JP2009292080A - シリコン製ノズル基板、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents
シリコン製ノズル基板、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかもインク吐出量を充分に確保することができ、製造に際しては工程数を削減することができるシリコン製ノズル基板等を提供する。
【解決手段】シリコン製ノズル基板１は、液滴を吐出するためのノズル孔１１を複数有し、各ノズル孔１１はそれぞれ複数の筒状部１１ａ〜１１ｉから構成され、各筒状部１１ａ〜１１ｉの軸方向に垂直な断面積が上面から底面まで一定である。そして、軸方向に垂直な断面形状および断面積がそれぞれ同じである。筒状部１１ａ〜１１ｉは、それぞれの径が１０〜４０μｍであり、長さが３０〜１００μｍである。筒状部１１ａ〜１１ｉは円筒形であって、中心部とその同心円上に配設することができる。また、多角筒形であって、中心部とその同心上に配設するようにしてもよく、断面を正六角形状とし、ハニカム構造状に配置してもよい。
【選択図】図３
【解決手段】シリコン製ノズル基板１は、液滴を吐出するためのノズル孔１１を複数有し、各ノズル孔１１はそれぞれ複数の筒状部１１ａ〜１１ｉから構成され、各筒状部１１ａ〜１１ｉの軸方向に垂直な断面積が上面から底面まで一定である。そして、軸方向に垂直な断面形状および断面積がそれぞれ同じである。筒状部１１ａ〜１１ｉは、それぞれの径が１０〜４０μｍであり、長さが３０〜１００μｍである。筒状部１１ａ〜１１ｉは円筒形であって、中心部とその同心円上に配設することができる。また、多角筒形であって、中心部とその同心上に配設するようにしてもよく、断面を正六角形状とし、ハニカム構造状に配置してもよい。
【選択図】図３
Description
本発明は、シリコン製ノズル基板、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関する。
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることにより、インク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。
近年、インクジェットヘッドに対して、印刷速度の高速化及びカラー化を目的としてノズル列を複数有する構造が求められており、さらに加えて、ノズルは高密度化するとともに１列あたりのノズル数が増加して長尺化しており、インクジェットヘッド内のアクチュエータ数は益々増加している。このため、ノズル密度が高く、長尺かつ多数のノズル列を有する、小型で吐出特性に優れたインクジェットヘッドが要求され、従来より様々な工夫、提案がなされている。
従来のインクジェットヘッドに、シリコン基材にウェットエッチングで未貫通の傾斜したノズル穴部を形成し、反対側からドライエッチングで垂直のノズル穴部を貫通形成してノズル孔を形成したノズル基板を備えたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１記載の技術によれば、傾斜したノズル穴部と垂直のノズル穴部を形成しなければならず、ノズル孔の形成工程が複雑で工程数も多い。
このため、ノズル孔を断面積が一定の筒状にして、ノズル孔の形成工程を簡易にし、工程数を少なくすることも考えられるが、シリコン基板の剛性を確保するのと同時に、液滴吐出速度も確保する必要があり、剛性確保のためにはシリコン基板厚すなわちノズル長を４０〜１００μｍとし、液滴吐出速度を確保するためにはノズル径を１０〜３０μｍとしなければならない。しかしながら、この両者を満たす構造だと、ノズル孔の流路抵抗が大きくなり、吐出される液滴量が小さくなってしまう。
このため、ノズル孔を断面積が一定の筒状にして、ノズル孔の形成工程を簡易にし、工程数を少なくすることも考えられるが、シリコン基板の剛性を確保するのと同時に、液滴吐出速度も確保する必要があり、剛性確保のためにはシリコン基板厚すなわちノズル長を４０〜１００μｍとし、液滴吐出速度を確保するためにはノズル径を１０〜３０μｍとしなければならない。しかしながら、この両者を満たす構造だと、ノズル孔の流路抵抗が大きくなり、吐出される液滴量が小さくなってしまう。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかもインク吐出量を充分に確保することができ、その製造に際しては工程数を削減することができるシリコン製ノズル基板、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、シリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係るシリコン製ノズル基板は、液滴を吐出するためのノズル孔を複数有し、各ノズル孔がそれぞれ複数の筒状部から構成され、各筒状部の軸方向に垂直な断面積が上面から底面まで一定である。
各ノズル孔がそれぞれ複数の筒状部から構成され、筒状部の数を任意に設定することができるので、筒状部の数を変えることによって、各ノズル孔から吐出される液滴吐出総量を調整することができる。また、ノズル孔は複数の筒状部から構成されるので、トータルとしての液滴量を充分に確保することができる。そして、同時に吐出する小さな複数の液滴で大きな１つのドットを形成することができるので、１つの液滴で大きいドットを形成する場合に比べて液滴量を節約することができる。
また、各ノズル孔の筒状部の軸方向に垂直な断面積が上面から底面まで一定であるので、前記各筒状部を１回の一括垂直加工で形成でき、工程を合理化することができる。
また、各ノズル孔の筒状部の軸方向に垂直な断面積が上面から底面まで一定であるので、前記各筒状部を１回の一括垂直加工で形成でき、工程を合理化することができる。
また、本発明に係るシリコン製ノズル基板は、各ノズル孔を構成する筒状部は、各筒状部の軸方向に垂直な断面形状および断面積がそれぞれ同じである。
各ノズル孔を構成する筒状部の断面形状および断面積がそれぞれ同じなので、各筒状部のノズル特性、すなわち吐出液滴量や飛翔速度を同じにすることができ、安定したドットを形成することができる。
各ノズル孔を構成する筒状部の断面形状および断面積がそれぞれ同じなので、各筒状部のノズル特性、すなわち吐出液滴量や飛翔速度を同じにすることができ、安定したドットを形成することができる。
また、本発明に係るシリコン製ノズル基板は、各ノズル孔を構成する複数の筒状部は、それぞれの径が１０〜４０μｍであり、長さが３０〜１００μｍである。
各ノズル孔を構成する複数の筒状部は、それぞれの径が１０〜４０μｍであり、長さが３０〜１００μｍであるので、液滴吐出速度の最適化とノズル基板の剛性の最適化を両立させて、吐出特性を向上させることができる。
各ノズル孔を構成する複数の筒状部は、それぞれの径が１０〜４０μｍであり、長さが３０〜１００μｍであるので、液滴吐出速度の最適化とノズル基板の剛性の最適化を両立させて、吐出特性を向上させることができる。
また、本発明に係るシリコン製ノズル基板は、各ノズル孔を構成する複数の筒状部は円筒形であって、中心部とその同心円上に配設されたものである。
ノズル孔を構成する複数の筒状部を円筒形にし、中心部とその同心円上に配設したので、円形のドットを形成することができる。
ノズル孔を構成する複数の筒状部を円筒形にし、中心部とその同心円上に配設したので、円形のドットを形成することができる。
また、本発明に係るシリコン製ノズル基板は、各ノズル孔を構成する複数の筒状部が多角筒形であって、中心部とその同心上に配設されたものである。
各ノズル孔を構成する複数の筒状部は多角筒形であって、中心部とその同心上に配設されたので、ノズル孔の筒状部のノズル密度を向上させることができる。
各ノズル孔を構成する複数の筒状部は多角筒形であって、中心部とその同心上に配設されたので、ノズル孔の筒状部のノズル密度を向上させることができる。
また、本発明に係るシリコン製ノズル基板は、各ノズル孔を構成する複数の筒状部が断面を正六角形状としハニカム構造状に配置したものである。
各ノズル孔を構成する複数の筒状部は断面を六角形状としたハニカム構造なので、複数の筒状部を最密に配置することができる。
各ノズル孔を構成する複数の筒状部は断面を六角形状としたハニカム構造なので、複数の筒状部を最密に配置することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記に記載したシリコン製ノズル基板を備えたものである。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを得ることができる。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを得ることができる。
本発明に係る液滴吐出装置は、上記に記載した液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を得ることができる。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を得ることができる。
本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、シリコン基材の吐出面となる側の面から複数の垂直穴部よりなる垂直穴を形成する工程と、吐出面となる側の面と垂直穴の垂直穴部の内壁とに連続した第１の保護膜を形成する工程と、垂直穴を形成した側の面と反対側の面を薄板化して垂直穴の垂直穴部を開口させる工程と、薄板化した側の面に第２の保護膜を形成する工程と、第１の保護膜の吐出面となる側の面に撥水膜を形成する工程とを有するものである。
ノズル孔が複数の筒状部からなるので、ノズル孔を形成する際に、フォトリソとドライエッチングが１回で済み、製造工程を短縮することができる。また、ノズル孔を形成する際、吐出面となる側の面にパターニングを施すため、ノズル孔の吐出口の径を高精度に制御することができる。さらに、第１の保護膜が吐出面からノズル孔の筒状部の側壁まで連続して形成されるので、ノズル孔の吐出口付近の液滴浸漬によるダメージをなくすことができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記のシリコン製ノズル基板の製造方法を適用して液滴吐出ヘッドのノズル基板部分を形成するものである。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを得ることができる。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを得ることができる。
本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造するものである。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を得ることができる。
剛性及び液滴吐出速度に優れ、しかも液滴吐出量を十分確保することができるシリコン製ノズル基板を備えた高性能の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を得ることができる。
実施の形態１．
図１は本実施の形態１に係るインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）の一部を断面で示した分解斜視図、図２は図１を組立てた状態の要部を示す縦断面図、図３は図１のノズル孔の近傍を拡大して示した平面図、図４は図３のイ−イ断面図、図５は図３のノズル孔を構成する筒状部の斜視図である。
インクジェットヘッド１０は、図１および図２に示すように、複数のノズル孔１１が幅方向（図２の紙面の垂直方向）に所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。
図１は本実施の形態１に係るインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）の一部を断面で示した分解斜視図、図２は図１を組立てた状態の要部を示す縦断面図、図３は図１のノズル孔の近傍を拡大して示した平面図、図４は図３のイ−イ断面図、図５は図３のノズル孔を構成する筒状部の斜視図である。
インクジェットヘッド１０は、図１および図２に示すように、複数のノズル孔１１が幅方向（図２の紙面の垂直方向）に所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。
ノズル基板１は、シリコン単結晶基材（以下、単にシリコン基材ともいう）から作製されている。ノズル基板１にはインク滴（液滴）を吐出するためのノズル孔１１が１つの吐出室２４（後述）に対して１つ開口されており、各ノズル孔１１は、図３に示すように、それぞれ複数の筒状部１１ａ〜１１ｉから構成されている。筒状部１１ａ〜１１ｉは、例えば図５に示す円筒状をなし、その軸方向が基板面に垂直であって、軸方向に垂直な断面が同じ円形状をなし、かつ同じ断面積を有している。各ノズル孔１１の中心には中心筒状部１１ａが設けられ、その同心円ハ上の例えば８箇所には、等間隔に同心筒状部１１ｂ〜１１ｉが設けられている。ノズル孔１１の各筒状部１１ａ〜１１ｉの径ａは１０μｍ〜４０μｍであり、長さｂは３０μｍ〜１００μｍである。
上記の説明では、ノズル孔を中心筒状部１１ａとその同心円ハ上に設けられた同心筒状部１１ｂ〜１１ｉとによって形成した場合を示したが（図３参照）、中心部とその中心部からの半径が異なる複数の同心円上に設けるようにしてもよい。
図６は、ノズル孔１１を中心部とその異なる２つの同心円上に設けたもので、ノズル孔１１の筒状部１１ａ、１１ｊ〜１１ｓは図７に示すように円筒状をなし、その軸方向が基板面に垂直であって、軸方向に垂直な断面が同じ円形状をなし、また同じ断面積を有している。各ノズル孔１１の中心には中心筒状部１１ａが設けられ、例えば、内側の同心円ハ上の５箇所には等間隔に内側同心筒状部１１ｊ〜１１ｎを設け、その外側の同心円ニ上の５箇所には等間隔に外側同心筒状部１１ｏ〜１１ｓを設けたものである。そして、内側同心筒状部１１ｊ〜１１ｎと外側同心筒状部１１ｏ〜１１ｓとは同心円に沿って千鳥状に配設されている。ノズル孔１１の各筒状部１１ａ〜１１ｓの径ａは１０μｍ〜４０μｍであり、長さｂは３０μｍ〜１００μｍである。
図６は、ノズル孔１１を中心部とその異なる２つの同心円上に設けたもので、ノズル孔１１の筒状部１１ａ、１１ｊ〜１１ｓは図７に示すように円筒状をなし、その軸方向が基板面に垂直であって、軸方向に垂直な断面が同じ円形状をなし、また同じ断面積を有している。各ノズル孔１１の中心には中心筒状部１１ａが設けられ、例えば、内側の同心円ハ上の５箇所には等間隔に内側同心筒状部１１ｊ〜１１ｎを設け、その外側の同心円ニ上の５箇所には等間隔に外側同心筒状部１１ｏ〜１１ｓを設けたものである。そして、内側同心筒状部１１ｊ〜１１ｎと外側同心筒状部１１ｏ〜１１ｓとは同心円に沿って千鳥状に配設されている。ノズル孔１１の各筒状部１１ａ〜１１ｓの径ａは１０μｍ〜４０μｍであり、長さｂは３０μｍ〜１００μｍである。
上記の説明では、ノズル孔１１は中心筒状部１１ａとその同心円ハ上に設けられた同心筒状部１１ｂ〜１１ｉとが円筒形をなすが（図３参照）、多角筒形をなすものであってもよい。
図８は、例えばノズル孔１１を、断面六角形状のハニカム構造としたものである。ノズル孔１１の筒状部１１ｔ〜１１ｚは、図９に示すように六角筒形をなし、その軸方向が基板面に垂直であって、軸方向に垂直な断面が同じ六角形状をなし、また同じ断面積を有している。各ノズル孔１１の中心には中心筒状部１１ｔが設けられ、その同心上の例えば６箇所には等間隔に同心筒状部１１ｕ〜１１ｚが設けられている。ノズル孔１１の各筒状部１１ａ〜１１ｉの対角長は１０μｍ〜４０μｍであり、長さｂは３０μｍ〜１００μｍである。
図８は、例えばノズル孔１１を、断面六角形状のハニカム構造としたものである。ノズル孔１１の筒状部１１ｔ〜１１ｚは、図９に示すように六角筒形をなし、その軸方向が基板面に垂直であって、軸方向に垂直な断面が同じ六角形状をなし、また同じ断面積を有している。各ノズル孔１１の中心には中心筒状部１１ｔが設けられ、その同心上の例えば６箇所には等間隔に同心筒状部１１ｕ〜１１ｚが設けられている。ノズル孔１１の各筒状部１１ａ〜１１ｉの対角長は１０μｍ〜４０μｍであり、長さｂは３０μｍ〜１００μｍである。
キャビティ基板２は、シリコン単結晶基材（この基材も以下、単にシリコン基材ともいう）から作製されている。シリコン基材に異方性ウェットエッチングを施し、インク流路の吐出室２４、リザーバ２５をそれぞれ構成するための凹部２４０、２５０、及びオリフィス２３を構成するための段差部２３０が形成される。凹部２４０はノズル孔１１に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、ノズル基板１とキャビティ基板２を接合した際、各凹部２４０は吐出室２４を構成し、それぞれがノズル孔１１に連通し、またインク供給口であるオリフィス２３ともそれぞれ連通している。そして、吐出室２４（凹部２４０）の底壁が振動板２２となっている。
他方の凹部２５０は、液状のインクを貯留するためのものであり、各吐出室２４に共通のリザーバ（共通インク室）２５を構成する。そして、リザーバ２５（凹部２５０）はそれぞれオリフィス２３を介して全ての吐出室２４に連通している。また、リザーバ２５の底部には後述する電極基板３を貫通する孔が設けられ、この孔で形成されたインク供給孔３４を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
また、キャビティ基板２の全面、もしくは少なくとも電極基板３との対向面には、ＳｉＯ2 膜等からなる絶縁膜２６が形成されている。この絶縁膜２６は、インクジェットヘッドを駆動させたときに、絶縁破壊や短絡を防止する。
また、キャビティ基板２の全面、もしくは少なくとも電極基板３との対向面には、ＳｉＯ2 膜等からなる絶縁膜２６が形成されている。この絶縁膜２６は、インクジェットヘッドを駆動させたときに、絶縁破壊や短絡を防止する。
電極基板３は、ガラス基材から作製されている。このガラス基材は、キャビティ基板２のシリコン基材と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが好ましい。これは、電極基板３とキャビティ基板２とを陽極接合する際、両基板３、２の熱膨張係数が近いため、電極基板３とキャビティ基板２との間に生じる応力を低減することができ、その結果、剥離等の問題を生じることなく電極基板３とキャビティ基板２とを強固に接合することができるからである。
電極基板３のキャビティ基板２と対向する面には、キャビティ基板２の各振動板２２に対向する位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。そして、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極３１が形成されており、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップ（空隙）Ｇは、インクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。なお、個別電極３１の材料にはクロム等の金属等を用いてもよいが、ＩＴＯは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすいため、一般にＩＴＯが用いられている。
個別電極３１は、リード部３１ａと、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部３１ｂとを有する。これらの端子部３１ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板２の末端部が開口された電極取り出し部２９内に露出している。
上述したノズル基板１、キャビティ基板２、および電極基板３は、一般に個別に作製され、これらを図２に示すように貼り合わせることにより、インクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板２と電極基板３は例えば陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面（図２の上面）にはノズル基板１が接着剤等により接合されている。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップＧの開放端部は、エポキシ等の樹脂による封止材２７で封止されている。これにより、湿気や塵埃等がギャップＧ内へ侵入するのを防止することができる。
そして、図２に示すように、ＩＣドライバ等の駆動制御回路４が、各個別電極３１の端子部３１ｂと、キャビティ基板２上に設けられた共通電極２８とに、フレキシブル配線基板（図示せず）を介して接続されている。
上記のように構成されたインクジェットヘッド１０において、駆動制御回路４によりキャビティ基板２と個別電極３１との間にパルス電圧が印加されると、振動板２２と個別電極３１との間に静電気力が発生し、その吸引作用により振動板２２が個別電極３１側に引き寄せられて撓み、吐出室２４の容積が拡大する。これにより、リザーバ２５の内部に溜まっていたインクがオリフィス２３を通じて吐出室２４に流れ込む。次に、個別電極３１への電圧の印加を停止すると、静電吸引力が消滅して振動板２２が復元し、吐出室２４の容積が急激に収縮する。これにより、吐出室２４内の圧力が急激に上昇し、この吐出室２４に連通しているノズル孔１１からインク液滴が吐出される。
ノズル孔１１は、中心筒状部１１ａとその同心円ハ上に設けられた同心筒状部１１ｂ〜１１ｉとによって構成されているので（図３参照）、液滴距離が広がっても、同時に吐出する複数の液滴によって、１つの円形のドットを形成する。
ノズル孔１１は、中心筒状部１１ａとその同心円ハ上に設けられた同心筒状部１１ｂ〜１１ｉとによって構成されているので（図３参照）、液滴距離が広がっても、同時に吐出する複数の液滴によって、１つの円形のドットを形成する。
次に、インクジェットヘッド１０の製造方法について、図１０〜図１７を用いて説明する。図１０は本発明の実施の形態１に係るノズル基板１を示す上面図、図１１〜図１５はノズル基板１の製造工程を示す断面図（図１０をロ−ロ線で切断した断面図）である。図１６、図１７はキャビティ基板２と電極基板３との接合工程を示す断面図であり、ここでは、主に、電極基板３にシリコン基材２００を接合した後に、キャビティ基板２を製造する方法を示す。なお、以下に記載の数値はその一例を示すもので、これに限定するものではない。
まず、最初に、図１１〜図１５により、ノズル基板１の製造方法を説明する。
まず、最初に、図１１〜図１５により、ノズル基板１の製造方法を説明する。
（ａ） 図１１（ａ）に示すように、シリコン基材４１を用意して熱酸化装置にセットする。
（ｂ） シリコン基材４１を、所定の酸化温度、酸化時間、酸素と水蒸気の混合雰囲気中の条件で熱酸化処理し、図１１（ｂ）に示すように、シリコン基材４１の両面、すなわち吐出面となる側の面４１ａ（ノズル基板１の吐出面１ａに対応）、及びキャビティ基板２との接合面となる側の面４１ｂ（研削後にノズル基板１の接合面１ｂに対応）に、エッチング保護膜となるＳｉＯ2 膜（熱酸化膜）４２を、１．０μｍの厚みに、均一に形成する。
（ｃ） 図１１（ｃ）に示すように、シリコン基材４１の吐出面となる側の面４１ａのＳｉＯ2 膜４２の上にレジスト４３をコーティングし、そのレジスト４３から、図３のノズル孔１１に対応する後述の垂直穴１１０となる部分（より詳しくは、図１２にその一部を示す複数の垂直穴部１１０ａ〜１１０ｉとなる部分）に対応する部分を除去し、開口４３ａを形成する。
この開口４３ａは、例えば、中心の垂直穴部１１０ａとなる部分の１箇所と、その同心円ハ上の垂直穴部１１０ｂ〜１１００ｉとなる部分の８箇所に設ける。
この開口４３ａは、例えば、中心の垂直穴部１１０ａとなる部分の１箇所と、その同心円ハ上の垂直穴部１１０ｂ〜１１００ｉとなる部分の８箇所に設ける。
（ｄ） 図１２（ｄ）に示すように、図１１（ｃ）で形成したレジストパターン（開口４３ａ）をマスクとして、例えば、緩衝フッ酸水溶液（フッ酸水溶液：フッ化アンモニウム水溶液＝１：６）でエッチングし、ＳｉＯ2 膜４２から開口４２ａを形成する
このとき、接合面となる側の面４１ｂのＳｉＯ2 膜４２もエッチングされ、除去される。
このとき、接合面となる側の面４１ｂのＳｉＯ2 膜４２もエッチングされ、除去される。
（ｅ） 図１２（ｅ）に示すように、レジスト４３を硫酸洗浄などにより剥離する。
そして、ＩＣＰドライエッチング装置により、ＳｉＯ2 膜４２の開口４２ａを介してシリコン基材４１に所定の深さの異方性ドライエッチングを行い、深さ７０μｍの垂直穴１１０（複数の垂直穴部１１０ａ〜１１０ｉ）を形成する。
そして、ＩＣＰドライエッチング装置により、ＳｉＯ2 膜４２の開口４２ａを介してシリコン基材４１に所定の深さの異方性ドライエッチングを行い、深さ７０μｍの垂直穴１１０（複数の垂直穴部１１０ａ〜１１０ｉ）を形成する。
（ｆ） 図１２（ｆ）に示すように、シリコン基材４１の表面に残るＳｉＯ2 膜４２をフッ酸水溶液によって除去する。
（ｇ） 図１３（ｇ）に示すように、シリコン基材４１の吐出面となる側の面４１ａと、垂直穴１１０の垂直穴部１１０ａ〜１１０ｉの内壁とに、第１の保護膜（ＳｉＯ2 膜）４６を厚み０．１μｍに形成する。
（ｈ） 図１３（ｈ）に示すように、透明材料（ガラス等）の支持基板５０に、紫外線または熱などの刺激で容易に接着力が低下する自己剥離層６１を持った両面テープ６０を張り合わせる。具体的には、支持基板５０に張り合わせた両面テープ６０の自己剥離層６１の面と、シリコン基材４１の吐出面となる側の面４１ａとを向かい合わせ、真空中で貼り合わせる。これにより接着界面に気泡が残らないきれいな接着が可能となる。
（ｉ） 図１３（ｉ）に示すように、シリコン基材４１の接合面となる側の面４１ｂからバックグラインダーで研削加工し、シリコン基材の厚さが６０μｍになるまで薄板化し、垂直穴１１０（複数の垂直穴部１１０ａ〜１１０ｉ）を開口させて、ノズル孔１１（筒状部１１ａ〜１１ｉ）を形成する。
この薄板化の方法としては、他にポリッシャー、ＣＭＰ装置による方法がある。これらの加工方法を用いた場合、研磨剤のカス等がノズル孔１１内に残るため、ノズル孔１１内の研磨材の水洗除去工程などでノズル孔部１１の内壁を洗浄する。
この薄板化の方法としては、他にポリッシャー、ＣＭＰ装置による方法がある。これらの加工方法を用いた場合、研磨剤のカス等がノズル孔１１内に残るため、ノズル孔１１内の研磨材の水洗除去工程などでノズル孔部１１の内壁を洗浄する。
（ｊ） 図１３（ｊ）に示すように、研削後の接合面となる側の面４１ｂに、低温プラズマＣＶＤによって、第２の保護膜（ＳｉＯ2 膜）４７を厚み０．１μｍに形成する。
（ｋ） 図１４（ｋ）に示すように、接合面となる側の面４１ｂに、第１のダイシングテープ７０をサポートテープとして貼り付ける。
次に、支持基板５０側からＵＶ光を照射して、両面テープ６０の自己剥離層６１をシリコン基材４１から剥離し、支持基板５０をシリコン基材４１から剥離する。
次に、支持基板５０側からＵＶ光を照射して、両面テープ６０の自己剥離層６１をシリコン基材４１から剥離し、支持基板５０をシリコン基材４１から剥離する。
（ｌ） 図１４（ｌ）に示すように、シリコン基材４１の吐出面となる側の面４１ａに撥インク処理（撥水処理）を施す。すなわち、フッ素（Ｆ）原子を含む撥インク性（撥水性）を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥インク膜（撥水膜）４８を形成する。このとき、ノズル孔１１（筒状部１１ａ〜１１ｉ）の内壁も撥インク処理される。
（ｍ） 図１４（ｍ）に示すように、吐出面となる側の面４１ａに、第２のダイシングテープ７１をサポートテープとして貼り付ける。
次に、接合面となる側の面４１ｂに貼り付けられた第１のダイシングテープ７０を剥離する。
次に、接合面となる側の面４１ｂに貼り付けられた第１のダイシングテープ７０を剥離する。
（ｎ） 図１５（ｎ）に示すように、Ａｒスパッタもしくは０2 プラズマ処理によって、シリコン基材４１のノズル孔１１の筒状部１１ａ〜１１ｉに余分に形成された撥インク膜４８を除去する。
（ｏ） シリコン基材４１のダイシングテープ７１を貼り付けている側の面とは反対側の面、すなわち接合面となる側の面４１ｂを真空ポンプに連通した吸着治具に吸着固定し（図示せず）、その状態で、図１５（ｏ）に示すように、シリコン基材４１の第２のダイシングテープ７１を剥離する。
こうして、シリコン基材４１からノズル基板１が完成する。
なお、図示を省略したが、ノズル基板１には、ノズル孔１１を形成するのと同時に、ノズル基材外輪となる部分に貫通溝を形成するようにしており、吸着冶具を取り外す段階でノズル基板１が個片に分割される。
こうして、シリコン基材４１からノズル基板１が完成する。
なお、図示を省略したが、ノズル基板１には、ノズル孔１１を形成するのと同時に、ノズル基材外輪となる部分に貫通溝を形成するようにしており、吸着冶具を取り外す段階でノズル基板１が個片に分割される。
本発明に係るシリコン製ノズル基板１によれば、各ノズル孔１１がそれぞれ複数の筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）から構成され、筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）の数を任意に設定することができるので、筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）の数を変えることによって、各ノズル孔１１から吐出される液滴吐出総量を調整することができる。また、ノズル孔１１が複数の筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）から構成されているので、トータルとしての液滴量を充分に確保することができる。そして、同時に吐出する小さな複数の液滴で大きな１つのドットを形成することができるので、１つの液滴で大きいドットを形成する場合に比べて液滴量を節約することができる。
また、各ノズル孔１１の各筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）の軸方向に垂直な断面がそれぞれ同形状であり、かつ断面積をそれぞれ同じにしたので、ノズル孔１１のノズル特性、すなわち液滴量や飛翔速度を同じにすることができ、安定したドットを形成することができる。
また、各ノズル孔１１を構成する複数の筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）は、それぞれの径が１０μｍ〜４０μｍであり、長さが３０μｍ〜１００μｍであるので、液滴吐出速度の最適化とノズル基板１の剛性の最適化を両立させて、吐出特性を向上させることができる。
また、各ノズル孔１１の複数の筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ）を円筒形にし、中心部とその同心円ハ（ハ及びニ）上に配設したので、円形のドットを形成することができる。これは、ノズル孔１１の筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ）を複数設けると液滴の飛翔中に互いの距離が離れるが、筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ）を同心円ハ（ハ及びニ）上に配置したので、距離が広がっても円形ドットを形成することができるからである。
さらに、各ノズル孔１１を構成する複数の筒状部１１ｔ〜１１ｚは多角筒形であって、中心部とその同心上に配設され、特に、断面を六角形状のハニカム構造とした場合は、ノズル孔１１の筒状部１１ｔ〜１１ｚを最密に配置することができ、ノズル密度が向上する。
さらに、各ノズル孔１１を構成する複数の筒状部１１ｔ〜１１ｚは多角筒形であって、中心部とその同心上に配設され、特に、断面を六角形状のハニカム構造とした場合は、ノズル孔１１の筒状部１１ｔ〜１１ｚを最密に配置することができ、ノズル密度が向上する。
また、本発明に係るシリコン製ノズル基板１の製造方法によれば、ノズル孔１１が軸方向に垂直な断面積を上面から底面まで一定とした複数の筒状部からなるので、ノズル孔１１を形成する際、フォトリソとドライエッチングが１回で済み、製造工程を短縮することができる。また、吐出面となる側の面４１ａにパターニングを施すため、ノズル孔１１の吐出口の径を高精度に制御することができる。さらに、第１の保護膜４６が吐出面１ａからノズル孔１１の筒状部１１ａ〜１１ｉ（１１ａ、１１ｊ〜１１ｓ、あるいは１１ｔ〜１１ｚ）の側壁まで連続して形成されるので、ノズル孔１１の吐出口付近の液滴浸漬によるダメージをなくすことができる。
なお、本実施の形態１に係るシリコン製ノズル基板１の製造方法は、静電駆動方式のインクジェットヘッドに用いるノズル基板の場合を例にして説明したが、圧電駆動方式やバブルジェット（登録商標）方式など、他方式のインクジェットヘッドのノズル基板にも適用可能である。
なお、本実施の形態１に係るシリコン製ノズル基板１の製造方法は、静電駆動方式のインクジェットヘッドに用いるノズル基板の場合を例にして説明したが、圧電駆動方式やバブルジェット（登録商標）方式など、他方式のインクジェットヘッドのノズル基板にも適用可能である。
次に、キャビティ基板２および電極基板３の製造方法について説明する。
ここでは、電極基板３にシリコン基材２００を接合した後、そのシリコン基材２００からキャビティ基板２を製造する方法について、図１６、図１７を用いて説明する。
ここでは、電極基板３にシリコン基材２００を接合した後、そのシリコン基材２００からキャビティ基板２を製造する方法について、図１６、図１７を用いて説明する。
（ａ） 図１６（ａ）に示すように、硼珪酸ガラス等からなるガラス基材３００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングして、凹部３２を形成する。この凹部３２は個別電極３１の形状より少し大きめの溝状であり、個別電極３１ごとに複数形成される。
そして、凹部３２の底部に、例えばスパッタによりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる個別電極３１を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔３４となる孔部３４ａを形成することにより、電極基板３が作製される。
そして、凹部３２の底部に、例えばスパッタによりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる個別電極３１を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔３４となる孔部３４ａを形成することにより、電極基板３が作製される。
（ｂ） 図１６（ｂ）に示すように、シリコン基材２００の両面を鏡面研磨した後、シリコン基材２００の片面にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によってＴＥＯＳ（TetraEthylOrthoSilicate）からなるシリコン酸化膜（絶縁膜）２６を形成する。なお、シリコン基材２００を形成する前に、エッチングストップ技術を利用し、振動板２２の厚みを高精度に形成するためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。エッチングストップとはエッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
（ｃ） このシリコン基材２００と、図１６（ａ）のようにして作製された電極基板３を、図１６（ｃ）に示すように、例えば３６０℃に加熱し、シリコン基材２００に陽極を、電極基板３に陰極を接続して、８００Ｖ程度の電圧を印加して陽極接合により接合する。
（ｄ） シリコン基材２００と電極基板３とを陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基材２００をエッチングし、図１６（ｄ）に示すように、シリコン基材２００を薄板化する。
（ｅ） シリコン基材２００の上面（電極基板３が接合されている面と反対側の面）の全面にプラズマＣＶＤによって、シリコン酸化膜を形成する。そして、このシリコン酸化膜に、吐出室２４となる凹部２４０、オリフィス２３となる段差部２３０、及びリザーバ２５となる凹部２５０等を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のシリコン酸化膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基材２００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングして、図１７（ｅ）に示すように、吐出室２４となる凹部２４０およびリザーバ２５となる凹部２５０を形成する。このとき、配線のための電極取り出し部２９となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図１７（ｅ）のウェットエッチングの工程では、例えば初めに３５重量％の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後、３重量％の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板２２の面荒れを抑制することができる。
その後、シリコン基材２００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングして、図１７（ｅ）に示すように、吐出室２４となる凹部２４０およびリザーバ２５となる凹部２５０を形成する。このとき、配線のための電極取り出し部２９となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図１７（ｅ）のウェットエッチングの工程では、例えば初めに３５重量％の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後、３重量％の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板２２の面荒れを抑制することができる。
（ｆ） シリコン基材２００のエッチングが終了した後に、図１７（ｆ）に示すように、フッ酸水溶液でエッチングして、シリコン基材２００の上面に形成されているシリコン酸化膜を除去する。
（ｇ） シリコン基材２００の吐出室２４となる凹部２４０等が形成された面に、図１７（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤによりシリコン酸化膜（絶縁膜）２６を形成する。
（ｈ） 図１７（ｈ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって電極取り出し部２９を開放する。また、電極基板３のインク供給孔３４となる孔部３４ａからレーザ加工を施して、シリコン基材２００のリザーバ２５となる凹部２５０の底部を貫通させ、インク供給孔３４を形成する。また、振動板２２と個別電極３１との間のギャップＧの開放端部にエポキシ樹脂等の封止材２７を充填して封止を行う。また、図１、図２に示した共通電極２８を、シリコン基材２００の上面（ノズル基板１との接合側の面）の端部に形成する。
以上により、電極基板３に接合した状態のシリコン基材２００からキャビティ基板２が作製される。
そして最後に、このキャビティ基板２に、前述のようにして作製されたノズル基板１を接着剤等により接合することにより、図２に示したインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。
そして最後に、このキャビティ基板２に、前述のようにして作製されたノズル基板１を接着剤等により接合することにより、図２に示したインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。
本実施の形態１によれば、キャビティ基板２を、予め作製された電極基板３に接合した状態のシリコン基材２００から作製するので、電極基板３によりシリコン基材２００を支持した状態となり、シリコン基材２００を薄板化しても割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。したがって、キャビティ基板２を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。
実施の形態２．
図１８は、実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０を搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。図１８に示すインクジェット記録装置５００は、インクジェットプリンタであり、剛性及び液滴吐出速度に優れ、インク吐出量を十分確保することができる実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０を搭載しているため、安定した高品質の印字が可能である。
なお、実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０は、図１８に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。
図１８は、実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０を搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。図１８に示すインクジェット記録装置５００は、インクジェットプリンタであり、剛性及び液滴吐出速度に優れ、インク吐出量を十分確保することができる実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０を搭載しているため、安定した高品質の印字が可能である。
なお、実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０は、図１８に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。
１ ノズル基板、１ａ 吐出面、１ｂ 接合面、２ キャビティ基板、３ 電極基板、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１１ａ〜１１ｚ 筒状部、２２ 振動板、２３ オリフィス、２４ 吐出室、２５ リザーバ、３１ 個別電極、３２ 凹部、３４ インク供給孔、４１ シリコン基材、４１ａ 吐出面となる側の面、４１ｂ 接続面となる側の面、４２ ＳｉＯ2 膜、４３ レジスト、４６ 第１の保護膜、４７ 第２の保護膜、４８ 撥インク膜（撥水膜）、１１０ 垂直穴、１１０ａ〜１１０ｚ 垂直穴部、５００ インクジェット記録装置。
Claims (11)
- 液滴を吐出するためのノズル孔を複数有し、
前記各ノズル孔がそれぞれ複数の筒状部から構成され、前記各筒状部の軸方向に垂直な断面積が上面から底面まで一定であることを特徴とするシリコン製ノズル基板。 - 前記各ノズル孔を構成する複数の筒状部は、前記各筒状部の軸方向に垂直な断面形状および断面積がそれぞれ同じであることを特徴とする請求項１記載のシリコン製ノズル基板。
- 前記各ノズル孔を構成する複数の筒状部は、それぞれの径が１０μｍ〜４０μｍであり、長さが３０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または２記載のシリコン製ノズル基板。
- 前記各ノズル孔を構成する複数の筒状部は円筒形であって、中心部とその同心円上に配設されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板。
- 前記各ノズル孔を構成する複数の筒状部は多角筒形であって、中心部とその同心上に配設されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板。
- 前記各ノズル孔を構成する複数の筒状部は断面を正六角形状とし、ハニカム構造状に配置することを特徴とする請求項５記載のシリコン製ノズル基板。
- 請求項１〜６のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項７記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
- シリコン基材の吐出面となる側の面から、複数の垂直穴部よりなる垂直穴を形成する工程と、
前記吐出面となる側の面と前記垂直穴の垂直穴部の内壁とに連続した第１の保護膜を形成する工程と、
前記垂直穴を形成した側の面と反対側の面を薄板化して前記垂直穴の垂直穴部を開口させる工程と、
前記薄板化した側の面に第２の保護膜を形成する工程と、
前記第１の保護膜の吐出面となる側の面に撥水膜を形成する工程と、
を有することを特徴とするシリコン製ノズル基板の製造方法。 - 請求項９記載のシリコン製ノズル基板の製造方法を適用して、液滴吐出ヘッドのノズル基板部分を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項１０記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
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-
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