説明

液体噴射ヘッド及びその製造方法

【課題】製造コストを削減できる液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る液体噴射ヘッド100の製造方法は,基板180の上方に犠牲層184を形成する工程と、犠牲層の上方に圧電体層142を形成する工程と、圧電体層の上方に第1電極140を形成する工程と、第1電極の上方に弾性層108を形成する工程と、弾性層の上方に、圧力室124を形成するための開口部および圧力室の側壁となる流路側壁106を有する流路形成層105を形成する工程と、流路形成層の上方に、ノズル孔126を有するノズルプレート102を形成して、圧力室を形成する工程と、犠牲層を除去して、基板を剥離する工程と、圧電体層の下方に第2電極を形成する工程と、を含み、流路側壁は,感光性樹脂からなるように形成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体噴射ヘッド及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
インクジェットプリンタなどに用いられる従来の液体噴射ヘッドの製造方法では、例えば下記特許文献1の図3に開示されているように、下電極膜を形成した後に、圧電体層が形成される。チタン酸ジルコン酸鉛などからなる圧電体層の焼成温度は、例えば600℃以上と高温である。このため、この方法では、圧電体層の焼成温度に耐えられる高耐熱電極膜が必要となる。
【特許文献1】特開2006−44083号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、一般に、その焼成温度に耐え、かつ、高い導電性を示す材料は、白金(Pt)やイリジウム(Ir)などの高価な高耐熱貴金属に限られてしまう。
【0004】
本発明の目的の1つは、製造コストを削減できる液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法は、
基板の上方に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極の上方に弾性層を形成する工程と、
前記弾性層の上方に、圧力室を形成するための開口部および該圧力室の側壁となる流路側壁を有する流路形成層を形成する工程と、
前記流路形成層の上方に、ノズル孔を有するノズルプレートを形成して、前記圧力室を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記基板を剥離する工程と、
前記圧電体層の下方に第2電極を形成する工程と、を含み、
前記流路側壁は、感光性樹脂からなるように形成される。
【0006】
本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法では、前記第1電極の形成工程前に、前記圧電体層の形成が既に行われているため、前記第1電極の材料として、白金(Pt)などの高耐熱材料を用いる必要がない。即ち、前記第1電極の材料として、高価な高耐熱貴金属を用いる必要がない。従って、本発明によれば、製造コストを削減することが可能な液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供することができる。
【0007】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定の部材(以下「A部材」という)の「上方」に他の特定の部材(以下「B部材」という)を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、A部材上に直接B部材を形成するような場合と、A部材上に他のものを介してB部材を形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
【0008】
また、本発明に係る記載では、「下方」という文言を、例えば、「特定の部材(以下「C部材」という)の「下方」に他の特定の部材(以下「D部材」という)を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、C部材下に直接D部材を形成するような場合と、C部材下に他のものを介してD部材を形成するような場合とが含まれるものとして、「下方」という文言を用いている。
【0009】
本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記感光性樹脂は、永久レジストであることができる。
【0010】
本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂であることができる。
【0011】
本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記流路形成層を形成する工程は、
前記弾性層の上方に樹脂前駆体層を形成する工程と、
前記樹脂前駆体層に、前記開口部のパターンを露光する工程と、
露光後の前記樹脂前駆体層に対して現像処理を行い、該樹脂前駆体層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記樹脂前駆体層を熱硬化させる工程と、を有することができる。
【0012】
本発明に係る液体噴射ヘッドは、
ノズル孔を有するノズルプレートと、
前記ノズル孔が通じる圧力室と、
前記ノズルプレートの上方に形成され、前記圧力室の側壁を構成する流路側壁と、
前記圧力室および前記流路側壁の上方に形成された弾性層と、
前記弾性層の上方に形成された第1電極と、
前記第1電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第2電極と、を含み、
前記流路側壁は、感光性樹脂からなる。
【0013】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記感光性樹脂は、永久レジストであることができる。
【0014】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂であることができる。
【0015】
本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記流路側壁は、単層構造であることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0017】
1. まず、本実施形態に係る液体噴射ヘッド100について説明する。ここでは、本実施形態に係る液体噴射ヘッド100がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明する。
【0018】
図1は、液体噴射ヘッド100を概略的に示す断面図であり、図2は、液体噴射ヘッド100を概略的に示す平面図である。なお、図1は、図2のI−I線断面図である。また、図2では、便宜上、流路側壁106上の部材の記載を省略している。
【0019】
液体噴射ヘッド100は、図1および図2に示すように、ノズルプレート102と、流路側壁106と、弾性層108と、圧電素子112と、を含む。
【0020】
ノズルプレート102は、ノズル孔126を有する。ノズル孔126の平面形状は、例えば図2に示すような円形などである。ノズル孔126は、例えば図2に示すように、複数設けられている。複数のノズル孔126は、例えば一列に配置されている。ノズルプレート102の平面形状は、例えば図2に示すような長方形などである。
【0021】
流路側壁106は、ノズルプレート102上に形成されている。平面的に見た流路側壁106の外縁が構成する形状は、例えば図2に示すような長方形などである。流路側壁106は、例えば、圧力室124の側壁、供給口165の側壁、及びリザーバ166の側壁を構成している。流路側壁106は、例えば、圧力室124、供給口165、及びリザーバ166の側方に設けられている。流路側壁106は、例えば、図1及び図2に示すように、ノズルプレート102と弾性層108との間の空間を、複数の圧力室124、複数の供給口165、及びリザーバ166として区画することができる。リザーバ166は、液体カートリッジ(図示せず)から供給される液体を、一時的に貯留することができる。リザーバ166から、各供給口165を通じて、各圧力室124へインク等の液体が供給される。各圧力室124に供給された液体は、各ノズル孔126から液滴として吐出される。
【0022】
圧力室124は、ノズルプレート102上に形成されている。圧力室124には、ノズルプレート102のノズル孔126が通じている。ノズル孔126は、圧力室124と連続している。図2に示すように、複数の圧力室124は、各ノズル孔126に対して1つずつ配設されており、各供給口165に対して1つずつ配設されている。
【0023】
弾性層108は、圧力室124及び流路側壁106の上に形成されている。弾性層108は、例えば、酸化シリコン(SiO)層などである。
【0024】
圧電素子112は、弾性層108上に形成されている。圧電素子112は、例えば図1に示すように、第1電極140と、圧電体層142と、第2電極144と、を有することができる。第1電極140は、弾性層108の上に形成されている。圧電体層142は、第1電極140の上に形成されている。第2電極144は、圧電体層142の上に形成されている。
【0025】
なお、上述した例では、液体噴射ヘッド100がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
【0026】
また、本発明の液体噴射ヘッドは、例えばインクジェットプリンタに適用されるが、例えば工業的な液滴吐出装置に適用されることもできる。吐出される液体(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。
【0027】
2. 次に、本実施形態に係る液体噴射ヘッド100の製造方法について説明する。図3〜図8は、本実施形態の液体噴射ヘッド100の製造工程を概略的に示す断面図であり、それぞれ図1に示す断面図に対応している。
【0028】
(1)まず、基板180(図3参照)を準備する。基板180としては、圧電体層142の焼成温度に耐えられる耐熱基板を用いることができる。例えば、基板180としては、シリコン基板、石英基板などを用いることができる。
【0029】
次に、必要に応じて、例えば、基板180上に酸化シリコン(SiO)層182(図3参照)を形成することができる。酸化シリコン層182は、例えば、熱酸化法などにより形成される。
【0030】
次に、例えば、酸化シリコン層182上に密着層(図示せず)を形成することができる。密着層は、酸化シリコン層182に密着することができる。密着層としては、例えば、酸化チタン(TiO)層などを用いることができる。
【0031】
次に、例えば、密着層上に鉛拡散制御層(図示せず)を形成することができる。鉛拡散制御層により、例えば圧電体層142の材料として鉛を含む物質を用いた場合に、鉛の拡散を制御することができる。鉛拡散制御層としては、例えば、酸化チタン(TiO)層などを用いることができる。
【0032】
次に、例えば、鉛拡散制御層の上に犠牲層184(図3参照)を形成することができる。犠牲層184としては、例えば、酸化マグネシウム(MgO)層、ニッケル酸ランタン(LaNiO)層などを用いることができる。
【0033】
次に、例えば、犠牲層184上に結晶配向制御層(図示せず)を形成することができる。結晶配向制御層により、圧電体層142の結晶配向を制御することができる。結晶配向制御層としては、例えば、ニッケル酸ランタン(LaNiO)層などを用いることができる。
【0034】
なお、上述した密着層、鉛拡散制御層、犠牲層184、及び結晶配向制御層のうちの少なくとも2つの層の機能を単一の層で兼ねて、余分な層の形成を省略することもできる。
【0035】
次に、犠牲層184上に圧電体層142(図3参照)を形成する。圧電体層142は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti,Nb)O)などの圧電材料から形成される。圧電体層142は、例えば、溶液法(ゾルゲル法、Metal Organic Decomposition:MOD法)、スパッタ法などにより形成される。本工程において、圧電体層142の焼成が行われる。圧電体層142の焼成温度は、例えば600℃以上800℃以下である。
【0036】
次に、圧電体層142上に第1電極140(図3参照)を形成する。第1電極140の材料としては、圧電体層142の焼成が既に行われているため、白金(Pt)などの高耐熱材料を用いる必要がない。第1電極140の材料としては、例えば金(Au)などを用いることができる。第1電極140の成膜方法は、特に限定されないが、圧電体層142の界面への成膜ダメージの少ないものが好ましい。従って、例えば、蒸着法、低パワーで行われるスパッタ法などが好ましい。
【0037】
次に、図3に示すように、第1電極140上に弾性層108を形成する。弾性層108の成膜方法および材料は、成膜時に第1電極140を変質させず、圧電体層142に成膜ダメージを与えず、かつ、耐液体性(耐インク性など)があるものが好ましい。従って、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により酸化シリコン(SiO)層や窒化シリコン(SiN)層などを成膜することが好ましい。
【0038】
(2)次に、図4に示すように、弾性層108上に流路形成層105を形成する。流路形成層105は、例えば、圧力室124を形成するための開口部123と、圧力室124の側壁となる流路側壁106と、からなることができる。流路形成層105の形成工程は、具体的には、例えば以下の通りである。
【0039】
まず、例えばスピンコート法、スプレーコート法などを用いて、弾性層108上の全面に樹脂前駆体層(図示せず)を形成する。樹脂前駆体層は、感光性樹脂の前駆体からなる。樹脂前駆体層は、例えば1回の塗布で成膜されることができる。この場合には、最終的に得られる流路側壁106は、多層構造ではなく、単層(1層)構造となる。次に、樹脂前駆体層に、開口部123のパターンを露光する。次に、露光後の樹脂前駆体層に対して現像処理を行い、樹脂前駆体層をパターニングする。これにより、開口部123と、流路側壁106となる開口部側壁とが形成される。次に、パターニングされた樹脂前駆体層を熱硬化させる。即ち、開口部側壁を熱硬化させて、流路側壁106を形成する。熱硬化のための温度は、例えば200℃である。
【0040】
以上の工程により、開口部123及び流路側壁106を有する流路形成層105を形成することができる。流路形成層105の厚さは、例えば20μm以上300μm以下である。
【0041】
得られた流路側壁106は、感光性樹脂からなる。この感光性樹脂は、いわゆる永久レジストである。永久レジストとは、感光性樹脂組成物を用いて形成された、製品完成後にも残存しているフォトレジストのことである。永久レジストは、構造体として用いられることができる。永久レジストは、例えば化学増幅型感光性熱硬化性樹脂である。流路側壁106を構成する永久レジストとしては、厚膜化が容易であり、開口部123のアスペクト比が高く、構造体として機能できる強度を有し、耐液体性を有し、かつ、本工程後のプロセス温度に耐えられるものが望ましい。例えば、このような永久レジストとしては、東京応化工業(株)製のTMMR S2000、Micro Chem社製のSU−8などが挙げられる。厚膜化が容易であり、開口部123のアスペクト比が高いことにより、複数の圧力室124の高密度化を図ることができる。
【0042】
(3)次に、図5に示すように、流路形成層105上に、ノズル孔126を有するノズルプレート102を形成する。本工程により、圧力室124が形成される。
【0043】
本工程は、例えば、ステンレス鋼(SUS)製やシリコン(Si)製などのノズルプレート102を流路形成層105上に接着して行われることができる。また、本工程は、例えば、ドライフィルムレジストを流路形成層105上にラミネートした後、エッチングによりノズル孔126を開けて行われることもできる。また、本工程は、例えば、以下のように行われることもできる。
【0044】
まず、スピンコート法やインクジェット法などにより、開口部123(図4参照)内を、フォトレジストやワックスなどで埋め込む。次に、化学的機械的研磨法(CMP法)などにより平坦化を行う。次に、流路形成層105上に、例えば永久レジストなどからなるノズルプレート102を形成する。次に、例えば現像液などにより開口部123内に埋め込まれたフォトレジストなどを除去する。このようにして圧力室124を形成することができる。
【0045】
(4)次に、図6に示すように、犠牲層184を除去して、例えば基板180及び酸化シリコン層182を剥離する。犠牲層184は、例えばエッチングにより除去される。具体的には、例えば犠牲層184が酸化マグネシウム(MgO)からなる場合には、犠牲層184は、エッチャントとして水を用いたウェットエッチングにより除去されることができる。犠牲層184の除去方法やエッチャントなどは、犠牲層184の材料などに応じて適宜選択されることができる。
【0046】
なお、必要に応じて、本工程を行う前に、ノズルプレート102上に支持基板(図示せず)を接着しておくことも可能である。これにより、本工程において、部材のハンドリングを容易にすることができる。
【0047】
また、必要に応じて、本工程を行う前に、例えば図7に示すように、少なくとも犠牲層184に到達する溝部188を形成しておくことも可能である。溝部188は、例えば、弾性層108、第1電極140、及び圧電体層142を貫通するように設けられる。溝部188は、例えば、隣り合う液体噴射ヘッド100の間、即ち、チップ間などに設けられる。犠牲層184を除去する前に溝部188を形成しておくことにより、エッチャントを溝部188から浸入させることができるため、犠牲層184を容易に除去することができる。
【0048】
(5)次に、圧電体層142の下に第2電極144(図8参照)を形成する。なお、図8では、上述した製造工程とは上下逆向きに図示してあるため、第2電極144は、圧電体層142の上に形成されている。第2電極144の形成温度は、流路側壁106、ノズルプレート102、及び、それらの間の接着剤の耐えられる温度であることが望ましい。第2電極144は、例えば室温で行われるスパッタ法などにより形成される。第2電極144の成膜方法は、第1電極140の場合と同様に、圧電体層142の界面への成膜ダメージの少ないものが好ましい。第2電極144の材料としては、例えば金(Au)などを用いることができる。
【0049】
(6)次に、図1に示すように、第2電極144及び圧電体層142をパターニングすることができる。必要に応じて、第1電極140もパターニングすることができる。本工程の温度は、流路側壁106、ノズルプレート102、及び、それらの間の接着剤の耐えられる温度であることが望ましい。本工程は、例えば室温で行われる。本工程は、例えばフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて行われる。
【0050】
(7)次に、例えば、流路側壁106、弾性層108、及びノズルプレート102の表面のうち、少なくとも、液体噴射ヘッド100の動作時に液体に接する虞のある部分を、液体に対して耐性を有する保護層(図示せず)で被覆することができる。次に、例えば、圧電素子112の各電極140,144に接続される配線(図示せず)を形成することができる。
【0051】
(8)以上の工程により、本実施形態に係る液体噴射ヘッド100を製造することができる。
【0052】
3. 本実施形態の液体噴射ヘッド100の製造方法では、第1電極140の形成工程前に、圧電体層142の焼成が既に行われているため、第1電極140の材料として、白金(Pt)などの高耐熱材料を用いる必要がない。即ち、第1電極140の材料として、高価な高耐熱貴金属を用いる必要がない。従って、本実施形態によれば、製造コストを削減することが可能な液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供することができる。
【0053】
また、本実施形態の液体噴射ヘッド100の製造方法では、剥離された基板180は、再利用されることができる。
【0054】
また、従来、圧力室の形成工程では、面方位(110)のシリコン基板の異方性ウェットエッチングが行われていた(例えば特開2006−44083号公報参照)。これに対し、本実施形態の液体噴射ヘッド100の製造方法では、流路形成層105は、感光性樹脂の前駆体層を露光・現像・硬化させることにより得られる。従って、本実施形態の液体噴射ヘッド100の製造方法によれば、圧力室124の寸法精度を向上させることができる。また、流路形成層105の形成工程のマスクパターンにより、供給口165及びリザーバ166の形状を自由に決められるので、これらの形状制御を容易に行うことができる。
【0055】
4. 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【0056】
【図1】本実施形態の液体噴射ヘッドを概略的に示す断面図。
【図2】本実施形態の液体噴射ヘッドを概略的に示す平面図。
【図3】本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図4】本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図5】本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図6】本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図7】本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【図8】本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。
【符号の説明】
【0057】
100 液体噴射ヘッド、102 ノズルプレート、105 流路形成層、106 流路側壁、108 弾性層、112 圧電素子、112 圧電素子、123 開口部、124 圧力室、126 ノズル孔、140 第1電極、142 圧電体層、144 第2電極、165 供給口、166 リザーバ、180 基板、182 酸化シリコン層、184 犠牲層,188 溝部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板の上方に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極の上方に弾性層を形成する工程と、
前記弾性層の上方に、圧力室を形成するための開口部および該圧力室の側壁となる流路側壁を有する流路形成層を形成する工程と、
前記流路形成層の上方に、ノズル孔を有するノズルプレートを形成して、前記圧力室を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記基板を剥離する工程と、
前記圧電体層の下方に第2電極を形成する工程と、を含み、
前記流路側壁は、感光性樹脂からなるように形成される、液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項2】
請求項1において、
前記感光性樹脂は、永久レジストである、液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項3】
請求項1または2において、
前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂である、液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記流路形成層を形成する工程は、
前記弾性層の上方に樹脂前駆体層を形成する工程と、
前記樹脂前駆体層に、前記開口部のパターンを露光する工程と、
露光後の前記樹脂前駆体層に対して現像処理を行い、該樹脂前駆体層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記樹脂前駆体層を熱硬化させる工程と、を有する、液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項5】
ノズル孔を有するノズルプレートと、
前記ノズル孔が通じる圧力室と、
前記ノズルプレートの上方に形成され、前記圧力室の側壁を構成する流路側壁と、
前記圧力室および前記流路側壁の上方に形成された弾性層と、
前記弾性層の上方に形成された第1電極と、
前記第1電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第2電極と、を含み、
前記流路側壁は、感光性樹脂からなる、液体噴射ヘッド。
【請求項6】
請求項5において、
前記感光性樹脂は、永久レジストである、液体噴射ヘッド。
【請求項7】
請求項5または6において、
前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂である、液体噴射ヘッド。
【請求項8】
請求項5乃至7のいずれかにおいて、
前記流路側壁は、単層構造である、液体噴射ヘッド。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2009−166385(P2009−166385A)
【公開日】平成21年7月30日(2009.7.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−7995(P2008−7995)
【出願日】平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】