(57)【要約】【課題】液体吐出ヘッドから吐出される液体の蒸発を防ぎ、吐出性能を向上させる。【解決手段】液体吐出ヘッド１０の流路１３に供給された液体は、エネルギー発生手段１４によって吐出エネルギーを与えられ、吐出口１１から吐出される。吐出口構成部材１２を冷却手段１５によって冷却することで、吐出口１１を強制冷却して吐出口１１における液体の蒸発を防ぐ。吐出される液体の状態を安定化することにより、液滴速度や吐出方向の変動を防ぎ、高精細化されたパターン形成等を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する流路と、前記流路において液体吐出のためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記吐出口を冷却する冷却手段と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記吐出口を構成する部材の熱伝導率が、前記流路を構成する部材の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記吐出口を構成する部材が金属製であることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記吐出口を構成する部材の温度を検出する温度検出手段を有することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記吐出口の近傍における雰囲気の湿度を検出する湿度検出手段を有することを特徴とする請求項１ないし４記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記温度検出手段によって検出された温度と、予め決められた設定温度とを比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づき前記冷却手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする請求項４記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記湿度検出手段によって検出された湿度に基づいて設定温度を算出する算出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度と前記設定温度とを比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に基づき前記冷却手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする請求項５記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか１項記載の液体吐出ヘッドと、基板を保持する基板保持手段と、前記基板保持手段に対して前記液体吐出ヘッドを２次元的に相対移動させる移動ステージ機構と、を有することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項９】
液体吐出ヘッドの吐出口から液体を吐出してパターンを形成する液体吐出方法において、
液体吐出を開始する前に吐出口の強制冷却を開始する工程と、
液体吐出中に吐出口の強制冷却を継続的に行う工程と、
液体吐出を終了した後に吐出口の強制冷却を終了する工程と、を有することを特徴とする液体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を吐出してパターンを形成する液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体吐出装置に適用される液体吐出ヘッドは、一般に微細な吐出口（オリフイス）、液体を流動させる流路およびこの流路の一部に設けられるエネルギー作用部と、該作用部にある液体に液滴形成エネルギーを発生するためのエネルギー発生手段を備えている。このようなエネルギー発生手段としては、ピエゾ素子等の電気機械変換体を用いた記録方法や、レーザー等の電磁波を照射して、そこにある液体に吸収させて発熱させ、該発熱による作用で液滴を吐出、飛翔させるエネルギー発生手段を用いた記録方法がある。また、発熱抵抗体を有する発熱素子等の電気熱変換体によって液体を加熱して液体を吐出させるエネルギー発生手段を用いた記録方法等もある。
【０００３】
液体吐出装置は、一般にインクジェットプリンタとして紙へのプリントに用いられる。しかし印刷物の作製だけでなく、カラーフィルタ、薄膜トランジスタ、発光素子、ＤＮＡ素子などの作製におけるパターン形成にも用いられるようになってきている。このような、産業用のパターニング方法としては、フォトリソ工程が広く採用されている。しかし、フォトリソ工程は工程数が多くしかも装置コストが莫大であるとともに材料の使用効率が極めて低い。また、オフセット印刷は精度の点で産業用のパターニング技術としては用途が限定されている。
【０００４】
そこで、液体吐出ヘッドを用いたパターン形成方法は、インクジェット方法とも呼ばれて脚光を浴びるようになってきた。インクジェット方法はパターニング箇所に直接描画するため材料の使用効率が極めて高く、かつ工程数も少なくて済むので、ランニングコストの安さを持ち合わせた有望なパターニング技術である。
【特許文献１】特開平１１−１６３４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の液体吐出装置によるプリントやパターンの作製においては、次のような解決すべき課題がある。
【０００６】
液体吐出ヘッドによる液体の吐出では、吐出口における液体の状態により、吐出される液体の速度、方向、量が大きく変化するため、作製するプリントやパターンの品質が安定しない。従って、液体吐出装置によるプリントやパターンの作製をより高品質にするためには、吐出口における液体の状態をより安定させることが望まれている。
【０００７】
吐出口における液体の状態を変化させる最も大きい原因は、吐出口における液体の溶媒の蒸発である。溶媒は吐出口において蒸発するため、吐出口における液体の状態へ直接影響する。
【０００８】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、吐出口における液体の状態を安定させることにより、高品質なプリントやパターンを作製できる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する流路と、前記流路において液体吐出のためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、前記吐出口を冷却する冷却手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
吐出口における液体を冷却し、蒸発を抑えることで液体の状態を安定させる。その結果、高品質なプリントやパターンを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は第１の実施形態を示す図である。液体吐出ヘッド１０は、液体を吐出する吐出口１１を形成した吐出口構成部材１２を有する。さらに、吐出口１１に連通する流路１３と、液体の吐出に利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段１４と、吐出口１１を冷却する冷却手段１５と、を備えている。
【００１３】
流路１３は吐出口１１と連通し、液体溜まりから吐出口１１へ液体を導く役目を果たしている。エネルギー発生手段１４は流路１３内の液体に対して、直接的または間接的に働きかけ、液体を吐出口１１から吐出する。冷却手段１５は吐出口構成部材１２を直接的または間接的に冷却する。吐出口構成部材１２が冷却されることにより吐出口１１が冷却される。これにより、吐出口１１における液体の蒸発を抑えて、液体の状態を安定させることができる。
【００１４】
実際の液体吐出ヘッドは上記の構成が１つもしくは複数個連なった構成である。複数個連なった場合は、吐出口構成部材１２、流路１３、エネルギー発生手段１４、冷却手段１５は、吐出口１１と同数用意する必要は無く、機能を損なわない範囲でまとめることができる。
【００１５】
吐出口１１を有する吐出口構成部材１２の熱伝導率が、流路１３を構成する部材の熱伝導率と比べて大きくなるように材料を選定する。これにより、吐出口１１における液体の蒸発を抑えながら、吐出と直接関係の無い、吐出口１１以外の部分における液体の温度を、吐出口１１での温度と比べて高く保つことができる。このように、吐出口１１以外で液体の温度を比較的高く保つことにより、吐出される液体の物性の変化や溶質の析出等の問題を回避することができる。
【００１６】
吐出口構成部材１２が金属製であれば、吐出口１１における液体の蒸発を抑えながらも、吐出と直接関係の無い、吐出口１１以外の部分における液体の温度を、吐出口１１の温度と比べて高く保つことが容易である。
【００１７】
液体吐出工程においては、図２のブロック図で示すように、液体吐出開始前に冷却手段１５による吐出口１１の冷却（強制冷却）を開始し、液体吐出終了後に冷却を終了するとよい。これにより、液体吐出中の吐出口の温度変化を少なくすることができる。ここでいう冷却の終了とは、完全に冷却を行わないことであり、温度制御のために冷却を一時中断することとは異なる。
【００１８】
図３は第２の実施形態を説明する図である。この液体吐出ヘッド２０は、液体を吐出する吐出口２１を形成した吐出口構成部材２２を有する。さらに、吐出口２１に連通する流路２３と、液体の吐出に利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段２４と、吐出口２１を冷却する冷却手段２５と、吐出口構成部材２２の温度を検出する温度検出手段２６と、を有する。
【００１９】
流路２３は吐出口２１と連通し、液体溜まりから吐出口２１へ液体を導く役目を果たしている。エネルギー発生手段２４は流路２３内の液体に対して、直接的または間接的に働きかけ、液体を吐出口２１から吐出する。冷却手段２５は吐出口構成部材２２を直接的または間接的に冷却する。吐出口構成部材２２が冷却されることにより吐出口２１が冷却される。温度検出手段２６は吐出口構成部材２２の温度を直接的または間接的に計測する。図３では、冷却手段２５が温度検出手段２６よりも吐出口２１に近い位置に設置されているが、冷却手段２５が温度検出手段２６よりも吐出口２１に遠い位置に設置されていてもよい。あるいは、冷却手段２５を温度検出手段２６と同じ位置に設置してもよい。
【００２０】
実際の液体吐出ヘッドは上記の構成が１つもしくは複数個連なった構成である。複数個連なった場合は、吐出口構成部材２２、流路２３、エネルギー発生手段２４、冷却手段２５、温度検出手段２６は、吐出口２１と同数用意する必要は無く、機能を損なわない範囲でまとめることができる。
【００２１】
温度検出手段２６により、吐出口２１における温度を検知することで、冷却手段２５による吐出口２１の冷却を効果的に行うことができる。
【００２２】
図４は、液体吐出ヘッド２０の冷却制御系を示す。これは、吐出口構成部材２２の温度を検出する温度検出手段２６において検出された温度と、予め決められた設定温度とを比較する比較手段２７と、比較手段２７の比較結果に基づき冷却手段２５を制御する制御手段２８と、を有する。このような制御系を用いることで、より高度な温度制御が可能になる。
【００２３】
図５は第３の実施形態を説明する図である。液体吐出ヘッド３０は、液体を吐出する吐出口３１を形成する吐出口構成部材３２を有する。さらに、吐出口３１に連通する流路３３と、液体の吐出に利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段３４と、吐出口３１を冷却する冷却手段３５と、温度検出手段３６と、吐出口３１の近傍で雰囲気の湿度を検出する湿度検出手段３９と、を備えている。
【００２４】
流路３３は吐出口３１と連通し、液体溜まりから吐出口３１へ液体を導く役目を果たしている。エネルギー発生手段３４は流路３３内の液体に対して、直接的または間接的に働きかけ、液体を吐出口３１から吐出する。冷却手段３５は吐出口構成部材３２を直接的または間接的に冷却する。吐出口構成部材３２が冷却されることにより吐出口３１が冷却される。湿度検出手段３９は吐出口３１の近傍における雰囲気の湿度を直接的または間接的に計測する。図５では、湿度検出手段３９は吐出口構成部材３２と被印刷物Ｐの間に設置されているが、湿度検出手段３９の位置はこれに限定されるものではない。
【００２５】
実際の液体吐出ヘッドは上記の構成が１つもしくは複数個連なった構成である。複数個連なった場合は、吐出口構成部材３２、流路３３、エネルギー発生手段３４、冷却手段３５、温度検出手段３６、湿度検出手段３９は、吐出口３１と同数用意する必要は無く、機能を損なわない範囲でまとめることができる。
【００２６】
図６は液体吐出ヘッド３０の冷却制御系を示す。これは、吐出口３１近傍の湿度を湿度検出手段３９によって計測し、その結果を算出手段４０に与える。算出手段４０は前記結果をもとに設定温度を設定する。比較手段３７は、温度検出手段３６が計測した吐出口構成部材３２の温度と、前記設定温度とを比較し、その結果を制御手段３８に与える。制御手段３８は前記結果をもとに、冷却手段３５に命令を与える。冷却手段３５は前記命令に従い、吐出口構成部材３２を冷却する。このような制御系を用いることで、湿度に対応した最適な温度制御が可能となる。
【００２７】
なお、温度検出手段３６を省略し、湿度検出手段３９の出力のみに基づいて冷却手段３５を制御する構成でもよい。
【００２８】
図７は第４の実施形態による液体吐出装置を説明する図である。ベース１００上に、移動ステージ機構を構成するＸ軸ステージ１０１およびＹ軸ステージ１０２が設置されている。Ｘ軸ステージ１０１により液体吐出ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させ、Ｙ軸ステージ１０２により、基板保持手段であるチャック１０３に保持された基板ＳがＹ軸方向に移動する。このようにして、液体吐出ヘッド１１０から吐出される液体により、基板Ｓ上にパターンが形成される。
【００２９】
液体吐出ヘッドが固定され、基板がＸ、Ｙ軸方向に２次元的に移動する構成でもよい。あるいは、基板が固定され、液体吐出ヘッドがＸ、Ｙ軸方向に移動する構成でもよい。
【００３０】
図示していないθ軸が、Ｙ軸ステージ１０２とチャック１０３の間に設置されている。ただし、θ軸は、液体吐出ヘッド１１０と基板Ｓとの相対角度を変化させることができればどこに設置されても構わない。ヘッド回復機構１０４は、チャック１０３上に設置されている。ただし、ヘッド回復機構１０４は機能を果たすことができればどこに設置されてもよく、また設置されない場合もある。
【００３１】
液体吐出ヘッド１１０は、第１ないし第３の液体吐出ヘッド１０〜３０のいずれかと同様の構成を有する。これによって、吐出される液体の状態を安定化させた形状精度の高いパターン形成を行うことができる。
【実施例】
【００３２】
図５および図６に示す液体吐出ヘッド３０を製作した。吐出口３１は、吐出口構成部材３２に開けられた穴であり、吐出口構成部材３２はＮｉ合金の板を用いて作成した。流路３３とエネルギー発生手段３４はピエゾ素子のブロックにその構造を作った。前記Ｎｉ合金の板と前記ピエゾ素子のブロックを、吐出口３１と流路３３の位置が一致するように位置合わせを行い、その後接合したものを液体吐出ヘッド３０とした。
【００３３】
冷却手段３５は室温よりも低い温度に管理した冷却水を用いて、吐出口構成部材３２の一部に冷却水を直接接触させた。冷却水は絶えず循環させた。
【００３４】
温度検出手段３６は熱電対を用い、吐出口構成部材３２に直接接触させた。湿度検出手段３９はデジタル湿度計を用い、吐出口３１の近傍に設置した。
【００３５】
算出手段４０、比較手段３７、制御手段３８についてはコンピュータを用いてソフトウェアで実現した。吐出する液体は、純水にＰＶＡ（Polyvinyl Alcohol ）を溶解したものを用いた。この液体吐出ヘッド３０に液体を充填し、その後エネルギー発生手段３４に吐出信号を与えることによって、液体が吐出される。
【００３６】
液体吐出ヘッド３０の性能を評価するために、冷却を行わない液体吐出ヘッドを製作し、両方の液体吐出ヘッドに、ある一定間隔で吐出信号を与えた。吐出信号を与える間隔をパラメータとし、吐出される液体の体積と飛翔速度を評価項目として、２つの液体吐出ヘッドを比較した。
【００３７】
その結果、冷却を行わない液体吐出ヘッドは、吐出信号の間隔が０．１秒より大きくなると、吐出される液体の体積と飛翔速度がともに大きく変動した。それに対して、冷却を行った液体吐出ヘッド３０は、吐出信号の間隔が１秒より小さい場合は、吐出される液体の体積と飛翔速度の変動がほとんど無かった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置は、布、糸、紙、シート材、皮革等の被記録媒体へのパターン形成だけでなく、カラーフィルタ、薄膜トランジスタ、発光素子、ＤＮＡ素子などの作製にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態による液体吐出ヘッドを説明する図である。
【図２】第１の実施形態の吐出工程を示すブロック図である。
【図３】第２の実施形態による液体吐出ヘッドを説明する図である。
【図４】第２の実施形態の冷却制御系を説明する図である。
【図５】第３の実施形態による液体吐出ヘッドを説明する図である。
【図６】第３の実施形態の冷却制御系を説明する図である。
【図７】第４の実施形態による液体吐出装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１、２１、３１    吐出口
１２、２２、３２    吐出口構成部材
１３、２３、３３    流路
１４、２４、３４    エネルギー発生手段
１５、２５、３５    冷却手段
２６、３６    温度検出手段
３９    湿度検出手段
【図１】
2007106061.tif 000003
【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】
2007106061.tif 000008
【図７】
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