本発明を図示の実施の形態に基づいて説� ��するが、本発明は該実施の形態に限らない� ��

 図1は液体吐出ヘッドの例であるインクジ ェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッドと称� �る。)Aを構成している、ノズルプレート1、� �ディプレート2、圧電素子3を模式的に示して いる。

 ノズルプレート1には、インク吐出のため のノズル11を複数配列してある。また、ボデ� ��プレート2には、ノズルプレート1を貼り合� �せることで、圧力室となる圧力室溝24、イン ク供給路となるインク供給路溝23及び共通イ� ��ク室となる共通インク室溝22、並びにイン� �供給口21が形成されている。

 そして、ノズルプレート1のノズル11とボ� ��ィプレート2の圧力室溝24とが一対一で対応� ��るようにノズルプレート1とボディプレート 2とを貼り合わせることで流路ユニットMを形� ��する。ここで、以後、上記で説明に使用し� ��圧力室溝、供給路溝、共通インク室溝の各� ��号はそれぞれ圧力室、供給路、共通インク� ��にも使用する。

 ここで、図2は、この記録ヘッドAにおい� �、ノズルプレート1、ボディプレート2、圧電 素子3を組み立てた後、ノズルプレート1のY-Y� ��及びボディプレート2のX-Xの位置での断面を 模式的に示している。図2が示しているよう� �、流路ユニットMに圧電素子3をインク吐出用 アクチュエータとしてボディプレート2のノ� �ルプレート1を接着する面と反対の各圧力室2 4の底部25の面に接着することで、記録ヘッド Aが完成する。この記録ヘッドAの各圧電素子3 に駆動パルス電圧が印加され、圧電素子3か� �発生する振動が圧力室24の底部25に伝えられ� ��この底部25の振動により圧力室24内の圧力を 変動させることでノズル11からインク滴を吐� ��させる。

 一つのノズル11の断面を図3に示す。ノズ� ��11は、ノズルプレート1に穿孔されて形成さ� ��ている。各ノズル11は、それぞれノズルプ� �ート1の吐出面12に吐出孔13を有する小径部14� ��その背後に位置する小径部14より径の大き� �大径部15との2段構造としている。小径部14の 長さは、ノズルプレート1におけるノズル長� �なる。このノズル長を小径部14の開口である 吐出孔13の径と同じく精度良く形成すること� ��必要である。尚、30は第1の基材であるSi基� �、32は小径部14が形成される第2の基材、45は� ��液層を示している。これらに関しては以降� ��説明する。

 ここで、ノズルプレート1の製造に関して 説明する。図4、図5は図1のノズルプレート1� �製造する工程の概略を断面図でもって模式� �に示した図であり、完成したノズルプレー� �は図5(d)に示している。また、好ましくは撥� ��層45を設けたノズルプレートを図5(e)に示し� ��いる。

 第1の工程とする小径部14の形成に関して図4 に沿って説明する。ノズルプレート1となる� �板は、第1の基材の片側に第2の基材が設けて ある。第1の基材であるSi基板30の上に小径部1 4を形成する第2の基材32を設けてある(図4(a))� �第2の基材32の素材は、Si異方性ドライエッチ ングにおけるエッチング速度がSiのエッチン� ��速度より遅い必要がある。また、エッチン� ��処理にて1μmから10μm程度の孔が形成可能な� ��料であることが好ましい。この様な材料と� ��て、例えば、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ などの絶縁材料、Ni、Cr等の金属、フォトレ� �スト等の樹脂が挙げられる。Siに比較したエ ッチング速度は、Siを1とすると、SiO ₂ 、Al ₂ O ₃ は1/300から1/200程度、Ni、Crは1/500程度、フォ� �レジスト等の樹脂は1/50程度である。ここで� ��このSiを1とするエッチング速度比をエッチ� ��グ選択比とする。これらのエッチング選択� ��は、エッチング装置やエッチングレート等� ��エッチング条件により前後するためおおよ� ��の値で示している。この数値が小さいほど� ��り精度良く小径部14を所定の長さとするこ� �が出来ることになる。

 上記の材料を用いて、小径部14の長さと同� �厚みの第2の基材32をSi基板30の上に設ける場� ��、その形成方法は特に限定されることはな� ��、材料に応じた公知の、例えば、真空蒸着� ��、スパッタリング法、CVD法、スピンコート� ��等が挙げられ、使用する材料に応じて適宜� ��択すれば良い。第2の基材をSiO ₂ とする場合は、シリコン基板30を熱酸化した� ��のを用いても良い。第2の基材の厚みに特に 制限は無いが、厚すぎるとノズル11の流路抵� ��が増してしまい液滴吐出に必要な駆動電圧� ��増大してしまい、薄すぎると強度が懸念さ� ��るという問題があるため、必要に応じて適� ��設定すればよい。

 第2の基材32をSiO ₂ とし小径部14を設ける場合を以下で説明する� ��まず、エッチングマスク34aとなる膜34、例� �ばNi膜、を第2の基材32の上に公知の真空蒸着 法やスパッタリング法等にて設ける(図4(b))。 膜34は、第2の基材32をエッチングする上でエ� ��チングマスクとなるものであれば特に限定� ��れない。膜34の上に、公知のフォトリソグ� �フィ技術により吐出孔13及び小径部14を形成� ��るエッチングマスク34aを形成するためのフ� ��トレジストパターン36を公知のフォトリソ� �ラフィ処理(レジスト塗布、露光、現像)にて 形成する(図4(c))。

 次に、このフォトレジストパターン36を� �スクとして、塩素ガス等を用いた公知の反� �性ドライエッチング法を用いて膜34のマスク されてない部分を除去してパターニングする ことによってエッチングマスク34aを得る。こ の後、公知の酸素プラズマによるアッシング 法により残っているフォトレジストパターン 36の除去を行う(図4(d))。

 次に、Niのエッチングマスク34aを用いて、CF ₄ ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング 法により、第2の基材32を貫通する小径部14を� ��成する(図4(e))。小径部14が第2の基材32を貫� �しておくことで、後述の大径部15の加工が終 了すると小径部14と大径部15とが連通するこ� �になる。詳細は後述の大径部15に関するとこ ろで説明する。尚、小径部14の長さが第2の基 材の厚みより長くなってSi基板30に入り込ん� �も何ら問題は生じない。

 次に、エッチングマスク34aを除去すること� ��第2の基材32であるSiO ₂ 層に小径部14が完成する(図4(f))。

 ここで、第2の基材32をフォトレジストと� ��る場合、フォトレジストパターンの形成が� ��のまま小径部14の形成となる。また、第2の� ��材32をNi、Cr等の金属とする場合、第2の基材 32の上にフォトレジストパターンを形成した� ��、ウエットエッチング等により小径部14を� �成することができる。更に、第2の基材32を� �脂とする場合、第2の基材32の上にフォトレ� �ストパターンを形成した後、酸素プラズマ� �よるドライエッチングにより小径部14を形成 することができる。

 次に、第2の工程とする大径部15の形成に� ��して図5に沿って説明する。大径部15の形成� ��、小径部14が形成された第2の基材32を備え� �Si基板30を用い、小径部14に連通するように� �る。複数の大径部15を設ける場合の大径部15� ��配列に際し、隣接する大径部15の例えばノ� �ル内の液体への加圧力の干渉等が問題とな� �ないような隔壁の強度が確保される厚みを� �つことができる径とするのが良い。また、� �径部14の間隔のピッチも考慮して適宜決める のが良い。

 まず、小径部14を設けた第2の基材32が有る� �の反対面のSi基板30の上に、公知のフォトリ� ��グラフィ処理により大径部15を設けるため� �エッチングマスクとなる膜40を設ける。膜40� ��、Si基板30をSi異方性ドライエッチングする� ��でのエッチングマスクとなるものであれば� ��に限定されることはなく、例えば、SiO ₂ 膜がある。膜40にマスクパターンを形成する� ��めに公知のフォトリソグラフィ技術により� ��ォトレジストパターン42を形成する(図5(a))� �次に、フォトレジストパターン42をマスクと して、CHF ₃ ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング 法を用いて、SiO ₂ のエッチングマスク40aを形成する。

 次に、Si異方性ドライエッチング法を用� �てSi基板30の小径部14が形成されている反対� �の面から少なくとも第2の基材に形成されて� ��る小径部14に貫通し、小径部14の断面の全域 が露出するまで大径部15を形成する。このと� ��、小径部14が形成されている第2の基材32の� �材は、エッチング選択比が小さい。このた� �、大径部15をエッチングするに際して、第2� �基材32にエッチングが達した後は、この第2� �基材32のエッチング速度がエッチング選択比 に応じて低下する。

 大径部15を形成するために必要なエッチ� �グ量(例えば、エッチング条件を同じすると� ��ッチング処理時間に置き換えることができ� ��。)は、予め実験等で決めたとしても、形成 される大径部15の長さを常に一定とすること� ��困難であり、例えば、同一のSi基板の上に� �いても、基板の大きさにもよるが、±5%程度� ��範囲のばらつきが生じる。

 大径部15を形成して小径部14と必ず連通さ せるためには、Si基板30に大径部15を形成する 長さのばらつきの内、短くなる場合を想定し て、エッチング量を多くなるように設定する 必要がある。しかし、多くすると、場合によ っては、大径部15の長さが長くなりすぎる、� ��謂オーバーエッチングとなってしまう。こ� ��結果、オーバーエッチングされた大径部15� �連通する小径部14の長さは、小径部14の素材� ��エッチング選択比がSiと同じである(エッチ� ��グ選択比が1)とすると所定の長さより短く� �ってしまう。このようなノズルを有するノ� �ルプレートが組み込まれた記録ヘッドの印� �品質は良好とはならないことになる。

 ここで、第2の基材32をエッチング選択比� ��小さい材料としておくと、オーバーエッチ� ��グとなっても大径部15をエッチング速度が� �2の基材32に達した時点から低下しエッチン� �処理が進まなくなる。よって、大径部15の加 工のために設定するエッチング量を加工ばら つきを考慮した量を所定の加工量に加えた量 に設定してオーバーエッチング状態としても 、第2の基材に対するオーバーエッチングに� �る加工量は軽減されることになる。従って� �小径部14が形成される第2の基材の厚みが薄� �なることが抑えられることになる。

 例えば、第2の基材32がSiO ₂ であれば、エッチング選択比は1/300から1/200� �度と小さい。仮に1/200とすると、オーバーエ ッチング量が10μmの場合、オーバーエッチン� ��量で小径部14が短くなる量は、0.05μm程度に� ��えることができる。

 小径部14は第2の基材32を貫通しているの� �、大径部15を上記の様にオーバーエッチング 状態で形成すると大径部15と小径部14とは連� �し、小径部14の長さはほぼ第2の基材の厚み� �同じ長さとする所望のノズルが完成する(図5 (c))。この後、フォトレジストパターン42、エ ッチングマスクパターン40aを除去することで ノズルプレートが完成する(図5(d))。フォトレ ジストパターン42は、エッチングマスク40aの� ��成後、すぐに除去してもよい。

 ここで、小径部14を形成する第1の工程と� ��径部15を形成する第2の工程の順序は入れ替� ��ても良い。すなわち、まず図5に示す様に、 第2の基材32を設けたSi基板30に上記と同じ様� �Si異方性ドライエッチング法を用いて大径部 15を形成する。この場合、まだ小径部14は第2� ��基材に形成されていない。次に図4に示す様 に、大径部15が形成されたSi基板30(図4では、� ��径部15は図示されていない。)に小径部14を� �記と同じ様に第2の基材32を貫通するよう形� �すれば良い。

 上記のSi基板30へのノズル加工終了後、Si� ��板30の吐出孔を形成した側の面に撥液層45を 設けた(図5(e))後、ダイサー等を用いて個々の ノズルプレート1に分離する。

 ノズルプレート1の吐出面12はフラットと� ��ている。吐出面12をフラットとすることで� �ノズルプレート1の加工が容易であり、また� ��録ヘッドに組み付けられて使用される場合� ��吐出孔13がある吐出面12のワイピングによる 清掃を問題なく容易に行うことができる。

 撥液層45に関して説明する。図1に示すノ� ��ルプレート1の吐出孔13が存在する吐出面に� ��液層45を設けるのが好ましい。撥液層45を設 けることで、吐出孔13から液体が吐出面12に� �染むことでの染み出しや広がりを抑制する� �とができる。具体的には、例えば液体が水� �であれば撥水性を有する材料が用いられ、� �体が油性であれば撥油性を有する材料が用� �られるが、一般に、FEP(四フッ化エチレン、� ��フッ化プロピレン)、PTFE(ポリテトラフロロ� ��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12に成膜されて� ��る。薄膜の厚みは、特に限定されるもので� ��ないが、100nm未満とすることで実質的なノ� �ル長への影響を低減されることが可能であ� �ことから、好ましく用いることが出来る。

 また、撥液層45は、フルオロアルキルシラ� �系の単分子膜からなるものも好ましく用い� �ことが出来る。ノズル11の吐出孔13以外の吐� ��面12全体に形成されている。フルオロアル� �ルシランは、下記一般式に示されるもので� �る。
R-Si-X ₃
(式中、Xは加水分解性基であり、好ましくは� ��素数1~5のアルコキシ基である。Rはフッ素含 有有機基であり、炭素数1~20のフルオロアル� �ル基が好ましい。)
フルオロアルキルシラン系の単分子膜からな るものを用いると、基材との化学結合により 経時劣化の少ない撥液膜とすることが出来る 。

 なお、撥液層45は、ノズルプレート1の吐� ��面12に直接成膜してもよいし、撥液層45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。

 なお、ノズル11の断面形状は円形状に限� �されることはなく、円形形状の代わりに、� �面多角形状や断面星形状等としてもよい。� �、断面形状が円でない場合、例えば、小径� �り大きい大径とは小径部の断面積を同じ面� �の円形に置き換えた場合の直径より、大径� �の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場� �の直径が大きいことを示している。

 図1で示すように、ボディプレート2は、� �ズル11にそれぞれ連通する複数の圧力室とな る圧力室溝24、この圧力室にそれぞれ連通す� ��複数のインク供給路となるインク供給溝23� �びこのインク供給に連通する共通インク室� �なる共通インク室溝22、並びにインク供給口 21を備えている。これらの溝等を、例えば、� ��途用意するSi基板に公知のフォトリソグラ� �ィ処理(レジスト塗布、露光、現像)及びSi異� ��性ドライエッチング技術を用いて形成する� ��とでボディプレート2となる。

 ノズルプレート1のノズル11とボディプレ� ��ト2の圧力室溝24とが一対一で対応するよう� ��ノズルプレート1とボディプレート2とを貼� �合わせることで流路ユニットMを形成する。

 流路ユニットMに圧電素子3をインク吐出� �アクチュエータとしてボディプレート2のノ� ��ルプレート1を接着する面と反対の各圧力室 24の底部25の背面に接着することで、記録ヘ� �ドAが完成する。

 これまで説明したノズルプレート1を、静 電力の作用を利用して液滴を吐出する、いわ ゆる電界アシスト型液体吐出ヘッドに用いる ことができる。

 図6に電界アシスト型液体吐出ヘッドB(液体� ��出ヘッドB)を用いて構成した液体吐出装置60 の全体構成を模式的に示す。液体吐出ヘッド Bに利用するノズルプレート1の、例えば、大� ��部15の内周面に、例えばNiP、Pt、Au等の導電� ��材よりなるノズル内の液体を帯電させるた� ��の静電電圧印加手段である帯電用電極50を� �ける。帯電用電極50を設けることで、帯電用 電極50がノズルプレート1の大径部15内の液体� ��接触する。静電電圧電源51から帯電用電極50 と吐出される液滴が着弾する基材53を備えた� ��向電極54との間に静電電圧が印加されると� �大径部15内の液体が同時に帯電さ
れる。この帯電により、液体吐出ヘッドのノ ズル孔11と対向する位置に設けてある対向電� ��54との間、特に液体と吐出される液滴が着� �する基材53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。

 吐出される液滴となる液体は、水等の無� ��液体、メタノール等の有機液体及び高電気� ��導率の物質(銀粉等)が多く含まれるような� �電性ペーストが挙げられる。

 各圧力室24に対応する背面部分には、圧� �発生手段としての圧電素子アクチュエータ� �あるピエゾ素子3がそれぞれ設けられている� ��ピエゾ素子3には、ピエゾ素子3に駆動電圧� �印加してピエゾ素子3を変形させるための駆� ��電圧電源52が接続されている。ピエゾ素子3� ��、駆動電圧電源52からの駆動電圧の印加に� �り変形して、ノズル内の液体に圧力を生じ� �せてノズル11の吐出孔13に液体のメニスカス� ��形成させるようになっている。ここで、上� ��で述べたように吐出孔13の存在する吐出面12 に撥液層45が設けてあることで、ノズルの吐� ��孔13部分に形成される液体のメニスカスが� �出孔13の周囲の吐出面12に広がることによる� ��ニスカス先端部への電界集中の低下を効果� ��に防止することができる。尚、55は駆動電� �電源52や静電電圧電源51等の液体吐出装置60� �制御する制御部である。

 従って、ピエゾ素子3による液体への圧力 と帯電用電極50による液体への静電吸引力と� ��相乗効果により効率的に液滴が吐出できる� ��界アシスト型液体吐出ヘッドとすることが� ��来る。

 次に、本発明に係るノズルプレートを用� ��た液体吐出装置の別の実施形態について、� ��面を参照して説明する。ただし、発明の範� ��を図示例に限定するものではない。

 図7は、第1の実施形態に係る液体吐出装� �の全体構成を示す断面図である。なお、本� �施形態に係る液体吐出ヘッド102および液体� �出装置101は、いわゆるシリアル方式あるい� �ライン方式等の各種の液体吐出装置に適用� �能である。

 本実施形態に係る液体吐出装置101は、イ� ��ク等の帯電可能な液体Lの液滴Dを吐出する� �数のノズル110を有する液体吐出ヘッド102と� �液体吐出ヘッド102のノズル110に対向する対� �面を有するとともにその対向面で液滴Dの着� ��を受ける基材Kを支持する対向電極103とを備 えている。

 液体吐出ヘッド102のうち対向電極103に対� ��する側には、液体吐出ヘッド102に用いられ� ��吐出孔113ら液滴を吐出する複数のノズル110� ��形成されたノズルプレート111が設けられて� ��る。本実施形態に係るノズルプレート111は� ��シリコン基板111aの対向電極103側の一面にSiO 2膜111bと厚みが100nm未満の撥液膜111cとを順に� ��えている。また、ノズルプレート111に形成� ��れたノズル110は、シリコン基板111aを貫通す る大径部115と、SiO2膜111bおよび撥液膜111cを貫 通する小径部114とを備える2段構造とされて� �る。したがって、液体吐出ヘッド102は、ノ� �ルプレート111の対向電極103や基材Kに対向す� ��吐出面112からノズル110が突出されない、フ� ��ットな吐出面を有するヘッドとして構成さ� ��ている。

 各ノズル110の小径部114および大径部115は、� ��れぞれ円柱形状に形成されている。
ノズル径は、小径部114の内径が10μm以下にな� ��ように構成されていることが好ましく、ノ� ��ル110の他の部分の寸法は必要に応じて適宜� ��定すればよい。

 ノズルプレート上には、撥液膜128が形成� ��れている。形成方法の一例としては、ノズ� ��110内に撥液剤が浸入しないようにノズル110� ��ら空気を噴出させながら、フルオロアルキ� ��シランが溶解した塗布液を塗布、乾燥させ� ��後、充分焼成して単分子膜とする方法が挙� ��られる。なお、撥液膜128の形成方法として� ��に制限はなく、例えば、リバースロールコ� ��タ等のローラを用いたコーティング法やブ� ��ード等を用いたコーティング法、或いはCVD( Chemical Vapor Deposition)法を用いて製膜するこ� �が可能である。また、ノズル110内への撥液� �の浸入を防ぐためには、ノズル110内に液体L� ��充填した状態で成膜することとしても良い� ��

 ノズルプレート111の吐出面112と反対側の� ��には、例えばNiP等の導電素材よりなりノズ� ��110内の液体Lを帯電させるための帯電用電極 116が層状に設けられている。本実施形態では 、帯電用電極116は、ノズル110の大径部115の内 周面117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116には、静電吸引力を� ��じさせるための静電電圧を印加する静電電� ��印加手段としての帯電電圧電源118に接続さ� ��ている。本実施形態では、単一の帯電用電� ��116がすべてのノズル110内の液体Lに接触して いるため、帯電電圧電源118から帯電用電極116 に静電電圧が印加されると、全ノズル110内の 液体Lが同時に帯電され、ノズル110や後述す� �キャビティ120内の液体Lと対向電極103に支持� ��れた基材Kとの間に静電吸引力が発生するよ うになっている。

 帯電用電極116の背後には、ボディプレー� ��119が設けられている。ボディプレート119の� ��ノズル110の大径部115の開口端に面する部分� ��は、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有� ��る略円筒状の空間が形成されており、各空� ��は、ノズル110の吐出孔113から吐出される液� ��Lを一時貯蔵するためのキャビティ120とされ ている。

 ボディプレート119の背後には、可撓性を� ��する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層1 21が設けられており、可撓層121により液体吐� ��ヘッド102内の液体Lが外部に漏出しないよう になっている。

 なお、ボディプレート119には、キャビテ� ��120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、ボディプレ ート119としてのシリコンプレートをエッチン グ加工してキャビティ120、図示しない共通流 路、および共通流路とキャビティ120とを結ぶ 流路が設けられている。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� �図示しない供給管が連絡されており、供給� �に設けられた図示しない供給ポンプにより� �いは液体タンクの配置位置による差圧によ� �流路やキャビティ120、ノズル110等の内部の� �体Lに所定の供給圧力が付与されるようにな� ��ている。

 本実施形態では、可撓層121の外面の各キ� ��ビティ120に対応する部分には、それぞれ圧� ��発生手段としての圧電素子アクチュエータ� ��ある圧電素子122が設けられており、圧電素� ��122には、素子に駆動電圧を印加して素子を� ��形させるための駆動電圧電源123が電気的に� ��続されている。

 圧電素子122は、駆動電圧電源123からの駆� ��電圧の印加により変形して、ノズル内の液� ��Lに圧力を生じさせてノズル110の吐出孔113に 液体Lのメニスカスを形成させるようになっ� �いる。なお、圧力発生手段は、本実施形態� �ような圧電素子アクチュエータのほかに、� �えば、静電アクチュエータやサーマル方式� �を採用することも可能である。

 駆動電圧電源123および前述した帯電電圧� ��源118は、それぞれ動作制御手段124に接続さ� ��ており、それぞれ動作制御手段124による制� ��を受けるようになっている。

 動作制御手段124は、本実施形態では、CPU1 25やROM126、RAM127等が図示しないBUSにより接続� ��れて構成されたコンピュータからなってお� ��、CPU125は、ROM126に格納された電源制御プロ� ��ラムに基づいて帯電電圧電源118および各駆� ��電圧電源123を駆動させてノズル110の吐出孔1 13から液体Lを吐出させるようになっている。

 具体的には、動作制御手段124は、電源制� ��プログラムに基づいて静電電圧印加手段で� ��る帯電電圧電源118による前記帯電用電極116� ��の静電電圧の印加を制御して、ノズル110や� ��ャビティ120内の液体Lを帯電させ、液体Lと� �材Kとの間に静電吸引力を発生させるように� ��っている。また、動作制御手段124は、電源� ��御プログラムに基づいて各駆動電圧電源123� ��駆動させて各圧電素子122をそれぞれ変形さ� ��て、ノズル110内の液体Lに圧力を生じさせて ノズル110の吐出孔113に液体Lのメニスカスを� �成させるようになっている。

 液体吐出ヘッド102の下方には、基材Kを裏 面から支持する平板状の対向電極103が液体吐 出ヘッド102の吐出面112に平行に所定距離離間 されて配置されている。対向電極103と液体吐 出ヘッド102との離間距離は、0.1~3mm程度の範� �内で適宜設定される。

 本実施形態では、対向電極103は接地され� ��おり、常時接地電位に維持されている。そ� ��ため、前記帯電電圧電源118から帯電用電極1 16に静電電圧が印加されると、ノズル110の吐� ��孔113の液体Lと対向電極103の液体吐出ヘッド 102に対向する対向面との間に電位差が生じて 電界が発生す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103� ��その電荷を接地により逃がすようになって� ��る。なお、本実施形態のように対向電極103� ��接地する方法に限られず、帯電用電極116を� ��地させ、対向電極103に静電電圧を印加する� ��ととしても良い。

 対向電極103または液体吐出ヘッド102には� ��液体吐出ヘッド102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102の各ノズル110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可� ��とされている。

 液体吐出装置101により吐出を行うことが� ��きる液体Lは、公知の液体を特に制限なく使 用することが出来る。

 また、例えば銀粉等の高電気伝導率の物� ��が多く含まれるような導電性ペーストを液� ��Lとして使用することも可能である。また、 前記液体Lに溶解または分散させる目的物質� �しては、ノズルで目詰まりを発生させるよ� �な粗大粒子を除けば、特に制限されない。

 さらに、PDP(Plasma Display Panel)、CRT(Cathode Ray  Tube)、FED(Field Emission Display)等の蛍光体とし て従来より知られているものも特に制限なく 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等、緑色蛍光体として、Zn ₂ SiO ₄ :Mn、BaAl ₁₂ O ₁₉ :Mn、(Ba,Sr,Mg)O・α-Al ₂ O ₃ :Mn等、青色蛍光体として、BaMgAl ₁₄ O ₂₃ :Eu、BaMgAl ₁₀ O ₁₇ :Eu等が挙げられる。

 上記の目的物質を基材K上に強固に接着さ せるために、各種バインダを添加してもよい 。用いられるバインダとしては、公知の樹脂 化合物を特に制限なく用いることが出来る。 樹脂化合物は、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101をパターンニング手段と� ��て使用する場合には、代表的なものとして� ��ディスプレイ用途に使用することができる� ��具体的には、PDPの蛍光体の形成、PDPのリブ� ��形成、PDPの電極の形成、CRTの蛍光体の形成� ��FEDの蛍光体の形成、FEDのリブの形成、LCD(Liq uid Crystal Display)用のRGB着色層やブラックマ� �リクス層等のカラーフィルタの形成、ブラ� �クマトリクスに対応したパターンやドット� �ターン等のLCD用スペーサの形成等を挙げる� �とができる。なお、リブとは一般的に障壁� �意味し、PDPを例に取ると各色のプラズマ領� �を分離するために用いられる。

 また、本実施形態の他の用途としては、� ��イクロレンズ、半導体用途として磁性体、� ��誘電体、配線やアンテナとなる導電性ペー� ��ト等のパターンニング塗布、グラフィック� ��途として通常印刷、フィルムや布、鋼板等� ��特殊媒体への印刷、曲面印刷、各種印刷版� ��刷版、加工用途として粘着材、封止材等に� ��する塗布、バイオ、医療用途として微量の� ��分を複数混合するような医薬品、遺伝子診� ��用試料等の塗布等に応用することができる� ��

 ここで、本実施形態に係る液体吐出ヘッ� ��102における液体Lの吐出原理について説明す る。

 本実施形態では、帯電電圧電源118から帯� ��用電極116に静電電圧を印加して、全ノズル1 10の吐出孔113の液体Lと対向電極103の液体吐出 ヘッド102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123から液体L� �吐出すべきノズル110に対応するピエゾ素子12 2に駆動電圧を印加してピエゾ素子122を変形� �せ、それにより液体Lに生じた圧力でノズル1 10の吐出孔113に液体LのメニスカスM(図8参照)� �形成させる。

 この際、図8に示すように、ノズルプレー ト111の内部に、吐出面112に対して略垂直方向 に等電位線が並び、ノズル110の小径部114の液 体LやメニスカスMに向かう強い電界が発生す� ��。

 特に、図8でメニスカスMの先端部では等� �位線が密になっていることから分かるよう� �、メニスカスMの先端部では非常に強い電界� ��中が生じる。そのため、電界の強い静電力� ��よりメニスカスM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103 に支持された基材Kに引き寄せられて着弾す� �。その際、液滴Dは、静電力の作用でより近� ��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、着弾が正確に行 われる。

 また、ノズル110の吐出孔113に形成された� ��ニスカスMが吐出面112に広がるとメニスカス Mの先端部の電界集中が弱くなってしまうが� �本実施形態では、吐出面112に撥液膜111cが形� ��されているため液体Lの吐出面112での広がり が防止され、メニスカスMの先端部の電界集� �が弱まることがない。

 このように、本実施形態に係る液体吐出� ��ッド102における液体Lの吐出原理を利用すれ ば、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッ ド102においても、高い体積抵抗を有するノズ ルプレート111を用い、吐出面112に対して垂直 方向の電位差を発生させることで強い電界集 中を生じさせることができ、正確で安定した 液体Lの吐出状態となる。そして、撥液膜111c� ��よりメニスカスMが確実かつ適切に形成され るとともに、小径部114におけるノズル長のば らつきを小さくすることができ、吐出性能を 向上させることが可能である。

 ここで、発明者らが各種の絶縁体で形成し� ��ノズルプレート111を用いて行った実験及び� ��ミュレーション実験では、メニスカスMの先 端部の電界強度はノズル径及び絶縁体の厚み に依存し、液滴吐出に必要な電界強度は1.5×1 0 ⁷ V/m程度であるという知見が得られた。詳しく は図9及び図10より、ノズル径(小径部の内径)� ��10μmの場合は絶縁性であるSiO2膜111bの厚みを 45μm以上に、ノズル径が5μmの場合はSiO2膜111b� ��厚みを20μm以上に、ノズル径が2μmの場合はS iO2膜111bの厚みを5μm以上に設定すれば電界集� ��吐出に必要な集中電界強度が得られる。な� ��、シミュレーション実験は、電界シミュレ� ��ションソフトである「PHOTO-VOLT」(商品名、� �式会社フォトン製)で電流分布解析モードに� ��るシミュレーションにより行った。

 次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド1 02および液体吐出装置101の作用について説明� ��る。

 図11は、本実施形態に係る液体吐出装置に� �ける液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する� �である。本実施形態では、液体吐出装置101� �動作制御手段124は、帯電電圧電源118から帯� �用電極116に一定の静電電圧V _C を印加させる。これにより、液体吐出ヘッド 102の各ノズル110には常時一定の静電電圧V _C が印加され、液体吐出ヘッド102内の液体Lと� �向電極103に支持された基材Kとの間に電界が� ��じる。

 また、それと同時に、ノズル110の吐出孔1 13付近で、ノズルプレート111の内部に、吐出� ��112に対して略垂直方向に等電位線が並ぶよ� ��になり、ノズル110の小径部114内の液体Lに向 かう強い電界が発生する。

 さらに、動作制御手段124が、液滴Dを吐出さ せるべきノズル110に対応する圧電素子122に対 して駆動電圧電源123からパルス状の駆動電圧 V _D を印加させると、圧電素子122が変形してノズ ル内部の液体Lの圧力が上昇し、ノズル110の� �出孔113では、図11(A)の状態からメニスカスM� �隆起して、図11(B)のようにメニスカスMが大� �く隆起した状態となる。

 その際、本実施形態では、ノズルプレー� ��111の吐出面112にフッ化アルキルシランの撥� ��膜111cが形成されているため、ノズル110の吐 出孔113に形成されたメニスカスMが吐出面112� �広がらず、メニスカスMの隆起が保持される� ��

 このように隆起したメニスカスMの先端部で は高度な電界集中が生じ、電界強度が非常に 強くなり、メニスカスMに対して前記静電電� �V _C により形成された電界から強い静電力が加わ る。そして、この強い静電力による吸引によ り図11(C)のようにメニスカスが引きちぎられ� ��径が1~10μm程度の微細な液滴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� ��引され、対向電極103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� �より近い所に着弾しようとするため、基材K� ��対する着弾方向がぶれることなく安定し、� ��材Kに正確に着弾する。また、ノズル110では 、図11(D)のように液滴Dが引きちぎられた分だ け液面が後退するが、キャビティ120から液体 Lが補充されて、速やかに図11(A)の状態に戻る 。

 なお、ピエゾ素子122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 正弦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、� ��エゾ素子122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� �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。

 以上より、本実施形態におけるノズルプ� ��ート111および液体吐出装置101によれば、小� ��部114の内径が10μm未満と小さい吐出孔113を� �するノズル110においても、撥液膜111cを100nm� �満と薄く形成することにより、撥液膜111cが� ��出孔113に入り込んでしまうことによるノズ� ��径のばらつきを防止することができるとと� ��に、撥液膜111cの厚みのばらつきによるノズ ル長のばらつきを抑制し、その影響が液滴吐 出に及ぶのを回避することができる。このよ うに、ノズル長のばらつきを抑制することが できるため、ノズル110の吐出孔113に形成され るメニスカスMの隆起量のばらつきが抑制さ� �、先端部の電界強度を一定に保つことが可� �となる。また、撥液膜111cを薄く形成するた� ��ノズル長を小さくすることができ、ノズル1 10内の流路抵抗の増大を抑制することが可能� ��あり、液滴を吐出させる際にノズル110内の� ��体Lにかける圧力の増大を抑制することがで きる。

 また、撥液膜111cにより、ノズル110の吐出 孔113からの液体Lの滲み出しや吐出面112への� �出液滴Dの付着等を回避することができるの� ��、メニスカスM先端部の電界強度を乱すこと がなく、より吐出性能を向上させることが可 能である。

 また、小径部114の内径が10μm未満と小さい� �出孔113を有するノズル110を精密に形成する� �とができるので、必要とされる集中電界強� �が高い電界集中方式の液体吐出ヘッドにも� �いることができる。
また、エッチングレートの異なるシリコン基 板111aとSiO2膜111bとを備えるので、ノズルプレ ート111の各面側からエッチングを行うことに より容易に大径部115と小径部114とを形成する ことができる。

 さらに、SiO2膜111bの吐出面側にフルオロ� �ラン系の撥液膜111cを形成させることにより� ��良好な単分子膜とすることが可能である。� ��た、フルオロシラン系の撥液膜111cを用いる ことにより、撥液性が経時的に変化しないノ ズルプレート111とすることが可能である。

 なお、本実施形態では、ピエゾ素子122の� ��形によりメニスカスMを隆起させる構成とし ているが、圧力発生手段はこのようにメニス カスMを隆起させることができる機能を有す� �ものであればよく、この他にも、例えば、� �ズル110やキャビティ120の内部の液体Lを加熱� ��るなどして気泡を生じさせ、その圧力を用� ��るように構成することも可能である。

 また、本実施形態では、対向電極103を接� ��する場合について述べたが、例えば、電源� ��ら対向電極103に電圧を印加して、帯電用電� ��116との電位差が1.5kV等の所定の電位差にな� �ようにその電源を動作制御手段124で制御す� �ように構成することも可能である。