JP4807060B2

JP4807060B2 - ノズルプレート、ノズルプレートの製造方法及び液体吐出ヘッド

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Publication number: JP4807060B2
Application number: JP2005354697A
Authority: JP
Inventors: 勲土井; 泰男西; 智子宮浦; 宏史押谷
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP2007152870A

Description

本発明は、ノズルプレート、このノズルプレートの製造方法及びこのノズルプレートを用いた液体吐出ヘッドに関する。

近年、インクジェット記録方法での画質の高精細化の進展および工業用途における適用範囲の拡大に伴い、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要請がますます強まっている。これらの課題を従来のインクジェット記録方法で解決しようとすると、ノズルの微小化や高粘度のインク吐出による液吐出力の向上を図る必要が生じ、それに伴ってインクの吐出のための駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまうため、実用に適う装置は実現されていない。

そこで、上記要請に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液滴を吐出させる技術として、ノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に形成される電界から受ける静電吸引力により吐出させるいわゆる静電吸引方式の液滴吐出技術が知られている（特許文献１参照）。

しかし、静電吸引方式の液滴吐出技術において液滴吐出面がフラットな液体吐出ヘッドを用いる場合、ノズル内の液体や吐出孔部分のメニスカスへの電界集中の程度が小さく、必要な静電吸引力を得るために液体吐出ヘッドと基材との間に印加する電圧として非常に高い電圧を印加する必要があった。

そこで、この液滴吐出技術と、ピエゾ素子の変形や液体内部での気泡の発生による圧力を利用して液滴を吐出する技術とを組み合わせた、いわゆる電界アシスト法を用いた液滴吐出装置の開発が進んでいる（例えば、特許文献２〜５参照）。この電界アシスト法は、メニスカス形成手段と静電吸引力を用いてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させることにより、メニスカスに対する静電吸引力を高め、液表面張力に打ち勝ってメニスカスを液滴化し吐出する方法である。
国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット特開平５−１０４７２５号公報特開平５−２７８２１２号公報特開平６−１３４９９２号公報特開２００３−５３９７７号公報

しかしながら、電界アシスト法を用いたこれらの液体吐出装置は、従来のピエゾ方式やサーマル方式を用いたインクジェット記録法に比べ、吐出効率は良いが、電界による静電吸引力が最大限に活用されていないため、メニスカスの形成や液滴の吐出が効率的に行われておらず、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要請に応えようとすると、従来のインクジェット記録法と同様に、インクの吐出のための駆動電圧を高くする必要が生じ、ヘッドや装置のコストが高価になってしまうという問題があった。また、静電吸引力を高めるために印加電圧を上げると、ヘッドと基材間とで絶縁破壊が発生してしまい装置を駆動できない場合が生じるという問題もあった。

電界アシスト法を用いたこれらの液体吐出装置において、液体を吐出するノズルが設けられた液体吐出ヘッドとしてフラットな液体吐出ヘッドを用いた場合、構造が単純であるために生産性に優れ、また、液体吐出ヘッドのクリーニング時における吐出面のワイピングの際にワイパにノズルが引っ掛からないという大きな利点がある。

しかし、フラットな液体吐出ヘッドは、ピエゾ素子の変形等で圧力を発生させてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、隆起させたメニスカスに選択的に電界集中させて静電吸引力により液体を吐出させる電界アシスト法を用いた液体吐出装置の場合でも、電界集中が小さいためにメニスカスを形成するうえで静電吸引力によるメニスカスを引き出す作用が小さく、結果的にピエゾ素子等の圧電素子アクチュエータよりなる圧力発生手段に高い電圧を印加する必要があるという問題があった。

なお、本発明において、フラットなノズルやノズルプレート、液体吐出ヘッドとは、ノズルプレートの吐出面からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、上記のワイピングの際に破損等の支障を生じることがなく、ノズルの突出が小さく突出による電界集中効果が期待できないものをいう。

そこで、このフラットな液体吐出ヘッドの問題点を解消するため、電界アシスト法を用いた液体吐出装置では、液体吐出ヘッドのノズルプレートから吐出面側にノズルを避雷針状に突出させ、ノズルの突起先端に電界を集中させてノズルの吐出効率を高めた液体吐出ヘッドが用いられることが多い。

しかし、液体吐出ヘッドのノズルプレートから吐出面側に高さ数十μｍ程度の避雷針状のノズルを多数立設させなければならないため、構造が複雑になり生産性が低下する。また、液体吐出ヘッドのクリーニング時に立設されたノズルが折れるなど操作性に劣るという問題があった。

また、近年、インクジェット記録法を利用した産業用のパターニングの応用が広く考えられている。その理由は、インクジェット記録法を利用することで、直接、基板等にパターニングが可能となるという大きな利点が生じるからである。例えば、基板にパターニングする場合、リソグラフィ工程が必要であり、リソグラフィ工程を利用しない場合には、印刷等が考えられるが、印刷工程では一般に版が必要であり、またその版の洗浄等の工程も必要である。これらに対して、インクジェット記録法によるパターニングは、リソグラフィ工程や版等が不要になり、工程が非常に簡単になる。このようなパターニングにおいては、着弾径が３０μｍ以下とする高精細化が望まれおり、これに答えるには、インクジェットヘッドから吐出されるインクの液滴の直径を概ね１５μｍ以下とする必要があるとされている。

そこで、本発明は、微小なノズルから正確で安定した液体の吐出が可能なフラットな吐出面を有するノズルプレート及びこのノズルプレートの製造方法並びにこのノズルプレートを用いた液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的は、以下の手段の何れかによって達成される。

１．吐出孔から液体が液滴として吐出されるノズルを有し液体吐出ヘッドに用いられるノズルプレートにおいて、
前記ノズルプレートは、
前記ノズルの吐出孔が形成されている面がフラットで体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上のガラスからなる第１プレートと、
前記第１プレートに重ねて、該第１プレートの前記吐出孔に連通する大径穴を有する体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスからなる第２プレートと、で積層構成されると共に、前記第２プレートにおける前記第１プレートとの積層面とは反対側の面と前記大径穴の内周面とは導電素材で被覆されていることを特徴とするノズルプレート。
２．前記大径穴の径は、前記吐出孔の径より大きいことを特徴とする１に記載のノズルプレート。
３．前記第１プレートの前記吐出孔から液体が吐出される面は撥液層が設けられていることを特徴とする１又は２に記載のノズルプレート。
４．前記液体吐出ヘッドは、静電吸引方式の液体吐出ヘッドであることを特徴とする１乃至３の何れか一つに記載のノズルプレート。
５．前記ノズルのノズル径が１０μｍ以下であることを特徴とする１乃至４の何れか一つに記載のノズルプレート。
６．吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルを有し液体吐出ヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、
体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上のガラス基板にフォトリソグラフィ処理及びドライエッチング処理を行い前記吐出孔を設けることで、前記ガラス基板を第１プレートとする第１プレート製造工程と、
体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上の樹脂基板又はガラス基板に前記第１プレートに重ねて、該第１プレートの前記吐出孔に連通する大径穴を設けることで、前記樹脂基板又は前記ガラス基板を第２プレートとする第２プレート製造工程と、
前記第１プレートに設けた前記吐出孔と前記第２プレートに設けた前記大径穴とが連通するように該第１プレートと該第２プレートとを貼り合わせる工程と、
前記第２プレートにおける前記第１プレートとの貼り合わせ面とは反対側の面と前記大径穴の内周面とに導電素材からなる被覆層を設ける工程と、を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
７．前記第１プレート製造工程は、
前記ガラス基板に金属膜を設ける工程と、
前記金属膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理を行い前記吐出孔の金属膜のパターンマスクを形成する工程と、
前記吐出孔の金属膜のパターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い前記吐出孔を形成する工程と、
前記金属膜を除去する工程と、を有することを特徴とする６に記載のノズルプレートの製造方法。
８．前記大径穴の径は、前記吐出孔の径より大きいことを特徴とする６又は７に記載のノズルプレートの製造方法。
９．前記第１プレートの前記吐出孔から液体が吐出される面に撥液層を設ける撥液処理工程を有することを特徴とする６乃至８の何れか一つに記載のノズルプレートの製造方法。
１０．前記液体吐出ヘッドは、静電吸引方式の液体吐出ヘッドであることを特徴とする６乃至９の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
１１．前記ノズルのノズル径が１０μｍ以下であることを特徴とする６乃至１０の何れか一つに記載のノズルプレートの製造方法。
１２．吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルを有するノズルプレートと、
前記ノズルプレートと貼り合わせることで、前記ノズルに連通するキャビティとなるキャビティ溝が形成されたボディープレートとを備え、
前記ノズル内の液体と前記ノズルプレートの液滴を吐出する面に対向して設けられた基材との間に形成される電界から受ける静電吸引力により液滴を吐出し前記基材に着弾させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、１乃至５の何れか一つに記載のノズルプレート又は６乃至１１の何れか一つに記載のノズルプレートの製造方法により製造されるノズルプレートであって、
前記ノズルの前記吐出孔から吐出される液体と前記基材間に静電電圧が印加されて静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
１３．前記ノズル内の液体に圧力を印加して、メニスカスを形成する圧力発生手段を備えていることを特徴とする１２に記載の液体吐出ヘッド。

請求項１及び６に記載の発明によれば、本ノズルプレートには次のような効果ある。まず、ノズルの吐出孔が設けてある第１プレートがガラスであるため剛性が確保され、また微細な加工を高精度に行うことができることから、取り扱いが容易で吐出孔が微小な径で複数であっても形状の揃った孔とされることができるため吐出される液滴が揃った高い品質での記録を可能とすることができる。また、ノズルプレートの高精度で微小な吐出孔が形成されている部分と大径穴が形成されている部分とはそれぞれ第１プレートと第２プレートとの２つに分離されているため、第１プレートで高精度な吐出孔を確保しつつ第２プレートでは必要精度に応じた材料及び加工方法を選択することができる。よって、必要精度が確保されていながら低コストとすることができるコストパフォーマンスの良いノズルプレート及びこのノズルプレートの製造方法を提供できる。

また、第１プレート及び第２プレートは、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上としていることから、吐出孔が形成されている面がフラットであってもノズル内の液体に電界を印加することで、強い電界を吐出孔周辺の液体に生じさせることが可能とされることから、微小な液滴を吐出することができる静電吸引方式の液体吐出ヘッドに利用することができる。また吐出面がフラットとすることができるため製造が容易であるとともにヘッドの清掃時のワイピング等によりノズルが損傷することもないことから液体の吐出状態が安定して長寿命であるノズルプレート及びこのノズルプレートの製造方法を提供できる。

請求項１２に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドは、上記の効果を有するノズルプレートを持ち、静電電圧印加手段を備えていることから、次のような効果がある。まず、微小な径で複数であっても形状の揃った吐出孔から液体を吐出することができることから、吐出される液滴による高精細なパターンを形成することができる。また、コストパフォーマンスの良いノズルプレートを用いることからコストパフォーマンスの良い液体吐出ヘッドを提供することができる。

また、ノズルプレートは、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上とされていることから、吐出孔が形成されている面がフラットであっても静電電圧印加手段により実用的な範囲での静電電圧をノズル内の液体に電界を印加することで、強い電界を吐出孔周辺の液体に生じさせることが可能とすることができることから、微小な液滴を効率良く吐出することができる静電吸引方式の液体吐出ヘッドとすることができる。また吐出面がフラットであることから、製造が容易であるとともに液体吐出ヘッドの清掃時のワイピング等によるノズルの損傷が発生することもないことから液体の吐出状態が安定して長寿命である液体吐出ヘッドを提供できる。

以下、本発明に係る液体吐出ヘッドの実施形態に関して、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の一例である液体吐出ヘッド２を用いて構成した液体吐出装置１の全体構成を示す断面図である。図１の液体吐出ヘッド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体吐出装置に適用可能である。

液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出するノズル１０が形成された液体吐出ヘッド２と、動作制御手段４と、液体吐出ヘッド２のノズル１０に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Ｄの着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極３とを備えている。

液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１とボディープレート１９とから構成され、またノズルプレート１１の対向電極３に対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いはノズル１０が３０μｍ程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成とされている（例えば、後述する図３（Ｃ）参照）。更に、ノズルプレート１１は、対向電極３に対向する側から順に吐出孔１３を有する第１プレート１１ａ、次に第２プレート１１ｂとからなる積層構造とされている。よって、ノズルプレートの厚みは、第１プレート１１ａの厚みと第２プレートとの厚みを加えた値となる。

各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、各ノズル１０には、それぞれ第１プレート１１ａの吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に位置する第２プレート１１ｂに設けられている大径の大径部１５との２段構造とされている。本実施形態の一例である液体吐出ヘッド２において、ノズル１０の小径部１４は円筒状に、大径部１５は断面円形で対向電極３側がより小径とされたテーパ状に形成されており、小径部１４の吐出孔１３の内部直径（以下、ノズル径と称する。）が８μｍ、大径部１５の小径部１４から最も離れた側の開口端の内部直径が１００μｍとなるように構成されている。

ここで、ノズルプレート１１の製造に関して説明する。図２は液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１を作製する工程の概略を断面図でもって模式的に示した図であり、完成したノズルプレートは図２（ｂ５）及び図２（ｃ２）に示している。

まず、ノズルプレート１１を構成している第１プレート１１ａの製造に関して図２（Ａ）に示す概略工程を用いて説明する。第１プレート１１ａは、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上のガラスとし、本実施形態では石英（概体積抵抗率１０¹⁶Ω・ｍ）を用いている。第１プレート１１ａの厚みは、加工、組み立て時の取り扱いの容易さを考慮しながら、所望のノズル径から適宜決めれば良い。厚みに関しての具体的な説明は、ノズル径に関することも含めて、以降で説明する。ここで、以降、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上のガラスを高抵抗ガラスと称する。具体的な高抵抗ガラスの材料としては、例えば上記の石英、合成石英等の高純度ガラス材料が挙げられる。

図２（Ａ）において、高抵抗ガラス基板２−１の片面に撥液層２−３を設ける（図２（ａ１））。この撥液層２−３に関しては以降で説明する。撥液層２−３を設けた面に公知のフォトリソグラフィ技術を用いて高抵抗ガラス基板２−１に吐出孔パターンを有するレジストパターン層２−５’を形成する（図２（ａ３））。このレジストパターン層２−５’をマスクとしてマスクされてない吐出孔部分に該当する撥液層の除去を行う（図２（ａ４））。除去方法としては、高精度な加工を容易に行うことができる例えば公知の酸素プラズマを用いたアッシング法が挙げられる。マスクされてない部分の撥液層の除去後、撥液層の除去に用いたレジスト層２−５’を再度マスクとして吐出孔２−７を持つ小径部２−９を形成する。この吐出孔２−７を持つ小径部２−９の形成方法は、石英基板２−１の高精度な加工を容易に行うことができる例えば公知のＣＦ₄ガスを用いたプラズマドライエッチング法が挙げられ、このエッチング方法を用いることでほぼ円筒形に精度良く吐出孔２−７を持つ小径部２−９を設けることができる。穴加工が終了した後、レジスト膜２−５’を除去することで撥液層２−３’を持つ第１プレート２Ａ（図１の１１ａに相当する。）を完成することができる（図２（ａ６））。

また、より高精度な吐出孔を設ける場合、石英基板２−１の加工用マスクとして金属膜を用いるのが好ましい。公知のスパッタリング法によりマスクとする金属膜を形成する。使用する金属は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉ等が挙げられるが、これらに限定される必要はなく次に説明するエッチングレート比を考慮してマスクとして使用できればよい。

金属膜の厚みは、石英基板の厚みと石英と金属膜とのエッチングレート比（同じエッチング環境下で石英と金属膜とが除去される比率で、エッチング選択比とも言う。）とにより適宜決めれば良い。例えば、金属膜をＣｒとする場合、このエッチングレート比は１０から３０程度であるとされており、石英基板の厚みが３０μｍとする場合、エッチングレート比を２０とするとＣｒ膜の厚みは１．５μｍとすることになる。実際には、予め実験等を行い使用する金属及び厚みを決めれば良い。尚、撥液層は、吐出孔の形成後に設けてもよい。

なお、石英基板２−１をプラズマエッチングする際には、例えばシリコン基板を台板として、この上にグリースまたは粘着性がグリース程度の粘着性が比較的弱い粘着剤で仮固定するのが取り扱い上好ましい。仮固定の方法の具体例としては、例えば、クールグリース（商品名）等の熱伝導性グリースや熱伝導性粘着シートを用いることが挙げられる。

ここで、撥液層２−３’に関して説明する。第１プレート２Ａの吐出孔２−７が存在する面に撥液層２−３’を設けるのが好ましい。撥液層２−３’を設けることで、吐出孔２−７から液体Ｌが吐出面２−１１に馴染むことでの染み出しや広がりを抑制することができる。具体的には、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が用いられるが、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２−１１に成膜されている。膜厚の厚みは、特に限定されるものではないが、概ね０．１μｍから３μｍとするのが好ましい。

なお、撥液層２−３’は、第１プレート２−１’の吐出面２−１１に直接成膜してもよいし、撥液層２−３’の密着性を向上させるために中間層を介して成膜することも可能である。本実施の形態の例として図１に示す第１プレート１１ａの撥液層は厚み０．２μｍの四フッ化エチレンとしている。

次に第２プレートは、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上の樹脂又は上記で説明した高抵抗ガラスからなっている。以後、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上の樹脂を高抵抗樹脂と称する。

最初に第２プレートに高抵抗樹脂、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を使用する場合、例えば公知の射出成形法を用いて、図２（Ｃ）に示す第２プレート２Ｃ（図１の１１ｂに相当する。）を形成することができる。大径部２−１３は、第１プレートであるノズルプレート２Ａに第２プレートを重ねた際にノズルプレート２Ａのそれぞれの小径部２−９に連通し、その開口部をふさぐことがないように設けてある。

次に第２プレートに高抵抗ガラスを使用する場合、図２（Ｂ）で示す様に例えば公知のドライフィルムレジスト２−１５を使用するフォトリソグラフィ技術を用いて大径部パターンを有するレジスト層２−１５’を高抵抗ガラス基板２−１７に形成する（図２（ｂ２））。このレジスト層２−１５’をマスクとして大径部２−１９を設ける（図２（ｂ３））。穴の加工方法としては、例えばサンドブラスト法、レーザー加工法、ウエットエッチング法、超音波加工法等が挙げられいずれを用いても良い。穴加工が終了した後、レジスト膜２−１５’を除去することで第２プレート２Ｂ（図１の１１ｂに相当する。）を完成することができる（図２（ｂ４））。大径部２−１９は、第１プレートであるノズルプレート２Ａに第２プレートを重ねた際にノズルプレート２Ａのそれぞれの小径部２−９に連通し、その開口部をふさぐことがないように設けてある。

次に上記で用意した第１プレート２Ａの撥液層を設けた反対面と第２プレート２Ｂ及び２Ｃの大径部２−１９又は２−１３の小開口側の面とを接着剤で貼り合わせることでノズルプレート２Ｆ及び２Ｇを完成することができる（図２（ｂ５）及び（ｃ２））。

なお、図１で示す本実施形態の液体吐出ヘッド２の第１プレート１１ａ及びノズルベース板１１ｂに貼り合わせることで成るノズル１０の形状は上記の図２で示す形状に限定されず、例えば、図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、形状が異なる種々のノズル１０を用いることが可能である。また、ノズル１０は、断面円形状に形成する代わりに、断面多角形状や断面星形状等としてもよい。尚、断面形状が円でない場合の直径は、対象とする断面の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。

次に図１で示すように、完成したノズルプレート１１のボディープレート１９と接合される面及び大径部１５の内周面１７に、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなるノズル内の液体Ｌを帯電させるための静電電圧印加手段である帯電用電極１６を層状に設ける。このよう層状に帯電用電極１６を設けることで、単一の帯電用電極１６がノズルプレート上のすべての大径部１５内の液体に接触することになり、静電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ての大径部１５内の液体が同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力が発生されるようにすることができる。

この帯電用電極１６を設ける方法は特に限定されるものではなく、公知の真空蒸着法、スパッタリング法等を用いれば良い。また、導電素材としては、液体に接することで腐食等を生じないものを適宜選択すれば良い。

次に図１に示す液体吐出ヘッド２の帯電用電極１６の背後には、シリコンからなるボディープレート１９が設けられている。ボディープレート１９の各ノズル１０に対応する大径部１５の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有する略円筒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キャビティ２０とされている。

ボディープレート１９には、キャビティ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、シリコン基板に公知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いてキャビティ２０、共通流路、および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路を設けることができる。

共通流路には、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キャビティ２０、ノズル１０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。

各キャビティ２０に対応する背面部分には、圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２２がそれぞれ設けられており、ピエゾ素子２２には、ピエゾ素子２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２を変形させるための駆動電圧電源２３が接続されている。ピエゾ素子２２は、駆動電圧電源２３からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。ここで、上記で述べたように吐出孔１３の存在するフラットな吐出面に撥液層２８が設けてあることで、ノズルの吐出孔１３部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔１３の周囲の吐出面１２に広がることによるメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することができる。なお、圧力発生手段２２は、本実施形態のような圧電素子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および帯電用電極１６に静電電圧を印加する静電電圧電源１８は、それぞれ動作制御手段４に接続されており、それぞれ動作制御手段４による制御を受けるようになっている。

動作制御手段４は、本実施形態ではＣＰＵ２５やＲＯＭ２６やＲＡＭ２７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静電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌ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対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２に平行に所定距離離間されて配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との離間距離は、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。

本実施形態では、対向電極３は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、静電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界が生じるようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると、対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。

なお、対向電極３又は液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド２の各ノズル１０から吐出された液滴Ｄは、基材Ｋの表面に任意の位置に着弾させることが可能とされている。

液体吐出装置１による吐出を行う液体Ｌは、例えば、無機液体としては、水、ＣＯＣｌ₂、ＨＢｒ、ＨＮＯ₃、Ｈ₃ＰＯ₄、Ｈ₂ＳＯ₄、ＳＯＣｌ₂、ＳＯ₂Ｃｌ₂、ＦＳＯ₃Ｈなどが挙げられる。

また、有機液体としては、メタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、４−メチル−２−ペンタノール、ベンジルアルコール、α−テルピネオール、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのアルコール類；フェノール、ｏ−クレゾール、ｍ−クレゾール、ｐ−クレゾールなどのフェノール類；ジオキサン、フルフラール、エチレングリコールジメチルエーテル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、エピクロロヒドリンなどのエーテル類；アセトン、メチルエチルケトン、２−メチル−４−ペンタノン、アセトフェノンなどのケトン類；ギ酸、酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸などの脂肪酸類；ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸−３−メトキシブチル、酢酸−ｎ−ペンチル、プロピオン酸エチル、乳酸エチル、安息香酸メチル、マロン酸ジエチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、セロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、アセト酢酸エチル、シアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチルなどのエステル類；ニトロメタン、ニトロベンゼン、アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、エチルアミン、ジエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン、Ｎ−メチルアニリン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン、ｏ−トルイジン、ｐ−トルイジン、ピペリジン、ピリジン、α−ピコリン、２，６−ルチジン、キノリン、プロピレンジアミン、ホルムアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、アセトアミド、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルプロピオンアミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどの含窒素化合物類；ジメチルスルホキシド、スルホランなどの含硫黄化合物類；ベンゼン、ｐ−シメン、ナフタレン、シクロヘキシルベンゼン、シクロヘキセンなどの炭化水素類；１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、１，１，１−トリクロロエタン、１，１，１，２−テトラクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、ペンタクロロエタン、１，２−ジクロロエチレン（ｃｉｓ−）、テトラクロロエチレン、２−クロロブタン、１−クロロ−２−メチルプロパン、２−クロロ−２−メチルプロパン、ブロモメタン、トリブロモメタン、１−ブロモプロパンなどのハロゲン化炭化水素類などが挙げられる。また、上記各液体を二種以上混合して用いてもよい。

さらに、高電気伝導率の物質（銀粉等）が多く含まれるような導電性ペーストを液体Ｌとして使用し、吐出を行う場合には、前述した液体Ｌに溶解又は分散させる上記の物質としては、ノズル１０で目詰まりを発生するような粗大粒子を除けば、特に制限されない。

ここで、本発明の液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理について図１が示す液体吐出装置１を用いて説明する。

液体吐出装置１では、静電電圧電源１８から液体Ｌに対する静電電圧印加手段である帯電用電極１６に静電電圧を印加し、ノズル１０の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３の液体吐出ヘッド２に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させる。

本実施形態のように、ノズルプレート１１の絶縁性が高くなると、図４にシミュレーションによる等電位線４−１で示すように、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線４−１が並び、ノズル１０の小径部１４の液体Ｌや液体Ｌのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。

特に、図４でメニスカスの先端部では等電位線４−１が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。

発明者らが、図５に示す液体吐出装置１’を使用して電極間の電界の電界強度が実用的な値である１．５ｋＶ／ｍｍとなるように構成し、各種の絶縁体でノズルプレート１１’を形成して下記の実験条件に基づいて行った実験では、ノズル１０’から液滴Ｄ’が吐出される場合と吐出されない場合があった。
［実験条件］
ノズルプレート１１’の吐出面１２’と対向電極３’の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１’の厚さ：１２５μｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
実験に使用した液体吐出ヘッド２’のノズル１０’には４°のテーパ角を持っている。このテーパ角は、ノズル１０’の断面において、吐出面１２’に対する垂線から吐出面１２’から離れる方向に広がる角度を示している。

この液体吐出装置１’による実験で、液滴Ｄ’がノズルから安定に吐出されたすべての場合について、メニスカス先端部の電界強度を求めた。実際には、メニスカス先端部の電界強度を直接測定することが困難であるため、電界シミュレーションソフトウエアである「ＰＨＯＴＯ−ＶＯＬＴ」（商品名、株式会社フォトン製）によるシミュレーションにより算出した。ここでの電界強度は、電流分布解析モードによる、電圧印加後３００秒後の電界強度を言う。その結果、すべての場合においてメニスカス先端部の電界強度は１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上であった。また、この実験において、液滴Ｄ’がノズルから安定して吐出されない場合についても、上記と同様のシミュレーションによりメニスカス先端部の電界強度を算出した。その結果、１．５×１０⁷Ｖ／ｍ未満であった。

また、上記の実験条件と同様のパラメータを同ソフトウエアに入力してメニスカス先端部の電界強度を計算した結果、図６に示すように、電界強度はノズルプレート１１’に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存することが分かった。また、ノズル１０’から液滴Ｄ’を安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上であることが必要であることが上記の実験より得られていることから、図６から明らかなように、ノズルプレート１１’の体積抵抗率は１０¹⁵Ω・ｍ以上であればよいことが分かった。

ノズルプレート１１’の体積抵抗率とメニスカス先端部の電界強度との関係が図６のような特徴的な関係になるのは、ノズルプレート１１’の体積抵抗率が低いと、静電電圧を印加してもノズルプレート１１’内で等電位線が図４に示したように吐出面１２’に対して略垂直方向に並ぶような状態にはならず、ノズル１０’内の液体Ｌ’および液体Ｌ’のメニスカスへの電界集中が十分に行われないためであると考えられる。

理論上、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ未満のノズルプレート１１’でも、静電電圧を非常に大きくすればノズル１０’から液滴Ｄ’が吐出される可能性はあるが、電極間でのスパークの発生等により基材Ｋ’が損傷される可能性があるため、静電電圧を非常に大きくすることは好ましくない。

なお、図６に示したようなメニスカス先端部の電界強度のノズルプレート１１’の体積抵抗率に対する特徴的な関係は、ノズル径を種々に変化させてシミュレーションを行った場合でも同様に得られており、どの場合も体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上になることが分かっている。

一方、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート１１’を作製しても、ノズル１０’から液滴Ｄ’が吐出されない場合がある。発明者らの行った実験結果である表１に示すように、液体Ｌ’として水などの導電性溶媒を含有する液体を用いた場合、ノズルプレート１１’の液体の吸収率が０．６％以下であることが必要であることが分かった。

表１の実験に関して、以下に説明する。図５に示す液体吐出ヘッド２’のノズルプレート１１’を表１に示す種々の材料を用いて実際に作製し、ノズル１０’の吐出孔１３’から液滴Ｄ’が吐出されるか否かを基材Ｋ’に吐出させて確認し、表１において吐出できた場合を○印、できなかった場合を×印で示している。

吐出される液体Ｌ’として導電性の液体２種類と絶縁性の液体１種類の３種類とした。液体Ｌ１は、水５２質量％、エチレングリコールおよびプロピレングリコールをそれぞれ２２質量％、染料（ＣＩアシッドレッド１）３質量％、界面活性剤１質量％含有する導電性の液体として調製し、液体Ｌ２は、エタノールに染料（同上）を３質量％含有する導電性の液体として調整し、液体Ｌ３は、テトラデカンにＡｇ粒子を分散させ、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体として調製した。

なお、体積抵抗率は、ＪＩＳＣ２１５１に準拠し、シート状被測定物の面間に電圧を印加した場合の電気抵抗値より算出した。また、ノズルプレート１１’の液体の吸収率は、２３℃の使用対象である液体Ｌ’にノズルプレート１１’または代用のシート状被測定物を２４時間浸漬し、浸漬前後のノズルプレート１１’または被測定物の質量変化率より算出した。液体Ｌ’が水溶性インクである場合には、ＡＳＴＭＤ５７０に準拠した吸水率で代用することも可能である。

上記の液体Ｌ１〜Ｌ３に対する実験結果は上記の表１のようになった。なお、表１の吸収率の欄は、上段が水に対する吸収率（吸水率）、下段がエタノールに対する吸収率を表している。また、吐出の有無の後の「あり」は液体吸収防止層を設けた場合を示し、「なし」は液体吸収防止層を設けない場合を示している。この液体吸収防止層に関しては、以降で説明する。

表１の結果から、液体Ｌ１や液体Ｌ２のように導電性溶媒を含有する場合、液体の吸収率が低くても体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ未満の材料ではノズル１０’から液体Ｌ’は吐出されないことが分かる。これは、上記のシミュレーションによる結果と同じ結果を示している。また、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上の材料であればノズル１０’から液体Ｌが吐出され得るが、吸収率が少なくとも０．６％以下でなければ液体Ｌは吐出されないことが分かる。

また、液体Ｌ３のように絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を吐出する場合には、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上の材料であればすべてノズル１０’から液体が吐出され得ることが分かる。

上記の結果は次のように考えられる。まず、ノズルプレート１１’が液体Ｌ’中から導電性溶媒を吸収すると導電性の液体である水分子等の分子が本体絶縁性であるノズルプレート１１’内に存在することになるため、結果的にノズルプレート１１’の電気伝導度が高くなり、特に液体Ｌ’に接する局部の実効的な体積抵抗率の値が低下し、図６に示す関係に従ってメニスカス先端部の電界強度が弱まり、液体Ｌ’の吐出に必要な電界集中が得られなくなるためと考えられる。

また、表１の液体Ｌ３の様に、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を用いた場合には、ノズルプレート１１’は、その液体に対する吸収率に係わりなく体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上であれば液体Ｌを吐出することが分かった。これは、絶縁性溶媒がノズルプレート１１’内に吸収されても絶縁性溶媒の電気伝導度が低いためノズルプレート１１’の電気伝導度が大きく変化せず、実効的な体積抵抗率が低下しないためであると考えられる。

なお、溶液Ｌ３のＡｇ粒子の様に絶縁性溶媒に分散されている帯電可能な粒子は、例えば、電気伝導度が極めて大きな金属粒子であってもノズルプレート１１’には吸収されないため、ノズルプレート１１’の電気伝導度を高めることはない。なお、先の絶縁性溶媒とは、単体では静電吸引力により吐出されない溶媒をいい、具体的には、例えば、キシレンやトルエン、テトラデカン等が挙げられる。また、導電性溶媒とは、電気伝導度が１０^-10Ｓ／ｃｍ以上の溶媒をいう。

ここで、本実施形態のノズルプレート１１は、第１プレートを体積抵抗率１．０×１０¹⁶Ω・ｍの高抵抗ガラスである石英を使用し、第２プレートを表１で示す体積抵抗率５．０×１０¹⁵Ω・ｍで吸収率０．４％のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）または第１プレートと同じ石英を使用している。従って、ノズルプレート１１は、体積抵抗率１．０×１０¹⁵Ω・ｍ以上で吸収率０．６％以下であることをどちらも満足していることになる。従って、吐出される液体が上記の液体Ｌ１、液体Ｌ２、液体Ｌ３の様な無機液体、有機液体及び高電気伝導率の物質（銀粉等）が多く含まれるような溶液を使用する場合であっても、常に安定した液体の吐出を可能とすることができる。

また、絶縁性溶媒を使用する場合、第２プレートの材料が吸収率０．６％以下を満足していなくても体積抵抗率１．０×１０¹⁵Ω・ｍ以上であることを満足する高抵抗樹脂、例えば表１のポリイミド（商品名：カプトン１００ＣＢ及びユーピレックス−Ｓ）を選択すればよい。

更に、このポリイミドの様に吸収率が０．６％以下でない樹脂材料を導電性溶媒に適用する必要がある場合、ノズル１０の内周面１６に、ノズル１０内の液体Ｌが第２プレート１１ｂに吸収されることで体積抵抗率が低下することを防止するために、図７で示す液体吸収防止層７−１を設ければよい。液体吸収防止層７−１は、例えば、導電性を有するダイアモンドライクカーボン（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）や酸化シリコン（ＳｉＯＸ）等を用いて形成することも可能であり、成膜法としては、例えば、プラズマイオンプレーティング、プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＦＣＶＡ（ｆｉｌｔｅｒｅｄｃａｔｈｏｄｉｃＶａｃｕｕｍａｒｃ）蒸着法を用いることができる。

尚、高抵抗ガラスはほとんど液体の吸収性を持たないので、使用する液体による電気導電度の低下を考慮する必要はない。

また、本実施形態の例としているノズルプレート１１のように、小径部と大径部といった段差を持つノズルを用いたシミュレーションにおいて、ノズルプレート１１の厚みを１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍとするパラメータとして、ノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度を図８に示す。この時の小径部の長さは１０μｍとしている。この小径部の長さとは、ノズルプレート１１を構成する第１プレートの厚みとなる。

図８より、ノズル径が小さくなる程、またノズルプレートの厚みが厚くなる程メニスカス先端部の電界強度が大きくなることが分かる。ノズルプレートの厚みとは、ノズルプレート１１を構成する第１プレートの厚みと第２プレートの厚みとを加えた厚みである。

ノズル１０から液滴Ｄが安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上であることが必要なことから、例えばノズルプレートの厚みを１０μｍとする場合は、ノズル径を２μｍ未満にすることで液滴Ｄを安定して吐出させることができる。さらに、例えばノズルプレートの厚みを２０μｍとする場合は、ノズル径を３μｍ未満に、ノズルプレートの厚みを５０μｍとする場合は、ノズル径を５μｍ未満に、ノズルプレートの厚みを１００μｍとする場合は、ノズル径を７μｍ未満にすることで液滴Ｄを安定に吐出させることができる。

また、小径部１４の長さを、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍとするパラメータとしてノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度を図９に示す。この時のノズルプレート１１の厚みは、１００μｍとしている。図９より、ノズル径が小さくなる程、また小径部の長さが長くなる程メニスカス先端部の電界強度が大きくなることが分かる。

ノズル１０から液滴Ｄを安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度は上記と同じく１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上であることが必要なことから、小径部長さを５μｍとする場合は、ノズル径を６μｍ未満にすることで液滴Ｄを安定に吐出することができる。さらに、例えば小径部長さを１０μｍとする場合は、ノズル径を７μｍ未満に、小径部長さを１５μｍとする場合は、ノズル径を８μｍ未満に、小径部長さを２０μｍとする場合は、ノズル径を９μｍ未満にすることで液滴Ｄを安定に吐出させることができる。

従って、上記の図８及び図９におけるシミュレーションの結果により、所望のノズル径に対してノズルの小径部となる第１プレートの厚み及びノズルプレートの厚みを適宜決めれば良い。

尚、図８、図９におけるシミュレーションにおいて、ノズル孔の角度は５°としているが、このノズル孔の先端部の角度の影響は小さく、液滴を安定に吐出する条件への依存性は大きくない。

次に本実施形態の液体吐出ヘッド２の駆動に関して図１及び図１０を用いて説明する。液体吐出装置１の動作制御手段４は、静電電圧電源１８から帯電用電極１６に一定の静電電圧Ｖｃを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル１０には常時一定の静電電圧Ｖｃが印加され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間に電界が生じる。

また、動作制御手段４は、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１０ごとに、そのノズル１０に対応する駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に対してパルス状の駆動電圧Ｖｄを印加させる。このような駆動電圧Ｖｄが印加されると、ピエゾ素子２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力を上げ、ノズル１０の吐出孔１３では、図１０（Ａ）の状態からメニスカスが隆起し始め、図１０（Ｂ）のようにメニスカスが大きく隆起した状態となる。

すると、前述したように、メニスカス先端部に高度な電界集中が生じて電界強度が非常に強くなり、メニスカスに対して静電電圧Ｖｃにより形成された電界から強い静電力が加わる。この強い静電力による吸引とピエゾ素子２２による圧力とにより図１０（Ｃ）のようにメニスカスが引きちぎられて液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、電界で加速されて対向電極方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋに着弾する。

その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。

液体吐出装置１では、静電電圧電源１８から帯電用電極１６に印加される一定の静電電圧Ｖｃは１．５ｋＶに設定されており、駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に印加されるパルス状の駆動電圧Ｖｄは２０Ｖに設定されている。

以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド２によれば、液体吐出ヘッド２は、フラットな吐出面１２を有するヘッドとされているため、図示を省略するが、液体吐出ヘッド２のクリーニング時に吐出面１２にブレードやワイパ等の部材が接触してもノズル１０が損傷する等の事態が生じることがなく、操作性に優れる。

また、液体吐出ヘッド２の製造においてノズル１０の突起等の微細構造を形成する必要がなく構造が単純であるから、容易に製造することが可能で生産性に優れる。

さらに、ノズル１０が形成されるノズルプレート１１として、体積抵抗率が１０¹⁵Ω・ｍ以上である高抵抗ガラスと高抵抗樹脂との積層構成としていることで、帯電用電極１６に印加する静電電圧が１．５ｋＶ程度の低い電圧であっても、ピエゾ素子２２の変形によりノズル１０の吐出孔部分に形成される液体Ｌのメニスカスに電界を集中することができ、メニスカスの先端部の電界強度を液滴Ｄが安定的に吐出される１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上とすることが可能となる。

このように、本実施形態の液体吐出ヘッド２は、フラットなヘッドでありながら、ノズルが突出されたヘッドと同様の電界集中をメニスカス先端部に効果的に生じさせることができるため、低電圧の静電電圧の印加でも効率良くかつ正確に液体を吐出することが可能となる。

なお、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形により形成されたメニスカスを静電吸引力で分離して液滴化し、静電電圧Ｖｃによる電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、この他にも、静電電圧を選択的にノズルに印加可能な構成とすることで非吐出ノズルの帯電用電極には静電電圧を印加せず、吐出するノズルの帯電電極のみに静電電圧を印加する方法、あるいは静電電圧を選択的に各ノズルに印加可能な構成として全てのノズルの帯電用電極に吐出に至らない一定のバイアス電圧を印加し、吐出するノズルのみに吐出を可能とする電圧を重畳させて吐出させる方法としても良い。

また、本実施形態では、圧力発生手段をピエゾ素子２２とする場合について示したが、圧力発生手段はこの機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１０やキャビティ２０の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。

また、本実施の形態の液体吐出ヘッド２を用いた液体吐出装置１では、対向電極３を接地する場合について述べたが、例えば、電源から対向電極３に電圧を印加して、帯電用電極１６との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるようにその電源を動作制御手段４で制御するように構成することも可能である。

ノズルプレートを製造しこれを液体吐出ヘッドに使用した例を以下で説明する。

（実施例１）
図２の製造工程順に従って具体的に説明する。

第１プレートを製造する。まず、図２（Ａ）に示す様に第１プレートとなる石英基板２−１（厚み２５μｍ）の片側の表面に真空蒸着により４フッ化エチレンの撥液層２−３（厚み０．２μｍ）を形成する。形成した撥液層２−３の上に、ドライフィルムレジスト２−５（厚み１０μｍ）を貼り付けた。次に公知のフォトリソグラフィ技術（露光、現像）によりノズルの吐出孔及び小径部（直径８μｍ）を設けるためのレジストパターン２−５’を形成した。このレジストパターン２−５’をマスクとして、公知の酸素プラズマによるアッシング法により４フッ化エチレンの撥液層（厚み０．２μｍ）の除去を行った。次に撥液層を除いた時に使用したレジストパターンを再度マスクとしてＣＦ₄ガスを用いた公知のプラズマエッチング法を用いて、石英基板をエッチング処理し吐出孔２−７及び小径部２−９（直径約８μｍでほぼ円筒形状）を形成した。最後に石英基板２−１’からレジストパターン２−５’を除去することで第１プレート２Ａを完成した。

次に、第２プレートを製造する。材料として高抵抗樹脂及び高抵抗ガラスを用いた場合の２通りを行った。まず、高抵抗樹脂であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート：商品名ルミラー（東レ株式会社製））を用いて、公知の射出成形法により上記の第１プレート小径部２−９の開口部がほぼ中心となる位置に、テーパ状の大径部（第１プレート側の開口直径約８０μｍ、反対側の開口径約１１０μｍ）となる穴が開いた第２プレート２Ｃ（厚み約７５μｍ）を製造した。

また、高抵抗ガラスである石英を用いた場合、次の通りとした。第２プレートとなる石英基板２−１７（厚み約７５μｍ）の片側の表面にドライフィルムレジスト２−１５（厚み約５０μｍ）を貼り付けた。次に公知のフォトリソグラフィ技術（露光、現像）により大径部を設けるためのレジストパターン２−１５’を形成した。このレジストパターン２−１５’をマスクとして、サンドブラスト法により大径穴２−１９（貫通穴）を設けた。最後に石英基板２−１７’からレジストパターン２−１５’を除去することで第２プレート２Ｂを完成した。サンドブラスト法により大径穴を設けるとその加工方法の性質上、穴形状にテーパが生じ、詳しくは、第１プレート側の開口直径は約８０μｍで、その反対側の面の開口直径は約１１０μｍとなり、ノズルの大径部のテーパ角度は約８．５度であった。

最後に、上記で製造した第１プレート２Ａと第２プレート２Ｂとを接着剤を用いて貼り合わせてノズルプレート２Ｆを、また第１プレート２Ａと第２プレート２Ｃとを接着剤を用いて貼り合わせてノズルプレート２Ｇを完成させた。

次に完成したノズルプレート２Ｆ及び２Ｇのボディープレート１９と接合される面及び大径部１５の内周面１７に、帯電用電極１６として、厚み約０．３μｍのＮｉＰ膜を公知のスパッタリングにより設けた。

次にボディープレートを製造する。シリコン基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）及びドライエッチング技術を用いて、ノズルにそれぞれ連通する複数のキャビティとなるキャビティ溝、このキャビティにそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給溝及びこのインク供給に連通する共通インク室となる共通インク室溝、並びにインク供給口を形成した。

次に、これまでに用意したノズルプレート２Ｆ及び２Ｇとボディープレートとを接着剤を用いて貼り合わせ、図１に示すように、ボディープレート１９の各キャビティ２０の背面に圧力発生手段である圧電素子２２を設けた液滴吐出ヘッドを、液体吐出装置１の対向電極３に対向した位置に設置し、各ピエゾ素子２２と各駆動電圧電源２３、静電電圧電源１８と帯電用電極１６、各駆動電圧電源２３及び静電電圧電源１８と動作制御手段４とを接続して液体吐出装置１とした。尚、対向電極３及び静電電圧電源１８のマイナス端子は接地した。

第２プレートを高抵抗樹脂及び高抵抗ガラスとした液滴吐出装置１を静電電圧１．５ｋＶ、駆動電圧２０Ｖで動作させたところ、第２プレートをどちらとした場合もインクの吐出ムラや位置ずれがない正確で安定した吐出状態となったことを確認した。

（実施例２）
ノズル径、ノズルの小径部の長さ（第１プレートの厚み）及びノズルプレートの厚み（第１プレートの厚みと第２プレートの厚みとの和）を、シミュレーションで得られた図８及び図９に示されるメニスカスの先端部の電界強度が１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上となる条件で種々変えたノズルプレートを製造し、後は上記の実施例１と同じ条件とする液体吐出装置を構成して、上記の液体Ｌ１の吐出の有無を基材Ｋに吐出させて確認した。また、電界強度が１．５×１０⁷Ｖ／ｍ未満となるノズルプレートも参考のために製造し、上記の液体Ｌ１の吐出の有無を基材Ｋに吐出させて確認した。実験の結果を表２に示す。

表２において、液体の吐出状態を示す○印は、静電電圧１．５ｋＶの印加により安定した吐出状態が確認されたことを示している。また、液体の吐出状態を示す△印は、静電電圧１．５ｋＶの印加では、液滴の吐出は確認できなかったが、更に高電圧を印加することにより吐出が確認されたことを示している。

表２の結果から、電界強度がシミュレーションにより１．５×１０⁷Ｖ／ｍ以上となるノズル径、ノズルの小径部の長さ及び厚みの条件を満たすノズルプレートを有する液体吐出ヘッドからは何れも安定した液滴の吐出が確認された。一方、電界強度が１．５×１０⁷Ｖ／ｍ未満となるノズルプレートを有する液体吐出ヘッドにおいては、シミュレーションと同一の印加電圧では液滴の吐出は確認されず、液滴を吐出させるためには更に高い電圧の印加が必要であった。

これらのことより、シミュレーションによる結果が実機による吐出実験結果と同じ結果であることがわかる。

本発明に係わる液体吐出ヘッドを断面及び液体吐出装置の全体構成を示す図である。本発明に係わるノズルプレートの製造工程を断面図で説明する図である。形状が異なるノズルの変形例を断面図で示す図である。シミュレーションによるノズルの吐出孔付近の電位分布を模式的に示す図である。実機による実験を行った液体吐出装置の全体構成を示す図である。ノズルプレートの体積抵抗率とメニスカス先端部の電界強度との関係を示す図である。液体吸収防止層を設けたノズルプレートの例の断面を示す図である。ノズル径とメニスカス先端部の電界強度との関係をノズルプレートの厚さをパラメータとして示す図である。ノズル径とメニスカス先端部の電界強度との関係を小径部の長さをパラメータとして示す図である。本実施の形態で示す一例の液体吐出ヘッドの駆動例に関して説明する図である。

符号の説明

１液体吐出装置
２液体吐出ヘッド
３対向電極
４動作制御手段
１０ノズル
１１ノズルプレート
１１ａ第１プレート
１１ｂ第２プレート
１２吐出面
１３吐出孔
１４小径部
１５大径部
１６帯電用電極
１７大径部の内周面
１８静電電圧電源
１９ボディープレート
２０キャビティ
２２ピエゾ素子
２３駆動電圧電源
２５ＣＰＵ
２６ＲＯＭ
２７ＲＡＭ
２８撥液層
Ｄ液滴
Ｋ基材
Ｌ液体

Claims

吐出孔から液体が液滴として吐出されるノズルを有し液体吐出ヘッドに用いられるノズルプレートにおいて、
前記ノズルプレートは、
前記ノズルの吐出孔が形成されている面がフラットで体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上のガラスからなる第１プレートと、
前記第１プレートに重ねて、該第１プレートの前記吐出孔に連通する大径穴を有する体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上の樹脂又はガラスからなる第２プレートと、で積層構成されると共に、前記第２プレートにおける前記第１プレートとの積層面とは反対側の面と前記大径穴の内周面とは導電素材で被覆されていることを特徴とするノズルプレート。
前記大径穴の径は、前記吐出孔の径より大きいことを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
前記第１プレートの前記吐出孔から液体が吐出される面は撥液層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のノズルプレート。
前記液体吐出ヘッドは、静電吸引方式の液体吐出ヘッドであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のノズルプレート。
前記ノズルのノズル径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のノズルプレート。
吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルを有し液体吐出ヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、
体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上のガラス基板にフォトリソグラフィ処理及びドライエッチング処理を行い前記吐出孔を設けることで、前記ガラス基板を第１プレートとする第１プレート製造工程と、
体積抵抗率が１０^１５Ω・ｍ以上の樹脂基板又はガラス基板に前記第１プレートに重ねて、該第１プレートの前記吐出孔に連通する大径穴を設けることで、前記樹脂基板又は前記ガラス基板を第２プレートとする第２プレート製造工程と、
前記第１プレートに設けた前記吐出孔と前記第２プレートに設けた前記大径穴とが連通するように該第１プレートと該第２プレートとを貼り合わせる工程と、
前記第２プレートにおける前記第１プレートとの貼り合わせ面とは反対側の面と前記大径穴の内周面とに導電素材からなる被覆層を設ける工程と、を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
前記第１プレート製造工程は、
前記ガラス基板に金属膜を設ける工程と、
前記金属膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理を行い前記吐出孔の金属膜のパターンマスクを形成する工程と、
前記吐出孔の金属膜のパターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い前記吐出孔を形成する工程と、
前記金属膜を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項６に記載のノズルプレートの製造方法。
前記大径穴の径は、前記吐出孔の径より大きいことを特徴とする請求項６又は７に記載のノズルプレートの製造方法。
前記第１プレートの前記吐出孔から液体が吐出される面に撥液層を設ける撥液処理工程を有することを特徴とする請求項６乃至８の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
前記液体吐出ヘッドは、静電吸引方式の液体吐出ヘッドであることを特徴とする請求項６乃至９の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
前記ノズルのノズル径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６乃至１０の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法。
吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルを有するノズルプレートと、
前記ノズルプレートと貼り合わせることで、前記ノズルに連通するキャビティとなるキャビティ溝が形成されたボディープレートとを備え、
前記ノズル内の液体と前記ノズルプレートの液滴を吐出する面に対向して設けられた基材との間に形成される電界から受ける静電吸引力により液滴を吐出し前記基材に着弾させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、請求項１乃至５の何れか一項に記載のノズルプレート又は請求項６乃至１１の何れか一項に記載のノズルプレートの製造方法により製造されるノズルプレートであって、
前記ノズルの前記吐出孔から吐出される液体と前記基材間に静電電圧が印加されて静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記ノズル内の液体に圧力を印加して、メニスカスを形成する圧力発生手段を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の液体吐出ヘッド。