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JP6180143B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description

本発明は、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
記録紙などの記録媒体に画像(ここでは、意味の有無を問わず、文字や図形や模様等を含めて画像という)を形成する記録装置の一形態として、微小な吐出口から微小なインク滴を吐出させる液体吐出記録装置(インクジェット記録装置)がある。液体吐出記録装置は、一般に、インク滴を吐出するための吐出口を有する液体吐出ヘッドと、液体吐出ヘッドに供給するインクを保持するインクタンクとを備えている。インクタンクから液体吐出ヘッドにインクが導かれ、液体吐出ヘッドの圧力室に設けられたエネルギー発生素子、たとえば発熱素子または圧電素子が、記録信号に基づいて駆動される。そして、吐出口からインク滴が吐出して被記録材に付着することにより記録が行われる。この液体吐出記録装置は、いわゆるノンインパクト方式の記録装置であり、高速記録や様々な記録媒体への記録が可能であって、記録時の騒音がほとんど生じないなどの利点を有しており、広く普及している。
近年では、プリンターの出力速度のより一層の高速化が要求されている。これは、コンピュータの処理速度が向上したことや、より高精彩の画像を出力するためにインク液滴を微小化することに伴ってより高密度のインク液滴密度が要求されることを一因とする。また、大判プリンターやネットワークにつながれたプリンターでは、高速化の要求がさらに顕著になる。プリンターの出力速度の高速化は、時間当りのインク液滴発生数、すなわちインク吐出周波数を向上することと、インク吐出口の数を増やすことの二つによって達成可能である。通常は、この両方を行うことでプリンター出力の高速化を達成している。しかし、インク吐出口の数を増やすことは、すなわちノズル列幅を増やすことであり、液体吐出ヘッドの長尺化につながる。
上記のようにインク吐出口を多数配するには、流路形成部材を感光性樹脂で形成するとともに、フォトリソグラフィー法にて吐出口を形成する製法が好適である。しかしながら、流路形成部材を樹脂で形成する場合、液体吐出ヘッドが長尺になるほど、硬化収縮および基板と流路形成部材になる感光性樹脂間との線膨脹係数差に起因する流路形成部材の内部応力が大きくなる。そして、この内部応力によって基板と流路形成部材とが剥離することがある。
そこで、特許文献1では、流路形成部材に液体流路の外側を取り囲むような溝を形成し、この溝に接する縁部を微小な凹凸を複数有する鋸歯状に形成する構成が提案されている。このような構成を採ることで吐出口プレートにかかる応力を低減させ、インクジェット記録ヘッドが長尺であっても剥離が生じないようにしている。
特開2003−80717号公報
しかし、特許文献1に記載される液体吐出ヘッドでは、鋸歯状に設けられた溝に対応する部分でブレードの摩耗が多くなる場合があった。この摩耗は、鋸歯状の先端部分の盛りあがりが存在する場合や溝の幅が広い場合において、特に見受けられる傾向があった。
そこで、本発明の目的は、鋸歯状の溝を有する液体吐出ヘッドであって、ブレードの摩耗が少なく、長期使用においても画像の乱れが生じにくい液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。
発明の一形態は、
液体を吐出するエネルギーを発生させるエネルギー発生素子が第一の面上に形成された基板と、前記基板の上に、前記液体を吐出する吐出口及び該吐出口に連通する液体流路を形成する流路形成部材と、を備え、
前記流路形成部材は、前記液体流路の外側を取り囲む位置に、該流路形成部材の上面に開口する第一の窪みと、該第一の窪みに開口する溝と、を有し、
前記流路形成部材の上面と前記第一の窪みの傾斜部との間の、前記流路形成部材側の角度は鈍角であり、
前記溝は、鋸歯状の側壁を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
(1)前記基板の前記第一の面上に、溶解可能な樹脂を用いて、前記液体流路の型材となる流路型パターンと、該流路型パターンの外側を取り囲む土台パターンと、を含む溶解可能な樹脂層を形成する工程と、
(2)前記基板および前記溶解可能な樹脂層の上に、感光性樹脂からなる被覆樹脂層を形成する工程と、
(3)前記土台パターンに沿って前記被覆樹脂層の上面に、前記第一の面と平行な方向に延在する底面を有する前記第一の窪みを形成する工程と、
(4)前記被覆樹脂層に露光を行い前記第一の窪みの底面に前記溝に相当する前記第一の面と垂直な方向に延在する第一の潜像と、前記第一の窪みと異なる場所に前記吐出口に相当する第二の潜像と、を形成する工程と、
(5)前記第一の潜像及び前記第二の潜像を現像し、前記溶解可能な樹脂層を除去して、前記溝及び前記吐出口を形成する工程と、
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。
本発明の構成により、鋸歯状の溝を有する液体吐出ヘッドであって、ブレードの摩耗が少なく、長期使用においても画像の乱れが生じにくい液体吐出ヘッドの製造方法を提供することができる。
本実施形態のインクジェット記録ヘッドの構成例を示す模式的斜視図及び模式的断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法の工程例を説明するための工程断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法の工程例を説明するための工程断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出口の吐出面側の開口形状の例を示す模式図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法における露光原理を示す模式図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの溝および吐出口形状の例を示す模式的上面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出口付近の断面形状の例を示す模式的断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの溝の断面形状の例を示す模式的断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの露光フォーカスの位置と吐出口面積の関係を示す図である。 本実施形態のインクジェットカートリッジを搭載したインクジェット記録装置の一実施形態の構成を示す模式的斜視図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの構成例を示す模式的斜視図及び模式的断面図である。
本発明の液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、更には各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッド装置を用いることによって、紙、糸、繊維、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。尚、本発明において「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味する。さらに、「液体」とは、広く解釈されるべきものであり、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、記録媒体の加工、或いはインク、または記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは記録媒体の処理としては、例えば、記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言う。
また、以下の説明では、本発明の適用例として、液体吐出ヘッドとしてインクジェット記録ヘッドを主な例として挙げて説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。また、液体吐出ヘッドとしては、インクジェット記録ヘッドの他、バイオッチップ作製や電子回路印刷用途の液体吐出ヘッドの製造方法にも適用できる。液体吐出ヘッドとしては、他にも例えばカラーフィルターの製造用途等も挙げられる。
以下、図面を参照して、本実施形態の液体吐出記録装置の構成例を説明する。
図10は、本実施形態のインクジェットカートリッジを搭載したインクジェット記録装置200の一実施形態の構成を示す模式図である。
図10におけるインクジェット記録装置においては、複数のインクジェットカートリッジ202を、ガイド軸205とリードスクリュー204によって保持されているキャリッジ201に搭載している。そして、キャリッジ201を左右方向に移動させながら記録用紙206に画像記録を行う。
ガイド軸205は、キャリッジ201を左右方向に移動する際の案内の役割を担う固定軸である。
またリードスクリュー204は、螺旋溝(不図示)が形成されている回転軸で、このリードスクリューが正逆回転することでキャリッジ201を左右方向に移動させることが可能となる。
記録用紙206は、インクジェット装置200の下部に蓄えられており、給紙ローラ207により紙押さえ板209の下を通ってインクジェット装置200の印字部へ送られる。
インクジェットカートリッジ202が記録用紙206上に画像記録するのに従って、排紙ローラ208は記録用紙206の必要な印字領域のみを送りながら、インクジェット装置200より排出する。
インクジェットカートリッジ202が記録用紙206に画像記録を行う前、もしくは画像記録中に、画像記録品位を劣化させないよう回復ユニット部203にて、インクジェットカートリッジ202の回復動作を行う。この回復ユニット部203には、ヘッドの吐出口が設けられている面に当接し、吸引回復を行うことができるキャップ203aと、ヘッドの吐出口が設けられている面を拭き払って清掃する(ワイピングする)ブレード203bと、が設けられている。
以下、本発明の実施形態の液体吐出ヘッドの形態について説明する。
図1(a)は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの構成を示す一部透かしの模式図である。また、図1(b)は、図1(a)におけるA−B線により基板に垂直な方向で切断した場合の模式的断面図である。
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出のためのエネルギーを発生させるエネルギー発生素子2が所定のピッチで第一の面(表面)上に形成された基板1を有している。基板1にはインクをインク流路(液体流路)12に供給する供給口13が形成されており、供給口13はエネルギー発生素子2の2つの列の間に開口している。基板1上には、各エネルギー発生素子の上方に開口する吐出口10と、供給口13から各吐出口10に連通する液体流路12とを形成する流路形成部材9が設けられている。このインクジェット記録ヘッドは、供給口13から液体流路12を通って供給されるインクに、エネルギー発生素子2によって発生する圧力等の吐出エネルギーを加えることによって、吐出口10からインク滴を吐出する。液体流路は圧力室を含む概念である。
また、本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおいて、流路形成部材9には、インク流路12の外側を取り囲む位置に、流路形成部材9の上面(吐出面とも称す)に開口する窪み5と、該窪み5に開口する溝7と、が形成されている。また、溝7は、微小な凹凸を複数有する鋸歯状の側壁を有する。鋸歯状の側壁は溝の延在方向に鋸歯状の凹凸が配置されている。
図に示されるように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、溝の側壁が鋸歯状に形成されている。溝の側壁が鋸歯状に形成されていることにより、流路形成部材に掛かる応力を緩和し、流路形成部材の剥離を抑制することができる。本実施形態における鋸歯状の側壁については、本願明細書に加え、特許文献1の説明も参酌できる。例えば、溝の縁部は、縁部に加わる応力の方向に対して直角となる部分を連続的には有していない。また、溝の縁部に設けられた凹凸は、直線の組合せにより構成されており、直線は、縁部に加わる応力の方向に対して直角となる部分を有していない構成であってもよい。または、溝の縁部に設けられた凹凸は、曲線の組合せにより構成されており、曲線は、その接線が縁部に加わる応力の方向に対して直角となる部分を連続的には有していない構成であってもよい。または、溝の縁部に設けられた凹凸は、直線と曲線の組合せにより構成されており、直線は縁部に加わる応力の方向に対して直角となる部分を有しておらず、曲線は、その接線が縁部に加わる応力の方向に対して直角となる部分を連続的には有していない構成であってもよい。
また、本実施形態において、流路形成部材は、液体流路の外側を取り囲む位置に溝を有し、該溝は前記流路形成部材の上面から下がった位置から鋸歯状の側壁を有する。また、本実施形態において、流路形成部材は、液体流路の外側を取り囲む位置に溝を有し、該溝は、流路形成部材の上面から下がった位置(基板側に近い位置)から基板に向かう鋸歯状の側壁と、該鋸歯状の側壁の上端部と前記流路形成部材の上面までのスロープと、を有する。
吐出口付近に付着したインクは、ブレード(不図示)によって図1(a)の矢印aの方向へ拭き取ることができる。
本実施形態の液体吐出ヘッドにおいて、特許文献1に示されるような、流路形成部材9には液体流路12の外側を取り囲むように溝7が形成されており、該溝7は流路形成部材上面に設けられた窪み5内に開口するように、該窪み5の下側に配置されている。そして、この鋸歯状の側壁を有する溝7は、応力を緩和する機能を果たしている。
ここで、上述のように、特許文献1に記載の液体吐出ヘッドでは、吐出口面におけるワイピング不良によるインク拭き残しが原因となり、長期使用による画像乱れが見受けられる場合があった。さらに、詳細に検討すると、このワイピング不良は、局部的なブレードの摩耗により生じたものであり、吐出面の鋸歯状に設けられた溝に対応する部分においてブレードの摩耗が顕著に見受けられた。これは、特に、被覆樹脂層の上面付近に露光フォーカスの位置を合わせて吐出口及び溝を同時に形成した場合、鋸歯状の側壁の開口端部の断面形状が鋭角になり(図7(a)参照)、ワイピング時に徐々に削れることが原因になっていると考えられた。この現象は、鋸歯状の先端部分が盛りあがったり、溝の幅が広い場合等に、影響が顕著となる傾向がある。本実施形態では、溝7の開口を窪み内に配置しているため、ブレードの摩耗を防ぐことができる。
窪み5の形成方法に関しては、特に制限されるものではなく、種々の手法を採用することができるが、窪みの位置によっては吐出口列との干渉も想定されることから、フォトリソグラフィー法によって形成されることが望ましい。
次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法について以下に図2を用いて説明する。
図2は、図1(a)のA−B線による基板面に垂直な方向の切断面におけるインクジェット記録ヘッドの構成を示す模式的断面図であって、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す断面工程図である。
まず、図2(a)に示すように、エネルギー発生素子2が第一の面上に形成された基板1を準備する。
基板1としては、一般的にシリコン基板が用いられる。エネルギー発生素子2は、液体を吐出させるための吐出エネルギーを発生するものであれば、特に制限されるものではない。エネルギー発生素子としては、例えば、発熱抵抗素子が挙げられ、発熱抵抗素子は近傍の液体を加熱することにより、液体に状態変化を生起させて液体を吐出口から吐出させる。なお、エネルギー発生素子2には素子を動作させるための制御信号入力電極(不図示)が接続されている。また、一般的には、これらエネルギー発生素子2の耐用性の向上を目的とした保護層(不図示)や、後述する流路形成部材とシリコン基板との密着性の向上を目的とした密着向上層(不図示)等の各種機能層が設けられる。もちろん本発明においてもこのような機能層を基板上に設けることは一向に差し支えない。
次に、図2(b)に示すように、基板1上に、溶解可能な樹脂層3を設ける(図2(b))。溶解可能な樹脂層3は、液体流路の型材となる流路型パターン3aと、該流路型パターンの外側を取り囲む土台パターン3bとを含んで構成されている。
溶解可能な樹脂層3は、溶解可能な樹脂を用いて形成することができ、例えば、光照射により現像液に可溶化するポジ型レジストを用いることができる。ポジ型レジストとしては、好適には、ポリメチルイソプロペニルケトン、ポリビニルケトン等のビニルケトン系、あるいはアクリル系の光崩壊型高分子化合物等を用いることができる。アクリル系の光崩壊型高分子化合物としては、例えば、メタクリル酸とメタクリル酸メチルとの共重合体、メタクリル酸とメタクリル酸メチルと無水メタクリル酸との共重合体等が挙げられる。また、溶解可能な樹脂の塗布方法として、スピンコート法やスリットコート法等の汎用的な手法を適用できる。
溶解可能な樹脂層3の厚さは、所望の液体流路の高さに形成でき、特に制限されるものではないが、例えば、2〜50μmであることが好ましい。
次に、図2(c)に示すように、溶解可能な樹脂層3上に、感光性樹脂からなる被覆樹脂層4を設ける。
感光性樹脂としては、ネガ型感光性樹脂を用いることができる。
被覆樹脂層4の材料は、その硬化物の特性としての機械的強度、インク耐性、下地との密着性、さらにはフォトリソグラフィー材料としての解像性が考慮されて選択されることが望ましい。これらの特性の観点から、ネガ型感光性樹脂層の材料としては、カチオン重合型のエポキシ樹脂組成物を好適に用いることができる。カチオン重合型のエポキシ樹脂組成物としては、ビスフェノールA型のエポキシ樹脂、フェノールノボラック型のエポキシ樹脂、クレゾールノボラック型のエポキシ樹脂、オキシシクロヘキサン骨格を有する多官能エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂をベースとする光カチオン重合型のエポキシ樹脂組成物が好適に用いられる。エポキシ基を2官能以上有する上記エポキシ樹脂を用いることで、硬化物は3次元架橋することが可能となり、所望の特性を得るのに適している。市販のエポキシ樹脂としては、例えば、株式会社ダイセル製「セロキサイド2021」、「GT−300シリーズ」、「GT−400シリーズ」、「EHPE3150」(いずれも商品名)、ジャパンエポキシレジン社製「157S70」(商品名)、大日本インキ化学工業社製「エピクロンN−865」(商品名)等が挙げられる。
上記エポキシ樹脂組成物に添加される光重合開始剤としては、光を吸収して酸を発生する光酸発生剤が好ましく、スルホン酸化合物、ジアゾメタン化合物、スルホニウム塩化合物、ヨードニウム塩化合物、ジスルホン系化合物がより好ましい。光重合開始剤の市販品としては、例えば、ADEKA製「アデカオプトマーSP−170」、「アデカオプトマーSP−172」、「SP−150」(いずれも商品名)、みどり化学製「BBI−103」、「BBI−102」(いずれも商品名)、三和ケミカル製「IBPF」、「IBCF」、「TS−01」、「TS−91」(いずれも商品名)等が挙げられる。さらに上記エポキシ樹脂組成物には、フォトリソグラフィー性能や密着性能等の向上を目的に、アミン類などの塩基性物質、アントラセン誘導体などの光増感物質、シランカップリング剤などを含むことができる。また、ネガ型レジストとして市販されている化薬マイクロケム社製「SU−8シリーズ」、東京応化工業社製「TMMR S2000」、「TMMF S2000」(いずれも商品名)等も用いることができる。
被覆樹脂層4を溶解可能な樹脂層3の上に設ける方法としては、例えば、常温で固体状のネガ型感光性樹脂を溶剤に溶解して調製した溶液をスピンコート法等により塗布することが挙げられる。
ネガ型感光性樹脂層4における吐出口となる領域の近傍で、吐出口が形成される表面が垂れこむと、その部分で吐出方向がよれる場合があるため、ネガ型感光性樹脂層4は溶解可能な樹脂層3上に平ら(フラット)に形成されることが望ましい。本実施形態においては、液体流路の型材となる流路型パターン3aと、該流路型パターンの外側を取り囲む土台パターン3bとで、感光性樹脂をブリッジしてくれるため、吐出口近傍を含む感光性樹脂層の表面を平らに形成することができる。
感光性樹脂の塗布溶剤としては、特に制限されるものではないが、有機溶剤を用いることができる。有機溶剤としては、例えば、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶剤、アセトン、メチルイソブチルケトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶剤、トルエン、キシレン、メシチレン等の芳香族系溶剤、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等を挙げることができる。これらの溶剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
さらに、必要に応じて、被覆樹脂層4の表面に撥水処理、親水処理等の表面改質処理を行っても良い。
また、ネガ型感光性樹脂層4の厚さとしては、流路形成部材の機械的強度の観点から、溶解可能な樹脂層3上の厚さT2(以下、吐出口プレートの膜厚と記載する;図2(f)参照)が3μm以上であることが好ましい。また、厚さの上限には特に制限はないが、吐出面付近に露光フォーカスの位置を合わせる手法を用いて吐出口径を高精度に歩留まりよく制御する観点から、60μm以下であることが好ましく、40μm以下であることがより好ましい。一般に、吐出口プレートの膜厚と吐出口径とは正の相関があり、吐出口プレートの膜厚が厚い方が吐出口径も大きい傾向がある。そのため、吐出口プレートの膜厚が60μm以下の場合、吐出口径の設計値が比較的小さくなるため、吐出口プレート面付近に露光フォーカスの位置を合わせる手法を用いて高精度な吐出口径を作製した場合、印字画質に与える影響が大きくなる。また、吐出口径は、直径30μm以下であることが好ましく、直径20μm以下であることがより好ましい。
次に、図2(d)及び(e)に示すように、土台パターンに沿って被覆樹脂層に窪み5を形成する。
より具体的には、流路型パターン3aの外側を取り囲む土台パターン3bの上方に土台パターンに沿って被覆樹脂層4に窪み5を設ける。
窪み5を設ける方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、モールド(成形用原盤)を使用した成型法(インプリント法)を用いることができる(図2(d)および(e))。すなわち、転写する窪み5の突起パターンを有するモールド14を被覆樹脂層4の上面に押し付けることで窪み5を形成することができる。また、例えば、モールド温度を20〜120℃、圧力0.01〜5MPaの条件で被覆樹脂層4に押し付けることができる。これにより、突起パターンを被覆樹脂層4に転写することが可能である。一般的なインプリント法では、パターンを転写する樹脂のガラス転移温度以上にモールドを加熱し、数MPaの圧力でパターンを転写する。しかし、本件ではパターンのアスペクト比が小さく、また窪み5を被覆樹脂層4の深部まで転写する必要がないことから、比較的低温、低圧力でパターニングすることが可能である。モールド14の基材としては、特に制限されるものではないが、例えば、各種金属材料、ガラス、セラミック、シリコン、石英、プラスチック、感光性樹脂など、種々の材料を用いることが可能である。
窪みは、液体流路の外側を取り囲む位置の被覆樹脂層の上面に形成される。窪みの伸長方向に垂直な面による断面形状は、特に制限されるものではなく、三角形状、台形等の四角形状等や、懸垂線形状等を挙げることができる。また、窪みの伸長方向に垂直な面による断面において、樹脂層上面と窪みの傾斜部(図5(b)のθ)が鈍角であることが好ましく、100°以上であることが好ましい。
窪み5の深さは、長期使用においても画像の乱れが生じにくいという観点から、最深部で1μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましい。また、窪み5の深さは、鋸歯状の溝7となる領域の内側の縁部の位置において、1μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましい。
窪み5の幅(図5のd1)は、吐出安定性の観点から、吐出口となる領域に重ならないのであれば、特に制限されるものではないが、例えば、40〜400μmの範囲である。
次に、図2(f)に示すように、被覆樹脂層4に、溝7に相当する第一の潜像と、吐出口に相当する第二の潜像と、を形成する。
より具体的には、鋸歯状の側壁を有する溝パターン及び吐出口パターンを含む露光パターンを有するフォトマスク8を介して、被覆樹脂層4をパターン露光する。この際、吐出面となる流路形成部材の上面付近(被覆樹脂層の上面と該上面から基板方向に10μmの位置との間)に露光フォーカスの位置を合わせて、ネガ型感光性樹脂からなる被覆樹脂層4をパターン露光することが好ましい。
その後、さらに感光性樹脂の軟化点以上の温度で熱処理(Post Exposure Bake;以後PEBとも称す)を行うこともできる。
被覆樹脂層にネガ型感光性樹脂を用いた場合、未露光部に第一の潜像及び第二の潜像が形成され、露光部が硬化される。
また、フォトマスク8は、露光波長の光を透過するガラスや石英などの材質からなる基板に、吐出口や溝などのネガ型感光性樹脂を硬化させない部分に合わせてクロム膜などの遮光膜が形成されたものである。
露光装置としては、例えば、投影露光装置を用いることができる。具体的には、露光装置としては、フォーカス機能を持つものであって、I線露光ステッパー、KrFステッパーなどの単一波長の光源や、マスクアライナーMPA−600Super(商品名、キヤノン製)などの水銀ランプのブロード波長を光源に持つ投影露光装置を用いることができる。これらの投影露光装置では、光源から発せられてマスクを透過した光は、投影レンズを介して集光し、基板上の感光性樹脂を露光する。本明細書内で述べている露光フォーカスとは、投影レンズを介して集光した光の焦点のことである。予め吐出口プレート面となる被覆樹脂層の表層の位置を測定し、基板を指定した位置に動かすことで、露光時に任意に露光フォーカスの位置を指定することが可能となる。
ここで、上述のように、本実施形態では、被覆樹脂層を露光する際の露光フォーカスの位置を、被覆樹脂層の上面と、該上面から基板方向に10μmの位置との間(図2(f)のT1)に合わせることが好ましい。図9(a)および(b)は、直径15.7μmのマスクを用いて、ネガ型感光性樹脂層の上面から露光フォーカスの位置をずらしていった際の吐出口径の変化を表す図である。図9(a)は、吐出口プレートの膜厚T2が15μmだった場合の吐出口径の変化を、図9(b)は、吐出口プレートの膜厚T2が25μmだった場合の吐出口径の変化を表している。なお、露光フォーカスの位置は、樹脂層上面を基準として、基板から樹脂層上面に向かう方向を正として表記している。いずれの場合も、樹脂層上面と該上面から基板方向に10μmの位置との間に露光フォーカスを合わせた場合に、吐出口径の変化が少ない。この位置に露光フォーカスを設定した場合、基板内にて若干の吐出口プレートの厚みにばらつきが出た際にも吐出口径のばらつきを少なくすることができることがわかる。一方、いずれの場合も露光フォーカスの位置が10μmを越えると吐出口径の変化が大きくなる傾向にあるのがわかる。また、吐出面より上方の位置に露光フォーカスの位置を合わせた場合には、吐出口の形状が崩れる傾向がある。
次に、図2(g)に示すように、第一の潜像及び第二の潜像を現像する。
より具体的には、ネガ型感光性樹脂の未露光部を現像することにより、吐出口10および鋸歯状の側壁を有する溝7を形成する。
現像液としては、例えば、MIBK(メチルイソブチルケトン)、キシレン等が使用可能であり、必要に応じてIPA(イソプロピルアルコール)等によるリンス処理、およびポストベークを行っても良い。
本実施形態における吐出口形状は、吐出特性などを考慮して図4(a)〜(c)に示す形をはじめ、適宜形状を選定することができる。特に、図4(c)のような吐出口内に突起16を設けた吐出口10を用いた場合、突起16間に液体を保持することで、吐出時にインク滴が複数(主滴とサテライト)に分割するのを大幅に低減し、高画質印字を実現することができる。
次に、図2(h)に示すように、アルカリ系エッチング液を用いて供給口13を形成し、その後、溶解可能な樹脂層3を溶解除去して、液体流路12を形成する。
その後、必要に応じて、流路形成部材9をより硬化させるために熱処理をし、インクジェット記録ヘッドを完成させる。
窪み5は、フォトリソグラフィー法によるネガ型感光性樹脂のパターニングを用いて形成することもできる。
また、本実施形態のフォトリソグラフィー法による窪み形成技術を応用すれば、吐出口をテーパー形状を形成することが可能となる。
以下に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法について、図3を用いて説明する。
図3は、図1(a)のA−B線による基板面に垂直な方向の切断面におけるインクジェット記録ヘッドの構成を示す模式的だ断面図であって、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す断面工程図である。
図3(a)〜(c)の工程は、上記図2(a)〜(c)の工程と同様である。
図3(d)および(e)において、流路型パターン3aの外側を取り囲む配置形状を有する土台パターン3bに沿ってネガ型感光性樹脂層4の上面に窪み5を形成する。また、窪み5と同時に、吐出口が形成される領域を含むように窪み15をネガ型感光性樹脂層4の上面に形成する。以下、溝7が形成される窪み5を第一の窪みと称し、吐出口が形成される窪み15を第二の窪みと称す。
第一の窪み5と第二の窪み15は、例えば、以下のように設けることができる。まず、フォトマスク6を介してフォトリソグラフィー技術により、第一の窪み5を形成する領域及び第二の窪み15を形成する領域を除いた部分を、ネガ型感光性樹脂層4が硬化する露光量で露光する(図3(d))。その後、ネガ型感光性樹脂層4の軟化点以上の温度で熱処理(PEB)をすることで、溝7が形成される第一の窪み5と吐出口が形成される第二の窪み15を同時に設けることが可能である(図3(e))。第一の窪み5および第二の窪み15の形状及び配置については、使用するヘッド形態に応じて適宜選択することが可能であり、窪みの深さは露光量、熱処理(PEB)の温度、ネガ型感光性樹脂層4の膜厚によって制御することが可能である。
また、第二の窪み15の内に、単独の吐出口10となる領域が含まれていてもよいし、複数の吐出口10となる領域が含まれていてもよい。
ここで、第二の窪み15と吐出口の形態の一例について説明する。
図11において、流路形成部材9の表面(図において上側の面)には第二の窪み15がヒータ2の列方向に沿って設けられている。ヒータ2の列方向(以下、ヒータ列方向とも称す)に垂直な面による第二の窪み15の断面形状(図11(c)に相当)において、第二の窪み15の表面形状は懸垂線形状を有しており、第二の窪み15の最深部が窪みの中心に位置している。また、窪みの最深部の深さは、吐出口10からなる列の形成領域において一定となっている。
第二の窪み15内には、吐出口10の外側開口10aが配置されており、吐出口の中心は第二の窪み15の最深部に位置している。吐出口10は、図11(b)に示すように、外側開口10aは円形状であり、内側開口10bは楕円形状を有している。吐出口10は、基板面に平行な面による断面おいて、内側開口10b(特に開口の最下点)から外側開口10aに向かって断面積が小さくなっている。また、吐出口10の基板面に平行な面によるすべての断面の中心は、同軸上に位置している。また、図11(c)に示すように、吐出口の列方向に沿った中心線(図11(b)における点線A−A′に相当する線)を含み基板面に垂直な面による吐出口の断面(図11(c)に相当する断面)において、吐出口10の側面部と吐出口の外側開口10aの法線との間の角度はほぼ0°となっている。一方、吐出口の中心を通り吐出口の列方向(ヒータ列方向)に垂直な面による吐出口の断面(図11(d)に相当する断面)において、吐出口10の側面部と吐出口の外側開口10aの法線との間には所定の角度がついている。
本実施形態により得られる液体吐出ヘッドは、吐出口10がヒータ2の上方に配置され、吐出口10の点線B−B′による断面において、内側開口10bから外側開口10aに向かって徐々に断面積が小さくなるテーパー形状を有している。基板面に垂直な面による吐出口の断面における吐出口10の側面部と外側開口10aの法線との間の角度11は、吐出口10の点線B−B′による断面(つまり吐出口の中心を通りヒータ列方向に垂直な面による断面)において、角度11は5°以上20°以下であることが好ましい。また、吐出口10の点線B−B′による断面における角度11は、20°よりも大きくてもよい。角度11は、所望される吐出特性に応じて、各吐出口毎に作り分けることも可能である。
第二の窪み15の深さは、露光時の露光量、熱処理の温度および時間、又は流路形成部材の膜厚などによって調整することが可能である。窪みの最深部の深さは吐出口列の形成領域において一定に形成されていることが好ましい。熱処理の温度は、例えば、60〜150℃である。吐出口の列方向と垂直な面による第二の窪みの断面形状は、例えば、懸垂線形状である。
なお、上述の説明では、列方向に沿って第二の窪みを形成する例を具体的に説明したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、各吐出口毎に窪みを形成する構成とすることができる。また、第二の窪みは吐出口の列方向に垂直な面による断面の両側に傾斜を有する形状を有すればよい。
以下、図3(f)〜(h)の工程は、上記図2(f)〜(h)の工程と同様である。
テーパー形状の吐出口を形成するために吐出口側にも窪みを形成したい要求がある場合、本手法が有効である。本手法を用いることで、第一の窪み5と第二の窪み15を同時に作製できる。すなわち、工程を新たに増やすことなく本発明の製造方法を実施することも可能となる。また、本実施形態では、窪み内に吐出口の潜像を形成し、窪みの傾斜による屈折角度の違いを利用して吐出口及び溝の潜像を形成することができる。
図5(a)は、窪み5が形成されたネガ型感光性樹脂層4を、上方から見た模式的平面図である。また、図5(b)は、図5(a)のC−D線における断面形状を示す模式的断面図である(ネガ型感光性樹脂層以外の構造物は省略している)。
図5(a)においてd1は窪みの幅を示し、図5(b)においてd2はフォトマスク8の遮光部の幅を示す。図5(b)において、遮光部は溝7に相当する第二の潜像を形成する遮光パターンを有し、窪み5の中央底部と遮光部の中央が一致するようにフォトマスク8が配置されている。また、遮光された幅d2よりも窪み5の幅d1の方が大きく形成されている。図1(b)に示すように、フォトマスク8を介して窪み内に入射する光は、窪み5の傾斜部(L2)において屈折する。このとき、傾斜部(L2)に入射する光の入射角は、傾斜部(L2)に対して垂直なL3と入射光の光路とのなす角Φ1で表される。ここで、入射する光に垂直な線をL1とすると、L1とL2のなす角は入射角Φ1と等しい。スネルの法則を用いると、L2において屈折した光路の屈折角Φ2は、n1sinΦ1=n2sinΦ2と表すことができる。ここでn1は窪み5の屈折率、n2はネガ型感光性樹脂層4の屈折率であり、n1が空気の場合はn1=1、ネガ型感光性樹脂層4の屈折率n2は1以上であることから、屈折角Φ2<Φ1となる。したがって、未露光部からなる第二の潜像は深部に向かうほど広がり、鋸歯状の溝7は流路形成部材の上面に向かうほど(近いほど)断面積が小さくなるテーパー形状となる。なお、鋸歯状の溝7のテーパー角度は、露光時の光学条件やレンズ形成樹脂層の屈折角などにより、必ずしも屈折角Φ2とは同一にはならない。
また、吐出口が形成される第二の窪み15についても上記と同様のことが言え、吐出口をテーパー形状とすることができる。吐出口10が液体流路側から流路形成部材の上面側に向かって断面積が小さくなるテーパー形状を有する場合、吐出口における流体抵抗を制御し、インクの着弾精度の低下や吐出始めの不吐等を抑制することができる。
上述の原理によって、第一の窪み5の傾斜部に露光することで、鋸歯状の溝7は流路形成部材の上面の方向に向かって断面積が小さくなるテーパー形状となる(図8(a))。鋸歯状の溝7をこのようなテーパー形状とすることで、流路形成部材の応力が緩和され、特に長尺や多穴の液体吐出ヘッドに対して剥がれ抑制に対する効果もある。なお、本発明は、鋸歯状の溝7の断面がテーパー形状を有するものに限定されるものではなく、例えば窪み5のフラットな底面に露光することで、鋸歯状の溝7を断面積の変化がないストレート形状に形成することもできる(図8(b))。
以下に本発明の実施例を示し、さらに本発明を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、実施例1〜7および比較例1〜2のインクジェット記録ヘッドは、吐出口プレートの膜厚T2が40μm、吐出口の直径が19μmであり、吐出口プレートが比較的厚く、吐出口径が比較的大きい長尺チップを取り扱っている。
また、実施例8〜9および比較例2は、吐出口プレートT2の膜厚15μm、吐出口の直径12μmであり、吐出口プレートが比較的薄く、吐出口径が比較的小さい高精細チップを取り扱っている。
(実施例1)
図2(a)〜(h)の工程によりインクジェット記録ヘッドを作製した。具体的には、まず、エネルギー発生素子2を設けた基板1上(図2(a))に、ポリメチルイソプロペニルケトン(東京応化工業社製、商品名:ODUR−1010)を15μmの厚さで塗布した。次いで、Deep−UV露光装置(ウシオ電機製、商品名:UX3000)によって流路型パターン3aと、該流路型パターンの外側を取り囲むような配置形状を有する土台パターン3bとからなる溶解可能な樹脂層3を形成した(図2(b))。次に、表1にその組成を示すネガ型感光樹脂を溶解可能な樹脂層3上に基板1表面から55μmの膜厚で塗布し、90℃で5分間の溶剤乾燥(プリベーク)を行って、ネガ型感光性樹脂層4を形成した(図2(c))。
次いで、インプリント法を使用して、土台パターン3bに沿ってネガ型感光性樹脂層4に窪み5を形成した。具体的には、まず、幅50μmの土台パターンに沿った底面(押圧面)を持ち、高さ5μmの台形の断面を持つ突起パターンが設置されているモールド14を用意した(図2(d))。次いで、鋸歯状の溝7となる領域の内側の縁部の位置において3μmの深さとなるようにモールド14を押しつけて、窪み5を作製した(図2(e))。
次いで、フォトマスク8を介して、鋸歯状の溝に相当する第二の潜像と、吐出口に相当する第一の潜像とをパターン露光した(図2(f))。このとき、露光機にはI線露光ステッパー(キヤノン社製)を用い、露光量は4000J/m、露光フォーカスは樹脂層4の上面を基準として基板1方向に5μmの位置とした。次いで、90℃で4分間の熱処理(PEB)を行い、メチルイソブチルケトン:キシレン=1:1(重量比)の混合溶剤にて現像、イソプロピルアルコールにてリンス処理を行い、鋸歯状の溝及び吐出口を形成した(図2(g))。本実施例では、図6(a)に示すように、幅d3が20μm、長さd4が14μmの三角形形状を持つ凸部を溝の両側に複数有し、溝の内側の縁部の幅d5が18μmである鋸歯状の溝を形成した。また、図6(b)に示すように、直径d6が19μmの吐出口10を形成した(図6(a)において窪み5は省略している)。
次いで、基板1の裏面にポリエーテルアミド樹脂組成物(日立化成製、商品名:HIMAL)を用いて、幅1mmの長方形の開口部形状を有するエッチングマスク(不図示)を作製した。次いで、80℃に保持した22wt%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液中に基板1を浸漬し、基板の異方性エッチングを行って、インク供給口13を形成した。なお、この際エッチング液から基板1表面の樹脂層を保護する目的で、保護膜(不図示、東京応化工業製、商品名:OBC)を基板1の表面に塗布して異方性エッチングを行った。
次いで、保護膜を、キシレンを用いて溶解除去した後、Deep−UV露光装置(ウシオ電機製、商品名:UX−3000)を用いて全面露光を行った。その後、乳酸メチル中に超音波を付与しつつ浸漬して溶解可能な樹脂層3を溶解除去することで、液体流路12を有する流路形成部材9を形成した(図2(h))。
次いで、200℃で60分の加熱処理を施して流路形成部材を完全に硬化させ、切断分離工程を経て、2mm×20mmのサイズのチップ化した(不図示)。その後、インク供給のための部材(不図示)の接合、エネルギー発生素子2を駆動するための電気的接合(不図示)等を行って、インクジェット記録ヘッドを完成させた。
(実施例2〜6)
表2に示すように露光フォーカスの位置、窪み5の深さを変更した以外は、実施例1と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作製した。
(比較例1)
窪み5の形成工程(図2(d)および(e))を省いて窪み5を形成しなかった以外は、実施例1と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作製した。
(比較例2〜3)
窪み5の形成工程を省き、露光フォーカスの位置を表2に示すように変更した以外は、実施例1と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作製した。
実施例1〜6、および比較例1〜3で得られたインクジェット記録ヘッドに対して、以下の評価を行った。
〔評価1〕ブレード耐久性
作製したそれぞれのインクジェット記録ヘッドをプリンターに装着し、インク吐出、回復によるブレードこすり評価を2000回繰返し行ったのち、ブレードの状態、および、吐出口面の濡れ状態を観察し、その結果を表2に記した。評価の基準は以下の通りである。
○:ブレードに局部的な摩耗が見受けられず、吐出口面の濡れ状態もほぼ均一であった。
△:ブレードに局部的な摩耗がわずかに見受けられたが、吐出口面の濡れ状態はほぼ均一であった。
×:ブレードに局部的な摩耗が見受けられ、吐出口面に拭き残しと思われる濡れ領域が見受けられた。
〔評価2〕吐出口精度
作製したそれぞれのインクジェット記録ヘッドの全吐出口の面積を測定し、吐出口精度を評価した結果を表2に記した。評価の基準は以下の通りである。
○:吐出口面積の平均値を基準として、吐出口面積のバラツキが±10%以下のもの。
△:吐出口面積の平均値を基準として、吐出口面積のバラツキが±10%を超えて、±15%以下のもの。
×:吐出口面積の平均値を基準として、吐出口面積のバラツキが±15%を超えるもの。
評価の結果を表2に示す。
*1 土台パターンに沿ってネガ型感光性樹脂層に形成された窪みの深さ。
*2 樹脂層上面を基準とし、基板から樹脂層上面に向かう方向を正として表記する。
以下に、本発明の別の実施形態に関わる実施例を示し、さらに本発明を詳細に説明する。
また、実施例1〜5とは別の吐出口プレートT2の膜厚、吐出口の直径を用いた実施例を示し、さらに本発明を詳細に説明する。
(実施例7)
図3に示した実施形態に沿ってインクジェット記録ヘッドを作製した。フォトマスク6を介して、溝を形成する第一の窪み5が形成される領域と、吐出口を形成する第二の窪み15が形成される領域とを除いた部分を露光した(図3(d))。このとき、露光機にはI線露光ステッパー(キヤノン製、商品名:i5)を用い、露光量は2000J/mとした。さらに、100℃で4分間熱処理(PEB)することで、第一の窪み5及び第二の窪み15を形成した(図3(e))。形成された第一の窪み5の深さをレーザー顕微鏡(キーエンス製)にて測定したところ、少なくとも鋸歯状の溝7となる領域の内側の縁部の位置において、3μmの深さであった。その他の工程は実施例1と同様にして、インクジェット記録ヘッドを作製した。
(実施例8)
実施例1に対して、樹脂の塗布膜厚、吐出口径、露光フォーカスの位置、チップサイズを変更した。図2(b)工程において、ポリメチルイソプロペニルケトン(東京応化工業社製、商品名:ODUR−1010)の塗布膜厚を10μmとした。図2(c)工程において、ネガ型感光性樹脂を溶解可能な樹脂層3上に基板1表面から25μmの膜厚で塗布し(吐出口プレートT2の膜厚15μm)、溶剤乾燥(プリベーク)条件を60℃で9分間とした。図2(e)工程において、窪み5の深さが、鋸歯状の溝7となる領域の縁部の位置において3μmとなるようにした。図2(f)工程では、露光フォーカスを、樹脂層上面を基準として基板1方向に5μmの位置とした。なお、直径12μmの吐出口を形成した。チップ切断工程では、12mm×15mmのサイズのチップ化を行った。その他の工程は、実施例1と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作製した。
(実施例9〜11)
表2に示すように露光フォーカスの位置、第一の窪み5の深さを変更した以外は、実施例8と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作製した。
(実施例12)
実施例8に対して、窪み5の形成方法を変更し、図3に示した実施形態に沿って、インクジェット記録ヘッドを作製した。フォトマスク6を介して、溝を形成する第一の窪み5が形成される領域と、吐出口を形成する第二の窪み15が形成される領域とを除いた部分を露光した(図3(d))。このとき、露光機にはI線露光ステッパー(キヤノン製、商品名:i5)を用い、露光量は2000J/mとした。さらに、100℃で4分間熱処理(PEB)することで、第一の窪み5及び第二の窪み15を形成した(図3(e))。形成された第一の窪み5の深さをレーザー顕微鏡(キーエンス製)にて測定したところ、鋸歯状の溝7となる領域の内側の縁部の位置において、3μmの深さであった。その他の工程は実施例7と同様にして、インクジェット記録ヘッドを作製した。
(比較例4)
窪み5の形成工程を省いて窪みを形成しなかった以外は、実施例8と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作製した。
表2と同様の評価を行った結果を、表3に示す。
表2および表3に示すように、本発明の実施形態によれば、長期使用においても画像の乱れが生じにくい液体吐出ヘッドを提供できる。さらに露光フォーカス位置を調整することにより、チップ内および同一ウエハ内の複数の吐出口径を精度良く形成できる。
1 基板
2 エネルギー発光素子
3 溶解可能な樹脂層
3a 流路型パターン
3b 土台パターン
4 被覆樹脂層
5 窪み(第一の窪み)
6 フォトマスク
7 溝
8 フォトマスク
9 流路形成部材
10 吐出口 10a 吐出口の外側開口
10b 吐出口の内側開口
11 角度

12 液体流路
13 供給口
14 モールド
15 第二の窪み
16 突起
200 インクジェット記録装置
201 インクジェットカートリッジ
203 回復ユニット部
203a キャップ
203b ブレード
204 リードスクリュー
205 ガイド軸
206 記録用紙
207 給紙ローラ
208 排紙ローラ
209 紙押さえ板

Claims (8)

  1. 液体を吐出するエネルギーを発生させるエネルギー発生素子が第一の面上に形成された基板と、前記基板の上に、前記液体を吐出する吐出口及び該吐出口に連通する液体流路を形成する流路形成部材と、を備え、
    前記流路形成部材は、前記液体流路の外側を取り囲む位置に、該流路形成部材の上面に開口する第一の窪みと、該第一の窪みに開口する溝と、を有し、
    前記流路形成部材の上面と前記第一の窪みの傾斜部との間の、前記流路形成部材側の角度は鈍角であり、
    前記溝は、鋸歯状の側壁を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    (1)前記基板の前記第一の面上に、溶解可能な樹脂を用いて、前記液体流路の型材となる流路型パターンと、該流路型パターンの外側を取り囲む土台パターンと、を含む溶解可能な樹脂層を形成する工程と、
    (2)前記基板および前記溶解可能な樹脂層の上に、感光性樹脂からなる被覆樹脂層を形成する工程と、
    (3)前記土台パターンに沿って前記被覆樹脂層の上面に、前記第一の面と平行な方向に延在する底面を有する前記第一の窪みを形成する工程と、
    (4)前記被覆樹脂層に露光を行い前記第一の窪みの底面に前記溝に相当する前記第一の面と垂直な方向に延在する第一の潜像と、前記第一の窪みと異なる場所に前記吐出口に相当する第二の潜像と、を形成する工程と、
    (5)前記第一の潜像及び前記第二の潜像を現像し、前記溶解可能な樹脂層を除去して、前記溝及び前記吐出口を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  2. 前記第一の潜像及び前記第二の潜像は、前記被覆樹脂層の上面と該上面から前記基板方向に10μmの位置との間に露光フォーカスの位置を合わせて同時に形成する請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  3. 前記感光性樹脂がネガ型感光性樹脂である請求項又はに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  4. 前記工程(3)において、前記第一の窪みに加え、前記吐出口が形成される第二の窪みも同時に形成される請求項乃至のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  5. 前記工程(3)において、少なくとも、前記第一の窪みが形成される領域と、前記第二の窪みが形成される領域と、を除いた部分の前記被覆樹脂層を露光した後に、前記感光性樹脂の軟化点以上の温度で熱処理することにより、前記第一の窪みと、前記第二の窪みと、を同時に形成する請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  6. 前記第二の窪みの内に複数の前記吐出口が開口している請求項4又は5に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  7. 前記第一の窪みの伸長方向に垂直な面による断面形状は四角形状である請求項1乃至6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  8. 前記第一の窪みは前記被覆樹脂層の上面に突起パターンを有するモールドを押し付けて形成する請求項1乃至7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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