JP3045180B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

インクジェットヘッド及びその製造方法

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悦夫 山本
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はインクジェットヘッドに関し、さらに詳しく
述べると、特に高密度印字に適したインクジェットヘッ
ド及びその製造方法に関する。本発明のインクジェット
ヘッドは、近年広く用いられているインクジェットプリ
ンタのヘッド部において有利に使用することができる。
背景技術 近年、ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ、
ファクシミリ装置などのオフィスオートメーション(O
A)機器や医療用計測機器などの各種の計測機器、その
他の装置において、それらの装置からの出力情報を高密
度で印字するためにインクジェットプリンタが広く用い
られている。インクジェットプリンタは、周知の通り、
そのヘッド部からインクの液滴を噴射させて記録紙等の
記録媒体に直接的に付着させ、モノクロあるいはカラー
の印字を行うためのものである。インクジェットプリン
タは、記録媒体が立体物などであっても印字が可能であ
る。普通紙を記録媒体に使用することができるのでラン
ニングコストが安い、ヘッドの装着が簡単であり、転写
・定着等の工程を必要としない、カラー化が容易で、鮮
明なカラー印字が可能である、などの多くの長所を有し
ている。インクジェットヘッドは、それからのインク滴
の噴射の駆動方式によっていろいろなタイプに区分する
ことができ、例えば、ピエゾ方式のインクジェットヘッ
ドは、加圧手段として圧電素子(ピエゾ素子)を使用す
るものであり、圧電素子による電歪効果を利用して、ヘ
ッド部のインクの充填されたインク室内に圧力波を生じ
させ、これによってヘッド部のノズルからインクを吐出
するものである。また、バブルジェット方式のインクジ
ェットヘッドは、加圧手段として発熱体を使用するもの
であり、発熱体を加熱して気泡を発生させ、それによっ
てヘッド部のノズルからインクを吐出するものである。
さらに、静電吸引力によりインク滴を噴射させる静電吸
引方式のインクジェットヘッドも公知である。なお、本
発明のインクジェットヘッドは、これらの方式及びその
他の方式のインクジェットヘッドに対して有利に適用す
ることができる。
従来のインクジェットヘッドは、通常、インク流路と
インクを吐出するための加圧室の役目を果たす、等間隔
で配置されている複数のインク室と、インク室の先端に
取り付けられたものであって、それぞれのインク室に対
応したインク吐出のためのノズルを装備したノズル板
と、印字の要求に応じて前記インク室内のインクを加圧
可能な加圧手段を含んで構成されている。加圧手段は、
インク室を加圧するための駆動力を発生させる駆動体を
有し、また、かかる駆動体は、前記したように、圧電素
子の場合もあれば、発熱体の場合もある。
インクジェットヘッドの構造についてさらに詳しく説
明する。例えば、ピエゾ方式のインクジェットヘッド10
は、それを展開して示す第1図から理解されるように、
いくつかの部材から構成されている。インク室部材11
は、インク流路とインクを吐出するための加圧室の役目
を果たす複数のインク室12を有している。インク室部材
11の先端には、それぞれのインク室12に対応して配置さ
れたノズル14を有するノズル板13が取り付けられる。ノ
ズル14の孔からは、先に説明したように、インク室12内
で加圧されたインクを液滴の形で噴射可能である。図示
のインク室部材11において、そのインク室12の開放面に
は加圧手段が取り付けられる。図示の例では、加圧手段
は、インク室12の体積変化を行うための振動板の役目を
果たすダイアフラム15と、ダイアフラム15を歪ませるた
めの駆動体であるところの圧電素子17と、圧電素子17を
固定するための基台18とから構成されている。
インク室部材11は、インク流路とインクを吐出するた
めの加圧室を兼ねる深溝状の複数本のインク室12を有し
ていて、それぞれのインク室12は、ノズル板13に穿孔さ
れたノズル14と対応しており、1つのインク室にそれに
対応する1つのノズルが配置されるように設計されてい
る。また、それぞれのインク室12は、相隣れるインク室
を隔離する隔壁により、互いに平行にかつ同じ間隔で配
置されている。ここで、インクジェットヘッドの解像度
を高めるためには、インク室部材11に形成されるこれら
のインク室12の間隔を狭くすることが必要である。な
お、インク室部材11とノズル板13とは、通常、接着剤を
使用して接合可能である。
ダイアフラム15は、圧電方式のインクジェットヘッド
10に特有の部品である。圧電素子17が電歪効果によって
伸縮すると、ダイアフラム15が撓み、インク室12内の体
積変化がそれによって発生する。インク室12内の体積が
小さくなると、その室内に充填されたインクが加圧さ
れ、ノズル14からその一部分がインク滴として順次吐出
されるのである。このダイアフラム15は、通常、3〜5
μm程度の厚さの薄板と、その一面に形成された高さ20
μm程度の凸状突起からなるアイランド16とから構成さ
れている。アイランド16は、圧電素子17が電歪効果によ
り伸縮したときにその歪みをインク室12に確実に伝える
ためのものである。そのため、このアイランド16は、そ
れぞれに対応するインク室12及び圧電素子17と重なるよ
うに配置される。インク室部材11とダイアフラム15の間
も接着剤で接合することができる。
圧電素子17は、インク室部材11のそれぞれのインク室
12に対応し、また、他のインク室12に対する影響を防止
するため、互いに分離された状態になっている。これら
の分離された圧電素子17は、基台18上で固定されてい
る。圧電素子17は、一般的には、最初は分離していない
圧電素子を基台に接着剤で接合し、次いで圧電素子のみ
を切削加工により選択的に分離することによって製造さ
れている。このようにして圧電素子と基台とが一体化し
たものを形成した後で、圧電素子と、それに対応したダ
イアフラムに形成されたアイランドとを接着剤で接合す
ることができる。
上記した及びその他のインクジェットヘッドにおい
て、インク流路とインクを吐出するための加圧室を兼ね
るインク室の性能は、それらの性能が直接的に印字特性
に影響を及ぼすので、非常に重要である。まず、インク
室を構成するインク室部材について見てみると、従来の
圧電式インクジェットヘッドのインク室部材は、例えば
「エポックス(エポキシ樹脂の商品名)」などの有機材
料を射出成形法により成形しているものが一般的であっ
た。しかし、有機材料から構成されたインク室部材は、
剛性に乏しく、従って加圧時にインクに十分な圧力をか
けることができない。などの欠点があった。
有機材料に代えてZrO2などの酸化物の粉末を使用し、
これらの粉末を粉末射出成形法と呼ばれる加工法に従っ
てインク室部材に成形することも行われている。この方
法ではしかし、成形型の使用が必須であり、また、その
型に原料の粉末を充填する時に非常に大きな圧力がかか
るので、微細なインク室の形成に十分な程度に微細な構
造を有する成形型を使用することは困難である。
微細なインク室の形成に適当な加工法として、エッチ
ング法も挙げられる。例えば、この加工法を使用するこ
とにより、数百μm程度の厚い金属板の表面に溝状のパ
ターンを微細に形成することが可能である。しかし、こ
の方法においても、高密度化という点に関して言えば、
板厚と同程度の幅で溝を形成することが限度であり、十
分に有効とは言うことができない。また、エッチング法
の場合、形成される溝が金属板を貫通してしまうので、
もしもその金属板をインク室部材として使用するのであ
るならば、金属板の1つの面にそれらの貫通溝を塞ぐた
めの追加の部材を張り合わせなければならず、製造工程
が複雑になってしまう。
インク室部材を形成するための別の方法として、特公
昭62−59672号公報及び特公平2−42670号公報に開示さ
れているような、一般にフォトレジストあるいはレジス
トと呼ばれる感光性樹脂を使用したフォトリソグラフィ
法も公知である。この方法では、インク室を形成しよう
としている基板の表面にレジストを全面的に被覆し、次
いで、得られたレジスト膜を、得ようとしているインク
室のパターンに合わせて適当な光に選択的に露光した
後、露光により不溶化せしめられなかった領域を現像液
で溶解除去することにより、硬化したレジストのパター
ンからなる所望とするインク室を備えた基板を得ること
ができる。なお、レジストを使用したフォトリソグラフ
ィ法は、LSI、VLSI等の半導体装置の製造において広く
用いられている技法である。
第2図(A)及び(B)は、一般的に行われているフ
ォトリソグラフィ法を使用したインク室の形成を順を追
って示した断面図である。まず、第2図(A)に示すよ
うに、基板31の表面にレジストを塗布してレジスト膜32
を形成した後に、レジスト膜32をフォトマスク33を介し
てパターン露光する。なお、ここで使用したレジストは
紫外線に感度を有するネガレジストであるので、フォト
マスク33は、インク室の隔壁に相当する部分において紫
外線が透過可能なガラスからなり、それ以外の部分に
は、紫外線の透過を阻止するため、クロム膜が被着され
ている。また、矢印で示される露光のための光線は、光
源(図示せず)からの紫外線である。
パターン露光の結果、レジスト膜32のうちの露光領域
が現像液に対して不溶化せしめられる。その後、この露
光後のレジスト膜32をそれに適当な現像液で現像する
と、未露光領域(可溶性領域)が溶解除去せしめられ
る。第2図(B)に示すように、所望とするインク室の
形状に相当する硬化レジストパターン32が得られる。こ
こで、残留したレジストパターン32は、相隣れるインク
室を区画する隔壁部材として作用し、また、基板31は、
底板部材として作用する。なお、図示の例では、レジス
トとしてネガ型のものを使用したけれども、その代わり
に、露光領域を可溶化せしめて溶解除去するポジ型のレ
ジストを使用した例も報告されている。
上記したようなピエゾ方式のインクジェットヘッドと
同様にして、いま1つの方式であるバブルジェット方式
のインクジェットヘッドのインク室も製造することがで
きる。すなわち、これらの2つの方式のヘッド部におい
て、インク室及びノズルは基本的に共通であり、但し、
バブルジェット方式では圧電素子及びダイアフラムを使
用せず、その代わりに、剛性の高い基板の上に各インク
室に対応して配設された発熱体及び関連部材を有してい
る。
以上において、従来のインクジェットヘッドについて
説明してきた。しかし、これらのインクジェットヘッド
は、特に近年において要求されている高密度印字に対応
することができない。
近年、プリンタの分野では、1インチ当たりのドット
数(dpi)が180もしくはそれ以上である高密度の印字が
要求されつつある。当然のことながら、インクジェット
ヘッドにおいても、そのヘッド部のインク室間距離及び
したがってノズル間距離も、少なくとも180dpi相当の狭
い長さであることが要求されている。ここで、「180dpi
相当の間隔」とは、具体的な長さで表現した場合、141
μmの間隔でインク室及びノズルが形成されていること
を意味する(第1図の相隣れるインク室12の間の間隔d
及び相隣れるノズル14の間の間隔dを参照されたい)。
すなわち、インク室部材においては、141μmの限られ
た長さのなかにインク室とインク室間を仕切る隔壁部材
とが形成されていることが必要である。例えば、インク
室の幅と隔壁部材の厚さの比が1対1である場合、イン
ク室の幅が70.5μm、隔壁部材の厚さが70.5μmという
ことになる。このように、印字の高密度化が進むに従
い、インク室の幅は狭くなる。しかし、インク室の幅を
狭くすることによって高密度化を達成することができる
といっても、記録媒体に印字されるインクのドットが小
さすぎたのでは、良好な印字品質は得られない。印字品
質の低下を回避するためには、吐出されるインクのドッ
トを大きく保つこと、換言すると、十分な量のインクを
それぞれのノズルから噴射させることが必要である。そ
のためには、インク室の容積が大きいほうがよく、した
がって、隔壁部材の高さが大きいインク室を提供するこ
とが要求されている。
再びインク室部材の形成に戻ると、従来の方法で最も
一般的な射出成形法は、微細な構造になると型そのもの
を破壊してしまう危険性があるため、また、高精度で成
形を行うことができないため、120dpi程度の印字密度に
相当する微細構造の形成が限界である。
また、エッチング法は、平面形状を有するものを微細
に加工することは容易であるので、180dpi程度のパター
ニングは十分に可能である。しかしながら、一般にエッ
チング法では、それによりパターニングできる幅は、エ
ッチングされるべき部材の厚さに影響される。例えば、
180dpi相当の、インク室の幅が70.5μm、隔壁部材の厚
さが70.5μmといったインク室部材を形成しようとする
場合、エッチングされるべき部材の厚さが70μm以下で
なくては、パターニングを行うことができない。このこ
とは、高密度になればなるほど、インク室の高さを大き
くできないということを意味している。
同様な欠陥は、レジストを使用して、フォトリソグラ
フィ法によりインク室部材を形成する場合においても当
てはまる。すなわち、レジストの膜厚が50μmもしくは
それ以上である場合、従来のフォトリソグラフィ法では
もはやレジスト膜のパターニングを行うことができな
い。その理由は、レジストとして一般的に使用されてい
る感光性樹脂は、50μm以下の膜厚での使用を前提とし
て設計されており、また、実際、50μmを上回る膜厚で
レジストプロセスにおいて使用した場合、露光不足、現
像不足などの問題が生じ、微細なパターニングを行うに
至らないからである。
また、レジスト膜を通常のフォトリソグラフィ法を用
いてパターニングする場合、パターニングできる幅に対
するレジスト膜の膜厚の比(アスペクト比;なお、イン
ク室部材においては、以下においても説明するように、
アスペクト比は、インク室の幅とインク室の高さの比と
して規定される)は、1:2程度までが限度とされてい
る。レジストパターンのアスペクト比が1:2を上回る
と、インク室の隔壁部材となるべきレジストパターンが
変形したり、基板に近いもとの部分が狭くなって、いわ
ゆる「逆テーパー」の形状となったり、あるいは直立状
態を保てなくなって隣のパターンと合体するなどの問題
の多い欠陥が発生する。
上記したようなレジストパターンの欠陥は、具体的に
は、第5図の走査電子顕微鏡写真(500倍)が参考にな
るであろう。写真のレジストパターンは、本発明者ら
が、紫外線に対して感度を有する日本合成ゴム社製のネ
ガ型厚膜用レジスト、THB30(商品名)を使用して、ア
ルミニウム基板上にレジストパターンの幅を30μm、レ
ジストパターン間の幅(スペース)を30μm、レジスト
パターンの高さを50μmとしてパターニングを行った時
の結果である。適用した主な条件は、次の通りである: レジストの塗布(1000rpm×10秒) プリベーク(100℃、5分) 露光条件(100mW/cm2、35秒) ポストベーク(100℃、15分間) 第5図の顕微鏡写真から明らかなように、レジストパ
ターンのアスペクト比が約1.7の時には、パターンの抜
けがよく、整然と並んだレジストパターンが欠陥を伴わ
ずに得られた。
ところが、上記と同様なレジストパターンの形成をそ
のアスペクト比を徐々に高めながら繰り返したところ、
レジストパターンの高さが60μmになった近傍から、欠
陥が発生し始めた。
第3図は、アルミニウム基板31上に形成したレジスト
パターン32が逆テーパー形状となった例を図示したもの
である。図示のように、レジストパターン32は、その壁
面が基板31に対して垂直に形成されておらず、その基部
32aのところで狭くなっている。このような逆テーパー
パターンは、露光時、レジスト膜32のうちそれが基板31
と接する基部32aのところまで十分な量の光が到達せ
ず、したがって、レジスト膜32の膜厚方向の露光量が不
均一になった結果として発生したものである。すなわ
ち、ここで使用した厚膜用レジストは、現像時に未露光
部が溶解除去されるネガ型レジストであるので、露光さ
れにくかったレジスト膜32の基部32aの近傍がより多量
に現像されてしまうのである。このような現象は、レジ
スト膜の膜厚を増加させればさせるほど、顕著に現れ
る。インク室部材の隔壁部材として使用すべきレジスト
パターンがこのように逆テーパー形状になってしまう
と、基板31とレジストパターン32との密着に関与する面
積が小さくなり、最悪の場合、レジストパターン32が基
板31から剥離してしまう。また、剥離しないにしても、
レジストパターン32のアスペクト比を高めるにつれて、
パターンの壁が薄くなるので、特にその部分から、例え
ば第4図に断面で示すように、レジストパターン32の倒
れが発生することがある。レジストパターンがこのよう
に変形すると、もはやそれをインク室の隔壁部材として
使用することができなくなる。
第6図は、アルミニウム基板上に形成したレジストパ
ターンが逆テーパー形状となるとともに、パターンの頂
部においてパターンどうしが部分的に結合してしまった
例の走査電子顕微鏡写真(350倍)である。この顕微鏡
写真のレジストパターンは、基本的には、先に第5図を
参照して説明したものと同様な手法に従って形成し、但
し、ここでは、比較のため、レジストパターンの幅を50
μm、パターン間のスペースを50μm、そしてパターン
の高さを100μmとし、また、厚膜化のため、レジスト
溶液を2回塗りした。
上記のような結果から、ここで使用したレジスト及び
その他の商業的に入手可能なレジストでは、それらを使
用して常法に従いレジストパターンを形成するために
は、発生する各種の欠陥を回避するため、そのアスペク
ト比を1:2程度までに抑えることが必要である。
発明の開示 本発明は、上記したような従来のインクジェットヘッ
ドの多くの問題点を解決するものである。したがって、
本発明の1つの目的は、高密度印字に有利に使用するこ
とができ、ピエゾ式、バブルジェット方式等、いろいろ
な方式のものに共通的に適用することができ、高精度の
ものを容易に製造することが可能でありかつ歩留りもよ
いインクジェットヘッドを提供することにある。
また、本発明のもう1つの目的は、上記したようなイ
ンクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
本発明は、その1つの面において、複数個のインク吐
出のためのノズル、前記ノズルに連通したインクの流通
及び加圧のためのインク室及び前記インク室内のインク
をその体積変化により前記ノズルより吐出するための加
圧手段を含むインクジェットヘッドであって、 前記インク室が、所定の形状及び寸法を有する透明な
基板からなる底板部材と、その底板部材の上方にインク
室の形状に合わせてパターン状に形成された非光透過性
材料からなる底壁部材と、前記底壁部材の上方であって
前記底壁部材が占有しない領域に、前記底壁部材のパタ
ーンよりも厚い中間層を介して、形成された隔壁部材と
をもって構成されており、また、前記隔壁部材が、下記
の工程: 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全
域にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚
で塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを
介して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を
有する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の
被膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去す
ること、 に従って形成されたものであることを特徴とするインク
ジェットヘッドにある。
本発明は、そのもう1つの面において、複数個のイン
ク吐出のためのノズル、前記ノズルに連通したインクの
流通及び加圧のためのインク室及び前記インク室内のイ
ンクをその体積変化により前記ノズルより吐出するため
の加圧手段を含むインクジェットヘッドを製造するに当
たって、 前記インク室を、下記の工程: 所定の形状及び寸法を有する透明な基板を用意して底
板部材を形成し、 前記基板の表面に、その全域にわたって、非光透過性
の底壁部材形成性材料を塗被し、 得られた底壁部材形成性材料の被膜の上にさらに感光
性材料を全面的に塗被し、 形成された感光性材料の被膜を所望とする底壁部材の
パターンに合わせてフォトリソグラフィ法により選択的
に除去し、 次いで、得られた感光性材料のパターンをマスクとし
て、その下地の底壁部材形成性材料の被膜を選択的に除
去すること、 に従って底壁部材をパターン状に形成し、 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全
域にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚
で塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを
介して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を
有する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の
被膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去し
て前記隔壁部材を形成すること、 にしたがって、底板部材と、その底板部材の上方にイン
ク室の形状に合わせてパターン状に形成された底壁部材
と、前記底壁部材の上方であって前記底壁部材が占有し
ない領域に形成された隔壁部材とをもって形成すること
を特徴とするインクジェットヘッドの製造方法にある。
本発明のその他の面は、以下の詳細な説明から容易に
理解することができるであろう。
本発明によると、インク室の幅を狭くすることができ
るので、従来から切望されていたより高密度の印字が可
能になる。さらに加えて、本発明では、インク室の幅と
高さの比であるアスペクト比を大きくとることができる
ので、上記したようにインク室の幅が狭くても、インク
室に充填されるインクの量は従来のインク室と同等もし
くはそれ以上であり、したがって、印字の都度に印字品
質を損なわない程度に十分な量のインクを付属のノズル
から吐出することができる。また、本発明のインクジェ
ットヘッドは、いろいろな方式のヘッドにおいて同じよ
うに有利に適用することができる。
図面の簡単な説明 第1図は、従来から使用されている圧電式インクジェ
ットヘッドの構成を示した展開図である。
第2図(A)及び(B)は、一般的に行われているフ
ォトリソグラフィ法を使用したインク室の形成を順を追
って示した断面図である。
第3図は、フォトリソグラフィ法を使用したインク室
の形成において発生する欠陥の一例を示した断面図であ
る。
第4図は、フォトリソグラフィ法を使用したインク室
の形成において発生する欠陥のもう1つの例を示した断
面図である。
第5図は、フォトリソグラフィ法を使用して形成した
インク室の一例を示した走査顕微鏡写真(500倍)であ
る。
第6図は、フォトリソグラフィ法を使用して形成した
インク室のもう1つの例を示した走査顕微鏡写真(350
倍)である。
第7図は、本発明により形成されたインク室の好まし
い1例を示した断面図である。
第8図は、本発明により形成されたインク室を装備し
たインク室部材の好ましい1例を示した斜視図である。
第9図は、本発明により形成されたインク室の一例を
示した走査顕微鏡写真(350倍)である。
第10図(A)〜(E)は、本発明によるインク室の形
成を順を追って示した断面図である。
第11図(A)〜(D)は、第10図(B)における底壁
部材の形成に有利に使用し得る方法を順を追って示した
断面図である。
第12図(A)〜(D)は、本発明により形成されたイ
ンク室部材を電鋳型として使用して、電鋳処理により金
属製インク室部材を形成する工程を順を追って示した断
面図である。
第13図(A)〜(C)は、第14図に示したインク室部
材の形成を順を追って示した断面図である。
第14図は、本発明により形成されたインク室を装備し
たインク室部材のもう1つの好ましい例を示した斜視図
である。
第15図は、本発明によるインク室部材の形成において
認められるインク室の底部近傍における光の回折につい
て説明した断面図である。
第16図(A)〜(D)は、第15図を参照して説明した
光の回折を排除した、本発明によるインク室部材の形成
方法を順を追って示した断面図である。
発明を実施するための最良の形態 本発明によるインクジェットヘッドは、以下に説明す
るように、ピエゾ方式、バブルジェット方式及び、所望
ならば、その他の公知の方式のものであることができ
る。これらのインクジェットヘッドは、その基本構造と
して、複数個のインク吐出のためのノズル、それらのノ
ズルに連通したインクの流通及び加圧のためのインク室
及びインク室内のインクをその体積変化により前記ノズ
ルより吐出するための加圧手段を有している。ここで、
加圧手段は、本発明のヘッドの方式に応じていろいろな
構成を有することができる。例えば、ピエゾ方式のイン
クジェットヘッドは、その加圧手段として、圧電素子及
び関連の部材、例えばダイアフラムなどを有することが
できる。ピエゾ方式のインクジェットヘッドの典型的な
構造は、第1図を参照してすでに説明してある。また、
バブルジェット方式のインクジェットヘッドは、その加
圧手段として、発熱体及び関連の部材、例えば発熱体に
電気的に接続された電極などを有することができる。
本発明によるインクジェットヘッドでは、それに含ま
れるインク室の構造及びその形状が重要である。インク
室は、第7図にその一部を拡大して示したように、所定
の形状及び寸法を有する透明な基板からなる底板部材1
と、底板部材1の上方にインク室の形状に合わせてパタ
ーン状に形成された非光透過性材料からなる底壁部材2
と、底板部材2の上方であって前記底壁部材が占有しな
い領域に形成された隔壁部材5とをもって構成される。
隔壁部材5は、その幅がwでありかつその高さがhであ
り、また、インク室12の形成のために等間隔で隔離して
配置された隔壁部材5の間隔(スペース)はsである。
したがって、本願明細書において屡々使用する「アスペ
クト比」(インク室の幅とインク室の高さの比として規
定される)は、s:hである。
底板部材1を形成する透明な基板は、隔壁部材5の形
成時にパターニング用の光がその基板を透過可能であり
かつ、底壁部材2をエッチングにより形成する場合に、
そのエッチングでもって基板自体が損傷を被ったり剥離
除去されない限り、特に限定されるものではない。適当
な透明基板材料として、例えば、ガラス、プラスチック
材料、例えばポリエステル樹脂(PETなど)、アクリル
樹脂(PMMAなど)など、石英、その他を挙げることがで
きる。これらの材料は、単層で使用してもよく、あるい
は2層以上を積層して使用してもよい。
底板部材1の上にはそれに密着させてあるいは、ここ
では図示しないけれども、必要に応じて、任意の中間層
を介在させて、非光透過性材料からなる底壁部材2が形
成される。ここで使用する非光透過性材料は、隔壁部材
5の形成時にパターニング用の光の透過を阻止すること
ができかつヘッドの使用時にインクの良好な流れを保証
し得る限りにおいて特に限定されるわけではないけれど
も、好ましくは、その形成の容易さ及び得られるパター
ンの精度などを考慮して、金属材料、例えば、クロム、
タンタル、ニッケル、チタン、銅、アルミニウムなどで
あることができる。底壁部材2は、これらの材料から単
層として形成してもよく、あるいは2層以上を積層して
形成してもよい。また、場合によっては、反射防止膜な
どと組み合わせて積層してもよい。底壁部材2は、上記
したような材料からなるべく薄く形成することが好まし
く、通常の膜厚は、約0.05〜1μmである。
底壁部材2とともにインク室12を形成するために用い
られる隔壁部材5は、本発明に特徴的なこととして、下
記の工程: 透明な基板1の底壁部材2が形成された側の上にその
全域にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜
厚で塗被し、 感光性材料の被膜を、非光透過性の底壁部材2のパタ
ーンを介して、基板1の裏側からの前記感光性材料が感
度を有する光に選択的に露光し、よって、その感光性材
料の被膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去す
ること、 に従って形成することができる。なお、この工程は、以
下に説明する本発明のインクジェットヘッドの製造のと
ころでさらに詳しく説明する。
ここで、隔壁部材形成性の感光性材料は、レジストプ
ロセスにおいて一般的に使用されている多数のレジスト
のなかから適当なものを任意に選択して使用することが
できる。ここで通常用いられるレジストは、ネガレジス
トである。適当なレジストは、好ましくは、少なくとも
50μmの膜厚で成膜し、パターニングすることができる
ものであり、その一例として、例えば、日本合成ゴム社
製のTHB−30(商品名)あるいは東京応化社製のOMR−83
(商品名)を挙げることができる。隔壁部材5は、ま
た、必要に応じて、それぞれのレジストの特性を生かす
目的で、2層構造あるいはそれ以上の多層構造のレジス
ト膜から形成してもよい。
第7図に示したインク室部材は、その構成として最も
シンプルな形を採用している。しかし、本発明のインク
室部材では、発生するおそれのある不都合な回析現象の
回避のため、底板部材1の上に底壁部材2に隣接させて
隔壁部材5を配置する際に、底壁部材2と隔壁部材5の
中間に、底壁部材2のパターンよりも厚い膜厚で中間層
を介在せしめてもよい。中間層は、隔壁部材5の形成に
適当な材料から任意の手法に従って形成することができ
る。適当な中間層材料に、例えば、エポキシ樹脂及びそ
の他の樹脂材料、SiN、SiO2、TiO2などである。中間層
は、その膜厚を広く変更することができるというもの
の、通常、5μm以上であるのが好ましい。中間層の膜
厚が5μmを下回ると、もしも中間層の使用目的が高ア
スペクト比の適用時における回折現象の回避にある場合
に、その回折の問題を依然として回避することができな
いであろう。中間層は、スプレーコート、ロールコー
ト、刷毛塗り、熱圧着、蒸着、スパッタリングなどの技
法を使用して形成することができる。
本発明によるインク室部材において、そのインク室の
インク流路は、好ましくは、垂直方向の断面に関して見
た場合に、垂直方向に長い矩形断面を有しており、その
際、前記インク室の高さが少なくとも50μmでありかつ
インク室の幅とインク室の高さの比として規定されるア
スペクト比(s:h)が少なくとも1:3である。特に、イン
ク流路の壁面、すなわち、隔壁部材の壁面は、基板の表
面から垂直に立ち上がっているのではなくて、認め得る
程度の傾斜を有している。これを隔壁部材の形状から見
ると、基板に近い下側から上側に向かって先細りになっ
ており、先に第3図を参照して説明した従来のインク室
の逆テーパ状の隔壁部材とは正反対である。このような
先細りの隔壁部材の形状は、本願明細書において、特に
「順テーパー」形状と呼ぶ。このような順テーパーの隔
壁部材が形成される理由は、以下に詳細に説明するよう
に、本発明において採用されるパターニング方法では、
使用する厚膜用レジストの上部よりも下部、すなわち、
基板に近い部分のほうが、より多量に露光を受けること
ができるからである。本発明の隔壁部材は、このように
順テーパー形状を有することで、底板部材たる基板上に
安定に固着され、位置することができ、また、使用の途
中で基板から剥離したり、倒れたりすることが顕著に防
止される。その結果、従来の技術では不可能と考えられ
てきた100μmもしくはそれ以上の膜厚を有するレジス
ト膜をパターニングして所望の形状及び寸法を有するイ
ンク室を形成することが可能になった。
1:3以上の高アスペクト比のインク室の形成は、添付
の第9図の走査電子顕微鏡写真(350倍)から明らかで
ある。写真のレジストパターンは、本発明者らが、紫外
線に対して感度を有する日本合成ゴム社製のネガ型厚膜
用レジスト、THB30(商品名)を使用して、以下に詳細
に説明する本発明の方法に従いガラス基板上にレジスト
パターンの幅を41μm、レジストパターン間の幅(スペ
ース)を30μm、レジストパターンの高さを100μmと
してパターニングを行った時の結果である。マスクとし
て使用した幅30μmのクロムパターンは、それが非常に
薄いために写真には現れていない。適用した主な条件
は、次の通りである: レジストの塗布(1000rpm×10秒、2回塗り) プリベーク(100℃、5分) 露光条件(100mW/cm2、45秒;ガラス基板側からのバ
ック露光 ポストベーク(100℃、15分間) 第9図の顕微鏡写真から明らかなように、レジストパ
ターンのアスペクト比が約3.3の時でも、パターンの抜
けがよく、整然と並んだ細長いレジストパターンが欠陥
を伴わずに得られた。レジストパターンに十分な高さが
あるので、インク室にも多量のインクを貯留することが
でき、よって、印字品質も良好である。
上記のような高アスペクト比のレジストパターンの形
成において使用するレジストの膜厚が増加すればするほ
ど、レジスト膜の表面付近では、露光不足になるととも
に、露光部と未露光部の境界が曖昧になりやすい。しか
しながら、本発明では、現像時において、露光後のレジ
スト膜の表面ほど新しい現像液が供給されるため、その
露光部と未露光部の境界が多少はっきりとしなくても、
満足し得るのに十分な程度に現像を行うことができる。
よって、本発明の場合、たとえレジスト膜の膜厚を大幅
に増加したとしても、従来の技術で達成されるものより
も微細なレジストパターンを形成することができる。
本発明によるインクジェットヘッドの製造において、
そのインク室は、次のような一連の工程: 所定の形状及び寸法を有する透明な基板を用意して底
板部材を形成し、 前記基板の表面に底壁部材を非光透過性材料からパタ
ーン状に形成し、 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全
域にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚
で塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを
介して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を
有する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の
被膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去し
て前記隔壁部材を形成すること、 にしたがって有利に製造することができる。以下、それ
ぞれの工程について説明する。
底板部材の形成: 所定の形状及び寸法を有する透明な基板を用意して底
板部材を形成する。ここで使用することのできる適当な
透明な基板は、先のインク室の構成の説明のところで例
示した。使用する基板の表面は、それに対する底壁部材
及び隔壁部材の密着力を高めるなどの目的で、常法に従
って表面処理を行ってもよい。
パターン化された底壁部材の形成: 形成されるインク室の底の部分を形成するため、非光
透過性材料を使用して、基板の表面に底壁部材をパター
ン状に形成する。先に具体的に説明したように、底壁部
材形成のための非光透過性材料としては、各種の金属材
料を有利に使用することができる。また、底壁部材の形
成は、選ばれた底壁部材形成性材料を基板上にパターン
上に被着することによって直接的に形成してもよく、あ
るいは、選ばれた底壁部材形成性材料を基板上に全面的
に被着した後、不要な部分のみを選択的に除去してもよ
い。
底壁部材の形成は、特に後者の方法に従って行うこと
が好ましく、さらに好ましくは、下記の工程: 基板の表面に、その全域にわたって、底壁部材形成性
材料を塗被し、 得られた底壁部材形成性材料の被膜の上にさらに感光
性材料を全面的に塗被し、 形成された感光性材料の被膜を所望とする底壁部材の
パターンに合わせてフォトリソグラフィ法により選択的
に除去し、 次いで、得られた感光性材料のパターンをマスクとし
て、その下地の底壁部材形成性材料の被膜をフォトリソ
グラフィ法により選択的に除去すること、 に従って行うことができる。このような一連の工程を経
て、所望とするところのパターン状底壁部材を得ること
ができる。
ここで、基板の上に最初に形成される不透明層として
の底壁部材形成性材料の被膜は、上記したように、好ま
しくは金属材料からなる被膜であり、また、その形成
は、この技術分野において公知の任意の技法によって行
うことができる。適当な技法は、以下に列挙するものに
限定されるわけではないけれども、次のようなものを包
含する。
1.PVD法(物理的蒸着法) スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティン
グ法など。
2.CVD法(化学蒸着法) 熱CVD法(常圧、減圧)、プラズマCVD法、MO−CVD法
など。
3.無電解メッキ法 4.コーティング法 スピンコート法、スプレーコート法、ディップコート
法、ロールコート法、刷毛塗り法など。
底壁部材形成性材料の被膜を形成した後、その上面
に、底壁部材の選択的除去の際にマスクとして使用する
感光性材料、すなわち、レジストを塗被する。ここで使
用するレジストは、特に限定されるわけではないけれど
も、パターン精度を上げるために、10μmもしくはそれ
以下の膜厚で塗布した時にも所望のレジストパターンを
形成することができるものが好ましい。パターニングに
使用するため、ポジ型、ネガ型のいずれのレジストであ
ってもよい。適当なレジストとして、例えば、ヘキスト
社製のAZ−4620、東京応化社製のOFPR−8000及び0MR−8
3、そしてイー・アイ・デュポン社製のリストン(いず
れも商品名)などを挙げることができる。選ばれたレジ
ストを、常用の手法に従って、例えば、スピンコート、
ディップコート、スプレーコート、ロールコート、刷毛
塗りなどにより所定の膜厚で塗被し、そして乾燥する。
次いで、形成されたレジスト膜を所望とする底壁部材
のパターンに合わせてフォトリソグラフィ法により選択
的に除去する。ここで使用するフォトリソグラフィ法
は、レジストプロセスにおいて通常行われているように
実施することができる。例えば、レジスト膜の露光は、
レジストの種類等に応じて、 1.紫外線露光法 コンタクト露光法、プロキシミティ(近接)露光法、
プロジェクション(投影)露光法など。
2.X線露光法 3.電子ビーム露光法 などを使用することができる。使用する露光法に応じて
フォトマスクを使用し、また、レジストのタイプに応じ
てマスクのパターンも変更する。露光に続く現像も、レ
ジストプロセスにおいて通常行われているように実施す
ることができる。
レジストパターンの形成後、そのパターンをマスクと
して、下地の底壁部材形成性材料の被膜を選択的に除去
する。この被膜の選択的除去にも、半導体装置等の製造
プロセスにおいて通常用いられている技法、例えば、エ
ッチング、例えば、 1.ウェットエッチング法 ディップ法、シャワー法など。
2.ドライエッチング法 RIE法(反応性イオンエッチング法)、ICP法、ECR
法、イオンビームエッチング法など。
あるいはリフトオフ法(パターニングを先に行い、底
壁部材形成性材料を後に成膜する)などを使用すること
ができる。所望とする底壁部材がパターン状で得られ
る。
隔壁部材の形成: 底壁部材を所望のパターンで形成した後、インク室形
成の最後の工程として、隣接するインク室どうしを隔離
するための隔壁部材を形成する。
最初に、基板のうち先の工程で底壁部材を形成した側
の上にその全域にわたって隔壁部材形成性の感光性材料
を所定の膜厚で塗被する。ここで使用する感光性材料、
すなわち、レジストは、特に限定されるわけではないけ
れども、隔壁部材をより厚くしてインク室のアスペクト
比を上げるため、少なくとも50μmの膜厚で厚膜化可能
なものが好ましい。また、このレジストは、未露光域が
現像液で溶解除去されることが必要であり、したがっ
て、いわゆる「ネガ型レジスト」である。さらに、この
ネガ型レジストは、厚膜化のため、2種類もしくはそれ
以上のレジスト膜を積層してもよい。適当なネガ型レジ
ストとして、例えば、日本合成ゴム社製のTHB−30、東
京応化社製の0MR−83(いずれも商品名)などを挙げる
ことができる。選ばれたレジストを、常用の手法に従っ
て、例えば、スピンコート、ディップコート、スプレー
コート、ロールコート、刷毛塗りなどにより所定の膜厚
で塗被し、そして乾燥する。得られる隔壁部材形成性の
レジスト膜の膜厚は、好ましくは、少なくとも50μm、
通常50〜200μmあるいはそれ以上である。
次いで、形成されたレジスト膜をフォトリソグラフィ
法により選択的に除去して隔壁部材を形成する。ここで
使用するフォトリソグラフィ法は、先の底壁部材形成工
程において使用したものと同様であってよく、例えば、
露光法は、使用したレジストの感光性に応じて、紫外線
露光法、X線露光法などである。なお、この露光工程で
は、露光を透明基板の裏側から行うことが重要である。
すなわち、形成されたレジスト膜を、特別のフォトマス
クを使用しないで、但し、光の対して不透明なパターン
状の底壁部材をマスクとして使用して、基板の裏側から
選択的に露光する。このような透明基板の背面からの露
光は、一般に「バック露光」と呼ばれている。レジスト
感度を有する光を露光源として使用した露光の結果とし
て、レジスト膜のうちの露光域、すなわち、底壁部材の
マスクによって光の透過が阻止されなかった領域が現像
液に不溶化せしめられる。
露光の完了後、レジスト膜のうちの未露光の領域(可
溶性領域)を現像液で溶解除去する。この現像工程は、
レジストプロセスにおいて通常行われているようにして
実施することができる。例えば、使用する現像液及び現
像時間は、レジストの種類に応じてそれに好適なものを
使用することができる。一例を示すと、使用したレジス
トがTHB−30(前出)である場合、露光後のレジスト膜
を現像する際には、日本合成ゴム社より商業的に入手可
能なTHB−30専用の現像液を使用することができる。現
像の結果として、所望とする隔壁部材が得られる。得ら
れる隔壁部材の断面形状は、先に説明したように、順テ
ーパー形状である。
本発明方法に従うと、上記したように細長い順テーパ
ー形状の隔壁部材を形成して、よって、インク室のアス
ペクト比を1:3もしくはそれ以上とすることができる。
ところで、本発明者らの知見によれば、アスペクト比を
高めるために隔壁部材の高さを大きくしていくと、例え
ば、アスペクト比が1:5もしくはそれ以上になると(換
言すると、インク室の幅が30μmの時にその高さが150
μmもしくはそれ以上になると)、露光時の光の回折現
象に原因して隔壁部材の基部において「切れ込み」(あ
るいは、部材の膨れ)が発生することがある。この隔壁
部材の切れ込みは、隔壁部材自体の自立性には悪い影響
を及ぼさないというものの、インク室の容積を減少させ
るので、防止することが望ましい。この回折現象につい
て、第15図(説明の便宜のため、すでに隔壁部材が形成
されている状態が示されている)を参照しならが説明す
る。
上記したような隔壁部材の形成工程において、隔壁部
材形成性のレジスト膜5をマスクとしての底壁部材2を
介して選択的にバック露光する場合、もしもバック露光
での露光量が多いと、底壁部材2のエッジの部分で図中
矢印で示される光の回折が発生する。露光の一部が底壁
部材2の裏側にも回り込み、その部分も硬化せしめられ
る。したがって、露光後のレジスト膜5を現像すると、
図示したように、得られた隔壁部材5の基部において部
材の切れ込み5aが発生する。レジスト膜5の膜厚が大き
いと、通常、それに応じて多量の露光を行うことが必須
であり、したがって、レジストの厚膜化を達成するとと
もに、上記したような不所望な光の回折を防止すること
が望ましい。
本発明方法は、その好ましい1態様において、底壁部
材をパターン状に形成した後であって、その上にさらに
隔壁部材形成性のレジストを塗被する前、すでに形成さ
れている底壁部材のパターンを覆るようにして、すなわ
ち、底壁部材のパターンよりも厚い膜厚で、隔壁部材形
成性のレジストの露光に用いられる光が透過可能な材料
からなる中間層を形成する工程をさらに含むことを特徴
としている。
このように底壁部材のパターンの上に中間層を配置し
たので、依然として光の回折が発生したとしても、その
回折は無反応の中間層の内部に限られ、隔壁形成性のレ
ジスト膜にまで達成することがない。したがって、基部
における切れ込みのような欠陥のない隔壁部材を得るこ
とができる。
上記の中間層の形成に用いられる材料は、隔壁部材形
成性のレジストの露光に用いられる光が透過可能である
限り、特に限定されるものではない。適当な中間層材料
は、以下に列挙するものに限定されないというものの、
例えば、エポキシ樹脂及びその他のプラスチック材料、
SiN、SiO2、TiO2などを包含する。また、場合によって
は、上記した隔壁部材形成性のレジストを中間層材料と
して使用してもよい。これらの中間層材料は、常用の技
法を使用して、例えば、スプレーコート、ロールコー
ト、刷毛塗り、熱圧着、蒸着、スパッタリングなどによ
って、所望の膜厚で塗被することができる。中間層の適
当な膜厚は、通常、5μm以上、好ましくは、5〜50μ
mである。膜厚が5μm未満では光の回折を中間層内で
吸収することができず、反対に50μmを上回ると、中間
層の上の隔壁部材の自立性に悪い影響のでる恐れなどが
ある。
上記のようにして製造されたインク室部材は、そのま
まインクジェットヘッドの製造に用いてもよく、さもな
ければ、必要に応じて、製造されたインク室部材を電鋳
法のための型として使用して、引き続く電鋳処理により
金属材料からなるインク室部材を使用してもよい。電鋳
処理により形成された金属製のインク室部材は、特に、
高い剛性をもつ隔壁を形成でき、そのため隔壁幅をより
狭くできるというような点において有利である。
電鋳処理は、常用の技法を使用して行うことができ
る。例えば、電鋳型となるレジスト膜からなる隔壁部材
を有するインク室部材の表面に、その全面にわたって電
鋳用電極膜を被覆する。適当な電極膜材料としては、導
電性の金属材料、例えば、金、銅、ニッケル、銀、白
金、タングステンなどを挙げることができる。また、下
地となるインク室部材に対する密着力を高めるため、ク
ロムなどの金属を添加するのが好ましい。電極膜の被覆
には、蒸着法、スパッタ法、無電解メッキ法などを使用
することができる。電極膜の形成後、電鋳処理を行う。
ここで有利に使用することのできる電鋳材料は、例え
ば、ニッケル、銅などの金属あるいはその合金である。
例えば、ニッケルを使用した電鋳処理は、次のような条
件で実施することができる。
電鋳浴の組成: 水 5L(リットル) スルファミン酸ニッケル 1650g 塩化ニッケル 150g 硼酸 225g ラウリル硫酸ナトリウム 5g 浴の温度:60℃±1℃ 電流密度:50mA/cm2 攪拌速度:1L/分 上記のような浴を使用した電鋳処理に引き続いて離型
を行うと、その表面に薄い電極膜を有するニッケル製の
インク室部材が得られる。このインク室部材の形状及び
寸法は、型として使用したインク室部材のそれに対応し
ている。
本発明によるインクジェットヘッドは、すでに説明し
たように、ピエゾ方式、バブルジェット方式、その他の
方式のインクジェットヘッドに有利に適用することがで
きる。例えば、ピエゾ方式のインクジェットヘッドは、
上記のようにして形成されたインク室部材の天井部に圧
電素子などを含む加圧手段を配置することによって製造
することができる。例えば、インク室部材が、下記の例
1において作製する添付の第8図に示すような形態をと
る時、すなわち、インク室12が、底板部材1と、底壁部
材2と、隔壁部材5とをもって構成される時、それを、
そのインク室が下面を向くようにして例えば第1図に示
したインクジェットヘッドに組み込むと、所望とするピ
エゾ方式のインクジェットヘッドを得ることができる。
バブルジェット方式のインクジェットヘッドは、発熱
体及びそれに電気的に接続された電極を加圧手段として
使用して、先に説明したインク室部材の形成途中でその
加圧手段を底壁部材の上に形成することによって、製造
することができる。底壁部材上への加圧手段の組み込み
は、バブルジェットヘッドの製造に通常用いられている
技法を応用して、いろいろな手法で実施することができ
る。
例えば、第14図に示すようなバブルジェット方式のイ
ンクジェットヘッドのインク室部材は、次のようにして
製造することができる。先ず、透明基板からなる底板部
材1の表面に所定のストライプ状のパターンで底壁部材
2を形成した後、それらの全面に耐熱性の絶縁層6を被
覆する。絶縁層を形成する材料は、半導体装置などの分
野で常用の絶縁材料、例えばSiN、SiO2などであること
ができ、これらの材料をスパッタ法、蒸着法などの一般
的な手法で成膜することができる。絶縁層6の膜厚は、
特に限定されないというものの、一般的に約0.05〜1μ
mである。
絶縁層5の形成後、発熱体7をストライプ状に、しか
し、好ましくは底壁部材2よりも狭い幅で被着する。こ
こで使用する発熱体材料は、例えば、Ta2N、TaNX、ニク
ロム系材料などである。これらの発熱体材料を例えばス
パッタ法、蒸着法などにより全面に被着した後、エッチ
ングなどにより選択的に除去する。図示のようなパター
ンで発熱体7が形成される。なお、発熱体7の膜厚は、
特に限定されないというものの、一般的に約0.05〜1μ
mである。
引き続いて、発熱体7に電流を流すための電極8を形
成する。図示の例では、発熱体7の両端をまたぐように
して電極8が形成されている。ここで使用する電極材料
は、それが適度の導電性を有している限りにおいて特に
限定されないというものの、例えば、SnO2、In2O3など
である。これらの電極材料を例えばスパッタ法、蒸着法
などにより全面に被着した後、エッチングなどにより選
択的に除去する。図示のようなパターンで電極8が形成
される。なお、電極8の膜厚は、特に限定されないとい
うものの、一般的に約0.05〜1μmである。
発熱体7及び電極8を形成した後、先に説明したよう
な技法に従って隔壁部材5を形成する。このようにし
て、特にバブルジェット方式に適したインク室部材が得
られる。引き続いて、インク室12の上面にその開口部を
覆うために平板(図示せず)を載置する。このようにし
て、所望とするバブルジェット方式のインクジェットヘ
ッドを得ることができる。なお、インク室の上に載置す
る平板の代わりにノズル板を載置すると、発熱体に対し
て垂直にインクを吐出させることができる。
実施例 以下、本発明をその典型的な実施例について添付の図
面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらの実
施例に限定されるものではないことを理解されたい。
例1 インク室部材の形成 第10図(A)に示すように、厚さ400μmの透明なガ
ラス基板1を用意した。ここで用意したガラス基板は、
目的とするインク室部材において底板部材となるもので
あり、また、隔壁部材の形成の際に露光用の紫外線を透
過させるため、紫外線に関して透明である。
次いで、第10図(B)に示すように、膜厚0.15μm及
び幅30μmのクロム薄膜2を基板1の所定の部位にスト
ライプ状に被着した。このクロム薄膜2は、インク室の
底壁部材となるもので、詳しくは、第11図(A)〜
(D)に順を追って示すようにして形成した。
第11図(A)に示した透明なガラス基板1の上に、第
11図(B)に示すように、クロム薄膜2を膜厚0.15μm
で全面的に被着した。このクロム薄膜2の成膜には、ト
ッキ社製のスパッタリング装置を使用し、RFパワー450
W、アルゴン(Ar)ガス圧0.01トルで5分間にわたって
成膜を行った。
次いで、形成されたクロム薄膜2の上に、ヘキスト社
製の薄膜用ポジ型レジスト、AZ4620(商品名)を4000rp
mで30秒間スピンコートした。AZレジストの均一な膜が
膜厚6μmで得られた。このレジスト膜を電気炉中で90
℃で20分間加熱してプレベーキングを行った後、所定の
パターンを有するマスクを使用して露光を行い、さらに
これを現像してパターニングした。第11図(C)に示す
ように、クロム薄膜2の上にレジストパターン3が形成
された。
上記したレジスト膜のパターニングに関してさらに説
明しておくと、レジスト膜の露光に使用した装置はユニ
オン光学社製の紫外線露光装置で、露光量は、100mJ/cm
2であった。使用したマスクは、LSIデバイスの製造分野
で一般に用いられている、ガラス基板上にクロム膜でパ
ターンが描画されているタイプのマスクである。このマ
スクには、これから作製しようとしているインク室部材
のインク室の平面パターンが描画されており、そのパタ
ーンは、得られるインク室の間隔を71μmとするため、
ライン部(クロム膜部分;光の透過が阻止される)が30
μm、そしてスペース部(開口部分;光の透過が可能)
が41μmであった。なお、インク室の間隔が71μmであ
ることは、1インチ当たり360個のインク室を配置可能
であることを意味し、換言すると、360dpiの高密度で印
字ができることを意味する。また、露光後のレジスト膜
の現像は、使用したレジストであるAZ4620に専用の現像
液を使用し、その現像時間は約1分間であった。現像
後、得られたレジストパターンを純水ですすいで残留の
現像液を洗い流し、さらに電気炉中で120℃で20分間加
熱してポストベーキングを行った。硬化したレジストパ
ターンが得られた。
第11図(C)に示すよすなレジストパターン3を形成
した後、その下地のクロム薄膜2をウェットエッチング
法によってパターニングした。本例では、エッチングの
対象がクロム薄膜であるので、純水:硝酸セリウムアン
モニウム:60%過塩素酸=800ml:16g:16mlのクロム用エ
ッチング液を使用した。エッチングの結果、レジストパ
ターン3のパターンがそのままクロム薄膜2に転写さ
れ、第11図(D)に示すように、インク室部材の底壁部
材の役割を果たすクロムパターン2が得られた。なお、
レジストパターン3とクロムパターン2の間の寸法誤差
は、非常に小さくて、サブミクロンのオーダーであっ
た。
クロムパターンの形成後、第10図(C)に示すよう
に、厚膜のレジスト膜5を透明基板1のクロムパターン
2の側に全面的に塗被した。この工程で使用したレジス
トは、日本合成ゴム社製の紫外線感応性のネガ型厚膜用
レジスト、THB−30(商品名)である。このレジストを
基板の上に1000rpmで10秒間スピンコートした。約50μ
mの膜厚を有するレジスト膜が得られた。スピンコート
後、基板を100℃のホットプレート上で5分間加熱し
た。このポストベーキングにより、レジスト膜中の溶媒
が蒸発し、熱硬化が完了した。ところで、上記したよう
な工程では、約50μmの膜厚を有するレジスト膜しか得
られず、本例で意図している高アスペクト比のインク室
を形成することができない。本例では、従って、上記し
たレジスト膜の形成工程をいま一度繰り返した。レジス
トの2回塗りの結果、厚膜(膜厚=約100μm)のレジ
スト膜が得られた。
引き続いて、得られた厚膜レジスト膜を隔壁部材を得
るためにパターニングした。先ず、第10図(D)に示す
ように、透明基板1上に形成されたレジスト膜5に対し
て基板1の反対側から紫外線(矢印を参照)を照射し
た。レジスト膜の露光に使用した装置はユニオン光学社
製の紫外線露光装置で、露光量は、300mJ/cm2であっ
た。照射した紫外線は、基板1の内部はそのまま透過
し、しかし、クロムパターン2のところではそれにより
透過を阻止され、反射もしくは吸収された。基板1を透
過した紫外線のうちクロムパターン2にその透過を阻止
されなかった紫外線は、そのままレジスト膜5に入射し
た。すなわち、クロムパターン2は、この紫外線露光プ
ロセスにおいてマスクとして作用した。結果として、レ
ジスト膜5は、所望のパターンで、すなわち、所望とす
るインク室の平面形状パターンで、パターン露光され
た。レジスト膜5の露光域は、したがって、引き続いて
行う現像工程の現像液に不溶化せしめられた。
レジスト膜のパターン露光後、使用したレジスト、TH
B−30に専用の現像液を使用して露光レジスト膜を浸漬
現像した。現像液の温度は35℃、現像時間は3分間であ
った。現像の結果、先の露光工程で現像液に不溶化せし
められなかったレジスト膜の未露光域のみが溶解除去さ
れ、第10図(E)に示すようなレジストパターン5が得
られた。なお、図中、透明な基板1は本発明のインク室
部材の底板部材に相当し、クロムパターン2は底壁部材
に相当し、そしてレジストパターン5は隔壁部材に相当
する。また、これらの3つの部材に囲まれて形成された
空間が、インク室12である。
第8図は、上記のようにして作製したインク室部材の
要部を示した斜視図である。この図では、形状を理解し
やすくするため、それぞれの部材の寸法に関して拡大し
て示してある。図示のインク室部材11では、400μmの
厚さの底板部材1の上に、インク室の平面形状にパター
ニングされた膜厚0.15μmのクロム製底壁部材2と、膜
厚100μmのレジスト製隔壁部材5とが形成されてい
る。インク室12の幅は、そのインク室の底部(底板部材
1との境界部)で30μmで、インク室12間を仕切る隔壁
部材5の幅は底部で41μmであった。これによって、イ
ンク室の幅と高さの比を1:3以上とすることが可能にな
った。なお、本例で作製したインク室部材11は、複数個
(図では、省略のため、4個のみが示してある)のイン
ク室12が後方で1室となっており、さらに、インク供給
口12aに連通している。
インク室部材11の隔壁部材5の断面形状を見ると、イ
ンク室12を構成する隔壁部材5の幅は、底板部材1から
遠ざかるほど狭くなり(すなわち、インク室12は、部材
1から遠ざかるほど広くなり)、順テーパーの形状であ
る。この隔壁部材5の傾斜角は、測定したところ、約6
゜であった。このような断面形状で隔壁部材5をパター
ニングし、形成することが、本発明で採用されているパ
ターニング方法、すなわち、インク室形成方法の最も特
徴とするところの1つである。
例2 インク室部材の形成 前記例1に記載の手法を繰り返した。但し、本発明で
は、隔壁部材の形成のため、同一の厚膜用レジストを同
一の塗布条件で3回塗りし、その膜厚を150μmとし
た。また、本例では、レジスト膜の膜厚を増加したの
で、パターン露光時の露光量も450mJ/cm2に増加した。
インク室の幅と高さの比が1:5である高アスペクト比の
インク室部材が得られた。
得られたインク室部材は、第7図においてその要部が
断面で示されている。隔壁部材2と隔壁部材5によって
形成されたインク室12は、幅が30μm、高さが150μm
となっている。この結果からもわかるように、本例で
は、1:5という高アスペクト比のインク室に形成でき
た。また、このインク室部材の隔壁部材5も、前記例1
の場合と同様に、底板部材1と接する部分で41μmの幅
をもち、約6゜の傾斜角を有していた。以上により、15
0μmの高さのインク室を360dpi相当(インク室間隔71
μm)で配置したインク室部材を形成することができ
た。
例3 電鋳インク室部材の形成 前記例1に記載の手法を繰り返した。但し、本発明で
は、得られたインク室部材を電鋳インク室部材の形成の
ための電鋳型として使用するため、インク室と、隣接す
るインク室を隔離するための隔壁部材(厚膜用レジスト
からなる)の配置を反転させた。すなわち、底壁部材た
るクロムパターンの形成時に使用したマスクのパターン
を反転させた。その結果、得られたインク室部材は、前
記例1で得られたインク室部材とは逆のパターンとな
り、例1でインク室となった部分が隔壁部材に、例1で
隔壁部材となった部分がインク室に、それぞれ変化し
た。得られたインク室部材(電鋳型)の断面を第12図
(A)に示す。なお、この図では、図面の複雑化を避け
るため、底板部材1と隔壁部材5のみを示し、底壁部材
が省略されている。
次いで、電鋳処理のため、第12図(B)に示すよう
に、形成されたインク室部材の表面に電鋳用電極膜21を
形成した。最初にクロム膜を膜厚0.05μmで、次いで金
(Au)膜を膜厚0.2μmで、それぞれ蒸着法により成膜
した。なお、ここで最初に形成したクロム膜は、下地に
対するAu膜の密着力を高めるためのものである。
引き続いて、一般に広く行われている電鋳法により、
Au膜の上にさらにニッケルを、約0.3mmの膜厚で成長さ
せた。このニッケル成膜のため、下記の組成の処理浴: 水 5L スルファミン酸ニッケル 1650g 塩化ニッケル 150g 硼酸 225g ラウリル硫酸ナトリウム 5g を使用した。処理浴の温度は60℃±1℃、電流密度は50
mA/cm2、浴の攪拌速度は1L/分であった。この電鋳法に
よって、第12図(C)に示すように、ニッケルからなる
電鋳部材22が形成された。
ニッケル電鋳を施した後、第12図(C)に示したもの
の全体を超音波にかけた厚膜用レジスト専用の剥離液に
浸漬した。隔離部材5が電鋳部材22から剥離し、さらに
剥離液に溶解し、消滅してしまった。隔離部材5が溶解
することにより、それを支持していた底板基材1も、電
鋳部材22から剥離した。その結果、第12図(D)に示す
ように、電鋳部材22とその表面に塗被された電極膜21と
からなる電鋳インク室部材が得られた。得られた電鋳イ
ンク室部材は、第12図(A)の電鋳型と比較すればわか
るように、もとの型とは反対のパターンとなっている。
よって、この電鋳インク室部材の凹部も、インク室とし
て使用可能である。
例4 バブルジェット方式のインクジェットヘッドの形成 前記例1に記載のものと同様な手法に従って、厚さ40
0μmの透明なガラス基板の上に幅30μm及び膜厚0.15
μmのストライプ状のクロムパターンを形成した。
次いで、クロムパターンを有する基板の上にシリコン
酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜を膜厚0.2μmで形成し
た。このシリコン酸化膜の形成のため、最初にシリコン
薄膜を成長させ、そしてこれを熱酸化した。さらに、ク
ロムパターンの上に、先に形成した絶縁膜を介して、窒
化タンタル(TaN)からなる発熱体を膜厚0.1μmで成膜
し、そしてクロムパターンの幅よりも狭い幅20μmでパ
ターニングした。形成されたストライプ状の発熱体の上
に、その両端部を横断するようにして、導電性材料(Si
O2)からなる幅20μm及び膜厚0.2μmの電極を形成し
た。ここで電極材料として使用したSnO2は透明であるの
で、引き続いて実施する隔壁部材形成のための選択露光
時に、基板を透過して厚膜用レジストに入射する光の進
行を妨げるものではない。
上記したような一連の処理を経て、第13図(A)に示
すような積層構造体が得られた。すなわち、透明な基板
1の上に、ストライプ状のクロムパターン2、全面に被
着されたSiO2絶縁膜6、クロムパターン2よりもやや狭
い幅のストライプ状のTaN発熱体7、そして発熱体7の
両端部を横断して形成されたSnO2電極8が順次形成され
ている。ここで、形成された発熱体7と電極8の組み合
わせは、本例で作製しようとしているバブルジェット方
式のインクジェットヘッドの加圧手段を構成するもので
ある。
上記のようにして加圧手段を形成した後、前記例1に
記載のものと同様な手法に従って隔壁部材を形成した。
先ず、第13図(B)に示すように、厚膜レジストを透明
基板1の発熱体7・電極8の側に全面的に塗被し、そし
て基板1上に形成されたレジスト膜5に対して基板1の
反対側から紫外線(矢印を参照)を照射した。
レジスト膜のパターン露光後、露光レジスト膜を浸漬
現像した。現像の結果、レジスト膜の未露光域のみが溶
解除去され、第13図(C)に示すようなレジストパター
ン5が得られた。
第14図は、上記のようにして作製したインク室部材の
要部を示した斜視図である。この図では、形状を理解し
やすくするため、それぞれの部材の寸法に関して拡大し
て示してある。図中、透明な基板1は本発明のインク室
部材の底板部材に相当し、クロムパターン2及びその上
の絶縁膜6は底壁部材に相当し、そしてレジストパター
ン5は隔壁部材に相当する。また、これらの3つの部材
に囲まれて形成された空間が、インク室12である。この
インク室12の上部を平板(図示せず)で覆うと、インク
室12が完全に閉塞された状態となり、ヘッド部で使用す
ることができる。また、この平板の代わりにノズル板を
使用すると、得られるインクジェットヘッドにおいて、
発熱体に対して垂直な方向にインクを吐出させることも
可能である。
例5 インク室部材の形成 前記例1に記載の手法を繰り返した。しかし、本例で
は、厚膜レジストの塗布を4回塗りで行い、得られるレ
ジストパターンの膜厚を200μmとした。また、このよ
うな厚膜の場合に発生するレジストパターンの基部にお
ける光の回折の問題を回避するため、クロムパターンの
形成の後であってその上にレジストパターンを形成する
前、透明基板の全面について中間層を被覆した。
先ず、第16図(A)に示すように、厚さ400μmの透
明なガラス基板1の上に膜厚0.15μm及び幅30μmのク
ロム薄膜2をストライプ状に被着した。
次いで、中間層の形成のため、クロムパターンを有す
る透明基板の上に厚膜レジストを膜厚20μmでスピンコ
ートした。ここで使用した厚膜レジストは、続く隔壁部
材の形成の時に使用する厚膜レジストと同様に、日本合
成ゴム社製の紫外線感応性のネガ型厚膜用レジスト、TH
B−30(商品名)であった。スピンコートの条件は、回
転数が2000rpm、塗布時間が10秒であった。第16図
(B)に示すように、透明基板1の全面に中間層4が形
成された。引き続いて、形成された中間層4を硬化させ
るため、第16図(B)に矢印で示すように、紫外線の全
面露光を行った。この中間層の露光に使用した装置はユ
ニオン光学社製の紫外線露光装置で、露光量は、中間層
が後段の工程で不所望な反応を行わないように、1200mJ
/cm2の高レベルであった。
中間層の形成後、前記例1に記載の手法に従って厚膜
用レジスト、THB−30を基板上に塗被し、パターニング
した。
最初に、第16図(C)に示すように、厚膜用レジスト
を透明基板1の中間層4の側に全面的に塗被した。この
レジスト塗被工程では、1000rpmで10秒間のスピンコー
ト(約50μmの膜厚)とそれに引き続く100℃で5分間
のプレベーキングを4回にわたって繰り返した。レジス
トの4回塗りの結果、厚膜(膜厚=約200μm)のレジ
スト膜5が得られた。
引き続いて、得られた厚膜レジスト膜を隔壁部材を得
るためにパターニングした。第16図(C)に示すよう
に、透明基板1上に形成されたレジスト膜5に対して基
板1の反対側から紫外線(矢印を参照)を照射した。こ
の紫外線照射は前記例1に記載の手法に従って行い、但
し、レジスト膜5の増加せしめられた膜厚に対応するた
め、露光量を1200mJ/cm2に変更した。
レジスト膜のパターン露光後、前記した例1に記載の
手法に従って露光レジスト膜を浸漬現像した。なお、本
例の場合、現像液の温度は35℃のままであったが、現像
時間は6分間に延長した。現像の結果、レジスト膜の未
露光域のみが溶解除去され、第16図(D)に示すような
レジストパターン5が得られた。このレジストパターン
では、その高さが200μmと非常に高いにもかかわらず
(図では、作図の都合で、低いパターンとなってい
る)、従来のレジスタパターンで基部において認められ
た「切れ込み」欠陥を回避することができた。なお、図
中、透明な基板1は本発明のインク室部材の底板部材に
相当し、クロムパターン2とそれを覆った中間層4は底
壁部材に相当し、そしてレジストパターン5は隔壁部材
に相当する。また、これらの3つの部材に囲まれて形成
された空間が、インク室12である。
産業上の利用可能性 以上の説明から理解されるように、本発明に従うと、
インク室の幅を狭くすることができるので、従来から切
望されていたより高密度の記録が可能になる。さらに加
えて、本発明では、インク室の幅と高さの比であるアス
ペクト比を大きくとることができるので、上記したよう
にインク室の幅が狭くても、インク室に充填されるイン
クの量は従来のインク室と同等もしくはそれ以上であ
り、したがって、印字の都度に印字品質を損なわない程
度に十分な量のインクを付属のノズルから吐出すること
ができる。また、本発明では、インク室を容易かつ正確
に形成することができるばかりか、変形等の不都合も回
避することができ、歩留りがよい。さらに、本発明のイ
ンクジェットヘッドは、圧電方式に限定されるものでは
なく、いろいろな方式のヘッドについて同じように有利
に適用することができる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−225559(JP,A) 特開 平4−369546(JP,A)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数個のインク吐出のためのノズル、前記
    ノズルに連通したインクの流通及び加圧のためのインク
    室及び前記インク室内のインクをその体積変化により前
    記ノズルより吐出するための加圧手段を含むインクジェ
    ットヘッドであって、 前記インク室が、所定の形状及び寸法を有する透明な基
    板からなる底板部材と、その底板部材の上方にインク室
    の形状に合わせてパターン状に形成された非光透過性材
    料からなる底壁部材と、前記底板部材の上方であって前
    記底壁部材が占有しない領域に、前記底壁部材のパター
    ンよりも厚い中間層を介して、形成された隔壁部材とを
    もって構成されており、また、前記隔壁部材が、下記の
    工程: 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全域
    にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚で
    塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを介
    して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を有
    する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の被
    膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去する
    こと、 に従って形成されたものであることを特徴とするインク
    ジェットヘッド。
  2. 【請求項2】複数個のインク吐出のためのノズル、前記
    ノズルに連通したインクの流通及び加圧のためのインク
    室及び前記インク室内のインクをその体積変化により前
    記ノズルより吐出するための加圧手段を含むインクジェ
    ットヘッドであって、 前記インク室が、所定の形状及び寸法を有する透明な基
    板からなる底板部材と、その底板部材の上方にインク室
    の形状に合わせてパターン状に形成された非光透過性材
    料からなる底壁部材と、前記底板部材の上方であって前
    記底壁部材が占有しない領域に形成された隔壁部材とを
    もって構成されており、また、前記隔壁部材が、下記の
    工程: 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全域
    にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚で
    塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを介
    して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を有
    する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の被
    膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去する
    こと、 に従って形成されたものであること、及び 前記インク室のインク流路が、垂直方向の断面に関して
    見た場合に、垂直方向に長い矩形断面を有しており、そ
    の際、前記インク室の高さが少なくとも50μmでありか
    つインク室の幅とインク室の高さの比として規定される
    アスペクト比が少なくとも1:3であることを特徴とする
    インクジェットヘッド。
  3. 【請求項3】前記底壁部材とその上に隔壁部材の中間
    に、前記底壁部材のパターンよりも厚い膜厚で中間層が
    介在せしめられていることを特徴とする請求の範囲第2
    項に記載のインクジェットヘッド。
  4. 【請求項4】前記インク室が電鋳法により金属材料から
    形成されたものであり、その形成の際、先の工程で形成
    されたインク室が電鋳法のための型として使用したもの
    であることを特徴とする請求の範囲第1項〜第3項のい
    ずれか1項に記載のインクジェットヘッド。
  5. 【請求項5】複数個のインク吐出のためのノズル、前記
    ノズルに連通したインクの流通及び加圧のためのインク
    室及び前記インク室内のインクをその体積変化により前
    記ノズルより吐出するための加圧手段を含むインクジェ
    ットヘッドを製造するに当たって、 前記インク室を、下記の工程: 所定の形状及び寸法を有する透明な基板を用意して底板
    部材を形成し、 前記基板の表面に、その全域にわたって、非光透過性の
    底壁部材形成性材料を塗被し、 得られた底壁部材形成性材料の被膜の上にさらに感光性
    材料を全面的に塗被し、 形成された感光性材料の被膜を所望とする底壁部材のパ
    ターンに合わせてフォトリソグラフィ法により選択的に
    除去し、 次いで、得られた感光性材料のパターンをマスクとし
    て、その下地の底壁部材形成性材料の被膜を選択的に除
    去すること、 に従って底壁部材をパターン状に形成し、 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全域
    にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚で
    塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを介
    して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を有
    する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の被
    膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去して
    前記隔壁部材を形成すること、 にしたがって、底板部材と、その底板部材の上方にイン
    ク室の形状に合わせてパターン状に形成された底壁部材
    と、前記底板部材の上方であって前記底壁部材が占有し
    ない領域に形成された隔壁部材とをもって形成すること
    を特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
  6. 【請求項6】前記底壁部材をパターン状に形成した後で
    あって、その上にさらに隔壁部材形成性の感光性材料を
    塗被する前、前記底壁部材のパターンよりも厚い膜厚で
    中間層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請
    求の範囲第5項に記載の製造方法。
  7. 【請求項7】複数個のインク吐出のためのノズル、前記
    ノズルに連通したインクの流通及び加圧のためのインク
    室及び前記インク室内のインクをその体積変化により前
    記ノズルより吐出するための加圧手段を含むインクジェ
    ットヘッドを製造するに当たって、 前記インク室を、下記の工程: 所定の形状及び寸法を有する透明な基板を用意して底板
    部材を形成し、 前記基板の表面に底壁部材を非光透過性材料からパター
    ン状に形成し、 前記基板の前記底壁部材が形成された側の上にその全域
    にわたって隔壁部材形成性の感光性材料を所定の膜厚で
    塗被し、 前記感光性材料の被膜を、前記底壁部材のパターンを介
    して、前記基板の裏側からの前記感光性材料が感度を有
    する光に選択的に露光し、よって、前記感光性材料の被
    膜の露光域を現像液に不溶化せしめ、そして 前記感光性材料の被膜の未露光域を現像により除去して
    前記隔壁部材を形成すること、 にしたがって、底板部材と、その底板部材の上方にイン
    ク室の形状に合わせてパターン状に形成された底壁部材
    と、前記底板部材の上方であって前記底壁部材が占有し
    ない領域に形成された隔壁部材とをもって形成するこ
    と、及び 前記インク室のインク流路を、垂直方向の断面に関して
    見た場合に、垂直方向に長い矩形断面を有するように形
    成し、その際、前記インク室の高さを少なくとも50μm
    としかつインク室の幅とインク室の高さの比として規定
    されるアスペクト比を少なくとも1:3とすること を特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
  8. 【請求項8】先の工程で形成されたインク室を電鋳法の
    ための型として使用し、引き続く電鋳工程により金属材
    料からなるインク室を形成する工程をさらに含むことを
    特徴とする請求の範囲第5項〜第7項のいずれか1項に
    記載の製造方法。
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