(57)【要約】【課題】  ノズル形成後にノズル孔径を調整して精度良くノズル孔径を製作できる液滴吐出ヘッドの製造方法及びその方法で製造した液滴吐出ヘッドを提供する。【解決手段】  複数のノズル孔と、ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、吐出室の一部を構成する振動板とを備え、振動板の変形を利用してノズル孔より吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの製造方法であって、（１）液滴を吐出する複数のノズル孔を形成したノズルプレートに熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、（２）熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、を有し、（１）及び（２）の工程を複数回繰り返すものである。【選択図】        図５
2006076106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を
構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液
滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
（１）液滴を吐出する複数のノズル孔を形成したノズルプレートに熱酸化により熱酸化膜
を形成する工程と、
（２）前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、を有し、
前記（１）及び（２）の工程を複数回繰り返すことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造
方法。
【請求項２】
Ｗｅｔ酸化により前記熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘ
ッドの製造方法。
【請求項３】
Ｄｒｙ酸化により前記熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘ
ッドの製造方法。
【請求項４】
前記（１）の工程において、ノズル孔を形成後、該ノズル孔径を測定し、その測定結果
に基づいて前記熱酸化の条件を決めることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに
記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項５】
ノズル孔径の調整量を見込んでノズル孔長を予め長く形成しておくことを特徴とする請
求項１乃至請求項４の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項６】
前記ノズル孔は、後端側から液滴が吐出される先端側に向けて断面が階段状に小さくな
った形状を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の液滴吐出ヘッ
ドの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法で製造された液滴吐
出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出するインクジェットヘッドなどの
液滴吐出ヘッドの製造方法及びその製造方法で得られた液滴吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出ヘッドは、一般にインクジェット記録装置のインクジェットヘッドとして普及
している。インクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置は、記録時の騒音が極
めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用
できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出
する、いわゆるインク・オン・デマンド方式は、記録に不要なインク液滴の回収を必要と
しないため、現在主流となってきている。
【０００３】
このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置には、インクを吐出させる
方法として、駆動手段に静電気力を利用したインクジェット記録装置（例えば、特許文献
１参照）や、圧電振動子や、発熱素子等を用いたインクジェットヘッド記録装置がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−７１８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなインクジェットヘッド記録装置は、インク滴を吐出するための複数のノズル
孔が形成されたノズルプレートを備えており、ノズルプレートにおけるノズル孔径は、ノ
ズルの流路抵抗がノズル面積の２乗の逆数で作用し、またノズル長さに比例することから
インク吐出特性を左右する重要なパラメータであるとされ、高精度に加工されることが望
まれている。
【０００６】
しかしながら、ノズル孔径精度は、ノズルプレート製造プロセスの変動によりバラツキ
が生じて安定しない場合があり、この場合、歩留まりの低下を招いてしまう。また、ノズ
ル孔加工はＩＣＰドライエッチング装置で行われているが、ノズル孔径、開口率（基板面
積に対するエッチング面積の割合）によってマスク寸法に対する孔径の仕上がり寸法が変
わる場合があるため、設計変更による新規作製時にはマスク寸法の最適化に時間がかかり
、全体の開発が遅れてしまうという問題があった。
【０００７】
このようなことから、本発明者らは、ノズル孔形成後にノズル孔径を精度良く調整する
技術を提供することにより上記課題が解決されると考え、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち、本発明はこれらの課題に鑑みなされたもので、ノズル形成後にノズル孔径を
調整してノズル孔を精度良く製作できる液滴吐出ヘッドの製造方法及びその方法で製造し
た液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、複数のノズル孔と、ノズル孔の各々に連通
する独立した吐出室と、吐出室の一部を構成する振動板とを備え、振動板の変形を利用し
てノズル孔より吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの製造方法であって、（１）
液滴を吐出する複数のノズル孔を形成したノズルプレートに熱酸化により熱酸化膜を形成
する工程と、（２）熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、を有し、（１）及び（
２）の工程を複数回繰り返すものである。
これにより、液滴吐出ヘッドにおけるノズルプレートの製造に際し、ノズル形成後にノ
ズル孔径を調整してノズル孔を精度良く製作できる。また、（１）及び（２）の工程を複
数回繰り返すため、ノズル孔径の微調整が可能である。
【００１０】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、Ｗｅｔ酸化により熱酸化膜を形成す
るものである。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、Ｄｒｙ酸化により熱酸化膜を形成す
るものである。
Ｗｅｔ酸化を利用した場合、酸化膜を短時間で形成することができ、Ｄｒｙ酸化を利用
した場合、Ｗｅｔ酸化に比べてノズル孔径を更に微調整することができる。
【００１１】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、（１）の工程において、ノズル孔を
形成後、ノズル孔径を測定し、その測定結果に基づいて熱酸化の条件を決めるものである
。
熱酸化の条件は、酸化温度と酸化時間によって酸化膜の成長速度が異なる。したがって
、ノズル孔径を目標の径に正確に調整するためには、酸化前のノズル孔径の厚みを正確に
測定し、その測定結果に基づいて成膜すべき酸化膜の厚み、ひいては酸化時間、酸化温度
を決める必要がある。
【００１２】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ノズル孔径の調整量を見込んでノズ
ル長を予め長く形成しておくものである。
上記（１）及び（２）の工程によってノズル孔径の調整が可能であるが、同様にしてノ
ズル長も短くなる。このため、ノズル孔径の調整量を見込んでノズル長を予め長く形成し
ておく必要がある。
【００１３】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ノズル孔が、後端側から液滴が吐出
される先端側に向けて断面が階段状に小さくなった形状を有するものである。
このような階段状のノズル孔は、このノズル孔を備えたノズルプレートを用いて液滴吐
出ヘッドを構成した場合、ノズル孔に連通する吐出室側からノズル孔に伝わる圧力の方向
をノズル軸線方向に揃える作用が大きく、安定したインク吐出特性を提供できる。したが
って、本発明によれば、このような安定したインク吐出特性を提供できるノズル孔を製造
するに際し、上述したようにノズル孔径を微調整することが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法で製造された
ものである。
これにより、精度良く製造されたノズル孔を有するノズルプレートを備えた液滴吐出ヘ
ッドを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例である静電型インクジェットヘッドの断面
側面図である。なお、ここでは、３枚の基板を重ねて積層した積層構造を有するインクジ
ェットヘッドを基に説明する。
【００１６】
３枚の積層基板のうち、中間のキャビティ基板１は、Ｓｉからなり、底壁を振動板２と
する複数の凹部状の独立した吐出室３と、各吐出室３にインクを供給するための凹部状の
リザーバ４が形成されている。キャビティ基板１全面には、熱酸化によるＳｉＯ2 膜５が
絶縁膜として施されている。この絶縁膜５は、インクジェット駆動時の絶縁破壊やショー
トを防止するためのものである。
【００１７】
キャビティ基板１の上面には、各吐出室３に連通する複数のノズル孔１１と、リザーバ
４と各吐出室３とを結ぶ細溝状のオリフィス１２とが形成されたＳｉからなるノズルプレ
ート１０が接合されている。また、キャビティ基板１の下面には、ガラス基板２０が接合
されており、ガラス基板２０において振動板２と対向する部分には個別電極２１が形成さ
れている。また、キャビティ基板１とガラス基板２０とには、リザーバ４の底面から両基
板を貫通するインク供給路２２が形成されており、このインク供給路２２を介して、外部
のインク供給源からインクがリザーバ４に供給可能となっている。
【００１８】
ここで、ノズル孔１１は段状断面をしたノズルである。すなわち、インク滴吐出方向の
前側には円形の小断面の第１のノズル孔１１ａが形成され、後側には第１のノズル孔１１
ａと中心軸を同じとした円形の大断面の第２のノズル孔１１ｂが形成されている。従って
、ノズル孔１１の軸線方向に沿って切断した断面形状は、後端側から液滴が吐出される先
端側に向けて断面が階段状に小さくなっている。また、ノズル孔１１の先端開口１３は、
ノズルプレート１０の反対側の面に形成した凹部１４の底面に開口しており、その底面が
インク吐出面１４ａとなっている。
【００１９】
このように構成された液滴吐出ヘッドにおいて、キャビティ基板１に形成した各吐出室
３の底面を規定している振動板２は、共通電極として機能する。インク滴の吐出動作の際
には、このキャビティ基板１と、各振動板２に対峙している個別電極２１との間に駆動制
御回路３０によりパルス電圧を印加する。これにより、電圧が印加された個別電極２１に
対峙している振動板２が静電気力によって振動し、これに伴って吐出室３の容積変化が起
こり、ノズル孔１１からインク滴が吐出される。
【００２０】
以下、液滴吐出ヘッドにおけるノズルプレートの製造方法について説明する。図２は、
本発明の一実施の形態のノズルプレートの平面図（図４（Ｊ）の平面図に相当）で、図１
に相当するヘッドチップの半分のみを示している。図３及び図４は、本発明の一実施の形
態のノズルプレートの製造方法を示す図で、図２のＡ−Ａ断面図を示している。
【００２１】
（Ａ）まず、厚さ１８０μｍのＳｉ基板１０１を用意し、当該Ｓｉ基板１０１を熱酸化装
置にセットし、酸化温度１０６５℃、酸化時間４時間の条件で酸素と水蒸気の混合雰囲気
中で熱酸化処理を行い、Ｓｉ基板表面に膜厚１μｍのＳｉＯ2 膜１０２を均一に成膜する
。
【００２２】
（Ｂ）Ｓｉ基板１０１の両面にレジスト（図示せず）をコーティングし、接合面１０３側
のレジストをパターニングし、レジストをマスクとしてハーフエッチングを施すことによ
り、ＳｉＯ2 膜１０２に、ノズル孔１１の第２のノズル孔１１ｂを形成するためのパター
ン１０４を形成する。その後、レジストを剥離する。エッチング液としては、例えば緩衝
フッ酸水溶液（フッ酸水溶液：フッ化アンモニウム水溶液＝１：６）を使用することがで
きる。
【００２３】
（Ｃ）再度、Ｓｉ基板１０１の両面にレジスト（図示せず）をコーティングし、ＳｉＯ2 
膜１０２のハーフエッチング領域内に、第１のノズル孔１１ａを形成するためのパターン
１０５を形成するためのパターンニングを行う。そして、レジストをマスクとしてエッチ
ングを行い、Ｓｉ基板１０１表面を露出させたパターン１０５を形成する。その後、両面
のレジストを剥離する。この場合に使用するエッチング液も、上記（Ｂ）と同様の緩衝フ
ッ酸水溶液を使用することができる。
【００２４】
（Ｄ）続いて、ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉ基板１０１に対して異方性ドライ
エッチングを施す。これにより、ＳｉＯ2 膜に形成されたパターン１０５に対応した形状
でＳｉ基板１０１の表面が垂直にエッチングされる。ここでは例えば、深さ２５μｍの溝
１１１ａが形成される。この場合のエッチングガスとしては、例えば、Ｃ4Ｆ8、ＳＦ6 を
使用し、これらのエッチングガスを交互に使用すればよい。ここで、Ｃ4Ｆ8は形成される
溝１１１ａの側面にエッチングが進行しないように溝側面を保護するために使用し、ＳＦ
6 はＳｉ基板１０１の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。
【００２５】
（Ｅ）ＳｉＯ2 膜１０２のうち、（Ｂ）で形成したパターン１０４のみが除去されるよう
に、緩衝フッ酸水溶液でハーフエッチングを行う。これにより、Ｓｉ基板１０１表面が露
出した状態となる。
【００２６】
（Ｆ）次に、再度、ＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングを行なう。この結果、パタ
ーン１０４から露出しているＳｉ基板１０１の表面部分は、その断面形状を保った状態で
厚さ方向に向けて垂直にエッチングが進行する。この場合のエッチングガスも上記（Ｄ）
と同一のものを使用でき、エッチング深さが例えば４０μｍの溝１１１ｂが形成される。
この結果、段状のノズル孔１１に対応する断面形状のノズル溝１１１が形成される。
【００２７】
（Ｇ）Ｓｉ基板１０１の表面に残るＳｉＯ2 膜をフッ酸水溶液で除去した後、Ｓｉ基板１
０１を熱酸化装置にセットし、酸化温度１０６５℃、酸化時間４時間の条件で水蒸気と酸
素の混合雰囲気中で酸化処理を行い、ＩＣＰドライエッチング装置で加工した第１のノズ
ル孔１０４及び第２のノズル孔１１ｂの側面及び底面に例えば膜厚１ｍｍのＳｉＯ2 膜１
０６を均一に成膜する。
【００２８】
（Ｈ）Ｓｉ基板１０１の両面にレジスト（図示せず）をコーティングし、凹部１４となる
部分をパターニングし、レジストをマスクとしてエッチングを行い、ＳｉＯ2 膜１０６を
開口して凹部１４に対応したパターン１０６ａを形成する。この場合のエッチング液は上
記の（Ｂ）で使用したものと同じものを使用できる。
【００２９】
（Ｉ）パターン１０６ａが形成されたＳｉ基板１０１を濃度２５ｗｔ％の水酸化カリウム
水溶液に浸漬し、パターン１０６ａによるＳｉ基板１０１の露出部分をエッチングして凹
部１４に対応した溝１１４を形成する。これにより、ノズル孔１１の先端開口１３が、凹
部１１４の底面に開口した状態となり、その底面によってインク吐出面１１４ａが形成さ
れる。このとき、エッチング部のＳｉ基板１０１の厚みが６０μｍとなるようにする。
【００３０】
（Ｊ）Ｓｉ基板１０１の表面のＳｉＯ2 膜１０６をフッ酸水溶液等で除去し、ノズルプレ
ートが完成する。
【００３１】
以上のようにしてノズルプレートが形成された後、本発明のノズル孔径の調整方法を用
いノズル孔径を調整する。
【００３２】
以下、本願発明の特徴部分である、ノズルプレートにおけるノズル孔径の調整方法につ
いて説明する。図５は、ノズル孔径の調整方法の説明図である。
【００３３】
（Ａ）複数のノズル孔１１１が形成されたノズル孔径調整対象のノズルプレート１０１を
用意する。
（Ｂ）ノズルプレート１０１を熱酸化装置にセットし、水蒸気と酸素の混合雰囲気の条件
で熱酸化処理を行い、第１のノズル孔１１１ａ及び第２のノズル孔１１１ｂの側面を含む
ノズルプレート１０１全面にＳｉＯ2 膜１１２を均一に成膜する。
（Ｃ）ノズルプレート１０１の表面のＳｉＯ2 膜１１２をフッ酸水溶液で除去する。これ
により、所望のノズル孔径に形成されたノズル孔１１を有するノズルプレート１０が完成
する。ここで、以上の工程によりノズル孔径を調整することが可能なその原理について以
下に詳述する。
【００３４】
すなわち、上記図５（Ｂ）の工程において熱酸化により酸化膜（ＳｉＯ2 膜）を形成す
る際、ＳｉＯ2 膜は、Ｓｉ基板１０１を消費しながら成長し、消費させるＳｉ基板１０１
表面の厚みは、成長したＳｉＯ2 膜の厚さの４５％になることが知られている。本発明で
はこれを利用してノズル孔径を調整する。
【００３５】
熱酸化によって変化するノズル孔径をｄＲsi（酸化前のノズル孔径−酸化後のノズル孔
径）とし、酸化膜の厚みをＴSiO2とすると、ノズル孔の両側面で酸化が起こっているため
、以下の（１）が成り立つ。
【００３６】
ｄＲsi＝２×ＴSiO2×０．４５                                …（１）
【００３７】
したがって、ノズル孔径をｄＲsi大きくしたいときに成膜すべき酸化膜の厚みＴSiO2は
、次の（２）式から求められる。
【００３８】
ＴSiO2＝ｄＲsi／０．９                                      …（２）
【００３９】
ここで、図６は、Ｗｅｔ酸化の条件を、酸化温度、酸化時間、酸化厚みの関係で示した
ものである。例えば、ノズル孔を形成したノズルプレートを、温度１０００℃でＷｅｔ酸
化を行った場合において、一度１８μｍの孔径で形成したノズル孔を１９μｍにしたい場
合、上記（２）式より成膜すべき酸化膜の厚み１．１μｍであり、必要な酸化時間は図６
より３４０分とすればよいことが分かる。
【００４０】
なお、図６から分かるように、酸化膜が厚くなると酸化膜の成長速度は遅くなり、酸化
時間を長くしても酸化膜はあまり厚くならない。また、温度を高くすると、同じ厚みの酸
化膜を得るのに必要な酸化時間は短くなる。したがって、できるだけ高い温度で酸化時間
を短くし、酸化と酸化膜剥離を複数回繰り返し行ってもよく、これにより数μｍレベルの
ノズル孔径調整が可能となる。
【００４１】
一方、ノズル孔を形成したノズルプレートの酸化を酸素雰囲気で熱処理するＤｒｙ酸化
で行っても良い。図７は、Ｄｒｙ酸化の条件を、酸化温度、酸化時間、酸化膜厚みの関係
で示したものである。この場合、酸化膜の成長速度はＷｅｔ酸化の場合よりも一段と小さ
くなるため、数十ｎｍレベルの振動板厚みの微調整が可能となる。なお、上記のＷｅｔ酸
化とＤｒｙ酸化を併用することも可能であり、この場合、Ｗｅｔ酸化を先に行い、そして
その酸化膜剥離を行ってから、Ｄｒｙ酸化を行い、更にその酸化膜剥離を行う。
【００４２】
以上のようにしてノズル孔径を調整することが可能である。したがって、図４（Ｊ）の
工程でノズル孔１１１を形成した後、ノズル孔径を測定しておき、その測定結果に基づい
て熱酸化の条件（酸化膜の厚み、ひいては酸化時間、酸化温度）を決定する。そして、そ
の条件に従って酸化と酸化膜剥離を行うことでノズル孔を調整して所望のノズル孔径に形
成する。なお、上記図５（Ｂ）及び（Ｃ）の工程を行うことによってノズル孔径の調整が
可能であるが、同様にしてノズル長も短くなる。このため、図３（Ｆ）の段階で第１のノ
ズル孔径を測定しておき、その後の図４（Ｈ）〜（Ｊ）で作成する凹部１４に対応した溝
１１４の厚みを、ノズル孔補正量を見込んで薄く（インク吐出面１１４ａと接合面１０３
との間の厚みを厚く）形成しておくことが望ましい。これは、特に、ノズル孔径の補正量
が大きく、ノズル長の規格を外れそうな場合に有効である。
【００４３】
このように本実施の形態によれば、複数のノズル孔を形成したノズルプレートを作成し
、そのノズルプレートに対して熱酸化と熱酸化膜剥離を行うことによってノズル孔径を調
整することができる。また、熱酸化膜の膜厚均一性は高いものであるので、上述したよう
に熱酸化と熱酸化の剥離を行うことでエッチング終了時の孔径精度を維持したままでサブ
ミクロンレベルでノズル孔径を制御することができる。
【００４４】
一方、ノズルプレート製造時のプロセスのバラツキによりノズル孔径が所望の厚みより
も小さくなってしまった場合、上記の調整方法を実施することによりノズル孔径の再調整
（リペア）も可能となる。さらに、予めノズル孔径を厚めに作成しておき、本方法でノズ
ル孔径を微調整することも可能である。
【００４５】
なお、本実施の形態では、インクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッド
について説明したが、これに限られず、液体、気体を噴射・噴霧するためのノズルを備え
た液滴吐出装置のノズルについて、本発明を適用することができる。また、液滴を吐出さ
せる駆動方式として、本例では静電駆動式の例で説明したが、これに限られず、圧電駆動
式、サーマル式などの全ての駆動方式のものに対して本発明を適用できる。
【００４６】
また、本実施の形態では、基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイスインク
ジェットタイプの例を示したが、本発明はインク液滴を基板の端部に設けたノズル孔から
吐出させるエッジインクジェットタイプにも適用可能である。
【００４７】
また、本例では、ノズル孔１１を段状断面に形成した例を示したが、これに限られたも
のではない。但し、段状断面とした場合、吐出室３側からノズル孔１１に伝わる圧力の方
向をノズル軸線方向に揃える作用が大きいノズルとすることができる。このため、安定し
たインク吐出特性を得ることが可能となり、インク滴の飛翔方向のばらつきを無くし、イ
ンク滴の飛び散りを無くし、インク滴の量のばらつきを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】インクジェットヘッドの断面側面図。
【図２】本発明の一実施の形態のノズルプレートの平面図。
【図３】本発明の一実施の形態のノズルプレート製造方法を示す図（その１）。
【図４】本発明の一実施の形態のノズルプレート製造方法を示す図（その２）。
【図５】ノズル孔径調整方法の説明図。
【図６】Ｗｅｔ酸化の条件を示す温度−酸化時間−酸化厚みの相関図。
【図７】Ｄｒｙ酸化の条件を示す温度−酸化時間−酸化厚みの相関図。
【符号の説明】
【００４９】
２  振動板、３  吐出室、１０  ノズルプレート、１１  ノズル孔、１０１  Ｓｉ基板
、１１２  ＳｉＯ2 膜（熱酸化膜）。
【図１】
2006076106.tif 000003
【図２】
2006076106.tif 000004
【図３】
2006076106.tif 000005
【図４】
2006076106.tif 000006
【図５】
2006076106.tif 000007
【図６】
2006076106.tif 000008
【図７】
2006076106.tif 000009