JP2010191034A - ノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ノズル基板は、液状体が吐出される吐出ノズルがシリコン基板に形成されたノズル基板であって、ノズル基板における、吐出ノズルから液状体が吐出される側の面に開口している凹部を備え、吐出ノズルは、凹部が開口する面の側の開口が凹部の底面に開口し、底面から凹部が開口している面の反対側の面に貫通している。
【選択図】図3
Description
特許文献1には、ノズル孔の形状を工夫することによって、高速及び高解像度の記録を行うために、ノズルの狭ピッチが図れ、インク吐出特性の良好なノズル形成部材及びノズル形成部材を歩留まり良く製造できるノズル形成部材の製造方法が開示されている。
特許文献2には、ノズル孔の断面形状を工夫することによって、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が開示されている。
ノズル形成部材又はノズルプレートの強度が不足すると、製造時や、組込時の取扱いによってノズル形成部材などが損なわれる可能性がある。組み立てられた状態でも、強度の余裕が少なくなることによるノズル形成部材などの変形に起因して、吐出特性が損なわれる可能性がある。
保護膜形成工程によって、吐出ノズルの壁面と、凹部の底面及び側壁面と、第一の面と、第二の面とに連続した保護膜を形成する。これにより、吐出ノズルの壁面と、凹部の底面及び側壁面と、第一の面と、第二の面とを、連続した保護膜で覆うことにより、液状体などが継ぎ目から滲入することでノズル基板が腐蝕されることを防止することができる。
保護膜形成工程によって、吐出ノズルの壁面と、凹部の底面及び側壁面と、第一の面と、第二の面とに連続した保護膜を形成する。これにより、吐出ノズルの壁面と、凹部の底面及び側壁面と、第一の面と、第二の面とを、連続した保護膜で覆うことにより、液状体などが継ぎ目から滲入することでノズル基板が腐蝕されることを防止することができる。
最初に、インクジェットヘッド10を構成する主要な部材について、図1を参照して説明する。図1は、インクジェットヘッドの主要な構成部材を示す分解斜視図である。図1では、構成部材の一部を断面で表してある。
凹部25は、2列のノズル列15Aに対応して2列に配設されている凹部24の列を挟む位置に、それぞれ1個所ずつ形成されている。凹部25の底面には、給液孔20が形成されている。
凹部24、及び凹部25は、シリコン基板に、例えば異方性ウェットエッチングを施すことによって形成する。(110)面方位のシリコン単結晶基板は、異方性ウェ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又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、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。
キャビティプレート2における凹部25より外側の部分に、共通電極28が形成されている。
次に、ノズル基板1と、キャビティプレート2と、電極基板3とが組み立てられて形成されたインクジェットヘッド10の構成について、図2を参照して説明する。図2は、インクジェットヘッドのノズル孔を含む断面の断面図である。
ノズル基板1と、キャビティプレート2と、電極基板3とを、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の本体部が形成されている。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)にノズル基板1が接着等により接合されている。キャビティプレート2と電極基板3とが接合されることによって振動板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で封止されている。封止材27で封止することで、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。
凹部25とノズル基板1とで、各吐出室21に共通の液溜室(共通インク室)23を構成している。液溜室23は液状材料を貯留するためのものである。一列のノズル列15Aに対応する各吐出室21に共通で、1個の液溜室23が形成されている。
ノズル基板1の細溝19とキャビティプレート2とで、供給口19aが形成されている。供給口19aの一端は、液溜室23に連通しており、もう一端は、一列のノズル列15Aに対応する各吐出室21に、それぞれ連通している。
凹部25の底面に開口している給液孔20には、電極基板3に形成された給液孔34が連通している。給液タンク(図示省略)から供給される液状材料が、給液孔34及び給液孔20を介して、液溜室23に供給されて貯留される。液溜室23に貯留されている液状材料は、インクジェットヘッド10が駆動されることで吐出室21の内部に在った液状材料がノズル孔15から吐出されるのに対応して、供給口19aを介して、内部の液状材料がノズル孔15から吐出された吐出室21に供給される。
次に、インクジェットヘッド10のノズル基板1における凹部14とノズル孔15との関係について、図3を参照して説明する。図3(a)は、インクジェットヘッドをノズル基板側から見た平面図である。図3(b)は、凹部とノズル孔との平面図であり、図3(c)は、凹部とノズル孔との、ノズル孔の配列方向に略平行な断面における断面図である。
また、適切な吐出特性が得られるノズル孔15の長さは、概ね50μmから100μmである。ノズル基板1の板厚が500μm以下の場合、凹部14の深さは450μm以下である。凹部14の深さが450μm以下の場合、凹部14の開口幅が100μm以上あれば、洗浄装置の拭き部材が変形して、凹部14の底面14aに開口したノズル孔15の縁を拭うことができることが確認されている。したがって、凹部14の大きさは、開口幅が100μm以上となる大きさに設定する。
次に、上述したように構成された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を含んでいる。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。
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、個別電極31の側に撓む(変位する)。これによって吐出室21の容積が増大する。吐出室21の容積が増大することで、吐出室21内の圧力が低下し、液溜室23に貯留されている液状材料が、供給口19aを介して、吐出室21に供給される。
次に、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。吐出室21の容積が急激に減少することで、吐出室21内の圧力が急激に大きくなるため、増大した圧力により吐出室21内の液状材料の一部が液滴としてノズル孔15から吐出される。
ノズル孔15の形状によるノズル孔15における流路抵抗や、供給口19aの形状による供給口19aにおける流路抵抗や、液溜室23に供給される液状材料の供給圧力などを均衡させることにより、吐出室21の内部の圧力の増減に従って、液状材料は、液溜室23から吐出室21に供給され、ノズル孔15から吐出される。
次に、ノズル基板1を製造する工程における、シリコン基板にノズル孔15及び凹部14を形成する工程について、図4及び図5を参照して説明する。図4は、シリコン基板にノズル孔及び凹部を形成する工程を示すフローチャートである。図5は、シリコン基板にノズル孔及び凹部を形成する工程における断面形状を示す断面図である。
酸化膜42は、酸化工程により均一で適切な膜厚を形成する。なお、ノズル孔15及び凹部14を形成する前、形成する途中、及びノズル孔15及び凹部14が形成された状態のいずれのシリコン基板も、シリコン基板41と表記する。シリコン基板41において、ノズル基板1がインクジェットヘッド10に組み込まれた状態で、吐出室21に臨む側の面を面41aと表記し、インクジェットヘッド10の外面となる面を面41bと表記する。
次に、図4のステップS4では、エッチングマスク52又は酸化膜42を除去したシリコン基板41の面41a及び面41bに酸化膜43を形成する。
ステップS3においてエッチングマスク52及び酸化膜42を除去し、ステップS4で酸化膜43を形成することで、シリコン基板41の全面に酸化膜が形成されていない状態から酸化膜43を形成するため、シリコン基板41の全面に略均一な膜厚の酸化膜43を形成することができる。
ウェットエッチングを用いることによって、既に適切な形状に形成されていることからさらにエッチングされることは好ましくないノズル凹部151にも、エッチング液が浸入する。しかし、ステップS4の酸化膜形成工程においてノズル凹部151にも酸化膜43が形成されているため、ステップS6で実施されるウェットエッチングによってノズル凹部151がさらにエッチングされることは、実質的に無い。
次に、図4のステップS8では、図5(h)に示すように、エッチングマスク53又は酸化膜43を除去したシリコン基板41に、酸化膜44を形成する。酸化膜44は、面41a、ノズル孔15、凹部14の底面14a及び側壁14b、及び面41bを覆う連続した膜として形成される。酸化膜44は、シリコン基板41の保護膜として機能する。酸化膜44が、連続した保護膜に相当する。面41aが、第一の面に相当し、面41bが、第二の面に相当する。
ステップS7でエッチングマスク53及び酸化膜43を除去し、ステップS8で酸化膜44を形成することで、シリコン基板41の全面に酸化膜が形成されていない状態から酸化膜44を形成するため、シリコン基板41の全面に略均一な膜厚の酸化膜44を形成することができる。また、ステップS8で実施する一回の酸化膜形成工程において、全ての酸化膜44を形成するため、酸化膜44を継ぎ目がない、連続した膜にすることができる。
次に、インクジェットヘッド10と一部の構成が異なるインクジェットヘッド100について、図6を参照して説明する。図6(a)は、インクジェットヘッドをノズル基板側から見た平面図である。図6(b)は、凹部とノズル孔との平面図であり、図6(c)は、凹部とノズル孔との、ノズル孔の配列方向に略平行な断面における断面図である。インクジェットヘッド100は、ノズル基板1とは凹部114の形状が凹部14とは異なるノズル基板101を備えることが、インクジェットヘッド10と異なっている。
ノズル基板101には、ノズル孔115が等間隔で配列されたノズル列115Aが2列形成されている。ノズル列115Aにおけるノズル孔115の配置、及びノズル基板101における2列のノズル列115Aの配置は、上述したノズル列15Aにおけるノズル孔15の配置、及びノズル基板1における2列のノズル列15Aの配置と同様である。凹部114が、ノズル列115Aごとに形成されている。
また、適切な吐出特性が得られるノズル孔115の長さは、概ね50μmから100μmである。ノズル基板101の板厚が500μm以下の場合、凹部114の深さは450μm以下である。凹部114の深さが450μm以下の場合、凹部114の開口幅が100μm以上あれば、洗浄装置の拭き部材が変形して、凹部114の底面114aに開口したノズル孔115の縁を拭うことができることが確認されている。したがって、凹部114のノズル孔115の配列方向に略直角な方向における大きさは、開口幅が100μm以上となる大きさに設定する。
次に、液滴吐出ヘッドにおける液滴吐出法について説明する。液滴吐出法は、材料の使用に無駄が少なく、しかも所望の位置に所望の量の材料を的確に配置できるという利点を有する。液滴吐出法の吐出技術としては、帯電制御方式、加圧振動方式、電気機械変換方式、電気熱変換方式、静電吸引方式などが挙げられる。
帯電制御方式は、材料に帯電電極で電荷を付与し、偏向電極で材料の飛翔方向を制御して吐出ノズルから吐出させるものである。加圧振動方式は、材料に30kg/cm2程度の超高圧を印加して吐出ノズル先端側に材料を吐出させるものであり、制御電圧をかけない場合には材料が直進して吐出ノズルから吐出され、制御電圧をかけると材料間に静電的な反発が起こり、材料が飛散して吐出ノズルから吐出されない。
電気機械変換方式は、液状材料に熱を加えないため、材料の組成などに影響を与えないことから、液状材料の選択の自由度が高いという利点もある。さらに、ピエゾ方式は、駆動電圧を調整することによって、液滴の大きさを容易に調整することができるなどの利点を有する。
(1)ノズル基板1は、凹部14を備えており、ノズル孔15は、凹部14の底面14aに開口している。凹部14を形成することによって、ノズル孔15が形成される部分のシリコン基板の肉厚を薄肉化することにより、ノズル孔15の長さ(基板厚み)を調整している。このため、ノズル孔15が備えるべき適切な長さに関わりなく、ノズル基板1における凹部14以外の部分の厚さを、設定することができる。これにより、充分な強度が得られる厚みを有するノズル基板1を形成することができる。
Claims (17)
- 液状体が吐出される吐出ノズルがシリコン基板に形成されたノズル基板であって、
前記ノズル基板における、前記吐出ノズルから前記液状体が吐出される側の面に開口している凹部を備え、
前記吐出ノズルは、前記凹部が開口する面の側の開口が前記凹部の底面に開口し、前記底面から前記凹部が開口している面の反対側の面に貫通していることを特徴とするノズル基板。 - 総厚が100μm以上であることを特徴とする、請求項1に記載のノズル基板。
- 前記凹部の開口の幅が、100μm以上1000μm以下であることを特徴とする、請求項2に記載のノズル基板。
- 前記凹部が開口している面の反対側の前記吐出ノズルが開口している面と、前記吐出ノズルの壁面と、前記凹部の前記底面及び側壁面と、前記凹部が開口している面と、を覆う連続した保護膜を備えることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のノズル基板。
- 液状体が吐出される吐出ノズルがシリコン基板に形成されているノズル基板の製造方法であって、
前記シリコン基板の第一の面に開口する前記吐出ノズルを形成するノズル形成工程と、
前記第一の面の反対側の第二の面に開口すると共に、底面に前記吐出ノズルが開口する凹部を形成する凹部形成工程と、を有することを特徴とするノズル基板の製造方法。 - 前記吐出ノズルの壁面と、前記凹部の前記底面及び側壁面と、前記第一の面と、前記第二の面との少なくとも一部に形成されている酸化膜を除去する膜除去工程と、
前記吐出ノズルの前記壁面と、前記凹部の前記底面及び前記側壁面と、前記第一の面と、前記第二の面とに、連続した保護膜を形成する保護膜形成工程と、をさらに有することを特徴とする、請求項5に記載のノズル基板の製造方法。 - 前記ノズル形成工程では、異方性ドライエッチングによって前記吐出ノズルを形成することを特徴とする、請求項5又は6に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記凹部形成工程では、異方性ウェットエッチングによって前記凹部を形成することを特徴とする、請求項5乃至7のいずれか一項に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記ノズル基板の総厚が100μm以上であることを特徴とする、請求項5乃至8のいずれか一項に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記凹部の開口の幅が、100μm以上1000μm以下であることを特徴とする、請求項9に記載のノズル基板の製造方法。
- 液状体を吐出する吐出ノズルを備える液滴吐出ヘッドであって、
前記液滴吐出ヘッドの外面に開口する凹部と、前記凹部の底面に開口し、前記底面から前記液滴吐出ヘッドの内部に形成された前記液状体の流路に貫通する前記吐出ノズルと、がシリコン基板に形成されたノズル基板を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記ノズル基板の総厚が100μm以上であることを特徴とする、請求項11に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記凹部の開口の幅が、100μm以上1000μm以下であることを特徴とする、請求項12に記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記液状体の流路に臨んで前記吐出ノズルが開口している前記ノズル基板の第一の面と、前記吐出ノズルの壁面と、前記凹部の前記底面及び側壁面と、前記凹部が開口している前記ノズル基板の第二の面と、を覆う連続した保護膜をさらに備えることを特徴とする、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。
- 液状体を吐出する吐出ノズルがシリコン基板に形成されているノズル基板を備える液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記シリコン基板の第一の面に開口する前記吐出ノズルを形成するノズル形成工程と、
前記第一の面の反対側の第二の面に開口すると共に、底面に前記吐出ノズルが開口する凹部を形成する凹部形成工程と、を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記吐出ノズルの壁面と、前記凹部の前記底面及び側壁面と、前記第一の面と、前記第二の面との少なくとも一部に形成されている酸化膜を除去する膜除去工程と、
前記吐出ノズルの前記壁面と、前記凹部の前記底面及び前記側壁面と、前記第一の面と、前記第二の面とに、連続した保護膜を形成する保護膜形成工程と、をさらに有することを特徴とする、請求項15に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のノズル基板、請求項5乃至10のいずれか一項に記載のノズル基板の製造方法を用いて製造されたノズル基板、請求項11乃至14のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド、又は請求項15又は16に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、を備えることを特徴とする液滴吐出装置。
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