(57)【要約】  本発明は、液滴を吐出するための複数のノズル孔を有するノズルプレートに関する。上記ノズルプレートにおいて、上記ノズル孔は、上記液滴の吐出方向に対して最も上流側に配置され、かつ上記液滴の吐出方向に向かって径が縮小する第１ラウンド部と、上記第１ラウンド部よりも下流側に配置され、かつ上記液滴の吐出方向に向かって径が縮小する第２ラウンド部と、上記第２ラウンド部よりも下流側に配置され、かつ上記液滴の吐出方向に向かって径が一定であるストレート部と、を有する。上記液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状において、上記第１ラウンド部および上記第２ラウンド部は、いずれも、外側に凸の曲面によって外縁が規定された形状を有し、かつ、上記第１ラウンド部の外縁と上記第２ラウンド部の外縁との境界部は、内側に凸となっている。
2020170319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するための複数のノズル孔を有するノズルプレートであって、
前記ノズル孔は、
前記液滴の吐出方向に対して最も上流側に配置され、かつ前記液滴の吐出方向に向かって径が縮小する第１ラウンド部と、
前記第１ラウンド部よりも下流側に配置され、かつ前記液滴の吐出方向に向かって径が縮小する第２ラウンド部と、
前記第２ラウンド部よりも下流側に配置され、かつ前記液滴の吐出方向に向かって径が一定であるストレート部と、を有し、
前記液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状において、
前記第１ラウンド部および前記第２ラウンド部は、いずれも、外側に凸の曲面によって外縁が規定された形状を有し、かつ、
前記第１ラウンド部の外縁と前記第２ラウンド部の外縁との境界部は、内側に凸となっている、
ノズルプレート。
【請求項２】
前記液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状において、
前記第１ラウンド部の外縁と前記第２ラウンド部の外縁とは、曲率が異なる、
請求項１に記載のノズルプレート。
【請求項３】
前記液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状において、
前記第１ラウンド部、前記第２ラウンド部、および前記ストレート部は、同一の仮想直線を対称軸とした線対称の形状を有する、
請求項２に記載のノズルプレート。
【請求項４】
前記液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状において、
第１ラウンド部の断面積と第２ラウンド部の断面積とを合計した断面積は、
前記第１ラウンド部が前記ノズルプレートの上流側へ開口する開口部の径（Ｄａ）を上辺の長さとし、
前記ストレート部と前記第２ラウンド部との境界部の径（Ｄｃ）を下辺の長さとし、
前記第１ラウンド部の深さ（Ｌａ）および前記第２ラウンド部の深さ（Ｌｂ）の合計（Ｌａ＋Ｌｂ）を高さとする仮想台形の断面積よりも、大きい、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のノズルプレート。
【請求項５】
前記第１ラウンド部、前記第２ラウンド部、および前記ストレート部は、ひとつの単結晶シリコンウエハを加工してなる、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のノズルプレート。
【請求項６】
その一の表面にレジストパターンを形成した単結晶シリコンウエハを、前記レジストパターンをマスクとして等方性エッチングする第１の等方性エッチング工程と、
前記単結晶シリコンウエハを、前記レジストパターンをマスクとして、前記第１の等方性エッチング工程とは異なる条件で等方性エッチングする第２の等方性エッチング工程と
前記単結晶シリコンウエハを、前記レジストパターンをマスクとして、異方性エッチングする異方性エッチング工程と、をこの順で含む、
ノズルプレートの製造方法。
【請求項７】
前記第２の等方性エッチング工程は、前記第１の等方性エッチング工程よりもバイアスパワーを大きくした条件で行われる、
請求項６に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項８】
前記異方性エッチング工程の後に、前記単結晶シリコンウエハを、その他の表面側から研削して、前記異方性エッチングにより形成されたパターンを前記他の表面側に露出させる工程を含む、
請求項６または７に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項９】
前記異方性エッチング工程の後に、前記異方性エッチングにより形成されたパターンの内部に保護材料を充填する工程を有し、
前記保護材料を充填する工程の後に、
前記単結晶シリコンウエハの、その他の表面に撥液膜を形成する工程と、
前記保護材料を除去する工程と、
を含み、
前記保護材料を除去する工程において、前記異方性エッチングにより形成されたパターンが有する前記他の表面への開口に接して形成された前記撥液膜を、リフトオフにより除去する、
請求項６〜８のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のノズルプレート、または請求項６〜９のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法により製造されたノズルプレートを有する、
インクジェットヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載のインクジェットヘッドを有する、画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズルプレートおよびその製造方法、インクジェットヘッド、ならびに画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタ等に用いられるインクジェットヘッドは、液滴（インク）の吐出面に、多数の微小なノズル孔を備えたノズルプレートを有する。【０００３】
ノズルプレートには、液滴の吐出特性を制御しつつ、１回の動作で吐出できる液滴量を多くするため、それぞれのノズル孔の液滴を吐出する側の開口面積をより小さくしつつ、ノズル孔の体積をより大きくすることが求められる。【０００４】
たとえば、特許文献１〜特許文献４には、液体の流入側から液体の吐出側にかけて、曲線状に流路幅が狭くなるような、逆ラウンド形状のノズル孔を有するノズルプレートが記載されている。このような形状のノズル孔は、液滴を吐出する側の開口面積を小さくしつつ、ノズル孔の体積をより大きくすることができると考えられる。【０００５】
また、特許文献４および特許文献５には、液体の吐出方向に沿って断面形状が段階的に変化するノズル孔を有するノズルプレートが記載されている。【０００６】
特許文献４では、ＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）ウェハが有する第１のシリコン層を異方性エッチングして液滴を吐出する側の略垂直な空間を形成し、上記ＳＯＩウェハが有する第２のシリコン層を等方性エッチングして上記略垂直な空間に接続する曲線状に流路幅が狭くなるような空間を形成し、その後、液体を導入する略垂直な空間を形成したガラス基板を陽極接合することによって、断面形状が異なる３つの空間がノズル孔の内部に形成されたノズルプレートを作製している。【０００７】
特許文献５では、ドリル加工およびプレス加工により形成された、テーパ角が異なる２段のテーパ穴部を有するノズルプレートを作製している。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−０５４７８８号公報
【特許文献２】特開２００９−１１３３６３号公報
【特許文献３】特開２００８−０８７２８４号公報
【特許文献４】特開２００８−１５５５９１号公報
【特許文献５】特開２００５−３０５８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜特許文献５に記載のように、インクジェットヘッドのノズルプレートが有するノズル孔には様々な形状が検討されており、それぞれの形状のノズル孔を形成するための加工方法も検討されている。【００１０】
しかし、液滴の吐出特性を制御しつつ、１回の動作で吐出できる液滴量を多くできるような形状のノズル孔を有するノズルプレート、および当該形状のノズル孔を形成するための加工方法を開発することへの要望は依然として存在する。【００１１】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、液滴の吐出特性を制御しつつ、１回の動作で吐出できる液滴量を多くできるような形状のノズル孔を有するノズルプレートおよびその製造方法、当該ノズルプレートを備えるインクジェットヘッド、ならびに当該インクジェットヘッドを備える画像形成装置を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、液滴を吐出するための複数のノズル孔を有するノズルプレートであって、上記ノズル孔は、上記液滴の吐出方向に対して最も上流側に配置され、かつ上記液滴の吐出方向に向かって径が縮小する第１ラウンド部と、上記第１ラウンド部よりも下流側に配置され、かつ上記液滴の吐出方向に向かって径が縮小する第２ラウンド部と、上記第２ラウンド部よりも下流側に配置され、かつ上記液滴の吐出方向に向かって径が一定であるストレート部と、を有し、上記液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状において、上記第１ラウンド部および上記第２ラウンド部は、いずれも、外側に凸の曲面によって外縁が規定された形状を有し、かつ、上記第１ラウンド部の外縁と上記第２ラウンド部の外縁との境界部は、内側に凸となっている、ノズルプレートによって解決される。【００１３】
また、上記課題は、その一の表面にレジストパターンを形成した単結晶シリコンウエハを、上記レジストパターンをマスクとして等方性エッチングする第１の等方性エッチング工程と、上記単結晶シリコンウエハを、上記レジストパターンをマスクとして、上記第１の等方性エッチング工程とは異なる条件で等方性エッチングする第２の等方性エッチング工程と上記単結晶シリコンウエハを、上記レジストパターンをマスクとして、異方性エッチングする異方性エッチング工程と、をこの順で含む、ノズルプレートの製造方法によって解決される。【００１４】
また、上記課題は、上記ノズルプレートを有するインクジェットヘッドによって解決される。【００１５】
また、上記課題は、上記インクジェットヘッドを有する画像形成装置によって解決される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、隔壁のアスペクト比がより大きい圧力室を有し、かつ作製時の破壊が生じにくいインクジェットヘッドおよびその製造方法、ならびに当該インクジェットヘッドを備える画像形成装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、インクジェット法による画像形成装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す画像形成装置に用いられる、本発明の実施形態におけるインクジェットヘッドの概要を示す分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態におけるインクジェットヘッドが有するヘッドチップの概要を示す、図２における線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態におけるインクジェットヘッドが有するヘッドチップの概要を示す、図２における線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態におけるインクジェットヘッドが有するノズルプレートの断面形状を示す、図３における領域Ｃの部分拡大図である。
【図６】図６は、図５に示したノズルプレートが有するノズル孔の容積を示すための、当該ノズル孔の模式断面図である。
【図７】図７Ａは、等方性エッチングを１回のみ行うことにより上流側のラウンド部を作製したときの、ノズル孔の形状を示す断面図であり、図７Ｂは、等方性エッチングを１回のみ行うことにより上流側のラウンド部を作製したときの、ノズル孔の別の形状を示す断面図である。
【図８】図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の実施形態におけるノズルプレートを製造する工程を示す第１の工程図である。
【図９】図９Ａ〜図９Ｃは、本発明の実施形態におけるノズルプレートを製造する工程を示す第２の工程図である。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｂは、本発明の実施形態におけるノズルプレートを製造する工程を示す第３の工程図である。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｃは、本発明の実施形態におけるノズルプレートを製造する工程を示す第４の工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。
【００１９】
［画像形成装置およびインクジェットヘッド］
本発明の第１の実施形態における画像形成装置は、後述の本実施形態に係るインクジェットヘッドを有する以外は公知のインクジェット法による画像形成装置と同様の構成とすることができる。
【００２０】
画像形成装置１００は、図１に示すように、インクジェットヘッド１と、インク供給装置１２０と、搬送装置１３０と、メインタンク１４０とを有している。
【００２１】
インクジェットヘッド１は、インク滴を被印刷物である用紙などの記録媒体１５０に吐出するための複数のノズルを有する。たとえば、インクジェットヘッド１は、色の異なる複数種のインクがそれぞれ特定のノズルに供給されるように構成される。インクジェットヘッド１は、たとえば、画像を形成すべき記録媒体１５０の搬送方向Ｘを横切る方向に走査自在に配置されている。インクジェットヘッド１の構成については後述する。
【００２２】
搬送装置１３０は、インクジェットヘッド１に対して記録媒体１５０を搬送するための装置である。搬送装置１３０は、たとえば、ベルトコンベア１３１と、回転自在な送りローラー１３２とを備える。ベルトコンベア１３１は、回転自在なプーリー１３３ａ、１３３ｂと、これらのプーリー１３３ａ、１３３ｂに張設されている無端状のベルト１３４と、から構成される。送りローラー１３２は、記録媒体１５０の搬送方向Ｘにおける上流側のプーリー１３３ａに対向する位置に、ベルト１３４と記録媒体１５０を挟持してベルト１３４上に記録媒体１５０を送り出すように配置されている。
【００２３】
インク供給装置１２０は、インクジェットヘッド１と一体的に配置されている。インク供給装置１２０は、インクの種類ごとに配置されている。たとえば、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）およびＫ（ブラック）の４色のインクを用いるときは、インク供給装置１２０は、インクジェットヘッド１に四つ配置される。
【００２４】
各インク供給装置１２０は、メインタンク１４０に接続された管１６１および弁１６４を介して、メインタンク１４０内のインクを供給される。また、各インク供給装置１２０は、管１６２を介してインクジェットヘッド１の後述する共通インク室２と連通し、各色のインクを所望の共通インク室２のインク供給口２ａへ供給可能に接続されている。
【００２５】
インクジェットヘッド１は、上記の管１６１から分岐するバイパス管１６３によってメインタンク１４０にも接続されている。管１６１とバイパス管１６３との分岐点には、これら管１６１およびバイパス管１６３の一方または両方にインクの流路を切換、設定可能な弁１６４が配置されている。管１６１、管１６２、およびバイパス管１６３は、たとえばいずれも可撓性を有するチューブである。弁１６４は、たとえば三方弁である。
【００２６】
メインタンク１４０は、インクジェットヘッド１に供給されるべきインクを収容するためのタンクである。メインタンク１４０は、インクジェットヘッド１とは分離して配置されている。メインタンク１４０は、たとえば、不図示の撹拌装置を有している。メインタンク１４０は、画像形成装置１００の画像形成性能や大きさなどに応じて適宜に決めることが可能である。たとえば、画像形成装置の画像形成速度が１〜３ｍ２／分である場合、メインタンク１４０の容量は、たとえば１Ｌである。
【００２７】
図２は、上述した画像形成装置１００に用いられるインクジェットヘッド１の概要を示す分解斜視図である。図２に示すように、インクジェットヘッド１は、共通インク室２と、保持部３と、ヘッドチップ４と、フレキシブル配線基板５と、を有している。
【００２８】
共通インク室２は、中空の略直方体状に形成されており、保持部３と対向する一面が開口している。共通インク室２の上記開口と対向する一面には、インク供給装置１２０のインクを供給するためのインク供給口２ａと、インクをインク供給装置１２０に排出するためのインク排出口２ｂが設けられている。共通インク室２は、内部にフィルタを備え、上記フィルタによりインク供給口２ａから供給されたインクから異物を取り除くと共に、インク内に含有される気泡を細かく破砕する。
【００２９】
保持部３は、略中央に開口部３ａを有する略平板状に形成されており、共通インク室２の上記開口を覆うように配置されている。これにより、保持部３の一方の面には、開口部３ａを覆うようにして共通インク室２が接続される。また、保持部３の他方の面には、開口部３ａを覆うようにしてヘッドチップ４が接続される。保持部３は、開口部３ａを介して、共通インク室２とヘッドチップ４とを連通させる。
【００３０】
保持部３の外周部には、挿通孔３ｂが設けられている。挿通孔３ｂには、フレキシブル配線基板５が挿通される。フレキシブル配線基板５は、その一方の端部が、後述するヘッドチップ４の配線基板５０に接続される。また、フレキシブル配線基板５は、その他方の端部が、保持部３に設けた挿通孔３ｂを保持部３の他方の面から挿通して、共通インク室２側に引き出される。
【００３１】
図３は、上述したインクジェットヘッド１が有するヘッドチップ４の概要を示す、図２における線Ａ−Ａに沿った断面図であり、図４は、上述したインクジェットヘッド１が有するヘッドチップ４の概要を示す、図２における線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【００３２】
ヘッドチップ４は、ノズルプレート１０と、中間プレート２０と、圧力室形成プレート３０と、駆動プレート４０と、配線基板５０とを有している。また、ヘッドチップ４は、インクの吐出面側から、ノズルプレート１０、中間プレート２０、圧力室形成プレート３０、駆動プレート４０、配線基板５０の順に積層されている。
【００３３】
ノズルプレート１０には、複数のノズル孔１１が形成されている。ノズル孔１１は、ノズルプレート１０の一面から他面にかけて貫通している。このノズル孔１１は、吐出口となる先端側が小径となるように絞り込まれた断面形状を有し、共通インク室２から供給されたインクを吐出口から外部に吐出する。また、ノズル孔１１は、ノズルプレート１０に複数（たとえば、５００〜２０００個）設けられ、マトリックス状に配置されている。このノズル孔１１は、ノズルプレート１０に積層される中間プレート２０を介して圧力室形成プレート３０に形成された圧力室３１と連通する。
【００３４】
ノズルプレート１０のインク吐出側の表面には、撥液膜１３が形成されている。
【００３５】
中間プレート２０は、ノズルプレート１０と、圧力室形成プレート３０との間に配置される。中間プレート２０には、ノズル孔１１と後述する圧力室形成プレート３０に設けた圧力室３１とを連通する第１連通孔２１が設けられている。この第１連通孔２１は、ノズルプレート１０のノズル孔１１と対応する位置に設けられ、中間プレート２０の一面から他面にかけて貫通している。
【００３６】
圧力室形成プレート３０は、複数の圧力室３１と、振動板３２とを有している。圧力室３１は、ノズルプレート１０のノズル孔１１および中間プレート２０の第１連通孔２１と対応する位置に設けられている。また、圧力室３１は、圧力室形成プレート３０の一面から他面にかけて貫通している。圧力室３１は、その体積変動によって、ノズル孔１１から吐出されるインクに吐出圧力を付与する。また、複数の圧力室３１の間には、隔壁３３が形成されている。本実施形態において、隔壁３３は、その全体がニッケル（Ｎｉ）などの電気メッキが可能な金属によって形成されている。これにより、隔壁３３の剛性をより高くして、インクジェットヘッド１を振動によって破壊されにくく安定した構造とすることができる。
【００３７】
振動板３２は、圧力室３１が有する中間プレート２０とは反対側の開口を覆うように配置されている。振動板３２には、圧力室３１と連通する第２連通孔３４が設けられている。振動板３２における圧力室３１側の一面と反対側の一面には、駆動プレート４０が配置されている。
【００３８】
駆動プレート４０は、空間部４１と、第２連通孔３４と連通する第３連通孔４２とを有している。空間部４１は、振動板３２を間に挟んで圧力室３１と対向する位置に配置されている。空間部４１には、アクチュエータ６０が収容されている。
【００３９】
アクチュエータ６０は、圧電素子６１と、第１電極６２と、第２電極６３とを有している。第１電極６２は、振動板３２の一面に積層されている。なお、第１電極６２と振動板３２との間には、絶縁層が配置されていてもよい。圧電素子６１は、第１電極６２に積層されて、振動板３２および第１電極６２を間に挟んで圧力室３１と対向する位置に、圧力室３１毎（チャネル毎）に配置される。
【００４０】
圧電素子６１は、電圧が印加されることによって変形する材料で構成されており、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの強誘電体材料で構成されている。また、圧電素子６１における第１電極６２とは反対側の面には、第２電極６３が積層されている。第２電極６３は、バンプ６４を介して後述する配線基板５０に設けられた配線層５１と接続される。圧電素子６１の膜厚は、たとえば１０μｍ以下である。
【００４１】
配線基板５０は、配線層５１と、配線層５１が一面に形成されたシリコン層５２とを有している。配線層５１は、第２電極６３に設けたバンプ６４と、半田５１ａを介して接続される。また、配線層５１の外縁部は、フレキシブル配線基板５に接続される。さらに、配線層５１における駆動プレート４０と反対側の一面には、シリコン層５２が配置される。シリコン層５２は、保持部３に接合される。
【００４２】
また、配線基板５０には、配線層５１およびシリコン層５２を貫通する第４連通孔５３が設けられている。この第４連通孔５３は、駆動プレート４０の第３連通孔４２と、保持部３の開口部３ａを介して共通インク室２と連通する。
【００４３】
本実施形態では、互いに連通された配線基板５０の第４連通孔５３、駆動プレート４０の第３連通孔４２、および振動板３２の第２連通孔３４により、共通インク室２内のインクを圧力室３１に供給する流路となるインレットが構成される。インレットは、共通インク室２から圧力室３１に流入されるインクの流路抵抗（流量）を絞る役割を担う。また、互いに連通された中間プレート２０の第１連通孔２１およびノズルプレート１０のノズル孔１１により、圧力室３１内のインクを記録媒体１５０に向けて吐出するためのアウトレットが構成される。
【００４４】
かかる構成を備えたインクジェットヘッド１では、共通インク室２に収容されたインクは、インレット（すなわち第４連通孔５３、第３連通孔４２および第２連通孔３４）を通過して、圧力室３１に流れ込む。そして、第１電極６２と第２電極６３との間に電圧が印加されることで、圧電素子６１が変形（振動）すると共に圧電素子６１の変形に伴い、振動板３２が変形（振動）する。この振動板３２が変形（振動）することで、圧力室３１内にインクを吐出するための圧力が発生する。かかる圧力の発生により、圧力室３１内のインクは、アウトレット（すなわち第１連通孔２１およびノズル孔１１）に押し出され、ノズル孔１１の先端（ノズル開口）から記録媒体１５０に向けて吐出される。
【００４５】
（ノズルプレート）
図５は、ノズルプレート１０の断面形状を示す、図３における領域Ｃの部分拡大図である。なお、図５では、説明を容易にするため、ノズルプレート１０のみを示し、中間プレート２０の記載を省略している。
【００４６】
図５に示すように、ノズルプレート１０が有するノズル孔１１は、中間プレート２０側から液滴（インク）の吐出方向に向けてこの順に形成された、第１ラウンド部１１ａ、第２ラウンド部１１ｂ、およびストレート部１１ｃによって構成される。ノズルプレート１０のインクの吐出方向に対し、第１ラウンド部１１ａは最も上流側に配置されており、第２ラウンド部１１ｂは第１ラウンド部１１ａよりも下流側に配置されており、ストレート部１１ｃは第１ラウンド部１１ａよりも下流側の、最も下流側に配置されている。
【００４７】
第１ラウンド部１１ａは、ノズル孔１１のうち、最も中間プレート２０側に配置された空間であり、中間プレート２０の第１連通孔２１から押し出されたインクが最初に到達して流入する空間である。
【００４８】
後述するように、第１ラウンド部１１ａは、等方性エッチングにより形成された空間である。第１ラウンド部１１ａは、図５に示す断面形状（すなわち、液滴の吐出方向に平行な平面に沿った断面形状）において、外側に凸の曲面によって外縁が規定され、かつ、第１連通孔２１側から第２ラウンド部１１ｂ側にかけて（すなわち、インクの吐出方向に向かって）径が縮小する、形状を有する。
【００４９】
第２ラウンド部１１ｂは、第１ラウンド部１１ａとストレート部１１ｃとの間に配置され、第１ラウンド部１１ａとストレート部１１ｃとを連通する空間である。
【００５０】
後述するように、第２ラウンド部１１ｂは、第１ラウンド部１１ａを形成するときの等方性エッチングとは異なる条件での等方性エッチングにより形成された空間である。第２ラウンド部１１ｂは、図５に示す断面形状において、外側に凸の曲面によって外縁が規定され、かつ、第１ラウンド部１１ａ側からストレート部１１ｃ側にかけて（すなわち、インクの吐出方向に向かって）径が縮小する、形状を有する。また、第２ラウンド部１１ｂは、図５に示す断面形状において、その外縁の形状が第１ラウンド部１１ａの外縁の形状とは非相似である。
【００５１】
ストレート部１１ｃは、ノズル孔１１のうち、最も吐出面側に配置された空間であり、第１ラウンド部１１ａおよび第２ラウンド部１１ｂを通過したインクが到達して流入し、かつノズルプレート１０の外部（すなわち、インクジェットヘッド１の外部）へと吐出される空間である。
【００５２】
後述するように、ストレート部１１ｃは、異方性エッチングにより形成された空間である。そのため、ストレート部１１ｃは、図５に示す断面形状において、第２ラウンド部１１ｂ側からインクの吐出面側にかけて（すなわち、インクの吐出方向に向かって）径が一定である形状を有する。
【００５３】
図５に示す断面形状において、第１ラウンド部１１ａ、第２ラウンド部１１ｂ、およびストレート部１１ｃは、同一の仮想直線Ｚを対称軸とした線対称の形状を有する。なお、第１ラウンド部１１ａ、第２ラウンド部１１ｂ、およびストレート部１１ｃは、３次元空間においても軸Ｚを対象軸とするｎ回の回転対称（ｎは任意の整数）の形状を有する。
【００５４】
そのため、第１ラウンド部１１ａが中間プレート２０側へ開口する開口面である開口部１２ａ、第１ラウンド部１１ａと第２ラウンド部１１ｂとの境界面である第１境界部１２ｂ、第２ラウンド部１１ｂとストレート部１１ｃとの境界面である第２境界部１２ｃ、および、ストレート部１１ｃがインクの吐出面側へ開口する開口面である開口部１２ｄ、はいずれも円形であり、かつその中心が同一の軸Ｚ上に存在するように、ノズルプレート１０の平面視において同心円状に配置されている。
【００５５】
なお、本実施形態において、第１ラウンド部１１ａと第２ラウンド部１１ｂとの境界面である第１境界部１２ｂは、図５に示す断面図において、くびれ形状であり、内側に凸となっている。第１境界部１２ｂは、図５に示す断面図において、第１ラウンド部１１ａの外縁を規定する線と第２ラウンド部１１ｂの外縁を規定する線との交点が頂点となっていてもよいし、上記交点が所定のＲのまるみを有していてもよい。
【００５６】
また、第２境界部１２ｃの径と開口部１２ｄの径とは略同一である。
【００５７】
図６は、ノズル孔１１の容積を示すための、図５に示したノズル孔１１の模式断面図である。上記形状を有するノズル孔１１は、図６に示す断面図において、第１ラウンド部１１ａの断面積と第２ラウンド部１１ｂの断面積とを合計した断面積を、開口部１２ａの径（図５におけるＤａ）を上辺の長さとし、第２境界部１２ｃの径（図５におけるＤｃ）を下辺の長さとし、第１ラウンド部の深さおよび第２ラウンド部の深さの合計（図５におけるＬａ＋Ｌｂ）を高さとする仮想台形（図６の斜線部）の断面積よりも大きくすることができる。これにより、ノズル孔１１は、第１ラウンド部１１ａの容積と第２ラウンド部１１ｂの容積とを合計した容積を、第１ラウンド部および第２ラウンド部が直線によって外縁が規定されたときの容積よりも広くして、ノズル孔１１に収容できるインクの量をより多くすることができる。
【００５８】
なお、このとき、図６に示すように、第１境界部１２ｂの縁は、第２境界部１２ｃの縁のうち任意の一点と、開口部１２ａの縁のうち上記任意の一点から最も近い一点と、を結んだ直線（すなわち、上記仮想台形の斜辺）よりも、外側にあってもよいし、内側にあってもよい。すなわち、図６に示す断面図において、第１ラウンド部１１ａの側面を示す曲線および第２ラウンド部１１ｂの側面を示す曲面は、上記仮想台形の斜辺とは交わらなくてもよいし、交わってもよい。
【００５９】
ところで、図７は、等方性エッチングを１回のみ行うことにより上流側のラウンド部（本実施形態に関するノズルプレート１０が有するノズル孔１１の第１ラウンド部１１ａおよび第２ラウンド部１１ｂに相当する空間）を作製したときの、ノズル孔の形状を示す断面図である。図７では、上記等方性エッチングを１回のみ行って形成された空間を有するノズル孔の形状を実線で、本実施形態に関するノズルプレート１０が有するノズル孔１１の形状を点線で、それぞれ示す。
【００６０】
図７Ａは、本実施形態における第１ラウンド部１１ａの深さと第２ラウンド部１１ｂの深さとを合計した深さと同程度の深さの空間１１ｅを上流側に形成したときのノズル孔の典型的な形状を示す模式図である。このとき、サイドエッチによりノズル孔の開口部１２ｅの径もより大きくなってしまうため、ノズル孔を高密度で配置することが困難である。図７Ｂは、バイアスパワーを大きくするなどしてエッチングガスから生成したイオンによるスパッタ量を多くすることで、深さ方向へのエッチング速度を高めて、第１ラウンド部１１ａの深さと第２ラウンド部１１ｂの深さとを合計した深さを有する空間１１ｆを上流側に形成したときのノズル孔の典型的な形状を示す模式図である。このとき、サイドエッチによるアンダーカット幅が不足しがちとなってノズル孔の開口部１２ｆの径をさほど大きくすることができず、ノズル孔に収容できるインクの量をさほど多くすることはできない。
【００６１】
これに対し、２回の等方性エッチングにより第１ラウンド部１１ａおよび第２ラウンド部１１ｂを有するノズル孔１１を形成すると、１回目の等方性エッチングでサイドエッチによるアンダーカット幅を適度に広くし、その後、バイアスパワーなどの条件を変更した２回目の等方性エッチングでノズル孔の深さをより深くすることができる。そのため、第１ラウンド部１１ａの径を適度に広くして、かつ上記深さも十分に深くした、ノズル孔１１を形成することができる。
【００６２】
また、２回目の等方性エッチングでノズル孔の深さがより深くなるように形成した第２ラウンド部１１ｂは、インクの吐出方向に向かっての径の縮小率がより小さくなっている。このような第２ラウンド部１１ｂは、インクの吐出速度や直進性を高めるという、ストレート部１１ｃに似た作用も有する。そのため、２回の等方性エッチングにより第１ラウンド部１１ａおよび第２ラウンド部１１ｂを有するノズル孔１１を形成すると、第１ラウンド部１１ａおよび第２ラウンド部１１ｂによってインクの吐出量を多くしつつ、第２ラウンド部１１ｂおよびストレート部１１ｃによって吐出性能も同時に高められたノズル孔１１を形成することができる。
【００６３】
一方で、ノズル孔１１は、異方性エッチングによりストレート部１１ｃが形成されているため、ストレート部１１ｃの径の大きさは比較的自由に制御できる。
【００６４】
そのため、ノズル孔１１は、インクの吐出特性に影響するストレート部１１ｃの径を変更せずに、ノズル孔１１に収容できるインクの量をより多くして、１回の動作で吐出できる液滴量をより多くすることができる。
【００６５】
このとき、開口部１２ａの径をＤａ、第１境界部１２ｂの径をＤｂ、第２境界部１２ｃおよび開口部１２ｄの径をＤｃとするとき、Ｄｂ／Ｄａは０．３５以上０．８５以下であることが好ましく、０．５以上０．７以下であることがより好ましい。また、Ｄｃ／Ｄａは０．１以上０．３５以下であることが好ましく、０．１５以上０．３以下であることがより好ましい。
【００６６】
具体的には、Ｄａは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましく、５５μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。また、Ｄｂは、３０μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましく、３５μｍ以上７０μｍ以下であることがより好ましい。また、Ｄｃは、１０μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましく、１５μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。
【００６７】
なお、本実施形態において、インクの吐出方向に垂直な平面に沿った断面形状において、開口部１２ａ、第１境界部１２ｂ、第２境界部１２ｃおよび開口部１２ｄの形状は円形であるが、楕円系などの他の形状であってもよい。開口部１２ａ、第１境界部１２ｂ、第２境界部１２ｃおよび開口部１２ｄの形状が円形ではないとき、上記Ｄａ、ＤｂおよびＤｃは、それぞれの短径とすればよい。
【００６８】
また、第１ラウンド部１１ａの深さをＬａ、第２ラウンド部１１ｂの深さをＬｂ、ストレート部１１ｃの深さをＬｃとするとき、Ｌａ／Ｌｂは０．１以上３以下であることが好ましく、０．２以上１．５以下であることがより好ましい。また、Ｌｃ／（Ｌａ＋Ｌｂ）は０．２以上２以下であることが好ましく、０．５以上１．５以下であることがより好ましい。
【００６９】
具体的には、Ｌａは、５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。また、Ｌｂは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１５μｍ以上４０μｍ以下であることがより好ましい。また、Ｌｃは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１５μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。
【００７０】
後述するように、第１ラウンド部１１ａ、第２ラウンド部１１ｂ、およびストレート部１１ｃは、単結晶シリコンの１枚のシリコンウエハを加工して作製することができる。
【００７１】
（ノズルプレートの作製）
図８〜図１１は、本実施形態に関するインクジェットヘッド１が有するノズルプレート１０を作製する方法の一例を示す説明図である。なお、図８〜図１１では、理解の容易のため、一部の部材の縮尺を変更している。
【００７２】
まず、図８Ａに示すように、単結晶のシリコンウエハ７１０上にレジストを塗布し、露光および現像して、レジストパターン７１５を形成する。レジストパターン７１５は、ノズル孔１１のストレート部１１ｃが形成される位置に、ストレート部１１ｃが有する第２境界部１２ｃと同一形状である略円形の形状で、シリコンウエハ７１０の表面が露出するような開口部７１５ａを有するように、形成すればよい。レジストパターン７１５の厚みは、この後の第１の等方性エッチング、第２の等方性エッチングおよび異方性エッチングに耐え得る厚みであればよく、それぞれのエッチング条件に応じて選択することができる。
【００７３】
なお、本実施形態では、レジストパターン７１５の形状は略円形としたが、楕円系などとしてもよい。
【００７４】
次に、図８Ｂに示すように、レジストパターン７１５をマスクとして、第１の等方性エッチングを行う。第１の等方性エッチングは、たとえば、エッチングガスとしてＳＦ６等のフッ素ガスなどを使用し、エッチングガスの流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を１０Ｐａ、バイアスパワーを１０Ｗとした、ドライエッチングにより行うことができる。第１の等方性エッチングにより、図８Ｂに示すように、シリコンウエハ７１０を厚み方向に切断して得られる断面において、側面形状が曲線である、深さ方向に径が縮小する第１のラウンド状パターン７１１ａが形成される。このとき、サイドエッチによるアンダーカット部も形成されるため、第１のラウンド状パターン７１１ａの最大幅は、レジストパターン７１５の開口部７１５ａの幅よりも広くなる。
【００７５】
次に、図８Ｃに示すように、レジストパターン７１５をマスクとして、第１の等方性エッチングとは異なる条件で第２の等方性エッチングを行う。第２の等方性エッチングは、第１の等方性エッチングよりも深さ方向へのエッチング速度が高い条件で行えばよく、たとえば、第１の等方性エッチングよりもバイアスパワーを大きくした条件で行えばよい。第２の等方性エッチングは、たとえば、エッチングガスとしてＳＦ６等のフッ素ガスなどを使用し、エッチングガスの流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を１０Ｐａ、バイアスパワーを６０Ｗとした、ドライエッチングにより行うことができる。第２の等方性エッチングにより、図８Ｃに示すように、シリコンウエハ７１０を厚み方向に切断して得られる断面において、側面形状が曲線である、深さ方向に径が縮小する第２のラウンド状パターン７１１ｂが形成される。このとき、第１のラウンド状パターン７１１ａの幅と同様に、第２のラウンド状パターン７１１ｂの最大幅は、レジストパターン７１５の開口部７１５ａの幅よりも広くなる。
【００７６】
第１の等方性エッチングと第２の等方性エッチングのエッチング条件は、主としてバイアスパワーを変えることにより形成される形状の制御を行うように設定する。上記バイアスパワーの範囲は、第１の等方性エッチングでは１０Ｗから３０Ｗの範囲、第２の等方性エッチングでは５０Ｗから８０Ｗの範囲が好ましい。エッチングのガス種も、フッ素系の他の組成や酸素を添加する事により、形状をよりよく制御することが可能となる。また投入するＩＣＰパワーは、１０００から２０００Ｗの範囲が好ましい。
【００７７】
次に、図９Ａに示すように、レジストパターン７１５をマスクとして、異方性エッチングを行う。上記異方性エッチングは、通称ボッシュプロセスと呼ばれる異方性エッチングに対応した機能を有した装置を用い、前記等方性エッチングから異方性エッチングにモードを切り替えることで繰り返して行えばよい。上記異方性エッチングは、たとえば、エッチングガスとしてＳＦ６等のフッ素系ガスなどを使用し、パッシベーションガスとしてＣ４Ｆ８等を用いて異方性のエッチングを行う。エッチングガスの流量を５００ｓｃｃｍ、パッシベーションガスの流量を６００ｓｃｃｍ、圧力を１０Ｐａ、バイアスパワーを６０Ｗとした、ドライエッチングにより行うことができる。上記異方性エッチングにより、図９Ａに示すように、シリコンウエハ７１０を厚み方向に切断して得られる断面において、側面形状が直線である、深さ方向に径が一定であるストレート状パターン７１１ｃが形成される。このとき、ストレート状パターン７１１ｃの幅は、レジストパターン７１５の開口部７１５ａの幅と略同一である。
【００７８】
次に、図９Ｂに示すように、レジスト（レジストパターン７１５）を除去する。そして、図９Ｃに示すように、ポジ型レジストや感光性ポリイミドなどの感光性材料７１６ａを、シリコンウエハ７１０の表面に付与する。このとき、付与された感光性材料７１６ａがストレート状パターン７１１ｃの内部にまで十分に導入されるよう、低速度のコータ−で感光性材料を付与したり、シリコンウエハ７１０を感光性材料に浸漬したりすればよい。その後、図１０Ａに示すように、ストレート状パターン７１１ｃの幅よりも大きい幅を有するフォトマスクを１０１０用いて、感光性材料７１６ａを露光し、硬化させる。これにより、図１０Ｂに示すように、少なくともストレート状パターン７１１ｃの内部に感光性材料の硬化物７１６ｂ（保護材料）が充填されるように、感光性材料７１６ａを硬化させることができる。
【００７９】
次に、図１１Ａに示すように、第１のラウンド状パターン７１１ａの開口部を覆うように、シリコンウエハ７１０に保護膜７１７を貼り付けて、シリコンウエハ７１０を上下反転させる。保護膜７１７は、第１のラウンド状パターン７１１ａの開口部を被覆して、シリコンウエハ７１０を上下反転させたときの感光性材料の硬化物７１６ｂの脱落を防ぐことができるものであればよく、シリコンウエハ、ＳｉＣウエハ、およびガラス板などを用いることができる。そして、第１のラウンド状パターン７１１ａ〜ストレート状パターン７１１ｃが形成された面とは反対側の面から、シリコンウエハ７１０を研削する。研削は、少なくともストレート状パターン７１１ｃおよび感光性材料の硬化物７１６ｂが露出するまで行う。その後、研磨により研削面を鏡面加工する。
【００８０】
次に、図１１Ｂに示すように、上記研磨および鏡面加工した面に、撥液膜７１３を形成する。撥液膜７１３は、インクに対する撥液性を有するものであればよく、たとえば、フッ素系などの撥液剤を含む溶液を塗布し、焼成すればよい。このとき、ストレート状パターン７１１ｃは感光性材料の硬化物７１６ｂで充填されているため、上記水溶液はストレート状パターン７１１ｃの内部には侵入しない。
【００８１】
次に、図１１Ｃに示すように、保護膜７１７を除去し、感光性材料の硬化物７１６ａも除去する。感光性材料の硬化物７１６ｂを除去するとき、感光性材料の硬化物７１６ｂの表面に堆積した撥液膜７１３もリフトオフされ、同時に除去される。
【００８２】
最後に、Ｏ２プラズマなどにより汚染の除去などを行い、洗浄液などで洗浄した後、シリコンウエハ７１０を所望の形状に切断して個別化することで、ノズルプレート１０を得ることができる。
【００８３】
このようにして得られたノズルプレート１０は、別途用意された中間プレート２０に接合され、さらに圧力室形成プレート３０、駆動プレート４０、および配線基板５０と接合されることにより、ヘッドチップ４とすることができる。さらに、ヘッドチップ４を、共通インク室２、保持部３、およびフレキシブル配線基板５と接合することで、インクジェットヘッド１を得ることができる。このインクジェットヘッド１は、公知のインクジェット法による画像形成装置に搭載させることができる。
【００８４】
なお、上記実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これよって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００８５】
たとえば、上記実施形態では、圧電素子を有するピエゾ式のインクジェットヘッドを説明に用いたが、サーマルジェット式などの他の方式のインクジェットヘッドに対して、上記ノズルプレートを有するノズル板を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明のノズルプレートによれば、インクジェットヘッドからの液滴の吐出特性を制御しつつ、１回の動作で吐出できる液滴量を多くすることができる。そのため、本発明のノズルプレートによれば、形成する画像のさらなる高精細化およびより効率的な画像形成が可能となるため、画像形成やパターン形成などの分野へのインクジェットヘッドのさらなる普及への貢献が期待される。
【符号の説明】
【００８７】
１  インクジェットヘッド
２  共通インク室
２ａ  インク供給口
２ｂ  インク排出口
３  保持部
３ａ  開口部
４  ヘッドチップ
５  フレキシブル配線基板
１０  ノズルプレート
１１  ノズル孔
１１ａ  第１ラウンド部
１１ｂ  第２ラウンド部
１１ｃ  ストレート部
１１ｅ  空間
１１ｆ  空間
１２ａ  開口部
１２ｂ  第１境界部
１２ｃ  第２境界部
１２ｄ  開口部
１２ｅ  開口部
１２ｆ  開口部
１３  撥液膜
２０  中間プレート
２１  第１連通孔
３０  圧力室形成プレート
３１  圧力室
３２  振動板
３３  隔壁
３３ａ  第１の隔壁部材
３３ｂ  第２の隔壁部材
３４  第２連通孔
４０  駆動プレート
４１  空間部
４２  第３連通孔
５０  配線基板
５１  配線層
５１ａ  半田
５２  シリコン層
５３  第４連通孔
６０  アクチュエータ
６１  圧電素子
６２  第１電極
６３  第２電極
１００  画像形成装置
１２０  インク供給装置
１３０  搬送装置
１３１  ベルトコンベア
１３２  送りローラー
１３３ａ、１３３ｂ  プーリー
１３４  ベルト
１４０  メインタンク
１６１、１６２  管
１６３  バイパス管
１６４  弁
７１０  シリコンウエハ
７１１ａ  第１のラウンド状パターン
７１１ｂ  第２のラウンド状パターン
７１１ｃ  ストレート状パターン
７１３  撥液膜
７１５  レジストパターン
７１５ａ  開口部
７１６ａ  感光性材料
７１６ｂ  感光性材料の硬化物
７１７  保護膜
１０１０  フォトマスク
【図１】
2020170319.tif 000003
【図２】
2020170319.tif 000004
【図３】
2020170319.tif 000005
【図４】
2020170319.tif 000006
【図５】
2020170319.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020170319.tif 000009
【図８】
2020170319.tif 000010
【図９】
2020170319.tif 000011
【図１０】
2020170319.tif 000012
【図１１】
2020170319.tif 000013
【国際調査報告】
2020170319.tif 000014
2020170319.tif 000015
2020170319.tif 000016
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