【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いたインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用として注目されるようになったインクジェット技術は、パターニング箇所に直接描画するため、材料の使用効率が極めて高いとともに工程数も少なくてすむ。このため、ランニングコストが低く、産業用パターニング技術として有望視されている。
【０００３】
インクジェットの方式としてはカイザー型（例えば、特許文献１参照）、あるいはサーマルジェット型（例えば、特許文献２参照）が広く知られている。このうち前者は小型化が難しく、後者はインクに高熱を加えるため、インクの耐熱性に対する要求が厳しく、産業用として安定に、しかもコンパクトに装置化する点で問題を抱えている。
【０００４】
また、インクジェットヘッドの一例としては、グールド方式のインクジェットヘッドがあり、これは例えば、図１に示すような構造を採用している（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
インクジェットヘッド１００は、ガラス等から形成された円筒状部材１０１を有する。この円筒状部材１０１の先端は絞られてノズル１０２となり、最先端にはインク液滴を吐出する吐出部（オリフィス）１０３が形成されている。この円筒状部材１０１の所定位置、つまり、インク供給管１１１から吐出部１０３までの途中に、直径０．１〜１ｍｍ程度の細長い円筒形状の圧電素子（アクチュエータ壁）１０４を設け、この部分を加圧ポンプとして機能させることで、ノズル１０２からインク滴を吐出させる。圧電素子１０４の内周面と外周面にはそれぞれ、内面電極１０６と外面電極１０７が形成され、それぞれ駆動電圧を印加するリード線１０８を介してパルス発生器１０５に接続されている。
【０００６】
圧電素子１０４は、その円筒状の外周面と内周面の間に電圧を印加すると内容積が小さくなる方向へ変形し、電圧を除去すると元に戻る性質を有する。パルス発生器１０５から圧電素子１０４にパルス電圧（駆動電圧）が印加されると、圧電素子１０４は収縮する。そして、ガラス等から形成された円筒状部材１０１が収縮して内部の圧力が増大し、吐出部（オリフィス）１０３から円筒状部材１０１内に供給されているインクの液滴が吐出される。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭５３−１２１３８号公報
【特許文献２】
特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献３】
特公平３−４０７１２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような構造を有するグールド方式のインクジェットヘッドを用いて微細なパターニングを可能とするためには、インクジェットヘッドを多数配列させたときのノズルピッチを小さくし、さらに、インクジェットから微小な液滴が吐出するようにしなければならない。
【０００９】
インクジェットから微小な液滴を吐出させるには、吐出するインクの液滴化プロセスにかかる時間を短縮し、速い速度でノズルから液滴を引きちぎり、噴射を行なわれなければならない。つまり、液滴化周波数、すなわち、圧電素子に加える電圧の周波数を上げる必要がある。
【００１０】
液滴化周波数を上げるためには、圧電素子とインク流路内のインクの連成系における流体力学的共振周波数Ｆｒを高くする必要がある。なぜなら、液滴化周波数が流体力学的共振周波数Ｆｒから離れ過ぎれば、振幅が低下し、液滴化が不可能になるからである。
【００１１】
そこで本発明の目的は、微細なパターニングを可能とするために、流体力学的共振周波数を効率的に高くし、かつ、インクジェットヘッドを多数配列したときのノズルピッチを小さくできる形状を有するインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のインクジェットヘッドは、インクが充填されるインク流路管を加圧する圧電素子が、インク流路管の外周に備えられたインクジェットヘッドにおいて、圧電素子のインク流路方向に垂直方向の断面形状を異方的にする。
【００１３】
異方的な断面形状の短軸方向にこのインクジェットヘッドを配列すれば、ノズルピッチを小さくできる。また、長軸方向の剛性を大きくすることができるので、流体力学的共振周波数を高くすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明のインクジェットヘッド１００は、図１に示す従来のインクジェトヘッド１００と同様に、円筒形部材１０１、ノズル１０２、吐出部（オリフィス）１０３、圧電素子（アクチュエータ壁）１０４からなる。圧電素子１０４は、その内周面と外周面にそれぞれ内面電極１０６と外面電極１０７が形成され、円筒形部材１０１に接着されている。そして、円筒形部材１０１がインク流路１０９を形成して、インク流入側にインク供給管１１１が形成されている。
【００１６】
本発明のインクジェットヘッド１００の具体的な寸法の一例を述べる。インク流路１０９の長さＬが８．０ｍｍである。ノズル１０２の寸法は、インク噴射側の径が１０μｍ、インク流路側の径が４０μｍ、長さが６０μｍである。円筒状部材１０１に設けられた圧電素子はＰＺＴ層で構成され、長さ５.０ｍｍである。また、実験に使用したインクの２５℃における粘度は１.８ｍＰａ・ｓ、表面張力は４５ｍＮ／ｍである。
【００１７】
図２は、インク流路１０９の方向とは垂直方向にインクジェットヘッド１００を切ったときの断面図である。（ａ）は、従来のインクジェットヘッドのものであり、（ｂ）は本発明のインクジェットヘッドのものである。
【００１８】
従来技術のインクジェットヘッドは、（ａ）に示されているように等方的な円の断面を有し、インクジェットヘッドを複数個配列した場合、ノズル列方向（Ｘ）とノズル列方向に垂直方向（Ｙ）の圧電素子（アクチュエータ壁）１０４の厚みは均一である（Ｘ＝Ｙ）。また、この場合のノズルピッチはＡとなる。
【００１９】
一方、本発明のインクジェットヘッドは、（ｂ）に示されているように異方的な楕円形状の断面を有し、インクジェットヘッドを複数個配列した場合、楕円形状の短軸方向をノズル列方向（Ｘ）に、長軸方向をノズル列と垂直方向（Ｙ）とすることで（Ｘ＜Ｙ）、ノズルピッチはＢとなり、従来技術のインクジェットヘッドにおけるノズルピッチＡより狭くなる（Ｂ＜Ａ）。なお、圧電素子はＰＺＴ層で構成されており、図２（ａ）に示されている円の断面を有する圧電素子と、図２（ｂ）に示されている、楕円形状の断面をもつ圧電素子のＰＺＴの変位量は、その断面積が等しいと等しくなる。
【００２０】
図３は、本発明のインクジェットヘッドを構成する圧電素子の形状と、インクと圧電素子の連成系の流体力学的共振周波数Ｆｒの相関を求めるために実施した実験の結果である。
【００２１】
ノズル列に垂直方向の厚み（Ｙ）とノズル列方向の厚み（Ｘ）の比を大きくすると（ここではＸを一定にしてＹを大きくする）、インクと圧電素子の連成系の流体力学的共振周波数Ｆｒは高くなるという結果が得られた。これは、ノズル列に垂直方向の厚み（Ｙ）を増大させることにより、圧電素子の剛性が増すためである。なお、インクと圧電素子の連成系の流体力学的共振周波数Ｆｒは、インピーダンスアナライザによって測定した値である。少なくともＹ／Ｘを１．８より大きな値とすれば、３％のＦｒの増加が見込める。
【００２２】
以上、圧電素子のインク流路方向に垂直方向の異方的な断面形状において、）ノズル列方向の厚み（Ｘ）とノズル列に垂直方向の厚み（Ｙ）を独立に変え、前者を小さくすることにより、ノズルピッチを小さくし、後者を大きくすることにより、流体力学的共振周波数Ｆｒを高くすることができる。
【００２３】
さらに、本発明のインクジェットヘッドによって吐出実験を行なうと、流体力学的共振周波数Ｆｒを高くすることができた結果、従来技術のインクジェットヘッドに比べて液滴化周波数を１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚ増大させることができるとわかった。
【００２４】
なお、インク流路１０９を構成している円筒状部材１０１が四角柱状部材であっても本発明の効果は達成できる。
【００２５】
本発明のインクジェットヘッドの圧電素子は、エアロゾルデポジション法を用いて、円筒状部材１０１となる円筒形状のガラス管を回転させ、周期的に堆積レートを変化させることにより、容易に作製できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドによれば、圧電素子はインク流路方向に垂直方向の断面形状が異方的なため、マルチノズルタイプのインクジェットヘッドを構成した場合、短軸方向をノズル列方向に、長軸方向をノズル列に垂直方向とすれば、断面形状が等方的な圧電素子で構成されたものよりもノズルピッチを小さくすることができる。さらに、長軸方向の剛性を増すことができるので、流体力学的共振周波数Ｆｒを高くすることができる。その結果、液滴化周波数を上げることができ、微小液滴が得ることが可能となる。そして、微細なパターニングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術および本発明のインクジェットヘッドをインク流路方向に切ったときの断面図である。
【図２】（ａ）は、従来秘術のインクジェットヘッドをインク流路方向とは垂直方向に切ったときの断面図である。（ｂ）は、本発明のインクジェットヘッドをインク流路方向とは垂直方向に切ったときの断面図である。
【図３】本発明のインクジェットヘッドを構成する圧電素子の形状と流体力学的共振周波数Ｆｒの相関を求めるために実施した実験の結果のグラフである。
【符号の説明】
１００ インクジェットヘッド
１０１ 円筒状部材
１０２ ノズル
１０３ 吐出部（オリフィス）
１０４ 圧電素子（アクチュエータ壁）
１０５ パルス発生器
１０６ 内面電極
１０７ 外面電極
１０８ リード線
１０９ インク流路
１１１ インク供給管[0001]
[0001] The present invention relates to an ink jet head using a piezoelectric element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the inkjet technology, which has attracted attention for industrial use, draws directly on a patterning portion, so that the use efficiency of the material is extremely high and the number of steps is small. For this reason, the running cost is low, and it is regarded as promising as an industrial patterning technique.
[0003]
As the inkjet method, a Kaiser type (for example, see Patent Document 1) or a thermal jet type (for example, see Patent Document 2) is widely known. Among them, the former is difficult to miniaturize, and the latter applies high heat to the ink, so that the heat resistance of the ink is strictly required, and there is a problem in that the device is stable and compact for industrial use.
[0004]
Further, as an example of the ink jet head, there is a Gould type ink jet head, which employs, for example, a structure as shown in FIG. 1 (for example, see Patent Document 3).
[0005]
The inkjet head 100 has a cylindrical member 101 formed of glass or the like. The distal end of the cylindrical member 101 is narrowed down to become a nozzle 102, and a discharge section (orifice) 103 for discharging ink droplets is formed at the forefront. An elongated cylindrical piezoelectric element (actuator wall) 104 having a diameter of about 0.1 to 1 mm is provided at a predetermined position of the cylindrical member 101, that is, in the middle from the ink supply pipe 111 to the ejection section 103, and this portion is added. By functioning as a pressure pump, an ink droplet is ejected from the nozzle 102. An inner electrode 106 and an outer electrode 107 are formed on the inner and outer peripheral surfaces of the piezoelectric element 104, respectively, and are connected to a pulse generator 105 via lead wires 108 for applying a drive voltage, respectively.
[0006]
The piezoelectric element 104 has such a property that, when a voltage is applied between the cylindrical outer peripheral surface and the inner peripheral surface, the piezoelectric element 104 is deformed in a direction in which the internal volume is reduced, and returns when the voltage is removed. When a pulse voltage (drive voltage) is applied from the pulse generator 105 to the piezoelectric element 104, the piezoelectric element 104 contracts. Then, the cylindrical member 101 formed of glass or the like shrinks, the internal pressure increases, and ink droplets supplied into the cylindrical member 101 from the discharge unit (orifice) 103 are discharged.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-B-53-12138 [Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. 61-59914 [Patent Document 3]
Japanese Patent Publication No. 3-40712 [0008]
[Problems to be solved by the invention]
In order to enable fine patterning using a Gould-type ink jet head having the above-described structure, the nozzle pitch when a large number of ink jet heads are arranged is reduced, and fine droplets are discharged from the ink jet. Must be ejected.
[0009]
In order to eject fine droplets from the inkjet, it is necessary to reduce the time required for the process of forming the droplets of the ejected ink, tear off the droplets from the nozzles at a high speed, and perform ejection. That is, it is necessary to increase the droplet formation frequency, that is, the frequency of the voltage applied to the piezoelectric element.
[0010]
In order to increase the droplet formation frequency, it is necessary to increase the hydrodynamic resonance frequency Fr in the coupled system of the piezoelectric element and the ink in the ink flow path. This is because if the droplet formation frequency is too far from the hydrodynamic resonance frequency Fr, the amplitude decreases, and droplet formation becomes impossible.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to provide an ink jet head having a shape that can efficiently increase the hydrodynamic resonance frequency to enable fine patterning and reduce the nozzle pitch when a large number of ink jet heads are arranged. To provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an ink jet head according to the present invention is characterized in that, in an ink jet head in which a piezoelectric element for pressurizing an ink flow path pipe filled with ink is provided on an outer periphery of the ink flow path pipe, an ink flow of the piezoelectric element is provided. The cross-sectional shape in the direction perpendicular to the road direction is made anisotropic.
[0013]
The nozzle pitch can be reduced by arranging the inkjet heads in the minor axis direction having an anisotropic cross-sectional shape. In addition, since the rigidity in the long axis direction can be increased, the hydrodynamic resonance frequency can be increased.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
The ink jet head 100 of the present invention includes a cylindrical member 101, a nozzle 102, a discharge portion (orifice) 103, and a piezoelectric element (actuator wall) 104, like the conventional ink jet head 100 shown in FIG. The piezoelectric element 104 has an inner electrode 106 and an outer electrode 107 formed on its inner and outer peripheral surfaces, respectively, and is adhered to the cylindrical member 101. The cylindrical member 101 forms an ink flow path 109, and an ink supply pipe 111 is formed on the ink inflow side.
[0016]
An example of specific dimensions of the inkjet head 100 of the present invention will be described. The length L of the ink flow path 109 is 8.0 mm. The dimensions of the nozzle 102 are such that the diameter on the ink ejection side is 10 μm, the diameter on the ink flow path side is 40 μm, and the length is 60 μm. The piezoelectric element provided on the cylindrical member 101 is composed of a PZT layer and has a length of 5.0 mm. The viscosity at 25 ° C. of the ink used in the experiment was 1.8 mPa · s, and the surface tension was 45 mN / m.
[0017]
FIG. 2 is a cross-sectional view when the inkjet head 100 is cut in a direction perpendicular to the direction of the ink flow path 109. (A) is for a conventional inkjet head, and (b) is for an inkjet head of the present invention.
[0018]
The ink jet head of the related art has an isotropic circular cross section as shown in (a), and when a plurality of ink jet heads are arranged, a direction perpendicular to the nozzle row direction (X) and a direction perpendicular to the nozzle row direction are obtained. The thickness of the piezoelectric element (actuator wall) 104 in (Y) is uniform (X = Y). The nozzle pitch in this case is A.
[0019]
On the other hand, the ink jet head of the present invention has an anisotropic elliptical cross-section as shown in (b), and when a plurality of ink jet heads are arranged, the short-axis direction of the elliptical shape corresponds to the nozzle row direction. In (X), by setting the major axis direction to the direction perpendicular to the nozzle row (Y) (X <Y), the nozzle pitch becomes B, which is smaller than the nozzle pitch A in the conventional inkjet head (B <A). . The piezoelectric element is formed of a PZT layer, and has a circular cross section shown in FIG. 2A and a piezoelectric element having an elliptical cross section shown in FIG. 2B. The amount of displacement of the PZT of the element becomes equal when the cross-sectional areas are equal.
[0020]
FIG. 3 shows the results of an experiment conducted to determine the correlation between the shape of the piezoelectric element constituting the ink jet head of the present invention and the hydrodynamic resonance frequency Fr of the coupled system of ink and the piezoelectric element.
[0021]
When the ratio of the thickness (Y) in the direction perpendicular to the nozzle row to the thickness (X) in the direction of the nozzle row is increased (here, X is kept constant and Y is increased), the fluid dynamics of the coupled system of the ink and the piezoelectric element is increased. The result was that the resonance frequency Fr became higher. This is because the rigidity of the piezoelectric element is increased by increasing the thickness (Y) in the direction perpendicular to the nozzle row. In addition, the hydrodynamic resonance frequency Fr of the coupled system of the ink and the piezoelectric element is a value measured by an impedance analyzer. If at least Y / X is set to a value larger than 1.8, an increase in Fr of 3% can be expected.
[0022]
As described above, in the anisotropic cross-sectional shape of the piezoelectric element in the direction perpendicular to the ink flow path direction, the thickness (X) in the nozzle row direction and the thickness (Y) in the direction perpendicular to the nozzle row are independently changed to reduce the former. Accordingly, the hydrodynamic resonance frequency Fr can be increased by reducing the nozzle pitch and increasing the latter.
[0023]
Further, when an ejection experiment is performed by the inkjet head of the present invention, the hydrodynamic resonance frequency Fr can be increased, and as a result, the droplet formation frequency can be increased by 10 kHz to 15 kHz as compared with the conventional inkjet head. I understood.
[0024]
The effect of the present invention can be achieved even when the cylindrical member 101 forming the ink flow path 109 is a quadrangular columnar member.
[0025]
The piezoelectric element of the ink jet head of the present invention can be easily manufactured by rotating a cylindrical glass tube serving as the cylindrical member 101 and periodically changing the deposition rate using an aerosol deposition method.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the inkjet head of the present invention, the piezoelectric element has an anisotropic cross-sectional shape in the direction perpendicular to the ink flow path direction. If the major axis direction is perpendicular to the nozzle row in the nozzle row direction, the nozzle pitch can be smaller than that of a piezoelectric element having a cross-sectional shape that is isotropic. Further, since the rigidity in the long axis direction can be increased, the hydrodynamic resonance frequency Fr can be increased. As a result, the droplet formation frequency can be increased, and fine droplets can be obtained. And fine patterning becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view when an ink jet head according to a conventional technique and the present invention is cut in an ink flow direction.
FIG. 2A is a cross-sectional view of a conventional confidential ink jet head cut in a direction perpendicular to an ink flow direction. (B) is a cross-sectional view when the inkjet head of the present invention is cut in a direction perpendicular to the ink flow direction.
FIG. 3 is a graph showing the results of an experiment performed to determine the correlation between the shape of the piezoelectric element constituting the inkjet head of the present invention and the hydrodynamic resonance frequency Fr.
[Explanation of symbols]
100 Inkjet head 101 Cylindrical member 102 Nozzle 103 Discharge unit (orifice)
104 Piezoelectric element (actuator wall)
105 pulse generator 106 inner surface electrode 107 outer surface electrode 108 lead wire 109 ink flow path 111 ink supply tube
