JP2013163139A - インクジェット装置、印刷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクの安定した吐出を実現するインクジェット装置を提供する
【解決手段】インクを吐出するノズル３０８が設けられたノズルプレート３０７を、吐出するインクと同極性に帯電させる。インクの吐出の際、インクの主滴４０１から分離してでるサテライト４０２とノズルプレート３０７との間に電気的反発力が生じ、ノズル３０８付近へのサテライト４０２の付着を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット装置に関し、特にインクを安定して吐出するインクジェット装置に関する。

インクジェット技術とは、インクジェットヘッドのノズルからインクを吐出し、紙や基板上にインクを塗布する技術である。
このインクの吐出の際、インクジェットヘッドのノズルからは、一つの液滴（主滴）の吐出だけでなく、インクの主滴から分離してでる微小な液滴（サテライト）の吐出が発生する場合がある。かかるサテライトは、インクジェットヘッドのノズルに付着し、インクの不吐出を引き起こすことが知られている。

特許文献１には、インクの安定した吐出を実現するため、電気絶縁性の材料で撥水処理した部分と、電気絶縁性の材料で撥水処理されていない部分からなるノズルプレートをインクジェットヘッドに設け、撥水処理部と非撥水処理部との間に電位差を与えることで、ノズルから吐出されるインクと逆極性の電位を持つ非撥水処理部分にサテライトを吸着させる技術が開示されている。

特開２００７−３３１１２７号公報

特許文献１に開示される技術は、ノズルプレートの非撥水処理部分にサテライトを意図的に吸着する。このため、インクの吐出を長時間連続して行った場合、ノズルプレートの非撥水処理部分にインクの液溜りが生じ、このインクの液溜りが自重で落下し、プリント対象の電子デバイス等に付着する恐れがある。
余分なインクが一度に落下し、プリント対象の電子デバイスに付着した場合、電子デバイスは想定した性能が得られず、歩留まりが低下する。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、インクの液溜りの、プリント対象の電子デバイス等への落下を防ぐとともに、インクの安定した吐出を実現するインクジェット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様であるインクジェット装置は、インクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを有するインクジェットヘッドと、帯電手段とを備え、前記ノズルプレートの吐出面側の表面は、前記帯電手段により、吐出するインクと同極性に帯電していることを特徴とする。

本発明の一態様であるインクジェット装置によれば、ノズルプレートの吐出面側の表面は、吐出するインクと同極性に帯電している。これにより、インクの吐出の際に発生するサテライトとノズルプレートとの間に、電気的反発力が生じ、この電気的反発力により、サテライトのノズルへの付着を防ぐことができる。ノズルにサテライトが付着することが無いため、インクの安定した吐出が可能となる。

また、サテライトが発生する度に、電気的反発力によりサテライトを飛ばすので、ノズルプレートにインクの液溜りが発生することを防ぐことができる。
また、ノズルプレートにインクの液溜りが発生しないので、インクの液溜まりがプリント対象の電子デバイス等に落下することもない。

インクジェット装置１００の構成を示す斜視図である。 インクジェットヘッド３００の構成を示す断面図である。 インクの不吐出の過程を模式的に示す図である。 サテライトの吸着防止作用を説明する図である。

≪本発明の一態様の概要≫
本発明の一態様であるインクジェット装置は、インクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを有するインクジェットヘッドと、帯電手段とを備え、前記ノズルプレートの吐出面側の表面は、前記帯電手段により、吐出するインクと同極性に帯電している。
また、本発明の一態様にかかるインクジェット装置の特定の局面では、前記ノズルプレートは、導電性物質からなり、前記帯電手段は電源装置であり、前記電源装置は、前記ノズルプレートに電圧を印加し、前記ノズルプレートを帯電させる。

また、本発明の一態様にかかるインクジェット装置の特定の局面では、前記インクジェットヘッドは、圧電素子に電圧を印加することで、前記圧電素子を変形させ、吐出するインクを収容するインク室の一部を形成する振動板に撓みを生じさせることで、インクの吐出を行うものであり、前記圧電素子は、前記振動板に接して設けられた第１電極と、前記振動板とは反対側に設けられた第２電極を有し、吐出するインクが帯電する極性は、前記第１電極に印加する電位、インクを構成する材料、およびインクジェットヘッド内のインクと接する部分を構成する材料に基づき定まる。

また、本発明の一態様にかかる印刷方法は、インクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートの吐出面側の表面を吐出するインクと同極性に帯電させてインクの吐出を行う。
≪実施の態様≫
（実施の形態１）
［インクジェット装置の構成］
まず、実施の形態１にかかるインクジェット装置の構成について説明する。図１は、インクジェット装置１００の構成を示す斜視図である。インクジェット装置１００は、インクジェットテーブル２００、およびインクジェットヘッド３００で構成される。インクジェットテーブル２００に塗布対象の基板等を配置し、インクジェットテーブル２００によりインクジェットヘッド３００をＸＹ方向に走査し、所望の位置で、インクジェットヘッド３００のノズルからインクを吐出することにより、基板等にインクを塗布する。以下では、インクジェットテーブル２００、およびインクジェットヘッド３００の具体的な構成について説明する。

（インクジェットテーブル２００）
図１に示すように、インクジェットテーブル２００は、いわゆるガントリー式の作業テーブルであり、基台のテーブルの上をガントリー部（移動架台）が一対のガイドシャフトに沿って移動可能に配されている。
具体的構成として、板状の基台２０１には、その上面の四隅に柱状のスタンド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０３Ａ、２０３Ｂが配設されている。これらのスタンド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０３Ａ、２０３Ｂに囲まれた内側領域には、塗布対象となる基板を載置するための固定ステージＳＴと、塗布直前にインクを吐出させることにより吐出特性を安定化させるために用いるインクパン（皿状容器）ＩＰがそれぞれ配設されている。

また、スタンド２０２Ａ、２０２Ｂ、２０３Ａ、２０３Ｂには、基台２０１の長手（Ｙ）方向に沿って、ガイドシャフト２０４Ａ、２０４Ｂが平行軸支されている。ガイドシャフト２０４Ａ、２０４Ｂにはリニアモーター部２０５、２０６が挿通されており、リニアモーター部２０５、２０６に対してガイドシャフト２０４Ａ、２０４Ｂを架け渡すように、ガントリー部２１０が搭載されている。この構成により、インクジェット装置１００の駆動時において、一対のリニアモーター部２０５、２０６が駆動されることで、ガントリー部２１０がガイドシャフト２０４Ａ、２０４Ｂの長手方向（Ｙ軸方向）に沿ってスライド自在に往復運動する。

ガントリー部２１０には、Ｌ字型の台座からなる移動体（キャリッジ）２２０が配設される。移動体２２０にはサーボモーター部（移動体モーター）２２１が配設され、各モーターの軸の先端に不図示のギヤが配されている。ギヤはガントリー部２１０の長手方向（Ｘ方向）に沿って形成されたガイド溝２１１に嵌合される。ガイド溝２１１の内部にはそれぞれ長手方向に沿って微細なラックが形成されている。ギヤはラックと噛合しているので、サーボモーター部２２１が駆動すると、移動体２２０はいわゆるピニオンラック機構によって、Ｘ軸方向に沿って往復自在に精密に移動する。

ここで、移動体２２０にはインクジェットヘッド３００が装備されるので、移動体２２０をガントリー部２１０に対して固定した状態でガントリー部２１０をガイドシャフト２０４Ａ、２０４Ｂの長手方向に沿って移動させることによって、また、ガントリー部２１０を停止させた状態で移動体２２０をガントリー部２１０の長手方向に沿って移動させることによって、塗布対象基板に対してインクジェットヘッド３００を走査させることができる。インクジェットヘッド３００の主走査方向は行（Ｙ軸）方向であり、副走査方向は列（Ｘ軸）方向である。

また、ピエゾ素子駆動電源部２２２は、インクジェットヘッド３００に接続されており、インクジェットヘッド３００に設けられたピエゾ素子３０１に対して電圧を印加する。本実施の形態にかかるインクジェット装置は、ピエゾ素子の変形を利用した、いわゆるピエゾ方式によりインクの吐出を行うものであり、ピエゾ素子駆動電源部２２２が印加する電圧を制御することで、所望のインク吐出動作を行うことができる。

また、ノズルプレート電圧印加電源部２２３は、インクジェットヘッド３００に接続されており、インクジェットヘッド３００に設けられたノズルプレート３０７に対して電圧を印加する。
詳細は後述するが、ノズルプレート３０７に対して電圧を印加することにより、ノズルプレート３０７を吐出するインクと同極性に帯電させる。これにより、インクの吐出の際に発生するサテライトとノズルプレート３０７との間に、電気的反発力が生じ、サテライトのノズルへの付着を防ぐことができる。

（インクジェットヘッド３００）
続いて、インクジェットヘッド３００の構成について説明する。インクジェットヘッド３００は、内部に設けられたインク室内のインクを加圧することにより、ノズルからインク滴を吐出するものである。
図２は、インクジェットヘッド３００の構成を示す断面図である。インクジェットヘッド３００は、ピエゾ素子３０１、上部電極３０２、下部電極３０３、振動板３０４、インク室部材３０５、インク室３０６、ノズルプレート３０７、ノズル３０８から構成される。

ピエゾ素子３０１は、電圧が印加されると伸縮し体積が変化する特性を持つ誘電体である。ピエゾ素子３０１の上部には上部電極３０２が設けられ、下部には下部電極３０３が設けられている。
本実施の形態にかかるインクジェット装置は、ピエゾ素子の変形を利用した、いわゆるピエゾ方式によりインクの吐出を行うものである。ピエゾ素子駆動電源部２２２から、上部電極３０２、下部電極３０３を通じてピエゾ素子３０１に電圧を印加するとピエゾ素子３０１が伸長し、後述する振動版が撓む。その力がインク室に加えられインクを吐出する。

振動板３０４は、ピエゾ素子３０１の下部に設けられた金属膜であり、ピエゾ素子３０１の伸縮に従い撓む。
インク室３０６は、吐出されるインクが収容される。インク室３０６の上壁は振動板３０４からなり、側壁、下壁はインク室部材３０５からなる。ピエゾ素子３０１の伸縮による振動板３０４の撓みにより、インク室３０６内の圧力が変化し、その圧力変化に応じてノズルからインクが吐出される。

ノズルプレート３０７は、ステンレス等の導電性を有する材料からなり、インクの吐出口であるノズル３０８を形成する。ノズル３０８は、ノズルプレート３０７の中心位置に板厚方向に貫通して形成され、テーパ状に縮径された形状を有している。
ノズルプレート３０７は、ノズルプレート電圧印加電源部２２３と接続され、電圧（ノズルプレート電圧）が印加される。導電性を有する材料から構成されるノズルプレート３０７に電圧を印加すると、ノズルプレート３０７の表面には印加した電圧に誘起された電荷が現れ、ノズルプレート３０７は電荷を帯びる（帯電する）。

本実施の形態では、ノズルプレート３０７に正または負の１ｋＶの電圧を印加することで、ノズルプレート３０７を吐出するインクと同極性に帯電させる。すなわち、吐出するインクがプラスに帯電する場合には、ノズルプレート３０７に正の電圧を印加し、ノズルプレート３０７をプラスに帯電させる。吐出するインクがマイナスに帯電する場合には、ノズルプレート３０７に負の電圧を印加し、ノズルプレート３０７をマイナスに帯電させる。後述するように、吐出するインクがプラス、マイナスのどちらに帯電するかは、インクを構成する材料、および用いるインクジェット装置の装置構成から定まり、予め動作実験等を行うことで、または経験的に特定することができる。このように、塗布に用いるインクによって、ノズルプレート３０７をプラスに帯電させるか、マイナスに帯電させるかを変える。

本実施の形態では、吐出するインクと同極性に帯電しているので、インクの吐出の際に発生するサテライトとノズルプレートとの間に、電気的反発力が生じる。この電気的反発力により、サテライトのノズルへの付着を防ぐ。
以下では、上記構成を備えるインクジェットヘッド、インクジェット装置のインクの不吐出の防止について詳細に説明する。

まず、インクの不吐出が発生する原因について説明する。図３は、インクの不吐出の過程を模式的に示す図である。
本実施の形態にかかるインクジェット装置は、ピエゾ素子に電圧を印加することで、インク室内の容積を一時的に減少させ、インク室内のインクをノズルから吐出する。ノズルからは、表面張力により球形状となったインクが吐出される。この際、球形状の主滴の他に、インクの主滴から分離してでる微小な液滴（サテライト）が吐出される場合がある。

一般に有機ＥＬ素子の作製に用いられるインクは、粘度が１〜２０［ｃＰ］であり、溶質が０．１〜３．０［ｗｔ％］含まれ、溶媒の沸点は１７０〜３００［℃］であるが、このような溶剤系のインクでは、サテライトが発生しやすいことが知られている。本実施の形態にかかるインクジェットヘッド、インクジェット装置は、このような有機ＥＬ素子の作製にも用いることができる。

サテライトは非常に小さく、速度が急速に減少し、ノズル近傍に付着しやすく、本図に示されるように、インクの吐出過程において、インクジェットのノズル近傍にサテライトが付着する。
このインクジェットのノズル近傍に付着したサテライトは、経時的に成長し、やがてノズル部分にインクの液溜りが生じる。ノズル部分に生じたインクの液溜りは、インクの吐出の阻害要因となり、安定してインクの吐出を行うことができず、インクの不吐出が発生する。また、インクが真下に吐出されず、斜め方向への吐出が発生する場合がある。

このように、インクの吐出の際に生じるサテライトがインクジェットヘッドのノズルプレートに付着することが、インクの不吐出の原因となる。本実施の形態にかかるインクジェットヘッド、インクジェット装置は、インクの吐出の際に発生するサテライトをノズル付近へ付着することを防ぐことで、安定したインクの吐出を実現するものである。
続いて、サテライトの付着防止について説明する。図４は、本実施の形態におけるサテライトの付着防止作用を説明する図である。本図に示されるように、インクを吐出するノズル３０８が設けられたノズルプレート３０７は、ノズルプレート電圧印加電源部２２３と接続されている。ノズルプレート電圧印加電源部２２３は、ノズルプレート３０７に対して、電圧（ノズルプレート電圧）を印加する。電圧を印加することで、インクと同極性に帯電させる。

インクジェット装置は、ピエゾ素子に電圧を印加することで、インク室内の容積を一時的に減少させ、インク室内のインクをノズルから吐出する。ノズル３０８からは、表面張力により球形状となったインクが吐出される。この際、球形状の主滴４０１の他に、インクの主滴から分離してでる微小な液滴（サテライト４０２）が吐出される。
インクの吐出の際に発生するサテライト４０２とノズルプレート３０７との間に、電気的反発力が生じ、この電気的反発力により、サテライトのノズルへの付着を防ぐことができる。

また、サテライトが発生する度に、電気的反発力によりサテライトを飛ばすので、ノズルプレートにインクの液溜りが生じ、プリント対象の電子デバイス等に落下することを防ぐことができる。
続いて、吐出するインクの帯電について説明する。ノズルから吐出するインクが帯電する要因は、以下の二つがある。

（１）ピエゾ素子の電極に印加する電位
（２）インクが接するインクジェットヘッド内の部材との摩擦
まず、ピエゾ素子の電極に印加する電位に誘発されて帯電する場合について説明する。
本実施の形態にかかるインクジェットヘッドは、ピエゾ素子の変形を利用した、いわゆるピエゾ方式によりインクの吐出を行うものである。図２を参照するに、ピエゾ素子３０１の下部電極３０３は、振動版３０４に接して設けられている。

このようなインクジェットヘッドの構成において、下部電極３０３に電位を印加すると、下部電極３０３に接する振動板３０４が帯電する。その結果、振動板３０４のインク室３０６の壁側に電荷が誘発され、インク室３０６内のインクが帯電する場合がある。
次に、インクが接するインクジェットヘッド内の部材との摩擦により帯電する場合について説明する。

異なる物質同士が接触すると、それぞれの仕事関数の差により物質間で電子が移動する。ノズルから吐出するインクは、インク室３０６を構成するインク室部材３０５等と接触し、これらの部材との摩擦により帯電する。インクがプラス、またはマイナスのどちらかに帯電するかは、接触する物質同士の帯電系列に応じて定まる。
このように、吐出するインクは、ピエゾ素子の電極に印加する電位、および、インクが接するインクジェットヘッド内の部材との摩擦、の２つの要因により帯電する。すなわち、吐出するインクが、プラス、マイナスのどちらに帯電するかは、インクを構成する材料、および用いるインクジェット装置の装置構成から定まり、予め動作実験等を行うことにより、または経験的に特定することができる。

本実施の形態では、吐出するインクがプラス、マイナスのどちらに帯電するか特定しておき、電圧を印加することで、その極性と同極性にノズルプレート３０７を帯電させている。これにより、インクの吐出の際に発生するサテライトとノズルプレートとの間に、電気的反発力が生じ、この電気的反発力により、サテライトのノズルへの付着を防ぐことができる。サテライトは微小、かつ軽いので、電気的反発力により、十分にノズルへの付着を防ぐことができる。また、ノズルプレート部分にインクの液溜りが生じ、このインクの液溜りが塗布対象の基板等に落下することもない。

［検証実験］
本実施の形態にかかるインクジェットヘッド３００のインクの不吐出の防止効果を確認するため、以下の３パターンの場合において、１３時間連続してインクの吐出を行い、インクの不吐出が発生するか調べた。
（１）ノズルプレート３０７に電圧を印加し、プラスに帯電（実施例１）
（２）ノズルプレート３０７に電圧を印加し、マイナスに帯電（実施例２）
（３）ノズルプレート３０７に電圧を印加しない（比較例）
実施例１は、インクを構成する材料、および用いるインクジェット装置の装置構成の関係から、吐出するインクはプラスに帯電するものである。ノズルプレート３０７には、１ｋＶの電圧を印加し、吐出するインクと同極性に、すなわちプラスに帯電させている。

実施例２は、実施例１に用いたインクと異なるインクを用いたものであり、インクを構成する材料、および用いるインクジェット装置の装置構成の関係から、吐出するインクはマイナスに帯電するものである。ノズルプレート３０７には、１ｋＶの電圧を印加し、吐出するインクと同極性に、すなわちマイナスに帯電させている。
比較例は、実施例１に用いたインクと同じインクを用いたものである。実施例１とは、電圧を印加していない点のみ異なる。

検証実験の結果を下記の表に示す。

上記の表に示すように、電圧を印加せず、ノズルプレート３０７を帯電させていない比較例においては、３時間後に不吐出が発生したのに対して、吐出するインクと同極性にノズルプレート３０７を帯電させた実施例１、実施例２では、不吐出が発生しなかった。

比較例においては、ノズル付近にサテライトが付着し成長した結果、インクの液溜りが生じ、ノズルからインクが吐出されなくなったと考えられる。
一方、実施例１、実施例２においては、インクを吐出するノズル３０８が設けられたノズルプレート３０７を、吐出するインクと同極性に帯電させることにより、インクの吐出の際に発生するサテライトとノズルプレート３０７との間に、電気的反発力を生じさせ、サテライトのノズルへの付着を防いでいる。このように、本実施形態に開示のインクジェットヘッド、インクジェット装置は、インクの不吐出の防止に有効である。

［補足］
なお、上記の実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記の実施の形態に限定されないことはもちろんである。以下のような場合も本発明に含まれる。
（１）本発明は、上記の実施形態で開示したインクジェット装置を用いる印刷方法であるとしてもよい。

（２）上記実施の形態の図１に示すインクジェット装置の構成は一例であり、本発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、図１では、ノズルプレート電圧印加電源部２２３を移動体２２０上に設ける構成を示したが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。ノズルプレート電圧印加電源部２２３を、インクジェット装置１００の外部に配置する構成とし、この外部電源によりインクジェットヘッド３００に設けられたノズルプレート３０７に対して電圧を印加するとしてもよい。

また、図１では、インクジェットヘッドが一つしかないインクジェット装置の構成を示したが、インクジェットヘッドを複数個設けてもよい。
（３）上記実施の形態では、ピエゾ素子の変形を利用した、いわゆるピエゾ方式によりインクの吐出を行う場合を説明したが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。例えば、ヒーター加熱によりインクを沸騰させ、発生した気泡の力でインクを吐出する、いわゆるサーマル方式によりインクの吐出を行ってもよい。

この場合、インクが接するインクジェットヘッド内の部材との摩擦により、ノズルから吐出するインクは帯電する。
（４）上記実施の形態の図２、図４では、ノズルプレート３０７の吐出面側の表面全面を帯電させる場合を説明したが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。ノズルプレート３０７のノズル３０８の近傍部分が、吐出するインクと同極性に帯電する構成であればよい。

（５）上記実施の形態では、ノズルプレート３０７はステンレス等の導電性を有する材料から構成されるとしたが、本発明は必ずしもこの場合に限定されない。ノズルプレート３０７は、絶縁体材料から構成されてもよい。この場合、例えば、コロナ放電によって発生させたイオンをノズルプレート３０７に照射することにより、ノズルプレート３０７を帯電させることができる。

本発明のインクジェット装置は、インクの安定した吐出を実現することができ、有益である。

１００ インクジェット装置
２００ インクジェットテーブル
２０１ 基台
２０２Ａ、２０２Ｂ、２０３Ａ、２０３Ｂ スタンド
２０４Ａ、２０４Ｂ ガイドシャフト
２０５、２０６ リニアモータ部
２１０ ガントリー部
２１１ ガイド溝
２２０ 移動体
２２１ サーボモータ部
２２２ ピエゾ素子駆動電源部
２２３ ノズルプレート電圧印加電源部
３００インクジェットヘッド
３０１ ピエゾ素子
３０２ 上部電極
３０３ 下部電極
３０４ 振動板
３０５ インク室部材
３０６ インク室
３０７ ノズルプレート
３０８ ノズル
４０１ 主滴
４０２ サテライト

Claims (4)

1. インクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートを有するインクジェットヘッドと、
   帯電手段とを備え、
   前記ノズルプレートの吐出面側の表面は、前記帯電手段により、吐出するインクと同極性に帯電している
   ことを特徴とするインクジェット装置。
2. 前記ノズルプレートは、導電性物質からなり、
   前記帯電手段は電源装置であり、
   前記電源装置は、前記ノズルプレートに電圧を印加し、前記ノズルプレートを帯電させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット装置。
3. 前記インクジェットヘッドは、圧電素子に電圧を印加することで、前記圧電素子を変形させ、吐出するインクを収容するインク室の一部を形成する振動板に撓みを生じさせることで、インクの吐出を行うものであり、
   前記圧電素子は、前記振動板に接して設けられた第１電極と、前記振動板とは反対側に設けられた第２電極を有し、
   吐出するインクが帯電する極性は、前記第１電極に印加する電位、インクを構成する材料、およびインクジェットヘッド内のインクと接する部分を構成する材料に基づき定まる
   ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット装置。
4. インクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートの吐出面側の表面を吐出するインクと同極性に帯電させてインクの吐出を行う印刷方法。

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