(57)【要約】【課題】  複数の吐出要素の間で発生する流体クロストークによる吐出異常の緩和と所望の吐出液滴体積の維持を両立させることが可能なインクジェットヘッドを提供すること。【解決手段】液滴を吐出するノズルと、前記ノズルと繋がる第１圧力室と、前記第１圧力室と繋がる供給側第２圧力室と排出側第２圧力室と、前記供給側第２圧力室と繋がる供給側第３圧力室と、前記排出側第２圧力室と繋がる排出側第３圧力室と、前記第１圧力室内の液体に吐出力を与えるエネルギー発生素子と、前記第１圧力室と前記供給側第２圧力室間の供給側第１絞り部と、前記第１圧力室と前記排出側第２圧力室間の排出側第１絞り部と、前記供給側第２圧力室と前記供給側第３圧力室間の供給側第２絞り部と、前記排出側第２圧力室と前記排出側第３圧力室間の排出側第２絞り部と、を含む複数の吐出ユニットを備えたインクジェットヘッド。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルと繋がる第１圧力室と、
前記第１圧力室と繋がる供給側第２圧力室と排出側第２圧力室と、
前記供給側第２圧力室と繋がる供給側第３圧力室と、
前記排出側第２圧力室と繋がる排出側第３圧力室と、
前記第１圧力室内の液体に吐出力を与えるエネルギー発生素子と、
前記第１圧力室と前記供給側第２圧力室間の供給側第１絞り部と、
前記第１圧力室と前記排出側第２圧力室間の排出側第１絞り部と、
前記供給側第２圧力室と前記供給側第３圧力室間の供給側第２絞り部と、
前記排出側第２圧力室と前記排出側第３圧力室間の排出側第２絞り部と、を含む複数の吐出ユニットと、
前記複数の吐出ユニットのそれぞれの前記供給側第３圧力室間を繋ぐ供給側共通流路と、
前記複数の吐出ユニットのそれぞれの前記排出側第３圧力室間を繋ぐ排出側共通流路と、
を備えたインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記第１圧力室と、前記供給側第２圧力室と、排出側第２圧力室と、前記供給側第３圧力室と、前記排出側第３圧力室とは、直線状に配置されている請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記供給側第１絞り部と前記供給側第２絞り部とを結ぶ直線は、インクの流れ方向に対して平行でない請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記供給側第２圧力室に供給側ダンパーを配置した請求項１から３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記供給側第３圧力室と前記供給側第２圧力室とに渡って、前記供給側ダンパーを配置した請求項４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記供給側ダンパーの一部は、中空状態で配置された請求項４または５に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記供給側第１絞り部は、前記供給側第２絞り部より、供給側ダンパーからの距離が離れている請求項４〜６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】
前記供給側第２絞り部の流路抵抗は、前記供給側第１絞り部の流路抵抗より、大きい請求項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。
【請求項９】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルと繋がる第１圧力室と、
前記第１圧力室と繋がる供給側第２圧力室と排出側第２圧力室と、
前記供給側第２圧力室と繋がる前記供給側第３圧力室と、
前記第１圧力室内の液体に吐出力を与えるエネルギー発生素子と、
前記第１圧力室と前記供給側第２圧力室間の第１絞り部と、
前記第１圧力室と前記排出側第２圧力室間の第１絞り部と、
前記供給側第２圧力室と前記供給側第３圧力室間の第２絞り部と、を含む複数の吐出ユニットと、
前記複数の吐出ユニットのそれぞれの前記供給側第３圧力室間を繋ぐ供給側共通流路と、
前記複数の吐出ユニットのそれぞれの前記排出側第２圧力室間を繋ぐ排出側共通流路と、
を備えたインクジェットヘッド。
【請求項１０】
前記第１圧力室と、前記供給側第２圧力室と、排出側第２圧力室と供給側第３圧力室は、直線状に配置されている請求項９記載のインクジェットヘッド。
【請求項１１】
前記供給側第１絞り部と前記供給側第２絞り部とを結ぶ直線は、インクの流れ方向に対して平行でない請求項９または１０記載のインクジェットヘッド。
【請求項１２】
前記供給側第２圧力室に供給側ダンパーを配置し、
前記排出側第２圧力室に排出側ダンパーを配置し、
前記供給側ダンパーは、前記排出側ダンパーより剛性が高い請求項９〜１１のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、
前記エネルギー発生素子に印加する駆動電圧信号を生成し、前記インクジェットヘッドの吐出動作を制御する駆動制御手段と、
前記インクジェットヘッドと被描画媒体とを相対移動させる搬送手段と、
を備えたインクジェット装置。
【請求項１４】
請求項１３のインクジェットヘッド装置を用いて、インクを塗布することで、デバイスを製造する製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドとそれを用いたインクジェット装置とデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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を有する。
【０００３】
図１（ａ）と図１（ｂ）とに一般的なインクジェットヘッドの断面構造を示す。
【０００４】
インクジェットヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル１００と、ノズルに連通する圧力室１１０と、異なるノズルに対応する圧力室を隔てる隔壁１１１と、圧力室の一部をなすダイアフラム１１２と、ダイアフラム１１２を振動させる圧電素子１３０と、隔壁１１１を支える圧電部材１４０と、圧電素子１３０に電圧を印加する共通電極（図示せず）と、を有する。他に図示しないが、液体の導入口を有する。
【０００５】
圧電素子１３０と隔壁１１１を支える圧電部材１４０とは、一つの圧電部材からダイシングによって分離されている。インクジェットヘッドが有するノズル１００は、直径が１０μｍ〜５０μｍで、１００μｍ〜５００μｍの間隔で１００穴〜３００穴並んでいる。
【０００６】
このように構成されたインクジェットヘッドは、次のように動作する。圧電素子１３０の裏側の共通電極（図示せず）と、圧電素子１３０の間に電圧を印加すると、圧電素子１３０が図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態に変形する。図１（ｂ）の一番右側の圧電素子１３０が変形する（圧電素子１３０の下部が変形）と、圧力室１１０の容積が小さくなり、液体に圧力を加えることができる。その圧力で、圧力室１１０の中に存在するインクが液滴１５０として外部へ吐出される。
【０００７】
また、インクを循環する種類のインクジェットヘッドにおいては、インクジェットヘッドに、図示しない液体注入口と排出口とがあり、インクを循環しながらインクを吐出する。インクを循環させることの効果を以下で説明する。
【０００８】
ノズル近傍のインクは常に大気に触れている状態にある。その接触面積は非常に微小であるため、インクの溶媒の蒸発も無視できない状態にある。インクの溶媒が蒸発することで、インクの固形分濃度が上がり、その結果インクの粘度が上昇し、正常なインクの吐出が困難に成り得る。ここで、インクをノズル近傍まで循環させることにより、粘度が上昇したインクを常に入れ替えることができるため、ノズル近傍の吐出されるインクは、常に正常なインク粘度に保たれる。これにより、ノズル詰まりを抑制し、正常な吐出を定常的に行うことが可能となる。
【０００９】
インクジェットヘッドの構造としては、薄膜の圧電素子を用いた構造でもよい。図２（ａ）、図２（ｂ）は、薄膜型インクジェットヘッドの構造を示す図である。図２（ａ）に液体を吐出するためのノズル２００、ノズルに連通する圧力室２１０、圧力室に液体を供給する共通圧力室２３０が繋がっている。圧力室の一部を成すダイアフラム２１２の上部に薄膜圧電素子２２０が構成されている。このように構成されたインクジェットヘッドは次のように動作する。薄膜圧電素子２２０に電圧を印加すると、薄膜圧電素子２２０が図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に変形する。薄膜圧電素子２２０が変形すると、圧力室２１０の容積が小さくなり液体に圧力を伝達することができる。その圧力で液滴１５０を吐出させている。
【００１０】
かかる流路構造を持つインクジェットヘッドは、１つの圧電素子を駆動してノズルからインクを吐出させると、この吐出時のインクの流れが共通流路を介して同じ流路に連通する他のノズルに影響を与え、吐出が不安定になるクロストークという現象が生じる。
【００１１】
図３に、特許文献１に記載のインクジェットヘッドの断面図を示す。クロストークの問題に対し、特許文献１には、液滴を吐出する複数のノズル５００と、複数のノズル５００に対応して設けられた複数の圧力室５０１と、圧力室内の液体に吐出力を与える複数のエネルギー発生素子５０２と、を複数備えるインクジェットヘッドにおいて、複数の圧力室５０１に液体を供給する共通流路５０３と、各々の圧力室５０１と共通流路５０３との間をつなぐ個別の流路部分に設けられた絞り部５０４と設ける構成が開示されている。
【００１２】
圧力室５０１で発生した圧力波は絞り部５０４を通過する際に、減衰して他のノズルの圧力室５０１には伝達しにくくなり、クロストークを緩和させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１２−１１６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許文献１に示したインクジェットヘッドでは、絞り部５０４での流路抵抗がノズル５００の流路抵抗と比べて大きくなり、エネルギー発生素子５０２の振動で発生した圧力がノズル５００へ多く伝達する。
【００１５】
その結果、ノズル５００から吐出される液滴体積が大きくなりすぎて、所望の液滴体積を維持できなくなる場合がある。
【００１６】
特に液滴体積１ピコリットル程度の極小液滴を吐出させることができるインクジェットヘッドにおいては、ノズル５００の直径が１０μｍ程度になり、加工精度を保ってこれ以上小さな孔を加工することも困難である。
【００１７】
よって、本願の課題は、複数のノズルの間で発生する流体クロストークによる吐出異常の緩和と所望の吐出液滴体積の維持を両立させることが可能なインクジェットヘッドとそれを用いたインクジェット装置とデバイスの製造方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の課題を解決するために、液滴を吐出するノズルと、上記ノズルと繋がる第１圧力室と、上記第１圧力室と繋がる供給側第２圧力室と排出側第２圧力室と、上記供給側第２圧力室と繋がる上記供給側第３圧力室と、上記排出側第２圧力室と繋がる上記排出側第３圧力室と、上記第１圧力室内の液体に吐出力を与えるエネルギー発生素子と、上記第１圧力室と上記供給側第２圧力室間の供給側第１絞り部と、上記第１圧力室と上記排出側第２圧力室間の排出側第１絞り部と、上記供給側第２圧力室と上記供給側第３圧力室間の供給側第２絞り部と、上記排出側第２圧力室と上記排出側第３圧力室間の排出側第２絞り部と、を含む複数の吐出ユニットと、上記複数の吐出ユニットのそれぞれの上記供給側第３圧力室間を繋ぐ供給側共通流路と、上記複数の吐出ユニットのそれぞれの上記排出側第３圧力室間を繋ぐ排出側共通流路と、を備えたインクジェットヘッドを用いる。
【００１９】
また、液滴を吐出するノズルと、上記ノズルと繋がる第１圧力室と、上記第１圧力室と繋がる供給側第２圧力室と排出側第２圧力室と、上記供給側第２圧力室と繋がる上記供給側第３圧力室と、上記第１圧力室内の液体に吐出力を与えるエネルギー発生素子と、上記第１圧力室と上記供給側第２圧力室間の第１絞り部と、上記第１圧力室と上記排出側第２圧力室間の第１絞り部と、上記供給側第２圧力室と上記供給側第３圧力室間の第２絞り部と、を含む複数の吐出ユニットと、上記複数の吐出ユニットのそれぞれの上記供給側第３圧力室間を繋ぐ供給側共通流路と、上記複数の吐出ユニットのそれぞれの上記排出側第２圧力室間を繋ぐ排出側共通流路と、を備えたインクジェットヘッドを用いる。
【００２０】
さらに、上記インクジェットヘッドと、上記エネルギー発生素子に印加する駆動電圧信号を生成し、上記インクジェットヘッドの吐出動作を制御する駆動制御手段と、上記インクジェットヘッドと被描画媒体とを相対移動させる搬送手段と、を備えたインクジェット装置を用いる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置によれば、複数のノズル間で相互的に発生するところの流体クロストークを緩和できる。さらに、所望の微小液滴体積を維持させることが可能となり、高精度の液滴吐出を実現できる。結果、印字品質の高品質化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）従来のバルク型インクジェットヘッドの構造、（ｂ）（ａ）の薄膜型インクジェットヘッドで、圧電素子に電圧が印加されたときのヘッドの状態を示す図
【図２】（ａ）従来の薄膜型インクジェットヘッドの構造、（ｂ）（ａ）の薄膜型インクジェットヘッドで、圧電素子に電圧が印加されたときのヘッドの状態を示す図
【図３】特許文献１のインクジェットヘッドの断面図
【図４】（ａ）実施形態に係るインクジェットヘッドの構成を模式的に示した断面図、（ｂ）図４（ａ）のＸＹ断面の断面図、（ｃ）実施の形態１のインクジェットヘッド全体の平面図
【図５】実施例１のインクジェットヘッドの速度ばらつきを示す図
【図６】比較例１のインクジェットヘッドの断面図
【図７】比較例１のインクジェットヘッドの速度ばらつきを示す図
【図８】実施例２のインクジェットヘッドの断面図
【図９】実施例２のインクジェットヘッドの速度ばらつきを示す図
【図１０】比較例２のインクジェットヘッドの断面図
【図１１】比較例２のインクジェットヘッドの速度ばらつきを示す図
【図１２】比較例３のインクジェットヘッドの断面図
【図１３】比較例３のインクジェットヘッドの速度ばらつきを示す図
【図１４】実施の形態２のインクジェットヘッドの断面図
【図１５】実施の形態２での粒子サイズと沈降速度の関係を示す図
【図１６】実施の形態のインクジェット塗布装置の側面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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）
＜インクジェットヘッドの構成＞
図４（ａ）は、実施の形態１に係るインクジェットヘッドの構成を模式的に示した断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＸＹ断面の断面図である。図４（ｃ）は、インクジェットヘッド全体の平面図である。
【００２４】
ここでは、インクの液滴を吐出するインクジェットヘッド１０を例に説明するが、本実施の形態は、吐出に用いる液体は、インクに限られない。
【００２５】
インクジェットヘッド１０は、インク吐出口となるノズル１２と、ノズル１２に連通する第１圧力室１４を有する。第１圧力室１４は、アクチュエータ３０、つまり、エネルギー発生素子を有する。
【００２６】
第１圧力室１４へのインクの供給側流路として、以下の構成要素がある。第１圧力室１４に液体を出入りさせる供給側第１絞り部２０ａを介して、連通する供給側第２圧力室１５ａがある。さらに、供給側第２圧力室１５ａに、供給側第２絞り部２２ａを介して連通する供給側第３圧力室１６ａがある。
【００２７】
第１圧力室１４からインクの排出側流路として、以下の構成要素がある。第１圧力室１４に液体を出入りさせる排出側第１絞り部２０ｂを介して、連通する排出側第２圧力室１５ｂがある。さらに、排出側第２圧力室１５ｂに、排出側第２絞り部２２ｂを介して連通する排出側第３圧力室１６ｂがある。
【００２８】
第１圧力室１４を中心に、供給側流路と排出側流路とが対向して設けるのが好ましい。また、これらの第１圧力室１４、供給側流路、排出側流路は、直線状に配列され、インクジェットヘッド１０の下面に平行に配置されるのが好ましい。
【００２９】
第１圧力室１４とインクの排出側流路と供給側流路とを合わせて、１つの吐出ユニット１１である。インクジェットヘッド１０は、複数の吐出ユニット１１が、並行して配置されている。また、複数の吐出ユニット１１の供給側第３圧力室１６ａを連通する供給側共通流路５１ａがある。さらに、複数の吐出ユニット１１の排出側第３圧力室１６ｂを連通する排出側共通流路５１ｂがある。
【００３０】
ノズル１２は、インクを吐出するための貫通孔であり、その直径は５〜３０μｍ程度である。その加工方法は、レーザー加工やエッチングまたはパンチングなどの方法である。
【００３１】
第１圧力室１４は、アクチュエータ３０の振動で生成した圧力を適切に溜め込む働きを有する。第１圧力室１４の容積や供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂの流路抵抗によって溜め込む圧力が変わる。このため、吐出させたい液滴の体積や速度に応じて、第１圧力室１４の容積などを最適化する必要がある。
【００３２】
供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂ、供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂ及び供給側共通流路５１ａ、排出側供給通路５２は、インクの通り道となる。
【００３３】
これらの圧力室や流路はそれぞれエッチングなどにより加工された金属板の熱拡散接合や、シリコン材のエッチングなどにより作製される。
【００３４】
＜供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂ＞
以下の記載は、供給側流路、排出側流路の少なくとも１方にあればよい。両方にあるのが好ましい。
【００３５】
また、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂ、もしくは、供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂを形成する壁のうち少なくとも一つは弾性が大きな板から形成されている。
【００３６】
それは、供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂ内に存在する振動波を吸収する供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂである。
【００３７】
供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂは、板厚が薄い金属板であってもよいし、樹脂フィルムであってもよく材質に限定されない。Ｚ方向に垂直方向に設けられている。第１圧力室１４内に配置される供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂは、剛性の高い板２６（振動防止板）で保持される。このため振動波のダンピング効果はなく、インクの吐出に必要な振動波が減衰することはない。
【００３８】
なお、供給側ダンパー２５ａと排出側ダンパー２５ｂは、第１圧力室１４には、不要であるが、供給側共通流路５１ａ，排出側共通流路５１ｂなどをエッチングで形成するための都合のために配置されている。
【００３９】
一方、供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂ及び供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂに配置される供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂは、剛性の高い板２６（振動防止板）では保持されていず、中空状態で端部が保持されるのみである。供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂは、中空状態になっており、供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂ及び供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂに存在する振動波は、ダンピング効果により減衰され、隣接するノズル１２との相互作用で発生する流体クロストークが緩和される。
【００４０】
＜供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂ、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂのＺ方向の位置＞
供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂと供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂのＺ方向の位置が異なることにより、アクチュエータ３０の振動で生成した振動波が、供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂを通って供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂに達して、その後、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂを通過する。
【００４１】
結果、振動波の進行方向は、供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂの面に直行する成分が多くなる。
【００４２】
なお、Ｚ方向の位置が異なるとは、供給側第１絞り部２０ａと供給側第２絞り部２２ａ、とを結ぶ直線、排出側第１絞り部２０ｂと排出側第２絞り部２２ｂとを結ぶ直線（図４（ａ）の点線矢印）のそれぞれが、ノズル１２からの液滴の吐出方向に垂直な面（図４（ａ）でのダンパー２５の面）と平行でないことを意味する。または、それぞれが、インクの流れ方向と平行でないことを意味する。
【００４３】
なお、吐出方向は、Ｚ方向と平行である。この方向は、図４（ａ）では、ノズル１２の存在する下面に垂直方向でもある。この場合、供給側第１絞り部２０ａは、供給側第２絞り部２２ａより、供給側ダンパー２５ａからの距離が離れている。
【００４４】
振動波の進行方向と供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂの面に平行方向との関係を流体解析した。その結果、振動波の進行方向が、供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂの面に対して直行する方向なら、振動波の減衰効果が大きいことがわかった。
【００４５】
そのため、実施の形態での構造ではダンピング効果が大きくなる。供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂは、吐出方向のインクの流れに対して、ダンパー効果を一番発揮するように配置されている。
【００４６】
＜供給側第２絞り部２２ａと供給側第１絞り部２０ａの流路抵抗＞
供給側第２絞り部２２ａの流路抵抗は、供給側第１絞り部２０ａの流路抵抗より、大きい。供給側第２絞り部２２ａにより、他の吐出ユニット１１への影響を防止している。
【００４７】
同様に排出側第２絞り部２２ｂの流路抵抗は、排出側第１絞り部２０ｂの流路抵抗より、大きい。
【００４８】
＜全体構成＞
図４（ａ）では１つの吐出ユニット１１のみ、すなわち、１つのノズル１２の周辺のみ分を示したが、インクジェットヘッド１０には、複数の吐出ユニット１１が設けられている。例えば、図４（ａ）においては、Ｙ方向に複数の吐出ユニット１１が配列している。
【００４９】
図４（ｃ）では、明示していないが、供給側共通流路５１ａ、排出側共通流路５１ｂには、複数の吐出ユニット１１が、並行して接続されている。
【００５０】
なお、供給側共通流路５１ａ、排出側共通流路５１ｂは、図示せぬインクリザーバにつながっており、インクリザーバはさらにインク供給源となるインクタンク（不図示）に接続されている。インクリザーバからインク供給口５３を介して、供給側共通流路５１ａに、インクが供給されて、Ｙ方向に配列される複数の排出側共通流路５１ｂに流れ込んだインクがインク排出口５４から排出される。
【００５１】
インクリザーバは、供給側共通流路５１ａ、排出側共通流路５１ｂと、インクタンクとの間に存在する第２のインクタンクである。第２のインクタンクに加圧や減圧をすることでノズル１２にかかる圧力を制御し、適切な状態でインクの吐出をさせる。
【００５２】
供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂ、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂは、第１圧力室１４、供給側第２圧力室１５ａ、排出側第２圧力室１５ｂ、供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂと比べて、流路断面積が十分に小さく、絞り部として機能する。
【００５３】
供給側第３圧力室１６ａとつながるインク供給タンクと、排出側第３圧力室１６ｂとつながるインク回収タンクとの間には、圧力差が設けられ、インクが流動している。このようなインク循環系を採用することにより、それぞれの第１圧力室１４に対して、常にフレッシュなインクを供給でき、ノズル１２の近傍の大気に接する箇所のインクの増粘を防止できる。これにより、長時間の安定した吐出が可能である。
【００５４】
＜アクチュエータ３０＞
本例のアクチュエータ３０としては、圧電素子が用いられている。圧電素子は下部電極と上部電極の間に圧電体を介在させた構造を有しており、複数層が積層されている。下部電極は複数のアクチュエータ３０に対して共通の電極（共通電極）となっており、上部電極は各々のアクチュエータ３０に個別の個別電極となっている。
【００５５】
アクチュエータ３０の電極間に駆動電圧が印加されることにより、アクチュエータ３０が変位して第１圧力室１４の容積が変化する。この容積変化によってノズル１２からインクが吐出される。
【００５６】
なお、ここでは、ｄ３３モードの圧電式のアクチュエータ３０を例示しているが、エネルギー発生素子としては、これに限らず、ｄ３１モードやせん断モードを利用する圧電アクチュエータ、静電アクチュータ、発熱素子など、様々な態様が可能である。採用される吐出方式に対応した相応のエネルギー発生素子が用いられる。
【００５７】
なお、図４（ａ）のような流路構造は、シリコン（Ｓｉ）をエッチングして流路部となる溝や孔等を形成したり、エッチングされた各金属板の熱拡散接合などによって作製可能である。
＜実施例と比較例の評価＞
以下の実施例と比較例において、複数の吐出要素間で相互的に発生する流体クロストークの吐出特性への影響を評価した。評価方法は次の通りである。インクジェットヘッド１０に備えているノズル１２を全て吐出させる場合に、１ノズルだけに、アクチュエータ３０に印加する駆動波形の印加タイミングを１マイクロ秒ずつずらしていき、駆動波形の印加タイミングをずらしたノズル１２から吐出される液滴の吐出速度を評価した。
【００５８】
駆動波形の印加タイミングと同期させてストロボ発光させて、液滴を照射し、それをカメラで観察して液滴の観察を行った。また、ストロボ発光のタイミングを遅延させることで、２点間の液滴を観察し、液滴の吐出速度の評価を行った。
【００５９】
評価に使用したインクは、粘度８ｍＰａ・ｓ、表面張力３３ｍＮ／ｍのインクである。粘度は、粘度計ＡＲ−Ｇ２（ＴＡ  Ｉｎｓｒｕｍｅｎｔｓ）を使用して測定した。表面張力は、表面張力計ＤＳＡ１００（ＫＲＵＳＳ製）を使用して測定した。
【００６０】
実施例、比較例の条件と評価結果を表１に示す。なお、速度変動の合格基準は、４ｐＬを出すインクジェットヘッド１０では、２．５ｍ／ｓ以下、１ｐＬを出すインクジェットヘッド１０では６．１ｍ／ｓ以下である。これは、以下考察で説明するデイスプレイパネルへ塗布する場合に必要であるためである。
【００６１】
【表１】
2019048452.tif 000003
【００６２】
表１の速度変動は、最大値と最小値の差の内の最大の値である。
【００６３】
（実施例１）
実施例１のインクジェットヘッドの構造は、図４（ａ）で示したヘッド構造と同じである。図５に、実施例１のインクジェットヘッドの上記評価の結果を示す。図５で、横軸は、液滴の吐出タイミングの遅延時間（マイクロ秒）、縦軸には液滴の吐出速度を示しており、１インクジェットヘッド１０内の３ノズル分の評価結果である。吐出タイミングの遅延時間とは、各々のアクチュエータ３０に印加する駆動波形の印加開始時刻の遅延時間を意味する。
【００６４】
ＣＨ７５、ＣＨ１５０、ＣＨ１はノズル１２の番号を示している。本実施例では、一つのノズル列中に１５０個あるノズル１２のうち、代表的な３ノズル（７５番、１５０番、１番）を用いてデータを取得した。ＣＨ１５０およびＣＨ１は両端のノズル１２であり、ＣＨ７５は中央に位置するノズル１２である。
【００６５】
遅延時間が０マイクロ秒の点は、全てのノズル１２が同時に吐出させているときの吐出速度を示す。ノズル１２が位置する場所によって（ＣＨ７５、ＣＨ１５０、ＣＨ１の違いによって）流体クロストークの影響度合いが異なり、速度変動の挙動が異なるが、おおよそ吐出タイミングの遅延時間が４マイクロ秒、１０マイクロ秒の時に、液滴の吐出速度が大きく変動していることがわかる。
【００６６】
複数のノズル１２の間での振動波が共振しているタイミングがこれらの時間に相当していると考えられる。遅延時間が１５マイクロ秒以上の領域では、速度変動はほとんどなくなり、この時間までで振動波が十分に減衰していると考えられる。
【００６７】
吐出タイミングの遅延時間に対する吐出速度の変動幅は、（速度の最大値）−（速度の最小値）の値で表現すると、ノズル１２の７５番（ＣＨ７５）は２．１ｍ／ｓ、ノズル１２の１５０番（ＣＨ１５０）は１．４ｍ／ｓ、ノズル１２の１番（ＣＨ１）は１．２ｍ／ｓとなる。
（比較例１）
図６には比較例１でのインクジェットヘッドの断面図を示している。
【００６８】
実施例１でのインクジェットヘッド１０の構造との違いを以下で説明する。供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂがなく、そのため、供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂが存在しない。また、供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂも配置されない。それ以外の構造は実施例１でのインクジェットヘッドと同じである。
【００６９】
実施例１と同じように、吐出タイミングをずらしていったときの吐出速度の変動を評価した結果を図７に示す。
【００７０】
供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂがなく、供給側ダンパー２５ａ、排出側ダンパー２５ｂがないため、比較例１のインクジェットヘッドでの、流体クロストークによる速度変動は、実施例１での値と比べて大きいことがわかる。
（実施例２）
図８には実施例２でのインクジェットヘッドの断面図を示す。実施例１の構造と比較すると第１圧力室１４の容積が小さくなっていることがわかる。第１圧力室１４の容積は、吐出させる液滴の体積によって変わるが、おおよそ１ピコリットルの体積の液滴を吐出させる場合は、０．００７ｍｍ３程度である。ちなみにおおよそ４ピコリットルの体積の液滴を吐出させる場合の容積は０．０２５ｍｍ３程度である。
【００７１】
ハーゲンポワズイユの式より、インクジェットヘッド１０の微細流路内に流れるインクが層流と仮定すると、液滴体積とインクジェットヘッド１０の内部構造に起因する共振周波数との関係は、数１のように表すことができる。
【００７２】
【数１】
2019048452.tif 000004
【００７３】
Ｖ：液滴体積、Ｓ：ノズル断面積、ｖ：液滴吐出速度、ｆ：共振周波数
これより、小さな体積で液滴を吐出させるには第１圧力室１４の容積を小さくして、第１圧力室１４内での振動波の共振周波数を大きくすることが必要であることがわかる。
【００７４】
共振周波数の逆数が共振周期であるので、共振周期は短くすることが必要である。圧力室の容積が小さくなれば共振周期は短くなるため、圧力室の容積を小さくすることは、液滴体積を小さくする手段としては理論的に妥当だと言える。
【００７５】
つまり、図８で示した実施例２のインクジェットヘッド１０は、小さい体積の液滴を吐出することができる。
【００７６】
また、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂのＸ方向の長さは、それぞれ、供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂの長さより長くなっており、流路抵抗が大きい状態である。Ｙ方向の長さは同じである。
【００７７】
供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂは、吐出する液滴体積に関係し、供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂの絞り長さを長くし抵抗を上げると、ノズル１２から出る液滴体積が大きくなる。よって、安易に抵抗を上げることができない。よって、クロストークを抑えるために、供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂの長さは液滴体積で決めて、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂの長さでクロストークを抑制する。つまり、供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂの方が、長さ方が好ましい。
【００７８】
実施例１と同様に、吐出タイミングをずらしていったときの吐出速度の変動を測定した結果を図９に示している。吐出タイミングの遅延時間に対する吐出速度の変動幅は、（速度の最大値）と（速度の最小値）との差の値で表現すると、ノズル１２の７５番（ＣＨ７５）は４．６ｍ／ｓ、ノズル１２の１５０番（ＣＨ１５０）は３．９ｍ／ｓ、ノズル１２の１番（ＣＨ１）は２．６ｍ／ｓとなる。
【００７９】
また、液滴体積は吐出速度が５ｍ／ｓのときに０．９ピコリットルの大きさである。
（比較例２）
図１０には比較例２でのインクジェットヘッドの断面図を示している。実施例２でのインクジェットヘッドの構造との違いを以下で説明する。供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂがなく、そのため供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂが存在しない。またダンパー２５も配置されない。それ以外の構造は実施例２でのインクジェットヘッドと同じである。
【００８０】
実施例２と同じように、吐出タイミングをずらしていったときの吐出速度の変動を評価した結果を図１１に示している。吐出タイミングの遅延時間に対する吐出速度の変動幅は、ノズル１２の７５番（ＣＨ７５）は７．４ｍ／ｓ、ノズル１２の１５０番（ＣＨ１５０）は５．０ｍ／ｓ、ノズル１２の１番（ＣＨ１）は４．６ｍ／ｓとなる。
【００８１】
また、液滴体積は吐出速度が５ｍ／ｓのときに１．０ピコリットルの大きさである。
【００８２】
比較例２でのインクジェットヘッドでは、液滴体積は１．０ピコリットルと小さいが、複数の吐出要素間での流体クロストークが大きく、速度変動が大きいことがわかる。
【００８３】
（比較例３）
図１２には比較例３でのインクジェットヘッドの断面図を示している。実施例２でのインクジェットヘッドの構造との違いを以下で説明する。供給側第２絞り部２２ａ、排出側第２絞り部２２ｂがなく、そのため供給側第３圧力室１６ａ、排出側第３圧力室１６ｂが存在しない。またダンパー２５も配置されない。供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂの長さは非常に長く流路抵抗が非常に大きい構造になっている。それ以外の構造は実施例２でのインクジェットヘッドと同じである。
【００８４】
実施例２と同じように、吐出タイミングをずらしていった時の吐出速度の変動を評価した結果を図１３に示している。吐出タイミングの遅延時間に対する吐出速度の変動幅は、ノズル１２の７５番（ＣＨ７５）は２．４ｍ／ｓ、ノズル１２の１５０番（ＣＨ１５０）は１．５ｍ／ｓ、ノズル１２の１番（ＣＨ１）は２．０ｍ／ｓとなる。
【００８５】
また、液滴体積は吐出速度が５ｍ／ｓのときに１．６ピコリットルの大きさである。
【００８６】
比較例３でのインクジェットヘッドでは、複数の吐出要素間での流体クロストークは小さくなっているが、液滴体積は１．６ピコリットルと大きくなっていることがわかる。供給側第１絞り部２０ａ、排出側第１絞り部２０ｂの長さが長く、流路抵抗が大きいため、振動波の個別流路内での減衰は効果的に起こる。しかし、流路抵抗が非常に大きいため、アクチュエータ３０の振動で発生した振動波は、大部分がノズル１２から放出される。その結果、クロストークによる速度変動は小さいが、液滴体積が大きくなっている。
【００８７】
比較例３でのインクジェットヘッドのノズルの直径は１０μｍであり、加工精度を保ったまま、これ以上小さな孔を加工することは困難である。液滴体積はインクジェットで塗布する画像の解像度によって、決まるものであり、液滴体積が規定値より大きすぎると、所定の着弾精度を保ってインクを塗布することが困難になる。
【００８８】
＜考察＞
実施例２のインクジェットヘッドで塗布する対象物は例えば、有機ＥＬディスプレイパネルのＲｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅの発光層を形成するインクである。吐出のための駆動波形や駆動電圧、塗布する画像パターンなどのデータが、駆動制御機構からインクジェットヘッドに送られる。
【００８９】
その信号を受けて、インクジェットヘッドは、稼動ステージ上に設置された塗布対象物である有機ＥＬディスプレイパネルの画素の中にインクを吐出する。
【００９０】
有機ＥＬディスプレイの画素解像度が高い場合、インクジェットヘッドで吐出する液滴の体積は１ピコリットル以下が求められる。液滴体積が大きくなると液滴直径が大きくなり、画素の中にインク液滴を着弾させるときの着弾位置のマージンが小さくなってしまう。着弾位置がずれるとＲｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅの画素間で混色が起こってしまい、有機ＥＬディスプレイパネルの表示品質が低下する。また、速度ばらつきの具体的な仕様は一概には決められないが、高精度に塗布する場合、速度ばらつきは出来るだけ小さいことが求められる。
【００９１】
以上の視点で実施例２、比較例２、比較例３の結果を考察すると、比較例３のインクジェットヘッドでは、液体体積が１．６ピコリットルと１ピコリットルより大きくなっており、求められる精度で有機ＥＬディスプレイパネルの画素に発光層のインクを塗布することは困難である。
【００９２】
また、比較例２のインクジェットヘッドでは、液滴体積は１ピコリットルであり仕様範囲内であるが、実施例２のインクジェットヘッドと比べると速度ばらつきが大きいため、最適なインクジェットヘッドの構造ではないと言える。
【００９３】
（実施の形態２）
図１４は、実施形態２に係るインクジェットヘッドの構成を模式的に示した断面図である。実施の形態１との相違点を中心に説明する。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。
【００９４】
（１）供給側第１絞り部２０ａと供給側第２絞り部２２ａのＺ方向の位置関係は、供給側第１絞り部２０ａの方が、ノズル１２より離れた位置関係になっている。
【００９５】
このような位置関係を取ることで、インクが流動する過程において、供給側第２圧力室１５ａ内でＺ方向のノズル１２から離れる方向にインクが上がっていくことになる。これによりインクが流れる過程において、インク中の粗大粒子が沈降して、供給側第２圧力室１５ａ内で留まる。つまり、正常な吐出を実現させるために、第１圧力室１４内に粗大粒子の侵入を抑制することが可能となる。
【００９６】
（２）インク排出側の絞り構造は、排出側第１絞り部２０ｂのみが配置される。これは第１圧力室１４内で沈降したインク内の粒子を出来るだけ排出させるためである。
【００９７】
（３）インクが排出される側の排出側第１絞り部２０ｂは、Ｚ方向で近い位置に配置される。これにより第１圧力室１４内で沈降した粗大粒子の排出を容易にすることができる。
【００９８】
（４）供給側ダンパー２７ａは、排出側ダンパー２７ｂより剛性が高い。具体的には、Ｘ方向の幅が、供給側ダンパー２７ａより排出側ダンパー２７ｂが大きくなっている。ここで、ダンパーの幅とは、保持されていない部分の幅で、振動できる部分の幅、つまり、振動を緩和する部分の幅ある。この場合、剛性の高い板２６で支えられていない部分の幅である。供給側ダンパー２７ａと排出側ダンパー２７ｂの材質を変えることで剛性を変えても良い。
【００９９】
（５）供給側ダンパー２７ａもしくは排出側ダンパー２７ｂは、ダイアフラム非固定部２８と比べて共振周波数が高いのが好ましい。供給側ダンパー２７ａもしくは排出側ダンパー２７ｂは、ダイアフラム非固定部２８より、インクの振動を緩和する。表２を用いて詳細を説明する。
【０１００】
【表２】
2019048452.tif 000005
【０１０１】
ダイアフラム非固定部２８とは、ダイヤフラムの変動する部分である。
【０１０２】
ダイアフラム非固定部２８の材質はニッケル合金であり、密度は８９００ｋｇ／ｍ３、ヤング率は２０９ＧＰａである。インクジェットヘッド１０内での寸法はＺ方向厚みが４μｍ、Ｘ方向幅が５０μｍである。これらより、ダイアフラム非固定部２８の断面２次モーメントを求めると２．６７×１０−２２となり、共振周波数は２．５×１０−４Ｈｚとなる。
【０１０３】
一方、供給側ダンパー２７ａまたは排出側ダンパー２７ｂについては、材質はステンレスであり、密度７９３０ｋｇ／ｍ３、ヤング率１９３ＧＰａ、厚み２０μｍ、幅１０００μｍである。供給側ダンパー２７ａまたは排出側ダンパー２７ｂの断面２次モーメントは６．６７×１０−１９となり、共振周波数は３．２×１０−４Ｈｚとなる。
【０１０４】
これらよりダイアフラム非固定部２８より、供給側ダンパー２７ａまたは排出側ダンパー２７ｂの方が、共振周波数が大きくなっていることがわかる。
【０１０５】
＜インクに粒子を含む場合＞
ここでインクとして粒子が分散されたインクを用いる場合を説明する。粒子は分散剤や溶液のｐＨ調整などで粒子が安定に存在できるようにインク物性を調整する。しかしながら、インク中で粒子は凝集して設計に対して粗大な粒子が生成することがある。設計外の粒子がノズル１２に流れ込むとノズルが詰まってしまい液滴の吐出が不可能になる。
ところでインク中の粒子は経時的に沈降していく。粒子の沈降は次のような数２で示されたストークスの沈降速度式に従って、沈降速度が決まる。
【０１０６】
【数２】
2019048452.tif 000006
【０１０７】
ｖｓ：沈降速度  Ｄｐ：粒径  ρｐ：粒子密度  ρｆ：液体密度  
η：インク粘度  ｇ：重力加速度
図１５にはインク粘度３ｍＰａ・ｓ、粒子密度４ｇ／ｃｍ３、液体密度１ｇ／ｃｍ３のときのインクに分散された粒子の粒径に対する沈降速度を示している。粒径１．３ｕｍの粒子を分散させたとき、０．０５５ｍｍ／分の沈降速度で粒子が液中で沈降していくことが分かる。
【０１０８】
供給側第２圧力室１５ａのＺ方向の高さは、およそ０．２ｍｍであるため、粒子はおよそ４分で沈降することがわかる。このような方法で設計外の粗大粒子を供給側第２圧力室１５ａで沈降させて、ノズル１２に流れ込むことを抑制できる。排出側第２圧力室１５ｂ内では、沈降した粒子が堆積しないように、排出側第１絞り部２０ｂをＺ方向下方に配置する。
【０１０９】
このようなヘッド構造にすることで、粒子が分散したインクにおいてもノズル詰まりを発生させることなく安定に吐出することが可能となる。
【０１１０】
（全体として）
実施の形態１と２とは、その一部を組み合わせることができる。特に、実施の形態２の（１）〜（５）は、それぞれ実施の形態１と組み合わせができる。つまり、実施の形態１のインクジェットヘッド１０に、（１）〜（５）の少なくとも１つを用いることができる。
【０１１１】
上記インクジェットヘッド１０を用いたインクジェット装置６４の側面図を図１６に示す。インクを吐出するインクジェットヘッド１０と、アクチュエータ３０に印加する駆動電圧信号を生成し、インクジェットヘッド１０の吐出動作を制御する駆動制御手段６１と、インクジェットヘッド１０と被描画媒体６３とを相対移動させる搬送手段６２と、を含む。
【０１１２】
各種デバイスである被描画媒体６３にインクを塗布することで、各種デバイスを製造できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明のインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置は、高精細な画素を有する有機ＥＬディスプレイパネルの製造へ用いることができる。つまり、有機ＥＬディスプレイパネルの発光層の塗布や、ＵＶ硬化性インクなどを用いる加飾インクや樹脂封止インクの塗布、導電性インクの塗布、化粧用途の水性インクの塗布などに用いることができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１０  インクジェットヘッド
１１  吐出ユニット
１２  ノズル
１４  第１圧力室
１５ａ  供給側第２圧力室
１５ｂ  排出側第２圧力室
１６ａ  供給側第３圧力室
１６ｂ  排出側第３圧力室
２０ａ  供給側第１絞り部
２０ｂ  排出側第１絞り部
２２ａ  供給側第２絞り部
２２ｂ  排出側第２絞り部
２５ａ  供給側ダンパー
２５ｂ  排出側ダンパー
２６  剛性の高い板（振動防止板）
２７ａ  供給側ダンパー
２７ｂ  排出側ダンパー
２８  ダイアフラム非固定部
３０  アクチュエータ
５１ａ  供給側共通流路
５１ｂ  排出側共通流路
５３  インク供給口
５４  インク排出口
６１  駆動制御手段
６２  搬送手段
６３  被描画媒体
６４  インクジェット装置
１００  ノズル
１１０  圧力室
１１１  隔壁
１１２  ダイアフラム
１３０  圧電素子
１４０  圧電部材
１５０  液滴
２００  ノズル
２１０  圧力室
２１２  ダイアフラム
２２０  薄膜圧電素子
２３０  共通圧力室
５００  ノズル
５０１  圧力室
５０２  エネルギー発生素子
５０３  共通流路
５０４  絞り部
【図１】
2019048452.tif 000007
【図２】
2019048452.tif 000008
【図３】
2019048452.tif 000009
【図４】
2019048452.tif 000010
【図５】
2019048452.tif 000011
【図６】
2019048452.tif 000012
【図７】
2019048452.tif 000013
【図８】
2019048452.tif 000014
【図９】
2019048452.tif 000015
【図１０】
2019048452.tif 000016
【図１１】
2019048452.tif 000017
【図１２】
2019048452.tif 000018
【図１３】
2019048452.tif 000019
【図１４】
2019048452.tif 000020
【図１５】
2019048452.tif 000021
【図１６】
2019048452.tif 000022