JP2007069126A - 印刷ヘッド及び印刷装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安定した印刷が可能な印刷ヘッドと印刷装置を提供する。
【解決手段】
本発明の印刷ヘッド20では、直線状の本管42に分岐管44が斜めに接続され、分岐管44が本管42に接続された接続部分47はインクの流れの上流側に向けられている。従って、印刷時やインクを循環させる時に、インクの流れが接続部分47で淀まず、気泡やスペーサ粒子がインク室46に入り込み難い。また、本管42から接続部分47に流れ込むインクの流量は大きいので、ノズル45からインクを強制排出する時には、インク室46内に渦流が生じ、気泡やスペーサ流水が押し流される。従って、インク室46からは気泡やスペーサ粒子が効率良く除去される。
【選択図】図5

Description

本発明は印刷装置の技術分野に関し、特にインクジェット印刷に用いられる印刷ヘッドと印刷装置に関する。
従来より、液晶表示素子のカラーフィルター、スペーサー、配向膜、有機EL表示素子の発光層、プラズマ表示素子の配線等、FPD分野の製造、実装配線基板の製造等にはインクジェットプリンタが用いられている。
図14は従来技術のインクジェットプリンタに用いられる印刷ヘッドを説明するための平面図であり、印刷ヘッド120内には本管142と、複数のインク室146が設けられている。
各インク室146は分岐管144によって本管142にそれぞれ接続されており、本管142を流れるインクは各分岐管144に分配され、インク室146に供給される。インク室146にはノズル145が接続されており、吐出手段130によってインク室146内に圧力がかかると、インク室146に蓄液されたインクがノズル145から吐出される。
ところで、本管142を流れるインクには気泡が混入することがあり、気泡が分岐管144を通ってインク室146に入り込むと、ノズル145からのインクの吐出量が不安定になったり、甚だしい場合はノズル145からインクが吐出されなくなる。
また、スペーサ粒子等の粒子材料が分散されたインクを用いた場合、粒子材料は分岐管144が本管142に接続された部分に溜まることがあり、インク室146に供給されるインクの粒子材料密度が不均一になり、その結果、ノズル145から吐出されるインクの粒子材料密度も不均一になるという問題がある。
インク室146内のインクをポンプ等によって押し出すか、印刷ヘッド外部の吸引手段でノズル145から吸引し、インク室146内からインクを強制排出すれば、インク室146に溜まった気泡や粒子材料がある程度除去されるが、従来の印刷ヘッド120では強制排出を行っても、気泡や粒子材料がヘッド内に残ることがある。
特開平2005−138445号公報
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は気泡や粒子材料を効率良く除去可能な印刷ヘッドを提供することである。
上記課題を解決するために請求項1記載の発明は、インク供給系からインクが供給される直線状の本管と、前記本管内をインクが流れる方向に沿って配置され、前記本管にそれぞれ接続された複数の分岐管と、前記各分岐管にそれぞれ接続され、前記本管から前記各分岐管に分配された前記インクが導入されるインク室と、前記各インク室にそれぞれ接続され、前記インク室に設けられた吐出手段によって前記インク室内の前記インクが吐出される吐出口とを有する印刷ヘッドであって、前記分岐管の前記本管に接続された接続部分の内部が、前記本管の前記インクの流れの上流側に向くように、前記接続部分は前記本管の当該接続部分よりも上流側に対して鈍角を持って配置された印刷ヘッドである。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の印刷ヘッドであって、前記インク室の平面形状は六角形以上の多角形にされた印刷ヘッドである。
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の印刷ヘッドであって、前記直線管と、前記インク室にはスペーサ粒子が分散されたインクが配置された印刷ヘッドである。
請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の印刷ヘッドと、前記印刷ヘッドにインクを供給する供給系とを有する印刷装置である。
本発明は上記のように構成されており、分岐管の接続部分はインクの流れの上流側に向けられているので、印刷中や、インクの循環中や、又は、インクを強制排出する時に、接続部分でインクが淀まない。従って、本管を流れる気泡は接続部分に溜まらないので、インク室に気泡が入り込まない。
また、スペーサ粒子等の粒子材料が溶剤に分散されたインクを用いる場合には、粒子材料も接続部分に溜まらないので、インク室に供給されるインクの粒子材料密度が均一になる。
接続部分がインクの流れの上流に向けられていると、強制排出の時にインクが本管から流れこむ流量が大きくなり、インク室内には渦流が発生するので、インク室内に溜まった気泡や粒子材料は効率良く排出される。
本発明によれば、インク室に気泡が入り込み難いので、ノズルからのインクの吐出が安定して行われる。また、インク室に供給されるインクの粒子材料密度が均一になるので、ノズルからは粒子材料密度が均一なインクが吐出されることになり、印刷対象物表面には、粒子材料密度が均一なインク層が形成される。また、強制排出の時には、インク室内に渦流が発生するので、気泡や粒子材料はインク室から効率良く排出される。
図1は本発明の印刷装置10の平面図であり図2は側面図である。印刷装置10は、台15と、台15上に配置された保持体16と、保持体16の台15と対向する面に取り付けられた1又は2以上の印刷ヘッド20とを有している。
台15の側方にはレール17a、17bが延設されており、保持体16はレール17a、17bの延設方向に沿って、レール17a、17bに往復移動可能に取り付けられている。図1、2の符号Dは保持体16が移動する移動方向を示している。
図1、2は台15上に印刷対象物7が配置された状態を示しており、印刷ヘッド20は印刷対象物7の表面から所定距離だけ離間するように保持体16に取り付けられており、保持体16が移動すると各印刷ヘッド20は印刷対象物7の表面上を移動方向Dに沿って移動する。
各印刷ヘッド20の一面には後述するノズル(吐出口)がそれぞれ複数列設されている。ここでは、印刷ヘッド20は保持体16に千鳥状になるよう取り付けられており、各印刷ヘッド20のノズルは印刷ヘッド20の移動方向Dと直交する方向の間隔が一定になるように同一方向に並べられている。
印刷対象物7は、例えば液晶パネルの仕掛品であって、その表面上には電極やカラーフィルタが形成された複数の表示領域8が行列状に設けられている(図3(a))。
表示領域8と表示領域8の間の位置を印刷位置とすると、各印刷ヘッド20はノズルが配置された面を鉛直下方に向け、ノズルの間隔が印刷位置の間隔と一致するように保持体16に取り付けられている。
印刷対象物7は表示領域8が形成された面を鉛直上方に向けて配置されており、印刷ヘッド20が並べられた列と垂直な方向に保持体16を移動させ、各印刷ヘッド20を移動させる。
各印刷ヘッド20には後述する供給系4からスペーサ粒子が溶剤に分散されたインクが供給されるようになっており、ノズルが印刷位置上に位置した時にインクを吐出すると、各印刷位置にインクが塗布される。印刷位置に塗布されたインクを乾燥し、溶剤を除去すると印刷位置にスペーサ粒子が残り、スペーサ9が形成される(図3(b))。
供給系4は保持体16外部に配置された据え置きタンク24と、保持体16内部に配置された移動タンク21とを有しており、移動タンク21と据え置きタンク24は可撓性配管29によって互いに接続され、保持体16が移動する時も、不図示のポンプによって据え置きタンク24から移動タンク21にインクが供給される。
据え置きタンク24は供給元14に接続されており、不図示のポンプによって供給元14から据え置きタンク24にインクが補充される。移動タンク21には太いパイプであるヘッダ22が接続され、移動タンク21に蓄液されたインクはヘッダ22に供給される。
ここでは、印刷ヘッド20は二列に並べられ、ヘッダ22は印刷ヘッド20の列と列の間に延設されている。各印刷ヘッド20の後述する供給管は分配管81によってヘッダ22に接続されており、ヘッダ22内を流れるインクは各分配管81に分配され、供給管に供給される。尚、各分配管81の途中にはフィルタ23が設けられており、分配管81に分配されたインクはフィルタ23で異物が除去される。
図5は印刷ヘッド20を模式的に示す平面図である。
印刷ヘッド20は上述した複数のノズル45に加え、供給管41と、複数のインク室46とを有している。
図6は図5のA−A切断線断面図を示しており、印刷ヘッド20は更にノズルプレート35を有している。ノズルプレート35には貫通孔が設けられており、上述したノズル45は該貫通孔のノズルプレート35表面側の開口で構成されている。
ノズルプレート35裏面には第一の絶縁層36aが配置されている。第一の絶縁層36aはエッチングによって太い溝と、複数の多角形の開口と、各開口を太い溝に接続する細い溝が設けられており、各溝と各開口の底面にはノズルプレート35の裏面が露出している。
第一の絶縁層36aの表面には、上記太い溝と開口と対応する位置に、対応する形状の太い溝と開口がそれぞれ形成された第二の絶縁層36bが貼付され、第一の絶縁層36aの太い溝と第二の絶縁層36bの太い溝は連通し、第一の絶縁層36aの開口と第二の絶縁層36bの開口も互いに連通するが、第一の絶縁層36aの細溝は第二の絶縁層36bで蓋され、蓋がされた細溝の内部空間で分岐管44が構成される。
第二の絶縁層36bの表面には、連通した太い溝と、連通した開口を蓋するようにカバーシート37が貼付され、連通した太い溝の内部空間で上記供給管41が構成され、連通した開口の内部空間で上記インク室46が構成されている。
上述したように、開口と各溝の底面にはノズルプレート35の裏面が露出しており、従ってインク室46と供給管41と分岐管44の底面にはノズルプレート35の裏面が露出している。
ノズルプレート35裏面が露出する底面を床面とし、床面と反対側の面を天井とすると、インク室46と供給管41の天井はカバーシート37表面で構成され、分岐管44の天井は第二の絶縁層36bの表面で構成される。
従って、インク室46と供給管41と分岐管44の各床面は同一平面上に位置するが、分岐管44の天井はインク室46や供給管41の天井よりも低い位置にある。
インク室46天井の上には吐出手段30が設けられている。吐出手段30は、例えば、圧電体31が電極32、33で挟まれた圧電素子で構成されており、電極32、33に通電して圧電体31に電圧を印加すると、インク室46の内部圧力が変化するようになっている。ここでは、圧電体31の電極32、33から露出する側面は、カバーシート37上に形成された保護膜39で覆われ、圧電体31は外部雰囲気から保護される。
移動タンク21にはヘッダ22の他に排出管83が接続されている。供給管41は一端が上述した分配管81に接続され、他端が排出管83に接続されており、分配管81から供給管41に供給されたインクは、供給管41内部を一端から他端に向かって流れ、排出管83に排出された後、移動タンク21に戻る。従って、インクは供給管41と供給系4の間を循環する。
各インク室46は分岐管44によって供給管41に接続されているため、供給管41を流れるインクの一部は分岐管44を通ってインク室46に供給される。
印刷ヘッド20は分岐管44とインク室46と供給管41の各床面が鉛直上方に向くように配置されているので、供給管41を流れるインクに気泡が存在する場合には気泡は天井側を流れる。上述したように、分岐管44の天井は供給管41の天井よりも低くされているので、気泡は分岐管44が供給管41に接続された接続部分47を通らず、インク室46内には供給されない。
一般にスペーサ粒子の比重は溶剤の比重よりも重いので、インクのスペーサ粒子密度は、供給管41天井部分よりも床面部分で高くなりやすいが、分岐管44は供給管41の床面部分に接続されているので、スペーサ粒子密度の高いインクが分岐管44に流れ込む。
分岐管44の床面とインク室46の床面と供給管41の床面を構成するノズルプレート35の裏面は平坦であり、印刷ヘッド20は各床面が略水平になるよう配置されている。分岐管44の床面には凹凸が存在しないので、分岐管44の途中でスペーサ粒子が溜まらず、インク室46にはスペーサ粒子密度の高いインクが供給され、インク室46の床面は略水平なのでインク室46内でスペーサ粒子の分布に偏りが生じない。
インク室46はノズル45を構成する貫通孔の真上に形成されており、貫通孔のノズル45とは反対側の開口はインク室46の内部空間に面するため、ノズル45は貫通孔によってインク室46に接続されている。従って、インク室46に蓄液されたインクは貫通孔内に入り込む。
インク室46内の圧力が所定値に維持された状態ではインクは表面張力によって貫通孔内に保持され、ノズル45から吐出されないが、吐出手段30によりインク室46内の圧力を高めると、インクが貫通孔に押し出されてノズル45から吐出され、吐出手段30によってインク室46の圧力を下げると、供給管41を流れるインクが分岐管44に吸い込まれて、インク室46に補充される。
供給管41の各分岐管44が接続された部分は、ノズル45が並べられた列と平行な直線状にされている。
図5の符号42は供給管41の直線状にされた本管を示しており、各インク室46の大きさは互いに等しく、各分岐管44の径や長さは互いに等しく、しかも、各分岐管44は本管42に同じ角度で接続されているので、供給管41とインク室46と貫通孔とで構成されるインク流路のコンダクタンスは互いに略等しくなる。
図5の符号Fは本管42内をインクが流れる方向を示しており、本管42の中心線c1の分岐管44の中心線c2との交点よりも上流側の部分と、分岐管44の中心線とが成す角度を、分岐管44の接続角度とすると、接続角度θは鈍角になっている。
従って、分岐管44の本管42に接続された接続部分47はインクの流れる方向Fの上流側に向けられた状態になっており、インクは本管42から分岐管44に淀みなく流れ込むので、インク中のスペーサ粒子は接続部分47に溜まらずに、分岐管44を通ってインク室46に流れ込む。
インク室46に沈降したスペーサ粒子や気泡が溜まった時には、供給系4からインク又は溶剤を供給しながら、印刷ヘッド20に設けられたポンプ等の排出手段でノズル45からインクを押し出すか、印刷ヘッド20外部に設けられた吸引手段でノズル45からインクを吸出すると、分岐管44にインクや溶剤が淀み無く吸い込まれてインク室46内に渦流が発生し、インク室46内のスペーサ粒子や気泡が渦流に押し流され、インクや溶剤と一緒にノズル45から吸い出される。
インク室46の平面形状は六角形以上の多角形にされており、インク室46の角部分で気泡やスペーサ粒子が溜まらないので、インク室46からは気泡やスペーサ粒子が効率良く除かれる。
尚、強制排出に用いる排出手段は例えばインクを押し出すポンプがあり、ポンプの取り付け位置は特に限定されないが、具体的には分岐管44とインク室46とで構成される流路の途中や、供給管41に取り付けることができる。
また、上述した第一例の印刷ヘッド20と、後述する第二〜第五例の印刷ヘッドに用いる吸引手段の構成も特に限定されないが、その一例を述べると、吸引手段はキャップとポンプを有し、キャップで印刷ヘッド20のノズル45が配置された面を密閉し、ポンプでキャップ内を排気することで、ノズル45からインクを吸い込むことができる。これら排出手段と吸引手段はどちらか一方だけを用いてもよいし、両方を用いてもよい。また排出手段及び/又は吸引手段と一緒に、吐出手段30を動作させて強制排出を行うこともできる。
以上は、1つの供給管41に本管42が1つ設けられた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
図7は本発明第二例の印刷ヘッド50を模式的に示す平面図であり、供給管51はノズル45の並べられた列の両側に、当該ノズル45の列に沿って延設された2つの本管52a、52bを有しており、本管52a、52b同士は接続管53によって互いに接続されている。
この印刷ヘッド50では、図5に示した印刷ヘッド20と同様に、インク室46、56はノズル45の真上に位置するが、図8に示した第三例の印刷ヘッド60のように、一方の本管62aに接続されたインク室66の列と、他方の本管62bに接続されたインク室66の列とが離間し、インク室66がノズル45の真上位置から外れた位置に位置する場合も本発明には含まれる。
図9(a)は図7のB−B切断線断面図を、図9(b)は図7のC−C切断線断面図を示している。
ここでは、ノズルプレート75は第一〜第三のプレート76a〜76cが記載した順番に積層されて構成されており、第一のプレート76aにはノズル45位置に第一の貫通孔が形成され、第二のプレート76bには一端が第一の貫通孔に接続され、他端がインク室66の真下まで横方向に伸ばされた第二の貫通孔が設けられ、第三のプレート76cには一端が第二の貫通孔に接続され、他端がインク室66に接続された第三の貫通孔が形成されている。従って、第一〜第三の貫通孔は連通し、ノズル45とインク室66は連通した第一〜第三の貫通孔で接続されている。
従って、インク室66が同じ直線上に並んでいない場合でおらず、ノズル45の列から離れている位置に配置された場合でも、ノズル45にインク室66を接続することができる。
また、図10に示した第四例の印刷ヘッド80のように、本管82の両側にインク室86がそれぞれ並べることも可能であり、ノズル45が一例に並べられている場合には、上述した第三例の印刷ヘッド70のように、ノズルプレート35内に横方向に伸びる貫通孔を形成することで、各列のインク室86を対応するノズル45に接続することができる。
更に、図11、12に示した第五例の印刷ヘッド90のように、各インク室96が本管42だけではなく、個別排出管99によって、供給管91の本管42よりも下流の部分に接続された場合も本発明には含まれる。図12の符号93は本管92よりも下流部分であって、個別排出管99がそれぞれ接続された排出部を示している。
この印刷ヘッド90では分岐管94によって本管92から供給されたインクは、インク室96に蓄液された後、一部が個別排出管99を通って排出部93に排出され、供給管91を流れたインクと一緒に、排出管83に排出される。
排出部93はノズル45の列と平行な直線状であって、個別排出管99は、排出部93に接続された部分がインクの流れる方向Fの下流側に向けられている。従って、個別排出管99から排出部93に排出されるインクは、排出部93内のインクの流れに逆らわず、インクの流れる方向Fに沿って排出される。
以上は、各インク室に1本の分岐管が接続される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、1つのインク室に2本以上の分岐管を接続してもよい。
図13の符号100は本発明の第六例の印刷ヘッドを示している。この印刷ヘッド100の供給管101は第一、第二の本管102a、102bを有しており、各インク室106は第一、第二の分岐管104a、104bによって第一、第二の本管102a、102bにそれぞれ接続されている。
ここでは、ノズル45はインク室106の略中央位置の真下に配置されており、第一、第二の分岐管104a、104bは、中心軸線が離間して互いに平行にされ、ノズル45を挟んで反対側の位置でインク室106にそれぞれ接続されている。
第一、第二の本管102a、102bはインク室106の両側に互いに平行に延設されているが、第一の本管102a内をインクが流れる方向Faと、第二の本管102b内をインクが流れる方向Fbは逆向きになっているので、第一、第二の分岐管104a、104b内を流れるインクは、互いに平行であるが、逆向きに流れ、インク室106のノズル45を挟んで反対側の位置に流れ込む。
第一の分岐管104aからインク室106に流れ込んだインクは、インク室106の壁面に沿って流れ、インク室106のノズル45を挟んで反対側の位置に到達した時には、第二の分岐管104bから流れ込むインクと同じ方向に流れることになる。従って、第一、第二の分岐管104a、104bからインク室106に流れ込むインクは、互いの流れを妨げず、インク室106内にはインクの渦流が発生する。
第一、第二の分岐管104a、104bのインク室106に接続された部分は、渦流の下流側にそれぞれ向けられた状態になっているので、インク室106内を流れるインクが第一、第二の分岐管104a、104bに逆流せず、インクの淀みも発生しない。
第一、第二の本管102a、102bを同じ供給管101の上流側の部分、下流側の部分でそれぞれ構成し、第一の本管102aから第一の分岐管104aに分配された残りのインクを第二の本管102bから第二の分岐管104bに分配するようにしてもよいし、第一、第二の本管102a、102bを別々の供給管101の一部分で構成し、供給系4から第一、第二の本管102a、102bに別々に供給されたインクを第一、第二の分岐管104a、104bにそれぞれ分配してもよい。
尚、上述した第二〜第六の印刷ヘッド50、60、80、90、100においても、各分岐管54、64、84、94、104a、104bは、接続部分57、67、87、97、107a、107bがインクの流れる方向F、Fa、Fbの上流側に向くように本管52、62、82、92、102a、102bに接続されているので、インクは接続部分57、67、87、97、107a、107bで淀まず、強制排出の時にはインク室56、66、86、96、106内の気泡やスペーサ粒子が効率良く排出される。
以上は、吐出手段30に圧電素子を用いる場合について説明したが、本発明に用いる吐出手段30はこれに限定されるものではない。例えば圧電素子の代わりに加熱手段をインク室46に設け、加熱手段でインク室46内のインクを加熱してバブル(気泡)を発生させ、発生したバブルの圧力又は発生したバブルのはじける力によってインクをノズル45に押し出す方法も用いることができる。
吐出手段30を設ける位置も特に限定されず、図6に示したようにインク室46の外部に設けてもよいし、インク室46の内部に設けてもよい。
本発明に用いるインクも特に限定されるものではなく、スペーサ粒子の代わりに、顔料や金属粒子等他の粒子材料が溶剤に分散されたインクや、樹脂や染料が溶剤中に溶解したインクを用いることもできる。
インク室46の形状も特に限定されないが、インク室46内に渦流を発生させるためには、平面形状が六角形以上の多角形であることが望ましい。また、平面形状が円形のインク室46も用いることができるが、多角形の場合に比べて強制排出の際に生じる渦流の発生が小さいので、インク室46の平面形状は多角形がより好ましい。
以上は、所定の印刷位置にインクを塗布する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各ノズル45からインクを吐出しながら、保持体16を移動方向Dに移動させ、印刷対象物7に移動方向に沿ってインクを連続して塗布することもできる。
第一、第二の絶縁層36a、36bは例えば、シリコンプレートや、石英板、ガラス板、セラミクスプレートや、プラスチックプレート等で構成される。また、第一、第二の絶縁層36a、36bの代わりに、開口や溝が形成された金属板を用い、該金属板の開口や溝で上述したインク室や、本管や、分岐管を構成してもよい。
本発明の印刷装置の一例を説明する平面図 本発明の印刷装置の一例を説明する断面図 (a):印刷対象物の一例を説明する平面図、(b):スペーサが形成された状態の印刷対象物の平面図 印刷ヘッドと供給系の関係の一例を説明するブロック図 本発明第一例の印刷ヘッドを説明する平面図 本発明第一例の印刷ヘッドを説明する断面図 本発明第二例の印刷ヘッドを説明する平面図 本発明第三例の印刷ヘッドを説明する平面図 (a):図8のB−B切断線断面図、(b):図8のC−C切断線断面図 本発明第四例の印刷ヘッドを説明する平面図 印刷ヘッドと供給系の関係の一例を説明するブロック図 本発明第五例の印刷ヘッドを説明する平面図 本発明第六例の印刷ヘッドを説明する平面図 従来技術の印刷ヘッドを説明する平面図
符号の説明
10……印刷装置 20、50、60、80、90……印刷ヘッド 45……ノズル 46、56、66、86、96……インク室 42、52a、52b、62a、62b、82、92……本管 44、54、64、84、94……分岐管 47、57、67、87、97……接続部分

Claims (4)

  1. インク供給系からインクが供給される直線状の本管と、
    前記本管内をインクが流れる方向に沿って配置され、前記本管にそれぞれ接続された複数の分岐管と、
    前記各分岐管にそれぞれ接続され、前記本管から前記各分岐管に分配された前記インクが導入されるインク室と、
    前記各インク室にそれぞれ接続され、前記インク室に設けられた吐出手段によって前記インク室内の前記インクが吐出される吐出口とを有する印刷ヘッドであって、
    前記分岐管の前記本管に接続された接続部分の内部が、前記本管の前記インクの流れの上流側に向くように、前記接続部分は前記本管の当該接続部分よりも上流側に対して鈍角を持って配置された印刷ヘッド。
  2. 前記インク室の平面形状は六角形以上の多角形にされた請求項1記載の印刷ヘッド。
  3. 前記直線管と、前記インク室にはスペーサ粒子が分散されたインクが配置された請求項1又は請求項2のいずれか1項記載の印刷ヘッド。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の印刷ヘッドと、
    前記印刷ヘッドにインクを供給する供給系とを有する印刷装置。
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