JP5292192B2 - インク吐出ヘッドおよびそれを備えるインク吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、インク吐出ヘッドおよびそれを備えるインク吐出装置に関する。

インク吐出装置が具備するインク吐出ヘッドは、インクリザーバーと、所定のインクを収容する圧力発生室と、圧力発生室を加圧するピエゾ素子と、圧力発生室に連通するノズル開口とを有する（例えば特許文献１を参照）。ピエゾ素子は、インクリザーバーのインクを圧力発生室に吸入し、圧力発生室のインクをノズル開口から液滴として吐出する。一般的なインク吐出ヘッドにおいては、インクリザーバーは、流路状の共通インク室として、複数の圧力発生室に接続されている（特許文献２を参照）。

圧力発生室からは熱が発生するため、インクリザーバー内のインクの温度にばらつきが生じる。つまり、インクリザーバーのインク供給口付近のインクの温度は比較的低く；インク供給口から離れた部位のインクの温度は比較的高く、気泡が発生する場合もある。そのため、各圧力発生室へのインクの吸入が不安定になることがある。そこで、複数の圧力発生室が接続したインクリザーバーに、インク供給口とインク排出口とを設けて、インクを循環させることが提案されている（特許文献３を参照）。それにより、インクリザーバー内のインクの温度分布を均一にするとしている。

特開２００５−２０５２８５号公報 特開２００２−２８３５８５号公報 特開２００６−１７５６５１号公報

前記の通り、複数の圧力発生室が接続したインクリザーバーに、インクを循環させることで、インクの温度分布を均一にすることが提案されている。ここで、インクリザーバーの容量が大きくなるほど、つまりインクリザーバーの流路の長さが長くなるほど、インクの温度分布を均一にするためにインクの循環速度を高める必要がある。

また本発明者は、インクリザーバーの容量が大きくなると、つまりインクリザーバーの流路の長さが長くなると、供給口から離れた部位に十分にインクを供給することができず、インク量も不均一になることを見いだした。このインク量の不均一も、インクの循環速度を高めれば解消されうる。

ところが、インクの循環速度を高めていくとインクが強い慣性力をもつため、共通インク室に流れるインクを圧力発生室に吸入させにくくなるという問題が生じる。そのため、インク吐出ヘッドからのインクの吐出が不安定になりやすかった。そこで本発明は、複数の圧力発生室が接続した流路状の共通インク室に高速でインクを流しつつ、各圧力発生室に適切にインクを吸入させる手段を提供する。それにより、吐出が安定しており、かつ１回の走査で塗布可能な領域が広いインク吐出ヘッドを提供する。

すなわち本発明は、以下に示すインク吐出ヘッドなどに関する。
［１］流路を構成する共通インク室と；前記共通インク室にインクを供給するための、前記流路に配置された供給口と；前記共通インク室からインクを排出するための、前記流路に配置された排出口と；前記供給口と前記排出口との間に、前記流路に沿って形成された複数の連通口と；前記連通口のそれぞれと接続する複数のインク室と；前記インク室の容量を変化させる圧電素子と；前記インク室と連通するノズルと；前記連通口の周囲を仕切る突起と、を有するインク吐出ヘッド。
［２］前記突起は、前記連通口に対して前記流路上流側に配置される、［１］に記載のインク吐出ヘッド。
［３］前記突起の形状は曲面である、［１］に記載のインク吐出ヘッド。
［４］［１］〜［３］のいずれかに記載のインク吐出ヘッドを備える、インク吐出装置。

本発明のインク吐出ヘッドは、共通インク室の流路長を長くして、共通インク室に多数の圧力発生室を連通させても、そこに流れるインクの温度分布や流量分布を均一にすることができる。そのため、共通インク室に接続する各圧力発生室に、安定してインクを吸入することができ；安定してインクを吐出することができる。

よって、本発明のインク吐出ヘッドを具備するインク吐出装置によれば、大型のインク被塗布物に、一度の走査でインクを安定して塗布をすることが可能になる。

従来のインク吐出ヘッドを示す図である。 本発明のインク吐出ヘッド（実施の形態１）を示す図である。 本発明のインク吐出ヘッド（実施の形態２）を示す図である。 本発明のインク吐出ヘッド（実施の形態３）を示す図である。 本発明のインク吐出ヘッド（実施の形態４）を示す図である。 本発明のインク吐出ヘッド（実施の形態５）を示す図である。

本発明のインク吐出ヘッドは、流路を構成する共通インク室と、共通インク室に接続する複数のインク室とを有する。複数のインク室のそれぞれにはノズルがあり、ノズルを介してインクの液滴が吐出される。

インク室のそれぞれは、連通口を介して共通インク室と接続している。インク室のそれぞれには圧電素子（ピエゾ素子）が配置されており、圧電素子はインク室の容量を増減させることができる。さらに各インク室には、ノズルが配置されている。

具体的に図１−２に、共通インク室１０とインク室１１との関係が示される。後述するように、共通インク室１０は流路を構成しており、その内部にインクが流れている。共通インク室１０には連通口１２が形成されており、連通口１２を介して共通インク室１０とインク室１１とが連通している。

圧電素子１３に電圧を印加するとインク室１１の容量が増え、共通インク室１０に流れるインクが、インク室１１に吸入される。そして、圧電素子１３への電圧印加をやめると、インク室１１の容量が減るので、ノズル１４を通ってインクが液滴として吐出される。

前記の通り、共通インク室は流路を構成している。つまり、共通インク室にはインクを供給するためのインク供給口と、インクを排出するためのインク排出口とが配置されており；共通インク室の内部にインクを循環させることができる。インク供給口またはインク排出口は、それぞれ１つであっても２つ以上あってもよい。インク供給口とインク排出口の直径は、特に制限されず、数ｍｍであればよい。

共通インク室が構成する流路に流れるインクの流量は特に制限されず、数ｃｃ／ｍｉｎであっても、それ以上であってもよい。本発明によれば、インクの流量（流速）を高めても、各インク室に安定してインクが取り込まれ、安定してインクを吐出することができる。

共通インク室が構成する流路の大きさは、インクの流量やその速度に応じて適宜設定されるべきであるが；例えば、流路断面積は０．３〜１０ｍｍ^２であればよく；流路の深さ（連通口からの深さ）は、約０．５ｍｍであればよく；流路の幅は１〜１．５ｍｍであればよい。また流路の長さは、接続するインク室の数に応じて設定され、数ｃｍであっても、それ以上であってもよい。本発明によれば、共通インク室が構成する流路が長くなっても、インクの温度分布や流路分布を抑制することができる。そのため、安定してインクを吐出することができるインク吐出ヘッドが得られる。

共通インク室が構成する流路には、複数の開口部が形成されており、各開口部は各インク室との連通口として作用する。連通口は、共通インク室が構成する流路に沿って配置されている。共通インク室に形成された連通口の直径は特に制限されないが、約４０μｍであればよい。連通口のピッチは特に制限されないが、例えば２００〜３００μｍである。連通口は、インク供給口とインク排出口との間に配置される。

連通口の数は、特に制限されないが、数十以上とすることができ、１００以上とすることもできる。本発明によれば、共通インク室に接続するインク室の数を増やしても、全てのインク室に安定してインクを吸入されることができる。

具体的に図１−１に示されるように、共通インク室１０の一方の端部にインク供給口２０が、他方の端部にインク排出口２１が形成される。それにより、図１−３に示される矢印３０の方向のインクの流れが発生する。インクの流れが発生することにより、インクの温度分布が均一化され、流量分布も均一化する。

ここで、図１−１〜４を参照して、共通インク室１０に形成された連通口１２の周囲に突起（後述）を設けない場合に生じる現象を説明する。図１−１〜４には、従来のインク吐出ヘッドの例の断面が示される。図１−１は、インク吐出ヘッドを、ノズルの配置面の反対側から見た上面図である。図１−２は、図１−１におけるＡ−Ａ断面図であり；図１−３は、図１−１におけるＢ−Ｂ断面図であり；図１−４は、図１−１におけるＣ−Ｃ断面図である。

図１−１には、便宜のために、インク室１１と、圧電素子１３と、共通インク室１０とを示しているが、通常これらは容器に覆われている。共通インク室１０には、インク供給口２０とインク排出口２１とが設けられ、インクが循環している（図１−３の矢印３０を参照）。圧電素子１３を有するインク室１１はそれぞれ、連通口１２を介して共通インク室１０に連通している（図１−２または図１−３を参照）。

圧電素子１３が、インク室１１の容積を増減させることで、共通インク室１０のインクを吸入したり、ノズル１４からインクを吐出したりする。このとき、共通インク室１０を流れるインクの流れが速いと、連通口１２を通ってインク室１１にインクを取り込みにくくなる。つまり、インクの流速を高めていくと、インクが強い慣性力をもち、圧電素子１３がインク室１１の容量を増やしても、インク室１１にインクが吸入されにくい。

そこで、本発明のインク吐出ヘッドは、共通インク室に形成された連通口の周囲に形成された突起を有することを特徴とする。突起は、連通口近傍におけるインクの流れをある程度よどませることができればよい。一方で、突起は、共通インク室に流れるインクの速度を低下させないことが好ましい。つまり、突起によって連通口近傍におけるインクの流れを止めて、連通口を通してインクをインク室に吸入しやすくするとともに；インクのスムーズな循環は確保して、インクの温度のばらつき、流量のばらつきを抑制する。

共通インク室の連通口の周囲に設けられた突起は、連通口を完全に取り囲むように形成されてもよいが（図４参照）、連通口に対して流路上流側だけに設けられていてもよい（図５参照）。下流側を開放することで、連通口の近傍にインクが提供されやすくなり、インク室に確実にインクが吸入されやすい。

突起の形状も特に限定されず、直方体状であってもよく（図２参照）、曲面で構成される突起であってもよいが（図３参照）、曲面で構成される突起であるほうがよい場合がある。突起が鋭角を有していると、一部のインクの流れが過剰にせき止められて負圧が発生することがあるからである。負圧の発生によりインクに気泡が生じ、吐出が不安定になる。

突起の突出長さは、上記の効果が得られる限り限定されないが、例えば、共通インク室を構成する流路深さの約１０％ほどである。例えば、図２−３における流路深さＬが０．５ｍｍであれば、突起の突出長さｌが５０〜１５０μｍでありうる。

突起は、全ての連通口に設けられている必要は必ずしもなく、複数の連通口のうちの一部の連通口だけに設けられていてもよい。

本発明のインク吐出ヘッドは、共通インク室を流れるインクを加熱するためのヒーターを有していてもよい（図６参照）。共通インク室全体のインクを加熱することにより、インクの粘度を低下させて、インクの流速を高めることができる。特に、ヒーターの配置は、インクの粘度が高い場合に有効である場合がある。

本発明のインク吐出装置は、本発明のインク吐出ヘッドを具備することを特徴とする。吐出ヘッド以外の部材の例には、インクを吐出する対象物を移動させるためのステージや、ステージの移動を制御する制御機構などが含まれる。

本発明のインク吐出装置によれば、塗布面積の広い被塗布物に、一回の走査で塗布を行うことが可能となる。つまり、本発明のインク吐出ヘッドの共通インク室は、長い流路とすることができ、それに多数のインク室を接続することができる。しかも、各インク室から安定してインクが吐出されるので、一回の走査で広い面積にインクを塗布することができる。

［実施の形態１］
図２−１〜５には、本発明のインク吐出ヘッドの一例の断面が示される。図２−１は、インク吐出ヘッドを、ノズルの配置面の反対側から見た上面図である。図２−２は、図２−１におけるＡ−Ａ断面図であり；図２−３は、図２−１におけるＢ−Ｂ断面図であり；図２−４は、図２−１におけるＣ−Ｃ断面図であり；図２−５は、図２−３のＤ−Ｄ断面図である。

図２−１には、図１−１と同様に、便宜上、インク室１１と、圧電素子１３と、共通インク室１０とが示されている。共通インク室１０には、インク供給口２０とインク排出口２１とが設けられ、インクが循環している（図２−３の矢印３０を参照）。圧電素子１３を有するインク室１１はそれぞれ、共通インク室１０に、連通口１２を介して連通している（図２−２または図２−３を参照）。

圧電素子１３が、インク室１１の容積を増減させることで、共通インク室１０のインクを吸入したり、ノズル１４からインクを吐出したりする。

図２−３に示されるように、連通口１２の周囲に突起４０−１が配置されている。突起４０−１は、図２−３に示されるように、共通インク室１０の深さ方向の途中まで突出しており；図２−５に示されるように、流路を横切るように配置されている。

突起４０−１は、インク供給口２０から供給されたインクの流れ（矢印３０）を、連通口１２の近傍で選択的に弱めることができる。そのため、連通口１２近傍におけるインクの流れは遅くなり、インク室１１にインクが取り込まれやすくなる。一方で、突起４０−１は共通インク室１０をふさいではおらず、突起のない部分でのインクの流れは確保されている。よって、インクの温度のばらつき、量のばらつきは低減されている。

［実施の形態２］
図３−１〜５には、本発明のインク吐出ヘッドの他の例の断面が示される。図３−１は、インク吐出ヘッドを、ノズルの配置面の反対側から見た上面図である。図３−２は、図３−１におけるＡ−Ａ断面図であり；図３−３は、図３−１におけるＢ−Ｂ断面図であり；図３−４は、図３−１におけるＣ−Ｃ断面図であり；図３−５は、図３−３におけるＤ−Ｄ断面図である。

実施の形態１のインク吐出ヘッドの突起４０−１は直方体状であって（図２−３）、鋭角を有しているのに対して、実施の形態２のインク吐出ヘッドの突起４０−２は、曲面を有する形状である（図３−３）。それ以外の構成部材は、実施の形態１と実施の形態２とで相違点はない。

図３−３に示されるように、突起４０−２が曲面であるので、インクの流れ（矢印３０）を阻害することなく、スムーズな流れを確保することができる。もちろん、連通口１２近傍におけるインクの流れを遅くして、インク室１１へのインクの取り込みを容易にすることができる。

［実施の形態３］
図４−１〜５には、本発明のインク吐出ヘッドのさらなる例の断面が示される。図４−１は、インク吐出ヘッドを、ノズルの配置面の反対側から見た上面図である。図４−２は、図４−１におけるＡ−Ａ断面図であり；図４−３は、図４−１におけるＢ−Ｂ断面図であり；図４−４は、図４−１におけるＣ−Ｃ断面図であり；図４−５は、図４−３におけるＤ−Ｄ断面図である。

実施の形態１のインク吐出ヘッドの突起４０−１、および実施の形態２のインク吐出ヘッドの突起４０−２は、流路を横切るように配置されているのに対して（図２−５および図３−５参照）、実施の形態３のインク吐出ヘッドの突起４０−３は、連通口１２の周囲を完全に円状に取り囲んでいる。これにより、インクの流れをよりスムーズにしつつ、連通口１２におけるインクの流れを遅くすることができる。

［実施の形態４］
図５−１〜５には、本発明のインク吐出ヘッドのさらなる例の断面が示される。図５−１は、インク吐出ヘッドを、ノズルの配置面の反対側から見た上面図である。図５−２は、図５−１におけるＡ−Ａ断面図であり；図５−３は、図５−１におけるＢ−Ｂ断面図であり；図５−４は、図５−１におけるＣ−Ｃ断面図であり；図５−５は、図５−３におけるＤ−Ｄ断面図である。

実施の形態３のインク吐出ヘッドの突起４０−３は、連通口１２の周囲を完全に円状に取り囲んでいるのに対して（図４−５）、実施の形態４のインク吐出ヘッドの突起４０−４は、連通口１２の上流側だけ半円状に取り囲んでいる。これにより、インクの流れをよりスムーズにしつつ、連通口１２におけるインクの流れを遅くして、さらに連通口１２の近傍にインクが確実に供給される。

［実施の形態５］
図６−１〜５には、本発明のインク吐出ヘッドのさらなる例の断面が示される。図６−１は、インク吐出ヘッドを、ノズルの配置面の反対側から見た上面図である。図６−２は、図６−１におけるＡ−Ａ断面図であり；図６−３は、図６−１におけるＢ−Ｂ断面図であり；図６−４は、図６−１におけるＣ−Ｃ断面図であり；図６−５は、図６−３におけるＤ−Ｄ断面図である。

実施の形態５におけるインク吐出ヘッドの共通インク室１０には、ヒーター５０が配置されている。ヒーター５０は、共通インク室１０全体のインクを加熱することにより、インクの粘度を低下させて、よりスムーズな流れを実現する。

本発明のインク吐出ヘッドは、１回の走査で塗布可能な領域が広いにも係わらず、吐出が安定している。よって例えば、大型ディスプレイの作製において、有機機能層を成膜するためのインク吐出装置に有効に適用されうる。

１０ 共通インク室
１１ インク室
１２ 連通口
１３ 圧電素子
１４ ノズル
２０ インク供給口
２１ インク排出口
３０ インクの流れ
４０−１，４０−２，４０−３，４０−４ 突起
Ｌ 流路深さ
ｌ 突起の突出長さ

Claims (4)

1. 流路を構成する共通インク室と、
   前記共通インク室にインクを供給するための、前記流路に配置された供給口と、
   前記共通インク室からインクを排出するための、前記流路に配置された排出口と、
   前記供給口と前記排出口との間に、前記流路に沿って形成された複数の連通口と、
   前記連通口のそれぞれと接続する複数のインク室と、
   前記インク室の容量を変化させる圧電素子と、
   前記インク室と連通するノズルと、
   前記連通口の周囲を仕切る突起と、
   を有するインク吐出ヘッド。
2. 前記突起は、前記連通口に対して前記流路上流側に配置される、請求項１に記載のインク吐出ヘッド。
3. 前記突起の形状は曲面である、請求項１に記載のインク吐出ヘッド。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のインク吐出ヘッドを備える、インク吐出装置。

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