JP4998266B2

JP4998266B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP4998266B2
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Inventors: 正和伊達; 修敬上野
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Description

本発明は、液体吐出装置に係り、特に液体吐出ヘッドのノズルプレートの除電を行う除電装置を備えた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体吐出技術が知られている（特許文献１参照）。

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法を用いた液体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）。この方法は、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孔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。
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

発明者らの検討の結果、静電吸引方式の液体吐出装置や、静電吸引方式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液体吐出装置では、ノズル内の液体とノズルが形成されたノズルプレートに対向する対向電極との間に高電圧を印加するため、ノズルプレートの対向電極に対向する面、すなわち吐出面が帯電し、そのため、メンテナンス時など、前記高電圧を印加して液体吐出をおこなった後に前記高電圧の印加を停止して液体吐出を休止する期間にはノズルプレートの除電を行う必要性に気付いた。

すなわち、液体吐出と液体吐出の休止を繰り返した場合、液体吐出を休止する期間に除電を行わないと、先の液体吐出におけるノズルプレートの帯電の履歴の影響を受けて、次の液体吐出にサイクルに入ることになる。絶縁性のノズルプレートを用いた場合、帯電により表面に生じた電荷の休止中における減衰は極めて遅く、また休止中の環境湿度にも影響される。これは、湿度が高くなるとノズルプレートの表面抵抗、体積抵抗が低下し、電荷の保持力が低下するためである。このような履歴の影響により、次の帯電の際に適正に帯電を行うことができないため、ノズル内の液体に加わる静電力が適正な値にならず、液体の吐出量が不足したり或いは液体を過剰に吐出してしまったりする。

ここで、上記のような静電力を利用して基材に液体を吐出する液体吐出装置では基材が帯電することから、基材を除電するために、近年、基材に対してイオン風を吹き付けて除電する方法や装置の開発が進められている。この方法をノズルプレートの除電に応用して、ノズルプレートにイオン風を吹き付けて除電を行うことも考えられる。

しかしながら、ノズルプレートにイオン風を吹き付ける方法では、吹き付けによりノズルの吐出孔で液体が乾燥して吐出孔に固着してしまうため、このような方法をノズルプレートの除電方法として採用することは困難である。また、イオン風による除電方法では、必ずしも十分にノズルプレートの除電を行うことができないという問題もある。

また、導電性のブラシやブレード状の除電部材をノズルプレートの吐出面に当接し相対的に摺動させて除電を行うことも考えられる。

しかしながら、ブラシ状の除電部材による除電では、ノズルプレートの吐出面にブラシに当接する部分と当接しない部分とが生じるため、除電にムラが生じてしまう。また、ブレード状の除電部材による除電では、ノズルプレートの一定部分に着目した場合にブレードと接触する時間が短く必ずしも十分に除電を行うことができない。これらの除電部材で十分に除電を行うためにはノズルプレートの吐出面上を複数回摺動させる必要があるが、このような方法では除電に時間が掛かり過ぎる。

ノズルプレートの除電にムラがあると、次の帯電の際に帯電にムラが生じてノズル内の液体に加わる静電力に不均衡が生じ、液体の吐出が均等にならない。また、除電が不十分であると、次の帯電の際に適正に帯電を行うことができないため、ノズル内の液体に加わる静電力が適正な値にならず、液体の吐出量が不足したり或いは液体を過剰に吐出してしまったりする。

また、図１３に示すように、静電吸引方式や電界アシスト法を用いた液体吐出装置１においては、ノズルプレート１２に設けられたノズル１１内の液体Ｌに正電圧が印加され、対向電極３は接地されているため、液体Ｌは正に帯電し、ノズルプレート１２のノズル１１の液体Ｌと接する部分は負に帯電する。

また、ノズルプレート１２の吐出面１３は正に帯電し、対向電極３のノズルプレート１２に対向する面は負に帯電している。このような帯電状態であれば、液体Ｌはノズル１１から吐出される。なお、図１３および図１４における符号は、後述する実施形態の場合と同一の符号を付している。

しかし、図１４（Ａ）に示すように、ノズルプレート１２の吐出面１３に正に帯電した液体Ｌやゴミ等による汚れがある場合、汚れが付着したノズルプレート１２の吐出面部分は負に帯電している。その状態でブラシ状やブレード状の除電部材で除電を行うと、汚れの正の電荷と吐出面１３の負の電荷が引き合って汚れが吐出面１３から引き剥がされ難く、図１４（Ｂ）に示すように、正に帯電した汚れが吐出面１３のより広範囲に押し広げられる。

そうすると、吐出面１３のより広範囲が負に帯電する状態になり、図１４（Ｃ）に示すように、再度ノズル１１内の液体Ｌを帯電させて吐出しようとしても、ノズル１１の吐出孔から正に帯電した液体Ｌが負に帯電した吐出面１３の部分に広がってしまうため、図１３に示したような液体Ｌのメニスカスが形成されず、液体Ｌはノズル１１から有効に吐出されなくなる。

また、図１４（Ａ）のようにノズルプレート１２の吐出孔１４付近の吐出面１３に正に帯電した液体Ｌが付着していると、図１５に示すように、メニスカス付近の等電位線が歪み、後述する図５と比較して分かるように、メニスカス先端部の電界が弱くなり電界集中が生じ難くなり液体Ｌが吐出できなくなる。

このように、静電吸引方式や電界アシスト法を用いた液体吐出装置のメンテナンス時などにブラシ状やブレード状等の除電部材を用いてノズルプレートの除電を行うと、除電ムラが生じたり不十分な除電しか行えなかったりするうえ、ノズルプレートの吐出面上で汚れを押し広げノズルプレートの帯電状態を異常にし、ノズルの吐出孔における液体のメニスカス形成を阻害してしまうという問題があることが判った。

また、ノズルプレート１２の吐出面１３に帯電した液体が付着しているとノズル１１に液体Ｌのメニスカスが形成されたとしても電界集中が阻害され液体Ｌの吐出が適正に行われないという問題があることが判った。

そこで、本発明は、静電吸引方式や電界アシスト法を用いた液体吐出装置において、ノズルプレートの除電を確実に行い、適正な液体吐出が可能な液体吐出装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明における液体吐出装置は、
対向電極と、
前記対向電極に対向し液体を吐出するノズルを備えたノズルプレートと、前記ノズルプレートを介して前記対向電極に対向する帯電用電極と、前記帯電用電極により前記ノズル内の液体に静電電圧を印加する静電電圧印加装置を有する液体吐出ヘッドと、
前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電装置と、
前記静電電圧印加装置および前記除電装置を制御する制御装置とを備え、
前記除電装置は、前記ノズルプレートの前記対向電極に対向する面全体に接離自在な導電性の除電部材を備え、前記除電部材は、導電性を有する液体を含浸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、液体吐出装置の制御装置は、静電電圧印加装置を制御して液体吐出ヘッドの帯電用電極を介してノズルプレートに設けられたノズル内の液体に静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極との間に高電圧を生じさせてノズルから液体を吐出させる。また、制御装置は、除電装置を制御して液体吐出ヘッドのノズルプレートに対してその対向電極に対向する面に面全体に接離自在であって導電性を有する液体を含浸された導電性の除電部材を当接させてノズルプレートに帯電した電荷を除電する。

請求項２に記載の液体吐出装置は、
対向電極と、
前記対向電極に対向し液体を吐出するノズルを備えたノズルプレートと、前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させる圧力発生装置と、前記ノズルプレートを介して前記対向電極に対向する帯電用電極と、前記帯電用電極により前記ノズル内の液体に静電電圧を印加する静電電圧印加装置を有する液体吐出ヘッドと、
前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電装置と、
前記圧力発生装置、前記静電電圧印加装置および前記除電装置を制御する制御装置とを備え、
前記除電装置は、前記ノズルプレートの前記対向電極に対向する面全体に接離自在な導電性の除電部材を備え、前記除電部材は、導電性を有する液体を含浸されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、液体吐出装置の制御装置は、圧力発生装置を制御して液体吐出ヘッドのノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、静電電圧印加装置を制御して液体吐出ヘッドの帯電用電極を介してノズルプレートに設けられたノズル内の液体に静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極との間に高電圧を生じさせてメニスカスを引きちぎるようにして液滴を吐出させる。また、制御装置は、除電装置を制御して液体吐出ヘッドのノズルプレートに対してその対向電極に対向する面に面全体に接離自在であって導電性を有する液体を含浸された導電性の除電部材を当接させてノズルプレートに帯電した電荷を除電する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置において、前記除電部材は、連続気泡を有する多孔質材料で形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、連続気泡を有する多孔質材料で形成された導電性の除電部材をノズルプレートに当接させてその除電を行う。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、前記ノズルプレートの体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、液体吐出装置のノズルプレートは、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料から構成される。

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装置において、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。

請求項５に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体吐出装置において、厚さが７５μｍ以上のノズルプレートにノズルが形成される。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、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。

請求項６に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体装置において、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装置において、前記ノズルプレートは、前記対向電極に対向する面がフラット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、請求項１に記載された静電吸引方式の液体吐出装置や請求項２に記載された電界アシスト法の液体吐出装置において、液体吐出ヘッドのノズルプレートの対向電極に対向する吐出面から突出されないフラットなノズル内の液体に電界を集中させて液体を吐出する。

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装置において、
前記制御装置は、前記ノズルプレートを前記除電装置により除電した後に前記静電電圧印加装置により前記ノズル内の液体に静電電圧を印加するように制御することを特徴とする。

請求項８に記載の発明によれば、液体吐出装置の制御装置は、液体吐出ヘッドのノズルプレートを除電した後、前記静電電圧印加装置を駆動してノズル内の液体の帯電を行う。

請求項１に記載の発明によれば、除電装置の除電部材を従来のブラシ状やブレード状等の除電部材と異なり、ノズルプレートの吐出面の面全体に当接する導電性の除電部材としたため、ブラシ状では吐出面に当接する部分と当接しない部分とが生じ除電ムラが発生したが、ノズルプレートの吐出面の面全体に当接する導電性の除電部材ではそのようなことは生じず、吐出面の面全体に当接してノズルプレートに帯電している電荷をすべて除電することができる。
また、導電性を有する液体を含浸した導電性の除電部材をノズルプレートに当接させてその除電を行うため、ノズルプレートの吐出面に付着した液体やゴミ等の汚れを導電性を有する液体に溶解または分散させて吐出面から除去することが可能となり、吐出面をクリーニングしたうえで除電を行うことができる。

また、ブラシ状の除電部材やブレード状の除電部材等では、ノズルプレートの一定部分に着目した場合に除電部材が非常に短い時間で通過してしまうために必ずしも十分に除電を行うことができず、複数回摺動させる除電には時間が掛かった。しかし、本発明の除電部材は、ノズルプレートの吐出面に一定時間密着させれば十分に電荷を除去することができ、短時間で十分かつ確実に除電を行うことが可能となる。

さらに、除電部材をノズルプレートの吐出面に摺動させないため、吐出面に付着した液体やゴミが吐出面上に広範囲に押し広げられて液体のメニスカスが形成されなくなる事態が生じることを防止することが可能となる。このように、本発明に係る液体吐出装置によれば、ノズルプレートの吐出面の面全体に当接する導電性の除電部材によってノズルプレートの吐出面全体を短時間で十分かつ確実に除電することが可能となるため、液体吐出時にはノズルの吐出孔部分に液体のメニスカスを適正に隆起させて電界集中を生じさせることができ、適正に液体を吐出させることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明のように液体吐出ヘッドと対向電極との間の静電吸引力のみで液体を吐出させる静電吸引方式の液体吐出装置のみならず、ノズル内の液体に圧力をかけてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させて、そのメニスカスを液体吐出ヘッドと対向電極との間の静電吸引力で引きちぎるようにして液体を吐出させる電界アシスト法の液体吐出装置においても同様の効果を奏することができる。

請求項３に記載の発明によれば、連続気泡を有する多孔質材料で形成された導電性の除電部材をノズルプレートに当接させてその除電を行うため、毛細管現象によりノズルプレートの吐出面に付着した液体やゴミ等の汚れを吸収して吐出面から除去することが可能となり、吐出面をクリーニングしたうえで除電を行うことができる。そのため、前記各請求項に記載の発明の効果をより的確に発揮させることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１や請求項２等に記載された液体吐出装置は、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料からなるノズルプレートを用いて構成されていれば、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、ノズルの吐出孔に形成された液体のメニスカスに電界が効果的に集中されて、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することができるが、このような液体吐出装置において前記各請求項に記載の発明の効果がより有効に発揮される。

請求項５に記載の発明によれば、前記各請求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るが、このような液体吐出装置において前記各請求項に記載の発明の効果がより有効に発揮される。

請求項６に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体吐出装置において、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るが、このような液体吐出装置において前記各請求項に記載の発明の効果がより有効に発揮される。

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プレートの対向電極に対向する吐出面から突出されないフラットなノズル内の液体に電界を集中させて液体を吐出するため、ノズルプレートの的確な帯電が必要となり、そのためにノズルプレートの確実な除電が必要となるが、前記各請求項に記載された発明を用いることで、このような電界集中型の液体吐出装置においても適正に液体が吐出できるようになる。

請求項８に記載の発明によれば、液体吐出装置の制御装置は、請求項１から請求項７に記載の液体吐出装置の除電装置によって液体吐出ヘッドのノズルプレートを確実に除電した後に静電電圧印加装置によりノズル内の液体に静電電圧を印加するため、ノズルプレートの除電をムラがなくかつ十分に除電した後、前記静電電圧の印加による次の帯電の際に帯電が不均一にならずに十分適正に帯電を行うことが可能となる。そのため、液体吐出時にはノズルの吐出孔部分に液体のメニスカスを適正に形成させて電界集中を生じさせることができ、適正に液体を吐出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的確に発揮させることができる。

第１の実施形態に係る液体吐出装置の要部構成を示す斜視図である。第１の実施形態に係る液体吐出装置の要部断面図である。図２の液体吐出装置に備わるノズルの変形例を表す断面図である。ノズルプレートに除電部材が当接した状態を説明する断面図である。液体のメニスカス付近に生じる電界を等電位線で示した図である。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グラフである。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グラフである。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グラフである。第１の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。第１の実施形態の液体吐出装置におけるピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を表す図である。第２の実施形態に係る液体吐出装置の要部構成を示す斜視図である。吐出時におけるノズルプレート、液体および対向電極の帯電状態を説明する図である。（Ａ）ノズルプレートに汚れが付着している状態、（Ｂ）吐出面上に汚れが押し広げられた状態、（Ｃ）メニスカスを形成できない状態を説明する図である。吐出孔付近に付着した汚れで等電位線が歪んだ状態を説明する図である。

符号の説明

１液体吐出装置
３対向電極
６液体吐出ヘッド
７除電装置
１１ノズル
１２ノズルプレート
１３吐出面
１４吐出孔
１７帯電用電極
１９静電電圧電源
２３ピエゾ素子
２５制御装置
２７接離装置
７０除電部材
Ｋ基材
Ｌ液体

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。

［第１の実施の形態］
第１の実施形態では、いわゆるシリアル方式の液体吐出装置について説明する。図１は、本実施形態に係る液体吐出装置の要部構成を示す斜視図である。

液体吐出装置１は、基材Ｋを搬送する搬送装置２を構成する無端状の搬送ベルト２ａを備えている。搬送ベルト２ａには、搬送ベルト２ａを周回駆動させる駆動ローラ２ｂ、ガイドローラ２ｃおよびテンションローラ２ｄが内側から当接されており、駆動ローラ２ｂとガイドローラ２ｃの間の部分に基材Ｋが供給されて、搬送ベルト２ａにより図中矢印Ｙで示される搬送方向に搬送されるようになっている。

駆動ローラ２ｂとガイドローラ２ｃとの間には、搬送ベルト２ａを介して基材Ｋを下方から支持する平板状の対向電極３が配設されている。

対向電極３の上方には、棒状のガイドレール４が基材Ｋの搬送方向Ｙに直交する図中矢印Ｘで示される主走査方向に配設されており、ガイドレール４には、キャリッジ５がガイドレール４に沿って主走査方向Ｘに往復移動自在に支持されている。

キャリッジ５には、基材Ｋに対してインクを吐出する複数の液体吐出ヘッド６が搭載されている。液体吐出ヘッド６は、例えば、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色のインクに対応して４つまたは８つ備えられている。また、液体吐出ヘッド６には、液体吐出ヘッド６に供給する各色のインクを貯留するための図示しないインクタンクが図示しない供給管を介してそれぞれ接続されている。

対向電極３の主走査方向の一端側のメンテナンスポジションには、液体吐出ヘッド６の後述するノズルプレートに帯電した電荷を除電するための除電装置７が配設されており、液体吐出ヘッド６は、メンテナンス時にガイドレール４に沿って主走査方向に移動して除電装置７の上方に位置するように構成されている。

次に、液体吐出ヘッド６について説明する。図２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、図２では、搬送ベルト２ａは省略されている。

液体吐出ヘッド６のヘッド本体部１０の対向電極３に対向する側には、液体Ｌを液滴Ｄとして吐出する複数のノズル１１を備えた樹脂製のノズルプレート１２が設けられている。ヘッド本体部１０は、ノズルプレート１２の対向電極３に対向する吐出面１３からノズル１１が突出されない、いわゆるフラットな吐出面１３を有するヘッドとして構成されている。

なお、本発明において、フラットなノズルやノズルプレート、液体吐出ヘッドとは、ノズルプレートの吐出面１３からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、前記ワイピングの際に破損等の支障を生じることがなく、ノズルの突出が小さく突出による電界集中効果が期待できないものをいう。

各ノズル１１は、ノズルプレート１２に穿孔されて形成されており、それぞれノズルプレート１２の吐出面１３に吐出孔１４を有する小径部１５とその背後に形成されたより大径の大径部１６との２段構造になっている。本実施形態では、ノズル１１の小径部１５および大径部１６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１５の吐出孔１４のノズル径、すなわち内部直径が１０μｍ、大径部１６の小径部１５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１１の形状は前記の形状に限定されず、例えば図３（Ａ）〜（Ｅ）に示す形状が挙げられる。図３（Ａ）では、ノズル１１全体がテーパ状に形成されている。図３（Ｂ）では、ノズル１１の大径部１６がテーパ状に形成されていて、小径部１５が内径一定の円筒状に形成されている。図３（Ｃ）では、テーパ状の大径部１６の先端部の内径が、円筒状の小径部１５の内径よりも大きくなるように形成されている。

図３（Ｄ）では、ノズル１１の内径が一定の円筒状に形成されていて、吐出面１３からわずかに突出するように形成されている。図３（Ｅ）では、ノズル１１全体がテーパ状に形成されていて、吐出面１３からわずかに窪むように形成されている。ここで、図３（Ｄ）の突出部は、吐出面１３から３０μｍ以内の範囲の凸となるように形成されている。また、ノズル１１は断面円形状でなくとも、例えば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１２の吐出面１３と反対側の面には、図２に示すように、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１１内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１７がノズルプレート１２を介して対向電極３に対向するように層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１７はノズル１１の大径部１６の内周面１８まで延設されており、ノズル１１内の液体Ｌに接するようになっている。

また、帯電用電極１７は、ノズル１１内の液体Ｌに静電電圧を印加する静電電圧印加装置としての静電電圧電源１９に接続されており、単一の帯電用電極１７がすべてのノズル内の液体Ｌに接触しているため、静電電圧電源１９から帯電用電極１７に静電電圧が印加されると、全ノズル１１の内部の液体Ｌが同時に帯電され、ヘッド本体部１０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１７の背後には、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１１の大径部１６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、各空間には、吐出される液体Ｌを一時的に貯蔵するためのキャビティ２１とされている。

ボディ層２０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２２が設けられており、可撓層２２によりヘッド本体部１０と外界とが画されている。

なお、ボディ層２０と可撓層２２との境界部には、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てキャビティ２１、共通流路および共通流路とキャビティ２１とを結ぶ流路が設けられていており、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２１、ノズル１１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２２の外面の各キャビティ２１に対応する部分には、それぞれ圧力発生装置としてのピエゾ素子２３が設けられており、ピエゾ素子２３には、素子に駆動パルス電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２４が接続されている。

ピエゾ素子２３は、駆動電圧電源２４からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル１１内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１１の吐出孔１４に液体Ｌのメニスカスを隆起させるようになっている。なお、圧力発生装置は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータの他に、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。

帯電用電極１７に静電電圧を印加する静電電圧電源１９および駆動電圧電源２４は、それぞれ制御装置２５に接続されており、それぞれ制御装置２５による制御を受けるようになっている。

なお、本実施形態では、ヘッド本体部１０のノズルプレート１２の吐出面１３は、吐出孔１４からの液体Ｌの滲み出しを抑制するための撥液層２６が、吐出孔１４以外の吐出面全面に設けられている。撥液層２６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ノズルプレート１２の表面に成膜されている。なお、撥液層２６は、ノズルプレート１２の吐出面１３に直接成膜してもよいし、撥液層２６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６のヘッド本体部１０の下方には、基材Ｋを支持する平板状の対向電極３がヘッド本体部１０の吐出面１３に平行に所定距離離間されて配置されている。

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１９から帯電用電極１７に静電電圧が印加されると、ノズル１１の吐出孔１４の液体Ｌと対向電極３のヘッド本体部１０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。

ここで、液体吐出装置１による吐出を行う液体Ｌについて説明する。本実施形態では、基材Ｋに対して画像記録を行うために液体Ｌは画像記録用のインクであり、例えば、水５２質量％、エチレングリコール２２質量％、プロピレングリコール２２質量％、界面活性剤１質量％および色剤成分としてＣｌアシッドレッド１を３質量％含有するインクが用いられる。

この液体Ｌは、このようなインクに限定されず、種々の液体Ｌを用いることが可能である。吐出される液体Ｌは、例えば、無機溶液としては、水、ＣＯＣｌ_２、ＨＢｒ、ＨＮＯ_３、Ｈ_３ＰＯ_４、Ｈ_２ＳＯ_４、ＳＯＣｌ_２、ＳＯ_２Ｃｌ_２、ＦＳＯ_３Ｈ等が挙げられる。

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に溶解また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。

上記の目的物質を基材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およ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、共重合体および架橋体；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；ゼラチンおよびその誘導体、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；ロジンおよびロジンエステル；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。

液体吐出装置１には、ノズルプレート１２および対向電極３の少なくとも一方を吐出面１３に対して直交する図２に矢印Ｚで示される方向に移動させることでノズルプレート１２および対向電極３を相対的に接離させるための接離装置２７が設けられている。すなわち、接離装置２７は、ノズルプレート１２と基材Ｋとの間隔を調整するためのものである。

この接離装置２７には、周知の移動機構が適用されており、その駆動源である接離用駆動源２８は制御装置２５に電気的に接続されて、制御装置２５の制御に基づいて駆動するようになっている。

前述したメンテナンスポジションの除電装置７には、除電部材７０と駆動源である除電用駆動源７１とが設けられており、除電用駆動源７１の駆動により図４に示すように除電部材７０がノズルプレート１２の吐出面１３の面全体に当接するようになっている。除電装置７の除電用駆動源７１は制御装置２５に電気的に接続されて、制御装置２５の制御に基づいて駆動するようになっている。

本実施形態では、除電部材７０は、導電性を有する液体である水が含浸されたスポンジ状の連続気泡を有する樹脂製の多孔質材料で平板状に形成されている。また、除電部材７０は接地されている。なお、除電部材７０を導電性を有する多孔質材料で構成することも可能であり、孔を有しない金属板等の導電性の板状部材とすることも可能である。

なお、除電部材の導電性は、ノズルプレートに帯電した電荷を除電可能であれば特に制限しないが、体積抵抗率が１０^１０Ωｃｍ以下である除電部材を用いることが好ましい。

制御装置２５は、本実施形態では、ＣＰＵ２９やＲＯＭ３０、ＲＡＭ３１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、ＣＰＵ２９は、ＲＯＭ３０に格納された電源制御プログラムに基づいて前述したように静電電圧印加装置としての静電電圧電源１９およびピエゾ素子２３を変形させるための駆動電圧電源２４を駆動させてノズル１１の吐出孔１４から液体Ｌを吐出させるようになっている。

また、制御装置２５は、接離装置２７の接離用駆動源２８や除電装置７の除電用駆動源７１を駆動するようになっており、除電用駆動源７１を駆動させて除電部材７０をノズルプレート１２に当接させてノズルプレート１２を除電し、その後、静電電圧電源１９を駆動させてノズル内の液体を帯電させるようになっている。

図示を省略するが、制御装置２５には、この他にも、キャリッジ６を主走査方向に往復移動させるためのモータや搬送装置２の駆動ローラ２ｂを回転駆動するモータが電気的に接続されており、制御装置２５は、それらの駆動を制御するようになっている。

また、本実施形態では、制御装置２５は、液体吐出ヘッド６のノズル１１の吐出不良を検知するノズル欠検知として、基材Ｋに対して液体を吐出して実際にプリントして目視によりノズル欠検知を行うようになっているが、この他にも、例えばメンテナンスポジションに接地された液体受けとＬＥＤ等を備える発光・受光装置とを設けておき、液体吐出ヘッド６のノズル１１から液体を吐出させて正常に吐出されているか否かを発光・受光装置で検出してノズル欠検知を行うように構成することも可能である。

ここで、本実施形態の液体吐出装置１における帯電用電極−対向電極間、すなわちノズル内の液体−対向電極間に印加される静電電圧Ｖについて説明する。これについては前記特許文献１に詳述されている。

ノズル１１の直径をｄ［ｍ］とした場合に、本発明では、従来吐出不可能とされていた下記（２）式により定まる領域の液滴の吐出を行う。

ここでλ_Cは静電吸引力によりノズル先端部からの液滴の吐出を可能とするための溶液液面における成長波長［ｍ］である。λ_Ｃはλ_Ｃ＝２πγｈ^２／ε_０Ｖ^２で求められるから、

が成り立ち、これを変形すると、静電電圧Ｖ［Ｖ］は、

の関係を満たす。ここで、γは液体Ｌの表面張力［Ｎ／ｍ］、ε₀は真空の誘電率［Ｆ／ｍ］、ｈはノズル−基材間距離［ｍ］である。

一方、直径dのノズルに導電性溶液を注入し、基材としての無限平板導体からｈの高さに垂直に位置させたと仮定した場合、ノズル先端部に誘起される電荷は、ノズル先端の半球部に集中すると仮定して、以下の式で近似的に表される。

ここで、Ｑはノズル先端部に誘起される電荷［Ｃ］、αはノズル形状などに依存する比例定数で１〜１．５程度の値を取り、特にｄ≪ｈのときほぼ1程度となる。

また、基材としての基板が導体基板の場合、基板内の対称位置に反対の符号を持つ鏡像電荷Ｑ’が誘導されると考えられる。基板が絶縁体の場合は、誘電率によって定まる対称位置に同様に反対符号の映像電荷Ｑ’が誘導される。

ところで、ノズル先端部に於ける凸状メニスカスの先端部の電界強度Ｅ_ｌｏｃ［Ｖ／ｍ］は、凸状メニスカス先端部の曲率半径をＲ［ｍ］と仮定すると、

で与えられる。ここでｋは比例定数で、ノズル形状などにより１．５〜８．５程度の値をとり、多くの場合５程度と考えられる。（P. J. Birdseye and D. A. Smith, Surface Science, 23 (1970) 198-210参照）。

いま簡単のため、ｄ／２＝Ｒとする。これは、ノズル先端部に表面張力で導電性溶液がノズルの半径と同じ半径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。ここで、ノズル先端の液体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力は、ノズル先端部の液面積をＳ［ｍ^２］とすると、

前記（４）、（５）、（６）式よりα＝１とおいて、

と表される。

一方、ノズル先端部に於ける液体の表面張力をＰsとすると、下記（８）式が成り立つ。

静電的な力により液体Ｌの吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回る条件なので、

となり、十分に小さいノズル直径ｄを用いることで、静電的な圧力が、表面張力を上回らせることが可能である。

この関係式より、Ｖとｄとの関係を求めると、

が吐出の最低電圧を与える。すなわち、前記（３）式および（１０）式より、

が、本発明の動作電圧となる。

次に、本実施形態に係る液体吐出装置１の作用について説明する。

本実施形態では、図２および図１３に示したように、駆動電圧電源２４からピエゾ素子２３に駆動電圧を印加してピエゾ素子２３を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１１の吐出孔１４に液体Ｌのメニスカスを隆起させ、静電電圧電源１９から帯電用電極１７に静電電圧を印加してノズル１１の吐出孔１４のメニスカスと対向電極３のヘッド本体部１０に対向する対向面との間に電界を生じさせる。

このようにして液体Ｌのメニスカスに静電吸引力を働かせて液滴化して対向電極３に向けて吐出する。なお、吐出の際、ノズル１１の内周部分やノズル１１内の液体Ｌ、メニスカス、ノズルプレート１２の吐出面１３、対向電極３等は図１３に示したように帯電している。

具体的には、本実施形態ではノズルプレート１２の体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上とされているため、このように体積抵抗率が高くなると図５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１２の内部に、吐出面１３に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１１の小径部１５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５でメニスカスの先端部で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６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１３を有する液体吐出ヘッド６においても、高い絶縁性を有するノズルプレート１２を用い、吐出面１３に対して垂直方向の電位差を発生させることで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１２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１１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１２の吐出面１３と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍノズルプレート１２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１１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６に示すように、電界強度はノズルプレート１２に用いる絶縁体の体積抵抗率に強く依存するという知見が得られた。
図６は、ノズルプレート１２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６よりノズルプレート１２に用いる絶縁体のイオン分極により、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１２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１２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を吐出するための静電吸引力が弱い。
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１２に用いる絶縁体のイオン分極を除電し、初期状態に戻す必要がある。
前記のように、ノズル１１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６から、ノズルプレート１２の体積抵抗率は少なくとも１０００秒の間、メニスカス先端部の電界強度が維持できる１０^１５Ωｍ以上が好ましいことが分かり実験上も同様の結果であった。
ただし、本発明において限定されるものではない。

ノズルプレート１２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６のような特徴的な関係になるのは、ノズルプレート１２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５に示したように吐出面１３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１２でも、静電電圧を非常に大きくすればノズル１１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、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上のノズルプレートを採用することが好ましい。

なお、図６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１２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１２の厚さとは、本実施形態の場合は、ノズル１１の小径部１５の長さと大径部１６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１２を作製しても、ノズル１１から液滴Ｄが吐出されない場合がある。本発明者らの実験によれば、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１２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１２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１２内に存在することになるため、結果的にノズルプレート１２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、同実験によれば、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１２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１２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１２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１２には吸収されないため、ノズルプレート１２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１２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７および図８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１２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１２の厚さおよびノズル径の前記適正範囲は実機による実験でも確認されている。

なお、このノズル径とは、ノズルの吐出孔の内部直径を意味し、ノズルの断面形状は円形状に限定されず、断面形状が異なる種々のノズルを用いることが可能である。例えば、ノズルは、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としてもよい。尚、断面形状が円でない場合の直径は、対象とする断面の断面積を同じ面積の円形に置き換えた場合の直径とする。

メニスカス先端部の電界強度がノズルプレート１２の厚さに依存する理由としては、ノズルプレート１２の厚さがより厚くなることで、ノズル１１の吐出孔１４と帯電用電極１７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７に示したノズルプレート１２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８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１５および大径部１６よりなる２段構造のノズル１１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１５および大径部１６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１１において、ノズル１１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９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１１のテーパ角に依存することが分かる。ノズル１１のテーパ角は３０度以下であることが好ましい。なお、テーパ角とはノズル１１の内面とノズルプレート１２の吐出面１３とのなす角のことをいい、テーパ角が０度の場合はノズル１１が円筒形状であることに対応する。

制御装置２５は、図１０に示すように、液体Ｌを吐出させるべきノズル１１ごとに、そのノズル１１に対応する駆動電圧電源２４からピエゾ素子２３に対して電圧値Ｖ_Ｄを有するパルス状の駆動電圧を印加させる。

このような駆動電圧が印加されると、ピエゾ素子２３が変形して、ノズル内部の液体Ｌの圧力を上げる。そのため、ノズル１１の吐出孔１４では、図１０中のＡの状態から液体Ｌのメニスカスが隆起し始め、Ｂのようにメニスカスが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静電電圧Ｖ_Ｃにより形成された定常的な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２３による圧力、及び液体Ｌの表面張力とにより図１０中のＣのようにメニスカスが引きちぎられて液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは、定常的な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、静電電圧電源１９から帯電用電極１７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２４からピエゾ素子２３に印加されるパルス状の電圧の電圧値はＶ_Ｄ＝２０Ｖに設定されている。

なお、ピエゾ素子２３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１１（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２３に定常電圧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１１（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧Ｖ_Ｄを印可してもよい。

また、本実施形態では、ピエゾ素子２３の変形により隆起されたメニスカスを静電吸引力で分離して液滴化し、静電電圧Ｖ_Ｃによる定常的な電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、この他にも、例えば、ピエゾ素子２３の変形による圧力のみで液体Ｌが液滴化する程度の強い駆動電圧を印加することも可能である。

前述したように、ノズル１１からの液体Ｌの吐出の際、ノズル１１の内周部分やノズル１１内の液体Ｌ、メニスカス、ノズルプレート１２の吐出面１３、対向電極３等は図１３に示したように帯電している。メンテナンス時には、その帯電を的確に除電しないと、例えば図１４に示したようにノズル１１の吐出孔部分にメニスカスが形成できなくなり液体Ｌを吐出できなくなる等の不具合が生じる。

本実施形態では、メンテナンス時には、まず、基材Ｋに対して液体を吐出して実際にプリントを行い、オペレータが目視によりノズル欠検知を行う。そして、液体吐出ヘッド６のクリーニング等のメンテナンスが必要であると判断されると、オペレータの指示により制御装置２５からキャリッジ５をガイドレール４に沿って主走査方向に移動させるモータに駆動制御信号が送信され、キャリッジ５がメンテナンスポジションに搬送され、キャリッジ５に搭載されている液体吐出ヘッド６が除電装置７の上方に位置される。

その状態で、制御装置２５は除電装置７の除電用駆動源７１を駆動して図４に示したように除電部材７０を液体吐出ヘッド６のノズルプレート１２の吐出面１３に当接させる。除電部材７０は平板状に形成されているから、ノズルプレート１２の吐出面１３の面全体に当接される状態となる。

その際、除電部材７０が本実施形態のように導電性の水が含浸されたスポンジ状の連続気泡を有する多孔質材料で形成されていたり、導電性を有する多孔質材料で構成されていたり、或いは金属板等の導電性の板状部材で構成されていれば、図１３や図１４に示したノズルプレート１２に帯電している電荷やノズルプレート１２の吐出面１３に付着した液体Ｌやゴミに帯電している電荷が除電部材７０や除電部材７０に含浸されている水を伝って除去され、ノズルプレート１２が除電される。

なお、本実施形態のように、除電部材７０を導電性の水が含浸されたスポンジ状の連続気泡を有する多孔質材料で形成すれば、含浸された水がノズルプレート１２を除電すると同時に、吐出面１３に付着した液体Ｌやゴミを溶解、分散させて吐出面１３から除去することが可能となり、吐出面１３のクリーニングを行うことができる。また、後述する帯電の際に吐出面１３に付着した液体Ｌが帯電を妨害することを防止することが可能となる。

また、除電部材７０に含浸された水がノズルプレート１２の吐出面１３に水滴状に付着したまま帯電を行うと、帯電ムラを生じ易くなるため、ノズルプレート１２の除電後に、帯電を均一にするために吐出面１３に対してブレードによるワイピング等のクリーニングを行うことが望ましい。

制御装置２５は、液体吐出ヘッド６のメンテナンスが終了すると、液体吐出ヘッド６が搭載されたキャリッジ５をガイドレール４に沿ってメンテナンスポジションから対向電極３の上方に移動させて、ノズル内の液体の帯電を行う。

ノズル内の液体の帯電は、静電電圧電源１９から液体吐出ヘッド６の帯電用電極１７に動作電圧である静電電圧を印加して行うが、通常の液体吐出時ではノズルプレート１２と基材Ｋとの間隔は１ｍｍ程度であり、静電電圧電源１９から帯電用電極１７に一定の静電電圧を印加し、ノズル内の液体を帯電させ液体吐出を行う。

以上のように、本実施形態に係る液体吐出装置１によれば、除電装置７の除電部材７０を従来のブラシ状やブレード状等の除電部材と異なり、ノズルプレート１２の吐出面１３の面全体に当接する導電性を有する平板状の除電部材７０とした。そのため、ブラシ状では吐出面１３に当接する部分と当接しない部分とが生じ除電ムラが発生したが、平板状の除電部材７０ではそのようなことは生じず、吐出面１３の面全体に当接してノズルプレート１２に帯電している電荷をすべて除電することができる。

また、ブラシ状の除電部材やブレード状の除電部材等では、ノズルプレート１２の一定部分に着目した場合に除電部材が非常に短い時間で通過してしまうために必ずしも十分に除電を行うことができず、十分に除電を行うためにはノズルプレートの吐出面上を複数回摺動させる必要があり、除電に時間が掛かっていた。さらに、図１４（Ｂ）に示したようい、ブレード状の除電部材等では、汚れが吐出面１３から引き剥がされ難く、正に帯電した汚れが吐出面１３のより広範囲に押し広げられしまった。

しかし、本実施形態の除電部材７０は、ノズルプレート１２の吐出面１３に一定時間密着させれば十分に電荷を除去することができ、短時間で十分かつ確実に除電を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態では、除電部材７０をノズルプレート１２の吐出面１３に摺動させないため、図１４にしたように吐出面１３に付着した液体やゴミが吐出面上に広範囲に押し広げられて図１３に示したような液体Ｌのメニスカスが形成されなくなる事態が生じることを防止することが可能となる。

また、除電部材７０の除電により、先の液体吐出におけるノズルプレートの帯電の履歴の影響が解消されて次の液体吐出にサイクルに入り、次の帯電がなされる。したがって、次の帯電の際に適正に均一に帯電を行うことができるため、ノズル内の液体に加わる静電力が適正な値になり、液体の吐出を安定に行うことができる。

このように、本実施形態に係る液体吐出装置１によれば、導電性を有する平板状の除電部材７０によってノズルプレート１２の吐出面全体を短時間で十分かつ確実に除電することが可能となるため、液体吐出時にはノズル１１の吐出孔１４部分に液体Ｌのメニスカスを適正に形成させて電界集中を生じさせることができ、適正に液体を吐出させることが可能となる。

なお、本発明において、除電部材７０の形状は、ノズルプレート１２の吐出面１３の面全体に当接することが可能であれば、制限しないが、平板状であることがより好ましい。

［第２の実施の形態］
第２の実施形態では、いわゆるライン方式の液体吐出装置について説明する。図１２は、本実施形態に係る液体吐出装置の要部構成を示す斜視図である。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部材や装置については第１の実施形態と同一の符号を用いて説明する。

図１２は、第２の実施形態に係る液体吐出装置の要部構成を示す斜視図である。液体吐出装置１には、基材Ｋを裏面側から支持する対向電極３が略水平に配置されている。基材Ｋは、対向電極３の表面に沿って図中矢印ｙで示される搬送方向に搬送されるようになっている。

対向電極３の搬送方向下流側には、基材Ｋを搬送方向に移動させる駆動ローラ２ｂが設けられている。駆動ローラ２ｂの上方には、ピンチローラ２ｆが設けられており、ピンチローラ２ｆは、駆動ローラ２ｂの搬送力が基材Ｋに伝達されるように駆動ローラ２ｂとの間で基材Ｋを挟持するようになっている。また、対向電極３の搬送方向上流側には、基材Ｋを対向電極上に案内するためのガイドローラ２ｃが配設されている。

対向電極３の上方には、液体吐出ヘッド６がそれぞれ基材Ｋの幅方向に延在するように配設されている。なお、図１２は液体吐出ヘッド６を概略的に示したものであり、実際には液体吐出６の本数や長さ、配置等は任意に決められる。また、液体吐出ヘッド６には、液体吐出ヘッド６に供給する各色のインクを貯留するための図示しないインクタンクが図示しない供給管を介してそれぞれ接続されている。

液体吐出ヘッド６や除電装置７、接離装置２７の構成および液体吐出の原理については前記第１の実施形態で図２等を用いて説明したとおりであり、説明を省略する。なお、本実施形態においても、液体吐出ヘッド６のヘッド本体部１０は、ノズルプレート１２の対向電極３に対向する吐出面１３からノズル１１が突出されない、いわゆるフラットな吐出面１３を有するヘッドとして構成されている。

本実施形態では、液体吐出ヘッド６は対向電極３上を往復移動せず、第１の実施形態のようなメンテナンスポジションを設定することができないため、除電においては、液体吐出ヘッド６と対向電極３とを図２に示したＺ方向に離間させて除電装置７の除電部材７０を液体吐出ヘッド６と対向電極３との間に挿入し、除電部材７０をノズルプレート１２の吐出面１３に当接するようになっている。

そのため、制御装置２５は、除電の際、接離装置２７の接離用駆動源２８を駆動して液体吐出ヘッド６と対向電極３とを所定距離離間させ、除電装置７の除電用駆動源７１を駆動してそれらの間に除電部材７０を挿入してノズルプレート１２の吐出面１３に当接するようになっている。

このように構成すれば、メンテナンス時に、制御装置２５から接離用駆動源２８に駆動制御信号が送信され、接離用駆動源２８は液体吐出ヘッド６と対向電極３とを所定距離離間させる。そして、制御装置２５から除電用駆動源７１に駆動制御信号が送信されると、除電用駆動源７１は液体吐出ヘッド６と対向電極３との間に除電装置７の除電部材７０を挿入してノズルプレート１２の吐出面１３に当接させる。除電部材７０は平板状に形成されているから、ノズルプレート１２の吐出面１３の面全体に当接される状態となる。

なお、本実施形態のように、除電部材７０を導電性の水が含浸されたスポンジ状の連続気泡を有する多孔質材料で形成すれば、含浸された水がノズルプレート１２を除電すると同時に、吐出面１３に付着した液体Ｌやゴミを溶解させて吐出面１３から除去することが可能となり、吐出面１３のクリーニングを行うことができる。また、後述する帯電の際に吐出面１３に付着した液体Ｌが帯電を妨害することを防止することが可能となる。

以上のように、本実施形態に係る液体吐出装置１においても、前記第１の実施形態における効果を全く同様に発揮することができる。

なお、前記第１および第２の実施形態では、ノズルプレート１２の吐出面１３からノズル１１が突出されないフラットな吐出面１３を有する液体吐出ヘッド６について説明したが、吐出面１３からノズル１１が突出されたノズルプレート１２を有する液体吐出ヘッド６についても同様の除電装置７を用いて除電を行うことができる。

その際、除電装置７の除電部材７０として前記と同様の可撓性を有する平板状の除電部材７０を用い、吐出面１３に当接させてノズルプレート１２の除電を行うことも可能であるが、ノズル１１の突出部分が損傷される可能性があるため、ノズル１１の突出部分に対応する凹部が形成された略平板状の除電部材７０を用いることが好ましい。

また、本実施形態では、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせ、ノズル１１の吐出孔１４に液体Ｌのメニスカスを隆起させる圧力発生装置としてピエゾ素子２３の変形を用いる場合について示したが、圧力発生装置はこの機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１１やキャビティ２１の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。また、圧力発生装置を用いずに、液体吐出ヘッド６と対向電極３との間の静電吸引力のみで液体を吐出するタイプの液体吐出装置についても本発明を適用することができる。

さらに、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１７との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるようにその電源を制御装置２５で制御するように構成することも可能である。

Claims

対向電極と、
前記対向電極に対向し液体を吐出するノズルを備えたノズルプレートと、前記ノズルプレートを介して前記対向電極に対向する帯電用電極と、前記帯電用電極により前記ノズル内の液体に静電電圧を印加する静電電圧印加装置を有する液体吐出ヘッドと、
前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電装置と、
前記静電電圧印加装置および前記除電装置を制御する制御装置とを備え、
前記除電装置は、前記ノズルプレートの前記対向電極に対向する面全体に接離自在な導電性の除電部材を備え、前記除電部材は、導電性を有する液体を含浸されていることを特徴とする液体吐出装置。
対向電極と、
前記対向電極に対向し液体を吐出するノズルを備えたノズルプレートと、前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させる圧力発生装置と、前記ノズルプレートを介して前記対向電極に対向する帯電用電極と、前記帯電用電極により前記ノズル内の液体に静電電圧を印加する静電電圧印加装置を有する液体吐出ヘッドと、
前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電装置と、
前記圧力発生装置、前記静電電圧印加装置および前記除電装置を制御する制御装置とを備え、
前記除電装置は、前記ノズルプレートの前記対向電極に対向する面全体に接離自在な導電性の除電部材を備え、前記除電部材は、導電性を有する液体を含浸されていることを特徴とする液体吐出装置。
前記除電部材は、連続気泡を有する多孔質材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出装置。
前記ノズルプレートの体積抵抗率が１０ ^１５ Ωｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
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項１から請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
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項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
前記ノズルプレートは、前記対向電極に対向する面がフラット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装置。
前記制御装置は、前記ノズルプレートを前記除電装置により除電した後に前記静電電圧印加装置により前記ノズル内の液体に静電電圧を印加するように制御す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装置。