WO2024063031A1 - ノズルプレート、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

ノズルプレート、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 Download PDF

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WO2024063031A1
WO2024063031A1 PCT/JP2023/033808 JP2023033808W WO2024063031A1 WO 2024063031 A1 WO2024063031 A1 WO 2024063031A1 JP 2023033808 W JP2023033808 W JP 2023033808W WO 2024063031 A1 WO2024063031 A1 WO 2024063031A1
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WO
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nozzle
flow path
straight
droplet ejection
tapered
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PCT/JP2023/033808
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English (en)
French (fr)
Inventor
光 横山
幸一 鮫島
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle plate, a droplet ejection head, and a droplet ejection device.
  • Patent Document 1 a nozzle flow path having a nozzle opening is formed in a nozzle plate of a droplet discharge head of a droplet discharge device. Then, liquid such as ink passes through the nozzle flow path and is ejected as droplets from the nozzle opening.
  • An object of the present invention is to provide a nozzle plate, a droplet ejection head, and a droplet ejection device that can achieve both high density nozzle openings and suitable ejection characteristics.
  • the invention according to claim 1 is a nozzle plate comprising a plurality of nozzle channels in which nozzle openings for discharging droplets are formed on the first surface of the substrate,
  • the nozzle flow path includes a nozzle tapered portion in which a flow path area, which is a cross-sectional area perpendicular to the droplet ejection direction, gradually increases from the first surface to a second surface opposite to the first surface.
  • a straight communication part that communicates with the end of the nozzle tapered part on the second surface side and has a pair of opposing surfaces that are substantially parallel;
  • the straight communication portion has a length on the second surface in a first direction along the pair of opposing surfaces that is longer than a length in a second direction perpendicular to the first direction,
  • the nozzle tapered portion includes a tapered surface that slopes from the end in the first direction toward the center of the nozzle opening, and a pair of stepped surfaces that form a step on the tapered surface with the nozzle opening sandwiched therebetween. Equipped with The stepped surface is a hanging surface parallel to the nozzle central axis or an inclined surface having a smaller angle with an axis parallel to the nozzle central axis than the tapered surface.
  • the invention according to claim 2 is the nozzle plate according to claim 1, An interval between the pair of stepped surfaces in a cross section in the first direction passing through the center of the nozzle opening is the same as a length in the second direction.
  • the invention according to claim 3 is the nozzle plate according to claim 1 or 2,
  • the length from the first surface to the end of the stepped surface on the second surface side is greater than or equal to the maximum height at which the meniscus rises.
  • the invention according to claim 4 is the nozzle plate according to claim 3,
  • the length from the first surface to the end of the stepped surface on the second surface side is 20 ⁇ m or more.
  • the invention according to claim 5 is the nozzle plate according to claim 3,
  • the length from the first surface to the end of the stepped surface on the second surface side is 60 ⁇ m or less.
  • the invention according to claim 6 is the nozzle plate according to claim 1 or 2, the nozzle flow passage includes a nozzle straight portion that is continuous with an end portion of the nozzle tapered portion on the first surface side, the angle that the surface constituting the nozzle straight portion forms with an axis parallel to the nozzle central axis is substantially constant, The flow passage area of the end portion of the nozzle straight portion on the first surface side is equal to or smaller than the flow passage area of the end portion on the second surface side.
  • the invention according to claim 7 is the nozzle plate according to claim 1 or 2, the substrate is made of single crystal silicon;
  • the nozzle tapered portion is configured by a part of the ⁇ 100 ⁇ plane and a ⁇ 111 ⁇ plane,
  • the straight communication portion is formed by a part of the ⁇ 100 ⁇ plane.
  • the invention according to claim 8 is the nozzle plate according to claim 1 or 2, a plane part having a surface parallel to the first surface and the second surface between the end of the straight communication part on the first surface side and the end of the nozzle tapered part on the second surface side; Equipped with
  • the invention according to claim 9 includes: A droplet ejection head mounted on a droplet ejection device, the droplet ejection head comprising: The nozzle plate according to claim 1 or 2 is provided.
  • the invention according to claim 10 is A droplet ejection device, comprising: A droplet ejection head according to claim 9 is provided.
  • a nozzle plate, a droplet ejection head, and a droplet ejection device that can achieve both high density nozzle openings and suitable ejection characteristics.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a droplet ejection device.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the main parts of the droplet ejection head.
  • FIG. 3 is a perspective cross-sectional view of one nozzle flow path according to the first embodiment.
  • 4 is a side cross-sectional view taken along the IVA-IVA line in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view taken along the line IVB-IVB in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a side sectional view of a nozzle flow path including a plurality of steps.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view showing a state in which liquid is drawn into the nozzle flow path of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the main parts of the droplet ejection head.
  • FIG. 3 is a perspective cross-sectional view of one nozzle flow path according to the first embodiment.
  • 4 is a side cross-sectional view taken along the IVA-IVA line in
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view showing a state in which liquid is drawn into the nozzle flow path of the present invention. It is a side sectional view and a top view showing a manufacturing method of a nozzle plate concerning a 1st embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective cross-sectional view of one nozzle flow path according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a side cross-sectional view taken along line IXA-IXA of FIG. 8 . 9 is a side sectional view taken along line IXB-IXB in FIG. 8.
  • FIG. It is an example of a nozzle flow path provided with the nozzle straight part based on this invention. It is an example of a nozzle flow path provided with the nozzle straight part based on this invention.
  • FIG. 7 is a perspective cross-sectional view of one nozzle flow path according to another example.
  • FIG. 7 is a perspective cross-sectional view of one nozzle flow path according to another example.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path according to another example.
  • FIG. 11 is a perspective cross-sectional view of one nozzle flow channel according to another example.
  • 10A and 10B are a side cross-sectional view and a plan view showing a method for manufacturing a nozzle plate according to another example.
  • FIG. 2 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Example 1, viewed from the long side.
  • FIG. 2 is a plan view of one nozzle channel and an intermediate structure serving as the nozzle channel according to Example 1, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Example 2, viewed from the long side.
  • FIG. 7 is a plan view of one nozzle channel and an intermediate structure serving as the nozzle channel according to Example 2, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Example 3, viewed from the long side.
  • FIG. 7 is a plan view of one nozzle channel and an intermediate structure serving as the nozzle channel according to Example 3, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Example 4, viewed from the long side.
  • FIG. 13 is a plan view of one nozzle flow channel and an intermediate structure that becomes the nozzle flow channel according to Example 4, as viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 13 is a side cross-sectional view of one nozzle flow channel and an intermediate structure that becomes the nozzle flow channel according to Example 5, as viewed from the long side.
  • FIG. 7 is a plan view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Example 5, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Comparative Example 1, viewed from the long side.
  • FIG. 3 is a plan view of one nozzle channel and an intermediate structure serving as the nozzle channel according to Comparative Example 1, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Comparative Example 2, viewed from the long side.
  • FIG. 7 is a plan view of one nozzle channel and an intermediate structure serving as the nozzle channel according to Comparative Example 2, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 7 is a side cross-sectional view of one nozzle flow path and an intermediate structure serving as the nozzle flow path according to Comparative Example 3, viewed from the long side.
  • FIG. 7 is a plan view of one nozzle channel and an intermediate structure serving as the nozzle channel according to Comparative Example 3, viewed from the adhesive surface side.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view of a nozzle flow path having an elongated opening and no stepped surface, in which liquid is drawn into the nozzle flow path.
  • FIG. 3 is a side cross-sectional view of a nozzle flow path having an elongated opening and no stepped surface, in which liquid is drawn into the nozzle flow path.
  • the conveyance direction of the recording medium P in the inkjet recording apparatus 1 is assumed to be the front-back direction. Further, the direction perpendicular to the front-rear direction on the transport surface of the recording medium P is defined as the left-right direction. Further, the direction in which ink is ejected, which is perpendicular to the front-rear direction and the left-right direction, is the up-down direction. Further, the inkjet head 10 will also be explained in terms of the direction in which it is attached to the inkjet recording apparatus 1.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing an inkjet recording apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the inkjet recording apparatus 1 transports a recording medium P such as paper through a plurality of units U by a transport section T including, for example, a transport belt T1 and a transport roller T2.
  • a plurality of inkjet heads 10 are arranged in each unit U.
  • Each inkjet head 10 prints an image on a recording medium P by ejecting ink of each color from a nozzle opening N (see FIG. 2).
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing the main structure of one inkjet head 10. Specifically, a head chip 100 having a nozzle plate 110, a channel plate 120, a piezoelectric plate 130, and a wiring plate 140 is shown in order from the bottom. Further, FIG. 2 shows an FPC 200 (Flexible Printed Circuit). FPC 200 is electrically connected to wiring plate 140. In addition, in FIG. 2, the nozzle opening N is drawn upward, that is, the top and bottom are reversed from FIG.
  • FPC 200 Flexible Printed Circuit
  • the head chip 100 has a structure in which plates are stacked.
  • the nozzle plate 110, the channel plate 120, the piezoelectric plate 130, and the wiring plate 140 are all substantially rectangular plate-like members that are elongated in the left-right direction.
  • nozzle channels 111 which are holes penetrating the substrate B (see FIG. 3) in the vertical direction, are provided in rows in the left-right direction.
  • a nozzle opening N which is an opening of the nozzle channel 111, is provided on the lower surface side of the nozzle plate 110. That is, the lower surface of the nozzle plate 110 forms the ejection surface (first surface) Ba of the inkjet head 10. Then, ink is ejected from the nozzle opening N substantially perpendicularly to the ejection surface Ba. Details of the nozzle plate 110 and the nozzle flow path 111 will be described later.
  • the flow path plate 120 is a rectangular plate-like member that has almost the same shape as the nozzle plate 110 when viewed from above and below.
  • the passage plate 120 is provided with a through passage 121 and an individual discharge passage 122 .
  • the through flow path 121 is a flow path that communicates with the nozzle flow path 111 .
  • the individual discharge flow path 122 is a flow path that branches from the through flow path 121.
  • An adhesive surface (second surface) Bb (see FIG. 3), which is a surface facing the ejection surface Ba of the nozzle plate 110, is adhered (fixed) via an adhesive to the lower surface of the flow path plate 120.
  • the lower surface of the piezoelectric plate 130 is adhered (fixed) via an adhesive to the upper surface of the flow path plate 120.
  • the flow path plate 120 is made of, for example, a silicon substrate.
  • the piezoelectric plate 130 is a substantially rectangular plate member whose shape when viewed from above and below is substantially the same as the nozzle plate 110.
  • the piezoelectric plate 130 is provided with a pressure chamber 131, a common discharge channel 132, and a vertical discharge channel 133.
  • the pressure chamber 131 communicates with the through passage 121 .
  • the common discharge channel 132 communicates with the individual discharge channels 122.
  • the vertical discharge channel 133 communicates with the common discharge channel 132.
  • the material of the piezoelectric plate 130 is a ceramic piezoelectric material (a member that deforms according to the application of voltage).
  • piezoelectric materials include PZT (lead zirconate titanate), lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead metaniobate, and the like.
  • the wiring plate 140 is a flat substrate having a larger area than the piezoelectric plate 130.
  • the wiring plate 140 is provided with an ink supply channel 141 and a discharge hole 142.
  • the ink supply channel 141 communicates with an ink chamber (not shown) via a first opening 1411 that is an opening on the top side. Further, the ink supply channel 141 communicates with the pressure chamber 131 via a second opening 1412 on the lower surface side. Further, the discharge hole 142 communicates with the vertical discharge channel 133.
  • the lower surface of the wiring plate 140 is bonded to the upper surface of the piezoelectric plate 130 via an adhesive.
  • a plurality of wirings are provided on the bonding surface of the wiring plate 140 to the piezoelectric plate 130, each of which is connected to an electrode of an ink channel, which will be described later. Further, the FPC 200 is connected to the end portion of the wiring plate 140 where the wiring is provided, for example, via an ACF (Anisotropic Conductive Film). A drive signal output from a drive circuit (not shown) is supplied to the electrode of the ink channel via the wiring 210 on the FPC 200 and the wiring on the wiring plate 140.
  • the wiring plate 140 for example, a substrate made of glass, ceramics, silicon, or plastic is used.
  • the ink channel is provided at a position overlapping the nozzle flow path 111 when viewed from the top and bottom. Further, the ink channel communicates with the nozzle flow path 111. In this way, the ink channel and the nozzle flow path 111 each constitute an ink flow path.
  • An electrode (not shown) is formed on the inner wall surface of the ink channel.
  • the portion of the wall surface between the ink channels that is made of the piezoelectric material of the piezoelectric plate 130 is displaced in response to the potential difference of the drive signal applied to the electrodes of adjacent ink channels.
  • This wall surface repeats shear mode type displacement, causing the pressure of the ink in the ink channel to fluctuate.
  • the volume of the pressure chamber 131 changes in response to this pressure fluctuation, and the ink in the ink channel is ejected from the nozzle opening N.
  • the inkjet head 10 of this embodiment performs shear mode type ink ejection.
  • the individual discharge passages 122, the common discharge passage 132, the vertical discharge passage 133, and the discharge holes 142 constitute an ink discharge passage.
  • a part of the ink supplied from the ink chamber to the ink channel is discharged to the outside of the inkjet head 10 via the ink discharge channel. Thereby, air bubbles and foreign matter in the ink channel can be discharged to the outside of the inkjet head 10 together with the ink.
  • the channel plate 120 is not an essential component. That is, a configuration in which the nozzle plate 110 and the piezoelectric plate 130 are directly bonded may be used.
  • FIG. 2 shows the nozzle plate 110 in which only one row of nozzle openings N is arranged in the left-right direction
  • the present invention is not limited to this. That is, a plurality of rows of nozzle openings N may be provided in the front-rear direction.
  • FIG. 3 is an enlarged perspective view showing one nozzle flow path 111 in the nozzle plate 110 according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a sectional view taken along the IVA-IVA line in FIG. 3, that is, a straight line in the front-rear direction passing through the center of the nozzle opening N.
  • FIG. 4B is a sectional view taken along the line IVB-IVB in FIG. 3, that is, a straight line in the left-right direction passing through the center of the nozzle opening N.
  • Substrate B is, for example, a plate-like member made of single crystal silicon (Si) and having a thickness of approximately 100 ⁇ m to 725 ⁇ m.
  • Si single crystal silicon
  • the nozzle channels 111 can be processed with high precision in the manufacturing process. Therefore, it is possible to form the nozzle flow path 111 with less positional error and less variation in shape.
  • the substrate B is not limited to single crystal silicon, and may be made of nickel (Ni), SUS (Steel Use Stainless), or the like. In the following, it is assumed that single crystal silicon is used as the substrate B.
  • the (00-1) surface of the single crystal silicon is the ejection surface Ba, and the (001) surface is the bonding surface Bb.
  • the [001] direction is synonymous with the "up” direction
  • the "00-1” direction is synonymous with the "down” direction
  • the [100] direction is synonymous with the "forward” direction
  • the [-100] direction is synonymous with the "backward” direction
  • the [010] direction is synonymous with the "left” direction
  • the [0-10] direction is synonymous with the "right” direction.
  • the nozzle flow path 111 is a hole that penetrates from the ejection surface Ba to the adhesive surface Bb.
  • the nozzle flow path 111 includes, from the ejection surface Ba toward the adhesive surface Bb, a nozzle opening N, a nozzle tapered portion 1112, and a straight communicating portion 1113.
  • the nozzle opening N is a circular, elliptical, or polygonal hole provided on the ejection surface Ba and through which droplets are ejected.
  • the nozzle opening N communicates with the end of the nozzle tapered portion 1112 on the discharge surface Ba side.
  • the diameter of the nozzle opening N is about 15 ⁇ m to 45 ⁇ m.
  • the nozzle tapered portion 1112 includes a tapered surface 1112a having a substantially constant angle and whose flow path area gradually increases from the discharge surface Ba toward the adhesive surface Bb.
  • the tapered surface 1112a is a surface inclined from the longitudinal end of the nozzle tapered portion 1112 toward the center of the nozzle opening N.
  • the tapered surfaces 1112a are four ⁇ 111 ⁇ planes.
  • the "channel area" in the present invention refers to a cross-sectional area in a direction perpendicular to the up-down direction, which is the ink ejection direction.
  • the taper angle ⁇ 1 shown in FIG. 4A which is the angle between the tapered surface 1112a of the nozzle tapered portion 1112 and an axis parallel to the nozzle central axis, is 15° or more.
  • the taper angle ⁇ 1 is 45° due to the etching characteristics of Si.
  • the nozzle tapered portion 1112 By providing the nozzle tapered portion 1112, even when the ink meniscus retreats deep into the nozzle flow path 111 due to high-speed driving, the meniscus shape and ink ejection can be stabilized.
  • the nozzle tapered portion 1112 is provided with at least one pair of steps.
  • the stepped surface 1112b is a hanging surface or an inclined surface that forms a step on the tapered surface 1112a of the nozzle tapered portion 1112 with the nozzle opening N interposed therebetween.
  • the nozzle taper portion 1112 may be provided with a plurality of steps. However, in the present invention, among the surfaces forming a step in the nozzle taper portion 1112, only the surface located closest to the nozzle opening N is defined as the "step surface 1112b.”
  • the step surface 1112b is provided in the nozzle taper portion 1112, even if ink is drawn into the nozzle flow path 111, the meniscus is prevented from spreading in the front-back direction, as shown in FIGS. 6A and 6B. Therefore, the stability of the meniscus shape is increased, resulting in a nozzle flow path 111 with excellent discharge characteristics.
  • the angle that the inclined surface makes with an axis parallel to the central axis of the nozzle is only required to be smaller than the taper angle ⁇ 1 .
  • the length h 0 from the nozzle opening N to the end of the step surface 1112b on the bonding surface Bb side, shown in FIG. 4A only needs to be higher than the maximum height at which the meniscus may rise. Specifically, it is preferable that 20 ⁇ m ⁇ h 0 ⁇ 60 ⁇ m. This is because ink retraction is rarely greater than 20 ⁇ m. Furthermore, if h 0 >60 ⁇ m, the nozzle flow path 111 will not be able to secure a sufficient volume.
  • the width in the longitudinal direction of the pair of step surfaces 1112b (the distance between the step surfaces 1112b) in the longitudinal cross section passing through the center of the nozzle opening N is defined as W 3 (see FIG. 4A). Further, the distance in the left-right direction between the surfaces forming the long sides of the straight communication portion 1113 is W 2 (see FIG. 4B). At this time, it is preferable that the relationship between W 2 and W 3 is W 2 ⁇ W 3 . When the stepped surfaces 1112b are formed in such a relationship, the nozzle flow path 111 has excellent ejection characteristics.
  • This is a substantially square shape in top view, which is formed near the nozzle opening N by a stepped surface 1112b and a surface parallel to the long side surface of the straight communication portion 1113 among the surfaces forming the nozzle tapered portion 1112. This is because a symmetrical space is formed and has symmetry.
  • the straight communication portion 1113 communicates with the end of the nozzle tapered portion 1112 on the bonding surface Bb side, and is provided up to the bonding surface Bb.
  • a pair of opposing surfaces 1113a are substantially parallel. Furthermore, among the sides that intersect with the adhesive surface Bb, the length of the surface constituting the straight communication portion 1113 in the front-rear direction (first direction) along a pair of opposing surfaces 1113a is longer than the length in the left-right direction (second direction). longer than length. That is, as shown in FIG. 3, the opening of the nozzle flow path 111 on the bonding surface Bb has an elongated shape. With this configuration, the nozzle openings N can be arranged at narrow pitches of the short sides of the elongated shape while ensuring the volume of the nozzle flow path 111. Therefore, the density of the nozzle openings N in the nozzle plate 110 can be increased.
  • the shape of the opening of the nozzle flow path 111 on the adhesive surface Bb is not limited to a rectangular shape.
  • the shape of the opening of the nozzle flow path 111 on the bonding surface Bb is not particularly limited as long as it is an elongated shape such as a hexagonal shape or an elliptical shape, in which the length in the front-rear direction is longer than the length in the left-right direction.
  • the opening will always have a rectangular shape.
  • the method for manufacturing the nozzle plate 110 includes, for example, the first to third steps shown in FIG.
  • anisotropic wet etching is performed on the intermediate structure 300 formed in the first step to form the nozzle channel 111.
  • the nozzle plate 110 formed in the second step is removed as appropriate.
  • Step 1-1 intermediate structure formation step ⁇
  • step 1-1 a mask layer is formed on the surface of single crystal silicon whose surface crystal orientation is the ⁇ 100 ⁇ plane. Any mask layer may be used as long as it stops the progress of etching in the second step and is not removed by etching.
  • the mask layer formed on the adhesive surface Bb will be referred to as a surface mask layer 301.
  • the mask layer formed on the ejection surface Ba is referred to as a back mask layer 302.
  • Step 1-2 an elongated opening pattern 303 that will become the opening on the bonding surface Bb side of the nozzle flow path 111 is formed on the (001) plane of single crystal silicon.
  • a resist layer is formed on the (001) surface mask layer 301 by a well-known photolithography technique. After forming the resist layer, it is exposed to light using an aligner or the like to form a resist pattern. After the resist pattern is formed, the opening pattern 303 is formed by dry etching using, for example, an RIE (Reactive Ion Etching) device using the resist pattern as a mask. After forming the opening pattern 303, the resist pattern is removed.
  • FIG. 7 shows an example in which the shape of the opening pattern 303 is a rectangle having long sides in the front-rear direction, the shape is not limited to this.
  • the shape of the opening pattern 303 may be, for example, a hexagonal shape, an elliptical shape, or a shape in which a short side of a rectangle is combined with a semicircle having the same width as the short side. In this way, the shape of the opening pattern 303 may be an elongated shape in which the length in the front-rear direction is longer than the length in the left-right direction.
  • Step 1-3 the single crystal silicon under the opening pattern 303 is deeply etched by dry etching to form an opening hole 305.
  • Step 1-4 a nozzle pattern 304 that will become a nozzle opening N is formed on the (00-1) surface of the single crystal silicon.
  • step 1-5 the single crystal silicon below the nozzle pattern 304 is deeply excavated by dry etching to form a nozzle hole 306.
  • the present invention is not limited to this. It is sufficient that the 1-2nd step is performed at least before the 1-3rd step, and the 1-4th step is performed before the 1-5th step.
  • the depth a of the nozzle hole 306 in the [001] direction is from the end of the nozzle hole 306 on the adhesive surface Bb side to the [100] direction (front-back direction) of the opening hole 305.
  • the intermediate structure 300 is formed to be longer than the length b to the end of the intermediate structure 300 . In the following, this condition will be referred to as "Condition 1.”
  • ⁇ Second process Anisotropic wet etching process
  • anisotropic wet etching is performed from both sides of the ejection surface Ba and the adhesive surface Bb of the intermediate structure 300.
  • the opening hole 305 provided in step 1-3 and the nozzle hole 306 provided in step 1-5 are enlarged to form the nozzle flow path 111.
  • Condition 1 is satisfied, the tapered surface formed from the nozzle hole 306 and the tapered surface formed from the opening hole 305 do not match.
  • a stepped surface 1112b is formed in the nozzle tapered portion 1112.
  • ⁇ Third process Removal process ⁇ Then, as a third step, removal processing such as etching, grinding, or polishing is performed. Specifically, for example, the diameter of the opening on the bonding surface Bb side of the nozzle flow path 111 is expanded so that the straight communication portion 1113 becomes a substantially vertical hole. Alternatively, the thickness of the nozzle plate 110 is adjusted to a desired dimension. Alternatively, the mask layer is removed. Note that the third step is not an essential step in manufacturing the nozzle plate 110 according to the first embodiment, and may be performed as necessary.
  • FIG. 8 is an enlarged perspective view showing one nozzle flow path 111 in the nozzle plate 110 according to the second embodiment.
  • 9A is a cross-sectional view taken along line IXA-IXA in FIG. 8, that is, a straight line passing through the center of the nozzle opening N in the front-rear direction.
  • FIG. 9B is a sectional view taken along line IXB-IXB in FIG. 8, that is, a straight line in the left-right direction passing through the center of the nozzle opening N.
  • the nozzle plate 110 according to the second embodiment is different from the nozzle plate 110 according to the first embodiment in that the nozzle flow path 111 includes a nozzle straight section 1111.
  • the nozzle straight part 1111 is formed continuously with the end of the nozzle tapered part 1112 on the ejection surface Ba side and the nozzle opening N.
  • the flow path area of the nozzle straight portion 1111 is always constant from the adhesive surface Bb side to the discharge surface Ba side. That is, the angle ⁇ 2 between the surface forming the nozzle straight portion 1111 and the axis parallel to the nozzle central axis is 0°.
  • the angle ⁇ 2 that the nozzle straight portion 1111 makes with the axis parallel to the nozzle central axis is not limited to 0°.
  • the nozzle straight portion 1111 may have a taper in which the flow path area gradually increases from the discharge surface Ba toward the adhesive surface Bb.
  • the angle ⁇ 2 between the plane forming the nozzle straight portion 1111 and the axis parallel to the nozzle central axis is substantially constant at any location, and even if 0° ⁇ 2 ⁇ 15°. Bye. Further, as shown in FIGS.
  • the diameter of the end of the nozzle straight part 1111 on the adhesive surface Bb side is D 1
  • the diameter of the nozzle opening N that is, the end of the nozzle straight part 1111 on the discharge surface Ba side.
  • the lower part of the nozzle tapered part 1112 in FIGS. 10A to 10D is a "nozzle straight part 1111" that satisfies all the above conditions.
  • the lower part of the nozzle tapered part 1112 in FIGS. 10E to 10G does not correspond to the "nozzle straight part 1111" according to the present invention.
  • FIG. 10E does not satisfy D 1 ⁇ D 0 and does not satisfy 0° ⁇ 2 ⁇ 15°.
  • D 1 ⁇ D 0 is not substantially constant at any location. Note that in FIGS. 10A to 10G, the description of the stepped surface 1112b is omitted.
  • the length of the nozzle straight portion 1111 in the vertical direction that is, the height L shown in FIG. 9A is about 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the height of the nozzle straight portion 1111 is within this range, appropriate resistance is applied when ink is ejected.
  • the resistance applied when ink is ejected from the nozzle opening N increases. This suppresses the vibration of the meniscus, making the shape of the meniscus more stable.
  • h 1 h 0 - (W 2 - D 1 )/(2tan ⁇ 1 ) - L ⁇ h 0 ⁇ (W 3 ⁇ D 1 )/(2tan ⁇ 1 ) ⁇ L...(3)
  • the diameter of the end of the nozzle straight portion 1111 on the bonding surface Bb side, or the diameter D1 of the end of the nozzle tapered portion 1112 on the ejection surface Ba side is expressed by the following formula (4).
  • D 1 D 0 +2 ⁇ L tan ⁇ 2 ... (4)
  • a method of manufacturing the nozzle plate 110 according to the second embodiment will be explained based on FIG. 11.
  • the method for manufacturing a nozzle plate 110 according to the second embodiment is similar to the first embodiment in that the steps 1-A to 1-C are performed between the steps 1-4 and 1-5.
  • the method of manufacturing the nozzle plate 110 is different.
  • Step 1-A After forming a mask layer in step 1-1, a nozzle pattern 304 is formed in step 1-4. After the nozzle pattern 304 is formed, a nozzle straight hole 307 is formed by dry etching the length of the planned nozzle straight portion 1111 in step 1-A.
  • Step 1-B Next, in step 1-B, a nozzle mask layer 308 is formed along the inner surface of the nozzle straight hole 307.
  • the method for forming the nozzle mask layer 308 is the same as the method for forming the mask layer.
  • Step 1-C Thereafter, as a 1-C step, the nozzle mask layer 308 formed at the bottom of the nozzle straight hole 307 is removed by dry etching. Then, the nozzle mask layer 308 is left only on the side surface of the nozzle straight hole 307.
  • Step 1-5 Step 1-2, Step 1-3
  • the substrate B is dry-etched to further dig the nozzle straight hole 307 to form a nozzle hole 306. Then, an opening hole 305 is formed in the 1-2nd step and the 1-3rd step.
  • the stepped surface 1112b is not limited to a two-sided surface as shown in FIGS. 3 and 8, but may be a one-sided surface that is linear in top view as shown in FIG. 12A. Alternatively, it may have a curved surface that is convex in the front direction as shown in FIG. 12B.
  • FIG. 3 and the like illustrate the nozzle flow path 111 in which the nozzle taper portion 1112 and the straight communication portion 1113 are continuous
  • the present invention is not limited to this.
  • the nozzle flow path 111 may include a flat portion 1112c substantially parallel to the adhesive surface Bb and the discharge surface Ba between the nozzle tapered portion 1112 and the straight communication portion 1113.
  • FIG. 3 etc. illustrate the case where the nozzle taper part 1112 is provided with four taper surfaces 1112a, it is not limited to this.
  • an elliptical funnel-shaped nozzle flow path 111 having a curved tapered surface may be used.
  • a method of manufacturing a nozzle plate 110 having such a nozzle flow path 111 will be explained based on FIG. 15.
  • Step I First, as a step I, a resist layer 401 is formed on the adhesive surface Bb of a silicon wafer on which a quartz layer (mask layer) is formed on the adhesive surface Bb and the ejection surface Ba.
  • Step II Next, in Step II, a gray tone mask is pressed against the resist layer 401, and UV (Ultra Violet) is irradiated to expose the resist layer 401 to light. Thereafter, the exposed portion of the resist layer 401 is removed by immersion in a developer. Since the gray tone mask has a distribution in light transmittance, a resist pattern having an inclination is formed in which the thickness of the resist layer 401 is distributed according to the distribution. Note that at this time, a step surface 1112b is provided in the nozzle taper portion 1112 depending on the design of the gray tone mask.
  • step III Next, in step III, the quartz layer is dry-etched using the resist pattern as a mask. At this time, the thickness distribution of the photoresist 402 is transferred to the quartz layer.
  • Step IV Furthermore, in step IV, single crystal silicon is dry etched using the quartz layer as a mask. At this time, the thickness distribution is also transferred to the single crystal silicon according to the thickness distribution of the quartz layer. Although it depends on the etching conditions, the thickness distribution of the quartz layer and the thickness distribution of single crystal silicon are usually about 1:50 to 1:100.
  • Step V After performing dry etching by a predetermined etching amount, as a V step, a resist layer 401 is formed and exposed to light on the ejection surface Ba of the silicon wafer to form a resist pattern. Then, as a VI step, the nozzle opening N and the nozzle straight portion 1111 are formed by dry etching to communicate with the holes provided in the IV step.
  • Nozzle plates 110 made of single-crystal silicon and having 1280 nozzle channels 111 were manufactured as shown in the following Examples and Comparative Examples.
  • the inkjet head 10 was then bonded to a piezoelectric plate having an ink flow path whose opening on the adhesive surface had the same shape as the opening on the adhesive surface Bb side of the nozzle plate 110. Then, the inkjet head 10 was mounted on the inkjet recording apparatus 1.
  • 16A to 23B are diagrams showing one nozzle flow path 111 in the nozzle plate 110 according to each example and comparative example.
  • the dotted line portion indicates the intermediate structure 300 formed in the first step.
  • the solid line portion is shown on the bonding surface Bb side by performing anisotropic wet etching on the intermediate structure 300 in the second step and removing it in the third step so that the straight communication portion 1113 becomes approximately vertical.
  • a nozzle flow path 111 with a rectangular opening is shown.
  • the length of the long side of the opening on the bonding surface Bb side of the nozzle flow path 111 after the third step is defined as W 1 .
  • the nozzle flow path 111A of Example 1 includes a nozzle tapered portion 1112A, a stepped surface 1112bA, and a straight communication portion 1113A.
  • h 0 20 ⁇ m
  • h 1 10 ⁇ m
  • a step was also provided above the step surface 1112bA in the tapered surface 1112aA.
  • the opening pattern 303 has a rectangular shape.
  • the shape of the nozzle opening N is circular.
  • the nozzle flow path 111B of Example 2 includes a nozzle straight portion 1111B, a nozzle tapered portion 1112B, a stepped surface 1112bB, and a straight communication portion 1113B.
  • Example 3 As shown in FIGS. 18A and 18B, the nozzle flow path 111C of Example 3 includes a nozzle straight portion 1111C, a nozzle tapered portion 1112C, a stepped surface 1112bC, and a straight communication portion 1113C.
  • a circular nozzle pattern 304 with a diameter of 10 ⁇ m was formed in steps 1-4. Further, in this example, the nozzle opening N was expanded to have a circular shape with a diameter of 30 ⁇ m in the third step. Moreover, as shown in FIG. 18B, the shape of the opening pattern 303 is hexagonal.
  • the nozzle flow path 111D of Example 4 includes a nozzle straight portion 1111D, a nozzle tapered portion 1112D, a stepped surface 1112bD, and a straight communication portion 1113D.
  • a circular nozzle pattern 304 with a diameter of 10 ⁇ m was formed in steps 1-4. Further, in this example, the nozzle opening N was expanded to have a circular shape with a diameter of 30 ⁇ m in the third step. Further, as shown in FIG. 19B, the shape of the opening pattern 303 is a shape in which a short side of a rectangle is combined with a semicircle having the same width as the short side.
  • Example 5 As shown in FIGS. 20A and 20B, the nozzle flow path 111E of Example 5 includes a nozzle straight portion 1111E, a nozzle tapered portion 1112E, a stepped surface 1112bE, and a straight communication portion 1113E.
  • the nozzle flow path 111F of Example 6 includes a nozzle tapered portion 1112F, a stepped surface 1112bF, and a straight communication portion 1113F.
  • a step was also provided above the step surface 1112bF in the tapered surface 1112aF.
  • the shape of the opening pattern 303 is a combination of a short side of a rectangle and a semicircle with a diameter having the same width as the short side.
  • the shape of the nozzle opening N is circular.
  • Example 7 As shown in FIGS. 22A and 22B, the nozzle flow path 111G of Example 7 includes a nozzle tapered portion 1112G, a stepped surface 1112bG, and a straight communication portion 1113G.
  • a step was also provided above the step surface 1112bG in the tapered surface 1112aG.
  • the opening pattern 303 has a rectangular shape. Moreover, the shape of the nozzle opening N is circular.
  • the nozzle flow path 111F of Comparative Example 1 includes only a nozzle tapered portion 1112H and a straight communication portion 1113H.
  • the opening pattern 303 has a hexagonal shape. Moreover, the shape of the nozzle opening N is circular.
  • Tests 1 and 2 were conducted using an inkjet recording apparatus 1 equipped with an inkjet head 10 equipped with the nozzle plate 110 of Example 1-7 and Comparative Example 1-2.
  • Test 1 The results of Test 1 and Test 2 are shown in Table I.
  • the length h 0 from the nozzle opening N to the end of the step surface 1112b on the adhesive surface Bb side is preferably 20 ⁇ m or more.
  • the length h 0 from the nozzle opening N to the end of the step surface 1112b on the adhesive surface Bb side is preferably 60 ⁇ m or less.
  • Example 1 when comparing Example 1 and Examples 2 to 5, it can be seen that by providing the nozzle straight portion 1111, the flow path resistance increases and the driving voltage increases. On the other hand, it can be seen that by providing the nozzle straight portion 1111, the nozzle flow path 111 has a stable injection angle.
  • Example 5 when comparing Example 5 and Example 3 in particular, it can be seen that by tapering the nozzle straight portion 1111, the flow path resistance is reduced and the driving voltage is lowered.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are compared, it is found that by making the opening on the adhesive surface Bb side of the nozzle flow path 111 in the nozzle plate 110 into an elongated shape, the flow path resistance is reduced and the driving voltage is lowered. I understand.
  • the nozzle tapered portion 1112 is provided with a pair of stepped surfaces 1112b. According to this configuration, the meniscus shape in the nozzle flow path 111 is suppressed from expanding in only one direction. Therefore, as shown in FIGS. 6A and 6B, the spread of the meniscus shape can be made uniform. As a result, the stability of the meniscus shape is increased, resulting in a nozzle flow path 111 with excellent discharge characteristics.
  • the distance W 3 between the pair of stepped surfaces 1112b in the longitudinal cross section passing through the center of the nozzle opening N constitutes the longitudinal side of the bonding surface Bb among the surfaces forming the straight communication portion 1113. This is approximately the same as the distance W 2 between the pair of surfaces in the left-right direction, that is, in the second direction.
  • the length h 0 from the discharge surface Ba to the end of the stepped surface 1112b on the adhesive surface Bb side is equal to or greater than the maximum height at which the meniscus rises. According to this configuration, it is possible to prevent the meniscus from being broken due to the ink being drawn above the stepped surface 1112b, thereby preventing the ejection characteristics from deteriorating.
  • the length h 0 from the discharge surface Ba to the end of the stepped surface 1112b on the adhesive surface Bb side is specifically 20 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less. According to this configuration, the nozzle flow path 111 has both discharge characteristics and secured volume.
  • the nozzle flow path 111 is provided with a nozzle straight portion 1111. According to this configuration, the nozzle flow path 111 has better discharge characteristics.
  • the nozzle plate 110 is made of a single crystal silicon substrate. According to the configuration, the nozzle flow path 111 becomes highly accurate.
  • the present invention can be applied to a nozzle plate, a droplet ejection head, and a droplet ejection device that can achieve both high density nozzle openings and suitable ejection characteristics.
  • Inkjet recording device (droplet discharge device) 10 Inkjet head (droplet discharge head) 110 Nozzle plate 111 Nozzle channel 1111 Nozzle straight part 1112 Nozzle tapered part 1112a Tapered surface 1112b Stepped surface 1112c Plane part 1113 Straight communication part 1113a A pair of opposing surfaces N Nozzle opening B Substrate Ba Discharge surface (first surface) Bb Adhesive side (second side)

Abstract

ノズルプレート１１０は、ノズル流路１１１を複数備える。ノズル流路１１１は、第１面Ｂａから第１面Ｂａに対向する第２面Ｂｂに向かうにつれて流路面積が漸次広くなるノズルテーパー部１１１２と、第２面Ｂｂから連続して設けられ、対向する１組の面１１１３ａが略平行であるストレート連通部１１１３と、を備える。ストレート連通部１１１３は、第２面Ｂｂにおいて、対向する１組の面１１１３ａに沿う第１方向の長さが、第１方向と直交する第２方向の長さよりも長い。ノズルテーパー部１１１２は、ノズル開口部Ｎを挟んでテーパー面１１１２ａに段差をなす１対の段差面１１１２ｂを第２方向に沿って備える。段差面１１１２ｂは、垂下面又はノズル中心軸に平行な軸となす角度がテーパー面１１１２ａより小さい傾斜面である。

Description

ノズルプレート、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置
　本発明は、ノズルプレート、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。
　従来、特許文献１に示すように、液滴吐出装置の液滴吐出ヘッドのノズルプレートには、ノズル開口部を有するノズル流路が形成される。そして、インク等の液体がノズル流路を通ってノズル開口部から液滴として吐出される。
特許第５５１９２６３号公報
　ところで、より高解像度の画像を形成するためには、ノズルプレートに、ノズル開口部を高密度に配列する必要がある。一方で、液滴の射出特性を確保するためには、ノズル流路の体積をある程度確保する必要がある。
　ノズル開口部を高密度にしつつ、ノズル流路の体積を確保するには、液滴吐出面と対向する面の開口部を一方向に長尺な細長形状とすることが考えられる。しかしながら、当該開口部を細長形状とした場合、当該開口部を正方形状としたノズル流路よりも、射出欠が多く生じる傾向が見られた。
　これは、大液滴かつ高速に液滴を吐出した場合、液体がノズル流路内に大きく戻るメニスカスの形状に起因すると考えられる。つまり、当該開口部を細長形状としていると、図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、メニスカスの広がり方が短尺側と長尺側とで異なる。結果、メニスカスの形状が不安定になり、射出欠が生じていると考えられる。
　本発明は、ノズル開口部の高密度化と好適な射出特性を両立できるノズルプレート、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。
　請求項１に記載の発明は、基板の第１面に、液滴を吐出するためのノズル開口部が形成されたノズル流路を複数備えるノズルプレートであって、
　前記ノズル流路は、前記第１面から前記第１面に対向する第２面に向かうにつれて、液滴の吐出方向に対して直交する断面積である流路面積が漸次広くなるノズルテーパー部と、
　前記ノズルテーパー部の前記第２面側の端部と連通し、対向する１組の面が略平行であるストレート連通部と、を備え、
　前記ストレート連通部は、前記第２面において、前記対向する１組の面に沿う第１方向の長さが、前記第１方向と直交する第２方向の長さよりも長く、
　前記ノズルテーパー部は、前記第１方向の端部から前記ノズル開口部の中心に向かって傾斜するテーパー面と、前記ノズル開口部を挟んで当該テーパー面に段差をなす１対の段差面と、を備え、
　前記段差面は、ノズル中心軸に平行な垂下面又は前記ノズル中心軸に平行な軸となす角度が前記テーパー面よりも小さい傾斜面である。
　請求項２に記載の発明は、請求項１記載のノズルプレートであって、
　前記ノズル開口部の中心を通る前記第１方向の断面における前記１対の段差面の間隔は、前記第２方向の長さと同一である。
　請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載のノズルプレートであって、
　前記第１面から前記段差面の前記第２面側の端部までの長さは、メニスカスが上昇する最大高さ以上である。
　請求項４に記載の発明は、請求項３記載のノズルプレートであって、
　前記第１面から前記段差面の前記第２面側の端部までの長さは、２０μｍ以上である。
　請求項５に記載の発明は、請求項３記載のノズルプレートであって、
　前記第１面から前記段差面の前記第２面側の端部までの長さは、６０μｍ以下である。
　請求項６に記載の発明は、請求項１又は２記載のノズルプレートであって、
　　前記ノズル流路は、前記ノズルテーパー部の前記第１面側の端部に連続したノズルストレート部を備え、
　前記ノズルストレート部を構成する面がノズル中心軸に平行な軸となす角度は略一定であって、
　前記ノズルストレート部の前記第１面側の端部の流路面積は、前記第２面側の端部の流路面積以下である。
　請求項７に記載の発明は、請求項１又は２記載のノズルプレートであって、
　前記基板は単結晶シリコンからなり、
　前記ノズルテーパー部は、｛１００｝面の一部と、｛１１１｝面と、によって構成され、
　前記ストレート連通部は、｛１００｝面の一部によって構成されている。
　請求項８に記載の発明は、請求項１又は２記載のノズルプレートであって、
　前記ストレート連通部の前記第１面側の端部と、前記ノズルテーパー部の前記第２面側の端部と、の間に前記第１面及び前記第２面と平行な面を有する平面部を備える。
　請求項９に記載の発明は、
　液滴吐出装置に搭載される液滴吐出ヘッドであって、
　請求項１又は２に記載のノズルプレートを備える。
　請求項１０に記載の発明は、
　液滴吐出装置であって、
　請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを備える。
　本発明によれば、ノズル開口部の高密度化と好適な射出特性を両立できるノズルプレート、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供できる。
液滴吐出装置の概略斜視図である。 液滴吐出ヘッドの主要部を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る１つのノズル流路の斜視断面図である。 図３のIVA-IVA線による側断面図である。 図３のIVB-IVB線による側断面図である。 複数の段差を備えるノズル流路の側断面図である。 本発明のノズル流路に液体が引き込まれた様子の側断面図である。 本発明のノズル流路に液体が引き込まれた様子の側断面図である。 第１実施形態に係るノズルプレートの製造方法を示す側断面図及び平面図である。 第２実施形態に係る１つのノズル流路の斜視断面図である。 図８のIXA-IXA線による側断面図である。 図８のIXB-IXB線による側断面図である。 本発明に係るノズルストレート部を備えるノズル流路の一例である。 本発明に係るノズルストレート部を備えるノズル流路の一例である。 本発明に係るノズルストレート部を備えるノズル流路の一例である。 本発明に係るノズルストレート部を備えるノズル流路の一例である。 本発明に係るノズルストレート部を備えないノズル流路の一例である。 本発明に係るノズルストレート部を備えないノズル流路の一例である。 本発明に係るノズルストレート部を備えないノズル流路の一例である。 第２実施形態に係るノズルプレートの製造方法を示す側断面図及び平面図である。 他の例に係る１つのノズル流路の斜視断面図である。 他の例に係る１つのノズル流路の斜視断面図である。 他の例に係る１つのノズル流路の側断面図である。 他の例に係る１つのノズル流路の斜視断面図である。 他の例に係るノズルプレートの製造方法を示す側断面図及び平面図である。 実施例１に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 実施例１に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 実施例２に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 実施例２に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 実施例３に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 実施例３に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 実施例４に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 実施例４に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 実施例５に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 実施例５に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 比較例１に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 比較例１に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 比較例２に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 比較例２に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 比較例３に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を長尺側から見た側断面図である。 比較例３に係る１つのノズル流路と当該ノズル流路となる中間構造体を接着面側から見た平面図である。 開口部が細長形状であり、段差面を備えないノズル流路に液体が引き込まれた様子の側断面図である。 開口部が細長形状であり、段差面を備えないノズル流路に液体が引き込まれた様子の側断面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。また、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　また、結晶面や方向を記述するミラー指数については、一般的に以下の取り決めがあり、本明細書でもそれに準拠する。
　(h k l)：特定の面
　[h k l]：等価な面
　[h k l]：特定の方向
　<h k l>：等価な方向
　また、ミラー指数の表示法においては、下記数１の（１）及び（２）のように、負の指数を表す符号は指数の上にバーを付けるのが一般的である。ただし、本明細書においては、便宜的に下記の（１´）及び（２´）のように表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　(h -k l)…（１´）
　[h -k l]…（２´）
［インクジェット記録装置］
　初めに、本実施形態に係る液滴吐出装置として、液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッド１０を備えるインクジェット記録装置１の構成例を開示する。
　以下の説明では、各図に示すように、インクジェット記録装置１における記録媒体Ｐの搬送方向を前後方向とする。また、記録媒体Ｐの搬送面において前後方向に直行する方向を左右方向とする。また、インクの射出方向であって、前後方向及び左右方向に垂直な方向を上下方向とする。また、インクジェットヘッド１０についても、インクジェット記録装置１に装着された状態を基準とした方向で説明する。
　図１は、本実施形態に係るインクジェット記録装置１を示す概略斜視図である。インクジェット記録装置１は、紙などの記録媒体Ｐを、例えば搬送ベルトＴ１及び搬送ローラＴ２を備える搬送部Ｔにより、複数のユニットＵを通過して搬送する。各ユニットＵには、複数のインクジェットヘッド１０が配置されている。それぞれのインクジェットヘッド１０は、ノズル開口部Ｎ（図２参照）から各色のインクを吐出して記録媒体Ｐに印画を行う。
＜インクジェットヘッド＞
　図２は、１つのインクジェットヘッド１０の主要な構成を示す分解斜視図である。
　具体的には、下から順に、ノズルプレート１１０と、流路プレート１２０と、圧電体プレート１３０と、配線プレート１４０とを有するヘッドチップ１００を示す。また、図２には、ＦＰＣ２００（Flexible Printed Circuit；フレキシブルプリント基板）を示す。ＦＰＣ２００は、配線プレート１４０と電気的に接続される。
　なお、図２においては、ノズル開口部Ｎが上方となるように、すなわち、図１とは上下が反転するように描いている。
（ヘッドチップ）
　図２に示されるように、ヘッドチップ１００は、各プレートが積層された構造を有する。
　ノズルプレート１１０、流路プレート１２０、圧電体プレート１３０及び配線プレート１４０は、いずれも左右方向に長尺な略四角形状の板状部材である。
｛ノズルプレート｝
　ノズルプレート１１０には、基板Ｂ（図３参照）に、上下方向に貫通する穴であるノズル流路１１１（図３参照）が左右方向に列をなすように設けられている。
　ノズルプレート１１０の下面側には、ノズル流路１１１の開口部であるノズル開口部Ｎが設けられている。すなわち、ノズルプレート１１０の下面は、インクジェットヘッド１０の吐出面（第１面）Ｂａをなす。そして、当該ノズル開口部Ｎから、当該吐出面Ｂａに対して略垂直にインクを吐出する。
　ノズルプレート１１０及びノズル流路１１１の詳細については後述する。
｛流路プレート｝
　流路プレート１２０は、上下方向から見た形状がノズルプレート１１０とほぼ同一である四角形状の板状部材である。
　流路プレート１２０には、貫通流路１２１と、個別排出流路１２２が設けられている。
　貫通流路１２１は、ノズル流路１１１に連通する流路である。また、個別排出流路１２２は、貫通流路１２１から分岐する流路である。
　流路プレート１２０の下方側の面にはノズルプレート１１０の吐出面Ｂａと対向する面である接着面（第２面）Ｂｂ（図３参照）が、接着剤を介して接着（固着）されている。また、流路プレート１２０の上方側の面には圧電体プレート１３０の下面が、接着剤を介して接着（固着）されている。
　流路プレート１２０は、例えばシリコン基板からなる。
｛圧電体プレート｝
　圧電体プレート１３０は、上下方向から見た形状がノズルプレート１１０とほぼ同一である略四角形状の板状部材である。
　圧電体プレート１３０には、圧力室１３１と、共通排出流路１３２と、垂直排出流路１３３が設けられている。
　圧力室１３１は、貫通流路１２１に連通する。また、共通排出流路１３２は、個別排出流路１２２に連通する。また、垂直排出流路１３３は、共通排出流路１３２に連通する。
　圧電体プレート１３０の材質は、セラミックスの圧電体（電圧の印加に応じて変形する部材）である。このような圧電体の例としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などが挙げられる。
｛配線プレート｝
　配線プレート１４０は、圧電体プレート１３０の面積よりも大きな面積を有する平板状の基板である。
　配線プレート１４０には、インク供給流路１４１と、排出孔１４２が設けられている。
　インク供給流路１４１は、上面側の開口部である第１開口部１４１１を介して不図示のインク室と連通する。また、インク供給流路１４１は、下面側の第２開口部１４１２を介して圧力室１３１に連通する。また、排出孔１４２は、垂直排出流路１３３に連通する。
　配線プレート１４０は、その下方側の面が接着剤を介して圧電体プレート１３０の上方側の面に接着されている。
　配線プレート１４０の圧電体プレート１３０との接着面には、後述するインクチャネルの電極にそれぞれ接続される複数の配線が設けられている。また、配線プレート１４０のうち配線が設けられている端部には、ＦＰＣ２００が、例えばＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film；異方性導電フィルム）を介して接続される。
　不図示の駆動回路から出力された駆動信号は、ＦＰＣ２００上の配線２１０と、配線プレート１４０の配線を介して、インクチャネルの電極に供給される。
　配線プレート１４０としては、例えばガラス、セラミックス、シリコン又はプラスチックなどの基板を用いる。
（インクチャネル）
　流路プレート１２０、圧電体プレート１３０及び配線プレート１４０が接合された状態では、貫通流路１２１、圧力室１３１及びインク供給流路１４１が一繋がりとなって、インクチャネルを構成する。
　インクチャネルは、上下方向から見てノズル流路１１１と重なる位置に設けられている。また、インクチャネルは、ノズル流路１１１に連通している。このように、インクチャネル及びノズル流路１１１は、それぞれインク流路を構成する。
　インクチャネルの内壁面には、不図示の電極が形成されている。隣り合うインクチャネルの電極に印加される駆動信号の電位差に応じて、インクチャネル間の壁面のうち圧電体プレート１３０の圧電体からなる部分が変位する。この壁面がせん断モード型（シアモード型）の変位を繰り返すことで、インクチャネル内のインクの圧力が変動する。そして、この圧力の変動に応じて圧力室１３１の容積が変化し、インクチャネル内のインクをノズル開口部Ｎから吐出する。すなわち、本実施形態のインクジェットヘッド１０は、せん断モード型のインク吐出を行う。
（インク排出流路）
　また、個別排出流路１２２、共通排出流路１３２、垂直排出流路１３３及び排出孔１４２により、インク排出流路が構成される。
　インク室からインクチャネルに供給されたインクの一部は、インク排出流路を介してインクジェットヘッド１０の外部に排出される。これにより、当該インクとともにインクチャネル内の気泡や異物をインクジェットヘッド１０の外部に排出できる。
　なお、本発明に係るインクジェットヘッド１０において、流路プレート１２０は必須の構成ではない。すなわち、ノズルプレート１１０と圧電体プレート１３０とが直接接着される構成でも構わない。
　また、図２においては、左右方向に並んだノズル開口部Ｎの列が１列だけ設けられたノズルプレート１１０を示したが、これに限られない。すなわち、ノズル開口部Ｎの列は、前後方向に複数設けられていてもよい。
［第１実施形態］
［ノズル流路］
　図３は、第１実施形態に係るノズルプレート１１０における、１つのノズル流路１１１を示す拡大斜視図である。また、図４Ａは、図３におけるIVA-IVA線、すなわち、ノズル開口部Ｎの中心を通る前後方向の直線による断面図である。また、図４Ｂは、図３におけるIVB-IVB線、すなわち、ノズル開口部Ｎの中心を通る左右方向の直線による断面図である。
＜基板＞
　基板Ｂは、例えば、厚さが１００μｍ～７２５μｍ程度の単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる板状部材である。ノズルプレート１１０の基材として単結晶シリコン基板を用いると、製造工程において高精度にノズル流路１１１を加工できる。そのため、位置の誤差や形状のばらつきの少ないノズル流路１１１を形成できる。
　なお、基板Ｂは単結晶シリコンに限られない。ニッケル（Ｎｉ）やＳＵＳ（Steel Use Stainless）等を用いても構わない。
　以下においては、基板Ｂとして単結晶シリコンを用いるものとする。また、単結晶シリコンの（００－１）面を吐出面Ｂａ、（００１）面を接着面Ｂｂとする。
　したがって、図３に示すように、以下においては、［００１］方向は「上」方向、「００－１」方向は「下」方向と同義である。また、［１００］方向は「前」方向、［－１００］方向は「後」方向と同義である。また、［０１０］方向は「左」方向、［０－１０］方向は「右」方向と同義である。
（ノズル流路）
　ノズル流路１１１は、吐出面Ｂａから接着面Ｂｂにかけて貫通した孔である。
　ノズル流路１１１は、吐出面Ｂａから接着面Ｂｂに向けて、ノズル開口部Ｎと、ノズルテーパー部１１１２と、ストレート連通部１１１３と、を備える。
｛ノズル開口部｝
　ノズル開口部Ｎは、吐出面Ｂａに設けられ、液滴が吐出される円形、楕円形又は多角形の孔である。ノズル開口部Ｎは、ノズルテーパー部１１１２の吐出面Ｂａ側の端部と連通している。
　例えば、ノズル開口部Ｎの形状が円形である場合、ノズル開口部Ｎの径は１５μｍ～４５μｍ程度である。
｛ノズルテーパー部｝
　ノズルテーパー部１１１２は、吐出面Ｂａから接着面Ｂｂに向かうにつれて流路面積が漸次広くなる略一定の角度のテーパー面１１１２ａを備える。テーパー面１１１２ａは、ノズルテーパー部１１１２の長手方向端部からノズル開口部Ｎの中心に向かって傾斜した面である。
　単結晶シリコンを｛１００｝面から異方性ウェットエッチングすることでノズル流路１１１を形成した場合、当該テーパー面１１１２ａは、｛１１１｝面の４つの面となる。
　なお、本発明における「流路面積」とは、インクの吐出方向である上下方向に対して直交する方向の断面積を指す。
　図４Ａに示される、ノズルテーパー部１１１２のテーパー面１１１２ａとノズル中心軸に平行な軸がなす角度であるテーパー角度θ1は、１５°以上である。
　基板Ｂが単結晶シリコンからなる場合、テーパー角度θ1は、Ｓｉのエッチング特性により、４５°となる。
　ノズルテーパー部１１１２を設けると、高速駆動によりインクのメニスカスがノズル流路１１１の奥まで後退した際にも、メニスカス形状及びインク射出を安定させられる。
｛段差面｝
　また、ノズルテーパー部１１１２には、少なくとも１対の段差が設けられている。段差面１１１２ｂは、ノズル開口部Ｎを挟んでノズルテーパー部１１１２のテーパー面１１１２ａに段差をなす垂下面ないし傾斜面である。
　なお、図５に示すように、ノズルテーパー部１１１２には複数の段差が設けられていて構わない。ただし、本発明においては、ノズルテーパー部１１１２に段差をなす面のうち、ノズル開口部Ｎの最も近傍に位置する面のみを「段差面１１１２ｂ」とする。
　ノズルテーパー部１１１２に段差面１１１２ｂを設けると、インクがノズル流路１１１内に引き込まれても、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、メニスカスの前後方向への広がりが抑制される。そのため、メニスカス形状の安定性が高まり、吐出特性に優れたノズル流路１１１となる。
　なお、段差面１１１２ｂが傾斜面である場合、当該傾斜面はノズル中心軸に平行な軸となす角度が、テーパー角度θ1よりも小さければよい。
　また、図４Ａに示される、ノズル開口部Ｎから段差面１１１２ｂの接着面Ｂｂ側の端部までの長さｈ0は、メニスカスが上がってくる可能性がある最大高さよりも高ければよい。具体的には、２０μｍ≦ｈ0≦６０μｍであるのが好ましい。
　これは、インクの引き込みが２０μｍより大きくなることは稀であるからである。また、ｈ0＞６０μｍであると、ノズル流路１１１が充分な体積を確保できなくなるからである。
　また、ノズル開口部Ｎの中心を通る長手方向の断面における、１対の段差面１１１２ｂの前後方向の幅（段差面１１１２ｂ同士の間隔）Ｗ3（図４Ａ参照）とする。また、ストレート連通部１１１３の長辺側をなす面同士の左右方向の距離Ｗ2（図４Ｂ参照）とする。このとき、Ｗ2とＷ3の関係は、Ｗ2≒Ｗ3であるのが好ましい。
　段差面１１１２ｂがこのような関係に形成されていると、ノズル流路１１１が吐出特性に優れるようになる。これは、ノズル開口部Ｎの近傍に、段差面１１１２ｂと、ノズルテーパー部１１１２を構成する面のうち、ストレート連通部１１１３の長辺側をなす面と平行な面と、からなる上面視略正方形状の空間が形成され、対称性を有するようになるからである。
｛ストレート連通部｝
　ストレート連通部１１１３は、ノズルテーパー部１１１２の接着面Ｂｂ側の端部と連通し、接着面Ｂｂまで設けられる。
　ストレート連通部１１１３は、対向する１組の面１１１３ａが略平行である。また、ストレート連通部１１１３を構成する面は、接着面Ｂｂと交わる辺のうち、対向する１組の面１１１３ａに沿う前後方向（第１方向）の長さが、左右方向（第２方向）の長さよりも長い。すなわち、図３に示すように、接着面Ｂｂにおけるノズル流路１１１の開口部の形状は細長形状となっている。
　当該構成であると、ノズル流路１１１の体積を確保しつつ、当該細長形状の短辺長の狭いピッチでノズル開口部Ｎを配置することができる。そのため、ノズルプレート１１０におけるノズル開口部Ｎの密度を高められる。
　なお、接着面Ｂｂにおけるノズル流路１１１の開口部の形状は長方形状に限られない。接着面Ｂｂにおけるノズル流路１１１の開口部の形状は、例えば六角形状や楕円形状など、前後方向の長さが左右方向の長さよりも長い細長形状であれば、特に限定されない。ただし、後述する第３工程（除去加工）を行うことで、ノズル流路１１１の接着面Ｂｂ側の開口部を拡張したノズルプレート１１０である場合、当該開口部は必ず長方形状となる。
［第１実施形態に係るノズルプレートの製造方法］
　このようなノズルプレート１１０の製造方法について、図７を元に説明を行う。
　なお、以下においては基板Ｂとして単結晶シリコンを用いるものとする。
　ノズルプレート１１０の製造方法としては、例えば図７に示す第１工程から第３工程を含む。
　第１工程においては、後述する開口穴３０５とノズル穴３０６を備える中間構造体３００を形成する。また、第２工程においては、第１工程で形成した中間構造体３００に異方性ウェットエッチングを行ってノズル流路１１１を形成する。また、第３工程においては、第２工程で形成したノズルプレート１１０に適宜除去加工をする。
｛第１工程：中間構造体形成工程｝
（第１－１工程）
　図７に示すように、第１工程は更に複数の工程に細分化される。
　初めに、第１－１工程として、表面の結晶方位が｛１００｝面である単結晶シリコンの表面に、マスク層を形成する。
　マスク層としては、第２工程においてエッチングの進行をストップさせ、かつ、エッチングによって除去されないものであればよい。なお、以下においては接着面Ｂｂに形成したマスク層を表面マスク層３０１とする。また、吐出面Ｂａに形成したマスク層を裏面マスク層３０２とする。
（第１－２工程）
　次いで、第１－２工程として、単結晶シリコンの（００１）面に、ノズル流路１１１の接着面Ｂｂ側の開口部となる細長形状の開口パターン３０３を形成する。
　具体的には、（００１）面の表面マスク層３０１上に周知のフォトリソグラフィ技法によりレジスト層を形成する。レジスト層の形成後、アライナー等で露光してレジストパターンを形成する。レジストパターンの形成後、当該レジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いてドライエッチングをすることで開口パターン３０３を形成する。開口パターン３０３の形成後、レジストパターンは除去する。
　なお、図７においては、開口パターン３０３の形状を前後方向に沿って長尺な辺を有する長方形状とした場合を例示したが、これに限られない。開口パターン３０３の形状は、例えば、六角形状や楕円形状、あるいは長方形の短辺に、当該短辺と等幅な径の半円を組み合わせた形状などでもよい。このように、開口パターン３０３の形状は、前後方向の長さが左右方向の長さよりも長い細長形状であればよい。
（第１－３工程）
　次いで、第１－３工程として、開口パターン３０３下の単結晶シリコンをドライエッチングにより深掘り加工することで、開口穴３０５を形成する。
（第１－４工程、第１－５工程）
　次いで、第１－４工程として、単結晶シリコンの（００－１）面に、ノズル開口部Ｎとなるノズルパターン３０４を形成する。また、第１－５工程として、ノズルパターン３０４下の単結晶シリコンをドライエッチングにより深掘り加工することで、ノズル穴３０６を形成する。
　なお、上記においては第１－２工程、第１－３工程、第１－４工程、第１－５工程の順に工程を進める場合を例示したが、これに限られない。少なくとも第１－３工程よりも前に第１－２工程を行い、かつ、第１－５工程よりも前に第１－４工程を行っていればよい。
　ただし、第１工程においては、ノズル穴３０６の［００１］方向（上下方向）の深さａが、ノズル穴３０６の接着面Ｂｂ側の端部から開口穴３０５の［１００］方向（前後方向）の端部までの長さｂよりも長くなるように中間構造体３００を形成する。
　以下においては、当該条件を「条件１」とする。
｛第２工程：異方性ウェットエッチング工程｝
　次に、第２工程として中間構造体３００の吐出面Ｂａと接着面Ｂｂの両側から異方性ウェットエッチングをする。これにより、第１－３工程で設けた開口穴３０５と第１－５工程で設けたノズル穴３０６を拡大してノズル流路１１１を形成する。このとき、条件１を満たしていると、ノズル穴３０６から形成されるテーパー面と、開口穴３０５から形成されるテーパー面とが一致しない。結果、ノズルテーパー部１１１２に段差面１１１２ｂが形成される。
｛第３工程：除去加工工程｝
　そして、第３工程として、エッチング、研削加工あるいは研磨加工等の除去加工をする。具体的には例えば、ストレート連通部１１１３が略垂直な孔となるように、ノズル流路１１１の接着面Ｂｂ側の開口部の径を拡大する。あるいは、ノズルプレート１１０の厚みが所望の寸法となるように調整する。あるいは、マスク層を除去する。
　なお、第３工程は、第１実施形態に係るノズルプレート１１０の製造において必須の工程ではなく、必要に応じて適宜行えばよい。
［第２実施形態］
　第２実施形態に係るノズルプレート１１０について、図８と図９を元に説明する。
　図８は第２実施形態に係るノズルプレート１１０における、１つのノズル流路１１１を示す拡大斜視図である。また、図９Ａは、図８におけるIXA-IXA線、すなわち、ノズル開口部Ｎの中心を通る前後方向の直線による断面図である。また、図９Ｂは、図８におけるIXB-IXB線、すなわち、ノズル開口部Ｎの中心を通る左右方向の直線による断面図である。
　なお、第１実施形態に係るノズルプレート１１０と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
　第２実施形態に係るノズルプレート１１０は、ノズル流路１１１がノズルストレート部１１１１を備える点で、第１実施形態に係るノズルプレート１１０と相違する。
｛ノズルストレート部｝
　ノズルストレート部１１１１は、ノズルテーパー部１１１２の吐出面Ｂａ側の端部及びノズル開口部Ｎと連続して形成されている。
　ノズルストレート部１１１１は、その流路面積が接着面Ｂｂ側から吐出面Ｂａ側で常に一定である。すなわち、ノズルストレート部１１１１をなす面がノズル中心軸に平行な軸となす角度θ2は０°である。
　なお、ノズルストレート部１１１１がノズル中心軸に平行な軸となす角度θ2は０°に限られない。ノズルストレート部１１１１は、吐出面Ｂａから接着面Ｂｂ側に向かうにつれて流路面積が漸次広くなるテーパーを有していてもよい。
　具体的には、ノズルストレート部１１１１を構成する面とノズル中心軸に平行な軸がなす角度θ2は、いずれの箇所においても略一定であり、かつ、０°≦θ2＜１５°であればよい。また、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ノズルストレート部１１１１の接着面Ｂｂ側の端部の径をＤ1、ノズル開口部Ｎの径、すなわち、ノズルストレート部１１１１の吐出面Ｂａ側の端部の径をＤ0とした場合、Ｄ1≧Ｄ0であればよい。
　すなわち、図１０Ａから図１０Ｇに示すノズル流路１１１のうち、図１０Ａから図１０Ｄのノズルテーパー部１１１２の下方部は、上記条件を全て満たす「ノズルストレート部１１１１」である。
　一方で、図１０Ｅから図１０Ｇのノズルテーパー部１１１２の下方部は、本発明に係る「ノズルストレート部１１１１」には該当しない。具体的には、図１０Ｅは、Ｄ1≧Ｄ0を満たしておらず、かつ０°≦θ2＜１５°を満たしていない。また、図１０Ｆ及び図１０Ｇは、Ｄ1≧Ｄ0であるが、θ2がいずれの箇所においても略一定ではない。
　なお、図１０Ａから図１０Ｇにおいては、段差面１１１２ｂの記載を省略している。
　また、図９Ａに示される、ノズルストレート部１１１１の上下方向の長さ、すなわち高さＬは５μｍ～５０μｍ程度であるのが望ましい。ノズルストレート部１１１１の高さが当該範囲内であることで、インクを射出する際に適切な抵抗が加わるようになる。
　ノズル流路１１１にノズルストレート部１１１１を設けると、ノズル開口部Ｎからインクを射出する際にかかる抵抗が大きくなる。これにより、メニスカスの振動が抑制されるため、メニスカス形状をより安定させられる。
　また、Ｗ2≒Ｗ3である場合、段差面１１１２ｂの上下方向の長さ、すなわち高さｈ1は、以下の式（３）で表される。
　ｈ1＝ｈ0－（Ｗ2－Ｄ1）／（２ｔａｎθ1）－Ｌ
　　　≒ｈ0－（Ｗ3－Ｄ1）／（２ｔａｎθ1）－Ｌ…（３）
　また、ノズルストレート部１１１１の接着面Ｂｂ側の端部の径、あるいはノズルテーパー部１１１２の吐出面Ｂａ側の端部の径Ｄ1は、以下の式（４）で表される。
　Ｄ1＝Ｄ0＋２×Ｌｔａｎθ2…（４）
［第２実施形態のノズルプレートの製造方法］
　第２実施形態に係るノズルプレート１１０の製造方法につき、図１１を元に説明を行う。
　第２実施形態に係るノズルプレート１１０の製造方法は、第１－４工程と第１－５工程の間に第１－Ａ工程から第１－Ｃ工程を行う点が、第１実施形態に係るノズルプレート１１０の製造方法と相違する。
（第１－Ａ工程）
　第１－１工程でマスク層を形成した後、第１－４工程でノズルパターン３０４を形成する。ノズルパターン３０４の形成後、第１－Ａ工程として、予定するノズルストレート部１１１１の長さ分だけドライエッチングをすることで、ノズルストレート穴３０７を形成する。
（第１－Ｂ工程）
　次に、第１－Ｂ工程として、ノズルストレート穴３０７の内面に沿ってノズルマスク層３０８を形成する。ノズルマスク層３０８の形成方法は、マスク層の形成方法と同様である。
（第１－Ｃ工程）
　その後、第１－Ｃ工程として、ノズルストレート穴３０７の底部に形成されたノズルマスク層３０８をドライエッチングにより除去する。そして、ノズルストレート穴３０７の側面部にのみノズルマスク層３０８を残す。
（第１－５工程、第１－２工程、第１－３工程）
　１－Ｃ工程後、第１－５工程として、基板Ｂをドライエッチングして、ノズルストレート穴３０７を更に深掘り加工することでノズル穴３０６を形成する。そして、第１－２工程及び第１－３工程により開口穴３０５を設ける。
（第２工程、第３工程）
　そして、第２工程として異方性ウェットエッチングをする。しかし、ノズルストレート穴３０７はノズルマスク層３０８で護られている。そのため、ノズルストレート穴３０７は、エッチングの進行が抑制されて、ノズルストレート部１１１１として残存する。結果ノズルストレート部１１１１を備えるノズル流路１１１が形成される。
　第２工程後、必要に応じて適宜第３工程を行う。
［変形例］
　段差面１１１２ｂとしては、図３や図８に示したような２面状のものに限られず、図１２Ａに示すような上面視直線状の１面状のものとしても構わない。また、図１２Ｂに示すような前方向に凸な曲面状としても構わない。
　また、図３等においては、ノズルテーパー部１１１２とストレート連通部１１１３とが連続したノズル流路１１１を例示したが、これに限られない。例えば図１３に示すように、ノズル流路１１１は、ノズルテーパー部１１１２とストレート連通部１１１３との間に、接着面Ｂｂ及び吐出面Ｂａに略平行な平面部１１１２ｃを備えてもよい。
　また、図３等においては、ノズルテーパー部１１１２が４つのテーパー面１１１２ａを備える場合を例示したが、これに限られない。
　例えば図１４に示すような、曲面状のテーパー面を備える、楕円漏斗状のノズル流路１１１としても構わない。
　このようなノズル流路１１１を備えるノズルプレート１１０の製造方法につき、図１５を元に説明を行う。
［他の例に係るノズルプレートの製造方法］
（第I工程）
　初めに、第I工程として、接着面Ｂｂ及び吐出面Ｂａに石英層（マスク層）が形成されたシリコンウエハの接着面Ｂｂにレジスト層４０１を形成する。
（第II工程）
　次に、第II工程として、グレイトーンマスクをレジスト層４０１に押し当てた上で、ＵＶ（UltraViolet）を照射して感光させる。その後、現像液に浸漬して、レジスト層４０１の感光部を除去する。
　グレイトーンマスクは、光の透過率に分布があるため、当該分布に応じてレジスト層４０１の厚みに分布ができた、傾斜を有するレジストパターンが形成される。なおこの時、当該グレイトーンマスクの設計に応じて、ノズルテーパー部１１１２に段差面１１１２ｂが設けられる。
（第III工程）
　次に、第III工程として、当該レジストパターンをマスクとして石英層をドライエッチングする。このとき、フォトレジスト４０２の厚み分布が石英層に転写される。
（第IV工程）
　そして更に、第IV工程として、石英層をマスクとして単結晶シリコンをドライエッチングする。このとき、石英層の厚み分布に応じて、単結晶シリコンにも厚み分布が転写される。
　なお、エッチング条件にもよるが、石英層の厚み分布と単結晶シリコンの厚み分布は、通常１：５０～１：１００程度になる。
（第V工程）
　所定のエッチング量だけドライエッチングした後、第V工程として、シリコンウエハの吐出面Ｂａ面にてレジスト層４０１の形成及び感光をして、レジストパターンを形成する。そして、第VI工程として、ドライエッチングによって第IV工程で設けた穴と連通させることで、ノズル開口部Ｎ及びノズルストレート部１１１１を形成する。
　次に、本発明の実施例及び比較例について、好ましい構成を評価した結果を説明する。以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
［サンプル作成］
　以下の各実施例、比較例の通りのノズル流路１１１を１２８０個有する、単結晶シリコンからなるノズルプレート１１０をそれぞれ製造した。そして、接着面における開口部の形状がノズルプレート１１０の接着面Ｂｂ側の開口部と同じ形状であるインク流路を有する圧電体プレートと接合して、インクジェットヘッド１０を形成した。そして、当該インクジェットヘッド１０をインクジェット記録装置１に搭載した。
　図１６Ａから図２３Ｂは、各実施例及び比較例に係るノズルプレート１１０における１つのノズル流路１１１を示す図である。各図において、点線部は第１工程で形成した中間構造体３００を示す。また、実線部は、第２工程で中間構造体３００に異方性ウェットエッチングをして、第３工程でストレート連通部１１１３が略垂直となるように除去加工をすることで、接着面Ｂｂ側の開口部を長方形状としたノズル流路１１１を示す。
　なお、以下においては、第３工程後のノズル流路１１１の、接着面Ｂｂ側の開口部の長辺側の長さをＷ1とする。
（実施例１）
　実施例１のノズル流路１１１Ａは、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、ノズルテーパー部１１１２Ａと、段差面１１１２ｂＡと、ストレート連通部１１１３Ａとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝２０μｍ、ｈ1＝１０μｍ、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍである。また、図１６Ａに示すように、テーパー面１１１２ａＡのうち、段差面１１１２ｂＡよりも上方にも段差を設けた。
　また、図１６Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は長方形状である。また、ノズル開口部Ｎの形状は円形である。
（実施例２）
　実施例２のノズル流路１１１Ｂは、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、ノズルストレート部１１１１Ｂと、ノズルテーパー部１１１２Ｂと、段差面１１１２ｂＢと、ストレート連通部１１１３Ｂとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝３０μｍ、ｈ1＝１０μｍ、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍである。
　なお、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、本実施例においては、第１－４工程で径１０μｍのひし形状のノズルパターン３０４を形成した。また、本実施例においては、第３工程でノズル開口部Ｎが径３０μｍの円形状となるように拡張した。そのため、Ｌ＝１０μｍのノズルストレート部１１１１Ｂが形成された。
　また、図１７Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は六角形状である。
（実施例３）
　実施例３のノズル流路１１１Ｃは、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、ノズルストレート部１１１１Ｃと、ノズルテーパー部１１１２Ｃと、段差面１１１２ｂＣと、ストレート連通部１１１３Ｃとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝５０μｍ、ｈ1＝１０μｍである。また、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍであり、Ｌ＝３０μｍである。
　なお、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すように、本実施例においては、第１－４工程で径１０μｍの円形状のノズルパターン３０４を形成した。また、本実施例においては、第３工程でノズル開口部Ｎが径３０μｍの円形状となるように拡張した。
　また、図１８Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は六角形状である。
（実施例４）
　実施例４のノズル流路１１１Ｄは、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、ノズルストレート部１１１１Ｄと、ノズルテーパー部１１１２Ｄと、段差面１１１２ｂＤと、ストレート連通部１１１３Ｄとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝６０μｍ、ｈ1＝２０μｍである。また、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍであり、Ｌ＝３０μｍである。
　なお、図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、本実施例においては、第１－４工程で径１０μｍの円形状のノズルパターン３０４を形成した。また、本実施例においては、第３工程でノズル開口部Ｎが径３０μｍの円形状となるように拡張した。
　また、図１９Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は、長方形の短辺に、当該短辺と等幅な径の半円を組み合わせた形状である。
（実施例５）
　実施例５のノズル流路１１１Ｅは、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、ノズルストレート部１１１１Ｅと、ノズルテーパー部１１１２Ｅと、段差面１１１２ｂＥと、ストレート連通部１１１３Ｅとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝５０μｍ、ｈ1＝１０μｍである。
　なお、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、本実施例においては、第１－４工程で径１０μｍの正方形状のノズルパターン３０４を形成した。また、本実施例においては、第３工程でノズル開口部Ｎが径３０μｍの円形状となるように拡張した。
　また、図２０Ａに示すように、本実施例においては、第３工程でノズルストレート部１１１１Ｅをテーパー状として、θ2＝８°となるようにした。そのため、Ｄ1＝４０μｍ、Ｄ0＝３０μｍであり、Ｌ＝３５μｍである。
　また、図２０Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は長方形状である。
（実施例６）
　実施例６のノズル流路１１１Ｆは、図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、ノズルテーパー部１１１２Ｆと、段差面１１１２ｂＦと、ストレート連通部１１１３Ｆとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝１５μｍ、ｈ1＝５μｍ、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍである。また、図２１Ａに示すように、テーパー面１１１２ａＦのうち、段差面１１１２ｂＦよりも上方にも段差を設けた。
　また、図２１Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は、長方形の短辺に、当該短辺と等幅の径の半円を組み合わせた形状である。また、ノズル開口部Ｎの形状は円形である。
（実施例７）
　実施例７のノズル流路１１１Ｇは、図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、ノズルテーパー部１１１２Ｇと、段差面１１１２ｂＧと、ストレート連通部１１１３Ｇとを備える。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝Ｗ3＝５０μｍである。また、ｈ0＝６５μｍ、ｈ1＝５５μｍ、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍである。また、図２２Ａに示すように、テーパー面１１１２ａＧのうち、段差面１１１２ｂＧよりも上方にも段差を設けた。
　また、図２２Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は長方形状である。また、ノズル開口部Ｎの形状は円形である。
（比較例１）
　比較例１のノズル流路１１１Ｆは、図２３Ａ及び図２３Ｂに示すように、ノズルテーパー部１１１２Ｈとストレート連通部１１１３Ｈのみを備える。図２３Ａに示すように、本比較例においては、第１工程においてａ＝ｂとなるように寸法を合わせた。そのため、ノズルテーパー部１１１２Ｈは、段差面１１１２ｂを備えない。
　具体的な寸法としては、Ｗ1＝１３０μｍ、Ｗ2＝５０μｍである。また、Ｄ0＝Ｄ1＝３０μｍである。
　また、図２３Ｂに示すように、開口パターン３０３の形状は六角形状である。また、ノズル開口部Ｎの形状は円形である。
（比較例２）
　従来公知の方法により、ノズル流路１１１を形成した。
　すなわち、ノズル流路１１１は、ノズルテーパー部１１１２と、ストレート連通部１１１３は備える。しかしながら、ノズルテーパー１１１２は、段差面１１１２ｂを備えない。また、接着面Ｂｂ側のノズル流路１１１の開口部はＷ1＝５０、Ｗ2＝５０μｍの正方形状である。
　上記実施例１－７及び比較例１－２のノズルプレート１１０を備えるインクジェットヘッド１０が搭載されたインクジェット記録装置１を用いて、以下の試験１及び試験２を行った。
［試験１．射出角度試験］
　液滴速度が平均約６ｍ／ｓとなる駆動電圧にて、粘度８ｃＰとなるように加温したＵＶインクを射出した。このとき、ノズル中心軸と射出液とがなす角度である射出角度が±何°以内となるかを、１２８０ノズルに対して評価した。
［試験２．上限速度試験］
　駆動周波数４０ｋＨｚで、粘度８ｃＰとなるように加温したＵＶインクの射出速度を５ｍ／ｓから上昇させた。そして、射出欠が発生するノズル開口部Ｎが１００ノズル中５ノズル以上発生する射出速度を測定した。なお、当該射出速度が９ｍ／ｓ以上である場合は、射出速度が高くても射出欠が発生しにくいが、より望ましくは射出速度が１０ｍ／ｓ以上であることが良く、さらに望ましくは、１１ｍ／ｓ以上が極めて良い。したがって、メニスカス安定性としては、９ｍ／ｓ未満を「Ｃ」、９ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ未満を「Ｂ」、１０ｍ／ｓ以上１１ｍ／ｓ未満を「Ａ」、１１ｍ／ｓ以上を「ＡＡ」として評価した。
　試験１及び試験２の結果を表Iに示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
［評価］
　実施例１と比較例１を比較すると、ノズルテーパー部１１１２に段差面１１１２ｂを設けることで、メニスカス安定性に優れたノズル流路１１１になることがわかる。
　また、実施例１と実施例６を比較すると、ノズル開口部Ｎから段差面１１１２ｂの接着面Ｂｂ側の端部までの長さｈ0は、２０μｍ以上が好ましいことがわかる。また、実施例４と実施例７を比較すると、ノズル開口部Ｎから段差面１１１２ｂの接着面Ｂｂ側の端部までの長さｈ0は、６０μｍ以下が好ましいことがわかる。
　また、実施例１と実施例２から５を比較すると、ノズルストレート部１１１１を設けることで、流路抵抗が高まり、駆動電圧が高くなることがわかる。一方で、ノズルストレート部１１１１を設けることで、射出角度の安定したノズル流路１１１となることがわかる。
　また、特に実施例５と実施例３を比較すると、ノズルストレート部１１１１をテーパー状とすることで、流路抵抗が低下し、駆動電圧が低くなることが分かる。
　また、比較例１と比較例２を比較すると、ノズルプレート１１０におけるノズル流路１１１の接着面Ｂｂ側の開口部を細長形状とすることで、流路抵抗が低下し、駆動電圧が低くなることが分かる。
［技術的効果］
　以上に示すように、本実施形態に係るノズルプレート１１０は、ノズルテーパー部１１１２に１対の段差面１１１２ｂが設けられている。
　当該構成によれば、ノズル流路１１１におけるメニスカス形状が一方向にのみ広がるのが抑制される。そのため、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、メニスカス形状の広がり方を揃えられる。結果、メニスカス形状の安定性が高まり、吐出特性に優れたノズル流路１１１となる。
　また、ノズル開口部Ｎの中心を通る長手方向の断面における、１対の段差面１１１２ｂ同士の間隔Ｗ3が、ストレート連通部１１１３を構成する面のうち、接着面Ｂｂにおいて長手側の辺を構成する１対の面同士の左右方向、すなわち第２方向の距離Ｗ2と略同一である。
　当該構成によれば、ノズル開口部Ｎの近傍に、段差面１１１２ｂと、ノズルテーパー部１１１２を構成する面のうち、ノズルストレート部１１１１の長辺側をなす面と平行な面と、からなる上面視略正方形状の空間が形成され、対称性を有するようになる。そのため、吐出特性に優れたノズル流路１１１となる。
　また、吐出面Ｂａから段差面１１１２ｂの接着面Ｂｂ側の端部までの長さｈ0は、メニスカスが上昇する最大高さ以上である。
　当該構成によれば、段差面１１１２ｂよりも上方までインクが引き込まれることでメニスカスが壊れて、吐出特性が悪化してしまうのを防ぐ。
　また、吐出面Ｂａから段差面１１１２ｂの接着面Ｂｂ側の端部までの長さｈ0は、具体的には２０μｍ以上６０μｍ以下である。
　当該構成によれば、吐出特性と容積確保とを両立したノズル流路１１１となる。
　また、ノズル流路１１１にはノズルストレート部１１１１が設けられている。
　当該構成によれば、より吐出特性に優れたノズル流路１１１となる。
　また、ノズルプレート１１０は単結晶シリコン基板からなる。
　当該構成によれば、高精度なノズル流路１１１となる。
　以上、本発明の実施形態及びその変形例について説明したが、上記実施形態及び変形例における記述内容は、本発明の好適な一例であり、これに限定されるものではない。
　本発明は、ノズル開口部の高密度化と好適な射出特性を両立できるノズルプレート、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に利用することができる。
１　インクジェット記録装置（液滴吐出装置）
１０　インクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）
１１０　ノズルプレート
１１１　ノズル流路
１１１１　ノズルストレート部
１１１２　ノズルテーパー部
１１１２ａ　テーパー面
１１１２ｂ　段差面
１１１２ｃ　平面部
１１１３　ストレート連通部
１１１３ａ　対向する１組の面
Ｎ　ノズル開口部
Ｂ　基板
Ｂａ　吐出面（第１面）
Ｂｂ　接着面（第２面）

Claims (10)

  1. 　基板の第１面に、液滴を吐出するためのノズル開口部が形成されたノズル流路を複数備えるノズルプレートであって、
    　前記ノズル流路は、前記第１面から前記第１面に対向する第２面に向かうにつれて、液滴の吐出方向に対して直交する断面積である流路面積が漸次広くなるノズルテーパー部と、
    　前記ノズルテーパー部の前記第２面側の端部と連通し、対向する１組の面が略平行であるストレート連通部と、を備え、
    　前記ストレート連通部は、前記第２面において、前記対向する１組の面に沿う第１方向の長さが、前記第１方向と直交する第２方向の長さよりも長く、
    　前記ノズルテーパー部は、前記第１方向の端部から前記ノズル開口部の中心に向かって傾斜するテーパー面と、前記ノズル開口部を挟んで当該テーパー面に段差をなす１対の段差面と、を備え、
    　前記段差面は、ノズル中心軸に平行な垂下面又は前記ノズル中心軸に平行な軸となす角度が前記テーパー面よりも小さい傾斜面であるノズルプレート。
  2. 　前記ノズル開口部の中心を通る前記第１方向の断面における前記１対の段差面の間隔は、前記第２方向の長さと同一である請求項１記載のノズルプレート。
  3. 　前記第１面から前記段差面の前記第２面側の端部までの長さは、メニスカスが上昇する最大高さ以上である請求項１又は２記載のノズルプレート。
  4. 　前記第１面から前記段差面の前記第２面側の端部までの長さは、２０μｍ以上である請求項３記載のノズルプレート。
  5. 　前記第１面から前記段差面の前記第２面側の端部までの長さは、６０μｍ以下である請求項３記載のノズルプレート。
  6. 　前記ノズル流路は、前記ノズルテーパー部の前記第１面側の端部に連続したノズルストレート部を備え、
    　前記ノズルストレート部を構成する面がノズル中心軸に平行な軸となす角度は略一定であって、
    　前記ノズルストレート部の前記第１面側の端部の流路面積は、前記第２面側の端部の流路面積以下である請求項１又は２記載のノズルプレート。
  7. 　前記基板は単結晶シリコンからなり、
    　前記ノズルテーパー部は、｛１００｝面の一部と、｛１１１｝面と、によって構成され、
    　前記ストレート連通部は、｛１００｝面の一部によって構成されている請求項１又は２記載のノズルプレート。
  8. 　前記ストレート連通部の前記第１面側の端部と、前記ノズルテーパー部の前記第２面側の端部と、の間に前記第１面及び前記第２面と平行な面を有する平面部を備える請求項１又は２記載のノズルプレート。
  9. 　液滴吐出装置に搭載される液滴吐出ヘッドであって、
    　請求項１又は２に記載のノズルプレートを備える液滴吐出ヘッド。
  10. 　液滴吐出装置であって、
    　請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを備える液滴吐出装置。
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