JP2008087365A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電吸引方式の液体吐出技術を用い、吐出面がフラットであって、良好に電界集中し、安定で耐薬品性に優れ、微細形状の加工適性に優れ、基材上に微細パターン形成が可能な液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置を低コストで提供する。
【解決手段】液体吐出装置１、３０の液体吐出ヘッド２、３１は、液体Ｌを吐出するノズル１０と、ノズル１０が形成され形状がフラットなノズルプレート１１と、ノズル１０の吐出孔１３から吐出される液体Ｌを貯蔵するキャビティ２０と、ノズル１０内の液体Ｌと基材Ｋ間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段１８と、静電電圧印加手段１８による静電電圧の印加を制御する動作制御手段２４とを備え、ノズル１０の吐出孔１３の内部直径が１５μｍ以下であり、少なくともノズルプレート１１が１０^１５Ωｍ以上の体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に係り、フラットノズルを有する電界集中型の液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置に関する。

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等の液体吐出の要請がますます強まっている。これらの課題を従来のインクジェット記録法で解決しようとすると、ノズルの微小化や液体の高粘度化により吐出のための駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまう。そのため、現状では実用に適う装置は実現されていない。

このような要請に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液体を吐出させる技術として、液体吐出ヘッドに形成された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電界を形成し、形成された電界から受ける静電吸引力によって液体を液滴状に吐出させるいわゆる静電吸引方式の液体吐出装置が知られている（例えば、特許文献１〜４等参照）。
特開２００４−１３６６５６号公報 特開２００４−１１４３７４号公報 特開２００１−３８９１１号公報 国際公開第０３／０７０３８１号パンフレット

このような静電吸引方式の液滴吐出技術においては、ノズル内の液体やノズルの吐出孔部分に形成されるメニスカスへの電界集中を生じさせることで効率良くより低い印加電圧で液体を吐出させることができる。そのため、ノズルの先端部分をノズルが形成されているノズルプレートから突出させて電界集中を高めるように構成されることも多い。

しかし、ノズルの先端部分をノズルプレートから突出させた構造では、構造が複雑になるため生産性の低下を招いたり、液体吐出ヘッドのクリーニング時にノズルの先端部分が折れるなど操作性に劣るという問題がある。そのため、ノズルやノズルプレートの形状はフラットであることが好ましい。なお、本発明において、フラットとは、ノズルプレートの吐出面からノズルが突出しない、或いは吐出面からのノズルの突出が３０μｍ以下のものを意味し、ワイピングの際に破損等の支障を生じることがないものをいう。

液体吐出ヘッドがフラットであれば、構造が単純であるために生産性に優れ、また、液体吐出ヘッドのクリーニング時における吐出面のワイピングの際にワイパにノズルが引っ掛かって破損することがなく、ヘッドの寿命がその分長くなるという大きな利点がある。

しかし、一方で、フラットな液体吐出ヘッドを用いる場合、ノズル内の液体や吐出孔部分のメニスカスへの電界集中の程度が小さくなるため、印加電圧が低電圧では液体が吐出し難くなるという問題がある。静電吸引力を高めるために印加電圧を上げると、ヘッドと基材間で絶縁破壊が発生してしまい装置を駆動できない場合が生じるという問題もある。

また、このようなフラットなノズルを有する液体吐出ヘッドのノズルを種々の材料を用いて構成することが考えられるが、本発明者の研究により以下のような問題があることが新たに判明した。

ノズルを構成する部材の絶縁性が不足するとノズル先端に形成される液体のメニスカスに十分な電界集中が生じないため液体が吐出されないという問題があるが、一方で、部材の絶縁性が十分であっても、強い電界が長時間加わるため部材の材質の物性が劣化したり変化したりして液体の吐出状態が変わったり吐出が生じなくなるという問題がある。これはノズルを構成する部材の体積抵抗や誘電率などの電気的物性の変化の問題であると考えられる。

また、ノズルを構成する部材の材質と吐出する液体の種類の関係で、液体によってノズルが腐食される場合があるという問題もある。さらに、微細ノズルを有する液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置を低コストで製造することも要望されている。

そこで、本発明は、静電吸引方式の液体吐出技術を用い、吐出面がフラットであって、良好に電界集中し、安定で耐薬品性に優れ、微細形状の加工適性に優れ、基材上に微細パターン形成が可能な液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置を低コストで提供することを目的とする。

前記の問題を解決するために、請求項１の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成され形状がフラットなノズルプレートと、
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、
前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
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
を備え、
前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であり、
少なくとも前記ノズルプレートが１０^１５Ωｍ以上の体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、静電力によりノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、ノズルプレートがフッ素樹脂で構成されているためノズルプレートの吐出面での液体の広がりが防止され、メニスカスが隆起する。メニスカス先端部に非常に強い電界集中が生じ、電界の強い静電力によりメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。液滴は静電力により加速され、基材に引き寄せられて着弾する。その際、液滴は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記フッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはＦＥＰで構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）製或いはＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）製のノズルプレートを有する液体吐出ヘッドにより、前記請求項１に記載の発明の作用が実現される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルプレートは、少なくとも前記ノズルの内壁が親液化されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、例えば白金スパッタリング等の手法により内壁が親液化されたノズルに液体が充填され、帯電されてその吐出孔から吐出される。

請求項４に記載の発明は、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ヘッドにおいて、前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成するための圧力発生手段を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、静電電圧印加手段からノズルに静電電圧を印加して、ノズル内の液体と対向電極に支持された基材との間に電界を生じさせ、液体を吐出すべきノズルに対応する圧力発生手段に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させる。その際、ノズルプレートがフッ素樹脂で構成されているためノズルプレートの吐出面での液体の広がりが防止され、メニスカスが隆起する。メニスカス先端部に非常に強い電界集中が生じ、電界の強い静電力によりメニスカスが引きちぎられて１〜１０μｍ程度の径の液滴となる。液滴は静電力により加速され、基材に引き寄せられて着弾する。その際、液滴は、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材に対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。

請求項５に記載の液体吐出装置は、
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ヘッドと、
前記基材を裏面から支持する対向電極と
を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体吐出ヘッドから吐出された液体が、対向電極に裏面から支持された基材に着弾する。

請求項１に記載の発明によれば、液体吐出ヘッドは、ノズルプレートが１０^１５Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成され、しかも、ノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル内の液体やメニスカスで高度な電界集中が生じる。また、ノズルプレートがフッ素樹脂で構成されているためノズルの吐出孔に形成されたメニスカスが吐出面に広がらずにメニスカスの隆起が保持される。そのため、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッドであっても静電吸引方式により低い電圧の印加で微細な液体を効果的に吐出することが可能となり、効果的に微細パターン形成を行うことが可能となる。

また、フッ素樹脂は、長時間高い電界が加わっても体積抵抗や誘電率等の材質の電気的物性が経時的にほとんど変化しないため、ノズルプレートをフッ素樹脂で構成することで、ノズルプレートに長時間高電界が加わってもその電気的物性が変化せず、安定した液体の射出性能を維持することが可能となる。

さらに、ノズルプレートの吐出面がフラットに形成されているため、生産性に優れ、クリーニング時にノズルの破損等を生じることを防止可能であるほか、ノズルプレートの吐出面に撥液層等を形成する必要がないため、撥液層のノズル内部への入り込み等による液体の吐出精度が損なわれることはなく、液体の吐出を良好に行うことが可能となる。また、液体吐出ヘッドの製造工程が簡略化され、液体吐出ヘッドや液体吐出装置のコストダウンを図ることが可能となる。

また、フッ素樹脂は、耐薬品性に優れるとともに、射出成型やインプリント、ホットエンボス、プレス等による成型に適用できるので、ノズルプレートを低コストで製造することが可能となり、液体吐出ヘッドや液体吐出装置の製造コストをより低減することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、ＰＴＦＥやＰＦＡ、ＦＥＰは体積抵抗が１０^１６Ωｍと非常に高く、長時間高電界が加わってもその電気的物性がほとんど変化しない。そのため、ノズルプレートに用いるフッ素樹脂として特に優れており、前記請求項に記載の発明の効果をより有効に発揮させることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、例えば白金スパッタリング等の手法によりノズルの内壁が親液化されることで、ノズルへの液体の充填性が向上するため、液体の帯電や吐出をスムーズに行うことが可能となり、前記各請求項に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、液体を吐出すべきノズルに対応する圧力発生手段に駆動電圧を印加して圧力を生じさせてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成させるため、前記各発明の効果に加え、個別のノズルを電気的に絶縁し個別に吐出したノズルのみに静電気力を発生させるための電圧を印加させる必要がなく、電導性の液体を各ノズルに分岐して導入でき、液体の種類の制約が小さいため、ヘッド製造のコストを抑制することができる。

請求項５に記載の発明によれば、前記各請求項に記載の液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置において、前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させるための正殿電圧印加手段として、前記基材を裏面から支持する対向電極を備えることにより、前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を確実かつ効果的に印加することができる。

以下、本発明に係る液体吐出ヘッドおよびそれを用いた液体吐出装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１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。なお、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１は、いわゆるシリアル方式或いはライン方式等の各種の液体吐出装置に適用可能である。

本実施形態に係る液体吐出装置１は、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出する複数のノズル１０を有する液体吐出ヘッド２と、液体吐出ヘッド２のノズル１０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。

液体吐出ヘッド２のうち対向電極３に対向する側には、複数のノズル１０が形成されたノズルプレート１１が設けられている。ノズルプレート１１は、１０^１５Ωｍ以上の体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成されている。本実施形態では、ノズルプレート１１を構成するフッ素樹脂として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）やＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）のテフロン（登録商標）樹脂が用いられている。

液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１の対向電極３や基材Ｋに対向する吐出面１２からノズル１０が突出されない、或いは例えば後述する図２（Ｄ）に示すように突出したとしてもノズル１０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。

本実施形態では、各ノズル１０は、ノズルプレート１１に穿孔されて形成されており、各ノズル１０には、それぞれノズルプレート１１の吐出面１２に吐出孔１３を有する小径部１４とその背後に形成されたより大径の大径部１５との２段構造とされている。ノズル１０の小径部１４および大径部１５は、それぞれ断面円形で対向電極側がより小径とされたテーパ状に形成されており、小径部１４の吐出孔１３の内部直径すなわちノズル径が１０μｍ、大径部１５の小径部１４から最も離れた側の開口端の内部直径が７５μｍとなるように構成されている。

なお、ノズル径は１５μｍ以下になるように構成される。また、ノズル１０の形状は前記の形状に限定されず、例えば、図２（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、形状が異なる種々のノズル１０を用いることが可能である。また、ノズル１０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。

ノズル１０の内壁１７は親液化されていることが好ましい。本実施形態では、液体Ｌとして水を溶媒とするインクを用いる場合を想定して、ノズル１０内への液体Ｌの充填性を向上させるためにノズル１０の内壁１７が例えば白金スパッタリング等の手法を用いて親水化されている。

また、後述する帯電用電極１６やボディプレート１９との接着性を高めるためにノズルプレート１１の帯電用電極１６等との接着面も親水化されている。なお、例えば液体Ｌとして油性のインクを用いる液体吐出ヘッド２の場合には、ノズル１０の内壁１７が親油化される。

具体的には、本実施形態では、プレス等の方法で例えば厚さ１００μｍのＰＴＦＥシートにノズル１０を加工し、その接着面側から接着面とノズル１０の内壁１７に対してエキシマレーザを照射し、さらに接着面側から接着面とノズル１０の内壁１７に対して白金スパッタリングによりそれらの表面に例えば０．０１μｍのスパッタ膜を形成して、接着面とノズル１０の内壁１７が親水化される。

ノズルプレート１１の前記接着面には、例えばＮｉＰ等の導電素材よりなりノズル１０内の液体Ｌを帯電させるための帯電用電極１６が層状に設けられている。本実施形態では、帯電用電極１６は、ノズル１０の大径部１５の内壁１７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。

また、帯電用電極１６には、静電吸引力を生じさせるための静電電圧を印加する静電電圧印加手段としての帯電電圧電源１８に接続されている。本実施形態では、単一の帯電用電極１６がすべてのノズル１０内の液体Ｌに接触しているため、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、全ノズル１０内の液体Ｌが同時に帯電され、ノズル１０や後述するキャビティ２０内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に静電吸引力が発生するようになっている。

帯電用電極１６の背後には、ボディプレート１９が設けられている。ボディプレート１９の前記各ノズル１０の大径部１５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、ノズル１０の吐出孔１３から吐出される液体Ｌを一時貯蔵するためのキャビティ２０とされている。

ボディプレート１９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２１が設けられており、可撓層２１により液体吐出ヘッド２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。

なお、ボディプレート１９には、キャビティ２０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、ボディプレート１９としてのシリコンプレートをエッチング加工してキャビティ２０、図示しない共通流路、および共通流路とキャビティ２０とを結ぶ流路が設けられている。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２０、ノズル１０等の内部の液体Ｌに所定の供給圧力が付与されるようになっている。

本実施形態では、可撓層２１の外面の各キャビティ２０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２２が設けられており、ピエゾ素子２２には、素子に駆動電圧を印加して素子を変形させるための駆動電圧電源２３が電気的に接続されている。

ピエゾ素子２２は、駆動電圧電源２３からの駆動電圧の印加により変形して、ノズル内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。なお、圧力発生手段は、本実施形態のような圧電素子アクチュエータのほかに、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。

駆動電圧電源２３および前述した帯電電圧電源１８は、それぞれ動作制御手段２４に接続されており、それぞれ動作制御手段２４による制御を受けるようになっている。

動作制御手段２４は、本実施形態では、ＣＰＵ２５やＲＯＭ２６、ＲＡＭ２７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、ＣＰＵ２５は、ＲＯＭ２６に格納された電源制御プログラムに基づいて帯電電圧電源１８および各駆動電圧電源２３を駆動させてノズル１０の吐出孔１３から液体Ｌを吐出させるようになっている。

具体的には、動作制御手段２４は、電源制御プログラムに基づいて静電電圧印加手段である帯電電圧電源２３による前記帯電用電極１６への静電電圧の印加を制御して、ノズル１０やキャビティ２０内の液体Ｌを帯電させ、液体Ｌと基材Ｋとの間に静電吸引力を発生させるなっている。また、動作制御手段２４は、電源制御プログラムに基づいて各駆動電圧電源２３を駆動させて各ピエゾ素子２２をそれぞれ変形させて、ノズル１０内の液体Ｌに圧力を生じさせてノズル１０の吐出孔１３に液体Ｌのメニスカスを形成させるようになっている。

液体吐出ヘッド２の下方には、基材Ｋを裏面から支持する平板状の対向電極３が液体吐出ヘッド２の吐出面１２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、０．１〜３ｍｍ程度の範囲内で適宜設定される。

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、前記帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧が印加されると、ノズル１０の吐出孔１３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位差が生じて電界が発生す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。

なお、接地に関しては、本実施形態に限定されず、対向電極３を接地させる代わりに帯電用電極１６を接地させたり、両者とも接地せず液滴Ｄが基材Ｋに着弾するとその電荷を逃がすように帯電電圧電源１８を制御するように構成することも可能である。

また、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１０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可能とされている。

さらに、液体吐出装置１により吐出を行うことができる液体Ｌは、国際公開第２００６／０１１４０３号パンフレットに記載された液体等を挙げることができる。また、液体吐出装置１は、パターニング手段として用いる場合には、同パンフレットに記載された用途等に応用することができる。

ここで、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理について説明する。

本実施形態では、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に静電電圧を印加して、全ノズル１０の吐出孔１３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２３から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応するピエゾ素子２２に駆動電圧を印加してピエゾ素子２２を変形させ、それにより液体Ｌに生じた圧力でノズル１０の吐出孔１３に液体ＬのメニスカスＭを形成させる。

本実施形態のように、ノズルプレート１１の体積抵抗が高くなると、図３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１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。

特に、図３でメニスカスＭ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Ｍの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。

また、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がるとメニスカスＭの先端部の電界集中が弱くなってしまう。しかし、本実施形態では、前述したようにノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されているから液体Ｌの吐出面１２での面方向への広がりが防止され、メニスカスＭの好適な形状が維持されるため、メニスカスＭの先端部の電界集中が弱まることがない。

このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２における液体Ｌの吐出原理を利用すれば、フラットな吐出面を有する液体吐出ヘッド２においても、高い体積抵抗を有するノズルプレート１１を用い、吐出面１２に対して垂直方向の電位差を発生させることで強い電界集中を生じさせることができ、正確で安定した液体Ｌの吐出状態となる。そして、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されているためメニスカスＭが確実かつ適切に形成される。

定量的には、発明者らが各種の絶縁体で形成したノズルプレート１１を用いて行った実験およびシミュレーション実験では、図４に示すように、電界強度はノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗に強く依存するという知見が得られた。図４は、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗を１０^１４〜１０^１８Ωｍとした場合に、静電電圧を印加し始めた後、メニスカス先端部の電界強度が変化していく様子を計算したものである。なお、図４で(i)〜(iv)の曲線はそれぞれ体積抵抗が異なる絶縁体の結果を表しており、(i)は体積抵抗が１０^１４Ωｍの場合、(ii)は１０^１５Ωｍの場合、(iii)は１０^１６Ωｍの場合、(iv)は１０^１８Ωｍの場合をそれぞれ示している。また、空気の体積抵抗を１０^２０Ωｍとして計算した。

図４に示すように、ノズルプレート１１に用いる絶縁体はイオン分極するが、その体積抵抗が１０^１４Ωｍの場合には静電電圧を印加し始めて１００秒後にはメニスカス先端部の電界強度が大きく低下する。この静電電圧の印加開始からメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間は空気の体積抵抗とノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗の比で決まるが、本実験により、ノズルプレート１１に用いる絶縁体の体積抵抗が大きいほどメニスカス先端部の電界強度が低下し始めるまでの時間が遅くなる、すなわち必要な強い電界強度が得られる時間が長くなり、良好な静電吸引力が得られる時間が長くなるという知見が得られた。

なお、シミュレーション実験は、下記の実験条件に基づいて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行った。また、下記ノズルプレート１１の厚さとは、本実施形態では、ノズル１０の小径部１４の長さと大径部１５の長さの和に等しい。

［実験条件］
ノズルプレート１１の吐出面１２と対向電極３の対向面との距離：１．０ｍｍ
ノズルプレート１１の厚さ：１２５ｍｍ
ノズル径：１０μｍ
静電電圧：１．５ｋＶ
駆動電圧：２０Ｖ

また、ノズル１０から液体Ｌすなわち液滴Ｄを吐出するためには、メニスカスＭの先端部の電界強度が１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上であることが必要であり、メニスカス先端部の電界強度が実用上必要な１０００秒間（約１５分間）維持されるためには、図４からノズルプレート１１の体積抵抗が１０^１５Ωｍ以上であることが実用上必要となる。この結果は実機による実験でも確認されている。

本発明では、前述したようにノズルプレート１１はフッ素樹脂で構成されており、その中でも体積抵抗は１０^１６Ωｍ以上であれば、前記条件を満たす。また、本実施形態で用いられるＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰは、体積抵抗が１０^１６Ωｍ以上であり、前記条件を満たしている。

一方、体積抵抗が１０^１５Ωｍ以上の絶縁体を用いてノズルプレート１１を作製しても、ノズル１０内の液体Ｌがノズルプレート１１に吸収されて体積抵抗が低下し、液滴Ｄが吐出されない場合がある。しかし、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されていれば、フッ素樹脂には液体がほとんど吸収されないから、体積抵抗が低下することはない。これは、たとえノズル１０の内壁１７を親液化しても変わらない。

また、前記シミュレーションにおいて、ノズル径を変化させた場合のメニスカスＭの先端部の電界強度を図５に示す。この結果から、メニスカスＭの先端部の電界強度はノズル径にも依存し、メニスカスＭの先端部の電界強度が１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上であるためにはノズル径が１５μｍ以下であることが必要である。この結果は、実機による実験でも確認されている。

さらに、前記各条件を満たす材質で形成されたノズルプレート１１であっても、例えばポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等では高い電界が長時間加えられると体積抵抗や誘電率等の材質の電気的物性が経時的に変化して、液体Ｌの射出性能が変化してしまう。しかし、本実施形態のようにＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰのようなフッ素樹脂を用いると、後述する実施例に示されるように、そのような長時間高電界が加わってもノズルプレート１１の電気的物性が経時的にほとんど変化しない。

なお、前記シミュレーションでは、図６に示すように、ノズルプレート１１の厚さを変化させた場合にもメニスカスＭの先端部の電界強度が変化するという知見が得られた。この結果から、メニスカスＭの先端部で１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上の電界強度を得るためには、ノズルプレート１１の厚さが７５μｍ以上であることが好ましいことが分かる。

また、図５に示したノズル径とメニスカスＭの先端部の電界強度との関係および図６に示したノズルプレート１１の厚さとメニスカスＭの先端部の電界強度との関係は、本実施形態のような小径部１４および大径部１５よりなる２段構造のノズル１０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でも同様のシミュレーション結果が得られている。

次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１の作用について説明する。

図７は、本実施形態に係る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。本実施形態では、液体吐出装置１の動作制御手段２４は、帯電電圧電源１８から帯電用電極１６に一定の静電電圧Ｖ_Ｃを印加させる。これにより、液体吐出ヘッド２の各ノズル１０には常時一定の静電電圧Ｖ_Ｃが印加され、液体吐出ヘッド２内の液体Ｌと対向電極３に支持された基材Ｋとの間に電界が生じる。

また、それと同時に、ノズル１０の吐出孔１３付近で、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並ぶようになり、ノズル１０の小径部１４内の液体Ｌに向かう強い電界が発生する。

さらに、動作制御手段２４が、液滴Ｄを吐出させるべきノズル１０に対応するピエゾ素子２２に対して駆動電圧電源２３からパルス状の駆動電圧Ｖ_Ｄを印加させると、ピエゾ素子２２が変形してノズル内部の液体Ｌの圧力が上昇し、ノズル１０の吐出孔１３では、図中Ａの状態からメニスカスＭが隆起して、図中ＢのようにメニスカスＭが大きく隆起した状態となる。

その際、本実施形態では、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらず、メニスカスＭの隆起が保持される。

このように隆起したメニスカスＭの先端部では高度な電界集中が生じ、電界強度が非常に強くなり、メニスカスＭに対して前記静電電圧Ｖ_Ｃにより形成された電界から強い静電力が加わる。そして、この強い静電力による吸引により図中Ｃのようにメニスカスが引きちぎられ、径が１〜１０μｍ程度の微細な液滴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。

その際、液滴Ｄには空気の抵抗等が加わるが、前述したように、静電力の作用で液滴Ｄはより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾方向がぶれることなく安定し、基材Ｋに正確に着弾する。また、ノズル１０では、図中Ｄのように液滴Ｄが引きちぎられた分だけ液面が後退するが、キャビティ２０から液体Ｌが補充されて、速やかに図中Ａの状態に戻る。

なお、ピエゾ素子２２に印加する駆動電圧Ｖ_Ｄとしては、本実施形態のようにパルス状の電圧とすることも可能であるが、この他にも、例えば、電圧が漸増した後漸減するいわば三角状の電圧や、電圧が漸増した後一旦一定値を保ちその後漸減する台形状の電圧、或いはサイン波の電圧を印加するように構成することも可能である。また、図８（Ａ）に示すように、ピエゾ素子２２に常時電圧Ｖ_Ｄを印加しておいて一旦切り、再度電圧Ｖ_Ｄ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８（Ｂ）、（Ｃ）に示すような種々の駆動電圧Ｖ_Ｄを印加するように構成してもよく適宜決定される。

以上のように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１によれば、液体吐出ヘッド２は、ノズルプレート１１が１０^１５Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成され、しかも、ノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル１０の小径部１４内の液体ＬやメニスカスＭで高度な電界集中が生じる。そのため、フラットな吐出面１２を有する液体吐出ヘッド２であっても静電吸引方式により効果的に液体を吐出することが可能となる。

また、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらずにメニスカスＭの隆起が保持される。そのため、前記効果が確実かつ適切に保証される。

このように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド２および液体吐出装置１は、ノズルプレート１１の吐出面１２がフラットに形成されているため、生産性に優れ、クリーニング時にノズル１０の破損等を生じることを防止可能であるほか、メニスカスＭの先端部に電界集中を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の印加でも効率良くかつ正確に液体を吐出することが可能となる。

また、フッ素樹脂は、高体積抵抗であると同時に、誘電率や体積抵抗等の電気特性が安定しており、長時間電界にさらされてもその吐出状態が変わらず良好であった。しかも、樹脂材料であるため、射出成型やホットエンボス、インプリント、プレス等の大量生産に適した製法を適宜選択でき、製造コストの低減に有利である。

また、ポリプロピレン等を用いる場合にはノズルプレート１１の吐出面１２への液体Ｌの広がりを阻止するために撥液層等を形成する必要があるが、フッ素樹脂を用いることでそのような撥液層を形成する必要がなくなり、液体吐出ヘッド２の製造工程が簡略化されるとともに液体吐出ヘッド２のコストダウンを図ることが可能となる。

さらに、ノズルプレート１１の吐出面１２に撥液層を形成する場合には、図９（Ａ）に示すようにノズル１０の吐出孔１３の部分で撥液層２８の立ち上がり角度にムラを生じたり、図９（Ｂ）に示すようにノズル１０の内部に撥液層２８が回り込んだりして、撥液層２８がノズル形状に影響を与えて液滴の吐出精度が悪化する場合があるが、本発明では撥液層２８を形成する必要がないから撥液層による吐出精度の悪化は生じない。なお、図９では、帯電用電極１６等が省略されている。

また、フッ素樹脂は耐薬品性に優れており、液体吐出ヘッド２のノズルプレート１１に用いる材料として大きなメリットを有する。

なお、本実施形態では、ピエゾ素子２２の変形によりメニスカスＭを隆起させる構成としているが、圧力発生手段はこのようにメニスカスＭを隆起させることができる機能を有するものであればよく、この他にも、例えば、ノズル１０やキャビティ２０の内部の液体Ｌを加熱するなどして気泡を生じさせ、その圧力を用いるように構成することも可能である。

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、帯電電圧電源１８から対向電極３に電圧を印加して、対向電極３と帯電用電極１６との電位差が１．５ｋＶ等の所定の電位差になるように帯電電圧電源１８を動作制御手段２４で制御し、帯電電圧電源１８と対向電極３とをあわせて静電電圧印加手段とするように構成することも可能である。

さらに、本実施形態では、帯電用電極１６がノズルプレート１１のノズル１０の内壁１７に形成されているが、液体Ｌを介しメニスカスＭに導通することができれば、帯電用電極１６の設置位置は例えば前述した外部の液体タンク等でもよく、限定されない。

［第２の実施の形態］
図１０は、第２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。なお、本実施形態では、第１の実施形態に係る液体吐出装置１における場合と同様の構成や機能を有する部材については第１の実施形態と同一の符合を付して説明する。

本実施形態に係る液体吐出装置３０は、液体吐出ヘッド３１と対向電極３とを備えている。本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１においても、第１の実施形態と同様に、ノズル１０の吐出孔１３の内部直径は１５μｍ以下であり、ノズルプレート１１が１０^１５Ωｍ以上の体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成されている。本実施形態においても、ノズルプレート１１を構成するフッ素樹脂として、ＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはＦＥＰ等のフッ素樹脂が用いられている。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、液体吐出ヘッド３１がピエゾ素子等の圧力発生手段を備えていない点であり、ノズル１０内の液体Ｌに帯電用電極１６を介して帯電電圧電源１８から静電電圧を印加して帯電させて吐出させるように構成されている。

そのため、帯電用電極１６は、各ノズル１０の周囲にそれぞれ独立に設けられており、動作制御手段２４は帯電電圧電源１８から各ノズル１０に対応する帯電用電極１６に個別に静電電圧を印加させるように制御するようになっている。

また、圧力発生手段を用いないことで第１の実施形態では可撓層２１とされていた層を外面から支持する手段がなくなるため、ボディプレート１９の背後には、可撓層２１に代えて、より硬質の樹脂等からなる絶縁性の隔壁層３２が設けられており、この隔壁層３２により液体吐出ヘッド２内の液体Ｌが外部に漏出しないようになっている。

本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１における液体Ｌの吐出原理は、第１の実施形態と同様である。

すなわち、帯電電圧電源１８から液体Ｌを吐出すべきノズル１０に対応する帯電用電極１６に静電電圧を印加して、そのノズル１０内の液体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て、静電力によりノズル１０の吐出孔１３に液体ＬのメニスカスＭを形成させる。その際、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されているため液体Ｌの吐出面１２での広がりが防止され、メニスカスＭが確実に隆起する。

また、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されていて体積抵抗が高いため、図３に示した場合と同様に、ノズルプレート１１の内部に、吐出面１２に対して略垂直方向に等電位線が並び、ノズル１０の小径部１４の液体ＬやメニスカスＭに向かう強い電界が発生する。

特に、メニスカスＭの先端部では非常に強い電界集中が生じる。そのため、電界の強い静電力によりメニスカスＭが引きちぎられてノズル内の液体Ｌから分離されて液滴Ｄとなる。さらに、液滴Ｄは静電力により加速され、対向電極３に支持された基材Ｋに引き寄せられて着弾する。その際、液滴Ｄは、静電力の作用でより近い所に着弾しようとするため、基材Ｋに対する着弾の際の角度等が安定し、着弾が正確に行われる。

以上のように、本実施形態に係る液体吐出ヘッド３１および液体吐出装置３０によれば、液体吐出ヘッド３１は、ノズルプレート１１が１０^１５Ωｍ以上の非常に高い体積抵抗を有し長時間電界に暴露されても電気特性が安定なフッ素樹脂で構成され、しかも、ノズル径が１５μｍ以下に形成されるため、ノズル１０の小径部１４内の液体ＬやメニスカスＭで高度な電界集中が生じる。

しかも、ノズルプレート１１がフッ素樹脂で構成されているため、ノズル１０の吐出孔１３に形成されたメニスカスＭが吐出面１２に広がらずにメニスカスＭの隆起が確実かつ適切に保持される。そのため、フラットな吐出面１２を有する液体吐出ヘッド３１であっても静電吸引方式により効果的に液体を吐出することが可能となり、前記第１の実施形態の効果がまったく同様に発揮される。

［実験］
ノズルプレート１１に長時間高電界が加わった場合の電気的物性の経時的変化を調べるために、下記表１に示される各樹脂プレートＰを図１１に示すように上下から電極Ｅ１、Ｅ２で挟み、両電極間に１０００Ｖの電圧を印加し、電極間に流れる電流の経時的変化を観測した。

また、この電圧の印加を２４時間連続して行い、一旦電圧の印加を切って樹脂プレート１１を除電し、再び１０００Ｖの電圧の連続印加を行った。そして初期状態と２４時間印加後に再度電圧を印加した状態との樹脂プレート１１の誘電率および体積抵抗の変化を観測した。

［材料］
実験に用いた材料を表１に示す。実験には、実施例１〜３としてＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰを、また比較例１〜５としてＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＩ（ポリイミド）を用いた。

［結果］
その結果の例を図１２に示す。図１２（Ａ）は樹脂プレートＰとしてＰＴＦＥを用いた場合、図１２（Ｂ）はＰＥＮを用いた場合を示している。これらのグラフのカーブすなわち電圧の印加時間に対する電流値の変化率からその樹脂プレートＰの誘電率を算出することができ、また、電圧の印加時間が経過して電流値が一定になった時点での電流値からその樹脂プレートＰの体積抵抗を算出することができる。なお、図１２（Ａ）、（Ｂ）ではともに初期状態における電流値が●で、また２４時間電圧印加後に電圧の印加を切り再度電圧が印加された状態における電流値が○で表されている。

これらのグラフから分かるように、樹脂プレートＰがＰＥＮの場合には誘電率および体積抵抗が初期状態と２４時間電圧印加後とでは大きく変化するのに対して、樹脂プレートＰがＰＴＦＥの場合にはそれらがほとんど変化しない。

初期状態の誘電率や体積抵抗に対して２４時間電圧印加後の誘電率や体積抵抗がそれぞれ１０％以上変化した場合を誘電率や体積抵抗に変化あり、変化が１０％未満の場合を変化なしとすると、表１に示すように、実施例１〜３は誘電率、体積抵抗ともに変化なし、比較例１〜５では誘電率、体積抵抗ともに変化ありという結果になった。

［評価］
誘電率や体積抵抗は、樹脂プレートＰの厚さが薄いほど２４時間電圧印加後の変化が現れ易いが、表１に示すように、実施例１〜３では比較例１〜５と厚さが同等或いはそれらより薄い厚さでありながら誘電率や体積抵抗がほとんど変化しなかった。このように、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂は、長時間高電界が加わっても電気的物性が経時的に変化し難い材質ということができ、本発明のノズルプレート１１に用いる材料として好適な材料と言うことができる。

第１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。 形状が異なるノズルの変形例を示す図である。 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。 メニスカス先端部の電界強度、静電電圧印加開始からの時間およびノズルプレートの体積抵抗率の関係を示す図である。 メニスカス先端部の電界強度とノズル径との関係を示す図である。 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。 液体吐出装置における液体吐出ヘッドの駆動制御の一例を示す図である。 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。 ノズルの吐出孔の部分での撥液層の立ち上がり角度のムラ（Ａ）および吐出孔内部への撥液層の回り込み（Ｂ）を説明する図である。 第２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。 実施例における実験方法を説明する図である。 実施例の実験結果の例を示すグラフであり、（Ａ）は樹脂プレートにＰＴＦＥを用いた場合、（Ｂ）はＰＥＮを用いた場合を示す。

符号の説明

１、３０ 液体吐出装置
２、３１ 液体吐出ヘッド
３ 対向電極
１０ ノズル
１１ ノズルプレート
１３ 吐出孔
１７ 内壁
１８ 静電電圧電源（静電電圧印加手段）
２０ キャビティ
２２ ピエゾ素子（圧力発生手段）
２４ 動作制御手段
Ｋ 基材
Ｌ 液体
Ｍ メニスカス

Claims (5)

1. 液体を吐出するノズルと、
   前記ノズルが形成され形状がフラットなノズルプレートと、
   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、
   前記ノズル内の液体と基材間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧印加手段と、
   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
   を備え、
   前記ノズルの吐出孔の内部直径が１５μｍ以下であり、
   少なくとも前記ノズルプレートが１０^１５Ωｍ以上の体積抵抗を有するフッ素樹脂で構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記フッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡまたはＦＥＰで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記ノズルプレートは、少なくとも前記ノズルの内壁が親液化されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記ノズルの吐出孔に液体のメニスカスを形成するための圧力発生手段を備え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ヘッド。
5. 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ヘッドと、
   前記基材を裏面から支持する対向電極と
   を備えることを特徴とする液体吐出装置。

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