(57)【要約】【課題】ヘッドの歪みによるパターンの精度の低下を抑制する。【解決手段】隔壁により区切られ、共通流路で液材供給源と連通する複数の圧力室が長手方向に配列されており、一方の面は圧力室に充填されている液材を吐出するノズルが形成された第１の板状部材であり、他方の面は各々の圧力室の対面に圧力発生素子６０が配置されている弾性変形可能な第２の板状部材であるインクジェットヘッド１０であって、長手方向の端部の温度を、当該方向の中央部の温度に比べて低くする温度勾配付与手段としてのペルチェ素子３００を有することを特徴とするインクジェットヘッド。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁により区切られ、共通流路で液材供給源と連通する複数の圧力室が長手方向に配列されており、一方の面は前記圧力室に充填されている液材を吐出するノズルが形成された第１の板状部材であり、他方の面は各々の前記圧力室の対面に圧力発生素子が配置されている弾性変形可能な第２の板状部材であるインクジェットヘッドであって、
前記長手方向の端部の温度を、当該方向の中央部の温度に比べて低くする温度勾配付与手段を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記温度勾配付与手段は、前記端部を冷却する冷却手段と前記中央部を加熱する加熱手段の少なくともどちらか一方を含むことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記冷却手段および／または前記加熱手段がペルチェ素子であることことを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記加熱手段が電熱ヒータであることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記端部における前記ノズルから吐出される液材の量、および前記中央部における前記ノズルから吐出される液材の量を測定する吐出量測定手段をさらに有し、前記双方の吐出量が略同一となるように温度勾配を設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記温度勾配付与手段が、インクジェットヘッドの長手方向の全域に渡り配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ素子等の圧力発生素子を用いて、インク等の液材からなる液滴を吐出して記録媒体上にパターンを形成するインクジェット装置のインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧力発生素子を用いてインクを吐出するインクジェットヘッドは、例えば特許文献１に示すように、複数のノズルを長手方向に配列したノズルプレートと、圧力発生素子を当該ノズルと同様に長手方向に配列した振動板、および上記ノズルプレートと上記振動板との間に配列される、各々が隔壁で区画された圧力室と、で形成されている。圧力発生素子の作用により振動板を撓ませて圧力室内を加圧し、当該圧力により、ノズルからインク等の液材からなる液滴（以下、「液滴」と称する。）を吐出する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２３４１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし上記構成のインクジェットヘッド（以下、「ヘッド」と称する。）においては、振動板を撓ませて圧力室内を加圧すると、ノズルプレートも撓むことが有り得る。ノズルプレートが撓むと、圧力室の容積変化が抑制されるため、液滴の吐出量が減少する。
ヘッドの、上記長手方向における端部は、圧力室等の空洞部が形成されていないので、比較的高い剛性を有している。一方、中央部では、ノズルプレートと振動板との間は空洞部（圧力室）の占める領域が多いため、剛性が低く撓み易い構造となっている。したがって、上述する吐出量の減少はヘッドの端部に比べて中央部の方が大きくなり、ヘッドの長手方向における吐出量のばらつきが生じ得る。そして当該ばらつきは、記録媒体上に形成されるパターンの精度（品質）等の低下要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明のヘッドは、隔壁により区切られ、共通流路で液材供給源と連通する複数の圧力室が長手方向に配列されており、一方の面は上記圧力室に充填されている液材を吐出するノズルが形成された第１の板状部材であり、他方の面は各々の上記圧力室の対面に圧力発生素子が配置されている弾性変形可能な第２の板状部材であるヘッドであって、上記長手方向の端部の温度を、当該方向の中央部の温度に比べて低くする温度勾配付与手段を有することを特徴とする。
【０００６】
上記圧力素子により上記圧力室が加圧されると、上記第１の板状部材は端部を支点として加圧される方向に撓む傾向にある。そのため、中央部の圧力室は容積の変化量が低下して吐出量も低下する。
一方、液材は一般的に温度が低下すると粘度が上昇する。そのため、上記液材の温度を低下させると、上記圧力素子の加圧量に対する吐出量の比率が低下する。したがって、上述するようにヘッドの端部の温度を中央部の温度に比べて低くすることにより、上記第１の板状部材の撓みによる吐出量の差を補填して上記長手方向における吐出量のばらつきを抑制し、記録媒体上に形成するパターンの精度を向上できる。
【０００７】
好ましくは、上記温度勾配付与手段は、上記端部を冷却する冷却手段と上記中央部を加熱する加熱手段の少なくともどちらか一方を含むことを特徴とする。
かかる構成により上記端部の冷却と上記中央部の加熱のどちらか一方は可能となるため、ヘッドの長手方向に温度勾配を付与できる。また上記端部の冷却と上記中央部の加熱の双方を同時に実施して急な勾配をつけることもできるため、上記第１の板状部材の剛性が不足している場合にも対処できる。
【０００８】
また、好ましくは、上記冷却手段および／または上記加熱手段がペルチェ素子である。
ペルチェ素子は通電により作動するため、冷媒用の配管等を別途設けることなく冷却および／または加熱が可能である。したがって、構成を複雑化せずにヘッドに温度勾配を付与できる。
【０００９】
また、上記加熱手段は電熱ヒータでも良い。
電熱ヒータも通電により作動するため、構成を複雑化せずにヘッドに温度勾配を付与できる。
【００１０】
また、好ましくは、上記端部における上記ノズルから吐出される液材の量、および上記中央部における上記ノズルから吐出される液材の量を測定する吐出量測定手段をさらに有し、上記双方の吐出量が略同一となるように上記温度勾配を設定することを特徴とする。
上記第１の板状部材の撓みによる吐出量の変化に合せてヘッドの冷却および／または加熱を行えるため、より一層吐出量のばらつきを抑制し、記録媒体上に形成するパターンを向上できる。
【００１１】
また、好ましくは、上記温度勾配付与手段が、ヘッドの長手方向の全域に渡り配置されている。
かかる構成により、ヘッドの長手方向の全域に渡り上記第１の板状部材の撓みによる吐出量の差を補填できる。したがって、吐出量のばらつきをより一層抑制し、記録媒体上に形成するパターンをより一層向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。本発明の実施形態はヘッドに温度勾配を付与する手段を別途組み込むものであり、ヘッドの内部構成は従来のものと実質的に異なる点はない。そこで、まず図１〜図２を用いて、ヘッドの構成とヘッドの撓みについて述べる。
【００１３】
図１は、本実施形態の対象のヘッド１０の一部を、当該ヘッドを構成する主要部材である第１の板状部材としてのノズルプレート２０、圧力室基板３０、および第２の板状部材としての振動板４０に分けて示す斜視図である。圧力室５２および共通流路５４等が形成された圧力室基板３０の上面および下面には、振動板４０およびノズルプレート２０がそれぞれ接合されてヘッド１０となる。圧力室５２等の数はＸ軸方向に１２０個ないし３６０個連続している。そして、図示する構造が中心線５６を挟んで対称となるように連続して形成されている。したがって、実際の圧力室５２等の数は２４０個ないし７２０個である。なお、上記Ｘ軸方向が長手方向である。
【００１４】
圧力室基板３０は、所定の厚さのシリコン基板であり、一部の領域が裏面まで貫通するように選択的にエッチング除去され、残る部分が隔壁５０となっている。そして当該領域が、後述する振動板４０、およびノズルプレート２０で上下から挟まれて圧力室５２、共通流路５４等となっている。
【００１５】
振動板４０は弾性変形可能な板状部材であり、弾性膜４２と、圧力発生素子としてのピエゾ素子６０の下電極膜６２を電気的に絶縁するための絶縁体膜４４とを積層して形成されている。そして、各々の圧力室５２に対応する位置に共通電極である下電極膜６２を介してピエゾ素子６０が配置されている。
【００１６】
ピエゾ素子６０は、強誘電体薄膜６４および上部電極６６等からなり、上部電極６６からはリード電極６８が引き出されている。リード電極６８は、図示しないヘッド制御機構と導通しており、個々のピエゾ素子６０に独立して電圧を印加できる。ピエゾ素子６０に電圧を印加して振動板４０を圧力室５２の容積を小さくする方向に撓ませることができ、また、反対方向に電圧を印加して、振動板４０を圧力室５２の容積を大きくする方向に撓ませることもできる。
【００１７】
ノズルプレート２０は、各々の圧力室５２に対応するようにノズル２１が配列された板状部材である。振動板４０が圧力室５２の容積を小さくする方向に撓むと、圧力室５２内に充填されている液材としてのインクが、当該ノズルから液滴として吐出される。また、振動板４０が圧力室５２の容積を大きくする方向に撓むと、共通流路を介して図示しないインクタンクから圧力室５２内にインクが充填される。
【００１８】
振動板４０の動作（上下動）を正確に圧力室５２の容積変化に置き換えるために、圧力室基板３０、およびノズルプレート２０は振動板４０とは異なり非弾性材料で形成されている。しかし、連続して多数の液滴を吐出する場合は、ノズルプレート２０も若干撓み得る。そして当該撓みの程度は、ヘッド１０の中央部と端部とで異なる。図２に、ノズルプレート２０が撓む態様を示す。
【００１９】
図２（ａ）〜（ｄ）は、ヘッド１０を長手方向（図１に示すＸ軸方向）に沿ってＹ軸（図１参照、以下も同様）に垂直な面で切断した模式断面図である。図２（ａ）に示すように、上面が振動板４０、下面がノズルプレート２０、そして側面が隔壁５０で形成される圧力室５２が等間隔で配置されている。そして、各々の圧力室５２の上面にはピエゾ素子６０が配置され、下面にはノズル２１が形成されている。ノズル２１は１１個図示しているが、実際には上述したように２４０個ないし７２０個形成されている。圧力室基板端部２０６も隔壁５０として機能しているが、他の領域（例えば中央部）の隔壁５０と比べて、幅広く（長手方向に長く）形成されており、ノズルプレート２０と振動板４０とを、圧力室基板３０に強く結合している。
【００２０】
図２（ｂ）は、ヘッド中央部２０２に形成された一群のノズル２１から液滴２００を吐出するときの、ノズルプレート２０に加わる力を示すものである。振動板４０が、ピエゾ素子６０によりに圧力室５２を圧縮する方向に撓むと、充填されているインクにより、ノズルプレート２０の中央部を矢印の方向に撓ませる力が働く。その結果、ノズルプレート２０は隔壁５０から剥離しない範囲で下向きに撓む。
【００２１】
次に、図２（ｃ）に、ヘッド端部２０４に形成された一群のノズル２１から液滴２００を吐出するときの、ノズルプレート２０に加わる力を示す。上述の中央部から液滴２００を吐出したときと同様に、ヘッド端部２０４を矢印の方向に撓ませる力が働く。しかし、同じ力が加えられても、ヘッド中央部２０２とヘッド端部２０４ではノズルプレート２０が撓む程度は異なる。圧力室基板端部２０６は、上記３枚の基板が広い面積で結合されているため、剛性が高く変形しにくい。したがって、ヘッド端部２０４ではノズルプレート２０の撓みかたが少ない。
【００２２】
図２（ｄ）は、全てのピエゾ素子６０に同時に電圧を印加して振動板４０を動作させ、全てのノズル２１から同時に液滴２００を吐出したときの、ノズルプレート２０の撓む態様を模式的に示すものである。各々の圧力室５２内に生じる力を矢印で示している。
【００２３】
上記の力の大きさは、ヘッド中央部２０２もヘッド端部２０４も同一であるが、ノズルプレート２０の変形の度合いはヘッド中央部２０２の方が大きい。したがって、ノズルプレート２０は、下向きに円弧状に撓む。そのため、ピエゾ素子６０に同一の電圧を印加した場合でも、ヘッド中央部２０２の圧力室容積の変動は低下して、液滴２００の吐出量も低下する。つまり、ヘッド中央部２０２とヘッド端部２０４で吐出量のばらつきが生じ得る。本発明は、ヘッド１０に温度勾配を付与し、インク粘度の温度依存性を利用して上記のばらつきを抑制するものである。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかるヘッド１０を示す。Ｙ軸方向から見た外観を模式的に示す図である。本実施形態にかかるヘッド１０は、端部の側面（Ｙ軸に垂直な面）に温度勾配付与手段としてのペルチェ素子３００が貼付（配置）されていることが特徴である。ペルチェ素子３００は、通電すると、一方の面（以下、「表面」と称する。）で吸収した熱を他方の面（以下、「裏面」と称する。）から放熱する。したがって、表面を貼付すると、当該貼付領域を冷却できる。
【００２５】
図示するようにヘッド１０の両方の端部にペルチェ素子３００の表面を貼付して、パターン形成時には当該素子に電源３０２から通電して当該端部を冷却する。ヘッド１０を形成する部材の熱伝導によりヘッド１０全体に温度勾配が生じる。すなわち、ヘッド中央部からヘッド端部にかけて緩やかに温度が低下する状態となる。そして、ペルチェ素子３００は電気的に駆動されるため精密な温度制御が可能であり、インクジェット装置に設けた電源と導通する配線３０４を設けるのみで、任意の温度勾配を設定できる。
【００２６】
ノズル２１から吐出されるインクは、揮発性の溶媒にパターン形成材料を溶解若しくは分散している。上記溶媒の粘度は一般的に液温と負の相関関係にあり、液温が低下すると粘度は増加する。そして液滴を同一のノズル２１から同一の力で吐出させる場合、粘度が高いほど吐出量も低下する。したがって、上述するような温度勾配を付与すると、パターン形成時に生じるノズルプレート２０の撓みによるヘッド中央部の吐出量の低下を補填する（打ち消す）ことにより、ヘッドの長手方向に置ける吐出量のばらつきを抑制し、高精度のパターンを形成できる。
【００２７】
また、基板上に多数の液滴を吐出して比較的広いパターンを形成する場合において、着弾した液滴は液滴群の外側の液滴から自然乾燥が進むが、ヘッド１０から吐出された液滴群の外側に比べてヘッド中央部の液滴の温度が相対的に高いことから、着弾した液滴群の自然乾燥がより均一に進む。したがって、膜厚の均一性が向上したパターンを得ることができる。
さらに、将来的に起こり得る、ヘッド１０の高密度化によるノズル間隔（ピッチ）の縮小と、それに伴う圧力室基板３０に占める隔壁５０の割合の低下、及びヘッド１０の剛性の低下にも対応できる。
【００２８】
なお、図３では、ヘッド１０の側面の一方を図示しているが、反対側にもペルチェ素子３００を貼付して両面から冷却しても良い。また、ペルチェ素子３００をそれぞれ個別の電源３０２と接続しているが、１つの電源３０２で双方のペルチェ素子３００を動作させても良い。
【００２９】
（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態にかかるヘッド１０を示す。上記第１の実施形態と同様に、Ｙ軸方向から見た外観を模式的に示す図である。
本実施形態にかかるヘッド１０は、ヘッド端部の側面（Ｙ軸に垂直な面）にペルチェ素子３００が貼付されていると共に、ヘッド中央部にもペルチェ素子３００が貼付されている。ヘッド端部のペルチェ素子３００は第１の実施形態と同様に表面が貼付され、貼付された領域を冷却している。一方、ヘッド中央部のペルチェ素子３００は裏面が貼付され、貼付された領域を加熱している。つまり本実施形態のヘッド１０はヘッド端部を冷却しつつヘッド中央部を加熱することができるため、ヘッド端部の冷却のみを行うヘッド１０に比べてより一層急な傾斜の温度勾配を設定できる。その結果、より一層高密度化したヘッド１０を用いる場合においてもノズルプレート２０の撓みを補正でき、より一層高精細なパターンを形成できる。
【００３０】
（第３の実施形態）
図５に、本発明の第３の実施形態にかかるヘッド１０を示す。上記第１の実施形態と同様に、Ｙ軸方向から見た外観を模式的に示す図である。
本実施形態のヘッド１０は、ヘッド端部以外の領域にもペルチェ素子３００を貼付していることが特徴である。ヘッド１０の側面を長手方向に７ブロックに分割して、中央のブロックを除く６ブロックにペルチェ素子３００を貼付している。そして、中央を挟んで対象の位置にあるペルチェ素子３００毎に組み合わせて、それぞれ独立に制御（駆動）している。
【００３１】
ヘッド１０の熱伝導性を利用するのではなく、長手方向全域に温度勾配付与手段を設けることで、ヘッド端部のみ冷却を行うヘッドに比べてより一層細かく温度勾配を設定できる。その結果、ノズルプレート２０の撓みによる液滴の吐出量の変動をより一層抑制でき、より一層高精細なパターンを形成できる。
【００３２】
（第４の実施形態）
図６に、本発明の第４の実施形態にかかるヘッド１０を、インクジェット装置を構成する他の要素を含めて示す。ヘッド１０はヘッド駆動軸６０２に沿って移動して、任意の位置で液滴を吐出できる。少なくともヘッド端部にはペルチェ素子が配置されており、上述第１〜第３の実施形態と同様に温度勾配を付与できる。
記録媒体搬送ユニット６０４は、記録媒体６０６を載置して、搬送ユニット駆動軸６０８に沿ってヘッド駆動軸６０２の垂直方向に移動する。液滴重量測定ユニット６１０は、ヘッド１０から吐出する液滴の重量を測定できる。
【００３３】
本実施形態のヘッド１０は記録媒体６０６上に液滴を吐出する直前に、ヘッド１０を長手方向にいくつかのブロックに分割して、当該ブロックに配置されているノズルから吐出される液滴量を測定し、当該測定結果の基づいて、ペルチェ素子３００に印加する電圧を制御して温度勾配を設定する。実測値に基づいて温度勾配を付与するため、ノズルプレートの撓みによる液滴の吐出量の変動をより一層抑制でき、より一層高精細なパターンを形成できる。
【００３４】
（変形例１）
上記各実施形態では、ペルチェ素子３００をヘッド１０の（Ｙ軸に垂直な面）に貼付している。しかし、ペルチェ素子３００を配置可能な面は上述の面に限定されるものではない。図７に、他の面に配置した態様を示す。
【００３５】
図７（ａ）は、ペルチェ素子３００をヘッド１０のＺ軸に垂直な面に配置（貼付）した態様を示すものである。また、図７（ｂ）は、Ｘ軸に垂直な面に配置（貼付）した態様を示すものである。上述各実施形態と同様にペルチェ素子３００は配線３０４を介して電源３０２と接続され、当該貼付面を冷却する。
上述したようにヘッド１０を構成する各基板は熱伝導性を有するので、上記の面に配置した場合でも、ヘッド１０に温度勾配を付与し、液滴の吐出量の変動を抑制できる。また、上記のＹ軸に垂直な面を含む３つの面のうちの２面、あるいは３面の全てに配置して、冷却能力を向上させることも可能である。
【００３６】
（変形例２）
上記各実施形態では、温度勾配を付与する手段としてペルチェ素子３００を用いている。しかし、当該手段はペルチェ素子に限定されるものではなく、他の手段を用いてもよい。冷却手段としては、ヘッド端部に冷媒を循環させる態様、あるいは冷風を吹き付ける態様も可能である。また加熱手段としては、電熱ヒータをヘッド中央部に配置する態様も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ヘッドを示す斜視図。
【図２】ノズルプレートが撓む態様を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかるヘッドを示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかるヘッドを示す図。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかるヘッドを示す図。
【図６】本発明の第４の実施形態にかかるヘッドを示す図。
【図７】変形例におけるペルチェ素子の配置の態様を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１０…ヘッド、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、３０…圧力室基板、４０…振動板、４２…弾性膜、４４…絶縁体膜、５０…隔壁、５２…圧力室、５４…共通流路、５６…ヘッドの中心線、６０…ピエゾ素子、６２…下電極膜、６４…強誘電体薄膜、６６…上部電極、６８…リード電極、２００…液滴、２０２…ヘッド中央部、２０４…ヘッド端部、２０６…圧力室基板端部、３００…ペルチェ素子、３０２…電源、３０４…配線、６０２…ヘッド駆動軸、６０４…記録媒体搬送ユニット、６０６…記録媒体、６０８…搬送ユニット駆動軸、６１０…液滴重量測定ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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