JP6827748B2 - 液滴噴射ヘッド及び液滴噴射装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、液滴噴射ヘッド及び液滴噴射装置に関する。

生物学、薬学などの分野の研究開発や医療診断や検査、農業試験において、ピコリットル（ｐＬ）からマイクロリットル（μＬ）の液体を分注する操作を行うことがある。例えばガン細胞に対して、効果的に攻撃するのに必要な化合物の濃度を決定するステージにおいて、低容量の液体の分注は重要な作業である。

これらは一般に用量応答実験と呼ばれ、化合物の有効濃度を決定するため、多くの異なった濃度の化合物をマイクロプレートのウエルなどの容器内に作成する。このような用途で使用されるオンデマンド型の液滴噴射ヘッドを搭載した液滴噴射装置がある。この液滴噴射ヘッドは、例えば、溶液を保持する溶液保持容器と、溶液を吐出するノズルと、溶液保持容器とノズルとの間に配置される圧力室と、圧力室内の溶液の圧力を制御するアクチュエータとを備える。

この液滴噴射ヘッドは、ノズルから吐出される１滴の液量がｐＬオーダーであり、滴下回数を制御することにより、各ウエルにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下することが可能である。そのため、この液滴噴射ヘッドを搭載した液滴噴射装置は、用量応答実験に代表される多くの異なった濃度の化合物を分注する作業やｐＬからナノリットル（ｎＬ）の極微少量の分注作業に適した装置である。

この液滴噴射ヘッドが備えるアクチュエータとしては、圧電アクチュエータが液滴を噴射するノズルを有する構造も可能であり、例えばインクジェットヘッドの用途として、特許文献１が開示されている。

特開２０１４−１７２２９２号公報

この従来技術の圧電アクチュエータは、ノズルが設けられているため、ノズルの液滴噴射方向の長さがアクチュエータの厚みと同一となる。駆動効率の観点から、アクチュエータの厚みは薄い方が望ましいため、ノズルの長さも制約される。

揮発性の高い溶液に溶解された化合物を、マイクロプレートのウエルなどの複数の容器内に滴下する際は、溶液の揮発により化合物の濃度が変化しないよう、短時間で滴下作業を完了する必要がある。このため、ノズルから吐出する溶液の吐出速度を高くすることを試みている。

しかし、従来技術の圧電アクチュエータは、ノズルの液滴噴射方向の長さが短いため、ノズルから吐出する溶液の吐出速度を上げようとすると、溶液を吐出した直後に、意図しない溶液が吐出してしまう現象が生じる可能性がある。このような場合は、目標の滴下量よりも多くの溶液が滴下される課題があった。

本実施形態の課題は、高い吐出速度においても溶液を吐出した後に、意図しない溶液が吐出することがなく、短時間で目標の溶液量を正確に滴下することができる、ノズルを備えた圧電アクチュエータを有する液滴噴射ヘッド及びこれを備える液滴噴射装置を提供することである。

実施形態の液滴噴射ヘッドは、基板と、アクチュエータと、溶液保持容器と、を有する。基板は、溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記圧力室へ溶液を供給する側の第１の面と前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第２の面を有する。アクチュエータは、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記溶液に圧力振動を生じさせるとともに、前記ノズルを有する。溶液保持容器は、溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有し、前記第１の面に配置される。さらに、前記液滴噴射ヘッドは、前記ノズルの液滴噴射方向の長さが前記アクチュエータの厚みと同一となる。そして、前記圧力室及び前記ノズルに溶液が充填された状態での前記アクチュエータの１次固有振動周期をλとする時、前記電気信号は、第１電圧と、前記第１電圧より前記圧力室の容積を大きくする第２電圧と、前記第１電圧と前記第２電圧との間の第３電圧を含む。前記第１電圧から前記第２電圧に変化し、λ時間経過後に前記第３電圧から前記第１電圧に変化することで、前記溶液保持容器中の溶液を前記ノズルから吐出する。

図１は、一実施の形態である液滴噴射ヘッドを備えた液滴噴射装置の概略構成を示す斜視図である。 図２は、液滴噴射ヘッドを示す上面（溶液保持容器側）の平面図である。 図３は、液滴噴射ヘッドを示す下面（液滴噴射側）の平面図である。 図４は、液滴噴射ヘッドの図２のＦ４−Ｆ４線の縦断面図である。 図５は、液滴噴射ヘッドの液滴噴射アレイを示す平面図である。 図６は、液滴噴射ヘッドの図５のＦ６−Ｆ６線の縦断面図である。 図７は、液滴噴射ヘッドのアクチュエータ構造を示す縦断面図である。 図８は、第１の実施例におけるグラフである。 図９は、第１の実施例における電圧Ｖ３が電圧Ｖ２と等しい場合のグラフである。 図１０は、第２の実施例におけるグラフである。 図１１は、第３の実施例におけるグラフである。 図１２は、第４の実施例におけるグラフ。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際のものと異なる個所があるが、これらは適宜、設計変更することができる。

一実施の形態である液滴噴射ヘッド及びこれを備える液滴噴射装置の一例について図１乃至図７を参照して説明する。
図１は、液滴噴射ヘッド２を備えた液滴噴射装置１を示す斜視図である。図２は、液滴噴射ヘッド２の上面図であり、図３は液滴噴射ヘッド２の液滴を噴射する面である下面図を示す。図４は、図２のＦ４−Ｆ４線断面図を示す。図５は、液滴噴射ヘッド２の液滴噴射アレイ２７を示す平面図である。図６は、図５のＦ６−Ｆ６線断面図である。図７は、液滴噴射ヘッド２のノズル１１０の周辺構造を示す縦断面図である。

液滴噴射装置１は、矩形平板状の基台３と、液滴噴射ヘッド装着モジュール５と、駆動回路１１と、を有する。本実施形態では、生化学分野の分析や臨床検査などで一般的に用いられているマイクロプレートの中で、９６穴のマイクロプレート４へ溶液を滴下する実施形態について説明する。

マイクロプレート４は、基台３の中央位置に固定されている。基台３の上には、マイクロプレート４の両側に、Ｘ方向に延設された左右一対のＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂを有する。各Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂの両端部は、基台３上に突設された、固定台７ａ、７ｂに固定されている。

Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂ間には、Ｙ方向に延設されたＹ方向ガイドレール８が架設されている。Ｙ方向ガイドレール８の両端は、Ｘ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に摺動可能なＸ方向移動台９にそれぞれ固定されている。

Ｙ方向ガイドレール８には、液滴噴射ヘッド装着モジュール５がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動可能なＹ方向移動台１０が設けられている。このＹ方向移動台１０には、液滴噴射ヘッド装着モジュール５が装着されている。この液滴噴射ヘッド装着モジュール５には、本実施形態の液滴噴射ヘッド２が固定されている。これにより、Ｙ方向移動台１０がＹ方向ガイドレール８に沿ってＹ方向に移動する動作と、Ｘ方向移動台９がＸ方向ガイドレール６ａ、６ｂに沿ってＸ方向に移動する動作との組み合わせにより、液滴噴射ヘッド２は、直交するＸＹ方向の任意の位置に移動可能に支持されている。

液滴噴射ヘッド２は、平板状の電装基板２１を有する。図２に示すようにこの電装基板２１の表面側（第１の面２１ａ）には、複数、本実施形態では８個の溶液保持容器２２がＹ方向に一列に並設されている。溶液保持容器２２は、図４に示すように上面が開口された有底円筒形状の容器である。さらに、溶液保持容器２２の底部には、中心位置に溶液出口となる開口部２２ａが形成されている。上面開口部２２ｂの開口面積は、溶液出口の開口部２２ａの開口面積よりも大きくなっている。

図３に示すように電装基板２１には、溶液保持容器２２の溶液出口の開口部２２ａより大径な貫通孔である矩形状の開口部２１ｃが形成されている。図４に示すように、溶液保持容器２２の底部は、電装基板２１の第１の面２１ａに、溶液保持容器２２の溶液出口の開口部２２ａが電装基板２１の開口部２１ｃ内に位置するよう接着固定されている。

電装基板２１の裏面側（第２の面２１ｂ）には、電装基板配線２４がパターニング形成されている。この電装基板配線２４には、後述する下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃとそれぞれ接続される２つの配線パターン２４ａ、２４ｂが形成されている。

電装基板配線２４の一端部には、駆動回路１１からの電気信号（駆動信号ともいう）を入力するための電気信号入力端子２５が形成されている。電装基板配線２４の他端部には、電極端子接続部２６を備える。電極端子接続部２６は、図５に示す後述する液滴噴射アレイ２７に形成された下部電極端子部１３１ｃ及び上側電極端子部１３３ｃと接続するための接続部である。

溶液保持容器２２の下面には、溶液保持容器２２の開口部２２ａを覆う状態で図５に示す液滴噴射アレイ２７が接着固定されている。この液滴噴射アレイ２７は、電装基板２１の開口部２１ｃと対応する位置に配置されている。

図６に示すように液滴噴射アレイ２７は、ノズルプレート１００と、圧力室構造体２００とが積層されて形成されている。ノズルプレート１００は、溶液を吐出するノズル１１０を有するアクチュエータ１０１と、後述する下部電極配線部１３１ｂと端子部１３１ｃ、上側電極配線部１３３ｂと端子部１３３ｃを備える。本実施形態では、図５に示すように複数のノズル１１０を有するアクチュエータ１０１は、例えば３×３列に配列される。隣接するノズルの中心間距離ｄ１は２５０μｍとする。

図７に示すようにアクチュエータ１０１は、振動板１２０、駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０、撥液膜１６０、ノズル１１０で構成されている。振動板１２０は、例えば圧力室構造体２００と一体に形成される。圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理すると、シリコンウエハ２０１の表面にＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜が形成される。振動板１２０は、酸素雰囲気で加熱処理して形成されるシリコンウエハ２０１の表面の厚さ４μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を用いる。振動板１２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。振動板１２０は、直径２０μｍのノズル１１０を備えている。

振動板１２０の膜厚は、１〜３０μｍの範囲が好ましい。振動板１２０は、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜に代えて、ＳｉＮ（窒化シリコン）等の半導体材料、或いは、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）等を用いることもできる。

駆動素子１３０は、ノズル１１０を囲む円環状の形状である。駆動素子１３０の形状は限定されず、例えば円環の一部を切り欠いたＣ字状でも良い。図７に示すように駆動素子１３０は、圧電体である圧電体膜１３２を挟んで下部電極１３１の電極部１３１ａと、上部電極１３３の電極部１３３ａとを備える。電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａは、ノズル１１０と同軸であり、同じ大きさの円形パターンである。

下部電極１３１は、円形の複数のノズル１１０と同軸の円形の複数の電極部１３１ａをそれぞれ備える。例えば、ノズル１１０の直径２０μｍに対し、電極部１３１ａの外径を１３３μｍ、内径を４２μｍとする。図５に示すように下部電極１３１は、複数の電極部１３１ａを接続する配線部１３１ｂを備え、配線部１３１ｂの端部に端子部１３１ｃを備える。

駆動素子１３０は、下部電極１３１の電極部１３１ａ上に例えば厚さ２μｍの圧電材料である圧電体膜１３２を備える。圧電体膜１３２は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電体膜１３２は、例えばノズル１１０と同軸であって、電極部１３１ａと同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。圧電体膜１３２の膜厚は、概ね１〜５μｍの範囲となる。圧電体膜１３２は、例えばＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＺｎＯ、ＡｌＮ等の圧電材料を用いることもできる。

圧電体膜１３２は、厚み方向に分極を発生する。分極と同じ方向の電界を圧電体膜１３２に印加すると、圧電体膜１３２は、電界方向と直交する方向に伸縮する。言い換えると、圧電体膜１３２は、膜厚に対して直交する方向に収縮し、或いは伸長する。

駆動素子１３０の上部電極１３３は、圧電体膜１３２上にノズル１１０と同軸であって、圧電体膜１３２と同一形状の外径が１３３μｍ、内径が４２μｍの円環状の形状である。図５に示すように上部電極１３３は、複数の電極部１３３ａを接続する配線部１３３ｂを備え、配線部１３３ｂの端部に端子部１３３ｃを備える。

下部電極１３１は、例えばスパッタリング法によりＴｉ（チタン）とＰｔ（白金）を積層して厚さ０．５μｍに形成する。下部電極１３１の膜厚は、概ね０．０１〜１μｍの範囲となる。下部電極１３１は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、ＳｒＲｕＯ_３（ストロンチウムルテニウム酸化物）等の他の材料を使用できる。下部電極１３１は、各種金属を積層して使用することもできる。

上部電極１３３は、Ｐｔ薄膜で形成した。薄膜の成膜はスパッタリング法を用い、膜厚０．５μｍとした。上部電極１３３の他の電極材料として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ａｕ、ＳｒＲｕＯ_３などを利用することも可能である。他の成膜法として、蒸着、鍍金を用いることも可能である。上部電極１３３は、各種金属を積層して使用することもできる。上部電極１３３の望ましい膜厚は０．０１から１μｍである。

アクチュエータ１０１は、下部電極１３１と、上部電極１３３とを絶縁する絶縁膜１４０を備える。絶縁膜１４０は、例えば、厚さ０．５μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）を用いる。絶縁膜１４０は、駆動素子１３０の領域にあっては、電極部１３１ａと、圧電体膜１３２及び電極部１３３ａの周縁を覆う。絶縁膜１４０は、下部電極１３１の配線部１３１ｂを覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の配線部１３３ｂの領域で振動板１２０を覆う。絶縁膜１４０は、上部電極１３３の電極部１３３ａと配線部１３３ｂを電気的に接続するコンタクト部１４０ａを備える。

アクチュエータ１０１は、駆動素子１３０を保護する例えばポリイミドの保護膜１５０を備える。ノズル１１０は、振動板１２０と保護膜１５０に連通して形成される。

保護膜１５０は、他の樹脂またはセラミックス等の他の絶縁性の材料を利用することもできる。他の樹脂として、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、オイルエーテルサルフォン等がある。セラミックスとして、例えばジルコニア、炭化シリコン、窒化シリコン等がある。保護膜１５０の膜厚は、概ね０．５〜５０μｍの範囲にある。

アクチュエータ１０１は、保護膜１５０を覆う撥液膜１６０を備える。撥液膜１６０は、溶液をはじく特性のある例えばシリコーン系樹脂をスピンコーティングして形成される。撥液膜１６０は、フッ素含有樹脂等の溶液をはじく特性を有する材料で形成することもできる。撥液膜１６０の厚さは、概ね０．５〜５μｍの範囲にある。

圧力室構造体２００は、例えば厚さ５２５μｍのシリコンウエハ２０１を用いて形成される。圧力室構造体２００は、振動板１２０と反対側の面に、反り低減層である反り低減膜２２０を備える。圧力室構造体２００は、反り低減膜２２０を貫通して振動板１２０の位置に達し、ノズル１１０と連通する圧力室２１０を備える。圧力室２１０は、例えばノズル１１０と同軸上に位置する直径１９０μｍの円形に形成される。圧力室２１０の形状、及びサイズは限定されない。

但し本実施形態のように、圧力室２１０は溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部を備えている。圧力室２１０の開口部の幅方向のサイズＤより、深さ方向のサイズＬを大きくすることが好ましい。深さ方向のサイズＬ＞幅方向のサイズＤとすることにより、アクチュエータ１０１の振動により、圧力室２１０内の溶液にかかる圧力が、溶液保持容器２２へ逃げるのを遅らせる。

圧力室２１０の振動板１２０が配置される側を第１の面とし、反り低減膜２２０が配置される側を第２の面とする。圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側には例えばエポキシ系接着剤により溶液保持容器２２が接着される。圧力室構造体２００の圧力室２１０は、反り低減膜２２０側の開口部で、溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する。溶液保持容器２２の開口部２２ａの開口面積は、圧力室２１０の溶液保持容器２２の開口部２２ａに連通する開口部の開口面積より大きくなっている。

反り低減膜２２０は、例えば圧力室構造体２００を製造するためのシリコンウエハ２０１を酸素雰囲気で加熱処理して、シリコンウエハ２０１の表面に形成される厚さ４μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を用いる。反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の表面にＣＶＤ法（化学的気相成膜法）でＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜して形成しても良い。反り低減膜２２０は、液滴噴射アレイ２７に生じる反りを低減する。

反り低減膜２２０は、シリコンウエハ２０１の振動板１２０側と対向する側にあって、シリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、圧力室構造体２００と振動板１２０との膜応力の違い、更には、駆動素子１３０の各種構成膜の膜応力の違い等によるシリコンウエハ２０１の反りを低減する。反り低減膜２２０は、成膜プロセスを用いて液滴噴射アレイ２７の構成部材を作成する場合に、液滴噴射アレイ２７が反るのを低減する。

反り低減膜２２０の材料及び膜厚等は振動板１２０と異なるものであっても良い。但し、反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、シリコンウエハ２０１の両面にての振動板１２０との膜応力の違いと反り低減膜２２０との膜応力の違いは同じになる。反り低減膜２２０を振動板１２０と同じ材料で同じ膜厚とすれば、液滴噴射アレイ２７に生じる反りをより効果的に低減する。

アクチュエータ１０１に電気信号（駆動信号ともいう）を送ると、アクチュエータ１０１は厚み方向に変形し、電気信号に応じて圧力室２１０の容積を変化させて溶液に圧力振動を生じさせる。これにより、ノズル１１０は、圧力室２１０内の溶液を吐出する。

液滴噴射アレイ２７の製造方法の一例について述べる。液滴噴射アレイ２７は、先ず圧力室構造体２００を形成するためのシリコンウエハ２０１の両面の全面に、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜する。シリコンウエハ２０１の一方の面に形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を振動板１２０として用いる。シリコンウエハ２０１の他方の面に形成したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を反り低減膜２２０として用いる。

例えばバッチ式の反応炉を用いて、酸素雰囲気で加熱処理する熱酸化法によって、例えば円板状のシリコンウエハ２０１の両面にＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を形成する。次に、成膜プロセスにより、円板状のシリコンウエハ２０１に複数個のノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成する。ノズルプレート１００及び圧力室２１０を形成後、円板状のシリコンウエハ２０１を切って、ノズルプレート１００と一体の、複数の圧力室構造体２００に分離する。円板状のシリコンウエハ２０１を用いて、複数個の液滴噴射アレイ２７を一度に量産できる。シリコンウエハ２０１は円板状でなくても良い。１枚の矩形のシリコンウエハ２０１を用いて、一体のノズルプレート１００と圧力室構造体２００とを個別に形成しても良い。

シリコンウエハ２０１に形成される振動板１２０を、エッチングマスクを用いてパターニングしてノズル１１０を形成する。パターニングは、エッチングマスクの材料として、感光性レジストを用いる。振動板１２０の表面に感光性レジストを塗布後、露光及び現像して、ノズル１１０に相当する開口部をパターニングしたエッチングマスクを形成する。エッチングマスク上から振動板１２０を圧力室構造体２００に達するまでドライエッチングして、ノズル１１０を形成する。振動板にノズル１１０を形成後、例えば剥離液を用いてエッチングマスクを除去する。

次にノズル１１０が形成された振動板１２０の表面に、駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０を形成する。駆動素子１３０、絶縁膜１４０、保護膜１５０および撥液膜１６０の形成は、成膜工程と、パターニングする工程を繰り返す。成膜工程は、スパッタリング法或いはＣＶＤ法、スピンコーティング法等により行う。パターニングは、例えば感光性レジストを用いて膜上にエッチングマスクを形成し、膜材料をエッチングした後、エッチングマスクを除去することで行う。

振動板１２０の上に、下部電極１３１、圧電体膜１３２及び上部電極１３３の材料を積層成膜する。下部電極１３１の材料として、膜厚０．０５μｍのＴｉ（チタン）膜と膜厚０．４５μｍのＰｔ（白金）膜をスパッタリング法により順に成膜する。Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）膜は、蒸着法或いは鍍金により形成しても良い。

下部電極１３１の上に、圧電体膜１３２の材料として、膜厚２μｍのＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）を基板温度３５０℃にてＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜する。ＰＺＴを成膜後、５００℃で３時間熱処理することによりＰＺＴは、良好な圧電性能を得る。ＰＺＴ膜は、ＣＶＤ（化学的気相成膜法）、ゾルゲル法、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法、水熱合成法により形成しても良い。

圧電体膜１３２の上に、上部電極１３３の材料として、膜厚０．５μｍのＰｔ（白金）膜をスパッタリング法により成膜する。成膜したＰｔ（白金）膜上に、下部電極１３１の材料膜を残して、上部電極１３３の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｐｔ（白金）とＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）の膜を除去し、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成する。

次に、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した下部電極１３１材料の上に、下部電極１３１の電極部１３１ａ、配線部１３１ｂ及び端子部１３１ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ｔｉ（チタン）及びＰｔ（白金）の膜を除去し、下部電極１３１を形成する。

下部電極１３１、上部電極の電極部１３３ａと圧電体膜１３２を形成した振動板１２０上に、絶縁膜１４０の材料として、膜厚０．５μｍのＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を成膜する。ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜は、例えばＣＶＤ法により低温成膜して良好な絶縁性を得る。成膜したＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜をパターニングして絶縁膜１４０を形成する。

絶縁膜１４０を形成した振動板１２０上に、上部電極１３３の配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃの材料として、膜厚０．５μｍのＡｕ（金）をスパッタリング法により成膜する。Ａｕ（金）膜は、蒸着法或いはＣＶＤ法、又は鍍金により形成しても良い。成膜したＡｕ（金）膜上に上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを残すエッチングマスクを作る。エッチングマスク上からエッチングをして、Ａｕ（金）の膜を除去し、上部電極１３３の電極配線部１３３ｂ及び端子部１３３ｃを形成する。

上部電極１３３を形成した振動板１２０上に、膜厚４μｍの保護膜１５０の材料であるポリイミド膜を成膜する。ポリイミド膜は、振動板１２０上にポリイミド前駆体を含む溶液をスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したポリイミド膜をパターニングして、ノズル１１０、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する保護膜１５０を形成する。

保護膜１５０上に撥液膜１６０の材料であるシリコーン系樹脂膜を膜厚０．５μｍにスピンコーティング法により塗布し、ベークによる熱重合及び溶剤を除去して成膜する。成膜したシリコーン系樹脂膜をパターニングして、ノズル１１０、下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃを露出する撥液膜１６０を形成する。

撥液膜１６０上に、例えばシリコンウエハ２０１のＣＭＰ（化学機械研磨）用の裏面保護テープを、カバーテープとして貼り付けて撥液膜１６０を保護し、圧力室構造体２００をパターニングする。シリコンウエハ２０１の反り低減膜２２０上に、圧力室２１０の直径１９０μｍを露出するエッチングマスクを形成し、まず、反り低減膜２２０をＣＦ_４（４フッ化カーボン）とＯ_２（酸素）の混合ガスによってドライエッチングする。次に、例えばＳＦ_６（６フッ化硫黄）とＯ_２の混合ガスで、シリコンウエハ専用の垂直深堀ドライエッチングをする。ドライエッチングは、振動板１２０に当接する位置で止め、圧力室構造体２００に圧力室２１０を形成する。

圧力室２１０を形成するエッチングは、薬液を用いるウェットエッチング法、プラズマを用いてのドライエッチング法等で行っても良い。エッチング終了後、エッチングマスクを除去する。撥液膜１６０上に貼り付けたカバーテープに紫外線を照射して接着性を弱めてから、カバーテープを撥液膜１６０から剥がし、円板状のシリコンウエハ２０１を切断することにより、複数個の液滴噴射アレイ２７が分離形成される。

次に、液滴噴射ヘッド２の製造方法について説明する。液滴噴射アレイ２７と溶液保持容器２２を接着させる。このとき、液滴噴射アレイ２７における圧力室構造体２００の反り低減膜２２０側に、溶液保持容器２２の底面（開口部２２ａ側の面）を接着する。

その後、液滴噴射アレイ２７と接着した溶液保持容器２２を電装基板２１の第１の面２１ａに、電装基板２１の開口部２１ｃの内側に溶液保持容器２２の開口部２２ａが収まるように接着する。

続いて、電装基板配線２４の電極端子接続部２６と、液滴噴射アレイ２７の下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃとを、ワイヤ配線１２で接続する。他の接続方法として、フレキシブルケーブルを用いた方法等がある。これは、フレキシブルケーブルの電極パッドと電極端子接続部２６、又は端子部１３１ｃ、端子部１３３ｃを異方性導電フィルムにて熱圧着して電気的接続する方法である。

電装基板配線２４のもう一方の端子は、電気信号入力端子２５であり、駆動回路１１から出力される電気信号を入力する板バネコネクタと接触できる形状となっている。これにより液滴噴射ヘッド２が形成される。

次に、上記構成の作用について説明する。本実施形態の液滴噴射ヘッド２は、液滴噴射装置１の液滴噴射ヘッド装着モジュール５に固定して使用される。液滴噴射ヘッド２の使用時には、まず、溶液保持容器２２の上面開口部２２ｂから図示しないピペッターなどにより、溶液を所定量、溶液保持容器２２に供給する。溶液は、溶液保持容器２２の内面で保持される。溶液保持容器２２の底部の開口部２２ａは、液滴噴射アレイ２７と連通している。溶液保持容器２２に保持された溶液は、溶液保持容器２２の底面の開口部２２ａを介して液滴噴射アレイ２７の各圧力室２１０へ充填される。

この状態で、駆動回路１１から電装基板配線２４の電気信号入力端子２５に入力された電気信号は、電装基板配線２４の電極端子接続部２６から下部電極１３１の端子部１３１ｃ及び上部電極１３３の端子部１３３ｃへ送られる。このとき、アクチュエータ１０１は、電気信号に応じて圧力室２１０の容積を変化させて溶液に圧力振動を生じさせる。これにより、ノズル１１０から圧力室２１０内の溶液が溶液滴として吐出される。そして、ノズル１１０から、マイクロプレート４の各ウエル４ｂに所定量の液体を滴下する。

ノズル１１０から吐出される１滴の液量は、２から５ピコリットルである。そのため、滴下回数を制御することにより、各ウエル４ｂにｐＬからμＬのオーダーの液体を滴下制御することが可能となる。

ノズル１１０の長さは、振動板１２０の厚みと保護膜１５０の厚みの合計によって定まる。本実施例では、一例として８μｍである。このように、ノズル１１０の長さは、きわめて短いので、溶液吐出動作の後に、圧力室２１０内の溶液に残留圧力振動が残っていると、意図しない溶液滴がノズル１１０から吐出し、目標の滴下量よりも多くの溶液が滴下される。

続いて、本実施形態の液滴噴射ヘッド２の動作についていくつかの実施例を用いて説明する。

（第１の実施例）
図８は、第１の実施例における、駆動回路１１が下部電極１３１に対して発生する電気信号Ｖと、電気信号Ｖにより圧力室２１０に発生する溶液の圧力振動Ｐと、圧力振動Ｐによりノズル１１０に発生する流速振動Ｕと、ノズル１１０内の溶液のメニスカス位置Ｍを示している。なお、圧力振動Ｐを構成する任意の圧力を圧力Ｐということもある。また、流速振動Ｕを構成する任意の流速を流速Ｕということもある。ここで、流速Ｕは、溶液吐出方向を正としている。メニスカス位置Ｍは、ノズル１１０の溶液吐出側の開口面の位置を０として、溶液吐出側を正、圧力室２１０側を負としている。上部電極１３３の電圧は、０Ｖで一定としている。

時間λは、溶液が圧力室２１０とノズル１１０に充填された状態におけるアクチュエータ１０１の１次固有振動周期を示している。圧力室２１０やノズル１１０内の溶液の圧力Ｐや流速Ｕも、この１次固有振動周期λで振動する。

１次固有振動周期λは、液滴噴射ヘッド２に溶液を充填した状態で、市販のインピーダンスアナライザ、例えばアジレントテクノロジー社製の４２９４Ａによりアクチュエータ１０１のインピーダンスを測定することにより測定できる。あるいは、駆動回路１１からステップ波形等の電気信号を出力した状態で、市販のレーザードップラー振動計でアクチュエータ１０１の振動を測定することによっても測定できる。

液滴噴射ヘッド２は、溶液保持容器２２の開口部２２ａから溶液が注入され、圧力室２１０とノズル１１０の内部に溶液が充填された状態で溶液吐出の待機を行う。この状態では、ノズル１１０内の溶液のメニスカス位置Ｍは、０の付近で静止している。

電気信号Ｖは、溶液吐出動作の開始タイミングｔ１より前の待機状態では、電圧Ｖ１を維持している。
この状態では、下部電極１３１と上部電極１３３との間に電圧Ｖ１が印可され、圧電体膜１３２の厚み方向に電界が生じ、圧電体膜１３２にはｄ３１モードの変形が生じて、厚みの方向に直交する方向に収縮している。圧電体膜１３２の収縮により、振動板１２０と保護膜１５０に圧縮応力が生じるが、振動板１２０のヤング率が保護膜１５０のヤング率より大きいので、振動板１２０に生じる圧縮力の方が、保護膜１５０に生じる圧縮力よりも大きい。そのため、アクチュエータ１０１は、圧力室２１０の方向に湾曲して、圧力室２１０の容積は電圧Ｖ１が印可されない状態より小さい状態を維持している。つまり、電気信号Ｖの値が大きくなるにつれ、アクチュエータ１０１の作用により、圧力室２１０の容積は小さくなる。

時刻ｔ１のタイミングにおいて、溶液吐出動作を開始する。電気信号Ｖは、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に変化する。
電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１よりも低い。電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１より圧力室２１０の容積を大きくする電圧で、好適には０Ｖであるが、わずかに負の値、すなわち電圧Ｖ１と逆極性であっても良い。ただし、負の値が大きいと、圧電体膜１３２の分極方向が待機状態に対して反転してしまい、所望の動作が得られないので、電圧Ｖ２は、０Ｖか、あるいは電圧Ｖ１と同極性の電圧が望ましい。

電気信号Ｖが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２になると、アクチュエータ１０１は、圧力室２１０の容積を拡大する方向に変位する。
圧力室２１０の容積が拡大すると、圧力室２１０内の溶液の圧力Ｐが低下し、ノズル１１０内の溶液のメニスカス位置Ｍは圧力室２１０の方向に後退する。また、溶液保持容器２２から圧力室２１０に溶液が供給される。圧力Ｐは、一旦低下するが、その後上昇する。

時刻ｔ１からλ／２の時間が経過して時刻ｔ２になると、圧力Ｐの上昇が停止する。溶液のメニスカス位置Ｍは後退を停止する。
このタイミングで、電気信号Ｖの電圧をＶ２からＶ３に変化させる。電圧Ｖ３は、電圧Ｖ２以上であって、電圧Ｖ１よりも低い。アクチュエータ１０１が圧力室２１０の方向に変位し、圧力室２１０の溶液は、さらに加圧される。溶液のメニスカス位置Ｍは吐出方向に前進を始め、ノズル１１０から溶液が吐出する。溶液の吐出は、λ／２の時間、継続する。この間、圧力Ｐは低下する。

時刻ｔ２からλ／２の時間が経過して時刻ｔ３になると、圧力Ｐは最低の圧力になる。ノズル１１０内の溶液の流速Ｕは０になり、吐出を停止する。しかし、すでにノズル１１０から出た溶液は液滴を形成して飛翔を続ける。

このタイミングで、電気信号Ｖの電圧をＶ３からＶ１に変化させる。アクチュエータ１０１が圧力室２１０の方向に変位し、圧力室２１０の溶液の圧力Ｐは、負圧の状態から加圧されて実質的に０になり、溶液の振動が停止する。このように、時刻ｔ１で発生した溶液の振動は、時刻ｔ３でアクチュエータ１０１の変位によって打ち消され、停止する。そのため、時刻ｔ３では、圧力Ｐ及び流速Ｕは０になる。

時刻ｔ３を経過した後も、ノズル１１０から吐出した溶液滴は、マイクロプレート４のウエル４ｂに向かって飛翔する。溶液滴の飛翔に伴い、溶液滴の尾とノズル１１０内の溶液が自然に切断し、メニスカス位置Ｍが０の付近で、溶液メニスカスが再形成される。

電圧Ｖ３は、溶液の圧力振動Ｐまたは流速振動Ｕの減衰率に応じて決められる。圧力振動Ｐの減衰率も、流速振動Ｕの減衰率も、同じ値になる。減衰率は、１次固有振動周期λの測定と同時に求めることができる。減衰率が大きい場合、電圧（Ｖ１−Ｖ２）に対する電圧（Ｖ１−Ｖ３）の比を小さく設定する。すなわち、電圧Ｖ３を高く設定する。減衰率が小さい場合、電圧（Ｖ１−Ｖ２）に対する電圧（Ｖ１−Ｖ３）の比を大きく設定する。すなわち、電圧Ｖ３を低く設定する。電圧Ｖ３は、時刻ｔ３経過後の圧力振動Ｐあるいは流速振動Ｕが最小あるいは実質的に０になるように調整する。なお、粘度が低い溶液で減衰率が小さい場合には減衰率を０とみなして、電圧Ｖ３を電圧Ｖ２と等しくしてもよい。

図９は、電圧Ｖ３が電圧Ｖ２と等しい場合の第１の実施例における、駆動回路１１が下部電極１３１に対して発生する電気信号Ｖと、電気信号Ｖにより圧力室２１０に発生する溶液の圧力振動Ｐと、圧力振動Ｐによりノズル１１０に発生する流速振動Ｕと、ノズル１１０内の溶液のメニスカス位置Ｍを示している。

以上説明したように、電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１と、第１電圧Ｖ１より圧力室２１０の容積を大きくする第２電圧Ｖ２と、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間、あるいは第２電圧Ｖ２に等しい第３電圧Ｖ３を含む。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化し、λ時間経過後に第３電圧Ｖ３から第１電圧Ｖ１に変化することで１つの溶液滴をノズル１１０から吐出する。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化した後、第２電圧Ｖ２をλ／２の時間維持し、第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３に変化する。電気信号Ｖは、第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３に変化した後、第３電圧Ｖ３をλ／２の時間維持する。

このように、ノズル１１０からの溶液吐出が終了した直後に、溶液の圧力振動Ｐや流速振動Ｕが停止するため、溶液吐出動作の後の残留振動により意図しない溶液がノズル１１０から吐出することを防止できる。
また、溶液メニスカスが待機状態の位置より圧力室２１０側で再形成されると、溶液メニスカスは溶液の表面張力の作用などにより溶液吐出方向に前進し、意図しない溶液がノズル１１０から吐出してしまう。しかしながら、本実施形態によれば、溶液メニスカスは溶液吐出動作前の静止状態の位置付近で再形成されるので、再形成された後の溶液メニスカスは、ほぼ静止状態となる。そのため、高い吐出速度においても溶液を吐出した後に、意図しない溶液が吐出することがなく、短時間で目標の溶液量を正確に滴下することができる。

（第２の実施例）
図１０は、第２の実施例における電気信号Ｖと、圧力振動Ｐと、流速振動Ｕと、メニスカス位置Ｍを第１の実施例と同様に示している。この場合、電圧Ｖ１は０Ｖである。上部電極１３３の電圧は、Ｖ２で一定とする。以下、第１の実施例と異なる部分を中心に説明する。

下部電極１３１と上部電極１３３との間に電圧が印可されると、アクチュエータ１０１は圧力室２１０の方向に湾曲して、圧力室２１０の容積は電圧が印可されない状態より小さい状態を維持している。そのため、電気信号Ｖの値が大きくなるにつれ、アクチュエータ１０１の作用により、圧力室２１０の容積も大きくなる。

電気信号Ｖは、溶液吐出動作の開始タイミングｔ１より前の待機状態では、電圧Ｖ１＝０Ｖを維持している。電気信号Ｖは、時刻ｔ１のタイミングにおいて、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に変化する。電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１よりも高い。時刻ｔ１からλ／２の時間が経過して時刻ｔ２になると、電気信号Ｖは、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３に変化する。電圧Ｖ３は、電圧Ｖ２よりも低く、電圧Ｖ１よりも高い。なお、第１の実施例で説明したように、電圧Ｖ３は電圧Ｖ２と等しくてもよい。時刻ｔ２からλ／２の時間が経過して時刻ｔ３になると、電気信号Ｖを電圧Ｖ３から電圧Ｖ１に変化させる。

上部電極１３３と下部電極１３１との間の電位差の絶対値は第１の実施例と同じであるため、圧電体膜１３２の動作も第１の実施例と同じである。そのため、圧力振動Ｐと、流速振動Ｕと、メニスカスの位置Ｍは、それぞれ、第１の実施例における圧力振動Ｐと、流速振動Ｕと、メニスカスの位置Ｍと同じである。

以上説明したように、電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１と、第１電圧Ｖ１より圧力室２１０の容積を大きくする第２電圧Ｖ２と、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間、あるいは第２電圧Ｖ２に等しい第３電圧Ｖ３を含む。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化し、λ時間経過後に第３電圧Ｖ３から第１電圧Ｖ１に変化することで１つの溶液滴をノズル１１０から吐出する。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化した後、第２電圧Ｖ２をλ／２の時間維持し、第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３に変化する。電気信号Ｖは、第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３に変化した後、第３電圧Ｖ３をλ／２の時間維持する。なお、第２の実施例は、第１の実施例と同じ動作なので、説明を省略する。

（第３の実施例）
図１１は、第３の実施例における電気信号Ｖと、圧力振動Ｐと、流速振動Ｕと、メニスカス位置Ｍを第１の実施例と同様に示している。第１の実施例と同様に、上部電極１３３の電圧は、０Ｖで一定としている。以下、第１の実施例と異なる部分を中心に説明する。 時刻ｔ１のタイミングにおいて、電気信号Ｖが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２になると、振動板１２０は、圧力室２１０の容積を拡大する方向に変位する。

圧力室２１０の容積が拡大すると、圧力室２１０内の溶液の圧力Ｐが低下し、ノズル１１０内の溶液のメニスカス位置Ｍは圧力室２１０の方向に後退する。また、溶液保持容器２２から圧力室２１０に溶液が供給される。圧力Ｐは、一旦低下するが、その後上昇する。

電気信号Ｖは、時刻ｔ１経過後、時刻ｔ３に至るまでに、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３まで連続的に上昇する。それに伴い、圧力室２１０の容積は、徐々に収縮する。しかし、圧力室２１０の容積の変化率が小さいので、この収縮動作による圧力振動Ｐや流速振動Ｕの発生は小さく、実質的に無視できる。

時刻ｔ１からλ／２の時間が経過して時刻ｔ２になると、圧力Ｐの上昇が停止する。溶液のメニスカス位置Ｍは後退を停止する。溶液のメニスカス位置Ｍは吐出方向に前進を始め、ノズル１１０から溶液が吐出する。溶液の吐出はλ／２の時間、継続する。この間、圧力Ｐは低下する。

時刻ｔ２からλ／２の時間が経過して時刻ｔ３になると、圧力Ｐは最低の圧力になる。ノズル１１０内の溶液の流速Ｕは０になり、吐出を停止する。しかし、すでにノズル１１０から出た溶液は液滴を形成して飛翔を続ける。

このタイミングで、電気信号Ｖの電圧をＶ３からＶ１に変化させる。アクチュエータ１０１が圧力室２１０の方向に変位し、圧力室２１０の溶液の圧力Ｐは、負圧の状態から加圧されて実質的に０になり、溶液の流速振動Ｕが停止する。このように、時刻ｔ１で発生した溶液の振動は、時刻ｔ３でアクチュエータ１０１の変位によって打ち消され、停止する。そのため、時刻ｔ３では、圧力Ｐ及び流速Ｕは０になる。

時刻ｔ３を経過した後も、ノズル１１０から吐出した溶液滴は、マイクロプレート４のウエル４ｂに向かって飛翔する。溶液滴の飛翔に伴い、溶液滴の尾とノズル１１０内の溶液が自然に切断し、メニスカス位置Ｍが０の付近で、溶液メニスカスが再形成される。

以上説明したように、電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１と、第１電圧Ｖ１より圧力室２１０の容積を大きくする第２電圧Ｖ２と、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間、あるいは第２電圧Ｖ２に等しい第３電圧Ｖ３を含む。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化し、λ時間経過後に第３電圧Ｖ３から第１電圧Ｖ１に変化することで１つの溶液滴をノズル１１０から吐出する。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化した後、λ時間かけて第２電圧Ｖ２から第３電圧Ｖ３に変化する。

このように、第３の実施例においても、溶液吐出動作の後の残留振動により意図しない溶液がノズル１１０から吐出することを防止できる。
また、溶液メニスカスは溶液吐出動作前の静止状態の位置付近で再形成されるので、再形成された後の溶液メニスカスは、ほぼ静止状態となり、高い吐出速度においても溶液を吐出した後に、意図しない溶液が吐出することがなく、短時間で目標の滴下量を正確に滴下することができる。

電圧Ｖ３は、第１の実施例と同様に、溶液の圧力振動Ｐまたは流速振動Ｕの減衰率に応じて決められる。
なお、上述の第２の実施例においても、電気信号Ｖを、時刻ｔ１経過後、時刻ｔ３に至るまでに、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３まで連続的に下降させるようにしてもよい。このときの動作は、上述した動作と同様であるため、説明を省略する。

（第４の実施例）
図１２は、第４の実施例における、駆動回路１１が下部電極１３１に対して発生する電気信号ＶＧと、電気信号ＶＧにより圧力室２１０に発生する溶液の圧力振動Ｐと、圧力振動Ｐによりノズル１１０に発生する流速振動Ｕと、ノズル１１０内の溶液のメニスカスの位置Ｍを示している。上部電極１３３の電圧は、０Ｖで一定としている。なお、第１の実施例と同一の説明は省略する。

第４の実施例の電気信号ＶＧは、第１の実施例の電気信号Ｖを４回連結した例である。これにより、ノズル１１０は連続的に溶液滴を４回吐出する。なお、電気信号ＶＧは、電気信号Ｖを４回以外の複数の必要回連結してもよい。吐出した溶液滴は、マイクロプレート４の同一のウエル４ｂに滴下される。電気信号Ｖを連結する回数を変更することにより、溶液滴の吐出回数を制御し、マイクロプレート４のウエル４ｂへの溶液の滴下量を制御できる。

電気信号ＶＧは、溶液吐出動作の開始タイミングｔ１より前の待機状態では、電圧Ｖ１を維持している。
この状態では、圧力室２１０の容積は電圧Ｖ１が印可されない状態より小さい状態を維持している。つまり、電気信号Ｖの値が大きくなるにつれ、アクチュエータ１０１の作用により、圧力室２１０の容積は小さくなる。

時刻ｔ１のタイミングにおいて、溶液吐出動作を開始する。電気信号ＶＧは、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に変化する。
電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１よりも低い。電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１より圧力室２１０の容積を大きくする電圧で、好適には０Ｖであるが、わずかに負の値、すなわち電圧Ｖ１と逆極性であっても良い。

電気信号ＶＧが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２になると、アクチュエータ１０１は、圧力室２１０の容積を拡大する方向に変位する。
圧力室２１０の容積が拡大すると、圧力室２１０内の溶液の圧力Ｐが低下し、ノズル１１０内の溶液のメニスカス位置Ｍは圧力室２１０の方向に後退する。また、溶液保持容器２２から圧力室２１０に溶液が供給される。圧力Ｐは、一旦低下するが、その後上昇する。

時刻ｔ１からλ／２の時間が経過して時刻ｔ２になると、圧力Ｐの上昇が停止する。溶液のメニスカス位置Ｍは後退を停止する。
このタイミングで、電気信号Ｖの電圧をＶ２からＶ３に変化させる。電圧Ｖ３は、電圧Ｖ２以上であって、電圧Ｖ１よりも低い。アクチュエータ１０１が圧力室２１０の方向に変位し、圧力室２１０の溶液は、さらに加圧される。溶液のメニスカス位置Ｍは吐出方向に前進を始め、ノズル１１０から溶液が吐出する。溶液の吐出は、λ／２の時間、継続する。この間、圧力Ｐは低下する。

時刻ｔ２からλ／２の時間が経過して時刻ｔ３になると、圧力Ｐは最低の圧力になる。ノズル１１０内の溶液の流速Ｕは０になり、吐出を停止する。しかし、すでにノズル１１０から出た溶液は液滴を形成して飛翔を続ける。

時刻ｔ３で、電気信号Ｖの電圧をＶ３からＶ２に変化させる。アクチュエータ１０１が圧力室２１０の容積を拡大する方向に変位し、圧力室２１０の溶液の圧力Ｐは、負圧の状態から、さらに圧力が下がり、時刻ｔ１で電気信号ＶＧが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に変化した後と同じ圧力になる。このように、電気信号ＶＧの電圧Ｖ２から電圧Ｖ３への変化と、電圧Ｖ３から電圧Ｖ２への変化により圧力室２１０内の溶液の圧力振動Ｐの振幅は一定に維持される。これにより、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に圧力室２１０内に溶液が再補給され、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間にノズル１１０から溶液が吐出する。
この溶液吐出動作が時刻ｔ５から時刻ｔ９までの間に、さらに２回繰り返され、合計４つの溶液滴がノズル１１０から吐出する。

時刻ｔ９になると、圧力Ｐは最低の圧力になる。ノズル１１０内の溶液の流速Ｕは０になり、吐出を停止する。しかし、すでにノズル１１０から出た溶液は液滴を形成して飛翔を続ける。

このタイミングで、電気信号Ｖの電圧をＶ３からＶ１に変化させる。アクチュエータ１０１が圧力室２１０の方向に変位し、圧力室２１０の溶液の圧力Ｐは、負圧の状態から加圧されて実質的に０になり、溶液の振動が停止する。

時刻ｔ９を経過した後も、ノズル１１０から吐出した溶液滴は記録媒体に向かって飛翔する。溶液滴の飛翔に伴い、溶液滴の尾とノズル１１０内の溶液が自然に切断し、メニスカス位置Ｍが０の付近で、溶液メニスカスが再形成される。

電圧Ｖ３は、連続して吐出する溶液滴の吐出速度がなるべく均一になるように設定する。あるいは、第１の実施例と同様に、溶液の圧力振動Ｐまたは流速振動Ｕの減衰率に応じて決めても良い。

以上説明したように、電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１と、第１電圧Ｖ１より圧力室２１０の容積を大きくする第２電圧Ｖ２と、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間、あるいは第２電圧Ｖ２に等しい第３電圧Ｖ３を含む。電気信号Ｖは、第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に変化し、λ時間経過後に第３電圧Ｖ３から第２電圧Ｖ２に変化して１つの溶液滴をノズル１１０から溶液を吐出することを必要な回数繰り返した後に第３電圧Ｖ３から第１電圧Ｖ１に変化する。

このように、ノズル１１０からの溶液吐出が終了した直後に、溶液の圧力振動Ｐや流速振動Ｕが停止するため、溶液吐出動作の後の残留振動により意図しない溶液がノズル１１０から吐出することを防止できる。

また、溶液メニスカスは溶液吐出動作前の静止状態の位置付近で再形成されるので、再形成された後の溶液メニスカスは、ほぼ静止状態となる。そのため、高い吐出速度においても溶液を吐出した後に、意図しない溶液が吐出することがなく、短時間で目標の溶液量を正確に滴下することができる。

第４の実施例の駆動波形ＶＧは、連続的に溶液を吐出するため滴下時間を短縮できることと、意図しない溶液がノズル１１０から吐出することを防止できる効果に加え、１番目の吐出動作で発生した圧力振動を利用して２番目以降の溶液滴の吐出を行うため、２番目以降の溶液滴に要する電気エネルギーを小さく抑えることができる効果がある。

すなわち、下部電極１３１と、上部電極１３３の間の静電容量をＣとして、電圧Ｖ２を０とする時、１番目の溶液滴の吐出動作に要する電気エネルギーＥ１はＣ×Ｖ３^２＋Ｃ×（Ｖ１―Ｖ３）^２であるが、２番目以降の溶液滴の吐出動作に要する電気エネルギーＥ２はＣ×Ｖ３^２である。多くの場合、電圧Ｖ３は、電圧Ｖ１の５０％以下なので、２番目以降の溶液滴の吐出動作に要する電気エネルギーＥ２は、１番目の溶液滴の吐出動作に要する電気エネルギーＥ１に対して約５０％以下である。

このため、液滴噴射ヘッド２の消費電力を低減でき、液滴噴射装置の駆動エネルギーコストを低減できる。

なお、電気信号ＶＧは、第３の実施例で説明したように、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３まで連続的に上昇するようにしてもよい。また、電気信号ＶＧは、第２の実施例の電気信号Ｖを複数回連結した例であってもよい。この場合、電気信号ＶＧは、第３の実施例で説明したように、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３まで連続的に下降するようにしてもよい。

これらの実施形態によれば、液滴噴射ヘッドは、溶液の吐出動作において、まずアクチュエータにより圧力室の容積を拡大させ、溶液圧力を減圧させて溶液保持容器から圧力室に溶液を引き込み、溶液圧力が圧力振動により自然に上昇してノズルから溶液が吐出し、溶液の吐出が終了して溶液圧力が低下したタイミングでアクチュエータにより圧力室の容積を収縮させて溶液を加圧にすることにより、溶液吐出終了と同時に溶液圧力振動を打ち消して溶液吐出後の意図しない溶液の吐出を防止する。これにより、高い吐出速度においても溶液を吐出した後に、意図しない溶液が吐出することがなく、短時間で目標の溶液量を正確に滴下することができる、ノズルを備えた圧電アクチュエータを有する液滴噴射ヘッド及びこれを備える液滴噴射装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、駆動部である駆動素子１３０を円形としたが、駆動部の形状は限定されない。駆動部の形状は、例えばひし形或いは楕円等であっても良い。また圧力室２１０の形状も円形に限らず、ひし形或いは楕円形、更には矩形等であっても良い。

また、実施形態では、駆動素子１３０の中心にノズル１１０を配置したが、圧力室２１０の溶液を吐出可能であれば、ノズル１１０の位置は限定されない。例えばノズル１１０を、駆動素子１３０の領域内ではなく、駆動素子１３０の外側に形成しても良い。ノズル１１０を駆動素子１３０の外側に配置した場合には、駆動素子１３０の複数の膜材料を貫通してノズル１１０をパターニングする必要がない。駆動素子１３０の複数の膜材料は、ノズル１１０に対応する位置の開口パターニングが不要であり、ノズル１１０は振動板１２０と保護膜１５０をパターニングするのみで形成でき、パターニングが容易となる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記圧力室へ溶液を供給する側の第１の面と前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第２の面を有する基板と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記溶液に圧力振動を生じさせるとともに、前記ノズルを有するアクチュエータと、溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有し、前記第１の面に配置される溶液保持容器と、を有する液滴噴射ヘッドであって、前記圧力室及び前記ノズルに溶液が充填された状態での前記アクチュエータの１次固有振動周期をλとする時、前記電気信号は、第１電圧と、前記第１電圧より前記圧力室の容積を大きくする第２電圧と、前記第１電圧と前記第２電圧との間、あるいは前記第２電圧に等しい第３電圧を含み、前記第１電圧から前記第２電圧に変化し、λ時間経過後に前記第３電圧から前記第１電圧に変化することで、前記溶液保持容器中の溶液を前記ノズルから吐出することを特徴とした液滴噴射ヘッド。
［２］溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記圧力室へ溶液を供給する側の第１の面と前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第２の面を有する基板と、電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記溶液に圧力振動を生じさせるとともに、前記ノズルを有するアクチュエータと、溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有し、前記第１の面に配置される溶液保持容器と、を有する液滴噴射ヘッドであって、前記圧力室及び前記ノズルに溶液が充填された状態での前記アクチュエータの１次固有振動周期をλとする時、前記電気信号は、第１電圧と、前記第１電圧より前記圧力室の容積を大きくする第２電圧と、前記第１電圧と前記第２電圧との間にある第３電圧を含み、前記第１電圧から前記第２電圧に変化し、λ時間経過後に前記第３電圧から前記第２電圧に変化させることで、前記溶液保持容器中の溶液を前記ノズルから吐出することを連続的に複数回繰り返した後、前記第３電圧から第１電圧に変化することを特徴とした液滴噴射ヘッド。
［３］前記第２電圧をλ／２の時間維持し、前記第２電圧から前記第３電圧に変化させ、前記第３電圧をλ／２の時間維持することを特徴とした請求項１又は２に記載の液滴噴射ヘッド。
［４］前記溶液受け口は前記溶液出口より大きく、前記溶液出口は前記圧力室の開口より大きい請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液滴噴射ヘッド。
［５］請求項１から４のうちの何れか１項に記載の液滴噴射ヘッドと、前記アクチュエータに前記電気信号を供給する駆動回路と、を有することを特徴とした液滴噴射装置。

１…液滴噴射装置、２…液滴噴射ヘッド、３…基台、４…マイクロプレート、４ｂ…ウエル、５…液滴噴射ヘッド装着モジュール、６ａ…Ｘ方向ガイドレール、６ｂ…Ｘ方向ガイドレール、７ａ…固定台、７ｂ…固定台、８…Ｙ方向ガイドレール、９…Ｘ方向移動台、１０…Ｙ方向移動台、１１…駆動回路、１２…ワイヤ配線、２１…電装基板、２１ａ…第１の面、２１ｃ…開口部、２２…溶液保持容器、２２ａ…開口部、２２ｂ…上面開口部、２４…電装基板配線、２４ａ…配線パターン、２４ｂ…配線パターン、２５…電気信号入力端子、２６…電極端子接続部、２７…液滴噴射アレイ、１００…ノズルプレート、１０１…アクチュエータ、１１０…ノズル、１２０…振動板、１３０…駆動素子、１３１…下部電極、１３１ａ…電極部、１３１ｂ…下部電極配線部、１３１ｃ…下部電極端子部、１３２…圧電体膜、１３３…上部電極、１３３ａ…電極部、１３３ｂ…上側電極配線部、１３３ｃ…上側電極端子部、１４０…絶縁膜、１４０ａ…コンタクト部、１５０…保護膜、１６０…撥液膜、２００…圧力室構造体、２０１…シリコンウエハ、２１０…圧力室、２２０…反り低減膜。

Claims (5)

1. 溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記圧力室へ溶液を供給する側の第１の面と前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第２の面を有する基板と、
   電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記溶液に圧力振動を生じさせるとともに、前記ノズルを有するアクチュエータと、
   溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有し、前記第１の面に配置される溶液保持容器と、を有し、
   前記ノズルの液滴噴射方向の長さが前記アクチュエータの厚みと同一となる液滴噴射ヘッドであって、
   前記圧力室及び前記ノズルに溶液が充填された状態での前記アクチュエータの１次固有振動周期をλとする時、
   前記電気信号は、第１電圧と、前記第１電圧より前記圧力室の容積を大きくする第２電圧と、前記第１電圧と前記第２電圧との間の第３電圧を含み、
   前記第１電圧から前記第２電圧に変化し、λ時間経過後に前記第３電圧から前記第１電圧に変化することで、前記溶液保持容器中の溶液を前記ノズルから吐出する液滴噴射ヘッド。
2. 溶液を吐出するノズルに連通し、内部に溶液が充填される圧力室が形成され、前記圧力室へ溶液を供給する側の第１の面と前記溶液を前記ノズルから吐出する側の第２の面を有する基板と、
   電気信号に応じて前記圧力室の容積を変化させて前記溶液に圧力振動を生じさせるとともに、前記ノズルを有するアクチュエータと、
   溶液を受ける溶液受け口と、前記圧力室内に連通する溶液出口を有し、前記第１の面に配置される溶液保持容器と、を有し、
   前記ノズルの液滴噴射方向の長さが前記アクチュエータの厚みと同一となる液滴噴射ヘッドであって、
   前記圧力室及び前記ノズルに溶液が充填された状態での前記アクチュエータの１次固有振動周期をλとする時、
   前記電気信号は、第１電圧と、前記第１電圧より前記圧力室の容積を大きくする第２電圧と、前記第１電圧と前記第２電圧との間にある第３電圧を含み、
   前記第１電圧から前記第２電圧に変化し、λ時間経過後に前記第３電圧から前記第２電圧に変化させることで、前記溶液保持容器中の溶液を前記ノズルから吐出することを連続的に複数回繰り返した後、前記第３電圧から第１電圧に変化する液滴噴射ヘッド。
3. 前記第２電圧をλ／２の時間維持し、前記第２電圧から前記第３電圧に変化させ、
   前記第３電圧をλ／２の時間維持する請求項１又は２に記載の液滴噴射ヘッド。
4. 前記溶液受け口は前記溶液出口より大きく、前記溶液出口は前記圧力室の開口より大きい請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液滴噴射ヘッド。
5. 請求項１から４のうちの何れか１項に記載の液滴噴射ヘッドと、
   前記アクチュエータに前記電気信号を供給する駆動回路と、
   を有する液滴噴射装置。