JP2011245724A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】インク循環型のインクジェットヘッドであって、リストリクタ部でのインクの循環の阻害を抑制すること。
【解決手段】本発明のインクジェットヘッドは、インク液滴を吐出するための複数のノズルを有するインク圧力室と、前記インク圧力室に供給されるインクが流れる供給流路と、前記インク圧力室から排出されるインクが流れる排出流路と、前記インク圧力室内のインクに圧力を加えるピエゾ素子と、を有する。ここで、前記インク圧力室と前記供給流路とは、リストリクタ部Ａを介して連通しており、前記リストリクタ部Ａには、電界を印加することでエレクトロウェッティング効果を生じさせることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、インクジェットヘッドに関する。

インクジェット装置のインクジェットヘッドは、インク供給源からインクを供給されるインク供給流路と；インク供給流路に連通し、かつノズルを有する複数のインク圧力室と；インク圧力室のそれぞれに配置されたアクチュエーター（例えばピエゾ素子）とを有することがある。アクチュエータがインク室内のインクに圧力を与えることで、ノズルからインクが液滴として吐出される。

また、インクジェットヘッドには、インクを循環させるタイプと、循環させないタイプとがある。インクを循環させるタイプのインクジェットヘッドは、インク圧力室に連通するインク排出流路を有する。インク供給流路からインク圧力室に供給されたインクの一部はノズルから吐出されるが、残部はインク排出流路に排出されて、インク供給源に回収される（特許文献１を参照）。

インクを循環させるタイプのインクジェットヘッドでは、インクへのエアー混入やノズルつまりを低減させることができる。インクを循環させるタイプのインクジェットヘッドでは、適切にインクを循環させることが重要であり、インクの循環を確認するために流量センサを配置したりするなどの工夫がされている（特許文献２を参照）。

一方、エレクトロウェッティング現象を利用して、ノズルからのインク液滴の吐出を制御しようとする技術が知られている（特許文献３〜４を参照）。

特許文献３には、ノズルの周りに沿って、少なくとも２つのセグメントに分割された電極を配置したインクジェットヘッドが示されている。ノズル内のインクとの間に電圧を印加することでエレクトロウェッティング現象を生じさせ、その吐出方向を偏向させると報告されている。

特許文献４には、ノズル電極を配置したノズルを有するインクジェットヘッドが示されている。インクの表面張力を、エレクトロウェッティング効果を利用して、ノズルへのインクの供給とノズルからのインクの排出とを行うと報告されている。

特開２００８−２５４１９６号公報 特開２００９−１６０８０７号公報 特開２００６−１２３５５０号公報 特開２００９−２３４０２６号公報

インク循環型のインクジェットヘッドでは、インク供給流路とインク圧力室、およびインク排出流路とインク圧力室とを、リストリクタ部と称される孔を介して連通させている。リストリクタ部とは、管路の途中に挿入して流路を絞る部位であり、流路圧力損失を発生させる部位である。リストリクタ部は、インクの逆流、すなわち、インク圧力室からインク供給流路へのインク流入、およびインク排出流路からインク圧力室へのインク流入を抑制するために必要である。

また、ピエゾ素子によりインク圧力室内のインクに印加された圧力が、ノズルからインクを吐出するための力に効率的に変換されずに、インク供給流路にインクを逆流させる力であったり、インク排出流路にインクを排出する力に変換されたりすることがある。そのため、リストリクタ部は、ピエゾ素子による圧力をノズルからの吐出力に効率的に変換するためにも重要である。

ところが、このリストリクタ部において発生する流路圧力損失が大きすぎると、インク循環が阻害されることがある。前述の通り、インクを循環させるタイプのインクジェットヘッドでは、適切にインクを循環させることが重要であるので、この圧力損失を過剰に大きくすることはできない。

そこで本発明は、インク循環型のインクジェットヘッドであって、リストリクタ部でのインク循環の阻害を抑制しつつ、ピエゾ素子による圧力を効率的に吐出力に変換する（つまり、吐出力が強い）インクジェットヘッドを提供することを課題とする。

本発明のインクジェットヘッドは、インク供給流路またはインク排出流路と、インク圧力室とを連通させるリストリクタ部に、エレクトロウェッティング現象を生じさせることで、インク循環を促進したいときにインク液に対する表面張力を低下させて流路圧力損失を低下させることができる。一方で、インク循環を抑制したいときには、エレクトロウェッティング現象を生じさせずに流路圧力損失を高めておくことができる。

すなわち本発明は、以下に示すインクジェットヘッド、およびインクジェットヘッドを具備するインクジェット装置に関する。

［１］ インク液滴を吐出するためのノズルを有するインク圧力室と、前記インク圧力室に供給されるインクが流れる供給流路と、前記インク圧力室から排出されるインクが流れる排出流路と、前記インク圧力室内のインクに圧力を加えるピエゾ素子と、を有するインクジェットヘッドであって、
前記インク圧力室と前記供給流路とは、リストリクタＡを介して連通しており、前記リストリクタＡに電界を発生させることでエレクトロウェッティング現象を生じさせる、インクジェットヘッド。
［２］ 前記インク圧力室と前記排出流路とは、リストリクタＢを介して連通しており、リストリクタＢに電界を発生させることでエレクトロウェッティング現象を生じさせる、［１］に記載のインクジェットヘッド。
［３］ 前記ノズルに、電界を発生させることでエレクトロウェッティング現象を生じさせる、［１］に記載のインクジェットヘッド。
［４］ 前記インクジェットヘッドは、前記ノズルが形成されたノズルプレートと；インク圧力室を構成するインク圧力室プレートと；リストリクタＡを形成されたリストリクタプレートと；供給流路および排出流路を構成する流路プレートと；ピエゾ素子を有するピエゾプレートと、を含み、各プレートはこの順に積層されており、
前記リストリクタプレートは、前記リストリクタＡの周囲に配置された一対の電極と、前記一対の電極からの引出配線とを有する、［１］に記載のインクジェットヘッド。

［５］ 前記［１］〜［４］のいずれかに記載のインクジェットヘッドを具備するインクジェット装置。

本発明によれば、インク循環型のインクジェットヘッドであって、高い吐出力を有しつつ、適切なインク循環が実現できるインクジェットヘッドを提供することができる。

循環式のインクジェットヘッドを模式的に示す図である。 循環式のインクジェット装置の斜視図である。 本発明のインクジェットヘッドの断面を示す図である。 本発明のインクジェットヘッドの分解図である。 リストリクタプレートの例を示す図である。 リストリクタプレートの例を示す図である。 リストリクタプレートの例を示す図である。

１．インクジェットヘッド
本発明のインクジェットヘッドは、ノズルを配置されたインク圧力室と、インク供給流路と、インク排出流路と、ピエゾ素子とを有する。インク供給流路からインク圧力室へインクが供給され、供給されたインクの一部はノズルから吐出され、残部はインク排出流路に排出される。このように、本発明のインクジェットヘッドは、インクが循環するタイプの、いわゆる循環型のインクジェットヘッドである。インク供給流路およびインク排出流路には、複数のインク圧力室が、並列に連通していることが好ましい。

各インク圧力室に配置されたピエゾ素子は、伸縮することでインク圧力室の容積を変化させ、インク圧力室内のインクに圧力を加えることができる。ピエゾ素子とは、電圧の印加によって伸縮する素子である。ピエゾ素子は、薄膜ピエゾ素子とバルクピエゾ素子とに分類されうる。本発明のインクジェットヘッドに含まれるピエゾ素子は、そのいずれでもよいが、高粘度のインクを吐出する場合には、バルクピエゾ素子を用いることが好ましい。バルクピエゾ素子による吐出力は、薄膜ピエゾ素子による吐出力よりも大きいからである。各インク圧力室に配置されるピエゾ素子の数は、１つであっても２つ以上であってもよい。

インク供給流路からインク圧力室に供給されたインクは、ピエゾ素子の伸縮による圧力を受けて、その一部がノズルを通って吐出される。吐出されないインクは、インク排出流路に排出される。

図１は、循環型のインクジェットヘッドを模式的に示す図である。図１に示されるインクジェットヘッド１０は、インク供給流路１００と、インク排出流路１１０と、複数のインク圧力室１２０（１２０Ａ〜１２０Ｃ）とを有する。インク供給流路１００から、リストリクタ部１６０（１６０Ａ〜１６０Ｃ）を通って各インク圧力室１２０に、インクが供給される。各インク圧力室１２０から、リストリクタ部１７０（１７０Ａ〜１７０Ｃ）を通って、排出流路１１０にインクが排出される。各インク圧力室１２０には、ノズル１４０（１４０Ａ〜Ｃ）と、ピエゾ素子１３０（１３０Ａ〜Ｃ）とが配置される。

図１に示されるように、リストリクタ部１６０とリストリクタ部１７０の流路の流径は、インク供給流路１００、インク排出流路１１０、インク圧力室１２０の流路径と比べて狭く、絞りこまれている。そのため、流路圧力損失が発生し、インク流れの逆流が抑制される。一方で、リストリクタ部でインクの流れが阻害されて、適切なインク循環ができないことがある。

そこで本発明のインクジェットヘッドは、図１におけるリストリクタ部１６０および／またはリストリクタ部１７０でエレクトロウェッティング現象を発生させて、インク流れを促進する。

図２は、循環型のインクジェットヘッドの斜視図である。図１と同様に、インクジェットヘッド１０は、インク供給流路１００と、インク排出流路１１０と、複数のインク圧力室１２０（１２０Ａ〜１２０Ｃ）とを有する。インクタンク１０５に蓄えられたインクは、インク供給流路１００、インク圧力室１２０、インク排出流路１１０を流れて、その後回収される。

図３Ａは、図２におけるインクジェットヘッド１０のＡ線での断面図であり、つまりインク供給流路およびインク排出流路に沿った方向の断面図である。図３Ｂは、図２におけるインクジェットヘッド１０のＢ線での断面図であり、つまりインク供給流路およびインク排出流路の流路方向に垂直な方向の断面図である。

図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、インクジェットヘッドは、通常、板状部材を積層させて製造される。インクジェットヘッドを構成する板状部材には、ノズルプレート５０、インク圧力室プレート６０、リストリクタプレート７０、流路プレート８０、ピエゾプレート９０などが含まれる。各プレートは、通常、接着剤層２００を介して接合されている。各プレートは、単層構造であってもよいが、積層構造であってもよい。各プレートの材質は特に制限されず、金属板であってもよいし、セラミック板であってもよいし、樹脂板であってもよい。通常は、金属板、具体的にはステンレス板などでありうる。

図４は、図３Ｂの断面図に示されるインクジェットヘッドを、板状部材ごとに分解した状態を示す。ノズルプレート５０には、ノズル１４０が形成されている。インク圧力室プレート６０には、インク圧力室に対応する容積の孔が形成されている。リストリクタプレート７０は、リストリクタ７１Ａと７１Ｂとが形成されている。リストリクタプレート７０は、ピエゾ素子１３０の伸縮による振動を、インク圧力室に伝えるための振動板（ダイヤフラム膜）としても機能する。流路プレート８０には、インクの供給流路１００および排出流路１１０を構成する孔が形成されている。さらに、ピエゾ素子１３０が貫通するための貫通孔８１が形成されている。ピエゾプレート９０には、ピエゾ素子１３０が配置されている。ピエゾ素子１３０は、対電極１３１および１３１’と、それに挟まれた圧電材料からなる積層体と、を有する。

本発明のインクジェットヘッドは、リストリクタプレート７０に特徴を有する。つまり、リストリクタプレート７０のリストリクタ７１Ａおよび７１Ｂの少なくとも一方に、電界を発生させることができるようにされている。

リストリクタ７１Ａおよび７１Ｂの少なくとも一方に電界を発生させる第一の手段は、リストリクタプレート７０を、非導電性基板と、当該非導電性基板のリストリクタ７１Ａまたは７１Ｂの周囲に配置した一対の電極とで構成することである。例えば、リストリクタプレート７０を、一対の電極をパターニングした印刷回路基板（Printed Circuit Board）とすればよい。印刷回路基板は、セラミック板、樹脂板、または樹脂で被覆された金属板などでありうる。パターニングされる電極は、導電性の高い金属、例えば銅である。

図５Ａ〜Ｃには、リストリクタプレート７０の例（７０-１〜７０-３）が示される。非導電性基板６９には、複数のリストリクタ７１Ａと、複数のリストリクタ７１Ｂと、が形成されている。図５Ａのリストリクタ７１Ａおよびリストリクタ７１Ｂの形状は丸型であり；図５Ｂおよび図５Ｃのリストリクタ７１Ａおよびリストリクタ７１Ｂの形状は矩形である。各リストリクタ７１Ａの周囲には、一対の電極７２Ａと電極７４Ａとが配置されている。電極７２Ａには引出配線７３Ａが接続し、電極７４Ａには引出配線７５Ａが接続されている。一方、各リストリクタ７１Ｂの周囲には、一対の電極７２Ｂと７４Ｂとが配置されている。電極７２Ｂには引出配線７３Ｂが接続し、電極７４Ｂには引出配線７５Ｂが接続されている。

一対の電極７２と電極７４は、リストリクタ７１の周囲の少なくとも一部に配置されていればよいが；電界を発生させやすくするには、一対の電極７２と電極７４とで、できるだけリストリクタ７１の周囲を囲むことが好ましい。したがって、図５Ｂの電極配置よりも、図５Ｃの電極配置のほうが、電界の発生させやすさという点では好ましい。

図６には、リストリクタプレート７０の例（７０-４）が示される。非導電性基板６９には、複数のリストリクタ７１Ａと、複数のリストリクタ７１Ｂと、が形成されている。リストリクタ７１Ａの周囲には、電極７７Ａが配置され；リストリクタ７１Ｂの周囲には、電極７７Ｂが配置される。電極７７Ａには引出配線７８Ａが接続し；電極７７Ｂには引出配線７８Ｂが接続する。さらに、導電性基板７５には、共通グランド電極７６が形成されている。

図５Ａ〜Ｃおよび図６に示されるリストリクタプレートによれば、各リストリクタに独立して電界を発生させることができる。したがって、より精密なインク吐出とインク循環とが実現される。

また、図５Ａ〜Ｃおよび図６に示されるリストリクタプレートは、リストリクタ７１Ａおよびリストリクタ７１Ｂの両方に、電界を発生させることができるが；何れか一方だけに電界を発生させるようにしてもよい。つまり、リストリクタ７１Ａおよびリストリクタ７１Ｂの何れか一方だけに、一対の電極を配置してもよい。

リストリクタ７１Ａおよび７１Ｂの少なくとも一方に電界を発生させる第二の手段は、リストリクタプレートを導電性基板で構成し、当該導電性基板を、電極として用いることである。

図７には、リストリクタプレート７０の例（７０-５）が示される。リストリクタプレート７０-５は、３つの導電性基材（７９-１,７９-３，７９-５）と、複数のリストリクタ７１Ａが形成された絶縁基材（７９-４）と、複数のリストリクタ７１Ｂが形成された絶縁基材（７９-２）とからなる。３つの導電性基材のうち、導電性基材７９-３を陰極とし、導電性基材７９-１および７９-５を陽極として用いる。

図７に示されるリストリクタプレートは、各リストリクタに独立して電界を発生させることはできないが、コスト面からは有利である。

リストリクタ７１の内径は、発生させるべき流路圧力損失の大きさや、電界の発生させやすさなどに応じて適宜設定されるが、通常は１０〜１００μｍの範囲に設定されることが多い。リストリクタ７１の形状は、特に限定されない。

リストリクタ７１Ａおよび７１Ｂに電界を発生させると、インクに対するリストリクタ７１Ａおよび７１Ｂの濡れ性が変化し、具体的には濡れ性が高まる。電界の発生により、液体の濡れ性が高まる現象を「エレクトロウェッティング現象」という。

リストリクタプレート７０のうち、インクと接触する部分は、撥インク性の絶縁膜または誘電膜で覆われていてもよい。エレクトロウェッティング現象によるインクに対する濡れ性の向上は、撥インク性物質との界面において、より効果的に発現するからである。

また、本発明のインクジェットヘッドは、ノズルにもエレクトロウェッティング現象を生じさせてもよい。ノズルにウェッティング現象を生じさせるには、前述のノズルプレート（図４の符号５０などを参照）に、電極と引出配線を配置すればよい。リストリクタプレートの場合と同様に、ノズルの周囲に沿って一対の電極を形成することが好ましい。

２．インクジェットヘッドの制御
本発明のインクジェットヘッドは、循環型のインクジェットヘッドであり、インク圧力室からインク排出流路にインクが排出されるとともに、インク圧力室に順次新しいインクが供給されなければならない。一方で、インク圧力室にあるインクの一部は、ノズルから吐出されなければならない。このノズルからのインク吐出が、インク循環によって阻害されることがある。つまり、ピエゾ素子によってインク圧力室のインクに圧力が加えられても、その力がインク吐出のための力に効率的に変換されず、インクを循環させるための力に変換されてしまうことがあった。

そこで本発明のインクジェットヘッドは、インク循環と、ノズルからのインク吐出とを、いずれも効率的に行えるように制御されることが好ましい。つまり、インク循環をさせたいときには、リストリクタ７１Ａまたは７１Ｂに電界を発生させて、エレクトロウェッティング現象を起こしてインクに対する濡れ性を高めて、リストリクタ７１Ａまたは７１Ｂをインクが通過しやすいようにする。一方で、ノズルからのインク吐出をさせたいときには、リストリクタ７１Ａまたは７１Ｂに電界を発生させずに、インクに対する濡れ性を下げて、リストリクタ７１Ａまたは７１Ｂを、インクが通過しにくいようにする。

ピエゾ素子は、電圧を印加されると伸張し、電圧の印加を解除されると収縮する性質を有する。つまり、ピエゾ素子への電圧印加したときに、インク圧力室内のインクに圧力が加わり、ノズルからインクが吐出される。そこで、ピエゾ素子への電圧印加するときには、リストリクタ７１Ａまたは７１Ｂに電界を発生させずに、インク循環がしにくいようにする。それにより、ピエゾ素子による圧力が、インク循環のための力に変換されることなく、効率的にノズルからのインク吐出力に変換される。

一方で、ピエゾ素子に電圧印加を解除して収縮させるときには、リストリクタ７１Ａまたは７１Ｂに電界を発生させて、インク循環がしやすいようにする。これにより、ピエゾ素子の収縮にあわせてインク室内にインクが流入するため、適切な循環が実現される。

前記の通り、本発明のインクジェットヘッドは、ノズルにもエレクトロウェッティング現象を生じさせうる。ノズルにウェッティング現象を生じさせる場合には、ピエゾ素子がインク圧力室のインクに圧力を加えるのと同期して、ノズルにウェッティング現象を生じさせて、インクに対する濡れ性を高める。それによりノズルからのインク吐出がスムーズになり、吐出力が高まる。

エレクトロウェッティング現象を発生させるために必要な電圧は、インクを分解させたり変性させたりしない範囲で適宜に設定されるが、通常は１０〜１００Ｖの範囲に設定される。

３．インクジェット装置について
本発明のインクジェット装置は、前述のインクジェットヘッドを具備することを特徴とするが、それ以外は、従来のインクジェット装置と同様の構成をとりうる。例えば、インクジェットヘッドを固定する部材や、インクを塗布する対象物を載置して移動するための移動ステージなどを有する。

本発明のインクジェット装置は、インクを循環させるためのインク循環装置を具備する。インクの循環はポンプなどの駆動圧力で行うが、供給圧力が一定になるように循環タンクを介して循環させることが好ましい。インクジェット装置は、インクジェットヘッドのインクを、装置作動中に絶えず循環させてもよいし；断続的に循環させてもよい。

本発明のインクジェットヘッドは、インク循環型であるので、インク圧力室にインクが滞留することなく、常にインク圧力室のインクが交換される。そのため、劣化したインクの吐出を防ぐことができる。また、本発明のインクジェットヘッドは、インク循環型であるにも係わらず、吐出力が高く、高粘度のインクであっても吐出することができる。よって、例えば有機ＥＬディスプレイなどの有機機能層を塗布形成するためのインクジェット装置のインクジェットヘッドとして用いることができる。

１０ インクジェットヘッド
５０ ノズルプレート
６０ インク圧力室プレート
６９ 非導電性基板
７０，７０-１〜７０-５ リストリクタプレート
７１Ａ，７１Ｂ リストリクタ
７２Ａ，７２Ｂ 電極
７３Ａ，７３Ｂ 引出配線
７４Ａ，７４Ｂ 電極
７５Ａ，７５Ｂ 引出配線
７６ 共有グランド電極
７７Ａ，７７Ｂ 電極
７８Ａ，７８Ｂ 引出配線
７９-１，７９-３，７９-５ 導電性基材
７９-２，７９-４ 絶縁基材
８０ 流路プレート
８１ ピエゾ素子が貫通するための孔
９０ ピエゾプレート
１００ インク供給流路
１０５ インクタンク
１１０ インク排出流路
１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ インク圧力室
１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ，１３０Ｃ ピエゾ素子
１３１，１３１’ 対電極
１４０，１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ ノズル
１６０，１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃ リストリクタ部
１７０，１７０Ａ，１７０Ｂ，１７０Ｃ リストリクタ部
２００ 接着剤層

Claims (5)

1. インク液滴を吐出するためのノズルを有するインク圧力室と、前記インク圧力室に供給されるインクが流れる供給流路と、前記インク圧力室から排出されるインクが流れる排出流路と、前記インク圧力室内のインクに圧力を加えるピエゾ素子と、を有するインクジェットヘッドであって、
   前記インク圧力室と前記供給流路とは、リストリクタＡを介して連通しており、前記リストリクタＡに電界を発生させることでエレクトロウェッティング現象を生じさせる、インクジェットヘッド。
2. 前記インク圧力室と前記排出流路とは、リストリクタＢを介して連通しており、リストリクタＢに電界を発生させることでエレクトロウェッティング現象を生じさせる、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記ノズルに、電界を発生させることでエレクトロウェッティング現象を生じさせる、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記インクジェットヘッドは、前記ノズルが形成されたノズルプレートと；インク圧力室を構成するインク圧力室プレートと；リストリクタＡを形成されたリストリクタプレートと；供給流路および排出流路を構成する流路プレートと；ピエゾ素子を有するピエゾプレートと、を含み、各プレートはこの順に積層されており、
   前記リストリクタプレートは、前記リストリクタＡの周囲に配置された一対の電極と、前記一対の電極からの引出配線とを有する、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを具備するインクジェット装置。
   

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