CN100396489C - 液体喷射装置 - Google Patents

Abstract

一种用于将带电的液体溶液的液滴喷射到基材上的液体喷射装置(50)，包括：喷嘴(51)，其中它的边缘部分布置成朝向具有用于接收喷射液滴的接收表面的基材(K)，并且内径的边缘部分不大于30μm，其中液滴从该边缘部分喷射出；液体喷射装置(50)还包括向喷嘴(51)供给液体溶液的液体溶液供应装置(53)，以及用于向喷嘴(51)中的液体溶液施加喷射电压的喷射电压施加装置(35)，其中，喷射电压施加装置(35)的喷射电极(58)配备在喷嘴的后端部一侧上，并且喷嘴内通道的长度设置成至少不小于内径的十倍。

Description

液体喷射装置

技术领域

本发明涉及用于向基材喷射液体的液体喷射装置。

背景技术

用于通过根据压电元件的振动改变墨水通道的形状来喷射墨滴的压电方法，以及用于使设置在墨水通道中的热发生器加热产生气泡并且根据墨水通道中的气泡的压力变化而喷射墨滴的热方法，这些传统的喷墨记录方法都是已知的，然而，最近，例如在Tokukaihei的JP-11-277747或Tokukai的JP-2000-127410中描述的用于向墨水通道中的墨水充电以便通过墨水的静电吸引力喷射墨滴的静电吸引方法已经越来越多。

然而，上述的喷墨记录方法存在下面的问题。

(1)微小液滴形成的限制性和稳定性

因为喷嘴直径较大，所以从喷嘴喷射的液滴的形状不稳定，并且在使液滴微小化这方面受到了限制。

(2)较高的施加电压

对于喷射微小液滴而言，喷嘴的喷射口的小型化是一个重要的因素。在传统的静电吸引方法的原理中，因为喷嘴直径较大，喷嘴边缘部分的电场强度较弱，并且因此为了获得喷射液滴所需的电场强度，就需要施加较高的喷射电压(例如2000[V]左右的极高电压)。因此，为了施加高压，电压的驱动控制就变得非常昂贵。

于是，首要目的是提供一种能够喷射微小液滴的液体喷射装置。同时，第二目的是提供一种能够喷射稳定液滴的液体喷射装置。另外，第三个目的是提供一种可以喷射微小液滴并且着陆精度较高的液体喷射装置。此外，第四个目的是提供一种可以降低施加电压并且廉价的液体喷射装置。

发明内容

本发明具有将带电的液体溶液的液滴喷射到基材上的液体喷射装置结构，它包括：

包括从边缘部分喷射液滴的喷嘴的液体喷射头，并且喷嘴边缘部分的内径不大于30[μm]；

向喷嘴供给液体溶液的液体溶液供应部；和

向喷嘴中的液体溶液施加喷射电压的喷射电压施加部，

其中，喷嘴内通道的长度设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的十倍。

下文中，喷嘴直径表示边缘部分处的喷嘴内径(喷嘴边缘部分处的内径)，其中液滴从该边缘部分处喷射出。喷嘴中的液滴喷射孔的横截面形状并不局限为圆形。例如，在液体喷射孔的横截面形状是多边形、星形或其它形状的情形下，就表示截面形状的外接圆的直径不大于30[μm]。下文中，即使在给出其它的数字限制时，喷嘴直径或喷嘴边缘部分处的内径指的也是相同的。喷嘴半径表示喷嘴直径(喷嘴边缘部分的内径)长度的1/2。

在本发明中，“基材”表示接收喷射的液体溶液液滴着陆的对象，并且它的材料没有受到特别的限制。因此，例如当将上述结构应用到喷墨打印机上时，记录介质例如纸、片材等就相当于基材，并且当通过使用导电性胶来形成电路时，在其上形成电路的基底就相当于基材。

在上面的结构中，喷嘴或基材布置成使液滴着陆的接收表面朝向喷嘴的边缘部分。用于实现彼此的位置关系的布置操作可以通过移动喷嘴或者基材来执行。

然后，液体溶液通过液体溶液供应部供给液体喷射头的内部。喷嘴中的液体溶液需要处于便于执行喷射的带电状态。可以配备专门用于充电的电极来施加使液体溶液充电所需的电压。

液体溶液在喷嘴中进行充电，因此电场强度比较密集。液体溶液受到朝向喷嘴边缘部分一侧的静电力作用，因此就形成了液体溶液在喷嘴边缘部分处凸出(凸形弯液面)的状态。当静电压力超过凸形弯液面处的表面张力时，液体溶液的液滴沿垂直于基材的接收表面的方向从凸形弯液面的凸出边缘部分飞出，因此在基材的接收表面上形成液体溶液点。

在上面的结构中，已经尝试使喷嘴直径超小型化以便获得电场集中效果，然而，对于液体溶液要在喷嘴边缘部分获得更强的电场强度而言，处于带电状态的液滴优选是细长的。因此，喷嘴内部通道的长度设置得较长。基于这个观点，在考虑到比较研究得出的喷嘴内部通道长度和响应度之间的关系的结果之后，得出了如下的结论，即当喷嘴内部通道的长度设置成喷嘴内径的十倍时响应度提高。即通过使喷嘴内部通道的长度设置为不小于喷嘴内径的十倍，就可以提高小型化喷嘴处的喷射响应度。

优选喷嘴内通道的长度较长，然而，优选在考虑到制造的难度、堵塞会降低喷射的稳定性等之后选择一个值(内径的倍数)。例如，设置的上限大约为150倍。

在此，喷嘴内部通道的长度指的是在液体喷射头具有布置在喷嘴板上的喷嘴的情形下，从喷嘴板表面到喷嘴边缘的距离H(参见图12)。

此外，在本发明中，因为使用了具有传统上所没有的超小直径的喷嘴，所以通过集中喷嘴边缘部分处的电场可以使电场强度变高，这时，就感应出静电力，该静电力在至基材一侧上的镜像电荷的距离之间产生，导致液滴飞行。

因此，即使是使用小喷嘴，也可以通过比传统上考虑的电压更低的电压来执行液滴的喷射，并且即使当基材不论是由导电材料还是由绝缘材料制成时都可以非常有利地执行。

在这种情形下，即使没有朝向喷嘴边缘部分的对向电极也可以执行液滴喷射。例如，在没有对向电极的状况下在基材布置成朝向喷嘴边缘部分的情形中，当基材是导体时，就在相对于作为标准的基材接收表面与喷嘴边缘部分成平面对称的位置处感应出具有相反极性的镜像电荷，而当基材是绝缘体时，就在相对于作为标准的基材接收表面的由基材的介电常数界定的对称位置处感应出具有反极性的镜像电荷。通过喷嘴边缘部分处的感应电荷和镜像电荷之间的静电力执行液滴的飞行。

因此，可以减小装置结构中的部件数目。因此，当将本发明应用到商业上的喷墨系统中时，它可以对整个系统生产率的提高做出贡献并且可以减少成本。

然而，虽然本发明的结构可以不使用对向电极，但是同时也可以使用对向电极。当同时使用对向电极时，优选基材布置成沿着对向电极的对向表面并且对向电极的对向表面布置成垂直于液滴从喷嘴喷射出的方向，从而可以通过喷嘴和对向电极之间的电场来产生静电力，引起飞行电极。此外，通过对向电极接地，带电液滴的电荷除了向空气放出电荷之外，还可以经由对向电极释放，这样可以实现减少电荷的存储的作用。因此，同时使用对向电极可以被描述为优选的结构。

除了上述的结构之外，喷嘴内通道的长度可以设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的50倍。

在这个结构中，通过使喷嘴内通道的长度设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的50倍，可以提高响应度并且电场可以更加有效地密集从而允许喷射更小的液滴。

此外，除了上述的结构之外，喷嘴内通道的长度可以设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的100倍。

在这个结构中，通过使喷嘴内通道的长度设置成不小于内径的100倍，可以提高响应度并且可以喷射微小液滴，而且电场可以进一步有效地密集，从而能够稳定地集中喷射位置。

此外，除了上面的结构之外，喷嘴边缘部分处的喷嘴壁厚的值可以设置成不大于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径长度。

从而，喷嘴边缘表面的外径可以设置成不大于内径的三倍，这样边缘表面区域就比较小，并且边缘表面的大小可以使用喷嘴内径作为标准进行界定。因此，喷嘴边缘的外径可以根据喷嘴内径的小型化来界定。结果，可以根据喷嘴内径使喷嘴边缘部分处形成的并且向喷射方向凸出的凸形弯液面的外径小型化，这样密集电场的喷射操作更加有效地密集到弯液面边缘部分处。因此，响应度可以提高并且液滴可以比较小。

此外，喷嘴边缘部分处的喷嘴壁厚的值可以设置成不大于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径长度的1/4。

从而，喷嘴边缘表面的外径可以设置成不大于内径的1.5倍，这样边缘表面区域就比较小，并且边缘表面的大小可以使用喷嘴内径作为标准进行界定。因此，喷嘴边缘的外径可以根据喷嘴内径的小型化来界定。结果，可以根据喷嘴内径使喷嘴边缘部分处形成的并且向喷射方向凸出的凸形弯液面的外径小型化，这样密集电场的喷射操作更加有效地密集到弯液面边缘部分处。因此，响应度可以进一步提高并且液滴可以进一步变小。

此外，至少喷嘴表面的边缘部分经过拒水处理。

因此，可以形成根据喷嘴内径而定的凸形弯液面，并且由于围绕着喷嘴边缘处的喷射孔的防水性可以更加稳定地形成朝向喷射一侧成凸形的弯液面，这样密集电场的喷射操作更加有效地密集到弯液面边缘部分处。因此，响应度可以进一步提高并且液滴可以进一步变小。

此外，喷嘴的边缘表面可以包括相对于喷嘴内通道的中线倾斜的表面。

因此，液体溶液可以集中在喷射边缘部分中通过倾斜表面和喷嘴的端面形成较陡形状的一侧上，这样密集电场的喷射操作更加有效地密集到弯液面边缘部分处。因此，响应度可以进一步提高并且液滴可以进一步变小。

此外，除了上面的结构之外，喷嘴边缘表面的倾角可以处在30至45度的范围中。

上面的“倾角”表示基于倾斜表面的垂直线与喷嘴内通道的中线一致的状态定为90度这一标准所界定的角度。

如果仅仅考虑到液体溶液集中到倾斜表面的边缘部分处，就优选边缘表面向比较陡的边缘部分这个方向进一步倾斜，然而，当这个角度过于小时，很容易地从边缘部分发生放电，这样反而会减弱电场集中的效果。因此，为了避免这种情况，倾斜表面的倾角设置在30至45度的范围内，这样可以进一步提高响应度并且液滴可以进一步变小，而没有减弱电场的密集效果。

此外，除上述的结构之外，喷嘴直径也可以小于20[μm]。

因此，电场强度分布变得较窄。因此，电场可以进行密集。结果是可以形成微小液滴并且稳定液滴的形状，而且减少总的施加电压。液滴在从喷嘴中喷射出之后就在电场和电荷之间的静电力的作用下加速。然而，随着液滴离开喷嘴电场迅速地减小。因此，之后，液滴速度由于空气阻力而减小。然而，在密集电场中的微小液滴在接近对向电极时会在镜像力的作用下加速。通过平衡空气阻力的减速和镜像力的加速，微小液滴可以稳定地飞行并且着陆精度可以提高。

此外，喷嘴内径可以不大于10[μm]。

因此，电场可以进一步密集，这样液滴可以进一步变小并且在飞行时与对向电极距离的变化对电场强度分布的影响减小。结果，就减少了对向电极的位置精度或基材的特性或厚度对液滴形状或着陆精度的影响。

此外，喷嘴内径可以不大于8[μm]。

因此，电场可以进一步密集，这样液滴可以进一步变小并且在飞行时与对向电极距离的变化对电场强度分布的影响减小。结果，就减少了对向电极的位置精度或基材的特性或厚度对液滴形状或着陆精度的影响。

此外，随着电场集中的程度变高，电场交互干扰的影响这个问题减小从而允许具有密度更高地布置喷嘴，其中当使用多个喷嘴以高密度布置喷嘴时就存在这个问题。

此外，喷嘴内径可以不大于4[μm]。使用这种结构，电场可以显著地密集，使得最大电场强度变高，并且液滴可以是较小的而且具有稳定的形状，还可以增大液滴的初始速度。因此，提高了飞行稳定性，结果进一步提高了着陆精度和喷射响应度。

此外，随着电场集中的程度变高，电场交互干扰的影响这个问题减小从而允许密度更高地布置喷嘴，其中当使用多个喷嘴以高密度布置喷嘴时就存在这个问题。

此外，喷嘴内径可以优选大于0.2[μm]。通过使喷嘴的内径大于0.2[μm]，可以提高液滴的充电效率。因此，喷射稳定性提高。

此外，喷射电压施加部的喷射电极可以配备在喷嘴的后端部一侧上。

因此，喷射电极位于喷嘴内通道的上游边缘部分附近，这样喷射电极可以远离用于喷射液体溶液的边缘部分。因此，可以减小电势连续变化的喷射电极的干扰影响并且可以稳定地喷射液体溶液。

此外，在上述的每个结构中，优选喷嘴使用电绝缘材料形成，并且用于施加喷射电压的电极插入到喷嘴中或者形成能起电极作用的镀层。

此外，优选喷嘴使用电绝缘材料形成，并且用于施加喷射电压的电极插入到喷嘴中或者形成能起电极作用的镀层，并且用于喷射的电极设置在喷嘴外部。

用于在喷嘴外部喷射的电极例如设置在喷嘴边缘部分一侧的端面处或者喷嘴边缘部分一侧的整个圆周或部分端面处。

此外，除了上述结构的操作效果之外，还可以提高喷射力。因此，即使当使喷嘴直径进一步减小时也可以使用低压进行液滴喷射。

此外，优选基材使用导电材料或绝缘材料形成。

另外，优选施加的喷射电压在由下式(1)所描述的范围中驱动。

$h\sqrt{\frac{\mathrm{\γ\π}}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}d}}>V>\sqrt{\frac{\mathrm{\γkd}}{2{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(1\right)$

其中，γ：液体溶液的表面张力[N/m]，ε₀：电常量[F/m]，d：喷嘴直径[m]，h：喷嘴和基材之间的距离[m]，k：取决于喷嘴形状的比例常数(1.5＜k＜8.5)。

此外，优选施加的喷射电压不大于1000伏。

通过这样来设置喷射电压的上限，就可以很容易地进行喷射控制，并且通过改善装置的耐久性和安全性措施很容易地提高可靠性。

此外，优选施加的喷射电压不大于500伏。

通过这样来设置喷射电压的上限，就可以更容易地进行喷射控制，并且通过进一步改善装置的耐久性和安全措施来进一步提高可靠性。

此外，喷嘴和基材之间的距离不大于500[μm]，因为这样即使当使喷嘴直径变小时也可以获得较高的着陆精度。

此外，优选在结构中压力施加到喷嘴中的液体溶液上。

此外，当在单一脉冲处执行喷射时，可以施加不小于由下面的公式(2)所确定的时间常数τ的脉冲宽度Δt。

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\σ}}---\left(2\right)$

其中，ε：液体溶液的介电常数[F/m]，σ：液体溶液的传导率[S/m]。

附图说明

图1A的视图显示了电场强度分布，其中喷嘴直径为Φ0.2[μm]并且喷嘴至对向电极的距离设置为2000[μm]，图1B显示了喷嘴至对向电极的距离设置为100[μm]时的电场强度分布视图；

图2A的视图显示了电场强度分布，其中喷嘴直径为Φ0.4[μm]并且喷嘴至对向电极的距离设置为2000[μm]，图2B显示了喷嘴至对向电极的距离设置为100[μm]时的电场强度分布视图；

图3A的视图显示了电场强度分布，其中喷嘴直径为Φ1[μm]并且喷嘴至对向电极的距离设置为2000[μm]，图3B显示了喷嘴至对向电极的距离设置为100[μm]时的电场强度分布视图；

图4A的视图显示了电场强度分布，其中喷嘴直径为Φ8[μm]并且喷嘴至对向电极的距离设置为2000[μm]，图4B显示了喷嘴至对向电极的距离设置为100[μm]时的电场强度分布视图；

图5A的视图显示了电场强度分布，其中喷嘴直径为Φ20[μm]并且喷嘴至对向电极的距离设置为2000[μm]，图5B显示了喷嘴至对向电极的距离设置为100[μm]时的电场强度分布视图；

图6A的视图显示了电场强度分布，其中喷嘴直径为Φ50[μm]并且喷嘴至对向电极的距离设置为2000[μm]，图6B显示了喷嘴至对向电极的距离设置为100[μm]时的电场强度分布视图；

图7的图表显示了在图1至图6的每个状态下最大的电场强度；

图8的图形显示了喷嘴的喷嘴直径与最大电场强度之间的关系以及弯液面处的强电场区域；

图9的图形显示了喷嘴的喷嘴直径、弯液面的喷射液滴开始飞行时的喷射起动电压、初始喷射液滴的瑞利极限处的电压值和喷射起动电压与瑞利极限电压的比之间的关系；

图10的图表描绘了喷嘴直径和弯液面处的强电场区域之间的关系；

图11是沿着第一实施例中的液体喷射装置的喷嘴剖开的剖视图；

图12的解释图显示了喷嘴的边缘部分处的每个尺寸；

图13A的解释图显示了喷嘴边缘部分处的拒水处理状态，并且图13B的解释图显示了拒水处理的另一个实例；

图14A的解释图是在没有执行喷射的状态下液体溶液的喷射操作和施加到液体溶液上的电压之间的关系，并且图14B的解释图显示了喷射状态；

图15的解释图显示了在边缘处配备有倾斜表面的另一个喷嘴的实例；

图16A显示了在液体溶液室一侧提供了圆度的喷嘴内通道形状的实例的局部剖开透视图，图16B显示了具有内表面为锥形圆周表面的喷嘴内通道形状的实例的局部剖开透视图，并且图16C显示了将锥形圆周表面和线状通道组合的喷嘴内通道形状的实例的局部剖开透视图；

图17的图表显示了在改变喷嘴每个部分的尺寸的预定情况下进行比较研究所得的结果；

图18的图表显示了在改变喷嘴每个部分的尺寸的预定情况下进行比较研究所得的结果；

图19的视图用于描述本发明实施例的喷嘴的强度的计算；

图20是作为本发明的一个实例的液体喷射装置的侧面剖视图；并且

图21的视图用于根据本发明实施例的液体喷射装置中的距离-电压关系描述喷射条件。

具体实施方式

在下文的每个实施例中描述的液体喷射装置的喷嘴直径优选不大于30[μm]，进一步优选小于20[μm]，再进一步优选不大于10[μm]，再进一步优选不大于8[μm]，再进一步优选不大于4[μm]。而且喷嘴直径优选大于0.2[μm]。下文中，有关喷嘴直径和电场强度之间的关系将参照图1A至图6B来描述。与图1A至图6B与对应地显示了在喷嘴直径为Φ0.2、0.4、1、8和20[μm]的情形下以及作为参考的传统上使用的喷嘴直径为Φ50[μm]的情形下的电场强度分布。

这里，在图1A至图6B中，喷嘴中心位置C表示在喷嘴边缘处的液体喷射孔的液体喷射表面的中心位置。另外，图1A、图2A、图3A、图4A、图5A和图6a表示当喷嘴和对向电极间的距离设置在2000[μm]时的电场强度分布，而图1B、图2B、图3B、图4B、图5B和图6B表示当喷嘴和对向电极间的距离设置在100[μm]时的电场强度分布。在此，在每种情况下施加电压都设置为恒值200[V]。图1A至图6B的分布线表示从1×10⁶V/m至1×10⁷[V/m]的电荷强度范围。

图7显示了表示在每种情况下的最大电场强度的图表。

根据图5A和图5B可以理解：如果喷嘴直径不小于Φ20[μm]，那么电场强度分布就会扩展到较大的区域。另外，根据图7的图表可以理解：喷嘴和对向电极之间的距离对电场强度有影响。

从这些可以看出，当喷嘴直径不大于Φ8[μm](见图4A和图4B)时，电场强度很密集并且与对向电极的距离的变化对电场强度分布几乎没有影响。因此，当喷嘴直径不大于Φ8[μm]时，就可以执行稳定喷射，而不会受到对向电极的位置精度、基材特性和厚度不均匀的影响。其次，图8中显示了在液位处于喷嘴的边缘位置时，喷嘴的喷嘴直径和最大电场强度以及强电场区域之间的关系。

根据如图8所示的曲线图可以理解，当喷嘴直径不大于Φ4[μm]时，电场集中增长得非常大，并且形成了最大的电场强度。因此，由于能够使液体溶液的初始喷射速度较大，因而液滴的飞行稳定性增大并且在喷嘴边缘部分处电荷的移动速度提高，所以提高了喷射响应度。

下面将接着描述可充到喷射液滴上的最大电荷量。在考虑到液滴的瑞利分裂(瑞利极限)的情况下，可充到液滴上的电荷量由下面的公式(3)所示。

$q=8\×\mathrm{\π}\×\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_0\×\mathrm{\γ}\×\frac{d_0^3}{8}}---\left(3\right)$

其中q是给出瑞利极限的电荷量[C]，ε₀是电常数[F/m]，γ是液体溶液的表面张力[N/m]，d₀为液滴的直径[m]。

通过上述的公式(3)计算得到的电荷量q越接近瑞利极限值，静电力就变得越大，甚至是在相同的电场强度中，因此就提高了喷射稳定性。然而，当它太接近瑞利极限值时，相反地液体溶液在喷嘴的液体喷射开口处发生分散而且喷射缺乏稳定性。

图9的曲线图显示了喷嘴的喷嘴直径、喷嘴边缘部分处的喷射液滴开始飞行时的喷射起动电压、初始喷射液滴的瑞利极限处的电压值和喷射起动电压与瑞利极限电压的比之间的关系。

从如图9所示的曲线图可以看出，在喷嘴直径从Φ0.2[μm]到Φ4[μm]的范围内，喷射起动电压与瑞利极限电压值的比超过了0.6，并且获得了液滴充电效率的有利结果。因此，可以理解在这个范围内能够执行稳定的喷射。

例如，在如图10所示的在喷嘴边缘部分处喷嘴直径与强电场(不小于1×10⁶[V/m])区域之间的关系表示的曲线图中，显示出当喷嘴直径不大于Φ0.2[μm]时电场集中区域就变得非常窄。因此显示出了如下的情况：即喷射液滴不能充分地接收用于加速的能量并且飞行稳定性减小。因此，优选喷嘴直径设置为大于Φ0.2[μm]。

[第一实施例]

(液体喷射装置的整体结构)

下面将参照图11至图14描述液体喷射装置。图11是沿着后面将描述的喷嘴51剖开的液体喷射装置50的剖视图。

液体喷射装置50配备在喷嘴板56d上，它包括：具有超小直径的用于从它的边缘部分喷射可充电的液体溶液液滴的喷嘴51，具有面向喷嘴51边缘部分的面对表面并且支撑用于接收面对表面处的液滴的基材K的对向电极23，用于向喷嘴51中的通道52供给液体溶液的液体溶液供应部53，用于向喷嘴51中的液体溶液施加喷射电压的喷射电压施加部35，以及用于抽吸喷嘴51中的液体溶液的液体溶液抽吸段40。上述的喷嘴51、液体溶液供应部53的局部结构和喷射电压施加部35的局部结构整体地形成液体喷射头。

为了便于描述，在图11中显示了喷嘴51的边缘部分朝上并且对向电极23设置在喷嘴51上方的状态。然而，实际上，通常是这样来使用这个装置的，即喷嘴51朝向水平方向或低于水平方向的方向，进一步优选喷嘴51朝向垂直向下的方向。

(液体溶液)

作为通过上述液体喷射装置20喷射的液体溶液的例子，包括作为无机液体的水、COCl₂、HBr、HNO₃、H₃PO₄、H₂SO₄、SOCl₂、SO₂Cl₂、FSO₂H等。作为有机液体，有醇类，例如甲醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、2-甲基-1-丙醇、叔丁醇、4-甲基-2-戊醇、苯甲醇、α-萜品醇、乙二醇、甘油、二甘醇、三甘醇等；酚类，例如苯酚、邻甲酚、间甲酚、对甲酚等；醚类，例如双环氧乙烷(dioxiane)、糠醛、乙二醇二甲醚、甲基溶纤剂、乙基溶纤剂、丁基溶纤剂、乙基卡必醇、丁基卡必醇、丁基卡必醇乙酸酯、环氧氯丙烷等；酮类，例如丙酮、甲基乙基酮、2-甲基-4-戊酮、苯乙酮等；脂肪酸类，例如甲酸、乙酸、二氯乙酸酯、三氯乙酸酯等；酯类，例如甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸3-甲氧基丁酯、乙酸正戊酯、丙酸乙酯、乳酸乙酯、苯甲酸甲酯、丙二酸二乙酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、乙酸溶纤剂、丁基卡必醇乙酸酯、乙酰乙酸乙酯、氰基乙酸甲酯、氰基乙酸乙酯等；含氮化合物类，例如硝基甲烷、硝基苯、乙腈、丙腈、丁二腈、戊腈、苄腈、乙胺、二乙胺、乙二胺、苯胺、N-甲基苯胺、N，N-二甲基苯胺、邻甲苯胺、对甲苯胺、哌啶、吡啶、α-甲基吡啶、2，6-二甲基吡啶、喹啉、丙二胺、甲酰胺、N-甲基甲酰胺、N、N-二甲基甲酰胺、N、N-二乙基甲酰胺、乙酰胺、N-甲基乙酰胺、N-甲基丙酰胺、N，N，N′，N′-四甲基脲、N-甲基吡咯烷酮等；含硫化合物类，例如二甲基亚砜、环丁砜等；烃类，例如苯、对异丙基苯甲烷、萘、环己基苯、环己烯等；卤代烃类，例如1，1-二氯乙烷、1，2-二氯乙烷、1，1，1-三氯乙烷、1，1，1，2-四氯乙烷、1，1，2，2-四氯乙烷、五氯乙烷、1，2-二氯乙烯(顺式)、四氯乙烯、2-氯丁烷、1-氯-2-甲基丙烷、2-氯-2-甲基丙烷、溴化甲烷、三溴甲烷、1-溴丙烷等。另外，所提到的每种液体的两种或更多种可以进行混合而用作液体溶液。

另外，使用了其中包含了大部分具有较高导电性(银颜料等)材料的导电性胶，并且在执行喷射的情形下，对于将溶解或分散到上述液体中的目标材料并不进行特别的限制，其中它们不包括会导致喷嘴堵塞的粗粒。例如作为荧光材料的PDP、CRT、FED等作为传统上已知的材料也可以使用，而没有任何特定的限制。例如作为红色荧光材料，有(Y，Gd)BO₃:Eu、YO₃:Eu等，还可以列举作为红色荧光材料的Zn₂SiO₄:Mn、BaAl₁₂O₁₉:Mn、(Ba、Sr、Mg)O·α-Al₂O₃:Mn等，作为蓝色荧光材料的有BaMgAl₁₄O₂₃:Eu、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu等。为了使上述目的材料牢固粘附在记录媒体上，优选添加多种类型的粘合剂。作为被使用的粘合剂，例如纤维素和它的衍生物，例如乙基纤维素、甲基纤维素、硝基纤维素、乙酸纤维素和羟乙基纤维素等；醇酸树脂；(甲基)丙烯酸酯树脂和它的金属盐，例如polymethacrytacrylate、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸2-乙基己酯-甲基丙烯酸共聚物、甲基丙烯酸月桂酯-甲基丙烯酸2-羟基乙酯共聚物等；聚(甲基)丙烯酰胺树脂，例如聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚-N，N-二甲基丙烯酰胺等；苯乙烯树脂例如聚苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯共聚物、苯乙烯-马来酸盐共聚物、苯乙烯-异戊二烯共聚物等；多种饱和或不饱和的聚酯树脂；聚烯烃树脂，例如聚丙烯等；卤代聚合物，例如聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯等；乙烯类树脂，例如聚乙酸乙烯酯、氯乙烯-聚乙酸乙烯酯共聚物等；聚碳酸酯树脂；环氧树脂；聚氨酯树脂；聚缩醛树脂，例如聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩乙醛等；聚乙烯树脂，例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物树脂等；酰胺树脂，例如苯胍胺等；尿素树脂；蜜胺树脂；聚乙烯醇树脂和它的阴离子阳离子退化物(degeneration)；聚乙烯基吡咯烷酮和它的共聚物；环氧烷均聚物、共聚物和交联物，例如聚环氧乙烷、聚环氧乙烷羧酸酯等；聚烷撑二醇，例如聚乙二醇、聚丙二醇等；聚醚多元醇；SBR、NBR乳胶；糊精；海藻酸钠；天然或半合成的树脂，例如明胶和它的衍生物、酪蛋白、木槿木薯(hibiscus manihot)、黄蓍胶、支链淀粉、阿拉伯树胶、刺槐豆胶、瓜耳树胶、胶质、角叉菜胶、胶、白蛋白、多种类型的淀粉、玉米淀粉、海芋根、富诺林、琼脂、大豆蛋白等；萜烯树脂；酮树脂；松香和松香酯；聚乙烯基甲基醚、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸盐、聚乙烯磺酸盐等可以使用。这些树脂不仅能够用作均聚物，而且能够在相互可溶的范围内进行掺合使用。

(喷嘴)

上方的喷嘴51与后面将描述的喷嘴板56c整体地形成，并且配备成相对于喷嘴板56c的平板表面垂直地竖立着。另外，在喷射液滴的时候，喷嘴51垂直地朝向基材K的接收表面(液滴着陆的表面)。另外，从它的边缘部分沿着喷嘴中心穿入的喷嘴内通道52形成在喷嘴51中。

参照图12至图13将更详细地描述喷嘴51。图12的解释图描述了喷嘴51的边缘部分处的每个尺寸，图13A的解释图显示了喷嘴51的边缘部分处的拒水处理状态，并且图13B的解释图显示了拒水处理的另一个实例。

在喷嘴51中，它的边缘部分和喷嘴内通道52的开口直径是均匀的。如所提到的那样，这些形成超小的直径，并且优选不大于30[μm]，进一步优选小于20[μm]，再进一步优选不大于10[μm]，再进一步优选不大于8[μm]，再进一步优选不大于4[μm]。如下作为每个部分的尺寸的一个具体实例，从喷嘴的边缘部分沿着整个长度上喷嘴的内通道52的内径D_I设置为1[μm]，从而由于喷嘴的超小型化可以来执行电场的密集。在喷嘴边缘部分处喷嘴的外径D_O设置为2[μm]，在喷嘴51的边缘部分处管的壁厚t设置为0.5[μm]，这个壁厚小于内径D_I的长度从而使喷嘴51的边缘表面小型化，由此使得边缘部分处形成的液体溶液的凸形弯液面的外径小型化。为了进一步使喷嘴51的边缘表面小型化，值t可以设置为不大于内径D_I的1/4(例如0.2[μm])。

喷嘴51根部的直径D_max为5[μm]，并且喷嘴的圆周表面形成锥形。

喷嘴直径优选大于0.2[μm]。喷嘴21的高度可以是0[μm]。

另外，喷嘴51的高度(从后面将描述的上表面层56c的喷射侧的平面伸出的高度)设置为100[μm]，并且形成无限地接近圆锥形的圆锥梯形。因为喷嘴内通道52配备成穿透喷嘴51以及位于它下面的喷嘴板56c的扁平部分，所以通过使喷嘴51的高度设置为上面的值，喷嘴内通道52的通道长度变得不小于100[μm]。这样，通过使喷嘴内通道52的通道长度设置成不小于喷嘴边缘部分处的喷嘴内径的10倍、优选不小于50倍并且进一步优选不小于100倍，从密集电场接收的喷射力就可以更加有效地集中在喷嘴51的边缘部分。

整个喷嘴51和喷嘴板56c使用作为绝缘材料的玻璃制成，并且通过毫微微秒激光器形成图中的形状和尺寸。

如图13A所示，防水涂层51a在不包括喷嘴51的通道52的边缘表面上形成。防水涂层51a例如可以通过无定形碳沉积形成。而且，如图13b所示，防水涂层51a不仅在喷嘴51的边缘部分上形成，而且可以在喷嘴51的整个表面上形成。

喷嘴内通道52的形状也可以不线性地形成如图11所示的具有恒值的内径。例如如图16A所示，它可以形成如下的样式，即在喷嘴内通道52的液体溶液室54一侧的边缘部分处的剖面形状具有圆度，其中液体溶液室54将在后面进行描述。另外，如图16B所示，喷嘴内通道52的液体溶液室54一侧的端部处的内径可以设置成大于喷射侧端部的内径，并且喷嘴内通道52的内表面可以形成锥形的圆周表面的形状。另外，如图16C所示，只是喷嘴内通道52的液体溶液室54一侧的端部形成锥形的圆周表面的形状，而关于锥形圆周表面的喷射端部一侧可以线性地形成具有恒值的内径。

(液体溶液供应部)

液体溶液供应部53设置在位于液体喷射头26内并位于喷嘴51根部的位置上，它包括连通至喷嘴内通道52的液体溶液室54、用于将液体溶液从未示出的外部液体溶液槽引导到液体溶液室54中的供给通道57。

上述的液体溶液槽位于比喷嘴板56高的位置上，以便通过溶液自己的重量使用中等的压力向液体溶液室54供给液体溶液。

如上所述，可以通过利用液体喷射头56和供给槽的配置位置之间的压力差来执行液体溶液的供给，然而，也可以用供给泵来供给液体溶液。在这种情形下，供给泵向喷嘴51的边缘部分供给液体溶液，并且在将供给压力保持在使得不会从边缘部分发生泄漏的范围内的同时执行液体溶液的供给。虽然它基本上取决于泵系统的设计，但是当在起动时间向液体喷射头56供给液体溶液时，供给泵就进行操作，从液体喷射头56喷射液体，并且据此执行液体溶液的供给，同时通过毛细管和形成凸形弯液面的段以及每个供给泵的压力来优化液体喷射头56中的容量变化。

(喷射电压施加部)

喷射电压施加部35包括喷射电极58，喷射电极58用于在喷嘴板56中的喷嘴51的后端侧处施加喷射电压，即在液体溶液室54和喷嘴内通道52之间的边界位置处；喷射电压施加部35还包括用于始终向这个喷射电极58施加直流偏压的偏流电源30以及喷射电压电源31，该喷射电压电源31通过偏压向喷射电极58施加喷射脉冲电压，其中叠加的该偏压是用于喷射的电势。

上述的喷射电极58直接与液体溶液室54中的液体溶液接触，便于向液体溶液充电并且施加喷射电压。

喷射电极58布置在喷嘴板表面中位于喷嘴51的后端部(与边缘部分相对的端部)一侧上以便尽可能地与边缘部分隔开，这样就可以减小由于施加的喷射脉冲电压的快速变化等而对喷嘴边缘部分造成的影响。

对于偏电源30通过始终在不会执行液体溶液的喷射的范围内施加电压而提供的偏压而言，在喷射时施加的电压的宽度初步减小，并且因此喷射时的响应度提高。

仅仅当执行液体溶液的喷射时，喷射电压电源31才输出脉冲电压并且通过叠加到输出始终为恒值的偏压上而施加给喷射电极58。设置脉冲电压值使得这时叠加的电压V满足下面的公式(1)的条件。

$h\sqrt{\frac{\mathrm{\γ\π}}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}d}}>V>\sqrt{\frac{\mathrm{\γkd}}{2{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(1\right)$

其中，γ：液体溶液的表面张力[N/m]，ε₀：电常量[F/m]，d：喷嘴直径[m]，h：喷嘴和基材之间的距离[m]，k：取决于喷嘴形状的比例常数(1.5＜k＜8.5)。

作为一个实例，施加的偏压为直流300[V]，并且施加的脉冲电压为100[V]。因此，在喷射时叠加的电压为400[V]。

(液体喷射头)

液体喷射头56包括在图11中置于最低层的基底层56a、置于基底层56a顶上并且形成液体溶液的供给通道的通道层56b以及进一步在这个通道层56b顶上形成的喷嘴板56c。上述的喷射电极58插入到通道层56b和喷嘴板56c之间。

上述的基底层56a由硅基板、高绝缘树脂或陶瓷形成，在它上面形成了光阻层，并且除了与供给路径57和液体溶液室54对应的这部分之外，其它部分的光阻层使用绝缘树脂层通过显影、曝光和溶解供给路径57和液体溶液室54的样式被除去，并且在除去部分形成了绝缘树脂层。这个绝缘树脂层用作通道层56b。然后，喷射电极58形成于这一镀有导电元件(例如NIP)的绝缘树脂层的上表面上以形成喷射电极58，并且在喷射电极58顶上进一步形成由如上所述的毫微微秒激光器处理的玻璃材料形成的喷嘴板56c。

然后，除去与供给通道57和液体溶液室54的样式对应的可溶树脂层，并且供给通道57和液体溶液室54连通。最后，在喷嘴51的边缘部分处执行无定形碳的沉积来形成防水涂层51a，因此完成了喷嘴板56c的制造。

具体说来，喷嘴板56c和喷嘴51的材料可以是半导体，例如Si等，也可以是导电材料，例如Ni、SUS等，还可以是除绝缘材料之外的其它材料，例如环氧树脂、PMMA、苯酚或钠玻璃。然而，在由导电材料形成喷嘴板56c和喷嘴51的情形下，至少喷嘴51的边缘部分的边缘部分边缘表面处，进一步优选边缘部分的圆周表面处优选配备由绝缘材料构成的涂层。这是因为，在向液体溶液施加喷射电压的时候，通过由绝缘材料形成喷嘴51或在它的边缘部分表面形成绝缘材料涂层，可以有效地抑制电流从喷嘴边缘部分泄漏到对向电极53。

(对向电极)

对向电极23包括垂直于喷嘴51的伸出方向的面对表面，并且它沿着面对表面支撑基材K。作为一个实例，从喷嘴51的边缘部分至对向电极23的面对表面的距离设置为100[μm]。

另外，因为这个对向电极23接地，所以它始终保持地电势。因此，在施加脉冲电压的时候，通过喷嘴51的边缘部分和面对表面之间产生的电场的静电力喷射的液滴被导向对向电极23一侧。

因为液体喷射装置50根据喷嘴51的超小型化通过增强喷嘴51边缘部分处的电场集中来增强电场强度以便喷射液滴，所以没有对向电极23的导向作用也可以喷射液滴。然而，优选通过喷嘴51和对向电极23之间的静电力来执行导向。另外，可以通过使对向电极23接地来为带电的液滴放电。

(液体喷射的微小液滴喷射操作)

下面将参照图14A至图14B来描述液体喷射装置50的操作。图14A和图14B是与施加到液体溶液上的电压之间的关系，其中图14A示出了没有执行喷射的状态，而图14B示出了喷射状态。

该状态为液体溶液已经供给喷嘴内通道52中的状态，并且在这种状态下，偏压通过偏电源30经由喷射电极58施加到液体溶液上。在这种状态下，液体溶液为充电的，并且在液体溶液中以凹入形式凹进去的弯液面在喷嘴51的边缘部分处形成(图14A)。

当由喷射电压电源31来施加喷射脉冲电压时，液体溶液由喷嘴51边缘部分处的密集电场的电场强度产生的静电力导向喷嘴51的边缘部分这一侧，形成了向外凸出的凸形弯液面，并且电场集中在凸形弯液面的顶部，最后，微小液滴挣脱克服液体溶液的表面张力喷射到对向电极这一侧上(参见图14B)。

因为上述的液体喷射装置50通过具有传统上所没有的小直径的喷嘴51喷射液滴，所以电场通过喷嘴内通道52中处于充电状态下的液体溶液进行密集，并且因此增强了电场强度。因此，现在可以使用比传统电压低的电压通过具有小直径例如100[μm]内径的喷嘴进行液体溶液的喷射，这个内径在传统上基本上被视为不可能，因为对于具有的结构不能执行电场的密集的喷嘴而言，用于喷射所需的电压会变得过高。

然后，因为它是小直径，所以由于喷嘴的低导电性就能够很容易地实现对减少每个单位时间的喷射量的控制，并且根据上述的每个条件在没有使脉冲宽度变窄的情况下使用充分小的液滴直径0.8[μm]实现液体溶液的喷射。

另外，因为喷射的液滴是带电的，所以尽管它是微小液滴，也仍然减小了蒸汽压并且抑制了蒸发，并且因此减小了液滴质量的损失。因此，实现了飞行的稳定性并且防止了液滴着陆精度的降低。

此外，在液体喷射装置50中，喷嘴内通道的长度设置成不小于内径的100倍，这样电场可以进一步有效地密集，因此可以提高对液滴喷射的响应度并且喷射液滴可以变小，而且喷射位置还可以更加稳定地密集。

此外，在喷嘴51的边缘部分处管的壁厚设置的长度不大于内径D_I，这样喷嘴51边缘表面的外径不大于内径的三倍。因此，通过使凸形弯液面变小可以使集中电场的喷射操作更有效地集中在弯液面边缘部分处，因此响应度提高并且液滴变小。

另外，因为防水涂层51a形成在喷嘴51表面的边缘表面上，所以可以形成与喷嘴51的内径相对应的凸形弯液面。因此，通过使凸形弯液面变小可以使集中电场的喷射操作更有效地集中在弯液面边缘部分处，因此响应度提高并且液滴变小。在这种情形下，通过使喷嘴51的壁厚t变薄来使凸形弯液面变小的意义不大。然而，甚至在这种情形下，如果液体溶液在防水涂层51a上扩展扩散，该扩展也可以在边缘表面的范围内，因此具有在两个步骤中保持使凸形弯液面变小的作用。

(其它喷嘴)

就喷嘴51的边缘形状而言，如图15所示，喷嘴51的边缘表面相对于喷嘴内通道52的中线可以是倾斜表面51b。边缘表面51b倾角θ(在其中倾斜表面51b中的与喷嘴内通道的中线一致的垂直线定义为90度这个状态下)优选在30-45[°]的范围内，并且在此设置为40[°]。通过上述一样使喷嘴51的边缘表面作为该角度范围内的倾斜表面51b，液体溶液可以通过倾斜表面51b密集到喷射边缘部分这一侧，而没有由于放电而损坏电场集中的效果。因此，在弯液面边缘部分处可以更加有效地实现通过密集电场执行喷射操作的密集，因此响应度提高并且液滴变小。

(其它)

为了使喷嘴51获得电湿效果，可以在喷嘴51的圆周处配备电极，或者可以在喷嘴内通道52的内表面处配备电极并且用绝缘薄膜覆盖在它上面。然后，通过对这个电极施加电压，就可以相对于液体溶液增强喷嘴内通道52内表面的润湿性，其中电压根据电湿效果由喷射电极58施加到液体溶液上，因此可以平稳地向喷嘴内通道52供给液体溶液，从而可以优选执行喷射而且提高了喷射的响应度。

[喷嘴的比较研究1]

下面将说明比较研究的结果，其中是使用与上述液体喷射装置50大约相同的液体喷射装置在预定条件下通过改变喷嘴每个部分的大小来进行比较研究的。图17是显示了比较研究的结果的图表。对八种研究对象进行了比较研究，其中使用毫微微秒激光器使用玻璃材料进行处理，使喷嘴板上表面(包括喷嘴)的各个值D_I、D_O、D_max和H(参见图12)为下面的大小。

No.1

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝1[μm]

No.2

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝9[μm]

No.3

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝10[μm]

No.4

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝49[μm]

No.5

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝50[μm]

No.6

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝51[μm]

No.7

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝99[μm]

No.8

D_I＝1[μm]，D₀＝2[μm]，D_max＝5[μm]，H＝100[μm]

上述条件之外的其它结构与第一实施例中示出的液体喷射装置50相同。即，使用具有喷嘴内通道的内径和喷射开口为1[μm]的喷嘴。

另外，驱动条件为：(1)喷射液滴取样为用于1[kHz]喷射的触发信号的脉冲电压频率的100倍，(2)喷射电压：偏压为300[V]并且喷射脉冲电压为100[V]，(3)从喷嘴边缘至对向电极的距离为100[μm]，(4)液体溶液是水，其性能如下，粘度：8[cP](8×10^-2[Pa/S])，电阻率：10⁸[Ωcm]，表面张力：30×10^-3[N/m]，(5)基底构件是玻璃板。

通过立体显微镜和数码相机在上述条件下提取图像，并且评估了精密度和均匀度。该评估是在五个等级上进行的，其中五显示了最好的均匀度。

根据结果，当喷嘴高度H为10[μm]即内径的十倍时，可以使喷射液滴直径小到1[μm]即等于喷嘴内径，并且观察到均匀度提高到三等级。

另外，当喷嘴高度H为50[μm]即内径的50倍时，可以使喷射液滴直径小到0.8[μm]即小于喷嘴内径，并且观察到均匀度提高到四并且不均匀性显著减小。

另外，当喷嘴高度H为100[μm]即内径的100倍时，观察到均匀度提高到五并且点直径的不均匀性显著减小。

[喷嘴的比较研究2]

下面将说明比较研究的结果，其中是使用与上述液体喷射装置50大约相同的液体喷射装置在预定驱动条件下通过改变喷嘴每个部分的设计条件来进行比较研究的。图18是显示了比较研究的结果的图表。对九种研究对象进行了比较研究。对它们使用毫微微秒激光器使用玻璃材料进行处理，以便使喷嘴板上表面(包括喷嘴)的各个值D_I、t(参见图12)为下面的大小，并且使喷嘴边缘倾斜表面的倾角为下面所示的角度，而且每个研究对象都形成为如下三种中的一种，即不形成防水涂层、如图13A所示一样形成防水涂层或者如图13B所示一样形成防水涂层。

No.1

D_I＝1[μm]，t＝2[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：不可用，倾角90[°](没有倾斜)

No.2

D_I＝1[μm]，t＝1[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：不可用，倾角90[°](没有倾斜)

No.3

D_I＝1[μm]，t＝0.2[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：不可用，倾角90[°](没有倾斜)

No.4

D_I＝1[μm]，t＝1[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：只是边缘表面上(图13A)，倾角90[°](没有倾斜)

No.5

D_I＝1[μm]，t＝0.2[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：边缘表面+圆周表面(图13B)，倾角90[°](没有倾斜)

No.6

D_I＝1[μm]，t＝.2[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：边缘表面+圆周表面(图13B)，倾角90[°](没有倾斜)

No.7

D_I＝1[μm]，t＝1[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：边缘表面+圆周表面(图13B)，倾角40[°]

No.8

D_I＝1[μm]，t＝0.2[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：边缘表面+圆周表面(图13B)，倾角40[°]

No.9

D_I＝1[μm]，t＝0.2[μm]，H＝10[μm]，防水涂层：边缘表面+圆周表面(图13B)，倾角20[°]

上述条件之外的其它结构与在第一实施例中示出的液体喷射装置50相同。即，使用具有喷嘴内通道的内径和喷射开口为1[μm]的喷嘴。

另外，驱动条件为，(1)喷射液滴取样为用于1[kHz]喷射的触发信号的脉冲电压频率的100倍，(2)喷射电压：偏压为300[V]并且喷射脉冲电压为100[V]，(3)从喷嘴边缘至对向电极的距离为100[μm]，(4)液体溶液是水，其性能如下，粘度：8[cP](8×10^-2[Pa/S])，电阻率：10⁸[Ωcm]，表面张力：30×10^-3[N/m]，(5)基底构件是玻璃板。

通过立体显微镜和数码相机在上述条件下提取图像，并且评估了精密度和均匀度。该评估是以响应度评估一作为标准在五个等级上进行的，其中五显示了最好的响应度。

根据结果，与其中喷嘴边缘部分的壁厚t为2[μm]即大于内径的No.1相比，当喷嘴边缘部分的壁厚t设置为1[μm]即等于内径时(No.2)，观察到响应度显著提高。当喷嘴边缘部分的壁厚t设置为0.2[μm]即小于内径的1/4时(No.3)，观察到响应度进一步提高。

此外，与其中不配备防水涂层的No.2相比，当仅仅在喷嘴边缘表面上配备防水涂层时(No.4)，观察到响应度提高。

另外，与其中不配备防水涂层的No.3相比，当在喷嘴边缘表面上和圆周表面上配备防水涂层时(No.5)，观察到响应度显著提高。

此外，与其中喷嘴边缘表面处的倾斜表面的倾角为90[°](没有倾斜)的No.5相比，当喷嘴边缘表面处的倾斜表面的倾角为40[°](No.8)时，观察到响应度最有利地并且显著地提高了。

另一方面，与其中不配备倾斜表面的No.5相比，当喷嘴边缘表面处的倾斜表面的倾角为20[°]时(No.9)，观察到响应度降低。这是因为倾角越小(边缘具有更尖锐的角度)，往往就越容易发生放电，因此考虑到发生了这种效果。

[液体喷射装置的液体喷射的理论说明]

下文中，将进行本发明的液体喷射的理论说明和基于此的基本实例的说明。另外，在下文描述的理论和基本实例中的所有内容例如喷嘴结构、每个部分的材料和喷射液体的性能、围绕着喷嘴添加的结构、关于喷射操作的控制条件等，不用说，都尽可能地应用在上述的每个实施例中。

(用于实现施加电压的降低和微小液滴量的稳定喷射的方法)

此前，超过下面条件公式所确定范围的液滴的喷射被认为是不可能的。

$d<\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_c}{2}---\left(4\right)$

其中，λ_c为在液体溶液的液面处使液滴能够由静电吸引力从喷嘴边缘部分进行喷射的增长波长[m]，它可以由λ_c＝2πγh²/ε₀V²计算得出。

$d<\frac{{\mathrm{\&pi;\&gamma;h}}^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{V}^2}---\left(5\right)$

$V<h\sqrt{\frac{\mathrm{\&gamma;\&pi;}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}d}}---\left(6\right)$

在本发明中，重新考虑了喷嘴在静电吸引式喷墨方法中的作用，在由于传统上认为不可能喷射而没有进行尝试的区域中，可以通过使用麦克斯韦力等来形成微小液滴。

导出了一个公式并且在下文中将对它进行描述，这个公式大概上表达了在降低驱动电压并且以这种方式实现微小液滴量喷射的这一方法中所需的喷射条件等。

下文的说明可以应用到本发明上述的每个实施例中所描述的液体喷射装置中。

假定导电性液体溶液注入到内径为d的喷嘴中，并且这时喷嘴相对于作为基材的无限平面导体垂直地放置，并且距离导体的高度为h。这个状态如图19所示。这时假定喷嘴边缘部分处的感应电荷密集到喷嘴边缘的，并且大概由下面的公式表达。

Q＝2πε₀αVd(7)

其中，Q：喷嘴边缘部分处的感应电荷[C]，ε₀：电常量[F/m]，h：喷嘴和基材之间的距离[m]，d：喷嘴内的直径[m]，V：施加到喷嘴上的总电压。α：取决于喷嘴形状等的比例常数，取值大约为1至1.5，特别是当d＜＜h时大约取1。

另外，当基板与基材是导电性基板时，考虑到具有异号的镜像电荷Q′感应到基板中的对称位置上。当基板为绝缘材料时，类似地，异号的镜像电荷Q′感应到由传导率确定的对称位置上。

这样，当凸形弯液面的曲率半径假定为R[m]时，喷嘴边缘部分处的凸形弯液面的边缘部分的电场强度E_loc[V/m]由下式给出：

$E_{\mathrm{loc}}=\frac{V}{\mathrm{kR}}---\left(8\right)$

其中，k：比例常数，虽然根据喷嘴的不同形状等大约取值1.5至8.5，但是在大多数情形下大约取值为5(P.J.Birdseye和D.A.Smith，Surface Science，23(1970)198-210)。

现在，为了简化，假定d/2＝R。这对应于其中根据表面张力导电性液体溶液以与喷嘴具有相同半径的半球形升起的状态。

考虑到了压力的平衡，该压力会影响喷嘴边缘的液体。首先，当喷嘴边缘部分处的液体区域假定为S[m²]时，静电压力由下式给出：

$P_e=\frac{Q}{S}{E}_{\mathrm{loc}}\&ap;\frac{Q}{{\mathrm{\&pi;d}}^2/2}{E}_{\mathrm{loc}}---\left(9\right)$

根据公式(7)、(8)和(9)，假定α＝1，

$P_e=\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}V}{d/2}\&CenterDot;\frac{V}{k\&CenterDot;d/2}=\frac{8{\mathrm{\&epsiv;}}_0{V}^2}{{\mathrm{kd}}^2}---\left(10\right)$

同时，当喷嘴边缘部分处的液体表面张力为Ps时，

$P_s=\frac{4\mathrm{\&gamma;}}{d}---\left(11\right)$

其中，λ：表面张力[N/m]。

因为液体发生喷射的条件中静电压力超过表面张力，所以液体发生喷射的条件给出为，

P_e＞P_s(12)

通过使用充分小的喷嘴直径d，可以使静电压力超过表面张力。

根据这个关系公式，当计算V和d之间的关系时，

$V>\sqrt{\frac{\mathrm{\&gamma;kd}}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_0}}---\left(13\right)$

给出了喷射的最小电压。换句话说，由公式(6)和公式(13)，得出的

$h\sqrt{\frac{\mathrm{\&gamma;\&pi;}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}d}}>V>\sqrt{\frac{\mathrm{\&gamma;kd}}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_0}}---\left(1\right)$

变成了本发明中的操作电压。

在上述的图9中显示了喷射极限电压V_C与喷嘴的特定内径d的相关性。从这个图可以显示出，当考虑到小喷嘴的电场集中作用时，喷射起动电压根据喷嘴直径的降低而降低了。

在对于电场进行传统的考虑时，即仅仅考虑由施加到喷嘴上的电压和对向电极之间的距离界定的电场时，用于喷射所需的电压随着喷嘴的变小而提高。另一方面，由于喷嘴的小型化，局部电场强度的聚集使得可以降低喷射电压。

根据静电吸引进行的喷射以对喷嘴边缘部分处的液体(液体溶液)充电为基础。充电速度大约为由介电松弛所确定的时间常数。

$\mathrm{\&tau;}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}}{\mathrm{\&sigma;}}---\left(2\right)$

其中，ε：液体溶液的介电常数[F/m]，σ：液体溶液传导率[S/m]。当假定液体溶液的介电常数为10F/m并且液体溶液的传导率为10^-6S/m时，就可以得到τ＝1.854×10^-6sec。或者，当临界频率设置为f_C[Hz]时，可以得到：

$f_c=\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&epsiv;}}---\left(14\right)$

因为不能对电场中比这个频率f_c更高的频率的改变作出反应，所以不能进行喷射。当对上述的实例进行估算时，这个频率大约取10kHz。这时，在喷嘴半径为2μm并且电压比500V稍低的情形下，可以估算出喷嘴G中电流为10^-13m³/s。在上述实例的液体中，因为可以在10kHz执行喷射，所以能够在大约为10fl(毫微微升，1fl＝10^-16l)的一个周期处实现极小的喷射量。

另外，如图20所示，上述的每个实施例的特征在于喷嘴边缘部分处的电场的密集效果和感应到相反的基板上的镜像力的作用。因此，不需要像传统上那样使基板或者基板支撑构件具有导电性能或者向这些基板或者基板支撑构件施加电压。换句话说，对于基板，可以使用电绝缘的玻璃基板、例如聚酰亚胺的塑料基板、陶瓷基板、半导体基板等。

另外，在上述的每个实施例中，向电极施加的电压可以是正的或者负的。

另外，通过保持喷嘴和基板之间的距离不大于500[μm]，就可以使液体溶液易于喷射。另外，优选通过根据对喷嘴位置进行的检测进行反馈控制而使喷嘴相对于基材保持恒值。

另外，基材可以安装在不论是导电还是绝缘的基材支架上保持着。

图20显示了作为本发明的另一个基本实例的液体喷射装置的喷嘴部分的侧面剖视图。在喷嘴1的端面部分处配备了电极15，并且在电极15和喷嘴内的液体溶液3之间施加了受控制的电压。这个电极15的目的是用于控制电湿效果。当足够的电场覆盖了构成喷嘴的绝缘体时，预计即使没有这个电极也会发生电湿效果。然而，在这个基本实例中，通过使用这个电极进行更积极地控制，也可以实现喷射控制的作用。在喷嘴1由绝缘体构成的情形下，喷嘴边缘部分处的喷嘴管为1μm，喷嘴内径为2μm并且施加的电压为300V，电湿效果大约为30大气压。这个压力对于喷射是不够的但是对于向喷嘴边缘部分供给液体溶液却有意义，而且还考虑到通过控制电极可以进行对喷射进行控制。

上述的图9显示了本发明中喷射起动电压与喷嘴直径的相关性。使用了如图11所示的喷嘴作为液体喷射装置的喷嘴。随着喷嘴的变小，喷射起动电压减少，并且显示出可以在比传统的电压低时执行喷射。

在上述的每个实施例中，用于喷射液体溶液的条件是以下参数的各个函数：喷嘴和基材之间的距离(h)；施加电压的幅度(V)；以及施加电压的频率(f)，而且需要分别作为喷射条件来满足特定的条件。否则，当任一项条件不满足时，就需要改变另一个参数。

这个状态将参照图21来描述。

首先，对于喷射，存在特定的临界电场E_C，其中除非电场不小于临界电场E_C，否则就不会执行喷射。这个临界电场是根据喷嘴直径、液体溶液的表面张力和粘度等而改变的值，并且当值不大于E_C时很难执行喷射。在不小于临界电场E_C即能够喷射的电场强度处，在喷嘴与基材之间的距离(h)和施加电压的幅度(V)之间产生一个大概的比例关系，并且当喷嘴与基材之间的距离缩短时，可以使临界施加电压V减小。

反之，当喷嘴与基材之间的距离h变得非常远以使施加电压V更大时，即使根据例如电晕放电等作用保持相同的电场强度，仍会发生液滴的喷出即爆裂。

工业应用

如上所述，本发明适合于在以下的用途中用于喷射液滴，作为图形用途的常规印刷，向特殊介质(膜、织物和钢板)进行印刷，曲线表面印刷等，或者通过液体或糊状导电材料进行电线、天线等的图案涂布，粘附涂布，对于处理用途的封层等，用于生物工艺学，医疗用途，配药(例如将多种少量的成分混合)，用于基因诊断的样本涂布等。

Claims (9)

1.一种用于将带电的液体溶液的液滴喷射到基材上的液体喷射装置，包括：

液体喷射头，具有从边缘部分喷射液滴的喷嘴，该喷嘴带有内通道，并且该内通道在喷嘴边缘部分的内径大于0.2μm但小于等于4μm，所述喷嘴与喷嘴板整体地形成；

向喷嘴供给液体溶液的液体溶液供应部；和

向喷嘴中的液体溶液施加喷射电压的喷射电压施加部，该喷射电压施加部包括喷射电极，该喷射电极作为一个层设置在所述喷嘴板的后端表面上，该喷射电极具有位于液体溶液供应部和喷嘴的内通道之间的边界处的墨通道孔，

其中，喷嘴内通道的长度设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的十倍。

2.如权利1要求所述的液体喷射装置，其特征在于，喷嘴内通道的长度设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的50倍。

3.如权利1要求所述的液体喷射装置，其特征在于，喷嘴内通道的长度设置成至少不小于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的100倍。

4.如权利1至3的任一项要求所述的液体喷射装置，其特征在于，喷嘴边缘部分处的喷嘴壁厚设置的值不大于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径的长度。

5.如权利4要求所述的液体喷射装置，其特征在于，喷嘴边缘部分处的喷嘴壁厚的值不大于喷嘴在喷嘴边缘部分处的内径长度的1/4。

6.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，至少喷嘴的边缘部分表面经过拒水处理。

7.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，喷嘴的边缘表面包括相对于喷嘴内通道的中线倾斜的表面。

8.如权利要求7所述的液体喷射装置，其特征在于，当倾斜表面的垂直线平行于喷嘴内通道的中线的状态定义为90度时，喷嘴边缘表面的倾角设置在30至45度的范围内。

9.如权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，所述液体溶液供应部包括一个液体溶液室，所述墨通道孔位于所述液体溶液室和喷嘴的内通道之间的边界位置处。

Images