JP4715214B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に係り、特に高粘度の微小な液滴を低い駆動電圧で飛翔させることのできる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

近年、インクジェット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。これらの課題を従来のインクジェット記録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。

そこで、前記要請に応え、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（例えば、特許文献１参照）。

また、この液滴吐出技術と、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た、いわゆる電界アシスト方式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等参照）。この電界アシスト法は、メニスカス形成手段と静電吸引力を用いてノズルの吐出口に液体のメニスカスを隆起させることにより、メニスカスに対する静電吸引力を高め、液表面張力に打ち勝ってメニスカスを液滴化し吐出する方法である。

また、従来のピエゾ方式やサーマル方式を用いたインクジェット記録方式では、着弾精度の向上のためにノズル形状に高い精度が要求されるが、ノズル孔のストレート部の長さを１０μm以上にすることによりインクの噴射方向が安定し、着弾精度を向上させることが知られている（例えば、特許文献６参照）。
国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット 特開平５−１０４７２５号公報 特開平５−２７８２１２号公報 特開平６−１３４９９２号公報 特開２００３−５３９７７号公報 特開２０００−２４６８９４号公報

電界アシスト方式においてノズル開口部から液体を射出するためには、少なくとも開口部に隆起したインクメニスカスから液滴を形成するエネルギーが必要である。形成された液滴は、静電吸引力により基材に対して飛翔するため、特に微小な液滴に対しては、その着弾精度は従来のピエゾ方式やサーマル方式より優れている。

また、従来のピエゾ方式やサーマル方式ではメニスカスを形成し液滴を飛翔させ基材に着弾させるための全エネルギーをピエゾ素子の変形等による圧力で賄わなければならないのに対して、電界アシスト方式で必要となる発生圧力はメニスカスを形成し液滴を形成するだけのエネルギーだけであり、ピエゾ素子等の圧電アクチュエータからなる圧力発生手段の駆動電圧は従来方式に比べて比較的低電圧で済むという利点がある。

しかし、電界アシスト方式においても、微小な液滴を吐出するためにノズル開口径を小さくしたり、高粘度の液滴を吐出させたりする場合には、ノズル内の粘性抵抗が高くなるため、メニスカスを隆起させ液滴を形成させるためにピエゾ素子の駆動電圧を高くする必要があるため、ノズルを多数有するマルチヘッドに適用する際には消費電力の増大につながり不利である。

そこで、本発明は、電界アシスト方式において高粘度の微小な液滴を低い駆動電圧で飛翔させることのできる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の液体吐出ヘッドは液体が供給される液体供給口、前記液体供給口から供給された液体を吐出する吐出口及び前記液体供給口から前記吐出口に液体を供給する液体供給路を有するノズルが設けられたノズルプレートと、
前記液体供給口に連通するとともに前記吐出口から吐出される液体が貯蔵されるキャビティと、
前記キャビティの容積を変化させることにより液体に圧力を発生させる圧力発生手段と、前記ノズル及び前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印可して静電吸引力を発生させる静電電圧発生手段と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記ノズルプレートの体積抵抗率が１０ ^１５ Ωｍ以上であるとともに前記液体供給路の断面の面積は前記液体供給口から前記吐出口に向かって減少していくように形成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ノズルの液体供給口の開口面積を吐出口の開口面積の１０倍以上とするとともに液体供給路の断面の面積は液体供給口から吐出口に向かって減少していくように形成することで液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるため液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することができる。
また、ノズルプレートの体積抵抗率が１０ ^１５ Ωｍ以上とすることにより、メニスカスの先端部の電界強度を液滴が効率よく安定的に吐出する電界強度である３×１０ ^７ Ｖ／ｍ（３０ｋＶ／ｍｍ）以上とすることができ、圧力発生手段の駆動電圧をより低電圧化することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルは、
前記液体供給口と連通する大径部と、前記大径部の底面に開口された前記吐出口と連通する小径部と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、ノズルを大径部と小径部からなる二重構造として吐出口付近のノズルの径を小さくすることで液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるため液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記小径部の長さが１５μｍ以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば小径部の長さを１５μｍ以下とすることで液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるため液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体供給路の側面は前記液体供給口から前記吐出口に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、前記液体供給口の側面は前記液体供給口から前記吐出口に向かってテーパ状に形成することで、液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるため液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルは前記ノズルプレートの吐出面から突出していないフラットなノズルであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、フラットなノズルを使用する場合であっても、請求項１から請求項４に記載の発明と同様の作用を生じさせることができる。なお、フラットなノズルとはノズル大きく突出していない形状のノズルであり、その突出高さは３０μｍ以下のものを指す。突出量が小さい為、ノズルプレート表面のワイプ時に引っかかったり、破損したりすることもなくワイプ操作ができる利点を持つ。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの吐出口が開口された面には撥液層が設けられていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、吐出口に形成された液体のメニスカスの吐出口の周囲に濡れ広がることを防止することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体は、導電性溶媒を含有する液体であり、前記ノズルプレートの前記液体の吸収率が０．６％以下であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのノズルから吐出される液体は導電性溶媒を含有する液体であり、ノズルプレートは体積抵抗率が１０^１５Ωｍである上に液体の吸収率が０．６％以下とすることで、ノズルから安定して液体を吐出することのできる電界強度を得ることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの厚みが７５μｍ以上であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明によれば、ノズルプレートの厚みが７５μｍ以上とすることにより、メニスカスの先端部の電界強度を液滴が効率よく安定的に吐出する電界強度である３×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることができ、圧力発生手段の駆動電圧をより低電圧化することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口の開口径が１５μｍ以下であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明によれば、吐出口の開口径を１５μｍ以下とすることにより、メニスカスの先端部の電界強度を液滴が効率よく安定的に吐出する電界強度である３×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることができ、圧力発生手段の駆動電圧をより低電圧化することができる。

請求項１０に記載の液体吐出装置は、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極とを備え、前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明によれば、液体吐出装置は、請求項１から請求項９に記載された液体吐出ヘッドのノズル内の液体に対して圧力発生手段により加えられた圧力と、静電電圧印加手段により液体吐出ヘッドと対向電極との間に形成された電界との作用によりノズルの吐出口部分にメニスカスが形成されて液体が液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾させることができる。

請求項１に記載の発明によれば、液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるため液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減させても安定して液体の吐出を行うことができる。
また、ノズルプレートの体積抵抗率が１０ ^１５ Ωｍ以上とすることで吐出口に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を吐出口から安定して液滴を吐出させることができる電界強度である３×１０ ^７ Ｖ／ｍ以上とすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、ノズルを大径部と小径部からなる二重構造として吐出口付近のノズルの径を小さくすることで液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるので液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減させても安定して液体の吐出を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、小径部の長さを１５μｍ以下とすることで液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるので、液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減させても安定して液体の吐出を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、前記液体供給口の側面は前記液体供給口から前記吐出口に向かってテーパ状に形成することで、液体供給路内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させることができるので液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減させても安定して液体の吐出を行うことができる。

請求項５に記載の発明によれば、フラットなノズルを使用する場合であっても、請求項１から請求項４に記載の発明と同様の効果を生じさせることができる。

請求項６に記載の発明によれば、吐出口まで供給された液体が吐出口の周囲に漏れ広がることなく吐出口に安定してメニスカスを形成することができる。

請求項７に記載の発明によれば、ノズルプレートの液体吸収率を０．６％以下にすることにより、ノズルプレートが液体から導電性溶媒を吸収して体積抵抗率が低下し、ノズルから安定して液滴を吐出させることのできる電界強度が得られなくなる事態を防止することができる。

請求項８に記載の発明によれば、ノズルプレートの厚みが７５μｍ以上とすることで吐出口に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を吐出口から安定して液滴を吐出させることができる電界強度である３×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることができる。

請求項９に記載の発明によれば、吐出口の開口径を１５μｍ以下とすることで吐出口に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を吐出口から安定して液滴を吐出させることができる電界強度である３×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることができる。

請求項１０に記載の発明によれば、ノズルから吐出された液滴は、電界からの静電吸引力の作用で、基材のより近い部分に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等を安定させ、液滴を所定の着弾位置に正確に着弾させることが可能となる。また、前記各請求項に記載の発明と同様に、低電圧の静電電圧でメニスカスが大きく隆起するため、静電電圧印加手段により印加される静電電圧の電圧値を低下させることが可能となり、前記各請求項に記載の発明の効果をより有効に発揮することが可能となる。

以下、本発明に係る液体吐出装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面模式図である。なお、本発明の液体吐出ヘッド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。

本実施形態の液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出する後述するノズル５が形成された液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド２のノズル５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。

液体吐出ヘッド２の対向電極３に対向する側には、樹脂製のノズルプレート４が備えられており、複数のノズル５が設けられている。液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート４の対向電極３に対向する吐出面６からノズル５が突出されない、或いは前述したようにノズル５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。

各ノズル５は、ノズルプレート４に穿孔されて形成されており、後述するキャビティ２０から液体を供給される液体供給口９と連通する大径部１０と、大径部１０の底面に開口されているとともに吐出面６に開口された吐出口１１と連通する小径部１２との２段構造とされている。本実施形態では、大径部１０に設けられた液体供給口９の開口面積が吐出口１１の開口面積の１０倍以上となるように構成されている。小径部１２の長さを１５μｍ以下とすることで、液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減させても安定して液体の吐出を行うことを可能とするため、小径部１２の長さは１５μｍ以下とする。

また、ノズル５の小径部１２および大径部１０は、それぞれ断面円形で液体供給口９と吐出口１１を結ぶ液体供給路１３の側面は、液体供給路１３内を通過する液体と液体供給路の側面に生じる抵抗を低減させるために液体供給口９から吐出口１１に向かってテーパ状に、即ち液体供給路１３の断面の面積が液体供給口９から吐出口１１に向かって減少していくように形成されている。

吐出口１１の開口径は、後述するように吐出口１１に形成されるメニスカスの先端部の電界強度を吐出口１１から安定して液滴を吐出させることができる電界強度である３×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることができる１５μｍ以下とする。

なお、ノズル５の形状は前記の形状に限定されず、例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すフラットなノズルのように、形状が異なる種々のノズル５を用いることが可能である。また、ノズルは図２（Ｄ）に示すようなノズルが吐出面６より吐出している突出型のノズルを用いることとしてもよい。この場合も液体供給口９と吐出口１１を結ぶ液体供給路１３の側面は液体供給口から前記吐出口に向かってテーパ状に形成されている。また、ノズル５は、断面円形状に形成する代わりに、断面多角形状や断面星形状等であってもよい。

ノズルプレート４の吐出面６と反対側の面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル５内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１４が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１４は、ノズル５の大径部１０の内周面１５まで延設されており、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。

また、帯電用電極１４は、静電吸引力を生じさせる静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての静電電圧電源１６に接続されており、単一の帯電用電極１４がすべてのノズル５内の液体Ｌに接触しているため、静電電圧電源１６から帯電用電極１４に静電電圧が印加されると、全ノズル５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。

帯電用電極１４の背後には、ボディ層１９が設けられている。ボディ層１９の前記各ノズル５の大径部１０の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等し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。

ボディ層１９の背後には、可撓性を有する金属薄板やシリコン等よりなる可撓層２１が設けられており、可撓層２１により液体吐出ヘッド２が外界と画されている。

なお、ボディ層１９の可撓層２１との境界部には、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。具体的には、ボディ層１９としてのシリコンプレートをエッチング加工して共通流路および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路とが設けられており、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５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。

可撓層２１の外面の各キャビティ２０に対応する部分には、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５の吐出口１１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１４に静電電圧を印加する前記静電電圧電源１６は、それぞれ動作制御手段２４に接続されており、それぞれ動作制御手段２４による制御を受けるようになっている。

動作制御手段２４は、本実施形態では、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２９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１６および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル５の吐出口１１から液体Ｌを吐出させるようになっている。

なお、本実施形態では、液体吐出ヘッド２のノズルプレート４の吐出面６には、吐出口１１からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層３０が吐出口１１以外の吐出面６全面に設けられている。撥液層３０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るが、一般に、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用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面６に成膜されている。なお、撥液層３０は、ノズルプレート４の吐出面６に直接成膜してもよいし、撥液層３０の密着性を向上させるために中間層を介して成膜することも可能である。

液体吐出ヘッド２の下方には、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６に平行に所定距離離間されて配置されている。対向電極３と液体吐出ヘッド２との離間距離は、０．１〜３．０ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。

本実施形態では、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、前記静電電圧電源１６から帯電用電極１４に静電電圧が印加されると、ノズル５の吐出口１１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。

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５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。

液体吐出装置１による吐出を行う液体Ｌは、例えば、無機液体としては、水、ＣＯＣｌ_２、ＨＢｒ、ＨＮＯ_３、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｈ_２ＳＯ_４、ＳＯＣｌ_２、ＳＯ_２Ｃｌ_２、ＦＳＯ_３Ｈなどが挙げられる。

また、有機液体としては、メタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、４−メチル−２−ペンタノール、ベンジルアルコール、α−テルピネオール、エチレングリコール、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールなどのアルコール類；フェノール、ｏ−クレゾール、ｍ−クレゾール、ｐ−クレゾールなどのフェノール類；ジオキサン、フルフラール、エチレングリコールジメチルエーテル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、エピクロロヒドリンなどのエーテル類；アセトン、メチルエチルケトン、２−メチル−４−ペンタノン、アセトフェノンなどのケトン類；ギ酸、酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸などの脂肪酸類；ギ酸メチル、ギ酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸−ｎ−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸−３−メトキシブチル、酢酸−ｎ−ペンチル、プロピオン酸エチル、乳酸エチル、安息香酸メチル、マロン酸ジエチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、炭酸ジエチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、セロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、アセト酢酸エチル、シアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチルなどのエステル類；ニトロメタン、ニトロベンゼン、アセトニトリル、プロピオニトリル、スクシノニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、エチルアミン、ジエチルアミン、エチレンジアミン、アニリン、Ｎ−メチルアニリン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン、ｏ−トルイジン、ｐ−トルイジン、ピペリジン、ピリジン、α−ピコリン、２，６−ルチジン、キノリン、プロピレンジアミン、ホルムアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、アセトアミド、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルプロピオンアミド、Ｎ，Ｎ，Ｎ'，Ｎ'−テトラメチル尿素、Ｎ−メチルピロリドンなどの含窒素化合物類；ジメチルスルホキシド、スルホランなどの含硫黄化合物類；ベンゼン、ｐ−シメン、ナフタレン、シクロヘキシルベンゼン、シクロヘキセンなどの炭化水素類；１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、１，１，１−トリクロロエタン、１，１，１，２−テトラクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、ペンタクロロエタン、１，２−ジクロロエチレン（ｃｉｓ−）、テトラクロロエチレン、２−クロロブタン、１−クロロ−２−メチルプロパン、２−クロロ−２−メチルプロパン、ブロモメタン、トリブロモメタン、１−ブロモプロパンなどのハロゲン化炭化水素類などが挙げられる。また、上記各液体を二種以上混合して用いてもよい。

さらに、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液体Ｌとして使用し、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目的物質としては、ノズル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。

ＰＤＰ、ＣＲＴ、ＦＥＤなどの蛍光体としては、従来より知られているものを特に制限なく用いることができる。例えば、赤色蛍光体として、（Ｙ，Ｇｄ）ＢＯ_３：Ｅｕ、ＹＯ_３：Ｅｕなど、緑色蛍光体として、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ、ＢａＡｌ_１２Ｏ_１９：Ｍｎ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）Ｏ・α−Ａｌ_２Ｏ_３：Ｍｎなど、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ_１４Ｏ_２３：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕなどが挙げられる。

上記の目的物質を記録媒体上に強固に接着させるために、各種バインダーを添加するのが好ましい。用いられるバインダーとしては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース、酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース及びその誘導体；アルキッド樹脂；ポリメタクリタクリル酸、ポリメチルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート・メタクリル酸共重合体、ラウリルメタクリレート・２−ヒドロキシエチルメタクリレート共重合体などの（メタ）アクリル樹脂及びその金属塩；ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミドなどのポリ（メタ）アクリルアミド樹脂；ポリスチレン、アクリロニトリル・スチレン共重合体、スチレン・マレイン酸共重合体、スチレン・イソプレン共重合体などのスチレン系樹脂；スチレン・ｎ−ブチルメタクリレート共重合体などのスチレン・アクリル樹脂；飽和、不飽和の各種ポリエステル樹脂；ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン化ポリマー；ポリ酢酸ビニル、塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体などのビニル系樹脂；ポリカーボネート樹脂；エポキシ系樹脂；ポリウレタン系樹脂；ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタールなどのポリアセタール樹脂；エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合樹脂などのポリエチレン系樹脂；ベンゾグアナミンなどのアミド樹脂；尿素樹脂；メラミン樹脂；ポリビニルアルコール樹脂及びそのアニオンカチオン変性；ポリビニルピロリドン及びその共重合体；ポリエチレンオキサイド、カルボキシル化ポリエチレンオキサイドなどのアルキレンオキシド単独重合体、共重合体及び架橋体；ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール；ポリエーテルポリオール；ＳＢＲ、ＮＢＲラテックス；デキストリン；アルギン酸ナトリウム；ゼラチン及びその誘導体、カゼイン、トロロアオイ、トラガントガム、プルラン、アラビアゴム、ローカストビーンガム、グアガム、ペクチン、カラギニン、にかわ、アルブミン、各種澱粉類、コーンスターチ、こんにゃく、ふのり、寒天、大豆蛋白などの天然或いは半合成樹脂；テルペン樹脂；ケトン樹脂；ロジン及びロジンエステル；ポリビニルメチルエーテル、ポリエチレンイミン、ポリスチレンスルフォン酸、ポリビニルスルフォン酸などを用いることができる。これらの樹脂は、ホモポリマーとしてだけでなく、相溶する範囲でブレンドして用いてもよい。

液体吐出装置１をパターンニング手段として使用する場合には、代表的なものとしてはディスプレイ用途に使用することができる。具体的には、プラズマディスプレイの蛍光体の形成、プラズマディスプレイのリブの形成、プラズマディスプレイの電極の形成、ＣＲＴの蛍光体の形成、ＦＥＤ（フィールドエミッション型ディスプレイ）の蛍光体の形成、ＦＥＤのリブの形成、液晶ディスプレイ用カラーフィルター（ＲＧＢ着色層、ブラックマトリクス層）、液晶ディスプレイ用スペーサー（ブラックマトリクスに対応したパターン、ドットパターン等）などを挙げることができる。

なお、リブとは一般的に障壁を意味し、プラズマディスプレイを例に取ると各色のプラズマ領域を分離するために用いられる。その他の用途としては、マイクロレンズ、半導体用途として磁性体、強誘電体、導電性ペースト（配線、アンテナ）などのパターンニング塗布、グラフィック用途としては、通常印刷、特殊媒体（フィルム、布、鋼板など）への印刷、曲面印刷、各種印刷版の刷版、加工用途としては粘着材、封止材などの本発明を用いた塗布、バイオ、医療用途としては医薬品（微量の成分を複数混合するような）、遺伝子診断用試料等の塗布等に応用することができる。

ここで、本発明の液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理について本実施形態を用いて説明する。

本実施形態では、静電電圧電源１６から帯電用電極１４に静電電圧を印加し、ノズル５の吐出口１１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を生じさせる。また、駆動電圧電源２３からピエゾ素子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５の吐出口１１に液体Ｌのメニスカスを形成させる。

本実施形態のように、ノズルプレート４の絶縁性が高くなると、図３にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズルプレート４の内部に、吐出面６に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル５の小径部１２の液体Ｌや液体Ｌのメニスカス部分に向かう強い電界が発生する。

特に、図３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。

発明者らが、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４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５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４の吐出面６と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート４の厚さ：１２５μｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ

この実機による実験で、液滴Ｄがノズル５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である「ＰＨＯＴＯ−ＶＯＬＴ」（商品名、株式会社フォトン製）で電流分布解析モードによるシミュレーションにより算出した。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３×１０^７Ｖ／ｍ以上であった。

また、前記実験と同様のパラメータを同ソフトに入力したシミュレーションにおいて、ノズルプレート４の厚さを変化させた場合およびノズル径を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度を、図４および図５にそれぞれ示す。この結果から、メニスカス先端部の電界強度は、ノズルプレート４の厚さおよび吐出口１１の開口径にも依存し、ノズルプレート４の厚さは７５μｍ以上であって、吐出口１１の開口径は１５μｍ以下であることが好ましい。

メニスカス先端部の電界強度がノズルプレート４の厚さに依存する理由としては、ノズルプレート４の厚さがより厚くなることで、ノズル５の吐出口１１と帯電用電極１４との距離が遠くなり、ノズルプレート４内の等電位線が略垂直方向に並び易くなるためメニスカス先端部への電界集中が生じ易くなることが考えられる。

また、吐出口１１の開口径、即ちノズル径が小径になることで、メニスカスの径が小さくなり、より小径となったメニスカス先端部に電界が集中することで電界集中の度合が大きくなる。そのため、メニスカス先端部の電界強度が強くなると考えられる。

なお、図４に示したノズルプレート４の厚さとメニスカス先端部の電界強度との関係および図５に示したノズル径とメニスカス先端部の電界強度との関係は、本実施形態のような小径部１２および大径部１０よりなる２段構造のノズル５の場合のみならず、１段構造、すなわち、単純なテーパ状のノズルや円筒状のノズル、或いは多段構造のノズルの場合もほぼ同じシミュレーション結果が得られている。

さらに、前記シミュレーションにおいて、小径部１２および大径部１０の区別がないテーパ状または円筒状の１段構造のノズル５において、ノズル５のテーパ角を変化させた場合のメニスカス先端部の電界強度の変化を図６に示す。この結果から、メニスカス先端部の電界強度は、ノズル５のテーパ角に依存することが分かる。ノズル５のテーパ角は３０°以下であることが好ましい。なお、テーパ角とはノズル５の内面とノズルプレート４の吐出面６の法線とがなす角のことをいい、テーパ角が０°の場合はノズル５が円筒形状であることに対応する。

また、前記実験条件と同様のパラメータを同ソフトに入力してメニスカス先端部の電界強度を演算した結果、図７に示すように、電界強度はノズルプレート４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。文献等では絶縁体または誘電体とされる物質の体積抵抗率は１０^１０Ωｍ以上のものを指すことが多く、代表的な絶縁体として知られているボロシリケイトガラス（例えば、ＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス）の体積抵抗率は１０^１４Ωｍである。

しかし、このような体積抵抗率の絶縁体では、液滴Ｄは吐出されない。前記のように、ノズル５から液滴Ｄを安定に吐出させるためにはメニスカス先端部の電界強度が３×１０^７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、図７から、少なくともノズルプレート４の体積抵抗率は１０^１５Ωｍ以上であることが必要であることが分かった。

ノズルプレート４の体積抵抗率とメニスカス先端部の電界強度との関係が図７のような特徴的な関係になるのは、ノズルプレート４の体積抵抗率が低いと、静電電圧を印加してもノズルプレート内で等電位線が図３に示したように吐出面６に対して略垂直方向に並ぶような状態にはならず、ノズル内の液体Ｌおよび液体Ｌのメニスカスへの電界集中が十分に行われないためであると考えられる。

理論上、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ未満のノズルプレート４でも、静電電圧を非常に大きくすればノズル５から液滴Ｄが吐出される可能性はあるが、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あるため、本発明では採用されない。

なお、図７に示したようなメニスカス先端部の電界強度のノズルプレート４の体積抵抗率に対する特徴的な依存関係は、ノズル径を種々に変化させてシミュレーションを行った場合でも同様に得られており、どの場合も体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が３×１０^７Ｖ／ｍ以上になることが分かっている。また、前記実験条件中のノズルプレート４の厚さとは、本実施形態の場合は、ノズル５の小径部１２の長さと大径部１０の長さの和に等しい。

一方、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート４を作製しても、ノズル５から液滴Ｄが吐出されない場合がある。下記実施例１に示すように、液体Ｌとして水などの導電性溶媒を含有する液体を用いた実験では、ノズルプレート４の液体の吸収率が０．６％以下であることが必要であることが分かった。

これは、ノズルプレート４が液体Ｌ中から導電性溶媒を吸収すると導電性の液体である水分子等の分子が本体絶縁性であるノズルプレート４内に存在することになるため、結果的にノズルプレート４の電気伝導度が高くなり、特に液体Ｌに接する局部の実効的な体積抵抗率の値が低下し、図７に示す関係に従ってメニスカス先端部の電界強度が弱まり、液体Ｌの吐出に必要な電界集中が得られなくなるためと考えられる。

一方、下記実施例１によれば、液体Ｌとして導電性溶媒を含まない絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を用いた場合には、ノズルプレート４は、その液体に対する吸収率に係わりなく体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であれば液体Ｌを吐出することが分かった。これは、絶縁性溶媒がノズルプレート４内に吸収されても絶縁性溶媒の電気伝導度が低いためノズルプレート４の電気伝導度が大きく変化せず、実効的な体積抵抗率が低下しないためであると考えられる。

なお、前記絶縁性溶媒に分散されている帯電可能な粒子は、例えば、電気伝導度が極めて大きな金属粒子であってもノズルプレート４には吸収されないため、ノズルプレート４の電気伝導度を高めることはない。なお、前記絶縁性溶媒とは、単体では静電吸引力により吐出されない溶媒をいい、具体的には、例えば、キシレンやトルエン、テトラデカン等が挙げられる。また、導電性溶媒とは、電気伝導度が１０^−１０Ｓ／ｃｍ以上の溶媒をいう。

次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２及び液体吐出装置１の作用について説明する。

図８は、本実施形態の液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。なお、この場合は、静電電圧電源１６から帯電用電極１４に印加される一定の静電電圧Ｖ_Ｃは１．５ｋＶに設定されており、駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に印加されるパルス状の駆動電圧Ｖ_Ｄは２０Ｖに設定されている。

液体吐出装置１の動作制御手段２４は、静電電圧電源１６から帯電用電極１４に一定の静電電圧Ｖ_Ｃを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル５には常時一定の静電電圧Ｖ_Ｃが印加され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間に電界が生じる。

また、動作制御手段２４は、液滴Ｄを吐出させるべきノズル５ごとに、そのノズル５に対応する駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に対してパルス状の駆動電圧Ｖ_Ｄを印加させる。このような駆動電圧Ｖ_Ｄが印加されると、ピエゾ素子２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力を上げ、ノズル５の吐出口１１では、図中Ａの状態からメニスカスが隆起し始め、Ｂのようにメニスカスが大きく隆起した状態となる。

すると、前述したように、メニスカス先端部に高度な電界集中が生じて電界強度が非常に強くなり、メニスカスに対して前記静電電圧Ｖ_Ｃにより形成された電界から強い静電力が加わる。この強い静電力による吸引とピエゾ素子２２による圧力とにより図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられて、ミストやサテライトが発生することなく液滴Ｄが形成される。図中Ｄのように液滴Ｄは基材Ｋに向かって飛翔し、その後図中Ｅのように電界で加速されて対向電極方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋの目標地点に正確に着弾する。

なお、ピエゾ素子２２に印加する駆動電圧Ｖ_Ｄとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図９（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２２に常時電圧Ｖ_Ｄを印加しておいて一旦切り、再度電圧Ｖ_Ｄを印加してその立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図９（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧Ｖ_Ｄを印加するように構成してもよく適宜決定される。

以上のように、本実施形態にかかる発明によれば、ノズル５内の液体供給路１３内を通過する液体と液体供給路１３内の側面に生じる抵抗を低減させることで高粘度の液体を吐出させる場合でも、メニスカスを隆起させる液滴を形成するための圧力発生手段の駆動電圧の低電圧化を図ることができる。

また、ノズルプレート４の吐出口１１が開口された吐出面６に撥液層３０を設けることで吐出口まで供給された液体が吐出口の周囲に漏れ広がることなく吐出口に安定してメニスカスを形成することができる。

本実施形態のノズルの小径部の長さ、液体供給口の距離について種々の変更を行い、ノズル５の吐出口１１から吐出される液体の射出状態を確認した。

液体吐出ヘッド２に用いるノズルプレートは、厚さ１００μｍのポリカーボネート（ＰＣ）フィルムを穿孔してノズルを作製し、液滴が吐出されるか否かを確認した。ノズル形状は、吐出面側に開口部を有する小径部とその背後に形成されたより大径の大径部との２段構造とし、小径部の長さ、大径部の径（裏面側の径）を種々変更したものを作製した。
他の構成については前記実験条件と同様の条件で作成した。なお、小径部、大径部ともテーパ角は４°、吐出面の開口径は１２μｍとした。

液体は、水、エチレングリコール、プロピレングリコールからなる混合溶媒に、染料（ＣＩアシッドレッド１）３重量％、界面活性剤１重量％含有させた導電性の液体を使用した。また、水、エチレングリコール、プロピレングリコールを適宜変更して粘度は１０mPa・sとなるよう調整した。

また、他の条件については、以下の通りである。
ノズルプレート４の吐出面６と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
静電電圧：１．０ｋＶ
駆動電圧：３０Ｖ

また、観察には、ストロボライト照射下で５０００倍レンズＣＣＤカメラを使用した。

実験結果は図１０に示す表のようになった。なお、表における「○」とはメニスカスが形成された後に液滴が吐出されたことを意味し、×とは、メニスカスが形成されるのみで液滴吐出されなかったことを意味する。このことは、以下の実施例２においても同様である。

この結果から、小径部の長さが１５μｍ以上であったり、液体吐出口の開口面積の比が吐出口の開口面積の１０倍以下であったりした場合は、圧電素子に電圧を印可してもメニスカスが隆起するのみで液滴は形成されず飛翔せず×であった。

これに対して、小径部の長さが１５μｍ以下であるとともに液体吐出口の開口面積の比が吐出口の開口面積の１０倍以上の場合は、メニスカスが隆起した後に液滴が吐出され、静電吸引力により対向電極に対して飛翔し、○であった。

厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルム（体積抵抗率１．０×１０^１５Ωｍ）に実施例１と同様の２段形状のノズルを形成し、静電電圧を１．５ｋＶ及び駆動電圧を２０Ｖとした以外は、実施例１と同様の条件により吐出口１１より液体が吐出されるか否かを確認した。

実験結果は図１１に示す表のようになった。なお、表における「○」とはメニスカスが形成された後に液滴が吐出されたことを意味し、×とは、メニスカスが形成されるのみで液滴吐出されなかったことを意味する。

図１１に表す表の結果から、ノズルプレートの体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であるため、圧力素子の駆動により形成されるメニスカスへの電界集中が効果的に起こり、電界集中による静電吸引力により実施例１に比較して低い駆動電圧であっても、メニスカスが隆起して形成された後に液滴として吐出され基材Ｋに向かって飛翔し、○であった。

これに対して、本実施例においても小径部の長さが１５μｍ以上であったり、液体吐出口の開口面積の比が吐出口の開口面積の１０倍以下であったりした場合は、圧電素子に電圧を印可してもメニスカスが隆起するのみで液滴は形成されず飛翔せず×であった。

本実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す断面図である。 キャビティ部分が異なるノズルの変形例を示す図である。 シミュレーションによるノズルの吐出口付近の電位分布を示す模式図である。 メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの厚さとの関係を示す図である。 ノズル径に対するメニスカスの高さ比とメニスカスの射出される電界強度との関係を表したグラフである。 メニスカス先端部の電界強度とノズルのテーパ角との関係を示す図である。 メニスカス先端部の電界強度とノズルプレートの体積抵抗率との関係を示す図である。 本実施形態の液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する模式図である。 ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。 実施例１の結果を表す表である。 実施例２の結果を表す表である。

符号の説明

１ 液体吐出装置
２ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
４ ノズルプレート
５ ノズル
６ 吐出面
９ 液体供給口
１０ 大径部
１１ 吐出口
１２ 小径部
１３ 液体供給路
１４ 帯電用電極
１６ 静電電圧電源
１９ ボディ層
２０ キャビティ
２１ 可撓層
２２ ピエゾ素子
２３ 各駆動電圧電源
２３ 駆動電圧電源
３０ 撥液層

Claims (10)

1. 液体が供給される液体供給口、前記液体供給口から供給された液体を吐出する吐出口及び前記液体供給口から前記吐出口に液体を供給する液体供給路を有するノズルが設けられたノズルプレートと、
   前記液体供給口に連通するとともに前記吐出口から吐出される液体が貯蔵されるキャビティと、
   前記キャビティの容積を変化させることにより液体に圧力を発生させる圧力発生手段と、前記ノズル及び前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印可して静電吸引力を発生させる静電電圧発生手段と、
   を備える液体吐出ヘッドであって、
   前記ノズルプレートの体積抵抗率が１０ ^１５ Ωｍ以上であるとともに前記液体供給路の断面の面積は前記液体供給口から前記吐出口に向かって減少していくように形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記ノズルは、
   前記液体供給口と連通する大径部と、
   前記大径部の底面に開口された前記吐出口と連通する小径部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記小径部の長さが１５μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体供給路の側面は前記液体供給口から前記吐出口に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記ノズルは前記ノズルプレートの吐出面から突出していないフラットなノズルであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記ノズルプレートの吐出口が開口された面には撥液層が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液体は、導電性溶媒を含有する液体であるとともに、前記ノズルプレートの前記液体の吸収率が０．６％以下であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記ノズルプレートの厚みが７５μｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記吐出口の開口径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極と
    を備え、
    前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする液体吐出装置。

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