(57)【要約】【課題】  インク液滴の形成および運搬に気流を用いる方法は、気流がインクの基板への着弾を妨げるという問題を抱えている。【解決手段】  ノズルから吐出されたインクを分断し液滴を形成するための、および/もしくは形成されたインク液滴を運搬するための気流を通す気流流路と、気流の吐出の有無を制御する気流制御素子が、各インクジェットノズルに対して具備することである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれのインク吐出口に対し、気流を吐出させる気流吐出口と、気流吐出口に気流を供給する気流流路と、気流の吐出を制御する気流制御装置を備え、概気流経路に気流を供給する気流発生装置を具備することを特徴とするインクジェット装置。
【請求項２】
気流制御装置は、インクを加速させる変形素子により駆動することを特徴とする請求項１記載のインクジェット装置。
【請求項３】
気流制御装置は、インクを加速させる変形素子により開閉するバルブであることを特徴とする請求項２記載のインクジェット装置。
【請求項４】
インクを加速させる変形素子は、ピエゾ素子であることを特徴とする、請求項２ないし請求項３記載のインクジェット装置。
【請求項５】
インクに加速度を与える変形素子は、対面させた電極に、異なる電位を印加させるときに発生する斥力により駆動することを特徴とする、請求項２ないし請求項３記載のインクジェット装置。
【請求項６】
気流は、空気、ヘリウム、アルゴン、キセノン、およびそれらの混合ガス、もしくは前記のガスと水もしくはアルコールの蒸気との混合ガスであることを特徴とする、請求項１、２、３、４、ないし請求項５記載のインクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小のインク液滴を形成するインクジェット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット装置の用途は益々拡大しており、プリンターなどの記録装置、工業用の微細配線の製作、液晶装置のカラーフィルターの製作など、民生用から工業用まで多岐に渡っている。インクジェット装置において、インク液滴を発生させる機構は多様であり、代表的なものとしては、素子の変形を利用した方法、インクを加熱して発泡させる方法、インクに電荷を与えて静電力によりインクを分断させる方法などが挙げられる。それらの中で、素子の変形を用いてインクを加速し、微小インク液滴を形成する方法は、民生用と工業用の両分野で最も実用化されている方法の一つである。変形素子を使用する方法は、インクを機械的に加速するため、インクの熱的、電気的、化学的性質に左右されることなく安定して液滴を形成することができる。また、インクの種類によらず素子の変形を制御することができることから、インクの運動を細かく制御することが可能である。
【０００３】
変形素子を用いたインクジェット装置は、上に述べたような素晴らしい特徴を備えている。しかし、この方法は、インク液滴の形成自体は、オリフィスが開けられた吐出口に加速したインクを通過させることによりなされており、液滴の自体を制御するものではない。また、形成されたインク液滴の飛翔も制御することができない。これらの欠点を補う方法として、特開平11-227192に、気体の流れ（気流）を利用するインクジェット装置が示されている。この方法によれば、インクが供給されるオリフィスに定速の気流を吹き付けることにより、オリフィスからのインクの分離を補助することができる。また、気流の速度および方向を変えることにより、インクの飛翔速度および方向を制御することが可能である。
【特許文献１】特開平11-227192号公報
【特許文献２】特公平6-409号公報
【特許文献３】特開昭63-122553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、インク液滴の形成および運搬に気流を用いる方法は、気流がインクの基板への着弾を妨げるという問題を抱えている。特開平11-227192のような従来の方法では、気流は常にオリフィスから被記録物に向かって流れており、基板に衝突した気流は、基板表面に沿って流れる。基板に向かって飛翔するインク液滴は、基板に衝突する直前に、被記録物表面の気流によって散乱され、着弾精度が著しく低下してしまう。特公平6-409では、各ノズルに気流の吐出口を設けている。この構成によれば、気流の吐出する領域を、インクの吐出領域にのみ限定することができる。しかし、基板表面には常に気体の流れあり、気流による液滴の散乱を防ぐには十分でない。また、特開昭63-122553では、気流を一定周期で断続的に吐出させる方法が開示されている。この方法によれば、図１（a）のようにインクを吐出周期と同周期で吐出した場合、気流の吐出が液滴の吐出領域および吐出時刻に限定されているため、被記録物上での気流の流れを最小限にすることができる。しかし、一定周期でインクと吐出させることが前提では、被記録物上に任意のパターンを描くことは難しい。特開昭63-122553の発明において、図１（ｂ）のように一定周期で断続的に気流を発生させ、気流の発生している任意の時刻にインクを突出させる方法も可能である。この方法によれば被記録物上に任意のパターンを描くことができる。しかし、インクが吐出しない時刻にも、インク吐出口近くに気流が流れており、インク吐出口のインクを乾燥させ、吐出性能を下がるといった問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ノズルから吐出されたインクを分断し液滴を形成するための、および/もしくは形成されたインク液滴を運搬するための気流を通す気流流路と、気流の吐出の有無を制御する気流制御素子が、各インクジェットノズルに対して具備されているインクジェット装置である。
【０００６】
また、本発明は、前述の気流制御素子が、インクを加速させる変形素子により駆動することを特徴とするインクジェット装置である。
【０００７】
さらに、本発明は、前記の気流制御素子が、インクを加速させる変形素子により駆動するバルブであることを特徴とするインクジェット装置である。
【０００８】
本発明によれば、気流が発生している時間をインクが吐出している時刻のみに限定できるために、気流によるインクの散乱を最小限に抑えることができる。また、本発明の構成では、インクが吐出される時刻にのみ、インク吐出口に気流が吹き付けられるため、気流によるインク表面の乾燥を最小限に抑えることができる。
【０００９】
また、変形素子が気流を制御する機能も兼ね備えることにより、インクを吐出させる時刻に合わせてバルブを開放し、気流をインクに吹き付けることが容易になる。また、気流流路を開閉するための駆動系を新たに設ける必要がないため、ノズルが構成される空間を最小限に抑えることができ、それら複数ノズルを高密度で配置させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、インクを吐出させるタイミングにあわせて、オンデマンドでインク吐出口の近くに気流を発生させることができる。したがって、基板表面で気流がインク液滴の着弾を妨げることなく、気流によるインク液滴の形成の補助およびインクの運搬を行うことができる。また、インクが吐出しないときは、インク吐出口近傍に気流が発生しないため、インクの乾燥により吐出が不安定になることがない。
【００１１】
また、インクを加速させる変形素子に、気流流路を開閉する機能を兼ね備えさせることにより、オンデマンドで気流を発生させる機能を備えたノズルを、高集積化（マルチノズル化）することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
図２は、本発明の実施例の一つを表す、インクジェット装置の構成図である。また、図３は、図２のインクジェット装置の動作を表す動作図である。図２において、ピエゾ素子1は電極2の間に生じる電場によって変形する構成となっている。ピエゾ素子１の片面は、電極を挟んでインク流路を構成しており、ピエゾ素子１が変形した際にインクを圧縮する。電気パルス発生装置8によって電極2にパルス電位を印加し、その電位差によって生じた電場によりピエゾ素子１が変形する。変形したピエゾ素子はインクを圧縮し、インクがインク吐出口7に向かって加速される。加速されたインクは、インク吐出口7を通して、液滴となって外部に吐出する。ピエゾ素子1の異なる面は、気流流路3の一部を構成している。インクを突出させないとき、すなわちピエゾ素子を変形させないときは、ピエゾ素子と流路の他の面が接触面5で接するように設計されており、気流流路3は閉じられている。インクを吐出させる際、ピエゾ素子の変形により、ピエゾ素子とインク流路との接触面5に隙間が生じ、気流流路が連通する。気流流路の吐出口4側は、インクが吐出されるインク吐出口7の近くにまで伸びている。気流流路の別の片側は、高圧ボンベ9’とガス圧力を制御するレギュレーター9に接続されており、外気よりも高い一定圧力に保たれている。
【００１４】
したがって、図３で示されるように、ピエゾ素子が変形しないときは、インクが突出されず、ピエゾ素子と気流流路の接触面によって流路も遮断されているため、気流は流れない。ピエゾ素子が変形すると、インクが吐出するとほぼ同時に気流流路が連通し、気流吐出口から気流が吐出される。発生した気流は、インク吐出口の近傍でインクに向かい、インクと衝突してインクがインク吐出口から分離するのを助ける。また、気流は、分離したインクを運搬する役目を担う。
【００１５】
本発明において、気流はインクの分離もしくは運搬のいずれか一方の作用のみ持つ構成であってもよい。
【００１６】
また、図４で示されるように、ピエゾ素子は、インク流路の片側からのみインクを圧縮する構成であってもよい。さらには、インク流路の周囲全体を圧縮するような構成であってもよい。
【００１７】
本実施例では、ピエゾ素子の変形方向はインクの突出方向に対して直角であるが、図５で示すように、インクの突出方向と平行であってもよい。
【００１８】
図３では、インクの吐出方向に対してほぼ平行に気流が吐出されているが、図６のようにインクの吐出方向に対して垂直に気流が吐出されてもよい。また、インク液滴の分離し易さ、およびインク液滴の飛翔方向を考慮して、インクに対して他の方向から気流を噴射させてもよい。
【００１９】
インクを加速させる素子は、ピエゾ素子に限られたものではなく、図７のように、静電力を用いた駆動素子であってもよい。
【００２０】
本実施例では、インク流路および気流流路の内壁の一部がピエゾ素子によって形成されているが、インクを圧縮するピエゾ素子もしくは他の駆動素子により、気流流路が開閉する構成であれば、それらの素子が気流流路の一部である必要はない。
【００２１】
本実施例では、外気よりも高い圧力に流路の内部を保つ方法として、高圧ボンベと圧力を制御するレギュレーターを使用している。しかし、この構成以外に、ファン、ダイヤフラムポンプ、もしくはそれ以外の一般的ポンプおよび圧力発生装置を用いても良い。
【００２２】
本実施例では、気流として窒素ガスを用いているが、空気を使用してもよい。また、インクとの反応を考慮して、アルゴン、キセノンなどの希ガスを用いてもよい。さらに、インクの吐出および飛翔の際に、気流は、インクの成分が揮発することを防ぐために、水、アルコール、もしくは他の有機溶剤の蒸気との混合ガスであってもよい。
【実施例２】
【００２３】
本実施例は、気流流路を開閉するピエゾ素子とインクを押し出す役割を担うピエゾ素子を共通化する構成をもつインクジェット装置をマルチノズル化した例である。
【００２４】
図8は、本発明の実施例２の装置を説明するための図である。インクジェット装置は、インク・気流吐出ブロック12、気流流路構成ブロック13、吐出口構成ブロック14により構成されている。図８では、本実施例の装置構成を理解し易いように各ブロックは分離して描かれているが、実際には、各ブロックは接着されている。図９の（ア）〜（オ）は、図８のインクジェット装置の、各断面（ア）〜（オ）における断面図である。
【００２５】
図８および図９において、ピエゾを駆動させるための電極および吐出パルス発生装置、気流を発生させるための高圧ボンベ、インクを供給するためのインクタンク等は、図を簡略化のために描かれていない。
【００２６】
図１０は、図８のインク・気流吐出ブロック12のピエゾ部分（ピエゾブロック）のみを描いたものである。また図１１は、図１０のピエゾブロックの動作を説明するための断面図である。
【００２７】
ピエゾブロックは、インク流路6と空気室15を有し、インク流路6と空気室15の側壁には電極となる薄膜（図には描かれていない）が、スパッタもしくは蒸着等の手法で成膜されている。電極には、電気パルス発生装置（図には描かれていない）が接続されており、電極に電位を印加することにより、ピエゾの内部に電場が発生し、ピエゾが変形する。図１１の（カー１）は電位が印加されないときのピエゾブロックの断面、（カー２）は電位が印加されたときのピエゾブロックの断面をそれぞれ表している。インク室の側壁を構成するピエゾ壁をノズルごとに独立に変形させることにより、所望のノズルから独立してインクを吐出させることができる。
【００２８】
図１１の空気室15内には、図９の（イ）のように気流流路3が形成される。ピエゾブロックが変形しないとき、ピエゾ素子1と気流流路3の内壁は接触面５で接しており、気流流路は閉じられている。インクを吐出させる際、ピエゾブロックが変形して接触面５に隙間が生じ、気流流路の両側は連通する。
【００２９】
図９（イ）の気流流路3は、気流流路構成ブロック13の気流流路とつながっており、そこから圧力ガスが供給される。したがって、ピエゾ素子の変形により気流流路3が連通することにより、気流流路内に気流が発生する構成となっている。
【００３０】
発生した気流は、吐出口構成ブロック14内でインクに吹き付けられて、インクの液滴化を補助する。また、インクと衝突した気流は、インク液滴と共にインクジェット装置の外部に排出される。その際、気流は、インク液滴を運搬する役割を担う。
【００３１】
本発明において、気流はインクの分離もしくは運搬のいずれか一方の作用のみ持つ構成であってもよい。
【００３２】
また、図４で示されるように、ピエゾ素子は、インク流路の片側からのみインクを圧縮する構成であってもよい。さらには、インク流路の周囲全体を圧縮するような構成であってもよい。
【００３３】
本実施例では、ピエゾ素子の変形方向はインクの突出方向に対して直角であるが、図５で示すように、インクの突出方向と平行であってもよい。
【００３４】
図８および図９のインクジェット装置では、インクの吐出方向に対してほぼ平行に気流が吐出される構成となっているが、図６のようにインクの吐出方向に対して垂直に気流が吐出されてもよい。また、インク液滴の分離し易さ、およびインク液滴の飛翔方向を考慮して、インクに対して他の方向から気流を噴出させてもよい。
【００３５】
インクを加速させる素子は、ピエゾ素子に限られたものではなく、図７のように、静電力を用いた駆動素子であってもよい。
【００３６】
本実施例では、インク流路および気流流路の内壁の一部がピエゾ素子によって形成されているが、インクを圧縮するピエゾ素子もしくは他の駆動素子により、気流流路が開閉する構成であれば、それらの素子が気流流路の一部である必要はない。
【００３７】
本実施例では、外気よりも高い圧力に流路の内部を保つ方法として、高圧ボンベと圧力を制御するレギュレーターを使用している。しかし、この構成以外に、ファン、ダイヤフラムポンプ、もしくはそれ以外の一般的ポンプおよび圧力発生装置を用いても良い。
【００３８】
本実施例では、気流として窒素ガスを用いているが、空気を使用してもよい。また、インクとの反応を考慮して、アルゴン、キセノンなどの希ガスを用いてもよい。さらに、インクの吐出および飛翔の際に、気流は、インクの成分が揮発することを防ぐために、水、アルコール、もしくは他の有機溶剤の蒸気との混合ガスであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】気流とインクの吐出のタイミングを表した図である。
【図２】本発明の装置構成の一例を表す断面図である。
【図３】図２で表した構成を有する装置の、動作を説明するための動作図である。
【図４】本発明の装置構成の一例を表す断面図である。
【図５】本発明の装置構成の一例を表す断面図である。
【図６】本発明の装置構成の一例を表す断面図である。
【図７】本発明の装置構成の一例を表す断面図である。
【図８】本発明によるインクジェット装置をマルチノズル化した実施例の図である。
【図９】図８で表したの装置の、断面（ア）~(オ)における断面図である。
【図１０】図８で表した装置に使用されるピエゾブロックを表す図である。
【図１１】図１０で表したピエゾブロックの動作を表している断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
1  ピエゾ素子
2  電極
3  気流流路
4  気流の吐出口
5  気流流路の開閉点（ピエゾ素子とインク流路との接触面）
6  インク流路
7  インク吐出口
8  吐出パルス発生装置（ピエゾ素子の駆動用パルス発生装置）
9  圧力レギュレーター
9’  窒素高圧ボンベ
10  静電駆動素子
11  吐出パルス発生装置（静電駆動素子の駆動用パルス発生装置）
12  インク・気流吐出ブロック
13  気流流路構成ブロック
14  吐出口構成ブロック
15  空気室
16  インク液滴
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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