JPH0577425A - ノズルプレートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】インクジェットプリンタのノズルプレートのノ
ズルとして段付きの開口部を容易にかつ高精度で形成で
きるようにする。 【構成】レーザの第１ビーム２でポリマー材１を露光し
て第１のホール３を形成した後に、レーザの第２のビー
ム４で、第１のホール３よりも広径でかつポリマー材１
を貫通しないホール５を形成することによってノズルを
段付きの開口とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、一般的には、インク
ジェット・プリンタのプリントヘッドのためのノズル・
プレートにおけるインクジェット・ノズルを製造する方
法に関するものである。

【０００２】

【従来技術および発明が解決しようとする課題】インク
ジェット・プリンタのためのプリントヘッドであって、
基板、中間バリア層およびノズル・プレートをその各々
に含むプリントヘッドを提供することは知られている。
複数のノズル・オリフィスがオリフィス・プレート内に
形成されている。従って、完成したインクジェット・プ
リントヘッドには、円形のノズル・オリフィスのアレイ
が含まれており、その各々は気化空洞部とペアにされて
いる。また、完成したインクジェット・プリントヘッド
には、インク供給溜に対して多くの気化空洞部を接続さ
せるための手段も含まれている。

【０００３】従来の実施においては、プリントヘッドの
各気化空洞部内に加熱抵抗が配置されている。典型的に
は、これらの抵抗は薄膜タイプのものである。加熱抵抗
は選択的な起動のために電気的なネットワーク内で接続
されている。これをより詳細にいえば、ある特定の加熱
抵抗が１個のパルスを受け入れたときには、迅速に電気
的なエネルギから熱に変換され、これに次いで、該加熱
抵抗に直接的に隣接するインクが気化したインク・バブ
ルに形成されて、付勢された加熱抵抗の上部のノズル・
プレートにおけるオリフィスからインク滴が噴射される
ことになる。かくして、インクジェット・プリントヘッ
ドにおける加熱抵抗を付勢するシーケンスの適切な選択
により、ペーパ・シートその他の適当な記録媒体上で、
噴射されたインク滴がパターンを形成するようにされ
る。

【０００４】実際には、インクジェット・プリンタによ
って付与されるプリント上の品質はプリントヘッドにお
けるノズルの物理的な特性に依存している。例えば、プ
リントヘッドにおけるオリフィス・ノズルの幾何学的な
形状は、インク滴噴射のサイズ、軸道および速度に影響
するものである。これに加えて、プリントヘッドにおけ
るオリフィス・ノズルの幾何学的な形状は、気化チャン
バに供給されるインクの流れに影響するものであり、あ
る所定の例においては、隣接のノズルからインクが噴射
される態様に影響するものである。

【０００５】従来の実施においては、インクジェット・
プリントヘッドに対するノズル・プレートはニッケルで
形成されており、また、リソグラフによる電気的な形成
方法によって製造される。適当なリソグラフによる電気
的な形成方法の一つの例については、米国特許第４，７
７３，９７１号において説明されている。このような方
法において、ノズル・プレートにおけるオリフィスは誘
電性のパターン上にニッケルを被覆メッキすることによ
って形成される。インクジェット・プリントヘッドに対
してノズル・プレートを形成するためのこのような方法
には多くの利点があるけれども、それらには幾つかの欠
点もある。その一つの欠点は、この方法では、ストレス
とメッキの厚みおよび被覆メッキの比率のようなパラメ
ータの微妙なバランスが必要とされることである。この
ような電気的な形成方法における別の欠点は、ノズルの
形状およびサイズについて、固有の設計選択上の制限が
あることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】概略的にいえば、この発
明によって、ポリマー材を通して段付き開口部を形成す
るために用いることのできる方法が提供される。この方
法は、インクジェット・プリンタのプリントヘッドに対
するノズル・プレートにおけるインクジェット・ノズル
を製造するために用いられる。その好適な実施例におい
ては、光学的な除去がなされるノズル・プレートがポリ
マー材で形成される。このポリマー材は、好適には、テ
フロン、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリ
エチレンテレフタレートまたはそれらの混合物および結
合物のようなプラスチック材である。

【０００７】この発明の一つの特定の実施例において、
ポリマー材を通して少なくとも１個の段付き開口部を光
学的に除去形成する方法は、次のようなステップによっ
て達成される。 ａ）ポリマー材内で伸長する第１のホールを形成するた
めに、ポリマー材をレーザの第１ビームに露光して、該
ポリマー材を除去するステップ；および ｂ）ポリマー材内で伸長する第２のホールを形成するた
めに、ポリマー材をレーザの第２ビームに露光して、該
ポリマー材を除去するステップであって、該第２のホー
ルは該第１のホールと流体的に連通しており、該ポリマ
ー材を通して段付き開口部を形成するようにされる前記
のステップ。

【０００８】この第１のステップおよび第２のステップ
は例えば次のようにして実施される。即ち、ポリマー材
上のそれぞれのマスクにおけるアパーチュアを通してレ
ーザ・ビームを露光するときに、該第１のステップは第
１のサイズのアパーチュアを有するマスクをもって実行
し、また、該第２のステップは第２のサイズのアパーチ
ュアを有するマスクをもって実行することによって実施
される。代替的に、この第１のステップおよび第２のス
テップは投射マスクを通してレーザ・ビームを露光する
ことによって実行することができる。このとき、前記第
１のステップか第２のステップの一方は、ポリマー材上
で焦点が合う投射マスクのイメージで実行され、また、
該第１のステップか第２のステップの他方は、ポリマー
材上では焦点が合わない投射マスクのイメージで実行さ
れる。この第１のステップおよび第２のステップの間
に、交互に異なる密度のレーザ・パワーを用いることが
できる。その好適な実施例において、第１のステップお
よび第２のステップによって形成されることが許容され
る段付き開口部は、より大きい第１の開口部がポリマー
材を通して部分的に伸長し、より小さい第２の開口部が
ポリマー材を通して完全に伸長し、そして、より大きい
開口部は好適にはより小さい開口部と合致している。

【０００９】

【実施例】以下に説明されることは、インクジェット・
プリントヘッドのインクジェット・ノズルを作成するた
めに、ポリマー材を通して少なくとも１個の段付き開口
部を光学的に除去して形成する方法についてである。概
略的にいえば、この方法にはエクシマ・レーザ・ビーム
をもってポリマー材を２個の分離した露光にさらすこと
が含まれており、該レーザ・ビームはまず第１のマスク
における一つのサイズの少なくとも１個のアパーチュア
を通して投射され、これに次いで、第２のマスクにおけ
る異なるサイズの少なくとも１個のアパーチュアを通し
て投射される。ここで理解されるべきことは、従来のイ
ンクジェット・プリントヘッドとほぼ同じ外見を有して
いるけれども、光学的に除去される、または、光学的に
エッチングされるポリマー材で形成されている点で異な
っているインクジェット・プリントヘッド上に、インク
ジェット・ノズルを設けることができるということであ
る。該ポリマー材は、好適には、テフロン、ポリイミ
ド、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタ
レートまたはそれらの混合物のようなプラスチック材で
ある。

【００１０】実際にポリマー・ノズル・プレートの光学
的な除去または光学的なエッチングのために好適な手段
は、エクシマ・レーザのような高エネルギのホトン・レ
ーザである。ここでのエクシマ・レーザは、例えば、Ｆ
₂ ，ＡｒＦ，ＫｒＣ１，ＫｒＦ，またはＸｅＣ１のタイ
プのものである。このタイプのレーザによればポリマー
材の炭素（Ｃ）−炭素（Ｃ）の化学的な結合の破壊のた
めに十分なエネルギを供給できることから、このエクシ
マ・レーザは光学的な除去のために有用なものである。

【００１１】インクジェット・プリントヘッドに対する
ノズル・プレートを形成するためには、従来のリソグラ
フにより電気的な形成方法に比べて、光学的な除去によ
る形成方法の方が多くの利点を有している。例えば、一
般的には、光学的な除去による形成方法の方が、従来の
リソグラフによる電気的な形成方法よりも廉価かつ簡単
である。これに加えて、光学的な除去による形成方法を
用いることにより、ポリマー・ノズル・プレートを著し
く大きいサイズ（即ち、より大きい表面エリアを有する
もの）で製造することが可能になり、また、従来の電気
的な形成方法では実際的ではないようなノズルの幾何学
的な態様（即ち、形状）にすることが可能になる。特
に、各露光の間でレーザ・ビームおよび／またはノズル
・プレートの再方位付けがなされる多重露光をすること
により、ユニークな形状のノズルを作成することができ
る。また、電気的な形成方法において要求されるような
厳密なプロセス・コントロールなしで、ノズルを精密な
幾何学的形状に形成することができる。

【００１２】この際に評価されるべきことは、ポリマー
材を光学的に除去することにより該ポリマー材を通して
開口部を作成するための、後述される方法によれば、複
雑な幾何学的形状の開口部を簡単な態様で形成すること
が許容される。実際には、この開口部はエクシマ・レー
ザをもって形成することができるが、典型的には、その
レーザ・ビームに平行な方向に関して小さい角度をもっ
て傾斜するサイドウオールをもつ開口部が形成される。

【００１３】この方法における第１のステップとして、
ポリマー材中に伸長する第１のホールを形成するよう
に、ポリマー材を除去するレーザ・エネルギの第１のビ
ームに対して、該ポリマー材を露光させることにより、
このポリマー材が光学的に除去される。これに次いで、
ポリマー材中に伸長する第２のホールを形成するよう
に、ポリマー材を除去するレーザ・エネルギの第２のビ
ームに対して、該当ポリマー材が露光される。この第２
のホールは第１のホールと流体的に連通しており、ポリ
マー材を通して段付きの開口部を形成している。詳細に
後述されるように、これら２個のステップは多くのやり
方で実行することができる。

【００１４】第１において示されているように、例えば
第１のステップにおいて、ポリマー材を貫通して伸長す
るスルー・ホール３を形成するように、ポリマー材を除
去するレーザ・エネルギの第１のより小さいビーム２に
対して、ポリマー材１を露光することができる。第１の
マスクは、第２のマスクよりは小さいサイズのアパーチ
ュアを有している。

【００１５】第２のステップのときには、図２に示され
ているように、ポリマー材を部分的に伸長するブライン
ド・ホール５を形成するように、ホリマー材を除去する
レーザ・エネルギの第１のより広いビーム４に対して、
ポリマー材１を露光することができる。ここで観察すべ
きことは、第２のビーム４に直交する方向におけるブラ
インド・ホール５のサイズはスルー・ホール３のそれよ
りも大きく、これにより、ポリマー材１を通して段付き
の開口部が形成されているということである。この場合
において、第１のステップは第１および第２のマスクを
もって達成することができる。ここで、第１のマスクに
おけるアパーチュアは、第２のマスクにおけるアパーチ
ュアよりも小にされている。

【００１６】一つの代替例によれば、始めに、レーザ・
エネルギのより広いビームに対してポリマー材１を露光
させることができる。この場合においては、図３に示さ
れているように、ポリマー材１を部分的に通して第１の
深さまで除去してブラインド・ホール７を形成するため
に、レーザ・エネルギのより大きいビーム６が用いられ
る。これに次いで、図４に示されているように、ポリマ
ー材を貫通して伸長するスルー・ホール９を生成するレ
ーザ・エネルギのより小さいビーム８に対して、ポリマ
ー材１を露光させることができる。実際には、第１およ
び第２のホールは円形であって互いに一致しており、こ
れらのホールは、レーザ・エネルギの２本のビームに対
して、ポリマー材の同一の側を露光することによって形
成されている。

【００１７】ここでの除去の深さは各マスクを通して伝
送されるレーザ・パルスの個数によってコントロールさ
れる。レーザ・ビームにおける一定の光学的なパワー密
度を達成するためのビーム・ホモジナイザ（均質化手
段）のような光学的サブシステムを用いることにより、
各目的な深さの１０％を下回る程に、除去の深さを一様
にすることができる。図１から図４までに示されている
ように、ブラインド・ホール５，７は第１または第２の
いずれかで除去形成することができる。ブラインド・ホ
ールが第１に除去されるときには、より小さいサイズの
スルー・ホールをポリマー材の全体的な厚みだけ貫通さ
せることがないために、より高い製造上のスループット
が達成される。スルー・ホールが第１に除去形成される
ときには、出口オリフィスの直径においてある所定の増
大した精度を達成することができる。これら２個のホー
ルは、異なるタイプのマスクをもって除去形成すること
ができる。例えば、近接マスクまたは投射マスク（ポリ
マー材上にマスクのイメージを生じるためのレンズが用
いられる）を使用することができる。

【００１８】第２の実施例によれば、この方法の双方の
ステップが、投射マスクのような一つのマスクをもって
実行することが可能にされる。特に、第１および第２の
ステップの一方は、ポリマー材上で焦点が合う投射マス
クのイメージをもって実行することができ、また、第１
および第２のステップの他方は、ポリマー材上で焦点が
合わない投射マスクのイメージをもって実行することが
できる。

【００１９】この第２の実施例による方法では滑らかな
傾斜が生成される。更に、より小さいスルー・ホールは
ポリマー材上で焦点が合う投射マスクのイメージをもっ
て除去形成され、これに対して、より大きいブラインド
・ホールはポリマー材上で焦点が合わない投射マスクの
イメージをもって除去形成される。焦点が合わない投射
マスクのイメージのときには、光学的なパワー密度は、
それぞれにイメージされたエリアの端部における不明瞭
ゾーン内で徐々に低減していくが、イメージが焦点に合
っているときには、急激な低減が生じることになる。除
去される深さは光学的なパワー密度とともに変動する。
そのために、焦点の合わないイメージで除去生成される
ホールの深さは、急変する端部を有するものではなく、
その周辺において形成されるパターンの幅にわたって徐
々に低減する。より大きいブラインド・ホールの周辺ゾ
ーンにおける横幅は、焦点の合わないイメージに対する
広がりとともに変動する。

【００２０】焦点の合わないイメージは幾つかのやり方
で生成させることができる。例えば、ポリマー材とマス
クとの間の距離は変化することが可能であり、または、
付加的な光学的要素をレーザ・ビームのパス内に導入す
ることができる。例えば、マスクおよびレンズを適所に
固定して、ポリマー材をイメージ平面よりもレンズに対
してより近接するように動かすこと、または、該ポリマ
ー材をレンズから更に遠ざけるように動かすことが可能
である。代替的に、付加的な光学的要素をレンズとポリ
マー材との間に配置することができる。例えば、この付
加的な光学的要素には、エクシマ・レーザの波長におい
て伝達されるシリカその他の材料からなるフラット・ピ
ースを含ませることができる。

【００２１】付加的な光学的要素がレーザ・ビーム内に
導入される場合には、イメージは垂直方向にｔ（１−
〔１＼ｎ〕）なる距離だけシフトされる。ここに、ｔは
要素の厚みであり、また、ｎはその屈折率である。焦点
の合わないイメージを生成する双方の方法では、焦点か
ら外れてもイメージの倍率が変化しないように、紡錘型
レンズ（ｔｅｌｏｃｅｎｔｒｉｃ ｌｅｎｓ）の使用が
必要とされる。滑らかな傾斜のオリフィスを生成させる
ときには、図５から図８までに示されているように、よ
り大きい直径の焦点が合わないブラインド・ホールを第
１または第２のいずれかで除去形成することができる。
これら２個の除去形成シーケンスの利点および不利点
は、先に説明された段付き開口部の場合と同様である。

【００２２】図５において示されているように、レーザ
・エネルギの焦点の合うビーム１０によりポリマー材１
を通して除去がなされて、スルー・ホール１１を生成す
るようにされる。これに次いで、図６に示されるように
レーザ・ビームの処理がなされて、レーザ・エネルギの
焦点の合わないビーム１２を形成するようにされる。焦
点の合わないビーム１２で生成される凹部またはブライ
ンド・ホール１３は、スルー・ホール１１よりも大きい
サイズのものであり、また、このブラインド・ホール１
３のサイドウオールの傾斜角度は、焦点の合うビーム１
０によって形成されたスルー・ホール１１のサイドウオ
ールの対応する傾斜角度よりも大きくされている。

【００２３】代替的には、図７に示されているように、
焦点の合わないレーザ・ビーム１４によりポリマー材１
の除去がなされて、ブラインド・ホール１５を形成する
ことができる。そして、その後で、焦点の合うビーム１
６によりポリマー材１の除去がなされて、スルー・ホー
ル１７を形成することができる。ブラインド・ホール１
５とスルー・ホール１７との組み合わせにより、ポリマ
ー材１内に段付きの開口部が形成される。

【００２４】第３の実施例によれば、滑らかな傾斜を有
する傾斜付きのオリフィスを生成することができる。特
に、レーザのレーザ・パワー密度は、除去スレッショル
ドよりも上位にあり、より大きい傾斜角度を有するブラ
インド・ホールを生成する、より下位のパワー密度から
増大して、より小さい傾斜角度を有するスルー・ホール
を生成する、より高いパワー密度に至る。その正味の結
果としての段付き開口部は、該開口部の入口側上では大
きい傾斜を有しており、開口部の出口側上では小さい傾
斜を有している。この場合において、第１および第２の
ステップは単一の処理シーケンスに組み合わせることが
可能であるが、第１のステップの間のレーザ・パワー密
度は、第２のステップの間のレーザ・パワー密度とは異
なるものである。例えば、第１のステップの間のレーザ
・パワー密度をより大きくすることが可能であり、第１
の深さがポリマー材を貫通するように伸長して、スルー
・ホールを形成することができる。ただし、好適には、
第１のステップの間のレーザ・パワー密度はより低くさ
れており、これが増大して、第２の間のより高いパワー
を密度になるようにされる。

【００２５】インクジェット・プリントヘッドに対する
インクジェット・ノズルを製造するときには、段付き開
口部は円形のものであって、それぞれのスルー・ホール
によって形成される。このスルー・ホールはそれぞれの
ブラインド・ホールと合致しており、該ブラインド・ホ
ールの直径はスルー・ホールのそれよりも大である。こ
のような段付き開口部には少なくとも１個の段が含まれ
ており、または、段付き開口部を形成するサイドウオー
ルに沿って傾斜角度における少なくとも一つの変化が含
まれている。

【００２６】更に別の実施例によれば、第１のステップ
において複数個の第１のホールが形成され、第２のステ
ップにおいて複数個の第２のホールが形成される。この
第２のホールは流体的に第１のホールと連通しており、
第１のホールとともに所定の次元を有する複数個の段付
き開口部が形成される。そして、これらはインクジェッ
ト・プリンタに対するインクジェット・プリントヘッド
におけるノイズ・プレートのインクジェット・ノズルの
開口部として用いるのに適当なパターンに配列されてい
る。ノズル・プレートは薄膜基板上で組み立てられて、
それぞれの気化空洞部がノズル開口部の各々と流体的に
連通するようにされる。そして、各々の空洞部は薄膜抵
抗によって選択的に加熱可能にされて、ノズル開口部か
ら噴射されたインク滴によって適当な記録媒体上にパタ
ーンを形成するようにされる。

【００２７】上述された方法は次の点において有利なも
のである。即ち、これで生成される開口部が有する全体
的な傾斜は３度−５度の半角（ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ
ｓ）よりも大であるが、これは典型的にはポリイミドの
ような物質においてエクシマ・レーザによる除去で生成
されるものである。このような傾斜は、軌道の不安定
性、および、インク滴噴射チャンバ（これはオリフィス
に対する入口に設けられている）内でのバブル・トラッ
ピングに起因するその他の問題を回避するために重要な
ものである。これらのオリフィスにも、その指向性を改
善できる少ない傾斜の出口セクションが含まれている。
これらのオリフィスは、その少ない傾斜の出口セクショ
ンにおいて、除去スレッショルドより遥かに上位のパワ
ー密度における、除去についての滑らかなウオール特性
を有している。このことは、傾斜付きのオリフィスを生
成させないような低いパワー密度における除去に対して
は重要な利点であるが、遥かにラフなウオールを有して
いて、次元的には正確さの程度が低く、また、臨界的な
出口セクションに対しては妥当性が低いものである。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く本発明によれば、レーザ・ビ
ームにより段付きの開口部を有するノズルプレートを容
易に、かつ高精度で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における第一のステップを説
明するための概略図である。

【図２】図１のステップの後に実行されるステップを説
明するための概略図である。

【図３】本発明の他の実施例における第一のステップを
説明するための概略図である。

【図４】図３のステップの後に実行されるステップを説
明するための概略図である。

【図５】本発明のさらに他の実施例における第一のステ
ップを説明するための概略図である。

【図６】図５のステップの後に実行されるステップを説
明するための概略図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例における第一のステ
ップを説明するための概略図である。

【図８】図７のステップの後に実行されるステップを説
明するための概略図である。

【符号の説明】

１：ポリマー材 ２：第１のビーム ３：貫通穴 ４：第２のビーム ５：めくら穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポリマー材を貫通する少なくとも一つの段
   付き開口部であって、インクジェットプリンタのノズル
   プレートに形成されるインクジェットノズルとして機能
   するよう液体的に連通する通路として使用できるものを
   光学的に除去形成する方法において、 ポリマー材を除去するためにレーザーの第一のビームに
   ポリマー材を露光して、ポリマー材内で伸長する第一の
   ホールを形成するステップと、 ポリマー材を除去するためにレーザーの第二のビームに
   ポリマー材を露光して、ポリマー材内で伸長し上記第一
   のホールと液体的に連通する第二のホールを形成し、上
   記第一のホールとでポリマー材を貫通する段付き開口部
   を形成するステップと、 からなることを特徴とする段付き開口部を光学的に除去
   形成する方法。
2. 【請求項２】複数の段付き開口部からなるインクノズル
   群を備えるインクジェットプリンタのノズルプレートに
   おいて、 各開口部は、ポリマー材の一側面側に部分的に伸長する
   第一の側壁からなるめくら穴と、ポリマー材の反対の側
   面側に伸長し、上記めくら穴と液体的に連通する第二の
   側壁からなる貫通穴とからなり、 上記めくら穴の径を上記貫通穴の径よりも大きくした、 ことを特徴とするインクジェットプリンタのノズルプレ
   ート。