JP2010143011A

JP2010143011A - 液体吐出ヘッド

Info

Publication number: JP2010143011A
Application number: JP2008321034A
Authority: JP
Inventors: Ryoko Horie; 亮子堀江
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】簡易な構成で、液体吐出ヘッドの吐出量を広範囲に制御する。
【解決手段】液体吐出ヘッド１００は、液体が充填される流路１０９と、該流路１０９に充填された液体を吐出する吐出口１０３と、を有している。そして、液体吐出ヘッド１００は、吐出口１０３の開口面積を調整する開口面積調整手段である柱状部材１１２をさらに有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

インクジェット技術は、パターニングを行う場所にインクを吐出して直接描画する技術である。そのため、材料の使用効率が極めて高く、画像形成の工程が少ないという利点がある。したがって、ランニングコストが低く、産業用のパターニング技術として有望視されている。

インクジェット方式の液体吐出ヘッドとしては、特許文献１に記載されているカイザー型、あるいは特許文献２に記載されているサーマルジェット型が広く知られている。カイザー型の液体吐出ヘッドは、小型化が難しい。また、サーマルジェット型の液体吐出ヘッドは、インクを加熱して発砲することでインクを吐出する。そのため、インクの耐熱性に対する要求が必要とされている。また、産業用として安定的にコンパクトな液体吐出ヘッドを製造することは困難である。

また、液体吐出ヘッドの別の例として、特許文献３に開示されているように、インクを吐出して記録媒体に記録を行う、グールド方式の記録ヘッドがある。図４は、特許文献３に記載のグールド方式の記録ヘッドの構成部品の構造を示す模式的断面図である。

記録ヘッド４００は、例えばガラスから形成された円筒状部材４０１を有する。円筒状部材４０１は、一方の端部に近づくとともに絞られた形状となっており、当該一方の端部近傍がノズル４０２になっている。円筒状部材４０１の一方の端部には、インクを吐出する吐出口（オリフィス）４０３が形成されている。また、円筒状部材４０１の他方の端部は、円筒状部材４０１の内部にインクを供給するための供給管４１１と連通している。

この円筒状部材４０１の所定位置、つまり、供給管４１１と吐出口４０３との間の位置に、直径０．１〜１．０ｍｍ程度の細長い円筒形状の電気熱変換体４０４が設けられている。電気熱変換体４０４としては、圧電素子（アクチュエータ壁）が用いられる。圧電素子を加圧ポンプとして機能させることによって、ノズル４０２からインク滴が吐出する。

円筒形状の圧電素子の内面には内面電極４０６が、圧電素子の外面には外面電極４０７が、設置されている。それぞれの電極４０６，４０７は、リード線を介して、駆動電圧を印加するパルス発生器に接続されている。

内面電極４０６と外面電極４０７との間に電圧を印加すると、円筒形状の圧電素子は、内部の空間（圧力室）が小さくなるように変形する。これにより、円筒状部材４０１が収縮して、円筒状部材４０１の内部の圧力が増加する。この円筒状部材４０１の収縮によって、円筒状部材４０１の内部の空間である圧力発生部４０９に充填されているインクが、吐出口４０３から吐出される。また、圧電素子に印加されている電圧を除去すると、圧電素子は元の形状に戻る。

特許文献３に記載されたグールド方式の記録ヘッドにおいては、吐出される液滴の量（以下、「吐出量」と呼ぶ。）の制御は、圧電素子に印加するパルス電圧（正電圧）の大きさの制御によって行われる。

特許文献４では、複数の液体噴射ヘッドに対する吐出特性の差にかかわらず、吐出量の可変範囲を均一化し、安定した記録を行うことを目的とした液体噴射記録装置が開示されている。この目的のため、特許文献４では、複数の液体噴射ヘッドの吐出口（オリフィス）において、インクのメニスカス後退量を共通に生じさせることが記載されている。これを実現するため、各々の液体噴射ヘッドの吐出特性に応じて、圧力室を膨張させる負のパルス電圧（第１の信号）を圧電素子に印加した後、圧力室を収縮させる正のパルス電圧（第２の信号）を圧電素子に印加する。このような電圧の制御によって、吐出量が制御される。
特公昭５３−１２１３８号公報特公昭６１−５９９１４号公報特公平０３−０４０７１２号公報特公平０６−０７７９９２号公報

特許文献３に記載の液体吐出ヘッドでは、正電圧の大きさを制御して、吐出量を調整している。しかし、正電圧の大きさの制御によって生じる圧電素子の形状変化には限界があるため、吐出量の制御範囲が狭いという課題がある。

また、インクによる微細なパターニングを実現するためには、図４に示す構成の記録ヘッド４００を複数個配列させる必要がある。しかし、複数の記録ヘッドからインクを吐出させる場合、各々の記録ヘッドの吐出特性にばらつきが発生し、各々の記録ヘッドからの液体の吐出量が変わってしまうという課題がある。この課題は、圧電素子の電気特性、圧電素子と円筒状部材４０１との接着状態のばらつき、ノズル径または吐出口径のばらつきなどに起因して生じる。

特許文献４に記載の液体噴射ヘッドでは、正と負の二つの駆動電源が用いられている。そして、各々の液体噴射ヘッドの吐出特性に応じて、負のパルス電圧を圧電素子ごとに印加する必要があるために、駆動回路が複雑化してしまうという課題がある。また、各々の液体噴射ヘッドから液体を吐出させる場合、各々の液体噴射ヘッドで吐出特性にばらつきが発生し、吐出量にばらつきが生じるという課題がある。

本発明の目的は上記背景技術の課題の少なくとも一つを解決できる液体吐出ヘッドを提供することである。その目的の一例は、簡易な構成で、吐出量を広範囲に制御することができる液体吐出ヘッドを提供することである。

上記課題の少なくとも１つを解決するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体が充填される流路と、流路に充填された液体を吐出する吐出口と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、吐出口の開口面積を調整する開口面積調整手段をさらに有していることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、液体吐出ヘッドの吐出量を広範囲に制御することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出する液体吐出装置に好適に用いることができる。このような液体吐出装置としては、電子装置や半導体装置の製造分野において、基板に液体を吐出して所望のパターンを形成するパターニング装置を挙げることができる。あるいは、記録用紙やプラスチックシートなどの記録媒体に、例えばインクのような液体を吐出して記録を行う記録装置にも本発明は適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成を示すための模式的断面図である。本実施形態に係る液体吐出ヘッド１００は、筒状部材１０１と、吐出エネルギー発生素子と、を有している。

筒状部材１０１の一方の端部近傍は、先細りの形状となっており、ノズル１０２を構成している。また、筒状部材１０１の一方の端部には、吐出口１０３が形成されている。筒状部材１０１の内部は、例えばインクのような液体の流路１０９となっている。吐出口１０３は、流路１０９の内部に充填されている液体を吐出するための開口である。

吐出エネルギー発生素子は、吐出口１０３から液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子である。吐出エネルギー発生素子としては、圧電素子（アクチュエータ壁）１０４を用いることができる。圧電素子１０４は筒状であって、流路１０９を構成する筒状部材１０１の周囲を取り囲むように形成されている。圧電素子１０４は、例えば、チタン酸ジルコン酸亜鉛（ＰＺＴ）から形成することができる。

圧電素子１０４の内周面には第１の電極１０６が形成されており、圧電素子１０４の外周面には第２の電極１０７が形成されている。第１の電極１０６は、筒状部材１０１に接合されている。

第１及び第２の電極１０６，１０７は、リード線１０８を介して、駆動電圧を印加するパルス発生器１０５に接続されている。パルス発生器１０５によって、第１及び第２の電極１０６，１０７に電圧を印加することで、圧電素子１０４の形状が変化する。

筒状部材１０１の他方の端部は、液体供給管１１１と連通している。この液体供給管１１１を通って、流路１０９に液体が充填される。圧電素子１０４の形状変化にともなって流路１０９の内部圧力は増大する。これにより、流路１０９に充填された液体は吐出口１０３から吐出される。

液体吐出ヘッド１００は、吐出口１０３の開口面積を調整する開口面積調整手段をさらに有している。本実施形態において、開口面積調整手段は、流路１０９の内部に配された柱状部材１１２である。柱状部材１１２は、吐出口１０３の少なくとも一部を塞ぐように、流路内を移動可能に構成されている。

本実施形態では、柱状部材１１２は、液体の流入側から吐出口側に向かって延びた形状となっている。そして、柱状部材１１２の他端部側に、柱状部材１１２の移動を制御する移動制御機構１１３が備えられている。

柱状部材１１２の一方の端部は先細り形状１１２ａとなっており、当該一方の端部は吐出口１０３側に向けられている。そして、柱状部材１１２は、流路１０９に沿った方向に移動可能に構成されている。具体的には、柱状部材１１２は、一方の端部が吐出口１０３よりも流路１０９の内部側に位置する状態と、一方の端部が吐出口１０３から突き出た状態と、の間を移動可能に構成されている。

次に、液体吐出ヘッド１００の各構成部の寸法や材料などについて、具体的な一例を挙げて説明する。流路１０９の長さは１０．０ｍｍである。ノズル１０２の吐出口１０３側の径は４０μｍ、流路側の径は０．２６ｍｍであり、ノズルの長さは０．４０ｍｍである。筒状部材１０１は円筒形状であり、ガラス管から構成されている。このガラス管の外径は０．６６ｍｍ、内径は０．５６ｍｍである。筒状部材１０１の周りに配されている圧電素子１０４は、ＰＺＴの層で構成されている。圧電素子１０４の長さは８．０ｍｍ、外径は１．１５ｍｍ、内径は０．７２ｍｍである。

柱状部材１１２の一方の端部は、先細り形状１１２ａになっている。つまり、柱状部材１１２の一方の端部近傍は略円錐形状となっている。柱状部材１１２の一方の端部近傍以外の領域では、柱状部材１１２の径は３０μｍである。

図２（ａ）〜（ｄ）は、柱状部材１１２の移動の様子を説明するための概略図である。柱状部材１１２の一方の端部が、吐出口１０３よりも流路１０９の内部側に位置している場合（図３（ａ）参照。）、吐出口１０３の開口面積Ｓは最大値（Ｓ₀）となる。本実施形態では、この最大値Ｓ₀は１.２６×１０^-9ｍ²である。

図２（ｂ）または図２（ｃ）に示されているように、移動制御機構１１３によって、柱状部材１１２の一方の端部が吐出口から突き出るまで移動した場合、吐出口１０３は中空の円形状（アニュラス）となる。柱状部材１１２の一方の端部は略円錐形状となっているため、注状部材が吐出口側に移動するほど、吐出口１０３の開口面積は小さくなる。図２（ｂ）では、柱状部材１１２の一方の端部が吐出口１０３まで移動しており、吐出口１０３の開口面積Ｓ（＝Ｓ₁）が、最大値Ｓ₀よりも若干小さくなっている（Ｓ₁＜Ｓ₀）。

さらに、図２（ｃ）では、柱状部材１１２の一方の端部が吐出口１０３から突き出ている。この場合、吐出口１０３の開口面積Ｓ（＝Ｓ₂）は、図２（ｂ）の場合における開口面積Ｓ₁よりも小さくなっている（Ｓ₂＜Ｓ₁）。

また、図２（ｄ）は、柱状部材１１２の一方の端部を、移動領域の最端部まで移動させた状態を示している。この場合、吐出口１０３の開口面積Ｓ（＝Ｓ₃）は、最小値をとる（Ｓ₃＜Ｓ₂）。本実施形態では、吐出口１０３の開口面積の最小値Ｓ₃が５.５０×１０^-10ｍ²となるように、液体吐出ヘッド１００が構成されている。

上記のように、柱状部材１１２の位置を調整することで、吐出口１０３の開口面積を高精度に制御することができる。したがって、柱状部材１１２の位置を制御することによって、所望量の液体を吐出することができる。このように、吐出口１０３の開口面積を直接制御することによって、簡易な構成で、液体吐出ヘッドの吐出量を広範囲に制御することができる。

本実施形態では、柱状部材１１２は磁性体を含んでいる。さらに、移動制御機構１１３は、電磁石と、電磁石を駆動する手段と、を有している。本構成によれば、電磁石の磁力を制御することによって、磁性体である柱状部材１１２の位置を調整することができる。これにより、流路１０９の内部の柱状部材１１２を容易に制御することができる。

次に、上記の液体吐出ヘッド１００について、吐出口１０３の開口面積と、当該吐出口１０３から吐出される液体の吐出量と、の関係を測定した結果について説明する。この関係を測定するために、２５℃における粘度が１.８ｍＰａ・ｓ、表面張力が４５ｍＮ/ｍである液体を使用して、実験を行った。

図３は、上記の実験によって得られた、吐出口１０３の開口面積と液体の吐出量との関係を示すグラフである。なお、吐出量は、吐出口１０３から吐出した液滴の大きさから、体積に換算することによって測定した。グラフを参照すると、吐出口１０３の開口面積を制御することによって、液体の吐出量を４．２ｐｌ〜５０ｐｌの範囲で制御することができた。このように、本実施形態の液体吐出ヘッド１００は、非常に広範囲に吐出量を制御することができる。

以上、本発明の一実施形態における液体吐出ヘッドに関して詳細に説明したが、本発明の液体吐出ヘッドは、上記の実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、流路１０９を構成している筒状部材１０１は円筒形状に限らず、例えば四角柱形状のような任意の筒状であって良い。

また、本発明を、複数のノズルを有するマルチノズルタイプの液体吐出ヘッドに適用することも可能である。この場合、図１及び図２に示すヘッドを複数配列してなる液体吐出ヘッドを構成すれば良い。これによれば、ノズル毎に吐出量を制御することが可能となる。そのため、液体吐出ヘッド毎に吐出特性が異なっていたとしても、各々の吐出口１０３の開口面積を制御して、各々の液体吐出ヘッドから一定量の液体を吐出することができる。これにより、安定的な吐出を行なうことができる。

上記の実施形態では、吐出エネルギー発生素子として圧電素子を用いた、グールド方式の液体吐出ヘッドについて説明したが、本発明の液体吐出ヘッドはこれに限定されない。例えば、吐出エネルギー発生素子として発熱素子を用いた液体吐出ヘッドであっても良い。この場合、流路１０９に充填されている液体は、熱による発泡によって、吐出口から吐出される。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成を示す模式的断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１の液体吐出ヘッドが有する柱状部材の移動を説明する概略図である。図１の液体吐出ヘッドについて、吐出口の開口面積と吐出量との関係を示すグラフである。特許文献３に記載の液体吐出ヘッドの構成を示す模式的断面図である。

符号の説明

１００液体吐出ヘッド
１０１筒状部材
１０２ノズル
１０３吐出口
１０４圧電素子
１０９流路
１１１液体供給管
１１２柱状部材
１１２ａ先細り形状
１１３移動制御機構

Claims

液体が充填される流路と、該流路に充填された前記液体を吐出する吐出口と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の開口面積を調整する開口面積調整手段をさらに有していることを特徴とする、液体吐出ヘッド。
前記開口面積調整手段は、前記流路の内部に配されており、前記吐出口の少なくとも一部を塞ぐように、前記流路内を移動可能に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。
前記開口面積調整手段は、一方の端部が先細り形状をした柱状部材であり、
前記柱状部材の前記一方の端部は前記吐出口の方へ向けられており、
前記柱状部材は、前記一方の端部が前記流路の内部側に位置する状態と、前記一方の端部が前記吐出口から突き出た状態と、の間を移動可能に構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
前記柱状部材は磁性体を含んでおり、
前記柱状部材の移動を制御する電磁石を有することを特徴とする、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
前記吐出口から前記液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子をさらに有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記吐出エネルギー発生素子は、前記流路を構成する筒状部材の周囲に形成された圧電素子であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。