噴嘴板、噴嘴板制造方法、噴墨頭和噴墨打印裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種噴嘴板，其具有沿厚度方向貫穿該噴嘴板的噴嘴孔。所述噴嘴板包括形成于噴嘴孔處的排出口，若排出口的開口形狀的四個(gè)角部的曲率記為R1、R2、R3和R4，則排出口的開口形狀配置為近似滿足方程式R1＝R2≥R3＝R4≈0。
【專利說明】噴嘴板、噴嘴板制造方法、噴墨頭和噴墨打印裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有用于排出液體的噴嘴孔的噴嘴板、噴墨頭、噴墨打印裝置、以 及噴嘴板制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在電子設(shè)備和顯示設(shè)備領(lǐng)域中，電子電路和有源矩陣通常是使用光刻工藝制造 的。最近，正在為使用印刷工藝制造這種電子設(shè)備開發(fā)所謂的印刷電子技術(shù)。業(yè)界正在為 印刷電子設(shè)備考慮使用各種印刷方法，例如微接觸印刷、凹板印刷和絲網(wǎng)印刷。噴墨打印 是此類印刷方法中的一種。噴墨打印方法涉及從噴墨頭的噴嘴排出墨滴，并使墨滴落到待 打印的基底上。典型情況下，噴墨頭包括噴嘴板和液腔形成板。噴嘴板包括布置在噴嘴表 面的排出口以及與連通排出口的中空部分對(duì)應(yīng)的噴嘴孔，該噴嘴孔沿厚度方向貫穿該噴嘴 板。液腔形成板與噴嘴板結(jié)合到一起，以形成墨水腔，墨水腔和與噴嘴板的中空部分對(duì)應(yīng)的 噴嘴孔連通。這種噴墨頭配置為利用驅(qū)動(dòng)裝置向形成在排出口處的墨水彎液面施加壓力， 從而有選擇性地從排出口排出墨滴。驅(qū)動(dòng)裝置例如可通過采用靜電力的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、通過采 用壓電元件的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，或通過采用熱敏元件的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0003] 當(dāng)在印刷電子設(shè)備中使用噴墨打印方法時(shí)，由于電子電路的布線是打印的，因此 需要從大約亞微米級(jí)至10微米級(jí)的高分辨率。鑒于這種要求，在噴嘴板上形成的排出口的 直徑必須小于或等于10微米。相應(yīng)地，業(yè)界提出了與噴墨頭的噴嘴板的形狀和制造方法相 關(guān)的各種技術(shù)。例如，日本公開專利10-034365(專利文獻(xiàn)1)公開了一種制造噴嘴板的方 法，該方法涉及沿將成為噴嘴板的基底的厚度方向在該基底的表面上照射激光束。通過沿 基底的厚度方向照射激光束，被激光束照射的基底部分被融化，從而形成通至基底的背面 的通孔。通過這種方式，可以制造具有形成在基底的表面上的排出口的噴嘴板，以及與連通 該排出口的中空部分對(duì)應(yīng)的噴嘴孔，該排出口貫穿基底的厚度，通至基底的背面。
[0004] 但是，在專利文獻(xiàn)1公開的噴嘴板制造方法中，當(dāng)形成與通至基底的背面的通孔 對(duì)應(yīng)的噴嘴孔時(shí)，激光束連續(xù)照射在基底的表面上。因此，基底表面附近的溫度變得高于基 底背面附近的溫度，在從基底表面至基底背面的厚度范圍內(nèi)產(chǎn)生溫度分布。這會(huì)導(dǎo)致基底 表面的排出口的開口面積大于基底背面的噴嘴孔的開口面積。而且，當(dāng)通過掃描激光束形 成噴嘴孔時(shí)，由于噴嘴孔的密度增大，排出口的間距會(huì)減小。
[0005] 但是，隨著間距的減小，在形成當(dāng)前排出口時(shí)，可能殘存形成上一個(gè)排出口時(shí)的余 熱，因而上一次形成的排出口附近區(qū)域的溫度可能高于其余區(qū)域的溫度。結(jié)果是，當(dāng)前排出 口的形狀可能與所需的目標(biāo)形狀有差異。因而在排出口的開口區(qū)域中可能產(chǎn)生很大變化， 排出口的開口形狀可能不規(guī)則，也不穩(wěn)定。而且，當(dāng)使用激光束形成噴嘴孔時(shí)，排出口的開 口形狀只能為圓形或橢圓形。當(dāng)墨水從具有這種開口形狀的噴嘴板的排出口排出時(shí)，可能 形成墨霧或墨星，因而影響商質(zhì)量打印。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的問題
[0007] 本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例之一個(gè)目的是提供一種噴嘴板，其包括具有支持高質(zhì)量 打印的開口形狀的排出口，所述排出口布置為具有變化較小和穩(wěn)定的開口形狀的開口區(qū) 域。本發(fā)明之另一目的是提供一種制造這種噴嘴板的方法。本發(fā)明之又一目的是提供一種 噴墨頭和包括這種噴嘴板的噴墨打印裝置。
[0008] 解決問題的方案
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明提供一種噴嘴板，其具有沿厚度方向貫穿該噴嘴板 的噴嘴孔。所述噴嘴板包括形成于噴嘴孔處的排出口，若排出口的開口形狀的四個(gè)角部的 曲率記為Rl、R2、R3和R4,則排出口的開口形狀配置為近似滿足方程式Rl=R2彡R3 = R4 ^ 0。
[0010] 本發(fā)明的有益效果
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，具有形成在其上的溝槽的第一基底的表面與第二基底的 表面結(jié)合，以形成結(jié)合基底，從而溝槽形成噴嘴孔。然后，沿與溝槽的縱向基本上垂直的方 向切割結(jié)合基底，以便在結(jié)合基底的切割面處形成排出口。在一個(gè)實(shí)施例中，通過把溝槽的 橫截面形狀設(shè)置為沿縱向在其整個(gè)長度上基本相同，通過沿與溝槽的縱向基本上垂直的方 向切割結(jié)合基底而形成的排出口的開口面積和開口形狀在沿溝槽的縱向的特定位置上基 本上是一致的。在一個(gè)實(shí)施例中，若排出口的開口形狀的四個(gè)角部的曲率記為R1、R2、R3和 R4,則溝槽可形成為使得排出口的開口形狀近似滿足方程式Rl=R2彡R3 =R4 ~ 0。通過 這種方式，能夠制造可實(shí)現(xiàn)墨霧和墨星較少的高質(zhì)量打印的噴嘴板，其中，排出口的開口面 積的變化較小，排出口的開口形狀較穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1A-1D是說明本發(fā)明的第一實(shí)施例的噴嘴板制造工序的透視圖；
[0013] 圖2A是使用第一實(shí)施例的制造方法制造的噴嘴板的透視圖；
[0014] 圖2B是沿圖2A中的剖切面線A-A'剖切而產(chǎn)生的噴嘴板的截面透視圖；
[0015] 圖3示出了噴嘴板的排出口的一種示例性開口形狀；
[0016] 圖4示出了排出口的顯微照片；
[0017] 圖5A和5B示出了噴嘴孔的顯微照片；
[0018] 圖6A和6B示出了一個(gè)對(duì)比例的噴嘴板的排出口和噴嘴孔的顯微照片；
[0019]圖7A-7C示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例的構(gòu)成噴墨頭的板的構(gòu)造；
[0020] 圖8A是結(jié)合板的平面圖；
[0021] 圖8B是沿圖8A的剖切面線B-B'剖切而產(chǎn)生的結(jié)合板的橫截面圖；
[0022] 圖9是第二實(shí)施例的噴墨頭的示意圖；
[0023] 圖10是本發(fā)明的第三實(shí)施例的噴墨打印裝置的透視圖；
[0024] 圖11A是噴墨打印裝置的右視圖；
[0025] 圖11B是噴墨打印裝置的前視圖；
[0026] 圖12A和12B示出了第三實(shí)施例的噴墨打印裝置使用第一實(shí)施例的噴嘴板打印在 基底上的點(diǎn)的顯微照片；和
[0027] 圖13示出了第三實(shí)施例的噴墨打印裝置使用對(duì)比例的噴嘴板打印在基底上的點(diǎn) 的顯微照片。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 在下文中，將參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施例的噴嘴板制造方法、噴嘴板、噴墨頭和 噴墨打印裝置。
[0029] 在常規(guī)圖像記錄技術(shù)中，不同顏色（例如黃色、洋紅色和青色）的墨水的粘度和表 面張力等墨水性質(zhì)設(shè)置為基本相同。另一方面，在印刷電子技術(shù)中，必須使用具有不同物理 性質(zhì)的墨水，以適應(yīng)根據(jù)待印刷的圖案在不同厚度的薄膜（例如布線、半導(dǎo)體膜或絕緣膜） 上進(jìn)行印刷。而且，由于墨水的溶劑根據(jù)所用的墨水類型（例如水基墨水、有機(jī)溶劑墨水、 或酸性墨水）而可能有所不同，因此噴墨頭的材料必須具有化學(xué)耐久性。因此，本發(fā)明實(shí)施 例的噴嘴板優(yōu)選由具有化學(xué)和物理耐久性以及平滑表面的基材制成。例如，可使用由二氧 化硅玻璃或硼硅玻璃制成的氧化物玻璃基底、或由石英、藍(lán)寶石或硅制成的單晶基底。
[0030] 圖1A-1D是說明本發(fā)明的第一實(shí)施例的噴嘴板制造工序的透視圖。請(qǐng)參考圖1A， 在第一工序中，通過光刻工藝在第一基底11的表面上形成具有所需圖案的溝槽12。應(yīng)說 明，光掩模上的溝槽圖案的間距與噴嘴板的噴嘴間距對(duì)應(yīng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在用于形 成噴嘴的溝槽12的外側(cè)可形成用于對(duì)位噴嘴板的對(duì)位溝槽。由于該材料用于轉(zhuǎn)印光掩模 圖案，因此可使用光敏抗蝕膜或金屬膜等，例如鎳（Ni)膜。在一個(gè)實(shí)施例中，光掩模圖案可 通過涂覆光敏抗蝕劑（例如SU-8)，對(duì)光敏抗蝕劑進(jìn)行曝光和顯影，然后刻蝕第一基底11來 形成。
[0031] 作為蝕刻方法，可使用反應(yīng)離子蝕刻（RIE)等干蝕刻法或濕蝕刻法。應(yīng)注意，溝槽 12的形狀可通過掩模圖案和蝕刻條件來控制。作為一個(gè)可選的工序，當(dāng)在噴嘴孔處形成電 極膜時(shí)，可在第一基底11的表面上形成溝槽12之后通過光刻工藝在溝槽12內(nèi)形成電極 膜。為了形成電極膜，例如可通過濺射或真空汽相淀積法形成厚度為20-150納米的單個(gè)或 多個(gè)金屬層（例如鉬、金、銀、銅、鎳、鉻、鑰、鎢、鈮或鉭，或它們的合金）或透明導(dǎo)電氧化物 (例如ITO、AT0、或AZ0)，然后進(jìn)行圖案化加工工藝。
[0032] 下面請(qǐng)參考圖1B，在第二工序中，具有形成在其上的溝槽12的第一基底11的表面 與第二基底21的平面結(jié)合。由于第二基底21的表面是平坦的，因此可不必相對(duì)于第二基 底21精確定位第一基底11。至于結(jié)合方法，例如可使用常規(guī)技術(shù)，例如熱熔接、陽極接合、 直接接合、或等離子體激活低溫接合。然后，請(qǐng)參考圖1C，在第三工序中，沿與形成在第一 基底11上的溝槽12的對(duì)位方向（縱向）上的虛擬線對(duì)應(yīng)的切割線22切割包括結(jié)合在一 起的第一基底11和第二基底21的結(jié)合板（噴嘴板）11。應(yīng)注意，可使用已知的設(shè)備（例 如切塊機(jī)或精密切割機(jī)）切割結(jié)合板31。切割寬度與噴嘴孔的流道長度（噴嘴長度）L對(duì) 應(yīng)，可通過改變切割長度來隨意調(diào)節(jié)噴嘴長度L。
[0033] 請(qǐng)參考圖2A，通過圖1A-1D所示的工序加工出的噴嘴板的噴嘴面（切割面）具有 多個(gè)排出口 32。請(qǐng)參考與沿圖2A的A-A'剖切面線剖切而形成的橫截面圖對(duì)應(yīng)的圖2B，與 排出口 32連通并貫穿噴嘴板31的厚度的噴嘴孔33布置為具有直孔構(gòu)造。當(dāng)在圖1A所示 的第一工序中形成的溝槽12的寬度保持相同時(shí)，可以形成這種筆直噴嘴孔33。
[0034] 在一些優(yōu)選實(shí)施例中，可根據(jù)需要在上述的第一至第三工序之前、之后或之間執(zhí) 行附加的工序，例如拋光和清潔。另外，可在噴嘴板的表面上執(zhí)行斥液處理。而且，在第三 工序之后，可在排出口的周圍執(zhí)行擴(kuò)孔過程。而且，雖然在上述實(shí)施例中僅在第一基底11 上形成溝槽12,但是在可替代實(shí)施例中，在第二基底21上也可形成溝槽，并且第一基底11 上的溝槽和第二基底21上的溝槽可以結(jié)合到一起，以形成單個(gè)噴嘴板溝槽。在此情況中， 能夠以更高的精度定位第一基底11和第二基底21。而且，雖然在上述實(shí)施例中溝槽12布 置為直槽構(gòu)造，但是在可替代實(shí)施例中，例如，溝槽12可布置為錐形構(gòu)造，其中，溝槽寬度 逐漸變化，或者溝槽12可布置為具有臺(tái)階式構(gòu)造，以便使通過切割結(jié)合板產(chǎn)生的每個(gè)噴嘴 板具有不同的排出口直徑。
[0035]在此實(shí)施例中，在第一工序中確定排出口的數(shù)目和排出口的間距。由于第一工序 涉及與高精度加工對(duì)應(yīng)的光刻工藝，因此與執(zhí)行激光鉆孔等工藝不同的是，即使當(dāng)排出口 的數(shù)目增加時(shí)，生產(chǎn)率也不會(huì)受到影響。因此，在增加排出口密度的情況中，實(shí)施第一工序 比較有利。而且，在此實(shí)施例中，排出口的開口面積S和噴嘴孔的構(gòu)造由第一工序和第二工 序決定。而處理精度主要由蝕刻精度決定，因?yàn)闇喜鄣淖畲罂v橫比（寬度/深度比）約為 1，在此實(shí)施例中可實(shí)現(xiàn)高精度處理。因此，噴嘴孔可布置為直孔構(gòu)造。與在第三工序中確 定的切割寬度對(duì)應(yīng)的噴嘴孔長度L可通過改變切割寬度來任意調(diào)節(jié)。例如，在第一基底11 上形成有100毫米長度的溝槽12的情況中，當(dāng)噴嘴孔長度L= 100微米時(shí)，可制造1000個(gè) 噴嘴板，當(dāng)噴嘴孔長度L= 1毫米時(shí)，可制造100個(gè)噴嘴板。通過這種方式，能夠在此實(shí)施 例中實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率。但是，應(yīng)注意，在上述例子中未考慮切削裕量。
[0036]與排出口連通的噴嘴孔的內(nèi)壁和排出口的周圍部分優(yōu)選由具有較高化學(xué)穩(wěn)定性 的絕緣材料制成。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，噴嘴板本身可由氧化物材料制成，例如二氧化硅玻 璃、硅酸鹽玻璃或硼硅玻璃等。在另一個(gè)實(shí)施例中，可產(chǎn)生具有單晶硅的結(jié)構(gòu)基體，并可通 過例如熱加工等工藝在包括噴嘴流道的表面上形成二氧化硅膜。需要特別說明的是，在采 用靜電力作為排出墨水的能量（驅(qū)動(dòng)裝置）時(shí)，噴嘴板優(yōu)選由可提供高絕緣能力的材料制 成，例如二氧化硅玻璃、藍(lán)寶石或石英等。
[0037] 圖3示出了排出口的一種示例性開口形狀。如圖3所示，排出口的開口形狀近似 為四邊形（方形）。在此實(shí)施例中，排出口的四邊形形狀的四角的曲率R1-R4布置為近似滿 足方程式Rl=R2彡R3 =R4?0,并且噴嘴孔布置為具有直孔構(gòu)造。排出口的開口面積S 布置為不超過100平方微米，噴嘴孔的筆直部分（噴嘴流道部分）的長度L與排出口的開 口面積S的比值L/S布置為至少2微米 '比值L/S優(yōu)選可布置為至少4微米 '更優(yōu)選為 至少10微米' 應(yīng)注意，排出口的開口形狀不限于如圖3所示的四邊形形狀，也可布置為 具有例如三個(gè)角或五個(gè)角的多邊形形狀等。而且，應(yīng)注意，當(dāng)Rl=R2 =a=b/2時(shí)，排出 口的開口形狀將為半圓形。
[0038]在用于圖像記錄的噴墨頭中，要根據(jù)墨水制定嚴(yán)格的需求規(guī)格，以確保穩(wěn)定記錄。 例如，在由理光公司制造的壓電噴墨頭中，墨水粘度n為l〇_12mPa?s，表面張力Y為 28-35mN/m。另一方面，在印刷電子設(shè)備中使用的墨水可具有變化很大的墨水粘度n，其范 圍可從大約數(shù)個(gè)mPa?s至數(shù)百mPa?s。
[0039]在粘性流體流過圓形管的情況中，若與流體相關(guān)的某些條件是已知的，則流體的 流速Q(mào)可從下面的哈根-泊肅葉（Hagen-Poiseuille)方程式（1)導(dǎo)出：

【權(quán)利要求】
1. 一種噴嘴板，具有沿厚度方向貫穿該噴嘴板的噴嘴孔，包括： 形成于噴嘴孔處的排出口，其中，若排出口的開口形狀的四個(gè)角部的曲率記為Rl、R2、 R3和R4,則排出口的開口形狀配置為近似滿足R1 = R2彡R3 = R4 ~ 0。
2. 如權(quán)利要求1所述的噴嘴板，還包括： 第一基底，包括形成有溝槽的結(jié)合面； 第二基底，包括結(jié)合到第一基底的結(jié)合面的表面；和 形成于噴嘴孔處的排出口；其中， 第一基底和第二基底結(jié)合在一起，并沿與形成在第一基底的結(jié)合面上的溝槽的縱向基 本上垂直的方向被切割； 排出口形成在結(jié)合在一起的第一基底和第二基底的切割面上；和 若排出口的開口形狀的四個(gè)角部的曲率記為Rl、R2、R3和R4,則排出口的開口形狀配 置為近似滿足R1 = R2彡R3 = R4?0。
3. 如權(quán)利要求1所述的噴嘴板，其中， 噴嘴板的材料包括具有化學(xué)穩(wěn)定性的絕緣材料。
4. 如權(quán)利要求1所述的噴嘴板，其中， 噴嘴孔包括與排出口連通的噴嘴流道部分，噴嘴流道部分布置為具有筆直構(gòu)造。
5. 如權(quán)利要求1所述的噴嘴板，其中， 若排出口的開口面積記為S，與排出口連通的噴嘴孔的噴嘴流道部分的長度記為L，則 S < 100平方微米，并且比值L/S > 2微米'
6. 如權(quán)利要求1所述的噴嘴板，其中， 若排出口的開口面積記為S，與排出口連通的噴嘴孔的噴嘴流道部分的長度記為L，則 S < 100平方微米，并且比值L/S > 4微米'
7. -種制造噴嘴板的方法，所述噴嘴板具有沿厚度方向貫穿該噴嘴板的噴嘴孔，所述 方法包括以下步驟： 在第一基底的表面上形成溝槽； 把第二基底的表面結(jié)合到第一基底的形成有溝槽的表面上，以產(chǎn)生結(jié)合基底；和 沿與溝槽的縱向基本上垂直的方向切割結(jié)合基底。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中， 所述噴嘴板包括形成在結(jié)合基底的切割面上的排出口，若排出口的開口形狀的四個(gè) 角部的曲率記為Rl、R2、R3和R4,則排出口的開口形狀配置為近似滿足R1 = R2彡R3 = R4 ^ 0。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中， 噴嘴板的材料包括具有化學(xué)穩(wěn)定性的絕緣材料。
10. 如權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 噴嘴孔包括與排出口連通的噴嘴流道部分，噴嘴流道部分布置為具有筆直構(gòu)造。
11. 如權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 若排出口的開口面積記為S，與排出口連通的噴嘴孔的噴嘴流道部分的長度記為L，則 S < 100平方微米，并且比值L/S > 2微米'
12. 如權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的方法，其中， 若排出口的開口面積記為S，與排出口連通的噴嘴孔的噴嘴流道部分的長度記為L，則 S < 100平方微米，并且比值L/S > 4微米'
13. -種噴墨頭，包括： 如權(quán)利要求1所述的噴嘴板和按照權(quán)利要求7所述的方法制造的噴嘴板至少二者之 一；和 連接至形成于噴嘴板的噴嘴孔處的噴嘴流道部分并配置為向該噴嘴流道部分供應(yīng)墨 水的墨水流道。
14. 一種噴墨打印裝置，包括： 如權(quán)利要求13所述的噴墨頭； 用于驅(qū)動(dòng)噴墨頭的驅(qū)動(dòng)裝置； 配置為支撐待打印的基底并相對(duì)于噴墨頭沿XYZ方向掃描基底的掃描單元；和 配置為處理打印圖案數(shù)據(jù)并根據(jù)打印圖案數(shù)據(jù)控制驅(qū)動(dòng)裝置和掃描裝置的控制單元。
【文檔編號(hào)】B05C5/00GK104507686SQ201380040170
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月31日
【發(fā)明者】植田尚之, 中村有希, 安部由希子, 松本真二, 曾根雄司, 高田美樹子, 早乙女遼一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社理光