JP2021053879A - ノズル部材の製造方法、液体吐出ヘッドの製造方法、液体を吐出する装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した吐出特性を得る。【解決手段】第１シリコン層１０１、エッチング選択比がシリコン層１０１よりも大きい中間層である高選択比層１０２、第２シリコン層１０３の順に積層された基材１００に対し、第１シリコン層１０１にノズル１１を構成する第１穴部１０５を形成する工程と、高選択比層１０２に第１穴部１０５に通じる第２穴部１０６を形成する工程と、第２シリコン層１０３に第１穴部１０５よりも径の大きい第３穴部１０８を形成する工程と、を順次行う。【選択図】図２

Description

本発明はノズル部材の製造方法、液体吐出ヘッドの製造方法、液体を吐出する装置の製造方法に関する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルを有するノズル板などのノズル部材を備えている。

従来、オリフィスプレートとして、ＳＯＩ基板を使用し、第１のＳｉ層にノズル穴をエッチングで形成し、第２のＳｉ層に流路をエッチングで形成し、その後、ＳｉＯ_２膜を貫通させる製造方法が知られている（特許文献１）。

特開２００８−０８７３６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成にあっては、シリコン層間に介在する中間層としてのエッチング選択比の大きい層（高選択比層）が単層で残る状態が発生するため、内部応力によって高選択比層が破損し、噴射曲がりが発生するという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、安定した吐出特性を得ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るノズル板の製造方法は、
少なくとも、シリコン層、エッチング選択比が前記シリコン層よりも大きい中間層、及び、シリコン層の順に積層された基材に対し、
一方の前記シリコン層にノズルを構成する第１穴部を形成する工程と、
前記中間層に前記第１穴部に通じる第２穴部を形成する工程と、
他方の前記シリコン層に前記第１穴部よりも径の大きい第３穴部を形成する工程と、を順次行う
構成とした。

本発明によれば、安定した吐出特性を得ることができる。

本発明に係るノズル部材の製造方法で製造するノズル部材の一例の１つのノズル部分の断面説明図である。 本発明の第１実施形態に係るノズル部材の製造方法で製造するノズル部材の断面説明図、の説明図である。 比較例１に係るノズル部材の製造方法の説明図である。 比較例２に係るノズル部材の製造方法の説明図である。 吐出曲がりの評価結果の説明図である。 本発明の第２実施形態に係るノズル部材の製造方法でノズル部材を製造する工程を行った液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の一例の要部平面説明図である。 同装置の要部側面説明図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係るノズル部材の製造方法で製造するノズル部材の一例について図１を参照して説明する。図１は１つのノズル部分の断面説明図である。

ノズル部材１０は、液体３００を吐出するノズル１１と、ノズル１１と圧力室に通じるノズル連通路１２とを備えている。

ここで、ノズル部材１０は、第１シリコン層１０１、エッチング選択比がシリコン層１０１よりも大きい中間層である高選択比層１０２、及び第２シリコン層１０３を含む基材で構成されている。

ノズル１１は、穴形状が円形状であり、第１シリコン層１０１の第１穴部１０５と高選択比層１０２の第２穴部１０６で構成されている。ノズル連通路１２は、第２シリコン層１０３の第３穴部１０８で構成されている。なお、第３穴部１０８は、ノズル連通路１２に代えて圧力室を構成することもできるし、ノズル１１の一部を構成することもできる。

次に、本発明の第１実施形態について図２を参照して説明する。図２は同実施形態に係るノズル部材の製造方法で製造するノズル部材の断面説明図、の説明図である。

図２（ａ）に示すように、第１シリコン層１０１、エッチング選択比がシリコン層１０１よりも大きい中間層である高選択比層１０２、第２シリコン層１０３の順に積層された基材１００を準備する。

ここで、基材１００としては、高選択比層１０２を酸化シリコン層（ＳｉＯ_２層）とするＳＯＩ基板を使用している。「エッチング選択比」は、「マスク材料と被加工材料とのエッチング速度比」で定義される。

次いで、図２（ｂ）に示すように、第１シリコン層１０１の表面にノズル１１を構成する第１穴部１０５を形成するためのレジストパターン１０４を形成する。

その後、図２（ｃ）に示すように、第１シリコン層１０１に対してボッシュプロセスによるドライエッチングによって小径ノズル部である第１穴部１０５を形成する。

次いで、図２（ｄ）に示すように、高選択比層１０２に第２穴部１０６を加工する。

そして、図２（ｅ）に示すように、レジストパターン１０４を除去する。

その後、図２（ｆ）に示すように、第２シリコン層１０３に大径ノズル部、流路液室でもある第３穴部１０８を形成するためのレジストパターン１０７を形成する。

そして、図２（ｇ）に示すように、第２シリコン層１０３に対してドライエッチングによって第３穴部１０８を形成する。

最後に、図２（ｈ）に示すように、レジストパターン１０７を除去する。

これにより、第１穴部１０５及び第２穴部１０６で構成されたノズル１１と、ノズル１１に通じるノズル連通路１２（あるいは、大径ノズル部、流路液室）を構成する第３穴部１０８を有するノズル部材１０が得らえる。

なお、本実施形態におけるボッシュプロセスのドライエッチングでは、デポ膜形成による側壁保護と底面のエッチングを交互に行うプロセスを用いる。そのため、第１穴部１０５に相当する領域の第２穴部１０６を貫通させた直後に、デポ膜による側壁保護が第１穴部１０５の側壁にも発生するため、第１穴部１０５の側壁の変形が防止される。また、エッチング後の第１穴部１０５の内壁にはフッ素を含んだＳｉＯ_２の極薄皮膜が形成されるため、純粋なＳｉに比べて、エッチングされにくくなっている。したがって、第２穴部１０６を形成した後に第３穴部１０８をエッチングで形成しても、第１穴部１０５の変形は発生せず、吐出特性に影響を与えない。

このように、基材１００に対し、第１シリコン層１０１にノズルを構成する第１穴部１０５を形成する工程と、中間層である高選択比層１０２に第１穴部１０５に通じる第２穴部１０６を形成する工程と、第２シリコン層１０３に第１穴部１０５よりも径の大きい第３穴部１０８を形成する工程と、を順次行う。

これにより、高選択比層１０２が単層で残る状態が発生しないため、内部応力によって高選択比層１０２が破損することが防止され、安定した吐出特性を得ることができる。

次に、比較例１の製造方法について図３を参照して説明する。図２は同比較例１に係るノズル部材の製造方法の説明図である。

図３（ａ）に示すように、第１シリコン層１０１、エッチング選択比がシリコン層１０１よりも大きい中間層である高選択比層１０２、第２シリコン層１０３の順に積層された基材１００を準備する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、第１シリコン層１０１の表面にノズル１１を構成する第１穴部１０５を形成するためのレジストパターン１０４を形成する。

その後、図３（ｃ）に示すように、第１シリコン層１０１に対してドライエッチングによって第１穴部１０５を形成する。

次いで、図３（ｄ）に示すように、レジストパターン１０４を除去する。

その後、図３（ｅ）に示すように、高選択比層１０２に第２穴部１０６を、第２シリコン層１０３に第３穴部１０８を形成するためのレジストパターン１０７を形成する。

そして、図２（ｆ）に示すように、第２シリコン層１０３に対してドライエッチングによって第３穴部１０８を形成する。

次いで、図２（ｇ）に示すように、高選択比層１０２に第２穴部１０６を加工する。

そして、図２（ｈ）に示すように、レジストパターン１０７を除去する。

この比較例１では、第１穴部１０５でノズル１１を構成し、第２穴部１０６と第３穴部１０８とが同じ大きさに形成されてノズル連通路１２を構成する。

次に、比較例２の製造方法について図４を参照して説明する。図４は同比較例２に係るノズル部材の製造方法の説明図である。

図４（ａ）に示すように、第１シリコン層１０１、エッチング選択比がシリコン層１０１よりも大きい中間層である高選択比層１０２、第２シリコン層１０３の順に積層された基材１００を準備する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、第１シリコン層１０１の表面にノズル１１を構成する第１穴部１０５を形成するためのレジストパターン１０４を形成する。

その後、図４（ｃ）に示すように、第１シリコン層１０１に対してドライエッチングによって第１穴部１０５を形成する。

次いで、図４（ｄ）に示すように、レジストパターン１０４を除去する。

その後、図４（ｅ）に示すように、第２シリコン層１０３に第３穴部１０８を形成するためのレジストパターン１０７を形成する。

そして、図４（ｆ）に示すように、第２シリコン層１０３に対してドライエッチングによって第３穴部１０８を形成する。

次いで、図４（ｇ）に示すように、高選択比層１０２に第２穴部１０６を加工する。

そして、図４（ｈ）に示すように、レジストパターン１０７を除去する。

この比較例２では、第１穴部１０５及び第２穴部１０６でノズル１１を構成し、第３穴部１０８でノズル連通路１２を構成する。

次に、本発明の実施例と比較例について説明する。

＜実施例１＞
基材１００として、厚さ１０μｍの第１シリコン層１０１、高選択比層（酸化シリコン層）１０２、厚さ４０μｍの第２シリコン層１０３が順次積層されたＳＯＩ基板を使用した。

そして、第１シリコン層１０１及び高選択比層１０２に直径２０μｍの第１穴部１０５及び第２穴部１０６を形成した後、第２シリコン層１０３に直径８５μｍの流路液室となる第３穴部１０８を形成した。

＜比較例１＞
実施例と同じ基材１００を使用し、第１シリコン層１０１に直径２０μｍの第１穴部１０５を形成した後、第２シリコン層１０３に直径８５μｍの流路液室となる第３穴部１０８を形成した。その後、高選択比層１０２に第３穴部１０８と同じ大きさの第２穴部１０６を形成して貫通した。

＜比較例２＞
基材１００として、厚さ１０μｍの第１シリコン層１０１、高選択比層（酸化シリコン層）１０２、厚さ５０μｍの第２シリコン層１０３が順次積層されたＳＯＩ基板を使用した。

そして、第１シリコン層１０１に直径２０μｍの第１穴部１０５を形成した後、第２シリコン層１０３に直径８５μｍの第３穴部１０８としての流路液室を形成した。その後、高選択比層１０２に第１穴部１０５と同じ大きさの第２穴部１０６を形成して貫通した。

実施例及び比較例１，２の評価としては、ノズル１１を４００個設けたノズル部材１０を作製し、吐出曲がり量で判断を行うこととし、４００個のノズル１１における吐出曲がり量が±０．３℃以内となっていることを合格基準とした。

吐出曲がりの評価結果を図５に示している。実施例の吐出評価結果は、基準である±０．３℃以内を達成している。一方、比較例は共に基準である±０．３℃を超えている。比較例１においては図３（ｆ）、比較例２においては図４（ｆ）の状態になったときに、高選択比層１０２が割れ、その破片により液滴に抵抗がかかり、±０．３°以上のランダムな曲がりが発生した。

次に、本発明の第２実施形態について図６を参照して説明する。図６は第１実施形態に係るノズル部材の製造方法でノズル部材を製造する工程を行った液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。

この液体吐出ヘッド１は、ノズル部材１０と、流路板２０と、壁面部材としての振動板部材３０とを積層接合している。そして、振動板部材３０の振動領域（ダイアフラム領域、振動板）３１を変位させる圧電アクチュエータ４０と、ヘッドのフレーム部材を兼ねている共通流路部材５０とを備えている。

ノズル部材１０は、複数のノズル１１を配列したノズル列と、ノズル１１と圧力室２１とを通じるノズル連通路１２とを有している。このノズル部材１０は、前記第１実施形態に係るノズル部材の製造方法で製造し、流路板２０と接着剤接合する工程を行って流路板２０と接合している。

流路板２０は、複数のノズル１１に通じる複数の圧力室２１、各圧力室２１にそれぞれ通じる流体抵抗部を兼ねる個別供給流路２２、１又は複数の個別供給流路２２に通じる１又は複数の中間供給流路２３を形成している。

振動板部材３０は、流路板２０の圧力室２１の壁面を形成する変位可能な複数の振動領域３１を有する。ここでは、振動板部材３０は２層構造（限定されない）とし、流路板２０側から薄肉部を形成する第１層３０ａと、厚肉部を形成する第２層３０ｂで構成されている。

そして、薄肉部である第１層３０ａで圧力室２１に対応する部分に変形可能な振動領域３１を形成している。振動領域３１内には、第２層３０ｂで圧電アクチュエータ４０と接合する厚肉部である凸部３１ａを形成している。

そして、振動板部材３０の圧力室２１とは反対側に、振動板部材３０の振動領域３１を変形させる駆動手段（アクチュエータ手段、圧力発生手段）としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ４０を配置している。

この圧電アクチュエータ４０は、ベース部材４４上に接合した圧電部材４１にハーフカットダイシングによって溝加工をして、ノズル配列方向において、所要数の柱状の圧電素子４２を所定の間隔で櫛歯状に形成している。

そして、圧電素子４２を振動板部材３０の振動領域３１に形成した厚肉部である凸部３１ａに接合している。

この圧電部材４１は、圧電層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極がそれぞれ端面に引き出されて外部電極（端面電極）に接続され、外部電極にフレキシブル配線部材が接続される。

共通流路部材５０は共通供給流路５１を形成している。共通供給流路５１は、振動板部材３０に設けたフィルタ部３２を介して中間供給流路２３に通じている。

この液体吐出ヘッド１においては、例えば圧電素子４２に与える電圧を基準電位（中間電位）から下げることによって圧電素子４２が収縮し、振動板部材３０の振動領域３１が引かれて圧力室２１の容積が膨張することで、圧力室２１内に液体が流入する。

その後、圧電素子４２に印加する電圧を上げて圧電素子４２を積層方向に伸長させ、振動板部材３０の振動領域３１をノズル１１に向かう方向に変形させて圧力室２１の容積を収縮させることにより、圧力室２１内の液体が加圧され、ノズル１１から液体が吐出される。

なお、ヘッドの駆動方法については上記の例（引き−押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行なうこともできる。

次に、本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の一例について図７及び図８を参照して説明する。図７は同装置の要部平面説明図、図８は同装置の要部側面説明図である。

この印刷装置５００は、シリアル型装置であり、主走査移動機構４９３によって、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構４９３は、ガイド部材４０１、主走査モータ４０５、タイミングベルト４０８等を含む。ガイド部材４０１は、左右の側板４９１Ａ、４９１Ｂに架け渡されてキャリッジ４０３を移動可能に保持している。そして、主走査モータ４０５によって、駆動プーリ４０６と従動プーリ４０７間に架け渡したタイミングベルト４０８を介して、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動される。

このキャリッジ４０３には、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法で製造した液体吐出ヘッド１とヘッドタンク４４１を一体にした液体吐出ユニット４４０を製造する工程を行って製造した液体吐出ユニット４４０を搭載する工程を行って搭載している。

液体吐出ユニット４４０の液体吐出ヘッド１は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド１は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。

この印刷装置５００は、用紙４１０１搬送するための搬送機構４９５を備えている。搬送機構４９５は、搬送手段である搬送ベルト４１２、搬送ベルト４１２を駆動するための副走査モータ４１６を含む。

搬送ベルト４１２は用紙４１０を吸着して液体吐出ヘッド１に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト４１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ４１３と、テンションローラ４１４との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。

そして、搬送ベルト４１２は、副走査モータ４１６によってタイミングベルト４１７及びタイミングプーリ４１８を介して搬送ローラ４１３が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。

さらに、キャリッジ４０３の主走査方向の一方側には搬送ベルト４１２の側方に液体吐出ヘッド１の維持回復を行う維持回復機構４２０が配置されている。

維持回復機構４２０は、例えば液体吐出ヘッド１のノズル面（ノズルが形成された面）をキャッピングするキャップ部材４２１、ノズル面を払拭するワイパ部材４２２などで構成されている。

主走査移動機構４９３、維持回復機構４２０、搬送機構４９５は、側板４９１Ａ，４９１Ｂ、背板４９１Ｃを含む筐体に取り付けられている。

このように構成したこの印刷装置５００においては、用紙４１０が搬送ベルト４１２上に給紙されて吸着され、搬送ベルト４１２の周回移動によって用紙４１０が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ４０３を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している用紙４１０に液体を吐出して画像を形成する。

本願において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。

液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ（積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子）、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。

「液体吐出ユニット」は、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体が含まれる。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構、液体循環装置の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。

ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。

例えば、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。

主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。

「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を 気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。

この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。

例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。

また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。

また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。

また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。

なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。

１ 液体吐出ヘッド
１０ ノズル部材
１１ ノズル
２０ 流路板
２１ 圧力室
３０ 振動板部材
４０ 圧電アクチュエータ
５０ 共通流路部材
５１ 共通供給流路
１００ 基材
１０１ 第１シリコン層
１０２ 高選択比層（中間層）
１０３ 第２シリコン層
１０５ 第１穴部
１０６ 第２穴部
１０７ 第３穴部
４０３ キャリッジ
４４０ 液体吐出ユニット
５００ 印刷装置（液体を吐出する装置）

Claims (5)

1. 少なくとも、第１シリコン層、エッチング選択比がシリコン層よりも大きい中間層、及び、第２シリコン層の順に積層された基材に対し、
   前記第１シリコン層にノズルを構成する第１穴部を形成する工程と、
   前記中間層に前記第１穴部に通じる第２穴部を形成する工程と、
   前記第２シリコン層に前記第１穴部よりも径の大きい第３穴部を形成する工程と、を順次行う
   ことを特徴とするノズル部材の製造方法。
2. 前記中間層がシリコン酸化膜である
   ことを特徴とする請求項１に記載のノズル部材の製造方法。
3. 前記ノズルの穴形状が円形である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のノズル部材の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のノズル部材の製造方法でノズル部材を製造する工程を含む
   ことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法で液体吐出ヘッドを製造する工程を含む
   ことを特徴とする液体を吐出する装置の製造方法。

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