JP2014172269A - Liquid discharge head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体吐出ヘッドに関する The present invention relates to a liquid discharge head.
液体を吐出することで記録動作を行う記録装置として、インクを吐出するインクジェットプリンタが広く知られている。このような記録装置に用いられる液体吐出ヘッドは、基板と、基板上に設けられた流路形成部材とを有している。流路形成部材には基板側から流路形成部材の最表層に向かって貫通する吐出口が設けられており、液体はこの吐出口を通って被印刷物へと吐出される。 2. Related Art Inkjet printers that eject ink are widely known as recording apparatuses that perform a recording operation by ejecting liquid. A liquid discharge head used in such a recording apparatus has a substrate and a flow path forming member provided on the substrate. The flow path forming member is provided with a discharge port penetrating from the substrate side toward the outermost layer of the flow path forming member, and the liquid is discharged to the printing material through the discharge port.
ここで、流路形成部材の最表層は、液体が付着しにくい表面であることが望ましく、多くの液体吐出ヘッドにおいて、撥水性の高い表面となっている。これは、吐出口近傍の表面に液体が付着していると、吐出口からの射出方向が乱されて、記録品位の低下を招くことがあるからである。 Here, the outermost layer of the flow path forming member is desirably a surface to which liquid is difficult to adhere, and is a surface having high water repellency in many liquid ejection heads. This is because if the liquid adheres to the surface in the vicinity of the discharge port, the ejection direction from the discharge port may be disturbed, leading to a decrease in recording quality.
したがって、液体吐出ヘッドの記録品位を維持するためは、最表層の撥水性を高く形成することに加えて、最表層の撥水性の優劣を判断することが重要となる。上記の液体吐出ヘッドにおいて、撥水性を評価する方法として、特許文献1が開示されている。特許文献1では、最表層を上側に向けた状態で、最表層の表面に液体を滴下し、液体の側面方向、すなわち、液体吐出ヘッドの側面方向に用意したカメラによって、液体側面の画像を取得して液体の接触角を測定する方法が示されている。
Therefore, in order to maintain the recording quality of the liquid discharge head, it is important to determine the superiority or inferiority of the water repellency of the outermost layer in addition to forming the water repellency of the outermost layer high.
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、液体側面の画像を取得するために液体吐出ヘッド側面から観察する必要があり、カメラと液体との間に障害物が有る液体吐出ヘッドの場合には観察が困難となる場合があった。液体吐出ヘッドでは、流路形成部材の最表層に物理的ダメージが加わらないように、最表層よりも周囲のヘッド構成部材の方が相対的に高く、被印刷物方向に突き出す構成となっている。さらには、最表層を含む基板の周囲が封止剤で覆われており、最表層よりも封止剤の方が高い位置となることがあった。これら周囲のヘッド構成部材や封止剤が測定の際の障害物となることから、液体吐出ヘッドの形態にて測定するためには、液体吐出ヘッドの分解、破壊が必要となる場合があった。そのため、特許文献1の方法では、ヘッド形成後に撥水性を評価することが事実上困難であり、さらには、ヘッド使用履歴に応じた撥水性変化をオンデマンドに確認することが困難であった。
However, in the method described in
そこで、本発明の目的は、吐出面の撥水性を簡易に評価することができる液体吐出ヘッドを提供することである。より好ましい本発明の目的は、液体吐出ヘッドを分解又は破壊すること無く吐出面の撥水性を簡易に評価することができ、記録品質の高い液体吐出ヘッドを提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a liquid ejection head that can easily evaluate the water repellency of the ejection surface. A more preferred object of the present invention is to provide a liquid ejection head with high recording quality, which can easily evaluate the water repellency of the ejection surface without disassembling or destroying the liquid ejection head.
本発明の一形態は、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する液体流路と、前記液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記エネルギー発生素子を第一の面側に有する基板と、前記基板の第一の面上に、前記吐出口及び前記液体流路を構成する流路壁構造部と、前記流路壁構造部の上面から凹む凹部と、該凹部に囲まれる第一の島構造部と、を含む流路形成部材と、を有し、前記流路形成部材の上面に撥水面が形成されている液体吐出ヘッドである。 One aspect of the present invention is a liquid discharge head that includes a discharge port that discharges a liquid, a liquid flow path that communicates with the discharge port, and an energy generation element that generates energy for discharging the liquid. A substrate having the energy generating element on the first surface side, a flow channel wall structure portion forming the discharge port and the liquid flow channel on the first surface of the substrate, and the flow channel wall structure portion A liquid discharge head having a flow path forming member including a concave portion recessed from the upper surface of the liquid crystal and a first island structure portion surrounded by the concave portion, and having a water repellent surface formed on the upper surface of the flow path forming member. .
また、本発明の一形態は、前記液体吐出ヘッドと、前記第一の島構造部の上面に液を滴下する液滴下機構と、前記第一の島構造部に滴下された液の状態を観察する液観察機構と、を有する液体吐出装置である。 Further, according to one aspect of the present invention, the liquid discharge head, a droplet dropping mechanism that drops liquid on the upper surface of the first island structure portion, and a liquid observation mechanism that observes the state of the liquid dropped on the first island structure portion And a liquid ejecting apparatus.
また、本発明の一形態は、前記液体吐出ヘッドを用い、前記第一の島構造部の上面に液を滴下し、該第一の島構造部の上面における撥水性を判別する方法である。 One embodiment of the present invention is a method for determining water repellency on an upper surface of the first island structure portion by using the liquid discharge head to drop a liquid onto the upper surface of the first island structure portion.
また、本発明の一形態は、液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を第一の面側に有する基板と、前記基板の前記第一の面上に形成され、前記液体を吐出する吐出口及び該吐出口に連通する液体流路を構成する流路壁構造部と、前記流路壁構造部の上面から凹む凹部と、該凹部に囲まれる第一の島構造部と、を含む流路形成部材と、を有し、前記流路形成部材の上面に撥水面が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法であって、
(1)前記基板の前記第一の面の上に、前記液体流路の型材となる流路型パターンを形成する工程と、
(2)前記基板及び前記流路型パターンの上に被覆樹脂材料及び撥水材料を配置する工程と、
(3)前記被覆樹脂材料に露光処理を施して、前記吐出口と前記凹部の潜像を形成し、続いて現像処理を行うことにより、前記流路壁構造部と前記凹部と前記第一の島構造部とを形成する工程と、
を有する液体吐出ヘッドの製造方法である。
According to one embodiment of the present invention, a substrate having an energy generating element that generates energy for discharging a liquid on a first surface side, and formed on the first surface of the substrate to discharge the liquid. And a flow path wall structure that forms a liquid flow path that communicates with the discharge port, a recess that is recessed from the upper surface of the flow path wall structure, and a first island structure that is surrounded by the recess. A liquid discharge head manufacturing method, wherein a water repellent surface is formed on an upper surface of the flow path forming member,
(1) forming a flow path mold pattern serving as a mold material for the liquid flow path on the first surface of the substrate;
(2) placing a coating resin material and a water repellent material on the substrate and the flow path pattern;
(3) The coating resin material is subjected to an exposure process to form a latent image of the discharge port and the recess, and subsequently subjected to a development process, whereby the flow path wall structure portion, the recess, and the first island structure Forming a part;
A method of manufacturing a liquid discharge head having
本発明により、吐出面の撥水性を簡易に評価することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。より好ましくは、本発明により、液体吐出ヘッドを分解又は破壊せずに、吐出面の撥水性を簡易に評価することができ、記録品質の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a liquid discharge head that can easily evaluate the water repellency of the discharge surface. More preferably, according to the present invention, it is possible to easily evaluate the water repellency of the ejection surface without disassembling or destroying the liquid ejection head, and it is possible to provide a liquid ejection head with high recording quality.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
なお、液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。 The liquid discharge head can be mounted on an apparatus such as a printer, a copying machine, a facsimile having a communication system, a word processor having a printer unit, or an industrial recording apparatus combined with various processing apparatuses. By using this liquid discharge head, recording can be performed on various recording media such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, and ceramics.
本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。 “Recording” used in this specification means not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to a recording medium but also giving an image having no meaning such as a pattern. I decided to.
さらに「液体」とは広く解釈されるべきものであり、被記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、被記録媒体の加工、或いはインクまたは被記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。インクまたは被記録媒体の処理としては、例えば、被記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言うものとする。 Furthermore, “liquid” is to be interpreted widely, and is applied to a recording medium to form an image, pattern, pattern, etc., process the recording medium, or process ink or recording medium. It shall refer to the liquid provided. Examples of the treatment of the ink or the recording medium include, for example, improvement in fixing property due to solidification or insolubilization of the coloring material in the ink applied to the recording medium, improvement in recording quality or color development, and improvement in image durability. I shall say that.
図1(a)は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式的斜視図である。図1(b)は、図1(a)の上方から観察した模式的平面図である。図1(c−1)は、図1(a)の液体吐出ヘッドをA−A’線により切断した断面図であり、図1(c−2)は、図1(a)の液体吐出ヘッドをB−B’線により切断した断面図である。 FIG. 1A is a schematic perspective view of the liquid discharge head according to the present embodiment. FIG.1 (b) is the typical top view observed from the upper direction of Fig.1 (a). 1C-1 is a cross-sectional view of the liquid discharge head of FIG. 1A cut along the line AA ′, and FIG. 1C-2 is the liquid discharge head of FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by BB 'line.
本実施形態の液体吐出ヘッドは、エネルギー発生素子14を第一の面側に有する基板10を備える。図1(c−1)に示されるように、基板10の第一の面の上には、絶縁層16、エネルギー発生素子14、保護層15が形成されている。また、保護層15の上には、流路形成部材6が設けられている。本実施形態において、流路形成部材は、液体を吐出する吐出口11及び該吐出口11に連通する液体流路13を構成する流路壁構造部7と、流路壁構造部7の上面(吐出面)から凹む凹部5と、該凹部5に囲まれる島構造部7’と、を含む。また、符号1は、凹部5と、該凹部に囲まれる島構造から構成される島構造構成部分を示す。
The liquid discharge head of this embodiment includes a
また、流路形成部材の上面には撥水面が形成されている。つまり、流路壁構造部の上面には撥水面8が形成されており、島構造部7’の上面には撥水面8’が形成されている。島構造部7’は、流路壁構造部7の上面(吐出面)から基板に向かって凹む凹部(凹み構造とも称す)5に囲まれている。島構造部上面の撥水面8’は、流路壁構造部上面の撥水面8と同一レベルの撥水性を有することが好ましい。
A water repellent surface is formed on the upper surface of the flow path forming member. That is, the
流路形成部材6は、基板10の第一の面側に形成されたエネルギー発生素子14により発生されるエネルギーを利用して液体を吐出する吐出口11と、吐出口11に連通する液体流路13とを有している。この液体流路13は、流路形成部材6の内壁(側壁、上壁)及び基板10上に形成された保護層15によって形成されている。
The flow
さらに、基板10には、液体流路13に液体を供給するために基板10を貫通して設けられる供給口17が形成されている。また、基板10の第一の面側には、外部との電気的接続を行う電極パッド12が形成されている。
Further, the
また、このような液体吐出ヘッドには、アルミナなどからなる液体吐出ユニット(不図示)の支持基板が、基板10の第一の面と反対側の面である第二の面側に接続される。この液体吐出ユニットの支持基板から供給口17に液体が供給され、供給口17から液体流路13に液体が供給される。液体流路13に運ばれた液体は、エネルギー発生素子14が発生する熱エネルギーによって膜沸騰を起こし、液滴が吐出口11から吐出されることで、記録動作が行われる。
Further, in such a liquid discharge head, a support substrate of a liquid discharge unit (not shown) made of alumina or the like is connected to a second surface side that is a surface opposite to the first surface of the
なお、基板10の第一の面側には、エネルギー発生素子14を駆動するための配線層(不図示)が設けられる。また、エネルギー発生素子14と配線層の下層には、絶縁層16が少なくとも1層以上設けられている。さらに、エネルギー発生素子14と配線層の上層には、保護層15が少なくとも1層以上設けられ、この保護層15によってエネルギー発生素子14と配線層は液体に接触しないように保護されている。
A wiring layer (not shown) for driving the
本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、吐出面の撥水性を簡易に評価することができる。具体的には、上方から島構造構成部分1に向かって液体を滴下すると、島構造部上面の撥水性が高い場合は、滴下した液体は上面で弾かれ、凹部5に引っ張られ、結果として島構造部上面には液体が残らない。一方、島構造部上面の撥水性が低下して、上面と凹部5側壁の撥水強度の差が小さくなると、滴下した液体が上面に残るようになる。したがって、本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、島構造構成部分1に液体を付着させることにより、容易にその撥水性を評価することができる。
The liquid discharge head according to this embodiment can easily evaluate the water repellency of the discharge surface. Specifically, when a liquid is dropped from above toward the
したがって、本実施形態に係る液体吐出ヘッドと、島構造部の上面に液を滴下する液滴下機構と、島構造部に滴下された液の状態を観察する液観察機構と、を有する液体吐出装置によれば、容易に液体吐出ヘッドの吐出面の撥水性を適時判別できる。 Therefore, a liquid discharge apparatus including the liquid discharge head according to the present embodiment, a liquid drop mechanism for dropping liquid on the upper surface of the island structure, and a liquid observation mechanism for observing the state of the liquid dropped on the island structure. Accordingly, the water repellency of the discharge surface of the liquid discharge head can be easily determined in a timely manner.
以下、図2を参照して、本実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造する工程の例を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, an example of a process for manufacturing the liquid discharge head according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
図2は、図1(a)に示す液体吐出ヘッドをA−A’線で切断した断面図およびB−B’線で切断した断面図における製造工程を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic view showing a manufacturing process in the cross-sectional view taken along the line A-A ′ and the cross-sectional view taken along the line B-B ′ of the liquid discharge head shown in FIG.
まず、図2(a−1)、(a−2)に示すように、第一の面側に、絶縁層16、エネルギー発生素子14及び保護層15を有する基板10を用意する。
First, as shown in FIGS. 2A-1 and 2A-2, a
具体的には、例えば、まず、結晶方位(100)を有するシリコン基板10を用意する。そして、該シリコン基板10の第一の面側に酸化シリコンからなる絶縁層16、タンタル窒化シリコンからなるエネルギー発生素子14、シリコン窒化膜からなる保護層15を含む積層構造を形成する。絶縁層16の形成には、熱酸化による成長法を用いることができる。エネルギー発生素子14および保護層15の形成にはスパッタ法により形成した膜を、フォトリソグラフィ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等によりパターニングすることにより、所望の形状を得ることができる。
Specifically, for example, first, a
次に、図2(b−1)、(b−2)に示すように、保護層15の上に、液体流路の型材としての流路型パターン18を形成する。
Next, as shown in FIGS. 2 (b-1) and (b-2), a
具体的には、例えば、まず、溶解可能な樹脂としてポジ型感光性樹脂材料をスピンコート法により保護層15の上に塗布し、露光・現像して、流路型パターン18を14μmの厚みで形成する。ポジ型感光性樹脂材料としては、後の工程で被膜する有機樹脂材料との相溶が少なく、その後の工程で容易に除去することができる材料が望ましく、例えば熱可塑性樹脂を用いることができる。
Specifically, for example, first, a positive photosensitive resin material as a soluble resin is applied onto the
次に、図2(c−1)、(c−2)に示すように、流路型パターン18の上に、被覆樹脂材料19を配置し、被覆樹脂材料19の上に撥水材料20を配置する。
Next, as shown in FIGS. 2 (c-1) and (c-2), the
具体的には、例えば、流路型パターン18の上に、被覆樹脂材料19としてネガ型の感光性樹脂材料を配置し、その上に撥水材料20を積層する。被覆樹脂材料19には、流路型パターン18との相溶が少ないことに加え、液体に対する耐腐食性、基板との密着性、外部衝撃への強度、ならびにパターニング精度が要求される。具体的には、被覆樹脂材料19としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエーテルアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエステル樹脂等からなる熱可塑性樹脂を用いることができる。撥水材料20としては、液体に対する撥水発現性が高く、かつ、その撥水性が経時的に変化しにくいものが望ましい。具体的には、撥水材料20としては、例えば、感光性樹脂材料、熱硬化樹脂、フッ素化有機樹脂を用いることができる。撥水材料20の感光性樹脂材料としては、例えば、ネガ型を用いることができる。
Specifically, for example, a negative photosensitive resin material is arranged as the
次に、図2(d−1)、(d−2)に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて、少なくとも吐出口11を構成する流路壁構造部7、流路壁構造部7の上面から基板に向かう凹部5、及び該凹部5に囲まれる島構造部7’を有する流路形成部材6を形成する。凹部5は、流路壁構造部7の上面から基板若しくは保護層15に到達するまで形成されている。
Next, as shown in FIGS. 2 (d-1) and 2 (d-2), at least the flow path
具体的には、フォトリソグラフィ法を用いて被覆樹脂材料19に露光処理・現像処理を行い、必要に応じて熱硬化処理を行うことで、被覆樹脂材料19を部分的に除去して吐出口11および凹部5を形成する。より具体的には、被覆樹脂材料19に吐出口11及び凹部5に相当する潜像を形成し、該潜像を現像することにより、吐出口11を構成する流路壁構造部7、及び凹部5に囲まれる島構造部7’を有する流路形成部材を形成する。また、被覆樹脂材料19としてネガ型感光性樹脂を用いた場合は、露光された部分が硬化し、液体流路13や吐出口11を構成する流路壁構造部7や島構造部7’が形成される。
Specifically, the
流路形成部材は、液体流路13や吐出口11を構成する流路壁構造部7、及び凹部5に囲まれる島構造部7’を有する。流路壁構造部7の上面が吐出面となり、該吐出面を含む流路形成部材の上面は撥水処理が施され、撥水面が形成される。すなわち、流路壁構造部7の上面及び島構造部7’の上面に撥水面が形成される。図2(d−2)において、符号8は流路壁構造部7の上面に形成された撥水面を指し、符号8’は島構造部7’の上面に形成された撥水面を指す。本実施形態において、流路壁構造部7上面の撥水面8及び島構造部7’上面の撥水面8’は、同一材料を用いて同一処理条件により形成されているため、等しい撥水性を有する。しかし、後述するように、露光などの処理条件を変えることで、流路壁構造部上面の撥水面8及び島構造部上面の撥水面8’の撥水性を調節することができ、それぞれ異なる撥水性を付与することができる。なお、撥水処理に用いる材料には、樹脂材料等の液体や、ガス等の気体も含まれる。
The flow path forming member has a flow path
また、本実施形態では、流路壁構造部上面の撥水面8及び島構造部上面の撥水面8’を、同一の露光処理条件・現像処理条件・熱硬化処理条件を施して形成している。そのため、島構造部上面の撥水面8’は、流路壁構造部上面の撥水面8と同一レベルの撥水性を有する。本発明において、同一レベルの撥水性とは、純水を用いた動的後退接触角測定において、島構造部上面の撥水面8’における動的後退接触角が、流路壁構造部上面の撥水面8における動的後退接触角の±3°以内に含まれることを言う。本発明における動的後退接触角とは、純水の動的な後退接触角と定義する。純水の動的後退接触角は、例えば、CCDカメラで液滴を撮影して画像解析する方法により測定できる。具体的には、測定対象の表面に対して純水を0.5μL滴下して表面に付着させ、その付着した純水が収縮する際の動的な後退接触角を計測する。
In this embodiment, the
次に、図2(e−1)、(e−2)に示すように、基板10を貫通する供給口17を形成する。
Next, as shown in FIGS. 2E-1 and 2E-2, a
具体的には、例えば、まず、スピンコートにより保護レジスト21を基板上に塗布する。この保護レジストは耐アルカリ性を有し、ウェット処理により容易に除去可能な材料であることが望ましく、例えば環化ゴムを用いることができる。続いて、レーザアブレーション加工を用いて、基板10の一方の面から基板10中にレーザにより未貫通孔(不図示)を形成する。その後、強アルカリ性液体を用いてウェットエッチングすることでシリコン(111)面を有する供給口17を形成することができる。
Specifically, for example, first, the protective resist 21 is applied on the substrate by spin coating. This protective resist is desirably a material that has alkali resistance and can be easily removed by wet treatment. For example, cyclized rubber can be used. Subsequently, a non-through hole (not shown) is formed in the
次に、供給口17に露出する絶縁層16および保護層15の一部を除去し、さらに流路型パターン18を除去する。
Next, the insulating
具体的には、フッ酸系のウェットエッチングと、CF4、O2、N2を含むガス雰囲気でのドライエッチングにより、供給口17の上方を覆う絶縁層16および保護層15の一部を除去する。その後、環化ゴムによる保護レジスト21をウェット処理により除去し、続いて、UV照射とウェット処理により流路型パターン18を除去する。
Specifically, a part of the insulating
以上の工程により、図2(f−1)、(f−2)に示すように、吐出口11及び液体流路13を構成する流路壁構造部7および凹部5に囲まれた島構造部7’を有する流路形成部材を備える液体吐出ヘッドが完成する。
Through the above steps, as shown in FIGS. 2 (f-1) and 2 (f-2), the island structure part surrounded by the flow path
上記の製造方法により形成した液体吐出ヘッドは、島構造部7’の上面の撥水性が、流路壁構造部の側面の撥水性よりも高くなる。また、純水を用いた動的後退接触角測定において、島構造部7’上面の撥水面における純水に対する動的後退接触角が、流路壁構造部の側面における動的後退接触角よりも10°以上高いことが好ましく、15°以上高いことがより好ましく、20°以上高いことがさらに好ましい。
In the liquid discharge head formed by the above manufacturing method, the water repellency of the upper surface of the
得られた液体吐出ヘッドに対し、島構造構成部分1の上方から撥水面8’および凹部5に向かって液体22を滴下した時の断面図を図3に示す。図3(a)は、島構造部7’上面の撥水面8’が低い撥水性を有する時のモデル図であり、図3(b)は、島構造部7’上面の撥水面8’が高い撥水性を有する時のモデル図である。島構造部7’上面の撥水面8’が高い撥水性を有する時、滴下した液体22は、撥水面8’で弾かれ、撥水性の低い側壁を有する凹部5に引っ張られ、結果として、撥水面8’には液体22が残らない。また、撥水面8’の撥水性が低下して、撥水面8’と凹部5側壁の撥水強度の差が小さくなると、滴下した液体22が撥水面8’に残るようになる。例えば、撥水面8’の純水に対する動的後退接触角が90°、凹部側面の純水に対する動的後退接触角が60°の場合には、液体22は撥水面8’上に残らなかった。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the obtained liquid discharge head when the liquid 22 is dropped from above the
したがって、本実施形態の液体吐出ヘッドにおいて、島構造部7’に液体を滴下し、その液体の撥水面8’における有無を観察することで、撥水性の優劣を判断可能となる。この方法であれば、ヘッドを分解・破壊して液体の動的後退接触角を測定すること無く撥水性の優劣を簡易に評価でき、記録品質の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。
Therefore, in the liquid discharge head of this embodiment, it is possible to determine the superiority or inferiority of the water repellency by dropping the liquid onto the
なお、島構造部の形状は、特に制限されるものではなく、例えば、円柱状、楕円柱状、又は三角柱状、四角柱状等の多角柱状等が挙げられ、その他、様々な形状であっても良い。また、島構造構成部分は複数の島構造を含んでも良い。島構造部の形状や寸法等は、特に制限されるものではなく、本願発明の効果を考慮して適宜調整できる。また、凹部5の形状や寸法も、特に制限されるものではなく、本願発明の効果を考慮して適宜調整でき、例えば、円柱状、楕円柱状、又は三角柱状、四角柱状等の多角柱状等が挙げられ、その他、様々な形状であっても良い。また、島構造部の上面の面積は、例えば50μm2以上であり、50μm2以上50000μm2以下であることがこのましい。
In addition, the shape of the island structure portion is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical shape, an elliptical column shape, a polygonal column shape such as a triangular column shape, a quadrangular column shape, and the like, and various other shapes may be used. . Moreover, the island structure component may include a plurality of island structures. The shape, dimensions, and the like of the island structure portion are not particularly limited and can be appropriately adjusted in consideration of the effects of the present invention. Further, the shape and dimensions of the
なお、図8(a)、(b)に示すように、1つの島構造の中に、撥水性強度の異なる領域32、33、34が含まれていても良い。また、図4に示すように、島構造構成部分に島構造部が複数設けられていてもよく、それぞれの島構造部の上面面積は異なっていてもよい。
In addition, as shown to Fig.8 (a), (b), the area |
(実施例1)
本実施例において、図5を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドを製造する過程を具体的に記述する。図5は、図1(a)に示す液体吐出ヘッドをA−A’線で切断した断面図およびB−B’線で切断した断面図における製造工程を示す模式図である。
(Example 1)
In this example, the process of manufacturing the liquid discharge head of this embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic view showing a manufacturing process in a cross-sectional view taken along the line AA ′ and a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the liquid discharge head shown in FIG.
まず、図5(a−1)、(a−2)に示すように、シリコン(100)基板10を用意し、一方の面に酸化シリコンからなる絶縁層16、タンタル窒化シリコンからなるエネルギー発生素子14、シリコン窒化膜からなる保護層15を含む積層構造を形成した。絶縁層16の形成には、熱酸化による成長法を用いた。エネルギー発生素子14および保護層15の形成にはスパッタ法による成膜を用い、フォトリソグラフィ、ドライエッチング、ウェットエッチングを用いて、所望の形状にパターニングした。
First, as shown in FIGS. 5A-1 and 5A-2, a silicon (100)
次に、図5(b−1)、(b−2)に示すように、保護層15の上に、流路型パターン18を形成した。流路型パターン18は、まず、溶解可能なポジ型感光性樹脂材料をスピンコート法により基板上に塗布し、該材料を露光・現像して、14μmの厚みで形成した。流路型パターン18の材料としては、後の工程で被膜する有機樹脂材料との相溶が少なく、その後の工程で容易に除去することができる材料が望ましく、熱可塑性樹脂を用いた。
Next, as shown in FIGS. 5B-1 and B-2, a
次に、図5(c−1)、(c−2)に示すように、被覆樹脂材料19としてネガ型の感光性樹脂材料を流路型パターン18の上に塗布し、該被覆樹脂材料19の上に撥水材料20を積層した。
Next, as shown in FIGS. 5 (c-1) and (c-2), a negative photosensitive resin material is applied on the
次に、図5(d−1)、(d−2)に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて露光・現像・熱硬化することで、被覆樹脂材料を部分的に除去して吐出口11および凹部5を形成し、被覆樹脂材料を部分的に硬化して流路壁構造部7および複数の島構造部(7’a、7’b、7’c)を有する島構造構成部分を形成した。
Next, as shown in FIGS. 5D-1 and 5D-2, the coating resin material is partially removed by exposure / development / thermosetting using a photolithography method, and the
ここで、符号8’aは第一の島構造部7’aの上面の撥水面を指し、符号8’bは第二の島構造部7’bの上面の撥水面を指し、符号8’cは第三の島構造部7’cの上面の撥水面を指す。本実施例において、第一の島構造部7’a上面の撥水面8’a、第二の島構造部7’b上面の撥水面8’b、第三の島構造部7’c上面の撥水面8’cは、それぞれ異なる撥水強度を有するように形成した。また、流路壁構造部7上面の撥水面は、少なくとも1つの島構造の撥水面の撥水性と同一レベルになるように形成した。すなわち、純水を用いた動的後退接触角測定において、第一の島構造部7’a上面の撥水面8’aにおける動的後退接触角が、流路壁構造部7上面の撥水面8における動的後退接触角の±3°以内に含まれるように形成した。具体的には、流路壁構造部7を形成する露光量と、第一の島構造部7’aを形成する露光量とを同じ量とした。また、第二の島構造部7’b上面の撥水面8’bと第三の島構造部7’c上面の撥水面8’cを、第一の島構造部7’a上面の撥水面8’aに対して撥水強度差を生じさせるため、第二の島構造部7’b及び第三の島構造部7’cを形成する露光量を変えた。より具体的には、第一の島構造部7’a上面の撥水面8’a、第二の島構造部7’b上面の撥水面8’b、第三の島構造部7’c上面の撥水面8’cの順で撥水強度が高くなるように形成した。第一の島構造部上面の撥水性と、第二の島構造部上面の撥水性では、純水の動的後退接触角において、例えば5°〜15°の角度差を有する。また、第二の島構造部上面の撥水性と、第三の島構造部上面の撥水性は、純水の動的後退接触角測定において、例えば5°〜15°の角度差を有する。
Here,
なお、露光量の調整手段として、透過率の異なるグラデーションフォトマスクを用いることができ、また多重露光を用いることもできる。 Note that gradation photomasks having different transmittances can be used as exposure amount adjusting means, and multiple exposure can also be used.
次いで、図5(e−1)、(e−2)に示すように、基板10を貫通する供給口17を形成した。まず、スピンコートにより保護レジスト21を塗布した。この保護レジストは耐アルカリ性を有し、ウェット処理により容易に除去可能な材料であることが望ましく、環化ゴムを用いた。次に、レーザアブレーション加工を用いて、基板10の第二の面側から基板10中に留まるレーザ孔(不図示)を形成した後、強アルカリ性液体中でウェットエッチングすることでシリコン(111)面を含む形状の供給口17を得た。
Next, as shown in FIGS. 5E-1 and 5E-2, a
次に、フッ酸系のウェットエッチングと、CF4、O2、N2を含むガス雰囲気でのドライエッチングにより、供給口17の上方を覆う絶縁層16および保護層15の一部を除去した。その後、環化ゴムによる保護レジスト21をウェット処理により除去し、続いて、UV照射とウェット処理により流路型パターン18を除去した。
Next, a part of the insulating
以上の工程により、図5(f−1)、(f−2)、図6に示すように、流路壁構造部7、凹部5および該凹部5に囲まれる複数の島構造部(7’a、7’b、7’c)を有する島構造構成部分を含む流路形成部材を備える液体吐出ヘッドを得た。
Through the above steps, as shown in FIGS. 5 (f-1), (f-2), and FIG. 6, the flow
上記の製造方法に示すように、島構造部(7’a、7’b、7’c)の上面の撥水強度をそれぞれ変えることができた。また、島構造部および凹部の側壁は、島構造部(7’a、7’b、7’c)の上面及び流路壁構造部の上面に比べて低い撥水強度であった。 As shown in the above manufacturing method, the water repellency of the upper surfaces of the island structures (7'a, 7'b, 7'c) could be changed. Further, the side walls of the island structure portion and the recesses had low water repellency compared to the upper surface of the island structure portion (7'a, 7'b, 7'c) and the upper surface of the flow path wall structure portion.
この液体吐出ヘッドに対し、島構造部(7’a、7’b、7’c)の上方から液体22を滴下した時の断面図を図7に示す。撥水性の最も高い第一の島構造部7’a上面及び次に高い第二の島構造部7’b上面では液体22が残らず、撥水性の最も低い第三の島構造部7’c上面には液体22が残った。撥水性が高いレベルに有る時に液体が残らないのは、液体が撥水面で弾かれる一方、撥水性の低い凹部外周側壁及び島構造部側壁に引っ張られるからである。撥水性が低いレベルに有る時に液体が残るのは、島構造上面と凹部外周側壁及び島構造部側壁との間の撥水強度の差が小さいからである。例えば、純水に対する動的後退接触角が島構造部上面で90°、島構造側面で60°の時には、液体22は上面に残らない。また、例えば、島構造上面で70°、島構造部側面で60°の時には、液体22は上面に残る場合がある。
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the liquid discharge head when the liquid 22 is dropped from above the island structures (7'a, 7'b, 7'c). The liquid 22 does not remain on the upper surface of the first
本実施例の場合、撥水強度の異なる上面を有する島構造を複数有する島構造構成部分を有し、また、その内の1つが流路壁構造部の上面(吐出面)と同一レベルの撥水強度で形成されている。この構成により、流路壁構造部の吐出面の撥水性の強度ランクが容易に評価できるため、記録品位の保障が容易に判断できる。さらに、ヘッドを分解・破壊して液体の動的後退接触角を測定する必要が無いため、記録品質の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。 In the case of the present embodiment, it has an island structure constituent portion having a plurality of island structures having upper surfaces with different water repellency strengths, and one of them has the same level of repellent properties as the upper surface (discharge surface) of the channel wall structure portion. It is formed with water strength. With this configuration, it is possible to easily evaluate the water repellency strength rank of the discharge surface of the flow path wall structure, and thus it is possible to easily determine the recording quality. Furthermore, since it is not necessary to disassemble and destroy the head and measure the dynamic receding contact angle of the liquid, it is possible to provide a liquid ejection head with high recording quality.
(実施例2)
本実施例において、図9を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造する過程を具体的に記述する。図9は、図1(a)に示す液体吐出ヘッドをA−A’線で切断した断面図およびB−B’線で切断した断面図における製造工程を示す模式図である。
(Example 2)
In this example, the process of manufacturing the liquid ejection head of this embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic view showing a manufacturing process in the cross-sectional view taken along the line AA ′ and the cross-sectional view taken along the line BB ′ of the liquid discharge head shown in FIG.
まず、図9(a−1)、(a−2)に示すように、シリコン(100)基板10を用意し、一方の面に酸化シリコンからなる絶縁層16、タンタル窒化シリコンからなるエネルギー発生素子14、シリコン窒化膜からなる保護層15を含む積層構造を形成した。絶縁層16の形成には、熱酸化による成長法を用いた。エネルギー発生素子14および保護層15の形成にはスパッタ法による成膜を用い、フォトリソグラフィ、ドライエッチング、ウェットエッチングを用いて、所望の形状にパターニングした。
First, as shown in FIGS. 9A-1 and 9A-2, a silicon (100)
次に、図9(b−1)、(b−2)に示すように、保護層15の上に、流路型パターン18を形成した。流路型パターン18は、まず、溶解可能なポジ型感光性樹脂材料をスピンコート法により塗布し、露光・現像して、14μmの厚みで形成した。流路型パターン18の材料としては、後の工程で被膜する有機樹脂材料との相溶が少なく、その後の工程で容易に除去することができる材料が望ましく、熱可塑性樹脂を用いた。また、この際、流路型パターンと同じ材料を用いて、後工程で形成される凹部を形成する領域の周りに膜厚調整パターン18’を形成する。
Next, as shown in FIGS. 9B-1 and 9B-2, the
続いて、図9(c−1)、(c−2)に示すように、被覆樹脂材料19としてネガ型の感光性樹脂材料を流路型パターン18及び膜厚調整パターン18’の上に塗布し、該被覆樹脂材料19の上に撥水材料20を積層した。
Subsequently, as shown in FIGS. 9 (c-1) and (c-2), a negative photosensitive resin material is applied as the
ここで、図9(c−2)に示すように、膜厚調整パターン18’が下層に配置されている領域では、被覆樹脂材料の上面高さが高く(積層厚みが大きく)なった。また、膜厚調整パターン18’が下層に配置されていない、島構造が形成される領域では、被覆樹脂材料の上面高さが膜厚調整パターン18’が下層に配置されている領域に比べて、低く(積層厚みが小さく)なった。膜厚調整パターン18’を14μmの膜厚で形成し、被覆樹脂材料と撥水材料の積層構造を25μm狙いとしたとき、膜厚調整パターン18’が下層に形成されている領域と形成されていない領域とで1μm前後の厚み差が生じた。
Here, as shown in FIG. 9 (c-2), in the region where the film thickness adjustment pattern 18 'is disposed in the lower layer, the height of the upper surface of the coating resin material is high (lamination thickness is large). Further, in the region where the island structure is formed where the film
なお、島構造部の上面の高さは、凹部の外周を構成する側壁の高さよりも1〜50μm低いことが好ましく、5〜10μm低いことがより好ましい。 In addition, it is preferable that the height of the upper surface of an island structure part is 1-50 micrometers lower than the height of the side wall which comprises the outer periphery of a recessed part, and it is more preferable that it is 5-10 micrometers lower.
次に、図9(d−1)、(d−2)に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて露光・現像・熱硬化することで、被覆樹脂材料を部分的に除去して吐出口11および凹部5を形成し、被覆樹脂材料を部分的に硬化して流路壁構造部7及び島構造部7’を形成した。また、流路壁構造部7及び島構造部7’を同一の露光・現像・熱硬化条件で形成することで、流路壁構造部7上面の撥水性と、島構造部7’上面の撥水性はほぼ同一であり、その差は純水の動的後退接触角測定では±3°以内を示した。
Next, as shown in FIGS. 9D-1 and 9D-2, the coating resin material is partially removed by exposure, development, and thermosetting using a photolithography method, and the
また、凹部5の外周側壁には、膜厚調整パターン18’の側壁が露出していた。
Further, the side wall of the film
次いで、図9(e−1)、(e−2)に示すように、基板10を貫通する供給口17を形成した。まず、スピンコートにより保護レジスト21を塗布した。この保護レジストは耐アルカリ性を有し、ウェット処理により容易に除去可能な材料であることが望ましく、環化ゴムを用いた。次に、レーザアブレーション加工を用いて、基板10の第二の面側から基板10中に留まるレーザ孔(不図示)を形成した後、強アルカリ性液体中でウェットエッチングすることでシリコン(111)面を含む形状の供給口17を得た。
Next, as shown in FIGS. 9E-1 and 9E-2, a
次に、フッ酸系のウェットエッチングと、CF4、O2、N2を含むガス雰囲気でのドライエッチングにより、供給口17の上方を覆う絶縁層16および保護層15の一部を除去した。その後、環化ゴムによる保護レジスト21をウェット処理により除去し、続いて、UV照射とウェット処理により流路型パターン18及び膜厚調整パターン18’を除去した。
Next, a part of the insulating
以上の工程により、図9(f−1)、(f−2)に示すように、液体吐出ヘッドが作製された。 Through the above steps, a liquid discharge head was fabricated as shown in FIGS. 9 (f-1) and 9 (f-2).
上記の製造方法により形成した液体吐出ヘッドでは、島構造部1の厚みは、流路壁構造部7のうち凹部5の外周を構成する側壁の厚みよりも1μm程度、小さくなった。
In the liquid discharge head formed by the manufacturing method described above, the thickness of the
この液体吐出ヘッドに対し、島構造部7’の上方から島構造部上面および凹部5に向かって液体22を滴下した時の断面図を図10に示す。図10(a)は、島構造部上面の撥水性が低いレベルの時のモデル図であり、図10(b)は、島構造部上面の撥水性が高いレベルで保たれている時のモデル図である。島構造部上面の撥水性が高いレベルに有る時、滴下した液体22は、上面で弾かれる一方、撥水性の低い凹部側壁及び島構造側壁に引っ張られ、結果として、島構造部上面には液体22が残らない。島構造部上面の撥水性が低いレベルに劣化して、上面と凹部側壁及び島構造部側壁の撥水強度の差が小さい時、滴下した液体22は上面に残る。
FIG. 10 shows a cross-sectional view of the liquid discharge head when the liquid 22 is dropped from above the
したがって、島構造構成部分における液体の有無を観察することで、吐出面の撥水性を判断可能となる。この方法であれば、ヘッドを分解・破壊して液体の動的後退接触角を測定すること無く撥水性の優劣を簡易に評価でき、記録品質の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。また、島構造部上面が、凹部外周を構成する側壁よりも低い位置にあるため、外部からの物理的接触による島構造の破壊を抑制できる。 Therefore, it is possible to determine the water repellency of the ejection surface by observing the presence or absence of liquid in the island structure component. With this method, it is possible to easily evaluate the superiority or inferiority of water repellency without disassembling and destroying the head and measuring the dynamic receding contact angle of the liquid, and it is possible to provide a liquid ejection head with high recording quality. Moreover, since the upper surface of the island structure portion is located at a position lower than the side wall that forms the outer periphery of the recess, it is possible to suppress destruction of the island structure due to physical contact from the outside.
1 :島構造構成部分
5 :凹部(凹み構造)
6 :流路形成部材
7 :流路壁構造部
7’:島構造部
8 :流路壁構造部の上面の撥水面
8’:島構造部の上面の撥水面
10:基板
11:吐出口
13:液体流路
14:エネルギー発生素子
15:保護層
16:絶縁層
17:供給口
18:流路型パターン
19:被覆樹脂材料
20:撥水材料
21:保護レジスト
22:液体
1: Island structure component 5: Recess (dent structure)
6: Channel forming member 7: Channel wall structure 7 ': Island structure 8: Water repellent surface on the top surface of the channel wall structure 8': Water repellent surface on the top surface of the island structure 10: Substrate 11: Discharge port 13 : Liquid channel 14: Energy generating element 15: Protective layer 16: Insulating layer 17: Supply port 18: Channel pattern 19: Coating resin material 20: Water repellent material 21: Protective resist 22: Liquid
Claims (14)
前記エネルギー発生素子を第一の面側に有する基板と、
前記基板の第一の面の上に、前記吐出口及び前記液体流路を構成する流路壁構造部と、前記流路壁構造部の上面から凹む凹部と、該凹部に囲まれる第一の島構造部と、を含む流路形成部材と、
を有し、
前記流路形成部材の上面に撥水面が形成されている液体吐出ヘッド。 A liquid discharge head having a discharge port for discharging a liquid, a liquid flow path communicating with the discharge port, and an energy generating element for generating energy for discharging the liquid,
A substrate having the energy generating element on the first surface side;
On the first surface of the substrate, the flow path wall structure part constituting the discharge port and the liquid flow path, the concave part recessed from the upper surface of the flow path wall structure part, and the first island structure surrounded by the concave part A flow path forming member including a portion,
Have
A liquid discharge head in which a water repellent surface is formed on an upper surface of the flow path forming member.
前記第二の島構造部の上面に形成される撥水面は、前記第一の島構造部の上面に形成される撥水面と異なる撥水性を有する請求項1乃至10のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。 The flow path forming member further includes at least one second island structure portion surrounded by the recess,
11. The liquid ejection head according to claim 1, wherein a water repellent surface formed on an upper surface of the second island structure portion has a water repellency different from a water repellent surface formed on an upper surface of the first island structure portion. .
前記基板の前記第一の面の上に形成され、前記液体を吐出する吐出口及び該吐出口に連通する液体流路を構成する流路壁構造部と、前記流路壁構造部の上面から凹む凹部と、該凹部に囲まれる第一の島構造部と、を含む流路形成部材と、
を有し、前記流路形成部材の上面に撥水面が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法であって、
(1)前記基板の前記第一の面の上に、前記液体流路の型材となる流路型パターンを形成する工程と、
(2)前記基板及び前記流路型パターンの上に被覆樹脂材料及び撥水材料を配置する工程と、
(3)前記被覆樹脂材料に露光処理を施して、前記吐出口と前記凹部の潜像を形成し、続いて現像処理を行うことにより、前記流路壁構造部と前記凹部と前記第一の島構造部とを形成する工程と、
を有する液体吐出ヘッドの製造方法。 A substrate having, on the first surface side, an energy generating element that generates energy for discharging liquid;
From the upper surface of the flow path wall structure portion, the flow path wall structure portion is formed on the first surface of the substrate and forms a discharge port for discharging the liquid and a liquid flow channel communicating with the discharge port. A flow path forming member including a recessed portion that is recessed, and a first island structure portion surrounded by the recessed portion,
A liquid discharge head manufacturing method in which a water repellent surface is formed on the upper surface of the flow path forming member,
(1) forming a flow path mold pattern serving as a mold material for the liquid flow path on the first surface of the substrate;
(2) placing a coating resin material and a water repellent material on the substrate and the flow path pattern;
(3) The coating resin material is subjected to an exposure process to form a latent image of the discharge port and the recess, and subsequently subjected to a development process, whereby the flow path wall structure portion, the recess, and the first island structure Forming a part;
A method of manufacturing a liquid discharge head having
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