(57)【要約】  【課題】  有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下からなる液体などの水よりも表面張力が低い液体をインクとして、安定して吐出させることができる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供する。  【解決手段】  本発明の液体吐出ヘッドは、溶液の液滴を吐出させるものであり、液滴が吐出される複数の貫通孔が形成された吐出基板を有し、この吐出基板は、その表面に、前記貫通孔の周囲を囲むように前記貫通孔の形状と平面視略相似形状を呈する凹部と凸部とが、前記貫通孔の中心から離れる方向に対して所定の間隔で交互に複数繰り返して形成されている凹凸部を備える。【選択図】  図７
2006175657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記液滴が吐出される複数の貫通孔が形成された吐出基板を有し、
前記吐出基板は、その表面に、前記貫通孔の周囲を囲むように前記貫通孔の形状と平面視略相似形状を呈する凹部と凸部とが、前記貫通孔の中心から離れる方向に対して所定の間隔で交互に複数繰り返して形成されている凹凸部を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記溶液は、帯電粒子が分散されたものであり、
さらに、前記貫通孔の個々に対応して配置される、前記溶液に静電力を作用させる吐出電極と、
前記貫通孔を通過して前記吐出基板の液滴吐出側に突出する溶液ガイドとを有し、
前記吐出電極による静電力により、前記液滴が吐出される請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
さらに、前記吐出基板の前記各貫通孔から前記液滴を吐出させる圧電方式またはサーマル方式の液滴吐出手段を有し、
前記液滴吐出手段により、前記液滴が吐出される請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
さらに、前記凹凸部の表面に撥液層が形成され、前記撥液層の厚さは、前記凹部の前記貫通孔の中心から離れる方向における長さの１／２以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記凸部および前記凹部が繰り返して形成される周期は、前記貫通孔の直径よりも短い請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記溶液は、有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
液滴を吐出するための複数の貫通孔が形成された吐出基板を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
基材の表面に撥液支持層を形成する工程と、
前記撥液支持層の表面にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に、前記撥液支持層における前記貫通孔の形成予定領域の周囲に前記貫通孔の形状と平面視略相似形状を呈する凹部と凸部とが、前記貫通孔の中心から離れる方向に対して所定の間隔で交互に複数繰り返して形成されるパターンを形成する工程と、
前記パターンが形成されたレジスト膜をマスクとして、前記撥液支持層の表面に前記凹部と前記凸部とを有する凹凸部を形成する工程と、
前記貫通孔の形成予定領域に、貫通孔を形成する工程とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記貫通孔を形成する工程の前に、前記凹凸部の表面に前記凹部の前記貫通孔の中心から離れる方向における長さの１／２以下の厚さを有する撥液層を形成する工程を有する請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下からなる液体などの水よりも表面張力が低い溶液をインクとして、安定して吐出させることができる液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクの微小液滴を吐出・飛翔させ、記録紙に付着させることで記録を行なうインクジェット記録装置において、インクの吐出口周辺に撥液性膜を形成することが吐出性能向上に非常に重要であることが知られている。
【０００３】
また、この撥液性膜を形成する撥液性材料として、ニッケル共析メッキによって形成されたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜があり、このＰＴＦＥ膜により水に対する接触角が１５０°を超える超撥水膜が実現されている。
【０００４】
このように撥液性を向上させるには、材料の性質（低い表面張力をもつ材料）と表面構造の両方の検討が重要である。
低い表面張力を持つ材料を用いて撥液性が向上されたものとしては、フッ素を含んだ化合物が良く知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、表面構造により撥液性を向上させたものとしては、フォトリソグラフィ法により表面に微細な凹凸を形成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献１には、予め０．４〜２０μｍの範囲の凸凹が形成された基材の表面に、シロキサン結合を介して結合形成されているフッ素を含む単分子膜である被膜が形成された撥水撥油性被膜が開示されている。この特許文献１の撥水撥油性被膜における基材の表面の凹凸構造は様々な大きさおよび深さを含んだフラクタル構造である。
【０００６】
また、特許文献２には、基板の表面に凹部および凸部が形成され、その表面の凸部の高さが均一であり、また、凹部および凸部は、液滴が凹部に落ち込むことなく、かつ液滴が凹部の空気層と接することができる大きさに形成され、凹部および凸部の表面には撥水膜が形成されている多孔構造体が開示されている。この多孔構造体は、インクジェット記録ヘッドのインク吐出孔以外のインク吐出面に設けられている。この多孔構造体における凹凸構造は、フォトリソグラフィ法およびエッチング法により人工的に均一な大きさと高さに形成されているものである。この凹凸構造パターンは格子、ドットまたはラインのものが例示されている。
【０００７】
【特許文献１】特許第２８０９８８６号公報
【特許文献２】国際公開第９９／１２７４０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の特許文献１の撥水撥油性被膜においては、水に対しては十分な撥水性を得ることができることが実施例を挙げて示されているものの、有機溶剤または油などが表面に付着して撥液性が得られるか否かについては、実施例が挙げられておらず十分に検討されていない。
【０００９】
また、特許文献２の多孔構造体においては、水に対しては十分な撥水性を得ることができることが実施例を挙げて示されているものの、水よりも表面張力が低い、例えば、４０ｍＮ／ｍ以下の有機溶剤または油などが表面に付着して撥液性が得られるか否かについては、実施例が挙げられておらず十分に検討されていない。
【００１０】
上述の如く、従来から、水に対しては十分な撥水性を得ることができることが知られている。これに対して、有機溶剤または油などが表面に付着して撥液性を劣化させてしまうことが知られており、有機溶剤または油であっても撥液性を示す材料が望まれている。
しかしながら、現状では、有機溶剤または油などでも撥液性を示す材料の検討はあまりなされていない。その主な理由は、有機溶剤または油の表面張力が水よりかなり小さいため撥液性を得ることが容易でないためである。
【００１１】
以下、有機溶剤または油について撥液性を得ることが容易でない理由について詳細に説明する。
図１３に示すように、平滑な固体１５０の表面１５０ａ上に置かれた液体１５２が作る接触角θは、液体１５２の表面張力γＬと固体１５０の表面張力γＳと、更に固体１５０と液体１５２の間に働く相互作用（界面張力）γＳＬとの関係で下記数式１のように表される。
【００１２】
【数１】
2006175657.tif 000003
【００１３】
また、固体−液体間の界面張力γＳＬは、下記数式２のように表される。
【００１４】
【数２】
2006175657.tif 000004
【００１５】
上記数式１および数式２を組み合わせることにより下記数式３が導かれる。この数式３は固体の表面張力γＳと液体の表面張力γＬとの大小関係で撥液性をあらわす接触角が導かれることを意味する。
【００１６】
【数３】
2006175657.tif 000005
【００１７】
ここで、接触角が９０°以上である場合、「撥液性」を示すと定義され、接触角が９０°未満である場合、「親液性」を示すと一般的に定義されている（高撥水技術の最新動向、東レリサーチセンター、ｐ１）。この撥液性を実現しうる関係は下記４式で表される。
【００１８】
【数４】
2006175657.tif 000006
【００１９】
すなわち、固体の表面張力γＳが液体の表面張力γＬの１／４以下である必要がある。水の表面張力が７４ｍＮ／ｍであり、水に対して撥液性を示すには固体の表面張力γＳはその１／４以下、すなわち、１９ｍＮ／ｍ以下である必要がある。ここで、下記表１に各物質の表面張力を示す。固体でその値を持つ材料としてテフロン（登録商標）またはサイトップ（登録商標）などが挙げられ、９０°以上の接触角θを得ることができる。
【００２０】
【表１】
2006175657.tif 000007
【００２１】
一方、有機溶剤、または油などは水に比べて著しく小さい値を持っている。例えば、デカンは、表面張力が２４ｍＮ／ｍであり、このような液体に対して撥液性を示すためには、６ｍＮ／ｍ以下の表面張力を持つ固体が必要である。このような固体としては、パーフルオロラウリック酸があるが、原子層オーダーの単分子膜しか形成できないこと、また水に対して撥液性を示さないことから、実際のところ実用的ではないと言える。
【００２２】
撥液性を向上させるもう１つの方法として、表面構造の導入が知られている。この表面構造のモデルとしては、大きく２つのモデルがある。１つは、図１４に示すように、固体１５４の表面にミクロな凹凸１５６を形成して表面積を増大させることで、接触角が増加するWentzel（ウェンゼル）モデルである。
ここで、図１４において、θは真の接触角（表面が平滑な場合の接触角θ（図１３参照））であり、θｆは見かけの接触角である。
接触角θと見かけの接触角θｆとの関係は下記数式５のように表される。なお、下記数式５におけるｒは表面増倍係数である。このｒは、真の表面積と見かけの表面積の比で表されるものである。
【００２３】
【数５】
2006175657.tif 000008
【００２４】
このウェンゼルモデルにおいては、親液性であるものは、より親液性になり、撥液性であるものは、より撥液性になる。
ここで、図１５は、縦軸にｃｏｓθｆをとり、横軸にｃｏｓθをとってウェンゼルモデルにおける接触角θと見かけの接触角θｆとの関係を示すグラフである。
図１５に示すように、ウェンゼルモデルにおいては、材料自体が対象となる液体に対して接触角が９０°以上（ｃｏｓθ＜０）でなければ、それ以上の接触角の向上は困難である。
また、ウェンゼルモデルにおいては、表面に凹凸などの表面構造がない場合、図１５に示す直線Ｌのようになる。この直線Ｌにおける表面増倍係数ｒは１（ｒ＝１）である。一方、表面に凹凸などの表面構造を有する場合、図１５に示す直線Ｍのようになる。表面に表面構造が導入されると、表面積が大きくなり、この直線Ｍにおける表面増倍係数ｒが１よりも大きくなる（ｒ＞１）。
【００２５】
また、表面構造モデルとしてはもう一つCassie（カッシー）モデルがある。図１６に示すように、カッシーモデルにおいては、固体１５８に凹部１６０が形成されている。この凹部１６０には固体１５８とは異なる物質１５９が充填されている。異なる表面張力をもつ２種の材料（固体１５８、および物質１５９）で表面が構成されている場合において、見かけの接触角θｆは表面１５８ａに露出した２種の材料（固体１５８、および物質１５９）と液体１６２と真の接触角θ１、θ２（図示せず）との関係で定まるものであり、下記数式６により表される。なお、下記数式６におけるＡ１、Ａ２はそれぞれ係数であり、複合表面における各物質の面積割合を示すものである。これらの係数Ａ１、Ａ２は下記数式７に示すような関係にある。
【００２６】
【数６】
2006175657.tif 000009
【００２７】
【数７】
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【００２８】
このカッシーモデルにおいては、２種の材料のうち、１種が空気である場合、すなわち、１種の材料（固体１５８）の表面に微細な凹凸が形成されている場合を考える。図１６に示すように単一の固体１５８の表面１５８ａに微細な凹凸（凹部１６０）が存在するものであり、図１７（ａ）に示すように、固体１５８自体が対象となる液体１６２に対して撥液性を示す（θ１＞９０°）とき、凹部１６０には液体１６２が侵入できず、凹部１６０に空気層が存在することになる。
ここで、空気における接触角θ２は１８０°になることから、上記数式６で表される見かけの接触角θｆは、下記数式８のように表すことができる。
【００２９】
【数８】
2006175657.tif 000011
【００３０】
一方、単一の固体１５８が対象となる液体に対して、親液性を示す（θ１＜９０°）とき、図１７（ｂ）に示すように、凹部１６０に液体１６２が侵入し、凹部１６０が液体１６２で満たされる。このとき、凹部１６０の液体との接触角は、０°であるから、上記数式６で表される見かけの接触角θｆは、下記数式９のように表すことができる。
【００３１】
【数９】
2006175657.tif 000012
【００３２】
ここで、図１８は、縦軸にｃｏｓθｆをとり、横軸にｃｏｓθ１をとってカッシーモデルにおける接触角θ１と見かけの接触角θｆとの関係を示すグラフである。
このカッシーモデルにおいても、図１８に示すように、親液性であるものは、より親液性になり、撥液性であるものは、より撥液性になる。
なお、カッシーモデルにおける接触角が９０°付近の急峻な変化については、ウェンゼルモデルが適用できるという説明もある。
【００３３】
このように、図１５および図１８に示すように、ウェンゼルモデルおよびカッシーモデルのいずれにおいても、対象となる液体に対して固体自体が撥、すなわち、接触角＞９０°でない限り、固体に、表面構造が導入されても撥液性が向上することがない。したがって、有機溶剤または油などの表面張力が低い液体で、接触角９０°以上を示すことができる撥液性を示す撥液材料が存在しないため、有機溶剤または油で撥液性を実現することができない。
【００３４】
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決することにあり、有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下からなる液体などの水よりも表面張力が低い液体をインクとして、安定して吐出させることができる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、溶液の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドであって、前記液滴が吐出される複数の貫通孔が形成された吐出基板を有し、前記吐出基板は、その表面に、前記貫通孔の周囲を囲むように前記貫通孔の形状と平面視略相似形状を呈する凹部と凸部とが、前記貫通孔の中心から離れる方向に対して所定の間隔で交互に複数繰り返して形成されている凹凸部を備えることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供するものである。
【００３６】
本発明においては、前記溶液は、帯電粒子が分散されたものであり、さらに、前記貫通孔の個々に対応して配置される、前記溶液に静電力を作用させる吐出電極と、前記貫通孔を通過して前記吐出基板の液滴吐出側に突出する溶液ガイドとを有し、前記吐出電極による静電力により、前記液滴が吐出されることが好ましい。
【００３７】
また、本発明においては、さらに、前記吐出基板の前記各貫通孔から前記液滴を吐出させる圧電方式またはサーマル方式の液滴吐出手段を有し、前記液滴吐出手段により、前記液滴が吐出されることが好ましい。
【００３８】
本発明においては、さらに、前記凹凸部の表面に撥液層が形成され、前記撥液層の厚さは、前記凹部の前記貫通孔の中心から離れる方向における長さの１／２以下であることが好ましい。
また、本発明においては、前記凸部および前記凹部が繰り返して形成される周期は、前記貫通孔の直径よりも短いことが好ましい。
さらに、本発明においては、前記溶液は、有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の第２の態様は、液滴を吐出するための複数の貫通孔が形成された吐出基板を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、基材の表面に撥液支持層を形成する工程と、前記撥液支持層の表面にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に、前記撥液支持層における前記貫通孔の形成予定領域の周囲に前記貫通孔の形状と平面視略相似形状を呈する凹部と凸部とが、前記貫通孔の中心から離れる方向に対して所定の間隔で交互に複数繰り返して形成されるパターンを形成する工程と、前記パターンが形成されたレジスト膜をマスクとして、前記撥液支持層の表面に前記凹部と前記凸部とを有する凹凸部を形成する工程と、前記貫通孔の形成予定領域に、貫通孔を形成する工程とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法を提供するものである。
【００４０】
本発明においては、前記貫通孔を形成する工程の前に、前記凹凸部の表面に前記凹部の前記貫通孔の中心から離れる方向における長さの１／２以下の厚さを有する撥液層を形成する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の液体吐出ヘッドおよびその製造方法によれば、液滴が吐出される複数の貫通孔が形成された吐出基板の表面に、貫通孔の周囲を囲むように、この貫通孔の形状と平面視略相似形状を呈する凹部と凸部とが貫通孔の中心から離れる方向に対して所定の間隔で交互に複数繰り返して形成されている凹凸部を設けることにより、溶液が有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下からなる液体であっても、溶液の接触角を大きくすることができ、さらに、凹凸部が貫通孔の周囲に形成されているため、溶液を貫通孔に円形状に集めることができ、メニスカスを経時変化させることなく安定化できる。これにより、インクに、表面張力が低い有機溶剤、油または表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下からなる液体を用いた場合であっても、インクを安定して吐出させることができ、高画質の画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の液体吐出ヘッドおよびその製造方法を詳細に説明する。
図１は、縦軸にｃｏｓθｆをとり、横軸にｃｏｓθ１をとって本発明の表面構造モデルにおける接触角θ１と見かけの接触角θｆとの関係を示すグラフである。
【００４３】
本発明者は、表面構造、および撥液材料について鋭意検討した結果、表面構造、および撥液材料の最適化により、カッシーモデルの修正に基づく凹部における空気内包の効果により、親液性から撥液性への改善が可能であることを見出した。すなわち、固体自体で接触角が９０°以下（親液性の材料）であっても、表面構造によっては、接触角が９０°以上になることを見出し、有機溶剤、または油などの表面張力が低い液体に対しても撥液性を有する手段を知見し、本発明に至った。
【００４４】
一般的に良く知られているモデル（ウェンゼルモデル、カッシーモデル）では、固体材料自体が撥液性を有するものでなければ、撥液性を向上させることは不可能（図１５および図１８参照）である。それらのモデルによれば、水のような表面張力が高い液体で高い接触角を得られても、有機溶剤、または油などの表面張力が低い液体に対しては、接触角が小さく、撥液性を示さないことが容易に予測される。多くの報告は、水での実験結果から高い撥液性を報告するものの、有機溶剤、または油などで実験することはない。そして、多くの発明では、撥液性について、水の実施例（実験結果）を示し、それに追加する形で実験をすることなく、従来のモデルから撥液性を示さないことが予測できるにもかかわらず、有機溶剤、または油などでも撥液性があるかのような記述をしている。これは正しい知見から得られた発明とはいえない。
【００４５】
そこで、本発明者は、表面の凹凸構造の形状について詳細な検討を行った結果、カッシーモデルが場合によっては、修正されうることを見出した。すなわち、材料の性質による接触角が９０°以下であっても、表面構造の導入によっては、接触角を増加させることができる。従来のモデルでは、材料の性質による接触角が９０°以下である場合には、表面構造の導入により、接触角は減少する。すなわち、親液性は、より親液性になる。
【００４６】
材料の性質で決まる接触角θ１が９０°以下（ｃｏｓθ１＞０）であっても、凹部１６０が空気で占められる状態が維持（図１７（ａ）参照、数式８参照）され、図１に示すように、接触角θｆは増加する。なお、この場合、接触角θｆは、下記数式１０で表される。
【００４７】
【数１０】
2006175657.tif 000013
【００４８】
そして、ある値（θ１＝θｔ（遷移角度））を境にカッシーモデル（図１８参照、数式９参照）に従い親液性を示すようになる。カッシーモデルにおける遷移角θｔは、９０°であるが、固体の表面に凹凸構造を設けることにより、遷移角θｔが９０°以下にシフトすることが見出された。
【００４９】
本発明においては、遷移角θｔまで、所定の液体に対して固体が親液性であっても、その所定の液体に対して、撥液性への遷移が許容される。そして、この遷移角度は、凹凸の先鋭度、そのなす角度などに関係している。
一般に接触角が９０°を境にして、親液性および撥液性を区別しているが熱力学的には、何の根拠もない。また、ウェンゼルモデル、カッシーモデルともに親液性、撥液性の性質を別々に考えており、その間の境界部分については、何ら考慮されていない。ウェンゼルモデルでは、材料の性質による接触角が９０°である場合、表面構造を導入しても変化なく９０°であり、カッシーモデルでは、９０°近辺で急激な変化が起こることにになってしまう。実際の表面では両モデルで表されるふるまいが混在しているはずであり、この９０°近辺の詳しい検討が必要である。そして、その詳細な検討の結果、カッシーモデルに従う表面構造において、その急激な変化が起こる遷移角度が構造によって異なること、そしてそれは、親液性材料でも表面構造で撥液性に変わりうることを見出した。
なお、図１において、第１象現は、所定の液体に対して固体が撥液性である場合には、撥液性になる領域である。また、第３象現は、所定の液体に対して固体が親液性である場合には、親液性になる領域である。第４象現は、所定の液体に対して固体が親液性であっても撥液性になる領域である。
【００５０】
本発明においては、図２（ａ）に示すように、固体１０に凹部１２が形成されており、この凹部１２の側壁１２ａと固体１０の表面１０ａとの境界が不連続に変化する場合、液滴は、凹部１２の内部に侵入しにくい。これは、液滴が凹部１２の内部に侵入するためには、凹部１２の内部に存在している空気を追い出して、それと交換しなければならないためである。このことは、固体１０が液滴に対して親液性を有するものであっても同じであり、この空気と液滴との交換の容易さによって、遷移角度が決定される。凹部１２における側壁１２ａと固体１０の表面１０ａとのなす角度αにより空気と液滴との交換のし易さが変化する。
【００５１】
また、図２（ｂ）に示すように、角度αが大きくなると、空気と液滴との交換が容易になり、遷移角θｔが９０°に近づく。遷移角θｔを高く維持できる角度αは、１５０°以下であり、望ましくは１３５°以下である。また、図２（ｃ）に示すように、凹部１２における側壁１２ａと固体１０の表面１０ａとの境界が連続的に変化する場合も、空気と液滴との交換が容易になる。側壁１２ａと固体１０の表面１０ａとの境界における曲率半径をρとするとき、曲率半径ρは、凹部１２の直径ｄ、凹部１２の深さｈとの関係で、空気と液体との交換が容易になり遷移角θｔが９０°に近づく。遷移角θｔを低くするためには、曲率半径ρが、凹部１２の直径ｄおよび凹部１２の深さｈのいずれか小さい方の値よりも小さく、望ましくは、凹部１２の直径ｄおよび凹部１２の深さｈのいずれか小さい方の値の１／１０以下である。
また、凹部１２の直径ｄは、液滴に対して無視できるほど十分小さければよく、望ましくは５０μｍ以下、更に望ましくは１０μｍ以下、更に一層好ましくは５μｍ以下である。
【００５２】
また、凹部１２の面積比率は、２０％以上であることが好ましく、更に好ましくは４０％以上であり、更に一層好ましくは６０％以上である。凹部１２の面積比率を高くすることにより、液体が空気に接触する割合が増え、見かけの接触角θｆが高くなる。
【００５３】
また、凹部の面積比率および固体自体の表面張力によって、その表面構造による接触角の増大の割合が変化する。
上記数式１および数式１０から、みかけの接触角θｆ、面積比率Ａ、液体の表面張力、および固体の表面張力が下記数式１１で表される。下記数式１１において、見かけの接触角θｆが９０°以上になる関係は、下記数式１２で表される。対象となる液滴によりこの関係を満たす固体材料、凹部の面積比率Ａを決定することにより、撥液性を得ることができる。
【００５４】
【数１１】
2006175657.tif 000014
【００５５】
【数１２】
2006175657.tif 000015
【００５６】
上記数式１１および数式１２における面積比率Ａは、図３に示すように、仮想的な六角形Ｕの中心に同じ大きさの円形状の凹部１２が形成されていることを仮定して算出される凹部１２の面積比率である。すなわち、凹部１２の配置が最密充填である場合にものおける面積比率である。この面積比率Ａは、下記数式１３により表されるものである。なお、下記数式１３におけるｄは凹部１２の直径であり、ｐは六角形Ｕの大きさである。
【００５７】
【数１３】
2006175657.tif 000016
【００５８】
また、液体を基板表面に滴下すると、液体はその表面積を最小にしようとすることは良く知られている。液体は表面積を最小にしようとするため、液体は球形、またはそれに準ずる形状になろうとする。
ここで、図４（ａ）は、基板の表面に液体を滴下したときの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線による断面図である。
【００５９】
図４（ａ）に示すように、基板２０の表面２２に液体２４を滴下した場合、液体２４は、上方から見ると円形であり、その断面は、図４（ｂ）に示すように円弧形状となる。また、液体２４は、３次元的には球の一部を切り取った形で構成される。
基板２０の撥液性が高い場合、円狐の角度が大きくなり、液体は円（球）の形に近くなる。インクジェット記録ヘッドの吐出孔の形状は、表面積を最小にしようとする液体の性質、ならびに吐出の安定化、液滴の分断されやすさ、およびメニスカスの安定化などのインクジェット記録装置（液体吐出ヘッド）の特性を考慮すれば円形が好ましい。
一方、インク吐出面に形成される撥液膜の構造も、表面積を最小にしようとする液体の性質を考慮することが重要である。したがって、撥液構造により、液体が表面積を最小にしやすくなるように促進すれば、液滴の安定化ひいては撥液性の向上につながる。
このようなことから、本発明者が見出した撥液性構造は、インクジェット記録ヘッドなどの液体吐出ヘッドの溶液吐出面（インク吐出面）に適したものであることを見出し本発明に至った。
【００６０】
以下、本発明の液体吐出ヘッドおよびその製造方法の実施形態について詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図５は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドが適用されたインクジェット記録装置を示す模式的断面図であり、図６は、図５に示す液体吐出ヘッドの模式的部分斜視図である。本実施形態は、本発明の液体吐出ヘッドが静電式インクジェット記録装置に適用された例である。
【００６１】
図５に示すインクジェット記録装置３０（以下、記録装置３０という）は、静電式のインクジェット記録装置によってインク液滴Ｒを吐出して、例えば、矩形状の記録媒体Ｐに画像記録（描画）を行なうものであり、基本的に、本発明の液体吐出ヘッド３２（以下、吐出ヘッド３２という）と、記録媒体Ｐの保持手段３４と、インク循環系３６と、電圧印加手段３８とを有して構成される。
なお、本実施形態の記録装置３０は、例えば、表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下であるインクＱをインク液滴Ｒとして吐出させるものである。
【００６２】
本実施形態の記録装置３０において、吐出ヘッド３２は、記録媒体Ｐの一辺の全域に対応するインク液滴Ｒの吐出口（貫通孔）４６の列（以下、ノズル列という）を有する、いわゆるラインヘッドである。
記録装置３０においては、記録媒体Ｐを保持手段３４で保持して、記録媒体Ｐを吐出ヘッド３２と対面して所定の記録位置に位置した状態で、保持手段３４を吐出ヘッド３２のノズル列と直交する方向に移動（走査搬送）することにより、ノズル列によって記録媒体Ｐの全面を二次元的に走査する。この走査に同期して、吐出ヘッド３２の各吐出口４６から、記録画像に応じて変調してインク液滴Ｒを吐出することにより、記録媒体Ｐにオンデマンドで画像を記録する。
また、画像記録時には、インク循環系３６によって、吐出ヘッド３２（後述するインク流路５２）を含む所定の循環経路でインクＱを循環することにより、各吐出口４６にインクＱを供給する。
【００６３】
吐出ヘッド３２は、静電力によってインクＱ（インク液滴Ｒ）を吐出する静電式インクジェットの液体吐出ヘッドであって、図５および図６に示すように、基本的に、吐出基板４０と、支持基板４２と、インクガイド（溶液ガイド）４４とを有して構成される。
【００６４】
吐出基板４０は、支持体４０ａと、この支持体４０ａの表面に形成された基材７４と、この基材７４に形成された凹凸部７３と、この基材７４の表面に形成された撥液層７８とを有するものである。吐出基板４０を貫通して、インクＱのインク液滴Ｒを吐出するための吐出口４６が、複数、支持体４０ａおよび基材７４を貫通して形成されている。この吐出口４６は、その輪郭形状が円形である。
【００６５】
支持体４０ａは、例えば、Ａｌ2Ｏ3もしくはＺｒＯ2などのセラミックス材料、ガラスまたはポリイミドなどの絶縁性材料からなるものである。
【００６６】
基材７４は、凹凸部７３が形成されるものであり、支持体４０ａの表面に形成されている。この基材７４は、必ずしも、その特性が水に対して撥液性を有するものに限定されるものではなく、水に対して親液性であってもよい。
【００６７】
凹凸部７３は、基材７４における吐出口４６の周囲を囲むように、吐出口４６の形状と平面視略相似形状を呈する凸部７４ａ〜７４ｄと凹部７６ａ〜７６ｃとが、吐出口４６の中心から離れる方向に対して交互に複数繰り返して形成されてなるものである。
凸部７４ａ〜７４ｄは、例えば、いずれも同じ高さであり、吐出口４６の中心から離れる方向に対して同じ幅である。また、凹部７６ａ〜７６ｃも、例えば、いずれも同じ深さであり、吐出口４６の中心から離れる方向に対して同じ幅である。なお、本発明においては、凹部７６ａ〜７６ｃは、いずれも同じ深さであることが好ましい。しかしながら、本発明においては、凹部７６ａ〜７６ｃの深さが異なるものであっても、凹部７６ａ〜７６ｃの深さが同じものに比して効果が若干劣るものの、本発明の効果を得ることができる。さらに、凹凸部７３における凹部７６ａ〜７６ｃの面積率は４０％以上であることが好ましく、さらに好ましくは、面積率は６０％以上である。
【００６８】
本実施形態においては、吐出口４６が円形であるため、吐出口４６の直径方向に対して、吐出口４６と平面視略相似形状を呈するリング状の凸部７４ａ〜７４ｄとリング状の凹部７６ａ〜７６ｃとが、吐出口４６の中心を中心として、例えば、４回交互に繰り返して同心円状に４重に形成されている。
この凸部７４ａ〜７４ｄと凹部７６ａ〜７６ｃとが繰り返して形成される周期は、吐出口４６の直径よりも短い。
【００６９】
撥液層７８は、基材７４（凹凸部７３）の表面に形成されたものであり、撥液性を有する材料により構成されている。この撥液層７８は、凹凸部７３の凹部７６ａ〜７６ｃを埋めることなく、表面形状を維持できる厚さに形成されている。また、撥液層７８は、例えば、フッ素を含有する有機物、またはフルオロアルキルシランなどのフッ素を含みＦ（フッ素）の数が、例えば、１０以上の低分子の撥液材料により構成されるものである。
なお、吐出基板４０については、後に詳細に説明する。
【００７０】
吐出ヘッド３２は、図６に示すように、より高解像度で高速な画像記録が可能な好適例として、格子状に二次元的に配列された吐出口４６を有する。
【００７１】
なお、本発明の液体吐出ヘッドは、本実施形態のように格子状に吐出口４６を有するものに限定はされず、例えば、隣接するノズル列を互いに半ピッチ分ずらして、千鳥格子状に吐出口を配列したものであってもよい。また、吐出口を二次元的に配列した構成ではなく、１列のノズル列のみを有するものであってもよい。いずれの場合においても、吐出４６は、凹凸部７３を形成できるだけの間隔をあけて形成されている。
【００７２】
また、本発明は、本実施形態のようなラインヘッドに限定はされず、記録媒体Ｐをノズル列の長さに対応する所定長ずつ断続的に搬送しつつ、この断続的な搬送に同期して、ノズル列と直交する方向に液体吐出ヘッドを移動して描画を行なう、いわゆるシャトルタイプの液体吐出ヘッドであってもよい。
さらに、本発明の液体吐出ヘッドは、モノクロの画像記録に対応する１種のインクのみを吐出する吐出ヘッドであってもよく、カラー画像記録に対応する複数種のインクを吐出する液体吐出ヘッドであってもよい。
【００７３】
吐出基板４０の下面には、各吐出口４６に対応して、吐出電極５０が設けられている。
本実施形態において、吐出電極５０は、吐出口４６を囲むリング状の電極であり、電圧印加手段３８に接続されている。
なお、吐出電極５０は、本実施形態のようなリング状に限定はされず、吐出口４６を囲む矩形であってもよく、あるいは、吐出口４６の全域を囲むものにも限定はされず、例えば、略Ｃ字状等の吐出電極も利用可能である。
【００７４】
吐出電極５０には、電圧印加手段３８が接続される。電圧印加手段３８は、駆動電源６０とバイアス電源８２とが直列に接続されたもので、インクＱの色材粒子の帯電電位と同極側（例えば正極）が吐出電極５０に接続されて、他極側は接地されている。
駆動電源６０は、例えばパルス電源であって、記録画像（画像データ＝吐出信号）に応じて変調したパルス状の駆動電圧を吐出電極５０に供給する。バイアス電源８２は、画像記録中に、所定のバイアス電圧を、常時、吐出電極５０に印加する。このようなバイアス電源８２（バイアス電圧の印加）を有することにより、駆動電圧の低減を図ることができ、消費電圧の低減および駆動電源の低コスト化を図ることができる。
【００７５】
支持基板４２も、ガラス等の絶縁性の材料で形成される基板である。
吐出基板４０と支持基板４２とは、所定の間隔だけ離間して配置され、その間隙がインクＱを各吐出口４６に供給するインク流路５２となる。
インク流路５２は、後述するインク循環系３６に接続されており、インク循環系３６が所定の経路でインクＱを循環することにより、インク流路５２にインクＱが流れ（本実施形態では、例えば、図５中右から左）、各吐出口４６にインクが供給される。
【００７６】
支持基板４２の上面には、インクガイド４４が設けられている。
インクガイド４４は、インク流路５２から吐出口４６に供給されたインクＱを案内して、メニスカスの形状または大きさを調整してメニスカスを安定させ、かつ、自身に電界（静電力）を集中させてメニスカスに電界を集中させることにより、インク液滴Ｒを吐出し易くするためのもので、吐出口４６を貫通して吐出基板４０の表面から記録媒体Ｐ（保持手段３４）側に突出するように、各吐出口４６に対応して配置されている。
互いに対応する吐出口４６、吐出電極５０、およびインクガイド４４によって、１ドットのインク液滴Ｒの吐出に対応する１つの吐出部（１チャンネル）が形成され、インクガイド４４の先端部が、インクＱの飛翔位置となる。
【００７７】
本実施形態の吐出ヘッド３２において、インクガイド４４は、一例として、吐出電極５０と中心を一致する、下方（基部側）の円筒部分と、その上（先端部）の円錐部分部とを有する形状である。インクガイド４４の最大径部分は、吐出電極５０の内径よりも、若干、小さくなっている。また、電界密度を集中させるために、インクガイド４４の先端部には金属を蒸着してもよい。
【００７８】
吐出電極５０およびインクガイド４４のサイズには特に限定はなく、記録密度、吐出孔の大きさ、インクの種類等に応じて、適宜、設定すればよい。
【００７９】
本実施形態の吐出ヘッド３２において、インクガイド４４は、一例として、下方（基部側）の円筒部分と、その上（先端部）の円錐部分部とを有する形状であるが、本発明において、インクガイドは本実施形態の形状に限定はされず、各種の形状が利用可能である。
例えば、本実施形態における下方の円筒部分を有さない円錐状であってもよく、四角錐または六角錐などの角錐状の形状であってもよく、下方の角柱部と上方の角錐部とを有する形状でもよい。また、先端部などにインクを案内する切り欠き部または溝等を有するものであってもよい。
【００８０】
また、インクガイドは、以上のように先端部に向けて、漸次、細くなる形状に限定はされず、円柱状または角柱状等の太さが均一のものであってもよい。
しかしながら、インクガイドの先端部すなわちメニスカス先端部での電界集中を考慮すると、少なくとも上部は先端に向けて次第に細くなる形状とするのが好ましく、特に、円錐状または角錐状のように先端部分を先鋭な形状とするのが好ましい。また、インクガイドの先端部を細くすることにより、メニスカスを細くして吐出性を向上でき、かつ、インク液滴Ｒも微小にできるというメリットも有る。
【００８１】
前述のように、吐出基板４０と支持基板４２との間に形成されるインク流路５２には、インク循環系３６によってインクが供給される。
インク循環系３６は、インクＱを貯留するインクタンクおよびインクＱを供給するポンプを有するインク供給手段６４と、インク供給手段６４とインク流路５２のインク流入口（インク流路５２の図５中の右側端部）とを接続するインク供給流路６６と、インク流路５２のインク流出口（同左側端部）とインク供給手段６４とを接続するインク回収流路６８とを有して構成される。また、これ以外にも、インクタンクへのインク補充手段等を有してもよい。
【００８２】
インクＱは、インク供給手段６４からインク供給流路６６を経て吐出ヘッド３２のインク流路５２に供給されて、インク流路５２を流れ（図中右から左に流れる）、インク流路５２からインク回収流路６８を経てインク供給手段６４に戻る経路で循環され、これによりインク流路２４から各ノズル２８に供給される。
なお、本発明の吐出ヘッド３２が吐出するインクＱとしては、色材を含む帯電粒子を分散媒にしてなるインクＱ等、帯電した微粒子を分散媒に分散してなる、静電式のインクジェットに利用される各種のインクＱ（溶液）が利用可能である。このインクＱは、表面張力が水より小さい。
【００８３】
前述のように、保持手段３４は、記録媒体Ｐを保持して吐出ヘッド３２のノズル列方向と直交方向（以下、走査方向という）に走査搬送するものである。
図示例において、保持手段３４は、吐出ヘッド３２（吐出基板４０）の上面（溶液吐出面）に対面した状態で記録媒体Ｐを保持するプラテンとしても作用する対向電極７０と、対向バイアス電源７２と、対向電極７０を走査方向に移動することにより、記録媒体Ｐを走査方向に走査搬送する走査搬送手段（図示省略）とを有して構成される。この走査搬送により、記録媒体Ｐは、吐出ヘッド３２の吐出口４６（ノズル列）によって、全面を二次元的に走査され、各吐出口４６から変調して吐出されたインク液滴Ｒによって画像が記録される。
【００８４】
対向電極７０による記録媒体Ｐの保持手段には、特に限定はなく、静電気を利用する方法、治具を用いる方法、および吸引による方法等、公知の方法によればよい。
また、対向電極７０の移動方法にも、特に限定はなく、公知の板状部材の移動方法を利用すれば良い。なお、本発明の吐出ヘッド３２を利用する記録装置においては、記録媒体Ｐを固定して、吐出ヘッド３２を移動（走査）することにより、ノズル列で記録媒体Ｐを走査するようにしてもよい。
対向バイアス電源７２は、吐出電極５０（＝色材粒子）と逆極性のバイアス電圧を対向電極７０に印加するものである。なお、対向バイアス電源７２の他極側は、接地されている。
【００８５】
以下、本実施形態における液体吐出ヘッド３０の吐出基板４０について詳細に説明する。
図７（ａ）は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出基板のうち、１つの吐出口を含む模式的平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。なお、図７（ａ）においては、撥液層７８の図示は省略している。
【００８６】
図７（ａ）に示すように、吐出基板４０においては、吐出口４６の周囲を囲んで支持体４０ａの表面には、凹凸部７３が形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、この凹凸部７３の表面には撥液層７８が形成されている。この撥液層７８は、厚さが薄く、実質的に凹凸部７３の表面がインク吐出面となる。
撥液層７８の厚さは、凸部７４ａ〜７４ｄと凹部７６ａ〜７６ｃの形状が維持できる厚さ、すなわち、この撥液層７８の厚さは、凹部７６ａ〜７６ｃの吐出口４６の中心から離れる方向における長さの１／２以下であり、さらに好ましくは１／１０以下である。これにより、撥液材料により凹部７６ａ〜７６ｃが埋まることがなく、凹凸部７３の凹凸構造が維持される。なお、撥液層７８の厚さは、吐出口４６の直径の１／１０以下であることが好ましい。
【００８７】
図７（ａ）に示すように、これらの凸部７４ａ〜７４ｄの間は凹部７６ａ〜７６ｃであり、凹部７６ａ〜７６ｃは相互に独立したものであり、凹部７６ａ〜７６ｃは、開口部以外で外部とつながるところがなく、凹凸部７３は閉構造である。このように凹凸部７３を閉構造とすることにより、凹部７６ａ〜７６ｃに存在する空気とインクＱとが接触し、インクＱの接触角を大きく、すなわち、遷移角を小さくすることができる。これにより、インクＱの広がりが抑制され、インクＱを安定して吐出させることができる。
【００８８】
さらに、凹凸部７３の表面に、撥液層７８が形成されており、撥液層７８による撥液効果も得ることができる。このように、凹凸部７３の構造による撥液性および撥液層７８による撥液性の２つの効果により、インクなどの表面張力が水よりも低いものであっても、接触角を大きくすることができる。さらに、凹凸部７３のパターンにより、インクＱを吐出口４６に円形状に集めることができる。これにより、インクＱのメニスカスの形状を経時変化させることなく、その形状を安定にすることができる。本実施形態においては、吐出口４６の形状が円形であり、インクＱを、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、平面視略円形の状態に保持することができる。
【００８９】
また、本実施形態においては、例えば、吐出口４６の直径φが、１３０μｍであり、凸部７４ａ〜７４ｄの吐出口４６の中心から離れる方向における幅ｔは、例えば、２μｍであり、吐出口４６の中心から離れる方向における凹部の幅ｖは、５μｍである。また、最外層の凸部７４ｄの直径Ｄは、例えば、５０８μｍである。本実施形態においては、最外層の凸部７４ｄの直径Ｄが隣の吐出口（図示せず）の最外層の凸部（図示せず）と接する大きさであるか、または吐出基板４０の表面全てがその凹凸構造であることが望ましい。
【００９０】
なお、凸部７４ａ〜７４ｄの幅ｔは、吐出口４６の直径φの１／１０以下であることが好ましい。さらに、吐出口４６の中心の形成間隔（ピッチ）は、５０８μｍである。
本実施形態においては、吐出口４６を、例えば、５０×２４（合計１２００個）の千鳥状に配列してもよい。
【００９１】
さらに、本実施形態においては、凸部７４ａ〜７４ｄの縁の角度（図２（ａ）に示す角度αに相当）は、９０°に形成されている。この角度αは６０〜１２０°であることが好ましい。
また、凸部７４ａ〜７４ｄの側壁と凸部７４ａ〜７４ｄの上面とが連続的に滑らかな場合、その曲率半径ρ（図２（ｃ）参照）は凹部７６ａ〜７６ｃの幅ｖおよび凹部７６ａ〜７６ｃの深さｈのいずれか小さい方の値よりも小さい値である。この曲率半径ρは、望ましくは、凹部７６ａ〜７６ｃの幅ｖおよび凹部７６ａ〜７６ｃの深さｈのいずれか小さい方の値の１／１０以下の値である。
【００９２】
次に、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出基板の製造方法について説明する。
図８（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出基板の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。なお、本実施形態の液体吐出ヘッドの吐出基板の製造方法においては、吐出電極５０の形成工程の図示は省略している。
【００９３】
図８（ａ）に示すように、先ず、例えば、ポリイミドからなる支持体４０ａの表面に、例えば、ポリイミドからなる撥液支持層８０を形成する。この支持体４０ａは、例えば、ロールコートによりフィルムとして製造される。
【００９４】
次に、撥液支持層８０の表面にレジスト（図示せず）を塗布し、レジスト膜を形成する。
次に、図８（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜８２に吐出口４６の形成予定領域（図示せず）の周囲に、凹凸部７３のパターン８２ａを形成する。
このパターン８２ａが形成されたレジスト膜８２は、上述の如く、例えば、凸部７４ａ〜７４ｄとなる領域の幅が２μｍであり、凹部７６ａ〜７６ｃとなる領域の幅（凸部の間隔）が５μｍである。このレジスト膜８２のパターン８２ａは、吐出口４６と平面視略相似形状であるリング状の凸部７４ａ〜７４ｄとリング状の凹部７６ａ〜７６ｃとが吐出口４６の中心を中心として同心円状に、例えば、４回交互に繰り返して吐出口４６の直径方向に対して４重に形成されるものである。
【００９５】
次に、パターン８２ａが形成されたレジスト膜８２をマスクにして、撥液支持層８０の表面に、例えば、ドライエッチングにより、凹凸部７３（凸部７４ａ〜７４ｄおよび凹部７６ａ〜７６ｃ）を形成する。
次に、レジスト膜８２を除去する。これにより、図８（ｃ）に示すように、リング状の凸部７４ａ〜７４ｄおよび凹部７６ａ〜７６ｃを有する凹凸部７３が形成される。この凹凸部７３は、同心円状にリング状の凸部７４ａ〜７４ｄとリング状の凹部７６ａ〜７６ｃとが交互に４重に配置されたものである。
【００９６】
次に、図８（ｄ）に示すように、凹凸部７３の表面に、例えば、フッ素を含有した有機材料、またはフルオロアルキルシランなどの撥液性を有する材料を塗布し、撥液層７８を形成する。
次に、図８（ｅ）に示すように、吐出口４６の形成予定領域（図示せず）に吐出口４６を、例えば、ドライエッチングにより形成する。このようにして、本実施形態の吐出基板４０が形成される。
【００９７】
なお、本実施形態においては、撥液層７８を形成することなく、撥液支持層８０を、撥液性を有する材料により形成してもよい。すなわち、基材７４（凹凸部７３）を、水に対して撥液性を有する材料により形成してもよい。
【００９８】
以下、本実施形態の記録装置３０における画像記録について説明する。
画像記録時には、インク循環系３６によって、インク供給手段６４〜インク供給流路６６〜吐出ヘッド３２のインク流路５２〜インク回収流路６８〜インク供給手段６４の経路でインクＱが循環される。この循環により、インク流路５２にインクＱが、例えば、２００ｍｍ／秒のインク流で流れ、これにより各吐出口４６にインクが供給される。
また、画像記録時には、バイアス電源８２が吐出電極５０に１００Ｖのバイアス電圧を印加している。さらに、記録媒体Ｐは対向電極７０に保持され、対向電極７０には、対向バイアス電源７２が−１０００Ｖのバイアス電圧を印加している。したがって、吐出電極５０と対向電極７０（記録媒体Ｐ）との間には、１１００Ｖ分のバイアス電圧が印加され、その分の電界（静電力）が形成されている。
【００９９】
このインクＱの循環、バイアス電圧による静電力、インクＱの表面張力、毛管現象、およびインクガイド４４の作用などにより、吐出口４６にはインクＱのメニスカスが形成され、また、色材粒子（本例では正に帯電）が吐出口４６（メニスカス）に泳動してインクＱが濃縮され、この濃縮の作用によってメニスカスがさらに成長し、インクＱの表面張力と静電力等とのバランスが取れることによってメニスカスが安定した状態となっている。
また、本実施形態においては、吐出基板４０の表面には、凹凸部７３が形成されているため、吐出基板４０の表面は、表面張力が水より小さいインクＱであっても撥液性を有するものである。このため、さらに一層メニスカスを安定にすることができる。
【０１００】
この状態において、駆動電源６０が吐出電極５０に、例えば、２００Ｖの駆動電圧を印加すると、インクＱおよびメニスカスに作用する静電力が大きくなり、かつ、メニスカスでのインクＱの濃縮が促進されて、メニスカスが急激に成長し、メニスカスの成長力、色材粒子のメニスカスへの移動力、および対向電極７０からの吸引力が、インクＱの表面張力を超えた時点で、色材粒子が濃縮されたインクＱのインク液滴Ｒが吐出される。
吐出されたインク液滴Ｒは、吐出された際の勢い、および、対向電極７０による引力によって飛翔し、記録媒体Ｐに着弾して画像を形成する。
【０１０１】
前述のように、画像記録時には、記録媒体Ｐは吐出ヘッド３２と対面した状態で、ノズル列と直交する走査方向に走査搬送されている。
したがって、この走査搬送に同期して、画像データ（インク液滴Ｒの吐出信号）に応じて変調して各吐出電極５０に駆動電圧を印加（吐出電極５０を駆動）することにより、記録する画像に応じて変調してインク液滴Ｒを吐出して、記録媒体Ｐの全面にオンデマンドで画像記録を行なうことができる。
【０１０２】
本実施形態の吐出ヘッド３２は、吐出基板４０の表面に、本発明者の知見に基づいたパターン、および形状を有する凹凸部７３を形成することにより、水よりも表面張力が小さいインクＱであっても、接触角を９０°以上とすることができるともに、インクＱの形状を円形に近づけることができる。このため、インクＱを溶液を吐出口４６の近傍に略円形状に集めることができ、メニスカスの経時変化を抑制し、メニスカスを安定にできる。これにより、インク液滴Ｒの飛翔方向も一定になり、インク液滴Ｒの着弾位置が、インクガイドの突状先端の中央に定まるため、記録媒体Ｐの正確な位置にインク液滴Ｒを着弾させることができ、画像が高画質となるように記録媒体Ｐに記録することができる。さらに、メニスカスの形状が安定することにより、所定サイズ（所定量）のインク液滴Ｒを確実に安定して吐出させることができ、濃度が安定した良好な画像を記録媒体Ｐに記録することができる。
【０１０３】
また、基板４０の凹凸部７３により、インクＱが吐出口４６に略円形状に集められ、メニスカスが所定の位置に固定されるので、隣接する他の各吐出口４６のインクと一体化することがなくなり、各チャンネル間干渉が生じない。このように、各チャンネル間の干渉が生じないので、インクの架橋によるインク液滴の吐出方向の乱れ、および吐出周波数の乱れを防止することができる。
【０１０４】
[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る吐出基板を示す模式的平面図であり、吐出口を１つ示すものである。なお、本実施形態においては、図５〜図７（ａ）および（ｂ）に示す第１の実施形態の吐出基板４０と同一構成物には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。また、図９においては、撥液層７８の図示は省略している。
【０１０５】
図９に示すように、本実施形態の吐出基板４１は、第１の実施形態の吐出基板４０に比して、凹凸部７３ａの構成が異なり、それ以外の構成は、第１の実施形態の吐出基板４０と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【０１０６】
図９に示すように、本実施形態の吐出基板４１は、凹凸部７３ａが吐出口４６の中心を中心として放射状に延びる直線部８４、８４ａを、例えば１２個有するものである。
この直線部８４ａは、凸部７４ａ〜凸部７６ｄに渡って延びるものであり、吐出口４６の直径方向に対向して、例えば、２個線対称に形成されている。また、直線部８４は、吐出口４６の縁から凸部７４ｄまで延びたものであり、直線部８４ａを対称軸として、例えば、５個ずつ線対称に形成されている。
このように、凹凸部７３ａに直線部８４、８４ａを設けることにより、インクＱを拭いたとき等、インク吐出面（凹凸部７３ａの表面）における耐磨耗性を向上させることができる。なお、本実施形態においても、凹部は開口部以外に外部とつながるところがなく、独立したものであり、閉構造である。
【０１０７】
また、本実施形態の吐出基板４１の製造方法は、上述の第１の実施形態の吐出基板４０（図８（ａ）〜（ｅ）参照）の製造方法に比して、レジスト膜８２（図８（ｂ）参照）のパターンが異なるだけであり、それ以外の製造方法は、第１の実施形態の吐出基板４０の製造方法と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
さらに、本実施形態の吐出基板４１を備えた液体吐出ヘッドは、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、加えてインク吐出面（凹凸部７３ａの表面）の耐磨耗性が向上するため、インクＱを更に安定して吐出することができるという効果を奏する。
【０１０８】
なお、上述の第１の実施形態の吐出基板４０および第２の実施形態の吐出基板４１においても、凹凸部のパターンは、凹部が開口部以外に外部とつながるところがないパターンとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、吐出口の中心を中心軸として、この中心軸の周りを回る吐出口と平面視略相似形状の渦状のパターンであってもよい。
【０１０９】
このように、本発明においては、インクと凹部の空気とを接触させることにより、遷移角を小さく、すなわち、接触角を大きくしている。また、凹部が凹凸部内において、開口部以外で外部と連通されていなければ、凹部の空気とインク（溶液）とが交換されてにくくなる。このため、凹凸部のパターンは、凹部が凹凸部内において、開口部以外で外部と連通されていなければ、特に限定されるものではない。
【０１１０】
また、上述の第１の実施形態の吐出基板４０および第２の実施形態の吐出基板４１においても、図１０に示す第１の実施形態および第２の実施形態の変形例の吐出基板４１ａのように、吐出基板４１ａの吐出口４６以外の領域は、シールド電極４８によって全面的に被覆されていることが好ましい。この場合、支持体４０ａと凹凸部７３との間にシールド電極４８が形成される。すなわち、シールド電極４８の表面に、凹凸部７３が形成され、シールド電極４８の表面が撥インク処理される。
【０１１１】
シールド電極４８は、導電性の金属板などで形成される全吐出口４６に共通のシート状電極で所定電位に保持されている。この所定電位は、接地による０Ｖを含む。このようなシールド電極４８を有することにより、互いに隣接する吐出口４６（吐出部）の電気力線を遮蔽して、吐出口間における電界干渉を防止して、インク液滴Ｒを安定に吐出できる。
【０１１２】
さらに、本変形例の吐出基板４１ａにおいては、シールド電極４８の上面に立体障壁（図示せず）が配置されることが好ましい。この立体障壁は、各吐出口４６周辺の凹凸部７３を個々に囲んで分離して、吐出口４６同士でのインクＱの混合の防止、すなわち、各吐出口４６（吐出部）毎のインクＱのメニスカスの確実な分離を図るためのものである。
【０１１３】
立体障壁の形態としては、各吐出口４６を分離するように格子状に壁で形成されるものが挙げられる。しかしながら、本発明は、これに限定はされず、個々の吐出口４６を分離することができれば、例えば、各吐出口４６を個々に囲む円筒状の立体障壁等であってもよい。
また、立体障壁の壁面をへのインクの這い上がりを確実に防止し、吐出口４６同士を確実に防止するためには、立体障壁の表面を撥インク性（撥液性）とすることが好ましい。
さらに、上述の第１の実施形態および第２の実施形態においても、吐出口４６の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、楕円形または四角などであってもよい。
【０１１４】
なお、上述のいずれの実施形態においては、基材７４に凹凸部７３、７３ａを形成する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、支持体４０ａに凸部のみを形成する構成でもよく、また、支持体と基材とを一体にして、凹凸部を形成してもよい。
【０１１５】
また、本実施形態においては、静電式のインクジェットについて説明したが、本発明は、溶液を吐出する液体吐出ヘッドを有するものであれば、液体吐出方法は特に限定されるものではない。本発明の液体吐出ヘッドは、例えば、ピエゾ方式のインクジェット記録装置およびサーマル方式のインクジェット記録装置にも適用できる。
【０１１６】
以上、本発明の液体吐出ヘッドおよびその製造方法について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良または変更を行ってもよいのは、もちろんである。
【実施例】
【０１１７】
以下、本発明の撥液性構造体の具体的な例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す例に限定されないのは言うまでもない。
本実施例においては、上述の第１の実施形態の吐出基板の凹凸部７３（図７（ａ）および（ｂ）参照）を有する基板、ならびに比較例Ｎｏ.１の基板および比較例Ｎｏ.２の基板を作製し、これらの基板について撥液性を評価した。また、参考のために、平滑表面についても撥液性を評価した。なお、実施例Ｎｏ.１、比較例Ｎｏ.１および比較例Ｎｏ.２の基板は、いずれも吐出口が形成されていないものである。
【０１１８】
実施例Ｎｏ.１の基板は、図８（ｄ）に示すものであり、吐出口４６を形成する前のものである。実施例Ｎｏ.１は、基材および凹凸部の組成はポリイミドであり、凸部の幅が２μｍ、凹部の幅が５μｍ、凹凸部の最外円の直径Ｄが５０８μｍである。また、撥液層はフルオロアルキルシランを用いて形成した。
【０１１９】
図１１に示すように、比較例Ｎｏ.１の基板１００は、基材１０２の表面に、直線部１０４ａと直線部１０４ｂとが直交して配置された格子状のパターンが形成された凹凸部１０４が形成されたものである。直線部１０４ａは４本形成され、直線部１０４ｂは５本形成されている。比較例Ｎｏ.１において、直線部１０４ａおよび直線部１０４ｂは、幅を２μｍとし、直線部１０４ａおよび直線部１０４ｂの長さを５０８μｍとした。また、基材１０２および直線部１０６ａにはポリイミドを用いた。さらに、基材１０２および直線部１０６ａの表面にフルオロアルキルシランからなる撥液層を形成した。
【０１２０】
また、図１２（ａ）に示すように、比較例Ｎｏ.２の基板１００ａは、基材１０２の表面に、平行に並んで設けられた直線部１０６ａが、６本直線状のパターンが形成された凹凸部１０６が形成されたものである。比較例Ｎｏ.２において、直線部１０６ａは幅を２μｍとし、長さを５０８μｍとした。また、基材１０２および直線部１０６ａには、ポリイミドを用いた。さらに、基材１０２および直線部１０６ａの表面にフルオロアルキルシランからなる撥液層を形成した。
なお、実施例Ｎｏ.１、比較例Ｎｏ.１および比較例Ｎｏ.２の基板においては、パターン形成領域の大きさは、全て同じとした。
【０１２１】
本実施例においては、実施例Ｎｏ.１、比較例Ｎｏ.１および比較例Ｎｏ.２の基板ならびに平滑表面について、表面張力が２３ｍＮ／ｍ（水の１／３）であるデカンにおける接触角により撥液性を評価した。この結果を下記表２に示す。
なお、平滑表面は、表面構造のない平滑なガラス基板の表面にフッ素膜を形成したものである。フッ素膜はフルオロアルキルシランを用いて形成されたものである。このフッ素膜の厚さは１０ｎｍであった。
【０１２２】
【表２】
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【０１２３】
上記表２に示すように、実施例Ｎｏ.１は、接触角が１３０°であり、撥液性を有するものであった。また、液滴の安定性も良好であり、液滴の形状が図４（ａ）および（ｂ）に示すような形状で安定し、経時変化もなかった。
【０１２４】
一方、比較例Ｎｏ.１は、接触角１１４°であり、実施例Ｎｏ.１に比して効果が劣り、十分に高い接触角が得られなかった。
また、比較例Ｎｏ.２は、液滴の形状が図１２（ｂ）に示すように、液滴１０８が楕円形状であり接触角に異方性が生じた。比較例Ｎｏ.２は、直線部１０６ａの配列方向では、接触角が１２８°と高かった。また、直線部１０６ａが延びる方向と平行な方向では、接触角が６３°であった。さらに、比較例Ｎｏ.２においては、時間の経過とともに、液滴が直線部１０６ａが延びる方向と平行な方向に時間と共に広がる傾向があり、接触角の安定性が不十分であった。
なお、平滑表面における接触角は６０°であり、撥液性を示すものではなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】縦軸にｃｏｓθｆをとり、横軸にｃｏｓθ１をとって本発明の表面構造モデルにおける接触角θ１と見かけの接触角θｆとの関係を示すグラフである。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の表面構造モデルにおける凹部の形状を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の表面構造モデルにおける凹部の面積比率を算出するモデルを示す模式図である。
【図４】（ａ）は、基板の表面に液体を滴下したときの平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線による断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドが適用されたインクジェット記録装置を示す模式的断面図である。
【図６】図５に示す液体吐出ヘッドの模式的部分斜視図である。
【図７】（ａ）は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出基板のうち、１つの吐出口を含む模式的平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出基板の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る吐出基板を示す模式的平面図であり、吐出口を１つ示すものである。
【図１０】本発明の第１の実施形態の吐出基板および第２の実施形態の吐出基板の変形例を示す模式的断面図である。
【図１１】比較例Ｎｏ.１の基板の構成を示す模式的平面図である。
【図１２】（ａ）は、比較例Ｎｏ.２の基板の構成を示す模式的平面図であり、（ｂ）は、比較例Ｎｏ.２の基板の表面に液体を滴下したときの液滴の状態を示す平面図である。
【図１３】平面上に滴下された液体の表面張力と、固体の表面張力と、固体と液体との間に働く界面張力と、接触角との関係を示す模式図である。
【図１４】ウェンゼル（Wentzel）モデルを示す模式図である。
【図１５】縦軸にｃｏｓθｆをとり、横軸にｃｏｓθをとってウェンゼルモデルにおける接触角θと見かけの接触角θｆとの関係を示すグラフである。
【図１６】カッシー（Cassie）モデルを示す模式図である。
【図１７】（ａ）は、カッシーモデルにおいて、固体が撥液性を有する状態を示す模式的断面図であり、（ｂ）は、カッシーモデルにおいて、固体が親液性を有する状態を示す模式的断面図である。
【図１８】縦軸にｃｏｓθｆをとり、横軸にｃｏｓθ１をとってカッシーモデルにおける接触角θ１と見かけの接触角θｆとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２６】
１０、１５０、１５４、１５８  固体
１２、１６０  凹部
１２ａ  側壁
２４、１５２、１６２  液体
３０  インクジェット記録装置（記録装置）
３２  液体吐出ヘッド（吐出ヘッド）
３４  保持手段
３６  インク循環系
３８  電圧印加手段
４０、４１、４１ａ  吐出基板
４０ａ  支持体
４２  支持基板
４４  インクガイド
４６  吐出口
４８  シールド電極
５０  吐出電極
５２  インク流路
６０  駆動電源
６２  バイアス電源
６４  インク供給手段
６６  インク供給流路
６８  インク回収流路
７０  対向電極
７２  対向バイアス電源
７３  凹凸部
７４  基材
７４ａ〜７４ｄ  凸部
７６ａ〜７６ｃ  凹部
７８  撥液層
８０  撥液支持層
８２  レジスト膜
８４、８４ａ  直線部
１００  比較例Ｎｏ.１の基板
１００ａ  比較例Ｎｏ.２の基板
１０２  基材
１０４、１０６  凹凸部
１０４ａ、１０４ｂ、１０６ａ  直線部
１０８  液滴
１５６  凹凸
Ｐ  記録媒体
Ｑ  インク
Ｒ  インク液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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