(57)【要約】  【課題】低い吐出電圧で、安定して液体吐出が可能な液体吐出ヘッドを提供する。  【解決手段】吐出電極４４および先端が先鋭なインクガイド５０が、インクガイド基板３２に一体に設けられており、吐出電極と溶液ガイド先端との距離が一定に保たれている。溶液ガイド近傍には、インクガイド基板３２を貫通する貫通孔３２ａの開口３５とを備えている。インクガイド基板３２の他方の表面にはインクガイド基板３２に沿って溶液流１６が流れており、この溶液流１６の一部が、貫通孔３２ａを通り開口３５から溶液ガイド５０の周囲に供給され、溶液ガイド５０を覆う溶液のメニスカスが、素早くかつ安定に形成される。この状態で吐出電極に電圧が印加され、インクガイド５０の先端部分を覆うメニスカスから液滴が吐出される。【選択図】図４
2005096332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電粒子を含む溶液に静電気力を作用させて前記溶液の液滴を対向電極に向けて吐出する複数の吐出部を備える液体吐出ヘッドであって、前記対向電極と所定の距離離間して配置された第１の基板と、この第１の基板の前記対向電極の側と反対の側に前記第１の基板と所定の距離離間して配置され、前記第１の基板との間に前記溶液の流路を形成する第２の基板とを備え、
前記第１の基板は、前記対向電極の側の表面の前記吐出部の配置に対応する位置に前記第１の基板と一体化されて設けられた、前記対向電極に向けて突出し先端が先鋭化した溶液ガイドと、この溶液ガイドを囲むように設けられ、前記溶液の吐出を制御する吐出電極と、前記第１の基板を厚さ方向に貫通して、前記第１の基板の前記対向電極と対向する側の表面の前記溶液ガイドの近傍に溶液供給口を開口する溶液供給孔とを備え、
前記溶液ガイドの少なくとも先端部分は単結晶材料で形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記溶液ガイドは、高次の結晶面からなる斜面を有し先端が先鋭化されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記溶液ガイドは、先端角が６０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記溶液ガイドは、先端の曲率半径が４μｍ以下であることを特徴とする請求項２または３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの作製方法であって、
絶縁性基板の表面に前記吐出電極を作製する工程と、
前記絶縁性基板を少なくとも含んで構成された第１の基板と、単結晶基板とを接合し一体化する工程と、
前記単結晶基板の表面の前記吐出電極に対応する所定の位置に所定の形状のマスク層を作製する工程と、
前記マスク層をエッチングマスクとして前記単結晶基板の異方性ウエットエッチングを行うことで、前記溶液ガイドを作製する工程と、
を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの作製方法であって、
絶縁性基板の表面に前記吐出電極を作製する工程と、
前記絶縁性基板を少なくとも含んで構成された第１の基板と、単結晶基板とを接合し一体化する工程と、
前記単結晶基板の表面の前記吐出電極に対応する所定の位置に所定の形状のマスク層を作製する工程と、
前記マスク層をエッチングマスクとして前記単結晶基板の異方性ドライエッチングを行った後、前記マスク層を除去する工程と、
このマスク層の除去された前記単結晶基板の異方性ウエットエッチングを行うことで、前記溶液ガイドを作製する工程と、
を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶媒中に帯電粒子を分散させた溶液を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッドおよびその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電式インクジェット記録方式は、帯電した微粒子成分を含むインクを用い、画像データに応じて、インクジェットヘッドの吐出電極に所定の電圧を印加することにより、静電気力を利用してインクの吐出を制御し、画像データに対応した画像を記録媒体上に記録する方式である。この静電式インクジェット記録方式を採用する記録装置として、例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示のインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
図７は、上記特許文献１に開示のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成の一例を模式的に表す概念図である。同図に示すインクジェットヘッド１００は、上記特許文献１に開示のインクジェットヘッドを構成する、インク吐出位置となる１つのインクガイド周辺のみを概念的に表したものであり、第１の基板である絶縁性基板１０６と、第２の基板であるヘッド基板１０２と、インクガイド１０４と、吐出電極１０８と、記録媒体Ｐを支持する対向電極１１０と、バイアス電圧源１１２と、信号電圧源１１４とを備えている。
【０００４】
ここで、インクガイド１０４は、先端部分１０５が突状の、所定厚みを持つ樹脂製平板からなり、ヘッド基板１０２の上に配置されている。また、絶縁性基板１０６には、インクガイド１０４の配置に対応する位置に貫通孔１０６ａが開孔されている。インクガイド１０４は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１０６ａを通過し、その先端部分１０５が絶縁性基板１０６の図中上側の表面、すなわち記録媒体Ｐ側の表面よりも上部に突出している。また、ヘッド基板１０２と絶縁性基板１０６とは、所定の間隔離間して配置されており、両者の間にはインクＱの流路１１８が形成されている。
【０００５】
また、吐出電極１０８は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１０６ａの周囲を囲むように、絶縁性基板１０６の図中上側の面の表面に、インクガイド毎にリング状に設けられている。吐出電極１０８は、画像デ−タや印字データ等の吐出データ（吐出信号）に応じたパルス信号を発生する信号電圧源１１４に接続され、信号電圧源１１４は、バイアス電圧源１１２を介して接地されている。
また、対向電極１１０は、インクガイド１０４の先端部分１０５に対向する位置に配置され、接地されている。また、記録媒体Ｐは、対向電極１１０の図中下側の表面、すなわちインクガイド１０４側の表面に配置されており、対向電極１１０は、記録媒体Ｐのプラテンとして機能する。
【０００６】
このように構成されるインクジェットヘッド１００は、記録時には、図示されていないインク循環機構によって、吐出電極１０８に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子成分を含むインクが、所定方向、図示例ではインク流路１１８内を右側から左側へ向かって循環されるとともに、インク流路１１８内のインクＱの一部は、毛細管現象などによって絶縁性基板１０６の貫通孔１０６ａを通って、インクガイド１０４の先端部分１０５に供給される。
【０００７】
ここで、吐出電極１０８には、バイアス電圧源１１２によって常時所定の電圧、例えばＤＣ１．５ｋＶの電圧が印加されている。この状態では、インクガイド１０４の先端部分１０５近傍の電界強度が低く、先端部分１０５に供給されたインクＱはインクガイド１０４の先端部分１０５からは飛び出さないが、インク流路１１８内のインクＱの一部、特に帯電した微粒子成分は、さらに、絶縁性基板１０６の貫通孔１０６ａを通って、絶縁性基板１０６の図中上側の表面よりも上方まで上昇し、インクガイド１０４の先端部分１０５に凝集する。
【０００８】
一方、バイアス電圧源１１２によって高電圧（ＤＣ１．５ｋＶ）にバイアスされている吐出電極１０８に、信号電圧源１１４からパルス電圧、例えば、ＤＣ５００Ｖ（ＯＮ時；０Ｖ：ＯＦＦ時）が印加されると、吐出電極１０８には両高電圧が重畳され、例えば２ｋＶが印加されることになる。その結果、インクＱ、特にインクＱ中の帯電微粒子成分は、さらにインクガイド１０４に沿って上昇し、その先端部分１０５に凝集する。こうして、インクガイド１０４の先端部分１０５に凝集した帯電微粒子成分を含むインクＱは、静電気力によってその先端部分１０５から液滴（インク滴）として飛び出し、接地されている対向電極１１０に引っ張られて記録媒体Ｐ上に付着し、帯電微粒子成分によってドッドが形成される。
【０００９】
特許文献１ではこのようにして、インクジェットヘッド１００と対向電極１１０上に支持された記録媒体Ｐとを相対的に移動させながら帯電微粒子成分のドッドによって記録を行うことにより、記録媒体Ｐに、画像データに対応する画像が記録される。
【００１０】
このようなインクジェットヘッド１００の作製方法として、特許文献１では、（１００）結晶面を表面にもつｐ型のＳｉ単結晶基板を半導体微細加工技術のフォトリソグラフィ技術および異方性エッチング技術を用いて加工し、ヘッド基板１０２表面に先端が平坦な略角錘台形状の凸状のインクガイド１０４を作製し、貫通孔１０６ａおよびこの貫通孔の周囲を囲むように吐出電極１０８が設けられた絶縁性基板１０６を、インクガイド１０４の先端が貫通孔１０６ａを通り対向電極１１０側に突出するように、ヘッド基板１０２と対向して配置させ、インクジェットヘッド１００を作製する方法が開示されている。また、フォトリソグラフィ技術および異方性エッチング技術を用いて加工して作製された凹部をもつ基板を型として用い、凸状のインクガイドをもつヘッド基板を作製し、絶縁性基板１０６を配置させてインクジェットヘッド１００を作製する、インクジェットヘッドの作製方法も開示されている。
【００１１】
また、特許文献２には、インク滴飛翔方向に沿ってスリット状のインク案内溝が形成されている、凸状のインクガイドを有するインクジェットヘッドが開示されている。このようなインクジェットヘッドの作製方法として、特許文献２では、インクガイドをプラスティック樹脂を成型し作製すると開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１３８４９３号公報
【特許文献２】特開平１０−２３０６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１および特許文献２では、低い吐出電圧で安定して液滴を吐出するために、吐出電極から対向電極に向かう電界が比較的強く形成される位置に、インクガイドの先端を配置する必要がある。インクガイドの先端がこの位置からずれると、吐出に必要な電圧（吐出電圧）が高くなり、かつ吐出の安定性も低下するといった問題がある。そのため、低い吐出電圧で安定して液滴を吐出するためには、インクガイドの先端と吐出電極とを高精度に位置合わせする必要があり、それぞれが設けられたヘッド基板と絶縁性基板とを高精度に位置合わせして配置する必要がある。しかし、ヘッド基板と絶縁性基板との位置精度を高めるにも限界があり、インクガイドの先端と吐出電極との位置ずれが生じ、吐出に必要な電圧が増加するといった問題がある。また、位置合わせの為の工数も増加するといった問題がある。
【００１３】
また、ヘッド基板および絶縁性基板に生じる反りなどにより、ヘッド基板と絶縁性基板とを高精度に位置合わせした場合でも、ヘッド基板に複数のインクガイドを設けた場合、個々のインクガイドと吐出電極との相対位置がばらつき、インクを吐出するために必要な電圧がインクガイド間でばらつく。このため、全てのインクガイドから安定してインクを吐出するためには、位置ずれが大きい箇所のインクガイドからもインク滴が吐出可能になるように、制御するパルス電圧を大きく設定する必要がある。このため、インクジェットヘッドで消費される電力が大きくなり、信号電圧源も大きな電圧を制御することが可能な高価なものが必要になるといった問題もある。
【００１４】
また、より小さなインク滴を安定して効率良く吐出するためには、インクガイドはより細く尖った先鋭部を有することが望まれる。上述の特許文献１で開示されているインクジェットヘッドの作製方法では、半導体微細加工技術のフォトリソグラフィ技術および異方性エッチング技術を用いて、角錘台形状の凸状のインクガイドを作製する方法が開示されているが、先端が先鋭なインクガイドの作製方法については開示されていない。また、上述の特許文献２で開示されているプラスティック樹脂の成型による作製方法では、先鋭化に限界があり、工数も多くかかるといった問題点を有している。
【００１５】
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたもので、複数の微細な液滴を、低い吐出電圧で、安定した大きさ・形状で吐出させることのできる液体吐出ヘッドと、この液体吐出ヘッドを高精度に高い生産性で作製できる液体吐出ヘッドの作製方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明は、帯電粒子を含む溶液に静電気力を作用させて前記溶液の液滴を対向電極に向けて吐出する複数の吐出部を備える液体吐出ヘッドであって、前記対向電極と所定の距離離間されて配置された第１の基板と、この第１の基板の前記対向電極の側と反対の側に前記第１の基板と所定の距離離間されて配置され、前記第１の基板との間に前記溶液の流路を形成する第２の基板とを備え、前記第１の基板は、前記対向電極の側の表面の前記吐出部の配置に対応する位置に、前記第１の基板と一体化されて設けられ、前記対向電極に向けて突出し先端が先鋭化した溶液ガイドと、この溶液ガイドを囲むように設けられて前記溶液の吐出を制御する吐出電極と、前記第１の基板を厚さ方向に貫通して、前記第１の基板の前記対向電極と対向する側の表面の前記溶液ガイドの近傍に溶液供給口を開口する溶液供給孔とを備え、前記溶液ガイドの少なくとも先端部分は単結晶材料で形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。
【００１７】
また、前記溶液ガイドの前記結晶面は、高次の結晶面からなる斜面を有し先端が先鋭化されていることが好ましい。
【００１８】
また、前記溶液ガイドは、先端角が６０°以下であることが好ましい。
【００１９】
また、前記溶液ガイドは、先端の曲率半径が４μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
前記液体吐出ヘッドは、絶縁性基板の表面に前記吐出電極を作製する工程と、前記絶縁性基板を少なくとも含んで構成された第１の基板と、単結晶基板とを接合し一体化する工程と、前記単結晶基板の表面の前記吐出電極に対応する所定の位置に所定の形状のマスク層を作製する工程と、前記マスク層をエッチングマスクとして前記単結晶基板の異方性ウエットエッチングを行うことで、前記溶液ガイドを作製する工程と、を有する作製方法により作製されることが好ましい。
【００２１】
また、前記液体吐出ヘッドは、絶縁性基板の表面に前記吐出電極を作製する工程と、前記絶縁性基板を少なくとも含んで構成された第１の基板と、単結晶基板とを接合し一体化する工程と、前記単結晶基板の表面の前記吐出電極に対応する所定の位置に所定の形状のマスク層を作製する工程と、前記マスク層をエッチングマスクとして前記単結晶基板の異方性ドライエッチングを行った後、前記マスク層を除去する工程と、このマスク層の除去された前記単結晶基板のの異方性ウエットエッチングを行うことで、前記溶液ガイドを作製する工程と、を有する作製方法により作製されることもまた好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の液体吐出ヘッドでは、第１の基板に溶液ガイドおよび吐出電極がそれぞれ一体化され設けられている。このため、第１の基板の反りによる溶液ガイドと吐出電極との位置ずれを生じることがなく、この位置ずれに起因する吐出電圧のばらつきを生じることがない。これにより、複数の溶液ガイドそれぞれの表面の安定したメニスカスから、溶液を低い吐出電圧で安定して吐出することができる。
【００２３】
また、本発明の液体吐出ヘッドの作製方法では、吐出電極および先端が非常に先鋭な溶液ガイドを備えた液体吐出ヘッドを、半導体微細加工技術を用いることで、高い位置精度および高い形状精度で、第１の基板上に複数同時に作製することができる。このため、低い吐出電圧で、安定して吐出することができる液体吐出ヘッドを安価に作製することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付の図面に示す実施形態に基づいて、本発明の液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドの作製方法を説明する。
図１は本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインク吐出ヘッド３を有して構成される、インク吐出装置１の概略構成図である。図１に示すように、インク吐出装置１は、インク還流ユニット２と、インク吐出ヘッド（インク吐出ユニット）３と、電圧源ユニット６とを有して構成される。
【００２５】
インク還流ユニット２は、インク循環装置２０、インク供給パイプ２２、インク回収パイプ２４を有して構成されている。また、インク循環装置２０はインクポンプ２６およびインクタンク２８を有して構成されている。
インク吐出ヘッド３は、第１の基板であるインクガイド基板３２および第２の基板である底基板３４、側板３６、インク流調整部材３８、泳動電極４９、対向電極４０、吐出電極４４、分離障壁４６、ガード電極４７、シールド電極４８および溶液ガイドであるインクガイド５０を有し構成されている。また、対向電極４０には吐出した液体を受けて所定の画像等を記録する、記録媒体Ｐが載置されている。
また、電圧源ユニット６は、泳動バイアス電圧源６２、吐出バイアス電圧源６４、および吐出信号電圧源６６を有して構成されている。
【００２６】
インク循環装置２０では、インクポンプ２６とインクタンク２８とが接続され、インクポンプ２６はインク供給パイプ２２を介し図１に示すようにインク吐出ヘッド３と接続されている。また、インクタンク２８は、インク回収パイプ２４を介し、インク吐出ヘッド３と接続されている。
【００２７】
インク吐出ヘッド３のインクガイド基板３２は、後述する吐出電極４４および配線４５が設けられた、例えばガラスからなる絶縁性基板３１の、吐出電極４４および配線４５を含む表面全体に、例えばＳｉＯ２等の絶縁性膜３３がコーティングされて構成されている。インクガイド基板３２の図１中の上側には、インクガイド基板３２と所定の距離だけ離間して対向電極４０が配置されている。対向電極４０のインクガイド基板３２と対向する表面には、例えば記録紙等の記録媒体Ｐが載置されている。また、インクガイド基板３２の図１中の下側には、インクガイド基板３２と所定の距離だけ離間してインクガイド基板３２と略平行に底基板３４が配置されている。
【００２８】
インクガイド基板３２の表面の、対向電極４０と対向する表面（第１の面）の、インク滴吐出位置に対応する所定の位置には、先端が先鋭化された溶液ガイドであるインクガイド５０が、絶縁性膜３３および絶縁性基板３１と一体化されて形成されている。インクガイド５０は、単結晶Ｓｉからなる、先端角が６０°以下で、かつ先端の曲率半径が４μｍ以下である先鋭な錐体構造物５１の、最先端部を含む一部の領域の表面に、例えば金属からなる導電性膜５２がコーティングされて形成されている。インクガイド基板３２には、図１中上下方向にインクガイド基板３２を貫通する溶液供給孔であるインクガイド基板貫通孔３２ａが、個々のインクガイド５０を囲むように、図１中上方から見てリング状に並んで形成されている（図２参照）。インクガイド基板貫通孔３２ａは、インクガイド基板３２の第１の面に溶液供給口であるインク供給口３５を開口している。また、インクガイド基板３２の底基板３４と対向する側の表面（第２の面）には、吐出電極４４と対向して、接地されたシールド電極４８が設けられている。
【００２９】
底基板３４は例えばガラス基板であり、インクガイド基板３２と対向する側の表面の、インクガイド５０に対応する位置には、略角錐台形状のインク流調整部材３８が設けられている。インク流調整部材３８は絶縁性材料からなり、図１に示すように底基板３４からインクガイド基板３２へ向かう方向に突出して設けられている。またインク流調整部材３８および底基板３４の、インクガイド基板３２と対向する側の表面の全面には泳動電極４９が設けられている。この泳動電極４９は、電圧源ユニット６の泳動バイアス電圧源６２と接続されており、この泳動バイアス電圧源６２は、インク吐出ヘッド３の泳動電極４９に常にバイアス電圧Ｖ１を印加する構成となっている。
【００３０】
インクガイド基板３２と底基板３４との間隙は、インクＱの流路であるインク循環層３０となっている。インク循環層３０の、インクガイド基板３２および底基板３４に略垂直な壁面は、絶縁性の基板である側板３６の基板面で構成されている。図１の右側の側板３６には、貫通孔であるインク流入口３６ａが形成されており、インク供給パイプ２２が接続されている。また、インク流入口３６ａと対向する、図１の左側の側板３６にはインク流出口３６ｂが形成されており、このインク流出口３６ｂにはインク回収パイプ２４が接続されている。
【００３１】
図２は図１に示すインク吐出装置１のインクジェットヘッド３を説明する図で、インクジェットヘッド３の一部を図１中上側から見た、対向電極４０を除いた概略平面図である。吐出電極４４は、図１中上側からみて、開口３５（インクガイド基板貫通孔３２ａ）の周囲を囲むように、インクガイド５０の最先端部を中心としたリング形状に、絶縁性基板３１の表面に設けられている。この吐出電極４４の内径Ｄａと、吐出電極４４から記録媒体Ｐ側に突出するインクガイド５０の最先端部５８までの距離、すなわち吐出電極Pの表面からインクガイド５０の最先端部５８までの距離Ｈとの比（Ｄａ：Ｈ）は１：０．５〜１：２の範囲にすることが好ましく、更に好ましくは、１：０．７〜１：１．７とするのが良い（図１参照）。なお、吐出電極４４の内径Ｄａと、吐出電極４４から記録媒体P側に突出するインクガイド５０の最先端部５８までの距離については、本願出願人による出願である特願２００３−２０５８５号に詳細に記載されている。また、個々の吐出電極４４は絶縁性基板３１の表面に形成された金属配線４５を通じて図示しない電極パッドに接続されている。図示しない電極パッドは、電圧源ユニット６の吐出バイアス電圧源６４および吐出信号電圧源６６と接続されている。
また、インクガイド基板３２の第１の面には、図１中上方から見て吐出電極４４の周囲を囲むように、ガード電極４７が設けられており、このガード電極４７の図１中上側の表面には、表面が撥インク性を有する絶縁性材料からなる分離障壁４６が設けられている。
【００３２】
電圧源ユニット６の吐出バイアス電圧源６４は、インク吐出ヘッド３の吐出電極４４に常にバイアス電圧Ｖ２を印加し、また、吐出信号電圧源６６は図示しない信号出力手段から入力された信号により吐出電極４４に、パルス電圧である吐出電圧Ｖ３をバイアス電圧Ｖ２に重畳し印加する構成となっている。
【００３３】
このような構成のインク吐出装置１において、以下のようなインクの流れが形成されている。
インク還流ユニット２のインクタンク２８内には、インクＱが所定量入っている。このインクＱは、正に帯電した帯電性粒子を帯電制御剤やバインダーなどとともに１０８Ωｃｍ以上の抵抗率を持つ絶縁性溶媒中に分散させた溶液である。インクタンク２８内では、図示しない濃度調整機構によりインクＱの絶縁性溶媒中の帯電性粒子、帯電制御剤およびバインダーなどの濃度が所定の濃度範囲に入るように常に調整されている。インクタンク２８内で図示しない濃度調整機構により濃度調整されたインクＱは、インクポンプ２６から所定の圧力でインク供給パイプ２２へ送られる。インク供給パイプ２２へ送られたインクＱは、インク流入口３６ａを通りインク循環槽３０の内部へ供給される。インク循環槽３０の内部はインクＱで満たされており、インク循環槽３０の内部を図１中右側から左側に向かう方向にインクＱが流れ、インク流出口３６ｂからインク回収パイプ２４へと流出している。
【００３４】
図３は、図１に示すインク吐出ヘッド３におけるインクガイド５０周辺のインクの流れを説明する図で、図１に示す複数のインクガイド５０のうちの１つのインクガイド５０と、このインクガイド５０の周辺を拡大して表した概略断面図である。インク循環槽３０内部では、インク吐出ヘッド３のインクガイド５０周辺において、インク流調整部材３８により、図３中矢印Ｘで示すような方向に流れるインク流１６が形成されている。
また、泳動電極４９には泳動バイアス電圧源６２によりバイアス電圧Ｖ１が常に印加されており、シールド電極４８は常に接地されており、泳動電極４９とシールド電極４８との間には、バイアス電圧Ｖ１により泳動電極４９からシールド電極４８に向かう方向の電界が形成されている。インク循環槽３０のインクＱに含まれる帯電性粒子は、この電界によってシールド電極４８側へ引き寄せられ、インク循環槽３０のインクガイド基板３２の近辺に、常に一定濃度以上の帯電性粒子が凝集されたインクＱの層である凝集層１７が形成されている。
【００３５】
この凝集層１７のインクＱは、インク流１６の流れにより、インクガイド基板貫通孔３２ａを通り、インク供給口３５からインクガイド基板３２の第１の面に流出し、インクガイド５０の表面に供給される。
【００３６】
インク供給口３５からインクガイド５０へ供給されたインクＱは、主に表面張力の作用によりインクガイド５０の表面を濡れ上がり、インクガイド５０の最先端部５８へ到達する。このようにしてインクガイド５０の最先端部５８を覆うインクＱのメニスカス１８が形成される。
【００３７】
メニスカス１８は、インク凝集層１７のインクＱによって形成されており、常に一定濃度以上の帯電性粒子を含んでいる。また、メニスカス１８は主にインクＱの表面張力により形成されており、ポンプ２６の脈動等に起因するインクＱの供給圧力の微小な変動による影響をほとんど受けず、安定した形状のメニスカス１８が形成されている。また、インクガイド基板３２上に設けられた分離障壁４６により、隣接するインクガイド５０の表面に形成されたメニスカス１８同士が繋がることなく分離されている。本発明によるインク吐出ヘッド３では、このように個々のインクガイド５０の表面に常に一定濃度以上の帯電性粒子を含むインクＱが供給され、メニスカス１８が形成される構成となっている。
【００３８】
次に、インク吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する。
図４は図１に示すインク吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する図で、図１に示す複数のインクガイド５０のうちの１つのインクガイド５０と、このインクガイド５０の周辺を拡大して表した概略断面図である。
前述のように、インクガイド５０の表面にはインクのメニスカス１８が形成されている。このインクガイド５０の周囲の吐出電極４４には、電圧源ユニット６の吐出バイアス電圧源６４から例えば９００Ｖのバイアス電圧Ｖ２が印加されている。この状態では、インクガイド５０の先端部分５８近傍の電界強度が低く、先端部分５８を覆うメニスカス内のインクＱは、インクガイド５０の先端部分５８からは飛び出さない。ここで図示しない信号出力手段から入力された信号により、電圧源ユニット６の吐出電圧源６６から、所望のインクガイド５０の周囲に形成された吐出電極４４に、例えば２５０Ｖのパルス電圧である吐出電圧Ｖ３を重畳し計１，１５ｋＶの電圧が印加される。その結果、インクＱ、特にインクＱ中の帯電粒子成分は、さらにインクガイド５０に沿って最先端部５８に向けて上昇し、インクガイド５０の最先端部５８に凝集する。こうして、インクガイド５０の最先端部５８に凝集した帯電微粒子成分を含むインクＱは、静電気力によって最先端部５８のメニスカス１８からインク滴１９として、静電気力により対向電極４０に向けて吐出し、記録媒体４０に付着する。
【００３９】
このとき、吐出電極４４から図４中下方向へ向かう電界も形成される。しかし、吐出電極４４の図４中下方向には、前述のように吐出電極４４と対向し接地されたシールド電極４８が設けられており、図４中下方向へ向かう電界はこのシールド電極４８に向かって集中し、シールドされる。これにより、インク循環槽３０内部には図４中下方向へ向かう電界が形成されず、凝集層１７の帯電性粒子濃度も常に一定濃度以上に保たれる。
【００４０】
また、この際、パルス電圧が印加された吐出電極４４から図４中上方向へ向かう電界のうち、隣接するインクガイドに向かう電界は、インクガイド基板３２の第１の表面に設けられたガード電極４７に集中し、シールドされる。これにより、個々のインクガイド表面に形成されたメニスカスは、隣接するインクガイドを囲む吐出電極に印加されたパルス電圧の影響を受けることなく安定に保たれる。
【００４１】
吐出電圧Ｖ３が印加されてインク滴１９が吐出すると、その直後に吐出電極４４にバイアス電圧Ｖ２が印加されている状態に戻される。これと同時に凝集層１７のインクＱが、インクガイド基板貫通孔３２ａを通り、開口３５からインクガイド５０の表面へ供給され、表面張力の作用によりインクガイド５０の表面を濡れ上がり、新たなメニスカス１８が形成される。このようにインクガイド基板貫通孔３２ａを通過しインクガイド５０の表面に到達したインクＱによって、メニスカス１８の形状およびメニスカス１８内の帯電性粒子の濃度が素早く回復される。
【００４２】
本実施形態のインク吐出ヘッド３では、底基板３４の表面に略角錐台形状のインク流調整部材３８が形成されている。このインク流調整部材３８によりインク流１６の流れを調整し、凝集層１７のインクＱをインクガイド基板貫通孔３２ａからインクガイド５０の表面へ供給している。本発明においては、凝集層１７のインクＱが安定してインクガイド基板貫通孔３２ａを通り開口３５からインクガイド５０の表面へ供給されるのであれば、インク流調整部材３８はいかなる形状であってもよく、例えば、インクガイド基板３２の第２の面に接触していても構わない。また、同様に、インク流調整部材３８は必ずしも形成されていなくともよい。しかし、溶液の粘度やポンプの性能に対応してインク流路調整部材の形状を変化させることで、溶液や循環装置によらず、インクＱをインクガイドの最先端部５８に安定して供給することができる。これらの点からインク流調整部材３８を設けることが好ましい。
【００４３】
また、本実施形態のインク吐出ヘッド３のインクガイド５０は、Ｓｉからなる錐体構造物５１の表面に、導電膜５２が形成されている。この導電膜５２によりインクガイド部材５０の最先端部５８が導電性を帯び、この最先端部５８に形成される電界を強めることができる。本発明においては、所定の強さの電界を得られるのであれば、導電膜５２を形成することを必ずしも必要とせず、錐体構造物５１のみでインクガイド５０を構成してもかまわない。
【００４４】
また、本実施形態のインク吐出ヘッド３のインクガイド基板３２の第１の表面にはガード電極４７を設けたが、本発明では必ずしも必要としない。しかし、隣接するインクガイドを囲む吐出電極に、パルス電圧が印加された際に形成された電界の影響を受けず、インクガイドの表面に形成されたメニスカスを安定に保つためには、ガード電極４７を設けることが好ましい。
【００４５】
また、本実施形態のインク吐出ヘッド３のインクガイド基板３２の第１の表面には分離障壁４６を設けたが、本発明では必ずしも必要としない。しかし、隣接するインクガイド５０に形成されたメニスカス１８を分離し、隣接するインクガイド５０からインク滴１９が吐出するときのメニスカス１８の変動の影響を受けることなく、インクガイド５０に形成された個々のメニスカス１８を安定して維持する点から分離障壁４６を設けるのが好ましい。
また、分離障壁４６の壁面へのインクＱの濡れ上がりを防止し、隣接するインクガイド５０に形成されたメニスカス１８をより確実に分離するために、分離障壁４６の少なくとも表面は撥インク性を有することが好ましい。撥インク性とは、インクＱが水性の場合は撥水性を、インクＱが油性の場合は撥油性であることをいう。
【００４６】
また、本実施形態の底基板３４のインクガイド基板３２と対向する側の表面全体には泳動電極４９を設けたが、この泳動電極４９は必ずしも必要としない。しかし、この泳動電極４９によって、インク流のインクガイド基板３２の近辺に常に一定濃度以上の帯電性粒子が凝集された凝集層１７が形成される。この凝集層１７のインクＱがインクガイド５０の最先端部５８へ到達することで、インクガイド５０の表面を覆うメニスカス１８内の帯電粒子の濃度が安定される。このため、吐出するインク滴１９の大きさ、形状を安定させる点で、泳動電極４９を設けるのが好ましい。
【００４７】
また、本実施形態のインクガイド基板３２の第２の面には、吐出電極４４と対向してシールド電極４８を設けたが、このシールド電極４８は必ずしも必要としない。しかし、このシールド電極４８によって図４中下方向へ向かう電界が遮断され、シールドされる。これにより凝集層１７の帯電性粒子濃度も常に一定濃度以上に保たれ、安定した濃度の帯電性粒子を含むインクＱがインクガイド５０の表面に供給される。このためメニスカス１８内の帯電性粒子の濃度を安定させ、吐出するインク滴１９の大きさ、形状が安定される点でシールド電極４８を設けるのが好ましい。
【００４８】
本発明で作製される液体吐出ヘッドは、色材粒子を含むインクの吐出に限定されず、溶媒中に分散させた帯電性粒子を含む溶液を吐出するヘッドであれば、例えばポリイミドなどの耐熱性樹脂などであってもよく、溶液の種類は限定されない。
【００４９】
以上のように、本実施形態のインク吐出ヘッド３を有して構成されるインク吐出装置１によると、複数のインクガイドおよび吐出電極がインクガイド基板に一体に形成されており、インクガイド基板の反りによる位置ずれ等を生じない。このため、個々のインクガイドにおいて吐出電圧がばらつくことなく、全体的に低い吐出電圧で安定して複数のインク滴１９を高周波で吐出することができる。
また、インクガイドが設けられている面と反対の側を流れるインク流から、インクガイドが設けられている側にインクが供給される。これにより、吐出後の帯電性粒子濃度を次の吐出までの間に充分回復させることが出来る程度に速い流速のインク流においても、インク流の流れの圧力の変動が生じず、インクガイド５０の最先端部５８を覆うメニスカス１８が変動することなく安定した濃度で形成される。これにより、安定した大きさ・形状のインク滴１９を高周波で吐出することができる。
【００５０】
このようなインク吐出ヘッド３は以下のように作製することができる。
図５（ａ）〜（ｈ）は本発明のインク吐出ヘッドの作製方法を説明する概略断面図である。
【００５１】
まず、両面研磨されたＳｉＯ２基板６７が用意され、このＳｉＯ２基板６７の一方の表面に金属層６8 が形成される。この金属層６8 の表面にフォトリソグラフィーにより、所定の形状のレジストパターン６９が形成される。このレジストパターン６９をエッチングマスクとして金属層６8 がエッチングされ、図５（ａ）に示すように、金属層６8 がレジストパターン６９に即した形状にパターニングされる。この金属層６8 は、インク吐出ヘッド３において、シールド電極４８となる部位であり、インクガイドおよびインクガイド基板貫通孔に対応する部分がエッチング除去されている。また、この際、金属層６8 のインク吐出ヘッド作製範囲外の所定の位置に、所定の形状のアライメントマーク（図示せず）が形成されている。
【００５２】
次に、レジストパターン６９を除去し、ＳｉＯ２基板６７の金属層６8 を形成した面と反対側の表面全体に金属層７０が形成される。この金属層７０の表面に、フォトリソグラフィーにより所定の形状のレジストパターン７２が形成される。この際、レジストパターン７２は上述のアライメントマークを基準に、所定の位置に位置合わせされて形成される。このレジストパターン７２をエッチングマスクとしてエッチングされることで、図５（ｂ）に示すように金属層７０がパターニングされる。この金属層７０は、インク吐出ヘッド３において、吐出電極４４および配線４５となる部位であり、図５（ｂ）中の上側から見た形状は、図２で示される吐出電極４４および配線４５と同様の形状のパターンとなっている。
【００５３】
次に、レジストパターン７２を除去し、パターニングされた金属層７０が形成されたＳｉＯ２基板６７の表面全体に、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）あるいはＳＯＧ（spin on grass)などの方法により、ＳｉＯ２保護膜７４が成膜される。この後、表面にＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing）が行われ、図５（ｃ）に示すように表面が平坦化される。このとき、研磨後のＳｉＯ２保護膜７４表面のＲａは３０nm以下にすることが好ましい。
【００５４】
次に、図５（ｄ）に示すように、（１００）結晶面を表面にもつ単結晶Ｓｉ基板７６が、ＳｉＯ２保護膜７４の表面に、例えば表面活性化接合法により接合される。
【００５５】
次に、Ｓｉ基板７６表面にＳｉＯ２膜８０が形成され、このＳｉＯ２膜８０の表面にフォトリソグラフィーにより、Ｓｉ基板７６の〈１１０〉と〈１−１０〉結晶方位を辺とする、正方形レジストパターン８２が形成される。このレジストパターン８２をエッチングマスクとし、ＳｉＯ２膜８０がエッチングされる。これにより、図５（ｅ）で示すように、ＳｉＯ２膜８０が、正方形レジストパターン８２の形状に即した形状、すなわちＳｉ基板７６の〈１１０〉と〈１−１０〉結晶方位を辺とする正方形状にパターニングされる。この際、ＳｉＯ２膜８０は、例えば両面アライナー装置により、前述のアライメントマークを基準として所定の位置に位置合わせされて形成される。
【００５６】
次に、３４ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を７０℃に加熱した液に上記基板を浸し、Ｓｉの異方性エッチングを行う。このエッチング工程において、Ｓｉ基板は正方形のＳｉＯ２層８０をエッチングマスクとしてエッチングされる。このエッチングでは、ＳｉＯ２層８０の正方形のコーナー部分からアンダーカットが進行し、ＳｉＯ２層８０がＳｉ基板７６の表面から離脱するまでエッチングが行われる。これにより、図５（ｆ）に示すように、高次の結晶面からなる斜面で形成された、先端角が約６０°以下で曲率半径４μｍ以下の尖った先端をもつ、Ｓｉからなる錐体構造物８６がＳｉＯ２保護膜７４の表面に作製される。
【００５７】
次に、図５（ｇ）に示すように、例えばフォトリソグラフィーおよびＣＦ４ドライエッチング技術を用い、錐体構造物８６の近傍に、ＳｉＯ２保護膜７４およびＳｉＯ２基板６７を連通する貫通孔８８を形成する。この貫通孔８８は、インク吐出ヘッド３において、インクガイド基板貫通孔３２ａとして機能する部分であり、図５（ｂ）中の上側から見た形状は、図２で示されるインクガイド基板貫通孔３２ａと同様の形状のパターンとなっている。この後、真空蒸着あるいはスパッタリング技術およびリフトオフ技術を用い、錐体構造物８６表面のみに選択的に金属膜８９が成膜される。このようにして錐体構造物５１（錐体構造物８６）の表面が導電膜５２（金属膜８９）で覆われ、インクガイド５０が形成される。
【００５８】
次に、ＳｉＯ２保護膜７４の図５中上側の表面に金属層９０を成膜し、フォトリソグラフィーおよびエッチングを用い、図５中上側から見て金属層７０の吐出電極に対応するリング状部分の全体を囲むように、金属層９０をパターニングする。次に、この金属層９０を含むＳｉＯ２保護膜７６の表面全体に、ＣＶＤあるいはＳＯＧ法等を用いて厚膜の絶縁膜９２を形成する。この後、フォトリソグラフィーおよびエッチングを用い、絶縁膜パターン９２をパターニングする。これにより、図５（ｈ）で示されるように、ＳｉＯ２保護膜７６の表面にインクガイドを囲む金属層９０および絶縁膜９２が形成される。この金属層９０および絶縁膜９２は、インク吐出ヘッド３において、それぞれガード電極４７および分離障壁４６として機能する部分であり、図５（ｈ）中の上側から見た形状は、図２で示されるガード電極４７および分離障壁４６と同様の形状のパターンとなっている。
【００５９】
本発明による作製方法ではこのように、絶縁性基板（ＳｉＯ２基板６７）、吐出電極（金属層７０）、絶縁性膜（ＳｉＯ２保護膜７４）が一体化されたインクガイド基板３２の表面に、インクガイド５０が設けられ、この近傍にインクガイド基板３２を貫通する溶液供給路３２ａ（貫通孔８８）が設けられたインクガイドを形成することができる。
【００６０】
また、本発明におけるインクジェットヘッド３は、第１の実施形態における、Ｓｉ単結晶基板７６のエッチング工程（図５（ｆ）で示される工程）を以下のようにして作製することも可能である。図６（ｆ１）〜（ｆ２）は、本発明のインク吐出ヘッドの第２の実施形態における、Ｓｉ単結晶基板７６のエッチング工程について説明する概略断面図である。以降、第２の実施形態において、第１の実施形態と重複する部分については、第１の実施形態と同じ符号を用いて表す。
【００６１】
上述の第１の実施形態と同様に、Ｓｉ基板７６の〈１１０〉と〈１−１０〉結晶方位を辺とする正方形レジストパターン８２の形状に即した、正方形のＳｉＯ２層８０が形成される。このＳｉＯ２層８０をエッチングマスクとしてＳＦ６ドライエッチングを行い、Ｓｉを所定量エッチングすることで、図６（ｆ１）に示すように、Ｓｉの四角柱構造９４を形成する。
【００６２】
次に、ＳｉＯ２マスクをＣＦ４ドライエッチングを行うことで除去する。その後、全体を３４ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を７０℃程度に加熱した液に浸し、Ｓｉの異方性エッチングを行う。これにより、図６（ｆ２）に示すように、高次の結晶面からなる斜面で形成された、先端角が約６０°以下（曲率半径４μｍ以下）の尖った先端をもつ、Ｓｉからなる錐体構造物８６がＳｉＯ２保護膜７４表面に作製される。この後、第１の実施形態と同様、図５（ｇ）〜（ｈ）で示す工程が行われてインク吐出ヘッド３が作製される。
【００６３】
上述の第２の実施形態では、ＳＦ６反応ガスによるＳｉの四角柱構造を形成するためのエッチングマスクとしてＳｉＯ２を用いたが、ＣｒやＡｌ等のフッ素系ガスに耐性のある金属をマスクとして用いてもよい。
【００６４】
また、上述の第２の実施形態では、ＳＦ６反応ガスによるドライエッチングにより、Ｓｉの四角柱構造を形成したが、直接Ｓｉをサンドブラスト、超音波加工などの微細加工法を用いて同様の柱状構造を作製してもよい。
【００６５】
上述の、第１の実施形態および第２の実施形態では、Ｓｉの単結晶基板を異方性エッチングして先鋭なインクガイドを作製した。本発明においては、異方性エッチングすることで先鋭なインクガイドが作製できるならば、単結晶基板の材料は、必ずしもＳｉでなくともよい。本発明のインク吐出ヘッドの作製方法では、異方性エッチングすることで先鋭なインクガイドが作製できるならば、例えば化合物半導体単結晶基板などからインクガイドを作製しても構わない。
【００６６】
また、上述の、第１の実施形態および第２の実施形態では、異方性エッチングによって高次の結晶面を斜面とする先端が先鋭なインクガイドを作製した。本発明においては、必ずしもインクガイドは高次の結晶面を斜面としていなくてもよく、例えば（１１１）面で形成されていてもよい。
【００６７】
また、上述の、第１の実施形態および第２の実施形態では、インクガイドの先端角を６０°以下、かつ先端の曲率半径を４μｍ以下とした。本発明においては、所望の吐出電圧において、インクガイド先端から安定して液滴が吐出されるならば、インクガイドの先端をこの程度まで高先鋭に形成しなくともかまわない。ただし、より低い吐出電圧でより安定にインクを吐出するためには、インクガイドの先端は先端角を６０°以下、かつ先端の曲率半径を４μｍ以下にすることが好ましい。
【００６８】
以上、インク吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインク吐出ヘッドを有して構成されるインク吐出装置の概略構成図である。
【図２】図１に示すインク吐出装置のインクジェットヘッドを説明する図である。
【図３】図１に示すインク吐出ヘッドにおける液体循環動作について説明する図である。
【図４】図１に示すインク吐出ヘッドにおける液体吐出動作について説明する図である。
【図５】（ａ）〜（ｈ）は本発明のインク吐出ヘッドの作製方法を説明する図である。
【図６】（ｆ１）〜（ｆ２）は、本発明のインク吐出ヘッドの第２の実施形態における、Ｓｉ単結晶基板のエッチング工程について説明する図である。
【図７】従来のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの一例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  インク吐出装置
２  インク還流ユニット
３  インク吐出ヘッド
６  電圧源ユニット
１６  インク流
１７  凝集層
１８  メニスカス
１９  インク滴
２０  インク循環装置
２２  インク供給パイプ
２４  インク回収パイプ
２６  インクポンプ
２８  インクタンク
３０  インク循環槽
３２  インクガイド基板
３４  底基板
３６  側板
３６ａ  インク流入口
３６ｂ  インク流出口
３８  インク流調整部材
４０、１１０  対向電極
４４  吐出電極
４６  分離障壁
４７  ガード電極
４８  シールド電極
４９  泳動電極
５０  インクガイド
５１  錐体構造物
５２  導電膜
５８  最先端部
６２  泳動バイアス電源
６４  駆動バイアス電源
６６  駆動信号電源
６７  ＳｉＯ２基板
６８，７０，９０  金属層
６９，７２，８２  レジストパターン
７４，８０  ＳｉＯ２膜
７６  Ｓｉ基板
８６  錐体構造物
８８  貫通孔
１００  インクジェット
１０２  ヘッド基板
１０４  インクガイド
１０５  先端部分
１０６  絶縁性基板
１０８  吐出電極
１１０  対向電極
１１２  バイアス電圧源
１１４  信号電圧源
１１８  流路
【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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