JP6274954B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置等の液体吐出装置に用いられ、エネルギー発生素子を利用して紙等の記録媒体上に液体（インク）を吐出し、画像等の記録を行うものである。液体吐出ヘッドは、発熱抵抗体や圧電体といったエネルギー発生素子が形成された基板と、基板上に形成されたノズル層とを有する。基板には液体供給口が形成されており、ノズル層には液室や液体流路が形成されている。また、ノズル層の上部には液体吐出口が形成されている。基板の液体供給口から液室に供給された液体は、エネルギー発生素子によってエネルギーを与えられ、液体吐出口から吐出される。
液体吐出ヘッドの製造方法としては、特許文献１に記載されている方法がある。特許文献１に記載されている方法によれば、まず表面側にエネルギー発生素子を有する基板を用意する。次に基板の表面側にポジ型感光性樹脂を塗布し、塗布したポジ型感光性樹脂をフォトリソグラフィーによってパターニングすることで、ポジ型感光性樹脂から液室の型材を形成する。次に、形成した型材をネガ型感光性樹脂で覆い、ネガ型感光性樹脂をフォトリソグラフィーによってパターニングすることで、ネガ型感光性樹脂から液体吐出口を有するノズル層を形成する。次に、基板の表面側及びノズル層を保護材等で覆い、基板の裏面側からエッチングを行い、基板に液体供給口を形成する。そして、保護材を除去し、さらに型材を除去することで、ノズル層内に液室が形成される。以上のようにして、液体吐出ヘッドを製造する。
上述の特許文献１に記載された液体吐出ヘッドの製造方法は、実用性に優れた方法である。但し、基板上のエネルギー発生素子の形成位置は、製造誤差等によって若干ばらつく場合がある。これに加え、液室をポジ型感光性樹脂のパターニングで形成する為、エネルギー発生素子と液室の位置合わせには高度な技術を必要とする。発熱抵抗体と液室の位置関係がばらつくと、液体吐出ヘッドの液体吐出特性に影響を与えることがある。
そこで、本発明は、液体吐出ヘッドにおけるエネルギー発生素子と液室の形成位置を容易に一致させることができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、基板と、該基板の表面側に形成された発熱抵抗体と、該基板の表面側に液室及び液体吐出口を形成するノズル層と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、発熱抵抗体とノズル層形成材料層とを表面側に有する基板を用意する工程と、前記発熱抵抗体を駆動させて加熱することで前記ノズル層形成材料層に液室となる気泡を形成する工程と、前記ノズル層形成材料層に前記液室と連通する液体吐出口を形成し、前記基板の表面側に前記液室及び前記液体吐出口を形成するノズル層を形成する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。
本発明によれば、液体吐出ヘッドにおけるエネルギー発生素子と液室の形成位置を容易に一致させることができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することができる。
図１に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によって製造される液体吐出ヘッドの一例を示す。液体吐出ヘッドは、液体供給口１０が形成された基板１と、基板１上に形成されたノズル層５とを有する。基板１は、ノズル層が形成されている側を表面側、その反対側を裏面側とする。即ち、ノズル層は基板の表面側に形成されている。また、基板１の表面側には、エネルギー発生素子である発熱抵抗体２が形成されている。ノズル層５の発熱抵抗体２と対応する位置には、液体流路の一部である液室６が形成されている。また、ノズル層５の液室６の上部の位置には液体吐出口９が形成されている。液室は、液体供給口や液体流路から供給された液体が一時的に貯留される空間であり、液室内の液体には発熱抵抗体によってエネルギーが与えられ、エネルギーを与えられた液体は液体吐出口から吐出する。基板１の表面側には電極パッド１１が形成されており、電極パッド１１から不図示の配線を通して発熱抵抗体を外部と電気的に接続することができる。
基板１はシリコンの単結晶体で形成されていることが好ましい。また、表面の結晶方位が（１００）のシリコン基板、所謂（１００）基板であることが好ましい。基板１の表面側及び裏面側には、シリコン酸化層等の熱酸化層が形成されていてもよい。
基板が有する発熱抵抗体２は、複数設けられていることが好ましく、例えば所定のピッチで２列並列されて設けられている。発熱抵抗体は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、液体に吐出するためのエネルギーを与える。発熱抵抗体を形成する材料としては、例えば、αｘβｙγｚで表される材料（αはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｈｆから選ばれる１種以上の元素、βはＳｉ、Ｂから選ばれる１種以上の元素、γはＣ，Ｏ，Ｎから選ばれる１種以上の元素を示す。ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｏｍ％である。）が挙げられる。特に、ＴａＳｉＮで形成することが好ましい。発熱抵抗体２は、基板の表面に接するように設けられていても、基板の表面から一部離間するように設けられていてもよい。発熱抵抗体２には、液体による腐食の抑制や電気的絶縁のため、ＳｉＮやＴａ等の保護層が被覆されていてもよい。保護層は、発熱抵抗体２と電極パッド１１とを接続する不図示の配線を被覆するため、基板１表面の全面に亘って設けられていてもよい。
基板１とノズル層５とは、中間層を介して密着していることが好ましい。中間層としては、樹脂やＴａが挙げられる。基板がシリコン基板でノズル層が樹脂で形成されている場合、中間層はアミド系樹脂、特にポリエーテルアミドで形成することが好ましい。これらを基板１上に塗布し、フォトリソグラフィーやドライエッチングによってパターニングすることで、中間層が形成される。
ノズル層５はエポキシ樹脂等の樹脂で形成されていることが好ましい。樹脂の中でも感光性樹脂で形成されていることが好ましい。さらには、ネガ型感光性樹脂で形成されていることが好ましい。また、ノズル層５には、液室６及び液体吐出口９が形成されている。後述するが、発熱抵抗体の駆動で形成する気泡によって、ノズル層５の内部に液室６を形成する。このことから、ノズル層の形状安定性を考慮すると、ノズル層を形成する材料（ノズル層形成材料層を形成する材料）は、ガラス転移点（Ｔｇ）が発熱抵抗体の駆動によってノズル層形成材料層にかかる温度よりも高い材料であることが好ましい。具体的には、ノズル層形成材料層のガラス転移点は１００℃以上とすることが好ましい。また、１４０℃以上とすることがより好ましく、３００℃以上としてもよい。上限は特にないが、材料の選択性の点から、４００℃以下とすることが好ましい。
以下、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。
図２は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例であり、図１におけるＡ−Ａでの断面図である。まず、図２（Ａ）に示すように、シリコン等で形成された基板１を用意する。基板１の表面側には、ＴａＳｉＮ等からなる発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２を覆う保護層３が形成されている。発熱抵抗体２は、所定のピッチで２列形成されており、発熱抵抗体２を駆動するための電源を供給する電極や配線が接続されている。保護層３は、ＳｉＮやＴａ等で形成されている。また、保護層３上には中間層４が形成されている。中間層４は、上述のポリエーテルアミド等で形成されている。中間層４は、例えば、ポリエーテルアミド等を含む溶液をスピンコーター等で基板に塗布し、その後加熱し、ドライエッチングを用いてパターニングすることで形成できる。中間層４の厚さは２μｍ以上３μｍ以下とすることが好ましい。基板の裏面側には、エッチングマスク層１２が形成されている。エッチングマスク層１２も、中間層４と同様にして形成することができる。
次に、図２（Ｂ）に示すように、基板１の表面側にノズル層形成材料層７を形成する。ノズル層形成材料層７は、例えば樹脂や溶媒を含有した塗工液をスピンコーター等で基板１の表面側に塗布することで形成する。ノズル層形成材料層７の厚みは１０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下である。但し、ノズル層形成材料層７で発熱抵抗体を被覆している必要がある。ノズル層形成材料層７の厚みは、最終的なノズル層の厚みを決定する。必要に応じて、ノズル層形成材料層７の表面側（基板１に対向する面と反対の面側）に撥水層を形成してもよい。撥水層は、フッ素系の樹脂等で形成する。
次に、図２（Ｃ）に示すように、電気的接合を行った発熱抵抗体２を駆動させ、発熱抵抗体２から熱エネルギーを発生させる。即ち、発熱抵抗体を加熱する。発熱抵抗体への電気的接合は、特に限定されるものではなく、例えば基板の表面側から配線を用いて行ってもよいし、基板の裏面側に配線を回すことで行ってもよい。配線に接続する外部の電源としては、例えばパルス発生装置等を用いる。発熱抵抗体を加熱することで、ノズル層形成材料層７に気泡が形成される。この気泡は液室６となり、ノズル層形成材料層７に液室６を形成することができる。
液室６の形状は、図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、発熱抵抗体２の大きさや、発生させる熱エネルギーの制御（例えば駆動時間）によって適宜変更することができる。但し、液室６は、基板１に液体供給口を形成する場合、液体供給口と連通させる必要がある。即ち、図５に示すように、基板１を表面の上側からみたときに、液室６と液体供給口１０とが重なるようにする。液室６から液体流路が延び、液体流路が液体供給口と連通している場合には、液体供給口１０と液体流路とを重なるようにし、液室６と液体流路とを連通させればよい。尚、ここでの「重なる」とは、液体が連通するような重なり方をしていることを意味する。
このように、本発明によれば、液室６を、発熱抵抗体２を中心として形成することができる。従って、エネルギー発生素子である発熱抵抗体２と液室６の形成位置を容易に一致させることができる。
次に、図２（Ｄ）に示すように、ノズル層形成材料層７に液体吐出口９を形成する。液体吐出口９は、ノズル層形成材料層７の発熱抵抗体２及び液室６に対応した位置に、例えばエキシマレーザーやドライエッチングを用いて形成することができる。ノズル層形成材料層７が感光性樹脂及び光カチオン重合開始剤を含有している場合には、フォトリソグラフィーで形成することもできる。このようにして、ノズル層形成材料層７は液体吐出口９が形成されたノズル層５となる。
次に、図２（Ｅ）に示すように、基板１の裏面側に形成したエッチングマスク層１２を用いて、基板１をエッチングし、基板１に液体供給口１０を形成する。エッチングとしては、例えば反応性イオンエッチング、エキシマレーザーによるエッチング、ウェットエッチング等が挙げられる。エッチングマスク層１２は必要に応じて除去する。
以上のようにして、本発明の液体吐出ヘッドを製造することができる。
図２を用いて説明した例では、図２（Ｃ）に示す段階で、ノズル層形成材料層７に液室６を形成する。このとき、ノズル層形成材料層７の表面側（基板１に対向する面と反対の面側）に、金属層を形成しておくことが好ましい。金属層を形成する例を、図３を用いて説明する。
図３（Ｂ）までは、図２と同様とする。図３（Ｂ）では、ノズル層形成材料層７の表面側に金属層８を形成する。金属層の厚みは５μｍ以上、１０μｍ以下とすることが好ましい。また、金属層の厚みは、ノズル層形成材料層の厚みの２０％以上、７０％以下とすることが好ましい。より好ましくは３０％以上、６０％以下とする。金属層８は、ノズル層形成材料層７内に発熱抵抗体２により気泡を発生させた場合にも、たわまない程度の剛性を有するものが好ましい。このような金属としては、例えばＴａ、ＴｉＷ、Ａｕ等が挙げられる。これらはスパッタによって形成することが好ましい。必要に応じて、金属層８の表面上（基板１と反対側の面上）には撥水層を形成してもよい。
以降の図３（Ｃ）〜（Ｅ）については、図２（Ｃ）〜（Ｅ）と同様である。但し、金属層８を形成することで、図３（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、ノズル層形成材料層７の表面、即ちノズル層５の表面を平滑にすることができる。また、気泡がノズル層形成材料層７の表面に到達し、液室６の形状が大きく変形してしまうことを抑制できる。尚、図３（Ｅ）においては、ノズル層５の表面側に金属層８が形成されたままであるが、金属層８は必要に応じて除去してもよい。
この他の例として、ノズル層形成材料層を液室毎に形成することもできる。この例を、図４を用いて説明する。
図４（Ａ）は、基板１の表面側にノズル層形成材料層７を個別に形成した例を示している。例えば、ノズル層形成材料を微細なニードルを用いて、基板１の表面側の発熱抵抗体２を覆うように滴下する。このようにして、基板１の表面側に、液室毎にノズル層形成材料層７を形成することができる。このようにすれば、例えば１つの液室６に対応して１つのノズル層形成材料層７を形成することができる。
その後は図４（Ｂ）〜（Ｄ）に示すようにして、液体吐出ヘッドを製造する。ノズル層形成材料層７の形成以外の部分は、図２で説明したのと同様とする。図４に示す方法で製造した液体吐出ヘッドは、液室６毎にノズル層５を分断した構造とすることができる。このような液体吐出ヘッドは、応力を緩和することができ、ノズル層の耐久性が良好となる。
Claims (10)
- 基板と、該基板の表面側に形成された発熱抵抗体と、該基板の表面側に液室及び液体吐出口を形成するノズル層と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
発熱抵抗体とノズル層形成材料層とを表面側に有する基板を用意する工程と、
前記発熱抵抗体を駆動させて加熱することで前記ノズル層形成材料層に液室となる気泡を形成する工程と、
前記ノズル層形成材料層に前記液室と連通する液体吐出口を形成し、前記基板の表面側に前記液室及び前記液体吐出口を形成するノズル層を形成する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ノズル層形成材料層を形成する材料のガラス転移点は、前記発熱抵抗体を駆動させることで前記ノズル層形成材料層にかかる温度よりも高い請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記ノズル層形成材料層を形成する材料のガラス転移点は１００℃以上である請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記ノズル層形成材料層は、ネガ型感光性樹脂で形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記液室は、前記基板を表面側の上側からみたときに、前記基板に形成された液体供給口と重なるように形成する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記ノズル層形成材料層に液室となる気泡を形成する際に、前記ノズル層形成材料層の表面側に金属層を形成しておく請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記金属層の厚みは、前記ノズル層形成材料層の厚みの２０％以上、６０％以下である請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記金属層の厚みは、５μｍ以上、１０μｍ以下である請求項６または７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記金属層はＴａ、ＴｉＷ、Ａｕの少なくとも１つで形成する請求項６乃至８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記ノズル層形成材料層は、１つの前記液室に対応して１つ形成する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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