(57)【要約】【課題】微細なパターニングを可能とするために、流体力学的共振周波数を効率的に高くし、かつ、インクジェットヘッドを多数配列したときのノズルピッチを小さくできる形状を有するインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】本発明のインクジェットヘッド（ｂ）は、インクが充填されるインク流路管を加圧する圧電素子がインク流路管の外周に備えられたインクジェットヘッドにおいて、圧電素子のインク流路方向に垂直方向の断面形状を異方的にする。異方的な断面形状の短軸方向にこのインクジェットヘッドを配列すれば、従来技術の等方的な断面形状を有するインクジェットヘッド（ａ）に比べて、ノズルピッチを小さくすることが可能になる。また、長軸方向を厚くすることにより剛性を大きくすることができるので、流体力学的共振周波数を高くすることができる。【選択図】  図２
2004195848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが充填されるインク流路管を加圧する圧電素子が該インク流路管の外周に備えられたインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電素子は、インク流路方向に垂直方向の断面形状が異方的であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を用いたインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用として注目されるようになったインクジェット技術は、パターニング箇所に直接描画するため、材料の使用効率が極めて高いとともに工程数も少なくてすむ。このため、ランニングコストが低く、産業用パターニング技術として有望視されている。
【０００３】
インクジェットの方式としてはカイザー型（例えば、特許文献１参照）、あるいはサーマルジェット型（例えば、特許文献２参照）が広く知られている。このうち前者は小型化が難しく、後者はインクに高熱を加えるため、インクの耐熱性に対する要求が厳しく、産業用として安定に、しかもコンパクトに装置化する点で問題を抱えている。
【０００４】
また、インクジェットヘッドの一例としては、グールド方式のインクジェットヘッドがあり、これは例えば、図１に示すような構造を採用している（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
インクジェットヘッド１００は、ガラス等から形成された円筒状部材１０１を有する。この円筒状部材１０１の先端は絞られてノズル１０２となり、最先端にはインク液滴を吐出する吐出部（オリフィス）１０３が形成されている。この円筒状部材１０１の所定位置、つまり、インク供給管１１１から吐出部１０３までの途中に、直径０．１〜１ｍｍ程度の細長い円筒形状の圧電素子（アクチュエータ壁）１０４を設け、この部分を加圧ポンプとして機能させることで、ノズル１０２からインク滴を吐出させる。圧電素子１０４の内周面と外周面にはそれぞれ、内面電極１０６と外面電極１０７が形成され、それぞれ駆動電圧を印加するリード線１０８を介してパルス発生器１０５に接続されている。
【０００６】
圧電素子１０４は、その円筒状の外周面と内周面の間に電圧を印加すると内容積が小さくなる方向へ変形し、電圧を除去すると元に戻る性質を有する。パルス発生器１０５から圧電素子１０４にパルス電圧（駆動電圧）が印加されると、圧電素子１０４は収縮する。そして、ガラス等から形成された円筒状部材１０１が収縮して内部の圧力が増大し、吐出部（オリフィス）１０３から円筒状部材１０１内に供給されているインクの液滴が吐出される。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭５３−１２１３８号公報
【特許文献２】
特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献３】
特公平３−４０７１２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような構造を有するグールド方式のインクジェットヘッドを用いて微細なパターニングを可能とするためには、インクジェットヘッドを多数配列させたときのノズルピッチを小さくし、さらに、インクジェットから微小な液滴が吐出するようにしなければならない。
【０００９】
インクジェットから微小な液滴を吐出させるには、吐出するインクの液滴化プロセスにかかる時間を短縮し、速い速度でノズルから液滴を引きちぎり、噴射を行なわれなければならない。つまり、液滴化周波数、すなわち、圧電素子に加える電圧の周波数を上げる必要がある。
【００１０】
液滴化周波数を上げるためには、圧電素子とインク流路内のインクの連成系における流体力学的共振周波数Ｆｒを高くする必要がある。なぜなら、液滴化周波数が流体力学的共振周波数Ｆｒから離れ過ぎれば、振幅が低下し、液滴化が不可能になるからである。
【００１１】
そこで本発明の目的は、微細なパターニングを可能とするために、流体力学的共振周波数を効率的に高くし、かつ、インクジェットヘッドを多数配列したときのノズルピッチを小さくできる形状を有するインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のインクジェットヘッドは、インクが充填されるインク流路管を加圧する圧電素子が、インク流路管の外周に備えられたインクジェットヘッドにおいて、圧電素子のインク流路方向に垂直方向の断面形状を異方的にする。
【００１３】
異方的な断面形状の短軸方向にこのインクジェットヘッドを配列すれば、ノズルピッチを小さくできる。また、長軸方向の剛性を大きくすることができるので、流体力学的共振周波数を高くすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明のインクジェットヘッド１００は、図１に示す従来のインクジェトヘッド１００と同様に、円筒形部材１０１、ノズル１０２、吐出部（オリフィス）１０３、圧電素子（アクチュエータ壁）１０４からなる。圧電素子１０４は、その内周面と外周面にそれぞれ内面電極１０６と外面電極１０７が形成され、円筒形部材１０１に接着されている。そして、円筒形部材１０１がインク流路１０９を形成して、インク流入側にインク供給管１１１が形成されている。
【００１６】
本発明のインクジェットヘッド１００の具体的な寸法の一例を述べる。インク流路１０９の長さＬが８．０ｍｍである。ノズル１０２の寸法は、インク噴射側の径が１０μｍ、インク流路側の径が４０μｍ、長さが６０μｍである。円筒状部材１０１に設けられた圧電素子はＰＺＴ層で構成され、長さ５.０ｍｍである。また、実験に使用したインクの２５℃における粘度は１.８ｍＰａ・ｓ、表面張力は４５ｍＮ／ｍである。
【００１７】
図２は、インク流路１０９の方向とは垂直方向にインクジェットヘッド１００を切ったときの断面図である。（ａ）は、従来のインクジェットヘッドのものであり、（ｂ）は本発明のインクジェットヘッドのものである。
【００１８】
従来技術のインクジェットヘッドは、（ａ）に示されているように等方的な円の断面を有し、インクジェットヘッドを複数個配列した場合、ノズル列方向（Ｘ）とノズル列方向に垂直方向（Ｙ）の圧電素子（アクチュエータ壁）１０４の厚みは均一である（Ｘ＝Ｙ）。また、この場合のノズルピッチはＡとなる。
【００１９】
一方、本発明のインクジェットヘッドは、（ｂ）に示されているように異方的な楕円形状の断面を有し、インクジェットヘッドを複数個配列した場合、楕円形状の短軸方向をノズル列方向（Ｘ）に、長軸方向をノズル列と垂直方向（Ｙ）とすることで（Ｘ＜Ｙ）、ノズルピッチはＢとなり、従来技術のインクジェットヘッドにおけるノズルピッチＡより狭くなる（Ｂ＜Ａ）。なお、圧電素子はＰＺＴ層で構成されており、図２（ａ）に示されている円の断面を有する圧電素子と、図２（ｂ）に示されている、楕円形状の断面をもつ圧電素子のＰＺＴの変位量は、その断面積が等しいと等しくなる。
【００２０】
図３は、本発明のインクジェットヘッドを構成する圧電素子の形状と、インクと圧電素子の連成系の流体力学的共振周波数Ｆｒの相関を求めるために実施した実験の結果である。
【００２１】
ノズル列に垂直方向の厚み（Ｙ）とノズル列方向の厚み（Ｘ）の比を大きくすると（ここではＸを一定にしてＹを大きくする）、インクと圧電素子の連成系の流体力学的共振周波数Ｆｒは高くなるという結果が得られた。これは、ノズル列に垂直方向の厚み（Ｙ）を増大させることにより、圧電素子の剛性が増すためである。なお、インクと圧電素子の連成系の流体力学的共振周波数Ｆｒは、インピーダンスアナライザによって測定した値である。少なくともＹ／Ｘを１．８より大きな値とすれば、３％のＦｒの増加が見込める。
【００２２】
以上、圧電素子のインク流路方向に垂直方向の異方的な断面形状において、）ノズル列方向の厚み（Ｘ）とノズル列に垂直方向の厚み（Ｙ）を独立に変え、前者を小さくすることにより、ノズルピッチを小さくし、後者を大きくすることにより、流体力学的共振周波数Ｆｒを高くすることができる。
【００２３】
さらに、本発明のインクジェットヘッドによって吐出実験を行なうと、流体力学的共振周波数Ｆｒを高くすることができた結果、従来技術のインクジェットヘッドに比べて液滴化周波数を１０ｋＨｚ〜１５ｋＨｚ増大させることができるとわかった。
【００２４】
なお、インク流路１０９を構成している円筒状部材１０１が四角柱状部材であっても本発明の効果は達成できる。
【００２５】
本発明のインクジェットヘッドの圧電素子は、エアロゾルデポジション法を用いて、円筒状部材１０１となる円筒形状のガラス管を回転させ、周期的に堆積レートを変化させることにより、容易に作製できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドによれば、圧電素子はインク流路方向に垂直方向の断面形状が異方的なため、マルチノズルタイプのインクジェットヘッドを構成した場合、短軸方向をノズル列方向に、長軸方向をノズル列に垂直方向とすれば、断面形状が等方的な圧電素子で構成されたものよりもノズルピッチを小さくすることができる。さらに、長軸方向の剛性を増すことができるので、流体力学的共振周波数Ｆｒを高くすることができる。その結果、液滴化周波数を上げることができ、微小液滴が得ることが可能となる。そして、微細なパターニングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術および本発明のインクジェットヘッドをインク流路方向に切ったときの断面図である。
【図２】（ａ）は、従来秘術のインクジェットヘッドをインク流路方向とは垂直方向に切ったときの断面図である。（ｂ）は、本発明のインクジェットヘッドをインク流路方向とは垂直方向に切ったときの断面図である。
【図３】本発明のインクジェットヘッドを構成する圧電素子の形状と流体力学的共振周波数Ｆｒの相関を求めるために実施した実験の結果のグラフである。
【符号の説明】
１００  インクジェットヘッド
１０１  円筒状部材
１０２  ノズル
１０３  吐出部（オリフィス）
１０４  圧電素子（アクチュエータ壁）
１０５  パルス発生器
１０６  内面電極
１０７  外面電極
１０８  リード線
１０９  インク流路
１１１  インク供給管
【図１】
2004195848.tif 000003
【図２】
2004195848.tif 000004
【図３】
2004195848.tif 000005