JP2011062870A

JP2011062870A - 液滴吐出装置

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Publication number: JP2011062870A
Application number: JP2009214146A
Authority: JP
Inventors: Nahomi Kubo; 奈帆美久保
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-16
Also published as: JP5593659B2

Abstract

【課題】いわゆる「引き打ち」方式を採用した液滴吐出装置において、ノズル内部への撥液領域の入り込み量と駆動電圧を最適化することにより駆動効率が良い小液滴吐出を可能とする液滴吐出装置を提供すること。
【解決手段】１つのノズルから吐出される液滴のうち、大液滴が吐出する駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ１（Ｖ）、小液滴が吐出する駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ２（Ｖ）、としたとき、前記ノズルの内面には、前記吐出口側の一端から所定の深さで撥液面が形成されていて、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜の関係にあり、前記駆動電圧パルスの駆動電圧Ｖ_Ｄ（Ｖ）が、小液滴のみの吐出が可能となるように下記の関係式を満足する範囲内に設定されていることを特徴とする液滴吐出装置。
｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜
【選択図】図５

Description

本発明は、液滴吐出装置に関する。

インクジェット記録装置などの液滴吐出装置に用いられる液滴吐出ヘッドとしては、ノズルに連通する圧力室の容積を変化させることにより液滴の吐出を行う形式のものが知られている。

インクジェット記録装置などの液滴吐出装置では、高品位の記録を実現するには吐出一回当たりの液滴量を少なくする必要がある。

吐出一回当たりの液滴量は、ノズルのサイズに大きく影響されるのは、言うまでもない。従って、液滴の微小化は、ノズルの微細化によって図ることができる。しかしながら、ノズルの微細化には加工精度の限界があり、十分な精度を保っての液滴の微小化には、制限がある。また、ノズル径を微細化するとノズル詰まりが起こりやすくなるので好ましくない。

そこで、液滴量を少なくする方法として、従来から、ノズルに連通する圧力室を膨張させてから収縮させるという、いわゆる「引き打ち」方式が採用されている。この方式によれば、液滴量を少なくすることが可能である。

特許文献１では、収縮パルスによりインクメニスカスを一度押し出した後、「引き打ち」方式によりノズル内の奥深くに引き込んでから吐出することにより、ノズル径より小さい液滴を吐出する方法が開示されている。

一方、インクジェット記録装置などの液滴吐出装置では、ノズル回りの状態、つまり、ノズルの周囲のインク等の液体の濡れによって、液滴が飛翔方向にズレを生じるといった問題を抱えている。

このような問題に対して特許文献２に開示されたノズルプレートは、スパッタリングによってノズルの内面とノズルプレートの表面にフッ素樹脂等の撥インク性被膜を均一に形成して、ノズル回りのインクの濡れを抑えるようにしたものである。

特開２００２−１２７４１８号公報特開昭５７−１０７８４８号公報

しかしながら、インクジェット記録装置などの液滴吐出装置では、記録品位のより一層の向上が望まれており、このような要求に対応するには、液滴量をさらに少なくする必要があるが、このような要求には、特許文献１のような従来の「引き打ち」方式を採用するだけでは対応することが難しい。

また、特許文献１では、ノズルのメニスカス形成位置がノズル先端にあり、この状態からノズル内の奥深くに引き込んで吐出させるため、駆動効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明の課題は、いわゆる「引き打ち」方式を採用した液滴吐出装置において、ノズル内部への撥液領域の入り込み量と駆動電圧を最適化することにより駆動効率が良い小液滴吐出を可能とする液滴吐出装置を提供することにある。

なお、特許文献２には、撥インク性被膜をノズルプレートの表面からノズルの内部に入り込ませて形成することが開示されてはいるが、駆動効率が良い小液滴吐出を可能とするのに必要な構成、つまりノズル内部への撥液領域の入り込み量については何ら開示されていない。

前記目的は下記の発明により達成される。

１．液滴を吐出する吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を変化させて前記圧力室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを有する液滴吐出ヘッドを備え、
前記吐出口から液滴を吐出させるために前記圧力発生手段に印加する駆動電圧パルスが、前記圧力室の容積を増大させる膨張エッジと、該膨張エッジの後に前記圧力室の容積を収縮させて液滴を吐出させる収縮エッジとを含み、
１つのノズルから吐出される液滴のうち、大液滴が吐出する前記駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ１（Ｖ）、小液滴が吐出する前記駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ２（Ｖ）、としたとき、
前記ノズルの内面には、前記吐出口側の一端から所定の深さで撥液面が形成されていて、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜の関係にあり、
前記駆動電圧パルスの駆動電圧Ｖ_Ｄ（Ｖ）が、前記小液滴のみの吐出が可能となるように下記の関係式を満足する範囲内に設定されていることを特徴とする液滴吐出装置。

｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜
２．前記ノズルは、入口の径と出口である前記吐出口の径とが実質的に等しいストレート部を有し、該ストレート部の内面の一部に前記撥液面が形成されていることを特徴とする１に記載の液滴吐出装置。

３．前記小液滴の液滴径は、前記吐出口の径の１／２以下であることを特徴とする１または２に記載の液滴吐出装置。

４．前記ノズルの内面のうち、前記撥液面が形成された以外の面が親液面であることを特徴とする１から３の何れか１項に記載の液滴吐出装置。

５．前記ノズルのメニスカス形成位置が撥液面と親液面の境界にあることを特徴とする４に記載の液滴吐出装置。

本発明によれば駆動効率が良い小液滴吐出を可能とする液滴吐出装置を提供することができる。

本実施形態に係る液滴吐出装置の一例の全体構成を示す断面模式図である。ノズルとノズルプレートの一例を示す断面斜視図である。液滴吐出ヘッドの一例を構成要素毎に分解して模式的に示す図である。液滴吐出ヘッドの駆動電圧パルスの一例を示す図である。駆動電圧パルスの印加により本実施形態の液滴吐出ヘッドから液滴が吐出される一連の様子を示す模式図である。駆動電圧パルスの印加により比較例の液滴吐出ヘッドから液滴が吐出される一連の様子を示す模式図である。

以下、本発明に係る液滴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。図１は、本実施形態に係る液滴吐出装置１の全体構成を示す断面模式図である。なお、本発明の液滴吐出ヘッド２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滴吐出装置に適用可能である。

本実施形態の液滴吐出装置１は、インク等の液体Ｌの液滴Ｒ１を吐出する後述するノズル５が形成された液滴吐出ヘッド２と、液滴吐出ヘッド２のノズル５に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｒ１の着弾を受ける基材Ｋを支持するプラテン３とを備えている。

液体吐出ヘッド２のプラテン３に対向する側には、複数のノズル５が形成されたノズルプレート４が備えられている。

各ノズル５は、ノズルプレート４を穿孔することにより形成されており、一端が後述する圧力室２０と連通し圧力室２０から液体Ｌを供給される液体供給口となり、他端が吐出面６に開口された吐出口１１となり、吐出口１１からプラテン３に対して液滴Ｒ１を吐出するようになっている。

ノズルプレート４の吐出面６（表面）と反対側の面（裏面）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の各ノズル５の液体供給口に面する部分には、それぞれ液体供給口によりも大きい面積を有する略矩形状の空間が形成されており、各空間は、吐出される液体Ｌを一時貯蔵するための圧力室２０とされている。

なお、ボディプレート１９には、圧力室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共通液室および共通液室と圧力室２０とを結ぶ液体供給流路とが設けられており、共通液室には、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圧力室２０、ノズル５等の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。

ボディプレート１９の背後の薄肉部の各圧力室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アクチュエータである圧電素子２２が設けられており、圧電素子２２の上面には個別電極（図示せず）が形成され、圧電素子２２の下面及びボディプレート１９の上面には共通電極（図示せず）が形成されている。圧電素子２２の個別電極と共通電極には、圧電素子に駆動電圧パルスを印加して圧電素子を変形させるための駆動電圧電源２３が接続されている。圧電素子２２は、駆動電圧電源２３からの駆動電圧パルスの印加により変形し、圧力室の容積を変化させて液体Ｌに圧力を発生させる。ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル５の吐出口１１から液滴Ｒ１を吐出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。

駆動電圧電源２３は、動作制御手段２４に接続されており、動作制御手段２４による制御を受けるようになっている。

動作制御手段２４は、本実施形態では、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２９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各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル５の吐出口１１から液滴Ｒ１を吐出させるようになっている。

液体吐出ヘッド２の下方には、基材Ｋを支持する平板状のプラテン３が液体吐出ヘッド２の吐出面６に平行に所定距離離間されて配置されている。

各ノズル５についてさらに詳説する。

図２はノズル５とノズルプレート４の詳細を説明するための断面斜視図である。なお、図２においては、撥液面６１の構成をより明瞭にするために、ノズルプレート４の向きを図１とは上下反転して示してある。

図２に示す通り、ノズル５は、円筒形状を呈しており、ノズル５の吐出口の径をｄ１、入口側の液体供給口の径をｄ２としたとき、各ノズル５はｄ１＝ｄ２で一定の直線状を呈している。このノズル５の吐出口の径ｄ１は、液滴量をより少なくする観点から小さい方が好ましいが、吐出口を小さくすると、ノズルの加工が困難になってコストが高くなるうえ、精度も低下しやすくなり、また、装置の休止中等に吐出口近傍の液体が乾燥して起こる目詰まりが生じやすくなるため、５μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。

なお、各ノズル５は、必ずしも径が一定である必要はなく、テーパ状に形成されてもよい。この場合、ノズルは、入口の径と出口である吐出口の径とが実質的に等しいストレート部とすることが好ましい。ここで実質的に等しいとは、入口の径と出口である吐出口の径が±１［μｍ］の範囲にあることをいう。また、ノズルの径は、開口が円形の場合は、その直径をさす。なお、開口形状は円形形状に限定されることはなく、円形形状の代わりに、多角形状や楕円形状等としてもよい。尚、形状が円でない場合、その面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径をノズルの径とする。

液滴吐出ヘッド２のノズルプレート４の吐出面６には、撥液面６１（網点で示す。）が形成されると共に、各ノズル５の内面にも、液滴を吐出する吐出口側の一端から所定の深さＬ２までの領域に環状に撥液面６１が形成されており、ノズルの液滴吐出口側先端から所定量Ｌ２だけノズルの内部に入り込んだ位置に定常状態のメニスカス（ノズルの開口で露出する液体の自由表面）が形成されるような構成となっている。即ち、撥液面６１の下端がメニスカスの振動中心を決める重要な要素となる。

図示例のノズルプレート４は、ノズルプレート４の吐出面６に撥液面６１を形成することにより、吐出安定性の向上を図っている。なお、本発明は、これに限定はされず、ノズルプレート４の吐出面６には、撥液面６１が形成されていなくてもよい。

また、撥液面の形成方法にも限定はなく、液体の組成等に応じて、適宜、決定すればよいが、撥液性は高い方が好ましい。さらに、ノズル５の内面の撥液面が形成されていない領域は、親液面６２を形成するのが好ましい。これにより、ノズルへ液体を充填する際にスムーズに充填でき、定常状態のメニスカスは撥液面６１と親液面６２の境界に形成される。

ここで、撥液面とは、吐出させる液体の濡れを発生しない接触角を有し、定常状態のメニスカスが撥液面の下端に形成される程度の撥液性を有する面を指し、好ましくは、撥液面の撥液性は液体の接触角が９０（度）以上である。親液面とは吐出させる液体の濡れを発生する接触角を有し、好ましくは、液体の接触角が３０（度）以下である。接触角は、ＪＩＳＲ３２５７の静滴法で測定される。

なお、ノズルの形状は、吐出口側に筒状のストレート部を設ける構成に加えて、圧力室側に大きく開口した漏斗状部分を設けたり、圧力室側にストレート部よりも径の大きな筒状部分を設けた複数段構造としても良い。いずれの場合も吐出側先端はストレート部で構成し、ストレート部の内面の一部（Ｌ２＜Ｌ１）に撥液面を形成することが好ましい。

図３は本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの一例を構成要素毎に分解して模式的に示し、液滴吐出ヘッド２はノズルプレート４、ボディプレート１９及び圧電素子２２を有する。なお、図３において、ノズル内面の撥液面６１は省略してある。

ノズルプレート４には、液滴吐出のためのノズル５を複数配列してある。

ボディプレート１９には、これにノズルプレート４を被せて接合することで、圧力室２０となる圧力室溝２０４、液体供給流路となる液体供給流路溝２０３、共通液室となる共通液室溝２０２、及び液体供給口２０１が形成されている。

そして、ノズルプレート４のノズル５とボディプレート１９の圧力室溝２０４とが一対一で対応するようにノズルプレート４とボディプレート１９とが接合される。

更に、ボディプレート１９のノズルプレート４と接合する面と反対側の面の各圧力室２０に対応した位置に圧電素子２２が接着される。圧電素子２２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるアクチュエータであり、前述のように、上下両面に設けられた電極を経て接続された駆動電圧電源２３からの駆動電圧パルスの印加を受けると変形して圧力室の体積を変化させることにより圧力を発生させ、圧力室内部の液体Ｌをノズル５から吐出させるようになっている。

なお、以下の説明において、液体供給流路溝２０３とノズルプレート４とにより形成された部屋を液体供給流路２０３と言い、共通液室溝２０２とノズルプレート４とにより形成された部屋を共通液室２０２と言う。

次に、液滴吐出ヘッド２の作成について説明する。

ノズルプレート４の作製方法は、基材としてシリコン基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることでノズル５を形成するという手順により行われる。

ノズルプレート４の吐出面６、および、各ノズル５の内面の液滴を吐出する吐出口側の一端からメニスカス形成位置までの領域に所定の深さＬ２で撥液層を形成することにより、撥液面６１を形成する。

撥液層は、例えば、液体Ｌが水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体Ｌが油性であれば撥油性を有する材料を用いることが好ましい。一般に、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面６とノズル５の内面に成膜されている。

本実施形態においては、ノズルプレート４の裏面及びノズル内部の所定の深さまで感光性樹脂によりマスク処理を施し、マスクされていない部分を撥液処理することにより、このノズルプレート４の表面及びノズル５の内面の所定の深さまで撥液層を形成している。

具体的には、このノズルプレート４の裏面には、はじめに、光により硬化する感光性樹脂フィルム、一例として三菱レイヨン製ダイヤロンＦＲＡ３０５−３８（商品名）のドライフィルムレジストをラミネートし、ついで、この感光性樹脂フィルムに４．０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力を加えつつ４０〜７０℃前後の温度で加熱して、ノズル５の内部に、裏面から所定の深さ（Ｌ１−Ｌ２）のところまでフィルムの一部を入り込ませる。

つぎに、ノズルプレート４の裏面と表面（吐出面）から紫外線を照射して、ノズルプレート４の裏面及びノズル５内へ入り込んだ光感光性樹脂フィルム全体を硬化させる。

この工程は、つぎのフッ素樹脂層形成工程でフッ素樹脂層をノズル５内へ入り込ませるその入り込み量、即ち、撥液面の深さＬ２を規制するための前処理工程として位置付けられる。

このフッ素樹脂層の入り込み量を規制するために使用するこの感光性樹脂材は、一般にその粘度が温度により大きく変化するため、所要のフッ素樹脂層入り込み量Ｌ２位置まで感光性樹脂フィルムの一部をノズル５内に入り込ませるには、加える圧力を一定にして、感光性樹脂フィルム５に加える温度ｔ、つまり加熱量を管理するようにした方が得策である。温度を高くすることにより感光性樹脂材の入り込み量（Ｌ１−Ｌ２）を大きくできる。

つぎに、このノズルプレート４を、フッ素樹脂の塗布液に浸漬あるいは塗布し、ノズルプレート４の表面にフッ素樹脂層を形成する。

これにより、フッ素樹脂層は、ノズルプレート５の表面と、表面から与えられた深さＬ２の点までノズル５の内周囲を均一に覆う。

そしてこのあと、適宜の溶剤を用いてノズルプレート４の裏面とノズル５内に入り込んだ感光性樹脂フィルムを溶解除去して、ノズルプレート４の表面と、与えられた深さＬ２の点までのノズルの内周面に撥液性のフッ素樹脂層を形成する。

撥液層が形成されていないノズル内面及び裏面は、シリコンで形成されているので親液性であるが、より安定した親液性にするため撥液層を形成する前に表面処理してもよい。

本発明において、撥液面の形成方法は限定されず、例えば、フッ素樹脂の塗布液をフレキソ印刷法によって均一の厚さでノズルプレート４の表面に印刷することで、ノズル５の内面に撥液性膜を化学吸着させてもよい。その後レーザー加工、プラズマエッチング加工、またはドリルによる機械加工でノズルを開口する。そして、フレキソ印刷法による印刷の厚さを調整することによって、撥液面６１の深さＬ２を調整できる。

また、撥液面６１を形成する方法として、ノズルプレート４を、液滴吐出側に設けた撥液性部材と、圧力室側に設けた親液性部材とで構成してもよい。

例えば、撥液性部材としては、四フッ化エチレン樹脂、あるいは四フッ化エチレン〜六フッ化プロピレン共重合樹脂性等の含フッ素高分子樹脂の成型シートを用い、また親液性部材としては、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、あるいはポリエーテルサルフォン等の高分子樹脂の成型シートを用いて、貼り合わせればよい。その後レーザー加工、プラズマエッチング加工、またはドリルによる機械加工でノズルを開口する。ノズルは、撥液性部材側及び親液性部材側のどちらの面から開口してもよいが、液滴吐出側を撥液性部材とし、圧力室側に親液性部材を配置する。撥液性部材の厚みを調整することにより、撥液面６１の深さＬ２を調整できる。

ボディプレート１９は、ノズルプレート４の作製方法と同様に、基材として厚みが２００〜５００μｍ程度のシリコン基板を用いて、例えば、公知のフォトリソグラフィー技術（レジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術等を用いることで、ノズルプレート４に有するノズル５にそれぞれ連通する複数の圧力室となる圧力室溝２０４、圧力室にそれぞれ連通する複数の液体供給流路となる液体供給流路溝２０３、及び液体供給流路に連通する共通液室となる共通液室溝２０２、液体供給口２０１を形成する。

ここで形成する溝の大きさは、本実施の形態の一例である液滴吐出ヘッドでは、例えば、圧力室溝２０４は幅５０μｍ〜３５０μｍ程度、高さ１０μｍ〜２００μｍ程度、長さ５０μｍ〜３０００μｍ程度、液体供給流路溝２０３は幅１０μｍ〜１５０μｍ程度、高さ１０μｍ〜２００μｍ程度、長さ１０μｍ〜３００μｍ程度、共通液室溝２０２は幅４００μｍ〜１０００μｍ程度、深さ５０μｍ〜２００μｍ程度、液体供給口２０１は直径φ４００μｍ〜１５００μｍ程度の貫通した穴である。また、ノズルについても同様に、例えば、吐出口の径は５μｍ〜１０μｍ、ノズルの深さＬ１は５μｍ〜３０μｍ程度とされる。

シリコン基板に対するエッチング加工方法は、ボディプレートの面に対して垂直にエッチング加工ができるシリコン（Ｓｉ）異方性ドライエッチング法が好ましい。シリコン（Ｓｉ）異方性ドライエッチング法に関しては、産業図書株式会社「半導体ドライエッチング技術」等を参照することが出来る。

以上のようにして作製されたノズルプレート４に別途作製したボディプレート１９を、接合した後に、圧電素子２２を付設し、必要な配線接続、パッケージングが行われて、液滴吐出ヘッド２が完成する。

次に、本実施形態の液滴吐出装置１の作用について説明する。

図４（ａ）には液滴を吐出させるために駆動電圧電源２３から圧電素子２２に印加される駆動電圧パルスを示し、図５はこの駆動電圧パルスにより液滴が吐出される一連の様子を示している。

図４、図５のアルファベット（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、それぞれ時間的に対応している。

図５（ａ）に示すように、本実施形態にかかる駆動電圧パルスは、圧力室の容積を増大させる膨張エッジ（第１電圧変化）Ｄ１と、該膨張エッジＤ１からｔ１時間後に圧力室の容積を収縮させて液滴をノズルから吐出させる収縮エッジ（第２電圧変化）Ｄ２を含んで構成された矩形波の駆動電圧パルスである。Ｄ１とＤ２の間は、駆動電圧Ｖ_Ｄで一定に保持している。また、駆動電圧パルスの電圧を増加すると圧力室の容積が増大され、電圧を減少すると圧力室の容積が収縮されるものとする。

ここで、駆動電圧Ｖ_Ｄは、膨張エッジ（第１電圧変化）Ｄ１と収縮エッジ（第２電圧変化）Ｄ２とで構成される駆動電圧パルスの電圧の最大値を指す。本実施形態では、矩形波の駆動電圧パルスを用いているのでその波高値が駆動電圧Ｖ_Ｄとなる。

本実施形態で用いる液滴吐出ヘッドは、１つのノズルから吐出される液滴のうち、大液滴が吐出する駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ１（Ｖ）、小液滴が吐出する駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ２（Ｖ）、としたとき、ノズルの内面には、液滴を吐出する吐出口側の一端から所定の深さＬ２で撥液面が形成されていて、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜の関係にある。

この最適なＬ２の範囲は、吐出する液体の物性やノズルの吐出口の径などにより異なるが、予め数値計算または実験により取得することができる。

実験により求める場合は、Ｌ２を種々異ならせた液滴ヘッドを作製し、駆動電圧を変化させながら駆動電圧パルスを圧電素子に印加し、液滴が吐出される際の駆動電圧と液滴量を測定すればよい。１つのノズルから吐出される液滴のうち、大液滴が吐出する最小駆動電圧Ｖ１（Ｖ）、小液滴が吐出する最小駆動電圧Ｖ２（Ｖ）を求めればよい。

数値計算の場合には、汎用の数値解析ソフトで解析を行うか、簡単なモデルに近似できる場合はソフトを用いずに容易に計算できる。

｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるように所定の深さＬ２で撥液面が形成されている本実施形態の液滴吐出ヘッドにおいて、圧電素子に駆動電圧パルスが印加された際のノズルにおける液体の挙動は、駆動電圧｜Ｖ_Ｄ｜の値が小さい方から大きくなるに従い、以下の３種類の挙動をする。

（１）｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ２｜の領域では、メニスカスＭが振動するが、液滴が吐出しない状態。

（２）｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜の領域では、メニスカスＭが大きく振動し、小液滴が一滴吐出される状態。

（３）｜Ｖ１｜≦｜Ｖ_Ｄ｜の領域では、メニスカスＭがさらに大きく振動し、小液滴が一滴吐出された後、大液滴が一滴吐出される状態。

本実施形態の液滴吐出装置においては、動作制御手段２４により、液滴を吐出させる際の駆動電圧Ｖ_Ｄが、小液滴のみの吐出が可能となるように下記の関係式を満足する上記（２）の範囲内に設定されている。

関係式｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜
これにより、大液滴が吐出しない吐出状態で小液滴のみを吐出することができ、高品位の液滴パターンを形成することができる。

図５は、この関係式｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜を満たす上記（２）の範囲に駆動電圧Ｖ_Ｄが設定された駆動電圧パルスにより液滴が吐出される一連の様子を示している。尚、本図では、撥液面６１と親液面６２の図示は省略されている。

図中Ａは吐出開始前の待機状態（定常状態）を表しており、ノズル５の吐出側先端から深さＬ２で形成されている撥液面６１は液体Ｌを弾いているため濡れていない。即ち、液体ＬのメニスカスＭの位置は、ノズル５の吐出側先端から深さＬ２だけ圧力室２０側に引き込まれ位置にある。この状態から、図５（ａ）の駆動電圧パルスを圧電素子２２の個別電極に印加し、圧電素子２２の共通電極を接地すると、まず、図中Ｂに示すように、待機状態の駆動電圧０（Ｖ）からＶ_Ｄ（Ｖ）まで駆動電圧を上昇させる膨張エッジＤ１により圧力室２０に負圧が生じメニスカスＭが圧力室側に大きく引き込まれた凹形状の状態になる。

次に、この駆動電圧Ｖ_Ｄ（Ｖ）をｔ１時間保持した後、図中Ｃに示すように、０（Ｖ）まで急激に電圧を降下させる収縮エッジＤ２により圧力室２０に正圧が生じ、液体Ｌがノズル５から押し出され、液体ＬのメニスカスＭは中央部が盛り上がった形状になる。この後、中央部の盛り上がりが更に増大し、このとき撥液面６１は液体Ｌを弾いて濡れないためメニスカスＭは撥液面の下端の位置まで押し出されてメニスカスの中央部分が液滴吐出方向に向けて細い柱状に伸長する。この過程が進むことによりさらにこの細い液柱から液滴径が吐出口１１の径ｄ１よりも小さい微小な液滴Ｒ１がメニスカスの柱状部分から分離して飛翔する。図中Ｄは、吐出が終了した状態を示す。リフィルによりメニスカスＭは押し出される方向に移動するが、撥液面６１は、瞬間的に液体を弾きメニスカスは図中Ａと同じ状態にもどる。

このように、一旦メニスカスＭを大きく引き込んだ状態で圧力室の圧力を上昇させて引き込まれたメニスカスＭの中心近傍の液体を液滴として吐出するため、ノズルの吐出口の径に比較して小さな液滴を吐出することができる。後述する実施例に示すように、微小な液滴Ｒ１の液滴径（直径）は吐出口１１の径ｄ１の１／２以下にすることが可能であり、条件によっては１／３以下にすることも可能である。

また、ノズル内部への撥液層の入り込みにより、ノズル内壁面を伝わって吐出される大液滴の吐出が抑制されるものの、駆動電圧の増加により、上記（３）の｜Ｖ１｜≦｜Ｖ_Ｄ｜の領域では大液滴が吐出するのに十分なエネルギーを得てしまうことで大液滴が吐出されてしまう。この大液滴は小液滴に比べて液滴径が大きいので大液滴が発生すると画像の品位を大きく低下させてしまうことになるが、本実施形態では｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜に設定されているので、このような大液滴が吐出されることはない。

一方、比較例としてノズルの内面の撥液面の深さＬ２が小さすぎる場合には、吐出口の径にもよるが、｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜となる。

この比較例の液滴吐出ヘッドの圧力発生手段に駆動電圧パルスが印加された際のノズルにおける液体の挙動は、駆動電圧｜Ｖ_Ｄ｜の値が小さい方から大きくなるに従い、以下の３種類の挙動をする。

（１）｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜の領域では、メニスカスＭが振動するが、液滴が吐出しない状態。

（２）｜Ｖ１｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ２｜の領域では、メニスカスＭが大きく振動し、大液滴が一滴吐出される状態。

（３）｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜の領域では、メニスカスＭがさらに大きく振動し、小液滴が一滴吐出された後、大液滴が一滴吐出される状態。

このように、比較例においては、液滴を吐出させる際の駆動電圧Ｖ_Ｄを調整しても、小液滴のみを吐出させることはできず、結果として吐出液滴量が大きくなってしまい、小液滴化の要請を満足できない。

図６は、比較例の液滴吐出ヘッドを用い、上記（３）の｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜の範囲に駆動電圧Ｖ_Ｄが設定された駆動電圧パルスにより液滴が吐出される一連の様子を示している。ここでは、撥液面の深さＬ２が０であり、ノズル内面は親水性である。

図中Ａは吐出開始前の初期状態（定常状態）を表しており、ノズル５の内面に撥液面６１が形成されていないため、ノズル内面は液体Ｌを弾かずに濡れた状態にある。即ち、液体ＬのメニスカスＭの位置はノズル５の吐出側先端の位置にある。この状態から、図５（ａ）の駆動電圧パルスを圧電素子２２の個別電極に印加し、圧電素子２２の共通電極を接地すると、まず、図中Ｂに示すように、膨張エッジＤ１により圧力室２０に負圧が生じメニスカスがノズル５内に大きく引き込まれた凹形状の状態になる。

次に、図中Ｃに示すように、収縮エッジＤ２により圧力室２０に正圧が生じ、液体Ｌがノズル５から押し出され、液体ＬのメニスカスＭは中央部が盛り上がった形状になる。この後、中央部の盛り上がりが更に増大し、このときノズル内面は液体Ｌを弾かずに濡れるため、メニスカスＭはノズル５の吐出側先端の位置まで押し出されて凸形状になる。この過程が進むことによりさらにこの液柱から液体がちぎれて小液滴Ｒ２として吐出する。

図中Ｄは、小液滴Ｒ２の吐出が終了した状態を示す。しかし、図５の場合と異なり、吐出直後にはノズル５の内面は濡れたままの状態にありメニスカスＭは外縁部も含めてメニスカスＭ全体がノズル５の吐出側先端の位置にあり、小液滴Ｒ２が吐出した後のメニスカスＭの振動により大液滴Ｒ３が再吐出してしまう。即ち、小液滴Ｒ２が吐出した後のメニスカスＭがノズル５の吐出口１１から盛り上がり、このとき、メニスカスＭがノズル５の内部にそれほど引き込まれない状態で液滴が吐出されるので、吐出される液滴は小液滴Ｒ２より大きな液滴となる。この大液滴Ｒ３の液滴径（直径）は、せいぜいノズルの吐出口の径ｄ１同等の大きさまでしか下げられない。基本的に、大液滴Ｒ３の液滴径は、ノズルの吐出口の径ｄ１以上である。

このように、ノズル５の内面が撥液処理されておらず親液性を持つ場合あるいは撥液面の深さが小さい場合には、ノズルプレート４の表面の撥液性との境界、すなわち、ノズル５の吐出口近傍でメニスカスの位置が維持固定されやすく、ノズル５内でメニスカスの位置を引き込んで移動させるためには大きな液体の圧力を必要とする。そのため、メニスカスの位置を大きく引き込んで振動させるには、圧力室の体積変化量を大きくしなければならず、その結果、圧電素子の駆動電圧を大きくしなければならないといった駆動エネルギーの効率の点で不都合が生じる。

また、小液滴はメニスカスＭの中心部を押し出すことで吐出されるのに対して、大液滴は、メニスカスＭ全体がノズル壁面を伝わって押し出されることにより吐出される。従って、ノズル５の内面が撥液処理されておらず親液性を持つ場合あるいは撥液面の深さが小さい場合には、メニスカスＭがノズル壁面を伝わって押し出されやすくなり、大液滴が吐出されやすくなるため、｜Ｖ１｜＜｜Ｖ２｜となる。その結果、液滴を吐出させる際の駆動電圧Ｖ_Ｄを調整しても、小液滴のみを吐出させることはできず、結果として吐出液滴量が大きくなってしまい、小液滴化の要請を満足できない。即ち、メニスカスの振動中心がノズルプレートの表面近くになる結果、小液滴が吐出する駆動電圧で駆動した場合、小液滴が吐出した後のメニスカスの振動により大液滴が再吐出するという問題が生じる。

また、撥液面の深さＬ２が大きすぎる場合には、メニスカスの振動中心がその分ノズルプレートの表面から離れてしまう結果、圧力室を膨張させると、メニスカスＭがノズルの奥深くに引き込まれ、圧力室に侵入することでメニスカス形状の乱れ等により細い液柱の形成が困難となり、小液滴は吐出されない。即ち、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜とすることはできない。

そこで、ノズルの内面に、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるように、液滴を吐出する側の一端からメニスカス形成位置までの領域に所定の深さＬ２で撥液面が形成させると、撥液面により、メニスカスＭがノズル壁面を伝わって押し出されにくくなるので、大液滴が吐出されにくくなり、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるため、液滴を吐出させる際の駆動電圧Ｖ_Ｄが、下記の関係式を満足するように設定することにより、小液滴のみを吐出させることができる。

｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜
また、定常状態のメニスカスＭの位置が最表面からＬ２分内部側に偏る。これにより、例えば、本来ノズル深さのＬ１分必要な引き込みの駆動電圧がＬ２／Ｌ１で済み、結果的に駆動効率が向上する。

そして、液滴吐出時において、膨張エッジによりメニスカスが最も深く後退した時点においても、メニスカスＭが撥液面６１の下端の定常位置から内部に外れない範囲（メニスカスが圧力室に侵入しない範囲）に収まるように、撥液面の深さＬ２は、ストレート部で構成されたノズルの深さＬ１よりも所定量短く設定されている。すなわち、ノズルの深さＬ１が、ノズルからの液滴の吐出動作に伴ってノズル５の内壁面上を移動するメニスカスＭの移動範囲を包含していて、メニスカスＭの移動範囲がストレート部の範囲内になるように維持して液滴の吐出を行うようになっている。これにより、メニスカスの乱れを抑え、安定に小液滴を吐出できる。

このように、撥液面の深さＬ２を調整することにより、小液滴吐出の駆動電圧を下げ、駆動効率が向上するともに、小液滴吐出の駆動電圧を大液滴吐出の駆動電圧よりも小さくすることにより、小液滴のみを吐出させることができ、これにより、ノズル５のサイズによらず、液滴を微小化することが可能である。

なお、ここで説明した図４（ａ）の駆動電圧パルスは一例であり、本発明はこのタイプの駆動電圧パルスに限定されるものではない。駆動電圧パルスとしては、図４（ｂ）に示すように、圧力室の容積を増大させる膨張エッジ（第１電圧変化）Ｄ１と、該膨張エッジＤ１からｔ１時間後に圧力室の容積を収縮させて液滴をノズルから吐出させる収縮エッジ（第２電圧変化）Ｄ２と、Ｄ２に引き続き圧力室の容積を収縮させて液滴をノズルから吐出させる収縮エッジ（第３電圧変化）Ｄ３と、該収縮エッジＤ３からｔ２時間後に圧力室の容積を膨張させる膨張エッジ（第４電圧変化）Ｄ４とを含む駆動電圧パルスでもよい。また、矩形波に限らず、図４（ｃ）に示すように、台形波であってもよい。

いずれの駆動電圧パルスにおいても、圧力室の容積を増大させる膨張エッジ（第１電圧変化）Ｄ１と、該膨張エッジＤ１からｔ１時間後に圧力室の容積を収縮させて液滴をノズルから吐出させる収縮エッジ（第２電圧変化）Ｄ２とで構成される駆動パルスの駆動電圧Ｖ_Ｄを、関係式｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜を満足するように設定することにより、大液滴が吐出されることなく、小液滴のみを吐出させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなってもよい。

また、本発明の液滴吐出装置は、ノズルから液滴を吐出させるものであれば、インクジェット記録装置以外にも、処理液塗布装置等に、広く利用可能である。

本実施例では、上記実施形態中で示した液滴吐出ヘッド２と同様の液滴吐出ヘッドを上記製造方法に従いながら製造し、当該液滴吐出ヘッドの吐出口から液滴を吐出した際の駆動電圧Ｖ_Ｄと液滴の吐出体積（液滴径）を測定した。なお、液滴径は、１つの液滴の体積を球であると見なしたときの換算径（液滴の直径）を示している。

まず、ノズルプレートとボディプレートとをともにシリコンで構成し、吐出口の径ｄ１、撥液面の深さＬ２を表１に示すように種々変更した複数の液滴吐出ヘッドを作製した。ノズルの内面のうち、撥液面が形成された以外の面はシリコンを露出させ親液面とした。なおノズルの深さＬ１は１０μｍとし、液体流入側の径ｄ２はｄ１に等しくし、ストレート形状のノズルとした。

その後、圧電素子に図４（ａ）に示す駆動電圧パルスを用いて、駆動電圧Ｖ_Ｄを徐々に増加させながら印加して、液滴が吐出される際の駆動電圧と液滴量を測定し、１つのノズルから吐出される液滴のうち、大液滴が吐出する最小駆動電圧Ｖ１（Ｖ）、小液滴が吐出する最小駆動電圧Ｖ２（Ｖ）を求めた。

なお、吐出に用いた液体（水性インク）の物性値は、密度ρは１０^３［ｋｇ／ｍ^３］、粘度ηは３×１０^−３［Ｐａ・ｓ］、表面張力は５０［ｄｙｎｅ／ｃｍ］である。

この液体の、撥液面のフッ素樹脂層に対する接触角は１００（度）であり、親液面のシリコンに対する接触角は、１５（度）であった。接触角は、測定装置として協和界面科学社製のＤＭ５００を用いて、ＪＩＳＲ３２５７の静滴法に基づいて測定した。

吐出の際の液滴の吐出体積を測定し、液滴径（液滴の直径）に換算した。

表１に示す通り、撥液層の深さＬ２が所定の範囲にある本発明の液滴吐出ヘッドでは、小液滴吐出（液滴径ｄ３が吐出口の径ｄ１の１／２以下）が始まる最小駆動電圧Ｖ２よりも、大液滴吐出（液滴径ｄ３が吐出口の径ｄ１以上）が始まる最小駆動電圧Ｖ１の方が高くなる。駆動電圧Ｖ_Ｄの増加に伴い、まず小液滴が吐出し、さらに駆動電圧Ｖ_Ｄを増加するとこの小液滴に加えて大液滴が吐出することになるため、駆動電圧Ｖｅを、｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜の範囲に設定することで小液滴のみを吐出させることが可能となる。

また撥液層の深さＬ２が大きいほど、小液滴吐出のための駆動電圧Ｖ２も低くなることが判る。

一方、撥液層の深さＬ２が小さすぎる比較例の液滴吐出ヘッドでは、吐出口の径が１０μｍの場合、小液滴吐出が始まる駆動電圧Ｖ２よりも、大液滴吐出が始まる駆動電圧Ｖ１の方が低くなるため、小液滴のみを吐出させることが出来なくなり、駆動電圧Ｖ２も高くなっている。また、吐出口の径が５μｍ、７．５μｍの場合、小液滴吐出が始まる駆動電圧Ｖ２が、大液滴吐出が始まる駆動電圧Ｖ１よりも低くなっているが、駆動電圧Ｖ２が高くなっている。

他方、撥液層の深さＬ２が大きすぎる比較例の液滴吐出ヘッドでは、小液滴は吐出できなかった。即ち、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜とすることはできない。

以上のことから、駆動効率が良い小液滴吐出を可能とするためには、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるように、撥液面の深さＬ２を定めればよいことがわかる。

表１において、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜となるように、撥液面が形成された本発明の液滴吐出ヘッドを、図１記載の液滴吐出装置に装着し、基材Ｋ上にインクを吐出して、インクパターンを作製した。実際にインクパターンを作製する際の駆動電圧Ｖｅは、｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜の範囲に設定した。いずれの吐出口径のヘッドに対しても安定に小液滴が吐出できて、高品位のパターンを形成できた。

１液滴吐出装置
２液滴吐出ヘッド
４ノズルプレート
５ノズル
６吐出面
６１撥液面
６２親液面
１１吐出口
１９ボディプレート
２０圧力室
２２圧電素子（圧力発生手段）
２３駆動電圧電源
２４動作制御手段
２５ＣＰＵ
２６ＲＯＭ
２９ＲＡＭ
Ｋ基材
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３液滴
Ｌ液体

Claims

液滴を吐出する吐出口を有するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の容積を変化させて前記圧力室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを有する液滴吐出ヘッドを備え、
前記吐出口から液滴を吐出させるために前記圧力発生手段に印加する駆動電圧パルスが、前記圧力室の容積を増大させる膨張エッジと、該膨張エッジの後に前記圧力室の容積を収縮させて液滴を吐出させる収縮エッジとを含み、
１つのノズルから吐出される液滴のうち、大液滴が吐出する前記駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ１（Ｖ）、小液滴が吐出する前記駆動電圧パルスの最小駆動電圧をＶ２（Ｖ）、としたとき、
前記ノズルの内面には、前記吐出口側の一端から所定の深さで撥液面が形成されていて、｜Ｖ１｜＞｜Ｖ２｜の関係にあり、
前記駆動電圧パルスの駆動電圧Ｖ_Ｄ（Ｖ）が、前記小液滴のみの吐出が可能となるように下記の関係式を満足する範囲内に設定されていることを特徴とする液滴吐出装置。
｜Ｖ２｜≦｜Ｖ_Ｄ｜＜｜Ｖ１｜
前記ノズルは、入口の径と出口である前記吐出口の径とが実質的に等しいストレート部を有し、該ストレート部の内面の一部に前記撥液面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記小液滴の液滴径は、前記吐出口の径の１／２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出装置。
前記ノズルの内面のうち、前記撥液面が形成された以外の面が親液面であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の液滴吐出装置。
前記ノズルのメニスカス形成位置が撥液面と親液面の境界にあることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出装置。