(57)【要約】【課題】  誤吐出を防止可能な流体吐出装置を提供する。【解決手段】  本ヘッドは、複数のノズル２１を備えた絶縁材料からなるノズル基板１０を有している。また、ノズル２１ごとに、２つの電極４０・４１を備えている。吐出電極４１によりノズル２１内の流体を帯電させ、両電極４０・４１によってノズル２１の先端部分に強電界を生成し、これによって、ノズル２１の先端部から流体を吐出する。ノズル２１およびノズル基板１０を絶縁材料で構成しているため、１つのノズル２１の電極４０・４１に電圧を印加したときに、ノズル基板１０の他の部分での電荷の移動を防止できる。このため、隣接するノズル２１あるいはノズル基板表面１３の帯電を防止できるので、これらからの流体の誤吐出を完全に回避できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルを備えたノズル基板を有し、各ノズルに備えられた吐出電極によって流体を帯電し、吐出電極および制御電極のつくる電界によってノズルから流体を吐出する流体吐出装置において、
上記ノズル基板が、絶縁材料から構成されていることを特徴とする、流体吐出装置。
【請求項２】
上記のノズルおよびノズル基板を構成する絶縁材料の抵抗率が、１０11Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の流体吐出装置。
【請求項３】
上記のノズルの吐出孔の径が３０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の流体吐出装置。
【請求項４】
上記のノズルにおける突出長さが１０μｍ以上であることを特徴とする、請求項３に記載の静電吸引型流体吐出方法。
【請求項５】
上記の吐出電極が、各ノズルの吐出孔内に配されており、
上記の制御電極が、ノズルを囲むように、ノズルごとに独立に配されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体吐出装置。
【請求項６】
上記の制御電極の表面を覆う、絶縁材料からなる電極被覆膜を備えていることを特徴とする請求項５記載の流体吐出装置。
【請求項７】
上記の制御電極が、ノズル基板から分離していることを特徴とする請求項５に記載の流体吐出装置。
【請求項８】
全てのノズルの吐出電極が共通化されていることを特徴とする、請求項５に記載の流体吐出装置。
【請求項９】
互いに隣接するノズルの制御電極の間に、自身の近傍における電界強度の向きをノズルに近づく方向に向けるための、シールド電極を備えていることを特徴とする、請求項５に記載の流体吐出装置。
【請求項１０】
上記の吐出電極および制御電極に印加する電圧信号として、同期のとれた正負両極性に反転する両極性パルス電圧を付与する電圧制御装置を備えていることを特徴とする、請求項５に記載の流体吐出装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の流体吐出装置を備えた、描画パターン形成装置。
【請求項１２】
吐出電極によって帯電した流体を、吐出電極および制御電極のつくる電界によって、絶縁体からなる複数のノズルから吐出する流体吐出方法において、
各ノズルの吐出孔内に配された吐出電極と、ノズルを囲むようにノズルごとに配された制御電極とを用いて、流体に静電吸引力を与えることを特徴とする流体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズル内の流体を帯電し、電界によって吐出する流体吐出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、インク等の流体を対象物（記録媒体）上に吐出する流体ジェット方式には、インクジェットプリンタとして実用化されているピエゾやサーマルなどの方式がある。また、その他の方式として、吐出する流体に電圧を印加してノズルのノズル孔（インク吐出孔・吐出孔）から吐出させる、静電吸引方式がある。
【０００３】
この静電吸引方式には、ピエゾやサーマル方式と比べて以下のような利点がある。
【０００４】
まず、超微細液滴の吐出が可能である。
現在、ピエゾ方式やサーマル方式では、実現可能な吐出液滴サイズ（液滴径）は約２ｐＬであるが、このサイズをより小さくすると、液滴が飛翔中に受ける空気抵抗の方が吐出力よりも大きくなり、液滴が最終的に対象基板（対象物）上に着弾しなくなる。一方、静電吸引方式の場合、液滴の飛翔中に、初期吐出力以外に静電力が吐出方向に常時働く。このため、対象基板上に液滴を着弾させられる。
【０００５】
また、別の利点として、吐出液体に関する選択の自由度を挙げられる。例えば、現在のピエゾ方式で吐出可能な液体粘度の限界値は約３０ｃｐである。一方、静電吸引方式では、１００００ｃｐの粘度を有する液体でも吐出できる。
このような静電吸引方式を採用した微細パターン形成装置（インクジェット記録装置）は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００６】
図１５は、この文献のインクジェット記録装置を示す断面図である。
図１５において、インク１００は、プラス帯電性の色剤成分を帯電制御剤やバインダーなどとともに、１０8 Ωｃｍ以上の抵抗率を持つ絶縁性の溶媒中にコロイド状に分散させ浮遊させたものである。
このインク１００は、ポンプおよびインク流路を含む還流機構１１１から、ヘッドブロック１０１に形成されたインク供給流路１１２を通して、ヘッド基板１０２と制御電極基板１０３との間に向けて供給され、同じくヘッドブロック１０１に形成されたインク回収流路１１３を通してインク還流機構１１１に回収される。
【０００７】
制御電極基板１０３は、貫通孔１０７を有する絶縁性基板１０４と、この貫通孔１０７の周囲で記録媒体１２１側に形成されている制御電極１０９とから構成されている。
【０００８】
ヘッド基板１０２上には、貫通孔１０７のほぼ中心位置に、凸状インクガイド１０８が配置されている。この凸状インクガイド１０８は、プラスチック樹脂などの絶縁性部材からなり、貫通孔１０７と中心が等しくなるように、同じ列間隔・ピッチで配置され、所定の方法でヘッド基板１０２上に保持されている。
【０００９】
各凸状インクガイド１０８は、一定の厚みを有する平板の先端を、三角形あるいは台形状に切り出した形状であり、その先端部がインク滴飛翔位置１１０となる。さらに、各凸状インクガイド１０８は、それぞれの貫通孔１０７からほぼ垂直に、所定の距離だけインク滴飛翔方向に突きだしている。
【００１０】
凸状インクガイド１０８の先端に対向して、記録紙である記録媒体１２１が配置される。この記録媒体１２１の背面側（ヘッド基板１０２と反対側）に、記録媒体１２１を案内するプラテンの役割を兼ねる対向電極１２２が配置されている。
【００１１】
例えば、絶縁性基板１０４は２５μｍ程度の厚さのポリイミドからなり、制御電極１０９は１８μｍ程度の厚さの銅箔からなり、貫通孔１０７の内径はφ１５０μｍからφ２５０μｍ程度である。
【００１２】
次に、この記録装置の記録動作を説明する。
記録時には、図１５で示すインク還流機構１１１からインク供給流路１１２を経て供給されたインク１００が、貫通孔１０７から凸状インクガイド１０８の先端のインク飛翔位置１１０に供給される。また、インク１００の一部は、インク回収流路１１３を経てインク還流機構１１１に回収される。
【００１３】
ここで、制御電極１０９には、バイアス電圧源１２３から、常時バイアスとして例えば１．５ｋＶの電圧が与えられている。そして、この電極１０９に、信号電圧源１２４からの画像信号に応じた信号電圧として、例えばＯＮ時に５００Ｖのパルス電圧が重畳される。
【００１４】
一方、対向電極１２２は、図１５のように、接地電圧０Ｖに設定されている。制御電圧１０９がＯＮ状態（５００Ｖを印加された状態）となり、バイアスＤＣ１．５ｋＶに５００Ｖのパルス電圧が重畳された合計２ｋＶの電圧が加わると、制御電極１０９に接触したインク中に電荷が供給され、その場の電界の影響を受けて移動する。この電荷の誘導力に応じて、インク１０９が、凸状電極１０８の先端へ移動し、インク滴飛翔位置１１０からインク滴１１５として飛び出す。インク滴１１５は、対向電極１２２に引っ張られて、記録媒体１２１に向けて飛翔し、媒体上に微細画像を形成する。
【００１５】
しかしこの装置では、インク１０９を凸状インクガイド１０８に沿って供給しているため、インク１０９の供給量によって、吐出時における飛翔位置１１０での流体形状（メニスカス）の大きさが変化しやすい。さらに、制御電極１０９に印加する電圧値によってメニスカスの大きさが変化しやすいという欠点もある。
【００１６】
すなわち、液体の供給路が内部にあると、液体はノズル先端部の端面で規制されるため、液体はノズル端面に応じた膨らみ形状（メニスカス）を形成する。一方、上記の装置のように、外部に供給路を設けると、その膨らみ（メニスカス）の大きさを規制するものがなく、供給量に応じて大きさが変化しやすい。
【００１７】
さらに、超微小な液滴を形成することが非常に難しい。特許文献１の実施例によると、凸状インクガイド１０８の先端部（メニスカスのサイズを規制する部材）は、微細加工技術の限界のため、最小で数１０μｍである。この場合、飛翔できるインク液滴サイズは数１０μｍ以上となる。
【００１８】
以上のことから、図１５に示した装置のように、「ノズルを構成する絶縁基板上の制御電極から電荷を供給し、凸形状のガイドに従って先端部にインクを誘導し、静電力で液滴を飛翔させる構成」では、マイクロメータオーダの液滴を形成することが非常に困難であるといえる。
【００１９】
次に、マイクロメータオーダの液滴形成の可能な、静電吸引型流体吐出装置（吐出方法）について説明する。このような装置は、特許文献２に記載されている。
図１６は、特許文献２に示された吐出装置（微細パターン形成装置；インクジェット記録装置）の一例を示す断面図である。
図１６において、微細パターン形成装置１は、シリコン基板２、このシリコン基板２の表面２Ａ側に配設された主電極６、支持部材８、シリコン基板２の裏面２Ｂ側に所定の間隔を設けて配置された対向電極７、シリコン基板２と支持部材８との空隙部にインクを供給するインク流路９、このインク流路９に接続されたインク供給装置１０を備えている。
【００２０】
シリコン基板２は、表面２Ａ側から裏面２Ｂ側に貫通する、複数の微細孔３を備えている。この微細孔３における表面２Ａ側の開口部３ａは、シリコン基板２と支持部材８とにより形成されている、空隙部に露出している。
【００２１】
シリコン基板２の材質は、シリコンの単結晶が好ましく、厚みは２００〜５００μｍ程度が好ましい。このようなシリコン基板２は、その線膨張係数が約２．６×１０−６／Ｋと低いため、温度による形状変化が極めて小さいものである。
【００２２】
微細孔３は、その軸方向に垂直な横断面形状（シリコン２基板の表面２Ａに平行な断面）が円形、その軸方向に沿った縦断面形状（シリコン基板２の表面２Ａに垂直な断面）が長方形である、円柱形状の空間である。
【００２３】
また、微細孔３の壁面には、シリコン酸化物層４が設けられている。通常、このシリコン酸化物層４の厚みは５０００〜１００００Å程度である。図１６に示した例では、シリコン基板２の厚み、シリコン酸化物層４を備えた微細孔３の開口径、形成数、形成ピッチ等は、装置構成を説明するために簡略化してあるが、微細孔３の開口径は１〜１００μｍ程度、微細孔３のアスペクト比（長手方向の開口径に対する、横断面の開口径の比）は１〜１００程度の範囲で適宜設定することができる。
【００２４】
また、微細孔３の形成数および形成ピッチは、微細パターン形成装置１により形成するパターン形状・形成方法等に応じて適宜設定でき、形成ピッチは最小で２μｍ程度が好ましい。微細孔３の横断面形状は、上記の円形の他に楕円形、多角形等、あるいは、特殊な形状であってもよい。また、横断面形状の異なる２種以上の微細孔からなるものでもよい。横断面形状が楕円形、長方形の場合、長手方向の開口径は５〜５００μｍの範囲で適宜設定できる。また、微細孔３の縦断面形状は、長方形の他に、シリコン基板２の裏面２Ｂ側の狭い台形（テーパ形状）であってもよい。
【００２５】
図１７に示すように、主電極６は、開口部６ａを有し、複数の微細孔を囲むように配設されている。主電極６は、アルミニウム、銅、クロム、金、銀、シリコン等の導電性薄膜からなるものであり、シリコン基板２の表面２Ａにポリイミド等の電気絶縁性薄膜を介して配設される。
【００２６】
対向電極７は、電気的には、接地状態および浮遊状態のいずれであってもよい。ただし、より細いラインを描画するためには、接地状態が好ましい。上記の対向電極７とシリコン基板２との距離は５０〜５００μｍ程度の範囲内で設定できる。このような対向電極７としては、ＳＵＳ３０４、銅、アルミニウム等の導電性を有する材料で形成されたものを用いることができる。また、ガラス、樹脂材料等の非導電性材料に導電性薄膜を形成して対向電極とすることもできる。
【００２７】
支持部材８は、シリコン基板２の表面側２Ａに配設され、シリコン基板２を保持するためのものである。
【００２８】
このような微細パターン形成装置１は、インク吐出手段として、主電極と対向電極との間に形成される電界と、インク供給装置１０からのインク供給圧とを併用している。従って、低いインクの供給圧で、シリコン基板２の微細孔３からインクを微量かつ高精度で吐出できる。
【００２９】
また、微細孔（ノズル）３によってインク形状を規制しているため、微細孔３と同等サイズの、マイクロメータオーダの液滴を容易に吐出できる。また、例えば、１００〜１００００ｃｐの範囲にある高粘度のインクを微量かつ高精度で吐出させることもできる。
なお、インク供給空間にインクがあれば、インク供給圧をかけなくとも、電界だけでインクを吐出できる。
【特許文献１】特開平１０−１３８４９３号公報（公開日；１９９８年５月２６日）
【特許文献２】特開２００３−３１１９４４号公報（公開日；２００３年１１月６日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
しかしながら、特許文献２の装置では、微細孔３を、電気伝導率が１０７Ω・ｃｍ以下のシリコンで形成している。このため、図１７に示した主電極６に印加した電圧は、所望の微細孔３（図中の５つの微細孔３）だけでなく、これらに隣接した他の微細孔３（図示せず）に対しても印加されることとなる。
【００３１】
すなわち図１７に示すように、主電極６は、シリコン基板２の表面２Ａに、ポリイミド等の電気絶縁性薄膜を介して配設され、この膜により絶縁化処理を施されている。しかし、主電極６とシリコン基板２との間に直接的、あるいは、インクを介して間接的に電気的接触点が存在すると、主電極６に電圧を印加することでシリコン基板全体に電圧が印加されることとなる。
【００３２】
さらに、シリコン基板２の表面２Ａに自然酸化膜が形成され、表面が絶縁化されている場合においても、電圧印加時にシリコン基板２の内部電位が駆動電圧に従って変動する。このため、各主電極６に対して独立に電圧を印加する度に内部の電位変動が発生し、吐出可能条件に影響を及ぼし吐出が不安定となる。
そのため、所望の主電極６のみに電圧を印加できず、各微細孔３から独立して吐出可能なオンデマンド吐出による微細な描画パターンの形成を実現できない。
【００３３】
すなわち、シリコン基板２として電気伝導率が１０７Ω・ｃｍ以下のシリコンを使用すると、インク流路表面全体がたとえ自然酸化膜で被覆されている場合でも、内部のシリコン基板２内で電荷の移動が自由に発生してしまう。例えば、ある主電極６に電圧を印加すると、シリコン基板２内部に誘導電荷が発生して、シリコン基板２の全体に移動する。そして、その誘導電荷は、電圧を印加していない主電極６に応じた隣接の微細孔３にも流れ、この隣接の微細孔３の吐出電圧特性に少なからず影響を及ぼす。
【００３４】
また別の問題点として、流体の安定吐出を挙げられる。
図１６の装置では、主電極６に印加する電圧の大きさで吐出量を制御する。ここで、電圧が大きくなると、微細孔３の先端部３ｂで形成されるメニスカスが大きくなる。このため、微細孔３の先端部３ｂで保持しきれない一部の液体が、微細孔３の形成材料との間の濡れ性に従って、微細孔３の外壁面に溢れ出す現象が発生する。その際、濡れ広がって微細孔３の周辺に蓄積された液体が強い電界強度を受けると、微細孔３と同様に液滴分離が始まり、誤吐出が発生する。
【００３５】
このように、微細孔３以外の場所で、液体が強電界を受けるような電界強度分布が形成されていると、誤吐出が起きやすくなる。従って、所望の微細孔３から吐出を行えるような安定吐出状態を得られない。
【００３６】
本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたものである。そして、その目的は、誤吐出を防止可能な流体吐出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記の目的を達成するために、本発明の流体吐出装置（本装置）は、
複数のノズルを備えたノズル基板を有し、各ノズルに備えられた吐出電極によって流体を帯電し、吐出電極および制御電極のつくる電界によってノズルから流体を吐出する流体吐出装置において、
上記ノズル基板が、絶縁材料から構成されていることを特徴としている。
【００３８】
本装置は、描画パターン形成装置に備えられる流体吐出部（ヘッド）である。
描画パターン形成装置は、描画対象となる記録媒体に、インクなどの流体を用いて描画パターンを形成するためのもの（例えばインクジェット記録装置）である。
そして、本装置は、描画パターン形成装置の本体から供給された電圧信号に基づいて、記録媒体に流体を吐出するものである。
【００３９】
上記のように、本装置は、複数のノズルを備えたノズル基板を有している。このノズルは、記録媒体に向けて流体を吐出する部分である。
また、流体の吐出は、２つの電極を用いて行われる。
すなわち、まず、流体の吐出に用いるノズルに備えられた吐出電極により、このノズル内の流体を帯電させる。そして、吐出電極および制御電極によって、このノズルの先端部分に、記録媒体に向かう強電界を生成する。そして、この電界によって、ノズルの先端部から流体を吐出するようになっている。
【００４０】
また、本装置では、ノズルを備えたノズル基板を、絶縁材料で構成している。
従って、本装置では、１つのノズルの吐出電極に電圧を印加したとき、これによるノズル基板の他の部分での電荷の移動を防止できる。このため、隣接するノズルあるいはノズル基板表面の帯電を防止できるので、これらからの流体の誤吐出を完全に回避できる。
従って、本装置では、安定性および着弾精度の高い、理想的なオンデマンド吐出を実現することが可能となっている。
【００４１】
なお、ノズルおよびノズル基板をなす絶縁材料としては、１０11Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有するものを用いることが好ましい。
【００４２】
また、上記のノズルの吐出孔の径については、３０μｍ以下、好ましくは１〜３０μｍの範囲に設定することが好ましい。これにより、微細なパターンの描画を行える。
【００４３】
また、この場合、ノズルの突出長さ（ノズル突出長）を、１０μｍ以上とすることが好ましい。これにより、ノズル基板表面に溢れた流体の高さよりも、ノズル突出長を十分に長くできる。従って、ノズルの先端部に形成される流体のメニスカスの形状変動を、完全に抑えられる
上記の吐出電極については、各ノズルの吐出孔内に配することが好ましい。これにより、ノズル内の流体を容易に帯電させられる。
【００４４】
また、上記の制御電極については、ノズルを囲むように、ノズルごとに独立に配されていることが好ましい。
このような制御電極を用いることで、ノズル先端部に電界を集中させられるので、ノズル先端部に大きな電位勾配を形成できる。従って、吐出電極に印加する電圧を小さくしても、強電界を発生させることが可能となる。
【００４５】
また、ノズル先端部に電界を集中させられるため、ノズル先端部とノズル基板表面との電界強度比を３（３倍）にできる。
このため、ノズル基板表面上に流出した流体が強い電界を受けて誤吐出することを回避できる。従って、ノズル先端部のみから流体を吐出できる。これにより、安定吐出の可能な状態を形成することが可能である。
【００４６】
また、制御電極を設けない場合、本装置と同様の電界分布を得るためには、ノズルの突出長（ノズル突出長）を１００μｍとすればよい。
しかし、吐出孔径をマイクロメータオーダとする一方、ノズル突出長を１００μｍ以上とするような、高アスペクト比形状のノズルを形成するための微細加工は、非常に困難である。また、ノズル突出長を長くするほど、ノズル基板表面に対する「ノズルの垂直度」に誤差が生じやすくなる。そして、このような誤差の生じた場合、流体液滴の飛翔方向にゆがみが発生し、吐出精度が悪化する。
【００４７】
ここで、上記のように、本装置では、制御電極を設けることにより、ノズル突出長を１００μｍとした場合と同様の電界強度を得られるように設計されている。すなわち、本装置では、制御電極を設置することで、ノズルの突出長を極端に小さくできるといえる。従って、ノズルの加工性を大幅に改善できる。また、ノズル基板表面（ノズル部材の平坦面）に対するノズルの垂直度の悪化を抑制し、着弾制度の悪化を防止できる。
【００４８】
なお、上記のような制御電極については、ノズルの根元の表面（ノズル基板の表面）に配することが可能である。この場合、この表面上に制御電極を形成する場合、電極を露出させてもよいが、絶縁体からなる電極被覆膜により電極を被覆してもよい。
電極被覆膜の材料としては、絶縁体であればなんでもよく、例えば、ポリイミド、ＰＭＭＡ等の樹脂材料をスピンコートすることで形成できる。
【００４９】
また、電極被覆膜の厚さ（コート厚）については、薄いほうが好ましい。この厚さについては、クラックを生じさせずに膜を安定して形成することを考慮に入れると、３００Å〜２μｍの範囲に設定することが好ましい。
【００５０】
この構成では、ノズルから流体が溢れてノズル基板表面上に蓄積されたとしても、その流体が制御電極に直接に接触することを防止できる。このため、流体の接触による制御電極の電圧降下を回避できるので、制御電極に安定した電圧を印加でき、吐出制御を安定させられる。
【００５１】
また、制御電極については、ノズル基板から分離した状態（ノズル基板表面から離れている状態）としてもよい。この場合でもノズルから溢れた流体が制御電極に直接接触することを防止できる。
【００５２】
また、この場合、制御電極とノズル先端部との相対位置を変えられるように設計することが好ましい。
これにより、制御電極の位置を変えることで、ノズル先端部の電界強度を調整できる。従って、流体を吐出するために、電極の印加電圧だけでなく、制御電極の位置についても調整することで、ノズル先端部の電界強度を微調整できる。従って、流体吐出のための制御に関する精密さ高められる。
【００５３】
また、吐出電極については、ノズルごとに独立に制御してもよいし、共通化してもよい。吐出電極を共通化する（全ての吐出電極を同電位とする）場合、吐出電極に電圧を印加すると、吐出電極から電荷が流出し、ノズル先端部に充填された流体を帯電する（待機状態）。
そして、この状態で、流体を吐出させるべきノズルに応じた制御電極の電圧を調整することで、このノズルから流体を吐出できる。
【００５４】
このように、吐出電極を共通化することで、内部の流体全体を、吐出電極とほぼ同電位に保ち、電荷を十分に供給した状態（十分に帯電した状態）にできる。
このため、吐出に必要な電荷量を得て流体を吐出した後でも、すぐに流体を帯電させられる。従って、吐出に必要な電荷を流体にためるまでの時間を短くできる（流体の帯電速度を高められる）。
【００５５】
なお、静電吸引型の流体吐出装置の場合、流体の帯電速度は、吐出応答性に直接に寄与する。従って、上記の構成では、吐出応答性を向上することが可能である。
また、吐出電極を共通化することにより、ノズル基板の全体で流体を同電位にできる。このため、流体を媒体とした隣接ノズルへの電荷のリークを防止できる。従って、隣接ノズルからの誤吐出、すなわちクロストークを防止できる。
【００５６】
このように、吐出電極を共通化することで、吐出応答性を向上でき、かつクロストークを防止した安定吐出を実現できる。
【００５７】
また、互いに隣接するノズルの制御電極の間に、自身の近傍における電界強度の向きをノズルに近づく方向に向けるための、シールド電極を備えてもよい。
このようなシールド電極に電圧を印加することによって、吐出電極および制御電極のつくる電界強度の向きを、ノズルに近づく方向に向けられる。これにより、隣接ノズルへの影響を抑制できる。従って、隣接ノズルの吐出精度の悪化、吐出量変動などの悪影響を回避できる。
【００５８】
また、本装置に、吐出電極および制御電極に印加する電圧信号として、同期のとれた正負両極性に反転する両極性パルス電圧を付与する電圧制御装置を備えることも好ましい。
【００５９】
各電極にこのような電圧信号を与えると、各電極に正パルスの印加された場合、ノズルから正帯電した流体が飛翔する。逆に、各電極に負パルスの印加された場合、ノズルから負帯電した流体が飛翔する。
すなわち、パルス信号の極性反転に従って、飛翔する流体の帯電極性を交互に変化させながら記録媒体に着弾させられる。
【００６０】
なお、本装置では、吐出する流体は、すべて帯電しており、電荷を含有した状態で基板（記録媒体）上に着弾する。
そして特に、記録媒体として電気電導性の低い絶縁基板を用いる場合、着弾した流体中の電荷が基板上に残留してしまい、基板の電位上昇、つまりチャージアップが発生する。
【００６１】
そして、チャージアップが発生すると、吐出条件を決定するノズル先端部の電界強度の大きさおよび分布が変動しやすくなる。このため、ノズルからの吐出量ばらつきや、着弾精度の低下を引き起こし、吐出を安定的に行えなくなる。しかし、上記のように、流体の帯電極性を交互に反転させながら基板に着弾させることにより、着弾した流体中の電荷によるチャージアップを抑制できる。従って、基板の種類（絶縁性）によらず、常に安定した吐出を行えるため、パターン形成を安定的に行える。
【００６２】
また、本発明の流体吐出方法は、
吐出電極によって帯電した流体を、吐出電極および制御電極のつくる電界によって、絶縁体からなる複数のノズルから吐出する流体吐出方法において、
各ノズルの吐出孔内に配された吐出電極と、ノズルを囲むように、ノズルごとに配された制御電極とを用いて、流体に静電吸引力を与えることを特徴とする方法である。
【００６３】
この方法は、上記した本装置において用いられている方法である。従って、この方法を用いることで、安定性および着弾精度の高い、理想的なオンデマンド吐出を実現できる。
【発明の効果】
【００６４】
以上のように、本発明の流体吐出装置（本装置）は、
複数のノズルを備えたノズル基板を有し、各ノズルに備えられた吐出電極によって流体を帯電し、吐出電極および制御電極のつくる電界によってノズルから流体を吐出する流体吐出装置において、
上記ノズル基板が、絶縁材料から構成されている構成である。
【００６５】
本装置では、ノズルを備えたノズル基板を、絶縁材料によって構成している。
従って、本装置では、１つのノズルの吐出電極に電圧を印加したとき、これによるノズル基板の他の部分での電荷の移動を防止できる。このため、隣接するノズルあるいはノズル基板表面の帯電を防止できるので、これらからの流体の誤吐出を完全に回避できる。
従って、本装置では、安定性および着弾精度の高い、理想的なオンデマンド吐出を実現することが可能となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態にかかる静電吸引型流体吐出装置であるインクジェットヘッド（本ヘッド）は、描画パターン形成装置に備えられるインク吐出ヘッドである。
この描画パターン形成装置は、描画対象となる記録媒体に対し、インクを用いて描画パターンを形成するためのものである。
そして、本ヘッドは、描画パターン形成装置の制御部から供給された電圧信号に基づいて、記録媒体にインクを吐出するものである。
【００６７】
まず、本ヘッドの構成について説明する。
図１（ａ）は、本ヘッドの構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、そのノズルの概略図である。
図１（ａ）に示すように、本ヘッドは、記録媒体（図示せず）に対向するノズル基板１０、ノズル基板１０に連結されたインク供給路２０、および圧力供給路３０を備えている。
【００６８】
インク供給路２０は、加工性の高いガラス等の絶縁材料から構成される。本ヘッドでは、インク供給路２０は、インクの経路となる複数の微細孔１１を有している。
各微細孔１１は、それぞれ電気的に完全に独立した構成となっている。これは、隣接する微細孔１１間（チャネル間）を電気的に分断するためである。
【００６９】
ノズル基板１０は、１０11Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有する絶縁性材料で構成されている。このような絶縁性材料としては、例えば、ポリイミド、エポキシ、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）等の耐薬品性の高い樹脂材料を使用することが好ましい。
【００７０】
このノズル基板１０は、インク供給路２０の微細孔１１に応じた、複数のノズル（ノズル突出部）２１を備えている。
ノズル２１は、ノズル基板１０と同じ材料からなり、ノズル基板１０と一体形成されている。また、各ノズル２１は、それぞれ吐出孔１２を備えている。
この吐出孔１２の孔径サイズについては、描画パターンのサイズ（線幅）に応じて、適宜設定できる。基本的に、孔径サイズを１〜３０μｍの範囲とすると、微細孔１１の径とほぼ同等の描画ライン幅を得られる。
【００７１】
なお、１〜３０μｍの孔径サイズ、数１０μｍの長さを有する吐出孔１２をノズル２１に形成するためには、エキシマレーザ加工、Ｘ線フォトリソ加工、あるいは微小放電加工を用いることが可能である。
【００７２】
また、ノズル基板１０には、インクの吐出に使用される２種類の電極４０・４１が、ノズル２１ごとに独立に設けられている。
【００７３】
吐出電極４０は、インク供給路２０の微細孔１１の先端に、吐出孔１２内に延びるように設置されている棒状の電極である。各吐出電極４０は、互いに独立に配線されている。吐出電極４０の材料としては、アルミニウム，銅，クロム，金，銀，シリコン等の導電性材料を使用できる。
【００７４】
一般に、吐出電極４０のパターニングは、蒸着により行われる。しかし、微細孔１１に対する設置深さの大きい場合は、微細孔１１の径よりも小さなサイズの金属ワイヤを微細孔１１に挿入して吐出電極４０とすることも可能である。
【００７５】
制御電極４１は、ノズル基板表面１３上に、ノズル２１を囲むように設置されたリング状の電極であり、ノズル２１ごとに独立に配線されている。制御電極４１の材料としては、吐出電極４０と同様の導電性材料を使用できる。また、この制御電極４１については、ノズル２１を微細加工した後に、蒸着によって形成できる。
なお、ノズル基板１０における、制御電極４１の形成部分の厚さは１０μｍである。
【００７６】
圧力供給路３０は、圧力供給装置の駆動力により、全ての微細孔１１に対して均一な圧力（最大１０ａｔｍ）を付与するものである。
【００７７】
次に、本ヘッドの吐出原理について説明する。
本ヘッドでは、ノズル２１ごと（チャネルごと）に、電極４０・４１に与える電圧を切り替える（ＯＮ／ＯＦＦする）ようになっている。
【００７８】
まず、電源から各吐出電極４０に電圧を印加すると、吐出電極４０から電荷が流出し、吐出孔１２の先端部（ノズル２１の先端部（ノズル先端部）；特に吐出電極４０の先端から吐出孔１２の先端までの間）に充填されたインクが帯電する。
そして、制御電極４１に電圧を印加すると、電極４０・４１に印加された電圧に応じた電位勾配が発生し、ノズル先端部の近傍に、記録媒体方向に向かう強電界が形成される。
そして、ノズル先端部で帯電したインクは、その強電界の影響を受けて吐出され、記録媒体に着弾する。
【００７９】
次に、ノズル２１の周囲に配置した、制御電極４１の効果について説明する。図２は、吐出電圧および電界強度の大きさを比較計算した結果を示す説明図である。これは、吐出孔１２の径を１０μｍ、ノズル２１の突出長（ノズル基板表面１３から先端までの長さ）を５μｍとした場合における、吐出可能電圧および電界強度比の計算結果である。
【００８０】
この図に示すように、制御電極４１を設置して電圧を印加することにより、吐出電極４０に印加するべき電圧（吐出可能電圧；インクを吐出するために必要な電圧）を極端に小さくできる。
【００８１】
すなわち、図３に示すように、ノズル２１を囲むように制御電極４１を設置することで、ノズル先端部に電界を集中させられる。従って、ノズル先端部に、大きな電位勾配を形成できる。すなわち、点線で示すような密度の高い等電位線を形成できる（当電位線の間隔が狭くなると、電位勾配が大きくなり電界が大きくなる）。
従って、吐出電極４０に印加する電圧を小さくしても、強電界を発生させることが可能となる。
【００８２】
また、ノズル先端部に電界を集中させられるため、ノズル先端部とノズル基板表面１３との電界強度比を３（３倍）にできる。
このため、ノズル基板表面１３上に流出したインクが強い電界を受けて誤吐出することを回避できる。従って、電圧を印加した制御電極４１に応じたノズル２１の先端部のみからインクを吐出できる。これにより、安定吐出の可能な状態を形成することが可能である。
【００８３】
また、図２に示すように、制御電極４１を設けない場合、本ヘッドと同様の電界分布を得るためには、ノズル２１の突出長（ノズル突出長）を１００μｍとする必要がある。
【００８４】
ここで、ノズル突出長と電界強度分布との関係について説明する。
図４は、ノズル突出長と、ノズル先端部とノズル基板表面１３との電界強度比との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、ノズル突出長を長くすることにより、電界強度比を大きくできる。また、突出長を１００μｍ以上に設定することで、電界強度比を３倍以上にできる。
【００８５】
また、図５は、ノズル突出長と、ノズル基板表面１３およびノズル先端部の電界強度を示すグラフである。
このグラフに示すように、ノズル突出長を１００μｍ以上に長くする場合には、電界強度比を３倍以上にできる。また、ノズル先端部の電界をスプレー現象開始電圧より小さくした状態で、ノズル基板表面１３の電界強度を、常に吐出開始電界以下にできる。従って、ノズル基板表面１３からの吐出を抑えられる。
ここで、スプレー現象とは、過剰電圧を印加したためにノズル先端部の電界強度が高くなりすぎ、メニスカスの先端部が割れてインク液滴の着弾精度が悪化する現象である。
【００８６】
しかし、吐出孔径をマイクロメータオーダとする一方、ノズル突出長を１００μｍ以上とするような、高アスペクト比形状のノズルを形成するための微細加工は、非常に困難である。また、ノズル突出長を長くするほど、ノズル基板表面１３に対する「ノズル２１の垂直度」に誤差が生じやすくなる。そして、このような誤差の生じた場合、インク液滴の飛翔方向にゆがみが発生し、吐出精度が悪化する。
【００８７】
ここで、上記のように、本ヘッドでは、制御電極４１を設けることにより、ノズル突出長を１００μｍとした場合と同様の電界強度を得られるように設計されている。すなわち、本ヘッドでは、制御電極４１を設置することで、ノズル２１の突出長を極端に小さくできるといえる。従って、ノズル２１の加工性を大幅に改善できる。また、ノズル基板表面１３（ノズル部材の平坦面）に対するノズル２１の垂直度の悪化を抑制し、着弾制度の悪化を防止できる。
【００８８】
また、本ヘッドでは、ノズル２１を備えたノズル基板１０を、１０11Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有する絶縁性材料で構成している。
従って、本ヘッドでは、１つのノズル２１の電極４０・４１に電圧を印加したとき、ノズル基板１０内に自由に移動可能な誘導電荷は発生しない。このため、電圧印加によってノズル基板１０の他の部分での電荷の移動を防止できる。
【００８９】
従って、隣接するノズル２１あるいはノズル基板表面１３の帯電・誘導電荷の流れ込みを防止できるので、これらからのインクの誤吐出（クロストーク）を完全に回避できる。
これにより、本ヘッドを用いることで、安定性および着弾精度の高い、理想的なオンデマンド吐出を実現することが可能である。
【００９０】
次に、ノズル２１の突出長と、インクの濡れ広がりとの関係について説明する。
図６（ａ）〜（ｃ）は、ノズル基板表面１３上へのインクの広がり状態を示す図である。
本ヘッドでインクＩを吐出させた場合、電極４０・４１に印加する電圧（駆動電圧）の増加に従って流出量が増加する。その際、ノズル先端部に形成されるインクＩのメニスカスも拡大するため、インクが少なからず溢れ出して、ノズル基板表面１３上に蓄積される。
【００９１】
まず、図６（ａ）のように、ノズル突出長の短い場合、ノズル基板表面１３に溢れ出したインクとノズル先端部のメニスカスとが合体して、大きなメニスカスが形成される。
このようにメニスカスが急激に大きくなった場合、インクを吐出するための電界強度をノズル先端部で確保できず、インクを吐出できなくなる。
【００９２】
次に、図６（ｂ）に示すように、溢れ出したインクの高さとノズル突出長とがほぼ同等の場合は、ノズル先端部のメニスカス形状に微小な変化が発生する。このため、電極４０・４１に一定の電圧を印加していても、インク吐出量が変動する。
【００９３】
また、図６（ｃ）に示すように、ノズル基板表面１３に溢れたインクの高さよりも、ノズル突出長を十分に長くする場合、メニスカスの形状変動を完全に抑えられる。従って、インク吐出量を常に一定にできる（安定吐出が可能である）。
【００９４】
また、図７は、ノズル突出長とインクの溢れ広がり状況との関係を実際に確認した実験結果を示す説明図である。吐出孔１２の径を１〜３０μｍとする場合、この図に示すように、ノズル突出長を１０μｍ以上とすると、図６（ｃ）の状態を得られ、安定吐出を実現できることがわかる。
【００９５】
なお、上記では、制御電極４１をノズル基板表面１３上に配するとしている。この制御電極４１については、ノズル基板表面１３上で露出させてもよいが、図８に示すように、絶縁体からなる電極被覆膜１４により被覆してもよい。
電極被覆膜１４の材料としては、絶縁体であればなんでもよく、例えば、ポリイミド、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の樹脂材料をスピンコートすることで形成できる。
【００９６】
また、電極被覆膜１４の厚さ（コート厚）については、薄いほうが好ましい。この厚さについては、クラックを生じさせずに膜を安定して形成することを考慮に入れると、３００Å〜２μｍの範囲に設定することが好ましい。
【００９７】
この構成では、吐出孔１２からインクが溢れてノズル基板表面１３上に蓄積されたとしても、そのインクが制御電極４１に直接に接触することを防止できる。このため、インクの接触による制御電極４１の電圧降下を回避できるので、制御電極４１に安定した電圧を印加でき、吐出制御を安定させられる。
【００９８】
また、図９に示すように、ノズル基板１０と分離した基板に制御電極４１を配置した、制御電極プレート４５を用いてもよい。
この制御電極プレート４５の基板材料としては、剛性の高いものを用いることが好ましく、絶縁材料ではガラス、導電性（金属）材料ではＡｌ、ＳＵＳ等を用いることが好ましい。
【００９９】
制御電極プレート４５の基板をガラス等の絶縁材料から構成する場合、基板上に制御電極４１のパターンを配線することで、制御電極プレート４５を形成できる。また、制御電極４１を薄膜絶縁材料で被覆し、制御電極４１を露出させないことが好ましい。
【０１００】
また、制御電極プレート４５の基板を導電性材料で形成した場合、制御電極４１を共通電極として使用することで、電圧を制御できる。この場合においても、薄膜絶縁材料で被覆することによって、制御電極プレート４５の金属部分を露出させない構成とすることが好ましい。
【０１０１】
このように、制御電極プレート４５を用いる構成では、制御電極４１をノズル基板１０と分離できるので、吐出孔１２より溢れたインクが制御電極４１に直接接触することを防止できる。
このため、インクの接触による制御電極４１の電圧降下を防止できるので、制御電極４１の電圧を常に安定した状態に保てる。
【０１０２】
また、ノズル先端部に対する制御電極プレート４５の相対位置を変えることで、ノズル先端部の電界強度（吐出電界強度）を調整できる。従って、インクを吐出するために、電極４０・４１の印加電圧だけでなく、制御電極プレート４５の位置についても調整することで、吐出電界強度の微調整を行える。従って、インク吐出のための制御に関する精密さ高められる。
【０１０３】
なお、制御電極プレート４５を支持するために、制御電極プレート４５を安定して支持するための土台と、プレート４５の厚み方向への正確な位置制御ができるシステムを備えることが好ましい。
このようなシステムとして、例えば、プレート４５の四方を保持する精密ステージを用いることが可能である。
【０１０４】
また、上記では、吐出電極４０を、ノズル２１ごとに独立に制御するとしている。しかしながら、これに限らず、吐出電極４０を共通化してもよい。
図１０は、このような構成における、ノズル基板１０におけるインク供給路２０側の面（裏面；ノズル基板表面１３と反対側の面）を示す説明図である。
【０１０５】
この図に示すように、この構成では、ノズル基板１０面上に各ノズルの吐出電極４０の配線がパターニングされており、配線は共通化されて電源に繋がっている。
【０１０６】
この構成の駆動について説明する。
まず、共通化された吐出電極４０に電圧を印加すると、吐出電極４０から電荷が流出し、ノズル先端部に充填されたインクを帯電する（待機状態）。この待機状態で吐出電極４０に印加する電圧としては、吐出の開始する電圧よりも低い範囲内で、できるだけ高い値に設定することが好ましい。
【０１０７】
例えば、吐出孔径が１０μｍ、突出長が５μｍの場合、吐出電極４０に４００Ｖ、制御電極４１に３００Ｖ以上の電圧を印加することが好ましい。
そして、この状態で、インクを吐出させるべきノズル２１に応じた制御電極４１の電圧を２５０〜３００Ｖに設定することで、このノズル２１からインクを吐出できる。
【０１０８】
このように、吐出電極４０を共通化して所望の一定電圧を印加することで、内部のインク全体を、吐出電極４０とほぼ同電位に保ち、電荷を十分に供給した状態（十分に帯電した状態）にできる。
このため、吐出に必要な電荷量を得てインクを吐出した後でも、すぐにインクを帯電させられる。従って、吐出に必要な電荷をインクにためるまでの時間を短くできる（インクの帯電速度を高められる）。
【０１０９】
なお、静電吸引型の流体吐出装置の場合、インクの帯電速度は、吐出応答性に直接に寄与する。従って、上記の構成では、吐出応答性を向上することが可能である。
また、吐出電極４０を共通化することにより、ノズル基板１０の全体でインクを同電位にできる。このため、図１１に示すように、インク供給路２０内で、ノズル２１ごとにインク流路（微細孔１１）を独立させずに、インク流路を共通にしても、インクを媒体とした隣接ノズルへの電荷のリークを防止できる。従って、隣接ノズルからの誤吐出、すなわちクロストークを防止できる。
【０１１０】
このように、吐出電極４０を共通化することで、吐出応答性を向上でき、かつクロストークを防止した安定吐出を実現できる。
【０１１１】
また、図８に示した構成では、ノズル基板１０上で制御電極４１を電極被覆膜１４により被覆している。ここで、この構成において、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ノズル基板表面１３上の電極被覆膜１４内に、制御電極４１とともにシールド電極４２を備えてもよい。
【０１１２】
図１２（ａ）（ｂ）に示すように、シールド電極４２の配置位置は、各制御電極（ノズル周囲電極）４１の間である。また、全てのシールド電極４２は共通化されており、共通の配線パターンを介して電源に繋がっている。
【０１１３】
シールド電極４２の形状は、ノズル基板表面１３上で、ノズル設置方向に垂直な方向の長さが制御電極４１と同等以上であれば、どのような形状でも構わない。
【０１１４】
また、シールド電極４２に印加する電圧値については、制御電極４１に印加される電圧値と同じまたはそれ以上にすればよい。
例えば、吐出電極４０に４８０Ｖ,制御電極４１に３００Ｖを印加する場合、シールド電極４２には、３００〜３５０Ｖ程度の電圧を印加することが好ましい。
【０１１５】
図１２（ｃ）に示すように、各ノズル２１の間にシールド電極４２を設置して所望の電圧を印加することによって、点線で示すような電位勾配を形成できる。この図に矢印で示すように、シールド電極４２の近傍における電界強度の向きを、ノズル２１に近づく方向に向けられる。
【０１１６】
このように、電界の向きをノズル２１に近づく方向に向けることにより、隣接ノズルへの影響を抑制できる。従って、隣接ノズルの吐出精度の悪化、吐出量変動などの悪影響を回避できる。
【０１１７】
また、上記したように、図１に示した本ヘッドでは、ノズル２１の内部（吐出孔１２内）のインク流路中に形成される吐出電極４０と、ノズル２１の周囲に形成される制御電極４１との、２種類の電極が備えられている。
【０１１８】
ここで、電極４０・４１に印加する電圧（電圧信号）について説明する。
本ヘッドでは、図示しない電圧制御装置により、各電極４０・４１に印加する電圧を制御するように設計されている。
そして、図１３に示すように、各電極４０・４１に印加する電圧を、バイアスをゼロとした、正負両極性に反転する両極性パルス電圧信号としている。さらに、このようなパルスの電圧信号を、電極４０・４１に対して、互いに同期をとった状況で印加するように設計されている。
【０１１９】
各電極４０・４１にこのような電圧信号を与えると、各電極４０・４１に正パルスの印加された場合、ノズル２１から正帯電したインク液滴が飛翔する。逆に、各電極４０・４１に負パルスの印加された場合、ノズル２１から負帯電したインク液滴が飛翔する。
【０１２０】
すなわち、本ヘッドでは、パルス信号の極性反転に従って、飛翔するインク液滴の帯電極性を交互に変化させながら記録媒体に着弾させられる。
例えば、吐出孔１２の径を１０μｍ、ノズル突出長を５μｍとし、吐出電極４０に±４８０Ｖ、突出ノズル周囲の制御電極４１に±３００Ｖを印加して、各電極４０・４１に印加する電圧信号を同期させることで、上記のようなインク吐出を実現できる。
【０１２１】
なお、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、本ヘッドのような静電吸引型のインクジェットヘッドでは、吐出するインクは、すべて帯電しており、電荷を含有した状態で基板（記録媒体）上に着弾する。
そして特に、記録媒体として電気電導性の低い絶縁基板を用いる場合、着弾したインク中の電荷が基板上に残留してしまい、基板の電位上昇、つまりチャージアップが発生する。
【０１２２】
そして、チャージアップが発生すると、吐出条件を決定するノズル先端部の電界強度の大きさおよび分布が変動しやすくなる。このため、ノズル２１からの吐出量ばらつきや、着弾精度の低下を引き起こし、吐出を安定的に行えなくなる。
【０１２３】
しかし、上記のように、インク液滴の帯電極性を交互に反転させながら基板に着弾させることにより、着弾したインク液滴中の電荷によるチャージアップを抑制できる。従って、基板の種類（絶縁性）によらず、常に安定した吐出を行えるため、パターン形成を安定的に行える。
【０１２４】
また、本実施形態では、ノズル２１を、ノズル基板１０と同じ材料から、ノズル基板１０と一体形成するとしている。しかしながら、これに限らず、ノズル２１を、ノズル基板１０とは異なる材料から形成してもよい。
【０１２５】
また、本実施形態では、帯電したインクに静電吸引力を与えるために、制御電極４１（およびシールド電極４２）を用いるとしている。しかしながら、これに限らず、記録媒体の裏側（インクの着弾されない側）に、制御電極としての対向電極を備えてもよい。この対向電極については、接地状態にあることが好ましい。
【０１２６】
また、本ヘッドを、に制御電極４１を備えない構成としてもよい。すなわち、本ヘッドは、絶縁体からなるノズル基板１０を備えているため、制御電極４１を用いなくとも、隣接ノズルやノズル基板表面１３上からのインクの誤吐出を防止できる。
【０１２７】
また、本実施形態では、本ヘッドがインクを吐出するとしている。しかしながら、これに限らず、本ヘッドの構成を用いることで、インク以外の他の流体（液体）を吐出することも可能である。
【０１２８】
また、本ヘッドのノズル基板１０をなす絶縁材料として、抵抗率が１０11Ω・ｃｍ以下のもの（例えば１０７Ω・ｃｍ程度のもの）を用いてもよい。従って、本ヘッドを、複数のノズルを備えたノズル基板を有し、各ノズルに備えられた吐出電極によって流体を帯電し、吐出電極および制御電極のつくる電界によってノズルから流体を吐出する流体吐出装置において、上記の吐出電極が、各ノズルの吐出孔内に配されており、上記の制御電極が、ノズルを囲むように、ノズルごとに独立に配されている構成である、と表現することもできる。この構成では、ノズルの吐出孔の径を、数十μｍの範囲（１〜１００μｍ、好ましくは１〜３０μｍ）とすることが好ましい。
【０１２９】
また、本発明の目的は、所望のノズルに電圧を印加しても隣接ノズルの電圧信号に影響を与えず、さらにノズル周辺部等からの誤吐出が全く発生しない安定したオンデマンド吐出を可能とし、さらに吐出精度の悪化することのない静電吸引型流体吐出装置を提供することにあるともいえる。
【０１３０】
また、上記した本ヘッドについて、以下のように設定してもよい。すなわち、吐出電極４０を、ノズル部材１０のインク供給路２０側に設置し、各微細孔１１に対して独立に配線する。制御電極４１については、ノズル部材の突出ノズル側に設置し、各ノズルに対して独立に配線する。電極材料については、制御電極４１と同様の導電性材料を使用し、ノズル突出部の微細加工後に蒸着し形成する。また、インク供給路２０は各微細孔１１に対して独立した構成とすることが好ましい。これは、隣接チャンネル間を電気的に分断するためであり、このように電気的に完全に独立した構成にすることにより、理想的なオンデマンド吐出を行うことが可能となる。
【０１３１】
また、本ヘッドでは、１つのノズルの電極４０・４１に電圧を印加したとき、ノズル基板１０が分極することはない。すなわち、マルチノズルを形成する主部材であるノズル基板１０を絶縁性の材料で形成しているため、電極に電圧を印加しても、自由に移動可能な誘導電荷の発生はなく、従って、誘導電荷流れ込みによるクロストークは発生しないといえる。
【０１３２】
また、本発明を、以下の第１〜第７方法および第１装置として表現することもできる。すなわち、第１方法は、電圧印加により帯電された吐出流体を、流体吐出ヘッドを構成する被記録材料に対向したノズル部材中の流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ被記録材料に着弾させることによって、該被記録材料表面に吐出流体による描画パターンを形成する方法において、上記ノズル部材は、流体噴出孔を複数有する絶縁性材料で構成されたマルチノズル構造であり、各流体噴出孔が３０μｍ以下でかつ流体を吐出させる方向に突出しており、さらに流体噴出孔先端面を含めたインク流路中に電荷を供給するための吐出電極と、吐出電極とは別に突出した流体噴出孔の周囲に制御電極を配置した構成であることを特徴とする静電吸引型流体吐出方法である。
【０１３３】
従来技術では、ノズル部材を形成する材料としてシリコンを使用しているため、１つの電極に電圧を印加すると少なからず隣接するノズルの電圧信号に対して影響を与えるが、本発明ではノズル部材が絶縁材料であるため、隣接ノズルに全く影響を与えることなく、安定したオンデマンド吐出が可能となる。また、１つのノズルに対して、上記２種類の電極を配置することで、液体吐出に必要なノズル先端部に集中的に電界強度を高めることができ、ノズル周辺部に付着した液体が電界を受けて誤吐出することなく安定した吐出状態を確保することができる。また突出長が小さくても電界強度を高くすることができるため、マイクロメータオーダのノズル加工が容易になり、かつノズルの加工精度の高さに伴い、高い液滴着弾精度を得ることが可能である。
【０１３４】
また、第２方法は、第１方法において、上記流体噴出孔の突出長さを１０μｍ以上とする方法である。これにより、ノズルから溢れ出してノズル部材表面上に液体が蓄積された場合でも、その蓄積した液体とノズル先端部のメニスカスが合体して大きくなることがなく、吐出時のメニスカス形状を変動させることなく常に安定した吐出状態を形成する効果がある。
【０１３５】
また、第３方法は、第１方法において、上記流体噴出孔の周囲に配置された制御電極の表面を絶縁被覆している方法である。これにより、流体噴出孔の周囲に配置された制御電極の表面が露出しておらず、ノズルから溢れ出した液体に制御電極が直接接触することがないため、吐出時に常に安定的に電圧を印加する効果がある。
【０１３６】
また、第４方法は、第１方法において、上記流体噴出孔の周囲に配置された制御電極が、上記ノズル部材に対して分離配置している方法である。これにより、ノズルから溢れ出した液体に制御電極が直接接触することがないため、吐出時に常に安定的に電圧を印加することができる。また、吐出に必要なノズル先端部の電界強度の制御を各電極の電圧値で行うだけでなく、制御電極の位置によっても微調整を行うことができるため、吐出制御性を向上させることが可能である。
【０１３７】
また、第５方法は、第１方法において、上記全ノズルの流体噴出孔先端面を含めたインク流路中の吐出電極を共通化し、吐出時に一定電圧を印加する方法である。これにより、共通化したインク流路中の吐出電極に吐出最低電圧よりも低い電圧を常時与えておくことにより、インクに対する電荷の供給を常時行うことができ、インクの帯電速度、つまり吐出応答性を向上させる効果がある。また、インク流路全体が同電位となるため、インク流路内部の電位勾配に伴う隣接ノズルからの誤吐出、つまり、クロストークが発生することがなく、インク供給路を共通化して、液体を供給することが可能である。
【０１３８】
また、第６方法は、第１方法において、上記流体噴出孔の周囲に配置された制御電極の隣接電極間に、シールド電極を設置する方法である。これにより、各制御電極に電圧を印加した際に形成される電界強度分布の広がりを抑制することができ、電界強度分布の広がりに伴う隣接ノズルへの影響を抑制する効果がある。
【０１３９】
また、第７方法は、第１方法において、上記流体噴出孔の周囲に配置された制御電極と流体噴出孔先端面を含めたインク流路中の吐出電極に印加する電圧信号として、同期のとれた正負両極性に反転する両極性パルス電圧を付与する電圧制御手段を備えている方法である。これにより、正帯電、負帯電の液滴を交互に吐出させることができるため、特に、絶縁基板上にパターン形成する場合でも、基板上でチャージアップすることなく、常に安定した描画パターンの形成を実現する効果がある。
【０１４０】
また、第１装置は、第１〜７方法のいずれか１つを用いることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置である。
以上、第１〜第７方法および第１装置によれば、安定したオンデマンド吐出が可能なマルチノズルヘッドを実現する効果がある。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明は、インクジェット記録装置のヘッドなどの、ノズル内の流体を帯電し、電界によって吐出する流体吐出装置に対し、好適に利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施形態にかかる静電吸引型流体吐出装置のヘッド（インクジェットヘッド；本ヘッド）を示す断面図であり、図１（ｂ）は、そのノズルの概略図である。
【図２】吐出電圧および電界強度の大きさを比較計算した結果を示す説明図である。
【図３】制御電極を備えた本ヘッドと、制御電極を備えていないヘッドとの、ノズル先端部での電位勾配を示す説明図である。
【図４】ノズル突出長と、ノズル先端部とノズル部材表面との電界強度比との関係を示すグラフである。
【図５】ノズル突出長と、ノズル先端部およびノズル部材表面の電界強度を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、ノズル部材表面上へのインクの広がり状態を示す図である。
【図７】ノズル突出長とインクの漏れ広がり状況との関係を実際に確認した実験結果を示す説明図である。
【図８】図１に示したヘッドの構成において、絶縁体からなる電極被覆膜により制御電極を被覆した構成を示す説明図である。
【図９】図１に示したヘッドの構成において、制御電極プレートに制御電極を備えた構成を示す説明図である。
【図１０】吐出電極を共通化した構成における、ノズル基板のインク供給路側の面（裏面；ノズル部材表面と反対側の面）を示す説明図である。
【図１１】図１に示したヘッドの構成において、インク供給路内で、ノズルごとにインク流路（微細孔）を独立させずに、インク流路を共通化した構成を示す説明図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示したヘッドの構成において、ノズル部材表面上の電極被覆膜内に、制御電極とともにシールド電極を備えた構成を示す説明図である。
【図１３】本ヘッドの電極に印加する、正負両極性に反転する両極性パルス電圧信号を示す説明図である。
【図１４】図１４（ａ）（ｂ）は、基板に吐出された帯電インクの状態を示す説明図である。
【図１５】従来のインクジェット記録装置を示す断面図である。
【図１６】従来の他のインクジェット記録装置を示す断面図である。
【図１７】図１６に示したインクジェット記録装置の一部を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１４３】
１０  ノズル基板
１１  微細孔
１２  吐出孔
１３  ノズル基板表面
１４  電極被覆膜
２０  インク供給路
２１  ノズル
３０  圧力供給路
４０  吐出電極
４１  制御電極
４２  シールド電極
４５  制御電極プレート
Ｉ  インク
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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