JP2006181827A

JP2006181827A - ノズル形成部材及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド

Info

Publication number: JP2006181827A
Application number: JP2004376894A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tanaka; 真一田中; Shunei Takabayashi; 俊英高林; Masahiro Kamijo; 正広上條
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】液滴の飛行曲がりを防止して印刷品質を著しく向上することができるノズル形成部材及びその製造方法並びに液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】液滴を吐出する複数のノズルが開口するノズル面がシリコン単結晶基板で形成されるノズル形成部材の、少なくともノズルの開口周縁の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、液滴を吐出するノズルが形成されたノズル形成部材及びその製造方法並びに、このノズル形成部材を用いた、例えば、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに関する。

一般的に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等に用いられるインクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドでは、液滴を吐出させるためのメカニズムに応じて各種方式のものが知られている。例えば、発熱素子等によって液体を沸騰させ、そのときに生じる気泡圧で液滴を吐出させるものや、液滴が充填された圧力発生室の容積を、圧電素子の変位によって膨張又は収縮させることでノズルから液滴を吐出させるものがある。さらに、例えば、静電気力を利用して圧力発生室の容積を変化させることで、ノズルから液滴を吐出させるようにしたものもある。

例えば、インクジェット式記録ヘッドでは、何れの方式のものであっても、ノズルから吐出されたインク滴を、紙などの記録媒体上の所定位置に着弾させることで文字や画像などを形成している。このため、良好な印刷品質を得るためには、インク滴をノズルから一定の方向、すなわち、ノズルが開口するノズル面に対して略垂直方向に吐出させることが要求される。しかしながら、このようにノズルからインク滴を吐出させる場合、インク滴の飛行曲がりが発生しやすく、着弾ズレによる印刷不良が発生してしまうという問題がある。例えば、グラデーション印刷などでは、着弾位置のズレによって、その部分が白又は黒いスジとなって見え、印刷不良となってしまう。このような印刷不良を防止するために、例えば、第２ノズルの中心に対するインクノズルの中心が、相対的にインクが供給される側に位置するようにした構造がある（例えば、特許文献１参照）。

また、インク滴の飛行曲がりは、例えば、ノズル面の表面状態によっても発生する場合がある。例えば、特許文献１に記載のインクジェット式記録ヘッドでは、シリコン製のノズル基板が採用されているが、このようなシリコン製のノズル基板の表面粗さ（Ｒａ）は、一般的に０．２〜０．３μｍ程度である。このため、ノズルの形成位置によっては、ノズルの開口縁部の高さが一定にならず、円周方向で実質的に高さが異なってしまう場合があり、このような高さの違いに起因してインク滴の飛行曲がりが発生してしまうという問題がある。特に、特許文献１の図１に示されているようにノズル基板の一方面側に凹部が形成され、ノズル開口がこの凹部内に開口したような構造では、ノズルの開口周縁の高さの違いに起因するインク滴の飛行曲がりが発生しやすい。

なお、このような問題は、勿論、インクジェット式記録ヘッドだけでなく、他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

特開２００１−３０１１６５号公報（特許請求の範囲、第１図）

本発明はこのような事情に鑑み、液滴の飛行曲がりを防止でき、安定した吐出特性が得られるノズル形成部材及びその製造方法並びに液体噴射ヘッドを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための第１の態様は、液滴を吐出する複数のノズルが開口するノズル面がシリコン単結晶基板で形成され、少なくとも前記ノズルの開口周縁の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とするノズル形成部材にある。
かかる第１の態様では、ノズル周縁の高さが実質的に均一化されるため、液滴の飛行曲がりが防止され、良好な吐出特性が安定して得られる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記ノズル面側に、厚さ方向の一部が除去されたノズル段差部を有すると共に該ノズル段差部内に前記ノズルが開口し、当該ノズル段差部内の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とするノズル形成部材にある。
かかる第２の態様では、ノズル周縁の高さが実質的に均一化されるため、液滴の飛行曲がりが防止され、良好な吐出特性が安定して得られる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様のノズル形成部材と、当該ノズル形成部材が接合され前記ノズルがそれぞれ連通する複数の圧力発生室を有するキャビティ基板と、前記圧力発生室に液滴を吐出させるための圧力を付与する圧力発生手段とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様は、インク滴の飛行曲がりが防止されるため、印刷品質を著しく向上することができる。

本発明の第４の態様は、シリコン単結晶基板からなるノズル形成部材用基板の一方面側に液滴を吐出する複数のノズルを形成するノズル形成工程と、前記ノズル形成部材用基板の他方面側に、当該ノズル形成部材用基板をエッチングすることにより前記ノズルが開口するノズル段差部を形成する段差部形成工程と、前記ノズル形成部材用基板を所定の大きさに分割する分割工程とを少なくとも具備し、且つ前記段差部形成工程の前に、前記他方面の表面粗さ（Ｒａ）が少なくとも０．１μｍ以下となるように前記ノズル形成部材用基板を研磨する研磨工程を有することを特徴とするノズル形成部材の製造方法にある。
かかる第４の態様では、ノズルが開口するノズル面、すなわち、ノズル段差部の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下となりノズル周縁の高さが実質的に均一化されるため、液滴の飛行曲がりが防止され、良好な吐出特性が安定して得られる。また、歩留まりが著しく向上するため、製造コストを大幅に削減することができる。

本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記段差部形成工程では、前記ノズル形成部材用基板をウェットエッチングすることによって前記ノズル段差部を形成し、且つ前記研磨工程では、前記ノズル面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以下となるように前記ノズル形成部材用基板を研磨することを特徴とするノズル形成部材の製造方法にある。
かかる第５の態様では、ノズル面の表面粗さ（Ｒａ）が、確実に０．１μｍ以下となる。

本発明の第６の態様は、第４又は５の態様において、前記研磨工程では、前記ノズル形成部材用基板の表面を化学的機械研磨（ＣＭＰ）することを特徴とするノズル形成部材の製造方法にある。
かかる第６の態様では、ノズルプレート形成基板の表面を、容易且つ確実に所望の表面粗さに研磨することができる。

本発明の第７の態様は、第４〜６の何れかの態様において、前記ノズル形成部材用基板が面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなることを特徴とするノズル形成部材の製造方法にある。
かかる第７の態様では、ノズルを比較的高精度に形成することができ、液滴の吐出特性が良好なノズル形成部材を形成できる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略斜視図であり、図２は、その断面図である。図示したインクジェット式記録ヘッドは、いわゆる静電駆動方式のヘッドであり、キャビティ基板１０と、このキャビティ基板１０の両面にそれぞれ接合されるノズルプレート２０（請求項に記載の「ノズル形成部材」に相当）及び電極基板３０とで構成されている。

キャビティ基板１０は、例えば、面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面側に開口する圧力発生室（キャビティ）１１がその幅方向に複数並設されている。また、本実施形態では、図２に示すように、キャビティ基板１０には、複数の圧力発生室１１が並設された列が２列形成されている。さらに、キャビティ基板１０には、各列の圧力発生室１１に共通するインク室となる共通インク室１２が形成されており、この共通インク室１２は、後述するインク供給路を介して各圧力発生室１１に連通されている。また、共通インク室１２の底壁には、共通インク室１２にインクを供給するためのインク供給孔１３が形成されている。また、キャビティ基板１０には、共通インク室１２の外側に、後述する個別電極３３に接続される個別端子部３４を露出させるための貫通孔１４が形成されている。

なお、各圧力発生室１１の底壁は、圧力発生室１１内に圧力変化を生じさせるための振動板１５として機能し、且つこの振動板１５を変位させる静電気力を発生させるための共通電極としての役割を兼ねている。そして、キャビティ基板１０の貫通孔１４近傍には、後述するノズルプレート２０の露出孔内に露出されて図示しない駆動配線が接続される共通端子部１６が形成されている。

ノズルプレート２０は、キャビティ基板１０と同様に、面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、各圧力発生室１１に連通する複数のノズル２１が形成されている。そして、このノズルプレート２０は、キャビティ基板１０の開口面側に接合され、圧力発生室１１及び共通インク室１２の一方の面を形成している。また、ノズルプレート２０のキャビティ基板１０とは反対側の面には、ノズル２１に対応する領域に亘って厚さ方向の一部を除去したノズル段差部２２が形成されている。

ここで、各ノズル２１は、インク滴が吐出される側に設けられてノズル段差部２２内に開口する略円形の小径部２１ａと、小径部２１ａよりも大きい径を有し小径部２１ａと圧力発生室１１とを連通する大径部２１ｂとからなる。全てのノズル２１（小径部２１ａ）は、このノズル段差部２２内に開口しており、本実施形態では、このノズル段差部２２内のノズルプレート２０表面がノズル面となる。そして、本発明では、ノズルプレート２０のノズル２１の小径部２１ａが開口するノズル面の少なくともノズル２１の開口周縁の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下となるようにしている。例えば、本実施形態では、ノズル２１の小径部２１ａが開口するノズル段差部２２内のノズルプレート２０の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下となっている。

これにより、図３に示すように、ノズル２１（小径部２１ａ）の開口周縁の高さは、小径部２１ａの円周方向に亘って均一となる。すなわち、ノズル２１の開口周縁では、極めて微小な範囲においても、ノズルプレート２０のノズル面２０ａがノズル２１（小径部２１ａ）の内側面２１ｃに対して略直角となる。したがって、ノズル面の表面粗さが比較的大きく、たとえば、図中点線で示すようにノズル２１の開口周縁の高さが円周方向で異なる場合等に生じるインク滴の飛行曲がりを防止することができる。よって、インク滴の着弾ズレが生じることがないため、印刷品質を著しく向上させることができる。

また、ノズルプレート２０のキャビティ基板１０との接合面には、圧力発生室１１と共通インク室１２との境界に対応する領域に、これら各圧力発生室１１と共通インク室１２とを連通するインク供給路２３が形成されている。また、ノズルプレート２０には、共通インク室１２の外側に対応する位置に、キャビティ基板１０の貫通孔１４に連通し、個別端子部３４と共に共通端子部１６を露出させる露出孔２４が形成されている。

このノズルプレート２０の表面、本実施形態では、ノズル段差部２２内には、例えば、フッ素含有シランカップリング化合物等からなる撥水撥油性材料からなる撥水撥油膜２５が形成されている。これにより、ノズルプレート２０の表面（ノズル面）へのインク滴の付着を抑えている。

一方、電極基板３０は、シリコン単結晶基板に近い熱膨張率を有する、例えば、ホウ珪酸ガラス等のガラス基板からなり、キャビティ基板１０の振動板１５側の面に接合されている。この電極基板３０の振動板１５に対向する領域には、各圧力発生室１１に対応して凹部３１が形成されている。また、電極基板３０には、キャビティ基板１０のインク供給孔１３に対応する位置に、このインク供給孔１３に連通するインク導入孔３２が形成されている。そして、図示しないインクタンクからこのインク導入孔３２及びインク供給孔１３を介して共通インク室１２にインクが充填されるようになっている。

また、各凹部３１には、振動板１５を変位させる静電気力を発生させるための個別電極３３が、振動板１５との間に所定の間隔を確保した状態でそれぞれ配置されている。また、凹部３１内には、キャビティ基板１０の貫通孔１４に対向する領域に、図示しない駆動配線が接続される個別端子部３４が形成されており、この個別端子部３４と各個別電極３３とはリード電極３５によって接続されている。なお、図示しないが、これら各個別電極３３及びリード電極３５は絶縁膜によって封止され、また個別端子部３４と共通端子部１６との間には、接続配線を介して駆動電圧パルスを印加するための発振回路が接続されている。

そして、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、発振回路によって個別電極３３と振動板１５（キャビティ基板１０）との間に駆動電圧を印加すると、これら個別電極３３と振動板１５との隙間に発生する静電気力によって振動板１５が個別電極３３側に撓み変形して、圧力発生室１１の容積が拡大し、駆動電圧の印加を解除すると、振動板１５が元の状態に復帰し、圧力発生室１１の容積が収縮する。そして、このとき発生する圧力発生室１１内の圧力変化によって、圧力発生室１１内のインクの一部が、ノズル２１からインク滴として吐出される。

以下、本実施形態に係るノズルプレートの製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。なお、図４は、ノズルの列とは直交する方向の断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、例えば、厚さが１８０μｍのシリコンウェハであるノズルプレート用ウェハ２００を熱酸化することにより、その表面に二酸化シリコンからなる酸化膜２０１を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００の一方面側の酸化膜２０１を、例えば、フッ化アンモニウム等によってエッチングすることにより、ノズル２１が形成される領域に、小径部２１ａと略同一径の開口部２０２を形成する。また、個別端子部を露出させるための露出孔２４が形成される領域にも、所定形状の開口部２０３を形成する。なお、本実施形態では、開口部２０３は、露出孔２４が形成される領域の周縁部のみに形成している。次いで、図４（ｃ）に示すように、酸化膜２０１をさらにハーフエッチングすることにより、ノズル２１が形成される領域に、大径部２１ｂと略同一径で所定深さの凹部２０４を形成する。また、インク供給路２３が形成される領域に、インク供給路２３と略同一開口形状を有する所定深さの凹部２０５を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、このような酸化膜２０１をマスクとしてノズルプレート用ウェハ２００をエッチングすることによって所定深さの溝部２０６，２０７を形成する。例えば、本実施形態では、プラズマ放電によってノズルプレート用ウェハを異方性ドライエッチングすることで、溝部２０６，２０７をノズル２１の小径部２１ａと略同一深さとなるように形成する。

次に、図４（ｅ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００の表面の酸化膜２０１をフッ酸水溶液でエッチングし、その厚さ方向の一部を除去して、凹部２０４，２０５に対応する部分に開口部２０８，２０９を形成する。すなわち、凹部２０４，２０５内の酸化膜２０１が完全に除去されるまで酸化膜２０１全体を均一な厚さで除去する。

そして、図４（ｆ）に示すように、この開口部２０３，２０８，２０９を介してノズルプレート用ウェハ２００を、再び、プラズマ放電によって異方性エッチングする。このとき、ノズルプレート用ウェハ２００は、表面形状が維持されたままエッチングされる。したがって、ノズルプレート用ウェハ２００を大径部と同一の深さだけエッチングすることにより、開口部２０８に対応する部分に、小径部２１ａ及び大径部２１ｂからなるノズル２１が形成されると共に、開口部２０９に対応する領域にインク供給路２３が形成される。また同時に、溝部２０７がさらに深く形成される。

次いで、図５（ａ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００表面の酸化膜２０１をフッ酸水溶液によって、一旦全て剥離させる。次いで、本発明では、ノズルプレート用ウェハ２００の表面を、例えば、化学的機械研磨（ＣＭＰ）する。これにより、少なくともノズル面側の表面粗さ（Ｒａ）が、少なくとも０．１μｍ以下、本実施形態では、０．０１μｍ以下となるようにする。

そして、このようにノズルプレート用ウェハ２００の表面を研磨した後は、次いで図５（ｂ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００を熱酸化し、ノズル２１内等を含む全表面に、再び酸化膜２１１を形成する。なお、このような酸化膜２１１が形成された状態でも、ノズルプレート用ウェハ２００の表面粗さは実質的に変化することはない。

次に、図５（ｃ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００のインク供給路２３とは反対側の面、すなわち、ノズル面側の酸化膜２１１を、例えば、フッ化アンモニウム等によってエッチングすることにより、ノズル段差部２２及び露出孔２４が形成される領域に開口部２１２，２１３を形成する。そして、図５（ｄ）に示すように、この酸化膜２１１をマスクとしてノズルプレート用ウェハ２００を、例えば、水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ）等によって異方性ウェットエッチングすることにより、ノズル段差部２２を形成すると共に、露出孔２４を実質的に貫通させる。

ここで、このように異方性ウェットエッチングによりノズル段差部２２を形成すると、ノズル段差部２２内のエッチングされた表面は、エッチング前よりも粗くなってしまう。しかしながら、本発明では、予めノズルプレート用ウェハ２００の表面を研磨して、表面粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以下となるようにしているため、異方性ウェットエッチング後の表面粗さは、最大でも０．１μｍ以下に抑えることができる。

そして、このようにノズル段差部２２等を形成した後は、図５（ｅ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００表面の酸化膜２１１を、フッ酸水溶液等によって完全に剥離させる。これによって、ノズル２１がノズル段差部２２内に開口すると共に、露出孔２４が完全に貫通される。なお、その後は、図示しないが、ノズルプレート用ウェハ２００を、再び熱酸化してノズル２１等の内面にインク保護膜となる酸化膜を形成して、ダイシング等により所定の大きさに切断することによってノズルプレート２０が形成される。

以上本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、ノズル段差部２２をウェットエッチングにより形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、ドライエッチングによって、あるいはウェットエッチングとドライエッチングとを併用して形成するよういしてもよい。そして、この場合には、ノズル段差部２２を形成する前に、ノズルプレート用ウェハ２００の表面を、表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下となるように研磨しておけば、良好なノズル面が得られる。また、例えば、本実施形態では、ノズル２１の小径部２１ａ及び大径部２１ｂのそれぞれをドライエッチングによって形成するようにしたが、これに限定されず、大径部２１ｂは、ウェットエッチングによって形成してもよい。また、本実施形態では、ノズル形成部材として１枚のシリコン単結晶基板からなるノズルプレートを用いて説明したが、これに限定されず、少なくともノズル面がシリコン単結晶基板で形成されていれば、ノズル形成部材は複数の基板を用いてノズルを形成するものであってもよい。

さらに、本実施形態では、静電駆動方式のインクジェット式記録ヘッドを一例として本発明を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、圧電素子の変位によってインク滴を吐出させる方式、あるいは、発熱素子等によってインクを加熱することでインク滴を吐出させる方式等、あらゆる方式のインクジェット式記録ヘッドに採用することができる。また、勿論、本発明は、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、他のあらゆる液滴を吐出する液体噴射ヘッドにも採用することができる。他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

一実施形態に係る記録ヘッドの概略斜視図である。一実施形態に係る記録ヘッドの断面図である。一実施形態に係る記録ヘッドの要部を示す拡大断面図である。一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。一実施形態に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０キャビティ基板、１１圧力発生室、１２共通インク室、１４貫通孔、１５振動板、２０ノズルプレート、２０ａノズル面、２１ノズル、２１ａ小径部、２１ｂ大径部、２１ｃ内側面、２２ノズル段差部、２３インク供給路、２４露出孔、２５撥水撥油膜、３０電極基板、３１凹部、３３個別電極、２００ノズルプレート用ウェハ

Claims

液滴を吐出する複数のノズルが開口するノズル面がシリコン単結晶基板で形成され、少なくとも前記ノズルの開口周縁の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とするノズル形成部材。
請求項１において、前記ノズル面側に、厚さ方向の一部が除去されたノズル段差部を有すると共に該ノズル段差部内に前記ノズルが開口し、当該ノズル段差部内の表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とするノズル形成部材。
請求項１又は２のノズル形成部材と、当該ノズル形成部材が接合され前記ノズルがそれぞれ連通する複数の圧力発生室を有するキャビティ基板と、前記圧力発生室に液滴を吐出させるための圧力を付与する圧力発生手段とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
シリコン単結晶基板からなるノズル形成部材用基板の一方面側に液滴を吐出する複数のノズルを形成するノズル形成工程と、前記ノズル形成部材用基板の他方面側に、当該ノズル形成部材用基板をエッチングすることにより前記ノズルが開口するノズル段差部を形成する段差部形成工程と、前記ノズル形成部材用基板を所定の大きさに分割する分割工程とを少なくとも具備し、且つ前記段差部形成工程の前に、前記他方面の表面粗さ（Ｒａ）が少なくとも０．１μｍ以下となるように前記ノズル形成部材用基板を研磨する研磨工程を有することを特徴とするノズル形成部材の製造方法。
請求項４において、前記段差部形成工程では、前記ノズル形成部材用基板をウェットエッチングすることによって前記ノズル段差部を形成し、且つ前記研磨工程では、前記ノズル面の表面粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以下となるように前記ノズル形成部材用基板を研磨することを特徴とするノズル形成部材の製造方法。
請求項４又は５において、前記研磨工程では、前記ノズル形成部材用基板の表面を化学的機械研磨（ＣＭＰ）することを特徴とするノズル形成部材の製造方法。
請求項４〜６の何れかにおいて、前記ノズル形成部材用基板が面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなることを特徴とするノズル形成部材の製造方法。