JP6062452B2 - 液滴吐出ヘッドおよび印刷装置 - Google Patents

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Description

本発明は、印刷媒体に液滴を吐出する液滴吐出ヘッドおよび、液滴吐出ヘッドを備えた印刷装置に関するものである。
液滴の吐出が長時間行われない場合等には、液滴吐出ヘッドのノズル面が乾燥し、インク等の粘度が高くなる虞がある。粘度が高くなったインクでは、安定した印刷を行えない虞があり、液滴吐出ヘッドのノズル面の乾燥を防止することが望まれる。このため、下記特許文献に記載の液滴吐出ヘッドでは、ノズル面において乾燥防止用の液体を蒸発させ、ノズル面周辺を加湿している。
特開2010−69635号公報
上記特許文献によれば、ノズル面周辺の加湿により、液滴吐出ヘッドの乾燥を防止することが可能となる。ただし、ノズル面周辺の加湿により、ノズル面に液滴が付着し、その液滴が印刷媒体に滴下する虞がある。また、液滴吐出ヘッドによる印刷装置には、吐出された液滴の乾燥を促進するべく、印刷媒体を加温する印刷装置が存在している。このような印刷装置には、印刷媒体の加温による液滴吐出ヘッドの温度上昇を抑制するべく、液滴吐出ヘッドに冷却装置が装着されているものがある。このような液滴吐出ヘッドでは、液滴吐出ヘッドの温度上昇の抑制により、液滴吐出ヘッドの乾燥を防止することが可能となる。ただし、冷却装置が装着された液滴吐出ヘッドでも、液滴吐出ヘッドの温度低下により、ノズル面に結露が生じ、液滴が印刷媒体の上に落下する虞がある。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、乾燥を防止するとともに、液滴の印刷媒体への落下を抑制することが可能な液滴吐出ヘッドの提供を課題とする。
上記課題を解決するために、本願の請求項1に記載の液滴吐出ヘッドは、印刷媒体に液滴を吐出する液滴吐出ヘッドであって、液滴を吐出するための複数のノズル穴が下面側に形成されたヘッド本体と、前記ヘッド本体を冷却する冷却装置とを備え、前記ヘッド本体の前記複数のノズル穴が開口するノズル面が、(a)前記複数のノズル穴の開口の周囲に形成され、液体との親和性の低い領域である第1の撥液領域と、(b)前記第1の撥液領域を囲むようにして形成され、前記撥液領域より親和性の高い領域である環状の親液領域と、(c)前記環状の親液領域の外側に形成された第2の撥液領域とによって構成され、前記ヘッド本体に上下方向に延びるとともに、上端部が前記ヘッド本体の上面側に開口し、下端部が前記ノズル面の前記親液領域に開口する複数の貫通穴が形成されており、それら複数の貫通穴が、前記親液領域に親和している液体を吸引する吸引機構として機能するとともに、前記複数の貫通穴の各々の前記親液領域への開口の内寸が、前記環状の親液領域の幅寸法と同じであることを特徴とする。
また、請求項2に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記複数の貫通穴が、前記複数のノズル穴の形成ピッチの整数倍のピッチで、前記親液領域に開口していることを特徴とする。
また、請求項3に記載の液滴吐出ヘッドでは、請求項1または請求項2に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記吸引機構が、多くの細孔が形成された多孔質体を有し、前記親液領域に親和している液体が、前記多孔質体の孔の内部に吸引されることを特徴とする。
また、請求項4に記載の液滴吐出ヘッドでは、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記吸引機構が、ポンプを有し、前記ポンプの作動により、前記複数の貫通穴から前記親液領域に親和している液体を吸引することを特徴とする。
また、請求項5に記載の印刷装置は、印刷媒体を支持するステージと、前記ステージによって支持された印刷媒体に液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、前記ステージによって支持された印刷媒体を加温するためのヒータとを備えた印刷装置において、前記液滴吐出ヘッドが、液滴を吐出するための複数のノズル穴が下面側に形成されたヘッド本体と、前記ヘッド本体を冷却する冷却装置とを備え、前記ヘッド本体の前記複数のノズル穴が開口するノズル面が、(a)前記複数のノズル穴の開口の周囲に形成され、液体との親和性の低い領域である第1の撥液領域と、(b)前記第1の撥液領域を囲むようにして形成され、前記撥液領域より親和性の高い領域である環状の親液領域と、(c)前記環状の親液領域の外側に形成された第2の撥液領域とによって構成され、前記ヘッド本体に上下方向に延びるとともに、上端部が前記ヘッド本体の上面側に開口し、下端部が前記ノズル面の前記親液領域に開口する複数の貫通穴が形成されており、それら複数の貫通穴が、前記親液領域に親和している液体を吸引する吸引機構として機能するとともに、前記複数の貫通穴の各々の前記親液領域への開口の内寸が、前記環状の親液領域の幅寸法と同じであることを特徴とする。
請求項1に記載の液滴吐出ヘッド、および請求項5に記載の印刷装置では、液滴吐出ヘッドのヘッド本体に冷却装置が装着されている。これにより、液滴吐出ヘッドの温度上昇の抑制により、液滴吐出ヘッドの乾燥を防止することが可能となる。また、液滴吐出ヘッドのノズル面のノズル穴の開口周囲に、液体との親和性の低い領域である撥液領域が形成され、撥液領域を囲むように、撥液領域より親和性の高い領域である親液領域が形成されている。これにより、ノズル面に付着した液滴は、親和性の高い親液領域に集まる。親液領域に集まった水滴は、親液領域になじみ、接触角が小さくなる。ちなみに、接触角は、液滴の表面を通る接線とノズル面とのなす角度である。接触角が小さくなると、液滴とノズル面との濡れ性が高くなり、液滴は滴下し難くなる。したがって、請求項1に記載の液滴吐出ヘッド、および請求項5に記載の印刷装置によれば、液滴吐出ヘッドの乾燥を防止するとともに、液滴の印刷媒体への落下を抑制することが可能となる。また、ヘッド本体には上下方向に延びるように複数の貫通穴が形成されており、それら複数の貫通穴は、親液領域に開口し、親液領域に親和している液体を吸引する。これにより、親液領域に集められた液滴を、ノズル面から除去することが可能となり、液滴の印刷媒体への落下を確実に防止することが可能となる。さらに、複数の貫通穴の各々の親液領域への開口の内寸が、環状の親液領域の幅寸法と同じとされており、複数の貫通穴から好適に水分が吸引される。
また、請求項2に記載の液滴吐出ヘッドでは、複数の貫通穴が、複数のノズル穴の形成ピッチの整数倍のピッチで、親液領域に開口しており、複数の貫通穴から好適に水分が吸引される。
また、請求項3に記載の液滴吐出ヘッドでは、多くの細孔が形成された多孔質体により、親液領域に集められた液滴が吸引される。これにより、吸引機構の構造を簡便なものとすることが可能となる。
また、請求項4に記載の液滴吐出ヘッドでは、ポンプの吸引力により、親液領域に集められた液滴が吸引される。これにより、親液領域に集められた液滴を、確実に吸引することが可能となる。
本発明の実施例である印刷装置を示す斜視図である 図1に示す印刷装置の備える吐出ヘッドの底面を示す平面図である。 図2のAA線における断面図である。 印刷装置が備える制御装置を示すブロック図である。 変形例1の印刷装置の備える吐出ヘッドの底面を示す平面図である。 変形例2の印刷装置の備える吐出ヘッドの底面を示す平面図である。 図6のBB線における断面図である。
以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例および変形例を、図を参照しつつ詳しく説明する。
<印刷装置の構成>
図1に、本発明の実施例の印刷装置10を示す。印刷装置10は、回路基板12に回路パターンを印刷するための装置である。印刷装置10は、吐出ヘッド20とステージ22と吐出ヘッド移動装置(図4参照)24とを備えている。
吐出ヘッド20は、インクジェット方式の吐出ヘッドとされており、導電性インク、具体的には、銀ナノ粒子ペーストを吐出する。これにより、回路基板12の上に回路パターンが印刷される。吐出ヘッド20は、ヘッド本体30と吸湿材32と冷却機構34とを有している。
ヘッド本体30には、図2および図3に示すように、導電性インクを吐出するための複数のノズル穴36が形成されている。図2は、吐出ヘッド20を下方からの視点において示した図であり、図3は、図2でのAA線における断面図である。複数のノズル穴36は、一端部において、ヘッド本体30の下端面、つまり、ノズル面38に開口している。そして、電気信号に従って、圧電素子(図4参照)40や熱による蒸気泡を駆動源として、導電性インクがヘッド本体30のノズル面38から吐出される。
ヘッド本体30のノズル面38の外縁部には、液体との親和性を高めるための処理、具体的には、エッチング処理が施されている。そして、エッチング処理が施された領域(以下、「親液領域」という)50の内側には、撥液性を高めるための処理、具体的には、フッ素コーティング剤による表面処理が施されている。なお、複数のノズル穴36は、フッ素コーティング剤による表面処理が施された領域(以下、「撥液領域」という)52に開口している。つまり、複数のノズル穴36の開口の周囲に撥液領域52が形成され、撥液領域52を囲むように、親液領域50が形成されている。
また、吸湿材32は、多孔質セラミックスにより成形されており、概して角筒形状とされている。角筒形状の吸湿材32の内寸は、ヘッド本体30の側壁面の外寸とほぼ同じとされている。そして、吸湿材32の内周面とヘッド本体30の側壁面とが密着した状態で、ヘッド本体30が吸湿材32の内部に嵌合されている。ちなみに、吸湿材32の下端とヘッド本体30のノズル面38とは、面一とされている。これにより、ノズル面38の外縁部に形成された親液領域50は、吸湿材32と連通している。
また、冷却機構34は、概して角筒形状のハウジング56を有している。角筒形状のハウジング56の内寸は、吸湿材32の外周面の外寸とほぼ同じとされている。そして、ハウジング56の内周面と吸湿材32の外周面とが密着した状態で、吸湿材32がハウジング56の内部に嵌合されている。つまり、ヘッド本体30の外壁面に、吸湿材32が外嵌され、吸湿材32の外周面に、ハウジング56が外嵌されている。また、ハウジング56の内部には、冷却水が循環されている。このような構造により、冷却機構34は、吸湿材32を介して、ヘッド本体30を冷却する。
また、ステージ22は、図1に示すように、回路基板12を支持するものである。ステージ22は、ヒータ(図4参照)58を有しており、ステージ22に支持された回路基板12が、ヒータ58により加温される。
吐出ヘッド移動装置24は、XYロボット型の移動装置であり、吐出ヘッド20をステージ22上の任意の位置に移動させる。詳しくは、吐出ヘッド移動装置24は、スライダ(図示省略)を水平面に沿って所定の方向にスライドさせる電磁モータ(図4参照)60と、その所定の方向に直角かつ水平方向にスライドさせる電磁モータ(図4参照)62とを備えている。スライダには、吐出ヘッド20が取り付けられており、吐出ヘッド移動装置24は、2つの電磁モータ60,62の作動によって、吐出ヘッド20をステージ22上の任意の位置に移動させる。
また、印刷装置10は、図4に示すように、制御装置70を備えている。制御装置70は、コントローラ72と複数の駆動回路74と制御回路76とを備えている。複数の駆動回路74は、上記圧電素子40,電磁モータ60,62に接続されている。また、制御回路76は、上記ヒータ58に接続されている。コントローラ72は、CPU,ROM,RAM等を備え、コンピュータを主体とするものであり、複数の駆動回路74と制御回路76とに接続されている。これにより、吐出ヘッド20,吐出ヘッド移動装置24の作動および、ステージ22の温度が、コントローラ72によって制御される。
<印刷装置の作動>
上述した構成により、印刷装置10では、回路基板12の上面に、導電性インクが吐出されることで、回路パターンが印刷される。具体的には、まず、回路基板12がステージ22上に載置される。この際、ステージ22は、ヒータ58により加温されている。そして、制御装置70のコントローラ72の指令により、吐出ヘッド20が回路基板12の上方に移動する。続いて、吐出ヘッド20が、回路基板12の上面に導電性インクを吐出し、回路パターンが印刷される。
回路パターンが印刷された回路基板12には、加温されたステージ22の熱が伝達している。このため、回路基板12が加温され、印刷された回路パターンの乾燥が促進される。これにより、回路基板12への印刷作業に要する時間を短縮することが可能となる。
一方で、ステージ22の加温により、ステージ22上に位置する吐出ヘッド20が乾燥する虞がある。吐出ヘッド20の乾燥は、ノズル穴36の詰まり等により吐出不良を引き起こすため、好ましくない。そこで、吐出ヘッド20のヘッド本体30には、冷却機構34が装着されており、冷却水の循環により、ヘッド本体30が冷却される。これにより、ヘッド本体30の温度上昇を抑制し、ノズル穴36の詰まり等を防止することが可能となる。
しかしながら、ヘッド本体30が冷却されると、結露により空気中の水蒸気が凝縮し、ノズル面38に水滴が付着する場合がある。ノズル面38に付着した水滴は、回路基板12上に滴下する虞があり、水滴の滴下を防止することが望ましい。このようなことに鑑みて、ノズル面38には、親液領域50と撥液領域52とが形成されている。
詳しくは、ノズル面38のノズル穴36の開口の周囲には、安定的なインクの吐出を担保するべく、撥液領域52が形成されている。ノズル穴36の開口の周囲に、親液領域50が形成されると、ノズル穴36から吐出されたインクが、開口周囲の親液領域50になじみ、インクの吐出が適切に行えない虞があるためである。また、撥液領域52を囲むようにして、親液領域50が形成されている。
これにより、ノズル面38に付着した水滴は、親和性の高い親液領域50に集まる。親液領域50に集まった水滴は、親液領域50になじむため、接触角が小さくなる。ちなみに、接触角は、水滴の表面を通る接線とノズル面38とのなす角度である。接触角が小さくなると、水滴とノズル面38との濡れ性が高くなり、水滴は滴下し難くなる。このようにして、吐出ヘッド20では、水滴の滴下が防止されている。
さらに、吐出ヘッド20では、親液領域50に連通した状態の吸湿材32が設けられている。このため、親液領域50に集まった水滴は、毛細管現象によって、吸湿材32に吸引される。これにより、ノズル面38から水滴を除去することが可能となり、水滴の回路基板12上への滴下を確実に防止することが可能となる。なお、吸湿材32に吸引された水滴は、多くの細孔から蒸発する。
また、ノズル穴36が詰まった場合等には、ノズル穴洗浄が行われる。ノズル穴洗浄では、所定の圧力を加えられた状態のインクがノズル穴36から吐出される。これにより、ノズル穴36の詰まり等が解消される。一方で、吐出されたインクがノズル穴36の開口周囲に付着する虞があり、ノズル穴洗浄後には、ノズル面38の拭き取り作業を行う必要がある。しかしながら、吐出ヘッド20では、ノズル穴36の開口周囲に付着したインクも、水滴と同様に、親液領域50を介して、吸湿材32に吸引される。これにより、ノズル穴洗浄後のノズル面38の拭き取り作業を省くことが可能となる。
<変形例>
上記実施例の吐出ヘッド20のノズル面38には、外縁部に親液領域50が形成され、親液領域50の内部に撥液領域52が形成されているが、親液領域50と撥液領域52との形成パターンとして種々のパターンを採用することが可能である。上記実施例の親液領域50と撥液領域52との形成パターンと異なるパターンが採用された吐出ヘッドを、変形例の吐出ヘッド80として、図5に示す。変形例の吐出ヘッド80は、親液領域と撥液領域との形成パターンを除いて、上記吐出ヘッド20と同様の構成であるため、吐出ヘッド20と同様の機能の構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略あるいは簡略に行う。
吐出ヘッド80のノズル面82には、複数のノズル穴36の周囲に第1の撥液領域84が形成されている。そして、第1の撥液領域84を囲むように環状の第1の親液領域86が形成されている。さらに、第1の親液領域86の外側には、第1の親液領域86とノズル面82の外縁部とを結ぶ複数の第2の親液領域88が形成されている。つまり、第1の親液領域86は、第2の親液領域88を介して、吸湿材32に連通している。なお、第1の親液領域86の外側の第2の親液領域88が形成されていない箇所には、第2の撥液領域90が形成されている。
このような撥液領域84,90と親液領域86,88との形成パターンにより、ノズル面82に付着した水滴,インク等は、吸湿材32に導かれ、ノズル面82から除去される。詳しくは、例えば、第1の撥液領域84に付着した水滴等が、親和性により第1の親液領域86に導かれる。そして、第1の親液領域86に導かれた水滴等が、第2の親液領域88を介して、吸湿材32にまで導かれる。これにより、ノズル面82から水滴等が除去される。
また、上記吐出ヘッド20,80では、水滴等を吸引するための吸引機構として、多孔質セラミックスにより成形された吸湿材32を採用しているが、他の形式の吸引機構を採用することが可能である。吸湿材32と異なる形式の吸引機構を採用した吐出ヘッドを、変形例の吐出ヘッド100として、図6および図7に示す。変形例の吐出ヘッド100は、吸引機構および親液領域と撥液領域との形成パターンを除いて、上記吐出ヘッド20,80と同様の構成であるため、吐出ヘッド20,80と同様の機能の構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略あるいは簡略に行う。
吐出ヘッド100のノズル面102には、複数のノズル穴36の周囲に第1の撥液領域104が形成されている。そして、第1の撥液領域104を囲むように環状の親液領域106が形成されている。さらに、親液領域106の外側には、第2の撥液領域108が形成されている。
吐出ヘッド100のヘッド本体110には、図7に示すように、上下方向に延びるように複数の貫通穴112が形成されている。各貫通穴112の下端部は、ノズル面102の親液領域106に開口している。一方、各貫通穴112の上端部は、ヘッド本体110の上端面に開口している。そして、各貫通穴112の上端部は、連結路114を介して、ポンプ116に接続されている。
上述した構造により、吐出ヘッド100でも、ノズル面102に付着した水滴,インク等がノズル面102から除去される。詳しくは、例えば、第1の撥液領域104に付着した水滴等が、親和性により親液領域106に導かれる。そして、親液領域106に導かれた水滴等が、貫通穴112および連結路114を介して、ポンプ116に吸引される。これにより、ノズル面102から水滴等が除去される。
ちなみに、上記実施例において、印刷装置10は、印刷装置の一例である。回路基板12は、印刷媒体の一例である。吐出ヘッド20,80,100は、液滴吐出ヘッドの一例である。ステージ22は、ステージの一例である。ヘッド本体30,110は、ヘッド本体の一例である。吸湿材32は、多孔質体および吸引機構の一例である。冷却機構34は、冷却装置の一例である。ノズル穴36は、ノズル穴の一例である。ノズル面38,82,102は、ノズル面の一例である。親液領域50,86,88,106は、親液領域の一例である。撥液領域52,84,90,104,108は、撥液領域の一例である。ヒータ58は、ヒータの一例である。貫通穴112と連結路114とポンプ116とによって構成される機構は、吸引機構の一例である。ポンプ116は、ポンプの一例である。
なお、本発明は、上記実施例および変形例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、上記実施例および変形例では、吸湿材32として、多孔質セラミックスにより成形されたものが採用されているが、多くの細孔を有する素材により成形されたものを採用することが可能である。具体的には、例えば、多くの細孔を有する素材として、多孔質シリカ、硬質ポリウレタンフォーム等を採用することが可能である。
また、上記変形例では、ポンプ116の吸引力により、水滴等が貫通穴112から吸引されているが、ポンプ116を設けなくても、水滴等を貫通穴112から吸引することが可能である。詳しくは、貫通穴112の内径を所定の径より小さくすることで、毛細管現象により水滴等を貫通穴112から吸引することが可能である。つまり、吐出ヘッド100から連結路114およびポンプ116を除いた吐出ヘッドにおいても、ノズル面102から水滴等を除去することが可能である。
また、上記実施例では、吐出される液体として導電性のインクが採用されているが、種々の液体を採用することが可能である。具体的には、例えば、樹脂パターンを印刷可能なインク,染料系のインク,顔料系のインク等を採用することが可能である。さらに言えば、印刷媒体は、回路基板に限定されることなく、種々のものを採用することが可能である。具体的には、例えば、チップを有する基材,紙等を採用することが可能である。
10:印刷装置 12:回路基板(印刷媒体) 20:吐出ヘッド(液滴吐出ヘッド) 22:ステージ 30:ヘッド本体 32:吸湿材(多孔質体)(吸引機構) 34:冷却機構(冷却装置) 36:ノズル穴 38:ノズル面 50:親液領域 52:撥液領域 58:ヒータ 80:吐出ヘッド(液滴吐出ヘッド) 82:ノズル面 84:撥液領域 86:親液領域 88:親液領域 90:撥液領域 100:吐出ヘッド(液滴吐出ヘッド) 102:ノズル面 104:撥液領域 106:親液領域 108:撥液領域 110:ヘッド本体 112:貫通穴(吸引機構) 114:連結路(吸引機構) 116:ポンプ(吸引機構)(ポンプ)

Claims (5)

  1. 印刷媒体に液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、
    当該液滴吐出ヘッドが、
    液滴を吐出するための複数のノズル穴が下面側に形成されたヘッド本体と、
    前記ヘッド本体を冷却する冷却装置と
    を備え、
    前記ヘッド本体の前記複数のノズル穴が開口するノズル面が、
    前記複数のノズル穴の開口の周囲に形成され、液体との親和性の低い領域である第1の撥液領域と、
    前記第1の撥液領域を囲むようにして形成され、前記撥液領域より親和性の高い領域である環状の親液領域と
    前記環状の親液領域の外側に形成された第2の撥液領域と
    によって構成され
    前記ヘッド本体に上下方向に延びるとともに、上端部が前記ヘッド本体の上面側に開口し、下端部が前記ノズル面の前記親液領域に開口する複数の貫通穴が形成されており、それら複数の貫通穴が、前記親液領域に親和している液体を吸引する吸引機構として機能するとともに、
    前記複数の貫通穴の各々の前記親液領域への開口の内寸が、前記環状の親液領域の幅寸法と同じであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  2. 前記複数の貫通穴が、前記複数のノズル穴の形成ピッチの整数倍のピッチで、前記親液領域に開口していることを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
  3. 前記吸引機構が、
    多くの細孔が形成された多孔質体を有し、
    前記親液領域に親和している液体が、前記多孔質体の孔の内部に吸引されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液滴吐出ヘッド。
  4. 前記吸引機構が、
    ポンプを有し、前記ポンプの作動により、前記複数の貫通穴から前記親液領域に親和している液体を吸引することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
  5. 印刷媒体を支持するステージと、
    前記ステージによって支持された印刷媒体に液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、
    前記ステージによって支持された印刷媒体を加温するためのヒータと
    を備えた印刷装置において、
    前記液滴吐出ヘッドが、
    液滴を吐出するための複数のノズル穴が下面側に形成されたヘッド本体と、
    前記ヘッド本体を冷却する冷却装置と
    を備え、
    前記ヘッド本体の前記複数のノズル穴が開口するノズル面が、
    前記複数のノズル穴の開口の周囲に形成され、液体との親和性の低い領域である第1の撥液領域と、
    前記第1の撥液領域を囲むようにして形成され、前記撥液領域より親和性の高い領域である環状の親液領域と
    前記環状の親液領域の外側に形成された第2の撥液領域と
    によって構成され
    前記ヘッド本体に上下方向に延びるとともに、上端部が前記ヘッド本体の上面側に開口し、下端部が前記ノズル面の前記親液領域に開口する複数の貫通穴が形成されており、それら複数の貫通穴が、前記親液領域に親和している液体を吸引する吸引機構として機能するとともに、
    前記複数の貫通穴の各々の前記親液領域への開口の内寸が、前記環状の親液領域の幅寸法と同じであることを特徴とする印刷装置。
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