專利名稱：靜電吸引型流體排出裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)使墨汁等導(dǎo)電流體帶電并進(jìn)行靜電吸引，將流體排出到對(duì)象物上的靜電吸引型流體排出裝置。
背景技術(shù)：
將墨汁等流體排出到對(duì)象物(記錄媒體)上的流體噴射方式中，一般有作為噴墨打印機(jī)付諸實(shí)用的壓電方式和感熱方式等，但作為其它方式，還有使排出的流體為導(dǎo)電流體并且對(duì)導(dǎo)電流體施加電場(chǎng)，使其從噴嘴排出的靜電吸引方式。
作為這種靜電吸引方式的流體排出裝置(下文稱為靜電吸引型流體排出裝置)，有例如在日本國(guó)專利公報(bào)的專利公開(kāi)昭36-13768號(hào)公報(bào)(公告日為1961年8月18日)和日本國(guó)公開(kāi)專利公報(bào)的專利公開(kāi)2001-88306號(hào)公報(bào)(
公開(kāi)日為2001年4月3日)中公開(kāi)的裝置。
而且，日本國(guó)公開(kāi)專利公報(bào)的專利公開(kāi)2000-127410號(hào)公報(bào)(
公開(kāi)日2005年5月9日)中，揭示了將噴嘴做成縫隙、并設(shè)置從噴嘴伸出的針電極，從而排出包含微粒子的墨汁的噴墨裝置。例如，日本國(guó)公開(kāi)專利公報(bào)的專利公開(kāi)平8-238774號(hào)公報(bào)(
公開(kāi)日為1996年9月17日)公開(kāi)了在噴嘴內(nèi)部設(shè)置施加電壓用的電極的噴墨裝置。
這里，說(shuō)明已有靜電吸引型流體排出裝置的流體排出模型。
作為靜電吸引型流體排出裝置、尤其是按需式靜電吸引型流體排出裝置的設(shè)計(jì)因素，有墨汁液體的導(dǎo)電性(例如電阻率106～1011Ωcm)、表面張力(例如0.020～0.040N/m)、黏度(例如0.011～0.015Pa·s)、施加電壓(電場(chǎng))。而且，作為施加電壓，施加在噴嘴上的電壓和噴嘴與對(duì)置電極之間的距離尤為重要。
靜電吸引型流體排出裝置中，利用帶電流體的不穩(wěn)定性，圖15示出其狀況。將導(dǎo)電流體靜置于均勻電場(chǎng)中，作用在導(dǎo)電流體表面的靜電力使表面不穩(wěn)定，促使生長(zhǎng)拉絲(靜電拉絲現(xiàn)象)。將這時(shí)的電場(chǎng)取為對(duì)噴嘴與和噴嘴隔開(kāi)距離h地對(duì)置的對(duì)置電極之間施加電壓V時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)E0。物理上可導(dǎo)出這時(shí)的生長(zhǎng)波長(zhǎng)λc(例如“圖像電子信息學(xué)會(huì)，第17卷，第4號(hào)，1988年，p.185～193”)，并可用下式表示。
λc=2πγϵ0E0-2···(1)]]>其中，γ為表面張力(N/m)，ε0為真空的介電常數(shù)(F/m)，E0為電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)。在噴嘴直徑d(m)小于λc時(shí)，不發(fā)生生長(zhǎng)。即，式(2)為排出用的條件。
d>λc2=πγϵ0E02···(2)]]>這里，E0是假設(shè)平行平板時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)，并且將噴嘴與對(duì)置電極之間的距離取為h(m)，加在噴嘴的電壓取為V0，則形成式(3)。
E0=V0h···(3)]]>因此，形成式(4)。
d>πγh2ϵ0V02···(4)]]>流體排出裝置中，為了可形成微細(xì)的點(diǎn)和線，一般希望要減小排出墨汁的噴嘴的直徑。
然而，當(dāng)前付諸實(shí)用的壓電方式和感熱方式等流體排出裝置中，難以減小噴嘴直徑，使例如小于1pl的微小量流體排出。這是因?yàn)榕懦隽黧w的噴嘴越微細(xì)，排出需要的壓力越大。
上述那樣的流體排出裝置存在液滴微細(xì)化與高精度化相矛盾的課題，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者。其原因如下。
賦予噴嘴排出的液體的動(dòng)能與液滴半徑的立方成正比。因此，使噴嘴微細(xì)化時(shí)，排出的微細(xì)液滴不能確保經(jīng)受排出時(shí)的空氣阻力的程度的足夠動(dòng)能，受到空氣滯留等造成的干擾，不能期望正確射中。而且，液滴越微細(xì)，表面張力效應(yīng)越大，所以液滴的蒸氣壓變高，蒸發(fā)量激增。因此，微細(xì)液滴在飛翔中造成質(zhì)量顯著消失，存在連射中時(shí)都難保持液體形態(tài)的問(wèn)題。
又，基于上述已有靜電吸引型流體排出裝置的流體排出模型，根據(jù)上述式(2)，噴嘴孔徑減小要求加大排出需要的電場(chǎng)強(qiáng)度。而且，如上述式(3)所示，電場(chǎng)強(qiáng)度取決于加在噴嘴上的電壓V0和噴嘴與對(duì)置電極的距離，因而噴嘴孔徑的減小導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電壓升高。
這里，已有靜電吸引型流體排出裝置的驅(qū)動(dòng)電壓為大于等于1000V，非常高，因而考慮各噴孔間的泄漏和干涉時(shí)，難以小型化和高密度化，并且進(jìn)一步減小噴嘴孔徑時(shí)，上述問(wèn)題更大。超過(guò)1000V的高電壓的功率半導(dǎo)體通常高價(jià)且頻率響應(yīng)性低。
專利公開(kāi)昭36-13768號(hào)公報(bào)揭示的噴嘴孔徑為0.127mm，專利公開(kāi)2001-88306號(hào)公報(bào)揭示的噴嘴孔徑范圍為50～2000μm其中100～1000μm的范圍較佳。
關(guān)于噴嘴孔徑，套用已有靜電吸引型流體排出的典型工作條件略加計(jì)算，使表面張力為0.020N/m，電場(chǎng)強(qiáng)度為107V/m，帶入上述式(1)進(jìn)行計(jì)算，則生長(zhǎng)波長(zhǎng)λc為約140μm。即，作為極限噴嘴孔徑，取得70μm的值。也就是說(shuō)，上述條件下，即使采用107V/m的強(qiáng)電場(chǎng)，在噴嘴孔徑為小于等于70μm時(shí)，除非采取施加背壓以強(qiáng)制形成彎液面等處理，才不發(fā)生墨汁生長(zhǎng)，因而認(rèn)為靜電吸引型流體排出不成立。即，可認(rèn)為存在未兼顧微細(xì)噴嘴與驅(qū)動(dòng)電壓的低電壓化的課題。
綜上所述，已有流體排出裝置中，存在噴嘴微細(xì)化與高精度化相矛盾的課題，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者。尤其在靜電吸引型流體排出裝置中可認(rèn)為存在未兼顧噴嘴微細(xì)化和驅(qū)動(dòng)電壓低電壓化的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述問(wèn)題而完成的，其目的在于，提供一種噴嘴微細(xì)化、微小流體排出和射中位置高精度化、而且驅(qū)動(dòng)電壓低電壓化都得以實(shí)現(xiàn)的靜電吸引型流體排出裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在該襯底表面形成排出流體的描繪圖案，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還通過(guò)用導(dǎo)電材料涂覆噴嘴外壁部分，形成對(duì)所述排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部。
根據(jù)上述組成通過(guò)將噴嘴的流體噴出孔徑(噴孔直徑)取為0.01μm～25μm的微細(xì)孔徑，產(chǎn)生局部電場(chǎng)，可利用噴嘴微細(xì)化降低排出的驅(qū)動(dòng)電壓。這樣降低驅(qū)動(dòng)電壓，在裝置小型化和噴嘴高密度化中極有利。當(dāng)然，通過(guò)使驅(qū)動(dòng)電壓降低，也可使用成本優(yōu)勢(shì)大的低電壓驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。
上述排出模型中，排出需要的電場(chǎng)強(qiáng)度依賴于局部集中電場(chǎng)強(qiáng)度，因而不必存在對(duì)置電極。即，不需要對(duì)置電極也可對(duì)絕緣襯底等進(jìn)行印字，加大裝置組成的自由度。而且也可對(duì)厚絕緣體進(jìn)行印字。
上述那樣的噴嘴微細(xì)化在流體流路內(nèi)部配置驅(qū)動(dòng)電極時(shí)，結(jié)構(gòu)上難以使該電極靠近噴孔。這時(shí)，流體排出頭內(nèi)部從驅(qū)動(dòng)電極到噴嘴前端的排出流體流路中的電阻值增大，因而存在排出響應(yīng)性降低的問(wèn)題，針對(duì)這點(diǎn)，所述靜電吸引型流體排出裝置中，通過(guò)用導(dǎo)電材料涂覆噴嘴外壁部分，形成對(duì)所述流體施加供給電荷并使其帶電用驅(qū)動(dòng)電壓的電極部，因而容易實(shí)現(xiàn)盡量縮短電極部與噴孔的距離的排出頭組成。即，通過(guò)使電極部的位置靠近噴孔，能提高可排出的驅(qū)動(dòng)頻率，同時(shí)還能往高電阻側(cè)擴(kuò)大可排出的材料的選擇寬度。
所述靜電吸引型流體排出裝置中，最好所述電極部至少形成一部分噴嘴內(nèi)壁。
根據(jù)上述組成，通過(guò)上述電極部至少形成一部分噴嘴內(nèi)壁，即使在不進(jìn)行排出的狀態(tài)下，也形成該電極部與噴嘴內(nèi)的排出流體接觸的狀態(tài)。因此，對(duì)所述電極部施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，快速進(jìn)行對(duì)排出流體的電荷供給，提高排出響應(yīng)性。
為了解決上述課題，本發(fā)明的另一靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在該襯底表面形成排出流體的描繪圖案，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還用導(dǎo)電材料形成噴嘴前端部，用導(dǎo)電材料形成的所述噴嘴前端部兼作對(duì)排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部。
根據(jù)上述組成，用導(dǎo)電材料形成噴嘴前端部本身，可將該前端部作為電極部對(duì)噴嘴內(nèi)的排出流體供給電荷，因而不僅能對(duì)在初期排出中有貢獻(xiàn)的噴孔附近的排出流體供給電荷，而且能同時(shí)對(duì)少許離開(kāi)噴孔的部位上存在的流體流路內(nèi)部的排出流體供給電荷。因此，排出響應(yīng)性提高，而且連續(xù)排出時(shí)的電荷跟蹤性、即連續(xù)排出穩(wěn)定性提高。
所述靜電吸引型流體排出裝置，可構(gòu)成具有對(duì)噴嘴內(nèi)部授給壓力的壓力授給單元。
根據(jù)上述組成，由于所述壓力授給單元對(duì)噴嘴類的排出流體授給導(dǎo)出壓力，使其能保持從噴孔導(dǎo)出到外部的狀態(tài)，所以流體排出運(yùn)作時(shí)，可在對(duì)電極部施加驅(qū)動(dòng)電壓的同時(shí)，從該電極部接受電荷供給，從而能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的排出。
為了解決上述課題，本發(fā)明又一靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在襯底表面形成排出流體的描繪圖案，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還在噴嘴內(nèi)部配置對(duì)所述排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部；噴嘴前端部的內(nèi)壁面具有錐部，在其錐角為θ，錐長(zhǎng)為L(zhǎng)，噴嘴直徑為d，而且L/d＞5時(shí)，將錐角θ設(shè)定為大于等于21度。
根據(jù)上述組成在噴嘴前端部?jī)?nèi)壁面形成錐部，并將其錐角設(shè)定成大于等于21度，從而將電極部配置在噴嘴內(nèi)部時(shí)，能大幅度抑制電極部與噴孔之間的電阻，可提高排出極限頻率，并改善排出材料往高電阻側(cè)的選擇性。
為了解決上述課題，本發(fā)明另一靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在襯底表面形成排出流體的描繪圖案，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還在噴嘴內(nèi)部配置對(duì)所述排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部；噴嘴前端部的內(nèi)壁面具有錐部，在其錐角為θ，錐長(zhǎng)為L(zhǎng)，噴嘴直徑為d，而且L/d＜100時(shí)，將錐角θ設(shè)定為θ＞58×d/L。
根據(jù)上述組成，在噴嘴前端部?jī)?nèi)壁面形成錐部，并將其錐角設(shè)定成θ＞58×d/L，從而將電極部配置在噴嘴內(nèi)部時(shí)，能大幅度抑制電極部與噴孔之間的電阻，可提高排出極限頻率和排出材料往高電阻側(cè)的選擇性。
又，上述靜電吸引型流體排出裝置，可構(gòu)成所述電極部是插入并配置在噴嘴內(nèi)部的棒狀電極，并且將其前端插入到與錐部的內(nèi)壁面連接為止。
根據(jù)上述組成，使電極部盡可能接近噴孔側(cè)，從而能減小電極部與噴孔之間的排出流體流路的電阻，可提高排出極限頻率，并改善排出流體往高電阻側(cè)的選擇性。
由下面所示的記述會(huì)充分理解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。在參照附圖的以下說(shuō)明中會(huì)明白本發(fā)明的利益。


圖1示出一本發(fā)明實(shí)施方式，是示出實(shí)施方式1的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成的截面圖。
圖2是本發(fā)明的基礎(chǔ)的排出模型中說(shuō)明噴嘴的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算用的圖。
圖3是示出表面張力的壓力和靜電壓力的噴嘴直徑依賴性的模型計(jì)算結(jié)果的曲線圖。
圖4是示出排出壓力的噴嘴直徑依賴性的模型計(jì)算結(jié)果的曲線圖。
圖5是示出排出極限電壓的噴嘴直徑依賴性的模型計(jì)算結(jié)果的曲線圖。
圖6是示出以實(shí)驗(yàn)方式求出排出啟動(dòng)電壓的噴嘴直徑依賴性的結(jié)果的曲線圖。
圖7是示出靜電吸引型流體排出裝置中電極與噴孔之間的距離和可用作排出流體的材料的導(dǎo)電率的關(guān)系的曲線圖。
圖8是示出實(shí)施方式1的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭中的噴嘴組成的變換例的截面圖。
圖9示出另一本發(fā)明實(shí)施方式，是示出實(shí)施方式2的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成的截面圖。
圖10示出另一本發(fā)明實(shí)施方式，是示出實(shí)施方式3的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成的截面圖。
圖11示出另一本發(fā)明實(shí)施方式，是示出實(shí)施方式4的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成的截面圖。
圖12是示出實(shí)施方式4的靜電吸引型流體排出裝置中錐角與電阻比率的關(guān)系的曲線圖。
圖13是示出實(shí)施方式4的靜電吸引型流體排出裝置中錐長(zhǎng)與噴嘴直徑比L/d與錐角θ的關(guān)系的曲線圖。
圖14示出另一本發(fā)明實(shí)施方式，是示出實(shí)施方式5的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成的截面圖。
圖15是示出靜電吸引型流體排出裝置的靜電拉絲現(xiàn)象造成的排出流體生長(zhǎng)原理的圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)

一本發(fā)明實(shí)施方式如下。
本實(shí)施方式的靜電吸引型流體排出裝置，將其噴嘴直徑取為0.01μm～25μm，而且可用小于等于1000V的驅(qū)動(dòng)電壓控制排出流體的排出。
這里，已有流體排出模型中，噴嘴直徑減小牽連到驅(qū)動(dòng)電壓升高，因而認(rèn)為不可能用小于等于1000V的驅(qū)動(dòng)電壓排出流體，除非實(shí)施對(duì)排出流體供給背壓等其它辦法。然而，本申請(qǐng)的發(fā)明人的專心研究的結(jié)果查明小于等于某噴嘴直徑，發(fā)生與已有流體排出模型不同的排出模型中的排出現(xiàn)象。本發(fā)明是根據(jù)該流體排出模型的新見(jiàn)識(shí)而完成的。
首先，說(shuō)明成為基于上述見(jiàn)識(shí)的本申請(qǐng)前提技術(shù)的流體排出模型。
假設(shè)直徑d(下面的說(shuō)明中，除非專門指出，均指噴嘴的內(nèi)徑)的噴嘴注入導(dǎo)電流體，并且處在離開(kāi)無(wú)限平板導(dǎo)體的高度為h上垂直的位置。圖2示出此狀況。這時(shí)，假設(shè)噴嘴前端感應(yīng)的電荷Q集中在噴嘴前端的排出流體形成的半球部，并且用下面的公式近似地表示。
Q＝2πε0αV0d …(5)這里，Q為噴嘴前端部上感應(yīng)的電荷(C)，ε0是真空的介電常數(shù)(F/m)，d為噴嘴直徑(m)，V0為加在噴嘴上的總電壓。α是依賴于噴嘴形狀等的比例常數(shù)，取1～1.5左右的值，但在D＜＜h(h為噴嘴與襯底之間的距離(m))時(shí)為大致1。
將導(dǎo)電襯底用作襯底時(shí)，認(rèn)為與噴嘴對(duì)置地在襯底內(nèi)的對(duì)置位置上感應(yīng)具有與上述電荷Q相反的極性的鏡像電荷Q’。襯底為絕緣體時(shí)，在根據(jù)介電常數(shù)決定的對(duì)稱位置上，同樣感應(yīng)極性與電荷Q相反的鏡像電荷Q’。
Eloc=V0kR···(6)]]>設(shè)前端部的曲率半徑為R，則可由式(6)給出噴嘴前端部的集中電場(chǎng)強(qiáng)度Eloc。其中，k為依賴于噴嘴形狀等的比例常數(shù)，取1.5～8.5的值，但多數(shù)情況認(rèn)為是5左右(P.J.Birdseye and D.A.Smith，Surface Science，23(1970)，p.198-210)。這里，為了簡(jiǎn)化流體排出模型，假設(shè)R＝d/2。這相當(dāng)于在噴嘴前端部中導(dǎo)電墨汁因表面張力而隆成具有與噴嘴直徑d相同的曲率半徑的半球形的狀態(tài)。
Pe=QSEloc=2Qπd2Eloc···(7)]]>認(rèn)為作用在噴嘴前端部的排出流體上的壓力均衡。首先，設(shè)噴嘴前端部的液面積為S，則靜電壓力Pe為式(7)。由式(5)～式(7)，置入α＝1，則可表示為式(8)。
Pe=4ϵ0V0d·2V0kd=8ϵ0V02kd2···(8)]]>Ps=4γd···(9)]]>另一方面，設(shè)噴嘴前端部的排出流體的表面張力的壓力為Ps，則形成式(9)。其中，γ是表面張力。由于因靜電力而發(fā)生排出的條件為靜電力超過(guò)表面張力，靜電壓力Pe與表面張力的壓力為Ps的關(guān)系為式(10)。
Pe＞Ps…(10)圖3示出給出某直徑d的噴嘴時(shí)的表面張力的壓力與靜電壓力的關(guān)系。作為排出流體的表面張力，假設(shè)排出流體為水(γ＝72mN/m)的情況。將加在噴嘴上的電壓取為700V時(shí)，隱含噴嘴直徑為25μm的情況中，靜電壓力超過(guò)表面張力。據(jù)此，求V0與d的關(guān)系時(shí)，式(11)給出排出的最低電壓。
V0>γkd2ϵ0···(11)]]>這時(shí)的排出壓力ΔP為ΔP＝Pe-Ps…(12)因而，形成式(13)。
ΔP=8ϵ0V02kd2-4γd···(13)]]>對(duì)某直徑d的噴嘴，圖4示出因局部電場(chǎng)強(qiáng)度而滿足排出條件時(shí)的排出壓力ΔP的依賴性，圖5則示出排出臨界電壓(即產(chǎn)生排出的最低電壓)Vc的依賴性。
從圖4可知，因局部電場(chǎng)強(qiáng)度而滿足排出條件時(shí)(假設(shè)V0＝700V，γ＝72mN/m時(shí))的噴嘴直徑的上限是25μm。
圖5的計(jì)算中，作為排出流體，設(shè)想水(γ＝72mN/m)和有機(jī)溶劑(γ＝20mN/m)，并假設(shè)k＝5的條件。從該圖判明，考慮微細(xì)噴嘴的電場(chǎng)集中效應(yīng)時(shí)，排出臨界電壓Vc隨著噴嘴直徑的減小而降低，并且判明在排出流體為水的情況下，噴嘴直徑為25μm時(shí)，排出臨界電壓Vc為700V左右。
在已有排出模型的電場(chǎng)考慮方法的情況下，即僅考慮根據(jù)加在噴嘴上的電壓V0和噴嘴與對(duì)置電極之間的距離h定義的電場(chǎng)時(shí)，隨著噴嘴直徑變成微小，排出需要的電壓加大。
與此相反，如本前提技術(shù)提出的新排出模型那樣，關(guān)注局部電場(chǎng)強(qiáng)度，則利用噴嘴微細(xì)化可降低排出的驅(qū)動(dòng)電壓。這樣降低驅(qū)動(dòng)電壓，在裝置小型化和噴嘴高密度化中極有利。當(dāng)然，通過(guò)使驅(qū)動(dòng)電壓降低，還可使用成本優(yōu)勢(shì)大的低電壓驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。
上述排出模型中，排出需要的電場(chǎng)強(qiáng)度依賴于局部集中電場(chǎng)強(qiáng)度，因而不必存在對(duì)置電極。即，已有的排出模型中，在噴嘴與襯底之間施加電場(chǎng)，因而需要相對(duì)于絕緣襯底，在噴嘴的相反側(cè)配置對(duì)置電極或使襯底為導(dǎo)電性。而且，配置對(duì)置電極時(shí)，亦即襯底為絕緣體時(shí)，能用的襯底厚度有限，與此相反，本發(fā)明的排出模型中，不需要對(duì)置電極也可對(duì)絕緣襯底等進(jìn)行印字，加大裝置組成的自由度。而且也可對(duì)厚絕緣體進(jìn)行印字。
綜上所述，本實(shí)施方式的靜電吸引型流體排出裝置中，由于以著眼于局部電場(chǎng)強(qiáng)度地新提出的排出模型為基礎(chǔ)，可做成噴嘴直徑0.01μm～25μm的微細(xì)噴嘴，而且能用小于等于1000V的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行排出流體的排出控制，而且，根據(jù)上述模型進(jìn)行考察的結(jié)果為直徑小于等于25μm的噴嘴的情況下可用小于等于700V的驅(qū)動(dòng)電壓控制排出，直徑小于等于10μm的噴嘴的情況和直徑小于等于1μm的噴嘴的情況下分別可用小于等于500V和小于等于300V的驅(qū)動(dòng)電壓控制排出。
圖6示出以實(shí)驗(yàn)方式求出排出臨界電壓Vc的噴嘴直徑依賴性的結(jié)果。這里，作為排出流體，使用ハリマ化成(株)制造的銀納米糊，并以噴嘴與襯底之間的距離100μm的條件進(jìn)行測(cè)量。從圖6判明，隨著形成微細(xì)噴嘴，排出臨界電壓Vc降低，能比以往用低電壓排出。
如上文所述，本實(shí)施方式的靜電吸引型流體排出裝置可使噴嘴直徑和驅(qū)動(dòng)電壓都減小，但這時(shí)與已有靜電吸引型流體排出裝置相比，顯著產(chǎn)生以下的問(wèn)題。
上述那樣的靜電吸引型流體排出裝置的情況下，其排出特性基本上取決于流體排出頭內(nèi)部從驅(qū)動(dòng)電極到噴嘴前端的排出流體流路內(nèi)的電阻值，該電阻值越低，排出響應(yīng)性越高。即，可通過(guò)降低排出流體流路內(nèi)的電阻值，提高驅(qū)動(dòng)頻率，而且可排出高電阻的排出流體材料，能擴(kuò)大排出流體材料的選擇寬度。
為了降低上述電阻值，有效的是縮短驅(qū)動(dòng)電極與噴嘴前端部之間的距離或者擴(kuò)大流體排出頭內(nèi)部流體流路的截面積。
然而，本實(shí)施方式的靜電吸引型流體排出裝置那樣，將噴嘴直徑微細(xì)化為0.01μm～25μm的流體排出頭中，難以隨著其噴嘴直徑變小，使流體流路內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電極靠近噴孔，具體而言，在墨汁流路內(nèi)壁面又將電極涂覆到噴嘴附近又插入電極線，在結(jié)構(gòu)上有困難。
因此，本實(shí)施方式的靜電吸引型流體排出裝置中，用導(dǎo)電材料涂覆噴嘴外壁部分，在噴嘴前端部中施加驅(qū)動(dòng)電壓，即在噴嘴前端部中對(duì)排出流體供給電荷，從而使具有微細(xì)噴嘴的流體排出頭的排出特性改善，下面的實(shí)施方式1～5中說(shuō)明這種靜電吸引型流體排出裝置。
實(shí)施方式1圖1示出實(shí)施方式1的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成。
圖1所示的流體排出頭的噴嘴的組成部分包含前端尖的噴嘴部10、設(shè)在其外壁部的電極部20、設(shè)在噴嘴部10內(nèi)的流體流路30和設(shè)在該流體流路的端部(即噴嘴前端)的噴孔40。而且，電極部20連接施加驅(qū)動(dòng)電壓用的電源50。
噴嘴部10只要是絕緣材料就可以，尤其以成型性高的玻璃等為佳，通過(guò)對(duì)玻璃管加熱和加拉力使其變形，能方便地制作內(nèi)徑1μm左右的噴孔。
關(guān)于電極部20，只要是導(dǎo)電材料就可以，尤其以對(duì)噴嘴部10密合性高的低電阻材料為佳。用一般的真空蒸鍍法、噴鍍、電鍍等能方便地制作電極部20。圖1的電極部20至少形成一部分噴孔40的內(nèi)壁，即使在不進(jìn)行排出的狀態(tài)下，也形成與噴嘴內(nèi)的排出流體接觸的狀態(tài)。
但是，形成電極部20時(shí)，有可能因形成該電極部的材料而堵塞噴孔40，所以必須在制作電極部20時(shí)的噴嘴設(shè)置方向等方面想辦法。在噴孔40必然堵塞的條件下，需要電極部20形成后在激光等的開(kāi)孔加工中形成噴孔40。
接著，說(shuō)明具有上述噴嘴組成的流體排出頭的流體排出機(jī)構(gòu)。從電源50對(duì)電極部20施加希望的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，對(duì)噴嘴前端部中與電極部20接觸的排出流體供給電荷。然后，由于噴嘴前端部的排出流體中的電荷積存，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，并且在該電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到排出需要的電場(chǎng)強(qiáng)度的瞬間，開(kāi)始排出。
從電極部供給電荷開(kāi)始到排出流體開(kāi)始排出的排出響應(yīng)時(shí)間在很大程度上依賴于電極部20與噴孔40的距離，如圖1所示那樣噴孔40與電極部20合為一體的組成的情況下，能獲得最快的排出響應(yīng)時(shí)間。
下面的表1示出實(shí)際在流體流路30內(nèi)部插入電極時(shí)與利用電極涂覆在外壁形成電極時(shí)的排出極限頻率的比較。這樣，在噴孔小到φ1.2μm的情況下，即使將電極插入內(nèi)部，插入電極的直徑與噴孔直徑之差也大，因而噴孔與電極之間的距離大到680μm。另一方面，對(duì)噴嘴外壁進(jìn)行導(dǎo)電涂覆，并形成電極時(shí)，能使電極部靠近到噴孔旁邊。因此，通過(guò)在噴嘴外壁形成電極提高排出響應(yīng)性，排出極限頻率比內(nèi)部插入電極時(shí)能提高30倍。


噴孔φ1.2μm插入電極直徑φ50μm圖7示出電極與噴孔之間的距離和可用作排出流體的材料的導(dǎo)電率的關(guān)系。判明由于這樣電極與噴孔之間的距離和排出材料的導(dǎo)電率基本上具有線性關(guān)系，需要使電極位置靠近噴孔，以便使高電阻材料排出。
綜上所述，本實(shí)施方式1的靜電吸引型流體排出裝置的組成中，用導(dǎo)電材料涂覆噴嘴外壁部，并形成電極部20，從而與流體流路內(nèi)部形成電極部時(shí)相比，容易實(shí)現(xiàn)盡量縮短電極部20與噴孔40的距離的噴頭組成。即，通過(guò)使電極部20的位置靠近噴孔40，能提高可排出的驅(qū)動(dòng)頻率，同時(shí)能使可排出材料的選擇寬度往高電阻側(cè)擴(kuò)大。
上述說(shuō)明中，設(shè)流體流路30內(nèi)的排出流體在不進(jìn)行排出的狀態(tài)下也與電極部20接觸，并通過(guò)對(duì)電極部20施加期望的驅(qū)動(dòng)電壓，進(jìn)行電荷供給。然而，實(shí)際上將排出流體引入到比噴孔40往內(nèi)的流體流路30的內(nèi)部，有時(shí)會(huì)形成排出流體與電極部20不接觸的狀態(tài)。
此情況下，即使對(duì)電極部20施加驅(qū)動(dòng)電壓，也不立即進(jìn)行對(duì)排出流體的電荷供給，但通過(guò)對(duì)電極部20施加驅(qū)動(dòng)電壓，利用電浸潤(rùn)效應(yīng)將流體流路30內(nèi)的排出流體從噴孔40引出到外部，與電極20接觸，因而排出流體可排出。這里，電浸潤(rùn)效應(yīng)是指通過(guò)電場(chǎng)作用在排出流體上使該排出流體的浸潤(rùn)性提高的效應(yīng)。即，利用電浸潤(rùn)效應(yīng)提高排出流體的浸潤(rùn)性時(shí)，該排出流體移動(dòng)，使與無(wú)噴嘴部10的壁面的接觸面積加大，從而呈現(xiàn)滲出噴孔40的運(yùn)作。
本實(shí)施方式中，闡述了前端尖的噴嘴，但也可構(gòu)成在平面上設(shè)置噴孔。
圖1的組成在流體排出頭的噴嘴前端部中，電極部20至少形成一部分噴孔40的內(nèi)壁，即便是不進(jìn)行排出的狀態(tài)，也形成該電極部20與噴嘴內(nèi)的排出流體接觸的狀態(tài)。
然而，本發(fā)明不限于此，如圖8所示，也可構(gòu)成電極部20不形成噴孔40的內(nèi)壁。這時(shí)，不進(jìn)行排出的狀態(tài)(對(duì)電極部20不施加驅(qū)動(dòng)電壓的狀態(tài))下，電極部20不接觸噴嘴內(nèi)的排出流體，但通過(guò)對(duì)電極部20施加驅(qū)動(dòng)電壓，流體流路30內(nèi)的排出流體利用電浸潤(rùn)效應(yīng)，從噴孔40滲出到外部并與電極部接觸(圖8示出此狀態(tài))。
上述圖8的組成中，由于電極部20不形成噴孔40的內(nèi)壁，在形成電極部20時(shí)，形成該電極部20的材料不堵塞噴孔40，具有容易形成電極部20的優(yōu)點(diǎn)。但是，圖8的組成中，需要將噴嘴前端取為尖端形狀，使噴孔40與電極部20充分靠近。
實(shí)施方式2圖9示出實(shí)施方式2的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的噴嘴組成。對(duì)本實(shí)施方式2省略與上述實(shí)施方式1相同的部分的說(shuō)明，僅說(shuō)明不同的部分。實(shí)施方式1中形成噴嘴部10的材料是絕緣材料，但本實(shí)施方式將噴嘴部取為導(dǎo)電材料。
即，圖9所示的噴嘴部組成中，噴嘴部10’兼用作電極部，在該噴嘴部10’連接電容50。作為形成噴嘴部10’的導(dǎo)電材料，除鋁、鎳、銅、硅等金屬材料外，還可用導(dǎo)電性高分子材料，作為在噴嘴部10’的前端形成噴孔40用的微小開(kāi)孔加工方法，可應(yīng)用RIE(Reactive Ion Etching反應(yīng)離子蝕刻)、激光加工、光輔助電解蝕刻法等。
接著，說(shuō)明具有上述噴嘴組成的流體排出頭的流體排出機(jī)構(gòu)。上述噴嘴組成中，從電源50對(duì)整個(gè)噴嘴部10’施加希望的電壓，從而不僅能對(duì)初期排出中有貢獻(xiàn)的噴孔40附近的排出流體供給電荷，而且同時(shí)也能對(duì)少許離開(kāi)噴孔40的部位上存在的流體流路30內(nèi)部的排出流體供給電荷。因此，排出響應(yīng)性提高，而且連續(xù)排出時(shí)的電荷跟蹤性(即連續(xù)排出穩(wěn)定性)提高。
綜上所述，本實(shí)施方式2的靜電吸引型流體排出裝置的組成中，用導(dǎo)電材料形成整個(gè)噴嘴前端部，從而可形成排出響應(yīng)性改善帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)頻率的提高和排出材料選擇性的改善，同時(shí)還能使連續(xù)排出穩(wěn)定性提高。
實(shí)施方式3圖10示出實(shí)施方式3的靜電吸引型流體排出裝置的概略組成。對(duì)本實(shí)施方式3省略與上述實(shí)施方式和2相同的部分說(shuō)明，僅說(shuō)明不同的部分。
本實(shí)施方式3的組成的流體排出頭在噴嘴部10排出方向的上行側(cè)，具有通過(guò)接頭部60連接壓力控制裝置70的壓力控制機(jī)構(gòu)。
接著，說(shuō)明上述流體排出頭的流體排出機(jī)構(gòu)。由壓力控制裝置70在非流體排出時(shí)也對(duì)流體流路30內(nèi)的排出流體供給外壓，利用此外壓使排出流體形成導(dǎo)出到噴孔40外部的狀態(tài)。壓力控制裝置70造成的該導(dǎo)出壓力因噴孔直徑和排出流體黏度等而不同，例如噴孔40的直徑為φ1μm時(shí)，用0.3～0.6MPa范圍內(nèi)的壓力可將排出流體導(dǎo)出到噴孔40外部。
利用上述導(dǎo)出壓力，通過(guò)微小噴孔40的排出流體形成與電極部20接觸的狀態(tài)，因而在流體排出運(yùn)作時(shí)，對(duì)電極部20施加電壓，則能由該電極部20同時(shí)接受電荷供給，從而接受噴嘴前端部的電場(chǎng)力，進(jìn)行排出。
綜上所述，本實(shí)施方式3的靜電吸引型流體排出裝置的組成中，從排出部上行側(cè)對(duì)排出流體授給壓力，因而能保持將該排出流體導(dǎo)出到噴孔并與電極部接觸的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的排出。
又，圖10示出將上述壓力控制裝置70與圖1所示的噴嘴組成組合時(shí)的例子，但也可與圖8所示的噴嘴組成組合。
實(shí)施方式4圖11示出實(shí)施方式4的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的概略組成。
本實(shí)施方式4中，靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭構(gòu)成在流體流路30內(nèi)部具有驅(qū)動(dòng)電極部80，并且噴嘴部10的前端部中，適當(dāng)設(shè)定內(nèi)部流路30的錐角θ，從而謀求排出極限頻率的提高和排出材料往高電阻側(cè)的選擇性的改善。
如至此的說(shuō)明那樣，在靜電吸引型流體排出裝置的情況下，其排出特性依賴于驅(qū)動(dòng)電極20與噴孔40之間的流路30內(nèi)存在的排出流體的電阻。
作為決定流體流路30內(nèi)部的電阻的參數(shù)，可列舉該流體流路30的流路長(zhǎng)度和截面積、以及排出流體的導(dǎo)電率，但將流路長(zhǎng)度和截面積作為1個(gè)參數(shù)(錐角θ)考慮時(shí)，錐角θ與流體流路30內(nèi)部的電阻(電阻比率)的關(guān)系成為圖12那樣。圖12的電阻比率表示相對(duì)于將錐角θ取為0度時(shí)在錐部中的流體流路30內(nèi)部的電阻值的比率。
圖12中，將錐長(zhǎng)L與噴嘴直徑d的比的L/d作為參數(shù)，分別對(duì)L/d＝1、5、10、100時(shí)示出錐角與電阻比率的關(guān)系。如圖1所示，錐長(zhǎng)L呈現(xiàn)沿噴嘴部10的錐形成部的流體排出方向伸長(zhǎng)。
實(shí)際形成噴嘴直徑為小于等于25μm的超微細(xì)噴嘴時(shí)，通常上述L/d的關(guān)系為大于等于5、100以內(nèi)。錐長(zhǎng)L與噴嘴直徑d的大小無(wú)關(guān)，某種程度由設(shè)計(jì)上的范圍決定，因而噴嘴直徑越小，上述L/d的值越大，存在噴嘴直徑越大其值越小的趨勢(shì)。
從圖12可知，無(wú)論L/d是什么值，隨著錐角9變大，電阻比率變小。而且通過(guò)使錐角θ為大于等于21度，在L/d為大于等于5時(shí)能使電阻比率為小于等于20％。綜上所述，本實(shí)施方式4的靜電吸引型流體排出裝置的組成中，通過(guò)使噴嘴部10的內(nèi)壁錐角θ大于等于21度，能大幅度抑制電極部80與噴孔40之間的電阻，可使排出極限頻率提高，并且排出材料往高電阻側(cè)的選擇性改善。
圖13示出電阻比率為30％時(shí)的錐長(zhǎng)與噴嘴直徑比L/d和錐角θ的關(guān)系。從圖13判明，電阻比率為30％的條件下，下列關(guān)系成立。
θ＝58/(L/d)由此判明，為了取得小于等于30％的電阻比率，滿足以下的關(guān)系即可。
θ＞58×d/L
實(shí)施方式5圖14示出實(shí)施方式5的靜電吸引型流體排出裝置的流體排出頭的概略組成。對(duì)本實(shí)施方式5省略與上述實(shí)施方式1至4相同的部分的說(shuō)明，僅說(shuō)明不同的部分。
本實(shí)施方式5的靜電吸引型流體排出裝置中，在噴嘴部10內(nèi)的流體流路30插入棒狀電極的電極部90，并配置成電極部90在錐內(nèi)壁面上連接大于等于3個(gè)點(diǎn)。此組成中，通過(guò)使電極部90盡可能接近噴孔40側(cè)，能減小電極部90與噴孔40之間的排出流體流路的電阻，可提高排出極限頻率，并改善提高排出流體往高電阻側(cè)的選擇性。
又，這樣配置成電極部90盡可能接近噴孔40時(shí)，需要電極部90的截面形狀與錐內(nèi)壁截面形狀完全不一致。
工業(yè)上的實(shí)用性能用于噴墨打印機(jī)等。
權(quán)利要求
1.一種靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在該襯底表面形成排出流體的描繪圖案，其特征在于，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還通過(guò)用導(dǎo)電材料涂覆噴嘴外壁部分，形成對(duì)所述排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部。
2.如權(quán)利要求1所述的靜電吸引型流體排出裝置，其特征在于，所述電極部至少形成一部分噴嘴內(nèi)壁。
3.一種靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在該襯底表面形成排出流體的描繪圖案，其特征在于，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還用導(dǎo)電材料形成噴嘴前端部，用導(dǎo)電材料形成的所述噴嘴前端部兼用作對(duì)排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的靜電吸引型流體排出裝置，其特征在于，具有對(duì)噴嘴內(nèi)部授給壓力的壓力授給單元。
5.一種靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在該襯底表面形成排出流體的描繪圖案，其特征在于，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還在噴嘴內(nèi)部配置對(duì)所述排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部；噴嘴前端部的內(nèi)壁面具有錐部，在其錐角為θ，錐長(zhǎng)為L(zhǎng)，噴嘴直徑為d，而且L/d＞5時(shí)，將錐角θ設(shè)定為大于等于21度。
6.一種靜電吸引型流體排出裝置，利用靜電吸引使施加電壓而帶電的排出流體從流體排出頭的噴嘴的流體噴出孔，射中襯底，從而在該襯底表面形成排出流體的描繪圖案，其特征在于，所述噴嘴的流體噴出孔，其噴孔直徑為0.01μm～25μm，同時(shí)還在噴嘴內(nèi)部配置對(duì)所述排出流體施加供給電荷并使其帶電用的驅(qū)動(dòng)電壓的電極部；噴嘴前端部的內(nèi)壁面具有錐部，在其錐角為θ，錐長(zhǎng)為L(zhǎng)，噴嘴直徑為d，而且L/d＜100時(shí)，將錐角θ設(shè)定為θ＞58×d/L。
7.如權(quán)利要求5或6所述的靜電吸引型流體排出裝置，其特征在于，所述電極部是插入并配置在噴嘴內(nèi)部的棒狀電極，并且將其前端插入到與錐部的內(nèi)壁面連接的位置為止。
全文摘要
將流體排出頭的噴嘴孔直徑做成0.01μm～25μm的微細(xì)孔徑時(shí)，由于噴嘴微細(xì)化，排出的驅(qū)動(dòng)電壓能降低。通過(guò)在噴嘴部的外壁面形成對(duì)排出流體施加驅(qū)動(dòng)電壓用的電極部，縮短電極部與噴孔的距離。由此，靜電吸引型流體排出裝置中，兼顧噴嘴微細(xì)化和驅(qū)動(dòng)電壓低電壓化，同時(shí)還可提高排出極限頻率，并改善對(duì)排出材料的高電阻側(cè)的選擇性。
文檔編號(hào)B41J2/06GK1832858SQ20048002249
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者西尾茂, 巖下広信, 山本和典, 村田和広 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社, 柯尼卡美能達(dá)控股株式會(huì)社, 獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所