JP2005231086A

JP2005231086A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置

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Publication number: JP2005231086A
Application number: JP2004040523A
Authority: JP
Inventors: Yasutarou Kobata; 八州太郎木幡
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】微小な液滴を高速で噴射した場合でも、安定した液体噴射が可能な液体噴射ヘッドおよびそれを備えた液体噴射装置を提供する。
【解決手段】液体を液滴として噴射するための噴射口１１と、前記噴射口１１と連結して液体が保持されている第１の液室１２と、前記第１の液室１２と細孔１３を介して連結する第２の液室１４と、前記第２の液室１４に前記細孔１３に対応して形成されている前記液体に圧力を発生させるための圧力発生手段１５とを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記第１の液室１２には前記細孔１３とは異なる液体流路２４が連通している。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体製造プロセス等の製造分野において、基板や立体形状物の表面に処理液を薄くコーティングするための噴霧装置や、インクジェット記録分野において記録用のインクを噴射するのに使用されるインクジェットヘッドなどに好適に用いられる、液体を微小な液滴として噴射する液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関する。

今日、画像形成装置として様々な記録方式が開発されているが、中でもインクジェット記録方式は、記録媒体に対して非接触であること、高密度記録が可能であること、カラー化が容易であること、装置の小型化が可能であること、版などを必要とせずオンデマンドで形成可能であることから広く用いられている（例えば特許文献１ないし３参照）。
インクジェット技術は、インクジェットプリンタでのカラーインクを用いた紙媒体への画像形成だけでなく、上述した利点から機能性液体の付与方法として製造プロセス分野へも応用展開されている。
例えば、液晶ディスプレイのカラーフィルタの作製などには実際に利用されていて、今後インクジェット技術の噴射液滴の微小化を進めることにより、ＦＰＤ用の大面積基板やＭＥＭＳなどの立体物など従来の塗布方法では対応困難な媒体への機能性液体の付与、またフレキシブル基板への電子回路のオンデマンド描画等への応用も進むことが予想される。
図３５は従来の微小な液滴の噴射装置を示す概略縦断面図である。図３６は図３５の噴射装置の上面図である。特許文献１ないし３では、微小な液滴を噴射させる方法として、図３５に示すように、噴射口１１と圧力発生手段である発泡素子１５との間に絞り部１３を形成する構成が記載されている。
発泡素子１５で発生した気泡により液体が押し出され、絞り部（細孔）１３を通過するさいに液体の流速が高まり、噴射口１１では細孔１３に対応した中央部分のみのメニスカス１６が盛り上がることにより微小液滴が噴射されるようになっている。
特開２００３−１５４６５５公報特開２００３−１５４６６４公報特開２００３−１５４６６５公報

しかしながら、この噴射方法は噴射口１１での液面状態によって、液滴の噴射方向・噴射速度・噴射体積が大きく影響を受ける。単純な噴霧器ならば多少の液滴のバラツキは問題ないが、前述した電子回路の描画などに用いられる場合には高い着弾精度が求められる。
しかし噴射口１１への液体供給が細孔１３のみから行なわれる場合には噴射後の液体供給速度が遅く、メニスカス１６の盛り上がり１７の噴射後の残留振動が低減するのにも時間がかかるため高速噴射が困難になる。
とくに、比較的粘度の高い機能性液体を噴射するような場合にはその傾向は顕著になり、その結果噴射プロセスの処理時間が長くなってしまうという問題がある。
本発明の目的は、上述した実情を考慮して、微小な液滴を高速で噴射した場合でも、安定した液体噴射が可能な液体噴射ヘッドおよびそれを備えた液体噴射装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、液体を液滴として噴射するための噴射口と、前記噴射口と連結して液体が保持されている第１の液室と、前記第１の液室と細孔を介して連結する第２の液室と、前記第２の液室に前記細孔に対応して形成されている前記液体に圧力を発生させるための圧力発生手段とを有する液体噴射ヘッドにおいて、前記第１の液室には前記細孔とは異なる液体流路が連通している液体噴射ヘッドを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、複数の前記第１の液室に連通している前記細孔とは別の液体流路が共通液室に連通している請求項１記載の液体噴射ヘッドを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、異なる圧力発生手段および前記細孔に対応した隣接する前記第１の液室あるいは前記噴射口が連通している請求項１に記載の液体噴射ヘッドを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、隣接する前記第１の液室に対応する前記圧力発生手段が、圧力を発生するタイミングを分割した請求項１ないし３のいずれか１項記載の液体噴射ヘッドを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４記載の液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置を特徴とする。

本発明によれば、液体噴射ヘッドは、第１液室に細孔とは異なる液体流路を連通させることによって、噴射後に速やかに第１液室で液供給がなされるようになるために噴射後の残留圧力振動がダンピングし易くなり、噴射液滴の液滴体積、噴射速度、噴射方向などの噴射精度を向上でき、また噴射間隔も短くできるため処理時間が短くなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第１の実施の形態を示す縦断面図である。図２は図１と同じ液体噴射ヘッドでメニスカスの盛り上がりを示す断面図である。図３は図１の液体噴射ヘッドの上面図である。
この液体噴射ヘッドＡは、噴射する液体に対する撥液膜１０が形成されている噴射口１１と、噴射口１１に連なって液体を保持している第１の液室１２と、圧力発生手段である発熱素子１５が形成されている第２の液室１４と、第１の液室１２と第２の液室１４を連結して発熱素子１５に対応して配置している細孔１３と、第２の液室１４に液体を供給するための供給流路２４とから構成されている。
第１の液室１２の内壁は液体に対して親液性を有しているため、メニスカス１６は撥水膜１０との界面で保持されるようになっている。
発熱抵抗体などの電気熱変換素子である発熱素子１５に通電すると、発熱素子１５の表面において膜沸騰により気泡が急激に成長し、押し出された液体の一部が細孔１３を速い流速で通過して第１の液室１２に流入する。
第１の液室１２内に流入した液体により細孔１３に対応したメニスカス１６の中央部が盛り上がって、この盛り上がり１７（図２）により形成される微小な液滴を噴射口１１から噴射させる。
しかし、微小液滴化のために細孔１３の孔径を小さくしたり、あるいは粘度の高い液体を使用したりすると、噴射後に第１の液室１２に供給される液体の供給速度が小さくなるため、メニスカス１６の残留振動が低減して再び噴射可能な安定した状態になるのに時間がかかり、高速で噴射させるのが困難になる。

図４は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第２の実施の形態を示す断面図である。図５は噴射口を説明する図４の上面概略図である。図６は第１の液室および細孔を説明する図４の上面概略図である。図７は圧力発生素子および第２の液室を説明する図４の上面概略図である。
図４は第１の液室１２と第２の液室１４のそれぞれに共通液室２０から液体を供給するための供給流路２２、２４を形成している構成であり、図１との違いは第１の液室１２に細孔１３とは別に連結する供給流路２２を形成している点である。
噴射後に第１の液室１２には、細孔１３からだけでなく供給流路２２からも液体が速やかに供給され、さらに共通液室２０に連結しているため噴射後の液体の残留圧力もダンピングされ易くなり、メニスカスが再び噴射可能になる時間を短縮することができるようになる。この図では第１の液室１２と第２の液室１４は共通液室２０を介して連通している。
図８は別々の共通液室を有する図４の変形例を示す概略断面図である。図８のように別々の共通液室２０、２１に連通するようにして、より圧力干渉を低減することもできる。
図９は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第３の実施の形態を示す断面図である。図１０は噴射口を説明する図９の上面概略図である。図１１は第１液室および細孔を説明する図９の上面概略図である。図１２は圧力発生素子および第２液室を説明する図９の上面概略図である。
図９に示すように第１の液室１２のみ供給流路２２により共通液室２０と連結するようにしてもよい。共通液室２０と連結しているためダンピング効果は維持される一方、第２の液室１４においては、発熱素子１５で発生した気泡により効果的に細孔１３に液体を押し出すことが可能となるため、液体噴射に伴う消費電力を低減することができる。

図１３は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第４の実施の形態を示す断面図である。図１４は噴射口を説明する図１３の上面概略図である。図１５は第１液室および細孔を説明する図１３の上面概略図である。図１６は圧力発生素子および第２液室を説明する図１３の上面概略図である。
図１３ないし図１６における第４の実施の形態の構成は、各々発熱素子１５および細孔１３に対応して複数配列した第１の液室１２を、連通路３２を介して直に連通した構成である。
図１との違いは、第１の液室１２に連通する液体流路が、第１の液室１２ａに対応した細孔１３ａだけでなく、他の第１の液室１２ｂと連通する連通路３２、さらに他の第１の液室１２ｂに対応した細孔１３ｂとも液体流路として通じている点である。
図１７は発熱素子への通電パルスのタイミングを説明するタイミングチャートである。特に、図１４ないし図１６の構成の場合、図１７に示すように隣接する第１の液室１２間に対応した発熱素子１５ａ、１５ｂへの通電パルスのタイミングを分割する（ずらす）ことが好ましい。
それにより発熱素子１５ａ、１５ｂを同時に作動させて同時噴射させる場合に比べ、第１の液室１２ａ、１２ｂ間での連通路３２を介した相互干渉が低減されるため、第１の液室１２ａ、１２ｂを連結したことによる残留振動圧力のダンピング効果が高まる。
また、第１の液室１２への液供給もそれぞれ複数の細孔１３ａ、１３ｂを経由して行なわれるため、細孔１３を通過する液体の流速も小さくなる。分割したことにより発熱素子１５ａと１５ｂの通電時間差が同時に通電した場合の半分になるが、細孔１３のように急激に管径が小さくなる部分での圧力損失は流速の2乗に比例して大きくなるため、流速が小さくなった効果の方が大きくなる。
その結果、共通液室２０から速やかに液体が供給され、ダンピング効果が高まるだけでなく、細孔１３部分に加わる負荷が低減されるため液体噴射ヘッドの耐久性を上げることができる。
さらに発熱素子１５による瞬間的な電力消費量を半分にすることができるため、駆動回路系の仕様を落とすことができ、液滴噴射ヘッドを搭載した噴射装置のコストを低く抑えることができる。

図１８は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第５の実施の形態を示す断面図である。図１９は噴射口を説明する図１８の上面概略図である。図２０は第１の液室および細孔を説明する図１８の上面概略図である。図２１は圧力発生素子および第２の液室を説明する図１８の上面概略図である。
図２２は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第６の実施の形態を示す断面図である。図２３は噴射口を説明する図２２の上面概略図である。図２４は第１の液室および細孔を説明する図２２の上面概略図である。図２５は圧力発生素子および第２の液室を説明する図２２の上面概略図である。
よりダンピングの効果を上げるためには、図１３のように連通路３２を絞るのではなく図２２に示すように第１の液室１２が一直線に並ぶように連結しても良い。
図２６は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第７の実施の形態を示す断面図である。図２７は噴射口を説明する図２６の上面概略図である。加工上、図１３および図１８に示したように第１の液室１２のみ連結させるのが困難な場合、図２６に示すよう噴射口１１自体も連結するような構成にしてもよい。
以上の実施の形態では、液体噴射ヘッドの圧力発生手段として液体の膜沸騰による相変化を利用する発熱素子である発泡素子を用いて説明したが、ＰＺＴなどの圧電アクチュエータ、また温度変化による金属相変化を用いる形状記憶合金アクチュエータ、さらに静電力を用いた静電アクチュエータなどいずれの方法を用いても適用することができる。
また、圧力発生手段である発熱素子１５に対応した細孔１３は１つだけでなく、図２６に示すように複数の細孔１３群から構成するようにしても良い。

図２８は本発明の液体噴射ヘッドを適用可能なフォトリソ用レジストの塗布装置を示す概略斜視図である。図２９は一直線に開口した複数配列の噴射口を示す概略図である。
図２８の液体噴射装置は、平行に延びる２本のガイド軸４１と、それに沿って移動可能なキャリッジ４６を有していて、キャリッジ４６は図示していないキャリッジ駆動パルスモータおよび駆動力を伝達するベルトなどの駆動力伝達機構によって、ガイド軸４１に沿って往復走査する。
キャリッジ４６には図示されてないコネクタを通して液体噴射ヘッド４０を交換して装着できるようになっていて、レジストの種類によって使い分けることができるようになっている。
液体噴射ヘッド４０には、図２９のように一直線に開口した噴射口が複数配列され、それぞれの噴射口１１には複数の細孔１３および図示されていない圧力発生手段も形成されている。
熱により凝固し易いフォトレジストを噴射させる場合には、圧力発生手段としては低消費電力で圧力発生時に熱を生じさせない静電アクチュエータなどが好適である。

図３０は本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第８の実施の形態を示す断面図である。図３１は噴射口を説明する図３０の上面概略図である。図３０には静電アクチュエータを用いた液体噴射ヘッド４０を示している。
図３０に示す液体噴射ヘッド４０は微小空隙５２を挟んで対向する下部電極５０と可動板５３の一部である上部電極５１の間に電圧を印加し、静電力により可動板５３を下部電極５１側に変形させ、可動板５３の復元力で圧力を発生させることができる。
図２８において、キャリッジ４６の移動可能な領域の左端には、液体噴射ヘッド４０の噴射口１１と対向するように維持・回復系ユニット４４が備えられ、非噴射時においては噴射口１１をキャッピングして乾燥を抑制し、噴射口１１の面が汚れた場合はワイパによってクリーニングしたり、増粘したレジストや異物により噴射異常が発生した場合にはレジストを強制的に吸引したりする。
図３０および図３１のように噴射口１１が直線状になっているため、ワイピングなどの回復動作が効果的に実行でき、回復時間も短縮することできる。
記録媒体であるガラス基板４５は、送りローラ４３によって、キャリッジ４６に搭載された液体噴射ヘッド４０の往復走査に連動しながらキャリッジ４６の下部に搬送される。
ガラス基板４５は、キャリッジ４６の移動領域下部の支持部材４２によって支持されていて、支持部材４２の上下によりガラス基板４５と液体噴射ヘッド４０との間の距離を調整できるようになっている。
ガラス基板４５の送りとキャリッジ４６の走査・レジスト噴射を交互に繰り返しながらガラス基板４５上の必要部分に所望の膜厚にコーティングがなされた後、ガラス基板４５は装置前方へ排出される。
例えば従来のようなスピンコート法では、ガラス基板４５が大面積化した場合には膜厚ムラが大きかったり、レジストの消費量が多くなったりしたが、微小な液滴を安定して噴射可能な液体噴射ヘッド４０を適用することにより、必要な部分に必要なだけ均一にコーティングすることが可能になる。

図３２は本発明の液体噴射ヘッドを適用可能なフォトリソ用レジストの塗布装置の他の実施の形態を示す概略斜視図である。図３３は一直線に開口した複数配列の噴射口を示す概略図である。
図２８の実施の形態では本発明を噴霧器として適用したが、液滴の着弾精度を高めることができるため、通常の画像形成に用いられるインクジェットプリンタにも適用することができる。
図３２の実施の形態において、基本的な構成は図２８の実施の形態で説明したレジスト塗布装置と同じである。インクジェットプリンタの場合には、図３２および図３３に示すように複数色のインク（本実施の形態ではブラックＢｋ、シアンＣ、マゼンタＭ、イエローＹのインク）を吐出するための液体噴射ヘッドであるインクジェットヘッド４０がキャリッジ４６に搭載されていて、各色に対応したインクタンク（図示していない）から供給される。
各色に微小滴を噴射細孔が形成されている噴射口１１Ｂｋ、１１Ｃ、１１Ｍ、１１Ｙと、従来どおりの比較的体積の大きいインク滴を噴射するための細孔が形成されていない噴射口５４Ｂｋ、５４Ｃ、５４Ｍ、５４Ｙが搬送方向に沿って形成されていて、画像の階調を出すようにしている。
画像情報に基づいて記録媒体である紙４５の送りとキャリッジ４６の走査とインクジェットヘッド４０によるインク噴射を交互に繰り返しながら紙４５上の必要部分に所望の画像を形成した後、紙４５はインクジェットプリンタ前方へ排出される。

図３４はインクジェットプリンタの制御部を示す概略ブロック図である。図３４において、主にＣＰＵ５７、ＲＯＭ５８、ＥＥＰＲＯＭ５９、ＲＡＭ６０、画像メモリ６１、外部機器インターフェイス５６、インクジェットヘッドなどのインクジェットヘッド４０を制御するためのヘッド制御回路６２から構成されている。
また、送りローラ４３やキャリッジ４６を駆動するためのモータ制御回路６３、またインクジェットヘッド４０へのインク供給やノズル面のワイピング・キャッピングなどを実行するためのインク供給・維持回復回路６４から構成され、これらはバスライン６８を介して互いに接続している。
ＣＰＵ５７は、ＲＯＭ５８内に記憶される制御プログラムに基づいてバスライン６８に接続した各部を制御し、インクジェットヘッド４０に対応したヘッド制御回路６２の制御、キャリッジ・紙送りローラなどのモータ制御回路６３の制御、インク供給・維持回復動作機構のインク供給・維持回復制御回路６４の制御を実行したり、またプリンタ内の処理で発生したデータ等を、外部機器インターフェイス５６を通してＰＣ等に出力したりする。
ＥＥＰＲＯＭ５９は書き換え可能な不揮発性メモリであり、例えばユーザ固有の機器設定、使用履歴に関する情報などが格納され、プリンタの電源がオフになった後も保持される。ＲＡＭ６０は書き換え可能な揮発性メモリであり、各種機能ヘッド動作時に発生する各種中間処理データを一時的に保存する。
画像メモリ６１は、安価なＤＲＡＭにより構成され、ＰＣなど外部機器からＰＣ等用インターフェイス５６を介して送られた印刷データや、例えば機能ヘッドとしてスキャナヘッドを装着した場合に読み取られた画像データなどが一時的に保存される。

本実施の形態では、ブラックＢｋ、シアンＣ、マゼンタＭ、イエローＹの４色インクを用いた場合を例示しているがより多色であってもよい。また通常の文書・写真等の画像のだけでなく、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造や、導電性微粒子を分散させた機能性液体を使用した電子回路の描画などで使用される場合においても同様に適用できる。
本発明によれば、液体噴射ヘッドは、第１の液室に連通している液体流路が共通液室に連通しているため、噴射後の残留圧力振動のダンピング効果がより高まり、噴射液滴の噴射精度向上、処理時間の短縮化が実現できる。
本発明によれば、液体噴射ヘッドは、異なる圧力発生手段および細孔に対応した隣接する第１の液室１２あるいは噴射口１１を連通させることで、噴射後の残留圧力振動がダンピング効果を高めることができ、噴射液滴の噴射精度向上、処理時間の短縮化が実現できる。
本発明によれば、液体噴射ヘッドは、隣接する第１の液室１２に対応した圧力発生手段で圧力を発生させるタイミングをずらすようにしたことにより、相互干渉を低減することができ、また速やかに液供給がなされるため、より噴射液滴の噴射精度が向上する。
本発明によれば、液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置は、上述した本発明の液滴噴射ヘッドを搭載することで、各種用途に応じた処理を短時間でかつ安定して実行できる。

本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第１の実施の形態を示す断面図である。図１と同じ液体噴射ヘッドでメニスカスの盛り上がりを示す断面図である。図１の液体噴射ヘッドの上面図である。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第２の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図４の上面概略図である。第１の液室および細孔を説明する図４の上面概略図である。圧力発生素子および第２の液室を説明する図４の上面概略図である。別々の共通液室を有する図４の変形例を示す概略断面図である。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第３の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図９の上面概略図である。第１の液室および細孔を説明する図９の上面概略図である。圧力発生素子および第２の液室を説明する図９の上面概略図である。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第４の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図１３の上面概略図である。第１の液室および細孔を説明する図１３の上面概略図である。圧力発生素子および第２の液室を説明する図１３の上面概略図である。発熱素子への通電パルスのタイミングを説明するタイミングチャートである。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第５の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図１８の上面概略図である。第１の液室および細孔を説明する図１８の上面概略図である。圧力発生素子および第２の液室を説明する図１８の上面概略図である。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第６の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図２２の上面概略図である。第１の液室および細孔を説明する図２２の上面概略図である。圧力発生素子および第２の液室を説明する図２２の上面概略図である。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第７の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図２６の上面概略図である。本発明の液体噴射ヘッドを適用可能なフォトリソ用レジストの塗布装置を示す概略斜視図である。一直線に開口した複数配列の噴射口を示す概略図である。本発明を適用可能な液体噴射ヘッドの第８の実施の形態を示す断面図である。噴射口を説明する図３０の上面概略図である。本発明の液体噴射ヘッドを適用可能なフォトリソ用レジストの塗布装置の他の実施の形態を示す概略斜視図である。一直線に開口した複数配列の噴射口を示す概略図である。インクジェットプリンタの制御部を示す概略ブロック図である。従来の微小な液滴の噴射装置を示す概略図である。図３５の噴射装置の上面図である。

符号の説明

Ａ液体噴射ヘッド
１１噴出口
１２第１の液室
１３細孔
１４第２の液室
１５圧力発生手段（発熱素子）
２０共通液室
２２供給流路
２４流体流路（供給流路）

Claims

液体を液滴として噴射するための噴射口と、前記噴射口と連結して液体が保持されている第１の液室と、前記第１の液室と細孔を介して連結する第２の液室と、前記第２の液室に前記細孔に対応して形成され前記液体に圧力を発生させるための圧力発生手段と、を有する液体噴射ヘッドにおいて、
前記第１の液室には前記細孔とは異なる液体流路が連通していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
複数の前記第１の液室に連通している前記細孔とは別の液体流路が共通液室に連通していることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
異なる圧力発生手段および前記細孔に対応した隣接する前記第１の液室あるいは前記噴射口が互いに連通していることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
隣接する前記第１の液室に対応して設けられた各圧力発生手段が、圧力を発生するタイミングをずらしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の液体噴射ヘッド。
請求項１ないし４記載の液体噴射ヘッドを搭載したことを特徴とする液体噴射装置。