JP2008173770A - 導電性液体吐出装置及び導電性液体吐出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、ローレンツ力を利用して導電性液体を吐出させ、その吐出量を制御でき、目詰まりしにくい導電性液体吐出装置を得ることを目的とする。
【解決手段】
本発明による導電性液体吐出装置は、導電性液体が供給されるノズル先端近傍に対向する１組の電極と、対向する１組の磁極を概略直交して設け、電極に電圧を印加して導電性液体に電流を流し、発生したローレンツ力で導電性液体を吐出させ、その後、逆方向のローレンツ力を作用させることにより、液体の糸引き吐出，液垂れを防止する。さらに、流路断面積を変えて上記ノズル装置を２段に設け、液体吐出時のみ先端の流路断面積の狭い２段目ノズル部まで液体を送り、吐出し、それ以外の時には流路断面積の広い１段目位置に液体を保持するようにして、目詰まりしにくく構成した導電性液体吐出装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、導電性液体を吐出する吐出装置及び導電性液体を吐出制御する方法に関する。

従来から液体を吐出するには、色々な方法がある。近年は、吐出する液体で塗布対象物に微細なパターンを描くために、微細な液滴として液体を吐出するインクジェット法と呼ばれる方法がある。これには、圧電素子の変形を利用して吐出するピエゾ方式，液体の沸騰現象を利用して吐出するサーマル方式などが知られている。

特に特許文献１には、基板と垂直方向に磁場を印加して磁場と垂直方向に電流を供給することで（すなわちローレンツ力により）インクを吐出するインクジェットヘッドが開示されている。すなわち、流路を構成する基板及び天板の外側に対向する磁極が異なるように磁石を配置し、磁石により形成される磁場に垂直に電流を発生する電極を配置した構成として、各電極に電流を印加して導電性インクに電流を流すことでローレンツ力を発生させてインクを吐出ことが開示されている。

インクジェット法は微細なパターンを描くことができるので、導電性液体を吐出して塗布対象物に電気回路配線を作成する方法が知られている（例えば、特許文献２）。

また、導電性液体を送液する方法としては、電磁ポンプが知られている（例えば、特許文献３）。

特開平０８−２９０５７６号公報 特開２００４−１６５５８７号公報 特許第２８８９１５２号

インクジェット法では、液体に外部から作用させる力に方向性を持たせるために、液体流路に逆流を防ぐ何らかの構造が必要になる。例えば、ピエゾ方式では圧電素子の変形により液体に圧力を加え液体を吐出する。このとき、圧力を加える点から上流側に液体が逆流しないように、流路を狭めるオリフィスのような構造が必要になる。このため、ノズル装置全体として構造は複雑になり、製作コストがかさむ。

また、液体に外部から作用させる変形量は微少であり、液体の吐出量を連続的に制御するのは難しい。例えば、サーマル方式では１回の沸騰で生じる気泡の大きさで液体の吐出量が規定される。吐出量は液滴数で制御していて連続的に変化させることはできない。

塗布対象物に対して液滴が微細になるとどうしても塗布時間は長くなる。このためノズルを複数設けて塗布時間を短くすることが考えられる。しかし、上記のように流路が複雑であると、ノズルを複数設けることは難しい。

流路が複雑であると、液体は特に流路の狭隘部で目詰まりしやすい。その上で、さらに吐出する液滴を微細にするためにノズルを細くすると、より目詰まりしやすくなるという問題が生じる。

電磁ポンプは、液体金属の送液や銑鉄の攪拌などに使われ大きな装置が多く、吐出ノズル装置を構成するには、液体の挙動を考慮する必要がある。

また、特許文献１の公報では、インクを吐出時の糸引きの問題や、液垂れの問題に関しては何等考慮されていない。

本願発明の目的は、簡単な構成で、小型で、糸引きや、液垂れの問題の発生しない導電性液体吐出装置と吐出制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、液体を吐出する導電性液体吐出制御方法において、吐出される液体は導電性を有し、導電性液体が供給されるノズル先端近傍に対向する１組の電極と、対向する１組の磁極を概略直交して設け、電極に電圧を印加して導電性液体に電流を流すことで導電性液体を吐出させる共に、前記電極に導電性液体を吐出させるための電圧を印加した後、逆極性の電圧を短時間印加して、吐出液体を引き戻すことを特徴とする。

また、複数の吐出口から導電性液体を吐出する導電性液体吐出装置において、対向する２枚の基板と、前記基板間に前記吐出口に対応して複数の流路を設け、前記対向する基板に設けられた流路毎に極性の異なる磁極を対向して設け、前記磁極により形成される磁場に対して垂直に電流を印加するための電極を流路毎に設け、前記流路を導電性液体の流れ方向に流路断面積が異なるように２段に構成し、導電性液体の流入側の１段目の流路と導電性液体吐出側の２段目の流路の境界部に絶縁部を設けたことを特徴とする。

本発明は以下のような効果を奏する。

請求項１記載の構成によれば、磁場中の導電性液体に電極から電流を流し、磁場と電流の相互作用で発生したローレンツ力を液体に直接作用させて吐出させ、吐出後、導電性液体に逆方向のローレンツ力を作用させて流路側に液体を引き込むので、糸引きや、液垂れを防ぐことができる。

また、流路を２段にすることで、吐出口側の細い流路に液体の残留をなくすことで液体の目詰まりもしにくくなる。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明による導電性液体吐出装置の一部概略図を含む外観斜視図である。図２は、以下の説明のために、図１の吐出ノズル部の断面図（Ａ−Ａ断面とＢ−Ｂ断面）を示したものである。

導電性液体は、導電性液体タンク９に保持され、液体供給装置８により液体流路７を通って必要量の液体が複数の吐出口を備えた導電性液体吐出装置（塗布ヘッド）１のインク室に供給される。

導電性液体とは導電性を有する液体であれば特に制限はない。ここでは、金属を数μｍから数ｎｍのオーダーまで微粒子化し、有機液体などの分散媒中に分散させた金属ナノインクを主として用いているが、これに限定されるものではない。

導電性液体吐出装置１の外周部は、所定の間隔をあけて設けて上下に基板（ベース）
５１と基板（ベース）５２が設けてあり、その前面側には複数の吐出口を備えたノズルプレート１１が設けてある。基板５１と基板５２の間にはノズルプレート１１に設けた吐出口に対応して複数の導電性液体を流すための流路７１，７２が設けてある。更に、基板
５１には磁極２１が、基板５２には流路７１，７２に、磁極２２がそれぞれ異なる極性で対向するように設けてある。また、所定の間隔をあけてコラム４１，４２，４３（図６参照）が設けてあり、このコラムにそれぞれ電極３１，３２及び電極３３，３４を対向して設けてある。この磁極２１，２２と電極３１，３２、及び電極３３，３４は図に示すように、吐出口に対応して設けてあり、磁極に対して電極が略直交して配置されその内側で矩形をした部分が、導電性液体を流す流路７１，７２となっている。また、各電極３１，
３２，３３，３４は電源６に接続されている。

各電極３１，３２，３３，３４は導電性液体に電流を流す必要があるので、導電性液体に直接接触するように形成されている。磁極は導電性液体に直接接触している必要はないので、必要に応じて何らかの保護層で被覆されていても良い。

次に、吐出原理について説明する。磁極２１，２２は流路７１，７２に面する面が異なる極性で着磁されていて、図２に示すように矢印方向の磁束Φが形成される。この状態で電源６により各電極３１，３２，３３，３４に電圧を印加して、導電性液体中に図２に示す矢印方向に電流ｉを流すと、電流ｉと磁束Φの相互作用でローレンツ力として知られている力が導電性液体に作用する。その方向は導電性液体をノズルから吐出する方向である。すなわち、ローレンツ力で導電性液体を吐出口より吐出する構成としたものである。

前述のようにローレンツ力は導電性液体に直接作用するので、液体流路を平坦形状に構成できる。このため、流路に液体の逆流を防ぐオリフィスのような凹凸を有する流路構造にする必要がなく目詰まりする可能性は低くなる。また、ピエゾ方式での圧電素子のような可動部分も不要なので、信頼性も向上する。

本構成とすることで、電極に電圧を印加して、導電性液体に電流を流すとローレンツ力が作用するため、図３に示すように電源６から電極への電圧印加時間を制御することで、吐出される液滴８１，８２の吐出量を制御することができる。すなわち、（ｂ）のように電圧印加時間を長くすれば液体にローレンツ力が作用する時間も長くなるので、液体の吐出量は増える。（ａ）のように短い場合には、液体の吐出量は少なくなる。電圧印加時間は連続的に変化させることができるので、液体の吐出量も連続的に変化させることができる。また、対向電極３１，３２と対向電極３３，３４に印加する電圧は電源６で個別に制御できるようにしておく。これにより、それぞれの吐出口から任意に液体を吐出させることができる。

同じ構成で磁束の向き、あるいは電流の向きを逆にすると、ローレンツ力の作用方向を逆にすることができる。磁極をコイル、あるいはコイルと永久磁石の組合せで構成すると、磁束の向きを逆にすることは比較的容易にできる。しかし、電流の向きを逆にする方法のほうがより簡単なので、ここでは電極に印加する電圧を逆にして液体に流す電流の向きを逆にしている。このように、逆方向にローレンツ力を作用させる理由は、吐出液体の糸引き吐出，液垂れを防止するためである。

各電極に液体を吐出させる方向に電圧を印加して液体に電流を流すと、液体にローレンツ力が吐出方向に作用して吐出される。設定した量が吐出されたということで電圧印加を止めても、液体には吐出方向に慣性力が働くので設定量以上の液体が糸を引くように吐出される現象が起きる。さらに、慣性力が減少しノズル先端に残った液体は表面張力などの影響で引き戻される。この引き戻された液体はノズル先端に付着し、ノズル先端部に、ある量が溜まると液垂れを起こす場合がある。そこで、図４に示すように電極に吐出方向の電圧を印加した直後に、液体に作用している慣性力を打ち消すように、短時間だけ逆方向の電圧を印加して液体を引き戻す方向のローレンツ力を作用させる。これにより、吐出液体の糸引き吐出，液垂れを防止することができる。吐出方向の電圧値，電圧印加時間，引き戻し方向の電圧値，電圧印加時間を適切に制御すれば、ノズル先端に形成されるメニスカスの形状を常に一定にできるので、吐出量をより精確に制御できる。

吐出口には上記のように液体が付着し、吐出に伴い吐出液滴に余分な量として付着する場合や、液垂れを発生させる可能性がある。そこで、撥液性を有するノズルプレート１１を設ける。ノズル部は液体流路で一番断面積が狭く、液体が目詰まりを起こす可能性がある。ノズルプレート１１が撥液性を有していて、図４に示すような吐出電圧の制御を行えば、ノズルプレート１１は液体が吐出される場合のみ液体と接触するだけで、それ以外は断面積が広い流路７１，７２の先端にメニスカスが形成されるので、目詰まりの可能性を減らすことができる。

実施例１の構成においては２つの吐出口を備えた吐出装置としているが、流路７１，
７２内にさらに電極を設け、流路を細分化して、電源６で対向電極への電圧印加を個別に制御するようにすれば、多数の吐出口を備えた導電性液体吐出装置が得られる。

図示はしないが、実施例１の構成を１ユニットとして、このユニットを複数設けると、多数の吐出口を設けた導電性液体吐出装置が得られる。

図５に、本発明による導電性液体吐出装置の他の実施例を示す。本図は一部概略図を含む外観斜視図である。図６は、図５の吐出ノズル部の部分断面図を示したものである。

本実施例で先の実施例１と異なる点は、吐出口側に流路断面積の小さな２段目の流路を設け、導電性液体の導入側に流路断面積の大きな１段目の流路を設けると共に、１段目の流路と２段目の流路との間に緩衝流路を設けた構成とした点である。すなわち、流路断面積の大きな流路と断面積の小さな流路からなる２段流路構成とし、液体吐出時のみ先端の流路断面積の狭い２段目の流路まで液体を送り、吐出し、それ以外の時には流路断面積の広い１段目の流路に液体を保持するようにして、目詰まりしにくく構成したものである。

導電性液体は、導電性液体タンク９に保持され、液体供給装置８により液体流路７を通って必要量の液体が導電性液体吐出装置１に供給される。

導電性液体吐出装置１の１段目の流路は、磁極２１，２２、電極３１，３２，３３，
３４、コラム４１，４２，４３、ベース５１，５２で構成される。磁極２１，２２と電極３１，３２，３３，３４は概略直交して配置され、その内側で矩形をした部分が導電性液体の流路７１，７２になる。１段目の流路と２段目の流路の境界には、１段目の流路と２段目の流路との磁気回路を分離させるために、緩衝層５５を設けている。緩衝層５５の流路となる面には撥液性を付与してある。２段目の流路は、磁極２６，２７、電極３６，
３７，３８，３９、コラム４６，４７，４８、ベース５６，５７、ノズルプレート１１で構成されている。各電極に電圧を印加して導電性液体に電流を流し、導電性液体の吐出や引き込みを制御する電源６が各電極に接続されている。

２段目の流路７６，７７は、１段目の流路７１，７２と連続している。より望ましくは同軸に配置される。流路断面積が異なり、１段目が広く２段目が狭いのが本実施例の特徴である。尚、緩衝層の流路は１段目の流路断面積と略同じ大きさに形成してある。

次に、動作について説明する。導電性液体は、導電性液体タンク９に保持され、液体供給装置８により液体流路７を通って必要量の液体が導電性液体吐出装置１に供給される。ノズル装置内で液体は、緩衝層５５の流路表面が撥液性なのでそこまでは流れ込まず、流路７１，７２の先端まで充填される。その位置で、流路７１，７２表面での接触角に応じた図６に示すようなメニスカスを形成する。液体を吐出させる場合、まず、電源６から各電極３１，３２，３３，３４に吐出方向にローレンツ力が作用するように電圧を印加して、液体に電流を流す。すると、液体が吐出方向に移動し、２段目の流路７６，７７に接触し毛管現象により流路７６，７７に充填される。ここでは、ノズルプレート１１が撥液性を有するので流路７６，７７の先端にメニスカスが形成される。ここからは実施例１と同様で、電極３６，３７，３８，３９に対して吐出方向に電圧を印加すれば液体は液滴８１，８２として吐出され、逆方向に電圧を印加すれば糸引き吐出，液垂れを防止することができる。液体の吐出を連続して行う場合には、２段目の流路７６，７７に液体がある状態で、同じ動作を繰り返し行う。

吐出動作を終了して次の吐出動作までの待機時には、２段目の電極３６，３７，３８，３９に吐出時とは逆極性の電圧を印加して液体を流路７６，７７から流路７１，７２の方向に移動させ、流路７６，７７内を空にする。２段目の電極に逆極性の電圧を印加すると同時かやや後に、１段目の電極３１，３２，３３，３４にも逆極性の電圧を印加して液体を吐出とは逆方向に移動させ、流路断面積の広い１段目の流路７１，７２の先端まで液体を引き戻す。緩衝層５５の流路表面が撥液性なので、上記したように流路７１，７２の先端に液体はメニスカスを形成する。流路断面積は、流路７６，７７に比べ、流路７１，
７２のほうが広いので、液体の目詰まりは発生しにくい。

本発明による導電性液体吐出装置の一部概略図を含む外観斜視図。 吐出ノズル部の部分断面図。 吐出量を制御する電極への電圧印加方法の説明図。 糸引き吐出，液垂れを防止する電極への電圧印加方法の説明図。 本発明による導電性液体吐出ノズル装置の別の実施例を示す一部概略図を含む外観斜視図。 図５の吐出ノズル部の部分断面図。

符号の説明

１ 導電性液体吐出装置
６ 電源
７ 液体流路
８ 液体供給装置
９ 導電性液体タンク
１１ ノズルプレート
２１，２２，２６，２７ 磁極
３１，３２，３３，３４，３６，３７，３８，３９ 電極
４１，４２，４３，４６，４７，４８ コラム
５１，５２，５６，５７ ベース
５５ 緩衝層
７１，７２，７６，７７ 流路
８１，８２ 吐出液滴

Claims (7)

1. 液体を吐出する導電性液体吐出制御方法において、吐出される液体は導電性を有し、導電性液体が供給されるノズル先端近傍に対向する１組の電極と、対向する１組の磁極を概略直交して設け、電極に電圧を印加して導電性液体に電流を流すことで導電性液体を吐出させる共に、前記電極に導電性液体を吐出させるための電圧を印加した後、逆極性の電圧を短時間印加して、吐出液体を引き戻すことを特徴とする導電性液体吐出制御方法。
2. 請求項１記載の導電性液体吐出制御方法において、電極への電圧印加時間を変えることにより、導電性液体の吐出量を制御する導電性液体吐出制御方法。
3. 複数の吐出口から導電性液体を吐出する導電性液体吐出装置において、
   対向する２枚の基板と、前記基板間に前記吐出口に対応して複数の流路を設け、前記対向する基板に設けられた流路毎に極性の異なる磁極を対向して設け、前記磁極により形成される磁場に対して垂直に電流を印加するための電極を流路毎に設け、前記流路を導電性液体の流れ方向に流路断面積が異なるように２段に構成し、導電性液体の流入側の１段目の流路と導電性液体吐出側の２段目の流路の境界部に絶縁部を設けたことを特徴とする導電性液体吐出装置。
4. 請求項３記載の導電性液体吐出装置において、前記吐出口に撥液性を有するノズルプレートを設けた導電性液体吐出装置。
5. 請求項３記載の導電性液体吐出装置において、導電性液体吐出ノズル装置を２段に設け、導電性液体の流路断面積を１段目は広く、２段目は狭く構成した導電性液体吐出装置。
6. 請求項３記載の導電性液体吐出装置において、導電性液体の吐出動作時には、１段目の電極に電圧を印加して２段目の液体流路に液体を充填して、２段目の電極に電圧を印加して導電性液体を吐出させる。吐出動作を終了して次の吐出動作までの待機時には、２段目の電極に吐出時とは逆極性の電圧を印加して液体を吸引，引き戻し、１段目の電極にも逆極性の電圧を印加して、流路断面積の広い１段目の流路まで液体を引き戻す導電性液体吐出装置。
7. 請求項３記載の導電性液体吐出ノズル装置において、１段目と２段目間の流路壁面が撥液性を有する導電性液体吐出装置。

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