JP2007210115A - Nozzle plate manufacturing method and nozzle plate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノズルプレート製造方法及びノズルプレートに関する。 The present invention relates to a nozzle plate manufacturing method and a nozzle plate.
近年、インクジェット記録方法での画質の高精細化の進展および工業用途における適用範囲の拡大に伴い、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要請がますます強まっている。 In recent years, with the progress of high-definition image quality in inkjet recording methods and the expansion of the application range in industrial applications, there is an increasing demand for fine pattern formation and high-viscosity ink ejection.
これらの要請を従来のインクジェット記録方法で解決しようとすると、ノズルの微小化や高粘度のインク吐出による液吐出力の向上を図る必要が生じ、それに伴ってインクの吐出のための駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまうため、実用に適う装置は実現されていない。 In order to solve these demands with the conventional ink jet recording method, it is necessary to improve the liquid discharge force by reducing the size of the nozzles and discharging high viscosity ink, and accordingly, the drive voltage for discharging the ink is increased. As a result, the cost of the head and device becomes very expensive, and a device suitable for practical use has not been realized.
そこで、上述の要請に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液滴を吐出させる技術として、ノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に形成される電界から受ける静電吸引力により吐出させるいわゆる静電吸引方式の液滴吐出技術が知られている(特許文献1参照)。 Therefore, in response to the above requirements, as a technique for discharging not only low-viscosity but also high-viscosity droplets from a miniaturized nozzle, the liquid in the nozzle is charged, and the nozzle and droplets are subjected to landing. There is known a so-called electrostatic suction type droplet discharge technique in which discharge is performed by an electrostatic suction force received from an electric field formed between various base materials (see Patent Document 1).
しかし、静電吸引方式の液滴吐出技術において液滴吐出面がフラットな液体吐出ヘッドを用いる場合、ノズル内の液体や吐出孔部分のメニスカスへの電界集中の程度が小さく、必要な静電吸引力を得るために液体吐出ヘッドと基材との間に印加する電圧として非常に高い電圧を印加する必要があった。 However, when using a liquid discharge head with a flat droplet discharge surface in the electrostatic suction type droplet discharge technology, the degree of electric field concentration on the liquid in the nozzle and the meniscus of the discharge hole is small, and the required electrostatic suction In order to obtain force, it was necessary to apply a very high voltage as a voltage applied between the liquid discharge head and the substrate.
そこで、フラットな液体吐出ヘッドを用いて、この静電吸引方式の液滴吐出技術と、ピエゾ素子の変形や液体内部での気泡の発生による圧力を利用して液滴を吐出する技術とを組み合わせ、上述の圧力を発生させることによりノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、隆起させたメニスカスに選択的に電界集中させて静電吸引力を高め、液表面張力に打ち勝ってメニスカスを液滴化し吐出させる、いわゆる電界アシスト法を用いた液滴吐出装置の開発が進んでいる(例えば、特許文献2〜5参照)。 Therefore, using a flat liquid discharge head, this electrostatic attraction type droplet discharge technology is combined with a technology that discharges droplets using pressure generated by deformation of the piezo element or generation of bubbles inside the liquid. By generating the pressure described above, the liquid meniscus is raised at the nozzle discharge hole, and the electric field is selectively concentrated on the raised meniscus to increase the electrostatic attraction force. Development of a droplet discharge device that uses a so-called electric field assist method for forming and discharging the liquid is progressing (see, for example, Patent Documents 2 to 5).
この電界アシスト法を用いた液滴の吐出を実施するためには、ノズル内の液体を帯電させることが必須であることから、ノズル内周面において液体に接触する高い信頼性を持つ電極を効率良く設けることは重要である。このノズルのような微小穴内周面に均一な導電性膜を形成して電極とする技術として、ドライプロセスでは、主に金属材料をスパッタ法やイオンプレーティング法による成膜時の回り込み効果による方法や被加工基板を蒸発源に対して斜めに配置しさらに回転させる真空蒸着法が知られている。またウエットプロセスでは、メッキ処理が知られている。 In order to discharge droplets using this electric field assist method, it is essential to charge the liquid in the nozzle. Therefore, a highly reliable electrode that contacts the liquid on the inner peripheral surface of the nozzle is efficient. It is important to provide it well. As a technology to form a uniform conductive film on the inner peripheral surface of a minute hole like this nozzle to make an electrode, in the dry process, a method mainly using a wraparound effect when forming a metal material by sputtering or ion plating Further, there is known a vacuum deposition method in which a substrate to be processed is disposed obliquely with respect to an evaporation source and further rotated. In the wet process, plating is known.
また、液体が吐出されるノズルの吐出孔表面の撥液性が不十分である場合、液滴がノズル表面に付着しやすくなり、そのため吐出孔が目詰まりしたり吐出される液体の直進性が損なわれると共に、特に電界アシスト法においては、ノズルの吐出孔部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔の周囲の吐出面に広がることによりメニスカスの先端部への電界集中が効果的に行われないことで記録不良となる。従って、電界アシスト法を用いて液滴を効果的に吐出するために、ノズル表面に十分な撥液性を持たせることはより強い要望となっている。 In addition, when the liquid repellency of the surface of the nozzle where the liquid is discharged is insufficient, the liquid droplets are likely to adhere to the surface of the nozzle. In particular, in the electric field assist method, the liquid meniscus formed in the discharge hole portion of the nozzle spreads on the discharge surface around the discharge hole, so that the electric field concentration on the tip of the meniscus is not effectively performed. This results in recording failure. Therefore, in order to effectively eject droplets using the electric field assist method, it is more strongly demanded that the nozzle surface has sufficient liquid repellency.
吐出面に撥液層を設ける方法としては、真空蒸着法やスピンコート塗布、スプレー塗布、はけ塗りなどの他に、例えば導電性材料あるいは非導電性材料に導電性皮膜を形成したインクが吐出するノズルにフッ素系樹脂からなる撥液層を電解重合法により設ける方法がある(例えば、特許文献6参照)。
しかしながら、ノズル内周面に導電性膜を設けることに関して、主に金属材料をスパッタ法やイオンプレーティング法による成膜時の回り込み効果による方法や被加工基板を蒸発源に対して斜めに配置しさらに回転させる真空蒸着法といったドライプロセスや、メッキ処理といったウエットプロセスの手法では、ノズルの吐出孔の開口径が小さくなればなるほど、ノズル内周面に十分に導電性膜を得ることが困難となり、特にノズル先端部は導電性を持った膜を十分に設けることができなかった。また、導電性膜の密着性にも問題があった。 However, regarding the provision of a conductive film on the inner peripheral surface of the nozzle, the metal material is mainly formed by a sputtering method or ion plating method due to the wraparound effect and the substrate to be processed is disposed obliquely with respect to the evaporation source. Furthermore, in the dry process such as rotating vacuum deposition method and the wet process technique such as plating, the smaller the opening diameter of the nozzle discharge hole, the more difficult it is to obtain a conductive film on the inner peripheral surface of the nozzle. In particular, the nozzle tip could not be provided with a sufficiently conductive film. There was also a problem with the adhesion of the conductive film.
近年、基板等に直接パターニングが可能となるという大きな利点が生じることから、インクジェット記録方式を利用した産業用のパターニングの応用が広く考えられている。例えば、基板に導電性パターニングする場合においては、着弾径が30μm以下とする高精細化が望まれており、これに応えるには、記録ヘッドから吐出されるインク液滴の液滴の直径を概ね15μm以下とする必要があるとされている。従って、今後ノズルの開口径はますます微小とする要望がより強くなることが十分に予測されると共に、ノズル内周面に十分に導電性膜を得ることがより困難となると予測される。 In recent years, since a great advantage that direct patterning is possible on a substrate or the like occurs, industrial patterning applications using an ink jet recording method are widely considered. For example, in the case of conducting conductive patterning on a substrate, it is desired to increase the definition so that the landing diameter is 30 μm or less, and in order to meet this demand, the diameter of the ink droplets ejected from the recording head is approximately It is supposed to be 15 μm or less. Accordingly, it is sufficiently predicted that the demand for smaller nozzle apertures will become stronger in the future, and it is predicted that it will be more difficult to obtain a sufficiently conductive film on the inner peripheral surface of the nozzle.
また、ノズルの吐出孔の表面に撥液層を設けることに関して、真空蒸着法やスピンコート塗布、スプレー塗布、はけ塗りにより撥液層を設ける場合、ノズル内部まで撥液層が形成され、ノズルの形状を変えてしまうだけでなく、その撥液効果により液体がノズルに入りにくくなり、その結果、液体の吐出が十分にできなくなる問題があった。 In addition, regarding the provision of the liquid repellent layer on the surface of the nozzle discharge hole, when the liquid repellent layer is provided by vacuum deposition, spin coating, spray coating, or brushing, the liquid repellent layer is formed up to the inside of the nozzle. In addition to changing the shape, the liquid repellent effect makes it difficult for the liquid to enter the nozzle, and as a result, there is a problem that the liquid cannot be sufficiently discharged.
また、特許文献6に記載されてある、フッ素系樹脂からなる撥液層をインクが吐出されるノズルプレートの表面に電解重合法により設ける方法では、ノズルプレートの裏面にマスキングテープを貼り合わせるとしてあるが、ノズルの内側の撥液層の形成を抑えることに関する記述はされていない。マスキングテープによる撥液層の形成の抑制効果は、ノズルプレートの裏面では十分にあると予測されるが、ノズルの内側においては、ノズルの開口径が小さくなればなるほどその抑制効果はより困難になると十分に予測される。従って、ノズルの開口径が微細な場合、ノズル内部まで撥液層が形成され、ノズルの形状を変えてしまうだけでなく、撥液効果により液体がノズルに入りにくくなり、液体の吐出が十分にできなくなる問題が生じると十分に予測される。 Further, in the method of providing a liquid repellent layer made of a fluororesin described in Patent Document 6 on the surface of a nozzle plate from which ink is ejected by an electrolytic polymerization method, a masking tape is attached to the back surface of the nozzle plate. However, there is no description about suppressing the formation of the liquid repellent layer inside the nozzle. The effect of suppressing the formation of the liquid repellent layer by the masking tape is expected to be sufficient on the back surface of the nozzle plate, but on the inner side of the nozzle, the smaller the nozzle opening diameter, the more difficult the suppression effect becomes Fully predicted. Therefore, when the nozzle opening diameter is fine, a liquid repellent layer is formed up to the inside of the nozzle, not only changing the shape of the nozzle, but also the liquid repellent effect makes it difficult for the liquid to enter the nozzle, so that the liquid can be discharged sufficiently. It is fully anticipated that problems will become impossible.
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電界アシスト法を利用する液体吐出ヘッドに用いられることに適した構成を備えたノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法及びこの製造法により製造されたノズルプレートを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to easily manufacture a nozzle plate having a configuration suitable for use in a liquid discharge head using an electric field assist method. And a nozzle plate manufactured by the manufacturing method.
上記の課題は、以下の構成により解決される。 Said subject is solved by the following structures.
1. 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルの反転形状をなしている突起を有する第1の金型と前記第1の金型に対向して設ける第2の金型との間に設ける基板をプレスして、前記基板の厚み方向に前記ノズルを成形することでノズルプレートを製造するノズルプレート製造方法において、
前記第1の金型の成形表面に膜を設けるための膜形成工程と、
前記第2の金型に前記基板を保持するための保持工程と、
保持された前記基板を加熱するための第1の加熱工程と、
前記膜が設けられた前記第1の金型を加熱するための第2の加熱工程と、
前記基板と前記第1の金型とが加熱されている状態で、前記第2の金型に保持される前記基板に前記第1の金型の前記膜が設けられている成形面をプレスすることで前記基板に前記ノズルを成形すると共に前記膜を転写するためのプレス工程と、
前記第2の金型に保持され前記第1の金型によりプレスされている状態で、前記基板を冷却するための冷却工程と、
前記第2の金型を前記基板より離型するための第1の離型工程と、
前記基板の第2の金型が離型された面に撥液処理を行うための撥液処理工程と、
前記基板を前記第1の金型から離型するための離型工程と、を含むことを特徴とするノズルプレート製造方法。
1. A substrate provided between a first mold having a projection having a reversal shape of a nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole and a second mold provided to face the first mold. In a nozzle plate manufacturing method for manufacturing a nozzle plate by pressing and forming the nozzle in the thickness direction of the substrate,
A film forming step for providing a film on the molding surface of the first mold;
A holding step for holding the substrate in the second mold;
A first heating step for heating the held substrate;
A second heating step for heating the first mold provided with the film;
In a state where the substrate and the first mold are heated, the molding surface on which the film of the first mold is provided is pressed on the substrate held by the second mold. A pressing step for forming the nozzle on the substrate and transferring the film,
A cooling step for cooling the substrate while being held by the second mold and being pressed by the first mold;
A first release step for releasing the second mold from the substrate;
A liquid repellent treatment step for performing a liquid repellent treatment on the surface of the substrate from which the second mold has been released;
And a mold release step for releasing the substrate from the first mold.
2. 前記膜形成工程における前記第1の金型の温度は、前記プレス工程における前記第1の金型の温度より低いことを特徴とする1に記載のノズルプレート製造方法。 2. The nozzle plate manufacturing method according to 1, wherein the temperature of the first mold in the film forming step is lower than the temperature of the first mold in the pressing step.
3. 前記膜は、金属膜であることを特徴とする1又は2に記載のノズルプレート製造方法。 3. 3. The nozzle plate manufacturing method according to 1 or 2, wherein the film is a metal film.
4. 前記膜は、親水性膜であることを特徴とする1又は2に記載のノズルプレート製造方法。 4). 3. The nozzle plate manufacturing method according to 1 or 2, wherein the film is a hydrophilic film.
5. 1乃至4の何れか一つに記載のノズルプレート製造方法により製造されたことを特徴とするノズルプレート。 5. A nozzle plate manufactured by the nozzle plate manufacturing method according to any one of 1 to 4.
6. 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルの反転形状をなしている突起を有する第1の金型と前記第1の金型に対向して設ける第2の金型との間に設ける基板をプレスして、前記基板の厚み方向に前記ノズルを成形することでノズルプレートを製造するノズルプレート製造方法において、
前記第1の金型の成形表面に膜を設けるための膜形成工程と、
前記第2の金型に前記基板を保持するための保持工程と、
保持された前記基板を加熱するための第1の加熱工程と、
前記膜が設けられた前記第1の金型を加熱するための第2の加熱工程と、
前記基板と前記第1の金型とが加熱されている状態で、前記第2の金型に保持される前記基板に前記第1の金型の前記膜が設けられている成形面をプレスすることで前記基板に前記ノズルを成形すると共に前記膜を転写するためのプレス工程と、
前記第2の金型に保持され前記第1の金型によりプレスされている状態で、前記基板を冷却するための冷却工程と、
前記基板を前記第1の金型から離型するための離型工程と、を含むことを特徴とするノズルプレート製造方法。
6). A substrate provided between a first mold having a projection having a reversal shape of a nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole and a second mold provided to face the first mold. In a nozzle plate manufacturing method for manufacturing a nozzle plate by pressing and forming the nozzle in the thickness direction of the substrate,
A film forming step for providing a film on the molding surface of the first mold;
A holding step for holding the substrate in the second mold;
A first heating step for heating the held substrate;
A second heating step for heating the first mold provided with the film;
In a state where the substrate and the first mold are heated, the molding surface on which the film of the first mold is provided is pressed on the substrate held by the second mold. A pressing step for forming the nozzle on the substrate and transferring the film,
A cooling step for cooling the substrate while being held by the second mold and being pressed by the first mold;
And a mold release step for releasing the substrate from the first mold.
7. 前記膜形成工程における前記第1の金型の温度は、前記プレス工程における前記第1の金型温度より低いことを特徴とする6に記載のノズルプレート製造方法。 7). The nozzle plate manufacturing method according to 6, wherein the temperature of the first mold in the film forming step is lower than the temperature of the first mold in the pressing step.
8. 前記膜は、金属膜であることを特徴とする6又は7に記載のノズルプレート製造方法。 8). The nozzle plate manufacturing method according to 6 or 7, wherein the film is a metal film.
9. 前記膜は、親水性膜であることを特徴とする6又は7に記載のノズルプレート製造方法。 9. 8. The nozzle plate manufacturing method according to 6 or 7, wherein the film is a hydrophilic film.
10. 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルの反転形状をなしている突起を有する第1の金型と前記第1の金型に対向して設ける第2の金型との間に設ける基板をプレスして、前記基板の厚み方向に前記ノズルを成形することでノズルプレートを製造するノズルプレート製造方法において、
前記第2の金型に前記基板を保持するための保持工程と、
保持された前記基板を加熱するための第1の加熱工程と、
前記第1の金型を加熱するための第2の加熱工程と、
前記基板と前記第1の金型とが加熱されている状態で、前記第2の金型に保持される前記基板に前記第1の金型をプレスするためのプレス工程と、
前記第2の金型に保持され前記第1の金型によりプレスされている状態で、前記基板を冷却するための冷却工程と、
前記第2の金型を前記基板より離型するための第1の離型工程と、
前記基板の第2の金型が離型された面に撥液処理を行うための撥液処理工程と、
前記基板を前記第1の金型から離型するための第2の離型工程と、を含むことを特徴とするノズルプレート製造方法。
10. A substrate provided between a first mold having a projection having a reversal shape of a nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole and a second mold provided to face the first mold. In a nozzle plate manufacturing method for manufacturing a nozzle plate by pressing and forming the nozzle in the thickness direction of the substrate,
A holding step for holding the substrate in the second mold;
A first heating step for heating the held substrate;
A second heating step for heating the first mold;
A pressing step for pressing the first mold onto the substrate held by the second mold while the substrate and the first mold are heated;
A cooling step for cooling the substrate while being held by the second mold and being pressed by the first mold;
A first release step for releasing the second mold from the substrate;
A liquid repellent treatment step for performing a liquid repellent treatment on the surface of the substrate from which the second mold has been released;
And a second release step for releasing the substrate from the first mold. A method for manufacturing a nozzle plate, comprising:
11. 6乃至10の何れか一つに記載のノズルプレート製造方法により製造されたことを特徴とするノズルプレート。 11. A nozzle plate manufactured by the nozzle plate manufacturing method according to any one of 6 to 10.
請求項1に記載の発明によれば、以下の効果がある。成形表面に膜が設けられたノズルを形成する第1の金型を第2の金型に保持されているノズルプレートとなる基板にプレスすることで、基板にノズルが成形されると同時に第1の金型の成形表面に設けられている膜が基板に転写される。 According to invention of Claim 1, there exist the following effects. By pressing a first mold that forms a nozzle having a film on the molding surface onto a substrate that becomes a nozzle plate held by the second mold, the nozzle is molded on the substrate and the first is simultaneously formed. The film provided on the molding surface of the mold is transferred to the substrate.
また、第1の金型が基板にノズルを成形した状態である、ノズルに隙間なくノズルを成形するのための第1の金型の突起が存在している状態で、第2の金型が離れた基板の面である吐出面に撥液処理を行うことから、撥液処理がノズルの内側に成されることなく吐出面に成される。 In addition, the first mold is in a state where the nozzle is formed on the substrate, and the second mold is in a state where the projection of the first mold for forming the nozzle without gap is present in the nozzle. Since the liquid repellent process is performed on the discharge surface which is the surface of the separated substrate, the liquid repellent process is performed on the discharge surface without being performed inside the nozzle.
よって、基板より第1の金型が離型されると、基板の離型表面はもとより、ノズルの内周面には、膜が転写されている状態となり、また、ノズルの形状は、吐出面に存在する吐出孔も含めて第1の金型の突起形状がそのまま転写され、吐出面には撥水処理がなされているノズルプレートが得られる。 Therefore, when the first mold is released from the substrate, the film is transferred to the inner peripheral surface of the nozzle as well as the release surface of the substrate, and the shape of the nozzle is the discharge surface. The projection shape of the first mold including the ejection holes existing in the nozzle is transferred as it is, and a nozzle plate having a water repellent treatment on the ejection surface is obtained.
従って、吐出される液体が吐出面に付着し難くなり、また吐出面に広がることがないことから、液滴の吐出が安定して行うことができ、また、メニスカス先端部への電界集中が効果的に行うことができることから電界アシスト法に利用できるノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。 Accordingly, since the liquid to be ejected does not easily adhere to the ejection surface and does not spread on the ejection surface, the liquid droplet can be ejected stably, and the electric field concentration at the meniscus tip is effective. Therefore, it is possible to provide a nozzle plate manufacturing method in which a nozzle plate that can be used for the electric field assist method can be easily manufactured.
また、ノズル内周面及びこれに続く面に十分に備えられる膜を親水膜とすれば、ノズルに吐出される液体が導入されやすいノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。また、この膜を金属膜とすれば、電界アシスト法を利用する液体吐出ヘッドに用いられることに適した吐出される液体を帯電させる電極を備えることができるノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。 Also, it is possible to provide a nozzle plate manufacturing method in which a nozzle plate that is easy to introduce a liquid discharged to the nozzle can be easily manufactured if the film sufficiently provided on the inner peripheral surface of the nozzle and the subsequent surface is a hydrophilic film. Can do. In addition, if this film is a metal film, a nozzle plate that can be easily provided with an electrode for charging a discharged liquid suitable for use in a liquid discharge head using an electric field assist method can be easily manufactured. A manufacturing method can be provided.
請求項5に記載の発明によれば、上述の請求項1に記載の発明の効果に加えて、第1の金型の成形表面に設けられている膜がより強固に基板に転写されることができるノズルプレート製造方法により製造されたノズルプレートを提供することができる。 According to the invention described in claim 5, in addition to the effect of the invention described in claim 1, the film provided on the molding surface of the first mold is more strongly transferred to the substrate. The nozzle plate manufactured by the nozzle plate manufacturing method which can be provided can be provided.
請求項6に記載の発明によれば、成形表面に膜が設けられたノズルを形成する第1の金型を第2の金型に保持されているノズルプレートとなる基板にプレスすることで、基板にノズルが形成されると同時に第1の金型の成形表面に設けられている膜が基板に転写される。次に、基板に膜を残した状態で基板から第1の金型が離型されることで、基板の離型表面はもとより、ノズルの内周面に膜が転写されている状態となり、また、ノズルの形状は、吐出孔も含めて第1の金型の突起形状がそのまま転写されているノズルプレートが得られることになる。 According to the invention described in claim 6, by pressing the first mold that forms the nozzle provided with the film on the molding surface onto the substrate that becomes the nozzle plate held by the second mold, As soon as the nozzle is formed on the substrate, the film provided on the molding surface of the first mold is transferred to the substrate. Next, the first mold is released from the substrate with the film remaining on the substrate, so that the film is transferred to the inner peripheral surface of the nozzle as well as the release surface of the substrate. As for the nozzle shape, a nozzle plate is obtained in which the projection shape of the first mold including the discharge holes is transferred as it is.
従って、膜がノズル内周面及びこれに続く面に十分に備えられたノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a nozzle plate manufacturing method in which a nozzle plate having a film sufficiently provided on the inner peripheral surface of the nozzle and the subsequent surface can be easily manufactured.
上述の膜を親水膜とすれば、ノズルに吐出される液体が導入されやすいノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。また、膜を金属膜とすれば、電界アシスト法を利用する液体吐出ヘッドに用いられることに適した吐出用液体を帯電させる電極を備えることができるノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。 If the above-described film is a hydrophilic film, a nozzle plate manufacturing method can be provided in which a nozzle plate in which liquid discharged to the nozzle is easily introduced can be easily manufactured. Further, if the film is a metal film, a nozzle plate manufacturing method for easily manufacturing a nozzle plate that can include an electrode for charging a discharge liquid suitable for use in a liquid discharge head using an electric field assist method. Can be provided.
請求項10に記載の発明によれば、第1の金型が基板にノズルを成形した状態である、ノズルに隙間なくノズルを成形するのための第1の金型の突起が存在している状態で、第2の金型が離れた基板の面である吐出面に撥液処理を行うことから、撥液処理がノズルの内側に成されることはない。また、第1の金型が離型されることで、吐出面に存在する吐出孔は、撥液層により変形することなく第1の金型の突起形状がそのまま転写されたノズルプレートが得られることになる。 According to the tenth aspect of the present invention, there is a protrusion of the first mold for forming the nozzle without a gap in the nozzle, in which the first mold is in a state where the nozzle is formed on the substrate. In this state, the liquid repellent treatment is not performed on the inside of the nozzle because the liquid repellent treatment is performed on the ejection surface, which is the surface of the substrate away from the second mold. Further, by releasing the first mold, a nozzle plate in which the projection shape of the first mold is transferred as it is without deformation of the discharge holes present on the discharge surface by the liquid repellent layer is obtained. It will be.
従って、吐出される液体が吐出面に付着し難くなり、また吐出面に広がることがないことから、液滴の吐出が安定して行うことができ、また、メニスカス先端部への電界集中が効果的に行うことができることから電界アシスト法に利用できるノズルプレートが容易に製造されるノズルプレート製造方法を提供することができる。 Accordingly, since the liquid to be ejected does not easily adhere to the ejection surface and does not spread on the ejection surface, the liquid droplet can be ejected stably, and the electric field concentration at the meniscus tip is effective. Therefore, it is possible to provide a nozzle plate manufacturing method in which a nozzle plate that can be used for the electric field assist method can be easily manufactured.
請求項11に記載の発明によれば、上述の請求項6及び10に記載の発明の効果に加えて、第1の金型の成形表面に設けられている膜がより強固に基板に転写されることができるノズルプレート製造方法により製造されたノズルプレートを提供することができる。 According to the eleventh aspect of the present invention, in addition to the effects of the above-described sixth and tenth aspects, the film provided on the molding surface of the first mold is more firmly transferred to the substrate. The nozzle plate manufactured by the nozzle plate manufacturing method which can be provided can be provided.
以下、本発明に係るノズルプレートを有する液体吐出ヘッドに関して、図を参照して説明する。 Hereinafter, a liquid discharge head having a nozzle plate according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態の一例とするノズルプレート11を有する液体吐出ヘッド2(断面図)を使用し、電界アシスト法を利用する液体吐出装置1の全体構成を示す図である。なお、液体吐出ヘッド2は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a liquid ejection apparatus 1 that uses a liquid ejection head 2 (cross-sectional view) having a
液体吐出装置1は、インク等の帯電可能な液体Lの液滴Dを吐出するノズル10が形成された液体吐出ヘッド2と、動作制御手段4と、液体吐出ヘッド2のノズル10に対向する対向面を有するとともにその対向面で液滴Dの着弾を受ける基材Kを支持する対向電極3とを備えている。
The liquid ejecting apparatus 1 includes a liquid ejecting head 2 on which a
液体吐出ヘッド2の対向電極3に対向する側には、複数のノズル10を有するノズルプレート11が設けられている。液体吐出ヘッド2は、ノズルプレート11の対向電極3に対向する吐出面12からノズル10が突出されない、或いはノズル10が30μm程度しか突出しないフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。
A
各ノズル10は、ノズルプレート11に穿孔されて形成されており、ノズルプレート11の吐出面12に吐出孔13を有する貫通した孔とされている。ノズル10は、断面形状が円に形成される代わりに、断面形状が多角形や星形等であってもよい。また、ノズル径とは、ノズル10の吐出孔13の直径を示し、吐出孔の開口形状が円でない場合の直径は、上記と同様に対象とする開口面の開口面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。
Each
ノズルプレート11は、後述する体積抵抗率が高いガラス(以降、高抵抗ガラスと称する。)又は樹脂(以降、高抵抗樹脂と称する。)から形成するのが好ましい。ノズルプレート11に関する詳細な説明は、後出の帯電電極16及び撥液層28と併せて後述する。
The
ノズルプレート11のノズル10の内周面17には、例えばニッケル(Ni)等の導電素材よりなりノズル10内の液体Lに電圧を印加して帯電させることで後述する静電吸引力を生じさせる静電電圧印加手段である帯電用電極16が設けられている。帯電用電極16は、ノズル内の液体Lに接するようになっている。
The inner
この帯電用電極16は、静電電圧電源18に接続されており、静電電圧電源18より帯電用電極16に静電電圧が印加されると、全ノズル10内の液体Lが同時に帯電され、液体吐出ヘッド2と対向電極3との間、特に液体Lと基材Kとの間に静電吸引力が発生されるようになっている。
The charging
ノズルプレート11に吐出孔が設けられている面の反対側の各ノズル10の開口端に面するボディプレート19の部分には、ノズル10の開口より大きい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は吐出される液体Lを一時貯蔵するためのキャビティ20とされている。
A substantially cylindrical space having an inner diameter larger than the opening of the
また、ボディプレート19には、キャビティ20に液体Lを供給するための図示しない流路が形成されている。例えば、Si基板を基材として公知のフォトリソグラフィー処理(レジスト塗布、露光、現像)及びエッチング法を用いてキャビティ20、共通流路、および共通流路とキャビティ20とを結ぶ流路が設けられており、共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Lを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ20、ノズル10等の液体Lに所定の供給圧力が付与されるようになっている。また、キャビティ20の底部は厚みが20μm程度と薄く形成されており、液体Lに圧力を生じさせる様に変形可能としている。
The
各キャビティ20の底部の背面には、それぞれ圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子22が設けられており、ピエゾ素子22には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源23が接続されている。ピエゾ素子22は、駆動電圧電源23からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Lに圧力を生じさせてノズル10の吐出孔13に液体Lのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。
駆動電圧電源23および帯電用電極16に静電電圧を印加する静電電圧電源18は、それぞれ動作制御手段4に接続されており、それぞれ動作制御手段4による制御を受けるようになっている。
The drive
ノズルプレート11の吐出面12には、撥液層28が設けられている。この撥液層28を設けることで、吐出孔13からの液体Lの滲み出しが抑制され、ノズル10の吐出孔13部分に形成される液体のメニスカスが吐出孔13の周囲の吐出面に広がり難くされることでメニスカス先端部への電界集中の低下を効果的に防止することが可能となる。
A
次に動作制御手段4は、CPU25やROM26、RAM27等が図示しないBUSにより接続されて構成されたコンピュータ−からなっており、CPU25は、ROM26に格納された電源制御プログラムに基づいて静電電圧電源18および各駆動電圧電源23を駆動させてノズル10の吐出孔13から液体Lを吐出させるようになっている。
Next, the operation control means 4 is composed of a computer in which a CPU 25, a
液体吐出ヘッド2の液体Lの吐出方向には、基材Kを支持する平板状の対向電極3が液体吐出ヘッド2の吐出面12に平行に所定距離離して配置されている。対向電極3と液体吐出ヘッド2との所定距離は、0.1〜3mm程度の範囲内で適宜設定される。
In the liquid discharge direction of the liquid L of the liquid discharge head 2, a
液体吐出装置1では、対向電極3は接地されており、常時接地電位に維持されている。そのため、静電電圧電源18から帯電用電極16に静電電圧が印加されると、ノズル10の吐出孔13の液体Lと対向電極3の液体吐出ヘッド2に対向する対向面との間に電界が生じるようになっている。また、帯電した液滴Dが基材Kに着弾すると、対向電極3はその電荷を接地により逃がすようになっている。
In the liquid ejection device 1, the
なお、対向電極3または液体吐出ヘッド2には、液体吐出ヘッド2と基材Kとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め手段が取り付けられており、これにより液体吐出ヘッド2の各ノズル10から吐出された液滴Dは、基材Kの表面に任意の位置に着弾させることが可能とされている。
The
液体吐出装置1による吐出を行う液体Lは、例えば、無機液体、有機液体又は高電気伝導率の物質(銀粉等)が多く含まれるような導電性ペーストを使用することが可能であり、導電性ペーストを液体Lとして吐出を行う場合には、前述した液体Lに溶解又は分散させる上記の銀粉等の物質が、ノズル10で目詰まりを発生するような粗大粒子を除けば、特に制限されない。
As the liquid L to be discharged by the liquid discharge apparatus 1, for example, an inorganic liquid, an organic liquid, or a conductive paste containing a large amount of a substance having high electrical conductivity (such as silver powder) can be used. When the paste is discharged as the liquid L, the above-described substances such as silver powder dissolved or dispersed in the liquid L are not particularly limited, except for coarse particles that cause clogging at the
ここで、上述したノズルプレート11に関して、以下に詳しく説明する。ノズルプレート11は、プレス成形にて薄板に穿孔されることで製造されるもので、図2は、第1の金型である上金型201及び第2の金型である下金型207を用いて基板である薄板205をプレス成形することでノズルプレート11(図2(g) 205b)を製造する工程を模式的に示しており、以下、これに沿って説明する。
Here, the
図2(a)は、薄板を穿孔するための上金型201を示している。この上金型201は、平面状にノズルを形成する突起201aを複数個設けてある。金型の材料は、後述する薄板材料である樹脂又はガラスを加熱して軟化させることが必要であることから、上述の加熱温度で薄板材料と反応することなく使用できるものであれば良く、特に限定されるものではなく、例えば、ステンレス、炭化珪素、炭素、ニッケル、超硬合金及びタングステンカーバイド等が挙げられる。
FIG. 2A shows an
次に図2(b)が示す通り、上金型201の成形面に金属膜203を設ける。この金属膜203は、ノズルプレート205bにおいて帯電用電極203aとなるものであって、この金属膜203の材料としては、アルミニウム、ニッケル、銀、金、白金、パラジウム、チタン、炭素などの電極となる導電性材料が挙げられる。これらの導電性材料は、吐出される液体により腐食等が生じることがないものを適宜選べば良く特に限定されるものではない。
Next, as shown in FIG. 2B, a
上金型201の成形面への成膜方法は、緻密な膜形成を得意とするスパッタ法が最も好ましいが、これに限ることはなく、例えば真空蒸着法としてもよい。成膜される膜厚は、概ね0.1μmから1μm程度とすれば良い。ここで、上金型201に形成される金属膜203は、後述する上金型201とノズルプレートとなる薄板との離型時に、上金型201から容易に剥がれることが必要とされることから、膜が被成膜材から容易に剥がれない様に一般に行われる、逆スパッタリング等によるクリーニング処理(表面活性化処理とも呼ぶ。)を被成膜面である上金型201の表面に行わないことが好ましい。また、金属膜203を設ける際の上金型201の温度は、後述するプレス成型時の薄板の成形温度より低くくしておくことが好ましく、例えば無加熱での膜形成が好ましく、これに関しては、後述する。
The film forming method on the molding surface of the
次に図2(c)が示す通り、下金型207の上にノズルプレート205bとなる薄板205を設ける。下金型207の材料は、上述の上金型201の材料として示したものと同じとしても良く、後述する薄板205の材料である樹脂又はガラスの成形温度以上で使用できるものであれば良く、特に限定されるものではなく、例えば、ステンレス、炭化珪素、炭素、ニッケル、超硬合金及びタングステンカーバイド等が挙げられる。薄板205は、厚みが30μmから300μm程度で、好ましい材料としては、体積抵抗率が高い高抵抗ガラスとしては、例えば石英、合成石英、ランタンシリカ系フリントガラス、硼珪酸ガラス等から適宜選べば良く、また体積抵抗率が高い高抵抗樹脂としては、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PI(ポリイミド)等が挙げられ、用途に応じて適宜選べば良い。
Next, as shown in FIG. 2C, a
上述の下金型207の上に薄板205を載せて、薄板205に上金型201のノズルを形成する突起201aが容易に侵入することができる程度に薄板205を柔らかく、且つその形状が維持される温度(以下、成形温度と称する。)に加熱する。この成形温度は、薄板205となる材料の軟化点の温度を参考に成形実験等により決定すれば良く、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)は80℃程度、硼珪酸ガラスは、成分によるが400℃から700℃程度である。加熱方法は、特に限定されるものではなく、例えば、水、油又は蒸気を下金型207の内部に循環させる方法、抵抗加熱法、光加熱法、高周波誘導加熱法等を薄板205の材料や必要な成形温度等により適宜選択すれば良い。
The
尚、成形温度が高温の場合、金型が酸化される等により劣化する場合がある。例えば、炭化珪素を材料とした金型を用いて、硼珪酸ガラスを材料とする薄板205を成形する場合、成形温度は700℃程度とする必要があり、空気中でこの加熱を行うと金型の劣化が進む場合がある。この劣化を防ぐため、加熱及び加熱した状態での成形を不活性ガスである、例えばアルゴンガスや窒素ガス雰囲気中で行うのが好ましい。
When the molding temperature is high, the mold may be deteriorated due to oxidation or the like. For example, when a
この薄板205が上述の成形温度に加熱された状態とすることで、図2(d)に示す様に、上金型201に設けてあるノズルを形成する複数個の突起201aが容易に薄板205に侵入することができる。ここで、先に説明した金属膜203を設ける際の上金型201の加熱温度は、このプレス成型時の薄板205aの成形温度より低くしておくのが好ましい。こうすることで、プレス成型時に、金属膜203が薄板205aにより強固に転写しやすくすることができる。
When the
また、上金型201の温度は、薄板205をプレス成形するために降下して薄板205に触れたとき、特に熱容量の少ないノズルを形成する突起の先端部が冷却されることで成形が困難とならない温度で且つ金型201が薄板205に融着しない温度に設定するのが良い。融着しない温度は、薄板205が溶融温度を持つ場合は、溶融温度より50℃から100℃程度低くすることが好ましく、薄板205が明確な溶融温度を持たない場合は、実験により決定しても良い。また、加熱方法は、特に限定されるものではなく、上述した内容と同様な例えば、水、油又は蒸気を上金型201の内部に循環させる方法、抵抗加熱法、光加熱法、高周波誘導加熱法等を薄板205の材料や必要な成形温度等により適宜選択すれば良い。
In addition, when the temperature of the
次に、上金型201と下金型207とで薄板205はプレス成形され、ノズルが穿孔された薄板205aとなる。この状態のまま、後述の撥液処理を行う上で都合の良い温度まで薄板205aを冷却する。冷却温度は、例えば撥液処理が蒸着法を用いる場合は、室温から80℃程度、有機溶剤による塗布であれば室温から40℃程度とするのが好ましい。また、金型から薄板205a取り外す場合は、取り扱いの観点から、室温から40℃程度とするのが好ましい。
Next, the
次に図2(e)に示す様に、下金型207を離型し、待避させ、この後、図2(f)に示す様に、薄板205aの下金型207が離型した面に撥液層209を設ける撥液処理を行う。
Next, as shown in FIG. 2 (e), the
撥液層209は、例えば、液体Lが水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体Lが油性であれば撥油性を有する材料が用いられ、例えばFEP(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン)、PTFE(ポリテトラフロロエチレン)、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が挙げられる。撥液層209の形成方法は、特に限定されるものではなく、撥液層209の材料に合わせて、塗布や蒸着等から適宜選択すれば良い。なお、撥液層209は、下金型207が離型した面に直接成膜してもよいし、撥液層209の密着性を向上させるために中間層を介して成膜しても良い。
For the
撥液処理後の状態は、図2(f)に示す通り、成形されているノズル部には、まだ上金型201のノズルを形成する突起201aが隙間なく存在していることから、撥液層209を設ける方法に関係なく薄板205aに設けたノズルの内部に撥液材料が入り込むことはない。従って、ノズルの形状を変えてしまうこともなく、ノズル内に撥液層が形成されることによる吐出液体がノズルに入りにくくなるといった問題も生じることがない。
As shown in FIG. 2 (f), the state after the liquid repellent treatment is that the
次に、例えば真空吸着により薄板205aを保持することで、上金型201より薄板205aを離型することでノズルプレート205bが得られる。この時、金属膜203は、上金型201から容易に離れ、薄板205bに転写されることができる。よって、ノズルプレートとなる薄板205bの、上金型201が離れたノズル210の内周面及びこれに続く面に金属膜203aが設けられた状態となる。また、上金型201のノズルを形成する突起201aの先端部の金属膜は、転写される相手となる部材が存在しないためそのまま上金型201に残り、この金属膜の上に形成された撥液層は、金属膜に固着されていることからそのまま金属膜上に残ることになる。
Next, the
従って、図2(g)に示す様に、ノズルプレート205bの上金型201側の面及びノズル210の内周面には、金属膜203aが設けられ、その反対側の面には撥液層209aが設けられた状態となり、ノズル210は、突起201aの形状が転写され、ノズル210の開口形状も撥液層209aの影響を受けていない所望のノズルプレート205bを得ることができる。
Therefore, as shown in FIG. 2G, the
発明者らが、図3に示す液体吐出実験装置S’を使用して電極間の電界の電界強度が実用的な値である1.5kV/mmとなるように構成し、各種の絶縁体でノズルプレート11’を形成して下記の実験条件に基づいて行った実験では、ノズル10’から液滴D’が吐出される場合と吐出されない場合があった。
[実験条件]
ノズルプレート11’の吐出面12’と対向電極3’の対向面との距離:1.0mm
ノズルプレート11’の厚さ:125μm
ノズル径:10μm
静電電圧:1.5kV
駆動電圧:20V
液体吐出実験に使用した実験用液体吐出ヘッドA’のノズル10’には4°のテーパ角を持っている。このテーパ角は、ノズル10’の断面において、吐出面12’に対する垂線から吐出面12’から離れる方向に広がる角度を示している。尚、このテーパ角は、吐出に対する影響は小さく、液滴を安定に吐出する条件への依存性は大きくないことが後で説明するシミュレーションから得られている。
The inventors configured the electric field strength of the electric field between the electrodes to be a practical value of 1.5 kV / mm using the liquid discharge experimental apparatus S ′ shown in FIG. In experiments conducted by forming the
[Experimental conditions]
Distance between discharge surface 12 'of nozzle plate 11' and facing surface of counter electrode 3 ': 1.0 mm
Nozzle plate 11 'thickness: 125 μm
Nozzle diameter: 10 μm
Electrostatic voltage: 1.5 kV
Drive voltage: 20V
The
ここで、液体吐出ヘッドにおける液体の吐出原理について図3を用いて説明する。実験用液体吐出ヘッドA’では、静電電圧電源63’から静電電圧印加手段である帯電用電極16’に静電電圧を印加し、ノズル10’の吐出孔13’の液体L’と対向電極3’の実験用液体吐出ヘッドA’に対向する対向面との間に電界を生じさせる。また、駆動電圧電源61’から圧力発生手段であるピエゾ素子22’に駆動電圧を印加してピエゾ素子22’を変形させ、それにより液体L’に生じた圧力でノズル10’の吐出孔13’に液体L’のメニスカスを形成させる。
Here, the principle of liquid ejection in the liquid ejection head will be described with reference to FIG. In the experimental liquid ejection head A ′, an electrostatic voltage is applied from the electrostatic
ノズル10’部の絶縁性が高くなると、図4にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズル10’の内部に、吐出面12’に対して略垂直方向に等電位線が並び、液体Lのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。 When the insulating property of the nozzle 10 'increases, as shown by the equipotential lines by simulation in FIG. 4, equipotential lines are arranged in the nozzle 10' in a direction substantially perpendicular to the ejection surface 12 ', and the liquid L A strong electric field is generated toward the meniscus portion.
特に、図4でメニスカスの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体L’から分離されて液滴D’となる。さらに、液滴D’は静電力により加速され、対向電極3’に支持された基材K’に引き寄せられて着弾する。その際、液滴D’は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材K’に対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。
In particular, as can be seen from the fact that the equipotential lines are dense at the tip of the meniscus in FIG. 4, a very strong electric field concentration occurs at the tip of the meniscus. For this reason, the meniscus is torn off by the electrostatic force of the electric field and separated from the liquid L ′ in the nozzle to form a droplet D ′. Further, the droplet D ′ is accelerated by the electrostatic force, and is attracted and landed on the base material K ′ supported by the
このように、実験用液体吐出ヘッドA’における液体L’の吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する実験用液体吐出ヘッドA’においても、高い絶縁性を有するノズル10’部を用い、吐出面12’に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体L’の吐出状態を形成することができる。
As described above, if the discharge principle of the liquid L ′ in the experimental liquid discharge head A ′ is used, the experimental liquid discharge head A ′ having a flat discharge surface also uses the
この液体吐出実験装置S’による実験で、液滴D’がノズルから安定に吐出されたすべての場合について、メニスカス先端部の電界強度を求めた。実際には、メニスカス先端部の電界強度を直接測定することが困難であるため、電界シミュレーションソフトウエアである「PHOTO−VOLT」(商品名、株式会社フォトン製)によるシミュレーションにより算出した。ここでの電界強度は、電流分布解析モードによる、電圧印加後300秒後の電界強度を言う。その結果、すべての場合においてメニスカス先端部の電界強度は1.5×107V/m以上であった。また、この実験において、液滴D’がノズルから安定して吐出されない場合についても、上記と同様のシミュレーションによりメニスカス先端部の電界強度を算出した。その結果、1.5×107V/m未満であった。 In the experiment using the liquid discharge experimental device S ′, the electric field strength at the tip of the meniscus was obtained for all cases where the droplet D ′ was stably discharged from the nozzle. Actually, since it is difficult to directly measure the electric field strength at the tip of the meniscus, the electric field simulation software “PHOTO-VOLT” (trade name, manufactured by Photon Co., Ltd.) was used for calculation. The electric field strength here refers to the electric field strength 300 seconds after voltage application in the current distribution analysis mode. As a result, in all cases, the electric field strength at the meniscus tip was 1.5 × 10 7 V / m or more. In this experiment, even when the droplet D ′ was not stably ejected from the nozzle, the electric field strength at the meniscus tip was calculated by the same simulation as described above. As a result, it was less than 1.5 × 10 7 V / m.
また、上記の実験条件と同様のパラメータを同ソフトウエアに入力してメニスカス先端部の電界強度を計算した結果、図5に示すように、電界強度はノズルプレート11’に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存することが分かった。
Further, as a result of calculating the electric field strength at the meniscus tip by inputting the same parameters as the above experimental conditions into the software, the electric field strength is the volume resistance of the insulator used for the
理論上、静電電圧を大きくすればノズル10’から液滴D’が吐出される可能性はある。静電電圧を大きくする場合、電極間でのスパークの発生等により基材K’が損傷される可能性が出てくることから、静電電圧を非常に大きくすることは好ましくない。 Theoretically, if the electrostatic voltage is increased, the droplet D 'may be ejected from the nozzle 10'. When the electrostatic voltage is increased, it is not preferable to increase the electrostatic voltage because the base material K ′ may be damaged due to the occurrence of sparks between the electrodes.
従って、図1に示す液体吐出ヘッド2において、ノズルプレート11をメニスカス先端部の電界強度が1.5×107V/m以上になるのが容易な高い体積抵抗率を有する樹脂又はガラスとするのが好ましく、更にメニスカス先端部の電界強度が1.5×107V/m以上になるためには、この体積抵抗率を1015Ω・m以上とするのがより好ましい。
Therefore, in the liquid discharge head 2 shown in FIG. 1, the
このような高い体積抵抗率を有する樹脂又はガラスを用いたノズルプレート11においては、実用的な範囲の静電電圧を印加することで、吐出孔13に形成される液滴のメニスカス先端部の電界強度を1.5×107V/m以上に容易にすることができ、液体の吐出が安定して行われるになる。
In the
尚、ノズルプレート11の樹脂が導電性の液体を吸収する場合、ノズルプレート11の電気伝導度が大きくなり、その結果体積抵抗率が低下する場合がある。このような場合には、ノズルプレート11の吐出される液体と接触する面に液体吸収防止層を設ければ良い。
In addition, when the resin of the
また、ノズルプレート11が薄い場合、その薄さに起因する強度不足を補う必要がある場合、例えば液体吐出ヘッドの一部を示す図6のように、ノズル径より大きい径を有する穴を備えた補助板25をノズルプレート11に貼り合わせて積層構造としても良い。補助板25の材料は、ノズルプレート11と同じ体積抵抗率の高い材料とするのが好ましい。また補助板25の製造方法は、特に限定されるものはなく、例えば樹脂であれば公知の成形方法で良く、ガラスであれば、公知のフォトリソグラフィー処理(レジスト塗布、露光、現像)及びドライエッチング技術等が挙げられる。
Further, when the
また、電界アシスト法を利用しない液体吐出ヘッドにおいては、上述の金属膜203を親水膜とすることができる。親水膜とすることで、ノズル内への吐出される液体の導入が容易となり、またノズルの開口部での吐出される液の均一な濡れにより安定した吐出の確保を容易とすることができる。上金型201に形成する親水膜としては、特に限定されるものはなく、例えばSiO2などの酸化膜が挙げらる。また、親水膜の形成方法としては、特に限定されるものはなく、例えば、公知のスパッタ法や真空蒸着法等を用いることができ、膜厚は、島状構造から膜になる0.05μm以上で、上限は特に制限されるものではないが、実用的に5μm程度が好ましく、更に製造の容易さの観点から0.1μm以上2μm以下がより好ましい。
In a liquid discharge head that does not use the electric field assist method, the
図2に沿って以下の実施例を説明する。 The following embodiment will be described with reference to FIG.
(実施例1)
ステンレス304を材料とした上金型201(平面に直径10μm、高さ0.1mmの突起が128本、50μmピッチで並んでいる形状。図2(a))の表面にスパッタ法で厚み0.3μmのニッケル膜203を成膜した(図2(b))。この時、上金型201の表面の表面活性化処理は行わなかった。また、成膜時の上金型201の温度は、無加熱での成膜とすることで室温と同程度とした。
Example 1
An
次に、厚さ0.1mmのポリエチレンテレフタレート(PET)を材料とする薄板205を、ステンレス304を材料とした下金型207の上に載せ、下金型207内部に設けてあるヒーターで、薄板205を約80℃に加熱して軟化させた(図2(c))。この成形温度は、薄板205の材料であるPETの軟化点を参考にして実験により決定した。また、上金型201の温度は、下金型207と同じ方法にて約100℃とした。
Next, a
次に、上金型201を用いて薄板205をプレス成形することによりに穿孔を行った(図2(d))。このままの状態で、薄板205を約30℃に冷却した後、下金型207を離型した(図2(e))。
Next, perforation was performed by press-molding the
次に、薄板205の下金型207が離型された側の面に、テフロン(登録商標)系撥水性有機溶剤「フロロサーフ」をスプレー塗布し、120℃で30分間乾燥させることで撥液層209を設けた(図2(f))。その後、上金型201からノズルプレート205bを真空吸着によりノズルプレート205bを保持して上金型201の突起201aに垂直な方向の力が加わらない様に離型した(図2(g))。
Next, a Teflon (registered trademark) water-repellent organic solvent “Fluorosurf” is spray-applied to the surface on which the
上述の結果、上金型201に形成されていたニッケル膜203は薄板205に転写され帯電用電極とすることができる。また、ノズルプレート205bの反対側の表面には、「フロロサーフ」による撥液層が、ノズルの内部に入り込むことなく、形成されている。
As a result, the
次にボディプレートを製造した。シリコン基板を用いて、公知のフォトリソグラフィー処理(レジスト塗布、露光、現像)及び異方性ドライエッチング技術を用いて、ノズルにそれぞれ連通する複数のキャビティとなる凹部、このキャビティにそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給溝及びこのインク供給に連通する共通インク室となる共通インク室溝、並びにインク供給口を形成した。 Next, a body plate was manufactured. Using a silicon substrate, by using a known photolithography process (resist coating, exposure, development) and anisotropic dry etching technology, a plurality of concave portions that respectively communicate with the nozzle, and a plurality of recesses that respectively communicate with the cavity. An ink supply groove serving as an ink supply path, a common ink chamber groove serving as a common ink chamber communicating with the ink supply, and an ink supply port were formed.
次に、図1に示すように、これまでに用意したノズルプレート205bとボディプレートとを接着剤を用いて貼り合わせ、更にボディプレートの各キャビティの背面に圧力発生手段であるピエゾ素子を取り付けて液滴吐出ヘッドとした。この液滴吐出ヘッドを、図1に示す液体吐出装置1の様に対向電極3に対向した位置に設置し、各ピエゾ素子と各駆動電圧電源23、静電電圧電源18と帯電用電極16、各駆動電圧電源23及び静電電圧電源18と動作制御手段4とを接続して液体吐出装置1とした。尚、対向電極3及び静電電圧電源18のマイナス端子は接地した。
Next, as shown in FIG. 1, the
静電電圧電源18から印加する静電電圧Vcを1.5kV、各ピエゾ素子に供給される各駆動電圧電源23からの駆動電圧Vdを20Vとし、エタノールに染料(CIアシッドレッド1)を3質量%含有した導電性の液体を吐出する液体として液滴吐出ヘッド2を動作させたところ、安定して吐出できることを確認した。
The electrostatic voltage Vc applied from the electrostatic
(実施例2)
本例の上金型201、下金型207、上金型201を動かすプレス機構及び高周波加熱用コイルは、周囲の外気と分離できるチャンバー内に設けた。
(Example 2)
In this example, the
炭化珪素を材料とした上金型201(平面に直径5μm、高さ0.05mmの突起が64本、30μmピッチで並んでいる形状。図2(a))の表面にスパッタ法で厚み0.1μmの金膜203を成膜した(図2(b))。この時、上金型201の表面の表面活性化処理は行わなかった。また、成膜時の上金型201の温度は、約200℃とした。
A
次に、厚さ0.05mmの硼珪酸ガラスを材料とする薄板205を、炭化珪素を材料とした下金型207の上に載せ、チャンバー内を常圧の窒素ガス雰囲気とするためチャンバー内に窒素ガスの導入を開始し、開始後約3分経過したところで、高周波誘導加熱法により、下金型207を加熱して薄板205を約680℃にして軟化させた(図2(c))。この成形温度は、薄板205の材料である硼珪酸ガラスの軟化点を参考にして実験により決定した。
Next, a
次に、上金型201をプレス成形のために降下させる際、薄板205に触れる直前に停止させ、高周波誘導加熱法により下金型207と同じ温度になるまで加熱した後、更に上金型201を降下させて薄板205をプレス成形することによりに穿孔を行った(図2(d))。穿孔後、そのままの状態で、薄板205を約30℃に冷却した後、下金型207を離型した(図2(e))。
Next, when lowering the
次に、薄板205の下金型207が離型された側の面に、テフロン(登録商標)系撥水性有機溶剤「フロロサーフ」をスプレー塗布し、120℃で30分間乾燥させることで撥液層209を設けた(図2(f))。その後、上金型201からノズルプレート205bを真空吸着によりノズルプレート205bを保持して上金型201の突起に垂直な方向の力が加わらない様に突起に平行な方向に離型した(図2(g))。
Next, a Teflon (registered trademark) water-repellent organic solvent “Fluorosurf” is spray-applied to the surface on which the
上述の結果、上金型201に形成されていた金膜203は薄板205に転写され帯電用電極とすることができる。また、ノズルプレート205bの反対側の表面には、「フロロサーフ」による撥液層209aが、吐出孔211の内部に入り込むことなく、形成されている。
As a result, the
以降、静電電圧電源18から印加する静電電圧Vcを1.5kVより高く設定した以外は、実施例1と同じとして、上述のノズルプレートを用いた液滴吐出ヘッド2を動作させたところ、安定して吐出できることを確認した。
Thereafter, the liquid droplet ejection head 2 using the nozzle plate described above was operated as in Example 1 except that the electrostatic voltage Vc applied from the electrostatic
(実施例3)
本例の上金型201、下金型207、上金型201を動かすプレス機構及び光加熱の発光部は、周囲の外気と分離できるチャンバー内に設けた。
(Example 3)
In this example, the
炭素を材料とした上金型201(平面に直径10μm、高さ0.05mmの突起が32本、50μmピッチで並んでいる形状。図2(a))の表面にスパッタ法で厚み0.1μmの白金膜203を成膜した(図2(b))。この時、上金型201の表面の表面活性化処理は行わなかった。また、成膜時の上金型201の温度は、約200℃とした。
次に、厚さ0.05mmの石英を材料とする薄板205を、炭素を材料とした下金型207の上に載せ、チャンバー内を常圧の窒素ガス雰囲気とするためチャンバー内に窒素ガスの導入を開始し、開始後約3分経過したところで、ハロゲンランプを用いた光加熱法により、下金型207を加熱して薄板205を約1580℃にして軟化させた(図2(c))。この成形温度は、薄板205の材料である石英の軟化点を参考にして実験により決定した。
Next, a
次に、上金型201をプレス成形のために降下させる際、薄板205に触れる直前に停止させ、光加熱法により下金型207と同じ温度になるまで加熱した後、更に上金型201を降下させて薄板205をプレス成形することによりに穿孔を行った(図2(d))。穿孔後、そのままの状態で、薄板205を約60℃に冷却した後、下金型207を離型した(図2(e))。
Next, when lowering the
次に、薄板205の下金型207が離型された側の面に、メルク社の撥水性蒸着材料「Evaporation substance WR1:パーフルオロアルキルシラン」を真空蒸着法で10nmの厚みに成膜して撥液層209とした(図2(f))。その後、上金型201からノズルプレート205bを真空吸着によりノズルプレート205bを保持して上金型201の突起に垂直な方向の力が加わらない様に離型した(図2(g))。
Next, a water repellent vapor deposition material “Evaporation maintenance WR1: perfluoroalkylsilane” (Merck) is formed on the surface on which the
上述の結果、上金型201に形成されていた白金膜203は薄板205に転写され帯電用電極とすることができる。また、ノズルプレート205bの反対側の表面には、「パーフルオロアルキルシラン」による撥液層209aが、吐出孔211の内部に入り込むことなく、形成されている。
As a result, the
以降、実施例1と同じとして、上述のノズルプレートを用いた液滴吐出ヘッド2を動作させたところ、安定して吐出できることを確認した。 Thereafter, as in Example 1, when the droplet discharge head 2 using the above-described nozzle plate was operated, it was confirmed that stable discharge was possible.
1 液体吐出装置
2 液体吐出ヘッド
3 対向電極
4 動作制御手段
10、210 ノズル
11、205b ノズルプレート
12 吐出面
13、211 吐出孔
16 帯電用電極
17 ノズルの内周面
18 静電電圧電源
19 ボディプレート
20 キャビティ
22 ピエゾ素子
23 駆動電圧電源
L 液体
D 液滴
K 液滴Dの着弾を受ける基材
201 上金型
201a ノズル形成用突起
203 金属膜
203a 転写された金属膜(帯電用電極)
205 薄板
205a 穿孔された薄板
207 下金型
209 撥液層
209a ノズルプレート上の撥液層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Liquid discharge apparatus 2
205
Claims (11)
前記第1の金型の成形表面に膜を設けるための膜形成工程と、
前記第2の金型に前記基板を保持するための保持工程と、
保持された前記基板を加熱するための第1の加熱工程と、
前記膜が設けられた前記第1の金型を加熱するための第2の加熱工程と、
前記基板と前記第1の金型とが加熱されている状態で、前記第2の金型に保持される前記基板に前記第1の金型の前記膜が設けられている成形面をプレスすることで前記基板に前記ノズルを成形すると共に前記膜を転写するためのプレス工程と、
前記第2の金型に保持され前記第1の金型によりプレスされている状態で、前記基板を冷却するための冷却工程と、
前記第2の金型を前記基板より離型するための第1の離型工程と、
前記基板の第2の金型が離型された面に撥液処理を行うための撥液処理工程と、
前記基板を前記第1の金型から離型するための離型工程と、を含むことを特徴とするノズルプレート製造方法。 A substrate provided between a first mold having a projection having a reversal shape of a nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole and a second mold provided to face the first mold. In a nozzle plate manufacturing method for manufacturing a nozzle plate by pressing and forming the nozzle in the thickness direction of the substrate,
A film forming step for providing a film on the molding surface of the first mold;
A holding step for holding the substrate in the second mold;
A first heating step for heating the held substrate;
A second heating step for heating the first mold provided with the film;
In a state where the substrate and the first mold are heated, the molding surface on which the film of the first mold is provided is pressed on the substrate held by the second mold. A pressing step for forming the nozzle on the substrate and transferring the film,
A cooling step for cooling the substrate while being held by the second mold and being pressed by the first mold;
A first release step for releasing the second mold from the substrate;
A liquid repellent treatment step for performing a liquid repellent treatment on the surface of the substrate from which the second mold has been released;
And a mold release step for releasing the substrate from the first mold.
前記第1の金型の成形表面に膜を設けるための膜形成工程と、
前記第2の金型に前記基板を保持するための保持工程と、
保持された前記基板を加熱するための第1の加熱工程と、
前記膜が設けられた前記第1の金型を加熱するための第2の加熱工程と、
前記基板と前記第1の金型とが加熱されている状態で、前記第2の金型に保持される前記基板に前記第1の金型の前記膜が設けられている成形面をプレスすることで前記基板に前記ノズルを成形すると共に前記膜を転写するためのプレス工程と、
前記第2の金型に保持され前記第1の金型によりプレスされている状態で、前記基板を冷却するための冷却工程と、
前記基板を前記第1の金型から離型するための離型工程と、を含むことを特徴とするノズルプレート製造方法。 A substrate provided between a first mold having a projection having a reversal shape of a nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole and a second mold provided to face the first mold. In a nozzle plate manufacturing method for manufacturing a nozzle plate by pressing and forming the nozzle in the thickness direction of the substrate,
A film forming step for providing a film on the molding surface of the first mold;
A holding step for holding the substrate in the second mold;
A first heating step for heating the held substrate;
A second heating step for heating the first mold provided with the film;
In a state where the substrate and the first mold are heated, the molding surface on which the film of the first mold is provided is pressed on the substrate held by the second mold. A pressing step for forming the nozzle on the substrate and transferring the film,
A cooling step for cooling the substrate while being held by the second mold and being pressed by the first mold;
And a mold release step for releasing the substrate from the first mold.
前記第2の金型に前記基板を保持するための保持工程と、
保持された前記基板を加熱するための第1の加熱工程と、
前記第1の金型を加熱するための第2の加熱工程と、
前記基板と前記第1の金型とが加熱されている状態で、前記第2の金型に保持される前記基板に前記第1の金型をプレスするためのプレス工程と、
前記第2の金型に保持され前記第1の金型によりプレスされている状態で、前記基板を冷却するための冷却工程と、
前記第2の金型を前記基板より離型するための第1の離型工程と、
前記基板の第2の金型が離型された面に撥液処理を行うための撥液処理工程と、
前記基板を前記第1の金型から離型するための第2の離型工程と、を含むことを特徴とするノズルプレート製造方法。 A substrate provided between a first mold having a projection having a reversal shape of a nozzle for discharging liquid as droplets from the discharge hole and a second mold provided to face the first mold. In a nozzle plate manufacturing method for manufacturing a nozzle plate by pressing and forming the nozzle in the thickness direction of the substrate,
A holding step for holding the substrate in the second mold;
A first heating step for heating the held substrate;
A second heating step for heating the first mold;
A pressing step for pressing the first mold onto the substrate held by the second mold while the substrate and the first mold are heated;
A cooling step for cooling the substrate while being held by the second mold and being pressed by the first mold;
A first release step for releasing the second mold from the substrate;
A liquid repellent treatment step for performing a liquid repellent treatment on the surface of the substrate from which the second mold has been released;
And a second release step for releasing the substrate from the first mold. A method for manufacturing a nozzle plate, comprising:
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-
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