液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置
【課題】静電吸引方式の液体吐出技術を用い、吐出面がフラットであっても良好に電界集中を生じ、安定で耐薬品性に優れ、微細形状の加工適性に優れ、基材上に微細パターン形成が可能な液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置を提供する。
【解決手段】液体吐出装置１、３０の液体吐出ヘッド２、３１は、液体Ｌを吐出するノズル１０と、形状がフラットなノズルプレート１１と、液体Ｌを貯蔵するキャビティ２０と、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋ間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段１８と、静電電圧印加手段１８による静電電圧の印加を制御する動作制御手段２４とを備え、ノズル１０の吐出孔１３の内部直径が１５μｍ以下であり、少なくともノズルプレート１１が石英ガラスで構成されており、かつ、ノズルプレート１１の基材Ｋに対向する面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されている。
【解決手段】液体吐出装置１、３０の液体吐出ヘッド２、３１は、液体Ｌを吐出するノズル１０と、形状がフラットなノズルプレート１１と、液体Ｌを貯蔵するキャビティ２０と、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋ間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段１８と、静電電圧印加手段１８による静電電圧の印加を制御する動作制御手段２４とを備え、ノズル１０の吐出孔１３の内部直径が１５μｍ以下であり、少なくともノズルプレート１１が石英ガラスで構成されており、かつ、ノズルプレート１１の基材Ｋに対向する面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に係り、フラットノズルを有する電界集中型の液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェットでの画質の高精細化の進展および工業用途における適用範囲の拡大に伴い、微細パターン形成および高粘度のインク等の液体吐出の要請がますます強まっている。これらの課題を従来のインクジェット記録法で解決しようとすると、ノズルの微小化や液体の高粘度化により吐出のための駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまう。そのため、現状では実用に適う装置は実現されていない。
【０００３】
このような要請に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液体を吐出させる技術として、液体吐出ヘッドに形成されたノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に電界を形成し、形成された電界から受ける静電吸引力によって液体を液滴状に吐出させるいわゆる静電吸引方式の液体吐出装置が知られている（例えば、特許文献１〜４等参照）。
【特許文献１】特開２００４−１３６６５６号公報
【特許文献２】特開２００４−１１４３７４号公報
【特許文献３】特開２００１−３８９１１号公報
【特許文献４】国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような静電吸引方式の液滴吐出技術においては、ノズル内の液体やノズルの吐出孔部分に形成されるメニスカスへの電界集中を生じさせることで効率良くより低い印加電圧で液体を吐出させることができる。そのため、ノズルの先端部分をノズルが形成されているノズルプレートから突出させて電界集中を高めるように構成されることも多い。
【０００５】
しかし、ノズルの先端部分をノズルプレートから突出させた構造では、構造が複雑になるため生産性の低下を招いたり、液体吐出ヘッドのクリーニング時にノズルの先端部分が折れるなど操作性に劣るという問題がある。そのため、ノズルやノズルプレートの形状はフラットであることが好ましい。なお、本発明において、フラットとは、ノズルプレートの吐出面からノズルが突出しない、或いは吐出面からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、ワイピングの際に破損等の支障を生じることがないものをいう。
【０００６】
液体吐出ヘッドがフラットであれば、構造が単純であるために生産性に優れ、また、液体吐出ヘッドのクリーニング時における吐出面のワイピングの際にワイパにノズルが引っ掛かって破損することがなく、ヘッドの寿命がその分長くなるという大きな利点がある。
【０００７】
このようなフラットなノズルを有する液体吐出ヘッドのノズルを種々の材料を用いて構成することが考えられるが、本発明者の研究により以下のような問題があることが新たに判明した。
【０００８】
ノズルを構成する部材の絶縁性が不足するとノズル先端に形成される液体のメニスカスに十分な電界集中が生じないため液体が吐出されないという問題があるが、一方で、部材の絶縁性が十分であっても、強い電界が長時間加わるため部材の材質の物性が劣化したり変化したりして液体の吐出状態が変わったり吐出が生じなくなるという問題がある。これはノズルを構成する部材の体積抵抗や誘電率などの電気的物性の変化の問題であると考えられる。
【０００９】
また、ノズルを構成する部材の材質と吐出する液体の種類の関係で、液体によってノズルが腐食される場合があるという問題もある。さらに、液体に対する耐性を向上させ或いはノズルプレートの吐出面に撥液性を付与する目的でノズルプレートの表面をコーティングする場合、微細なノズルがコーティング物質によって詰まったりノズル内にはみ出したりして、コーティングによりノズルの形状が損なわれ、ノズル形状にばらつきが生じたり、ノズル間での吐出ばらつきの原因になる等の問題も生じる。
【００１０】
そこで、本発明は、静電吸引方式の液体吐出技術を用い、吐出面がフラットであっても良好に電界集中を生じ、安定で耐薬品性に優れ、微細形状の加工適性に優れ、基材上に微細パターン形成が可能な液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体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】
【００１１】
前記の問題を解決するために、請求項１の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成され形状がフラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する動作制御手段と
を備え、
前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であり、
少なくとも前記ノズルプレートが石英ガラスで構成されており、
かつ、前記ノズルプレートの前記基材に対向する面にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、静電力によりノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、フッ化アルキルシランの撥液膜によりノズルプレートの吐出面での液体の広がりが防止され、メニスカスが隆起する。メニスカス先端部に非常に強い電界集中が生じ、電界の強い静電力によりメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。液滴は静電力により加速され、基材に引き寄せられて着弾する。その際、液滴は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記フッ化アルキルシランの撥液膜は、前記ノズルプレートの吐出面に直接形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、中間層を介することなくノズルプレートの面に直接形成されたフッ化アルキルシランの撥液膜がノズルの吐出孔に形成される液体のメニスカスの吐出面での広がりを抑制して、メニスカスを隆起させる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成するための圧力発生手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、液体を吐出すべきノズルに対応する圧力発生手段に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、フッ化アルキルシランの撥液膜によりノズルプレートの吐出面での液体の広がりが防止され、メニスカスが隆起する。メニスカス先端部に非常に強い電界集中が生じ、電界の強い静電力によりメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。液滴は静電力により加速され、基材に引き寄せられて着弾する。その際、液滴は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００１７】
請求項４に記載の液体吐出装置は、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記基材を裏面から支持する対向電極と
を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体吐出ヘッドから吐出された液体が、対向電極に裏面から支持された基材に着弾する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、ノズルプレート材質が石英ガラスでできているため、高い絶縁性が確保できるうえ、電界に対する電気物性の変化が小さく安定である。また、フッ化アルキルシラン膜はノズルプレート全体の電気物性を損なわないため、静電吸引方式の液体吐出技術を用いた吐出面がフラットなノズルプレートであっても良好に電界集中を生じる。そのため、静電吸引力を効果的に微細ノズル先端の液体メニスカスに発生させることができ、微細な液体を効果的かつ安定に吐出することが可能となり、基材上に微細パターンを形成することが可能となる。
【００２０】
また、石英ガラス、フッ化アルキルシランともに安定で耐薬品性に優れ、フッ酸を除く酸やアルカリ、有機溶剤といった液体に適用可能である。
【００２１】
さらに、石英ガラス材はドライエッチングによる微細加工が可能であり微細加工適性を有するうえ、フッ化アルキルシラン処理による撥液処理をすることにより、この撥液処理では液体ガラス上にナノメートルオーダーのフッ化アルキルシランの単分子の膜が形成されるため微細なノズル形状を実用上変化させず、精密で微細なノズルが形成されたフラットなノズルプレートを形成することが可能となる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、フッ化アルキルシラン膜は石英ガラスへの密着性が高く、ローラやブレード等の簡易なコーティングで容易に部材表面上に単分子膜を形成して中間層を介することなくノズルプレート面に直接形成される。そのため、前記発明の効果に加え、バインダ等の中間層を設けたり事前に特殊な下地処理加工を施したりするような複雑な製造方法をとる必要がなく、製造工程を簡略化できるとともに、生産安定性や製造コストの面で有利なものとなる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、液体を吐出すべきノズルに対応する圧力発生手段に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、吐出するノズルの隆起したメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。
【００２４】
液滴は静電気力により加速され、基材に引き寄せられて着弾するが、その際、液滴は、静電気力の作用でより近い所に着弾しようとする。そのため、前記各発明の効果に加え、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。そして、ノズルを個別に電気的に絶縁して吐出したいノズルのみに静電気力を発生させるための電圧を印加させる必要がなく、導電性の液体を各ノズルに分岐して導入でき、液体の種類の制約が小さいため、ヘッド製造のコストを抑制することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、前記各発明の効果に加え、前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段として、前記基材を裏面から支持する対向電極を備えることにより前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を確実かつ効果的に印加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。なお、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
【００２８】
本実施形態に係る液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出する複数のノズル１０を有する液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド２のノズル１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極３とを備えている。
【００２９】
液体吐出ヘッド２のうち対向電極３に対向する側には、複数のノズル１０が形成されたノズルプレート１１が設けられている。ノズルプレート１１は、石英ガラスで構成されている。液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１の対向電極３や基材Ｋに対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いは例えば後述する図２（Ｄ）に示すように突出したとしてもノズル１０が３０μｍ程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。
【００３０】
本実施形態では、各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、各ノズル１０には、それぞれノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に形成されたより大径の大径部１５との２段構造とされている。ノズル１０の小径部１４および大径部１５は、それぞれ断面円形で対向電極側がより小径とされたテーパ状に形成されており、小径部１４の吐出孔１３の内部直径すなわちノズル径が１０μｍ、大径部１５の小径部１４から最も離れた側の開口端の内部直径が７５μｍとなるように構成されている。
【００３１】
なお、ノズル径は１５μｍ以下になるように構成される。また、ノズル１０の形状は前記の形状に限定されず、例えば、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、形状が異なる種々のノズル１０を用いることが可能である。また、ノズル１０は、断面円形状に形成する代わりに、断面多角形状や断面星形状等であってもよい。
【００３２】
ノズルプレート１１の吐出面１２と反対側の面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１０内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１６が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１６は、ノズル１０の大径部１５の内周面１７まで延設されており、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。
【００３３】
また、帯電用電極１６には、静電吸引力を生じさせるための静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１８に接続されている。本実施形態では、単一の帯電用電極１６がすべてのノズル１０内の液体Ｌに接触しているため、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、ノズル１０や後述するキャビティ２０内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に静電吸引力が発生するようになっている。
【００３４】
帯電用電極１６の背後には、ボディプレート１９が設けられている。ボディプレート１９の前記各ノズル１０の大径部１５の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は、ノズル１０の吐出孔１３から吐出される液体Ｌを一時貯蔵するためのキャビティ２０とされている。
【００３５】
ボディプレート１９の背後には、可撓性を有する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層２１が設けられており、可撓層２１により液体吐出ヘッド２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。
【００３６】
なお、ボディプレート１９には、キャビティ２０に液体Ｌを供給するための図示しない流路が形成されている。具体的には、ボディプレート１９としてのシリコンプレートをエッチング加工してキャビティ２０、図示しない共通流路、および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路が設けられている。共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ２０、ノズル１０等の内部の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。
【００３７】
本実施形態では、可撓層２１の外面の各キャビティ２０に対応する部分には、それぞれ圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２２が設けられており、ピエゾ素子２２には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２３が電気的に接続されている。
【００３８】
ピエゾ素子２２は、駆動電圧電源２３からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。
【００３９】
駆動電圧電源２３および前述した帯電電圧電源１８は、それぞれ動作制御手段２４に接続されており、それぞれ動作制御手段２４による制御を受けるようになっている。
【００４０】
動作制御手段２４は、本実施形態では、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピュータからなっており、ＣＰＵ２５は、ＲＯＭ２６に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。
【００４１】
具体的には、動作制御手段２４は、電源制御プログラムに基づいて静電電圧印加手段である帯電電圧電源１８による前記帯電用電極１６への静電電圧の印加を制御して、ノズル１０やキャビティ２０内の液体Ｌを帯電させ、液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力を発生させるなっている。また、動作制御手段２４は、電源制御プログラムに基づいて各駆動電圧電源２３を駆動させて各ピエゾ素子２２をそれぞれ変形させて、ノズル１０内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。
【００４２】
液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１の吐出面１２には、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しを抑制するために、フッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が吐出孔１３以外の吐出面１２全体に形成されている。フッ化アルキルシランは、石英ガラス製のノズルプレート１１の吐出面１２に塗布されると、面上で単分子膜を形成することが知られており、本実施形態では、このフッ化アルキルシランの単分子膜で撥液膜２８が構成されている。
【００４３】
また、本実施形態では、撥液膜２８は、ノズルプレート１１の吐出面１２にバインダ等の中間層を介することなく直接形成されている。なお、ノズルプレート１１の吐出面１２にノズルプレート全体の電気特性やその安定性、耐薬品性、形状等を損なわない何らかの機能を有する中間層を設ける場合には、その中間層の基材Ｋに対向する面にフッ化アルキルシランによる撥液膜２８が形成される。
【００４４】
フッ化アルキルシランとしては公知のものを用いることが可能であり、例えば、（３，３，３−トリフルオロプロピル）トリクロロシラン、（３，３，３−トリフルオロプロピル）トリメトキシシラン、（３，３，３−トリフルオロプロピル）トリエトキシシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）メチルジクロロシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）ジメチルクロロシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリメトキシシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリアミノシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリエトキシシラン、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシル）トリクロロシラン、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシル）トリメトキシシラン、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシル）トリエトキシシラン等を挙げることができる。
【００４５】
撥液膜２８の製膜方法としては、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシランの単分子膜を形成可能であれば特定の製膜法に限定されず、例えば、リバースロールコータ等のローラを用いたコーティング法やブレード等を用いたコーティング法等を用いて製膜することが可能である。
【００４６】
液体吐出ヘッド２の下方には、基材Ｋを裏面から支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２に平行に所定距離離間されて配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との離間距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。
【００４７】
本実施形態では、対向電極３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、前記帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電位差が生じて電界が発生するようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。
【００４８】
なお、接地に関しては、本実施形態に限定されず、対向電極３を接地させる代わりに帯電用電極１６を接地させたり、両者とも接地せず液滴Ｄが基材Ｋに着弾するとその電荷を逃がすように帯電電圧電源１８を制御するように構成することも可能である。
【００４９】
また、対向電極３または液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド２の各ノズル１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾可能とされている。
【００５０】
さらに、液体吐出装置１により吐出を行うことができる液体Ｌは、国際公開第２００６／０１１４０３号パンフレットに記載された液体等を挙げることができる。また、液体吐出装置１は、パターニング手段として用いる場合には、同パンフレットに記載された用途等に応用することができる。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理について説明する。
【００５２】
本実施形態では、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧を印加して、全ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源２３から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応するピエゾ素子２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１０の吐出孔１３に液体ＬのメニスカスＭを形成させる。
【００５３】
本実施形態のように、ノズルプレート１１の体積抵抗が高くなると、図３にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。
【００５４】
特に、図３でメニスカスＭの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカスＭの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００５５】
また、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がるとメニスカスＭの先端部の電界集中が弱くなってしまうが、本実施形態では、前述したように吐出面１２にはフッ化アルキルシランの撥液膜２８が形成されているから液体Ｌの吐出面１２での広がりが防止され、メニスカスＭの先端部の電界集中が弱まることがない。
【００５６】
このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッド２においても、高い体積抵抗を有するノズルプレート１１を用い、吐出面１２に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌの吐出状態となる。そして、フッ化アルキルシランの撥液膜２８によりメニスカスＭが確実かつ適切に形成される。
【００５７】
定量的には、発明者らが各種の絶縁体で形成したノズルプレート１１を用いて行った実験およびシミュレーション実験では、図４に示すように、電界強度はノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗に強く依存するという知見が得られた。図４は、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗を１０１４〜１０１８Ωｍとした場合に、静電電圧を印加し始めた後、メニスカス先端部の電界強度が変化していく様子を計算したものである。なお、図４で(i)〜(iv)の曲線はそれぞれ体積抵抗が異なる絶縁体の結果を表しており、(i)は体積抵抗が１０１４Ωｍの場合、(ii)は１０１５Ωｍの場合、(iii)は１０１６Ωｍの場合、(iv)は１０１８Ωｍの場合をそれぞれ示している。また、空気の体積抵抗を１０２０Ωｍとして計算した。
【００５８】
図４に示すように、ノズルプレート１１に用いる絶縁体はイオン分極するが、その体積抵抗が１０１４Ωｍの場合には静電電圧を印加し始めて１００秒後にはメニスカス先端部の電界強度が大きく低下する。この静電電圧の印加開始からメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間は空気の体積抵抗とノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗の比で決まるが、本実験により、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗が大きいほどメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間が遅くなる、すなわち必要な強い電界強度が得られる時間が長くなり、良好な静電吸引力が得られる時間が長くなるという知見が得られた。
【００５９】
なお、シミュレーション実験は、下記の実験条件に基づいて電界シミュレーションソフトである「PHOTO-VOLT」（商品名、株式会社フォトン製）で電流分布解析モードによるシミュレーションにより行った。また、下記ノズルプレート１１の厚さとは、本実施形態では、ノズル１０の小径部１４の長さと大径部１５の長さの和に等しい。
【００６０】
［実験条件］
ノズルプレート１１の吐出面１２と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１の厚さ：１２５ｍｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
【００６１】
また、ノズル１０から液体Ｌすなわち液滴Ｄを吐出するためには、メニスカスＭの先端部の電界強度が１．５×１０７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、メニスカス先端部の電界強度が実用上必要な１０００秒間（約１５分間）維持されるためには、図４からノズルプレート１１の体積抵抗が１０１５Ωｍ以上であることが実用上必要となる。この結果は実機による実験でも確認されている。
【００６２】
本実施形態では、前述したようにノズルプレート１１は石英ガラスで構成されており、石英ガラスの体積抵抗は１０１６Ωｍ以上であるから、前記条件を満たしている。
【００６３】
一方、体積抵抗が１０１５Ωｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート１１を作製しても、ノズル１０内の液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されて体積抵抗が低下し、液滴Ｄが吐出されない場合がある。しかし、石英ガラスは耐薬品性が高く、液体に侵されにくく、吸収率もほぼ０％であるから、体積抵抗が低下することもない。また、長時間電界にさらされることにより体積抵抗や誘電率等の物性が変化する場合があるが、石英ガラスは安定である。さらに、フッ化アルキルシラン撥液膜があっても性能は損なわれない。
【００６４】
また、前記シミュレーションにおいて、ノズル径を変化させた場合のメニスカスＭの先端部の電界強度を図５に示す。この結果から、メニスカスＭの先端部の電界強度はノズル径にも依存し、メニスカスＭの先端部の電界強度が１．５×１０７Ｖ／ｍ以上であるためにはノズル径が１５μｍ以下であることが必要である。この結果は、実機による実験でも確認されている。
【００６５】
なお、前記シミュレーションでは、図６に示すように、ノズルプレート１１の厚さを変化させた場合にもメニスカスＭの先端部の電界強度が変化するという知見が得られた。この結果から、メニスカスＭの先端部で１．５×１０７Ｖ／ｍ以上の電界強度を得るためには、ノズルプレート１１の厚さが７５μｍ以上であることが好ましいことが分かる。
【００６６】
また、図５に示したノズル径とメニスカスＭの先端部の電界強度との関係および図６に示したノズルプレート１１の厚さとメニスカスＭの先端部の電界強度との関係は、本実施形態のような小径部１４および大径部１５よりなる２段構造のノズル１０の場合のみならず、１段構造、すなわち、単純なテーパ状のノズルや円筒状のノズル、或いは多段構造のノズルの場合でも同様のシミュレーション結果が得られている。
【００６７】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１の作用について説明する。
【００６８】
図７は、本実施形態に係る液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御手段２４は、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に一定の静電電圧ＶＣを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル１０には常時一定の静電電圧ＶＣが印加され、液体吐出ヘッド２内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に電界が生じる。
【００６９】
また、それと同時に、ノズル１０の吐出孔１３付近で、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並ぶようになり、ノズル１０の小径部１４内の液体Ｌに向かう強い電界が発生する。
【００７０】
さらに、動作制御手段２４が、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１０に対応するピエゾ素子２２に対して駆動電圧電源２３からパルス状の駆動電圧ＶＤを印加させると、ピエゾ素子２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力が上昇し、ノズル１０の吐出孔１３では、図中Ａの状態からメニスカスＭが隆起して、図中ＢのようにメニスカスＭが大きく隆起した状態となる。
【００７１】
その際、本実施形態では、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシランの撥液膜２８が形成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらず、メニスカスＭの隆起が保持される。
【００７２】
このように隆起したメニスカスＭの先端部では高度な電界集中が生じ、電界強度が非常に強くなり、メニスカスＭに対して前記静電電圧ＶＣにより形成された電界から強い静電力が加わる。そして、この強い静電力による吸引により図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられ、径が１〜１０μｍ程度の微細な液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、電界で加速されて対向電極方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋに着弾する。
【００７３】
その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。また、ノズル１０では、図中Ｄのように液滴Ｄが引きちぎられた分だけ液面が後退するが、キャビティ２０から液体Ｌが補充されて、速やかに図中Ａの状態に戻る。
【００７４】
なお、ピエゾ素子２２に印加する駆動電圧ＶＤとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図８（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２２に常時電圧ＶＤを印加しておいて一旦切り、再度電圧ＶＤを印加してその立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧ＶＤを印加するように構成してもよく適宜決定される。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１によれば、液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１が１０１６Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有する石英ガラスで構成され、しかも、ノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル１０の小径部１４内の液体ＬやメニスカスＭで高度な電界集中が生じる。そのため、フラットな吐出面１２を有する液体吐出ヘッド２であっても静電吸引方式により効果的に液体を吐出することが可能となる。
【００７６】
また、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらずにメニスカスＭの隆起が保持される。そのため、前記効果が確実かつ適切に保証される。
【００７７】
このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１は、ノズルプレート１１の吐出面１２がフラットに形成されているため、生産性に優れ、クリーニング時にノズル１０の破損等を生じることを防止可能であるほか、メニスカスＭの先端部に電界集中を効果的に生じさせることができるため、吐出面がフラットであっても効率良くかつ正確に液体を吐出して基材上に良好に微細パターン形成を形成することが可能となる。
【００７８】
また、石英ガラスは高体積抵抗であると同時に、誘電率や体積抵抗等の電気物性が安定しており、耐薬品性を有し、１０００時間以上電界にさらされてもその吐出状態が変わらず良好である。しかもドライエッチングやウェットエッチング、機械加工等による微細形状の加工適性に優れるため、微細なノズル１０が形成される液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１に用いる材質として大きな利点を有する。
【００７９】
さらに、フッ化アルキルシランは、耐薬品性が高く、フッ酸を除く酸やアルカリ、有機溶剤といった液体に適用可能である。また、単分子膜を形成するため撥液膜を含むノズルプレート部全体の電気物性等を損なわないという特性を有し、フッ化アルキルシランがｎｍ（ナノメートル）オーダーの単分子膜を形成することで、ノズルプレート１１の微細なノズル形状が保たれるという利点がある。
【００８０】
具体的には、撥液膜がμｍオーダーの厚さで形成されると、例えば図９（Ａ）に示すようにノズル１０の吐出孔１３の部分で撥液層２９の立ち上がり角度にムラを生じたり、図９（Ｂ）に示すようにノズル１０の内部に撥液層２９が回り込んだりして、撥液層２９がノズル形状に影響を与えて液滴の吐出精度が悪化する場合がある。
【００８１】
しかし、フッ化アルキルシランのようにｎｍオーダーの単分子膜として撥液層２９が形成されると、図９（Ａ）のようにノズル１０の吐出孔１３の部分での撥液膜の立ち上がり角度は液滴の吐出精度の影響を与えず、また、図９（Ｂ）のように撥液膜が多少ノズル１０の内側に回り込んでも液滴の吐出精度の影響を与えることはない。そのため、ノズルプレート１１の微細なノズル形状が保たれるとともに、液滴の吐出を良好に行うことが可能となる。なお、図９では、帯電用電極１６等が省略されている。
【００８２】
また、前述したように、フッ化アルキルシランは石英ガラスへの密着性が高く、ローラやブレード、筆等の簡単なコーティングで容易にその表面上に単分子膜を直接形成する。そのため、ノズルプレート１１を石英ガラスで構成すれば、その表面にバインダ等の中間層を設けたり事前に特殊な下地処理加工を施したりするような複雑な製造方法をとる必要がなくその吐出面１２にフッ化アルキルシランを製膜することができる利点がある。
【００８３】
そのため、液体吐出ヘッド２の製造において、中間層の形成やノズルプレート１１の吐出面１２に対する特殊加工等のプロセスを設ける必要がないので、製造工程がより簡略化されるとともに、確立された公知のコーティング技術等を用いて液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１を製造することが可能となり、生産安定性や製造コストの面で有利なものとなる。
【００８４】
また、静電電圧印加手段である帯電電圧電源１８から帯電用電極１６を介してノズル１０に静電電圧を印加して、ノズル内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に電界を生じさせ、液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応する圧力発生手段であるピエゾ素子２２に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔１３に液体のメニスカスを形成させる。その際、吐出するノズルの隆起したメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴Ｄとなる。
【００８５】
液滴Ｄは静電気力により加速され、基材Ｋに引き寄せられて着弾するが、その際、液滴Ｄは、静電気力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。そして、ノズル１０を個別に電気的に絶縁して吐出したいノズルのみに静電気力を発生させるための電圧を印加させる必要がなく、導電性の液体Ｌを各ノズル１０に分岐して導入でき、液体Ｌの種類の制約が小さいため、ヘッド製造のコストを抑制することができる。
【００８６】
さらに、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋ間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段として、基材Ｋを裏面から支持する対向電極３を備えることで、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋとの間に静電電圧を確実にかつ効果的に印加することが可能となる。
【００８７】
なお、本実施形態では、対向電極３を接地する場合について述べたが、例えば、帯電電圧電源１８から対向電極３に電圧を印加して、対向電極３と帯電用電極１６との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるように帯電電圧電源１８を動作制御手段２４で制御し、帯電電圧電源１８と対向電極３とをあわせて静電電圧印加手段とするように構成することも可能である。
【００８８】
また、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形によりメニスカスＭを隆起させる構成としているが、圧力発生手段はこのようにメニスカスＭを隆起させることができる機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１０やキャビティ２０の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。
【００８９】
さらに、本実施形態では、帯電用電極１６がノズルプレート１１のノズル１０の内周面１７等に形成されているが、液体Ｌを介してメニスカスＭに導通することができれば、帯電用電極１６の設置位置は例えば前述した外部の液体タンク等でもよく、限定されない。
【００９０】
［第２の実施の形態］
図１０は、第２の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態に係る液体吐出装置１における場合と同様の構成や機能を有する部材については第１の実施形態と同一の符合を付して説明する。
【００９１】
本実施形態に係る液体吐出装置３０は、液体吐出ヘッド３１と対向電極３とを備えている。本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１においても、第１の実施形態と同様に、ノズル１０の吐出孔１３の内部直径は１５μｍ以下であり、ノズルプレート１１が石英ガラスで構成されており、ノズルプレート１１の基材Ｋに対向する面すなわち吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されている。
【００９２】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、液体吐出ヘッド３１がピエゾ素子等の圧力発生手段を備えていない点であり、ノズル１０内の液体Ｌに帯電用電極１６を介して静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１８から静電電圧を印加して帯電させて吐出させるように構成されている。
【００９３】
そのため、帯電用電極１６は、各ノズル１０の周囲にそれぞれ独立に設けられており、動作制御手段２４は帯電電圧電源１８から各ノズル１０に対応する帯電用電極１６に個別に静電電圧を印加させるように制御するようになっている。
【００９４】
また、圧力発生手段を用いないことで第１の実施形態では可撓層２１とされていた層を外面から支持する手段がなくなるため、ボディプレート１９の背後には、可撓層２１に代えて、より硬質の樹脂等からなる絶縁性の隔壁層３２が設けられており、この隔壁層３２により液体吐出ヘッド２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。
【００９５】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１における液体Ｌの吐出原理は、第１の実施形態と同様である。
【００９６】
すなわち、帯電電圧電源１８から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応する帯電用電極１６に静電電圧を印加して、そのノズル１０内の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界を生じさせて、静電力によりノズル１０の吐出孔１３に液体ＬのメニスカスＭを形成させる。その際、吐出面１２にフッ化アルキルシランの撥液膜２８が形成されているため液体Ｌの吐出面１２での広がりが防止され、メニスカスＭが確実に隆起する。
【００９７】
また、ノズルプレート１１が石英ガラスで構成されていて体積抵抗が高いため、図３に示した場合と同様に、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。
【００９８】
特に、メニスカスＭの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００９９】
以上のように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１および液体吐出装置３０によれば、液体吐出ヘッド３１は、ノズルプレート１１が１０１６Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有し、長時間電界に暴露されても電気特性が安定な石英ガラスで構成され、さらにノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により形成された撥液膜２８が安定性を含めてノズルプレート全体の電気特性を損なわず、しかもノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル１０の小径部１４内の液体ＬやメニスカスＭで高度な電界集中が生じる。
【０１００】
しかも、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらずにメニスカスＭの隆起が確実かつ適切に保持される。そのため、フラットな吐出面１２を有する液体吐出ヘッド３１であっても静電吸引方式により効果的に液体を吐出することが可能となり、前記第１の実施形態の効果がまったく同様に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】第１の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】形状が異なるノズルの変形例を示す図である。
【図３】シミュレーションによるノズルの吐出孔付近の電位分布を示す模式図である。
【図４】メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの体積抵抗率との関係を示す図である。
【図５】メニスカス先端部の電界強度とノズル径との関係を示す図である。
【図６】メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの厚さとの関係を示す図である。
【図７】液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御の一例を示す図である。
【図８】ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。
【図９】ノズルの吐出孔の部分での撥液層の立ち上がり角度のムラ（Ａ）および吐出孔内部への撥液層の回り込み（Ｂ）を説明する図である。
【図１０】第２の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１、３０ 液体吐出装置
２、３１ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
１０ ノズル
１１ ノズルプレート
１２ 吐出面
１３ 吐出孔
１８ 静電電圧電源（静電電圧印加手段）
２０ キャビティ
２２ ピエゾ素子（圧力発生手段）
２４ 動作制御手段
２８ 撥液膜
Ｋ 基材
Ｌ 液体
Ｍ メニスカス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に係り、フラットノズルを有する電界集中型の液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェットでの画質の高精細化の進展および工業用途における適用範囲の拡大に伴い、微細パターン形成および高粘度のインク等の液体吐出の要請がますます強まっている。これらの課題を従来のインクジェット記録法で解決しようとすると、ノズルの微小化や液体の高粘度化により吐出のための駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまう。そのため、現状では実用に適う装置は実現されていない。
【０００３】
このような要請に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液体を吐出させる技術として、液体吐出ヘッドに形成されたノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に電界を形成し、形成された電界から受ける静電吸引力によって液体を液滴状に吐出させるいわゆる静電吸引方式の液体吐出装置が知られている（例えば、特許文献１〜４等参照）。
【特許文献１】特開２００４−１３６６５６号公報
【特許文献２】特開２００４−１１４３７４号公報
【特許文献３】特開２００１−３８９１１号公報
【特許文献４】国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような静電吸引方式の液滴吐出技術においては、ノズル内の液体やノズルの吐出孔部分に形成されるメニスカスへの電界集中を生じさせることで効率良くより低い印加電圧で液体を吐出させることができる。そのため、ノズルの先端部分をノズルが形成されているノズルプレートから突出させて電界集中を高めるように構成されることも多い。
【０００５】
しかし、ノズルの先端部分をノズルプレートから突出させた構造では、構造が複雑になるため生産性の低下を招いたり、液体吐出ヘッドのクリーニング時にノズルの先端部分が折れるなど操作性に劣るという問題がある。そのため、ノズルやノズルプレートの形状はフラットであることが好ましい。なお、本発明において、フラットとは、ノズルプレートの吐出面からノズルが突出しない、或いは吐出面からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、ワイピングの際に破損等の支障を生じることがないものをいう。
【０００６】
液体吐出ヘッドがフラットであれば、構造が単純であるために生産性に優れ、また、液体吐出ヘッドのクリーニング時における吐出面のワイピングの際にワイパにノズルが引っ掛かって破損することがなく、ヘッドの寿命がその分長くなるという大きな利点がある。
【０００７】
このようなフラットなノズルを有する液体吐出ヘッドのノズルを種々の材料を用いて構成することが考えられるが、本発明者の研究により以下のような問題があることが新たに判明した。
【０００８】
ノズルを構成する部材の絶縁性が不足するとノズル先端に形成される液体のメニスカスに十分な電界集中が生じないため液体が吐出されないという問題があるが、一方で、部材の絶縁性が十分であっても、強い電界が長時間加わるため部材の材質の物性が劣化したり変化したりして液体の吐出状態が変わったり吐出が生じなくなるという問題がある。これはノズルを構成する部材の体積抵抗や誘電率などの電気的物性の変化の問題であると考えられる。
【０００９】
また、ノズルを構成する部材の材質と吐出する液体の種類の関係で、液体によってノズルが腐食される場合があるという問題もある。さらに、液体に対する耐性を向上させ或いはノズルプレートの吐出面に撥液性を付与する目的でノズルプレートの表面をコーティングする場合、微細なノズルがコーティング物質によって詰まったりノズル内にはみ出したりして、コーティングによりノズルの形状が損なわれ、ノズル形状にばらつきが生じたり、ノズル間での吐出ばらつきの原因になる等の問題も生じる。
【００１０】
そこで、本発明は、静電吸引方式の液体吐出技術を用い、吐出面がフラットであっても良好に電界集中を生じ、安定で耐薬品性に優れ、微細形状の加工適性に優れ、基材上に微細パターン形成が可能な液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体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】
【００１１】
前記の問題を解決するために、請求項１の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成され形状がフラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する動作制御手段と
を備え、
前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であり、
少なくとも前記ノズルプレートが石英ガラスで構成されており、
かつ、前記ノズルプレートの前記基材に対向する面にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、静電力によりノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、フッ化アルキルシランの撥液膜によりノズルプレートの吐出面での液体の広がりが防止され、メニスカスが隆起する。メニスカス先端部に非常に強い電界集中が生じ、電界の強い静電力によりメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。液滴は静電力により加速され、基材に引き寄せられて着弾する。その際、液滴は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記フッ化アルキルシランの撥液膜は、前記ノズルプレートの吐出面に直接形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、中間層を介することなくノズルプレートの面に直接形成されたフッ化アルキルシランの撥液膜がノズルの吐出孔に形成される液体のメニスカスの吐出面での広がりを抑制して、メニスカスを隆起させる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成するための圧力発生手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、液体を吐出すべきノズルに対応する圧力発生手段に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、フッ化アルキルシランの撥液膜によりノズルプレートの吐出面での液体の広がりが防止され、メニスカスが隆起する。メニスカス先端部に非常に強い電界集中が生じ、電界の強い静電力によりメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。液滴は静電力により加速され、基材に引き寄せられて着弾する。その際、液滴は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００１７】
請求項４に記載の液体吐出装置は、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記基材を裏面から支持する対向電極と
を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体吐出ヘッドから吐出された液体が、対向電極に裏面から支持された基材に着弾する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、ノズルプレート材質が石英ガラスでできているため、高い絶縁性が確保できるうえ、電界に対する電気物性の変化が小さく安定である。また、フッ化アルキルシラン膜はノズルプレート全体の電気物性を損なわないため、静電吸引方式の液体吐出技術を用いた吐出面がフラットなノズルプレートであっても良好に電界集中を生じる。そのため、静電吸引力を効果的に微細ノズル先端の液体メニスカスに発生させることができ、微細な液体を効果的かつ安定に吐出することが可能となり、基材上に微細パターンを形成することが可能となる。
【００２０】
また、石英ガラス、フッ化アルキルシランともに安定で耐薬品性に優れ、フッ酸を除く酸やアルカリ、有機溶剤といった液体に適用可能である。
【００２１】
さらに、石英ガラス材はドライエッチングによる微細加工が可能であり微細加工適性を有するうえ、フッ化アルキルシラン処理による撥液処理をすることにより、この撥液処理では液体ガラス上にナノメートルオーダーのフッ化アルキルシランの単分子の膜が形成されるため微細なノズル形状を実用上変化させず、精密で微細なノズルが形成されたフラットなノズルプレートを形成することが可能となる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、フッ化アルキルシラン膜は石英ガラスへの密着性が高く、ローラやブレード等の簡易なコーティングで容易に部材表面上に単分子膜を形成して中間層を介することなくノズルプレート面に直接形成される。そのため、前記発明の効果に加え、バインダ等の中間層を設けたり事前に特殊な下地処理加工を施したりするような複雑な製造方法をとる必要がなく、製造工程を簡略化できるとともに、生産安定性や製造コストの面で有利なものとなる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、液体を吐出すべきノズルに対応する圧力発生手段に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、吐出するノズルの隆起したメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。
【００２４】
液滴は静電気力により加速され、基材に引き寄せられて着弾するが、その際、液滴は、静電気力の作用でより近い所に着弾しようとする。そのため、前記各発明の効果に加え、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。そして、ノズルを個別に電気的に絶縁して吐出したいノズルのみに静電気力を発生させるための電圧を印加させる必要がなく、導電性の液体を各ノズルに分岐して導入でき、液体の種類の制約が小さいため、ヘッド製造のコストを抑制することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、前記各発明の効果に加え、前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段として、前記基材を裏面から支持する対向電極を備えることにより前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を確実かつ効果的に印加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。なお、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
【００２８】
本実施形態に係る液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出する複数のノズル１０を有する液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド２のノズル１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極３とを備えている。
【００２９】
液体吐出ヘッド２のうち対向電極３に対向する側には、複数のノズル１０が形成されたノズルプレート１１が設けられている。ノズルプレート１１は、石英ガラスで構成されている。液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１の対向電極３や基材Ｋに対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いは例えば後述する図２（Ｄ）に示すように突出したとしてもノズル１０が３０μｍ程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。
【００３０】
本実施形態では、各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、各ノズル１０には、それぞれノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に形成されたより大径の大径部１５との２段構造とされている。ノズル１０の小径部１４および大径部１５は、それぞれ断面円形で対向電極側がより小径とされたテーパ状に形成されており、小径部１４の吐出孔１３の内部直径すなわちノズル径が１０μｍ、大径部１５の小径部１４から最も離れた側の開口端の内部直径が７５μｍとなるように構成されている。
【００３１】
なお、ノズル径は１５μｍ以下になるように構成される。また、ノズル１０の形状は前記の形状に限定されず、例えば、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、形状が異なる種々のノズル１０を用いることが可能である。また、ノズル１０は、断面円形状に形成する代わりに、断面多角形状や断面星形状等であってもよい。
【００３２】
ノズルプレート１１の吐出面１２と反対側の面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１０内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１６が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１６は、ノズル１０の大径部１５の内周面１７まで延設されており、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。
【００３３】
また、帯電用電極１６には、静電吸引力を生じさせるための静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１８に接続されている。本実施形態では、単一の帯電用電極１６がすべてのノズル１０内の液体Ｌに接触しているため、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、ノズル１０や後述するキャビティ２０内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に静電吸引力が発生するようになっている。
【００３４】
帯電用電極１６の背後には、ボディプレート１９が設けられている。ボディプレート１９の前記各ノズル１０の大径部１５の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は、ノズル１０の吐出孔１３から吐出される液体Ｌを一時貯蔵するためのキャビティ２０とされている。
【００３５】
ボディプレート１９の背後には、可撓性を有する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層２１が設けられており、可撓層２１により液体吐出ヘッド２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。
【００３６】
なお、ボディプレート１９には、キャビティ２０に液体Ｌを供給するための図示しない流路が形成されている。具体的には、ボディプレート１９としてのシリコンプレートをエッチング加工してキャビティ２０、図示しない共通流路、および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路が設けられている。共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ２０、ノズル１０等の内部の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。
【００３７】
本実施形態では、可撓層２１の外面の各キャビティ２０に対応する部分には、それぞれ圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２２が設けられており、ピエゾ素子２２には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２３が電気的に接続されている。
【００３８】
ピエゾ素子２２は、駆動電圧電源２３からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。
【００３９】
駆動電圧電源２３および前述した帯電電圧電源１８は、それぞれ動作制御手段２４に接続されており、それぞれ動作制御手段２４による制御を受けるようになっている。
【００４０】
動作制御手段２４は、本実施形態では、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピュータからなっており、ＣＰＵ２５は、ＲＯＭ２６に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。
【００４１】
具体的には、動作制御手段２４は、電源制御プログラムに基づいて静電電圧印加手段である帯電電圧電源１８による前記帯電用電極１６への静電電圧の印加を制御して、ノズル１０やキャビティ２０内の液体Ｌを帯電させ、液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力を発生させるなっている。また、動作制御手段２４は、電源制御プログラムに基づいて各駆動電圧電源２３を駆動させて各ピエゾ素子２２をそれぞれ変形させて、ノズル１０内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。
【００４２】
液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１の吐出面１２には、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しを抑制するために、フッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が吐出孔１３以外の吐出面１２全体に形成されている。フッ化アルキルシランは、石英ガラス製のノズルプレート１１の吐出面１２に塗布されると、面上で単分子膜を形成することが知られており、本実施形態では、このフッ化アルキルシランの単分子膜で撥液膜２８が構成されている。
【００４３】
また、本実施形態では、撥液膜２８は、ノズルプレート１１の吐出面１２にバインダ等の中間層を介することなく直接形成されている。なお、ノズルプレート１１の吐出面１２にノズルプレート全体の電気特性やその安定性、耐薬品性、形状等を損なわない何らかの機能を有する中間層を設ける場合には、その中間層の基材Ｋに対向する面にフッ化アルキルシランによる撥液膜２８が形成される。
【００４４】
フッ化アルキルシランとしては公知のものを用いることが可能であり、例えば、（３，３，３−トリフルオロプロピル）トリクロロシラン、（３，３，３−トリフルオロプロピル）トリメトキシシラン、（３，３，３−トリフルオロプロピル）トリエトキシシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）メチルジクロロシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）ジメチルクロロシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリメトキシシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリアミノシラン、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリエトキシシラン、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシル）トリクロロシラン、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシル）トリメトキシシラン、（ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシル）トリエトキシシラン等を挙げることができる。
【００４５】
撥液膜２８の製膜方法としては、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシランの単分子膜を形成可能であれば特定の製膜法に限定されず、例えば、リバースロールコータ等のローラを用いたコーティング法やブレード等を用いたコーティング法等を用いて製膜することが可能である。
【００４６】
液体吐出ヘッド２の下方には、基材Ｋを裏面から支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２に平行に所定距離離間されて配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との離間距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。
【００４７】
本実施形態では、対向電極３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、前記帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電位差が生じて電界が発生するようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。
【００４８】
なお、接地に関しては、本実施形態に限定されず、対向電極３を接地させる代わりに帯電用電極１６を接地させたり、両者とも接地せず液滴Ｄが基材Ｋに着弾するとその電荷を逃がすように帯電電圧電源１８を制御するように構成することも可能である。
【００４９】
また、対向電極３または液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド２の各ノズル１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾可能とされている。
【００５０】
さらに、液体吐出装置１により吐出を行うことができる液体Ｌは、国際公開第２００６／０１１４０３号パンフレットに記載された液体等を挙げることができる。また、液体吐出装置１は、パターニング手段として用いる場合には、同パンフレットに記載された用途等に応用することができる。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理について説明する。
【００５２】
本実施形態では、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧を印加して、全ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源２３から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応するピエゾ素子２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１０の吐出孔１３に液体ＬのメニスカスＭを形成させる。
【００５３】
本実施形態のように、ノズルプレート１１の体積抵抗が高くなると、図３にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。
【００５４】
特に、図３でメニスカスＭの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカスＭの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００５５】
また、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がるとメニスカスＭの先端部の電界集中が弱くなってしまうが、本実施形態では、前述したように吐出面１２にはフッ化アルキルシランの撥液膜２８が形成されているから液体Ｌの吐出面１２での広がりが防止され、メニスカスＭの先端部の電界集中が弱まることがない。
【００５６】
このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッド２においても、高い体積抵抗を有するノズルプレート１１を用い、吐出面１２に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌの吐出状態となる。そして、フッ化アルキルシランの撥液膜２８によりメニスカスＭが確実かつ適切に形成される。
【００５７】
定量的には、発明者らが各種の絶縁体で形成したノズルプレート１１を用いて行った実験およびシミュレーション実験では、図４に示すように、電界強度はノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗に強く依存するという知見が得られた。図４は、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗を１０１４〜１０１８Ωｍとした場合に、静電電圧を印加し始めた後、メニスカス先端部の電界強度が変化していく様子を計算したものである。なお、図４で(i)〜(iv)の曲線はそれぞれ体積抵抗が異なる絶縁体の結果を表しており、(i)は体積抵抗が１０１４Ωｍの場合、(ii)は１０１５Ωｍの場合、(iii)は１０１６Ωｍの場合、(iv)は１０１８Ωｍの場合をそれぞれ示している。また、空気の体積抵抗を１０２０Ωｍとして計算した。
【００５８】
図４に示すように、ノズルプレート１１に用いる絶縁体はイオン分極するが、その体積抵抗が１０１４Ωｍの場合には静電電圧を印加し始めて１００秒後にはメニスカス先端部の電界強度が大きく低下する。この静電電圧の印加開始からメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間は空気の体積抵抗とノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗の比で決まるが、本実験により、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗が大きいほどメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間が遅くなる、すなわち必要な強い電界強度が得られる時間が長くなり、良好な静電吸引力が得られる時間が長くなるという知見が得られた。
【００５９】
なお、シミュレーション実験は、下記の実験条件に基づいて電界シミュレーションソフトである「PHOTO-VOLT」（商品名、株式会社フォトン製）で電流分布解析モードによるシミュレーションにより行った。また、下記ノズルプレート１１の厚さとは、本実施形態では、ノズル１０の小径部１４の長さと大径部１５の長さの和に等しい。
【００６０】
［実験条件］
ノズルプレート１１の吐出面１２と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１の厚さ：１２５ｍｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
【００６１】
また、ノズル１０から液体Ｌすなわち液滴Ｄを吐出するためには、メニスカスＭの先端部の電界強度が１．５×１０７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、メニスカス先端部の電界強度が実用上必要な１０００秒間（約１５分間）維持されるためには、図４からノズルプレート１１の体積抵抗が１０１５Ωｍ以上であることが実用上必要となる。この結果は実機による実験でも確認されている。
【００６２】
本実施形態では、前述したようにノズルプレート１１は石英ガラスで構成されており、石英ガラスの体積抵抗は１０１６Ωｍ以上であるから、前記条件を満たしている。
【００６３】
一方、体積抵抗が１０１５Ωｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート１１を作製しても、ノズル１０内の液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されて体積抵抗が低下し、液滴Ｄが吐出されない場合がある。しかし、石英ガラスは耐薬品性が高く、液体に侵されにくく、吸収率もほぼ０％であるから、体積抵抗が低下することもない。また、長時間電界にさらされることにより体積抵抗や誘電率等の物性が変化する場合があるが、石英ガラスは安定である。さらに、フッ化アルキルシラン撥液膜があっても性能は損なわれない。
【００６４】
また、前記シミュレーションにおいて、ノズル径を変化させた場合のメニスカスＭの先端部の電界強度を図５に示す。この結果から、メニスカスＭの先端部の電界強度はノズル径にも依存し、メニスカスＭの先端部の電界強度が１．５×１０７Ｖ／ｍ以上であるためにはノズル径が１５μｍ以下であることが必要である。この結果は、実機による実験でも確認されている。
【００６５】
なお、前記シミュレーションでは、図６に示すように、ノズルプレート１１の厚さを変化させた場合にもメニスカスＭの先端部の電界強度が変化するという知見が得られた。この結果から、メニスカスＭの先端部で１．５×１０７Ｖ／ｍ以上の電界強度を得るためには、ノズルプレート１１の厚さが７５μｍ以上であることが好ましいことが分かる。
【００６６】
また、図５に示したノズル径とメニスカスＭの先端部の電界強度との関係および図６に示したノズルプレート１１の厚さとメニスカスＭの先端部の電界強度との関係は、本実施形態のような小径部１４および大径部１５よりなる２段構造のノズル１０の場合のみならず、１段構造、すなわち、単純なテーパ状のノズルや円筒状のノズル、或いは多段構造のノズルの場合でも同様のシミュレーション結果が得られている。
【００６７】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１の作用について説明する。
【００６８】
図７は、本実施形態に係る液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御手段２４は、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に一定の静電電圧ＶＣを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル１０には常時一定の静電電圧ＶＣが印加され、液体吐出ヘッド２内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に電界が生じる。
【００６９】
また、それと同時に、ノズル１０の吐出孔１３付近で、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並ぶようになり、ノズル１０の小径部１４内の液体Ｌに向かう強い電界が発生する。
【００７０】
さらに、動作制御手段２４が、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１０に対応するピエゾ素子２２に対して駆動電圧電源２３からパルス状の駆動電圧ＶＤを印加させると、ピエゾ素子２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力が上昇し、ノズル１０の吐出孔１３では、図中Ａの状態からメニスカスＭが隆起して、図中ＢのようにメニスカスＭが大きく隆起した状態となる。
【００７１】
その際、本実施形態では、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシランの撥液膜２８が形成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらず、メニスカスＭの隆起が保持される。
【００７２】
このように隆起したメニスカスＭの先端部では高度な電界集中が生じ、電界強度が非常に強くなり、メニスカスＭに対して前記静電電圧ＶＣにより形成された電界から強い静電力が加わる。そして、この強い静電力による吸引により図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられ、径が１〜１０μｍ程度の微細な液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、電界で加速されて対向電極方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋに着弾する。
【００７３】
その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。また、ノズル１０では、図中Ｄのように液滴Ｄが引きちぎられた分だけ液面が後退するが、キャビティ２０から液体Ｌが補充されて、速やかに図中Ａの状態に戻る。
【００７４】
なお、ピエゾ素子２２に印加する駆動電圧ＶＤとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図８（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２２に常時電圧ＶＤを印加しておいて一旦切り、再度電圧ＶＤを印加してその立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図８（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧ＶＤを印加するように構成してもよく適宜決定される。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１によれば、液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１が１０１６Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有する石英ガラスで構成され、しかも、ノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル１０の小径部１４内の液体ＬやメニスカスＭで高度な電界集中が生じる。そのため、フラットな吐出面１２を有する液体吐出ヘッド２であっても静電吸引方式により効果的に液体を吐出することが可能となる。
【００７６】
また、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらずにメニスカスＭの隆起が保持される。そのため、前記効果が確実かつ適切に保証される。
【００７７】
このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１は、ノズルプレート１１の吐出面１２がフラットに形成されているため、生産性に優れ、クリーニング時にノズル１０の破損等を生じることを防止可能であるほか、メニスカスＭの先端部に電界集中を効果的に生じさせることができるため、吐出面がフラットであっても効率良くかつ正確に液体を吐出して基材上に良好に微細パターン形成を形成することが可能となる。
【００７８】
また、石英ガラスは高体積抵抗であると同時に、誘電率や体積抵抗等の電気物性が安定しており、耐薬品性を有し、１０００時間以上電界にさらされてもその吐出状態が変わらず良好である。しかもドライエッチングやウェットエッチング、機械加工等による微細形状の加工適性に優れるため、微細なノズル１０が形成される液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１に用いる材質として大きな利点を有する。
【００７９】
さらに、フッ化アルキルシランは、耐薬品性が高く、フッ酸を除く酸やアルカリ、有機溶剤といった液体に適用可能である。また、単分子膜を形成するため撥液膜を含むノズルプレート部全体の電気物性等を損なわないという特性を有し、フッ化アルキルシランがｎｍ（ナノメートル）オーダーの単分子膜を形成することで、ノズルプレート１１の微細なノズル形状が保たれるという利点がある。
【００８０】
具体的には、撥液膜がμｍオーダーの厚さで形成されると、例えば図９（Ａ）に示すようにノズル１０の吐出孔１３の部分で撥液層２９の立ち上がり角度にムラを生じたり、図９（Ｂ）に示すようにノズル１０の内部に撥液層２９が回り込んだりして、撥液層２９がノズル形状に影響を与えて液滴の吐出精度が悪化する場合がある。
【００８１】
しかし、フッ化アルキルシランのようにｎｍオーダーの単分子膜として撥液層２９が形成されると、図９（Ａ）のようにノズル１０の吐出孔１３の部分での撥液膜の立ち上がり角度は液滴の吐出精度の影響を与えず、また、図９（Ｂ）のように撥液膜が多少ノズル１０の内側に回り込んでも液滴の吐出精度の影響を与えることはない。そのため、ノズルプレート１１の微細なノズル形状が保たれるとともに、液滴の吐出を良好に行うことが可能となる。なお、図９では、帯電用電極１６等が省略されている。
【００８２】
また、前述したように、フッ化アルキルシランは石英ガラスへの密着性が高く、ローラやブレード、筆等の簡単なコーティングで容易にその表面上に単分子膜を直接形成する。そのため、ノズルプレート１１を石英ガラスで構成すれば、その表面にバインダ等の中間層を設けたり事前に特殊な下地処理加工を施したりするような複雑な製造方法をとる必要がなくその吐出面１２にフッ化アルキルシランを製膜することができる利点がある。
【００８３】
そのため、液体吐出ヘッド２の製造において、中間層の形成やノズルプレート１１の吐出面１２に対する特殊加工等のプロセスを設ける必要がないので、製造工程がより簡略化されるとともに、確立された公知のコーティング技術等を用いて液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１を製造することが可能となり、生産安定性や製造コストの面で有利なものとなる。
【００８４】
また、静電電圧印加手段である帯電電圧電源１８から帯電用電極１６を介してノズル１０に静電電圧を印加して、ノズル内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に電界を生じさせ、液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応する圧力発生手段であるピエゾ素子２２に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔１３に液体のメニスカスを形成させる。その際、吐出するノズルの隆起したメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴Ｄとなる。
【００８５】
液滴Ｄは静電気力により加速され、基材Ｋに引き寄せられて着弾するが、その際、液滴Ｄは、静電気力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。そして、ノズル１０を個別に電気的に絶縁して吐出したいノズルのみに静電気力を発生させるための電圧を印加させる必要がなく、導電性の液体Ｌを各ノズル１０に分岐して導入でき、液体Ｌの種類の制約が小さいため、ヘッド製造のコストを抑制することができる。
【００８６】
さらに、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋ間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段として、基材Ｋを裏面から支持する対向電極３を備えることで、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋとの間に静電電圧を確実にかつ効果的に印加することが可能となる。
【００８７】
なお、本実施形態では、対向電極３を接地する場合について述べたが、例えば、帯電電圧電源１８から対向電極３に電圧を印加して、対向電極３と帯電用電極１６との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるように帯電電圧電源１８を動作制御手段２４で制御し、帯電電圧電源１８と対向電極３とをあわせて静電電圧印加手段とするように構成することも可能である。
【００８８】
また、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形によりメニスカスＭを隆起させる構成としているが、圧力発生手段はこのようにメニスカスＭを隆起させることができる機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１０やキャビティ２０の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。
【００８９】
さらに、本実施形態では、帯電用電極１６がノズルプレート１１のノズル１０の内周面１７等に形成されているが、液体Ｌを介してメニスカスＭに導通することができれば、帯電用電極１６の設置位置は例えば前述した外部の液体タンク等でもよく、限定されない。
【００９０】
［第２の実施の形態］
図１０は、第２の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態に係る液体吐出装置１における場合と同様の構成や機能を有する部材については第１の実施形態と同一の符合を付して説明する。
【００９１】
本実施形態に係る液体吐出装置３０は、液体吐出ヘッド３１と対向電極３とを備えている。本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１においても、第１の実施形態と同様に、ノズル１０の吐出孔１３の内部直径は１５μｍ以下であり、ノズルプレート１１が石英ガラスで構成されており、ノズルプレート１１の基材Ｋに対向する面すなわち吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されている。
【００９２】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、液体吐出ヘッド３１がピエゾ素子等の圧力発生手段を備えていない点であり、ノズル１０内の液体Ｌに帯電用電極１６を介して静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１８から静電電圧を印加して帯電させて吐出させるように構成されている。
【００９３】
そのため、帯電用電極１６は、各ノズル１０の周囲にそれぞれ独立に設けられており、動作制御手段２４は帯電電圧電源１８から各ノズル１０に対応する帯電用電極１６に個別に静電電圧を印加させるように制御するようになっている。
【００９４】
また、圧力発生手段を用いないことで第１の実施形態では可撓層２１とされていた層を外面から支持する手段がなくなるため、ボディプレート１９の背後には、可撓層２１に代えて、より硬質の樹脂等からなる絶縁性の隔壁層３２が設けられており、この隔壁層３２により液体吐出ヘッド２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。
【００９５】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１における液体Ｌの吐出原理は、第１の実施形態と同様である。
【００９６】
すなわち、帯電電圧電源１８から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応する帯電用電極１６に静電電圧を印加して、そのノズル１０内の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界を生じさせて、静電力によりノズル１０の吐出孔１３に液体ＬのメニスカスＭを形成させる。その際、吐出面１２にフッ化アルキルシランの撥液膜２８が形成されているため液体Ｌの吐出面１２での広がりが防止され、メニスカスＭが確実に隆起する。
【００９７】
また、ノズルプレート１１が石英ガラスで構成されていて体積抵抗が高いため、図３に示した場合と同様に、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。
【００９８】
特に、メニスカスＭの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。
【００９９】
以上のように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１および液体吐出装置３０によれば、液体吐出ヘッド３１は、ノズルプレート１１が１０１６Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有し、長時間電界に暴露されても電気特性が安定な石英ガラスで構成され、さらにノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により形成された撥液膜２８が安定性を含めてノズルプレート全体の電気特性を損なわず、しかもノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル１０の小径部１４内の液体ＬやメニスカスＭで高度な電界集中が生じる。
【０１００】
しかも、ノズルプレート１１の吐出面１２にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜２８が形成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらずにメニスカスＭの隆起が確実かつ適切に保持される。そのため、フラットな吐出面１２を有する液体吐出ヘッド３１であっても静電吸引方式により効果的に液体を吐出することが可能となり、前記第１の実施形態の効果がまったく同様に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】第１の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】形状が異なるノズルの変形例を示す図である。
【図３】シミュレーションによるノズルの吐出孔付近の電位分布を示す模式図である。
【図４】メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの体積抵抗率との関係を示す図である。
【図５】メニスカス先端部の電界強度とノズル径との関係を示す図である。
【図６】メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの厚さとの関係を示す図である。
【図７】液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御の一例を示す図である。
【図８】ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。
【図９】ノズルの吐出孔の部分での撥液層の立ち上がり角度のムラ（Ａ）および吐出孔内部への撥液層の回り込み（Ｂ）を説明する図である。
【図１０】第２の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１、３０ 液体吐出装置
２、３１ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
１０ ノズル
１１ ノズルプレート
１２ 吐出面
１３ 吐出孔
１８ 静電電圧電源（静電電圧印加手段）
２０ キャビティ
２２ ピエゾ素子（圧力発生手段）
２４ 動作制御手段
２８ 撥液膜
Ｋ 基材
Ｌ 液体
Ｍ メニスカス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成され形状がフラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する動作制御手段と
を備え、
前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であり、
少なくとも前記ノズルプレートが石英ガラスで構成されており、
かつ、前記ノズルプレートの前記基材に対向する面にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記フッ化アルキルシランの撥液膜は、前記ノズルプレートの面に直接形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成するための圧力発生手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記基材を裏面から支持する対向電極と
を備えることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１】
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成され形状がフラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する動作制御手段と
を備え、
前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であり、
少なくとも前記ノズルプレートが石英ガラスで構成されており、
かつ、前記ノズルプレートの前記基材に対向する面にフッ化アルキルシラン処理により撥液膜が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記フッ化アルキルシランの撥液膜は、前記ノズルプレートの面に直接形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成するための圧力発生手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記基材を裏面から支持する対向電極と
を備えることを特徴とする液体吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−５５８７４（Ｐ２００８−５５８７４Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３９０３３（Ｐ２００６−２３９０３３）
【出願日】平成１８年９月４日（２００６．９．４）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月４日（２００６．９．４）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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