(57)【要約】【課題】静電吸引型流体吐出装置において、ノズルの微細化と駆動電圧の低電圧化を両立すると共に、吐出限界周波数の向上及び、吐出材料の高抵抗側への選択性向上を可能にする。【解決手段】流体吐出ヘッドのノズル孔４０における径を０．０１〜２５μｍの微細径とする場合、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。さらに、吐出流体に対して、駆動電圧を印加するための電極部２０をノズル部１０の外壁面に形成することで、電極部２０とノズル孔４０との距離を短くする。【選択図】  図１
2005059215.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吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、
上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル外壁部分を導電性材料でコーティングすることによって形成されていることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項２】
上記電極部は、ノズル内壁の少なくとも一部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の静電吸引型流体吐出装置。
【請求項３】
電圧印加により帯電された吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、
ノズル先端部が導電性材料で形成されており、導電性材料で形成された上記ノズル先端部が吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部を兼用していることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項４】
ノズル内部に圧力を付与する圧力付与手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の静電吸引型流体吐出装置。
【請求項５】
電圧印加により帯電された吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、
上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル内部に配置されており、
ノズル先端部の内壁面がテーパ部を有しており、そのテーパ角をθ、テーパ長をＬ、ノズル径をｄとし、かつ、Ｌ／ｄ＞５となる場合、テーパ角θが２１°以上に設定されていることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項６】
電圧印加により帯電された吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、
上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、
上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル内部に配置されており、
ノズル先端部の内壁面がテーパ部を有しており、そのテーパ角をθ、テーパ長をＬ、ノズル径をｄとし、かつ、Ｌ／ｄ＜１００となる場合、テーパ角θが、
θ＞５８×ｄ／Ｌ
となるように設定されていることを特徴とする静電吸引型流体吐出装置。
【請求項７】
上記電極部はノズル内部に挿入配置された棒状電極であり、その先端がテーパ部の内壁面と接する位置まで挿入されていることを特徴とする請求項５または６に記載の静電吸引型流体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク等の導電性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吐出装置に関するものである。
【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が、その他の方式として、吐出する流体を導電性流体とし、導電性流体に電界を印加してノズルから吐出させる静電吸引方式がある。
【０００３】
このような静電吸引方式の流体吐出装置（以下、静電吸引型流体吐出装置と称する）としては、例えば特許文献１および特許文献２において開示がある。
【０００４】
また、特許文献４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。例えば特許文献３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。
【０００５】
ここで、従来の静電吸引型流体吐出装置における流体吐出モデルを説明する。
【０００６】
静電吸引型流体吐出装置とりわけオンデマンド型の静電吸引型流体吐出装置の設計要因としては、インク液体の導電性（例えば比抵抗１０６〜１０１１Ωｃｍ）、表面張力（例えば０．０２０〜０．０４０Ｎ／ｍ）、粘度（例えば０．０１１〜０．０１５Ｐａ・ｓ）、印加電圧（電場）がある。そして、印加電圧としては、ノズルに印加する電圧、およびノズルと対向電極間との距離が特に重要とされていた。
【０００７】
静電吸引型流体吐出装置においては、電気流体的な不安定性を利用しており、図１５にこの様子を示す。一様電界の中に導電性流体を静置すると、導電性流体の表面に作用する静電力が表面を不安定にし、曳き糸の成長を促す（静電曳き糸現象）。この時の電場は、ノズルと、ノズルとｈだけ距離を隔てて対向する対向電極との間に電圧Ｖを印加したときに発生する電場Ｅ０とする。この時の成長波長λｃは物理的に導くことが可能であり（例えば、非特許文献１）、次式で表される。
【０００８】
【数１】
2005059215.tif 000003
【０００９】
ここで、γ：表面張力（Ｎ／ｍ）、ε０：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｅ０：電界の強さ（Ｖ／ｍ）である。ノズル径ｄ（ｍ）が、λｃよりも小さい場合、成長は起こらない。すなわち、
【００１０】
【数２】
2005059215.tif 000004
【００１１】
が、吐出のための条件となっていた。
【００１２】
ここで、Ｅ０は平行平板を仮定した場合の電界強度（Ｖ／ｍ）で、ノズル−対向電極間距離をｈ（ｍ）、ノズルに印加する電圧をＶ０として、
【００１３】
【数３】
2005059215.tif 000005
【００１４】
したがって、
【００１５】
【数４】
2005059215.tif 000006
【００１６】
となる。
【００１７】
【特許文献１】
特公昭３６−１３７６８号公報（公告日昭和３６年８月１８日）
【００１８】
【特許文献２】
特開２００１−８８３０６号公報（公開日平成１３年４月３日）
【００１９】
【特許文献３】
特開平８−２３８７７４号公報（公開日平成８年９月１７日）
【００２０】
【特許文献４】
特開２０００−１２７４１０号公報（公開日平成１２年５月９日）
【００２１】
【非特許文献１】
画像電子情報学会，第１７巻，第４号，１９８８年，ｐ．１８５−１９３
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
流体吐出装置では、一般的により微細なドット形成やライン形成を可能とするために、インクを吐出するノズルの径を小さくしたいといった要望がある。
【００２３】
しかしながら、現在実用化されているピエゾ方式やサーマル方式などの流体吐出装置では、ノズル径を小さくして、例えば１ｐｌを下回るような微小量の流体の吐出は困難である。これは、流体を吐出するノズルが微細になるほど吐出に必要な圧力が大きくなるためである。
【００２４】
また、上述のような流体吐出装置では、液滴の微細化と高精度化は相反する課題であり、両方を同時に実現するのは困難であった。これは以下の理由による。
【００２５】
ノズルから吐出された液滴に付与される運動エネルギーは、液滴半径の３乗に比例する。このため、ノズルを微細化した場合に吐出される微細液滴は、吐出時の空気抵抗に耐えるほどの十分な運動エネルギーを確保できず、空気滞留などによる撹乱を受け、正確な着弾を期待できない。さらに、液滴が微細になるほど、表面張力の効果が増すため、液滴の蒸気圧が高くなり蒸発量が激しくなる．このため、微細液滴は飛翔中に著しい質量の消失を招き、着弾時に液滴の形態を保つことすら難しいという問題があった。
【００２６】
またさらに、上述した従来の静電吸引型流体吐出装置における流体吐出モデルに基づくと、上記（２）式より、ノズル径の減少は吐出に必要な電界強度の増加を要請することとなる。そして、電界強度は、上記（３）式に示すように、ノズルに印加する電圧（駆動電圧）Ｖ０とノズル−対向電極間距離ｈとによって決まるため、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇を招来する。
【００２７】
ここで、従来の静電吸引型流体吐出装置における駆動電圧は、１０００Ｖ以上と非常に高いため、各ノズル間でのリークや干渉化を考慮すると小型化および高密度化は難しく、ノズル径をさらに小さくすると上記問題がより大きなものとなる。また、１０００Ｖを越えるような高電圧のパワー半導体は一般的に高価で周波数応答性も低い。
【００２８】
尚、上記特許文献１で開示されているノズル径は０．１２７ｍｍであり、特許文献２で開示されているノズル径の範囲は５０〜２０００μｍ、より好ましくは１００〜１０００μｍといった範囲であった。
【００２９】
ノズル径に関して、従来の静電吸引型流体吐出における典型的な動作条件を当てはめて計算してみると、表面張力０．０２０Ｎ／ｍ、電界強度１０７Ｖ／ｍとして、上記（１）式に代入して計算すると、成長波長λｃは約１４０μｍとなる。すなわち、限界ノズル径として７０μｍという値が得られる。すなわち、上記条件下では１０７Ｖ／ｍの強電界を用いてもノズル径が直径７０μｍ程度以下の場合は背圧を印加して強制的にメニスカス形成させるなどの処置をとらない限り、インクの成長は起こらず、静電吸引型流体吐出は成立しないと考えられていた。すなわち、微細ノズルと駆動電圧の低電圧化は両立しない課題と考えられていた。
【００３０】
以上のように、従来の流体吐出装置では、ノズルの微細化と高精度化は相反する課題であり、両方を同時に実現することは困難であった。また、特に静電吸引型流体吐出装置では、ノズルの微細化と駆動電圧の低電圧化とは両立しない課題と考えられていた。
【００３１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ノズルの微細化と微小流体の吐出及び着弾位置の高精度化、さらに、駆動電圧の低電圧化をすべて実現した静電吸引型流体吐出装置を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、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吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル外壁部分を導電性材料でコーティングすることによって形成されていることを特徴としている。
【００３３】
上記の構成によれば、ノズルの流体噴出孔径（ノズル径）を０．０１〜２５μｍの微細径とすることで、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルにしたがって、局所電界が発生し、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にする。
【００３４】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増す。また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。
【００３５】
また、上述のような微細ノズル化は、流体流路内部に駆動電極を配置する場合、該駆動電極をノズル孔に近づけることが構造上困難となる。この場合、流体吐出ヘッド内部における駆動電極からノズル先端までの吐出流体流路内の電気抵抗値が増大し、その結果、吐出応答性が低下するといった問題がある。
【００３６】
これに対し、上記静電吸引型流体吐出装置では、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル外壁部分を導電性材料でコーティングすることによって形成されているため、電極部とノズル孔との距離をできるだけ短くするようなヘッド構成を実現することが容易となる。つまり、電極部の位置をノズル孔に近づけることにより、吐出可能な駆動周波数を向上できると共に、吐出可能な材料の選択の幅を高抵抗側へ広げることができる。
【００３７】
また、上記静電吸引型流体吐出装置では、上記電極部は、ノズル内壁の少なくとも一部を形成している構成とすることが好ましい。
【００３８】
上記の構成によれば、上記電極部がノズル内壁の少なくとも一部を形成していることで、吐出が行われていない状態であっても、該電極部がノズル内の吐出流体と接触している状態となる。このため、上記電極部に駆動電圧を印加した際、吐出流体への電荷供給が速やかに行われ、吐出応答性が向上する。
【００３９】
また、本発明の他の静電吸引型流体吐出装置は、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吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、ノズル先端部が導電性材料で形成されており、導電性材料で形成された上記ノズル先端部が吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部を兼用していることを特徴としている。
【００４０】
上記の構成によれば、ノズル先端部自体が導電性材料で形成されており、該先端部を電極部としてノズル内の吐出流体に電荷供給できるため、初期吐出に寄与するノズル孔近傍の吐出流体に対して電荷供給できるだけでなく、ノズル孔から少し離れた箇所に存在する流体流路内部の吐出流体に対しても同時に電荷供給することができる。このため、吐出応答性が向上し、且つ連続吐出時の電荷の追従性、つまり、連続吐出安定性が向上する。
【００４１】
また、上記静電吸引型流体吐出装置は、ノズル内部に圧力を付与する圧力付与手段を備えている構成とすることができる。
【００４２】
上記の構成によれば、上記圧力付与手段によりノズル内の吐出流体は導出圧力を付与されてノズル孔から外部に導出された状態に保つことができるため、流体吐出の動作時において、電極部に駆動電圧を印加すると同時に、該電極部より電荷供給を受けることができ、安定した吐出を実現することができる。
【００４３】
また、本発明のさらに他の静電吸引型流体吐出装置は、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吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル内部に配置されており、ノズル先端部の内壁面がテーパ部を有しており、そのテーパ角をθ、テーパ長をＬ、ノズル径をｄとし、かつ、Ｌ／ｄ＞５となる場合、テーパ角θが２１°以上に設定されていることを特徴としている。
【００４４】
上記の構成によれば、ノズル先端部の内壁面にテーパ部を形成し、そのテーパ角を２１°以上に設定することで、電極部がノズル内部に配置される場合に、電極部とノズル孔との間の電気抵抗を大幅に抑制することができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出材料の高抵抗側への選択性向上を可能とする。
【００４５】
また、本発明のさらに他の静電吸引型流体吐出装置は、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吐出流体を、流体吐出ヘッドのノズルの流体噴出孔から静電吸引によって吐出させ基板に着弾させることによって、該基板表面に吐出流体による描画パターンを形成する静電吸引型流体吐出装置において、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル内部に配置されており、ノズル先端部の内壁面がテーパ部を有しており、そのテーパ角をθ、テーパ長をＬ、ノズル径をｄとし、かつ、Ｌ／ｄ＜１００となる場合、テーパ角θが、
θ＞５８×ｄ／Ｌ
となるように設定されていることを特徴としている。
【００４６】
上記の構成によれば、ノズル先端部の内壁面にテーパ部を形成し、そのテーパ角をθ＞５８×ｄ／Ｌとなるように設定することで、電極部がノズル内部に配置される場合に、電極部とノズル孔との間の電気抵抗を大幅に抑制することができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出材料の高抵抗側への選択性向上を可能とする。
【００４７】
また、上記静電吸引型流体吐出装置では、上記電極部はノズル内部に挿入配置された棒状電極であり、その先端がテーパ部の内壁面と接する位置まで挿入されている構成とすることができる。
【００４８】
上記の構成によれば、電極部が可能な限りノズル孔側に接近させられることにより、電極部とノズル孔との間の吐出流体流路の電気抵抗を小さくすることができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出流体の高抵抗側への選択性向上を可能にする。
【００４９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図１４に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００５０】
本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置は、そのノズル径を０．０１μｍ〜２５μｍとしており、なおかつ、１０００Ｖ以下の駆動電圧にて吐出流体の吐出制御を可能としている。
【００５１】
ここで、従来の流体吐出モデルにおいては、ノズル径の減少は駆動電圧の上昇に繋がるため、５０〜７０μｍ以下のノズル径では、吐出流体に背圧を与えるなどの他の工夫を行わない限り、１０００Ｖ以下の駆動電圧での流体吐出は不可能と考えられていた。しかしながら、本願発明者らは鋭意検討の結果、あるノズル径以下では、従来の流体吐出モデルとは異なる吐出モデルでの吐出現象が起こることを突き止めた。本発明は、この流体吐出モデルにおける新たな知見に基づいてなされたものである。
【００５２】
先ずは、本願発明者他によって発見された流体吐出モデルについて説明する。
【００５３】
直径ｄ（以下の説明においては、特に断らない限りノズルの内径を指す）のノズルに導電性流体を注入し、無限平板導体からｈの高さに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図２に示す。このとき、ノズル先端に誘起される電荷Ｑは、ノズル先端の吐出流体によって形成される半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
【００５４】
【数５】
2005059215.tif 000007
【００５５】
ここで、Ｑ：ノズルの先端部に誘起される電荷（Ｃ）、ε０：真空の誘電率（Ｆ／ｍ）、ｄ：ノズルの直径（ｍ）、Ｖ０：ノズルに印加する総電圧である。また、αは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、１〜１．５程度の値を取るが、特にＤ＜＜ｈ（ｈ：ノズル−基板間距離（ｍ））の時はほぼ１となる。
【００５６】
また、基板として導電基板を用いた場合、ノズルと対向して基板内の対称位置に、上記電荷Ｑと反対の極性を持つ鏡像電荷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電荷Ｑと逆極性の映像電荷Ｑ’が誘導される。
【００５７】
ノズル先端部における集中電界強度Ｅｌｏｃは、先端部の曲率半径をＲと仮定すると、
【００５８】
【数６】
2005059215.tif 000008
【００５９】
で与えられる。ここで、ｋは、ノズル形状などに依存する比例定数であり、１．５〜８．５程度の値を取るが、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），  ｐ．１９８−２１０）。また、ここでは、流体吐出モデルを簡単にするため、Ｒ＝ｄ／２と仮定する。これは、ノズル先端部において表面張力によって導電性インクがノズル径ｄと同じ曲率径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
【００６０】
ノズル先端の吐出流体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力Ｐｅは、ノズル先端部の液面積をＳとすると、
【００６１】
【数７】
2005059215.tif 000009
【００６２】
となる。（５）〜（７）式より、α＝１とおいて、
【００６３】
【数８】
2005059215.tif 000010
【００６４】
と表される。
【００６５】
一方、ノズル先端部における吐出流体の表面張力をＰｓとすると、
【００６６】
【数９】
2005059215.tif 000011
【００６７】
となる。ここで、γ：表面張力である。静電的な力により吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回ることなので、
【００６８】
【数１０】
2005059215.tif 000012
【００６９】
となる。
【００７０】
図３に、ある直径ｄのノズルを与えた時の、表面張力による圧力と静電的な圧力との関係を示す。吐出流体の表面張力としては、吐出流体が水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）の場合を仮定している。ノズルに印加する電圧を７００Ｖとした場合、ノズル直径ｄが２５μｍにおいて静電的な圧力が表面張力を上回ることが示唆される。このことより、Ｖ０とｄとの関係を求めると、
【００７１】
【数１１】
2005059215.tif 000013
【００７２】
が吐出の最低電圧を与える。
【００７３】
また、その時の吐出圧力ΔＰは、
【００７４】
【数１２】
2005059215.tif 000014
【００７５】
より、
【００７６】
【数１３】
2005059215.tif 000015
【００７７】
となる。
【００７８】
ある直径ｄのノズルに対し、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合の吐出圧力ΔＰの依存性を図４に、また、吐出臨界電圧（すなわち吐出の生じる最低電圧）Ｖｃの依存性を図５に示す。
【００７９】
図４から、局所的な電界強度によって吐出条件を満たす場合（Ｖ０＝７００Ｖ，γ＝７２ｍＮ／ｍと仮定した場合）のノズル直径の上限が２５μｍであることが分かる。
【００８０】
図５の計算では、吐出流体として水（γ＝７２ｍＮ／ｍ）及び有機溶剤（γ＝２０ｍＮ／ｍ）を想定し、ｋ＝５の条件を仮定した。この図より、微細ノズルによる電界の集中効果を考慮すると、吐出臨界電圧Ｖｃはノズル径の減少に伴い低下することが明らかであり、吐出流体が水の場合においてノズル直径が２５μｍの場合、吐出臨界電圧Ｖｃは７００Ｖ程度であることが分かる。
【００８１】
従来の吐出モデルにおける電界の考え方、すなわちノズルに印加する電圧Ｖ０とノズル−対向電極間距離ｈとによって定義される電界のみを考慮した場合では、ノズル径が微小になるに従い、吐出に必要な駆動電圧は増加する。
【００８２】
これに対し、本願発明者らが提案する新たな吐出モデルのように、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出における駆動電圧の低下が可能となる。このような駆動電圧の低下は、装置の小型化およびノズルの高密度化において極めて有利となる。もちろん、駆動電圧を低下させることで、コストメリットの高い低電圧駆動ドライバの使用をも可能にする。
【００８３】
さらに、上記吐出モデルでは、吐出に必要な電界強度は、局所的な集中電界強度に依存することになるため、対向電極の存在が必須とならない。すなわち、従来の吐出モデルでは、ノズル−基板間に電界を印加するため、絶縁体の基板に対してはノズルと反対側に対向電極を配置するか、あるいは基板を導電性とする必要があった。そして、対向電極を配置する場合、すなわち基板が絶縁体の場合では、使用できる基板の厚さに限界があった。
【００８４】
これに対し、本発明の吐出モデルでは、対向電極を要さずに絶縁性基板などに対しても印字を行うことが可能となり、装置構成の自由度が増す。また、厚い絶縁体に対しても印字を行うことが可能となる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、局所電界強度に着目して新たに提案された吐出モデルに基づいているため、ノズル径０．０１μｍ〜２５μｍの微細ノズルとすることが可能であり、かつ、１０００Ｖ以下の駆動電圧にて吐出流体の吐出制御を行うことができる。尚、上記モデルに基づいて考察を行った結果、直径２５μｍ以下のノズルの場合は７００Ｖ以下の駆動電圧で、直径１０μｍ以下のノズルの場合は５００Ｖ以下の駆動電圧で、直径１μｍ以下のノズルの場合は３００Ｖ以下の駆動電圧で吐出制御が可能である。
【００８６】
図６に、吐出臨界電圧Ｖｃのノズル径依存性を実験的に求めた結果を示す。ここでは、吐出流体として、ハリマ化成（株）製の銀ナノペーストを用い、ノズル−基板間距離１００μｍの条件で測定を行った。図６より、微細ノズルになるにしたがって、吐出臨界電圧Ｖｃが低下し、従来より低電圧で吐出が可能となっていることが分かる。
【００８７】
本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、上述したように、ノズル径および駆動電圧を共に小さくすることが可能であるが、この場合、従来の静電吸引型流体吐出装置に比べ、以下のような問題が顕著に発生する。
【００８８】
上述のような静電吸引型流体吐出装置の場合、その吐出特性は、基本的に、流体吐出ヘッド内部における駆動電極からノズル先端までの吐出流体流路内の電気抵抗値に依存して決定するものであり、その電気抵抗値が低い程、吐出応答性が向上する。つまり、吐出流体流路内の電気抵抗値を下げることで、駆動周波数を向上することができ、さらには、より高抵抗な吐出流体材料の吐出が可能となり、吐出流体材料の選択の幅を広げることができる。
【００８９】
上記電気抵抗値を低くするためには、駆動電極−ノズル先端部間の距離の短縮、或いは、流体吐出ヘッド内部の流体流路における断面積の拡大が効果的である。
【００９０】
しかしながら、本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置のように、ノズル径を０．０１μｍ〜２５μｍと微細化した流体吐出ヘッドでは、そのノズル径が小さくなるに伴い、流体流路内部の駆動電極をノズル孔に近づけること、具体的には、ノズル近傍にまでインク流路内壁面に電極をコートしたり、電極線を挿入することが構造上困難となる。
【００９１】
そこで、本実施の形態に係る静電吸引型流体吐出装置では、ノズル外壁部分を導電性材料でコーティングし、ノズル先端部において駆動電圧を印加する、すなわちノズル先端部において吐出流体に電荷を与えることで、微細ノズルを有する流体吐出ヘッドの吐出特性を向上させるものである。このような静電吸引型流体吐出装置について、以下の実施の形態１〜５に説明する。
【００９２】
〔実施の形態１〕
実施の形態１に係る静電吸引型流体吐出装置における流体吐出ヘッドのノズル構成を図１に示す。
【００９３】
図１に示す流体吐出ヘッドのノズルは、先の尖ったノズル部１０、その外壁部に設置された電極部２０、ノズル部１０内に設けられた流体流路３０、さらにその流体流路３０の端部、すなわちノズル先端に設けられたノズル孔４０により構成されている。また、電極部２０には駆動電圧を印加するための電源５０が接続されている。
【００９４】
ノズル部１０は絶縁材料であれば良く、特に成形性の高いガラス等が好ましく、ガラス管に熱および引張り力を加えて変形させることにより容易に内径１μｍ程度のノズル孔を作製することが可能である。
【００９５】
電極部２０に関しては導電材料であれば良く、特にノズル部１０に対して密着性の高い、低抵抗材料が好ましい。電極部２０は、一般的な真空蒸着法、スパッタリング、めっき等で容易に作製することができる。また、図１における電極部２０は、ノズル孔４０の内壁の少なくとも一部を形成しているものであり、吐出が行われていない状態であっても、ノズル内の吐出流体と接触している状態となっている。
【００９６】
但し、電極部２０の形成時には、該電極部２０を形成する材料によってノズル孔４０が塞がれる可能性があるため、電極部２０作製時のノズルの設置方向等に工夫が必要となる。また、ノズル孔４０が必然的に塞がる条件下では、電極部２０の形成後にレーザ等による穴あけ加工にノズル孔４０を形成することが必要となる。
【００９７】
次に、上記ノズル構成を有する流体吐出ヘッドの流体吐出メカニズムを説明する。電源５０より所望の駆動電圧を電極部２０に印加すると、ノズル先端部において電極部２０と接触している吐出流体に電荷供給が行われる。そして、ノズル先端部の吐出流体における電荷蓄積によって電界強度が増し、この電界強度が吐出に必要な電界強度に達した瞬間に吐出が開始される。
【００９８】
吐出流体が電極部２０から電荷を供給され始めてから吐出が開始されるまでの吐出応答時間は、電極部２０とノズル孔４０との距離に大きく依存し、図１に示すように、ノズル孔４０と電極部２０とが一致するような構成の場合、最も早い吐出応答時間を得ることができる。
【００９９】
実際に、流体流路３０内部に電極を挿入した場合と、外壁に電極コートによって電極を形成した場合との吐出限界周波数の比較を以下の表１示す。このようにノズル孔がφ１．２μｍと小さい場合、内部に電極を挿入しても挿入電極径とノズル孔径の差が大きいためノズル孔と電極間の距離が６８０μｍと大きくなる。一方、ノズル外壁を導電コートして電極を形成すると、ノズル孔近傍まで電極部を近づけることができる。このため、ノズル外壁に電極を形成することで吐出応答性が大きくなり、吐出限界周波数は電極を内部挿入する場合に比べて３０倍も高くすることができる。
【０１００】
【表１】
2005059215.tif 000016
【０１０１】
また、電極−ノズル孔間距離と吐出流体として使用可能な材料の導電率との関係を図７に示す。このように、電極−ノズル孔間距離と吐出材料の導電率とは基本的にリニアな関係にあるため、高抵抗材料を吐出させるためには、電極位置をノズル孔に近づける必要があることがわかる。
【０１０２】
以上のように、本実施の形態１に係る静電吸引型流体吐出装置の構成では、ノズル外壁部を導電性材料でコートして電極部２０を形成することにより、流体流路内部に電極部を形成する場合と比較して、電極部２０とノズル孔４０との距離をできるだけ短くするようなヘッド構成を実現することが容易となる。つまり、電極部２０の位置をノズル孔４０に近づけることにより、吐出可能な駆動周波数を向上できると共に、吐出可能な材料の選択の幅を高抵抗側へ広げることができる。
【０１０３】
尚、上記説明では、流体流路３０内の吐出流体は、吐出が行われていない状態でも電極部２０と接触しており、所望の駆動電圧を電極部２０に印加することで吐出流体に電荷供給が行われるとしている。しかしながら、実際には、吐出流体がノズル孔４０よりも流体流路３０内側に引き込まれ、吐出流体と電極部２０とが接触していない状態となっていることもありうる。
【０１０４】
このような場合、電極部２０に駆動電圧を印加しても吐出流体に対する電荷供給は直ぐには行われないが、電極部２０に駆動電圧を印加することで流体流路３０内の吐出流体はエレクトロウェッティング効果によりノズル孔４０から外部に引き出されて電極部２０と接触するため、吐出流体の吐出は可能となる。ここで、エレクトロウェッティング効果とは、吐出流体に電界が作用することで、該吐出流体の濡れ性が向上するといった効果である。すなわち、エレクトロウェッティング効果により吐出流体の濡れ性が向上すると、該吐出流体はノズル部１０の無い壁面との接触面積を増加させるように移動し、ノズル孔４０が沁み出す動作を示す。
【０１０５】
また、本実施の形態では、先の尖ったノズル形状に関して述べたが、平らな面上にノズル孔が設けられた構成であっても良い。
【０１０６】
また、図１の構成では、流体吐出ヘッドのノズル先端部において、電極部２０がノズル孔４０の内壁の少なくとも一部を形成しているおり、吐出が行われていない状態であっても、該電極部２０がノズル内の吐出流体と接触している状態となっている。
【０１０７】
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図８に示すように、電極部２０がノズル孔４０の内壁を形成していない構成であっても良い。この場合、吐出が行われていない状態（電極部２０に駆動電圧を印加していない状態）では、電極部２０がノズル内の吐出流体と接触しないが、電極部２０に駆動電圧を印加することで流体流路３０内の吐出流体がエレクトロウェッティング効果によりノズル孔４０から外部に染み出して電極部２０と接触する（図８は、この状態を示している）。
【０１０８】
上記図８の構成では、電極部２０がノズル孔４０の内壁を形成しないため、電極部２０の形成時に該電極部２０を形成する材料によってノズル孔４０が塞がれることがなく、電極部２０の形成が容易になるといった利点がある。但し、図８の構成では、ノズル先端を先の尖った形状として、ノズル孔４０との電極部２０とが十分近接している必要はある。
【０１０９】
〔実施の形態２〕
実施の形態２に係る静電吸引型流体吐出装置における流体吐出ヘッドのノズル構成を図９に示す。本実施の形態２については、上記実施の形態１と同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。実施の形態１においては、ノズル部１０を形成する材料は絶縁材料であったが、本実施の形態２ではノズル部を導電性材料としている。
【０１１０】
すなわち、図９に示すノズル構成ではノズル部１０’が電極部を兼用しており、該ノズル部１０’に電源５０が接続されている。ノズル部１０’を形成する導電性材料としては、アルミニウム、ニッケル、銅、シリコン等の金属材料の他に、導電性高分子材料も使用可能である。また、ノズル部１０’の先端にノズル孔４０を形成するための微小な穴開け加工方法としては、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）やレーザ加工、光アシスト電解エッチング法等が適用可能である。
【０１１１】
次に、上記ノズル構成を有する流体吐出ヘッドの流体吐出メカニズムを説明する。上記ノズル構成では、電源５０により所望の電圧をノズル部１０’全体に印加することにより、初期吐出に寄与するノズル孔４０近傍の吐出流体に対して電荷供給できるだけでなく、ノズル孔４０から少し離れた箇所に存在する流体流路３０内部の吐出流体に対しても同時に電荷供給することができる。このため、吐出応答性が向上し、且つ連続吐出時の電荷の追従性、つまり、連続吐出安定性が向上する。
【０１１２】
以上のように、本実施の形態２に係る静電吸引型流体吐出装置の構成では、ノズル先端部全体を導電性材料で形成することで、吐出応答性向上による駆動周波数の向上、吐出材料の選択性の向上を可能にすると共に、連続吐出安定性も向上させることができる。
【０１１３】
〔実施の形態３〕
実施の形態３に係る静電吸引型流体吐出装置におけるの概略構成を図１０に示す。本実施の形態３については、上記実施の形態１および２と同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。
【０１１４】
本実施の形態３に係る構成の流体吐出ヘッドは、ノズル部１０の吐出方向上流側に、ジョイント部６０を介して圧力制御装置７０に連結した圧力制御機構を備えている。
【０１１５】
次に、上記流体吐出ヘッドの流体吐出メカニズムを説明する。流体流路３０内の吐出流体には、流体吐出時でなくても圧力制御装置７０により外圧が与えられており、この外圧により、吐出流体はノズル孔４０の外部に導出された状態となっている。圧力制御装置７０によるこの導出圧力は、ノズル孔径や吐出流体の粘度等により異なるが、例えばノズル孔４０の径がφ１μｍの場合、０．３〜０．６ＭＰａの範囲内の圧力で吐出流体をノズル孔４０外部に導出することが可能である。
【０１１６】
上記導出圧力により、微小なノズル孔４０を通過した吐出流体は電極部２０と接触した状態となるため、流体吐出の動作時において、電極部２０に電圧を印加すると同時に、該電極部２０より電荷供給を受けることができ、ノズル先端部の電界力を受けて吐出が行われる。
【０１１７】
以上のように、本実施の形態３に係る静電吸引型流体吐出装置の構成では、吐出部上流側から吐出流体に対して圧力を付与することで、該吐出流体をノズル孔へ導出し電極部と接触した状態に保つことができ、安定した吐出を実現することができる。
【０１１８】
尚、図１０は、上記圧力制御装置７０を、図１に示すノズル構成と組み合わせた場合を例示しているが、図８に示すノズル構成と組み合わせるものであっても良い。
【０１１９】
〔実施の形態４〕
実施の形態４に係る静電吸引型流体吐出装置における流体突出ヘッドの概略構成を図１１に示す。
【０１２０】
本実施の形態４では、静電吸引型流体吐出装置の流体突出ヘッドは、流体流路３０内部に駆動電極部８０を備えた構成となっており、ノズル部１０の先端部において内部流路３０のテーパ角αを適切に設定することで、吐出限界周波数の向上及び、吐出材料の高抵抗側への選択性向上を図っている。
【０１２１】
これまでの説明通り、静電吸引型流体吐出装置の場合、その吐出特性は駆動電極２０とノズル孔４０との間の流路３０内に存在する吐出流体の電気抵抗に依存する。
【０１２２】
ところで、流体流路３０内部の電気抵抗を決定するパラメータとして、該流体流路３０の流路長と断面積、及び吐出流体の導電率が挙げられるが、流路長と断面積とをテーパ角θという１つのパラメータとして考えた場合、テーパ角θと流体流路３０内部の電気抵抗（抵抗比率）との関係は図１２のようになる。図１２における抵抗比率は、テーパ角θを０°とした場合のテーパ部での流体流路３０内部の電気抵抗値に対する比率を示している。
【０１２３】
図１２では、テーパ長Ｌとノズル径ｄと比であるＬ／ｄをパラメータとして、Ｌ／ｄ＝１，５，１０，１００の場合のそれぞれについて、テーパ角と抵抗比率との関係を示している。テーパ長Ｌは、図１１に示すように、ノズル部１０におけるテーパ形成部の流体吐出方向に沿った長さを示す。
【０１２４】
実際、ノズル径が２５μ以下の超微細ノズルを形成する場合、上記Ｌ／ｄの関係は５以上１００以内であることが通常である。また、テーパ長Ｌはノズル径ｄの大きさに関わらず、設計上の範囲がある程度決まっているため、上記Ｌ／ｄの値は、ノズル径が小さくなるほど大きくなり、ノズル径が大きくなるほど小さくなる傾向がある。
【０１２５】
図１２より、Ｌ／ｄがどの値であっても、テーパ角θが大きくなるに従って、抵抗比率が小さくなっていることが分かる。そして、テーパ角θを２１°以上にすることで、Ｌ／ｄが５以上の場合に抵抗比率２０％以下にすることができる。
【０１２６】
以上のように、本実施の形態４に係る静電吸引型流体吐出装置の構成では、ノズル部１０の内壁テーパ角θを２１°以上にすることにより、電極部８０とノズル孔４０との間の電気抵抗を大幅に抑制することができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出材料の高抵抗側への選択性向上を可能とする。
【０１２７】
また、抵抗比率が３０％となる場合の、テーパ長−ノズル径比Ｌ／ｄとテーパ角θとの関係を図１３に示す。図１３より、抵抗比率が３０％となる条件では、
θ＝５８／（Ｌ／ｄ）
の関係が成立していることが分かる。これより、３０％以下の抵抗比率を得るためには、
θ＞５８×ｄ／Ｌ
の関係を満たせばよいことが分かる。
【０１２８】
〔実施の形態５〕
実施の形態５に係る静電吸引型流体吐出装置における流体突出ヘッドの概略構成を図１４に示す。本実施の形態５については、上記実施の形態１ないし４と同じ部分の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。
【０１２９】
本実施の形態５に係る静電吸引型流体吐出装置では、ノズル部１０内の流体流路３０に棒状電極である電極部９０を挿入し、さらに、電極部９０がテーパ内壁面に３点以上接するように配置されている。この構成では、電極部９０が可能な限りノズル孔４０側に接近させられることにより、電極部９０とノズル孔４０との間の吐出流体流路の電気抵抗を小さくすることができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出流体の高抵抗側への選択性向上を可能にする。
【０１３０】
尚、このように電極部９０が可能な限りノズル孔４０に接近して配置される場合、電極部９０の断面形状がテーパ内壁の断面形状と完全に一致しないことが必要である。
【０１３１】
【発明の効果】
本発明の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル外壁部分を導電性材料でコーティングすることによって形成されている構成である。
【０１３２】
それゆえ、上記吐出流体に駆動電圧を印加する電極部が、ノズル外壁部分に形成されているため、電極部とノズル孔との距離をできるだけ短くするようなヘッド構成を実現することが容易となる。つまり、電極部の位置をノズル孔に近づけることにより、吐出可能な駆動周波数を向上できると共に、吐出可能な材料の選択の幅を高抵抗側へ広げることができるといった効果を奏する。
【０１３３】
また、上記静電吸引型流体吐出装置では、上記電極部は、ノズル内壁の少なくとも一部を形成している構成とすることが好ましい。
【０１３４】
それゆえ、吐出が行われていない状態であっても、該電極部がノズル内の吐出流体と接触している状態となり、上記電極部に駆動電圧を印加した際、吐出流体への電荷供給が速やかに行われ、吐出応答性が向上するといった効果を奏する。
【０１３５】
また、本発明の他の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、ノズル先端部が導電性材料で形成されており、導電性材料で形成された上記ノズル先端部が吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部を兼用している構成である。
【０１３６】
それゆえ、初期吐出に寄与するノズル孔近傍の吐出流体に対して電荷供給できるだけでなく、ノズル孔から少し離れた箇所に存在する流体流路内部の吐出流体に対しても同時に電荷供給することができる。このため、吐出応答性が向上し、且つ連続吐出時の電荷の追従性、つまり、連続吐出安定性が向上するといった効果を奏する。
【０１３７】
また、上記静電吸引型流体吐出装置は、ノズル内部に圧力を付与する圧力付与手段を備えている構成とすることができる。
【０１３８】
それゆえ、上記圧力付与手段によりノズル内の吐出流体は導出圧力を付与されてノズル孔から外部に導出された状態に保たれ、流体吐出の動作時において、電極部に駆動電圧を印加すると同時に、該電極部より電荷供給を受けることができ、安定した吐出を実現することができるといった効果を奏する。
【０１３９】
また、本発明のさらに他の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル内部に配置されており、ノズル先端部の内壁面がテーパ部を有しており、そのテーパ角をθ、テーパ長をＬ、ノズル径をｄとし、かつ、Ｌ／ｄ＞５となる場合、テーパ角θが２１°以上に設定されている構成である。
【０１４０】
それゆえ、電極部がノズル内部に配置される場合に、電極部とノズル孔との間の電気抵抗を大幅に抑制することができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出材料の高抵抗側への選択性向上を可能とするといった効果を奏する。
【０１４１】
また、本発明のさらに他の静電吸引型流体吐出装置は、以上のように、上記ノズルの流体噴出孔は、そのノズル径が０．０１〜２５μｍであると共に、上記吐出流体に電荷を与え帯電させるための駆動電圧を印加する電極部が、ノズル内部に配置されており、ノズル先端部の内壁面がテーパ部を有しており、そのテーパ角をθ、テーパ長をＬ、ノズル径をｄとし、かつ、Ｌ／ｄ＜１００となる場合、テーパ角θが、
θ＞５８×ｄ／Ｌ
となるように設定されている構成である。
【０１４２】
それゆえ、電極部がノズル内部に配置される場合に、電極部とノズル孔との間の電気抵抗を大幅に抑制することができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出材料の高抵抗側への選択性向上を可能とするといった効果を奏する。
【０１４３】
また、上記静電吸引型流体吐出装置では、上記電極部はノズル内部に挿入配置された棒状電極であり、その先端がテーパ部の内壁面と接する位置まで挿入されている構成とすることができる。
【０１４４】
それゆえ、電極部が可能な限りノズル孔側に接近させられることにより、電極部とノズル孔との間の吐出流体流路の電気抵抗を小さくすることができ、吐出限界周波数の向上、及び吐出流体の高抵抗側への選択性向上を可能にするといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、実施の形態１に係る静電吸引型流体吐出装置の流体吐出ヘッドのノズル構成を示す断面図である。
【図２】本発明の基本となる吐出モデルにおいて、ノズルの電界強度の計算を説明するための図である。
【図３】表面張力圧力および静電的圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図４】吐出圧力のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図５】吐出限界電圧のノズル径依存性のモデル計算結果を示すグラフである。
【図６】吐出開始電圧のノズル径依存性を実験的に求めた結果を示すグラフである。
【図７】静電吸引型流体吐出装置において、電極−ノズル孔間距離と吐出流体として使用可能な材料の導電率との関係を示すグラフである。
【図８】実施の形態１に係る静電吸引型流体吐出装置の流体吐出ヘッドにおけるノズル構成の変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態を示すものであり、実施の形態２に係る静電吸引型流体吐出装置の流体吐出ヘッドのノズル構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態を示すものであり、実施の形態３に係る静電吸引型流体吐出装置の流体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態を示すものであり、実施の形態４に係る静電吸引型流体吐出装置の流体吐出ヘッドのノズル構成を示す断面図である。
【図１２】実施の形態４に係る静電吸引型流体吐出装置において、テーパ角と抵抗比率との関係を示すグラフである。
【図１３】実施の形態４に係る静電吸引型流体吐出装置において、テーパ長−ノズル径比Ｌ／ｄとテーパ角θとの関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の他の実施形態を示すものであり、実施の形態５に係る静電吸引型流体吐出装置の流体吐出ヘッドのノズル構成を示す断面図である。
【図１５】静電吸引型流体吐出装置における静電曳き糸現象による吐出流体の成長原理を示す図である。
【符号の説明】
１０            ノズル部
１０’          ノズル部（ノズル先端部，電極部）
２０，２０’    電極部
３０            流体流路
４０            ノズル孔
６０            ジョイント部（圧力付与手段）
７０            圧力制御装置（圧力付与手段）
８０，９０      電極部
【図１】
2005059215.tif 000017
【図２】
2005059215.tif 000018
【図３】
2005059215.tif 000019
【図４】
2005059215.tif 000020
【図５】
2005059215.tif 000021
【図６】
2005059215.tif 000022
【図７】
2005059215.tif 000023
【図８】
2005059215.tif 000024
【図９】
2005059215.tif 000025
【図１０】
2005059215.tif 000026
【図１１】
2005059215.tif 000027
【図１２】
2005059215.tif 000028
【図１３】
2005059215.tif 000029
【図１４】
2005059215.tif 000030
【図１５】
2005059215.tif 000031