JP2009137257A - Inkjet head - Google Patents
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Abstract
Description
インクジェットヘッドに関し、詳しくは、インク滴を吐出する多数のノズルが配列されたノズル列がシリコン単結晶基板に形成されたノズルプレートの表面に、前記ノズルとは別にヘッド位置決め用の基準となるアライメントマークを凹設したインクジェットヘッドに関する。 More specifically, with respect to the inkjet head, an alignment mark serving as a reference for head positioning separately from the nozzle is formed on the surface of a nozzle plate in which a nozzle array in which a large number of nozzles for ejecting ink droplets are arranged is formed on a silicon single crystal substrate. The present invention relates to an ink jet head having a recess.
インクジェットヘッドは記録の高密度化を図るため、インクを吐出する多数のノズルからなるノズル列をノズルプレートに複数列設けたものが一般的であり、このノズル列の幅がインクジェットヘッドの記録幅となる。このため、ノズル列の幅を越える長尺幅の記録を行う場合、ベースプレート等に同一構造のヘッドを多数配列して、長尺な記録幅を持つフルライン型のインクジェットヘッドを構成するようにしている。 In order to increase the recording density of an ink jet head, a plurality of nozzle rows each having a plurality of nozzles for ejecting ink are provided on a nozzle plate. The width of the nozzle row is equal to the recording width of the ink jet head. Become. For this reason, when recording with a long width exceeding the width of the nozzle array, a large number of heads having the same structure are arranged on a base plate or the like so as to constitute a full line type ink jet head having a long recording width. Yes.
このようにフルライン型のインクジェットヘッドを構成する場合、記録幅一杯に亘って高精度の記録を行うため、各ヘッド間でのノズルピッチが記録幅全体に亘って等ピッチとなるように、各ヘッドのXY方向の位置及び角度を微調整し、各ヘッド相互間の組み付け位置の関係を厳密に決める必要がある。 When configuring a full-line type ink jet head in this way, in order to perform high-precision recording over the full recording width, each nozzle pitch between the heads is equal to the entire recording width. It is necessary to finely adjust the position and angle of the heads in the XY directions, and to strictly determine the relationship of the assembly positions between the heads.
従来、このようなヘッドの組み付け位置の微調整を行うため、ノズルプレート表面に位置決めの基準となるアライメントマークを凹設したインクジェットヘッドが知られている(特許文献1)。 Conventionally, an ink jet head in which an alignment mark serving as a positioning reference is provided on the surface of a nozzle plate in order to finely adjust the assembly position of such a head is known (Patent Document 1).
このインクジェットヘッドは、ノズルプレート表面に開口する最外端の2つのノズルの近傍に、レーザーエッチング等によってアライメントマークを凹設したものである。各アライメントマークはノズルに対して位置保障されているため、このアライメントマークを画像認識することにより、ヘッド組み付け位置の微調整を行う際の基準とすることができる。
近年、インクジェットヘッドに対する高精細化の要求は高く、吐出されるインク滴の大きさがますます小さくなり、従来では直径20μm程度のノズル径が、今では5μm程度にまで微細化してきている。このような極めて微細なノズルを高密度に形成するには、ノズルプレートにシリコン単結晶基板を使用し、これに半導体集積回路の製造技術を利用して加工形成する方法が一般に用いられている。 In recent years, there has been a high demand for high-definition ink jet heads, and the size of ejected ink droplets has become smaller. Conventionally, a nozzle diameter of about 20 μm has been reduced to about 5 μm. In order to form such extremely fine nozzles with a high density, a method is generally used in which a silicon single crystal substrate is used for the nozzle plate, and this is processed using a semiconductor integrated circuit manufacturing technique.
なお、シリコン単結晶基板を用いてノズルを加工形成したインクジェットヘッドには、シリコン単結晶基板にノズルのみならず、ノズルに連通するインク室等を一体に加工形成して流路基板を構成したものもあるが、本明細書においては、基板に少なくともインク滴を吐出するためのノズルが形成されていれば、その基板を全てノズルプレートと定義することにする。 In addition, in an inkjet head in which nozzles are processed and formed using a silicon single crystal substrate, not only nozzles but also ink chambers that communicate with the nozzles are integrally processed and formed on the silicon single crystal substrate to form a flow path substrate. However, in this specification, if at least nozzles for ejecting ink droplets are formed on a substrate, the substrate is defined as a nozzle plate.
ここで、このようなノズルプレートを有するインクジェットヘッドにおいて、ノズルプレートにアライメントマークを形成し、これを画像認識することで組み付け位置の微調整を行うようにすると、シリコン単結晶基板は高い光反射率を有しているためにアライメントマークの識別が困難となる問題が生じる。 Here, in an inkjet head having such a nozzle plate, if an alignment mark is formed on the nozzle plate and the assembly position is finely adjusted by recognizing the image, the silicon single crystal substrate has a high light reflectance. This causes a problem that it is difficult to identify the alignment mark.
この場合、アライメントマークの大きさを極端に大きくしたり、凹設深さを深くして反射光の距離減衰を大きくしたりすることで識別し易くすることも考えられるが、前者のようにアライメントマークを大きくしすぎると、画像認識時の誤差が大きくなってしまい、精密な位置調整を行うことができなくなる問題がある。また、後者のようにアライメントマークの凹設深さを深くすることは、ノズルプレートの厚みに限界があるために難しい問題がある。特に、高精細な記録のためにインク滴の微小化を図るには、ノズル径の小径化に加えてノズルの吐出方向の長さを短く形成する必要があり、このためにノズルプレートの厚みは極めて薄くなっている。従って、ノズルプレートに反射光の大きな距離減衰を生じさせる程に深い凹部を形成することは現実的には極めて困難な問題である。 In this case, the size of the alignment mark can be made extremely large, or the concave depth can be increased to increase the distance attenuation of the reflected light. If the mark is too large, an error during image recognition becomes large, and there is a problem that precise position adjustment cannot be performed. Further, increasing the recessed depth of the alignment mark as in the latter case is difficult because the nozzle plate has a limited thickness. In particular, in order to reduce the size of ink droplets for high-definition recording, it is necessary to reduce the nozzle diameter in addition to reducing the length of the nozzle in the ejection direction. It is extremely thin. Therefore, in reality, it is extremely difficult to form a recess that is deep enough to cause a large distance attenuation of the reflected light in the nozzle plate.
本発明は、このような従来事情に鑑みてなされたものであり、シリコン単結晶基板からなるノズルプレート表面のアライメントマークが画像認識時に容易に識別可能なインクジェットヘッドを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such conventional circumstances, and an object of the present invention is to provide an inkjet head in which an alignment mark on the surface of a nozzle plate made of a silicon single crystal substrate can be easily identified during image recognition.
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。 Other problems of the present invention will become apparent from the following description.
上記課題は、以下の各発明によって解決される。 The above problems are solved by the following inventions.
請求項1記載の発明は、インク滴を吐出する多数のノズルが配列されたノズル列を有するシリコン単結晶基板からなるノズルプレートの表面に、位置決め用のアライメントマークを凹設したインクジェットヘッドであって、前記アライメントマークの底面を粗面に形成したことを特徴とするインクジェットヘッドである。
The invention according to
請求項2記載の発明は、前記アライメントマーク外の前記ノズルプレート表面の反射光量に対する前記アライメントマークの底面の反射光量の比が50%以下であることを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッドである。 According to a second aspect of the present invention, in the inkjet head according to the first aspect, a ratio of a reflected light amount on the bottom surface of the alignment mark to a reflected light amount on the surface of the nozzle plate outside the alignment mark is 50% or less. is there.
請求項3記載の発明は、前記アライメントマークの底面に、周期100〜400nm、高さ100〜1000nmの多数の柱状の構造体を形成したことを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッドである。 A third aspect of the present invention is the ink jet head according to the first or second aspect, wherein a number of columnar structures having a period of 100 to 400 nm and a height of 100 to 1000 nm are formed on the bottom surface of the alignment mark. is there.
請求項4記載の発明は、前記アライメントマークの底面に、周期1〜20μm、高さ1〜5μmの連続する断面鋸刃状の構造体を形成したことを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッドである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a continuous sawtooth structure having a period of 1 to 20 μm and a height of 1 to 5 μm on the bottom surface of the alignment mark. It is an inkjet head.
請求項5記載の発明は、前記アライメントマークは、その幾何重心位置が前記ノズル列の延長線上に配置されると共に、前記ノズル列を間に挟むように2つ設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のインクジェットヘッドである。
The invention according to
請求項6記載の発明は、前記ノズルプレートに前記ノズル列が複数列形成されており、前記ノズル列毎に前記アライメントマークを2つずつ配置したことを特徴とする請求項5記載のインクジェットヘッドである。 A sixth aspect of the present invention is the inkjet head according to the fifth aspect, wherein a plurality of the nozzle rows are formed on the nozzle plate, and two alignment marks are arranged for each nozzle row. is there.
本発明によれば、シリコン単結晶基板からなるノズルプレート表面のアライメントマークが画像認識時に容易に識別可能なインクジェットヘッドを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an inkjet head in which an alignment mark on the surface of a nozzle plate made of a silicon single crystal substrate can be easily identified during image recognition.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に係るインクジェットヘッドをノズルプレートの表面側から見た平面図、図2は本発明に係るインクジェットヘッドの部分断面図である。 FIG. 1 is a plan view of an ink jet head according to the present invention as viewed from the surface side of a nozzle plate, and FIG. 2 is a partial sectional view of the ink jet head according to the present invention.
このインクジェットヘッド10は、ノズルプレート1、ガラスプレート2及びボディープレート3が接合された積層体によって構成されている。
The
ノズルプレート1は、厚みが200〜500μmのシリコン単結晶基板からなり、インクジェットヘッド10のインク吐出側の面に設けられている。その表面には、ドライエッチングによって貫通形成されたノズル11が開口しており、多数のノズル11が図1中の左右方向に配列されてノズル列を構成している。ここでは上下に2列のノズル列が平行に設けられているが、ノズル列の数は何ら限定されない。
The
ノズルプレート1の上面には、厚みが100〜300μmのガラスプレート2が接合されている。ガラスプレート2には、ノズルプレート1の各ノズル11に対応する位置に、ノズル11よりも大径のインク流路孔21が貫通形成されている。また、ガラスプレート2の更に上面にはボディープレート3が接合されている。ボディープレート3は、厚みが200〜500μmのシリコン単結晶基板からなり、多数のインク室31がガラスプレート2との接合面側から凹設されることによって形成されている。各インク室31はガラスプレート2に形成されたインク流路孔21の各々に対応するように設けられており、その背面側に圧力発生手段としての電気機械変換素子であるピエゾ素子4がそれぞれ接着されている。
A glass plate 2 having a thickness of 100 to 300 μm is bonded to the upper surface of the
このインクジェットヘッド10では、ピエゾ素子4に所定の電圧を印加することにより電気機械変換作用によってインク室31の底面(振動板)を変形変位させ、インク室31内の容積を変化させることで、インク室31内のインクに吐出エネルギーを付与する。インク室31内のインクは、この吐出エネルギーによってインク流路孔21を介してノズル11からインク滴aとして吐出される。しかし、本発明においてインク滴aを吐出する機構は、何らこのようなものに限定されず、例えばインク室内に配設した発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用い、インクの沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるもの等でもよい。
In the
アライメントマーク5は、ノズルプレート1の表面(インク吐出側の面)に凹設されている。アライメントマーク5は、同一構成のインクジェットヘッド10を多数個用いて長尺なフルライン型のインクジェットヘッドを構成する場合に、各ヘッド間でのノズルピッチが記録幅全体に亘って等ピッチとなるように、画像認識装置を用いることによって各ヘッドのXY方向の位置及び角度を微調整する際の基準とするためのマークであり、例えばノズル列の最外端のノズル11との位置関係が厳密に規定されている。
The
このアライメントマーク5は平面視で円形に形成されており、ノズルプレート1の表面における一方のノズル列の列方向両端に、該ノズル列を間に挟むように、それぞれ1つずつ配置されている。アライメントマーク5の幾何重心位置は、ノズル列の延長線A上に位置している。
The
このようにアライメントマーク5を配置することで、アライメントマーク5によってノズル列位置を識別し易くなり、フルライン型ヘッドを構成する際に、隣接するヘッド間でノズル列が同一直線状に配列するように位置調整することが容易となる。
By arranging the
また、2つのアライメントマーク5、5間の幅W1は、ノズルプレート1に形成されている全てのノズル11の存在幅W2よりも大きくなるため、フルライン型ヘッドを構成する際のヘッドの角度調整もとり易くなる。
Further, since the width W1 between the two
アライメントマーク5の直径は10〜50μmであることが好ましい。直径が10μmよりも小さいと、アライメントマーク5を画像認識する際にレンズ倍率を上げなくてはならなくなり、アライメントマーク5を探索するのに手間がかかって作業性が悪くなる。また、50μmを越えると、画像認識時の分解能が得られにくくなり、微調整する際の基準位置を取りにくくなる。より好ましくは20〜40μmとすることである。特に、ノズル11の吐出側開口端の径が5μm程度の極めて微細なものである場合、ノズル11そのものを画像認識してヘッドの位置決めを行うことが極めて困難であるため、このようなアライメントマーク5を設けることの効果が顕著に得られる。
The diameter of the
アライメントマーク5の凹設深さは、0.1〜5μmとすることが好ましい。0.1μmよりも浅いと、その底面を後述するように粗面に形成する際の粗面付与加工が難しくなる。また、5μmよりも深くなると、深さ方向への加工誤差によるエッジぼけが目立つようなる。
The recessed depth of the
アライメントマーク5の底面51は粗面に形成されている。このノズルプレート1はシリコン単結晶基板からなるため、アライメントマーク5以外のノズルプレート1の表面は平滑な鏡面に仕上げられているので、アライメントマーク5の底面51が粗面であることにより、ノズルプレート1を平面視した場合の光反射率が、アライメントマーク5の底面とそれ以外のノズルプレート1の表面とで異なることになる。これにより、ノズルプレート1の表面を画像認識した場合にアライメントマーク5を容易に識別することができる。
The
アライメントマーク5の識別をより容易とするためには、アライメントマーク5の外のノズルプレート1の表面の反射光量に対するアライメントマーク5の底面51の反射光量の比が50%以下であることが好ましい。
In order to make the
かかるアライメントマーク5の形成方法の一例について図3を用いて説明する。
An example of a method for forming the
まず、ノズルプレート1となるシリコン単結晶基板の表面に、エッチング時のマスクとなるフォトレジスト6を被覆形成する(図3(A))。このフォトレジスト6の厚みは、ノズルプレート1となるシリコン単結晶基板と同等の厚みとされる。
First, a photoresist 6 serving as a mask during etching is formed on the surface of a silicon single crystal substrate serving as the nozzle plate 1 (FIG. 3A). The thickness of the photoresist 6 is the same as that of the silicon single crystal substrate used as the
このフォトレジスト6に、ノズル11を形成するためのノズル開口パターン61とアライメントマーク5を形成するためのマーク形成パターン62とを露光、現像により形成する(図3(B))。
A
ノズル開口パターン61は、ドライエッチングによってシリコン単結晶基板からなるノズルプレート1を貫通する孔を形成するものであり、形成すべきノズル11と同一の開口径でノズルプレート1が露出するように開口形成する。また、マーク形成パターン62は、ドライエッチングによってノズルプレート1の表面から所定深さの凹部を形成するものであり、フォトレジスト6の表面から、形成すべきアライメントマーク5と同一の開口径及び深さで凹設する。
The
このとき、マーク形成パターン62の底面63には、アライメントマーク5の底面51を粗面とするための工夫を講じておく。具体的には、アライメントマーク5の底面51に、周期100〜400nm、高さ100〜1000nmの多数の柱状の構造体を形成することが好ましい。周期及び高さがこれらの値より下回っても上回っても反射防止効果は得られにくくなる。また、高さが1000nmよりも高くなると加工が困難となる。
At this time, the
図4(A)は、底面51に形成した多数の柱状の構造体51aの断面図である。柱状の構造体としては、円柱や角柱が挙げられるが、中でも反射率低減効果が良好である点で周期100〜400nmの円柱構造が好ましい。
FIG. 4A is a cross-sectional view of a large number of
また、この他に、アライメントマーク5の底面51に、周期1〜20μm、高さ1〜5μmの連続する断面鋸刃状の構造体を形成することも好ましい。図4(B)は、底面51に形成した連続する断面鋸刃状の構造体51bの断面図を示している。
In addition to this, it is also preferable to form a continuous sawtooth structure having a period of 1 to 20 μm and a height of 1 to 5 μm on the
更に、図示しないが多数の円錐、角錐等からなる錐状の構造体とすることもできる。 Furthermore, although not shown, a cone-shaped structure made up of a large number of cones, pyramids, and the like may be used.
アライメントマーク5の底面51を粗面とするためのこれらの構造体をマーク形成パターン62の底面63に形成するには、一般的な半導体パターニング技術を用いることができ、フォトレジスト6のマーク形成パターン62の底面63に対して、露光もしくは電子線直接描画によるパターニングを行い、パターン潜像を現像することによって形成することができる。
In order to form these structures for roughening the
フォトレジスト6にこのようなノズル開口パターン61及び粗面のための工夫を施したマーク形成パターン62を形成した後、このフォトレジスト6の側から異方性ドライエッチングを行い、ノズル開口パターン61の部位のノズルプレート1にノズル11を貫通形成する。このとき、マーク形成パターン62の部位のノズルプレート11は、マーク形成パターン62が凹設形成されている程度であるため、ノズルプレート11を貫通せずにノズルプレート11の表面にアライメントマーク5を凹設する。凹設されたアライメントマーク5の底面51には、マーク形成パターン62の底面63に形成されていた粗面形状がそのまま転写される。
After forming such a
このように本発明においては、アライメントマーク5をシリコン単結晶基板からなるノズルプレート1に対して、半導体集積回路の製造技術を利用して、ノズル11を形成する工程と同一工程で形成することができるため、これらを別工程で形成する場合に比べて、アライメントマーク5とノズル11との位置関係を確実に保障することができる。
As described above, in the present invention, the
かかるインクジェットヘッド10は、図5に示すように、ベースプレート7の長さ方向に例えば千鳥状となるように多数個組み付けられ、これによってフルライン型のインクジェットヘッド100が構成される。この組み付けの際、各インクジェットヘッド10のノズルプレート1の表面に形成されたアライメントマーク5を画像認識により識別し、このアライメントマーク5を基準にして、X方向位置、Y方向位置及び傾斜角度θをそれぞれ微調整することで、各ヘッド10間でのノズルピッチが記録幅全体に亘って等ピッチとなるように、各ヘッド10相互間の組み付け位置が決定される。
As shown in FIG. 5, a large number of such inkjet heads 10 are assembled in the length direction of the
なお、図1では、ノズルプレート1の表面に複数列形成されたノズル列のうちの一つのノズル列のみにアライメントマーク5を配置したが、図6に示すように、アライメントマーク5は、複数のノズル列のそれぞれに配置してもよい。すなわち、ここでは2列のノズル列の各々の列方向両端に、それぞれノズル列を間に挟むように1つずつのアライメントマーク5A、5Aと5B、5Bとを配置している。アライメントマーク5Aの幾何重心位置は、図示上側のノズル列の延長線A上に位置し、アライメントマーク5Bの幾何重心位置は、図示下側のノズル列の延長線B上に位置している。
In FIG. 1, the
このように複数の各ノズル列にそれぞれ2つのアライメントマーク5を配置すると、アライメントマーク5Aと5Bとの位置関係は、そのままノズル列間の位置関係となるため、画像認識によって各アライメントマーク5A、5Bの距離を認識することで、ノズル列間の距離を簡単に識別することができる。これにより、ノズル列間のインク吐出タイミングを、実際にインクを吐出することなく調整することができるようになる。
When the two
1:ノズルプレート
11:ノズル
2:ガラスプレート
21:インク流路孔
3:ボディープレート
31:インク室
4:ピエゾ素子
5、5A、5B:アライメントマーク
51:底面
51a:柱状の構造体
51b:連続する断面鋸刃状の構造体
6:フォトレジスト
61:ノズル開口パターン
62:マーク形成パターン
63:底面
7:ベースプレート
10:インクジェットヘッド
100:フルライン型インクジェットヘッド
a:インク滴
1: Nozzle plate 11: Nozzle 2: Glass plate 21: Ink channel hole 3: Body plate 31: Ink chamber 4:
Claims (6)
前記アライメントマークの底面を粗面に形成したことを特徴とするインクジェットヘッド。 An inkjet head in which alignment marks for positioning are recessed on the surface of a nozzle plate made of a silicon single crystal substrate having a nozzle row in which a large number of nozzles for discharging ink droplets are arranged,
An inkjet head characterized in that the bottom surface of the alignment mark is a rough surface.
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