JP4367499B2 - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに液滴吐出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、インクジェットヘッド等に用いられる液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに液滴吐出装置に関する。
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ部等を有するインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることにより吐出室底部の振動板を変位させて、インク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する静電駆動方式や、圧電素子による圧電駆動方式、発熱素子を利用する方式等がある。
かかるインクジェットヘッドに対しては、従来より小型化が進められており、そのようなものとしては、例えば特許文献１に開示するものがある。これは、圧電駆動方式によるもので、アクチュエータ、インク圧力室（吐出室）、共通インク室（リザーバ部）を異なる平面上に区画形成し、これらを積層配置する構造である。
また、特許文献２では、アクチュエータと、インク圧力室を異なる平面上に区画形成し、これらに対して、共通インク室を垂直に配置したインクジェットヘッドが開示されている。
更に、特許文献３や特許文献４等では、アクチュエータ、インク圧力室と、共通インク室を重ねて積層配置したエッジイジェクト方式やフェースイジェクト方式のインクジェットヘッドが開示されている。
また、特許文献２では、アクチュエータと、インク圧力室を異なる平面上に区画形成し、これらに対して、共通インク室を垂直に配置したインクジェットヘッドが開示されている。
更に、特許文献３や特許文献４等では、アクチュエータ、インク圧力室と、共通インク室を重ねて積層配置したエッジイジェクト方式やフェースイジェクト方式のインクジェットヘッドが開示されている。
しかしながら、これらの従来のインクジェットヘッドに対して、近年更に記録密度を高めて高精細な印刷を行うとともに、記録速度を速める記録装置が求められてきている。
そのために、更に、インク流路やアクチュエータ等の配置の密度を高める必要があった。加えて、更なるヘッドの小型化により、記録装置の小型化を図り、可搬性や設置の自由度を高める必要があった。
インクジェットヘッドの小型化に向けては、共通インク室や、配線、ＩＣ実装等のインクジェットヘッド内で大きな区画面積を占める部分の面積を前述のインク流路、アクチュエータの高密度化に併せて縮小する必要があった。
配線やＩＣ実装面積の小型化に向けては、高密度実装を行うことが一般的であるが、アクチュエータの形成面と同一平面上に実装するのでは限界があった。
また、共通インク室を単に縮小する場合、共通インク室の流路抵抗増により、インク供給時の共通インク室での損失水頭が大きくなり、ノズル間で均一な安定したインク滴の吐出を阻害する要因となる課題があった。更に、共通インク室の小型化により、共通インク室のコンプライアンスが減少して、ノズル間の共通インク室を介した圧力干渉が発生して、ノズル間の均一な安定したインク滴の吐出を阻害してしまうという課題があった。
そのために、更に、インク流路やアクチュエータ等の配置の密度を高める必要があった。加えて、更なるヘッドの小型化により、記録装置の小型化を図り、可搬性や設置の自由度を高める必要があった。
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また、共通インク室を単に縮小する場合、共通インク室の流路抵抗増により、インク供給時の共通インク室での損失水頭が大きくなり、ノズル間で均一な安定したインク滴の吐出を阻害する要因となる課題があった。更に、共通インク室の小型化により、共通インク室のコンプライアンスが減少して、ノズル間の共通インク室を介した圧力干渉が発生して、ノズル間の均一な安定したインク滴の吐出を阻害してしまうという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、小型化が可能で、高密度化、多ノズル化を容易に実現することが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とし、さらには本発明の液滴吐出ヘッドを搭載することにより、装置の小型化を可能にし、高繊細・高品位の液滴吐出と高速駆動に対応し得る液滴吐出装置を提供することを目的としている。
前記課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、前記複数のノズル孔のそれぞれに連通する吐出室が区画形成され、該吐出室の底壁を振動板とするキャビティ基板と、前記振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とをこの順に積層配置した構造を備え、
前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面に前記吐出室のそれぞれに共通に連通するリザーバ部を設けたものである。
前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面に前記吐出室のそれぞれに共通に連通するリザーバ部を設けたものである。
この構成によれば、積層構造の液滴吐出ヘッドが基板の長手方向に大きくなることを抑制できるので、液滴吐出ヘッドの小型化、高密度化、多ノズル化を実現できる。
また、前記リザーバ部を、アクチュエータを設けた基板（電極基板）のアクチュエータ形成面（個別電極形成面）と反対側の面に設ける構成とする。
このように、同じ基板を使用し、上下の一方の面にアクチュエータを、他方の面にリザーバ部を形成することができる。
このように、同じ基板を使用し、上下の一方の面にアクチュエータを、他方の面にリザーバ部を形成することができる。
前記リザーバ部と前記吐出室のそれぞれとに連通する液状材料の供給口を、前記振動板に形成する構成とする。
リザーバ部に貯留される液状材料は、各振動板に設けられた供給口を通じて各吐出室に供給される。このため、流路中に滞留がなく気泡を生じない。
また、本発明において、「液状材料」とは、ノズル孔から吐出可能な粘度を有する材料をいい、材料が水性であろうと油性であろうとを問わない。ノズル孔から吐出可能な流動性（粘度）を備えていれば十分で、固体物質が混入、分散されていても全体として流動体であればよい。
リザーバ部に貯留される液状材料は、各振動板に設けられた供給口を通じて各吐出室に供給される。このため、流路中に滞留がなく気泡を生じない。
また、本発明において、「液状材料」とは、ノズル孔から吐出可能な粘度を有する材料をいい、材料が水性であろうと油性であろうとを問わない。ノズル孔から吐出可能な流動性（粘度）を備えていれば十分で、固体物質が混入、分散されていても全体として流動体であればよい。
前記リザーバ部と前記液状材料の供給口が形成された基板を、電極基板の個別電極形成面と反対側の面に積層する構成とする。
アクチュエータを設けた基板Ａとは別に、リザーバ部と液状材料の供給口が形成された基板Ｂを使用してもよい。この場合、後者の基板Ｂは前者の基板Ａのアクチュエータ形成面と反対側の面に積層する。
アクチュエータを設けた基板Ａとは別に、リザーバ部と液状材料の供給口が形成された基板Ｂを使用してもよい。この場合、後者の基板Ｂは前者の基板Ａのアクチュエータ形成面と反対側の面に積層する。
前記リザーバ部と前記液状材料の供給口が形成された基板において、前記リザーバ部の底壁をダイアフラムとする。
リザーバ部等を形成した基板Ｂを用いると、そのリザーバ部の底壁をダイアフラムに形成することができる。また、基板Ｂに液状材料の供給口を設けることができるので、精度のよい供給口を形成することができる。
リザーバ部等を形成した基板Ｂを用いると、そのリザーバ部の底壁をダイアフラムに形成することができる。また、基板Ｂに液状材料の供給口を設けることができるので、精度のよい供給口を形成することができる。
前記ダイアフラムの背面側に空気室を設ける。空気室はダイアフラムの変形を可能にする。また、薄膜のダイアフラムが内蔵される形態となるため、ダイアフラムの損傷を防止できる利点がある。なお、空気室は前記の基板Ａ、基板Ｂのどちらに形成してもよい。もちろん両方に形成することもできる。
前記振動板と前記個別電極との間に駆動電圧を印加するドライバＩＣを、前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面または同一面上に実装する。
これによって、配線やＩＣ実装面積の小型化が可能となり、液滴吐出ヘッド自体の小型化に資するものとなる。
これによって、配線やＩＣ実装面積の小型化が可能となり、液滴吐出ヘッド自体の小型化に資するものとなる。
本発明の液滴吐出装置は、以上のいずれかの液滴吐出ヘッドを搭載したものであり、これによって、装置の小型化を可能にし、高繊細・高品位の液滴吐出と高速駆動に対応し得る液滴吐出装置を実現できる。また、装置の小型化により、可搬性や設置の自由度が高まるものとなる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、前記複数のノズル孔のそれぞれに連通する吐出室が区画形成され、該吐出室の底壁を振動板とするキャビティ基板と、前記振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とをこの順に積層配置した構造を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記キャビティ基板の振動板のそれぞれに液状材料の供給口を形成する工程と、前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面に、前記吐出室のそれぞれに共通に連通するリザーバ部と、前記供給口に連通する連通口とを形成する工程と、を有するものである。
この製造方法により、小型で高密度化と多ノズル化を同時に達成可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
この製造方法により、小型で高密度化と多ノズル化を同時に達成可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
さらに、ドライバＩＣを実装するための貫通電極を、前記電極基板の前記個別電極のそれぞれに形成する工程を有することが好ましい。
これにより、ドライバＩＣの実装面積や配線部をより縮小することができ、更なるヘッドの小型化が実現可能である。
これにより、ドライバＩＣの実装面積や配線部をより縮小することができ、更なるヘッドの小型化が実現可能である。
以下、本発明を適用した液滴吐出ヘッドの実施の形態を図面に基づいて説明する。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液滴を吐出するフェー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３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、基板の端部に設けられたノズル孔からインク液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。また、駆動方式についても静電駆動方式に限らず、圧電駆動方式や発熱素子を利用する駆動方式にも適用できるものである。
実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの概略の構成を分解して示す分解斜視図で、一部を断面図で示してある。図２は図１に示す電極基板、ドライバＩＣ、ダイアフラムを下面側から見たときの部分断面の分解斜視図で、電極基板の裏面の様子、および、ドライバＩＣの実装の様子を示したものである。図３は組立状態のインクジェットヘッドの部分断面図である。
本実施形態１のインクジェットヘッド１０は、図１〜図３に示すように、以下に説明する構造を持つ３枚の基板１、２、３を貼り合わせることにより構成される積層構造体となっている。なお、このインクジェットヘッド１０は１個につきノズル孔５が２列に形成された構成となっているが、当該ヘッド部分は単列のノズル孔５を有する構成としても良いものである。またノズル孔５の数は制限されない。
図１は本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの概略の構成を分解して示す分解斜視図で、一部を断面図で示してある。図２は図１に示す電極基板、ドライバＩＣ、ダイアフラムを下面側から見たときの部分断面の分解斜視図で、電極基板の裏面の様子、および、ドライバＩＣの実装の様子を示したものである。図３は組立状態のインクジェットヘッドの部分断面図である。
本実施形態１のインクジェットヘッド１０は、図１〜図３に示すように、以下に説明する構造を持つ３枚の基板１、２、３を貼り合わせることにより構成される積層構造体となっている。なお、このインクジェットヘッド１０は１個につきノズル孔５が２列に形成された構成となっているが、当該ヘッド部分は単列のノズル孔５を有する構成としても良いものである。またノズル孔５の数は制限されない。
このインクジェットヘッド１０は、ノズル基板１と、キャビティ基板２と、電極基板３とを積層して構成される。
ノズル基板１は、例えば単結晶のシリコン基板から作製されており、インク滴を吐出するための複数のノズル孔５がドライエッチングによる穴あけ加工により形成されている。 キャビティ基板２は、例えば面方位が（１１０）の単結晶のシリコン基板から作製されており、その吐出室形成面１１には、前記ノズル孔５のそれぞれに連通する吐出室６となるキャビティ７がウェットエッチングにより区画形成されている。このキャビティ７の底壁は、例えばボロン拡散層により極めて薄い厚みで高精度に形成されており、面外変形を行う振動板８として機能するようになっている。振動板８の一部には後述するリザーバ部１７と連通するインク供給口９がドライエッチングにより高精度に形成されている。インク供給口９は、電極基板３との接合部を貫通して設けられている。
ノズル基板１は、例えば単結晶のシリコン基板から作製されており、インク滴を吐出するための複数のノズル孔５がドライエッチングによる穴あけ加工により形成されている。 キャビティ基板２は、例えば面方位が（１１０）の単結晶のシリコン基板から作製されており、その吐出室形成面１１には、前記ノズル孔５のそれぞれに連通する吐出室６となるキャビティ７がウェットエッチングにより区画形成されている。このキャビティ７の底壁は、例えばボロン拡散層により極めて薄い厚みで高精度に形成されており、面外変形を行う振動板８として機能するようになっている。振動板８の一部には後述するリザーバ部１７と連通するインク供給口９がドライエッチングにより高精度に形成されている。インク供給口９は、電極基板３との接合部を貫通して設けられている。
電極基板３は、例えばホウ珪酸系のガラス基板から作製されており、そのガラス基板の一方のアクチュエータ形成面（図１の上面）１２には、前記振動板８に対向して溝部１５がエッチングにより区画形成され、各溝部１５の中に個別電極１６が形成されている。また、ガラス基板の個別電極１６が形成された面、すなわち前記アクチュエータ形成面１２と反対側の裏面（図１の下面）は、リザーバ形成面１３となっており、このリザーバ形成面１３には、サンドブラスト加工やウェットエッチングなどにより、共通インク室であるリザーバ部１７となる凹部１８と、ドライバＩＣ２０を実装するための溝部２１が形成されている。さらに図２に示すように、ドライバＩＣ２０への入力配線部２２と、ＦＰＣ実装端子（ＩＣ入力端子）２３が形成されている。また、ガラス基板には表面の個別電極１６と裏面のドライバＩＣ２０の出力端子とを導通接続するための貫通電極２４が形成されている。また、リザーバ部１７には前記インク供給口９と連通する、少し大きめの連通口１９が形成されている。
前記振動板８と個別電極１６の間には所定の空隙が設けられており、さらに不図示の絶縁膜を介する実質的なギャップ長は例えば０．１μｍとなっている。振動板８と個別電極１６とにより静電アクチュエータ１４が構成される。また、振動板８と個別電極１６のいずれか一方または両方に、絶縁破壊や短絡等を防止するための絶縁膜（不図示）が形成されている。絶縁膜はＳｉＯ2やＳｉＮなど、あるいはＡｌ2Ｏ3やＨｆＯ2等のいわゆるＨｉｇｈ−ｋ材（高誘電率ゲート絶縁膜）等が用いられる。
前記リザーバ部１７は、端部に設けられた連通口１９およびインク供給口９を通じて各吐出室６に連通している。また、リザーバ部１７の圧力変動を緩衝するために樹脂製の薄膜フィルムよりなるダイアフラム３０がリザーバ部１７上に接着されて貼り付けられている。ダイアフラム３０は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリサルフォン等を使用することができる。本実施形態１では耐薬品性のよいＰＰＳを用いている。
ダイアフラム３０にはインク取り入れ口３１が形成され、インク取り入れ口３１には不図示のインクタンクとインク供給管を介して接続するための接続部材３２が接着接合される。
ダイアフラム３０にはインク取り入れ口３１が形成され、インク取り入れ口３１には不図示のインクタンクとインク供給管を介して接続するための接続部材３２が接着接合される。
前記静電アクチュエータ１４を駆動するためのドライバＩＣ２０は、ガラス基板に形成された貫通電極２４およびＩＣ入力端子に接続すべく、異方性導電接着剤にて接合し、実装されている。ＦＰＣ（不図示）はＦＰＣ実装端子に接続されて、外部の回路と電気的に接続される。
貫通電極２４は、個別電極１６に接続するために、ガラス基板にあけられた貫通穴に、銅等の金属を、メッキ等により埋め込み、電極形成されている。これらの貫通電極２４には、ＩＣ実装により、ＩＣのセグメント出力端子が接続される。
ＦＰＣ実装端子は、ＩＣ入力端子、および共通電極端子を形成している。ＩＣ入力端子は、静電アクチュエータ駆動用の電源Ｖｐ、ＩＣ駆動用電源Ｖｃｃ、接地電位ＧＮＤや、ロジック系の信号のクロックＣＬＫ、データＤＩ、ラッチＬＰ等の端子からなり、ＦＰＣ実装端子とＩＣ実装端子との間を配線形成されている。また、共通電極端子はキャビティ基板２と接続される貫通穴電極（一部不図示のＦＰＣ接続端子列２３の両外側の端子）と配線接続されている。本実施形態１では、共通電極端子はドライバＩＣ２０を介さずに、ＦＰＣと接続されている。
貫通電極２４は、個別電極１６に接続するために、ガラス基板にあけられた貫通穴に、銅等の金属を、メッキ等により埋め込み、電極形成されている。これらの貫通電極２４には、ＩＣ実装により、ＩＣのセグメント出力端子が接続される。
ＦＰＣ実装端子は、ＩＣ入力端子、および共通電極端子を形成している。ＩＣ入力端子は、静電アクチュエータ駆動用の電源Ｖｐ、ＩＣ駆動用電源Ｖｃｃ、接地電位ＧＮＤや、ロジック系の信号のクロックＣＬＫ、データＤＩ、ラッチＬＰ等の端子からなり、ＦＰＣ実装端子とＩＣ実装端子との間を配線形成されている。また、共通電極端子はキャビティ基板２と接続される貫通穴電極（一部不図示のＦＰＣ接続端子列２３の両外側の端子）と配線接続されている。本実施形態１では、共通電極端子はドライバＩＣ２０を介さずに、ＦＰＣと接続されている。
ここで、インクジェットヘッド１０の動作を簡単に説明する。インクは、電極基板３に設けられたリザーバ部１７からノズル基板１のノズル孔５の先端に至るまで、各インク流路を気泡を生じることなく満たしており、図３に矢印で示す方向にインクは流れる。
印刷を行う際には、ドライバＩＣ２０によりノズル選択し、振動板８と個別電極１６との間に所定のパルス電圧を印加すると、静電引力が発生して振動板８は個別電極１６側へ引き寄せられて撓み、個別電極１６に当接して、吐出室６内に負圧を発生させる。これにより、リザーバ部１７内のインクが連通口１９およびインク供給口９を通じて吐出室６内に吸引され、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８は離脱して、その復元力によりインクをノズル孔５から押し出し、インク滴を記録紙（不図示）に向けて吐出する。
印刷を行う際には、ドライバＩＣ２０によりノズル選択し、振動板８と個別電極１６との間に所定のパルス電圧を印加すると、静電引力が発生して振動板８は個別電極１６側へ引き寄せられて撓み、個別電極１６に当接して、吐出室６内に負圧を発生させる。これにより、リザーバ部１７内のインクが連通口１９およびインク供給口９を通じて吐出室６内に吸引され、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８は離脱して、その復元力によりインクをノズル孔５から押し出し、インク滴を記録紙（不図示）に向けて吐出する。
リザーバ部１７は、前述のように、ガラス基板に形成した凹部１８に、ダイアフラム３０を接着して貼り付け閉成して構成され、インクを連通口１９からインク供給口９を通じて各吐出室６に供給する。そして、このリザーバ部１７の凹部１８の形状は、ダイアフラム３０に形成したインク取り入れ口３１から、連通口１９に向けて、滞留が生じて気泡が停留することのないように、また均等なインク流速となるように、略三角形もしくは略台形の平面形状に形成されている。
したがって、このように形成されたダイアフラム３０およびリザーバ部１７の形状と、その作用により、各ノズル孔５からインク滴を吐出する際、圧力が均等で、インク吐出が安定で、インク吐出量にばらつきがなく、安定して高い印刷品質を確保することができる。
したがって、このように形成されたダイアフラム３０およびリザーバ部１７の形状と、その作用により、各ノズル孔５からインク滴を吐出する際、圧力が均等で、インク吐出が安定で、インク吐出量にばらつきがなく、安定して高い印刷品質を確保することができる。
また、本実施形態１のインクジェットヘッド１０は、吐出室６と、静電アクチュエータ１４と、リザーバ部１７が、それぞれ異なる平面上に区画形成されており、かつ、リザーバ部１７の形成面１３に垂直な方向の投影面が吐出室６およびアクチュエータ１４の形成面１１、１２内に包含されるように、吐出室６、アクチュエータ１４、リザーバ部１７をこの順に積層配置した構造となっている。そのため、インクジェットヘッドが長手方向に大きくなることがなく、大きな区画面積を占めるリザーバ部１７を縮小化でき、これによってインクジェットヘッドの小型化が可能となっている。また、ドライバＩＣ２０を電極基板３の個別電極１６と反対側の裏面に形成した溝部２１内に実装する構造であるため、配線やＩＣの実装面積の小型化も可能となっている。
実施形態２．
図４は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの断面図である。なお、この実施形態２以下においては、特に断らない限り、前記実施形態１と同じ構成要素には同一符号を付して、説明は省略する。
本実施形態２のインクジェットヘッド１０Ａは、ノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３と、リザーバ基板４を積層してインクジェットヘッドを構成している。つまり、４枚の基板を積層した構造となっている。
リザーバ基板４には、各吐出室６に連通するインク供給口９と、共通インク室であるリザーバ部１７が設けられている。リザーバ基板４はシリコン基板よりなり、インク供給口９となる貫通穴はリザーバ基板４の片面をドライエッチングによる溝加工により穴形成し、リザーバ基板４の反対面すなわちリザーバ形成面１３から、リザーバ部１７となる凹部（リザーバ溝ともいう）をウェットエッチングにより形成する。この時、インク供給口９は、リザーバ部１７に連通して開口する。
図４は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの断面図である。なお、この実施形態２以下においては、特に断らない限り、前記実施形態１と同じ構成要素には同一符号を付して、説明は省略する。
本実施形態２のインクジェットヘッド１０Ａは、ノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３と、リザーバ基板４を積層してインクジェットヘッドを構成している。つまり、４枚の基板を積層した構造となっている。
リザーバ基板４には、各吐出室６に連通するインク供給口９と、共通インク室であるリザーバ部１７が設けられている。リザーバ基板４はシリコン基板よりなり、インク供給口９となる貫通穴はリザーバ基板４の片面をドライエッチングによる溝加工により穴形成し、リザーバ基板４の反対面すなわちリザーバ形成面１３から、リザーバ部１７となる凹部（リザーバ溝ともいう）をウェットエッチングにより形成する。この時、インク供給口９は、リザーバ部１７に連通して開口する。
リザーバ基板４は、電極基板３に陽極接合または接着接合して積層され、更に樹脂製の薄膜フィルムよりなるダイアフラム３０をリザーバ部１７上に接着接合して閉成し、共通インク室等を含むインク流路が構成される。インク供給口９に連通する連通口１９はガラス基板を貫通し、更に吐出室６の底壁からなる振動板８に設けられた貫通穴に連通するように形成されている。
ダイアフラム３０には更にインク取り入れ口３１が形成され、インク取り入れ口３１にインク供給用の接続部材３２を接着接合して、インクジェットヘッド１０Ａを構成している。
ダイアフラム３０には更にインク取り入れ口３１が形成され、インク取り入れ口３１にインク供給用の接続部材３２を接着接合して、インクジェットヘッド１０Ａを構成している。
本実施形態２の構成によれば、各インク流路の流路抵抗を構成するインク供給口９を振動板８の厚みによらず構成することができ、流路抵抗の調整範囲を広げ、精度をより高めることができるため、より安定した均一なインク滴の吐出が可能となっている。
実施形態３．
図５は本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの断面図である。本実施形態３のインクジェットヘッド１０Ｂは、前記実施形態２と同様に４枚の基板、すなわちノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３、リザーバ基板４をこの順に積層して構成するものである。
本実施形態３では、前記実施形態２のインクジェットヘッド１０Ａに対して、リザーバ部１７の底壁を薄膜のダイアフラム３０として構成し、ダイアフラム３０の背面側の電極基板３（ガラス基板）に、空気室３３となる溝部をサンドブラスト加工やウェットエッチング等により形成する。更に、リザーバ部１７上にはインク取り入れ口３１および接続部材３２を設けた樹脂製の蓋３４を接着接合するものである。
図５は本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの断面図である。本実施形態３のインクジェットヘッド１０Ｂは、前記実施形態２と同様に４枚の基板、すなわちノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３、リザーバ基板４をこの順に積層して構成するものである。
本実施形態３では、前記実施形態２のインクジェットヘッド１０Ａに対して、リザーバ部１７の底壁を薄膜のダイアフラム３０として構成し、ダイアフラム３０の背面側の電極基板３（ガラス基板）に、空気室３３となる溝部をサンドブラスト加工やウェットエッチング等により形成する。更に、リザーバ部１７上にはインク取り入れ口３１および接続部材３２を設けた樹脂製の蓋３４を接着接合するものである。
本実施形態３の構成によれば、実施形態２のインクジェットヘッド１０Ａの構成に対して、ダイアフラム３０がシリコンにて構成されているため、より耐薬品性に優れたインクジェットヘッドを構成することができる。
実施形態４．
図６は本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッドの断面図である。本実施形態４のインクジェットヘッド１０Ｃは、前記実施形態２、実施形態３と同様に４枚の基板、すなわちノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３、リザーバ基板４をこの順に積層して構成するものである。
本実施形態４では、前記実施形態３のインクジェットヘッド１０Ｂに対して、電極基板３の元になるガラス基板を薄板化した上で、ガラス基板側のリザーバ部１７の背面をドライエッチングして空気室３３となる溝部を形成し、これによって薄膜のシリコン部材よりなるダイアフラム３０を構成するものである。
図６は本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッドの断面図である。本実施形態４のインクジェットヘッド１０Ｃは、前記実施形態２、実施形態３と同様に４枚の基板、すなわちノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３、リザーバ基板４をこの順に積層して構成するものである。
本実施形態４では、前記実施形態３のインクジェットヘッド１０Ｂに対して、電極基板３の元になるガラス基板を薄板化した上で、ガラス基板側のリザーバ部１７の背面をドライエッチングして空気室３３となる溝部を形成し、これによって薄膜のシリコン部材よりなるダイアフラム３０を構成するものである。
本実施形態４の構成によれば、前記実施形態３のインクジェットヘッド１０Ｂの構成に対して、連通口１９の流路抵抗やイナータンスを小さくして応答性を高めることができ、電極基板３の裏面の同一平面上に配線２３、２２を形成することができ、貫通電極２４の形成も容易に可能となるため、電極基板３およびリザーバ基板４の製造がより容易となり、より簡便に作製可能なインクジェットヘッドを構成することができる。
実施形態５．
図７は本発明の実施形態５に係るインクジェットヘッドの断面図である。本実施形態５のインクジェットヘッド１０Ｄは、前記実施形態２〜４と同様に、ノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３、リザーバ基板４をこの順に積層して構成するものである。
本実施形態５では、前述のそれぞれのインクジェットヘッドに対して、ドライバＩＣ２０の厚みをキャビティ基板２の厚みより薄く構成して、個別電極１６を形成した面と同一面上に実装するものである。また、静電アクチュエータ１４を構成する振動板８と個別電極１６間に形成されるギャップの開放端部をＵＶ硬化型や熱硬化型のエポキシ樹脂等の接着剤や、酸化シリコンやアルミナ等の無機材料をＣＶＤにより形成した封止材３５により気密に封止する。
図７は本発明の実施形態５に係るインクジェットヘッドの断面図である。本実施形態５のインクジェットヘッド１０Ｄは、前記実施形態２〜４と同様に、ノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３、リザーバ基板４をこの順に積層して構成するものである。
本実施形態５では、前述のそれぞれのインクジェットヘッドに対して、ドライバＩＣ２０の厚みをキャビティ基板２の厚みより薄く構成して、個別電極１６を形成した面と同一面上に実装するものである。また、静電アクチュエータ１４を構成する振動板８と個別電極１６間に形成されるギャップの開放端部をＵＶ硬化型や熱硬化型のエポキシ樹脂等の接着剤や、酸化シリコンやアルミナ等の無機材料をＣＶＤにより形成した封止材３５により気密に封止する。
本実施形態５の構成によれば、ドライバＩＣ２０を静電アクチュエータ１４の形成面と同一面から実装することで、貫通電極２４を形成しないため、電極基板３の作製がより簡便になる。
この他の実施形態としては、これまでに示したドライバＩＣ２０の実装形態や構成、リザーバ部１７の構成の組み合わせにより実現可能で、インクジェットヘッドやそれを搭載したインクジェットヘッド記録装置を構成する際の目的に併せて、最も適した構成とすることが可能である。いずれの実施形態においても、本発明のインクジェットヘッドによれば、ドライバＩＣの実装面または、共通インク室を、インク流路やアクチュエータとは異なる平面で区画形成して、積層配置しているので、インクジェットヘッドの高密度化、多ノズル化と、小型化を同時に実現することが可能である。
更に、本発明のインクジェットヘッドによれば、ドライバＩＣへの接続や、インク流路への配管部材の接合が、インク滴の吐出面とは反対の面から直接可能となり、インクジェットヘッドの記録装置への配設がより高い自由度で可能となり、記録装置の更なる小型化、印刷速度の高速化を同時に可能とする。
更に、本発明のインクジェットヘッドによれば、ドライバＩＣへの接続や、インク流路への配管部材の接合が、インク滴の吐出面とは反対の面から直接可能となり、インクジェットヘッドの記録装置への配設がより高い自由度で可能となり、記録装置の更なる小型化、印刷速度の高速化を同時に可能とする。
次に、本発明のインクジェットヘッドの製造方法について、図８により簡単に説明する。図８は本発明のインクジェットヘッドの製造工程の一例を示すフローチャートである。ここでは、主に実施形態１のインクジェットヘッドの製造方法について説明する（図１〜図３参照）。他の実施形態の場合はこれに準じて製造することができる。
（Step１）約１ｍｍの厚みのガラス基板を用意し、両面を研磨する。
（Step２）ガラス基板の一方の面に、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、所望の深さの個別電極用の溝部を形成する。
（Step３）上記溝部が形成されたガラス基板の表面に、例えば、スパッタ法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を１００ｎｍの厚みで全面成膜し、ついで、このＩＴＯ膜をフォトリソグラフィーによりレジストパターニングし、個別電極となる部分以外をエッチング除去して、溝部内に個別電極１６を形成する。
（Step４）次に、貫通電極用の穴およびインク供給口の連通穴の箇所のみをフォトリソグラフィーによりレジストパターニングし、ドライエッチングにより所望の深さの穴を加工する。このとき、ＩＣ入力配線部の溝加工も同時に行う。
（Step５）次に、上記により加工された貫通電極用の穴およびＩＣ入力配線部の溝をレジストパターニングし、例えば無電解メッキにより銅等の金属を埋め込み、貫通電極２４を形成する。
（Step６）個別電極が形成された面と反対のガラス基板の裏面に、例えばドライフィルムを貼り付けて、リザーバ部およびＩＣ実装部の部分をパターニングし、サンドブラスト加工法によりリザーバ部１７となる凹部およびＩＣ実装部となる溝部を形成する。更に、スパッタ法等により金等をスパッタしてＩＣ入力端子２３およびＩＣ入力配線部２２を形成する。
以上のプロセスにより、ウエハ状の電極基板３が作製される。
（Step２）ガラス基板の一方の面に、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、所望の深さの個別電極用の溝部を形成する。
（Step３）上記溝部が形成されたガラス基板の表面に、例えば、スパッタ法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を１００ｎｍの厚みで全面成膜し、ついで、このＩＴＯ膜をフォトリソグラフィーによりレジストパターニングし、個別電極となる部分以外をエッチング除去して、溝部内に個別電極１６を形成する。
（Step４）次に、貫通電極用の穴およびインク供給口の連通穴の箇所のみをフォトリソグラフィーによりレジストパターニングし、ドライエッチングにより所望の深さの穴を加工する。このとき、ＩＣ入力配線部の溝加工も同時に行う。
（Step５）次に、上記により加工された貫通電極用の穴およびＩＣ入力配線部の溝をレジストパターニングし、例えば無電解メッキにより銅等の金属を埋め込み、貫通電極２４を形成する。
（Step６）個別電極が形成された面と反対のガラス基板の裏面に、例えばドライフィルムを貼り付けて、リザーバ部およびＩＣ実装部の部分をパターニングし、サンドブラスト加工法によりリザーバ部１７となる凹部およびＩＣ実装部となる溝部を形成する。更に、スパッタ法等により金等をスパッタしてＩＣ入力端子２３およびＩＣ入力配線部２２を形成する。
以上のプロセスにより、ウエハ状の電極基板３が作製される。
（Step７）キャビティ基板２の元になる厚みが例えば２８０μｍのシリコン基板を用意し、各キャビティ底面のインク供給口となる穴部分をレジストパターニングし、ドライエッチングによりインク供給口９となる穴を形成して、上記により作製された電極基板３の個別電極が形成された表面に陽極接合する。
（Step８）陽極接合された接合済みのシリコン基板を研削加工して、厚みが約３０μｍとなるまで薄板化する。その後、表面をレジストパターニングし、ＫＯＨ水溶液による異方性ウェットエッチングにより吐出室６となるキャビティを形成する。更に、各キャビティ底面のインク供給口となる穴部分を開口し、インク供給口９となる穴を貫通形成する。
（Step９）上記により各々のキャビティにインク供給口９が形成されたシリコン基板の表面に、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ＳｉＯ2膜からなる表面保護膜（耐インク保護膜）を形成する。
以上のプロセスにより、予め作製された電極基板３と陽極接合された接合済みのシリコン基板から、キャビティ基板２が作製される。
（Step８）陽極接合された接合済みのシリコン基板を研削加工して、厚みが約３０μｍとなるまで薄板化する。その後、表面をレジストパターニングし、ＫＯＨ水溶液による異方性ウェットエッチングにより吐出室６となるキャビティを形成する。更に、各キャビティ底面のインク供給口となる穴部分を開口し、インク供給口９となる穴を貫通形成する。
（Step９）上記により各々のキャビティにインク供給口９が形成されたシリコン基板の表面に、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）を原料ガスとして用いたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ＳｉＯ2膜からなる表面保護膜（耐インク保護膜）を形成する。
以上のプロセスにより、予め作製された電極基板３と陽極接合された接合済みのシリコン基板から、キャビティ基板２が作製される。
（Step１０）上記のように作製されたキャビティ基板２の表面上にノズル基板１を接着接合する。ノズル基板１は、別工程にて作製されており、例えば厚みが５０μｍのシリコン基板を用いて、これにドライエッチングにより複数のキャビティと同数、同ピッチでノズル孔５を形成し、その後表面処理を行って作製されている。
（Step１１）ノズル基板１を接合後、チップのドライバＩＣ２０を電極基板３に実装する。
（Step１２）その後、リザーバ部１７上にダイアフラム３０を接着接合し、更にダイアフラム３０のインク取り入れ口３１に接続部材３２を接着接合する。
（Step１３）そして、ダイシングにより複数個のヘッドチップに分割する。
（Step１４）最後に、このヘッドチップに、導電性接着剤を用いてＦＰＣ５０を電気的に接続し、またインクタンクと接続されるインク供給管６０を上記接続部材３２に接続する。
以上により、インクジェットヘッドの組立が完了する。
（Step１１）ノズル基板１を接合後、チップのドライバＩＣ２０を電極基板３に実装する。
（Step１２）その後、リザーバ部１７上にダイアフラム３０を接着接合し、更にダイアフラム３０のインク取り入れ口３１に接続部材３２を接着接合する。
（Step１３）そして、ダイシングにより複数個のヘッドチップに分割する。
（Step１４）最後に、このヘッドチップに、導電性接着剤を用いてＦＰＣ５０を電気的に接続し、またインクタンクと接続されるインク供給管６０を上記接続部材３２に接続する。
以上により、インクジェットヘッドの組立が完了する。
なお、実施形態２〜５に示したリザーバ基板４を作製する場合は、例えば、厚みが５２５μｍのシリコン基板を用い、その一方の面にパターニング後、ドライエッチングによりインク供給口となる穴を形成し、その後反対側の面からパターニング後、ウェットエッチングによりリザーバ部となる凹部を形成する。これによってインク供給口は貫通する。
このように作製されたリザーバ基板４を、前記Step１０のノズル基板１を接着接合する前に、電極基板３と陽極接合または接着接合する。接着の場合はノズル基板の接着後でもよい。
このように作製されたリザーバ基板４を、前記Step１０のノズル基板１を接着接合する前に、電極基板３と陽極接合または接着接合する。接着の場合はノズル基板の接着後でもよい。
以上の実施形態では、インクジェットヘッド、およびそ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９に示すようなインクジェットプリンタ１００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。
１ ノズル基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、４ リザーバ基板、５ ノズル孔、６ 吐出室、７ キャビティ、８ 振動板、９ インク供給口、１０、１０Ａ インクジェットヘッド、１１ 吐出室形成面、１２ アクチュエータ形成面、１３ リザーバ形成面、１４ 静電アクチュエータ、１５ 溝部、１６ 個別電極、１７ リザーバ部、１８ 凹部、１９ 連通口、２０ ドライバＩＣ、２１ 溝部、２２ 入力配線部、２３ ＦＰＣ実装端子（ＩＣ入力端子）、２４ 貫通電極、３０ ダイアフラム、３１ インク取り入れ口、３２ 接続部材、３３ 空気室、３４ 蓋、３５ 封止材、５０ ＦＰＣ、６０ インク供給管、１００ インクジェットプリンタ。
Claims (10)
- 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、前記複数のノズル孔のそれぞれに連通する吐出室が区画形成され、該吐出室の底壁を振動板とするキャビティ基板と、前記振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とをこの順に積層配置した構造を備え、
前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面に前記吐出室のそれぞれに共通に連通するリザーバ部を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記リザーバ部と前記吐出室のそれぞれとに連通する液状材料の供給口を備え、前記供給口は、径の小さい供給口と径の大きい供給口とを連続して構成されていることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記液状材料の径の小さい供給口または径の大きい供給口が、前記振動板に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記リザーバ部と前記液状材料の供給口とが形成された基板が、前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面に積層されていることを特徴とする請求項１または３記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記リザーバ部と前記液状材料の供給口とが形成された基板において、前記リザーバ部の底壁がダイアフラムとなっていることを特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記ダイアフラムの背面側に空気室が設けられていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記振動板と前記個別電極との間に駆動電圧を印加するドライバＩＣが、前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面または同一面上に実装されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
- 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、前記複数のノズル孔のそれぞれに連通する吐出室が区画形成され、該吐出室の底壁を振動板とするキャビティ基板と、前記振動板に所定のギャップを介して対向配置される個別電極が形成された電極基板とをこの順に積層配置した構造を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記キャビティ基板の振動板のそれぞれに液状材料の供給口を形成する工程と、
前記電極基板の個別電極形成面と反対側の面に、前記吐出室のそれぞれに共通に連通するリザーバ部と、前記供給口に連通する連通口とを形成する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - ドライバＩＣを実装するための貫通電極を、前記電極基板の前記個別電極のそれぞれに形成する工程を有することを特徴とする請求項９記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
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