(57)【要約】【課題】  吐出不良を防止して、液体吐出の安定性を向上させる。【解決手段】  この液体吐出装置には、対向電極に対向するフラットなノズルプレートに形成されたノズルから液体を吐出するために、ノズルの吐出口に液体のメニスカスを形成する圧力発生手段及びノズルプレートを介して対向電極に対向する帯電用電極によりノズルの液体に静電電圧を印加する静電電圧印加手段を有する液体吐出ヘッドが設けられている。そして、液体吐出装置には、ノズルプレートに電荷を帯電する帯電手段と、圧力発生手段、静電電圧印加手段及び帯電手段を制御する動作制御手段とが備えられている。動作制御手段は、圧力発生手段、静電電圧印加手段及び帯電手段を制御して、初期動作としてノズルプレートに電荷を帯電させる。【選択図】図１
2006175296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材を支持する対向電極と、
前記対向電極に対向するフラットなノズルプレートに形成されたノズルから液体を吐出するために、前記ノズルの吐出口に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プレートを介して前記対向電極に対向する帯電用電極により前記ノズルの液体に静電電圧を印加する静電電圧印加手段を有する液体吐出ヘッドと、
前記ノズルプレートに電荷を帯電させる帯電手段と、
前記圧力発生手段、前記静電電圧印加手段及び前記帯電手段を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記圧力発生手段、前記静電電圧印加手段及び前記帯電手段を制御して、初期動作として前記ノズルプレートに電荷を帯電させることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
請求項１記載の液体吐出装置において、
前記ノズルプレートの吐出面に接触して相対的に移動することで前記吐出面をワイプするワイパ手段を備え、
前記動作制御手段は、前記ワイパ手段を制御して、前記ワイパ手段による前記吐出面のワイプ後に前記ノズルプレートに電荷を帯電させることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項３】
請求項２記載の液体吐出装置において、
前記動作制御手段は、前記静電電圧印加手段を制御して、前記ワイパ手段による前記吐出面のワイプ時に前記静電電圧の印加を停止することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、
前記ノズルプレートは絶縁性があり、かつ比誘電率が２以上１０以下であることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の液体吐出装置において、
前記帯電手段は、前記動作制御手段の制御に基づいて、前記ノズルプレート及び前記対向電極を相対的に接離させる接離手段であり、
前記動作制御手段は、前記帯電時に前記接離手段を制御して、前記ノズルプレート及び前記対向電極の間隔を前記液体吐出時よりも狭めることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、
前記帯電時における前記間隔を３００μｍ以下とすることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項７】
請求項１〜４の何れか一項に記載の液体吐出装置において、
前記帯電手段は、前記動作制御手段の制御に基づいて、前記静電電圧印加手段の電圧を調整する電圧調整手段であり、
前記動作制御手段は、前記帯電時に前記電圧調整手段を制御して、前記静電電圧印加手段の電圧を前記液体吐出時よりも高くすることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項８】
請求項７記載の液体吐出装置において、
前記動作制御手段は、前記電圧調整手段を制御して、前記帯電時における電圧値を前記液体吐出時における電圧値に対して前記ノズルプレートの比誘電率倍以上にすることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項９】
対向電極に支持された前記基材に対向するフラットなノズルプレートに電荷を帯電させる帯電工程の後に、
前記ノズルプレートに形成されたノズルの吐出口に液体のメニスカスを形成するとともに、液体に静電電圧を印加することで、液体を吐出する液体吐出工程を行うことを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１０】
請求項９記載の液体吐出方方法において、
前記吐出工程後に、前記ノズルプレートの吐出面に接触して相対的に移動することで前記吐出面をワイプするワイプ工程を行い、
前記帯電工程では、前記ワイプ工程の後に前記ノズルプレートに電荷を帯電させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の液体吐出方法において、
前記ワイプ工程では、前記静電電圧の印加が停止されていることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、
前記ノズルプレートが絶縁性であり、かつ比誘電率が２以上であることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２の何れか一項に記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程では、前記ノズルプレート及び前記対向電極の間隔を前記液体吐出工程よりも狭めることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程での前記間隔は３００μｍ以下であることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１５】
請求項９〜１２の何れか一項に記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程では、前記液体吐出時の電圧値よりも電圧を高くすることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程における電圧値を前記液体吐出工程の電圧値に対して前記ノズルプレートの比誘電率倍以上にすることを特徴とする液体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【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、特にフラットノズルを有する電界集中型の液体吐出装置及び液体吐出方法に関する。
【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。
【０００３】
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）。
【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、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。
【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２００３−５３９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
静電吸引方式の液滴吐出技術や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。
【０００６】
静電吸引方式の液滴吐出技術や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。
【０００７】
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。また、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手段に高い電圧を印加する必要があるという問題があった。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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数十μｍ程度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。
【００１１】
そこで、本発明者らは、吐出面がフラットで、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、さらに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においても低静電電圧で効率的に吐出することが可能となり、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装置の開発に着手した。
【００１２】
開発を進めるにあたり、本発明者らはノズルプレートに電荷を帯電させることで電界強度を制御する方式を検討した。この検討により電界集中に必要なノズルプレートの電界強度を得るためにはノズルプレートを長時間帯電させなければならないことが分かった。これでは、描画のスタートまでに相当の時間がかかってしまい、効率的でない。そこでノズルプレートへの所望な電界強度を短時間で得ることが課題であった。
【００１３】
本発明の課題は、ノズルプレートへの電界強度を短時間で得ることで、微細パターン形成及び高粘度の液体吐出が可能な液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１記載の発明における液体吐出装置は、
基材を支持する対向電極と、
前記対向電極に対向するフラットなノズルプレートに形成されたノズルから液体を吐出するために、前記ノズルの吐出口に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プレートを介して前記対向電極に対向する帯電用電極により前記ノズルの液体に静電電圧を印加する静電電圧印加手段を有する液体吐出ヘッドと、
前記ノズルプレートに電荷を帯電させる帯電手段と、
前記圧力発生手段、前記静電電圧印加手段及び前記帯電手段を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記圧力発生手段、前記静電電圧印加手段及び前記帯電手段を制御して、初期動作として前記ノズルプレートに電荷を帯電させることを特徴としている。
【００１５】
本発明者らは、種々の実験、シミュレーションを行い、ノズルプレートに十分な電荷が帯電されていなければ電界強度が弱く吐出できないことを見出した。これを防止するために液体と出時の電圧を高めて吐出したとしても時間とともに電界強度が高まってしまい、液滴径のばらつきやミスト、サテライト液滴などの不良吐出が発生する可能性が高まってしまう。しかしながら、請求項１記載の発明のように帯電手段がノズルプレートに電荷を帯電させれば、吐出時の電圧を高めなくとも電界強度を強くすることができ、所望な電界強度を短時間で得ることができる。
特に、液体吐出前にノズルプレートに十分な電荷が帯電されていないと、吐出不良が生じる可能性が解消されないが、上述のように液体吐出前の初期動作としてノズルプレートに電荷を帯電させていれば吐出不良を確実に防止することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の液体吐出装置において、
前記ノズルプレートの吐出面に接触して相対的に移動することで前記吐出面をワイプするワイパ手段を備え、
前記動作制御手段は、前記ワイパ手段及び前記帯電手段を制御して、前記ワイパ手段による前記吐出面のワイプ後に前記ノズルプレートに電荷を帯電させることを特徴としている。
【００１７】
ここで、ノズルプレートに十分な電荷が帯電されていても、ワイパ手段によって吐出面がワイプされてしまうと、蓄えられていた電荷が大量に失われてしまい、吐出不良が生じてしまう。しかしながら、請求項２記載の発明のように、帯電のタイミングをワイプ後に設定していればワイプによる吐出不良を確実に防止することができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の液体吐出装置において、
前記動作制御手段は、前記静電電圧印加手段を制御して、前記ワイパ手段による前記吐出面のワイプ時に前記静電電圧の印加を停止することを特徴としている。
【００１９】
ワイプ時においてはノズルプレートの吐出面に付着した液体を拭いたり、弾き飛ばしたりするため、液体がノズル近隣に存在しており静電電圧を印可してしまうと帯電ムラを発生させる場合がある。またノズルプレートに接触するワイプ手段においても同様の悪影響が考えられる。しかしながら、請求項３記載の発明のように、ワイプ時に静電電圧の印加を停止させていれば、帯電ムラや悪影響を回避することができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、
前記ノズルプレートは絶縁性があり、かつ比誘電率が２以上１０以下であることを特徴としている。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、ノズルプレートは絶縁性があり、かつ比誘電率が２以上であるので、ノズルプレートの内部に強い電界を発生させることが可能となる。比誘電率が１であると帯電することがないが、１より大きければ帯電することになる。しかしながら、比誘電率が２未満では帯電性が芳しくないものの２以上であれば好適に帯電させることができる。一方、比誘電率が１０よりも大きいと帯電させるための負荷が大きくなって現実的でない。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の液体吐出装置において、
前記帯電手段は、前記動作制御手段の制御に基づいて、前記ノズルプレート及び前記対向電極を相対的に接離させる接離手段であり、
前記動作制御手段は、前記帯電時に前記接離手段を制御して、前記ノズルプレート及び前記対向電極の間隔を前記液体吐出時よりも狭めることを特徴としている。
【００２３】
ここで、ノズルプレートに蓄えられる電荷（Ｑ）はノズルプレートに電界がかかったことによる分極により発生する電荷であり、Ｑ＝ＣＶ（Ｃ：静電容量、Ｖ：電圧）で表される。また、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ（ε：空気の誘電率、Ｓ：ノズルプレート及び対向電極の対向部分の面積、ｄ：ノズルプレートと対向電極との間隔）であるので、Ｑ＝（ε・Ｓ／ｄ）・Ｖとなる。つまり、ｄが小さければ蓄えられる電荷も多くなる。このことから、請求項５記載の発明のように、帯電時にノズルプレート及び対向電極の間隔を液体吐出時よりも狭めることで、蓄えられる電荷を多くすることができ、その結果、単位時間あたりのチャージ量が増加し、短時間で必要な電荷を帯電させることが可能となる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、
前記帯電時における前記間隔を３００μｍ以下とすることを特徴としている。
【００２５】
請求項６記載の発明によれば、帯電時におけるノズルプレートと対向電極との間隔が３００μｍ以下に設定されているので、液体吐出に必要な電荷をより短時間で帯電することができる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の液体吐出装置において、
前記帯電手段は、前記動作制御手段の制御に基づいて、前記静電電圧印加手段の電圧を調整する電圧調整手段であり、
前記動作制御手段は、前記帯電時に前記電圧調整手段を制御して、前記静電電圧印加手段の電圧を前記液体吐出時よりも高くすることを特徴としている。
【００２７】
ここで、上記したようにノズルプレートに蓄えられる電荷（Ｑ）はＱ＝（ε・Ｓ／ｄ）・Ｖであるので、Ｖが大きければ蓄えられる電荷も多くなる。このことから、請求項７記載の発明のように帯電時に静電電圧印加手段の電圧を体吐出時よりも高くすることで、単位時間に蓄えられる電荷を多くすることができ、結果的に帯電時間を短縮することが可能となる。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の液体吐出装置において、
前記動作制御手段は、前記電圧調整手段を制御して、前記帯電時における電圧値を前記液体吐出時における電圧値に対して前記ノズルプレートの比誘電率倍以上にすることを特徴としている。
【００２９】
ここで、ノズルプレートの比誘電率とは、（ノズルプレートの材質の誘電率）／（真空の誘電率）で表される。空気の誘電率は真空の誘電率にほぼ等しいと見なせる。ノズルプレートの材質の誘電率が空気の誘電率と同じ場合、比誘電率は１となり瞬時に電荷が帯電される。実際には空気すなわち気体と同等の低誘電率となるノズルプレートの材質はないため、帯電開始時と帯電後に差が発生する。ここで、マクスウェル・ガウスの式（∇・ε・ε０・Ｅ＝ρ）より、ノズルプレートの材質が比誘電率ε＝Ａである場合に、比誘電率ε＝１と同じ電荷密度ρとするためには、電界ＥをＡ／１倍の強さにすることで短時間の帯電が可能となる。したがって、請求項８記載の発明のように、帯電時における電圧値が液体吐出時の電圧値に対してノズルプレートの比誘電率倍以上に設定されていれば、液体吐出に必要な電荷をより短時間で帯電することができる。
【００３０】
請求項９記載の発明における液体吐出方法は、
対向電極に支持された前記基材に対向するフラットなノズルプレートに電荷を帯電させる帯電工程の後に、
前記ノズルプレートに形成されたノズルの吐出口に液体のメニスカスを形成するとともに、液体に静電電圧を印加することで、液体を吐出する液体吐出工程を行うことを特徴としている。
【００３１】
請求項９記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００３２】
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の液体吐出方方法において、
前記吐出工程後に、前記ノズルプレートの吐出面に接触して相対的に移動することで前記吐出面をワイプするワイプ工程を行い、
前記帯電工程は、前記ワイプ工程の後に前記ノズルプレートに電荷を帯電させることを特徴としている。
【００３３】
請求項１０記載の発明によれば、請求項２記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００３４】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の液体吐出方法において、
前記ワイプ工程では、前記静電電圧の印加が停止されていることを特徴としている。
【００３５】
請求項１１記載の発明によれば、請求項３記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００３６】
請求項１２記載の発明は、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、
前記ノズルプレートが絶縁性であり、かつ比誘電率が２以上であることを特徴としている。
【００３７】
請求項１２記載の発明によれば、請求項４記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００３８】
請求項１３記載の発明は、請求項９〜１２の何れか一項に記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程では、前記ノズルプレート及び前記対向電極の間隔を前記液体吐出工程よりも狭めることを特徴としている。
【００３９】
請求項１３記載の発明によれば、請求項５記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００４０】
請求項１４記載の発明は、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程での前記間隔は３００μｍ以下であることを特徴としている。
【００４１】
請求項１４記載の発明によれば、請求項６記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００４２】
請求項１５記載の発明は、請求項９〜１３の何れか一項に記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程では、前記液体吐出時の電圧値よりも電圧を高くすることを特徴としている。
【００４３】
請求項１５記載の発明によれば、請求項７記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【００４４】
請求項１６記載の発明は、請求項１５記載の液体吐出方法において、
前記帯電工程における電圧値を前記液体吐出工程の電圧値に対して前記ノズルプレートの比誘電率倍以上にすることを特徴としている。
【００４５】
請求項１６記載の発明によれば、請求項８記載の発明と同等の作用、効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、初期動作として、帯電手段によりノズルプレートに電荷が帯電されることで、短時間で電界強度を強くすることができるために、吐出不良を防止して、液体吐出の安定性を高めることができる。このため、微細パターン形成及び高粘度の液体吐出が安定して行えるようになる。
また、吐出面をワイプする場合においては、帯電のタイミングがワイプ後に設定されているのでワイプによる吐出不良を確実に防止することができる。さらには、ワイプ時に静電電圧の印加を停止させているので、帯電ムラや悪影響を回避することができる。
そして、ノズルプレートは絶縁性があり、かつ比誘電率が２以上１０以下であるために、ノズルプレートの内部に強い電界を発生させることが可能となる。
また、帯電時にノズルプレート及び対向電極の間隔を液体吐出時よりも狭める場合においては、蓄えられる電荷を多くすることができ、その結果、単位時間あたりのチャージ量が増加し、短時間で必要な電荷を帯電させることが可能となる。
さらに、帯電時におけるノズルプレートと対向電極との間隔を３００μｍ以下に設定した場合においては、液体吐出に必要な電荷をより短時間で帯電することができる。
また、帯電時に静電電圧印加手段の電圧を体吐出時よりも高くする場合においては、単位時間に蓄えられる電荷を多くすることができ、結果的に帯電時間を短縮することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
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。
【００４８】
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、本発明の液体吐出装置１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。
【００４９】
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。
【００５０】
液体吐出ヘッド２のヘッド本体部１０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。ヘッド本体部１０は、ノズルプレート１２の対向電極３に対向する吐出面からノズル１１が突出されない、いわゆるフラットな吐出面を有するヘッドとして構成されている。
【００５１】
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段構造になっている。本実施形態では、ノズル１１の小径部１４及び大径部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。
【００５２】
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）に示す形状が挙げられる。図２（Ａ）では、ノズル１１全体がテーパ状に形成されている。図２（Ｂ）では、ノズル１１の大径部１５がテーパ状に形成されていて、小径部１４が内径一定の円筒状に形成されている。図２（Ｃ）では、テーパ状の大径部１５の先端部の内径が、円筒状の小径部１４の内径よりも大きくなるように形成されている。図２（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、吐出面から僅かに突出するように形成されている。図２（Ｅ）では、ノズル１１全体がテーパ状に形成さていて、吐出面から僅かに窪むように形成されている。ここで、図２（Ｄ）の突出部は、吐出面から３０μｍ以内の範囲の凸となるように形成されている。また、ノズル１１は断面円形状でなくとも、例えば断面多角形状や断面星形状等であってもよい。
【００５３】
ノズルプレート１２の吐出面と反対側の面には、図１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１１の大径部１５の内周面２１まで延設されており、ノズル１１内の液体Ｌに接するようになっている。
【００５４】
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手段としての静電電圧電源１７に接続されており、単一の帯電用電極１６がすべてのノズル内の液体Ｌに接触しているため、静電電圧電源１７から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１１の内部の液体Ｌが同時に帯電され、ヘッド本体部１０と対向電極３との間、特に液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力が発生されるようになっている。
【００５５】
帯電用電極１６の背後には、ボディ層１８が設けられている。ボディ層１８の前記各ノズル１１の大径部１６の開口端に面する部分には、それぞれ開口端にほぼ等しい内径を有する略円筒状の空間が形成されており、各空間には、吐出される液体Ｌを一時的に貯蔵するためのキャビティ１９とされている。
【００５６】
ボディ層１８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２０が設けられており、可撓層２０によりヘッド本体部１０と外界とが画されている。
【００５７】
なお、ボディ層１８と可撓層２０との境界部には、キャビティ１９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１８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１９、共通流路及び共通流路とキャビティ１９とを結ぶ流路が設けられていており、共通流路には、外部の図示しない液体タンクから液体Ｌを供給する図示しない供給管が連絡されており、供給管に設けられた図示しない供給ポンプにより或いは液体タンクの配置位置による差圧により流路やキャビティ１９、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。
【００５８】
可撓層２０の外面の各キャビティ１９に対応する部分には、それぞれ圧力発生手段としてのピエゾ素子２３が設けられており、ピエゾ素子２３には、素子に駆動パルス電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２４が接続されている。ピエゾ素子２３は、駆動電圧電源２４からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル１１内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１１の吐出孔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、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータの他に、例えば、静電アクチュエータやサーマル方式等を採用することも可能である。
【００５９】
帯電用電極１６に静電電圧を印加する静電電圧電源１７及び駆動電圧電源２４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。
【００６０】
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２９が、吐出孔１３以外の吐出面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ノズルプレート１２の表面に成膜されている。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。
【００６１】
液体吐出ヘッド２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の吐出面に平行に所定距離離間されて配置されている。
【００６２】
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１７から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１１の吐出孔１３の液体Ｌと対向電極３のヘッド本体部１０に対向する対向面との間に電界が生じるようになっている。また、帯電した液滴Ｄが基材Ｋに着弾すると、対向電極３はその電荷を接地により逃がすようになっている。
【００６３】
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。
【００６４】
また、液体吐出装置１には、ノズルプレート１２及び対向電極３の少なくとも一方を吐出面に対して直交する方向Ｚに移動させることで、ノズルプレート１２及び対向電極３を相対的に接離させる接離手段３１が設けられている。この接離手段３１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３２は動作制御手段２５に電気的に接続されて、当該動作制御手段２５の制御に基づいて駆動するようになっている。
【００６５】
そして、液体吐出装置１には、ノズルプレート１２の吐出面に接触して相対的に移動することで前記吐出面をワイプするワイパ手段４０が設けられている。このワイパ手段４０には可撓性を有し、吐出面に接触するブレード４１と、ブレード４１の先端を吐出面に接触させた状態で吐出面全面をワイプするように、ブレード４１を吐出面に沿わせながら相対的に移動させる移動部４２と、移動部４２の駆動源４３とが設けられている。駆動源４３は動作制御手段２５に電気的に接続されて、当該動作制御手段２５の制御に基づいて駆動するようになっている。
【００６６】
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１７及び各駆動電圧電源２４を駆動させてノズル１１の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。ここで、動作制御手段２５は、ノズルプレート１２と対向電極３との間隔が液体吐出時においては１ｍｍとなるように、ワイプ時においてはワイパ手段４０のブレード４１が吐出面全面をワイプできる間隔になるように、接離手段３１の接離用駆動源３２を制御するようになっている。ここで、動作制御手段２５は、液体吐出前若しくはワイプ後には、ノズルプレート１２に電荷を帯電するために、ノズルプレート１２と対向電極３との間隔が液体吐出時の間隔よりも狭まるように、接離手段３１の接離用駆動源３２を制御するようになっている。ノズルプレート１２に蓄えられる電荷（Ｑ）はＱ＝ＣＶ（Ｃ：静電容量、Ｖ：電圧）で表される。また、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ（ε：空気の誘電率、Ｓ：ノズルプレート１２及び対向電極３の対向部分の面積、ｄ：ノズルプレート１２と対向電極３との間隔）であるので、Ｑ＝（ε・Ｓ／ｄ）・Ｖとなる。つまり、間隔ｄが小さければ蓄えられる電荷も多くなる。
【００６７】
ここで、図３は間隔ｄの異なりによる電界強度の差を表す帯電時間−電界強度線図である。この図３の線Ｔ１は間隔ｄを１ｍｍとして帯電を行った場合の電界強度変位を示しており、線Ｔ２は、間隔ｄを３００μｍとして帯電を行った場合の電界強度変位を示している。なお、印加電圧は１．５ｋｖとしている。例えば、安定した吐出を行うために必要なメニスカス先端部の電界強度（必要電界強度）が３×１０７ｖ／ｍ以上である場合、間隔ｄを１ｍｍとして帯電すると、必要電界強度を満たすまでに１．０×１０５秒、およそ２８時間程度かかることになるが、間隔ｄを３００μｍとして帯電すると、帯電直後に必要電界強度を満たすことになる。これらのことから、本実施形態では、動作制御手段２５は、帯電時になると間隔ｄが３００μｍ以下になるように、接離手段３１の接離用駆動源３２を制御するようになっている。つまり、接離手段３１が本発明に係る帯電手段である。
【００６８】
次に、液体吐出装置１による吐出を行う液体Ｌについて説明する。この液体Ｌは、例えば、水、ＣＯＣｌ２、ＨＢｒ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、ＳＯＣｌ２、ＳＯ２Ｃｌ２、ＦＳＯ３Ｈなどの無機液体である。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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）ＢＯ３：Ｅｕ、ＹＯ３：Ｅｕなど、緑色蛍光体として、Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ、ＢａＡｌ１２Ｏ１９：Ｍｎ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）Ｏ・α−Ａｌ２Ｏ３：Ｍｎなど、青色蛍光体として、ＢａＭｇＡｌ１４Ｏ２３：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕなどが挙げられる。
【００７２】
上記の目的物質を基材上に強固に接着させるために、各種バインダーを添加するのが好ましい。用いられるバインダーとしては、例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ニトロセルロース、酢酸セルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース及びその誘導体；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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
本実施形態では、静電電圧電源１７から帯電用電極１６に静電電圧を印加し、ノズル１１の吐出孔１３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１３に液体Ｌのメニスカスを形成させる。
【００７７】
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３０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。
【００７８】
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。
【００７９】
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１２を用い、吐出面３０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。
【００８０】
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。
【００８１】
［実験条件］
ノズルプレート１２の吐出面３０と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１２の厚さ：１２５ｍｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ
【００８２】
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３×１０７Ｖ／ｍ（３０ｋＶ／ｍｍ）以上であった。
【００８３】
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１０１０Ωｍ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１０１４Ωｍである。
【００８４】
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。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３×１０７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、図５から、少なくともノズルプレート１２の体積抵抗率は１０１５Ωｍ以上であることが必要であることが分かった。
【００８５】
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３０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。
【００８６】
理論上、体積抵抗率が１０１５Ωｍ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、本発明では採用されない。
【００８７】
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１０１５Ωｍ以上の場合にメニスカス先端部の電界強度が３×１０７Ｖ／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１４の長さと大径部１５の長さの和に等しい。
【００８８】
一方、体積抵抗率が１０１５Ωｍ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。
【００８９】
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。
【００９０】
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１０１５Ωｍ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。
【００９１】
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。
【００９２】
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６および図７にそれぞれ示す。この結果から、メニスカス先端部の電界強度は、ノズルプレート１２の厚さおよびノズル径にも依存し、それぞれ７５μｍ以上および１５μｍ以下であることが好ましい。なお、ノズルプレート１２の厚さおよびノズル径の前記適正範囲は、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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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１４および大径部１５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。
【００９６】
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１１の内面とノズルプレート１２の吐出面３０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。
【００９７】
次に、本実施形態の液体吐出装置１を用いて本発明に係る液体吐出方法について説明する。
【００９８】
先ず、待機時においては、動作制御手段２５は、ノズルプレート１２と対向電極３との間隔ｄが１ｍｍとなるように接離手段３１の接離用駆動源３２を制御している（図９（ａ））。
ここで、動作制御手段２５は、液体吐出前の初期動作としてノズルプレート１２に電荷を帯電するために、動作制御手段２５は、接離用駆動源３２を制御して、間隔ｄを１ｍｍから３００μｍまで狭め、この状態で静電電圧電源１７を制御して、静電電圧電源１７から帯電用電極１６に一定の静電電圧ＶＣを印加させる（帯電工程：図９（ｂ））。
【００９９】
印加してから１秒経過すると、動作制御手段２５は、静電電圧ＶＣを印加したままで接離用駆動源３２を制御して、間隔ｄを３００μｍから１ｍｍに広げて、液体吐出工程に移行する（図９（ｃ））。
【０１００】
液体吐出工程について図１０を参照にして説明する。
まず、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ＶＣが印加されていると、ノズル１１の吐出孔１３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。
【０１０１】
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に対して電圧値ＶＤを有するパルス状の駆動電圧を印加させる。
【０１０２】
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１３では、図１０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隆起した状態となる。
【０１０３】
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ＶＣにより形成された定常的な電界から強い静電力が加わる。この強い静電力による吸引とピエゾ素子２３による圧力、及び液体Ｌの表面張力とにより図１０中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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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ＶＣは１．５ｋＶに設定されており、駆動電圧電源２４からピエゾ素子２３に印加されるパルス状の電圧の電圧値はＶＤ＝２０Ｖに設定されている。
【０１０６】
なお、ピエゾ素子２３に印加する駆動電圧ＶＤとしては本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも例えば電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また図１１（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２３に定常電圧ＶＤを印加しておいて一旦切り、再度電圧ＶＤを印加して、その立ち上がり時に液滴Ｄを吐出させるようにしてもよい。また、図１１（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧ＶＤを印可するように構成してもよい。
【０１０７】
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ＶＣによる定常的な電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、この他にも、例えば、ピエゾ素子２３の変形による圧力のみで液体Ｌが液滴化する程度の強い駆動電圧を印加するように構成することも可能である。
【０１０８】
液体吐出工程の途中に、吐出面のクリーニングタイミングになると、動作制御手段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。その後動作制御手段２５は、接離用駆動源３２を制御して、間隔ｄを１ｍｍから、ブレード４１が吐出面全面をワイプできる間隔まで広げている。間隔ｄが広げられると、動作制御手段２５は、ブレード４１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、移動部４２の駆動源４３を制御する（ワイプ工程：図９（ｄ））。これにより、吐出面に付着した液体をブレード４１によって除去されることになる。
【０１０９】
ワイプ工程が完了すると、動作制御手段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３２を制御して、間隔ｄを３００μｍまで狭め、この状態で静電電圧電源１７を制御して、静電電圧電源１７から帯電用電極１６に一定の静電電圧ＶＣを印加させる（帯電工程：図９（ｅ））。
【０１１０】
印加してから１秒経過すると、動作制御手段２５は、静電電圧ＶＣを印加したままで接離用駆動源３２を制御して、間隔ｄを３００μｍから１ｍｍに広げて、液体吐出工程を再開する（図９（ｆ））。
【０１１１】
以上のように、本実施形態によれば、帯電工程でノズルプレート１２に電荷が帯電されると、吐出時の電圧を高めなくとも電界強度を強くすることができ、吐出不良を防止することができる。特に、液体吐出前にノズルプレート１２に十分な電荷が帯電されていないと、吐出不良が生じる可能性が解消されないが、上述のように帯電のタイミングを液体吐出前に設定していれば吐出不良を確実に防止することができる。また、ノズルプレート１２に十分な電荷が帯電されていても、ワイパ手段４０によって吐出面がワイプされてしまうと、蓄えられていた電荷が大量に失われてしまい、吐出不良が生じてしまうものの、上述のように帯電のタイミングをワイプ後に設定していればワイプによる吐出不良を確実に防止することができる。このように、吐出不良を防止できれば、液体吐出の安定性を高めることができる。
【０１１２】
また、帯電時にノズルプレート１２及び対向電極３の間隔を液体吐出時よりも狭めているので、単位時間に蓄えられる電荷を多くすることができ、結果的に帯電時間を短縮することが可能となる。特に、帯電時におけるノズルプレート１２と対向電極３との間隔が３００μｍ以下に設定されているので、液体吐出に必要な電荷をより短時間で帯電することができる。
【０１１３】
なお、本実施形態では、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせ、ノズル１１の吐出孔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２３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１１やキャビティ１９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。
【０１１４】
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手段２５で制御するように構成することも可能である。
【０１１５】
そして、本実施形態では、接離手段３１によりノズルプレート１２と対向電極３との間隔を狭めることで短時間の帯電を行う場合について説明したが、静電電圧電源１７の電圧を吐出時と帯電時とで異ならせれば、ノズルプレート１２及び対向電極３を接離させなくとも帯電することができる。例えば、動作制御手段２５が静電電圧電源１７の電圧を調整する電圧調整手段の機能を兼ね備えるようにすれば、液体吐出時の電圧値よりも帯電時の電圧値を高くすることで短時間での帯電が可能となる。なぜなら上記したようにノズルプレート１２に蓄えられる電荷（Ｑ）はＱ＝（ε・Ｓ／ｄ）・Ｖであるので、Ｖが大きければ蓄えられる電荷も多くなることからである。ここで、動作制御手段２５は、帯電時における電圧値を液体吐出時における電圧値に対してノズルプレート１２の比誘電率倍以上にしている。このように帯電時における電圧値が液体吐出時の電圧値に対してノズルプレート１２の比誘電率倍以上に設定されていれば、液体吐出に必要な電荷をより短時間で帯電することができる。ここで、ノズルプレート１２の比誘電率は２以上１０以下であることが好ましい。
なお、ここでは動作制御手段２５が電圧調整手段の機能を兼ね備える場合を例示して説明したが、動作制御手段２５と電圧調整手段は別体であっても構わない。
【０１１６】
そして、本実施形態では、帯電工程と液体吐出工程における間隔ｄが異なる場合を例示して説明したが、間隔ｄが一定であってもよい。こうした場合間隔ｄは３００μｍ以下であることが好ましい。
【０１１７】
帯電工程の条件はノズルプレート１２の材質の誘電率と導電率よりシミュレーションにより吐出条件と同じ電界強度となる条件（間隔ｄ、印可電圧、印可時間）を求めることができる。別の方法として間隔ｄを段階的に順次狭め、各段階の吐出状態を検出することにより吐出に必要な電界強度に達し十分な電荷がノズルプレート１２に帯電されたことを確認し、正規の間隔に広げる方法もとることができる。電圧値を調整して帯電する場合においても電圧値を段階的に異ならせて吐出状態を検出することにより求めることができる。
また、帯電時においては間隔ｄの調整及び電圧値の調整の併用も可能であるが、この場合、間隔ｄを調整して帯電する方の比率を高めた方がスパーク放電の発生しやすさ、安全性面から好ましい。
【実施例】
【０１１８】
本実施形態の液体吐出装置１で液体を吐出させて、その吐出状態を比較検討した。なお、比較例１〜３及び実施例１〜６は通常の液体吐出であり、比較例４〜６及び実施例７〜１２はワイプ工程後の液体吐出である。
比較例１、４では帯電を行わずに間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
比較例２、５では帯電を行わずに間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧を４ｋｖとして液体吐出を行った。
実施例３、６では間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧１．５ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
【０１１９】
実施例１、７では間隔ｄを０．４ｍｍ、印加電圧１．５ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
実施例２、８では間隔ｄを０．３ｍｍ、印加電圧１．５ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
実施例３、９では間隔ｄを０．２ｍｍ、印加電圧１．５ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
【０１２０】
実施例４、１０では間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧３ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、吐出時の印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
実施例５、１１では間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧４ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、吐出時の印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
実施例６、１２にでは間隔ｄを１ｍｍ、印加電圧５ｋｖで帯電を行った後に、間隔ｄを１ｍｍ、吐出時の印加電圧を１．５ｋｖとして液体吐出を行った。
【０１２１】
なお、比較例１〜６及び実施例１〜１２の共通の条件としては、ノズルプレート１２は撥液加工をした１２５μｍ厚のポリエチレンテレフタレートシートである。このノズルプレート１２にレーザー加工により、テーパ角４°の一段テーパ形状で最少径部分のノズル内径が１０μｍのノズルを形成した。そして駆動電圧は２０Ｖとした。また、液体Ｌ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％含有する液体とした。
【０１２２】
表１及び表２に評価結果を示す。
【表１】
2006175296.tif 000003
【０１２３】
【表２】
2006175296.tif 000004
【０１２４】
表１にも示すように、比較例１、４では吐出できず、比較例２、５では液体の飛散が大きく吐出状態が不安定であった。比較例３、６では吐出状態は安定していたものの、帯電時間が３０時間もかかってしまった。
【０１２５】
一方、実施例１、４、７、１０では吐出状態が不安定であったものの、実施例２、３、５、８、９、１１では吐出状態が安定していた。実施例６、１２では吐出状態は安定していたものの帯電時にスパークが発生してしまった。
【０１２６】
この結果から帯電時の印加電圧が一定であれば間隔ｄを０．３ｍｍ以下として帯電を行った後に、１ｍｍに戻しても液体吐出をすれば安定した液体吐出が可能な状態になったことが分かる。また、帯電時の間隔ｄが一定であるときには液体吐出時の印加電圧に対してノズルプレート１２の材質の比誘電率倍以上の印加電圧をかけて帯電すれば吐出状態が安定することが分かる。なお、本実験では帯電時の印加電圧が高すぎた場合、スパークの発生が観察された。
液体吐出時の間隔ｄを１ｍｍとした理由は、間隔ｄが１ｍｍあれば紙のばたつきなど基材の搬送に問題なく対応できるためである。間隔ｄが１ｍｍ未満であっても安定吐出可能であるが、間隔ｄが１ｍｍの条件で搬送時に基材と液体吐出ヘッド２との接触がなく良好な搬送性を示した。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】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。
【図２】図１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３】メニスカス先端部の電界強度と帯電時間との関係を表す帯電時間−電界強度線図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】本実施形態の液体吐出装置における各工程の状態を表せ説明図である。
【図１０】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。
【図１１】本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。
【符号の説明】
【０１２８】
１  液体吐出装置
２  液体吐出ヘッド
３  対向電極
１０  ヘッド本体部
１１  ノズル
１２  ノズルプレート
１３  吐出孔
１４  小径部
１５  大径部
１６  帯電用電極
１７  静電電圧電源
１８  ボディ層
１９  キャビティ
２０  可撓層
２３  ピエゾ素子
２４  駆動電圧電源
２５  動作制御手段
２６  ＣＰＵ
２７  ＲＯＭ
２８  ＲＡＭ
２９  撥液層
３０  吐出面
３１  接離手段
３２  接離用駆動源
４０  ワイパ手段
４１  ブレード
４２  移動部
４３  駆動源
Ｄ  液滴
Ｋ  基材
Ｌ  液体
【図１】
2006175296.tif 000005
【図２】
2006175296.tif 000006
【図３】
2006175296.tif 000007
【図４】
2006175296.tif 000008
【図５】
2006175296.tif 000009
【図６】
2006175296.tif 000010
【図７】
2006175296.tif 000011
【図８】
2006175296.tif 000012
【図９】
2006175296.tif 000013
【図１０】
2006175296.tif 000014
【図１１】
2006175296.tif 000015