JP6569088B2 - インクジェットヘッドとそれを用いた塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットのヘッドとそのインクジェットヘッドを用いた塗布装置に関する。特に、インク中に固形物を含むインクジェットのヘッドとそのインクジェットヘッドを用いた塗布装置に関する。

近年、様々な記録媒体に文字や画像記録するための装置として、インクジェット方式による印刷装置が知られている。さらに、医療用分野の装置では、インクジェット方式で血液を微量吐出することが行われている。

インクジェットにおいて、固形物をインクとともに吐出させる場合、固形物がインクジェット内で沈降し、固形物の吐出安定性が悪い。特許文献１の記載の方法では、固形物が沈降しないように、固形物を処理することを開示している。

特開２０００−１７２０８号公報

しかしながら、固形物の種類によっては、固形物に沈降しない処理ができない場合がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、複数のノズルから均等に所望量の固体物を含むインクを吐出させることのできるインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１のインクジェットヘッドは、液滴を吐出する複数のノズルと、複数のノズルに通じインクを吐出する為の圧力を発生する複数の圧力室と、複数の圧力室にインクを供給する共通室とを有する。さらに共通室から複数の圧力室の各々にインクを供給する複数の個別流路と、共通室にインクを供給するインク注入口とを有する。そして、複数の個別流路の各々の入り口に抵抗壁を設けている。

また、本発明の第２のインクジェットヘッドは、液滴を吐出する複数のノズルと、複数のノズルに通じインクを吐出する為の圧力を発生する複数の圧力室と、複数の圧力室にインクを供給する共通室とを有する。さらに共通室から複数の圧力室の各々にインクを供給する複数の個別流路と、共通室にインクを供給するインク注入口とを有する。そして、複数の個別流路の各々の入り口に発熱部を設け、少なくとも一つの発熱部の発生熱量が他と異なる。

さらに、上記インクジェットヘッドを用いた塗布装置を用いる。

以上のように、本発明によれば、インクに含まれる固体成分の量を複数の圧力室へ任意の量を供給することができるインクジェットヘッドを構成できる。そのため、必要なノズルに必要な量の材料を供給でき、材料使用効率を高めることができる。また廃棄ロスを低減することができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線におけるインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係るインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図２は、従来のインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドの構造の別の例を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドにおける抵抗壁による固体成分捕捉数をノズル毎に示すグラフである。 図５Ａは、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドの構造の別の例を示す断面図である。 図５Ｂは、本発明の実施の形態１に係るインクジェットヘッドの構造の別の例を示す断面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態２に係るインクジェットヘッドの構造の別の例を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態２に係るインクジェットヘッドの構造の別の例を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係るインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係るインクジェットヘッドの構造と作用を示す断面図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態４に係るインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図９Ｂは、本発明の実施の形態４に係るインクジェットヘッドの構造を示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態５に係るインクジェット装置の構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるインクジェットヘッド１００を正面から見た断面図である。インクジェットヘッド１００は、複数のノズル２０１を有する。インクジェットヘッドにはこれら複数のノズル２０１のそれぞれに連通する圧力室２１１が設けられている。

また、インクジェットヘッド１００にはインク導入口１０１が設けられ、共通室１０２へと至る。共通室１０２から各々の圧力室２１１へと連通する個別流路２２１がそれぞれ設けられている。

＜駆動＞
次に、インクジェットヘッド１００の駆動機構について説明する。図１Ｂは、図１Ａの線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図１Ｂにおいて、インクジェットヘッド１００の一側面は開口しており、圧力室２１１の開口面側には圧力をインクに伝える振動板２３５が配置され、さらに振動板２３５には圧電素子２４５が設けられている。圧電素子２４５の変位は振動板２３５を介して圧力室２１１へと伝達される機構となっている。

尚、圧電素子２４５による圧力発生機構については、各々の圧力室２１１で同様の機構である。

＜インク流れ＞
次に、インクが吐出に至るプロセスを説明する。インク導入口１０１から導入されたインクは、各々の圧力室２１１にインクを分配するための貯留池として作用する共通室１０２に蓄えられる。

共通室１０２に満たされたインクは、インク導入の圧力および重力に従い、下方の圧力室２１１へと個別流路２２１を通じて、流れ込み、最終的にはノズル２０１へと至る。

インクジェットヘッド１００のノズル径は、通常、最大でも０．２ｍｍ程度であり、インクの表面張力により、自然に滴下することは無い。インクジェットヘッド１００の内部にインクが満たされる。圧力室２１１の内部に位置する圧電素子２４５により発生した圧力により、圧力室２１１の内部に充填されたインクが、ノズル２０１へと圧送される。圧力を与えられたインクは、さらにノズル２０１へとその圧力が伝播し、液滴２４１として外部に吐出にされる。

使用されるインクの種類は、特に限定されるものではなく、製品の種類によって適宜選択可能である。一般には、水の溶媒に目的とする成分を溶解したものが用いられるが、染料や顔料の材料種によっては、溶解分散をより効果的に行うために、有機溶剤を使用する場合もある。

さらに、印刷表面の意匠性を向上させる目的で、アルミニウムやチタンなどの金属酸化物を含有させた、いわゆるメタリック材料のインクも使用可能である。

また、近年バイオテクノロジーの進歩により生物細胞を含有させた生物系インクも使用できる。これらは、任意の細胞をインクジェット技術によりパターン形成し、生物構造体を形成するものである。生物系インクは、固体成分としての細胞と、接着性タンパク質などからなる。また、細胞を培養するための培養液中に、細胞を分散させたインクも使用可能である。

＜抵抗壁１１１＞
ここで、共通室１０２内部の個別流路２２１において、インクの流れ方向の前後（個別流路２２１の入り口）に位置する場所（個別流路２２１の入口）に、抵抗壁１１１が設けられている。抵抗壁１１１により、インク導入時、インク吐出時、および、インクの充填時に、生じる共通室１０２内のインクの流れを妨げる作用が発生する。抵抗壁１１１は、個別流路２２１の入口でなくとも、各入口間にあればよい。

抵抗壁１１１の作用について、抵抗壁が存在しない場合と対比して説明する。図２は、抵抗壁１１１が存在しない場合の固体成分１５０の分配状態を示すインクジェットヘッド１００の断面図である。

インクジェットヘッド１００において、インク導入口１０１から供給されたインクは共通室１０２へと充填される。その後、各々の個別流路２２１に固体成分１５０を含むインクが導入される。ここで、図２のように、抵抗壁１１１が存在しない場合、インクは個別流路２２１の上方を流れつつ、逐次、個別流路２２１に導入される。このため、導入されるインクに含まれる固体成分１５０の濃度は、インク流れの上流側では高濃度に、下流側では低濃度となる。

従って、各々の個別流路２２１に導入されるインク量は同量であっても、導入される固体成分１５０の濃度が、インク流れの上流側から下流側に、漸次低下しているために、結果的に、各々の個別流路２２１に導入される固体成分１５０の量が下流側ほど低下してしまう。

次に、共通室１０２に、図１Ａに示す抵抗壁１１１が設けられると、固体成分１５０は抵抗壁１１１に阻止されて速度を失い、インク消費に伴う充填に合わせて、個別流路２２１へと導かれる。従って、抵抗壁１１１の高さによって、流れから取り残されて捕捉される固体成分１５０の量を制御することが可能となる。抵抗壁１１１の高さと固体成分１５０が捕捉される確率はほぼ比例して得られるため、各々の個別流路２２１へと導かれる固体成分１５０の量を制御することができる。ここで、抵抗壁１１１の高さとは、抵抗壁１１１の面積と同じ意味である。

この構成により、抵抗壁１１１により、流れに対する抵抗が発生し、抵抗の大きさに従い固体成分を獲得することが可能となり、それぞれの圧力室２１１に導く固体成分１５０の量を積極的に制御することが可能となる。

なお、図１Ｃのように、抵抗壁１１１を、共通室１０２の上面に設けてもよい。

＜抵抗壁１１１の変形例＞
さらに、図１Ａの変形例を図３に示す。図３では、抵抗壁１１１の高さ（または、大きさ、面積）を場所で変えている。インクジェットヘッド１００内部の共通室１０２において、流れの上流側で、抵抗壁を低く（狭く）、下流側で抵抗壁を高く（大きく）設計することにより、捕捉される固体成分１５０を均等に分配することも可能となる。

具体的には、上流側（インク導入口１０１側）の抵抗壁１１１が最も低く、下流側へ行くに従い、抵抗壁１１１が高くなる。これは、前述したように、固体成分１５０が高濃度となる上流側のインクにおいては、低い抵抗壁を用いて、捕捉確率を低下させ、固体成分が低濃度となる下流側のインクにおいては、高い抵抗壁を用いることで、捕捉確率の向上を図り、通常偏在してしまう固体成分１５０の濃度を均一に分配するものである。これにより、実際に圧力室２１１に導入され吐出に至る固体成分１５０を均一に制御することが可能となる。

固体成分１５０が高濃度に含まれる流れ方向の上流側では流れに対する抵抗を小さく、固体成分１５０が低濃度となる流れ方向の下流側では流れに対する抵抗を大きく設定することにより、複数の圧力室２１１に対して均等に固体成分１５０を分配するが可能となる。

＜評価＞
図４には、１０分間連続して吐出させた後の固体成分１５０の捕捉数（捕捉粒子数）と抵抗壁１１１高さとの関係を示す。図３の構造における結果である。

図４に示すように、インク内の固体成分１５０の濃度が上流側から下流側にかけて低下するために、抵抗壁１１１がない場合は、固体成分１５０の捕捉数（捕捉粒子数）が減少するものの、抵抗壁１１１を設けて、捕捉確率を向上させることにより、均等に固体成分１５０を捕捉することが可能となっている。また平均捕捉数も向上させることが可能となっていることを示している。

＜変形例＞
また、ここでは、抵抗壁１１１として、矩形の形状を図示したが、図５Ａ、図５Ｂに示すように矩形だけでなく、三角形や楕円形などの形状であっても、その形状を任意に制御可能であれば、同様の効果が得られる。上記で、高さで記載したが、面積を大きくすること、つまり、抵抗の割合を意味する。

図５Ａ、図５Ｂの場合、個別流路２２１の入口間を抵抗壁１１１が占めており、より好ましい。

（実施の形態２）
実施の形態１では、インク導入口１０１からのインクの流れのみを説明したが、インク排出口６０３を設けてインクを還流させることも可能である。図６Ａは、インク排出口６０３を設けた場合の共通室１０２の形状を示す概念図である。

図６Ａにおいて、インクジェットヘッド１００の共通室１０２にはインク導入口１０１とインク排出口６０３が設けられ、インク排出口６０３から回収されたインクは外部ポンプ６０４によって再び、インク導入口１０１から導入され、インクの循環作用を付与することができる。これにより、インク消費の充填によるインクの流れだけでなく、強制的なインク流れを発生させれば、より好適に固体成分の分配を行うことができる。

さらに、図６Ｂに示すようにインク排出口６０３の側の天井部６６１を狭くすることにより、抵抗壁としての作用を増幅し、より効率的に固定成分の分配が可能となる。ここで、天井部６６１を狭くすることは、断面積を小さくすることを意味する。

ノズルからの吐出によるインク減少に伴うインク供給の流れだけでなく、より積極的なインク流れを発生させることができ、本発明の効果をより大きくすることが可能となる。記載しなかった事項は、実施の形態１と同様である。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態２におけるインクジェットヘッド１００を正面から見た断面図である。インクジェットヘッド１００は、複数のノズル２０１を有する。インクジェットヘッドにはこれら複数のノズル２０１に連通する圧力室２１１が設けられている。

また、インクジェットヘッド１００には、インク導入口１０１が設けられ、共通室１０２へと至る。共通室１０２から圧力室２１１へと連通する個別流路２２１が設けられている。

次に、インクジェットヘッド１００の駆動機構について説明する。

尚、圧電素子２４５による圧力発生機構については、図７における各々の圧力室２１１で共通である。

ここで、共通室１０２内部の個別流路２２１において、インクの流れ方向の前後に位置する場所に、発熱部７１１が設けられている。

発熱部７１１により、インク導入時および吐出によるインクの消費に伴う、インクの充填時に生じる共通室１０２内のインクの流れを妨げる作用が発生する。

＜発熱部７１１＞
発熱部７１１の作用について説明する。発熱部７１１は、その付近のインクを局部的に加熱することができ、これにより共通室１０２内で局所的な上昇流を生成することが可能となる。共通室１０２内のインクの流れに対して、上昇流は直交する成分を有し、通常のインクの流れを阻止する働きを示す。

固体成分１５０は、上昇流に阻止されて速度を失い、インク消費に伴う充填に合わせて、個別流路へと導かれる。従って、この上昇流の強さによって、流れから取り残されて捕捉される固体成分量を制御することが可能となる。上昇流の強さと固体成分が捕捉される確率はほぼ比例して得られるため、各々の個別流路２２１へと導かれる固体成分量を制御することができる。この上昇流の強さは発熱量によって管理可能であるために、結果として発熱量を制御することで、得られる個体成分量を制御できることになる。

発熱部７１１は、小型のヒーターをインクジェットヘッドに埋め込んでも良いし、薄膜ヒーターとしてインクジェットヘッド製造時に薄膜形成しても良い。

この構成により、発熱部７１１の発熱により、インクの流れに対する上昇流が抵抗流として発生し、抵抗流の大きさに従い圧力室に導入される固体成分が増加する。それぞれの発熱部７１１の発熱により、それぞれの圧力室に導く固体成分の量を積極的に制御することが可能となる。

さらに、図７の変形例を図８に示す。インクジェットヘッド１００の内部の共通室１０２において、インクの流れの上流側で、発熱量を高く、下流側で発熱量を低く制御する。このことにより、各ノズルで捕捉される固体成分を均等に分配することが可能となる。

具体的には、下流端で、上昇流９５１（矢印にて図示）が最も小さく、次いで、上流へ進むにつれて、上昇流９５１は、大きくなる。このようになるように、発熱量を発生させる。

すなわち、前述したように、固体成分が高濃度となる上流側のインクにおいては、上昇流を低くすることで、捕捉確率を低下させ、固体成分が低濃度となる下流側のインクにおいては、強い上昇流を用いて、捕捉確率を向上させる。これにより、通常偏在してしまう固体成分濃度を均一に分配する。これにより、実際に圧力室に導入され吐出に至る固体成分を均一に制御することが可能となる。記載しなかった事項は、実施の形態１と同様である。

（実施の形態４）
図９Ａ、図９Ｂは、本発明の実施の形態４におけるインクジェットヘッドを正面から見た断面図である。

本実施の形態は、実施の形態１の図１Ａの構造に、さらに、揺動機構を設けたものである。記載しない事項は、実施の形態１と同様である。

図９Ａでは、共通室１０２に、揺動機構として、ピストン３００ａ、３００ｂを設けたものである。共通室１０２の両端に設けた。ピストン３００ａとピストン３００ｂとは同期している。ピストン３００ａとピストン３００ｂとは、同時に、左へ移動し、同時に、右へ移動する。それに伴い、共通室１０２のインクが揺動される。

図９Ｂでは、共通室１０２に、揺動機構として、羽３０１ａ、３０１ｂを設けたものである。共通室１０２の両端に設けた。羽３０１ａ、３０１ｂが回転することでインクをかき混ぜる。羽３０１ａ、３０１ｂはどちらか１つでもよい。

揺動機構により、共通室１０２内のインクを攪拌でき、固体成分１５０を共通室１０２で、均質に攪拌できる。結果、各々の圧力室２１１に固体成分１５０が均質に入り、各々のノズル２０１から固体成分１５０が均質に吐出される。

（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５におけるインクジェット装置６００である。

インクジェット装置６００は、インクジェットヘッド１００と、被対象物移動機構５００とを含む。

インクジェットヘッド１００は、上記実施の形態のインクジェットヘッドのいずれか１つ以上である。この例では、実施の形態１のインクジェットヘッドを用いている。

被対象物移動機構５００には、被対象物である試験管３０５と、試験管ホルダー３０６と、試験管ホルダー移動機構３０７とを含む。

この装置では、複数の試験管３０５へインクが同時に供給される。試験管３０５は、試験管ホルダー３０６で、移動される。

インクジェットヘッド１００を移動させてもよい。試験管ホルダー３０６とインクジェットヘッド１００とを相対的に移動させる機構があればよい。しかし、インクジェットヘッド１００は、機構が複雑なため、固定した方が好ましい。

各実施の形態は組み合わせることができる。

上記インクジェットヘッドを用いて各種液体を塗布する装置を実現できる。被塗布物を移動させてもよいし、インクジェットヘッドを移動させてもよい。駆動機構、制御機構を有する塗布装置となる。

本発明のインクジェットヘッドでは、インクに含まれる固体成分量を任意に制御して、圧力室に導入し、吐出させることが可能となった。そのため、意匠性を向上させたメタリック材料を含むインクや細胞などの生体機能性材料などを含むインクなど、幅広い固体成分材料を定量吐出させるインクジェットヘッドとして好ましく用いることができる。

１００ インクジェットヘッド
１０１ インク導入口
１０２ 共通室
１１１ 抵抗壁
１５０ 固体成分
２０１ ノズル
２１１ 圧力室
２２１ 個別流路
２４５ 圧電素子
２３５ 振動板
２４１ 液滴
６０３ インク排出口
６０４ 外部ポンプ
６６１ 天井部
７１１ 発熱部
９５１ 上昇流

Claims (8)

1. 液滴を吐出する複数のノズルと、
   前記複数のノズルに通じインクを吐出する為の圧力を発生する複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に前記インクを供給する共通室と、
   前記共通室から前記複数の前記圧力室の各々に前記インクを供給する複数の個別流路と、
   前記共通室に前記インクを供給するインク注入口と、を備え、
   前記複数の個別流路の各々の入り口間をすべて占め、三角形、または、半円状の断面を有する抵抗壁を設けたインクジェットヘッド。
2. 前記複数の抵抗壁の各々の大きさが同じでない請求項１のインクジェットヘッド。
3. 前記複数の抵抗壁の各々の大きさが、前記共通室の前記インクの流れの上流から下流に従い、大きくなることを特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッド。
4. 前記共通室の前記インクの流れの上流から下流に従い、前記共通室の断面積を小さくしたことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 前記共通室のインクの流れの上流から下流に従い、前記共通室の断面積を小さくしたことを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッド。
6. さらに、前記共通室に前記インクを排出するインク排出口を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
7. さらに、前記共通室に前記インクを揺動させる揺動機構を設けた請求項１から５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、被対象物を保持する保持部と、前記インクジェットヘッドと前記インクジェットヘッドと相対的に移動される機構と、を有する塗布装置。