JPWO2006068036A1 - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

ノズルが設けられたノズルプレートと、キャビティと、液体のメニスカスを形成する圧力発生手段及びノズル内の液体に吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段とを有する液体吐出ヘッドと、圧力発生手段を駆動する駆動電圧の印加及び吐出電圧印加手段による吐出電圧の印加を制御する動作制御手段と液体吐出ヘッドに対向する対向電極とを備え、吐出電圧印加手段により印加されたノズル内の液体と対向電極との間に生じる静電吸引力とノズル内に生じる圧力とにより液体を吐出する液体吐出装置において、液体のメニスカスを形成する圧力発生手段はノズルの吐出孔にノズルの半径の１．３倍以上の高さのメニスカスを形成する。

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に係り、特にフラットノズルを有する電界集中型の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滴吐出技術が知られている（特許文献１参照）。

また、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、ピエゾ素子等の圧力発生手段である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

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。

しかし、圧力発生手段によるメニスカス形成時における振動により本来吐出を意図していないノズルから液体が誤射出されてしまうという問題が生じたり、ノズルから吐出される液体が糸引き状となり（以下「テーラーコーン」という）、液体がミスト状になって飛び散ったり、主液滴以外の意図しない微小な液滴すなわち「サテライト」が発生してしまうという問題があった。

そこで、本発明の課題は、誤射出が発生しにくく、さらに、ノズルから吐出される液体の形状がミスト状になって飛び散ったり、分裂してサテライトを形成したりすることを防止できる液体吐出装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、項１に記載の液体吐出装置は、液体を吐出するノズルが設けられたノズルプレートと、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、前記液体のメニスカスを形成する圧力発生手段及び前記ノズル内の液体に吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段とを有する液体吐出ヘッドと、前記圧力発生手段を駆動する駆動電圧の印加及び前記吐出電圧印加手段による前記吐出電圧の印加を制御する動作制御手段と前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極とを備え、前記吐出電圧印加手段により印加された前記ノズル内の液体と前記対向電極との間に生じる静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより液体を吐出する液体吐出装置において、液体のメニスカスを形成する圧力発生手段は前記ノズルの吐出孔に前記ノズルの半径の１．３倍以上の高さのメニスカスを形成することを特徴とする。

項１に記載の発明によれば、メニスカスの高さを１．３倍以上とすることでテーラーコーンの形成を防止することができるとともに、液体を単一の液滴として吐出することができる。

項２に記載の発明は、項１に記載の液体吐出装置であって、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。

項２に記載の発明によれば、ノズルの吐出孔の内部直径１５μｍ以下とすることで、それによって形成されるメニスカスに電界集中を効率よく行うことができる。また、効率的な電界集中を行うことで微小なノズル径のノズルから微小な液体を吐出して高画質の画像を形成することが可能となる。

項３に記載の発明は、項１又は項２に記載の液体吐出装置において、前記ノズルは吐出面から突出していないフラットなノズルであることを特徴とする。

項３に記載の発明によれば、フラットノズルを使用する場合であっても、サテライトやミストの発生を防止することができる。なお、フラットなノズルとはノズルプレートから大きく突出していない形状のノズルであり、その突出高さは３０μｍ以下のものを指す。突出量が小さい為、ノズルプレート表面のワイプ時に引っかかったり破損することもなくワイプ操作ができる利点を持つ。

項４に記載の発明は、項３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。

項４に記載の発明によれば、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１．５ｋＶ程度の電圧であっても、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。

項５に記載の発明は、項４に記載の液体吐出装置において、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。

項５に記載の発明によれば、ノズルプレートの導電性溶媒を含有する液体の吸収率が０．６％以上の場合には液体から導電性溶媒を吸収してしまうが、前記液体の吸収率を０．６％以下とすることで、液体から導電性の溶媒を吸収することを防止することができる。

項１に記載の発明によれば、液体をノズルから安定して吐出することができるとともに、ノズルから吐出された液体がテーラーコーン状に形成されることはなく、ミストやサテライトの発生を防ぐとともに単一の主液滴を安定して射出することが可能となり、射出の安定性及び画質の向上を図ることができる。

項２に記載の発明によれば、液体を微小液滴として安定して吐出することができる。

項３に記載の発明によれば、フラットなノズルを使用した場合であってもノズルから吐出された液体からミストやサテライトの発生を防止するとともに、安定して液体の吐出を行うことができる。

項４に記載の発明によれば、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１．５ｋＶ程度の電圧であっても、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、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る。

項５に記載の発明によれば、ノズルプレートの液体の吸収率が０．６％以下とすることでノズルプレートが、液体から導電性の溶媒を吸収して体積抵抗率が低下させて、ノズルから安定的な液体の吐出ができなくなるという事態が生じることを有効に防止することができ、項５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。 キャビティ部分が異なるノズルの変形例を示す図である。 ノズル半径に対するメニスカスの高さ比とメニスカスの射出される電界強度との関係を表したグラフである。 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図である。 本実施形態の液体吐出装置におけるメニスカスの高さをノズル半径の１．３倍に形成する場合の液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。 本実施形態の液体吐出装置におけるメニスカスの高さをノズル半径の１０倍に形成する場合の液体吐出ヘッドの駆動制御を説明する図である。 本実施形態の液体吐出装置におけるメニスカスの高さをノズル半径の０．８倍に形成する場合の液体吐出ヘッドの駆動制御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。

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。

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１１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１１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１１を有する樹脂製のノズルプレート１２が設けられている。液体吐出ヘッド２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、或いは前述したようにノズル１１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１１は、ノズルプレート１２に穿孔されて形成されており、各ノズル１１には、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段構造とされている。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の内部直径（以下、ノズル径という。）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。ノズル径は、１５μｍ以上とすると液体を吐出するために高い吐出電圧を必要とする不利が生じ得るので１５μｍ以下とすることが望ましい。

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２（Ａ）〜（Ｅ）に示すフラットノズルのように、形状が異なる種々のノズル１１を用いることが可能である。また、ノズルは図２（Ｆ）（Ｇ）に示すようなノズルが吐出面１３より吐出している突出型のノズルを用いることとしてもよい。また、ノズル１１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１２の吐出面１３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１１内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１７が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、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１１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。

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により液体吐出ヘッド２が外界と隔されている。

なお、ボディ層２０の可撓層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共通流路および共通流路とキャビティ２１とを結ぶ流路とが設けられており、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、それぞれ圧力発生手段としての圧電素子アクチュエータであるピエゾ素子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のメニスカスを形成させるようになっている。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。

ここで、圧力発生手段により形成されるメニスカスの高さはノズルの半径の１．３倍以上であって６倍以下であることが好ましい。

図３は、ノズル半径に対するメニスカスの高さ比とメニスカスの射出される電界強度との関係を表したグラフであり、縦軸を電界強度[Ｖ／ｍ]、横軸をノズル半径[μｍ]に対するメニスカスの高さ[μｍ]の比を表したものであり、後述の実験と同様の条件下において行われたものである。図３に示すグラフから明らかなように、メニスカスの射出電界強度は １．５×１０^７Ｖ／ｍに達するのは、ノズル半径に対するメニスカスの高さの比が０．８倍以上となった場合である。

しかし、メニスカスの高さをノズル半径の１．３倍以下としても液体を吐出することは可能ではあるが、その際には静電吸引力を非常に大きくする必要があるため、高エネルギーが消費されることとなりランニングコストが高くなってしまう。また、メニスカスの高さをノズル半径の１．３倍以下とするとメニスカスを押し出したときと押し出さないときとの発生する電界の差が小さく、圧力発生手段によるメニスカス形成時における振動による微小なメニスカスのゆれに反応してしまい、本来吐出を意図していないノズルから液体が誤射出されてしまうという問題が生じ得る。

また、メニスカスの高さをノズルの半径の１．３倍以下とした場合には、吐出された液体はテーラーコーン状に形成される。テーラーコーン状に形成された液体は初めは糸状の形で飛翔するが、飛翔するとともに次第に分裂し、微小な複数の液滴に変化する。それぞれの液滴はお互いに反発し合い、ミスト状となったり、サテライトとなったりする。このため、液体がテーラーコーン状に形成された場合であって、ノズルとそのノズルから吐出された液体が着弾される基材Ｋの距離が所定の距離以上であると、前記テーラーコーン状の液体からミスト又はサテライトが発生してしまう。

メニスカスの高さを１．３倍以上とした場合には、ノズルから吐出される液体は一つの主液滴に形成されて飛翔した後に目標地点に着弾することとなるので、ミストやサテライトを発生させることはない。

メニスカスの高さをノズルの半径の６倍以下としたのは、６倍以上とするとメニスカスを形成するのに必要な吐出電力が大きくなってしまいランニングコストの高騰を招くこととなるからである。また、６倍以上とした場合には、静電気力がなく圧力のみで吐出する範囲に近づくため、静電気力を利用する効果として、液滴の飛翔速度を維持する効果及び、飛翔方向を安定化させる効果は残るが、微小液滴を形成できる特徴と圧力発生手段への負荷を低減するメリットが損なわれるためである。

駆動電圧電源２４および帯電用電極１７に静電電圧を印加する前記静電電圧電源１９は、それぞれ動作制御手段２５に接続されており、それぞれ動作制御手段２５による制御を受けるようになっている。

動作制御手段２５は、本実施形態では、ＣＰＵ２６やＲＯＭ２７、ＲＡＭ２８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、ＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７に格納された電源制御プログラムに基づいて静電電圧電源１９および各駆動電圧電源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。

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１２の吐出面１３には、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２９が吐出孔１４以外の吐出面１３全面に設けられている。撥液層２９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１３に成膜されている。なお、撥液層２９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２９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１３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、０．１〜３．０ｍｍ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１１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及びその誘導体；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）アクリル樹脂及びその金属塩；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及びその共重合体；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、静電電圧電源１９から帯電用電極１７に静電電圧を印加し、ノズル１１の吐出孔１４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のメニスカスを形成させる。

本実施形態のように、ノズルプレート１２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。

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：１０ｍｍ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ー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１２に用いる絶縁体の体積抵抗に強く依存することが分かった。

図５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5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リシリケイトガラス（例えば、ＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス）の体積抵抗率は１０^１４Ωｍである。

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６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°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。

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１２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。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、メニスカス先端部を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 １．５×１０^７ Ｖ／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１２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５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４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のノズルプレート採用が好ましい。

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。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、下記実施例１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。

次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２及び液体吐出装置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、メニスカスの高さをノズル半径の１．３倍（＝d）に形成した場合の図である。なお、この場合は、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駆動電圧Ｖ_Ｄは２０Ｖに設定されている。

液体吐出装置１の動作制御手段２５は、静電電圧電源１９から帯電用電極１７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１１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、動作制御手段２５は、液滴Ｄ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２３が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力を上げ、ノズル１１の吐出孔１４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２３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、ミストやサテライトが発生することなく液滴Ｄが形成される。図中Ｄのように液滴Ｄは基材Ｋに向かって飛翔し、その後図中Ｅのように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の目標地点に正確に着弾する。

図１０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、メニスカスの高さをノズル半径の１０倍（＝d）に形成した場合の図である。なお、この場合は、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２．０ｋＶ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駆動電圧Ｖ_Ｄは１５Ｖに設定されている。また、メニスカスの高さをノズル半径の１．３倍に形成した場合と同一の部分については説明を省略する。

メニスカスの高さをノズル半径の１０倍に形成する場合には、図中Ｃに示すように液滴は一旦ノズルから吐出されるが、その後図中Ｄに示すように飛翔している最中に複数の液滴に分裂する。その後図中Ｅに示すように、分裂下液滴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の目標地点のみだけでなく他の地点にも着弾する。

図１１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、メニスカスの高さをノズル半径の０．８倍（＝d）に形成した場合の図である。なお、この場合は、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３．０ｋＶ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駆動電圧Ｖ_Ｄは１０Ｖに設定されている。また、この場合もメニスカスの高さをノズル半径の１．３倍に形成した場合と同一の部分については説明を省略する。

メニスカスの高さをノズル半径の０．８倍に形成する場合には、液体は一旦テーラーコーン状に形成されてから図中Ｃに示すように吐出され、その後図中Ｄに示すように飛翔している最中に複数の微小な液滴に分裂する。そして、それぞれの液滴は後図中Ｅに示すように、基材Ｋの目標地点に必ずしも着弾せずミストが発生する。

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１２（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２３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１２（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、本実施形態にかかる発明によれば、液体をノズルから安定して吐出することができるとともに、ノズルから吐出された液体が液滴上に形成され、ミストやサテライトの発生を防いで射出の安定性を得ることができる。

メニスカスの高さをノズルの半径の１．３倍以上の高さに形成した場合には、ノズルか吐出される液体の形状を液滴状に形成するのでミストやサテライトが生じる恐れはなく、ノズルの基材の距離に関係なく射出を安定して行うことができる。

また、ノズルの半径を１５μｍ以下とすることで、微小な液滴を安定して吐出することができる。

実施例１
本実施形態のノズルの半径、メニスカスの高さ、及びインクジェットヘッドノズル面と基材Ｋの距離について種々の変更を行い、ノズル１１の吐出孔１４から吐出される液体の射出状態を確認した。

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、インクジェットヘッドノズル面と基材Ｋの距離は１０ｍｍとした。メニスカスの高さはメニスカスの隆起高さを観察しながら、ピエゾ素子に印加する電圧V_Ｄを調整した。

また、吐出電圧Vｃを変化させ吐出する状態に調整した。上限は２ｋＶとした。順次吐出電圧Ｖｃを変化させながら吐出状態を観察し最も吐出状態の良い条件での結果を表１に記載した。観察には、ストロボライト照射下で５０００倍レンズＣＣＤカメラを使用した。

また、吐出する液体は、は水を４７%エチレングリコールとプロピレングリコールを夫々２２％界面活性剤を１％染料（ＣＩアシッドレッド１）を３％含有する物を用いた。ノズルは撥液加工をした１２５μｍ厚みのポリエチレンテレフタレートシート（体積抵抗率１０^１５Ωｍ）にレーザー加工で形成したフラットノズルを用いた。

実験結果は下記の表１のようになった。なお、表における「○」とは誤射出が生じず、またミストやサテライトも発生しない場合を意味し、×とは、誤射出、ミスト又はサテライトのいずれかが発生した場合を意味する。

この結果から、ノズルの直径を１５μｍ以下としない場合には液体が吐出されず、×であった。

また、メニスカスの高さがノズル半径の１．３倍未満の場合には、誤出射が生じたり、ミストやサテライトが発生して×であった。

また、メニスカスの高さがノズルの半径の１．３倍以上の場合には、液体は単一の主液滴に形成されて吐出され、ミストやサテライトも発生せず射出状態は良好で○であった。

Claims (5)

1. 液体を吐出するノズルが設けられたノズルプレートと、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、前記液体のメニスカスを形成する圧力発生手段及び前記ノズル内の液体に吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段とを有する液体吐出ヘッドと、前記圧力発生手段を駆動する駆動電圧の印加及び前記吐出電圧印加手段による前記吐出電圧の印加を制御する動作制御手段と前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極とを備え、前記吐出電圧印加手段により印加された前記ノズル内の液体と前記対向電極との間に生じる静電吸引力と前記ノズル内に生じる圧力とにより液体を吐出する液体吐出装置において、液体のメニスカスを形成する圧力発生手段は前記ノズルの吐出孔に前記ノズルの半径の１．３倍以上の高さのメニスカスを形成することを特徴とする液体吐出装置。
2. 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項に記載の液体吐出装置。
3. 前記ノズルは吐出面から突出していないフラットなノズルであることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の液体吐出装置。
4. 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の範囲第３項に記載の液体吐出装置。
5. 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４項に記載の液体吐出装置。