WO2007099774A1

WO2007099774A1 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法

Info

Publication number: WO2007099774A1
Application number: PCT/JP2007/052704
Authority: WO
Inventors: Naomi Kubo; Atsuro Yanata; Yasuo Nishi
Original assignee: Konica Minolta Holdings, Inc.
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2007-09-07
Also published as: JP4930507B2; JPWO2007099774A1; US8020971B2; US20090096837A1

Abstract

　ノズルプレートの分極状態を短時間で容易に回復させることにより吐出動作を継続させることが可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法を提供する。液体が供給される液体供給口１２及び液体を基材に吐出する吐出口１０を有するノズル１１が設けられた絶縁性のノズルプレート６と、液体供給口１２に連通し吐出口１０から吐出される液体を貯蔵するキャビティ１６と、ノズル１１及びキャビティ１６の内部の液体と基材との間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧電源１５と、静電電圧電源１５を制御する制御手段１９とを設け、ノズル１１はフラットなノズルとし、制御手段１９は静電電圧電源１５が液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加する分極回復動作を行うように制御する。

Description

明細書

液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法

技術分野

[0001] 本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法に係り、特にフラットノズルを有する液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法に関する。

背景技術

[0002] 従来から、液体吐出ヘッドの微小化されたノズルから低粘度の液体のみならず高粘度の液体を吐出させる技術として、ノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液体の液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に形成される電界から受ける静電吸弓 [力により吐出させる静電吸引方式の液体吐出技術が知られてレ、る（特許文献 1など参照）。

[0003] また、この液体吐出技術と、ピエゾ素子の変形や液体内部での気泡の発生による圧力を利用して液体を吐出する技術とを組み合わせた電界アシスト方式を用いた液体吐出装置の開発が進んでいる（特許文献 2〜6など参照）。このうち、特許文献 5には、ピエゾ素子による印字パルスに静電電圧を同期させて液体を吐出する液体吐出ヘッドが記載されている。この電界アシスト法は、メニスカス形成手段と静電吸引力を用いてノズルの吐出口に液体のメニスカスを隆起させることにより、メニスカスに対する静電吸引力を高め、液表面張力に打ち勝ってメニスカスを液滴化し吐出する方法である。

[0004] 上記のような静電吸引方式や電界アシスト方式の液体吐出ヘッドに、体積抵抗率 1 0¹⁵ Ω πι以上である高抵抗の材質のノズルプレートを採用することで、吐出口が突出していないフラットな形状であっても、ノズル内の液体への静電電圧の印加によりへッドと対向電極との間に電界が形成されてノズノレの吐出孔に液体のメニスカスが形成され、そのメニスカスへ強い電界集中が起こり、メニスカスが集中電界による静電吸引力により液滴化されて吐出することが知られている（特許文献 7など参照）。

[0005] 更に、圧力発生手段（ピエゾなど）によるメニスカス形成手段と組み合わせることで、印加する静電電圧を低電圧化できることも知られている (特許文献 8など参照)。特許文献 1：国際公開第 03/070381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 :特開平 10— 166592号公報

特許文献 6 :特開 2003— 53977号公報

特許文献 7：国際公開第 06/067966号パンフレット

特許文献 8：国際公開第 06/068036号パンフレット

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] しかしながら、特許文献 1〜特許文献 6に記載のような静電吸引方式や電界アシスト方式の液体吐出ヘッドに、高抵抗の材質のノズルプレートを組み合わせたり、メニスカス形成手段を組み合わせたとしても、長時間連続して静電電圧を印加し続けた場合、液滴の吐出が不安定になったり、液体の吐出が停止してしまうという問題があることが判明した。

[0007] この現象は、ノズルプレートの空間電荷分極 (イオン分極）によってメニスカス先端への集中電界強度が低下してしまレ、、液滴の吐出が不可能な状態になるというものである。この場合はノズルプレートの空間電荷分極を解消して初期状態に戻さなければ、再び液滴を吐出することができない。しかし、空間電荷分極の解消には時間がかかり、その間吐出動作ができないため、この液体吐出ヘッドを工業用途などに用いた場合に生産性が低下するといつた問題があった。

[0008] そこで本発明は、ノズルプレートの分極状態を短時間で容易に回復させることにより吐出動作を継続させることが可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記課題を解決するため請求の範囲第 1項記載の発明は、液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズノレが設けられた絶縁性のノズルプレートと、前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキヤビティと、前記ノズル及び前記キヤビティの内部の液体と前記基材との間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する制御手段と、を備えた液体吐出ヘッドであって、前記ノズルは前記ノズノレプレートから突出していないフラットなノズノレであり、前記制御手段は前記静電電圧印加手段が液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加する分極回復動作を行うように制御することを特徴とする。

[0010] 請求の範囲第 1項記載の発明によれば、絶縁性のフラットなノズノレプレートと対向電極との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を長時間続けると、ノズノレプレートの分極により電界強度が低下して液体の吐出ができなくなるが、液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加することでノズルプレートの分極を回復させることが可能となる。これにより、単に静電電圧の印加を停止してノズルプレートの分極の回復を待つよりも、短時間で容易にノズルプレートの分極を回復させること力 Sできる。したがって、液体吐出ヘッドが生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

[0011] 請求の範囲第 2項記載の発明は、請求の範囲第 1項記載の液体吐出ヘッドであつて、前記静電電圧印加手段による液体吐出時における静電電圧の印加時間及び印加電圧値を記憶する記憶手段を備え、前記制御手段は、前記印加時間及び前記印加電圧値に基づき、液体吐出時に印加した静電電圧値の印加時間による積分値と前記逆極性の静電電圧値の印加時間による積分値の絶対値が等しくなるように前記逆極性の静電電圧値を決定し、前記静電電圧印加手段に前記静電電圧値によって前記分極回復動作を行わせることを特徴とする。

[0012] 請求の範囲第 2項記載の発明によれば、分極回復動作において、液体吐出時と静電電圧値の印加時間による積分値が等しくなるように逆電圧を印加することによって、ノズノレプレートの分極を回復させることができる。したがって、例えば、分極回復動作時間を短縮したい場合は、静電電圧値を大きくすることにより、液体吐出時の静電電圧印加によるノズノレプレートの分極を回復させることが可能となる。 [0013] 請求の範囲第 3項記載の発明は、請求の範囲第 1項又は請求の範囲第 2項記載の液体吐出ヘッドであって、前記キヤビティの容積を変化させることにより液体に圧力を発生させ、前記吐出口に前記液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成する圧力発生手段を備えることを特徴とする。

[0014] 請求の範囲第 3項記載の発明によれば、圧力発生手段でメニスカスを形成することにより、液滴吐出に必要な静電電圧を低下させることが可能となる。また、液体吐出動作の制御を高電圧の静電電圧でなくメニスカスを隆起させるだけの圧力発生手段の駆動により行うことが可能となる。

[0015] 請求の範囲第 4項記載の発明は、請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 3項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記ノズルプレートの体積抵抗率は 10¹⁵

Ω m以上であることを特徴とする。

[0016] 請求の範囲第 4項記載の発明によれば、ノズノレプレートの体積抵抗率を 10¹⁵ Ω πι 以上とすることで、メニスカス先端に強い電界を生じさせることができ、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第 5項記載の発明は、請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 4項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記吐出口の開口径は 15 /i m未満であることを特 ί数とする。

[0017] 請求の範囲第 5項記載の発明によれば、液体の吐出口を開口径 15 μ ΐη未満とすることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第 6項記載の発明は、液体吐出装置であって、請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 5項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと、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により液体を吐出させることを特徴とする。

[0018] 請求の範囲第 6項記載の発明によれば、液体吐出装置において請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 5項と同様の作用を得ることが可能となる。

[0019] 請求の範囲第 7項記載の発明は、請求の範囲第 1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により液体を吐出させる液体吐出装置であって前記分極回復動作時に前記液体吐出ヘッド及び前記対向電極の位置を調整して双方の離間距離を小さくする位置決め手段を備えることを特徴とする。

[0020] 請求の範囲第 7項記載の発明によれば、逆極性の静電電圧の印加時に液体吐出ヘッド及び対向電極の離間距離を小さくすることにより、分極回復時に使用する逆極性の静電電圧値を抑制することが可能となる。

[0021] 請求の範囲第 8項記載の発明は、液体吐出方法であって、液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズノレが設けられた絶縁性のノズルプレートと、前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキヤビティと、前記ノズル及び前記キヤビティの内部の液体と前記基材との間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する制御手段と、を備えた液体吐出ヘッドを使用して、前記ノズノレは前記ノズルプレートから突出しないフラットなノズノレとし、前記静電電圧印加手段が液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加する分極回復動作を行うように制御することを特徴とする。

[0022] 請求の範囲第 8項記載の発明によれば、絶縁性のフラットなノズノレプレートと対向電極との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を長時間続けると、ノズノレプレートの分極により電界強度が低下して液体の吐出ができなくなる力 S、液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加することでノズルプレートの分極を回復させることが可能となる。これにより、単に静電電圧の印加を停止してノズルプレートの分極の回復を待つよりも、短時間で容易にノズルプレートの分極を回復させること力 Sできる。したがって、液体吐出ヘッドが生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

[0023] 請求の範囲第 9項記載の発明は、請求の範囲第 8項記載の液体吐出方法であって、前記静電電圧印加手段による液体吐出時における静電電圧の印加時間及び印加電圧値を記憶する記憶手段を使用し、前記印加時間及び前記印加電圧値に基づき、液体吐出時に印加した静電電圧値の印加時間による積分値と前記逆極性の静電電圧値の印加時間による積分値の絶対値が等しくなるように前記逆極性の静電電圧値を決定し、前記静電電圧印加手段に前記静電電圧値によって前記分極回復動作を行わせることを特徴とする。

[0024] 請求の範囲第 9項記載の発明によれば、分極回復動作において、液体吐出時と静電電圧値の印加時間による積分値が等しくなるように逆電圧を印加することによって、ノズノレプレートの分極を回復させることができる。したがって、例えば、分極回復動作時間を短縮したい場合は、静電電圧値を大きくすることにより、液体吐出時の静電電圧印加によるノズノレプレートの分極を回復させることが可能となる。

[0025] 請求の範囲第 10項記載の発明は、請求の範囲第 8項又は請求の範囲第 9項記載の液体吐出方法であって、前記キヤビティの容積を変化させることにより液体に圧力を発生させ、前記吐出口に前記液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成する圧力発生手段を使用して液体を吐出させることを特徴とする。

[0026] 請求の範囲第 10項記載の発明によれば、圧力発生手段でメニスカスを形成することにより、液滴吐出に必要な静電電圧を低下させることが可能となる。また、液体吐出動作の制御を高電圧の静電電圧でなくメニスカスを隆起させるだけの圧力発生手段の駆動により行うことが可能となる。

[0027] 請求の範囲第 11項記載の発明は、請求の範囲第 8項〜請求の範囲第 10項のいずれか一項に記載の液体吐出方法であって、前記ノズルプレートの体積抵抗率は 1 0¹⁵ Ω m以上であることを特徴とする。

[0028] 請求の範囲第 11項記載の発明によれば、ノズノレプレートの体積抵抗率を 10¹⁵ Ω πι 以上とすることで、メニスカス先端に強い電界を生じさせることができ、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

請求の範囲第 12項記載の発明は、請求の範囲第 8項〜請求の範囲第 11項のいずれか一項に記載の液体吐出方法であって、前記吐出口の開口径は 15 μ m未満であることを特徴とする。

[0029] 請求の範囲第 12項記載の発明によれば、液体の吐出口を開口径 15 x m未満とすることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

[0030] 請求の範囲第 13項記載の発明は、請求の範囲第 8項〜請求の範囲第 12項のいずれか一項に記載の液体吐出方法であって、前記液体吐出ヘッドと、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により液体を吐出させることを特徴とする。

[0031] 請求の範囲第 13項記載の発明によれば、液体吐出方法において請求の範囲第 8 項〜請求の範囲第 12項と同様の作用を得ることが可能となる。

[0032] 請求の範囲第 14項記載の発明は、請求の範囲第 8項に記載の液体吐出方法であつて、前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極をさらに備え、前記分極回復動作時には前記液体吐出ヘッド及び前記対向電極の位置を調整して双方の離間距離を小さくするように制卸することを特 ί敷とする。

[0033] 請求の範囲第 14項記載の発明によれば、逆極性の静電電圧の印加時に液体吐出ヘッド及び対向電極の離間距離を小さくすることにより、分極回復時に使用する逆極性の静電電圧値を抑制することが可能となる。

発明の効果

[0034] 請求の範囲第 1項又は請求の範囲第 8項記載の発明によれば、単に静電電圧の印加を停止してノズルプレートの分極の回復を待つよりも、短時間で容易にノズルプレートの分極を回復させることにより、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

[0035] 請求の範囲第 2項又は請求の範囲第 9項記載の発明によれば、液体吐出時と分極回復時とで印加時間又は印加電圧値が相違する場合でも、両者の静電電圧値の印加時間による積分値を等しくすることにより、ノズルプレートの分極を回復させることが可能となる。

[0036] 請求の範囲第 3項又は請求の範囲第 10項記載の発明によれば、液滴吐出に必要な静電電圧を低下させることが可能となる。また、液体吐出動作の制御を圧力発生手段の駆動により行うことが可能となる。

[0037] 請求の範囲第 4項又は請求の範囲第 11項記載の発明によれば、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

[0038] 請求の範囲第 5項又は請求の範囲第 12項記載の発明によれば、液体を吐出するのに必要な駆動電圧を低減することができる。

[0039] 請求の範囲第 6項又は請求の範囲第 13項記載の発明によれば、液体吐出装置又は液体吐出方法において前項と同様の効果を得ることが可能となる。

[0040] 請求の範囲第 7項又は請求の範囲第 14項記載の発明によれば、分極回復時に使用する逆極性の静電電圧値を抑制することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0041] [図 1]第 1の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す概略構成図である。

[図 2]ノズノレ径と電界強度との関係例を示すグラフである。

[図 3]ノズノレ径と電界強度との他の関係例を示すグラフである。

[図 4]第 1の実施形態に係る液体吐出ヘッドに印加される印加される静電電圧の一例を示すグラフである。

[図 5]静電電圧印加時間に対するメニスカス先端部の電界強度の変化を示すグラフである。

[図 6]本実施形態に係る液体吐出ヘッドに印加される印加される静電電圧の他の例を示すグラフである。

[図 7]第 1の実施形態に係る液体吐出方法を示すフローチャートである。

[図 8]第 2の実施形態に係る液体吐出装置の全体構成を示す概略構成図である。

[図 9]第 2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの配置例を示す正面図である。

[図 10]第 2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの他の配置例を示す正面図である。

[図 11]第 2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの他の配置例を示す正面図である。符号の説明

[0042] 1 液体吐出装置

2 液体吐出ヘッド

3 対向電極

4 位置決め手段

5 吐出面 6 ノズノレプレート

7 帯電用電極

8 ：ホアィ層

9 可撓層

10 吐出口

11 ノズノレ

12 液体供給口

13 大径部

14 小径部

15 Β#· fii fiJ土 ii源

16 キヤビティ

17 ピエゾ素子

18 駆動電圧電源

19 制御手段

20 印加時間計測手段

21 記憶手段

22 ヘッド選択手段

23 電圧印加制御手段

24 ドラム

発明を実施するための最良の形態

[0043] [第 1の実施形態]

以下、本発明の第 1の実施形態について、図 1〜図 7を参照して説明する。

[0044] 図 1は、本実施形態の液体吐出装置 1の全体構成を示す断面模式図である。

[0045] 図 1に示すように、液体吐出装置 1は、インクなどの帯電可能な液体の液滴を吐出するライン方式の液体吐出ヘッド 2と、液体吐出ヘッド 2に対向し液滴の着弾を受ける基材 Kを支持する対向電極 3と、位置決め手段 4とを備えて構成されてレ、る。

[0046] 図 1に示すように、液体吐出ヘッド 2には、吐出面 5、ノズルプレート 6、帯電用電極 7、ボディ層 8及び可撓層 9が層状となるように設けられている。 [0047] 吐出面 5は液体吐出ヘッド 2の対向電極 3に対向する側に位置しており、吐出面 5 に開口された吐出口 10から対向電極 3に支持された基材 Kに液体が吐出されるようになっている。

[0048] ノズノレプレート 6は、石英ガラスによって構成されており、複数のノズル 11が穿孔されることによって形成されてレ、る。また、ノズノレプレート 6の体積抵抗率は 10¹⁵ Ω πι以上とされている。これにより、吐出口 10に形成されるメニスカスの先端部では強い電界強度が得られるようになってレ、る。

[0049] なお、ノズルプレート 6に使用する材料は石英ガラスに限らず、絶縁性の樹脂材料などを用いても良レ、。特に、ポリイミド（ΡΙ)、ポリエチレンテレフタラート（PET)、ポリエチレンナフタレート（PEN)、ポリテトラフルォロエチレン（PTFE)、ポリプロピレン（PP) など、体積抵抗率が 10¹⁵ Ω πι以上である高抵抗の樹脂材料も好ましく用いることが出来る。

[0050] 各ノズル 11は、液体の供給を受ける液体供給口 12と連通する大径部 13と、大径部 13の底面に開口されるとともに吐出口 10と連通する小径部 14との 2段構造とされている。

[0051] 本実施形態では、液体供給口 12の開口面積が吐出口 10の開口面積の 10倍以上となるように構成されている。また、小径部 14の長さは 15 /i m以下とされている。これにより、液体のメニスカスを所定量隆起させ、さらには吐出するのに必要な駆動電圧を低減させても安定して液体の吐出を行うことできるようになつている。

[0052] また、ノズル 11の大径部 13及び小径部 14は、それぞれ断面形状が円形となっており、大径部 13及び小径部 14の各側面は、ノズル 11の内部を通過する液体と各側面との間に生じる抵抗を低減させるため、液体供給口 12から吐出口 10に向かってそれぞれテーパ状となるように、すなわち大径部 13及び小径部 14の各断面積がそれぞれ液体供給口 12から吐出口 10に向かって減少するように形成されている。なお、大径部 12及び小径部 13はテーパ状に形成されていなくてもよい。

[0053] また、小径部 14が連通する吐出口 10の開口径は 15 z m未満とされている。これにより、吐出口に形成されるメニスカスの先端部へ強い電界強度が得られ、液滴を安定に吐出させることができる。 [0054] ここで、図 2及び図 3に一般的な吐出口の開口径に対するメニスカス先端部の電界強度を示す。図 2は、ノズルプレート 6の厚さ Hを 10 μ ΐη〜100 μ ΐηとした場合の吐出口の開口径に対するメニスカス先端部の電界強度を示すものである。また、図 3は、小径部 14の長さ Lを 5 μ m〜20 μ mとした場合の吐出口の開口径に対するメニスカス先端部の電界強度を示すものである。図 2及び図 3のいずれにおいても、吐出口の開口径が小さくなるほどメニスカス先端部の電界強度が大きくなつている。このように、開口径が小さいほど高い電界強度を得られて液滴を安定に吐出することが可能となるため、吐出口 10の開口径はより小さい方が好ましい。

[0055] 帯電用電極 7は、 NiPなどの導電素材によって構成されており、ノズノレプレート 6のうち吐出面 5と反対側の面に設けられると共に、ノズル 11の大径部 13の内周面まで延設されている。このように、帯電用電極 7がノズル 11の内部を通過する液体に接する構成とすることにより、帯電用電極 7はノズル 11の内部を通過する液体を帯電させるようになっている。

[0056] また、帯電用電極 7には、静電吸引力を生じさせる静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての静電電圧電源 15が電気的に接続されている。静電電圧電源 15から帯電用電極 7に静電電圧が印加されると、これにより、単一の帯電用電極 7がすべてのノズル 11内の液体に接触してレ、るため、全ノズノレ 11内の液体が同時に帯電され、液体吐出ヘッド 2と対向電極 3との間、特に液体と基材 Kとの間に静電吸引力が発生するようになっている。

[0057] ボディ層 8には、各ノズル 11の液体供給口 12に対応する位置に、液体供給口 12とほぼ等しい内径を有するキヤビティ 16がそれぞれ形成され、吐出される液体を一時貯蔵するようになっている。

[0058] 可撓層 9は、可撓性を有する金属薄板やシリコンなどによって構成され、液体吐出ヘッド 2のうち吐出面 5と反対側の面を覆って外界と画するようになつている。なお、ボディ層 8と可撓層 9との境界には、キヤビティ 16に液体を供給するための図示しなレヽ流路が形成されている。

[0059] また、可撓層 9の上面であってキヤビティ 16に対応する位置には、圧力発生手段として、圧電素子ァクチユエータであるピエゾ素子 17が設けられている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子ァクチユエータのほか、静電ァクチユエータゃサーマル方式などを採用することも可能である。

[0060] また、各ピエゾ素子 17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 18がそれぞれ接続されている。

[0061] また、静電電圧電源 15及び駆動電圧電源 18には、制御手段 19が電気的に接続されており、制御手段 19には印加時間計測手段 20及び記憶手段 21が電気的に接続されている。

[0062] 次に、対向電極 3は、基材 Kを支持する平板状の対向電極であり、液体吐出ヘッド 2の下方において、液体吐出ヘッド 2の吐出面 5に対して平行となるように所定距離離間されて配置されている。

[0063] 対向電極 3は接地されており、常時接地電位に維持されている。これにより、静電電圧電源 15から帯電用電極 7に静電電圧が印加されると、吐出口 10の液体と対向電極 3の液体吐出ヘッド 2に対向する対向面との間に電界が生じるようになつている。

[0064] 位置決め手段 4は、液体吐出ヘッド 2及び対向電極 3に接続されている。

[0065] 次に、本実施形態の液体吐出ヘッド 2の制御構成について説明する。

[0066] 静電電圧電源 15は、液体の吐出時に帯電用電極 7に静電電圧を印加するようになつている。これにより、全ノズル 11の内部の液体が同時に帯電され、液体吐出ヘッド 2と対向電極 3との間、特に液体と基材 Kとの間に静電吸引力が発生する。

[0067] なお、静電電圧電源 15は、液体吐出ヘッド 2が吐出可能状態にあるときに常に一定電圧を印加する構成とする他に、液滴を吐出するタイミングに合わせて任意の波形で印加する構成としてもょレ、。

[0068] 駆動電圧電源 18は、液体の吐出時に、各ピエゾ素子 17に駆動電圧を印加することによりピエゾ素子 17を変形させて、ノズル 11の内部の液体に圧力を発生させ、吐出口 10に液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成させるようになつている。これにより、メニスカス先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられ、ノズル 11の内部の液体から分離されて液滴となる。更に、液滴は静電力により加速され、対向電極 3に支持された基材 Kに引き寄せられて着弾する。その際、液滴は静電力の作用で基材 Kに対して垂直に飛翔しようとするため、飛翔方向が安定し着弾位置の精度が高くなる。

[0069] 印加時間計測手段 20は、液体吐出ヘッド 2における帯電用電極 7への静電電圧印加時間を計測して、計測結果を記憶手段 21に記憶するようになっている。

[0070] 記憶手段 21は、書き込み可能な不揮発性の記憶媒体であるフラッシュメモリなどにより構成され、液体吐出時の静電電圧印加データを記憶するようになっている。ここで、液体吐出時の静電電圧印加データとは、液体吐出時における静電電圧電源 15 の帯電用電極 7への静電電圧印加時間 t及び静電電圧値 Vなどを意味する。

[0071] 制御手段 19は、図示しない CPU19a、： ROM19b及び RAMI 9cを備えて構成され、 CPU19aが R〇M19bに格納されたプログラムを実行することにより、駆動電圧電源 18及び静電電圧電源 15を駆動して、液体吐出ヘッド 2に液体吐出動作を行わせるようになつている。

[0072] また、制御手段 19は、静電電圧電源 15に液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加する分極回復動作を行わせるようになっている。すなわち、静電電圧電源 15は液体吐出時に帯電用電極 7に所定時間、所定の電圧値で静電電圧を印加した後、ノズノレプレート 6の分極を回復させるため、液体吐出時と逆極性の静電電圧を所定時間、所定の電圧値で印加するようになっている。なお、液体吐出時と逆極性の静電電圧の電圧値は、絶縁破壊電圧値以下とされてレ、る。

[0073] 図 4に、静電電圧電源 15により印加される静電電圧を示す。本実施形態では、図 4 に示すように、液体吐出時の静電電圧値を V、印加時間を tとし、分極回復時の静

1 1

電電圧値を V、印加時間を tとして、印加時間 t =印加時間 t，静電電圧値

2 2 1 2 I V

1 I

= I静電電圧値 V

2 Iとなるように静電電圧値 Vを決定した上で、分極回復時に逆極

2

性の静電電圧を印加するようになってレ、る。

[0074] また、液体吐出時の「印加時間 t」は、静電電圧電源 15が連続して静電電圧を印

1

加することによりノズノレプレート 6が分極してメニスカス先端部の電界強度の低下により液滴の安定吐出が不可能になるまでの時間となっている。

[0075] 図 5に、静電電圧印加時間に対するメニスカス先端部の電界強度の変化を示す。

図 5に示すように、帯電用電極 7に所定時間連続して静電電圧を印加すると、ノズノレプレート 6が分極してメニスカス先端部の電界強度が低下し始める。なお、電界強度が低下し始めるまでの所定時間は、ノズルプレート 6の体積抵抗率により相違し、体積抵抗率の高い方が電界強度の高い状態が長い時間保たれる。従って、ノズルプレート 6に使用する材料は体積抵抗率のより高い材料を用いることが好ましい。

[0076] このように、ノズノレプレート 6と対向電極 3との間に静電電圧を印加して液体の吐出動作を続けると、ノズルプレート 6の分極により電界強度が低下して液体の吐出状態が変化する。そこで、制御手段 19は、ノズノレプレート 6が分極する前に静電電圧電源 15に分極回復動作をさせることにより、電界強度の低下によって液体の吐出状態が変化することを防止するようになってレ、る。

[0077] 次に、図 6に、帯電用電極 7への他の静電電圧印加パターンを示す。図 6の例では、静電電圧値 Vの印加時間 tによる積分値及び静電電圧値 Vの印加時間 tによる

1 1 2 2 積分値の絶対値が等しくなるように、すなわち I 印加時間 t X静電電圧値 V

1 1 I = I 印加時間 t X静電電圧値 V

2 I となるように静電電圧値 Vを決定した上で、分極回復

2 2

時に逆極性の静電電圧を印加するようになっている。

[0078] このように、液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性で大きさの等しい静電電圧を印加することにより、ノズノレプレート 6の分極を回復させることが可能となっている。

[0079] 更に、制御手段 19は、液体吐出時と分極回復時とで液体吐出ヘッド 2と対向電極 3 とのギャップが変化した場合は、そのギャップに応じて逆極性の静電電圧を印加するようになっている。すなわち、液体吐出時と分極回復時とで、静電電圧値 Vの時間に

1 よる積分値の絶対値にギャップの逆数を乗じた値が等しくなるように逆極性の静電電圧を印加するようになってレ、る。

[0080] 例えば、液体吐出時における液体吐出ヘッド 2と対向電極 3とのギャップを 1として、分極回復時におけるギャップを 1/2とした場合、逆極性の静電電圧値は 1Z2でよレ、。したがって、 I静電電圧値 V X印加時間 t X I

1 1 I = I静電電圧値 V X印加時間

2 t X 2 I となるような逆極性の静電電圧値 Vを印加するようになっている。

2 2

[0081] 位置決め手段 4は、液体吐出ヘッド 2と対向電極 3に支持された基材 Kとを相対的に移動させることにより、液体吐出ヘッド 2の各ノズル 11から吐出された液滴を、基材 Kの表面における任意の位置に着弾させるようになつている。

[0082] また、位置決め手段 4は、対向電極 3と液体吐出ヘッド 2との離間距離 (ギャップ）を 0.：!〜 3. 0mm程度の範囲内で適宜設定するようになっている。これにより、静電電圧電源 15が液体吐出時と逆極性の静電電圧を印加する際に、対向電極 3と液体吐出ヘッド 2とのギャップを小さくするようになつている。例えば、分極回復時における液体吐出ヘッド 2と対向電極 3とのギャップを液体吐出時の 1Z2程度とすれば、分極回復時に印加する静電電圧値は 1Z2でよいという効果が得られる。

[0083] 次に、液体吐出ヘッド 2を使用した本発明の液体吐出方法について、図 7のフローチャートを参照して説明する。

[0084] 図示しない入力手段などにより液体吐出動作の指示信号が入力されると、制御手段 19は液体の吐出を開始するか否かを判断し (ステップ S1)、開始しないと判断した場合は処理を終了する。

[0085] 一方、液体の吐出を開始すると判断した場合は、制御手段 19は静電電圧電源 15 の制御により帯電用電極 7に静電電圧を印加する。これにより、全ノズル 11の内部の液体が同時に帯電され、液体と基材 Kとの間に静電吸引力が発生する。

[0086] 続いて、制御手段 19は駆動電圧電源 18の制御により、各ピエゾ素子 17に駆動電圧を印加することによりピエゾ素子 17を変形させて、ノズル 11の内部の液体に圧力を発生させ、吐出口 10に液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成させる。すると、メニスカス先端部で非常に強い電界集中が生じ、電界の静電力によってメニスカスが引きちぎられ、ノズル 11の内部の液体から分離されて液滴となる。更に、液滴は静電力により加速され、対向電極 3に支持された基材 Kに引き寄せられて着弾する（ステツプ S2)。

[0087] 一方、記憶手段 21は、液体吐出時に静電電圧電源 15による静電電圧印加時間 t 及び静電電圧値 Vを記憶する。

[0088] 続いて、制御手段 19は静電電圧の印加開始から静電電圧印加時間 tが経過した

1

か否かを判断し (ステップ S3)、経過していない場合は静電電圧電源 15に液体の吐出を継続させ (ステップ S2)、経過した場合は静電電圧値 Vの印加を停止して液体

1

吐出動作を終了させる (ステップ S4)。

[0089] なお、液体吐出動作の終了後、逆極性の静電電圧を印加する前に、位置決め手段 4により対向電極 3と液体吐出ヘッド 2との離間距離 (ギャップ）を小さくしてもよレ、。 [0090] 次に、制御手段 19は、記憶手段 21に記憶された静電電圧印加時間及び静電電圧値 Vに基づき、ノズルプレート 6の分極を回復させるための分極回復時間 t及び逆

1 2 極性の静電電圧値 Vを決定する。

2

[0091] 例えば、図 4の例に示すように、静電電圧印加時間 t =分極回復時間 t ,

1 2 I静電電圧値 V I = I静電電圧値 V Iとなるように逆極性の静電電圧値 Vを決定する。ま

1 2 2 た、図 6の例に示すように、 I静電電圧印加時間 t X静電電圧値 V

1 I = I分極回復

1

時間 X静電電圧値 V I となるように逆極性の静電電圧値 Vを決定することもできる

2 2 2

。こうして静電電圧値 Vの印加時間 tによる積分値及び静電電圧値 Vの印加時間 t

1 1 2 2 による積分値の絶対値を等しくすることによって、静電電圧値 Vの印加によりノズノレプ

2

レート 6の分極を回復させることが可能となる。

[0092] また、制御手段 19は、液体吐出時と分極回復時とで液体吐出ヘッド 2と対向電極 3 とのギャップが変化した場合は、そのギャップに応じて逆極性の静電電圧を印加する。すなわち、液体吐出時と分極回復時とで、静電電圧値の印加時間による積分値の絶対値にギャップの逆数を乗じた値が等しくなるように逆極性の静電電圧を印加する

[0093] 次に、静電電圧電源 15は、制御手段 19の制御により、帯電用電極 7に逆極性の静電電圧値 Vを印加する（ステップ S5)。続いて、逆極性の静電電圧の印加開始から

2

静電電圧印加時間 tが経過したか否力を判断し (ステップ S6)、経過していない場合

2

は分極回復動作を継続し (ステップ S5)、経過した場合は分極回復動作を終了する（ステップ S 7)。

[0094] 次に、制御手段 19は液体の吐出を継続するか否かを判断し (ステップ S8)、継続する場合は、再び静電電圧の印加により液体を吐出する（ステップ S2)。一方、液体の吐出を継続しない場合は処理を終了する。

[0095] このように本実施形態に係る液体吐出ヘッド 2、液体吐出装置 1及び液体吐出方法によれば、絶縁性のフラットなノズノレプレート 6と対向電極 3との間に同一極性の静電電圧を印加して液体の吐出動作を長時間続けると、ノズルプレート 6の分極により電界強度が低下して液体の吐出ができなくなるが、液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加することでノズルプレート 6の分極を回復させることが可能となる。これにより、単に静電電圧の印加を停止してノズルプレート 6の分極の回復を待つよりも、短時間で容易にノズルプレート 6の分極を回復させることができる。したがつて、液体吐出ヘッド 2が生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

[0096] また、分極回復動作において、液体吐出時と静電電圧値の印加時間による積分値が等しくなるように逆電圧を印加することによって、ノズルプレートの分極を回復させること力 Sできる。したがって、例えば、分極回復動作時間を短縮したい場合は、静電電圧値を大きくすることにより、液体吐出時の静電電圧印加によるノズルプレートの分極を回復させることが可能となる。

[0097] また、圧力発生手段でメニスカスを形成することにより、液滴吐出に必要な静電電圧を低下させることが可能となる。また、液体吐出動作の制御を高電圧の静電電圧でなくメニスカスを隆起させるだけの圧力発生手段の駆動により行うことが可能となる。

[0098] また、ノズノレプレート 6の体積抵抗率を 10¹⁵ Ω ιη以上とすることで、メニスカス先端に強い電界を生じさせることができ、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

[0099] また、吐出口 10を開口径 15 μ ΐη未満とすることで、メニスカス先端部への電界集中が効果的に生じるため、液滴を効率よく安定的に吐出させることが可能となる。

[0100] また、液体吐出ヘッド及び対向電極の位置を調整して双方の離間距離を小さくすることにより、分極回復時に使用する逆極性の静電電圧値を抑制することが可能となる。

[第 2の実施形態]

次に、本発明の第 2の実施形態について、図 8〜図 11を参照して説明する。なお、上記実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

[0101] 本実施形態の液体吐出装置 1は、複数の液体吐出ヘッド 2を備えている。また、図 8 に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッド 2には、ヘッド選択手段 22及び切替手段としての電圧印加制御手段 23が電気的に接続されている。

[0102] 次に、複数の液体吐出ヘッド 2の配置について説明する。図 9に示すように、液体吐出装置 1には、基材 Kの搬送方向に直交する方向に沿って設けられたライン方式の液体吐出ヘッド 2が、 4列に平行となるように並設されている。なお、本発明の液体吐出ヘッドは 4列でなくとも複数並設されてレヽればよレ、。

[0103] なお、複数の液体吐出ヘッド 2の配置としては、図 10に示すように図示しない回転機構を備えたドラム 24の外周に等間隔となるように取り付けてもよぐまた、図 11に示すように、ドラム 24の外周に複数の液体吐出ヘッド 2の各々を回転可能に取り付けることも可能である。この場合、所定の液体吐出ヘッド 2から液体を吐出する際は、その液体吐出ヘッド 2の吐出面 5が基材 Kの側に向くように、図示しないヘッド移動手段により図示しない回転機構を駆動制御してドラム 24を回転させる。

[0104] 次に、液体吐出装置 1の制御構成について説明する。

[0105] ヘッド選択手段 22は、図示しない CPU、 ROM及び RAMを備えて構成され、 CP U力 SR〇Mに格納されたプログラムを実行することにより、液体吐出動作を開始させる液体吐出ヘッド 2を選択して、選択結果を電圧印加制御手段 23に出力するようになつている。

[0106] すなわち、ヘッド選択手段 22は、印加時間計測手段 20の計測結果に基づき、液体を吐出する液体吐出ヘッド 2への静電電圧の印加時間が静電電圧印加時間 tに

1 達したときは、 4列の液体吐出ヘッド 2から他の液体吐出ヘッド 2を選択するようになつている。

[0107] 電圧印加制御手段 23は、図示しない CPU、 ROM及び RAMを備えて構成され、 CPU力 ¾〇Mに格納されたプログラムを実行することにより、各液体吐出ヘッド 2が備える制御手段 19を制御して、液体吐出ヘッド 2ごとの液体の吐出を制御するようになつている。

[0108] すなわち、電圧印加制御手段 23は切替手段としての機能を果たすようになつており、ヘッド選択手段 22により液体吐出動作を開始させる液体吐出ヘッド 2が選択されると、選択された液体吐出ヘッド 2に静電電圧が印加されるように切り替えを行うようになっている。

[0109] 次に、液体吐出ヘッド 2を使用した本発明の液体吐出方法のうち、上記実施形態と相違する部分について説明する。

[0110] 液体吐出処理が開始されると、電圧印加制御手段 23は、 4列のうちいずれかの液体吐出ヘッド 2の制御手段 19に、液体吐出動作の開始の指示信号を送信する。

[0111] 続いて、所定の液体吐出ヘッド 2において液体吐出動作が開始されると、印加時間計測手段 20は、静電電圧印加時間を計測して、計測結果を記憶手段 21に記憶すると共にヘッド選択手段 22に出力する。また、記憶手段 21は静電電圧電源 15の静電電圧値を記憶する。

[0112] 次に、液体吐出時の静電電圧の印加時間が静電電圧印加時間 tに達すると、電圧印加制御手段 23はその液体吐出ヘッド 2の液体吐出動作を終了させる。また、へッド選択手段 22は、 4列の液体吐出ヘッド 2から他の液体吐出ヘッド 2を選択して、選択結果を電圧印加制御手段 23に出力する。

[0113] 続いて、電圧印加制御手段 23は、ヘッド選択手段 22により選択された液体吐出へッド 2の制御手段 19に、液体吐出動作の開始の指示信号を送信する。

[0114] 一方で、電圧印加制御手段 23は、液体吐出動作を終了した液体吐出ヘッド 2の制御手段 19に、分極回復動作の開始の指示信号を送信する。

[0115] 続いて、分極回復動作の開始の指示信号を受信した液体吐出ヘッド 2の制御手段 19は、静電電圧電源 15の制御により液体吐出時と逆極性の静電電圧を印加して、ノズノレプレート 6の分極を回復させる。

[0116] このように本実施形態に係る液体吐出ヘッド 2、液体吐出装置 1及び液体吐出方法によれば、複数の液体吐出ヘッド 2を備える液体吐出装置 1において、一つの液体吐出ヘッド 2について液体吐出動作を行っている間に、液体吐出動作を終了した他の液体吐出ヘッド 2について分極回復動作を行うことができる。これにより、分極回復動作を行いつつ、液体吐出装置 1の全体として液体吐出動作を継続することが可能となる。

[0117] 以上詳細に説明したように、本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法によれば、ノズノレプレートの分極状態を短時間で容易に回復させることにより、液体吐出ヘッドが生産ラインで使用される場合にも、液体の吐出不良により生産性を低下させることなく吐出動作を継続させることが可能となる。

なお、ここまでは液体吐出ヘッド内の液体に静電電圧を印加し、対向電極を接地させる形態で説明を行ってきたが、逆に対向電極に静電電圧を印加し、液体吐出へッド内の液体を接地させる形態を取ることも可能であり、同様の効果を得ることが出来る

Claims

請求の範囲

[1] 液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズノレが設けられた絶縁性のノズノレプレートと、

前記液体供給口に連通し前記吐出口から吐出される液体を貯蔵するキヤビティと、前記ノズノレ及び前記キヤビティの内部の液体と前記基材との間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、

前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する制御手段と、を備えた液体吐出ヘッドであって、

前記ノズノレは前記ノズルプレートから突出していないフラットなノズルであり、前記制御手段は前記静電電圧印加手段が液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加する分極回復動作を行うように制御することを特徴とする液体吐出ヘッド。

[2] 前記静電電圧印加手段による液体吐出時における静電電圧の印加時間及び印加電圧値を記憶する記憶手段を備え、

前記制御手段は、前記印加時間及び前記印加電圧値に基づき、液体吐出時に印カロした静電電圧値の印加時間による積分値と前記逆極性の静電電圧値の印加時間による積分値の絶対値が等しくなるように前記逆極性の静電電圧値を決定し、前記静電電圧印加手段に前記静電電圧値によって前記分極回復動作を行わせることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の液体吐出ヘッド。

[3] 前記キヤビティの容積を変化させることにより液体に圧力を発生させ、前記吐出口に前記液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成する圧力発生手段を備えることを特徴とする請求の範囲第 1項又は請求の範囲第 2項記載の液体吐出ヘッド。

[4] 前記ノズノレプレートの体積抵抗率は 10¹⁵ Ω πι以上であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 3項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。

[5] 前記吐出口の開口径は 15 / m未満であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 4項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。

[6] 請求の範囲第 1項〜請求の範囲第 5項のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドと

、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により液体を吐出させることを特徴とする液体吐出装置。

[7] 請求の範囲第 1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により液体を吐出させる液体吐出装置であって、

前記分極回復動作時に前記液体吐出ヘッド及び前記対向電極の位置を調整して双方の離間距離を小さくする位置決め手段を備えることを特徴とする液体吐出装置

[8] 液体が供給される液体供給口及び前記液体供給口から供給された液体を基材に吐出する吐出口を有するノズノレが設けられた絶縁性のノズノレプレートと、

前記静電電圧印加手段による前記静電電圧の印加を制御する制御手段と、を備えた液体吐出ヘッドを使用して、

前記ノズノレは前記ノズルプレートから突出しないフラットなノズルとし、

前記静電電圧印加手段が液体吐出時に印加した静電電圧と逆極性の静電電圧を印加する分極回復動作を行うように制御することを特徴とする液体吐出方法。

[9] 前記静電電圧印加手段による液体吐出時における静電電圧の印加時間及び印加電圧値を記憶する記憶手段を使用し、

前記印加時間及び前記印加電圧値に基づき、液体吐出時に印加した静電電圧値の印加時間による積分値と前記逆極性の静電電圧値の印加時間による積分値の絶対値が等しくなるように前記逆極性の静電電圧値を決定し、前記静電電圧印加手段に前記静電電圧値によって前記分極回復動作を行わせることを特徴とする請求の範囲第 8項記載の液体吐出方法。

[10] 前記キヤビティの容積を変化させることにより液体に圧力を発生させ、前記吐出口に前記液体の吐出方向に凸状のメニスカスを形成する圧力発生手段を使用して液体を吐出させることを特徴とする請求の範囲第 8項又は請求の範囲第 9項記載の液体吐出方法。

[11] 前記ノズノレプレートの体積抵抗率は 10¹⁵ Ω ιη以上であることを特徴とする請求の範囲第 8項〜請求の範囲第 10項のいずれか一項に記載の液体吐出方法。

[12] 前記吐出口の開口径は 15 μ m未満であることを特徴とする請求の範囲第 8項〜請求の範囲第 11項のいずれか一項に記載の液体吐出方法。

[13] 前記液体吐出ヘッドと、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〜請求の範囲第 12項のいずれか一項に記載の液体吐出方法。

[14] 請求の範囲第 8項に記載の液体吐出方法であって、前記液体吐出ヘッドに対向する対向電極をさらに備え、前記分極回復動作時には前記液体吐出ヘッド及び前記対向電極の位置を調整して双方の離間距離を小さくするように制御することを特徴とする液体吐出方法。