JP2010253018A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小吐出口を高密度で配置する液体吐出ヘッドにおいて、隣接する吐出口の液滴を接触させることなく吐出することができる液滴吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】液体吐出ヘッドは、液体に吐出用エネルギを発生させる１つ以上のエネルギ発生素子と、前記エネルギ発生素子を収容して前記液体にエネルギを与えるための空間と、前記エネルギ発生素子に対面するように吐出口が配置された吐出口形成部材とを有し、前記液体を吐出する吐出口を前記エネルギ発生素子１つに対して複数個有する液体吐出ヘッドであって、隣接する吐出口から同時に吐出される液滴の吐出方向が異なることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、液滴を微小な液滴として吐出する液体吐出ヘッドに関するものであり、特に医療分野において薬剤を含む溶液を霧状にして肺吸入させる際に使用される吸入装置などに好適に用いられる液体吐出ヘッドに関する。

従来、液体を微小液滴として吐出する液体吐出ヘッドは、記録分野においてインクジェットヘッドとして広く用いられている。インクジェットヘッドには、単に液滴を吐出するだけでなく、液滴の吐出方向の制御性も要求されている。従来のインクジェットヘッドにおいては、この要求を達成するための種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、一方向に配列された複数のノズルのうち、少なくとも端部に位置するノズルからの液滴を吐出面に対して斜め方向に吐出させているインクジェット記録ヘッドが開示されている。このようにノズルに傾きを与えることで、これらのヘッドを複数個接合した際に接合部のピッチが広くなって、紙面着弾位置に隙間が空く不具合を解決している。斜めに吐出させる方法として、ノズルの深さ方向に段差を有する形状やノズルの内壁面を非対称に親水処理撥水処理する方法が開示されている。また、特許文献２では１つの吐出口にエネルギ発生素子を少なくとも２個配置して駆動制御することで液滴の吐出方向をランダムに変化させて印字の濃度むらを解決する方法が開示されている。このようにインクジェット記録分野においてインクを斜めに吐出することは、様々なメリットがある。

ところで、従来のインクジェット記録分野におけるインクジェットヘッドでは、着弾する紙面にいかに高密度に正確緻密な印字ドットを埋めるかが画質向上のポイントであった。そのため、できるだけ高密度にエネルギ発生素子を配列し、１つのエネルギ発生素子には１つの吐出口を配置して、それぞれのエネルギ発生素子に対する駆動信号に応じて吐出する吐出口をなるべく多くした。そうすることで、高解像度と印字スピードアップの両立を図ってきた。また、印字ドットが緻密であればあるほど解像度は向上するが、人間が視覚で認識出来る解像度以上に緻密にすることは、コストや生産性を考えると意味がない。そのため、吐出口の径はせいぜい１０μｍ程度まで小さくすれば充分であった。

前述した従来技術の特許文献１や特許文献２もそれらの技術分野の背景のなかで考案されている。

ところで、医療分野における液状薬剤を霧状にして肺吸入させる際に使用される吸入装置などに用いられる液体吐出ヘッドは、吐出滴径が数μｍ程度、最適には２μｍから６μｍ程度である。そのため、吐出口径は１μｍから５μｍ程度が必要で、従来のインクジェット記録分野で使用される液体吐出ヘッドの吐出口に比べて大幅に小さな吐出口が必要である。また、吸入時間を短くして患者負担を軽くするために、なるだけ短時間に必要な薬液量を投薬するために大量の液滴を吐出させる必要がある。

単位時間あたりの吐出量が同じの場合、吐出滴径が３μｍの場合は吐出滴径が１０μｍの場合に比べて液滴数を４０倍程度多くしないと同じ吐出量にはならない。このことから従来のインクジェット記録分野で使用される液体吐出ヘッドに比べて、医療分野における液状薬剤を霧状にして肺吸入させる際に使用される液体吐出ヘッドは、いかに吐出液滴数を増やすかがポイントであることが解る。

短時間に大量の液滴を吐出させるためには、単純にはエネルギ発生素子を増やし、吐出口を増やせば可能であるが、吐出ヘッドが大型化し、それに伴い、駆動用電池も大きくなる。そうすると、吸入装置が大型化して患者の使い勝手が悪くなるうえ、大型のヘッドは価格も高くなる。これらを解決するために、特許文献３のように、吐出口同士の間隔を出来るだけ狭くしてエネルギ発生素子上になるべくたくさん吐出口を並べることが考えられた。

特開２００４−１４３９号公報 特開２００１−１０５５８４号公報 特開２００３−１５４６５５号公報

ところが、隣接する吐出口の間隔を狭くすると、吐出した液滴同士が接触合体して液滴が大きくなり、必要な最適液滴を得る事が出来なくなるという課題が発生した。

医療分野における液状薬剤を霧状にして肺吸入させる際に使用される吸入装置などに用いられる液体吐出ヘッドの場合、患者の身体的負担や経済的負担を考慮して、できるだけ少ない薬液量で最大の治療効果を得ることが必要である。そのためには、到達させる必要部位に最適な液滴径のみで吐出液滴群を構成する必要がある。最適径より大きいと肺に到達する前に口内や気管支に付着し、最適径より小さいと肺に到達しても排気の際に再び体外に排出されてしまうからである。

前述したように、医療分野における液状薬剤を霧状にして肺吸入させる際に使用される吸入装置などに用いられる液体吐出ヘッドでは、吐出口径は１μｍから５μｍ程度が必要である。これは従来のインクジェット記録分野で使用される液体吐出ヘッドの吐出口に比べて大幅に小さな吐出口である。そのため隣接する吐出口から吐出した液滴の接触合体を防ぐために吐出方向を傾ける方法として特許文献１のような止まり穴座グリ形状に吐出口部を機械加工しようとすると、機械加工クズの除去が難しい。機械加工ではなくフォトリソグラフィ技術で吐出口を形成する場合は、露光現像の際に現像スカムが残存してしまう。いずれの吐出口加工法でも微小穴の加工が困難である。また、吐出口の内壁面の表面性を親水性及び撥水性に塗り分ける方法は微小穴の場合は事実上不可能かまたは非常に手間がかかって実用できない。

本発明の目的は、微小吐出口を高密度で配置する液体吐出ヘッドにおいて、隣接する吐出口の液滴を接触させることなく吐出することができる液滴吐出ヘッドを提供することである。

そこで、上記課題を解決するために、本発明に係わる液体吐出ヘッドは以下の構成を有する。すなわち、液体に吐出用エネルギを発生させる１つ以上のエネルギ発生素子と、前記エネルギ発生素子を収容して前記液体にエネルギを与えるための空間と、前記エネルギ発生素子に対面するように吐出口が配置された吐出口形成部材とを有し、前記液体を吐出する吐出口を前記エネルギ発生素子１つに対して複数個有する液体吐出ヘッドであって、隣接する吐出口から同時に吐出される液滴の吐出方向が異なることを特徴とする。

以上、説明したように本発明によれば、隣接する吐出口からの液滴吐出方向を異ならせることで、１つのエネルギ発生素子に対して複数の吐出口を有するような吐出口同士が密な配置の場合に発生する課題を解決することが出来る。その課題は吐出した液滴同士が接触合体して液滴が大きくなり必要な最適液滴径を得る事が出来なくなるというものである。また、吐出口からの液滴吐出方向を異ならす方法として、吐出口プレート表面の吐出口周囲の吐出液に対する接触角が回転対称性を有しない分布にする。そうすることで、微小な吐出口径であっても容易に且つ精度良く目的の加工が可能となる。そうすると、従来より吐出口が高密度な液体吐出ヘッドがより容易で高精度に製造可能となる。その結果、コンパクトで使い勝手がよく、安価な液体吐出ヘッドやその液体吐出ヘッドを有する経肺投薬用の液体吐出ヘッド装置を提供する事が出来る。

本発明の実施形態の液体吐出ヘッドの外観斜視図である。 図１に示した液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 図２に示した発熱素子基板の一部破断がなされた斜視図である。 図３のＡ部詳細図である。 図３に示した吐出口の一部を表す平面図である。 図５のＸ-Ｘ線断面図である。 図５と図６の吐出口Ｈ１１０８の平面拡大図を表す図である。 発熱素子上に４つ配置した吐出口の親水部の位置関係を親水部円弧角度をかえて示した図である。

本発明の液体吐出ヘッドは、微小な液滴を吐出（噴霧も含む）するための装置に好適に用いることができる。その具体的な例としては、特に限定されるものではないが、医療分野における薬剤を含む溶液を患者の呼吸器系に投与するために用いられる吸入用の装置が挙げられる。他の応用例としては、ペンキやレジストやコーティング剤等のスプレーやその他スチーマなどが挙げられる。

ここで、本発明の液体吐出ヘッドは、液体に吐出用エネルギを発生させる１つ以上のエネルギ発生素子と、該エネルギ発生素子を収容して前記液体にエネルギを与える空間と、前記エネルギ発生素子を対面するように吐出口が配置された吐出口形成部材とを有する。吐出口形成部材は、液体を滴として吐出するための複数の吐出口が開口した平面を有する部材（以下、吐出口プレートともいう）であり、エネルギ発生素子を収容する空間の壁の一部を構成するように設けられている。エネルギ発生素子は、液体に与える吐出用エネルギを発生させる素子であり、吐出口形成部材の有する複数の吐出口と対向する、前記空間内に収容されている。また、吐出口プレートは１つのエネルギ発生素子に対して液体を吐出する吐出口を複数個有している。

そして、吐出口プレートにおける隣接する吐出口から同時に吐出される液滴が異なる吐出方向を有することで当該液滴が接触しないことを可能とする。

本発明では、液滴の吐出方向を吐出平面垂直方向から傾斜させるために、吐出口の周囲に吐出する液体との接触角が異なる領域を形成させる。ここで接触角が異なる領域は、接触角が相対的に高い領域（以下、高接触角領域ともいう）と相対的に接触角が低い領域（以下、低接触角領域ともいう）を有する。低接触角領域は吐出口を中心として回転対称性を有しない分布となるように吐出プレート表面の吐出口周囲に形成する。回転対称性を有しない分布とは、吐出口を中心として低接触角領域を回転させても３６０度回転するまでに元の低接触角領域のパターンに重なる場合がないような分布を有することをいう。

接触角の異なる領域は、互いの接触角の差が１０度以上有するように形成されることが好ましく、３０度以上有するように形成されることがより好ましい。

このように吐出口周囲の接触角が異なることで調整される液滴の吐出方向が隣り合う吐出口どうしで異なるように低接触角領域は分布している。

なお、吐出方向は、吐出平面を正面から見た場合の方向を指し、吐出口を中心に任意の方向を基準として、その方向から回転した角度で表し、複数の吐出口において吐出方向の相対的な関係を示す場合がある。また、吐出の傾斜角度とは、吐出平面に対する垂直方向からの液滴の吐出方向への傾きの角度を指す。

吐出口の周囲に接触角が異なる領域を形成すると、低接触角領域のほうに液滴が引かれるため、接触する可能性がある近接する吐出口間で、吐出液滴が互いに離れる方向に各吐出口の周囲に低接触角領域を形成することで、吐出直後の液滴の接触を防ぐことができる。吐出口の周囲の接触角が同じ場合は吐出液滴の吐出方向は垂直方向からずれが生じる場合があり、そのずれの方向は不定となる。そのため、隣接する吐出口間の間隔が狭いと吐出液滴が接触する場合が生じる。本発明の方法はこのような接触の可能性を防ぐ上で、例えば、吐出口間の間隔が１０μｍ以下程度に近接する吐出口を有する場合に好適に用いることができ、さらには５μｍ以下程度の間隔では液滴の接触が顕著になるためより効果的である。よって1つのヒータに複数の吐出口を配置する場合に用いることができ、例えば、次の（i）及び（ii）の条件を満たす場合に好適に用いることができる。（i）同一のエネルギ発生素子内に隣接して配置する吐出口どうしの距離が短くなるために吐出口周囲の接触角が同じであると液滴が接触することがある場合。（ii）異なるエネルギ発生素子間で隣り合う吐出口どうしの距離が液滴が接触しない程度に離れている場合。このように、複数の吐出口において吐出方向を調整することで全体として高密度に吐出口を配置することができる。

このように構成することで、1つのエネルギ発生素子に対して複数の吐出口を有するような吐出口同士が密な配置であっても、吐出した液滴同士が接触合体することがないため、目的径を有する液滴を得ることが出来る。

また、本発明の液体吐出ヘッドを薬剤吸収用のヘッドとして用いる場合、液体吐出ヘッドを配置した装置部分を薬剤のディスペンサと連結した構成とすることが出来る。

前記液体としては、液状のものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、薬剤を含む溶液が好ましく、特に患者の呼吸器系に投与するために特別に処方された溶液が好ましいが、その他にも懸濁液などであってもよい。なお、液状とは、ゾルやゲルなどの状態も含まれる。

また、溶液あるいは懸濁液としては、表面張力が比較的大きいことから水性液体を好適に用いることができ、主として水を溶媒とする水性液体であることが好ましい。また、水との相溶性を損なわなければ、エタノール、１−プロパノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、ケトン類、カルボン酸などの親水性溶媒や酢酸エチル等のカルボン酸エステル、ヘキサン等の炭化水素系化合物などの溶媒を含んでもよい。また、疎水性物質や高分子の溶質をミセル化する場合などに界面活性剤を含む水性液体であってもよい。また、ペンキ、コーティング剤あるいは疎水性の薬剤物質などを油性溶媒に含む油性液体であってもよい。

前記薬剤としては、哺乳類等の動物に対して何らかの作用・効果を示す物質をいい、特に限定されるものではない。例えば、インスリン、ヒト成長ホルモン若しくは性腺刺激ホルモン等のペプチド、タンパク質等の蛋白製剤またはオリゴマー、ポリヌクレオチド等の核酸物質の生体高分子、或はニコチン等の薬剤物質、気管支喘息薬または麻酔薬などの低分子化合物が挙げられる。これらの生体高分子や低分子化合物は肺吸入に用いられる薬剤として、これらの生体高分子や低分子化合物を含む液体、好ましくは水性液体を好適に吐出することができる。液体の表面張力に関して、インクジェット吐出方式で一般的に吐出できる程度の範囲であり、かつ水の吐出についても適用することができるため、例えば、２０ｄｙｎ／ｃｍ〜７３ｄｙｎ／ｃｍの範囲の液体について好適に用いることができる。

吐出口は真円もしくは略円形とすることができ、例えば、２μｍ〜６μｍ、好ましくは１μｍ〜５μｍの口径を有することができる。液滴の吐出速度は、例えば５ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓとすることができる。吐出される液滴の平均粒径は１μｍ〜５μｍとすることができる。

接触角の異なる領域を形成する方法としては、吐出プレート表面における吐出口周囲の領域において、表面自由エネルギー（表面張力）、あるいは表面粗さの少なくとも一方が異なる領域を形成する方法を用いることができる。以下では、相対的に接触角の低い領域として親水性を有する領域（以下、親水部とする）を有し、接触角の高い領域として撥水性を有する領域（以下、撥水部という）を有する場合を挙げて説明する。なお、接触角が異なる領域を形成できれば、該異なる領域がいずれも親水性表面であり親水性の違いにより接触角が異なる場合であってもよく、あるいは該異なる領域がいずれも撥水性表面であり撥水性の違いにより接触角が異なる場合であってもよい。

接触角の異なる領域は、例えば、次の順序で形成することができる。まず、吐出プレートの吐出口の周囲に撥水性を有する表面を形成する。これは、例えば、フッ素系材料等の撥水材料からなる吐出プレートを使用してもよいし、撥水層を吐出プレート表面に形成してもよい。次に、吐出口周囲の所定の領域に親水部を形成する。親水部はエキシマレーザー照射やコロナ放電など公知の方法により親水処理して形成する。ホウ酸などの親水化を推進する物質を含む溶液を親水処理する領域に加えてもよい。

また、表面粗さを変化させる方法により、吐出プレートの吐出口の周囲に接触角の異なる領域を形成することができ、表面粗さを加える方法としては公知の方法を用いることができる。例えば、撥水性を有する吐出プレートでは、表面粗さの値（Ｒa）が０．１〜１．６程度となるように粗さ加工の処理を行うことで他の部分よりも撥水性を高くし、接触角を相対的に高くすることができる。これにより、相対的に接触角が低くなる粗さ加工の未処理の領域側に液滴の吐出方向を向けることができる。また、例えば、親水性を有する吐出プレートではわずかでも粗さを加えると他の部分より親水性が高くすることができ、粗さを加えた領域の側に液滴の吐出を傾けることができる。

親水部は、吐出方向を制御すく調整する点から、円弧状の形状や、対称性を有する形状を有するものを用いることができる。また、親水部は、吐出プレート表面において吐出口と接している部位（始端）と外延部位（終端）を有する。外延部位は液滴が接触する範囲をすべて含むように設けてもよいし、吐出方向を制御することができれば、液滴が接触する範囲の一部を含むように設定してもよい。

このような親水部の分布は、それぞれの吐出口の親水部の形状が異なる場合は、親水部の分布と吐出方向との関係も異なるため、それぞれの吐出口の親水部の形状と吐出方向の関係を考慮して分布配置を決定することができる。それぞれの吐出口の吐出方向の制御の点から、各吐出口が同じ形状の親水部を有し、それぞれの吐出口の周囲の相対的な位置を異ならせることで制御することができる。

まず、液体吐出ヘッド装置の構成について、図１から図４を用いて説明する。図１から図４は、本発明の実施に好適な発熱素子を用いた液体吐出ヘッド装置を説明するための説明図である。

図１は従来の液体吐出ヘッドＨ１００１を示しているが本発明では、この装置構成を例えば吸入用装置として利用することが出来る。液体吐出ヘッド装置Ｈ１００１は、電気信号に応じて膜沸騰を液体に対して生じせしめるための熱エネルギを生成する発熱体を用いて吐出を行う、バブルジェット（登録商標）方式のサイドシューター型とされる液体吐出ヘッドである。なお、説明においては発熱素子を用いた構成について述べるが、特にエネルギ発生素子としては発熱素子に限定されるものではなく、ピエゾ素子のような振動エネルギ発生素子を用いることが出来る。

次に液体吐出ヘッド装置Ｈ１００１を構成する各々の構成要素について順を追って説明する。図２は、図１の液体吐出ヘッド装置Ｈ１００１の分解斜視図である。液体ヘッド装置Ｈ１００１は、図２の分解斜視図に示すように、発熱素子基板Ｈ１１００、電気配線テープＨ１００２及びタンクホルダＨ１００３とから構成される。電気配線テープＨ１００２は発熱素子基板を配置する空間部Ｈ１１１３と電気接続部Ｈ１１１４を備える。次に、タンクホルダＨ１００３は、例えば、樹脂成形により形成されている。タンクホルダＨ１００３は液体タンク（不図）から発熱素子基板Ｈ１１００の液体供給口Ｈ１１０２（図３参照）へ液体を導くための接続口を有し、着脱自在の液体タンク（不図）を保持する機能も一部備えている。この液体タンクに例えば薬剤を含む溶液を入れて保存する。

図３は発熱素子基板Ｈ１１００の構成を説明するために一部分解した斜視図である。発熱素子基板Ｈ１１００は、例えば、厚さ０．５〜１ｍｍのＳｉ基板Ｈ１１１２に液体流路として長溝状の貫通口からなる液体供給口Ｈ１１０２がＳｉの結晶方位を利用した異方性エッチンングやサンドブラストなどの方法で形成されている。また、液体供給口Ｈ１１０２を挟んだ両側に発熱素子Ｈ１１０３がそれぞれ２列ずつ配列されており、その発熱素子Ｈ１１０３に電力を供給する不図示の電気配線やパシベーション膜が成膜技術により形成されている。さらに、その電気配線に電力を供給するための電極部Ｈ１１０４が発熱素子基板Ｈ１１００の両外側に配列されている。そして、Ｓｉ基板Ｈ１１１２上には、液体供給口Ｈ１１０２に連通した液体流路Ｈ１１０６を持ち、且つ２対の発熱素子を囲むように流路壁Ｈ１１０５が形成され、液室を構成している。この流路壁Ｈ１１０５は感光性樹脂材料を用いてフォトリソ技術で作成されている。その上部には、吐出口が設けられた吐出口プレートＨ１１０７がポリイミドシートで接合されている。その結果、吐出液にエネルギを与えるための空間が形成されている。吐出口Ｈ１１０８は、ポリイミドシートを透過して発熱素子位置を認識しながらエキシマレーザで形成されている。これら複数が吐出口プレートＨ１１０７に吐出口群Ｈ１１１１を形成している。図４に図３の一部分を拡大して示している。吐出口プレートＨ１１０７の表面には撥水処理が行われている。その方法は、吐出口に撥水材が進入しないように吐出口から窒素ガスを緩やかに噴出させながら撥水材ＣＴＸ−ＣＺ５Ａ（旭硝子（株））を塗布することで行われている。タンクホルダＨ１００３に発熱素子基板Ｈ１１００と電気配線テープＨ１００２とが組み付けられて液体吐出ヘッドが完成している。液体供給口Ｈ１１０２から供給された液体は、発熱素子Ｈ１１０３により発生した気泡より、発熱素子Ｈ１１０３に対向して設けられている吐出口Ｈ１１０８から吐出される。

発熱素子Ｈ１１０３に対する駆動信号は、隣接する１２８個の発熱素子（１つの液室に２つずつ配置してある発熱素子の対を６４個）を一組として一括して駆動させる。液体吐出ヘッドは多数の発熱素子を持つので、１２８個の発熱素子ごとを１つの駆動集団として、それらを順次駆動させて液体吐出ヘッドから吐出液を吐出させる。

以下、実施の形態を説明しながら、本発明の液体吐出ヘッドにおける複数の吐出口において周囲の接触角の異なる領域の形成方法および、隣接する吐出口どうしでの接触角の異なる領域の分布の仕方について説明する。

（実施形態１）
図５から図７は本発明の接触角の異なる領域を吐出口周囲に有する液体吐出ヘッドの１つの実施の形態を示す。図５は液体吐出ヘッドの基板に対し垂直な方向から見た液体吐出ヘッドの平面透視図、図６は図５におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図、図７は図５における吐出口の拡大図である。

図５から図７に示す形態の液体吐出ヘッドでは、液体を吐出するためのエネルギ発生素子である発熱素子Ｈ１１０３をＳｉ基板Ｈ１１１２上に設けた。発熱素子Ｈ１１０３は縦１５μｍ、横１５μｍの正方形で、液体供給口Ｈ１１０２に沿ってピッチ２５μｍで２つの発熱素子Ｈ１１０３からなる発熱素子列を複数列配置した。２列の発熱素子列は、間隔２０μｍで配置した。次に液体供給口Ｈ１１０２に連通した幅１９μｍの液体流路Ｈ１１０６を持ち、且つ２対の発熱素子を囲むように流路壁Ｈ１００５を形成した。流路壁は感光性樹脂材料を用いてフォトリソ技術で形成した。流路壁の高さは５μｍで、隣の２対の発熱素子列を隔てる流路壁厚さは幅６μｍとした。図５では、３つの液体流路Ｈ１１０６ごとに発熱素子Ｈ１１０３が２つずつ合計６つしか示していないが、実際には、１枚のＳｉ基板Ｈ１１１２上に複数の発熱素子Ｈ１１０３が配列されている。なお、エネルギ発生素子はヒータのような発熱素子に限らず、ピエゾ素子のような振動エネルギ発生素子であってもよい。また、Si基板Ｈ１１１２の代わりに、例えば、ガラス、セラミック、樹脂、Ｓｉ以外の金属で形成することも出来る。

次に、吐出口プレートとなる厚さ５μｍのポリイミドシートを接合して吐出液にエネルギを与えるための空間を形成した。

次にポリイミドシートを透過して発熱素子位置を観察しながら、発熱素子上方位置の吐出口プレートにエキシマレーザで吐出口Ｈ１１０８を形成した。各発熱素子ごとに直径３μｍの吐出口を１０μｍピッチで発熱素子中心から等距離となる位置に４つずつ作成した。なお、同一液体流路内における２列の発熱素子の間で隣接する吐出口間の距離は、１２．２μｍであり、異なる液体流路間における二つの発熱素子の間で隣接する吐出口間の距離は１２．２μｍであった。次にアブレーションで発生するデブリと称される副生成物を除去した。次に吐出口に撥水材が進入しないように吐出口から窒素ガスを緩やかに噴出させながら撥水材ＣＴＸ−ＣＺ５Ａ（旭硝子（株））を塗布して吐出口プレート表面を撥水処理した。

次に親水化促進物質として３％ホウ酸水溶液を吐出口プレートＨ１１０７表面の撥水層上に滴下し、吐出口位置に対してアライメントして石英ガラスマスクを重ねた。石英ガラスマスクは親水部に対応する部分以外は遮光処理を施してから用いた。次に発光中心波長が１７２ｎｍの誘電体バリア放電エキシマランプＥＲ２００−１７２（ウシオ電機（株）製）を石英ガラスマスクの直上から５分間照射して親水部Ｈ２００５を形成した。

撥水部と親水部の形成方法は、今回の方法以外に表面の微細な表面粗さを変化させる方法や、撥水材表面をコロナ放電で処理して親水化させる方法、レーザを用いて撥水層を局部的に除去する方法やそれらを組み合わせた方法でも行うことが出来る。

今回は吐出口プレートを撥水表面にして吐出口の周囲に所望の形状の親水部を形成した。これとは反対に、吐出口プレートが親水性の表面で吐出口周囲に所望の形状の撥水部を形成して吐出口周囲の接触角分布を変化させることも出来る。

図７で吐出口と親水部の位置関係を説明する。吐出口Ｈ１１０８と中心を同じくする半径４．５μｍの円弧状の親水部Ｈ２００５を吐出口周囲表面に形成した。図７は円弧の角度Ｈ２００６が４５度の場合を示している。発熱素子ごとの４つの吐出口に対し、吐出口周囲の親水部位置を９０度ずつ変えて図５に示すように形成した。

また、親水部の円弧の角度Ｈ２００６が４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の７種類の液体吐出ヘッドを作成した。また、比較例として、吐出口周囲の親水部の円弧の角度Ｈ２００６が３６０度の液体吐出ヘッドと、親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドを準備した。図８に１つの発熱素子に４つの吐出口が形成され、それぞれの円弧角度Ｈ２００６ごとに親水部Ｈ２００５が形成された配置形状を示した。

接触角測定用のモニター部を用いて撥水部と親水部の前進接触角を測定した。表面張力が７３ｄｙｎｅ／ｃｍの水の接触角は、撥水部が９０度、親水部が５５度であった。次に表面張力が７３ｄｙｎｅ／ｃｍの水を吐出液として、吐出口周囲の親水部の円弧の角度Ｈ２００６が４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の７種類の液体吐出ヘッドの吐出評価試験を行った。また吐出液滴拡大観察系を用いて液滴の吐出状態の観察を行った。また、マルバーン社製レーザ回折粒度分布測定器を用いて、平均粒径と体積基準の粒度分布プロファイルを測定した。

比較例の円弧の角度が３６０度の液体吐出ヘッドと親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドも同様に吐出評価試験を行い、吐出液滴拡大観察系を用いて液滴の吐出状態の観察を行った。また、マルバーン社製レーザ回折粒度分布測定器を用いて平均粒径と体積基準の粒度分布プロファイルを測定した。

その結果、吐出口の周囲に親水部の円弧の角度Ｈ２００６が４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の親水部を形成した７種類の液体吐出ヘッドにおいて吐出される液滴は、いずれも平均粒径が３．８〜４．５μｍ程度であった。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．０程度であった。液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したが、いずれも吐出液滴が接触合体する様子はなく、安定な吐出状態であった。また、吐出口に相対する正面位置から液滴の吐出方向を観察したところ、液滴は吐出口周囲の親水部の中央部の方向にひっぱられるように傾いて吐出している状態が観察された。

比較例の吐出口の周囲の親水部の円弧の角度が３６０度の液体吐出ヘッドと親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドにおいて吐出される液滴は、いずれも平均粒径が５．５〜６．５μｍ程度であった。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．６程度であった。液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したところ、隣接吐出口から吐出した液滴が接触合体する箇所が複数観察された。

以上から、表面張力が７３ｄｙｎｅ／ｃｍの水を用いて吐出評価を行った結果、次のことが確認された。すなわち、吐出口の周囲の親水部（低接触角領域）の分布を吐出口を中心として回転対称性を有しない分布にし、隣接する吐出口の吐出方向が異なるように親水部の位置を調整することで隣接吐出口から吐出した液滴の接触合体がおこらないことが確認された。また、粒度分布も比較例に対して充分良好で均一の粒径が得られることが確認された。

（実施形態２）
実施形態１と同様に親水部の円弧の角度Ｈ２００６が４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の７種類の液体吐出ヘッドを作成した。比較例も実施形態１と同様に、円弧の角度Ｈ２００６が３６０度の液体吐出ヘッドと、親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドを準備した。

接触角測定用のモニター部を用いて撥水部と親水部の前進接触角を測定した。表面張力が２５ｄｙｎｅ／ｃｍのインクの接触角は、撥水部が７０度、親水部が４５度であった。

吐出液を表面張力が２５ｄｙｎｅ／ｃｍのインクを用いた以外は実施形態１と同様にして液体吐出ヘッドの吐出評価試験を行った。

その結果、吐出口の周囲に親水部の円弧の角度Ｈ２００６が４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の親水部を形成した７種類の液体吐出ヘッドにおいて吐出される液滴はいずれも平均粒径が３．２〜４．２μｍ程度であった。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．２程度であった。液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したが、いずれも吐出液滴が接触合体する様子はなく、安定な吐出状態であった。また、吐出口の正面位置から液滴の吐出方向を観察したところ、液滴は吐出口周囲の親水部の中央部の方向にひっぱられるように傾いて吐出している状態が観察された。

比較例の親水部の円弧の角度が３６０度の液体吐出ヘッドと親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドにおいて吐出される液滴は、いずれも平均粒径が５．０〜６．５μｍ程度であった。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．７程度であった。液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したところ、隣接吐出口から吐出した液滴が接触合体する箇所が複数観察された。

以上から、表面張力が２５ｄｙｎｅ／ｃｍのインクを用いて吐出評価を行った結果、次のことが確認された。即ち、吐出口の周囲の親水部（低接触角領域）の分布を吐出口を中心として回転対称性を有しない分布にし、隣接する吐出口の吐出方向が異なるように親水部の位置を調整することで隣接吐出口から吐出した液滴の接触合体がおこらないことが確認された。また、粒度分布も比較例に対して充分良好で均一の粒径が得られることが確認された。

（実施形態３）
親水部を形成する際の処理時間を変えた以外は、実施形態１と同様にして吐出口の周囲の親水部の円弧の角度が４５度の液体吐出ヘッドを４個製作した。４個の液体吐出ヘッドは、それぞれ親水化処理時間を４分、３分、２分、１分に変えて処理した。接触角測定用のモニター部を用いて撥水部と親水部の前進接触角を測定した。表面張力が７３ｄｙｎｅ／ｃｍの水の接触角は、撥水部が９０度、親水部は親水化処理時間が４分のものが６５度、３分のものが７５度、２分のものが８０度、１分のものが８５度であった。

比較例も実施形態１と同様に、親水部の円弧の角度Ｈ２００６が３６０度で親水部の親水化処理時間が４分の液体吐出ヘッドと、親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドを準備した。

吐出液を表面張力が７３ｄｙｎｅ／ｃｍの水を用いて、実施形態１と同様にして液体吐出ヘッドの吐出評価試験を行った。

その結果、吐出口の周囲の親水部の接触角が６５度と７５度と８０度の液体吐出ヘッドにおいて吐出される液滴はいずれも平均粒径が３．８〜４．５μｍ程度であった。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．０程度であった。液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したが、いずれも吐出液滴が接触合体する様子はなく、安定な吐出状態であった。また、吐出口と相対する正面位置から液滴の吐出方向を観察したところ、液滴は吐出口周囲の親水部の中央部の方向にひっぱられるように傾いて吐出している状態が観察された。

次の３つの吐出ヘッドにおいて吐出される液滴はいずれも平均粒径が５．５〜６．５μｍ程度であった。吐出口の周囲の親水部の接触角が８５度の液体吐出ヘッド、比較例の親水部の円弧の角度が３６０度の液体吐出ヘッド、および親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッド。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．６程度であった。

液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したところ、隣接吐出口から吐出した液滴が接触合体する箇所が複数観察された。

以上から、表面張力が７３ｄｙｎｅ／ｃｍの水を用いて吐出評価を行った結果、次のことが確認された。即ち、吐出口の周囲の親水部（低接触角領域）が吐出口を中心として回転対称性を有しない分布である場合で、撥水部と親水部の接触角の差が１０度以上の時に隣接吐出口から吐出した液滴の接触合体がおこらないことが確認された。

（実施形態４）
実施形態３と同様にして吐出口の周囲の親水部の円弧の角度が４５度の液体吐出ヘッドを４個製作した。４個の液体吐出ヘッドは、それぞれ親水化処理時間を４分、３分、２分、１分に変えて処理した。

表面張力が２５ｄｙｎｅ／ｃｍのインクを吐出液にするので、実施形態３と同様にしてインクの接触角を測定した。撥水部が７０度、親水部は親水化処理時間が４分のものが４５度、３分のものが５５度、２分のものが６０度、１分のものが６５度であった。

比較例も実施形態３と同様に、親水部の円弧の角度Ｈ２００６が３６０度で親水部の処理時間が４分の液体吐出ヘッドと、親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッドを準備した。

実施形態３と同様にして、液体吐出ヘッドの吐出評価試験を行った。その結果、吐出口の周囲の親水部の接触角が４５度と５５度と６０度の液体吐出ヘッドにおいて吐出される液滴はいずれも平均粒径が３．２〜４．２μｍ程度であった。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．２程度であった。液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したが、いずれも吐出液滴が接触合体する様子はなく、安定な吐出状態であった。また、吐出口と相対する正面位置から液滴の吐出方向を観察したところ、液滴は吐出口周囲の親水部の中央部の方向にひっぱられるように傾いて吐出している状態が観察された。

次の３つの吐出ヘッドにおいて吐出される液滴はいずれも平均粒径が５．０〜６．５μｍ程度であった。吐出口の周囲の親水部の接触角が６５度の液体吐出ヘッド、比較例の親水部の円弧の角度が３６０度の液体吐出ヘッド、および親水処理をまったく行わず、吐出口周囲が撥水状態のままの液体吐出ヘッド。粒度分布のブロード程度を示す体積基準の相対粒子量曲線の半値幅は１．７程度であった。

液滴の吐出状態をヘッドの吐出口をランダムにえらんで多数観察したところ、隣接吐出口から吐出した液滴が接触合体する箇所が複数観察された。

以上から、表面張力が２５ｄｙｎ／ｃｍのインクを用いて吐出評価を行った結果、次のことが確認された。即ち、吐出口の周囲の吐出液に対する接触角が回転対称性を有しない分布である場合で、撥水部と親水部の接触角の差が１０度以上の時に、隣接吐出口から吐出した液滴の接触合体がおこらないことが確認された。

以上、実施形態１〜実施形態４の結果をまとめたものを表１に示す。

Ｈ１００１ 液体吐出ヘッド
Ｈ１００２ 電気配線テープ
Ｈ１００３ タンクホルダ
Ｈ１１００ 発熱素子基板
Ｈ１１０２ 液体供給口
Ｈ１１０３ 発熱素子
Ｈ１１０４ 電極部
Ｈ１１０５ 液体流路壁
Ｈ１１０６ 液体流路
Ｈ１１０７ 吐出口プレート
Ｈ１１０８ 吐出口
Ｈ１１１１ 吐出口群
Ｈ１１１２ Ｓｉ基板
Ｈ１１１３ 発熱素子基板を配置する空間部
Ｈ１１１４ 電気接続部
Ｈ２００５ 吐出口プレート表面親水処理部
Ｈ２００６ 吐出口プレート表面親水処理部角度

Claims (7)

1. 液体に吐出用エネルギを発生させる１つ以上のエネルギ発生素子と、前記エネルギ発生素子を収容して前記液体にエネルギを与えるための空間と、前記エネルギ発生素子に対面するように吐出口が配置された吐出口形成部材とを有し、前記液体を吐出する吐出口を１つの前記エネルギ発生素子に対して複数個有する液体吐出ヘッドであって、隣接する吐出口から同時に吐出される液滴の吐出方向が異なることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記液滴の吐出方向は、前記吐出口周囲に前記液体との接触角が異なる領域を形成し、相対的に接触角が低い領域が吐出口を中心として回転対称性を有しない分布を有することで調整することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 吐出プレート表面における吐出口周囲の領域において、表面自由エネルギー、あるいは表面粗さの少なくとも一方が異なることで、接触角が互いに異なる領域を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記接触角が互いに異なる領域の間の接触角の差が１０度以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記エネルギ発生素子が、発熱素子または振動エネルギ発生素子である請求項１乃至４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを有することを特徴とする液体吐出ヘッド装置。
7. 前記液体は、肺吸入に用いられる薬剤を含む液体である、請求項６に記載の液体吐出ヘッド装置。

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