JP2021070313A - 液体吐出ヘッドおよびインクジェット装置 - Google Patents

液体吐出ヘッドおよびインクジェット装置 Download PDF

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【課題】液体に含まれる粒子等によるノズルの目詰まりや、流路および振動板表面における粒子の付着を抑制し、経時的に安定した吐出を実現することができる液体吐出ヘッドおよびインクジェット装置を提供する。【解決手段】液体を吐出するノズル３１２と、ノズルと連通する圧力室３１４と、圧力室と絞り部を介して連通する個別流路３１５と、個別流路と連通する共通流路３５１と、エネルギーを発生させるエネルギー発生素子３３０と、エネルギーを圧力室に伝える振動板３１７と、を備え、ノズル、圧力室、絞り部、振動板、および個別流路それぞれの内壁には、液体に対して親液性を有する単分子膜３４０が形成されている。【選択図】図４Ａ

Description

本開示は、液体吐出ヘッドおよびインクジェット装置に関する。
従来、液体吐出ヘッドの一例として、入力信号に応じて必要なときに必要な量のインクを塗布することができるドロップオンデマンド型インクジェットヘッドが知られている。例えば、圧電方式のドロップオンデマンド型インクジェットヘッドは、一般的に、インク供給流路と、そのインク供給流路に接続され、ノズルを有する複数の圧力室と、その圧力室内に充填されたインクに圧力を加える圧電素子と、を有する。
ここで、従来のバルク型インクジェットヘッドの一例について、図１Ａ、図１Ｂを用いて説明する。図１Ａおよび図１Ｂは、従来のバルク型インクジェットヘッドの断面構造を示す模式図である。図１Ａは、電圧印加前の状態を示しており、図１Ｂは、電圧印加時の状態を示している。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、従来のバルク型インクジェットヘッドは、インクの液滴を吐出する複数のノズル１００と、ノズル１００に連通し、インクが充填される圧力室１１０と、隣り合うノズル１００に対応する圧力室１１０を隔てる隔壁１１１と、圧力室１１０の一部をなす振動板１１２と、振動板１１２を振動させる圧電素子１３０と、圧電素子１３０および隔壁１１１を支える圧電部材１４０と、を有する。また、図示は省略するが、従来のバルク型インクジェットヘッドは、圧電素子１３０に電圧を印加する共通電極、および、インクの導入口を有する。
圧電部材１４０は、１つの圧電部材をダイシングによって分離したものである。ノズル１００の直径は、１０μｍ〜５０μｍである。ノズル１００は、１００μｍ〜５００μｍの間隔で並んでいる。ノズル１００の数は、例えば、１００〜４００である。
このように構成された従来のバルク型インクジェットヘッドは、次のように動作する。
圧電素子１３０の裏側の共通電極（図示略）と、圧電素子１３０との間に電圧を印加すると、圧電素子１３０は、図１Ａに示す状態から図１Ｂに示す状態に変形する。具体的には、図１Ｂにおいて、左側から２番目の圧電素子１３０の下部が変形する。これにより、圧力室１１０の容積が小さくなり、圧力室１１０内のインクに圧力が加えられ、ノズル１００からインクの液滴（図示略）が吐出される。
以上、従来のバルク型インクジェットヘッドの一例について説明した。
また、インクの注入口および排出口を有し、インクを循環させながらインクを吐出するインクジェットヘッドが知られている。インクを循環させることにより得られる効果について、以下に説明する。
ノズル近傍のインクは、常に大気に触れている状態にある。インクと大気との接触面積は非常に微小であるため、インクの溶媒の蒸発も無視できない状態にある。インクの溶媒が蒸発すると、インクの固形分濃度が上がる。その結果、インクの粘度が上昇し、正常なインクの吐出が困難になりうる。
そこで、インクを循環させることにより、ノズル近傍のインクを常に入れ替えることができ、ノズル近傍のインクを常に正常な粘度に保つことができる。その結果、ノズル詰まりを抑制し、正常な吐出を定常的に行うことが可能となる。
また、薄膜の圧電素子を用いた薄膜型インクジェットヘッドが知られている。この薄膜型インクジェットヘッドの一例について、図２Ａ、図２Ｂを用いて、以下に説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、従来の薄膜型インクジェットヘッドの断面構造を示す模式図である。図２Ａは、電圧印加前の状態を示しており、図２Ｂは、電圧印加時の状態を示している。
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、従来の薄膜型インクジェットヘッドは、インクの液滴を吐出するノズル２００と、ノズル２００に連通し、インクが充填される圧力室２１０と、圧力室２１０の一部をなす振動板２１２と、振動板２１２の上部に設けられ、振動板２１２を振動させる薄膜圧電素子２２０と、圧電素子１３０および隔壁１１１を支える圧電部材１４０と、圧力室２１０にインクを供給する共通圧力室２３０と、を有する。
このように構成された従来の薄膜型インクジェットヘッドは、次のように動作する。
薄膜圧電素子２２０に電圧を印加すると、薄膜圧電素子２２０は、図２Ａに示す状態から図２Ｂに示す状態に変形する。この薄膜圧電素子２２０の変形により、圧力室２１０の容積が小さくなり、圧力室２１０内の液体に圧力が加えられ、ノズル２００からインクの液滴（図示略）が吐出される。
以上、従来の薄膜型インクジェットヘッドの一例について説明した。
また、例えば特許文献１には、ノズルの表面が、吐出されるインクの付着を抑制するために、インクを撥く性質（撥液性）を有しており、ノズルの内壁が、インク中の気泡の滞留を抑制するために、インクに馴染んで濡れる性質（親液性）を有しているインクジェットヘッドが開示されている。
ここで、特許文献１に開示されている、ノズルを撥液化および親液化させる加工工程について、図３を用いて説明する。図３は、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドのノズルプレートの加工工程を示す断面模式図である。
まず、図３の上図に示すように、ノズルプレート６０の表面およびノズル孔５１の内壁のそれぞれに水素終端化処理（Ｘ）を施す。
次に、図３の中図に示すように、ノズルプレート６０の表面に光エネルギー６１を付与し、ノズルプレート６０の表面を反応活性化させる。そして、ノズルプレート６０の表面に撥液膜原料を接触させることにより、ノズルプレート６０の表面を撥液化（Ｙ）させる。
次に、図３の下図に示すように、ノズル孔５１の内壁に対して熱エネルギー６２を付与し、ノズル孔５１の内壁に親液膜原料を接触させることにより、ノズル孔５１の内壁を親液化（Ｚ）させる。
以上の加工工程により、ノズルプレート６０の表面は撥液性を備えるため、インクの付着を抑制することができる。また、ノズル孔５０の内壁は親液性を備えるため、気泡溜まりを抑制することができる。
特開２０１１−６８０９５号公報
しかしながら、特許文献１のインクジェットヘッドでは、ノズル以外のインク接液部（例えば、流路や圧力室の内壁面）の親液性は保証されていない。そのため、特許文献１のインクジェットヘッドにおいて、無機化合物からなる粒子またはバインダー成分など（以下、粒子等という）を含むインクを用いた場合、粒子やバインダー成分がノズル以外のインク接液部に付着して堆積することにより、目詰まりが発生するおそれがある。特にバインダー成分は有機化合物から成る材料であり、ステンレスなどの金属から成るインク接液部に付着しやすい。
例えば、インクジェットヘッドの流路のうち、個別流路と圧力室とが連通する部分では、圧力室内の圧力波を逃げにくくするために、個別流路よりも幅を狭くした流路である絞り部が設けられる。この絞り部には、インクが流れる過程で大きなせん断応力がかかる。そのため、インク中の粒子等が凝集しやすくなり、粒子等が流路の壁面に付着して目詰まりを起こしやすい。
また、振動板は、吐出の周波数に応じて高速に振動している。例えば、振動板は、１〜５０ｋHz程度の周波数に応じて、１秒間に１０００〜５００００回程度の振動をしている。この振動は、インクに対して高速でせん断力を与える原因となる。よって、インク中の粒子の分散状態が崩れて凝集し、振動板の表面に付着するおそれがある。
本開示の一態様の目的は、液体に含まれる粒子等によるノズルの目詰まりや、流路および振動板表面における粒子の付着を抑制し、経時的に安定した吐出を実現することができる液体吐出ヘッドおよびインクジェット装置を提供することである。
本開示の一態様に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通する圧力室と、前記圧力室と絞り部を介して連通する個別流路と、前記個別流路と連通する共通流路と、エネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、前記エネルギーを前記圧力室に伝える振動板と、を備え、前記ノズル、前記圧力室、前記絞り部、前記振動板、および前記個別流路それぞれの内壁には、前記液体に対して親液性を有する単分子膜が形成されている。
本開示の一態様に係るインクジェット装置は、本開示の一態様に係る液体吐出ヘッドと、前記エネルギー発生素子に印加される駆動電圧信号を生成し、前記液体吐出ヘッドのインク吐出動作を制御する駆動制御部と、前記液体吐出ヘッドと被描画媒体とを相対移動させる搬送部と、を備える。
本開示によれば、液体に含まれる粒子等による目詰まりを抑制し、経時的に安定した吐出を実現することができる。
従来のバルク型インクジェットヘッドにおける電圧印加前の状態を示す断面模式図 従来のバルク型インクジェットヘッドにおける電圧印加時の状態を示す断面模式図 従来の薄膜型インクジェットヘッドにおける電圧印加前の状態を示す断面模式図 従来の薄膜型インクジェットヘッドにおける電圧印加時の状態を示す断面模式図 特許文献１のインクジェットヘッドのノズルプレートの加工工程を示す断面模式図 本開示の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す断面模式図 図４ＡのＸＹ断面図 本開示の実施の形態に係るインクジェットヘッド全体の共通流路の配置を示す平面図 実施例１に係る親水性化処理後の接触角の経時変化を示す図 比較例１に係る親水性化処理後の接触角の経時変化を示す図 実施例２に係るインクの液滴の飛翔過程を示す図 実施例２に係るインクの液滴の飛翔角度を示す図 比較例２に係るインクの液滴の飛翔過程を示す図 比較例２に係るインクの液滴の飛翔角度を示す図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。
＜インクジェットヘッド３００＞
本開示の実施の形態に係るインクジェットヘッド３００の構成について、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを用いて説明する。
図４Ａは、本実施の形態のインクジェットヘッド３００の構成を示す断面模式図である。また、図４Ａは、図４ＣにおけるＡＡ’断面を示している。図４Ｂは、図４ＡのＸＹ断面図である。図４Ｃは、インクジェットヘッド３００全体の共通流路３５１の配置を示す平面図である。
なお、本実施の形態では、液体吐出ヘッドが、インクを吐出するインクジェットヘッド３００である場合を例に挙げて説明するが、これに限定されない。液体吐出ヘッドは、インク以外の液体を吐出するものであってもよい。
インクジェットヘッド３００は、ノズル３１２、圧力室３１４、ピエゾ素子３３０、振動板３１７、絞り部３２０、個別流路３１５、共通流路３５１、単分子膜３４０、撥液膜３５０を有する。
ノズル３１２は、インクを吐出するための貫通孔であり、圧力室３１４と連通している。ノズル３１２の直径は、例えば、５〜５０μｍ程度である。ノズル３１２は、例えば、レーザ加工やエッチングまたはパンチングなどの方法により形成される。
ノズル３１２の表面には、インクを撥く性質（撥液性）を有する撥液膜３５０が設けられている。撥液膜３５０は、撥液性の原材料の液体をスピンコートすることにより形成される。撥液膜３５０が形成されることで、ノズル３１２の表面は、撥液性を備える。撥液膜３５０のインクに対する後退接触角は、例えば、３０度以上である。撥液膜３５０のインクに対する静止接触角は、例えば、５０度以上である。
ピエゾ素子３３０（エネルギー発生素子の一例）は、圧力室３１４に対応して設けられており、電圧の印加により変位する。ピエゾ素子３３０としては、例えば、ｄ３３モードまたはｄ３１モードの積層型ピエゾ素子、あるいは、せん断モードを利用するピエゾ素子を用いることができる。または、それらピエゾ素子の代わりのエネルギー発生素子として、静電アクチュータまたは発熱素子などを用いてもよい。
振動板３１７は、ピエゾ素子３３０に接するように配置されており、ピエゾ素子３３０の変位により変形する。振動板３１７は、例えば、ニッケルなどの金属やポリイミドなどの樹脂により構成されるが、これらに限定されない。振動板３１７の厚みは、例えば、５〜５０μｍであることが好ましい。
ピエゾ素子３３０の変位が振動板３１７に伝達されると、振動板３１７が変形する。これにより、圧力室３１４の容積が変わり、ノズル３１２からインクの液滴が吐出される。よって、振動板３１７の変形量は非常に重要であり、それに関係する振動板３１７の剛性のばらつきは吐出特性に影響するため、振動板３１７の剛性を均一化することが求められる。
圧力室３１４は、ノズル３１２と連通している。また、圧力室３１４は、絞り部３２０を介して個別流路３１５と連通している。圧力室３１４の容積は、振動板３１７の変形により変化する。この容積の変化によってノズル３１２からインクが吐出される。圧力室３１４の容積や絞り部３２０の流路抵抗によってインクの共振周期が変わり、吐出されるインクの体積や速度が変わる。よって、必要に応じて圧力室３１４の容積などを最適に調整する必要がある。
個別流路３１５、共通流路３５１、および絞り部３２０は、インクの流路である。共通流路３５１は、個別流路３１５と連通している。個別流路３１５は、絞り部３２０を介して圧力室３１４と連通している。絞り部３２０は、個別流路３１５の幅よりも狭い幅を有する。これにより、圧力室３１４内の圧力波が個別流路３１５へ逃げにくくなる。
ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの内壁には、親液性の単分子膜３４０が形成されている。この単分子膜３４０の詳細については、後述する。また、共通流路３５１の内壁に、単分子膜３４０が形成されていても良い。
上述したノズル３１２、圧力室３１４、個別流路３１５、振動板３１７、共通流路３５１、および絞り部３２０は、例えば、エッチングなどにより加工された複数の金属板の熱拡散接合や、シリコン材のエッチングなどにより作製される。
＜単分子膜３４０＞
図４Ａに示すように、ズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの内壁には、インクに対して良く濡れる性質（親液性。以下、濡れ性ともいう）を有する有機化合物からなる単分子膜３４０が形成されている。
単分子膜３４０の厚みは、例えば、５〜５０ｎｍ程度である。
単分子膜３４０の材料としては、例えば、分子末端にシラノール基を持ち、主骨格から親水基を持つ分子鎖が複数伸びている材料が挙げられる。このような材料としては、例えば、純正化学株式会社製の超親水性コーティング材料（具体的には、LAMBIC-771W）を用いることができる。よって、単分子膜３４０は、分子末端にシラノール基を持ち、主骨格から親水基を持つ分子鎖が複数伸びている分子を材料とする膜であると言える。
ここで、単分子膜とは、厚さがちょうど１分子に相当するだけの薄い膜となって分子が整列したときの膜をいう。なお、単分子膜は、単分子層ともいう。
高級脂肪酸や高級アルコールを、ベンゼンなどの易揮発性の溶媒に溶かして水面に落とすと、溶媒が揮発した後に、単分子膜を作成することができる。このとき、アルコールのヒドロキシ基やカルボキシ基（カルボキシル基）は、親水基であるので、水の方を向き、疎水基の長鎖のアルキル基は、水から遠い方（空気中）に並ぶ。すきまなく分子が配列すると、厚さがちょうど長鎖のアルキル基（プラス親水基）の長さに相当した単分子の膜が得られる。
単分子膜３４０の材料は、自己組織化的に分子が配列する特徴を有し、基材表面に活性なシラノール基が化学反応して吸着する。基材表面にはシラノール基を活性化させる官能基が存在する必要がある。
例えば、基材表面において、シリコン酸化物の膜が形成され、水酸基が出ている状態が望ましい。なお、基材表面に水酸基が出ていればよいため、基材表面に形成される膜は、シリコン酸化物に限定されない。例えば、シリコン酸化物の代わりとして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）またはチタニア（ＴｉＯ２）などの金属酸化物を用いてもよい。単分子膜３４０は、基材表面に形成されたシリコン酸化物の膜または金属酸化物の膜を被覆して設けられる。
単分子膜材料は、化学吸着できる表面が決まっているため、一度吸着するとその上に三次元的に吸着していくことはない。この原理によって単分子オーダーの膜が自己組織化的に形成される。厚みは５〜３０ｎｍと非常に薄く制御されるが、ノズル３１２や圧力室３１４の内壁に成膜する際には、この厚みが非常に重要である。親液性を示すコーティング剤などを使用すると、厚みの制御が困難であり、数μｍから数十μｍオーダーの厚みになってしまう。厚みが厚くなると、絞り部３２０やノズル３１２が親液性の膜で埋まってしまい、目詰まりしてしまう。また、振動板３１７の表面に成膜する膜についても、厚みが非常に重要である。振動板３１７の厚みは１０μｍ程度であるため、振動板３１７の表面に厚みが厚い膜が付くと、振動板３１７の剛性が大きく変わり、ピエゾ素子３３０から伝えられる振動特性が大きく変わってしまうからである。なお、単分子膜３４０の材料は、自己組織化的に単分子オーダーの膜厚で反応が終わる材料であればよく、上述した材料に限定されない。
以上のことから、単分子膜３４０は、自己組織化単分子膜であると言える。自己組織化単分子膜は、有機分子の溶液や蒸気中に適当な材料を置いておき、有機分子を材料表面に化学吸着させ、その過程で厚さ１〜２ｎｍの有機分子の配向性がそろった単分子膜が形成されることによって形成することができる。自己組織化単分子膜は、基板をそれと結合する官能基を持つ分子の溶液中に浸漬するだけで容易に作成でき、なおかつ、高い配向性と安定性をもち、末端官能基によって様々な機能を導入できる。なお、自己組織化単分子膜は、自己集合単分子膜ともいう。
このような自己組織化材料により生成された膜の後退接触角は、２０度以下であることが好ましく、１５度以下であることがより好ましい。また、静止接触角は、２５度以上であることが好ましく、３０度以上であることがより好ましい。
ここで、後退接触角および静止接触角について説明する。
液体を固体表面に滴下すると、液体は自らの持つ表面張力で丸くなり、下記式（１）に示す関係が成り立つ。式（１）は、Ｙｏｕｎｇの式と呼ばれる。
γｓ＝γＬ×ｃｏｓθ＋γＳＬ・・・（１）
γｓ：固体の表面張力
γＬ：液体の表面張力
γＳＬ：固体と液体の界面張力
このときの液滴の接線と固体表面とのなす角度θを、接触角と呼ぶ。中でも液体が固体表面上で静止しており、平衡状態に達しているときの接触角を、静止接触角と呼ぶ。
一方、液体と固体の界面が動いている状態、すなわち液滴の界面が動く、動的な状況の接触角を、前進接触角および後退接触角と呼ぶ。ここでは、一度固体表面が液体で濡れた後の動的な接触角である後退接触角に注目する。
図４Ａに示した単分子膜３４０のインクに対する静止接触角は、３０度以上である。図４Ａに示した単分子膜３４０のインクに対する後退接触角は、２０度以下である。これは、以下のことを意味する。
ノズル３１２や個別流路３１５などが乾いた状態であって、それらの内壁に形成された単分子膜３４０に対して最初にインクが接触するときの静止接触角は５０度以上であり、比較的高い状態である。
図４Ａに示したように、共通流路３５１の内壁には、単分子膜３４０が形成されていない。そのため、共通流路３５１では、その素材が従来持つ濡れ性を示す。共通流路３５１の素材として、例えばステンレスが用いられる場合、その静止接触角は、５０度以上になる。
このような場合では、共通流路３５１と個別流路３１５との間でインクに対する濡れ性の差がほぼ発生しない。そのため、インクが流れる過程において気泡が噛み込むなどの濡れの不良が起こることなく、各流路内にインクが充填される。
インクが流れる過程において、共通流路３５１と個別流路３１５との間で濡れ性に大きな差が存在すると、その部分で流れが変則的に変わってしまい、気泡を噛み込んでしまうことがある。インク中の気泡の存在は、吐出不良を起こす原因となることがしばしばあり、インク中の気泡を如何に除去するかが重要である。
共通流路３５１にも単分子膜３４０が形成されている場合は、静止接触角は上記の限りではなく、３０度以下で低くても良い。
一方、単分子膜３４０の後退接触角は、２０度以下と低い状態である。単分子膜３４０がインクで一度濡れると、単分子膜３４０中の親水基が広がり、高い親液性を示す。このとき、インク中の溶媒成分が、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、個別流路３１５それぞれの内壁表面を覆っている状態になる。この状態では、インク中の粒子やバインダーは各内壁に付着しようとしても溶媒で覆われているため、付着することなく流れる。
なお、図４Ａでは、１つのノズル３１２とそれに対応する構成要素（例えば、圧力室３１４、絞り部３２０、個別流路３１５、ピエゾ素子３３０等）のみを示したが、これらは、図４Ｂに示すように、Ｙ方向に沿って複数設けられている。
図４Ｂに示すように、共通流路３５１は、各個別流路３１５および各絞り部３２０を介して各複数の圧力室３１４と接続されている。
共通流路３５１は、インクリザーバ（図示略）に接続されている。インクリザーバは、インクの供給源であるインク供給タンク（図示略）に接続されている。インクリザーバは、共通流路３５１とインク供給タンクとの間に存在する第２のインク供給タンクと言える。このインクリザーバを加圧もしくは減圧することで、ノズル３１２にかかる圧力を制御し、適切な状態でインクを吐出させることができる。
図４Ｃに示すように、共通流路３５１は、供給口３５３および排出口３５４と連通している。インクは、インクリザーバから供給口３５３を介して一方の共通流路３５１に流入し、共通流路３５１から各個別流路３１５および各絞り部３２０を介して各圧力室３１４に流入する。各圧力室３１４から他方の共通流路３５１に流れ込んだインクは、排出口３５４から排出される。排出されたインクは、インク供給タンクと接続されたインク回収タンクで回収され、再びインク供給タンクへ流入する。
インク供給タンクとインク回収タンクとの間に圧力差が設けられることにより、インク回収タンクからインク供給タンクへとインクが流動する。このようなインク循環系を採用することにより、各圧力室３１４に対して常にフレッシュなインクを供給でき、ノズル３１２近傍の大気に接する箇所において、インクの溶媒が蒸発することによる粘度の上昇を防止できる。これにより、長時間にわたり安定したインクの吐出を実現することができる。
＜インクジェット装置＞
上述したインクジェットヘッド３００は、インクジェット装置に備えられてもよい。インクジェット装置は、インクジェットヘッド３００のほかに、例えば、駆動制御部および搬送部を備える。駆動制御部は、ピエゾ素子３３０に印加される駆動電圧信号を生成し、インクジェットヘッド３００のインク吐出動作を制御する。搬送部は、インクジェットヘッド３００と、インクの液滴が着弾する被描画媒体（被印刷対象物と言ってもよい）とを相対移動させる。
＜実施例と比較例の評価＞
以下、実施例および比較例それぞれの評価について説明する。
単分子膜３４０をステンレス板上に形成した場合と、単分子膜３４０をステンレス板上に形成していない場合とにおいて、接触角の比較評価を行った（後述する実施例１、比較例１）。接触角は、接触角計ＤＳＡ１００（ＫＲＵＳＳ製）を使用して測定した。
また、単分子膜３４０をノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの内壁に形成した場合と、単分子膜３４０をノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの内壁に形成していない場合において、インクの吐出特性の比較評価を行った（後述する実施例２、比較例２）。
評価方法は、次の通りである。
ノズル３１２からインクを吐出させ、駆動波形の印加タイミングと同期させてストロボ発光を行い、インクの液滴（以下、単に液滴という）を照射し、それをカメラで観察して、液滴の飛翔過程の観察を行った。また、ストロボ発光のタイミングを遅延させることで、異なる時刻２点の液滴を観察し、２点の液滴の位置座標を計測して、液滴の飛翔方向の角度の評価を行った。
評価に使用したインクは、粘度が８ｍＰａ・ｓであり、表面張力が３３ｍＮ／ｍであるインクである。粘度は、粘度計ＡＲ−Ｇ２（ＴＡ Ｉｎｓｒｕｍｅｎｔｓ製）を使用して測定した。表面張力は、表面張力計ＤＳＡ１００（ＫＲＵＳＳ製）を使用して測定した。また、評価に使用したインクには、粒子径が１μｍである酸化チタンと、有機化合物からなるバインダー材料とが添加されている。
（実施例１）
実施例１では、まず、ステンレス板の表面に酸化シリコンの膜を２０ｎｍ程度成膜した。この成膜には、原子層蒸着という方法を用いた。
次に、酸化シリコンが成膜されたステンレス板を、単分子膜３４０の原料となる液体材料（例えば、純正化学株式会社製の超親水性コーティング材料。より具体的には、LAMBIC-771W）に約１０秒間浸漬させた。その後、加熱炉を用いて、浸漬後のステンレス板を８０℃で１５分間乾燥させることにより、単分子膜３４０を成膜した。
そして、単分子膜３４０が形成されたステンレス板のインクに対する接触角の経時変化を評価した。その評価結果を図５Ａに示す。
図５Ａに示すように、初期（最初にインクが接触したとき）の静止接触角は９５度であり、２０日間インクに浸漬させた後の静止接触角は９０度であった。よって、静止接触角には、経時変化がほとんどないことが分かった。
また、図５Ａに示すように、初期の後退接触角は１０度であり、２０日間インクに浸漬させた後の後退接触角は１２度であった。よって、後退接触角にも、経時変化がほとんどないことが分かった。
実施例１では、単分子膜３４０がステンレス板上に形成されていることにより、インク中の粒子やバインダーの付着が抑制され、ステンレス板の表面の安定化が図れていると考えられる。
（比較例１）
比較例１では、実施例１と同様に、まず、原子層蒸着により、ステンレス板の表面に酸化シリコンの膜を２０ｎｍ程度成膜した。
そして、酸化シリコンの膜のみが形成されたステンレス板のインクに対する接触角の経時変化を評価した。その評価結果を図５Ｂに示す。
図５Ｂに示すように、初期の静止接触角が２５度であるのに対して、２０日間インクに浸漬させた後の静止接触角は７０度であり、経時変化が大きいことが分かった。
また、図５Ｂに示すように、初期の後退接触角が１６度であるのに対して、２０日間インクに浸漬させた後の後退接触角は１２度であった。
実施例２では、単分子膜３４０がステンレス板上に形成されていないことにより、インク浸漬中に、インク中の粒子やバインダーがステンレス板の表面に付着し、接触角が大きく変化してしまったと考えられる。
（実施例２）
実施例２では、まず、原子層蒸着により、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、および個別流路３１５それぞれの内壁に酸化シリコンの膜を成膜した。ここで、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの材料は、ステンレスである。
次に、実施例１と同様の方法により、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの内壁に単分子膜３４０を成膜した。
そして、上述したように、ノズル３１２から吐出された液滴について、飛翔過程の観察およびの飛翔方向の角度の評価を行った。
図６Ａに液滴の飛翔過程を示す。図６Ａに示すように、ノズル３１２から飛び出した液滴は、円柱状に伸びて、尻尾が細くなり、飛翔していく様子が観察された。また、尻尾が真っ直ぐに伸びて飛翔していることが分かった。なお、尻尾が曲がると、それに続く液滴も真っ直ぐには飛翔せず、曲がって飛翔して液滴の着弾位置の精度が低下する。着弾位置の精度が低下すると、狙った位置に液滴を塗布することができず、印刷品質の低下を招いてしまう。
図６Ｂに複数のノズル３１２から吐出された液滴の飛翔角度を示す。図６Ｂにおいて、横軸は各ノズルを示し、縦軸は液滴の飛翔角度を示している。図６Ｂでは、液滴がノズル３１２の鉛直方向に対して真っ直ぐ飛翔すると、飛翔角度は０度であり、飛翔角度の数値が大きいほど液滴が曲がって飛翔していることを示す。
数百個のノズル３１２から吐出された各液滴の飛翔角度のばらつきを標準偏差の３倍の値（３σ）で表すと、１７ｍｒａｄとなった。この値は、仮にノズル３１２と被印刷対象物との間の距離を１ｍｍとした場合、液滴の着弾位置のばらつきが１７μｍになることを意味する。
着弾した液滴の直径は６０μｍ程度であり、液滴の半円同士が重なるようにインクを塗布していくとする。その場合、着弾位置が３０μｍ以上離れると、液滴が重なり合わずに塗布されない領域が発生してしまう。よって、着弾位置の精度の目標値は、３０μｍ以内とした。そして、実施例２では、着弾位置の目標値が達成されることが分かった。
（比較例２）
比較例２では、実施例２と同様に、まず、原子層蒸着により、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、および個別流路３１５それぞれの内壁に酸化シリコンの膜を成膜した。ここで、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの材料は、ステンレスである。
そして、上述したように、ノズル３１２から吐出された液滴について、飛翔過程の観察およびの飛翔方向の角度の評価を行った。
図７Ａに液滴の飛翔過程を示す。図７Ａに示すように、ノズル３１２から飛び出した液滴は、円柱状に伸びて、尻尾が細くなり、飛翔していく様子が観察された。また、尻尾が曲がって飛翔していることが分かった。ノズル３１２の内壁にインク中の粒子やバインダーが付着することにより、尻尾が曲がってしまったと考えられる。上述したとおり、尻尾が曲がると、それに続く液滴も真っ直ぐには飛翔せず、曲がって飛翔して液滴の着弾位置の精度が低下する。その結果、狙った位置に液滴を塗布することができず、印刷品質の低下を招いてしまう。
図７Ｂに複数のノズル３１２から吐出された液滴の飛翔角度を示す。図７Ｂの横軸および縦軸は、図６Ｂと同様である。また、図７Ｂでは、図６Ｂと同様に、液滴がノズル３１２の鉛直方向に対して真っ直ぐ飛翔すると、飛翔角度は０度であり、飛翔角度の数値が大きいほど液滴が曲がって飛翔していることを示す。
数百個のノズル３１２から吐出された各液滴の飛翔角度のばらつきを３σで表すと、８６ｍｒａｄとなった。よって、各液滴の飛翔角度のばらつきが非常に大きくなっていることが分かった。この値は、仮にノズル３１２と被印刷対象物との間の距離を１ｍｍとした場合、液滴の着弾位置ばらつきが８６μｍとなることを意味する。すなわち、液滴同士が意図せず重なり合ったり、全く重ならず印刷されない部分が発生したりして、印刷品質が低下してしまうことになる。
以上説明したように、本実施の形態のインクジェットヘッド３００は、液体を吐出するノズル３１２と、ノズル３１２と連通する圧力室３１４と、圧力室３１４と絞り部３２０を介して連通する個別流路３１５と、個別流路３１５と連通する共通流路３５１と、エネルギーを発生させるエネルギー発生素子（例えば、ピエゾ素子３３０）と、エネルギーを圧力室３１４に伝える振動板３１７と、を備え、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５それぞれの内壁には、前記液体に対して親液性を有する単分子膜３４０が形成されていることを特徴とする。
この特徴により、ノズル３１２、圧力室３１４、絞り部３２０、振動板３１７、および個別流路３１５において、インクに含まれる粒子やバインダーなどの付着を抑制することできる。よって、粒子やバインダーなどによる目詰まりを抑制し、経時的に安定した吐出を実現することができる。その結果、印刷品質の高品質化を実現できる。
なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
本開示の液体吐出ヘッドおよびインクジェット装置は、例えば、酸化チタンを含有する白色インク、金属ナノ粒子を含有する導電性インク、量子ドット半導体粒子を含有する量子ドット発光インク、細胞などを含有する生体インクなどの吐出にも有用である。
５１ ノズル孔
６０ ノズルプレート
６１ 光エネルギー
６２ 熱エネルギー
１００ ノズル
１１０ 圧力室
１１１ 隔壁
１１２ 振動板
１３０ 圧電素子
１４０ 圧電部材
２００ ノズル
２１０ 圧力室
２１２ 振動板
２２０ 薄膜圧電素子
２３０ 共通圧力室
３００ インクジェットヘッド
３１２ ノズル
３１４ 圧力室
３１５ 個別流路
３１７ 振動板
３２０ 絞り部
３３０ ピエゾ素子
３４０ 単分子膜
３５０ 撥液膜
３５１ 共通流路
３５３ 供給口
３５４ 排出口

Claims (8)

  1. 液体を吐出するノズルと、
    前記ノズルと連通する圧力室と、
    前記圧力室と絞り部を介して連通する個別流路と、
    前記個別流路と連通する共通流路と、
    エネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、
    前記エネルギーを前記圧力室に伝える振動板と、を備え、
    前記ノズル、前記圧力室、前記絞り部、前記振動板、および前記個別流路それぞれの内壁には、前記液体に対して親液性を有する単分子膜が形成されている、
    液体吐出ヘッド。
  2. 前記単分子膜は、自己組織化単分子膜である、
    請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記単分子膜の厚みは、５０ｎｍ以下である、
    請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記単分子膜は、金属酸化物の膜を被覆するように設けられる、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記ノズル、前記圧力室、前記絞り部、および前記個別流路それぞれの内壁の前記液体に対する静止接触角は、後退接触角より大きい、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記ノズルの外側の表面は、前記液体に対して撥液性を有する、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記ノズルの外側の表面の前記液体に対する後退接触角は３０度以上である、
    請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記エネルギー発生素子に印加される駆動電圧信号を生成し、前記液体吐出ヘッドのインク吐出動作を制御する駆動制御部と、
    前記液体吐出ヘッドと被描画媒体とを相対移動させる搬送部と、を備える、
    インクジェット装置。
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