CN100398320C

CN100398320C - 静电吸引式流体喷射装置

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Publication number: CN100398320C
Application number: CNB038248093A
Authority: CN
Inventors: 樋口馨; 西泰男; 村田和广; 横山浩�
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Konica Minolta Inc; Sharp Corp
Current assignee: Murata Kazumasa
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-09-22
Also published as: JP2004114370A; CN1694812A

Abstract

一种静电吸引式流体喷射装置，是喷嘴(4)形成为与以往的作为流体的墨水(2)的静电吸引过程中形成的泰勒锥形状的前端部同等的弯液面相当的形状的装置。喷嘴(4)的墨水排出孔(4b)的直径设定为与所述弯液面(14)的墨水即将排出的前端部的直径大致相同，且设定为与排出后不久的墨水(2)的液滴直径同等以下。由此，本发明可提供一种可使既可满足高分辨率和安全性两方面、且通用性好的记录装置实用化的静电吸引式流体喷射装置。

Description

静电吸引式流体喷射装置

技术领域

本发明涉及通过使墨水等流体带电进行静电吸引从而朝对象物体上排出流体的静电吸引式流体喷射装置。

背景技术

一般来说，将墨水等流体朝对象物体(记录媒体)上排出的流体喷射方式中有各种方式。这里对作为流体使用墨水的墨水喷射方式进行说明。

作为按需(日文：オンデマンド)式的墨水喷射方式，已开发有利用压电现象的压电方式、利用墨水膜沸腾现象的热方式、利用静电现象的静电吸引方式等，尤其是近年来，迫切需要高分辨率的墨水喷射方式。为了实现高分辨率的墨水喷射记录，排出的墨水液滴的微小化是不可缺的。

在此，从喷嘴排出的墨水液滴弹射到记录媒体上为止的运动情况可由运动方程式(1)表示。

ρink·(4/3·π·d³)·dv/dt＝-Cd·(1/2·ρair·v²)·(π·d^2/4) …(1)

上述ρink是墨水的体积密度，V是液滴体积，v是液滴速度，Cd是阻力系数，ρair是空气密度，d是墨水液滴半径，Cd由公式(2)表示。

Cd＝24/Re·(1+3/16·Re^0.62) …(2)

上述Re是雷诺数，η为空气的粘度，则Re可由公式(3)表示。

Re＝2·d·ρink·v/η …(3)

液滴半径对上述公式(1)的左边的墨水液滴的动能的影响比液滴半径对空气粘性阻力的影响大。因此，同一速度的场合，液滴越小液滴速度的减速越快，要么无法到达离开规定距离的记录媒体，即使到达，弹射落点的精度也差。

为了防止这样的情况，需要增加液滴的排出初速度，即增大单位体积的排出能量。

但是，传统的压电方式及热方式的墨水喷射头，在排出液滴微小化、即增加排出液滴的单位体积的排出能量的情况下存在以下问题，尤其是难以将排出液滴量做成1Pl以下，即难以将液滴的直径(以下称为液滴直径)做成φ10μm以下。

存在的问题有：

问题(A)：压电方式的墨水喷射头的排出能量与所驱动的压电元件的位移量及发生压力有关。该压电元件的位移量与墨水排出量、即与墨水液滴尺寸密切相关，为了减小液滴尺寸需要使位移量减小，难以提高排出液滴的单位体积的排出能量。

问题(B)：热方式的墨水喷射头，因为是利用墨水的膜沸腾现象，故形成气泡时的压力在物理上受到限制，排出能量大致由加热元件的面积决定。该加热元件的面积与所产生的气泡的体积、即与墨水排出量大致成正比。因此，若墨水液滴尺寸减小，则所产生的气泡的体积减小，排出能量减小，故难以提高墨水排出液滴的单位体积的排出能量。

问题(C)：因为压电方式及热方式的驱动(加热)元件的驱动量都与排出量密切相关，尤其是排出微小尺寸的液滴时，抑制其偏差是极其困难的。

为此，作为解决上述各种问题的方式，正在开发以静电吸引方式排出微小液滴的方法。

静电吸引方式中，从喷嘴排出的墨水液滴的运动方程式由以下的公式(4)表示。

ρink·(4/3·π·d³)·dv/dt＝q·E-Cd·(1/2·ρair·v²)·(π·s^2/4)…(4)

其中，q是液滴的电荷量，E是周围的电场强度。

从上述公式(4)可见，在静电吸引方式中，排出的液滴除排出能量以外，还在飞翔中受到静电力，故可减轻单位体积的排出能量，可应用于微小液滴的排出。

作为这类静电吸引方式的墨水喷射装置(以下称为静电吸引式墨水喷射装置)，例如在专利文献1(日本国公开专利公报：特开平8-238774号公报(公开日：1996年9月17日))中，揭示了一种在喷嘴内部设有外加电压用的电极的墨水喷射装置。另外，在专利文献2(日本国公开专利公报：特开2000-127410号公报(公开日：2000年5月9日))中，揭示了将喷嘴作成切槽、设置从喷嘴突出的针电极、排出包含微小颗粒在内的墨水的墨水喷射装置。

以下参照图17对上述专利文献1中揭示的墨水喷射装置进行说明。图17是墨水喷射装置的截面模式图。

图17中，101是墨水喷射室，102是墨水，103是墨水室，104是喷嘴孔，105是墨水罐，106是墨水供给路径，107是旋转滚筒，108是被记录媒体，110是控制元件部，111是流程控制部。

而且，114是配设在墨水喷射室101的墨水室103侧的静电场外加用电极部，115是设于旋转滚筒107上的金属鼓即相对电极部，116是向相对电极部115外加数千伏的负电压的偏置电源部。117是向静电场外加用电极部114供给数百伏的高电压的高压电源部，118是接地部。

这里，在静电场外加用电极部114与相对电极部115之间，向相对电极部115外加数千伏的负电压的偏置电源部116与数百伏的高压电源部117的高压电压重叠，形成重叠电场，通过该重叠电场，对墨水102从喷嘴孔104的排出进行控制。

另外，119是通过向相对电极部115外加数千伏的偏置电压而在喷嘴孔104形成的凸状的弯液面(日文：メニスカス)。

以下对具有以上结构的静电吸引方式的墨水喷射装置的动作进行说明。

首先，墨水102利用毛细管现象通过墨水供给通道106移送至排出墨水102的喷嘴孔104。此时，与喷嘴孔104相对地设有安装了被记录媒体108的相对电极部115。

到达喷嘴孔104的墨水102通过外加在相对电极部115上的数千伏的偏置电压而形成凸状的墨水弯液面119。通过从数百伏的高压电源部117将信号电压施加于设于墨水室103内的静电场外加用电极部114，与施加于相对电极部115的来自偏置电源部116的电压重叠，墨水102通过重叠电场排向被记录媒体108，形成印字图像。

以下参照图18(a)～图18(c)对上述专利文献1中揭示的墨水喷射装置中的液滴飞翔之前的弯液面的变动情况进行说明。

在外加驱动电压之前，如图18(a)所示，通过施加于墨水的偏置电压引起的静电力与墨水的表面张力的平衡，成为在墨水表面形成鼓起的弯液面119a的状态。

当在上述状态下施加驱动电压时，如图18(b)所示，弯液面119b，在液表面产生的电荷开始靠近液面的鼓起的中心，由此形成液面的鼓起中心增高的弯液面119b。

此后，继续外加驱动电压，如图18(c)所示，通过产生于液表面的电荷进一步集中于中心，形成称为泰勒锥形体的半月形的弯液面119c，在集中于该泰勒锥形体顶部的电荷量引起的静电力大于墨水的表面张力的阶段，进行液滴的分离而排出。

以下参照图19对揭示于上述专利文献2的墨水喷射装置进行说明。图19是墨水喷射装置的概要构成图。

如图19所示，在本墨水喷射装置的框体内部收容有：作为墨水喷射头由低电解质材料(丙烯树脂、陶瓷等)形成的条形(日文：ライン)记录头211；与该记录头211的墨水排出口相对地配置的金属或高电解质制的相对电极210；用于预先存放在非导电性墨水介质中分散有带电颜料颗粒的墨水的墨水罐212；将墨水在墨水罐212与记录头211之间循环的墨水循环系统(泵214a、214b；管子215a、215b)；将用于吸引形成记录图像的1个像素的墨水液滴的脉冲电压分别施加于各排出电极211a的脉冲电压发生装置213；根据图像数据对脉冲电压发生装置213进行控制的驱动电路(未图示)；使记录媒体A通过设于记录头211与相对电极210之间的间隙的记录媒体搬运机构(未图示)；控制装置整体的控制器(未图示)等。

上述墨水循环系统包括：连接记录头211与墨水罐212之间的2根管子215a、215b、由控制器控制驱动的2台泵214a、214b。

上述墨水循环系统分成将墨水供给记录头211用的墨水供给系统、从记录头211回收墨水用的墨水回收系统。

墨水供给系统中，墨水由泵214a从墨水罐212内吸上，并将墨水通过管子215a向记录头211的墨水供给部压送。另一方面，在墨水回收系统中，由泵215b从记录头211的墨水回收部吸引墨水，将墨水通过管子215b强制性地向墨水罐212加以回收。

如图20所示，在上述记录头211上设有：将从墨水供给系统的管子215a送来的墨水向条宽扩散的墨水供给部220a；将来自墨水供给部220a的墨水导向山形的墨水流道221；连接墨水流道221和墨水回收系统的管子215b的墨水回收部220b；将墨水流道221的顶上部朝相对电极210侧开放的适当的宽度(约0.2mm)的切槽状墨水排出口222；以规定的间距(约0.2mm)排列在排出口222内的多个排出电极211a；分别配置在各排出电极211a的两侧及上表面的低电解质制(例如陶瓷制)的隔壁223。

上述各排出电极211a分别由铜、镍等金属形成，在其表面形成湿润性好的颜料粘附防止用低电解质膜(例如聚酰亚胺膜)。另外，各排出电极211a的前端形成为三角锥形状，分别以适当的长度(70μm～80μm)从墨水排出口222向相对电极210侧突出。

当上述未图示的驱动电路根据控制器的控制将控制信号在与图像数据中含有的灰度数据对应的时间内施加于脉冲电压发生装置213时，则脉冲电压发生装置213将基于该控制信号的种类的脉冲顶部的脉冲Vp载加在偏置电压Vb上的高电压信号与偏置电压Vb重叠后输出。

当图像数据传送而来，控制器驱动墨水循环系统的2台泵214a、214b。由此，随着墨水从墨水供给部220被压送，墨水回收部220b成为负压，在墨水流道221内流动的墨水利用毛细管现象在各隔壁223的间隙内上升，使湿润部分扩大至各排出电极211a的前端。此时，负压作用于各排出电极211a的前端附近的墨水液面，故在各排出电极211a的前端分别形成墨水弯液面。

记录媒体搬运机构由控制器控制，从而将记录媒体A朝规定的方向输送，并通过控制驱动电路，对与排出电极211a之间施加上述高电压信号。

以下参照图21～图24对上述专利文献2中揭示的墨水喷射装置中的液滴飞翔之前的弯液面的变动进行说明。

如图21所示，当来自脉冲电压发生装置213的脉冲电压施加于记录头211内的排出电极211a时，则产生从排出电极211a侧朝向相对电极210侧的电场。这里，因为使用了前端尖锐的排出电极211a，故其前端附近产生最强的电场。

如图22所示，当产生了这样的电场时，墨水溶剂中的各带电颜料颗粒201a分别受到来自该电场的力f E(图23)而朝墨水液面移动。由此，墨水液面附近的颜料浓度得到浓缩。

如图23所示，当颜料浓度如此浓缩后，墨水液面附近的多个带电颜料颗粒201a靠近电极的相反侧并开始凝聚。当墨水液面附近的颜料凝聚体201开始成长为球状时，各个带电颜料颗粒201a开始分别受到来自该颜料凝聚体201的静电反作用力f con。即，对各个带电颜料颗粒201a分别有来自颜料凝聚体201的静电反作用力f con与脉冲电压引起的电场E的力f E的合力f total的作用。

因此，在带电颜料颗粒间的静电反作用力不超过相互的凝聚力的范围内，当电场对存在朝向颜料凝聚体201的合力ftotal所作用的带电颜料颗粒201a(处于连接排出电极211a的前端与颜料凝聚体201的中心的直线上的带电颜料颗粒201a)施加的力f E，为来自颜料凝聚体201的静电反作用力f con以上(f E≥f con)时，则带电颜料颗粒201a成长为颜料凝聚体201。

由n个带电颜料颗粒201a形成的颜料凝聚体201在受到来自脉冲电压引起的电场E的静电反作用力FE的同时，还受到来自墨水溶剂的限制力F esc。当静电反作用力FE与限制力F esc平衡时，则颜料凝聚体201以从墨水液面稍微突出的状态得到稳定。

当颜料凝聚体201进一步成长、静电反作用力FE为限制力F esc以上时，则如图24(a)～图24(c)所示，颜料凝聚体201从墨水液面200a脱出。

但是，以往的静电吸引方式的原理中，使电荷集中于弯液面的中心而产生弯液面的隆起。该隆起的泰勒锥的前端部的曲率半径由电荷的集中量决定，当集中的电荷量和电场强度引起的静电力大于此时的弯液面表面张力时，液滴开始分离。

由于弯液面的最大电荷量由墨水的物性值和弯液面的曲率半径决定，故最小的液滴尺寸由墨水的物性值(尤其是表面张力)和形成于弯液面部的电场强度决定。

一般来说，含有溶剂的液体表面张力存在比单纯的溶剂的表面张力小的趋势，实际上墨水中也含有各种溶剂，故难以提高表面张力。因此，以往采用将墨水的表面张力认为一定、通过提高电场强度来减小液滴尺寸的方法。

因此，上述专利文献1，2中所揭示的墨水喷射装置中，作为两者的排出原理，都是通过在比排出液滴的投影面积大得多的面积的弯液面区域形成强的电场强度的区域，使电荷集中于该弯液面的中心，利用该集中的电荷和形成的电场强度构成的静电力进行排出，因而需要施加接近2000伏的非常高的电压。因此，驱动控制困难，同时还存在操作墨水喷射装置时的安全性方面的问题。

尤其是在大的区域形成强的电场强度时，需要设定在放电破坏强度(例如平行平板之间空气的放电破坏强度为3×10⁶V/m)以下，故可形成的微小液滴尺寸在原理上也存在界限。

另外，因为电荷朝弯液面部的中心移动，故电荷的移动时间影响排出响应性，在提高印字速度方面存在问题。

作为消除这些问题的方法，上述专利文献1及2中也采用了通过事先施加比排出电压低的偏置电压以减小驱动电压的方法，或如专利文献2那样采用通过使电极从喷嘴部突出以促进电荷集中的结构。另外，也有像专利文献1那样，对墨水外加正电压、预先使弯液面鼓起的方法等。

但是，专利文献1及2中揭示的任何方法都无法从根本上加以解决。尤其是外加偏置电压时，驱动电压无法始终只外加正负中的一方，被记录媒体为绝缘材料时，因带电的排出液滴的粘附引起的表面电位不断累积，故弹射落点精度下降，需要采取在印字中对被记录媒体表面除电等的对策。

另外，因为在大的范围的弯液面区域形成强的电场强度的电场，故需要高精度地进行相对电极的配置，同时被记录媒体的介电常数及厚度影响相对电极的配置，故使用上自由度小。尤其是被记录媒体厚时，相对电极不得不随之配置在离开喷嘴部的电极的位置。因此，不得不施加更大的电压，存在许多实际使用困难的被记录媒体的情况。

因此，以往的静电吸引式墨水喷射装置(静电吸引式流体喷射装置)中，存在无法使既可同时满足高分辨率和安全性两方面、且通用性好的装置实现实用化的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种可使既可满足高分辨率和安全性两方面、且通用性好的记录装置实用化的静电吸引式流体喷射装置。

如图16所示，本案发明者等在传统的方法中，通过使用流体排出孔侧收缩形状的喷嘴23，使成为与静电吸引过程中形成的喷嘴部21的泰勒锥形状的流体的弯液面22的液滴排出之前的前端部曲率24大致相同尺寸的喷嘴直径，发现以前需要大范围形成的电场在小范围形成即可，且可减少流体的弯液面22上的电荷的移动量。

利用上述原理，本案发明者等进一步将喷嘴前端部的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，发现能使电荷的集中区域与弯液面区域大致相同。

因此，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，其特征在于，该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下。

采用上述结构，由于在本发明中将喷嘴直径设定为：与以往的为了排出比喷嘴的流体排出孔的直径小的液滴直径的流体而形成的泰勒锥形状的电荷集中的前端部的直径大致相同，故在以往的流体的静电吸引过程中需要大范围形成的电场能在小范围形成。

而且，通过将喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，可使电荷的集中区域与流体的弯液面区域成为大致同等的尺寸。

由此，可大幅度地降低为了将电荷移动所需的电压、即为了将对流体以所需的液滴直径的液滴的状态进行静电吸引所需的带电量赋予该流体所需的电压。由此，不需要以往那样的2000伏这样的高电压，故可提高使用流体喷射装置时的安全性。

另外，如上所述，通过使电场狭窄，可在狭窄区域形成强的电场，其结果，可使能形成的液滴微小化。由此，将液滴作为墨水时，可使印字图像做成高分辨率。

而且，如上所述，由于电荷的集中区域与流体的弯液面区域成为大致同等的尺寸，因而电荷在弯液面区域内的移动时间不会对排出响应性产生影响，可提高液滴的排出速度(液滴是墨水时的印字速度)。

另外，由于电荷的集中区域与流体的弯液面区域成为大致同等的尺寸，因此不需要在大的范围的弯液面区域形成强的电场。由此，不需要像以往那样，为了在大范围的弯液面区域形成强大电场而高精度地配置相对电极，并且，被记录媒体的介电常数及厚度不影响相对电极的配置。

因此，在静电吸引式流体喷射装置中，相对电极配置的自由度增大。即，静电吸引式流体喷射装置的设计自由度增大。其结果，可不受介电常数及厚度的影响，对以往难以使用的被记录媒体能进行印字，可实现通用性好的流体喷射装置。

因此，采用具有上述结构的静电吸引式流体喷射装置，可实现既可满足高分辨率和安全性两方面、且通用性好的装置。

这里，作为上述流体，可使用单纯的水、油等以外，还可使用含有作为微粒子的染料或颜料的有色液体即墨水、含有形成电路板的配线材料(银或铜等导电性微粒子)的溶液等。

例如，作为流体使用墨水时，可进行高精细的印字，作为流体使用含有形成电路板的配线材料的溶液时，能以线宽非常窄的配线形成超高精细电路。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，其特征在于，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下。

由此，可大幅度地降低为了将电荷移动所需的电压、即为了将对流体进行静电吸引所需的带电量赋予该流体所需的电压。由此，由于不需要以往那样的2000伏这样的高电压，故可提高使用流体喷射装置时的安全性。

而且，将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，因而可使电场强度分布集中于该流体排出孔的排出面附近，同时从相对电极至喷嘴的流体突出孔的距离变动不会影响电场强度分布。

由此，可不受相对电极的位置精度以及被记录媒体的材料特性的偏差和厚度偏差的影响，能进行稳定的流体排出。

另外，如上所述，能使电场形成得小，在小的区域形成强电场，其结果，可使能形成的液滴微小化。由此，将液滴作为墨水时，可使印字图像做成高分辨率。

例如，作为流体使用墨水时，可进行高精细的印字，作为流体使用含有形成电路板的配线材料的溶液时，能以线宽非常窄的配线形成超高精细电路，不管是哪种情况，都能使流体稳定地排出。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，其特征在于，具有对施加于所述喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下。

由此，可大幅度地降低为了将电荷移动所需的电压、即为了将对流体进行静电吸引所需的带电量赋予该流体所需的电压。由此，不需要以往那样的2000伏这样的高电压，故可提高使用流体喷射装置时的安全性。

而且，由于将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，因而可使电场强度分布集中于该流体排出孔的排出面附近，同时从相对电极至喷嘴的流体突出孔的距离变动不会影响电场强度分布。

而且，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下，因而可防止排出的液滴的干燥使液滴表面积减小而引起的放电，同时可防止液滴带电引起的蒸汽压力的减小。

由此，可降低排出的液滴的干燥时间(至液滴的溶剂全部蒸发为止的时间)的减小，可消除弹射到的液滴的圆点直径的尺寸的偏差。

另外，由于排出的液滴的干燥时间变长，故可减小液滴弹射到之前液滴的直径即液滴量的变化。由此，由于飞翔中的液滴受到的空气阻力和周围湿度等环境条件对各液滴是均匀的，故可提高液滴的弹射落点精度，即可抑制落点时的液滴的偏差。

而且，因为排出的液滴的干燥时间延长，故即使排出液滴的直径是φ5μm程度的微小的液滴，液滴也可在不干燥的情况下到达。

因此，通过使用上述结构的静电吸引式流体喷射装置，可稳定地排出微小的液滴，同时可高精度地到达。

为了使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下，可考虑以下方法。

即，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，其特征在于，具有对施加于所述喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于所述弯液面的最大电场强度引起的流体排出后不久的液滴直径下的瑞利极限的电荷量以下。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔以与外加的电压对应的速度向被记录媒体排出，其特征在于，具有对施加于所述喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下。

采用上述结构，由于在本发明中将喷嘴直径设定为：与以往的为了排出比喷嘴的流体排出孔的直径小的液滴直径的流体而形成的与泰勒锥形状的电荷集中的前端部的直径大致相同，故在以往的流体的静电吸引过程中需要大范围形成的电场能在小范围形成。

由此，可大幅度地降低为了将电荷移动所需的电压、即为了将对流体进行静电吸引所需的带电量赋予该流体所需的电压。由此，不需要以往那样的2000伏这样的高电压，可提高使用流体喷射装置时的安全性。

而且，通过所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下，可减轻流体飞翔中的干燥的影响，其结果，可提高被记录媒体上的液滴的落点精度，且可抑制液滴落点圆点直径的偏差，同时可防止在弯液面部的电场强度的影响引起的排出液滴的雾化的发生，可稳定地排出。

这里，若流体到达被记录媒体期间的平均排出速度小于10m/s，则落点精度差，排出稳定性也差，故液滴的落点圆点直径产生偏差。另外，若流体到达被记录媒体期间的平均排出速度大于40m/s，则需要高电压，故弯液面部的电场强度变得非常强，排出的液滴频繁发生雾化，无法稳定地排出液滴。

因此，如上述结构的静电吸引式流体喷射装置那样，通过使从流体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下，可使液滴稳定地飞翔，其结果，可提高液滴的弹射落点精度，且可抑制液滴落点圆点直径的偏差。

另外，上述结构的静电吸引式流体喷射装置也可由以下结构实现。

即，本发明的静电吸引式流体喷射装置，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔以与外加的电压对应的速度向被记录媒体排出，其特征在于，具有对施加于所述喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将含有微粒子并通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，其特征在于，该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，所述流体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下。

另外，如上所述，由于能使电场形成得小，故能在小的区域形成强电场，其结果，可使形成的液滴微小化。由此，将液滴作为墨水时，可使印字图像做成高分辨率。

而且，上述流体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下，因而可减轻微粒子本身带电的影响，即使液滴中含有微粒子也能稳定地进行排出。

另外，因为可减轻微粒子本身带电的影响，故不会发生像以往利用微粒子的带电进行排出流体时那样、粒径小时微粒子的移动变慢的情况。因此，含有微粒子的流体，即使是墨水，也不会使记录速度下降。

即，本发明的静电吸引式流体喷射装置，将含有微粒子且通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，其特征在于，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，该流体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下。

本发明的其他目的、特征及优点可通过以下的记载得到充分的理解。另外，本发明的效益通过参照附图的以下说明能得到理解。

附图的简单说明

图1是表示本发明的一实施形态的墨水喷射装置的概要构成剖视图。

图2(a)～图2(c)是说明图1所示的墨水喷射装置的墨水弯液面的变动的图。

图3(a)是表示喷嘴与相对电极的距离为2000μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图3(b)是表示喷嘴与相对电极的距离为100μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图4(a)是表示喷嘴与相对电极的距离为2000μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图4(b)是表示喷嘴与相对电极的距离为100μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图5(a)是表示喷嘴与相对电极的距离为2000μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图5(b)是表示喷嘴与相对电极的距离为100μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图6(a)是表示喷嘴与相对电极的距离为2000μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图6(b)是表示喷嘴与相对电极的距离为100μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图7(a)是表示喷嘴与相对电极的距离为2000μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图7(b)是表示喷嘴与相对电极的距离为100μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图8(a)是表示喷嘴与相对电极的距离为2000μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图8(b)是表示喷嘴与相对电极的距离为100μm时，至喷嘴中心的距离与至相对电极的距离的关系的曲线。

图9是表示喷嘴直径与最大电场强度的关系的曲线图。

图10是表示喷嘴直径与各种电压的关系的曲线图。

图11是表示喷嘴直径与强电场区域的关系的曲线图。

图12是表示外加电压与带电电荷量的关系的曲线图。

图13是表示初期排出液滴直径与干燥时间的关系的曲线图。

图14是表示周围湿度与干燥时间的关系的曲线图。

图15是表示本发明的其他实施形态的墨水喷射装置的概要构成剖视图。

图16是说明本发明的原理的图。

图17是表示以往的静电吸引式流体喷射装置的概要构成剖视图。

图18(a)～图18(c)是说明图17所示的墨水喷射装置的墨水弯液面的变动的图。

图19是表示以往的其他静电吸引式流体喷射装置的概要构成图。

图20是表示图19所示的墨水喷射装置的喷嘴部分的概要截面立体图。

图21是说明图19所示的墨水喷射装置的墨水排出原理的图。

图22是表示图19所示的墨水喷射装置的喷嘴部分外加电压时微粒子的状态的说明图。

图23是说明图19所示的墨水喷射装置的喷嘴部分的微粒子体形成原理的图。

图24(a)～图24(c)是说明图19所示的墨水喷射装置的墨水弯液面的变动的图。

具体实施方式

[实施形态]

对实施本发明用的最佳形态(以下称为实施形态)的说明如下。本实施形态中，对作为流体使用了墨水的静电吸引式流体喷射装置进行说明。

图1是表示本发明的一实施形态的墨水喷射装置的结构图。

如图1所示，上述墨水喷射装置具有排出作为储藏在墨水室1内的流体的墨水2用的喷嘴4。该喷嘴4通过垫圈5与墨水室1连接。由此，墨水室1内的墨水2被封闭而不会从喷嘴4与墨水室1的连接部分向外部泄漏。

另外，上述喷嘴4成为朝着与墨水室1的连结部的相反侧、即朝着成为墨水的排出侧的前端部4a内径减小的收缩形状。上述喷嘴4的前端部4a的墨水排出孔4b的内径(直径)由与排出后不久的墨水2的粒径的关系来设定。

为了区别从喷嘴4排出的墨水2和储藏在墨水室1内的墨水2，以下对从喷嘴4排出的墨水2称为液滴3进行说明。对该墨水排出孔4b的直径与排出后不久的液滴3的液滴直径的关系的详细情况后述。

而且，在上述喷嘴4的内部设有对墨水2外加静电场用的静电场外加用电极9。该静电场外加用电极9与流程控制部10连接，来自未图示的驱动电路的外加电压所产生的电场强度通过该流程控制部10进行控制。通过对该电场强度进行控制，从喷嘴4排出的液滴3的液滴直径得到调节。即，流程控制部10具有作为对通过静电场外加用电极9向墨水2外加的电压进行控制的施加电压控制装置的功能。

在上述喷嘴4的墨水排出孔4b的相对面侧的离开规定距离的位置上配设有相对电极7。该相对电极7，用于使在喷嘴4与相对电极7之间被搬运的被记录媒体8的表面带电成为：与从喷嘴4的墨水排出孔4b排出的液滴3的带电电位的相反极性的电位。由此，使从喷嘴4的墨水排出孔4b排出的液滴3稳定地到达被记录媒体8的表面。

这样，由于液滴3需要带电，故最好喷嘴4的至少前端部4a的墨水排出面由绝缘构件形成，且需要形成微细的喷嘴直径(墨水排出孔4b的内径)，故本实施形态中，作为喷嘴4使用玻璃的毛细管。

因此，将上述喷嘴4形成为：与在作为流体的墨水2的静电吸引过程中、为了排出比喷嘴的墨水排出孔的直径小的直径的液滴而形成的泰勒锥形状的墨水的弯液面相当的形状，同时将该喷嘴4的墨水排出孔4b的直径设定为与上述弯液面的墨水即将排出的前端部的直径大致相同，且设定在与排出后不久的液滴3的直径同等以下。

在上述结构的墨水喷射装置中，利用流程控制部10通过静电场外加用电极9对施加于墨水2的电压进行控制，以使排出的墨水2的液滴量为1pl以下。

另外，上述墨水室1除了与上述喷嘴4以外、还与用于将墨水2从未图示的墨水罐进行供给用的墨水供给通道6连接。这里，在墨水室1内及喷嘴4内，由于墨水2以充满的状态保持，故对墨水2作用有负压。

以下，对墨水2从喷嘴4作为液滴3排出时、在墨水排出孔4b附近形成的弯液面部(弯液面区域)14的变动进行说明。图2(a)～图2(c)是表示上述墨水排出孔4b附近的弯液面部14的变动的模型图。

首先，在墨水2的排出之前的状态下，如图2(a)所示，对墨水作用有负压，故作为弯液面部14，弯液面14a形成为朝喷嘴4的前端部4a内部凹的形状。

接着，为了墨水2的排出，利用流程控制部10通过静电场外加用电极9对施加于墨水2的电压进行控制，当对该墨水2施加了规定的电压时，则喷嘴4内的墨水2的表面感应出电荷，墨水2如图2(b)所示，作为弯液面部14，形成被拉向该喷嘴4的前端部4a的墨水排出孔4b的表面、即相对电极侧(未图示)的弯液面14b。此时，因为喷嘴4的直径微小，故弯液面14b从当初开始一边形成泰勒锥的形状一边朝外侧拉伸。

接着，被朝外侧拉伸的弯液面14b如图2(c)所示，作为弯液面部14，成为进一步向相对电极侧(未图示)排出的形状的弯液面14c，感应出的弯液面14c表面的电荷与在喷嘴4形成的电场(电场强度)的力大于墨水2的表面张力，从而形成排出液滴。

这里，本实施形态中使用的喷嘴4的墨水排出孔4b的内径(以下称为喷嘴直径)作成φ5μm。这样，喷嘴4的喷嘴直径为微小时，不像以往那样弯液面前端部的曲率半径因表面电荷的集中而逐渐减小地变化，而是可看作大致一定。

因此，若墨水物性值一定，则液滴分离时的表面张力在外加电压所产生的排出状态下大致一定，而且可集中的表面电荷的量也是超过墨水的表面张力的值，即由于在瑞利分裂值以下，故最大量可唯一地加以定义。

另外，因为喷嘴直径微小，故电场强度仅在弯液面部极其边上为极强的值，而由于这样仅在极小的区域中的强电场的放电破坏强度呈极大的值，故不会成为问题。

作为本实施形态的上述墨水喷射装置中使用的墨水，可使用含有纯水的染料类墨水及含有微粒子的墨水。这里，作为含有微粒子的墨水，喷嘴部以往就极小，故含有的微粒子的粒径也需要小，一般来说如是喷嘴的1/20至1/100程度就不易发生堵塞。

因此，当将本实施形态中使用的喷嘴4的喷嘴直径如上所述做成φ5μm，则与该喷嘴直径对应的墨水的微粒子直径为50nm以下。此时，如专利文献2所示的排出含有微粒子的墨水的原理那样，通过微粒子带电引起的移动使弯液面部的电荷集中、由集中的微粒子相互的静电反作用力而进行排出的方法中，因比以往使用的最小微粒子直径φ100nm还要小，故墨水中的带电微粒子的移动速度下降，排出的响应速度及记录速度变慢。

相比之下，本发明中不是利用带电的微粒子相互的静电反作用力，而是与不含微粒子的墨水的情况相同，利用弯液面表面的电荷进行排出。该场合，为了消除墨水中的微粒子的电荷的影响对弯液面表面的电荷产生影响而导致的排出不稳定，最好形成为墨水中的微粒子的电荷量与弯液面表面的电荷相比呈小得多的值的形状。

这样，若墨水中的微粒子的单位质量的电荷量在10μC/g以下，则该微粒子相互间的静电反作用力及响应速度减小，并通过减小墨水微粒子的质量、即减小墨水微粒子的直径，可减小墨水中的微粒子的总电荷量。

以下的表1表示将墨水中的平均微粒子直径做成φ3nm至φ50nm时的排出稳定性。

表1

表1中的符号表示各喷嘴的排出稳定性，×：存在因堵塞等而不排出的情况，△：在连续排出中有排出不稳定，○：稳定排出

从表1可见，作为微粒子直径最好在φ30nm以下。尤其是当微粒子直径在φ10nm以下时，墨水中1个微粒子的带电量作为墨水排出中的电荷的影响大致可忽略，同时电荷引起的移动速度也极慢，不会发生微粒子朝弯液面中心的集中。另外，当喷嘴直径在φ3μm以下时，因弯液面部的电场集中使最大电场强度极端地增大，每个微粒子的静电力也增大，故最好使用含有φ10nm以下的微粒子的墨水。不过，当微粒子直径在φ1nm以下时，发生微粒子的凝聚及浓度的不均匀的情况增加，故微粒子直径最好在φ1nm至φ10nm的范围。

本实施形态中，使用含有平均粒径在φ3nm至φ7nm之间的银的微粒子的浆料，对该微粒子实施了防止凝聚的涂层。

以下参照图3(a)、(b)～图8(a)、(b)对喷嘴4的喷嘴直径与电场强度的关系进行说明。图3(a)、(b)～图8(a)、(b)分别表示了喷嘴直径为φ0.2、0.4、1、8、20μm以及作为参考以往所使用的喷嘴直径φ50μm时的电场强度分布。

这里，各图中，喷嘴中心位置是指喷嘴4的墨水排出孔4b的墨水排出面的中心位置。另外，各个图的(a)是将喷嘴与相对电极的距离设定为2000μm时的电场强度分布，图(b)是表示将喷嘴与相对电极的距离设定为100μm时的电场强度分布。而外加电压在各条件下都设定为一定的200伏。图中的分布线表示电场强度为1×10⁶V/m至1×10⁷V/m的范围。

以下的表2表示各条件下的最大电场强度。

表2

从图3(a)、(b)～图8(a)、(b)可见，当喷嘴直径在φ20μm(图7(a)、(b))以上时，电场强度分布扩散成大的面积。另外，从表2可见，喷嘴与相对电极的距离对电场强度有影响。

从以上可见，当喷嘴直径为φ8μm(图6(a)、(b))以下时，电场强度集中，同时相对电极的距离的变动几乎不影响电场强度分布。因此，若喷嘴直径在φ8μm以下，则可不受相对电极的位置精度及被记录媒体的材料特性的偏差和厚度的偏差的影响，稳定地进行排出。这里，要排出1Pl的液滴量的墨水2，需要将喷嘴直径做成φ10μm，故如上所述，若喷嘴直径在φ8μm以下，则可将液滴量做成1Pl以下。

接着，图9表示上述喷嘴4的喷嘴直径与弯液面部14的最大电场强度、强电场区域的关系。

从图9所示的曲线可见，当喷嘴直径在φ4μm以下时，电场集中极端增大，可提高最大电场强度。由此，由于可加大墨水的初期排出速度，故增加墨水(液滴)的飞翔稳定性，同时因为弯液面部的电荷的移动速度增大，因而可提高排出响应性。

接着，对排出的墨水2的液滴3的可带电的最大电荷量进行说明。液滴3可带电的电荷量由考虑了液滴3的瑞利分裂(瑞利极限)的以下的公式(5)表示。

q＝8×π×(ε0×γ×r³)^1/2 …(5)

其中，q是给予瑞利极限的电荷量，ε0是真空介电常数，γ是墨水的表面张力，r是墨水液滴的半径。

由上述公式(5)求得的电荷量q越接近瑞利极限值，即使是在相同的电场强度下静电力也越强，可提高排出的稳定性，但过分接近瑞利极限值，则相反在喷嘴4的墨水排出孔4b发生墨水2的雾散，排出稳定性欠佳。

这里，图10表示喷嘴的喷嘴直径与在弯液面部排出的该喷嘴直径的约2倍的直径的初期排出液滴开始飞翔的排出开始电压、初期排出液滴的瑞利极限下的电压值及排出开始电压与瑞利极限电压值之比的关系的曲线。

从图10所示的曲线可见，喷嘴直径在φ0.2μm至φ4μm的范围内，排出开始电压与瑞利极限电压值之比超过0.6，液滴的带电效率成为良好的结果，在该范围内可进行稳定的排出。

例如，在图11所示的喷嘴直径与弯液面部的强电场(1×10⁶V/m以上)的区域的关系的曲线中，表示当喷嘴直径在φ0.2μm以下时、电场集中的区域极端变窄的情况。由此，显示排出的液滴无法接受足够的加速用的能量，飞翔稳定性变差。因此，需要将喷嘴直径设定得比φ0.2μm大。

接着，图12是表示将从以实际驱动上述结构的墨水喷射装置时的外加电压、即液滴的排出开始电压以上的电压使最佳的电压值发生变动时的最大电场强度感应出的弯液面部的初期排出液滴作为一定时的该液滴的电荷量与来自液滴的表面张力的瑞利极限值的关系的曲线。

从图12所示的曲线可见，A点是上述液滴的电荷量与来自液滴的表面张力的瑞利极限值的交点，对墨水的外加电压若是大于A点的高电压，则在初期排出液滴上形成大致接近瑞利极限的最大电荷量，若是低于A点的低电压，则表示形成了瑞利极限以下且对于排出所需的电荷量。

这里，当仅着眼于排出液滴的运动方程式时，因为是在作为强电场且最大电荷量的排出能量的最佳条件下进行飞翔，因而作为外加电压最好是比A点高的电压。

但是，图13是表示将环境湿度作成50％时的墨水(这里是纯水)的初期排出液滴直径与干燥时间(液滴的溶剂全部蒸发的时间)的关系的曲线。从该曲线可见，初期排出液滴直径小时，蒸发引起的墨水的液滴直径的变化非常快，在飞翔中的短暂时间内就干燥了。

因此，当初期排出时以最大电荷量形成液滴时，通过干燥引起的液滴直径的减小、即形成电荷的液滴的表面积减小，在墨水飞翔中发生瑞利分裂，过度放出电荷时电荷带着一部分液滴放出，产生蒸发以上的飞翔液滴的减少。

因此，到达时的液滴直径的偏差及落点精度变差，同时在喷嘴和被记录媒体中分裂的雾气浮游，污染被记录媒体。因此，考虑到形成稳定的排出圆点时，需要使初期排出液滴中感应出的电荷量比与瑞利极限相当的电荷量小一定程度。该场合，若将该电荷量做成相当于瑞利极限值的电荷量的95％左右，就无法提高落点圆点直径的偏差的精度，其结果最好是做成90％以下。

作为具体的数值，算出将喷嘴孔径看作为针电极的前端形状时的弯液面的最大电场强度引起的初期排出液滴直径的瑞利极限，通过做成该算出值以下的范围，就可抑制到达时的液滴的偏差。这可以认为是排出液滴分离之前的表面积比排出后不久的液滴小，且因电荷的移动时间的时间滞后、实际上初期排出液滴中感应的电荷量比由上述计算求得的电荷量小的缘故。

若是这样的条件，可防止飞翔时的瑞利分裂，同时可减轻在弯液面部的排出液滴的分离时电荷量多引起的雾化等的稳定排出。

带电的液滴蒸汽压减小，因而不易蒸发。这从以下的公式(6)可见。

RTρ/M×log(P/P0)＝2γ/d-q²/(8πd⁴) …(6)

其中，R是气体常数，M是气体分子量，T是气体温度，ρ是气体密度，P是微小液滴的蒸汽压力，P0是平面的蒸汽压力，γ是墨水的表面张力，d是墨水液滴的半径。

如上述公式(6)所示，带电的液滴，蒸汽压力因该液滴的带电量而减小，带电量过小时，由于对蒸发的缓和影响小，故与瑞利极限相当的电场强度及电压值的60％以上为最佳结果。其结果，与上述相同，算出将喷嘴孔径看作为针电极的前端形状时的弯液面的最大电场强度引起的初期排出液滴直径的瑞利极限，与表示该算出值的0.8倍以上的范围的情况相同。

尤其是，如图13所示，当初期排出液滴直径为φ5μm以下时，干燥时间极端缩短，容易受到蒸发的影响，可见将初期排出液滴的电荷量抑制得小、从抑制蒸发的观点来看是有效的。求解图13所示的干燥时间与初期排出液滴直径的关系时的周围湿度作成50％。

另外，当考虑排出液滴的干燥时，需要缩短液体至被记录媒体的排出时间。

这里，将排出液滴从弯液面部分离，从喷嘴至到达被记录媒体期间的平均飞翔速度作成5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s，将排出的稳定性与落点圆点的位置精度进行比较的结果示于表3。

表3

表3中的排出稳定性的符号中是表示，×：几乎没有排出，△：连续排出中有不排出的情况，○：没有不排出的情况，落点精度的符号中是表示，×：落点偏移＞落点圆点直径，△：落点偏移＞落点圆点直径×0.5，○：落点偏移＜落点圆点直径×0.5，◎：落点偏移＜落点圆点直径×0.2。

从上述表3可见，平均飞翔速度为5m/s时落点精度差，排出稳定性也差。尤其是，喷嘴直径在φ1μm以下时，当排出速度小，则作用于液滴的空气阻力的因素增大，且蒸发使圆点直径进一步减小，存在无法到达的情况。相反，平均飞翔速度为50m/s时，由于需要提高外加电压，故在弯液面部的电场强度变得极强，频繁地发生排出液滴的雾化，难以进行稳定的排出。

从以上可见，将排出液滴从弯液面部分离，从喷嘴至到达被记录媒体期间的平均飞翔速度最好在10m/s至40m/s之间。

但是，图13表示周围湿度作成50％时的、初期排出液滴直径与干燥时间的关系，而图14是表示初期排出液滴直径为φ0.5μm情况下使喷嘴与被记录媒体的距离为0.2mm时的周围湿度与干燥时间的关系。

从图14所示的曲线可见，周围湿度在60％以下时该干燥速度的数值不发生很大的变动。但是，当周围湿度超过70％时，可极端地抑制墨水的蒸发，使周围湿度为70％以上时，上述条件等的影响降低，尤其是将周围湿度设定为95％以上时，发现可大致忽略干燥的影响，可扩大本发明的墨水喷射装置的设计条件的自由度且可扩大适用范围。

这里，以下的表4表示将喷嘴直径作成φ1及φ3μm，使初期排出液滴直径变动时的排出稳定性及排出圆点直径偏差(落点偏差)。从喷嘴产生的初期排出直径既可通过改变外加电压值加以控制，又可通过调节电压脉冲的脉冲宽度来控制，这里，为了排除同一喷嘴直径下电场强度的影响，通过改变上述脉冲宽度来调节初期排出直径。

表4中的排出稳定性的符号中是表示，×：几乎没有排出，△：在10分钟的连续排出中有不排出的情况，○：表示10分钟连续排出中没有不排出的情况，◎：表示30分钟连续排出中没有不排出的情况，偏差的符号中是表示，△：落点圆点的偏差＞落点圆点直径×0.2，○：落点圆点的偏差≤落点圆点直径×0.2，◎：落点圆点的偏差≤落点圆点直径×0.1。

表4

从表4可见，相对于喷嘴直径1.5倍～3倍左右时排出的稳定性好，尤其是1.5倍～2倍时落点圆点直径的偏差受到极端的抑制。这可以认为，是因为将从弯液面部拉伸出的墨水形状看作液柱时、在该液柱的表面积比与该液柱的体积对应的球的表面积大的条件下的液滴分离最为稳定的缘故。

采用上述结构，将墨水排出后不久的液滴量为1Pl以下的微小的墨水液滴排出的静电吸引式墨水喷射装置中，通过将喷嘴4的墨水排出孔4b的直径做成墨水排出后不久的液滴直径的同等以下，由于可将用于排出的电场集中于喷嘴4的弯液面部14，故可大幅度地减小排出墨水所需的外加电压，可实现减小一个个地分离、排出的液滴的直径的偏差、且稳定的排出。

另外，不再需要外加以往所需的偏置电压，可正负交替地外加驱动电压，可减轻被记录媒体的表面电位的增加对落点精度的影响。

另外，通过将喷嘴孔的直径作成φ8μm以下的范围，可将电场集中于喷嘴的弯液面部，同时可不受相对电极的位置精度及被记录媒体的材料特性的偏差和厚度偏差的影响，能进行稳定的排出。

尤其是，通过使喷嘴4的墨水排出孔4b的直径在φ0.2μm以上、φ4μm以下的范围内，电场集中极端增强。这样，由于提高最大电场强度就成为提高墨水的初期排出速度，故飞翔稳定性得到提高，同时由于弯液面部的电荷的移动速度增大，故排出响应性得到提高，同时可抑制瑞利分裂的影响引起的落点圆点直径的偏差。

而且，通过将来自喷嘴4的墨水排出后不久的液滴直径做成喷嘴4的墨水排出孔4b的直径的1.5倍以上、3倍以下的范围内，可提高排出的稳定性，尤其是将墨水排出后不久的液滴直径做成该喷嘴直径的1.5倍～2倍的范围内，就可使排出圆点直径的偏差受到极端的抑制。

本实施形态中，如上所述，是对墨水室1内的墨水施加负压的例子进行了说明，但也可对墨水施加正压。为了对墨水室1内的墨水施加正压，例如，如图15所示，可以考虑在墨水供给通道6的未图示的墨水罐侧设置泵12，利用该泵12对墨水室1内的墨水施加正压。该场合，只要利用流程控制部13对上述泵12进行驱动控制，以使与墨水从墨水室1排出的时间对应地进行驱动即可。这样，若对墨水室1内的墨水施加正压，则可节省由静电力形成弯液面部的凸形状的麻烦，可降低外加电压及提高响应速度。

本实施形态中，为了简化说明对具有单一喷嘴的墨水喷射装置进行了说明，但并不局限于此，只要进行考虑了相邻喷嘴的电场强度的影响的设计，也可适用于包括具有多个喷嘴的多头部的墨水喷射装置。

而且，本实施形态中，如图1及图15所示，对始终设置相对电极7的墨水喷射装置进行了说明，但从表2可知，相对电极7与喷嘴4的墨水排出孔4b之间的距离(间隙)几乎不对被记录媒体与喷嘴之间的电场强度产生影响，只要该被记录媒体与喷嘴之间的距离近，被记录媒体的表面电位稳定，则不需要相对电极。

如上所述，本发明的静电吸引式流体喷射装置，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下。

由此，本发明将喷嘴直径设定为：与以往的为了排出比喷嘴的流体排出孔的直径小的液滴直径的流体而形成的泰勒锥形状的电荷集中的前端部的直径大致相同，故在以往的流体的静电吸引过程中需要大范围形成的电场能在小范围形成。

由此，可大幅度地降低为了将电荷移动所需的电压、即为了将对流体以所需的液滴直径的液滴的状态进行静电吸引所需的带电量赋予该流体所需的电压。由此，不需要以往那样的2000伏这样的高电压，可提高使用流体喷射装置时的安全性。

另外，如上所述，通过使电场狭窄，可在狭窄区域形成强的电场，其结果，可使形成的液滴微小化。由此，将液滴作为墨水时，可使印字图像做成高分辨率。

因此，采用具有上述结构的静电吸引式流体喷射装置，可实现既可满足高分辨率和安全性的两方面、且通用性好的装置。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置构成为，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下。

而且，通过将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，因而可使电场强度分布集中于该流体排出孔的排出面附近，同时从相对电极至喷嘴的流体突出孔的距离变动不会影响电场强度分布。

由此，可不受相对电极的位置精度以及被记录媒体的材料特性的偏差和厚度偏差的影响，能进行稳定的流体的排出。

通过对施加于上述流体的电压进行控制，可调节排出流体的液滴量(液滴的体积和直径)。因此，也可具有对施加于流体的电压进行控制的施加电压控制装置，以使从上述流体排出孔排出后不久的流体的液滴量为1Pl以下。

另外，也可将上述喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下。

该场合，通过将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下，电场集中极端增强而能提高最大电场强度。其结果，能稳定地排出直径小的微小的液滴。

既可利用上述施加电压控制装置对施加于流体的电压进行控制，以将来自上述流体排出孔排出后不久的液滴直径做成该流体排出孔的直径的1.5倍以上、3倍以下，也可进一步对施加于流体的电压进行控制，以将从上述流体排出孔排出后不久的液滴直径做成该流体排出孔的直径的1.5倍以上、2倍以下。

该场合，通过将从流体排出孔排出后不久的液滴直径(初期排出液滴直径)做成流体排出孔的直径的1.5倍至3倍时，可提高流体排出的稳定性。尤其是将从流体排出孔排出后不久的液滴直径做成流体排出孔的直径的1.5倍～2倍，就可使流体排出后到达被记录媒体上时落点圆点直径的偏差受到极端的抑制。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，具有对施加于所述喷嘴内的流体电压进行控制的外加电压控制部，构成为：将该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下。

由此，由于在本发明中将喷嘴直径设定为：与以往的为了排出比喷嘴的流体排出孔的直径小的液滴直径的流体而形成的泰勒锥形状的电荷集中的前端部的直径大致相同，故在以往的流体的静电吸引过程中需要大范围形成的电场能在小范围形成。

而且，由于所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下，因而可防止排出的液滴的干燥使液滴表面积减小而引起的放电，同时可防止液滴带电引起的蒸汽压力的减小。

由此，可降低排出的液滴的干燥时间(至液滴的溶剂全部蒸发为止的时间)的减小，可消除到达落点的液滴的圆点直径的尺寸的偏差。

另外，由于排出的液滴的干燥时间变长，故可减小液滴弹射到之前液滴的直径、即液滴量的变化。由此，由于飞翔中的液滴受到的空气阻力和周围湿度等环境条件对各液滴是均匀的，故可提高液滴的落点精度，即可抑制落点时的液滴的偏差。

而且，因为排出的液滴的干燥时间延长，故即使排出液滴的直径是φ5μm程度的微小的液滴，液滴也可在不干燥的情况下到达落点。

因此，通过使用上述结构的静电吸引式流体喷射装置，可稳定地排出微小的液滴，同时可高精度地到达落点。

即，本发明的静电吸引式流体喷射装置，为了解决上述问题，将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，具有对施加于所述喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应的电荷量成为相当于所述弯液面的最大电场强度引起的流体排出后不久的液滴直径下的瑞利极限的电荷量以下。

所述外加电压控制部也可对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的60％以上。

一般来说，带电的液滴，蒸汽压力因该液滴的表面的带电的电荷量(带电量)而减小，带电量过小时，对蒸发的缓和没有影响。具体地说，在比与液滴的瑞利极限相当的电荷量的60％少的电荷量的场合，对液滴蒸发的缓和没有影响。

因此，最好将从流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量设定在相当于液滴的瑞利极限的电荷量的60％以上、90％以下。

为了使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的60％以上，可考虑以下方法。

即，上述施加电压控制装置对施加于上述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出孔排出后不久的流体的液滴中感应的电荷量成为相当于所述流体的弯液面的最大电场强度引起的流体排出后不久的液滴直径下的瑞利极限的电荷量的0.8倍以上。

将上述喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ5μm以下为佳，最好是将上述喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下。

该场合，通过将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ5μm以下，电场强度集中，电场集中极端增强，最大电场强度增大，其结果，可提高液滴的带电效率。而且，为了改善液滴的带电效率，最好将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下。该场合，电场集中极端增强，最大电场强度增大，其结果，能稳定地排出直径小的微小的液滴。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，构成为：将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔以与外加的电压对应的速度向被记录媒体排出，具有对施加于所述喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，所述外加电压控制部对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体的排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下。

这里，若流体到达被记录媒体期间的平均排出速度小于10m/s，则落点精度差，排出稳定性也差，故液滴的落点圆点直径产生偏差。另外，若流体到达被记录媒体期间的平均排出速度大于40m/s，则需要高电压，故弯液面部的电场强度变得非常强，排出的液滴频繁地发生雾化，无法稳定地排出液滴。

因此，如上述结构的静电吸引式流体喷射装置那样，通过使从流体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下，可使液滴稳定地飞翔，其结果，可提高液滴的落点精度，且可抑制液滴落点圆点直径的偏差。

即，本发明的静电吸引式流体喷射装置，构成为：将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔以与外加的电压对应的速度向被记录媒体排出，具有对施加于该喷嘴内的流体的电压进行控制的外加电压控制部，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，所述外加电压控制部也可对施加于所述流体的电压进行控制，以使从所述流体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下。

另外，本发明的静电吸引式流体喷射装置，构成为：将含有微粒子并通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，该喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ8μm以下，所述流体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下。

而且，由于上述流体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下，因而可减轻微粒子本身带电的影响，即使液滴中含有微粒子也能稳定地进行排出。

另外，因为可减轻微粒子本身带电的影响，故不会发生像以往利用微粒子的带电进行排出流体时那样、粒径小时微粒子的移动变慢的情况。因此，含有微粒子的流体，即使例如是墨水，也不会使记录速度下降。

另外，上述流体中含有的微粒子的粒径最好在φ1nm以上、φ10nm以下。

而且，上述喷嘴的流体排出孔的直径也可设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下。

该场合，通过将喷嘴的流体排出孔的直径设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下，电场集中极端增强，最大电场强度增大。其结果，能稳定地排出直径小的微小的液滴。

即，本发明的静电吸引式流体喷射装置，构成为：将含有微粒子且通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，将该喷嘴的流体排出孔的直径设定为与排出后不久的流体的液滴直径同等以下，该流体中含有的微粒子的粒径也可在φ30nm以下。

用于实施本发明的最佳形态的项中构成的具体的实施形态或实施例只不过是为了说明本发明的技术内容的，不应该限定于这样的具体例子进行狭义地解释，可在本发明的精神和以下记载的权利要求的范围内进行各种变更加以实施。

[产业上利用的可能性]

本发明的静电吸引式流体喷射装置，可适用于作为流体排出墨水进行印刷的墨水喷射头，而且，如作为流体使用导电性流体，则也可适用于存在需要形成微细的配线的电路板的制造装置，而且，除了配线用途以外，还可应用于所有的印刷用途、图像形成、蛋白质或DNA等生物材料的图案形成、联合化学(日文：コンビナトリアルケミストリ一)等，另外，也可利用于滤色镜、有机EL(Electro luminescence：场致发光)、FED(碳管(日文：カ一ボンナノチユ一ブ)的图案形成)、陶瓷的图案形成。

Claims

1.一种静电吸引式液体喷射装置，将通过施加电压而带电的液体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的液体排出孔排出，其特征在于，

所述喷嘴的液体排出孔的直径设定在φ0.2μm以上、φ4μm以下。

2.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

为了调节从液体排出孔排出的液滴量，具有对施加于液体的电压进行控制的施加电压控制装置，

所述施加电压控制装置对施加于液体的电压进行控制，使刚从所述液体排出孔排出的液体液滴量为1×10^-12升以下。

3.如权利要求2所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述施加电压控制装置对施加于液体的电压进行控制，使刚从所述液体排出孔排出的液滴直径成为该液体排出孔的直径的1.5倍以上、3倍以下。

4.如权利要求2所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述施加电压控制装置对施加于液体的电压进行控制，使刚从所述液体排出孔排出的液滴直径成为该液体排出孔的直径的1.5倍以上、2倍以下。

5.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述喷嘴的液体排出孔的直径设定为等于或小于刚排出的液体的液滴直径。

6.如权利要求5所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

所述施加电压控制装置对施加于液体的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴量为1×10^-12升以下。

7.如权利要求6所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述施加电压控制装置对施加于液体的电压进行控制，使刚从所述液体排出孔排出的液滴直径成为该液体排出孔的直径的1.5倍以上、3倍以下。

8.如权利要求6所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述施加电压控制装置对施加于液体的电压进行控制，使刚从所述液体排出孔排出的液滴直径成为该液体排出孔的直径的1.5倍以上、2倍以下。

9.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

具有对施加于所述喷嘴内的液体的电压进行控制的施加电压控制装置，

所述施加电压控制装置对施加于所述液体的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下。

10.如权利要求9所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述施加电压控制装置对施加于所述液体的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的60％以上。

11.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

将所述喷嘴的液体排出孔的直径设定为等于或小于刚排出的液体的液滴直径，

所述施加电压控制装置对施加于所述液体的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴中感应出的电荷量成为相当于所述弯液面的最大电场强度引起的液体刚排出后的液滴直径下的瑞利极限的电荷量以下。

12.如权利要求11所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述施加电压控制装置对施加于所述液体的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴中感应出的电荷量成为相当于所述弯液面的最大电场强度引起的液体刚排出后的液滴直径下的瑞利极限的电荷量的0.8倍以上。

13.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

所述施加电压控制装置对施加于所述液体的电压进行控制，以使从所述液体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下。

14.如权利要求5所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

15.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

所述液体包含微粒子，

所述液体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下。

16.如权利要求15所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述液体中含有的微粒子的粒径在φ1nm以上、φ10nm以下。

17.如权利要求5所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

所述液体包含微粒子，

所述液体中含有的微粒子的粒径在φ30nm以下。

18.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，

所述喷嘴的液体排出孔的直径设定为等于或小于刚排出的液体的液滴直径，

具有：对液体外加电压的电极；以及为了对从液体排出孔排出的液滴量进行调节而对施加于所述电极的电压进行控制的流程控制部，

所述流程控制部对施加于所述电极的电压进行控制，使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴量为1×10^-12升以下。

19.如权利要求18所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述流程控制部对施加于所述电极的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴中感应出的电荷量成为相当于该液滴的瑞利极限的电荷量的90％以下。

20.如权利要求18所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述流程控制部对施加于所述电极的电压进行控制，以使刚从所述液体排出孔排出的液体的液滴中感应出的电荷量成为相当于所述弯液面的最大电场强度引起的液体刚排出后的液滴直径下的瑞利极限的电荷量以下。

21.如权利要求18所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述流程控制部对施加于所述电极的电压进行控制，以使从所述液体排出至到达被记录媒体期间的平均排出速度为10m/s以上、40m/s以下。

22.如权利要求1所述的静电吸引式液体喷射装置，其特征在于，所述液体是墨水。