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
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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
【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。
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。
[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。
[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。
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。
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/cm3)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。
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ΔP0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ΔP0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ΔP0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。
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ΔP1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ΔP1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ΔP1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l1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l2が30mm(l1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ΔP1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ΔP1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ΔP0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ΔP0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ΔP1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(ΔP1+ΔP0)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l1が5mmであり、距離l2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ΔP1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ΔP1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ΔP1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6ΔP1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ΔP0は、圧力室130aについてのインク流路120aにおける圧力損失ΔP0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ΔP0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ΔP0/Aとなる。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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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-
2009
- 2009-05-26 JP JP2009126618A patent/JP2010274446A/ja active Pending
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