JP4893823B2

JP4893823B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置

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Publication number: JP4893823B2
Application number: JP2009506301A
Authority: JP
Inventors: 泰男西
Original assignee: Konica Minolta Inc
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Priority date: 2007-03-28
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Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に係り、特に、高粘度の微小な液滴を低い駆動電圧で飛翔させることのできる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

近年、インクジェット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おり、これらの課題を解決するための液体吐出装置、及びその製造方法の開発が進んでいる（例えば、特許文献１から５参照。）
その中でも、前記要請に応え、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。

さらに、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方式を用いた液滴吐出装置の開発が進んでいる。

この電界アシスト方式は、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口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。

電界アシスト方式においては、このように圧力と静電吸引力の合力によりノズルから液滴を形成し、形成された液滴を静電吸引力により基材に対して飛翔させるため、特に、微小な液滴に対してその着弾性は、従来のピエゾ方式やサーマル方式より優れている。

また、従来のピエゾ方式やサーマル方式ではメニスカスを形成し液滴を飛翔させ基材に着弾させるための全エネルギーをピエゾ素子の変形等による圧力で賄わなければならないのに対して、電界アシスト方式で必要となる発生圧力を生じさせるのに必要なエネルギーはメニスカスを形成し液滴を形成するだけのエネルギーだけで済むので、ピエゾ素子等の圧電アクチュエータからなる圧力発生手段の駆動電圧は従来方式に比べて低電圧で済むという利点がある。
特開２００５−２４９４３６号公報特開平８−８５２１２号公報特表２００４−５０３３７７号公報特開２０００−２２９４２３号公報特開２００２−３５５９７７号公報

しかしながら、微小な液滴を吐出するためにノズル開口径を小さくしたり、高粘度の液滴を吐出させたりしようとする場合には、ノズル内の粘性抵抗が高くなるために、電界アシスト方式においても、メニスカスを隆起させ液滴を形成させるためにピエゾ素子の駆動電圧をある程度高くする必要がある。このため、その分ノズルを多数有するマルチヘッドに適用する際には消費電力の増大につながるという問題を有している。

本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、電界アシスト方式において高粘度の微小な液滴を低い駆動電圧で高精度に飛翔させることができ、かつ、クリーニング等のメンテナンス性に優れる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求の範囲第１項に記載の液体吐出ヘッドは、
液体が供給される液体供給口、前記液体供給口から供給された液体を吐出する吐出口及び、前記液体供給口から前記吐出口に液体を供給する液体供給路を有するノズルが設けられたノズルプレートと、
前記液体供給口に連通するとともに前記吐出口から吐出される液体が貯蔵されるキャビティと、
前記キャビティの容積を変化させることにより該キャビティ内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段と、
前記ノズル及び前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧発生手段と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記ノズルの液体供給口側はシリコン層により形成され、前記ノズルの吐出口側は少なくとも一層の体積抵抗率１０^１５Ωｍ以上、比誘電率３以下の熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーからなる樹脂層により形成されるとともに、前記ノズルの液体供給口側のノズル径が前記ノズルの吐出口側のノズル径より大きいことを特徴とする。

請求の範囲第２項に記載の発明は、請求の範囲第１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記樹脂層の液体の吸収率は、０．３％以下であることを特徴とする。

請求の範囲第３項に記載の発明は、請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記樹脂層の厚さは、５μｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第４項に記載の発明は、請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記樹脂層を形成する熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーのガラス転移温度は、３５０℃以上であることを特徴とする。

請求の範囲第５項に記載の発明は、請求の範囲第２項から請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記樹脂層は、Ｓｉ又はＳｉＨからなる中間層を介して２層以上で構成されていることを特徴とする。

請求の範囲第６項に記載の発明は、請求の範囲第１項から請求の範囲第５項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートの前記吐出口が開口された面には、ＳｉＯ_２からなる中間層を介して撥液層が形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第７項に記載の発明は、請求の範囲第６項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記ＳｉＯ_２からなる中間層の厚さは、１μｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第８項に記載の液体吐出装置は、
前記請求の範囲第１項から請求の範囲第７項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極と、を備え、
前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に発生した圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする。

請求の範囲第１項に記載の発明によれば、ノズルの液体供給口側のシリコンにより平滑性及び剛性が得られ、ノズルの吐出口側の熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーのノズル先端部に電界を集中させることが可能となることにより、長時間安定して強力な静電吸引力を発生させることができるために液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することが可能となる。

また、低電圧の静電電圧でメニスカスが大きく隆起するため、静電電圧発生手段により印加される静電電圧の電圧値を低下させることが可能となる。

請求の範囲第２項に記載の発明によれば、ノズルが、液体の吸収率が０．３％以下である熱硬化性又は感光性ポリマーにより形成されているため液体の物性に影響を受けずに長時間安定して強力な静電吸引力を発生させることができるために液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することが可能となる。

請求の範囲第３項に記載の発明によれば、熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーの厚さを５μｍ以上とすることにより、ノズル周辺への電界集中が高まり、より強力な静電吸引力を発生させることができるため、メニスカス形成及び液滴形成において必要な駆動電圧をさらに低減することが可能となる。

請求の範囲第４項に記載の発明によれば、熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーのガラス転移点が３５０℃以上であることにより、組み立て接合時に微細なノズルへの目詰まりを大幅に改善できる過熱プロセスを伴う陽極接合が可能となる。

請求の範囲第５項に記載の発明によれば、熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーは、Ｓｉ又はＳｉＨを中間層とした２層以上で構成されていることにより、熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーからなる層全体の厚さを増加させる際に、所望の厚さまで容易に増加させることが可能となり、その結果、さらにノズル周辺へぼ電界集中が高まるためより強力な静電吸引力が発生し、メニスカス形成及び液滴形成での必要な駆動電圧をさらに低減することが可能となる。

請求の範囲第６項に記載の発明によれば、ノズルプレートの吐出口が開口された面に、ＳｉＯ_２からなる中間層を介して撥液層が形成されていることにより、撥液層の密着性をより強固にすることが可能となる。

請求の範囲第７項に記載の発明によれば、ＳｉＯ_２からなる中間層の厚さを１μｍ以上にすることにより、ノズルの吐出口側に形成された熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーのノズルの剛性があがり、射出特性を向上するとともに、撥液層の下地基板の剛性があがることでクリーニング時の耐磨耗性を向上させることが可能となる。

請求の範囲第８項に記載の発明によれば、ノズルから吐出された液滴は、電界からの静電吸引力の作用で、基材のより近い部分に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等を安定させ、液滴を所定の着弾位置に正確に着弾させることが可能となる。また、前記各請求の範囲に記載の発明と同様に、低電圧の静電電圧でメニスカスが大きく隆起するため、静電電圧発生手段により印加される静電電圧の電圧値を低下させることが可能となり、前記各請求の範囲に記載の発明の効果をより有効に発揮することが可能となる。

本実施形態に係る液体吐出装置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構成を示す拡大断面図である。ノズルとノズルプレートの構成の変形例を示す拡大断面図である。シュミレーションによるノズルの吐出口付近の電位分布を示す模式図である。メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの体積抵抗率との関係を示す図である。メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの樹脂層の厚さとの関係を示す図である。メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの樹脂層の比誘電率との関係を示す図である。駆動電圧とノズル径との関係を示す図である。本実施形態に係る液体吐出ヘッドの形成工程の一部を示す断面図である。本実施形態に係る液体吐出ヘッドの形成工程の一部を示す断面図である。本実施形態に係る液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する模式図である。ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。

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ノズルプレート
４１シリコン層
４２樹脂層
４３中間層
５ノズル
６吐出面
６１撥液層
６２中間層
９液体供給口
１０大径部
１１吐出口
１２小径部
１４帯電用電極
１５内周面
１６静電電圧電源（静電電圧発生手段）
１９ボディ層
２０キャビティ
２１可撓層
２２ピエゾ素子（圧力発生手段）
２３駆動電圧電源
２４動作制御手段
２５ＣＰＵ
２６ＲＯＭ
２９ＲＡＭ
３０シリコン基板
３１熱硬化性フッ素ポリマー層
３２ＳｉＨ膜
３３酸化膜
Ｋ基材
Ｌ液体

以下、本発明に係る液体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体吐出装置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。

本実施形態の液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出する後述するノズル５が形成された液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド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の対向電極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、図１及び図２に示すように、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、後述するキャビティ２０から液体Ｌを供給される液体供給口９と連通する大径部（液体供給口側）１０と、大径部１０の底面の一部に連通されている小径部（吐出口側）１２との２段構造であって、大径部１０のノズル径が、小径部１２のノズル径より大きくなるように構成されている。

ここで、ノズル径とは、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、楕円形状や多角形状等としてもよい。尚、形状が円形でない場合、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径とする。

小径部１２の底面は、吐出面６に開口された吐出口１１と連通されており、吐出口１１から対向電極３に対して液滴Ｄを吐出するようになっている。

ノズルプレート４は、シリコン層４１と、熱硬化性フッ素ポリマーで形成される樹脂層４２とからなり積層構造をなしている。

樹脂層４２を形成する熱硬化性フッ素ポリマーは、体積抵抗１０^１５Ωｍ以上、比誘電率３以下、ガラス転移温度３５０℃以上という物性値を有しており、例えば、asahi Low−K polymer（旭硝子（株））等を用いることができる。

ノズルプレート４をこのように構成することにより、ノズル５のシリコン層４１に、より平滑性及び剛性が得られ、樹脂層４２のノズル先端部に電界を集中させることができる。

また、樹脂層４２の液体Ｌの吸水率は０．３％以下としている。このため、液体Ｌの物性に影響を受けずに長時間安定して強力な静電吸引力を発生させることができる。

また、樹脂層４２は、ノズル５の周辺への電界集中を高め、より強力な静電吸引力を発生させることができるように厚さ５μｍ以上に形成されている。

また、各ノズル５の小径部１２はノズルプレート４の樹脂層４２を穿孔して形成されている。

液体吐出ヘッド２のノズルプレート４の吐出面６には、吐出口１１からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層６１が吐出口１１を除く吐出面６全面に設けられている。撥液層６１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に成膜されている。

また、撥液層６１と前記樹脂層４２との臨界面には、撥液層６１の密着性を向上させるためにＳｉＯ_２からなる中間層６２が設けられている。中間層６２の厚さは１μｍ以上に設定されており、このように構成することにより、樹脂層４２のノズル先端部の剛性があがり、射出特性が向上するとともに、撥液層６１の下地基板の剛性が向上する。

液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート４の対向電極３に対向する吐出面６からノズル５が突出しない、或いはノズル５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されている。

ノズルプレート４の吐出面６と反対側の面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル５内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１４が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１４は、ノズル５の大径部１０の内周面１５まで延設されており、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。

また、帯電用電極１４は、静電吸引力を生じさせる静電電圧を印加する静電電圧発生手段としての静電電圧電源１６に接続されており、単一の帯電用電極１４がすべてのノズル５内の液体Ｌに接触しているため、静電電圧電源１６から帯電用電極１４に静電電圧が印加されると、全ノズル５内の液体Ｌ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なっている。

帯電用電極１４の背後には、ボディ層１９が設けられている。ボディ層１９の前記各ノズル５の大径部１０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。

ボディ層１９の背後には、可撓性を有する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層２１が設けられており、可撓層２１により液体吐出ヘッド２が外界と画されている。

なお、ボディ層１９の可撓層２１との境界部には、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、ボディ層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流路および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路とが設けられており、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。

可撓層２１の外面の各キャビティ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素子アクチュエータであるピエゾ素子２２が設けられており、ピエゾ素子２２には、素子に駆動電圧を印加して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。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５の吐出口１１に液体Ｌのメニスカスを形成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１４に静電電圧を印加する前記静電電圧電源１６は、それぞれ動作制御手段２４に接続されており、それぞれ動作制御手段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静電電圧電源１６および各駆動電圧電源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６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、０．１〜３．０ｍｍ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、前記静電電圧電源１６から帯電用電極１４に静電電圧が印加されると、ノズル５の吐出口１１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または液体吐出ヘッド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５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、ＣＯＣｌ_２、ＨＢｒ、ＨＮＯ_３、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｈ_２ＳＯ_４、ＳＯＣｌ_２、ＳＯ_２Ｃｌ_２、ＦＳＯ_３Ｈ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目的物質としては、ノズル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。

ＰＤＰ、ＣＲＴ、ＦＥＤなどの蛍光体としては、従来より知られているものを特に制限なく用いることができる。例えば、赤色蛍光体として、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、ＹＯ_３：Ｅｕなど、緑色蛍光体として、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９：Ｍｎ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）Ｏ・α−Ａｌ_２Ｏ_３：Ｍｎなど、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ_１４Ｏ_２３：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕなどが挙げられる。

上記の目的物質を記録媒体上に強固に接着させるために、各種バインダーを添加するのが好ましい。用いられるバインダーとしては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース、酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース及びその誘導体；アルキッド樹脂；ポリメタクリタクリル酸、ポリメチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート・メタクリル酸共重合体、ラウリルメタクリレート・２−ヒドロキシエチルメタクリレート共重合体などの（メタ）アクリル樹脂及びその金属塩；ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドなどのポリ（メタ）アクリルアミド樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル・スチレン共重合体、スチレン・マレイン酸共重合体、スチレン・イソプレン共重合体などのスチレン系樹脂；スチレン・ｎ−ブチルメタクリレート共重合体などのスチレン・アクリル樹脂；飽和、不飽和の各種ポリエステル樹脂；ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン化ポリマー；ポリ酢酸ビニル、塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体などのビニル系樹脂；ポリカーボネート樹脂；エポキシ系樹脂；ポリウレタン系樹脂；ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタールなどのポリアセタール樹脂；エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合樹脂などのポリエチレン系樹脂；ベンゾグアナミンなどのアミド樹脂；尿素樹脂；メラミン樹脂；ポリビニルアルコール樹脂及びそのアニオンカチオン変性；ポリビニルピロリドン及びその共重合体；ポリエチレンオキサイド、カルボキシル化ポリエチレンオキサイドなどのアルキレンオキシド単独重合体、共重合体及び架橋体；ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール；ポリエーテルポリオール；ＳＢＲ、ＮＢＲラテックス；デキストリン；アルギン酸ナトリウム；ゼラチン及びその誘導体、カゼイン、トロロアオイ、トラガントガム、プルラン、アラビアゴム、ローカストビーンガム、グアガム、ペクチン、カラギニン、にかわ、アルブミン、各種澱粉類、コーンスターチ、こんにゃく、ふのり、寒天、大豆蛋白などの天然或いは半合成樹脂；テルペン樹脂；ケトン樹脂；ロジン及びロジンエステル；ポリビニルメチルエーテル、ポリエチレンイミン、ポリスチレンスルフォン酸、ポリビニルスルフォン酸などを用いることができる。これらの樹脂は、ホモポリマーとしてだけでなく、相溶する範囲でブレンドして用いてもよい。

液体吐出装置１をパターンニング手段として使用する場合には、代表的なものとしてはディスプレイ用途に使用することができる。具体的には、プラズマディスプレイの蛍光体の形成、プラズマディスプレイのリブの形成、プラズマディスプレイの電極の形成、ＣＲＴの蛍光体の形成、ＦＥＤ（フィールドエミッション型ディスプレイ）の蛍光体の形成、ＦＥＤのリブの形成、液晶ディスプレイ用カラーフィルター（ＲＧＢ着色層、ブラックマトリクス層）、液晶ディスプレイ用スペーサー（ブラックマトリクスに対応したパターン、ドットパターン等）などを挙げることができる。

なお、リブとは一般的に障壁を意味し、プラズマディスプレイを例に取ると各色のプラズマ領域を分離するために用いられる。その他の用途としては、マイクロレンズ、半導体用途として磁性体、強誘電体、導電性ペースト（配線、アンテナ）などのパターンニング塗布、グラフィック用途としては、通常印刷、特殊媒体（フィルム、布、鋼板など）への印刷、曲面印刷、各種印刷版の刷版、加工用途としては粘着材、封止材などの本発明を用いた塗布、バイオ、医療用途としては医薬品（微量の成分を複数混合するような）、遺伝子診断用試料等の塗布等に応用することができる。

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本実施形態を用いて説明する。

本実施形態では、静電電圧電源１６から帯電用電極１４に静電電圧を印加し、ノズル５の吐出口１１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５の吐出口１１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４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で示すように、ノズルプレート４の内部に、吐出面６に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル５の小径部１２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、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、各種のノズルプレート４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５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４の吐出面６と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート４の厚さ：１２５μｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
この実機による実験で、液滴Ｄがノズル５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である「PHOTO-VOLT」（商品名、株式会社フォトン製）で電流分布解析モードによるシミュレーションにより算出した。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１．５×１０^７Ｖ／ｍ（１５ｋＶ／ｍｍ）以上であった。

また、前記実験条件と同様のパラメータを同ソフトに入力してメニスカス先端部の電界強度を演算した結果、図５に示すように、電界強度はノズルプレート４の体積抵抗率に強く依存することが分かった。

図５は、ノズルプレート４の体積抵抗率を１０^１４Ωｍから１０^１８Ωｍとした場合、静電電圧を印加開始後、メニスカス先端部の電界強度が変化していく様子を計算した結果を示している。この計算においては空気の体積抵抗率を設定する必要があり１０^２０Ωｍとした。図５より、ノズルプレート４のイオン分極により、その体積抵抗率が１０^１４Ωｍの場合は静電電圧を印加し始めて１００秒後にはメニスカス先端部の電界強度が大きく低下する。この静電電圧の印加開始からメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間は空気の体積抵抗率とノズルプレート４の体積抵抗率の比で決まり、ノズルプレート４の体積抵抗率が大きいほどメニスカス先端部の電界強度が低下し始める時間が遅くなる。つまり、体積抵抗率が大きいほど必要な電界強度が得られる時間が長くなり有利である。

文献等では絶縁体または誘電体とされる物質の体積抵抗率は１０^１０Ωｍ以上のものを指すことが多く、代表的な絶縁体として知られているボロシリケイトガラス（例えば、ＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス）の体積抵抗率は１０^１４Ωｍである。

しかし、このような体積抵抗率の絶縁体では、液滴Ｄは吐出されない。これは、射出有無の評価中、又は評価する前に電界強度が低下してしまい必要な電界強度が得られなくなったためと推定される。なお、射出評価に要した時間及び観察時間から空気の体積抵抗率を１０^２０Ωｍとした場合が実験結果と合致した。一旦、メニスカス先端部の電界強度が低下した後は、ノズルプレート４に用いる絶縁体のイオン分極を除電し、初期状態に戻す必要がある。

前記のように、ノズル５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１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、図５から、ノズルプレート４の体積抵抗率は少なくとも１０００秒間メニスカス先端部の電界強度が維持できる１０^１５Ωｍ以上であることが実用上必要であることが分かり実験上も同様の結果であった。

ノズルプレート４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５のような特徴的な関係になるのは、ノズルプレート４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内で等電位線が図４に示したように吐出面６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１０^１５Ωｍ未満のノズルプレート４でも、静電電圧を非常に大きくすればノズル５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、本発明では採用されない。

なお、図５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４の体積抵抗率に対する特徴的な依存関係は、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１０^１５Ωｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上になることが分かっている。また、前記実験条件中のノズルプレート４の厚さとは、本実施形態の場合は、ノズル５の小径部１２の長さと大径部１０の長さの和に等しい。

また、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート４を作製してもノズル５から液滴Ｄが吐出されない場合がある。特開２００６−１８１９２６号公報に示されるように、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実験では、ノズルプレート４の液体の吸収率が０．３％以下であることが液体の種類にもよるが好ましい。

これは、ノズルプレート４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ノズルプレート４内に存在することになるため、結果的にノズルプレート４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５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、液体Ｌとして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４は、その液体に対する吸収率に係わりなく、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であれば液体Ｌを吐出することが分かっっている。これは、絶縁性溶媒がノズルプレート４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４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、前記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４には吸収されないため、ノズルプレート４の電気伝導度を高めることはない。なお、前記絶縁性溶媒とは、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。

また、前記シュミレーションにおいて、ノズル径を５μｍとしてノズルプレート４の樹脂層４２の厚さ及び比誘電率を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度を、図６及び図７にそれぞれ示す。この結果から、メニスカス先端部の電界強度は、樹脂層４２の厚さ及び比誘電率に依存し、メニスカス先端部の電界強度を１．５×１０^７Ｖ／ｍ程度以上とするためには、樹脂層４２の厚さは５μｍ以上、比誘電率は３以下であることが好ましいことが分かる。

メニスカス先端部の電界強度がノズルプレート４の樹脂層４２の厚さに依存し、その厚さが増すにつれ電界強度が増加する理由としては、ノズルプレート４の樹脂層４２の厚さがより厚くなることで、ノズルプレート４の絶縁性が増すためメニスカス先端部への電界集中が生じ易くなることが考えられる。

さらに、ノズルプレート４の樹脂層４２の厚さを５μｍ、比誘電率を２．５とした場合の圧電素子アクチュエータに印加した駆動電圧とノズル径の関係を図８に実線で示す。また、比較例として、圧電吐出方式による駆動電圧とノズル径の関係を図８に破線で示す。

ここで、「圧電吐出方式」とは、液体に圧力を発生させることにより、液体の一部を分離させて液滴を形成すると共にその液滴を飛翔させる方式をいう。なお、ノズル径は、３μｍ、５μｍ、１０μｍの場合で比較を行っている。

この結果から、ノズルプレート４の樹脂層４２の厚さを５μｍ、比誘電率を２．５とした場合には、駆動電圧は、ノズル径によらずほぼ一定に保たれることがわかる。

次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２のノズル５の形成方法について説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、厚さ２００μｍの両面ミラーウェハの上面（Ａ面）及び下面（Ｂ面）に、厚さ２μｍの熱酸化膜がそれぞれ形成されたシリコン基板３０を用意する。

次に、図９（ｂ）に示すように、シリコン基板３０のＡ面の酸化膜を除去し、スピンコート法により熱硬化性フッ素ポリマー層３１を形成し、さらにその上面にＳｉＨ膜３２を成膜する。

次に、ＳｉＨ膜３２上に酸化膜３３を形成し、リソグラフィー技術を用いて、図９（ｃ）に示すように、酸化膜３３に開口部３４−１を形成する。また、Ｂ面の酸化膜３５には開口部３６−１を形成する。

次に、Ａ面において、図９（ｄ）に示すように、酸化膜３３をマスクとして、シリコン基板３０に達するまでＳｉＨ膜３２及び熱硬化性フッ素ポリマー層３１にエッチングを施すことでＳｉＨ膜３２及び熱硬化性フッ素ポリマー層３１に開口部３４−２を形成し、その後、酸化膜３３の除去を行う。

次に、図１０（ａ）に示すように、シリコン基板３０のＢ面が上側となるように、シリコン基板３０のＡ面をシリコンからなるダミーウェハ上にクールグリース等を用いて固定する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、酸化膜３５をマスクとして、ICP(Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ)法により、開口部３６−１を介してシリコン基板３０を選択的にエッチングする。そして、シリコン基板３０を貫通するまで最終的に掘り下げて開口部３６−２を形成する。

次に、図１０（ｃ）に示すように、酸化膜３５を反応性イオンエッチングで除去し、必要に応じて表面処理を行った後、これをノズルプレート４として使用する。上記開口部３６−２は、ノズル５の大径部１０に相当し、開口部３４−２はノズル５の小径部１２に相当する。

なお、Ｂ面の開口部３６−１を介してシリコン基板３０を所定の深さまで掘り下げて３６−２を形成した後、Ａ面から開口部３４−２を介して開口部３６−２に達するまで選択的にエッチングを行いシリコン基板３０を貫通させてもよい。

また、Ｂ面に開口部３６−２を形成した後に、Ａ面の熱硬化性フッ素ポリマー層３１及びＳｉＨ膜３２に開口部３４−２を形成してもよい。

以上のようにして作製されたノズルプレート４に帯電用電極１４を形成し、別途成型したボディ層１９を、帯電用電極１４を介して陽極接合法により接合することで本実施形態の液体吐出ヘッド２を形成する。

この場合、帯電用電極１４付きのノズルプレート４とボディ層１９とを接触させる。

次に、この状態で３５０℃〜４５０℃に加熱し、ノズルプレート４とボディ層１９の間にリーク電流が流れる寸前の電圧を印加することにより、ノズルプレート４及びボディ層１９を接合する。ノズルプレート４とボディ層１９とが接合されることによって、ノズル５に接続する液体流路が形成される。

液体流路が形成された後に、ピエゾ素子２２を付設し、必要な配線接続、パッケージングが行われる。

次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２及び液体吐出装置１の作用について説明する。

図１１は、本実施形態の液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御手段２４は、帯電電圧電源１６から帯電用電極１４に一定の静電電圧Ｖ_Ｃを印加させる。これにより、そのノズル５内の液体Ｌが帯電し、液体Ｌと対向電極３との間に電界が生じる。

また、動作制御手段２４は、液滴Ｄを吐出させるべきノズル５ごとに、そのノズル５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Ｖ_Ｄを印加させる。このような駆動電圧Ｖ_Ｄ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５では、液体Ｌは図中Ａの状態からメニスカスが隆起し始め、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前記静電電圧Ｖ_Ｃにより形成された電界から強い静電吸引力が加わる。この強い静電吸引力による吸引とピエゾ素子２２による圧力とにより図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられるようにして液滴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。

なお、ピエゾ素子２２に印加する駆動電圧Ｖ_Ｄとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図１２（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２２に常時電圧Ｖ_Ｄを印加しておいて一旦切り、再度電圧Ｖ_Ｄを印加してその立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図１２（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧Ｖ_Ｄを印加するように構成してもよく適宜決定される。

以上のように、本実施形態にかかる発明によれば、ノズル５の先端部に電界を集中させることが可能となることにより、長時間安定して強力な静電吸引力を発生させることができるために液体Ｌを吐出するのに必要な駆動電圧を低減することが可能となる。また、低電圧の静電電圧でメニスカスが大きく隆起するため、静電電圧発生手段により印加される静電電圧の電圧値を低下させることが可能となる。

また、ノズル５から吐出された液滴は、電界からの静電吸引力の作用で、基材Ｋのより近い部分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を安定させ、液滴を所定の着弾位置に正確に着弾させることが可能となる。

また、ノズル５が形成された樹脂層４２の吸水率が０．３％以下である熱硬化性ポリマーにより形成されているため、液体の物性に影響を受けずに長時間安定して強力な静電吸引力を発生させることができ、液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することが可能となる。

また、樹脂層４２の厚さを５μｍ以上とすることにより、ノズル周辺への電界集中が高まり、より強力な静電吸引力を発生させることができるため、メニスカス形成及び液滴形成において必要な駆動電圧をさらに低減することが可能となる。

また、樹脂層４２を形成する熱硬化性フッ素ポリマーのガラス転移点が３５０℃以上であることにより、組み立て接合時に微細なノズルへの目詰まりを大幅に改善できる過熱プロセスを伴う陽極接合が可能となる。

さらに、中間層６２の厚さを１μｍ以上にすることにより、ノズルの剛性があがり、射出特性を向上するとともに、撥液層６１の下地基板の剛性があがることでクリーニング時の耐磨耗性を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態においては熱硬化性フッ素ポリマーを用いてノズルプレート４の樹脂層４２を形成したが、樹脂層４２を形成する材料としては、体積抵抗１０^１５Ωｍ以上、比誘電率３以下、ガラス転移温度３５０℃以上、液体の吸収率０．３％以下という、本実施形態と同じ物性値を有する感光性フッ素ポリマーを用いることもできる。この場合には、リソグラフィー技術によって、感光性フッ素ポリマーからなる樹脂層上にマスクをし紫外線等の特定の光を照射した後に現像を行って、液体吐出ヘッド２のノズル５を形成すればよい。

また、ノズルプレート４の樹脂層４２の構造としては、図３に示すように、２層以上の樹脂層４２ａ，４２ｂを、Ｓｉ又はＳｉＨからなる中間層４３を介して積層した構成とすることもできる。このように構成した場合、樹脂層４２全体の厚さを増加させる際に、容易に増加させることができる。

その結果、さらにノズル周辺へ電界集中が高まるためより強力な静電吸引力が発生し、メニスカス形成及び液滴形成での必要な駆動電圧をさらに低減することが可能となる。

Claims

液体が供給される液体供給口、前記液体供給口から供給された液体を吐出する吐出口及び、前記液体供給口から前記吐出口に液体を供給する液体供給路を有するノズルが設けられたノズルプレートと、
前記液体供給口に連通するとともに前記吐出口から吐出される液体が貯蔵されるキャビティと、
前記キャビティの容積を変化させることにより該キャビティ内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段と、
前記ノズル及び前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧発生手段と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記ノズルの液体供給口側はシリコン層により形成され、前記ノズルの吐出口側は少なくとも一層の体積抵抗率１０^１５Ωｍ以上、比誘電率３以下の熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーからなる樹脂層により形成されるとともに、前記ノズルの液体供給口側のノズル径が前記ノズルの吐出口側のノズル径より大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記樹脂層の液体の吸収率は、０．３％以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記樹脂層の厚さは、５μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載の液体吐出ヘッド。
前記樹脂層を形成する熱硬化性又は感光性フッ素ポリマーのガラス転移温度は、３５０℃以上であることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
前記樹脂層は、Ｓｉ又はＳｉＨからなる中間層を介して２層以上で構成されていることを特徴とする請求の範囲第２項から請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
前記ノズルプレートの前記吐出口が開口された面には、ＳｉＯ_２からなる中間層を介して撥液層が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第５項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
前記ＳｉＯ_２からなる中間層の厚さは、１μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の液体吐出ヘッド。
前記請求の範囲第１項から請求の範囲第７項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極と、を備え、
前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に発生した圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする液体吐出装置。