JP2006291910A - マイクロノズルおよびマイクロノズルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 孔径の小さい高アスペクト比のマイクロノズルを提供することを目的とする。
【解決手段】 薄板の基板10に溝13を形成し、基板10同士または基板10と溝を有しない基板12を接合してマイクロノズル5を構成する。溝は、フォトリソグラフィとエッチングにより容易に数μmの幅、深さで、長さが数mmのものが容易に形成できる。その後に基板を重ねて接合することにより、容易に数μmの孔径の高アスペクト比の貫通孔を有するマイクロノズルを構成できる。
【選択図】 図2
【解決手段】 薄板の基板10に溝13を形成し、基板10同士または基板10と溝を有しない基板12を接合してマイクロノズル5を構成する。溝は、フォトリソグラフィとエッチングにより容易に数μmの幅、深さで、長さが数mmのものが容易に形成できる。その後に基板を重ねて接合することにより、容易に数μmの孔径の高アスペクト比の貫通孔を有するマイクロノズルを構成できる。
【選択図】 図2
Description
本発明は、流体を噴射する例えば燃料噴射弁などの先端に設けられるマイクロノズルおよびマイクロノズルの製造方法に関する。
孔を有する薄板を、薄板間の孔が連絡して貫通孔を形成するように多数重ねて構成する燃料噴射用ノズルが知られている(特許文献1参照)。
このような薄板の積層により貫通孔を形成するとき、薄板間の孔の位置を少しずつずらすことにより、貫通孔の内部側壁に突起物を形成させて燃料の流れに乱流を生じさせ貫通孔通過後に霧状噴射させたり、貫通孔の出口方向を変えたりしている。
特開2000−249026号公報
このような薄板の積層により貫通孔を形成するとき、薄板間の孔の位置を少しずつずらすことにより、貫通孔の内部側壁に突起物を形成させて燃料の流れに乱流を生じさせ貫通孔通過後に霧状噴射させたり、貫通孔の出口方向を変えたりしている。
しかしながら、このような従来例においては、薄板の重ね合わせを行う方法として、フォトリソグラフィと電鋳を繰り返し行い、フォトリソグラフィ毎に貫通孔の位置合わせを行っている。したがって、フォトリソグラフィ時の位置合わせ精度以上に微細な孔をフィルタに作りこむことはできない。高精度な位置合わせ精度を要求すれば、自動化された高価な露光装置などが必要となる。
また、一般的に微細な貫通孔の加工方法においては、たとえば金属板に対してドリル加工、放電加工などでは穴径20μm程度が限界であり、多数の貫通孔を開口する場合には、孔の個数分の加工時間が必要となるので製造コストが大幅にアップする。
シリコンに代表される半導体微細加工においては、例えばICPドライエッチングなどで一度に多数の貫通孔を形成可能であるが、形成できる貫通孔のアスペクト比は20程度が限界である。例えば、1mm厚の基板では孔径50μm程度の貫通孔になり、それ以上微細な加工はできない。また、このような半導体加工装置は高価である。
本発明はこのような問題点に鑑み、孔径が数μmで高アスペクト比の微細な貫通孔を多数開口したマイクロノズルおよびその製造方法を提供することを目的とする。
シリコンに代表される半導体微細加工においては、例えばICPドライエッチングなどで一度に多数の貫通孔を形成可能であるが、形成できる貫通孔のアスペクト比は20程度が限界である。例えば、1mm厚の基板では孔径50μm程度の貫通孔になり、それ以上微細な加工はできない。また、このような半導体加工装置は高価である。
本発明はこのような問題点に鑑み、孔径が数μmで高アスペクト比の微細な貫通孔を多数開口したマイクロノズルおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、少なくとも片面に溝を形成した第1の基板に、溝をカバーする第2の基板を接合して積層構造体とし、溝によって形成される貫通孔を流体の噴射孔とするものとした。
本発明によれば、流体の噴射ノズルにおいて、予め溝を形成した第1の基板にその溝をカバーするように第2の基板を積層して接合し、溝によって貫通孔を形成する構造なので、流路径が数μmで長さが数mmという高アスペクト比の貫通孔を容易に形成することができる。例えば溝の幅と深さがそれぞれ2μmで長さが2mmの溝により貫通孔を形成するとアスペクト比1000の貫通孔を得ることができる。
また、貫通孔の孔径を小さくできるので、流体が液体の場合、噴射された流体の液滴の微粒子化を促進できる。
また、貫通孔の孔径を小さくできるので、流体が液体の場合、噴射された流体の液滴の微粒子化を促進できる。
また、マイクロノズルから噴射する流体の性質、流量、流速、方向、温度、圧力などの条件、流体が噴射される空間側の条件に合わせて貫通孔の流路形状、すなわち溝の断面形状(幅、深さ)、基板上における溝の平面形状を適切に設定できる。
次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず第1の実施例について説明する。
図1に、第1の実施例のマイクロノズルを適用した、燃焼室内に燃料油を噴射する燃料噴射弁の先端部断面を示す。
図示しない燃料ポンプによって加圧された燃料油が、燃料噴射弁1に供給される。
燃料噴射弁1は、その先端の筐体2の内部に、燃料ポンプによって加圧された燃料油を蓄える油圧室8が形成され、筐体2の底壁(図1中の下方側)には油圧室8と連通する流量調節孔9が形成されている。
図1に、第1の実施例のマイクロノズルを適用した、燃焼室内に燃料油を噴射する燃料噴射弁の先端部断面を示す。
図示しない燃料ポンプによって加圧された燃料油が、燃料噴射弁1に供給される。
燃料噴射弁1は、その先端の筐体2の内部に、燃料ポンプによって加圧された燃料油を蓄える油圧室8が形成され、筐体2の底壁(図1中の下方側)には油圧室8と連通する流量調節孔9が形成されている。
油圧室8には図1において上下方向に移動可能な針弁3が備えられ、針弁3を上下に移動させることにより針弁3の先端によって流量調節孔9を塞いだり、開口させたりすることができる。
この針弁3を上下に移動させることによって、油圧室8内から流量調節孔9を通って噴出される燃料油の流量を制御することができる。
この針弁3を上下に移動させることによって、油圧室8内から流量調節孔9を通って噴出される燃料油の流量を制御することができる。
筐体2の燃料噴射側には、流量調節孔9を覆うようにして保持構造体4が取り付けられる。
保持構造体4は、流量調節孔9と対向する位置に保持構造体孔4aを有し、その内周面には保持構造体溝4bが形成されている。
保持構造体溝4b内には、マイクロノズル5と保持構造体4との間の熱絶縁をする緩衝材6が嵌め込まれ、緩衝材6を介してマイクロノズル5を保持している。
保持構造体4は、流量調節孔9と対向する位置に保持構造体孔4aを有し、その内周面には保持構造体溝4bが形成されている。
保持構造体溝4b内には、マイクロノズル5と保持構造体4との間の熱絶縁をする緩衝材6が嵌め込まれ、緩衝材6を介してマイクロノズル5を保持している。
図2は、マイクロノズルの拡大斜視図である。
マイクロノズル5は、矢印Zで示した圧力がかかる方向に板厚tの、平面形状が正方形の板状であり、貫通孔11を複数有している。マイクロノズル5は、後述するように四角形の薄板を、矢印X方向に重ねて接合した板厚t、例えば2mmの積層構造体である。
燃料油は、貫通孔11を通過して燃焼室内(図1中における燃料噴射弁1の下方側)に噴射される。
このように、油圧室8に供給された燃料油は、針弁3の動作によって流量調節孔9から噴出される流量が制御され、流量調節孔9から噴出された燃料油はマイクロノズル5から燃焼室内に噴射される。
マイクロノズル5は、矢印Zで示した圧力がかかる方向に板厚tの、平面形状が正方形の板状であり、貫通孔11を複数有している。マイクロノズル5は、後述するように四角形の薄板を、矢印X方向に重ねて接合した板厚t、例えば2mmの積層構造体である。
燃料油は、貫通孔11を通過して燃焼室内(図1中における燃料噴射弁1の下方側)に噴射される。
このように、油圧室8に供給された燃料油は、針弁3の動作によって流量調節孔9から噴出される流量が制御され、流量調節孔9から噴出された燃料油はマイクロノズル5から燃焼室内に噴射される。
マイクロノズル5の詳細な構成を図3、図4にもとづいて説明する。
図3の(a)は、基板の溝の平面形状を示す平面図であり、(b)は基板全体の形状を示す斜視図である。図4の(c)は、マイクロノズルを構成する基板を離間して示したもので、(d)は接合後の状態を示す組立図である。
マイクロノズル5は、図3に示すように対向する2辺間の長さLが上記板厚t以上の長さである四角形の薄板の基板10の片面に、上記2辺間を連絡するように浅い溝13((a)中斜線部で示す)を形成し、図4に示すように例えば5枚の基板10を溝13が形成されている面と溝13が形成されていない面を向かい合わせて接合し、さらに図4中最上段の基板10には溝13をキャップとしてカバーするように両面が平坦な基板12を接合して構成されている。
図3の(a)は、基板の溝の平面形状を示す平面図であり、(b)は基板全体の形状を示す斜視図である。図4の(c)は、マイクロノズルを構成する基板を離間して示したもので、(d)は接合後の状態を示す組立図である。
マイクロノズル5は、図3に示すように対向する2辺間の長さLが上記板厚t以上の長さである四角形の薄板の基板10の片面に、上記2辺間を連絡するように浅い溝13((a)中斜線部で示す)を形成し、図4に示すように例えば5枚の基板10を溝13が形成されている面と溝13が形成されていない面を向かい合わせて接合し、さらに図4中最上段の基板10には溝13をキャップとしてカバーするように両面が平坦な基板12を接合して構成されている。
基板10、12の材質としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル合金、アルミニウム、チタン等の金属、またはシリコン、SiCなどの半導体、セラミック、ガラスなどから選んで、単一の同一材質でマイクロノズル5を構成する。
材質は、流体の性質、温度、圧力などマイクロノズルの使用環境や、求められる噴射時の燃料油の粒径、噴射の形状、流量などを考慮して選択される。
材質は、流体の性質、温度、圧力などマイクロノズルの使用環境や、求められる噴射時の燃料油の粒径、噴射の形状、流量などを考慮して選択される。
基板10、12の厚さは、製造工程において破損、変形のないこと、および基板同士を接合する工程において接合可能な程度の厚さとする。
たとえば、金属板または半導体の場合には基板10、12の厚さを100μm以上とする。
たとえば、金属板または半導体の場合には基板10、12の厚さを100μm以上とする。
次に、マイクロノズル5の製造方法を図3、図4にもとづいて説明する。
最初に基板10に溝13を形成する。溝13の形成には、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた微細加工技術を用いるのが好適である。
基板10の材質とのエッチング選択比の取れる有機膜を溝形成前の基板10にコーティングして、露光、現像し、有機膜が除去された開口部分に対してエッチングを行って、溝13のパターン形成をする。溝13は基板10の入口側の辺に対して垂直方向に形成されている。例えば溝の断面形状を幅、深さとも2μmとし、流路長にわたって一様とする。図3の(b)は、基板10に溝13が形成された状態を示す。
最初に基板10に溝13を形成する。溝13の形成には、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた微細加工技術を用いるのが好適である。
基板10の材質とのエッチング選択比の取れる有機膜を溝形成前の基板10にコーティングして、露光、現像し、有機膜が除去された開口部分に対してエッチングを行って、溝13のパターン形成をする。溝13は基板10の入口側の辺に対して垂直方向に形成されている。例えば溝の断面形状を幅、深さとも2μmとし、流路長にわたって一様とする。図3の(b)は、基板10に溝13が形成された状態を示す。
次に複数の基板10を、溝の方向が同じ方向になるように、また基板10同士の入口側と出口側を揃えるように、それぞれ溝13が形成されている面と溝13が形成されていない面を向かい合わせて重ね合わせる。さらにキャップとなる基板12を重ね合わせる。
基板10同士、基板10と基板12との位置合わせは、基板10、12の縁同士を位置合わせするか、予めアラインメントマークを基板10、12に形成しておいて、それにしたがって位置合わせをすることによって容易にできる。
基板10同士、基板10と基板12との位置合わせは、基板10、12の縁同士を位置合わせするか、予めアラインメントマークを基板10、12に形成しておいて、それにしたがって位置合わせをすることによって容易にできる。
ついで、重ね合わせた基板10、12を密着接合する。例えば拡散接合、シリコンフュージョンボンディングなどの接合方法によって強固に密着接合する。
上記接合方法は溝13の内部に接着剤が進入する可能性がないので好ましい。また、接合面は予め鏡面仕上げされていることが望ましい。
上記接合方法は溝13の内部に接着剤が進入する可能性がないので好ましい。また、接合面は予め鏡面仕上げされていることが望ましい。
ここで、拡散接合とは、材料同士を融点以下の温度に加熱した状態で加圧密着させ、互いの原子の相互拡散により固相のまま接合する方法なので、溶融接合に比べて精度の高い位置合わせの接合を行うことができる。主に、金属同士や、セラミックと金属との接合に用いる。
また、シリコンフュージョンボンディングとは、親水化されたシリコンや酸化シリコンなどの基板を、まず水素結合で貼り合わせた後、加熱処理をしてSi−O−Si結合により接合する技術で、少なくともいずれかが酸化されているシリコンウエハ同士を貼り合わせる場合に主に用いられる。その際プラズマ酸化処理などを施した後に、接合することによりプロセス温度を低下させるなどの方法をとることもできる。
また、シリコンフュージョンボンディングとは、親水化されたシリコンや酸化シリコンなどの基板を、まず水素結合で貼り合わせた後、加熱処理をしてSi−O−Si結合により接合する技術で、少なくともいずれかが酸化されているシリコンウエハ同士を貼り合わせる場合に主に用いられる。その際プラズマ酸化処理などを施した後に、接合することによりプロセス温度を低下させるなどの方法をとることもできる。
なお、基板の重ね合わせと接合は、基板を1枚ずつ順に重ね合わせて接合する方法と、所定の枚数基板を重ね合わせて一度の接合プロセスで接合する方法がある。
いずれの方法でも接合は可能であるが、予め形成されている溝の断面形状、本数、溝の平面形状、基板平面上の位置によってそれぞれの基板の受ける応力が異なるので、接合後の積層構造体の内部歪ができるだけ小さくなるように適宜、一度に接合する基板の枚数や、少数枚分接合したものをさらに重ねて接合する順番などを決定すればよい。
上記のように基板10、12を重ね合わせ、接合することにより貫通孔11を多数有した積層構造体15が得られる。
いずれの方法でも接合は可能であるが、予め形成されている溝の断面形状、本数、溝の平面形状、基板平面上の位置によってそれぞれの基板の受ける応力が異なるので、接合後の積層構造体の内部歪ができるだけ小さくなるように適宜、一度に接合する基板の枚数や、少数枚分接合したものをさらに重ねて接合する順番などを決定すればよい。
上記のように基板10、12を重ね合わせ、接合することにより貫通孔11を多数有した積層構造体15が得られる。
図4の(d)のように得られた積層構造体15をそのままマイクロノズル5として用いても構わないが、例えば図5の(e)に示すようにA−A’で示した破断線の位置で切断して、(f)に示すようなより薄い、例えば、板厚t=2mmのマイクロノズル5となる積層構造体15を複数作成してもよい。
このようにすることにより、1つの積層構造体15から複数のマイクロノズル5を製造し、コストを低減できる。
また、図3から図5では、基板10の対向する2辺間を連絡するように溝13を形成して積層構造体15としたが、基板10の入口側、出口側の辺にまで溝13が至らないように手前で止めた溝13を形成し、積層構造体15とした後、入口側、出口側を切断して、貫通孔11が形成されるようにしてもよい。
このようにすることにより、接合前の溝13を形成された基板10は4辺とも基板自身の全厚を有する構造で強度が増すので、加圧接合時に基板の破損を低減できる。
このようにすることにより、1つの積層構造体15から複数のマイクロノズル5を製造し、コストを低減できる。
また、図3から図5では、基板10の対向する2辺間を連絡するように溝13を形成して積層構造体15としたが、基板10の入口側、出口側の辺にまで溝13が至らないように手前で止めた溝13を形成し、積層構造体15とした後、入口側、出口側を切断して、貫通孔11が形成されるようにしてもよい。
このようにすることにより、接合前の溝13を形成された基板10は4辺とも基板自身の全厚を有する構造で強度が増すので、加圧接合時に基板の破損を低減できる。
特に金属以外、例えばシリコンなどの材料では塑性変形しにくいので切断によって貫通孔11の切断面形状が変形することは無い。したがって、切断面における貫通孔11の開口の目詰まりは生じない。
なお、切断後に切断面を必要に応じて研磨して平坦化させてもよい。
シリコンなどの半導体材料やガラス材の切断方法としては、例えばシリコンでは一般的に用いられているダイシングソーによる、所謂ブレードダイシング法や、近赤外線レーザーによって結晶欠陥を生じさせて劈開させる、所謂ステルスダイシング法などが代表的である。
なお、切断後に切断面を必要に応じて研磨して平坦化させてもよい。
シリコンなどの半導体材料やガラス材の切断方法としては、例えばシリコンでは一般的に用いられているダイシングソーによる、所謂ブレードダイシング法や、近赤外線レーザーによって結晶欠陥を生じさせて劈開させる、所謂ステルスダイシング法などが代表的である。
特にステルスダイシング法では、基本的に「きりしろ」がほとんど必要ない。また、劈開によるので切断面も平坦にできるので本発明の製造方法として好適である。
また、ブレードダイシング法、ステルスダイシング法のいずれの場合も、図5の(e)において切断加工する前にまたはそれ以前の工程で予め貫通孔11に充填材を詰め、切断後にその充填材を除去することにより、貫通孔11への異物の侵入を防ぐことができる。
充填材として、たとえば低粘度のフォトレジスト、ワックス、ポリイミド、エチレンカーボネートを用いた場合は、切断後に基板の材質や充填材に適合した溶剤で洗浄して充填材を溶解除去する。充填材として、たとえばナフタレン、パラジクロロベンゼンなどの昇華性物質を用いた場合は、切断後に積層構造体15全体を加熱して昇華させて充填材を除去する。
なお、本実施例の基板10は本発明の第1の基板に、基板12は第2の基板に対応する。
また、ブレードダイシング法、ステルスダイシング法のいずれの場合も、図5の(e)において切断加工する前にまたはそれ以前の工程で予め貫通孔11に充填材を詰め、切断後にその充填材を除去することにより、貫通孔11への異物の侵入を防ぐことができる。
充填材として、たとえば低粘度のフォトレジスト、ワックス、ポリイミド、エチレンカーボネートを用いた場合は、切断後に基板の材質や充填材に適合した溶剤で洗浄して充填材を溶解除去する。充填材として、たとえばナフタレン、パラジクロロベンゼンなどの昇華性物質を用いた場合は、切断後に積層構造体15全体を加熱して昇華させて充填材を除去する。
なお、本実施例の基板10は本発明の第1の基板に、基板12は第2の基板に対応する。
本実施例は以上のように構成され、基板10に溝13をフォトリソグラフィとエッチングで形成し、複数の基板10同士と接合、および基板10とキャップである基板12を接合してマイクロノズル5となる積層構造体15を作るので、溝13の断面形状を例えば幅、深さとも2μmとし、溝13の長さを2mmとして、アスペクト比1000という高アスペクト比の貫通孔11を容易に、またその流路形状を精度良く形成することができる。
さらに、貫通孔11の穴径を従来技術より小さくできるので、このマイクロノズルを用いた場合、燃料油を噴射してできた液滴の微粒子化を促進できる。
また、マイクロノズル5の圧力を受ける方向(図2に矢印Zで示した方向)の板厚tをカバーする対向する2辺間の長さLを有する四角形の基板10をマイクロノズル5の水平方向(X方向)に重ねて接合する構造なので、容易に板厚tの大きいマイクロノズル5を形成でき、高圧に耐えるマイクロノズルの製造方法として優れている。
また、基板10を接合して積層構造体15に組み立てるとき、位置合わせの精度によって僅かながらずれを生じるが、溝13自体の断面形状と平面形状、つまり貫通孔11の流路形状にはなんら影響を与えないので、製造されたマイクロノズル5からの噴射された燃料油の状態のばらつきを極めて少なくできる。
また、マイクロノズル5の圧力を受ける方向(図2に矢印Zで示した方向)の板厚tをカバーする対向する2辺間の長さLを有する四角形の基板10をマイクロノズル5の水平方向(X方向)に重ねて接合する構造なので、容易に板厚tの大きいマイクロノズル5を形成でき、高圧に耐えるマイクロノズルの製造方法として優れている。
また、基板10を接合して積層構造体15に組み立てるとき、位置合わせの精度によって僅かながらずれを生じるが、溝13自体の断面形状と平面形状、つまり貫通孔11の流路形状にはなんら影響を与えないので、製造されたマイクロノズル5からの噴射された燃料油の状態のばらつきを極めて少なくできる。
本実施例で示した溝13の形状は、例えば幅、深さとも2μmとし流路にわたり一様とし、基板10の入り口側の辺に垂直に7本の溝13を形成したが、溝の断面形状、溝の平面形状(溝の長さを含む)、溝の配置方向や本数はこれに限定されるものではない。またマイクロノズル5を構成する基板10の枚数は5枚に限定されるものではない。適宜、必要に応じ変えられるものである。
図6、図7は、溝の平面形状の変形例を示す基板の平面図である。図中の基板10a〜10fの上側がマイクロノズルの入口側、下側が出口側に対応し、溝13を斜線部で示している。
(a)では、溝13が出口側で細くなっている。
(b)では、溝13が流路内に突出する突起25を有する形状に形成され、流路を通過する流体に乱流を生じさせるようになっている。
(c)では、溝13が出口端側で幅が徐々に広くなっている。
(d)では、溝13が基板10dの左右中心軸21に対し、出口側で入口側よりも離れるように放射状に配され、広角に噴射できるようになっている。
また、(e)に示すような途中で複数の溝に分岐する溝13を用いて放射状に噴射するようにしてもよい。
(e)では、溝13が途中で二本に分岐し、溝13の幅は分岐した後狭くなっている。
なお、溝13が2本に分岐の形状の例を示しているが、より多くの本数に分岐させてもよい。
(f)では、溝13を屈曲させた形状とし、流路を通過する流体に乱流を生じさせるようになっている。
(a)では、溝13が出口側で細くなっている。
(b)では、溝13が流路内に突出する突起25を有する形状に形成され、流路を通過する流体に乱流を生じさせるようになっている。
(c)では、溝13が出口端側で幅が徐々に広くなっている。
(d)では、溝13が基板10dの左右中心軸21に対し、出口側で入口側よりも離れるように放射状に配され、広角に噴射できるようになっている。
また、(e)に示すような途中で複数の溝に分岐する溝13を用いて放射状に噴射するようにしてもよい。
(e)では、溝13が途中で二本に分岐し、溝13の幅は分岐した後狭くなっている。
なお、溝13が2本に分岐の形状の例を示しているが、より多くの本数に分岐させてもよい。
(f)では、溝13を屈曲させた形状とし、流路を通過する流体に乱流を生じさせるようになっている。
上記に溝の平面形状の変形例で示したように、基板に形成する溝の平面形状よび基板内の溝の配置は所定に設計可能であるから、噴射する流体の性質、流量、温度、圧力などマイクロノズルの使用環境条件や、求められる噴射時の液滴の粒径、噴射の形状などの条件に合わせて、必要に応じて1枚の基板に異なる溝の平面形状を設定できる。
また、基板10の厚さは100μm以上としたが、もちろん製造工程の自動化などによってさらに薄い基板10を用いることも可能である。
なお、本変形例の溝の断面形状(幅と深さ)と、上記溝の平面形状(長さを含む)を合わせて総称したものが本発明における「溝の形状」に対応する。
また、基板10の厚さは100μm以上としたが、もちろん製造工程の自動化などによってさらに薄い基板10を用いることも可能である。
なお、本変形例の溝の断面形状(幅と深さ)と、上記溝の平面形状(長さを含む)を合わせて総称したものが本発明における「溝の形状」に対応する。
次に第2の実施例について説明する。図8は、本実施例のマイクロノズルの拡大斜視図である。なお、第1の実施例と同一の構成については、同一の符合を付して、説明を省略する。
マイクロノズル5’は、矢印Zで示した圧力がかかる方向に板厚t、例えば2mmの平面形状が正方形の板状であり、貫通孔11を複数有している。マイクロノズル5’は、第1の実施例と同様に四角形の薄板の基板10、10d’、12を、矢印X方向に重ねて接合した積層構造をしている。
マイクロノズル5’は、矢印Zで示した圧力がかかる方向に板厚t、例えば2mmの平面形状が正方形の板状であり、貫通孔11を複数有している。マイクロノズル5’は、第1の実施例と同様に四角形の薄板の基板10、10d’、12を、矢印X方向に重ねて接合した積層構造をしている。
マイクロノズル5’の詳細な構成を図9にもとづいて説明する。
マイクロノズル5’は、対向する2辺間の長さLが上記板厚t以上の長さである四角形の薄板の基板10、10d’の片面に浅い溝13を形成し、図のように下から基板10d’、基板10、基板10、基板10d’の順に、溝13が形成されている面と溝13が形成されていない面を向かい合わせて接合し、さらに最上段の基板10d’には溝13をキャップとしてカバーするように両面が平坦な基板12を接合して構成されている。
図中手前がマイクロノズル5’の入口側、奥が出口側に対応している。
マイクロノズル5’は、対向する2辺間の長さLが上記板厚t以上の長さである四角形の薄板の基板10、10d’の片面に浅い溝13を形成し、図のように下から基板10d’、基板10、基板10、基板10d’の順に、溝13が形成されている面と溝13が形成されていない面を向かい合わせて接合し、さらに最上段の基板10d’には溝13をキャップとしてカバーするように両面が平坦な基板12を接合して構成されている。
図中手前がマイクロノズル5’の入口側、奥が出口側に対応している。
本実施例では、第1の実施例とは異なり、マイクロノズル5’に用いる溝が形成された基板が基板10と基板10d’の2種類であり、基板10と基板10d’に形成された溝13の配置や数が異なる。なお、各基板の溝13の幅、深さはともに、例えば2μmとする。
マイクロノズル5’のX方向の中央部分に用いる基板10では、第1の実施例と同じように溝13が基板10の入口側の辺に垂直方向に形成されている。2枚の基板10の両外側に1枚ずつ配置する基板10d’では、溝13が出口側に向かって図の左右方向に放射状に広がって配置されている。
本マイクロノズル5’の基板の溝の形成方法、基板同士の接合方法、切断方法は第1の実施例と同じである。
マイクロノズル5’のX方向の中央部分に用いる基板10では、第1の実施例と同じように溝13が基板10の入口側の辺に垂直方向に形成されている。2枚の基板10の両外側に1枚ずつ配置する基板10d’では、溝13が出口側に向かって図の左右方向に放射状に広がって配置されている。
本マイクロノズル5’の基板の溝の形成方法、基板同士の接合方法、切断方法は第1の実施例と同じである。
なお、本実施例の基板10、10d’は、本発明の第1の基板に、基板12は第2の基板に対応する。
本実施例は以上のように構成され、基板10、10d’に溝13をフォトリソグラフィとエッチングで形成し、複数の基板(10、10d’)同士と接合、および基板10d’とキャップである基板12を接合してマイクロノズル5’となる積層構造体を作るので、溝13の断面形状を例えば幅、深さとも2μmとし、基板10、10d’の対向する2辺間の長さLを2mm以上として、アスペクト比1000またはそれ以上という高アスペクト比の貫通孔11を容易に、またその流路形状を精度良く形成することができる。
本実施例は以上のように構成され、基板10、10d’に溝13をフォトリソグラフィとエッチングで形成し、複数の基板(10、10d’)同士と接合、および基板10d’とキャップである基板12を接合してマイクロノズル5’となる積層構造体を作るので、溝13の断面形状を例えば幅、深さとも2μmとし、基板10、10d’の対向する2辺間の長さLを2mm以上として、アスペクト比1000またはそれ以上という高アスペクト比の貫通孔11を容易に、またその流路形状を精度良く形成することができる。
また、マイクロノズル5’は、溝の配置方向が1枚の基板内で異なる基板10d’と、溝の配置方向が1枚の基板内で同一の基板10とを組み合わせて積層構造体としているので、図8中のX方向の中央の基板10により形成された貫通孔11は、マイクロノズル5’入り口面に垂直方向に流体を噴射し、X方向の外側の基板10d’により形成された貫通孔11は、図中斜線部で示した噴射の流れ27のようにY方向外側に広角に流体を噴射できる。したがって、燃焼室内に広く燃料油を噴射することができる。
なお、マイクロノズル5’を構成する基板は図9の組み合わせに限定されず、溝の数、溝の配置方向、基板の枚数は適宜選定できる。さらに、第1の実施例の基板10の溝13の平面形状の変形例で示した基板10a〜10fのような溝の平面形状を適宜組み合わせることにより、所望の噴射の流れの形状を得ることができる。
なお、マイクロノズル5’を構成する基板は図9の組み合わせに限定されず、溝の数、溝の配置方向、基板の枚数は適宜選定できる。さらに、第1の実施例の基板10の溝13の平面形状の変形例で示した基板10a〜10fのような溝の平面形状を適宜組み合わせることにより、所望の噴射の流れの形状を得ることができる。
次に第3の実施例について図10、図11にもとづいて説明する。本実施例は、マイクロノズルに設ける貫通孔の集積度を高くするための製造方法である。なお、第1の実施例と同一の構成については、同一の符合を付して、説明を省略する。
図3に示した溝の平面形状の基板10を用いた場合を例に説明する。基板10の板厚は、例えば200μmとし、基板10には、例えば幅、深さとも2μmの溝13が形成されている。
図3に示した溝の平面形状の基板10を用いた場合を例に説明する。基板10の板厚は、例えば200μmとし、基板10には、例えば幅、深さとも2μmの溝13が形成されている。
まず、図10の(a)に示すようにキャップとする基板12と基板10の溝13が形成された面を接合し、積層構造体15aを作る。ついで、積層構造体15aの基板10の溝13が形成されていない側を研削、研磨、エッチングなどの方法で、例えば(b)に点線で示す減肉面23の位置まで、例えば100μmまで薄くする。その後、減肉面23をCMP(Chemical mechanical Polishing)などの方法で研磨して凹凸の少ない鏡面とする。
ついで、新たな基板10を溝13が形成された面と減肉面23とを向かい合わせて図11の(c)のように接合し、新たに接合した基板10を減肉、研磨と、繰り返し所望の枚数を接合する(図11の(d)参照)。
最後に必要に応じて積層構造体を所望のマイクロノズルの板厚tとなるように切断する。
なお、基板の接合、積層構造体の切断方法は、第1の実施例と同じである。
ついで、新たな基板10を溝13が形成された面と減肉面23とを向かい合わせて図11の(c)のように接合し、新たに接合した基板10を減肉、研磨と、繰り返し所望の枚数を接合する(図11の(d)参照)。
最後に必要に応じて積層構造体を所望のマイクロノズルの板厚tとなるように切断する。
なお、基板の接合、積層構造体の切断方法は、第1の実施例と同じである。
本実施例は以上のようなマイクロノズルの製造方法であり、第1の実施例に比してほぼ2倍の密度の貫通孔を形成することができる。
また、基板10の板厚の減肉加工は、板厚の厚いキャップである基板12に接合してから行うので、強度があり加工中または取り扱い時の破損や変形が防止できる。また、最初から100μm厚の基板10を用いて接合する製造方法ではないので、取り扱い時、接合工程における基板10の破損を防止できる。
なお、本実施例は基板10を例に説明したが、それに限定されない。
また、基板10の板厚の減肉加工は、板厚の厚いキャップである基板12に接合してから行うので、強度があり加工中または取り扱い時の破損や変形が防止できる。また、最初から100μm厚の基板10を用いて接合する製造方法ではないので、取り扱い時、接合工程における基板10の破損を防止できる。
なお、本実施例は基板10を例に説明したが、それに限定されない。
第1の実施例から第3の実施例においては、マイクロノズルの平面形状を正方形としたがそれに限定されない。組み込む噴射装置に合わせて円形、その他多様な形状としてもよい。
また、マイクロノズルを構成する基板を全て同一材質としたが、材質としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル合金、アルミニウム、チタン等の金属、またはシリコン、SiCなどの半導体、セラミック、ガラスなどから熱膨張係数のほぼ等しい材質同士を基板の材質として選び、異なる材質の基板を組み合わせてもよい。
なお、熱膨張係数のほぼ等しい材質を組み合わせるのは、複数の基板を接合してマイクロノズルを構成するので、基板間の熱膨張係数がほぼ等しくないと、温度変化により内部に熱応力が生じて、接合面から剥離する可能性があるためである。
なお、シリコン基板とガラス基板を接合する場合は、陽極接合を用いるとよい。
また、マイクロノズルを構成する基板を全て同一材質としたが、材質としては、ステンレス鋼、銅、ニッケル合金、アルミニウム、チタン等の金属、またはシリコン、SiCなどの半導体、セラミック、ガラスなどから熱膨張係数のほぼ等しい材質同士を基板の材質として選び、異なる材質の基板を組み合わせてもよい。
なお、熱膨張係数のほぼ等しい材質を組み合わせるのは、複数の基板を接合してマイクロノズルを構成するので、基板間の熱膨張係数がほぼ等しくないと、温度変化により内部に熱応力が生じて、接合面から剥離する可能性があるためである。
なお、シリコン基板とガラス基板を接合する場合は、陽極接合を用いるとよい。
また、第1、第2の実施例では基板10は片面のみに溝13を形成したが、基板の対向する2面、A面とB面間の溝13の位置をオフセットして両面に形成したもの(基板αと称する)を用いてもよい。さらに、基板12の代わりに、片面だけに溝13を形成した別の基板(基板βと称する)を用いてもよい。
その場合、基板α同士を、A面に対してB面を対向するように重ね、最外側の基板αのA面またはB面の溝13をキャップするように、基板βの溝13を形成した面を向かい合わせて接合する。
なお、基板βの溝13は、基板αのA面、B面の溝13と位置が重ならないようにオフセットして形成する。
このように、両面に溝13を形成した基板αと、片面に溝13を形成した基板βをもちいてマイクロノズルを作ることもできる。
その場合、基板α同士を、A面に対してB面を対向するように重ね、最外側の基板αのA面またはB面の溝13をキャップするように、基板βの溝13を形成した面を向かい合わせて接合する。
なお、基板βの溝13は、基板αのA面、B面の溝13と位置が重ならないようにオフセットして形成する。
このように、両面に溝13を形成した基板αと、片面に溝13を形成した基板βをもちいてマイクロノズルを作ることもできる。
また、基板を重ね合わせて接合した積層構造体のユニットを複数用意し、マイクロノズル平面の周辺部を構成する基板の平面方向がX方向、およびY方向に向くように、例えば風車状に組み合わせてマイクロノズルを構成するものとしてもよい。
このような構成にすることにより、第2の実施例においてはY方向にのみ噴射方向を広角に広げることが可能であったものを、X方向にも噴射方向を広角に広げることが可能となる。
このような構成にすることにより、第2の実施例においてはY方向にのみ噴射方向を広角に広げることが可能であったものを、X方向にも噴射方向を広角に広げることが可能となる。
1 燃料噴射弁
2 筐体
3 針弁
4 保持構造体
4a 保持構造体孔
4b 保持構造体溝
5、5’ マイクロノズル
6 緩衝材
8 油圧室
9 流量調節孔
10、10a、10b、10c、10d、10e、10f 基板
10d’、10’ 基板
11 貫通孔
12 基板
13 溝
15、15a、15b 積層構造体
21 左右中心軸
23 減肉面
25 突起
27 噴射の流れ
2 筐体
3 針弁
4 保持構造体
4a 保持構造体孔
4b 保持構造体溝
5、5’ マイクロノズル
6 緩衝材
8 油圧室
9 流量調節孔
10、10a、10b、10c、10d、10e、10f 基板
10d’、10’ 基板
11 貫通孔
12 基板
13 溝
15、15a、15b 積層構造体
21 左右中心軸
23 減肉面
25 突起
27 噴射の流れ
Claims (10)
- 少なくとも片面に溝を形成した第1の基板に、前記溝をカバーする第2の基板を接合して積層構造体とし、前記溝によって形成される貫通孔を流体の噴射孔とすることを特徴とするマイクロノズル。
- 前記積層構造体は複数の前記第1の基板を含み、前記第2の基板と接合する第1の基板の当該接合面と反対側の面に次の第1の基板の前記溝が形成されている面を向かい合わせて、これと同じ向きに順次第1の基板同士を接合して積層構造体とすることを特徴とする請求項1に記載のマイクロノズル。
- 前記第1の基板は、前記溝が複数の形状を有するものを少なくとも1枚含むことを特徴とする請求項1または2に記載のマイクロノズル。
- 前記溝が、前記第1の基板間で、複数の形状を有するものであることを特徴とする請求項2または3のいずれか1に記載のマイクロノズル。
- 前記溝は流路内に突出した突起を有する形状であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1に記載のマイクロノズル。
- 少なくとも基板の片面に溝を備える第1の基板と、前記溝をカバーする第2の基板を積層して、前記溝によって形成される貫通孔を流体の噴射孔とするマイクロノズルの製造方法であって、
前記基板の片面に前記溝を形成する第1の工程と、
前記第1の工程により溝を形成した前記第1の基板と前記第2の基板とを接合して積層構造体とする第2の工程とを有することを特徴とするマイクロノズルの製造方法。 - 複数の前記第1の基板を用い、
前記第2の工程は、さらに前記で接合された第1の基板の厚さを減肉する第3の工程と、前記減肉された面に新たな第1の基板の前記溝を有する面を接合する第4の工程と、前記接合された新たな第1の基板の厚さを減肉する第5の工程を有し、前記第4の工程と第5の工程を繰り返して前記積層構造体をとすることを特徴とする請求項6に記載のマイクロノズルの製造方法。 - 前記積層構造体を、前記溝が表裏面を貫通するように切断する第6の工程を含むことを特徴とする請求項6または7に記載のマイクロノズルの製造方法。
- 前記第1の工程は、前記基板の対向する2辺間を連絡するように前記溝を形成することを特徴とする請求項6または7に記載のマイクロノズルの製造方法。
- 前記第6の工程は、予め前記溝内部に充填材を充填しておき、前記切断後、前記充填材を除去することを特徴とする請求項8に記載のマイクロノズルの製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2005116207A JP2006291910A (ja) | 2005-04-13 | 2005-04-13 | マイクロノズルおよびマイクロノズルの製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101175542B1 (ko) * | 2009-10-13 | 2012-08-22 | 서울대학교산학협력단 | 분말카트리지 |
| JP2015002860A (ja) * | 2013-06-20 | 2015-01-08 | 凸版印刷株式会社 | 中空針状体装置の製造方法及び中空針状体装置 |
| JP2021521377A (ja) * | 2018-04-25 | 2021-08-26 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh | インサート配置保持特徴を含む燃料噴射器バルブシートアセンブリ |
| WO2023127394A1 (ja) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 株式会社ナンシン | 電鋳管の製造方法 |
-
2005
- 2005-04-13 JP JP2005116207A patent/JP2006291910A/ja not_active Withdrawn
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