JP4277705B2 - インクジェットヘッドの製造方法及びインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インクジェットヘッドの製造方法及びインクジェットヘッド並びにインクジェット記録装置に関し、特に吐出性能の高いノズルを有するインクジェットヘッドの製造方法等に関する。
インクジェット記録装置は、高速印字が可能、記録時の騒音が極めて小さい、インクの自由度が高い、安価な普通紙を使用できる等の多くの利点を有する。近年、インクジェット記録装置の中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置が主流となっている。このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置は、記録に不要なインク液滴の回収を必要としない等の利点がある。
このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置には、インク液滴を吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用した、いわゆる静電駆動方式のインクジェット記録装置がある。また、駆動手段に圧電素子(ピエゾ素子)を利用した、いわゆる圧電駆動方式のインクジェット記録装置や、発熱素子等を利用した、いわゆるバブルジェット(登録商標)方式のインクジェット記録装置等がある。
上記のようなインクジェット記録装置では、一般にインクジェットヘッドのノズルからインク液滴を吐出するようになっている。インクジェットヘッドにノズルを設ける方式には、インクジェットヘッドの側面側からインク液滴を吐出するサイドイジェクトタイプと、インクジェットヘッドの表面側からインク液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプがある。
フェイスイジェクトタイプのインクジェットヘッドでは、ノズルの孔の部分の流路抵抗を調整し、ノズルの長さが最適になるようにノズル基板の厚さを調整するのが望ましい。
従来のフェイスイジェクトタイプの噴射装置(インクジェットヘッド)のノズル形成方法では、シリコン基板の一方の面からICP放電を用いた異方性ドライエッチングにより、内径の異なる第1のノズル孔と第2のノズル孔を2段に形成した後に、反対側の面を異方性ウェットエッチングにより掘り下げてノズルの長さを調整するようにしていた(例えば、特許文献1参照)。
また従来のフェイスイジェクトタイプのインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法では、シリコン基板を所望の厚さに研削した後に、シリコン基板の両面からドライエッチングによって第1のノズル孔と第2のノズル孔を形成するようにしていた(例えば、特許文献2参照)。
特開平11−28820号公報(図1〜図4) 特開平9−57981号公報(図1、図2)
従来の噴射装置のノズル形成方法及びインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法では(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)、ドライエッチングの際のエッチングマスク(シリコン酸化膜)のパターニングをフォトリソグラフィーで行っていた。このため、露光の時に第1のノズル孔と第2のノズル孔のマスクパターンのアライメントがずれると、第1のノズル孔と第2のノズル孔の中心軸がずれてしまい、インク液滴の吐出の際にインク液滴の飛ぶ方向が曲がり、インク吐出性能が低下するという問題点があった。
また従来のインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法では(例えば、特許文献2参照)、ドライエッチングによって第1のノズル孔と第2のノズル孔を形成する前に、シリコン基板を研削して薄くするため、製造工程の途中でシリコン基板が割れたり、欠けてしまうことがあるという問題点があった。さらにこの製造方法では、歩留まりが低くなるため、製造コストが高くなってしまうという問題点があった。
本発明は、インク吐出性能の高いノズルを形成することができ、歩留まりの高いインクジェットヘッドの製造方法及びこのインクジェットヘッドの製造方法で製造されたインクジェットヘッド並びにこのインクジェットヘッドが搭載されたインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、所定の加工が施されたシリコンからなり複数のノズルを有するノズル基板を備え、個々のノズルが、インクを吐出する側となる第1のノズル孔部分と、該第1のノズル孔部分と連通し、第1のノズル孔よりも大きい孔径である第2のノズル孔部分とを少なくとも有するインクジェットヘッドの製造方法であって、第1のノズル孔部分となる凹部を異方性エッチングにより形成する工程と、第1のノズル孔部分となる凹部の側面及び底面にエッチングマスクを形成する工程と、第1のノズル孔部分となる凹部の底面に形成されたエッチングマスクを除去する工程と、該エッチングマスクの除去された部分から等方性エッチングを行って第2のノズル孔部分となる凹部を形成する工程とを有するものである。
インクを吐出する側となる第1のノズル孔部分となる凹部を異方性エッチングにより形成し、この凹部にエッチングマスクを形成する。その後、この凹部の底面のエッチングマスクを除去して、そこから第1のノズル孔よりも大きい孔径である第2のノズル孔部分となる凹部を等方性エッチングによって形成する。このため、第1のノズル孔部分と第2のノズル孔部分の中心軸がずれてしまうことがなく、インク液滴の吐出の際にインク液滴の飛ぶ方向にバラツキがなくなり、インク吐出性能が高くなる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、1枚のシリコン基板から複数のノズル基板を製造するものである。
1枚のシリコン基板から複数のノズル基板を製造するため、多数のノズル基板を製造することができ、製造コストを低くすることができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記のシリコン基板の第1のノズル孔部分となる凹部が形成された面の反対側の面を研削することにより、ノズルがノズル基板を貫通するようにするものである。
例えば、シリコン基板に第1のノズル孔部分となる凹部と第2のノズル孔部分となる凹部を形成した後に、シリコン基板の第1のノズル孔部分となる凹部が形成された面の反対側の面を研削して、ノズルがノズル基板を貫通するようにする。これにより、比較的厚さの厚いシリコン基板を使用することができ、製造中にシリコン基板が割れたり、欠けたりするのを防止でき、歩留まりを高くすることができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記の異方性エッチング及び等方性エッチングを行うときに、シリコン基板に分離部となる凹部を形成し、研削のときに分離部から個々のノズル基板を分離するものである。
異方性エッチング及び等方性エッチングを行うときに、シリコン基板に分離部となる凹部を形成し、研削のときに分離部から個々のノズル基板を分離するため、ダイシングによりシリコン基板を切断する必要がなく、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低くすることができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記のシリコン基板に凹状のクレータを形成し、第1のノズル孔部分となる凹部をクレータの部分に形成するものである。
第1のノズル孔部分となる凹部を凹状のクレータの部分に形成するため、例えば印刷用紙との接触でノズルの周辺部分が摩耗したり、ノズルの周辺に施された撥水層が摩耗してしまったりするのを防止することができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記のエッチングマスクが、シリコン酸化膜からなるものである。
シリコン酸化膜からなるエッチングマスクを形成するようにすれば、高精度のエッチングマスクを容易に形成することができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記のエッチングマスクを、熱酸化により形成するものである。
熱酸化によりエッチングマスクを形成するようにすれば、CVD(Chemical Vapor Deposition)等に比べて、容易にエッチングマスクを形成することができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記の異方性エッチングが、ドライエッチングであるものである。
第1のノズル孔部分となる凹部をドライエッチングで形成することにより、短時間で高精度の凹部を形成することができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記の異方性エッチングが、ICP放電によるドライエッチングであるものである。
第1のノズル孔部分となる凹部をICP(Inductively Coupled Plasma、誘導結合プラズマ)放電によるドライエッチングで形成することにより、短時間で高精度の凹部を形成することができる。
また本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上記の等方性エッチングが、ドライエッチングであるものである。
第2のノズル孔部分となる凹部をドライエッチングで形成することにより、第1のノズル孔部分よりも径の大きい第2のノズル孔部分を短時間で高精度に形成することができる。
本発明に係るインクジェットヘッドは、上記のいずれかのインクジェットヘッドの製造方法で製造されたものである。
上記のいずれかのインクジェットヘッドの製造方法で製造されているため、第1のノズル孔部分と第2のノズル孔部分の中心軸のずれがなく、インク吐出性能が高いインクジェットヘッドである。
本発明に係るインクジェット記録装置は、上記のインクジェットヘッドが搭載されているものである。
上記のインク吐出性能が高いインクジェットヘッドが搭載されているため、印字性能の高いインクジェット記録装置である。
実施形態1.
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドを示した縦断面図である。なお図1では、駆動回路21の部分を模式的に示している。また図1では、インクジェットヘッドの例として、静電駆動方式でフェイスイジェクトタイプのインクジェットヘッドを示している。
本実施形態1に係るインクジェットヘッド1は、主にキャビティ基板2、電極基板3及びノズル基板4が接合されることにより構成されている。ノズル基板4は、シリコンからなり、例えば円筒状の第1のノズル孔部分6と釣鐘状の第2のノズル孔部分7を有するノズル8が形成されている。第1のノズル孔部分6は、インク吐出面10(キャビティ基板2との接合面11の反対側の面)の側に形成されており、第2のノズル孔部分7は、第1のノズル孔部分6と連通し、接合面11に向かって径が大きくなるようになっている。
なおノズル基板4は、後に示す所定の加工を施しやすように単結晶シリコンを使用するのが望ましい。
キャビティ基板2は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が振動板12である吐出室13となる凹部が複数形成されている。なお複数の吐出室13は、図1の紙面奥側又は紙面手前側に並んで形成されているものとする。またキャビティ基板2には、各吐出室13にインク等の液滴を供給するためのリザーバ14となる凹部と、このリザーバ14と各吐出室13を連通する細溝状のオリフィス15となる凹部が形成されている。さらにキャビティ基板2の全面には、例えば熱酸化によって酸化シリコンからなる絶縁膜16が形成されている。この絶縁膜16は、インクジェットヘッド1の駆動時の絶縁破壊やショートを防止するために設けられる。
キャビティ基板2の振動板12側には、例えばホウ珪酸ガラスからなる電極基板3が接合されている。電極基板3には、振動板12と対向する複数の電極17が形成されている。この電極17は、例えばITO(Indium Tin Oxide)をスパッタすることにより形成する。また電極基板3には、リザーバ14と連通するインク供給孔18が形成されている。このインク供給孔18は、リザーバ14の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ14にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。
本実施形態1では、主にノズル基板4の製造方法について説明するが、図1に示すノズル基板4には、インク吐出面に凹状のクレータ20が形成されている。このクレータ20は、第1のノズル孔部分8の位置に形成されており、例えば印刷用紙とノズル基板4が接触することによりノズル8の周辺部分が摩耗したり、ノズル8の周辺部分に施された撥水層が摩耗してしまったりするのを防止するために設けられている。
また本実施形態1のインクジェットヘッドは、後に示す製造方法でノズル基板4を製造しているため、第1のノズル孔部分6と第2のノズル孔部分7の中心軸が高い精度で一致している。
ここで図1に示すインクジェットヘッドの動作について説明する。キャビティ基板2と個々の電極17には駆動回路21が接続されている。駆動回路21によりキャビティ基板2と電極17の間にパルス電圧が印加されると、振動板12が電極17の側に撓み、リザーバ14の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室13に流れ込む。そして、キャビティ基板2と電極17の間に印加された電圧がなくなると、振動板12が元の位置に戻って吐出室13の内部の圧力が高くなり、ノズル8からインク等の液滴が吐出される。
なお本実施形態1では、インクジェットヘッドの例として静電駆動方式のインクジェットヘッドを示しているが、本実施形態1で示すインクジェットヘッドの製造方法は圧電駆動方式やバブルジェット(登録商標)方式等のインクジェットヘッドにも適用することができる。
図2は、ノズル基板4をインク吐出面10側から見た上面図である。図2に示すように、第1のノズル孔部分6がノズル基板4の吐出面10側に複数開口している。なお第2のノズル孔部分7は、図2の個々の第1のノズル孔部分6の紙面奥側に形成されている。またキャビティ基板2の吐出室13は、個々の第1のノズル孔部分6ごとに形成されており、個々の吐出室13は図2のA−A線方向に細長いものとする。
さらにインク吐出面10の、第1のノズル孔部分6の周辺には凹状のクレータ20が形成されている。
図3及び図4は、本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドの製造工程を示した縦断面図である。なお図3及び図4では、ノズル基板4となるシリコン基板30の1つのノズル基板4の周辺部分のみを示している。また図3及び図4では、図2のA−A線に沿った断面について示している。
まず、例えば厚さが525μmのシリコン基板30を準備し、このシリコン基板30の一方の面にレジスト31を塗布し、クレータ20となる部分20aをパターニングする(図3(A))。なおこのレジスト31が塗布された面は、後にノズル基板4のインク吐出面10となる。
そしてレジスト31をエッチングマスクとして、例えばドライエッチングにより深さ5μmのクレータ20を形成する(図3(B))。このクレータ20をドライエッチングによって形成する場合は、ICP放電を用いたICPドライエッチング装置や一般的な平行平板放電を用いたRIE(Reactive Ion Etching)ドライエッチング装置を使用することができる。なおこのドライエッチングは、異方性エッチングでも等方性エッチングでもよい。またこのクレータ20を形成するときに、水酸化カリウム水溶液等によるウェットエッチングを行っても良い。
それから、シリコン基板30の表面に形成されたレジスト31をすべて除去した後に、シリコン基板30を熱酸化装置にセットして、シリコン基板30の両面に例えば厚さ1μmのシリコン酸化膜32を均一に成膜する(図3(C))。このシリコン酸化膜32は、例えば温度が1075℃、酸素と水蒸気の雰囲気中で4時間熱酸化することにより形成する。
次に、クレータ20の形成された側の面にレジスト(図示せず)を塗布し、第1のノズル孔部分6となる部分6aと分離部33(後に示す)となる部分33aをパターニングする。この際、第1のノズル孔部分6となる部分6aはクレータ20の部分にパターニングする。そして、例えば緩衝フッ酸溶液(フッ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液の混合液)でシリコン酸化膜32をエッチングすることにより、第1のノズル孔部分6となる部分6aと分離部33となる部分33aのシリコン酸化膜32を除去する(図3(D))。なおこの際、クレータ20の形成された側の反対側の面のシリコン酸化膜32も除去される。その後、レジストをすべて除去する。
そして、ICP放電によるドライエッチングにより第1のノズル孔部分6となる部分6aと分離部33となる部分33aから、例えば深さ20μmで垂直に異方性ドライエッチングを行い、第1のノズル孔部分6となる凹部6bと分離部33の一部33bを形成する(図4(E))。この異方性ドライエッチングのエッチングガスとして、CF2、SF6を交互に使用することができる。このとき、CF4は第1のノズル孔部分6となる凹部6b及び分離部33の一部33bの側面方向にエッチングが進行しないようにこれらの凹部の側面を保護するために使用し、SF6はこれらの凹部の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。
なお、第1のノズル孔部分6となる凹部6bと分離部33の一部33bを異方性ウェットエッチングにより形成することもできる。
その後、第1のノズル孔部分6となる凹部6bと分離部33の一部33bの側面及び底面に、エッチングマスクとして例えば厚さ0.1μmのシリコン酸化膜を均一に形成する(図4(F))。このシリコン酸化膜は、シリコン基板30を熱酸化装置にセットして、温度1000℃、酸素と水蒸気の混合雰囲気中で3時間熱酸化を行うことにより形成することができる。なおこの際、シリコン酸化膜はシリコン基板30の他の部分にも成膜される。
次に、上記の図4(E)の工程と同様にエッチングガスとしてCF4、SF6を用いてICP放電によるドライエッチングを行い、第1のノズル孔部分6となる凹部6bと分離部33の一部33bの側面のシリコン酸化膜を保護しながら、第1のノズル孔部分6となる凹部6bと分離部33の一部33bの底面のシリコン酸化膜を除去する。
そして、エッチングガスをSF6のみに切り替え、第1のノズル孔部分6となる凹部6bと分離部33の一部33bの底面から等方性ドライエッチングを行い、第2のノズル孔部分7となる凹部7aと分離部33の一部33cを形成する(図4(G))。このとき、本実施形態1のようにシリコン基板30に厚さが厚いもの(例えば、厚さ525μmのもの)を使用している場合には、第2のノズル孔部分7となる凹部7aと分離部33の一部33cは、図4(G)に示すように球状(若干縦長の球状の場合もある)の空洞となる。
また、シリコン基板30に厚さが薄いものを使用している場合には、第2のノズル孔部分7となる凹部7aと分離部33の一部33cは、ノズル基板30のクレータ20の形成された面の反対側の面に到達する。この場合、図4(G)の工程の後にシリコン基板30からシリコン酸化膜32を剥離して、シリコン基板30に撥インク処理等を行ってノズル基板4を完成させてもよい。
なお、第2のノズル孔部分7となる凹部7aと分離部33の一部33cをXeF2(フッ化キセノン)等による等方性ドライエッチングで形成してもよい。
そして、シリコン基板30の表面に形成されたシリコン酸化膜をフッ酸水溶液等ですべて剥離した後に、第1のノズル孔部分6となる凹部6bの形成された面の反対側の面を研削することにより、シリコン基板30を例えば厚さ70μmになるまで薄板化する(図4(H))。このとき図4(H)に示すように、第2のノズル孔部分7となる凹部7aの部分まで研削を行うため、ノズル8がシリコン基板30(ノズル基板4)を貫通する。また、研削は分離部33の一部33cの部分まで行われるため、分離部33から個々のノズル基板4が分離されることとなる。
最後に、個々のノズル基板4にシリコン酸化膜等からなる耐インク保護膜を形成したり、インク吐出面10に撥インク処理を施すことによりノズル基板4が完成する。
なお、分離部33(分離部33の一部33b、分離部33の一部33c)を形成せずに、図4(H)の工程でダイシングにより個々のノズル基板4を分離してもよいが、製造工程が簡略化できる等の理由により、分離部33を形成するのが望ましい。
本実施形態1では、第1のノズル孔部分6となる凹部6bを異方性エッチングにより形成し、この凹部6bにエッチングマスクを形成した後に、この凹部6bの底面のエッチングマスクを除去して、そこから第2のノズル孔部分7となる凹部7aを等方性エッチングによって形成する。このため、第1のノズル孔部分6と第2のノズル孔部分7の中心軸がずれてしまうことがなく、インク液滴の吐出の際にインク液滴の飛ぶ方向にバラツキがなくなり、インク吐出性能が高くなる。
また、シリコン基板30に第1のノズル孔部分6となる凹部6bと第2のノズル孔部分7となる凹部7aを形成した後に、シリコン基板30の第1のノズル孔部分6となる凹部6bが形成された面の反対側の面を研削して、ノズル8がノズル基板30を貫通するようにしているため、比較的厚さの厚いシリコン基板30を使用することができ、製造中にシリコン基板30が割れたり、欠けたりするのを防止でき、歩留まりを高くすることができる。
なお本実施形態1の図1では、インクジェットヘッドの例として静電駆動方式のインクジェットヘッドを示しているが、本実施形態1で示すインクジェットヘッドの製造方法はノズル基板の製造方法に特徴があるため、圧電駆動方式やバブルジェット(登録商標)方式等のインクジェットヘッドにも適用することができる。
実施形態2.
図5は、本発明の実施形態2に係るインクジェット記録装置の例を示した図である。図5に示されるインクジェット記録装置100は、インクジェットプリンタであり、実施形態1のインクジェットヘッドの製造方法で得られたインクジェットヘッドを搭載している。実施形態1のインクジェットヘッドの製造方法で得られるインクジェットヘッドは、インク吐出性能の高いノズル基板を備えているため、本実施形態2のインクジェット記録装置100は、印字性能が高いものである。
本発明の実施形態2に係るインクジェット記録装置には、図5に示すようなインクジェットプリンタの他に、有機エレクトロルミネッセンス表示装置の製造装置や、液晶表示装置のカラーフィルタの製造装置、DNAデバイスの製造装置等がある。
本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドを示した縦断面図。 ノズル基板をインク吐出面側から見た上面図。 実施形態1に係るインクジェットヘッドの製造工程を示した縦断面図。 図3の製造工程の続きの製造工程を示す縦断面図。 本発明の実施形態2に係るインクジェット記録装置の例を示した図。
符号の説明
1 インクジェットヘッド、2 キャビティ基板、3 電極基板、4 ノズル基板、6 第1のノズル孔部分、7 第2のノズル孔部分、8 ノズル、10 インク吐出面、11 接合面、12 振動板、13 吐出室、14 リザーバ、15 オリフィス、16 絶縁膜、17 電極、18 インク供給孔、20 クレータ、21 駆動回路、30 シリコン基板、100 インクジェット記録装置。

Claims (12)

  1. 所定の加工が施されたシリコンからなり複数のノズルを有するノズル基板を備え、個々のノズルが、インクを吐出する側となる第1のノズル孔部分と、該第1のノズル孔部分と連通し、前記第1のノズル孔よりも大きい孔径である第2のノズル孔部分とを少なくとも有するインクジェットヘッドの製造方法であって、
    前記第1のノズル孔部分となる凹部を異方性エッチングにより形成する工程と、前記第1のノズル孔部分となる凹部の側面及び底面にエッチングマスクを形成する工程と、前記第1のノズル孔部分となる凹部の底面に形成されたエッチングマスクを除去する工程と、該エッチングマスクの除去された部分から等方性エッチングを行って前記第2のノズル孔部分となる凹部を形成する工程とを有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。
  2. 1枚のシリコン基板から複数のノズル基板を製造することを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  3. 前記シリコン基板の第1のノズル孔部分となる凹部が形成された面の反対側の面を研削することにより、前記ノズルがノズル基板を貫通するようにすることを特徴とする請求項2記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  4. 前記異方性エッチング及び前記等方性エッチングを行うときに、前記シリコン基板に分離部となる凹部を形成し、前記研削のときに分離部から個々のノズル基板を分離することを特徴とする請求項3記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  5. 前記シリコン基板に凹状のクレータを形成し、前記第1のノズル孔部分となる凹部を前記クレータの部分に形成することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  6. 前記エッチングマスクが、シリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  7. 前記エッチングマスクを、熱酸化により形成することを特徴とする請求項6記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  8. 前記異方性エッチングが、ドライエッチングであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  9. 前記異方性エッチングが、ICP放電によるドライエッチングであることを特徴とする請求項8記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  10. 前記等方性エッチングが、ドライエッチングであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  11. 請求項1〜10のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
  12. 請求項11記載のインクジェットヘッドが搭載されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
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