JP6072551B2

JP6072551B2 - インクジェットヘッド及び吐出液の吐出方法

Info

Publication number: JP6072551B2
Application number: JP2013014557A
Authority: JP
Inventors: 良平池野; 竜舞斎藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: JP2014144430A

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収容するインク室と、前記インク室から前記吐出液が供給されるノズルと、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、前記ノズルの近傍に配置された磁石群とを有し、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している粒子であり、前記磁石群は、前記ノズルの外側に流路に沿って並ぶように配置された第１磁石、第２磁石、及び第３磁石を含み、前記第１磁石及び第３磁石が前記磁性粒子に引力を与え、前記第２磁石が前記磁性粒子に斥力を与えるインクジェットヘッド、が提供される。

第２磁石による斥力により、吐出方向に移動する磁性粒子の個数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、実施例によるインクジェットヘッドを用いた第１の吐出例を示す概略断面図である。図３Ｃ及び図３Ｄは、実施例によるインクジェットヘッドを用いた第１の吐出例を示す概略断面図である。図３Ｅは、実施例によるインクジェットヘッドを用いた第１の吐出例を示す概略断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、実施例によるインクジェットヘッドを用いた第２の吐出例を示す概略断面図である。図４Ｃは、実施例によるインクジェットヘッドを用いた第２の吐出例を示す概略断面図である。図５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。粒子状半導体発光素子１を、単に粒子状素子１とも呼ぶ。

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。粒子状素子１の相対的に広い両面に現れた磁極性を、粒子状素子１の磁極性と呼ぶ。

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。

実装工程を容易にするため、１回の吐出動作当りに吐出される粒子状素子１の個数は、１個であることが好ましい。本願発明者は、以下に説明するように、１個ずつ粒子状素子１を吐出させる制御が容易なインクジェットヘッドについて検討した。

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３Ａ〜図３Ｅは、第１の吐出例を示す概略断面図である。

図３Ａ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、磁石群ＭＧ（磁石２４〜２６）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。アクチュエーター及びアクチュエーターの制御装置を含む吐出機構２３が、吐出液４を吐出するエネルギーを供給し、１回当りの吐出量や吐出タイミングを制御する。アクチュエーターとして、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の近傍に、磁石２４〜２６を含む磁石群ＭＧが配置されている。磁石２４〜２６は、ノズル２２の外側に流路に沿って並ぶように配置されている。第１磁石２４が最もインク室２１側（上流側）に配置されており、第３磁石２６が最も吐出口２２ａ側（下流側）に配置されており、第２磁石２５が、第１磁石２４と第３磁石２６の間に配置されている。

磁石２４〜２６は、それぞれ、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持つものである。磁石２４〜２６のノズル２２の内面部分の磁極性を、磁石２４〜２６の磁極性と呼ぶ。

第１磁石２４及び第３磁石２６が、粒子状素子１の磁極性と反対の磁極性を有し、第２磁石２５が、粒子状素子１の磁極性と同一の磁極性を有する。本実施例では、粒子状素子１の磁極性がＮ極性であり、第１磁石２４及び第３磁石２６の磁極性がＳ極性、第２磁石２５の磁極性がＮ極性である。

従って、粒子状素子１は、第１磁石２４及び第３磁石２６からは引力を受け、第２磁石２５からは斥力を受ける。なお、粒子状素子１の磁石２４〜２６に対する挙動は、相対的に広い両面の磁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磁極性の影響は小さいと考えられる。次に、第１の吐出例について説明する。

図３Ａは、１回目の吐出動作の開始前の状態を示す。第１の吐出例では、１回目の吐出動作の開始前、インク室２１に収容された吐出液４中で第１磁石２４に最も近い粒子状素子１ａが、第１磁石２４に吸引されて保持されている。

図３Ｂを参照する。１回目の吐出動作が開始すると、吐出液４の流れにより、第１磁石２４から粒子状素子１ａが流され解放されて、第３磁石２６側に移動する。粒子状素子１ａは、第２磁石２５と同磁極性を有し、第２磁石２５から斥力を受ける。このため、第２磁石２５の配置領域において、粒子状素子１ａは、第２磁石２５から離れたノズル２２の中央部分を通り抜ける。

図３Ｃを参照する。１回目の吐出動作が完了して、吐出口２２ａから液滴４ｄが吐出されている。１回分の吐出動作により、粒子状素子１ａは、第３磁石２６の近傍まで流されており、第３磁石２６に吸引されて保持される。また、インク室２１側から、第１磁石２４に最も近い粒子状素子１ｂが、第１磁石２４に吸引されて保持される。

図３Ｄを参照する。２回目の吐出動作が開始すると、吐出液４の流れにより、第３磁石２６から粒子状素子１ａが流され解放されて、吐出口２２ａから吐出される。また、図３Ｂを参照して説明した粒子状素子１ａの挙動と同様にして、粒子状素子１ｂが、第２磁石２５の配置領域を通り抜けて、第３磁石２６側に流される。

図３Ｅを参照する。２回目の吐出動作が完了して吐出された液滴４ｄに、粒子状素子１ａが含まれる。このようにして、粒子状素子１ａを吐出することができる。図３Ｃを参照して説明した粒子状素子１ａの挙動と同様にして、第３磁石２６の近傍まで流された粒子状素子１ｂが、第３磁石２６に吸引されて保持される。また、インク室２１側から、第１磁石２４に最も近い粒子状素子１ｃが、第１磁石２４に吸引されて保持される。必要に応じ、上述のような吐出動作が繰り返される。

次に、第１〜第３磁石２４〜２６の磁力の好適な強さについて説明する。第１磁石２４は、インク室２１内に浮遊している粒子状素子１を吸引できる程度の強さであることが好ましい。ただし、第１磁石２４の磁力が強すぎると、吐出動作時の吐出液４の流れがあっても粒子状素子１が第１磁石２４から解放されなくなる。

第１磁石２４の磁力は、吐出動作による流れが生じていない状態では粒子状素子１が保持され、吐出動作による流れが生じている状態では粒子状素子１が解放される程度の強さであることが好ましい。

第２磁石２５は、粒子状素子１に斥力を及ぼし、粒子状素子１の流路に磁気的な狭窄部を形成する。第２磁石２５が強すぎると、吐出動作による流れが生じていても、粒子状素子１が第２磁石２５の配置領域を通り抜けることができない。また、第２磁石２５が弱すぎると、複数個の粒子状素子１が同時に第２磁石２５の配置領域を通り抜けてしまう。

第２磁石２５の磁力は、第２磁石２５の配置領域を１個の粒子状素子１が通り抜けられる程度の強さであることが好ましい。このような第２磁石２５により、粒子状素子１を１個ずつ、第３磁石２６の近傍に供給することが容易になる。

第３磁石２６の磁力は、吐出動作による流れが生じていない状態では粒子状素子１が保持され、吐出動作による流れが生じている状態では粒子状素子１が解放される程度の強さであることが好ましい。これにより、吐出動作前に第３磁石２６に保持されていた粒子状素子１を、吐出動作に伴う流れにより解放して吐出することが容易になる。

次に、吐出動作１回当りの吐出液４の好適な吐出量について説明する。例えば図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明したように、１回の吐出動作で、粒子状素子１を第１磁石２４の近傍から第３磁石２６の近傍に移動させることが好ましい。従って、１回当りの好適な吐出量の目安は、第１磁石２４の（流れ方向の）中心位置から第３磁石２６の（流れ方向の）中心位置までの長さ（第１磁石２４と第３磁石２６との配置間隔）に、ノズル２２の断面積を掛けた体積と見積もることができる。

１回当りの吐出量が多すぎると、例えば、第３磁石２６に保持されていた粒子状素子１に加えて、第１磁石２４に保持されていた粒子状素子１までも吐出されてしまう。一方、１回当りの吐出量が少なすぎると、第１磁石２４に保持されていた粒子状素子１が第２磁石２５の配置領域を越えて第３磁石２６側に移動することができなくなってしまう。

次に、第２の吐出例について説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、第２の吐出例を示す概略断面図である。

図４Ａを参照する。図４Ａは、吐出動作の開始前の状態を示す。第２の吐出例では、吐出動作の開始前、第１磁石２４に粒子状素子１ａ及び１ｂが保持されており、第３磁石２６に粒子状素子１ｃが保持されている。

粒子状素子１同士は、斥力が働くため、第１磁石２４に１個目の粒子状素子１が捕捉された後、２個目以降の粒子状素子１は捕捉されにくいと考えられる。しかし、第１磁石２４の形状等によっては、第１磁石２４に複数個の粒子状素子１が捕捉される可能性はある。

図４Ｂを参照する。吐出動作が開始すると、吐出液４の流れにより、第１磁石２４に保持されていた粒子状素子１が解放される。ただし、第２磁石２５の形成する磁気的狭窄部が、同時には１個の粒子状素子１しか通さない。

これにより、第１磁石２４に保持されていた粒子状素子１ａ及び１ｂのうち、第２磁石２５の磁気的狭窄部を通りやすい方の（例えば第２磁石２５に近い方の）粒子状素子１ａが、第２磁石２５の配置領域を通り抜ける。他方の粒子状素子１ｂは、第２磁石２５の配置領域を通り抜けることができず、第１磁石２４の近傍に留まる。第３磁石２６に保持されていた粒子状素子１ｃは、流れにより第３磁石２６から解放されて、吐出口２２ａから吐出される。

図４Ｃを参照する。吐出動作が完了して吐出された液滴４ｄに、粒子状素子１ｃが含まれる。第２磁石２５の配置領域を通り抜けて第３磁石２６の近傍まで流された粒子状素子１ａが、第３磁石２６に吸引されて保持される。粒子状素子１ｂは、第１磁石２４の近傍に留まり、第１磁石２４に保持された状態が維持される。

第３磁石２６に保持された１個の粒子状素子１ａを、次回の吐出動作で吐出することができる。このように、第１磁石２４に複数個の粒子状素子１が保持された場合でも、第２磁石２５の形成する磁気的狭窄部により選択的に１個の粒子状素子１を通過させることで、第３磁石２６に１個の粒子状素子１が保持された状態を作り出して、１回の吐出動作で吐出される粒子状素子１の個数を１個とすることが容易になる。

次に、図５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５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。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、ノズル２２の吐出方向に沿って磁石２４〜２６を配置することにより、吐出動作当りの粒子状素子の吐出個数を１個に制御することが容易になる。

磁石２４〜２６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、吐出機構２３のアクチュエーターの駆動方式や駆動タイミング、磁石２４〜２６の形状や配置位置等は、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。

なお、実施例では、ノズルの流路に沿って３個の磁石を配置した磁石群を用いたが、磁石群は、粒子状素子に引力を与える磁石部分と、斥力を与える磁石部分とを交互に並べて、３個より多い個数（例えば５個や７個）の磁石で形成することもできる。斥力を与える磁石により、吐出方向に移動する粒子状素子の個数を制御することが容易になる。斥力を与える磁石を挟んで配置された、引力を与える磁石間で、吐出液の流れを利用して、粒子状素子を移動させることができる。

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
３ｎｎ側電極
３ｐｐ側電極
４吐出液（磁性粒子の分散液）
５媒質
１０インクジェットヘッド
１１電極
１２シート基材
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
ＭＧ磁石群
２４〜２６磁石

Claims

磁性粒子を含む吐出液を収容するインク室と、
前記インク室から前記吐出液が供給されるノズルと、
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、
前記ノズルの近傍に配置された磁石群と
を有し、
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している粒子であり、
前記磁石群は、前記ノズルの外側に流路に沿って並ぶように配置された第１磁石、第２磁石、及び第３磁石を含み、前記第１磁石及び第３磁石が前記磁性粒子に引力を与え、前記第２磁石が前記磁性粒子に斥力を与えるインクジェットヘッド。
前記第２磁石は、吐出動作による前記吐出液の流れが生じているときに、前記第２磁石の配置領域を、１個の前記磁性粒子は通り抜けられるが、同時に２個以上の前記磁性粒子は通り抜けられないような強さの斥力を、前記磁性粒子に与える請求項１に記載のインクジェットヘッド。
前記第１磁石は、吐出動作が行われていないときに前記第１磁石に吸引され保持された前記磁性粒子が、吐出動作で生じる前記吐出液の流れにより前記第１磁石から解放されるような強さの引力を、前記磁性粒子に与える請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
前記第３磁石は、吐出動作が行われていないときに前記第３磁石に吸引され保持された前記磁性粒子が、吐出動作で生じる前記吐出液の流れにより前記第３磁石から解放されるような強さの引力を、前記磁性粒子に与える請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
前記吐出機構は、１回の吐出動作当り、前記第１磁石近傍に配置された前記磁性粒子が前記第３磁石近傍まで流されるような量の吐出を行う請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
磁性粒子を含む吐出液を収容するインク室と、
前記インク室から前記吐出液が供給されるノズルと、
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、
前記ノズルの近傍に配置された磁石群と
を有し、
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おり、
前記磁石群は、前記ノズルの外側に流路に沿って並ぶように配置された第１磁石、第２磁石、及び第３磁石を含み、前記第１磁石及び第３磁石が前記磁性粒子に引力を与え、前記第２磁石が前記磁性粒子に斥力を与え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、
（ａ）前記第１磁石に第１の磁性粒子が吸引され保持された状態で、第１回目の吐出を開始する工程と、
（ｂ）前記第１回目の吐出で生じた前記吐出液の流れにより、前記第１の磁性粒子が、前記第１磁石から解放され、前記第２磁石の配置領域を通過し、前記第３磁石の近傍に到達する工程と、
（ｃ）前記第３磁石の近傍に到達した前記第１の磁性粒子が、前記第３磁石に吸引され保持される工程と、
（ｄ）前記第３磁石に前記第１の磁性粒子が吸引され保持された状態で、第２回目の吐出を開始する工程と、
（ｅ）前記第２回目の吐出で生じた前記吐出液の流れにより、前記第１の磁性粒子が、前記第３磁石から解放される工程とを有する吐出液の吐出方法。
前記工程（ｂ）において、前記第２磁石は、前記吐出液の流れが生じているときに、前記第２磁石の配置領域を、前記第１の磁性粒子は通り抜けられるが、同時に他の前記磁性粒子は通り抜けられないような強さの斥力を、前記第１の磁性粒子に与える請求項６に記載の吐出液の吐出方法。
前記磁性粒子は、大きさが１０μｍ〜５０μｍの範囲である請求項６または７に記載の吐出液の吐出方法。