JP2007175992A - ノズルプレートの製造方法及びノズルプレート、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッド、並びに液滴吐出装置の製造方法及び液滴吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定した吐出特性を有するとともに、ノズル密度すなわち高密度化を図ることができる液滴吐出用のノズルプレート製造方法及びノズルプレート、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッド、並びに液滴吐出装置の製造方法及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ノズル孔11が、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が段階的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いて基板をエッチング除去する工程を少なくとも2回以上繰り返し行うことでテーパー状ノズル部分を形成するものである。
【選択図】図3c
【解決手段】ノズル孔11が、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が段階的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いて基板をエッチング除去する工程を少なくとも2回以上繰り返し行うことでテーパー状ノズル部分を形成するものである。
【選択図】図3c
Description
本発明は、液滴を吐出するためのノズル孔を有するノズルプレートの製造方法及びノズルプレート、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッド、並びに液滴吐出装置の製造方法及び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プレートと、このノズルプレートに接合されノズルプレートとの間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティプレートとを備え、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方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット(登録商標)方式等がある。
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まり、そのため高密度化並びに吐出性能の向上が強く要求されている。このような背景から、インクジェットヘッドのノズル部に関して、従来より様々な工夫、提案がなされている。
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まり、そのため高密度化並びに吐出性能の向上が強く要求されている。このような背景から、インクジェットヘッドのノズル部に関して、従来より様々な工夫、提案がなされている。
例えば、インクジェットヘッドにおいて、液滴の流れを整えて液滴の吐出時の直進性を増すために、ノズル穴を、円筒状の第1のノズル孔と、第1のノズル孔と連通し第1のノズル孔よりも径の大きい円筒状の第2のノズル孔とで形成して2段ノズルとしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、インクジェットヘッドにおいて、インク吐出特性を改善するために、ノズル穴を、インク吐出方向とノズル孔内周面の接線方向のなす角度が少なくともインク吐出面側とインク流入面側で異なり、且つ、角度が連続的に変化する部位を有するように形成したものがある(例えば、特許文献2参照)。
特許文献1のように2段ノズルとした場合、インク吐出特性の改善が可能であるが、更なる改善が求められていた。
また、特許文献2のように、ノズル部分全体をテーパー形状とすると、先端ノズル径やテーパー角度によってはインク供給側のノズル径が増加し、ノズル高密度配置が困難になるという問題があった。
そこで本発明は、安定した吐出特性を有するとともに、ノズル密度すなわち高密度化を図ることができる液滴吐出用のノズルプレート製造方法及びノズルプレート、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッド、並びに液滴吐出装置の製造方法及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、ノズル孔が、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が段階的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いて基板をエッチング除去する工程を少なくとも2回以上繰り返し行うことでテーパー状ノズル部分を形成するものである。
これにより、繰り返し回数やレジストエッチングマスクにおける開口の大きさを変えることで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件を満足し、且つ安定した吐出特性を得るのに最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
これにより、繰り返し回数やレジストエッチングマスクにおける開口の大きさを変えることで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件を満足し、且つ安定した吐出特性を得るのに最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
また、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、ノズル孔が、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が段階的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、基板上に金属膜を形成し、その金属膜を、フォトリソグラフィー法によって形成したエッチングマスクを用いてエッチング除去する工程を少なくとも3回以上繰り返し行って、表面側から基板側に行くに従って開口断面積が段階的に小さくなる開口を有するエッチングマスクを基板上に形成し、そのエッチングマスクを用いた1回の基板に対するエッチングによりテーパー状ノズル部分を形成するものである。
これにより、エッチングマスクを形成する際の繰り返し回数やエッチングマスクにおける開口の大きさを変えることで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件を満足し、且つ安定した吐出特性を得るのに最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
これにより、エッチングマスクを形成する際の繰り返し回数やエッチングマスクにおける開口の大きさを変えることで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件を満足し、且つ安定した吐出特性を得るのに最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
また、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、ノズル孔は、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が連続的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、基板上に、テーパー状の開口を有するフォトレジストパターンを形成し、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして基板をエッチングすることによりテーパー状ノズル部分を形成するものである。
これにより、フォトレジストパターン形成するテーパー状の開口の形状を制御することで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。
よって、所望のインク量等の各種吐出条件を満足し、且つ安定した吐出特性を得るのに最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
これにより、フォトレジストパターン形成するテーパー状の開口の形状を制御することで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。
よって、所望のインク量等の各種吐出条件を満足し、且つ安定した吐出特性を得るのに最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
また、本発明に係るノズルプレートは、上記の何れかのノズルプレートの製造方法を用いて製造されたノズルプレートである。
これにより、安定した吐出特性を有するとともに、ノズル密度の高密度化が図られたノズルプレートを得ることができる。
これにより、安定した吐出特性を有するとともに、ノズル密度の高密度化が図られたノズルプレートを得ることができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記の何れかのノズルプレートの製造方法を用いて液滴吐出ヘッドを製造するものである。
上記のいずれかのノズルプレートの製造方法を用いて液滴吐出ヘッドを製造すれば、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを得ることができる。
上記のいずれかのノズルプレートの製造方法を用いて液滴吐出ヘッドを製造すれば、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを得ることができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて製造されたものである。
これにより、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを提供することができる。
これにより、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを提供することができる。
また、本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて製造するものである。
上記のいずれかのノズルプレートの製造方法を用いて液滴吐出装置を製造すれば、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を得ることができる。
上記のいずれかのノズルプレートの製造方法を用いて液滴吐出装置を製造すれば、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を得ることができる。
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて製造されたものである。
これにより、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を提供することができる。
これにより、安定した液滴吐出特性を有し、かつ高密度の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を提供することができる。
実施形態1.
以下、本発明のノズルプレートを備えた液滴吐出ヘッドの実施形態1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、静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図1及び図2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、また、駆動方式についても他の異なる駆動方式により液滴を吐出する液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置にも適用できるものである。
以下、本発明のノズルプレートを備えた液滴吐出ヘッドの実施形態1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、静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図1及び図2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、また、駆動方式についても他の異なる駆動方式により液滴を吐出する液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置にも適用できるものである。
図1は、本実施形態1に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図2は、図1の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図であり、ノズル部をさらに拡大して表してある。なお、図1及び図2では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。
本実施形態1のインクジェットヘッド(液滴吐出ヘッドの一例)10は、図1及び図2に示すように、複数のノズル孔11が所定のピッチで設けられたノズルプレート1と、各ノズル孔11に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティプレート2と、キャビティプレート2の振動板22に対峙して個別電極31が配設された電極基板3とを貼り合わせることにより構成されている。
ノズルプレート1は、例えば厚さ180μmのシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。ノズルプレート1は、複数のノズル孔11が設けられる領域に凹部12が形成され、この凹部12の底面にインク液滴を吐出するためのノズル孔11が開口している。すなわち、ノズル部分の長さ(基板厚み)を凹部12により薄肉化することにより各ノズル孔11の流路抵抗を調整している。これにより、均一な吐出性能を確保するとともに、吐出面(凹部12の底面)に記録用紙などの他の物体が直接接触することがないので、記録用紙の汚損やノズル孔11の先端の損傷などを防止することができる。
各ノズル孔11は、図2に示すように、ノズルプレート1のインク吐出方向の先端(基板表面で凹部12の底面)側から後側方向に行くに従って開口径が大きくなるように複数の円筒状のノズル孔から形成されて多段形状を有している。以下、吐出方向の先端側から順に第1のノズル孔11a、第2のノズル孔11b、第3のノズル孔11cという。
なお、本例のノズル孔11は、インク吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が連続的に大きくなっていくテーパー状ノズル部分で構成された形状を理想とするものであり、図2の例では、3段の図示左右対称の段差からなる多段形状とし、段階的に大きくすることでこの形状に近づけるようにしている。すなわち、第1のノズル孔11aが円筒状ノズル部分に相当し、第2のノズル孔11b及び第3のノズル孔11cがいわばテーパー状ノズル部分に相当する。なお、図2ではテーパー状ノズル部分が2段の例を示しているが、本来は更に複数設けて、よりテーパー状に近づける構成とすることが望ましい。そうすることにより、ノズル孔11の流路抵抗を低減するとともに、インク滴の吐出方向をノズル孔11の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。
また、ノズルプレート1の図2において下面(キャビティプレート2との接合側の面)にはインク流路の一部を形成するオリフィス(細溝)13が設けられている。また、後述するキャビティプレート2のリザーバ23に対応する位置に凹部により薄肉化されたダイヤフラム部14が設けられている。ダイヤフラム部14はリザーバ23内の圧力変動を抑制するために設けられている。
キャビティプレート2は、例えば厚さ約140μmの(110)面方位のシリコン単結晶基板(この基板も以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。シリコン基板に異方性ウェットエッチングを施し、インク流路の吐出室21及びリザーバ23を構成するための凹部24、25が形成される。凹部24は前記ノズル孔11に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図2に示すようにノズルプレート1とキャビティプレート2を接合した際、各凹部24は吐出室21を構成し、それぞれノズル孔11に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス13ともそれぞれ連通している。そして、吐出室21(凹部24)の底壁が振動板22となっている。
他方の凹部25は、液状材料のインクを貯留するためのものであり、各吐出室21に共通のリザーバ(共通インク室)23を構成する。そして、リザーバ23(凹部25)はそれぞれオリフィス13を介して全ての吐出室21に連通している。また、リザーバ23の底部には後述する電極基板3を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔34を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
また、上述のように、キャビティプレート2に(110)面方位のシリコン単結晶基板を用いるのは、このシリコン基板に異方性ウエットエッチングを行うことにより、凹部や溝の側面をシリコン基板の上面または下面に対して垂直にエッチングすることができるためであり、これによりインクジェットヘッドの高密度化を図ることができるからである。
また、キャビティプレート2の全面もしくは少なくとも電極基板3との対向面には熱酸化やプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によりSiO2やTEOS(Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)膜等からなる絶縁膜26が膜厚0.1μmで施されている。この絶縁膜26は、インクジェットヘッドを駆動させた時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
電極基板3は、例えば厚さ約1mmのガラス基板から作製される。中でも、キャビティプレート2のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板3とキャビティプレート2を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板3とキャビティプレート2との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板3とキャビティプレート2を強固に接合することができるからである。
電極基板3には、キャビティプレート2の各振動板22に対向する面の位置にそれぞれ凹部32が設けられている。凹部32は、エッチングにより深さ約0.3μmで形成されている。そして、各凹部32内には、一般に、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極31が、例えば0.1μmの厚さでスパッタにより形成される。したがって、振動板22と個別電極31との間に形成されるギャップ(空隙)は、この凹部32の深さ、個別電極31及び振動板22を覆う絶縁膜26の厚さにより決まることになる。このギャップはインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。ここで、個別電極31の材料はITOに限定するものではなく、クロム等の金属等を用いてもよいが、ITOは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすい等の理由から、一般にITOが用いられる。
個別電極31は、リード部31aと、フレキシブル配線基板(図示せず)に接続される端子部31bとを有する。これらの端子部31bは、図1及び図2に示すように、配線のためにキャビティプレート2の末端部が開口された電極取り出し部29内に露出している。
上述したように、ノズルプレート1、キャビティプレート2、及び電極基板3は、一般に個別に作製され、これらを図2に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド10の本体部が作製される。すなわち、キャビティプレート2と電極基板3は陽極接合により接合され、そのキャビティプレート2の上面(図2において上面)にノズルプレート1が接着等により接合される。さらに、振動板22と個別電極31との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材27で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド10の信頼性を高く保持することができる。
そして最後に、図2に簡略化して示すように、ICドライバ等の駆動制御回路4が各個別電極31の端子部31bとキャビティプレート2上に設けられた共通電極28とに前記フレキシブル配線基板(図示せず)を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド10が完成する。
以上により、インクジェットヘッド10が完成する。
次に、以上のように構成されるインクジェットヘッド10の動作を説明する。
駆動制御回路4は、個別電極31に電荷の供給及び停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば24kHzで発振し、個別電極31に例えば0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極31に電荷を供給して正に帯電させると、振動板22は負に帯電し、個別電極31と振動板22間に静電気力(クーロン力)が発生する。したがって、この静電気力により振動板22は個別電極31に引き寄せられて撓む(変位する)。これによって吐出室21の容積が増大する。そして、個別電極31への電荷の供給を止めると振動板22はその弾性力により元に戻り、その際、吐出室21の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により吐出室21内のインクの一部がインク滴としてノズル孔11より吐出する。振動板22が次に同様に変位すると、インクがリザーバ23からオリフィス13を通じて吐出室21内に補給される。
駆動制御回路4は、個別電極31に電荷の供給及び停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば24kHzで発振し、個別電極31に例えば0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極31に電荷を供給して正に帯電させると、振動板22は負に帯電し、個別電極31と振動板22間に静電気力(クーロン力)が発生する。したがって、この静電気力により振動板22は個別電極31に引き寄せられて撓む(変位する)。これによって吐出室21の容積が増大する。そして、個別電極31への電荷の供給を止めると振動板22はその弾性力により元に戻り、その際、吐出室21の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により吐出室21内のインクの一部がインク滴としてノズル孔11より吐出する。振動板22が次に同様に変位すると、インクがリザーバ23からオリフィス13を通じて吐出室21内に補給される。
本実施形態1のインクジェットヘッド10は、前述したように、ノズル孔11を多段形状に形成して従来の2段のノズルに比べてよりテーパー形状に近づけるようにしているので、吐出液体の流れがスムーズになり、吐出性能の安定化及び吐出特性を向上させることができる。さらに、ノズル孔11の横断面形状を円形や四角形などに形成することができるので、ノズルプレート1の厚さを薄くしなくてもインクジェットヘッド10の高密度化を図ることができる。
なお、ノズル孔11の横断面形状は特に限定されるものではなく、角形や円形などに形成される。但し、円形にする方が吐出特性や加工性の面で有利となるので好ましい。
次に、このインクジェットヘッド10の製造方法について図3a乃至図7bを参照して説明する。
図3a乃至図6は、ノズルプレート1の製造方法を示す製造工程の断面図であり、図7a及び図7bは、キャビティプレート2及び電極基板3の製造方法を示す製造工程の断面図であり、ここでは、主に、電極基板3にシリコン基板400を接合した後にキャビティプレート2を製造する方法を示す。
図3a乃至図6は、ノズルプレート1の製造方法を示す製造工程の断面図であり、図7a及び図7bは、キャビティプレート2及び電極基板3の製造方法を示す製造工程の断面図であり、ここでは、主に、電極基板3にシリコン基板400を接合した後にキャビティプレート2を製造する方法を示す。
まず最初に、ノズルプレート1の製造方法を説明する。ここでは、3通りの製造方法を説明する。
<ノズルプレート1の製造方法(その1)>
ノズルプレート1の製造方法(その1)は、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いて基板をエッチング除去する工程、すなわちフォトレジスト塗布−露光−現像−シリコン基板のエッチングのサイクルをノズル孔の段数と同じだけ繰り返し行うことで多段ノズル孔を形成するようにした製造方法である。
ノズルプレート1の製造方法(その1)は、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いて基板をエッチング除去する工程、すなわちフォトレジスト塗布−露光−現像−シリコン基板のエッチングのサイクルをノズル孔の段数と同じだけ繰り返し行うことで多段ノズル孔を形成するようにした製造方法である。
図3a,図3b,図3cは、ノズルプレートの製造方法(その1)を示す図である。以下、図3a,図3b,図3cを参照してノズルプレートの製造方法(その1)について説明する。なお、本例ではノズルプレートとなるシリコン基板に、ノズル11が開口する凹部12を形成した後にノズル孔11を形成するものとし、図3a,図3b,図3cには、凹部12を形成して厚さが薄くなった部分のシリコン基板を示している。以降に説明するノズルプレート1の製造方法(その2)、(その3)を示す図においても同様とする。
まず、シリコン基板100の表面全体にフォトレジスト101を塗布して成膜する(図3a(a))。フォトレジスト101は、レジスト選択比により耐えうる厚みに成膜する。そして、第1のノズル孔パターン用の露光マスク102を介して露光し(図3a(b),(c))、現像して第1のノズル孔11aとなる部分101aを開口したレジストパターン101bを形成する(図3a(d))。そのレジストパターン101bをエッチングマスクとしてシリコン基板100に対しICP放電による異方性ドライエッチングを行い、第1のノズル孔11aを形成する(図3a(e))。そして、レジストパターン101bを除去する(図3a(f))。
まず、シリコン基板100の表面全体にフォトレジスト101を塗布して成膜する(図3a(a))。フォトレジスト101は、レジスト選択比により耐えうる厚みに成膜する。そして、第1のノズル孔パターン用の露光マスク102を介して露光し(図3a(b),(c))、現像して第1のノズル孔11aとなる部分101aを開口したレジストパターン101bを形成する(図3a(d))。そのレジストパターン101bをエッチングマスクとしてシリコン基板100に対しICP放電による異方性ドライエッチングを行い、第1のノズル孔11aを形成する(図3a(e))。そして、レジストパターン101bを除去する(図3a(f))。
ついで、第1のノズル孔11aを形成したシリコン基板100の全面にフォトレジスト111を成膜する(図3b(g))。フォトレジスト111は、レジスト選択比により耐えうる厚みに成膜する。そして、第2のノズル孔パターン用の露光マスク112を介して露光し(図3b(h),(i))、現像して第2のノズル孔11bとなる部分111aを開口したレジストパターン111bを形成する(図3b(j))。そのレジストパターン111bをエッチングマスクとしてICP放電による異方性ドライエッチングを行い、第2のノズル孔11bを形成する(図3b(k))。そして、レジストパターン111bを除去する(図3b(l))。
そして、第1のノズル孔11a及び第2のノズル孔11bを形成したシリコン基板100の全面にフォトレジスト121を成膜する(図3c(m))。フォトレジスト121は、レジスト選択比により耐えうる厚みに成膜する。そして、第3のノズル孔パターン用の露光マスク122を介して露光し(図3c(n),(o))、現像して第3のノズル孔となる部分121aを開口したレジストパターン121bを形成する(図3c(p))。そのレジストパターン121bをエッチングマスクとしてICP放電による異方性ドライエッチングを行い、第3のノズル孔11cを形成する(図3c(q))。そして、レジストパターン121bを除去する(図3c(r))。
そして、最後に、液滴吐出ノズルとして必要な表面処理(図示せず)を施すことによりノズルプレート1が完成する。表面処理とは、例えばノズル孔11の吐出側表面(凹部12の底面)にフッ素系の樹脂のコーティングやフッ素含有のニッケルメッキによる撥液膜(図示せず)を形成する処理などである。
以上に説明したノズルプレート1の製造方法(その1)によれば、テーパー状ノズル部分を形成するに際し、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いてシリコン基板100をエッチング除去する工程を繰り返して形成するようにしたので、繰り返し回数やレジストエッチングマスクにおける開口の大きさを変えることで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件に応じて最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
<ノズルプレート1の製造方法(その2)>
ノズルプレート1の製造方法(その2)は、第1のノズル孔11a、第2のノズル孔11b及び第3のノズル孔11cに対応する部分を開口したエッチングマスクを例えばSiO2 膜などの金属膜で形成し、そのエッチングマスクを用いた1回のシリコン基板に対するエッチングにより、第1のノズル孔11a、第2のノズル孔11b及び第3のノズル孔11cを一気に形成するようにした製造方法である。なお、この方法では、図2に示したようにノズル孔11の段差部分がエッジとはならず、丸みを帯びた形状となって形成される。
ノズルプレート1の製造方法(その2)は、第1のノズル孔11a、第2のノズル孔11b及び第3のノズル孔11cに対応する部分を開口したエッチングマスクを例えばSiO2 膜などの金属膜で形成し、そのエッチングマスクを用いた1回のシリコン基板に対するエッチングにより、第1のノズル孔11a、第2のノズル孔11b及び第3のノズル孔11cを一気に形成するようにした製造方法である。なお、この方法では、図2に示したようにノズル孔11の段差部分がエッジとはならず、丸みを帯びた形状となって形成される。
図4a,図4b,図4c,図4dは、ノズルプレートの製造方法(その2)を示す図である。以下、図4a,図4,図4c,図4dを参照してノズルプレートの製造方法(その2)について説明する。
まず、シリコン基板200の表面全体にプラズマCVDを用いて金属膜としての例えばSiO2 膜201を成膜する。そして、その上にフォトレジスト202を成膜し、露光マスク203を介して露光し(図4a(b),(c))、現像して第1のノズル孔11aに対応する部分202aを開口したレジストパターン202bを形成する(図4a(d))。そして、そのレジストパターン202bを用いてSiO2 膜201をエッチングし、第1のノズル孔11aに対応する部分201aを除去する(図4a(e))。そして、レジストパターン202bを除去する(図4a(f))。
まず、シリコン基板200の表面全体にプラズマCVDを用いて金属膜としての例えばSiO2 膜201を成膜する。そして、その上にフォトレジスト202を成膜し、露光マスク203を介して露光し(図4a(b),(c))、現像して第1のノズル孔11aに対応する部分202aを開口したレジストパターン202bを形成する(図4a(d))。そして、そのレジストパターン202bを用いてSiO2 膜201をエッチングし、第1のノズル孔11aに対応する部分201aを除去する(図4a(e))。そして、レジストパターン202bを除去する(図4a(f))。
そして、再度シリコン基板200の表面全体にプラズマCVDを用いてSiO2 膜204を成膜する(図4b(g))。そして、その上にフォトレジスト205を成膜し、露光マスク206を介して露光し(図4b(h),(i))、現像して第2のノズル孔11bに対応する部分205aを開口したレジストパターン205bを形成する(図4b(j))。そして、この状態でエッチングを行う。これにより、レジストパターン205bがエッチングマスクとなってSiO2 膜204から第2のノズル孔11bに対応する部分204aが除去されるとともに、SiO2 膜201から第2のノズル孔11bに対応する部分201aが除去される(図4b(k))。そして、レジストパターン205bを除去する(図4b(l))。
ついで、再度シリコン基板200の表面全体にプラズマCVDを用いてSiO2 膜207を成膜する(図4c(m))。そして、その上にフォトレジスト208を成膜し、露光マスク209を介して露光し(図4c(n),(o))、現像して第3のノズル孔11cに対応する部分208aを開口したレジストパターン208bを形成する(図4c(p))。そして、この状態でエッチングを行う。これにより、第3のノズル孔11cに対応する部分207aが開口されたSiO2 膜207と、第2のノズル孔11bに対応する部分204aが開口されたSiO2 膜204と、第1のノズル孔11aに対応する部分201aが開口されたSiO2 膜201とからなるエッチングマスク209が形成される(図4c(q))。そして、フォトレジスト208を除去する(図4c(r))。
そして、このエッチングマスク209を用いてICP放電による異方性ドライエッチングを行い、第1のノズル孔11a、第2のノズル孔11b及び第3のノズル孔11cからなるノズル孔11を形成する。そして、最後に、液滴吐出ノズルとして必要な表面処理(図示せず)を施すことによりノズルプレート1が完成する(図4c(s))。表面処理とは、例えばノズル孔11の吐出側表面(凹部12の底面)にフッ素系の樹脂のコーティングやフッ素含有のニッケルメッキによる撥液膜(図示せず)を形成する処理などである。
以上に説明したノズルプレート1の製造方法(その2)によれば、シリコン基板200上にSiO2 膜を形成し、そのSiO2 膜に対してフォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いてエッチング除去する工程を繰り返し行い、表面側からシリコン基板200側に行くに従って開口断面積が段階的に小さくなる開口を有するエッチングマスク209を形成し、そのエッチングマスク209を用いた1回のシリコン基板200に対するエッチングによりテーパー状ノズル部分を形成するようにしたので、エッチングマスク209を形成する際の繰り返し回数やエッチングマスク209における開口の大きさを変えることで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件に応じて最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
<ノズルプレート1の製造方法(その3)>
上記の製造方法では、複数の段差を形成することでノズル孔11の後側をテーパー状に近づけるようにしていたが、ノズルプレート1の製造方法(その3)では、テーパー形状そのものに形成するようにしたものである。具体的には、テーパー形状の開口を有するレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとして用いてシリコン基板をエッチングすることにより、テーパー状ノズル部分を形成するものである。
上記の製造方法では、複数の段差を形成することでノズル孔11の後側をテーパー状に近づけるようにしていたが、ノズルプレート1の製造方法(その3)では、テーパー形状そのものに形成するようにしたものである。具体的には、テーパー形状の開口を有するレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとして用いてシリコン基板をエッチングすることにより、テーパー状ノズル部分を形成するものである。
図5は、ノズルプレート1の製造方法(その3)で形成されるノズルプレートのノズル孔部分を拡大して示した図である。
図5において、ノズル孔11dは、インク吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分11eで構成され、その後側が後方に向けて開口断面積が連続的に大きくなるテーパー状ノズル部分11fで構成されている。
図5において、ノズル孔11dは、インク吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分11eで構成され、その後側が後方に向けて開口断面積が連続的に大きくなるテーパー状ノズル部分11fで構成されている。
図6は、図5に示すノズルプレートの製造方法(その3)を示す図である。
まず、シリコン基板300の裏面に、フォトレジスト301を塗布して成膜する(図6(a))。そして、円筒状ノズル部分パターン用の露光マスク(図示せず)を介して露光・現像を行い、円筒状ノズル部分11eとなる部分301aを開口したレジストパターン301bを形成する(図6(b))。そして、レジストパターン301bをエッチングマスクとしてシリコン基板300に対しICP放電による異方性ドライエッチングを行い、円筒状ノズル部分11eを形成する(図6(c))。そして、レジストパターン301bを除去する(図6(d))。
まず、シリコン基板300の裏面に、フォトレジスト301を塗布して成膜する(図6(a))。そして、円筒状ノズル部分パターン用の露光マスク(図示せず)を介して露光・現像を行い、円筒状ノズル部分11eとなる部分301aを開口したレジストパターン301bを形成する(図6(b))。そして、レジストパターン301bをエッチングマスクとしてシリコン基板300に対しICP放電による異方性ドライエッチングを行い、円筒状ノズル部分11eを形成する(図6(c))。そして、レジストパターン301bを除去する(図6(d))。
次に、シリコン基板300の表面にフォトレジスト302を塗布して成膜する(図6(e))。ここでは、紫外線の透過性に特徴があるフォトレジスト(例えばセパレータ材料やバンク材料など)を用いる。そして、テーパー状ノズル部分パターン用の露光マスク303を介し、紫外線により露光し(図6(f)、図6(g))、現像して内周面がテーパー状の開口302aを有するフォトレジストパターン302bを形成する(図6(h))。
フォトレジスト302にテーパー状の開口302aを形成するに際しては、フォトレジスト材料の特性(例えば、形成可能なテーパー角度や紫外光により感光できる膜厚)により成膜膜厚を調整する必要がある。また、形成したいテーパー角度に応じてシリコン基板300の厚みを考慮したり、円筒状ノズル部分側のノズル径を調整する必要があるなど、各種条件があるが、フォトレジスト302にテーパー状の開口を形成する技術は従来既存の技術であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
そして、レジストパターン302bをエッチングマスクとしてシリコン基板300に対しICP放電による異方性ドライエッチングを行い、テーパー状ノズル部分11fを形成する(図6(i))。そして、レジストパターン302bを除去し、円筒状ノズル部分11eとテーパー状ノズル部分11fとからなるノズル孔11dが形成され、ノズルプレート1aが完成する(図6(j))。
以上に説明したノズルプレート1の製造方法(その3)によれば、シリコン基板300上に、表面側からシリコン基板側に行くに従って開口断面が小さくなるテーパー状の開口302aを有するフォトレジストパターン302bを形成し、そのフォトレジストパターン302bをエッチングマスクとしてシリコン基板300をエッチングすることによりテーパー状ノズル部分を形成するようにしたので、フォトレジストパターン形成するテーパー状の開口の形状を制御することで、テーパー状ノズル部分のテーパ角度を自由に且つ高い精度で制御することができる。よって、所望のインク量等の各種吐出条件に応じて最適なテーパー角度となるように形成することができる。したがって、必要最低限のテーパー角度で形成するようにすれば、ノズル密度の高密度化にも効果がある。
なお、本実施形態1のノズルプレート1の製造方法では、単結晶のシリコン基板の代わりに、硼珪酸系のガラス基板を用いることもできる。
また、本実施形態1のノズルプレート1の製造方法は、液滴を吐出するノズル孔の形成以外にも、テーパー形状を必要とするデバイス、テーパー形状形成が必要なプロセスに応用することができる。
次に、キャビティプレート2及び電極基板3の製造方法について説明する。
ここでは、電極基板3にシリコン基板を接合した後、そのシリコン基板からキャビティプレート2を製造する方法について図7a、図7bを参照して簡単に説明する。
ここでは、電極基板3にシリコン基板を接合した後、そのシリコン基板からキャビティプレート2を製造する方法について図7a、図7bを参照して簡単に説明する。
電極基板3は以下のようにして製造される。
まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約1mmのガラス基板500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凹部32を形成する。なお、この凹部32は個別電極31の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極31ごとに複数形成される。
そして、凹部32の内部に、例えばスパッタによりITO(Indium Tin Oxide)からなる個別電極31を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔34となる孔部34aを形成することにより、電極基板3が作製される(図7a(a))。
まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約1mmのガラス基板500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凹部32を形成する。なお、この凹部32は個別電極31の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極31ごとに複数形成される。
そして、凹部32の内部に、例えばスパッタによりITO(Indium Tin Oxide)からなる個別電極31を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔34となる孔部34aを形成することにより、電極基板3が作製される(図7a(a))。
次に、厚さが例えば525μmのシリコン基板400の両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板400の片面にプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によって厚さ0.1μmのTEOS(TetraEthylorthosilicate)からなるシリコン酸化膜(絶縁膜)26を形成する(図7a(b))。なお、シリコン基板400を形成する前に、エッチングストップ技術を利用し振動板22の厚みを高精度に形成するためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
そして、このシリコン基板400と、図7a(a)のように作製された電極基板3を、例えば360℃に加熱し、シリコン基板400に陽極を、電極基板3を陰極に接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合により接合する(図7a(c))。
シリコン基板400と電極基板3を陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基板400をエッチングすることにより、シリコン基板400の厚さを例えば140μmになるまで薄板化する(図7a(d))。
シリコン基板400と電極基板3を陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基板400をエッチングすることにより、シリコン基板400の厚さを例えば140μmになるまで薄板化する(図7a(d))。
次に、シリコン基板400の上面(電極基板3が接合されている面と反対側の面)の全面にプラズマCVDによって例えば厚さ1.5μmのTEOS膜を形成する。
そして、このTEOS膜に、吐出室21となる凹部24及びリザーバ23となる凹部25を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のTEOS膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板400を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、吐出室21となる凹部24及びリザーバ23となる凹部25を形成する(図7b(e))。このとき、配線のための電極取り出し部29となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図7b(e)のウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板22の面荒れを抑制することができる。
そして、このTEOS膜に、吐出室21となる凹部24及びリザーバ23となる凹部25を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のTEOS膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板400を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、吐出室21となる凹部24及びリザーバ23となる凹部25を形成する(図7b(e))。このとき、配線のための電極取り出し部29となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図7b(e)のウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板22の面荒れを抑制することができる。
シリコン基板400のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングすることによりシリコン基板400の上面に形成されているTEOS膜を除去する(図7b(f))。
次に、シリコン基板400の吐出室21となる凹部24等が形成された面に、プラズマCVDによりTEOS膜(絶縁膜26)を例えば厚さ0.1μmで形成する(図7b(g))。
その後、RIE(Reactive Ion Etching)等によって電極取り出し部29を開放する。また、電極基板3のインク供給孔34となる孔部からレーザ加工を施してシリコン基板400のリザーバ23となる凹部25の底部を貫通させ、インク供給孔34を形成する(図7b(h))。また、振動板22と個別電極31の間の電極間ギャップの開放端部をエポキシ樹脂等の封止材(図示せず)を充填することにより封止する。また、図1、図2に示すように共通電極28がスパッタによりシリコン基板400の上面(ノズルプレート1との接合側の面)の端部に形成される。
次に、シリコン基板400の吐出室21となる凹部24等が形成された面に、プラズマCVDによりTEOS膜(絶縁膜26)を例えば厚さ0.1μmで形成する(図7b(g))。
その後、RIE(Reactive Ion Etching)等によって電極取り出し部29を開放する。また、電極基板3のインク供給孔34となる孔部からレーザ加工を施してシリコン基板400のリザーバ23となる凹部25の底部を貫通させ、インク供給孔34を形成する(図7b(h))。また、振動板22と個別電極31の間の電極間ギャップの開放端部をエポキシ樹脂等の封止材(図示せず)を充填することにより封止する。また、図1、図2に示すように共通電極28がスパッタによりシリコン基板400の上面(ノズルプレート1との接合側の面)の端部に形成される。
以上により、電極基板3に接合した状態のシリコン基板400からキャビティプレート2が作製される。
そして最後に、このキャビティプレート2に、前述のように作製されたノズルプレート1を接着等により接合することにより、図2に示したインクジェットヘッド10の本体部が作製される。
そして最後に、このキャビティプレート2に、前述のように作製されたノズルプレート1を接着等により接合することにより、図2に示したインクジェットヘッド10の本体部が作製される。
本実施形態1のインクジェットヘッド10の製造方法によれば、キャビティプレート2を、予め作製された電極基板3に接合した状態のシリコン基板400から作製するものであるので、その電極基板3によりキャビティプレート2を支持した状態となるため、キャビティプレート2を薄板化しても、割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。したがって、キャビティプレート2を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。
また、上述のノズルプレートの製造方法を用いてインクジェットヘッド10を製造することにより、安定したインク吐出特性を有し、かつ高密度のインクジェットヘッド10を提供することができる。
実施形態2.
図8は、実施形態1に示すインクジェットヘッド10を搭載したインクジェットプリンタを示す斜視図である。
実施形態1に示すインクジェットヘッド10は、吐出特性が良く、また高密度化が可能なため、液滴の着弾位置の高精度化が可能で、安定した高品質の印字が可能なインクジェットプリンタ600を得ることができる。
なお実施の形態1に示すインクジェットヘッド10は、図8に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、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。
図8は、実施形態1に示すインクジェットヘッド10を搭載したインクジェットプリンタを示す斜視図である。
実施形態1に示すインクジェットヘッド10は、吐出特性が良く、また高密度化が可能なため、液滴の着弾位置の高精度化が可能で、安定した高品質の印字が可能なインクジェットプリンタ600を得ることができる。
なお実施の形態1に示すインクジェットヘッド10は、図8に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、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 ノズルプレート、1a ノズルプレート、2 キャビティプレート、3 電極基板、4 駆動制御回路、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、11a 第1のノズル孔、11b 第2のノズル孔、11c 第3のノズル孔、11d ノズル孔、11e 円筒状ノズル部分、11f テーパー状ノズル部分、12 凹部、13 オリフィス、14 ダイヤフラム部、21 吐出室、22 振動板、23 リザーバ、24 凹部、25 凹部、26 絶縁膜、27 封止材、28 共通電極、29 電極取り出し部、31 個別電極、31a リード部、31b 端子部、32 凹部、34 インク供給孔、34a 孔部、100 シリコン基板、101 フォトレジスト、101b レジストパターン、111b レジストパターン、121b レジストパターン、200 シリコン基板、201 SiO2 膜、202b レジスト、204 SiO2 膜、205b レジストパターン、207 SiO2 膜、208b レジストパターン、209 エッチングマスク、300 シリコン基板、302a 開口、302b フォトレジストパターン、400 シリコン基板、500 ガラス基板、600 インクジェットプリンタ。
Claims (8)
- 液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、
前記ノズル孔は、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が段階的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、
フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いて基板をエッチング除去する工程を少なくとも2回以上繰り返し行うことで前記テーパー状ノズル部分を形成することを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、
前記ノズル孔は、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が段階的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、
基板上に金属膜を形成し、その金属膜を、フォトリソグラフィー法によって形成したレジストエッチングマスクを用いてエッチング除去する工程を少なくとも3回以上繰り返し行って、表面側から基板側に行くに従って開口断面積が段階的に小さくなる開口を有するエッチングマスクを前記基板上に形成し、そのエッチングマスクを用いた1回の基板に対するエッチングにより前記テーパー状ノズル部分を形成することを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズルプレートの製造方法において、
前記ノズル孔は、吐出方向の先端側が円形の一定断面の円筒状ノズル部分で構成され、その後側が後方に向けて開口断面が連続的に大きくなるテーパー状ノズル部分で構成されており、
基板上に、テーパー状の開口を有するフォトレジストパターンを形成し、そのフォトレジストパターンをエッチングマスクとして前記基板をエッチングすることにより前記テーパー状ノズル部分を形成することを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 請求項1乃至請求項3の何れかに記載のノズルプレートの製造方法を用いて製造されたノズルプレート。
- 請求項1乃至請求項3の何れかに記載のノズルプレートの製造方法を用いて液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項5記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて製造された液滴吐出ヘッド。
- 請求項5記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて液滴吐出装置を製造することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
- 請求項5記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて製造された液滴吐出装置。
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