JP2014144431A - インクジェットヘッド及び吐出液の吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性粒子を含む吐出液の吐出に適した新規なインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】インクジェットヘッドは、磁性粒子を含む吐出液を吐出口から吐出するノズルと、吐出液を吐出させるエネルギーを供給する吐出機構と、吐出口付近に設けられた電磁石と、制御装置とを有し、制御装置は、吐出機構を駆動する吐出信号を供給するとともに、吐出信号と同期させて電磁石を駆動する電磁石駆動信号を供給し、電磁石駆動信号は、磁性粒子が電磁石に吸引され保持されて吐出されない状態と、磁性粒子が前記電磁石から解放されて吐出される状態とを切り替える。
【選択図】図５−１

Description

本発明は、インクジェットヘッド及び吐出液の吐出方法に関する。

インクジェット技術は、様々な用途に用いられている。例えば、特許文献１には、印字に磁性体インクを利用したインクジェットプリンタが開示されており、特許文献２には、インクジェットにより金属パターンを形成する方法が開示されている。本願発明者は、磁性粒子を含む吐出液の吐出にインクジェット技術を応用することを検討している。

特開平５−９６７３７号公報 特開２０１０−２５１５９４号公報

本発明の一目的は、磁性粒子を含む吐出液の吐出に適した新規なインクジェットヘッド及び吐出方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、
磁性粒子を含む吐出液を吐出口から吐出するノズルと、
前記吐出液を吐出させるエネルギーを供給する吐出機構と、
前記吐出口付近に設けられた電磁石と、
制御装置と
を有し、
前記制御装置は、前記吐出機構を駆動する吐出信号を供給するとともに、前記吐出信号と同期させて前記電磁石を駆動する電磁石駆動信号を供給し、前記電磁石駆動信号は、前記磁性粒子が前記電磁石に吸引され保持されて吐出されない状態と、前記磁性粒子が前記電磁石から解放されて吐出される状態とを切り替える、インクジェットヘッド
が提供される。

吐出された吐出液中での磁性粒子の位置を制御することが容易になる。

図１Ａは、実施例による粒子状素子の概略断面図であり、図１Ｂは、粒子状素子の分散液である吐出液の概略断面図である。 図２は、粒子状素子の実装工程を示す概略斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、インクジェットヘッドから吐出液が吐出されている状態を示す概略断面図である。 図４は、粒子状素子を含む吐出液が対象物に着弾する直前の状態を示す概略断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、実施例によるインクジェットヘッドを用いた吐出方法を示す概略断面図である。 図５Ｃは、実施例によるインクジェットヘッドを用いた吐出方法を示す概略断面図である。 図６は、実施例による吐出方法を示すタイミングチャートである。 図７は、サテライト滴に粒子状素子を含む吐出状態を示す概略断面図である。 図８は、変形例によるインクジェットヘッドの概略断面図である。

本願発明者は、微小な粒子状の半導体発光素子を、インクジェット技術を用いて回路基板上に実装する方法について検討している。まず、実装方法の概略について説明する。

図１Ａは、実施例による粒子状半導体発光素子の概略断面図である。粒子状半導体発光素子１は、例えばＧａＮ系半導体で形成されたｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層が積層されたデバイス構造層２と、ｎ型半導体層上に形成されたｎ側電極層３ｎと、ｐ型半導体層上に形成されたｐ側電極層３ｐとを含む。粒子状半導体発光素子１は、例えば、板状の形状で、大きさが１０μｍ角〜５０μｍ角程度、厚さが４μｍ〜１０μｍ程度である。

ｎ側電極層３ｎ及びｐ側電極層３ｐは、例えば、強磁性体もしくは反磁性体などを用い外部磁場により磁化することで、ｎ側電極層３ｎの上面及びｐ側電極層３ｐの下面（つまり粒子状半導体発光素子１の両面）が同磁極性（本実施例ではＮ極）となるように磁化されている。粒子状半導体発光素子１の側面に、他の磁極性（本実施例ではＳ極）が現れている。図１Ａに、概略的な磁力線を示す。以下、粒子状半導体発光素子１を、単に粒子状素子１と呼ぶ。また、磁極性を単に極性と呼ぶことがある。

図１Ｂは、粒子状素子の分散液である吐出液の概略断面図である。吐出液４の媒質５中に、多数の粒子状素子１が、磁力により反発し合って分散している。なお、粒子状素子１は、相対的に広い両面に現れた同極性で反発し合い、相対的に狭い側面に現れた異極性の影響は小さいと考えられる。

媒質５として、例えば、速乾性インクに用いられるメチルエチルケトン、アセトン、エタノールや、水系インクに用いられる水（精製水）や、オイル系インクに用いられるグリコールエーテル、脂肪族炭化水素等が挙げられる。

図２は、粒子状素子の実装工程を示す概略斜視図である。インクジェットヘッド１０から、粒子状素子１を含む吐出液４を、電極１１がパターン形成されたシート基材１２上へ吐出する。なお、粒子状素子１の有する磁性は、シート基材１２上で磁石を用いて粒子状素子１をアライメントするために用いることもできる。

次に、インクジェットヘッドから吐出液（インク）が吐出される際の一般的な現象について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、インクジェットヘッドから吐出液が吐出されている状態を示す概略断面図である。

図３Ａに示すように、インクジェットヘッド１００から吐出される吐出液４は、吐出口１０１から離れる前に、柱状となっている。

図３Ｂに示すように、吐出口１０１から離れた吐出液４は、空気中で表面張力により球状となる。この際、吐出された吐出液４は、一滴の液滴とならずに、メイン滴と呼ばれるメインの液滴４ｍと、サテライト滴と呼ばれる２つ目以降の液滴４ｓに分割されることが知られている。

次に、粒子状素子を含む吐出液をインクジェットヘッドから吐出させた場合に起こりうる現象を説明する。

図４は、吐出された吐出液が、対象物に着弾する直前の状態を示す概略断面図である。この例では、吐出液４のメイン滴４ｍの下部に、粒子状素子１が含まれている。つまり、対象物１２に近い位置に粒子状素子１が存在した状態で、メイン滴４ｍが着弾することとなる。

インクジェットヘッドから吐出された液滴は、一般的に、６ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓという高速で対象物に着弾する。従って、粒子状素子１のように、硬度が高く、通常のインクに含まれる顔料粒子に比べて大きい（例えば大きさ１０μｍ〜５０μｍ程度の）粒子が着弾すると、対象物１２の表面を傷つける恐れがある。また、粒子状素子１が損傷する懸念もある。

次に、本発明の実施例によるインクジェットヘッドを用いた吐出方法について説明する。図５Ａ〜図５Ｃは、実施例による吐出方法を示す概略断面図である。図６は、実施例による吐出方法を示すタイミングチャートである。

図５Ａを参照する。まず、実施例によるインクジェットヘッド２０の構造について説明する。インクジェットヘッド２０は、インク室２１と、ノズル２２と、吐出機構２３と、電磁石２４と、制御装置２５とを含んで形成される。

インク室２１に、粒子状素子１を含む吐出液４が収容され、インク室２１からノズル２２へ吐出液４が供給される。アクチュエーター（吐出機構）２３が、吐出液４を吐出するエネルギーを供給する。アクチュエーター２３として、サーマル方式やピエゾ方式などさまざまな方式のものが挙げられる。

ノズル２２の吐出口２２ａの付近に、電磁石２４が配置されている。電磁石２４は、例えばノズル２２の内面に沿ったリング形状であり、ノズル２２の内面部分で単一の磁極性を生じさせることができるものである。電磁石２４に流す電流を制御することにより、電磁石２４の磁極性や磁界の強さを制御することができる。

制御装置２５が、吐出タイミングを制御する吐出信号を、吐出機構２３に供給する。制御装置２５は、また、吐出信号と同期させて電磁石２４を駆動する電磁石駆動信号を、電磁石２４に供給する。次に、実施例による吐出方法について説明する。

図６のタイミングチャートに、制御装置２５から供給される吐出信号と、電磁石駆動信号で駆動される電磁石２４の磁力及び極性の変化を示す。図５Ａは、図６のタイミングチャートのタイミングａに対応する。

タイミングａは、吐出動作の開始前で、吐出信号がＯＦＦである。本実施例では粒子状素子１の両面をＮ極性としており、タイミングａでは、電磁石２４の極性を粒子状素子１の極性と反対のＳ極性としている。つまり、タイミングａで、粒子状素子１は電磁石２４に吸引されている。なお、電磁石２４に対する粒子状素子１の挙動は、相対的に広い両面の極性で制御できると考えられ、相対的に狭い側面に現れた極性の影響は小さいと考えられる。

電磁石２４の磁力の閾値Ｂｔｈは、吐出液４が吐出される際の流れの力と、粒子状素子１を吸引する力とが釣り合う磁力である。つまり、吐出液４が吐出されている流れの中で、電磁石２４の磁力が閾値Ｂｔｈより大きければ、電磁石２４に粒子状素子１が保持され、電磁石２４の磁力が閾値Ｂｔｈより小さければ、電磁石２４から粒子状素子１が解放される。タイミングａでは、電磁石２４の磁力をＳ極性の閾値Ｂｔｈ以上として、電磁石２４に粒子状素子１を保持しておく。

図５Ｂは、図６のタイミングチャートのタイミングｂに対応する。タイミングｂでは、吐出信号がＯＮに切り替えられており、吐出動作が開始されている。タイミングｂでは、電磁石２４の磁力をＳ極性の閾値Ｂｔｈ以上とし、粒子状素子１が吐出液４の（媒質の）流れの中で電磁石２４に保持されて吐出されない状態を維持する。

図５Ｃは、図６のタイミングチャートのタイミングｃに対応する。タイミングｃは、吐出動作の終了近くであり、吐出信号はまだＯＮである。タイミングｃの少し前に、電磁石２４の磁力が弱められて閾値Ｂｔｈより小さくなっている。これにより、粒子状素子１が電磁石２４から解放されて吐出される。

なお、さらに、タイミングｄに示すように、電磁石２４の磁力を、極性が反転する（Ｎ極性となる）まで変化させることで、反発力により粒子状素子１の吐出をサポートすることも可能である。タイミングｄの後、吐出信号がＯＦＦに切り替えられて、１回当りの吐出動作が終了する。このようにして、実施例による吐出動作が行われる。必要に応じ、このような吐出動作が繰り返される。

本実施例では、電磁石２４の磁力が閾値Ｂｔｈ未満となるタイミング、つまり、粒子状素子１が電磁石２４から解放されるタイミングを、吐出信号がオンとなるタイミングからオフとなるタイミングまでの吐出期間の終了近くに設定している。これにより、吐出された吐出液中で対象物から離れた位置に粒子状素子１を配置して着弾させることが容易になるので、着弾時の対象物の損傷等を抑制できる。

なお、粒子状素子１が電磁石２４から解放されるタイミングは、吐出期間の終了間際でなくとも、例えば、吐出期間のうちの１／２以降、より好ましくは２／３以降に設定すれば、着弾時の不具合を抑制することができるであろう。

なお、図７に示すように、吐出条件を調整することにより、サテライト滴４ｓに粒子状素子１を含ませた吐出も可能と考えられる。

次に、図８を参照して、上記実施例の変形例によるインクジェットヘッドについて説明する。図８は、変形例によるインクジェットヘッドの概略断面図である。インクジェットヘッドのインク室２１、ノズル２２、アクチュエーター２３、電磁石２４等の形状や配置は、上記実施例で例示したようなものに限られない。例えば、上記実施例で示したように縦方向への吐出を行うインクジェットヘッドに替えて、変形例で示すように横方向への吐出を行うインクジェットヘッドを用いることもできる。

変形例によるインクジェットヘッドにおいても、吐出口２２ａ付近に電磁石２４を配置し、制御装置２５により吐出液の吐出動作と電磁石２４の駆動とを同期させて、所望のタイミングで粒子状素子を吐出させることができる。

電磁石２４は、上記実施例のようなノズル内面に沿うリング状のものに限らない。インク室２１やノズル２２の構造、アクチュエーター２３の駆動方式、電磁石２４の形状や配置位置、駆動タイミング等は、必要に応じて例えば実験的に、好ましい条件を探すことができる。また、吐出させる粒子状素子の大きさや、吐出液の媒質や調整条件等も、必要に応じて変えることができる。

以上説明したように、実施例によるインクジェットヘッドを用いた吐出では、電磁石により、吐出された吐出液中での粒子状素子の位置を制御することが容易になる。

なお、実施例では粒子状の半導体発光素子を吐出する場合について説明したが、実施例の吐出技術は、半導体発光素子に限らず、磁性を有する粒子を、インクジェットを利用して吐出する場合に応用することができるであろう。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ 粒子状半導体発光素子（磁性粒子）
２ デバイス構造層
３ｎ ｎ側電極
３ｐ ｐ側電極
４ 吐出液（磁性粒子の分散液）
４ｍ メイン滴
４ｓ サテライト滴
５ 媒質
１０ インクジェットヘッド
１１ 電極
１２ シート基材（対象物）
２０ インクジェットヘッド
２１ インク室
２２ ノズル
２２ａ 吐出口
２３ 吐出機構（アクチュエーター）
２４ 電磁石
２５ 制御装置
１００ インクジェットヘッド
１０１ 吐出口

Claims (6)

1. 磁性粒子を含む吐出液を吐出口から吐出するノズルと、
   前記吐出液を吐出させるエネルギーを供給する吐出機構と、
   前記吐出口付近に設けられた電磁石と、
   制御装置と
   を有し、
   前記制御装置は、前記吐出機構を駆動する吐出信号を供給するとともに、前記吐出信号と同期させて前記電磁石を駆動する電磁石駆動信号を供給し、前記電磁石駆動信号は、前記磁性粒子が前記電磁石に吸引され保持されて吐出されない状態と、前記磁性粒子が前記電磁石から解放されて吐出される状態とを切り替える、インクジェットヘッド。
2. 前記制御装置は、前記磁性粒子が前記電磁石から解放される際、前記電磁石から前記磁性粒子に反発力が与えられるように、前記電磁石駆動信号を供給する請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記制御装置は、メイン滴とサテライト滴とが生じるように、前記吐出信号を供給し、前記サテライト滴に前記磁性粒子が含まれるタイミングで前記磁性粒子が前記電磁石から解放されるように、前記電磁石駆動信号を供給する請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
4. 磁性粒子を含む吐出液を吐出口から吐出するノズルと、
   前記吐出液を吐出させるエネルギーを供給する吐出機構と、
   前記吐出口付近に設けられた電磁石と
   を有するインクジェットヘッドから前記吐出液を吐出する方法であって、
   前記電磁石に前記磁性粒子を吸引させて保持した状態で、前記吐出液の吐出を開始する工程と、
   前記吐出液の吐出の開始の後、前記電磁石が前記磁性粒子を吸引する磁力を弱めて、前記電磁石から前記磁性粒子を解放する工程と、
   前記吐出液の吐出を終了する工程と
   を有する吐出液の吐出方法。
5. 前記磁性粒子は、板状の形状を有し、両面に同一磁極性が生じるように磁化されている請求項４に記載の吐出液の吐出方法。
6. 前記磁性粒子は、大きさが１０μｍ〜５０μｍの範囲である請求項４または５に記載の吐出液の吐出方法。

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