JP7150500B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、インクなどの液体を吐出可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
特許文献１には、インクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、インク中のゴミを捕集するために、インク吐出口の径よりも小径の貫通孔を備えたフィルタを設ける技術が開示されている。具体的には、発熱素子やインク供給口が形成された基板と、インク吐出口やインク吐出口とインク供給口とを連通するインク流路が形成された被覆樹脂層との間に、上記フィルタを配置し、このフィルタによりインク中の異物を捕集するようにしている。
こうしたインクジェット記録ヘッドでは、インクの吐出に必要なインク量を供給するため、フィルタを通過するインクの圧力損失を抑制する必要がある。この点に関して、フィルタの厚みは圧力損失に大きく影響するため、フィルタの薄膜化を行うことが考えられる。しかしながら、フィルタの膜厚を薄くすると、フィルタの機械強度が低下し、インク中の異物捕集時や回復動作時の急激なインク流動によって、フィルタが変形および破損する虞がある。また、近年の記録技術の発達に伴い、インクジェット記録ヘッドの長尺化および高耐久化が求められている。インクジェット記録ヘッドを長尺に構成すると、フィルタの面積が増加してフィルタへの負荷が増大し、耐久性が低下する。
なお、特許文献１には、フィルタの破損を抑制するために、支持部によってフィルタのインク流路側の面を支持する構成が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の構成は、フィルタを上方から支持しているのみである。この場合、インクジェット記録ヘッドの構造やインクの流れによっては、フィルタが変形、破損するなどの問題が生じる虞があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、フィルタの変形、破損を抑制することが可能な液体吐出ヘッド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、液体を供給する供給口と、液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子とを備えた基板と、前記素子によって発生したエネルギーによって液体を吐出可能な吐出口と、前記供給口と前記吐出口とを連通する流路とを備えた樹脂層と、前記供給口と前記流路との間に配置されたフィルタと、を有する液体吐出ヘッドであって、前記フィルタの前記供給口側の面および前記流路側の面を支持する支持部を有し、前記支持部は、前記樹脂層と一体的に形成されている、ことを特徴とする。
本発明によれば、フィルタの変形、破損を抑制した液体吐出ヘッドを提供することができる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による液体吐出ヘッドおよびその製造方法の一例を詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明による液体吐出ヘッドの平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の部分拡大図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＩｃ－Ｉｃ線における切断部の端面図である。図１（ｄ）は、図１（ｂ）のＩｄ－Ｉｄ線における切断面の端面図である。
図１（ａ）に示す液体吐出ヘッド１０は、例えば、インクを吐出するインクジェット記録ヘッドとして利用することができる。液体吐出ヘッド１０は、吐出エネルギー発生素子１１および吐出エネルギー発生素子１１を駆動するための駆動回路（不図示）が設けられた基板１２を備えている。また、液体吐出ヘッド１０は、液体を吐出可能な吐出口１４が形成されたノズル層１６と、基板１２とノズル層１６との間に設けられたフィルタ１８とを備えている。
基板１２は、例えば、結晶方位（１００）の単結晶シリコンからなるウェハである。基板１２は、Ｙ方向に延在する略矩形の板形状に成型されている。基板１２には、液体を共通流路２１に供給する共通供給口２０（供給口）が形成されている。共通供給口２０は、基板１２のＹ方向と直交するＸ方向の略中央において、Ｙ方向に延設している。共通供給口２０は、共通流路２１を介して、複数の圧力室２３に共通して液体を供給するものである。この共通供給口２０は、例えば、アルカリ溶液を用いた単結晶シリコンの異方性エッチング、あるいは、フルオロカーボン系ガスや塩素系ガスなどを用いたプラズマエッチングなどのドライエッチングなどによって形成される。
基板１２の一方の面１２ａ（第１面）には、Ｘ方向の両端部側において、Ｙ方向に沿って、一定間隔を空けて吐出エネルギー発生素子１１が配置されている。なお、吐出エネルギー発生素子１１としては、発熱素子やピエゾ素子などを用いることができる。基板１２には、液体吐出ヘッド１０の用途に応じて、吐出エネルギー発生素子１１を少なくとも１つ設けるようにすればよい。
ノズル層１６（樹脂層）は、フィルタ１８に形成された貫通孔２４（後述する）を介して、基板１２に形成された共通供給口２０と連通する共通流路２１を備えている。また、ノズル層１６は、吐出エネルギー発生素子１１により生じた圧力を利用して吐出口１４から液体を吐出するための圧力室２３を備えている。圧力室２３は、各吐出エネルギー発生素子１１に対応して設けられている。各圧力室２３はそれぞれ、液体流路２２を介して、共通流路２１と連通している。即ち、本実施形態では、共通流路２１、液体流路２２および圧力室２３が、共通供給口２０と吐出口１４とを連通する流路として機能している。
こうした構成により、共通供給口２０からフィルタ１８を介して共通流路２１に液体が供給される。また、共通流路２１に供給された液体は、液体流路２２を介して各圧力室２３に供給される。そして、吐出エネルギー発生素子１１によって、圧力室２３内の液体に圧力が付与されて、吐出口１４から液体が吐出することとなる。
フィルタ１８は、メンブレンフィルタである。フィルタ１８には、吐出口１４よりも小径の貫通孔２４が複数形成されている。このため、共通供給口２０における液体が、貫通孔２４を通過して共通流路２１へ流入する際、貫通孔２４の径よりも大きい液体中の異物は、貫通孔２４を通過することができない。これにより、当該異物がフィルタ１８により捕集されることとなる。吐出する液体の特性などに応じて、貫通孔２４の径を変更することで、異物の選択的な捕集が可能となり、液体吐出の品質を保つことができる。
フィルタ１８の構成材料としては、基板１２およびノズル層１６に対する密着性が高く、吐出する液体に対する耐性を備えている有機材料あるいは無機材料を用いることができる。具体的には、例えば、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。フィルタ１８の形成方法については、フィルタ１８が無機膜であれば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いることができる。
貫通孔２４は、フィルタ１８の構成材料に応じてその形成方法が異なる。フィルタ１８が、例えば、光硬化性樹脂により構成される場合には、フォトリソグラフィー法によりフィルタ１８に貫通孔２４を形成する。また、フィルタ１８が、例えば、光硬化性樹脂以外の樹脂材料により構成される場合には、まず、当該樹脂材料により膜を形成し、この膜上にエッチングマスクを形成する。その後、ドライエッチングまたはウェットエッチングによって、貫通孔２４を形成する。さらに、フィルタ１８が、例えば、無機材料などにより形成される場合には、形成されたフィルタ１８に対して、レーザ加工などにより貫通孔２４を形成する。
図１（ｄ）に示すように、フィルタ１８は、ノズル層１６から延設された支持部２６により支持されている。この支持部２６は、ノズル層１６と同一材料により形成され、かつ、ノズル層１６と一体的に形成されている。なお、支持部２６については、ノズル層１６と異なる材料により形成されてもよいし、ノズル層１６と別体に形成されるようにしてもよい。支持部２６によって、フィルタ１８の機械的な強度が補強されている。
支持部２６は、ノズル層１６から延設され、フィルタ１８を貫通して形成される。即ち、支持部２６は、共通流路２１を通って、フィルタ１８を貫通し、先端部２６ａが共通供給口２０内に位置するように形成される。支持部２６は、本実施形態では略円柱形状とするが、その形状については略円柱形状に限定されるものではない。支持部２６はＸ方向において、共通供給口２０のＸ方向における略中央に間隔を空けて２つ設けられる。なお、支持部２６はＸ方向において、例えば、共通供給口２０のＸ方向の長さおよび支持部２６の径に応じて、共通供給口２０のＸ方向における略中央に、１つ、あるいは、３つ以上設けるようにしてもよい。また、支持部２６はＹ方向において、共通供給口２０の延在方向に沿って一定間隔を空けて複数設けられる。
支持部２６における先端部２６ａは、支持部２６においてフィルタ１８を貫通している貫通部２６ｂよりもその径が大きい。さらに、先端部２６ａは、フィルタ１８の共通流路２１が隣接する面１８ａと密着している。また、支持部２６において共通流路２１内（流路内）に位置する延在部２６ｃは、貫通部２６ｂよりもその径が大きい。さらに、延在部２６ｃは、フィルタ１８の共通供給口２０が隣接する面１８ｂと密着している。こうした支持部２６の構成によって、フィルタ１８は、共通供給口２０側（供給口側）の面および共通流路２１側（流路側）の面の両面から支持部２６により支持されることとなる。
先端部２６ａ、貫通部２６ｂおよび延在部２６ｃの径は、貫通孔２４より大径であってもよいし、貫通孔２４と同程度または貫通孔２４より小径であってもよい。また、延在部２６ｃと貫通部２６ｂとの径の差と、先端部２６ａと貫通部２６ｂと径の差とは、同程度であってもよいし、どちらかが大きくなってもよい。フィルタ１８の機械強度に応じて、貫通部２６ｂの径に対する延在部２６ｃおよび先端部２６ａの径の大きさを設定することで、フィルタ１８の機械強度を確実に向上させることができる。
フィルタ１８には、異物捕集時や回復動作時に伴う急激なインク流動により大きな負荷がかかる。しかしながら、フィルタ１８は、支持部２６により、共通供給口２０側の面および共通流路２１側の面の両面が支持されている。このため、フィルタ１８に大きな負荷がかけられても、フィルタ１８は支持部２６から剥離することが抑制され、確実に支持部２６に支持される。これにより、長期に亘って支持部２６によるフィルタ１８の高い補強効果を維持することができる。
図２（ａ）～（ｅ）および図３（ａ）～（ｅ）は、液体吐出ヘッド１０の製造工程の一例を説明するための図である。なお、図２（ａ）～（ｅ）および図３（ａ）～（ｅ）の各図は、図１（ｄ）のように、吐出口１４、貫通孔２４、支持部２６がＸ方向に沿って位置する箇所の切断面の端面図となっている。また、理解を容易にするために、上記箇所に設けられる貫通孔２４は２つとしている。さらに、吐出口１４と対向する位置に設けられる吐出エネルギー発生素子の図示は省略している。さらにまた、理解を容易にするために、構成部材ごとに、異なる模様を付している。
液体吐出ヘッド１０の製造工程としては、まず、吐出エネルギー発生素子および当該吐出エネルギー発生素子を駆動するための駆動回路が形成されたシリコンウェハを用意する。このウェハは、結晶方位（１００）の単結晶シリコンからなり、例えば、直径２００ｍｍ、厚さ（Ｚ方向の長さ）７２５μｍのウェハとする。なお、このウェハが基板１２となるため、以下の説明において、このウェハを基板１２と適宜に称する。そして、スピンコート法により、図２（ａ）のように、基板１２の一方の面１２ａに樹脂材料による樹脂層を形成する。なお、一方の面１２ａは、（１００）面である。また、この樹脂層がフィルタ１８となるため、以下の説明において、この樹脂層をフィルタ１８と適宜に称する。具体的な例を挙げると、樹脂材料としてＨＬ－１２００ＣＨ（日立化成株式会社製）を用い、スピン回転数を調整して、樹脂層であるフィルタ１８の膜厚を３μｍとする。
次に、フィルタ１８上に、ポジ型フォトレジストを用いてエッチングマスクを形成する。例えば、まず、スピンコート法によりフィルタ１８上にポジ型フォトレジストＰＭＥＲ（東京応化工業株式会社製）を塗布して、フィルタ１８上（フィルタ上）に膜厚１０μｍの塗膜を形成する。そして、形成した塗膜に、貫通孔２４が描かれたマスクパターンを用いてプロキシミティ露光を行い、２．３８％ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液を用いて、エッチングマスクを形成する。その後、フルオロカーボン系ガス主体の反応性イオンエッチング法により貫通孔２４を形成する（図２（ｂ）参照）。具体的には、フルオロカーボン系ガスＣＦ４と酸素との混合ガスを使用して貫通孔２４を形成し、剥離液を用いてエッチングマスクを剥離する。
フィルタ１８に貫通孔２４を形成すると、次に、基板１２とフィルタ１８とを貫通する貫通パターン３０を形成する（図２（ｃ）参照）。貫通パターン３０は、例えば、基板１２の他方の面１２ｂ（第２面）から、Ｎｄ－ＹＡＧレーザを入射して形成する。なお、貫通パターン３０の形成方法としては、一般的なシリコン加工法を用いてもよく、例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などの半導体ドライエッチングなどを用いることもできる。
貫通パターン３０を形成すると、基板１２に共通供給口２０を形成する（図２（ｄ）参照）。例えば、熱アルカリ水溶液による単結晶シリコンの異方性エッチングにより、基板１２に共通供給口２０を形成する。熱アルカリ水溶液としては、例えば８０℃に加熱した重量濃度２５％ＴＭＡＨ水溶液を用い、エッチング処理時間は、約４時間とする。熱アルカリ水溶液については、アルカリ金属汚染などの懸念が無ければ、ＫＯＨ水溶液やＮａＯＨ水溶液などを用いるようにしてもよい。なお、異方性エッチングの際には、基板１２における素子部の保護として、基板１２に塗膜を設ける。例えば、ネガ型フォトレジストＯＭＲ（東京応化工業株式会社製）を膜厚３０μｍで塗布する。異方性エッチング後に不要となった塗膜は、キシレン等を用いて溶解除去する。
本実施形態では、共通供給口２０を形成する異方性エッチング処理の前に、貫通パターン３０を形成している。これにより、基板１２の熱アルカリ水溶液との接触面積を大きくし、エッチング液（熱アルカリ水溶液）による基板１２のエッチング時間の短縮を図っている。なお、共通供給口２０の形成方法としては、孔部３４（後述する）のみを形成し、メタルマスクなどを基板１２の他方の面１２ｂに形成し、エッチング液によるエッチングのみで形成するようにしてもよい。
次に、図２（ｅ）のように、共通供給口２０内に穴埋め部材３２を充填する。このとき、穴埋め部材３２は、貫通孔２４と、貫通パターン３０を形成する際に形成された孔部３４との内部に流入させない。穴埋め部材３２は、例えば、３０００ｃｐのＰＶＡ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）水溶液を用いて形成する。共通供給口２０内への穴埋め部材３２の充填にはディスペンス法を用いることができる。充填後には、例えば温度９０℃、時間３分の条件で、穴埋め部材３２に対するベーク処理を行い、水分を揮発させてＰＶＡを硬化させる。硬化後の共通供給口２０内における穴埋め部材３２の厚み（Ｚ方向の長さ）は、例えば、１００μｍとする。なお、硬化後の穴埋め部材３２の厚みについては、１００μｍ未満としてもよいし、１００μｍを超えるようにしてもよい。
穴埋め部材３２を充填すると、次に、スピンコート法により、図３（ａ）のように、フィルタ１８上に樹脂材料による樹脂層３６（第１樹脂層）を形成する。具体的には、例えば樹脂材料として、ポジ型フォトレジストＯＤＵＲ（東京応化工業株式会社製）を用い、スピン回転数を調整してフィルタ１８上の樹脂層３６の膜厚を１７μｍとする。その後、温度１００℃、時間３分の条件で、樹脂層３６に対するベーク処理を行う。
そして、フォトリソグラフィー法を用いて、図３（ｂ）のように、樹脂層３６を残して共通流路２１、液体流路２２および圧力室２３のパターン２８（第２パターン）を形成する。また、樹脂層３６を除去して支持部２６（貫通部２６ｂ、延在部２６ｃ）のパターン２９（第１パターン）を形成する。即ち、液体流路２２は貫通孔２４と連通するため貫通孔２４にも樹脂層３６（パターン２８）を残存させる。また、孔部３４内および孔部３４上から樹脂層３６を除去し、孔部３４と残存する樹脂層３６とにより空間（パターン２９）を形成する。支持部２６のパターン２９は、孔部３４内に位置する貫通部２６ｂよりも共通流路２１内に位置する延在部２６ｃを大径とするために、孔部３４上には、孔部３４より大径の略円径の空間Ｓが形成される。
パターン２８、２９を形成すると、次に、例えば温度１２０℃、時間３分の条件で、穴埋め部材３２に対する更なるベーク処理を行う。これにより、穴埋め部材３２、つまり、ＰＶＡから水分をさらに揮発させる。水分をさらに揮発させると、穴埋め部材３２は収縮し、図３（ｃ）のように、孔部３４に隣接する領域が共通供給口２０側に陥没して、凹部３８を形成する。このとき、穴埋め部材３２のフィルタ１８と密着する面３２ａにおける凹部３８の径は、孔部３４の径よりも大きくなっている。この凹部３８が支持部２６の先端部２６ａのパターンとなる。即ち、支持部２６を形成するためのパターン２９は、孔部３４を利用するとともに樹脂層３６および穴埋め部材３２を成型して形成される。なお、凹部３８の形成方法は、穴埋め部材３２の構成材料に応じて適宜変更することができる。例えば、ウェットエッチングやドライエッチングなどにより凹部３８を形成するようにしてもよい。
凹部３８を形成すると、次に、スピンコート法により、図３（ｄ）のように、フィルタ１８上に樹脂材料による樹脂層を形成する。この樹脂層が形成されるとき、樹脂材料によりパターン２８が覆われるとともに、パターン２９（凹部３８を含む）に樹脂材料が流入する。なお、この樹脂層（第２樹脂層）はノズル層１６となるため、以下の説明において、この樹脂層をノズル層１６と適宜に称する。具体的には、例えば樹脂材料として、ネガ型フォトレジストＳＵ－８（化薬マイクロケム株式会社製）を用い、スピン回転数を調整して樹脂層たるノズル層１６の膜厚を３０μｍ（フィルタ１８上における膜厚）とする。
その後、例えば温度９０℃、時間５分の条件でノズル層１６に対するプリベーク処理を行う。そして、フォトリソグラフィー法を用いて、吐出エネルギー発生素子１１に対応する位置において、パターン２８に到達する吐出口１４を形成する。その後、例えば温度１４０℃、時間６０分の条件でノズル層１６に対してポストベーク処理を行う。そして、処理液を用いて、パターン２８と穴埋め部材３２を除去する（図３（ｅ）参照）。これにより、支持部２６と、共通流路２１、液体流路２２および圧力室２３を備えたノズル層１６とが形成される。ノズル層１６と支持部２６とを、フォトリソグラフィー法を用いて一括で形成することで、支持部２６の位置を精度よく形成することができる。なお、ノズル層１６と支持部２６とを個別に形成してもよい。
以上において説明したように、液体吐出ヘッド１０は、基板１２とノズル層１６とをフィルタ１８を介して密着した構成において、フィルタ１８を支持する支持部２６をノズル層１６から延設してフィルタ１８を貫通するようにした。また、支持部２６において、フィルタ１８を貫通する貫通部２６ｂは、先端部２６ａおよび延在部２６ｃの径より小径となるようにした。従って、フィルタ１８は、支持部２６により、共通供給口２０側の面および共通流路２１側の面の両面から支持されることとなり、特許文献１に開示された技術と比較して、より確実にフィルタ１８を支持することができるようになる。
このため、液体吐出ヘッド１０では、薄膜化によりフィルタ１８の機械強度が低下し、液体吐出ヘッド１０の長尺化に伴ってフィルタ１８への負荷が増大しても、支持部２６によってインク流によるフィルタ１８の動きを抑制することができる。これにより、吐出性能を安定化できるとともに、フィルタの変形、破損を抑制することができるようになる。
１０ 液体吐出ヘッド
１２ 基板
１６ ノズル層
１８ フィルタ
２６ 支持部
１２ 基板
１６ ノズル層
１８ フィルタ
２６ 支持部
Claims (9)
- 液体を供給する供給口と、液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子とを備えた基板と、前記素子によって発生したエネルギーによって液体を吐出可能な吐出口と、前記供給口と前記吐出口とを連通する流路とを備えた樹脂層と、前記供給口と前記流路との間に配置されたフィルタと、を有する液体吐出ヘッドであって、
前記フィルタの前記供給口側の面および前記流路側の面を支持する支持部を有し、
前記支持部は、前記樹脂層と一体的に形成されている、ことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記支持部は、前記樹脂層から前記流路内を通って延在し、前記フィルタを貫通して前記供給口まで達している、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記フィルタを貫通する前記支持部の貫通部は、前記流路内に位置する前記支持部の延在部および前記供給口に位置する前記支持部の先端部よりも小径である請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子を備えた基板を用意する第１工程と、
前記基板の第１面に、複数の貫通孔を備えたフィルタを形成する第２工程と、
前記フィルタに孔部を形成する第３工程と、
前記孔部と連通するように前記基板に供給口を形成するとともに、前記供給口に穴埋め部材を充填する第４工程と、
前記フィルタ上に第１樹脂層を形成し、前記孔部を利用するとともに前記第１樹脂層および前記穴埋め部材を成型して、前記フィルタの前記供給口側の面および該面と対向する面の両面を支持する支持部を形成るための第１パターンを形成する第５工程と、
前記第１樹脂層を覆い、かつ、前記第１パターンに樹脂材料を流入させて第２樹脂層を形成し、前記素子に対応する位置に、液体を吐出するための吐出口を形成するとともに、前記第１樹脂層および前記穴埋め部材を除去して前記支持部を形成する第６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。 - 前記第５工程では、前記第１樹脂層により、前記フィルタ上に前記供給口と連通する流路を形成する第２パターンを形成し、
前記第６工程では、前記第１樹脂層および前記穴埋め部材を除去することで、前記支持部とともに、前記流路を形成する、請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第５工程では、前記穴埋め部材を収縮させて成型する、請求項４または５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第３工程では、前記基板の前記第１面と対向する第２面から、前記基板および前記フィルタを貫通させて前記孔部を形成する、請求項４から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記支持部は、前記第２樹脂層から延在し、前記孔部を介して前記フィルタを貫通して前記供給口まで達するように形成される、請求項４から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記フィルタを貫通する前記支持部の貫通部は、前記第２樹脂層から延在する前記支持部の延在部および前記供給口に位置する前記支持部の先端部よりも小径である、請求項８に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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