JP4930506B2

JP4930506B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出方法

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Publication number: JP4930506B2
Application number: JP2008502694A
Authority: JP
Inventors: 奈帆美久保; 篤郎梁田; 泰男西
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2012-05-16
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Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出方法に係り、特にフラットノズルを有する液体吐出ヘッド及び液体吐出方法に関する。

従来から、液体吐出ヘッドの微小化されたノズルから低粘度の液体のみならず高粘度の液体を吐出させる技術として、ノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液体の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静電吸引方式の液体吐出技術が知られている（特許文献１など参照）。

また、この液体吐出技術と、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体を吐出する技術とを組み合わせた電界アシスト方式を用いた液体吐出装置の開発が進んでいる（特許文献２〜７など参照）。このうち、特許文献５には、ピエゾ素子による印字パルスに静電電圧を同期させて液体を吐出する液体吐出ヘッドが記載されている。また、特許文献７には、ノズルと吐出先部材との間に正負両極性に反転する両極性パルス電圧を印加することにより液体を吐出させる静電吸引型流体吐出装置が記載されている。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。

上記のような静電吸引方式や電界アシスト方式の液体吐出ヘッドに、体積抵抗率１０^１５Ωｍ以上である高抵抗の材質のノズルプレートを採用することで、吐出口が突出していないフラットな形状であっても、ノズル内の液体への静電電圧の印加により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、そのメニスカスへ強い電界集中が起こり、メニスカスが集中電界による静電吸引力により液滴化されて吐出することが知られている（特許文献８など参照）。

更に、圧力発生手段（ピエゾなど）によるメニスカス形成手段と組み合わせることで、印加する静電電圧を低電圧化できることも知られている（特許文献９など参照）。
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号公報特開平１０−１６６５９２号公報特開２００３−５３９７７号公報特開２００５−０５８８１０号公報国際公開第０６／０６７９６６号パンフレット国際公開第０６／０６８０３６号パンフレット

しかしながら、特許文献１〜特許文献７に記載のような静電吸引方式や電界アシスト方式の液体吐出ヘッドに、高抵抗の材質のノズルプレートを組み合わせたり、メニスカス形成手段を組み合わせたとしても、長時間連続して静電電圧を印加し続けた場合、液滴の吐出が不安定になったり、液体の吐出が停止してしまうという問題があることが判明した。

この現象は、ノズルプレートの空間電荷分極（イオン分極）によってメニスカス先端への集中電界強度が低下してしまい、液滴の吐出が不可能な状態になるというものである。この場合はノズルプレートの空間電荷分極を解消して初期状態に戻さなければ、再び液滴を吐出することができない。しかし、空間電荷分極の解消には時間がかかり、その間吐出動作ができないため、この液体吐出ヘッドを工業用途などに用いた場合に生産性が低下するといった問題があった。

そこで本発明は、ノズルプレートにおける分極の発生を抑制することを可能とする液体吐出ヘッド及び液体吐出方法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の範囲第１項記載の発明は、液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズルが設けられた絶縁性のノズルプレートと、前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、前記ノズル及び前記キャビティの内部の液体と前記基材との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制御手段と、を備えた液体吐出ヘッドであって、前記ノズルは前記ノズルプレートから突出していないフラットなノズルであり、前記制御手段は前記静電電圧印加手段が正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加して前記ノズルから液体を吐出させるように制御することを特徴とする。

請求の範囲第１項記載の発明によれば、絶縁性のフラットなノズルプレートと対向電極との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を長時間続けると、ノズルプレートの分極により電界強度が低下して液体の吐出ができなくなるが、正極パルスと負極パルスを交互に印加して液体の吐出を行わせることにより、ノズルプレートの分極を抑制することが可能となる。これにより、液体吐出ヘッドが生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

請求の範囲第２項記載の発明は、請求の範囲第１項記載の液体吐出ヘッドであって、前記両極性パルスは正極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値と負極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値が等しい両極性パルスであることを特徴とする。

請求の範囲第２項記載の発明によれば、正極パルスの印加後に、その正極パルスと静電電圧値のパルス時間による積分値が同一の負極パルスを印加することにより、ノズルプレートの分極を防止することが可能となる。

請求の範囲第３項記載の発明は、請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項記載の液体吐出ヘッドであって、前記両極性パルス電圧の正負パルス時間の少なくとも一方は、前記ノズルから液体が吐出され前記基材に着弾するまでの所定時間以上の値であることを特徴とする。

請求の範囲第３項記載の発明によれば、正極パルス及び負極パルスそれぞれのパルス時間が液体の液滴が基材に着弾するまでの所定時間未満であると、液滴が基材に着弾する前に印加電圧の極性が反転してしまうことで、液滴の飛翔方向が乱れ着弾位置がずれる可能性があるが、液滴の飛翔中は印加電圧の極性を反転させないようにすることによって、液滴の着弾位置のずれを防止することが可能となる。

請求の範囲第４項記載の発明は、請求の範囲第１項〜請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドであって、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前記吐出口にメニスカスを形成する圧力発生手段を備え、前記制御手段は前記圧力発生手段の駆動を前記両極性パルスと同期させることを特徴とする。

請求の範囲第４項記載の発明によれば、圧力発生手段の駆動を両極性パルスと同期させることから、電界集中による吐出タイミングが静電波形に対してずれることはなく、液滴の飛翔中に静電電圧の極性が反転するのを防止することができる。

請求の範囲第５項記載の発明は、請求の範囲第１項〜請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の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は１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第５項記載の発明によれば、ノズルプレートの体積抵抗率を１０^１５Ωｍ以上とすることで、メニスカス先端に強い電界を生じさせることができ、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第６項記載の発明は、請求の範囲第１項〜請求の範囲第５項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記吐出口の開口径は１５μｍ未満であることを特徴とする。

請求の範囲第６項記載の発明によれば、液体の吐出口を開口径１５μｍ未満とすることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第７項記載の発明は、液体吐出方法であって、液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズルが設けられた絶縁性のノズルプレートと、前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、前記ノズル及び前記キャビティの内部の液体と前記基材との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制御手段と、を備えた液体吐出ヘッドを使用して、前記ノズルは前記ノズルプレートから突出しないフラットなノズルとし、前記静電電圧印加手段が正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加して前記ノズルから液体を吐出させるように制御することを特徴とする。

請求の範囲第７項記載の発明によれば、絶縁性のフラットなノズルプレートと対向電極との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を長時間続けると、ノズルプレートの分極により電界強度が低下して液体の吐出ができなくなるが、正極パルスと負極パルスを交互に印加して液体の吐出を行わせることにより、ノズルプレートの分極を抑制することが可能となる。これにより、液体吐出ヘッドが生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

請求の範囲第８項記載の発明は、請求の範囲第７項記載の液体吐出方法であって、前記両極性パルスは正極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値と負極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値が等しい両極性パルスであることを特徴とする。

請求の範囲第８項記載の発明によれば、正極パルスの印加後に、その正極パルスと静電電圧値のパルス時間による積分値が同一の負極パルスを印加することにより、ノズルプレートの分極を防止することが可能となる。

請求の範囲第９項記載の発明は、請求の範囲第７項又は請求の範囲第８項記載の液体吐出方法であって、前記両極性パルス電圧の正負パルス時間の少なくとも一方は、前記ノズルから液体が吐出され前記基材に着弾するまでの所定時間以上の値であることを特徴とする
請求の範囲第９項記載の発明によれば、正極パルス及び負極パルスそれぞれのパルス時間が液体の液滴が基材に着弾するまでの所定時間未満であると、液滴が基材に着弾する前に印加電圧の極性が反転してしまうことで、液滴の飛翔方向が乱れ着弾位置がずれる可能性があるが、液滴の飛翔中は印加電圧の極性を反転させないようにすることによって、液滴の着弾位置のずれを防止することが可能となる。

請求の範囲第１０項記載の発明は、請求の範囲第７項〜請求の範囲第９項のいずれか一項に記載の液体吐出方法であって、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前記吐出口にメニスカスを形成する圧力発生手段を使用し、前記圧力発生手段の駆動を前記両極性パルスと同期させることを特徴とする。

請求の範囲第１０項記載の発明によれば、圧力発生手段の駆動を両極性パルスと同期させることから、電界集中による吐出タイミングが静電波形に対してずれることはなく、液滴の飛翔中に静電電圧の極性が反転するのを防止することができる。

請求の範囲第１１項記載の発明は、請求の範囲第７項〜請求の範囲第１０項のいずれか一項に記載の液体吐出方法であって、前記ノズルプレートの体積抵抗率は１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする。

請求の範囲第１１項記載の発明によれば、ノズルプレートの体積抵抗率を１０^１５Ωｍ以上とすることで、メニスカス先端に強い電界を生じさせることができ、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第１２項記載の発明は、請求の範囲第７項〜請求の範囲第１１項のいずれか一項に記載の液体吐出方法であって、前記吐出口の開口径は１５μｍ未満であることを特徴とする。

請求の範囲第１２項記載の発明によれば、液体の吐出口を開口径１５μｍ未満とすることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第１項又は請求の範囲第７項記載の発明によれば、ノズルプレートの空間電荷分極を抑制しながら液滴吐出を継続させることができ、分極による吐出不良の発生を抑制することが可能となる。これにより、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

請求の範囲第２項又は請求の範囲第８項記載の発明によれば、負極パルスの印加によりノズルプレートの分極を防止させることができ、分極による吐出不良の発生を防止することが可能となる。

請求の範囲第３項又は請求の範囲第９項記載の発明によれば、液滴の着弾位置のずれを防止することが可能となる。

請求の範囲第４項又は請求の範囲第１０項記載の発明によれば、液滴の飛翔中に静電電圧の極性が反転するのを防止して、液滴の着弾位置のずれを防止することが可能となる。

請求の範囲第５項又は請求の範囲第１１項記載の発明によれば、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第６項又は請求の範囲第１２項記載の発明によれば、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

本実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体構成を示す概略構成図である。ノズル径と電界強度との関係例を示すグラフである。ノズル径と電界強度との他の関係例を示すグラフである。本実施形態に係る液体吐出ヘッドに印加される印加される静電電圧の一例を示すグラフである。本実施形態に係るピエゾ素子の駆動周波数と両極性パルス電圧との関係を示すチャート図である。パルス時間に対するメニスカス先端部の電界強度の変化を示すグラフである。本実施例に係るノズルの形状を示す断面図である。本実施例に係る印加電圧の波形を示すグラフである。本実施例に係る印加電圧の波形を示すグラフである。本実施例に係るノズルの形状を示す断面図である。本実施例に係る印加電圧の波形を示すグラフである。

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吐出面
５ノズルプレート
６帯電用電極
７ボディ層
８可撓層
９吐出口
１０ノズル
１１液体供給口
１２大径部
１３小径部
１４静電電圧電源
１５キャビティ
１６ピエゾ素子
１７駆動電圧電源
１８制御手段

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の液体吐出装置１の全体構成を示す断面模式図である。

図１に示すように、液体吐出装置１は、インクなどの帯電可能な液体の液滴を吐出するライン方式の液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド２に対向し液滴の着弾を受ける基材Ｋを支持する対向電極３とを備えて構成されている。

図１に示すように、液体吐出ヘッド２には、吐出面４、ノズルプレート５、帯電用電極６、ボディ層７及び可撓層８が層状となるように設けられている。

吐出面４は液体吐出ヘッド２の対向電極３に対向する側に位置しており、吐出面４に開口された吐出口９から対向電極３に支持された基材Ｋに液体が吐出されるようになっている。

ノズルプレート５は、石英ガラスによって構成されており、複数のノズル１０が穿孔されることによって形成されている。また、ノズルプレート５の体積抵抗率は１０^１５Ωｍ以上とされている。これにより、吐出口９に形成されるメニスカスの先端部では強い電界強度が得られるようになっている。

また、ノズルプレート５に使用する材料は石英ガラスに限らず、絶縁性の樹脂材料などを用いても良い。特に、ポリイミド（PI）、ポリエチレンテレフタラート（PET）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリプロピレン（PP）など、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上である高抵抗の樹脂材料も好ましく用いることが出来る。

各ノズル１０は、液体の供給を受ける液体供給口１１と連通する大径部１２と、大径部１２の底面に開口されると共に吐出口９と連通する小径部１３との２段構造とされて
いる。

本実施形態では、液体供給口１１の開口面積が吐出口９の開口面積の１０倍以上となるように構成されている。また、小径部１３の長さは１５μｍ以下とされている。これにより、液体のメニスカスを所定量隆起させ、さらには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ようになっている。

また、ノズル１０の大径部１２及び小径部１３は、それぞれ断面形状が円形となっており、大径部１２及び小径部１３の各側面は、ノズル１０の内部を通過する液体と各側面との間に生じる抵抗を低減させるため、液体供給口１１から吐出口９に向かってそれぞれテーパ状となるように、すなわち大径部１２及び小径部１３の各断面積がそれぞれ液体供給口１１から吐出口９に向かって減少するように形成されている。なお、大径部１２及び小径部１３はテーパ状に形成されていなくてもよい。

また、小径部１３が連通する吐出口９の開口径は１５μｍ未満とされている。これにより、吐出口９に形成されるメニスカスの先端部へ強い電界強度が得られ、液滴を安定に吐出させることができる。

ここで、図２及び図３に一般的な吐出口の開口径に対するメニスカス先端部の電界強度を示す。図２は、ノズルプレート５の厚さＨを１０μｍ〜１００μｍとした場合の吐出口の開口径に対するメニスカス先端部の電界強度を示すものである。また、図３は、小径部１３の長さＬを５μｍ〜２０μｍとした場合の吐出口の開口径に対するメニスカス先端部の電界強度を示すものである。図２及び図３のいずれにおいても、吐出口の開口径が小さくなるほどメニスカス先端部の電界強度が大きくなっている。このように、開口径が小さいほど高い電界強度を得られて液滴を安定に吐出することが可能となるため、吐出口９の開口径はより小さい方が好ましい。

また、各ノズル１０は、液体吐出ヘッド２の吐出面４から突出しないように形成されており、液体吐出ヘッド２はフラットな吐出面４を有するヘッドとして構成されている。

帯電用電極６は、ＮｉＰなどの導電素材によって構成されており、ノズルプレート５のうち吐出面４と反対側の面に設けられると共に、ノズル１０の大径部１２の内周面まで延設されている。このように、帯電用電極６がノズル１０の内部を通過する液体に接する構成とすることにより、帯電用電極６はノズル１０の内部を通過する液体を帯電させるようになっている。

また、帯電用電極６には、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１４が電気的に接続されている。静電電圧電源１４から帯電用電極６に静電電圧が印加されると、これにより、単一の帯電用電極６がすべてのノズル１０内の液体に接触しているため、全ノズル１０内の液体が同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体と基材Ｋとの間に静電吸引力が発生するようになっている。

ボディ層７には、各ノズル１０の液体供給口１１に対応する位置に、液体供給口１１とほぼ等しい内径を有するキャビティ１５がそれぞれ形成され、吐出される液体を一時貯蔵するようになっている。

可撓層８は、可撓性を有する金属薄板やシリコンなどによって構成され、液体吐出ヘッド２のうち吐出面４と反対側の面を覆って外界と画するようになっている。なお、ボディ層７と可撓層８との境界には、キャビティ１５に液体を供給するための図示しない流路が形成されている。

また、可撓層８の上面であってキャビティ１５に対応する位置には、圧力発生手段として、圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子１６が設けられている。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、静電アクチュエータやサーマル方式などを採用することも可能である。

また、各ピエゾ素子１６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１７がそれぞれ接続されている。

また、静電電圧電源１４及び駆動電圧電源１７には、制御手段１８が電気的に接続されている。

次に、対向電極３は、基材Ｋを支持する平板状の対向電極であり、液体吐出ヘッド２の下方において、液体吐出ヘッド２の吐出面４に対して平行となるように所定距離離間されて配置されている。

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。これにより、静電電圧電源１４から帯電用電極６に静電電圧が印加されると、吐出口９の液体と対向電極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、液体吐出ヘッド２又は対向電極３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は、基材Ｋの表面における任意の位置に着弾させることが可能となっている。

また、対向電極３と液体吐出ヘッド２との離間距離（ギャップ）は、図示しない位置決め手段により、０．１〜３．０ｍｍ程度の範囲内で適宜設定されるようになっている。

次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２の制御構成について説明する。

静電電圧電源１４は、液体の吐出時に帯電用電極６に静電電圧を印加するようになっている。これにより、全ノズル１０の内部の液体が同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体と基材Ｋとの間に静電吸引力が発生する。

駆動電圧電源１７は、液体の吐出時に、各ピエゾ素子１６に駆動電圧を印加することによりピエゾ素子１６を変形させて、ノズル１０の内部の液体に圧力を発生させ、吐出口９に液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成させるようになっている。これにより、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、ノズル１０の内部の液体から分離されて液滴となる。更に、液滴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、液滴は静電力の作用で基材Kに対して垂直に飛翔しようとするため、飛翔方向が安定し着弾位置の精度が高くなる。

制御手段１８は、ＣＰＵ１８ａ、ＲＯＭ１８ｂ及びＲＡＭ１８ｃを備えて構成され、ＣＰＵ１８ａがＲＯＭ１８ｂに格納されたプログラムを実行することにより、駆動電圧電源１７及び静電電圧電源１４を駆動制御するようになっている。

具体的には、制御手段１８は、ノズルプレートにおける分極の発生を防止するために、液体の吐出時に、静電電圧電源１４により帯電用電極６に正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加させるようになっている。

図４に、静電電圧電源１４により印加される静電電圧を示す。本実施形態では、図４に示すように、正極パルスの静電電圧値をｖ_１、パルス時間をｔ_１とし、負極パルスの静電電圧値をｖ_２、パルス時間をｔ_２として、パルス時間ｔ_１＝分極回復時間ｔ_２，｜静電電圧値ｖ_１｜＝｜静電電圧値ｖ_２｜となるような両極性パルス電圧を印加するようになっている。

また、パルス時間ｔ_１及びパルス時間ｔ_２の最小値は、ノズル１０から液体が吐出されてから基材Ｋに着弾するまでの所定時間Ｔ_１以上の値とされている。すなわち、パルス時間ｔ_１＝パルス時間ｔ_２≧所定時間Ｔ_１とされている。これにより、パルス時間ｔ_１及びパルス時間ｔ_２が所定時間Ｔ_１未満であると、ノズル１０から吐出された液体の液滴が基材Ｋに着弾する前に印加電圧の極性が反転して基材Ｋにおける液滴の着弾位置がずれるおそれがあるが、液滴が着弾するまで静電電圧の極性を反転させず、液滴の着弾位置のずれを防止するようになっている。

この所定時間Ｔ_１は、液体吐出ヘッド２と対向電極３との離間距離（ギャップ）をｈ（ｍ）、液滴の平均速度ｖ（ｍ／ｓ）とすると、下記式（１）によって表される。

例えば、ギャップｈ＝１ｍｍ、液滴の平均速度ｖ＝１０ｍ／ｓとすると、ノズル１０から吐出された液滴が基材Ｋに着弾するまでの所定時間Ｔ_１＝１００μｓｅｃとなり、正負極パルスは５ｋＨｚ以下となる。

なお、静電電圧の印加波形としては、図４に示した矩形パルス波に限らず、正弦波、台形波、三角波、ノコギリ波などを使用してもよい。

図５は、液滴の吐出タイミングと両極性パルス電圧の反転タイミングとが合っており、かつ、パルス時間ｔ_１及びパルス時間ｔ_２が所定時間Ｔ_１以上の値とされている場合の両極性パルス電圧のチャート図である。図５の右端に示すように、吐出タイミングと両極性パルス電圧の反転タイミングが合わない場合は、液滴の飛翔中に両極性パルス電圧が反転してしまい、液滴の着弾位置がずれる原因となる。

一方、パルス時間ｔ_１及びパルス時間ｔ_２の最大値は、少なくとも、帯電用電極６に所定時間連続して静電電圧が印加されることによりノズルプレート５が分極して、メニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの所定時間Ｔ_２以下の値とされる。これにより、ノズルプレート５が分極する前に静電電圧の極性を反転させて、ノズルプレート５の分極を防止することが可能となっている。

図６に、パルス時間に対するメニスカス先端部の電界強度の変化を示す。図６に示すように、帯電用電極６に所定時間連続して静電電圧を印加すると、所定時間Ｔ_２においてノズルプレート５が分極してメニスカス先端部の電界強度が低下し始める。なお、電界強度が低下し始めるまでの所定時間Ｔ_２はノズルプレート５の体積抵抗率によって相違し、体積抵抗率の高い方が電界強度の高い状態が長い時間保たれる。このため、ノズルプレートの体積抵抗率が高い方が、例えば１０^１５Ωｍ以上とすることが、パルス幅の選択の余地が広がるという観点からも好ましく用いられる。

このように、ノズルプレート５と対向電極３との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を続けると、ノズルプレート５の分極により電界強度が低下して液体の吐出状態が変化するが、両極性パルス電圧を正負両極に反転させながら液体の吐出を行うことにより、ノズルプレート５の分極が防止されるようになっている。

なお、本発明の静電電圧の印加波形は、両極性パルス電圧であれば必ずしもｔ_１＝ｔ_２、ｖ_１＝ｖ_２である必要は無く、ｔ_１≠ｔ_２、ｖ_１≠ｖ_２となる静電電圧印加方法を採用してもよい。この場合は、静電電圧印加に伴い徐々にノズルプレートの空間電荷分極（イオン分極）が進むものの、同極性の静電電圧を連続的に印加し続ける場合に比べると分極の進行は抑制され、安定して液滴を射出可能な時間は延長されるという効果を有する。

次に、液体吐出ヘッド２を使用した本発明の液体吐出方法について説明する。

液体吐出装置１が液体吐出動作を開始すると、静電電圧電源１４は、制御手段１８の制御により、帯電用電極６に正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加する。

すなわち、静電電圧電源１４は、図４に示すように、静電電圧値ｖ_１の正極パルスをパルス時間ｔ_１印加した後、印加電圧の極性を反転させて静電電圧値ｖ_２の負極パルスをパルス時間ｔ_２印加する動作を繰り返す。この正極パルス又は負極パルスの印加により、ノズル１０の内部の液体が帯電され、液体と基材Ｋとの間に静電吸引力が発生する。

本実施形態の液体吐出方法では、パルス時間ｔ_１＝分極回復時間ｔ_２，｜静電電圧値ｖ_１｜＝｜静電電圧値ｖ_２｜となるように正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加する。

また、パルス時間ｔ_１＝パルス時間ｔ_２≧所定時間Ｔ_１とされている。これにより、図５に示すように、液滴が基材Ｋに着弾する前に印加電圧の極性が反転することはなく、基材Ｋにおける液滴の着弾位置のずれが防止される。

また、パルス時間ｔ_１及びパルス時間ｔ_２の最大値は、少なくとも、帯電用電極６に所定時間連続して静電電圧が印加されることによりノズルプレート５が分極して、メニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの所定時間Ｔ_２以下の値とされる。これにより、ノズルプレート５が分極する前に静電電圧の極性を反転される。

一方、駆動電圧電源１７は、制御手段１８の制御により、各ピエゾ素子１６に駆動電圧を印加することによりピエゾ素子１６を変形させて、ノズル１０の内部の液体に圧力を発生させ、吐出口９に液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成させる。すると、メニスカス先端部で非常に強い電界集中が生じて、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられ、ノズル１０の内部の液体から分離されて液滴となる。更に、液滴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。

このように本実施形態に係る液体吐出ヘッド２及び液体吐出方法によれば、絶縁性のフラットなノズルプレート５と対向電極３との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を長時間続けると、ノズルプレート５の分極により電界強度が低下して液体の吐出ができなくなるが、正極パルスと負極パルスを交互に印加して液体の吐出動作を行わせることにより、ノズルプレート５の分極を抑制することが可能となる。これにより、液体吐出ヘッド２が生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

また、正極パルスの印加後に、その正極パルスと静電電圧値のパルス時間による積分値が同一の負極パルスを印加することにより、ノズルプレートの分極を防止することが可能となる。

また、正極パルス及び負極パルスそれぞれのパルス時間が液体の液滴が基材に着弾するまでの所定時間未満であると、液滴が基材に着弾する前に印加電圧の極性が反転してしまうが、液滴の飛翔中は印加電圧の極性を反転させないようにすることによって、液滴の着弾位置のずれを防止することが可能となる。

また、ピエゾ素子１６の駆動を両極性パルスと同期させることから、電界集中による吐出タイミングが静電波形に対してずれることはなく、液滴の飛翔中に静電電圧の極性が反転するのを防止することができる。

また、液体の吐出口９を開口径１５μｍ未満とすることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明の実施態様はこれに限定されるものではない。
[比較例１]
ＰＥＴ（東レ・ルミラーＸ１０Ｓ）により構成した体積抵抗率１０^１６Ωｍ、比誘電率２．５のノズルプレートに、図７に示すように、大径部の形状がテーパ状であり、ノズル高さ１３０μｍ、液体供給口の開口径１００μｍ、吐出口の開口径１０μｍのノズルを形成した。また、図８に示すように、同極性の静電電圧を印加電圧２．０ｋＶ／ｍｍとして印加することによりノズルから液体を吐出させた。
[実施例１]
比較例１の同極性の静電電圧を図９に示す両極性のパルス波形１とした。
[比較例２]
石英ガラス（旭硝子・合成石英ガラスＡＱ）により構成した体積抵抗率３×１０^１６Ωｍ、比誘電率３．５のノズルプレートに、図１０に示すように、ノズル高さ１６６μｍ、液体供給口の開口径１００μｍ、吐出口の開口径６μｍのノズルを形成した。また、図８に示すように、同極性の静電電圧を印加電圧２．５ｋＶ／ｍｍとして印加することによりノズルから液体を吐出させた。
[実施例２]
比較例２の同極性の静電電圧を図１１に示す両極性のパルス波形２とした。
[実施例３]
比較例２の同極性の静電電圧を図９に示す両極性のパルス波形１とした。

そして、以上の条件ごとにノズルから液体が安定して吐出された時間を評価した。評価の結果を表１に示す。

表１の結果から明らかなように、比較例１及び比較例２のように同極性の静電電圧を印加し続けた場合は、液体の安定吐出時間は３〜４．５時間程度に留まった。これに対し、実施例１〜実施例３のように本発明の両極性パルス波形を印加した場合は、液体の安定吐出時間は長くなった。特に、実施例１及び実施例３のように、正極側と負極側の電圧値の時間による積分値が等しくなる波形を採用した場合は、２４時間を経過した時点においても液体の吐出が安定しており、高い効果が得られた。

以上詳細に説明したように、本発明の液体吐出ヘッド及び液体吐出方法によれば、正極パルスの印加によりノズルプレートが分極する前に負極パルスを印加して、ノズルプレートの分極を抑制することができる。これにより、液体吐出ヘッドが生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。
なお、ここまでは液体吐出ヘッド内の液体に静電電圧を印加し、対向電極を接地させる形態で説明を行ってきたが、逆に対向電極に静電電圧を印加し、液体吐出ヘッド内の液体を接地させる形態を取ることも可能であり、同様の効果を得ることが出来る。

Claims

液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズルが設けられた絶縁性のノズルプレートと、
前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル及び前記キャビティの内部の液体と前記基材との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制御手段と、
を備えた液体吐出ヘッドであって、
前記ノズルは前記ノズルプレートから突出していないフラットなノズルであり、
前記制御手段は前記静電電圧印加手段が正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加して前記ノズルから液体を吐出させるように制御することを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記両極性パルスは正極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値と負極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値が等しい両極性パルスであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の液体吐出ヘッド。
前記両極性パルス電圧の正負パルス時間の少なくとも一方は、前記ノズルから液体が吐出され前記基材に着弾するまでの所定時間以上の値であることを特徴とする請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項記載の液体吐出ヘッド。
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前記吐出口にメニスカスを形成する圧力発生手段を備え、前記制御手段は前記圧力発生手段の駆動を前記両極性パルスと同期させることを特徴とする請求の範囲第１項〜請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
前記ノズルプレートの体積抵抗率は１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第１項〜請求の範囲第４項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
前記吐出口の開口径は１５μｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第１項〜請求の範囲第５項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズルが設けられた絶縁性のノズルプレートと、
前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、
前記ノズル及び前記キャビティの内部の液体と前記基材との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制御手段と、
を備えた液体吐出ヘッドを使用して、
前記ノズルは前記ノズルプレートから突出しないフラットなノズルとし、
前記静電電圧印加手段が正負両極に反転する両極性パルス電圧を印加して前記ノズルから液体を吐出させるように制御することを特徴とする液体吐出方法。
前記両極性パルスは正極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値と負極パルスの静電電圧値のパルス時間による積分値が等しい両極性パルスであることを特徴とする請求の範囲第７項記載の液体吐出方法。
前記両極性パルス電圧の正負パルス時間の少なくとも一方は、前記ノズルから液体が吐出され前記基材に着弾するまでの所定時間以上の値であることを特徴とする請求の範囲第７項又は請求の範囲第８項記載の液体吐出方法。
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前記吐出口にメニスカスを形成する圧力発生手段を使用し、前記圧力発生手段の駆動を前記両極性パルスと同期させることを特徴とする請求の範囲第７項〜請求の範囲第９項のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
前記ノズルプレートの体積抵抗率は１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする請求の範囲第７項〜請求の範囲第１０項のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
前記吐出口の開口径は１５μｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第７項〜請求の範囲第１１項のいずれか一項に記載の液体吐出方法。