JP2017165051A - インクジェット装置とそれを用いた塗布装置、塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インク循環型のインクジェットヘッドにおいて、残留振動の影響による吐出体積の差を無くすことができるインクジェット装置を提供する。【解決手段】インクを供給する供給流路２と、供給流路に配置された第１ダンパー１３と、インクを排出する排出流路３と、排出流路に配置された第２ダンパー１４と、供給流路と排出流路との間に位置する複数の圧力室１０と、供給流路と排出流路との間に位置する循環部と、を備え、第１ダンパーは、上記第２ダンパーよりも面積が大きい。【選択図】図１

Description

本発明はインクを吐出するインクジェット装置とそれを用いた塗布装置、塗布方法に関する。

ドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドは、入力信号に応じて必要なときに必要な量のインクを塗布することができるインクジェットヘッドとして知られている。特に圧電（圧電素子）方式のドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドは、一般的に、インク供給流路と、インク供給流路に接続されノズルを有する複数の圧力室と、圧力室内に充填されたインクに圧力を加える圧電素子と、を有する。

圧電素子方式のインクジェットヘッドでは、圧電素子に駆動電圧を印加することによって生じる圧電素子の機械的歪みにより、圧力室内のインクに圧力を加えて、ノズルからインクを吐出する。圧電素子方式のインクジェットヘッドは、圧電素子の歪み方によって、シェアモード型、プッシュモード型、ベンドモード型の３つのタイプに大別できる。特に、積層構造の圧電素子を用いるベンドモードでは、低い電圧で強い力を生み出せることから、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用に開発されることが期待されている（例えば特許文献１参照）。

また、インクジェット装置ではノズルから吐出されるインク滴の直進性を向上するために、ノズルのインク吐出方向の長さ（以下ノズル長さ）を長くすることが知られている。しかし、ノズル長さを長くした場合、ノズル内にインクが滞留しやすくなる。インクがノズル内に滞留するとインクに気泡や異物が混入した場合にノズル詰まりが起こりやすい。

これに対しインクジェットヘッドに圧力室と連通し、かつ、圧力室から排出されたインクが流れるインク排出流路に流す技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

インク循環型のインクジェットヘッドでは圧力室に連通したインク供給流路から圧力室にインクが供給され、圧力室において所望の体積をノズルより排出し、残りのインクをインク排出流路へ排出することによってインク溜りを防ぎ、ノズル詰まりの問題を解決することができる。

特開２００１−１２１６９３号公報 特開２００９−２２１４１９号公報

しかしながら従来技術では隣接するノズルから吐出があった場合、吐出の残留振動が発生し、圧力室を連通するインク供給流路とインク排出流路を伝播して他の圧力室からの吐出に影響を及ぼす。この残留振動の影響により流入口付近のノズルとインク排出口付近のノズルの吐出体積及び吐出速度に差が生じ、吐出が不安定になる。またこの吐出体積の差は単位時間当たりの吐出回数と使用するインク粘度と吐出波形の形状によって変化する。そのため残留振動の影響を打ち消すことが難しく、印刷物の面内ムラを招く恐れがあった。

よって、本願課題は、残留振動の影響がなく、印刷物の面内ムラがない、インクジェット装置とそれを用いた塗布装置、塗布方法を提供することである。

上記課題を解決するため、インクを供給する供給流路と、供給流路に配置された第１ダンパーと、上記インクを排出する排出流路と、上記排出流路に配置された第２ダンパーと、上記供給流路と上記排出流路との間に位置する複数の圧力室と、上記供給流路と上記排出流路との間に位置する循環部と、を備え、上記第１ダンパーは、上記第２ダンパーよりも面積が大きいインクジェットヘッド装置を用いる。

また、上記インクジェットヘッド装置と、基板保持部と、上記インクジェットヘッド装置と前記基板保持部とを制御する制御部と、を有する塗布装置を用いる。

さらに、上記インクジェットヘッド装置を用いて、基板へインクを塗布する塗布方法を用いる。

以上の様に本発明は、単位時間当たりの吐出回数の多いインクジェットヘッドであっても吐出体積と速度のバラツキを抑制し、印刷物が面内で不均一になる課題を解決できる。

実施の形態１のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態１のインクジェットヘッドの断面方向構造を示す図 実施の形態１の吐出波の波形を示す図 高周波吐出における体積の変動を示す図 実施の形態２のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態２のインクジェットヘッドの断面方向構造を示す図 実施の形態３のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態３のインクジェットヘッドの断面方向の構造を示す図 実施の形態４のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態５のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態６のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態７のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態８のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図 実施の形態８のインクジェットヘッドの断面方向の構造を示す図 実施の形態９のインクジェットヘッドの平面方向の構造を示す図

以下、本発明の実施形態について、以下図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１に第１の実施形態に係わるインクジェットヘッド１の平面図を示す。図１のＡ−Ａ’断面を図２に示す。ただし、図１は、１ダンパー１３、第２ダンパー１４のインクと触れる部分がわかるように、表示している。図５，７、９〜１３、１５も図１と同様である。

第１の実施形態に係わるインクジェットヘッド１は、インクを供給口６より供給流路２を通じて、インクの流れ８の方向に沿って、圧力室４に供給する。

圧力室４では、圧電素子１５（図２）の機械的歪みによりノズル５より所望の体積のインクを印刷対象に吐出する。そして、残りのインクは圧力室４より排出流路３を通じて排出側インクの流れ９の方向に沿って、排出口７まで行き、排出される。

インクは、排出口７からフィルタ１１により異物を除去された後、ポンプ１２により供給口６に供給され、循環する。

図３は、圧電素子１５に印加する電圧を示す。吐出波１８で、図２の圧電素子１５が歪み、圧力室４の圧力を振動させ、ノズル５からインク液滴１６（図２）が吐出される。

そして、インク液滴１６を押し出した反動として圧力室４には残留振動が発生する。特に、
圧力室４において０．１ｍｓ程度の短い間隔で吐出を繰り返す場合に、この残留振動の影響は、圧力室４だけでなく、隣の圧力室１０にも影響を及ぼす。この影響は主に吐出体積として現れ、吐出周波数による吐出体積のバラツキを引き起こす。

これを解決すべく、本実施の形態では、図２に示すように、供給流路２に第１ダンパー１３を配置し、排出流路３には、第２ダンパー１４を配置する。第１ダンパー１３の面積１９は、第２ダンパー１４の面積２０より大きい。この理由は、供給流路２は、排出流路３より、インク圧力がより高く、残留振動の伝播がより高いためである。

ここで、面積とは、第１ダンパー１３、第２ダンパー１４とインクとが接触する部分の面積である。面積が大きいほど、ダンパー効果が高い。以下面積の定義は同じである。

＜第１ダンパー１３、第２ダンパー１４＞
第１ダンパー１３は、例えば、供給流路２の底部のプレートを５μｍから３０μｍの厚みの薄膜金属で形成し、その下の層を中空にすることで形成される。

第２ダンパー１４も、例えば排出流路３の底部のプレートを１０μｍ程度の厚みの薄膜金属で形成し、その下の層を中空にすることで形成される。

中空部分の深さは例えば２０μｍ〜５００μｍの間であり、吐出性能と機械剛性を鑑みながら設計することができる。

第１ダンパー１３の幅は、例えば、１〜５ｍｍ程度とすることができ、これに対し第２ダンパー１４の幅は０．３から１ｍｍとすることできる。

第２ダンパー１４の限られた面積の中でダンパー効果を十分に発揮することができる。もちろん、用途、インク、その他の設計要件からその他の領域で幅を選択することができる。

ダンパーを持つインクジェットヘッドの周波数特性を図４に示す。横軸は、ノズル番号、縦軸は、吐出周波数１ｋＨｚと３０ｋＨｚとでの吐出体積の比である。

ダンパーなしのインクジェットヘッドでは、吐出周波数１ｋＨｚでの吐出体積に比較して吐出周波数３０ｋＨｚでの吐出体積が、残留振動により約１３％増加し、かつ、ノズル間のばらつきも大きい。

一方、ダンパーありのインクジェットヘッド１では吐出周波数１ｋＨｚでの吐出体積に比較して吐出周波数３０ｋＨｚでの吐出体積はほぼ同等であり、かつ、ノズルごとのばらつきも少ない。このことから、第１の実施の形態のインクジェットヘッドでは残留振動を効果的に抑制できることが分かる。

なお、第１ダンパー１３、第２ダンパー１４は、それぞれ、供給流路２、排出流路３の下部に位置する必要はなく、上部でも、側面でもよい。供給流路２、排出流路３のインクに接していればよい。

（第２の実施の形態）
図５に第２の実施形態に係わるインクジェットヘッド１の平面図を示す。図６に図５記載のＢ−Ｂ’断面を示す。記載しない事項を第１の実施の形態と同様である。

第２の実施形態に係わるインクジェットヘッド１は、供給流路２に流路に沿って面積が変化する第１ダンパー１３を具備することを特徴とする。または、供給流路２の長手方向に垂直方向の第１ダンパー１３の幅を変化させている。以下の他の実施の形態でも同様である。

この実施の形態では、供給流路２の供給側インクの流れ８に法線方向の断面積を、図６のように変化させる。供給流路２の深さに傾きをつけることで断面積を変化させている。この場合、供給流路２の体積によって残留振動を吸収できる量が変化する。そのため供給流路２に平行に整列した複数のノズルから吐出されるインク体積は、ノズル毎に変化する。この供給流路２に沿って変化する残留振動吸収能力を、各ノズルで均一にするため、第１ダンパー１３の面積を流路の断面積に反比例するように変化させる。

また、吐出電圧がノズルによって異なる場合、残留振動の発生が局所的に大きくなる場合がある。この対策として第１ダンパー１３の面積を局所的に拡大し、対応することも可能である。

（第３の実施の形態）
図７に、第３の実施形態に係わるインクジェットヘッド１を示す。図７のインクジェットヘッド１は、複数のノズル５の列を具備している。その場合、面積の制限から供給流路２または排出流路３を複数のノズル５の列で共用する。この実施の形態では、供給流路２を共用した場合である。インクは供給口６から流入し、インクの流れ８のように供給流路２、圧力室４、排出流路３の経路で流れ、排出口７より排出される。

図８に、図７記載のＣ−Ｃ’断面を示す。第３の実施形態に係わるインクジェットヘッド１は、排出流路３に流路に沿って面積が変化する第１ダンパー１３を具備することが特徴である。

インク循環型ヘッドにおいて、１本の供給流路２から複数のノズル５の列に供給する。
吐出したノズル５により発生する残留振動が、供給流路２を挟んで対向するノズル５に伝播するクロストークが発生する。このクロストークを防止するため供給流路２に配置した第１ダンパー１３は可能な限り大きな面積で配置する。

一方で、循環型インクジェットヘッドでは気泡の抜けやすさ向上と液体の局所的な流量に合わせるために、排出流路３の排出側インクの流れ８に法線方向の断面積を変化させている。

この実施の形態では、排出流路３の深さに傾きをつけることで断面積を変化させている。この場合、排出流路３の体積によって残留振動を吸収できる量が変化する。そのため、流路に平行に整列したノズル５から吐出されるインク体積は、ノズル毎に変化する。この排出流路３に沿って変化する残留振動吸収能力を各々のノズル５で均一にするため、第２ダンパー１４の面積を変化させている。第２ダンパー１４の面積と排出流路３の断面積とを反比例させている。つまり排出流路３の長手方向に垂直方向の第２ダンパー１４の幅を、長手方向に沿って変化させている。

（第４の実施の形態）
図９に第４の実施形態に係わるインクジェットヘッド１の平面図を示す。第１ダンパー１３に第１桟４３ａ、第２ダンパー１４に第２桟４３ｂを持つことを特徴とする。

第１ダンパー１３と第２ダンパー１４は残留振動を吸収するため容易に変形する素材と形状である必要がある。例えば５μｍから３０μｍの金属薄膜を使用することでダンパー性能を得られることができる。

一例として１０μｍ厚の金属薄膜を用いる場合、ダンパーの面積が１ｍｍ^２を超えて広くなると工程において破損しやすく不良発生の原因となる。そこで残留振動抑制効果が損なわれない範囲でダンパー膜に第１桟４３ａ、第２桟４３ｂを設け、強度を向上する。

例えば０．５ｍｍから３０ｍｍの間隔で第１桟４３ａ、第２桟４３ｂを入れることで強度を向上しながら３０ｋＨｚ程度の連続吐出を安定して実施できるようになる。

第１桟４３ａ、第２桟４３ｂの幅は３０μｍから１００μｍ程度に設定することができる。第１桟４３ａ、第２桟４３ｂの厚みは強度を鑑みて３０μｍから２００μｍに設定することができる。

第１桟４３ａ、第２桟４３ｂの根元部はＲ形状を持たせることで洗浄工程での異物除去を容易にし、ダンパーの破れの起点を無くすことができる。

（第５の実施の形態）
図１０に、第５の実施形態に係わるインクジェットヘッド１を示す。第１ダンパー１３と第２ダンパー１４とで、第１桟４３ａ、第２桟４３ｂからの距離５１によって面積を変えていることを特徴とする。

ダンパーの残留振動抑制能力はダンパー薄膜が振動することにより消費するエネルギーに比例する。そのため、ダンパーの第１桟４３ａまたは第２桟４３ｂ付近の部分ではダンパー薄膜の動きが抑制されるため、第１桟４３ａ、第２桟４３ｂから離れた部分と比較して残留振動抑制効果が小さくなる。

そこで、第１桟４３ａ、第２桟４３ｂに近い部分の幅を大きく中心部分を小さくすることで近接するノズルでの残留振動を均一化することができる。

第１ダンパー１３と第２ダンパー１４とは第１桟４３ａ、第２桟４３ｂ近傍での幅（インク流れと垂直方向の長さ）を１とした場合、中心付近で０．５程度の幅になるように設定することが望ましい。

第１ダンパー１３と第２ダンパー１４とは、１０μｍ程度の薄膜であるため破れが生じないように、ダンパー膜上にせり出した部分は円弧状にすることが望ましい。つまり、方形形状から、半円、円の一部を取り除いた形状である。

これによって近接するノズルにおける吐出体積を均一化し、印刷物の濃度ムラを防ぐことができる。

（第６の実施の形態）
図１１に第６の実施形態に係わるインクジェットヘッド１の平面図を示す。第１ダンパー１３の第１桟４３ａと第２ダンパー１４の第２桟４３ｂが圧力室４を挟んで対向する位置には配置しないことを特徴とする。

第１桟４３ａと第２桟４３ｂとが１つの圧力室４を挟んで対向する位置に配置した場合、局所的に吐出体積が変動する。そこで圧力室４の残留振動抑制能力の低い第１桟４３ａ、第２桟４３ｂに対向する部分に、ダンパーの腹の部分に対応するように配置する。このことにより、ノズル５の列の残留振動を均一化することができる。

図１１の場合、圧力室６２は、第１ダンパー１３の腹の位置と第２ダンパー１４の第２桟４３ｂとの間にある。このため、圧力室６１、圧力室６３よりも残留振動低減効果が大きい。

しかし、圧力室６１、圧力室６３は、それぞれ、その両端に第１桟４３ａ、第２桟４３ｂがなく、第１ダンパー１３の腹、第２ダンパー１４の腹がきている。

そのため、圧力室６１と圧力室６３とにより、圧力室６２の残留振動は弱められる。圧力室間の残留振動は均質化される。

この方法により印刷スキャン方向と平行に生じる印刷（塗布）の濃度ムラを解消することが可能である。

（第７の実施の形態）
図１２に、第７の実施形態に係わるインクジェットヘッド１を示す。第１ダンパー１３と第２ダンパー１４は、それぞれ複数の部分からなり、間に第１桟４３ａ、第２桟４３ｂを有する。さらに、供給流路２に沿ってそれぞれの第１ダンパー１３の面積を変え、排出流路３に沿ってそれぞれの第２ダンパー１４の面積を変えことを特徴とする。

第１ダンパー１３と第２ダンパー１４は、残留振動を吸収するため、容易に変形する素材と形状である必要がある。例えば、１０μｍ厚の金属薄膜を用いる場合、ダンパーの面積が広くなると工程において破損しやすく不良発生の原因となる。

そこで残留振動抑制効果が損なわれない範囲で、複数の第１ダンパー１３間、複数の第２ダンパー１４間には、第１桟４３ａ、第２桟４３ｂをそれぞれ設け、強度を向上させている。第１桟４３ａ、第２桟４３ｂを持つことにより残留振動の分布を変化させることができる。また、一定のノズル５の列の濃度が濃いなどその他の要因で複数の残留振動が高め合う領域が発生させることもできる。

さらに、複数の第１ダンパー１３、または、複数の第２ダンパー１４のうち、１つ以上、大きく、残留振動を効果的に抑制し、各々のノズル５への影響を均一化することも可能である。

（第８の実施の形態）
図１３に第８の実施形態に係わるインクジェットヘッド１を示す。図１４に、図１３のＤ−Ｄ’断面の断面図を示す。

第８の実施形態に係わるインクジェットヘッド１は、供給流路２に沿って開いた穴の密度が変化する膜を穴開きダンパー８３を設けることを特徴とする。

穴開きダンパー８３は、例えば厚みが１０μｍから５０μｍの金属箔をエッチングやレーザーやパンチング等により穴８４を開けることで形成される。穴８４のサイズは任意に選ぶことができるが、例えば５μｍから３０μｍの大きさの穴８４がダンパー機能を発揮するために好ましい。

循環型インクジェットヘッドは、前述のように共通流の断面積を流れ方向に沿って変更する場合がある。流路の断面積が小さくなる部分では残留振動抑制効果小さくなるため、残留振動抑制効果の大きなダンパーを配置する必要がある。

穴開きダンパー８３では、穴８４の密度が疎である領域のダンパー機能が高くなる。この特性を利用し、流路の断面積が小さな領域に対応するダンパーの部位の穴８４の密度を低くし、流路の断面積が大きな領域に対応するダンパーの部位の穴８４の密度を高めることで残留振動抑制効果を均一化する。

例えば、流路の断面積が１：２であった場合、流路の断面積が小さな領域に対し、領域の面積に対する穴８４の面積を６０％程度とし、流路の断面積が大きな領域に対し、領域の面積に対する穴８４の面積を１０％程度とすることで残留振動の各ノズルへの影響を均一化することができる。流路断面積とダンパーの面積（開口していない面積）とを比例させる。

なお、穴開きダンパー８３と、第１ダンパー１３、第２ダンパー１４とともに使用したが、単独で使用してもよい。

（第９の実施の形態）
図１５に第９の実施形態に係わるインクジェットヘッド１を示す。この実施の形態では、穴開きダンパー８３と穴開きダンパー９３を持つことが特徴とする。

供給側の穴開きダンパー８３は、例えば厚みが１０μｍから５０μｍの金属箔をエッチングにより穴を開けることで形成される。穴のサイズは任意に選ぶことができるが例えば直径５μｍから３０μｍがダンパー機能を発揮するために好ましい。

排出側の穴開きダンパー９３はダンパー性能と泡の抜け性を考慮して直径５μｍから５００μｍが好ましい。

第９の実施の形態では、上記の効果に加え、さらに、付加され機能として循環用ポンプの発生する圧力振動の圧力室４への伝達も抑制することができる。
（全体として）
上記実施の形態は、それぞれ組み合わせることができる。各種ダンパーを各種位置に配置できる。

上記インクジェット装置を用いて、デイスプレイなどの基板にインクを塗布できる。塗布装置として、上記インクジェット装置、制御部、基板の保持部があればよい。

本願のインクジェットヘッドは、産業用インクジェットヘッドとして広く使用される。

１ インクジェットヘッド
２ 供給流路
３ 排出流路
４ 圧力室
５ ノズル
６ 供給口
７ 排出口
１０ 圧力室
１１ フィルタ
１２ ポンプ
１３ 第１ダンパー
１４ 第２ダンパー
１５ 圧電素子
１６ インク液滴
１８ 吐出波
１９ 面積
２０ 面積
４３ａ 第１桟
４３ｂ 第２桟
５１ 距離
６１ 圧力室
６２ 圧力室
６３ 圧力室
８３ ダンパー
８４ 穴
９３ ダンパー

Claims (11)

1. インクを供給する供給流路と、
   供給流路に配置された第１ダンパーと、
   前記インクを排出する排出流路と、
   前記排出流路に配置された第２ダンパーと、
   前記供給流路と前記排出流路との間に位置する複数の圧力室と、
   前記供給流路と前記排出流路との間に位置する循環部と、を備え、
   前記第１ダンパーは、前記第２ダンパーよりも前記インクと接触する面積が大きいインクジェットヘッド装置。
2. 前記供給流路の長手方向に垂直方向の前記第１ダンパーの幅を、前記長手方向に沿って変化させた請求項１記載のインクジェットヘッド装置。
3. 前記排出流路の長手方向に垂直方向の前記第２ダンパーの幅を、前記長手方向に沿って変化させた請求項１または２記載のインクジェットヘッド装置。
4. 前記第１ダンパーと前記第２ダンパーの少なくとも一方に、前記第１ダンパーを分割する第１桟または前記第２ダンパーを分割する第２桟を設けた請求項１から３記載のインクジェットヘッド装置。
5. 前記第１桟で分割された前記第１ダンパーまたは前記第２桟で分割された前記第２ダンパーの前記インクと接触する面の形状は、前記桟付近は大きく遠くなるほどに小さくなる形状である請求項４記載のインクジェットヘッド装置。
6. 前記第１桟と前記第２桟とは、前記圧力室を挟んで対向しない請求項４または５記載のインクジェットヘッド装置。
7. 前記桟で分けられた前記第１ダンパーの各前記面積を前記供給流路に沿って変化させた請求項４から６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド装置。
8. 前記第１ダンパーに貫通した穴を設け、前記穴の単位面積当たりの個数が前記供給流路に沿って変化させた請求項１〜７のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド装置。
9. 前記第２ダンパーに貫通した穴を設け、前記穴の単位面積当たりの個数が前記排出流路に沿って変化させた請求項１〜８のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド装置と、
    基板保持部と、
    前記インクジェットヘッド装置と前記基板保持部とを制御する制御部と、を有する塗布装置。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド装置を用いて、基板へインクを塗布することで、前記基板へパターンを形成する塗布方法。
    

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