JP2005074635A - ノズルプレートおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1のノズル孔11aを有し、流体吐出側に配される薄層の第1のノズル層1と、該第1のノズル層1の流体供給側に積層され、第1のノズル層1よりも厚層で、かつ上記第1のノズル孔11aと連通すると共に第1のノズル孔11aとでノズル孔11を構成する第2のノズル孔11bを有する第2のノズル層2を備え、第1のノズル孔11aの内壁に成膜された第1の電極層25と、第2のノズル孔11bの内壁に成膜された第2の電極層26とが電気的に接続されている。
【選択図】 図7
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク等の流体を吐出する流体吐出ヘッドに用いるノズルプレートに関し、さらに詳しくは流体を帯電させて静電吸引することで、対象物上に流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置に用いるノズルプレート関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、インク等の流体を対象物(記録媒体)上に吐出する流体ジェット方式には、種々の方式がある。ここでは、流体としてインクを用いたインクジェット方式について説明する。
【0003】
オンデマンドタイプのインクジェット方式としては、圧電現象を利用したピエゾ方式、インクの膜沸騰現象を利用したサーマル方式、静電気現象を利用した静電吸引方式等が開発されており、特に近年、高解像度のインクジェット方式の要求が強くなっている。高解像度のインクジェット記録を実現するには、吐出したインク液滴の微小化が不可欠である。
【0004】
ここで、ノズルから吐出したインク液滴が記録媒体に着弾するまでの挙動は、
ρink・(4/3・π・d3)・dv/dt = − Cd・(1/2・ρair・v2)・(π・d2/4)・・・・・(1)
で示される運動方程式((1)式)によって表すことができる。
【0005】
上記ρinkはインクの体積密度、vは液滴速度、Cdは抗力係数、ρairは空気の密度、dはインク液滴半径であり、Cdは、
Cd = 24/Re・(1+3/16・Re0.62) ・・・・・・・・・・(2)
で示される(2)式によって表すことができる。
【0006】
上記Reはレイノルズ数であり、ηを空気の粘度として、
Re = 2・d・ρink・ v/η ・・・・・・・・・・・・・(3)
で示される(3)式によって表すことができる。
【0007】
上記(1)式の左辺のインク液滴の運動エネルギーにかかる液滴半径の影響の方が、空気の粘性抵抗にかかる液滴半径の影響より大きい。このため、同一速度の場合、液滴が小さくなればなるほど液滴速度の減速が早く、所定の距離離れた記録媒体に到達できないか、到達しても着弾精度が悪いことになってしまう。
【0008】
これを防ぐには、液滴の吐出初速度を大きくする、すなわち単位体積当たりの吐出エネルギーを大きくする必要がある。
【0009】
しかしながら、従来のピエゾ方式及びサーマル方式のインクジェットヘッドでは、吐出液滴の微少化すなわち吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーを大きくした場合に以下に示す問題点を有し、吐出液滴量1pl以下、すなわち液滴の直径(以下、液滴径と称する)をφ10μm以下にすることが特に難しかった。
【0010】
問題点1:ピエゾ方式のインクジェットヘッドの吐出エネルギーは、駆動する圧電素子の変位量及び発生圧力と関わっている。この圧電素子の変位量は、インク吐出量、すなわちインク液滴サイズと密接に関わり、液滴サイズを小さくするためには変位量も小さくする必要があり、吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーの向上が困難であること。
【0011】
問題点2:サーマル方式のインクジェットヘッドでは、インクの膜沸騰現象を利用しているため、バブル形成時の圧力は物理的な限界があり加熱素子の面積によりほぼ吐出エネルギーは定まってしまう。この加熱素子の面積は、発生バブルの体積、すなわちインク吐出量とほぼ比例する。このため、インク液滴サイズを小さくすれば、発生バブルの体積が小さくなり、吐出エネルギーは小さくなるので、インクの吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーの向上が困難であること。
【0012】
問題点3:ピエゾ方式及びサーマル方式とも駆動(加熱)素子の駆動量が吐出量に密接に関わるため、特に微少な液滴サイズを吐出する場合、そのバラツキを抑えることが非常に難しいこと。
【0013】
そこで、上記の各問題点を解消するための方式として、静電吸引方式による微小液滴の吐出方法の開発が行われている。
【0014】
静電吸引方式では、ノズルから吐出したインク液滴の運動方程式は、以下の(4)式で示される。
【0015】
ρink・(4/3・π・d3)・dv/dt = q・E− Cd・(1/2・ρair・v2)・(π・d2/4)・・・・・(4)
ここで、qは液滴の電荷量、Eは周囲の電界強度である。
【0016】
上記(4)式から、静電吸引方式では、吐出された液滴は、吐出エネルギーとは別に、飛翔中にも静電力を受けるため、単位体積当たりの吐出エネルギーを軽減でき、微小液滴の吐出への適用が可能となる。
【0017】
このような静電吸引方式のインクジェット装置(以下、静電吸引型インクジェット装置と称する)として、例えば特許文献1には、ノズルより内部に電圧印加用の電極を設けたインクジェット装置が開示されている。また、特許文献2には、ノズルをスリットとして、ノズルより突出した針電極を設け微粒子を含むインクを吐出するインクジェット装置が開示されている。
【0018】
上記特許文献1に開示されたインクジェット装置について、図17を参照しながら以下に説明する。図17は、インクジェット装置の断面模式図である。
【0019】
図において、101はインク噴射室、102はインク、103はインク室、104はノズル孔、105はインクタンク、106はインク供給路、107は回転ローラー、108は記録媒体、110は制御素子部、111はプロセス制御部を示している。
【0020】
さらに、114はインク噴射室101のインク室103側に配設された静電界印加用電極部、115は回転ローラー107に設置された金属ドラムである対向電極部、116は対向電極部115に数千Vの負電圧を印加するバイアス電源部である。117は静電界印加用電極部114に数百Vの高電圧を供給する高圧電源部、118は接地部である。
【0021】
ここで、静電界印加用電極部114と対向電極部115との間において、対向電極部115に印加されている数千Vの負電圧のバイアス電源部116と数百Vの高圧電源部117の高圧電圧とが重畳されて、重畳電界が形成されており、この重畳電界によってインク102のノズル孔104からの吐出が制御されている。
【0022】
また、119は対向電極部115に印加された数千Vのバイアス電圧によってノズル孔104に形成される凸状のメニスカスである。
【0023】
以上のように構成された静電吸引方式のインクジェット装置の動作について、以下に説明する。
【0024】
まず、インク102は、毛細管現象により、インク供給路106を伝わって、インク102を吐出するノズル孔104まで移送される。このとき、ノズル孔104に対向して、記録媒体108を装着した対向電極部115が配置されている。
【0025】
ノズル孔104まで達したインク102は、対向電極部115に印加された数千Vのバイアス電圧によって凸状のインクメニスカス119が形成される。インク室103内に配設された静電界印加用電極部114に数百Vの高圧電源部117から信号電圧を印加することで対向電極部115に印加されたバイアス電源部116からの電圧とが重畳され、重畳電界によってインク102は記録媒体108に吐出され、印字画像が形成される。
【0026】
上記特許文献1に開示されたインクジェット装置における液滴の飛翔までのメニスカスの挙動を、図18(a)〜図18(c)を参照しながら以下に説明する。
【0027】
駆動電圧を印加する前は、図18(a)に示すように、インクに加えられているバイアス電圧による静電力とインクの表面張力の釣り合いにより、インク表面に盛り上がったメニスカス119aが形成された状態となっている。
【0028】
上記の状態で駆動電圧を印加すると、図18(b)に示すように、メニスカス119bは、液表面に発生した電荷が液面の盛り上がりの中心に寄り初め、それにより液面の盛り上がりの中心が高くなったメニスカス119bが形成される。
【0029】
その後、駆動電圧を印加し続けると、図18(c)に示すように、液表面に発生した電荷が更に中心に集中することによりテーラーコーンとよばれる半月状のメニスカス119cが形成され、該テーラーコーンの頂部に集中した電荷量による静電力がインクの表面張力を超えた段階で液滴の分離が行われ吐出される。
【0030】
次に、上記特許文献2に開示されたインクジェット装置について、図19を参照しながら以下に説明する。図19は、インクジェット装置の概略構成図である。
【0031】
本インクジェット装置の保持部材内部には、図に示すように、インクジェットヘッドとして低誘電体材料(アクリル樹脂、セラミックス等)で形成されたライン型の記録ヘッド211、該記録ヘッド211のインク吐出孔に対向するように配置された金属または高誘電体製の対向電極210、非導電性のインク媒体に帯電顔料粒子を分散させたインクを蓄えておくためのインクタンク212、インクタンク212と記録ヘッド211との間でインクを循環させるインク循環系(ポンプ214a,214b、パイプ215a,215b)、記録画像の1画素を形成するインク液滴を引くためのパルス電圧を各吐出電極211aにそれぞれ印加するパルス電圧発生装置213、画像データに応じてパルス電圧発生装置213を制御する駆動回路(図示せず)、記録ヘッド211と対向電極210との間に設けられた間隙に記録媒体230を通過させる記録媒体搬送機構(図示せず)、装置全体を制御するコントローラ(図示せず)等が収容されている。
【0032】
上記インク循環系は、記録ヘッド211とインクタンク212との間をつなぐ2本のパイプ215a・215b、コントローラの制御によって駆動される2台のポンプ214a・214bによって構成されている。
【0033】
そして、上記インク循環系は、記録ヘッド211にインクを供給するためのインク供給系と、記録ヘッド211からインクを回収するためのインク回収系とに分けられている。
【0034】
インク供給系では、インクタンク212内からインクがポンプ214aで吸い上げられ、それがパイプ215aを介して記録ヘッド211のインク供給部へと圧送される。一方、インク回収系では、記録ヘッド211のインク回収部からインクがポンプ215bで吸引され、それがパイプ215bを介してインクタンク212へと強制的に回収される。
【0035】
また、上記記録ヘッド211には、図20に示すように、インク供給系のパイプ215aから送り込まれたインクをライン幅に広げるインク供給部220a、インク供給部220aからのインクを山形に導くインク流路221、インク流路221とインク回収系のパイプ215bとをつなぐインク回収部220b、インク流路221の頂上部を対向電極210側に開放する適当な幅(約0.2mm)のスリット状インク吐出孔222、所定のピッチ(約0.2mm)でインク吐出孔222内に配列された複数の吐出電極211a、各吐出電極211aの両側および上面にそれぞれ配置された低誘電体製(例えば、セラミック製)の仕切り壁223が設けられている。
【0036】
上記各吐出電極211aは、それぞれ、銅、ニッケル等の金属で形成され、その表面には、濡れ性のよい顔料付着防止用低誘電体膜(例えば、ポリイミド膜)が形成されている。また、各吐出電極211aの先端は、三角錐形状に成形されており、それぞれが適当な長さ(70μm〜80μm)だけインク吐出孔222から対向電極210側に向かって突出している。
【0037】
上述した図示しない駆動回路が、コントローラの制御に応じて、制御信号を、画像データに含まれている階調データに応じた時間だけパルス電圧発生装置213に与えると、パルス電圧発生装置213は、その制御信号の種類に応じたパルストップのパルスVpをバイアス電圧Vbにのせた高電圧信号をバイアス電圧Vbに重畳して出力するようになっている。
【0038】
そして、コントローラは、画像データが転送されてくると、インク循環系の2台のポンプ214a,214bを駆動する。これにより、インク供給部220aからインクが圧送されると共にインク回収部220bが負圧となり、インク流路221を流れているインクが、各仕切り壁223の隙間を毛細管現象で這い上がり、各吐出電極211aの先端にまで濡れ広がる。このとき各吐出電極211aの先端付近のインク液面には負圧がかかっているため、各吐出電極211aの先端には、それぞれ、インクメニスカスが形成される。
【0039】
さらに、コントローラによって、記録媒体搬送機構が制御されることで、図中矢印にて示す所定の方向に記録媒体230が送られる共に、駆動回路を制御することによって、吐出電極211aとの間に前述の高電圧信号が印加される。
【0040】
上記特許文献2に開示されたインクジェット装置における液滴の飛翔までのメニスカスの挙動を、図21〜図24を参照しながら以下に説明する。
【0041】
図21に示すように、パルス電圧発生装置213からのパルス電圧が記録ヘッド211内の吐出電極211aに印加されると、吐出電極211a側から対向電極210側に向かう電場が発生する。ここでは、先端の鋭利な吐出電極211aを用いているため、その先端付近に最も強い電場が発生している。
【0042】
このような電場が発生すると、図22に示すように、インク溶媒中の個々の帯電顔料粒子201aは、それぞれ、この電場から及ぼされる力fE(図21)によってインク液面に向かって移動する。これにより、インク液面付近の顔料濃度が濃縮される。
【0043】
このように顔料濃度が濃縮されると、図23に示すように、インク液面付近に複数の帯電顔料粒子201aが、電極の反対側によせられて凝集しはじめる。そして、インク液面付近に顔料凝集体201が球状に成長しはじめると、個々の帯電顔料粒子201aには、それぞれ、この顔料凝集体201からの静電反発力fconが作用しはじめる。すなわち、個々の帯電顔料粒子201aには、それぞれ、顔料凝集体201からの静電反発力fconと、パルス電圧による電場Eからの力fEとの合力ftotalが作用する。
【0044】
したがって、帯電顔料粒子間の静電反発力が互いの凝集力を超えない範囲内においては、顔料凝集体201に向いた合力ftotalが作用する帯電顔料粒子201a(吐出電極211aの先端と顔料凝集体201の中心とを結ぶ直線上にある帯電顔料粒子201a)に電界から及ぼされる力fEが、顔料凝集体201からの静電反発力fconを上回れば(fE≧fcon)、帯電顔料粒子201aは顔料凝集体201に成長する。
【0045】
n個の帯電顔料粒子201aから形成された顔料凝集体201は、パルス電圧による電場Eから静電反発力FEを受ける一方で、インク溶媒から拘束力Fescを受けている。静電反発力FEと拘束力Fescとが釣り合うと、顔料凝集体201は、インク液面からやや突出した状態で安定する。
【0046】
さらに、顔料凝集体201が成長し、静電反発力FEが拘束力Fescを上回ると、図24(a)〜図24(c)に示すように、顔料凝集体201は、インク液面200aから脱出する。
【0047】
ところで、従来の静電吸引方式の原理では、メニスカスの中心に電荷を集中させてメニスカスの隆起を発生する。この隆起したテーラーコーン先端部の曲率半径は、電荷の集中量により定まり、集中した電荷量と電界強度による静電力がそのときメニスカスの表面張力より勝った時に液滴の分離が始まる。
【0048】
メニスカスの最大電荷量は、インクの物性値とメニスカスの曲率半径により定まるため、最小の液滴のサイズはインクの物性値(特に表面張力)とメニスカス部に形成される電界強度により定まる。
【0049】
一般的に、液体の表面張力は純粋な溶媒よりも溶剤を含んだ方が表面張力は低くなる傾向があり、実際のインクにおいても種々の溶剤を含んでいるため、表面張力を高くすることは難しい。このため、インクの表面張力を一定と考え、電界強度を高くすることにより液滴サイズを小さくする方法がとられている。
【0050】
【特許文献1】
特開平8−238774号公報(1996年9月17日公開)
【0051】
【特許文献2】
特開2000−127410号公報(2000年5月9日公開)
【0052】
【特許文献3】
特開昭58−31757号公報(1983年2月24日公開)
【0053】
【特許文献4】
特開平10−175305号公報(1998年6月30日公開)
【0054】
【特許文献5】
特開平11−42784号公報(1999年2月16日公開)
【0055】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、従来の静電吸引方式では、電界強度を高くすることにより液滴サイズを小さくする方法がとられているが、上記の特許文献1、2に開示されたインクジェット装置では、両者とも吐出原理として、吐出液滴の投影面積よりはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、2000Vに近い非常に高い電圧を印加する必要がある。その結果、駆動制御が難しいとともに、インクジェット装置を操作するうえでの安全性の面からも問題がある。
【0056】
このような課題に鑑みて鋭意検討の結果、本願発明者らは、あるノズル径以下では、従来の流体吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こり、インクが吐出される部分(吐出開始部)の幅あるいは径を小さくすることで、高電圧を印加することなく電界強度を高めることができることを突き止めた。
【0057】
ここで、図25(a)(b)を用いて、静電吸引型の微量流体吐出の基本特性、特にノズル先端のメニスカスに蓄積された電荷による表面電位について考察する。
【0058】
まず初めに、図25(a)に示すように、静電吸引型流体吐出装置の単純構成をモデル化する。単純モデルでは、先の尖ったノズル250の内部に駆動電極251が設置されており、吐出材料252はノズル内部全体に充填されている。そして、ノズル先端面に対向して基板254が配置され、背面電極255により接地されている。
【0059】
このような単純構成モデルの場合、電源256から流出した電荷がノズル250内部の吐出材料である流体252内部を通過して、ノズル先端で静電容量をもったメニスカス257上で基板254に対向すると考えられるため、図25(b)に示すような、電源電圧V0とノズル内部の電気抵抗R、メニスカス257と基板254との間の静電容量Cの直列回路と仮定することができる。
【0060】
V0RCの直列回路では、メニスカス257上での蓄積電荷Q(t)を用いて以下のように表すことができる。
【0061】
R dQ(t)/dt + Q(t) / C =V0 ・・・・・・(5)
この(5)式の微分方程式を解くとメニスカス表面の蓄積電荷Q(t)及びメニスカス表面電位V(t)は以下のように表すことができる。
【0062】
Q(t) =C V0〔1−exp(−t/ RC)〕・・・・・(6)
V(t) = V0〔1−exp(−t/ RC)〕・・・・・・(7)
上記のように、ある時刻tにおけるメニスカス表面の蓄積電荷Q(t)及びメニスカス表面電位V(t)は、ノズル250内部の電気抵抗Rとメニスカス257と基板254間の静電容量Cに依存していることがわかる。すなわち、このような構成の静電吸引型流体吐出装置においては、ノズル250内部の電気抵抗Rを小さくすることで、メニスカス257表面に電荷が蓄積されやすくなり、流体252の吐出までに要する時間を短縮することができる。つまり、吐出周波数を向上することができ、高速描画が可能となる。
【0063】
上記ノズル250内部の電気抵抗Rを低減する具体的な施策として、駆動電極251をできるだけノズル250の先端に近接させることが望ましい。
【0064】
特許文献4には、静電吸引型インクジェットノズルのノズル孔内部に電極を形成する技術が開示されている。図26は特許文献4におけるノズルプレート製造過程を示す断面図である。図26を用いて、特許文献4の構成及を説明する。
【0065】
図において、301はノズルプレートであり、ノズルプレート301には複数のインク溜り用凹部A…が予め形成され、該ノズルプレート301のインク溜り用凹部A…の形成されていない面に、導電用めっき303の定着しないレジスト層302がコーティング加工される。そして、各インク溜り用凹部Aに連通するように、ノズルプレート301及びレジスト層302を貫通するノズル孔Bが形成された後、導電用めっき303がノズル内周に施される。ここで、レジスト層302には、導電用めっき303が定着しない材料が選択されているので、ノズルプレート301内部およびノズルプレート301のレジスト層302が形成されていない面のみに導電用めっき303が定着することとなる。このようにして、特許文献4ではノズル孔内部に電極層(導電用めっき303)が形成される。
【0066】
また、特許文献5には、静電吸引型インクジェットヘッドのノズルプレートの記録媒体対向面に電極を形成する構成が開示されている。図27は特許文献5にかかるインクジェットヘッドの構成を示す説明図である。図27を用いて特許文献5について説明する。
【0067】
インクジェットヘッドは、絶縁制御基板411の表面に制御電極401が形成されると共にその裏面に制御電極402が形成されており、制御電極401または402にはインクが通過できるようにインクタンク430より貫通したインク吐出孔413が形成されている。前記インク吐出孔413には突起のあるインクガイド412が配設されており、制御電極401・402に印加された電圧による電界は、インクガイド412の先端に集中し、この電界によってインク滴414が対向電極420を介して設置されている記録媒体421へ飛翔する。
【0068】
しかしながら、このような特許文献4、5に開示された手法においては、以下のような問題があり、インクが吐出される部分の幅あるいは径を小さくした静電吸引型流体吐出装置には適用できない。
【0069】
まず、特許文献4の構成であるが、これによれば、ノズルプレート301の媒体対向面以外の領域に、上記導電めっき303を形成しているので、各インク溜り用凹部A及びノズル孔Bに形成された導電めっき303は互いに電気的に短絡している。そのため、このようなノズルプレート301では、特定の1つのチャンネルのみを吐出することはできず、描画画像の解像度を向上するには、隣接するチャンネル間を電気的に分離することが必要となる。
【0070】
その方法としては、例えば以下に示す▲1▼▲2▼の方法が考えられる。
▲1▼導電めっき303を形成した後、ノズルプレート301のインク溜り用凹部A…が形成されているインク流入面側を加工して、導電めっき303をチャンネル毎に分断する。
▲2▼導電めっき303を形成する前にノズルプレート301のインク流入面側にも、吐出面と同様のレジスト層を形成し、導電めっき303が添着しない領域を作成しておく。
【0071】
しかしながら、▲1▼の導電めっき303の層を形成後に分断する方法は、分断加工に機械加工を用いれば、切削くずなどのダストがノズル孔B内に入り、ノズル閉塞が生じ、レーザーなどの熱を利用した分断加工では、熱によるストレスが残留しノズルプレート301が上記ストレスによって変形してしまう。
【0072】
また、エッチングによって分断加工することも考えられるが、エッチングを用いる場合、上記ノズルプレートのインク流入面側に形成された導電めっき303上にレジストパターンを形成する必要がある。上述したように、インクが吐出される部分の幅あるいは径を小さくした静電吸引型流体吐出装置に適用されるノズルプレートの場合、10μm以下のノズル孔を有するものとなるため、ノズル孔径の加工精度を向上させるために、50μm程度のノズルプレート母材を使用することが望ましい。しかし、このように薄いノズルプレートは剛性が低いため、レジストパターンを作成する際、ノズルプレートの取り扱いにおいて容易に変形し、高い精度のパターンを形成することができない。
【0073】
これについては上記▲2▼の方法の場合も同様で、ノズルプレート自体が薄いため、導電めっき303を形成する前であっても同様にノズルプレートの変形が問題となり、精度良くレジストパターンが形成できず、良好なチャンネル分離は行えない。
【0074】
さらに、特許文献4の手法では、ノズル孔径が10μm以下と小さい場合、めっき液が十分供給されず、ノズル孔内部に安定して導電めっきを形成することが極めて難しいといった問題もある。この場合、最もめっき液の供給が不足するのはノズル先端部である。先にも述べたように、電極をできるだけノズルの先端に近接させることが望ましく、これでは、最も重要なノズル先端部に安定して電極を形成することができない。
【0075】
すなわち、ノズル径が小さいほど微量な流体を吐出することができ、描画解像度が向上するが、その反面電極の形成が不安定になる。このため、ノズル先端部におけるノズル内部の電気抵抗Rがチャンネルごとに変化し、これによって応答周波数がチャンネルごとに変化し、チャンネル間の吐出液適量を均一に制御することが困難になる。すなわち、描画画像の印字品質が著しく低下する。
【0076】
一方、特許文献5において開示されたノズルプレートに相当する絶縁制御基板411は、記録媒体421との対向面に制御電極401が形成されているため、メニスカスに対する電極の位置は非常に高い精度で設定することができる。このため、特許文献4の構成にあったような問題はなく、チャンネル間の吐出安定性は高く、隣接チャンネルとの電気的な分離は十分である。
【0077】
しかしながら、図28に示すように、特許文献5の構成では、絶縁制御基板411における記録媒体421の対向面には、電圧印加手段から制御電極401に電圧を印加するための引き出し配線405も同時に形成されるが、この場合、引き出し配線405からも電界が発生する。特に、引き出し配線405の屈曲部分405aから、集中した電界が発生しやすく、例えば電気部品上に描画する際など、当該電界によって電子部品を破損してしまう危険性が高い。
【0078】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、超微量の流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置に好適に用いることのできるノズルプレートであって、ノズル先端部近傍に安定して電極を形成することができると共に、複数のノズル孔部間を電気的に独立させることも容易で、かつ、ノズル孔部に形成された電極への駆動信号の印加をノズルプレートにおける流体供給側より行うことが可能なノズルプレートとその製造方法を提供することを目的としている。
【0079】
【課題を解決するための手段】
本発明のノズルプレートは、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体をノズル先端の流体吐出孔から静電吸引により吐出させる静電吸引型流体吐出装置に備えられ、複数のノズル孔部を有するノズルプレートにおいて、第1のノズル孔を有し、流体吐出側に配される薄層の第1のノズル層と、該第1のノズル層の流体供給側に積層され、上記第1のノズル層よりも厚層で、かつ上記第1のノズル孔と連通すると共に第1のノズル孔とでノズル孔部を構成する第2のノズル孔を有する第2のノズル層を少なくとも一層備え、該第1のノズル孔の内壁に成膜された第1の電極層と、第2のノズル孔の内壁に成膜された第2の電極層とが電気的に接続されていることを特徴としている。
【0080】
上記構成によれば、ノズルプレートは、薄層の第1のノズル層に、厚層の第2のノズル層が少なくとも一層積層されてなる構成であるので、ノズルプレート自体の強度・剛性を第2のノズル層で確保することができ、第1のノズル層の厚みを十分に薄くすることができる。層厚を薄くすることで、第1のノズル層に形成される第1のノズル孔は、孔径を例えば10μm以下といった超微細に形成することができると共に、このような超微細な第1のノズル孔内壁に第1の電極層を層厚方向に安定して成膜することが可能となり、流体吐出面の第1のノズル孔の開口部を流体吐出孔とした場合、この流体吐出孔近傍にまで第1の電極を成膜することができる。その結果、ノズル内部の電気抵抗Rを従来に比べ飛躍的に低減することができ、流体の吐出周波数を向上が図れ、記録媒体に対する高速描画が可能となる。
【0081】
しかも、このように形成された第1の電極層は、第1のノズル孔と連通する第2のノズル孔に形成された第2の電極層と電気的に接続されているので、第2の電極層を介してノズルプレートの流体供給側より駆動信号を供給することが可能となる。したがって、第1の電極層に駆動信号を供給するための引き出し配線が媒体に近接することがなく、引き出し配線から発生する電界によって、記録媒体が電気的な損傷を受けるようなこともない。
【0082】
本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1の電極層が第1のノズル層と第2のノズル層との界面において第1のノズル孔より第1のノズル層上に延設され、上記第2の電極層は、第1のノズル層上に延設された部分で第1の電極層と電気的に接続していることを特徴とすることもできる。
【0083】
上記構成によれば、第1の電極層が第1のノズル層と第2のノズル層との界面において第1のノズル孔より第1のノズル層上に延設され、第2の電極層はこの延設部分で第1の電極層と電気的に接続されているので、第1の電極層と第2の電極層との接続が各電極層の断面ではなく電極層の表面にて行われている。したがって、異なる電極層同士を接続する構成ではあるが、電極層同士の電気的な接続信頼性が高く、断線等にて駆動信号を第1の電極層に良好に印加できないといった危険性を大幅に低減して、吐出信頼性を向上することができる。
【0084】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1の電極層が上記第1のノズル孔の内壁全面に形成されていることを特徴とすることもできる。
【0085】
上記構成では、第1のノズル孔の内壁全面に第1の電極層が形成されているため、流体吐出孔にある流体に均一な電界を印加することができる。例えば、ノズルプレートの流体吐出面に複数の流体吐出孔がある構成の場合、流体吐出孔ごとにテーラーコーンの形成位置が異なると着弾精度が低下するが、これにより、流体吐出孔ごとのテーラーコーンの形成位置が安定して、着弾精度を向上できる。
【0086】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1の電極層が上記第1のノズル層と第2のノズル層との界面において第1のノズル孔より第1のノズル層上に延設され、上記第2のノズル孔における第1のノズル孔と連通する側の開口部は、この第1のノズル層上に延設された第1の電極層部分内に位置することを特徴とすることもできる。
【0087】
上記構成によれば、第1のノズル層と第2のノズル層との界面で第1の電極層が第1のノズル層上に延設されている部分に、第2のノズル孔における第1のノズル孔と連通する側の開口部が配置されているため、第2のノズル孔をエッチング加工するにおいて、この第1の電極層の延設部分がエッチングストッパー部として機能し、第2のノズル孔を形成する際のエッチングによって、第1のノズル孔あるいは第1のノズル層が損傷を受けて変形するようなことがない。
【0088】
上記のように、第1の電極層の延設部分の外側の第1のノズル層がエッチングされてしまうと、第1の電極層がノズルプレートから分離、除去されてしまうが、上記構成により安定してノズルプレートを製造することができる。
【0089】
本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1のノズル孔及び/又は第2のノズル孔は、流体吐出側よりも流体供給側の開口部が大きく形成されていることを特徴とすることもできる。
【0090】
上記構成によれば、第1のノズル孔及び/又は第2のノズル孔が、流体供給側が広くなるようなテーパーを有して形成されているため、ノズル孔の内壁面と第1のノズル層或いは第2のノズル層の各表面とのなす角が鈍角になる。これによって、第1のノズル孔或いは第2のノズル孔の内壁面から各ノズル層表面にかけて第1或いは第2の電極層を形成する際、内壁面とノズル層表面のなす角によって電極層が断線する危険性が低く、導電信頼性の高い電極層を形成することができる。また、吐出液体をノズル先端に供給する際、ノズル内において乱流が生じる危険性が少なく、安定して吐出液体を供給することができる。
【0091】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1のノズル孔の流体吐出側に、第1のノズル孔の流体吐出側開口部を塞ぐように、貫通孔を有する表面電極層が配され、該貫通孔と第1のノズル孔とが連通すると共に、上記表面電極層が第1の電極層と電気的に接続されていることを特徴とすることもできる。
【0092】
上記構成によれば、ノズルプレートの流体吐出面に備えられた表面電極層の貫通孔が流体吐出孔となるので、吐出流体の着弾精度に大きな影響を与える流体吐出孔を表面電極層のエッチングで加工することができる。これによって、内壁に第1の電極層が成膜されている第1のノズル孔の流体吐出側開口部を流体吐出孔とした構成よりもさらに、流体吐出孔の形状精度が飛躍的に安定し、これにともない着弾精度のさらなる安定化が可能となる。
【0093】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、最も流体供給側にある上記第2のノズル層における第2の電極層が、該第2のノズル層の流体供給側で、隣接するノズル孔部間で電気的に分離されていることを特徴とすることもできる。
【0094】
上記構成によれば、複数のノズル孔部を有するノズルプレートにおいて、最も流体供給側にある上記第2のノズル層の第2の電極層が、該第2のノズル層の流体供給側において隣接するノズル孔部間で電気的に分離されているので、複数あるノズル孔部を独立して駆動することが可能となり、高解像度の描画が可能になる。
【0095】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、最も流体供給側にある上記第2のノズル層の第2の電極層が、該第2のノズル層の流体供給側表面にも形成され、該表面においてパターニングされて引き出し配線を形成していることを特徴とすることもできる。
【0096】
上記構成によれば、最も流体供給側にある第2のノズル層の第2の電極層を該第2のノズル層の流体吐出側表面にて引き出し配線として利用するので、引き出し線の加工工程にて同時に第2の電極層を隣接ノズル孔部間で電気的に分離することが可能となる。したがって、分離工程と引き出し配線の形成工程とが1つの工程となり、プロセスが簡略化できる。さらに、第2のノズル孔の内壁に成膜された第2の電極層と引き出し配線とが同じ電極層を加工して形成されているので、第2の電極層と引き出し配線の接続信頼性が非常に高い。
【0097】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1のノズル孔の流体吐出側の開口部の直径或いは上記表面電極層に形成された貫通孔の直径が8μm以下であることを特徴とすることもできる。
【0098】
本願出願人らは、ノズルの吐出孔直径を0.01〜25μmの微細径とすることで、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルにしたがって、局所電界が発生し、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となることを先に見出し発表している。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にし、使用上の安全性の向上を図ることもできる。
【0099】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増し、また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。
【0100】
中でも、上記構成のように、ノズルの流体吐出孔の直径を上記のようにφ8μm以下に設定することで、電界強度分布が該流体吐出孔の吐出面近傍に効果的に集中すると共に、対向電極から流体吐出孔までの距離の変動が電界強度分布に影響することがなくなるので、対向電極の位置精度、記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずに安定した流体の吐出を行うことができる。
【0101】
また、電界強度分布を該流体吐出孔の吐出面近傍に効果的に集中できることにより、狭い領域に強い電場を安定して形成して超微量の流体を確実に吐出可能となり、印字画像を高解像度にすることが可能となる。
【0102】
本発明のノズルプレートの製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層上に第1のノズル層を形成する工程と、上記第1のノズル層に複数の第1のノズル孔を形成する工程と、上記第1のノズル層上に各第1のノズル孔の内壁面を含めて第1の電極層を形成する工程と、各第1のノズル孔内壁と各第1のノズル孔周囲部とに残るように上記第1の電極層を加工する工程と、上記第1のノズル層上に、残留する各第1の電極層部分も含めて第2のノズル層を形成する工程と、上記第2のノズル層に複数の第2のノズル孔を、各第2のノズル孔の流体吐出側の開口部が上記第1のノズル層上に残留する各第1の電極層部分に収まるように形成する工程と、上記第2のノズル層上に各第2のノズル孔の内壁面を含めて第2の電極層を形成する工程と、隣接する第2のノズル孔間で電気的に分離されるように第2の電極層を加工する工程とを備えることを特徴としている。
【0103】
これによれば、剛性の高い基板上に、犠牲層を介して第1のノズル層、第1の電極層、第2のノズル層、第2の電極層を順次積層する。このため、フォトリソグラフィ技術を利用してレジストパターンを形成後、ドライエッチングによって所望の形状に加工できるため、第1のノズル孔、第2のノズル孔、第1の電極層、第2の電極層を非常に高い形状精度で形成することができる。
【0104】
また、ノズルプレートの流体吐出面が、工程の最終段階まで犠牲層によって保護されているため、ノズルプレート製造工程において流体吐出孔が損傷をうけて流体吐出孔が変形するといった危険がない。このため、ノズルプレートの製造歩留まりが向上する。
【0105】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、基板上に犠牲層を形成する工程と犠牲層上に第1のノズル層を形成する工程との間に、上記犠牲層上に表面電極層を形成し、該表面電極層をノズル孔部形成部位に対応して分離すると共に各分離部に貫通孔を形成する工程とを有し、犠牲層上の第1のノズル層を形成する工程では、分離された表面電極層上も含めて第1のノズル層を形成することを特徴とすることもできる。
【0106】
本構成のノズルプレートの製造方法は、犠牲層上に形成した表面電極層に貫通孔として流体吐出孔を加工することができるので、第1のノズル孔内に形成された第1の電極層の不均一性(たとえば膜厚分布)によって、流体吐出孔の形状が変形することがなく、さらに高精度の流体吐出孔を有するノズルプレートを製造することができる。
【0107】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第2の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とすることもできる。
【0108】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第1の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とすることもできる。
【0109】
成膜粒子を斜めから入射して形成した電極層(第1、第2)は、ノズル孔の側壁に対する付着性がよい。さらに、スパッタターゲットあるいは蒸着ソースに対して影になる領域は、電極層が成膜されないので、たとえば第2の電極層を形成する際の第1のノズル孔内部や、第1の電極層を形成する際の表面電極層に形成された貫通孔内部など、電極層を形成したくない領域を当該影の部分として成膜することができる。これによって、電極層を形成する領域と電極層を形成しない領域を簡便に設定できるとともに、電極層を形成するノズル孔内部の電極層の付着性を高めることができる。
【0110】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第2のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第2のノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記第1の電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とすることもできる。
【0111】
これによれば、第2のノズル孔形成のためのエッチングを精度良く第1の電極層で止めることができるので、第1のノズル孔や第1のノズル層が、第2のノズル孔加工のオーバーエッチによって損傷を受けることがなく、形状精度の高いノズルプレートを製造することができる。
【0112】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、第1のノズル孔を形成する工程及び第2のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第1及び第2の各ノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記表面電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とすることもできる。
【0113】
これによれば、第1のノズル孔形成の際のオーバーエッチングあるいは第2のノズル孔形成の際のオーバーエッチングによって、表面電極層が損傷を受けることがない。このため、表面電極層の貫通孔からなる流体吐出孔がオーバーエッチングによって変形して着弾精度が劣化するようなことがなく、安定して着弾精度の高いノズルプレートを製造することができる。
【0114】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第2の電極層を電気的に分離する工程では、ドライエッチングを用いて行うことを特徴とすることもできる。
【0115】
これによれば、第2の電極層の分離加工をドライエッチングで行うため、加工の形状精度が高いとともに、被加工領域の電極層材料が気相で除去されるため、たとえばキリコのような加工に伴うダストが第1及び第2のノズル孔内に侵入しノズル孔を閉塞する危険性がない。このため、吐出信頼性の高いノズルプレートを安定して製造することができる。
【0116】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【0117】
[前提構成]
まずは、本発明に係るノズルプレートが適用される、本発明の前提構成である静電吸引型流体吐出装置について、図1〜図6を用いて説明する。
【0118】
本発明の前提構成となる静電吸引型流体吐出装置は、そのノズル径を0.01μm〜25μmとしており、かつ、1000V以下の駆動電圧にて流体の吐出制御を可能としている。
【0119】
ここで、従来の流体吐出モデルにおいては、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇に繋がるため、50〜70μm以下のノズル径では、吐出インクに背圧を与えるなどの他の工夫を行わない限り、1000V以下の駆動電圧でのインク吐出は不可能と考えられていた。しかしながら、本願発明者らは鋭意検討の結果、あるノズル径以下では、従来の流体吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こることを突き止めた。本発明は、この流体吐出モデルにおける新たな知見に基づいてなされたものである。
【0120】
先ずは、本願発明者らによって発見された流体吐出モデルについて説明する。
【0121】
直径d(以下の説明においては、特に断らない限りノズルの内径を指す)のノズルに導電性流体を注入し、無限平板導体から高さhに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図1に示す。このとき、ノズル先端部(ノズル孔)に誘起される電荷Qは、ノズル先端部の流体によって形成される半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
【0122】
【数1】
【0123】
ここで、Q:ノズル先端部に誘起される電荷(C)、ε0:真空の誘電率(F/m)、d:ノズルの直径(m)、V0:ノズルに印加する総電圧である。また、αは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、1〜1.5程度の値を取るが、特にd<<h(h:ノズル(正確にはノズル孔)−基板間距離(m))の時はほぼ1となる。
【0124】
また、基板として導電基板を用いた場合、ノズルと対向して基板内の対称位置に、上記電荷Qと反対の極性を持つ鏡像電荷Q’が誘導されると考えられる。基板が絶縁体の場合は、誘電率によって定まる対称位置に同様に電荷Qと逆極性の映像電荷Q’が誘導される。
【0125】
ノズル先端部における集中電界強度Elocは、先端部の曲率半径をRと仮定すると、
【0126】
【数2】
【0127】
で与えられる。ここで、kは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、1.5〜8.5程度の値を取るが、多くの場合5程度と考えられる(P.J. Birdseye and D.A. Smith, Surface Science, 23(1970), p.198−210)。また、ここでは、流体吐出モデルを簡単にするため、R=d/2と仮定する。これは、ノズル先端部において表面張力によって流体がノズル径dと同じ曲率径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
【0128】
ノズル先端部の流体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力Peは、ノズル先端部の液面積をSとすると、
【0129】
【数3】
【0130】
となる。(8)〜(10)式より、圧力Peは、α=1とおいて、
【0131】
【数4】
【0132】
と表される。
【0133】
一方、ノズル先端部における流体の表面張力による圧力Psとすると、
【0134】
【数5】
【0135】
となる。ここで、γ:表面張力である。静電的な力により吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回ることなので、静電的な圧力Peと表面張力による圧力Psとの関係は、
【0136】
【数6】
【0137】
となる。
【0138】
図2に、ある直径dのノズルを与えた時の、表面張力による圧力Psと静電的な圧力Peとの関係を示す。流体の表面張力としては、流体が水(γ=72mN/m)の場合を仮定している。ノズルに印加する電圧を700Vとした場合、ノズル直径dが25μmにおいて静電的な圧力Peが表面張力による圧力Psを上回ることが示唆される。このことより、V0とdとの関係を求めると、
【0139】
【数7】
【0140】
が吐出の最低電圧を与える。
【0141】
また、その時の吐出圧力ΔPは、
【0142】
【数8】
【0143】
より、
【0144】
【数9】
【0145】
となる。
【0146】
ある直径dのノズルに対し、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合の吐出圧力ΔPの依存性を図3に、また、吐出臨界電圧(すなわち吐出の生じる最低電圧)Vcの依存性を図4に示す。
【0147】
図3から、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合(V0=700V,γ=72mN/mと仮定した場合)のノズル径の上限が25μmであることが分かる。
【0148】
図4の計算では、流体として水(γ=72mN/m)及び有機溶剤(γ=20mN/m)を想定し、k=5の条件を仮定した。この図より、微細ノズルによる電界の集中効果を考慮すると、吐出臨界電圧Vcはノズル径の減少に伴い低下することが明らかであり、流体が水の場合においてノズル径が25μmの場合、吐出臨界電圧Vcは700V程度であることが分かる。
【0149】
従来の吐出モデルにおける電界の考え方、すなわちノズルに印加する電圧V0とノズル−対向電極間距離hとによって定義される電界のみを考慮した場合では、ノズル径が微小になるに従い、吐出に必要な駆動電圧は増加する。
【0150】
これに対し、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルのように、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にする。
【0151】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、従来の吐出モデルでは、ノズル−基板間に電界を印加するため、絶縁体の基板に対してはノズルと反対側に対向電極を配置するか、あるいは基板を導電性とする必要があった。そして、対向電極を配置する場合、すなわち基板が絶縁体の場合では、使用できる基板の厚さに限界があった。
【0152】
これに対し、本発明の吐出モデルでは、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増す。また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。
【0153】
また、図5に、基板との間に働く鏡像力の大きさと基板からの距離hとの相関を示す。図より明らかなように、この鏡像力は基板とノズル間の距離が近くなるほどに顕著になり、特にhが20μm以下で顕著である。
【0154】
次に、吐出流量の精密制御について考えて見る。円筒状の流路における流量Qは、粘性流の場合、以下のハーゲン・ポアズイユの式によって表される。いま、円筒形のノズルを仮定し、このノズルを流れる流体の流量Qは、次式で表される。
【0155】
【数10】
【0156】
ここで、η:流体の粘性係数(Pa・s)、L:流路すなわちノズルの長さ(m)、d:流路すなわちノズル孔の直径(m)、△P:圧力差(Pa)である。上式より、流量Qは、流路の半径の4乗に比例するため、流量を制限するためには、微細なノズルの採用が効果的である。この(17)式に、(16)式で求めた吐出圧力△Pを代入し、次式を得る。
【0157】
【数11】
【0158】
この式は、直径d、長さLのノズルに電圧Vを引加した際に、ノズルから流出する流体の流出量を表している。この様子を、図6に示す。計算にはL=10mm、η=1(mPa・s)、γ=72(mN/m)の値を用いた。いま、ノズルの直径を先行技術の最小値50μmと仮定する。電圧Vを徐々に印加していくと、電圧V=1000Vで吐出が開始する。この電圧は、図4でも述べた吐出開始電圧に相当する。そのときのノズルからの流量がY軸に示されている。吐出開始電圧Vc直上で流量は急速に立ち上がっている。
【0159】
このモデル計算上では、電圧をVcより少し上で精密に制御することで微小流量が得られそうに思えるが、片対数で示される図からも予想されるように実際上それは不可能で、特に10−10m3/s以下、微小量の実現は困難である。また、ある径のノズルを採用した場合には、式(14)で与えられたように、最小駆動電圧が決まってしまう。このため、先行技術のように、直径50μm以上のノズルを用いる限り、10−10m3/s以下の微小吐出量や、1000V以下の駆動電圧にすることは困難である。
【0160】
図から分かるように、直径25μmのノズルの場合700V以下の駆動電圧で充分であり、直径10μmのノズルの場合500V以下でも制御可能である。また、直径1μmのノズルの場合300V以下でも良いことが分かる。
【0161】
以上のように、本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、局所電界強度に着目して新たに提案された吐出モデルに基づいているため、ノズル径0.01μm〜25μmの微細ノズルとすることが可能であり、かつ、1000V以下の駆動電圧にて吐出流体の吐出制御を行うことができる。尚、上記モデルに基づいて考察を行った結果、直径25μm以下のノズルの場合は700V以下の駆動電圧で、直径10μm以下のノズルの場合は500V以下の駆動電圧で、直径1μm以下のノズルの場合は300V以下の駆動電圧で吐出制御が可能である。
【0162】
本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、上述したように、ノズル径および駆動電圧を共に小さくすることが可能であるが、この場合、従来の静電吸引型流体吐出装置に比べ、以下のような傾向が顕著になる。
【0163】
すなわち、上述のような静電吸引型流体吐出装置の場合、その吐出特性は、基本的に、流体吐出ヘッド内部における駆動電極からノズル先端までの吐出流体流路内の電気抵抗値に依存して決定するものであり、その電気抵抗値が低い程、吐出応答性が向上する。つまり、吐出流体流路内の電気抵抗値を下げることで、駆動周波数を向上することができ、さらには、より高抵抗な吐出流体材料の吐出が可能となり、吐出流体材料の選択の幅を広げることができる。
【0164】
上記電気抵抗値を低くするためには、駆動電極−ノズル先端部間の距離の短縮が効果的である。
【0165】
[実施の形態1]
本発明の一実施の形態について、図7〜図12を用いて説明すれば以下の通りである。
【0166】
(ノズルプレート)
図7(a)は、本実施の形態のノズルプレート8の一部の斜視図であり、図7(b)は、図7(a)のA−A’線断面図である。ノズルプレート8には2個以上の流体吐出孔9が形成されており、図7(a)においては2個の流体吐出孔9が示されている。また、図7(c)はノズルプレート8の一部を流体供給側から観察した斜視図である。
【0167】
図7(a)〜(c)に示すように、ノズルプレート8は、第1のノズル層1、第2のノズル層2、第1の電極層25、第2の電極層26、及びノズル孔(ノズル孔部)11を備えている。
【0168】
第1のノズル層1の流体吐出側の面は、ノズルプレート8の流体吐出面8aをなしており撥液層4が形成され、その反対側となる流体供給側には、第2のノズル層2が配されている。ここで、第1のノズル層は例えば1から8μm厚と非常に薄く形成されており、層の厚い第2のノズル層2においてノズルプレート8としての強度・剛性を確保するようになっている。ここでは、強度・剛性を確保するための第2のノズル層2を1層としているが、2層以上であってもよい。
【0169】
ノズル孔11は第1のノズル層1を貫通する第1のノズル孔11aと、第2のノズル層2を貫通する第2のノズル孔11bとから構成されている。ここで、第1のノズル孔11aの壁面はノズルプレート8の流体吐出面8aに垂直な略円筒形状であり、撥液層4が形成されている流体吐出面8aの略円形の開口部が流体吐出孔9となる。一方、第2のノズル孔11bは、円筒形状の第1のノズル孔11aとの連通する側の開口部から裾広がりに拡開するテーパー形状(円錐台形状)であり、第2のノズル層2を通って、第1のノズル層1とは反対側の流体供給面8bにて開口している。この第2のノズル層2の表面でもある流体供給面8bに形成された第2のノズル孔11bの略円形の開口部が流体供給孔12となる。
【0170】
第1のノズル孔11aの内壁の略全面、および第1のノズル孔11aと第2のノズル孔11bとが連通する連通孔11x周辺には、第1の電極層25が形成されている。この第1の電極層25は、上記したノズル孔11aの内壁略全面に形成されてなる円筒部25aと、第1のノズル孔11aと第2のノズル孔11bとが連通する連通孔11x周辺において連通孔11xを略中心とする円環形状をなす延設部25bとからなる。このうちの延設部25bが、円錐台形状の第2のノズル孔11bの上底11yを形成している。つまり、第1のノズル孔11aと第2のノズル孔11bの連通孔11x(略円形)の口径をD1とすると、D1は第2のノズル孔11bの上底(流体吐出側の開口部)11yの口径D2よりも小さい。そして、口径D2よりも円環形状をなす第1の電極層25の延設部25bの外径D3が大きい。
【0171】
また、第2のノズル孔11b内壁には、上記第1の電極層25と電気的に接続された第2の電極層26が形成されている。この第2の電極層26の一部は、ノズルプレート8の流体供給面8bにも配設されており、その一部は図7(c)に示すように引き出し配線26aをなし、吐出信号電圧印加手段(図示せず)に接続されている。
【0172】
なお、図7(a)(c)においては、図面を簡素化するために、ノズル孔11の構成する第1のノズル孔11a及び第2のノズル孔11bの各内壁に形成されている第1の電極層25及び第2の電極層26は省略している。
【0173】
以下、各部のサイズや材質の具体例を説明するが、本発明がその具体例に限定されるものではない。
【0174】
第1のノズル層1には厚さが約1μmのポリイミド膜が用いられ、第2のノズル層2には厚さが約20μmのポリイミド膜が用いられている。第1の電極層25は厚さが0.5μmであって、Tiを主成分とする金属材料からなり、そのうちの円筒部25aは、第1のノズル孔11aの内壁における流体吐出側端部まで形成されている。一方、延設部25bは外径D3は約20μmである。第1のノズル層1と第2のノズル層2との界面に形成される電極層等は界面全体に形成されていると、ノズルプレート全体の応力にて反りを生じさせる原因となるが、このような延設部25bとしてノズル孔11ごとに部分的に設けた構成では、このような応力による反りを低減することができる。
【0175】
一方、第2の電極層26は、厚さが0.5μmであって、同じくTiを主成分とする金属からなる。そして、第2の電極層26における第1の電極層25との接続部分26bは、図8に示すように、第1の電極層25の延設部25bと面で接触しており、高い接続信頼性を確保している。
【0176】
第1のノズル孔11aにおける流体吐出孔9となる開口部の口径は約3μmであり、これに厚さが0.5μmの第1の電極層25が形成されるので、流体吐出孔9の実際の径(直径)は約2μmとなる。また、第2のノズル孔11bの上底11yの口径D2は10μmであり、流体供給孔12となる開口部の口径は30μmである。
【0177】
本構成のノズルプレート8においては、超微量流体の吐出を可能とし、微細ドットを形成するためには、流体吐出孔9をφ10μm以下にすることが望ましく、さらに好ましくはφ8μm以下が好適である。このようなノズル孔径(直径)とすることで、広範囲に必要であった電場の形成を狭くすることができ、電荷の移動に必要な電圧、すなわち流体を静電吸引させるのに必要な帯電量を該流体に付与するために必要な電圧を大幅に低減させることが可能となる。これによれば、従来のように2000Vといった高電圧を必要としないので、流体ジェット装置を使用する際の安全性の向上を図ることができる。
【0178】
特に、φ8μm以下とすることで、電界強度分布が該流体吐出孔の吐出面近傍に効果的に集中すると共に、対向電極からノズルの流体突出孔までの距離の変動が電界強度分布に影響することがなくなる。これにより、対向電極の位置精度、記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずにより安定した流体の吐出を行うことができる。
【0179】
また、上記のように、電界強度分布を流体吐出孔9の吐出面近傍に集中できることにより、狭い領域に強い電場を形成することが可能となり、この結果、吐出可能な流体量を超微量にすることが可能となる。これにより、流体をインクとした場合に印字画像を高解像度にすることが可能となる。
【0180】
また、第1のノズル層1上の撥液層4は、厚さが約0.05μmのフッ素重合もしくはシリコン系の高分子膜により形成されている。上記撥液層4は、後述するように流体吐出孔9内に回り込んだ余分な領域を、ドライエッチによって除去する。
【0181】
本実施の形態によれば、着弾精度に大きな影響を与えるノズルプレート8の流体吐出孔9の形状が、上記1μmのポリイミド膜の加工精度で決定されるので、流体吐出孔9の加工精度が非常に高く、これに伴って非常に高い着弾精度を確保することができる。
【0182】
また、流体吐出孔9の加工精度を高めるためには、ノズルプレート8の流体吐出面に露出している第1のノズル層1の膜厚を減少すれば、さらに高い加工精度を得ることができる。このとき、第1のノズル層1の膜厚を減少することによって、第1のノズル層1の剛性が低下し、流体吐出孔9の構造的な信頼性が減少するが、第1のノズル層1に接して第2のノズル層2を配置することによって、第1のノズル層1が補強され、第1のノズル層1の構造的信頼性を低下することなく流体吐出孔9の形状精度を向上することができる。すなわち、微細な流体吐出孔9を有するノズルプレート8を作成する場合、このような構成が望ましい。
【0183】
また、第1の電極層25はノズル孔11の形成位置ごとに局所的に設けられているため、隣接するノズル孔11に配設された第1の電極層25と電気的に絶縁されている。したがって、個々のチャンネルに独立して吐出信号を印加することができ、クロストークが少なく、これによって描画画像の解像度を向上させることができる。
【0184】
また、第2のノズル孔11bがテーパー形状であるため、第2のノズル孔11b内部において、流体の乱流が発生しにくくなり、流体の吐出安定性を向上させることができとともに、ノズル孔11bの内壁と流体供給面8bとのエッジが甘くなるので、流体供給面8bにまで延設された第2の電極層26の断線を効果的に抑制することができる。また、ノズルプレート8の流体吐出面8aに形成された撥液層4によって、流体が流体吐出孔9近傍に付着することを防止することができる。
【0185】
なお、第1の電極層25に用いられる材料はTiを主成分とする金属材料に限定されない。第2のノズル層2のエッチング加工および後述する犠牲層5および流体吐出孔9内に回り込んだ撥液層4のエッチングの際、当該エッチングに対して高い耐性を有する材料、すなわち、エッチングガス(酸素を含有するプラズマ、フッ素を含有するプラズマ等)、または、エッチャント(硝酸、水酸化カリウム水溶液等)に対する耐性の高い材料であればよい。具体的には、Ti、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Au、Pt、Ta、W、Nb等を主成分とする金属材料が挙げられ、上記エッチングガスあるいはエッチャントとの組み合わせで選択することができる。
【0186】
同様に、第2の電極層26に用いられる材料もTiを主成分とする金属材料に限定されない。後述する犠牲層5および流体吐出孔9内に回り込んだ撥液層4のエッチングの際、当該エッチングに対して高い耐性を有する材料、すなわち、エッチングガス(酸素を含有するプラズマ、フッ素を含有するプラズマ等)、または、エッチャント(硝酸、水酸化カリウム水溶液等)に対する耐性の高い材料であればよい。具体的には、Ti、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Au、Pt、Ta、W、Nb等を主成分とする金属材料が挙げられ、上記エッチングガスあるいはエッチャントとの組み合わせで選択することができる。
【0187】
また、第1のノズル層1に用いられる材料はポリイミドに限定されない。ポリイミド以外の高分子有機材料であっても良いし、SiO2、Si3N4といったSi化合物材料、あるいはSiであっても良い。
【0188】
第2のノズル層2に用いられる材料もポリイミドに限定されない。第1のノズル層1と同様に、ポリイミド以外の高分子有機材料であっても良いし、SiO2、Si3N4といったSi化合物材料、あるいはSiであっても良い。
【0189】
また、本実施の形態では、第2のノズル孔11bは、第1のノズル孔11aとの連通部分にて狭まった円錐台形状(テーパー形状)であるがこれに限定されない。例えば、図9に示すノズルプレート8’のように、第2のノズル孔11b’の内壁がノズルプレート8’の流体吐出面8aや流体供給面8bと垂直の、いわゆるストレート形状(円筒形状)に形成することもできる。
【0190】
この場合、第2のノズル孔11b’の流体供給孔12’を、図7(a)〜(c)に示した第2のノズル孔11bが円錐台形状の構成の流体供給孔12よりも小さくすることができ、ノズルの集積度をさらに高めることができる。また、図7(b)に示すように、ノズルプレート8の場合、その製造上の都合で、第2の電極層26は第2のノズル孔11b内壁の片側面のみに形成されていたが、図9に示すように、第2のノズル孔11b内壁の面全体に形成してもよい。
【0191】
本実施の形態のような構成のノズルプレート8(8’)とすることで、以下の▲1▼〜▲5▼の作用を奏する。
▲1▼流体吐出孔9が、口径8μm以下の微細なノズルプレート8(8’)であっても、ノズル孔11先端まで吐出信号電圧を印加することのできる構造的に安定した電極を形成することができる。
▲2▼第2のノズル層2の流体供給側で、第2の電極層26を隣接チャンネル間が電気的に短絡しないように分離することで、容易に個々のチャンネルに独立して吐出信号を印加することが可能となり、クロストークが少なく、これによって描画画像の解像度を向上させることができる。
▲3▼ノズルプレート8(8’)の剛性は第2のノズル層2で維持できるため、ノズルプレート8(8’)全体の剛性が高くなり、取り扱いが容易になる。
▲4▼膜厚の厚い第2のノズル層2に加工された第2のノズル孔11bの加工精度がたとえ悪くとも、第2のノズル孔11bの加工時には第1の電極層25の延設部25bでエッチングが止まるため、流体の吐出量を制御する流体吐出孔9に影響を及ぼすことがない。
▲5▼第1の電極層25は、第1のノズル孔11aと連通する第2のノズル孔11bに形成された第2の電極層26と電気的に接続されているので、第2の電極層26を介してノズルプレート8の流体供給側より駆動信号を供給することが可能となり、第1の電極層25に駆動信号を供給するための引き出し配線26bから発生する電界によって、記録媒体が電気的な損傷を受けるようなことがない。
【0192】
(ノズルプレートの製造方法)
次に、本実施の形態にかかるノズルプレート8の一製造方法を説明する。図10(a)〜(i)はノズルプレート8の製造工程を説明する図である。
【0193】
まず、Siやガラスなどからなる任意の厚さの一時保持のための基板6に、犠牲層5を、Niを用いた湿式鍍金(めっき)によって形成する。さらに犠牲層5上にスピンコートによってポリイミド樹脂を塗布し、350℃で2時間焼成し第1のノズル層1を形成する。ここで犠牲層5の厚さを10μmとし、第1のノズル層の厚さを1μmとした。
【0194】
次に、上記第1のノズル層1上にフォトレジストにて第1のノズル孔11aの開口パターンを形成し、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングによって、第1のノズル孔11aを加工する(図3(a)参照)。
【0195】
本エッチング手法ではポリイミド樹脂などの有機物を高速に、精度良く加工することができるとともに、犠牲層5であるNiとのエッチング選択性が高い(Niはほとんどエッチングされない)。したがって、上記加工によって犠牲層5が大きな損傷を受けることがなく、犠牲層5表面の平坦性が維持されるので、犠牲層5表面に形成されることになるノズルプレート8の流体吐出面の平坦性が劣化することがない。また、本加工は非常に高い精度で行うため、異方性の高いエッチング条件を用いている。また、上記のように第1のノズル層1は1μmと極めて薄いので、超微量の流体を吐出するための第1のノズル孔11aを高精度に加工することができる。
【0196】
次に、第1のノズル孔11aを加工した第1のノズル層1上にTiを主成分とする金属材料からなる第1の電極層25をスパッタ法にて形成する。さらに、上記第1の電極層25に、ノズル孔開口部に対応する形状のレジストパターン27を形成する(図3(b)参照)。ここで、上記第1の電極層25は第1のノズル孔11aの内壁に形成する必要があるため、第1の電極層25のステップカバレッジ性を高めるために、30mTorrのArガス圧条件下で、第1のノズル層1上の膜厚が0.5μmとなるように成膜した。
【0197】
次に、Arを主成分とするガスを用いたプラズマによるドライエッチで、第1の電極層25を、第1のノズル層1上に直径約20μmの上記した延設部25bとなる略円形形状が残るように加工し、レジストを除去する(図3(c)参照)。この加工工程では、上記第1のノズル孔11aの内壁に形成された第1の電極層25(円筒部25a)の損傷を抑制しつつ、第1のノズル孔11aの底となる犠牲層5上に形成された第1の電極層25を除去するため、異方性の高いエッチング条件を採用した。
【0198】
なお、上記第1の電極層1上に部分的に残す上記延設部25bは、ここでは略円形形状としたが、加工工程上では略円形形状である必要はなく、後述するように、第2のノズル孔11bの上底11yが、第1のノズル層1上に第1のノズル孔11aより延設して形成された延設部25b内に配置される形状であれば良い。
【0199】
但し、本ノズルプレートは静電吸引型流体吐出装置に応用されるノズルプレート8であり、第1の電極層25を介してノズル先端部に吐出信号を印加するため、第1の電極層25においては、ノズル先端部だけでなく、第1のノズル層1上の形状の端部にも電界が集中する。このため、上記第1のノズル層1上の延設部25b端部に集中する電界を均一化するために、延設部25bの形状としては等方性の高い円形に近い形状に加工することが望ましい。
【0200】
次に、第2のノズル層2を上記第1のノズル層1および第1の電極層25上に、20μmの厚さで形成する(図3(d)参照)。第2のノズル層2は、第1のノズル層1と同様に塗布型ポリイミド樹脂をスピンコート法にて塗布し、350℃で2時間焼成し20μmの厚さとした。ここで、第1のノズル孔11aもポリイミド樹脂にて埋められることになる。第2のノズル層2は高精度に加工された膜厚の薄い第1のノズル層1を補強する目的で形成され、ノズルプレート8全体の剛性を高める効果がある。
【0201】
次に、上記第2のノズル層2上にフォトリソグラフィによってレジストパターン28を形成し、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングを行い、第2のノズル層2に円錐台形状の第2のノズル孔11bを形成する(図3(e)参照)。なお、上記ドライエッチングは第1のノズル層1上に形成された第1の電極層25の延設部25aで止めることができる。すなわち、Tiを主成分とする金属材料で形成される第1のノズル層1は、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングによって、ほとんどエッチングされないので、第1の電極層25が露出した部位では、ドライエッチングがそれ以上進行せず、先の工程で第1のノズル孔11aを埋めた第2のノズル層2を容易に除去することができる。また、上記第2のノズル孔11bの加工は、第1のノズル層1との接合部において、第2のノズル孔11bの上底11yが、第1の電極層25の延設部25b内に配置されるようにパターニングされる。
【0202】
第2のノズル孔11bのテーパー形状の加工に際しては、上記エッチングにおいて、レジストパターン28のエッチレートと第2のノズル層2のポリイミド樹脂のエッチレートを概ね等しくし、該レジストパターン28を150℃で60分ポストベークすることによってレジストパターン28をテーパー形状とし、エッチングによってこの形状を第2のノズル層2に転写する手法を用いた。
【0203】
すなわち、図11(a)に示すように、エッチレートが第2のノズル層2を構成するポリイミド樹脂と概ね等しく、テーパー壁面28Aを有するレジストパターン28を形成し、第2のノズル層2のエッチングと同じスピードでレジストパターン28をエッチングし、レジストパターン28のエッジを広げる。このとき、図11(b)に示すように、第2のノズル層2も同時にエッチングされることになり、結果的に第2のノズル層2には、図11(c)に示すように、レジストパターン28に形成したテーパーを有する壁面28Aと同じ形状を有する第2のノズル孔11bが形成される。また、この場合、レジストパターン28と第2のノズル層2のエッチレートとが概ね等しいことから、レジストパターン28の厚さは第2のノズル層2の厚さより厚く形成することが望ましい。なお、図11では、第1のノズル層1に形成されている第1のノズル孔11a部分の記載は省略している。
【0204】
次に、上記第2のノズル層2上に、Tiを主成分とする金属材料からなる第2の電極層26を成膜する。ここでは、イオンビームスパッタ法を用いて、0.2mTorrのArガス圧下で、Ar原子によるTi粒子の散乱を抑制しながら、矢印Kの方向からTi粒子が飛来するように基板を傾斜し、第2のノズル層2内壁面の片側のみに形成され、かつ第2の電極層26の一部が第1の電極層25と電気的に短絡するように成膜した(図10(f)参照)。膜厚は0.5μmである。
【0205】
このように、斜め方向からTi粒子を入射しながら第2の電極層26を形成することによって、第1のノズル孔11a内に第2の電極層26が付着するのを防止することができ、これによって、第1のノズル孔11aの形状変化や閉塞することを防止することができる。
【0206】
次に、上記第2の電極層26上に、第2のノズル孔11bと第2のノズル層2上に形成された第2の電極層26の一部を覆うように、フォトレジストパターン29を形成する(図10(g)参照)。このフォトレジストパターン29は第2のノズル孔11bと第2のノズル層2上に形成された第2の電極層26の一部を覆うように形成されていればよいが、本実施例においては、第2のノズル層2上に形成された第2の電極層26が略50μm径の円形形状に加工できる形状とした。ここで、フォトレジストパターン29は、第2のノズル孔11bを埋めるように形成されるため、第2のノズル孔11bの最も深い領域では、レジスト層の厚さが非常に厚くなる。このため、フォトレジストパターン29は、露光されない部分がパターンとして残る、ポジ型のフォトレジストを使用することが望ましい。
【0207】
また、このとき上記フォトレジストパターン29を用いて、第2のノズル層2上に第2の電極層26を用いて引き出し配線26aを形成することが望ましい。この場合、別工程で引き出し配線26aを作成する必要がないので、工程を簡略化することができる。また、上記のように引き出し配線26aをノズルプレート8を介して、記録媒体の反対側に配置することができるので、記録媒体から十分な距離を離すことができ、当該引き出し配線パターンから発生する電界によって、記録媒体に致命的な電気的損傷を与えることがない。
【0208】
次に、上記フォトレジストパターン29をもとに、Arガスを主成分とするプラズマを用いたドライエッチングによって第2の電極層26を加工し、フォトレジストパターン29を除去する(図10(h)参照)。この加工工程では、第2の電極層26を所望の形状に加工する必要があるので、高い異方性を有するエッチング条件にてエッチングを行った。また、フォトレジストパターン29の除去はレジスト剥離液を用いて行った。
【0209】
次に、上記フォトレジストパターン29を除去した後、硝酸と水が主成分である水溶液に浸漬して犠牲層5のみをエッチングすることで、ノズルプレート8を基板6から取り外す(図10(i))。先に述べたように、第1のノズル層1、第2のノズル層2を形成するポリイミド樹脂や、ストッパ層3あるいは吐出孔層14を形成するTiは、上記犠牲層5のエッチング液によってほとんどエッチングされることがないので、犠牲層5のエッチングによって、形状の変化や構造的信頼性の低下を招来することがない。
【0210】
次に、犠牲層5が除去された第1のノズル層1の表面に撥液層4を形成する(図10(i))。ここでは、塗布の容易さを考慮する趣旨でフッ素重合体を用い、これをスタンプなどの方法により第1のノズル層1の表面に塗布し、高分子膜にて厚さ0.05μmの撥液層4を形成した。なお、第1のノズル孔11a内に回り込んだ撥液層4については、撥液層4形成後に、酸素を含有するプラズマを用い、第2のノズル孔11b側からドライエッチングすることで、これを除去した。これにより、ノズルプレート8のダメージを最小限にすることができる。
【0211】
以上のように、本実施の形態によれば、加工工程中にフォトリソグラフィとドライエッチングを実施することによって、超微量の流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置のノズルプレート8に、チャンネルごとに離間された第1及び第2の電極層25・26をノズル孔11内に精度良く形成することができる。これによって、個々のチャンネルに独立して吐出信号を印加することができるので、クロストークが少なく、これによって描画画像の解像度を向上させることができる。
【0212】
また、第1のノズル層1を薄く形成することができるので、第1のノズル孔11a内壁に形成する第1の電極層25を成膜時のガス圧を制御することにより流体吐出孔9近傍にまで安定して成膜することができる。これによって、電極からノズル先端の電気抵抗Rが安定し、チャンネル間の吐出特性が安定する。
【0213】
なお、本実施の形態では、犠牲層5としてNi、第1のノズル層1および第2のノズル層2としてとしてポリイミド樹脂、第1及び第2の電極層25・26としてTiを用いたが、この組み合わせに限定されない。
【0214】
犠牲層5には、Niのほかに、第1のノズル層1、第2のノズル層2、第1の電極層25、第2の電極層26に用いる材料との組み合わせによって、Al、Cu、などの硝酸、あるいはKOH水溶液に可溶な材料、またはポリイミドのような酸素プラズマによってエッチングできる材料を用いることができる。また、犠牲層5の形成方法についても鍍金以外に蒸着法、スパッタ法、塗布法などを材料に応じて用いることができる。
【0215】
第1のノズル層1、第2のノズル層2、第2の電極層26には、犠牲層5のエッチングによるダメージが軽微な材料を用いることができる。また、第1の電極層25には、犠牲層5のエッチングおよび第2のノズル孔11bのエッチングに対して耐性の高い材料を用いることができる。
【0216】
ここで、図12に、使用材料(犠牲層、第1のノズル層、第1の電極層、第2のノズル層、第2の電極層)および加工方法(第1のノズル孔、第1の電極層、第2のノズル孔、第2の電極層、犠牲層除去)について好ましい組み合わせの例を示す。
【0217】
図12に示すように、第1のノズル層1、第2のノズル層2はポリイミド樹脂のような高分子有機材料に限定されず、SiまたはSiO2などの無機シリコン化合物を選択することができる。ただし、SiO2やSiをドライエッチングするためには、Fを含有する反応ガスを使用する必要があり、このエッチングに対して本実施の形態で用いたTiは耐性が低いため、Au、Ptなどのエッチング耐性を有する材料を第1の電極層25あるいは第2の電極層26として利用することが望ましい。
【0218】
また、第1の電極層25または第2の電極層26にも、Ti以外に、図12に示す組み合わせに応じて、同表に記載の材料を使用することができる。
【0219】
なお、第1の電極層25の材料であるTiはCF4と酸素の混合ガスを用いたプラズマでも比較的速いエッチング速度でエッチングすることができる。しかし、Tiの下に形成された第1のノズル層1(ポリイミド)が、上記ガスのプラズマによってTiよりも高速にエッチングされ、大きなダメージを受ける。したがって、本実施の形態では第1の電極層25および第2の電極層26のパターニングにはArイオンによるドライエッチング法を採用している。
【0220】
このように、第1の電極層25あるいは第2の電極層26のエッチレートと第1のノズル層1あるいは第2のノズル層2のエッチレートとの差が少ないArイオンによるドライエッチング法を採用することで、第1のノズル層1あるいは第2のノズル層2のダメージを最小限に抑えつつ第1の電極層25あるいは第2の電極層26をパターニングすることができる。
【0221】
また、本実施の形態では、犠牲層5をエッチングによって完全に除去したが、犠牲層5を完全に除去する必要はなく、犠牲層5のうち第1のノズル層1と接している部分のみをエッチングによって除去すれば、ノズルプレート8を基板6から取り外すことができる。
【0222】
また、撥液層4としては、フッ素重合体に限定されず、シリコン系の高分子膜、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)などを用いることもできる。
【0223】
以上の加工工程を用いることによって、上記した▲1▼〜▲5▼の作用を奏するノズルプレート8を製造することができる。
【0224】
〔実施の形態2〕
本発明のその他の実施の形態について、図13〜図16を用いて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【0225】
(ノズルプレート)
図13(a)は、本実施の形態のノズルプレート80の一部の斜視図であり、図13(b)は、図13(a)のB−B’線断面図である。ノズルプレート80には2個以上の流体吐出孔9が形成されており、図13(a)においては2個の流体吐出孔9が示されている。また、図13(c)はノズルプレート80の一部を流体供給側から観察した斜視図である。
【0226】
図13(a)〜(c)に示すように、ノズルプレート80は、第1のノズル層10に形成された第1のノズル孔11cが第2のノズル孔11bと同様にテーパー形状であると共に、ノズルプレート80の流体吐出面80aには、第1のノズル孔11cにおける流体吐出側の開口部を塞ぐように、表面電極層81が形成されており、該表面電極層81に形成された貫通孔81aが流体吐出孔9となっている。そして、上記表面電極層81は、第1のノズル孔11cの内壁に成膜された第1の電極層25と電気的に接続されており、第1の電極層25及び第2の電極層26を介して、ノズルプレート80の流体供給側より駆動信号を印加可能となっている。ここでも、第2のノズル層20を1層としているが、2層以上であってもよい。
【0227】
なお、図13(a)(c)においても、図面を簡素化するために、ノズル孔11の構成する第1のノズル孔11c及び第2のノズル孔11bの各内壁に形成されている第1の電極層25及び第2の電極層26は省略している。
【0228】
以下、各部のサイズや材質の具体例を説明するが、本発明がその具体例に限定されるものではない。
【0229】
表面電極層81は、Ptを主成分とする金属材料が用いられ、ノズルプレート80全体の応力を低減するために、5μm径の略円形形状に形成されている。また表面電極層81の厚さは0.5μmである。
【0230】
第1のノズル層10は、本実施の形態ではSiO2を主成分とする無機材料からなり厚さが2μmに形成されている。第2のノズル層20は、ポリイミド樹脂を主成分とする有機材料からなり、20μmの膜厚に形成されている。第1の電極層25および第2の電極層26には、Tiを主成分とする金属材料が用いられ、0.5μmの膜厚に形成されている。
【0231】
表面電極層81に形成された貫通孔81aである流体吐出孔9の口径は2μmとなっており、第1のノズル孔11cとの連通部まで膜面に対して垂直に加工されている。ここで、流体吐出孔9の口径は、実施の形態1と同様の理由からΦ10μm以下、さらに好ましくはΦ8μm以下であることが望ましい。
【0232】
また、第1のノズル孔11cは流体吐出孔9との連通部、つまり流体吐出側開口部が4μmの口径に加工されており、第2のノズル孔11bとの連通部まで、裾広がりに拡開するテーパー形状(円錐台形状)に加工されている。
【0233】
また、第2のノズル孔11bは、第1のノズル孔11cとの連通部、つまり流体吐出側開口部において20μmの口径に加工されており、裾広がりに拡開するテーパー形状(円錐台形状)であり、第2のノズル層20を通って、ノズルプレート80の流体供給面80bにて開口している。
【0234】
なお、円錐台形状の第1のノズル孔11cの上底11cyは、流体吐出孔9を略中心とする円環形状であり、表面電極層81の一部が当該上底11cyを成して露出している。したがって、流体吐出孔9と第1のノズル孔11cとの連通孔11cx(略円形)の口径は、第1のノズル孔11cの上底11cyの外口径(上記連通孔11cxにおける第1のノズル孔11cの外形)より小さい。
【0235】
さらに、円錐台形状の第2のノズル孔11bの上底11byは、第1のノズル孔11cを略中心とする円環形状であり、第1の電極層の一部が当該上底11byを成して露出している。したがって、第1のノズル孔11cと第2のノズル孔11bの連通孔11bx(略円形)の口径は、第2のノズル孔11bの上底11byの外口径(上記連通孔11bxにおける第2のノズル孔11bの外形)より小さい。
【0236】
また、第1のノズル孔11cの内壁の少なくとも一部に加えて、第1のノズル孔11cと第2のノズル孔11bが連通する周辺部には延設部25bとなる第1の電極層25が形成されている。ここで、第1のノズル層10を構成するSiO2は、後述する第2のノズル孔11b加工による酸素を含有するプラズマによるドライエッチに高い耐性を示すため、第1の電極層25の該延設部25bが形成されておらず第1のノズル層10あるいは第1のノズル孔11cが第2のノズル孔11bのエッチングにさらされた場合でも、ほとんどエッチングされることなく、第1のノズル孔11cの形状が変形することはない。
【0237】
これに対して、第1のノズル層10に第2のノズル孔11b加工におけるエッチングに対して耐性の低い材料を用いた場合(たとえば実施の形態1の場合ように、第1のノズル層10と第2のノズル層20が同様の材料)は、第1の電極層25は第1のノズル孔11cの内壁すべてを被覆するように形成することが望ましい。すなわち、第1の電極層25は第2のノズル孔11bの加工工程において、第1のノズル孔11cあるいは第1のノズル層10を当該エッチングから保護する保護層として機能する。
【0238】
また、第2のノズル孔11b内壁には、上記第1の電極層25と電気的に接続された第2の電極層26が形成されている。また、第2の電極層26の一部は、ノズルプレート80の流体供給面80bを成す第2のノズル層20の流体供給側表面にも配設されており、図13(c)に示すように、該表面に形成された第2の電極層26を加工した、配線パターン26aによって、図示しない駆動信号電圧印加手段に接続されている。撥液層4は、厚さが0.05μmのフッ素重合体を有する高分子材料から形成されている。
【0239】
また、表面電極層81は第1のノズル孔11cのエッチング手段に対して高い耐性を有しているため、上記第1のノズル孔11caのエッチングによって流体吐出孔9形状が変形することがない。また着弾精度に大きな影響を与えるノズルプレートの流体吐出孔9の形状が、表面電極層81となる上記0.5μmのTi膜の加工精度で決定されるので、流体吐出孔9の加工精度が非常に高く、これに伴って非常に高い着弾精度を確保することができる。
【0240】
ところで、流体吐出孔9の加工精度を高めるためには、表面電極層81の膜厚を減少すれば、さらに高い加工精度を得ることができるが、表面電極層81の膜厚を減少することによって、表面電極層81の剛性が低下し、流体吐出孔9の構造的な信頼性が減少する。
【0241】
しかしながら、このように、表面電極層81に接して第1のノズル層10を配置することによって、表面電極層81が補強され、表面電極層81の構造的信頼性を低下することなく流体吐出孔9の形状精度を向上することができる。
【0242】
また、第1の電極層25は第2のノズル孔11bのエッチング手段に対して、高い耐性を有しているので、第2のノズル孔11bの加工によって第1のノズル孔11cの形状が大幅に変形することがないとともに、第2のノズル孔11bの加工のオーバーエッチによって、第1のノズル層10が完全に除去されることがない。
【0243】
なお、表面電極層81に用いる材料はPtを主成分とする金属材料に限定されない。第1のノズル孔11cのエッチングおよび第2のノズル孔11bのエッチングおよび後述する犠牲層50のエッチング並びに流体吐出孔9内に回り込んだ撥液層4のエッチングの際、当該エッチングに対して高い耐性を有する材料、すなわち、フッ素を含有するプラズマ、酸素を含有するプラズマ、硝酸、水酸化カリウム水溶液等に耐性の高い材料であればよく、犠牲層エッチング、第1のノズル孔加工、第2のノズル孔加工の手法との組み合わせによって使用することができる。具体的には、Al、Cu、Co、Fe、Ni、Au、Pt、等を主成分とする金属材料が挙げられ、上記エッチングガスあるいはエッチャントとの組み合わせで選択することができる。
【0244】
その他、第1のノズル層10、第1のノズル層2、第1の電極層25、第2の電極層26等の材料も何ら上記に限定されるものではなく、材料と製造方法との好適な組み合わせについて後述する。
【0245】
また、本実施の形態では、第2のノズル孔11bは、第1のノズル孔11cとの連通部11bxが狭まった円錐台形状(テーパー形状)であるがこれに限定されない。例えば、図14に示す変形例のノズルプレート80’のように、第2のノズル孔11bの側壁がストッパ層3と垂直の、いわゆるストレート形状(円筒形状)に形成することもできる。この場合、第2のノズル孔11bの流体供給孔12をより小さくすることができ、ノズルの集積度をさらに高めることができる。また、図14に示すように、第2の電極層26は第2のノズル孔11bの内壁面全体に形成してもよく、この場合第2の電極層26の電気伝導にかかる信頼性が向上する。
【0246】
また、ここでは、1つのノズル孔11に対応する1個の表面電極層81に対して貫通孔81aを1個形成したが、複数個の貫通孔を1個の表面電極層81に形成して1つのノズル孔11に対する流体吐出孔9が複数ある構成としても良い。
【0247】
また、第1のノズル孔11cを、実施の形態のノズルプレート8の場合のように、側壁がノズルプレート表面に対して垂直の、いわゆるストレート形状(円筒形状)に形成することもできる。この場合、第1のノズル孔の加工精度が向上するため、表面電極層81の形状を小さくすることができ、表面電極層81によって発生する応力を低減することができる。
【0248】
本実施の形態のような構成のノズルプレート80(80’)とすることで、以下のような作用を、前述した▲1▼〜▲5▼に加えて奏する。
▲6▼第1のノズル孔11cがテーパー形状に形成されているため、第1のノズル孔11c内に形成する第1の電極層25のカバレッジがよく、導電性にかかる信頼性が向上する。
▲7▼薄膜の表面電極層81に形成した貫通孔81aが孔流体吐出孔9となるため、加工精度が非常に高いとともに、第1の電極層25を形成することによる流体吐出孔9の形状変化がないので、吐出信頼性が向上する。
【0249】
(ノズルプレートの製造方法)
次に、本実施の形態にかかるノズルプレート80の一製造方法を説明する。図15(a)〜(g)はノズルプレート80の製造工程を説明する図である。
【0250】
まず、基板6に、犠牲層50を、実施の形態1と同様に形成する(図15(a))。ここでは、犠牲層50の厚さは10μmとする。さらに、上記犠牲層50上に厚さ0.5μmのPt膜を蒸着などの方法で成膜し、フォトリソグラフィを用いて表面電極層81をノズル孔11形成部分に部分的に形成されるように外形形状と、流体吐出孔9となる貫通孔81の形状のレジストパターンを形成する。しかる後に、ドライエッチング法を用いて上記表面電極層81の外形形状と流体吐出孔9を同時に加工する。
【0251】
Pt膜は化学的に比較的不活性な材料であるため、ここでは上記ドライエッチングはArを用いたスパッタエッチングを用い、物理的な加工が支配的な方法によって加工した。また、本加工は非常に高い精度で行うため、異方性の高いエッチング条件を用いている。ここで、上記表面電極層81の形状は5μm径の略円形形状に加工されている。また、上記表面電極層81内部に配設される流体吐出孔9は2μm径の略円形形状に形成されている。
【0252】
次に、上記犠牲層50及び表面電極層81上にSiO2膜からなる第1のノズル層10をP−CVD法によって成膜する。本P−CVD法によると、成膜するSiO2膜が有する応力を成膜に用いるガスの組成、ガス圧、プラズマを発生するためのRFパワーによって制御することができるとともに、段差部のつき周りが良好であるため、上記表面電極層81の段差部においてクラックなどが発生することがなく、膜としての構造的な信頼性が高い。このため、ノズルプレート全体の構造的な信頼性が高くなる(図15(a)参照)。
【0253】
次に、上記第1のノズル層10上にフォトリソグラフィによってレジストパターンを作成し、フッ素ガスと酸素ガスを含有する反応性イオンエッチング(RIE)によって加工し、加工後、レジストをレジスト剥離液によって除去する。(図15(b)参照)。本エッチング方法では、プラズマによって活性化されたフッ素が選択的にSi原子と反応するため、SiO2のエッチング速度が非常に高い。これに対して、上述したようにPtは化学的に安定な材料であるため、前記活性化されたフッ素とはほとんど反応しない。このためPtのエッチング速度が遅く、これによって、本エッチングは前記表面電極層81と第1のノズル層10の界面で精度よく止めることができる。
【0254】
また、本加工工程では、フッ素ガスと酸素ガスを含有するプラズマを用いることで、SiO2とフォトレジストのエッチング速度を同程度に設定し、実施の形態1の第2のノズル層20を加工する工程で用いた、レジストの形状を反映する手法を用いてSiO2を加工し、第1のノズル孔11cをテーパー形状に加工した。ここで、第1のノズル孔11cの表面電極層81との接合部に置ける形状を4μm径の略円形形状とし、第2のノズル層20との界面における開口径は6μmとした。また、第1のノズル孔11cの形状は、流体吐出孔9よりも大きく、第1のノズル孔11cのパターン内に流体吐出孔9が配設されるように加工する。
【0255】
また、上記第1のノズル孔11cは表面電極層81に接合していればよいので、テーパー形状だけでなく、ノズル面に対して垂直な、いわゆるストレート形状でも良い。
【0256】
次に、イオンビームスパッタによって、矢印K1方向から(第1のノズル層10表面に対して18°)Tiを成膜し、上記表面電極層81と第1のノズル孔11cの一部、および第1のノズル層10上に、厚さ0.5μmの第1の電極層25を形成する。このとき、上記表面電極層81に形成した流体吐出孔9の内部に、上記Ti膜が成膜されないよう、第1のノズル孔11cの形状、第1のノズル層10の厚さを考慮し、Ti粒子の入射方向を決定することが望ましい。また、ここでは基板を固定して第1の電極層25を形成したが、上記入射角度を設定した後、ノズル面の法線方向を中心にして基板を回転させることで、第1のノズル孔11c側壁全面に第1の電極層25を形成することができる。このようにして形成した第1のノズル孔側壁全面に付着する第1の電極層25は、後述する第2のノズル孔加工の際の第1のノズル孔11cの保護層として機能させることができる。
【0257】
次に、ドライエッチング法を用いて上記第1の電極層25の第1のノズル層10上の外形形状を加工する。本加工においては、実施の形態1において第2の電極層26を加工する際に実施した加工方法を用いて行った。すなわち、ポジ型のフォトレジストで所望のパターンを形成した後、Arガスを主成分とするプラズマを用いたドライエッチングによって加工を行った。ここでは、第1のノズル層10と第2のノズル層20の界面に配設される第1の電極層25の形状を16μm径の略円形形状とした(図15(c)参照)。
【0258】
次に、上記第1のノズル層10の上に塗布型のポリイミド樹脂を厚さ20μmで成膜し、第2のノズル層20を形成する(図15(d)参照)。ここで、上記塗布型ポリイミド樹脂は第1のノズル層10上にスピンコートによって塗布し、350℃で2時間焼成した。ここで、流体吐出孔9および第1のノズル孔11cもポリイミド樹脂にて埋められることになる。
【0259】
次に、上記第2のノズル層20上にフォトリソグラフィによってレジストパターン70を形成し、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングを行い、第2のノズル層20にテーパー形状(円錐台形状)の第2のノズル孔11bを形成した(図15(e)参照)。
【0260】
なお、上記ドライエッチングは第1のノズル層10あるいは第1の電極層25あるいは表面電極層81で止めることができる。すなわち、第1のノズル孔11cを除いて第1のノズル層10または第1の電極層25が露出した部位では、ドライエッチングがそれ以上進行しない。また同様に、表面電極層81の上記流体吐出孔9を除いて表面電極層81が露出した部位では、ドライエッチングがそれ以上進行しない。すなわち、第2のノズル孔11bの加工プロセスにおいて、先の工程でポリイミド樹脂にて埋められた、第1のノズル孔11cおよび流体吐出孔9が、ポリイミド樹脂が除去されることによって再現され、流体吐出孔9は表面電極層81に形成されたパターンによって決定される形状に存在する第2のノズル層20材料が除去され、先の工程でポリイミド樹脂によって埋められた形状が再現される。
【0261】
次に、上記レジストパターン70をレジスト剥離液を用いて除去し、上記第2のノズル層20上に、Tiを主成分とする金属材料からなる第2の電極層26を成膜する。ここでは、イオンビームスパッタ法を用いて、0.2mTorrのArガス圧下で、Ar原子によるTi粒子の散乱を抑制しながら、矢印K2の方向からTi粒子が飛来するように基板を傾斜し、第2のノズル層20内壁面の片側のみに形成され、第2の電極層26の一部が第1の電極層25と電気的に短絡するように成膜した(図15(f)参照)。膜厚は0.5μmである。このように、斜め方向からTi粒子を入射しながら第2の電極層26を形成することによって、流体吐出孔9内に第2の電極層26が付着するのを防止することができ、これによって、流体吐出孔9の形状変化や閉塞することを防止することができる。
【0262】
次に、上記第2の電極層26を加工するが、この工程は実施の形態1と同様であるので省略する。第2のノズル層上に形成された第2の電極層26の形状は略70μm径の円形形状とした。
【0263】
次に、硝酸と水が主成分である水溶液に浸漬し犠牲層50のみをエッチングすることで、ノズルプレート80を基板6からとりはずす(図15(g))。先に述べたように、第1のノズル層10を形成するSiO2、第2のノズル層20を形成するポリイミド樹脂や表面電極層81を形成するPtおよび、第1の電極層25、第2の電極層26を形成するTiは、上記犠牲層50のエッチング液によってほとんどエッチングされることがないので、犠牲層50のエッチングによって、形状の変化や構造的信頼性の低下を招来することがない。
【0264】
次に、第1のノズル層10の表面に撥液層4を形成する(図15(g))。ここでは、塗布の容易さを考慮する趣旨でフッ素重合体を用い、これをスタンプなどの方法により第1のノズル層10の表面に塗布し、高分子膜にて撥液層4を形成した。なお、第1のノズル孔11c内に回り込んだ撥液層については、撥液層形成後に、酸素を含有するプラズマを用い、第2のノズル孔11b側からドライエッチングすることで、これを除去した。これにより、ノズルプレート80のダメージを最小限にすることができる。
【0265】
本実の形態では、上記回り込みを酸素を含有するプラズマを用いたドライエッチでエッチング除去する。しかし、本実の形態においては、上述したように流体吐出面に酸素を含有するプラズマを用いたドライエッチに対して高い耐性を有する表面電極層81が存在しており、この表面電極層81が流体吐出孔9の形状を決定しているため、上記ドライエッチによって流体吐出孔9の形状が変化することがない。このため非常に高精度のノズル孔を形成することができる。
【0266】
具体的には、本実施の形態の工程を用いて作成した200個の流体吐出孔9を有するノズルプレート80の各流体吐出孔9の形状を評価したところ、ばらつきは±0.15μmと非常に高精度に加工できた。また、ノズルプレート80の反りも10μm以下と非常に平坦であった。
【0267】
なお、本実施の形態では、犠牲層50にNi、表面電極層81にPt、第1のノズル層10にSiO2、第2のノズル層20にポリイミド樹脂、第1の電極層25にTi、第2の電極層26にTiを用いたが、この組み合わせに限定されない。
【0268】
犠牲層50には、Niのほかに、表面電極層81、第1のノズル層10、第2のノズル層20、に用いる材料との組み合わせによって、Al、Cu、などの硝酸、あるいはKOH水溶液に可溶な材料を用いることができる。また、犠牲層50の形成方法についても鍍金以外に蒸着法、スパッタ法、塗布法などを材料に応じて用いることができる。
【0269】
第2のノズル層20および第2の電極層26には、犠牲層50のエッチングによるダメージが軽微な材料を用いることができる。ただし、後述する第1のノズル層あるいは表面電極層81とのエッチングの選択性を考慮したとき、酸素を含有するプラズマを用いたエッチングが可能な有機樹脂が望ましい。さらに、分子鎖同士が架橋反応している分子構造を有する有機樹脂を用いると、第2のノズル層20の耐熱性、耐環境性が高く、ノズルプレートの信頼性を向上することができる。
【0270】
また、第1のノズル層10および第1の電極層25には、犠牲層50のエッチングおよび第2のノズル孔11bのエッチングに対して耐性の高い材料を用いることができる。さらに、表面電極層81には、犠牲層50のエッチングおよび第2のノズル孔11bのエッチングおよび第1のノズル孔11cのエッチングに対して耐性の高い材料を用いることができる。
【0271】
ここで、図16に、使用材料(犠牲層、表面電極層、第1のノズル層、第2のノズル層、第1の電極層、第1の電極層の形成領域、第2の電極層)および加工方法(流体吐出孔、第1のノズル孔、第2のノズル孔、犠牲層除去)について好ましい組み合わせの例を示す。
【0272】
図16に示すように、第1のノズル層10あるいは第2のノズル層20はポリイミドなどの有機樹脂やSiO2のようなSi化合物といった無機材料の組み合わせで、ノズル層を構成することができる。ただし、たとえばSiO2/SiO2の組み合わせや、ポリイミド/ポリイミドといった組み合わせのように、第2のノズル孔加工の際に第1のノズル層10が損傷を受けるような組み合わせの場合、第1の電極層25を第1のノズル孔11cの内壁全面に形成し、第1のノズル孔11cを保護する必要がある。
【0273】
また、本実施の形態では、犠牲層50をエッチングによって完全に除去したが、犠牲層50を完全に除去する必要はなく、犠牲層50のうち第1のノズル層10と接している部分のみをエッチングによって除去すれば、ノズルプレート80を基板6から取り外すことができる。
【0274】
また、撥液層4としては、フッ素重合体に限定されず、シリコン系の高分子膜、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)などを用いることもできる。
【0275】
以上の加工工程を用いることによって、上記した▲1▼〜▲7▼の作用を奏するノズルプレート80を製造することができる。
【0276】
また、上述したすべての実施の形態を通して、撥液層4を形成しない構成を採用することができる。撥液層4を表面電極層81、あるいは第1のノズル層1上に形成しないことによって、流体吐出孔9の形状精度がさらに向上する。
【0277】
また、上述したすべての実施の形態を通して、表面電極層81、第1の電極層25、第2の電極層26、上述した材料を主成分とする金属膜を有する、複数の薄膜から構成されるいわゆる積層膜であっても良い。
【0278】
また、上述した各実施の形態では、基板6上に犠牲層5・50を形成し、該犠牲層5・50をエッチングすることによって、ノズルプレート8・80を製造する方法について説明したが、これ以外に、例えばNi板などのように、犠牲層5・50のエッチングと同様の手法でエッチングすることのできる材料からなる基板上に、直接第1のノズル層1・10を形成することもできる。
【0279】
最後に、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【0280】
【発明の効果】
本発明のノズルプレートは、以上のように、第1のノズル孔を有し、流体吐出側に配される薄層の第1のノズル層と、該第1のノズル層の流体供給側に積層され、上記第1のノズル層よりも厚層で、かつ上記第1のノズル孔と連通すると共に第1のノズル孔とでノズル孔部を構成する第2のノズル孔を有する第2のノズル層を少なくとも一層備え、該第1のノズル孔の内壁に成膜された第1の電極層と、第2のノズル孔の内壁に成膜された第2の電極層とが電気的に接続されていることを特徴としている。
【0281】
上記構成により、第1のノズル層に形成される第1のノズル孔は、孔径を例えば10μm以下といった超微細に形成することができると共に、このような超微細な第1のノズル孔内壁に第1の電極層を層厚方向に安定して成膜することが可能となり、流体吐出面の第1のノズル孔の開口部を流体吐出孔とした場合、この流体吐出孔近傍にまで第1の電極を成膜することができる。その結果、ノズル内部の電気抵抗Rを従来に比べ飛躍的に低減することができ、流体の吐出周波数を向上が図れ、記録媒体に対する高速描画が可能となる。
【0282】
しかも、このように形成された第1の電極層は、第1のノズル孔と連通する第2のノズル孔に形成された第2の電極層と電気的に接続されているので、第2の電極層を介してノズルプレートの流体供給側より駆動信号を供給することが可能となる。したがって、第1の電極層に駆動信号を供給するための引き出し配線が媒体に近接することがなく、引き出し配線から発生する電界によって、記録媒体が電気的な損傷を受けるようなこともない。
【0283】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第1のノズル孔の流体吐出側に、第1のノズル孔の流体吐出側開口部を塞ぐように、貫通孔を有する表面電極層が配され、該貫通孔と第1のノズル孔とが連通すると共に、上記表面電極層が第1の電極層と電気的に接続されていることを特徴とすることもできる。
【0284】
上記構成によれば、ノズルプレートの流体吐出面に備えられた表面電極層の貫通孔が流体吐出孔となるので、吐出流体の着弾精度に大きな影響を与える流体吐出孔を表面電極層のエッチングで加工することができる。これによって、内壁に第1の電極層が成膜されている第1のノズル孔の流体吐出側開口部を流体吐出孔とした構成よりもさらに、流体吐出孔の形状精度が飛躍的に安定し、これにともない着弾精度のさらなる安定化が可能となる。
【0285】
本発明のノズルプレートの製造方法は、以上のように、基板上に犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層上に第1のノズル層を形成する工程と、上記第1のノズル層に複数の第1のノズル孔を形成する工程と、上記第1のノズル層上に各第1のノズル孔の内壁面を含めて第1の電極層を形成する工程と、各第1のノズル孔内壁と各第1のノズル孔周囲部とに残るように上記第1の電極層を加工する工程と、上記第1のノズル層上に、残留する各第1の電極層部分も含めて第2のノズル層を形成する工程と、上記第2のノズル層に複数の第2のノズル孔を、各第2のノズル孔の流体吐出側の開口部が上記第1のノズル層上に残留する各第1の電極層部分に収まるように形成する工程と、上記第2のノズル層上に各第2のノズル孔の内壁面を含めて第2の電極層を形成する工程と、隣接する第2のノズル孔間で電気的に分離されるように第2の電極層を加工する工程とを備えることを特徴としている。
【0286】
これによれば、剛性の高い基板上に、犠牲層を介して第1のノズル層、第1の電極層、第2のノズル層、第2の電極層を順次積層する。このため、フォトリソグラフィ技術を利用してレジストパターンを形成後、ドライエッチングによって所望の形状に加工できるため、第1のノズル孔、第2のノズル孔、第1の電極層、第2の電極層を非常に高い形状精度で形成することができる。
【0287】
また、ノズルプレートの流体吐出面が、工程の最終段階まで犠牲層によって保護されているため、ノズルプレート製造工程において流体吐出孔が損傷をうけて流体吐出孔が変形するといった危険がない。このため、ノズルプレートの製造歩留まりが向上する。
【0288】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、基板上に犠牲層を形成する工程と犠牲層上に第1のノズル層を形成する工程との間に、上記犠牲層上に表面電極層を形成し、該表面電極層をノズル孔部形成部位に対応して分離すると共に各分離部に貫通孔を形成する工程とを有し、犠牲層上の第1のノズル層を形成する工程では、分離された表面電極層上も含めて第1のノズル層を形成することを特徴とすることもできる。
【0289】
本構成のノズルプレートの製造方法は、犠牲層上に形成した表面電極層に貫通孔として流体吐出孔を加工することができるので、第1のノズル孔内に形成された第1の電極層の不均一性(たとえば膜厚分布)によって、流体吐出孔の形状が変形することがなく、さらに高精度の流体吐出孔を有するノズルプレートを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本となる吐出モデルにおいて、ノズルの電界強度の計算を説明するための図である。
【図2】表面張力圧力および静電的圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図3】吐出圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図4】吐出限界電圧のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図5】荷電液滴と基板の間に働く鏡像力とノズル−基板間距離の相関を示したグラフである。
【図6】ノズルから流出する流量と印加電圧との相関関係のモデル計算結果を示したグラフである。
【図7】(a)(c)は、本発明の実施の一形態にかかるノズルプレートを示す斜視図であり、(b)は、(a)のA−A’線断面図である。
【図8】上記ノズルプレートにおける第1の電極層と第2の電極層との接続部分を示す説明図である。
【図9】本実施の形態にかかるノズルプレートの変形例を示すもので、図7(c)に相当する断面図である。
【図10】(a)〜(i)は、本実施の形態の上記ノズルプレートの製造方法を断面の構成により示す説明図である。
【図11】(a)〜(c)は、図10(e)に示す工程を、ノズルプレートの断面の構成により詳細に示す説明図である。
【図12】本実施の形態にかかるノズルプレートを製造する場合に、各層の使用材料と加工方法との好ましい組み合わせを示す説明図である。
【図13】(a)(c)は、本発明の実施のその他の形態にかかるノズルプレートを示す斜視図であり、(b)は、(a)のB−B’線断面図である。
【図14】その他の実施の形態にかかるノズルプレートの変形例を示すもので、図13(c)に相当する断面図である。
【図15】(a)〜(g)は、その他の実施の形態の上記ノズルプレートの製造方法を断面の構成により示す説明図である。
【図16】その他の実施の形態にかかるノズルプレートを製造する場合に、各層の使用材料と加工方法との好ましい組み合わせを示す説明図である。
【図17】従来の静電吸引型インクジェット装置の概略構成断面図である。
【図18】(a)〜(c)は、図17に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【図19】従来の他の静電吸引型インクジェット装置の概略構成図である。
【図20】図19に示すインクジェット装置のノズル部分の概略断面斜視図である。
【図21】図19に示すインクジェット装置のインク吐出原理を説明する図である。
【図22】図19に示すインクジェット装置のノズル部分での電圧印加時における微粒子の状態を説明する図である。
【図23】図19に示すインクジェット装置のノズル部分における微粒子体形成の原理を説明する図である。
【図24】(a)〜(c)は、図19に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【図25】(a)は、静電吸引型流体吐出装置における概略構成図であり、(b)はその等価回路である。
【図26】静電吸引型インクジェット装置に用いられる従来のノズルプレートの側面断面図である。
【図27】従来の静電吸引型インクジェット装置の記録ヘッド部分の構成を示す断面図である。
【図28】図28の静電吸引型インクジェット装置の記録ヘッド部分におけるインク吐出孔を示す部分拡大断面平面図である。
【符号の説明】
1 第1のノズル層
2 第2のノズル層
4 撥液膜
5 犠牲層
8 ノズルプレート
9 流体吐出孔
10 第1のノズル層
11 ノズル孔(ノズル孔部)
11a 第1のノズル孔
11c 第1のノズル孔
11b 第2のノズル孔
20 第2のノズル層
25 第1の電極層
25b 延設部(延設された第1の電極層部分)
26 第2の電極層
50 犠牲層
80 ノズルプレート
81 表面電極層
Claims (16)
- 電圧印加により帯電された流体をノズル先端の流体吐出孔から静電吸引により吐出させる静電吸引型流体吐出装置に備えられ、複数のノズル孔部を有するノズルプレートにおいて、
第1のノズル孔を有し、流体吐出側に配される薄層の第1のノズル層と、
該第1のノズル層の流体供給側に積層され、上記第1のノズル層よりも厚層で、かつ上記第1のノズル孔と連通すると共に第1のノズル孔とでノズル孔部を構成する第2のノズル孔を有する第2のノズル層を少なくとも一層備え、
該第1のノズル孔の内壁に成膜された第1の電極層と、第2のノズル孔の内壁に成膜された第2の電極層とが電気的に接続されていることを特徴とするノズルプレート。 - 上記第1の電極層が第1のノズル層と第2のノズル層との界面において第1のノズル孔より第1のノズル層上に延設され、上記第2の電極層は、第1のノズル層上に延設された部分で第1の電極層と電気的に接続していることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 上記第1の電極層が上記第1のノズル孔の内壁全面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 上記第1の電極層が上記第1のノズル層と第2のノズル層との界面において第1のノズル孔より第1のノズル層上に延設され、上記第2のノズル孔における第1のノズル孔と連通する側の開口部は、この第1のノズル層上に延設された第1の電極層部分内に位置することを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 上記第1のノズル孔及び/又は第2のノズル孔は、流体吐出側よりも流体供給側の開口部が大きく形成されていることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 上記第1のノズル孔の流体吐出側に、第1のノズル孔の流体吐出側開口部を塞ぐように、貫通孔を有する表面電極層が配され、該貫通孔と第1のノズル孔とが連通すると共に、上記表面電極層が第1の電極層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 最も流体供給側にある上記第2のノズル層における第2の電極層が、該第2のノズル層の流体供給側で、隣接するノズル孔部間で電気的に分離されていることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 最も流体供給側にある上記第2のノズル層の第2の電極層が、該第2のノズル層の流体供給側表面にも形成され、該表面においてパターニングされて引き出し配線を形成していることを特徴とする請求項7に記載のノズルプレート。
- 上記第1のノズル孔の流体吐出側の開口部の直径或いは上記表面電極層に形成された貫通孔の直径が8μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のノズルプレート。
- 基板上に犠牲層を形成する工程と、
上記犠牲層上に第1のノズル層を形成する工程と、
上記第1のノズル層に複数の第1のノズル孔を形成する工程と、
上記第1のノズル層上に各第1のノズル孔の内壁面を含めて第1の電極層を形成する工程と、
各第1のノズル孔内壁と各第1のノズル孔周囲部とに残るように上記第1の電極層を加工する工程と、
上記第1のノズル層上に、残留する各第1の電極層部分も含めて第2のノズル層を形成する工程と、
上記第2のノズル層に複数の第2のノズル孔を、各第2のノズル孔の流体吐出側の開口部が上記第1のノズル層上に残留する各第1の電極層部分に収まるように形成する工程と、
上記第2のノズル層上に各第2のノズル孔の内壁面を含めて第2の電極層を形成する工程と、
隣接する第2のノズル孔間で電気的に分離されるように第2の電極層を加工する工程とを備えることを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 基板上に犠牲層を形成する工程と犠牲層上に第1のノズル層を形成する工程との間に、上記犠牲層上に表面電極層を形成し、該表面電極層をノズル孔部形成部位に対応して分離すると共に各分離部に貫通孔を形成する工程とを有し、
犠牲層上の第1のノズル層を形成する工程では、分離された表面電極層上も含めて第1のノズル層を形成することを特徴とする請求項10に記載のノズルプレートの製造方法。 - 上記の第2の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とする請求項10又は11に記載のノズルプレートの製造方法。
- 上記の第1の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とする請求項11に記載のノズルプレートの製造方法。
- 上記の第2のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第2のノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記第1の電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とする請求項10又は11に記載のノズルプレートの製造方法。
- 第1のノズル孔を形成する工程及び第2のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第1及び第2の各ノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記表面電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とする請求項11に記載のノズルプレートの製造方法。
- 上記の第2の電極層を電気的に分離する工程では、ドライエッチングを用いて行うことを特徴とする請求項10又は11に記載のノズルプレートの製造方法。
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007050636A (ja) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Fujifilm Corp | 液体吐出ヘッドおよび画像記録装置ならびに液体吐出ヘッドの製造方法 |
JP2007253479A (ja) * | 2006-03-23 | 2007-10-04 | Fujifilm Corp | ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド及び画像形成装置 |
JPWO2008155986A1 (ja) * | 2007-06-20 | 2010-08-26 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッド |
US7954925B2 (en) | 2006-10-16 | 2011-06-07 | Seiko Epson Corporation | Droplet discharging head and method for manufacturing the same, and droplet discharging device |
JP2011167930A (ja) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Brother Industries Ltd | 液体吐出ヘッド、及び、これを含む液体吐出装置 |
CN104507686A (zh) * | 2012-07-31 | 2015-04-08 | 株式会社理光 | 喷嘴板、喷嘴板制造方法、喷墨头和喷墨打印装置 |
JP2016203547A (ja) * | 2015-04-27 | 2016-12-08 | 株式会社リコー | ノズルプレート、インクジェットヘッド、インクジェット装置およびノズルプレートの製造方法 |
Families Citing this family (6)
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---|---|---|---|---|
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CN108311305A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-07-24 | 黑龙江八农垦大学 | 双级式静电喷头感应电极 |
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Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3114634B2 (ja) * | 1996-12-20 | 2000-12-04 | 村田機械株式会社 | マルチノズル型インクジェットのノズル製造方法 |
JP2002154210A (ja) * | 2000-11-20 | 2002-05-28 | Canon Inc | インクジェット記録ヘッドの製造方法、インクジェット記録ヘッド、およびインクジェット記録装置 |
JP2003127386A (ja) * | 2001-10-22 | 2003-05-08 | Ricoh Co Ltd | 液滴吐出ヘッド及びその製造方法 |
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007050636A (ja) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | Fujifilm Corp | 液体吐出ヘッドおよび画像記録装置ならびに液体吐出ヘッドの製造方法 |
JP2007253479A (ja) * | 2006-03-23 | 2007-10-04 | Fujifilm Corp | ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド及び画像形成装置 |
JP4706850B2 (ja) * | 2006-03-23 | 2011-06-22 | 富士フイルム株式会社 | ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド及び画像形成装置 |
US7954925B2 (en) | 2006-10-16 | 2011-06-07 | Seiko Epson Corporation | Droplet discharging head and method for manufacturing the same, and droplet discharging device |
JPWO2008155986A1 (ja) * | 2007-06-20 | 2010-08-26 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッド |
JP2011167930A (ja) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Brother Industries Ltd | 液体吐出ヘッド、及び、これを含む液体吐出装置 |
CN104507686A (zh) * | 2012-07-31 | 2015-04-08 | 株式会社理光 | 喷嘴板、喷嘴板制造方法、喷墨头和喷墨打印装置 |
US9481173B2 (en) | 2012-07-31 | 2016-11-01 | Ricoh Company, Ltd. | Nozzle plate, method of manufacturing nozzle plate, inkjet head, and inkjet printing apparatus |
CN104507686B (zh) * | 2012-07-31 | 2017-03-15 | 株式会社理光 | 喷嘴板、喷嘴板制造方法、喷墨头和喷墨打印装置 |
JP2016203547A (ja) * | 2015-04-27 | 2016-12-08 | 株式会社リコー | ノズルプレート、インクジェットヘッド、インクジェット装置およびノズルプレートの製造方法 |
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