JP5200729B2

JP5200729B2 - ノズルプレート及びその製造方法

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Publication number: JP5200729B2
Application number: JP2008190738A
Authority: JP
Inventors: 裕子吉田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP2010023446A

Description

本発明は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドに用いられるノズルプレート及びその製造方法に関する。

近年、インクジェットプリンタが高速印刷、低騒音、高精細印刷、低コストなどの理由により、急速に普及している。インクジェットプリンタで高精細印刷を実現するためには、インクがノズル出口でメニスカスを形成し、印刷面へ安定して垂直に飛翔することが必要である。ノズルの出口面にインクが濡れ広がると安定したメニスカス形状が得られず、高精細印刷を実現することができない。そのため、一般的に、ノズルの出口面に撥液膜を設けることで対処している。例えば、ノズルがインクジェットヘッドの先端部品であるノズルプレートに形成されている場合、撥液膜はノズルプレートの出口面側に設ければよい。この撥液膜の形成方法については、様々な方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、多孔質のスポンジに撥液剤を含浸させ、ノズル出口面に転写する方法が開示されている。また、特許文献２には、インク吐出裏面とインク吐出孔内部をポジ型感光性樹脂によって被覆充填して硬化させ、インク吐出面より露光、現像を行い、撥液性被膜を被覆し、その後ポジ型感光性樹脂を除去することにより撥液性被膜のインク吐出孔内部への入り込み位置を制御するインクジェットプリンターヘッド用ノズル板の表面処理方法が開示されている。
特開平６−１４３５８７号公報特許第３０９３６３４号公報

特許文献１の方法では、ノズルを形成した後に撥液剤を転写するという工程順序を採っている以上、ノズル内部に撥液剤が入り込む可能性がある。それを回避するように制御することは、非常に困難でありコストもかかる。また、多孔質のスポンジを用いているので、転写ムラが生じるおそれがある。

また、特許文献２の方法では、インク吐出裏面とインク吐出孔内部をポジ型感光性樹脂によって被覆充填し、最後にそれを除去しているので、工程が多くなるとともに、除去しきれないポジ型感光性樹脂がノズル内に残るおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するとともに、高精細化と低コスト化を実現するノズルプレート及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、ノズルが形成されたノズルプレートとダミー基板とを、ノズル出口の周囲の長さにノズルプレートとダミー基板間の距離を乗じた値がノズルの開口面積よりも小さくなるように、平行に保持した状態において、ノズルプレートとダミー基板間に撥液剤を注入し、撥液剤がノズルプレートとダミー基板間を満たすことを特徴とする。

上記のノズルプレートの製造方法において、ノズルプレートとダミー基板間にスペーサを設けることが望ましい。

また、上記のノズルプレートの製造方法において、ダミー基板のノズルプレート側に凸部を設けてもよい。

また、上記のノズルプレートの製造方法において、ノズルプレートのダミー基板側に凸部を設けてもよい。

また、上記のノズルプレートの製造方法において、ダミー基板に撥液剤注入用の穴を設けることが望ましい。

また、上記のノズルプレートの製造方法において、ノズルプレートに撥液剤注入用の穴を設けてもよい。

また、上記のノズルプレートの製造方法において、ノズルプレートとしては、シリコン、ポリイミドシート又はドライフィルムレジストを用いることが好ましい。

また、本発明のノズルプレートは、上記の何れかに記載のノズルプレートの製造方法によって製造するものとする。

本発明によると、ノズルプレートとダミー基板間の距離を適切に保ちながら撥液剤を注入することにより、ノズル内部に撥液剤が入り込まず、ノズルプレート表面のみに撥液処理を施すことができる。その結果、インクがノズルの出口でメニスカスを形成し、インクが印刷面へ安定して垂直に飛翔し、高精細印刷を実現することができる。また、表面張力の働きを利用して撥液剤の広がりを制御しているので、工程が簡素であり、低コスト化を実現することができる。

以下の実施形態では、シリコン基板を用いたノズルプレートを例に説明する。図１〜図４は、本発明のノズルプレートの各製造工程における断面図である。

最初、図１（ａ）に示すように、ノズルプレートとなるシリコン基板１０上に、マスクとなるＳｉＯ₂層１１を形成する。ＳｉＯ₂層１１は、例えば、ＣＶＤ法により成膜することができる。本実施形態では、シリコン基板１０の厚みを３００μｍ、ＳｉＯ₂層１１の厚みを３μｍとする。

次に、図１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１上に、フォトレジスト１２を形成する。本実施形態では、フォトレジスト１２として、ポジ型であるＯＦＰＲ−８００（東京応化工業(株)）を用い、それをスピンナ（２０００ｒｐｍ）で塗布し、１１０℃のホットプレートで９０秒間プリベークする。これにより、１μｍ厚のフォトレジスト１２の層を得る。

次に、図１（ｃ）に示すように、所望のノズルパターン１３ａを有したフォトマスク１３を介して紫外光を照射する。本実施形態では、１５０μｍピッチで一列に直径１０μｍの円形のノズルパターン１３ａを有したフォトマスクを介して４５ｍＪ／ｃｍ²の紫外光を照射する。パターン１３ａの形状としては、ここでは円形としたが、その形状には特に限定はなく、楕円形、多角形なども採用することができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、現像液に浸漬後、リンスしてフォトレジスト１２の紫外光照射部分を溶解させる。これにより、フォトレジスト１２にパターン１３ａの貫通穴１２ａが形成される。本実施形態では、現像液に９０秒間浸漬後、純水でリンスして直径１０μｍの貫通穴１２ａを得る。なお、貫通穴１２ａの個数及び配置はノズルの配置に合わせて適宜決定されるべきであり、一列に多数配置したり、複数列に配置したりすることができる。

次に、図１（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１の露出部分が所定の深さになるまで、フォトレジスト１２及びＳｉＯ₂層１１の露出部分をドライエッチングし、凹部１１ａを形成する。本実施形態では、ＳｉＯ₂層１１の露出部分が０．１５μｍの深さになるまで、フォトレジスト１２及びＳｉＯ₂層１１の露出部分をＣＨＦ₃ガスでドライエッチングして凹部１１ａを形成する。フォトレジスト１２はドライエッチング後も少し残っている。

次に、図２（ａ）に示すように、残っているフォトレジスト１２を除去する。本実施形態では、Ｏ₂ガスでドライエッチングしてフォトレジスト１２を除去する。

次に、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１上に、フォトレジスト１４を形成する。本実施形態では、フォトレジスト１４として、ポジ型であるＯＦＰＲ−８００（東京応化工業(株)）を用い、それをスピンナ（２０００ｒｐｍ）で塗布し、１１０℃のホットプレートで９０秒間プリベークする。これにより、１μｍ厚のフォトレジスト１４の層を得る。

次に、図２（ｃ）に示すように、凹部１１ａに重なるような所望のノズルパターン１５ａを有したフォトマスク１５を介して紫外光を照射する。本実施形態では、１５０μｍピッチで一列に直径４０μｍの円形のノズルパターン１５ａを有したフォトマスクを介して４５ｍＪ／ｃｍ²の紫外光を照射する。パターン１５ａの形状としては、ここでは円形としたが、その形状には特に限定はなく、楕円形、多角形なども採用することができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、現像液に浸漬後、リンスしてフォトレジスト１４の紫外光照射部分を溶解させる。これにより、フォトレジスト１４にパターン１５ａの貫通穴１４ａが形成される。本実施形態では、現像液に９０秒間浸漬後、純水でリンスして直径４０μｍの貫通穴１４ａを得る。なお、貫通穴１４ａの個数及び配置はノズルの配置に合わせて適宜決定されるべきであり、一列に多数配置したり、複数列に配置したりすることができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１の露出部分が所定の深さになるまで、フォトレジスト１４及びＳｉＯ₂層１１の露出部分をドライエッチングし、凹部１１ｂを形成する。このとき、先に形成した凹部１１ａもエッチングされ、シリコン基板１０まで貫通する。これにより、２段穴１１ｃが形成される。本実施形態では、凹部１１ｂが２．８５μｍの深さになるまで、フォトレジスト１４及びＳｉＯ₂層１１の露出部分をＣＨＦ₃ガスでドライエッチングして２段穴１１ｃを形成する。つまり、２段穴１１ｃは、下から１段目が０．１５μｍ、２段目が２．８５μｍの深さの貫通穴である。なお、フォトレジスト１４はドライエッチング後も少し残っている。

次に、図３（ａ）に示すように、残っているフォトレジスト１４を除去する。本実施形態では、Ｏ₂ガスでドライエッチングしてフォトレジスト１４を除去する。これにより、ＳｉＯ₂のマスクが完成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂層１１をマスクにして、シリコン基板１０の２段穴１１ｃからの露出部分及びＳｉＯ₂層１１を、シリコン基板１０が貫通するまでドライエッチングし、ノズル１０ａを形成する。ＳｉＯ₂層１１とシリコン基板１０とのエッチング速度は比例関係にあるので、ノズル１０ａは、２段穴１１ｃと同じ比率の段となる。本実施形態では、シリコン基板１０が貫通するまでＳＦ₆ガスとＣ₄Ｆ₈（オクタフルオロシクロブタン）ガスを交互に切り替えながらドライエッチングする。ノズル１０ａの形状は、下から１段目が直径１０μｍで深さ１５μｍ、２段目が直径４０μｍで深さ２８５μｍの貫通穴となる。なお、ＳｉＯ₂層１１はドライエッチング後もわずかに残っている。

次に、図３（ｃ）に示すように、残っているＳｉＯ₂層１１を除去する。本実施形態では、ＣＨＦ₃ガスでドライエッチングしてＳｉＯ₂層１１を除去する。これにより、シリコン基板（ノズルプレート）１０へのノズル形成が完了する。上記の実施形態では２段のノズルを例に説明したが、１段のノズルでよい場合は、図１（ａ）〜（ｅ）と図２（ａ）までの工程は不要である。

次に、図４（ａ）に示すように、固定具（不図示）を用いてノズルプレート１０とダミー基板１６とを所定の間隔で平行に保持する。具体的には、ノズル出口１０ｂの周囲の長さｐにノズルプレート１０とダミー基板１６間の距離ｄを乗じた値がノズルの開口面積Ｓよりも小さくなるように保持する。これは、ノズルプレート１０とダミー基板１６間に撥液剤を注入するに当たり、ノズル１０ａに撥液剤が入り込まないようにするためである。液体は表面積を小さくするように表面張力が働くため、ノズルプレート１０とダミー基板１６間に撥液剤がとどまったときの表面積が、ノズル１０ａに入り込んだときの表面積より小さければ、ノズル１０ａに撥液剤が入り込むことがない。

上記の関係を式で表すと、ｐ×ｄ＜Ｓである。本実施形態のように、ノズル１０ａが円形である場合は、その半径をｒとすると、Ｓ＝πｒ²、ｐ＝２πｒである。これを上記の式に代入すると、２πｒ×ｄ＜πｒ²、つまり、ｄ＜ｒ／２となる。これは、ノズルプレート１０とダミー基板１６間の距離ｄがノズル１０ａの半径の半分未満であればよいということである。

上述したように、表面張力の観点からは距離ｄが小さいほど好ましいと言え、ノズルプレート１０及びダミー基板１６の表面荒れや撓みを考慮して、ノズルプレート１０とダミー基板１６とが接触しない範囲であれば、距離ｄを小さくしてもよい。

本実施形態では、ダミー基板１６として、１ｍｍ厚のガラス板を用いる。また本実施形態では、ｒ＝５μｍであるので、ｄ＜２．５μｍであればよいということになる。ここでは、ｄ＝２μｍとする。

次に、図４（ｂ）に示すように、ノズルプレート１０とダミー基板１６間をフッ素系などの撥液剤１７で満たす。撥液剤１７の量は、ノズルプレート１０とダミー基板１６間の体積から算出する。揮発性の高い撥液剤であれば蒸発量も考慮する。本実施形態では、撥液剤１７として、オプツール（ダイキン工業(株)）を用い、ノズルプレートは２０ｍｍ×５０ｍｍの大きさのものを用い、２μｌの撥液剤１７をシリンジでノズルプレート１０とダミー基板１６の隙間から注入する。

次に、図４（ｃ）に示すように、ノズルプレート１０とダミー基板１６を、保持したまま又は離した後、撥液剤１７を乾燥させて撥液剤１７をノズルプレート１０に付着させる。これにより、ノズルプレート１０への撥液剤１７の形成が完了する。本実施形態では、ノズルプレート１０とダミー基板１６を保持したまま撥液剤１７を自然乾燥させた後、ノズルプレート１０とダミー基板１６を離間させる。最終的な撥液剤１７の厚みは、１０〜２０ｎｍとなる。

図５は、上記の実施形態により作製されたノズルプレート１０を吐出側から見た図である。直径１０μｍのノズル１０ａが一列に形成されており、ノズルプレート１０の吐出側の全面が撥液剤１７でコーティングされている。

次に、図６に示すように、上記のように作製したノズルプレート１０は、インクの流路（不図示）や圧力室２０ａやＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電素子２０ｂなどを有する基板２０に貼り付けてインクジェットヘッドとし、さらにこのインクジェットヘッドはインクジェットプリンタ本体（不図示）に取り付けられ、インクジェットヘッドにはインクタンク（不図示）が取り付けられる。このように構成することにより、圧電素子２０ｂに所定の電圧を印加すると、圧電素子が変形し、それに応じて圧力室２０ａの壁面が押され、インクが各ノズル１０ａから吐出される。

このように、本発明では、ノズル１０ａが形成されたノズルプレート１０とダミー基板１６とを、ノズル出口１０ｂの周囲の長さｐにノズルプレート１０とダミー基板１６間の距離ｄを乗じた値がノズルの開口面積Ｓよりも小さくなるように平行に保持した状態でノズルプレート１０とダミー基板１６間を撥液剤１７で満たすことにより、表面張力が働き、ノズル１０ａに撥液剤が入り込まず、ノズルプレート１０表面のみに撥液処理を施すことができる。

このようなノズルプレート１０を用いれば、インクがノズル１０ａの出口でメニスカスを形成し、インクが印刷面へ安定して垂直に飛翔し、高精細印刷を実現することができる。また、表面張力の働きを利用して撥液剤の広がりを制御しているので、工程が簡素であり、低コスト化を実現することができる。

なお、図４（ａ）では、固定具（不図示）を用いてノズルプレート１０とダミー基板１６とを所定の間隔で平行に保持するとしたが、他の手段で平行に保持することもできる。図７（ａ）は、ノズルプレート１０とダミー基板１６との他の保持手段を示すノズルプレート１０側から見た図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

ノズルプレート１０とダミー基板１６間の四隅に樹脂などからなる球スペーサ３０を入れることで、距離ｄを正確に保っている。なお、球スペーサの数は３つ以上であればよく、インクの吐出に影響がない範囲でノズル１０ａに近づけて配置したり、隙間に均等に配置したりしてもよい。上記の実施形態のように距離ｄを２μｍとする場合は、直径２μｍの球スペーサを用いればよい。また、スペーサの形状には特に限定はなく、例えば、柱状スペーサであってもよい。

また、図７では、ダミー基板１６に撥液剤注入用の穴１６ａが設けられている。この穴１６ａから撥液剤１７を注入すれば、ダミー基板１６の端部から注入するよりも広がりが速く、作業性も良い。図７で穴１６ａは長穴であるが、その形状には特に限定はなく、例えば、丸穴や矩形穴であってもよい。また、その穴はノズル１０ａに重ならない位置であれば、その個数や配置には特に限定はなく、インクの吐出に影響がない範囲でノズル１０ａに近づけて複数個配置してもよい。また、この撥液剤注入用の穴は、ノズルプレート１０側に設けても同様の効果を得ることができる。

図８（ａ）は、ノズルプレート１０とダミー基板１６とのさらに他の保持手段を示すノズルプレート１０側から見た図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

ダミー基板１６のノズルプレート１０側に４つの凸部１６ｂを設けることで、距離ｄを正確に保っている。なお、凸部１６ｂの数は３つ以上であればよく、インクの吐出に影響がない範囲でノズル１０ａに近づけて配置したり、隙間に均等に配置したりしてもよい。上記の実施形態のように距離ｄを２μｍとする場合は、高さ２μｍで直径１０μｍの凸部１６ｂをノズル１０ａから３０μｍ離して設ければよい。また、凸部の形状には特に限定はなく、例えば、多角柱や半球状であってもよい。また、この凸部は、ノズルプレート１０側に設けても同様の効果を得ることができる。

なお、本発明におけるノズルの加工方法は、上記のフォトリソプロセス以外の方法を採用してもよい。例えば、機械加工やレーザ加工や金型を押しつけるインプリント法などを採用することができる。

また、本発明におけるノズルプレートは、シリコンに限らず、例えば、ガラスやポリイミドシートや感光性樹脂などでもよい。感光性樹脂としては、ドライフィルムレジスト（例えば、化薬マイクロケム株式会社のＳＵ−８）を用いることができる。ドライフィルムレジストの厚みは、例えば、５〜２００μｍの範囲で、扱いやすさとコストとを考慮して決定すればよい。剛性の低い薄い樹脂シートを用いる場合は、ダミー基板１６との距離を正確に保持するために、上記のスペーサや凸部を多数個用いるか、シート自体を別のダミー基板に仮貼着して取り扱えばよい。

本発明は、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドに用いられるノズルプレート及びその製造方法に利用できる。

（ａ）〜（ｅ）本発明のノズルプレートの各製造工程における断面図である。（ａ）〜（ｅ）本発明のノズルプレートの各製造工程における断面図である。（ａ）〜（ｃ）本発明のノズルプレートの各製造工程における断面図である。（ａ）〜（ｃ）本発明のノズルプレートの各製造工程における断面図である。本発明のノズルプレートを吐出側から見た図である。本発明のインクジェットヘッドの一部の断面図である。（ａ）本発明のノズルプレートとダミー基板との他の保持手段を示すノズルプレート側から見た図、（ｂ）図７（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。（ａ）本発明のノズルプレートとダミー基板とのさらに他の保持手段を示すノズルプレート側から見た図、（ｂ）図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１０シリコン基板（ノズルプレート）
１０ａノズル
１０ｂノズル出口
１６ダミー基板
１６ａ撥液剤注入用の穴
１６ｂ凸部
１７撥液剤
３０球状スペーサ

Claims

インクジェットプリンタのインクジェットヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、
ノズルが形成されたノズルプレートとダミー基板とを、ノズル出口の周囲の長さにノズルプレートとダミー基板間の距離を乗じた値がノズルの開口面積よりも小さくなるように、平行に保持した状態において、
ノズルプレートとダミー基板間に撥液剤を注入し、前記撥液剤がノズルプレートとダミー基板間を満たすことを特徴とするノズルプレートの製造方法。
前記ノズルプレートと前記ダミー基板間にスペーサを設けることを特徴とする請求項１記載のノズルプレートの製造方法。
前記ダミー基板の前記ノズルプレート側に凸部を設けることを特徴とする請求項１記載のノズルプレートの製造方法。
前記ノズルプレートの前記ダミー基板側に凸部を設けることを特徴とする請求項１記載のノズルプレートの製造方法。
前記ダミー基板に前記撥液剤注入用の穴を設けることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
前記ノズルプレートに前記撥液剤注入用の穴を設けることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
前記ノズルプレートが、シリコン、ポリイミドシート又はドライフィルムレジストであることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
請求項１から７の何れかに記載のノズルプレートの製造方法によって製造したノズルプレート。