JP4696836B2 - 静電アクチュエータの製造方法および静電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、静電アクチュエータの製造方法および静電アクチュエータに関するものである。

近年、印刷速度の高速化及びカラー化を目的として、ノズル列を複数有するインクジェットヘッドが求められている。ノズルは高密度化するとともに高駆動周波数化しており、インクジェットヘッド内のアクチュエータ構造は、ますます複雑化する傾向にある。
このようなインクジェットヘッドにおいて、従来の電極基板の製造方法に、グレースケールマスク（面積諧調マスク）によって露光する等倍露光や、焦点をフォトレジスト層表面からずらして露光する縮小露光を用いて、傾斜部を有する凹部をフォトレジスト層に形成し、その凹部をドライエッチングによって電極基板に転写して、傾斜部を有するギャップを形成する技術があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−４７６２８号公報（第４頁、図３）

特許文献１に記載された技術では、高精度にギャップ形状を制御することは困難であり、またギャップの表面も荒れてしまう。このため、電極基板の製造方法において、電極基板の素材を硼珪酸ガラスとし、電極基板上の微小ギャップをプレス成形で加工することも考えられる。
しかしながら、電極基板上の微小ギャップをプレス成形で加工するようにすると、硼珪酸ガラスの軟化点は８００℃程度と非常に高温であるため、押し型の耐久性が大幅に低下する。８００℃でも利用することができる押し型は、石英や単結晶シリコン、超硬合金に限られ、これらの素材によって押し型を成形することは困難を伴う。

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、電極基板の加工精度とギャップ形状の自由度を高め、加工コストを下げることができる静電アクチュエータの製造方法および静電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、振動板を有する第１の基板と、電極溝を有し電極溝に振動板とギャップを隔てて対向する対向電極が設けられた第２の基板とを備え、振動板と対向電極の間に電圧を印加することによりこれらの間に静電力を発生させて振動板を変位させる静電アクチュエータの製造方法において、基板部材表面をエキシマ光照射またはスパッタで処理し、表面処理後の基板部材表面に、無機ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）からなる転写層を塗布し、ニッケル型よりなる押し型を転写層の上部より押圧し、ナノインプリント法によって、平坦部と傾斜部とを長手方向に交互に少なくとも２組以上並んだ底面を有し、長手方向に深さが段階的に短くなる電極溝を形成して第２の基板を構成し、第２の基板に、表面活性接合によって第１の基板を接合するものである。このため、静電アクチュエータを構成する第２の基板の加工精度とギャップ形状の自由度を高めることができ、静電アクチュエータの加工コストを下げることができる。
また、自由度の高い形状のギャップを押し型の精度と同等な精度で第２の基板上に一括して形成することができ、こうして形成されたギャップは、ガラスと同等の強度、耐熱性、安定性を有することになる。
また、電極基材表面をエキシマ光照射で処理し、表面処理後の電極基材表面に転写層を塗布するようにした場合、電極基材と転写層とを強固かつ確実に密着することができる。 また、エキシマ光の照射強度及びスキャン速度を制御することにより、均一かつ最適な表面処理が可能となる。
また、電極基材表面をスパッタで処理し、表面処理後の電極基材表面に転写層を塗布するようにした場合、電極基材と転写層とを強固かつ確実に密着することができる。また、複数枚を同時に処理することで、スループットが良好な表面処理が可能となる。
また、ニッケル型よりなる押し型を用いて、転写層に電極溝を形成するようにしたため、押し型の耐久性が良好で、マスターからの複製も容易であるため、押し型のコストを低く抑えることができる。
また、第２の基板に表面活性接合によって第１の基板を接合するようにしたため、熱膨張係数差のある転写層と第１の基板とを、低温で陽極接合なみの強度で接合することができる。

また、本発明に係る静電アクチュエータは、上記の静電アクチュエータの製造方法によって製造されたものである。この静電アクチュエータは、電極溝に傾斜部を有するようにしたものであり、対向電極は電極溝の傾斜端部近傍でキャビティ基板の振動板と当接するので、この当接位置において当接開始点のギャップを零にすることができる。よって、この当接部で振動板の当接開始電圧を下げることができ、振動板の当接開始電圧を理論上ゼロボルトにすることができるため、駆動電圧の低減を図りつつ充分な発生力を得ることができる。
また、電極溝に多段構造を有するようにしたもので、対向電極は電極溝の最浅部でキャビティ基板の振動板と最近接しており、この位置を当接開始点とすることができる。よって、この当接開始点で振動板の当接開始電圧を下げることができ、振動板の当接開始電圧を単段構造よりも小さくすることができる。こうして振動板の各部分が段階的に個別電極に吸引されることにより、微小なインク圧力波動が発生し、インク小滴が分断して噴射されるので、駆動電圧の低減を図りつつ充分な発生力を得ることができる。
また、転写層の成分をＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）により構成したため、自由度の高い形状のギャップを押し型の精度と同等な精度で一括して形成することができ、形成されたギャップはガラスと同等の強度、耐熱性、安定性を有することになる。

実施の形態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縦断面図である。なお、以下の説明では、図中、上側を「上」、下側を「下」とする。図に示すように、インクジェットヘッド１は、キャビティ基板２の上面にノズル基板３が接合され、キャビティ基板２の下面に電極基板４が接合されている。すなわち、インクジェットヘッド１は、下方から上方へ電極基板４（第２の基板）、キャビティ基板２（第１の基板）、ノズル基板３が順次積層された３層構造となっている。

第１の基板であるキャビティ基板２は、ノズル基板３との間で、共有インク室２１と、複数のインク吐出室２２とを区画形成するように溝が形成され、ノズル基板３は、キャビティ基板２との間で、共通インク室２１と複数のインク吐出室２２とを連通させるインクオリフィス３１を区画形成するように溝が形成されている。すなわち、キャビティ基板２とノズル基板３との間には、共通インク室２１と、インクオリフィス３１、複数のインク吐出室２２が区画形成されている。このようなキャビティ基板２およびノズル基板３は、それぞれ、シリコンを主材料として構成されている。ノズル基板３には、各インク吐出室２２の先端側の部分に対応する位置にノズル孔３２が形成されており、ノズル孔３２はインク吐出室２２に連通している。なお、キャビティ基板２の各インク吐出室２２の下壁部分は薄肉とされており、上下方向に弾性変位可能な振動板２３として機能するようになっている。

第２の基板である電極基板４は、硼珪酸ガラスを主材料としキャビティ基板２と熱膨張係数が近似する電極基材（基板部材）４ａの部分と、エキシマ光照射によって処理された電極基材４ａの上面に塗布されてキャビティ基板２の下面と接合する無機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ Ｇｌａｓｓ）からなる転写層４ｂの部分とからなる上下２層によって構成されている。電極基板４の転写層４ｂの上部であって、キャビティ基板２の各振動板２３に対応した位置には、前方（図の左方）に向けて下方に傾斜して電極溝を構成する凹部４１が形成されている。

電極基板４の凹部４１の底面にはＩＴＯ等からなる個別電極４２が設けられており、個別電極４２は凹部４１の傾斜基部近傍でキャビティ基板２の振動板２３と接合しており、この接合位置４２ａにおいて接合開始点のギャップを零にすることができる。よって、この接合部４２ａで振動板４２の当接開始電圧を下げることができ、振動板４２の接合開始電圧を理論上ゼロボルトにすることができる。こうして、振動板２３は、個別電極４２に対応する電極として機能するようにしてある。なお、個別電極４２は、電極基板４の後方（図の右方）まで引き出され、その後端近傍が、外部配線接続用の電極取出し部４７となっている。この電極取出し部４７には、個別電極４２と振動板２３との間に電圧を印加する電圧印加手段（図示せず）が接続されている。

電極基板４には、共通インク室２１に連通するインク供給口４３が形成されている。インクは、外部のインクタンク（図示せず）から、インク供給口４３を通って共通インク室２１に供給され、ここからインクオリフィス３１を通って、各インク吐出室２２に供給されるようになっている。
このようにして構成されたインクジェットヘッド１では、振動板２３と個別電極４２と電圧印加手段（図示せず）とが静電アクチュエータを構成している。すなわち、電圧印加手段が振動板２３と個別電極４２との間に駆動電圧を印加すると、振動板２３と個別電極４２との間に静電気力が発生する。これにより、振動板２３が個別電極４２側へ撓んで変位し、インク吐出室２２の容積が拡大する。次に、駆動電圧を解除すると、振動板２３はその弾性復帰力によって復帰し、インク吐出室２２の容積が急激に収縮する。このときに発生するインク圧力により、インク吐出室２２を満たすインクの一部が、このインク吐出室２２に連通しているノズル孔３２からインク滴として吐出される。

次に、本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法について説明する。図２〜図７はインクジェットヘッド１の製造工程を示す説明図である。

［１］キャビティ基板の不純物拡散層および絶縁膜形成工程
（ａ） まず、図２（ａ）に示すように、下面が研磨されたシリコンよりなるキャビティ基材２ａを用意する。次に、キャビティ基材２ａの下面に不純物をドープし、不純物拡散層２３ａを形成する。不純物としては、ボロン等が上げられる。この不純物拡散層２３ａは、インクジェットヘッド１において振動板２３を構成するものである。また、この不純物拡散層２３ａは、エッチング液に対するエッチング速度がキャビティ基材２ａと異なるので、後工程で行うキャビティ基材２ａのエッチングに際して、エッチングの停止層として機能する。したがって、この不純物拡散層２３ａの厚さを制御することによって、所望の厚さの振動板２３を形成することができる。なお、不純物拡散層２３ａは、キャビティ基材２ａに比べて低抵抗性であることから、特に、振動板２３となる部分においては、共通電極として良好な導電性が得られる。

（ｂ） 続いて、図２（ｂ）に示すように、不純物拡散層２３ａの表面に絶縁膜６３を形成する。絶縁膜６３としては、ＳｉＯ₂ 等の酸化膜系絶縁膜、Ｓｉ₃Ｎ₄等の窒化膜系絶縁膜等が挙げられる。絶縁膜６３の形成方法としては、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学成膜法（ＣＶＤ）、スパッタリング等の物理成膜法等が挙げられる。

[２] 電極基板の作製工程
（ａ） 次に、電極基板４を作製する。まず、図３（ａ）に示すように、電極基材４ａを用意する。電極基材４ａは、シリコンと熱膨張係数が近い硼珪酸ガラスのようなガラスを主材料とする。そして、電極基材４ａの上面を、エキシマ光照射８０で表面処理する。
なお、電極基材４ａの上面を、アルゴンスパッタやイオンビームスパッタ等のスパッタで表面処理してもよい。

（ｂ） 次に、図３（ｂ）に示すように、電極基材４ａ上に、無機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−ｏｎ Ｇｌａｓｓ）よりなる転写層４ｂを塗布する。この場合、電極基材４ａにエキシマ光照射等の処理を施してあるので、電極基材４ａと転写層４ｂとの密着性が向上する。

（ｃ） 次に、図３（ｃ）に示すように、押し型８１を、転写層４ｂの上部より押圧する。この場合の押し型８１は、マスターから複製したニッケル（Ｎｉ）型で、平面部より下方に断面ほぼ台形状に突設した突設部８１ａを有し、一方が平面部に対してほぼ直交する高さ面８１ｂを形成し、その対向辺が傾斜面８１ｃを形成し、これらの辺の間に挟まれて底面８１ｄを形成する。

（ｄ） そして、押し型８１を転写層４ｂの上部より転写層４ｂに押圧すると、図３（ｄ）に示すように、転写層４ｂに押し型８１の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状がナノインプリント法により低温で転写される（以下、これをナノインプリント法という）。すなわち、転写層４ｂに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは立設面４１ｂ、傾斜面４１ｃ及び底面４１ｄよりなる凹部４１を形成する。
ついで、押し型８１を転写層４ｂより剥離させ、そののち、転写層４ｂを焼成する。

（ｅ） 次に、図３（ｅ）に示すように、凹部４１が形成された側の面、すなわち転写層４ｂの上面の全体に、個別電極４２となるＩＴＯ４２０をスパッタにより成膜する。

（ｆ） 次に、ＩＴＯ４２０上に、フォトリソグラフィ法によって、個別電極４２に対応する平面形状のフォトレジストを形成する。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＩＴＯ４２０をエッチングした後、フォトレジストを剥離除去する。これにより、図３（ｆ）に示すように、転写層４ｂの凹部４１に個別電極４２が形成される。

次に、図３（ｇ）に示すように、サンドブラストでインク供給孔４３ａを開ける。
以上の工程により電極基板４が作製される。

［３］キャビティ基材と電極基板の接合工程
（ａ）次に、図４（ａ）に示すように、電極基板４とキャビティ基材２ａとを、電極基板４の転写層４ｂ側の面と、キャビティ基材２ａの絶縁膜６３側の面とが対向するようにして配置する。
（ｂ）そして、図４（ｂ）に示すように、電極基板４とキャビティ基材２ａとを表面活性接合によって接合し、接合基板７１を形成する。このように表面活性接合によって接合するのは、電極基板４とキャビティ基材２とを電極基板４側の転写層４ｂを介して接合するからであり、これらの接合を高温を要する陽極接合によって行うと部材間の熱膨張係数差により剥離等の欠陥が発生する場合があるからである。

［４］インク吐出室、共通インク室および電極取出し部形成工程
（ａ） 次に、図５（ａ）に示すように、キャビティ基材２ａの上側をグラインダー等で切削し、キャビティ基材２ａを薄板化する。
さらに、キャビティ基材２ａの上面全体にウェットエッチングを行い、キャビティ基材２を薄板化する。エッチング液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液等を用いる。
このように、キャビティ基材２ａを切削加工とエッチングの２段階で薄板化すると、切削加工によって比較的厚い厚さ分を高速で切削することができ、また、エッチングによって、キャビティ基材２ａの切削された加工面を比較的滑らかで欠陥の少ない面とすることができる。したがって、キャビティ基材２ａを短時間で薄板化することができ、また良好な表面を得ることができる。

（ｂ） 次に、図５（ｂ）に示すように、キャビティ基材２ａの上に、ＳｉＯ₂ 膜７２を成膜する。ＳｉＯ₂ 膜７２の成膜方法としては、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学成膜法（ＣＶＤ）、スパッタリング等の物理成膜法等を用いる。

（ｃ）そして、このＳｉＯ₂ 膜７２上に、フォトリソグラフィ法によって、共通インク室２１、インク吐出室２２および電極取出し部４７に対応する部分に開口部を有するフォトレジストを形成する。そして、このフォトレジストをマスクとして、ＳｉＯ₂ 膜７２をエッチングする。このとき、図５（ｃ）に示すように、インク吐出室２２および電極取出し部４７に対応する部分２２ａ，４７ａではＳｉＯ₂ 膜７２がほぼ完全に除去されるようにし、共通インク室２１に対応する部分２１ａではＳｉＯ₂ 膜７２が一部残るようにエッチング（ハーフエッチング）する。

（ｄ）その後、図５（ｄ）に示すように、水酸化カリウム水溶液によって、共通インク室２１、インク吐出室２２および電極取出し部４７に対応する部分２１ａ，２２ａ，４７ａのキャビティ基材２ａを、インク吐出室２２および電極取出し部４７に対応する部分２２ａ，４７ａで不純物拡散層２３ａが露出するまでエッチングする。水酸化カリウム水溶液に対するエッチングレートは、キャビティ基材２ａよりも不純物拡散層２３ａの方が小さいので、この不純物拡散層２３ａが露出したところで確実にエッチングを停止することができる。一方、共通インク室２１に対応する部分２１ａでは、水酸化カリウム水溶液によるエッチング開始時間を、インク吐出室２２および電極取出し部４７に対応する部分２２ａ，４７ａよりも遅らせているので、不純物拡散層２３ａ上にキャビティ基材２ａが薄く残存した状態でエッチングが終了する。このとき、インク吐出室２２に対応する部分２２ａで残存した層は振動板２３となるので、その厚さが適正範囲であることが重要となる。

（ｅ）次に、図６（ｅ）に示すように、フッ酸水溶液を使用して、キャビティ基材２ａの表面に残存するＳｉＯ₂ 膜を除去する。
（ｆ）そして、図６（ｆ）に示すように、共通インク室２１に対応する部分２１ａの底部を、例えばレーザー加工によって開口し、インク供給孔４３ａと共通インク室２１とを連通させてインク供給口４３を形成する。
以上の工程によってキャビティ基板２が作製される。

［５］キャビティ基板とノズル基板の接合工程
（ａ）次に、図７（ａ）に示すように、キャビティ基板２と、インクオリフィス３１およびノズル孔３２が形成されたノズル基板３とを、ノズル孔３２がインク吐出室２２となる部分の先端付近となるようにして接合する。これにより、キャビティ基板２とノズル基板３との間に、共通インク室２１、インク吐出室２２およびインクオリフィス３１が画成される。

（ｂ）そして、このようにして形成された積層体を、図７（ｂ）に示すようにチップ毎にダイシングすることによって、インクジェットヘッドが製造される。

本実施の形態１によれば、電極基材４ａに転写層４ｂを塗布し、押し型８１によって転写層４ｂにナノインプリント法でギャップ形状を転写するようにしたので、自由度の高い形状のギャップを押し型８１の精度と同等な精度で一括して形成することができる。こうして形成されたギャップは、ガラスと同等の強度、耐熱性、安定性を有することになる。また、押し型８１にはマスターから複製したＮｉ型を用いるので、押し型８１の複製が容易である。そして、低温状態でギャップを成形することができるため、押し型８１の耐久性が良好で、押し型８１のコストを低く抑えることができ、このため、静電アクチュエータなどを安価に提供することができる。

実施形態２．
図８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縦断面図である。なお、図１と同一部分には同じ符合を付し、説明を省略する。
本実施の形態２に係るインクジェットヘッド１は、電極基板４の転写層４ｂに形成された凹部４１及び個別電極４２の形状が、実施の形態１に示した凹部４１及び個別電極４２の形状と異なっているが、それ以外の部分は、図１に示したインクジェットヘッドと実質的に同様である。

電極基板４の転写層４ｂの上部には、キャビティ基板２の各振動板２３に対応した位置に、凹部４１が形成されている。この凹部４１は、電極基板４の先端側から後端側に段階的に小さくなるギャップＧ１、Ｇ２によって形成され、凹部４１の底面が階段状になっている。すなわち、凹部４１はその深さが異なる部分を有しており、深さが電極基板４の長手方向においてその先端から後端に向かって段階的に漸減し、多段構造（本実施の形態２では２段構造）を形成している。凹部４１の底面には個別電極４２が設けられており、個別電極４２はギャップＧ２でキャビティ基板２の下面と最接近している。よって、この最接近部で振動板４２の接合開始電圧を下げることができ、ギャップＧ１のみの単段構造に比べて振動板４２の接合開始電圧を小さくすることができる。

このインクジェットヘッド１によれば、駆動電圧を印加したときに、振動板２３は、ギャップＧ２に対応する部分が先ず個別電極４２に吸引され、次にギャップＧ１に対応する部分が個別電極４２に吸引される。このように、振動板２３の各部分が段階的に個別電極４２に吸引されることにより、微小なインク圧力波動が発生し、インク小滴が分断して噴射される。こうして、駆動電圧の低減を図りつつ十分な発生力を得ることができ、良好なインク吐出特性を得ることができる。

本発明に係るインクジェットヘッドの製造するには、マスターから複製したＮｉ型の押し型（図示せず）を用い、この押し型には、電極基板４の転写層４ｂに転写すべき階段状をなす凹凸部が形成されている。この押し型を用いて、ナノインプリンタ法によって押し型のギャップ形状を転写層４ｂに低温で転写する。
その他の構成、作用、効果は、実施の形態１に示した場合と実質的に同様なので、説明は省略する。

実施の形態３．
実施の形態１では電極基板４のギャップ形状を断面ほぼ台形状に形成し、実施の形態２では段差状に形成したが、本実施の形態３ではギャップ形状を上方にコ字状に開口したものである（図示せず）。
電極基板４の転写層４ｂの上部には、キャビティ基板２の各振動板２３に対応した位置に、上方にコ字状に開口した凹部が形成され、この凹部には個別電極４２が設けられている。
その他の、構成、作用、効果は、実施の形態１に示した場合と実質的に同様なので、説明は省略する。

実施の形態４
図９は本実施の形態４に係る液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の斜視図である。なお、図９に示す液滴吐出装置１００は、一般的なインクジェットプリンタである。
本実施の形態４に係る液滴吐出装置によれば、電極基板４の加工精度とギャップ形状の自由度が高く、静電アクチュエータは高密度かつ複雑な構造を有することができるため、液滴吐出装置の性能は良好になる。
なお、上記の静電アクチュエータは、インクジェットプリンタに限らず、他の液滴吐出装置にも用いることができる。例えば、他の液滴吐出装置としては、プロテインチップやＤＮＡチップの作製、有機ＥＬ製造装置や液晶表示装置のカラーフィルタの製造、インクジェット法による配線基板の作製などに用いるものが挙げられる。また、係る静電アクチュエータは、光スキャナなど、液滴吐出装置以外の装置にも用いることができる。

本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドの縦断面図。 図１に示すインクジェットヘッドのキャビティ基板の製造方法を説明するための縦断面図。 図１に示すインクジェットヘッドの電極基板の製造方法を説明するための縦断面図。 図１に示すインクジェットヘッドの接合基板の製造方法を説明するための縦断面図。 図１に示すインクジェットヘッドの接合基板の製造方法を説明するための縦断面図。 図１に示すインクジェットヘッドの接合基板の製造方法を説明するための縦断面図。 図１に示すインクジェットヘッドの積層体の製造方法を説明するための縦断面図。 本発明の実施の形態２に係るインクジェットヘッドの縦断面図。 本発明のインクジェットプリンタの斜視図。

符号の説明

１ インクジェットヘッド、２ キャビティ基板（第１の基板）、３ ノズル基板、４ 電極基板（第２の基板）、４ａ 電極基材（基板部材）、４ｂ 転写層、２３ 振動板、４１ 凹部（電極溝）、４２ 個別電極（対向電極）、８０ エキシマ光照射、８１ 押し型、１００ インクジェットプリンタ。

Claims (2)

1. 振動板を有する第１の基板と、電極溝を有し該電極溝に前記振動板とギャップを隔てて対向する対向電極が設けられた第２の基板とを備え、前記振動板と対向電極の間に電圧を印加することによりこれらの間に静電力を発生させて前記振動板を変位させる静電アクチュエータの製造方法において、
   基板部材表面をエキシマ光照射またはスパッタで処理し、表面処理後の前記基板部材表面に、無機ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）からなる転写層を塗布し、
   ニッケル型よりなる押し型を前記転写層の上部より押圧し、ナノインプリント法によって、平坦部と傾斜部とを長手方向に交互に少なくとも２組以上並んだ底面を有し、長手方向に深さが段階的に短くなる電極溝を形成して前記第２の基板を構成し、
   前記第２の基板に、表面活性接合によって前記第１の基板を接合することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
2. 請求項１記載の静電アクチュエータの製造方法により製造された静電アクチュエータ。

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