WO2008072518A1

WO2008072518A1 - インクジェット装置

Info

Publication number: WO2008072518A1
Application number: PCT/JP2007/073474
Authority: WO
Inventors: Yasuo Nishi; Naomi Kubo
Original assignee: Konica Minolta Holdings, Inc.
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2008-06-19
Also published as: JPWO2008072518A1

Abstract

　電界アシスト吐出方式のインクジェット装置においてインクの着弾精度の向上を図る。本発明は電界アシスト吐出方式のインクジェット装置において、インクを吐出するノズル１０１を有するマルチノズルヘッド１００を備え、ノズル１０１がシリコン又は酸化シリコンで構成されており、ノズル１０１の長さが１．０～５．０μｍである。

Description

明細書

インクジヱット装置

技術分野

[0001] 本発明は電界アシスト吐出方式のインクジェット装置に係り、特にインクの着弾精度の向上を図ることができるインクジェット装置に関する。

背景技術

[0002] 近年、インクジェットの高精細パターユング技術の進歩に伴!/、、印刷用途のみならず、工業用途でも生産プロセスとしての展開が検討されている。し力もながら、着弾精度、描画幅の制約で、現在実用化検討されているのは、 LCD用カラーフィルター、スぺーサ一、マイクロレンズアレイ及び L/S lOO ^ 前後の電子回路基板で、より高精細で高精度なパターユングが要求される工業用途への展開は十分でない状況にある。そのため、高精細で高精度なインクジェット方式が可能になれば、有機 TFT、ファイン回路基板等への応用が可能となり、製品の低コスト化につながるため、着弾精度の向上及び描画幅のファイン化は強く要望されている。

[0003] 着弾精度の向上を図る技術の一例が特許文献 1に開示されている。特許文献 1に開示された技術は、圧電素子の変形でインクを吐出する「圧電方式のインクジェット記録装置」に関するもので、ノズルのストレート部の長さ（インクの吐出方向に沿うノズルの長さ）を 10 μ m以上と規定してインクの着弾精度を向上させようとして!/、る。特許文献 1 :特開 2000— 246894号公報（段落番号 0008, 0009, 0021 ,図 5参照）発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 確かに、特許文献 1に開示されたような圧電方式のインクジェット記録装置では、ノズノレの長さをある程度確保しないとインクを吐出する際の直線性を保持することができないため、当該技術は有用である力、もしれないが、これとは吐出方式が異なる、本出願人が実施している「電界アシスト吐出装置」では、もともと圧電方式の吐出に比ベて着弾精度が優れてレ、るため、当該技術を適用する必要はなレ、。

[0005] すなわち、本出願人の電界アシスト吐出方式では、圧電素子の変形で、吐出しょうとするインクのメニスカスを形成しつつ、静電力をメニスカス頂点に働かせながら、圧力と静電力との両方の力で、当該インクの表面張力よりわずかに上回る力でノズルの上方に当該インクを液滴化させる。そして液滴化後は、静電力で当該インクを飛翔させて基板に着弾させる。本方式でインクの着弾精度を向上させるには、インクのメニスカス頂点の形成位置とノズルの中心位置との位置ズレをなくすことが重要である。例えばノズルの長さが適当でないと、ノズル長加工精度及び ICP加工表面形状がメニスカスの形成位置に影響を与えるようになり、その結果、メニスカスの形成位置がノズノレの中心位置よりズレてしまい、逆にインクの着弾精度が劣化するという不都合を生じる。

[0006] 本発明の目的は、電界アシスト吐出方式のインクジェット装置においてインクの着弾精度の向上を図ることで、ひいては現在 LCD用カラーフィルター、スぺーサ一、マイクロレンズアレイ及び L/S100 m前後の電子回路基板で要求されているインクの着弾精度を大幅に向上させてより高品質化を可能としたり、インクの高着弾精度が要求される有機 TFT、ファイン回路基板等への生産プロセス適用を可能としたりすることである。

課題を解決するための手段

[0007] 上記課題を解決するため本発明は、

電界アシスト吐出方式のインクジェット装置において、

開口力インクを吐出するノズルを有するマルチノズルヘッドを備え、

前記ノズルがシリコン又は酸化シリコンで構成されており、

前記ノズルの前記開口に接して前記開口と共にインクの吐出部位を構成する流路の長さが 1. 0〜5. O ^ mであることを特徴としている。

[0008] また、本発明に係るインクジェット装置にお!/、ては、

前記ノズルには、前記インクの吐出部位となる下段部と前記下段部にインクを流通させる上段部とからなる段が形成されており、

前記上段部の直径が 10〜60 mであることを特徴としている。

また、本発明に係るインクジェット装置にお!/、ては、

前記ノズルの前記開口の直径が 1〜； 10 mであることを特徴としている。また、本発明に係るインクジェット装置にお!/、ては、

前記ノズルに対向配置される電極基板と、電源装置とを更に備えることを特徴としている。

また、本発明に係るインクジェット装置にお!/、ては、

前記ノズルはシリコンで構成されており、該ノズルは接地されているとともに、前記電源装置は前記電極基板に接続されてレ、ることを特徴として!/、る。

また、本発明に係るインクジェット装置にお!/、ては、

前記ノズルはシリコンで構成されており、該ノズルは前記電源装置に接続されるとともに、前記電極基板は接地されて!、ることを特徴として!/、る。

発明の効果

[0009] 本発明によれば、電界アシスト吐出方式のインクジェット装置においてインクの着弾精度を向上させることができる（下記実施例参照）。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]マルチノズルヘッド 100の概略構成を示す分解斜視図である。

[図 2]マルチノズルヘッド 100の内部構成を示す断面図である。

[図 3]マルチノズルヘッド 100の製造方法の一工程 (プレート作製工程，接合工程)を経時的に表現した図面である。

[図 4]図 2の変形例を示す図面である。

[図 5]マルチノズルヘッド 100の製造方法の一工程 (接着工程)を経時的に表現した図面である。

[図 6]インクの吐出部位の長さとインクの着弾精度との関係を示すグラフである。符号の説明

[0011] 100 マルチノス、ノレヘッド

1 ノズルプレート

101 ノズノレ

101a 下段部

101b 上段部 3 圧電素子

4 硼珪酸ガラスプレート

発明を実施するための最良の形態

[0012] 以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。

[0013] 本発明に係るインクジェット装置は静電アシスト吐出方式を適用したもので、図 1に示すマルチノズノレヘッド 100を有している。マルチノズノレヘッド 100はノズノレプレート 1、ボディプレート 2及び圧電素子 3を有している。ノズルプレート 1は 150〜300〃111 程度の厚みを有したシリコン基板又は酸化シリコン基板である。ノズルプレート 1には複数のノズル 101が形成されており、これら複数のノズル 101が 1列に配列されてい

[0014] ボディプレート 2は 200〜500 μ m程度の厚みを有したシリコン基板である。ボディプレート 2にはインク供給口 201、インク貯留室 202、複数のインク供給路 203及び複数の圧力室 204が形成されている。インク供給口 201は直径力 00〜； 1500 m程度の円形状の貫通孔である。インク貯留室 202は幅が 400〜； 1000 m程度で深さ力 50〜200 m程度の溝である。インク供給路 203は幅が 50〜； 150 m程度で深さが 30〜； 150 m程度の溝である。圧カ室204は幅が150〜350 111程度で深さが 50— 200 μ m程度の溝である。

[0015] ノズルプレート 1とボディプレート 2とは互いに接合されるようになっており、接合した状態ではノズルプレート 1のノズル 101とボディプレート 2の圧力室 204とが 1対 1で対応するようになっている。

[0016] ノズルプレート 1とボディプレート 2とが接合された状態でインク供給口 201にインクが供給されると、当該インクはインク貯留室 202に一時的に貯留され、その後にインク貯留室 202から各インク供給路 203を通じて各圧力室 204に供給されるようになっている。

[0017] 圧電素子 3はボディプレート 2の圧力室 204に対応した位置に接着されるようになつている。圧電素子 3は PZT (lead zirconatetitanate)からなるァクチユエータであり、電圧の印加を受けると変形して圧力室 204の内部のインクをノズル 101から吐出させるようになつている。

[0018] なお、図 1では図示しないが、ノズルプレート 1とボディプレート 2と間には硼珪酸ガラスプレート 4 (図 2参照）が介在している。

[0019] 図 2に示す通り、 1つの圧電素子に対応してノズル 101と圧力室 204とが 1つずつ構成されている。

[0020] ノズルプレート 1においてノズル 101には段が形成されており、ノズル 101は下段部 101aと上段部 101bとで構成されている。下段部 101aと上段部 101bとは共に円筒形状を呈しており、下段部 101aの直径 D1 (図 2中左右方向の距離）が上段部 101b の直径 D2 (図 2中左右方向の距離）より小さくなつている。

[0021] ノズル 101の下段部 101aはインクを吐出する開口 102及び開口 102に接するインクの流路を有し、上段部 101bから流通してきたインクを直接的に吐出する部位である。下段部 101aは直径 D1が;!〜 l O rnで、長さ L (図 2中上下方向の距離）が 1. 0 〜5. C^ mとなっている。開口 102の直径は D1と等しい。下段部 101aの長さ Lを 1. 0〜5. 0 mの範囲に限定するのは、インクの着弾精度を飛躍的に向上させることができるからである（下記実施例参照）。

[0022] 他方、ノズル 101の上段部 101bは圧力室 204力も流通してきたインクを下段部 10 laに流通させる部位であり、その直径 D2が 10〜60 111となっている。上段部 101b の直径 D2の下限を 10 m以上に限定するのは、 10 mを下回ると、ノズル 101全体（下段部 101aと上段部 101b)の流路抵抗に対し上段部 101bの流路抵抗が無視できない値となり、インクの吐出効率が低下するからである。

[0023] 逆に、上段部 101bの直径 D2の上限を 60 μ m以下に限定するのは、上段部 101b の直径 D2が大きくなるほど、インクの吐出部位としての下段部 101aが薄弱化して（下段部 101aが面積増大して機械的強度が小さくなる。）、インクの吐出時に変形し易くなり、その結果インクの着弾精度が低下するからである。すなわち、上段部 10 lbの直径 D2の上限が 60 mを上回ると、インクの吐出に伴い下段部 101 aの変形が非常に大きくなり、着弾精度を規定値（ = 0. 5° )以内に抑えることができなくなる可能十生があるからである。

[0024] ノズルプレート 1とボディプレート 2との間には数百 μ m程度の厚みを有した硼珪酸ガラスプレート 4が設けられており、硼珪酸ガラスプレート 4にはノズル 101と圧力室 2 04とを連通させる開口部 4aが形成されている。開口部 4aは、圧力室 204とノズル 10 1の上段部 101bとに通じる貫通孔であり、圧力室 204からノズル 101に向けてインクを流通させる流路として機能する部位である。圧力室 204は、圧電素子 3の変形を受けて当該圧力室 204の内部のインクに圧力を与える部位である。

[0025] 以上の構成を具備するマルチノズルヘッド 100では、圧電素子 3が変形すると、圧力室 204の内部のインクに圧力を与え、当該インクは圧力室 204から硼珪酸ガラスプレート 4の開口部 4aを流通してノズル 101に至り、最終的にノズル 101の下段部 101 aから吐出されるようになっている。

[0026] なお、本発明に係るインクジェット装置では、マルチノズノレヘッド 100のノズノレプレート 1に対向する位置に基板電極 501が設けられている。基板電極 501には、電源 5 02が接続されており、ノズルプレート 1は接地されている。基板電極 501に電源 502 力も電圧を印加することによってノズル 101内のインクと当該基板電極との間には静電界が作用するようになっている。そのため、ノズル 101から吐出されたインクは電荷を帯びており、その静電界の作用を受けながら基板電極上の被記録物 503に着弾するようになつている。なお、上記と逆に、ノズルプレート 101に電源 502を接続し、基板電極 501を接地するようにしても良い。さらに、ノズノレプレート 1に電源 502を接続或いは設置するのではなぐノズル内或いは圧力室 204内のインクと接する部分に電極を設けて電圧を印加する或いは接地するようにしても良レ、。

[0027] 次に、マルチノズルヘッド 100の製造方法について説明する。

[0028] 当該製造方法は主には（1)ノズルプレート 1とボディプレート 2とを作製するプレート作製工程と、（2)ノズルプレート 1とボディプレート 2とを接合する接合工程と、（3)圧電素子 3をボディプレート 2に接着する接着工程とで構成されている。以下、各工程の処理につ!/、てそれぞれ説明する。

(1)プレート作製工程

ノズルプレート 1の作製では、始めに基材としてのシリコン基板又は酸化シリコン基板を準備し、当該シリコン基板又は酸化シリコン基板に対し公知のリソグラフィー処理 (レジスト塗布，露光，現像）とエッチング処理とを施してノズル 101を形成する。ノズルプレート 1に適用される「酸化シリコン基板」とは、シリコン基板の下段部 101 aに相当する部分を熱酸化したもの、又はシリコン基板に対し二酸化シリコン（SiO )をスパ

2 ッタ，蒸着等で成膜してその膜を下段部 101aに相当させたものをいう。

[0029] ボディプレート 2の作製では、ノズルプレート 1の場合と略同様で、始めに基材としてのシリコン基板を準備し、当該シリコン基板に対し公知のリソグラフィー処理とエッチング処理とを施し、インク供給口 201、インク貯留室 202、インク供給路 203及び圧力室 204を形成する。

[0030] なお、ボディプレート 2 (シリコン基板）へのエッチング処理としてはシリコン異方性ドライエッチング法を適用するのがよい。ボディプレート 2の面に対し垂直にエッチング加工を施すことができるためである。シリコン異方性ドライエッチング法につ!/、ては半導体ドライエッチング技術 (産業図書株式会社)等の文献を参照することができる。

(2)接合工程

当該接合工程では、始めに図 3 (a)に示す通り、プレート作製工程で作製したノズルプレート 1とボディプレート 2とを準備する。その後に図 3 (b)に示す通り、ノズルプレート 1のボディプレート 2と対向する面に対し硼珪酸ガラスプレート 4を接着する。マルチノズルヘッド 100では、硼珪酸ガラスプレート 4に代えて、図 4に示す通り、 0. 5〜3 11 mの比較的膜厚の硼珪酸ガラス膜 110を成膜してもよ!/、。

[0031] 当該硼珪酸ガラスとしては、ナトリウムイオンを含むガラス材でシリコンと比較的類似した線膨張係数 (シリコンの線膨張係数は 4· 2 X 10— ⁶/°C程度である。）を有するものが好適であり、具体的にはパイレックス（登録商標）やテンパックスフロート（登録商標）等が適用可能である。硼珪酸ガラスプレート 4に代えて硼珪酸ガラス膜 110を成膜する場合には、硼珪酸ガラス膜 110の成膜方法として真空蒸着法や高周波マグネトロンスパッタ法、イオンプレーティング等が適用可能であり、成膜時に緻密な膜を形成しやすレ、ように 250°C以上の温度で加熱するのが好まし!/、。

[0032] その後、図 3 (c)に示す通り、ノズルプレート 1とボディプレート 2とを互いに重ね合わせて固定し、その接合部の温度を高温に保持しながら直流高圧電源 5を用いて電圧を印加し、ノズルプレート 1とボディプレート 2とを陽極接合する。

[0033] ノズルプレート 1とボディプレート 2との接合部の加熱（高温保持）では、恒温層を用 V、てもよ!/、し、セラミックヒーター等を内蔵するホットプレートを用いてもょレ、。

[0034] 当該接合部の加熱範囲は 300〜550°Cとするのがよい。 550°Cを上回ると、（印加電圧にもよるが）硼珪酸ガラスプレート 4又は硼珪酸ガラス膜 110中から可動イオンが一気に流れ出して硼珪酸ガラスプレート 4又は硼珪酸ガラス膜 110が白濁したり膜密度が粗くなつたりして劣化し、結果的に強固な接合ができない可能性がある。逆に、 3 00°Cを下回ると、硼珪酸ガラスプレート 4又は硼珪酸ガラス膜 110中で可動イオンが移動し難くなるから印加電圧を増大する必要があり、印加電圧を増大させた結果ノズルプレート 1とボディプレート 2との間で短絡が発生し、結果的に陽極接合を十分に行うことができな!/、可能性がある。

[0035] ノズルプレート 1とボディプレート 2との陽極接合では、印加電圧の極性はボディプレート 2 (シリコン基板)側をプラスと、ノズルプレート 1 (硼珪酸ガラスプレート 4又は硼珪酸ガラス膜 110)側をマイナスとする。このような極性態様なら、静電引力により接合界面が互いに密着すると同時に電流が流れ、ノズルプレート 1とボディプレート 2とを強固に陽極接合することができる。

[0036] ノズルプレート 1とボディプレート 2との間に印加する直流電圧の電界強度は 30〜2 00kV/mmであるのが好ましい。例えば、硼珪酸ガラスプレート 4に代えて硼珪酸ガラス膜 110を成膜する場合には、硼珪酸ガラス膜 110の膜厚を 0· 5 111とすれば印カロ電圧を 15〜； 100Vと、硼珪酸ガラス膜 110の膜厚を 3 mとすれば印加電圧を 90 〜600Vとするのがよい。

[0037] なお、通常、 lkV( = 1000V)を超える電圧を取り扱う場合、その電圧を発生させる直流高圧電源 5の容量や電圧印加に関連する附帯装置の絶縁耐圧の確保が必要となること等から、直流高圧電源 5を含めた装置が高価で煩雑になる。そのため、硼珪酸ガラスプレート 4に代えて硼珪酸ガラス膜 110を成膜する場合には、硼珪酸ガラス膜 110の膜厚を適当な値に設定することで、陽極接合時に印加する電圧を取扱いが容易な lkV未満とするのが好ましい。

(3)接着工程

当該接着工程では、ノズルプレート 1とボディプレート 2との接合体に（ボディプレート 2側に)圧電素子 3を転写接着する。 [0038] 具体的には、始めに図 5 (a)に示し通りに、ガラスプレート 30に対し発泡剥離シート 31と PZTバルタプレート 32とがこの順に接着された PZT前駆体 36を準備する。その後、図 5 (b)に示す通り、発泡剥離シート 31と PZTバノレクプレート 32とを覆うように PZ T前駆体 36に対しドライフィルム 33をラミネートし、図 5 (c)に示す通り、公知のフォトリソグラフィー技術により発泡剥離シート 31、 PZTバルタプレート 32及びドライフィルム 33をパターユングして、圧電素子群 300を形成する。

[0039] その後、図 5 (d)に示す通り、圧電素子群 300の表面をサンドブラスト処理し、ドライフィルム 33を剥離する。その後、図 5 (e) , (f) , (g)に示す通り、接着剤層 35を有する樹脂シート 34を圧電素子群 300に接着して樹脂シート 34を剥離する。

[0040] その後、図 5 (h)に示す通り、治具（図示せず）に保持されたボディプレート 2に対し、圧電素子群 300を接着剤層 35側から接着し、ガラスプレート 30と圧電素子群 300 とをホットプレートで加熱する。加熱中、発泡剥離シート 31が溶融して除去され、ガラスプレート 30が圧電素子群 300から剥離する。これによりマルチノズルヘッド 100を製造すること力 Sでさる。

[0041] 以上のインクジェット装置では、ノズル 101の下段部 101aすなわちインクの吐出部位の長さ Lが 1. 0〜5. 0 mである力、ら、静電アシスト吐出方式のインクジェット装置においてインクの着弾精度を向上させることができ（下記実施例参照）、ひいては現在 LCD用カラーフィルター、スぺーサ一、マイクロレンズアレイ及び L/S 100 μ m前後の電子回路基板で要求されているインクの着弾精度を大幅に向上させてより高品質化を可能としたり、インクの高着弾精度が要求される有機 TFT、ファイン回路基板等への生産プロセス適用を可能としたりすることができる。さらに、ノズル 101の下段部 101aすなわちインクの吐出部位の長さ Lが 1. 0〜5. 0 mと短いから、低電圧でインクを吐出させることもできる。

実施例

[0042] 本実施例では、上記実施形態中で示したマルチノズルヘッド（100)と同様のマルチノズルヘッドを上記製造方法に従レ、ながら製造し、当該マルチノズルヘッドから吐出したインクの着弾精度を算出した。

[0043] 具体的には、ノズルプレートとボディプレートとをともにシリコンで構成し、ノズルの下段部の長さが 0. 1 - 10. O z mの範囲で異なる複数のマルチノズルヘッド（64ノズル X 2歹 IJ)を作製した。各マルチノズルヘッドでは、ノズルの下段部の直径を 5 mと、ノズルの上段部の直径を 60 mとした。その後、ノズルプレートと基板電極とを対向配置し、ノズルプレートと基板電極との間隔を lmmに保持するとともに、ノズルプレートと基板電極との間の電位差を 1000Vに保持した。この条件において、マルチノズルヘッドのノズルから基板電極に向けて下記表 1の 3種類のインク（A, B, C)をそれぞれ吐出した。

[表 1]

[0045] 表 1中、「EG」はエチレングリコールであり、「PG」はプロピレングリコールであり、「界面活性剤」はエアープロダクツジャパン (株)製サーフィノールである。

[0046] その後、基板電極上のインクの着弾位置を顕微鏡で観察し、その着弾位置と正規の着弾位置（目標位置）とのズレ量力もインクの飛翔角度 (° )を算出し、その算出値をインクの着弾精度とした。このときの画像の分解能は 1 μ mであり、着弾精度の検出限界は約 0· 06° である。ノズルの下段部すなわちインクの吐出部位の長さとインクの着弾精度との関係を下記表 2と図 6とにそれぞれ示す。

[0047] [表 2]

インクのィンクの着弾精度 (。 )

吐出部位

ィンク A インク B ィンク c 備考の長さ

(3cp, 30dyne/ cm) (3cp , 50dyne/ cm) (10cp , 50dyneZ cm)

( j" m)

0.1 17.00 25.00 45.00

0.3 0.61 0.91 9.10 比較例

0.7 0.09 0.11 0.72

1.0 0.06 0.06 0.25

2.0 0.06 0.06 0.06

実施例

3.0 0.06 0.06 0.06

5.0 0.13 0.20 0.46

10.0 1.60 2.50 2.70 比較例表 2と図 6とに示す通り、ノズルの下段部すなわちインクの吐出部位の長さが 1. ₀〜 5· 0〃mであると、インク A, B, Cいずれのインクでも着弾精度が 0. 5。以内に収まつている（図 6中点線部参照）。以上から、インクの着弾精度を向上させる上では、ノズノレの下段部の長さすなわち、インクを直接吐出する吐出部位 (インクが吐出される開口とその開口に接する流路とで構成される吐出部位）の長さを: L . ₀〜₅. _{0 iU m}の範囲内とするのが有用であることがわ力。

Claims

請求の範囲

[1] 電界アシスト吐出方式のインクジェット装置にお!/、て、

前記ノズルの前記開口に接して前記開口と共にインクの吐出部位を構成する流路の長さが 1. 0〜5. 0 mであることを特徴とするインクジェット装置。

[2] 請求の範囲第 1項に記載のインクジェット装置において、

前記上段部の直径が 10〜60 mであることを特徴とするインクジェット装置。

[3] 前記ノズルの前記開口の直径が 1〜； 10 m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項に記載のインクジェット装置。

[4] 前記ノズルに対向配置される電極基板と、電源装置とを更に備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のインクジェット装置。

[5] 前記ノズルはシリコンで構成されており、該ノズルは接地されているとともに、前記電源装置は前記電極基板に接続されていることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載のインクシェット装置。

[6] 前記ノズルはシリコンで構成されており、該ノズルは前記電源装置に接続されるとともに、前記電極基板は接地されていることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載のィンクジェット装置。