JPWO2006067966A1 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法 - Google Patents

Abstract

液体を吐出するノズルと、前記ノズルが設けられた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、前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生部と、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部と、前記静電電圧印加部による前記静電電圧の印加および前記圧力発生部を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御部とを備え、前記ノズルプレートの体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。

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（特許文献１参照）。

しかし、静電吸引方式の液滴吐出技術においてこのような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く、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非常に高い電圧を印加する必要があった。

そこで、この液滴吐出技術と、ピエゾ素子の変形や液体内部での気泡の発生による圧力を利用して液滴を吐出する技術とを組み合わせた、いわゆる電界アシスト法を用いた液滴吐出装置の開発が進んでいる（例えば、特許文献２〜５等参照）。この電界アシスト法は、メニスカス形成部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

電界アシスト法を用いたこれらの液体吐出装置は、従来のピエゾ方式やサーマル方式を用いたインクジェット記録法に比べ、吐出効率は良いが、電界による静電吸引力が最大限に活用されていないため、メニスカスの形成や液滴の吐出が効率的に行われておらず、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要請に応えようとすると、従来のインクジェット記録法と同様に、駆動電圧を高くする必要が生じ、ヘッドや装置のコストが高価になってしまうという問題があった。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。

電界アシスト法を用いたこれらの液体吐出装置において、液体を吐出するノズルが設けられた液体吐出ヘッドとしてフラットな液体吐出ヘッドを用いた場合、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らないという大きな利点がある。

しかし、ピエゾ素子の変形等で圧力を発生させてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、隆起させたメニスカスに選択的に電界集中させて静電吸引力により液体を吐出させる電界アシスト法を用いた液体吐出装置の場合も、電界集中が小さいためにメニスカスを形成するうえで静電吸引力によるメニスカスを引き出す作用が小さく、結果的にピエゾ素子等の圧電素子アクチュエータよりなる圧力発生部に高い電圧を印加する必要があるという問題があった。

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。

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、電界アシスト法を用いた液体吐出装置では、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。

そこで、本発明は、メニスカス隆起量を制御し吐出制御する電界アシスト法を用い、吐出面がフラットで、メニスカス形成駆動を低電圧でスイッチングでき、かつ低電圧の静電電圧の印加で効果的に電界集中を生じ効率良く液体を吐出することができ、それによって微細パターン形成および高粘度の液体の吐出が可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するための液体吐出ヘッドの一つの態様は、
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルヘッドが設けられた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、
前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生部と、
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部と、
前記静電電圧印加部による前記静電電圧の印加および前記圧力発生部を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御部とを備え、
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。

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。 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。 ピエゾ素子に印加する駆動電圧の変形例を示す図である。

本発明の上記目的は以下の構成によって達成される。
（１） 液体を吐出するノズルと、
前記ノズルヘッドが設けられた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、
前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生部と、
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部と、
前記静電電圧印加部による前記静電電圧の印加および前記圧力発生部を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御部とを備え、
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。

（１）の構成によれば、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るとともに、圧力発生部によりノズル内の液体に圧力が加えら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液滴化して吐出される。
前記の本発明の目的は更に以下の構成によって達成できる。

（２）、構成（１）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。

構成（２）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。

（３）、構成（１）に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。

構成（３）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。

（４）、構成（１）から（３）のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの厚さが７５μｍ以上であることを特徴とする。

構成（４）によれば、構成（１）から（３）のいずれか一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。

（５）、構成（１）から（４）のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であることを特徴とする。

構成（５）によれば、構成（１）から（４）のいずれか一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。

（６）、構成（１）から（５）のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルプレートの吐出面側に撥液層が設けられていることを特徴とする。

構成（６）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。

（７）、構成（１）から（６）のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記圧力発生部は、圧電素子アクチュエータであることを特徴とする。

構成（７）に記載の発明によれば、前記ノズルの液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生部として、ピエゾ素子等の圧電素子アクチュエータが用いられる。

（８）液体吐出装置は、構成（１）から（７）のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極とを備え、
前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする。

構成（８）によれば、液体吐出装置は、前記構成（１）から（７）に記載された液体吐出ヘッドのノズル内の液体に対して圧力発生部により加えられた圧力と、静電電圧印加部により液体吐出ヘッドと対向電極との間に形成された電界との作用により、ノズルの吐出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液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

（９）、構成（８）に記載の液体吐出装置において、前記圧力発生部による圧力により前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、前記静電吸引力により液体を吐出させることを特徴とする。

構成（９）によれば、構成（８）に記載の液体吐出装置において、まず、液体吐出ヘッドのノズル内の液体に圧力発生部により圧力を加えて吐出孔部分にメニスカスを形成させた後、静電吸引力によりメニスカスを引きちぎるようにして液滴化する。

（１０）、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するとともに、圧力発生部により前記ノズル内の液体に圧力を発生させ、前記電界による静電吸引力と前記圧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。

方法（１０）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圧力発生部により加えられた圧力と、静電電圧印加部により液体吐出ヘッドと対向電極との間に形成された電界との作用により、ノズルの吐出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液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

（１１）、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するとともに、圧力発生部により前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させて電界を集中させ、前記電界による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。

方法（１１）によれば、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圧力発生部により圧力を加えて吐出孔部分にメニスカスを隆起させ、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電界の静電吸引力によりメニスカスを引きちぎるようにして液滴化し、液滴が電界により加速されて基材に着弾する。

（１２）、液体吐出方法は、（１０）または（１１）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。

方法（１２）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。

（１３）、液体吐出方法（１０）または（１１）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。

（１３）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。

（１４）、液体吐出方法（１０）から（１３）のいずれか一項において、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。

（１４）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。

（１５）、液体吐出方法（１０）から（１４）のいずれか一項において、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。

（１５）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。

（１６）、液体吐出方法（１０）から（１５）のいずれか一項において、前記ノズルプレートの前記吐出面側に撥液層が設けられていることを特徴とする。

（１６）によれば、液体が吐出される液体吐出ヘッドのフラットな吐出面には、液体を弾く撥液層が設けられている。

（１７）、液体吐出方法（１０）から（１６）のいずれか一項において、前記圧力発生部は、圧電素子アクチュエータであることを特徴とする。

（１７）によれば、圧力発生部として、ピエゾ素子等の圧電素子アクチュエータが用いられる。

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）。

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。本実施形態では、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１６が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１６は、ノズル１０の大径部１５の内周面１７まで延設されており、ノズル内の液体Ｌに接するようになっている。

また、帯電用電極１６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部としての帯電電圧電源１８に接続されており、単一の帯電用電極１６がすべてのノズル１０内の液体Ｌに接触しているため、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間、特に液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力が発生されるようになっている。

帯電用電極１６の背後には、ボディ層１９が設けられている。ボディ層１９の前記各ノズル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内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間は、吐出される液体Ｌを一時貯蔵するためのキャビティ２０とされている。

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

なお、ボディ層１９には、キャビティ２０に液体Ｌを供給するための図示しない流路が形成されている。具体的には、ボディ層１９としてのシリコンプレートをエッチング加工してキャビティ２０、共通流路、および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路が設けられており、共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ２０、ノズル１０等の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。

可撓層２１の外面の各キャビティ２０に対応する部分には、それぞれ圧力発生部としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子２２が設けられており、ピエゾ素子２２には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２３が接続されている。ピエゾ素子２２は、駆動電圧電源２３からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生部は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。

駆動電圧電源２３および帯電用電極１６に静電電圧を印加する前記帯電電圧電源１８は、それぞれ動作制御部２４に接続されており、それぞれ動作制御部２４による制御を受けるようになっている。

動作制御部２４は、本実施形態では、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７等が図示しないＢＵＳにより接続されて構成されたコンピュータからなっており、ＣＰＵ２５は、ＲＯＭ２６に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３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。

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

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２８が吐出孔１３以外の吐出面１２全面に設けられている。撥液層２８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。なお、撥液層２８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２８の密着性を向上させるために中間層を介して成膜することも可能である。

液体吐出ヘッド２の下方には、基材Ｋを支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面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１８から帯電用電極１６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。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると、対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。

なお、対向電極３または液体吐出ヘッド２には、液体吐出ヘッド２と基材Ｋとを相対的に移動させて位置決めするための図示しない位置決め部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１８から帯電用電極１６に静電電圧を印加し、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を生じさせる。また、駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル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３にシミュレーションによる等電位線で示すように、ノズルプレート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３でメニスカスの先端部では等電位線が密になっていることから分かるように、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。

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、吐出面１２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：１２５ｍｍ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４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４は、ノズルプレート１１に用いる絶縁体体積抵抗率を１０^１４Ωｍから１０^１8Ωｍとした場合、静電電圧を印加開始後、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た結果を示している。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とした。 図５よりノズルプレート１１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低効率の比で決まり、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、絶縁体の体積抵抗率が大きいほど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、また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及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４から、ノズルプレート１１の体積抵抗率は少なくとも１０００秒（１５分間）メニスカス先端部の電界強度が維持できる１０^１５Ωｍ以上であること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４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３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４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。

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４に示す関係に従ってメニスカス先端部の電界強度が弱まり、液体Ｌの吐出に必要な電界集中が得られなくなるためと考えられる。

一方、下記実施例１によれば、液体Ｌとして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ノズルプレート１１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５および図６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２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１６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５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６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７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８は、本実施形態の液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御部２４は、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に一定の静電電圧Ｖ_Ｃを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル１０には常時一定の静電電圧Ｖ_Ｃが印加され、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間に電界が生じる。

また、動作制御部２４は、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１０ごとに、そのノズル１０に対応する駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に対してパルス状の駆動電圧Ｖ_Ｄを印加させる。このような駆動電圧Ｖ_Ｄが印加されると、ピエゾ素子２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力を上げ、ノズル１０の吐出孔１３では、図中Ａの状態からメニスカスが隆起し始め、Ｂのようにメニスカスが大きく隆起した状態となる。

すると、前述したように、メニスカス先端部に高度な電界集中が生じて電界強度が非常に強くなり、メニスカスに対して前記静電電圧Ｖ_Ｃにより形成された電界から強い静電力が加わる。この強い静電力による吸引とピエゾ素子２２による圧力とにより図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられて液滴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１８から帯電用電極１６に印加される一定の静電電圧Ｖ_Ｃは１．５ｋＶに設定されており、駆動電圧電源２３からピエゾ素子２２に印加されるパルス状の駆動電圧Ｖ_Ｄは２０Ｖに設定されている。

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

以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド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１．５ｋＶ程度の低い電圧であっても、ピエゾ素子２２の変形によりノズル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。

なお、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形により形成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２２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ように構成することも可能である。

また、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせ、ノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成する圧力発生手段としてピエゾ素子２２の変形を用いる場合について示したが、圧力発生手段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１０やキャビティ２０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、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１６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動作制御部２４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、液体Ｌ１は、水５２重量％、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重量％、染料（ＣＩアシッドレッド１）３重量％、界面活性剤１重量％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重量％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または被測定物の重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。

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、体積抵抗率が１０^１５Ωｍ以上の材料であればノズル１０から液体Ｌが吐出され得るが、吸収率が少なくとも０．６％以下でなければ液体Ｌは吐出されないことが分かる。

一方、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]
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２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。

本発明の形態によれば、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るとともに、圧力発生部によりノズル内の液体に圧力が加えら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液滴化して吐出される。

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、静電電圧印加部からノズル内の液体に印加される静電電圧が２ｋＶ程度以下の低い電圧であっても、圧力発生部により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。そのため、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。

本発明の形態によれば、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、前記本発明の形態の効果をより効果的に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、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、前記各本発明の形態の効果を効果的に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、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、前記各本発明の形態の効果をより的確に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、ノズルが、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、前記各本発明の形態の効果をより的確に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、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、前記本発明の形態の効果をより的確に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、前記ノズルの液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生部として、ピエゾ素子等の圧電素子アクチュエータが用いられるため、低電圧で有効にノズル内の液体の圧力を高めることができ、ノズルの吐出孔でのメニスカスを大きく隆起させることが可能となる。そのため、前記各本発明の形態の効果を有効に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、液体吐出装置は、液体吐出ヘッドのノズル内の液体に対して圧力発生部により加えられた圧力と、静電電圧印加部により液体吐出ヘッドと対向電極との間に形成された電界との作用により、ノズルの吐出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液滴化し、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、前記各本発明の形態と同様に、低電圧の静電電圧でメニスカスが大きく隆起するため、静電電圧印加部により印加される静電電圧の電圧値を低下させることが可能となり、前記各本発明の形態の効果をより有効に発揮することが可能となる。

本発明の形態によれば、液体吐出装置において、まず、液体吐出ヘッドのノズル内の液体に圧力発生部により圧力を加えて吐出孔部分にメニスカスを形成させた後、静電吸引力によりメニスカスを引きちぎるようにして液滴化する。そのため、圧力発生部による圧力でノズル内の液体を液滴化しなくても、十分にメニスカスを隆起させれば電界の静電吸引力によりメニスカスが引きちぎられるから、圧力発生部に印加する駆動電圧をより低電圧とすることが可能となり、液体吐出装置の電力消費の軽減を図ることが可能となる。

本発明によれば、メニスカス隆起量を制御し吐出制御する電界アシスト法を用い、吐出面がフラットで、メニスカス形成駆動を低電圧でスイッチングでき、かつ低電圧の静電電圧の印加で効果的に電界集中を生じ効率良く液体を吐出することができ、それによって微細パターン形成および高粘度の液体の吐出が可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置および液体吐出方法を提供することができる。

Claims (17)

1. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルが設けられた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、
   前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成する圧力発生部と、
   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部と、
   前記静電電圧印加部による前記静電電圧の印加および前記圧力発生部を駆動する駆動電圧の印加を制御する動作制御部とを備え、
   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項から第３項のいずれか一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項から第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記ノズルプレートの吐出面側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項から第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記圧力発生部は、圧電素子アクチュエータであることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、
   前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極とを備え、
   前記液体吐出ヘッドと前記対向電極との間に生じる前記静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより前記液体を吐出することを特徴とする液体吐出装置。
9. 前記圧力発生部による圧力により前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させ、前記静電吸引力により液体を吐出させることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の液体吐出装置。
10. 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するとともに、圧力発生部により前記ノズル内の液体に圧力を発生させ、前記電界による静電吸引力と前記圧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。
11. 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するとともに、圧力発生部により前記ノズル内の液体に圧力を発生させて前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させて電界を集中させ、前記電界による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。
12. 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１０項または第１１項に記載の液体吐出方法。
13. 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１０項または第１１項に記載の液体吐出方法。
14. 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１０項または第１１項に記載の液体吐出方法。
15. 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１０項または第１１項に記載の液体吐出方法。
16. 前記ノズルプレートの前記吐出面側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１０項または第１１項に記載の液体吐出方法。
17. 前記圧力発生部は、圧電素子アクチュエータであることを特徴とする請求の範囲第１０項または第１１項に記載の液体吐出方法。

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