JP2017105203A - プリンティング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プリンティング装置は、圧力チャンバ125内のインクが吐出される出口を含むノズル128と、該ノズル128周囲に位置し、該出口と同じ向きに開口され、該出口が開口内部に延びているトレンチとを含む流路プレート110と、圧力チャンバ125内のインクに、吐出のための圧力変化を提供する圧電アクチュエータ130と、ノズル128内のインクに静電駆動力を提供する静電アクチュエータ140とで構成されている。
【選択図】図1
Description
ンクジェット・プリンティング装置に関する。
刷媒体上の所望の位置に吐出させ、所定の画像を印刷する装置である。
ってインクを吐出させる圧電方式(piezoelectric)のインクジェット・プ
リンティング装置と、静電気力によってインクを吐出させる静電方式(electros
tatic)のインクジェット・プリンティング装置とがある。静電方式のインクジェッ
ト・プリンティング装置には、静電誘導(electrostatic inducti
on)によって、インク液滴を吐出する方式と、帯電顔料(charged pigme
nts)を静電気力によって蓄積させた後、インク液滴を吐出する方式とがある。
方式で吐出することができるプリンティング装置を提供することを目的とする。
口を含むノズルと、前記ノズル周囲に位置し、前記出口と同じ向きに開口され、前記出口
が前記開口内部に延びているトレンチとを含む流路プレートと、前記圧力チャンバ内のイ
ンクに、吐出のための圧力変化を提供する圧電アクチュエータと、前記ノズル内のインク
に静電駆動力を提供する静電アクチュエータとを含む。
びてもよい。
って形成されてもよい。
ンチとが形成され、前記流路形成基板と接合されるノズル基板と、を含み、前記ノズル基
板は、単結晶シリコン基板であってもよい。前記ノズル壁は、SiO2で形成されてもよ
い。前記SiO2は、前記ノズル基板を酸化させて形成されてもよい。
径をNID、延長部の長さをNLであるとするならば、
前記上面と前記下面との間に段差のついた段差面を具備するノズル基板と、前記圧力チャ
ンバ内のインクが吐出される出口を含み、前記ノズル基板の上面から断面積が徐々に縮小
されるテーパ状に前記段差面を貫通し、前記下面に向かって延びたノズルと、を含んでも
よい。
もよい。
らば、
ノズルの出口の内径をNID、延長部の長さをNLであるとするならば、
面と、を含むノズル基板と、前記圧力チャンバ内のインクが吐出される出口を含み、前記
ノズル基板の前記第1面から前記第2面に向かい、前記出口まで断面積が徐々に縮小され
るテーパ状に形成されたノズルとを含んでもよい。
から前記第1面に向かって陥没されたトレンチと、前記ノズルと前記ノズル基板との境界
を形成するノズル壁と、含み、前記ノズル壁は、前記トレンチ内部に延びてもよい。
場を形成することができ、ノズルを介して吐出されるインク液滴に加えられる静電駆動力
を増大させることができる。また、液滴を非常に効果的に加速させることができ、与えら
れた静電駆動電圧の大きさの下で、液滴のサイズをさらに小さくすることができる。また
、数ピコリットル、さらには数フェムトリットルの超微細インク液滴を具現しやすく、吐
出されたインク液滴の直進性を向上させて精密印刷を具現することができる。
式でインクを吐出することができ、プリンティング作業を制御するのが容易である。
明する。図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素のサイズや
厚みは、説明の明瞭性のためで誇張されていることがある。
レート110と、インク吐出のための圧力と静電駆動力とをそれぞれ提供する圧電アクチ
ュエータ130と、静電アクチュエータ140とが図示されている。図1の実施形態は、
圧電方式と静電方式とを共に使用する複合方式のインクジェット・プリンティング装置を
図示しているが、今後説明するノズルまたはトレンチの構造は、複合方式ではない圧電方
式または静電方式のインクジェット・プリンティング装置にも適用される。
128とが形成される。インク流路は、インクが流入するインクインレット121と、流
入されたインクを収めている複数の圧力チャンバ125とを含んでもよい。インクインレ
ット121は、流路プレート110の上面側に形成され、図示されていないインクタンク
と連結される。インクタンクから供給されたインクは、インクインレット121を介して
、流路プレート110の内部に流入する。複数の圧力チャンバ125は、流路プレート1
10の内部に形成され、インクインレット121を介して流入されたインクが保存される
。流路プレート110の内部には、インクインレット121と複数の圧力チャンバ125
とを連結するマニホールド122,123と、リストラクタ124とが形成される。複数
のノズル128は、複数の圧力チャンバ125それぞれに対して一つずつ対応して連結さ
れる。複数の圧力チャンバ125に充填されたインクは、複数のノズル128を介して、
液滴の形態で吐出される。複数のノズル128は、流路プレート110の下面側に形成さ
れ、1列または2列以上に配列される。流路プレート110には、複数の圧力チャンバ1
25と複数のノズル128とをそれぞれ連結する複数のダンパ126が設けられてもよい
。
ってもよい。例えば、流路プレート110は、インク流路が形成される流路形成基板と、
ノズル128が形成されるノズル基板111とを含んでもよい。流路形成基板は、第1流
路形成基板113及び第2流路形成基板112を含んでもよい。インクインレット121
は、最も上部に位置した第1流路形成基板113を貫通するように形成され、複数の圧力
チャンバ125は、第1流路形成基板113に、その下面から所定深さに形成される。複
数のノズル128は、最も下部に位置した基板、すなわち、ノズル基板111を貫通する
ように形成される。マニホールド122,123は、第1流路形成基板113と第2流路
形成基板112とにそれぞれ形成される。複数のダンパ126は、第2流路形成基板11
2を貫通するように形成できる。順次積層された3枚の基板、すなわち、第1流路形成基
板113、第2流路形成基板112及びノズル基板111は、SDB(silicon
direct bonding)によって接合される。
合について説明したが、これは、例示的なものに過ぎない。流路プレート110は、1枚
または2枚の基板や、4枚以上の基板から構成されることがあり、その内部に形成される
インク流路も、多様な構成で多様に配置されることがある。
チャンバ125に圧力変化を提供する役割を果たすものであり、流路プレート110の上
面に、複数の圧力チャンバ125に対応する位置に形成される。圧電アクチュエータ13
0は、流路プレート110の上面に、順次積層される下部電極131、圧電膜132及び
上部電極133を含んでもよい。下部電極131は、共通電極の役割を果たし、上部電極
133は、圧電膜132に電圧を印加する駆動電極の役割を果たす。圧電電圧印加手段1
35は、下部電極131と上部電極133とに圧電駆動電圧を印加する。圧電膜132は
、圧電電圧印加手段135から印加される圧電駆動電圧によって変形することによって、
圧力チャンバ125の上部壁をなす第1流路形成基板113を変形させる役割を果たす。
圧電膜132は、所定の圧電物質、例えば、PZT(lead zirconate t
itanate)セラミック材料で形成されてもよい。
であり、互いに対向するように配置された第1静電電極141及び第2静電電極142を
含んでもよい。静電電圧印加手段145は、第1静電電極141と第2静電電極142と
の間に、静電駆動電圧を印加する。
極141は、流路プレート110の上面、すなわち、第1流路形成基板113の上面に形
成される。この場合、第1静電電極141は、圧電アクチュエータ130の下部電極13
1と離隔されるように、インクインレット121が形成された領域に配置されることもあ
る。第2静電電極142は、流路プレート110の下面と所定間隔離隔されるように配置
され、第2静電電極142上には、流路プレート110のノズル128から吐出されるイ
ンク液滴が印刷される印刷媒体Pが配置される。
は、第2静電電極142が接地するが、図2に図示されているように、第1静電電極14
1が接地することも可能である。
電駆動電圧を印加することができる。その場合、第1静電電極141または第2静電電極
142が接地しうる。
ない。図5に図示されているように、第1静電電極141が、流路プレート110の内部
に形成されもする。第1静電電極141は、圧力チャンバ125、リストラクタ124及
びマニホールド123の底面に形成される。しかし、これに限定されるものではなく、第
1静電電極141は、流路プレート110の内部の多様な位置に設けられてもよい。例え
ば、第1静電電極141は、圧力チャンバ125の底面にのみ形成されることもあり、リ
ストラクタ124の底面や、マニホールド123の底面にのみ形成されることもある。ま
た、図6に図示されているように、第1静電電極141は、前記下部電極131と一体に
形成されることも可能である。
128は、ノズル基板111を貫通して形成される。ノズル128は、流路プレート11
0の下面、すなわち、ノズル基板111の下面111aに向かってその断面積が縮小する
テーパ形状である。また、ノズル128の周囲には、流路プレート110の下面、すなわ
ち、ノズル基板111の下面111aから陥没されたトレンチ160が形成されている。
すなわち、ノズル基板111の下面111aには、トレンチ160の開口が形成されてい
る。ノズル壁128aは、ノズル128の外壁を形成する。ノズル壁128aは、流路プ
レート110、詳細には、ノズル基板111とノズル128との境界を形成する。ノズル
壁128aは、ノズル基板111の内部からトレンチ160の内部に延びて形成され、こ
れによって、全体的にノズル128の形状は、出口128cが下面111aに向かってト
レンチ160の内部に延びた尖った形状になる。すなわち、トレンチ160は、ノズル1
28の周囲に位置し、出口128cと同じ向きに開口され、出口128cが上記開口内部
に延びている。 この構成によって、ノズル基板111には、その下面111aから上面
111cに向かって段差のついた段差面111bが形成される。ノズル128は、テーパ
状に、上面111cから段差面111bまで貫通する。ノズル壁128aは、ノズル基板
111とノズル128との境界を形成し、テーパ状を維持しつつ、段差面111bを超え
て下面111aに向かって延びる。ノズル壁128aの端部128b及び出口128cは
、ノズル基板111の下面111aを超えないように形成できる。もちろん、ノズル壁1
28aの端部128b及び出口128cは、ノズル基板111の下面111aを超えてま
で延びることも可能である。
ってもよい。一実施形態として、後述するように、単結晶シリコン基板の異方性エッチン
グによって、四角錐状のノズル128を形成することができる。ノズル128の断面形状
が多角形である場合、ノズル128の直径は、等価の円の直径で表示されることもある。
i、Pt、Niなどから形成できる。ノズル壁128aは、ノズル基板111と同じ材料
、例えば、Siで形成されることもある。
説明する。
上面の結晶方向が<100>方向であるシリコン単結晶基板210を準備する。その後、
マスク層221を形成する。マスク層221は、例えば、SiO2層であってもよい。S
iO2層は、基板210を酸化させて形成されてもよい。SiO2層の厚みは、例えば、
約100〜4,000Åほどであってもよい。次に、マスク層221上に、フォトレジス
ト層222を形成し、これを、例えば、リソグラフィ法によってパターニングし、マスク
層221の一部を露出させる。フォトレジスト層222をマスクとしてマスク層221を
パターニングすれば、図8Bに図示されているように、基板210のノズル128が形成
される部分223を露出させたマスク層221が形成された基板210が製造される。マ
スク層221をパターニングする工程は、例えば、HF溶液(buffered hyd
rogen fluoride acid)を利用した湿式エッチング工程によって遂行
される。
例えば、TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide)
を利用する異方性エッチング工程によって遂行される。図8Cを参照すれば、基板210
の上面の結晶方向は、<100>方向であり、エッチングが進められた面の結晶方向は、
<111>方向である。<100>方向と<111>方向とであるエッチング速度の差に
よって、図8C及び図8Dに図示されているように、エッチングは、下方には速く、横に
は遅く遂行される。これによって、基板210には、下方に順次狭くなるテーパ状の陥没
部230が形成される。マスク層221の露出された部分223の形状を異ならせること
によって、多角錐状または円錐状の陥没部230を形成することができる。本実施形態で
は、マスク層221の露出された部分223の形状を四角形状として四角錐状の陥没部2
30を形成する。陥没部230は、基板210の下面にまで貫通することはない。
ているように、エッチング、研磨(polishing)などの工程によって、基板21
0の上面と下面とに形成されたマスク層221を除去する。次に、図8Iに図示されてい
るように、陥没部230を基板210の下面にまで貫通させるために、基板210の下面
を研磨する。他の方策として、図8Fに図示されているように、基板210の上面と、陥
没部230の壁面とに保護層224を形成する。保護層224は、例えば、基板210を
酸化させることによって得られるSiO2層であってもよい。保護層224の厚みは、例
えば、約100〜10,000Åほどであってもよい。基板210の下面に形成されるS
iO2層は、酸化工程で自然に形成されるものであり、かならずしも必要なものではない
。次に、例えば、研磨工程によって、図8Gに図示されているように、基板210を下面
から所定厚ほど除去し、図8Hに図示されているように、エッチング後の下面211が、
少なくとも陥没部230に形成された保護層224の尖頭部225より高い位置に位置す
るように、基板210を下方からエッチングする。保護層224は、このエッチング工程
で、エッチング物質から陥没部230を保護する。その後、保護層224を除去すれば、
図8Iに図示されているように、陥没部230が基板210の下面211まで貫通する。
する。まず、図8Jに図示されているように、基板210の上面、下面、及び陥没部23
0の壁面に、壁体形成物質層240を形成する。壁体形成物質層240は、例えば、Si
O2層であってもよい。この場合、壁体形成物質層240は、基板210を酸化させるこ
とによって形成される。それ以外にも、壁体形成物質層240は、SiN、Ti、Pt、
Niなどのコーティング、塗布、蒸着などによって形成されてもよい。壁体形成物質層2
40の厚みは、例えば、約100〜10,000Åほどであってもよい。次に、図8Kに
図示されているように、基板210の下面側の壁体形成物質層240の一部241を除去
する。この工程は、壁体形成物質層240上にフォトレジストをコーティングした後にこ
れを壁体形成物質層240の一部241に該当する領域をパターニングし、パターニング
されたフォトレジストをマスクとして、壁体形成物質層240をエッチングすることによ
って遂行される。次に、図8Lに図示されているように、壁体形成物質層240をエッチ
ングマスクとして、基板210を下面からエッチングし、トレンチ160を形成する。陥
没部230の壁面に形成された壁体形成物質層240は、ノズル壁128aになり、出口
128cは、下面に向かってトレンチ160の内部に延びた形態となる。図8Lに図示さ
れているように、出口128cは、下面111aと同じ位置に存在したり、または下面1
11aと上面111cとの間、または下面111aよりさらに下側にまで延びたりするこ
ともある。
板111の下面111aに向かってその断面積が縮小するテーパ状のノズル128と、ノ
ズル基板111とノズル128との境界を形成するノズル壁128a、及びノズル128
の周囲に、ノズル基板111の下面から陥没されたトレンチ160を形成することができ
る。
とによって、ノズル128が全体的に尖った形態となる。一般的に、電荷は、尖った部分
に集中する傾向がある。また、図7Bに図示されているように、トレンチ160によって
、静電駆動電圧による等電位線が、ノズル128の出口128c付近に集中し、ノズル1
28の出口128c付近に非常に大きい電場が形成され、ノズル128の出口128cで
の静電駆動力を増大させることができる。従って、液滴を非常に効果的に加速させること
ができ、与えられた静電駆動電圧のサイズ下で、液滴のサイズをさらに小さくすることが
できる。また、数ピコリットル、さらには、数フェムトリットルの超微細インク液滴を印
刷媒体Pにまで安定して吐出することができる。
である四角錐状のノズル128から、約0.8フェムトリットルのインク液滴を吐出する
場合、インク液滴の挙動をシミュレーション及び測定した結果を図示したグラフである。
ノズル128の出口128cでのインク液滴の初期速度は、約3.0m/sである。印刷
媒体Pは、ノズル128の出口128cから約500μm離れるように位置する。図9を
参照すれば、静電駆動電圧を印加せずに、圧電アクチュエータ130による圧電駆動力だ
けでインクを吐出した場合、空気の抵抗によって、約300μs後には、インク液滴の速
度がほぼ「0」に近づくので、液滴が印刷媒体Pに達することができずに飛散する。しか
し、約2.0KVの静電駆動電圧が印加された場合には、静電駆動力によってインク液滴
が加速され、約100μsが経過した後、約500μm離れた印刷媒体Pに達し、そのと
きのインク液滴の速度は、約7.0m/sである。
用するので、DOD方式でインクを吐出することができ、プリンティング作業を制御する
のが容易である。また、出口128cに向かって断面積が順次縮小し、周辺にトレンチ1
60が形成され、全体的に尖った形態のノズル128を採用することによって、超微細液
滴を具現しやすく、吐出されたインク液滴の直進性を向上させて精密印刷を具現すること
ができる。
Dが深いほど、等電位線は、ノズル128の出口128c付近にさらに集中する。トレン
チ160の深さTDは、下記数式9を満足するように設定される。
cの外径NODより大きく設定し、ノズル128を全体的に尖った形状にすることによっ
て、電場の強度を増大させることができる。前記のように、断面形状が円形ではないノズ
ル128の場合、等価の円を仮定して外径または内径を計算することができる。
のノズル128出口128c付近の電場の強度をシミュレーションした結果を図示したグ
ラフである。図10で、横軸は、トレンチ160の深さ比TD/NOD、縦軸は、トレン
チ160を形成した場合の電場の強度EWTと、トレンチ160を形成していない場合の
電場の強度EWOTとの比EWT/EWOTである。図10で、ノズルの直径が小さいほ
ど、また深さ比TD/NODが大きいほど、電場の強度が大きくなるということが分かる
。
。このためには、ノズル128出口128cの外径NODを可能な限り小さくしなければ
ならないが、その場合、ノズル128出口128cの内径NIDが小さくなり、これによ
り、ノズル128内での圧力降下が大きくなる。インク吐出のために、圧力チャンバ12
5に形成される圧力は、圧電駆動電圧の大きさに比例し、圧電駆動電圧は、圧力降下を補
償し、インクを所定の速度で吐出することができるように決定されねばならない。微細な
インク液滴を吐出するためには、ノズル128出口128cの内径NIDが小さくなるこ
とによって、圧力降下は急激に大きくなるので、圧電アクチュエータ130に非常に大き
い負荷がかかる。図11は、ノズル128出口128cの外径NODと内径NIDとの比
NOD/NIDと、圧力降下との関係をシミュレーションした結果の一例を図示したグラ
フである。図11に図示されているように、与えられた外径NODに対して、比NOD/
NIDが大きいほど、圧力降下が非常に大きくなり、ノズル128出口128cの内径N
IDが小さいほど、圧力降下が急激に増大する。圧力降下を適正レベル以下に維持し、圧
電アクチュエータ130に過度な負荷がかからないようにするためのノズル128出口1
28cの外径NODと内径NIDとの比NOD/NIDは、下記数式10の条件を満足す
るように設定される。
28出口128cまで圧力降下を適正レベル以下に維持することができる。
。ノズル128は、入口から出口128cまで完全にテーパ状であるとき、すなわち、図
12で、延長部302の長さが「0」であるとき、圧力降下が一番小さい。ただし、製造
工程上の都合で必要がある場合、または製造工程上の都合で不可避的な場合には、図12
に図示されているように、ノズル128は、テーパ部301から下方に直線的に延びた延
長部302を含んでもよい。図13及び図14に図示されているように、ノズル128内
での圧力降下は、延長部302の長さNLが長くなるほど大きくなり、ノズル128出口
128cの内径NIDが小さいほど大きくなる。インクの粘度が5cpであり、ノズル1
28出口128cでのインク液滴の平均速度が1m/sを維持する条件で、ノズル128
出口128cの内径NIDに対する延長部302の長さNLの比NL/NIDと圧力降下
との関係を調べた結果が図14に図示されている。これにより、NL/NIDが増大する
ほど、圧力降下が大きくなるということが分かる。微細なインク液滴を吐出するためには
、ノズル128出口128cの内径NIDを小さくしなければならないが、その場合、延
長部302の長さNLが増大することによって、圧力降下が急激に大きくなるので、圧電
アクチュエータ130に非常に大きい負荷がかかる。従って、ノズル128出口128c
の内径NIDが小さくなるとき、圧電駆動電圧を過度に増大させないようにするために、
延長部302の長さNLを適切に設定する必要がある。シミュレーションによれば、下記
数式11を満足するようにノズル128を形成する場合、与えられたノズル128出口1
28cの内径NIDに対して、圧電駆動電圧の過度な増大を防止することができる。
、静電アクチュエータ140に印加される静電駆動電圧との印加順序、大きさ及び持続時
間を制御することによって、インク液滴を、互いに異なるサイズと形態とで吐出する多数
の駆動モードで駆動される。例えば、本実施形態のプリンティング装置は、ノズルのサイ
ズに比べ、小サイズを有した微細液滴を吐出するドリッピング・モード(drippin
g mode)、ドリッピング・モードよりさらに小サイズの微細液滴を吐出するコーン
ジェット・モード(cone−jet mode)、インク液滴をジェットストリーム形
態で吐出するスプレー・モード(spray mode)で駆動される。以下、上の3つ
駆動モードについて説明する。
は、図15に図示されたドリッピング・モードに適用される圧電駆動電圧と静電駆動電圧
との波形の一例を図示した図面である。
ュエータ140とに駆動電圧が印加されていない初期状態を示している。このとき、ノズ
ル128内部のインク129は、表面張力によって、若干凹状であるか、あるいは扁平な
メニスクス(M:meniscus)を示している。
45から、第1静電駆動電圧Ve1が印加される。第1静電駆動電圧Ve1は、例えば、
約3ないし5KVほどであってもよい。これにより、ノズル128内部のインク129に
静電気力が作用し、インク129のメニスクスMは、若干凸状に変形する。このように、
凸状のメニスクスMが形成されれば、この部分に電場が集束されるので、インク129内
部の正電荷は、第2静電電極142側に移動し、ノズル128の出口128cに集まる。
0に所定の第1圧電駆動電圧Vp1を印加し、圧電アクチュエータ130を、圧力チャン
バ125の体積を縮小させる方向に変形させる。第1圧電駆動電圧Vp1は、例えば、約
50ないし90Vほどであって、後述するコーンジェット・モード及びスプレー・モード
での圧電駆動電圧に比べ、相対的に高い。第1圧電駆動電圧Vp1は、吐出しようとする
インク液滴のサイズによって、適切に調節される。第1静電駆動電圧Ve1のピーク値か
ら、第1圧電駆動電圧Vp1のピーク値までの初期遅延時間(Di:initial d
elay time)は、例えば、約30μsほどであってもよい。第1圧電駆動電圧V
p1の持続時間Dpは、例えば、約5μsほどであってもよい。
、圧力チャンバ125内の体積が縮小して圧力が上昇するので、ノズル128内部のイン
ク129のメニスクスMがさらに凸状に変形しつつ、ドーム形状をなすようになる。これ
により、インク129のメニスクスMの曲率半径が縮小し、メニスクスMの凸状の先端に
は、さらに多くの正電荷が集束される。
する。従って、静電気力は、電場の強度の自乗に比例する。電場の強度は、印加された静
電電圧に比例するが、トレンチ160によって、ノズル128が全体的に尖った形状であ
る場合、ノズル128の周辺に等電位線が集中し、ノズル128の出口128c周辺の電
場の強度は非常に大きくなる。また、電場の強度は、メニスクスMの曲率半径には反比例
するので、ノズル128出口128cで尖って突出した部分のインク129に作用する静
電気力は、その部分のメニスクスMの曲率半径の自乗に反比例する。凸状に突出した部分
のインク129に作用する静電気力が大きくなることにより、ノズル128中央部のメニ
スクスMの曲率半径はさらに縮小し、これは、静電気力をさらに増大させる。結局、凸状
に突出した部分のインク129は、インクメニスクスMの表面から液滴129aの形態で
落ちて出てくる。従って、ノズル128のサイズに比べ、非常に小サイズのインク液滴1
29aが吐出される。このように分離されたインク液滴129aは、静電気力によって加
速され、第2静電電極142側に移動し、印刷媒体P上に印刷される。印刷媒体P上には
、多数の微細なドットからなる印刷パターンが形成される。
時間後、第1静電電極141と第2静電電極142との間に印加された第1静電駆動電圧
Ve1を除去する。それにより、圧電アクチュエータ130は、本来の状態に戻り、圧力
チャンバ125内の圧力も、本来の状態に回復されるので、凸状の形態のメニスクスMも
、元の状態、すなわち、前記の第1段階の状態に戻る。
了遅延時間(Df:final delay time)は、例えば、約20μsほどで
あってもよい。このように、ドリッピング・モードでは、第1圧電駆動電圧Vp1より第
1静電駆動電圧Ve1がまず印加されて遅く除去されるので、第1静電駆動電圧Ve1の
持続時間(De:duration time)が、第1圧電駆動電圧Vp1の持続時間
Dpに比べて長い。
を吐出することができる。すなわち、比較的大きい直径、例えば、数μmないし数十μm
ほどの直径を有したノズルを介しても、液滴の体積が数ピコリットルレベルの微細な液滴
、またはフェムトリットルレベルの超微細液滴を吐出することができる。そして、微細な
液滴を吐出しつつも、比較的大きい直径のノズルを使用することができるので、ノズルの
詰まり(clogging)が発生する可能性が低くて信頼性が高まる。
8は、図17に図示されたコーンジェット・モードに適用される圧電駆動電圧と静電駆動
電圧との波形の一例を図示した図面である。
クチュエータ140とに駆動電圧を印加していない初期状態であり、ノズル128内部の
インク129は、表面張力によって若干凹状であるか、あるいは扁平なメニスクスMを示
している。
電アクチュエータ130を、圧力チャンバ125の体積を縮小させる方向に変形させる。
第2圧電駆動電圧Vp2は、例えば、約25ないし40Vほどであり、ドリッピング・モ
ードでの第1圧電駆動電圧Vp1に比べて相対的に低く、後述するスプレー・モードでの
圧電駆動電圧に比べて相対的に高い。第2圧電駆動電圧Vp2の持続時間Dpは、例えば
、約22μsほどであり、ドリッピング・モードでの第1圧電駆動電圧Vp1の持続時間
に比べて長い。圧力チャンバ125内の体積が縮小して圧力が上昇するので、ノズル12
8内部のインク129のメニスクスMが凸状に変形する。
2静電電極142との間に、静電電圧印加手段145から第2静電駆動電圧Ve2が印加
される。第2静電駆動電圧Ve2は、例えば、約3ないし5KVほどであってもよい。第
2圧電駆動電圧Vp2のピーク値から第2静電駆動電圧Ve2のピーク値までの初期遅延
時間Diは、例えば、約9μsほどであってもよい。
集束されるので、インク129内部の正電荷は、第2静電電極142側に移動し、ノズル
128の出口128cに集まり、これにより、凸状に突出した部分のインク129に作用
する静電気力は大きくなる。インク129の電気伝導度が低く、粘度が高い場合には、イ
ンク129のメニスクスMは、テイラーコーン(Taylor cone)状に変形され
る。テイラーコーン状に突出した部分のインク129は、ノズル128内部のインク12
9から液滴129aの形態で落ちて出てくる。インク液滴129aは、テイラーコーン状
のメニスクスMの尖った先端から落ちて出てくるので、そのサイズは、前述のドリッピン
グ・モードでのインク液滴のサイズよりさらに小さい。このように分離されたインク液滴
129aは、静電気力によって第2静電電極142側に移動し、印刷媒体P上E印刷され
る。印刷媒体P上には、多数のさらに微細なドットからなる印刷パターンが形成される。
時間後、第1静電電極141と第2静電電極142との間に印加された第2静電駆動電圧
Ve2を除去する。それにより、圧電アクチュエータ130は、本来の状態に戻り、圧力
チャンバ125内の圧力も元の状態に回復されるので、テイラーコーン状に突出したメニ
スクスMも、元の状態、すなわち、前記の第1段階の状態に戻る。第2圧電駆動電圧Vp
2の除去から第2静電駆動電圧Ve2の除去までの終了遅延時間Dfは、例えば、約20
μsほどであってもよい。このように、コーンジェット・モードでは、第2圧電駆動電圧
Vp2が第2静電駆動電圧Ve2より先に印加され、先に除去される。そして、第2静電
駆動電圧Ve2の持続時間Deが、第2圧電駆動電圧Vp2の持続時間Dpに比べて長い
。
液滴よりさらに微細なサイズのインク液滴を吐出することができる。ドリッピング・モー
ドとコーンジェット・モードは、インクの電気伝導度と粘度とに影響を受ける。例えば、
電気伝導度が高くても粘度が低いインクでは、インクの表面側への電荷のチャージング(
charging)速度が速くなり、テイラーコーン状のメニスクスを形成する前に、ド
ーム形状のメニスクスからインク液滴の分離が容易になされるので、ドリッピング・モー
ドによるインク液滴の吐出が容易に起こる。一方、電気伝導度が低くても粘度が高いイン
クでは、インク表面への電荷のチャージング速度が遅くなり、テイラーコーン状のメニス
クスMが形成されやすいので、コーンジェット・モードによってさらに微細なサイズのイ
ンク液滴を吐出することができる。従って、インクの特性を適切に活用し、前記の2種の
モードを適切に具現することができる。コーンジェット・モードのためには、圧電駆動電
圧を比較的低く維持し、インク129をノズル128外に押し出す圧力より、インク12
9をノズル128外に引っ張る静電気力をさらに大きく作用させることが、テイラーコー
ン状のメニスクスMをさらに容易に形成させる。
図19に図示されたスプレー・モードに適用される圧電駆動電圧及び静電駆動電圧の波形
の一例を図示した図面である。
ュエータ140とに駆動電圧を印加していない初期状態であり、ノズル128内部のイン
ク129は、表面張力によって若干凹状であるか、あるいは扁平なメニスクスMを示して
いる。
45から第3静電駆動電圧Ve3が印加される。第3静電駆動電圧Ve3は、例えば、約
5ないし7KVほどであってもよい。これにより、ノズル128内部のインク129に静
電気力が作用し、インク129のメニスクスMは、若干凸状に変形する。このように、凸
状のメニスクスMが形成されれば、この部分に電場が集束されるので、インク129内部
の正電荷は、第2静電電極142側に移動し、ノズル128の出口128cに集まる。
130に所定の第3圧電駆動電圧Vp3を印加し、圧電アクチュエータ130を、圧力チ
ャンバ125の体積を縮小させる方向に変形させる。第3圧電駆動電圧Vp3は、例えば
、約10Vほどであり、前述のドリッピング・モード並びにコーンジェット・モードでの
圧電駆動電圧に比べて相対的に低い。そして、第3静電駆動電圧Ve3のピーク値から第
3圧電駆動電圧Vp3のピーク値までの初期遅延時間Diは、例えば、約18μsほどで
ある。
、圧力チャンバ125内の体積が縮小して圧力が上昇するので、ノズル128内部のイン
ク129が、ノズル128外に押し出される。第3圧電駆動電圧Vp3が比較的低く維持
され、第3静電駆動電圧Ve3が比較的高く維持されるので、インク129をノズル12
8外に押し出す圧力より、インク129をノズル128外に引き出す静電気力がさらに大
きく作用し、テイラーコーン状のメニスクスMが形成される。さらに、インク129の電
気伝導度が低くて粘度が高い場合には、テイラーコーン状のメニスクスMがさらに容易に
形成される。そして、テイラーコーン状に尖って突出した部分のインク129は、静電気
力によって、第2静電電極142側に、ストリーム129b形態に長く延びる。印刷媒体
Pとノズル128とを比較的近く配置すれば、インクストリーム129bは、印刷媒体P
まで延びる。従って、印刷媒体P上には、多数の実線からなる印刷パターンが形成される
。
ンクストリーム129bは、印刷媒体Pまで延びず、印刷媒体P近くで、その端部が超微
細インク液滴に分離され、印刷媒体P側に分散しうる。その場合、印刷媒体P上には、少
なくとも部分的にスプレー方式でコーティングされた印刷パターンが形成される。
Ve3を除去し、次に、所定時間後、圧電アクチュエータ130に印加された第3圧電駆
動電圧Vp3を除去する。それにより、圧電アクチュエータ130は、本来の状態に戻り
、圧力チャンバ125内の圧力も、元の状態に回復されるので、テイラーコーン状に突出
したメニスクスMも元の状態、すなわち、第1段階の状態に戻る。
Dfは、例えば、約5μsほどである。このように、スプレー・モードでは、第3静電駆
動電圧Ve3が第3圧電駆動電圧Vp3より先に印加され、先に除去される。そして、第
3静電駆動電圧Ve3の持続時間Deが、第3圧電駆動電圧Vp3の持続時間Dpに比べ
て長い。また、前記第3圧電駆動電圧Vp3の持続時間Dpは、例えば、約12μsほど
であり、前述のマイクロ−ドリッピング・モードでの第1圧電駆動電圧Vp1の持続時間
より長いが、コーンジェット・モードでの第2圧電駆動電圧Vp2の持続時間よりは短い
。
長させ、印刷媒体上に多数の実線からなる印刷パターンを形成したり、あるいはそのイン
クストリームを分散させ、印刷媒体P上にスプレー方式でコーティングされた印刷パター
ンを形成したりすることができる。
実施形態でもって説明した。しかし、かような実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、
開示されたノズルまたはトレンチの構造や製作方法が、複合方式ではない圧電方式または
静電方式のプリンティング装置にも適用が可能であるということは、当分野で当業者であ
るならば、理解することができるであろう。
用可能である。
111 ノズル基板、
111a ノズル基板の下面、
111b 段差面、
111c 上面、
112 第2流路形成基板、
113 第1流路形成基板、
121 インクインレット(ink inlet)、
122,123 マニホールド、
124 リストラクタ、
125 圧力チャンバ、
126 ダンパ、
128 ノズル、
128a ノズル壁、
128b ノズル壁の端部、
128c ノズル出口、
129 インク、
129a インク液滴、
130 圧電アクチュエータ、
131 下部電極、
132 圧電膜、
133 上部電極、
135,145 印加手段、
140 静電アクチュエータ、
141 第1静電電極、
142 第2静電電極、
160 トレンチ、
210 基板、
221 マスク層、
222 フォトレジスト層、
223 ノズル形成部分、
224 保護層、
225 尖頭部、
230 陥没部、
301 テーパ部、
302 延長部、
M メニスクス、
P 印刷媒体。
Claims (21)
- 圧力チャンバと、前記圧力チャンバ内のインクが吐出される出口を含むノズルと、前記
ノズル周囲に位置し、前記出口と同じ向きに開口され、前記出口が前記開口内部に延びて
いるトレンチとを含む流路プレートと、
前記圧力チャンバ内のインクに、吐出のための圧力変化を提供する圧電アクチュエータ
と、
前記ノズル内のインクに静電駆動力を提供する静電アクチュエータと、を含むプリンテ
ィング装置。 - 前記ノズルは、前記出口に向かって断面積が縮小するテーパ部を含むことを特徴とする
請求項1に記載のプリンティング装置。 - 前記ノズルと前記流路プレートとの境界を形成するノズル壁が、前記トレンチ内部に延
びていることを特徴とする請求項1または2に記載のプリンティング装置。 - 前記ノズルは、多角錐状であることを特徴とする請求項1ないし請求項の3うち、いず
れか1項に記載のプリンティング装置。 - 前記ノズル壁は、SiO2、SiN、Si、Ti、Pt、Niのうち一つ以上の物質を
含むことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のプリンティング装置。 - 前記流路プレートは、インク流路が形成される流路形成基板と、前記ノズルと前記トレ
ンチとが形成され、前記流路形成基板と接合されるノズル基板と、を含み、
前記ノズル基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項1ないし請求項
5のうち、いずれか1項に記載のプリンティング装置。 - 前記ノズル壁は、SiO2からなることを特徴とする請求項6に記載のプリンティング
装置。 - 前記SiO2は、前記ノズル基板を酸化させて形成されることを特徴とする請求項7に
記載のプリンティング装置。 - 前記ノズルの出口の外径をNOD、前記トレンチの深さをTDとするならば、
ティング装置。 - 前記ノズルの出口の外径及び内径をそれぞれNOD、NIDとするならば、
ティング装置。 - 前記ノズルは、前記テーパ部から直線的に延びた延長部を含み、
前記ノズルの出口の内径をNID、延長部の長さをNLであるとするならば、
ンティング装置。 - 圧力チャンバの形成された流路形成基板と、
上面、下面、及び前記上面と前記下面との間に段差のついた段差面を具備するノズル基
板と、
前記圧力チャンバ内のインクが吐出される出口を含み、前記ノズル基板の上面から断面
積が徐々に縮小されるテーパ状に前記段差面を貫通し、前記下面に向かって延びたノズル
と、を含むプリンティング装置。 - 前記ノズル基板は、単結晶シリコン基板であり、
前記ノズルは、SiO2からなることを特徴とする請求項12に記載のプリンティン
グ装置。 - 前記ノズルの出口の外径をNOD、前記段差面の前記下面からの段差量をTDとするな
らば、
- 前記ノズルの出口の外径及び内径をそれぞれNOD、NIDとするならば、
- 前記ノズルは、前記テーパ状になった部分から下方に直線に延びた延長部を含み、
前記ノズルの出口の内径をNID、延長部の長さをNLであるとするならば、
- 圧力チャンバと、
第1面及び前記第1面の反対面としての第2面を含むノズル基板と、
前記圧力チャンバ内のインクが吐出される出口を含み、前記ノズル基板の前記第1面か
ら前記第2面に向かい、前記出口まで断面積が徐々に縮小されるテーパ状に形成されたノ
ズルと、を含むプリンティング装置。 - 前記ノズル基板の前記ノズル周囲に形成され、前記第2面から前記第1面に向かって陥
没されたトレンチと、
前記ノズルと前記ノズル基板との境界を形成するノズル壁と、を含み、
前記ノズル壁は、前記トレンチ内部に延びていることを特徴とする請求項17に記載の
プリンティング装置。 - 前記ノズルは、多角錐状であることを特徴とする請求項17または請求項18に記載の
プリンティング装置。 - 前記ノズルの出口の外径をNOD、前記トレンチの深さをTDとするならば、
- 前記ノズルの出口の外径及び内径をそれぞれNOD、NIDとするならば、
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