ノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置
【課題】本発明は、着弾特性・飛翔特性などの動作特性に優れたノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】表面に開口した流路と、前記流路に連通した液室と、前記液室に連通し、裏面に開口したノズル孔と、を備え、前記液室は、前記裏面に対して略平行な平坦部を有し、前記ノズル孔は、前記平坦部において前記液室に連通してなることを特徴とするノズルプレートが提供される。
【解決手段】表面に開口した流路と、前記流路に連通した液室と、前記液室に連通し、裏面に開口したノズル孔と、を備え、前記液室は、前記裏面に対して略平行な平坦部を有し、前記ノズル孔は、前記平坦部において前記液室に連通してなることを特徴とするノズルプレートが提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用プリンタなどの記録装置、液晶表示装置や半導体装置などの製造に用いられる成膜装置においては、インクジェット法によりインクや膜素材を対象物に向けて吐出、飛翔させて着色や成膜を行う技術が知られている。
【０００３】
このインクジェット法に用いられる液滴吐出ヘッドは、一般に「インクジェットヘッド」とも呼ばれ、精巧な技術を駆使して製造される精密部品から構成されている。特に、インクや膜素材が吐出されるノズル孔部分は、着弾特性・飛翔特性などの基本的な動作特性に大きな影響を与えるため、極めて高い加工精度が要求されている。
【０００４】
このような、精巧でかつ高い加工精度が要求されるノズル孔部分の加工は極めて加工が難しく、その生産性は極めて低いものとなる。
そのため、ノズル孔部分の加工を容易にして生産性を向上させるために、ノズル孔部分を液滴吐出ヘッドのノズル本体と別個に構成して、それぞれを別加工した後に接着剤などで一体化する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
しかし、このような貼り合わせ技術においては、接着条件や接着面の管理が難しく製造プロセス上の安定性に欠け、ノズル孔位置のズレや接着剤のはみ出しなどの不具合を完全には防止することができなかった。
そのため、ノズル孔とノズル孔にインクを供給するインク流路とを一つのノズルプレートに設ける技術が提案されている（特許文献２、３を参照）。
【０００６】
しかし、このような技術においては、インクの供給部からノズル孔開口部までの寸法、すなわち、ノズル長さの寸法がバラツキ、これが着弾特性・飛翔特性などの基本的な動作特性に悪影響を与えるという新たな問題を生じていた。
【特許文献１】特開平０４−３５８８４１号公報
【特許文献２】特開２００５−９６１８８号公報
【特許文献３】特開２００５−１９９４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、着弾特性・飛翔特性などの動作特性に優れたノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、表面に開口した流路と、前記流路に連通した液室と、前記液室に連通し、裏面に開口したノズル孔と、を備え、前記液室は、前記裏面に対して略平行な平坦部を有し、前記ノズル孔は、前記平坦部において前記液室に連通してなることを特徴とするノズルプレートが提供される。
【０００９】
また、本発明の他の一態様によれば、板状体の表面に開口した液室を形成し、前記液室の底部に平坦部を形成し、前記平坦部に連通し前記板状体の裏面に開口したノズル孔を形成すること、を特徴とするノズルプレートの製造方法が提供される。
【００１０】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、前記ノズルプレートと、前記液室内の液体に圧力を加える加圧手段と、を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッドが提供される。
【００１１】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、前記ノズルプレートの製造方法によりノズルプレートを形成し、前記流路を覆うように前記加圧手段を設けること、を特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法が提供される。
【００１２】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、前記液滴吐出ヘッドと、被処理物と前記液滴吐出ヘッドとの位置を相対的に移動させる移動手段と、液体を収納する液体収納手段と、を備えたことを特徴とする液滴吐出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、着弾特性・飛翔特性などの動作特性に優れたノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をする。
図１は、本発明の実施の形態に係るノズルプレート１１を備えた液滴吐出ヘッド１の模式断面図である。
図２は、液滴吐出ヘッド１の模式外観図である。
図２に例示するように、液滴吐出ヘッド１は、複数のノズル孔１２を備えたいわゆるマルチノズル型の液滴吐出ヘッドである。また、図１は、図２のＡ−Ａ方向の断面を拡大した図である。
【００１５】
ここで、液滴吐出ヘッド１の駆動方式には、加熱により気泡を発生させ膜沸騰現象を利用して液体を吐出させる「サーマル型」と、圧電素子の屈曲変位を利用して液体を吐出させる「圧電型」と、があるが、説明の便宜上、ここでは圧電型を例にとって説明をする。
【００１６】
図１に示すように、液滴吐出ヘッド１は、ノズルプレート１１の上に設けられた可撓性膜３と、可撓性膜３の上に設けられた圧電素子４を備えている。「圧電型」の場合は、可撓性膜３と圧電素子４とが、液室９内の液体に圧力を加える加圧手段となる。圧電素子４は、下部材６、駆動電極７、上部材５、駆動電極８の順に積層した後、一体焼成したものである。このように一体焼成された圧電素子４は、強度が高く取扱も容易となる。
【００１７】
ノズルプレート１１の表面（上面）に開口するように、流路１０が設けられ、流路１０の開口部を覆うように可撓性膜３が設けられている。
流路１０の開口部側と対向する面には、液室９が連通している。液室９は複数設けられ、それぞれの液室９に連通する流路１０が、それぞれ存在する。
【００１８】
液室９の一端（下方端）には、液室９に連通するように平坦部９ａが設けられている。平坦部９ａは、ノズルプレート１１の裏面に対して略平行とされている。そして、平坦部９ａにおいて、ノズル１２ａが連通している。すなわち、ノズル孔１２の一端に設けられたテーパー部１２ａが開口し、このテーパー部１２ａを介して液室９とノズル孔１２とが連通するようになっている。ノズル孔１２の他端は、ノズルプレート１１の裏面（下面）に開口している。ここで、テーパー部１２ａの体積は小さいので、これをノズル孔１２の一部と見なすことができる。そのため、平坦部９ａ（液室９の下方端）からノズル孔１２の開口部までの寸法が、ノズル長さＬとなる。
【００１９】
可撓性膜３の上面には、圧電素子４が設けられている。このとき、圧電素子４の屈曲変位による圧力波が液室９内の液体に伝わりやすくなるように、液室９の直上に圧電素子４を設けるようにすることが好ましい。
【００２０】
ただし、これらの配置や形状は、図１に例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。例えば、それぞれの液室９が専用に設けられた流路１０に連通していなくてもよく、一つの共通の流路１０に複数の液室９が連通するようになっていてもよい。圧電素子４の構造上、下部材６が振動板、上部材５が圧電体となるが、これに限定されるわけではなく、また、変位を生じさせる各種の駆動形式をも採用することができる。
【００２１】
ノズルプレート１１の材質はステンレスやニッケル合金などとすることができ、可撓性膜３の材質はポリエチレンテレフタレートなどとすることができる。また、圧電素子４の下部材６と上部材５の材質は、圧電セラミックス（例えば、ジルコンチタン酸鉛）とすることができ、駆動電極７と駆動電極８は銅合金などとすることができる。ただし、これらの材質は、例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。例えば、ノズルプレート１１の材質は、吐出させる液体に対する耐食性を有する樹脂、金属、半導体材料などから選択することができる。
【００２２】
液滴吐出ヘッド１の主な部分の寸法を例示すれば、ノズルプレート１１の厚みを１ｍｍ〜数ｍｍ程度、流路１０の断面形状を高さ最大数ｍｍ程度（液室９の高さより薄い）×幅数１００μｍ程度、円柱状の開孔であるノズル孔１２の直径を２０μｍ〜５０μｍ程度、液室９の直径を２５０μｍ〜６００μｍ程度、可撓性膜３の厚さを１０μｍ程度、圧電素子４の厚さを３０μｍ程度とすることができる。
【００２３】
ノズル長さＬは、５０μｍ以上、１５０μｍ以下とすることが好ましい。５０μｍ未満とすればノズル孔の開口部分付近の強度が低下し、液滴吐出時の内部圧力の上昇により、開口部分付近に変形が生ずる虞があるからである。また、１５０μｍを越えるものとすれば、ノズル孔の加工性や吐出抵抗の増加の観点から好ましくないからである。
【００２４】
ノズル孔１２の直径を１とした場合、液室９の直径は、５以上、３０以下とすることが好ましい。また、８以上、２０以下とすることがより好ましい。３０を越えるものとすれば、受圧面積が大きくなりすぎ、液滴吐出時の内部圧力の上昇により、開口部分付近に大きな力が働くので、開口部分付近に変形が生ずる虞があるからである。また、５未満とすれば液室９の深さ方向の加工精度（平坦部９ａの位置精度）を上げることが困難となり、さらには液室９とノズル孔１２の同芯度を確保することも容易ではなく後述する着弾特性・飛翔特性などの動作特性に問題が生じるからである。
【００２５】
平坦部９ａの平面度は１０μｍ以下とすることが好ましい。１０μｍを越えるものとすれば、ノズル孔１２加工時に加工誤差が生じるので、後述する着弾特性・飛翔特性などの動作特性に問題が生じるからである。
また、図では流路１０の断面形状を矩形としたが、これに限られるわけではなく角に丸みを有したものであってもよい。これらの寸法や形状は、例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。
【００２６】
ここで、本発明者は、検討の結果、吐出される液体を供給する部分である液室９の一端（下方端）からノズル孔１２の開口部までの寸法、すなわち、ノズル長さＬがばらつくと、これが着弾特性・飛翔特性などの基本的な動作特性に悪影響を与えるとの知見を得た。
【００２７】
図３は、従来の液室の一端（下方端）付近を説明するための模式図である。
図３に示すように、ノズルプレート１１１に設けられた液室１０９の一端（下方端）には、テーパー部１１２ａが設けられ、このテーパー部１１２ａを介して液室１０９とノズル孔１１２とが連通するようになっている。この時のテーパー部１１２ａの上部開口寸法は、液室１０９の断面寸法と略同一である。そして、ノズル孔１１２の他端は、ノズルプレート１１１の裏面（下面）に開口している。
【００２８】
ノズルプレート１１１の場合は、液室１０９の一端（下方端）に、平坦部９ａが設けられていない。また、テーパー部１１２ａの断面寸法が大きく、テーパー部１１２ａは液室１０９と同様に液体を供給するという機能を有する。そのため、テーパー部１１２ａは、液室１０９の一部と見なすことができる。
【００２９】
この場合、テーパー部１１２ａとノズル孔１１２との接続部分である接続部１１２ｂからノズル孔１１２の開口部までの寸法がノズル長さＬ１となり、この接続部１１２ｂの位置精度がノズル長さの精度にとって重要な要素となる。
この接続部１１２ｂの位置は、ノズル孔１１２の加工時に決まるものであるが、従来はその位置精度までは考慮がされていなかった。
【００３０】
図４は、ノズル孔の加工を説明するための模式図である。
液室１０９の加工においては、先端が円錐状をしたドリルを用いるのが一般的である。まず、図４（ａ）に示すように、ドリルによりノズルプレート１１１に孔をあける。加工後には、円錐状の先端１０９ａを有する孔があくことになり、ストレート部分が液室１０９となる。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示すように、円錐状の先端１０９ａを案内にしてノズル孔１１２の加工を行う。円錐状の先端１０９ａの内、ノズル孔１１２の加工後に残った部分が、テーパー部１１２ａとなる。また、テーパー部１１２ａとノズル孔１１２との接続部分が、接続部１１２ｂとなる。
【００３２】
ここで、円錐状の先端１０９ａの寸法は、ドリル先端の研ぎ具合やドリル先端の摩耗などにより大きく変動する。その結果、接続部１１２ｂの位置が変動するので、ノズル長さＬ１の精度を高めることが困難となる。特に、図２に示したマルチノズル型のように多くのノズル孔を有するものでは、１つのノズルプレートの中で、全てのノズル長さＬ１を揃えることは極めて困難である。
【００３３】
また、後述するように先端１０９ａの表面は荒れているため、これを案内としてノズル孔１１２の加工を行うと、ノズル孔１１２が曲がってあき、ノズル孔１１２同士のピッチ寸法の精度が悪くなるという問題もある。
これに対し、本実施の形態に係るノズルプレート１１においては、前述したように液室９の一端（下方端）に平坦部９ａが設けられている。また、テーパー部１２ａも小さく、これをノズル孔１２の一部と見なすことができる。そのため、平坦部９ａ（液室９の下方端）からノズル孔１２の開口部までの寸法が、ノズル長さＬとなる。この時、平坦部９ａは位置精度や平面度を出すことが可能であるため、ノズル長さＬの寸法精度を飛躍的に向上させることができる。その結果、着弾特性・飛翔特性などの動作特性を飛躍的に向上させることができる。
また、後述するように平坦部９ａは平坦な面とすることができるので、直線性に優れたノズル孔１２の加工をすることができ、ノズル孔１２のピッチ寸法の精度も飛躍的に向上させることができる。
【００３４】
図５は、着弾特性を説明するためのグラフ図である。
図５（ａ）は、図３，図４で説明をしたノズル孔１１２を備えるノズルプレート１１１の着弾特性を示し、図５（ｂ）は、本実施形態に係るノズル孔１２を備えるノズルプレート１１の着弾特性を示したものである。この場合の着弾特性は、６４個のノズル孔に対する着弾誤差をひとつのグラフ上にプロットしたものである。尚、ノズルプレート以外の条件は同一としている。また、図５（ａ）、（ｂ）とも着弾目標は、グラフ図中央のＣ点としている。
【００３５】
図５（ａ）に示すように、従来のノズル孔１１２を備えるノズルプレート１１１では、着弾位置が着弾目標であるＣ点を中心に２次元的拡がりをもってバラついていることが分かる。これに対し、図５（ｂ）に示すように、本実施形態に係るノズル孔１２を備えるノズルプレート１１では、着弾目標であるＣ点付近に集中して着弾させることができることが分かる。
【００３６】
図６は、ノズル孔のピッチ寸法精度を説明するためのグラフ図である。
図６（ａ）は、図３，図４で説明をしたノズル孔１１２のピッチ寸法精度を示し、図６（ｂ）は、本実施形態に係るノズル孔１２のピッチ寸法精度を示したものである。この時の測定対象は、図２に示したようなマルチノズル型のノズルプレートとした。グラフ図の横軸のノズル番号は、マルチノズルの個々のノズル孔を示し、縦軸はピッチ誤差を示している。
図６（ａ）、（ｂ）から明らかなように、本実施形態に係るノズル孔１２によれば、ノズル孔１２のピッチ寸法の精度も飛躍的に向上させることができる。
【００３７】
次に、液滴吐出ヘッド１の作用を説明する。
駆動電極７、駆動電極８に電圧を印加させると上部材５が下方に凸の屈曲変位をし、これに伴って積層構造の圧電素子４が下方に凸の屈曲変位をする。この屈曲変位は、図１中に波線で示すように、可撓性膜３を下方に押し下げ、液室９内の液体をノズル孔１２の方向に向かって加圧する。そのため、屈曲変位に応じた液体がノズル孔１２より吐出されることになる。
【００３８】
吐出により減少した液体は、流路１０を通じて図示しない液体収納手段から補充される。印加電圧を制御すれば圧電素子４の屈曲変位を制御することができるので、図示しない制御装置により印加電圧を制御して、吐出量の制御をすることができる。尚、圧電素子４の屈曲変位は可撓性膜３に吸収され、隣接する圧電素子や圧力室との間の相互干渉が防止される。
【００３９】
次に、液滴吐出ヘッド１の製造方法について説明をする。
図７は、ノズルプレート１１の加工に用いる加工手段１３を例示するための模式図である。
フレーム１４の上面にはＸ軸テーブル１５が設けられ、Ｘ軸テーブル１５上にはＹ軸テーブル１６が設けられている。また、Ｙ軸テーブル１６上にはスペーサ１７を介して回転スピンドル１８が設けられ、回転スピンドル１８には工具保持手段２０が設けられている。
【００４０】
また、工具保持手段２０に保持された工具１９は、図示しない工具交換手段により交換可能となっている。工具保持手段２０に対向するように、フレーム１４の上面にはＺ軸テーブル２１が設けられ、Ｚ軸テーブル２１には被加工物を保持するための保持手段２２が設けられている。フレーム１４の下面にはフット２３が設けられている。
【００４１】
Ｘ軸テーブル１５はＹ軸テーブル１６を図中のＸ軸方向に移動させる機能を有し、Ｙ軸テーブル１６はスペーサ１７と回転スピンドル１８を図中のＹ軸方向に移動させる機能を有する。回転スピンドル１８は、工具保持手段２０により保持された工具１９を回転させる機能を有する。尚、スペーサ１７は外部の振動が回転スピンドル１８に伝わることを防止する機能を有していてもよい。
【００４２】
Ｚ軸テーブル２１は、保持手段２２に保持させた被加工物を図中のＺ軸方向に移動させる機能を有する。フット２３は外部からの振動がフレーム１４に伝わることを防止するとともに、フレーム１４の上面が水平となるよう調整する機能を有する。Ｘ軸テーブル１５、Ｙ軸テーブル１６、Ｚ軸テーブル２１の位置制御や回転スピンドル１８の回転制御などは図示しない制御手段により行われる。
【００４３】
尚、図７に示した加工手段１３はあくまで例示であり、これに限定されるわけではない。また、加工方式としても切削加工、ドライエッチング加工、ウェットエッチング加工、放電加工、レーザー加工、塑性加工などの各種の物理的・化学的除去方法を採用することができ、このような方法を必要に応じて適宜組み合わせることもできる。
【００４４】
図８は、液滴吐出ヘッド１の製造方法を説明するための工程を示した断面図である。
尚、図１と同様の部分には同じ符号を付すことにする。
まず、図８（ａ）に示すように板材の外周を加工し、いわゆるブランク状態の板状体のノズルプレート１１を作成する。
【００４５】
次に、図８（ｂ）に示すように、このブランク状態のノズルプレート１１を前述した加工手段１３の保持手段２２に保持させ、工具保持手段２０に保持させた工具１９ａを回転スピンドル１８により回転させて、流路１０を加工する。この際用いられる工具１９ａは、溝を切るのに適したものを使用することができる。また、図示しない制御手段により加工位置がＸ軸テーブル、Ｙ軸テーブル、Ｚ軸テーブルの移動により決められ、工具回転速度などの加工条件も適宜決められる。
【００４６】
次に、図８（ｃ）に示すように工具保持手段２０に保持させた工具１９ｂを回転スピンドル１８により回転させて液室９を加工する。図８（ｃ）に例示した工具１９ｂは、ドリルであるが、これに限定されるわけではなく、孔をあけるのに適したものを適宜使用することができる。また、加工位置や加工条件などは前述の場合と同様に適宜決められる。尚、工具１９ｂは図示しない工具交換手段により交換される。この段階では、液室９の底面側には円錐状の凹部が残ることになる。
【００４７】
図８（ｄ）は、液室９を加工する工具１９ｃとしてエンドミルを用いた場合である。加工方法などは図８（ｃ）の場合と同様のため説明は省略する。この場合においては、液室９の底面側には円錐状の凸部が残ることになる。
【００４８】
次に、図８（ｅ）に示すように、液室９の底面側に残る円錐状の凹部や凸部を除去し、平坦部９ａを形成させる。図８（ｅ）に例示した工具１９ｄは、先端が平らで、かつ、先端部分にも切れ刃を有するものであるが、これに限定されるわけではなく、液室９の底面を平らに加工できるものであればよい。また、加工方法も適宜選択が可能であり、例えば、成形電極による型彫り放電加工、または細孔パイプ放電加工のようなものとすることもできる。尚、加工位置や加工条件などは前述の場合と同様に適宜決められ、工具１９ｄも図示しない工具交換手段により交換される。
【００４９】
次に、図８（ｆ）に示すように、工具保持手段２０に保持させた工具１９ｅを回転スピンドル１８により回転させて、ノズル孔１２の下孔加工（センター孔加工）を行う。この下孔加工（センター孔加工）は、次のノズル孔１２の加工の加工精度を上げるためのものである。
【００５０】
具体的には、ノズル孔１２よりやや径が大きく略Ｖ字の刃先形状を持つ工具１９ｅで、略Ｖ字の凹み２９を加工する。また、回転スピンドル１８の回転を止め、工具１９ｅを衝撃的に押し当てて塑性加工により凹み２９を形成させるようにすることもできる。尚、工具１９ｅは図示しない工具交換手段により交換される。
【００５１】
次に、図８（ｇ）に示すように、工具保持手段２０に保持させた工具１９ｆを回転スピンドル１８により回転させて、ノズル孔１２の孔加工を行う。このとき、略Ｖ字の凹み２９のセンタリング作用により工具１９ｆが案内されて工具１９ｆの振れが押さえられ、また、いわゆる食いつきが良くなるので加工当初の切削性も良好となる。ノズル孔１２の孔加工後、加工部分のバリ取り、加工屑の除去などを行う。
【００５２】
このような手順の加工を行えば、真円度、同芯度、真直度、寸法精度、位置精度などの高い優れたノズル孔１２を備えるノズルプレート１１を得ることができる。
また、平坦部９ａを形成させることができるため、さらに高いノズル孔の加工精度を得ることができ、前述したような着弾特性・飛翔特性などの動作特性やピッチ精度をも飛躍的に向上させることができる。
【００５３】
このような高い精度のノズル孔１２を備えるノズルプレート１１は、ノズル孔付近の部材とノズルプレート本体とを別個に作り接着剤などで固着した場合や、大きめの孔をあけ電気メッキを施すことによりノズル孔開口寸法を縮小させる場合には得ることができない。
【００５４】
次に、図８（ｈ）に示すように、ノズルプレート１１の流路１０の上面に可撓性膜３をエポキシ系接着剤で液密になるように接着し、可撓性膜３の上面に圧電素子４を設置する。この際、液室９の真上に圧電素子４が設置されるようにする。尚、圧電素子４は、下部材６、駆動電極７、上部材５、駆動電極８の順に積層した後、一体焼成したものを予め製造しておく。このようにして、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１が完成する。
【００５５】
図９は、平坦部の加工状態を説明するための写真図面である。
図９（ａ）は、 図８（ｃ）で説明をした液室９の底面側に残る円錐状の凹部を上方から（液室９側から）見た時の写真図面である。図９（ａ）から分かるように、円錐状の凹部には同心円状のパターンが見られ、寸法精度の悪さとともに面の表面もかなり荒れていることが分かる。尚、図８（ｄ）で説明をした円錐状の凸部に関しても同様である。
【００５６】
図９（ｂ）は、図８（ｅ）で説明をした切削加工をした後の平坦部９ａを上方から（液室９側から）見た時の写真図面である。図９（ｂ）から分かるように、平坦部９ａには同心円状のパターンもなく、寸法精度とともに平面度もよいことが分かる。
【００５７】
図９（ｃ）は、図８（ｅ）で説明をした成形電極による型彫り放電加工をした後の平坦部９ａを上方から（液室９側から）見た時の写真図面である。図９（ｃ）から分かるように、平坦部９ａには同心円状のパターンもなく、寸法精度とともに平面度もよいことが分かる。
【００５８】
次に、他の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの説明をする。
図１０は、加熱により液体を吐出させるサーマル型液滴吐出ヘッドの構成を例示するための模式断面図である。
図１に関して前述したものと同様の要素には同一の記号を付し、異なる部分のみを主に説明する。
【００５９】
液滴吐出ヘッド３２は、ノズルプレート１１上に保護膜３４を設置し、さらに保護膜３４上に発熱素子３３を設置している。「サーマル型」の場合は、保護膜３４と発熱素子３３とが、液室９内の液体に圧力を加える加圧手段となる。発熱素子３３は電気抵抗材料からなる抵抗薄膜により形成され、図示しない電力供給手段から電力が供給されるとジュール発熱を起こす。保護膜３４は酸化珪素や窒化珪素などの無機材料により形成されている。保護膜３４は厚さが２μｍ程度、発熱素子３３は厚さが３μｍ程度とすることができる。ただし、これらの配列、形状、寸法、材質は図８に例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。
【００６０】
次に、液滴吐出ヘッド３２の作用を説明する。図示しない電力供給手段から電力を発熱素子３３に供給して発熱素子３３を発熱させる。発熱素子３３の発熱により液中に気泡３５が発生する。発生した気泡３５の圧力により液室９内の液体をノズル孔１２方向に加圧する。圧力に応じた液体がノズル孔１２より吐出される。吐出により減少した液体は、流路１０を通じて図示しない液体供給手段から補充される。発生した気泡３５は周囲の液体に熱を取られて収縮するように消滅し、次の発熱、気泡の発生を待つ。この一連の過程で供給電力を制御すれば気泡３５の大きさやその発生のタイミングを制御することができるので、図示しない制御装置により供給電力の制御をすれば、吐出量や吐出タイミングの制御をすることができる。
【００６１】
液滴吐出ヘッド３２の製造方法は、可撓性膜３が保護膜３４に、圧電素子４が発熱素子３３に代わるほかは図８に関して前述したものと同様であるため説明は省略する。
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、前述したノズル孔を設けたノズルプレートを備えているので、着弾特性・飛翔特性などの動作特性がよく、また、ピッチ精度も飛躍的に向上させることができる。
【００６２】
次に、液滴吐出装置５０の説明をする。
図１１は、液滴吐出装置５０を例示するための模式図である。
図１１に示すように、液滴吐出装置５０は、被処理物５１に向かって液体５２を吐出させるための液滴吐出ヘッド１と、基板などの被処理物５１を載置・保持したまま移動させることができる移動手段５３と、液滴吐出ヘッド１を保持するための保持手段５４と、液体５２を収納するタンクなどの液体収納手段５５とを備えている。液滴吐出ヘッド１と液体収納手段５５とは、チューブ５６で接続され、液体５２が液滴吐出ヘッド１に供給可能となっている。尚、液滴吐出ヘッド１は、本発明に係る液滴吐出ヘッドであればよく、例えば、液滴吐出ヘッド３２とすることもできる。また、図１１は、概略構成を示したものであり、これらの他にも、例えば、液滴吐出装置５０の動作を制御する制御手段、余剰となった液体５２の排出手段などを設けることができる。
【００６３】
このような液滴吐出装置５０は、例えば、液晶表示装置の配向膜の形成、カラーフィルタの着色部の形成、半導体装置基板上のフォトレジスト膜の形成などのような薄膜形成に用いることができる。そのため、液体５２についても、配向膜材料、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）などの染料、フォトレジスト液、液晶中にギャップ制御用のスペーサが混入されたものなど各種の液体を用いることができる。
【００６４】
次に、液滴吐出装置５０の作用を説明する。
まず、被処理物５１を移動手段５３上に載置し、保持させる。次に、液滴吐出ヘッド１から液体５２を被処理物５１に向かって吐出させる。次に、移動手段５３により、被処理物５１を移動させて、次に処理がされる部分が液滴吐出ヘッド１の下方に来るようにする。以下、前述の手順を繰り返して、被処理物５１上に成膜などの処理を行う。この際、チューブ５６を介して、液体５２が液体収納手段５５から液滴吐出ヘッド１へと供給される。
【００６５】
ここで、移動手段５３の移動は、１軸方向（例えば、紙面の厚み方向）、２軸方向（水平方向）、３軸方向、回転方向であってもよいし、液滴吐出ヘッド１と被処理物５１との相対位置を変えることができれば、どちらを移動させるようにしてもよい。具体的には、Ｘ−Ｙテーブル、コンベア、スピンテーブル、工業用ロボットなどを例示することができる。また、液体収納手段５５から液滴吐出ヘッド１への液体の供給は、特別な装置を用いず位置水頭などを利用したものであってもよいし、ポンプなどの送液手段を用いたものであってもよい。
【００６６】
尚、本実施の形態に係る液滴吐出装置を薄膜形成に用いることができるもので説明をしたが、これに限定されるわけではなく、例えば、紙面に文字や図柄を印刷するためのいわゆるインクジェット記録装置にも適応することができる。この場合、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッド以外のインクジェット記録装置の構成は、公知のものを用いることができるので説明は省略する。
【００６７】
本実施の形態における液滴吐出装置は、前述したノズル孔を設けた液滴吐出ヘッドを用いているので、着弾特性・飛翔特性などの動作特性がよく、また、ピッチ精度が飛躍的に向上した精度の高い吐出をすることができる。このことは、例えば、カラーフィルタの着色部の形成などのように高い着弾特性が要求されるような場合に特に有用となる。
【００６８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
前述の具体例に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００６９】
例えば、本発明はマルチノズル型の液滴吐出ヘッドのみならず単一のノズル孔を有する液滴吐出ヘッドなどにも適用することができる。可撓性膜３も、吐出される液体が圧電素子４に浸透することを遮蔽でき、可撓性を有するものであれば、例示した樹脂膜に限らず金属膜などいかなる材料を用いてもよい。圧電素子４も２層構造に限られず３層以上であってもよいし、材質も例示したものには限られない。また、一体焼成型積層圧電素子でなくてもよい。可撓性膜３上に圧電素子４を設置する際にも、エポキシ系接着剤を始めとする接合方法で固定することができる。保護膜３４についても吐出される液体が発熱素子３４に浸透することを遮蔽でき、耐熱性を有するものであれば、例示した無機材料に限られない。発熱素子３４と保護膜３５、保護膜３５とノズルプレート１１との接合方法も、エポキシ系接着剤などに限らず他の接合方法を用いることもできる。
【００７０】
また、具体例として例示した、ノズルプレート、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置などの各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更をすることができる。例えば、ノズル孔部分の形状に関しても図１２（ａ）に示すように、ノズル孔開口部付近で多段状としたもの、図１２（ｂ）に示すようにテーパー部１２ａの加工を省いて液室９にノズル孔１２が直接連通するようにしたもの、図１２（ｃ）に示すようにテーパー部１２ａの加工を省き、かつ、ノズル孔開口部付近で多段状としたものなどのようにすることもできる。
【００７１】
また、前述した各具体例が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
また、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法として説明をした各加工方法も例示したものに限定されるわけではなく適宜変更をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態に係るノズルプレートを備えた液滴吐出ヘッドの模式断面図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの模式外観図である。
【図３】従来の液室の一端（下方端）付近を説明するための模式図である。
【図４】ノズル孔の加工を説明するための模式図である。
【図５】着弾特性を説明するためのグラフ図である。
【図６】ノズル孔のピッチ寸法精度を説明するためのグラフ図である。
【図７】ノズルプレートの加工に用いる加工手段を例示するための模式図である。
【図８】液滴吐出ヘッドの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図９】平坦部の加工状態を説明するための写真図面である。
【図１０】加熱により液体を吐出させるサーマル型液滴吐出ヘッドの構成を例示するための模式断面図である。
【図１１】液滴吐出装置を例示するための模式図である。
【図１２】ノズル孔開口部付近の他の実施例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 液滴吐出ヘッド、９ 液室、９ａ 平坦部、１１ ノズルプレート、１２ ノズル孔、１３ 加工手段、３２ 液滴吐出ヘッド、５０ 液滴吐出装置、Ｌ ノズル長さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用プリンタなどの記録装置、液晶表示装置や半導体装置などの製造に用いられる成膜装置においては、インクジェット法によりインクや膜素材を対象物に向けて吐出、飛翔させて着色や成膜を行う技術が知られている。
【０００３】
このインクジェット法に用いられる液滴吐出ヘッドは、一般に「インクジェットヘッド」とも呼ばれ、精巧な技術を駆使して製造される精密部品から構成されている。特に、インクや膜素材が吐出されるノズル孔部分は、着弾特性・飛翔特性などの基本的な動作特性に大きな影響を与えるため、極めて高い加工精度が要求されている。
【０００４】
このような、精巧でかつ高い加工精度が要求されるノズル孔部分の加工は極めて加工が難しく、その生産性は極めて低いものとなる。
そのため、ノズル孔部分の加工を容易にして生産性を向上させるために、ノズル孔部分を液滴吐出ヘッドのノズル本体と別個に構成して、それぞれを別加工した後に接着剤などで一体化する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
しかし、このような貼り合わせ技術においては、接着条件や接着面の管理が難しく製造プロセス上の安定性に欠け、ノズル孔位置のズレや接着剤のはみ出しなどの不具合を完全には防止することができなかった。
そのため、ノズル孔とノズル孔にインクを供給するインク流路とを一つのノズルプレートに設ける技術が提案されている（特許文献２、３を参照）。
【０００６】
しかし、このような技術においては、インクの供給部からノズル孔開口部までの寸法、すなわち、ノズル長さの寸法がバラツキ、これが着弾特性・飛翔特性などの基本的な動作特性に悪影響を与えるという新たな問題を生じていた。
【特許文献１】特開平０４−３５８８４１号公報
【特許文献２】特開２００５−９６１８８号公報
【特許文献３】特開２００５−１９９４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、着弾特性・飛翔特性などの動作特性に優れたノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、表面に開口した流路と、前記流路に連通した液室と、前記液室に連通し、裏面に開口したノズル孔と、を備え、前記液室は、前記裏面に対して略平行な平坦部を有し、前記ノズル孔は、前記平坦部において前記液室に連通してなることを特徴とするノズルプレートが提供される。
【０００９】
また、本発明の他の一態様によれば、板状体の表面に開口した液室を形成し、前記液室の底部に平坦部を形成し、前記平坦部に連通し前記板状体の裏面に開口したノズル孔を形成すること、を特徴とするノズルプレートの製造方法が提供される。
【００１０】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、前記ノズルプレートと、前記液室内の液体に圧力を加える加圧手段と、を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッドが提供される。
【００１１】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、前記ノズルプレートの製造方法によりノズルプレートを形成し、前記流路を覆うように前記加圧手段を設けること、を特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法が提供される。
【００１２】
さらにまた、本発明の他の一態様によれば、前記液滴吐出ヘッドと、被処理物と前記液滴吐出ヘッドとの位置を相対的に移動させる移動手段と、液体を収納する液体収納手段と、を備えたことを特徴とする液滴吐出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、着弾特性・飛翔特性などの動作特性に優れたノズルプレート、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法、および液滴吐出装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をする。
図１は、本発明の実施の形態に係るノズルプレート１１を備えた液滴吐出ヘッド１の模式断面図である。
図２は、液滴吐出ヘッド１の模式外観図である。
図２に例示するように、液滴吐出ヘッド１は、複数のノズル孔１２を備えたいわゆるマルチノズル型の液滴吐出ヘッドである。また、図１は、図２のＡ−Ａ方向の断面を拡大した図である。
【００１５】
ここで、液滴吐出ヘッド１の駆動方式には、加熱により気泡を発生させ膜沸騰現象を利用して液体を吐出させる「サーマル型」と、圧電素子の屈曲変位を利用して液体を吐出させる「圧電型」と、があるが、説明の便宜上、ここでは圧電型を例にとって説明をする。
【００１６】
図１に示すように、液滴吐出ヘッド１は、ノズルプレート１１の上に設けられた可撓性膜３と、可撓性膜３の上に設けられた圧電素子４を備えている。「圧電型」の場合は、可撓性膜３と圧電素子４とが、液室９内の液体に圧力を加える加圧手段となる。圧電素子４は、下部材６、駆動電極７、上部材５、駆動電極８の順に積層した後、一体焼成したものである。このように一体焼成された圧電素子４は、強度が高く取扱も容易となる。
【００１７】
ノズルプレート１１の表面（上面）に開口するように、流路１０が設けられ、流路１０の開口部を覆うように可撓性膜３が設けられている。
流路１０の開口部側と対向する面には、液室９が連通している。液室９は複数設けられ、それぞれの液室９に連通する流路１０が、それぞれ存在する。
【００１８】
液室９の一端（下方端）には、液室９に連通するように平坦部９ａが設けられている。平坦部９ａは、ノズルプレート１１の裏面に対して略平行とされている。そして、平坦部９ａにおいて、ノズル１２ａが連通している。すなわち、ノズル孔１２の一端に設けられたテーパー部１２ａが開口し、このテーパー部１２ａを介して液室９とノズル孔１２とが連通するようになっている。ノズル孔１２の他端は、ノズルプレート１１の裏面（下面）に開口している。ここで、テーパー部１２ａの体積は小さいので、これをノズル孔１２の一部と見なすことができる。そのため、平坦部９ａ（液室９の下方端）からノズル孔１２の開口部までの寸法が、ノズル長さＬとなる。
【００１９】
可撓性膜３の上面には、圧電素子４が設けられている。このとき、圧電素子４の屈曲変位による圧力波が液室９内の液体に伝わりやすくなるように、液室９の直上に圧電素子４を設けるようにすることが好ましい。
【００２０】
ただし、これらの配置や形状は、図１に例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。例えば、それぞれの液室９が専用に設けられた流路１０に連通していなくてもよく、一つの共通の流路１０に複数の液室９が連通するようになっていてもよい。圧電素子４の構造上、下部材６が振動板、上部材５が圧電体となるが、これに限定されるわけではなく、また、変位を生じさせる各種の駆動形式をも採用することができる。
【００２１】
ノズルプレート１１の材質はステンレスやニッケル合金などとすることができ、可撓性膜３の材質はポリエチレンテレフタレートなどとすることができる。また、圧電素子４の下部材６と上部材５の材質は、圧電セラミックス（例えば、ジルコンチタン酸鉛）とすることができ、駆動電極７と駆動電極８は銅合金などとすることができる。ただし、これらの材質は、例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。例えば、ノズルプレート１１の材質は、吐出させる液体に対する耐食性を有する樹脂、金属、半導体材料などから選択することができる。
【００２２】
液滴吐出ヘッド１の主な部分の寸法を例示すれば、ノズルプレート１１の厚みを１ｍｍ〜数ｍｍ程度、流路１０の断面形状を高さ最大数ｍｍ程度（液室９の高さより薄い）×幅数１００μｍ程度、円柱状の開孔であるノズル孔１２の直径を２０μｍ〜５０μｍ程度、液室９の直径を２５０μｍ〜６００μｍ程度、可撓性膜３の厚さを１０μｍ程度、圧電素子４の厚さを３０μｍ程度とすることができる。
【００２３】
ノズル長さＬは、５０μｍ以上、１５０μｍ以下とすることが好ましい。５０μｍ未満とすればノズル孔の開口部分付近の強度が低下し、液滴吐出時の内部圧力の上昇により、開口部分付近に変形が生ずる虞があるからである。また、１５０μｍを越えるものとすれば、ノズル孔の加工性や吐出抵抗の増加の観点から好ましくないからである。
【００２４】
ノズル孔１２の直径を１とした場合、液室９の直径は、５以上、３０以下とすることが好ましい。また、８以上、２０以下とすることがより好ましい。３０を越えるものとすれば、受圧面積が大きくなりすぎ、液滴吐出時の内部圧力の上昇により、開口部分付近に大きな力が働くので、開口部分付近に変形が生ずる虞があるからである。また、５未満とすれば液室９の深さ方向の加工精度（平坦部９ａの位置精度）を上げることが困難となり、さらには液室９とノズル孔１２の同芯度を確保することも容易ではなく後述する着弾特性・飛翔特性などの動作特性に問題が生じるからである。
【００２５】
平坦部９ａの平面度は１０μｍ以下とすることが好ましい。１０μｍを越えるものとすれば、ノズル孔１２加工時に加工誤差が生じるので、後述する着弾特性・飛翔特性などの動作特性に問題が生じるからである。
また、図では流路１０の断面形状を矩形としたが、これに限られるわけではなく角に丸みを有したものであってもよい。これらの寸法や形状は、例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。
【００２６】
ここで、本発明者は、検討の結果、吐出される液体を供給する部分である液室９の一端（下方端）からノズル孔１２の開口部までの寸法、すなわち、ノズル長さＬがばらつくと、これが着弾特性・飛翔特性などの基本的な動作特性に悪影響を与えるとの知見を得た。
【００２７】
図３は、従来の液室の一端（下方端）付近を説明するための模式図である。
図３に示すように、ノズルプレート１１１に設けられた液室１０９の一端（下方端）には、テーパー部１１２ａが設けられ、このテーパー部１１２ａを介して液室１０９とノズル孔１１２とが連通するようになっている。この時のテーパー部１１２ａの上部開口寸法は、液室１０９の断面寸法と略同一である。そして、ノズル孔１１２の他端は、ノズルプレート１１１の裏面（下面）に開口している。
【００２８】
ノズルプレート１１１の場合は、液室１０９の一端（下方端）に、平坦部９ａが設けられていない。また、テーパー部１１２ａの断面寸法が大きく、テーパー部１１２ａは液室１０９と同様に液体を供給するという機能を有する。そのため、テーパー部１１２ａは、液室１０９の一部と見なすことができる。
【００２９】
この場合、テーパー部１１２ａとノズル孔１１２との接続部分である接続部１１２ｂからノズル孔１１２の開口部までの寸法がノズル長さＬ１となり、この接続部１１２ｂの位置精度がノズル長さの精度にとって重要な要素となる。
この接続部１１２ｂの位置は、ノズル孔１１２の加工時に決まるものであるが、従来はその位置精度までは考慮がされていなかった。
【００３０】
図４は、ノズル孔の加工を説明するための模式図である。
液室１０９の加工においては、先端が円錐状をしたドリルを用いるのが一般的である。まず、図４（ａ）に示すように、ドリルによりノズルプレート１１１に孔をあける。加工後には、円錐状の先端１０９ａを有する孔があくことになり、ストレート部分が液室１０９となる。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示すように、円錐状の先端１０９ａを案内にしてノズル孔１１２の加工を行う。円錐状の先端１０９ａの内、ノズル孔１１２の加工後に残った部分が、テーパー部１１２ａとなる。また、テーパー部１１２ａとノズル孔１１２との接続部分が、接続部１１２ｂとなる。
【００３２】
ここで、円錐状の先端１０９ａの寸法は、ドリル先端の研ぎ具合やドリル先端の摩耗などにより大きく変動する。その結果、接続部１１２ｂの位置が変動するので、ノズル長さＬ１の精度を高めることが困難となる。特に、図２に示したマルチノズル型のように多くのノズル孔を有するものでは、１つのノズルプレートの中で、全てのノズル長さＬ１を揃えることは極めて困難である。
【００３３】
また、後述するように先端１０９ａの表面は荒れているため、これを案内としてノズル孔１１２の加工を行うと、ノズル孔１１２が曲がってあき、ノズル孔１１２同士のピッチ寸法の精度が悪くなるという問題もある。
これに対し、本実施の形態に係るノズルプレート１１においては、前述したように液室９の一端（下方端）に平坦部９ａが設けられている。また、テーパー部１２ａも小さく、これをノズル孔１２の一部と見なすことができる。そのため、平坦部９ａ（液室９の下方端）からノズル孔１２の開口部までの寸法が、ノズル長さＬとなる。この時、平坦部９ａは位置精度や平面度を出すことが可能であるため、ノズル長さＬの寸法精度を飛躍的に向上させることができる。その結果、着弾特性・飛翔特性などの動作特性を飛躍的に向上させることができる。
また、後述するように平坦部９ａは平坦な面とすることができるので、直線性に優れたノズル孔１２の加工をすることができ、ノズル孔１２のピッチ寸法の精度も飛躍的に向上させることができる。
【００３４】
図５は、着弾特性を説明するためのグラフ図である。
図５（ａ）は、図３，図４で説明をしたノズル孔１１２を備えるノズルプレート１１１の着弾特性を示し、図５（ｂ）は、本実施形態に係るノズル孔１２を備えるノズルプレート１１の着弾特性を示したものである。この場合の着弾特性は、６４個のノズル孔に対する着弾誤差をひとつのグラフ上にプロットしたものである。尚、ノズルプレート以外の条件は同一としている。また、図５（ａ）、（ｂ）とも着弾目標は、グラフ図中央のＣ点としている。
【００３５】
図５（ａ）に示すように、従来のノズル孔１１２を備えるノズルプレート１１１では、着弾位置が着弾目標であるＣ点を中心に２次元的拡がりをもってバラついていることが分かる。これに対し、図５（ｂ）に示すように、本実施形態に係るノズル孔１２を備えるノズルプレート１１では、着弾目標であるＣ点付近に集中して着弾させることができることが分かる。
【００３６】
図６は、ノズル孔のピッチ寸法精度を説明するためのグラフ図である。
図６（ａ）は、図３，図４で説明をしたノズル孔１１２のピッチ寸法精度を示し、図６（ｂ）は、本実施形態に係るノズル孔１２のピッチ寸法精度を示したものである。この時の測定対象は、図２に示したようなマルチノズル型のノズルプレートとした。グラフ図の横軸のノズル番号は、マルチノズルの個々のノズル孔を示し、縦軸はピッチ誤差を示している。
図６（ａ）、（ｂ）から明らかなように、本実施形態に係るノズル孔１２によれば、ノズル孔１２のピッチ寸法の精度も飛躍的に向上させることができる。
【００３７】
次に、液滴吐出ヘッド１の作用を説明する。
駆動電極７、駆動電極８に電圧を印加させると上部材５が下方に凸の屈曲変位をし、これに伴って積層構造の圧電素子４が下方に凸の屈曲変位をする。この屈曲変位は、図１中に波線で示すように、可撓性膜３を下方に押し下げ、液室９内の液体をノズル孔１２の方向に向かって加圧する。そのため、屈曲変位に応じた液体がノズル孔１２より吐出されることになる。
【００３８】
吐出により減少した液体は、流路１０を通じて図示しない液体収納手段から補充される。印加電圧を制御すれば圧電素子４の屈曲変位を制御することができるので、図示しない制御装置により印加電圧を制御して、吐出量の制御をすることができる。尚、圧電素子４の屈曲変位は可撓性膜３に吸収され、隣接する圧電素子や圧力室との間の相互干渉が防止される。
【００３９】
次に、液滴吐出ヘッド１の製造方法について説明をする。
図７は、ノズルプレート１１の加工に用いる加工手段１３を例示するための模式図である。
フレーム１４の上面にはＸ軸テーブル１５が設けられ、Ｘ軸テーブル１５上にはＹ軸テーブル１６が設けられている。また、Ｙ軸テーブル１６上にはスペーサ１７を介して回転スピンドル１８が設けられ、回転スピンドル１８には工具保持手段２０が設けられている。
【００４０】
また、工具保持手段２０に保持された工具１９は、図示しない工具交換手段により交換可能となっている。工具保持手段２０に対向するように、フレーム１４の上面にはＺ軸テーブル２１が設けられ、Ｚ軸テーブル２１には被加工物を保持するための保持手段２２が設けられている。フレーム１４の下面にはフット２３が設けられている。
【００４１】
Ｘ軸テーブル１５はＹ軸テーブル１６を図中のＸ軸方向に移動させる機能を有し、Ｙ軸テーブル１６はスペーサ１７と回転スピンドル１８を図中のＹ軸方向に移動させる機能を有する。回転スピンドル１８は、工具保持手段２０により保持された工具１９を回転させる機能を有する。尚、スペーサ１７は外部の振動が回転スピンドル１８に伝わることを防止する機能を有していてもよい。
【００４２】
Ｚ軸テーブル２１は、保持手段２２に保持させた被加工物を図中のＺ軸方向に移動させる機能を有する。フット２３は外部からの振動がフレーム１４に伝わることを防止するとともに、フレーム１４の上面が水平となるよう調整する機能を有する。Ｘ軸テーブル１５、Ｙ軸テーブル１６、Ｚ軸テーブル２１の位置制御や回転スピンドル１８の回転制御などは図示しない制御手段により行われる。
【００４３】
尚、図７に示した加工手段１３はあくまで例示であり、これに限定されるわけではない。また、加工方式としても切削加工、ドライエッチング加工、ウェットエッチング加工、放電加工、レーザー加工、塑性加工などの各種の物理的・化学的除去方法を採用することができ、このような方法を必要に応じて適宜組み合わせることもできる。
【００４４】
図８は、液滴吐出ヘッド１の製造方法を説明するための工程を示した断面図である。
尚、図１と同様の部分には同じ符号を付すことにする。
まず、図８（ａ）に示すように板材の外周を加工し、いわゆるブランク状態の板状体のノズルプレート１１を作成する。
【００４５】
次に、図８（ｂ）に示すように、このブランク状態のノズルプレート１１を前述した加工手段１３の保持手段２２に保持させ、工具保持手段２０に保持させた工具１９ａを回転スピンドル１８により回転させて、流路１０を加工する。この際用いられる工具１９ａは、溝を切るのに適したものを使用することができる。また、図示しない制御手段により加工位置がＸ軸テーブル、Ｙ軸テーブル、Ｚ軸テーブルの移動により決められ、工具回転速度などの加工条件も適宜決められる。
【００４６】
次に、図８（ｃ）に示すように工具保持手段２０に保持させた工具１９ｂを回転スピンドル１８により回転させて液室９を加工する。図８（ｃ）に例示した工具１９ｂは、ドリルであるが、これに限定されるわけではなく、孔をあけるのに適したものを適宜使用することができる。また、加工位置や加工条件などは前述の場合と同様に適宜決められる。尚、工具１９ｂは図示しない工具交換手段により交換される。この段階では、液室９の底面側には円錐状の凹部が残ることになる。
【００４７】
図８（ｄ）は、液室９を加工する工具１９ｃとしてエンドミルを用いた場合である。加工方法などは図８（ｃ）の場合と同様のため説明は省略する。この場合においては、液室９の底面側には円錐状の凸部が残ることになる。
【００４８】
次に、図８（ｅ）に示すように、液室９の底面側に残る円錐状の凹部や凸部を除去し、平坦部９ａを形成させる。図８（ｅ）に例示した工具１９ｄは、先端が平らで、かつ、先端部分にも切れ刃を有するものであるが、これに限定されるわけではなく、液室９の底面を平らに加工できるものであればよい。また、加工方法も適宜選択が可能であり、例えば、成形電極による型彫り放電加工、または細孔パイプ放電加工のようなものとすることもできる。尚、加工位置や加工条件などは前述の場合と同様に適宜決められ、工具１９ｄも図示しない工具交換手段により交換される。
【００４９】
次に、図８（ｆ）に示すように、工具保持手段２０に保持させた工具１９ｅを回転スピンドル１８により回転させて、ノズル孔１２の下孔加工（センター孔加工）を行う。この下孔加工（センター孔加工）は、次のノズル孔１２の加工の加工精度を上げるためのものである。
【００５０】
具体的には、ノズル孔１２よりやや径が大きく略Ｖ字の刃先形状を持つ工具１９ｅで、略Ｖ字の凹み２９を加工する。また、回転スピンドル１８の回転を止め、工具１９ｅを衝撃的に押し当てて塑性加工により凹み２９を形成させるようにすることもできる。尚、工具１９ｅは図示しない工具交換手段により交換される。
【００５１】
次に、図８（ｇ）に示すように、工具保持手段２０に保持させた工具１９ｆを回転スピンドル１８により回転させて、ノズル孔１２の孔加工を行う。このとき、略Ｖ字の凹み２９のセンタリング作用により工具１９ｆが案内されて工具１９ｆの振れが押さえられ、また、いわゆる食いつきが良くなるので加工当初の切削性も良好となる。ノズル孔１２の孔加工後、加工部分のバリ取り、加工屑の除去などを行う。
【００５２】
このような手順の加工を行えば、真円度、同芯度、真直度、寸法精度、位置精度などの高い優れたノズル孔１２を備えるノズルプレート１１を得ることができる。
また、平坦部９ａを形成させることができるため、さらに高いノズル孔の加工精度を得ることができ、前述したような着弾特性・飛翔特性などの動作特性やピッチ精度をも飛躍的に向上させることができる。
【００５３】
このような高い精度のノズル孔１２を備えるノズルプレート１１は、ノズル孔付近の部材とノズルプレート本体とを別個に作り接着剤などで固着した場合や、大きめの孔をあけ電気メッキを施すことによりノズル孔開口寸法を縮小させる場合には得ることができない。
【００５４】
次に、図８（ｈ）に示すように、ノズルプレート１１の流路１０の上面に可撓性膜３をエポキシ系接着剤で液密になるように接着し、可撓性膜３の上面に圧電素子４を設置する。この際、液室９の真上に圧電素子４が設置されるようにする。尚、圧電素子４は、下部材６、駆動電極７、上部材５、駆動電極８の順に積層した後、一体焼成したものを予め製造しておく。このようにして、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１が完成する。
【００５５】
図９は、平坦部の加工状態を説明するための写真図面である。
図９（ａ）は、 図８（ｃ）で説明をした液室９の底面側に残る円錐状の凹部を上方から（液室９側から）見た時の写真図面である。図９（ａ）から分かるように、円錐状の凹部には同心円状のパターンが見られ、寸法精度の悪さとともに面の表面もかなり荒れていることが分かる。尚、図８（ｄ）で説明をした円錐状の凸部に関しても同様である。
【００５６】
図９（ｂ）は、図８（ｅ）で説明をした切削加工をした後の平坦部９ａを上方から（液室９側から）見た時の写真図面である。図９（ｂ）から分かるように、平坦部９ａには同心円状のパターンもなく、寸法精度とともに平面度もよいことが分かる。
【００５７】
図９（ｃ）は、図８（ｅ）で説明をした成形電極による型彫り放電加工をした後の平坦部９ａを上方から（液室９側から）見た時の写真図面である。図９（ｃ）から分かるように、平坦部９ａには同心円状のパターンもなく、寸法精度とともに平面度もよいことが分かる。
【００５８】
次に、他の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの説明をする。
図１０は、加熱により液体を吐出させるサーマル型液滴吐出ヘッドの構成を例示するための模式断面図である。
図１に関して前述したものと同様の要素には同一の記号を付し、異なる部分のみを主に説明する。
【００５９】
液滴吐出ヘッド３２は、ノズルプレート１１上に保護膜３４を設置し、さらに保護膜３４上に発熱素子３３を設置している。「サーマル型」の場合は、保護膜３４と発熱素子３３とが、液室９内の液体に圧力を加える加圧手段となる。発熱素子３３は電気抵抗材料からなる抵抗薄膜により形成され、図示しない電力供給手段から電力が供給されるとジュール発熱を起こす。保護膜３４は酸化珪素や窒化珪素などの無機材料により形成されている。保護膜３４は厚さが２μｍ程度、発熱素子３３は厚さが３μｍ程度とすることができる。ただし、これらの配列、形状、寸法、材質は図８に例示したものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。
【００６０】
次に、液滴吐出ヘッド３２の作用を説明する。図示しない電力供給手段から電力を発熱素子３３に供給して発熱素子３３を発熱させる。発熱素子３３の発熱により液中に気泡３５が発生する。発生した気泡３５の圧力により液室９内の液体をノズル孔１２方向に加圧する。圧力に応じた液体がノズル孔１２より吐出される。吐出により減少した液体は、流路１０を通じて図示しない液体供給手段から補充される。発生した気泡３５は周囲の液体に熱を取られて収縮するように消滅し、次の発熱、気泡の発生を待つ。この一連の過程で供給電力を制御すれば気泡３５の大きさやその発生のタイミングを制御することができるので、図示しない制御装置により供給電力の制御をすれば、吐出量や吐出タイミングの制御をすることができる。
【００６１】
液滴吐出ヘッド３２の製造方法は、可撓性膜３が保護膜３４に、圧電素子４が発熱素子３３に代わるほかは図８に関して前述したものと同様であるため説明は省略する。
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、前述したノズル孔を設けたノズルプレートを備えているので、着弾特性・飛翔特性などの動作特性がよく、また、ピッチ精度も飛躍的に向上させることができる。
【００６２】
次に、液滴吐出装置５０の説明をする。
図１１は、液滴吐出装置５０を例示するための模式図である。
図１１に示すように、液滴吐出装置５０は、被処理物５１に向かって液体５２を吐出させるための液滴吐出ヘッド１と、基板などの被処理物５１を載置・保持したまま移動させることができる移動手段５３と、液滴吐出ヘッド１を保持するための保持手段５４と、液体５２を収納するタンクなどの液体収納手段５５とを備えている。液滴吐出ヘッド１と液体収納手段５５とは、チューブ５６で接続され、液体５２が液滴吐出ヘッド１に供給可能となっている。尚、液滴吐出ヘッド１は、本発明に係る液滴吐出ヘッドであればよく、例えば、液滴吐出ヘッド３２とすることもできる。また、図１１は、概略構成を示したものであり、これらの他にも、例えば、液滴吐出装置５０の動作を制御する制御手段、余剰となった液体５２の排出手段などを設けることができる。
【００６３】
このような液滴吐出装置５０は、例えば、液晶表示装置の配向膜の形成、カラーフィルタの着色部の形成、半導体装置基板上のフォトレジスト膜の形成などのような薄膜形成に用いることができる。そのため、液体５２についても、配向膜材料、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）などの染料、フォトレジスト液、液晶中にギャップ制御用のスペーサが混入されたものなど各種の液体を用いることができる。
【００６４】
次に、液滴吐出装置５０の作用を説明する。
まず、被処理物５１を移動手段５３上に載置し、保持させる。次に、液滴吐出ヘッド１から液体５２を被処理物５１に向かって吐出させる。次に、移動手段５３により、被処理物５１を移動させて、次に処理がされる部分が液滴吐出ヘッド１の下方に来るようにする。以下、前述の手順を繰り返して、被処理物５１上に成膜などの処理を行う。この際、チューブ５６を介して、液体５２が液体収納手段５５から液滴吐出ヘッド１へと供給される。
【００６５】
ここで、移動手段５３の移動は、１軸方向（例えば、紙面の厚み方向）、２軸方向（水平方向）、３軸方向、回転方向であってもよいし、液滴吐出ヘッド１と被処理物５１との相対位置を変えることができれば、どちらを移動させるようにしてもよい。具体的には、Ｘ−Ｙテーブル、コンベア、スピンテーブル、工業用ロボットなどを例示することができる。また、液体収納手段５５から液滴吐出ヘッド１への液体の供給は、特別な装置を用いず位置水頭などを利用したものであってもよいし、ポンプなどの送液手段を用いたものであってもよい。
【００６６】
尚、本実施の形態に係る液滴吐出装置を薄膜形成に用いることができるもので説明をしたが、これに限定されるわけではなく、例えば、紙面に文字や図柄を印刷するためのいわゆるインクジェット記録装置にも適応することができる。この場合、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッド以外のインクジェット記録装置の構成は、公知のものを用いることができるので説明は省略する。
【００６７】
本実施の形態における液滴吐出装置は、前述したノズル孔を設けた液滴吐出ヘッドを用いているので、着弾特性・飛翔特性などの動作特性がよく、また、ピッチ精度が飛躍的に向上した精度の高い吐出をすることができる。このことは、例えば、カラーフィルタの着色部の形成などのように高い着弾特性が要求されるような場合に特に有用となる。
【００６８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
前述の具体例に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００６９】
例えば、本発明はマルチノズル型の液滴吐出ヘッドのみならず単一のノズル孔を有する液滴吐出ヘッドなどにも適用することができる。可撓性膜３も、吐出される液体が圧電素子４に浸透することを遮蔽でき、可撓性を有するものであれば、例示した樹脂膜に限らず金属膜などいかなる材料を用いてもよい。圧電素子４も２層構造に限られず３層以上であってもよいし、材質も例示したものには限られない。また、一体焼成型積層圧電素子でなくてもよい。可撓性膜３上に圧電素子４を設置する際にも、エポキシ系接着剤を始めとする接合方法で固定することができる。保護膜３４についても吐出される液体が発熱素子３４に浸透することを遮蔽でき、耐熱性を有するものであれば、例示した無機材料に限られない。発熱素子３４と保護膜３５、保護膜３５とノズルプレート１１との接合方法も、エポキシ系接着剤などに限らず他の接合方法を用いることもできる。
【００７０】
また、具体例として例示した、ノズルプレート、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置などの各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更をすることができる。例えば、ノズル孔部分の形状に関しても図１２（ａ）に示すように、ノズル孔開口部付近で多段状としたもの、図１２（ｂ）に示すようにテーパー部１２ａの加工を省いて液室９にノズル孔１２が直接連通するようにしたもの、図１２（ｃ）に示すようにテーパー部１２ａの加工を省き、かつ、ノズル孔開口部付近で多段状としたものなどのようにすることもできる。
【００７１】
また、前述した各具体例が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
また、ノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法として説明をした各加工方法も例示したものに限定されるわけではなく適宜変更をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態に係るノズルプレートを備えた液滴吐出ヘッドの模式断面図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの模式外観図である。
【図３】従来の液室の一端（下方端）付近を説明するための模式図である。
【図４】ノズル孔の加工を説明するための模式図である。
【図５】着弾特性を説明するためのグラフ図である。
【図６】ノズル孔のピッチ寸法精度を説明するためのグラフ図である。
【図７】ノズルプレートの加工に用いる加工手段を例示するための模式図である。
【図８】液滴吐出ヘッドの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図９】平坦部の加工状態を説明するための写真図面である。
【図１０】加熱により液体を吐出させるサーマル型液滴吐出ヘッドの構成を例示するための模式断面図である。
【図１１】液滴吐出装置を例示するための模式図である。
【図１２】ノズル孔開口部付近の他の実施例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００７３】
１ 液滴吐出ヘッド、９ 液室、９ａ 平坦部、１１ ノズルプレート、１２ ノズル孔、１３ 加工手段、３２ 液滴吐出ヘッド、５０ 液滴吐出装置、Ｌ ノズル長さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に開口した流路と、
前記流路に連通した液室と、
前記液室に連通し、裏面に開口したノズル孔と、
を備え、
前記液室は、前記裏面に対して略平行な平坦部を有し、
前記ノズル孔は、前記平坦部において前記液室に連通してなることを特徴とするノズルプレート。
【請求項２】
前記平坦部から前記ノズル孔の前記裏面における開口までの距離は、５０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のノズルプレート。
【請求項３】
前記ノズル孔の直径を１とした場合、前記液室の直径は、５以上、３０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のノズルプレート。
【請求項４】
前記平坦部の平面度は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のノズルプレート。
【請求項５】
板状体の表面に開口した液室を形成し、
前記液室の底部に平坦部を形成し、
前記平坦部に連通し前記板状体の裏面に開口したノズル孔を形成すること、
を特徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一つに記載のノズルプレートと、
前記液室内の液体に圧力を加える加圧手段と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項５に記載のノズルプレートの製造方法によりノズルプレートを形成し、
前記流路を覆うように前記加圧手段を設けること、
を特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
請求項６記載の液滴吐出ヘッドと、
被処理物と前記液滴吐出ヘッドとの位置を相対的に移動させる移動手段と、
液体を収納する液体収納手段と、
を備え
ことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項１】
表面に開口した流路と、
前記流路に連通した液室と、
前記液室に連通し、裏面に開口したノズル孔と、
を備え、
前記液室は、前記裏面に対して略平行な平坦部を有し、
前記ノズル孔は、前記平坦部において前記液室に連通してなることを特徴とするノズルプレート。
【請求項２】
前記平坦部から前記ノズル孔の前記裏面における開口までの距離は、５０μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のノズルプレート。
【請求項３】
前記ノズル孔の直径を１とした場合、前記液室の直径は、５以上、３０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のノズルプレート。
【請求項４】
前記平坦部の平面度は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のノズルプレート。
【請求項５】
板状体の表面に開口した液室を形成し、
前記液室の底部に平坦部を形成し、
前記平坦部に連通し前記板状体の裏面に開口したノズル孔を形成すること、
を特徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一つに記載のノズルプレートと、
前記液室内の液体に圧力を加える加圧手段と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項５に記載のノズルプレートの製造方法によりノズルプレートを形成し、
前記流路を覆うように前記加圧手段を設けること、
を特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
請求項６記載の液滴吐出ヘッドと、
被処理物と前記液滴吐出ヘッドとの位置を相対的に移動させる移動手段と、
液体を収納する液体収納手段と、
を備え
ことを特徴とする液滴吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図５】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図５】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１０５２５２（Ｐ２００８−１０５２５２Ａ）
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８９８０２（Ｐ２００６−２８９８０２）
【出願日】平成１８年１０月２５日（２００６．１０．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２５日（２００６．１０．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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