液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、及び機能膜形成装置

【課題】粘性の高い液滴を用いた場合でも着弾精度を向上させることが可能な液滴吐出ヘ
ッドを得る。
【解決手段】液滴吐出ヘッド１０のノズル部１００は、液体材料を吐出する液滴吐出口１
０３を有する外側ノズル孔１０１と、液体材料を注入する液体注入口１０４を有する内側
ノズル孔１０２と、内側ノズル孔１０２の表面に形成された突起部１０５を備え、突起部
１０５は、液滴吐出口１０３側の断面積が液体注入口１０４側の断面積より大きい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、及び機能膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドを用いた液滴吐出装置は、例えばインクジェットプリンタのような画像形成装置を用いた文字や画像の印刷以外にも、工業用の機能膜形成装置として使用されるようになってきている。特に、機能膜形成装置は、例えば、基板上に半導体膜、導電膜、絶縁膜といった機能膜を成膜するために有機材料や無機材料を含む液体材料を吐出する用途に用いられるものである。
インクの着弾精度を向上させるためのインクジェットヘッドに関する技術は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２７４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、液滴吐出装置から吐出される液体材料の粘性が高まると吐出した液滴の直進性が悪化し、着弾精度が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、着弾精度を向上させることが可能な液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、及び機能膜形成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】
【０００６】
本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、液体材料を吐出する吐出口を有する第１の貫通孔と、前記液体材料を注入する注入口を有する第２の貫通孔とを含み、前記第２の貫通孔の表面に突起部を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、液体材料を保持するキャビティと該キャビティから前記液体材料を吐出するノズル部とが形成された基体と、前記キャビティに設置され、前記液体材料の吐出を制御する制御機構と、を有し、前記ノズル部が前記液体材料を吐出する吐出口を有する第１の貫通孔と、前記液体材料を注入する注入口を有する第２の貫通孔と、を含み、前記第２の貫通孔の表面に形成された複数の突起部を有することを特徴とするものであってもよい。
【０００８】
これにより、突起部の整流効果によってノズル部を流れる液体材料の直進性が高まり、有機溶剤や高分子材料などの比較的粘性の高い液体材料を吐出する場合でも、吐出口から吐出される液滴の着弾精度を向上させることができる。
【０００９】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記突起部は、前記吐出口側の断面積が前記注入口側の断面積より大きい方が望ましい。これにより、整流効果を高めることができる。
【００１０】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記第２の貫通孔の形状がテーパ−状であることが好ましい。
【００１１】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記第２の貫通孔の形状が柱状であることが好ましい。
【００１２】
また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、液体材料を吐出する吐出口と前記液体材料を注入する注入口とを含む貫通孔を有し、前記貫通孔の表面に、前記吐出口側の断面積が前記注入口側の断面積より大きい突起部を有することを特徴とするものであってもよい。
【００１３】
また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、液体材料を保持するキャビティと該キャビティから前記液体材料を吐出するノズル部とが形成された基体と、前記キャビティに設置され、前記液体材料の吐出を制御する制御機構と、を有し、前記ノズル部が前記液体材料を吐出する吐出口と前記液体材料を注入する注入口を有し、前記ノズル部の表面に、前記吐出口側の断面積が前記注入口側の断面積より大きい複数の突起部を有する。
これにより、突起部の整流効果によってノズル部を流れる液体材料の直進性が高まり、有機溶剤や高分子材料などの比較的粘性の高い液体材料を吐出する場合でも、吐出口から吐出される液滴の着弾精度を向上させることができる。また、突起部が吐出口に設けられていることにより、液滴が吐出される際に吐出口で整形され、液滴の直進性が向上する。
【００１４】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記突起部は、前記液体材料の流路に垂直な断面の形状が、前記流路の中心を通る線について対称であることが望ましい。
【００１５】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記突起部は、前記流路に垂直な断面の形状が鋭角な角度を含むものとすることができる。
【００１６】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記突起部は、前記注入口側の端部から前記吐出口側の端部まで一直線上になるように形成することにより、整流効果を高めることができる。
あるいは、前記突起部は、前記注入口側の端部と前記吐出口側の端部の位置関係が９０度ずれるように形成してもよい。
【００１７】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記制御機構が、前記キャビティの容積を変化させる圧電素子であることが好ましい。
【００１８】
また、上記液滴吐出ヘッドにおいて、前記制御機構が、前記キャビティを加熱するヒーターであることが好ましい。
【００１９】
本発明にかかる液滴吐出装置は、上記液滴吐出ヘッドを備えたものである。
本発明にかかる機能膜形成装置は、上記液滴吐出ヘッドを備えたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０の構造を示す断面図である。
図１に示すように、液滴吐出ヘッド１０は、ノズルプレート１１、流路基板１２、振動板１３、ピエゾ（圧電素子）１４、電極１９を備えている。例えば、ノズルプレート１１にはノズル部１００が形成され、流路基板１２にはキャビティ１７とリザーバ１８が形成されている。このノズルプレート１１と流路基板１２とは別体に形成されていても、一体に形成されていてもよい。
ここで、ノズル部１００とは、ノズルプレート１１など液体材料を吐出する構造を有する基体の一部であり、主に、液体材料が吐出される際に最後に通過する部分を意味する。その形状は必ずしも貫通孔になるとは限らないが、図１においては、貫通孔を形成する。
また、キャビティ１７とは、流路基板１２など液体材料を保持する構造を有する基体の一部であり、主に、液体材料が吐出される際に、圧電素子の電歪効果によって容積が変化する部分を意味する。
【００２１】
液滴吐出ヘッド１０は、例えば図２に示すような液滴吐出装置のヘッドユニット部（図中Ａ）に設置されている。液滴吐出装置は、画像形成用インクの吐出以外にも、例えばシリコン基板上への有機溶剤の吐出、高分子材料の吐出の用途など工業用の様々な用途で使用される機能膜形成用インクの吐出にも用いられる。有機溶剤や高分子材料などの機能膜形成用インクは、一般に、画像形成用インクと比べて粘性の高い液体材料である。
【００２２】
外部の供給手段から材料供給口（図示せず）を介して液滴吐出ヘッド１０に液体材料が取り込まれると、リザーバ１８、キャビティ１７、ノズル部１００を形成する空間が液体材料で満たされる。その後、電極１９からピエゾ１４に電気信号が伝わることによりピエゾ１４と振動板１３にたわみが生じ、キャビティ１７内の圧力が瞬間的に高まることによってノズル部１００のノズル孔から液滴が吐出される。
【００２３】
図３は、液滴吐出ヘッド１０のノズル部１００の形状を示す断面図である。図３（Ａ）は液体材料の流路に沿った面の断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【００２４】
図３に示すように、ノズル部１００は、外側ノズル孔（第１の貫通孔）１０１及び内側ノズル孔（第２の貫通孔）１０２を備えている。外側ノズル孔１０１は、外部へ液滴を吐出する液滴吐出口１０３を有している。内側ノズル孔１０２はキャビティ１７につながる液体注入口１０４を有している。
【００２５】
内側ノズル孔１０２の内側壁面には、突起部１０５が形成されている。突起部１０５は、内側ノズル孔１０２内を流れる液体材料の流れを整流する効果がある。
突起部１０５は、図３（Ｂ）に示す断面の面積が、液滴吐出口１０３に近づくに従って大きくなるように形成されている。また、断面の先端部ｂの形状は、図に示すように鋭角（望ましくは６０度以下）の角度を有する三角形である。
【００２６】
突起部１０５は、内側ノズル孔１０２の内周を４等分する位置に配されている。突起部１０５の数は４つに限られないが、内側ノズル孔１０２の液体材料の流路に垂直な断面の形状は、液体材料の流路の中心を通る線について対称であることが望ましい。
なお、図３（Ｂ）における破線１０６は外側ノズル孔１０１の断面を示すものである。図３（Ｂ）において、突起部１０５は外側ノズル孔１０１に重ならず、内側ノズル孔１０２に位置する。
【００２７】
実施の形態１によるノズル部１００は、例えばニッケル、コバルト、マンガン等の金属、またはそれらの金属の合金を用いた電鋳法によって形成することができる。または、ノズルプレート１１と流路形成基板とをシリコン基板を用いてフォトリソグラフィ法により一体に形成してもよい。突起部１０５の厚みは１０μｍ〜２０μｍが望ましいが、薄い形状のものは電鋳法による方が形成しやすく、厚みがある場合にはフォトリソグラフィ法によるほうが形成が容易である。
【００２８】
また、図４は、本発明の実施の形態１の変形例による液滴吐出ヘッド１０のノズル部１００の形状を示す断面図である。図４（Ａ）は液体材料の流路に沿った面の断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【００２９】
図３に示すノズル部１００と図４に示すノズル部１００では、突起部１０５の形状が異なっている。
図４の例では、突起部１０５の流路に垂直な断面の面積は一定に形成されている。また、断面の先端部ｂの形状は、図に示すように四角形である。なお、突起部１０５は、内側ノズル孔１０２の内周を４等分する位置に配されているが、突起部１０５の数は４つに限られない。また、内側ノズル孔１０２の液体材料の流路に垂直な断面の形状は、液体材料の流路の中心を通る線について対称であることが望ましい。なお、図４（Ｂ）における破線１０６は外側ノズル孔１０１の断面を示すものである。図４（Ｂ）において、突起部１０５は外側ノズル孔１０１に重ならず、内側ノズル孔１０２に位置する。図４に示す突起部１０５の形状は、図３のものに比べてフォトリソグラフィ法による形成が行いやすい。
【００３０】
実施の形態１によれば、内側ノズル孔１０２の内壁に設けられた突起部１０５の整流効果により、ノズル部１００内を流れる液体材料の直進性が高まり、有機溶剤や高分子材料などの比較的粘性の高い液体材料を吐出する場合でも、液滴吐出口１０３から吐出される液滴の着弾精度を向上させることができる。また、小さな液滴を吐出する場合にも有効である。
【００３１】
なお、本実施の形態１の液滴吐出ヘッド１０は、液体材料をノズル孔から吐出する制御機構としてピエゾ１４を用いているが、液体材料を吐出する制御機構であればこれに限られるものではない。例えば、図７に示すように、ヒーター２０を用いた制御機構でもよい。この場合、図７（Ｂ）に示すように、ヒーター２０がキャビティ１７を加熱し、キャビティ１７内の液体材料に気泡２１を発生させることで、液滴吐出口１０３から液滴２２が吐出される。
【００３２】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による液滴吐出ヘッド１０のノズル部１００の形状を示す断面図である。図５（Ａ）は液体材料の流路に沿った面の断面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【００３３】
実施の形態２では、ノズル部１００の外側ノズル孔１０１の内壁に突起部１０５が設けられている。突起部１０５は、図５（Ｂ）に示す断面の面積が、液滴吐出口１０３に近づくに従って大きくなるように形成されている。また、断面の先端部ｂの形状は、図に示すように鋭角（望ましくは６０度以下）の角度を有する三角形である。
【００３４】
また、突起部１０５は、外側ノズル孔１０１の内周を４等分する位置に配されている。突起部１０５の数は４つに限られないが、液滴吐出ヘッド１０の液体材料の流路に垂直な断面の形状は、液体材料の流路の中心を通る線について対称であることが望ましい。
【００３５】
ノズル部１００は、実施の形態１と同様に例えばニッケル、コバルト、マンガン等の金属、またはそれらの金属の合金を用いた電鋳法によって形成することができる。または、ノズルプレート１１を形成しているシリコン基板上にフォトリソグラフィ法により一体に形成してもよい。突起部１０５の厚みは１０μｍ〜２０μｍが望ましいが、薄い形状のものは電鋳法による方が形成しやすく、厚みがある場合にはフォトリソグラフィ法によるほうが容易に形成できる。
【００３６】
また、図６は、本発明の実施の形態２の変形例による液滴吐出ヘッド１０のノズル部１００の形状を示す断面図である。図６（Ａ）は液体材料の流路に沿った面の断面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【００３７】
図５に示すノズル部１００と図６に示すノズル部１００では、突起部１０５の形状が異なっている。
図６の例では、突起部１０５の流路に垂直な断面の面積は一定に形成されている。また、断面の先端部ｂの形状は図に示すように四角形である。なお、突起部１０５は、外側ノズル孔１０１の内周を４等分する位置に配されているが、突起部１０５の数は４つに限られない。また、外側ノズル孔１０１の液体材料の流路に垂直な断面の形状は、液体材料の流路の中心を通る線について対称であることが望ましい。図６に示す突起部１０５の形状は、図５のものに比べてフォトリソグラフィ法による形成が行いやすい。
【００３８】
実施の形態２によれば、外側ノズル孔１０１の内壁に突起部１０５を設けたことにより、ノズル部１００内での液体材料の流れが整流されて直進性が高まり、有機溶剤や高分子材料などの比較的粘性あるいは弾性の高い液体材料を吐出する場合でも液滴吐出口１０３から吐出される液滴の着弾精度を向上させることができる。また、小さな液滴を吐出する場合にも有効である。また、突起部１０５を液滴吐出口１０３に設けられていることにより、液滴が吐出される際に液滴吐出口１０３で整形され、液滴の直進性が向上する。
【００３９】
実施の形態３．
実施の形態１では突起部１０５は内側ノズル孔１０２のみに、実施の形態２では突起部１０５は外側ノズル孔１０１のみに形成されていたが、突起部１０５は外側ノズル孔１０１から内側ノズル孔１０２に亘って、ノズル部１００の内壁全体に設けられていてもよい。
【００４０】
実施の形態３でも、突起部１０５の液体材料の流れる方向に垂直な断面の面積は、図３や図５の例のように液滴吐出口１０３に近づくに従って大きくなるように形成される。あるいは、図４や図６の例のように突起部１０５の流路に垂直な断面の面積は一定に形成される。また、断面の先端部の形状は、図３、図５の例のような鋭角（望ましくは６０度以下）の角度を有する三角形や、図４、図６の例に示すような四角形に形成することができる。または曲線部を有するものも有効である。
【００４１】
また、突起部１０５の数はいくつであってもよいが、ノズル部１００の液体材料の流路に垂直な断面の形状が液体材料の流路の中心を通る線について対称となるように設けられることがのぞましい。
また、突起部１０５は、液滴吐出口１０３側から液体注入口１０４側まで一直線上になるように形成するほうが高い整流効果を得ることができる。すなわち、外側ノズル孔１０１に設けられた突起部１０５と内側ノズル孔１０２に設けられた突起部１０５は一直線上に配されているほうが望ましい。
あるいは、突起部１０５は、液滴吐出口１０３側の端部と液体注入口１０４側の端部の位置関係が９０度ずれるように形成してもよい。すなわち、外側ノズル孔１０１に設けられた突起部１０５と内側ノズル孔１０２に設けられた突起部１０５の位置関係が９０度回転した位置関係になっていても良い。
【００４２】
上記の各実施の形態において、外側ノズル孔１０１と内側ノズル孔１０２の形状がいずれも柱状であるが、これらの形状は柱状に限らない。例えば、図８に示すように、内側ノズル孔１０２がテーパ−状であってもよい。この場合、内側ノズル孔１０２の径がキャビティ１７から液滴吐出口１０３へ向かうに従い小さくなっていく形状であるため、突起部１０５の流路に垂直な断面の面積は、液滴吐出口１０３に近づくに従って大きくなるように形成されていなくてもよい。
【００４３】
実施の形態４
本発明の実施の形態４は、実施の形態１の変形例である。図９は、実施の形態４における液滴吐出ヘッド１０のノズル部１００の断面形状を示す。図９（Ａ）は液体材料の流路に沿った面の断面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【００４４】
図９に示すノズル部１００は実施の形態１の図３に示すノズル部１００と比べ、突起部１０５の形状が異なる。すなわち、図９の突起部１０５は、外側ノズル１０１の断面である破線１０６と重なる位置に突出して形成されている。すなわち、突起部１０５の流路に垂直な断面の内径はノズルの１０１の内径より小さく形成されている。これによれば、外側ノズル１０１と内側ノズル１０２との境界において生じる容積の変化をより小さくすることができ、液滴の吐出の安定性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明にかかる液滴吐出装置の構造を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明の実施の形態１による液滴吐出ヘッドのノズル部の、液滴の流路に沿った面の断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【図４】図４（Ａ）は、本発明の実施の形態１の変形例による液滴吐出ヘッドのノズル部の、液滴の流路に沿った面の断面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の実施の形態２による液滴吐出ヘッドのノズル部の、液滴の流路に沿った面の断面図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【図６】図６（Ａ）は、本発明の実施の形態２の変形例による液滴吐出ヘッドのノズル部の、液滴の流路に沿った面の断面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【図７】図７（Ａ）は、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの構造の他の例を示す断面図、図７（Ｂ）は制御機構の詳細を示す断面図である。
【図８】図８（Ａ）は、本発明にかかる液滴吐出ヘッドの内側ノズル孔１０２の形状の他の例を示す断面図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【図９】図９（Ａ）は、本発明の実施の形態４による液滴吐出ヘッドのノズル部の、液滴の流路に沿った面の断面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示すａ方向から見た平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０液滴吐出ヘッド、１１ノズルプレート、１２流路基板、１３振動板、１４ピエゾ、１７キャビティ、１８リザーバ、１９電極、２０ヒーター、２１気泡、２２液滴、１００ノズル部、１０１外側ノズル孔、１０２内側ノズル孔、１０３液滴吐出口、１０４液体注入口、１０５突起部、１０６破線

【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体材料を吐出する吐出口を有する第１の貫通孔と、前記液体材料を注入する注入口を有する第２の貫通孔とを含み、
前記第２の貫通孔の表面に突起部を有する液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
液体材料を保持するキャビティと該キャビティから前記液体材料を吐出するノズル部とが形成された基体と、前記キャビティに設置され、前記液体材料の吐出を制御する制御機構とを有し、
前記ノズル部が前記液体材料を吐出する吐出口を有する第１の貫通孔と、前記液体材料を注入する注入口を有する第２の貫通孔とを含み、
前記第２の貫通孔の表面に複数の突起部を有する液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記突起部は、前記吐出口側の断面積が前記注入口側の断面積より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記第２の貫通孔の形状がテーパ−状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記第２の貫通孔の形状が柱状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
液体材料を吐出する吐出口と前記液体材料を注入する注入口とを含む貫通孔を有し、
前記貫通孔の表面に、前記吐出口側の断面積が前記注入口側の断面積より大きい突起部を有する液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
液体材料を保持するキャビティと該キャビティから前記液体材料を吐出するノズル部とが形成された基体と、前記キャビティに設置され、前記液体材料の吐出を制御する制御機構とを有し、
前記ノズル部が前記液体材料を吐出する吐出口と前記液体材料を注入する注入口とを含む貫通孔を有し、
前記貫通孔の表面に、前記吐出口側の断面積が前記注入口側の断面積より大きい複数の突起部を有する液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
前記突起部は、前記液体材料の流路に垂直な断面の形状が、前記流路の中心を通る線について対称であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
前記突起部は、前記流路に垂直な断面の形状が鋭角な角度を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記突起部は、前記注入口側の端部から前記吐出口側の端部まで同一線上に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１１】
前記突起部は、前記注入口側の端部と前記吐出口側の端部の位置関係が９０度ずれていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１２】
前記制御機構が、前記キャビティの容積を変化させる圧電素子であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１３】
前記制御機構が、前記キャビティを加熱するヒーターであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた機能膜形成装置。

【図１】