(57)【要約】【課題】ノズルの加工時間の増大を低く抑えつつ、液滴の吐出方向のばらつきを低減できるインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】実施形態のノズルプレートは、プレート基板と、前記プレート基板を貫通する、断面積の異なる複数の孔部が大きさ順に同軸に結合し、前記プレート基板表面付近に、断面積が最小の孔部の前記軸方向の凹凸のピッチが最小である側壁を有するノズルとを備えることを特徴としている。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレート基板と、
前記プレート基板を貫通する、断面積の異なる複数の孔部が大きさ順に同軸に結合し、断面積が最小の孔部の前記軸方向の凹凸のピッチが最小である側壁を前記プレート基板表面付近に有するノズルとを備えるノズルプレート。
【請求項２】
前記プレート基板がシリコンである請求項１記載のノズルプレート。
【請求項３】
前記複数の孔部の前記断面積の種類が２種類である請求項１又は２記載のノズルプレート。
【請求項４】
前記断面積が最小の孔部が円筒形である請求項１ないし３のいずれか記載のノズルプレート。
【請求項５】
プレート基板の裏面から表面に向かって穿孔する工程で、
前記プレート基板に対してエッチングと側壁保護を繰り返し、前記プレート基板を貫通する前に前記エッチングと前記側壁保護の繰り返しピッチを最小ピッチに切り替える第１の工程と、
前記最小ピッチで前記プレート基板に対して前記エッチングと前記側壁保護を行い、前記プレート基板を貫通する第２の工程と、
前記エッチングと前記側壁保護の繰り返しピッチを前記最小ピッチに切り替えるまで、前記最小ピッチより大きいピッチで前記プレート基板の前記エッチングと前記側壁保護を行う第３の工程とを備えるノズルプレートの製造方法。
【請求項６】
前記第２の工程で、開口面積が最小のエッチングマスクを使用する請求項５記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項７】
前記穿孔する工程では、少なくとも開口面積が２種類のサイズのエッチングマスクを使用し、
前記第２の工程および前記第３の工程は前記開口面積が最小のエッチングマスクを使用する請求項５記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項８】
前記プレート基板は、酸化シリコン膜を介して支持層に支持されていて、前記第２の工程終了後に前記支持層及び前記酸化シリコン膜を除去する請求項５ないし請求項７のいずれか記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項９】
プレート基板と、
前記プレート基板を貫通する、断面積の異なる複数の孔部が大きさ順に同軸に結合し、前記プレート基板表面付近に、断面積が最小の孔部の前記軸方向の凹凸のピッチが最小である側壁を備えるノズルと、
前記ノズルにインクを供給する圧力室とを備えたインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、液滴を吐出するための吐出口を有するノズルプレート、ノズルプレートの製造方法及びインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来インクジェットヘッドに用いるノズルプレートとして、径の異なる複数の孔が同軸上に配置されるノズルを例えばＩＣＰドライエッチングにより形成するものがある。
【０００３】
しかしながら、ノズル形成時、ノズルプレートの層厚やエッチングレートのばらつきがある場合、エッチングがノズルプレート表面に到達するタイミングがずれて、ノズル出口の表面形状がノズルにより変形し、インク液滴の吐出方向がばらついてしてしまう虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９４０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、ノズルの加工時間の増大を低く抑えつつ、液滴の吐出方向のばらつきを低減できる、ノズルプレート、ノズルプレートの製造方法及びインクジェットヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、実施形態のノズルプレートは、プレート基板と、前記プレート基板を貫通する、断面積の異なる複数の孔部が大きさ順に同軸に結合し、断面積が最小の孔部の前記軸方向の凹凸のピッチが最小である側壁を前記プレート基板表面付近に有するノズルとを備えることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態のインクジェットヘッドの圧電モジュールとノズルプレートとを分離させて示した概略説明図。
【図２】本実施形態の圧電モジュールのインク吐出動作を説明する図。
【図３】本実施形態のノズルプレートの一部の上面図。
【図４】本実施形態のノズル部分の断面の概略説明図。
【図５】本実施形態のＳＯＩ基板の上面図。
【図６】本実施形態におけるノズルプレートの製造工程（３）を示す説明図であり、(a)はノズル部分を示し、(b)は分割溝部分を示す。
【図７】本実施形態におけるノズルプレートの製造工程（４）ないし（６）を示す説明図であり、(a)（c）（e）はノズル部分を示し、(b)（d）（f）は分割溝部分を示す。
【図８】本実施形態におけるノズルプレートの製造工程（７）ないし（９）を示す説明図であり、(a)（c）（e）はノズル部分を示し、(b)（d）（f）は分割溝部分を示す。
【図９】本実施形態におけるノズルプレートの製造工程（１０）ないし（１２）を示す説明図であり、(a)（c）（e）はノズル部分を示し、(b)（d）（f）は分割溝部分を示す。
【図１０】本実施形態におけるノズルプレートの製造工程（１３）ないし（１５）を示す説明図であり、(a)（c）（e）はノズル部分を示し、(b)（d）（f）は分割溝部分を示す。
【図１１】本実施形態におけるノズルプレートの製造工程（１６）ないし（１８）を示す説明図であり、(a)（c）（e）はノズル部分を示し、(b)（d）（f）は分割溝部分を示す。
【図１２】本実施形態の図８(e)の点線箇所を拡大した説明図。
【図１３】（a）は本実施形態のノズル出口直近をエッチングモードＡで加工したときの説明図であり、（ｂ）は比較例のノズル出口直近をエッチングモードＣで加工したときの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について説明する。
【０００９】
図１に示す実施形態のインクジェットヘッド２０１は、圧電部材に溝状の圧力室２０３を櫛型に配列した圧電モジュール２０２と、圧力室２０３のインクを吐出するノズル２を有するノズルプレート１を備える。圧電モジュール２０２とノズルプレート１は、それぞれ接着剤等により張付けられる。圧電モジュール２０２は、例えばＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電部材よりなり、天板２０２ａを備える。
【００１０】
図２に示すように、圧電モジュール２０２の複数の圧力室２０３を区切る柱２０４は、接着層２０４ｃを境に、上層部２０４ａおよび下層部２０４ｂに区画されている。柱２０４の側面には電極２０７が形成され、柱を挟んで隣接する電極２０７に電位差を与えると柱２０４の内部に電界が発生する。柱２０４の上層部２０４ａは矢印ｘの方向に、下層部２０４ｂは矢印ｙ方向にそれぞれ分極しており、分極方向が異なる。そのため内部で発生する電界により、柱２０４がせん段変形する。柱２０４がせん断変形することにより、所望の圧力室２０３の容積を変えることができる。圧力室２０３の容積変化によりインクに圧力が加わり、圧力室２０３内のインクが、複数のノズル２から選択的にインク滴として吐出される。
【００１１】
図３、図４に示すノズルプレート１は、例えば図５に示す厚さ５７７μｍのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２０を加工して形成される。ＳＯＩ基板２０にノズル２を形成すると同時に分割溝１０１を形成し、ノズルプレート1を形成する。
【００１２】
ノズルプレート１には、複数の円筒状のノズル２が、各々の圧力室２０３と対応して所定の間隔で設けられる。図４に示すように、各ノズル２は、インク吐出側に設けられた小径孔３と、小径孔３よりも径の大きい大径孔４とから構成される。小径孔３と大径孔４は、活性層５に、同軸に設けられている。
【００１３】
＜ノズルプレートの製造工程＞
実施形態のノズルプレート１の製造工程について図５ないし図１１を参照して説明する。図５には点線で囲まれた部分の拡大図も示した。図６ないし図１１の左図はＸ−Ｘ’で示すノズル部、右図はＹ−Ｙ’で示す分割溝部を表す。
【００１４】
ノズルプレート１の製造には、たとえば、活性層５の厚みが５０μｍ、支持層６の厚みが５２５μｍ、ＢＯＸ層７の厚みが２μｍのＳＯＩ基板２０を用いる。ＳＯＩ基板２０をエッチングすることにより、１枚のＳＯＩ基板２０から複数のノズルプレート１を切り出すと同時にノズル２を形成する。
【００１５】
（１）ＳＯＩ基板２０の活性層５の表面に熱酸化等でシリコン酸化膜８を膜厚１μｍで均一に成膜し、シリコン酸化膜８の上に第１のレジスト９をコーティングし、大径孔４に対応する第２の円形窓１０およびノズルプレート１の外形に沿ったライン窓１０２をパターニングする（図６（a）、（b））。ここでは第２の円径窓１０の直径は４５μｍ、ライン窓１０２の幅は５０μｍとした。
【００１６】
（２）次にバッファードフッ酸（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）で、第２の円形窓１０およびライン窓１０２から露出した部分に形成されたシリコン酸化膜８をハーフエッチングする（図７（a）、（b））。
【００１７】
（３）第１のレジスト９を例えば濃硫酸・過酸化水素水混合液などの剥離液により剥離する（図７（c）、（d））。
【００１８】
（４）再びシリコン酸化膜８に第２のレジスト１１をコーティングし、小径孔３に対応する第１の円形窓１２およびノズルプレート１の外形に沿ったライン窓１０３をパターニングする（図７（e）、（f））。ここでは第１の円径窓１２の直径を２５μｍ、ライン窓１０３の幅を５０μｍとした。ライン窓１０３の幅は、ライン窓１０２でハーフエッチングされたシリコン酸化膜８の幅に合わせて設定した。
【００１９】
（５）次にバッファードフッ酸で第１の円径窓１２およびライン窓１０３から露出した部分のシリコン酸化膜８をエッチングし、第１の円径窓１２およびライン窓１０３から活性層５を露出させる（図８（a）、（b））。
【００２０】
（６）第２のレジスト１１を例えば濃硫酸・過酸化水素水混合液などの剥離液により除去する（図８（c）、（d））。
【００２１】
（７）ＩＣＰドライエッチング装置を用い、シリコン酸化膜８をエッチングマスクとして、活性層５をＢＯＸ層７に到達するまで垂直に掘り進め、小径孔３および分割溝部１０１を形成する（図８（e）、（f））。分割溝部１０１は、ノズルプレート１の外形に沿って形成され、ノズルプレート１を個片化する。エッチングガスとしては例えばＳＦ６とＣ４Ｆ８とを用い、ＳＦ６とＣ４Ｆ８を交互に使用する。Ｃ４Ｆ８は形成される溝の側面にエッチングが進行しないように溝の側壁保護のために使用される。Ｃ４Ｆ８が側壁を保護することにより、ＳＦ６は活性層５を垂直方向にエッチングを促進させることができる。この際、小径孔３の側壁および分割溝部１０１の側壁には周期的な凹凸構造が形成される。
【００２２】
図１２は図８(e)の点線箇所を拡大した図であり、ＢＯＸ層７付近の小径孔３側壁を表している。ＢＯＸ層７近傍の凹凸構造の第１のピッチ１６ａは、他の部分の凹凸構造の第２のピッチ１６ｂと比較して例えば１/５程度である。ピッチとは、エッチングと側壁保護の処理を１回ずつ行なったときの、活性層５の垂直方向に形成される溝深さを表す。エッチングと側壁保護の切換速度が速いほど、ピッチの距離が小さくなる。
【００２３】
ＢＯＸ層７近傍の凹凸構造の第１の段差１８ａの距離を他の部分の凹凸構造の第２の段差１８ｂよりも小さくするために、ＢＯＸ層７近傍ではエッチングと側壁保護の切換速度を速くする。例えばＢＯＸ層７近傍は凹凸構造の第１のピッチ１６aが０．２μmとなるエッチングモードＡ、その他の部分では凹凸構造の第２のピッチ１６ｂが１．０μmとなるエッチングモードＢにする。凹凸構造の段差は、バイアス電圧やガス流量などの条件により変わる。例えば、凹凸構造のピッチが１μｍの場所で凹凸構造の段差は０．５μｍ程度、凹凸構造のピッチが０．２μｍの場所で凹凸構造の段差は０．１μｍ程度となる。
【００２４】
エッチングモードＢのままエッチングがＢＯＸ層７へ到達することがないようにするために、エッチングモードをエッチングモードＢからエッチングモードＡへと切り換えるタイミングを予め決めておく。エッチングモードを切り換えるタイミングは、ＳＯＩ基板２０内の活性層５の厚さのばらつき、ＳＯＩ基板２０内のエッチングレートのばらつき、エッチング面の傾き等から決める。例えば、活性層５の厚さのバラツキが±０．５μm、エッチング深さのばらつきがエッチング深さ５０μｍで±０．５μｍ、エッチング面の傾きが２％の場合、例えばエッチングモードＢでエッチングと側壁保護を４７回繰り返すことで深さ４７μｍ程度までエッチングし、残りをエッチングモードＡでＢＯＸ層７に到達するまでエッチングする。
【００２５】
（８）シリコン酸化膜８をバッファードフッ酸でハーフエッチングして、大径孔４に対応するエッチングマスクをシリコン酸化膜８に形成する。（図９（a）、（b））。
【００２６】
（９）再度ＩＣＰドライエッチング装置により、小径孔３の周りの活性層５をエッチング深さが３５μmとなるまで垂直方向にエッチングする。エッチングマスクとしてシリコン酸化膜８を用い、ＳＦ6によるエッチングとＣ４Ｆ８による側壁保護を繰り返すドライエッチングを行う（図９（c）、（d））。
【００２７】
（１０）ＳＯＩ基板２０の表面に残るシリコン酸化膜８をフッ酸水溶液で除去する（図９（e）、（f））。
【００２８】
（１１）ＳＯＩ基板２０を熱酸化装置にセットし、酸化温度１０００℃、酸化時間２時間、酸素雰囲気中の条件で熱酸化処理を行い、ＩＣＰドライエッチング装置で加工した小径孔３の側面及び大径孔４の側面、底面に膜厚０．１μｍのシリコン酸化膜１３を均一に成膜する（図１０（a）、（b））。
【００２９】
（１２）次に、ガラス等の透明材料の支持基板１４に、接着層を持ったフィルム１５を張り合わせる。フィルム１５には、紫外線または熱等の刺激で接着力が低下する接着層が表裏両面に形成されている。フィルム１５を介して支持基板１４とＳＯＩ基板２０の活性層５側とを張り合わせる（図１０（c）、（d））。
【００３０】
（１３）ＳＯＩ基板２０の支持層６をバックグラインダーで研削加工し、支持層６の厚さを５μｍ以下にする（図１０（e）、（f））。
【００３１】
（１４）ＳＯＩ基板２０の支持基板１４側から紫外線を照射し、支持基板１４とフィルム１５をＳＯＩ基板２０から剥離させる（図１１（a）、（b））。
【００３２】
（１５）次にＫＯＨで支持層６を除去する（図１１（c）、（d））。
【００３３】
（１６）フッ酸でＢＯＸ層７およびシリコン酸化膜８を除去し、ノズルプレート１が完成する（図１１（e）、（f））。
【００３４】
以上の製造工程により製造したノズル２出口の表面形状は、各々のノズル２ごとに変形する。ノズル２ごとに出口の表面形状が変形する要因は、ノズル２出口直近のノズル２内側壁の凹凸構造と、活性層５の厚さやエッチングレートのばらつきと、そしてエッチングがＢＯＸ層７に到達したときのエッチング面の傾きが挙げられる。ノズル２出口の表面形状の変形の度合いは、ノズル２出口直近の凹凸構造の段差１８の大きさに影響される。
【００３５】
ノズルプレート１のノズルの出口直近部分は、図１３（ａ）に示すように、ＢＯＸ層７近傍でエッチングと側壁保護の切換速度を速くして、凹凸構造のピッチを小さくすることで、凹凸構造の段差を小さくしている。ノズル２の出口近傍のノズル２内側壁の凹凸構造の段差１８ａが小さいため、真円である基準円５０に対するノズル２出口の表面形状の変形の度合いも、αと小さい。ノズル２出口の表面形状の変形の度合いが小さいと、ノズル２による液滴の吐出方向の変化も小さい。そのためノズルプレート１全体では液滴の吐出方向のバラツキを低減できる。
【００３６】
また凹凸構造の段差を小さくするため、すなわち凹凸構造のピッチを小さくするためには、エッチング工程において、エッチングと側壁保護の切換速度を速くする必要がある。しかしながらエッチングと側壁保護の切換を頻繁に行なうと、一般的にはエッチングレートが低くなり、加工時間が長くなる。一方、本実施形態の製造方法においては、ノズル２出口近傍のみ、凹凸構造のピッチを小さくしたため、エッチングレートが低くなるのはノズル２出口近傍のみであり、ノズル２の加工時間の増大を低く抑えることができる。
【００３７】
これに対して比較例として、第２のピッチ１６ｂのままノズル３００を貫通した場合、ノズル３００出口の表面形状の変形は図１３（ｂ）に示すようになる。比較例の変形は基準円５０に対してβと大きくなり、吐出方向のばらつきが大きくなる虞がある。
【００３８】
以上説明した実施形態によれば、ノズルプレートのノズル形成において、ノズル出口近傍のみのエッチングレートを低くすることにより、ノズルの加工時間の増大を低く抑えつつ、液滴の吐出方向のばらつきを低減したノズルプレートを提供することができる。
【００３９】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００４０】
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・ノズルプレート
２・・・ノズル
３・・・小径孔
４・・・大径孔
５・・・活性層
６・・・支持層
７・・・ＢＯＸ層
８・・・シリコン酸化膜
１２・・・第１の円形窓
１０・・・第２の円形窓
１４・・・支持基板
１５・・・フィルム
１６ａ・・・第１のピッチ
１６ｂ・・・第２のピッチ
１８ａ・・・第１の段差
１８ｂ・・・第２の段差
２０・・・ＳＯＩ基板
５０・・・基準円
１０１・・・分割溝部
１０３・・・ライン窓Ａ
１０２・・・ライン窓Ｂ
２０１・・・インクジェットヘッド
２０４・・・圧電モジュール
２０３・・・圧力室
３００・・・ノズル
【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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