JP4929873B2

JP4929873B2 - 液体排出装置

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Publication number: JP4929873B2
Application number: JP2006179189A
Authority: JP
Inventors: 宏人菅原
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP2007038657A

Description

本発明は、液体を排出する液体排出装置に関する。

用紙等の印刷媒体に印刷するプリント装置（液体排出装置）に用いられるものとして、例えば、用紙等に対してインク（液体）を吐出（排出）するインクジェットヘッドがある。このインクジェットヘッドとしては種々の型式のものがあるが、例えば、ノズルに連通する圧力室を含む複数の個別インク流路を備えた流路ユニットと、圧力室内のインクに圧力を付与する圧電式のアクチュエータユニットを備えたものがある（例えば、特許文献１参照（特開２００３−３２６７１２号の図１に対応））。一般的な圧電式のアクチュエータユニットは、ノズルに連通する複数の圧力室に夫々対応する複数の個別電極と、これら複数の個別電極に対向する共通電極と、個別電極と共通電極との間に挟まれた、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電層とを備えている。そして、所定の個別電極に対して駆動電圧が供給されたときには、個別電極と共通電極との間に挟まれた圧電層の部分に電界が作用して圧電層が部分的に変形し、この圧電層の変形に伴って圧力室内のインクに圧力が付与されて、その圧力室に連通するノズルからインクが吐出される。

特開２００３−３２６７１２号の図１

しかしながら、上述したインクジェットヘッドの構造はかなり複雑になるため、製造コストが高くなる。また、一定量のインクを吐出するためには、圧力室の容積をある所定の容積以上にする必要があるため、インクジェットヘッドにノズル（圧力室）を多数設ける必要がある場合でも、これらノズル及び圧力室を含む複数の個別インク流路を高密度に形成することが難しく、インクジェットヘッドを小型化することが困難になる。

本発明の目的は、簡単な構成により液体を排出することが可能な液体排出装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の第１の態様に従えば、導電性の液体を排出する液体排出装置であって、排出口を有し、前記導電性を有する液体が流れる液体流路と、前記液体流路の所定の面に形成され、前記排出口から、前記液体が流れる流動方向の上流側に向かって延在する電極と、前記液体流路の前記所定の面において、前記排出口から前記流動方向の上流側に向かって延在し、前記液体流路の前記所定の面において前記流動方向に直交する幅方向全体に亘って形成され、且つ、前記電極を被覆する絶縁膜と、前記液体流路の前記所定の面において、前記絶縁膜と前記流動方向の上流側で隣接する隣接領域と、前記電極の電位を制御する電位制御機構と、前記液体流路の液体を前記排出口に向かって流れるように加圧する加圧機構と、を備え、前記絶縁膜の撥液性は、前記隣接領域の撥液性よりも高く、前記電位制御機構は、前記電極の電位を、第１の電位と第２の電位に切り換えることで前記排出口から排出される液体の量を制御するものであり、第１の電位は、前記絶縁膜と前記隣接領域との境界において、前記液体のメニスカスが形成されて前記排出口から液体が排出されないように前記絶縁膜の撥液性を設定する電位であり、第２の電位は、前記絶縁膜と前記隣接領域との境界において液体のメニスカスが形成されず前記排出口から液体が排出されるように前記絶縁膜の撥液性を低下させる電位である液体排出装置が提供される。

本発明の第１の態様によれば、電位制御機構により、電極の電位を制御することによって、後述するエレクトロウェッティング効果により、排出口から排出される液体の量及び速度を制御することができる。したがって、液体排出装置を簡単な構造で集積度が高く低コストなものとすることができる。また、液体を排出口から排出させるために要するエネルギーが小さいので、電装部品を小型で低コストなものとすることができる。ここで、エレクトロウェッティング現象とは、電極と電気的に接続されている絶縁膜によって、電極と導電性を有する液体とが絶縁されている場合に、電極と液体との間に電圧を印加すると、電極と液体との間に電位差が存在しない場合と比べて、絶縁膜の表面と液体との間の接触角（濡れ角）が小さくなる現象である。つまり、電極と液体との間に電圧を印加すると、電極と液体との間に電位差が存在しない場合と比べて、絶縁膜表面の撥液性が低下する。（参照：特許文献特開２００３−１７７２１９号公報）

なお、本発明において、絶縁膜及び電極の位置を、「排出口から流動方向の上流側に向かって延在している」としているが、これは、絶縁膜及び電極の流動方向下流側の縁が、排出口から若干離れている場合も含み、さらに、電極を第１の電位としたときに、絶縁膜及び電極の流動方向下流側の縁と排出口との間に液体が停溜することができないものを含んでいる。

本発明の第１の態様によれば、電位制御機構により、電極の電位を第１の電位と第２の電位に切り換えることによって、排出される液体の量、速さなどを容易に制御することができる。また、加圧機構により、電極を第２の電位としたときに、液体が排出口から確実に排出される。

本発明の液体排出装置において、前記液体流路は、互いに間隔をあけて形成された複数の個別液体流路を備えてもよい。この場合には、複数の個別液体流路を用いることにより、多量の液体を同時に排出することができる。

本発明の液体排出装置において、前記液体流路の断面積が、前記排出口に向かって減少していてもよい。これによると、電極を第２の電位としたときに排出口から排出される液体の位置を安定させることができる。

本発明の液体排出装置において、前記液体流路は、前記流動方向に沿って均一な断面積を有する均一領域と、前記排出口に向かって断面積が徐々に減少する減少領域とを有し、前記絶縁膜が、前記減少領域に形成されていてもよい。これによると、液体流路のコンダクタンスを抑制しつつ、電極を第２の電位としたときに排出口から排出される液体の位置を安定させることができる。

本発明の液体排出装置において、前記液体流路の、前記流動方向と直交する方向の長さが、前記絶縁膜と前記隣接領域との境界において狭くなっていてもよい。これによると、絶縁膜と隣接領域との境界における液体流路の断面積が小さくなるため、電極を第１の電位としたときに、絶縁膜と隣接領域との境界において液体のメニスカスが容易に形成されるため、液体が排出口から排出されるのを確実に停止することができる。

本発明の液体排出装置において、前記流動方向と直交する方向が、前記絶縁膜が形成された前記所定の面の面方向に平行な方向であってもよい。これによると、上蓋のない液体流路に対応することができる。

本発明の液体排出装置において、前記液体流路が、板形状の基材と凹部が形成されたカバー部材とによって画成されており、前記液体流路における前記所定の面は、前記基材に形成されており、前記液体流路における前記所定の面を除く面は、前記カバー部材の前記凹部に形成されていてもよい。これによると、板状の基材において、区画された所定の面に電極及び絶縁膜を容易に形成できる。

本発明の液体排出装置において、前記液体流路は、互いに間隔をあけて形成された複数の個別液体流路を備え、前記所定の面において、隣接する前記個別液体流路の間隙には、各々、前記絶縁膜及び前記隣接領域よりも高い撥液性を有する高撥液領域が形成され、これらの前記高撥液領域によって複数の前記個別液体流路が画成されていてもよい。これによると、液体流路を容易に形成することができるため、液体排出装置を簡単な構造で集積度が高く低コストなものとすることができる。

本発明の液体排出装置において、常に接地され且つ前記液体と接触する接地電極をさらに備えていてもよい。これによると、液体が常に接地されるため、電極を第２の電位としたときに、液体と電極との電位差が大きくなり絶縁膜の撥液性を確実に低下させることができる。

本発明の液体排出装置において、前記複数の個別液体流路は、それぞれ個別排出口を有し、前記個別液体流路は、前記複数の個別排出口が一列に配列されるように配置されており、前記複数の個別液体流路に接続されている共通流路をさらに備えていてもよい。これによると、電極の電位を制御することによって、所望の個別排出口から液体を排出することができる。

本発明の液体排出装置において、前記導電性の液体はインクであり、前記液体排出装置はインクヘッドであってもよい。この場合には、本発明の液体排出装置を、インクを排出するインクヘッドとして利用できる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明に係る第１の実施の形態は、インクを排出することによって記録媒体上に所望の画像及び／又は文字（以下、単に画像と記載）を形成するプリンタ（液体排出装置）に本発明を適用した一例である。図１は、プリンタの概略構成図である。図１に示すように、プリンタ６０は、導電性を有するインク（液体）を貯溜し、且つ、貯溜したインクをヘッド１に供給するインクカートリッジ５３と、印刷用紙Ｐ（図６参照）に対してインクを排出して印刷するヘッド１と、プリンタ６０の種々の動作、例えば、図示しない紙送り機構による印刷用紙Ｐの搬送動作やヘッド１の印刷動作等を制御する制御装置７０（図５参照）とを有している。インクカートリッジ５３とヘッド１とはインク供給管５２により接続されている。インクカートリッジ５３は、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクの液面の高さとヘッド１内のインクの液面の高さとの間に差が生じるように、即ち、水頭差が生じるように設置されている（加圧機構）。この水頭差によって、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクが加圧されてインク供給管５２を介してヘッド１に供給される。

次に、ヘッド１について図２〜図４を参照しつつ詳細に説明する。図２は、図１に示すヘッド１の部分斜視図である。図３は、図２に示すIII−III線に関するヘッド１の横断面図である。図４は、図２に示すIV−IV線に関するヘッド１の縦断面図である。なお、図２〜図４において、ヘッド１の長手方向をＸ方向、ヘッド１の幅方向をＹ方向としている。図２〜図４に示すように、ヘッド１は、矩形板状の基材１０及びカバー部材１１とを有しており、これら基材１０とカバー部材１１とが互いに対向した状態で接合されている。基材１０及びカバー部材１１は、夫々、ガラス材料、ポリイミド、あるいは、表面にＳｉＯ２が形成されたシリコン等からなり、少なくとも後述する各電極が形成される面やインクが接触する面において絶縁性を有している。

基材１０の表面のＹ方向一端側部分（図３、図４の右半部）にはＸ方向に延びる共通流路画定面１０ａが形成されている。また、基材１０の表面のＹ方向他端側部分（図３、図４の左半部）にはＹ方向に延びる複数のインク流路画定面（所定の内面）１０ｂが各々間隔をおいて形成されている。一方、カバー部材１１のＹ方向一端側部分（図３、図４の右半部）にはＸ方向に延びる溝１１ａが形成されている。また、カバー部材１１のＹ方向他端側部分（図３、図４の左半部）にはＹ方向に延びる複数の隔壁１１ｂが各々間隔をおいて形成されており、隔壁１１ｂの間には、溝１１ａに連通する溝１１ｃが形成されている。そして、基材１０の共通流路画定面１０ａとカバー部材１１の溝１１ａとによりＸ方向に延びる共通流路１２が形成され、さらに、基材１０の複数のインク流路画定面１０ｂとカバー部材１１の複数の溝１１ｃとにより、共通流路１２から夫々分岐してＹ方向に延びる複数のインク流路（個別液体流路）１３が形成されている。各インク流路１３は矩形の断面形状を有しており、本実施形態においては、インク流路１３の幅Ｂは７０μｍ程度であり、インク流路１３の高さＨは２０μｍ程度である。なお、図２、図３においては、３つのインク流路１３が図示されているが、実際には４以上の複数のインク流路１３がＸ方向に沿って等間隔に配置されている。

各インク流路１３の先端にはインクが排出される排出口８が形成されており、複数の排出口８がＸ方向に沿って一列に配列されている。そして、インクカートリッジ５３からヘッド１内へ流入したインクは、加圧されることによって、共通流路１２から複数のインク流路１３へ夫々供給される。そして、各インク流路１３においては、共通流路１２から排出口８に向う方向（液体流動方向：以下インク流動方向と称する）にインクが流動する。さらに、これら複数のインク流路１３の排出口８から印刷用紙Ｐにインクが排出される（図８参照）。なお、印刷用紙Ｐは、図２の前方において、図示しない紙送り機構によりＺ軸方向（上下方向）に送られる。

各インク流路１３のインク流路画定面１０ｂには、排出口８からインク流動方向に関する上流側に向けて延在している絶縁膜（図２、図３における網状にハッチングされた領域）２１と、撥液性が絶縁膜２１よりも低い領域であって、絶縁膜２１のインク流動方向に関する上流側に隣接する隣接領域２０とが形成されている。絶縁膜２１は、インク流路画定面１０ｂの幅方向（Ｘ方向）全域を占めるように形成されており、平面視で略矩形の形状である。そして、図示されるように、絶縁膜２１のインク流動方向に関する下流側の縁は、インク流動方向と直交する方向に延在しており、排出口８を画成している。つまり、絶縁膜２１はインク流路画定面１０ｂにおいてインク流動方向に関して排出口８と実質的に同じ位置にまで延在している。また、後述する制御電極１８は絶縁膜２１によって被覆されている。この絶縁膜２１は、制御電極１８の表面及びインク流路１３のインク流路画定面１０ｂに対して、例えば、フッ素系樹脂をスピンコート法等によりコーティングすることにより形成することができる。本実施の形態においては、絶縁膜２１の膜厚は０．１μｍ程度である。また、隣接領域２０には絶縁膜２１は形成されておらず、隣接領域２０は基材１０の表面によって形成されている。

主に図４に示すように、絶縁膜２１と基材１０との間には、配線部１８を有する制御電極１８が設けられている。制御電極１８は、絶縁膜２１よりも若干小さな相似形状に形成されており、絶縁膜２１の下層において排出口８近傍からインク流動方向に関する上流側に延在している。即ち、制御電極１８は、平面視において、インク流路画定面１０ｂの幅方向全域を占めるように形成されており、絶縁膜２１と実質的に同じ矩形形状に形成されている。そして、制御電極１８は、配線部１８ａを介して制御装置７０（図１参照）と電気的に接続されている。複数の制御電極１８は、蒸着法、スパッタ法、或いは、印刷法等の公知の方法により基材１０の表面に形成され、さらに、複数の制御電極１８を同時に形成することもできる。これにより制御電極１８を容易に形成することができる。

共通流路１２の共通流路画定面１０ａには、配線部１７ａを有し、Ｘ方向に延びる接地電極１７が設けられている。接地電極１７は、配線部１７ａを介して常に接地されている。したがって、ヘッド１内の導電性のインクは接地電極１７に接触して常にグランド電位に保持されている。尚、接地電極１７も、制御電極１８と同様に蒸着法、スパッタ法、或いは、印刷法等の公知の方法により基材１０の表面に形成される。

次に、本実施形態のプリンタ６０の電気的な構成について図５を参照しつつ説明する。図５はプリンタ６０の電気的な構成を示した図である。制御装置７０は、中央処理装置であるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プリンタ６０の全体動作を制御する為の各種プログラムやデータ等が格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵで処理されるデータ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を有しており、これらが協働することによって以下の各機能を実現する。

つまり、制御装置７０は、図示しない紙送り機構を制御して印刷用紙Ｐを搬送させる。また、制御装置７０は、ヘッド１による印刷用紙Ｐに対する印刷動作を制御するヘッド制御部３０を備えている。ヘッド制御部３０は、制御電極１８の電位を制御することによって、各インク流路１３の排出口８からインクを排出するか否かを個別に制御する。

図５に示すように、ヘッド制御部３０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０から入力された印刷データを記憶する印刷データ記憶部３１と、この印刷データ記憶部３１に記憶された印刷データに基づいて、制御電極１８の電位をグランド電位（第１の電位）と所定の電位（第２の電位）との間で切り換えるように制御する電位制御部３２とを有している。ここで、制御電極１８が第１の電位に設定された際に、絶縁膜２１と隣接領域２０との境界においてメニスカスが形成されるように、インクの加圧力及び絶縁膜２１の撥液性が調整されている。また、制御電極１８が第２の電位に設定された際に、絶縁膜２１と隣接領域２０との境界に形成されたメニスカスが壊れるように設定されている。後述するように、電位制御部３２が制御電極１８の電位を変化させることによって、制御電極１８を被覆している絶縁膜２１の表面のインクに対する撥液性が変化する（エレクトロウェッティング現象）。これによって、排出口８からインクを排出させるか否かを制御する。

次に、ヘッド１の動作について図６〜図９を参照しつつ説明する。図６は、排出口８からインクが排出されないときの状態を示すヘッド１の横断面図であり、図７は、排出口８からインクが排出されないときの状態を示すヘッド１の縦断面図である。図８は、排出口８からインクが排出されるときの状態を示すヘッド１の横断面図であり、図９は、排出口８からインクが排出されるときの状態を示すヘッド１の縦断面図である。排出口８からインクを排出させないときは、電位制御部３２が制御電極１８の電位をグランド電位とする。このとき、上述したように接地電極１７によってインクがグランド電位に保持されているため、インクと制御電極１８との間には電位差がない。このときには、絶縁膜２１はインクに対して高い撥液性を有する状態のままである。絶縁膜２１がインクに対して高い撥液性を有する状態になっているときは、図６及び図７に示すように、絶縁膜２１の表面にインクが移動できず、絶縁膜２１と隣接領域２０との境界においてインクのメニスカスが形成される。これにより、排出口８からインクが排出されない。

そして、排出口８からインクを排出させるときは、電位制御部３２が制御電極１８の電位を所定の電位とする。このとき、接地されたインクと制御電極１８との間の電位差が大きくなり、絶縁膜２１の表面のインクに対する撥液性が小さくなる。すなわち、絶縁膜２１の表面におけるインクの接触角が小さくなる。このように、絶縁膜を挟んで配置された電極と導電性液体との間に電圧を印加した場合に、絶縁膜の表面の導電性液体に対する撥液性が下がる現象をエレクトロウェッティング現象と呼ぶ。このエレクトロウェッティング現象により、制御電極１８が所定の電位であるときには、制御電極１８の電位がグランド電位であるときと比較して絶縁膜２１の撥液性が低下する。このため、図８及び図９に示すように、絶縁膜２１と隣接領域２０との境界においてインクのメニスカスが壊れて絶縁膜２１の表面にインクが移動する。絶縁膜２１の表面に移動したインクは排出口８から排出される。排出口８から排出されたインクは印刷用紙Ｐに到達する。なお、所定の電位は、グランド電位に対して正の電位であってもよいし、負の電位であってもよい。

このように、電位制御部３２が各制御電極１８の電位を個別に制御することによって、所望の排出口８からインクを排出させることができる。

以上説明したプリンタ６０によれば、エレクトロウェッティング効果を利用することにより、制御電極１８の電位を調整することによって排出口８からのインクの排出の有無を制御することができる。したがって、ヘッド１を簡単な構造で集積度が高く低コストなものとすることができる。また、インクを排出口８から排出させるために要するエネルギーが小さいので、電装部品を小型で低コストなものとすることができる。

また、カバー部材１１には、共通流路１２及びインク流路１３を区画するための溝１１ａ、複数の隔壁１１ｂ及び溝１１ｃが形成されている一方、基材１０の表面は平坦であるため、矩形板状の基材１０の一面上に制御電極１８や絶縁膜２１を容易に形成することができる。

さらに、導電性のインクは接地電極１７に接触しており、グランド電位に保持されているため、制御電極１８を所定の電位とすることによって、インクと制御電極との間に確実に電位差を発生させることができ、絶縁膜２１の撥液性を確実に低下させることができる。

前述のように、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクとヘッド１内のインクとの間に水頭差が生じるようにインクカートリッジ５３が設置されているため、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクは加圧される。これによって、インク流路１３においてインクがインク流動方向に沿って加圧され、インクが排出口８から確実に排出される。

〈第１変更形態〉
次に、本実施の形態による第１の変更形態について図１０及び図１１を参照しつつ説明する。図１０は本変更形態に係るヘッドの平面断面図である。図１１は、ヘッドの側面断面図である。図１０及び図１１に示すように、ヘッド１０１は、共通流路１２から分岐してＹ方向に延びる複数のインク流路１１３を有している。各インク流路１１３は矩形の断面形状を有している。インク流路１１３のインク流路画定面１１０ｂには、排出口１０８からインク流動方向に関する上流側に向けて延在し、且つ、インク流路画定面１１０ｂの幅方向全域を占める絶縁膜１２１が形成されている。絶縁膜１２１と基材１１０との間に制御電極１１８が形成されている。つまり、絶縁膜１２１が制御電極１１８を被覆している。制御電極１１８は、絶縁膜１２１の下方において排出口１０８からインク流動方向に関する上流側に向けて延在している。そして、絶縁膜１２１が形成されている領域は、平面視で、排出口１０８に向かって先細りとなった台形形状を有しており、これに合わせて制御電極１１８及び絶縁膜１２１も台形形状を有している。つまり、インク流路１１３は、排出口１０８に向かって断面積が徐々に減少する減少領域（テーパー領域）１１３ａと、減少領域１１３ａと共通流路１２との間に位置すると共にインク流動方向に関して断面積が均一な均一領域１１３ｂとを含んでいる。

このように、インク流路１１３が減少領域１１３ａと均一領域１１３ｂとを含んでいるため、インク流路１１３における流路抵抗を抑制することができる。さらに、インク流路１１３の先端が先細りの形状であるため、制御電極１１８を所定の電位にしたときに排出口１０８から排出されるインクの位置のばらつきを小さく抑えることができる。

なお、本変更形態においては、制御電極１１８及び絶縁膜１２１が減少領域１１３ａに係るインク流路画定面１１０ｂのほぼ全域に配置されているが、減少領域がインク流動方向に関する上流側にさらに延在することによって、制御電極１１８及び絶縁膜１２１が減少領域に係るインク流路画定面の一部に配置されるようにインク流路を構成してもよい。さらには、均一領域が形成されないように、インク流路全体が減少領域となるように構成してもよい。

〈第２変更形態〉
次に、本実施の形態による第２変更形態について図１２及び図１３を参照しつつ説明する。図１２は本変更形態に係るヘッドの平面断面図である。図１３は、ヘッドの側面断面図である。図１２及び図１３に示すように、ヘッド２０１は、共通流路１２から夫々分岐してＹ方向に延びる複数のインク流路２１３を有している。各インク流路２１３は矩形の断面形状を有している。インク流路２１３を画成する表面であるインク流路画定面２１０ｂには、排出口８からインク流動方向に関する上流側に向けて延在し且つインク流路画定面２１０ｂの幅方向全域にわたって形成されている絶縁膜２２１と、撥液性が絶縁膜２２１よりも低く且つ絶縁膜２２１のインク流動方向に関する上流側に隣接する隣接領域２２０とが形成されている。絶縁膜２２１と基材２１０との間には、制御電極２１８が形成されている。つまり、制御電極２１８は、絶縁膜２２１によって被覆されている。また、制御電極２１８は、絶縁膜２２１の下方において排出口８からインク流動方向に関する上流側に向けて延在している。制御電極２１８及び絶縁膜２２１は、平面視で略矩形の形状を有している。インク流路２１３を区画している各隔壁２１１ｂは、絶縁膜２２１と隣接領域２２０との境界において、互いに隣接した２つのインク流路２１３のそれぞれに向かって突出した２つの突起２１１ｃを有している。つまり、インク流路２１３の、インク流路画定面２１０ｂの幅方向（Ｘ方向：インク流動方向と直交する方向のうち絶縁膜２２１の平面に平行な方向）における幅は、絶縁膜２２１と隣接領域２２０との境界において狭くなっている。

これによると、突起２１１ｃによって絶縁膜２２１と隣接領域２２０との境界におけるインク流路２１３の断面積が小さくなるため、制御電極２１８が所定の電位となったときに、絶縁膜２２１と隣接領域２２０との境界においてインクのメニスカスが容易に形成される。従って、インクが排出口８から排出されるのを確実に停止することができる。また、上述の効果はインク流路２１３の上蓋（カバー部材）の形状に依存しないため、上蓋がない場合においても対応することができる。

本実施の形態においては、インク流動方向と直交する方向のうち絶縁膜２２１の平面に平行な方向におけるインク流路２１３の幅を狭くすることによって絶縁膜２２１と隣接領域２２０との境界におけるインク流路２１３の断面積を小さくしたが、インク流路の上蓋に、絶縁膜と隣接領域との境界において下方に向かって突出する突起を設けてもよい。これによると、インク流動方向と直交する方向のうち絶縁膜の平面に垂直な方向におけるインク流路の幅が狭くなり、絶縁膜と隣接領域との境界部分の長さを短くすることなく、絶縁膜と隣接領域との境界におけるインク流路の断面積を小さくすることができる。このため、制御電極を所定の電位とした場合に、絶縁膜と隣接領域との境界においてインクのメニスカスが容易に形成される。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明に係る第２の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、第１の実施の形態と実質的に同じ部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図１４は、本発明に係る第２の実施の形態であるプリンタの概略構成図である。図１４に示すように、プリンタ３６０は、インクカートリッジ５３と、一方向に長い略直方体の形状であり、印刷用紙Ｐに対してインクを排出して印刷するヘッド３０１と、制御装置７０とを有している。インクカートリッジ５３とヘッド３０１とはインク供給管５２により接続されている。インクカートリッジ５３は、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクとヘッド３０１内のインクとの間に水頭差が生じるように設置されている（加圧機構）。この水頭差によって、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクが加圧されてインク供給管５２を介してヘッド３０１に供給される。

次に、ヘッド３０１について図１５をさらに参照しつつ詳細に説明する。図１５は、図１４に示すヘッド３０１の斜視図である。なお、図１５において、ヘッド３０１の長手方向をＸ方向、ヘッド３０１の幅方向をＹ方向と規定している。図１５に示すように、ヘッド３０１は、矩形板状の基材３１０を備えており、基材３１０上には複数のインク流路が形成されている。基材３１０は、ガラス材料、ポリイミド、あるいは、表面にＳｉＯ２が形成されたシリコン等からなり、少なくとも後述する各電極が形成される面及びインクが接触する面において絶縁性を有している。

基材３１０の表面のＹ方向一端側部分にはＸ方向に延びる共通流路画定面１０ａが形成されている。また、基材３１０の表面のＹ方向他端側部分にはＹ方向に延びる複数のインク流路画定面（所定の内面）１０ｂが各々間隔をおいて形成されている。さらに、複数のインク流路画定面１０ｂの間の基材３１０の表面には、高撥液領域３１０ｃが形成されている。また、基材３１０の縁部のうち、Ｙ方向他端側部分を除く部分には、高撥液領域３１０ｄが形成されている。高撥液領域３１０ｃ、３１０ｄは、基材３１０の表面及び後述する絶縁膜２１よりも高い撥液性を有している。そして、共通流路画定面１０ａが高撥液領域３１０ｃ、３１０ｄに区画されることによって共通流路３１２が形成され、さらに、インク流路画定面１０ｂが高撥液領域３１０ｃ、３１０ｄに区画されることによって、共通流路３１２から夫々分岐してＹ方向に延びる複数のインク流路３１３が形成されている。なお、図１５においては、３つのインク流路３１３のみが示されているが、実際には図１４に示すように、４以上の複数のインク流路３１３がＸ方向に沿って等間隔に配置されている。

各インク流路３１３の、共通流路３１２と反対側の端部にはインクが排出される排出口３０８が形成されており、複数の排出口３０８がＸ方向に沿って一列に配列されている。そして、インクカートリッジ５３からヘッド３０１内へ流入したインクは、前述の加圧機構により加圧されて、共通流路３１２から各インク流路３１３へ供給される。このとき、各インク流路３１３においては、高撥液領域３１０ｃの撥液性は、インク流路画定面１０ｂ（絶縁膜２１及び隣接領域２０）の撥液性よりも高いため、インク流路画定面１０ｂ上に流れ込んだインクが高撥液領域３１０ｃ上に侵入することがない。

そして、各インク流路３１３においては、共通流路３１２から排出口３０８に向う方向（液体流動方向：以下インク流動方向と称する）にインクが流動する。さらに、これら複数のインク流路３１３の排出口３０８から印刷用紙Ｐにインクが排出される。

各インク流路３１３のインク流路画定面１０ｂには、排出口３０８からインク流動方向の上流側に向けて延在している絶縁膜（図１５における網状にハッチングされた領域）２１と、絶縁膜２１の撥液性よりも低い撥液性を有し、且つインク流動方向に関する上流側において絶縁膜２１と隣接する隣接領域２０とが形成されている。ここで、絶縁膜２１は、平面視で矩形の形状であって、インク流路画定面１０ｂの幅方向（Ｘ方向）全域にわたって形成されている。つまり、絶縁膜２１は、インク流路画定面１０ｂにおいてインク流動方向に関して排出口３０８と実質的に同じ位置にまで延在している。また、絶縁膜２１と基材３１０との間には、制御電極１８が形成されている。つまり、制御電極１８は、絶縁膜２１によって被覆されている。

制御装置７０に関して、その構成及び機能は第１の実施の形態における制御装置と実質的に同じであるため、その説明を省略する。また、ヘッド３０１の動作も第１の実施の形態のヘッド１の動作と実質的に同じであるため、その説明を省略する。

以上説明したプリンタ３６０によれば、制御電極１８の電位に応じてエレクトロウェッティング効果が生じることによって排出口３０８からのインクの排出の有無を制御することができる。したがって、ヘッド３０１を簡単な構造で集積度が高く低コストなものとすることができる。また、インクを排出口３０８から排出させるために要するエネルギーが小さいので、電装部品を小型で低コストなものとすることができる。

さらに、本実施の形態においては、共通流路３１２及びインク流路３１３を区画するためのカバー部材などが不要になるため、ヘッド３０１をより低コストなものとすることができる。また、共通流路３１２及びインク流路３１３が露出しているため、これらのメンテナンスが容易である。また、基板３１０の表面に高撥液領域３１０ｃ、３１０ｄを形成するという簡単な方法で共通流路３１２及びインク流路３１３を形成することができる。加えて、例えば、高撥液領域３１０ｃ、３１０ｄを印刷プロセスで形成することによってインク流路３１３の集積度を高くすることが極めて容易になる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、第１の実施の形態においては、共通流路１２及びインク流路１３、１１３、２１３を区画するための隔壁がカバー部材１１に形成されているが、このような隔壁の一部が基材１０、１１０、２１０に形成されていてもよい。

また、第１及び第２の実施の形態においては、共通流路１２、３１２の共通流路画定面１０ａに接地電極１７が形成されているが、このようなインクを接地するための接地電極はヘッド１、１０１、２０１、３０１の他の領域に形成されていてもよいし、接地電極を備えていなくてもよい。

さらに、第１及び第２の実施の形態においては、インクカートリッジ５３は、インクカートリッジ５３に貯溜されているインクとヘッド１、１０１、２０１、３０１内のインクとの間に水頭差が生じるように設置されることによって、インクを加圧する加圧機構として機能しているが、例えば、ポンプ等の加圧装置を用いてインクを加圧する加圧機構を備えてもよく、加圧機構を備えていなくてもよい。

加えて、第１の実施の形態においては、インク流路１３、１１３、２１３の断面形状は矩形であるが、例えば、インク流路の断面形状が円形や楕円形等の他の断面形状であってもよい。

また、第１及び第２の実施の形態においては、基材１０、１１０、２１０、３１０のインクが接触する面は絶縁性を有していたが、制御電極１８、１１８、２１８とインクとが絶縁されていれば、基材のインクが接触する面が導電性を有していてもよい。

さらに、第１及び第２の実施の形態においては、絶縁膜２１、１２１、２２１のインク流動方向に関する下流側の縁は、インク流動方向と直交する方向に延在しており、排出口８と完全に一致するように形成されているが、排出口８から若干離れて形成されていてもよい。また、絶縁膜２１、１２１、２２１のインク流動方向に関する下流側の縁は、排出口８から徐々に離れるようにインク流動方向と直交する方向に対して傾斜していてもよい。

加えて、第１及び第２の実施の形態では、平面視において、制御電極１８、１１８、２１８がインク流路の幅方向全域にわたって形成されているが、制御電極がインク流路の幅方向の一部に形成されていてもよい。また、各インク流路に対して複数の制御電極が形成されていてもよい。このとき、各インク流路において複数の制御電極が同じ電位となるように制御することが好ましい。

第１及び第２の実施の形態では、インクを排出するプリンタに本発明を適用した例が示されているが、薬液や化学溶液、配線形成用導電性溶液、ＵＶ樹脂溶液などの液体を排出する液体排出装置など、インク以外の導電性の液体を排出する装置に対して本発明を適用することが可能である。さらに、液体が排出される面は、印刷用紙Ｐなどの紙の表面に限らず、ガラス、ポリイミド、シリコンなどの固体表面でもよい。

本発明の液体排出装置は、前述の通り、電位制御機構によって各電極と液体との間の電圧を制御することによって、各絶縁膜の撥液性を制御することができる。それにより、各排出口において液体を排出させるか否かを制御することができるため、本発明の液体排出装置を、液体の流れを制御するバルブ（レギュレータバルブ）として使用することができる。あるいは、複数のインク流路のうち、何本の流路にインクを流すかを制御することによって、液体排出装置から排出される液体の量、及び／又は液体の流速を制御できる。従って、本発明の液体排出装置は、排出される液体の流量及び／又は流速を調整するマスフローコントローラー（ＭＦＣ）としても利用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。図１に示すヘッドの斜視図である。図２のIII-III線に沿ったヘッドの横断面図である。図２のIV-IV線に沿ったヘッドの縦断面図である。図１に示すプリンタの電気的な構成を示した図である。図１に示すヘッドの排出口からインクが排出されないときの状態を示すヘッド１の横断面図である。図１に示すヘッドの排出口からインクが排出されないときの状態を示すヘッド１の縦断面図である。図１に示すヘッドの排出口からインクが排出されるときの状態を示すヘッド１の横断面図である。図１に示すヘッドの排出口からインクが排出されるときの状態を示すヘッド１の縦断面図である。図１に示すヘッドの第１の変形例を示す横断面図である。図１に示すヘッドの第１の変形例を示す縦断面図である。図１に示すヘッドの第２の変形例を示す横断面図である。図１に示すヘッドの第２の変形例を示す縦断面図である。本発明の第２の実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。図１４に示すヘッドの斜視図である。

符号の説明

１ヘッド
８排出口
１０基材
１０ａ共通流路画定面
１０ｂインク流路画定面
１１カバー部材
１１ａ溝
１１ｂ隔壁
１２共通流路
１３インク流路
１７接地電極
１７ａ配線部
１８制御電極
１８ａ配線部
２０隣接領域
２１絶縁膜
３０ヘッド制御部
３２電位制御部
６０プリンタ
７０制御装置

Claims

導電性の液体を排出する液体排出装置であって、
排出口を有し、前記導電性を有する液体が流れる液体流路と、
前記液体流路の所定の面に形成され、前記排出口から、前記液体が流れる流動方向の上流側に向かって延在する電極と、
前記液体流路の前記所定の面において、前記排出口から前記流動方向の上流側に向かって延在し、前記液体流路の前記所定の面において前記流動方向に直交する幅方向全体に亘って形成され、且つ、前記電極を被覆する絶縁膜と、
前記液体流路の前記所定の面において、前記絶縁膜と前記流動方向の上流側で隣接する隣接領域と、
前記電極の電位を制御する電位制御機構と、
前記液体流路の液体を前記排出口に向かって流れるように加圧する加圧機構と、
を備え、
前記絶縁膜の撥液性は、前記隣接領域の撥液性よりも高く、
前記電位制御機構は、前記電極の電位を、第１の電位と第２の電位に切り換えることで前記排出口から排出される液体の量を制御するものであり、第１の電位は、前記絶縁膜と前記隣接領域との境界において、前記液体のメニスカスが形成されて前記排出口から液体が排出されないように前記絶縁膜の撥液性を設定する電位であり、第２の電位は、前記絶縁膜と前記隣接領域との境界において液体のメニスカスが形成されず前記排出口から液体が排出されるように前記絶縁膜の撥液性を低下させる電位である液体排出装置。
前記液体流路は、互いに間隔をあけて形成された複数の個別液体流路を備える請求項１に記載の液体排出装置。
前記液体流路の断面積は、前記排出口に向かって減少している請求項１に記載の液体排出装置。
前記液体流路は、前記流動方向に沿って均一な断面積を有する均一領域と、前記排出口に向かって断面積が徐々に減少する減少領域とを有し、
前記絶縁膜が、前記減少領域に形成されている請求項３に記載の液体排出装置。
前記液体流路の、前記流動方向と直交する方向の長さが、前記絶縁膜と前記隣接領域との境界において狭くなっている請求項１に記載の液体排出装置。
前記流動方向と直交する方向が、前記絶縁膜が形成された前記所定の面の面方向に平行な方向である請求項５に記載の液体排出装置。
前記液体流路が、板形状の基材と凹部が形成されたカバー部材とによって画成されており、
前記液体流路における前記所定の面は、前記基材に形成されており、
前記液体流路における前記所定の面を除く面は、前記カバー部材の前記凹部に形成されている請求項１に記載の液体排出装置。
前記液体流路は、互いに間隔をあけて形成された複数の個別液体流路を備え、
前記所定の面において、隣接する前記個別液体流路の間隙には、各々、前記絶縁膜及び前記隣接領域よりも高い撥液性を有する高撥液領域が形成され、これらの前記高撥液領域によって複数の前記個別液体流路が画成されている請求項１に記載の液体排出装置。
常に接地され且つ前記液体と接触する接地電極をさらに備えている請求項１に記載の液体排出装置。
前記複数の個別液体流路は、それぞれ個別排出口を有し、前記個別液体流路は、前記複数の個別排出口が一列に配列されるように配置されており、
前記複数の個別液体流路に接続されている共通流路をさらに備えている請求項２に記載の液体排出装置。
前記導電性の液体はインクであり、前記液体排出装置はインクヘッドである請求項１に記載の液体排出装置。
前記導電性の液体はインクであり、前記液体排出装置はインクヘッドである請求項８に記載の液体排出装置。