(57)【要約】【課題】高画質、高速描画に対応しつつ、低電圧で駆動することが可能であり、小型化が可能な液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供する。【解決手段】極性を有するインクを吐出するノズル２１と、ノズル２１に連通するとともに、インクが充填される液室２３と、を備えた液滴吐出装置において、液室２３内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜５０が設けられていることを特徴とする。【選択図】図３
2008119873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性を有する液状体を吐出する液滴吐出ノズルと、
前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填される液室と、
を備えた液滴吐出装置において、
前記液室内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜が設けられていることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記導電性高分子膜は、前記液室を構成する第１壁に装着され、
前記液室を構成する第２壁の少なくとも一部には、半導体材料で形成された通電部が設けられ、
前記導電性高分子膜と前記通電部との間に電圧を印加する電圧印加手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
極性を有する液状体を吐出する液滴吐出ノズルと、
前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填された液室と、
前記液室内に設けられた、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜と、
を備えた液滴吐出装置の液滴吐出方法であって、
前記液室内に充填された前記液状体と前記導電性高分子膜との間に電圧を印加することにより、前記導電性高分子膜を膨張収縮変形させて前記液状体を吐出することを特徴とする液滴吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高画質、高速描画を可能にするプリンタとして、液滴吐出装置を用いたものが知られている。液滴吐出装置は、内容積が変化する液室を備えた液滴吐出ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつ、そのノズルから液滴を吐出することにより、描画するものである。
【０００３】
このようなヘッドにおけるヘッドアクチュエータとしては、従来、ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３）に代表される圧電素子が用いられている。また、圧電素子を用いる場合の他に、例えば、特許文献１，２に示すように、形状記憶高分子薄膜と発熱素子を用い、発熱素子に電圧印加することにより、発熱素子の発熱とともに形状記憶高分子薄膜が加熱され、この形状記憶高分子薄膜が膨張収縮変形することによりインク滴を吐出するような液滴吐出ヘッドがある。
【特許文献１】特開平２−２５３９６３号公報
【特許文献２】特開平４−３３８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１，２に示す液滴吐出ヘッドにおいては、発熱素子の温度変化を介して形状記憶高分子薄膜が体積変化してインク滴を吐出するものであるため、形状記憶高分子薄膜の膨張収縮変形の応答性が悪く、描画品質の低下及び高速描画を行うことができないという問題がある。
また、圧電素子を用いたヘッドアクチュエータにおいては、駆動電圧が２０〜３０Ｖと高く、また駆動構造が複雑なため、装置自体が大きくなってしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高画質、高速描画に対応しつつ、低電圧で駆動することが可能であり、また小型化が可能な液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る液滴吐出装置は、極性を有する液状体を吐出する液滴吐出ノズルと、前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填される液室と、を備えた液滴吐出装置において、前記液室内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜が設けられていることを特徴とする。
導電性高分子膜は、通電によるドーパントイオンの導電性高分子膜への出入りや、導電性高分子膜の高分子鎖の構造変化等によって膨張伸縮変形する。この導電性高分子膜を液室内に配置することにより、液室内の容積の変化による圧力変化を生じさせて液滴を吐出することが可能になる。したがって、高画質、高速描画に対応しつつ、液滴吐出装置の駆動構造を簡素化することができ、装置の小型化が可能になるとともに、ノズルピッチを高密度に形成することができる。また、導電性高分子膜は低電圧で膨張伸縮変形するので、電源を小型化することができる。したがって、液滴吐出装置の小型化が可能になり、ポータブル機器を実現することができる。
【０００７】
また、前記導電性高分子膜は、前記液室を構成する第１壁に装着され、前記液室を構成する第２壁の少なくとも一部には、半導体材料で形成された通電部が設けられ、前記導電性高分子膜と前記通電部との間に電圧を印加する電圧印加手段が設けられていることを特徴とする。
このように構成することで、通電部を介して液状体と導電性高分子膜との間に電圧を印加することができ、導電性高分子膜を膨張収縮変形させることができる。したがって、液室内に電極を形成する必要がなく、製造コストを低減することができる。
【０００８】
一方、本発明に係る液滴吐出方法は、極性を有する液状体を吐出する液滴吐出ノズルと、前記液滴吐出ノズルに連通するとともに、前記液状体が充填された液室と、前記液室内に設けられた、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜と、を備えた液滴吐出装置の液滴吐出方法であって、前記液室内に充填された前記液状体と前記導電性高分子膜との間に電圧を印加することにより、前記導電性高分子膜を膨張収縮変形させて前記液状体を吐出することを特徴とする。
導電性高分子膜は、通電によるドーパントイオンの導電性高分子膜への出入りや、導電性高分子膜の高分子鎖の構造変化等によって膨張伸縮変形する。この導電性高分子膜を液室内に配置することにより、液室内の容積の変化による圧力変化を生じさせて液滴を吐出することができる。したがって、高画質、高速描画に対応しつつ、液滴吐出装置を低電圧で駆動することが可能になり、また液滴吐出装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
（第１実施形態）
図１は、液滴吐出装置の分解斜視図であり、図２は、液滴吐出装置の平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００１０】
図１〜３に示すように、液滴吐出装置１は、流路形成基板２０（第２壁）と、この流路形成基板２０に対向配置されたアクチュエータ形成基板３０（第１壁）とから形成されている。各基板２０，３０には、液状体（以下、インクという）を吐出する液滴吐出ノズル２１（以下、ノズルという）と、ノズル２１に連通するとともに、インクが充填される液室２３とが配列形成されている。
【００１１】
流路形成基板２０は、電子の移動が可能なｎ型半導体材料で構成されている。具体的には、高濃度にリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等のイオンを注入されたシリコン単結晶基板からなり、厚さが例えば２００μｍに形成されている。この流路形成基板２０は、流路形成基板２０全体を高濃度にイオン注入することにより、流路形成基板２０全体が通電可能な通電部として構成されている。流路形成基板２０の下面には、インクを吐出するノズル２１が配列形成されている。ノズル２１は、例えば、直径約１０μｍ、深さ５０μｍで形成されており、この大きさは、インクを吐出するインクの量、吐出スピード、吐出周波数に応じて変更可能である。
【００１２】
また、ノズル２１は、流路形成基板２０の上面へ向けて連通部２２が形成され、この連通部２２を介して、液室２３に連通している。液室２３は、流路形成基板（第２壁）２０と、後述するアクチュエータ形成基板（第１壁）３０との間隙に形成され、流路形成基板２０のノズル配列方向に平面視櫛歯状に並設されている。この液室２３は、例えば幅約５０μｍ、間隔約２０μｍ、長さ約５００μｍ、高さ約１００μｍで形成されている。
【００１３】
液室２３には極性を有するインクが充填される。そのインクは、水性溶液又は極性有機溶媒溶液であることが望ましい。極性有機溶媒は、インク溶液にジメチルホルムアミド（Ｃ３Ｈ７ＮＯ）、又は、ジメチルスルホキシド（（ＣＨ３）２ＳＯ）、１，４−ジオキサン（Ｃ４Ｈ８Ｏ２）を１０〜３０％の割合で添加することにより得ることができる。
【００１４】
また、液室２３を介して連通部２２の反対側には、リザーバ２４が形成されている。このリザーバ２４は、液室２３に供給するインクを予備的に保持するものであって、流路形成基板２０のノズル配列方向に連続形成されており、各液室２３と連通している。リザーバ２４と液室２３とを連通する流路は、液室２３よりも狭い幅で形成されており、リザーバ２４から液室２３に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００１５】
一方、流路形成基板２０に対向配置されたアクチュエータ形成基板３０は、シリコン単結晶基板からなり、このアクチュエータ形成基板３０の端部近傍には、インク供給路３１が形成されている。このインク供給路３１は、アクチュエータ形成基板３０の上面の開口部３２から下面まで貫通しており、リザーバ２４に連通するものである。
【００１６】
また、アクチュエータ形成基板３０の下面側には、段差を介してアクチュエータ保持部３９が形成されている。アクチュエータ保持部３９の表面には、二酸化珪素等からなる絶縁層３３が形成されている。絶縁層３３の表面には、アルミ等からなる第一配線３４が形成され、この第一配線３４の一端は、液室２３外に配置された駆動用ＩＣ３５の端子に接続され、他端は、液室２３内に引き出されて、後述する導電性高分子膜５０に接続されている。駆動用ＩＣ３５の他の端子からは、図示しない共通配線が引き出され、流路形成基板２０に接続されている。
【００１７】
液室２３内に引き出された第一配線３４の表面には、二酸化珪素等からなる絶縁層３７が被覆されている。この絶縁層３７には、第一配線３４を露出させるコンタクト部３８が形成されている。
【００１８】
ここで、液室２３内の絶縁層３３，３７の表面には、導電性高分子材料からなるアクチュエータとして導電性高分子膜５０が形成されている。導電性高分子膜５０は、例えば、厚さ約１．０μｍ、幅約３０μｍ、長さ約５００μｍで形成されている。また、導電性高分子膜５０の形成材料としては、ポリピロールをはじめ、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン等を用いることができるが、分子鎖にピロール及び／またはピロール誘導体を含む導電性高分子であることが望ましい。
【００１９】
この導電性高分子膜５０は、コンタクト部３８から露出した第一配線３４に接続され、通電可能に載置されている。そして駆動用ＩＣは、第一配線３４に接続された導電性高分子膜５０と、共通配線に接続された流路形成基板（通電部）２０との間に電圧を印加する。すなわち駆動用ＩＣは、電圧印加手段として機能する。これにより、液室２３に充填された極性を有するインクを介して導電性高分子膜５０に通電し、導電性高分子膜５０が伸縮変形するものである。
【００２０】
（液滴吐出装置の液滴吐出方法）
次に、本実施形態における液滴吐出装置１の液滴吐出方法を、図３を援用して説明する。
まず、インク供給路３１に接続された図示しないインク供給装置を駆動する。すると、インク供給装置から送出されたインクは、インク供給路３１を介してリザーバ２４に供給された後、ノズル２１に至るまでの内部流路に充填される。
次に、図示しない電源により電圧を印加する。すると、液室２３内に充填された極性を有するインクが電解液となり、このインクを介して流路形成基板２０と導電性高分子膜５０との間で通電する。これにより、導電性高分子膜５０は膨張収縮変形する。
【００２１】
導電性高分子膜５０の膨張収縮は、電圧の印加と極性の入れ替えによる、ドーパントイオンの導電性高分子への出入りと、高分子鎖の構造変化等により行われる。つまり、導電性高分子に正電圧を印加すると、インク中の負イオンの取り込みと同時に構造変化が起こり、導電性高分子膜５０は膨張する。一方、導電性高分子膜に負電圧を印加すると、インク中の正イオンの取り込みと同時に構造変化が起こり、導電性高分子膜５０は収縮する。
【００２２】
そして、電圧波形でこの構造変化を制御することにより、液室２３内の容積を変化させ、液室２３内の圧力変化を生じさせてノズル２１よりインクが吐出される。この時の導電性高分子膜５０の体積変化率は、従来の圧電素子（例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３））と比べ３０％以上の増加が可能である。
【００２３】
（液滴吐出装置の製造方法）
次に、本実施形態における液滴吐出装置の製造方法を、図１，３を援用して説明する。図４は、図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、液滴吐出装置の工程図である。なお、図４においては、アクチュエータ形成基板３０内部には導電性高分子膜５０のみを図示し、絶縁層３３等は省略する。
まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板２０を形成する。
具体的には、高濃度にイオン注入したシリコン単結晶基板を、例えば厚さ約２００μｍまで研削する。
【００２４】
次に、流路形成基板２０の下面にフォトリソグラフィ技術を利用してノズル２１を形成する。具体的には、流路形成基板２０の下面全体にレジスト膜を形成し、露光、現像することにより、ノズル２１を形成すべき領域のレジスト膜を除去する。次に、そのレジスト膜をマスクとして流路形成基板２０のドライエッチングを行い、ノズル２１を形成する。
【００２５】
次に、流路形成基板２０の上面に液室２３を形成する。具体的にはノズル２１の形成方法と同様に、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介して流路形成基板２０のドライエッチングを行い、液室２３を形成する。
また、液室２３と同様の形成方法により連通部２２及びリザーバ２４を形成する。
【００２６】
次に、アクチュエータ形成基板３０を形成する。
具体的には、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介して、アクチュエータ形成基板３０の下面のドライエッチングを行い、インク供給路３１とアクチュエータ保持部３９を形成する。次に、アクチュエータ形成基板３０の上面からも同様にドライエッチングを行い、インク供給路３１の開口部３２を形成し、インク供給路３１を連通させる。
【００２７】
次に、アクチュエータ保持部３９の表面に３３絶縁層３３を形成する。具体的には、ＣＶＤ法等により流路形成基板２０の下面全体に絶縁層３３を成膜後、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、絶縁層３３をパターニングする。
次に、絶縁層３３上に第一配線３４を形成する。具体的には、スパッタ法等により第一配線３４を成膜後、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、第一配線３４をパターニングする。
【００２８】
そして、第一配線３４上に、絶縁層３７を成膜する。具体的には、絶縁層３３の形成方法と同様に、ＣＶＤ法により流路形成基板２０の下面全体に絶縁層３７を成膜する。次に、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、絶縁層３７をパターニングする。その際、第一配線３４の一部を露出させて、第一配線３４と導電性高分子膜５０とのコンタクト部３８を形成する。一方、第一配線３４の他端は、液室２３外のアクチュエータ保持部３９に配置された駆動用ＩＣ３５の端子に接続する。
【００２９】
次に、絶縁層３３及び絶縁層３７の表面に導電性高分子膜５０を形成する。具体的には、電界重合法又はスピンコート法により導電性高分子膜５０の形成材料を塗布する。その後、フォトリソグラフィ工程により露光、現像したレジストマスクを介してドライエッチングを行い、導電性高分子膜５０をパターニングする。この導電性高分子膜５０の寸法は、例えば厚さ約１．０μｍ、幅約３０μｍ、長さ約５００μｍであり、従来の圧電素子と略同形状の寸法である。
【００３０】
次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板２０とアクチュエータ形成基板３０を、接着剤を介して貼り合わせる。そして、駆動用ＩＣ３５の他の端子を、共通配線を介して流路形成基板２０に接続することにより本実施形態における液滴吐出装置１を得ることができる。
【００３１】
したがって、上述の実施形態によれば、液室２３内に、通電により膨張収縮変形可能な導電性高分子膜５０が設けられている構成とした。この構成により、導電性高分子膜５０と極性を有するインクの間に電圧を印加することで、導電性高分子膜５０のドーパントイオンの導電性高分子膜５０への出入りと高分子鎖の構造変化等によって導電性高分子膜５０自体が膨張収縮変形し、これにより液室２３内の容積の変化による圧力変化を生じさせてインクを吐出することができる。従来の液滴吐出装置は、可撓性のある振動板の外側に圧電素子が配置され、振動板を介して液室に圧力変化を生じさせる構造であった。これに比べて、本実施形態の液滴吐出装置１は、液室２３内に導電性高分子膜５０が設けられているので、振動板が不要になる。これにより、高画質、高速描画に対応しつつ、駆動構造を簡素化することができ、装置の小型化が可能になる。さらに、ノズルピッチの高密度化が可能となる。
【００３２】
また、導電性高分子膜５０は、１〜３Ｖで膨張伸縮変形するので、圧電素子が２０〜３０Ｖの駆動電圧を必要とする場合と比べ、低電圧で駆動させることができ、電源を小型化することができる。したがって、液滴吐出装置の小型化が可能になり、乾電池等などで駆動するポータブル機器を実現することができる。
【００３３】
さらに、静電アクチュエータを配置した液滴吐出装置との比較においても同様に、振動板が不要になるため、駆動構造が簡素化されるとともに、低電圧で駆動させることができるため、装置の小型化が可能になる。
【００３４】
また、ノズル２１が流路形成基板２０に一体形成されているため、この流路形成基板２０と、導電性高分子膜５０が配置されたアクチュエータ形成基板３０を貼り合わせるのみで液滴吐出装置１を形成することができる。
さらに、アクチュエータ形成基板３０および流路形成基板２０により液室２３が構成されるとともに、導電性高分子膜５０がアクチュエータ形成基板３０に装着され、流路形成基板２０には半導体材料で形成された通電部が設けられ、導電性高分子膜５０と通電部との間に電圧を印加する構成とした。このように構成することで、通電部を介してインクと導電性高分子膜５０との間に電圧を印加することができ、導電性高分子膜５０を膨張収縮変形させることができる。したがって、液室２３内に電極を形成する必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００３５】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。例えば、係る液滴吐出装置を組み込むことによってハンディターミナル（携帯用端末）等のプリンタユニットにも適用できる。
【００３６】
また、導電性高分子膜の膜厚を厚くすることにより、体積変化量を向上させることができるので、インク室の寸法を小さくしても同じ量の吐出量が得られる。さらに、本実施形態においては、流路形成基板の全体を高濃度にイオン注入して通電部を形成したが、液室に面する一部のみを高濃度にイオン注入して通電部を形成してもよい。また、液室内に電極を形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態における液滴吐出装置の分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態における液滴吐出装置の平面図である。
【図３】本発明の実施形態における液滴吐出装置の図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の実施形態における液滴吐出装置の工程図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…液滴吐出装置  ２０…流路形成基板（第２壁）  ２１…ノズル（液滴吐出ノズル）  ２３…液室  ３０…アクチュエータ形成基板（第１壁）  ５０…導電性高分子膜
【図１】
2008119873.tif 000003
【図２】
2008119873.tif 000004
【図３】
2008119873.tif 000005
【図４】
2008119873.tif 000006