(57)【要約】【課題】所望のパターンを高品質に印刷することができ、導電材料による断続線が電気的に完全に遮断された印刷が可能な印刷ヘッドと印刷装置、および本装置を用いて得られる印刷物を提供すること。【解決手段】ペースト状材料を吐出するための印刷ヘッドであって、前記印刷ヘッドが、一箇所以上のマニホールドから複数に分岐して吐出口に至る流路と、前記流路内に挿入してペースト状材料を遮断するための棒状部材と、前記流路内に設けられて前記棒状部材を挿入するための溝と、前記流路内に設けられ、かつ前記溝の上部に接続された前記棒状部材を挿入するための穴を少なくとも具備することを特徴とする。【選択図】図１
2020062603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペースト状材料を吐出するための印刷ヘッドであって、
前記印刷ヘッドが、
一箇所以上のマニホールドから複数に分岐して吐出口に至る流路と、
前記流路内に挿入してペースト状材料を遮断するための棒状部材と、
前記流路内に設けられて前記棒状部材を挿入するための溝と、
前記流路内に設けられ、かつ前記溝の上部に接続された前記棒状部材を挿入するための穴、を少なくとも具備することを特徴とする印刷ヘッド。
【請求項２】
前記溝に挿入される側の前記棒状部材の先端形状が円錐形又は角錐形、
であることを特徴とする請求項１に記載の印刷ヘッド 。
【請求項３】
前記棒状部材の先端頂角が０．５度以上９０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の印刷ヘッド。
【請求項４】
前記溝が、前記棒状部材の先端形状と同じ形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の印刷ヘッド。
【請求項５】
前記棒状部材が、前記ペースト状材料を吐出口に至る流路外のバイパス経路へ導くためのバイパス用の溝を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の印刷ヘッド。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の印刷ヘッドを搭載したことを特徴とする印刷装置。
【請求項７】
請求項に記載の印刷装置を用いて印刷されたことを特徴とする印刷物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印刷に適した印刷ヘッド及び印刷装置に関し、特にはプリンタブルエレクトロニクス等において導電材料や絶縁材料による回路パターンを印刷するための印刷ヘッド、印刷装置および印刷物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プリンタブルエレクトロニクス技術分野などで、導電材料、絶縁材料をグラビア印刷、スクリーン印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷などで配線パターンを形成する技術が求められているが、これらの印刷法は、印刷物の断面形状が略半球形状、且つアスペクト比が低い印刷物となることが多く、今後のトレンドとして印刷物の断面形状が矩形、且つアスペクト比が高い印刷物が、より高品質な印刷物として望まれている。
【０００３】
印刷物の断面形状が略半球形状であるということは、断面積による電気特性値を重要視する回路形成技術において不安要素は非常に大きく、例えば、略半球形状の断面積の計算は、切断面を直接計測するなど破壊試験を行う必要があり、様々な分野で課題が生じる。また、配線に流れる電流量は矩形に比べて少ないなどの問題点が挙げられる。
【０００４】
印刷物の断面形状を矩形にすることで期待される効果としては、例えば、導電材料の場合では、印刷物の断面積を簡単に求めることができ、その結果から配線抵抗値などを簡単に求めることができる。つまり測定のための破壊試験は必要ない。また、同じスペースを印刷した従来の印刷物と比較すると、配線に流れる電流をより多く流すことが可能となり、特に、電子回路のような少スペースに配線が密集した箇所へ印刷することにより、より効果が期待される。
【０００５】
導電材料は電子回路等で使用されることが多く、櫛形電極に代表される配線パターンは単純な１本線ではなく、随所にパターンを断続的に印刷する必要がある。複数本の線を印刷する場合、従来は一つの仕様に対して一つの金型が必要であったため、仕様変更の度に新たな金型を作製しなければならない。その解決策の一つとして、例えば先行文献に記載の方法で導電性のペースト状材料を遮断する方法が考えられる。
【０００６】
特許文献１によれば、先端が平坦な棒状部材を印刷ヘッド内の流路へ挿入することによって導電材料を遮断し断続線を得るとある。然しながらこの方法では導電材料を完全に遮断できないおそれがある。なぜならば、棒状部材を挿入した際に棒状材料底部に導電材料が挟まれ、薄膜ではあるものの残留物（材料）があるために完全な断続線を得ることができない。また、棒状部材と流路の僅かな隙間からペースト状材料は吐出口へと漏れ出てしまい、導電材料を完全に遮断することができずに導通されてしまう可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２では、吐出口を有する流路にバルブを備えて材料を遮断することで、パターンを断続的に印刷することが可能な流体吐出装置を提案している。しかしこの装置では、バルブの開閉速度により完全に流路が閉塞されるタイミングが変わるため、バルブを閉じても材料が流れている場合もあり、薄膜ではあるものの残留物（材料）が吐出され、電気的に完全な断続線を得ることが難しいことが予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特願２０１８−０３１８８３号公報
【特許文献２】特開２０１４−４５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、所望のパターンを高品質に印刷することができ、導電材料による断続線が電気的に完全に遮断された印刷が可能な印刷ヘッドと、その印刷ヘッドを搭載する印刷装置、および本装置を用いて得られる印刷物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の一態様は、
ペースト状材料を吐出するための印刷ヘッドであって、
前記印刷ヘッドが、
一箇所以上のマニホールドから複数に分岐して吐出口に至る流路と、
前記流路内に挿入してペースト状材料を遮断するための棒状部材と、
前記流路内に設けられて前記棒状部材を挿入するための溝と、
前記流路内に設けられ、かつ前記溝の上部に接続された前記棒状部材を挿入するための穴、を少なくとも具備することを特徴とする印刷ヘッドである。
【００１１】
本発明の別の一態様は、
前記溝に挿入される側の前記棒状部材の先端形状が円錐形又は角錐形、
であることを特徴とする印刷ヘッドである。
【００１２】
本発明の別の一態様は、
前記棒状部材の先端頂角が０．５度以上９０度以下であることを特徴とする印刷ヘッドである。
【００１３】
本発明の別の一態様は、
前記溝が、前記棒状部材の先端形状と同じ形状であることを特徴とする印刷ヘッドである。
【００１４】
本発明の別の一態様は、
前記棒状部材が、 前記ペースト状材料を吐出口へ至る流路外のバイパス経路へ導くためのバイパス用の溝を有することを特徴とする印刷ヘッドである。
【００１５】
本発明の別の一態様は、
前記態様の印刷ヘッドを搭載したことを特徴とする印刷装置である。
【００１６】
本発明の別の一態様は、
前記態様の印刷装置を用いて印刷されたことを特徴とする印刷物である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、複数本ある流路のうち、吐出させたくない流路に、先端形状が円錐形又は角錐形からなる棒状部材を棒状部材用の溝に挿入することで、流路内のペースト状材料を一時的に完全に遮断し、所望のパターンを高品質で印刷することが可能となる。特に、導電材料に代表されるような物性を持つ材料に大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る印刷ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る印刷ヘッドのフタ側を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る印刷ヘッドの流路側を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る印刷ヘッドの流路開放時の概略を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る印刷ヘッドの流路遮断時の概略を示す側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る棒状部材バイパス用の溝の概略を示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る部位の定義を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１に、本発明の実施形態に係る印刷ヘッドの概略の斜視図を示す。
印刷ヘッドは、印刷材料の流路となる溝が形成された流路側と、これに被せるフタとからなる印刷ヘッド本体と、流路の遮断や開放を制御するための棒状部材とからなる。
図１において、印刷ヘッド１００は内部に流路を分岐させるマニホールド１０１から複数の流路１０２が分岐しており、それらの流路１０２の端部にそれぞれ吐出口１１０が形成されている。流路１０２の一部には棒状部材１０３を抜き差しするための棒状部材用の溝１０４が設けられ、さらに溝１０４の上部には 溝と接続されている棒状部材用の穴１０５が設けられている。また、棒状部材１０３は、印刷材料を吐出口へ至る流路外に導くためのバイパス用の溝１０６が形成されている。
【００２１】
本印刷ヘッドを用いて印刷する場合には、印刷ヘッド１００に接続された材料供給(印刷)装置（図示せず）から送液されるペースト状材料は、先ずマニホールド１０１に充填され、流路１０２内を経て吐出口１１０から印刷用の基材へ供給されて印刷される。
【００２２】
連続的な線(連続線)を印刷したい場合は、図４に示すように、棒状部材１０３を流路１０２の外へ出した状態でペースト状材料を送液することで連続線を印刷することができる。
また、断続線を印刷したい場合は、図５に示すように、吐出させたくない流路１０２内に設けた棒状部材用の溝１０４に棒状部材１０３を挿入することで、流路１０２内のペースト状材料が吐出口１１０に向かう流路を一時的に完全に遮断できる。
このようにすることで、棒状部材１０３の挿入と抜き取りの抜き差し動作を交互に行うことにより、断続線が印刷される。棒状部材は、実用的にはこのような抜き差し動作を制御する装置、たとえばアクチュエータなどの駆動機構を有する駆動装置に接続される。
【実施例】
【００２３】
本発明の印刷ヘッドの効果を検証するために、まず印刷材料として、旭化成ワッカー社製の２液混合タイプの熱硬化型カーボンエラストマーＥＬＡＳＴＯＳＩＬ  ＬＲ３１６２Ａ及びＥＬＡＳＴＯＳＩＬ  ＬＲ３１６２Ｂと、粘度調整のための溶媒を１対１対１の割合で、武蔵エンジニアリング社製のＡＷＡＴＡＲＯＮを用いて混錬した導電性ペースト状材料を使用した。
【００２４】
本検証に用いた印刷ヘッド１００は、フタ１１５側と流路側の二つの部材から成っており、フタ１１５側には棒状部材用の穴１０５を形成し（図２参照）、流路側には流路１０２および棒状部材用の溝１０４を形成し、それらをボルトで固定することで、図１に示す印刷ヘッドが完成され、高粘度材料の供給が可能な武蔵エンジニアリング社製ディスペンサーを搭載する材料供給装置に当該印刷ヘッド１００を実装し、１ｍｍ方眼紙上に印刷を行った。
【００２５】
フタ１１５側の棒状部材用の穴１０５はワイヤー放電加工機にて直径Φ０．５５ｍｍの穴明け加工を行った。
【００２６】
流路側の流路１０２は、流路１０２の断面形状が縦幅１００μｍ、横幅１００μｍの矩形からなる１０本の流路１０２を１ｍｍピッチでダイヤモンド工具を用いて高精度加工機によって形成し、棒状部材用の溝１０４も同様にダイヤモンド工具を用いて高精度加工機によって形成した（図３参照）。
【００２７】
上記棒状部材用の溝１０４の形状は別途実施例にて示すが、断面形状を前記棒状部材１０３の先端部と同形状にすることで、前記溝１０４内に棒状部材の先端部を挿入した際、先端部が溝に隙間なくはまるので、接触面積が最大になるため、ペースト状材料をより完全に遮断する効果が期待される。即ち具体的には図７に示すように、棒状部材の先端頂角１０７と棒状部材用の溝の底部頂角１０８、棒状部材の先端長さ１１２と棒状部材用の溝の深さ１１３、のそれぞれが同等であることが望ましい。
また、棒状部材１０３の先端部の形状は、円錐形または角錐形であることが好ましい。先端部が円錐形または角錐形であると、溝１０４の形状を同じ形状とすることで、棒状部材を挿入したときに、その先端部が溝の中心に向かって自己整合的に進む効果が生じ、ぴったりと溝にはめ込むことができる。
【００２８】
棒状部材１０３は、Φ０．５ｍｍの中実の ＳＵＳ材を、円筒研削盤によって先端部（円錐形又は角錐形)と図６に示すバイパス用の溝１０６とを加工した。棒状部材１０３の先端形状の詳細は別途実施例にて示すが、バイパス用の溝１０６は棒状部材１０３の先端部より５ｍｍ上方までに垂直断面形状がＲ形（図６−ａ参照）、Ｖ形（図６−ｂ参照）、矩形（図６−ｃ参照）になるようにダイヤモンドドレッサーで砥石をドレッシングし、円筒研削盤にて形状を付与した。
なお、棒状部材１０３は注射針のように内部が空洞である中空構造でもよく、その場合は流路１０２内の材料を、この空洞を利用し流路１０２外へとバイパスすることが可能である。このような中空構造の棒状部材は、中実部材の中心部を切削加工するか、又はパイプ材のような中空部材を用いて先端部を前述の形状に加工することで得られる。
【００２９】
このように加工した印刷ヘッド１００と棒状部材１０３を治具（図示せず）で連結し、更に、それぞれの棒状部材１０３の先端部とは逆の端部にエアー駆動式直動アクチュエーターを直接ボルト固定し、図内上下方向に往復運動をさせることで流路１０２内に流れる導電性ペースト状材料を遮断ＯＮ−ＯＦＦさせ、所望の断続線が印刷できるか検証した。
【００３０】
尚、本実施例では上述した方法によって印刷ヘッド１００や棒状部材１０３の作製方法の一例を示したが、上記以外の材料や構造、プロセスなどを使用して作製することも可能であり限定されない。例えば切削機や研削機、３Ｄプリンタなどでもよいし、一般的な鉄や樹脂からなる材料でも何でもよく、棒状部材１０３を駆動するためのアクチュエーターはピエゾ、サーボモーター、あるいは手動でも何でもよい。
【００３１】
ここからは本発明の実施例を具体的に示す。
以下の実施例において、棒状部材１０３の先端形状と溝１０４の形状を同形状にすることで本発明がより効果が期待されることから、棒状部材の先端頂角１０７と棒状部材用の溝の底部頂角１０８、棒状部材の先端長さ１１２と棒状部材用の溝の深さ１１３のみを変更した。その他、実施例に記載のない項目に関しては共通項であり、実施例に示す仕様の印刷ヘッド１００を作製し、作製した印刷ヘッド１００を材料供給装置に搭載し、ディスペンサーによって上述した導電性ペースト状材料を方眼紙に印刷した。
尚、上記した部位に関する定義は図７に示し、加工した形状はキーエンス社製のレーザー顕微鏡にて実測した。
【００３２】
＜実施例１＞
先端頂角１０７と溝の底部頂角１０８が９０度、先端長さ１１２と溝の深さ１１３が０．３ｍｍの角錐状からなる印刷ヘッドを作製した。
【００３３】
＜実施例２＞
先端頂角１０７と溝の底部頂角１０８が２９度、先端長さ１１２と溝の深さ１１３が１ｍｍの角錐状からなる印刷ヘッドを作製した。
【００３４】
＜実施例３＞
先端頂角１０７と溝の底部頂角１０８が６．３度、先端長さ１１２と溝の深さ１１３が５ｍｍの角錐状からなる印刷ヘッドを作製した。
【００３５】
＜実施例４＞
先端頂角１０７と溝の底部頂角１０８が１．３度、先端長さ１１２と溝の深さ１１３が２５ｍｍの角錐状からなる印刷ヘッドを作製した。
【００３６】
＜実施例５＞
先端頂角１０７と溝の底部頂角１０８が０．６度、先端長さ１１２と溝の深さ１１３が５０ｍｍの角錐状からなる印刷ヘッドを作製した。
【００３７】
＜比較例１＞
棒状部材の先端部が平坦な円筒状からなる棒状部材１０３、棒状部材用の溝１０４がない印刷ヘッドを作製した。
【００３８】
＜比較例２＞
先端頂角１０７と溝の底部頂角１０８が１３５度、先端長さ１１２と溝の深さ１１３が０．１ｍｍの角錐状からなる印刷ヘッドを作製した。 
【００３９】
続いて、得られた印刷物の評価方法について説明する。この評価は、導電性材料を用いた印刷物の導電性を評価したものである。
上記実施例１〜５及び比較例１〜２ で作製した印刷ヘッドを用いて、断続線のパターンを印刷した方眼紙をＹａｍａｔｏ社製オーブンＤＫＭ４００にて１００度にした状態で１時間焼成し、焼成後の印刷物に電流を流し、端部に汎用テスターで電流値の測定を行い、僅かでも電流が流れていれば×、電流が流れていなければ○と評価した。
【００４０】
電流が流れているということは、導電ペースト状材料が所望の断続線（破線）となっておらず、即ち導通していることを示している。一方で、電流が流れていないということは導電ペースト状材料は繋がっていないことを示しており、所望の断続線が形成されて本目的としている課題がクリアしていることを指す。
導通評価結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
2020062603.tif 000003
【００４２】
表１の評価結果に示すように、棒状部材の先端部の形状と溝の形状を同じにした実施例１〜５では印刷した断続線は導通せず評価は○であり、溝を有しない比較例１では導通して評価は×となった。
また、頂角が１３５度と大きい比較例２も評価は×であった。比較例２の場合、頂角が大きすぎるために棒状部材の先端部の長さおよび溝の深さが０．１ｍｍと浅くなってしまい、ペースト状材料の遮断が不完全であったと考えられる。これは、図７で開口幅１０９を不変として、溝部の断面積を比べると、溝が浅い（高さ１１３が小さい）場合は深い場合よりも断面積が小さくなることが明らかである。当然３次元での溝の接触面積も小さくなるので、遮断効果も小さくなったと考えられる。
【００４３】
従って、表１に示す導通評価結果が○となった条件から、棒状部材の先端の形状を溝の形状と同じにすることで効果が得られることがわかった。さらに、棒状部材の先端頂角の角度が０．５度以上９０度以下であれば効果が得られることがわかった。
【００４４】
表１では、棒状部材１０３のバイパス用の溝１０６について特に記載していないが、垂直断面形状がＲ形、Ｖ形、矩形のいずれにおいても表１と同じ結果が得られた。
また、本発明においては上下対称のＲ形、Ｖ形、矩形に関してのみ検証したが、例えば非対称（図６−ｄ参照）等でも良く、形状および寸法は限定されない。
【００４５】
尚、印刷ヘッド１００のフタ１１５側に設けた棒状部材用の穴１０５であるが、本実施例ではΦ０．５５ｍｍとしたが、本発明においては前記穴１０５のサイズは限定されない。
穴１０５のサイズは、使用するペースト状材料の粘度や吐出条件によってサイズを変えることが望ましく、棒状部材１０３に対し当該穴１０５を大きくすればするほど流路１０２内のペースト状材料は当該穴１０５から流路１０２外へバイパスし易くなるため、棒状部材１０３が流路１０２外にある（遮断しない）状態で、当該穴１０５から流路１０２外へペースト状材料が漏れないサイズ及び形状であれば良く、本実施例のような高粘度材料の場合、当該穴１０５のサイズはより大きくすることが可能である。尚、ペースト状材料が漏れないためには、穴１０５のサイズ及び形状以外に、材料自体の粘度や印刷条件も重要なパラメーターである。
【００４６】
本発明は、断続線を印刷することに優れた効果を発揮する発明であって、材料を遮断させたい時のみ棒状部材１０３を流路１０２内に設けた棒状部材用の溝１０４へ挿入することで一時的に材料を完全に遮断する。遮断された流路１０２内の材料はバイパス用の溝１０６によって棒状部材用の穴１０５から流路１０２外へバイパスさせるが、パイパスされた材料はスクレッパーや吸引機による回収機構などを設けることで材料を除去したり、装置へ戻し再利用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、高粘度材料を用いる事で高アスペクト比の印刷が一つの金型から一度に複数の線を印刷することが可能となり、更には、導電材料を用いることで、配線に流れる電流をより多く流すことが可能となり、特に、電子回路のような少スペースに配線が密集した箇所へ印刷することにより、より効果が期待される。
【符号の説明】
【００４８】
１００・・・印刷ヘッド
１０１・・・マニホールド
１０２・・・流路
１０３・・・棒状部材
１０４・・・棒状部材用の溝
１０５・・・棒状部材用の穴
１０６・・・バイパス用の溝
１０７・・・棒状部材の先端頂角
１０８・・・棒状部材用の溝の底部頂角
１０９・・・開口幅
１１０・・・吐出口
１１２・・・棒状部材の先端長さ
１１３・・・棒状部材用の溝の深さ
１１５・・・印刷ヘッドのフタ
【図１】
2020062603.tif 000004
【図２】
2020062603.tif 000005
【図３】
2020062603.tif 000006
【図４】
2020062603.tif 000007
【図５】
2020062603.tif 000008
【図６】
2020062603.tif 000009
【図７】
2020062603.tif 000010