode side is 0.2 μm or more. Furthermore, it is preferable that the aspect ratio of the recess on the electrode side does not exceed 2. Furthermore, it is preferable that a plurality of recesses on the electrode side are arranged, and the interval between the recesses does not exceed 50 μm.
[0013]
In the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, an electrode is formed after forming a recess in a substrate having a main plane. In the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, after forming an electrode on a substrate having a main plane, a recess is formed.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet head that is a droplet discharge head according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the head in the lateral direction of the diaphragm.
[0015]
The inkjet head includes a flow path substrate 1 that is a first substrate using a single crystal silicon substrate, an electrode substrate 2 that is a second substrate using a silicon substrate provided below the flow path substrate 1, A nozzle plate 3 that is a third substrate provided on the upper side of the path substrate 1, a plurality of nozzles 4 that eject ink droplets, a pressure generation chamber 6 that is an ink flow path through which each nozzle 4 communicates, and each pressure generation chamber 6, a common liquid chamber 8 and the like communicating with each other via a fluid resistance portion 7 also serving as an ink supply path are formed.
[0016]
Here, a single crystal silicon substrate having a crystal plane orientation (110) is used as the flow path substrate 1, and a plurality of pressure generating chambers 6 communicated with the nozzles 4 and a diaphragm 10 that forms the bottom as a wall surface of the pressure generating chambers 6. A recess for forming (also serving as an electrode) is formed. The nozzle plate 3 is formed with a hole for forming the nozzle 4 and a groove for forming the fluid resistance portion 7, and the flow path substrate 1 and the electrode substrate 2 are formed with a through portion for forming the common liquid chamber 8.
[0017]
In this case, boron is previously injected into the flow path substrate 1 to form a high-concentration boron layer serving as an etching stop layer in the flow path substrate 1 and bonded to the electrode substrate 2. By performing anisotropic etching using an etching solution such as an aqueous solution, the high-concentration boron layer at this time becomes an etching stop layer, and the diaphragm 10 is formed with high accuracy.
[0018]
In addition, an electrode film serving as a first electrode may be separately formed on the vibration plate 10, but as described above, the vibration plate also serves as an electrode by diffusion of impurities or the like. An insulating film can also be formed on the surface of the vibration plate 10 on the electrode substrate 2 side. As this insulating film, an oxide film insulating film such as SiO ₂ , a nitride film insulating film such as Si ₃ N _4, or the like can be used. The insulating film can be formed by thermally oxidizing the vibration plate surface to form an oxide film or using a film forming method.
[0019]
The electrode substrate 2 is formed by forming an oxide layer (oxide film layer) 2a by a thermal oxidation method or the like using a silicon substrate having a crystal plane orientation (100), and forming a recess 14 in the oxide layer 2a by etching. The electrode 15 facing the diaphragm 10 with the gap space 16 is formed on the bottom surface of the concave portion 14, and the diaphragm 10 and the electrode 15 constitute an actuator part (pressure generating means). A protective film 17 made of an oxide insulating film such as a silicon oxide film (SiO ₂ film) or a nitride insulating film such as a Si ₃ N ₄ film is formed on the surface of the electrode 15.
[0020]
Here, as shown in FIG. 3, a plurality of second recesses 18 are formed on the bottom surface of the recess 14 of the electrode substrate 2 (this is referred to as a “main plane”) in the lateral direction of the diaphragm. By forming the electrode 15 and the protective film 17 including the wall surface and bottom surface of the two recesses 18, the electrode side in this ink jet head is formed in a concavo-convex shape in cross-sectional shape, and the gap space 16 is formed on the main plane of the electrode substrate 2. A recess (recess space) 19 is formed as a recess communicating with the.
[0021]
Here, the arrangement pattern of the depressions 19 (the arrangement pattern of the second recesses 18) can be arranged in an island shape in a planar shape (a shape viewed from the diaphragm side), for example, as shown in FIG. Alternatively, as shown in FIG. 6, they may be arranged in stripes in a planar shape. By making the arrangement pattern of the depressions 19 into a regular pattern, variations in electrostatic force acting between the diaphragm 10 and the electrode 15 can be reduced.
[0022]
The depth of the recesses 19 is 0.2 μm or more, the aspect ratio is not to exceed 2, and the interval between the recesses 19 is 50 μm or less. Specifically, the width of the recess 19 in the lateral direction of the diaphragm is 2 μm, the interval is 5 μm, and the depth is 0.8 μm.
[0023]
As the electrode 15 of the electrode substrate 2, gold, a metal material such as Al, Cr, or Ni generally used in a process for forming a semiconductor element, a refractory metal such as Ti, TiN, or W, or A polycrystalline silicon material whose resistance is reduced by an impurity can be used.
[0024]
In addition, pyrex glass (borosilicate glass), a ceramic substrate, or the like can be used for the electrode substrate 2, and in this case, since it has insulating properties, the recess 14 can be formed as it is.
[0025]
Further, the concave portion 14 of the electrode substrate 2 can have a cross-sectional shape having an inclined surface or a Gaussian shape in the lateral direction of the diaphragm. By forming the electrode 15 on the bottom surface of the concave portion 14, the diaphragm 10 And the electrode 15 can be opposed to each other in a non-parallel state in the diaphragm short direction. The gap 16 formed by the non-parallel diaphragm 10 and the electrode 15 is referred to as a non-parallel gap. Further, the diaphragm 10 and the electrode 15 can be opposed to each other in a non-parallel state in the longitudinal direction of the diaphragm.
[0026]
A number of nozzles 4 are formed in the nozzle plate 3, and grooves for forming a fluid resistance portion 7 for communicating the common liquid chamber 8 and the pressure generation chamber 6 are formed. Here, a water-repellent film is formed on the ink ejection surface (the nozzle 4 surface side). This nozzle plate 3 uses a stainless steel substrate (SUS). In addition to this, a nickel plated film by electroforming (electroforming) method, excimer laser processing on a resin such as polyimide, or metal plate by press working It can also use what carried out the hole processing.
[0027]
In this inkjet head, two rows of nozzles 4 are arranged, and two rows of pressure generating chambers 6, diaphragms 10, electrodes 15, etc. are arranged corresponding to each nozzle 4, and the central portion of each nozzle row (head central portion). The common liquid chamber 8 is disposed in the same, and the ink is distributed and supplied from the common liquid chamber 8 to the left and right pressure generating chambers 6. Thereby, the ink supply to each pressure generating chamber 6 can be evenly distributed, and a uniform ink droplet ejection characteristic can be ensured with almost no buffering of the driving state of each pressure generating chamber. A multi-nozzle head having a large number of nozzles 4 can be configured with a simple head configuration.
[0028]
The electrode 15 is extended to the outside to form a connection portion (electrode pad portion) 15a. Although not shown, an FPC cable in which a driver IC as a head drive circuit is mounted by wire bonding is made of an anisotropic conductive film or the like. Connected through. At this time, the gap between the electrode substrate 2 and the nozzle plate 3 (gap 16 inlet) can be hermetically sealed with a gap sealant using an adhesive such as an epoxy resin.
[0029]
In the ink jet head configured as described above, the diaphragm 10 is used as a common electrode, the electrode 15 is used as an individual electrode, and a pulse voltage is applied between the diaphragm 10 and the electrode 15. In the meantime, an electrostatic force (electrostatic attractive force) is generated, and the diaphragm 10 is deformed and displaced toward the electrode 15 as shown in FIG. As a result, the internal volume of the pressure generation chamber 6 is expanded and the internal pressure is lowered, so that the pressure generation chamber 6 is filled with ink from the common liquid chamber 8 via the fluid resistance portion 7.
[0030]
Next, when the voltage application to the electrode 15 is cut off, the electrostatic force stops working, and the diaphragm 10 is restored by its own elasticity. With this operation, the internal pressure of the pressure generating chamber 6 increases, and ink droplets are ejected from the nozzle 4. When a voltage is applied to the electrode 15 again, the diaphragm 10 is again pulled to the electrode side by the electrostatic attraction force.
[0031]
Here, in this inkjet head, since the electrode side is formed in a concave-convex shape with a cross-sectional shape, a recess (recessed space) 19 communicating with the gap space 16 is formed on the electrode side. Therefore, the volume of the effective gap space 16 increases. In this case, the internal pressure rise can be suppressed as the volume in the gap space 16 increases with respect to the volume excluded by the diaphragm 10. Therefore, the depression 19 is provided to suppress the pressure rise and drive at low voltage. Can be achieved.
[0032]
That is, as described above, even if the gap space 16 is opened to the atmosphere, the internal pressure rises by pulse driving, and the displacement of the diaphragm 10 is inhibited. In order to confirm this, a pulse voltage is applied to an actuator having a gap (gap length) between the diaphragm and the electrode of 0.2 μm and a diaphragm thickness of 2 μm so that the diaphragm contacts the electrode surface. When the voltage V was obtained by changing the width W of the diaphragm, it was as shown in FIG.
[0033]
As can be seen from the figure, the threshold voltage V decreases when the diaphragm width is increased, but if the diaphragm width exceeds a certain width (in the example in the figure, the diaphragm width W exceeds approximately 100 μm), the vibration is generated. Even if the width of the plate is increased, the threshold voltage V does not decrease. This is because the air in the gap space excluded by the diaphragm causes a local pressure increase due to the air resistance in the gap space and inhibits the displacement of the diaphragm.
[0034]
Therefore, as described above, by providing the depression 19 with the electrode side having a concave-convex shape and increasing the volume of the gap space 16, it is possible to prevent an increase in the pressure in the gap space 16 due to the displacement of the diaphragm 10. Compared with the case where the depression 19 is not provided, low voltage driving can be performed.
[0035]
The depth of the recess 19 is preferably 0.2 μm or more. When the depth of the recess 19 is smaller than 0.2 μm, the effective volume of the gap space 16 cannot be increased sufficiently, and the increase in internal pressure cannot often be effectively suppressed. Furthermore, it is preferable that the alpeto ratio (depth / width) of the recess 19 is 2 or less. If the aspect ratio exceeds 2, a special etching process is required, which may increase costs and cause variations due to complicated manufacturing processes.
[0036]
Further, the interval between the plurality of depressions 19 is preferably 50 μm or less. In particular, since a very large resistance is applied to the movement of air in the minute gap space 16 having a gap length of 1 μm or less, if the distance between the recesses 19 is larger than 50 μm, the flow of air into the recesses 19 is inhibited by this resistance. In some cases, the increase in internal pressure cannot be effectively suppressed.
[0037]
Next, an inkjet head according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional explanatory diagram of the electrode substrate of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, as shown in the figure, a plurality of second recesses 18 are formed on the bottom surface (main plane) of the recess 14 of the electrode substrate 2 in the lateral direction of the diaphragm, and the electrodes 15 are formed on the main plane. By forming the protective film 17 including the wall surface and bottom surface of the electrode 15 and the second recess 18, the electrode side in this ink jet head is formed in a concavo-convex shape in cross-sectional shape, and a gap space is formed in the main plane of the electrode substrate 2. A recess (recess space) 19 which is a recess communicating with 16 is formed.
[0038]
That is, in this embodiment, the electrode 15 is formed on the surface of the convex portion 20 remaining between the second concave portions 18 that form the sectional uneven shape on the electrode side, and the electrode is formed on the wall surface and bottom surface of the second concave portion 18. 15 is not formed.
[0039]
Since the electrode 15 is not formed on the wall surface and the bottom surface of the second recess 18 in this way, the width of the second recess 18 in the diaphragm short direction is not reduced by the electrode 15. It is possible to secure the width of the recess 19 in the lateral direction of the diaphragm while narrowing the width in the direction.
[0040]
Next, a method for manufacturing the inkjet head according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This figure is a cross-sectional explanatory view in the lateral direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the electrode substrate 2 of the head.
[0041]
First, as shown in FIG. 2A, an oxide layer 32a is formed to a thickness of 2 μm by thermal oxidation on an n-type silicon substrate 32 to be the electrode substrate 2, and this oxidation is performed by photolithography and wet etching. A recess 14 having a depth of 0.6 μm is formed in the layer 32a. Next, as shown in FIG. 4B, a second recess 18 is formed at a depth of 0.8 μm on the bottom surface (main plane) of the recess 14 by photolithography and dry etching.
[0042]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a TiN film to be the electrode 15 is formed with a thickness of 0.2 μm, and this TiN film is patterned into an electrode shape to form a part of the main plane and the second recess 18. The electrode 15 is formed on the wall surface and the bottom surface of. Next, as shown in FIG. 4D, a SiO ₂ film to be the protective film 17 is formed on the entire surface including the surface of the electrode 15 with a thickness of 0.2 μm, and this is patterned to form the protective film 17. Is obtained on the main plane and the wall surface and bottom surface of the second recess 18 to obtain the electrode substrate 2 in which the recess 19 is formed.
[0043]
Next, an inkjet head manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view in the lateral direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the electrode substrate 2 of the head, and FIG. 11 is an explanatory top view of the electrode substrate 2 of the head.
[0044]
First, as shown in each figure (a), an oxide layer 32a is formed to a thickness of 2 μm by thermal oxidation on an n-type silicon substrate 32 to be an electrode substrate 2, and this oxidation is performed by photolithography and wet etching. A recess 14 having a depth of 0.6 μm is formed in the layer 32a, and a TiN film 33 for forming the electrode 15 is formed on the entire surface of the oxide layer 32a to a thickness of 0.2 μm.
[0045]
Next, as shown in each figure (b), the TiN film 33 is patterned by photolithography and dry etching to remove the portion of the TiN film 33 where the second recess 18 is to be formed, and the oxide layer 32a is continuously formed. Is etched to a depth of 0.8 μm by dry etching to form the second recesses 18 and the electrodes 15 are formed on the surfaces of the projections 20 between the second recesses 18.
[0046]
Next, as shown in each figure (c), the protective film 17 is formed on the entire surface including the surface of the electrode 15 and the remaining TiN film 33 and the wall surface and bottom surface of the second recess 18 by a plasma CVD method using TEOS or monosilane source. A SiO ₂ film 34 is formed to a thickness of 0.2 μm. Then, as shown in FIG. 4D, patterning is performed by a photolithography method and a wet etching method, and an unnecessary portion of the TiN film 33 is removed using an alkaline etchant, so that the electrode 15 is formed on the main plane (convex). The electrode substrate 2 having the recess 19 formed on the surface of the portion 20) having the protective film 17 on the electrode surface and on the wall surface and bottom surface of the second recess 18 is obtained.
[0047]
In each of the above-described embodiments, the present invention has been described with reference to an example in which the present invention is applied to an inkjet head that ejects ink droplets. However, the present invention can be similarly applied to a droplet ejection head that ejects droplets other than ink.
[0048]
[Means for Solving the Problems]
As described above, according to the liquid droplet ejection head according to the present invention, the electrode side facing the vibrating portion of the diaphragm is configured to have a striped uneven shape whose cross-sectional shape extends in the longitudinal direction of the vibrating portion . The pressure increase in the gap space can be reduced, the displacement efficiency of the diaphragm can be improved, and low voltage driving can be achieved.
[0049]
According to the droplet discharge head of the present invention, the electrode side facing the vibrating portion of the vibration plate has a striped uneven shape whose cross-sectional shape extends in the longitudinal direction of the vibrating portion , and the electrode is on the convex surface side. Since it is provided and is not provided on the side surface of the convex portion and the bottom surface of the concave portion , the pressure rise in the gap space can be reduced, the displacement efficiency of the diaphragm is improved, and low voltage driving is achieved. In addition, the same recess space can be secured with a small recess as long as there is no electrode in the recess.
[0050]
In each of the droplet discharge heads according to the present invention, the concave portion on the electrode side is formed in a planar shape with an island shape or a stripe shape, thereby reducing variations in electrostatic force generated between the diaphragm and the electrode. Can do.
[0051]
In addition, the effective volume of the gap space can be sufficiently increased by setting the depth of the recess on the electrode side to 0.2 μm or more. Furthermore, since the aspect ratio of the recess on the electrode side does not exceed 2, the recess can be formed by a simple manufacturing process.
[0052]
Furthermore, by disposing a plurality of recesses on the electrode side so that the interval between the recesses does not exceed 50 μm, it is possible to avoid obstructing the air flow to the electrode side recesses.
[0053]
According to the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, since the electrode is formed after the recess is formed in the substrate having the main plane, the head in which the electrode is formed on the entire surface of the uneven portion can be easily obtained. Further, in the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, since the recess is formed after the electrode is formed on the substrate having the main plane, the electrode is not provided in the recess and the electrode is provided on the surface of the protrusion. The head can be easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view of a main part of the head in the longitudinal direction of the diaphragm. FIG. 4 is a schematic explanatory diagram for explaining the operation of the embodiment. FIG. 5 is a plan explanatory diagram for explaining an example of the arrangement pattern of the recesses in the embodiment. FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining another example of the arrangement pattern of the depressions in FIG. 7. FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the threshold voltage and the diaphragm width in the electrostatic head. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an ink jet head according to the first embodiment of the present invention. FIG. 10 is a second embodiment of the present invention. Method for manufacturing inkjet head according to embodiment Plan view for explaining a description is cross-sectional view [11] the embodiment EXPLANATION OF REFERENCE NUMERALS
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Channel substrate, 2 ... Electrode substrate, 3 ... Nozzle plate, 4 ... Nozzle, 6 ... Pressure generation chamber, 7 ... Fluid resistance part, 8 ... Common liquid chamber, 10 ... Vibration plate, 14 ... Recessed part, 15 ... Electrode , 16 ... Gap space, 17 ... Protective film, 18 ... Second recess, 19 ... Depression, 20 ... Projection.

Claims

A pressure generating chamber that communicates with a nozzle that discharges droplets; a diaphragm that forms a wall surface of the pressure generating chamber; and an electrode that faces the diaphragm, and the diaphragm is deformed and displaced by an electrostatic force. In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets from a nozzle, the electrode side facing the vibration part of the vibration plate has a striped uneven shape extending in the longitudinal direction of the vibration part. Drop ejection head.

A pressure generating chamber that communicates with a nozzle that discharges droplets; a diaphragm that forms a wall surface of the pressure generating chamber; and an electrode that faces the diaphragm, and the diaphragm is deformed and displaced by an electrostatic force. In the liquid droplet ejection head for ejecting liquid droplets from the nozzle, the electrode side facing the vibration part of the vibration plate has a striped uneven shape whose cross-sectional shape extends in the longitudinal direction of the vibration part , and the electrode is A droplet discharge head, which is provided on a convex surface side and is not provided on a convex side surface and a concave bottom surface .

3. The droplet discharge head according to claim 1 , wherein a depth of the concave portion on the electrode side is 0.2 μm or more. 4.

In the liquid droplet ejecting head according to any one of claims 1 to 3, the recess of the electrode side droplet discharge head is characterized in that the aspect ratio does not exceed 2.

5. The liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein a plurality of concave portions on the electrode side are arranged, and an interval between the concave portions does not exceed 50 [mu] m.

A method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 1, wherein an electrode is formed after forming a recess in a substrate having a main plane. Production method.

A method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 2, wherein an electrode is formed on a substrate having a main plane, and then a recess is formed. Production method.