JP5266456B2 - 吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液状物質を吐出する吐出ヘッドおよび吐出ヘッドを含む装置に関するものである。

特許文献１には、微小液滴を形成することを目的とした液体吐出装置が開示されている。この装置は、帯電した溶液の液滴を基材に吐出する液体吐出装置であって、液滴の吐出を受ける受け面を有する基材にその先端部を対向させて配置されると共に当該先端部から液滴を吐出する先端部の内部直径が３０μｍ以下のノズルと、このノズル内に溶液を供給する溶液供給手段と、ノズル内の溶液に吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段と、を備え、ノズル内の溶液が当該ノズル先端部から凸状に盛り上がった状態を形成する凸状メニスカス形成手段を設けている。

特開２００４−１３６６５１号公報

インクジェット記録方式（インクジェット方式）としては、ノズル内の圧力を変動させる方式として、圧電素子の振動によりインク流路を変形させることによりインク液滴を吐出させるピエゾ方式と、インク流路内に発熱体を設け、その発熱体を発熱させて気泡を発生させ、気泡によるインク流路内の圧力変化に応じてインク液滴を吐出させるサーマル方式とが知られている。また、静電力を用いた方式としては、インク流路内のインクを帯電させてインクの静電吸引力によりインク液滴を吐出させる静電吸引方式が知られている。静電吸引方式は、微小液滴をターゲットに形成するのに適している。しかしながら、インクなどの吐出の対象となる液状物質を帯電させる必要がある。

現在、インクジェット方式を用いて、インクに限らず多種多様な物質を吐出しようとしている。たとえば、液状物質としては、インク、水などの液体に限らず、液体と微粒子との混合物、水溶液、溶剤、ナノ粒子液、ＵＶ硬化液、イオン流体、オイル、液晶、接着剤、試薬、細胞や遺伝子などの生物材料を含む物質などを挙げることができる。これらの液状物質は、帯電させることにより濃度分布が変わり、また、物質の特性が変動する可能性がある。また、液状物質を帯電させるためには液状物質と電極とを接触させる必要があるが、ガラスなどの絶縁性（非導電性）の部材に対して、様々な腐食性の液状物質に耐えられる導電性の部材を選択することは容易ではない。さらに、電極と接触することにより液状物質の特性が変化する可能性もある。

本発明の一態様は、液状物質を吐出するためのノズルであって、液状物質の自由表面がノズルの開口端より後退した位置に形成されるノズルと、ノズルの内部の圧力を変動することにより、液状物質の自由表面をノズルの開口端に移動させるためのアクチュエータと、ノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、ノズルの開口端の外側に設けられた電極であって、自由表面がノズルの開口端に移動すると、液状物質が接するように設けられた電極とを有する吐出ヘッドである。

この吐出ヘッドにおいては、液状物質の自由表面（メニスカス）がアクチュエータによる圧力変動により動かされない定常状態においてはノズルの開口端より後退した位置にある。静電方式（静電吸引方式）で液滴を吐出するために用いられる電極はノズルの開口端の外側に設けられており、ノズルの少なくとも先端は非導電性部材により形成されている。したがって、アクチュエータの圧力変動によりメニスカスがノズル開口端に移動したときにのみ液状物質は電極に接して帯電させられ、静電方式により吐出される。このため、ノズル内の液状物質はほとんど帯電されることはなく、電極と液状物質とが接触する時間は限られる。したがって、この吐出ヘッドにより、帯電および電極との接触による液状物質への影響を抑制でき、静電方式で液状物質を吐出できる。

非導電性部材の端面の、ノズルの開口端の外周に疎液性の層が形成されており、電極は疎液性の層の上に設けられていることが望ましい。また、非導電性部材の、ノズルの開口端の内側に、外周の疎液性の層と連続するように形成された内側の疎液性の層をさらに有することが望ましい。疎液性の層は、疎水性の層、疎溶媒性の層などであって、吐出する液状物質に対し撥水性または撥液性を示す層を含む。

電極を、非導電性部材の端面の、ノズルの開口端から外側へ後退した位置に設け、非導電性部材の端面の、ノズルの開口端と電極とを連結するように、開口端の外側に親液性の層を設けることも有効である。非導電性部材の、ノズルの開口端の内側に、外側に設けられた親液性の層と連結するように、内側の親液性の層をさらに設けることが好ましい。親液性の層は、吐出する液状物質に対して親水性または親溶媒性を示す層を含む。

電極は、ノズルの開口端に沿った外側の一部に設けてもよく、ノズルの開口端を囲うように設けてもよい。

定常状態において液状物質の自由表面（メニスカス）をノズルの開口端より後退した位置に保持する方法の１つは、ノズルの内側に、ノズルの開口端から後退した位置が終端となるように芯または溝を設けることである。また、ノズルの内部を外気に対して負圧に維持する圧力制御ユニットを設けてもよい。液状物質を収納したタンクをノズルの開口端より下側に配置してもよい。

アクチュエータは、ピエゾ方式のアクチュエータであってもサーマル方式のアクチュエータであってもよい。この吐出ヘッドにおいて、電界を形成するための電位はメニスカスがノズルの開口端に達した付近において瞬時に液状物質に印加される。したがって、静電方式により吐出される方向を安定させるためには、ノズルの開口端に達したときのメニスカスの形状が安定していることが好ましく、いわゆる「押し打ち」あるいは「加圧方式」ではなく、いわゆる「引き打ち」でメニスカスをノズルの開口端に移動させることが望ましい。すなわち、アクチュエータは、ノズルの内容積を膨張させてから復元し、液状物質の自由表面をノズルの開口端からさらに後退させてから液状物質の自由表面がノズルの開口端に到達するようにすることが望ましい。したがって、アクチュエータはピエゾアクチュエータのような、圧電素子であることが望ましい。

非導電性部材の端面に複数のノズルの開口端が形成されていてもよい。複数のノズルの開口端の外側に複数の電極をそれぞれ設けることが可能であり、これら複数の電極は電気的に繋がっていることが望ましい。各々のノズル内のメニスカスをアクチュエータにより制御することにより、各々のノズル内の液状物質の帯電を制御でき、静電力による液状物質の吐出を制御できる。したがって、複数の電極にはコンスタントな電位を印加してもよく、共通のパルス状の電位を印加してもよい。

本発明の他の態様の１つは、上記の吐出ヘッドと、複数の電極に共通のパルス電圧を印加する静電駆動ユニットと、複数のノズルのそれぞれのアクチュエータに、それぞれ駆動パルスを供給する圧力制御ユニットとを有する装置である。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、上記の吐出ヘッドと、吐出ヘッドにより液状物質が吐出されるターゲットを吐出ヘッドに対して相対的に移動させる移動機構とを有する装置である。ターゲットおよび／または移動機構は、吐出ヘッドに設けられた電極に対する対向電極としての機能を含み、静電方式による液滴の吐出を可能とする。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、上記の吐出ヘッドと、電極に電圧を印加する静電駆動ユニットと、アクチュエータに駆動パルスを供給する圧力制御ユニットとを有する装置である。圧力制御ユニットは、アクチュエータに対して液状物質の自由表面がノズルの開口端に達する程度の圧力変動を生じさせる第１の駆動パルスを供給する機能と、アクチュエータに対して液状物質の自由表面がノズルの開口端を越して液状物質を吐出する程度の圧力変動を生じさせる第２の駆動パルスを供給する機能とを含むことが望ましい。共通のノズルの先端から、静電吸引方式と、静電アシスト方式および／または圧力変動方式とにより液滴を吐出できる。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、液状物質を吐出するためのノズルであって、液状物質の自由表面がノズルの開口端より後退した位置に形成されるノズルと、ノズルの内部の圧力を変動することにより、液状物質の自由表面をノズルの開口端に移動させるためのアクチュエータと、ノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、ノズルの開口端の外側に設けられた電極であって、自由表面がノズルの開口端に移動すると、液状物質が接するように設けられた電極とを有する吐出ヘッドにより液状物質を吐出する方法である。この方法は、以下のステップを含む。
・アクチュエータにより液状物質の自由表面がノズルの開口端に達する程度の圧力変動を生じさせること。
・アクチュエータにより液状物質の自由表面がノズルの開口端を越して液状物質を吐出する程度の圧力変動を生じさせること。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、少なくとも１つのノズルを含む上記の吐出ヘッドを有する装置を制御する方法である。装置は、さらに、電極に電圧を印加する静電駆動ユニットと、アクチュエータに駆動パルスを供給する圧力制御ユニットとを有し、この方法は以下のステップを含む。
・圧力制御ユニットが、アクチュエータに対して液状物質の自由表面がノズルの開口端に達する程度の圧力変動を生じさせる第１の駆動パルスを供給し、静電駆動ユニットが、電極に静電吐出のための電圧を供給すること。
・圧力制御ユニットが、アクチュエータに対して液状物質の自由表面がノズルの開口端を越して液状物質を吐出する程度の圧力変動を生じさせる第２の駆動パルスを供給すること。

本発明のさらに異なる他の態様の１つは、複数のノズルを含む上記の吐出ヘッドを有する装置を制御する方法である。すなわち、吐出ヘッドは、液状物質を吐出するための複数のノズルであって、液状物質の自由表面が複数のノズルのそれぞれの開口端より後退した位置に形成される複数のノズルと、複数のノズルの内部の圧力をそれぞれ変動することにより、液状物質の自由表面を複数のノズルのそれぞれの開口端に移動させるための複数のアクチュエータと、複数のノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、複数のノズルの開口端の外側にそれぞれ設けられた複数の電極であって、自由表面が複数のノズルのそれぞれの開口端に移動すると、液状物質が接するように設けられた複数の電極とを含む。

この装置は、さらに、複数の電極にパルス電圧を印加するための静電駆動ユニットと、複数のアクチュエータに駆動パルスを供給するための圧力制御ユニットとを有し、この装置を制御するための方法は以下のステップを含む。
・静電駆動ユニットが、複数の電極に共通のパルス電圧を印加し、圧力制御ユニットが複数のアクチュエータのそれぞれに独立した駆動パルスを供給すること。

実施形態の吐出装置の概略構成を示すブロック図。 吐出ヘッドの概略構成を示す図。 ノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は先端方向から見た図。 ノズルから液が吐出される様子を示す図であり、図４（ａ）はメニスカスが引き込まれた状態を示し、図４（ｂ）はメニスカスが開口端に移動した状態を示す。 異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図。 さらに異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は先端方向から見た図。 さらに異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は先端方向から見た図。 さらに異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図８（ａ）は断面図、図８（ｂ）は先端方向から見た図。 さらに異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は先端方向から見た図。 さらに異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は先端方向から見た図。 さらに異なる例のノズルの先端の構成を拡大して示す図であり、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は先端方向から見た図。 吐出ヘッドを動作させるためのパルス電位および駆動パルスを供給する様子を示すタイミングチャート。 吐出装置の制御を示すフローチャート。

図１に、本発明の実施形態の吐出装置の一例を示している。この吐出装置１は、フェムトリットルオーダーの液滴をターゲット２の狙った位置に吐出させる静電方式（静電吸引方式）のインクジェットヘッド（静電ヘッド）と、ピコリットルオーダーの液滴をターゲット２の狙った位置に吐出させる圧力変動方式のピエゾ型インクジェットヘッド（ピエゾヘッド）としての機能を備えた一体型の吐出ヘッド５０と、吐出ヘッド５０を搭載したヘッドブロック１０とを備えている。吐出ヘッド５０は、静電力を用いてノズル５２の先端５１よりタンク５５に収納された液状物質５５Ｌを吐出するための電極５３を備えている。タンク５５に収納された液状物質５５Ｌは、パイプ５４を介してノズル５２に供給され、ノズル５２の先端５１に導かれる。タンク５５を省略し、ノズル５２に予めセットされた液状物質５５Ｌのみを吐出するタイプであってもよい。

この吐出ヘッド５０は、さらに、ノズル５２の内部圧力の変動を用いてノズル５２の先端５１よりタンク５５に収納された液状物質５５Ｌを吐出するためのピエゾアクチュエータ（圧電素子、ピエゾ素子）５８を備えている。ノズル５２は樹脂、セラミックスまたはガラス板の積層構造、であってもよく、ガラス管であってもよい。この例ではノズル５２は、耐久性および耐腐食性のガラス管またはガラス材により構成されており、全体が非導電性（絶縁性）である。さらに、ノズル５２は、ピエゾアクチュエータ５８の伸縮により内容積の変動する圧力室（キャビティ）を備えている。

液状物質５５Ｌは、液体に限らず、液体と微粒子との混合物、水溶液、溶剤、ナノ粒子液、ＵＶ硬化液、イオン流体、オイル、液晶、接着剤、試薬、細胞や遺伝子などの生物材料を含む物質などであってもよい。ターゲット２は、これらの液状物質５５Ｌを塗布、印刷、分注、混合などするための媒体、容器、トレイなどである。

吐出装置１は、ターゲット２とヘッドブロック１０とを第１の方向（Ｚ方向）に動かしてノズル５２の先端５１とターゲット２との距離（間隔、ギャップ）を制御するためのギャップ制御機構１６と、ターゲット２をヘッドブロック１０に対し、Ｚ方向に対して垂直な方向（ＸＹ方向）に移動するための移動機構１７とを備えている。ターゲット２および／または移動機構１７は、静電方式で吐出するための電極５３と対をなす対向電極としての機能を備えており、吐出ヘッド５０の電極５３に電位（パルス状または一定の）を印加することにより電極５３とターゲット２との間に電界を形成し、静電吐出（静電吸引液滴形成）が可能となっている。

ギャップ制御機構１６の一例はＺ方向に移動可能なＺステージであり、ボールねじやリニアモーター、リニアスケール制御モーターなどの公知のアクチュエータを用いて実現できる。移動機構１７の一例はＸＹ移動テーブルである。移動機構１７は、Ｙ方向またはＸ方向にのみターゲット２を移動するための機構であってもよい。また、ギャップ制御機構１６およびＸＹ移動機構１７を１つのＸＹＺ移動テーブルで実現することも可能である。

この吐出装置１では、移動機構１７により吐出位置を決め、その位置に液状物質５５Ｌを吐出して着滴することにより描画などの処理を実行できるインクジェットオンデマンド描画装置である。さらに、この吐出装置１は、ターゲット２に対する処理で要求される解像度あるいは液滴の径により静電方式と、圧力変動方式を使い分ける。さらに、使用する方式によりターゲット２に対しヘッドブロック１０を上下（前後）に動かして、ノズル先端５１とターゲット２とのギャップを制御する。

吐出装置１は、さらに、ノズル５２の内圧を大気圧に対して負圧０〜２０ｋＰａの範囲、より好ましくは負圧０〜１０ｋＰａ、さらに好ましくは負圧１〜５ｋＰａの範囲に維持するための真空ポンプ１１と、初期設定などに用いられるステージ観察カメラ１５と、電極５３へパルス的な電圧変動を加えて静電方式による吐出を行わせるための静電駆動ユニット（静電コントローラ）１３と、圧電素子５８に駆動パルス（多くの場合はパルス的な電圧変動）を供給して静電方式および圧力変動方式の吐出を制御するための圧力制御ユニット（ピエゾコントローラ）１２とを含む。吐出装置１は、また、ＸＹ移動テーブル１７を制御するステージコントローラ１８と、吐出装置１の全体的な制御を行うコントローラユニット４０とを含む。コントローラユニット４０はモード切替機能４１と、描画機能４２とを含む。

図２に、ヘッド５０の概略構成を拡大して示している。一体型の吐出ヘッド５０は、タンク５５に連通したノズル５２を備えており、ノズル５２の先端５１がターゲット２に対向するようにヘッドブロック１０に搭載されている。このノズル５２は、ガラス管３０により構成されており、ノズル５２の先端５１を構成する、ガラス管３０のターゲット２に対向した端面３１には、ノズル５２に連通した開口３２が設けられている。ガラス管３０は先端の開口３２から後退した部分が圧力室（キャビティ）３５となり、ガラス管３０の外側に駆動用の電極５８ｅを介してピエゾ素子５８が装着されている。

この一体型のヘッド５０においては、真空ポンプ１１によりノズル５２の内圧が外気圧より３ｋＰａ程度低くなるように設定されている。このため、液状物質５５Ｌの自由表面（メニスカス）２０がノズル５２の開口端、すなわち、ガラス管３０の端面３１の開口３２の外側のエッジ（開口端）３２ｅより後退した位置に形成される。また、このヘッド５０は、ピエゾ素子５８によりキャビティ３５の容積を変更することによりノズル５２の内部の圧力を変動することが可能であり、液状物質５５Ｌのメニスカス２０をノズル５２の開口端３２ｅに移動させることができる。

さらに、ノズル５２の先端５１を形成する非導電性部材のガラス管３０の外面に電極５３が形成されており、電極５３の端５３ｅがガラス管３０の端面３１の、ノズル５２の開口端３２ｅの外側に延びている。したがって、メニスカス２０がノズル５２の開口端３２ｅに移動すると、液状物質５５Ｌが電極端部５３ｅに接して液状物質５５Ｌが帯電させられる。このため、対向電極となるように接地電位に接続されたターゲット２に液状物質５５Ｌが静電吸引され、ノズル５２の先端５１から液状物質５５Ｌがターゲット２の表面に滴下される。

図３にノズル５２の先端５１の構成を拡大して示している。図３（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図３（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。なお、ターゲット２の方向から見た図においては、示している部材を明確にするために、断面図ではないが断面と同じ表示を部分的に付している。以下においても同様である。

このノズル５２においては、その先端５１を構成するガラス管３０の端面３１の、ノズル５２の開口端３２ｅの外周に、液状物質５５Ｌに対して撥液性（撥水性）を示す疎液性の層６０が形成されており、電極５３の端（電極端部）５３ｅは疎液性の層６０の上に設けられている。

疎液性の層６０は、疎水性の層、疎溶媒性の層などであって、吐出する液状物質５５Ｌに対し撥水性または撥液性を示す層であればよい。疎液性の層６０は、たとえば、フッ素系またはシリコン系の樹脂またはコーティング液、フルオロシラン系の液剤等の撥液材料を塗布したり、ＰＴＦＥを含有する共析メッキを施したり、金チオール処理を施したり、ＣＶＤ法等によりフッ素系物質を蒸着することにより形成できる。疎液性の層６０を設けることにより、端面３１における液切れが向上する。このため、液状物質５５Ｌが電極端部５３ｅと接触する時間を短縮でき、また、液状物質５５Ｌが吐出した後に液状物質５５Ｌと電極端部５３ｅとが確実に切断されやすくなる。

このノズル５２においては、電極端部５３ｅは、ガラス管３０の端面３１の、ノズル５２の円形の開口端３２ｅの外周の一部に設けられており、開口端３２ｅの内側、すなわち、ガラス管３０の開口３２の内面（内壁面）には設けられていない。一方、液状物質５５Ｌのメニスカス２０は、ノズル５２の内圧が外気圧力より若干低いので、開口端３２ｅから後退した位置にある。したがって、通常状態（定常状態）では、液状物質５５Ｌは電極端部５３ｅには接しない。また、ガラス管３０は、耐腐食性の部材であるとともに良好な非導電性（絶縁性）部材なので、液状物質５５Ｌは電極端部５３ｅにより帯電することは少ない。

図４（ａ）に示すように、このノズル５２において、ピエゾコントローラ１２から適当な電圧の駆動パルスを供給してピエゾ素子５８を変形させてキャビティ３５を膨張させると、ノズル５２の先端５１はさらに負圧になり、メニスカス２０はノズル５２の内部に引き込まれる。次に、図４（ｂ）に示すように、ピエゾ素子５８の形状が復帰するとキャビティ３５も復元され、その結果、メニスカス２０はノズル５２の開口端３２ｅに向かって押し出される。ノズル開口３２に連通するインク室（キャビティ）３５を膨張させてから収縮させるという方式は、ピエゾを用いたインクジェット方式では「引き打ち」方式と呼ばれており、吐出されるインク滴の重量を少なくできるというメリットと、吐出前後のメニスカスの形状を制御し易いというメリットとを備えており、液滴を飛散させずに所定の方向に吐出するために有用な方式である。たとえば、特開２００５−１０４１６３号などに駆動パルスなどを含めて記載されている。

図４（ｂ）に示したようにメニスカス２０が開口端３２ｅの付近に到達したり、メニスカス２０が開口端３２ｅから突出したような状態になると、液状物質５５Ｌは電極端部５３ｅに接する。このタイミングで、または若干前後して、静電コントローラ１３から電極５３にパルス状の電圧（電位）が印加されると、液状物質５５Ｌの開口端３２ｅに達した部分が帯電される。引き打ち方式で開口端３２ｅに移動されたメニスカス２０は、多くの場合、メニスカス２０の中心部分２１がターゲット２に向けて突出した形状となる。このため、メニスカス２０の先端２２に電界が集中するので、先端２２から対向電極であるターゲット２に向けたジェット流２５が生じる。これにより、液状物質５５Ｌの一部がターゲット２である基板などに移動して液滴として着弾あるいは塗布された状態となる。

したがって、この一体型のヘッド５０においては、ノズル５２の内部の液状物質５５Ｌはほとんど帯電されることはなく、電極５３と液状物質５５Ｌとが接触する時間はごく短時間に限られる。さらに、パルス状の電位が電極５３に供給される場合は、液状物質５５Ｌの帯電した部分はターゲット２に移動した後、ターゲット２とノズル先端５１とは瞬間的に同電位、すなわち、接地電位になる。したがって、この吐出ヘッド５０により、液状物質５５Ｌが帯電することにより変質したり、濃度分布が偏ったりすることはなく、さらに、液状物質５５Ｌが電極５３との接触により影響を受けることもほとんどない。さらに、ガラス管３０は、多種多様な液状物質５５Ｌに対して安定している。このため、この吐出ヘッド５０により多種多様な液状物質を、微小量、たとえば、フェムトリットルの単位で精度よくターゲット２に塗布したり、分注したりすることができる。

さらに、この一体型ヘッド５０においては、図２に示すように、ピエゾコントローラ１２からパルス幅および／または高さの小さい駆動パルス（第１の駆動パルス）１２Ｐ１と、パルス幅および／またはパルス高さの大きな駆動パルス（第２の駆動パルス）１２Ｐ２とをピエゾ素子５８に供給できる。メニスカス２０がノズル開口端３２ｅに達する程度の小エネルギーの駆動パルス１２Ｐ１をピエゾ素子５８に供給し、圧力変動をピエゾ素子５８により得ることにより、上記のように静電吸引方式あるいは静電アシスト方式で、液状物質５５Ｌをターゲット２に吐出できる。すなわち、一体型ヘッド５０を静電ヘッドとして使用できる。圧力変動のみであればノズル先端５１から分離されないような液柱を、静電力によりターゲット２に向けて射出する方式を、静電アシスト方式と呼ぶことがある。

また、液状物質５５Ｌのメニスカス２０がノズル開口端３２ｅを越えて液状物質５５Ｌが静電力がなくても吐出されるような大エネルギーの駆動パルス１２Ｐ２をピエゾ素子５８に供給することにより、オンデマンドのピエゾヘッドとして、一体型ヘッド５０を使用できる。一体型ヘッド５０をピエゾヘッドとして使用することにより、ピコリットル程度の比較的容量の大きな液滴をターゲット２に吐出できる。さらに、この一体型のヘッド５０においては、上記の範囲で、様々なエネルギーの駆動パルスとパルス電位とを組み合わせることにより、様々な量の液滴をターゲット２に吐出することが可能となる。

図５に、一体型ヘッド５０の異なる例を示している。上記のヘッドと共通する構成については同じ符号を付している。以下の実施例においても同様である。この一体型の吐出ヘッド５０においては、ノズル５２の開口端３２ｅの内面３３に、外周の疎液性の層６０と連続するように形成された内側の疎液性の層６１をさらに備えている。疎液性の層６０を内側まで設けることにより、液状物質５５Ｌの液切れをさらに促進でき、より安定した吐出性能が得られる。また、このヘッド５０においても、ノズル５２の内圧を下げてメニスカス２０を開口端３２ｅから後退させているが、ノズル先端５１の内面３３に設けた疎液性の層６１によってもメニスカス２０を開口端３２ｅから後退させることができる。また、ノズル５２の内圧を下げる方法は、真空ポンプ１１を設けることに代わり、タンク５５の設置高さをノズル５２の先端５１に対して低くすることであってもよい。

図６に、一体型ヘッド５０のさらに異なる例を示している。図６（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図６（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。このヘッド５０においては、ノズル５２の内側であるガラス管３０の内面３３に、ノズル５２の開口端３２ｅから後退した位置が終端６５ｅとなるように芯６５を設けている。芯（ロッド）６５は、典型的にはガラス棒であり、断面は円、楕円、多角形のいずれであってもよい。芯６５とガラス管３０の内面３３との毛管現象により液面（メニスカス）２０を芯６５の終端６５ｅの位置に制御できる。したがって、定常状態において液状物質５５Ｌの自由表面（メニスカス）２０をノズル５２の開口端３２ｅより後退した位置に保持できる。終端６５ｅと開口端３２ｅとの距離ｈは、３００μｍ以内であることが望ましい。

また、電極端部５３ｅは、ガラス管３０の端面３１の、開口端３２ｅから若干後退した位置に配置している。これにより、液状物質５５Ｌの液切れをさらに促進でき、より安定した吐出性能が得られる。

図７に、一体型ヘッド５０のさらに異なる例を示している。図７（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図７（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。このヘッド５０においては、ノズル５２の内側であるガラス管３０の内面３３に、ノズル５２の開口端３２ｅから後退した位置が終端６６ｅとなるように溝６６を設けている。溝６６の断面は半円、多角形のいずれであってもよい。溝６６とガラス管３０の内面３３との毛管現象により液面（メニスカス）２０を溝６６の終端６６ｅの位置に制御できる。したがって、定常状態において液状物質５５Ｌの自由表面（メニスカス）２０をノズル５２の開口端３２ｅより後退した位置に保持できる。終端６６ｅと開口端３２ｅとの距離ｈは、３００μｍ以内であることが望ましい。

図８に、一体型ヘッド５０のさらに異なる例を示している。図８（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図８（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。このヘッド５０においては、液状物質５５Ｌに静電力を付与するための電極端部５３ｅを、ガラス管３０の端面３１の、ノズル５２の開口端３２ｅから外側へ後退した位置に設け、その内側にノズル５２の開口端３２ｅと電極端部５３ｅとを連結し、液状物質５５Ｌが電極端部５３ｅに到達しやすいように、開口端３２ｅの外側に限定して親液性の層６２を設けている。ノズル内の圧力変動により開口端３２ｅの近傍に達した液状物質５５Ｌを、親液性の層６２により電極端部５３ｅに導き、液状物質５５Ｌを確実に帯電させることができる。

親液性の層６２は、吐出する液状物質５５Ｌに対して親水性または親溶媒性を示す層であればよい。親液層６２は、プラズマ処理やオゾン処理等により端面３１を部分的に親液状態にして親液層６２を形成する方法や、酸化チタンＴｉＯ_２をコーティングし、紫外線を照射することにより、端面３１の上に親液層６２を形成（積層）する方法を採用することが可能である。本装置１に、親液性を持続的に維持するために、水銀の紫外線照射装置を搭載したり、ＵＶ−ＬＥＤランプを搭載して、本ヘッド５０のノズル先端部５１を定期的に照射する機構を設けることは有用である。

図９に、一体型ヘッド５０のさらに異なる例を示している。図９（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図９（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。このヘッド５０においては、ノズル５２の開口端３２ｅの内面３３に、外側に設けられた親液性の層６２と連結するように、内側の親液性の層６３を設けている。ノズル内の圧力変動により開口端３２ｅの近傍に達した液状物質５５Ｌを、親液性の層６３および６２により電極端部５３ｅに導き、液状物質５５Ｌをさらに確実に帯電させることができる。

さらに、この一体型ヘッド５０においては、円形の開口端３２ｅの全周に沿って親液性の層６２および６３を設け、さらにその外側に、円形の開口端３２ｅの全周に沿って電極端部５３ｅを設けている。したがって、ノズル内の圧力変動により開口端３２ｅの近傍に達した液状物質５５Ｌのいずれかの部分を、親液性の層６３および６２により電極端部５３ｅに導くことができ、液状物質５５Ｌをさらに確実に帯電させ、いっそう容易に静電吸引により液状物質５５Ｌを吐出できる。

図１０に、一体型ヘッド５０のさらに異なる例を示している。図１０（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図１０（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。ノズル５２においては、端面３１に対して疎液性および親液性の処理を施さずに電極端部５３ｅを形成している。ノズル５２を形成する部材３０が液状物質５５Ｌに対してある程度の接触角を有し、疎液性を示す場合は、撥液性（疎液性）を持つ層６０または６１を形成しなくても疎液性の層を形成したのと同様の効果が得られる。また、ノズル５２を形成する部材３０が液状物質５５Ｌに対して親液性を示す場合は、親液性の層６２または６３を形成しなくても親液性の層を形成したのと同様の効果が得られる。

図１１に、一体型ヘッド５０のさらに異なる例を示している。図１１（ａ）は、ノズル５２の先端５１の構成を、ノズル５２の軸方向に沿って切った断面図により示している。図１１（ｂ）はノズル５２の先端５１をターゲット２の方向から見た様子を示している。このヘッド５０は、複数のノズル５２を含み、端面３１に複数の開口端３２ｅが形成されている。

すなわち、この吐出ヘッド５０は、液状物質５５Ｌを吐出するための複数のノズル５２と、複数のノズル５２の内部の圧力をそれぞれ変動することにより、液状物質５５Ｌのメニスカス２０を複数のノズル５２のそれぞれの開口端３２ｅに移動させるための複数のアクチュエータ（不図示）と、複数のノズル５２の先端５１を形成する非導電性部材（この例ではガラス加工品）の端面３１の、複数のノズル５２の開口端３２ｅの外側に設けられたそれぞれ複数の電極端部５３ｅとを有する。それぞれのノズル５２において、それぞれのノズル５２の内部の自由表面（メニスカス）２０が、それぞれのノズル５２の開口端３２ｅに移動すると、それぞれのノズル５２内の液状物質５５Ｌが、それぞれのノズル５２の外側に設けられた電極端部５３ｅにそれぞれ接して帯電させられる。なお、電極端部５３ｅを共通の電極とせず、個別独立の電極として形成しても良い。

さらに、端面３１の開口端３２ｅの外側には疎液性の層６０が設けられ、各ノズル５２の内部には、ガラス製の芯６５が取り付けられており、各ノズル５２内のメニスカス２０が各ノズル５２の開口端３２ｅからノズル５２の内部に後退した位置になるようにしている。また、各ノズル５２の開口端３２ｅに設けられた静電力を付与するための電極端部５３ｅは、共通の電極５３ｃに電気的に接続されている。したがって、複数のノズル５２の電極端部５３ｅには静電コントローラ１３から共通のパルス電位１３ｐが印加されるようになっている。

図１２に、複数のノズル５２を含む吐出ヘッド５０にパルス電位１３ｐと、駆動パルス１２ｐ１とを供給する様子をタイミングチャートにより示している。時刻ｔ１に、ｎ番目とｎ＋１番目のノズル５２にピエゾコントローラ１２から駆動パルス１２ｐ１が供給される。この駆動パルス１２ｐ１により、ｎ番目とｎ＋１番目のノズル５２においてメニスカス２０がノズル開口端３２ｅに移動する。メニスカス２０がノズル開口端３２ｅに達したいタイミングの時刻ｔ２にｎ番目とｎ＋１番目を含めたすべてのノズル５２の電極端部５３ｅに静電コントローラ１３からパルス電位１３ｐが供給される。メニスカス２０がノズル開口端３２ｅに到達し、液状物質５５Ｌが電極端部５３ｅに接しているｎ番目とｎ＋１番目のノズル５２においては液状物質５５Ｌが帯電させられて吐出される。液状物質５５Ｌが吐出されると、メニスカス２０が定常状態のノズル開口端３２ｅから後退した位置に戻る。このため、時刻ｔ３においては、液状物質５５Ｌは、ｎ番目とｎ＋１番目のノズル５２においても電気的に電極端部５３ｅから遮断される。

時刻ｔ４においては、ｎ＋１番目のノズル５２にのみピエゾコントローラ１２から駆動パルス１２ｐ１が供給される。この駆動パルス１２ｐ１により、ｎ＋１番目のノズル５２のメニスカス２０がノズル開口端３２ｅに移動し、ｎ番目のノズル５２のメニスカス２０は移動しない。したがって、時刻ｔ５にすべてのノズル５２の電極端部５３ｅに静電コントローラ１３からパルス電位１３ｐが供給されると、ｎ＋１番目のノズル５２から液状物質５５Ｌが吐出され、ｎ番目のノズル５２からは液状物質は吐出されない。時刻ｔ７においては、上記と逆に、ｎ番目のノズル５２にのみピエゾコントローラ１２から駆動パルス１２ｐ１が供給され、時刻ｔ８にｎ番目のノズル５２から液状物質５５Ｌが吐出され、ｎ＋１番目のノズル５２からは液状物質５５Ｌが吐出されない。

このように、この吐出ヘッド５０を備えた吐出装置１においては、ピエゾコントローラ１２により供給される駆動パルス１２ｐ１により各ノズル５２からの静電吸引による液滴の吐出を制御できる。したがって、ピエゾ型のインクジェットプリンタと同様または類似の制御で、静電吸引方式または静電アシスト方式により液滴を吐出または分注などを行う装置を制御できる。さらに、常時は、吐出対象の液状物質５５Ｌを帯電させることなく、また、電極に接触させることなく静電吸引方式または静電アシスト方式により液滴を吐出できる。

さらに、時刻ｔ１０には、ｎ番目のノズル５２に小エネルギーの駆動パルス１２ｐ１を供給し、ｎ＋１番目のノズル５２には大エネルギーの駆動パルス１２ｐ２を供給している。したがって、ｎ番目のノズル５２からは静電方式により液滴が吐出され、ｎ＋１番目のノズル５２からはオンデマンドのピエゾ駆動方式（圧力変動方式）により液体が吐出される。

また、時刻ｔ１１には、ｎ番目およびｎ＋１番目のノズル５２に大エネルギーの駆動パルス１２ｐ２を供給している。このため、ｎ番目およびｎ＋１番目のノズル５２からオンデマンドのピエゾ駆動方式（圧力変動方式）により液体が吐出される。このように、本例の吐出ヘッド５０を備えた吐出装置１においては、静電方式による吐出（液滴の形成）と、圧力変動方式による吐出（液滴の形成）とをピエゾ素子５８を駆動するパルスのエネルギーを変えるだけで簡単に制御できる。さらに、複数の吐出ヘッド５０を含む吐出装置１においては、それぞれの吐出ヘッド５０の吐出方法を、吐出ヘッド５０の単位でバリアブルに選択することが可能である。

図１３に、吐出装置１のコントローラユニット４０の制御動作の概要をフローチャートにより示している。ステップ８１において、モード切替機能４１はパーソナルコンピュータ５のアプリケーションからの描画あるいは分注などの要求により静電方式による吐出か、圧力変動方式による吐出かを選択する。静電方式が選択されると、描画機能４２は、ステップ８２で、ピエゾコントローラ（圧力制御ユニット）１２により小エネルギーの駆動パルス１２ｐ１を吐出ヘッド５０のピエゾ素子５８に供給する。複数のノズル５２を含む吐出ヘッド５０においては、吐出が要求されるノズル５２のピエゾ素子５８に駆動パルス１２ｐ１を供給する。

次いで、ステップ８３において、描画機能４２は、静電コントローラ（静電駆動ユニット）１３により静電駆動用のパルス電位１３ｐを吐出ヘッド５０の静電駆動用の電極５３に供給する。複数のノズル５２を含む吐出ヘッド５０においては、各ノズル５２の電極端部５３ｅに共通のタイミングでパルス電位１３ｐを供給するか、または、各ノズル５２の電極端部５３ｅに共通の電極５３ｃへパルス電位１３ｐを供給する。これにより、ターゲット２に対して所望のノズル５２から微小な、フェムトリットル程度の液滴が吐出される。

一方、ステップ８１において圧力変動方式が選択されると、描画機能４２は、ステップ８４で、ピエゾコントローラ１２を介して大エネルギーの駆動パルス１２ｐ２を吐出ヘッド５０のピエゾ素子５８に供給する。複数のノズル５２を含む吐出ヘッド５０においては、吐出が要求されるノズル５２のピエゾ素子５８に駆動パルス１２ｐ２を供給する。これにより、ターゲット２に対して所望のノズル５２からピコリットル程度の液滴が吐出される。

ステップ８４において吐出される液滴が電極端部５３ｅにより得られる静電力によりそれほど影響を受けないのであれば、小エネルギーの駆動パルス１２ｐ１と、大エネルギーの駆動パルス１２ｐ２とを同時に、並行して所望のノズル５２のピエゾ素子５８に供給することも可能である。したがって、フェムトリットル程度の微小の液滴と、ピコリットル程度の比較的大きな液滴とを同時にターゲット２に向けて吐出することも可能である。

このように、この吐出ヘッド５０を搭載した装置１においては、各ノズル５２をノズル単位で静電方式の吐出と、圧力変動方式による吐出とを自由に使い分けることができ、様々なアプリケーションの要求に答えることができる。

さらに、静電吸引および静電アシストを含む静電方式で液状物質を吐出するために、通常状態では帯電させる必要がなく、さらに、電極とも接触させる必要がない。したがって、吐出対象の液状物質としては、インク、水などの液体に限らず、液体と微粒子との混合物、水溶液、溶剤、ナノ粒子液、ＵＶ硬化液、イオン流体、オイル、液晶、接着剤、試薬、細胞や遺伝子などの生物材料を含む物質など、様々な物質を、その物質の特性や成分に影響をほとんど与えずに静電方式で吐出できる。さらに、ノズル全体をガラスなどの絶縁性で耐食性の高い部材で形成することが可能となり、この点でも、さまざまな物質を、静電方式を用いて吐出するのに適している。

なお、以上では、幾つかの例を用いて本発明を説明しているが、たとえば、上述した幾つかの例を組み合わせたり、一部のみを適用して本発明を実現することは当業者であれば可能である。

１ 吐出装置、 １０ ヘッドブロック、 ５０ 吐出ヘッド

Claims (19)

1. 液状物質を吐出するためのノズルであって、前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端より後退した位置に形成されるノズルと、
   前記ノズルの内部の圧力を変動することにより、前記液状物質の自由表面を前記ノズルの開口端に移動させるためのアクチュエータと、
   前記ノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、前記ノズルの開口端の外側に設けられた電極であって、前記自由表面が前記ノズルの開口端に移動すると、前記液状物質が接するように設けられた電極とを有する吐出ヘッド。
2. 請求項１において、前記非導電性部材の端面の、前記ノズルの開口端の外周に疎液性の層が形成されており、前記電極は前記疎液性の層の上に設けられている、吐出ヘッド。
3. 請求項２において、前記非導電性部材の、前記ノズルの開口端の内側に、前記外周の疎液性の層と連続するように形成された内側の疎液性の層をさらに有する、吐出ヘッド。
4. 請求項１において、前記電極は、前記非導電性部材の端面の、前記ノズルの開口端から外側へ後退した位置に設けられており、
   前記非導電性部材の端面の、前記ノズルの開口端と前記電極とを連結するように、前記開口端の外側に設けられた親液性の層をさらに有する、吐出ヘッド。
5. 請求項４において、前記非導電性部材の、前記ノズルの開口端の内側に、前記外側に設けられた親液性の層と連結するように設けられた内側の親液性の層をさらに有する、吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記電極は、前記ノズルの開口端に沿った外側に、前記ノズルの開口端を囲うように設けられている、吐出ヘッド。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記ノズルの内側に、前記ノズルの開口端から後退した位置が終端となるように設けられた芯または溝をさらに有する、吐出ヘッド。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記ノズルの内部を外気に対して負圧に維持する圧力制御ユニットをさらに有する、吐出ヘッド。
9. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記液状物質を収納したタンクであって、前記ノズルの開口端より下側に配置されたタンクをさらに有する、吐出ヘッド。
10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、前記アクチュエータは、前記ノズルの内容積を膨張させてから復元し、前記液状物質の自由表面を前記ノズルの開口端からさらに後退させてから前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端に到達するようにする、吐出ヘッド。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、前記非導電性部材の端面に複数の前記ノズルの開口端が形成されている、吐出ヘッド。
12. 請求項１１において、前記複数のノズルの開口端の外側に複数の前記電極がそれぞれ設けられており、前記複数の電極は電気的に繋がっている、吐出ヘッド。
13. 請求項１２に記載の吐出ヘッドと、
    前記複数の電極に共通のパルス電圧を印加する静電駆動ユニットと、
    前記複数のノズルのそれぞれの前記アクチュエータに、それぞれ駆動パルスを供給する圧力制御ユニットとを有する装置。
14. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の吐出ヘッドと、
    前記吐出ヘッドにより前記液状物質が吐出されるターゲットを前記吐出ヘッドに対して相対的に移動させる移動機構とを有する装置。
15. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の吐出ヘッドと、
    前記電極に電圧を印加する静電駆動ユニットと、
    前記アクチュエータに駆動パルスを供給する圧力制御ユニットとを有する装置。
16. 請求項１５において、前記圧力制御ユニットは、前記アクチュエータに対して前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端に達する程度の圧力変動を生じさせる第１の駆動パルスを供給する機能と、
    前記アクチュエータに対して前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端を越して前記液状物質を吐出する程度の圧力変動を生じさせる第２の駆動パルスを供給する機能とを含む、装置。
17. 液状物質を吐出するためのノズルであって、前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端より後退した位置に形成されるノズルと、前記ノズルの内部の圧力を変動することにより、前記液状物質の自由表面を前記ノズルの開口端に移動させるためのアクチュエータと、前記ノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、前記ノズルの開口端の外側に設けられた電極であって、前記自由表面が前記ノズルの開口端に移動すると、前記液状物質が接するように設けられた電極とを有する吐出ヘッドにより前記液状物質を吐出する方法であって、
    前記アクチュエータにより前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端に達する程度の圧力変動を生じさせることと、
    前記アクチュエータにより前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端を越して前記液状物質を吐出する程度の圧力変動を生じさせることとを含む方法。
18. 吐出ヘッドを有する装置を制御する方法であって、
    前記吐出ヘッドは、液状物質を吐出するためのノズルであって、前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端より後退した位置に形成されるノズルと、
    前記ノズルの内部の圧力を変動することにより、前記液状物質の自由表面を前記ノズルの開口端に移動させるためのアクチュエータと、
    前記ノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、前記ノズルの開口端の外側に設けられた電極であって、前記自由表面が前記ノズルの開口端に移動すると、前記液状物質が接するように設けられた電極とを含み、
    前記装置は、さらに、前記電極に電圧を印加する静電駆動ユニットと、前記アクチュエータに駆動パルスを供給する圧力制御ユニットとを有し、
    当該方法は、
    前記圧力制御ユニットが、前記アクチュエータに対して前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端に達する程度の圧力変動を生じさせる第１の駆動パルスを供給し、前記静電駆動ユニットが、前記電極に静電吐出のための電圧を供給することと、
    前記圧力制御ユニットが、前記アクチュエータに対して前記液状物質の自由表面が前記ノズルの開口端を越して前記液状物質を吐出する程度の圧力変動を生じさせる第２の駆動パルスを供給することとを有する、方法。
19. 吐出ヘッドを有する装置を制御する方法であって、
    前記吐出ヘッドは、液状物質を吐出するための複数のノズルであって、前記液状物質の自由表面が前記複数のノズルのそれぞれの開口端より後退した位置に形成される複数のノズルと、
    前記複数のノズルの内部の圧力をそれぞれ変動することにより、前記液状物質の自由表面を前記複数のノズルのそれぞれの開口端に移動させるための複数のアクチュエータと、
    前記複数のノズルの先端を形成する非導電性部材の端面の、前記複数のノズルの開口端の外側にそれぞれ設けられた複数の電極であって、前記自由表面が前記複数のノズルのそれぞれの開口端に移動すると、前記液状物質が接するように設けられた複数の電極とを含み、
    前記装置は、さらに、前記複数の電極にパルス電圧を印加するための静電駆動ユニットと、前記複数のアクチュエータに駆動パルスを供給するための圧力制御ユニットとを有し、
    当該方法は、
    前記静電駆動ユニットが、前記複数の電極に共通のパルス電圧を印加し、前記圧力制御ユニットが前記複数のアクチュエータのそれぞれに独立した駆動パルスを供給することを有する方法。

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