(57)【要約】      （修正有）【課題】インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減を両立させた、インクジェットヘッド及びそれを具備する装置を提供する。【解決手段】インク導入口からインクが供給されるインク供給流路１０１と、インク回収口にインクを排出するインク排出流路１０２と、インク供給流路と、インク排出流路とを連通し、インクを吐出するノズルを有するインク室１１０と、インク室の振動板１３０を変位させ、インク室内のインクに圧力を加えるアクチュエータと、を備え、ノズル上流側の流路断面における最小開口長さに比べて、ノズル下流側の流路断面における最小開口長さが小さいことを特徴とするインクジェットヘッドを用いる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク導入口からインク供給孔までのインク供給流路と、
インク排出孔からインク回収口までのインク排出流路と、
前記インク供給孔と前記インク排出孔と連通し、インクを吐出する吐出孔を有するインク室と、
前記インク室内の前記インクに圧力を加える圧電素子と、を備え、
前記吐出孔より上流側のインク流路における最小開口長さに比べて、前記吐出孔より下流側のインク流路における最小開口長さが小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記インク排出流路における最小開口長さが、前記吐出孔の最小開口長さに比べて小さいことを特徴とする、
請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記吐出孔は、前記インク供給孔よりも、前記インク排出孔の近傍に配置され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４】
前記インク排出孔は複数ある請求項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】
前記インク室は複数からなり、前記複数のインク室は、前記インク供給流路および前記インク排出流路に対して並列に配置されることを特徴とする、
請求項１から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】
前記インクは、粒子を含む請求項１から５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記インク排出孔の最小開口長さは、前記粒子の直径の２倍以下である請求項６に記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】
前記吐出孔より上流側のインク流路における断面の最小開口長さは、前記吐出孔の最小開口長さの３倍よりも小さい請求項１〜７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】
前記吐出孔より下流側のインク流路における流路断面の最小開口長さは、前記吐出孔の最小開口長さの１０分の１よりも大きく、前記吐出孔の最小開口長さよりも小さい請求項１〜８のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを具備する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、インクジェットヘッド及びそれを具備するインクジェット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドは、入力信号に応じて、任意のタイミングで必要な液量のインクを対象物に向けて塗布することができるヘッドとして知られる。特に圧電（ピエゾ）方式のインクジェットヘッドは、幅広い種類のインクを、高精度に制御しながら塗布することができることから、現在、積極的に開発が行われている。
【０００３】
一般的に、圧電方式のインクジェットヘッドは、インク供給流路と、インク供給流路と連通し、ノズルを有する複数のインク室と、インク室内に充填されたインクに圧力を加える圧電素子とで構成される。そして該圧電素子に駆動電圧を印加することで圧電素子に機械的な歪みを生じさせ、インク室内のインクに圧力を加えることでノズルからインクを吐出する。
【０００４】
例えば、代表的なインクジェットヘッドの構成としては、アクチュエータ（圧電素子）の全面が樹脂膜（インク室の壁面）に設置される構成が知られ、圧電素子の駆動によって、該樹脂膜を押圧し、インク室に充填されたインクを加圧することで、ノズルからインク滴が吐出される技術がある（特許文献１参照）。
【０００５】
また、インク滴の高密度化を狙う発明として、特許文献２に記載のインクジェット記録ヘッドが知られる。該インクジェット記録ヘッドは、圧電アクチュエータによってＳｉ突起部を押圧し、ＳｉＯ２膜部を変位して、キャビティ板で形成されるインク加圧室の容積を変化させることでインクノズルからインクを吐出させる技術である。
また、特許文献３には、ノズルを有するインク室の上流側にインク供給流路を有し、当該インク室の下流側にインク排出流路を備え、インクを循環させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０９６０４２号公報
【特許文献２】特開平３−０１５５５５号公報
【特許文献３】特開２０１１−２１８７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来のインクジェットヘッドでは、以下のような問題を有することになる。
【０００８】
まず、特許文献１および２には、インクジェットヘッドにおいて、インクを循環させるという発想はなく、インクは供給流路からインク室を通じ、ノズルへと供給される構成のみが開示されている。このような構成においては、ノズルから吐出されたインク量分だけ毛細管力によって補充する仕組みとなっているため、インク溶質成分が凝集あるいは沈降したり、インク溶媒成分が蒸発あるいは硬化したりすることでノズルが目詰まりすることがあり、インクジェットヘッドとしては十分な構成ではない。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載の技術は、インク循環流路の断面における最小の開口長さに関して特別な記載はなく、基本的には供給側と排出側で同程度となることを前提としている。このような構成においては、均一に粒子が分散されたインクを均一に吐出させることは可能であるが、インク循環流路を充填するために必要なインク容量分は吐出させることができず、材料ロスが発生する。インクに分散している粒子が比較的高価な材料の場合、
材料コストが高騰するため、好ましい形態ではない。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減を両立させた、インクジェットヘッド及びそれを具備するインクジェット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のインクジェットヘッド及びそれを具備するインクジェット装置は、以下のような特徴を有するものである。
【００１２】
［１］インク導入口からインクが供給されるインク供給流路と、インク回収口にインクを排出するインク排出流路と、前記インク供給流路と、前記インク排出流路とを連通し、インクを吐出するノズルを有するインク室と、前記インク室の振動板を変位させ、前記インク室内のインクに圧力を加えるアクチュエータと、を備え、前記ノズル上流側の流路断面における最小の開口長さに比べて、前記ノズル下流側の流路断面における最小の開口長さが小さいことを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１３】
この構成により、インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減を両立させたインクジェットヘッドを実現することができる。
【００１４】
［２］上記［１］において、前記ノズル下流側の流路断面における最小の開口長さが、前記ノズルの最小開口長さに比べて小さい構成とされると、前記ノズル近傍の前記インク室において、インク含有粒子の濃度を一定以上に高めることができるので、インク含有粒子を廃棄することなく、材料ロスの観点において好適である。
【００１５】
［３］上記［１］または［２］において、前記ノズル位置が前記インク室の下流側に配置されてなると好適である。
［４］上記［１］〜［３］において、前記インク排出孔は複数あると好適である。
【００１６】
［５］上記［１］〜［４］において、前記インク室は複数からなり、前記複数のインク室は、前記インク供給流路および前記インク排出流路に対して並列に配置されてなると好適である。
【００１７】
［６］上記［１］〜［５］において、前記インクは、粒子を含むと好適である。
【００１８】
［７］上記［１］〜［６］において、前記インク排出孔の最小開口長さは、前記粒子の直径の２倍以下であると好適である。
【００１９】
［８］上記［１］〜［７］において、前記ノズルより上流側のインク流路における断面の最小開口長さは、前記ノズルの最小開口長さの３倍よりも小さい構成であると好適である。
【００２０】
［９］上記［１］〜［８］において、前記ノズルより下流側のインク流路における断面の最小開口長さは、前記ノズルの最小開口長さの１０分の１よりも大きく、前記ノズルの最小開口長さよりも小さい構成であると好適である。
【００２１】
［１０］上記［１］〜［９］の何れかに記載のインクジェットヘッドを具備する、インクジェット装置であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、ノズルを有するインク室の上流側にインク供給流路を有し、当該インク室の下流側にインク排出流路を備える構造であることから、インク循環による吐出安定化を実現することができる。さらに、ノズル上流側の流路断面における最小の開口長さに比べて、ノズル下流側の流路断面における最小の開口長さが小さい構造であることから、ノズル近傍においてインク含有粒子の濃度を一定以上に高めることができるので、インク含有粒子を廃棄することなく、材料ロスの低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態１のインクジェットヘッドの斜視図
【図２】実施の形態１のインクジェットヘッドの断面図
【図３】（ａ）実施の形態１のインクジェットヘッドの上面図、（ｂ）〜（ｃ）（ａ）のコーナＡの拡大図
【図４】（ａ）〜（ｂ）実施の形態２および３のインクジェットヘッドの断面図
【図５】（ａ）〜（ｉ）実施の形態１のインク排出孔の断面図
【図６】特許文献３のインクジェットヘッド断面におけるインク含有粒子の分布図
【図７】実施の形態１のインクジェットヘッド断面におけるインク含有粒子の分布図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．本発明のインクジェットヘッドについて：
本発明のインクジェットヘッドは、複数のインク室を有するドロップオンデマンド型の圧電式インクジェットヘッドである。ドロップオンデマンド型のインクジェットヘッドとは、入力信号に応じて、任意のタイミングで必要な液量のインクを対象物に向けて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る。特に圧電（ピエゾ）方式のドロップオンデマンド型インクジェットヘッドは、幅広い種類のインクを、高精度に制御しながら塗布することができるものである。また、本発明は、インク室内をインクが流れるインク循環型のインクジェットヘッドに関するものである。
【００２５】
本発明のインクジェットヘッドは、インク供給流路と、インク排出流路と、複数のインク室と、複数の積層圧電素子とを有する構成である。複数のインク室は、並列に配置され、それぞれのインク室に対応して、振動板を介して圧電素子が配置される。そして、インク循環流路における流路断面の最小の開口長さやノズル配置位置を工夫することにより、インク含有粒子の材料ロスを低減できることを特徴とする。
【００２６】
＜インクジェットヘッドの基本構成＞
以下、インクジェットヘッドの構成部材について説明する。
【００２７】
インク供給流路は、外部からインクが供給されるインク導入口を有し、インク室に供給するインクが流れる流路である。インク供給流路に供給されるインク供給量は、特に限定されず、数μｌ／ｍｉｎであっても、それ以上であってもよい。インク導入口を通してインク供給流路に供給されたインクは、複数のインク室のそれぞれに分配提供される。
【００２８】
インク排出流路は、外部にインクを排出するためのインク回収口を有し、複数のインク室から排出されたインクが流れる流路である。
【００２９】
インク室は、ノズルから吐出させるインクを収容するための空間である。インク室はインク供給流路、および、インク排出流路と連通している。１個のインク供給流路およびインク排出流路に連通するインク室の最大数は、通常１０２４個である。
【００３０】
インク室とインク供給流路とは、インク供給孔によって接続されている。インク室とインク排出流路とは、インク排出孔によって接続されている。したがって、インク室内ではインクがインク供給孔からインク排出孔まで流れる。これにより、インク室内には常に新しいインクが供給される。このように、インク室内に常に新しいインクを供給することで、インク室内のインクのよどみや詰り、気泡の滞留や混入などを防止することができる。インク室内のインクの流量は０．１〜２０μｌ／ｍｉｎであることが好ましい。また、インク室内をインクが流れる方向は、ノズルからインクが吐出される方向（以下、単に「吐出方向」と称す）と同じ（図２参照）であって良いし、インクの吐出方向と略垂直な方向（図４（ａ）参照）であって良い。
【００３１】
インク室は、ノズルを有する。ノズルは、外部と連通し、吐出孔を有する管である。１つのインク室は、１つのノズルを有してもよいし、２以上のノズルを有していても良い。インク室内のインクは、ノズル内部を通り、吐出孔から外部に吐出される。吐出孔の径は、特に限定されず、例えば１０〜１００μｍ程度である。
【００３２】
インク室に収容されるインクの種類は、特に限定されず、製造物の種類によって適宜選択される。例えば、製造物が生体構造物である場合、インク室に収容されるインクの例には、細胞や生体吸収性材料や細胞接着性タンパク質、培養液などを含む粒子分散液が含まれる。上述のように、本発明のインクジェットヘッドは、インク循環流路の流路断面における最小の開口長さやノズル配置位置を工夫することにより、インク含有粒子を廃棄することなく塗布することができる。
【００３３】
圧電素子は、駆動電圧を含む電気制御信号を機械的な動作に変換し、インク室の壁面（振動板）を変位させる作動装置である。圧電素子に電圧を印加することで、圧電素子の高さが増加し、振動板を介してインク室内のインクに圧力が加わる。これにより、ノズルの吐出孔からインクを吐出され得る。
【００３４】
本発明における圧電素子は、薄膜圧電素子であっても、積層圧電素子であってもよいが、積層圧電素子であることが好ましい。薄膜圧電素子は、入力に対する出力応答が速いが、出力が低くなりがちである。そのため、インク供給流路やインク排出流路への吐出力ロスの割合が大きくなりやすい。それ故、インクの種類によっては適切な吐出ができない場合がある。一方、積層圧電素子は、入力に対する出力応答が遅いが、出力を高めやすい。そのため、積層圧電素子は吐出するべきインク室内のインク圧力に影響を受けにくく、安定した吐出を実現し得る。積層圧電素子の高さ（積層方向の長さ）は、特に限定されないが、通常、１００〜１０００μｍである。
【００３５】
積層圧電素子は、ピエゾプレート上にチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）のシートと導電膜とを複数積層して駆動体を作製し、そして駆動体を分割することで作製されればよい。駆動体を分割するには、回転ブレードが組み込まれたダイシング装置を用いればよい。
【００３６】
＜主要構成部材の位置、形状関係＞
以下、本発明のインクジェットヘッドにおける、インク供給流路とインク排出流路とインク室、ノズル、インク室の壁面（振動板）および圧電素子の配置位置について詳述する。
【００３７】
インク循環流路は、インク供給流路からインク供給孔を経由してインク室へと連通し、さらにインク排出孔を経由してインク排出流路へと連通する構成とされてなる。また、インク室には外部と連通するノズルが設けられ、圧電素子はインク室の壁面（振動板）上に設けられる。圧電素子と振動素子は一部で接しても良いし、全部で接触してもよい。本発明のインクジェットヘッドでは、インク供給孔を含むインク供給流路における流路断面の最小の開口長さに比べて、インク排出孔を含むインク排出流路における流路断面の最小の開口長さが小さいことを特徴とする。
【００３８】
このような構成で、インク供給流路とインク排出流路とインク室、ノズル、インク室の壁面（振動板）および圧電素子を配置することで、インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減を両立させることを可能とする。
ここで、流路における流路断面の最小の開口長さとは、流路の開口の断面中で、最も、狭い間隔（長さ）のところを意味する。
【００３９】
２．本発明のインクジェット装置について：
本発明のインクジェット装置は、前述のインクジェットヘッドを具備することを特徴とするが、それ以外は公知のインクジェット装置の部材を適宜有する。例えば、インクジェットヘッドを固定する部材や、インクを塗布する対象物を載置して移動するための移動ステージなどを有する。
【００４０】
インクジェット装置は、インク循環装置（図示せず）を具備する。インク循環装置は、インクに駆動圧力を供給することでインクを循環させる。インクに駆動圧力を供給するには、ポンプを用いてもよいが、圧縮空気を利用して圧力を供給するレギュレータを用いることが好ましい。その理由は、レギュレータを用いることで駆動圧力が一定になり、インクの循環流量が安定するからである。本発明のインクジェット装置では、インクジェットヘッドのインクを、装置作動中に絶えず循環させることが好ましい。
【００４１】
以下、本発明の実施の形態を図面参照して説明するが、本発明はこれらの実施の形態により限定されない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のインクジェットヘッド１００の斜視図である。図１に示されるようにインクジェットヘッド１００は、インク供給流路１０１と、インク排出流路１０２と、複数のインク室１１０とを有する。また、インク供給流路１０１はインク導入口１０３を有する。インク排出流路１０２は、インク回収口１０４を有する。
【００４２】
図２は、図１に示されたインクジェットヘッド１００のＡ線による断面図である。図３（ａ）は、図１に示されたインクジェットヘッド１００のＢ線による断面図（上面図）である。
【００４３】
図２および図３（ａ）に示すように、インク室１１０は、ノズル１１１を有する。インク室１１０は、ノズル１１１の吐出孔１１２から吐出させるインクを収容する。また、インク室１１０は、インク供給孔１０７を介してインク供給流路１０１に連通しており、インク排出孔１０８を介してインク排出流路１０２に連通している。
【００４４】
図２に示すように、インク排出孔１０８は、インク供給孔１０７よりもノズル側に配置されている。また、インク排出孔１０８は、後述する積層圧電素子１１３よりもノズル側に配置されている。このような構成とすることで、インク排出孔１０８とノズル１１１との距離を短く設計することができ、ノズル１１１の近傍におけるインク流れがより円滑に行われることが可能となる。特に図２のように、吐出孔１１２と同じ平面に対してインク排出孔１０８があることが好ましい。
【００４５】
更に、インク供給孔１０７およびインク排出孔１０８は、共にインクの吐出方向Ｘに沿ったインク室１１０の壁面に設けられている。また、インク室１１０内において、インク供給孔１０７が鉛直上方に配置され、インク排出孔１０８が鉛直下方に配置される構成とされるため、インク室１１０内におけるインク流れは鉛直下向きとなる。それ故、インク内の分散粒子成分も滞りなく、ノズル１１１の近傍に供給されることが可能となる。
＜インク循環流路における流路断面の最小の開口長さ＞
ここで、インク供給孔１０７を含むインク供給流路１０１における流路断面の最小の開口長さに比べて、インク排出孔１０８を含むインク排出流路１０２における流路断面の最小の開口長さが小さいことを特徴とする。
【００４６】
なお、最小開口は、通常、インク供給孔１０７、インク排出孔１０８となる場合が多い。
特に限定されないが、インク供給孔１０７を含むインク供給流路１０１における流路断面の最小の開口長さは、円滑なインク循環を実現するため、ノズル１１１の直径よりも大きいことが望ましい。
【００４７】
ノズル１１１が複数ある場合には、ノズルの総面積を円とした場合の直径である。以下同じである。
【００４８】
かつ、インク吐出力の観点から、インク供給孔１０７を含むインク供給流路１０１における流路断面の最小の開口長さは、ノズル１１１の直径の３倍よりも小さいことが好適である。積層圧電素子の変位によるインク室内のインク圧力が、インク供給流路１０１の側へと伝播して損失されることなく、ノズル１１１からのインク吐出エネルギへと効率よく変換できるためである。
【００４９】
３倍以上となると、圧電素子の変位による力が、ノズルより、インク供給流路１０１の側へと伝播されてしまう。
【００５０】
さらに、インク排出孔１０８を含むインク排出流路１０２における流路断面の最小の開口長さは、円滑なインク循環の観点からノズル１１１の直径の１０分の１よりも大きく、インク含有粒子の材料ロスの観点からノズル１１１の直径よりも小さいことが好適である。
【００５１】
例えば、ノズル１１１の直径の１０分の１以下となると、インク含有粒子の濃度によって圧力損失抵抗が大きく変化し、インク循環を安定的に実現することは困難となる。
【００５２】
また、ノズル１１１の直径以上となると、インク含有粒子の大部分はインク排出孔１０８の上流側で留まることなく通過することになり、ノズル１１１近傍のインク含有粒子の濃度を高めることはできなくなる。
【００５３】
また、特に限定されないが、例えば、インク供給孔１０７における流路断面の最小の開口長さは、インク含有粒子の直径の２倍以上であることが好適である。インク含有粒子の弾性率や耐圧特性などの性質に大きく影響を受けるが、インク含有粒子への機械的ダメージが問題となるためである。
【００５４】
一方、インク排出孔１０８における流路断面の最小の開口長さは、インク含有粒子の直径の２倍以下であることが好適である。これは、インク含有粒子の弾性率や耐圧特性だけでなく、凝集しやすさや流路壁面への付着しやすさなど様々な性質に大きく影響を受けるが、インク排出孔１０８におけるインク含有粒子のトラップ率低下が問題となるためである。
【００５５】
＜圧力損失抵抗＞
なお、インク循環安定性の観点から、インク供給孔１０７を含むインク供給流路１０１の圧力損失抵抗に対する、インク排出孔１０８を含むインク排出流路１０２の圧力損失抵抗の比率は、０．５〜１．５程度の範囲内で構成されることが好適である。
【００５６】
なお、通常、流路の圧力損失抵抗は、インク供給孔１０７、インク排出孔１０８の開口面積および長さが最も支配的で決まる場合が多い。しかし、インク室１１０を含む、インク導入口１０３からインク回収口１０４までのインク循環流路が長い、細い、複雑に折れ曲がっていると、その影響も受ける。
【００５７】
例えば、インク排出孔１０８を含むインク排出流路１０２における流路断面の最小の開口長さが比較的小さく、かつ最小開口部が長く、折れ曲がり流路構造で構成されると、インク循環流路内でのインク流れが円滑に行われず、よどみ箇所が生じるため、インク内の分散粒子成分が付着したり、凝集したり、沈降したりするリスクが増大するためである。
【００５８】
特に、凝集あるいは沈降しやすく分散が比較的不安定な粒子含有インクの場合は、インク循環流路におけるインク流れをより円滑に行う必要があるため、インク供給孔１０７およびインク排出孔１０８などの最小開口部のインク流れ方向の長さは短く、折れ曲がりや断面形状の変化が少ない構成とされることが好適である。
【００５９】
また、図２および図３（ａ）に示すように、インクジェットヘッド１００は、インクの吐出方向Ｘに沿ったインク室１１０の壁面１３０（以下、これを「振動板１３０」と称す）を変位させる積層圧電素子（ピエゾ素子）１１３を有する。積層圧電素子１１３は、インク室１１０の外側に配置され、振動板１３０に設けられたアイランド部１０５を介して設けられている。アイランド部１０５は、ノズル１１１を跨ぐように配置され、振動板１３０および積層圧電素子１１３と別部材であっても良いし、いずれかと同じ部材であっても良い。
【００６０】
＜動作＞
次に、図２および図３を参照し、実施の形態１のインクジェットヘッド１００の動作について説明する。
【００６１】
まず、インクタンク（図示せず）からインク供給流路１０１にインクを供給する。インクタンクは圧力調節機構（図示せず）を有することが好ましい。インクタンクが圧力調節機構を有することで、インクタンク内のインクが消費され、インクタンク内のインク液面が下がっても、インクタンクからインク供給流路１０１にインクを一定の圧力で供給することができる。圧力調節機構は、インクタンクの高さを調節し、インク液面の高さを一定にすることで、供給されるインクの圧力を一定にしてもよい。
【００６２】
インク供給流路１０１に供給されたインクは、インク供給孔１０７を通ってインク室１１０に供給される。インク室１１０に供給されたインクは、更にインク排出孔１０８を通ってインク排出流路１０２に排出される。このため、インク室１１０内をインクが流れる。これにより、インク室１１０内には常に新しいインクが供給される。
【００６３】
なお、本実施の形態のインク供給流路１０１において、インク供給流路１０１の最下流部（図３におけるコーナ部Ａ）は、図３（ｂ）のように、テーパー形状、あるいは、図３（ｃ）のように曲面形状であると好適である。その理由は、インク供給流路１０１からインク室１１０にインクが流れる際、インク供給流路１０１のコーナ部でインクや気泡が滞留する可能性があるためである。図示はしないものの、同様な考えにより、インク排出流路１０２の最上流部（図３におけるコーナ部Ｂ）においても、テーパー形状、或いは、曲面形状を施す工夫があるとインク流れの観点から好ましい。
【００６４】
また、上述のように、インク排出孔１０８は、インク供給孔１０７よりもノズル側に設けられている。また、インク室１１０内をインクが流れる方向は、インクがノズル１１１から吐出される方向Ｘ（吐出方向Ｘ）と同じである。このため、インク室１１０内のインクには予め吐出方向Ｘと同じ方向の力が作用している。
【００６５】
次に、積層圧電素子１１３に駆動電圧を加える。これにより、積層圧電素子１１３の高さが増加し、インク室１１０の容量が縮小し、インク室１１０内のインクに圧力が加わる。
【００６６】
本実施の形態では、積層圧電素子１１３は、インク室１１０の外側に配置されており、アイランド部１０５を介して、振動板１３０を変形させる。これにより、インク室１１０の圧力を変化させる。この発生圧力を流路構造に沿って伝播させることによって、図２に示されたインクの吐出方向Ｘと同じ方向の力が発生する。また、上述のように、インク室１１０内のインクには、インクが流れることによって、予め吐出方向Ｘと同じ方向の力が作用している。このため、インク室１１０内のインクは、インクに予め作用している方向の力と、積層圧電素子１１３が駆動することによって生じた力とが合成した力によって吐出される。
【００６７】
このように、本実施の形態によれば、積層圧電素子１１３を駆動することによって生じた力以外に、インクがインク室１１０内を流れることによって予めインクに作用している力をインクの吐出力として利用できるので、インクを循環させながら安定的に吐出させることができる。
【００６８】
また、前述の通り、本実施の形態におけるインク流路は、ノズル上流側の流路断面（ノズル１１１より上流側のインク循環流路の断面）における最小の開口長さに比べて、ノズル下流側の流路断面（ノズル１１１より下流側のインク循環流路の断面）における最小の開口長さが小さい構成とされる。
【００６９】
この例では、ノズル下流側で流路断面が小さいのは、インク排出孔１０８である。インク排出孔１０８の断面形状は、例えば、図５（ａ）に示すような四角形や、図５（ｂ）に示すような円形であっても良く、その他にも図５（ｃ）〜図５（ｄ）に示すような三角形や星形であっても良い。さらに、図５（ｅ）〜図５（ｆ）に示すように複数の開口を有しても良い。このような構成にすることにより、インク材料ロスを低減できるメカニズムについて以下に説明する。
【００７０】
図６は、特許文献３に記載の技術における、インク循環流路内のインク含有粒子１４０の分布状態を示すものである。ノズル上流側と下流側の流路断面における最小の開口長さが同程度となる構成であるため、インク循環流路全体において、均一に粒子分散したインクが滞りなく流れるため、粒子濃度は均一となっている。
【００７１】
このような場合、インクタンク内のインク残量がなくなって、インク吐出ができない状況下でも、インク循環流路内には多量のインクと含有粒子が残っており、廃棄せざるを得なくなる。それ故、特許文献３のようなインクジェットヘッドでは、インク材料ロスが大きくなる。
【００７２】
一方、図７は、本実施の形態における、インク循環流路内のインク含有粒子１４０の分布状態を示すものである。前述の通り、本実施の形態におけるインク流路は、ノズル上流側の流路断面における最小の開口長さに比べて、ノズル下流側の流路断面における最小の開口長さが小さい構成とされる。そのため、インク溶媒成分はインク排出側の流路断面が小さな部位でも通過することができる一方で、インク含有粒子１４０は、インク排出側の流路断面が小さな部位を通過することができず、インク室１１０内のノズル１１１近傍に留まることとなる。
【００７３】
なお、図５（ｅ）〜図５（ｆ）は、インク排出孔１０８において、同じ形状サイズの複数の開口形状を示すものであるが、形状およびサイズ、開口率のいずれかが異なるような構成であっても構わない。特に、限定されないが、例えば、図５（ｇ）に示すように、インク室１１０内におけるインク流れの上流側と下流側の開口形状が異なる構成としても良い。また、図５（ｈ）に示すように、インク室１１０内におけるインク流れの上流側の開口長さが下流側の開口長さに比べて大きくなる構成としても良い。さらに、図５（ｉ）に示すように、インク室１１０内におけるインク流れの上流側の開口率が下流側の開口率に比べて大きくなる構成としても良い。
【００７４】
上述のような構成とすれば、インク含有粒子に比べて比重の小さな溶媒成分の流れを妨げることなく、インク室１１０内におけるインク流れの最下流近くに配置されるノズル１１１近傍に、より多くのインク含有粒子を供給することができ、インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減の両立を、より効率的に実現させることが可能となるので好適である。
【００７５】
インク循環を継続することによって、上述の現象が繰り返され、ノズル１１１近傍で粒子濃度を上げることができる。また、インク含有粒子１４０はインク循環や吐出動作によって攪拌されるため、凝集や沈降などの恐れもない。したがって、インク含有粒子１４０がなくなるまで、高濃度インクでの吐出ができるため、インク構成成分の中でも最も高価であるインク含有粒子１４０の廃棄ロスを低減することが可能となる。
【００７６】
なお、ノズル下流側の流路断面における最小の開口長さが、ノズル１１１の直径に比べて小さい場合が、特に、インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減の両立をより効果的に実現させることができる。この考えは、後述する実施の形態についても同様に効果を有する。
【００７７】
（実施の形態２）
実施の形態２として、図４（ａ）に示すようなインクジェットヘッドもあり得る。つまり、実施の形態１のインクジェットヘッド１００は、インク室１１０において、インクが流れる方向にノズル１１１が形成される形態であるが、実施の形態２として、ノズル１１１が、インク供給孔１０７からインク排出孔１０８に向かって流れるインクと、略垂直な方向のノズルプレート１２０に形成される形態もあり得る。
【００７８】
前述の実施の形態１は、積層圧電素子１１３が駆動することによりインク室１１０内のインクをノズル１１１（または、吐出孔１１２）の方向に押し出す力と、インク供給孔１０７からインク排出孔１０８に向かってインクが流れる力と、が重なって、ノズル１１１からインクを強い吐出力で押し出すことができるものである。これに対して、本実施例の場合には、インク室１１０のインクは、積層圧電素子１１３が駆動することによりインク室１１０内のインクをノズル１１１の方向に押し出す力と略垂直方向の流れである。
【００７９】
本実施例のインクジェットヘッド１００の場合、上述の実施の形態１とは異なり、インク室１１０の上流部において、ノズル１１１の方向にインクの流れを作る構造（図２では、インク供給孔１０７からインク室１１０にインクを供給する際、略直角にインクの流れを変える構造）が不必要であることから、積層圧電素子１１３とノズル１１１（または、吐出孔１１２）との距離を短く設計することができる。そのため、本実施例の場合、積層圧電素子１１３の駆動によりインク室１１０内のインクをノズル１１１から押し出す力は、前述の実施の形態１よりも強くなる。その結果、本実施例のインクジェットヘッド１００は、前述の実施の形態１と同程度のインク吐出力を実現することが可能となる。
【００８０】
（実施の形態３）
実施の形態３として、図４（ｂ）に示すようなインクジェットヘッド１００もあり得る。つまり、実施の形態１のインクジェットヘッドと同様に、インク室１１０において、インクが流れる方向にノズル１１１が形成される形態である。また、インク室内におけるインク流れ方向が鉛直下向きであるため、インク含有粒子は滞りにくく、ノズル１１１近傍により安定的に供給されることが可能である。
【００８１】
前述の実施の形態１は、積層圧電素子１１３が駆動することによりインク室１１０内のインクをノズル１１１（または、吐出孔１１２）の方向に押し出す力と、インク供給孔１０７からインク排出孔１０８に向かってインクが流れる力と、が重なって、ノズル１１１からインクを強い吐出力で押し出すことができるものである。これに対して、本実施例の場合には、インク室１１０のインクは、積層圧電素子１１３が駆動することによりインク室１１０内のインクをノズル１１１の方向に押し出す力と略垂直方向の流れである。
【００８２】
本実施例のインクジェットヘッド１００の場合、上述の実施の形態１とは異なり、積層圧電素子１１３とノズル１１１（又は、吐出孔１１２）との距離を短く設計することができる。そのため、本実施例の場合、積層圧電素子１１３の駆動によりインク室１１０内のインクをノズル１１１から押し出す力は、前述の実施の形態１よりも強くなる。その結果、本実施例のインクジェットヘッド１００は、前述の実施の形態１と同程度のインク吐出力を実現することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明のインクジェットヘッドおよびインクジェット装置では、インク循環による吐出安定性と、インク材料ロス低減の両立を実現させることが可能となった。そのため、例えば生体構造物の製造において、細胞や生体吸収性材料や細胞接着性タンパク質、培養液などを含む粒子分散インク材料を塗布形成するためのインクジェットヘッドおよびインクジェット装置として好ましく用いられる。
【符号の説明】
【００８４】
１００  インクジェットヘッド
１０１  インク供給流路
１０２  インク排出流路
１０３  インク導入口
１０４  インク回収口
１０５  アイランド部
１０７  インク供給孔
１０８  インク排出孔
１１０  インク室
１１１  ノズル
１１２  吐出孔
１１３  積層圧電素子
１２０  ノズルプレート
１３０  振動板
１４０  インク含有粒子
【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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