(57)【要約】  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。
2008072518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界アシスト吐出方式のインクジェット装置において、
開口から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１．０〜５．０μｍであることを特徴とするインクジェット装置。
【請求項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１０〜６０μｍであることを特徴とするインクジェット装置。
【請求項３】
前記ノズルの前記開口の直径が１〜１０μｍ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。
【請求項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。
【請求項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項に記載のインクジェット装置。
【請求項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項に記載のインクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【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ニング技術の進歩に伴い、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。しかしながら、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、スペーサー、マイクロレンズアレイ及びＬ／Ｓ１００μ前後の電子回路基板で、より高精細で高精度なパターニ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１０μｍ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いる。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【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、ノズル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かもしれないが、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べて着弾精度が優れているため、当該技術を適用する必要はない。【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、吐出しよ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ル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、スペーサー、マイクロレンズアレイ及びＬ／Ｓ１００μｍ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、
開口から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１．０〜５．０μｍ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いては、
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１０〜６０μｍ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いては、
前記ノズルの前記開口の直径が１〜１０μｍ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いては、
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いては、
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い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いては、
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いることを特徴としている。
【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  マルチノズルヘッド
１  ノズルプレート
１０１  ノズル
１０１ａ  下段部
１０１ｂ  上段部
２  ボディプレート
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に示すマルチノズルヘッド１００を有している。マルチノズルヘッド１００はノズルプレート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１５０〜３００μｍ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列に配列されている。【００１４】
ボディプレート２は２００〜５００μｍ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は直径が４００〜１５００μｍ程度の円形状の貫通孔である。インク貯留室２０２は幅が４００〜１０００μｍ程度で深さが５０〜２００μｍ程度の溝である。インク供給路２０３は幅が５０〜１５０μｍ程度で深さが３０〜１５０μｍ程度の溝である。圧力室２０４は幅が１５０〜３５０μｍ程度で深さが５０〜２００μｍ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っている。圧電素子３はＰＺＴ（lead zirconatetitanate）からなるアクチュエータであり、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っている。【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）より小さくなっている。【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１〜１０μｍで、長さＬ（図２中上下方向の距離）が１．０〜５．０μｍ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１．０〜５．０μｍ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から流通してきたインクを下段部１０１ａに流通させる部位であり、その直径Ｄ２が１０〜６０μｍとなっている。上段部１０１ｂの直径Ｄ２の下限を１０μｍ以上に限定するのは、１０μｍ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６０μｍ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１０１ｂの直径Ｄ２の上限が６０μｍを上回ると、インクの吐出に伴い下段部１０１ａ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性があるからである。【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μｍ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２０４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１０１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１０１ａ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、マルチノズルヘッド１００のノズルプレート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５０２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から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っている。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、ノズルプレート１に電源５０２を接続或いは設置するのではなく、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い。【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、各工程の処理につい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１０１ａ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（ＳｉＯ２）をスパッタ，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い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、０．５〜３μｍの比較的膜厚の硼珪酸ガラス膜１１０を成膜してもよい。【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４．２×１０−６／℃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いように２５０℃以上の温度で加熱するのが好ましい。【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、恒温層を用いてもよいし、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よい。【００３４】
当該接合部の加熱範囲は３００〜５５０℃とするのがよい。５５０℃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ったりして劣化し、結果的に強固な接合ができない可能性がある。逆に、３００℃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い可能性がある。【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３０〜２００ｋＶ／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０．５μｍとすれば印加電圧を１５〜１００Ｖと、硼珪酸ガラス膜１１０の膜厚を３μｍとすれば印加電圧を９０〜６００Ｖとするのがよい。【００３７】
なお、通常、１ｋＶ（＝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１ｋＶ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バルクプレート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バルクプレート３２とを覆うようにＰＺＴ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バルクプレート３２及びドライフィルム３３をパターニングして、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を製造することができる。【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１．０〜５．０μｍであるから、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、スペーサー、マイクロレンズアレイ及びＬ／Ｓ１００μｍ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１．０〜５．０μｍ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いながら製造し、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０．１〜１０．０μｍの範囲で異なる複数のマルチノズルヘッド（６４ノズル×２列）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５μｍと、ノズルの上段部の直径を６０μｍ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１ｍｍ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。【００４４】
【表１】
2008072518.tif 000003
【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）とのズレ量からインクの飛翔角度（°）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１μｍ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】
2008072518.tif 000004
【００４８】
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１．０〜５．０μｍ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°以内に収まっている（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、ノズル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１．０〜５．０μｍの範囲内とするのが有用であることがわかる。
【図２】
2008072518.tif 000005
【図３】
2008072518.tif 000006
【図４】
2008072518.tif 000007
【図５】
2008072518.tif 000008
【図６】
2008072518.tif 000009
【図１】
2008072518.tif 000010
【国際調査報告】
2008072518.tif 000011
2008072518.tif 000012
2008072518.tif 000013
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