(57)【要約】【課題】高解像度化と安全性の両方を満足させることが可能で、汎用性の高い記録装置を実用化できる静電吸引型流体ジェット装置を提供する。【解決手段】ノズル４内のインク２に静電界印加用電極９を介して印加される電圧を制御するプロセス制御部１０を備える。上記ノズル４が、従来の流体としてのインク２の静電吸引過程において、形成されるテーラーコーン形状の先端部と同等のメニスカスに相当する形状に形成すると共に、ノズル４のインク吐出孔４ｂの直径を、上記メニスカス１４のインク吐出直前の先端部の直径とほぼ同等、且つφ８μｍ以下に設定する。上記プロセス制御部１０は、吐出された液滴３が被記録媒体に着弾するまでの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記インク２に印加される電圧を制御する。【選択図】　図１
2004114373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧印加により帯電された流体を、絶縁材料からなるノズルの流体吐出孔から静電吸引により液滴の状態で、印加される電圧に応じた速度で被記録媒体に向かって吐出させる静電吸引型流体ジェット装置において、
上記ノズル内の流体に印加される電圧を制御する印加電圧制御手段を備え、
上記ノズルの流体吐出孔の直径が、φ８μｍ以下に設定され、
上記印加電圧制御手段は、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧を制御することを特徴とする静電吸引型流体ジェット装置。
【請求項２】
電圧印加により帯電された流体を、絶縁材料からなるノズルの流体吐出孔から静電吸引により液滴の状態で、印加される電圧に応じた速度で被記録媒体に向かって吐出させる静電吸引型流体ジェット装置において、
上記ノズル内の流体に印加される電圧を制御する印加電圧制御手段を備え、
上記ノズルの流体吐出孔の直径が、吐出直後の流体の液滴直径と同等以下に設定され、
上記印加電圧制御手段は、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧を制御することを特徴とする静電吸引型流体ジェット装置。
【請求項３】
上記ノズルの流体吐出孔の直径を、φ５μｍ以下に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の静電吸引型流体ジェット装置。
【請求項４】
上記ノズルの流体吐出孔の直径を、φ０．２μｍ以上φ４μｍ以下に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の静電吸引型流体ジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク等の流体を帯電させて静電吸引することで、対象物上に流体を吐出する静電吸引型流体ジェット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、種々の方式がある。ここでは、流体としてインクを用いたインクジェット方式について説明する。
【０００３】
オンデマンドタイプのインクジェット方式としては、圧電現象を利用したピエゾ方式、インクの膜沸騰現象を利用したサーマル方式、静電気現象を利用した静電吸引方式等が開発されており、特に近年、高解像度のインクジェット方式の要求が強くなっている。高解像度のインクジェット記録を実現するには、吐出したインク液滴の微小化が不可欠である。
【０００４】
ここで、ノズルから吐出したインク液滴が記録媒体に着弾するまでの挙動は、
ρｉｎｋ・（４／３・π・ｄ３）・ｄｖ／ｄｔ＝　−　Ｃｄ・（１／２・ρａｉｒ・ｖ２）・（π・ｄ２／４）・・・・・（１）
で示される運動方程式（（１）式）によって表すことができる。
【０００５】
上記ρｉｎｋはインクの体積密度、Ｖは液滴体積、ｖは液滴速度、Ｃｄは抗力係数、ρａｉｒは空気の密度、ｄはインク液滴半径であり、Ｃｄは、
Ｃｄ　＝　２４／Ｒｅ・（１＋３／１６・Ｒｅ０．６２）　・・・・・・・・・・（２）
で示される（２）式によって表すことができる。
【０００６】
上記Ｒｅはレイノルズ数であり、ηを空気の粘度として、
Ｒｅ　＝　２・ｄ・ρｉｎｋ・　ｖ／η　　・・・・・・・・・・・・・（３）
で示される（３）式によって表すことができる。
【０００７】
上記（１）式の左辺のインク液滴の運動エネルギーにかかる液滴半径の影響の方が、空気の粘性抵抗にかかる液滴半径の影響より大きい。このため、同一速度の場合、液滴が小さくなればなるほど液滴速度の減速が早く、所定の距離離れた記録媒体に到達できないか、到達しても着弾精度が悪いことになってしまう。
【０００８】
これを防ぐには、液滴の吐出初速度を大きくする、すなわち単位体積当たりの吐出エネルギーを大きくする必要がある。
【０００９】
しかしながら、従来のピエゾ方式及びサーマル方式のインクジェットヘッドでは、吐出液滴の微少化すなわち吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーを大きくした場合に以下に示す問題点を有し、吐出液滴量１ｐｌ以下、すなわち液滴の直径（以下、液滴径と称する）をφ１０μｍ以下にすることが特に難しかった。
【００１０】
問題点（Ａ）：ピエゾ方式のインクジェットヘッドの吐出エネルギーは、駆動する圧電素子の変位量及び発生圧力と関わっている。この圧電素子の変位量は、インク吐出量、すなわちインク液滴サイズと密接に関わり、液滴サイズを小さくするためには変位量も小さくする必要があり、吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーの向上が困難であること。
【００１１】
問題点（Ｂ）：サーマル方式のインクジェットヘッドでは、インクの膜沸騰現象を利用しているため、バブル形成時の圧力は物理的な限界があり加熱素子の面積によりほぼ吐出エネルギーは定まってしまう。この加熱素子の面積は、発生バブルの体積、すなわちインク吐出量とほぼ比例する。このため、インク液滴サイズを小さくすれば、発生バブルの体積が小さくなり、吐出エネルギーは小さくなるので、インクの吐出液滴の単位体積当たりの吐出エネルギーの向上が困難であること。
【００１２】
問題点（Ｃ）：ピエゾ方式及びサーマル方式とも駆動（加熱）素子の駆動量が吐出量に密接に関わるため、特に微少な液滴サイズを吐出する場合、そのバラツキを抑えることが非常に難しいこと。
【００１３】
そこで、上記の各問題点を解消するための方式として、静電吸引方式による微小液滴の吐出方法の開発が行われている。
【００１４】
静電吸引方式では、ノズルから吐出したインク液滴の運動方程式は、以下の（４）式で示される。
【００１５】
ρｉｎｋ・（４／３・π・ｄ３）・ｄｖ／ｄｔ＝　ｑ・Ｅ−　Ｃｄ・（１／２・ρａｉｒ・ｖ２）・（π・ｄ２／４）・・・・・（４）
ここで、ｑは液滴の電荷量、Ｅは周囲の電界強度である。
【００１６】
上記（４）式から、静電吸引方式では、吐出された液滴は、吐出エネルギーとは別に、飛翔中にも静電力を受けるため、単位体積当たりの吐出エネルギーを軽減でき、微小液滴の吐出への適用が可能となる。
【００１７】
このような静電吸引方式のインクジェット装置（以下、静電吸引型インクジェット装置と称する）として、例えば特開平８−２３８７７４号公報（特許文献１）には、ノズルより内部に電圧印加用の電極を設けたインクジェット装置が開示されている。また、特開２０００−１２７４１０号公報（特許文献２）には、ノズルをスリットとして、ノズルより突出した針電極を設け微粒子を含むインクを吐出するインクジェット装置が開示されている。
【００１８】
上記特許文献１に開示されたインクジェット装置について、図１７を参照しながら以下に説明する。図１７は、インクジェット装置の断面模式図である。
【００１９】
図１７において、１０１はインク噴射室、１０２はインク、１０３はインク室、１０４はノズル孔、１０５はインクタンク、１０６はインク供給路、１０７は回転ローラー、１０８は被記録媒体、１１０は制御素子部、１１１はプロセス制御部を示している。
【００２０】
さらに、１１４はインク噴射室１０１のインク室１０３側に配設された静電界印加用電極部、１１５は回転ローラー１０７に設置された金属ドラムである対向電極部、１１６は対向電極部１１５に数千Ｖの負電圧を印加するバイアス電源部である。１１７は静電界印加用電極部１１４に数百Ｖの高電圧を供給する高圧電源部、１１８は接地部である。
【００２１】
ここで、静電界印加用電極部１１４と対向電極部１１５との間において、対向電極部１１５に印加されている数千Ｖの負電圧のバイアス電源部１１６と数百Ｖの高圧電源部１１７の高圧電圧とが重畳されて、重畳電界が形成されており、この重畳電界によってインク１０２のノズル孔１０４からの吐出が制御されている。
【００２２】
また、１１９は対向電極部１１５に印加された数千Ｖのバイアス電圧によってノズル孔１０４に形成される凸状のメニスカスである。
【００２３】
以上のように構成された静電吸引方式のインクジェット装置の動作について、以下に説明する。
【００２４】
まず、インク１０２は、毛細管現象により、インク供給路１０６を伝わって、インク１０２を吐出するノズル孔１０４まで移送される。このとき、ノズル孔１０４に対向して、被記録媒体１０８を装着した対向電極部１１５が配置されている。
【００２５】
ノズル孔１０４まで達したインク１０２は、対向電極部１１５に印加された数千Ｖのバイアス電圧によって凸状のインクメニスカス１１９が形成される。インク室１０３内に配設された静電界印加用電極部１１４に数百Ｖの高圧電源部１１７から信号電圧を印加することで対向電極部１１５に印加されたバイアス電源部１１６からの電圧とが重畳され、重畳電界によってインク１０２は被記録媒体１０８に吐出され、印字画像が形成される。
【００２６】
上記特許文献１に開示されたインクジェット装置における液滴の飛翔までのメニスカスの挙動を、図１８（ａ）〜図１８（ｃ）を参照しながら以下に説明する。
【００２７】
駆動電圧を印加する前は、図１８（ａ）に示すように、インクに加えられているバイアス電圧による静電力とインクの表面張力の釣り合いにより、インク表面に盛り上がったメニスカス１１９ａが形成された状態となっている。
【００２８】
上記の状態で駆動電圧を印加すると、図１８（ｂ）に示すように、メニスカス１１９ｂは、液表面に発生した電荷が液面の盛り上がりの中心に寄り初め、それにより液面の盛り上がりの中心が高くなったメニスカス１１９ｂが形成される。
【００２９】
その後、駆動電圧を印加し続けると、図１８（ｃ）に示すように、液表面に発生した電荷が更に中心に集中することによりテーラーコーンとよばれる半月状のメニスカス１１９ｃが形成され、該テーラーコーンの頂部に集中した電荷量による静電力がインクの表面張力を超えた段階で液滴の分離が行われ吐出される。
【００３０】
次に、上記特許文献２に開示されたンクジェット装置について、図１９を参照しながら以下に説明する。図１９は、インクジェット装置の概略構成図である。
【００３１】
本インクジェット装置の筐体内部には、図１９に示すように、インクジェットヘッドとして低誘電体材料（アクリル樹脂、セラミックス等）で形成されたライン型の記録ヘッド２１１、該記録ヘッド２１１のインク吐出口に対向するように配置された金属または高誘電体製の対向電極２１０、非導電性のインク媒体に帯電顔料粒子を分散させたインクを蓄えておくためのインクタンク２１２、インクタンク２１２と記録ヘッド２１１との間でインクを循環させるインク循環系（ポンプ２１４ａ，２１４ｂ、パイプ２１５ａ，２１５ｂ）、記録画像の１画素を形成するインク液滴を引くためのパルス電圧を各吐出電極２１１ａにそれぞれ印加するパルス電圧発生装置２１３、画像データに応じてパルス電圧発生装置２１３を制御する駆動回路（図示せず）、記録ヘッド２１１と対向電極２１０との間に設けられた間隙に記録媒体Ａを通過させる記録媒体搬送機構（図示せず）、装置全体を制御するコントローラ（図示せず）等が収容されている。
【００３２】
上記インク循環系は、記録ヘッド２１１とインクタンク２１２との間をつなぐ２本のパイプ２１５ａ，２１５ｂ、コントローラの制御によって駆動される２台のポンプ２１４ａ，２１４ｂによって構成されている。
【００３３】
そして、上記インク循環系は、記録ヘッド２１１にインクを供給するためのインク供給系と、記録ヘッド２１１からインクを回収するためのインク回収系とに分けられている。
【００３４】
インク供給系では、インクタンク２１２内からインクがポンプ２１４ａで吸い上げられ、それがパイプ２１５ａを介して記録ヘッド２１１のインク供給部へと圧送される。一方、インク回収系では、記録ヘッド２１１のインク回収部からインクがポンプ２１５ｂで吸引され、それがパイプ２１５ｂを介してインクタンク２１２へと強制的に回収される。
【００３５】
また、上記記録ヘッド２１１には、図２０に示すように、インク供給系のパイプ２１５ａから送り込まれたインクをライン幅に広げるインク供給部２２０ａ、インク供給部２２０ａからのインクを山形に導くインク流路２２１、インク流路２２１とインク回収系のパイプ２１５ｂとをつなぐインク回収部２２０ｂ、インク流路２２１の頂上部を対向電極２１０側に開放する適当な幅（約０．２ｍｍ）のスリット状インク吐出口２２２、所定のピッチ（約０．２ｍｍ）でインク吐出口２２２内に配列された複数の吐出電極２１１ａ、各吐出電極２１１ａの両側および上面にそれぞれ配置された低誘電体製（例えば、セラミック製）の仕切り壁２２３が設けられている。
【００３６】
上記各吐出電極２１１ａは、それぞれ、銅、ニッケル等の金属で形成され、その表面には、濡れ性のよい顔料付着防止用低誘電体膜（例えば、ポリイミド膜）が形成されている。また、各吐出電極２１１ａの先端は、三角錐形状に成形されており、それぞれが適当な長さ（７０μｍ〜８０μｍ）だけインク吐出口２２２から対向電極２１０側に向かって突出している。
【００３７】
上述した図示しない駆動回路が、コントローラの制御に応じて、制御信号を、画像データに含まれている階調データに応じた時間だけパルス電圧発生装置２１３に与えると、パルス電圧発生装置２１３は、その制御信号の種類に応じたパルストップのパルスＶｐをバイアス電圧Ｖｂにのせた高電圧信号をバイアス電圧Ｖｂに重畳して出力するようになっている。
【００３８】
そして、コントローラは、画像データが転送されてくると、インク循環系の２台のポンプ２１４ａ，２１４ｂを駆動する。これにより、インク供給部２２０ａからインクが圧送されると共にインク回収部２２０ｂが負圧となり、インク流路２２１を流れているインクが、各仕切り壁２２３の隙間を毛細管現象で這い上がり、各吐出電極２１１ａの先端にまで濡れ広がる。このとき各吐出電極２１１ａの先端付近のインク液面には負圧がかかっているため、各吐出電極２１１ａの先端には、それぞれ、インクメニスカスが形成される。
【００３９】
さらに、コントローラによって、記録媒体搬送機構が制御されることで、所定の方向に記録媒体Ａが送られる共に、駆動回路を制御することによって、吐出電極２１１ａとの間に前述の高電圧信号が印加される。
【００４０】
上記特許文献２に開示されたインクジェット装置における液滴の飛翔までのメニスカスの挙動を、図２１〜図２４を参照しながら以下に説明する。
【００４１】
図２１に示すように、パルス電圧発生装置２１３からのパルス電圧が記録ヘッド２１１内の吐出電極２１１ａに印加されると、吐出電極２１１ａ側から対向電極２１０側に向かう電場が発生する。ここでは、先端の鋭利な吐出電極２１１ａを用いているため、その先端付近に最も強い電場が発生している。
【００４２】
このような電場が発生すると、図２２に示すように、インク溶媒中の個々の帯電顔料粒子２０１ａは、それぞれ、この電場から及ぼされる力ｆＥ（図２３）によってインク液面に向かって移動する。これにより、インク液面付近の顔料濃度が濃縮される。
【００４３】
このように顔料濃度が濃縮されると、図２３に示すように、インク液面付近に複数の帯電顔料粒子２０１ａが、電極の反対側によせられて凝集しはじめる。そして、インク液面付近に顔料凝集体２０１が球状に成長しはじめると、個々の帯電顔料粒子２０１ａには、それぞれ、この顔料凝集体２０１からの静電反発力ｆｃｏｎが作用しはじめる。すなわち、個々の帯電顔料粒子２０１ａには、それぞれ、顔料凝集体２０１からの静電反発力ｆｃｏｎと、パルス電圧による電場Ｅからの力ｆＥとの合力ｆｔｏｔａｌが作用する。
【００４４】
したがって、帯電顔料粒子間の静電反発力が互いの凝集力を超えない範囲内においては、顔料凝集体２０１に向いた合力ｆｔｏｔａｌが作用する帯電顔料粒子２０１ａ（吐出電極２１１ａの先端と顔料凝集体２０１の中心とを結ぶ直線上にある帯電顔料粒子２０１ａ）に電界から及ぼされる力ｆＥが、顔料凝集体２０１からの静電反発力ｆｃｏｎを上回れば（ｆＥ≧ｆｃｏｎ）、帯電顔料粒子２０１ａは顔料凝集体２０１に成長する。
【００４５】
ｎ個の帯電顔料粒子２０１ａから形成された顔料凝集体２０１は、パルス電圧による電場Ｅから静電反発力ＦＥを受ける一方で、インク溶媒から拘束力Ｆｅｓｃを受けている。静電反発力ＦＥと拘束力Ｆｅｓｃとが釣り合うと、顔料凝集体２０１は、インク液面からやや突出した状態で安定する。
【００４６】
さらに、顔料凝集体２０１が成長し、静電反発力ＦＥが拘束力Ｆｅｓｃを上回ると、図２４（ａ）〜図２４（ｃ）に示すように、顔料凝集体２０１は、インク液面２００ａから脱出する。
【００４７】
【特許文献１】特開平８−２３８７７４号公報
【００４８】
【特許文献２】特開２０００−１２７４１０号公報
【００４９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の静電吸引方式の原理では、メニスカスの中心に電荷を集中させてメニスカスの隆起を発生する。この隆起したテーラーコーン先端部の曲率半径は、電荷の集中量により定まり、集中した電荷量と電界強度による静電力がそのときメニスカスの表面張力より勝った時に液滴の分離が始まる。
【００５０】
メニスカスの最大電荷量は、インクの物性値とメニスカスの曲率半径により定まるため、最小の液滴のサイズはインクの物性値（特に表面張力）とメニスカス部に形成される電界強度により定まる。
【００５１】
一般的に、液体の表面張力は純粋な溶媒よりも溶剤を含んだ方が表面張力は低くなる傾向があり、実際のインクにおいても種々の溶剤を含んでいるため、表面張力を高くすることは難しい。このため、インクの表面張力を一定と考え、電界強度を高くすることにより液滴サイズを小さくする方法がとられていた。
【００５２】
したがって、上記の特許文献１、２に開示されたインクジェット装置では、両者とも吐出原理として、吐出液滴の投影面積よりはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、２０００Ｖに近い非常に高い電圧を印加する必要があり駆動制御が難しいとともに、インクジェット装置を操作するうえでの安全性の面からも問題があった。
【００５３】
特に、広い領域に強い電界強度を形成する場合には、放電破壊強度（例えば平行平板間の空気の放電破壊強度は３×１０６Ｖ／ｍ）以下と設定する必要があり、形成できる微小液滴のサイズにも原理的に限界があった。
【００５４】
また、メニスカス部の中心に電荷が移動するため、電荷の移動時間が吐出応答性に影響し、印字速度の向上において問題となっていた。
【００５５】
これらの問題を解消する方法として、前述の特許文献１および２においても使用されているが、予め吐出電圧より低いバイアス電圧を印加することにより駆動電圧を低減する手法や、特許文献２のように、電極をノズル部より突出させて電荷の集中を促進させる構成がとられていた。また、特許文献１のように、インクに正圧を印加してメニスカスを予め盛り上がらせておく手法等も提案されている。
【００５６】
しかしながら、特許文献１および２に開示されたいずれの手法においても根本的な解決にはなっていなかった。特に、バイアス電圧を印加した場合、駆動電圧は常に正負どちらか一方のみしか印加することができず、被記録媒体が絶縁材の場合、帯電した吐出液滴の付着による表面電位が累積していくため、着弾精度が悪化してしまい、印字中に被記録媒体表面を除電する等の対策が必要であった。
【００５７】
また、広い範囲のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成するため、対向電極の配置を精度良く行う必要が有ると共に、被記録媒体の誘電率及び厚さが対向電極の配置に影響するため、使用上の自由度が狭かった。特に被記録媒体が厚い場合、対向電極の距離がそれに伴いノズル部の電極より離れてしまい、より高い電圧をかけなければならず、実際の使用が困難な被記録媒体が多数存在した。
【００５８】
したがって、従来の静電吸引型インクジェット装置（静電吸引型流体ジェット装置）では、高解像度と安全性の両方を満足させ、汎用性の高い装置を実用化できていないという問題点を有していた。
【００５９】
本発明は、上記の各問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、高解像度化と安全性の両方を満足させることが可能で、汎用性の高い記録装置を実用化できる静電吸引型流体ジェット装置を提供することにある。
【００６０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、図１６に示すように、従来方法において、静電吸引の過程において形成されるノズル部２１のテーラーコーン形状の流体のメニスカス２２の液滴吐出直前の先端部曲率２４とほぼ同等サイズのノズル径になるように、流体吐出孔側が絞り込まれた形状のノズル２３を使用することにより、広範囲に必要であった電場の形成を狭くでき、かつ流体のメニスカス２２での電荷の移動量を少なくできることを見出した。
【００６１】
そして、上記の原理を利用して、さらに、本願発明者等は、ノズル先端部の流体吐出孔の直径を、吐出直後の流体の液滴径と同等以下に設定することで、電荷の集中領域とメニスカス領域とをほぼ同じにできることを見出した。
【００６２】
それゆえ、本発明の静電吸引型流体ジェット装置は、上記の課題を解決するために、電圧印加により帯電された流体を、絶縁材料からなるノズルの流体吐出孔から静電吸引により液滴の状態で、印加される電圧に応じた速度で被記録媒体に向かって吐出させる静電吸引型流体ジェット装置において、上記ノズル内の流体に印加される電圧を制御する印加電圧制御手段を備え、該ノズルの流体吐出孔の直径が、φ８μｍ以下に設定され、上記印加電圧制御手段は、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧を制御することを特徴としている。
【００６３】
上記の構成によれば、従来の流体の静電吸引の過程において、従来のノズルの流体吐出孔の直径よりも小さな液滴直径の流体を吐出するために形成されるテーラーコーン形状の電荷が集中した先端部の直径と略同一に本発明ではノズル径を設定することで、広範囲に必要であった電場の形成を狭くすることができる。
【００６４】
以上のことから、電荷の移動に必要な電圧、すなわち流体を静電吸引させるのに必要な帯電量を該流体に付与するために必要な電圧を大幅に低減させることが可能となる。これにより、従来のように、２０００Ｖといった高電圧を必要としないので、流体ジェット装置を使用する際の安全性の向上を図ることができる。
【００６５】
しかも、ノズルの流体吐出孔の直径が、φ８μｍ以下に設定されていることで、電界強度分布が該流体吐出孔の吐出面近傍に集中すると共に、対向電極からノズルの流体突出孔までの距離の変動が電界強度分布に影響することがなくなる。
【００６６】
これにより、対向電極の位置精度、被記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずに安定した流体の吐出を行うことができる。
【００６７】
また、上記のように、電場を狭くできることにより、狭い領域に強い電場を形成することが可能となり、この結果、形成できる液滴を微小なものにすることが可能となる。これにより、液滴をインクとした場合に、印字画像を高解像度にすることが可能となる。
【００６８】
さらに、上述のように、電荷の集中領域と流体のメニスカス領域とがほぼ同等のサイズになることから、メニスカス領域内での電荷の移動時間が吐出応答性に影響を与えることがなくなり、液滴の吐出速度（液滴がインクである場合の印字速度）の向上を図ることが可能となる。
【００６９】
また、電荷の集中領域と流体のメニスカス領域とがほぼ同等のサイズになることから、広い範囲のメニスカス領域に強い電場を形成する必要がなくなる。これにより、従来のように、広い範囲のメニスカス領域に強い電場を形成するために対向電極の配置を精度良く行う必要がなくなり、且つ、被記録媒体の誘電率及び厚さが対向電極の配置に影響しなくなる。
【００７０】
したがって、静電吸引型流体ジェット装置において、対向電極の配置に対する自由度が増大する。つまり、静電吸引型流体ジェット装置の設計の自由度が増大する。この結果、誘電率や厚みに影響されず、従来、使用が困難であった被記録媒体に対して印字することが可能となり、汎用性の高い流体ジェット装置を実現することができる。
【００７１】
よって、上記の構成の静電吸引型流体ジェット装置によれば、高解像度と安全性の両方を満足させ、汎用性の高い装置を実現することができる。
【００７２】
ここで、上記の流体としては、純粋な水、油等の他に、微粒子として染料や顔料を含んだ有色の液体であるインクや、回路基板を形成する配線材料（銀や銅などの導電性の微粒子）を含む溶液等が使用可能である。
【００７３】
例えば、流体としてインクを用いた場合には、高精細な印字ができ、流体として回路基板を形成する配線材料を含んだ溶液を用いた場合には、線幅が非常に狭い配線で超高精細な回路を形成することが可能となり、何れの場合においても、流体を安定して吐出させることができる。
【００７４】
しかも、上記印加電圧制御手段によって、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧が制御されることで、流体の飛翔中の乾燥の影響を軽減でき、この結果、被記録媒体での液滴の着弾精度の向上が図れ、且つ、液滴の着弾ドット径のバラツキを抑えることができると共に、メニスカス部での電界強度の影響による吐出液滴のミスト化の発生を防ぎ、安定した吐出ができる。
【００７５】
ここで、流体の被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓよりも小さければ、着弾精度が悪く、吐出安定性も悪いので、液滴の着弾ドット径にバラツキが生じる。また、流体の被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が４０ｍ／ｓよりも大きければ、高い電圧が必要であるので、メニスカス部での電界強度が非常に強くなり、吐出する液滴のミスト化が頻繁に発生し、液滴を安定して吐出できない。
【００７６】
したがって、上記構成の静電吸引型流体ジェット装置のように、流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下にすることで、液滴を安定して飛翔させることが可能となり、その結果、液滴の着弾精度の向上が図れ、且つ、液滴の着弾ドットのバラツキを抑えることができる。
【００７７】
また、上記ノズルの流体吐出孔の直径は、φ５μｍ以下に設定することが好ましく、さらに、ノズルの流体吐出孔の直径は、φ０．２μｍ以上φ４μｍ以下に設定することが好ましい。
【００７８】
この場合、ノズルの流体吐出孔の直径を、φ５μｍ以下に設定することで、電界強度が集中し、電界集中が極端に大きくなり最大電界強度を高くすることができ、この結果、液滴の帯電効率を良くすることができる。さらに、液滴の帯電効率を良くするには、ノズルの流体吐出孔の直径を、φ０．２μｍ以上φ４μｍ以下に設定すればよい。この場合、電界集中が極端に大きくなり最大電界強度を高くすることができ、この結果、直径の小さな微小な液滴を安定して吐出することが可能となる。
【００７９】
また、上記構成の静電吸引型流体ジェット装置は、以下の構成によっても実現できる。
【００８０】
すなわち、本発明の静電吸引型流体ジェット装置は、電圧印加により帯電された流体を、絶縁材料からなるノズルの流体吐出孔から静電吸引により液滴の状態で、印加される電圧に応じた速度で被記録媒体に向かって吐出させる静電吸引型流体ジェット装置において、該ノズル内の流体に印加される電圧を制御する印加電圧制御手段を備え、該ノズルの流体吐出孔の直径が、吐出直後の流体の液滴直径と同等以下に設定され、上記印加電圧制御手段は、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧を制御することを特徴としている。
【００８１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態では、流体としてインクを用いた静電吸引型のインクジェット装置について説明する。
【００８２】
図１は、本発明の実施の一形態に係るインクジェット装置の構造を示した図である。
【００８３】
上記インクジェット装置は、図１に示すように、インク室１に貯蔵した流体としてのインク２を吐出するためのノズル４を備えている。このノズル４は、インク室１に対してパッキン５を介して連結されている。これにより、インク室１内のインク２が、ノズル４とインク室１との連結部分から外部に漏れないように封止されている。
【００８４】
また、上記ノズル４は、インク室１との連結部とは反対側、すなわちインクの吐出側となる先端部４ａに向かって内径が小さくなるように絞り込まれた形状となっている。上記ノズル４の先端部４ａのインク吐出孔４ｂの内径（直径）は、吐出直後のインク２の粒径との関係で設定されている。
【００８５】
なお、ノズル４から吐出されたインク２と、インク室１に貯蔵されているインク２とを区別するために、以降、ノズル４から吐出されたインク２を液滴３と称して説明する。このインク吐出孔４ｂの直径と、吐出直後の液滴３の液滴径との関係についての詳細は、後述する。
【００８６】
さらに、上記ノズル４の内部には、インク２に対して静電界を印加するための静電界印加用電極９が設けられている。この静電界印加用電極９は、プロセス制御部１０に接続され、このプロセス制御部１０によって図示しない駆動回路からの印加電圧による電界強度が制御されるようになっている。この電界強度を制御することで、ノズル４から吐出する液滴３の液滴径が調整される。つまり、プロセス制御部１０は、静電界印加用電極９を介してインク２に印加する電圧を制御する印加電圧制御手段としの機能を有している。
【００８７】
上記ノズル４のインク吐出孔４ｂの対向面側には、所定の距離離れた位置に対向電極７が配設されている。この対向電極７は、ノズル４と対向電極７との間に搬送される被記録媒体８の表面を、ノズル４のインク吐出孔４ｂから吐出される液滴３の帯電電位の逆極性の電位に帯電させるものである。これにより、ノズル４のインク吐出孔４ｂから吐出した液滴３を、被記録媒体８の表面に安定して着弾させている。
【００８８】
このように、液滴３は帯電している必要があるので、ノズル４の少なくとも先端部４ａのインク吐出面は絶縁部材で形成されていることが望ましく、かつ微細なノズル径（インク吐出孔４ｂの内径）を形成する必要があるため、本実施の形態では、ノズル４としてガラスのキャピラリーチューブを使用している。
【００８９】
したがって、上記ノズル４は、流体であるインク２の静電吸引の過程において、ノズルのインク吐出孔の直径よりも小さな直径の液滴を吐出するために形成されるテーラーコーン形状のインクのメニスカスに相当する形状に形成されると共に、該ノズル４のインク吐出孔４ｂの直径が、上記メニスカスのインク吐出直前の先端部の直径と略同一に設定され、且つ、吐出直後の液滴３の直径と同等以下に設定されている。
【００９０】
上記構成のインクジェット装置においては、吐出するインク２の液滴量が１ｐｌ以下となるように、静電界印加用電極９を介してインク２に印加される電圧がプロセス制御部１０によって制御されている。
【００９１】
また、上記インク室１には、上記ノズル４の他に、インク２を図示しないインクタンクから供給するためのインク供給路６が接続されている。ここでは、インク室１内およびノズル４内にインク２が満たされた状態で保持されているので、インク２には負圧がかかっている。
【００９２】
ここで、インク２がノズル４から液滴３として吐出する際に、インク吐出孔４ｂ近傍に形成されるメニスカス部（メニスカス領域）１４の挙動について以下に説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、上記インク吐出孔４ｂ近傍のメニスカス部１４の挙動を示すモデル図である。
【００９３】
まず、インク２の吐出前の状態においては、図２（ａ）に示すように、インクには負圧がかかっているので、メニスカス部１４として、ノズル４の先端部４ａ内部に凹の形状でメニスカス１４ａが形成されている。
【００９４】
次に、インク２の吐出を行うため、静電界印加用電極９を介してインク２に印加される電圧がプロセス制御部１０によって制御され、該インク２に所定の電圧が印加されると、ノズル４内のインク２の表面に電荷が誘導され、インク２は、図２（ｂ）に示すように、メニスカス部１４として、該ノズル４の先端部４ａのインク吐出孔４ｂ表面すなわち対向電極側（図示せず）に引っ張られたメニスカス１４ｂが形成される。このとき、ノズル４の径が微小であるため、メニスカス１４ｂは当初よりテーラーコーンの形状を形成しながら外側に引っ張られている。
【００９５】
続いて、外側に引っ張られたメニスカス１４ｂは、図２（ｃ）に示すように、メニスカス部１４として、対向電極側（図示せず）にさらに吐出した形状のメニスカス１４ｃとなり、誘導されたメニスカス１４ｃ表面の電荷とノズル４に形成される電場（電界強度）の力がインク２の表面張力に勝ることにより、吐出液滴が形成される。
【００９６】
ここで、本実施の形態で使用するノズル４のインク吐出孔４ｂの内径（以下、ノズル径と称する）は、φ５μｍとしている。このように、ノズル４のノズル径が微小である場合、従来の様にメニスカス先端部の曲率半径が表面電荷の集中により除々に小さく変化していくことなくほぼ一定と見なすことができる。
【００９７】
したがって、インクの物性値が一定であれば、液滴分離時の表面張力は、電圧印加による吐出状態ではほぼ一定であり、また集中可能な表面電荷の量もインクの表面張力を超える値、すなわちレイリー分裂値以下であることから最大量は一義的に定義される。
【００９８】
なお、ノズル径が微小であるため電界強度は、メニスカス部のごく近傍のみ非常に強い値となり、このように極小領域での高い電場での放電破壊強度は非常に高い値となるため、問題とならない。
【００９９】
本実施の形態にかかるインクジェット装置において使用されるインクとしては、純水を含め染料系インク及び微粒子を含有したインクを使用することができる。ここで、微粒子を含有したインクとしては、ノズル部が従来から非常に小さいため含有する微粒子の粒径も小さくする必要があり、一般的にノズルの１／２０から１／１００程度であれば目詰まりが発生しにくい。
【０１００】
このため、本実施の形態で使用するノズル４のノズル径を、上述のようにφ５μｍとすると、該ノズル径に対応するインクの微粒子径は５０ｎｍ以下となる。このとき、特許文献２に示された微粒子を含むインクを吐出する原理のように、微粒子の帯電による移動によってメニスカス部の電荷を集中させ、集中した微粒子相互の静電反発力により吐出する方法では、従来使用していた最小微粒子径φ１００ｎｍよりもっと小さいためインク中の帯電微粒子の移動速度が低下してしまい吐出の応答速度及び記録速度が遅くなってしまう。
【０１０１】
これに対して、本発明においては帯電した微粒子相互の静電反発力を用いるのではなく、微粒子を含まないインクの場合と同様にメニスカス表面の電荷により吐出を行う。この場合、インク中の微粒子の電荷の影響がメニスカス表面の電荷に影響することによる吐出不安定を解消するために、インク中の微粒子の電荷量がメニスカス表面の電荷に比べはるかに小さい値となる形状が望ましい。
【０１０２】
これは、インク中の微粒子の単位質量当たりの電荷量が１０μＣ／ｇ以下であれば、該微粒子同士の静電反発力及び応答速度が小さくなり、またインク微粒子の質量を小さくすること、すなわちインク微粒子の径を小さくすることによりインク中の微粒子の総電荷量を減少できる。
【０１０３】
以下の表１に、インク中の平均微粒子径をφ３ｎｍからφ５０ｎｍとした場合の吐出安定性を示す。
【０１０４】
【表１】
2004114373.tif 000003
【０１０５】
表１中の記号は、各ノズルの吐出安定性を示しており、×：目詰まり等での不吐出あり、△：連続吐出にて吐出不安定、○：安定吐出である。
【０１０６】
表１から、微粒子径としてはφ３０ｎｍ以下が好ましいことが分かった。特に微粒子径φ１０ｎｍ以下になるとインク中の微粒子１個の帯電量はインク吐出における電荷としての影響がほぼ無視できるとともに、電荷による移動速度も非常に遅くなり微粒子のメニスカス中心への集中も発生しない。また、ノズル径がφ３μｍ以下では、メニスカス部の電界集中により極端に最大電界強度が高くなり、微粒子１個毎の静電力も大きくなるためφ１０ｎｍ以下の微粒子を含んだインクを用いることが好ましい。但し、微粒子径がφ１ｎｍ以下になると、微粒子の凝集及び濃度の不均一の発生が大きくなるため、微粒子径は、φ１ｎｍからφ１０ｎｍの範囲が好ましい。
【０１０７】
本実施の形態においては、平均粒径がφ３ｎｍからφ７ｎｍの間の銀の微粒子を含んだペーストを使用しており、該微粒子には凝集防止のコーティングを施している。
【０１０８】
ここで、ノズル４のノズル径と電界強度との関係について、図３（ａ）（ｂ）〜図８（ａ）（ｂ）を参照しながら以下に説明する。図３（ａ）（ｂ）から図８（ａ）（ｂ）に対応して、ノズル径をφ０．２、０．４、１、８、２０μｍ及び参考として従来にて使用されているノズル径φ５０μｍの場合の電界強度分布を示す。
【０１０９】
ここで、各図において、ノズル中心位置とは、ノズル４のインク吐出孔４ｂのインク吐出面の中心位置を示す。また、各々の図の（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍに設定したときの電界強度分布を示し、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍに設定されたときの電界強度分布を示す。なお、印加電圧は、各条件とも２００Ｖと一定にした。図中の分布線は、電界強度が１×１０６Ｖ／ｍから１×１０７Ｖ／ｍまでの範囲を示している。
【０１１０】
以下の表２に、各条件下での最大電界強度を示す。
【０１１１】
【表２】
2004114373.tif 000004
【０１１２】
図３（ａ）（ｂ）〜図８（ａ）（ｂ）から、ノズル径がφ２０μｍ（図７（ａ）（ｂ））以上だと電界強度分布は広い面積に広がっていることが分かった。また、表２から、ノズルと対向電極の距離が電界強度に影響していることも分かった。
【０１１３】
これらのことから、ノズル径がφ８μｍ（図６（ａ）（ｂ））以下であると電界強度は集中するとともに、対向電極の距離の変動が電界強度分布にほとんど影響することがなくなる。したがって、ノズル径がφ８μｍ以下であれば、対向電極の位置精度及び被記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずに安定した吐出が可能となる。ここで、１ｐｌの液滴量のインク２を吐出するには、ノズル径をφ１０μｍにする必要があるので、上記のように、ノズル径が８μｍ以下であれば、液滴量が１ｐｌ以下にすることは可能である。
【０１１４】
次に、上記ノズル４のノズル径とメニスカス部１４の最大電界強度と強電界領域の関係を図９に示す。
【０１１５】
図９に示すグラフから、ノズル径がφ４μｍ以下になると、電界集中が極端に大きくなり最大電界強度を高くすることができるのが分かった。これによって、インクの初期吐出速度を大きくすることができるので、インク（液滴）の飛翔安定性が増すとともに、メニスカス部での電荷の移動速度が増すため吐出応答性が向上する。
【０１１６】
続いて、吐出したインク２の液滴３における帯電可能な最大電荷量について、いかに説明する。液滴３に帯電可能な電荷量は、液滴３のレイリー分裂（レイリー限界）を考慮した以下の（５）式で示される。
【０１１７】
ｑ＝８×π×（ε０×γ×ｒ３）２　　　（５）
ここで、ｑはレイリー限界を与える電荷量、ε０は真空の誘電率、γはインクの表面張力、ｒはインク液滴の半径である。
【０１１８】
上記（５）式で求められる電荷量ｑがレイリー限界値に近い程、同じ電界強度でも静電力が強く、吐出の安定性が向上するが、レイリー限界値に近すぎると、逆にノズル４のインク吐出孔４ｂでインク２の霧散が発生してしまい、吐出安定性に欠けてしまう。
【０１１９】
ここで、ノズルのノズル径とメニスカス部で吐出する該ノズル径の約２倍の径の初期吐出液滴が飛翔を開始する吐出開始電圧、初期吐出液滴のレイリー限界での電圧値及び吐出開始電圧とレイリー限界電圧値の比との関係を示すグラフを図１０に示す。
【０１２０】
図１０に示すグラフから、ノズル径がφ０．２μｍからφ４μｍの範囲において、吐出開始電圧とレイリー限界電圧値の比が０．６を超え、液滴の帯電効率が良い結果となっており、該範囲において安定した吐出が行えることが分かった。
【０１２１】
例えば、図１１に示すノズル径とメニスカス部の強電界（１×１０６Ｖ／ｍ以上）の領域の関係で表されるグラフでは、ノズル径がφ０．２μｍ以下になると電界集中の領域が極端に狭くなることが示されている。このことから、吐出する液滴は、加速するためのエネルギーを十分に受ける事ができず飛翔安定性が悪くなることを示す。よって、ノズル径はφ０．２μｍより大きいく設定する必要がある。
【０１２２】
次に、上記構成のインクジェット装置を実際に駆動する場合の印加電圧、すなわち液滴の吐出開始電圧以上の電圧で最適な電圧値を変動した場合の最大電界強度から誘導されるメニスカス部の初期吐出液滴を一定とした場合の該液滴の電荷量と、液滴の表面張力からくるレイリー限界値との関係を図１２のグラフに示す。
【０１２３】
図１２に示すグラフにおいて、Ａ点は上記液滴の電荷量と液滴の表面張力からくるレイリー限界値との交点であり、インクへの印加電圧が、Ａ点より高い電圧であれば、初期吐出液滴にはほぼレイリー限界に近い最大電荷量が形成されており、Ａ点より低い電圧であればレイリー限界以下でかつ吐出に必要な電荷量が形成されていることを示している。
【０１２４】
ここで、吐出液滴の運動方程式にのみ着目すると、強電界かつ最大電荷量の吐出エネルギーとして最適な条件での飛翔が行われるため、印加電圧としてはＡ点より高い電圧が好ましい。
【０１２５】
ところで、図１３に、環境湿度を５０％とした場合のインク（ここでは純水）の初期吐出液滴径と乾燥時間（液滴の溶剤が全て蒸発してしまう時間）との関係を示すグラフを示す。このグラフから、初期吐出液滴径が小さい場合には、蒸発によるインクの液滴径の変化が非常に早く、飛翔中の短い時間においても乾燥が進んでしまうことが分かる。
【０１２６】
このため、初期吐出時に最大電荷量が液滴に形成されていると乾燥による液滴径の減少すなわち電荷が形成されている液滴の表面積が減少することにより、インクの飛翔中にレイリー分裂が発生し、過分の電荷を放出する際に電荷は液滴の一部を引き連れて放出されるため、蒸発以上の飛翔液滴の減少が発生することなる。
【０１２７】
従って、着弾時の液滴径のバラツキ及び着弾精度が悪化するとともに、ノズルと被記録媒体中に分裂したミストが浮遊することになり、被記録媒体を汚染することになる。このため、安定した吐出ドットの形成を考慮すると、初期吐出液滴に誘導される電荷量をレイリー限界に相当する電荷量よりもある程度小さくする必要がある。この場合、該電荷量をレイリー限界値に相当する電荷量の９５％程度では、着弾ドット径のバラツキの精度が向上できず、結果的として９０％以下にすることが好ましい。
【０１２８】
具体的な数値としては、ノズル孔径を針電極の先端形状と見なした場合のメニスカスの最大電界強度による初期吐出液滴径のレイリー限界を算出し、該算出値以下の範囲とすることにより着弾時の液滴のバラツキを抑えることができた。これは、吐出液滴が分離する直前の表面積が吐出直後の液滴に比べ小さく、かつ電荷の移動時間のタイムラグにより、実際の初期吐出液滴に誘導される電荷量は、上記計算により求められる電荷量より小さくなっているためと考えられる。
【０１２９】
このような条件であれば、飛翔時のレイリー分裂を防げると共にメニスカス部での吐出液滴の分離時に電荷量が多いことによるミスト化等の安定吐出を軽減する事ができる。
【０１３０】
なお、帯電した液滴は、蒸気圧が減少して蒸発しにくくなる。これは、以下の（６）式から分かる。
【０１３１】
ＲＴρ／Ｍ×ｌｏｇ（Ｐ／Ｐ０）＝２γ／ｄ−ｑ２／（８πｄ４）　　（６）
ここで、Ｒは気体定数、Ｍは気体の分子量、Ｔは気体の温度、ρは気体の密度、Ｐは微小液滴での蒸気圧、Ｐ０は平面での蒸気圧、γはインクの表面張力、ｄはインク液滴の半径である。
【０１３２】
上記の（６）式に示されるように、帯電した液滴は、該液滴の帯電量により蒸気圧が減少するもので、帯電量が少なすぎると蒸発の緩和に影響が少ないため、レイリー限界に相当する電界強度及び電圧値の６０％以上が好ましい結果となった。この結果は、上記と同様にノズル孔径を針電極の先端形状と見なした場合のメニスカスの最大電界強度による初期吐出液滴径のレイリー限界を算出し、該算出値の０．８倍以上の範囲を示すことと同じである。
【０１３３】
特に、図１３に示すように、初期吐出液滴径がφ５μｍ以下になると乾燥時間は極端に短くなり蒸発の影響を受けやすくなるため、初期吐出液滴の電荷量を低く抑えることは蒸発を抑える観点からより効果があることが分かる。なお、図１３に示す乾燥時間と初期吐出液滴径との関係を求める場合の周囲湿度は５０％とした。
【０１３４】
また、吐出液滴の乾燥を考慮すると、被記録媒体までの液体の吐出時間を短くする必要がある。
【０１３５】
ここで、吐出液滴がメニスカス部より分離してノズルより被記録媒体に着弾するまでの平均飛翔速度を５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ、３０ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ、５０ｍ／ｓとして、吐出の安定性と着弾ドットの位置精度を比較し、以下の表３に示す。
【０１３６】
【表３】
2004114373.tif 000005
【０１３７】
表３中の吐出安定性の記号においては、×：ほとんど吐出せず、△：連続吐出にて不吐出あり、○：不吐出なしを示しており、着弾精度の記号においては、×：着弾ズレ＞着弾ドット径、△：着弾ズレ＞着弾ドット径×０．５、○：着弾ズレ＜着弾ドット径×０．５、◎：着弾ズレ＜着弾ドット径×０．２を示している。
【０１３８】
上記の表３から分かるように、平均飛翔速度５ｍ／ｓでは、着弾精度が悪く、吐出安定性も悪くなる。特に、ノズル径がφ１μｍ以下では、吐出速度が遅いと液滴にかかる空気抵抗の要因が大きくかつ蒸発によるドット径の更なる微少化により、着弾できない場合があった。逆に、平均飛翔速度５０ｍ／ｓでは、印加電圧を高くする必要があるため、メニスカス部での電界強度が非常に強くなり、吐出液滴のミスト化が頻繁に発生してしまい、安定した吐出が難しいことが分かった。
【０１３９】
以上のことから、吐出液滴がメニスカス部より分離して被記録媒体に着弾するまでの平均飛翔速度は１０ｍ／ｓから４０ｍ／ｓの間が好ましいことが分かった。
【０１４０】
ところで、図１３では、周囲湿度として５０％とした場合の、初期吐出液滴径と乾燥時間との関係を示したが、図１４では、初期吐出液滴径がφ０．５μｍでノズルと被記録媒体の距離を０．２ｍｍとした場合の周囲湿度と乾燥時間の関係を示す。
【０１４１】
図１４に示すグラフから、周囲湿度が６０％以下では該乾燥速度の数値は大きく変動しないことが分かった。しかしながら、周囲湿度が７０％を超えるとインクの蒸発を極端に抑える事が可能であり、周囲湿度を７０％以上とする場合には、上記条件等の影響は低いものとなり、特に周囲湿度を９５％以上に設定すると乾燥の影響をほぼ無視する事ができ、本発明のインクジェット装置の設計条件の自由度を広くかつ適用範囲を広げる事が可能であることが分かった。
【０１４２】
ここで、ノズル径をφ１及びφ３μｍとして、初期吐出液滴径を変動した場合の吐出安定性及び吐出ドット径バラツキ（着弾バラツキ）を以下の表４に示す。なお、ノズルによる初期吐出径は、印加電圧値を変動することにより制御可能であり、又印加する電圧パルスのパルス幅を調整する事によっても制御可能であり、ここでは、同一ノズル径での電界強度の影響を排除するため、前記パルス幅を変動させて初期吐出径を調整している。
【０１４３】
【表４】
2004114373.tif 000006
【０１４４】
表４中の吐出安定性の記号において、×：ほとんど吐出せず、△：１０分間連続吐出にて不吐出あり、○：１０分間連続吐出にて不吐出なし、◎：３０分間連続吐出にて不吐出なしを示しており、バラツキの記号においては、△：着弾ドットのバラツキ＞着弾ドット径×０．２、○：着弾ドットのバラツキ≦着弾ドット径×０．２、◎：着弾ドットのバラツキ≦着弾ドット径×０．１を示している。
【０１４５】
表４から、ノズル径に対し１．５倍〜３倍程度において吐出の安定性が良く、特に１．５倍〜２倍において着弾ドット径のバラツキが極端に抑えられることが分かった。これは、メニスカス部から引き出されるインク形状を液柱と見なした場合、該液柱の表面積が該液柱の体積分の球の表面積より大きくなる条件での液滴分離が最も安定するためと考えられる。
【０１４６】
上記の構成によれば、インクの吐出直後の液滴量が１ｐｌ以下の微少なインク液滴を吐出する静電吸引型インクジェット装置において、ノズル４のインク吐出孔４ｂの直径を、インクの吐出直後の液滴直径と同等以下とすることによりノズル４のメニスカス部１４に吐出のための電界を集中させることができるので、インクを吐出するのに必要な印加電圧を大幅に下げることができ、個々に分離、吐出する液滴の径のバラツキを小さく安定した吐出を実現可能とした。
【０１４７】
また、従来必要とされていたバイアス電圧の印加が不要となり、駆動電圧を正負交互に印加する事が可能となり、被記録媒体の表面電位の増加による着弾精度への影響を軽減する事ができた。
【０１４８】
また、ノズルの孔の直径をφ８μｍ以下の範囲とすることによりノズルのメニスカス部に電界を集中させることができると共に、対向電極の位置精度及び被記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずに安定した吐出が可能となった。
【０１４９】
特に、ノズル４のインク吐出孔４ｂの直径をφ０．２μｍ以上φ４μｍ以下の範囲とすることにより、電界集中が極端に大きくなる。このように、最大電界強度を高くすることが、インクの初期吐出速度を大きくすることになるので、飛翔安定性が増すとともに、メニスカス部での電荷の移動速度が増すため吐出応答性が向上すると共に、レイリー分裂の影響による着弾ドット径のバラツキを抑える事ができる。
【０１５０】
更に、ノズル４からのインクの吐出直後の液滴直径を、ノズル４のインク吐出孔４ｂの直径の１．５倍から３倍以下の範囲とすることにより、吐出の安定性が向上でき、特にインクの吐出直後の液滴直径を該ノズル径の１．５倍から２倍以下の範囲とすることにより吐出ドット径のバラツキを極端に抑えることができる。
【０１５１】
本実施の形態では、上述のように、インク室１内のインクに負圧が印加された例について説明したが、インクに正圧が印加された場合でも構わない。インク室１内のインクに正圧を印加するには、例えば、図１５に示すように、インク供給路６の図示しないインクタンク側にポンプ１２を設け、該ポンプ１２を用いてインク室１内のインクに正圧を印加することが考えられる。この場合、インク室１からのインク吐出のタイミングに合わせて駆動させるようにプロセス制御部１３を用いて上記ポンプ１２を駆動制御すればよい。このように、インク室１内のインクに正圧を印加するようにすれば、メニスカス部の凸形状を静電力で形成する手間が省け、印加電圧の低減及び応答速度の向上が図ることができる。
【０１５２】
なお、本実施の形態では、説明の簡単化のため単一ノズルを備えたインクジェット装置について説明を行ったが、これに限定されるものではなく、隣接ノズルでの電界強度の影響を考慮した設計を行えば、複数のノズルを有するマルチヘッドを備えたインクジェット装置にも適用可能である。
【０１５３】
更に、本実施の形態では、図１および図１５に示すように、対向電極７を常に設けたインクジェット装置について説明したが、表２から分かるように、対向電極７とノズル４のインク吐出孔４ｂとの間の距離（ギャップ）は、被記録媒体とノズル間の電界強度にほとんど影響せず、該被記録媒体とノズル間の距離が近く、被記録媒体の表面電位が安定しているならば対向電極は不要となる。
【０１５４】
【発明の効果】
本発明の静電吸引型流体ジェット装置は、以上のように、電圧印加により帯電された流体を、絶縁材料からなるノズルの流体吐出孔から静電吸引により液滴の状態で、印加される電圧に応じた速度で被記録媒体に向かって吐出させる静電吸引型流体ジェット装置において、上記ノズル内の流体に印加される電圧を制御する印加電圧制御手段を備え、該ノズルの流体吐出孔の直径が、φ８μｍ以下に設定され、上記印加電圧制御手段は、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧を制御する構成である。
【０１５５】
それゆえ、従来の流体の静電吸引の過程において、従来のノズルの流体吐出孔の直径よりも小さな液滴直径の流体を吐出するために形成されるテーラーコーン形状の電荷が集中した先端部の直径と略同一に本発明ではノズル径を設定することで、広範囲に必要であった電場の形成を狭くすることができる。
【０１５６】
以上のことから、電荷の移動に必要な電圧、すなわち流体を静電吸引させるのに必要な帯電量を該流体に付与するために必要な電圧を大幅に低減させることが可能となる。これにより、従来のように、２０００Ｖといった高電圧を必要としないので、流体ジェット装置を使用する際の安全性の向上を図ることができる。
【０１５７】
しかも、ノズルの流体吐出孔の直径が、φ８μｍ以下に設定されていることで、電界強度分布が該流体吐出孔の吐出面近傍に集中すると共に、対向電極からノズルの流体突出孔までの距離の変動が電界強度分布に影響することがなくなる。
【０１５８】
これにより、対向電極の位置精度、被記録媒体の材料特性のバラツキや厚さバラツキの影響を受けずに安定した流体の吐出を行うことができる。
【０１５９】
また、上記のように、電場を狭くできることにより、狭い領域に強い電場を形成することが可能となり、この結果、形成できる液滴を微小なものにすることが可能となる。これにより、液滴をインクとした場合に、印字画像を高解像度にすることが可能となる。
【０１６０】
さらに、上述のように、電荷の集中領域と流体のメニスカス領域とがほぼ同等のサイズになることから、メニスカス領域内での電荷の移動時間が吐出応答性に影響を与えることがなくなり、液滴の吐出速度（液滴がインクである場合の印字速度）の向上を図ることが可能となる。
【０１６１】
また、電荷の集中領域と流体のメニスカス領域とがほぼ同等のサイズになることから、広い範囲のメニスカス領域に強い電場を形成する必要がなくなる。これにより、従来のように、広い範囲のメニスカス領域に強い電場を形成するために対向電極の配置を精度良く行う必要がなくなり、且つ、被記録媒体の誘電率及び厚さが対向電極の配置に影響しなくなる。
【０１６２】
したがって、静電吸引型流体ジェット装置において、対向電極の配置に対する自由度が増大する。つまり、静電吸引型流体ジェット装置の設計の自由度が増大する。この結果、誘電率や厚みに影響されず、従来、使用が困難であった被記録媒体に対して印字することが可能となり、汎用性の高い流体ジェット装置を実現することができる。
【０１６３】
よって、上記の構成の静電吸引型流体ジェット装置によれば、高解像度と安全性の両方を満足させ、汎用性の高い装置を実現することができる。
【０１６４】
しかも、上記印加電圧制御手段によって、上記流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下となるように、上記流体に印加される電圧が制御されることで、流体の飛翔中の乾燥の影響を軽減でき、この結果、被記録媒体での液滴の着弾精度の向上が図れ、且つ、液滴の着弾ドット径のバラツキを抑えることができると共に、メニスカス部での電界強度の影響による吐出液滴のミスト化の発生を防ぎ、安定した吐出ができる。
【０１６５】
ここで、流体の被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓよりも小さければ、着弾精度が悪く、吐出安定性も悪いので、液滴の着弾ドット径にバラツキが生じる。また、流体の被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が４０ｍ／ｓよりも大きければ、高い電圧が必要であるので、メニスカス部での電界強度が非常に強くなり、吐出する液滴のミスト化が頻繁に発生し、液滴を安定して吐出できない。
【０１６６】
したがって、上記構成の静電吸引型流体ジェット装置のように、流体の吐出から被記録媒体への着弾までの平均吐出速度が１０ｍ／ｓ以上４０ｍ／ｓ以下にすることで、液滴を安定して飛翔させることが可能となり、その結果、液滴の着弾精度の向上が図れ、且つ、液滴の着弾ドットのバラツキを抑えることができるという効果を奏する。
【０１６７】
また、上記ノズルの流体吐出孔の直径は、φ５μｍ以下に設定することが好ましく、さらに、ノズルの流体吐出孔の直径は、φ０．２μｍ以上φ４μｍ以下に設定することが好ましい。
【０１６８】
この場合、ノズルの流体吐出孔の直径を、φ５μｍ以下に設定することで、電界強度が集中し、電界集中が極端に大きくなり最大電界強度を高くすることができ、この結果、液滴の帯電効率を良くすることができる。さらに、液滴の帯電効率を良くするには、ノズルの流体吐出孔の直径を、φ０．２μｍ以上φ４μｍ以下に設定すればよい。この場合、電界集中が極端に大きくなり最大電界強度を高くすることができ、この結果、直径の小さな微小な液滴を安定して吐出することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるインクジェット装置の概略構成断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【図３】（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフである。
【図６】（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は、ノズルと対向電極との距離が２０００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、ノズルと対向電極との距離が１００μｍのときのノズル中心からの距離と対向電極からの距離との関係を示すグラフである。
【図９】ノズル径と最大電界強度との関係を示すグラフである。
【図１０】ノズル径と各種電圧との関係示すグラフである。
【図１１】ノズル径と強電界領域との関係を示すグラフである。
【図１２】印加電圧と帯電電荷量との関係を示すグラフである。
【図１３】初期吐出液滴径と乾燥時間との関係を示すグラフである。
【図１４】周囲湿度と乾燥時間との関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の他の実施の形態にかかるインクジェット装置の概略構成断面図である。
【図１６】本発明の原理を説明する図である。
【図１７】従来の静電吸引型インクジェット装置の概略構成断面図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、図１７に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【図１９】従来の他の静電吸引型インクジェット装置の概略構成図である。
【図２０】図１９に示すインクジェット装置のノズル部分の概略断面斜視図である。
【図２１】図１９に示すインクジェット装置のインク吐出原理を説明する図である。
【図２２】図１９に示すインクジェット装置のノズル部分での電圧印加時における微粒子の状態を説明する図である。
【図２３】図１９に示すインクジェット装置のノズル部分における微粒子体形成の原理を説明する図である。
【図２４】（ａ）〜（ｃ）は、図１９に示すインクジェット装置におけるインクのメニスカスの挙動を説明する図である。
【符号の説明】
１　　インク室
２　　インク（流体）
３　　液滴
４　　ノズル
４ａ　先端部
４ｂ　インク吐出孔（流体吐出孔）
５　　パッキン
６　　インク供給路
７　　対向電極
８　　被記録媒体
９　　静電界印加用電極
１０　プロセス制御部（印加電圧制御手段）
１２　ポンプ
１３　プロセス制御部
１４　メニスカス部
１４ａ　メニスカス
１４ｂ　メニスカス
１４ｃ　メニスカス
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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