(57)【要約】【課題】低い吐出電圧で、安定した大きさで、しかも高い周波数で液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】ヘッド基板３４上に、対向電極４０に向けて突出した液体ガイド５０を設け、液体ガイド５０は基部５４と先端部５６とからなる構造とし、先端部５６は６０度以下の先端角および曲率半径４μｍ以下の先鋭化された最先端部５８を有する。液体ガイド５０を設けたヘッド基板３４側には貫通孔３２ａを有する絶縁性基板３２が設けられ、貫通孔３２ａを通って液体ガイド５０の先端が突出し、貫通孔３２ａに沿って絶縁性基板３２に設けた制御電極４４に電圧を印加することにより、液体Ｑの液滴が吐出される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電粒子が分散された液体を静電力を利用して記録媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記記録媒体と対向して配置されたヘッド基板と、
前記ヘッド基板から前記記録媒体に向けて突出した突出基部と、この突出基部に延設され前記記録媒体に向けて先鋭化され、先端角６０度以下、曲率半径４μｍ以下の最先端形状をなす先端部とを有し、前記先端部に液体を導く液体ガイドと、
前記液体ガイドが突出する前記ヘッド基板の側に、前記ヘッド基板との間で前記液体の流路を形成する板部材であって、前記液体ガイドの先端部がこの板部材の表面から突出するように、板部材に穿孔された貫通孔を有する絶縁性基板と、
前記絶縁性基板に、前記貫通孔の外周に沿って設けられ、静電力を利用して前記先端部に導かれた前記液体を吐出させる環状の制御電極と、
を具備することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記液体ガイドの前記突出基部がガラスで構成されており、前記液体ガイドの前記先端部がシリコンで構成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】
前記絶縁性基板の前記ヘッド基板と対向する側の表面にはシールド電極が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記ヘッド基板の、前記液体ガイドが設けられた側の表面には泳動電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液体ガイドの先端部は、金属膜で覆われていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
ガラス基板の略法線方向に突出した液体ガイドの先端から液滴を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、柱状の基部と前記基部の液滴吐出側に設けられた先端部とを有する液体ガイドの製造方法であって、
ガラス基板の表面にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層の表面にマスキング層を形成する工程と、
前記マスキング層の表面から前記シリコン層に異方性エッチング処理を施して先鋭化した形状を備えた前記先端部を形成する工程と、
前記先端部の形成位置を囲むガラス基板の領域を加工して、前記基部を形成する工程と、
を有することを特徴とする液体ガイドの製造方法。
【請求項７】
前記マスキング層の表面から前記シリコン層に異方性エッチング処理を施して先鋭化した形状を備えた前記先端部を形成する工程と、前記先端部の形成位置を囲むガラス基板の領域を加工して、前記基部を形成する工程との間に、前記先端部の表面に金属膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の液体ガイドの製造方法。
【請求項８】
前記ガラス基板の表面にシリコン層を形成する工程は、前記ガラス基板にシリコン板を陽極接合することにより行われることを特徴とする請求項６または７に記載の液体ガイドの製造方法。
【請求項９】
前記シリコン層の表面にマスキング層を形成する工程は、前記シリコン層の表面を酸化してＳｉＯ２  層を形成し、しかる後に前記ＳｉＯ２  層にフォトリソグラフ加工を施してマスキング層を形成することにより行われることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の液体ガイドの製造方法。
【請求項１０】
前記先端部の形成位置を囲むガラス基板の領域を加工して、前記基部を形成する工程は、ダイシング、またはドライエッチングにより行われることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の液体ガイドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶媒中に帯電粒子を分散させた液体を静電力により吐出させる液体吐出ヘッドおよび液体ガイドの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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制御電極に所定の電圧を印加することにより、静電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や特許文献２が開示するようなインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
図９は、上記特許文献１が開示する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、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、ヘッド基板１０２と、インクガイド１０４と、絶縁性基板１０６と、制御電極１０８と、記録媒体Ｐを支持する対向電極１１０と、バイアス電源１１２と、信号電源１１４とを備えている。
【０００４】
ここで、インクガイド１０４の傾斜部１０５は、絶縁性基板１０６の図中上面側に突出しており、絶縁性基板１０６を貫通する貫通孔１０６ａとインクガイド１０４との間の隙間、およびインクガイド１０４に設けられたインク案内溝１０４ａを通って、インクＱの流路１１８から供給されたインクＱがインクガイド１０４の先端側に設けられた傾斜部１０５まで供給される。インクガイド１０４の傾斜部１０５まで供給されたインクＱは表面張力によりインク案内溝１０４ａを伝い上がり、傾斜部１０５の頂点と頂点との間にインク滴飛翔位置１０５ａを形成する。また絶縁性基板１０６の図中上面には、貫通孔１０６ａに沿って環状の制御電極１０８が設けられており、この制御電極１０８には信号電源１１４とバイアス電源１１２とが接続されている。また、対向電極１１０は接地されており、記録媒体Ｐはインクガイド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。
【０００５】
ここで、制御電極１０８には、バイアス電源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の傾斜部１０５の頂点と頂点との間のインク滴飛翔位置１０５ａの電界強度が低く、傾斜部１０５に導かれたインクＱはインク滴飛翔位置１０５ａからは吐出されない。
【０００６】
一方、バイアス電源１１２によって高電圧（ＤＣ１．５ｋＶ）にバイアスされている制御電極１０８に、信号電源１１４からパルス電圧、例えば、ＤＣ５００Ｖ（ＯＮ時；０Ｖ：ＯＦＦ時）が印加されると、制御電極１０８には両高電圧が重畳され、例えば２ｋＶが吐出電圧として印加され、インクガイド１０４の傾斜部１０５の頂点と頂点との間のインク滴飛翔位置１０５ａ付近に凝集した帯電微粒子成分を含むインクＱは、静電力によってインク滴飛翔位置１０５ａから液滴（インク滴）として吐出され、記録媒体Ｐ上に付着し、帯電微粒子成分によってドットが形成される。
【０００７】
特許文献１が開示するインクジェット記録装置では、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を含む液滴のドット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。また、特許文献２にはインクジェットヘッドはインク案内溝１４ａが形成されていないこと以外は特許文献１と略同じ構造のインクジェットヘッドが開示されている。
【０００８】
さらに、特許文献３には、絶縁性基板を厚さ方向に貫通する貫通孔状のインク供給路を設け、絶縁性基板の表面に設けられた貫通孔（インク供給路）の開口部をインク吐出口とし、このインク吐出口を包囲するように絶縁性基板表面に穴あき円盤状の記録電極を設け、この記録電極と、この記録電極と対向配置された対向電極との間に電圧を印加してインク供給路内に供給されたインクを吐出する方式のインクジェットヘッドが開示されている。
【０００９】
また、セラミックスで構成されたインクガイドの表面に導体層を設け、インクガイドの表面の導体層に吐出電圧を印加することにより低電圧で吐出させる構造のインクジェットヘッドを開示するものもある（特許文献４）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−２３０６０８号公報
【特許文献２】
特開平１０−１３８４９３号公報
【特許文献３】
特開平９−３０９２０８号公報
【特許文献４】
特開平８−１４９２５３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクを吐出させるために制御電極や記録電極といった穴あき円盤状の電極に印加する吐出電圧は、穴あき円盤状の電極の内径の大きさと関係し、穴あき円盤状の電極の内径が小さいほど吐出電圧は低くてすむ一方、穴あき円盤状の電極の内径が大きいものは高い吐出電圧を必要とする。また、吐出電圧はインクガイドの先端の形状とも関係し、インクガイドの先端が十分先鋭化されていると、インクガイドの先端に電界が集中して低い吐出電圧で吐出できる一方、十分先鋭化されていないと、インクガイドの先端に電界が十分に集中しないため、高い吐出電圧を必要とする。
【００１２】
しかし、特許文献１が開示するインクジェットヘッドでは、インクガイド１０４の図中下側から先端までインク吐出方向のインク案内溝１０４ａを設けるため、インクガイド１０４の幅（図９の左右方向の寸法）をある程度大きくする必要があり、インクガイド１０４を通す貫通孔１０６ａ、ひいては制御電極１０８の内径もそれに伴って大きくなる。そのため、インクを吐出するための吐出電圧として高い電圧を印加する必要がある。また、特許文献１のインクジェットヘッドでは、インクガイド１０４の先端にはインク案内溝１０４ａが形成されており、インク滴飛翔位置１０５ａの図中下側の位置には、インクガイド１０４自体が存在しない。そのため、インク滴飛翔位置１０５ａ付近に電界を十分に集中させることができず、高い吐出電圧が必要となる。さらに、特許文献１のインクガイドはセラミックスに比べて硬度が低く微細加工が困難なプラスチック樹脂から構成されているため、十分に先鋭化された形状のインクガイドを形成することができず、吐出電圧を高くせざるを得ないという問題もある。
【００１３】
また、特許文献２が開示するようなインクジェットヘッドでは、インクガイドの先端がインク吐出方向と略直交する平面で切り取られた形状となっており、十分に先鋭化されていないため、インクガイドの先端に電界を集中させる効果が小さい。そのため、インクガイドの先端まで導かれたインクを対向電極に向けて吐出させるには高い吐出電圧を必要とする。
【００１４】
さらに、特許文献３が開示するインクジェットヘッドでは、インクガイド自体がなく、穴あき円盤状の電極に電圧を印加させて電極の中心に設けた孔に供給されたインクを吐出する方式であり、特許文献１および２と同様、インクを吐出するために高い吐出電圧を必要とする。そのため、高電圧を発生させる電源回路が必要となり、また電力量も増大してコストが上昇するという問題がある。また、吐出電圧が高いほど電圧の値が変動しやすく、電圧の変動に伴って吐出される液滴の大きさが変動しやすいので、安定した大きさで液滴を吐出させるのが困難であるという問題もある。
【００１５】
また、特許文献４が開示するインクジェットヘッドでは、インクガイドの表面に設けた導体層に吐出電圧を印加する構造であるため、帯電したインク粒子どうしが反発してインクガイド先端部へのインク供給量が少なくなり、駆動時にさらにインク粒子が反発してインクを吐出する周波数が低くなるという問題もある。
【００１６】
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、低い吐出電圧で、安定した大きさで、しかも高い周波数で液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッド、およびそのような液体吐出ヘッドに用いる液体ガイドを高精度かつ安価で製造できる液体ガイドの製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決する為の手段】
上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、帯電粒子が分散された液体を静電力を利用して記録媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドであって、前記記録媒体と対向して配置されたヘッド基板と、前記ヘッド基板から前記記録媒体に向けて突出した突出基部と、この突出基部に延設され前記記録媒体に向けて先鋭化され、先端角６０度以下、曲率半径４μｍ以下の最先端形状をなす先端部とを有し、前記先端部に液体を導く液体ガイドと、前記液体ガイドが突出する前記ヘッド基板の側に、前記ヘッド基板との間で前記液体の流路を形成する板部材であって、前記液体ガイドの先端部がこの板部材の表面から突出するように、板部材に穿孔された貫通孔を有する絶縁性基板と、前記絶縁性基板に、前記貫通孔の外周に沿って設けられ、静電力を利用して前記先端部に導かれた前記液体を吐出させる環状の制御電極と、を具備することを特徴とする。
【００１８】
ここで、前記液体ガイドの前記突出基部がガラスで構成されており、前記液体ガイドの前記先端部がシリコンで構成されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記絶縁性基板の前記ヘッド基板と対向する側の表面にはシールド電極が設けられていることが好ましい。
【００２０】
また、前記ヘッド基板の、前記液体ガイドが設けられた側の表面には泳動電極が設けられていることが好ましい。
【００２１】
また、前記液体ガイドの先端部は、金属膜で覆われていることが好ましい。
【００２２】
本発明の液体ガイドの製造方法は、ガラス基板の略法線方向に突出した液体ガイドの先端から液滴を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、柱状の基部と前記基部の液滴吐出側に設けられた先端部とを有する液体ガイドの製造方法であって、ガラス基板の表面にシリコン層を形成する工程と、前記シリコン層の表面にマスキング層を形成する工程と、前記マスキング層の表面から前記シリコン層に異方性エッチング処理を施して先鋭化した形状を備えた前記先端部を形成する工程と、前記先端部の形成位置を囲むガラス基板の領域を加工して、前記基部を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２３】
ここで、前記マスキング層の表面から前記シリコン層に異方性エッチング処理を施して先鋭化した形状を備えた前記先端部を形成する工程と、前記先端部の形成位置を囲むガラス基板の領域を加工して、前記基部を形成する工程との間に、前記先端部の表面に金属膜を形成する工程をさらに有していてもよい。
【００２４】
また、前記ガラス基板の表面にシリコン層を形成する工程は、前記ガラス基板にシリコン板を陽極接合することにより行うことができる。
【００２５】
また、前記シリコン層の表面にマスキング層を形成する工程は、前記シリコン層の表面を酸化してＳｉＯ２  層を形成し、しかる後に前記ＳｉＯ２  層にフォトリソグラフ加工を施してマスキング層を形成することにより行うことができる。
【００２６】
また、前記先端部の形成位置を囲むガラス基板の領域を加工して、前記基部を形成する工程は、ダイシング、またはドライエッチングにより行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第一の実施形態）
以下、本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、本発明の液体吐出ヘッドの第一の実施形態に係る液体吐出装置１の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る液体吐出装置１は、液体還流ユニット２、液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３、および電源ユニット６を有している。
【００２８】
本実施形態に係る液体還流ユニット２は、液体循環装置２０、液体供給パイプ２２、および液体回収パイプ２４を有している。液体循環装置２０は、液体ポンプ２６および液体タンク２８を有している。
【００２９】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３は帯電粒子が分散された液体Ｑを静電力を利用して記録媒体４２に向けて吐出する液体吐出ヘッドであり、記録媒体４２、具体的には記録媒体４２を保持する対向電極４０、およびこの対向電極４０と対向して配置されたヘッド基板３４を含む液体循環槽３０を有している。また、本実施形態に係る電源ユニット６は、泳動バイアス電源６２、吐出バイアス電源６４、および吐出信号電源６６を有している。
【００３０】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３を構成する液体循環槽３０は、ヘッド基板３４、絶縁性基板３２、側板３６、および泳動電極４９を有している。
【００３１】
本実施形態に係るヘッド基板３４はＳｉＯ２  ガラスで構成されている。ヘッド基板３４を構成するＳｉＯ２  ガラス以外の材料としては、絶縁材料、例えばセラミックス、樹脂などを用いることができる。ヘッド基板３４の、対向電極４０と対向する側の表面、すなわち図１に示した上側の面の所定の位置には、記録媒体４２すなわち対向電極４０に向けて突出した先端部を有する液体ガイド５０が設けられている。
【００３２】
液体ガイド５０は、ヘッド基板３４から記録媒体４２に向けて突出した突出基部としての基部５４、および、この基部５４に延設され、記録媒体４２に向けて先鋭化された先端部５６とを有する。基部５４は絶縁性材料から構成されており、本実施形態に係る基部５４はＳｉＯ２  ガラスから構成されている。この基部５４の先端に設けられた先端部５６は、本実施形態ではシリコンで構成されている。この先端部５６は円錐や多角錐のような、先鋭化された形状を備えており、その最先端部５８は、図３に示す先端角αが６０度以下であり、曲率半径４μｍ以下の形状を備えている。ここで、最先端部５８の形状を先端角６０度以下、および曲率半径４μｍ以下としたのは、最先端部５８の先端角が６０度より大きくなるか、または曲率半径が４μｍを超えると、液体ガイド５０の先端に電界を集中させる作用が低下し、低電圧で液体Ｑを吐出することができなくなるからである。
【００３３】
このような最先端部５８の形状は、後述するように、シリコン層を異方性エッチングすることにより得られるものであり、高次の結晶面を先端部５６の斜面とする。このような形状は半導体製造技術を用いて形成することができる。また、液体ガイド５０の基部５４についても、後述するように、半導体製造技術を用いることにより、ヘッド基板３４から液体Ｑの吐出方向に突出した柱状の基部５４を高精度で製造することができる。さらに、液体ガイド５０を柱状の基部５４と先端部５６とを異なる部材で形成し、二段構造にしたことにより、非常に先鋭化された形状の最先端部５８と、ヘッド基板３４から液体Ｑの吐出方向（ヘッド基板３４の略法線方向）に真っ直ぐに突出した形状を備えた基部５４とを兼ね備えた液体ガイド５０を得ることができる。
【００３４】
先端部５６は導体層として、例えば蒸着された金属薄膜で構成された導電膜５２を表面に有している。この導電膜５２により液体ガイド５０の最先端部５８近傍の部分が導電性を帯び、最先端部５８に形成される電界を集中させることができる。なお、本発明においては、所定の強さの電界を得られるものであれば、導電膜５２を形成することは必須ではなく、全体が導電体で構成された先端部５６を用いてもよい。液体ガイド５０の先端部５６としては、例えば、底面の半径が２０〜４０μｍ、高さが４０〜２００μｍの、円錐形または多角錐形の形状を備えた先端部５６を用いることができる。
【００３５】
図２は図１に示す液体吐出装置１の液体吐出ヘッド３を説明する図であり、液体吐出ヘッド３の一部を図１中の上側から見た、対向電極４０を除いた概略平面図である。図３は、液体吐出ヘッド３の液体ガイド５０近傍を拡大した断面図である。図１乃至図３に示すように、ヘッド基板３４の液体ガイド５０が設けられた側には絶縁性基板３２が設けられている。この絶縁性基板３２は、Ａｌ２  Ｏ３  やＺｒＯ２  等のセラミックス、あるいはポリイミド等の樹脂で構成されている。
【００３６】
この絶縁性基板３２は、ヘッド基板３４と所定距離離間しており、ヘッド基板３４との間に液体の流路、すなわち液体循環槽３０を形成する。また、液体ガイド５０の先端部５６を貫通させる貫通孔３２ａが設けられており、この貫通孔３２ａの内壁と液体ガイド５０表面との間に形成される隙間を介して絶縁性基板３２と液体ガイド５０とが離間している。図１乃至３に示すように、絶縁性基板３２の、記録媒体４２と対向した側の面上、すなわち図１および図３中の上面には、液体ガイド５０を包囲するような環状の制御電極４４が設けられている。すなわち、制御電極４４は、図１中上側からみて、絶縁性基板３２に設けられた貫通孔３２ａを貫通する液体ガイド５０の周囲を囲むように、液体ガイド５０の最先端部５８を中心として、絶縁性基板３２の表面に環状に設けられている。
【００３７】
ここで、図３に示したように、制御電極４４の内径Ｄａと、制御電極４４から記録媒体４２側に突出する液体ガイド５０の最先端部５８までの距離、すなわち制御電極４４の表面から液体ガイド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、１：０．７〜１：１．７とするのがさらに好ましい。また、制御電極４４としては、代表的には、内径が１００〜１６０μｍ、外径が１６０〜２４０μｍ、厚さが４〜１５μｍのものを用いることができる。さらに、制御電極４４は、絶縁性基板３２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、電源ユニット６の吐出バイアス電源６４および吐出信号電源６６と接続されている。
【００３８】
また、図１乃至図３では省略したが、制御電極４４につながる金属配線４５の表面に、樹脂やセラミックス等の絶縁性材料で構成された保護層を形成するのがよい。金属配線４５の表面に保護層を形成することにより、金属配線４５と他の配線との絶縁性が向上する。
【００３９】
さらに、制御電極４４は、保護層で覆われていてもよい。制御電極４４の表面を保護層で覆う場合には、制御電極４４が液体に直接触れて汚れたり、制御電極４４が空気に触れて劣化するのが防止される。
【００４０】
図１および図２に示したように、絶縁性基板３２の、制御電極４４の内側の位置には、液体ガイド５０を包囲するように、貫通孔３２ａが設けられている。この貫通孔３２ａは、図１に示した上下方向に、絶縁性基板３２を貫通しており、また図２に示すように、液体ガイド５０を囲むように、環状に設けられている。
【００４１】
貫通孔３２ａは、絶縁性基板３２の対向電極４０と対向する表面（図１中の上面）に開口部３５を有している。貫通孔３２ａとしては内径が８０〜１４０μｍ、液体ガイド５０との隙間が２０〜４０μｍのものを設けることができる。この貫通孔３２ａも液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする円上に設けられている。すなわち、貫通孔３２ａの開口部３５が液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする円周を形成する。したがって、図２に示すように、図１中上方から見たときに、液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする同心円上に開口部３５および制御電極４４が設けられている。
【００４２】
なお、実際の液体吐出装置では、液体吐出ヘッド３は複数個、二次元的に配置される。図４は複数の液体吐出ヘッドを二次元的に配置する場合の配置の仕方を示した平面図である。図４に示したように、実際の液体吐出装置では複数個の液体吐出ヘッド、例えば四個の液体吐出ヘッド３０１〜３０４を一周期分として一つのグループとし、このようなグループを液体吐出ヘッドを記録媒体に対して走査させる主走査方向（図４の上下方向）に複数配置した構造となっている。したがって図４の例では三周期分の三つのグループを構成する液体吐出ヘッドが配置された状態を示している。本実施形態では、半導体製造技術を用いて液体ガイド５０を製造するので、位置および形状に関して高い精度で液体ガイド５０ひいては液体吐出ヘッド３を得ることができる。
【００４３】
絶縁性基板３２の、図１に示した上方には、接地された対向電極４０が絶縁性基板３２と一定距離離間して配置されている。一方、絶縁性基板３２のヘッド基板３４と対向する側の面（図１に示した下面）には、接地されたシールド電極４８が設けられている。このシールド電極４８によって図１に示した下方向へ向かう電界が遮断され、シールドされる。
【００４４】
本実施形態に係る液体循環装置２０では、液体ポンプ２６と液体タンク２８とが接続され、液体ポンプ２６は液体供給パイプ２２を介し、図１に示すように、液体循環槽３０と接続されている。また、液体タンク２８は、液体回収パイプ２４を介し液体循環槽３０と接続されている。液体循環槽３０の図１中の下側の壁はヘッド基板３４によって構成されている。
【００４５】
ヘッド基板３４の表面には、液体ガイド５０の基部５４を取り巻くように泳動電極４９が設けられている。この泳動電極４９は、電源ユニット６の泳動バイアス電源６２と接続されており、この泳動バイアス電源６２は、液体吐出ヘッド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。
【００４６】
液体循環槽３０の、ヘッド基板３４に略垂直な壁は、絶縁性の基板である側板３６で構成されている。図１の右側の側板３６には、貫通孔である液体流入口３６ａが形成されており、液体供給パイプ２２が接続されている。また、液体流入口３６ａと対向する、図１の左側の側板３６には液体流出口３６ｂが形成されており、この液体流出口３６ｂには液体回収パイプ２４が接続されている。液体循環槽３０の図１中の上側には、液体吐出ヘッド３を構成する絶縁性基板３２が配置され、この絶縁性基板３２によって液体循環槽３０は密閉されている。
【００４７】
本実施形態に係る電源ユニット６の吐出バイアス電源６４は、液体吐出ヘッド３の制御電極４４に常にバイアス電圧Ｖ２  を印加し、また、吐出信号電源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制御電極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。
【００４８】
次に、本実施形態に係る液体吐出装置１における液体の流れについて説明する。図５は、図１に示す液体循環槽３０、および液体吐出ヘッド３における液体の流れを説明する図であり、図１に示す複数の液体ガイド５０のうちの一つの液体ガイド５０と、この液体ガイド５０の周辺を拡大して表した概略断面図である。図１に示すように、液体還流ユニット２の液体タンク２８内には、液体Ｑが所定量入っている。この液体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もに１０８  Ωｃｍ以上の抵抗率を持つ絶縁性溶媒中にコロイド状に分散させた液体である。
【００４９】
液体タンク２８内では、図示しない濃度調整機構により液体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。液体タンク２８内で図示しない濃度調整機構により濃度調整された液体Ｑは、液体ポンプ２６から所定の圧力で液体供給パイプ２２へ送られる。液体供給パイプ２２へ送られた液体Ｑは、液体流入口３６ａを通り液体循環槽３０の内部へ供給される。液体循環槽３０の内部は液体Ｑで満たされており、液体循環槽３０の内部を図１中右側から左側に向かう方向に液体Ｑが流れ、液体流出口３６ｂから液体回収パイプ２４へと流出する。
【００５０】
本実施形態に係る液体吐出装置１は、上記の構造を備えているため、絶縁性基板３２の記録媒体４２と対向する側と反対の側の表面を流れる液体Ｑが、貫通孔３２ａを通り、開口部３５から、液体ガイド５０の表面を覆うような流れを形成する。すなわち、液体循環槽３０内部では、液体吐出ヘッド３の液体ガイド５０周辺において、図５中矢印で示すような方向に流れる液体流１６が形成される。また、泳動電極４９には泳動バイアス電源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Ｅが形成されている。液体循環槽３０の液体Ｑに含まれる帯電性粒子は、この電界Ｅによってシールド電極４８側へ引き寄せられ、液体循環槽３０の絶縁性基板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液体Ｑの層である凝集層１７が形成される。
【００５１】
この凝集層１７の液体Ｑは、液体流１６の流れにより、貫通孔３２ａを通り、開口部３５から絶縁性基板３２の、図１および図５中の上面に流出し、液体ガイド５０の表面に供給される。また、表面張力の作用により、液体の一部は絶縁性基板３２の表面にも広がって、制御電極４４の表面を覆う。開口部３５から制御電極４４および液体ガイド５０へ供給された液体Ｑは、主に表面張力の作用により液体ガイド５０の表面を濡れ上がり、液体ガイド５０の最先端部５８に到達する。このようにして図５に示したような、液体ガイド５０の最先端部５８を覆う液体Ｑのメニスカス１８が形成される。
【００５２】
メニスカス１８は、凝集層１７の液体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は主に液体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液体Ｑの供給圧力の微小な変動による影響はほとんど受けることなく、安定した形状のメニスカス１８が形成されている。本実施形態に係る液体吐出ヘッド３では、このように液体ガイド５０の表面に常に一定濃度以上の帯電性粒子を含む液体Ｑが供給され、メニスカス１８を形成する。
【００５３】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する。図６は図１に示す液体吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する図であり、図１に示す複数の液体ガイド５０のうちの１つの液体ガイド５０と、この液体ガイド５０の周辺を拡大した概略断面図である。
【００５４】
上述したように、液体ガイド５０の表面には液体のメニスカス１８が形成されている。この液体ガイド５０の周囲を包囲するように設けられた制御電極４４には、電源ユニット６の吐出バイアス電源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、液体ガイド５０の最先端部５８近傍の電界強度が低く、最先端部５８を覆うメニスカス内の液体Ｑは、液体ガイド５０の最先端部５８からは吐出されない。
【００５５】
この状態で、図示しない信号出力手段から入力された信号により、電源ユニット６の吐出電源６６から、所望の液体ガイド５０の底部５１の周囲を包囲するように設けられた制御電極４４に、例えば２００Ｖのパルス電圧である吐出電圧Ｖ３  を重畳して計１．１０ｋＶの電圧を印加する。その結果、液体Ｑ、特に液体Ｑ中の帯電粒子成分は、さらに液体ガイド５０に沿って最先端部５８に向けて上昇し、液体ガイド５０の最先端部５８に凝集する。こうして、液体ガイド５０の最先端部５８に凝集した帯電微粒子成分を含む液体Ｑは、静電力によって最先端部５８のメニスカス１８から液体の液滴１９として、静電力により対向電極４０に向けて吐出され、記録媒体４２に付着する。
【００５６】
このとき、制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界も形成される。しかし、制御電極４４の図４中下方向には、上記のように制御電極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、液体循環槽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、安定した濃度の帯電粒子を含む液体Ｑが液体ガイド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、安定した大きさで液滴１９を吐出させる点でシールド電極４８を設けるのが好ましい。なお、シールド電極４８を絶縁性基板３２の、図１に示した下面に設けることは必須ではなく、省略してもよい。
【００５７】
吐出電圧Ｖ３  が印加されて液滴１９が吐出すると、その直後に制御電極４４の電圧がバイアス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の液体Ｑが、貫通孔３２ａを通り、開口部３５から液体ガイド５０の表面へ供給され、表面張力の作用により液体ガイド５０の表面を濡れ上がり、新たなメニスカス１８を形成する。このように貫通孔３２ａを通過し液体ガイド５０の表面に到達した液体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。
【００５８】
なお、本発明で作製される液体吐出ヘッドは、色材粒子を含む液体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液体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、液体の種類は限定されない。
【００５９】
以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド３を有する液体吐出装置１では、液体ガイド５０を基部５４および先端部５６の二つの部材から構成し、先端部５６として、最先端部５８が先端角６０度以下、かつ曲率半径４μｍ以下を有する先鋭化した形状としたので、最先端部５８の付近に電界を集中させることができる。そのため、液体の吐出電圧として低電圧で液体を吐出することができ、電力消費量を抑えることができる。また、吐出電圧を発生させる電源として低電圧の電源を使用できるので、液体吐出装置を小型化し、製造コストを安価に抑えることができる。さらに低い吐出電圧で液体を吐出させることができるので、電圧の変動する幅が小さくなり、安定した大きさで液滴を吐出することができる。
【００６０】
また、液体ガイド５０を基部５４と先端部５６との二段構造にしたことにより、非常に先鋭化された形状の最先端部５８と、ヘッド基板３４から液体Ｑの吐出方向（ヘッド基板３４の略法線方向）に真っ直ぐに突出した形状を備えた基部５４とを兼ね備えた液体ガイド５０を得ることができる。さらに、液体ガイドの先端部５６は、半導体製造技術、すなわち、シリコン層を異方性エッチングすることにより得られるものであり、高次の結晶面を斜面とする、非常に先鋭化された形状にすることができる。また、液体ガイド５０の基部５４についても、半導体製造技術を用いることにより、ヘッド基板３４から液体Ｑの吐出方向に突出した柱状の基部５４を高精度で製造することができる。
【００６１】
さらに、液体ガイドの先端部が設けられている面と反対の側を流れる液体流から、液体ガイドが設けられている側に液体が供給される。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液体流においても、液体流の流れの圧力の変動が生じず、液体ガイド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。そのため、安定した大きさで液滴１９を吐出させることができ、特許文献４に開示されたインクジェットヘッドに比べ、高い周波数で液滴１９を吐出することができる。
【００６２】
以上、液体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、種々の改良や変更が可能である。例えば、上記実施形態で説明した、泳動電極４９をヘッド基板３４に設けることは本発明では必須ではない。しかし、この泳動電極４９によって、液体流の絶縁性基板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の液体Ｑが液体ガイド５０の最先端部５８へ到達することで、液体ガイド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、安定化した大きさで液滴１９を吐出させる点で、泳動電極４９を設けることが好ましい。
【００６３】
（第二の実施の形態）
次に本発明の第二の実施形態に係る、ガラス基板の略法線方向に突出した液体ガイドの先端から液滴を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、柱状の基部と前記基部の液滴吐出側に設けられた先端部とを有する液体ガイドの製造方法ついて説明する。すなわち、上記第一の実施形態で説明したような液体ガイドは以下のようにして製造することができる。図７（ａ）〜（ｉ）は本発明の液体ガイドの製造工程を示す概略断面図である。
【００６４】
本実施形態に係る液体ガイドを製造するには、まず、両面研磨されたＳｉＯ２  ガラス基板６７を用意し、このガラス基板６７の表面にシリコン層を形成する。具体的には、図７（ａ）に示すように、このＳｉＯ２  ガラス基板６７の一方の表面に、〈１００〉結晶面を表面にもつ単結晶シリコン基板が、例えば陽極酸化接合法により接合されてシリコン層６８が形成される。次に、シリコン層６８の表面にマスキング層を形成する。具体的には、シリコン層６８を熱酸化法により酸化するか、またはＣＶＤなどの方法によりＳｉＯ２  を析出させて、図７（ｂ）に示すように、シリコン層６８の表面にＳｉＯ２  層６９を形成する。次いで、図７（ｃ）に示すように、このＳｉＯ２  層６９の表面にフォトリソグラフ加工を施すことにより、シリコン層６８の〈１１０〉と〈１−１０〉結晶方位を辺とする、正方形のレジストパターン７０を形成する。次いで、このレジストパターン７０をエッチングマスクとして使用し、ＳｉＯ２  層６９をエッチングする。これにより、図７（ｄ）で示すように、ＳｉＯ２  層６９が正方形レジストパターン７０の形状に即した形状、すなわちシリコン層６８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てマスキング層６９ａが形成される。
【００６５】
次に、レジストパターン７０を除去し、マスキング層６９ａの表面からシリコン層６８に異方性エッチング処理を施す。この異方性エッチング処理は、例えば、３４ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を７０℃に加熱した液に上記基板を浸すことにより行う。この異方性エッチング処理において、シリコン層６８は正方形のマスキング層６９ａをエッチングマスクとしてエッチングされる。この異方性エッチング処理では、図７（ｆ）に示すように、マスキング層６９ａの正方形のコーナー部分からアンダーカットが進行し、マスキング層６９ａがシリコン層６８の表面から離脱するまでエッチングが行われる。エッチングマスクとしてのマスキング層６９ａが離脱するまでエッチングを行うことにより、図７（ｇ）に示すように、高次の結晶面からなる斜面で形成され、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、先鋭化した形状を備えた液体ガイドの先端部６８ａがＳｉＯ２  ガラス基板６７の表面に形成される。
【００６６】
次に、先端部６８ａの形成位置を囲むＳｉＯ２  ガラス基板６７の領域を加工して、柱状の基部を形成する。すなわち、図７（ｇ）に示すように、シリコンで構成された錐体構造物である先端部６８ａ，６８ａ，…をマスクとして使用して、例えばＣＦ４  を用いてドライエッチング加工あるいはダイシング加工を行う。この加工により、先端部６８ａ，６８ａ，…が形成されていない部分のＳｉＯ２  ガラス基板６７がエッチングされ、図７（ｈ）に示したように、先端部６８ａ，６８ａ，…の図中真下方向に延設され、柱状に形成された基部６７ｂが形成される。こうしてＳｉＯ２  ガラス基板６７の底部６７ａをヘッド基板とし、このヘッド基板から法線方向、すなわち図中上方に延設された部分６７ｂを基部とし、この部分６７ｂの先端に先端部６８ａが形成された液体ガイド５０１が形成される。
【００６７】
次に、ＳｉＯ２  ガラス基板６７の底部６７ａの図７中上側の表面に金属層を形成し、フォトリソグラフ加工およびエッチングを用い、図７中上側から見て基部６７ｂとする液体ガイド５０１を囲むように、金属層をパターニングすることにより、図７（ｉ）に示すように泳動電極４９を形成する。本発明による液体ガイドの製造方法では、このように、ヘッド基板（ＳｉＯ２  ガラス基板６７の底部６７ａ）、および基部６７ｂが一体化されたものの上に、先端部６８ａが設けられた液体ガイド５０１が形成される。
【００６８】
（第三の実施形態）
また、本発明における液体ガイドは、以下のようにして製造することも可能である。図８（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第三の実施形態にかかる液体ガイドの製造工程を示す概略断面図である。なお、第三の実施形態において、第二の実施形態と重複する部分については、第二の実施形態と同じ符号を用いて表す。
【００６９】
上述の第二の実施形態と同様の処理を行って、図８（ａ）に示したように、シリコン層６８の上に、シリコン層６８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の形状に即した、正方形のマスキング層６９ａが形成される。このマスキング層６９ａをエッチングマスクとしてＳＦ６  ドライエッチングを行い、シリコンを所定量エッチングすることで、図８（ｂ）に示すように、シリコンの四角柱構造物９４を形成する。
【００７０】
次に、マスキング層６９ａをＣＦ４  ドライエッチングを行うことで除去する。その後、全体を例えば、３４ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を７０℃程度に加熱した液に浸し、シリコンの四角柱構造物９４の異方性エッチングを行う。これにより、図８（ｃ）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）の尖った最先端部８８をもつ、シリコンで構成された錐体構造物８６がＳｉＯ２  ガラス基板６７の表面に形成される。次いで、上記錐体構造物８６が形成されたＳｉＯ２  ガラス基板６７の表面にネガ型レジストを塗布し、ＳｉＯ２  ガラス基板６７の面側（図中下方）から露光することにより、錐体構造物８６以外の部分にレジストパターン９０を形成する。次いでこのレジストパターン９０の上に真空蒸着あるいはスパッタリングにより金属膜９２を形成し、その後レジスト剥離液に浸漬してレジストパターン９０上の金属膜９２をリフトオフする。
【００７１】
このようにして錐体構造物８６のみを金属膜９２で被覆する。次いで第二の実施形態に係る方法と同様の方法により、図中錐体構造物８６より下のＳｉＯ２  ガラス基板６７をドライエッチング加工あるいはダイシング加工することにより、ＳｉＯ２  ガラスで構成された基部６７ｃの上にシリコンで構成された先端部８６ａが設けられ、先端部８６ａの表面に金属膜９２を有する液体吐出ガイド５０２が形成される。
【００７２】
なお、本実施形態では、ＳＦ６  反応ガスによるシリコンの四角柱構造物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。また、上述の第三の実施形態では、ＳＦ６  反応ガスによるドライエッチングにより、シリコンの四角柱構造物を形成したが、直接シリコンをサンドブラスト、超音波加工などの微細加工法を用いて同様の四角柱構造物を形成してもよい。
【００７３】
上述の、第二の実施形態および第三の実施形態では、シリコンの単結晶基板を異方性エッチングして先鋭化された液体ガイドを作製した。本発明においては、異方性エッチングすることで先鋭化された液体ガイドが作製できるのであれば、単結晶基板の材料は、必ずしもシリコンでなくともよい。本発明の液体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化された液体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液体ガイドを製造してもよい。
【００７４】
また、上述の、第二の実施形態および第三の実施形態では、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化された液体ガイドを作製した。
【００７５】
以上、液体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。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、低い吐出電圧で、安定した大きさで、しかも高い周波数で液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドが提供される。また、本発明の液体ガイドの製造方法によれば、半導体微細加工技術を用いることにより、先端が非常に先鋭化された液体ガイドを、高い位置精度および高い形状精度で、ヘッド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に用いる液体ガイドを安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を省略した平面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した断面図である。
【図４】本発明の第一の実施形態に係る液体吐出ヘッドを複数配置する場合の配置例を示した平面図である。
【図５】本発明の第一の実施形態に係る液体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６】本発明の第一の実施形態に係る液体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７】（ａ）〜（ｉ）は本発明の第二の実施形態に係る液体ガイドの製造工程を示す概略断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第三の実施形態に係る液体ガイドの製造工程を示す概略断面図である。
【図９】従来の液体ジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成図である。
【符号の説明】
１      液体吐出装置
２      液体還流ユニット
３      液体吐出ヘッド
６      電源ユニット
１６    液体流
１７    凝集層
１８    メニスカス
１９    液滴
２０    液体循環装置
２２    液体供給パイプ
２４    液体回収パイプ
２６    液体ポンプ
２８    液体タンク
３０    液体循環槽
３２    絶縁性基板
３４    ヘッド基板
３６    側板
３６ａ  液体流入口
３６ｂ  液体流出口
４０    対向電極
４２    記録媒体
４４    制御電極
４８    シールド電極
４９    泳動電極
５０    液体ガイド
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    ガラス基板
６８    シリコン層
６９ａ  マスキング層
【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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