ノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置
【課題】製造工程を簡単化でき、高精度にノズル孔を形成することが可能な構造を有するノズル基板等を提供する。
【解決手段】液滴を吐出するノズル孔１１が形成されたノズル基板１であって、複数の基板を積層し接合した構成を有し、各基板１ａ，１ｂには、それぞれ基板毎に異なる内径のノズル部１１ａ，１１ｂが略垂直方向に貫通形成されており、ノズル部の内径が徐々に大きくなるように複数の基板１ａ，１ｂが積層され、断面階段形状のノズル孔１１が形成されているものである。
【解決手段】液滴を吐出するノズル孔１１が形成されたノズル基板１であって、複数の基板を積層し接合した構成を有し、各基板１ａ，１ｂには、それぞれ基板毎に異なる内径のノズル部１１ａ，１１ｂが略垂直方向に貫通形成されており、ノズル部の内径が徐々に大きくなるように複数の基板１ａ，１ｂが積層され、断面階段形状のノズル孔１１が形成されているものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出するためのノズル孔を有するノズル基板、ノズル基板の製造方法、ノズル基板を備えた液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、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基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する圧力室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により圧力室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まり、そのため高密度化並びに吐出性能の向上が強く要求されている。このような背景から、インクジェットヘッドのノズル部に関して、従来より様々な工夫、提案がなされている。
【０００３】
インク吐出特性を改善するためには、ノズル孔での流路抵抗を調整し、ノズル長さが最適な長さになるように基板の厚みを調整することが望ましい。また、ノズル形状を、全体として円筒状のノズル孔とするのではなく、径が異なる複数の孔を同一軸上に有する形状（例えば、径を異ならせた第１ノズル部と第２ノズル部とからなる２段ノズル形状）とし、ノズル孔に加わるインク圧力の方向をノズル軸線方向に揃えることで吐出特性を改善する方法もある。
【０００４】
このように、ノズル形状を２段ノズル形状としたり、ノズル長の調整を図るようにしたノズル基板の製造方法として、シリコン基板の一方の面側からＩＣＰ放電を用いた異方性ドライエッチングを行い、内径の異なる第１ノズル部と第２ノズル部とを形成してノズル孔を２段に形成した後、前記一方の面とは反対側の面より、第１ノズル部の先端が開口するまで研削加工するようにした方法（例えば、特許文献１参照）がある。
【特許文献１】特開２００７−２５３３９０号公報（図５〜図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、通常、吐出口を有する第１ノズル部に対しては厳しい精度が要求されているが、第２ノズル部に対してはさほど精度が要求されていない。しかしながら、特許文献１の技術では、２回のエッチングで深掘りして第１ノズル部を形成しているため、第１ノズル部の径精度が十分に得られないという問題があった。また、第１ノズル部が基板面に対して垂直に形成されなかった場合、インク吐出の飛行曲がりを招く可能性があった。さらに、研削加工により削られた面が吐出面となることから、エッチング精度に加えて研削加工精度も必要であり、仕上がりのノズル孔精度の向上が難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、製造工程を簡単化でき、高精度にノズル孔を形成することが可能な構造を有するノズル基板、その製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、ノズル基板の製造に要する製造工程簡単化が可能で、加工精度の高いノズル孔を形成することが可能なノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置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】
【０００８】
本発明に係るノズル基板は、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板であって、複数の基板を積層し接合した構成を有し、各基板には、それぞれ基板毎に異なる内径のノズル部が略垂直方向に貫通形成されており、ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように複数の基板が積層され、断面階段形状のノズル孔が形成されているものである。
このように、多段構造を有するノズル孔の各段部分毎に、基板を分けたノズル基板構造としたので、各段の基板には、それぞれ直線状の貫通孔を形成すればよい。したがって、１枚の基板に対し、ノズル孔を多段に形成する場合のエッチングの深掘りが不要となり、ノズル孔、特に吐出口を有するノズル部のノズル径精度を向上することが可能となる。すなわち、吐出方向の内周面の真円度を高めることができ、ノズル孔精度の向上が可能である。その結果、吐出時の飛行曲がりを低減することが可能なノズル基板を得ることができる。
【０００９】
また、本発明に係るノズル基板は、吐出方向の先端となる１層目の基板に、シリコン基板を用いたものである。
これにより、吐出口を有するノズル部を、フォトリソグラフィを用いて垂直に貫通形成できるため、吐出方向の内周面の真円度を高めることができ、精度向上に寄与する。
【００１０】
また、本発明に係るノズル基板は、１層目以外の層にＳＵＳ基板を用いたものである。
これにより、プレス加工を用いてノズル部の形成が可能となり、多層構造のノズル基板を容易に作製することが可能である。
【００１１】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、各基板のそれぞれに、対応のノズル部を貫通形成した後、ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように各基板を積層して接合するものである。
このように、各層の基板に、それぞれ段差の無い貫通孔を形成するので、１枚の基板に対してノズル孔を多段に形成する場合に比べて、ノズル孔の径精度を向上することができる。その結果、吐出時の飛行曲がりを低減することが可能なノズル基板を製造することが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成するものである。
これにより、保護膜を最適な条件で形成することができる。すなわち、基板を接合する前の単独の基板に対し保護膜を形成するため、保護膜形成時の成膜条件等が他の基板に与える影響を考慮することなく、最適な条件を選択して保護膜を形成することができる。
【００１３】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、保護膜は酸化膜であるものである。
保護膜として酸化膜を用いることが可能である。
【００１４】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、吐出方向の先端となる１層目以外の基板に、対応のノズル部を貫通形成した後、１層目の基板に接合し、その後、１層目の基板に、対応のノズル部を形成するものである。
これにより、１層目の基板を、２層目以降の基板で支持した状態で一層目のノズル部を形成することができるため、ハンドリングが容易となる。したがって、各基板にそれぞれ単独で対応のノズル部を形成してから接合する場合に比べて、歩留まり向上が期待できる。
【００１５】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成するものである。
これにより、保護膜を最適な条件で形成することができる。すなわち、基板を接合する前の単独の基板に対し保護膜を形成するため、保護膜形成時の成膜条件等が他の基板に与える影響を考慮することなく、最適な条件を選択して保護膜を形成することができる。
【００１６】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、保護膜が酸化膜であるものである。
保護膜として酸化膜を用いることが可能である。
【００１７】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、複数の基板が、互いに接合し合う基板に応じた接合方法で接合されているものである。
これにより、多層構造のノズル基板を容易に形成することができる。
【００１８】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、１層目の基板はシリコン基板であり、フォトリソグラフィー法を用いて所定部分をエッチング除去して対応のノズル部を形成するものである。
このようにフォトリソグラフィー法及びエッチングを用いることにより、吐出方向の内周面の真円度が高く、精度の高いノズル孔を形成することができる。
【００１９】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の何れかのノズル基板と、ノズル基板の複数のノズルそれぞれに連通して液滴を収容する複数の圧力室を有するキャビティ基板と、圧力室に液滴を飛翔させる圧力変化を与える圧力発生手段とを有するものである。
これにより、安定した液滴吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【００２０】
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドが搭載されているものである。
これにより、安定した液滴吐出特性を有する液滴吐出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明のノズル基板の製造方法で製造されたノズル基板を備える液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、静電駆動式のインクジェットヘッドについて図１及び図２を参照して説明する。なお、アクチュエータ（圧力発生手段）は静電駆動方式に限られたものではなく、その他の圧電素子や発熱素子等を利用する方式であってもよい。
【００２２】
図１は、本実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図２は、図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図である。なお、図１及び図２では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。
【００２３】
本実施の形態のインクジェットヘッド１０は、図１及び図２に示すように、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。
【００２４】
以下、各基板の構成を更に詳しく説明する。
ノズル基板１は、後述する製造方法により製造された多層構造を有し、例えば厚さが２８０μｍから６０μｍ程度を有している。ノズル基板１を構成する複数の基板のそれぞれには、基板毎にそれぞれ異なる内径のノズル部が基板面に対して垂直方向に貫通形成されている。そして、各基板を、ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように積層することによりノズル孔１１が形成されている。ここでは、第１層基板１ａと第２層基板１ｂとの２層構造を有し、第１層基板１ａに、吐出方向の先端側となる円筒状の第１ノズル部１１ａが形成されている。また、第２層基板１ｂに、第１ノズル部１１ａよりも大きい内径を有し、吐出方向の後端側となる円筒状の第２ノズル部１１ｂが形成されている。したがって、ノズル孔１１は、吐出方向の先端側から後端側に向けて開口断面が段階的に大きくなる２段の多段構造に形成されている。このように、ノズル孔１１を多段構造（ここでは２段構造）とすることにより、インク滴を吐出する際の直進性を向上させることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることが可能となる。
【００２５】
ここで、第１層基板１ａは、シリコン基板から作製されている。これは、上述したように、第１ノズル部１１ａには厳しい寸法精度が要求されることから、半導体製造プロセス（具体的にはフォトリソグラフィ法を用いたエッチングプロセス）を用いた加工を可能とするためである。また、第１ノズル部１１ａ以外のノズル部には、さほど精度が要求されないことから、第２層以降の基板には、シリコン基板に限られず任意の基板を選択可能であり、例えばＳＵＳ、Ｎｉ、ホウ珪酸ガラス、ドライフィルム、樹脂基板などが選択される。ここでは、第２層基板１ｂをＳＵＳ基板で構成するものとして以下の説明を行う。
【００２６】
また、ノズル基板１の第１層基板１ａの表面には、例えばＳｉＯ2 膜が耐インク膜（保護膜）１０４として熱酸化により形成されている。また、第２層基板１ｂは、ここではＳＵＳ基板を用いているため保護膜は不要であるが、第２層基板１ｂに用いられる基板に応じて適宜の保護膜が形成される。
【００２７】
キャビティ基板２は、シリコン基板から作製されている。このシリコン基板にウェットエッチングを施すことにより、インク流路の圧力室２１となる凹部２５、オリフィス２３となる凹部２６、及びリザーバ２４となる凹部２７が形成される。凹部２５は前記ノズル孔１１に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図２に示すようにノズル基板１とキャビティ基板２を接合した際、各凹部２５は圧力室２１を構成し、それぞれノズル孔１１に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス２３ともそれぞれ連通している。そして、圧力室２１（凹部２５）の底壁が振動板２２となっている。
【００２８】
凹部２６は、細溝状のオリフィス２３を構成し、この凹部２６を介して凹部２５（圧力室２１）と凹部２７（リザーバ２４）とが連通している。
凹部２７は、インク等の液状材料を貯留するためのものであり、各圧力室２１に共通のリザーバ（共通インク室）２４を構成する。そして、リザーバ２４（凹部２７）はそれぞれオリフィス２３を介して全ての圧力室２１に連通している。なお、オリフィス２３（凹部２６）は前記ノズル基板１の裏面（キャビティ基板２との接合側の面）に設けることもできる。また、リザーバ２４の底部には後述する電極基板３を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔３４を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
【００２９】
また、キャビティ基板２の全面には熱酸化やプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＳｉＯ2 やＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜等からなる絶縁膜２８が膜厚０．１μｍで施されている。この絶縁膜２８は、インクジェットヘッド１０を駆動させた時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
【００３０】
電極基板３は、例えば厚さ約１ｍｍのガラス基板から作製される。中でも、キャビティ基板２のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板３とキャビティ基板２を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板３とキャビティ基板２との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板３とキャビティ基板２を強固に接合することができるからである。なお、前記ノズル基板１も同様の理由から硼珪酸系のガラス基板を用いることができる。
【００３１】
電極基板３には、キャビティ基板２の各振動板２２に対向する面の位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。凹部３２は、エッチングにより深さ約０．３μｍで形成されている。そして、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる個別電極３１が、例えば０．１μｍの厚さでスパッタにより形成される。したがって、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップ（空隙）は、この凹部３２の深さ、個別電極３１及び振動板２２を覆う絶縁膜２８の厚さにより決まることになる。このギャップはインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響するため、高精度に形成される。
【００３２】
個別電極３１は、リード部３１ａと、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部３１ｂとを有する。端子部３１ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板２の末端部が開口された電極取り出し部３０内に露出している。
【００３３】
上述したように、ノズル基板１、キャビティ基板２及び電極基板３は、図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板２と電極基板３は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面（図２において上面）にノズル基板１が接着等により接合される。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材３５で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド１０の信頼性を高く保持することができる。
【００３４】
そして最後に、図２に簡略化して示すように、ドライバＩＣ等の駆動制御回路５が各個別電極３１の端子部３１ｂとキャビティ基板２上に設けられた共通電極２９とに前記フレキシブル配線基板（図示せず）を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。
【００３５】
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド１０の動作を説明する。
駆動制御回路５は、個別電極３１に電荷の供給及び停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極３１に例えば０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極３１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板２２は負に帯電し、個別電極３１と振動板２２間に静電気力（クーロン力）が発生する。したがって、この静電気力により振動板２２は個別電極３１に引き寄せられて撓む（変位する）。これによって圧力室２１の容積が増大する。そして、個別電極３１への電荷の供給を止めると振動板２２はその弾性力により元に戻り、その際、圧力室２１の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により圧力室２１内のインクの一部がインク滴としてノズル孔１１より吐出する。振動板２２が次に同様に変位すると、インクがリザーバ２４からオリフィス２３を通じて圧力室２１内に補給される。
【００３６】
本実施の形態のインクジェットヘッド１０は、前述したように、ノズル孔１１がノズル基板１の表面（吐出面）に対して垂直な筒状の第１ノズル部１１ａと、この第１ノズル部１１ａと同軸上に設けられ第１ノズル部１１ａよりも径の大きい第２ノズル部１１ｂとから構成されているため、インク滴をノズル孔１１の中心軸方向に真っ直ぐに吐出させることができ、きわめて安定した吐出特性を有する。
【００３７】
次に、このインクジェットヘッド１０の製造方法を図３〜図６を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るノズル基板を示す上面図、図４は、ノズル基板の製造工程を示す断面図（図３をＡ−Ａ線で切断した断面図）である。
【００３８】
（１）ノズル基板１の製造方法
以下、ノズル基板１の製造工程を、図４を用いて説明する。本例のノズル基板１の製造方法は、各ノズル部をそれぞれ別々の基板で形成し、これら各基板を接合することにより形成することに特徴を有するものであり、以下、具体的に説明する。
（Ａ）まず、第１層基板１ａとなるシリコン基板１００を用意し、熱酸化装置にセットし、酸化温度１０７５℃、酸化時間４時間、酸素と水蒸気の混合雰囲気中の条件で熱酸化処理を行い、シリコン基板１００の両面１００ａ、１００ｂに、膜厚１μｍのＳｉＯ2膜１０１ａ、１０１ｂを均一に成膜する。
（Ｂ）シリコン基板１００の一方の面１００ａにレジスト１０２をコーティングし、フォトリソグラフィにより、そのレジスト１０２から第１ノズル部１１ａに対応する部分１０２ａを除去し、レジストパターンを形成する。
（Ｃ）そして、そのレジストパターンをマスクとして、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）でエッチングし、ＳｉＯ2膜１０１ａから第１ノズル部１１ａに対応する部分１０３を開口する。このとき、他方の面１００ｂのＳｉＯ2膜１０１ｂもエッチングされ、完全に除去される。
【００３９】
（Ｄ）レジストパターンを硫酸洗浄などにより剥離する。
（Ｅ）ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ2膜１０１ａの開口１０３を介して、垂直に異方性ドライエッチングし、第１ノズル部１１ａを形成する。このように、シリコン基板１００に対する１回のドライエッチング工程で第１ノズル部１１ａを形成するため、従来の複数回のドライエッチングによる深掘りで形成する場合に比べて、精度良く第１ノズル部１１ａを形成することができる。なお、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、凹部４１ｃの側面方向にエッチングが進行しないように第１ノズル部１１ａの側面を保護するために使用し、ＳＦ6は、シリコン基板４１の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。なお、ここでは、Ｃ4Ｆ8 を２秒、ＳＦ6 を３．５秒で交互にエッチングするようにしている。
【００４０】
（Ｆ）シリコン基板１００の表面に残るＳｉＯ2膜１０１ａをフッ酸水溶液で除去する。
（Ｇ）そして、シリコン基板１００を再度熱酸化装置にセットし、ＳｉＯ2 膜を耐インク膜（保護膜）１０４として形成する。
以上により、第１層基板１ａが完成する。
【００４１】
（Ｈ）続いて、第２層基板１ｂとなるＳＵＳ基板１１０に、第２ノズル部１１ｂを形成する。第２ノズル部１１ｂは第１ノズル部１１ａに比べて精度要求が厳しくないことから、ここでは、プレス加工により第２ノズル部１１ｂを形成する。
【００４２】
（Ｉ）第１ノズル１１ａが形成された第１層基板１ａと、第２ノズル部１１ｂが形成された第２層基板１ｂとを接合する。接合方法は、接合される基板同士の接合に適した接合方法が選択されるものとする。ここでは、第１層基板１ａがシリコン基板、第２層基板１ｂがＳＵＳ基板であることから、表面活性接合により接合する。第１層基板１ａと第２層基板１ｂとを接合する際の位置合わせは、赤外線を用いた既存の位置合わせ方法や、ピンアライメント方法等により行う。
以上の工程を経ることにより、シリコン基板１００とＳＵＳ基板１１０とからノズル基板１が作製される。
【００４３】
なお、この例では、第２層基板１ｂをＳＵＳ基板としたため、ＳＵＳ基板に対する保護膜の形成工程を省略したが、第１層基板１ａと同様にシリコン基板で構成する場合には、第１層基板１ａと接合する前に保護膜を形成するものとする。
【００４４】
また、この例では、各層基板のそれぞれに対応のノズル部を形成した後に各層基板を接合するようにしたが、これに限られたものではなく、第２層基板１ｂに第２ノズル部１１ｂを形成した後、第１ノズル部１１ａが未形成の第１層基板１ａを接合し、その接合基板の第１層基板１ａに、第１ノズル部形成及び保護膜形成を行うようにしてもよい。この場合、第１層基板１ａを第２層基板１ｂで支持した状態で第１ノズル部１１ａを形成することができるため、ハンドリングが容易となる。したがって、各層基板にそれぞれ単独で対応のノズル部を形成してから接合する場合に比べて、歩留まり向上が期待できる。
【００４５】
（２）キャビティ基板２および電極基板３の製造方法
ここでは、電極基板３にシリコン基板１００を接合した後、そのシリコン基板１００からキャビティ基板２を製造する方法について図５、図６を参照して簡単に説明する。
【００４６】
電極基板３は以下のようにして製造される。
（Ａ）まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約１ｍｍのガラス基板３００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより凹部３２を形成する。なお、この凹部３２は個別電極３１の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極３１ごとに複数形成される。
そして、凹部３２の内部に、例えばスパッタによりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる個別電極３１を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔３４となる孔部３４ａを形成することにより、電極基板３が作製される。
【００４７】
（Ｂ）次に、厚さが例えば５２５μｍのシリコン基板２００の両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板２００の片面にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって厚さ０．１μｍのＳｉＯ2 膜（絶縁膜）２８を形成する。なお、シリコン基板２００を形成する前に、エッチングストップ技術を利用し振動板２２の厚みを高精度に形成するためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
【００４８】
（Ｃ）そして、このシリコン基板２００と、図５（Ａ）のように作製された電極基板３とを、例えば３６０℃に加熱し、シリコン基板２００に陽極を、電極基板３に陰極を接続して８００Ｖ程度の電圧を印加して陽極接合により接合する。
（Ｄ）シリコン基板２００と電極基板３とを陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基板２００をエッチングすることにより、シリコン基板２００の厚さを例えば１４０μｍになるまで薄板化する。
【００４９】
（Ｅ）次に、シリコン基板２００の上面（電極基板３が接合されている面と反対側の面）の全面にプラズマＣＶＤによって例えば厚さ１．５μｍのＴＥＯＳ膜を形成する。
そして、このＴＥＯＳ膜に、圧力室２１となる凹部２５およびリザーバ２４となる凹部２７を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のＴＥＯＳ膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板２００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、圧力室２１となる凹部２５およびリザーバ２４となる凹部２７を形成する。このとき、配線のための電極取り出し部３０となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図６（Ｅ）のウェットエッチングの工程では、例えば初めに３５重量％の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後３重量％の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板２２の面荒れを抑制することができる。
【００５０】
（Ｆ）シリコン基板２００のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングすることによりシリコン基板２００の上面に形成されているＴＥＯＳ膜を除去する。
（Ｇ）次に、シリコン基板２００の圧力室２１となる凹部２５等が形成された面に、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ2 膜（絶縁膜２８）を例えば厚さ０．１μｍで形成する。
（Ｈ）その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって電極取り出し部３０を開放する。また、電極基板３のインク供給孔３４となる孔部からレーザ加工を施してシリコン基板２００のリザーバ２４となる凹部２７の底部を貫通させ、インク供給孔３４を形成する。また、振動板２２と個別電極３１との間のギャップの開放端部をエポキシ樹脂等の封止材（図示せず）を充填することにより封止する。また、図１、図２に示すように共通電極２９がスパッタによりシリコン基板２００の上面（ノズル基板１との接合側の面）の端部に形成される。
【００５１】
以上により、電極基板３に接合した状態のシリコン基板２００からキャビティ基板２が作製される。
そして最後に、このキャビティ基板２に、前述のように作製されたノズル基板１を接着等により接合することにより、図２に示したインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。
【００５２】
このように、本実施の形態によれば、多段構造を有するノズル孔１の各段部分毎に、基板を分けたノズル基板構造としたので、各段の基板には、それぞれ直線状の貫通孔を形成すればよい。したがって、１枚の基板に対してノズル孔を多段に形成する場合と比べて、エッチングの深掘りが不要となり、ノズル孔、特に吐出口を有する第１ノズル部１１ａのノズル径精度を向上することが可能となる。すなわち、第１ノズル部１１ａは、フォトリソグラフィを用いて垂直に貫通形成されるため、吐出方向の内周面の真円度を高めることができ、高精度に形成できる。その結果、吐出時の飛行曲がりを低減することが可能なノズル基板１を提供することが可能となる。
【００５３】
また、ノズル基板１を、厳しい精度が要求される第１ノズル部１１ａを有する第１層基板１ａと、第２層以降の基板とを分けた構造としたことにより、第２層以降の基板に関しては、加工精度よりも生産性を優先し、量産に向いた加工方法を選択できる。これにより、ノズル基板１として必要とされる精度を満たしながらも、生産性向上を図ることが可能となる。
【００５４】
また、第２層以降の基板にＳＵＳ基板を用いた場合には、プレス加工でノズル部を形成することが可能であるため、多層構造のノズル基板１を容易に作製することが可能である。
【００５５】
また、吐出口を有する第１層基板１ａはシリコン基板で構成されるが、その他の第２層以降の基板に対してはシリコン基板に限定されず、他の基板を選択しても良いため、安価な素材を使用することで、コスト削減を図ることが可能となる。
【００５６】
また、各基板を接合する前に、必要に応じて基板に耐液滴性を有する保護膜を形成しているので、保護膜を最適な条件で形成することができる。すなわち、基板を接合する前の単独の基板に対し保護膜を形成するため、保護膜形成時の成膜条件等が他の基板に与える影響を考慮することなく、最適な条件を選択して保護膜を形成することができる。
【００５７】
また、各層基板を接合する際には、基板同士の接合に適した接合方法を選択するようにしているので、表面活性接合や陽極接合など接着剤を用いない接合を行うことができ、多層構造のノズル基板を容易に形成することができる。
【００５８】
また、本例のノズル基板１は、複数の基板を積層した構成とするとともに、第２層以降の基板の選択の幅が広がるため、ノズル基板１の厚さの自由度が増す。このため、例えば、仮にノズル基板１の厚さを厚くしたい場合、基板数を多くしたり、厚みが厚い基板を選択することにより対応することが可能である。一方、１枚の基板からノズル孔を形成する従来構造の場合、ノズル基板１の厚さが厚くなると、ノズル孔を深掘りする必要があり、精度面での問題が懸念されるが、本例のノズル基板構造の場合、このような不都合が生じない。
【００５９】
このような利点を有するノズル基板１を備えたインクジェットヘッド１０は、インク滴の飛翔方向のばらつきを抑え、インク滴の吐出方向をノズル孔１１の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮することができる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、ノズル基板１、キャビティ基板２及び電極基板３を備えた３層構造のインクジェットヘッドにおけるノズル基板の製造方法について説明したが、ノズル基板、リザーバ基板、キャビティ基板及び電極基板を備えた４層構造のインクジェットヘッド（例えば、特開平２００７−５０５２２号公報）におけるノズル基板の製造方法としても、本発明を適用できる。
【００６１】
また、上記の実施の形態では、ノズル基板１の構造及びその製造方法、並びにインクジェットヘッド及びその製造方法について述べたが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔１１より吐出される液状材料を変更することにより、図７に示すインクジェットプリンタ４００のほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、プリント配線基板製造装置にて製造する配線基板の配線部分の形成、生体液滴の吐出（プロテインチップやＤＮＡチップの製造）など、様々な用途の液滴吐出装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施の形態のノズル基板を備えたインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図２】図１のインクジェットヘッドの概略縦断面図。
【図３】本発明の実施の形態に係るノズル基板を示す上面図。
【図４】ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。
【図５】図４に続くインクジェットヘッドの製造工程の断面図。
【図６】図５に続くインクジェットヘッドの製造工程の断面図。
【図７】本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドを使用したインクジェットプリンタの斜視図。
【符号の説明】
【００６３】
１ ノズル基板、１ａ 第１層基板、１ｂ 第２層基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、５ 駆動制御回路、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１１ａ 第１ノズル部、１１ｂ 第２ノズル部、２１ 圧力室、２２ 振動板（圧力発生手段）、２８ 絶縁膜、２９ 共通電極、３１ 個別電極（圧力発生手段）、１００ シリコン基板、１１０ ＳＵＳ基板、４００ インクジェットプリンタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴を吐出するためのノズル孔を有するノズル基板、ノズル基板の製造方法、ノズル基板を備えた液滴吐出ヘッド及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、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基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する圧力室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により圧力室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まり、そのため高密度化並びに吐出性能の向上が強く要求されている。このような背景から、インクジェットヘッドのノズル部に関して、従来より様々な工夫、提案がなされている。
【０００３】
インク吐出特性を改善するためには、ノズル孔での流路抵抗を調整し、ノズル長さが最適な長さになるように基板の厚みを調整することが望ましい。また、ノズル形状を、全体として円筒状のノズル孔とするのではなく、径が異なる複数の孔を同一軸上に有する形状（例えば、径を異ならせた第１ノズル部と第２ノズル部とからなる２段ノズル形状）とし、ノズル孔に加わるインク圧力の方向をノズル軸線方向に揃えることで吐出特性を改善する方法もある。
【０００４】
このように、ノズル形状を２段ノズル形状としたり、ノズル長の調整を図るようにしたノズル基板の製造方法として、シリコン基板の一方の面側からＩＣＰ放電を用いた異方性ドライエッチングを行い、内径の異なる第１ノズル部と第２ノズル部とを形成してノズル孔を２段に形成した後、前記一方の面とは反対側の面より、第１ノズル部の先端が開口するまで研削加工するようにした方法（例えば、特許文献１参照）がある。
【特許文献１】特開２００７−２５３３９０号公報（図５〜図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、通常、吐出口を有する第１ノズル部に対しては厳しい精度が要求されているが、第２ノズル部に対してはさほど精度が要求されていない。しかしながら、特許文献１の技術では、２回のエッチングで深掘りして第１ノズル部を形成しているため、第１ノズル部の径精度が十分に得られないという問題があった。また、第１ノズル部が基板面に対して垂直に形成されなかった場合、インク吐出の飛行曲がりを招く可能性があった。さらに、研削加工により削られた面が吐出面となることから、エッチング精度に加えて研削加工精度も必要であり、仕上がりのノズル孔精度の向上が難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、製造工程を簡単化でき、高精度にノズル孔を形成することが可能な構造を有するノズル基板、その製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、ノズル基板の製造に要する製造工程簡単化が可能で、加工精度の高いノズル孔を形成することが可能なノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置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】
【０００８】
本発明に係るノズル基板は、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板であって、複数の基板を積層し接合した構成を有し、各基板には、それぞれ基板毎に異なる内径のノズル部が略垂直方向に貫通形成されており、ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように複数の基板が積層され、断面階段形状のノズル孔が形成されているものである。
このように、多段構造を有するノズル孔の各段部分毎に、基板を分けたノズル基板構造としたので、各段の基板には、それぞれ直線状の貫通孔を形成すればよい。したがって、１枚の基板に対し、ノズル孔を多段に形成する場合のエッチングの深掘りが不要となり、ノズル孔、特に吐出口を有するノズル部のノズル径精度を向上することが可能となる。すなわち、吐出方向の内周面の真円度を高めることができ、ノズル孔精度の向上が可能である。その結果、吐出時の飛行曲がりを低減することが可能なノズル基板を得ることができる。
【０００９】
また、本発明に係るノズル基板は、吐出方向の先端となる１層目の基板に、シリコン基板を用いたものである。
これにより、吐出口を有するノズル部を、フォトリソグラフィを用いて垂直に貫通形成できるため、吐出方向の内周面の真円度を高めることができ、精度向上に寄与する。
【００１０】
また、本発明に係るノズル基板は、１層目以外の層にＳＵＳ基板を用いたものである。
これにより、プレス加工を用いてノズル部の形成が可能となり、多層構造のノズル基板を容易に作製することが可能である。
【００１１】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、各基板のそれぞれに、対応のノズル部を貫通形成した後、ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように各基板を積層して接合するものである。
このように、各層の基板に、それぞれ段差の無い貫通孔を形成するので、１枚の基板に対してノズル孔を多段に形成する場合に比べて、ノズル孔の径精度を向上することができる。その結果、吐出時の飛行曲がりを低減することが可能なノズル基板を製造することが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成するものである。
これにより、保護膜を最適な条件で形成することができる。すなわち、基板を接合する前の単独の基板に対し保護膜を形成するため、保護膜形成時の成膜条件等が他の基板に与える影響を考慮することなく、最適な条件を選択して保護膜を形成することができる。
【００１３】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、保護膜は酸化膜であるものである。
保護膜として酸化膜を用いることが可能である。
【００１４】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、吐出方向の先端となる１層目以外の基板に、対応のノズル部を貫通形成した後、１層目の基板に接合し、その後、１層目の基板に、対応のノズル部を形成するものである。
これにより、１層目の基板を、２層目以降の基板で支持した状態で一層目のノズル部を形成することができるため、ハンドリングが容易となる。したがって、各基板にそれぞれ単独で対応のノズル部を形成してから接合する場合に比べて、歩留まり向上が期待できる。
【００１５】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成するものである。
これにより、保護膜を最適な条件で形成することができる。すなわち、基板を接合する前の単独の基板に対し保護膜を形成するため、保護膜形成時の成膜条件等が他の基板に与える影響を考慮することなく、最適な条件を選択して保護膜を形成することができる。
【００１６】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、保護膜が酸化膜であるものである。
保護膜として酸化膜を用いることが可能である。
【００１７】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、複数の基板が、互いに接合し合う基板に応じた接合方法で接合されているものである。
これにより、多層構造のノズル基板を容易に形成することができる。
【００１８】
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、上記の何れかのノズル基板の製造方法であって、１層目の基板はシリコン基板であり、フォトリソグラフィー法を用いて所定部分をエッチング除去して対応のノズル部を形成するものである。
このようにフォトリソグラフィー法及びエッチングを用いることにより、吐出方向の内周面の真円度が高く、精度の高いノズル孔を形成することができる。
【００１９】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の何れかのノズル基板と、ノズル基板の複数のノズルそれぞれに連通して液滴を収容する複数の圧力室を有するキャビティ基板と、圧力室に液滴を飛翔させる圧力変化を与える圧力発生手段とを有するものである。
これにより、安定した液滴吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【００２０】
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドが搭載されているものである。
これにより、安定した液滴吐出特性を有する液滴吐出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明のノズル基板の製造方法で製造されたノズル基板を備える液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、静電駆動式のインクジェットヘッドについて図１及び図２を参照して説明する。なお、アクチュエータ（圧力発生手段）は静電駆動方式に限られたものではなく、その他の圧電素子や発熱素子等を利用する方式であってもよい。
【００２２】
図１は、本実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図２は、図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図である。なお、図１及び図２では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。
【００２３】
本実施の形態のインクジェットヘッド１０は、図１及び図２に示すように、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。
【００２４】
以下、各基板の構成を更に詳しく説明する。
ノズル基板１は、後述する製造方法により製造された多層構造を有し、例えば厚さが２８０μｍから６０μｍ程度を有している。ノズル基板１を構成する複数の基板のそれぞれには、基板毎にそれぞれ異なる内径のノズル部が基板面に対して垂直方向に貫通形成されている。そして、各基板を、ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように積層することによりノズル孔１１が形成されている。ここでは、第１層基板１ａと第２層基板１ｂとの２層構造を有し、第１層基板１ａに、吐出方向の先端側となる円筒状の第１ノズル部１１ａが形成されている。また、第２層基板１ｂに、第１ノズル部１１ａよりも大きい内径を有し、吐出方向の後端側となる円筒状の第２ノズル部１１ｂが形成されている。したがって、ノズル孔１１は、吐出方向の先端側から後端側に向けて開口断面が段階的に大きくなる２段の多段構造に形成されている。このように、ノズル孔１１を多段構造（ここでは２段構造）とすることにより、インク滴を吐出する際の直進性を向上させることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることが可能となる。
【００２５】
ここで、第１層基板１ａは、シリコン基板から作製されている。これは、上述したように、第１ノズル部１１ａには厳しい寸法精度が要求されることから、半導体製造プロセス（具体的にはフォトリソグラフィ法を用いたエッチングプロセス）を用いた加工を可能とするためである。また、第１ノズル部１１ａ以外のノズル部には、さほど精度が要求されないことから、第２層以降の基板には、シリコン基板に限られず任意の基板を選択可能であり、例えばＳＵＳ、Ｎｉ、ホウ珪酸ガラス、ドライフィルム、樹脂基板などが選択される。ここでは、第２層基板１ｂをＳＵＳ基板で構成するものとして以下の説明を行う。
【００２６】
また、ノズル基板１の第１層基板１ａの表面には、例えばＳｉＯ2 膜が耐インク膜（保護膜）１０４として熱酸化により形成されている。また、第２層基板１ｂは、ここではＳＵＳ基板を用いているため保護膜は不要であるが、第２層基板１ｂに用いられる基板に応じて適宜の保護膜が形成される。
【００２７】
キャビティ基板２は、シリコン基板から作製されている。このシリコン基板にウェットエッチングを施すことにより、インク流路の圧力室２１となる凹部２５、オリフィス２３となる凹部２６、及びリザーバ２４となる凹部２７が形成される。凹部２５は前記ノズル孔１１に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図２に示すようにノズル基板１とキャビティ基板２を接合した際、各凹部２５は圧力室２１を構成し、それぞれノズル孔１１に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス２３ともそれぞれ連通している。そして、圧力室２１（凹部２５）の底壁が振動板２２となっている。
【００２８】
凹部２６は、細溝状のオリフィス２３を構成し、この凹部２６を介して凹部２５（圧力室２１）と凹部２７（リザーバ２４）とが連通している。
凹部２７は、インク等の液状材料を貯留するためのものであり、各圧力室２１に共通のリザーバ（共通インク室）２４を構成する。そして、リザーバ２４（凹部２７）はそれぞれオリフィス２３を介して全ての圧力室２１に連通している。なお、オリフィス２３（凹部２６）は前記ノズル基板１の裏面（キャビティ基板２との接合側の面）に設けることもできる。また、リザーバ２４の底部には後述する電極基板３を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔３４を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
【００２９】
また、キャビティ基板２の全面には熱酸化やプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＳｉＯ2 やＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜等からなる絶縁膜２８が膜厚０．１μｍで施されている。この絶縁膜２８は、インクジェットヘッド１０を駆動させた時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
【００３０】
電極基板３は、例えば厚さ約１ｍｍのガラス基板から作製される。中でも、キャビティ基板２のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板３とキャビティ基板２を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板３とキャビティ基板２との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板３とキャビティ基板２を強固に接合することができるからである。なお、前記ノズル基板１も同様の理由から硼珪酸系のガラス基板を用いることができる。
【００３１】
電極基板３には、キャビティ基板２の各振動板２２に対向する面の位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。凹部３２は、エッチングにより深さ約０．３μｍで形成されている。そして、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる個別電極３１が、例えば０．１μｍの厚さでスパッタにより形成される。したがって、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップ（空隙）は、この凹部３２の深さ、個別電極３１及び振動板２２を覆う絶縁膜２８の厚さにより決まることになる。このギャップはインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響するため、高精度に形成される。
【００３２】
個別電極３１は、リード部３１ａと、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部３１ｂとを有する。端子部３１ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板２の末端部が開口された電極取り出し部３０内に露出している。
【００３３】
上述したように、ノズル基板１、キャビティ基板２及び電極基板３は、図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板２と電極基板３は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面（図２において上面）にノズル基板１が接着等により接合される。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材３５で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド１０の信頼性を高く保持することができる。
【００３４】
そして最後に、図２に簡略化して示すように、ドライバＩＣ等の駆動制御回路５が各個別電極３１の端子部３１ｂとキャビティ基板２上に設けられた共通電極２９とに前記フレキシブル配線基板（図示せず）を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。
【００３５】
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド１０の動作を説明する。
駆動制御回路５は、個別電極３１に電荷の供給及び停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極３１に例えば０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極３１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板２２は負に帯電し、個別電極３１と振動板２２間に静電気力（クーロン力）が発生する。したがって、この静電気力により振動板２２は個別電極３１に引き寄せられて撓む（変位する）。これによって圧力室２１の容積が増大する。そして、個別電極３１への電荷の供給を止めると振動板２２はその弾性力により元に戻り、その際、圧力室２１の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により圧力室２１内のインクの一部がインク滴としてノズル孔１１より吐出する。振動板２２が次に同様に変位すると、インクがリザーバ２４からオリフィス２３を通じて圧力室２１内に補給される。
【００３６】
本実施の形態のインクジェットヘッド１０は、前述したように、ノズル孔１１がノズル基板１の表面（吐出面）に対して垂直な筒状の第１ノズル部１１ａと、この第１ノズル部１１ａと同軸上に設けられ第１ノズル部１１ａよりも径の大きい第２ノズル部１１ｂとから構成されているため、インク滴をノズル孔１１の中心軸方向に真っ直ぐに吐出させることができ、きわめて安定した吐出特性を有する。
【００３７】
次に、このインクジェットヘッド１０の製造方法を図３〜図６を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態に係るノズル基板を示す上面図、図４は、ノズル基板の製造工程を示す断面図（図３をＡ−Ａ線で切断した断面図）である。
【００３８】
（１）ノズル基板１の製造方法
以下、ノズル基板１の製造工程を、図４を用いて説明する。本例のノズル基板１の製造方法は、各ノズル部をそれぞれ別々の基板で形成し、これら各基板を接合することにより形成することに特徴を有するものであり、以下、具体的に説明する。
（Ａ）まず、第１層基板１ａとなるシリコン基板１００を用意し、熱酸化装置にセットし、酸化温度１０７５℃、酸化時間４時間、酸素と水蒸気の混合雰囲気中の条件で熱酸化処理を行い、シリコン基板１００の両面１００ａ、１００ｂに、膜厚１μｍのＳｉＯ2膜１０１ａ、１０１ｂを均一に成膜する。
（Ｂ）シリコン基板１００の一方の面１００ａにレジスト１０２をコーティングし、フォトリソグラフィにより、そのレジスト１０２から第１ノズル部１１ａに対応する部分１０２ａを除去し、レジストパターンを形成する。
（Ｃ）そして、そのレジストパターンをマスクとして、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）でエッチングし、ＳｉＯ2膜１０１ａから第１ノズル部１１ａに対応する部分１０３を開口する。このとき、他方の面１００ｂのＳｉＯ2膜１０１ｂもエッチングされ、完全に除去される。
【００３９】
（Ｄ）レジストパターンを硫酸洗浄などにより剥離する。
（Ｅ）ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ2膜１０１ａの開口１０３を介して、垂直に異方性ドライエッチングし、第１ノズル部１１ａを形成する。このように、シリコン基板１００に対する１回のドライエッチング工程で第１ノズル部１１ａを形成するため、従来の複数回のドライエッチングによる深掘りで形成する場合に比べて、精度良く第１ノズル部１１ａを形成することができる。なお、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、凹部４１ｃの側面方向にエッチングが進行しないように第１ノズル部１１ａの側面を保護するために使用し、ＳＦ6は、シリコン基板４１の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。なお、ここでは、Ｃ4Ｆ8 を２秒、ＳＦ6 を３．５秒で交互にエッチングするようにしている。
【００４０】
（Ｆ）シリコン基板１００の表面に残るＳｉＯ2膜１０１ａをフッ酸水溶液で除去する。
（Ｇ）そして、シリコン基板１００を再度熱酸化装置にセットし、ＳｉＯ2 膜を耐インク膜（保護膜）１０４として形成する。
以上により、第１層基板１ａが完成する。
【００４１】
（Ｈ）続いて、第２層基板１ｂとなるＳＵＳ基板１１０に、第２ノズル部１１ｂを形成する。第２ノズル部１１ｂは第１ノズル部１１ａに比べて精度要求が厳しくないことから、ここでは、プレス加工により第２ノズル部１１ｂを形成する。
【００４２】
（Ｉ）第１ノズル１１ａが形成された第１層基板１ａと、第２ノズル部１１ｂが形成された第２層基板１ｂとを接合する。接合方法は、接合される基板同士の接合に適した接合方法が選択されるものとする。ここでは、第１層基板１ａがシリコン基板、第２層基板１ｂがＳＵＳ基板であることから、表面活性接合により接合する。第１層基板１ａと第２層基板１ｂとを接合する際の位置合わせは、赤外線を用いた既存の位置合わせ方法や、ピンアライメント方法等により行う。
以上の工程を経ることにより、シリコン基板１００とＳＵＳ基板１１０とからノズル基板１が作製される。
【００４３】
なお、この例では、第２層基板１ｂをＳＵＳ基板としたため、ＳＵＳ基板に対する保護膜の形成工程を省略したが、第１層基板１ａと同様にシリコン基板で構成する場合には、第１層基板１ａと接合する前に保護膜を形成するものとする。
【００４４】
また、この例では、各層基板のそれぞれに対応のノズル部を形成した後に各層基板を接合するようにしたが、これに限られたものではなく、第２層基板１ｂに第２ノズル部１１ｂを形成した後、第１ノズル部１１ａが未形成の第１層基板１ａを接合し、その接合基板の第１層基板１ａに、第１ノズル部形成及び保護膜形成を行うようにしてもよい。この場合、第１層基板１ａを第２層基板１ｂで支持した状態で第１ノズル部１１ａを形成することができるため、ハンドリングが容易となる。したがって、各層基板にそれぞれ単独で対応のノズル部を形成してから接合する場合に比べて、歩留まり向上が期待できる。
【００４５】
（２）キャビティ基板２および電極基板３の製造方法
ここでは、電極基板３にシリコン基板１００を接合した後、そのシリコン基板１００からキャビティ基板２を製造する方法について図５、図６を参照して簡単に説明する。
【００４６】
電極基板３は以下のようにして製造される。
（Ａ）まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約１ｍｍのガラス基板３００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより凹部３２を形成する。なお、この凹部３２は個別電極３１の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極３１ごとに複数形成される。
そして、凹部３２の内部に、例えばスパッタによりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる個別電極３１を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔３４となる孔部３４ａを形成することにより、電極基板３が作製される。
【００４７】
（Ｂ）次に、厚さが例えば５２５μｍのシリコン基板２００の両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板２００の片面にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって厚さ０．１μｍのＳｉＯ2 膜（絶縁膜）２８を形成する。なお、シリコン基板２００を形成する前に、エッチングストップ技術を利用し振動板２２の厚みを高精度に形成するためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
【００４８】
（Ｃ）そして、このシリコン基板２００と、図５（Ａ）のように作製された電極基板３とを、例えば３６０℃に加熱し、シリコン基板２００に陽極を、電極基板３に陰極を接続して８００Ｖ程度の電圧を印加して陽極接合により接合する。
（Ｄ）シリコン基板２００と電極基板３とを陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基板２００をエッチングすることにより、シリコン基板２００の厚さを例えば１４０μｍになるまで薄板化する。
【００４９】
（Ｅ）次に、シリコン基板２００の上面（電極基板３が接合されている面と反対側の面）の全面にプラズマＣＶＤによって例えば厚さ１．５μｍのＴＥＯＳ膜を形成する。
そして、このＴＥＯＳ膜に、圧力室２１となる凹部２５およびリザーバ２４となる凹部２７を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のＴＥＯＳ膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板２００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、圧力室２１となる凹部２５およびリザーバ２４となる凹部２７を形成する。このとき、配線のための電極取り出し部３０となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図６（Ｅ）のウェットエッチングの工程では、例えば初めに３５重量％の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後３重量％の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板２２の面荒れを抑制することができる。
【００５０】
（Ｆ）シリコン基板２００のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングすることによりシリコン基板２００の上面に形成されているＴＥＯＳ膜を除去する。
（Ｇ）次に、シリコン基板２００の圧力室２１となる凹部２５等が形成された面に、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ2 膜（絶縁膜２８）を例えば厚さ０．１μｍで形成する。
（Ｈ）その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって電極取り出し部３０を開放する。また、電極基板３のインク供給孔３４となる孔部からレーザ加工を施してシリコン基板２００のリザーバ２４となる凹部２７の底部を貫通させ、インク供給孔３４を形成する。また、振動板２２と個別電極３１との間のギャップの開放端部をエポキシ樹脂等の封止材（図示せず）を充填することにより封止する。また、図１、図２に示すように共通電極２９がスパッタによりシリコン基板２００の上面（ノズル基板１との接合側の面）の端部に形成される。
【００５１】
以上により、電極基板３に接合した状態のシリコン基板２００からキャビティ基板２が作製される。
そして最後に、このキャビティ基板２に、前述のように作製されたノズル基板１を接着等により接合することにより、図２に示したインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。
【００５２】
このように、本実施の形態によれば、多段構造を有するノズル孔１の各段部分毎に、基板を分けたノズル基板構造としたので、各段の基板には、それぞれ直線状の貫通孔を形成すればよい。したがって、１枚の基板に対してノズル孔を多段に形成する場合と比べて、エッチングの深掘りが不要となり、ノズル孔、特に吐出口を有する第１ノズル部１１ａのノズル径精度を向上することが可能となる。すなわち、第１ノズル部１１ａは、フォトリソグラフィを用いて垂直に貫通形成されるため、吐出方向の内周面の真円度を高めることができ、高精度に形成できる。その結果、吐出時の飛行曲がりを低減することが可能なノズル基板１を提供することが可能となる。
【００５３】
また、ノズル基板１を、厳しい精度が要求される第１ノズル部１１ａを有する第１層基板１ａと、第２層以降の基板とを分けた構造としたことにより、第２層以降の基板に関しては、加工精度よりも生産性を優先し、量産に向いた加工方法を選択できる。これにより、ノズル基板１として必要とされる精度を満たしながらも、生産性向上を図ることが可能となる。
【００５４】
また、第２層以降の基板にＳＵＳ基板を用いた場合には、プレス加工でノズル部を形成することが可能であるため、多層構造のノズル基板１を容易に作製することが可能である。
【００５５】
また、吐出口を有する第１層基板１ａはシリコン基板で構成されるが、その他の第２層以降の基板に対してはシリコン基板に限定されず、他の基板を選択しても良いため、安価な素材を使用することで、コスト削減を図ることが可能となる。
【００５６】
また、各基板を接合する前に、必要に応じて基板に耐液滴性を有する保護膜を形成しているので、保護膜を最適な条件で形成することができる。すなわち、基板を接合する前の単独の基板に対し保護膜を形成するため、保護膜形成時の成膜条件等が他の基板に与える影響を考慮することなく、最適な条件を選択して保護膜を形成することができる。
【００５７】
また、各層基板を接合する際には、基板同士の接合に適した接合方法を選択するようにしているので、表面活性接合や陽極接合など接着剤を用いない接合を行うことができ、多層構造のノズル基板を容易に形成することができる。
【００５８】
また、本例のノズル基板１は、複数の基板を積層した構成とするとともに、第２層以降の基板の選択の幅が広がるため、ノズル基板１の厚さの自由度が増す。このため、例えば、仮にノズル基板１の厚さを厚くしたい場合、基板数を多くしたり、厚みが厚い基板を選択することにより対応することが可能である。一方、１枚の基板からノズル孔を形成する従来構造の場合、ノズル基板１の厚さが厚くなると、ノズル孔を深掘りする必要があり、精度面での問題が懸念されるが、本例のノズル基板構造の場合、このような不都合が生じない。
【００５９】
このような利点を有するノズル基板１を備えたインクジェットヘッド１０は、インク滴の飛翔方向のばらつきを抑え、インク滴の吐出方向をノズル孔１１の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮することができる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、ノズル基板１、キャビティ基板２及び電極基板３を備えた３層構造のインクジェットヘッドにおけるノズル基板の製造方法について説明したが、ノズル基板、リザーバ基板、キャビティ基板及び電極基板を備えた４層構造のインクジェットヘッド（例えば、特開平２００７−５０５２２号公報）におけるノズル基板の製造方法としても、本発明を適用できる。
【００６１】
また、上記の実施の形態では、ノズル基板１の構造及びその製造方法、並びにインクジェットヘッド及びその製造方法について述べたが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔１１より吐出される液状材料を変更することにより、図７に示すインクジェットプリンタ４００のほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、プリント配線基板製造装置にて製造する配線基板の配線部分の形成、生体液滴の吐出（プロテインチップやＤＮＡチップの製造）など、様々な用途の液滴吐出装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施の形態のノズル基板を備えたインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図２】図１のインクジェットヘッドの概略縦断面図。
【図３】本発明の実施の形態に係るノズル基板を示す上面図。
【図４】ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。
【図５】図４に続くインクジェットヘッドの製造工程の断面図。
【図６】図５に続くインクジェットヘッドの製造工程の断面図。
【図７】本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドを使用したインクジェットプリンタの斜視図。
【符号の説明】
【００６３】
１ ノズル基板、１ａ 第１層基板、１ｂ 第２層基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、５ 駆動制御回路、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１１ａ 第１ノズル部、１１ｂ 第２ノズル部、２１ 圧力室、２２ 振動板（圧力発生手段）、２８ 絶縁膜、２９ 共通電極、３１ 個別電極（圧力発生手段）、１００ シリコン基板、１１０ ＳＵＳ基板、４００ インクジェットプリンタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板であって、
複数の基板を積層し接合した構成を有し、前記各基板には、それぞれ基板毎に異なる内径のノズル部が略垂直方向に貫通形成されており、前記ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように前記複数の基板が積層され、断面階段形状のノズル孔が形成されていることを特徴とするノズル基板。
【請求項２】
吐出方向の先端となる１層目の基板に、シリコン基板を用いることを特徴とする請求項１記載のノズル基板。
【請求項３】
前記１層目以外の層にＳＵＳ基板を用いることを特徴とする請求項２記載のノズル基板。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノズル基板の製造方法であって、
前記各基板のそれぞれに、対応のノズル部を貫通形成した後、前記ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように前記各基板を積層して接合することを特徴とするノズル基板の製造方法。
【請求項５】
前記各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成することを特徴とする請求項４記載のノズル基板の製造方法。
【請求項６】
前記保護膜は酸化膜であることを特徴とする請求項５記載のノズル基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノズル基板の製造方法であって、
吐出方向の先端となる１層目以外の基板に、対応のノズル部を貫通形成した後、前記１層目の基板に接合し、その後、前記１層目の基板に、対応のノズル部を形成することを特徴とするノズル基板の製造方法。
【請求項８】
前記各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成することを特徴とする請求項７記載のノズル基板の製造方法。
【請求項９】
前記保護膜は酸化膜であることを特徴とする請求項８記載のノズル基板の製造方法。
【請求項１０】
前記複数の基板は、互いに接合し合う基板に応じた接合方法で接合されていることを特徴とする請求項４乃至請求項９の何れかに記載のノズル基板の製造方法。
【請求項１１】
前記１層目の基板はシリコン基板であり、フォトリソグラフィー法を用いて所定部分をエッチング除去して対応のノズル部を形成することを特徴とする請求項４乃至請求項１０の何れかに記載のノズル基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノズル基板と、該ノズル基板の前記複数のノズルそれぞれに連通して液滴を収容する複数の圧力室を有するキャビティ基板と、該圧力室に液滴を飛翔させる圧力変化を与える圧力発生手段とを有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１３】
請求項１２記載の液滴吐出ヘッドが搭載されていることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項１】
液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板であって、
複数の基板を積層し接合した構成を有し、前記各基板には、それぞれ基板毎に異なる内径のノズル部が略垂直方向に貫通形成されており、前記ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように前記複数の基板が積層され、断面階段形状のノズル孔が形成されていることを特徴とするノズル基板。
【請求項２】
吐出方向の先端となる１層目の基板に、シリコン基板を用いることを特徴とする請求項１記載のノズル基板。
【請求項３】
前記１層目以外の層にＳＵＳ基板を用いることを特徴とする請求項２記載のノズル基板。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノズル基板の製造方法であって、
前記各基板のそれぞれに、対応のノズル部を貫通形成した後、前記ノズル部の内径が吐出方向後端側に向かって徐々に大きくなるように前記各基板を積層して接合することを特徴とするノズル基板の製造方法。
【請求項５】
前記各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成することを特徴とする請求項４記載のノズル基板の製造方法。
【請求項６】
前記保護膜は酸化膜であることを特徴とする請求項５記載のノズル基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノズル基板の製造方法であって、
吐出方向の先端となる１層目以外の基板に、対応のノズル部を貫通形成した後、前記１層目の基板に接合し、その後、前記１層目の基板に、対応のノズル部を形成することを特徴とするノズル基板の製造方法。
【請求項８】
前記各基板のうち、シリコン基板で形成された基板に対しては、接合する前に耐液滴性を有する保護膜を形成することを特徴とする請求項７記載のノズル基板の製造方法。
【請求項９】
前記保護膜は酸化膜であることを特徴とする請求項８記載のノズル基板の製造方法。
【請求項１０】
前記複数の基板は、互いに接合し合う基板に応じた接合方法で接合されていることを特徴とする請求項４乃至請求項９の何れかに記載のノズル基板の製造方法。
【請求項１１】
前記１層目の基板はシリコン基板であり、フォトリソグラフィー法を用いて所定部分をエッチング除去して対応のノズル部を形成することを特徴とする請求項４乃至請求項１０の何れかに記載のノズル基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノズル基板と、該ノズル基板の前記複数のノズルそれぞれに連通して液滴を収容する複数の圧力室を有するキャビティ基板と、該圧力室に液滴を飛翔させる圧力変化を与える圧力発生手段とを有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１３】
請求項１２記載の液滴吐出ヘッドが搭載されていることを特徴とする液滴吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２９７９４１（Ｐ２００９−２９７９４１Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５２６８６（Ｐ２００８−１５２６８６）
【出願日】平成２０年６月１１日（２００８．６．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１１日（２００８．６．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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