(57)【要約】【課題】液体の物性が変化しても、圧力発生手段に印加する電圧を変化させずに所望の液滴を吐出させることのできる液体吐出装置を提供する。【解決手段】ノズル１１内の液体のメニスカスを形成するピエゾ素子２３と、ノズル１１内の液体に静電電圧ＶＣを印加する静電電圧印加手段１９とを有する液体吐出ヘッド２と、ピエゾ素子２３を駆動する駆動電圧ＶＤの印加及び静電電圧印加手段１９による静電電圧ＶＣの印加を制御する動作制御手段２５と、液体吐出ヘッド２に対向する対向電極３とを備え、静電電圧印加手段１９により静電電圧ＶＣを印加されたノズル１１内の液体Ｌと対向電極３との間に生じる静電吸引力により液体Ｌを吐出する液体吐出装置１において、動作制御手段２５は、液体Ｌの物性値に基づいて静電電圧ＶＣを変化させるように静電電圧印加手段１９を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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と、前記ノズル内の液体に静電電圧を印加する静電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、
前記静電電圧印加手段により静電電圧を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により液体を吐出する液体吐出装置において、
前記動作制御手段は、前記液体の物性値に基づいて前記静電電圧を変化させるように前記静電電圧印加手段を制御することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項２】
前記液体の物性値は、前記液体の粘度であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
【請求項３】
前記液体の物性値は、前記液体の粘度及び温度であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
【請求項４】
前記ノズルは、前記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項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
【請求項５】
前記ノズルプレートは、前記ノズルが突出していないフラットな形状であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
【請求項６】
前記ノズルプレートは、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は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ものである。
【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方式の記録装置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、記録ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまう。このため、従来、実用に適う記録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２〜７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ものである。
【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２−１６９２５３号公報
【特許文献３】特開平３−６７６５７号公報
【特許文献４】特開平５−１０４７２５号公報
【特許文献５】特開平５−２７８２１２号公報
【特許文献６】特開平６−１３４９９２号公報
【特許文献７】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】
しかしながら、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て吐出効率は良いが、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いない。このため、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、圧力発生手段に印加する駆動電圧を高くする必要が生じ、記録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。
【０００６】
また、液体が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ために必要な力は、液体の粘度や温度等の物性により異なる。このため、液体を常に一定の速度で正確に吐出させるためには、液体の物性によって吐出に必要な力を変化させることが好ましい。しかし、圧力発生手段を変動させるためには、圧力発生手段に印加する駆動電圧を高速で変化させる必要がある。さらに、近年は、記録画像の高精細化に伴って記録ヘッドのノズルの高密度化、ノズルから吐出される液体の小液滴化が求められているため、ノズル数が増加し、より多くの圧力発生手段が配置されるようになっている。このため、圧力発生手段を液体の物性に伴って変動させることは、回路構成の複雑化、消費電力の増大といった問題を生じる。
【０００７】
そこで、本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、液体の物性が変化しても、圧力発生手段に印加する電圧を変化させずに所望の液滴を吐出させることのできる液体吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような問題を解決するため、請求項１に記載されている発明は、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と、前記ノズル内の液体に静電電圧を印加する静電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、
前記静電電圧印加手段により静電電圧を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により液体を吐出する液体吐出装置において、
前記動作制御手段は、前記液体の物性値に基づいて前記静電電圧を変化させるように前記静電電圧印加手段を制御することを特徴としている。
【０００９】
このような構成を有する請求項１に記載の発明は、圧力発生手段に駆動電圧を印加することによりノズル内の液体のメニスカスを形成するとともに静電電圧印加手段がノズル内の液体に静電電圧を印加することによってノズル内の液体と対向電極との間に生じる静電吸引力により液体を吐出する場合に、圧力発生手段及び静電電圧印加手段を制御する動作制御手段が液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の物性値に基づいて変化させるように静電電圧印加手段を制御するようになっている。
【００１０】
請求項２に記載されている発明は、請求項１に記載の液体吐出装置において、前記液体の物性値は、前記液体の粘度であることを特徴としている。
【００１１】
このような構成を有する請求項２に記載の発明は、液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の粘度に基づいて変化させるように、動作制御手段が静電電圧印加手段を制御するようになっている。
【００１２】
請求項３に記載されている発明は、請求項１に記載の液体吐出装置において、前記液体の物性値は、前記液体の粘度及び温度であることを特徴としている。
【００１３】
このような構成を有する請求項３に記載の発明は、液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の粘度及び温度に基づいて変化させるように、動作制御手段が静電電圧印加手段を制御するようになっている。
【００１４】
請求項４に記載されている発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出装置において、前記ノズルは、前記吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であることを特徴としている。
【００１５】
このような構成を有する請求項４に記載の発明は、吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であるノズルから液体を吐出させるようになっている。
【００１６】
請求項５に記載されている発明は、請求項１から請求項４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、前記ノズルが突出していないフラットな形状であることを特徴としている。
【００１７】
このような構成を有する請求項５に記載の発明は、ノズルが突出していないフラットな形状であるノズルプレートに形成されたノズルから液体を吐出させるようになっている。
【００１８】
請求項６に記載されている発明は、請求項１から請求項５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、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上であることを特徴としている。
【００１９】
このような構成を有する請求項６に記載の発明は、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上であるノズルプレートに形成されたノズルから液体を吐出させるようになっている。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載された発明によれば、駆動電圧を印加してノズル内の液体のメニスカスを形成する圧力発生手段とノズル内の液体に静電電圧を印加してノズル内の液体と対向電極との間に静電吸引力を生じさせる静電電圧印加手段とを備えている場合に、圧力発生手段に印加する電圧を変化させずに静電電圧印加手段が液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の物性値に基づいて変化させる。このため、圧力発生手段から印加する電圧を変動させる必要がないので、回路構成の複雑化、消費電力の増大を生じることなく所望の液滴を吐出させることができるという効果を奏する。
【００２１】
また、液体が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ために必要な力は、液体の粘度や温度等の物性により異なるところ、液体に印加する静電電圧を液体の物性値に基づいて変化させるので、液体を常に一定の速度で正確に吐出させることが可能となる。
【００２２】
請求項２に記載された発明によれば、圧力発生手段に印加する電圧を変化させずに静電電圧印加手段が液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の粘度に基づいて変化させる。このため、粘度の異なる液体を用いる場合でも液体を常に一定の速度で正確に吐出させることが可能となる。また、圧力発生手段から印加する電圧を変動させる必要がないので、回路構成の複雑化、消費電力の増大を生じることなく所望の液滴を吐出させることができるという効果を奏する。
【００２３】
請求項３に記載された発明によれば、圧力発生手段に印加する電圧を変化させずに静電電圧印加手段が液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の粘度及び温度に基づいて変化させる。このため、使用する液体の粘度や温度が変化した場合でも液体を常に一定の速度で正確に吐出させることが可能となる。また、圧力発生手段から印加する電圧を変動させる必要がないので、回路構成の複雑化、消費電力の増大を生じることなく所望の液滴を吐出させることができるという効果を奏する。
【００２４】
請求項４に記載された発明によれば、ノズルの吐出孔の内部直径１５μｍ以下とし、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できるという効果を奏する。また、ノズルとしてこのようなものを使用した場合でも液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の物性値に基づいて変化させることにより液体の物性値に関わりなく常に一定の速度で正確に液体を吐出させることが可能となる。
【００２５】
請求項５に記載された発明によれば、フラットノズルを使用する場合であっても液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の物性値に基づいて変化させることにより液体の物性値に関わりなく常に一定の速度で正確に液体を吐出させることが可能となる。また、このようなフラットノズルを使用する場合でもサテライトやミス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という効果を奏する。なお、フラットノズルとはノズルが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。このようなフラットノズルは、突出量が小さい為、ワイプ時にノズルプレート表面に引っかからずノズルプレートを破損することなくワイプ操作をすることができる。
【００２６】
請求項６に記載された発明によれば、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１０１５Ωｍ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できるという効果を奏する。また、ノズルプレートをこのようなものとした場合でも液体吐出ヘッドのノズル内の液体に印加する静電電圧を液体の物性値に基づいて変化させることにより液体の物性値に関わりなく常に一定の速度で正確に液体を吐出させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［第一の実施形態］
以下、本発明に係る液体吐出装置の第一の実施形態について、図１から１０を参照しつつ説明する。
【００２８】
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のプリンタ等の各種の液体吐出装置に適用可能である。
【００２９】
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。
【００３０】
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）。
【００３１】
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。なお、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。
【００３２】
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。まず、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２（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。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１３からわずかに突出するように形成されている。なお、図２（Ｄ）の突出部は、吐出面１３から３０μｍ以内の範囲の凸とな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１３からわずかに窪むように形成されている。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。
【００３３】
また、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によって形成され、液体Ｌが油性であれば撥油性を有する材料によって形成されるが、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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が同時に帯電し、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するようになっている。
【００３６】
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。
【００３７】
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が外界と画されている。
【００３８】
なお、ボディ層２０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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
ピエゾ素子２３に駆動電圧を印加する駆動電圧電源２４及び帯電用電極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。
【００４１】
本実施形態において、動作制御手段２５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。
【００４２】
また、本実施形態において、例えば、動作制御手段２５のＲＯＭ２７には、インク等、本実施形態で使用される液体Ｌについて種類毎の粘度と液体Ｌの吐出に適した帯電用電極１７の静電電圧とを関連付けたＬＵＴ（Look Up Table）が格納されている。なお、ＬＵＴの格納されている場所はＲＯＭ２７に限定されない。
【００４３】
例えば、液体吐出ヘッド２から吐出される液体Ｌがインクである場合、液体Ｌの粘度等の物性値はインクの種類によって異なる。例えば、液体Ｌがマゼンタ・レッド系のインクである場合、液体Ｌは、例えば水５２％、エチレングリコール２２％、プロピレングリコール２２％、界面活性剤１％及び顔料成分としてＣＩアシッドレッド１を３％含有して構成されており、この液滴の粘度は７．０ｃｐである。このようなインクの粘度等の物性値は、すべてのインクに対して同じような値を採るように設計されることが望ましい。しかし、例えば、インクはイエロー、シアン、ブラックといった各色によってインクに含まれる諸成分が若干異なる。このため、各インクの粘度等の物性値を正確に合わせることは不可能である。このことは液体Ｌがインク以外の液体である場合も同様である。
【００４４】
そして、インク等の液体Ｌは粘度が高いとメニスカスがわずかしか隆起せず、逆に粘度が低いとメニスカスが大きく隆起して垂下する。このため、吐出される液体Ｌのドット径が常に一定となるように液体Ｌを安定して吐出させるためには、液体Ｌの粘度等の物性値に応じて静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧を変化させることが好ましい。
【００４５】
すなわち、前記のように、本実施形態においては、帯電用電極１７に静電電圧を印加することにより、ノズル１１内の液体Ｌを帯電させ、液体吐出ヘッド２と対向電極３との間に静電吸引力を発生させて、ノズルから隆起した液体Ｌの先端からこの静電吸引力により液滴を分離させる。したがって、液体の粘度が高くメニスカスがわずかしか隆起していない場合には、液滴を分離させるために強い静電吸引力が必要となるのに対して、粘度が低くメニスカスが大きく隆起している場合には、液滴を分離させるのに弱い静電吸引力で足りる。
【００４６】
図３は、このような液体Ｌの粘度と液体Ｌの吐出に適した帯電用電極１７の静電電圧との関係を示したものである。図３において、吐出に適した液滴として目標とする液滴はドットの直径が１０μｍ、体積０．５２ｐｌであり、この±１０％の変動を許容範囲としている。この場合に、液体Ｌの粘度が６．０ｃｐと比較的低い場合には、目標とするドット径に近い液滴を吐出させるためには、１００Ｖ以下のわずかな静電電圧を印加すれば足りる。これに対して、液体Ｌの粘度が６．５ｃｐの場合には、２００Ｖ程度の静電電圧を印加すれば目標とするドット径に近い液滴を吐出させることができる。また、液体Ｌの粘度が７．０ｃｐの場合には、４００Ｖ程度の静電電圧を印加しなければ目標とするドット径に近い液滴を吐出させることができず、さらに、液体Ｌの粘度が７．５ｃｐと比較的高い場合には、目標とするドット径に近い液滴を吐出させるために６００Ｖ程度の静電電圧を印加しなければならない。
【００４７】
そこで、本実施形態においては、動作制御手段２５は、ＣＰＵ２６がＲＯＭ２７に格納されている液体Ｌの粘度と液体Ｌの吐出に適した帯電用電極１７の静電電圧とを関連付けたＬＵＴを読み出して、これを参照しつつ静電電圧電源１９を制御することにより液体Ｌの粘度に適した静電電圧を帯電用電極１７に印加させるようになっている。
【００４８】
次に、対向電極３は、平板状に形成され液体吐出ヘッド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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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１１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。
【００５５】
ここで、本実施形態の液体吐出装置１において、液体Ｌを吐出させるために帯電用電極１７と対向電極３との間、すなわちノズル１１内の液体Ｌと対向電極３間に印加される静電電圧Ｖについて説明する。これについては前記特許文献１に詳述されている。
【００５６】
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（２）式により定まる領域の液滴Ｄの吐出を行う。
【数１】
2006315232.tif 000003
【００５７】
ここでλCは静電吸引力によりノズル１１の先端部からの液滴Ｄの吐出を可能とするための溶液液面における成長波長［ｍ］である。λＣはλＣ＝２πγｈ２／ε０Ｖ２で求められるから、
【数２】
2006315232.tif 000004
が成り立ち、これを変形すると、静電電圧Ｖ［Ｖ］は、
【数３】
2006315232.tif 000005
の関係を満たす。ここで、γは液体Ｌの表面張力［Ｎ／ｍ］、ε0は真空の誘電率［Ｆ／ｍ］、ｈはノズル１１−基材Ｋ間距離［ｍ］である。
【００５８】
一方、直径dのノズル１１に導電性溶液を注入し、基材Ｋとしての無限平板導体からｈの高さに垂直に位置させたと仮定した場合、ノズル１１の先端部に誘起される電荷は、ノズル１１の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。
【数４】
2006315232.tif 000006
【００５９】
ここで、Ｑはノズル１１の先端部に誘起される電荷［Ｃ］、αはノズル１１の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。
【００６０】
また、基材Ｋ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。
【００６１】
ところで、ノズル１１の先端部に於ける凸状メニスカスの先端部の電界強度Ｅｌｏｃ［Ｖ／ｍ］は、凸状メニスカス先端部の曲率半径をＲ［ｍ］と仮定すると、
【数５】
2006315232.tif 000007
で与えられる。ここでｋは比例定数で、ノズル１１の形状などにより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）。
【００６２】
いま簡単のため、ｄ／２＝Ｒとする。これは、ノズル１１の先端部に表面張力で導電性溶液がノズル１１の半径と同じ半径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。ここで、ノズル１１の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１１の先端部の液面積をＳ［ｍ２］とすると、
【数６】
2006315232.tif 000008
前記（４）、（５）、（６）式よりα＝１とおいて、
【数７】
2006315232.tif 000009
と表される。
【００６３】
一方、ノズル１１の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。
【数８】
2006315232.tif 000010
【００６４】
静電的な圧力により液体Ｌの吐出が起こる条件は、静電的な圧力が表面張力を上回る条件なので、
【数９】
2006315232.tif 000011
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、表面張力を上回るようにすることが可能である。
【００６５】
この関係式より、Ｖとｄとの関係を求めると、
【数１０】
2006315232.tif 000012
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、
【数１１】
2006315232.tif 000013
が、本発明の動作電圧となる。
【００６６】
次に、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について説明する。この実験では、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：１．０ｍｍ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
【００６７】
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。
【００６８】
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であるが、これにより形成されたノズルプレートでは液体Ｌは吐出されない。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。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。
【００７４】
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。
【００７５】
一方、同実験によれば、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Ｌ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を吐出することが確かめられている。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。
【００７６】
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。
【００７７】
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及び図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、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。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いる。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。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、ＣＯＣｌ２、ＨＢｒ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、ＳＯＣｌ２、ＳＯ２Ｃｌ２、ＦＳＯ３Ｈなどが挙げられる。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
図９は、本実施形態の液体吐出装置１における液体吐出ヘッド２の駆動制御を説明する図である。本実施形態において、動作制御手段２５のＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７から液体Ｌの粘度と液体Ｌの吐出に適した帯電用電極１７の静電電圧ＶＣとを関連付けたＬＵＴを読み出して、液体吐出ヘッド２から吐出させる液体Ｌと一致する液体Ｌに対応する静電電圧ＶＣを選択する。動作制御手段２５は、静電電圧電源１９を制御して帯電用電極１７に前記選択した静電電圧ＶＣ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ＶＣ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。
【００９１】
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ＶＤを印加させる。このような駆動電圧ＶＤが印加されると、図９に示すように、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。
【００９２】
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ＶＣ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、液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは電界で加速されて対向電極３の方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋに着弾する。
【００９３】
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、より近いところに着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾位置がぶれることなく安定し、基材Ｋの目標位置に正確に着弾する。
【００９４】
本実施形態では、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ＶＤは２０Ｖに設定されている。
【００９５】
なお、ピエゾ素子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に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１０（ａ）に示すように、ピエゾ素子に常時電圧ＶＤを印加しておいて、一旦電圧の印加を切り、再度駆動電圧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１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示すような種々の駆動電圧ＶＤを印加するように構成してもよく、適宜どのような駆動電圧ＶＤを印加するかが決定される。
【００９６】
以上のように、本実施形態における液体吐出ヘッド２及び液体吐出装置１によれば、吐出させる液体Ｌの粘度等の物性値に応じて静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを選択するので、物性値が異なる液体Ｌを用いる場合でも物性値に応じた最適の静電電圧ＶＣを印加することができ、安定して一定のドット径の液滴を吐出させることができる。
【００９７】
また、液体吐出ヘッド２の製造工程においてノズル１１の突起等の微細構造を形成する必要がなく構造が単純であるため、容易に製造することが可能であり、生産性に優れている。
【００９８】
さらに、ノズル１１が形成されるノズルプレート１２として、体積抵抗率が１０１５Ωｍ以上の材料を用いることによって、帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣが１．５ｋＶ程度の低い電圧であっても、ピエゾ素子２３の変形によりノズル１１の吐出孔１４の部分に形成される液体Ｌのメニスカスに電界を集中させることができ、メニスカスの先端部の電界強度を液滴Ｄが安定的に吐出される３×１０７Ｖ/ｍ以上とすることが可能となる。
【００９９】
このように、本実施形態の液体吐出ヘッド２は、フラットなヘッドでありながら、ノズル１１が突出されたヘッドと同様の電界集中をメニスカス先端部に効果的に生じさせることができるため、低電圧の静電電圧ＶＣの印加でも効率よくかつ正確に液体Ｌを吐出することが可能となる。
【０１００】
なお、本実施形態においては、ピエゾ素子１２の変形により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による電界で加速して基材Ｋに着弾させる構成としているが、インクを吐出、着弾させる構成はここに例示したものに限定されない。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。
【０１０１】
また、ノズル１１内の液体Ｌに圧力を生じさせ、ノズル１１の吐出孔１４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説明したが、圧力発生手段はノズル１１内の液体に圧力を生じさせ、ノズル１１の吐出孔１４に液体Ｌのメニスカスを形成する機能を有するものであればよく、ここに例示したものの他にも、例えば、ノズル１１やキャビティ２１の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いる構成としてもよい。
【０１０２】
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１７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。
【０１０３】
また、本実施形態においては、液体の粘度と吐出に適した静電電圧ＶＣとの関係を予めＬＵＴとしてＲＯＭ２７等に格納し、動作制御手段２５は、このＬＵＴを参照することにより適正な静電電圧ＶＣを選択し、静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを制御するものとしたが、液体の粘度の変化に応じて印加する静電電圧ＶＣを補正する手法はこれに限定されない。例えば、液体の粘度の変化に応じて静電電圧ＶＣを補正する補正係数をＲＯＭ２７等に記憶させておき、ｎ次関数として計算するようにしてもよい。
【０１０４】
また、本実施形態においては、液体の粘度は、液体の種類に応じて予め設定されるものとしたが、例えば、液体吐出ヘッド２等に液体の粘度を測定する測定手段を設けて、動作制御手段２５は、この測定手段によって測定された結果に応じて静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを選択するようにしてもよい。
【０１０５】
その他、本発明が上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
【０１０６】
［第二の実施形態］
次に、図１１及び図１２を参照しつつ、本発明に係る液体吐出装置の第二の実施形態について説明する。なお、以下においては、特に第一の実施形態と異なる点について説明する。
【０１０７】
本実施形態において、液体吐出装置３０は、第一実施形態と同様、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。また、各ノズル１１のピエゾ素子２３に対してパルス状の駆動電圧ＶＤを印加する駆動電圧電源２４と、帯電用電極１７に静電電圧ＶＣを印加する静電電圧電源１９を備え、駆動電圧電源２４と静電電圧電源１９とを制御する動作制御手段２５を有している。
【０１０８】
液体吐出ヘッド２には、吐出する液体Ｌを一時的に貯蔵するキャビティ２１が設けられており、キャビティ２１の内部一端には液体Ｌの温度を検知するための温度センサ３１が設けられている。なお、温度センサ３１の設けられる位置は特に限定されないが、吐出直前の温度を正確に把握するために、できるだけノズル１１に近い位置に配置されることが好ましい。温度センサ３１としては、例えばサーミスタ等を用いることができるが、液体Ｌの温度を測定可能なものであればよく、特に限定されない。また、温度センサ３１は、液体吐出ヘッド２内のいずれか１つ以上のキャビティに設けられていればよく、各キャビティ２１にそれぞれ設けられていてもよい。温度センサ３１は図示しない線により動作制御手段２５に電気的に接続されている。
【０１０９】
動作制御手段２５には前記温度センサ３１によって検知された液体Ｌの温度に関する情報が送られるようになっている。また、動作制御手段２５は、第一の実施形態と同様に、インク等、本実施形態で使用される液体Ｌの粘度と液体Ｌの吐出に適した帯電用電極１７の静電電圧ＶＣとを関連付けたＬＵＴ（Look Up Table）及び液体Ｌの粘度と温度とを関連付けたＬＵＴ等を格納するＲＯＭ２７を備えている。
【０１１０】
液体Ｌの粘度は、その吐出環境下における温度によっても大きく変動し、同じ種類の液体であっても温度が高いほど液体の粘度が低下するとの傾向がある。
【０１１１】
すなわち、例えば液体Ｌとしてインクを用いる場合、図１２に示すように、２３℃の環境下では７ｃｐの粘度であるインクが、２０℃の環境下では７．３ｃｐとなり、インクの粘度上昇が起こる。他方、３０℃の環境下では６．３ｃｐとなり、インクの粘度減少が起こる。このような温度と粘度との関係はインク以外の液体Ｌについても当てはまる。
【０１１２】
そこで、動作制御手段２５は、温度センサ３１から送られた情報及び前記各ＬＵＴに基づいて、帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを選択し、選択した静電電圧ＶＣを印加するように静電電圧電源１９を制御するようになっている。
【０１１３】
なお、その他の構成は、第一実施形態のものと同様であるので、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１１４】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッド２及び液体吐出装置３０の作用について説明する。
【０１１５】
本実施形態において、液体吐出ヘッド２のキャビティ２１内の液体Ｌの温度が温度センサ３１によって検知され、検知された液体Ｌの温度情報は動作制御手段２５に送られる。動作制御手段２５のＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７から液体Ｌの粘度と液体Ｌの吐出に適した静電電圧ＶＣとを関連付けたＬＵＴ及び液体Ｌの粘度と温度とを関連付けたＬＵＴを読み出して、液体吐出ヘッド２から吐出させる液体Ｌと一致し、かつ液体Ｌの温度に対応する静電電圧ＶＣを選択する。そして、動作制御手段２５は、静電電圧電源１９を制御して帯電用電極１７に前記選択した静電電圧ＶＣ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ＶＣ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。
【０１１６】
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ＶＤを印加させる。このような駆動電圧ＶＤ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ではメニスカスが大きく隆起した状態となる。
【０１１７】
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ＶＣ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メニスカスが引きちぎられて、液滴Ｄが形成される。液滴Ｄは電界で加速されて対向電極３の方向に吸引され、対向電極３に支持された基材Ｋに着弾する。
【０１１８】
以上のように、本実施形態によれば、本実施形態における液体吐出ヘッド２及び液体吐出装置１によれば、吐出させる液体Ｌの粘度の他、液体の温度も考慮して静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを選択するので、液体の温度変化にも対応することができ、常に物性値に応じた最適の静電電圧ＶＣを印加することができ、安定して一定のドット径の液滴を吐出させることができる。
【０１１９】
なお、本実施形態においては、液体の粘度と温度との関係を予めＬＵＴとしてＲＯＭ２７等に格納し、動作制御手段２５は、このＬＵＴを参照することにより適正な静電電圧ＶＣを選択し、静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを制御するものとしたが、液体の温度の変化に応じて印加する静電電圧ＶＣを補正する手法はこれに限定されない。例えば、液体の温度の変化に応じて静電電圧ＶＣを補正する補正係数をＲＯＭ２７等に記憶させておき、ｎ次関数として計算するようにしてもよい。
【０１２０】
また、本実施形態において動作制御手段２５は、液体Ｌの物性値として液体Ｌの粘度と温度に応じて静電電圧電源１９から帯電用電極１７に印加する静電電圧ＶＣを変化させるようにしたが、動作制御手段２５は、液体Ｌのその他の物性値に基づいて、又は、液体Ｌの粘度と温度に加えてさらに他の物性値も考慮して静電電圧ＶＣを変化させるようにしてもよい。
【０１２１】
他の物性値としては、例えば、液体Ｌの電気伝導度を考慮することができる。すなわち、液体Ｌの吐出に必要な静電電圧ＶＣは液体Ｌの電気伝導度によっても異なるため、液体Ｌの電気伝導度に基づいて静電電圧ＶＣを変化させるようにしてもよい。この場合、液体Ｌの電気伝導度に応じてどのように静電電圧ＶＣを変化させるかは、例えば、実験によって適正な値を求めて、この値に応じて静電電圧ＶＣを補正する補正係数を決定する等の手法によることができる。
【０１２２】
その他、本発明が本実施の形態に限られないことは、第一の実施形態と同様である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】第一の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】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。
【図３】インクの粘度毎の静電電圧と飛翔液滴量との関係を示すグラフである。
【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のテーパ角との関係を示す図である。
【図９】第一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１０】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。
【図１１】第二の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１２】インクの温度と粘度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２４】
１ 液体吐出装置
２ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
１１ ノズル
１２ ノズルプレート
１３ 吐出面
１４ 吐出孔
１５ 小径部
１６ 大径部
１７ 帯電用電極
１８ 内周面
１９ 静電電圧電源
２０ ボディ層
２１ キャビティ
２２ 可撓層
２３ ピエゾ素子
２４ 駆動電圧電源
２５ 動作制御手段
２９ 撥液層
３１ 温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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