(57)【要約】  吐出孔から液体がばらつき無く良好に吐出できる安価な液体吐出ヘッド用ノズルプレートを提供する。Ｓｉからなる第１の基材の片側に、Ｓｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度がＳｉより遅い第２の基材が設けられてなる基板を準備する工程と、第２の基材の表面に第２のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、第２のエッチングマスクとなる膜に小径部の開口形状を有する第２のエッチングマスクパターンを形成する工程と、第２の基材を貫通するまでエッチングを行う工程と、第１の基材の表面に第１のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、第１のエッチングマスクとなる膜に大径部の開口形状を有する第１のエッチングマスクパターンを形成する工程と、第１の基材を貫通するまでＳｉ異方性ドライエッチングを行う工程と、をこの順で行う。
2008026455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する基板からなり、
前記貫通孔は、前記基板の一方の面に開口する大径部と、前記基板の他方の面に開口し前記大径部の断面より小さな断面を有する小径部とからなり、
前記貫通孔の前記小径部の開口を液滴吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法において、
Ｓｉからなる第１の基材の片側に、Ｓｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度がＳｉより遅い第２の基材が設けられてなる基板を準備する工程と、
前記第２の基材の表面に第２のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第２のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記小径部の開口形状を有する第２のエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第２の基材を貫通するまでエッチングを行う工程と、
前記第１の基材の表面に第１のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第１のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記大径部の開口形状を有する第１のエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第１の基材を貫通するまでＳｉ異方性ドライエッチングを行う工程と、をこの順で行うことを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
【請求項２】
貫通孔を有する基板からなり、
前記貫通孔は、前記基板の一方の面に開口する大径部と、前記基板の他方の面に開口し前記大径部の断面より小さな断面を有する小径部とからなり、
前記貫通孔の前記小径部の開口を液滴吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法において、
Ｓｉからなる第１の基材の片側に、Ｓｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度がＳｉより遅い第２の基材が設けられてなる基板を準備する工程と、
前記第１の基材の表面に第１のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第１のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記大径部の開口形状を有する第１のエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第１の基材を貫通するまでＳｉ異方性ドライエッチングを行う工程と、
前記第２の基材の表面に第２のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第２のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記小径部の開口形状を有するエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第２の基材を貫通するまでエッチングを行う工程と、をこの順で行うことを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
【請求項３】
前記第２の基材がＳｉＯ2であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
【請求項４】
前記基板の前記液滴吐出孔が形成されている側の面に撥液層を設ける工程を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
【請求項５】
貫通孔を有する基板からなり、
前記貫通孔は、前記基板の一方の面に開口する大径部と、前記基板の他方の面に開口し前記大径部の断面より小さな断面を有する小径部とからなり、
前記貫通孔の前記小径部の開口を液滴吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートにおいて、
前記大径部を構成する基板の素材はＳｉであり、
前記小径部を構成する基板の素材はＳｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度が前記大径部を構成する基板の素材のエッチング速度より遅い素材から構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項６】
前記小径部を構成する基板の素材がＳｉＯ2であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項７】
前記基板の前記液滴吐出孔が形成されている側の面に撥液層が設けられていることを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項８】
前記撥液層は厚みが１００ｎｍ未満であり、
前記小径部の内径は１０μｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第７項記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項９】
前記撥液膜は、フルオロアルキルシラン系の単分子膜であることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項１０】
前記小径部の内径は６μｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項１１】
前記小径部の内径は４μｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
【請求項１２】
凹部が形成されたボディプレートと、
前記ボディプレートに被さって前記凹部を圧力室として形成し、圧力発生手段の変位を前記圧力室の内の液体に伝達することで該圧力室に連通し、吐出孔から前記液体の液滴を吐出するノズルを有するノズルプレートとを備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、請求の範囲第５項乃至第１１項の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１３】
前記液体が前記圧力発生手段の作用に加えて、前記ノズルプレートに対向する電極とノズルとの間の静電力の作用により液滴として吐出されることを特徴とする、請求の範囲第１２項記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット式プリンタは高速・高解像度な印刷が要求されている。このプリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドの構成部品の形成方法にマイクロマシン分野の微細加工技術であるシリコン基板等を対象とした半導体プロセスが用いられている。このため、シリコン基板にエッチングを施すことにより微細な構造体を形成する方法が数多く提案されている。これらの中に、以下のようなシリコン基板にエッチングを行ってインクジェット式記録ヘッドのノズルを形成する方法が知られている。
（１）シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜を形成し、ノズルの後端側に対応する部分のレジスト膜を取り除いて第１の開口パターンを形成し、ノズルの先端側に対応する部分のレジスト膜を取り除いて第１の開口パターンより小さな第２の開口パターンを形成し、第１、第２の開口パターンによって露出されたシリコン単結晶基板表面の露出部分に対して異方性ドライエッチングを施して、後端側から先端側に向けて階段状に断面が小さくなったノズルを形成する（特許文献１参照）。
（２）小断面のノズルをシリコン基板の一方の面からドライエッチングで形成し、大断面のノズルと、大断面のノズルに連通するインク室、圧力室、インク供給路等を備えたチャンバプレートのインク室断面の一部分をシリコン基板の他方の面からドライエッチングして、小断面のノズルと連通させてノズルを形成する（特許文献２参照）。
（３）２枚の単結晶シリコンウェハの間に、単結晶シリコンウェハに比べてエッチングレートの遅いバッファ層を挟み込んで、これらを一体的に密接させて一体化された２枚の単結晶シリコンウェハの両面からエッチング加工を行って、底部が各々バッファ層に達する孔を形成した後、バッファ層を孔の底径の小さい側からエッチング加工して、ノズル孔を形成する（特許文献３参照）。
さらに、ノズルが形成されているノズルプレートの表面の特性もインク滴の噴射特性に影響を与える。例えば、ノズルプレートの吐出孔周辺にインクが付着して不均一なインクだまりが発生すると、インク滴の吐出方向が曲げられたり、インク滴の大きさにばらつきが生じたり、インク滴の飛翔速度が不安定になる等の不都合が生じてしまうという問題がある。そこで、特許文献４に記載のように、ノズルプレートの液滴吐出方向側の一面に撥液処理を形成する技術が知られている。【０００３】
特許文献４によれば、ノズルが形成された液体吐出ヘッドの吐出面に、少なくとも１の加水分解性基および少なくとも１のフッ素含有有機基が結合しているシリコン原子をもつフルオロシランを塗布して熱処理を行った後に、残留フルオロシランを除去する表面処理を行うようになっている。このような表面処理を行うことにより、液体吐出ヘッドの端面に撥液膜が形成され、インク滴が吐出孔付近に付着することによる前記弊害を防止することが可能となる。【０００４】
また、ノズル孔の形成されているノズル形成部材が樹脂材料の場合、前記撥液膜の密着性を高めるために、ノズル形成部材と撥液膜との間にＳｉＯ２膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献５参照）。このようにＳｉＯ２膜を介在させて形成したノズルプレートは、撥液膜の密着性が高くなり、ワイピングなどの擦りに対して強い耐性を示すことが可能である。
【特許文献１】特開平１１−２８８２０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０６１９９号公報
【特許文献３】特開平６−１３４９９４号公報
【特許文献４】特開平５−２２９１３０号公報
【特許文献５】特開２００３−３４１０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高解像度の印刷を可能とするインクジェット式記録ヘッドに使用するノズルプレートでは、インクが吐出される複数の吐出孔の直径が精度良く且つそろっていることはもちろんであるが、吐出孔の開口に通じる孔の長さを精度良く形成する必要がある。この孔の長さは、インクが吐出される際の流路抵抗と関係し、孔の直径が同じであっても、孔の長さが異なるとインクの吐出量や飛翔状態といった吐出状態が異なり、被印刷面に到達するインクの状態にばらつきが生じる。従って、高品質の印刷ができないという問題がある。【０００６】
しかしながら、特許文献１及び２に記載のノズルの形成方法は、何れもドライエッチングによりインクを吐出する小断面のノズル孔を形成しているが、上記の孔の長さである小断面のノズル孔の長さ（ノズル長と称する。）を精度良く形成することに関しての記述がない。【０００７】
ドライエッチングで、ノズル長を一定に加工する場合、加工に使用するエッチング装置ごとにエッチング条件を予め実験等を行って定めて、これらの定めた条件下でエッチング処理時間によりエッチング量を制御してノズル長の加工を制御する場合がある。しかし、この場合、同じエッチング装置、同じエッチング条件を設定しても、実際のエッチング加工においては、ノズル長の加工を時間制御でノズル長の精度を高くするには自ずと限界があり、ノズル長にばらつきが生じるのが現状である。ノズル長の精度を高くするには、ノズル加工を一旦途中で止めてエッチング装置より取りだしてノズル長を測定して、その結果に基づいて再度ノズル加工を行うといった煩雑な工程が必要となる。高解像度で高品質の印刷が要求される場合においては、このノズル長のばらつきによる印刷品質の低下をより小さくすることが要求されている。【０００８】
また、特許文献３に記載の方法は、単結晶シリコンウェハに比べてエッチングレートの遅いバッファ層を２枚の単結晶シリコンウェハで挟んだ基材を使用している。この場合、エッチングレートの遅いバッファ層が有るため、エッチングが進んでこのバッファ層に達するとエッチングが進まなくなる。従って、エッチングによる加工量の制御がエッチングレートの大きさに従ってより容易になり、単結晶シリコンウェハの厚みがほぼそのままノズル長となるためノズル長を精度良く形成することが出来る。しかしながら、２枚のシリコンウェハでバッファ層を挟んだ基材の製造は容易でない。また、同様な基材がＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）として市販されているが非常に高価である。更に、両面からの孔加工に加えて、孔の底部のバッファ層を除去する工程が必要であるため、製造工程が煩雑となる。【０００９】
さらに、近年の液体吐出装置においては、より微小な液滴を吐出するためにノズルの吐出孔を小さくかつ精密に形成する必要があるという問題があった。特に、吐出孔に液滴のメニスカスを形成させるピエゾ素子等のメニスカス形成手段と、吐出孔と液滴の着弾を受ける対象物との間に静電吸引力を発生させる静電電圧発生手段と、を備える静電吐出方式の液体吐出装置においては、ノズル径やノズル長のばらつきがノズルの吐出性能に大きく影響してしまうという問題があった。そして、複数のノズルを備える液体吐出装置において各ノズルの吐出性能にばらつきがあると、ノズル毎に駆動電圧や波形を調整するなどといった複雑な制御が必要になるという問題もあった。【００１０】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、吐出孔から液体がばらつき無く良好に吐出できる安価な液体吐出ヘッド用ノズルプレート及びその製造方法並びにそれを備えた液体吐出ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
１．貫通孔を有する基板からなり、
前記貫通孔は、前記基板の一方の面に開口する大径部と、前記基板の他方の面に開口し前記大径部の断面より小さな断面を有する小径部とからなり、
前記貫通孔の前記小径部の開口を液滴吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法において、
Ｓｉからなる第１の基材の片側に、Ｓｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度がＳｉより遅い第２の基材が設けられてなる基板を準備する工程と、
前記第２の基材の表面に第２のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第２のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記小径部の開口形状を有する第２のエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第２の基材を貫通するまでエッチングを行う工程と、
前記第１の基材の表面に第１のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第１のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記大径部の開口形状を有する第１のエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第１の基材を貫通するまでＳｉ異方性ドライエッチングを行う工程と、をこの順で行うことを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
２．貫通孔を有する基板からなり、
前記貫通孔は、前記基板の一方の面に開口する大径部と、前記基板の他方の面に開口し前記大径部の断面より小さな断面を有する小径部とからなり、
前記貫通孔の前記小径部の開口を液滴吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法において、
Ｓｉからなる第１の基材の片側に、Ｓｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度がＳｉより遅い第２の基材が設けられてなる基板を準備する工程と、
前記第１の基材の表面に第１のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第１のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記大径部の開口形状を有する第１のエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第１の基材を貫通するまでＳｉ異方性ドライエッチングを行う工程と、
前記第２の基材の表面に第２のエッチングマスクとなる膜を形成する工程と、
前記第２のエッチングマスクとなる膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチングを行い前記小径部の開口形状を有するエッチングマスクパターンを形成する工程と、
前記第２の基材を貫通するまでエッチングを行う工程と、をこの順で行うことを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
３．前記第２の基材がＳｉＯ2であることを特徴とする第１項又は第２項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
４．前記基板の前記液滴吐出孔が形成されている側の面に撥液層を設ける工程を有することを特徴とする第１項乃至第３項の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
５．貫通孔を有する基板からなり、
前記貫通孔は、前記基板の一方の面に開口する大径部と、前記基板の他方の面に開口し前記大径部の断面より小さな断面を有する小径部とからなり、
前記貫通孔の前記小径部の開口を液滴吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートにおいて、
前記大径部を構成する基板の素材はＳｉであり、
前記小径部を構成する基板の素材はＳｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度が前記大径部を構成する基板の素材のエッチング速度より遅い素材から構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
６．前記小径部を構成する基板の素材がＳｉＯ2であることを特徴とする第５項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
７．前記基板の前記液滴吐出孔が形成されている側の面に撥液層が設けられていることを特徴とする第５項又は第６項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
８．前記撥液層は厚みが１００ｎｍ未満であり、
前記小径部の内径は１０μｍ未満であることを特徴とする第７項記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
９．前記撥液膜は、フルオロアルキルシラン系の単分子膜であることを特徴とする第８項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
１０．前記小径部の内径は６μｍ未満であることを特徴とする第８項又は第９項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
１１．前記小径部の内径は４μｍ未満であることを特徴とする第８項又は第９項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
１２．凹部が形成されたボディプレートと、
前記ボディプレートに被さって前記凹部を圧力室として形成し、圧力発生手段の変位を前記圧力室の内の液体に伝達することで該圧力室に連通し、吐出孔から前記液体の液滴を吐出するノズルを有するノズルプレートとを備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、第５項乃至第１１項の何れか一項に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
１３．前記液体が前記圧力発生手段の作用に加えて、前記ノズルプレートに対向する電極とノズルとの間の静電力の作用により液滴として吐出されることを特徴とする、第１２項記載の液体吐出ヘッド。
【発明の効果】
【００１２】
請求の範囲第１項、第２項、第５項に記載の発明によれば、本ノズルプレートには次のような効果がある。小径部の基材のＳｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度は大径部のＳｉ基板のエッチング速度より遅い。大径部をＳｉ異方性ドライエッチングで形成する際、Ｓｉ異方性ドライエッチングによる加工が小径部の基材に達するとエッチング速度が遅くなる。このため、Ｓｉ異方性ドライエッチングによる大径部の長さの加工ばらつきを考慮したオーバーエッチングをしても小径部の基材が薄くなることが抑えられ、小径部の長さは小径部の基材の厚みとすることができる。よって小径部をその小径部の長さがばらつくことなく精度良く形成することができる。【００１３】
請求の範囲第８項に記載の発明によれば、小径部の内径が１０μｍ未満と小さい吐出孔を有するノズルプレートにおいても、撥液膜を１００ｎｍ未満と薄く形成することにより、撥液膜が吐出孔に入り込んでしまうことによるノズル径のばらつきを防止することができるとともに、撥液膜の厚みのばらつきによるノズル長のばらつきを抑制し、その影響が液滴吐出に及ぶのを回避することができる。すなわち、各ノズル間の吐出性能のばらつきを抑制することが可能である。このように、ノズル長のばらつきを抑制することができるため、ノズルの吐出孔に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を一定に保つことが可能となる。また、撥液膜を薄く形成するために、実質的なノズル長や流路抵抗の増大を抑制することができ、液滴を吐出させる際に必要な圧力や圧力発生手段の駆動電圧の増大を抑制することができる。【００１４】
請求の範囲第９項に記載の発明によれば、ＳｉＯ２膜上にフルオロシラン系の撥液膜を形成させることにより、良好な単分子膜とすることが可能である。また、フルオロシラン系の撥液膜を用いることにより、撥液性が経時的に変化しないノズルプレートとすることが可能である。【００１５】
請求の範囲第１０項に記載の発明によれば、撥液膜を薄く形成することにより、撥液膜成膜時にノズル内への入り込みが起こったとしても吐出性能への影響が小さく済むため、６μm未満という微小なノズルに適用可能である。【００１６】
請求の範囲第１１項に記載の発明によれば、撥液膜を薄く形成することにより、撥液膜成膜時にノズル内への入り込みが起こったとしても吐出性能への影響が小さく済むため、４μm未満という特に微小なノズルにも適用可能である。【００１７】
また、請求の範囲第１２項に記載の発明によれば、上記の効果を有するノズルプレートを備えた液体吐出ヘッド用ノズルプレートを用いて液体吐出ヘッドを構成することができる。【００１８】
また、請求の範囲第１３項に記載の発明によれば、上記の効果を有するノズルプレートを、静電力を利用して液滴を吐出する方式の液体吐出ヘッドに用いることにより、ノズルの吐出孔からの吐出液体の滲み出しやノズルプレートの吐出面への吐出液滴の付着等を回避することができるので、メニスカス先端部の電界強度を乱すことがなく、より吐出性能を向上させることが可能である。【００１９】
また、ノズルプレートの吐出面側の材料に絶縁性の高いＳｉＯ２を使用しているので、ノズルの吐出孔に隆起したメニスカスへの電界集中により液滴を吐出させるいわゆる電界集中方式による吐出を行うことが可能となり、微小液滴の吐出を行うことができる。ただし、高い集中電界強度によらない、いわゆる静電アシスト方式による吐出も可能である。また、小径部の内径を６μm未満や４μｍ未満とすることにより、電界集中射出に必要となる絶縁性の高いＳｉＯ２膜の厚みをより薄く設定することが可能となる。【００２０】
従って、吐出孔から液体がばらつき無く良好に吐出できる安価な液体吐出ヘッド用ノズルプレート及びその製造方法並びにそれを備えた液体吐出ヘッドを提供することができる
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】インクジェット式記録ヘッドの例を示す図である。
【図２】インクジェット式記録ヘッドの断面を示す図である。
【図３】ノズルプレートの吐出孔周辺を示す図である。
【図４】小径部を形成する工程を示す図である。
【図５】大径部を形成する工程を示す図である。
【図６】電界アシスト型液体吐出ヘッドを用いて構成した液体吐出装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図７】本実施形態に係る液体吐出装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】ノズルの吐出孔付近の電位分布を示す模式図である。
【図９】メニスカス先端部の電界強度と小径部厚みとの関係を示す図である。
【図１０】メニスカス先端部の電界強度とノズル径との関係を示す図である。
【図１１】液体吐出ヘッドの駆動制御の一例を示す図である。
【図１２】ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。【００２３】
図１は液体吐出ヘッドの例であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドと称する。）Ａを構成している、ノズルプレート１、ボディプレート２、圧電素子３を模式的に示している。【００２４】
ノズルプレート１には、インク吐出のためのノズル１１を複数配列してある。また、ボディプレート２には、ノズルプレート１を貼り合わせることで、圧力室となる圧力室溝２４、インク供給路となるインク供給路溝２３及び共通インク室となる共通インク室溝２２、並びにインク供給口２１が形成されている。【００２５】
そして、ノズルプレート１のノズル１１とボディプレート２の圧力室溝２４とが一対一で対応するようにノズルプレート１とボディプレート２とを貼り合わせることで流路ユニットＭを形成する。ここで、以後、上記で説明に使用した圧力室溝、供給路溝、共通インク室溝の各符号はそれぞれ圧力室、供給路、共通インク室にも使用する。【００２６】
ここで、図２は、この記録ヘッドＡにおいて、ノズルプレート１、ボディプレート２、圧電素子３を組み立てた後、ノズルプレート１のＹ−Ｙ、及びボディプレート２のＸ−Ｘの位置での断面を模式的に示している。図２が示しているように、流路ユニットＭに圧電素子３をインク吐出用アクチュエータとしてボディプレート２のノズルプレート１を接着する面と反対の各圧力室２４の底部２５の面に接着することで、記録ヘッドＡが完成する。この記録ヘッドＡの各圧電素子３に駆動パルス電圧が印加され、圧電素子３から発生する振動が圧力室２４の底部２５に伝えられ、この底部２５の振動により圧力室２４内の圧力を変動させることでノズル１１からインク滴を吐出させる。【００２７】
一つのノズル１１の断面を図３に示す。ノズル１１は、ノズルプレート１に穿孔されて形成されている。各ノズル１１は、それぞれノズルプレート１の吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に位置する小径部１４より径の大きい大径部１５との２段構造としている。小径部１４の長さは、ノズルプレート１におけるノズル長となる。このノズル長を小径部１４の開口である吐出孔１３の径と同じく精度良く形成することが必要である。尚、３０は第１の基材であるＳｉ基板、３２は小径部１４が形成される第２の基材、４５は撥液層を示している。これらに関しては以降で説明する。【００２８】
ここで、ノズルプレート１の製造に関して説明する。図４、図５は図１のノズルプレート１を製造する工程の概略を断面図でもって模式的に示した図であり、完成したノズルプレートは図５（ｄ）に示している。また、好ましくは撥液層４５を設けたノズルプレートを図５（ｅ）に示している。【００２９】
第１の工程とする小径部１４の形成に関して図４に沿って説明する。ノズルプレート１となる基板は、第１の基材の片側に第２の基材が設けてある。第１の基材であるＳｉ基板３０の上に小径部１４を形成する第２の基材３２を設けてある（図４（ａ））。第２の基材３２の素材は、Ｓｉ異方性ドライエッチングにおけるエッチング速度がＳｉのエッチング速度より遅い必要がある。また、エッチング処理にて１μｍから１０μｍ程度の孔が形成可能な材料であることが好ましい。この様な材料として、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁材料、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属、フォトレジスト等の樹脂が挙げられる。Ｓｉに比較したエッチング速度は、Ｓｉを１とすると、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3は１／３００から１／２００程度、Ｎｉ、Ｃｒは１／５００程度、フォトレジスト等の樹脂は１／５０程度である。ここで、このＳｉを１とするエッチング速度比をエッチング選択比とする。これらのエッチング選択比は、エッチング装置やエッチングレート等のエッチング条件により前後するためおおよその値で示している。この数値が小さいほどより精度良く小径部１４を所定の長さとすることが出来ることになる。【００３０】
上記の材料を用いて、小径部１４の長さと同じ厚みの第２の基材３２をＳｉ基板３０の上に設ける場合、その形成方法は特に限定されることはなく、材料に応じた公知の、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スピンコート法等が挙げられ、使用する材料に応じて適宜選択すれば良い。第２の基材をＳｉＯ２とする場合は、シリコン基板３０を熱酸化したものを用いても良い。第２の基材の厚みに特に制限は無いが、厚すぎるとノズル１１の流路抵抗が増してしまい液滴吐出に必要な駆動電圧が増大してしまい、薄すぎると強度が懸念されるという問題があるため、必要に応じて適宜設定すればよい。【００３１】
第２の基材３２をＳｉＯ2とし小径部１４を設ける場合を以下で説明する。まず、エッチングマスク３４ａとなる膜３４、例えばＮｉ膜、を第２の基材３２の上に公知の真空蒸着法やスパッタリング法等にて設ける（図４（ｂ））。膜３４は、第２の基材３２をエッチングする上でエッチングマスクとなるものであれば特に限定されない。膜３４の上に、公知のフォトリソグラフィ技術により吐出孔１３及び小径部１４を形成するエッチングマスク３４ａを形成するためのフォトレジストパターン３６を公知のフォトリソグラフィ処理（レジスト塗布、露光、現像）にて形成する（図４（ｃ））。【００３２】
次に、このフォトレジストパターン３６をマスクとして、塩素ガス等を用いた公知の反応性ドライエッチング法を用いて膜３４のマスクされてない部分を除去してパターニングすることによってエッチングマスク３４ａを得る。この後、公知の酸素プラズマによるアッシング法により残っているフォトレジストパターン３６の除去を行う（図４（ｄ））。【００３３】
次に、Ｎｉのエッチングマスク３４ａを用いて、ＣＦ4ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング法により、第２の基材３２を貫通する小径部１４を形成する（図４（ｅ））。小径部１４が第２の基材３２を貫通しておくことで、後述の大径部１５の加工が終了すると小径部１４と大径部１５とが連通することになる。詳細は後述の大径部１５に関するところで説明する。尚、小径部１４の長さが第２の基材の厚みより長くなってＳｉ基板３０に入り込んでも何ら問題は生じない。【００３４】
次に、エッチングマスク３４ａを除去することで第２の基材３２であるＳｉＯ2層に小径部１４が完成する（図４（ｆ））。【００３５】
ここで、第２の基材３２をフォトレジストとする場合、フォトレジストパターンの形成がそのまま小径部１４の形成となる。また、第２の基材３２をＮｉ、Ｃｒ等の金属とする場合、第２の基材３２の上にフォトレジストパターンを形成した後、ウエットエッチング等により小径部１４を形成することができる。更に、第２の基材３２を樹脂とする場合、第２の基材３２の上にフォトレジストパターンを形成した後、酸素プラズマによるドライエッチングにより小径部１４を形成することができる。【００３６】
次に、第２の工程とする大径部１５の形成に関して図５に沿って説明する。大径部１５の形成は、小径部１４が形成された第２の基材３２を備えたＳｉ基板３０を用い、小径部１４に連通するようにする。複数の大径部１５を設ける場合の大径部１５の配列に際し、隣接する大径部１５の例えばノズル内の液体への加圧力の干渉等が問題とならないような隔壁の強度が確保される厚みを持つことができる径とするのが良い。また、小径部１４の間隔のピッチも考慮して適宜決めるのが良い。【００３７】
まず、小径部１４を設けた第２の基材３２が有る面の反対面のＳｉ基板３０の上に、公知のフォトリソグラフィ処理により大径部１５を設けるためのエッチングマスクとなる膜４０を設ける。膜４０は、Ｓｉ基板３０をＳｉ異方性ドライエッチングする上でのエッチングマスクとなるものであれば特に限定されることはなく、例えば、ＳｉＯ2膜がある。膜４０にマスクパターンを形成するために公知のフォトリソグラフィ技術によりフォトレジストパターン４２を形成する（図５（ａ））。次に、フォトレジストパターン４２をマスクとして、ＣＨＦ3ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング法を用いて、ＳｉＯ2のエッチングマスク４０ａを形成する。【００３８】
次に、Ｓｉ異方性ドライエッチング法を用いてＳｉ基板３０の小径部１４が形成されている反対側の面から少なくとも第２の基材に形成されている小径部１４に貫通し、小径部１４の断面の全域が露出するまで大径部１５を形成する。このとき、小径部１４が形成されている第２の基材３２の素材は、エッチング選択比が小さい。このため、大径部１５をエッチングするに際して、第２の基材３２にエッチングが達した後は、この第２の基材３２のエッチング速度がエッチング選択比に応じて低下する。【００３９】
大径部１５を形成するために必要なエッチング量（例えば、エッチング条件を同じするとエッチング処理時間に置き換えることができる。）は、予め実験等で決めたとしても、形成される大径部１５の長さを常に一定とすることは困難であり、例えば、同一のＳｉ基板の上においても、基板の大きさにもよるが、±５％程度の範囲のばらつきが生じる。【００４０】
大径部１５を形成して小径部１４と必ず連通させるためには、Ｓｉ基板３０に大径部１５を形成する長さのばらつきの内、短くなる場合を想定して、エッチング量を多くなるように設定する必要がある。しかし、多くすると、場合によっては、大径部１５の長さが長くなりすぎる、所謂オーバーエッチングとなってしまう。この結果、オーバーエッチングされた大径部１５に連通する小径部１４の長さは、小径部１４の素材のエッチング選択比がＳｉと同じである（エッチング選択比が１）とすると所定の長さより短くなってしまう。このようなノズルを有するノズルプレートが組み込まれた記録ヘッドの印刷品質は良好とはならないことになる。【００４１】
ここで、第２の基材３２をエッチング選択比が小さい材料としておくと、オーバーエッチングとなっても大径部１５をエッチング速度が第２の基材３２に達した時点から低下しエッチング処理が進まなくなる。よって、大径部１５の加工のために設定するエッチング量を加工ばらつきを考慮した量を所定の加工量に加えた量に設定してオーバーエッチング状態としても、第２の基材に対するオーバーエッチングによる加工量は軽減されることになる。従って、小径部１４が形成される第２の基材の厚みが薄くなることが抑えられることになる。【００４２】
例えば、第２の基材３２がＳｉＯ2であれば、エッチング選択比は１／３００から１／２００程度と小さい。仮に１／２００とすると、オーバーエッチング量が１０μｍの場合、オーバーエッチング量で小径部１４が短くなる量は、０．０５μｍ程度に抑えることができる。【００４３】
小径部１４は第２の基材３２を貫通しているので、大径部１５を上記の様にオーバーエッチング状態で形成すると大径部１５と小径部１４とは連通し、小径部１４の長さはほぼ第２の基材の厚みと同じ長さとする所望のノズルが完成する（図５（ｃ））。この後、フォトレジストパターン４２、エッチングマスクパターン４０ａを除去することでノズルプレートが完成する（図５（ｄ））。フォトレジストパターン４２は、エッチングマスク４０ａの形成後、すぐに除去してもよい。【００４４】
ここで、小径部１４を形成する第１の工程と大径部１５を形成する第２の工程の順序は入れ替えても良い。すなわち、まず図５に示す様に、第２の基材３２を設けたＳｉ基板３０に上記と同じ様にＳｉ異方性ドライエッチング法を用いて大径部１５を形成する。この場合、まだ小径部１４は第２の基材に形成されていない。次に図４に示す様に、大径部１５が形成されたＳｉ基板３０（図４では、大径部１５は図示されていない。）に小径部１４を上記と同じ様に第２の基材３２を貫通するよう形成すれば良い。【００４５】
上記のＳｉ基板３０へのノズル加工終了後、Ｓｉ基板３０の吐出孔を形成した側の面に撥液層４５を設けた（図５（ｅ））後、ダイサー等を用いて個々のノズルプレート１に分離する。【００４６】
ノズルプレート１の吐出面１２はフラットとしている。吐出面１２をフラットとすることで、ノズルプレート１の加工が容易であり、また記録ヘッドに組み付けられて使用される場合、吐出孔１３がある吐出面１２のワイピングによる清掃を問題なく容易に行うことができる。【００４７】
撥液層４５に関して説明する。図１に示すノズルプレート１の吐出孔１３が存在する吐出面に撥液層４５を設けるのが好ましい。撥液層４５を設けることで、吐出孔１３から液体が吐出面１２に馴染むことでの染み出しや広がりを抑制することができる。具体的には、例えば液体が水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体が油性であれば撥油性を有する材料が用いられるが、一般に、ＦＥＰ（四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面１２に成膜されている。薄膜の厚みは、特に限定されるものではないが、１００ｎｍ未満とすることで実質的なノズル長への影響を低減されることが可能であることから、好ましく用いることが出来る。【００４８】
また、撥液層４５は、フルオロアルキルシラン系の単分子膜からなるものも好ましく用いることが出来る。ノズル１１の吐出孔１３以外の吐出面１２全体に形成されている。フルオロアルキルシランは、下記一般式に示されるものである。
Ｒ−Ｓｉ−Ｘ３
（式中、Ｘは加水分解性基であり、好ましくは炭素数１〜５のアルコキシ基である。Ｒはフッ素含有有機基であり、炭素数１〜２０のフルオロアルキル基が好ましい。）
フルオロアルキルシラン系の単分子膜からなるものを用いると、基材との化学結合により経時劣化の少ない撥液膜とすることが出来る。【００４９】
なお、撥液層４５は、ノズルプレート１の吐出面１２に直接成膜してもよいし、撥液層４５の密着性を向上させるために中間層を介して成膜することも可能である。【００５０】
なお、ノズル１１の断面形状は円形状に限定されることはなく、円形形状の代わりに、断面多角形状や断面星形状等としてもよい。尚、断面形状が円でない場合、例えば、小径より大きい大径とは小径部の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径より、大径部の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径が大きいことを示している。【００５１】
図１で示すように、ボディプレート２は、ノズル１１にそれぞれ連通する複数の圧力室となる圧力室溝２４、この圧力室にそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給溝２３及びこのインク供給に連通する共通インク室となる共通インク室溝２２、並びにインク供給口２１を備えている。これらの溝等を、例えば、別途用意するＳｉ基板に公知のフォトリソグラフィ処理（レジスト塗布、露光、現像）及びＳｉ異方性ドライエッチング技術を用いて形成することでボディプレート２となる。【００５２】
ノズルプレート１のノズル１１とボディプレート２の圧力室溝２４とが一対一で対応するようにノズルプレート１とボディプレート２とを貼り合わせることで流路ユニットＭを形成する。【００５３】
流路ユニットＭに圧電素子３をインク吐出用アクチュエータとしてボディプレート２のノズルプレート１を接着する面と反対の各圧力室２４の底部２５の背面に接着することで、記録ヘッドＡが完成する。【００５４】
これまで説明したノズルプレート１を、静電力の作用を利用して液滴を吐出する、いわゆる電界アシスト型液体吐出ヘッドに用いることができる。【００５５】
図６に電界アシスト型液体吐出ヘッドＢ（液体吐出ヘッドＢ）を用いて構成した液体吐出装置６０の全体構成を模式的に示す。液体吐出ヘッドＢに利用するノズルプレート１の、例えば、大径部１５の内周面に、例えばＮｉＰ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電素材よりなるノズル内の液体を帯電させるための静電電圧印加手段である帯電用電極５０を設ける。帯電用電極５０を設けることで、帯電用電極５０がノズルプレート１の大径部１５内の液体に接触する。静電電圧電源５１から帯電用電極５０と吐出される液滴が着弾する基材５３を備えた対向電極５４との間に静電電圧が印加されると、大径部１５内の液体が同時に帯電さ
れる。この帯電により、液体吐出ヘッドのノズル孔１１と対向する位置に設けてある対向電極５４との間、特に液体と吐出される液滴が着弾する基材５３との間に静電吸引力が発生されるようにすることができる。【００５６】
吐出される液滴となる液体は、水等の無機液体、メタノール等の有機液体及び高電気伝導率の物質（銀粉等）が多く含まれるような導電性ペーストが挙げられる。【００５７】
各圧力室２４に対応する背面部分には、圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子３がそれぞれ設けられている。ピエゾ素子３には、ピエゾ素子３に駆動電圧を印加してピエゾ素子３を変形させるための駆動電圧電源５２が接続されている。ピエゾ素子３は、駆動電圧電源５２からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体に圧力を生じさせてノズル１１の吐出孔１３に液体のメニスカスを形成させるようになっている。ここで、上記で述べたように吐出孔１３の存在する吐出面１２に撥液層４５が設けてあることで、ノズルの吐出孔１３部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔１３の周囲の吐出面１２に広がることによるメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することができる。尚、５５は駆動電圧電源５２や静電電圧電源５１等の液体吐出装置６０を制御する制御部である。【００５８】
従って、ピエゾ素子３による液体への圧力と帯電用電極５０による液体への静電吸引力との相乗効果により効率的に液滴が吐出できる電界アシスト型液体吐出ヘッドとすることが出来る。【００５９】
次に、本発明に係るノズルプレートを用いた液体吐出装置の別の実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。【００６０】
図７は、第１の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。なお、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１０２および液体吐出装置１０１は、いわゆるシリアル方式あるいはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。【００６１】
本実施形態に係る液体吐出装置１０１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出する複数のノズル１１０を有する液体吐出ヘッド１０２と、液体吐出ヘッド１０２のノズル１１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極１０３とを備えている。【００６２】
液体吐出ヘッド１０２のうち対向電極１０３に対向する側には、液体吐出ヘッド１０２に用いられて吐出孔１１３ら液滴を吐出する複数のノズル１１０が形成されたノズルプレート１１１が設けられている。本実施形態に係るノズルプレート１１１は、シリコン基板１１１ａの対向電極１０３側の一面にＳｉＯ２膜１１１ｂと厚みが１００ｎｍ未満の撥液膜１１１ｃとを順に備えている。また、ノズルプレート１１１に形成されたノズル１１０は、シリコン基板１１１ａを貫通する大径部１１５と、ＳｉＯ２膜１１１ｂおよび撥液膜１１１ｃを貫通する小径部１１４とを備える２段構造とされている。したがって、液体吐出ヘッド１０２は、ノズルプレート１１１の対向電極１０３や基材Ｋに対向する吐出面１１２からノズル１１０が突出されない、フラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。【００６３】
各ノズル１１０の小径部１１４および大径部１１５は、それぞれ円柱形状に形成されている。
ノズル径は、小径部１１４の内径が１０μｍ以下になるように構成されていることが好ましく、ノズル１１０の他の部分の寸法は必要に応じて適宜設定すればよい。【００６４】
ノズルプレート上には、撥液膜１２８が形成されている。形成方法の一例としては、ノズル１１０内に撥液剤が浸入しないようにノズル１１０から空気を噴出させながら、フルオロアルキルシランが溶解した塗布液を塗布、乾燥させた後、充分焼成して単分子膜とする方法が挙げられる。なお、撥液膜１２８の形成方法として特に制限はなく、例えば、リバースロールコータ等のローラを用いたコーティング法やブレード等を用いたコーティング法、或いはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて製膜することが可能である。また、ノズル１１０内への撥液剤の浸入を防ぐためには、ノズル１１０内に液体Ｌを充填した状態で成膜することとしても良い。【００６５】
ノズルプレート１１１の吐出面１１２と反対側の面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１１０内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１１６が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１１６は、ノズル１１０の大径部１１５の内周面１１７まで延設されており、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。【００６６】
また、帯電用電極１１６には、静電吸引力を生じさせるための静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１１８に接続されている。本実施形態では、単一の帯電用電極１１６がすべてのノズル１１０内の液体Ｌに接触しているため、帯電電圧電源１１８から帯電用電極１１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１１０内の液体Ｌが同時に帯電され、ノズル１１０や後述するキャビティ１２０内の液体Ｌと対向電極１０３に支持された基材Ｋとの間に静電吸引力が発生するようになっている。【００６７】
帯電用電極１１６の背後には、ボディプレート１１９が設けられている。ボディプレート１１９の各ノズル１１０の大径部１１５の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は、ノズル１１０の吐出孔１１３から吐出される液体Ｌを一時貯蔵するためのキャビティ１２０とされている。【００６８】
ボディプレート１１９の背後には、可撓性を有する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層１２１が設けられており、可撓層１２１により液体吐出ヘッド１０２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。【００６９】
なお、ボディプレート１１９には、キャビティ１２０に液体Ｌを供給するための図示しない流路が形成されている。具体的には、ボディプレート１１９としてのシリコンプレートをエッチング加工してキャビティ１２０、図示しない共通流路、および共通流路とキャビティ１２０とを結ぶ流路が設けられている。共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ１２０、ノズル１１０等の内部の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。【００７０】
本実施形態では、可撓層１２１の外面の各キャビティ１２０に対応する部分には、それぞれ圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータである圧電素子１２２が設けられており、圧電素子１２２には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源１２３が電気的に接続されている。【００７１】
圧電素子１２２は、駆動電圧電源１２３からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１１０の吐出孔１１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。【００７２】
駆動電圧電源１２３および前述した帯電電圧電源１１８は、それぞれ動作制御手段１２４に接続されており、それぞれ動作制御手段１２４による制御を受けるようになっている。【００７３】
動作制御手段１２４は、本実施形態では、ＣＰＵ１２５やＲＯＭ１２６、ＲＡＭ１２７等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピュータからなっており、ＣＰＵ１２５は、ＲＯＭ１２６に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１１８および各駆動電圧電源１２３を駆動させてノズル１１０の吐出孔１１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。【００７４】
具体的には、動作制御手段１２４は、電源制御プログラムに基づいて静電電圧印加手段である帯電電圧電源１１８による前記帯電用電極１１６への静電電圧の印加を制御して、ノズル１１０やキャビティ１２０内の液体Ｌを帯電させ、液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力を発生させるようになっている。また、動作制御手段１２４は、電源制御プログラムに基づいて各駆動電圧電源１２３を駆動させて各圧電素子１２２をそれぞれ変形させて、ノズル１１０内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１１０の吐出孔１１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。【００７５】
液体吐出ヘッド１０２の下方には、基材Ｋを裏面から支持する平板状の対向電極１０３が液体吐出ヘッド１０２の吐出面１１２に平行に所定距離離間されて配置されている。対向電極１０３と液体吐出ヘッド１０２との離間距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。【００７６】
本実施形態では、対向電極１０３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、前記帯電電圧電源１１８から帯電用電極１１６に静電電圧が印加されると、ノズル１１０の吐出孔１１３の液体Ｌと対向電極１０３の液体吐出ヘッド１０２に対向する対向面との間に電位差が生じて電界が発生するようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると対向電極１０３はその電荷を接地により逃がすようになっている。なお、本実施形態のように対向電極１０３を接地する方法に限られず、帯電用電極１１６を接地させ、対向電極１０３に静電電圧を印加することとしても良い。【００７７】
対向電極１０３または液体吐出ヘッド１０２には、液体吐出ヘッド１０２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド１０２の各ノズル１１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾可能とされている。【００７８】
液体吐出装置１０１により吐出を行うことができる液体Ｌは、公知の液体を特に制限なく使用することが出来る。【００７９】
また、例えば銀粉等の高電気伝導率の物質が多く含まれるような導電性ペーストを液体Ｌとして使用することも可能である。また、前記液体Ｌに溶解または分散させる目的物質としては、ノズルで目詰まりを発生させるような粗大粒子を除けば、特に制限されない。【００８０】
さらに、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＦＥＤ（Field Emission Display）等の蛍光体として従来より知られているものも特に制限なく用いることができる。例えば、赤色蛍光体として、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ３：Ｅｕ、ＹＯ３：Ｅｕ等、緑色蛍光体として、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）Ｏ・α−Ａｌ２Ｏ３：Ｍｎ等、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ１４Ｏ２３：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ等が挙げられる。【００８１】
上記の目的物質を基材Ｋ上に強固に接着させるために、各種バインダを添加してもよい。用いられるバインダとしては、公知の樹脂化合物を特に制限なく用いることが出来る。樹脂化合物は、ホモポリマーとしてだけでなく、相溶する範囲でブレンドして用いてもよい。【００８２】
液体吐出装置１０１をパターンニング手段として使用する場合には、代表的なものとしてはディスプレイ用途に使用することができる。具体的には、ＰＤＰの蛍光体の形成、ＰＤＰのリブの形成、ＰＤＰの電極の形成、ＣＲＴの蛍光体の形成、ＦＥＤの蛍光体の形成、ＦＥＤのリブの形成、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）用のＲＧＢ着色層やブラックマトリクス層等のカラーフィルタの形成、ブラックマトリクスに対応したパターンやドットパターン等のＬＣＤ用スペーサの形成等を挙げることができる。なお、リブとは一般的に障壁を意味し、ＰＤＰを例に取ると各色のプラズマ領域を分離するために用いられる。【００８３】
また、本実施形態の他の用途としては、マイクロレンズ、半導体用途として磁性体、強誘電体、配線やアンテナとなる導電性ペースト等のパターンニング塗布、グラフィック用途として通常印刷、フィルムや布、鋼板等の特殊媒体への印刷、曲面印刷、各種印刷版の刷版、加工用途として粘着材、封止材等に対する塗布、バイオ、医療用途として微量の成分を複数混合するような医薬品、遺伝子診断用試料等の塗布等に応用することができる。【００８４】
ここで、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１０２における液体Ｌの吐出原理について説明する。【００８５】
本実施形態では、帯電電圧電源１１８から帯電用電極１１６に静電電圧を印加して、全ノズル１１０の吐出孔１１３の液体Ｌと対向電極１０３の液体吐出ヘッド１０２に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源１２３から液体Ｌを吐出すべきノズル１１０に対応するピエゾ素子１２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子１２２を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１１０の吐出孔１１３に液体ＬのメニスカスＭ（図８参照）を形成させる。【００８６】
この際、図８に示すように、ノズルプレート１１１の内部に、吐出面１１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１１０の小径部１１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。【００８７】
特に、図８でメニスカスＭの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカスＭの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極１０３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。【００８８】
また、ノズル１１０の吐出孔１１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１１２に広がるとメニスカスＭの先端部の電界集中が弱くなってしまうが、本実施形態では、吐出面１１２に撥液膜１１１ｃが形成されているため液体Ｌの吐出面１１２での広がりが防止され、メニスカスＭの先端部の電界集中が弱まることがない。【００８９】
このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１０２における液体Ｌの吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッド１０２においても、高い体積抵抗を有するノズルプレート１１１を用い、吐出面１１２に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌの吐出状態となる。そして、撥液膜１１１ｃによりメニスカスＭが確実かつ適切に形成されるとともに、小径部１１４におけるノズル長のばらつきを小さくすることができ、吐出性能を向上させることが可能である。【００９０】
ここで、発明者らが各種の絶縁体で形成したノズルプレート１１１を用いて行った実験及びシミュレーション実験では、メニスカスＭの先端部の電界強度はノズル径及び絶縁体の厚みに依存し、液滴吐出に必要な電界強度は１．５×１０７Ｖ／ｍ程度であるという知見が得られた。詳しくは図９及び図１０より、ノズル径（小径部の内径）が１０μｍの場合は絶縁性であるＳｉＯ２膜１１１ｂの厚みを４５μｍ以上に、ノズル径が５μｍの場合はＳｉＯ２膜１１１ｂの厚みを２０μｍ以上に、ノズル径が２μｍの場合はＳｉＯ２膜１１１ｂの厚みを５μｍ以上に設定すれば電界集中吐出に必要な集中電界強度が得られる。なお、シミュレーション実験は、電界シミュレーションソフトである「PHOTO−VOLT」（商品名、株式会社フォトン製）で電流分布解析モードによるシミュレーションにより行った。【００９１】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド１０２および液体吐出装置１０１の作用について説明する。【００９２】
図１１は、本実施形態に係る液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。本実施形態では、液体吐出装置１０１の動作制御手段１２４は、帯電電圧電源１１８から帯電用電極１１６に一定の静電電圧ＶＣを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド１０２の各ノズル１１０には常時一定の静電電圧ＶＣが印加され、液体吐出ヘッド１０２内の液体Ｌと対向電極１０３に支持された基材Ｋとの間に電界が生じる。【００９３】
また、それと同時に、ノズル１１０の吐出孔１１３付近で、ノズルプレート１１１の内部に、吐出面１１２に対して略垂直方向に等電位線が並ぶようになり、ノズル１１０の小径部１１４内の液体Ｌに向かう強い電界が発生する。【００９４】
さらに、動作制御手段１２４が、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１１０に対応する圧電素子１２２に対して駆動電圧電源１２３からパルス状の駆動電圧ＶＤを印加させると、圧電素子１２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力が上昇し、ノズル１１０の吐出孔１１３では、図１１（Ａ）の状態からメニスカスＭが隆起して、図１１（Ｂ）のようにメニスカスＭが大きく隆起した状態となる。【００９５】
その際、本実施形態では、ノズルプレート１１１の吐出面１１２にフッ化アルキルシランの撥液膜１１１ｃが形成されているため、ノズル１１０の吐出孔１１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１１２に広がらず、メニスカスＭの隆起が保持される。【００９６】
このように隆起したメニスカスＭの先端部では高度な電界集中が生じ、電界強度が非常に強くなり、メニスカスＭに対して前記静電電圧ＶＣにより形成された電界から強い静電力が加わる。そして、この強い静電力による吸引により図１１（Ｃ）のようにメニスカスが引きちぎられ、径が１〜１０μｍ程度の微細な液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、電界で加速されて対向電極方向に吸引され、対向電極１０３に支持された基材Ｋに着弾する。【００９７】
その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。また、ノズル１１０では、図１１（Ｄ）のように液滴Ｄが引きちぎられた分だけ液面が後退するが、キャビティ１２０から液体Ｌが補充されて、速やかに図１１（Ａ）の状態に戻る。【００９８】
なお、ピエゾ素子１２２に印加する駆動電圧ＶＤとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いは正弦波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図１２（Ａ）に示すように、ピエゾ素子１２２に常時電圧ＶＤを印加しておいて一旦切り、再度電圧ＶＤを印加してその立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図１２（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧ＶＤを印加するように構成してもよく適宜決定される。【００９９】
以上より、本実施形態におけるノズルプレート１１１および液体吐出装置１０１によれば、小径部１１４の内径が１０μｍ未満と小さい吐出孔１１３を有するノズル１１０においても、撥液膜１１１ｃを１００ｎｍ未満と薄く形成することにより、撥液膜１１１ｃが吐出孔１１３に入り込んでしまうことによるノズル径のばらつきを防止することができるとともに、撥液膜１１１ｃの厚みのばらつきによるノズル長のばらつきを抑制し、その影響が液滴吐出に及ぶのを回避することができる。このように、ノズル長のばらつきを抑制することができるため、ノズル１１０の吐出孔１１３に形成されるメニスカスＭの隆起量のばらつきが抑制され、先端部の電界強度を一定に保つことが可能となる。また、撥液膜１１１ｃを薄く形成するためノズル長を小さくすることができ、ノズル１１０内の流路抵抗の増大を抑制することが可能であり、液滴を吐出させる際にノズル１１０内の液体Ｌにかける圧力の増大を抑制することができる。【０１００】
また、撥液膜１１１ｃにより、ノズル１１０の吐出孔１１３からの液体Ｌの滲み出しや吐出面１１２への吐出液滴Ｄの付着等を回避することができるので、メニスカスＭ先端部の電界強度を乱すことがなく、より吐出性能を向上させることが可能である。【０１０１】
また、小径部１１４の内径が１０μｍ未満と小さい吐出孔１１３を有するノズル１１０を精密に形成することができるので、必要とされる集中電界強度が高い電界集中方式の液体吐出ヘッドにも用いることができる。
また、エッチングレートの異なるシリコン基板１１１ａとＳｉＯ２膜１１１ｂとを備えるので、ノズルプレート１１１の各面側からエッチングを行うことにより容易に大径部１１５と小径部１１４とを形成することができる。【０１０２】
さらに、ＳｉＯ２膜１１１ｂの吐出面側にフルオロシラン系の撥液膜１１１ｃを形成させることにより、良好な単分子膜とすることが可能である。また、フルオロシラン系の撥液膜１１１ｃを用いることにより、撥液性が経時的に変化しないノズルプレート１１１とすることが可能である。【０１０３】
なお、本実施形態では、ピエゾ素子１２２の変形によりメニスカスＭを隆起させる構成としているが、圧力発生手段はこのようにメニスカスＭを隆起させることができる機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１１０やキャビティ１２０の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。【０１０４】
また、本実施形態では、対向電極１０３を接地する場合について述べたが、例えば、電源から対向電極１０３に電圧を印加して、帯電用電極１１６との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるようにその電源を動作制御手段１２４で制御するように構成することも可能である。
【実施例】
【０１０５】
（実施例１）
図４、図５を用いてノズルプレート１を製造する実施例を説明する。まず図４に沿って小径部１４の形成を説明する。厚み２００μｍのＳｉ基板３０の一方の面に第２の基材３２である厚み５μｍのＳｉＯ2膜を形成した（図４（ａ））。形成する方法は、プラズマＣＶＤを用いた。【０１０６】
次、エッチングマスク３４ａとなる膜３４である厚み０．３μｍのＮｉ膜をスパッタリング法により成膜した（図４（ｂ））。Ｎｉ膜の上にフォトリソグラフィ処理によりフォトレジストパターン３６を形成した（図４（ｃ））。この後、エッチングにより吐出孔を開口とする直径５μｍの小径部１４を第２の基材３２であるＳｉＯ2膜に形成するためのエッチングマスク３４ａであるＮｉ膜パターンを形成した（図４（ｄ））。【０１０７】
エッチングマスク３４ａを用いて、ＣＦ4を反応ガスとするドライエッチングにより第２の基材３２であるＳｉＯ2膜をエッチングして小径部１４を形成した（図４（ｅ））。小径部１４を形成するためのエッチング量は、予め実験等により求めているが、エッチング量のばらつきの範囲を考慮して０．５μｍ（１０％）多くして５．５μとした。エッチング量を１０％増やすことで、小径部１４は第２の基材３２であるＳｉＯ2膜を貫通した状態となった。この小径部１４のオーバーエッチングによりＳｉ基板３０に影響があっても、後でＳｉ基板３０の側に大径部１５を設けることで問題とはならない。【０１０８】
次に図５に沿って大径部１５の形成を説明する。小径部１４が設けてあるＳｉ基板３０の他方の面に第２の基材３２と同じ方法で膜４０である厚み１μｍのＳｉＯ2膜を形成した。このＳｉＯ2膜の上にフォトレジストパターン４２を形成する（図５（ａ））。このフォトレジストパターン４２に用いてエッチング処理を行うことでＳｉＯ2からなるエッチングマスク４０ａを得る（図５（ｂ））。【０１０９】
エッチングマスク４０ａを用いて、Ｓｉ異方性ドライエッチングによりＳｉ基板３０をエッチングして大径部１５を形成する。大径部１５を形成するためのエッチング量は、予め実験等により求め、エッチング量のばらつきの範囲を考慮して２１０μｍとした。また、予め実験等で求めたＳｉＯ2のエッチング選択比は１／２００である。従って、Ｓｉ異方性ドライエッチングにより厚み２００μｍのＳｉ基板３０をエッチング加工すると、小径部１４が形成されているＳｉＯ2の第２の基材へのオーバーエッチングによる大径部の長さの超過は、０．０５μｍとなる。この結果、大径部１１５は小径部１４と問題なく通じ、且つ、小径部１４の長さ（ノズル長）はほぼ所定通りであるノズル孔が完成した（図５（ｃ））。【０１１０】
次にエッチングマスク４０ａとしたＳｉＯ2膜を反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）により除去した（図５（ｄ））。【０１１１】
さらに、撥液処理剤としてウンデカフルオロペンチルトリメトキシシランの１％トリクロロトリフルオロエタン溶液を調整し、小径部の形成されたＳｉＯ2膜上に塗布した。その後、１２０℃で３０分の加熱を行なうことにより撥液膜を形成した（図５（ｅ））。【０１１２】
上記の手順により形成したノズル孔を有するＳｉ基板３０をダイシングソーにて分離することでノズル孔を有するノズルプレート１を作製した。【０１１３】
次に図１に示すボディプレート２を製造した。Ｓｉ基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ処理（レジスト塗布、露光、現像）及びＳｉ異方性ドライエッチング技術を用いて、ノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室となる圧力室溝、この圧力室にそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給溝及びこのインク供給に連通する共通インク室となる共通インク室溝、並びにインク供給口を形成した。【０１１４】
次に、図１に示すように、これまでに用意したノズルプレート１とボディプレート２とを接着剤を用いて貼り合わせ、更にボディプレート２の各圧力室２４の背面に圧力発生手段である圧電素子３を取り付けて液滴吐出ヘッドＡとした。液滴吐出ヘッドＡを動作させたところ、インクがばらつきなく安定して吐出できることを確認した。
（実施例２）
実施例１において、小径部が形成されるＳｉＯ2膜の厚み及び小径部の径を種々変化させたノズルプレートを用いて、本発明に係る液体吐出装置を作製した（表１の実施形態1）。なお、一枚のノズルプレートには16個のノズルが形成されている。【０１１５】
さらに、撥液膜を厚み２μｍのフッ素系樹脂撥水剤を用いたものに変更したノズルプレートを用いて、本発明に係る液体吐出装置を作製した（表1の実施形態2）。【０１１６】
このようにして作製した液体吐出装置を用いて、吐出性能評価を行った。吐出させる液体は、水５２質量％、エチレングリコール２２質量％、プロピレングリコール２２質量％、染料（ＣＩアシッドレッド１）３質量％、界面活性剤１質量％を含有するインクである。また、吐出性能評価としては、まず全ての液体吐出ヘッドを24時間連続駆動させた後、一定の静電電圧（１．５ｋＶ）を印加した状態で圧電素子の駆動電圧を徐々に昇圧させ、各ノズルから液滴が吐出し始める電圧（以下、「限界駆動電圧」）を測定した。一枚のノズルプレートに形成された１６個のノズルのうち、最初に液滴が吐出したノズルの限界駆動電圧と、最後に液滴が吐出したノズルの限界駆動電圧との差に基づいて、吐出性能ばらつきを評価した。得られた評価結果を表1に示す。なお、吐出性能ばらつきを算出する式は以下の通りである。
吐出性能ばらつき（％）
＝（最高限界駆動電圧−最低限界駆動電圧）／（１６個のノズルの最低駆動電圧の平均値）×１００【０１１７】
【表１】
2008026455.tif 000003
【０１１８】
また、各ノズルから吐出され着弾した液滴径のばらつきも評価した。その評価結果も表1に示す。なお、評価基準は以下の通りである。【０１１９】
○：液滴径のばらつきが小さい
△：液滴径にややばらつきが見られるが実用上問題無し
×：液滴径のばらつきが大きく実用上問題有り
表1より、実施形態１による撥液膜が形成されたノズルプレートを用いることにより、初期状態の良好な吐出状態が、所定期間駆動を行なった後も保たれており、より好ましい液体吐出装置の形態とすることができる。
【図７】
2008026455.tif 000004
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
2008026455.tif 000010
【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１２】
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【国際調査報告】
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