JPH111000A

JPH111000A - ノズルプレートの製造方法、インクジェットヘッド、ノズルプレート及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JPH111000A
Application number: JP4840498A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kamisuke; 真一紙透
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】オリフィスの流体抵抗を低減することによ
り、インクジェットヘッドを高密度化しても必要なイン
ク滴の吐出量を確保することのできるフェイスイジェク
ト型のインクジェットヘッドに用いるノズルプレートを
提供する。【解決手段】（１１０）面方位の単結晶シリコン基板５
００の少なくとも両面に耐エッチング被膜５０２を形成
する第１の工程と、オリフィス用凹部を形成するための
第１の開口部５１０をこの耐エッチング被膜に形成する
第２の工程と、この第１の開口部の所定部分に所定の未
貫通孔５１２を形成する第３の工程と、この未貫通孔の
形成された単結晶シリコン基板の湿式エッチングを行う
ことによりオリフィス用凹部１１０を形成する第４の工
程と、をこの順序で実施するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェットヘッ
ドに用いられているノズルプレートの製造方法、インク
ジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録装置に用いられるイ
ンクジェットヘッドには、インクジェットヘッド基板の
端部に形成されたノズル孔よりインク滴を吐出するエッ
ジイジェクト型のものと、インクジェットヘッド基板の
表面に形成されたノズル孔よりインク滴を吐出するフェ
イスエジェクト型のものがある。このうちフェイスイジ
ェクト型のインクジェットヘッドは、構造上ノズル孔を
多数配設することができるため、エッジイジェクト型の
インクジェットヘッドに比べて高密度化が可能であり、
高解像度・高速印刷により適している。

【０００３】このフェイスイジェクト型のインクジェッ
トヘッドに用いるノズルプレートとしては、ステンレス
基板に放電加工を施したものが実用化されているが、さ
らなる高密度化のために単結晶シリコン基板にプラズマ
エッチング加工を施したものが研究されている。

【０００４】このフェイスイジェクト型のインクジェッ
トヘッドは、例えば、特開平５−５０６０１号公報（８
欄４１行目〜９欄５行目）及び特開平６−７１８８２号
公報（１０欄７行目〜１１欄２行目）に開示されてい
る。

【０００５】一方、フェイスイジェクト型のインクジェ
ットヘッドのうちノズルプレートに単結晶シリコン基板
を用いたものは、アルカリを用いた異方性湿式エッチン
グ加工を施すことが可能となるため、このノズルプレー
トにオリフィス用凹部を形成することも可能となる。な
お、ここでいうオリフィスとは、インクを加圧するため
の複数のインク室とインク室へインクを供給する共通の
インクリザーバとを連結するインク流路のことである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように単結晶シリコン基板にアルカリを用いた異方性湿
式エッチング加工を施して形成されるオリフィス用凹部
は、異方性エッチング工程でエッチングレートの異方性
による影響を受けるため、図１に示したように三角の断
面形状となり必然的に浅いものとなってしまう。そのた
め、インクジェットヘッドを高密度化するに従って容積
が急激に減少し、これにより流体抵抗が急激に増大し、
インク滴の吐出量が減少し、必要な吐出量を得るのが困
難であるという課題があった。

【０００７】一方、単結晶シリコン基板にプラズマエッ
チング加工を施してノズルプレートを形成する方法は、
単結晶シリコン基板表面に対して垂直な壁面を有するノ
ズル孔を再現性よく形成するためには、プラズマエッチ
ング装置の真空チャンバ内の堆積物を除去するクリーニ
ングや真空ポンプのメンテナンス等を頻繁に行って常に
プラズマエッチング装置を一定の状態に維持する必要が
あるが、プラズマエッチング加工を行うのは長時間要す
るので、現実的にはこれを完全に行うのは困難であり、
その結果ノズル孔の垂直性を担保するのが困難であると
いう課題があった。また、単結晶シリコン基板にプラズ
マエッチング加工を施してノズルプレートを形成する方
法は、プラズマエッチング装置が高価格で処理能力が低
いことから、ノズルプレートの大量生産をするうえで障
害となるという課題があった。

【０００８】また一方、ノズル孔の形成をプラズマエッ
チング加工により行い、オリフィス用凹部の形成をアル
カリを用いた異方性湿式エッチング加工により行う場合
には、１）ノズル孔の形成を先に行う場合には、その後
のアルカリを用いた異方性湿式エッチング加工工程でノ
ズルが余計にエッチングされることのないようにノズル
孔の部分に無欠陥の耐エッチング皮膜形成を行う必要が
あるが、ノズル孔は基板表面に対して垂直に近い形状の
部分を有するため、エッジ部分に無欠陥の耐エッチング
皮膜形成を確実に行うのが困難であるのでノズル孔形状
が変形してしまう（たとえ無欠陥の耐エッチング皮膜が
形成できたとしてもその耐エッチング皮膜にオリフィス
用凹部形成用の高精度なパターニングを行うことは非常
に困難である）という課題があり、２）オリフィス用凹
部の加工を先に行う場合には、深いオリフィス用凹部の
エッジ部分に無欠陥の耐エッチング皮膜形成を確実に行
うのが困難であるためオリフィス用凹部形状が変形して
しまう（たとえ無欠陥の耐エッチング皮膜が形成できた
としても、その耐エッチング皮膜にノズル孔形成用の高
精度なパターニングを行うことは非常に困難である）と
いう課題があった。

【０００９】そこで、本発明は、上記したような課題を
解決するもので、その目的とするところは、１）オリフ
ィスの流体抵抗を低減することにより、インクジェット
ヘッドを高密度化しても必要なインク滴の吐出量を確保
することのできるフェイスイジェクト型のインクジェッ
トヘッドに用いるノズルプレートを提供することにあ
り、２）ノズル孔の垂直性が担保されたフェイスイジェ
クト型のインクジェットヘッドに用いるノズルプレート
を効率よく製造する方法を提供し、３）ノズル孔及びオ
リフィス用凹部の形成をともに同じ加工工程で行うこと
により、ノズル孔及びオリフィス用凹部の形成を異なる
加工工程で行うことによる上記した課題をすべて解決す
ることのできるフェイスイジェクト型のインクジェット
ヘッドに用いるノスルプレートの製造方法を提供するこ
とにある。

【００１０】また、そのようにして製造されたノズルプ
レートを備えた優れたフェイスイジェクト型のインクジ
ェットヘッドを提供することにあり、そのようなインク
ジェットヘッドを備えた優れたインクジェット記録装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１のノズルプレー
トの製造方法は、（１１０）面方位の単結晶シリコン基
板の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成する第１
の工程と、オリフィス用凹部を形成するための第１の開
口部をこの耐エッチング被膜に形成する第２の工程と、
第１の開口部の所定部分に所定の未貫通孔を形成する第
３の工程と、この未貫通孔の形成された単結晶シリコン
基板の湿式エッチングを行うことによりオリフィス用凹
部を形成する第４の工程と、をこの順序で有することを
特徴とする。

【００１２】このため、請求項１の方法は、所定の未貫
通孔の存在により、異方性エッチング工程でエッチング
レートの異方性による悪影響を克服できるので、図２に
示したように深いオリフィス用凹部を形成することが可
能となる。このため、オリフィスの流体抵抗を低減する
ことが可能となり、インクジェットヘッドを高密度化す
るに従ってオリフィスの容積が急激に減少するのを緩和
することができ、必要なインク滴の吐出量を確保するこ
とができる。

【００１３】請求項２のノズルプレートの製造方法は、
（１１０）面方位の単結晶シリコン基板の少なくとも両
面に耐エッチング被膜を形成する第１の工程と、ノズル
孔を形成するための第２の開口部をこの耐エッチング被
膜に形成する第２の工程と、第２の開口部の所定部分に
所定の未貫通孔を形成する第３の工程と、この未貫通孔
の形成された単結晶シリコン基板の湿式エッチングを行
うことによりノズル孔を形成する第４の工程と、をこの
順序で有することを特徴とする。

【００１４】このため、請求項２の方法は、所定の未
貫通孔の存在により、異方性エッチング工程でエッチン
グレートの異方性による悪影響を克服できるので、アル
カリを用いた異方性湿式エッチング加工を用いて深く垂
直な孔を開けることが可能となる。このため、プラズマ
エッチング加工を用いる必要がなくなり、ノズル孔の垂
直性が担保されたノズルプレートを効率よく製造するこ
とができる。

【００１５】請求項３のノズルプレートの製造方法は、
（１１０）面方位の単結晶シリコン基板の少なくとも両
面に耐エッチング被膜を形成する第１の工程と、オリフ
ィス用凹部を形成するための第１の開口部及びノズル孔
を形成するための第２の開口部をこの耐エッチング被膜
に形成する第２の工程と、第１及び第２の開口部の所定
部分に所定の未貫通孔を形成する第３の工程と、この未
貫通孔の形成された単結晶シリコン基板の湿式エッチン
グを行うことによりオリフィス用凹部及びノズル孔を形
成する第４の工程と、をこの順序で有することを特徴と
する。

【００１６】このため、請求項３の方法は、請求項１の
方法の効果と請求項２の方法の効果を合わせ持つと同時
に、ノズル孔及びオリフィス用凹部の形成を異なる加工
工程で行うことによる課題、すなわち、ノズル孔又はオ
リフィス用凹部の形状が変形してしまうという課題を解
決することができる。

【００１７】請求項４のノズルプレートの製造方法は、
請求項１乃至３のいずれかに記載のノズルプレートの製
造方法において、１）第１の開口部及び／又は第２の開
口部を形成するとともに、ノズル表面側凹部を形成する
ための第３の開口部を耐エッチング被膜に形成して第２
の工程を実施することを特徴とする。

【００１８】このため、請求項４の方法は、請求項１乃
至３の方法が有する効果に加えて、ノズル表面側凹部の
存在により、ノズルプレートの厚みをある程度厚くする
ことができ、そのためノズルプレートの強度を増大させ
ることができるという効果を有する。

【００１９】請求項５のノズルプレートの製造方法は、
請求項１乃至４のいずれかに記載のノズルプレートの製
造方法において、第２の工程と第３の工程との間に湿式
エッチングを実施することを特徴とする。

【００２０】このため、請求項５の方法は、所定の未貫
通孔の被加工部があらかじめ一定量加工されているた
め、第３の工程における未貫通孔の加工時間が短縮でき
るという効果を有する。

【００２１】請求項６のノズルプレートの製造方法は、
請求項１乃至５のいずれかに記載のノズルプレートの製
造方法において、レーザ加工法を用いて第３の工程を実
施することを特徴とする。

【００２２】このため、請求項６の方法は所定の未貫通
孔の形成を高速で行うことができるという効果を有す
る。

【００２３】請求項７のノズルプレートの製造方法は、
請求項６に記載のノズルプレートの製造方法において、
未貫通孔の深さがノズル孔の長さよりも大きくなるよう
に第３の工程を実施することを特徴とする。

【００２４】このため、請求項７の方法は、未貫通孔の
加工において一定量以上の加工ができればよいので、深
さ精度に関して厳しい精度を要求しない。すなわち、加
工深さ精度が良好でない加工方法、特にはレーザ加工法
を用いることができるという効果を有する。

【００２５】請求項８のノズルプレートの製造方法は、
請求項６に記載のノズルプレートの製造方法において、
未貫通孔の周囲に形成される結晶溶融部分の厚みと未貫
通孔の深さの和がノズル孔の長さよりも大きくなるよう
に第３の工程を実施することを特徴とする。

【００２６】このため、請求項８の方法は、レーザ加工
において発生する結晶溶融部分の厚みも含めて一定量以
上の加工をすればよいので、レーザ加工における加工量
を低減させることができるという効果を有する。

【００２７】請求項９のノズルプレートの製造方法は、
請求項１乃至５のいずれかに記載のノズルプレートの製
造方法において、プラズマエッチング加工法を用いて第
３の工程を実施することを特徴とする。

【００２８】このため、請求項９の方法は所定の未貫通
孔の形成を高速で行うことができるという効果を有す
る。プラズマエッチング加工法を用いて高精度（高垂直
性）なノズル孔自体を加工することには、前述したよう
に様々な困難が存在するが、未貫通孔の形成は高精度で
行う必要がないため、高エッチレートの加工条件で加工
を行うことができる（プラズマエッチング加工法におい
ては、高エッチレートと高精度の両立は困難である）。

【００２９】請求項１０のノズルプレートの製造方法
は、請求項９に記載のノズルプレートの製造方法におい
て、未貫通孔の深さがノズル孔の長さよりも大きくなる
ように第３の工程を実施することを特徴とする。

【００３０】このため、請求項１０の方法は未貫通孔の
加工において一定量以上の加工ができればよいので、深
さ精度に関して厳しい精度を要求しない。すなわち、加
工深さ精度が良好でない加工条件でも加工できるという
効果を有する。プラズマエッチング加工法を用いて深さ
に関して高精度な加工することには様々な困難が存在す
るが、未貫通孔の形成は高精度で行う必要がないため、
加工条件のマージンが広くとれるという効果を有する。

【００３１】請求項１１のノズルプレートの製造方法
は、請求項１乃至１０のいずれかに記載のノズルプレー
トの製造方法において、前記（１１０）面方位の単結晶
シリコン基板に代えて、（１１０）面方位の単結晶シリ
コン基板のＳＯＩ基板を用いたことを特徴とする。

【００３２】このため、請求項１１の方法は、ノズル長
さをＳＯＩ基板の活性層の厚みと等しくすることが容易
であり、すなわち、ノズル長さを高精度とすることがで
きるという効果を有する。

【００３３】請求項１２のノズルプレートの製造方法
は、（１１０）面方位の単結晶シリコン基板の少なくと
も両面に耐エッチング被膜を形成する第１の工程と、第
１のノズル孔を形成するための第４の開口部及び第２の
ノズル孔を形成するための窪み部を前記耐エッチング被
膜に形成する第２の工程と、第４の開口部の所定部分に
所定の未貫通孔を形成する第３の工程と、この未貫通孔
の形成された単結晶シリコン基板の湿式エッチングを行
うことにより１）第１のノズル孔及び２）第１のノズル
孔と連通するようにノズルプレートの裏面側に形成され
かつ第１のノズル孔より断面積の大きい第２のノズル孔
を形成する第４の工程と、をこの順序で有することを特
徴とする。

【００３４】このため、請求項１２の方法は、２段のノ
ズルを形成することができるという効果を有する。イン
ク吐出が行われる第１のノズル孔と、第１のノズル孔よ
り断面積の大きい第２のノズル孔とを連結させた２段の
ノズルを用いることによりノズル近傍でのインク流速を
向上させることができ、すなわち気泡排出性の向上が図
れるという効果を有する。

【００３５】請求項１３のノズルプレートの製造方法
は、請求項１２に記載のノズルプレートの製造方法にお
いて、第４の開口部及び窪み部を形成するとともに、ノ
ズル表面側凹部を形成するための第３の開口部を耐エッ
チング被膜に形成して第２の工程を実施することを特徴
とする。

【００３６】このため、請求項１３の方法は、請求項１
２の方法か有する効果に加えて、ノズル表面側凹部の存
在により、ノズルプレートの厚みをある程度厚くするこ
とができ、そのためノズルプレートの強度を増大させる
ことができるという効果を有する。

【００３７】請求項１４のインクジェットヘッドは、請
求項１乃至１３のいずれかに記載のノズルプレートの製
造方法によって製造されたノズルプレートを有すること
を特徴とする。

【００３８】このため、請求項１４のインクジェットヘ
ッドは、深いオリフィス用凹部を有するノズルプレート
を用いることで、インクジェットヘッドを高密度化する
に従ってオリフィスの容積が急激に減少するのを緩和す
ることができ、必要な量のインク滴を吐出することが可
能になるという効果を有する。また、請求項１４のイン
クジェットヘッドは、効率よく製造され、かつ、垂直及
び／又は高長さ精度及び／又は高形状精度のノズル孔ま
たはオリフィスを有するノズルプレートを用いること
で、安価で高品質印字が可能であるという効果を有す
る。

【００３９】請求項１５のノズルプレートは、長手方向
に連通した第１のノズル孔及び第２のノズル孔を有する
ノズルプレートであって、第１のノズル孔の断面積が第
２のノズル孔のそれより小さく、かつ、第２のノズル孔
が前記第１のノズル孔よりノズルプレートの裏面側に形
成されてなることを特徴とする。

【００４０】このため、請求項１５のノズルプレート
は、ノズル近傍でのインク流速が大きく、すなわち気泡
排出性が優れているという効果を有する。

【００４１】請求項１６のノズルプレートは、請求項１
５に記載のノズルプレートにおいて、このノズルプレー
トは（１１０）面方位の単結晶シリコン基板を用いて製
造されたノズルプレートであって、第１及び第２のノズ
ル孔は、この単結晶シリコン基板の表面に対して垂直な
４つの（１１１）結晶面を含む複数の面からなることを
特徴とする。

【００４２】このため、請求項１６のノズルプレート
は、請求項１５のノズルプレートが有する効果に加え
て、第１及び第２のノズル孔の垂直性が良好であるとい
う効果を有する。

【００４３】請求項１７のインクジェットヘッドは、請
求項１５又は１６のいずれかに記載のノズルプレートを
備えたことを特徴とする。

【００４４】このため、請求項１７のインクジェットヘ
ッドは、高気泡排出性、高印字品質であるという効果を
有する。

【００４５】請求項１８のインクジェット記録装置は、
請求項１４又は１７に記載のインクジェットヘッドを備
えたことを特徴とする。

【００４６】このため、請求項１８のインクジェット記
録装置は、請求項１４又は１７に記載のインクジェット
ヘッドが有する効果を備えるという効果を有する。

【００４７】なお、ここでいうインクジェット記録装置
とは、インクジェットヘッドを備えることにより紙、プ
ラスチックシート、樹脂等の媒体に情報を記録すること
のできる装置をいい、プリンタ、ＦＡＸ、コピー等をす
べて含むものである。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例に基づき詳
細に説明する。

【００４９】（実施例１）図３は実施例１におけるイン
クジェットヘッド４００の断面図である。実施例１にお
けるインクジェットヘッド４００は、ノズルプレート１
００とキャビティプレート２００と電極プレート３００
とが接合されてなる構造を有している。ノズルプレート
１００は、ノズル孔１２０とオリフィス用凹部１１０と
が形成されている。オリフィス用凹部１１０は、接合さ
れた状態でオリフィス１１２となり、インクキャビティ
２１２およびインクリザーバ２２２とを連結している。
キャビティプレート２００は、インクキャビティ用凹部
２１０とインクリザーバ用凹部２２０と振動板２３０と
が形成されている。インクキャビティ用凹部２１０とイ
ンクリザーバ用凹部２２０とは、接合された状態でイン
クキャビティ２１２及びインクリザーバ２２２を構成し
ている。インクキャビティ２１２はキャビティプレート
２００表面に対し垂直に加工されており、インクリザー
バ２２２はインクキャビティ２１２にインクを供給する
ものであり、振動板２３０はインクを加圧するためのも
のである。電極プレート３００には、振動板２３０を静
電的に吸引しこれによりインクキャビティ２１２中のイ
ンクを加圧するための電極３１０が形成されている。イ
ンクは、インク供給管５０からインクリザーバ２２２へ
供給され、最終的にインク滴１０としてノズル孔１２０
から吐出される。ノズルプレート１００及びキャビティ
プレート２００は、ともに（１１０）面方位の単結晶シ
リコン基板からなる。

【００５０】図４は、実施例１におけるノズルプレート
１００の斜視図である。各ノズル孔１２０には、オリフ
ィス用凹部１１０が２個ずつ対応して形成されている
が、設計条件により、オリフィス用凹部の数は１個の場
合もあるし、３個以上の場合もある。

【００５１】図５は、実施例１のノズルプレート１００
の製造工程図であり、（１１０）面方位の単結晶シリコ
ン基板の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成する
第１の工程（ａ）と、オリフィス用凹部を形成するため
の第１の開口部及びノズル孔を形成するための第２の開
口部をこの耐エッチング被膜に形成する第２の工程
（ｂ）と、第１及び第２の開口部の所定部分に所定の未
貫通孔を形成する第３の工程（ｃ）と、この未貫通孔の
形成された単結晶シリコン基板の湿式エッチングを行う
ことによりオリフィス用凹部及びノズル孔を形成する第
４の工程（ｄ〜ｅ）と、を有している。

【００５２】（第１の工程：図５（ａ））ノズルプレー
ト１００となる板厚４００μｍの（１１０）面方位の単
結晶シリコン基板５００を摂氏１１００度、水蒸気を含
む雰囲気下で、４時間の熱処理を行い、この単結晶シリ
コン基板の両面に耐エッチング皮膜として１μｍ厚みの
シリコン熱酸化膜５０２を形成する。

【００５３】（第２の工程：図５（ｂ））熱酸化膜５０
２にフォトエッチングを施し、オリフィス用凹部１１
０、ノズル孔１２０、及びノズル孔を貫通させるための
ノズル表面側凹部１３０を形成するための開口部５１
０、５２０、５３０を形成する。開口部５１０の形状は
幅２０μｍで長さが５００μｍである平行四辺形であ
り、開口部５２０の形状は一辺が３０μｍで、内角が７
０度および１１０度である菱形であり、この平行四辺形
の長さ５００μｍの辺及び菱形の一組の平行な辺は単結
晶シリコン基板の＜１１２＞方向に平行にアライメント
されている（図６）。

【００５４】（第３の工程：図５（ｃ））第１の開口部
５１０及び第２の開口部５２０の所定部分に所定の未貫
通孔５１２、５２２を形成する。未貫通孔の形成は、Ｙ
ＡＧレーザを用いて行った。垂直な深い孔を開けるため
にＹＡＧレーザのパワーやパルス数等のパラメータを適
切な値に設定した。インクジェットヘッドの規格から、
未貫通孔深さの狙い値が決定される。実施例１では、イ
ンクジェットヘッドの規格より、オリフィス用凹部の深
さの狙い値は８０μｍ、ノズルの長さの狙い値は３０μ
ｍである。通常単結晶シリコンをレーザ加工する場合、
加工された部分の周囲には結晶溶融部が形成される。結
晶溶融部は結晶性を失っているために、レーザ加工され
た部分に湿式異方性エッチングを行う場合には、エッチ
ングは結晶性を有している部分まで進行して自動的にエ
ッチストップとなる。すなわち、未貫通孔５２２の深さ
としては、実際の加工深さ狙い値よりも結晶溶融部の厚
みを差し引いた深さだけ加工すればよいことになる。ま
た、未貫通孔５２２の深さ（結晶溶融部の厚みも含む）
はノズル孔長さの狙い値である３０μｍ以上であればよ
いが、深さばらつきも考慮して多少深い方が望ましい。
実施例１では、その結果、第１の開口部５１０の所定部
分に形成された未貫通孔５１２は、直径約１５μｍで深
さ約７５μｍとなり、第２の開口部５２０の所定部分に
形成された未貫通孔５２２は、直径約１８μｍで深さ約
３５μｍとなった（結晶溶融部の厚みは約５μｍである
０）。また、実施例１では各開口部５１０にはそれぞれ
２つの未貫通孔を形成したが、これは、その後に行う第
４の工程での異方性湿式エッチング時間を短縮するため
であり、１つ、または３つ以上の未貫通孔を形成した場
合でも未貫通孔の深さを調整することで、最終的に得ら
れるオリフィス用凹部の形状は同一となる。

【００５５】（第４の工程：図５（ｄ〜ｅ））次にアル
カリを用いた異方性湿式エッチングを行った。実施例１
では水酸化カリウム水溶液を用いた。通常、（１１０）
面方位の単結晶シリコン基板をアルカリを用いて異方性
湿式エッチングする場合は、エッチングマスク（実施例
１ではシリコン熱酸化膜）の開口部において、基板表面
に対し垂直な面と３５度をなす面（ともに単結晶シリコ
ンの（１１１）面）とが出現し、開口部の両端部から出
現する２つの３５度の（１１１）面がエッチングにより
形成される凹部の底部で交差するところでエッチングが
停止してしまうが（図１参照）、実施例１では、レーザ
加工により未貫通孔が形成されているために未貫通孔５
１２および５２２の底部と（１１１）面とが交差すると
ころまでは基板表面に対し３５度をなす（１１１）面が
出現せず、基板表面に対し垂直な４つの（１１１）面か
らなる、高精度なノズル孔１２０およびオリフィス用凹
部１１０が形成できる（図４参照）。図５（ｄ）は、ア
ルカリを用いた異方性湿式エッチングの途中経過を示し
ている。開口部５３０からのエッチング部５３２でもエ
ッチングが進行している。図５（ｄ）上では、エッチン
グ部５３２はレーザによる穴明け加工がないにもかかわ
らず垂直な面が形成されているように描かれているが、
実際にはエッチング部５３２の面積がノズル孔１２０の
面積に比べて非常に大きいため、開口部５３０の形状を
工夫することでほぼ図５（ｄ）に示すような断面形状を
形成できる。さらにエッチングを行うと、ノズル孔とな
るエッチング部５２４およびオリフィス用凹部となるエ
ッチング部５１４では、上記したようにさらにはエッチ
ングは進行しないが、エッチング部５３２ではエッチン
グ時間に応じてエッチングが進行し、最終的にはノズル
孔となるエッチング部５２４が貫通し、ノズル孔１２０
が形成される。貫通後、さらにエッチングを行うと、ノ
ズル孔１２０の長さはエッチング時間に応じて短くなる
ため、ノズル孔１２０が所望長さとなるところでエッチ
ングを停止する（図５（ｅ））。

【００５６】（その後の工程）ついで、エッチングマス
クである熱酸化膜５０２をフッ酸系エッチング液で除去
し（図５（ｆ））、耐インク性付与のために、改めてシ
リコン熱酸化膜５０４を形成し、ノズルプレート１００
が完成する（図５（ｇ））。

【００５７】前述したように、従来工法では、オリフィ
スは高精度ではあるが、エッチング開口部に対し一義的
に決まる形状しか得られず、すなわちオリフィスの流体
抵抗値の自由度がなかったことに対して、本実施例で
は、オリフィスをノズルプレート表面に対して、垂直に
深く形状精度良好に形成でき、また、その深さはレーザ
加工により任意に決定できるようになったため、インク
ジェット記録装置の様々な仕様におけるオリフィスの流
体抵抗設計値に対応することができた。これにより、高
密度のインクジェットヘッドにおける幅の狭いオリフィ
スにおいて、最適な流体抵抗値が得られるようになり、
すなわち、高印字品質かつ高速印刷が可能なインクジェ
ットヘッドを提供することができた。また、前述したよ
うに、従来工法（プラズマエッチング）で形成されるノ
ズル孔の径は若干のばらつきを有していたが、本実施例
ではフォトエッチングによるパターンによりノズル孔径
寸法が決定されるため、再現よく高精度なノズル孔を低
コストで大量に形成できるようになった。これにより、
高密度インクジェットヘッドおよびこのインクジェット
ヘッドを用いたインクジェット記録装置における印字品
質の安定化と、低コスト化を実現することができた。ま
た、図５（ｃ）における所定箇所への穴明け加工をプラ
ズマエッチングにより行うこともできる。この場合、前
記未貫通孔５１２および５２２の加工深さはほぼ同一と
なるが、より深い方の未貫通孔５１２の所定加工深さに
合わせてプラズマエッチング加工することで、オリフィ
ス用凹部１１０の深さ及びノズル孔１２０の長さを共に
狙い値どおりに形成できる。ノズル孔となる未貫通孔５
２２の深さは、図５の工程（ｃ）の段階では、ノズル孔
長さの狙い値より大きくなるが、最終的にはエッチング
部５３２のエッチング深さによりノズル孔１２０の長さ
を規定するため、なんら問題はない。なお、プラズマエ
ッチングには種々の方式があるが、トレンチエッチング
と呼ばれる垂直深穴加工が可能な方式によることが望ま
しい。（実施例２）実施例２は、本発明の実施例１における第
２の工程のあとに、アルカリを用いた異方性湿式エッチ
ングを行うことで、その後の第３の工程における未貫通
孔の加工量を低減させ、本工程におけるスループットを
向上させるものである。

【００５８】図７は実施例２におけるインクジェットヘ
ッドに用いられるノズルプレート１００ａの製造工程図
であるが、基本的には実施例１と同一であり、異なる部
分についてのみ詳細に説明を行う。

【００５９】図７（ａ）〜（ｂ）の工程において、本発
明の実施例１と同様に単結晶シリコン基板７００上にシ
リコン熱酸化膜７０２を形成し、このシリコン熱酸化膜
７０２にオリフィス用凹部１１０ａ、ノズル孔１２０
ａ、及びノズル孔を貫通させるためのノズル表面側凹部
１３０ａを形成するための開口部７１０、７２０、７３
０を形成する。ついで、図７（ｃ）の工程において、シ
リコン基板７００の湿式異方性エッチングを行う。エッ
チング部ではシリコン基板７００の表面に対し３５度の
角度で現れる２つの（１１１）面７０３が交わるところ
でエッチングが自動的に終了する。次に、図７（ｄ）の
工程において、本発明の実施例１と同様にレーザ加工法
により未貫通孔を形成するが、その際の加工量は、実施
例１の場合に比べて少なくてよいために、加工時間が短
縮されるという効果を有する。

【００６０】（実施例３）図８は実施例３におけるイン
クジェットヘッドに用いられるノズルプレート１００ｂ
の製造工程図であり、その製造工程について以下に詳細
に説明する。本実施例では、ノズルプレート１００ｂと
なる基板として、（１１０）面方位の単結晶シリコン基
板５００に代えて、（１１０）面方位の単結晶シリコン
基板のＳＯＩ基板８００を用いている。活性層８０２は
厚み１５μｍ、誘電体層（ＳｉＯ_２）８０４は、厚み
０．０５μｍ、支持体８０６は、厚み４００μｍであ
り、活性層８０２および支持体８０６はともに（１１
０）面方位の単結晶シリコンである。図８（ａ）〜
（ｇ）における加工条件は、実施例１の場合と全く同一
であるため、説明を省略する。ＹＡＧレーザによるＳｉ
への穴明け加工では、誘電体層８０４の加工に要するパ
ワーは無視し得るため、加工深さもばらつきの範囲で本
発明の実施例１の場合と同一となる。ＳＯＩ基板を用い
ることで、開口部８３０からのエッチング部８３２での
エッチングは、誘電体層８０４が出現したところで、自
動的に停止する。誘電体層８０４の厚みは０．０５μｍ
であり、長時間（１０数分程度）の異方性湿式エッチン
グでは消失してしまうため、エッチングは適当なところ
で終了しなければならないが、同一バッチ内のエッチン
グばらつきを考慮してもエッチング停止には±５分程度
の許容範囲があるため、本工程における歩留まりは１０
０％である。

【００６１】本実施例で得られたノズルプレート１００
ｂでは、ノズル孔１２０ｂの長さは活性層８０２の厚み
と同一であり、すなわち、エッチングに関するパラメー
タの変動によるエッチング深さばらつき（通常±５μｍ
程度）によらず、ＳＯＩ基板製造工程で達成されている
活性層厚みばらつき（研磨工程の精度によるが、±１μ
ｍ程度）の精度でノズル孔長さ精度が確保されるため、
より高印字品質のインクジェットヘッドを提供すること
ができた。

【００６２】なお、実施例３においては、ノズルプレー
ト上にオリフィス及びノズル孔を共に形成したが、オリ
フィスのみを、又はノズル孔のみを本発明の方法により
ノズルプレート上に形成し、オリフィス又はノズル孔は
他の方法により前記ノズルプレート上又は、他の基板上
に形成する場合も本発明の主旨から逸脱しない。

【００６３】（実施例４）図９は実施例４におけるイン
クジェットヘッド４００ｃの断面図である。実施例４に
おけるインクジェットヘッド４００ｃは、ノズルプレー
ト１００ｃとキャビティプレート２００ｃと電極プレー
ト３００ｃとが接合されてなる構造を有している。イン
クジェットヘッド４００ｃのインク吐出原理、およびキ
ャビティプレート２００ｃおよび電極プレート３００ｃ
の構造は本発明の実施例１の場合と同一であるので説明
を省略する。

【００６４】図１０は、実施例４におけるノズルプレー
ト１００ｃの斜視図である。ノズルプレート１００ｃの
ノズル孔はインク吐出方向に対して、断面積の異なる第
１ノズル１２０ｃ１と第２ノズル１２０ｃ２からなる２
段形状となっており、記録媒体に近い側（第１ノズル１
２０ｃ１）の断面積が小さくなっている。このような形
状とすることでノズル孔近傍でのインク流速が増加し、
気泡排出性を向上させることが可能となるが、ノズル孔
以外の部分は基本的に本発明の第１の実施例と同一の構
造であり、説明を省略する。

【００６５】図１１は、実施例４のノズルプレート１０
０ｃの製造工程図であり、（１１０）面方位の単結晶シ
リコン基板の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成
する第１の工程（ａ）と、オリフィス用凹部を形成する
ための第１の開口部、第１ノズルを形成するための第４
の開口部、第２ノズルを形成するための窪み部及びノズ
ル表面側凹部を形成するための第３の開口部をこの耐エ
ッチング被膜に形成する第２の工程（ｂ〜ｄ）と、第１
及び第４の開口部の所定部分に所定の未貫通孔を形成す
る第３の工程（ｅ）と、この未貫通孔の形成された単結
晶シリコン基板の湿式エッチングを行うことによりオリ
フィス用凹部及びノズル孔を形成する第４の工程（ｆ〜
ｈ）と、を有している。

【００６６】（第１の工程：図１１（ａ））ノズルプレ
ート１００ｃとなる板厚４００μｍの（１１０）面方位
の単結晶シリコン基板１１００を摂氏１１００度、水蒸
気を含む雰囲気下で、４時間の熱処理を行い、この単結
晶シリコン基板の両面に耐エッチング皮膜として１μｍ
厚みのシリコン熱酸化膜１１０２を形成する。

【００６７】（第２の工程：図１１（ｂ〜ｄ））熱酸化
膜１１０２にフォトエッチングを施し、オリフィス用凹
部１１０ｃ、第１ノズル１２０ｃ１、ノズル孔を貫通さ
せるためのノズル表面側凹部１３０ｃを形成するための
開口部１１１０、１１２０ｃ１、１１３０、と第２ノズ
ル１２０ｃ２を形成するための窪み部１１２０ｃ２を形
成する。開口部１１１０及び開口部１１３０の形状・寸
法は本発明の実施例１の場合と同一である。窪み部１１
２０ｃ２の形状は、開口部１１２０ｃ１の形状に対し相
似である一辺が５０μｍの菱形であり、開口部１１２０
ｃ１に対し同心状に配置される。また、窪み部１１２０
ｃ２のシリコン熱酸化膜の膜厚は０．７μｍとする。

【００６８】（第３の工程：図１１（ｅ））第１の開口
部１１１０及び第２の開口部１１２０ｃ１の所定部分に
ＹＡＧレーザにより所定の未貫通孔１１１２及び１１２
２を形成する。未貫通孔１１１２の加工は実施例１の未
貫通孔５１２の場合と同一条件で行ったが、未貫通孔１
１２２の加工ではＹＡＧレーザのパワーやパルス数等の
パラメータを適切な値に設定し、その結果、直径約１８
μｍで深さ約８０μｍとなった。

【００６９】（第４の工程：図１１（ｆ〜ｈ））次にア
ルカリを用いた異方性湿式エッチングを行った。実施例
４では、実施例１の場合と同様に水酸化カリウム水溶液
を用いたが、異方性湿式エッチングを２回に分けて実施
した。１回目の異方性湿式エッチングでは、所定時間の
エッチングにより、第１ノズルとなる部分１１２４及び
オリフィス用凹部１１０ｃを形成する（図１１（ｆ）の
工程）。この時点で、窪み部１１２０ｃ２のシリコン熱
酸化膜は水酸化カリウム水溶液によりエッチングされ、
当初０．７μｍであった膜厚は薄くなっている。次い
で、窪み部１１２０ｃ２の残りのシリコン熱酸化膜を全
てフッ酸系エッチング液で除去する（図１１(ｇ)の工
程）。次に、２回目の異方性湿式エッチングを行い、第
２ノズル１２０ｃ２を形成する。エッチング時間として
は、第１ノズルとなる部分１１２４がノズル表面側凹部
１３０ｃとなるエッチング部１１３２のエッチングによ
り貫通し、第１ノズル１２０ｃ１の長さが３０μｍ、第
２ノズル１２０ｃ２の深さが５０μｍとなるように調整
される。

【００７０】（その後の工程）ついで、エッチングマス
クである熱酸化膜１１０２をフッ酸系エッチング液で除
去し、耐インク性付与のために、改めてシリコン熱酸化
膜１１０４を形成し、ノズルプレート１００ｃが完成す
る（図１１（ｉ））。

【００７１】また、図１１（ｅ）における所定箇所への
穴明け加工をプラズマエッチングにより行うこともでき
る。なお、プラズマエッチングには種々の方式がある
が、トレンチエッチングと呼ばれる垂直深穴加工が可能
な方式によることが望ましい。実施例４で得られたノズ
ルプレート１００ｃでは、ノズル孔はインク吐出方向に
対して、断面積の異なる第１ノズル１２０ｃ１と第２ノ
ズル１２０ｃ２からなる２段形状となっているために、
ノズル孔近傍でのインク流速が増加し、気泡排出性を向
上させることが可能となったため、このノズルプレート
を用いることで高印字品質のインクジェットヘッドを提
供することができた。

【００７２】なお、本実施例においては、ノズルプレー
ト上にオリフィス用凹部及びノズル孔をともに形成した
が、オリフィス用凹部のみを、又はノズル孔のみを本発
明の方法によりノズルプレート上に形成し、オリフィス
用凹部又はノズル孔は他の方法により前記ノズルプレー
ト上または、他の基板上に形成する場合も本発明の主旨
から逸脱しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術におけるエッチング原理の説明図。

【図２】本発明におけるエッチング原理の説明図。

【図３】実施例１におけるインクジェットヘッドの断
面図。

【図４】実施例１におけるノズルプレートの斜視図。

【図５】実施例１におけるノズルプレートの製造工程
断面図。

【図６】開口部のパターニング方向の説明図。

【図７】実施例２におけるノズルプレートの製造工程
断面図。

【図８】実施例３におけるノズルプレートの製造工程
断面図。

【図９】実施例４におけるインクジェットヘッドの断
面図。

【図１０】実施例４におけるノズルプレートの斜視
図。

【図１１】実施例４におけるノズルプレートの製造工
程断面図。

【符号の説明】

１００ノズルプレート１１０オリフィス用凹部１１２オリフィス１２０ノズル孔１３０ノズル表面側凹部２００キャビティプレート２１２インクキャビティ２２２インクリザーバ２３０振動板３００電極プレート３１０電極４００インクジェットヘッド５１２、５２２未貫通孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（１１０）面方位の単結晶シリコン基板
の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成する第１の
工程と、オリフィス用凹部を形成するための第１の開口
部をこの耐エッチング被膜に形成する第２の工程と、第
１の開口部の所定部分に所定の未貫通孔を形成する第３
の工程と、この未貫通孔の形成された単結晶シリコン基
板の湿式エッチングを行うことによりオリフィス用凹部
を形成する第４の工程と、をこの順序で有することを特
徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項２】（１１０）面方位の単結晶シリコン基板
の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成する第１の
工程と、ノズル孔を形成するための第２の開口部をこの
耐エッチング被膜に形成する第２の工程と、第２の開口
部の所定部分に所定の未貫通孔を形成する第３の工程
と、この未貫通孔の形成された単結晶シリコン基板の湿
式エッチングを行うことによりノズル孔を形成する第４
の工程と、をこの順序で有することを特徴とするノズル
プレートの製造方法。
【請求項３】（１１０）面方位の単結晶シリコン基板
の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成する第１の
工程と、オリフィス用凹部を形成するための第１の開口
部及びノズル孔を形成するための第２の開口部をこの耐
エッチング被膜に形成する第２の工程と、第１及び第２
の開口部の所定部分に所定の未貫通孔を形成する第３の
工程と、この未貫通孔の形成された単結晶シリコン基板
の湿式エッチングを行うことによりオリフィス用凹部及
びノズル孔を形成する第４の工程と、をこの順序で有す
ることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のノズ
ルプレートの製造方法において、１）第１の開口部及び
／又は第２の開口部を形成するとともに、２）ノズル表
面側凹部を形成するための第３の開口部を耐エッチング
被膜に形成して第２の工程を実施することを特徴とする
ノズルプレートの製造方法。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載のノズ
ルプレートの製造方法において、第２の工程と第３の工
程との間に湿式エッチングを実施することを特徴とする
ノズルプレートの製造方法。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載のノズ
ルプレートの製造方法において、レーザ加工法を用いて
第３の工程を実施することを特徴とするノズルプレート
の製造方法。
【請求項７】請求項６に記載のノズルプレートの製造
方法において、未貫通孔の深さがノズル孔の長さよりも
大きくなるように第３の工程を実施することを特徴とす
るノズルプレートの製造方法。
【請求項８】請求項６に記載のノズルプレートの製造
方法において、未貫通孔の周囲に形成される結晶溶融部
分の厚みと未貫通孔の深さの和がノズル孔の長さよりも
大きくなるように第３の工程を実施することを特徴とす
るノズルプレートの製造方法。
【請求項９】請求項１乃至５のいずれかに記載のノズ
ルプレートの製造方法において、プラズマエッチング加
工法を用いて第３の工程を実施することを特徴とするノ
ズルプレートの製造方法。
【請求項１０】請求項９に記載のノズルプレートの製
造方法において、未貫通孔の深さがノズル孔の長さより
も大きくなるように第３の工程を実施することを特徴と
するノズルプレートの製造方法。
【請求項１１】請求項１乃至１０のいずれかに記載の
ノズルプレートの製造方法において、前記（１１０）面
方位の単結晶シリコン基板に代えて、（１１０）面方位
の単結晶シリコン基板のＳＯＩ基板を用いたことを特徴
とするノズルプレートの製造方法。
【請求項１２】（１１０）面方位の単結晶シリコン基
板の少なくとも両面に耐エッチング被膜を形成する第１
の工程と、第１のノズル孔を形成するための第４の開口
部及び第２のノズル孔を形成するための窪み部を前記耐
エッチング被膜に形成する第２の工程と、第４の開口部
の所定部分に所定の未貫通孔を形成する第３の工程と、
この未貫通孔の形成された単結晶シリコン基板の湿式エ
ッチングを行うことにより１）第１のノズル孔及び２）
第１のノズル孔と連通するようにノズルプレートの裏面
側に形成されかつ第１のノズル孔より断面積の大きい第
２のノズル孔を形成する第４の工程と、をこの順序で有
することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項１３】請求項１２に記載のノズルプレートの
製造方法において、第４の開口部及び窪み部を形成する
とともに、ノズル表面側凹部を形成するための第３の開
口部を耐エッチング被膜に形成して第２の工程を実施す
ることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
【請求項１４】請求項１乃至１３のいずれかに記載の
ノズルプレートの製造方法によって製造されたノズルプ
レートを有することを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項１５】長手方向に連通した第１のノズル孔及
び第２のノズル孔を有するノズルプレートであって、第
１のノズル孔の断面積が第２のノズル孔のそれより小さ
く、かつ、第２のノズル孔が前記第１のノズル孔よりノ
ズルプレートの裏面側に形成されてなることを特徴とす
るノズルプレート。
【請求項１６】請求項１５に記載のノズルプレートに
おいて、このノズルプレートは（１１０）面方位の単結
晶シリコン基板を用いて製造されたノズルプレートであ
って、第１及び第２のノズル孔は、この単結晶シリコン
基板の表面に対して垂直な４つの（１１１）結晶面を含
む複数の面からなることを特徴とするノズルプレート。
【請求項１７】請求項１５又は１６のいずれかに記載
のノズルプレートを備えたことを特徴とするインクジェ
ットヘッド。
【請求項１８】請求項１４又は１７に記載のインクジ
ェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット
記録装置。