JP2012196931A

JP2012196931A - ノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置

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Publication number: JP2012196931A
Application number: JP2011064009A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komizo; 公一郎小溝; Junichi Takeuchi; 淳一竹内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-10-18

Abstract

【課題】ノズル孔の傾斜部が垂直部およびノズル基板平面と段差を介さずに連続して形成され、ノズル孔の流路特性が最適化されて安定した吐出特性を有するノズル基板の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基材４１の一方の面側から異方性ドライエッチングを行って円筒孔部１１ｄを形成し、その後、円筒孔部内にＳｉＯ₂膜４５を形成する。反対側の面からＳｉＯ₂膜４５をチャージアップさせながらエッチングを行い、第１のノズル孔部１１ａと所望の傾斜角で拡径する第２のノズル孔部１１ｂ、第３のノズル孔部１１ｃを形成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、ノズル基板、このノズル基板の製造方法、このノズル基板を備えた液滴吐出ヘッド、およびこの液滴吐出ヘッドを備えた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（液滴吐出装置）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基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバー等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、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。
例えば、インクジェットヘッドを構成するノズル基板において、特許文献１ではノズル孔の傾斜部と垂直部と段差を介さずに連続して形成することで安定した吐出特性を有するノズル基板が開示されている。

特開２０１０−１２５７０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のノズル基板では、ノズル基板を接着する面側とノズル孔部との境界部分において連続形状ではなく角部（段差）があるため、ノズル孔の流路特性が低下し、吐出特性を悪化させる恐れがあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかるノズル基板は、吐出方向の先端側に位置する第１のノズル孔部と、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がテーパ状の第２のノズル孔部と、前記第２のノズル孔部の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がテーパ状の第３のノズル孔部と、を有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界および、前記第２のノズル孔部と前記第３のノズル孔部との境界は角部を形成せず連続して形成され、かつ、吐出方向の後端側に位置する前記第３のノズル孔部の端部は角部を形成せず曲面状に形成されていることを特徴とする。

本適用例のノズル基板によれば、第１のノズル孔部と第２のノズル孔部との境界部分、第２のノズル孔部と第３のノズル孔部との境界部分、さらに第３のノズル孔部と接着面側表面との境界部分に角部（段差）などを介さずになめらかな連続形状とすることができ、ノズル孔の流路特性が最適化され、安定した吐出特性を得ることができる。

［適用例２］本適用例にかかるノズル基板の製造方法は、基板の一方の面側から異方性ドライエッチングを行って、誘電体層を形成するためのノズル孔部を形成する工程と、前記ノズル孔部に前記誘電体層を形成する工程と、前記ノズル孔部を形成した面と反対側の面側から第１のノズル孔部を形成する工程と、前記第１のノズル孔部を形成した面側から第２のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程と、前記第１のノズル孔部を形成した面側から第３のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程と、前記誘電体層を除去する工程と、を有することを特徴とする。

本適用例のノズル基板の製造方法によれば、容易に第２のノズル孔部および第３のノズル孔部を形成することができ、第１のノズル孔部と第２のノズル孔部との境界部分、第２のノズル孔部と第３のノズル孔部との境界部分、さらに第３のノズル孔部と接着面側表面との境界部分に角部（段差）などを介さずになめらかな連続形状とすることができる。

［適用例３］上記適用例にかかるノズル基板の製造方法において、前記第２のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程および前記第３のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程において、前記誘電体層をチャージアップさせて加工することを特徴とする。

本適用例によれば、前記誘電体層をチャージアップさせて加工するため、ノズル孔の傾斜部の傾斜角を所望の角度とすることができ、ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有するノズル基板を製造することができる。

［適用例４］本適用例にかかる液滴吐出ベッドは、上記に記載のノズル基板を備えたことを特徴とする。

本適用例によれば、上記のノズル基板の製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造するため、ノズル孔の傾斜部の傾斜角を所望の角度とすることができ、ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを製造することができる。

［適用例５］本適用例にかかる液滴吐出装置は、上記に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。

本適用例によれば、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造するため、ノズル孔の傾斜部の傾斜角を所望の角度とすることができ、ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を製造することができる。

液滴吐出ヘッドの斜視図。図１のインクジェットヘッドを組立てた状態の要部の縦断面図。図２のノズル孔部分を拡大した縦断面図。図１のノズル基板の上面図。ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。インクジェット記録装置を示す斜視図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
以下、本発明に係るノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドについて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〜図４を用いて説明する。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にも適用することができる。

図１は、本実施形態に係るインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）の分解斜視図であり、一部を断面で表してある。また、図２は、図１を組み立てた要部をしめす縦断面図であり、図３は図２のノズル孔の近傍を拡大して示した縦断面図である。なお、図１〜図３では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。図４は図１のノズル基板の上面図である。

インクジェットヘッド１０は、図１および図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基板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基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配置された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。

ノズル基板１は、シリコン単結晶基材（以下、単にシリコン基材ともいう）から作製されている。ノズル基板１にはインク滴を吐出するためのノズル孔１１が開口されている。各ノズル孔１１は、図３に示すように、吐出方向の先端側の面１ａに開口しており、ほぼ円筒状をなす円筒状ノズル孔部（以下、第１のノズル孔部という）１１ａと、吐出方向の後端側に位置しており第１のノズル孔部１１ａの後端から吐出方向の後端面１ｂに向けてノズル断面積が漸増し後端面１ｂ側で最も拡径して開口する傾斜面がほぼテーパ状をなすノズル孔部で、実施の形態１ではほぼ截頭円錐状の截頭円錐状ノズル孔部（以下、第２のノズル孔部という）１１ｂを有している。そして、さらに第２のノズル孔部１１ｂの後端側に位置しており第２のノズル孔部１１ｂの後端から吐出方向の後端面１ｂに向けてノズル断面積が漸増し後端面１ｂで最も拡径して開口する傾斜面がほぼテーパ状をなすノズル孔部（以下、第３のノズル孔部）１１ｃを備えている。

なお、第１のノズル孔部１１ａはノズル基板１の表面（吐出方向の先端側の面１ａ）に対して垂直に形成されており、第１のノズル孔部１１ａと第２のノズル孔部１１ｂおよび第３のノズル孔部１１ｃとは同軸上に形成されている。かかる構成により、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無くなり、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。

キャビティ基板２は、シリコン単結晶基材（この基材も以下、単にシリコン基材ともいう）から作製されている。シリコン基材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２４及びリザーバー２５を構成するための凹部２４０、２５０が形成される。凹部２４０はノズル孔１１に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、ノズル基板１とキャビティ基板２を接合した際、各凹部２４０は吐出室２４を構成し、それぞれがノズル孔１１に連通し、またインク供給口であるオリフィス２３ともそれぞれ連通している。そして、吐出室２４（凹部２４０）の底壁が振動板２２となっている。

他方の凹部２５０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２４に共通のリザーバー（共通インク室）２５を構成する。そして、リザーバー２５（凹部２５０）はそれぞれオリフィス２３を介して全ての吐出室２４に連通している。また、リザーバー２５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、キャビティ基板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ＴＥＯＳ（Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）を原料としたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によるＳｉＯ₂膜等からなる絶縁膜２６が施されている。この絶縁膜２６は、インクジェットヘッドを駆動させたときに、絶縁破壊や短絡を防止する。

電極基板３は、ガラス基材から作製されている。なかでも、キャビティ基板２のシリコン基材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好ましい。これは、電極基板３とキャビティ基板２を陽極接合する際、両基板３、２の熱膨張係数が近いため、電極基板３とキャビティ基板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とキャビティ基板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のキャビティ基板２と対向する面には、キャビティ基板２の各振動板２２に対向する位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。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がスパッタにより形成されている。そして、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）Ｇ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２に示すように、配線のためにキャビティ基板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、ノズル基板１、キャビティ基板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、キャビティ基板２と電極基板３は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面（図２の上面）にノズル基板１が接着剤等により接合されている。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Ｇの開放端部は、エポキシ等の樹脂による封止材で封止されている。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップＧ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、図２に簡略化して示すように、ＩＣドライバー等の駆動制御回路４が、各個別電極３１の端子部３１ｂと、キャビティ基板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）を介して接続されている。

上記のように構成されたインクジェットヘッド１０においては、駆動制御回路４によりキャビティ基板２と個別電極３１の間にパルス電圧が印加されると、振動板２２と個別電極３１との間に静電気力が発生し、その吸引作用により振動板２２が個別電極３１側に引き寄せられて撓み、吐出室２４の容積が拡大する。これにより、リザーバー２５の内部に溜まっていたインクがオリフィス２３を通じて吐出室２４に流れ込む。次に、個別電極３１への電圧の印加を停止すると、静電吸引力が消滅して振動板２２が復元し、吐出室２４の容積が急激に収縮する。これにより、吐出室２４内の圧力が急激に上昇し、この吐出室２４に連通しているノズル孔１１からインク液滴が吐出される。

本実施形態のノズル基板は、第１のノズル孔部１１ａと第２のノズル孔部１１ｂとの境界部分、第２のノズル孔部１１ｂと第３のノズル孔部１１ｃとの境界部分、さらに第３のノズル孔部１１ｃと接着面側表面との境界部分に角部（段差）などを介さずになめらかな連続形状とすることができ、ノズル孔１１の流路特性が最適化され、安定した吐出特性を得ることができる。

次に、ノズル基板１の製造方法を説明する。
図５、図６、図７はノズル基板の製造工程を説明する断面図である。
図５（ａ）に示すように、ノズル基板１の母材であるシリコン基材４１を用意する。

図５（ｂ）に示すように、シリコン基材４１において、吐出方向の後端側となる後端面４１ａにレジスト４２をコーティングする。そして、図５（ｃ）に示すように、レジスト４２から円筒状のノズルを形成する部分のレジストを除去し、開口部４２ａを有するレジストパターンを形成する。

図５（ｄ）に示すように、ＩＣＰドライエッチング装置によりレジスト４２の開口部４２ａを介して、シリコン基材４１を所定の深さに異方性ドライエッチングを行い、円筒孔部１１ｄを形成する。この場合のエッチングガスとしては、たとえば、Ｃ₄Ｆ₈、ＳＦ₆を使用し、これらのエッチングガスを交互に使用する。ここで、Ｃ₄Ｆ₈は形成される溝の側面にエッチングが進行しないように溝側面を保護するために使用し、ＳＦ₆はシリコン基材の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。

図６（ａ）に示すようにたとえば硫酸過水で溶解し、レジスト４２を除去する。

シリコン基材４１を熱酸化装置にセットし、所定の酸化温度、酸化時間、酸素雰囲気中の条件で熱酸化処理し、図６（ｂ）に示すように、異方性ドライエッチングで形成した円筒孔部１１ｄの側面および底面を含むシリコン基材４１の表面全体に、たとえば膜厚が１．０μｍのＳｉＯ₂膜４５を均一に成膜する。

図６（ｃ）に示すように、シリコン基材４１の先端面４１ｂ側からバックグラインダーで研削加工を行い、所望の板厚までシリコン基材４１を薄くする。

研削を施した先端面４１ｂにレジスト４４をコーティングし、第１のノズル孔部１１ａとなるレジストを除去し、図６（ｄ）に示すように、開口部４４ｂを有するレジストパターンを形成する。

図７（ａ）に示すようにＩＣＰドライエッチング装置によりレジスト４４の開口部４４ｂを介して異方性ドライエッチングを行い、第１のノズル孔部１１ａが形成される。

さらに、異方性ドライエッチングを継続すると、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂膜４５はバイアス印加のパワーや周波数によってチャージアップ量がかわるため、たとえは、１３．５６ＭＨｚでバイアスを印加することでＳｉＯ₂膜４５がチャージアップし、エッチングイオンの方向が妨げられ、第２のノズル孔部１１ｂが形成される。

さらに１３．５６ＭＨｚの周波数でエッチングを進めると、後端面４１ａ側のＳｉＯ₂膜がチャージアップし、図７（ｃ）に示すように、第３のノズル孔部１１ｃを形成する。

図７（ｄ）に示すように、フッ酸水溶液などでエッチングし、ＳｉＯ₂膜４５を除去する。

以上のように本実施形態によれば、ノズル基板１の製造において、ＳｉＯ₂膜４５をチャージアップさせながら第２のノズル孔部１１ｂを形成するため、第２のノズル孔部を所望の角度にすることができる。

また、ＳｉＯ₂膜４５をチャージアップさせながら第３のノズル孔部１１ｃを形成するため、第３のノズル孔部を所望の角度にすることができ、第２のノズル孔部１１ｂと第３のノズル孔部１１ｃ、第３のノズル孔部１１ｃと後端面４１ａとの境界に段差がなく、なめらかで連続した形状とすることができ、これによって流路特性が最適化され、安定した吐出特性を有する。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で変更することができる。たとえば、ノズル孔１１より吐出される液状材料を変更することにより図８に示す液滴吐出装置としてのインクジェットプリンター３００のほか、液晶ディスプレイのカラーフィルターの製造、有機ＥＬ表示装置の発行部分の形成、プリント配線基板製造装置にて製造する配線基板の配線部分の形成、生体液滴の吐出（プロテインチップやＤＮＡチップの製造）など、さまざまな用途の液滴吐出装置に適用することができる。

１…ノズル基板、２…キャビティ基板、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のノズル孔部、１１ｂ…第２のノズル孔部、１１ｃ…第３のノズル孔部、４１…シリコン基材、４５…ＳｉＯ₂膜。

Claims

吐出方向の先端側に位置する第１のノズル孔部と、
前記第１のノズル孔部から吐出方向の後側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がテーパ状の第２のノズル孔部と、
前記第２のノズル孔部の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がテーパ状の第３のノズル孔部と、を有し、
前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界および、前記第２のノズル孔部と前記第３のノズル孔部との境界は角部を形成せず連続して形成され、かつ、
吐出方向の後端側に位置する前記第３のノズル孔部の端部は角部を形成せず曲面状に形成されていることを特徴とするノズル基板。
基板の一方の面側から異方性ドライエッチングを行って、誘電体層を形成するためのノズル孔部を形成する工程と、
前記ノズル孔部に前記誘電体層を形成する工程と、
前記ノズル孔部を形成した面と反対側の面側から第１のノズル孔部を形成する工程と、
前記第１のノズル孔部を形成した面側から第２のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程と、
前記第１のノズル孔部を形成した面側から第３のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程と、
前記誘電体層を除去する工程と、
を有することを特徴とするノズル基板の製造方法。
請求項２に記載のノズル基板の製造方法であって、
前記第２のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程および前記第３のノズル孔部を所望の傾斜角で拡径する工程において、前記誘電体層をチャージアップさせて加工することを特徴とするノズル基板の製造方法。
請求項１に記載のノズル基板を備えたことを特徴とする液滴吐出ベッド。
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。