JP2014028351A - ノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、インクジェットヘッド及びインクジェット印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質印刷を可能にする吐出口形状を有し、吐出口の開口面積のばらつきが小さく、開口形状が安定するノズルプレートとその製造方法を提供し、更に当該ノズルプレートを具備したインクジェットヘッド及びインクジェット印刷装置を提供する。
【解決手段】厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートにおいて、ノズル孔は、開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を吐出する開口を有するノズル孔を備えるノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、インクジェットヘッド及びインクジェット印刷装置に関するものである。

エレクトロニクスやディスプレイの分野において、電子回路やアクティブマトリックスは、従来フォトリソグラフィープロセスによって製造されている。近年、これらを印刷プロセスによって実現しようとする、所謂プリンテッドエレクトロニクスの開発が盛んになってきている。このプロセスに用いる印刷方法としてはマイクロコンタクト、グラビア、スクリーン印刷等、様々な方法が検討されているが、インクジェット法もそのひとつである。このインクジェット印刷方法は、インクジェットヘッドのノズルからインク滴を吐出させ、被印刷対象物に着弾させて印刷するものである。インクジェットヘッドは、一般に、ノズルプレートと液室形成プレートとを備えている。ノズルプレートは、ノズル面に設けられた吐出口とその吐出口に連通する厚み方向に貫通した空間部分であるノズル孔とを有している。液室形成プレートは、ノズルプレートと接合することでノズルプレートの空間部分であるノズル孔に連通するインク液室を形成する。そして、このインクジェットヘッドでは、駆動手段によって吐出口に形成されるインクメニスカスに力を加えることによりインク滴を吐出口より選択的に吐出するように構成されている。上記駆動手段としては、静電気力を利用する方式、圧電素子による圧電方式や発熱素子を利用する方式等がある。

プリンテッドエレクトロニクスにおいてインクジェット印刷方法を用いた場合、電子回路のプリント配線を印刷することからサブミクロンから１０［μｍ］程度の高解像度が要求される。その要求に伴い、ノズルプレートに形成される吐出口の開口径を１０［μｍ］以下にする必要がある。このため、インクジェットヘッドのノズルプレート形状及び製造方法に関して従来様々な提案がなされている。例えば特許文献１のノズルプレートの製造方法では、ノズルプレートとなる１枚の基板のおもて面から厚み方向にレーザビームを照射させる。レーザビームが照射された部分から基板の厚み方向に基板の材料を溶解しながら裏面まで開口穿孔する。この結果、基板のおもて面には吐出口が形成され、この吐出口に連通しかつ厚み方向で裏面まで貫通した空間部分であるノズル孔が備わったノズルプレートを製造することができる。

しかしながら、上記特許文献１のノズルプレートの製造方法では、基板のおもて面に吐出口が形成され、ノズル孔が基板の裏面まで開口穿孔される間、基板のおもて面にレーザビームの照射が続けられる。この結果、レーザビームが照射される基板のおもて面の近傍では裏面の近傍より高温になり、基板のおもて面から裏面への厚み方向に温度分布が形成される。これにより、基板のおもて面に開口穿孔される吐出口の開口面積は、基板の裏面に開口穿孔される開口の開口面積より大きくなる。また、レーザビームを走査しながらノズル孔を形成する場合では、吐出口のピッチは高密度になれば小さくなる。直前の吐出口を開口穿孔したとき熱が残留するため、レーザビームによってまさに開口穿孔しようとする吐出口の、直前に開口穿孔された吐出口側寄りの箇所の温度が、当該箇所以外の箇所の温度より高くなる虞がある。これにより、まさに開口穿孔した吐出口の開口形状が狙いの形状と異なってしまう。よって、開口穿孔した吐出口の開口面積のばらつきが大きく、開口形状も安定しない。また、開口形状も円形又は楕円形に近い形状にしか穿孔できず、このようなノズルで吐出した場合、所謂ミストやサテライトが多数形成され、高品質の印刷をすることは困難である。
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は以下のとおりである。高品質印刷を可能にする吐出口形状を有し、吐出口の開口面積のばらつきが小さく、開口形状が安定するノズルプレートとその製造方法を提供し、更に、そのノズルプレートを具備したインクジェットヘッド及びインクジェット印刷装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートにおいて、前記ノズル孔は、開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、溝が形成されている少なくとも一方の基板の一面に、他方の基板の一面を接合することにより、この溝によって、ノズル孔が形成される。そして、接合した接合板を溝の形成方向に対して略垂直に切断することにより、その切断面には、吐出口が形成される。そして、例えば溝の形成方向の全長において溝の断面形状が略同じであった場合では、溝の形成方向の任意の位置で溝の形成方向に対して接合板を略垂直に切断したときの吐出口の開口面積や開口形状は全て略同じにすることが可能である。そして、その開口形状が、４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を備えるノズルプレートを提供することができる。これにより、ミストやサテライトが少ない高品質印刷が可能で、吐出口の開口面積のばらつきが小さく、開口形状が安定するノズルプレートを製造することができる、という特有な効果が得られる。

実施形態１のノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。 （ａ）は実施形態１のノズルプレートの製造方法で製造されたノズルプレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面斜視図。 吐出口の開口形状の一例を示す図である。 吐出口の顕微鏡写真を示す図である。 ノズル孔の顕微鏡写真を示す図である。 比較例１のノズル孔の厚み方向の断面の顕微鏡写真を示す図である。 インクジェットヘッドを構成する各プレートの構造を示す図である。 （ａ）は接着プレートの透視平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図。 実施形態２のインクジェットヘッドの構成を示す概略図である。 実施形態３のインクジェット印刷装置の構成を示す斜視図である。 （ａ）はインクジェット印刷装置の右側面図、（ｂ）はインクジェット印刷装置の正面図。 実施例１のノズルプレートを実施形態３のインクジェット印刷装置に装着し、基板上にナノ金インクを印刷した顕微鏡写真を示す図である。 比較例１のノズルプレートを実施形態３のインクジェット印刷装置に装着し、基板上にナノ金インクを印刷した顕微鏡写真を示す図である。

以下、本発明のノズルプレートの製造方法、ノズルプレート、インクジェットヘッド及びインクジェット印刷装置について図面を用いて説明する。
従来の画像記録では、イエロー、マゼンタ、シアン等各色の粘度や表面張力などのインク物性を同程度に揃えることができる。一方、プリンテッドエレクトロニクスでは、配線、半導体膜、絶縁膜などの目的に応じて、様々な膜厚に制御する必要があるため、多様なインク物性に対応しなければならない。また、インクの溶剤も水系、有機溶剤系、酸性インク等、多岐に渡るため、インクジェットヘッドの材質には、化学的耐久性が要求される。よって、本発明のノズルプレートでは、化学的、物理的な耐久性が良好で、かつ表面の平面性及び平滑性の高い基板を必要とする。その基板の材料としては、ＳｉＯ_２ガラス、硼珪酸ガラス等の酸化物ガラス基板、クォーツ、サファイア、Ｓｉ等の単結晶基板などが利用できる。

図１は本発明に係る実施形態１のノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。図１（ａ）に示すように、第一の工程では、第１基板１１の表面に、フォトリソグラフィープロセスによって所望のパターンの溝１２を形成する。フォトマスクの溝パターンのピッチはノズルプレートのノズルピッチになる。ノズル用溝の外側にアライメント用溝等を形成してもよい。フォトマスクのパターンを転写する材料としては感光性レジストの他、Ｎｉ等の金属膜を利用してもよい。例えば、ＳＵ−８などの感光性レジストの塗布、露光、現像により、マスクパターンを形成した後、基板をエッチングする。

エッチング方法としては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングやウェットエッチングが利用できる。マスクパターンとエッチング条件により、溝の形状を制御することが可能である。必須の工程ではないが、ノズル孔に電極膜を形成する場合、第１基板１１の表面に溝１２を形成した後にフォトリソグラフィープロセスによって溝内部に電極膜を形成することができる。電極膜としてはＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ等の金属や合金、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ等の透明導電性酸化物の単相或いは多層膜をスパッタリングや真空蒸着により２０〜１５０［ｎｍ］程度成膜した後、パターニングする。

次に、図１（ｂ）に示すように、第二の工程では、第１基板１１の溝加工したおもて面と第２基板２１の平坦なおもて面とを接合する。第２基板２１のおもて面は一様に平坦な基板なので、第１基板１１との精密な位置合わせは不要である。接合方法としては、熱融着、陽極接合、直接接合、プラズマ活性化低温接合、等の既存の技術を利用できる。そして、図１（ｃ）に示すように、第三の工程では、２枚の基板１１、２１を接合した接合板（ノズルプレート）３１を、第１基板１１の溝１２の配列方向に対する仮想線である切断線２２に沿って垂直に切断する。切断にはダイサー、精密切断機等の既存の装置が利用できる。切断幅が流路長Ｌとなるので、切断幅を変えることで基本的にノズル孔Ｌを自由に設定できる。図２（ａ）に示すように、図１の製造工程により製造されたノズルプレートのノズル面には複数の吐出口３２が設けられている。そして、図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である図２（ｂ）に示すように吐出口３２に連通するノズル孔３３の厚み方向の形状はストレート形状となる。この場合は、図１（ａ）の第一の工程で形成された溝の幅が一様に同じであった場合である。

以上の第一の工程から第三の工程までの工程が本実施形態の必須の工程である。以上の工程中及びその前後に、必要があれば適宜研磨や洗浄の工程を入れてもよい。また、第三の工程の後、ノズルプレート表面を撥液処理してもよい。更に、第三の工程の後、吐出口周りをザグリ加工してもよい。また、本実施形態では溝を第１基板のみに形成したが、第２基板にも溝を形成して互いの溝同士を合わせて１つの溝を形成することも可能である。この場合には高精度の位置決めを行う必要がある。更に、溝はストレート形状であるが、これに限定する必要はなく溝幅が徐々に変わるテーパー形状、あるいはノズルプレート毎に異なる径の吐出口を製造するために多段的に溝幅が変化する多段形状であってもよい。

本実施形態によれば、第一の工程で吐出口の数及びピッチが決定される。そして、第一の工程はフォトリソグラフィープロセスであるので、非常に高精度であり、レーザ穿孔プロセス等と異なりノズル数を増大させても生産性に影響しない。このため、高密度化に有利である。更に、第一の工程及び第二の工程で吐出口の断面積Ｓとノズル孔形状が決定される。加工精度は概ねエッチング精度で決まるが、本実施形態では溝としてのアスペクト比（幅／深さ）は最大でも１程度なので非常に高精度に加工が可能である。これにより、ノズル孔形状も完全なストレート形状を実現できる。ノズル孔長Ｌは第三の工程で決定されるが、切断幅がノズル孔長Ｌとなるので、基本的にノズル孔長Ｌを自由に設定できる。更に、例えば長さ１００［ｍｍ］の溝を加工した第１基板から、ノズル孔長Ｌ＝１００［μｍ］であれば１０００個、ノズル孔長Ｌ＝１［ｍｍ］であれば１００個のノズルプレートを製造することが可能であり、非常に生産性が高い。但し、ノズルプレートの上記製造個数は切断代を無視した概算である。

吐出口に連通するノズル孔の内壁及び切断後の吐出口の周りの材質は、化学的耐久性に優れた誘電体材料から構成されている。例えば、ノズルプレート自体を酸化物材料で作製することは好ましい。特に、ＳｉＯ_２ガラスは好適である。珪酸塩ガラス、硼珪酸塩ガラス等も好ましい。単結晶シリコンで構造体を作製した後に熱処理等によりノズル流路を含む表面にＳｉＯ_２膜を形成してもよい。吐出のエネルギーとして静電気力を利用する場合には、高い絶縁性が要求されるので、ＳｉＯ_２ガラス、サファイア、クォーツなどで作製することは特に好ましい。

次に、吐出口の開口形状の一例を図３に示す。同図に示すように、吐出口の開口形状は四辺形に近似される。４つの角部であるコーナーの曲率Ｒ１〜Ｒ４はＲ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０であり、ノズル孔はストレート形状である。そして、吐出口の開口面積Ｓは１００［μｍ^２］以下であり、ノズル孔のストレート部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが２［μｍ^−１］以上である。更にはＬ／Ｓが４［μｍ^−１］以上である。更にまた、Ｌ／Ｓが１０［μｍ^−１］以上である。吐出口の開口形状は図３に示すような四辺形に限らず、角部の数が３つや５つ等であってもよい。また、Ｒ１＝Ｒ２＝ａ＝ｂ／２の時は半円状になる。

画像記録用のインクジェットヘッドでは、安定した記録を行うためインクに対し非常に厳しい要求仕様を掲げている。一例としてリコー社製のピエゾ式インクジェットヘッドでは、インク粘度ηが１０〜１２［ｍPa・ｓ］、表面張力γが２８〜３５［ｍN/ｍ］である。一方、プリンテッドエレクトロニクス用インクでは、インクの粘度ηは様々であり、数［ｍPa・ｓ］から数百［ｍPa・ｓ］にも達する。

粘性流体が円管を流れる場合、いくつかの流体の条件を仮定すると、流量Ｑはハーゲンポアズイユの次の式（１）のように導出される。

ここで、ａは円管の半径、ΔＰは圧力差、ηは流体の粘度、Ｌは円管の長さ、である。

開口面積がＳである管では外力の差をΔＦとすれば、近似的に次の式（２）で表される。

従って、インクの粘度範囲が非常に広い場合には吐出口の開口面積Ｓとノズル孔長Ｌの比Ｌ／Ｓを適切に設計して要求される吐出量Ｑに調整しなければならない。

従来の画像記録用のインクジェットヘッドにおける開口直径は２０［μｍ］程度、ノズル孔のストレート部分の長さは５０［μｍ］程度であり、Ｌ／Ｓ比を充分制御できない。

本発明者らは、種々の実験研究を重ねた結果、例えば吐出口を本実施形態の形状に設計することによって、ミストやサテライトが少ない高品質印刷が可能である。そして、従来技術に比較して概ね１／４以下の微小なオリフィス断面積を実現すると同時に、ノズル孔長を数十［μｍ］から数［ｍｍ］まで自由に設計製作でき、様々な物性のインクに対応可能なノズルプレートの製造が可能となった。

更に、本実施形態のノズルプレートの製造方法で製造されたノズルプレートでは、ノズルプレートに複数の吐出口が存在する場合、吐出口の構造パラメータ（各部分の長さ、開口面積等）の標準偏差を±３％以下に抑えることが可能である。このことは被印刷物の生産性を高めるために吐出口密度を高めた場合に、ばらつきの少ない均一な印刷を実現する上で不可欠である。特に、プリンテッドエレクトロニクスでは面内方向だけでなく、被印刷物の厚さによって電気特性が直接変動するため、吐出口の構造パラメータの均一性は非常に重要な要素となる。

また、吐出のエネルギーとして静電気力を利用する場合には、ノズル孔の内壁の表面の一部もしくは全部を金属又は透明導電性酸化物で被覆してもよい。具体的には、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ等の金属や合金、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ等の透明導電性酸化物が利用できる。膜の密着性を向上すること等を目的に複数の膜を積層してもよい。

インクを吐出するにあたっては、吐出口周辺部においてインクに対する充分な撥液性を確保することが好ましい。このためには公知の技術が利用できる。即ち、ノズルプレートの吐出面全体、或いは吐出口周辺にフッ素樹脂やシリコーン樹脂等の撥液膜を形成することが好ましい。

長時間印刷する上では、ノズルプレートのノズル面のクリーニングが必要になるが、このためにはノズルプレートのノズル面の余分なインクをゴムのブレードで拭き取ったり、真空吸引したりする等の公知の技術を利用することができる。ブレードで拭き取る場合には、吐出口周辺をザグリ加工して、一段下げた形状にしておくと、クリーニングの効果が上がり好ましい。

以下、本発明のノズルプレート及びその製造方法の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（４０［ｍｍ］角、板厚３［ｍｍ］）を２枚準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、中性洗剤、純水、及びイソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。ＳｉＯ_２ガラス基板１枚にフォトレジストをスピンコートし、所定のフォトマスクを介して露光、現像し、基板上にレジストパターンを形成した。パターンとして１［μｍ］の溝を長さ３０［ｍｍ］、ピッチ５１０［μｍ］で６４本形成した。次に、４０［％］ＨＦ溶液でガラス基板をエッチングして深さ２［μｍ］の溝を形成した。流水洗浄後、レジストを剥離した。溝加工したＳｉＯ_２ガラス基板の加工面と、ＵＶ−オゾン処理したもう１枚のＳｉＯ_２ガラス基板の表面とを合わせ、１１５０［℃］で３０分加熱して接合した。精密切断機により切断後、両面を研磨し、縦６［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、厚さ０．１、０．３、０．５、０．７２５、１．０、１．５、２．０［ｍｍ］のノズルプレートが得られた。

（実施例２）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（４０［ｍｍ］角、板厚３［ｍｍ］）を２枚準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、中性洗剤、純水、及びイソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。ＳｉＯ_２ガラス基板１枚にフォトレジストをスピンコートし、所定のフォトマスクを介して露光、現像し、基板上にレジストパターンを形成した。パターンとして２［μｍ］の溝を長さ３０［ｍｍ］、ピッチ５１０［μｍ］で６４本形成した。次に、４０［％］ＨＦ溶液でガラス基板をエッチングして深さ２［μｍ］の溝を形成した。流水洗浄後、レジストを剥離した。溝加工したＳｉＯ_２ガラス基板の加工面と、ＵＶ−オゾン処理したもう１枚のＳｉＯ_２ガラス基板の表面とを合わせ、１１５０［℃］で３０分加熱して接合した。精密切断機により切断後、両面を研磨し、縦６［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、厚さ０．１、０．３、０．５、０．７２５、１．０、１．５、２．０［ｍｍ］のノズルプレートが得られた。

（実施例３）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（４０［ｍｍ］角、板厚３［ｍｍ］）を２枚準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、中性洗剤、純水、及びイソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。ＳｉＯ_２ガラス基板１枚に第一のレジスト層をスピンコートし、更に第２のフォトレジスト層をスピンコートし、所定のフォトマスクを介して露光・現像し、基板上に２層レジストパターンを形成した。次に、電子ビーム蒸着により、Ｎｉを２００［ｎｍ］成膜してリフトオフし、開口パターンとして２［μｍ］の溝を長さ３０［ｍｍ］、ピッチ５１０［μｍ］で６４本形成した。次に、ＣＦ_４ガスによる反応性イオンエッチングによりＮｉ開口部のガラス基板をエッチングし、深さ１［μｍ］の溝を形成した。次に、硝酸でＮｉマスクを溶解し、流水洗浄した。溝加工したＳｉＯ_２ガラス基板の加工面と、ＵＶ−オゾン処理したもう１枚のＳｉＯ_２ガラス基板の表面とを合わせ、１１５０［℃］で３０分加熱して接合した。次に、精密切断機により切断後、両面を研磨し、縦６［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、厚さ０．１、０．３、０．５、０．７２５、１．０、１．５、２．０［ｍｍ］のノズルプレートが得られた。

（実施例４）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（４０［ｍｍ］角、板厚３［ｍｍ］）を２枚準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、中性洗剤、純水、及びイソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。ＳｉＯ_２ガラス基板１枚にフォトレジストをスピンコートし、所定のフォトマスクを介して露光、現像し、基板上にレジストパターンを形成した。パターンとして１［μｍ］の溝を長さ３０［ｍｍ］、ピッチ５１０［μｍ］で６４本形成した。次に、ＣＨＦ_３ガスによる反応性イオンエッチングによりレジスト開口部のガラス基板をエッチングし、深さ３［μｍ］の溝を形成した。更に、反応ガスをＯ_２に変えて残存するレジストをエッチング剥離した。溝加工したＳｉＯ_２ガラス基板の加工面と、ＵＶ−オゾン処理したもう１枚のＳｉＯ_２ガラス基板の表面とを合わせ、１１５０［℃］で３０分加熱して接合した。次に、精密切断機により切断後、両面を研磨し、縦６［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、厚さ０．１、０．３、０．５、０．７２５、１．０、１．５、２．０［ｍｍ］のノズルプレートが得られた。

（比較例１）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（２０×４０［ｍｍ］、板厚０．３［ｍｍ］）を準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、中性洗剤、純水、及びイソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。アルミニウムを１００［ｎｍ］蒸着し、通常のフォトリソグラフィープロセスによってアライメントマークを作製した。その後、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高調波（波長３５５［ｎｍ］、パルス幅１０［ｐｓ］、周波数１［ｋＨｚ］、パルスエネルギー５０［μJ］、集光光学系を用いてトレパニング加工する。そして、ノズル孔直径５［μｍ］、１０２０［μｍ］ピッチ、３２個のノズル孔を有するノズルプレートを作製した。

（比較例２）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（２０×４０［ｍｍ］、板厚０．７［ｍｍ］）を準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、中性洗剤、純水、及びイソプロピルアルコールを用いて超音波洗浄した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。アルミニウムを１００［ｎｍ］蒸着し、通常のフォトリソグラフィープロセスによってアライメントマークを作製した。その後、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高調波（波長３５５［ｎｍ］、パルス幅１０［ｐｓ］、周波数１［ｋＨｚ］、パルスエネルギー５０［μJ］、集光光学系を用いてトレパニング加工する。そして、直径８［μｍ］、１０２０［μｍ］ピッチ、３２個の吐出口を有するノズルプレートを作製した。

下記の表１に実施例１〜４及び比較例１、２で作製したノズルプレートの形状を評価した結果を示す。

吐出口の開口断面の形状パラメータは実施例に対しては図２の通りである。実施例１〜４では各プレートにおいて、サイズ及び形状にほとんどバラツキのない６４個の吐出口が得られた。また、ノズル孔長に関係なくテーパーのないストレート形状の流路が得られた。一例として、実施例１の吐出口の開口部の顕微鏡写真を図４に示し、ノズル孔の顕微鏡写真を図５（ａ）に、かつ図５（ａ）の一点鎖線で込んだ部分の拡大図を図５（ｂ）に示す。図４及び図５からわかるように、吐出口の開口形状は狙いの形状であり、ノズル孔も狙いのストレート形状になっている。一方、比較例１では吐出口直径Ｄの誤差が約８［％］と大きく、比較例２のようにノズル孔長を０．７［ｍｍ］に長くすると、直径５［μｍ］程度の穿孔が困難で開口直径が大きくなり、誤差も約３０［％］に増大する。また、流路形状もテーパー状で安定しない。一例として、比較例１の吐出口の顕微鏡写真の図６からわかるように、ノズル面及び吐出口の周囲は粗く、かつ一部欠けている。また、比較例１の流路の厚み方向の断面の顕微鏡写真の図６からもわかるように、流路の厚み方向でストレート形状にならずにテーパー形状になっている。

次に、実施形態２のインクジェットヘッドの作製について説明する。
本実施形態では、実施例１〜４で作製したノズルプレートを用いてインクジェットヘッドを作製した。そのインクジェットヘッドを構成する各プレートの構造を図７に示す。同図に示すインクジェットヘッドは駆動手段として静電気力を利用する場合のものである。同図（ａ）に示す複数の吐出口３２を有するノズルプレート３１のノズル面にフッ素系撥液材料をスピンコートする。その後、６０［℃］３０［分］オーブンで乾燥し、表面を撥液処理する。そして、同図（ｂ）に示す液室形成プレートに相当する流路プレート４１には、メタルマスクを介し電極４２としてＭｏをＤＣスパッタリングにより２００［ｎｍ］成膜した。このとき電極４２と電気的に接続されている電極膜４３が吐出室４４の内壁に成膜される。同図（ｃ）に示すインク注入プレート５１には、外部からインクを吐出室４４に注入するためのインク注入口５２が設けられている。そして、ノズルプレート３１を流路プレート４１上に設けられているアライメントマークに沿ってＵＶ硬化樹脂で接着し、更にその上にインク注入プレート５１をＵＶ硬化樹脂で接着し、図８（ａ）、（ｂ）に示す接着プレート６０を作製した。

そして、図９に示すように、Ｚαβ方向位置調節機構８１に搭載されているプレートホルダー８２に接着プレート６０を装着する。接着プレート６０の電極と高電圧パルスアンプ（不図示）とを接続し、インクジェットヘッド８０とした。インクは図７のインク注入口５２から吐出室４４に予め注入しておいてもよく、インク注入口５２にチューブを介してインクタンクと連通しインクをインクタンクから吐出室４４に送液してもよい。そして、上位装置からの駆動信号に基づいて高電圧パルスアンプから電圧が接着プレート６０内の電極に印加される。そして、電荷を有するインク滴がノズル孔から静電気力により吐出され、インク滴はＸＹＺステージ８３上に設置されている被印刷基板９０の面上に着弾する。

本実施形態のインクジェットヘッドは、ノズルプレート３１と流路プレート４１とを備えている。ノズルプレート３１は、前述した本実施形態のノズルプレートの製造方法によって製造されたノズルプレートである。流路プレート４１は、ノズルプレート３１に接合され、かつノズルプレート３１との間でノズル孔に連通する吐出室やリザーバ等のインク流路が形成された液室形成プレートに相当するプレートである。そして、駆動手段によりノズル先端に形成されるメニスカスに力を加えることによりインク滴を選択された吐出口より吐出するように構成されている。駆動手段として、圧電素子を利用する場合には、吐出室内に圧電素子を備え、該圧電素子に接続された電極を吐出室外に引き出して、パルス電源回路と接続する。駆動手段として静電気力を利用する場合には、前述したようにノズル孔の内壁に電極膜を形成してもよい。あるいは、ノズルプレートの裏面に電極膜を形成してもよい。更に、電極膜を吐出室から引き出して、パルス電源回路と電気的に接続する。駆動手段として熱電変換素子を利用する場合には、吐出室内に熱電素子を備え、該熱電素子に接続された電極を吐出室外に引き出して、パルス電源回路と接続する。また、ノズルプレートのノズル面と被印刷基板面との間の間隔や平行度を調節するためのＺαβ方向位置調節機構８１が設けられる。更に、ノズルプレートのノズル面のクリーニング機構を設けても良い。

次に、実施形態２のインクジェットヘッドを搭載した実施形態３のインクジェット印刷装置について説明する。図１０はインクジェット印刷装置の斜視図である。図１１（ａ）は右側面図、図１１（ｂ）は正面図である。図１０に示すように、インクジェット印刷装置１００は、主に、ＸＹステージ１０１、ブリッジ、Ｔ軸調整機構１０２及びＺ軸調整機構１０３を備えている。ＸＹステージ１０１には被印刷対象物の基板が設置され、ブリッジはＸＹステージ１０１を門型にまたいでいる。ブリッジに設置されたＴ軸調整機構１０２にはＺ軸調整機構１０３が装着されている。図１１に示すように、インクジェットヘッド８０はＺ軸調整機構１０３の垂直駆動ステージ（Ｚ軸）に保持される。ブリッジ及びＸＹステージ１０１は定盤上に設置される。被印刷基板はＸＹステージ１０１上に設置される。この際、基板吸着機構、温度調節機構等を備えていることが好ましい。ＸＹステージ１０１は電気的に駆動回路に接続され、更に上位に接続されたモーションコントローラによって駆動される。インクジェットヘッドもまた、電気的に駆動用パルス電源回路（不図示）に接続され、ＸＹステージと連動して駆動される。印刷データはコンピュータプログラムに入力され、その出力データによりモーションコントローラと駆動用パルス電源回路を制御する。更に、吐出観察用カメラやアライメント用カメラ等を備えていることが好ましい。以上、ブリッジ型のインクジェット印刷装置である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、コンピュータプログラムによりインクジェットヘッドの吐出と被印刷基板の位置を連動的に制御し、所望のデータを適切に基板上に印刷可能な装置として機能すればよい。

作製したインクジェット印刷装置を用いて各種インクに対する吐出実験を行った。上記実施例１〜４のノズルプレートを用いて吐出した場合、インクの粘度によらず、適切なノズル孔長のノズルプレートを選択することによって１［ｐＬ］未満の微小液滴を吐出することに成功した。また、ミストやサテライトも発生せず、高品質な印刷をすることができた。一方、上記比較例１〜２のノズルプレートの場合、Ｌ／Ｓを充分大きくできないため、推奨粘度のインクでもｐＬ以上の吐出量となってしまい、微小液滴を吐出することができなかった。また、サテライトの発生も観察された。図１２（ａ）は実施例１のノズルプレート（Ｌ＝０．７２５ｍｍ）を用いた吐出実験の顕微鏡写真である。基板は熱酸化膜付きシリコン基板、インクはハリマ化成製の金ナノペーストＮＰＧ−Ｊを使用した。印加電圧７００Ｖ、５０Ｈｚの矩形波でインクジェットヘッドを駆動し、ステージ速度は１ｍｍ／ｓで走査した。その結果、ノズルピッチ５１０μｍの間隔で連続吐出されたドットが分離して観察されている。図１２（ｂ）は拡大図である。ミストやサテライトは観測されず、均一な楕円形状のドットであることがわかる。ドット半径２．８μｍ、ドット高さ１１０ｎｍ、吐出量１４ｆＬであった。図１３は上記比較例１のノズルプレートを使用した吐出実験の顕微鏡写真である。吐出条件は図１２の吐出実験と同様である。図１３のように、吐出量が多くドット径が大きくなってしまい、更にはサテライトが周辺に観察された。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様１）
厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートにおいて、ノズル孔は、開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有する。これによれば、上記実施形態１について説明したように、ミストやサテライトの少ない高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様２）
少なくとも一方の基板の一面に溝が形成され、溝が形成されている少なくとも一方の基板の一面に、他方の基板の一面との接合面を有し、ノズル孔は、接合面にある溝の形成方向に対して略垂直な切断面からなる開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有する。これによれば、上記実施形態１について説明したように、ミストやサテライトの少ない高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様３）
（態様１）又は（態様２）において、ノズルプレートの材料は、化学的耐久性を有する誘電体材料である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、化学的耐久性に優れ、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様４）
（態様１）〜（態様３）のいずれかにおいて、吐出口に連通する近傍空間部分のノズル流路はストレート形状である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、溝の形成方向の全長において溝の断面形状が略同じであった場合では、ノズル孔はストレート形状となる。これにより、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様５）
（態様１）〜（態様４）のいずれかにおいて、ノズルプレートの吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが２［μｍ^−１］以上である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様６）
（態様１）〜（態様５）のいずれかにおいて、ノズルプレートの吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが４［μｍ^−１］以上である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様７）
（態様１）〜（態様６）のいずれかにおいて、ノズルプレートの吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが１０［μｍ^−１］以上である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを提供できる。
（態様８）
厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートの製造方法において、少なくとも一方の基板の一面に溝を形成する溝形成工程と、前記溝が形成されている少なくとも一方の基板の一面に、他方の基板の一面を接合する接合工程と、接合した接合基板を溝の形成方向に対して略垂直に切断する切断工程とを有する。これによれば、上記実施形態１について説明したように、少なくとも一方の基板の面に形成された溝１２によって、第１基板１１と第２基板２１を接合させた際の各基板の接合面間に、インク孔３３が形成される。そして、接合した接合板を溝の形成方向に対して略垂直に切断することで、切断面において吐出口３２の開口が形成される。そして、例えば溝の形成方向の全長において溝の断面形状が略同じであった場合では、溝の形成方向の任意の位置で溝の形成方向に対して接合板を略垂直に切断したときの吐出口３２の開口面積や開口形状は全て略同じにすることができる。よって、吐出口の開口面積のばらつきが小さく、開口形状が安定するノズルプレートを製造することができる。
（態様９）
（態様８）において、切断工程によって切断されて製造されたノズルプレートのノズル孔は、切断面の開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有する。これによれば、上記実施形態１について説明したように、ミストやサテライトの少ない高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを製造することができる。
（態様１０）
（態様８）又は（態様９）において、ノズルプレートの材料は、化学的耐久性を有する誘電体材料である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、化学的耐久性に優れ、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを製造することができる。
（態様１１）
（態様８）〜（態様１０）のいずれかにおいて、吐出口に連通する近傍空間部分のノズル流路はストレート形状である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、溝の形成方向の全長において溝の断面形状が略同じであった場合では、ノズル孔はストレート形状となる。これにより、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを製造することができる。
（態様１２）
（態様８）〜（態様１１）のいずれかにおいて、ノズルプレートの吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが２［μｍ^−１］以上である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを製造することができる。
（態様１３）
（態様８）〜（態様１２）のいずれかにおいて、ノズルプレートの吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが４［μｍ^−１］以上である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを製造することができる。
（態様１４）
（態様８）〜（態様１３）のいずれかにおいて、ノズルプレートの吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが１０［μｍ^−１］以上である。これによれば、上記実施形態１について説明したように、高品質で安定した液滴吐出が可能となるノズルプレートを製造することができる。
（態様１５）
少なくとも、（態様１）〜（態様７）のいずれかのノズルプレート又は（態様８）〜（態様１４）のいずれかのノズルプレートの製造方法によって製造されたノズルプレートと、該ノズルプレートに形成された流路に接続され、流路にインクを供給する１つ又は複数のインク流路とを備えている。これによれば、実施形態２について説明したように、安定した液滴吐出が可能となるインクジェットヘッドを提供できる。
（態様１６）
（態様１５）のインクジェットヘッドと、該インクジェットヘッドを駆動するための駆動手段と、印刷されるべき被印刷対象基板を保持し、インクジェットヘッドに対してＸＹＺ方向に相対的にそれぞれ走査する走査手段と、印刷パターンデータをデータ処理し駆動手段と走査手段を制御する制御手段とを備えたインクジェット印刷装置である。これによれば、実施形態３について説明したように、インクジェットヘッドの吐出と被印刷基板の位置を制御し、所望のデータを適切に被印刷基板上に印刷可能となる。

１１ 第１基板
１２ 溝
２１ 第２基板
２２ 切断線
３１ 接合板（ノズルプレート）
３２ 吐出口
３３ ノズル孔
４１ 流路プレート
４２ 電極
４３ 電極膜
４４ 吐出室
５１ インク注入プレート
５２ インク注入口
６０ 接着プレート
８０ インクジェットヘッド
８１ Ｚαβ方向位置調節機構
８２ プレートホルダー
８３ ＸＹＺステージ
９０ 被印刷基板
１００ インクジェット印刷装置
１０１ ＸＹステージ
１０２ Ｔ軸調整機構
１０３ Ｚ軸調整機構

特開平１０−０３４３６５号公報

Claims (16)

1. 厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートにおいて、
   前記ノズル孔は、開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有することを特徴とするノズルプレート。
2. 厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートにおいて、
   少なくとも一方の基板の一面に溝が形成され、前記溝が形成されている少なくとも一方の基板の一面に、他方の基板の一面との接合面を有し、
   前記ノズル孔は、接合面にある溝の形成方向に対して略垂直な切断面からなる開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有することを特徴とするノズルプレート。
3. 請求項１又は２に記載のノズルプレートにおいて、
   前記ノズルプレートの材料は、化学的耐久性を有する誘電体材料であることを特徴とするノズルプレート。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のノズルプレートにおいて、
   前記吐出口に連通する近傍空間部分のノズル流路はストレート形状であることを特徴とするノズルプレート。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のノズルプレートにおいて、
   前記ノズルプレートの前記吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、前記吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと前記吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが２［μｍ^−１］以上であることを特徴とするノズルプレート。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のノズルプレートにおいて、
   前記ノズルプレートの前記吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、前記吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと前記吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが４［μｍ^−１］以上であることを特徴とするノズルプレート。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のノズルプレートにおいて、
   前記ノズルプレートの前記吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、前記吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと前記吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが１０［μｍ^−１］以上であることを特徴とするノズルプレート。
8. 厚み方向に貫通するノズル孔を備えたノズルプレートの製造方法において、
   少なくとも一方の基板の一面に溝を形成する溝形成工程と、
   前記溝が形成されている少なくとも一方の基板の一面に、他方の基板の一面を接合する接合工程と、
   接合した接合基板を溝の形成方向に対して略垂直に切断する切断工程と
   を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
9. 請求項８記載のノズルプレートの製造方法において、
   前記切断工程によって切断されて製造されたノズルプレートの前記ノズル孔は、切断面の開口形状における４つの角部の曲率をＲ１〜Ｒ４とした場合に、Ｒ１＝Ｒ２≧Ｒ３＝Ｒ４≒０に近似された吐出口を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
10. 請求項８又は９に記載のノズルプレートの製造方法において、
    前記ノズルプレートの材料は、化学的耐久性を有する誘電体材料であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
11. 請求項８〜１０のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法において、
    前記吐出口に連通する近傍空間部分のノズル流路はストレート形状であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
12. 請求項８〜１１のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法において、
    前記ノズルプレートの前記吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、前記吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと前記吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが２［μｍ^−１］以上であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
13. 請求項８〜１２のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法において、
    前記ノズルプレートの前記吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、前記吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと前記吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが４［μｍ^−１］以上であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
14. 請求項８〜１３のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法において、
    前記ノズルプレートの前記吐出口の開口面積Ｓが≦１００［μｍ^２］であり、前記吐出口に連通する近傍空間部分の流路部分の長さＬと前記吐出口の開口面積Ｓの比Ｌ／Ｓが１０［μｍ^−１］以上であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
15. 少なくとも、
    請求項１〜７のいずれかに記載のノズルプレート又は請求項８〜１４のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法によって製造されたノズルプレートと、
    該ノズルプレートに形成された流路に接続され、前記流路にインクを供給する１つ又は複数のインク流路と
    を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
16. 少なくとも、
    請求項１５記載のインクジェットヘッドと、
    該インクジェットヘッドを駆動するための駆動手段と
    印刷されるべき被印刷対象基板を保持し、前記インクジェットヘッドに対してＸＹＺ方向に相対的にそれぞれ走査する走査手段と、
    印刷パターンデータをデータ処理し前記駆動手段と前記走査手段を制御する制御手段と
    を備えたことを特徴とするインクジェット印刷装置。