JP2010274446A - インクジェットヘッド、インクジェット装置およびインクの吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高粘度のインクであっても、高いエネルギ効率で、インク滴を高周波数で安定して吐出することができるインクジェットヘッドおよびインクの吐出方法を提供すること。
【解決手段】本発明のインクジェットヘッドは、インクを収容するインク室および圧力室と、インク室と圧力室とを接続するインク流路と、圧力室と連通するノズルと、圧力室内のインクに圧力を加える第１のアクチュエータと、インク流路の横断面の面積を変化させる第２のアクチュエータとを有する。本発明のインクジェットヘッドでは、第１のアクチュエータが圧力室内のインクに圧力を加える時に、第２のアクチュエータがインク流路の内径を小さくする。したがって、本発明のインクジェットヘッドは、高いエネルギ効率でインク滴を吐出することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェットヘッド、インクジェット装置およびインクの吐出方法に関する。

インクジェット装置は、インクジェットヘッドの圧力室内に収容されたインクを吐出することで印字を行う装置である。インクジェット装置に搭載されるインクジェットヘッドは、一般的に、インクを収容するインク室および圧力室と、インク室と圧力室とを接続するインク流路と、圧力室に連通するノズルと、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。

近年、インクジェット装置は、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に用いられている。たとえば、有機発光材料または液晶材料を含むインクをパネル上に所定のパターンで印字することで、有機ＥＬディスプレイや液晶パネルを製造することができる。現在、電子デバイスの大型化および高精細化に対応するために、高速でかつ高精細に印字することができるインクジェット装置が求められており、これまでに様々なインクジェットヘッドおよびインクジェット装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、インク供給経路における流体抵抗を低減させたインクジェット記録装置が記載されている。特許文献１の発明では、インク供給経路における流体抵抗を低減させることで、ノズルへのインクの補給時間の短縮を実現している。特許文献１のインクジェット記録装置は、大きなインク滴を高周波数で安定して吐出することができるため、高速高精細に印字することができる。

特開２００２−２８３５８５号公報

近年、多種多様な用途に対応すべく、高粘度のインクが用いられることが多くなってきている。しかしながら、従来のインクジェット装置では、高粘度のインクを高周波数で安定して吐出することができなかった。表１に、本発明者によりなされた、従来のインクジェット装置を用いたインク吐出実験の結果を示す。表１において「吐出可能最高周波数」とは、インクを安定して吐出できる周波数の上限値を意味する。

この表から、インクの粘度が高まるほど、インクを安定して吐出できる周波数が小さくなることがわかる。これは、インクの粘度が高くなるほど、インクの補給時間が長くなるとともに、メニスカス振動を抑制できなくなるためであると推測される。図１Ａに示されるように、従来のインクジェット装置では、インクの粘度が高くなるほど、インク室１１と圧力室１３とを接続するインク流路１２における流体抵抗が大きくなり、インク流路１２内をインクが流れにくくなる。その結果、圧力室１３へのインクの補給時間が長くなり、高周波数でインクを吐出できなくなる。図１において、黒矢印はインクの流れを示す。

一方、特許文献１には、インク供給経路における流体抵抗を低減させることで、高粘度のインクであってもインク滴を高周波数で安定して吐出することができると記載されている。インク供給経路における流体抵抗を低減させるには、図１Ｂに示されるように、インク流路１２の内径を大きくすることが考えられる。このようにインク流路１２の内径を大きくすることで、インク供給経路における流体抵抗を低減させることができる。その結果、圧力室１３へのインクの補給時間を短くすることができ、高周波数でインク滴を吐出できる。

しかしながら、インク流路の内径を大きくした場合、インクを吐出する際のエネルギ効率が低下してしまうという問題がある。すなわち、図１Ｃに示されるように、インク流路１２の内径を大きくしてしまうと、アクチュエータ１５からの圧力波がノズル１４の方向だけでなく、インク流路１２の方向にも伝達されてしまうため、アクチュエータの駆動エネルギに対するインク吐出エネルギの割合（エネルギ効率）が低下してしまうのである。したがって、インク滴を吐出するためには、より大きなエネルギが必要となる。

このように、従来のインクジェット装置では、高粘度のインクを、高いエネルギ効率で、かつ高周波数で安定して吐出することができなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高粘度のインクであっても、高いエネルギ効率で、インク滴を高周波数で安定して吐出することができるインクジェットヘッド、インクジェット装置およびインクの吐出方法を提供することを目的とする。

本発明者は、インク室と圧力室とを接続するインク流路にアクチュエータを設け、インク流路の横断面の面積を制御することで、上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明の第一は、以下のインクジェットヘッドおよびインクジェット装置に関する。
［１］インクを収容するインク室および圧力室と、前記インク室と前記圧力室とを接続するインク流路と、前記圧力室と連通するノズルと、前記圧力室内のインクに圧力を加える第１の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、前記インク流路の横断面の面積を変化させる第２のアクチュエータを有する、インクジェットヘッド。
［２］前記第１のアクチュエータが前記圧力室内のインクに圧力を加えている時の前記インク流路の横断面の面積が、前記第１のアクチュエータが前記圧力室内のインクに圧力を加えていない時の前記インク流路の横断面の面積よりも小さくなるように、前記第２のアクチュエータは、前記インク流路の横断面の面積を変化させる、［１］に記載のインクジェットヘッド。
［３］前記第２のアクチュエータは、前記インク流路のオリフィス部の横断面の面積を変化させる、［１］または［２］に記載のインクジェットヘッド。
［４］前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータは、同一のアクチュエータである、［１］〜［３］のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
［５］［１］〜［４］のいずれか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。

また、本発明の第二は、以下のインクの吐出方法に関する。
［６］インク室内のインクを、インク流路を介して圧力室に供給するステップと、前記圧力室内のインクに圧力を加えて、前記圧力室内のインクを前記圧力室と連通するノズルから吐出させるステップと、を有するインクの吐出方法であって、前記圧力室内のインクに圧力を加える時に、前記インク流路の横断面の面積を小さくする、インクの吐出方法。
［７］前記圧力室内のインクに圧力を加える時に、前記インク流路のオリフィス部の横断面の面積を小さくする、［６］に記載のインクの吐出方法。
［８］前記圧力室内のインクに圧力を加え始めるのと同時に、前記インク流路の横断面の面積を小さくし始める、［６］に記載のインクの吐出方法。
［９］前記圧力室内のインクに圧力を加え始める前に、前記インク流路の横断面の面積を小さくし始める、［６］に記載のインクの吐出方法。

本発明によれば、高粘度のインクであっても、高いエネルギ効率で、インク滴を高周波数で安定して吐出することができる。すなわち、本発明によれば、高粘度のインクであっても、高いエネルギ効率で、かつ高速高精細に印字することができる。

従来のインクジェットヘッドの問題点を説明するための従来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構成を示す断面図 実施の形態１のインクジェットヘッドの動作を示す断面図 実施の形態１において第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータに送る駆動信号の変化の例を示すグラフ 実施の形態１のインクジェットヘッドの別の例を示す断面図 実施の形態２において第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータに送る駆動信号の変化の例を示すグラフ 実施の形態２において第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータに送る駆動信号の変化の別の例を示すグラフ 実施の形態３のインクジェットヘッドの構成を示す断面図 実施の形態３のインクジェットヘッドの動作を示す断面図 実施の形態５のインクジェットヘッドの構成を示す斜視図

本発明のインクジェットヘッドは、インク室および圧力室と、インク室と圧力室とを接続するインク流路と、圧力室と連通するノズルと、圧力室内のインクに圧力を加える第１のアクチュエータと、インク流路の横断面の面積を変化させる第２のアクチュエータとを有する。

本発明のインクジェットヘッドは、インク流路の横断面の面積を変化させる第２のアクチュエータを有することを特徴とする。第２のアクチュエータ以外の各構成要素については、従来のインクジェットヘッドで用いられているものをそのまま使用してもよい。

インク室は、圧力室に供給するインクを収容するための空間である。圧力室は、ノズルから吐出させるインクを収容するための空間である。インク室および圧力室は、インク流路を介して互いに接続されている。

インク流路は、インク室と圧力室とを接続する流路である。圧力室が複数の場合、インク流路はインク室とそれぞれの圧力室とを接続する（図１０参照）。インク流路の内径は一定であってもよいが、インク流路にはオリフィスが設けられていてもよい。以下の説明において、「インク流路の内径（または横断面）」という場合、インク流路の内径が一定のときは任意の箇所における内径（横断面）を意味し、インク流路にオリフィスが設けられているときはオリフィス部における内径（横断面）を意味する。後述するように、インク流路の内径（横断面の面積）は、第２のアクチュエータにより拡大または縮小される。

拡大時のインク流路の内径は、大きいほど好ましい。高粘度のインクであってもより短時間で圧力室にインクを補給できるからである。ただし、拡大時のインク流路の内径を大きくしすぎると、縮小時のインク流路の内径を小さくすることが困難となる可能性がある。したがって、拡大時のインク流路の内径は、縮小時のインク流路の内径やインクの粘度などを考慮して適宜設定すればよい。たとえば、拡大時のインク流路の内径は、３０〜２００μｍ程度であればよい。一方、縮小時のインク流路の内径は、小さいほど好ましい。第１のアクチュエータが圧力室内のインクに圧力を加えた場合に、第１のアクチュエータからの圧力波をより効率的にノズルの方向に伝達させることができる（すなわち、エネルギ効率を向上させることができる）からである（図１Ｃと図３Ｂとを比較参照）。この圧力波の伝達効率を考慮すると、縮小時のインク流路の内径は、後述するノズルの吐出孔の径よりも小さい方が好ましい。たとえば、縮小時のインク流路の内径は、０〜３０μｍ程度であればよい。具体的なインク流路の内径は、インクの性質やインクジェットヘッドの構造なども考慮して適宜設定すればよい。たとえば、インクの粘度やインク供給経路の全体の長さなどに応じて、拡大時のインク流路の内径を設定すればよい（実施の形態４および実施の形態５参照）。

ノズルは、圧力室と連通し、吐出孔を有する管である。１つの圧力室に対して、１つのノズルが形成されていてもよいし、２以上のノズルが形成されていてもよい。圧力室内のインクは、ノズル内部を通り、吐出孔から外部に吐出される。吐出孔の径は、特に限定されず、例えば１０〜１００μｍ程度であればよい。

第１のアクチュエータは、圧力室内のインクに圧力を加えて、圧力室内のインクをノズルの吐出孔から吐出させる。圧力室が複数の場合、第１のアクチュエータは各圧力室の周囲に配置される。第１のアクチュエータの例には、圧電素子およびヒータが含まれる。第１のアクチュエータが圧電素子の場合は、第１のアクチュエータ（圧電素子）は、圧力室の容積を変化させることで、圧力室内のインクに圧力を加える（ピエゾ方式）。一方、第１のアクチュエータがヒータの場合は、第１のアクチュエータ（ヒータ）は、圧力室内のインクを加熱し、気化させることで、圧力室内のインクに圧力を加える（サーモ方式）。後述するように、第１のアクチュエータは、圧力室内の圧力を制御して、圧力室内にインクを補給したり、ノズルの吐出孔からインクを吐出させたりする。

第２のアクチュエータは、インク流路の内径（横断面の面積）を変化させる。第２のアクチュエータの例には、圧電素子が含まれる。後述するように、第２のアクチュエータは、第１のアクチュエータの動作に合わせて、インク流路の内径を変化させる。第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータがいずれも圧電素子の場合、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータは、別個のアクチュエータであってもよいし（実施の形態１参照）、同一のアクチュエータであってもよい（実施の形態２参照）。

インク流路、圧力室、ノズル、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータは、１のインク室に対して２以上形成されていてもよい（図１０参照）。この場合、各圧力室は、それぞれ別個のインク流路によりインク室と接続される。また、各圧力室には、１または２以上のノズルが接続される。複数の第１のアクチュエータは、それぞれ各圧力室内のインクに圧力を加えられる位置に配置され、複数の第２のアクチュエータは、それぞれ各インク流路の内径（横断面の面積）を変化させうる位置に配置される。

インク室および圧力室に収容されるインクの種類は、特に限定されず、製造物の種類によって適宜選択される。たとえば、有機ＥＬパネルを製造する場合、インクの例には、ＰＥＤＯＴ:ＰＳＳなどの正孔注入材料を含む溶液、発光材料などの有機発光物質を含む溶液が含まれる。また、液晶パネルを製造する場合、インクの例には、液晶材料などの高粘度の機能液が含まれる。本発明のインクジェットヘッドを用いれば、高粘度のインクであっても、インク滴を高周波数で安定して吐出することができる。

本発明のインクジェット装置は、本発明のインクジェットヘッドを有することを特徴とする。本発明のインクジェットヘッド以外の各構成要素については、従来のインクジェット装置で用いられているものをそのまま使用してもよい。

次に、本発明のインクジェットヘッド（インクジェット装置）の動作について、すなわち本発明のインクの吐出方法について説明する。

本発明のインクの吐出方法は、１）インク室内のインクを、インク流路を介して圧力室に供給する第１のステップと、２）圧力室内のインクに圧力を加えて、圧力室内のインクをノズルから吐出させる第２のステップとを有する。本発明のインクの吐出方法は、圧力室内のインクに圧力を加える時に、インク流路の内径（横断面の面積）を小さくすることを特徴とする。

まず、第１のステップでは、インク室内のインクを、インク流路を介して圧力室に供給する。たとえば、第１のアクチュエータを制御して圧力室の容積を大きくし、インク室と圧力室との間に圧力差を生じさせることで、インク室内のインクを圧力室内に移動させる。このとき、第２のアクチュエータは、インク流路の内径（横断面の面積）を拡大する。第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータは、同じタイミングで駆動させてもよいし、異なるタイミングで駆動させてもよい（実施の形態１および実施の形態２参照）。すなわち、圧力室内にインクを供給し始めるのと同時に、インク流路の横断面の面積を大きくし始めてもよいし、圧力室内にインクに供給し始めるのと異なる時点で、インク流路の横断面の面積を大きくし始めてもよい。第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを異なるタイミングで駆動させる場合は、第１のアクチュエータを駆動させる前に第２のアクチュエータを駆動させることが好ましい（実施の形態２参照）。すなわち、圧力室内にインクを供給し始める前に、インク流路の横断面の面積を大きくし始めることが好ましい。

次に、第２のステップでは、圧力室内に充填したインクに圧力を加えて、圧力室内のインクをノズルから吐出させる。たとえば、第１のアクチュエータを制御して圧力室の容積を小さくし、圧力室内の圧力を高めることで、圧力室内のインクをノズルから吐出させる。このとき、第２のアクチュエータは、インク流路の横断面の面積を縮小する。第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータは、同じタイミングで駆動させてもよいし、異なるタイミングで駆動させてもよい（実施の形態１および実施の形態２参照）。すなわち、圧力室内のインクに圧力を加え始めるのと同時に、インク流路の横断面の面積を小さくし始めてもよいし、圧力室内のインクに圧力を加え始めるのと異なる時点で、インク流路の横断面の面積を小さくし始めてもよい。第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを異なるタイミングで駆動させる場合は、第１のアクチュエータよりも先に第２のアクチュエータを駆動させることが好ましい（実施の形態２参照）。すなわち、圧力室内のインクに圧力を加え始める前に、インク流路の横断面の面積を小さくし始めることが好ましい。

以下、第１のステップと第２のステップとを交互に繰り返すことにより、高周波数でインク滴を吐出することができる。

以上のように、本発明のインクジェットヘッド（インクジェット装置）およびインクの吐出方法は、圧力室にインクを供給する時にインク流路の内径（横断面の面積）を大きくし；圧力室内のインクに圧力を加える時にインク流路の内径を小さくする。そのため、第１のアクチュエータの駆動エネルギの損失を抑制しつつ、圧力室へのインク補給の時間を短縮することができる。したがって、本発明のインクジェットヘッド（インクジェット装置）およびインクの吐出方法は、高粘度のインクであっても、高いエネルギ効率で、インク滴を高周波数で安定して吐出することができる。

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）
実施の形態１では、インク流路の横断面の面積を変化させる第２のアクチュエータを有するインクジェットヘッドの例を示す。

図２は、本発明の実施の形態１のインクジェットヘッド１００の構成を示す断面図である。図２に示されるように、実施の形態１のインクジェットヘッド１００は、インク室１１０、インク流路１２０、圧力室１３０、ノズル１４０、第１のアクチュエータ１５０および第２のアクチュエータ１６０を有する。

インク室１１０および圧力室１３０は、インク流路１２０を介して互いに接続されている。インク室１１０は、圧力室１３０に供給するインクを収容している。圧力室１３０は、ノズル１４０の吐出孔１４２から吐出させるインクを収容している。

第１のアクチュエータ１５０は、圧力室１３０の上面を覆うように配置されている。第１のアクチュエータ１５０は、圧力室１３０内のインクに圧力を加えて、圧力室１３０内のインクをノズル１４０の吐出孔１４２から吐出させる。第１のアクチュエータ１５０は、圧電素子やヒータなどである。

第２のアクチュエータ１６０は、インク流路１２０の上面を覆うように配置されている。第２のアクチュエータ１６０は、インク流路１２０の横断面（図中Ａ−Ａ’線方向の断面）の面積を変化させる。第２のアクチュエータ１６０は、圧電素子などである。

次に、図３および図４を参照して、実施の形態１のインクジェットヘッド１００の動作について説明する。図３は、インクジェットヘッド１００の動作を説明するためのインクジェットヘッド１００の断面図である。図４は、第１のアクチュエータ１５０および第２のアクチュエータ１６０に送る駆動信号の変化を示すグラフである。図３および図４では、第１のアクチュエータ１５０および第２のアクチュエータ１６０がいずれも圧電素子である場合の例を示している。

まず、第１のステップでは、インク室１１０内のインクを、インク流路１２０を介して圧力室１３０に供給する（図３Ａおよび図４の領域Ａ参照）。具体的には、第１のアクチュエータ１５０へ送る駆動信号の電圧を高くして圧力室１３０の容積を大きくし（図３Ａの白矢印）、インク室１２０と圧力室１３０との間で圧力差を生じさせることで、インク室１１０内のインクを圧力室１３０内に移動させる（図３Ａの黒矢印）。このとき、第２のアクチュエータ１６０へ送る駆動信号の電圧を高くしてインク流路１２０の横断面の面積を大きくする（図３Ａの白矢印）。これにより、インク室１１０内のインクが、容易に圧力室１３０内に移動できるようになる。

次に、第２のステップでは、圧力室１３０内のインクに圧力を加えて、圧力室１３０内のインクをノズル１４０の吐出孔１４２から吐出させる（図３Ｂおよび図４の領域Ｂ参照）。たとえば、第１のアクチュエータ１５０へ送る駆動信号の電圧を低くして圧力室１３０の容積を小さくし（図３Ｂの白矢印）、圧力室１３０内の圧力を高めることで、圧力室１３０内のインクをノズル１４０から吐出させる。このとき、第２のアクチュエータ１６０へ送る駆動信号の電圧を低くしてインク流路１２０の横断面の面積を小さくする（図３Ｂの白矢印）。これにより、第１のアクチュエータ１５０により形成された圧力波がインク流路１２０を介して失われることを抑制できる（図１Ｃと図３Ｂとを比較参照）。

以下、第１のステップ（図３Ａおよび図４の領域Ａ）と第２のステップ（図３Ｂおよび図４の領域Ｂ）とを交互に繰り返すことにより、高周波数でインク滴を吐出することができる。

以上のように、実施の形態１のインクジェットヘッド１００は、圧力室１３０にインクを供給する時にインク流路１２０の横断面の面積を大きくし；圧力室１３０内のインクに圧力を加える時にインク流路１２０の横断面の面積を小さくする。そのため、第１のアクチュエータ１５０の駆動エネルギの損失を抑制しつつ、圧力室へのインク補給の時間を短縮することができる。したがって、実施の形態１のインクジェットヘッド１００は、高粘度のインクであっても、高周波数でインク滴を吐出することができる。たとえば、実施の形態１のインクジェットヘッド１００は、高粘度のインク（粘度：１〜４０ｍＰａ・ｓ，表面張力：１０〜７５ｍＮ／ｍ，密度：０.７〜１.２ｇ／ｃｍ^３）を１０〜２０ｋＨｚで安定して吐出することができる。

なお、第２のアクチュエータ１６０の位置および数は、上記の例に限定されない。たとえば、図５Ａに示されるように、第２のアクチュエータ１６０は、インク流路１２０の下部（または側面）に配置されていてもよい。また、図５Ｂに示されるように、複数の第２のアクチュエータ１６０が、インク流路１２０の周囲に配置されていてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１では、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを同時に駆動させる例について説明したが、実施の形態２では、第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを別個のタイミングで駆動させる例について説明する。

実施の形態２のインクジェットヘッドの構造は、実施の形態１のインクジェットヘッドの構造と同じである。実施の形態２のインクジェットヘッドは、第１のアクチュエータ１５０を駆動させるタイミングと第２のアクチュエータ１６０を駆動させるタイミングとが異なる点が、実施の形態１のインクジェットヘッドと異なる。

図６を参照して、実施の形態２のインクジェットヘッドの動作について説明する。図６は、第１のアクチュエータ１５０および第２のアクチュエータ１６０に送る駆動信号の変化を示すグラフである。図６では、第１のアクチュエータ１５０および第２のアクチュエータ１６０がいずれも圧電素子である場合の例を示している。

第１のステップでは、第２のアクチュエータ１６０へ送る駆動信号の電圧を高くしてインク流路１２０の横断面の面積を大きくした後に（図６上段のポイントａ〜ａ’）、第１のアクチュエータ１５０へ送る駆動信号の電圧を高くして圧力室１３０の容積を大きくする（図６下段のポイントｂ〜ｂ’）。これにより、インク流路１２０の内径を十分に拡大させた後に、インク室１１０内のインクを圧力室１３０に供給することができる（図３Ａ参照）。

第２のステップでは、第２のアクチュエータ１６０へ送る駆動信号の電圧を低くしてインク流路１２０の横断面の面積を小さくした後に（図６上段のポイントｃ〜ｃ’）、第１のアクチュエータ１５０へ送る駆動信号の電圧を低くして圧力室１３０の容積を小さくする（図６下段のポイントｄ〜ｄ’）。これにより、インク流路１２０の内径を十分に縮小させた後に、圧力室１３０内のインクに圧力を加えることができる（図３Ｂ参照）。

以下、第１のステップと第２のステップとを交互に繰り返すことにより、高周波数でインク滴を吐出することができる。

実施の形態２のインクジェットヘッドは、インク流路１２０の内径を十分に拡大させた後に圧力室１３０へのインクの供給を開始し、インク流路１２０の内径を十分に縮小させた後に圧力室１３０内のインクに圧力を加えるため、実施の形態１のインクジェットヘッドよりも、より高粘度のインクを吐出するのに好適である。

なお、第１のアクチュエータ１５０および第２のアクチュエータ１６０を駆動させるタイミングは、上記の例に限定されない。たとえば、図７に示されるように、第２のアクチュエータ１６０を変位させている間（図７上段のポイントａ〜ａ’の間およびポイントｃ〜ｃ’の間）に、第１のアクチュエータ１５０の変位を開始させてもよい（図７下段のポイントｂおよびポイントｄ）。

（実施の形態３）
実施の形態１，２では、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとが別個のアクチュエータであるインクジェットヘッドの例について説明した。実施の形態３では、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとが同一のアクチュエータであるインクジェットヘッドの例について説明する。

図８は、本発明の実施の形態３のインクジェットヘッド２００の構成を示す断面図である。実施の形態１のインクジェットヘッド１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。

図８に示されるように、実施の形態３のインクジェットヘッド２００は、インク室１１０、インク流路１２０、圧力室１３０、ノズル１４０および共通アクチュエータ２１０を有する。

共通アクチュエータ２１０は、圧力室１３０およびインク流路１２０の上面を覆うように配置されている。共通アクチュエータ２１０は、圧力室１３０内のインクに圧力を加えて、圧力室１３０内のインクをノズル１４０の吐出孔１４２から吐出させる。また、共通アクチュエータ２１０は、インク流路１２０の横断面の面積を変化させる。すなわち、共通アクチュエータ２１０は、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータの両方の機能を担っている。共通アクチュエータ２１０は、圧電素子などである。

次に、図９を参照して、実施の形態３のインクジェットヘッド２００の動作について説明する。図９は、インクジェットヘッド２００の動作を説明するためのインクジェットヘッド２００の断面図である。

まず、第１のステップでは、インク室１１０内のインクを、インク流路１２０を介して圧力室１３０に供給する（図９Ａ参照）。具体的には、共通アクチュエータ２１０へ送る駆動信号の電圧を高くして、インク流路１２０の横断面の面積を大きくするとともに、圧力室１３０の容積を大きくする（図９Ａの白矢印）。このように、インク流路１２０の横断面の面積を大きくした状態で、インク室１１０と圧力室１３０との間に圧力差を生じさせることで、インク室１１０内のインクを圧力室１３０内に効率的に移動させることができる（図９Ａの黒矢印）。

次に、第２のステップでは、圧力室１３０内のインクに圧力を加えて、圧力室１３０内のインクをノズル１４０の吐出孔１４２から吐出させる（図９Ｂ参照）。具体的には、共通アクチュエータ２１０へ送る駆動信号の電圧を低くして、インク流路１２０の横断面の面積を小さくするとともに、圧力室１３０内の圧力を高める（図９Ｂの白矢印）。このように、インク流路１２０の横断面の面積を小さくした状態で、圧力室１３０内のインクに圧力を加えることで、圧力室１３０内のインクをノズル１４０から効率的に吐出させることができる。

以下、第１のステップ（図９Ａ）と第２のステップ（図９Ｂ）とを交互に繰り返すことにより、高周波数でインク滴を吐出することができる。

実施の形態３のインクジェットヘッド２００は、より単純な構造で、実施の形態１のインクジェットヘッドと同様の効果を発揮することができる。

（実施の形態４）
実施の形態４では、インクの粘度に応じて拡大時のインク流路の内径（横断面の面積）を設定する例について説明する。

実施の形態４のインクジェットヘッドの構造は、インクの粘度に応じて拡大時のインク流路の内径（横断面の面積）を設定するという点を除いては、実施の形態１のインクジェットヘッドの構造と同じである。以下、インクの粘度に応じて拡大時のインク流路の内径（横断面の面積）を設定する考え方について説明する。

インク流路１２０が円管であると仮定した場合、インク流路１２０を流れるインクの摩擦による圧力損失ΔＰ_０は、ダルシー・ワイズバッハの式およびハーゲン・ポアズイユの式より、以下の式（１）のように定義される。

λ：インク流路の摩擦係数、ｌ：インク流路の長さ、ｖ：インクの平均流速、ｄ：インク流路の内径、ｇ：重力加速度、μ：インクの粘度、ρ：インクの密度

上記式（１）より、インクの粘度μがｎ倍になると、インク流路１２０における圧力損失ΔＰ_０もｎ倍となる。したがって、インクの粘度をｎ倍とした場合、インク流路１２０における圧力損失ΔＰ_０を維持するためには、インク流路１２０の内径を√ｎ倍とすればよい。

たとえば、好ましいインク流路１２０の内径は、圧力室１３０の形状やノズルの吐出孔１４２の形状などにも依存するが、粘度５ｍＰａ・ｓのインクを高周波数で安定して吐出させるには、拡大時のインク流路１２０の内径は３０〜５０μｍの範囲内が好ましいと仮定する。この場合、インク流路１２０以外の構成要素については同じものを使用して、粘度２５ｍＰａ・ｓ（５倍の粘度）のインクを印字するには、拡大時のインク流路１２０の内径を６５〜１１０μｍ（＝３０〜５０μｍ×√５）の範囲内とすればよい。

前述の通り、本発明のインクジェットヘッドは、インクを吐出させる際にインク流路の内径（横断面の面積）を小さくするため、吐出時の圧力損失を考慮することなく、インク流路の拡大時の内径を大きくすることができる。実施の形態４のインクジェットヘッドは、インクの粘度に応じて拡大時のインク流路の内径（横断面の面積）を設定するため、より高周波数でインク滴を吐出することができる。

（実施の形態５）
実施の形態５では、インク供給経路の全体の長さに応じてインク流路の内径（横断面の面積）を個別に設定する例について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態５のインクジェットヘッド３００の構成を示す斜視図である。実施の形態１のインクジェットヘッド１００と同じ構成要素については同一の符号を付し、重複箇所の説明を省略する。

図１０に示されるように、実施の形態５のインクジェットヘッド３００は、インクタンク３１０、インク管路３２０、共通インク流路３３０（インク室１１０）、複数のインク流路１２０ａ〜ｇ、複数の圧力室１３０ａ〜ｇ、複数のノズル１４０ａ〜ｇ、複数の第１のアクチュエータ１５０ａ〜ｇおよび複数の第２のアクチュエータ１６０ａ〜ｇを有する。図１０では、共通インク流路３３０、インク流路１２０ａ〜ｇおよび圧力室１３０ａ〜ｇの上面を破線で示している。また、ノズル１４０ａ〜ｇ、第１のアクチュエータ１５０ａ〜ｇおよび第２のアクチュエータ１６０ａ〜ｇを省略している。図２の断面図に示されるように、ノズル１４０ａ〜ｇは圧力室１３０ａ〜ｇの下部にそれぞれ形成されており、第１のアクチュエータ１５０ａ〜ｇはインク流路１２０ａ〜ｇの上部にそれぞれ配置されており、第２のアクチュエータ１６０ａ〜ｇは圧力室１３０ａ〜ｇの上部にそれぞれ配置されている。

インクタンク３１０は、共通インク流路３３０に供給するインクを収容する。インクタンク３１０および共通インク流路３３０は、インク管路３２０により接続されている。

共通インク流路３３０は、インクタンク３１０から供給されたインクを圧力室１３０ａ〜ｇのそれぞれに供給する。共通インク流路３３０は、実施の形態１のインクジェットヘッドのインク室１１０と同様の機能を担っている。

実施の形態５のインクジェットヘッド３００の構造は、インク供給源からの距離に応じて拡大時のインク流路１２０の内径（横断面の面積）をインク流路１２０ごとに個別に設定するという点を除いては、実施の形態１のインクジェットヘッド１００の構造と同じである。ここで「インク供給源からの距離」とは、図１０において「Ｓ」で示される、インク管路３２０と共通インク流路３３０との接続部位からの距離を意味する。

以下、インク供給源Ｓからの距離に応じて拡大時のインク流路１２０の内径（横断面の面積）を設定する考え方について説明する。

共通インク流路３３０が円管であると仮定した場合、共通インク流路３３０を流れるインクの摩擦による圧力損失ΔＰ_１は、ダルシー・ワイズバッハの式およびハーゲン・ポアズイユの式より、以下の式（２）のように定義される。

λ：共通インク流路の摩擦係数、ｌ：インク供給源からインク流路までの距離、ｖ：インクの平均流速、ｄ：共通インク流路の内径、ｇ：重力加速度、μ：インクの粘度、ρ：インクの密度

上記式（２）より、インク供給源Ｓからインク流路１２０までの距離ｌがｎ倍になると、共通インク流路３３０における圧力損失ΔＰ_１もｎ倍となる。したがって、インク供給源Ｓに近い圧力室１３０ａとインク供給源Ｓから遠い圧力室１３０ｇとの間では、共通インク流路３３０における圧力損失ΔＰ_１が異なる。

たとえば、図１０の例において、インク供給源Ｓからインク流路１２０ａまでの距離ｌ_１が５ｍｍであり、インク供給源Ｓからインク流路１２０ｇまでの距離ｌ_２が３０ｍｍ（ｌ_１の６倍）であると仮定する。この場合、式（２）より、圧力室１３０ｇについての共通インク流路３３０における圧力損失ΔＰ_１は、圧力室１３０ａについての共通インク流路３３０における圧力損失ΔＰ_１の６倍となる。

また、前述の通り、インク流路１２０における圧力損失ΔＰ_０は、以下の式（１）のように定義される。

λ：インク流路の摩擦係数、ｌ：インク流路の長さ、ｖ：インクの平均流速、ｄ：インク流路の内径、ｇ：重力加速度、μ：インクの粘度、ρ：インクの密度

上記式（１）より、インク流路１２０の内径が√Ａ倍になると、インク流路１２０における圧力損失ΔＰ_０は１／Ａ倍となる。したがって、インク流路１２０ａ〜ｇの内径をそれぞれ個別に設定することで、インク流路１２０ａ〜ｇにおける圧力損失ΔＰ_１をそれぞれ変えることができる。

実施の形態５のインクジェットヘッド３００では、すべての圧力室１３０ａ〜ｇについて、インク供給源からの圧力損失の合計（ΔＰ_１＋ΔＰ_０）が同一となるように、各インク流路１２０の内径が設定されている。

圧力室１３０ａと圧力室１３０ｇを例にして説明する。前述の通り、距離ｌ_１が５ｍｍであり、距離ｌ_２が３０ｍｍの場合、圧力室１３０ｇについての共通インク流路３３０における圧力損失ΔＰ_１は、圧力室１３０ａについての共通インク流路３３０における圧力損失ΔＰ_１の６倍となる。すなわち、圧力室１３０ａについての共通インク流路３３０における圧力損失をΔＰ_１とすると、圧力室１３０ｇについての共通インク流路３３０における圧力損失は６ΔＰ_１となる。

一方、インク流路１２０ｇの内径がインク流路１２０ａの内径の√Ａ倍の場合、圧力室１３０ｇについてのインク流路１２０ｇにおける圧力損失ΔＰ_０は、圧力室１３０ａについてのインク流路１２０ａにおける圧力損失ΔＰ_０の１／Ａ倍となる。すなわち、圧力室１３０ａについてのインク流路１２０ｇにおける圧力損失をΔＰ_０とすると、圧力室１３０ｇについてのインク流路１２０ｇにおける圧力損失はΔＰ_０／Ａとなる。

したがって、圧力室１３０ａについての圧力損失の合計（ΔＰ_１＋ΔＰ_０）と圧力室１３０ｇについての圧力損失の合計（６ΔＰ_１＋ΔＰ_０／Ａ）が同一となるためには、以下の式（３）を満たす必要がある。

上記式３は、以下の式（４）に変換されうる。

ここで、ΔＰ_１とΔＰ_０が以下の式（５）の関係を満たすと仮定すると、Ａは以下の式（６）のようになる。

したがって、インク流路１２０ａの拡大時の内径が３０〜５０μｍの場合、インク流路１２０ｇの拡大時の内径を３０〜１００μｍ（＝（３０〜５０μｍ）×（√Ａ））の範囲内とすればよい（√Ａ＝１〜２）。同様の計算により、他のインク流路１２０ｂ〜ｆについても、圧力損失を同一とするために好ましい内径を求めることができる。

実施の形態５のインクジェットヘッドは、インク供給経路の全体の長さに応じてインク流路の内径（横断面の面積）を個別に設定するため、実施の形態１の効果に加えて、よりノズル間のバラつきを無くすことができる。

本発明は、高粘度のインクであっても、高エネルギ効率で、インク滴を高速かつ高精度に吐出することができるため、例えば有機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に有用である。

１１ インク室
１２ インク流路
１３ 圧力室
１４ ノズル
１５ アクチュエータ
１００，２００，３００ インクジェットヘッド
１１０ インク室
１２０ インク流路
１３０ 圧力室
１４０ ノズル
１４２ 吐出孔
１５０ 第１のアクチュエータ
１６０ 第２のアクチュエータ
２１０ 共通アクチュエータ
３１０ インクタンク
３２０ インク管路
３３０ 共通インク流路

Claims (9)

1. インクを収容するインク室および圧力室と、前記インク室と前記圧力室とを接続するインク流路と、前記圧力室と連通するノズルと、前記圧力室内のインクに圧力を加える第１の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、
   前記インク流路の横断面の面積を変化させる第２のアクチュエータを有する、
   インクジェットヘッド。
2. 前記第１のアクチュエータが前記圧力室内のインクに圧力を加えている時の前記インク流路の横断面の面積が、前記第１のアクチュエータが前記圧力室内のインクに圧力を加えていない時の前記インク流路の横断面の面積よりも小さくなるように、前記第２のアクチュエータは、前記インク流路の横断面の面積を変化させる、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記第２のアクチュエータは、前記インク流路のオリフィス部の横断面の面積を変化させる、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータは、同一のアクチュエータである、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
5. 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。
6. インク室内のインクを、インク流路を介して圧力室に供給するステップと、
   前記圧力室内のインクに圧力を加えて、前記圧力室内のインクを前記圧力室と連通するノズルから吐出させるステップと、を有するインクの吐出方法であって、
   前記圧力室内のインクに圧力を加える時に、前記インク流路の横断面の面積を小さくする、
   インクの吐出方法。
7. 前記圧力室内のインクに圧力を加える時に、前記インク流路のオリフィス部の横断面の面積を小さくする、請求項６に記載のインクの吐出方法。
8. 前記圧力室内のインクに圧力を加え始めるのと同時に、前記インク流路の横断面の面積を小さくし始める、請求項６に記載のインクの吐出方法。
9. 前記圧力室内のインクに圧力を加え始める前に、前記インク流路の横断面の面積を小さくし始める、請求項６に記載のインクの吐出方法。

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