JP4775265B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法に係り、フラットノズルを有する電界集中型の液体吐出ヘッド、それを用いた液体吐出装置およびそれらを用いた液体吐出方法に関する。

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１〜４等参照）。
特開２００４−１３６６５６号公報 特開２００４−１１４３７４号公報 特開２００１−３８９１１号公報 国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット

しかしながら、このような静電吸引方式の液滴吐出技術において、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いため、印加電圧が低電圧では液体が吐出できず、通常、吐出に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高い電圧を印加する必要があった。

また、静電吸引力を高めるために印加電圧を上げると、ヘッドと基材間で絶縁破壊が発生してしまい装置を駆動できない場合が生じるという問題もあった。なお、本発明において、フラットとは、ノズルプレートの吐出面からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、ワイピングの際に破損等の支障を生じることがないものをいう。

そこで、このフラットな液体吐出ヘッドの問題点を解消するため、静電吸引方式の液体吐出装置では、液体吐出ヘッドのノズルプレートから吐出面側にノズルを避雷針状に突出させ、ノズルの突起先端に電界を集中させてノズルの吐出効率を高めた液体吐出ヘッドが用いられることが多い。

しかし、液体吐出ヘッドのノズルプレートから吐出面側に高さ数十μｍ程度の避雷針状のノズルを多数立設させなければならないため、構造が複雑になり生産性が低下する。また、液体吐出ヘッドのクリーニング時に立設されたノズルが折れるなど操作性に劣るという問題があった。

その点、液体吐出ヘッドがフラットであれば、構造が単純であるために生産性に優れ、また、液体吐出ヘッドのクリーニング時における吐出面のワイピングの際にワイパにノズルが引っ掛かって破損することがなく、ヘッドの寿命がその分長くなるという大きな利点がある。

そこで、本発明は、静電吸引方式の液体吐出技術を用い、フラットな吐出面を有し、かつ、低い電圧の印加で微細パターン形成が可能で高粘度の液体を吐出可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置およびそれらを用いた液体吐出方法を提供することを目的とする。

前記の問題を解決するために、請求の範囲第１項の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルと、
フラットなノズルプレートと、
前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズルおよび前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する動作制御手段とを備え、
前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第１項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成されてノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスに電界が集中されて、メニスカスが電界による静電吸引力により吸引されて吐出される。

請求の範囲第２項に記載の発明は、請求の範囲第１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。

請求の範囲第２項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以上であるうえに液体の吸収率が０．６％以下である。

請求の範囲第３項に記載の発明は、請求の範囲第１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体は、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体であることを特徴とする。

請求の範囲第３項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上のノズルプレートを有する液体吐出ヘッドから、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を吐出する。

請求の範囲第４項に記載の発明は、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１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さが７５μｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第４項に記載の発明によれば、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、厚さが７５μｍ以上のノズルプレートにノズルが形成される。

請求の範囲第５項に記載の発明は、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であることを特徴とする。

請求の範囲第５項に記載の発明によれば、請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、ノズルは、その吐出孔の内部直径が１５μｍ以下になるように形成される。

請求の範囲第６項に記載の発明は、請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの内周面に、前記ノズル内の液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第６項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成されてノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスに電界が集中されて、メニスカスが電界による静電吸引力により吸引されて吐出される。

請求の範囲第７項に記載の発明は、請求の範囲第６項に記載の液体吐出ヘッドにおいて前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。

請求の範囲第７項に記載の発明によれば、ノズルの内周面にダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。

請求の範囲第８項に記載の発明は、請求の範囲第６項または第７項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第８項に記載の発明によれば、液体吸収防止層の表面に帯電用電極が形成され、ノズル内の液体に印加される静電電圧が帯電用電極を介して印加される。

請求の範囲第９項に記載の発明は、請求の範囲第６項乃至第８項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第９項に記載の発明によれば、液体吸収防止層は、各ノズルの内周面のみならず、ノズルプレートの吐出面の全面を被覆するように形成される。

請求の範囲第１０項に記載の発明は、請求の範囲第９項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。

請求の範囲第１０項に記載の発明によれば、各ノズルの内周面およびノズルプレートの吐出面に窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。

請求の範囲第１１項に記載の発明は、請求の範囲第６項乃至第１０項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第１１項に記載の発明によれば、ノズルの内周面に厚さが０．１μｍ以上の液体吸収防止層が設けられる。

請求の範囲第１２項に記載の発明は、請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１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吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする。

請求の範囲第１２項に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのフラットな吐出面に、液体を弾く撥液層が設けられる。

請求の範囲第１３項に記載の液体吐出装置は、
前記請求の範囲第１項乃至第１２項のいずれか１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により前記液体を吐出することを特徴とする。

請求の範囲第１３項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成された電界により、ノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が引きちぎられ、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

請求の範囲第１４項に記載の液体吐出方法は、液体を吐出するノズルが設けられ、フラットで体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上のノズルプレートを有する液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧を印加して前記液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界を形成して、前記電界による静電吸引力によりノズルの吐出孔に形成された液体のメニスカスに電界を集中させ前記静電吸引力により液体を吸引して吐出させることを特徴とする。

請求の範囲第１４項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に対して、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の作用により静電吸引力が加えられ、ノズルの吐出孔部分にメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が引きちぎられ、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

請求の範囲第１５項に記載の発明は、請求の範囲第１４項に記載の液体吐出方法において、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。

請求の範囲第１５項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以上であるうえに液体の吸収率が０．６％以下である。

請求の範囲第１６項に記載の発明は、請求の範囲第１４項に記載の液体吐出方法において、前記液体は、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体であることを特徴とする。

請求の範囲第１６項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上のノズルプレートを有する液体吐出ヘッドから、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を吐出する。

請求の範囲第１７項に記載の発明は、請求の範囲第１４項乃至第１６項のいずれか１項に記載の液体吐出方法において、前記ノズルプレートの厚さが７５μｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第１７項に記載の発明によれば、厚さが７５μｍ以上のノズルプレートに形成されたノズルから液体が吐出される。

請求の範囲第１８項に記載の発明は、請求の範囲第１４項乃至第１７項のいずれか１項に記載の液体吐出方法において、前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であることを特徴とする。

請求の範囲第１８項に記載の発明によれば、吐出孔の内部直径が１５μｍ以下のノズルから液体が吐出される。

請求の範囲第１９項に記載の発明は、請求の範囲第１４項乃至第１８項のいずれか１項に記載の液体吐出方法において、前記ノズルの内周面に、前記ノズル内の液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第１９項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成された電界と、圧力発生手段により加えられた圧力により、ノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が引きちぎられ、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

請求の範囲第２０項に記載の発明は、請求の範囲第１９項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。

請求の範囲第２０項に記載の発明によれば、ノズルの内周面にダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。

請求の範囲第２１項に記載の発明は、請求の範囲第１９項または第２０項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第２１項に記載の発明によれば、液体吸収防止層の表面に帯電用電極が形成され、ノズル内の液体に印加される静電電圧が帯電用電極を介して印加される。

請求の範囲第２２項に記載の発明は、請求の範囲第１９項乃至第２１項のいずれか１項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第２２項に記載の発明によれば、液体吸収防止層は、各ノズルの内周面のみならず、ノズルプレートの吐出面の全面を被覆するように形成される。

請求の範囲第２３項に記載の発明は、請求の範囲第２２項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする。

請求の範囲第２３項に記載の発明によれば、各ノズルの内周面およびノズルプレートの吐出面に窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。

請求の範囲第２４項に記載の発明は、請求の範囲第１９項乃至第２３項のいずれか１項に記載の液体吐出方法において、前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第２４項に記載の発明によれば、ノズルの内周面に厚さが０．１μｍ以上の液体吸収防止層が設けられる。

請求の範囲第２５項に記載の発明は、請求の範囲第１４項乃至第２４項のいずれか１項に記載の液体吐出方法において、前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする。

請求の範囲第２５項に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのフラットな吐出面に、液体を弾く撥液層が設けられる。

請求の範囲第１項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成されてノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスに電界が集中されて、メニスカスが電界による静電吸引力により吸引されて吐出される。

そのため、液体吐出ヘッドがフラットなヘッドとされているから、液体吐出ヘッドのクリーニング時に吐出面にブレードやワイパ等の部材が接触してもノズルが損傷する等の事態が生じることがなく、操作性に優れる。また、液体吐出ヘッドの製造においてもノズルの突起等の微細構造を形成する必要がなく構造が単純であるから、容易に製造することが可能で生産性に優れる。

また、ノズルが形成されるノズルプレートとして、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料を用いることで、静電電圧印加手段からノズル内の液体に印加される静電電圧が低い電圧であっても、ノズルの吐出孔部分に形成される液体のメニスカスに効果的に電界を集中することができるため、メニスカスの先端部の電界強度を液滴が効率良く安定的に吐出される電界強度とすることが可能となり、微小化されたノズルから液体を吐出でき、さらに高粘度の液体を吐出することも可能となる。

請求の範囲第２項および第１５項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、液体吐出ヘッドのノズルプレートとして液体の吸収率が０．６％以下である材質を用いる。吸収率がこれより大きい場合には、ノズルプレートが、液体から導電性の溶媒を吸収して体積抵抗率が低下し、ノズルから安定的な液体の吐出ができなくなる場合があるが、液体の吸収率が０．６％以下であれば、このような事態が生じることを有効に防止することができ、前記請求の範囲に記載の発明の効果をより効果的に発揮することが可能となる。

請求の範囲第３項および第１６項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上のノズルプレートを有する液体吐出ヘッドから、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を吐出する。液体としてこのような絶縁性溶媒を含有する液体を用いる場合には、ノズルプレートには帯電可能な粒子は吸収されず、絶縁性溶媒のみが吸収される。しかし、絶縁性溶媒がノズルプレートに吸収されても、絶縁性溶媒の電気伝導度が低いためノズルプレートの電気伝導度は大きく変化せず、実効的な体積抵抗率が低下しないため、ノズルプレートは、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以上であれば液体を吐出することができ、前記請求の範囲に記載の発明の効果を効果的に発揮することが可能となる。

請求の範囲第４項および第１７項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上、厚さが７５μｍ以上のノズルプレートにノズルが形成されることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、メニスカス先端部の電界強度が液体の安定的な吐出に必要な１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることができ、前記請求の範囲に記載の発明の効果をより的確に発揮することが可能となる。

請求の範囲第５項および第１８項に記載の発明によれば、ノズルが、吐出孔の内部直径が１５μｍ以下になるように形成されることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、メニスカス先端部の電界強度が液体の安定的な吐出に必要な１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることを確実に行うことができ、前記請求の範囲に記載の発明の効果をより的確に発揮することが可能となる。

請求の範囲第６項および第１９項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成されてノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスに電界が集中されて、メニスカスが電界による静電吸引力により吸引されて吐出される。

このように、ノズルの内周面に液体吸収防止層を設けることにより、ノズルプレートがノズル内の液体に直接接することが防止され、液体吸収防止層によりノズルプレートへのノズル内の液体の吸収が有効に阻止される。そのため、液体の吸収率がある程度高いノズルプレートであってもその電気伝導度を高まることがなく、ノズルプレートの体積抵抗率の値が低下することを有効に防止することができ、メニスカスに電界集中を効率良く生じさせることができ、前記請求の範囲に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることが可能となる。

請求の範囲第７項および第２０項に記載の発明によれば、ノズルの内周面にダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。これらの材質は液体の吸収防止性に優れるため、前記請求の範囲に記載の発明の効果が発揮されるとともに、プラズマイオンプレーティングやプラズマＣＶＤ、ＦＣＶＡ法等の公知の手法により比較的容易に液体吸収防止層を形成することが可能となる。

請求の範囲第８項および第２１項に記載の発明によれば、液体吸収防止層の表面に帯電用電極が形成され、ノズル内の液体に印加される静電電圧が帯電用電極を介して印加される。そのため、帯電用電極は、液体吸収防止層の表面上をノズルの吐出孔部分まで延在するように形成できるから、静電電圧の印加によりノズル内の液体のみならず吐出孔部分のメニスカスまで十分に帯電させることが可能となり、前記請求の範囲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。

請求の範囲第９項および第２２項に記載の発明によれば、液体吸収防止層は、各ノズルの内周面のみならず、ノズルプレートの吐出面の全面を被覆するように形成されるため、吐出面側からノズルプレートに液体が吸収することも有効に防止することが可能となり、前記請求の範囲に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることができる。

請求の範囲第１０項および第２３項に記載の発明によれば、各ノズルの内周面およびノズルプレートの吐出面に窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなる液体吸収防止層が形成される。窒化酸化シリコンや酸化シリコンは液体のノズルプレートへの吸収を有効に防止し得るため、前記請求の範囲に記載の発明の効果を有効に発揮できるとともに、窒化酸化シリコンや酸化シリコンの成膜法や蒸着法はよく知られた手法であることからノズルプレートの製造に適した成膜法により低コストで液体吸収防止層を形成することが可能となる。

請求の範囲第１１項および第２４項に記載の発明によれば、ノズルの内周面に厚さが０．１μｍ以上の液体吸収防止層が設けられることで、ノズル内の液体が液体吸収防止層を介してノズルプレートに吸収されることを十分有効に防止することができ、前記各請求の範囲に記載の発明の効果を有効に発揮させることができる。

請求の範囲第１２項および第２５項に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドのフラットな吐出面に、液体を弾く撥液層が設けられることで、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る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でき、前記請求の範囲に記載の発明の効果をより的確に発揮することが可能となる。

請求の範囲第１３項および第１４項に記載の発明によれば、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなり吐出面がフラットな液体吐出ヘッドのノズルの内周面には液体吸収防止層が設けられており、ノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧が印加されて液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界が形成された電界により、ノズルの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、それによりメニスカス先端部に電界集中により強い電界強度が生じて液体が引きちぎられ、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

そのため、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、前記請求の範囲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、前記請求の範囲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。

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。 形状が異なるノズルの変形例を示す図である。 ノズルプレートの吐出面に形成された液体吸収防止層および撥液層を示す断面図である。 シミュレーションによるノズルの吐出孔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体積抵抗率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厚さ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径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のテーパ角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の一例を示し、駆動制御とメニスカスの動きとの関係を説明する図である。 帯電用電極に印加する静電電圧の変形例を示す図である。

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
１０ ノズル
１１ ノズルプレート
１２ 吐出面
１３ 吐出孔
１６ 内周面
１７ 液体吸収防止層
１９ 帯電電圧電源
２１ キャビティ
２３ 動作制御手段
２７ 撥液層
Ｋ 基材
Ｌ 液体

以下、本発明に係る液体吐出ヘッドおよびそれを用いた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を吐出するノズル１０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。

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を有する樹脂製のノズルプレート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、或いは前述したようにノズル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（例えば、後述する図２（Ｄ）参照）。

本実施形態では、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、各ノズル１０には、それぞれノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に形成されたより大径の大径部１５との２段構造とされている。ノズル１０の小径部１４および大径部１５は、それぞれ断面円形で対向電極側がより小径とされたテーパ状に形成されており、小径部１４の吐出孔１３の内部直径（以下、ノズル径という。）が１０μｍ、大径部１５の小径部１４から最も離れた側の開口端の内部直径が７５μｍとなるように構成されている。

なお、ノズル１０の形状は前記の形状に限定されず、例えば、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、形状が異なる種々のノズル１０を用いることが可能である。また、ノズル１０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１０の内周面１６には、ノズル１０内の液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されることを防止する液体吸収防止層１７が形成されている。本実施形態では、液体吸収防止層１７は、導電性を有するダイアモンドライクカーボン（Diamond Like Carbon）をプラズマイオンプレーティングによりノズル１０の小径部１４および大径部１５の内周面１６の全面に成膜することにより形成されている。

なお、液体吸収防止層１７は、ダイアモンドライクカーボンのほか、例えば、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）や酸化シリコン（ＳｉＯ_Ｘ）等を用いて形成することも可能であり、成膜法としては、プラズマイオンプレーティングのほか、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＦＣＶＡ（filtered cathodic Vacuum arc）蒸着法を用いることができる。

また、液体吸収防止層１７を構成する材質は、導電性を有していても或いは絶縁性であってもよいが、液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されることを防止する機能を奏するものであることが必要である。

ノズルプレート１１の吐出面１２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１０内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１８が各ノズル１０の周囲にそれぞれ独立に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１８は、各ノズル１０の内周面１６に形成された前記液体吸収防止層１７上に延設され重層されている。

また、各帯電用電極１８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帯電電圧電源１９にそれぞれ図示しない配線を介して接続されており、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に静電電圧が印加されると、その帯電用電極１８に対応するノズル１０内の液体Ｌが帯電され、そのノズル１０内の液体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。

本実施形態では、前述したように、各ノズル１０の内周面１６を被覆する液体吸収防止層１７の表面上に重層された帯電用電極１８が吐出孔１３まで延在しているため、帯電用電極１８への静電電圧の印加によりその帯電用電極１８に対応するノズル１０内の液体Ｌを吐出孔１３付近および後述する吐出孔１３に形成される液体Ｌのメニスカスまで同時にかつ十分に帯電させることが可能とされている。

帯電用電極１８の背後には、絶縁性が高い表面を持つ樹脂等よりなるボディ層２０が設けられている。ボディ層２０の前記各ノズル１０の大径部１５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幅を有する溝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２１とされている。この他にも、例えば、キャビティ２１の表面を構成する絶縁表面の下層に図示しない導電層を設け、この導電層を接地し、電気的な干渉を防ぐシールド電極とすることも可能である。

ボディ層２０の背後には、絶縁性が高い表面を持つ樹脂等よりなる隔壁層２２が設けられており、隔壁層２２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２０には、キャビティ２１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２０としてのシリコンプレートをエッチング加工し、さらに熱酸化膜による絶縁膜を１μｍ形成し、接液面が絶縁されたキャビティ２１、図示しない液受け部、液受け部とキャビティ２１との接続流路が設けられており、液受け部には図示しない液体タンクから液体Ｌを滴下する図示しない滴下ポンプが接続されている。液受け部はキャビティ２１に対して１０倍以上の容量をもっており液体Ｌの吐出消費量に合わせて液体Ｌが滴下されることによりキャビティ２１内に液体Ｌを常時満たしておくとともに、滴下部分で液体Ｌの物理的接続が途切れることにより液体Ｌはキャビティ２１ごとに電気的に絶縁されている。

帯電用電極１８に静電電圧を印加する前記帯電電圧電源１９は、動作制御手段２３に接続されており、動作制御手段２３による制御を受けるようになっている。

動作制御手段２３は、本実施形態では、ＣＰＵ２４やＲＯＭ２５、ＲＡＭ２６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、ＣＰＵ２４は、ＲＯＭ２５に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１９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。

ノズルプレートは、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上である材質のものをそのまま用いても良いが、吐出面側に１０^１５Ωｍ以上の体積抵抗率を有する薄膜（例えばＳｉＯ_２膜）を成膜したものを用いても良い。

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１１の吐出面１２には、吐出孔１３からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層２７が吐出孔１３以外の吐出面１２の全面に設けられている。撥液層２７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１２に成膜されている。また、撥液層２７は、ノズルプレート１１の吐出面１２に直接成膜してもよいし、撥液層２７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。

さらに、本実施形態では、前述したノズル１０の内周面１６に形成された液体吸収防止層１７を延設してノズルプレート１１の吐出面１２の全面を被覆するように形成することも可能である。その場合には、撥液層２７は、図３に示すように、ノズルプレート１１の吐出面１２を被覆する液体吸収防止層１７上に成膜するようにして形成される。

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１２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、０．１〜３ｍｍ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、前記帯電電圧電源１９から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応する帯電用電極１８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。

本実施形態では、非吐出ノズルの帯電用電極１８には静電電圧を印加せず、吐出するノズル１０の帯電用電極１８のみに静電電圧を印加しているが、この他にも、例えば、すべてのノズル１０の帯電用電極１８に吐出に至らない一定のバイアス電圧を印加し、吐出するノズル１０に吐出電圧を重ね合わせて吐出させる方法も選択可能である。

また、対向電極３は、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。

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およびその誘導体；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）アクリル樹脂およびその金属塩；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およびその共重合体；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、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に静電電圧を印加して、特定のノズル１０内の液体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。

本実施形態のように、ノズルプレート１１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、ノズルプレート１１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、ノズル１０の小径部１４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。

このように、本発明の液体吐出ヘッド２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液体吐出ヘッド２においても、高い絶縁性を有するノズルプレート１１を用いて吐出面１２に対して垂直方向の電位差を発生させることができれば、メニスカス先端部に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。

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３ｋＶ／ｍｍとなるように構成し、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を形成しないで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：３ｋＶ
この実機による実験で、液滴Ｄがノズル１０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１．５×１０^７Ｖ／ｍ（１５ｋＶ／ｍｍ）以上であった。

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。

図５は、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗率を１０^１４Ωｍから１０^１８Ωｍと置いた場合、静電電圧を印加開始し始めて後、メニスカス先端部の電界強度が変化していく様子を計算している。この計算においては空気の体積抵抗率を設定する必要があり１０^２０Ωｍとしている。図５よりノズルプレート１１に用いる絶縁体の分極により、その体積抵抗率が１０^１４Ωｍの場合は静電電圧を印加開始し始めて１００秒後にはメニスカス先端部の電界強度が大きく低下する。この静電電圧の印加開始からメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間は空気の体積抵抗率とノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗率の比で決まるためノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗率が大きいほどメニスカス先端部の電界強度が低下し始める時間が遅くなる。つまり必要な電界強度が得られる時間が長くなり有利である。

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。

これは、射出有無の評価中、又は評価する前に電界強度が低下してしまい必要な電界強度が得られなくなった為と推定される。なお、射出評価に要した時間および観察時間から空気の体積抵抗率を１０^２０Ωｍとした場合が実験結果と合致した。一旦、メニスカス先端部の電界強度が低下した後は、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の分極を除電し、初期状態に戻す必要がある。

前記のように、ノズル１０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１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、図５から、ノズルプレート１１の体積抵抗率は少なくとも１０００秒メニスカス先端部の電界強度が維持できる１０^１５Ωｍ以上が実用上必要であることが分かり実験上も同様の結果であった。

ノズルプレート１１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５のような特徴的な関係になるのは、ノズルプレート１１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４に示したように吐出面１２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１１でも、静電電圧を非常に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５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１１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１．５×１０^７Ｖ／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１１の厚さとは、本実施形態の場合は、ノズル１０の小径部１４の長さと大径部１５の長さの和に等しい。

また、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１１を作製してもノズル１０から液滴Ｄが吐出されない場合がある。下記実施例１の表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１１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１１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１１内に存在することになるため、結果的にノズルプレート１１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５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、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けた場合には、下記実施例１に示すように、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の絶縁体を用いたすべてのノズルプレート１１において、液体Ｌが吐出されることが分かった。これは、前記のように液体の吸収率が０．６％より大きなノズルプレート１１であっても、液体吸収防止層１７によりノズル１０内の液体Ｌに直接接することを防止されるため、液体吸収防止層１７を介して液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されるとしても、その量はごく微量となる。

そのため、液体Ｌの吸収率がある程度高いノズルプレート１１においてもその電気伝導度を高めるには至らず、ノズルプレート１１の体積抵抗率の値が低下しないため、図５に示した関係によりメニスカスに電界集中が効率良く生じ、メニスカス先端部の電界強度が十分に強まるためと考えられる。なお、下記実施例２に示すように、液体吸収防止層１７の厚さは０．１μｍ以上であれば、十分にその機能を奏することが分かっている。

また、下記実施例１によれば、液体Ｌとして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１１は、その液体に対する吸収率に係わりなく、また、液体吸収防止層１７を設けるか否かに係わりなく、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１１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１１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液体吸収防止層１７には吸収されないため、ノズルプレート１１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。

また、前記シミュレーションにおいて、ノズルプレート１１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６および図７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１１の厚さおよびノズル径にも依存し、それぞれ７５μｍ以上および１５μｍ以下であることが好ましい。なお、ノズルプレート１１の厚さおよびノズル径の前記適正範囲は、下記実施例３に示すように実機による実験でも確認されている。

メニスカス先端部の電界強度がノズルプレート１１の厚さに依存する理由としては、ノズルプレート１１の厚さがより厚くなることで、ノズル１０の吐出孔１３と帯電用電極１８との距離が遠くなり、ノズルプレート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、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６に示したノズルプレート１１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７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１４および大径部１５よりなる２段構造のノズル１０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同様の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１４および大径部１５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１０において、ノズル１０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８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１０のテーパ角に依存することが分かる。ノズル１０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１０の内面とノズルプレート１１の吐出面１２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１０が円筒形状であることに対応する。

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

図９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。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御手段２３は、帯電電圧電源１９から液体Ｌを吐出されるべきノズル１０に対応する帯電用電極１８にパルス状の静電電圧Ｖ_Ｄを印加させる。これにより、そのノズル１０内の液体Ｌが帯電し、液体Ｌと対向電極３との間に電界が生じる。

そして、この電界の静電吸引力によりノズル１０内の液体Ｌが吸引され、液体Ｌ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、メニスカスに電界からさらに強い静電吸引力が加わる。この強い静電吸引力による吸引により図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられるようにして液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、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に着弾する。

その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。

本実施形態では、帯電電圧電源１９から帯電用電極１８に印加される静電電圧Ｖ_Ｄは３ｋＶに設定されている。

なお、帯電用電極１８に印加される静電電圧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１０（Ａ）に示すように、帯電用電極１８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１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の静電電圧Ｖ_Ｄを印加するように構成してもよく適宜決定される。

また、ノズル１０の吐出孔１３から吐出される液滴Ｄは、前記図９に示したようにいわゆる水滴状になる場合もあるが、吐出条件によっては、例えば、細長い糸状に吐出される場合もあるし、細かい液滴群となって吐出される場合もある。前記液滴Ｄには、これらすべての場合が含まれる。

以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１によれば、液体吐出ヘッド２は、フラットな吐出面１２を有するヘッドとされているため、図示を省略するが、液体吐出ヘッド２のクリーニング時に吐出面１２にブレードやワイパ等の部材が接触してもノズル１０が損傷する等の事態が生じることがなく、操作性に優れる。

また、液体吐出ヘッド２の製造においてノズル１０の突起等の微細構造を形成する必要がなく構造が単純であるから、容易に製造することが可能で生産性に優れる。

さらに、ノズル１０が形成されるノズルプレート１１として、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料を用いることで、帯電用電極１６に印加する静電電圧が３ｋＶ程度の低い電圧であっても、ノズル１０の吐出孔部分に形成される液体Ｌのメニスカスに電界を集中することができ、メニスカスの先端部の電界強度を液滴Ｄが安定的に吐出される１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上とすることが可能となる。

このように、本実施形態の液体吐出ヘッド２は、フラットなヘッドでありながら、ノズルが突出されたヘッドと同様の電界集中をメニスカス先端部に効果的に生じさせることができるため、低電圧の静電電圧の印加でも効率良くかつ正確に液体を吐出することが可能となる。

また、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けることにより、ノズルプレート１１がノズル１０内の液体Ｌに直接接することが防止され、液体吸収防止層１７によりノズルプレート１１へのノズル１０内の液体Ｌの吸収が有効に阻止される。そのため、液体Ｌの吸収率がある程度高いノズルプレート１１であってもその電気伝導度を高めるには至らず、ノズルプレート１１の体積抵抗率の値が１０^１５Ωｍ未満に低下することを防止することができ、メニスカスに電界集中を効率良く生じさせることができる。

なお、本実施形態では、対向電極３を接地する場合について述べたが、例えば、電源から対向電極３に電圧を印加して、帯電用電極１８との電位差が３ｋＶ等の所定の電位差になるようにその電源を動作制御手段２３で制御するように構成することも可能である。

［実施例１］
本実施形態の液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１を種々の材料を用いて実際に作製し、ノズル１０の吐出孔１３から液滴Ｄが吐出されるか否かを基材Ｋに吐出させて確認した。

液体吐出ヘッド２の構成は、前記実験条件と同様の条件で作製し、ノズル１０のテーパ角は４°で小径部１４と大径部１５とが連続した１段構造とした。また、図１に示したように、ノズル１０の内周面１６をプラズマイオンプレーティングにより厚さ０．２μｍになるようにダイアモンドライクカーボンで被覆した。

また、液体Ｌ１は、水５２質量％、エチレングリコールおよびプロピレングリコールをそれぞれ２２質量％、染料（ＣＩアシッドレッド１）３質量％、界面活性剤１質量％含有する導電性の液体として調製し、液体Ｌ２は、エタノールに染料（同上）を３質量％含有する導電性の液体として調整し、液体Ｌ３は、テトラデカンにＡｇ粒子を分散させ、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体として調製した。

なお、体積抵抗率は、ＪＩＳＣ２１５１に準拠し、シート状被測定物の面間に電圧を印加した場合の電気抵抗値より算出した。また、ノズルプレート１１の液体の吸収率は、２３℃の使用対象である液体Ｌにノズルプレート１１または代用のシート状被測定物を２４時間浸漬し、浸漬前後のノズルプレート１１または被測定物の質量変化率より算出した。液体Ｌが水溶性インクである場合には、ＡＳＴＭＤ５７０に準拠した吸水率で代用することも可能である。

前記液体Ｌ１〜Ｌ３に対する実験結果は下記の表１のようになった。なお、表１の吸収率の欄は、上段が水に対する吸収率（吸水率）、下段がエタノールに対する吸収率を表している。また、吐出の有無の後の「あり」は液体吸収防止層１７を設けた場合を示し、「なし」は参照実験として液体吸収防止層１７を設けない場合を示している。

表１の結果から、液体Ｌ１や液体Ｌ２のように導電性溶媒を含有する場合、液体の吸収率が低くても体積抵抗率が１０^１５Ωｍ未満の材料ではノズル１０から液体Ｌは吐出されないことが分かる。これは、前記シミュレーションによる結果と同じ結果を示している。また、参照実験においては体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料であっても吸収率が０．６％より大きいと液体Ｌが吐出されない場合があるが、ノズル１０の内周面１６に液体吸収防止層１７を設けた場合には、ノズルプレート１１の体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であれば、すべてのノズルプレート１１において液体Ｌが吐出されることが分かる。

なお、液体Ｌ３のように絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体を吐出する場合には、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料であればすべてノズル１０から液体が吐出され得ることが分かる。
［実施例２］
次に、液体吸収防止層１７の厚さを種々変えたノズルプレート１１を作製し、前記液体Ｌの吐出の有無を基材Ｋに吐出させて確認した。

実験結果は下記の表２のようになった。なお、ノズルプレート１１は表１に記載されているポリイミド（ユーピレックス−Ｓ（宇部興産株式会社製））を用いて形成し、液体には液体Ｌ１および液体Ｌ２を用いた。

表２の結果から、液体吸収防止層１７の厚さは、０．１μｍ以上であれば液体Ｌ１が吐出されることが分かる。これは、液体吸収防止層１７を構成する材質自体が液体Ｌ１を吸収し難い材質を用いており、液体吸収防止層１７が０．１μｍ以上の厚さがあれば、液体Ｌ１が液体吸収防止層１７を介してノズルプレート１１に到達することを十分に阻止し得ることを意味している。

液体吸収防止層１７として窒化酸化シリコンや酸化シリコンを用いた場合も同様の結果が得られ、ノズルプレート１１の材質としてポリイミド（カプトン１００ＣＢ（東レ・デュポン株式会社製））を用いた場合も同じ結果が得られた。なお、液体吸収防止層１７の厚さを１．０μｍ以上にすると、層がひび割れを生じ、液体が吐出されなくなる場合があることが分かっている。
［実施例３］
本実施形態の液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１の厚さおよびノズル径を種々変えて作製し、前記液体Ｌ１の吐出の有無を基材Ｋに吐出させて確認した。また、参照実験として、液体Ｌ１の吐出が確認されなかった条件で静電電圧を３．０ｋＶにして吐出の有無を確認した。

実験結果は下記の表３のようになった。なお、ノズルプレート１１は表１に記載されているポリエチレンテレフタレート（ルミラー（東レ株式会社製））を用いて形成した。

表３の結果から、ノズルプレート１１の厚さが１２５μｍの場合の結果を比較すると、ノズル径は１５μｍ以下であることが好ましいことが分かる。また、ノズル径を１５μｍとした場合の結果を比較すると、ノズルプレート１１の厚さは７５μｍ以上であることが好ましいことが分かる。なお、液体が吐出されなかった条件で静電電圧を３．０ｋＶとしたところ、この場合は、液体が吐出された。
［比較例１］
本実施形態の液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１を、本発明によらない一般的な絶縁材として知られているガラスを用いて作製した。

実験においては、１２５μｍの厚さのボロシリケイトガラスにプラズマエッチングにて実施例１と同形状のノズルを作製し、実施例１と同様の方法で液体Ｌ１が吐出されるか否かを確認した。また、帯電用電極１８に印加する静電電圧を変化させて同様に評価した。液体吸収防止層１７はダイアモンドライクカーボンをノズル１０の内周面１６に０．５μｍの厚さになるように成膜した。

実験結果は下記の表３のようになった。なお、ボロシリケイトガラスとしては、ＰＹＲＥＸ（登録商標）（コーニング インコーポレイテッド社製）を用いた。

表４の結果から、ボロシリケイトガラス（体積抵抗率１．０×１０^１４Ωｍ）を用いた場合、３．０ｋＶの静電電圧を印加しただけではノズル１０から液体Ｌ１は吐出されず、４ｋＶを印加しても吐出されなかった。静電電圧を５．０ｋＶにしたところ、初めて液体Ｌ１が吐出された。ここには示さないが体積抵抗率がさらに低い材質でノズルプレート１１を作製した場合、静電電圧が５．０ｋＶでは液体Ｌ１が吐出されない場合もあった。さらに高い電圧を印加すると液体吐出ヘッド２と対向電極３との間でスパークが発生する危険性があるため、これ以上高い電圧では実験を行わなかった。

この結果から、従来の静電吸引方式を用いたフラットな液滴吐出ヘッドでは、少なくとも５．０ｋＶ以上の高い静電電圧を印加しなければ液体が吐出されないことが分かる。

Claims (25)

1. 液体を吐出するノズルと、
   フラットなノズルプレートと、
   前記ノズルの吐出孔から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
   前記ノズルおよび前記キャビティ内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
   前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する動作制御手段とを備え、
   前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 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の範囲第１項に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記液体は、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記ノズルプレートの厚さが７５μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記ノズルの内周面に、前記ノズル内の液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする請求の範囲第６項または第７項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする請求の範囲第６項乃至第８項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第６項乃至第１０項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記請求の範囲第１項乃至第１２項のいずれか１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。
14. 液体を吐出するノズルが設けられ、フラットで体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上のノズルプレートを有する液体吐出ヘッドのノズルおよびキャビティ内の液体に静電電圧を印加して前記液体吐出ヘッドと対向電極との間に電界を形成して、前記電界による静電吸引力によりノズルの吐出孔に形成された液体のメニスカスに電界を集中させ前記静電吸引力により液体を吸引して吐出させることを特徴とする液体吐出方法。
15. 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の範囲第１４項に記載の液体吐出方法。
16. 前記液体は、絶縁性溶媒に帯電可能な粒子を分散した液体であることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の液体吐出方法。
17. 前記ノズルプレートの厚さが７５μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１４項乃至第１６項のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
18. 前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１４項乃至第１７項のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
19. 前記ノズルの内周面に、前記ノズル内の液体が前記ノズルプレートに吸収されることを防止する液体吸収防止層が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１４項乃至第１８項のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
20. 前記液体吸収防止層は、ダイアモンドライクカーボン、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の液体吐出方法。
21. 前記液体吸収防止層の表面に、液体の帯電用電極が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１９項または第２０項に記載の液体吐出方法。
22. 前記液体吸収防止層は、前記ノズルプレートの吐出面にも形成されていることを特徴とする請求の範囲第１９項乃至第２１項のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
23. 前記液体吸収防止層は、窒化酸化シリコンまたは酸化シリコンよりなることを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の液体吐出方法。
24. 前記液体吸収防止層は、その厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１９項乃至第２３項のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
25. 前記ノズルプレートの吐出面に撥液層が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１４項乃至第２４項のいずれか１項に記載の液体吐出方法。