JP2011189260A - 液滴吐出装置および液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、気泡の排出性に優れた液滴吐出装置および液滴吐出装置の製造方法を提供する。
【解決手段】吐出液を供給する流路と、前記流路に連通する液室と、前記液室に連通するノズル孔と、前記液室に収納された吐出液に圧力を加える加圧手段と、を備え、前記流路、前記液室、前記ノズル孔からなる群より選ばれた少なくとも１種は、前記吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下とされたことを特徴とする液滴吐出装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴吐出装置および液滴吐出装置の製造方法に関する。

民生用プリンタなどの記録装置、液晶表示装置や半導体装置などの製造に用いられる成膜装置などにおいては、インクや膜素材などの吐出液を液滴状にするとともに対象物に向けて吐出、飛翔させて着色や成膜などを行う液滴吐出装置が知られている。
この液滴吐出装置に使用される吐出液中には、周囲の大気が溶解した溶存気体が存在する。そのため、周囲環境の温度変化や圧力変化などにより溶存気体が過飽和状態に達すると、吐出液中に気泡が発生する。また、吐出液容器（例えば、インクカートリッジなど）の交換などの際に吐出液中に気泡が混入する場合もある。

このような気泡が液滴吐出装置内に滞留すると、吐出液を吐出させるための圧力が気泡により減衰されるので、吐出特性が悪化するおそれがある。
そのため、吐出液中の気泡を除去する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１に開示された技術によれば、吐出液中に含まれる気泡を円滑に除去することができる。
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、循環する吐出液の流れに乗せて液滴吐出装置の内部から気泡を除去し、バッファタンクの排出口から吐出液ごと気泡を排出するようにしている。
そのため、装置全体が大がかりとなるとともに製造コストの増加を招くことになる。また、排出された吐出液から気泡を除去することも必要となる。

特開２００８−２４６８４３号公報

本発明は、気泡の排出性に優れた液滴吐出装置および液滴吐出装置の製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、吐出液を供給する流路と、前記流路に連通する液室と、前記液室に連通するノズル孔と、前記液室に収納された吐出液に圧力を加える加圧手段と、を備え、前記流路、前記液室、前記ノズル孔からなる群より選ばれた少なくとも１種の前記吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下とされたことを特徴とする液滴吐出装置が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、吐出液を供給する流路と、前記流路に連通する液室と、前記液室に連通するノズル孔と、前記液室に収納された吐出液に圧力を加える加圧手段と、を備えた液滴吐出装置の製造方法であって、前記流路、前記液室、前記ノズル孔からなる群より選ばれた少なくとも１種の前記吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上、５μｍ以下とすることを特徴とする液滴吐出装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、気泡の排出性に優れた液滴吐出装置および液滴吐出装置の製造方法が提供される。

本実施の形態に係る液滴吐出装置を例示するための模式断面図である。 液滴吐出装置の模式外観図である。 気泡の排出実験装置を例示するための模式斜視図である。 気泡の排出実験の手順を例示するための模式図である。 液滴吐出装置の製造方法を例示するための模式工程図である。 「サーマル型」の液滴吐出装置を例示するための模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る液滴吐出装置を例示するための模式断面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ方向の断面を拡大した図である。
図２は、液滴吐出装置の模式外観図である。
図２に例示をするように、液滴吐出装置１は、複数のノズル孔１２を備えたいわゆるマルチノズル型の液滴吐出装置である。
ここで、液滴吐出装置１の駆動方式には、加熱により気泡を発生させ膜沸騰現象を利用して吐出液を吐出させる「サーマル型」と、圧電素子の屈曲変位を利用して吐出液を吐出させる「圧電型」と、があるが、一例として、ここでは「圧電型」を例にとって例示をする。

図１に示すように、液滴吐出装置１は、ノズル本体１１の一方の端面に設けられた可撓性膜３と、可撓性膜３の表面に設けられた圧電素子４とを備えている。「圧電型」の場合には、可撓性膜３と圧電素子４とが、液室９に収納された吐出液に圧力を加える加圧手段となる。この場合、圧電素子４の屈曲変位による圧力波が液室９内の吐出液に伝わりやすくなるように、液室９の軸方向（図１に例示をしたものは液室９の直上）に圧電素子４を設けるようにすることが好ましい。
圧電素子４は、下部材６、駆動電極７、上部材５、駆動電極８の順に積層した後、一体焼成したものである。このように一体焼成された圧電素子４は、強度が高く取扱も容易となる。

ノズル本体１１には、一方の端面に開口する流路１０が設けられ、流路１０の開口部を覆うように可撓性膜３が設けられている。
流路１０の開口部と対向する側には、複数の液室９の一端が連通している。液室９の他端（ノズル孔１２が設けられる側の端）には、平坦部９ａが設けられている。平坦部９ａは、ノズル本体１１の他方の端面に対して略平行となるようにして設けられている。平坦部９ａには、ノズル孔１２の一端に設けられたテーパ部１２ａが開口し、このテーパ部１２ａを介して液室９とノズル孔１２とが連通するようになっている。ノズル孔１２の他端は、ノズル本体１１の端面に開口している。ここで、テーパ部１２ａの体積は小さいので、これをノズル孔１２の一部と見なすことができる。そのため、平坦部９ａ（液室９の端面）からノズル本体１１の端面までの寸法をノズル長さＬとすることができる。
すなわち、ノズル本体１１には、吐出液を供給する流路１０と、流路１０に連通する液室９と、液室９に連通するノズル孔１２と、が設けられている。

ノズル本体１１の材質はステンレスやニッケル合金などとすることができ、可撓性膜３の材質はポリエチレンテレフタレートなどとすることができる。また、圧電素子４の下部材６と上部材５の材質は、圧電セラミックス（例えば、ジルコンチタン酸鉛など）とすることができ、駆動電極７と駆動電極８は銅合金などとすることができる。ただし、これらの材質は、例示をしたものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。例えば、ノズル本体１１の材質は、吐出させる吐出液に対する耐食性を有する樹脂、金属、半導体材料などから適宜選択することができる。

液滴吐出装置１の主な部分の寸法を例示すれば、ノズル本体１１の厚みを１ｍｍ〜数ｍｍ程度、流路１０の断面形状を高さ最大数ｍｍ程度（液室９の高さより薄い）×幅数１００μｍ程度、円柱状の開孔であるノズル孔１２の直径を２０μｍ〜５０μｍ程度、液室９の直径を２５０μｍ〜６００μｍ程度、可撓性膜３の厚さを１０μｍ程度、圧電素子４の厚さを３０μｍ程度とすることができる。

ノズル長さＬは、５０μｍ以上、１５０μｍ以下とすることが好ましい。５０μｍ未満とすればノズル孔の開口部分付近の強度が低下し、液滴吐出時の内部圧力の上昇により、開口部分付近に変形が生ずるおそれがあるからである。また、１５０μｍを越えるものとすれば、ノズル孔の加工性や吐出抵抗の増加の観点から好ましくないからである。

ノズル孔１２の直径を１とした場合、液室９の直径は、５以上、３０以下とすることが好ましい。また、８以上、２０以下とすることがより好ましい。３０を越えるものとすれば、受圧面積が大きくなりすぎ、液滴吐出時の内部圧力の上昇により、開口部分付近に大きな力が働くので、開口部分付近に変形が生ずるおそれがあるからである。また、５未満とすれば液室９の深さ方向の加工精度（平坦部９ａの位置精度）を上げることが困難となり、さらには液室９とノズル孔１２の同芯度を確保することも容易ではなく着弾特性・飛翔特性などの動作特性に問題が生じるからである。

また、本実施の形態においては、液滴吐出装置１に設けられた要素の吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下となっている。例えば、流路１０、液室９、ノズル孔１２からなる群より選ばれた少なくとも１種の吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下となっている。また、流路１０にリストリクタを有する図示しないリストリクタプレートを備える場合には、リストリクタプレートの吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下となっている。 なお、吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａについての詳細は後述する。

液滴吐出装置１に設けられる各要素の配置や形状は、図１に例示をしたものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。
例えば、それぞれの液室９は専用に設けられた流路に連通するようになっていてもよい。また、圧電素子４の構造上、下部材６が振動板、上部材５が圧電体となるが、これに限定されるわけではない。また、変位を生じさせる各種の駆動方式を採用することができる。また、図１では流路１０の断面形状を矩形としたが、これに限定されるわけではなく角に丸みを有したものであってもよい。

ここで、周囲環境の温度変化や圧力変化などにより吐出液中において発生したり、図示しない吐出液容器の交換などの際に吐出液中に混入したりした気泡が液滴吐出装置１内に滞留すると、吐出液を吐出させるための圧力が気泡により減衰されるので、吐出特性が悪化するおそれがある。
本発明者は、検討の結果、液滴吐出装置に設けられた要素の吐出液と接触する面の表面粗さを所定の範囲内とすれば、液滴吐出装置内に滞留する気泡の排出を促すことができるとの知見を得た。
次に、吐出液と接触する面の表面粗さと、気泡の排出性との関係について本発明者が得た知見について説明する。
図３は、気泡の排出実験装置を例示するための模式斜視図である。
図４は、気泡の排出実験の手順を例示するための模式図である。

図３に示すように、排出実験装置１００には基部１０１と蓋部１０２とが設けられている。
基部１０１は、板状を呈し、長手方向に延在する溝部１０１ａが設けられている。溝部１０１ａの長手方向の長さ寸法は５ｃｍ程度、深さ寸法は１ｍｍ程度としている。溝部１０１ａの長手方向の一方の端部近傍には、孔部１０１ｂが設けられている。孔部１０１ｂは、基部１０１の厚み方向を貫通し、基部１０１の端面に開口している。また、基部１０１の材質はステンレスとしている。

そして、溝部１０１ａの表面の算術平均粗さＲａを変えたものを作成して、表面粗さと気泡の排出性との関係を検証するようにした。この場合、算術平均粗さＲａが０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、７μｍ、１０μｍのものを作成するようにした。

蓋部１０２は、板状を呈し、孔部１０１ｂが設けられた側とは反対側の溝部１０１ａの端部近傍と連通する孔部１０２ａが設けられている。孔部１０２ａは、蓋部１０２の厚み方向を貫通し、蓋部１０２の端面に開口している。また、蓋部１０２の材質は透明ガラスとされ、気泡１０３の動きが観察できるようになっている。
なお、孔部１０１ｂと孔部１０２ａは、溝部１０１ａに水、気泡１０３を入れる際の入口となるとともに、いわゆる空気抜きの孔ともなる。
基部１０１と蓋部１０２とは液密になるように接合されている。例えば、基部１０１と蓋部１０２とを液密となるように接着剤で接合するようにすることができる。また、基部１０１と蓋部１０２とを接合する前に、溝部１０１ａの紫外線洗浄を行うことで有機物などを分解除去するようにしている。

次に、気泡の排出実験の手順を例示する。
まず、図４（ａ）に示すように、溝部１０１ａに水を充填し、直径寸法が１ｍｍ程度の気泡１０３を１つ入れた。
次に、図４（ｂ）に示すように、排出実験装置１００を４５°傾け、蓋部１０２を介して気泡１０３の動きを観察することで気泡１０３の排出性を評価した。

以上のような排出実験装置１００を用いた実験の結果、算術平均粗さＲａが０．１μｍの場合には気泡１０３は静止したままの状態であった。そして、算術平均粗さＲａが０．３μｍの場合には気泡１０３が移動を始め、算術平均粗さＲａが大きくなるほど移動速度が速くなることが判明した。
すなわち、吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上とすれば、気泡の排出性を向上させることができることが判明した。

また、本発明者は、この結果を踏まえて液滴吐出装置１による吐出実験を行った。
すなわち、液滴吐出装置１に設けられた要素の吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．１μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、７μｍ、１０μｍのものを作成し、吐出液の吐出実験を行った。この場合、吐出液はインクジェットプリンタなどで用いられるインクとした。

以上のような液滴吐出装置１を用いた実験の結果、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下の場合にはすべてのノズル孔１２からインクが吐出されることが確認された。一方、算術平均粗さＲａが０．１μｍ、７μｍ、１０μｍの場合には、３％〜６％程度のノズル孔１２からインクが吐出されないことが確認された。

そのため、気泡の排出性と吐出液の吐出性とを考慮すると、液滴吐出装置に設けられた要素の吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下となるようにすることが好ましいことが判明した。

次に、本実施の形態に係る液滴吐出装置１の作用について例示をする。
駆動電極７または駆動電極８に電圧を印加すると上部材５が下方に凸の屈曲変位をし、これに伴って積層構造の圧電素子４が下方に凸の屈曲変位をする。この屈曲変位は、図１中に波線で示すように、可撓性膜３を下方に押し下げ、液室９内の吐出液をノズル孔１２の方向に向かって加圧する。そのため、屈曲変位に応じて吐出液がノズル孔１２から吐出される。

吐出により減少した吐出液は、流路１０を通じて図示しない吐出液容器から補充される。印加電圧を制御すれば圧電素子４の屈曲変位を制御することができるので、図示しない制御装置により印加電圧を制御して吐出量や吐出タイミングの制御をすることができる。なお、圧電素子４の屈曲変位は可撓性膜３に吸収され、隣接する圧電素子や圧力室との間の相互干渉が抑制される。

本実施の形態においては、液滴吐出装置１に設けられた要素は、吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下となるようになっている。
そのため、周囲環境の温度変化や圧力変化などにより吐出液中において気泡が発生したり、図示しない吐出液容器の交換などの際に吐出液中に気泡が混入したりした場合であっても気泡の排出を促すことができる。また、気泡の排出性とともに吐出液の吐出性を向上させることもできる。
また、気泡を排出させるために吐出液を循環させる装置を設ける必要がない。そのため、装置全体が大がかりとなったり装置の製造コストが増大することもない。
また、気泡の排出性を向上させるために親水化処理などの特殊な処理を必要としないため、経時変化、処理のムラなどにより気泡の排出性が変化することがない。また、親水化処理などの特殊な処理工程を必要としないため、製造工程の簡素化や製造コストの低減を図ることができる。

次に、本実施の形態に係る液滴吐出装置１の製造方法について例示をする。
図５は、液滴吐出装置１の製造方法を例示するための模式工程図である。
まず、図５（ａ）に示すように板材の外周を加工し、いわゆるブランク状態のノズル本体１１を作成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、このブランク状態のノズル本体１１に流路１０を加工する。この際用いられる工具１９ａは、溝を切るのに適したものを使用することができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、液室９を加工する。
図５（ｃ）に例示をした工具１９ｂは、ドリルであるが、これに限定されるわけではなく、孔をあけるのに適したものを適宜選択することができる。この加工段階では、液室９の底面側には円錐状の凹部が残ることになる。
図５（ｄ）は、液室９を加工する工具１９ｃとしてエンドミルを用いた場合である。この場合においては、液室９の底面側には円錐状の凸部が残ることになる。

次に、図５（ｅ）に示すように、液室９の底面側に残る円錐状の凹部や凸部を除去し、平坦部９ａを形成させる。図５（ｅ）に例示をした工具１９ｄは、先端が平らで、かつ、先端部分にも切れ刃を有するものであるが、これに限定されるわけではなく、液室９の底面を平らに加工できるものであればよい。また、加工方法も適宜選択が可能であり、例えば、成形電極による型彫り放電加工、または細孔パイプ放電加工のようなものとすることもできる。

次に、図５（ｆ）に示すように、ノズル孔１２の下孔加工（センター孔加工）を行う。この下孔加工（センター孔加工）は、ノズル孔１２の加工精度を上げるために行われる。 例えば、ノズル孔１２よりやや径が大きく略Ｖ字状に突出した刃先形状を有する工具１９ｅを用いて、略Ｖ字状の凹み２９を加工するようにすることができる。また、工具１９ｅを回転させず衝撃的に押し当てるようにして、塑性加工により凹み２９を形成させるようにすることもできる。
次に、図５（ｇ）に示すように、ノズル孔１２の加工を行う。このとき、略Ｖ字状の凹み２９のセンタリング作用により工具１９ｆが案内されるので工具１９ｆの振れが押さえられる。また、いわゆる食いつきが良くなるので加工当初の切削性も良好となる。
次に、必要に応じて仕上げ加工を行い吐出液と接触する面の表面粗さが所定の範囲内（算術平均粗さＲａで０．３μｍ以上、５μｍ以下）に収まるようにする。例えば、流路１０、液室９、ノズル孔１２からなる群より選ばれた少なくとも１種は、吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上、５μｍ以下とする。

次に、図５（ｈ）に示すように、ノズル本体１１の流路１０を覆うように可撓性膜３を液密となるように接着する。接着は、例えば、エポキシ系接着剤により行うことができる。そして、接着された可撓性膜３の表面に圧電素子４を設置する。この際、液室９の軸方向（図５（ｈ）に例示をしたものでは直上）に圧電素子４が設置されるようにする。なお、圧電素子４は、下部材６、駆動電極７、上部材５、駆動電極８の順に積層した後、一体焼成したものを予め製造しておく。

なお、図５に示した加工方法はあくまで例示であり、これらに限定されるわけではない。例えば、前述した切削加工の他、ドライエッチング加工、ウェットエッチング加工、放電加工、レーザー加工、塑性加工などの各種の物理的・化学的除去方法を採用することができる。また、このような加工方法を必要に応じて適宜組み合わせることもできる。

次に、他の実施形態に係る液滴吐出装置を例示する。
図６は、加熱を行うことで吐出液を吐出させるいわゆる「サーマル型」の液滴吐出装置を例示するための模式断面図である。
液滴吐出装置３２は、ノズル本体１１の一方の端面に設けられた保護膜３４と、保護膜３４の表面に設けられた発熱素子３３とを備えている。「サーマル型」の液滴吐出装置３２の場合は、保護膜３４と発熱素子３３とが、液室９に収納された吐出液に圧力を加える加圧手段となる。発熱素子３３は電気抵抗材料からなる抵抗薄膜から形成され、図示しない電圧印加手段から電圧が印加されるとジュール熱を発生させる。保護膜３４は酸化珪素や窒化珪素などの無機材料により形成されている。保護膜３４は厚さが２μｍ程度、発熱素子３３は厚さが３μｍ程度とすることができる。ただし、これらの配列、形状、寸法、材質は図６に例示をしたものに限定されるわけではなく、種々の変更が可能である。

次に、液滴吐出装置３２の作用について例示をする。
図示しない電圧印加手段から発熱素子３３に電圧が印加されると発熱素子３３が発熱する。発熱素子３３の発熱により吐出液中に気泡３５が発生する。発生した気泡３５の圧力により液室９内の吐出液がノズル孔１２方向に加圧される。そのため、吐出液はこの圧力に応じてノズル孔１２から吐出される。吐出により減少した吐出液は、流路１０を通じて図示しない吐出液容器から補充される。発生した気泡３５は周囲の吐出液に熱を奪われるので収縮するように消滅する。この一連の過程で印加電圧を制御すれば気泡３５の大きさやその発生のタイミングを制御することができるので、図示しない制御装置により印加電圧を制御して吐出量や吐出タイミングの制御をすることができる。
液滴吐出装置３２の製造方法は、可撓性膜３が保護膜３４に、圧電素子４が発熱素子３３に代わるほかは前述したものと同様であるためその説明は省略する。

なお、以上に例示をした液滴吐出装置１、液滴吐出装置３２は、ノズル本体１１に液室９、流路１０、ノズル孔１２などを一体的に備えているがこれに限定されるわけではない。例えば、ノズル孔１２が設けられたノズルプレートと、液室９と流路１０とが設けられた部材とを接合することでノズル本体１１を形成するようにすることもできる。

また、ノズル孔１２が設けられたノズルプレートと、液室９が設けられた中間プレートと、流路１０が設けられたハウジングと、を接合するようにすることもできる。
また、例示をした要素に限定されるわけではなく、他の要素を設けるようにすることもできる。例えば、リストリクタを有するリストリクタプレートを流路１０に設けるようにすることもできる。
なお、液滴吐出装置に種々の要素が設けられる場合には、各要素の吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上、５μｍ以下とすることができる。

以上、本実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、液滴吐出装置１、液滴吐出装置３２などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１ 液滴吐出装置、３ 可撓性膜、４ 圧電素子、９ 液室、１０ 流路、１１ ノズル本体、１２ ノズル孔、３２ 液滴吐出装置、３３ 発熱素子、３４ 保護膜、３５ 気泡、１００ 排出実験装置、１０１ 基部、１０２ 蓋部

Claims (5)

1. 吐出液を供給する流路と、
   前記流路に連通し、吐出液を貯留する液室と、
   前記液室に連通し、対象物へ吐出液を吐出するノズル孔と、
   前記液室に貯留された吐出液に圧力を加える加圧手段と、
   を備え、
   前記流路、前記液室、前記ノズル孔からなる群より選ばれた少なくとも１種は、前記吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下であることを特徴とする液滴吐出装置。
2. リストリクタを有するリストリクタプレートをさらに備え、
   前記リストリクタプレートは、吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以上、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出装置。
3. 前記加圧手段は、圧電素子または発熱素子を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出装置。
4. 前記圧電素子または前記発熱素子は、前記液室の軸方向に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の液滴吐出装置。
5. 吐出液を供給する流路と、
   前記流路に連通し、吐出液を貯留する液室と、
   前記液室に連通し、対象物へ吐出液を吐出するノズル孔と、
   前記液室に貯留された吐出液に圧力を加える加圧手段と、
   を備えた液滴吐出装置の製造方法であって、
   前記流路、前記液室、前記ノズル孔からなる群より選ばれた少なくとも１種は、前記吐出液と接触する面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上、５μｍ以下とする工程を有することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。

Images