(57)【要約】【課題】超微量の流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置に好適に用いることのできるノズルプレートであって、ノズル先端部近傍に安定して電極を形成することができると共に、複数のノズル孔部間を電気的に独立させることも容易で、かつ、ノズル孔に形成された電極への駆動信号の印加をノズルプレートにおける流体供給側より行うことが可能なノズルプレートを提供する。【解決手段】第１のノズル孔１１ａを有し、流体吐出側に配される薄層の第１のノズル層１と、該第１のノズル層１の流体供給側に積層され、第１のノズル層１よりも厚層で、かつ上記第１のノズル孔１１ａと連通すると共に第１のノズル孔１１ａとでノズル孔１１を構成する第２のノズル孔１１ｂを有する第２のノズル層２を備え、第１のノズル孔１１ａの内壁に成膜された第１の電極層２５と、第２のノズル孔１１ｂの内壁に成膜された第２の電極層２６とが電気的に接続されている。【選択図】  図７
2005074635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加により帯電された流体をノズル先端の流体吐出孔から静電吸引により吐出させる静電吸引型流体吐出装置に備えられ、複数のノズル孔部を有するノズルプレートにおいて、
第１のノズル孔を有し、流体吐出側に配される薄層の第１のノズル層と、
該第１のノズル層の流体供給側に積層され、上記第１のノズル層よりも厚層で、かつ上記第１のノズル孔と連通すると共に第１のノズル孔とでノズル孔部を構成する第２のノズル孔を有する第２のノズル層を少なくとも一層備え、
該第１のノズル孔の内壁に成膜された第１の電極層と、第２のノズル孔の内壁に成膜された第２の電極層とが電気的に接続されていることを特徴とするノズルプレート。
【請求項２】
上記第１の電極層が第１のノズル層と第２のノズル層との界面において第１のノズル孔より第１のノズル層上に延設され、上記第２の電極層は、第１のノズル層上に延設された部分で第１の電極層と電気的に接続していることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項３】
上記第１の電極層が上記第１のノズル孔の内壁全面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項４】
上記第１の電極層が上記第１のノズル層と第２のノズル層との界面において第１のノズル孔より第１のノズル層上に延設され、上記第２のノズル孔における第１のノズル孔と連通する側の開口部は、この第１のノズル層上に延設された第１の電極層部分内に位置することを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項５】
上記第１のノズル孔及び／又は第２のノズル孔は、流体吐出側よりも流体供給側の開口部が大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項６】
上記第１のノズル孔の流体吐出側に、第１のノズル孔の流体吐出側開口部を塞ぐように、貫通孔を有する表面電極層が配され、該貫通孔と第１のノズル孔とが連通すると共に、上記表面電極層が第１の電極層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項７】
最も流体供給側にある上記第２のノズル層における第２の電極層が、該第２のノズル層の流体供給側で、隣接するノズル孔部間で電気的に分離されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項８】
最も流体供給側にある上記第２のノズル層の第２の電極層が、該第２のノズル層の流体供給側表面にも形成され、該表面においてパターニングされて引き出し配線を形成していることを特徴とする請求項７に記載のノズルプレート。
【請求項９】
上記第１のノズル孔の流体吐出側の開口部の直径或いは上記表面電極層に形成された貫通孔の直径が８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項１０】
基板上に犠牲層を形成する工程と、
上記犠牲層上に第１のノズル層を形成する工程と、
上記第１のノズル層に複数の第１のノズル孔を形成する工程と、
上記第１のノズル層上に各第１のノズル孔の内壁面を含めて第１の電極層を形成する工程と、
各第１のノズル孔内壁と各第１のノズル孔周囲部とに残るように上記第１の電極層を加工する工程と、
上記第１のノズル層上に、残留する各第１の電極層部分も含めて第２のノズル層を形成する工程と、
上記第２のノズル層に複数の第２のノズル孔を、各第２のノズル孔の流体吐出側の開口部が上記第１のノズル層上に残留する各第１の電極層部分に収まるように形成する工程と、
上記第２のノズル層上に各第２のノズル孔の内壁面を含めて第２の電極層を形成する工程と、
隣接する第２のノズル孔間で電気的に分離されるように第２の電極層を加工する工程とを備えることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項１１】
基板上に犠牲層を形成する工程と犠牲層上に第１のノズル層を形成する工程との間に、上記犠牲層上に表面電極層を形成し、該表面電極層をノズル孔部形成部位に対応して分離すると共に各分離部に貫通孔を形成する工程とを有し、
犠牲層上の第１のノズル層を形成する工程では、分離された表面電極層上も含めて第１のノズル層を形成することを特徴とする請求項１０に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項１２】
上記の第２の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項１３】
上記の第１の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とする請求項１１に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項１４】
上記の第２のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第２のノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記第１の電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項１５】
第１のノズル孔を形成する工程及び第２のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第１及び第２の各ノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記表面電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とする請求項１１に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項１６】
上記の第２の電極層を電気的に分離する工程では、ドライエッチングを用いて行うことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のノズルプレートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク等の流体を吐出する流体吐出ヘッドに用いるノズルプレートに関し、さらに詳しくは流体を帯電させて静電吸引することで、対象物上に流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置に用いるノズルプレート関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インク等の流体を対象物（記録媒体）上に吐出する流体ジェット方式には、種々の方式がある。ここでは、流体としてインクを用いたインクジェット方式について説明する。
【０００３】
オンデマンドタイプのインクジェット方式としては、圧電現象を利用したピエゾ方式、インクの膜沸騰現象を利用したサーマル方式、静電気現象を利用した静電吸引方式等が開発されており、特に近年、高解像度のインクジェット方式の要求が強くなっている。高解像度のインクジェット記録を実現するには、吐出したインク液滴の微小化が不可欠である。
【０００４】
ここで、ノズルから吐出したインク液滴が記録媒体に着弾するまでの挙動は、
ρｉｎｋ・（４／３・π・ｄ３）・ｄｖ／ｄｔ      ＝  −  Ｃｄ・（１／２・ρａｉｒ・ｖ２）・（π・ｄ２／４）・・・・・（１）
で示される運動方程式（（１）式）によって表すことができる。
【０００５】
上記ρｉｎｋはインクの体積密度、ｖは液滴速度、Ｃｄは抗力係数、ρａｉｒは空気の密度、ｄはインク液滴半径であり、Ｃｄは、
Ｃｄ  ＝  ２４／Ｒｅ・（１＋３／１６・Ｒｅ０．６２）  ・・・・・・・・・・（２）
で示される（２）式によって表すことができる。
【０００６】
上記Ｒｅはレイノルズ数であり、ηを空気の粘度として、
Ｒｅ  ＝  ２・ｄ・ρｉｎｋ・  ｖ／η    ・・・・・・・・・・・・・（３）
で示される（３）式によって表すことができる。
【０００７】
上記（１）式の左辺のインク液滴の運動エネルギーにかかる液滴半径の影響の方が、空気の粘性抵抗にかかる液滴半径の影響より大きい。このため、同一速度の場合、液滴が小さくなればなるほど液滴速度の減速が早く、所定の距離離れた記録媒体に到達できないか、到達しても着弾精度が悪いことになってしまう。
【０００８】
これを防ぐには、液滴の吐出初速度を大きくする、すなわち単位体積当たりの吐出エネルギーを大きくする必要がある。
【０００９】
しかしながら、従来のピエゾ方式及びサーマル方式のインクジェットヘッドでは、吐出液滴の微少化すなわち吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーを大きくした場合に以下に示す問題点を有し、吐出液滴量１ｐｌ以下、すなわち液滴の直径（以下、液滴径と称する）をφ１０μｍ以下にすることが特に難しかった。
【００１０】
問題点１：ピエゾ方式のインクジェットヘッドの吐出エネルギーは、駆動する圧電素子の変位量及び発生圧力と関わっている。この圧電素子の変位量は、インク吐出量、すなわちインク液滴サイズと密接に関わり、液滴サイズを小さくするためには変位量も小さくする必要があり、吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーの向上が困難であること。
【００１１】
問題点２：サーマル方式のインクジェットヘッドでは、インクの膜沸騰現象を利用しているため、バブル形成時の圧力は物理的な限界があり加熱素子の面積によりほぼ吐出エネルギーは定まってしまう。この加熱素子の面積は、発生バブルの体積、すなわちインク吐出量とほぼ比例する。このため、インク液滴サイズを小さくすれば、発生バブルの体積が小さくなり、吐出エネルギーは小さくなるので、インクの吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーの向上が困難であること。
【００１２】
問題点３：ピエゾ方式及びサーマル方式とも駆動（加熱）素子の駆動量が吐出量に密接に関わるため、特に微少な液滴サイズを吐出する場合、そのバラツキを抑えることが非常に難しいこと。
【００１３】
そこで、上記の各問題点を解消するための方式として、静電吸引方式による微小液滴の吐出方法の開発が行われている。
【００１４】
静電吸引方式では、ノズルから吐出したインク液滴の運動方程式は、以下の（４）式で示される。
【００１５】
ρｉｎｋ・（４／３・π・ｄ３）・ｄｖ／ｄｔ      ＝  ｑ・Ｅ−  Ｃｄ・（１／２・ρａｉｒ・ｖ２）・（π・ｄ２／４）・・・・・（４）
ここで、ｑは液滴の電荷量、Ｅは周囲の電界強度である。
【００１６】
上記（４）式から、静電吸引方式では、吐出された液滴は、吐出エネルギーとは別に、飛翔中にも静電力を受けるため、単位体積当たりの吐出エネルギーを軽減でき、微小液滴の吐出への適用が可能となる。
【００１７】
このような静電吸引方式のインクジェット装置（以下、静電吸引型インクジェット装置と称する）として、例えば特許文献１には、ノズルより内部に電圧印加用の電極を設けたインクジェット装置が開示されている。また、特許文献２には、ノズルをスリットとして、ノズルより突出した針電極を設け微粒子を含むインクを吐出するインクジェット装置が開示されている。
【００１８】
上記特許文献１に開示されたインクジェット装置について、図１７を参照しながら以下に説明する。図１７は、インクジェット装置の断面模式図である。
【００１９】
図において、１０１はインク噴射室、１０２はインク、１０３はインク室、１０４はノズル孔、１０５はインクタンク、１０６はインク供給路、１０７は回転ローラー、１０８は記録媒体、１１０は制御素子部、１１１はプロセス制御部を示している。
【００２０】
さらに、１１４はインク噴射室１０１のインク室１０３側に配設された静電界印加用電極部、１１５は回転ローラー１０７に設置された金属ドラムである対向電極部、１１６は対向電極部１１５に数千Ｖの負電圧を印加するバイアス電源部である。１１７は静電界印加用電極部１１４に数百Ｖの高電圧を供給する高圧電源部、１１８は接地部である。
【００２１】
ここで、静電界印加用電極部１１４と対向電極部１１５との間において、対向電極部１１５に印加されている数千Ｖの負電圧のバイアス電源部１１６と数百Ｖの高圧電源部１１７の高圧電圧とが重畳されて、重畳電界が形成されており、この重畳電界によってインク１０２のノズル孔１０４からの吐出が制御されている。
【００２２】
また、１１９は対向電極部１１５に印加された数千Ｖのバイアス電圧によってノズル孔１０４に形成される凸状のメニスカスである。
【００２３】
以上のように構成された静電吸引方式のインクジェット装置の動作について、以下に説明する。
【００２４】
まず、インク１０２は、毛細管現象により、インク供給路１０６を伝わって、インク１０２を吐出するノズル孔１０４まで移送される。このとき、ノズル孔１０４に対向して、記録媒体１０８を装着した対向電極部１１５が配置されている。
【００２５】
ノズル孔１０４まで達したインク１０２は、対向電極部１１５に印加された数千Ｖのバイアス電圧によって凸状のインクメニスカス１１９が形成される。インク室１０３内に配設された静電界印加用電極部１１４に数百Ｖの高圧電源部１１７から信号電圧を印加することで対向電極部１１５に印加されたバイアス電源部１１６からの電圧とが重畳され、重畳電界によってインク１０２は記録媒体１０８に吐出され、印字画像が形成される。
【００２６】
上記特許文献１に開示されたインクジェット装置における液滴の飛翔までのメニスカスの挙動を、図１８（ａ）〜図１８（ｃ）を参照しながら以下に説明する。
【００２７】
駆動電圧を印加する前は、図１８（ａ）に示すように、インクに加えられているバイアス電圧による静電力とインクの表面張力の釣り合いにより、インク表面に盛り上がったメニスカス１１９ａが形成された状態となっている。
【００２８】
上記の状態で駆動電圧を印加すると、図１８（ｂ）に示すように、メニスカス１１９ｂは、液表面に発生した電荷が液面の盛り上がりの中心に寄り初め、それにより液面の盛り上がりの中心が高くなったメニスカス１１９ｂが形成される。
【００２９】
その後、駆動電圧を印加し続けると、図１８（ｃ）に示すように、液表面に発生した電荷が更に中心に集中することによりテーラーコーンとよばれる半月状のメニスカス１１９ｃが形成され、該テーラーコーンの頂部に集中した電荷量による静電力がインクの表面張力を超えた段階で液滴の分離が行われ吐出される。
【００３０】
次に、上記特許文献２に開示されたインクジェット装置について、図１９を参照しながら以下に説明する。図１９は、インクジェット装置の概略構成図である。
【００３１】
本インクジェット装置の保持部材内部には、図に示すように、インクジェットヘッドとして低誘電体材料（アクリル樹脂、セラミックス等）で形成されたライン型の記録ヘッド２１１、該記録ヘッド２１１のインク吐出孔に対向するように配置された金属または高誘電体製の対向電極２１０、非導電性のインク媒体に帯電顔料粒子を分散させたインクを蓄えておくためのインクタンク２１２、インクタンク２１２と記録ヘッド２１１との間でインクを循環させるインク循環系（ポンプ２１４ａ，２１４ｂ、パイプ２１５ａ，２１５ｂ）、記録画像の１画素を形成するインク液滴を引くためのパルス電圧を各吐出電極２１１ａにそれぞれ印加するパルス電圧発生装置２１３、画像データに応じてパルス電圧発生装置２１３を制御する駆動回路（図示せず）、記録ヘッド２１１と対向電極２１０との間に設けられた間隙に記録媒体２３０を通過させる記録媒体搬送機構（図示せず）、装置全体を制御するコントローラ（図示せず）等が収容されている。
【００３２】
上記インク循環系は、記録ヘッド２１１とインクタンク２１２との間をつなぐ２本のパイプ２１５ａ・２１５ｂ、コントローラの制御によって駆動される２台のポンプ２１４ａ・２１４ｂによって構成されている。
【００３３】
そして、上記インク循環系は、記録ヘッド２１１にインクを供給するためのインク供給系と、記録ヘッド２１１からインクを回収するためのインク回収系とに分けられている。
【００３４】
インク供給系では、インクタンク２１２内からインクがポンプ２１４ａで吸い上げられ、それがパイプ２１５ａを介して記録ヘッド２１１のインク供給部へと圧送される。一方、インク回収系では、記録ヘッド２１１のインク回収部からインクがポンプ２１５ｂで吸引され、それがパイプ２１５ｂを介してインクタンク２１２へと強制的に回収される。
【００３５】
また、上記記録ヘッド２１１には、図２０に示すように、インク供給系のパイプ２１５ａから送り込まれたインクをライン幅に広げるインク供給部２２０ａ、インク供給部２２０ａからのインクを山形に導くインク流路２２１、インク流路２２１とインク回収系のパイプ２１５ｂとをつなぐインク回収部２２０ｂ、インク流路２２１の頂上部を対向電極２１０側に開放する適当な幅（約０．２ｍｍ）のスリット状インク吐出孔２２２、所定のピッチ（約０．２ｍｍ）でインク吐出孔２２２内に配列された複数の吐出電極２１１ａ、各吐出電極２１１ａの両側および上面にそれぞれ配置された低誘電体製（例えば、セラミック製）の仕切り壁２２３が設けられている。
【００３６】
上記各吐出電極２１１ａは、それぞれ、銅、ニッケル等の金属で形成され、その表面には、濡れ性のよい顔料付着防止用低誘電体膜（例えば、ポリイミド膜）が形成されている。また、各吐出電極２１１ａの先端は、三角錐形状に成形されており、それぞれが適当な長さ（７０μｍ〜８０μｍ）だけインク吐出孔２２２から対向電極２１０側に向かって突出している。
【００３７】
上述した図示しない駆動回路が、コントローラの制御に応じて、制御信号を、画像データに含まれている階調データに応じた時間だけパルス電圧発生装置２１３に与えると、パルス電圧発生装置２１３は、その制御信号の種類に応じたパルストップのパルスＶｐをバイアス電圧Ｖｂにのせた高電圧信号をバイアス電圧Ｖｂに重畳して出力するようになっている。
【００３８】
そして、コントローラは、画像データが転送されてくると、インク循環系の２台のポンプ２１４ａ，２１４ｂを駆動する。これにより、インク供給部２２０ａからインクが圧送されると共にインク回収部２２０ｂが負圧となり、インク流路２２１を流れているインクが、各仕切り壁２２３の隙間を毛細管現象で這い上がり、各吐出電極２１１ａの先端にまで濡れ広がる。このとき各吐出電極２１１ａの先端付近のインク液面には負圧がかかっているため、各吐出電極２１１ａの先端には、それぞれ、インクメニスカスが形成される。
【００３９】
さらに、コントローラによって、記録媒体搬送機構が制御されることで、図中矢印にて示す所定の方向に記録媒体２３０が送られる共に、駆動回路を制御することによって、吐出電極２１１ａとの間に前述の高電圧信号が印加される。
【００４０】
上記特許文献２に開示されたインクジェット装置における液滴の飛翔までのメニスカスの挙動を、図２１〜図２４を参照しながら以下に説明する。
【００４１】
図２１に示すように、パルス電圧発生装置２１３からのパルス電圧が記録ヘッド２１１内の吐出電極２１１ａに印加されると、吐出電極２１１ａ側から対向電極２１０側に向かう電場が発生する。ここでは、先端の鋭利な吐出電極２１１ａを用いているため、その先端付近に最も強い電場が発生している。
【００４２】
このような電場が発生すると、図２２に示すように、インク溶媒中の個々の帯電顔料粒子２０１ａは、それぞれ、この電場から及ぼされる力ｆＥ（図２１）によってインク液面に向かって移動する。これにより、インク液面付近の顔料濃度が濃縮される。
【００４３】
このように顔料濃度が濃縮されると、図２３に示すように、インク液面付近に複数の帯電顔料粒子２０１ａが、電極の反対側によせられて凝集しはじめる。そして、インク液面付近に顔料凝集体２０１が球状に成長しはじめると、個々の帯電顔料粒子２０１ａには、それぞれ、この顔料凝集体２０１からの静電反発力ｆｃｏｎが作用しはじめる。すなわち、個々の帯電顔料粒子２０１ａには、それぞれ、顔料凝集体２０１からの静電反発力ｆｃｏｎと、パルス電圧による電場Ｅからの力ｆＥとの合力ｆｔｏｔａｌが作用する。
【００４４】
したがって、帯電顔料粒子間の静電反発力が互いの凝集力を超えない範囲内においては、顔料凝集体２０１に向いた合力ｆｔｏｔａｌが作用する帯電顔料粒子２０１ａ（吐出電極２１１ａの先端と顔料凝集体２０１の中心とを結ぶ直線上にある帯電顔料粒子２０１ａ）に電界から及ぼされる力ｆＥが、顔料凝集体２０１からの静電反発力ｆｃｏｎを上回れば（ｆＥ≧ｆｃｏｎ）、帯電顔料粒子２０１ａは顔料凝集体２０１に成長する。
【００４５】
ｎ個の帯電顔料粒子２０１ａから形成された顔料凝集体２０１は、パルス電圧による電場Ｅから静電反発力ＦＥを受ける一方で、インク溶媒から拘束力Ｆｅｓｃを受けている。静電反発力ＦＥと拘束力Ｆｅｓｃとが釣り合うと、顔料凝集体２０１は、インク液面からやや突出した状態で安定する。
【００４６】
さらに、顔料凝集体２０１が成長し、静電反発力ＦＥが拘束力Ｆｅｓｃを上回ると、図２４（ａ）〜図２４（ｃ）に示すように、顔料凝集体２０１は、インク液面２００ａから脱出する。
【００４７】
ところで、従来の静電吸引方式の原理では、メニスカスの中心に電荷を集中させてメニスカスの隆起を発生する。この隆起したテーラーコーン先端部の曲率半径は、電荷の集中量により定まり、集中した電荷量と電界強度による静電力がそのときメニスカスの表面張力より勝った時に液滴の分離が始まる。
【００４８】
メニスカスの最大電荷量は、インクの物性値とメニスカスの曲率半径により定まるため、最小の液滴のサイズはインクの物性値（特に表面張力）とメニスカス部に形成される電界強度により定まる。
【００４９】
一般的に、液体の表面張力は純粋な溶媒よりも溶剤を含んだ方が表面張力は低くなる傾向があり、実際のインクにおいても種々の溶剤を含んでいるため、表面張力を高くすることは難しい。このため、インクの表面張力を一定と考え、電界強度を高くすることにより液滴サイズを小さくする方法がとられている。
【００５０】
【特許文献１】
特開平８−２３８７７４号公報（１９９６年９月１７日公開）
【００５１】
【特許文献２】
特開２０００−１２７４１０号公報（２０００年５月９日公開）
【００５２】
【特許文献３】
特開昭５８−３１７５７号公報（１９８３年２月２４日公開）
【００５３】
【特許文献４】
特開平１０−１７５３０５号公報（１９９８年６月３０日公開）
【００５４】
【特許文献５】
特開平１１−４２７８４号公報（１９９９年２月１６日公開）
【００５５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、従来の静電吸引方式では、電界強度を高くすることにより液滴サイズを小さくする方法がとられているが、上記の特許文献１、２に開示されたインクジェット装置では、両者とも吐出原理として、吐出液滴の投影面積よりはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、２０００Ｖに近い非常に高い電圧を印加する必要がある。その結果、駆動制御が難しいとともに、インクジェット装置を操作するうえでの安全性の面からも問題がある。
【００５６】
このような課題に鑑みて鋭意検討の結果、本願発明者らは、あるノズル径以下では、従来の流体吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こり、インクが吐出される部分（吐出開始部）の幅あるいは径を小さくすることで、高電圧を印加することなく電界強度を高めることができることを突き止めた。
【００５７】
ここで、図２５（ａ）（ｂ）を用いて、静電吸引型の微量流体吐出の基本特性、特にノズル先端のメニスカスに蓄積された電荷による表面電位について考察する。
【００５８】
まず初めに、図２５（ａ）に示すように、静電吸引型流体吐出装置の単純構成をモデル化する。単純モデルでは、先の尖ったノズル２５０の内部に駆動電極２５１が設置されており、吐出材料２５２はノズル内部全体に充填されている。そして、ノズル先端面に対向して基板２５４が配置され、背面電極２５５により接地されている。
【００５９】
このような単純構成モデルの場合、電源２５６から流出した電荷がノズル２５０内部の吐出材料である流体２５２内部を通過して、ノズル先端で静電容量をもったメニスカス２５７上で基板２５４に対向すると考えられるため、図２５（ｂ）に示すような、電源電圧Ｖ０とノズル内部の電気抵抗Ｒ、メニスカス２５７と基板２５４との間の静電容量Ｃの直列回路と仮定することができる。
【００６０】
Ｖ０ＲＣの直列回路では、メニスカス２５７上での蓄積電荷Ｑ（ｔ）を用いて以下のように表すことができる。
【００６１】
Ｒ  ｄＱ（ｔ）／ｄｔ  ＋  Ｑ（ｔ）  ／  Ｃ    ＝Ｖ０  ・・・・・・（５）
この（５）式の微分方程式を解くとメニスカス表面の蓄積電荷Ｑ（ｔ）及びメニスカス表面電位Ｖ（ｔ）は以下のように表すことができる。
【００６２】
Ｑ（ｔ）  ＝Ｃ  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕・・・・・（６）
Ｖ（ｔ）  ＝  Ｖ０〔１−ｅｘｐ（−ｔ／  ＲＣ）〕・・・・・・（７）
上記のように、ある時刻ｔにおけるメニスカス表面の蓄積電荷Ｑ（ｔ）及びメニスカス表面電位Ｖ（ｔ）は、ノズル２５０内部の電気抵抗Ｒとメニスカス２５７と基板２５４間の静電容量Ｃに依存していることがわかる。すなわち、このような構成の静電吸引型流体吐出装置においては、ノズル２５０内部の電気抵抗Ｒを小さくすることで、メニスカス２５７表面に電荷が蓄積されやすくなり、流体２５２の吐出までに要する時間を短縮することができる。つまり、吐出周波数を向上することができ、高速描画が可能となる。
【００６３】
上記ノズル２５０内部の電気抵抗Ｒを低減する具体的な施策として、駆動電極２５１をできるだけノズル２５０の先端に近接させることが望ましい。
【００６４】
特許文献４には、静電吸引型インクジェットノズルのノズル孔内部に電極を形成する技術が開示されている。図２６は特許文献４におけるノズルプレート製造過程を示す断面図である。図２６を用いて、特許文献４の構成及を説明する。
【００６５】
図において、３０１はノズルプレートであり、ノズルプレート３０１には複数のインク溜り用凹部Ａ…が予め形成され、該ノズルプレート３０１のインク溜り用凹部Ａ…の形成されていない面に、導電用めっき３０３の定着しないレジスト層３０２がコーティング加工される。そして、各インク溜り用凹部Ａに連通するように、ノズルプレート３０１及びレジスト層３０２を貫通するノズル孔Ｂが形成された後、導電用めっき３０３がノズル内周に施される。ここで、レジスト層３０２には、導電用めっき３０３が定着しない材料が選択されているので、ノズルプレート３０１内部およびノズルプレート３０１のレジスト層３０２が形成されていない面のみに導電用めっき３０３が定着することとなる。このようにして、特許文献４ではノズル孔内部に電極層（導電用めっき３０３）が形成される。
【００６６】
また、特許文献５には、静電吸引型インクジェットヘッドのノズルプレートの記録媒体対向面に電極を形成する構成が開示されている。図２７は特許文献５にかかるインクジェットヘッドの構成を示す説明図である。図２７を用いて特許文献５について説明する。
【００６７】
インクジェットヘッドは、絶縁制御基板４１１の表面に制御電極４０１が形成されると共にその裏面に制御電極４０２が形成されており、制御電極４０１または４０２にはインクが通過できるようにインクタンク４３０より貫通したインク吐出孔４１３が形成されている。前記インク吐出孔４１３には突起のあるインクガイド４１２が配設されており、制御電極４０１・４０２に印加された電圧による電界は、インクガイド４１２の先端に集中し、この電界によってインク滴４１４が対向電極４２０を介して設置されている記録媒体４２１へ飛翔する。
【００６８】
しかしながら、このような特許文献４、５に開示された手法においては、以下のような問題があり、インクが吐出される部分の幅あるいは径を小さくした静電吸引型流体吐出装置には適用できない。
【００６９】
まず、特許文献４の構成であるが、これによれば、ノズルプレート３０１の媒体対向面以外の領域に、上記導電めっき３０３を形成しているので、各インク溜り用凹部Ａ及びノズル孔Ｂに形成された導電めっき３０３は互いに電気的に短絡している。そのため、このようなノズルプレート３０１では、特定の１つのチャンネルのみを吐出することはできず、描画画像の解像度を向上するには、隣接するチャンネル間を電気的に分離することが必要となる。
【００７０】
その方法としては、例えば以下に示す▲１▼▲２▼の方法が考えられる。
▲１▼導電めっき３０３を形成した後、ノズルプレート３０１のインク溜り用凹部Ａ…が形成されているインク流入面側を加工して、導電めっき３０３をチャンネル毎に分断する。
▲２▼導電めっき３０３を形成する前にノズルプレート３０１のインク流入面側にも、吐出面と同様のレジスト層を形成し、導電めっき３０３が添着しない領域を作成しておく。
【００７１】
しかしながら、▲１▼の導電めっき３０３の層を形成後に分断する方法は、分断加工に機械加工を用いれば、切削くずなどのダストがノズル孔Ｂ内に入り、ノズル閉塞が生じ、レーザーなどの熱を利用した分断加工では、熱によるストレスが残留しノズルプレート３０１が上記ストレスによって変形してしまう。
【００７２】
また、エッチングによって分断加工することも考えられるが、エッチングを用いる場合、上記ノズルプレートのインク流入面側に形成された導電めっき３０３上にレジストパターンを形成する必要がある。上述したように、インクが吐出される部分の幅あるいは径を小さくした静電吸引型流体吐出装置に適用されるノズルプレートの場合、１０μｍ以下のノズル孔を有するものとなるため、ノズル孔径の加工精度を向上させるために、５０μｍ程度のノズルプレート母材を使用することが望ましい。しかし、このように薄いノズルプレートは剛性が低いため、レジストパターンを作成する際、ノズルプレートの取り扱いにおいて容易に変形し、高い精度のパターンを形成することができない。
【００７３】
これについては上記▲２▼の方法の場合も同様で、ノズルプレート自体が薄いため、導電めっき３０３を形成する前であっても同様にノズルプレートの変形が問題となり、精度良くレジストパターンが形成できず、良好なチャンネル分離は行えない。
【００７４】
さらに、特許文献４の手法では、ノズル孔径が１０μｍ以下と小さい場合、めっき液が十分供給されず、ノズル孔内部に安定して導電めっきを形成することが極めて難しいといった問題もある。この場合、最もめっき液の供給が不足するのはノズル先端部である。先にも述べたように、電極をできるだけノズルの先端に近接させることが望ましく、これでは、最も重要なノズル先端部に安定して電極を形成することができない。
【００７５】
すなわち、ノズル径が小さいほど微量な流体を吐出することができ、描画解像度が向上するが、その反面電極の形成が不安定になる。このため、ノズル先端部におけるノズル内部の電気抵抗Ｒがチャンネルごとに変化し、これによって応答周波数がチャンネルごとに変化し、チャンネル間の吐出液適量を均一に制御することが困難になる。すなわち、描画画像の印字品質が著しく低下する。
【００７６】
一方、特許文献５において開示されたノズルプレートに相当する絶縁制御基板４１１は、記録媒体４２１との対向面に制御電極４０１が形成されているため、メニスカスに対する電極の位置は非常に高い精度で設定することができる。このため、特許文献４の構成にあったような問題はなく、チャンネル間の吐出安定性は高く、隣接チャンネルとの電気的な分離は十分である。
【００７７】
しかしながら、図２８に示すように、特許文献５の構成では、絶縁制御基板４１１における記録媒体４２１の対向面には、電圧印加手段から制御電極４０１に電圧を印加するための引き出し配線４０５も同時に形成されるが、この場合、引き出し配線４０５からも電界が発生する。特に、引き出し配線４０５の屈曲部分４０５ａから、集中した電界が発生しやすく、例えば電気部品上に描画する際など、当該電界によって電子部品を破損してしまう危険性が高い。
【００７８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、超微量の流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置に好適に用いることのできるノズルプレートであって、ノズル先端部近傍に安定して電極を形成することができると共に、複数のノズル孔部間を電気的に独立させることも容易で、かつ、ノズル孔部に形成された電極への駆動信号の印加をノズルプレートにおける流体供給側より行うことが可能なノズルプレートとその製造方法を提供することを目的としている。
【００７９】
【課題を解決するための手段】
本発明のノズルプレートは、上記課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体をノズル先端の流体吐出孔から静電吸引により吐出させる静電吸引型流体吐出装置に備えられ、複数のノズル孔部を有するノズルプレートにおいて、第１のノズル孔を有し、流体吐出側に配される薄層の第１のノズル層と、該第１のノズル層の流体供給側に積層され、上記第１のノズル層よりも厚層で、かつ上記第１のノズル孔と連通すると共に第１のノズル孔とでノズル孔部を構成する第２のノズル孔を有する第２のノズル層を少なくとも一層備え、該第１のノズル孔の内壁に成膜された第１の電極層と、第２のノズル孔の内壁に成膜された第２の電極層とが電気的に接続されていることを特徴としている。
【００８０】
上記構成によれば、ノズルプレートは、薄層の第１のノズル層に、厚層の第２のノズル層が少なくとも一層積層されてなる構成であるので、ノズルプレート自体の強度・剛性を第２のノズル層で確保することができ、第１のノズル層の厚みを十分に薄くすることができる。層厚を薄くすることで、第１のノズル層に形成される第１のノズル孔は、孔径を例えば１０μｍ以下といった超微細に形成することができると共に、このような超微細な第１のノズル孔内壁に第１の電極層を層厚方向に安定して成膜することが可能となり、流体吐出面の第１のノズル孔の開口部を流体吐出孔とした場合、この流体吐出孔近傍にまで第１の電極を成膜することができる。その結果、ノズル内部の電気抵抗Ｒを従来に比べ飛躍的に低減することができ、流体の吐出周波数を向上が図れ、記録媒体に対する高速描画が可能となる。
【００８１】
しかも、このように形成された第１の電極層は、第１のノズル孔と連通する第２のノズル孔に形成された第２の電極層と電気的に接続されているので、第２の電極層を介してノズルプレートの流体供給側より駆動信号を供給することが可能となる。したがって、第１の電極層に駆動信号を供給するための引き出し配線が媒体に近接することがなく、引き出し配線から発生する電界によって、記録媒体が電気的な損傷を受けるようなこともない。
【００８２】
本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１の電極層が第１のノズル層と第２のノズル層との界面において第１のノズル孔より第１のノズル層上に延設され、上記第２の電極層は、第１のノズル層上に延設された部分で第１の電極層と電気的に接続していることを特徴とすることもできる。
【００８３】
上記構成によれば、第１の電極層が第１のノズル層と第２のノズル層との界面において第１のノズル孔より第１のノズル層上に延設され、第２の電極層はこの延設部分で第１の電極層と電気的に接続されているので、第１の電極層と第２の電極層との接続が各電極層の断面ではなく電極層の表面にて行われている。したがって、異なる電極層同士を接続する構成ではあるが、電極層同士の電気的な接続信頼性が高く、断線等にて駆動信号を第１の電極層に良好に印加できないといった危険性を大幅に低減して、吐出信頼性を向上することができる。
【００８４】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１の電極層が上記第１のノズル孔の内壁全面に形成されていることを特徴とすることもできる。
【００８５】
上記構成では、第１のノズル孔の内壁全面に第１の電極層が形成されているため、流体吐出孔にある流体に均一な電界を印加することができる。例えば、ノズルプレートの流体吐出面に複数の流体吐出孔がある構成の場合、流体吐出孔ごとにテーラーコーンの形成位置が異なると着弾精度が低下するが、これにより、流体吐出孔ごとのテーラーコーンの形成位置が安定して、着弾精度を向上できる。
【００８６】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１の電極層が上記第１のノズル層と第２のノズル層との界面において第１のノズル孔より第１のノズル層上に延設され、上記第２のノズル孔における第１のノズル孔と連通する側の開口部は、この第１のノズル層上に延設された第１の電極層部分内に位置することを特徴とすることもできる。
【００８７】
上記構成によれば、第１のノズル層と第２のノズル層との界面で第１の電極層が第１のノズル層上に延設されている部分に、第２のノズル孔における第１のノズル孔と連通する側の開口部が配置されているため、第２のノズル孔をエッチング加工するにおいて、この第１の電極層の延設部分がエッチングストッパー部として機能し、第２のノズル孔を形成する際のエッチングによって、第１のノズル孔あるいは第１のノズル層が損傷を受けて変形するようなことがない。
【００８８】
上記のように、第１の電極層の延設部分の外側の第１のノズル層がエッチングされてしまうと、第１の電極層がノズルプレートから分離、除去されてしまうが、上記構成により安定してノズルプレートを製造することができる。
【００８９】
本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１のノズル孔及び／又は第２のノズル孔は、流体吐出側よりも流体供給側の開口部が大きく形成されていることを特徴とすることもできる。
【００９０】
上記構成によれば、第１のノズル孔及び／又は第２のノズル孔が、流体供給側が広くなるようなテーパーを有して形成されているため、ノズル孔の内壁面と第１のノズル層或いは第２のノズル層の各表面とのなす角が鈍角になる。これによって、第１のノズル孔或いは第２のノズル孔の内壁面から各ノズル層表面にかけて第１或いは第２の電極層を形成する際、内壁面とノズル層表面のなす角によって電極層が断線する危険性が低く、導電信頼性の高い電極層を形成することができる。また、吐出液体をノズル先端に供給する際、ノズル内において乱流が生じる危険性が少なく、安定して吐出液体を供給することができる。
【００９１】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１のノズル孔の流体吐出側に、第１のノズル孔の流体吐出側開口部を塞ぐように、貫通孔を有する表面電極層が配され、該貫通孔と第１のノズル孔とが連通すると共に、上記表面電極層が第１の電極層と電気的に接続されていることを特徴とすることもできる。
【００９２】
上記構成によれば、ノズルプレートの流体吐出面に備えられた表面電極層の貫通孔が流体吐出孔となるので、吐出流体の着弾精度に大きな影響を与える流体吐出孔を表面電極層のエッチングで加工することができる。これによって、内壁に第１の電極層が成膜されている第１のノズル孔の流体吐出側開口部を流体吐出孔とした構成よりもさらに、流体吐出孔の形状精度が飛躍的に安定し、これにともない着弾精度のさらなる安定化が可能となる。
【００９３】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、最も流体供給側にある上記第２のノズル層における第２の電極層が、該第２のノズル層の流体供給側で、隣接するノズル孔部間で電気的に分離されていることを特徴とすることもできる。
【００９４】
上記構成によれば、複数のノズル孔部を有するノズルプレートにおいて、最も流体供給側にある上記第２のノズル層の第２の電極層が、該第２のノズル層の流体供給側において隣接するノズル孔部間で電気的に分離されているので、複数あるノズル孔部を独立して駆動することが可能となり、高解像度の描画が可能になる。
【００９５】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、最も流体供給側にある上記第２のノズル層の第２の電極層が、該第２のノズル層の流体供給側表面にも形成され、該表面においてパターニングされて引き出し配線を形成していることを特徴とすることもできる。
【００９６】
上記構成によれば、最も流体供給側にある第２のノズル層の第２の電極層を該第２のノズル層の流体吐出側表面にて引き出し配線として利用するので、引き出し線の加工工程にて同時に第２の電極層を隣接ノズル孔部間で電気的に分離することが可能となる。したがって、分離工程と引き出し配線の形成工程とが１つの工程となり、プロセスが簡略化できる。さらに、第２のノズル孔の内壁に成膜された第２の電極層と引き出し配線とが同じ電極層を加工して形成されているので、第２の電極層と引き出し配線の接続信頼性が非常に高い。
【００９７】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１のノズル孔の流体吐出側の開口部の直径或いは上記表面電極層に形成された貫通孔の直径が８μｍ以下であることを特徴とすることもできる。
【００９８】
本願出願人らは、ノズルの吐出孔直径を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルにしたがって、局所電界が発生し、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となることを先に見出し発表している。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にし、使用上の安全性の向上を図ることもできる。
【００９９】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増し、また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。
【０１００】
中でも、上記構成のように、ノズルの流体吐出孔の直径を上記のようにφ８μｍ以下に設定することで、電界強度分布が該流体吐出孔の吐出面近傍に効果的に集中すると共に、対向電極から流体吐出孔までの距離の変動が電界強度分布に影響することがなくなるので、対向電極の位置精度、記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずに安定した流体の吐出を行うことができる。
【０１０１】
また、電界強度分布を該流体吐出孔の吐出面近傍に効果的に集中できることにより、狭い領域に強い電場を安定して形成して超微量の流体を確実に吐出可能となり、印字画像を高解像度にすることが可能となる。
【０１０２】
本発明のノズルプレートの製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層上に第１のノズル層を形成する工程と、上記第１のノズル層に複数の第１のノズル孔を形成する工程と、上記第１のノズル層上に各第１のノズル孔の内壁面を含めて第１の電極層を形成する工程と、各第１のノズル孔内壁と各第１のノズル孔周囲部とに残るように上記第１の電極層を加工する工程と、上記第１のノズル層上に、残留する各第１の電極層部分も含めて第２のノズル層を形成する工程と、上記第２のノズル層に複数の第２のノズル孔を、各第２のノズル孔の流体吐出側の開口部が上記第１のノズル層上に残留する各第１の電極層部分に収まるように形成する工程と、上記第２のノズル層上に各第２のノズル孔の内壁面を含めて第２の電極層を形成する工程と、隣接する第２のノズル孔間で電気的に分離されるように第２の電極層を加工する工程とを備えることを特徴としている。
【０１０３】
これによれば、剛性の高い基板上に、犠牲層を介して第１のノズル層、第１の電極層、第２のノズル層、第２の電極層を順次積層する。このため、フォトリソグラフィ技術を利用してレジストパターンを形成後、ドライエッチングによって所望の形状に加工できるため、第１のノズル孔、第２のノズル孔、第１の電極層、第２の電極層を非常に高い形状精度で形成することができる。
【０１０４】
また、ノズルプレートの流体吐出面が、工程の最終段階まで犠牲層によって保護されているため、ノズルプレート製造工程において流体吐出孔が損傷をうけて流体吐出孔が変形するといった危険がない。このため、ノズルプレートの製造歩留まりが向上する。
【０１０５】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、基板上に犠牲層を形成する工程と犠牲層上に第１のノズル層を形成する工程との間に、上記犠牲層上に表面電極層を形成し、該表面電極層をノズル孔部形成部位に対応して分離すると共に各分離部に貫通孔を形成する工程とを有し、犠牲層上の第１のノズル層を形成する工程では、分離された表面電極層上も含めて第１のノズル層を形成することを特徴とすることもできる。
【０１０６】
本構成のノズルプレートの製造方法は、犠牲層上に形成した表面電極層に貫通孔として流体吐出孔を加工することができるので、第１のノズル孔内に形成された第１の電極層の不均一性（たとえば膜厚分布）によって、流体吐出孔の形状が変形することがなく、さらに高精度の流体吐出孔を有するノズルプレートを製造することができる。
【０１０７】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第２の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とすることもできる。
【０１０８】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第１の電極層を形成する工程では、ノズルプレート表面に対して斜めから成膜粒子を入射することを特徴とすることもできる。
【０１０９】
成膜粒子を斜めから入射して形成した電極層（第１、第２）は、ノズル孔の側壁に対する付着性がよい。さらに、スパッタターゲットあるいは蒸着ソースに対して影になる領域は、電極層が成膜されないので、たとえば第２の電極層を形成する際の第１のノズル孔内部や、第１の電極層を形成する際の表面電極層に形成された貫通孔内部など、電極層を形成したくない領域を当該影の部分として成膜することができる。これによって、電極層を形成する領域と電極層を形成しない領域を簡便に設定できるとともに、電極層を形成するノズル孔内部の電極層の付着性を高めることができる。
【０１１０】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第２のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第２のノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記第１の電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とすることもできる。
【０１１１】
これによれば、第２のノズル孔形成のためのエッチングを精度良く第１の電極層で止めることができるので、第１のノズル孔や第１のノズル層が、第２のノズル孔加工のオーバーエッチによって損傷を受けることがなく、形状精度の高いノズルプレートを製造することができる。
【０１１２】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、第１のノズル孔を形成する工程及び第２のノズル孔を形成する工程では、エッチングを用い、第１及び第２の各ノズル層のエッチングに対する耐性よりも上記表面電極層のエッチングに対しての耐性が高い条件を選択することを特徴とすることもできる。
【０１１３】
これによれば、第１のノズル孔形成の際のオーバーエッチングあるいは第２のノズル孔形成の際のオーバーエッチングによって、表面電極層が損傷を受けることがない。このため、表面電極層の貫通孔からなる流体吐出孔がオーバーエッチングによって変形して着弾精度が劣化するようなことがなく、安定して着弾精度の高いノズルプレートを製造することができる。
【０１１４】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、上記の第２の電極層を電気的に分離する工程では、ドライエッチングを用いて行うことを特徴とすることもできる。
【０１１５】
これによれば、第２の電極層の分離加工をドライエッチングで行うため、加工の形状精度が高いとともに、被加工領域の電極層材料が気相で除去されるため、たとえばキリコのような加工に伴うダストが第１及び第２のノズル孔内に侵入しノズル孔を閉塞する危険性がない。このため、吐出信頼性の高いノズルプレートを安定して製造することができる。
【０１１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【０１１７】
［前提構成］
まずは、本発明に係るノズルプレートが適用される、本発明の前提構成である静電吸引型流体吐出装置について、図１〜図６を用いて説明する。
【０１１８】
本発明の前提構成となる静電吸引型流体吐出装置は、そのノズル径を０．０１μｍ〜２５μｍとしており、かつ、１０００Ｖ以下の駆動電圧にて流体の吐出制御を可能としている。
【０１１９】
ここで、従来の流体吐出モデルにおいては、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇に繋がるため、５０〜７０μｍ以下のノズル径では、吐出インクに背圧を与えるなどの他の工夫を行わない限り、１０００Ｖ以下の駆動電圧でのインク吐出は不可能と考えられていた。しかしながら、本願発明者らは鋭意検討の結果、あるノズル径以下では、従来の流体吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こることを突き止めた。本発明は、この流体吐出モデルにおける新たな知見に基づいてなされたものである。
【０１２０】
先ずは、本願発明者らによって発見された流体吐出モデルについて説明する。
【０１２１】
直径ｄ（以下の説明においては、特に断らない限りノズルの内径を指す）のノズルに導電性流体を注入し、無限平板導体から高さｈに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図１に示す。このとき、ノズル先端部（ノズル孔）に誘起される電荷Ｑは、ノズル先端部の流体によって形成される半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
【０１２２】
【数１】
2005074635.tif 000003
【０１２３】
ここで、Ｑ：ノズル先端部に誘起される電荷（Ｃ）、ε０：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、ｄ：ノズルの直径（ｍ）、Ｖ０：ノズルに印加する総電圧である。また、αは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、１〜１．５程度の値を取るが、特にｄ＜＜ｈ（ｈ：ノズル（正確にはノズル孔）−基板間距離（ｍ））の時はほぼ１となる。
【０１２４】
また、基板として導電基板を用いた場合、ノズルと対向して基板内の対称位置に、上記電荷Ｑと反対の極性を持つ鏡像電荷Ｑ’が誘導されると考えられる。基板が絶縁体の場合は、誘電率によって定まる対称位置に同様に電荷Ｑと逆極性の映像電荷Ｑ’が誘導される。
【０１２５】
ノズル先端部における集中電界強度Ｅｌｏｃは、先端部の曲率半径をＲと仮定すると、
【０１２６】
【数２】
2005074635.tif 000004
【０１２７】
で与えられる。ここで、ｋは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、１．５〜８．５程度の値を取るが、多くの場合５程度と考えられる（Ｐ．Ｊ．  Ｂｉｒｄｓｅｙｅ  ａｎｄ  Ｄ．Ａ．  Ｓｍｉｔｈ，  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ２３（１９７０），  ｐ．１９８−２１０）。また、ここでは、流体吐出モデルを簡単にするため、Ｒ＝ｄ／２と仮定する。これは、ノズル先端部において表面張力によって流体がノズル径ｄと同じ曲率径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
【０１２８】
ノズル先端部の流体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力Ｐｅは、ノズル先端部の液面積をＳとすると、
【０１２９】
【数３】
2005074635.tif 000005
【０１３０】
となる。（８）〜（１０）式より、圧力Ｐｅは、α＝１とおいて、
【０１３１】
【数４】
2005074635.tif 000006
【０１３２】
と表される。
【０１３３】
一方、ノズル先端部における流体の表面張力による圧力Ｐｓとすると、
【０１３４】
【数５】
2005074635.tif 000007
【０１３５】
となる。ここで、γ：表面張力である。静電的な力により吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回ることなので、静電的な圧力Ｐｅと表面張力による圧力Ｐｓとの関係は、
【０１３６】
【数６】
2005074635.tif 000008
【０１３７】
となる。
【０１３８】
図２に、ある直径ｄのノズルを与えた時の、表面張力による圧力Ｐｓと静電的な圧力Ｐｅとの関係を示す。流体の表面張力としては、流体が水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）の場合を仮定している。ノズルに印加する電圧を７００Ｖとした場合、ノズル直径ｄが２５μｍにおいて静電的な圧力Ｐｅが表面張力による圧力Ｐｓを上回ることが示唆される。このことより、Ｖ０とｄとの関係を求めると、
【０１３９】
【数７】
2005074635.tif 000009
【０１４０】
が吐出の最低電圧を与える。
【０１４１】
また、その時の吐出圧力ΔＰは、
【０１４２】
【数８】
2005074635.tif 000010
【０１４３】
より、
【０１４４】
【数９】
2005074635.tif 000011
【０１４５】
となる。
【０１４６】
ある直径ｄのノズルに対し、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合の吐出圧力ΔＰの依存性を図３に、また、吐出臨界電圧（すなわち吐出の生じる最低電圧）Ｖｃの依存性を図４に示す。
【０１４７】
図３から、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合（Ｖ０＝７００Ｖ，γ＝７２ｍＮ／ｍと仮定した場合）のノズル径の上限が２５μｍであることが分かる。
【０１４８】
図４の計算では、流体として水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）及び有機溶剤（γ＝２０ｍＮ／ｍ）を想定し、ｋ＝５の条件を仮定した。この図より、微細ノズルによる電界の集中効果を考慮すると、吐出臨界電圧Ｖｃはノズル径の減少に伴い低下することが明らかであり、流体が水の場合においてノズル径が２５μｍの場合、吐出臨界電圧Ｖｃは７００Ｖ程度であることが分かる。
【０１４９】
従来の吐出モデルにおける電界の考え方、すなわちノズルに印加する電圧Ｖ０とノズル−対向電極間距離ｈとによって定義される電界のみを考慮した場合では、ノズル径が微小になるに従い、吐出に必要な駆動電圧は増加する。
【０１５０】
これに対し、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルのように、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にする。
【０１５１】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、従来の吐出モデルでは、ノズル−基板間に電界を印加するため、絶縁体の基板に対してはノズルと反対側に対向電極を配置するか、あるいは基板を導電性とする必要があった。そして、対向電極を配置する場合、すなわち基板が絶縁体の場合では、使用できる基板の厚さに限界があった。
【０１５２】
これに対し、本発明の吐出モデルでは、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増す。また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。
【０１５３】
また、図５に、基板との間に働く鏡像力の大きさと基板からの距離ｈとの相関を示す。図より明らかなように、この鏡像力は基板とノズル間の距離が近くなるほどに顕著になり、特にｈが２０μｍ以下で顕著である。
【０１５４】
次に、吐出流量の精密制御について考えて見る。円筒状の流路における流量Ｑは、粘性流の場合、以下のハーゲン・ポアズイユの式によって表される。いま、円筒形のノズルを仮定し、このノズルを流れる流体の流量Ｑは、次式で表される。
【０１５５】
【数１０】
2005074635.tif 000012
【０１５６】
ここで、η：流体の粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：流路すなわちノズルの長さ（ｍ）、ｄ：流路すなわちノズル孔の直径（ｍ）、△Ｐ：圧力差（Ｐａ）である。上式より、流量Ｑは、流路の半径の４乗に比例するため、流量を制限するためには、微細なノズルの採用が効果的である。この（１７）式に、（１６）式で求めた吐出圧力△Ｐを代入し、次式を得る。
【０１５７】
【数１１】
2005074635.tif 000013
【０１５８】
この式は、直径ｄ、長さＬのノズルに電圧Ｖを引加した際に、ノズルから流出する流体の流出量を表している。この様子を、図６に示す。計算にはＬ＝１０ｍｍ、η＝１（ｍＰａ・ｓ）、γ＝７２（ｍＮ／ｍ）の値を用いた。いま、ノズルの直径を先行技術の最小値５０μｍと仮定する。電圧Ｖを徐々に印加していくと、電圧Ｖ＝１０００Ｖで吐出が開始する。この電圧は、図４でも述べた吐出開始電圧に相当する。そのときのノズルからの流量がＹ軸に示されている。吐出開始電圧Ｖｃ直上で流量は急速に立ち上がっている。
【０１５９】
このモデル計算上では、電圧をＶｃより少し上で精密に制御することで微小流量が得られそうに思えるが、片対数で示される図からも予想されるように実際上それは不可能で、特に１０−１０ｍ３／ｓ以下、微小量の実現は困難である。また、ある径のノズルを採用した場合には、式（１４）で与えられたように、最小駆動電圧が決まってしまう。このため、先行技術のように、直径５０μｍ以上のノズルを用いる限り、１０−１０ｍ３／ｓ以下の微小吐出量や、１０００Ｖ以下の駆動電圧にすることは困難である。
【０１６０】
図から分かるように、直径２５μｍのノズルの場合７００Ｖ以下の駆動電圧で充分であり、直径１０μｍのノズルの場合５００Ｖ以下でも制御可能である。また、直径１μｍのノズルの場合３００Ｖ以下でも良いことが分かる。
【０１６１】
以上のように、本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、局所電界強度に着目して新たに提案された吐出モデルに基づいているため、ノズル径０．０１μｍ〜２５μｍの微細ノズルとすることが可能であり、かつ、１０００Ｖ以下の駆動電圧にて吐出流体の吐出制御を行うことができる。尚、上記モデルに基づいて考察を行った結果、直径２５μｍ以下のノズルの場合は７００Ｖ以下の駆動電圧で、直径１０μｍ以下のノズルの場合は５００Ｖ以下の駆動電圧で、直径１μｍ以下のノズルの場合は３００Ｖ以下の駆動電圧で吐出制御が可能である。
【０１６２】
本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、上述したように、ノズル径および駆動電圧を共に小さくすることが可能であるが、この場合、従来の静電吸引型流体吐出装置に比べ、以下のような傾向が顕著になる。
【０１６３】
すなわち、上述のような静電吸引型流体吐出装置の場合、その吐出特性は、基本的に、流体吐出ヘッド内部における駆動電極からノズル先端までの吐出流体流路内の電気抵抗値に依存して決定するものであり、その電気抵抗値が低い程、吐出応答性が向上する。つまり、吐出流体流路内の電気抵抗値を下げることで、駆動周波数を向上することができ、さらには、より高抵抗な吐出流体材料の吐出が可能となり、吐出流体材料の選択の幅を広げることができる。
【０１６４】
上記電気抵抗値を低くするためには、駆動電極−ノズル先端部間の距離の短縮が効果的である。
【０１６５】
［実施の形態１］
本発明の一実施の形態について、図７〜図１２を用いて説明すれば以下の通りである。
【０１６６】
（ノズルプレート）
図７（ａ）は、本実施の形態のノズルプレート８の一部の斜視図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。ノズルプレート８には２個以上の流体吐出孔９が形成されており、図７（ａ）においては２個の流体吐出孔９が示されている。また、図７（ｃ）はノズルプレート８の一部を流体供給側から観察した斜視図である。
【０１６７】
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ノズルプレート８は、第１のノズル層１、第２のノズル層２、第１の電極層２５、第２の電極層２６、及びノズル孔（ノズル孔部）１１を備えている。
【０１６８】
第１のノズル層１の流体吐出側の面は、ノズルプレート８の流体吐出面８ａをなしており撥液層４が形成され、その反対側となる流体供給側には、第２のノズル層２が配されている。ここで、第１のノズル層は例えば１から８μｍ厚と非常に薄く形成されており、層の厚い第２のノズル層２においてノズルプレート８としての強度・剛性を確保するようになっている。ここでは、強度・剛性を確保するための第２のノズル層２を１層としているが、２層以上であってもよい。
【０１６９】
ノズル孔１１は第１のノズル層１を貫通する第１のノズル孔１１ａと、第２のノズル層２を貫通する第２のノズル孔１１ｂとから構成されている。ここで、第１のノズル孔１１ａの壁面はノズルプレート８の流体吐出面８ａに垂直な略円筒形状であり、撥液層４が形成されている流体吐出面８ａの略円形の開口部が流体吐出孔９となる。一方、第２のノズル孔１１ｂは、円筒形状の第１のノズル孔１１ａとの連通する側の開口部から裾広がりに拡開するテーパー形状（円錐台形状）であり、第２のノズル層２を通って、第１のノズル層１とは反対側の流体供給面８ｂにて開口している。この第２のノズル層２の表面でもある流体供給面８ｂに形成された第２のノズル孔１１ｂの略円形の開口部が流体供給孔１２となる。
【０１７０】
第１のノズル孔１１ａの内壁の略全面、および第１のノズル孔１１ａと第２のノズル孔１１ｂとが連通する連通孔１１ｘ周辺には、第１の電極層２５が形成されている。この第１の電極層２５は、上記したノズル孔１１ａの内壁略全面に形成されてなる円筒部２５ａと、第１のノズル孔１１ａと第２のノズル孔１１ｂとが連通する連通孔１１ｘ周辺において連通孔１１ｘを略中心とする円環形状をなす延設部２５ｂとからなる。このうちの延設部２５ｂが、円錐台形状の第２のノズル孔１１ｂの上底１１ｙを形成している。つまり、第１のノズル孔１１ａと第２のノズル孔１１ｂの連通孔１１ｘ（略円形）の口径をＤ１とすると、Ｄ１は第２のノズル孔１１ｂの上底（流体吐出側の開口部）１１ｙの口径Ｄ２よりも小さい。そして、口径Ｄ２よりも円環形状をなす第１の電極層２５の延設部２５ｂの外径Ｄ３が大きい。
【０１７１】
また、第２のノズル孔１１ｂ内壁には、上記第１の電極層２５と電気的に接続された第２の電極層２６が形成されている。この第２の電極層２６の一部は、ノズルプレート８の流体供給面８ｂにも配設されており、その一部は図７（ｃ）に示すように引き出し配線２６ａをなし、吐出信号電圧印加手段（図示せず）に接続されている。
【０１７２】
なお、図７（ａ）（ｃ）においては、図面を簡素化するために、ノズル孔１１の構成する第１のノズル孔１１ａ及び第２のノズル孔１１ｂの各内壁に形成されている第１の電極層２５及び第２の電極層２６は省略している。
【０１７３】
以下、各部のサイズや材質の具体例を説明するが、本発明がその具体例に限定されるものではない。
【０１７４】
第１のノズル層１には厚さが約１μｍのポリイミド膜が用いられ、第２のノズル層２には厚さが約２０μｍのポリイミド膜が用いられている。第１の電極層２５は厚さが０．５μｍであって、Ｔｉを主成分とする金属材料からなり、そのうちの円筒部２５ａは、第１のノズル孔１１ａの内壁における流体吐出側端部まで形成されている。一方、延設部２５ｂは外径Ｄ３は約２０μｍである。第１のノズル層１と第２のノズル層２との界面に形成される電極層等は界面全体に形成されていると、ノズルプレート全体の応力にて反りを生じさせる原因となるが、このような延設部２５ｂとしてノズル孔１１ごとに部分的に設けた構成では、このような応力による反りを低減することができる。
【０１７５】
一方、第２の電極層２６は、厚さが０．５μｍであって、同じくＴｉを主成分とする金属からなる。そして、第２の電極層２６における第１の電極層２５との接続部分２６ｂは、図８に示すように、第１の電極層２５の延設部２５ｂと面で接触しており、高い接続信頼性を確保している。
【０１７６】
第１のノズル孔１１ａにおける流体吐出孔９となる開口部の口径は約３μｍであり、これに厚さが０．５μｍの第１の電極層２５が形成されるので、流体吐出孔９の実際の径（直径）は約２μｍとなる。また、第２のノズル孔１１ｂの上底１１ｙの口径Ｄ２は１０μｍであり、流体供給孔１２となる開口部の口径は３０μｍである。
【０１７７】
本構成のノズルプレート８においては、超微量流体の吐出を可能とし、微細ドットを形成するためには、流体吐出孔９をφ１０μｍ以下にすることが望ましく、さらに好ましくはφ８μｍ以下が好適である。このようなノズル孔径（直径）とすることで、広範囲に必要であった電場の形成を狭くすることができ、電荷の移動に必要な電圧、すなわち流体を静電吸引させるのに必要な帯電量を該流体に付与するために必要な電圧を大幅に低減させることが可能となる。これによれば、従来のように２０００Ｖといった高電圧を必要としないので、流体ジェット装置を使用する際の安全性の向上を図ることができる。
【０１７８】
特に、φ８μｍ以下とすることで、電界強度分布が該流体吐出孔の吐出面近傍に効果的に集中すると共に、対向電極からノズルの流体突出孔までの距離の変動が電界強度分布に影響することがなくなる。これにより、対向電極の位置精度、記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずにより安定した流体の吐出を行うことができる。
【０１７９】
また、上記のように、電界強度分布を流体吐出孔９の吐出面近傍に集中できることにより、狭い領域に強い電場を形成することが可能となり、この結果、吐出可能な流体量を超微量にすることが可能となる。これにより、流体をインクとした場合に印字画像を高解像度にすることが可能となる。
【０１８０】
また、第１のノズル層１上の撥液層４は、厚さが約０．０５μｍのフッ素重合もしくはシリコン系の高分子膜により形成されている。上記撥液層４は、後述するように流体吐出孔９内に回り込んだ余分な領域を、ドライエッチによって除去する。
【０１８１】
本実施の形態によれば、着弾精度に大きな影響を与えるノズルプレート８の流体吐出孔９の形状が、上記１μｍのポリイミド膜の加工精度で決定されるので、流体吐出孔９の加工精度が非常に高く、これに伴って非常に高い着弾精度を確保することができる。
【０１８２】
また、流体吐出孔９の加工精度を高めるためには、ノズルプレート８の流体吐出面に露出している第１のノズル層１の膜厚を減少すれば、さらに高い加工精度を得ることができる。このとき、第１のノズル層１の膜厚を減少することによって、第１のノズル層１の剛性が低下し、流体吐出孔９の構造的な信頼性が減少するが、第１のノズル層１に接して第２のノズル層２を配置することによって、第１のノズル層１が補強され、第１のノズル層１の構造的信頼性を低下することなく流体吐出孔９の形状精度を向上することができる。すなわち、微細な流体吐出孔９を有するノズルプレート８を作成する場合、このような構成が望ましい。
【０１８３】
また、第１の電極層２５はノズル孔１１の形成位置ごとに局所的に設けられているため、隣接するノズル孔１１に配設された第１の電極層２５と電気的に絶縁されている。したがって、個々のチャンネルに独立して吐出信号を印加することができ、クロストークが少なく、これによって描画画像の解像度を向上させることができる。
【０１８４】
また、第２のノズル孔１１ｂがテーパー形状であるため、第２のノズル孔１１ｂ内部において、流体の乱流が発生しにくくなり、流体の吐出安定性を向上させることができとともに、ノズル孔１１ｂの内壁と流体供給面８ｂとのエッジが甘くなるので、流体供給面８ｂにまで延設された第２の電極層２６の断線を効果的に抑制することができる。また、ノズルプレート８の流体吐出面８ａに形成された撥液層４によって、流体が流体吐出孔９近傍に付着することを防止することができる。
【０１８５】
なお、第１の電極層２５に用いられる材料はＴｉを主成分とする金属材料に限定されない。第２のノズル層２のエッチング加工および後述する犠牲層５および流体吐出孔９内に回り込んだ撥液層４のエッチングの際、当該エッチングに対して高い耐性を有する材料、すなわち、エッチングガス（酸素を含有するプラズマ、フッ素を含有するプラズマ等）、または、エッチャント（硝酸、水酸化カリウム水溶液等）に対する耐性の高い材料であればよい。具体的には、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ等を主成分とする金属材料が挙げられ、上記エッチングガスあるいはエッチャントとの組み合わせで選択することができる。
【０１８６】
同様に、第２の電極層２６に用いられる材料もＴｉを主成分とする金属材料に限定されない。後述する犠牲層５および流体吐出孔９内に回り込んだ撥液層４のエッチングの際、当該エッチングに対して高い耐性を有する材料、すなわち、エッチングガス（酸素を含有するプラズマ、フッ素を含有するプラズマ等）、または、エッチャント（硝酸、水酸化カリウム水溶液等）に対する耐性の高い材料であればよい。具体的には、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ等を主成分とする金属材料が挙げられ、上記エッチングガスあるいはエッチャントとの組み合わせで選択することができる。
【０１８７】
また、第１のノズル層１に用いられる材料はポリイミドに限定されない。ポリイミド以外の高分子有機材料であっても良いし、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４といったＳｉ化合物材料、あるいはＳｉであっても良い。
【０１８８】
第２のノズル層２に用いられる材料もポリイミドに限定されない。第１のノズル層１と同様に、ポリイミド以外の高分子有機材料であっても良いし、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４といったＳｉ化合物材料、あるいはＳｉであっても良い。
【０１８９】
また、本実施の形態では、第２のノズル孔１１ｂは、第１のノズル孔１１ａとの連通部分にて狭まった円錐台形状（テーパー形状）であるがこれに限定されない。例えば、図９に示すノズルプレート８’のように、第２のノズル孔１１ｂ’の内壁がノズルプレート８’の流体吐出面８ａや流体供給面８ｂと垂直の、いわゆるストレート形状（円筒形状）に形成することもできる。
【０１９０】
この場合、第２のノズル孔１１ｂ’の流体供給孔１２’を、図７（ａ）〜（ｃ）に示した第２のノズル孔１１ｂが円錐台形状の構成の流体供給孔１２よりも小さくすることができ、ノズルの集積度をさらに高めることができる。また、図７（ｂ）に示すように、ノズルプレート８の場合、その製造上の都合で、第２の電極層２６は第２のノズル孔１１ｂ内壁の片側面のみに形成されていたが、図９に示すように、第２のノズル孔１１ｂ内壁の面全体に形成してもよい。
【０１９１】
本実施の形態のような構成のノズルプレート８（８’）とすることで、以下の▲１▼〜▲５▼の作用を奏する。
▲１▼流体吐出孔９が、口径８μｍ以下の微細なノズルプレート８（８’）であっても、ノズル孔１１先端まで吐出信号電圧を印加することのできる構造的に安定した電極を形成することができる。
▲２▼第２のノズル層２の流体供給側で、第２の電極層２６を隣接チャンネル間が電気的に短絡しないように分離することで、容易に個々のチャンネルに独立して吐出信号を印加することが可能となり、クロストークが少なく、これによって描画画像の解像度を向上させることができる。
▲３▼ノズルプレート８（８’）の剛性は第２のノズル層２で維持できるため、ノズルプレート８（８’）全体の剛性が高くなり、取り扱いが容易になる。
▲４▼膜厚の厚い第２のノズル層２に加工された第２のノズル孔１１ｂの加工精度がたとえ悪くとも、第２のノズル孔１１ｂの加工時には第１の電極層２５の延設部２５ｂでエッチングが止まるため、流体の吐出量を制御する流体吐出孔９に影響を及ぼすことがない。
▲５▼第１の電極層２５は、第１のノズル孔１１ａと連通する第２のノズル孔１１ｂに形成された第２の電極層２６と電気的に接続されているので、第２の電極層２６を介してノズルプレート８の流体供給側より駆動信号を供給することが可能となり、第１の電極層２５に駆動信号を供給するための引き出し配線２６ｂから発生する電界によって、記録媒体が電気的な損傷を受けるようなことがない。
【０１９２】
（ノズルプレートの製造方法）
次に、本実施の形態にかかるノズルプレート８の一製造方法を説明する。図１０（ａ）〜（ｉ）はノズルプレート８の製造工程を説明する図である。
【０１９３】
まず、Ｓｉやガラスなどからなる任意の厚さの一時保持のための基板６に、犠牲層５を、Ｎｉを用いた湿式鍍金（めっき）によって形成する。さらに犠牲層５上にスピンコートによってポリイミド樹脂を塗布し、３５０℃で２時間焼成し第１のノズル層１を形成する。ここで犠牲層５の厚さを１０μｍとし、第１のノズル層の厚さを１μｍとした。
【０１９４】
次に、上記第１のノズル層１上にフォトレジストにて第１のノズル孔１１ａの開口パターンを形成し、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングによって、第１のノズル孔１１ａを加工する（図３（ａ）参照）。
【０１９５】
本エッチング手法ではポリイミド樹脂などの有機物を高速に、精度良く加工することができるとともに、犠牲層５であるＮｉとのエッチング選択性が高い（Ｎｉはほとんどエッチングされない）。したがって、上記加工によって犠牲層５が大きな損傷を受けることがなく、犠牲層５表面の平坦性が維持されるので、犠牲層５表面に形成されることになるノズルプレート８の流体吐出面の平坦性が劣化することがない。また、本加工は非常に高い精度で行うため、異方性の高いエッチング条件を用いている。また、上記のように第１のノズル層１は１μｍと極めて薄いので、超微量の流体を吐出するための第１のノズル孔１１ａを高精度に加工することができる。
【０１９６】
次に、第１のノズル孔１１ａを加工した第１のノズル層１上にＴｉを主成分とする金属材料からなる第１の電極層２５をスパッタ法にて形成する。さらに、上記第１の電極層２５に、ノズル孔開口部に対応する形状のレジストパターン２７を形成する（図３（ｂ）参照）。ここで、上記第１の電極層２５は第１のノズル孔１１ａの内壁に形成する必要があるため、第１の電極層２５のステップカバレッジ性を高めるために、３０ｍＴｏｒｒのＡｒガス圧条件下で、第１のノズル層１上の膜厚が０．５μｍとなるように成膜した。
【０１９７】
次に、Ａｒを主成分とするガスを用いたプラズマによるドライエッチで、第１の電極層２５を、第１のノズル層１上に直径約２０μｍの上記した延設部２５ｂとなる略円形形状が残るように加工し、レジストを除去する（図３（ｃ）参照）。この加工工程では、上記第１のノズル孔１１ａの内壁に形成された第１の電極層２５（円筒部２５ａ）の損傷を抑制しつつ、第１のノズル孔１１ａの底となる犠牲層５上に形成された第１の電極層２５を除去するため、異方性の高いエッチング条件を採用した。
【０１９８】
なお、上記第１の電極層１上に部分的に残す上記延設部２５ｂは、ここでは略円形形状としたが、加工工程上では略円形形状である必要はなく、後述するように、第２のノズル孔１１ｂの上底１１ｙが、第１のノズル層１上に第１のノズル孔１１ａより延設して形成された延設部２５ｂ内に配置される形状であれば良い。
【０１９９】
但し、本ノズルプレートは静電吸引型流体吐出装置に応用されるノズルプレート８であり、第１の電極層２５を介してノズル先端部に吐出信号を印加するため、第１の電極層２５においては、ノズル先端部だけでなく、第１のノズル層１上の形状の端部にも電界が集中する。このため、上記第１のノズル層１上の延設部２５ｂ端部に集中する電界を均一化するために、延設部２５ｂの形状としては等方性の高い円形に近い形状に加工することが望ましい。
【０２００】
次に、第２のノズル層２を上記第１のノズル層１および第１の電極層２５上に、２０μｍの厚さで形成する（図３（ｄ）参照）。第２のノズル層２は、第１のノズル層１と同様に塗布型ポリイミド樹脂をスピンコート法にて塗布し、３５０℃で２時間焼成し２０μｍの厚さとした。ここで、第１のノズル孔１１ａもポリイミド樹脂にて埋められることになる。第２のノズル層２は高精度に加工された膜厚の薄い第１のノズル層１を補強する目的で形成され、ノズルプレート８全体の剛性を高める効果がある。
【０２０１】
次に、上記第２のノズル層２上にフォトリソグラフィによってレジストパターン２８を形成し、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングを行い、第２のノズル層２に円錐台形状の第２のノズル孔１１ｂを形成する（図３（ｅ）参照）。なお、上記ドライエッチングは第１のノズル層１上に形成された第１の電極層２５の延設部２５ａで止めることができる。すなわち、Ｔｉを主成分とする金属材料で形成される第１のノズル層１は、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングによって、ほとんどエッチングされないので、第１の電極層２５が露出した部位では、ドライエッチングがそれ以上進行せず、先の工程で第１のノズル孔１１ａを埋めた第２のノズル層２を容易に除去することができる。また、上記第２のノズル孔１１ｂの加工は、第１のノズル層１との接合部において、第２のノズル孔１１ｂの上底１１ｙが、第１の電極層２５の延設部２５ｂ内に配置されるようにパターニングされる。
【０２０２】
第２のノズル孔１１ｂのテーパー形状の加工に際しては、上記エッチングにおいて、レジストパターン２８のエッチレートと第２のノズル層２のポリイミド樹脂のエッチレートを概ね等しくし、該レジストパターン２８を１５０℃で６０分ポストベークすることによってレジストパターン２８をテーパー形状とし、エッチングによってこの形状を第２のノズル層２に転写する手法を用いた。
【０２０３】
すなわち、図１１（ａ）に示すように、エッチレートが第２のノズル層２を構成するポリイミド樹脂と概ね等しく、テーパー壁面２８Ａを有するレジストパターン２８を形成し、第２のノズル層２のエッチングと同じスピードでレジストパターン２８をエッチングし、レジストパターン２８のエッジを広げる。このとき、図１１（ｂ）に示すように、第２のノズル層２も同時にエッチングされることになり、結果的に第２のノズル層２には、図１１（ｃ）に示すように、レジストパターン２８に形成したテーパーを有する壁面２８Ａと同じ形状を有する第２のノズル孔１１ｂが形成される。また、この場合、レジストパターン２８と第２のノズル層２のエッチレートとが概ね等しいことから、レジストパターン２８の厚さは第２のノズル層２の厚さより厚く形成することが望ましい。なお、図１１では、第１のノズル層１に形成されている第１のノズル孔１１ａ部分の記載は省略している。
【０２０４】
次に、上記第２のノズル層２上に、Ｔｉを主成分とする金属材料からなる第２の電極層２６を成膜する。ここでは、イオンビームスパッタ法を用いて、０．２ｍＴｏｒｒのＡｒガス圧下で、Ａｒ原子によるＴｉ粒子の散乱を抑制しながら、矢印Ｋの方向からＴｉ粒子が飛来するように基板を傾斜し、第２のノズル層２内壁面の片側のみに形成され、かつ第２の電極層２６の一部が第１の電極層２５と電気的に短絡するように成膜した（図１０（ｆ）参照）。膜厚は０．５μｍである。
【０２０５】
このように、斜め方向からＴｉ粒子を入射しながら第２の電極層２６を形成することによって、第１のノズル孔１１ａ内に第２の電極層２６が付着するのを防止することができ、これによって、第１のノズル孔１１ａの形状変化や閉塞することを防止することができる。
【０２０６】
次に、上記第２の電極層２６上に、第２のノズル孔１１ｂと第２のノズル層２上に形成された第２の電極層２６の一部を覆うように、フォトレジストパターン２９を形成する（図１０（ｇ）参照）。このフォトレジストパターン２９は第２のノズル孔１１ｂと第２のノズル層２上に形成された第２の電極層２６の一部を覆うように形成されていればよいが、本実施例においては、第２のノズル層２上に形成された第２の電極層２６が略５０μｍ径の円形形状に加工できる形状とした。ここで、フォトレジストパターン２９は、第２のノズル孔１１ｂを埋めるように形成されるため、第２のノズル孔１１ｂの最も深い領域では、レジスト層の厚さが非常に厚くなる。このため、フォトレジストパターン２９は、露光されない部分がパターンとして残る、ポジ型のフォトレジストを使用することが望ましい。
【０２０７】
また、このとき上記フォトレジストパターン２９を用いて、第２のノズル層２上に第２の電極層２６を用いて引き出し配線２６ａを形成することが望ましい。この場合、別工程で引き出し配線２６ａを作成する必要がないので、工程を簡略化することができる。また、上記のように引き出し配線２６ａをノズルプレート８を介して、記録媒体の反対側に配置することができるので、記録媒体から十分な距離を離すことができ、当該引き出し配線パターンから発生する電界によって、記録媒体に致命的な電気的損傷を与えることがない。
【０２０８】
次に、上記フォトレジストパターン２９をもとに、Ａｒガスを主成分とするプラズマを用いたドライエッチングによって第２の電極層２６を加工し、フォトレジストパターン２９を除去する（図１０（ｈ）参照）。この加工工程では、第２の電極層２６を所望の形状に加工する必要があるので、高い異方性を有するエッチング条件にてエッチングを行った。また、フォトレジストパターン２９の除去はレジスト剥離液を用いて行った。
【０２０９】
次に、上記フォトレジストパターン２９を除去した後、硝酸と水が主成分である水溶液に浸漬して犠牲層５のみをエッチングすることで、ノズルプレート８を基板６から取り外す（図１０（ｉ））。先に述べたように、第１のノズル層１、第２のノズル層２を形成するポリイミド樹脂や、ストッパ層３あるいは吐出孔層１４を形成するＴｉは、上記犠牲層５のエッチング液によってほとんどエッチングされることがないので、犠牲層５のエッチングによって、形状の変化や構造的信頼性の低下を招来することがない。
【０２１０】
次に、犠牲層５が除去された第１のノズル層１の表面に撥液層４を形成する（図１０（ｉ））。ここでは、塗布の容易さを考慮する趣旨でフッ素重合体を用い、これをスタンプなどの方法により第１のノズル層１の表面に塗布し、高分子膜にて厚さ０．０５μｍの撥液層４を形成した。なお、第１のノズル孔１１ａ内に回り込んだ撥液層４については、撥液層４形成後に、酸素を含有するプラズマを用い、第２のノズル孔１１ｂ側からドライエッチングすることで、これを除去した。これにより、ノズルプレート８のダメージを最小限にすることができる。
【０２１１】
以上のように、本実施の形態によれば、加工工程中にフォトリソグラフィとドライエッチングを実施することによって、超微量の流体を吐出する静電吸引型流体吐出装置のノズルプレート８に、チャンネルごとに離間された第１及び第２の電極層２５・２６をノズル孔１１内に精度良く形成することができる。これによって、個々のチャンネルに独立して吐出信号を印加することができるので、クロストークが少なく、これによって描画画像の解像度を向上させることができる。
【０２１２】
また、第１のノズル層１を薄く形成することができるので、第１のノズル孔１１ａ内壁に形成する第１の電極層２５を成膜時のガス圧を制御することにより流体吐出孔９近傍にまで安定して成膜することができる。これによって、電極からノズル先端の電気抵抗Ｒが安定し、チャンネル間の吐出特性が安定する。
【０２１３】
なお、本実施の形態では、犠牲層５としてＮｉ、第１のノズル層１および第２のノズル層２としてとしてポリイミド樹脂、第１及び第２の電極層２５・２６としてＴｉを用いたが、この組み合わせに限定されない。
【０２１４】
犠牲層５には、Ｎｉのほかに、第１のノズル層１、第２のノズル層２、第１の電極層２５、第２の電極層２６に用いる材料との組み合わせによって、Ａｌ、Ｃｕ、などの硝酸、あるいはＫＯＨ水溶液に可溶な材料、またはポリイミドのような酸素プラズマによってエッチングできる材料を用いることができる。また、犠牲層５の形成方法についても鍍金以外に蒸着法、スパッタ法、塗布法などを材料に応じて用いることができる。
【０２１５】
第１のノズル層１、第２のノズル層２、第２の電極層２６には、犠牲層５のエッチングによるダメージが軽微な材料を用いることができる。また、第１の電極層２５には、犠牲層５のエッチングおよび第２のノズル孔１１ｂのエッチングに対して耐性の高い材料を用いることができる。
【０２１６】
ここで、図１２に、使用材料（犠牲層、第１のノズル層、第１の電極層、第２のノズル層、第２の電極層）および加工方法（第１のノズル孔、第１の電極層、第２のノズル孔、第２の電極層、犠牲層除去）について好ましい組み合わせの例を示す。
【０２１７】
図１２に示すように、第１のノズル層１、第２のノズル層２はポリイミド樹脂のような高分子有機材料に限定されず、ＳｉまたはＳｉＯ２などの無機シリコン化合物を選択することができる。ただし、ＳｉＯ２やＳｉをドライエッチングするためには、Ｆを含有する反応ガスを使用する必要があり、このエッチングに対して本実施の形態で用いたＴｉは耐性が低いため、Ａｕ、Ｐｔなどのエッチング耐性を有する材料を第１の電極層２５あるいは第２の電極層２６として利用することが望ましい。
【０２１８】
また、第１の電極層２５または第２の電極層２６にも、Ｔｉ以外に、図１２に示す組み合わせに応じて、同表に記載の材料を使用することができる。
【０２１９】
なお、第１の電極層２５の材料であるＴｉはＣＦ４と酸素の混合ガスを用いたプラズマでも比較的速いエッチング速度でエッチングすることができる。しかし、Ｔｉの下に形成された第１のノズル層１（ポリイミド）が、上記ガスのプラズマによってＴｉよりも高速にエッチングされ、大きなダメージを受ける。したがって、本実施の形態では第１の電極層２５および第２の電極層２６のパターニングにはＡｒイオンによるドライエッチング法を採用している。
【０２２０】
このように、第１の電極層２５あるいは第２の電極層２６のエッチレートと第１のノズル層１あるいは第２のノズル層２のエッチレートとの差が少ないＡｒイオンによるドライエッチング法を採用することで、第１のノズル層１あるいは第２のノズル層２のダメージを最小限に抑えつつ第１の電極層２５あるいは第２の電極層２６をパターニングすることができる。
【０２２１】
また、本実施の形態では、犠牲層５をエッチングによって完全に除去したが、犠牲層５を完全に除去する必要はなく、犠牲層５のうち第１のノズル層１と接している部分のみをエッチングによって除去すれば、ノズルプレート８を基板６から取り外すことができる。
【０２２２】
また、撥液層４としては、フッ素重合体に限定されず、シリコン系の高分子膜、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などを用いることもできる。
【０２２３】
以上の加工工程を用いることによって、上記した▲１▼〜▲５▼の作用を奏するノズルプレート８を製造することができる。
【０２２４】
〔実施の形態２〕
本発明のその他の実施の形態について、図１３〜図１６を用いて説明すれば以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付しその説明を省略する。
【０２２５】
（ノズルプレート）
図１３（ａ）は、本実施の形態のノズルプレート８０の一部の斜視図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。ノズルプレート８０には２個以上の流体吐出孔９が形成されており、図１３（ａ）においては２個の流体吐出孔９が示されている。また、図１３（ｃ）はノズルプレート８０の一部を流体供給側から観察した斜視図である。
【０２２６】
図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ノズルプレート８０は、第１のノズル層１０に形成された第１のノズル孔１１ｃが第２のノズル孔１１ｂと同様にテーパー形状であると共に、ノズルプレート８０の流体吐出面８０ａには、第１のノズル孔１１ｃにおける流体吐出側の開口部を塞ぐように、表面電極層８１が形成されており、該表面電極層８１に形成された貫通孔８１ａが流体吐出孔９となっている。そして、上記表面電極層８１は、第１のノズル孔１１ｃの内壁に成膜された第１の電極層２５と電気的に接続されており、第１の電極層２５及び第２の電極層２６を介して、ノズルプレート８０の流体供給側より駆動信号を印加可能となっている。ここでも、第２のノズル層２０を１層としているが、２層以上であってもよい。
【０２２７】
なお、図１３（ａ）（ｃ）においても、図面を簡素化するために、ノズル孔１１の構成する第１のノズル孔１１ｃ及び第２のノズル孔１１ｂの各内壁に形成されている第１の電極層２５及び第２の電極層２６は省略している。
【０２２８】
以下、各部のサイズや材質の具体例を説明するが、本発明がその具体例に限定されるものではない。
【０２２９】
表面電極層８１は、Ｐｔを主成分とする金属材料が用いられ、ノズルプレート８０全体の応力を低減するために、５μｍ径の略円形形状に形成されている。また表面電極層８１の厚さは０．５μｍである。
【０２３０】
第１のノズル層１０は、本実施の形態ではＳｉＯ２を主成分とする無機材料からなり厚さが２μｍに形成されている。第２のノズル層２０は、ポリイミド樹脂を主成分とする有機材料からなり、２０μｍの膜厚に形成されている。第１の電極層２５および第２の電極層２６には、Ｔｉを主成分とする金属材料が用いられ、０．５μｍの膜厚に形成されている。
【０２３１】
表面電極層８１に形成された貫通孔８１ａである流体吐出孔９の口径は２μｍとなっており、第１のノズル孔１１ｃとの連通部まで膜面に対して垂直に加工されている。ここで、流体吐出孔９の口径は、実施の形態１と同様の理由からΦ１０μｍ以下、さらに好ましくはΦ８μｍ以下であることが望ましい。
【０２３２】
また、第１のノズル孔１１ｃは流体吐出孔９との連通部、つまり流体吐出側開口部が４μｍの口径に加工されており、第２のノズル孔１１ｂとの連通部まで、裾広がりに拡開するテーパー形状（円錐台形状）に加工されている。
【０２３３】
また、第２のノズル孔１１ｂは、第１のノズル孔１１ｃとの連通部、つまり流体吐出側開口部において２０μｍの口径に加工されており、裾広がりに拡開するテーパー形状（円錐台形状）であり、第２のノズル層２０を通って、ノズルプレート８０の流体供給面８０ｂにて開口している。
【０２３４】
なお、円錐台形状の第１のノズル孔１１ｃの上底１１ｃｙは、流体吐出孔９を略中心とする円環形状であり、表面電極層８１の一部が当該上底１１ｃｙを成して露出している。したがって、流体吐出孔９と第１のノズル孔１１ｃとの連通孔１１ｃｘ（略円形）の口径は、第１のノズル孔１１ｃの上底１１ｃｙの外口径（上記連通孔１１ｃｘにおける第１のノズル孔１１ｃの外形）より小さい。
【０２３５】
さらに、円錐台形状の第２のノズル孔１１ｂの上底１１ｂｙは、第１のノズル孔１１ｃを略中心とする円環形状であり、第１の電極層の一部が当該上底１１ｂｙを成して露出している。したがって、第１のノズル孔１１ｃと第２のノズル孔１１ｂの連通孔１１ｂｘ（略円形）の口径は、第２のノズル孔１１ｂの上底１１ｂｙの外口径（上記連通孔１１ｂｘにおける第２のノズル孔１１ｂの外形）より小さい。
【０２３６】
また、第１のノズル孔１１ｃの内壁の少なくとも一部に加えて、第１のノズル孔１１ｃと第２のノズル孔１１ｂが連通する周辺部には延設部２５ｂとなる第１の電極層２５が形成されている。ここで、第１のノズル層１０を構成するＳｉＯ２は、後述する第２のノズル孔１１ｂ加工による酸素を含有するプラズマによるドライエッチに高い耐性を示すため、第１の電極層２５の該延設部２５ｂが形成されておらず第１のノズル層１０あるいは第１のノズル孔１１ｃが第２のノズル孔１１ｂのエッチングにさらされた場合でも、ほとんどエッチングされることなく、第１のノズル孔１１ｃの形状が変形することはない。
【０２３７】
これに対して、第１のノズル層１０に第２のノズル孔１１ｂ加工におけるエッチングに対して耐性の低い材料を用いた場合（たとえば実施の形態１の場合ように、第１のノズル層１０と第２のノズル層２０が同様の材料）は、第１の電極層２５は第１のノズル孔１１ｃの内壁すべてを被覆するように形成することが望ましい。すなわち、第１の電極層２５は第２のノズル孔１１ｂの加工工程において、第１のノズル孔１１ｃあるいは第１のノズル層１０を当該エッチングから保護する保護層として機能する。
【０２３８】
また、第２のノズル孔１１ｂ内壁には、上記第１の電極層２５と電気的に接続された第２の電極層２６が形成されている。また、第２の電極層２６の一部は、ノズルプレート８０の流体供給面８０ｂを成す第２のノズル層２０の流体供給側表面にも配設されており、図１３（ｃ）に示すように、該表面に形成された第２の電極層２６を加工した、配線パターン２６ａによって、図示しない駆動信号電圧印加手段に接続されている。撥液層４は、厚さが０．０５μｍのフッ素重合体を有する高分子材料から形成されている。
【０２３９】
また、表面電極層８１は第１のノズル孔１１ｃのエッチング手段に対して高い耐性を有しているため、上記第１のノズル孔１１ｃａのエッチングによって流体吐出孔９形状が変形することがない。また着弾精度に大きな影響を与えるノズルプレートの流体吐出孔９の形状が、表面電極層８１となる上記０．５μｍのＴｉ膜の加工精度で決定されるので、流体吐出孔９の加工精度が非常に高く、これに伴って非常に高い着弾精度を確保することができる。
【０２４０】
ところで、流体吐出孔９の加工精度を高めるためには、表面電極層８１の膜厚を減少すれば、さらに高い加工精度を得ることができるが、表面電極層８１の膜厚を減少することによって、表面電極層８１の剛性が低下し、流体吐出孔９の構造的な信頼性が減少する。
【０２４１】
しかしながら、このように、表面電極層８１に接して第１のノズル層１０を配置することによって、表面電極層８１が補強され、表面電極層８１の構造的信頼性を低下することなく流体吐出孔９の形状精度を向上することができる。
【０２４２】
また、第１の電極層２５は第２のノズル孔１１ｂのエッチング手段に対して、高い耐性を有しているので、第２のノズル孔１１ｂの加工によって第１のノズル孔１１ｃの形状が大幅に変形することがないとともに、第２のノズル孔１１ｂの加工のオーバーエッチによって、第１のノズル層１０が完全に除去されることがない。
【０２４３】
なお、表面電極層８１に用いる材料はＰｔを主成分とする金属材料に限定されない。第１のノズル孔１１ｃのエッチングおよび第２のノズル孔１１ｂのエッチングおよび後述する犠牲層５０のエッチング並びに流体吐出孔９内に回り込んだ撥液層４のエッチングの際、当該エッチングに対して高い耐性を有する材料、すなわち、フッ素を含有するプラズマ、酸素を含有するプラズマ、硝酸、水酸化カリウム水溶液等に耐性の高い材料であればよく、犠牲層エッチング、第１のノズル孔加工、第２のノズル孔加工の手法との組み合わせによって使用することができる。具体的には、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、等を主成分とする金属材料が挙げられ、上記エッチングガスあるいはエッチャントとの組み合わせで選択することができる。
【０２４４】
その他、第１のノズル層１０、第１のノズル層２、第１の電極層２５、第２の電極層２６等の材料も何ら上記に限定されるものではなく、材料と製造方法との好適な組み合わせについて後述する。
【０２４５】
また、本実施の形態では、第２のノズル孔１１ｂは、第１のノズル孔１１ｃとの連通部１１ｂｘが狭まった円錐台形状（テーパー形状）であるがこれに限定されない。例えば、図１４に示す変形例のノズルプレート８０’のように、第２のノズル孔１１ｂの側壁がストッパ層３と垂直の、いわゆるストレート形状（円筒形状）に形成することもできる。この場合、第２のノズル孔１１ｂの流体供給孔１２をより小さくすることができ、ノズルの集積度をさらに高めることができる。また、図１４に示すように、第２の電極層２６は第２のノズル孔１１ｂの内壁面全体に形成してもよく、この場合第２の電極層２６の電気伝導にかかる信頼性が向上する。
【０２４６】
また、ここでは、１つのノズル孔１１に対応する１個の表面電極層８１に対して貫通孔８１ａを１個形成したが、複数個の貫通孔を１個の表面電極層８１に形成して１つのノズル孔１１に対する流体吐出孔９が複数ある構成としても良い。
【０２４７】
また、第１のノズル孔１１ｃを、実施の形態のノズルプレート８の場合のように、側壁がノズルプレート表面に対して垂直の、いわゆるストレート形状（円筒形状）に形成することもできる。この場合、第１のノズル孔の加工精度が向上するため、表面電極層８１の形状を小さくすることができ、表面電極層８１によって発生する応力を低減することができる。
【０２４８】
本実施の形態のような構成のノズルプレート８０（８０’）とすることで、以下のような作用を、前述した▲１▼〜▲５▼に加えて奏する。
▲６▼第１のノズル孔１１ｃがテーパー形状に形成されているため、第１のノズル孔１１ｃ内に形成する第１の電極層２５のカバレッジがよく、導電性にかかる信頼性が向上する。
▲７▼薄膜の表面電極層８１に形成した貫通孔８１ａが孔流体吐出孔９となるため、加工精度が非常に高いとともに、第１の電極層２５を形成することによる流体吐出孔９の形状変化がないので、吐出信頼性が向上する。
【０２４９】
（ノズルプレートの製造方法）
次に、本実施の形態にかかるノズルプレート８０の一製造方法を説明する。図１５（ａ）〜（ｇ）はノズルプレート８０の製造工程を説明する図である。
【０２５０】
まず、基板６に、犠牲層５０を、実施の形態１と同様に形成する（図１５（ａ））。ここでは、犠牲層５０の厚さは１０μｍとする。さらに、上記犠牲層５０上に厚さ０．５μｍのＰｔ膜を蒸着などの方法で成膜し、フォトリソグラフィを用いて表面電極層８１をノズル孔１１形成部分に部分的に形成されるように外形形状と、流体吐出孔９となる貫通孔８１の形状のレジストパターンを形成する。しかる後に、ドライエッチング法を用いて上記表面電極層８１の外形形状と流体吐出孔９を同時に加工する。
【０２５１】
Ｐｔ膜は化学的に比較的不活性な材料であるため、ここでは上記ドライエッチングはＡｒを用いたスパッタエッチングを用い、物理的な加工が支配的な方法によって加工した。また、本加工は非常に高い精度で行うため、異方性の高いエッチング条件を用いている。ここで、上記表面電極層８１の形状は５μｍ径の略円形形状に加工されている。また、上記表面電極層８１内部に配設される流体吐出孔９は２μｍ径の略円形形状に形成されている。
【０２５２】
次に、上記犠牲層５０及び表面電極層８１上にＳｉＯ２膜からなる第１のノズル層１０をＰ−ＣＶＤ法によって成膜する。本Ｐ−ＣＶＤ法によると、成膜するＳｉＯ２膜が有する応力を成膜に用いるガスの組成、ガス圧、プラズマを発生するためのＲＦパワーによって制御することができるとともに、段差部のつき周りが良好であるため、上記表面電極層８１の段差部においてクラックなどが発生することがなく、膜としての構造的な信頼性が高い。このため、ノズルプレート全体の構造的な信頼性が高くなる（図１５（ａ）参照）。
【０２５３】
次に、上記第１のノズル層１０上にフォトリソグラフィによってレジストパターンを作成し、フッ素ガスと酸素ガスを含有する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって加工し、加工後、レジストをレジスト剥離液によって除去する。（図１５（ｂ）参照）。本エッチング方法では、プラズマによって活性化されたフッ素が選択的にＳｉ原子と反応するため、ＳｉＯ２のエッチング速度が非常に高い。これに対して、上述したようにＰｔは化学的に安定な材料であるため、前記活性化されたフッ素とはほとんど反応しない。このためＰｔのエッチング速度が遅く、これによって、本エッチングは前記表面電極層８１と第１のノズル層１０の界面で精度よく止めることができる。
【０２５４】
また、本加工工程では、フッ素ガスと酸素ガスを含有するプラズマを用いることで、ＳｉＯ２とフォトレジストのエッチング速度を同程度に設定し、実施の形態１の第２のノズル層２０を加工する工程で用いた、レジストの形状を反映する手法を用いてＳｉＯ２を加工し、第１のノズル孔１１ｃをテーパー形状に加工した。ここで、第１のノズル孔１１ｃの表面電極層８１との接合部に置ける形状を４μｍ径の略円形形状とし、第２のノズル層２０との界面における開口径は６μｍとした。また、第１のノズル孔１１ｃの形状は、流体吐出孔９よりも大きく、第１のノズル孔１１ｃのパターン内に流体吐出孔９が配設されるように加工する。
【０２５５】
また、上記第１のノズル孔１１ｃは表面電極層８１に接合していればよいので、テーパー形状だけでなく、ノズル面に対して垂直な、いわゆるストレート形状でも良い。
【０２５６】
次に、イオンビームスパッタによって、矢印Ｋ１方向から（第１のノズル層１０表面に対して１８°）Ｔｉを成膜し、上記表面電極層８１と第１のノズル孔１１ｃの一部、および第１のノズル層１０上に、厚さ０．５μｍの第１の電極層２５を形成する。このとき、上記表面電極層８１に形成した流体吐出孔９の内部に、上記Ｔｉ膜が成膜されないよう、第１のノズル孔１１ｃの形状、第１のノズル層１０の厚さを考慮し、Ｔｉ粒子の入射方向を決定することが望ましい。また、ここでは基板を固定して第１の電極層２５を形成したが、上記入射角度を設定した後、ノズル面の法線方向を中心にして基板を回転させることで、第１のノズル孔１１ｃ側壁全面に第１の電極層２５を形成することができる。このようにして形成した第１のノズル孔側壁全面に付着する第１の電極層２５は、後述する第２のノズル孔加工の際の第１のノズル孔１１ｃの保護層として機能させることができる。
【０２５７】
次に、ドライエッチング法を用いて上記第１の電極層２５の第１のノズル層１０上の外形形状を加工する。本加工においては、実施の形態１において第２の電極層２６を加工する際に実施した加工方法を用いて行った。すなわち、ポジ型のフォトレジストで所望のパターンを形成した後、Ａｒガスを主成分とするプラズマを用いたドライエッチングによって加工を行った。ここでは、第１のノズル層１０と第２のノズル層２０の界面に配設される第１の電極層２５の形状を１６μｍ径の略円形形状とした（図１５（ｃ）参照）。
【０２５８】
次に、上記第１のノズル層１０の上に塗布型のポリイミド樹脂を厚さ２０μｍで成膜し、第２のノズル層２０を形成する（図１５（ｄ）参照）。ここで、上記塗布型ポリイミド樹脂は第１のノズル層１０上にスピンコートによって塗布し、３５０℃で２時間焼成した。ここで、流体吐出孔９および第１のノズル孔１１ｃもポリイミド樹脂にて埋められることになる。
【０２５９】
次に、上記第２のノズル層２０上にフォトリソグラフィによってレジストパターン７０を形成し、酸素を主成分とするガスを用いたドライエッチングを行い、第２のノズル層２０にテーパー形状（円錐台形状）の第２のノズル孔１１ｂを形成した（図１５（ｅ）参照）。
【０２６０】
なお、上記ドライエッチングは第１のノズル層１０あるいは第１の電極層２５あるいは表面電極層８１で止めることができる。すなわち、第１のノズル孔１１ｃを除いて第１のノズル層１０または第１の電極層２５が露出した部位では、ドライエッチングがそれ以上進行しない。また同様に、表面電極層８１の上記流体吐出孔９を除いて表面電極層８１が露出した部位では、ドライエッチングがそれ以上進行しない。すなわち、第２のノズル孔１１ｂの加工プロセスにおいて、先の工程でポリイミド樹脂にて埋められた、第１のノズル孔１１ｃおよび流体吐出孔９が、ポリイミド樹脂が除去されることによって再現され、流体吐出孔９は表面電極層８１に形成されたパターンによって決定される形状に存在する第２のノズル層２０材料が除去され、先の工程でポリイミド樹脂によって埋められた形状が再現される。
【０２６１】
次に、上記レジストパターン７０をレジスト剥離液を用いて除去し、上記第２のノズル層２０上に、Ｔｉを主成分とする金属材料からなる第２の電極層２６を成膜する。ここでは、イオンビームスパッタ法を用いて、０．２ｍＴｏｒｒのＡｒガス圧下で、Ａｒ原子によるＴｉ粒子の散乱を抑制しながら、矢印Ｋ２の方向からＴｉ粒子が飛来するように基板を傾斜し、第２のノズル層２０内壁面の片側のみに形成され、第２の電極層２６の一部が第１の電極層２５と電気的に短絡するように成膜した（図１５（ｆ）参照）。膜厚は０．５μｍである。このように、斜め方向からＴｉ粒子を入射しながら第２の電極層２６を形成することによって、流体吐出孔９内に第２の電極層２６が付着するのを防止することができ、これによって、流体吐出孔９の形状変化や閉塞することを防止することができる。
【０２６２】
次に、上記第２の電極層２６を加工するが、この工程は実施の形態１と同様であるので省略する。第２のノズル層上に形成された第２の電極層２６の形状は略７０μｍ径の円形形状とした。
【０２６３】
次に、硝酸と水が主成分である水溶液に浸漬し犠牲層５０のみをエッチングすることで、ノズルプレート８０を基板６からとりはずす（図１５（ｇ））。先に述べたように、第１のノズル層１０を形成するＳｉＯ２、第２のノズル層２０を形成するポリイミド樹脂や表面電極層８１を形成するＰｔおよび、第１の電極層２５、第２の電極層２６を形成するＴｉは、上記犠牲層５０のエッチング液によってほとんどエッチングされることがないので、犠牲層５０のエッチングによって、形状の変化や構造的信頼性の低下を招来することがない。
【０２６４】
次に、第１のノズル層１０の表面に撥液層４を形成する（図１５（ｇ））。ここでは、塗布の容易さを考慮する趣旨でフッ素重合体を用い、これをスタンプなどの方法により第１のノズル層１０の表面に塗布し、高分子膜にて撥液層４を形成した。なお、第１のノズル孔１１ｃ内に回り込んだ撥液層については、撥液層形成後に、酸素を含有するプラズマを用い、第２のノズル孔１１ｂ側からドライエッチングすることで、これを除去した。これにより、ノズルプレート８０のダメージを最小限にすることができる。
【０２６５】
本実の形態では、上記回り込みを酸素を含有するプラズマを用いたドライエッチでエッチング除去する。しかし、本実の形態においては、上述したように流体吐出面に酸素を含有するプラズマを用いたドライエッチに対して高い耐性を有する表面電極層８１が存在しており、この表面電極層８１が流体吐出孔９の形状を決定しているため、上記ドライエッチによって流体吐出孔９の形状が変化することがない。このため非常に高精度のノズル孔を形成することができる。
【０２６６】
具体的には、本実施の形態の工程を用いて作成した２００個の流体吐出孔９を有するノズルプレート８０の各流体吐出孔９の形状を評価したところ、ばらつきは±０．１５μｍと非常に高精度に加工できた。また、ノズルプレート８０の反りも１０μｍ以下と非常に平坦であった。
【０２６７】
なお、本実施の形態では、犠牲層５０にＮｉ、表面電極層８１にＰｔ、第１のノズル層１０にＳｉＯ２、第２のノズル層２０にポリイミド樹脂、第１の電極層２５にＴｉ、第２の電極層２６にＴｉを用いたが、この組み合わせに限定されない。
【０２６８】
犠牲層５０には、Ｎｉのほかに、表面電極層８１、第１のノズル層１０、第２のノズル層２０、に用いる材料との組み合わせによって、Ａｌ、Ｃｕ、などの硝酸、あるいはＫＯＨ水溶液に可溶な材料を用いることができる。また、犠牲層５０の形成方法についても鍍金以外に蒸着法、スパッタ法、塗布法などを材料に応じて用いることができる。
【０２６９】
第２のノズル層２０および第２の電極層２６には、犠牲層５０のエッチングによるダメージが軽微な材料を用いることができる。ただし、後述する第１のノズル層あるいは表面電極層８１とのエッチングの選択性を考慮したとき、酸素を含有するプラズマを用いたエッチングが可能な有機樹脂が望ましい。さらに、分子鎖同士が架橋反応している分子構造を有する有機樹脂を用いると、第２のノズル層２０の耐熱性、耐環境性が高く、ノズルプレートの信頼性を向上することができる。
【０２７０】
また、第１のノズル層１０および第１の電極層２５には、犠牲層５０のエッチングおよび第２のノズル孔１１ｂのエッチングに対して耐性の高い材料を用いることができる。さらに、表面電極層８１には、犠牲層５０のエッチングおよび第２のノズル孔１１ｂのエッチングおよび第１のノズル孔１１ｃのエッチングに対して耐性の高い材料を用いることができる。
【０２７１】
ここで、図１６に、使用材料（犠牲層、表面電極層、第１のノズル層、第２のノズル層、第１の電極層、第１の電極層の形成領域、第２の電極層）および加工方法（流体吐出孔、第１のノズル孔、第２のノズル孔、犠牲層除去）について好ましい組み合わせの例を示す。
【０２７２】
図１６に示すように、第１のノズル層１０あるいは第２のノズル層２０はポリイミドなどの有機樹脂やＳｉＯ２のようなＳｉ化合物といった無機材料の組み合わせで、ノズル層を構成することができる。ただし、たとえばＳｉＯ２／ＳｉＯ２の組み合わせや、ポリイミド／ポリイミドといった組み合わせのように、第２のノズル孔加工の際に第１のノズル層１０が損傷を受けるような組み合わせの場合、第１の電極層２５を第１のノズル孔１１ｃの内壁全面に形成し、第１のノズル孔１１ｃを保護する必要がある。
【０２７３】
また、本実施の形態では、犠牲層５０をエッチングによって完全に除去したが、犠牲層５０を完全に除去する必要はなく、犠牲層５０のうち第１のノズル層１０と接している部分のみをエッチングによって除去すれば、ノズルプレート８０を基板６から取り外すことができる。
【０２７４】
また、撥液層４としては、フッ素重合体に限定されず、シリコン系の高分子膜、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）などを用いることもできる。
【０２７５】
以上の加工工程を用いることによって、上記した▲１▼〜▲７▼の作用を奏するノズルプレート８０を製造することができる。
【０２７６】
また、上述したすべての実施の形態を通して、撥液層４を形成しない構成を採用することができる。撥液層４を表面電極層８１、あるいは第１のノズル層１上に形成しないことによって、流体吐出孔９の形状精度がさらに向上する。
【０２７７】
また、上述したすべての実施の形態を通して、表面電極層８１、第１の電極層２５、第２の電極層２６、上述した材料を主成分とする金属膜を有する、複数の薄膜から構成されるいわゆる積層膜であっても良い。
【０２７８】
また、上述した各実施の形態では、基板６上に犠牲層５・５０を形成し、該犠牲層５・５０をエッチングすることによって、ノズルプレート８・８０を製造する方法について説明したが、これ以外に、例えばＮｉ板などのように、犠牲層５・５０のエッチングと同様の手法でエッチングすることのできる材料からなる基板上に、直接第１のノズル層１・１０を形成することもできる。
【０２７９】
最後に、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０２８０】
【発明の効果】
本発明のノズルプレートは、以上のように、第１のノズル孔を有し、流体吐出側に配される薄層の第１のノズル層と、該第１のノズル層の流体供給側に積層され、上記第１のノズル層よりも厚層で、かつ上記第１のノズル孔と連通すると共に第１のノズル孔とでノズル孔部を構成する第２のノズル孔を有する第２のノズル層を少なくとも一層備え、該第１のノズル孔の内壁に成膜された第１の電極層と、第２のノズル孔の内壁に成膜された第２の電極層とが電気的に接続されていることを特徴としている。
【０２８１】
上記構成により、第１のノズル層に形成される第１のノズル孔は、孔径を例えば１０μｍ以下といった超微細に形成することができると共に、このような超微細な第１のノズル孔内壁に第１の電極層を層厚方向に安定して成膜することが可能となり、流体吐出面の第１のノズル孔の開口部を流体吐出孔とした場合、この流体吐出孔近傍にまで第１の電極を成膜することができる。その結果、ノズル内部の電気抵抗Ｒを従来に比べ飛躍的に低減することができ、流体の吐出周波数を向上が図れ、記録媒体に対する高速描画が可能となる。
【０２８２】
しかも、このように形成された第１の電極層は、第１のノズル孔と連通する第２のノズル孔に形成された第２の電極層と電気的に接続されているので、第２の電極層を介してノズルプレートの流体供給側より駆動信号を供給することが可能となる。したがって、第１の電極層に駆動信号を供給するための引き出し配線が媒体に近接することがなく、引き出し配線から発生する電界によって、記録媒体が電気的な損傷を受けるようなこともない。
【０２８３】
また、本発明のノズルプレートでは、さらに、上記第１のノズル孔の流体吐出側に、第１のノズル孔の流体吐出側開口部を塞ぐように、貫通孔を有する表面電極層が配され、該貫通孔と第１のノズル孔とが連通すると共に、上記表面電極層が第１の電極層と電気的に接続されていることを特徴とすることもできる。
【０２８４】
上記構成によれば、ノズルプレートの流体吐出面に備えられた表面電極層の貫通孔が流体吐出孔となるので、吐出流体の着弾精度に大きな影響を与える流体吐出孔を表面電極層のエッチングで加工することができる。これによって、内壁に第１の電極層が成膜されている第１のノズル孔の流体吐出側開口部を流体吐出孔とした構成よりもさらに、流体吐出孔の形状精度が飛躍的に安定し、これにともない着弾精度のさらなる安定化が可能となる。
【０２８５】
本発明のノズルプレートの製造方法は、以上のように、基板上に犠牲層を形成する工程と、上記犠牲層上に第１のノズル層を形成する工程と、上記第１のノズル層に複数の第１のノズル孔を形成する工程と、上記第１のノズル層上に各第１のノズル孔の内壁面を含めて第１の電極層を形成する工程と、各第１のノズル孔内壁と各第１のノズル孔周囲部とに残るように上記第１の電極層を加工する工程と、上記第１のノズル層上に、残留する各第１の電極層部分も含めて第２のノズル層を形成する工程と、上記第２のノズル層に複数の第２のノズル孔を、各第２のノズル孔の流体吐出側の開口部が上記第１のノズル層上に残留する各第１の電極層部分に収まるように形成する工程と、上記第２のノズル層上に各第２のノズル孔の内壁面を含めて第２の電極層を形成する工程と、隣接する第２のノズル孔間で電気的に分離されるように第２の電極層を加工する工程とを備えることを特徴としている。
【０２８６】
これによれば、剛性の高い基板上に、犠牲層を介して第１のノズル層、第１の電極層、第２のノズル層、第２の電極層を順次積層する。このため、フォトリソグラフィ技術を利用してレジストパターンを形成後、ドライエッチングによって所望の形状に加工できるため、第１のノズル孔、第２のノズル孔、第１の電極層、第２の電極層を非常に高い形状精度で形成することができる。
【０２８７】
また、ノズルプレートの流体吐出面が、工程の最終段階まで犠牲層によって保護されているため、ノズルプレート製造工程において流体吐出孔が損傷をうけて流体吐出孔が変形するといった危険がない。このため、ノズルプレートの製造歩留まりが向上する。
【０２８８】
また、本発明のノズルプレートの製造方法では、さらに、基板上に犠牲層を形成する工程と犠牲層上に第１のノズル層を形成する工程との間に、上記犠牲層上に表面電極層を形成し、該表面電極層をノズル孔部形成部位に対応して分離すると共に各分離部に貫通孔を形成する工程とを有し、犠牲層上の第１のノズル層を形成する工程では、分離された表面電極層上も含めて第１のノズル層を形成することを特徴とすることもできる。
【０２８９】
本構成のノズルプレートの製造方法は、犠牲層上に形成した表面電極層に貫通孔として流体吐出孔を加工することができるので、第１のノズル孔内に形成された第１の電極層の不均一性（たとえば膜厚分布）によって、流体吐出孔の形状が変形することがなく、さらに高精度の流体吐出孔を有するノズルプレートを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本となる吐出モデルにおいて、ノズルの電界強度の計算を説明するための図である。
【図２】表面張力圧力および静電的圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図３】吐出圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図４】吐出限界電圧のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図５】荷電液滴と基板の間に働く鏡像力とノズル−基板間距離の相関を示したグラフである。
【図６】ノズルから流出する流量と印加電圧との相関関係のモデル計算結果を示したグラフである。
【図７】（ａ）（ｃ）は、本発明の実施の一形態にかかるノズルプレートを示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図８】上記ノズルプレートにおける第１の電極層と第２の電極層との接続部分を示す説明図である。
【図９】本実施の形態にかかるノズルプレートの変形例を示すもので、図７（ｃ）に相当する断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｉ）は、本実施の形態の上記ノズルプレートの製造方法を断面の構成により示す説明図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、図１０（ｅ）に示す工程を、ノズルプレートの断面の構成により詳細に示す説明図である。
【図１２】本実施の形態にかかるノズルプレートを製造する場合に、各層の使用材料と加工方法との好ましい組み合わせを示す説明図である。
【図１３】（ａ）（ｃ）は、本発明の実施のその他の形態にかかるノズルプレートを示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図１４】その他の実施の形態にかかるノズルプレートの変形例を示すもので、図１３（ｃ）に相当する断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｇ）は、その他の実施の形態の上記ノズルプレートの製造方法を断面の構成により示す説明図である。
【図１６】その他の実施の形態にかかるノズルプレートを製造する場合に、各層の使用材料と加工方法との好ましい組み合わせを示す説明図である。
【図１７】従来の静電吸引型インクジェット装置の概略構成断面図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、図１７に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【図１９】従来の他の静電吸引型インクジェット装置の概略構成図である。
【図２０】図１９に示すインクジェット装置のノズル部分の概略断面斜視図である。
【図２１】図１９に示すインクジェット装置のインク吐出原理を説明する図である。
【図２２】図１９に示すインクジェット装置のノズル部分での電圧印加時における微粒子の状態を説明する図である。
【図２３】図１９に示すインクジェット装置のノズル部分における微粒子体形成の原理を説明する図である。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）は、図１９に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【図２５】（ａ）は、静電吸引型流体吐出装置における概略構成図であり、（ｂ）はその等価回路である。
【図２６】静電吸引型インクジェット装置に用いられる従来のノズルプレートの側面断面図である。
【図２７】従来の静電吸引型インクジェット装置の記録ヘッド部分の構成を示す断面図である。
【図２８】図２８の静電吸引型インクジェット装置の記録ヘッド部分におけるインク吐出孔を示す部分拡大断面平面図である。
【符号の説明】
１    第１のノズル層
２    第２のノズル層
４    撥液膜
５    犠牲層
８    ノズルプレート
９    流体吐出孔
１０    第１のノズル層
１１    ノズル孔（ノズル孔部）
１１ａ  第１のノズル孔
１１ｃ  第１のノズル孔
１１ｂ  第２のノズル孔
２０    第２のノズル層
２５    第１の電極層
２５ｂ  延設部（延設された第１の電極層部分）
２６    第２の電極層
５０    犠牲層
８０    ノズルプレート
８１    表面電極層
【図１】
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【図２】
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【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７】
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【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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