(57)【要約】  【課題】くし歯型電極パターンを高精度に形成することが可能で、それにより圧電性基板に発生する弾性表面波のばらつきが小さく、微少量の液体を安定して射出できるマイクロインジェクタを提供する。【解決手段】一対のくし歯型電極２を設けた圧電性基板１と、流路素子が形成された流路基板４とが接合されている。流路基板４の圧電性基板１に対向する面に液流路５と液流路５の先端に位置する射出口６とがくし歯型電極２の歯列方向に形成されている。液流路５の液体が圧電性基板１に発生する弾性表面波の進行波成分により射出口６から射出される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を発生する一対のくし歯型電極が設けられた圧電性基板と、該圧電性基板に接合され、流路素子が形成された流路基板とを備え、該流路基板の前記圧電性基板に対向する面に液流路と該液流路の先端に位置する射出口とが前記くし歯型電極の歯列方向に形成され、前記液流路の液体が前記圧電性基板に発生する弾性表面波の進行波成分により前記射出口から射出されるようにしたことを特徴とするマイクロインジェクタ。
【請求項２】
前記流路基板がシリコン、カーボン、ガラス、セラミックスもしくはプラスチックスの少なくともひとつの材料からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロインジェクタ。
【請求項３】
前記圧電性基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１記載のマイクロインジェクタ。
【請求項４】
前記流路基板に貫通孔が形成され、該貫通孔を通して前記くし歯型電極に駆動信号が供給されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロインジェクタ。
【請求項５】
前記流路基板に前記液流路に連なる液貯留部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロインジェクタ。
【請求項６】
前記くし歯型電極に該くし歯型電極の共振周波数と異なる周波数の駆動信号が供給されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロインジェクタ。
【請求項７】
圧電性基板に弾性表面波を発生する一対のくし歯型電極を形成する工程１と、流路基板の一方の面に液流路と該液流路の先端に位置する射出口とを形成する工程２と、前記工程１で得られた前記圧電性基板のくし歯型電極が形成された側と前記工程２で得られた前記流路基板の液流路が形成された側とを、前記くし歯型電極の歯列方向に前記流路方向が重なるように接合する工程３を有することを特徴とするマイクロインジェクタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波を利用して液体を射出するマイクロインジェクタおよびマイクロインジェクタの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性表面波を利用して液体を射出する装置としては、特許文献１に開示されているようなインクジェットプリンタのインクジェット装置が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示されているインクジェット装置は、図７に示すように、基板１０１上に圧電体１０２からなる構造体が設けられたもので、圧電体１０２には吐出口１０７が形成されている。吐出口１０７の内壁面には圧電体１０２と導電材料の櫛歯１０３が積層された構造となっており、櫛歯１０３には取り出し電極１０４と配線１０５とが接続されていてＩＤＴ１０３ａが構成されている。ここに高周波電圧を印加するとＩＤＴ１０３ａが圧電体１０２を励振し、弾性表面波を発生して吐出口１０７よりインクを飛翔させる。
【０００４】
このようなインクジェット装置は、各層にわたって櫛歯１０３のパターンを精度良く重ね合わせて作ることが困難であるとともに、圧電体１０２および櫛歯１０３の膜厚を各層毎に所定の厚さに形成することが極めて困難であった。
【０００５】
そのため、インクの飛翔を左右する圧電体１０２の励振作用にばらつきが大きく、インクの飛翔量が安定しないので、微少量の液体を射出する装置には適しないという欠点があった。また、多数の層を積層形成するので製造工程が複雑であるいという欠点があった。
【特許文献１】特開平２０００−９６６号公報  図１、図３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来のインクジェット装置のように櫛歯を多層に重ね合わせる工程を不要とし、くし歯型電極パターンを高精度に形成することが可能で、それにより圧電性基板に発生する弾性表面波のばらつきが小さく、微少量の液体を安定して射出できるマイクロインジェクタを提供することを目的としている。
【０００７】
また、ＭＥＭＳ技術等を用いて高精度にかつ簡便に製造することが可能なマイクロインジェクタおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、弾性表面波を発生する一対のくし歯型電極が設けられた圧電性基板と、該圧電性基板に接合され、流路素子が形成された流路基板とを備え、該流路基板の前記圧電性基板に対向する面に液流路と該液流路の先端に位置する射出口とが前記くし歯型電極の歯列方向に形成され、前記液流路の液体が前記圧電性基板に発生する弾性表面波の進行波成分により前記射出口から射出されるようにしたことを特徴とするマイクロインジェクタが得られる。
【０００９】
また本発明は、前記流路基板がシリコン、カーボン、ガラス、セラミックスもしくはプラスチックスの少なくともひとつの材料からなることを特徴とするマイクロインジェクタを提供する。
【００１０】
さらに本発明は、前記圧電性基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とするマイクロインジェクタを提供する。
【００１１】
また本発明は、前記流路基板に貫通孔が形成され、該貫通孔を通して前記くし歯型電極に駆動信号が供給されるようにしたことを特徴とするマイクロインジェクタを提供する。
【００１２】
さらに本発明は、前記流路基板に前記液流路に連なる液貯留部が形成されていることを特徴とするマイクロインジェクタを提供する。
【００１３】
また本発明は、前記くし歯型電極に該くし歯型電極の共振周波数と異なる周波数の駆動信号が供給されるようにしたことを特徴とするマイクロインジェクタを提供する。
【００１４】
さらに本発明によれば、圧電性基板に弾性表面波を発生する一対のくし歯型電極を形成する工程１と、流路基板の一方の面に液流路と該液流路の先端に位置する射出口とを形成する工程２と、前記工程１で得られた前記圧電性基板のくし歯型電極が形成された側と前記工程２で得られた前記流路基板の液流路が形成された側とを、前記くし歯型電極の歯列方向に前記流路方向が重なるように接合する工程３を有することを特徴とするマイクロインジェクタの製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧電性基板に弾性表面波を発生する一対のくし歯型電極を設けたので、くし歯型電極を多層に重ね合わせる工程が不要になり、くし歯型電極パターンを高精度に形成することが可能となる。
【００１６】
加えて流路素子が形成される流路基板は、液流路および射出口が同一面に形成されているので、これらを同一方向から同時に加工して、精度をそろえて形成できる。
【００１７】
これら圧電性基板と流路基板とを接合することにより、圧電性基板に発生する弾性表面波のばらつきが抑えられ、液流路の液体が射出口から安定して射出される。従って、微少量の液体射出に適したマイクロインジェクタが得られる。
【００１８】
流路基板がシリコン、カーボン、ガラス、セラミックスもしくはプラスチックスの少なくともひとつの材料であると、ＭＥＭＳ技術あるいは成形技術を適用して液流路および射出口を同一面に高精度に形成できる。
【００１９】
圧電性基板がＡＴカット水晶基板であると、温度変化に対して安定した弾性表面波を発生させることができるとともにくし歯型電極に印加する信号の強度やその周波数に応じて安定した弾性表面波を発生させることができる。従って、くし歯型電極に印加する信号の強度や周波数を制御することにより液体の射出量を広い範囲で正確に設定することができる。
【００２０】
流路基板に形成された貫通孔を通してくし歯型電極に駆動信号を供給するようにしたので、配線パターンの大部分を流路基板に設けて圧電性基板に設ける配線パターンを少なくできる。従って、圧電性基板の形状および電極配置に対する要求が緩和され、マイクロインジェクタの小型化が可能となる。
【００２１】
流路基板に液流路に連なる液貯留部が形成されているので、液貯留部から液流路に液体をスムースに供給して射出を安定化させることができる。
【００２２】
くし歯型電極にくし歯型電極の共振周波数と異なる周波数の駆動信号を供給すると、発
生する弾性表面波の強度がくし歯型電極のＱ特性に従って抑制されたものとなる。従って、駆動信号の周波数を共振周波数から離間させ、周波数の差分に応じて液射出量を少なくすることができる。
【００２３】
また本発明によれば、圧電性基板に弾性表面波を発生する一対のくし歯型電極を形成する工程１と流路基板の一方の面に液流路と該液流路の先端に位置する射出口とを形成する工程２とはいずれも各基板の一方の面に形成する工程であり、ＭＥＭＳ技術等を容易に適用できる。従って、小型・高精度のマイクロインジェクタを簡便に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態のマイクロインジェクタの構成を示す要部展開斜視図である。図１を参照すると、１は圧電性基板であるＡＴカットの水晶基板、２は水晶基板１に形成された一対のくし歯型電極で、所定の厚さのアルミニウムなどの導電性薄膜にて形成されている。３はくし歯型電極２と同じ導電性薄膜よりなり、くし歯型電極２に各々接続された取り出し電極である。尚、後述するようにくし歯型電極２を除き、水晶基板１および取り出し電極３は図中左右対称である。
【００２５】
４は流路基板であるシリコン基板、５はシリコン基板４に凹状に形成された液流路であり、くし歯型電極２に対面してその歯列方向に伸びている。
【００２６】
液流路５はその先端に形成された射出口６を介してシリコン基板４の端面４１に開かれている。射出口６は、射出量を抑制するため液流路５に比べて幅方向の寸法が小さいものとしてある。液流路５の射出口６と反対の端は液貯留部７に連なっている。液貯留部７は、液流路５に比べて容積が大きな凹部に形成されており、シリコン基板４の圧電性基板１と対する面とは反対の面から伸びている注入孔８より注入される液体を貯留するようになっている。
【００２７】
９はシリコン基板４に形成された貫通孔で、貫通孔９は取り出し電極３の直上に位置し、貫通孔９を通して取り出し電極３に信号を供給する配線部が配置されている。尚、シリコン基板４、液流路５、射出口６、液貯留部７および注入孔８は図中左右対称である。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態のマイクロインジェクタに係わる流路基板の要部平面図で、図１の液流路５、射出口６および液貯留部７の平面形状を示している。
液流路５の幅寸法W1および奥行き寸法は、液流路５に充填された液体がくし歯型電極２により発生するエネルギーを効果的に受け取れるような大きさとする。
射出口６の幅寸法W２および奥行き寸法は、射出量を考慮して決定する。
液貯留部７の幅寸法W３は、液流路５の幅寸法W1に比べて大きい。幅寸法W３および奥行き寸法は、液貯留部７の液貯留量を必要量確保する大きさとする。
【００２９】
図３は、本発明の実施の形態のマイクロインジェクタの液体の流れを説明する要部断面図で、図１の左右中心線に沿った断面図を示している。図３において注入孔８より注入された液体は矢印イに沿って流れて液貯留部７に所定量貯留されるとともに液流路５に充填される。
【００３０】
ここでくし歯型電極２に駆動信号が供給されると、水晶基板１に弾性表面波が発生してその進行波成分であるレイリー波が矢印ロの方向に生じる。このレイリー波が液流路５に充填されている液体に伝播し、液体が射出口６方向に流される。その結果、射出口６より矢印イの先端方向に液体が射出される。
【００３１】
図４は、図１に示したくし歯型電極２および取り出し電極３の形状を示す要部平面図である。くし歯型電極２は、図中左側に形成され互いに連結された３本のくし歯電極２１と図中右側に形成され互いに連結された３本のくし歯電極２２からなる。くし歯電極２１およびくし歯電極２２は、いずれも同じ幅と同じ長さを有する形状で、くし歯電極２１とくし歯電極２２は一定のギャップを持って互いにずらした配置となっており、同じピッチで並んでいる。
【００３２】
くし歯電極２１およびくし歯電極２２の数並びにその形状等は、水晶基板１に発生させる弾性表面波の強度および共振周波数を考慮して決定する。
【００３３】
この構成のくし歯型電極２はその共振周波数がｆ０に設定されており、電源１０より取り出し電極３を通してくし歯型電極２に所望の周波数の駆動信号を供給することにより、液射出口６より微少量の液体が射出される。
【００３４】
図５は、くし歯型電極２の動作特性を説明する説明図であり、同図において、横軸は駆動信号の周波数を、縦軸は弾性表面波の相対強度を示す。くし歯型電極２によって水晶基板１に発生する弾性表面波の相対強度は、曲線ハのＱ特性に示す通り、共振周波数ｆ０に対してピークを示し、共振周波数ｆ０から離れるに従って抑制される。従って、くし歯型電極２に印加する駆動信号の周波数を共振周波数ｆ０から離間させると、その差分に応じて液射出量が抑制される。
【００３５】
図６は、本発明の実施の形態のマイクロインジェクタの製造工程を示す要部工程断面図であり、図６において図６（Q1）ないし図６（Q4）は水晶基板１の加工工程を、図６（S1）ないし図６（S4）はシリコン基板４の加工工程を、図６（A1）ないし図６（A3）はこれら加工工程で作られた水晶基板１とシリコン基板４とを用いて最終的にマイクロインジェクタに加工する工程を示している。
【００３６】
まず、図６（Q1）に示すように所定の大きさのＡＴカットの水晶基板１を用意する。次に、図６（Q2）に示すように水晶基板１に所定の厚さにアルミニウムなどの導電性薄膜３０をスパッタ形成する。次に、図６（Q3）に示すように導電性薄膜３０をエッチングしてくし歯型電極２、取り出し電極３およびダイシング用パターン３２を形成する。続いて、水晶基板１をダイシング用パターン３２沿ってハーフダイシングして切り欠き１１を形成し、図６（Q4）に示すような基板に加工する。
【００３７】
また他方で、図６（S1）に示すように所定の大きさのシリコン基板４を用意し、続いて、図６（S2）に示すようにシリコン基板４表面を表裏とも酸化し、シリコン酸化膜５０、シリコン酸化膜６０を形成する。次に、図６（S3）に示すようにシリコン酸化膜５０をパターン化してシリコン基板４の液流路５、射出口６、液貯留部７、注入孔８、貫通孔９に相当する領域を所定量ドライエッチング加工する。またこのとき切り欠き１１に対向する領域を同時にドライエッチング加工して切り欠き１２を形成する。
【００３８】
続いて、シリコン酸化膜６０をパターン化してシリコン基板４の注入孔８、貫通孔９に相当する領域および切り欠き１２と重なる領域のシリコン酸化膜６０を除去し、領域６１、領域６２などにおいてシリコン基板４を露出させる。同時に反対側に残っているシリコン酸化膜５０を除去し、図６（S4）に示すような基板に加工する。
【００３９】
その後、図６（Q4）に示す加工基板のくし歯型電極２形成側と図６（S4）に示す加工基板の液流路５、液貯留部７の形成面側とをポリイミド７０にて接合し、図６（A1）に示すような一体構造とする。尚、ポリイミド７０による接合は、くし歯型電極２、液流路５、
射出口６、液貯留部７、注入孔８、貫通孔９に相当する領域を避けて行われる。
【００４０】
次に図６（A2）に示すようにシリコン基板４の注入孔８、貫通孔９に相当する領域および切り欠き１２に相当する領域をシリコン酸化膜６０が形成されている側からドライエッチング加工して注入孔８および貫通孔９を貫通させるとともに切り欠き１２を貫通させる。
【００４１】
最後に切り欠き１１に沿って水晶基板１を完全にダイシングし、図６（A3）に示すマイクロインジェクタを完成させる。
【００４２】
詳細な説明は省略するが、電源９を取り出し電極３に接続する配線はシリコン基板１の液流路形成面とは反対の面および貫通孔９に適宜形成する。
【００４３】
以上の実施の形態のマイクロインジェクタにおいて、圧電性基板はＡＴカット水晶基板を用いたが、圧電性基板はＡＴカット水晶基板に限られるものではなく、
他の圧電性材料の基板を用いてもよい。
【００４４】
マイクロインジェクタの製造において使用するシリコン基板は、図６（S2）に示すような表面にシリコン酸化膜を有する基板を使って加工することもできる。
【実施例】
【００４５】
図１に示したマイクロインジェクタの実施例について具体的に説明する。
水晶基板１は厚さが３５０μmであり、くし歯型電極２は各々２０本のくし歯電極２１およびくし歯電極２２を連結したもので、厚さが１５０ｎｍのアルミニウム薄膜で形成した。くし歯電極２１およびくし歯電極２２は、その幅が各々２５μmであって、ギャップが２５μm、各々のピッチが５０μmである。このとき、くし歯型電極２の共振周波数ｆ０は３１．６ＭＨｚである。
【００４６】
シリコン基板４は厚さが３５０μmであり、液流路５は、幅が１００μm、奥行きが２０００μm、深さが１０μmであり、射出口６は幅が２０μm、奥行きが１０μm、深さが１０μmであり、液貯留部７は幅５００μm、奥行きが２０００μm、深さが１０μmである。
【００４７】
このような構成のマイクロインジェクタに着色水を注入し、くし歯型電極２に入射電圧約10Vにて周波数が３１．４ＭＨｚ、３１．２ＭＨｚ、３０．９ＭＨｚ、３０．６ＭＨｚの駆動信号を供給した結果、射出量は各々次の通りであった。
【００４８】
３１．４ＭＨｚのとき４．９５μｌ／sec、３１．２ＭＨｚのとき２．２０μｌ／sec、３０．９ＭＨｚのとき１．２５μｌ／sec、３０．６ＭＨｚのとき０．９５μｌ／secであった。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係るマイクロインジェクタは、１μｌ／sec以下の超微量の流量を安定して射出することができるので、薬品製造、バイオ分野あるいは高精細インクジェットプリンタなどの広い分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態のマイクロインジェクタの構成を示す要部展開斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態のマイクロインジェクタに係わる流路基板の要部平面図である。
【図３】本発明の実施の形態のマイクロインジェクタに係わる液体の流れを説明する要部断面図である。
【図４】本発明の実施の形態のマイクロインジェクタに係わるくし歯型電極の要部平面図である。
【図５】本発明の実施の形態のマイクロインジェクタに係わる動作特性を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施の形態のマイクロインジェクタの製造工程を示す要部工程断面図である。
【図７】特許文献１に掲載のインクジェット装置の説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  水晶基板
２  くし歯型電極
３  取り出し電極
４  シリコン基板
５  液流路
６  射出口
７  液貯留部
８  注入孔
９  貫通孔
１０  電源
１１、１２  切り欠き
５０、６０  シリコン酸化膜  
７０  ポリイミド
【図５】
2006255896.tif 000003
【図７】
2006255896.tif 000004
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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