WO2006129505A1 - 液体吐出装置及び液体吐出方法 - Google Patents

Abstract

　特にメニスカス形成手段と静電吸引力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って吐出面上の液体や汚れを除去し、適正に液体を吐出することが可能な液体吐出装置を提供することを課題とする。 　対向電極３の主走査方向Ｘ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とノズルプレートを洗浄するための洗浄装置８とが配設されており、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Ｘに移動して除電装置７や洗浄装置８の上方に位置するように構成されている。

Description

明 細 書

液体吐出装置及び液体吐出方法

技術分野

[0001] 本発明は、液体吐出装置及び液体吐出方法に係り、特に静電吸引力を利用、 つ、フラットな非導電性ノズルプレートをもつ液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置 及び液体出方法に関する。

背景技術

[0002] 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方法で解決しょうとすると、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 、な 、。

[0003] そこで、前記要請に応え、微小化されたノズル力 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力も受ける静電吸引力により吐出 させる 、わゆる静電吸引方式の液滴吐出技術が知られて 、る（特許文献 1参照)。

[0004] 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、 Vヽゎ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、メニスカス形成手段と静電吸引力と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。

特許文献 1：国際公開第 03Z070381号パンフレット

特許文献 2 :特開平 5— 104725号公報

特許文献 3：特開平 5 - 278212号公報

特許文献 4：特開平 6— 134992号公報 特許文献 5：特開 2003 - 53977号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 液滴吐出技術に関連しノズル内の液体に静電気力が作用するヘッドの例には、ノ ズル内の液体と対向電極間に電界を加え静電吸弓 I力により液体をノズルから吐出す るもの、ノズル内の液体と対向電極間に電界を加えるとともに液体に圧力をカ卩ぇノズ ルに液体のメニスカスを形成することにより静電吸引力を強め液体を吐出するもの、 圧力のみでも吐出するものの静電吸引力を作用させることにより、より安定に液滴飛 翔させるものがある。そこで、静電吸引力を高めるためにノズルプレートには絶縁性 の高 、非導電性部材が使われる。

[0006] これらの静電吸引方式の液体吐出装置や電界アシスト法を用いた液体吐出装置で は、静電吸引力を発生させる為ノズル先端の液体に帯電させる時、つまり液体と対向 電極間に電界をかける時、必然的にノズルプレート吐出面も帯電してしまい、帯電ム ラとなることがある。また、ノズルプレートの吐出面上にあふれたインクはノズルプレー トと対極に帯電するようになる。このため、静電吸引方式や電界アシスト法を用いた液 体吐出装置にぉ 、て、メンテナンス時などにノズルプレートの除電を行わな 、とインク を完全に除去できず、更なる不吐出の原因となる特有の問題を有していることが新た に判った。

[0007] ノズルプレートに帯電している静電気を除去するために、ノズルプレートに導電部 材層と導電線とを設け、導電線の一端を導電部材層に接続して他端を接地させるこ とによって帯電した静電気を除去する技術や、ノズルプレート上のインクを除去するヮ ィパー部材として導電性粉末を混入した部材を用いることにより、ワイパーをノズルプ レートに接触させ、ノズルプレートに帯電した静電気を除電する技術が開示されてい る（例えば、特開平 6— 155755号公報)。

[0008] また、ノズルプレートの除電ではな 、が、用紙に帯電して 、る静電気を除去してノズ ルプレートへの放電を防止するために、液体吐出装置に除電ブラシを設け、用紙に 接触させることによって用紙に帯電した静電気を除電する技術が開示されている (例 えば、特開平 7— 237293号公報、特開平 11— 78024号公報参照)。 [0009] し力しながら、特開平 6— 155755号公報のようにノズルプレートに設けた導電部材 層により除電する手段は、インクを帯電させることができないため、静電吸引方式の 液体吐出装置や電界アシスト法を用いた液体吐出装置に適用することができな 、。

[0010] また、特開平 6— 155755号公報のように導電性粉末を混入したワイパー部材を用 いることにより除電する手段は、ワイパー部材がノズルプレートに接触することによるノ ズルプレートの帯電を防止することが可能である力 静電吸引方式や電界アシスト法 の液体吐出装置にはノズルプレートと対向電極との間に高電圧が印加されるので、こ の液体吐出装置の帯電したノズルプレートを十分に除電することができない。

[0011] また、特開平 7— 237293号公報、特開平 11— 78024号公報のように除電ブラシ により用紙に帯電した静電気を除電する手段は、用紙上に除電ブラシが存在する時 間が短いため用紙に帯電した電荷を完全に除電することができず、また、除電ブラシ を用紙上全面に均一に移動させることが難しいため除電にムラが生じる。

[0012] ノズルプレートの除電が不十分な状態で帯電をすると、ノズル内の液体に適正な静 電力を印加することができず、液体の吐出量が不足したりあるいは吐出量が過剰に なる問題を有している。また、ノズルプレートの除電にムラがある状態で帯電をすると 、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 が均等にならない問題を有している。

[0013] 更に、静電吸引力を利用し、かつ、フラットな非導電性ノズルプレートをもつ液体吐 出方法に特有のノズルプレートの帯電による障害として、ノズル力 繰り返し吐出させ ようとしたときの非吐出、吐出液滴量のバラツキ、吐出方向のバラツキ、インクのあふ れ、ワイプ不良等が発生することが新たに判った。

[0014] ここで、 1.電界をカゝける前のノズルプレート吐出面の帯電状態がばらついた場合、 電界をかけたときのノズルプレート吐出面の帯電状態がばらつき、ノズル内の液体へ の帯電状態をばらつ力せる。結果的に液体に発生する静電吸引力が不安定となり、 吐出条件が再現しないという不良が発生する。また、 2.電界をかける前に帯電ムラ が残っていた場合、電界をかけたときのノズルプレート吐出面に帯電ムラが残り、ノズ ル内の液体に加わる静電吸引力に不均衡が生じ、液体吐出方向がまがる。また、静 電吸引力の不均衡により液体がノズル力 滲み出す。更には、滲み出した液体を拭 き取っても順次あふれ出し、拭き取れな!/、と 、う障害が発生する。

[0015] 次に、ノズルプレート吐出面に吐出液体の付着物や付着異物等の汚れが残ってい る場合にノズル内の液体と対向電極間に電界をかけると汚れが付着したノズルプレ ート吐出面はノズル内の液体とは逆の極性に帯電し、ノズル内の液滴と同極性に帯 電した汚れの付着していないノズルプレート吐出面との間にムラを生じる。

[0016] また、ノズル内の液体と対向電極間に電界をかけなくとも、帯電した液体がノズルプ レート吐出面に付着することで同様のムラを生じる。

[0017] この帯電ムラは汚れのみを拭き取ってもノズルプレート吐出面の帯電電荷を取り除 かなければ残留することになる。

[0018] このように、帯電ムラ発生要因の少なくとも一つとして、汚れが要因となっている。ま た、帯電ムラにより汚れが付着しやすくなることもある。

[0019] 静電吸引方式や電界アシスト法を用いた液体吐出装置力 液体が正常に吐出され ないときの帯電状態について、以下に説明する。

[0020] 図 16 (A)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 9 では、ノズルプレート 91に設けられたノズル 92内の液体 Lには正電圧が印加される ので、液体 Lは正に帯電し、ノズル 11の液体 Lと接するノズルプレート 91の部分は負 に帯電する。

[0021] また、ノズルプレート 91と対向して設けられた対向電極（図示せず）は接地されてい るので、対向電極上でノズルプレート 91に対向する面は負に帯電するため、ノズル プレート 91の吐出面 93は正に帯電する。正に帯電したノズルプレート 91の吐出面 9 3上に正に帯電した液体 Lゃゴミ等による汚れがある場合、ノズルプレート 91の吐出 面 93の汚れが付着した部分は負に帯電して 、る。この状態で洗浄部材を用いて吐 出面 93の洗浄を行うと、汚れの正の電荷と吐出面 93の負の電荷とが引き合うため汚 れが吐出面 93から除去し難くなり、図 16 (B)に示すように、正に帯電した汚れが吐 出面 93の広範囲に押し広げられる。

[0022] 吐出面 13の広範囲が負に帯電している状態では、再度ノズル 92内の液体 Lを正に 帯電させて吐出しょうとすると、図 16 (C)に示すように、ノズル 92の吐出ロカ 正に 帯電した液体 Lが負に帯電した吐出面 93上に広がってしまうため、ノズル 92の先端 に液体 Lのメニスカスが形成されず、液体 Lをノズル 92から正常に吐出することができ ない問題を有している。

[0023] また、図 16 (A)のようにノズルプレート 91の吐出孔 94付近の吐出面 93に正に帯電 した液体 Lが付着していると、図 17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 6と比較するとメニスカス先端部の電界が弱くなつて電界集中が生じ難く なったり、また、メニスカスの電界が歪むため射出方向を安定させ難くなるため、液体 Lを正常に吐出することができない問題を有している。

[0024] なお、図 15に接地された対向電極を設置して液体 Lに正電圧を印加する例を示し たが、これに限定されず、液体 Lに負電圧を印加する場合や、対向電極に電圧を印 カロして液体 Lを接地する場合も、同様に、液体 Lが正常に吐出することができない問 題を有している。

[0025] 以上のように、各方法ともに静電吸引力を利用し、かつ、フラットな非導電性ノズル プレートをもつ液体吐出方法に特有のノズルプレートの帯電に関する障害に対して は、不十分であった。

[0026] 本発明は前記した点に鑑みてなされたもので、特に電界アシスト法を用いた液体吐 出装置において、ノズル内の液体に静電吸引力を作用させ、ノズルプレートの絶縁 性が高いため、ノズルプレートが帯電しやすぐ帯電ムラ、帯電バラツキが発生する場 合、ノズルプレートの除電を確実に行って吐出面上の液体や汚れを除去し、適正に 液体を吐出することが可能な液体吐出装置を提供することを課題とするものである。 課題を解決するための手段

[0027] 上記の問題を解決するため、ノズル内の液体に電界を加える前にノズルプレートの 吐出面を均一に除電することでノズルプレートの帯電に関する障害を防止する必要 がある。均一に除電するにはノズルプレートの洗浄操作を除電工程と同時、或いは 前に行い、その後ノズル内の液体と対向電極間に電界をかける。

[0028] そのため、本発明は、

(1) 対向電極と、

前記対向電極に対向して設けられ、液体を吐出するノズルを備えた平面状のノズ ルプレートとを備えた液体吐出ヘッドを用いる液体吐出装置にぉ 、て、 対向電極と前記ノズル内の液体に電圧を印加する電圧印加装置と

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、

前記ノズルプレートを洗浄する洗浄装置と、

前記除電装置と前記洗浄装置とを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする液 体吐出装置である。

(2) 前記制御装置は、前記除電装置の動作と前記洗浄装置の動作とを同時に行う ように制御することを特徴とする（1)に記載の液体吐出装置である。

(3) 前記除電装置は、導電性の液体が含浸された除電部材を備えたことを特徴と する (1)から (2)のいずれかに記載の液体吐出装置である。

(4) 前記除電部材は、多孔質部材であることを特徴とする（3)に記載の液体吐出装 置である。

(5) 前記洗浄装置は、導電性の液体が含浸された多孔質部材を備えたことを特徴 とする（1)から (4)の 、ずれかに記載の液体吐出装置である。

(6) 前記対向電極は、過電流防止回路又は過電流遅延回路のいずれかを備えた ことを特徴とする請求の（1)から（5)の 、ずれかに記載の液体吐出装置である。

(7) 静電吸引方式ヘッド上に対向電極に対向して設けられた、平面状のノズルプレ ートに備えられたノズル力 液体を吐出する液体吐出方法において、 対向電極と前 記ノズル内の液体に電圧を印加する電圧印加工程と、

前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電工程と、

前記除電工程後に前記ノズルプレートを洗浄する洗浄工程と、

を行うことを特徴とする液体吐出方法である。

(8) 静電吸引方式ヘッド上に対向電極に対向して設けられた平面状のノズルプレ ートに備えられたノズル力 液体を吐出する液体吐出方法において、

対向電極と前記ノズル内の液体に電圧を印加する電圧印加工程と

前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電工程と、

前記除電工程と前記ノズルプレートを洗浄する洗浄工程と、

を有し、前記除電工程と前記洗浄工程とを同時に行うことを特徴とする液体吐出方法 である。 (9) 前記ノズルは、ノズル内径が 15 m未満とすることを特徴とする（1)に記載の 液体吐出装置である。

(10) 前記ノズルプレートは、ノズルプレートの体積抵抗が 10¹⁵ Ω πι以上とすることを 特徴とする（1)に記載の液体吐出装置である。

(11) 前記平面状のノズルプレートは、ノズルプレート吐出面からのノズルの突出は 30 μ m以内であることを特徴とする（1)に記載の液体吐出装置である。

発明の効果

[0029] 上記の手段によれば、ノズルプレートを除電して帯電ムラをなくし、かつノズルプレ ートを洗浄してノズルプレートに付着した液体ゃゴミ等の汚れを除去することができる 効果を奏する。

[0030] また、除電と洗浄とを一つの装置で同時に行うことができるので、除電装置と洗浄 装置とを別個に設けたときと比較して装置を簡素化かつ小型化することができる効果 を奏する。

[0031] また、除電装置は導電性の液体が含浸された除電部材を備えて!/、るので、除電部 材をノズルプレートに接触させることにより、ノズルプレートに帯電した電荷を導電性 の液体に接触させて除電することができる効果を奏する。

[0032] また、除電部材は多孔質材料であるので、除電部材とノズルプレートとが接触しても ノズルプレートに傷を付けることなく除電することができる効果を奏する。

[0033] また、洗浄部材は導電性の液体が含浸された多孔質部材を備えて 、るので、洗浄 部材とノズルプレートとが接触してもノズルプレートに傷をつけることなぐまた、ノズル プレートに付着した液体ゃゴミ等の汚れを導電性の液体に溶解または分散させてノ ズルプレートから除去することができる効果を奏する。

[0034] また、ノズル内の液体を帯電するときに、ノズルプレートと対向電極との間に過電流 が流れると、その過電流が対向電極に設けられた過電流防止回路や過電流遅延回 路に流れ、過電流防止回路に設けられたヒューズが切れたり、過電流遅延回路に設 けられた抵抗器に過電流が流れたりする。このため、過電流によるノズルプレートや 液体吐出ヘッド、対向電極などの損傷を防止することができる効果を奏する。

[0035] また、ノズルプレート全面に接触する除電装置を用いることが可能なので、ノズルプ レート全面に除電装置を接触させてノズルプレート全面を除電する除電工程を行うこ とによって除電工程に要する時間を短縮することができる効果を奏する。

[0036] また、除電と洗浄とを一つの工程にて同時に行うので、除電工程と洗浄工程とを別 個に設けたときと比較して工程を簡素化することができる効果を奏する。

図面の簡単な説明

[0037] [図 1]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。

[図 2]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 3]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。

[図 4]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。

[図 5]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。

[図 6]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。

[図 7]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。

[図 8]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。

[図 9]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。

[図 10]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

[図 11]第 1の実施形態の液体吐出装置における各工程の状態を表した説明図である

[図 12]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。

[図 13]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。

[図 14]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。

[図 15]第 2の実施形態に係る液体吐出装置の要部断面図である。

[図 16] (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。

[図 17]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

[0038] 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

71 除電部材

72 除電用駆動源

8 洗浄装置

81 洗浄部材

82 洗浄用駆動源

11 ノズル

12 ノス、ノレプレート

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

32 過電流遅延回路

33 電流リミッター

K 基材

L 液体

発明を実施するための最良の形態

[0039] 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。

[0040] 液体吐出装置 1には、搬送装置 2を構成する駆動ローラ 2a、ガイドローラ 2bおよび テンションローラ 2cが主走査方向 Xに延在して設けられており、駆動ローラ 2a、ガイド ローラ 2bおよびテンションローラ 2cには、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 2dが架け渡されている。基材 Kは、駆動ローラ 2aとガイドローラ 2b の間の部分力も供給され、駆動ローラ 2aの駆動により周回運動する搬送ベルト 2dに よって主走査方向 Xと直交する搬送方向 Yに搬送されるようになって 、る。

[0041] 駆動ローラ 2aとガイドローラ 2bとの間には、搬送ベルト 2d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 ヽる。

[0042] 対向電極 3の上方には、棒状のガイドレール 4が主走査方向 Xに延在するように配 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!、る。

[0043] 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!/、る。液体吐出ヘッド 6は、例えば、イェロー（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 V、インクタンクが図示しな 、供給管を介してそれぞれ接続されて!、る。

[0044] 対向電極 3の主走査方向 Xの一端側のメンテナンスポジションには、液体吐出へッ 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とノズルプ レートを洗浄するための洗浄装置 8とが配設されており、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 Xに移動して除電装置 7や洗浄装置 8 の上方に位置するように構成されて 、る。

[0045] 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 2dを省略している。

[0046] 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を備えた榭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 、、 V、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。

[0047] なお、本発明にお 、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力ものノズルの突出量が 30 μ m以下のものを意味し、後述 する洗浄工程の際に破損等の支障を生じることがなぐ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 ヽものを ヽぅ。

[0048] 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 10 m 、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 75 μ mとなるよう に構成されている。

[0049] 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 形状でもよい。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。

[0050] 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 30 m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。

[0051] 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!/、る。

[0052] 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するように なっている。

[0053] 帯電用電極 17のノズルプレート 12と反対側の面には、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を一時的に貯蔵するためのキヤビティ 21とされている。

[0054] ボディ層 20の帯電用電極 17と反対側の面には可撓性を有する金属薄板ゃシリコ 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。

[0055] なお、ボディ層 20と可撓層 22との境界部には、キヤビティ 21に液体 Lを供給するた めの図示しない流路、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 加工してキヤビティ 21に連通する共通流路が形成されている。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接続されており、 供給管に設けられた図示しな 、供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置によ る差圧により流路ゃキヤビティ 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。

[0056] 可撓層 22の外面の各キヤビティ 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、ピエゾ素子 23に駆動 パルス電圧を印加して変形させるための駆動電圧電源 24が接続されている。

[0057] 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 1 1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 せるようになつている。なお、ノズル 11内の液体 Lに圧力を生じさせる圧力発生装置 としては、本実施形態で用いるピエゾ素子 23のような圧電ァクチユエータに限らず、 例えば静電ァクチユエ一タゃサ一マル方式等を用いることも可能である。

[0058] 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により制御されるよ うになつている。

[0059] 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には、吐 出孔 14力もの液体 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 (四フッ化工チレン'六フッ化プロピレン）、 PTFE (ポリテトラフロロェチ レン）、フッ素シロキサン、フルォロアルキルシラン、アモルファスパーフルォロ榭脂等 のフッ素榭脂等が用いられることが多ぐ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 膜することが可能であり、又、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。

[0060] 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

[0061] 本実施形態では、対向電極 3は、過電流遅延回路 32と電流リミッター 33とを介して 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つている 。ヘッド本体部 10と対向電極 3との間に過電流が流れると、過電流遅延回路 32は過 電流の伝達を遅延させるようになっており、また、電流リミッタ一は過電流を検出する ようになつている。これにより、ヘッド本体部 10と対向電極 3との間に発生するショート やスパークによるヘッド本体部 10の破損を防止することができる。ここで、過電流遅 延回路 32として抵抗器を用いることが可能であり、また、電流リミッター 33としてヒユー ズを用いることが可能である。また、帯電した液滴 Dが基材 Kに着弾すると、対向電極 3は液滴 Dの電荷を接地により逃がすようになって 、る。

[0062] ここで、液体吐出装置 1による吐出を行う液体 Lにつ 、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重量⁰ /₀、エチレングリコール 22重量⁰ /₀、プロピレングリコール 22重量⁰ /₀、界 面活性剤 1重量％および色剤成分として C1アシッドレッド 1を 3重量％含有するインク が用いられる。

[0063] 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、 COC1 , HBr, HNO , H

2 3 3

PO , H SO , SOC1 , SO CI , FSO H等を用いることができる。

4 2 4 2 2 2 3

[0064] 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—メチルー 1 プロパノール、 tert—ブタノール、 4ーメチルー 2 ペンタノ ール、ベンジルアルコール、 a 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；フエノール、 o—タレ ゾール、 m クレゾール、 p タレゾールなどのフエノール類；ジォキサン、フルフラー ノレ、エチレングリコーノレジメチノレエーテノレ、メチノレセロソノレブ、ェチノレセロソノレブ、ブ チルセ口ソルブ、ェチルカルビトール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールァセ テート、ェピクロロヒドリンなどのエーテル類；アセトン、メチルェチルケトン、 2—メチル —4—ペンタノン、ァセトフエノンなどのケトン類；ギ酸、酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロ口 酢酸などの脂肪酸類；ギ酸メチル、ギ酸ェチル、酢酸メチル、酢酸ェチル、酢酸 n ーブチル、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 オン酸ェチル、乳酸ェチル、安息香酸メチル、マロン酸ジェチル、フタル酸ジメチル 、フタル酸ジェチル、炭酸ジェチル、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、セロソルブァセ テート、ブチルカルビトールアセテート、ァセト酢酸ェチル、シァノ酢酸メチル、シァノ 酢酸ェチルなどのエステル類；ニトロメタン、ニトロベンゼン、ァセトニトリル、プロピオ 二トリル、スクシノ-トリル、バレロ-トリル、ベンゾニトリル、ェチルァミン、ジェチルアミ ン、エチレンジァミン、ァニリン、 N—メチルァニリン、 N, N ジメチルァニリン、 o ト ルイジン、 p トルイジン、ピぺリジン、ピリジン、 a ピコリン、 2, 6—ルチジン、キノリ ン、プロピレンジァミン、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 ジェチルホルムアミド、ァセトアミド、 N メチルァセトアミド、 N—メチ ルプロピオンアミド、 N, N, Ν', Ν'—テトラメチル尿素、 Ν—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ィ匕合物類；ベンゼン、 ρ シメン、ナフタレン、シクロへキシルベンゼン、シクロへキセンなどの炭化水素類； 1, 1ージクロ口エタン、 1, 2—ジクロ口エタン、 1, 1, 1 トリクロ口エタン、 1, 1, 1, 2 ーテトラクロ口エタン、 1, 1, 2, 2—テトラクロロェタン、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—クロ口一 2—メチノレ プロパン、 2—クロロー 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等を用いることができる。また、上記各液体を 二種以上混合して用いることも可能である。

[0065] 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。

[0066] 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す ること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 、 YO

3： Eu

3：

Euなど、緑色蛍光体として、 Zn SiO ： Mn、 BaAl O ： Mn、（Ba， Sr, Mg) 0 - a

2 4 12 19

AI O : Mnなど、青色蛍光体として、 BaMgAl O ： Eu、 BaMgAl O ： Eu等を用

2 3 14 23 10 17 いることがでさる。

[0067] 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、ェチルセルロース、メチルセ ノレロース、ニトロセノレロース、酢酸セノレロース、ヒドロキシェチノレセノレロースなどのセノレ ロースおよびその誘導体;アルキッド榭脂；ポリメタタリタクリル酸、ポリメチルメタクリレ ート、 2—ェチルへキシルメタタリレート'メタクリル酸共重合体、ラウリルメタタリレート' 2—ヒドロキシェチルメタタリレート共重合体などの (メタ)アクリル榭脂およびその金属 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)アクリルアミド榭脂；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榭脂；スチレン' n—ブチルメタタリレート共重合体などのスチレン 'アクリル榭脂;飽和、不飽和の各種 ポリエステル榭脂；ポリプロピレンなどのポリオレフイン系榭脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩 化ビ-リデンなどのハロゲン化ポリマー；ポリ酢酸ビュル、塩化ビュル ·酢酸ビュル共 重合体などのビニル系榭脂;ポリカーボネート榭脂;エポキシ系榭脂;ポリウレタン系 榭脂；ポリビュルホルマール、ポリビュルブチラール、ポリビュルァセタールなどのポリ ァセタール榭脂；エチレン'酢酸ビニル共重合体、エチレン'ェチルアタリレート共重 合榭脂などのポリエチレン系榭脂;ベンゾグアナミンなどのアミド榭脂;尿素樹脂;メラ ミン榭脂；ポリビュルアルコール榭脂およびそのァ-オンカチオン変性；ポリビニルビ 口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ォ キサイドなどのアルキレンォキシド単独重合体、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、ロー力 ストビーンガム、グァガム、ぺクチン、カラギニン、にかわ、ァノレブミン、各種 »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 ルペン榭脂；ケトン榭脂；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 リエチレンィミン、ポリスチレンスルフォン酸、ポリビュルスルフォン酸などを用いること ができる。これらの榭脂は、ホモポリマーとしてだけでなぐ相溶する範囲でブレンドし て用いることも可能である。

[0068] 液体吐出装置 1をパターンユング手段として使用する場合には、代表的なものとし てディスプレイを製造するときに用いることができる。具体的には、プラズマディスプレ ィの蛍光体の形成、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 (フィールドェ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ぺーサー（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)等に用いることができる。

[0069] 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 ユング塗布、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が挙げられる。

[0070] 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 1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接離装置 27が設けられている。

[0071] 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、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。

[0072] 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 71と駆動源である除 電用駆動源 72とが設けられており、除電用駆動源 72の駆動により図 4に示すように 除電部材 71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つている。 除電装置 7の除電用駆動源 72は制御装置 25に電気的に接続され、制御装置 25の 制御に基づ 、て駆動するようになって 、る。

[0073] 本実施形態では、除電部材 71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榭脂製の多孔質材料で平板状に形成されて!、る。また、 除電部材 71は接地されている。なお、除電部材 71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。

[0074] また、除電部材 71に含浸するのは水に限らず、界面活性剤を含む水や、導電性の 有機溶剤、そして水、界面活性剤、導電性の有機溶剤を含む液体を用いることが可 能である。導電性の有機溶剤の例としては、エタノール、メタノール、アセトン、 N-メ チル一 2—ピロリドン等を用いることができる。

[0075] また、前述したメンテナンスポジションの洗浄装置 8には、洗浄部材 81と駆動源であ る洗浄用駆動源 82とが設けられており、洗浄用駆動源 82の駆動により洗浄部材 81 がノズルプレートの 12の吐出面に接触して相対的に移動して前記吐出面を洗浄する ようになって!/、る。洗浄装置 8の洗浄用駆動源 82には駆動するようになって 、る。

[0076] 本実施形態では、洗浄部材 81として、可撓性を有し先端が吐出面に接触するブレ ードが用いられている。また、洗浄用駆動源 82は、洗浄部材 81の先端が吐出面に 接触させた状態で吐出面全面と接触するように、洗浄部材 81を吐出面に沿わせなが ら相対的に移動させるようになつている。洗浄用駆動源 82は、制御装置 25に電気的 に接続され、制御装置 25の制御に基づ 、て駆動するようになって!/、る。

[0077] 制御装置 25は、本実施形態では、 CPU29や ROM30, RAM31等が図示しない バス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 、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力も液体 Lを吐出させるようになつている。

[0078] また、制御装置 25は、接離装置 27の接離用駆動源 28ゃ除電装置 7の除電用駆動 源 72を駆動するようになっており、除電用駆動源 72を駆動させて除電部材 71をノズ ルプレート 12に当接させてノズルプレート 12を除電する。

[0079] 図示を省略する力 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 2a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。

[0080] 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力 この他にも、例えばメンテナンスポジ シヨンに液体受けと LED等を備える光センサとを設けておき、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力否かを光センサで検出してノズ ル欠検知を行うように構成することも可能である。

[0081] 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一対向電極間、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 っ ヽては前記特許文献 1に詳述されて！、る。

[0082] 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（1)式により定まる領域の液滴の吐出を行う。 [0083] [数 1]

、 2 (

[0084] ここでえ は静電吸引力によりノズル先端部力もの液滴の吐出を可能とするための c

溶液液面における成長波長 [m]である。 λ はえ = 2 π y hV e V²で求められる力

C C 0

ら、

[0085] [数 2]

[0086] が成り立ち、これを変形すると、静電電圧 V[V]は、

[0087] [数 3]

[0088] の関係を満たす。ここで、 γは液体 Lの表面張力 [NZm] , ε は真空の誘電率 [FZ

0

m] , hはノズル -基材間距離 [m]である。

[0089] 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カゝら 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。

[0090] [数 4]

Q = 2πε₀αΥά

[0091] 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。

[0092] 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。 [0093] 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 [VZm]は

loc

、凸状メニスカス先端部の曲率半径を R[m]と仮定すると、

[0094] [数 5] 一 ^V

^Eloc kR (5)

[0095] 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）。

[0096] いま簡単のため、 dZ2=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つ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 [m²]とすると、

[0097] [数 6]

[0098] 前記（4) , (5) , (6)式より α = 1とおいて、

[0099] [数 7] p _ 2s₀V V Se₀V²

e d / 2 k - d / 2 k d² (7)

[0100] と表される。

[0101] 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

[0102] [数 8]

(8) [0103] 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、

[0104] [数 9]

P P_S (9)

[0105] 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 らせることが可會である。

[0106] この関係式より、 Vと dとの関係を求めると、

[0107] [数 10]

[0108] 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、

[0109] [数 11]

[0110] が、本発明の動作電圧となる。

[0111] 次に、本実施形態に係る液体吐出装置 1から液体が吐出されるメカニズムについて 説明する。

[0112] 本実施形態では、図 2および図 5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のメニスカスを形成させ、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。

[0113] このようにして液体 Lのメニスカスを静電吸弓 I力により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 5に示したように帯電している。 [0114] 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 10¹⁵ Ω πι以上とさ れているため、ノズルプレート 12の内部には、図 6にシミュレーションによる等電位線 で示すように吐出面 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力 強い電界が発生する。

[0115] 特に、図 6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力るように 、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 つてメニスカスが引きちぎられてノズル内の液体 Lカゝら分離されて液滴 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 Κ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ょうとするため、基 材 Κに対する着弾の際の角度等が安定し正確に行われる。

[0116] 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を用いて吐出面 13に対して垂直方向の電位差を発生させることで強!ヽ 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。

[0117] 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. 5kVZmm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 ヽ 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 ヽ場合があ つた o

[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. Ommノズルプレ 一卜 12の厚さ： 125 μ mノス、ノレ径： 10 μ m

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ベての場合に 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「PHO TO- VOLT j (商品名、株式会社フオトン製)で電流分布解析モードによるシミュレ ーシヨンにより算出した。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 X 10⁷V/m (15kV/mm)以上であった。

[0118] 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 7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力つた。

[0119] 図 7は、ノズルプレート 12に用いる絶縁体の体積抵抗率を 10¹⁴ Ω πιから 10¹⁸ Ω πι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 、く様子を計算して 、る。この計算にお 、ては空気の体積抵抗率を設定する必 要があり 10²⁰ Ω mとして!/、る。図 7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 10¹⁴ Ω m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。

[0120] 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 10^1(> Ω ιη以上のもの を指すことが多ぐ代表的な絶縁体として知られて 、るポ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 10¹⁴ Ω mである。

[0121] 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 10² Ω mとした場合が実験結果と合致した。

[0122] ー且、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。

[0123] 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 X 10⁷VZm以上であることが必要であり、図 7からノズルプレート 12の体積抵抗率は少なくとも 1000秒のメニスカス先端部の電界強度が維持できる 1 0¹⁵ Ω πι以上が好ましいことが分力り実験上も同様の結果であった。ただし、本発明に ぉ 、て限定されるものではな 、。

[0124] 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 7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 6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。

[0125] 理論上、体積抵抗率が 10¹⁵ Ω πι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力 電極間でのスパーク の発生等により基材 Κが損傷される可能性があるため、体積抵抗率が 10¹⁵ Ω m以上 のノズルプレート採用が好まし!/、。

[0126] なお、図 7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 10¹⁵ Ω πι以上の場合 にメニスカス先端部の電界強度が 1. 5 Χ lo Zm以上になることが分力つている。 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。

[0127] 一方、体積抵抗率が 10¹⁵ Ω πι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。

[0128] これは、ノズルプレート 12が液体 L中力 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 7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。

[0129] 一方、同実験によれば、液体 Lとして導電性溶媒を含まな ヽ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 10¹⁵ Ω m以上であれば液体 Lを吐出することが 分力ゝつた。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 、ためであると考えられる。

[0130] なお、前記絶縁性溶媒に分散されて!、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、キシレンやトルェ 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— ^1QSZcm 以上の溶媒をいう。

[0131] 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 8および図 9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 75 μ m以上および 15 μ m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 、る。

[0132] 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。

[0133] 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。

[0134] なお、図 8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 9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。 [0135] 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 、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 10に示す。この結果から、メ- 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 1 1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 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° の場合はノ ズル 11が円筒形状であることに対応する。

[0136] 次に、本実施形態に係る液体吐出装置 1を用いた液体吐出方法について説明する

[0137] 先ず、待機時においては、制御装置 25は、ノズルプレート 12と対向電極 3との間隔 dが 1mmとなるように接離装置 27の接離用駆動源 28を制御して 、る（図 11 (a) )。

[0138] 液体吐出工程について図 12を参照して説明する。

[0139] まず、液体吐出ヘッド 6の各ノズル 11には常時一定の静電電圧 Vが印加されて ヽ

C

ると、ノズル 11の吐出孔 14の液体 Lと対向電極 3の対向面との間に定常的な電界が 生じる。

[0140] 制御装置 25は、図 12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を有する

D

パルス状の駆動電圧を印加させる。

[0141] 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 12中の Aの状態力も液体

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。

[0142] 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により形成された定常的な電界力も強

C

ぃ静電力が加わる。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 12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。

[0143] その際、液滴 Dには空気の抵抗等が加わる力 静電力の作用で液滴 Dはより近い 所に着弾しょうとするため、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。

[0144] 本実施形態では、静電電圧電源 17から帯電用電極 16に印加される一定の静電電 圧 V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

C

パルス状の電圧の電圧値は V = 20Vに設定されて!/、る。

D

[0145] なお、ピエゾ素子 23に印加する駆動電圧 Vとしては本実施形態のようにパルス状

D

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且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 13 ( A)に示すように、ピエゾ素子 23に定常電圧 Vを印加しておいてー且切り、再度電

D

圧 V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

D

13 (B) , (C)に示すような種々の駆動電圧 Vを印可してもよい。

D

[0146] また、本実施形態では、ピエゾ素子 23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による定常的な電界で加速して基材 Kに着

C

弾させる構成としている力 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。

[0147] 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 5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 16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。

[0148] 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、液体吐出へ 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すると、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。

[0149] 同時に制御装置 25は、駆動電圧電源 24を制御してピエゾ素子 23に対する印加を 停止させる。その後制御装置 25は、接離用駆動源 28を制御して、間隔 dを lmmから 、除電部材 71が吐出面 13と当接でき、また、洗浄部材 81が吐出面全面をワイプでき る間隔まで広げている。

[0150] 間隔 dが広げられると、制御装置 25は除電装置 7の除電用駆動源 72を駆動して図 4に示したように除電部材 71を液体吐出ヘッド 6のノズルプレート 12の吐出面 13に 当接する。除電部材 71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の面全体に当接する状態となる。

[0151] その際、除電部材 71は、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 、たり、導電性を有する多孔質材料で構成されて!、たり、 或 、は金属板等の導電性の板状部材で構成されて 、るので、図 5や図 16に示したノ ズルプレート 12に帯電して!/、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 、る電荷が除電部材 71や除電部材 71に含浸されて 、る水を伝 つて除去され、ノズルプレート 12が除電される。

[0152] 続いて、制御装置 25は、洗浄部材 81の先端が吐出面に接触した状態で吐出面全 面をワイプするように洗浄用駆動源 82を制御する（洗浄工程：図 11 (d) )。これにより 、吐出面に付着した液体が洗浄部材 81によって除去されることになる。

[0153] 洗浄工程が完了すると、制御装置 25は、接離用駆動源 28を制御して間隔 dを lm mに狭め、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に添ってメンテ ナンスポジション力 対向電極 3の上方に移動させ、静電電圧電源 19を制御して静 電電圧電源 19から静電電圧 Vcを印加させる（図 11 (f) )。

[0154] 静電電圧を印加しているときにノズルプレート 12から対向電極 3に過電流が流れる と、過電流遅延回路 32により過電流の伝達が遅延され、また、電流リミッター 33によ りその過電流を検出される。

[0155] 以上のように、本実施形態に力かる液体吐出装置 1によれば、除電部材 71によりノ ズルプレート 12の吐出面 13全体を短時間に確実に除電することができるので、その 後洗浄部材 81によりノズルプレート 12に付着した液体ゃゴミ等の汚れを広げることな く除去することができる。

[0156] また、本実施例では除電部材 81としてブレードを用いた例を示した力 これに限定 されず、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 榭脂製の多孔質材料で球状に形成されて 、るものを備えるようにしても良 ヽ。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榭脂製の多孔質 材料で球状に形成されたものを用いるときは、洗浄部材 81は吐出面 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。

[0157] さらに、本実施例では、シリアル方式の液体吐出装置についての例を示した力 こ れに限定されず、液体吐出ヘッドと対向電極とを図 2に示した Z方向に離間させ、除 電装置の除電部材を液体吐出ヘッドと対向電極との間に挿入し、除電部材をノズル プレートの吐出面に当接するようにすることで、ライン方式の液体吐出装置に用いる ようにしても良い。

[第 2の実施の形態]

続いて、図 14、図 15を参照しながら、本発明にかかる液体吐出装置の第 2の実施 形態について説明する。

[0158] ただし、第 2の実施形態では、上記第 1の実施形態における除電装置と洗浄装置と が一体になつた除電洗浄装置（図 14、図 15参照）が設けられている点が異なってお り、除電洗浄装置以外の構成は上記第 1の実施形態と同様である。

[0159] 第 2の実施形態では、除電洗浄装置を中心とした説明を行い、上記第 1の実施形 態と同様の構成には上記と同様の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

[0160] 液体吐出装置 1は、図 14に示すように、搬送ベルト 2dを介して基材 Kを下方力も支 持する平板状の対向電極 3が駆動ローラ 2aとガイドローラ 2bとの間に配設されている 。対向電極 3の主走査方向 Xの一端側のメンテナンスポジションには、液体吐出へッ ド 6の後述するノズルプレートに帯電した電荷の除電とノズルプレートの洗浄とを行う 除電洗浄装置 34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 Xに移動して除電洗浄装置 34の上方に位置するように構 成されている。

[0161] また、図 15に示すように、前述したメンテナンスポジションの除電洗浄装置 34には 、除電洗浄部材 35と駆動源である除電洗浄用駆動源 36とが設けられており、除電 洗浄用駆動源 36の駆動により除電洗浄部材 35がノズルプレートの 12の吐出面に接 触して相対的に移動して前記吐出面を除電かつ洗浄をするようになっている。

[0162] 本実施形態では、除電洗浄部材 35として、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榭脂製の多孔質材料で球状に形成されている ものが用いられて 、る。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 続気泡を有する榭脂製の多孔質材料で球状に形成されたものを用いるときは、除電 洗浄部材 35は吐出面 13に帯電した電荷を除去すると共に、吐出面 13に付着した液 体 Lやゴミを溶解、分散させて吐出面から除去することが可能となり、吐出面 13の除 電と洗浄とを行うことができる。また、これにより後述する帯電の際に吐出面 13に付着 した液体 Lが均一な帯電を妨害することを防止することが可能となる。

[0163] また、除電洗浄用駆動源 36は、除電洗浄部材 35が吐出面に接触させた状態で吐 出面 13全面と接触するように、洗浄部材 81を吐出面に沿わせながら相対的に移動 させるようになつている。洗浄用駆動源 82は、制御装置 25に電気的に接続され、制 御装置 25の制御に基づ 、て駆動するようになって!/、る。

[0164] 制御装置 25は、除電洗浄装置 34の除電洗浄用駆動源 36を駆動するようになって おり、除電洗浄用駆動源 36を駆動させて除電洗浄部材 35をノズルプレート 12に当 接させてノズルプレート 12を除電かつ洗浄し、その後接離用駆動源 28を駆動させて ノズルプレート 12を帯電させるようになつている。

[0165] 次に、本実施形態に係る液体吐出装置 1を用いた液体吐出方法について説明する

[0166] 本実施形態では、図 15および図 5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のメニスカスを形成させ、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。

[0167] そして、液体 Lのメニスカスを静電吸引力により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 5に示したように帯電している。 [0168] 本実施形態では、メンテナンス時には、制御装置 25がキャリッジ 5をガイドレール 4 に沿って主走査方向 Xに移動させてメンテナンスポジションに搬送し、キャリッジ 5に 搭載されている液体吐出ヘッド 6が除電洗浄装置 34の上方に位置される。

[0169] 同時に制御装置 25は、駆動電圧電源 24を制御してピエゾ素子 23に対する印加を 停止させる。その後制御装置 25は、接離用駆動源 28を制御して、間隔 dを lmmから 、除電部材 71が吐出面 13と当接でき、また、除電洗浄部材 35が吐出面全面と接触 できる間隔まで広げる。

[0170] 間隔 dが広げられると、制御装置 25は、除電洗浄部材 35の先端が吐出面 13に接 触した状態で吐出面 13全面と接触するように除電洗浄用駆動源 36を制御する。こ れにより、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洗浄部材 35に含浸されている水によ り除電され、同時に吐出面 13に付着した液体 Lゃゴミが除電洗浄部材 35によって除 去される。

[0171] 除電洗浄工程が完了すると、制御装置 25は、液体吐出ヘッド 6が搭載されたキヤリ 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 せる。制御装置 25は、ノズルプレート 12に電荷を帯電するために、接離用駆動源 28 を制御して、間隔 dを lmmまで狭め、この状態で静電電圧電源 19を制御して、静電 電圧電源 19から帯電用電極 17に一定の静電電圧 Vを印加させる。

C

[0172] 以上のように、本実施形態に力かる液体吐出装置 1によれば、除電洗浄部材 35に よりノズルプレート 12の吐出面 13全体を短時間に確実に除電し、かつ同時にノズル プレート 12に付着した液体ゃゴミ等の汚れを広げることなく除去することができる。そ して、ノズルプレート 12を均一に帯電することができるので、液体吐出時にはノズル 1 1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。

Claims

請求の範囲

[1] 対向電極と、

前記対向電極に対向して設けられ、液体を吐出するノズルを備えた平面状のノズ ルプレートとを備えた液体吐出ヘッドを用いる液体吐出装置にぉ 、て、

対向電極と前記ノズル内の液体に電圧を印加する電圧印加装置と

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、

前記ノズルプレートを洗浄する洗浄装置と、

前記除電装置と前記洗浄装置とを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする液 体吐出装置。

[2] 前記制御装置は、前記除電装置の動作と前記洗浄装置の動作とを同時に行うよう に制御す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] 前記除電装置は、導電性の液体が含浸された除電部材を備えたことを特徴とする 請求の範囲第 1項または第 2項に記載の液体吐出装置。

[4] 前記除電部材は、多孔質部材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] 前記洗浄装置は、導電性の液体が含浸された多孔質部材を備えたことを特徴とす る請求の範囲第 1項力 請求の範囲第 4項のいずれか 1項に記載の液体吐出装置。

[6] 前記対向電極は、過電流防止回路又は過電流遅延回路のいずれかを備えたこと を特徴とする請求の範囲第 1項力 請求の範囲第 5項のいずれか 1項に記載の液体 吐出装置。

[7] 静電吸引方式ヘッド上に対向電極に対向して設けられた、平面状のノズルプレート に備えられたノズル力 液体を吐出する液体吐出方法において、

対向電極と前記ノズル内の液体に電圧を印加する電圧印加工程と

前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電工程と、

前記除電工程後に前記ノズルプレートを洗浄する洗浄工程と、

を行うことを特徴とする液体吐出方法。

[8] 静電吸引方式ヘッド上に対向電極に対向して設けられた平面状のノズルプレート に備えられたノズル力 液体を吐出する液体吐出方法において、 対向電極と前記ノズル内の液体に電圧を印加する電圧印加工程と 前記ノズルプレートに帯電した電荷を除電する除電工程と、

前記除電工程と前記ノズルプレートを洗浄する洗浄工程とを有し、前記除電工程と 前記洗浄工程とを同時に行うことを特徴とする液体吐出方法。

[9] 前記ノズルは、ノズル内径が 15 m未満とす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。

[10] 前記ノズルプレートは、ノズルプレートの体積抵抗率が 10¹⁵ Ω m以上とすることを特 徴とする請求の範囲第 1項に記載の液体吐出装置。

[11] 前記平面状のノズルプレートは、ノズルプレート吐出面からのノズルの突出は 30 m以内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。