JP2020069774A - インクジェットヘッド及び液滴吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インク吐出を安定化することができるインクジェットヘッド等を提供する。【課題手段】インク２０１を吐出するための複数のノズル１０２をノズル列１０２ａとして配置しているインクジェットヘッド１０であって、複数のノズル１０２の内、一のノズル１０２内のインク粘度は、インク２０１が吐出される方向から見た平面視において、複数のノズル１０２の配列方向かつ一のノズル１０２の中心を通る線と、一のノズル１０２の外周とが交差する点のインク粘度をη1とし、複数のノズル１０２の配列方向と垂直な方向かつ一のノズル１０２の中心を通る線と、外周とが交差する点のインク粘度をη2とするとき、η1＞η2の関係を満たす。【選択図】図１

Description

本開示はインクジェットヘッド及び液滴吐出方法に関する。

従来、ドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドを、様々な用途に応用することが期待されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、液体の吐出量を増やすため圧力室が多数個設けられ、各圧力室における逆流圧による液体の流入への影響を軽減することができる液滴噴霧装置が開示されている。

特開２００１−１２１６９３号公報 特開２００３−２６６７０５号公報

ところで、インクジェットヘッドからインクを吐出する際に、インク吐出のバラツキが生じる場合がある。インク吐出のバラツキは、インクジェットヘッドの用途や使用条件の制限につながり得るため、インクジェットヘッドの応用におけるボトルネックとなっている。そこで本開示は、インク吐出を安定化することができるインクジェットヘッド等を提供する。

本開示におけるインクジェットヘッドの一態様は、ノズル列として配置された、インクを吐出するための複数のノズルを備えるインクジェットヘッドであって、前記複数のノズルの内、一のノズル内のインク粘度は、前記インクが吐出される方向から前記一のノズルを見た平面視において、前記複数のノズルの配列方向かつ前記一のノズルの中心を通る線と、前記一のノズルの外周とが交差する点のインク粘度をη₁とし、前記複数のノズルの配列方向と垂直な方向かつ前記一のノズルの中心を通る線と、前記外周とが交差する点のインク粘度をη₂とするとき、η₁＞η₂の関係を満たす。

また本開示における液滴吐出方法の一態様は、ノズルから液体を吐出し、被塗布物に液滴状の前記液体を塗布する液滴吐出方法であって、前記ノズルの内壁面において、一部に接触する、前記液体の内の第１部分の粘度を、前記一部の内壁面とは別の一部に接触する、前記液体の内の第２部分の粘度より小さくする粘度差発生工程と、前記粘度差発生工程で粘度差を発生させた状態で、前記液体を前記ノズルから吐出する吐出工程と、を含む。

本開示の一態様によれば、インクジェットヘッドにおけるインク吐出を安定化することができる。

図１は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレートの第１正面図である。 図２は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルからのインク吐出の形態を説明する図である。 図３は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドを用いた液滴吐出方法を説明するフローチャートである。 図４は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレートの第２正面図である。 図５は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレートの第３正面図である。 図６は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレート、及びヒータの正面図である。 図７は、第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッドにおけるノズルの断面図である。 図８Ａは、第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッドにおけるノズル内のメニスカスと予備振動との関係を示した第１図である。 図８Ｂは、第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッドにおけるノズル内のメニスカスと予備振動との関係を示した第２図である。 図９は、第３の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレートとヒータの配置を示す正面図である。 図１０は、第４の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのインク温度制御機構について説明する図である。

（開示の基礎となった知見）
ドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドは、入力信号に応じて必要なときに必要な量のインクを塗布することができるインクジェットヘッドとして知られている。特に圧電（ピエゾ）方式のドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドは一般的に、インク供給流路と、供給流路に接続し、ノズルを有する複数の圧力室と、圧力室内に充填されたインクに圧力を加えるピエゾ素子と、を有する。

ピエゾ方式のインクジェットヘッドでは、ピエゾ素子（圧電素子）に駆動電圧を印加することによって生じるピエゾ素子の機械的歪みにより、圧力室内のインクに圧力を加えて、ノズルからインクを吐出する。ピエゾ方式のインクジェットヘッドは、ピエゾ素子の歪み方によって、シェアモード型、プッシュモード型、ベンドモード型の三つのタイプに大別できる。特に積層構造のピエゾ素子を用いるベンドモード型では、低い電圧で強い力を生み出せることから、有機ＥＬディスプレイや液晶パネルなどの電子デバイスの製造用に開発されることが期待されている（例えば特許文献１参照）。

また、従来、高粘度の流体を安定して噴射させるために、流体を加熱して粘度を低下させる加熱装置を備える流体噴射ヘッドが知られている。

このような流体噴射ヘッドを備える装置として、特許文献２には、流路板上に伝熱部材を介して加熱するヒータを有し、該伝熱部材がノズルプレート(ノズル基板)上にも延長して設けられた記録ヘッドを備えるインクジェット記録装置が開示されている。

しかしながら、以上の従来技術は、複数あるノズル自体やノズルの周辺温度または共通流路を均一に加熱する構成、もしくは、ノズル面から加熱部が遠いため、インク室内のインクの温度よりもノズル近傍のインクの温度が低下する形に加熱する構成である。すなわち少しの温度の変化で、ノズル近傍のインク温度が変化し、インク粘度が変化することで、リガメント切れの方向が変化するため、バラツキが生じ、吐出方向バラツキを引き起こす。また、インクジェットヘッドの周囲の環境がノズル表面の温度に与える影響によってもノズルの周辺温度は変化するため、吐出方向バラツキを抑えることが難しい。

そこで本発明は、インクジェットヘッドの複数並ぶノズル列の形状や周辺環境の影響を受けにくく、リガメント切れをよく保ち、インク吐出を安定化する（吐出方向バラツキを抑制する）ことができるインクジェットヘッド及び液滴吐出方法を提供する。

本開示によれば、ノズル周辺において不均一加熱を行うことで、あえて温度勾配、粘度勾配を持たせ、リガメント切れを向上させ、安定したインクの吐出を可能としたインクジェットヘッドを得ることができる。

（第１の実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素の内、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また説明に用いられる各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては、同一の符号を付し、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。

はじめに、図１〜図５を用いて本開示における第１の実施の形態について説明する。

図１は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０のノズルプレート１０１の正面図である。図１はつまり、インクジェットヘッド１０の、インク２０１が吐出される方向であるインク吐出側（言い換えるとインク２０１の被塗布対象物側）から見た平面図である。

インクジェットヘッド１０のインク吐出側にはノズルプレート１０１が備えられる。図１において破線の角丸矩形に示すようにノズルプレート１０１は、ノズル列１０２ａとして配置 された、インク２０１を吐出するための複数のノズル１０２を備える。複数のノズル１０２のそれぞれから、インク２０１が吐出されるようになっている。

ここで、複数のノズル１０２は、ノズルプレート１０１において、インク吐出側の面からインク吐出側に背向するインク供給側（上流側）の面へと貫通するように設けられた複数の細孔により構成される。つまり、ここでのノズル１０２は、ノズルプレート１０１に孔として設けられた空間のことである。なお、ノズル１０２の形態については特に限定はなく、例えば筒状の細管をノズルプレート１０１に貫通させて形成されてもよい。

複数のノズル１０２のそれぞれには、図示しないが、インク供給側において、インク供給室が用意されており、インク２０１がノズルプレート１０１、及びノズル１０２まで供給されるように充填されている。

ここで、複数のノズル１０２の内、一のノズル１０２について着目して説明する。

ノズルプレート１０１をインク吐出側から見た平面視において、ノズル列１０２ａ（複数のノズル１０２）の配列方向（第１方向）かつノズル１０２の中心を通る線L1と、ノズル１０２の外周とが交差する点P1のインク粘度をη₁とする。より詳しくは、点P1においてノズル１０２の外周に接触するインク２０１の一部における粘度をη₁とする。

また、ノズル列１０２ａの配列方向と垂直な方向（第２方向）かつノズル１０２の中心を通る線L2と、ノズル１０２の外周とが交差する点P2のインク粘度をη₂とする。より詳しくは、点P2においてノズル１０２の外周に接触するインク２０１の一部における粘度をη₂とする。このとき、ノズル１０２内のインク粘度は、η₁＞η₂となる関係を有している。

なお、ここでの外周とは、ノズルプレート１０１にノズル１０２として設けられた孔の空間を囲む外周部分であり、ノズルプレート１０１の内、ノズル１０２を形成する内壁面（内側面）と一致する。つまり、インク２０１がノズル１０２を通過する際に接触する面をノズル１０２の外周とする。

この構成により、ノズル１０２から吐出されるインク２０１には、点P1と、点P2との間において、安定してインク粘度の差が生じる。つまり、点P1と、点P2との間において、吐出されるインク２０１の流速の差が安定しておき、リガメント切れの位置にバラツキが生じることを抑制することができるため、リガメント切れの方向を安定化することができる。よって吐出方向のバラツキを抑え、インク吐出を安定化することができる。

次に、上記に説明した、インク粘度におけるη₁＞η₂となる関係によって生じるインク吐出の形態について図２、及び図３を用いて説明する。図２は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズル１０２からの、インク吐出の形態を説明する図である。また図３は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０を用いた液滴吐出方法を説明するフローチャートである。

図２の（ａ）には、インク吐出動作に入っていないノズル１０２を示し、図２の（ｂ）には、インク吐出動作中のノズル１０２を３次元方向から見た、それぞれの平面視の図を示している。図２の（ｂ）にはインク吐出側、第１方向、及び第２方向から見た図を、それぞれ対応する位置を破線でつないで示している。

ここで、インクジェットヘッド１０から、インク２０１はインク滴２０１ａとして吐出される。より具体的には、インク２０１は吐出される際に、インク吐出側に向けて液滴状のインク滴２０１ａを形成し、インク滴２０１ａがインク２０１から断裂することで、被対象物へと塗布される。このとき、インク２０１とインク滴２０１ａとの間には、インク滴２０１ａ、及びインク２０１よりも細い（径方向に短い）くびれ２０１ｂが形成される。

つまり、インク滴２０１ａとインク２０１とは、くびれ２０１ｂを介して接続されており、このくびれ２０１ｂがリガメントを形成しながら経時的に細くなることで断裂し、インク滴２０１ａが被対象物へと衝突し、塗布される。

図２の（ａ）、及び図２の（ｂ）において、既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２の（ａ）の時点では、インク２０１はノズル１０２内に収容されているが、この時点で点P1、及び点P2におけるインク粘度は異なっている。つまり、ノズルの内壁面において、インク２０１（液体）の内の、点P1におけるインク２０１の一部（一部の内壁面に接触する第１部分）の粘度を、インク２０１の内の点P2におけるインク２０１の一部（一部の内壁面とは別の一部に接触する第２部分）の粘度より小さくする粘度差発生工程（図３のＳ１０１）が既に完了している。

図２の（ｂ）には、インク２０１の吐出動作の進行に伴い、前述したくびれ２０１ｂが形成された時点（つまり、吐出直前）のノズル１０２について図示している。また図２の（ｂ）の内、インク吐出側から見た図においては、インク滴２０１ａ、及びくびれ２０１ｂを透過して示し、インク滴２０１ａ、及びくびれ２０１ｂを透過して見える、ノズル１０２、インク２０１を図示している。

第１方向から吐出直前のインク２０１を見た際のくびれ２０１ｂの幅、つまり、線L2上におけるくびれ幅をW₁とし、第２方向から吐出直前のインク２０１を見た際のくびれ２０１ｂの幅、つまり、線L1上におけるくびれ幅をW₂とする。ノズル１０２内に生じるインク粘度がη₂となる点P2と、点P2以外（例えばインク粘度がη₁となる点P1等）とのノズル１０２内のインク粘度の差により、第１方向と、第２方向とにおいてリガメントの表面張力に差が生じる。

ここで、η₂のインク粘度を示す領域はノズル１０２の内、所定の範囲（図２に示すドットハッチングの範囲）における広がりをもつ。つまり、η₁のインク粘度を示す領域よりも広い領域において、低い粘度のη₂のインク粘度を示す領域が存在するため、ノズル１０２の内、前述の表面張力に差が生じる範囲が広がる。なお、図示しないが、η₁のインク粘度を示す領域も所定の範囲を有するが、η₁とη₂とは、η₁＞η₂の関係を常に満たす。

よって、前述したインク２０１の粘度差を発生させた状態でインク２０１をノズル１０２から吐出する吐出工程（図３のＳ１０２）においては、特にリガメントが伸びる方向に偏りが起きるためW₁＜W₂の関係を満たす。これにより、リガメント切れの位置を安定化することができる。例えばこの場合、ノズル１０２の第２方向における中心部において、安定的にリガメント切れがおこる。このようにリガメント切れにおけるバラツキが生じることを抑制することができ、安定したリガメント切れを実現することができる。

このようにして所望の塗布範囲にわたって粘度差の発生したインク２０１の吐出（Ｓ１０１、及びＳ１０２）を繰り返し（図３のＳ１０３）、吐出方向のバラツキが抑えられた、安定化されたインク２０１の塗布が行える。

ここで、上記のようなη₁＞η₂となる関係を有するインク粘度の差を生じさせ得る構成について図４を用いて説明する。

図４は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレートの正面図である。図４には、図１と同様のノズルプレート１０１を図示している。図４において既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。ノズル１０２において、線L1とノズル１０２の外周とが交差する点P1の温度をT₁とし、線L2とノズル１０２の外周とが交差する点P2の温度をT₂とするとき、T₁＜T₂となる関係を有している。この構成により、ノズル１０２から吐出されるインク２０１には、点P1における温度T₁、及び点P2における温度T₂の、少なくとも２以上の異なる温度によって外部から熱が与えられる。このため点P1における温度をT₁とし、点P2における温度をT₂とするとき、T₁＜T₂の関係が成立する。

よって、線L1とノズル内周とが交差する点P1と、線L2とノズル内周とが交差する点P2において、安定してインク２０１の温度差が生じ、その結果、前述したノズル１０２内におけるインク粘度がη₁＞η₂の関係となる。このようなインク粘度の差によって、前述したノズル１０２内の点P1、及び点P2の間における安定したインク流速の差がおき、リガメント切れの位置バラツキが生じることを抑制することができるため、リガメント切れを安定化することができる。

さらに、図５を用いて前述の温度差を生じさせるための構成について説明する。図５は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッドのノズルプレートの正面図である。なお図５には、図１、及び図４と同様のノズルプレート１０１を図示しており、図５において既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。前述のノズル１０２において第１方向へ所定の熱量（放熱Q₁）を放出し、第２方向から所定の熱量（吸熱Q₂）を吸収するとき、Q₁＞Q₂となる関係を有する構成をとる。

ここで、第１方向におけるノズル１０２の端部である点P1は、放熱Q₁に最も寄与する点であり、一方で、第２方向におけるノズル１０２の端部である点P2は、吸熱Q₂に最も寄与する点である。

Q₁＞Q₂となる関係が成立するための構成については後述するが、Q₁＞Q₂の関係により、前述したノズル１０２内におけるT₁＜T₂となる関係をもつ温度差が生じ、その結果、前述したノズル１０２内におけるη₁＞η₂となる関係をもつインク２０１の粘度差を発生させることができる。この粘度差によってさらに、前述したノズル１０２内における安定したインク流速の差が起き、リガメント切れの位置バラツキが生じることを抑制することができるため、リガメント切れを安定化することができる。

上記で説明した放熱と吸熱の関係性について図６を用いて説明する。図６は、第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０のノズルプレート１０１、及びノズルプレート１０１の、被塗布対象物に対向するノズル面に設置されたヒータ５０１の正面図である。図６において既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また図６中に示す白抜き矢印、及びドットハッチング矢印は、後述する放熱Q₁、及び吸熱Q₂の方向をそれぞれ示している。

図６に示すインクジェットヘッド１０は、ノズルプレート１０１のノズル１０２に対して第２方向においてノズル１０２を挟んだ両側にヒータ５０１を持つ構成である。なお、図６に示したヒータ５０１は、第２方向においてノズル１０２を挟む両側のヒータ５０１が、第１方向の両端において一体化されているが、これに限られない。ヒータ５０１はノズル１０２を第２方向に挟む両側に存在していればよく、それぞれ独立して構成されてもよい。

ヒータ５０１はノズルプレート１０１に重ね合わせるようにして構成されており、ノズル列１０２ａから吐出されるインク２０１に干渉しないよう開口部分が設けられている。なお、第２方向においてノズル１０２を挟む両側のヒータ５０１がそれぞれ独立している場合は、二つのヒータ５０１の間のギャップが開口部分にあたる。

次に、このようなヒータ５０１を備える構成において生じる温度差について説明する。

ヒータ５０１は、自身が発熱することでノズルプレート１０１を加熱するための加熱装置である。前述したようにヒータ５０１は第２方向にノズル１０２を挟む構成であるため、ノズル列１０２ａを構成する各ノズル１０２において、第２方向におけるヒータ５０１との距離と、第１方向におけるヒータ５０１との距離とには差がある。この距離の差によりノズル１０２に対し、前述した放熱Q₁と吸熱Q₂における、Q₁＞Q₂となる関係が成り立つ。

より詳しくは、第２方向においてはノズル１０２とヒータ５０１との距離が相対的に見て近く、一方で第１方向においては、ノズル１０２とヒータ５０１との距離が相対的に見て遠い。このため第２方向からはノズル１０２が、ヒータ５０１による加熱で与えられた熱を吸熱し、第１方向において吸熱した熱は放熱される。すわなち、点P1において、点P2に比べて放熱が支配的（Q₁＞Q₂）となり、点P2に対して常にT₁＜T₂となる関係をもつノズル内温度差を発生させる。つまり、ヒータ５０１は言い換えると、点P2を比較的大きく加熱する不均一加熱を可能とする。

この結果、前述したノズル１０２内におけるη₁＞η₂となる関係をもつインク２０１の粘度差を発生させることができる。よって、前述したノズル１０２内における安定したインク流速の差がおき、リガメント切れの位置ばらつきが生じることを抑制することができ、リガメント切れを安定化することができる。

なお、上記のような温度差は、点P1付近を積極的に冷却する排熱システムなどを利用しても実現可能であるが、より好ましい一例として不均一加熱の具体例を挙げた。

以上説明したように、本開示における第１の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０は、ノズル列１０２ａとして配置された、インク２０１を吐出するための複数のノズル１０２を備えるインクジェットヘッド１０であって、複数のノズル１０２の内、一のノズル１０２内のインク粘度は、インク２０１が吐出される方向から一のノズル１０２を見た平面視において、複数のノズル１０２の配列方向（つまり第１方向）かつ一のノズル１０２の中心を通る線L1と、一のノズル１０２の外周とが交差する点P1のインク粘度をη₁とし、複数のノズル１０２の配列方向と垂直な方向（つまり第２方向）かつ一のノズル１０２の中心を通る線L2と、一のノズル１０２の外周とが交差する点P2のインク粘度をη₂とするとき、η₁＞η₂の関係を満たす。

このようなインクジェットヘッド１０によれば、一のノズル１０２内において充填されたインク２０１を２以上の異なるインク粘度に設定でき、当該インク粘度の差によってリガメント切れの位置を安定化することができる。したがって、吐出方向のバラツキを抑制し、インク吐出を安定化することができる。

例えば、インク２０１は、インク滴２０１ａとして吐出され、インク２０１の吐出の際、インク２０１とインク滴２０１ａとの間にくびれ２０１ｂが形成され、第１方向から見た際のくびれ２０１ｂの幅をW₁とし、第２方向から見た際のくびれ２０１ｂの幅をW₂とするとき、W₁＜W₂の関係を満たす。

これにより、一のノズル１０２から吐出されるインク２０１は、インク吐出方向に対する直交面において、方向ごとに異なるくびれ幅をもって吐出されるため、リガメント切れの位置を安定化することができる。したがって、吐出方向のバラツキを抑制し、インク吐出を安定化することができる。

また例えば、インク２０１が吐出される方向から見た平面視において、第１方向かつ一のノズル１０２の中心を通る線L1と、一のノズル１０２の外周とが交差する点P1の温度をT₁とし、第２方向かつ一のノズル１０２の中心を通る線L2と、一のノズル１０２の外周とが交差する点P2の温度をT₂とするとき、T₁＜T₂の関係を満たす。

これにより、インク吐出方向に対する直交面においてインク２０１の温度差に基づくインク粘度の差が生じ、当該インク粘度の差によってリガメント切れの位置を安定化することができる。したがって、吐出方向のバラツキを抑制し、インク吐出を安定化することができる。

また例えば、一のノズル１０２において、インク２０１が吐出される方向から見た平面視における、第１方向での放熱をQ₁とし、第２方向での吸熱をQ₂としたとき、Q₁＞Q₂の関係を満たす。

これにより、放熱と吸熱の熱収支設計のみで、一のノズル１０２内のインク２０１には温度差が発生し、当該温度差に基づくインク粘度の差によってリガメント切れの位置を安定化することができる。したがって、吐出方向のバラツキを抑制し、インク吐出を安定化することができる。

また例えば、インクジェットヘッド１０は、一のノズル１０２内において不均一加熱を可能とするためのヒータ５０１であって、第２方向において、一のノズル１０２を挟んだ両側に設置されたヒータ５０１をさらに備えてもよい。

これにより、ヒータ５０１の不均一加熱により、放熱と吸熱の関係性を規定でき、この関係性によってインク２０１に発生する温度差に基づきインク粘度の差が形成され、リガメント切れの位置を安定化することができる。したがって、吐出方向のバラツキを抑制し、インク吐出を安定化することができる。

（第２の実施の形態）
次に図７、図８Ａ、及び図８Ｂを用いて本開示における第２の実施の形態について説明する。

図７は、第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ａにおけるノズル１０３を、第１方向に直交し、線L2に沿う面で切断した断面図である。図７において既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

ここで、一般的なインクジェットヘッドにおいて、インクの染み出し（予期しないノズルからの漏出）が発生することがあるが、インクの染み出しが発生した際にはワイプが必要となる。ところが、ノズル面をワイプすることは、ノズル面の撥水膜のはがれにつながる。ノズル面を覆う撥水膜が部分的にでもはがれてしまうと、はがれた箇所に向かってインクとノズルプレートとの間に表面張力が働くため、リガメントが引き寄せられ、吐出が傾いてしまうため、吐出を安定させることができない。

このような染み出しは、インクの表面張力がインクジェットヘッドの内圧（つまりノズルに連通するインク供給室の内圧）と釣り合わないときに発生する。

第２の実施の形態におけるインクジェットヘッド１０ａは上記の問題に対応可能である。図７では、このインクジェットヘッド１０ａの構成について説明する。インクジェットヘッド１０ａの備えるノズルプレート１０１ａのノズル１０３において、インク室からノズル１０３内にインク２０１が充填され、インク２０１の形成するメニスカス６０１の表面張力によりノズル１０２内においてインク２０１が保持されている。

またインクジェットヘッド１０ａのインク吐出面（つまりノズルプレート１０１ａの表面）に、ヒータ５０１が設置されている。ノズル１０３の内壁面の内、ヒータ５０１に近接している、ノズルプレート１０１ａ表面の、インクを吐出するノズル吐出部側（インク吐出側）での温度をT₃とする。また、ノズルプレート１０１ａのノズル吐出部とは反対側（つまりインク供給側）での温度をT₄とする。このとき、これらの内壁面の温度はT₃＞T₄の関係を満たす。このような構成は、例えば、T₃の領域を含むインク吐出側層と、T₄の領域を含むインク供給側層との間に、熱伝導率の低い断熱層を設けることで構成してもよく、インク供給側層に冷却システムを備える構成により実現してもよい。

以上に説明した第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ａの構成では、ノズル１０３内のインク２０１の温度はT₃よりも低温なT₄に近いため、T₃=T₄のときよりも、ノズル１０３内に充填されたインク２０１と、インク供給室内のインク２０１との温度差が少ない。このため、吐出をしないときのインク２０１は、低粘度化が生じる高温（例えばヒータ５０１によるT₃などの温度）にさらされておらず、不用意なインクの低粘度化を防ぐことができる。これにより、低粘度化によるインク２０１の表面張力の低下を防ぎ、ノズル１０３からのインク２０１の染み出しを防ぐことができ、ワイプの頻度が減少するため、ワイプによるノズル面の撥水膜はがれによる吐出の不安定化を防ぐことができる。また、図７に示す第２の実施の形態におけるノズル１０３の構造では、インク吐出面に向けて先細りとなるテーパ状のノズル１０３を設計したが、このようなテーパ形状等の勾配がない、円筒形のノズルとして実現してもよい。

次に、第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ａインク２０１の吐出動作について図８Ａ、及び図８Ｂを用いて説明する。図８Ａ、及び図８Ｂは、第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ａにおけるノズル１０３内のメニスカス６０１と予備振動との関係を示した図である。図８Ａ、及び図８Ｂにおいて既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

例えば、インク吐出の際、インクが十分に温められていない状態で吐出を試みると、インクの低粘度化が不十分で吐出を行うことができないことがある。第２の実施の形態におけるインクジェットヘッド１０ａは、このような状況に対応でき、吐出が必要な時だけ、予備振動を行うことでノズル１０３のうち温度の高いインク吐出側を通過するインク２０１の量を増やすことができる。つまり昇温することのできるインク２０１の量を増やすことができるため、インク吐出の際の加熱不足を補うことができる。これにより、インク２０１の低粘度化を十分に行うことが可能で、安定した吐出を行うことができる。

第２の実施の形態におけるノズル１０３内では、インク２０１の吐出に際し、図８Ａに示す吐出波形７０１を用いる。図８Ａはインク２０１の吐出におけるピエゾ素子に印加される駆動電圧と時間との関係を示すタイミングチャートである。図８Ａは横軸に時間を、縦軸にインク供給室の内圧を制御するためにピエゾ素子に印加される駆動電圧をそれぞれ示している。第２の実施の形態における吐出波形７０１は、第１のフェーズ７０１ａ、第２のフェーズ７０１ｂ、第３のフェーズ７０１ｃ、及び第４のフェーズ７０１ｄの、四つのフェーズから構成される。

また、図８Ｂは図８Ａにおける各フェーズのインク２０１の形成するメニスカス６０１と、ノズルプレート１０１ａとの関係を示す断面図である。図８Ｂは図７に示した断面図と同一平面において切断したインク２０１、及びノズルプレート１０１ａを示している。また、図８Ｂの（ａ）〜（ｄ）は、吐出波形７０１における第１のフェーズ７０１ａ〜第４のフェーズ７０１ｄのそれぞれに対応する各時点における断面図を示している。

吐出波形７０１により実現されるインク吐出は、予備振動制御部によってピエゾ素子が制御されることにより実現される。予備振動制御部は、ピエゾ素子に直接、または間接的に電気パルスを与えてもよく、ピエゾ素子を制御するプログラム等に組み込まれることによって実現されてもよい。このようにして予備振動制御部は吐出波形７０１に基づくインク供給室内圧の変動により予備振動を発生させることで、ノズル１０３内のインク２０１を攪拌し、ノズル１０３内においてインク２０１の加熱領域を拡大させる。

吐出波形７０１の第１のフェーズ７０１ａ（図８Ｂの（ａ））では、インク供給室に配置されたピエゾ素子に負の電圧を印加することで、インク供給室の内圧を低下させ、ノズル１０３内のインク２０１をインク供給室へと引き込む。続いて、第２のフェーズ７０１ｂ（図８Ｂの（ｂ））では、ピエゾ素子への電圧の印加を停止し、インク供給室の内圧を上昇させることで、インク２０１がノズル１０３に充填される状態とする。このとき、ノズル１０３のインク吐出側ではヒータ５０１によるインク２０１の加熱がなされ、インクの低粘度化が進行する。続いて、第３のフェーズ７０１ｃ（図８Ｂの（ｃ））では、ピエゾ素子に再度負の電圧を印加することで、インク供給室の内圧を低下させ、ノズル１０３に充填されたインク２０１を再度インク供給室内へと引き込む。このように、インク２０１の形成するメニスカス６０１をインク２０１の吐出方向に沿って振動させ、インク２０１の加熱領域を拡大した後、第４のフェーズ７０１ｄ（図８Ｂの（ｄ））において、ピエゾ素子に正の電圧を印加することで、インク供給室を加圧状態にし、加熱されたインク２０１を吐出へと導くことができる。なお、図８Ａにおける吐出波形７０１では予備振動は第１のフェーズ７０１ａ〜第３のフェーズ７０１ｃに対応し、第４のフェーズ７０１ｄは吐出の瞬間の本波形に対応している。さらに本実施の形態において、吐出波形７０１による予備振動は三つのフェーズにより構成されたが、予備振動におけるフェーズの数は、図８Ａに示した回数でなくてもよいし、インク供給室内圧の加減圧の大きさ（つまりピエゾ素子に印加される電圧の大きさ）も、図８Ａの波形よりも大きくてもよく小さくてもよい。また、本波形についても回数、及び加圧の大きさは図８Ａとは異なるものでもよい。

以上説明したように、本開示における第２の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ａは、一のノズル１０３の内壁面の内、インク２０１を吐出するノズル吐出部側での温度をT₃とし、ノズル吐出部とは反対側での温度をT₄とするとき、T₃＞T₄の関係を満たす。

これにより、インク２０１を吐出しないときに、意図しないインク２０１の加熱が抑制されるため、インク粘度の低下を抑制できる。よってインク２０１の染み出しを防止することができる。

また例えば、インク吐出前に一のノズル１０３内において、予備振動を行い、一のノズル１０３内のインク２０１を攪拌することで、一のノズル１０３内のインク２０１の加熱領域を拡大させる予備振動制御部をさらに備えてもよい。

これにより、ヒータ５０１等の加熱装置による加熱領域が狭い場合においても、加熱されるインク２０１を予備振動によって交換することができ、結果的に広範囲のインク２０１を加熱することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本開示における第３の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ｂについて図９を用いて説明する。図９は、第３の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ｂのノズルプレート１０１ｂとヒータ５０１ｂの配置を示す正面図である。図９はつまり、図１等と同じ方向から見たインクジェットヘッド１０ｂの平面図である。図９において既述の構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

一般的に、インク加熱機構を持つインクジェットヘッドにおいて、各ノズル間、及びノズル列間における温度の均一化は不可欠で、これが行えない場合、吐出されるインク粘度に偏りが生じ、インク吐出速度も偏る。さらにインク吐出速度と、インク吐出量とは比例するため、各ノズル間、及びノズル列間でのインク吐出量にバラツキが生じ、均一な吐出を行うことができないという問題がある。

ここでは、上記の問題に対応可能な、第３の実施の形態におけるインクジェットヘッド１０ｂの構成について説明する。

インクジェットヘッド１０ｂは、ノズル列１０２ａを複数備える構成である。ヒータ５０１ｂは、第２方向において、ノズル１０２を挟んだ両側に加え、隣接する二つのノズル列１０２ａの間にも設置される。より具体的には、ヒータ５０１ｂはノズル列１０２ａが存在する箇所において、各ノズル列１０２ａに沿って複数の開口を有する形状を持つ。つまり、ノズル列１０２ａとノズル列１０２ａとの間にもヒータ５０１ｂが存在する構成を持つ。

なおここでは、ヒータ５０１ｂは１枚の板状の材料に開口が形成される形態を説明した。したがってヒータ５０１ｂは一体化された形状であるが、これに限られない。例えば、各ノズル列１０２ａを挟む（つまりノズル列１０２ａどうしの間にも設置される）形状であれば、それぞれが独立していてもよく、一部が一体化されていてもよく、また全部が一体化された構成であってもよい。第３の実施の形態では、流路の方向や環境によるノズル面への影響を抑制し、ノズル面の温度勾配（つまり、各ノズル１０２間、及びノズル列１０２ａ間における温度差）を均一に保つことができるため、インク吐出を安定化させることができる。

また、第３の実施の形態におけるノズル列１０２ａの構造は、図９に示すような４つのノズル列１０２ａが、他のノズル列１０２ａが第１方向、及び第２方向に２つずつ並ぶ２行２列の配置例を示したが、ヒータ５０１ｂの開口部が各ノズル列１０２ａに沿って開口する形状であれば、どのようなノズル列やノズル数としてもよい。さらに、ヒータ５０１ｂのヒータパターン（加熱パターン）は、例えばインクジェットヘッド１０ｂのうち端部であるか、中央部であるかなど、加熱位置による放熱等を考慮して、発熱する温度の勾配を持たせてもよいし、持たせなくてもよい。

以上説明したように、本開示における第３の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ｂは、ノズル列１０２ａを複数備え、ヒータ５０１ｂは、隣接する二つのノズル列１０２ａの間にも設置されている。

これにより、ノズル列１０２ａを複数備えるようなインクジェットヘッド１０ｂにおいても、ノズル列１０２ａを構成する各ノズル１０２に対して、ヒータ５０１ｂから与えられる熱の与え方を均一にできるため、各ノズル列１０２ａ、及び各ノズル１０２間におけるインク吐出量のバラツキがなく、精度の高いインク２０１の吐出を実現できる。

（第４の実施の形態）
さらに以下では、本開示における第４の実施の形態について図１０を用いて説明する。図１０は、第４の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ｃのインク温度制御機構について説明する図である。

例えば、インクの過加熱は、インクの過剰な低粘度化を導き、染み出しを起こす原因となり、また、加熱不足はインクの低粘度化が不十分なことによる不吐出を引き起こす。つまりインクの吐出には最適なインク温度の範囲が存在し、この温度範囲に収まるようにインク温度を調整する必要がある。

第４の実施の形態におけるインクジェットヘッド１０ｃは、検出手段８０１と、制御部８０２とを備える。検出手段８０１は、インク２０１の温度を検出する計測装置であり、ノズル１０４の内壁面など、インク２０１が接触する壁面に設置される。制御部８０２は、インク２０１の温度を所望の温度範囲に制御する制御装置であり、検出手段８０１から取得したインク２０１の温度に基づき、インク２０１を加熱、または冷却する。制御部８０２は例えば、検出した温度に基づき温度制御指示を出力するコントローラ８０３と、ペルチェ素子等の温度制御プレート８０４とによって構成されるが、その他の構成であってもよい。また、自然放熱が有効で昇温のみが必要な場合のインクジェットヘッド１０ｃにおいては、制御部８０２はヒータのみを備えるが、当該ヒータはノズルプレート１０１ｃに設置されたヒータ５０１等と共用されてもよい。このような構成によりインクの温度を所望の温度範囲に制御することが可能で、インクの染み出しや不吐出を防ぐことができる。

以上説明したように、本開示における第４の実施の形態に関わるインクジェットヘッド１０ｃは、さらに、インク２０１の温度を検出する検出手段８０１と、インク２０１の温度を所望の温度範囲に制御する制御部８０２と、を備える。

これにより、吐出されるインク２０１の温度を制御することができ、吐出に最適な温度範囲においてインク２０１の吐出を実現できる。

（その他の実施の形態）
以上、実施の形態について説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。

また、上記実施の形態においてインクジェットヘッドを構成する構成要素について例示したが、インクジェットヘッドが備える構成要素の各機能は、インクジェットヘッドを構成する複数の部分にどのように振り分けられてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

例えば、インク粘度の差を形成するために、第１の実施の形態におけるインクジェットヘッド１０においては温度差を用いる構成を説明したがこれに限られない。例えば、分散剤、または粘度低下剤、もしくは増粘剤等を添加したインクと、その他の組成が同等の、通常のインク２０１とを用い、層流によって、粘度の異なる状態でノズル１０２へと送液してもよい。

また例えば、以上では、不均一加熱を可能とするためのヒータ５０１を備える構成について説明したが、不均一加熱が可能な構成であればヒータ５０１でなくてもよい。例えば、ノズル１０２のうち温度勾配を形成したい箇所の外周部に放熱用のヒートシンクを備える構成により、均一な加熱設計のヒータを用いる構成であっても実現可能である。

また本開示における液滴吐出方法は、ノズル１０２から液体（例えばインク２０１等）を吐出し、被塗布物に液滴状の液体を塗布する液滴吐出方法であって、ノズル１０２の内壁面において、一部に接触する、液体の内の第１部分の粘度を、一部の内壁面とは別の一部に接触する、液体の内の第２部分の粘度より小さくする粘度差発生工程と、粘度差発生工程で粘度差を発生させた状態で、液体をノズル１０２から吐出する吐出工程と、を含む。

つまり、ノズル１０２内の一部の壁面に接触するインク２０１の温度とその他の壁面に接触するインク２０１の温度とを変化させることでノズル１０２内でのインク２０１に粘度差を持たせる加熱方法をとっている。この方法により、吐出前の染み出し、吐出直前のインクの十分な低粘度化、吐出時のリガメント切れ方向を安定化することを可能とすることができる。さらにこの液滴吐出方法に対し、第２の実施の形態に示した予備振動を実現する吐出波形７０１、及び第４の実施の形態に示したヒータ温度を操作することなどを組み合わせる方法により、多様な粘度のインク２０１の吐出に対応することができる。例えば、インクの経年変化などで増粘などの粘度変化が発生した際に、柔軟に対応し、安定した吐出を実現することができる。なお、本方法は液滴を形成できる液体であれば、インク２０１に限らずいかなる材料にも適用することができる。例えば、接着剤、またはコーティング剤など、機能性を有する塗装材料に適用可能である。

なお、実施の形態１〜４の中でノズル先端のインク温度はインク圧力室やインク共通流路のインクの温度よりも高くしている。これにより、リガメント切れのバラツキ、及びインクの染み出し等を抑制する効果がある。したがって、本開示において、このようなインクジェットヘッドの部位ごとにおける温度差を設計することは有効である。

また、上記の第１の実施の形態に、第２の実施の形態、第３の実施の形態、及び第４の実施の形態を全部あるいは、少なくとも一つを加えてインクジェットヘッドを実現してもよい。

本開示におけるインクジェットヘッドは、産業用インクジェットヘッドとして広く使用される。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ インクジェットヘッド
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ ノズルプレート
１０２、１０３、１０４ ノズル
２０１ インク
２０１ａ インク滴
２０１ｂ くびれ
５０１、５０１ｂ ヒータ
６０１ メニスカス
７０１ 吐出波形
８０１ 検出手段
８０２ 制御部
８０３ コントローラ
８０４ 温度制御プレート

Claims (10)

1. ノズル列として配置された、インクを吐出するための複数のノズルを備えるインクジェットヘッドであって、
   前記複数のノズルの内、一のノズル内のインク粘度は、前記インクが吐出される方向から前記一のノズルを見た平面視において、
   前記複数のノズルの配列方向かつ前記一のノズルの中心を通る線と、前記一のノズルの外周とが交差する点のインク粘度をη₁とし、
   前記複数のノズルの配列方向と垂直な方向かつ前記一のノズルの中心を通る線と、前記外周とが交差する点のインク粘度をη₂とするとき、
   η₁＞η₂の関係を満たす
   インクジェットヘッド。
2. 前記インクは、インク滴として吐出され、
   前記インクの吐出の際、前記インクと前記インク滴との間にくびれが形成され、
   前記複数のノズルの配列方向から見た際の前記くびれの幅をW₁とし、
   前記垂直な方向から見た際の前記くびれの幅をW₂とするとき、
   W₁＜W₂の関係を満たす
   請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記平面視において、
   前記複数のノズルの配列方向かつ前記一のノズルの中心を通る線と、前記外周とが交差する点の温度をT₁とし、
   前記垂直な方向かつ前記一のノズルの中心を通る線と、前記外周とが交差する点の温度をT₂とするとき、
   T₁＜T₂の関係を満たす
   請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記一のノズルにおいて、
   前記平面視における、
   前記複数のノズルの配列方向での放熱をQ₁とし、
   前記垂直な方向での吸熱をQ₂としたとき、
   Q₁＞Q₂の関係を満たす
   請求項３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記インクジェットヘッドは、
   前記一のノズル内において不均一加熱を可能とするためのヒータであって、
   前記垂直な方向において、前記一のノズルを挟んだ両側に設置されたヒータをさらに備える
   請求項１から４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記一のノズルの内壁面の内、
   前記インクを吐出するノズル吐出部側での温度をT₃とし、
   前記ノズル吐出部とは反対側での温度をT₄とするとき、
   T₃＞T₄の関係を満たす
   請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. インク吐出前に前記一のノズル内において、予備振動を行い、前記一のノズル内の前記インクを攪拌することで、前記一のノズル内の前記インクの加熱領域を拡大させる予備振動制御部をさらに備える
   請求項６に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記インクジェットヘッドは、前記ノズル列を複数備え、
   前記ヒータは、隣接する二つの前記ノズル列の間にも設置されている
   請求項５から７のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
9. 前記インクジェットヘッドは、さらに、前記インクの温度を検出する検出手段と、
   前記インクの温度を所望の温度範囲に制御する制御部と、を備える
   請求項１から８のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
10. ノズルから液体を吐出し、被塗布物に液滴状の前記液体を塗布する液滴吐出方法であって、
    前記ノズルの内壁面において、一部に接触する、前記液体の内の第１部分の粘度を、前記一部の内壁面とは別の一部に接触する、前記液体の内の第２部分の粘度より小さくする粘度差発生工程と、
    前記粘度差発生工程で粘度差を発生させた状態で、前記液体を前記ノズルから吐出する吐出工程と、を含む
    液滴吐出方法。

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