JP5302378B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インクを吐出するインクジェットヘッドに関する。

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インクジェットヘッドは、幅広い種類のインクを、細かく制御しながら塗布することができることから、現在積極的に開発が行われている。ピエゾ方式のドロップオンデマンド型インクジェットヘッドは、一般的に、インク供給流路と、インク供給流路に接続し、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、圧電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３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が期待されている（例えば特許文献１参照）。

また、インクジェットヘッドの内部のインクにエアーが混入したり、インクジェットヘッドのノズルが目詰まりしたりして、適切なインク吐出ができないことがある。そこで、インクジェットヘッドに、圧力室と連通し、かつ圧力室から排出されたインクが流れるインク排出流路を設け、インクを、インク供給流路から圧力室を介してインク排出流路に流し、循環させる技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

図１は、特許文献２に開示されたインク循環型インクジェットヘッドの模式図である。図１に示されるように、特許文献２に開示されたインクジェットヘッドは、インク供給流路１０とインク排出流路１１と、圧力室１２Ａ〜１２Ｃを有する。圧力室１２Ａ〜１２Ｃは、それぞれインク供給流路１０およびインク排出流路１１と連通している。つまり、圧力室１２Ａ〜１２Ｃは、連通口１６Ａ〜１６Ｃを介してインク供給流路１０と連通し；連通口１７Ａ〜１７Ｃを介してインク排出流路１１と連通している。また、圧力室１２Ａ〜１２Ｃには、それぞれアクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃが配置されており、ノズル１４Ａ〜１４Ｃが形成されている。

図１に示されるように、インク供給口５０から供給され、インク供給流路１０を流れるインクは、各圧力室１２Ａ〜１２Ｃに提供される。各圧力室１２Ａ〜１２Ｃに提供されたインクの一部は、アクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃの作用により、ノズル１４Ａ〜１４Ｃから液滴として吐出され；残りのインクは、インク排出流路１１に提供され、インク排出口５１から排出される。

このように、インクをインク供給流路からインク排出流路に流すことで、圧力室には常に新しいインクが供給され、インクにエアーが混入したり、ノズルが目詰まりしたりすることを防止することができる。

また、インクジェットヘッドにおいて、アクチュエータの駆動によって生じた圧力室内の圧力波が、インク共通室（インク供給流路）に伝搬し、他の圧力室に影響を与えることを防止するため、インク共通室の内面に凹凸を設ける技術が知られている（例えば特許文献３〜５参照）。このようにインク共通室の内面に凹凸を設けることで、圧力室からインク共通室に伝搬した圧力波を減衰することができる。さらに、インク共通室に配置されるアクチュエータを削減する観点から、インク共通室内に凹凸を設ける技術が知られている（例えば特許文献６及び７参照）。さらに、ノズルへ気泡が到達することを防止する観点から、圧力室内に凹凸を設ける技術も知られている（例えば特許文献８及び９参照）。

特開２００１−１２１６９３号公報 特開２００９−１２６０１２号公報 特開２０００−４３２５２号公報 特開２００８−５５８９６号公報 米国特許出願公開第２００８／００３０５５６号明細書 特開２００５−１１９２８７号公報 米国特許出願公開第２００５／００９３９３１号明細書 特開平１０−１４６９７６号公報 米国特許第６１３７５１０号明細書

しかしながら、特許文献２のように、圧力室と連通したインク排出流路を設けた場合、アクチュエータの駆動によって圧力室内で生じた圧力波が、インク排出流路に伝搬することがあった。特許文献２に開示されたようなインク循環型インクジェットヘッドでは、圧力室内をインクがインク排出流路に向かって流れるので、アクチュエータの駆動によって圧力室内で生じた圧力波は、インクの流れに乗ってインク排出流路に伝搬しやすいからである。

インク排出流路に伝搬した圧力波は、他の圧力室まで伝搬し、他の圧力室におけるインクの吐出に影響を与えてしまう。このように、１つの圧力室内で生じた圧力波が、他の圧力室におけるインクの吐出に影響を与えることは「クロストーク」と称される。クロストークが生じると、圧力室間で吐出するインク滴の量が不安定になったり、インクの吐出ピッチが不安定になったりする。

このため、従来のインク循環型インクジェットヘッドでは、クロストークによってインクを高精度に吐出することができなかった。これに対し、特許文献３〜５に開示されたようにインク共通室（インク供給流路またはインク排出流路）の内面に凹凸を設けることでクロストークを抑えることも考えられる。

しかし、特許文献３〜５に開示されたようにインク共通室の内面の凹凸で、圧力室からインク共通室に伝搬した圧力波を減衰する方法では、圧力室で生じた圧力波がインク共通室に伝搬することを防止することができない。圧力室内で生じた圧力波がインク共通室に伝搬すると、インク共通室の圧力が不安定になり、圧力室にインクが安定して供給されなかったり、圧力室内のインクの循環が不安定になったり、インクの吐出が不安定になったりする。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、クロストークが小さく、かつ圧力室内のインクの循環がスムーズなインク循環型インクジェットヘッドを提供することを目的とする。

本発明者は、圧力室とインク排出流路とを接続するインク出口流路の内面に凹凸を設けることで、圧力室間のクロストークを抑制しつつ、かつインク排出流路内の圧力が安定することを見出し、さらに検討を加え発明を完成させた。

すなわち本発明は、以下に示すインクジェットヘッドに関する。
［１］インクを収容し、インクを吐出するノズルを有する２以上の圧力室と、前記圧力室に連通し、前記圧力室に供給されるインクが流れるインク供給流路と、前記圧力室に連通し、前記圧力室から排出されたインクが流れるインク排出流路と、前記圧力室のそれぞれと、前記インク供給流路とを接続するインク入口流路と、前記圧力室のそれぞれと、前記インク排出流路とを接続するインク出口流路と、前記圧力室ごとに配置され、前記圧力室内のインクに圧力を加えるアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、
前記インク出口流路の内面の全面は凹凸を有し、
前記インク供給流路を流れるインクの流れ方向と、前記インク排出流路を流れるインクの流れ方向とは、互いに平行であって、かつ順方向であり、かつ前記２以上の圧力室は１つずつ、前記インク供給流路と前記インク排出流路とを並列に連通させているインクジェットヘッド。
［２］前記インク入口流路の内面は凹凸を有する、［１］に記載のインクジェットヘッド。
［３］前記凹凸は弾性部材からなる、［１］または［２］に記載のインクジェットヘッド。
［４］前記インク入口流路およびインク出口流路は直線状であり、前記インク入口流路と前記圧力室との接続部と、前記インク出口流路と前記圧力室との接続部とは対向し、前記インク入口流路を通過する直線は、前記インク出口流路も通過する、［１］〜［３］のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
［５］前記インク入口流路および前記インク出口流路は、それぞれ、前記圧力室に向けて流れるインクのエネルギー損失よりも、前記圧力室から流れ出るインクのエネルギー損失を大きくする形状に形成されている、［１］〜［４］のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
［６］［１］〜［５］のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを有するインクジェット装置。

本発明によれば、圧力室間のクロストークを抑制し、かつ圧力室内をインクがスムーズに循環することができる。

従来のインクジェット装置の模式図 実施の形態１のインクジェットヘッドの斜視図 実施の形態１のインクジェットヘッドの断面図 実施の形態１のインクジェットヘッドの断面の一部拡大図 実施の形態２のインクジェットヘッドの断面図 実施の形態３のインクジェットヘッドを示す図 実施の形態４のインクジェットヘッドを示す図 実施の形態５のインクジェットヘッドを示す図 実施の形態６のインクジェットヘッドを示す図 実施の形態７のインクジェットヘッドを示す図 実施の形態７のインクジェットヘッドの変形例を示す図 実施の形態における凸部及び島部の形状を説明する図

１．本発明の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、複数の圧力室を有するドロップオンデマンド型の圧電式インクジェットヘッドである。

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。また、本発明のインクジェットヘッドは、圧力室内をインクが流れるインク循環型のインクジェットヘッドである。

本発明のインクジェットヘッドは、１）複数の圧力室と、２）インク供給流路と、３）インク排出流路と、４）複数のアクチュエータと、５）インク入口流路およびインク出口流路と、を有する。以下、インクジェット装置のそれぞれの構成要素について説明する。

１）圧力室
圧力室は、インク入口流路を介してインク供給流路と連通し、インク供給流路から供給されたインクを収容するための空間である。１のインク供給流路に連通する圧力室の数の最大数は、通常１０２４個である。複数の圧力室は、通常、一列に配列され、圧力室同士は直接連通しない。また、隣接する圧力室同士の間隔は、５０〜２００μｍである。

また圧力室は、収容されたインクを吐出するためのノズルを有する。ノズルは、外部と連通した、吐出口である。１つの圧力室は、１つのノズルを有してもよいし、２以上のノズルを有していてもよい。圧力室内のインクは、ノズルから外部に吐出される。ノズルの径は、特に限定されず、例えば１０〜１００μｍ程度であり、約２０μｍでありうる。

圧力室は、圧力室の底面を構成するノズルプレートと、圧力室の天面を構成する天井プレートと、ノズルプレートと天井プレートによって挟まれ、圧力室の側面を構成するスペーサと、を貼り合わせることで形成される（図２参照）。ここで圧力室の側面とは、圧力室の壁面のうちインクの吐出方向に平行な面を意味する。

２）インク供給流路
インク供給流路は、インク入口流路を介して圧力室に連通し、圧力室に供給されるインクが流れる流路である。インク供給流路は、外部からインクが供給されるインク導入口を有する。インク供給流路内を流れるインク供給量は、特に限定されず、数ｍｌ／ｍｉｎであっても、それ以上であってもよい。インク供給流路を流れるインクは、分配され、複数の圧力室のそれぞれに供給される。

インク供給流路内を流れるインクの種類は、特に限定されず、インクの塗布によって得られる製造物の種類によって適宜選択される。例えば、前記製造物が有機ＥＬパネルや液晶パネルである場合、インクの例には、発光材料などの有機発光物質を含む溶液などの高粘度のインクが含まれる。

３）インク排出流路
インク排出流路は、インク出口流路を介して圧力室に連通し、圧力室から排出されたインクが流れる流路である。圧力室とインク排出流路とはインク出口流路によって接続されている。インク排出流路は、通常、インク供給流路へ、インクを供給するように接続される。インク排出流路は、外部にインクを排出するためのインク排出口を有していてもよい。また、インク排出流路内のインクの流れの方向は、通常、インク供給流路を流れるインクの流れの方向と平行である。

４）アクチュエータ
アクチュエータは、駆動電圧を含む制御信号を実際の動きに変換し、各圧力室内のインクに圧力を加える作動装置である。

本発明におけるアクチュエータは、薄膜ピエゾ素子であっても、積層ピエゾ素子であってもよいが、積層ピエゾ素子であることが好ましい。薄膜ピエゾは、入力に対する出力応答が速いが、出力が低くなりがちである。そのため、薄膜ピエゾの駆動は、吐出するべきインクの粘度によってばらつきやすい。

一方、積層ピエゾは、入力に対する出力応答が遅いが、出力を高めやすい。そのため積層ピエゾは、吐出するべきインクの粘度に影響を受けにくく、安定して駆動することができる。積層ピエゾ素子の高さ（積層方向の長さ）は、通常、１００〜１０００μｍである。

積層ピエゾは、ピエゾプレート上にチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）のシートと導電膜とを複数積層して駆動体を作製し、そして駆動体を分割することで作製されればよい。駆動体を分割するには、回転ブレードが組み込まれたダイシング装置を用いればよい。

アクチュエータは、圧力室の壁面を変位させる。アクチュエータが圧力室の壁面を変位させることで、圧力室内の圧力を制御する。これにより圧力室内にインクを補給したり、ノズルからインクを吐出させたりする。アクチュエータが変位させる圧力室の壁面は、圧力室の天面であってもよいし、圧力室の側面であってもよい。

また、アクチュエータが変位させる圧力室の壁面は、振動板（ダイヤフラム）であってもよい。また、アクチュエータの頂面が圧力室の壁面を構成してもよい。

５）インク入口流路およびインク出口流路
インク入口流路は、インク供給流路と圧力室とを接続する流路であり；インク出口流路は圧力室とインク排出流路とを接続する流路である。より具体的には、インク入口流路は、インク供給流路と圧力室との間のインク流路のうち、横断面（インクの流れ方向に垂直な断面）の面積（以下単に「横断面積」とも称する）が、圧力室よりも小さい領域を意味し；インク出口流路は、圧力室とインク排出流路と圧力室との間のインク流路のうち、横断面積が圧力室よりも小さい領域を意味する。また、インク入口流路およびインク出口流路において、横断面積が最も小さい領域は「オリフィス」とも称される。

インク入口流路およびインク出口流路は、屈曲していても直線状であってもよいが、直線状であることが好ましい。インク入口流路およびインク出口流路が、屈曲すると、インク入口流路およびインク出口流路の流路抵抗が増加し、インクジェットヘッド内をインクが循環しにくくなるからである。

インク入口流路の長さは特に限定されないが、例えば、０．５〜５．０ｍｍである。同様にインク出口流路の長さは特に限定されないが、例えば０．５〜４．０ｍｍである。

また、インク出口流路の横断面積は、インク入口流路の横断面積と同じであってもよいが、インク出口流路の横断面積は、インク入口流路の横断面積よりも小さいことが好ましい（図３参照）。具体的には、インク入口流路の横断面積は、１０００〜７５００μｍ^２であり、インク出口流路の横断面積は、５００〜５０００μｍ^２であり、インク出口流路の横断面積は、インク入口流路の横断面積よりも、５００〜２５００μｍ^２小さいことが好ましい。

このように、インク出口流路の横断面積を、インク入口流路の横断面積よりも小さくすることで、インク出口流路の流路抵抗を、インク入口流路の流路抵抗よりも大きくすることができる。これにより、インク出口流路から圧力室内にインクが逆流することを防止することができる。

圧力室とインク入口流路との接続部（以下「入口接続部」とも称する）および圧力室とインク出口流路との接続部（以下「出口接続部」とも称する）の相対的な位置関係は、特に限定されない。例えば、出口接続部は、入口接続部よりもノズル側に位置してもよいし（実施の形態１参照）、入口接続部と出口接続部とは対向していてもよい（実施の形態２参照）。

本発明では、インク出口流路の内面が凹凸を有することを特徴とする。また、本発明では、インク入口流路の内面も凹凸を有することが好ましい（実施の形態２参照）。

このようにインク出口流路の内面に凹凸を設けると、アクチュエータの駆動によって圧力室内で生じた圧力波が、インク出口流路の内面の凹凸によって減衰され、インク排出流路に伝搬することを抑制することができる。

前記凹凸の凸部の高さは、例えば１〜３０μｍであり、凸部の幅は、例えば１〜１００μｍである。前記凹凸はインク出口流路の内面の全面に設けられてもよいが、インク出口流路のうち前記凹凸が設けられた領域（以下単に「凹凸領域」とも称する）の長さ（図５Ａ符番１０９Ｌ’参照）は、１００〜２００μｍであることが好ましい。凹凸領域の長さが１００μｍ未満であると、圧力室内で生じた圧力波が、前記凹凸によって充分に減衰されない恐れがある。一方、凹凸領域の長さが２００μｍ超であると、インク出口流路の圧力損失が増大し、インクが圧力室内からインク排出流路に流れにくくなり、インクが圧力室内に滞留する恐れがある。

インク出口流路の内面に前記凹凸を設けるには、インク出口流路の内面自体を加工してもよいし、インク出口流路の内面に凹凸を有する膜を貼り付けてもよい。インク出口流路の内面自体を加工することで、インク出口流路の内面に前記凹凸を設けるには、インク出口流路の内面の所望の領域を例えばブラスト加工などによって粗面化すればよい。また、前記凹凸を有する膜は、弾性部材からなる膜の表面を加工することで作製されることが好ましい。すなわち、前記凹凸は弾性部材からなることが好ましい。弾性部材からなる凹凸は圧力波の吸収能力が高く、圧力波をより効果的に減衰することができるからである。弾性部材の例には、ゴムやプラスチック系またはアスファルト系の高分子材料が含まれる。

このように、本発明では、１の圧力室内で生じた圧力波が、インク排出流路に伝搬することが抑制されるので、１の圧力室内で生じた圧力波が、他の圧力室まで伝搬することが抑制される。このため、本発明では圧力室間のクロストークが小さい。

また、圧力波が、インク排出流路に伝搬することが抑制されるので、インク排出流路内の圧力も安定する。このため、本発明では、インクが、圧力室を通して、インク供給流路からインク排出流路にスムーズに循環することができる。

前記インク入口流路および前記インク出口流路は、それぞれ、前記圧力室に向けて流れるインクのエネルギー損失よりも、前記圧力室から流れ出るインクのエネルギー損失を大きくする形状に形成されていることが、さらに前記圧力室の圧力を高める観点から好ましい。

このような前記インク入口流路および前記インク出口流路（以下、これらの流路の総称として「インク流路」とも言う）は、例えば、前記インク流路の横断面積が前記圧力室に向けて漸次減少する縮小部と、前記インク流路の横断面積が前記圧力室に向けて急激に拡大する拡大部とを含む。前記インク流路に配置される前記縮小部及び前記拡大部のセットの数は、単数でも複数でもよい。

ここで、前記横断面積が「漸次減少する縮小部」と「急激に拡大する拡大部」とは、前記縮小部における断面積の変化の割合が、前記拡大部における断面積の変化の割合よりも小さいことを意味する。例えば、前記インク流路の軸方向に対する前記縮小部の傾きの絶対値は、前記拡大部の傾きの絶対値よりも小さい。この傾きの関係は、例えば、以下の方法で設定され得る（図１２参照）。

前記縮小部の始端ｒ１を、前記インク流路の横断面積が前記圧力室に向かう方向に沿って縮小し始める位置とし；前記縮小部の終端ｒ２を、前記インク流路の横断面積が前記圧力室に向かう方向に沿って縮小し終わる位置とする。また、前記拡大部の始端ｓ１を、前記インク流路の横断面積が前記圧力室に向かう方向に沿って拡大し始める位置とし；前記拡大部の終端ｓ２を、前記インク流路の横断面積が前記圧力室に向かう方向に沿って拡大し終わる位置とする。

前記縮小部の始端ｒ１と終端ｒ２とを結ぶ線と、前記圧力室に向かう方向に沿って終端ｒ２を終点とする、前記インク流路の軸に平行な直線との、前記縮小部の終端ｒ２での交点における交差角度をαとする（図１２Ａ〜Ｃ参照）。前記拡大部の始端ｓ１と終端ｓ２とを結ぶ線と、始端ｓ１から前記圧力室に向かう方向に延出する、前記インク流路の軸に平行な直線との、前記拡大部の始端ｓ１での交点における交差角度をβとする（図１２Ａ〜Ｃ参照）。このとき、角度αを角度βよりも小さく設定する（α＜β）。

角度αは、９０°未満であり、角度βは１８０°未満である。角度αは、１０〜８０°であることが好ましく、３０〜６０°であることがより好ましい。また、角度βは、８０〜１７０°であることが好ましく、９０〜１２０°であることがより好ましい。また角度αと角度βとの差（β−α）は、大きいほど、圧力室の圧力を高める観点から好ましく、例えば２０〜１６０°であることが好ましく、３０〜１２０°であることがより好ましい。

また、前記インク流路の軸方向の断面において、前記縮小部は、直線、又は凸面状の曲線で形成されることが好ましい。前記断面における前記拡大部の形状は、凸面状の曲線で形成されないことが好ましいが、特に限定されない。

また前記インク流路は、前記縮小部及び前記拡大部の間に、前記縮小部によって縮小された横断面積の流路を形成する直管部をさらに有していてもよい。前記直管部を有することは、前記圧力室の圧力を高める観点から好ましい。特に前記縮小部及び前記拡大部のセットが一つの場合に前記直管部を有することが、前記の観点から好ましい。

前記縮小部及び前記拡大部は、例えば、前記インク入口流路及び前記インク出口流路の側壁に配置される特定形状の凸部によって形成することができる。或いは、前記縮小部及び前記拡大部は、前記インク入口流路及び前記インク出口流路中に配置される特定形状の島部によって形成することができる。

なお前記縮小部及び前記拡大部は、同じ大きさや同じ形態の前記縮小部及び前記拡大部のみを含んでいてもよいし、異なる大きさや異なる形態の前記縮小部及び前記拡大部を含んでいてもよい。

２．本発明の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、それ以外は公知のインクジェット装置の部材を適宜有する。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。

インクジェット装置は、インク循環装置を具備する。インク循環装置は、インクに駆動圧力を供給することでインクを循環させる。インクに駆動圧力を供給するには、ポンプを用いてもよいが、圧縮空気を利用して圧力を供給するレギュレータを用いることが好ましい。レギュレータを用いることで駆動圧力が一定になり、インクの循環速度が安定するからである。

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。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施の形態により限定されない。

［実施の形態１］
図２は、実施の形態１のインクジェットヘッド１００の斜視図を示す。図２に示されるようにインクジェットヘッド１００は、インク供給流路１０１と、インク排出流路１０２と、複数の圧力室１１０と、を有する。また、インク供給流路１０１はインク導入口１０３を有する。インク排出流路１０２はインク排出口１０４を有する。

また、インクジェットヘッド１００は、ノズルが形成されたノズルプレート１２０と、スペーサ１２３と、および天井プレート（ピエゾプレート）１２１とを貼り合わせることで作製される。

図３Ａは、図２に示されたインクジェットヘッド１００のＡ線による断面図である。図３Ｂは、図２に示されたインクジェットヘッド１００のＢ線による断面図である。図３Ａおよび図３Ｂにおける矢印は、インクの流れ方向を表す。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、インクジェットヘッド１００は、インク入口流路１０７、インク出口流路１０８、アクチュエータ１１３をさらに有する。

圧力室１１０は、ノズル１１１が形成されたノズルプレート１２０から構成される底面と、スペーサ１２３から構成される側面と、天井プレート（ピエゾプレート）１２１から構成される天面とを有する。アクチュエータ１１３は、圧力室１１０の天面を形成する振動板１３０を振動させる。

圧力室１１０は、インク入口流路１０７を介してインク供給流路１０１に連通しており、インク出口流路１０８を介してインク排出流路１０２に連通している。インク入口流路１０７およびインク出口流路１０８は、屈曲しない直線状の流路である。

圧力室１１０とインク入口流路１０７との入口接続部１０７ａおよび圧力室１１０とインク出口流路１０８との出口接続部１０８ａは、圧力室１１０の側面に設けられている。

図３Ａおよび図３Ｂに示されるようにインク出口流路１０８の内面には、凹凸１０９が設けられている。図４は、インク出口流路１０８の内面に設けられた凹凸１０９の拡大図である。

凹凸１０９における凸部の高さ１０９Ｔは１〜３０μｍであり、凸部の幅１０９Ｗは１〜１００μｍであることが好ましい。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら、本実施の形態のインクジェットヘッド１００の動作について説明する。

まず、インクタンク（図示せず）からインク供給流路１０１にインクを供給する。インクタンクは圧力調節機構（図示せず）を有することが好ましい。インクタンクが圧力調節機構を有することで、インクタンク内のインクが消費され、インクタンク内のインク液面が下がっても、インクタンクからインク供給流路１０１にインクを一定の圧力で供給することができる。圧力調節機構は、インクタンクの高さを調節し、インク液面の高さを一定にすることで、供給されるインクの圧力を一定にしてもよい。

インク供給流路１０１に供給されたインクは、インク入口流路１０７を通じて圧力室１１０に供給される。圧力室１１０に供給されたインクは、さらにインク出口流路１０８を通ってインク排出流路１０２に排出される。このため、圧力室１１０内を、インクが入口接続部１０７ａから、出口接続部１０８ａにまで流れる。これにより、圧力室１１０内には常に新しいインクが供給される。

次に、アクチュエータ１１３に駆動電圧を加える。これにより、アクチュエータ１１３が伸長し、振動板１３０がアクチュエータ１１３によってインクの吐出方向Ｘに押され、圧力室１１０の容量が縮小する。これにより、圧力室１１０内のインクに、吐出方向Ｘの圧力が加わり、インクがノズル１１１から吐出される。

一方、アクチュエータ１１３の駆動によって生じた圧力波の一部は、圧力室１１０内を流れるインクの流れに乗ってインク出口流路１０８にも伝搬する。しかし、インク出口流路１０８に伝搬した圧力波は、インク出口流路１０８の内面に設けられた凹凸１０９によって吸収および減衰され、インク排出流路１０２に伝搬することはない。このため、１の圧力室１１０で生じた圧力波が、他の圧力室１１０に伝搬することはない。したがって、本実施の形態によれば、圧力波に起因したクロストークを抑制することができる。

また、圧力波がインク排出流路１０２に伝搬しないことで、インク排出流路１０２内の圧力が安定する。このため、圧力室１１０内をインクがスムーズに循環することができる。

インクの吐出後、アクチュエータ１１３の駆動電圧を解除すると、アクチュエータが収縮し、圧力室１１０の容積が増大する。圧力室１１０の容積が増大すると、圧力室１１０内の圧力が低下し、圧力室１１０内にインクが供給される。

なお、図３Ａは、インク入口流路１０７とインク出口流路１０８とが一直線上にはない形態を図示している。しかしながら、本実施の形態において、振動板１３０とノズルプレート１２０との間の任意の位置において、インク入口流路１０７とインク出口流路１０８とが一直線上にあってもよい。この場合、後述するよりスムーズなインクの循環による効果がさらに得られる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、インク出口流路の内面のみが凹凸を有する形態について説明した。実施の形態２では、インク出口流路およびインク入口流路の内面が凹凸を有する形態について説明する。

図５Ａは、実施の形態２のインクジェットヘッド２００のＡ線（図２参照）による断面図であり、図５Ｂは、実施の形態２のインクジェットヘッド２００のＢ線（図２参照）による断面図である。実施の形態１のインクジェットヘッド１００と同一の構成については、説明を省略する。

図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、インクジェットヘッド２００では、インク入口流路１０７の内面にも、凹凸１０９が設けられている。このように、インク出口流路１０８だけでなく、インク入口流路１０７の内面に凹凸１０９を設けることで、圧力室１１０内で生じた圧力波が、インク供給流路内に伝搬することを抑制することができる。これにより、実施の形態１よりもさらに圧力室間のクロストークを抑制し、かつインクの循環をスムーズにすることができる。

インク入口流路１０７のうち凹凸１０９が設けられた領域の長さ１０９Ｌは、インク出口流路１０８のうち凹凸１０９が設けられた領域の長さ１０９Ｌ’と、同じであってもよいが、本実施の形態では、１０９Ｌは、１０９Ｌ’よりも短いことが好ましい（図５Ａ参照）。具体的には、１０９Ｌは、５０〜１５０μｍであり、１０９Ｌ’は１００〜２００μｍであることが好ましい。

上述のように本発明のようなインク循環型インクジェットヘッドでは、圧力室内をインクがインク入口流路１０７からインク出口流路１０８に流れるので、圧力室１１０内で生じた圧力波がインク入口流路１０７に伝搬するには、インクの流れに逆らう必要がある。このため、圧力室１１０内で生じた圧力波は、インク入口流路１０７に伝搬しにくい。したがって、インク入口流路１０７の凹凸１０９が設けられた領域の長さ１０９Ｌが短くとも、インク入口流路１０７に伝搬した圧力波を充分に減衰することができる。また、１０９Ｌを短くすることで、インク入口流路１０７の圧力損失を小さくすることができ、インクの循環をスムーズにすることができる。

また、本実施の形態では、本実施の形態では、インク入口流路１０７およびインク出口流路１０８は、屈曲しない直線状の流路である。さらにインク入口流路１０７を通過する直線Ｙは、インク出口流路１０８も通過する。

このように、インク入口流路１０７およびインク出口流路１０８が同一直線上に位置することで、インク入口流路１０７からインク出口流路１０８へのインクの流れを円滑にすることができる。これによりインクジェット装置内のインクの循環がよりスムーズになり、高粘度のインクを供給する場合であっても、低い循環圧力で、インクジェットヘッド内にインクを循環させることができる。

このように、本実施の形態によれば、よりスムーズな循環が可能になることから、インク内の異物やノズル詰りをより効果的に抑制することができる。

なお、図５Ａは、インク入口流路１０７とインク出口流路１０８とが一直線上にある形態を図示している。しかしながら、本実施の形態において、振動板１３０とノズルプレート１２０との間の任意の位置において、インク入口流路１０７とインク出口流路１０８とが一直線上になくてもよい。この場合、よりスムーズなインクの循環による効果以外の前述の効果が得られる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、インク入口流路及びインク出口流路の内面が特定の形状の凸部を有する形態について説明する。

図６Ａは、実施の形態３のインクジェットヘッド３００のＡ線（図２参照）による断面図である。図６Ｂは、実施の形態３のインクジェットヘッド３００の、図６ＡにおけるＣ線による断面図である。実施の形態１のインクジェットヘッド１００と同一の構成については、説明を省略する。

図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、インクジェットヘッド３００のインク入口流路１０７及びインク出口流路１０８は、いずれも、平らな内壁面（図６Ｃ中の符号３０１）に配置された複数の凸部３０９を有する。凸部３０９は、前記インク流路の軸方向に断続的に配置されている。凸部３０９は、図６Ｃに示されるように、圧力室１１０に向けて、前記インク流路の平面方向（図６Ｂ）における流路幅を漸次減少させる傾斜部３０９ａと、前記流路幅を急激に拡大する拡幅部３０９ｂとを有する。図６Ｃにおける矢印Ｚは、圧力室１１０がある方向を示している。

凸部３０９は、図６Ｂに示されるように、前記インク流路の一対の内壁面３０１のそれぞれに配置されている。一方の内壁面３０１の凸部３０９と、他方の内壁面３０１の凸部３０９とは、傾斜部３０９ａ同士、及び拡幅部３０９ｂ同士が、それぞれ対向するように配置されている。

傾斜部３０９ａは、前記インク室流路の内壁面３０１に凸面状の曲面を形成している。傾斜部３０９ａは前述の縮小部を構成している。拡幅部３０９ｂは、傾斜部３０９ａの圧力室１１０側の端と前記インク流路の内壁面３０１との間に形成される。拡幅部３０９ｂは、前記インク流路の横断面中の平面を形成している。拡幅部３０９ｂは前述の拡大部を構成している。

ここで図１２Ａに示すように、Ｚ方向における傾斜部３０９ａの始端をｒ１とし、終端をｒ２とする。またＺ方向における拡幅部３０９ｂの始端をｓ１とし、終端をｓ２とする。ただし、凸部３０９では、傾斜部３０９ａの終端と拡幅部３０９ｂの始端とは同一の点である。前記ｒ１とｒ２とを結ぶ線と、前記インク流路の軸と平行な直線Ａｘのうちの、Ｚ方向においてｒ２を終点とする部分との、ｒ２での交点における交差角度α１は、例えば３０°である。また、前記ｓ１とｓ２とを結ぶ線と、前記直線Ａｘのうちのｓ１からＺ方向側の部分との、ｓ１での交点における交差角度β１は、９０°である。また、傾斜部３０９ａは前述したように凸面状の曲線で形成されており、拡幅部３０９ｂは直線で形成されている。

なおβ１が９０°を越える場合では、拡幅部３０９ｂの終端ｓ２は、Ｚ方向において、始端ｓ１よりも上流側に位置するが、この場合も、「Ｚ方向における拡幅部３０９ｂの始端ｓ１、終端ｓ２」と言う。

前記インク流路は、圧力室１１０と同様にスペーサ１２３の掘削によって形成することができる。凸部３０９は、例えば、前記インク流路の形成において、前記インク流路の壁面が凸部３０９を有するようにスペーサ１２３を掘削することによって形成することができる。凸部３０９の突出高さ（前記インク流路の前記幅方向における前記インク流路の内壁面３０１から前記傾斜部３０９ａの圧力室１１０側の端までの距離）は、例えば、前記インク流路の前記流路幅の０．２５〜２．０倍である。

一般に、流体が管内を流れる場合、その流体の損失ヘッドは下記の式で求められる。下記式中、ζは損失係数、ｕ_ｍは管内の流体の平均速度、ｇは重力加速度を表す。ζは流路形状に応じて異なる。

流路の壁面に形成される形状のうち、流路の流れ方向に対して直交する面を有する形状の損失係数は高い。例えば、管径Ａ_１を有する第一の管と、管径Ａ_１／２を有する第二の管とをそのまま接続したときの接続部の損失係数は０．５である。これに対して、凸面状の曲面を有する形状の損失係数は非常に小さい。例えば、前記第一の管と前記第二の管とを、凸面状の円弧の断面形状を有する周曲面を介して接続したときの接続部の損失係数は、０．００５〜０．０６である。

前記インク流路は、圧力室１１０に向けて漸次突出する弧状の傾斜部３０９ａと、圧力室１１０に対向する、前記インク流路の横断面中の面を形成する拡幅部３０９ｂとを有している。このため、インク入口流路１０７及びインク出口流路１０８では、圧力室１１０に向けて流れるインクのエネルギー損失は小さく、また、圧力室１１０から流れ出るインクのエネルギー損失は大きい。

インクジェットヘッド３００において、インク入口流路１０７内の圧力をインク出口流路１０８内の圧力に比べて高くすることによってインクを流す。インク入口流路１０７を流れたインクは圧力室１１０に入る。インク入口流路１０７では、インクは傾斜部３０９ａに沿って流れるので、圧力室１１０へ流れやすい。

アクチュエータ１１３により圧力室１１０を変形させると、圧力室１１０内の圧力が高まる。インク入口流路１０７及びインク出口流路１０８は、いずれも、圧力室１１０に面する拡幅部３０９ｂを有する。このため、圧力室１１０中のインクは、インク入口流路１０７及びインク出口流路１０８のいずれにも、流れ込みにくい。このため、圧力室１１０で高められた圧力が前記インク流路を介して外部に伝達することが、抑制される。したがって、アクチュエータ１１３によって高められた圧力室１１０内の圧力がより下がりにくい。そしてこのような圧力室１１０の圧力でノズル１１１よりインクが吐出される。

例えば、前記インク流路に凸部を有さない循環型インクジェットヘッドにおいて、ノズルからの正常なインクの吐出を行うためには、１ノズル当たり１〜５０μＬ／ｍｉｎのインクの循環流量が必要である。この循環流量は実験的に確かめられている。この循環流量において、アクチュエータ１１３による変位量を１００〜５００ｎｍとしたときに、圧力室１１０内の圧力は１．０〜２．５ＭＰａになる。この圧力はシミュレーションによって求められている。この条件において、前記インク流路に前記凸部を配置すると、圧力室１１０内の圧力が１．３〜４．５ＭＰａになる。このように前記凸部の設置によって、所定の循環流量１〜５０μｍ／ｍｉｎでの圧力室１１０のさらなる高圧力化が可能となる。

本実施の形態は、実施の形態２の効果に加えて、インクの同一循環流量において圧力室の圧力をおよそ１．５〜２倍高くすることができる、という効果を奏する。

［実施の形態４］
本実施の形態におけるインクジェットヘッド４００を図７Ａ〜図７Ｃに示す。インクジェットヘッド４００では、凸部４０９が、前記インク流路の平らな内壁面４０１を介さずに連続して配置されている。この点以外は、インクジェットヘッド４００は、実施の形態３におけるインクジェットヘッド３００と同様に構成されている。

本実施の形態は、実施の形態３と同じ効果を奏する。本実施の形態は、実施の形態３に比べて、凸部４０９をより多く配置することができることから、圧力室１１０の圧力を高める観点でより効果的である。

［実施の形態５］
本実施の形態におけるインクジェットヘッド５００を図８Ａ〜図８Ｃに示す。インクジェットヘッド５００では、凸部５０９が、前記インク流路の平らな内壁面５０１と平行な水平部５０９ｃを傾斜部５０９ａと拡幅部５０９ｂとの間にさらに有する。この点以外は、インクジェットヘッド５００は、実施の形態４におけるインクジェットヘッド４００と同様に構成されている。水平部５０９ｃは前述した直管部を構成している。

ここで図１２Ｂに示すように、Ｚ方向における傾斜部５０９ａの始端をｒ１とし、終端をｒ２とする。またＺ方向における拡幅部５０９ｂの始端をｓ１とし、終端をｓ２とする。前記ｒ１とｒ２とを結ぶ線と、前記インク流路の軸と平行な直線Ａｘのうちの、Ｚ方向においてｒ２を終点とする部分との、ｒ２での交点における交差角度α２は、例えば４５°である。また、前記ｓ１とｓ２とを結ぶ線と、前記直線Ａｘのうちのｓ１からＺ方向側の部分との、ｓ１での交点における交差角度β２は、９０°である。また、傾斜部５０９ａは凸面状の曲線で形成されており、拡幅部５０９ｂは直線で形成されている。

本実施の形態は、実施の形態３と同じ効果を奏する。本実施の形態は、実施の形態３に比べて、前述の縮小部の断面積を有する流路がより長く形成されることから、圧力室１１０の圧力を高める観点でより効果的である。

［実施の形態６］
本実施の形態におけるインクジェットヘッド６００を図９Ａ〜図９Ｃに示す。インクジェットヘッド９００は、前記凸部に代えて、前記インク流路中に島部６０９を有する。図９Ａ及び９Ｂに示すように、インクジェットヘッド６００は、前記インク流路中に、前記インク流路の軸方向に断続的に配置される複数の島部６０９を有する。島部６０９は、例えば、スペーサ１２３の掘削による前記インク流路の形成時に、島部６０９を残すように前記インク流路を掘削することによって形成することができる。

島部６０９は、図９Ｂ及び図９Ｃに示すように、前記インク流路の中央部から前記インク流路の内壁面に漸次近づく形状の一対の傾斜部６０９ａと、それぞれの傾斜部６０９ａにおける圧力室１１０側の端から前記インク室の中央部に向けて広がる一対の拡幅部６０９ｂとを有する。傾斜部６０９ａは、前記インク流路の平面方向において、前記インク流路の中央部から前記内壁面に向かう凸面状の曲面を形成している。拡幅部６０９ｂは、前記インク流路の幅方向における中央で互いに接続し、前記インク流路の横断面中の平面を形成している。

ここで図１２Ｃに示すように、Ｚ方向における傾斜部６０９ａの始端をｒ１とし、終端をｒ２とする。またＺ方向における拡幅部６０９ｂの始端をｓ１とし、終端をｓ２とする。ただし、島部６０９では、傾斜部６０９ａの終端と拡幅部６０９ｂの始端とは同一の点である。前記ｒ１とｒ２とを結ぶ線と、前記インク流路の軸と平行な直線Ａｘのうちの、Ｚ方向においてｒ２を終点とする部分との、ｒ２での交点における交差角度α３、α３’は、それぞれ、例えば３０°である。また、前記ｓ１とｓ２とを結ぶ線と、前記直線Ａｘのうちのｓ１からＺ方向側の部分との、ｓ１での交点における交差角度β３、β３’は、それぞれ９０°である。また、傾斜部６０９ａは、前述したように凸面状の曲線でそれぞれ形成されており、拡幅部６０９ｂはそれぞれ直線で形成されている。

インクジェットヘッド６００では、前記インク流路の内壁面と島部６０９の傾斜部６０９ａとの間に前述した縮小部が形成される。そして拡幅部６０９ｂによって前述した拡大部が形成される。本実施の形態も、実施の形態３と同じ効果を奏する。

本実施の形態は、前記インク流路の軸方向に島部６０９が連続して配置されると、実施の形態４と同じ効果を奏する。また本実施の形態は、島部６０９が傾斜部６０９ａと拡幅部６０９ｂとの間に水平部をさらに有すると、実施の形態５と同じ効果を奏する。

［実施の形態７］
本実施の形態におけるインクジェットヘッド７００を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。インクジェットヘッド７００は、実施の形態３における凸部３０９と実施の形態６における島部６０９との両方を有する。すなわち前記インク流路において、前記インク流路の軸方向に、圧力室１１０側から、島部６０９、凸部３０９、及び島部６０９が断続的に配置されている。この点以外は、インクジェットヘッド７００は、実施の形態３におけるインクジェットヘッド３００と同様に構成されている。

本実施の形態は、実施の形態３と同じ効果を奏する。本実施形態は、前記インク流路の幅方向において、中央部に配置される拡幅部６０９ｂと、両端部に配置される拡幅部３０９ｂとの両方を有する。したがって、本実施の形態では、前記インク流路における圧力室１１０からのインクの流れがより一層遮られる。このため、本実施の形態は、実施の形態３や実施の形態６に比べて、圧力室１１０の圧力を高める観点でより効果的である。

なお、本実施の形態７は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、凸部３０９と島部６０９との配置を入れ替えてもよい。このような構成を有するインクジェットヘッド７００’場合も、インクジェットヘッド７００と同じ効果を奏する。

本出願は、２０１１年１月１４日出願の特願２０１１−００５９５６に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明のインク循環型インクジェットヘッドは、クロストークが小さいため、インクを、被塗布物に安定して塗布することができる。このため、本発明のインクジェットヘッド、例えば有機ＥＬディスプレイパネルの製造における有機発光材料を塗布形成するためのインクジェットヘッドとして好ましく用いられる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、７００’ インクジェットヘッド
１０１ インク供給流路
１０２ インク排出流路
１０３ インク導入口
１０４ インク排出口
１０７ インク入口流路
１０７ａ 入口接続部
１０８ インク出口流路
１０８ａ 出口接続部
１０９ 凹凸
１１０ 圧力室
１１１ ノズル
１１３ アクチュエータ
１２０ ノズルプレート
１２１ 天井プレート
１２３ スペーサ
１３０ 振動板
３０１、４０１、５０１ 内壁面
３０９、４０９、５０９ 凸部
３０９ａ、４０９ａ、５０９ａ、６０９ａ 傾斜部
３０９ｂ、４０９ｂ、５０９ｂ、６０９ｂ 拡幅部
６０９ 島部
Ａｘ インク流路の軸に平行な線
ｒ１ 傾斜部の始端
ｒ２ 傾斜部の終端
ｓ１ 拡幅部の始端
ｓ２ 拡幅部の終端

Claims (6)

1. インクを収容し、インクを吐出するノズルを有する２以上の圧力室と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室に供給されるインクが流れるインク供給流路と、
   前記圧力室に連通し、前記圧力室から排出されたインクが流れるインク排出流路と、
   前記圧力室のそれぞれと、前記インク供給流路とを接続するインク入口流路と、
   前記圧力室のそれぞれと、前記インク排出流路とを接続するインク出口流路と、
   前記圧力室ごとに配置され、前記圧力室内のインクに圧力を加えるアクチュエータと、を有するインクジェットヘッドであって、
   前記インク出口流路の内面の全面は凹凸を有し、
   前記インク供給流路を流れるインクの流れ方向と、前記インク排出流路を流れるインクの流れ方向とは、互いに平行であって、かつ順方向であり、かつ
   前記２以上の圧力室は１つずつ、前記インク供給流路と前記インク排出流路とを並列に連通させているインクジェットヘッド。
2. 前記インク入口流路の内面は凹凸を有する、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記凹凸は弾性部材からなる、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記インク入口流路およびインク出口流路は直線状であり、
   前記インク入口流路と前記圧力室との接続部と、前記インク出口流路と前記圧力室との接続部とは対向し、前記インク入口流路を通過する直線は、前記インク出口流路も通過する、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記インク入口流路および前記インク出口流路は、それぞれ、前記圧力室に向けて流れるインクのエネルギー損失よりも、前記圧力室から流れ出るインクのエネルギー損失を大きくする形状に形成されている、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
6. 請求項１に記載のインクジェットヘッドを有するインクジェット装置。

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