JP2005270743A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 解体が容易で且つノズル内面を効率的に洗浄できるインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】 インクを吐出する複数のノズル孔が開口された第１ノズルプレートと、インクを吸引する吸引機構と液滴を噴出する噴出機構を兼ね備えたインク室溝と、インク室溝にインクを供給するインク流路溝が開口された第２ノズルプレートと、インク室溝の容積を可変させるダイヤフラム板と、ダイヤフラム板が載置されると共に圧電素子が挿入される圧電素子挿入穴を備えたベース部材と、圧電素子挿入穴に挿入される圧電素子を含む圧電素子部材とが順次積重されてなるインクジェットヘッドであって、ノズル孔は第１のノズルプレート面に対して垂直な貫通口であり、インク室溝は前記第２のノズルプレート面に対して垂直な貫通口であり、更にインク流路溝は、インク室溝に連通しつつ第２のノズルプレートのダイヤフラム板との接触面側に開設された溝であることとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板の表面に溶液を噴射塗布するインクジェット塗布装置のインクジェットヘッドに関し、特に、解体が容易で且つ洗浄効率を向上させることができるインクジェットヘッドに関する。

近年、液晶カラーフィルタや有機ＥＬ発光層を形成する方法として、平面基板上に溶液を微小量ずつパターン塗布するインクジェット塗布方式が適用されている。

このような工業分野に利用されるインクジェット塗布装置において、具備されるインクジェットヘッド１００の構成は図５に示す通りである。

図５に示すようにインクジェットヘッド１００は、多数のノズル孔１０２が開口されたノズルプレート１０１と、インクを吸引する吸引口と液滴を噴出する噴出口の両機能を備えたインク室溝１０４と、このインク室溝１０４が開口されたノズルプレート１０３と、インク室溝１０４の圧力を変化させるダイヤフラム板１０６と、このダイヤフラム板１０６が貼着されると共に圧電素子を挿入させる圧電素子挿入穴１０８が開口されたベース部材１０９と、この圧電素子挿入穴１０８に挿入配置される圧電素子１１１を備える圧電素子部材１１０とで構成され、これら部材が順次積重されている。

ここでノズルプレート１０３には、インク室溝１０４に連通して開口されるインク流路溝１０５が設けられ、ダイヤフラム板１０６及びベース部材１０９にはこのインク流路溝１０５にインクを注入するためのインク供給口１０７が開口されている。

このような上記構成を有するインクジェットヘッド１００は、圧電素子１１１に電圧を印加することによりダイアフラム板１０６を変形させることができる。このとき圧力変動量に応じてインク室溝１０４の容積が変化するので、これを利用してインク流路溝１０５からインク室溝１０４にインクを吸引し、ノズル孔１０２からインクを吐出させる。

また、このようなインクジェットヘッド１００は、印刷用プリンタやインク溶液のパターン塗布に用いられるため、ノズル孔１０２の間隔（ピッチＰ）をできるだけ小さくすることが高精細な塗布を実現するひとつの手段となっている。ノズル孔１０２の間隔（ピッチＰ）を小さくする方法としては、板状の圧電素子をできるだけ狭い間隔のスリット状に加工し、インク室溝１０４との隣接ピッチを小さく加工することが必要である。このためインク室溝１０４とインク流路溝１０５の形成には半導体などの加工に用いられるエッチング技術が利用されている。

それでも隣り合うインク室溝１０４の間には仕切り壁が必要であり、また圧電素子１１１によりインク室溝１０４に作用する圧力変動を隣接のインク室溝１０４に伝えないだけの剛性も必要であることから、ある程度の厚みが必要である。

従って、ノズル孔１０２の間隔（ピッチＰ）を近づけるにも限界があることが分かる。そこで通常は、図５に示したように圧電素子１１１の列を２列用意し、それぞれの圧電素子列に対応するノズル孔１０２の列を、図６に示すようにお互いのノズル孔１０２がノズル孔１０２間の中間に位置するように構成したノズルプレートを用いる。これにより塗布対象物（用紙など）をノズル面に垂直且つノズル列に直角に移動させた状態でノズル孔１０２から液を吐出させて、１列ノズルの１／２のピッチで液滴を塗布することができる。これは１列ノズルのピッチを１／２にするのに匹敵する。ただし、２列ノズルの列間隔分の位置ズレが発生するため、インク溶液は吐出タイミングをその分遅らせる制御が必要である。

ノズル列を２列、或いはそれ以上にして塗布対象物の送り方向に直角に配置することは、液滴の密度を上げるのに有効な方法である。また対象物の送り速度を遅くすることも有効な方法である。塗布時間が長くても良い場合には、インクジェットヘッド１００の位置を僅かずつ移動させることで、ノズル孔１０２間のピッチ以上に細かな間隔で塗布を行うこともできる。

塗布対象物が用紙などの場合は、インクジェットヘッド１００のノズル孔１０２の位置と吐出タイミング基準で作業を行うことができるが、塗布対象物の座標系基準で液滴を目標位置に塗布する用途の場合は、対象物の送り速度で液滴の吐出タイミングを計算することで対応できる（Ｘ方向）。

しかしこれと直角な方向（Ｙ方向）については、ノズルピッチを変更できないためインクジェットヘッド１００を傾けて使用するのが一般的である。例えば図７に示すように、ノズル列の長手方向を対象物送り方向に対して直角に設定するのではなく、傾斜させることで塗布ピッチを調整することができる。ただしこの方法はＸ方向にもノズル位置がずれるため、吐出タイミングを高精度に制御する必要がある点と、ノズル列は１列に制限される点に注意する必要がある。インクジェットヘッド１００を傾斜させた場合、２列のノズル孔１０２があっても傾斜後のノズル位置をＹ方向に丁度良い位置に合わせることができないためである。

以上より、多数のノズル孔１０２を有するインクジェットヘッド１００では、ノズル孔１０２はできるだけピッチを狭くして１列配置にすることが望ましい。そこで図８及び図９に示すように、２列のノズル列を内部のインク流路溝１０５で１列に合わせる工夫が図られている。このようにすることで２列ノズルよりも細かく、且つ傾斜で等間隔ｄを自由に設定できる１列ノズルを提供することができる。
特許第３３８９９８７号公報

図８に示した従来の２列ノズルの１列化構造は、塗布対象物に対する液滴塗布間隔を等間隔となるように自由に設定し、効率的（スキャン回数を少なくする）に液滴塗布することができるという利点を有している。しかしその反面、流路内部の構造が直線的ではないため、流路内部に残留した泡や固化したインク凝固物の除去が困難であるという問題がある。

特に、インク凝固物を除去する場合は超音波洗浄が有効であるが、インク流路溝１０５が直線的な構造でないため、付着物が付き易いノズル孔１０２の周辺に超音波を直接照射することができないという問題がある。超音波は、遮蔽されると陰の部分の洗浄能力が低下するため、このような形状のノズルでは、インク凝固物を溶解する液（有機溶剤など）を用いた流水洗浄に頼らざるを得ない状況である。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、解体が容易で且つノズル内面を効率的に洗浄できるインクジェットヘッドを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１記載の本発明は、インクを吐出する複数のノズル孔が開口された第１のノズルプレートと、インクを吸引する吸引機構と液滴を噴出する噴出機構を兼ね備えたインク室溝と、該インク室溝にインクを供給するインク流路溝が開口された第２のノズルプレートと、前記インク室溝の容積を可変させるダイヤフラム板と、該ダイヤフラム板が載置されると共に圧電素子が挿入される圧電素子挿入穴を備えたベース部材と、 前記圧電素子挿入穴に挿入される圧電素子を含む圧電素子部材とが順次積重されてなるインクジェットヘッドであって、前記ノズル孔は、前記第１のノズルプレート面に対して垂直な貫通口であり、前記インク室溝は、前記第２のノズルプレート面に対して垂直な貫通口であり、更に前記インク流路溝は、前記インク室溝に連通しつつ第２のノズルプレートのダイヤフラム板との接触面側に開設された溝であることを要旨とする。

本発明は、各部材が分解可能に構成されているため、分解後の各部材を個別に洗浄することができ、特に、最も凝固物が付着し易く繊維クズのような塵が詰まりやすいノズルプレートを直接超音波洗浄することが可能になる。

請求項２に記載された本発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、第１のノズルプレートのノズル孔を含むノズル周辺部は、この第１のノズルプレートから取り外し可能であることを要旨とする。

本発明によれば、１列形式のノズル孔の構造を形成する流路を複数の部材に分割することで部材の洗浄性能を向上することができる。

請求項３に記載された本発明は、請求項１又は２記載のインクジェットヘッドにおいて、第１のノズルプレートの周縁部には組立締結用ネジ孔を挿通させる貫通口が開口され、第２のノズルプレートの周縁部には前記ネジ孔と連通する位置に貫通口が開口され、ベース部材には突設部が設けられ、この突設部には前記ネジ孔と連通するように雌ネジが開口されていることを要旨とする。

本発明によれば、各部材の分解組立にネジを使用しているので、容易で且つ確実に各部材を分解・組み立てすることができる。

請求項４に記載された本発明は、請求項１又は２記載のインクジェットヘッドにおいて、インク室溝の内壁面は、金属又はセラミックからなることを要旨とする。

本発明によれば、インク室溝の内壁面を金属又はセラミックにすることで、ダイヤフラムの変形によるエネルギーを塗布対象物に効率的に伝えることができる。

請求項５に記載された本発明は、請求項１又は２記載のインクジェットヘッドにおいて、分割面をノズル列の端面が作る平面に平行な平面とすることを要旨とする。

本発明によれば、分割した面の誤差による隙間の発生をおきにくくすることで、ダイヤフラムで発生させたエネルギーのロスを防止することができる。

本発明は、各部材が分解可能に構成されているため、分解後の各部材を個別に洗浄することができ、特に、最も凝固物が付着し易く繊維クズのような塵が詰まりやすいノズルプレートを直接超音波洗浄することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第1の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構造斜視図である。

このインクジェットヘッド１は、多数のノズル孔２が一列に開口されたノズルプレート３と、インクを吸引する吸引口と液滴を噴出する噴出口の両機能を備えたインク室溝５が開口されたインク室プレート６と、インク室溝５の圧力を変化させるダイヤフラム板８と、このダイヤフラム板８が接触配置されると共に圧電素子を挿入させる圧電素子挿入穴１１が開口されたベース部材９と、この圧電素子挿入穴１１に挿入配置される圧電素子１３を備える圧電素子部材１２とで構成され、これら部材が順次積重されている。

ここで、インクを吐出するノズル孔２が１列等間隔で開口されているノズルプレート３は、周縁部に固定ネジ用の座グリ加工を施したネジ孔４ａが開口されている。1列のノズル孔２の裏面側には、隣り合うノズル孔について異なる延設方向となるようにインク室溝５が開口加工されている。このノズルプレート３に合わせるインク室プレート６には、インク流路溝７が開口されており、ダイヤフラム板８とベース部材９を貫通してインク流路溝７に連通するように配置される図示していないインク流路からインクが供給される構造になっている。

インク室プレート６のインク流路溝７は、ノズルプレート３のインク室溝５に対向した位置にインク室プレート６のインク室溝５が板材を貫通して加工成形されている。インク室プレート６の周縁部には、ノズルプレート３のネジ孔４ａに対応した位置にネジ用の貫通孔４ｂが開口されている。ノズルプレート３及びインク室プレート６は、金属部材又はセラミック部材を加工又は焼結形成したものであり、合わせ面は平面研磨後にバフ仕上げ等を施すことにより表面粗さが小さくなるように仕上げられている。ノズルプレート３の裏面側も同様に表面粗さが小さくなるように仕上げられている。

インク室プレート６の下部には、弾性体シート材料からなるダイヤフラム板８を挟んでベース部材９が配置されている。固定ネジ１０により、先に示したインク室プレート６及びダイヤフラム板８を挟んでベース部材９にノズルプレート３が固定されている。ベース部材９面とダイヤフラム板８とは固定ネジ１０の他、接着剤で固定するようにしても良い。

ベース部材９には、先のインク室プレート６の貫通孔４ｂに対応した位置に配置された圧電素子部材列を挿入するための圧電素子挿入穴１１が２列開口されている。圧電素子列は、インク室プレート６の流路同様に、各圧電素子１３の中心を丁度半ピッチだけずらした位置でレイアウトされており、その先端がダイヤフラム板８面に接触するように配置されている。またベース部材９には、突設部１４が設けられており、この突設部１４には、インク室プレート６のネジ穴４ｂに対応する位置に雌ネジ１５が開口されている。これにより固定ネジ１０は、ネジ孔４ａ、４ｂ、を挿通して雌ネジ１５で固定される。

圧電素子１３には、図示していないが各圧電素子１３に給電する配線が接続され、圧電素子の先端部はダイヤフラム板８面に接着固定されている。これにより圧電素子１３に電圧を印加することでダイヤフラム板８面を押し引きする。

図２は、図１に示した各部材を組み立てた場合のＡ−Ａ断面である。図２に示すように圧電素子１３はダイヤフラム板８を挟んで、ノズルプレート３とインク室プレート６により形成される空間である、即ちインク室溝５の壁を形成している。

ノズルプレート３の上面には薄いオリフィスプレート１６が接着固定されている。このオリフィスプレート１６にはノズル孔２に対応する位置に孔が開口されている。ネジ孔（固定ネジ用座グリともいう）４ａは、オリフィスプレート１６とノズルプレート３の一部で構成されている。両プレートの接合面１８は、接着又は拡散接合などにより一体形成されている。

ノズルプレート３とインク室プレート６、又インク室プレート６とダイヤフラム板８は、表面粗さの小さく平滑な平面で形成されているため、対向する域については全面的に密着されており、隙間がほぼ存在しない状態に維持されている。これらを一体に固定ネジ１０で締結することによりインクジェットヘッド１が構成されている。

また、このときノズルプレート３とインク室プレート６の分割面（即ち、接合面）は、ノズル列を含む端面と平行な平面を有するものとする。このように構成にすることでノズル孔の端面に対する深さが均一化されるのでインクの液滴量を均一化させることができる。

また、複数のインクジェットヘッドがインク塗布装置に配備された場合に、各インクジェットヘッドと紙面までの距離を等間隔に保持する制御が必要となるが、インクジェットヘッドを高精度に制御することは非常に難しい。しかし、上記構成を有する分割面を備えるようにすることで、高精度制御を行うことなく常に一定の液滴量を吐出させることができる。

上記構成を有するインクジェットヘッド１の動作を次に説明する。

図２に示すように、圧電素子１３に電圧を印加して圧電素子１３を変形させ、インク室溝５の容積を拡大すると、インク室溝５に狭い隙間を介して接続されているインク流路溝７内からインクが吸引される。インクは図示しないインクジェットヘッド外部のインク供給タンクから配管内を通してインク流路溝７に補充される。このような構成にすることでインク供給タンクの圧力低下が回復する。

次に、圧電素子１３を前工程とは逆方向に変形させてインク室溝５の容積を縮小させる。この収縮動作を急速に行うことで、インクは流路抵抗の大きな溝部１９を通してインク流路に戻るよりもオリフィスプレート１６に開口されたノズル孔からインクジェットヘッド外に液滴として噴射される。圧電素子を元の状態に戻すことでインク室溝５の液は元の状態に戻る。

このようにして形成したインクジェットヘッド１は、吐出する液により吐出の状態が変化する。また吐出液も有機溶剤を基材にした液などは乾燥し易く、ノズル先端部で固化した付着物を形成することがある。このようにインクジェットヘッド１は、吐出液によっては、頻繁に付着物除去を行う必要があることや、洗浄を行う必要がある場合がある。

そこで本発明のインクジェットヘッド１は、洗浄を行う場合に、図３に示すように固定ネジ１０を外すことでノズルプレート３とインク室プレート６及び圧電素子１３とダイヤフラム板８を固定したベース部材９に分解することができる。

特に、ノズルプレート３及びインク室プレート６に開口されたネジ孔４ａ、４ｂ、４ｃは全て合わせ面に垂直に加工されているため、超音波洗浄やMHｚ洗浄を行う場合、超音波を直接何れの部分にも照射することができる。

このためインク流路溝が閉じた従来のノズル構造では、インク流路溝内の壁面に付着したままになり易いインク固形物を本発明の構成にすることで除去し易くなり、更には目視或いは顕微鏡で確認することができる。これにより洗浄効率の向上に寄与することができる。

特に超音波洗浄は、キャビテーションによる部材面が損傷を受ける可能性があるため、必要十分な最低限の時間とパワーで処理することが必要であり、その方がより効果的である。

また、ノズル孔内面のように、吐出側からは逆テーパ形状になっているため見通せないが、本発明の構造を適用することで、準テーパ（先に行くほど狭くなる）で内面を見通すことができる。そのため各部材内面の付着物の確認を確実に実施することができる。尚、ここで「見通す」とは、インクと接触する流路の内壁面について、視点をその壁面にて閉じた空間（即ちインク室溝５、インク流路溝７の内部を指す。）の外側の任意位置に置いたとき、死角となる領域が存在しない状態を意味する。

つまり具体的には、従来は、図２のノズルプレート３とインク室プレート６が接着固定されていたことによりノズル孔２、インク室溝５及びインク流路溝７が１本の連続した連通穴として存在していたが、本発明のようにネジ止め構成にすることにより、ノズルプレート３とインク室プレート６が分解できるようになるので、連通穴を複数個に分解することができる。これにより従来矩形状に曲がっていた連通穴の曲折部分（死角）をなくし、分解後の穴をプレート面に対して垂直に開口させるか、若しくは曲折部分の底面が開放されるように構成することができる。その結果、インク固形物が付着し易い、例えば図２中の領域Ａ部分の底面を開放させることができるので、超音波洗浄によりインク固形物を完全に除去することができるようになる。

次に、上記構成を有するインクジェットヘッド１の吐出評価を以下に示す。

本吐出評価において評価に使用したインクジェットヘッドは、３２孔×２列のインク室を１列孔配置させるノズルプレートを備えている。インク吐出評価としては、インクジェットヘッドの片側３２個のノズル孔からインクを吐出させ、その着弾位置ズレ量と着弾径のバラツキを測定する方法で行った。ここで片側３２個のノズル孔のみ使用するのは、プレートを分割構成としているため、隣接するインク室の影響を最も大きくさせるためである。この片側３２個のノズル孔からインクを測定用の測定プレートに吐出させ、着弾位置と目標位置とのズレを測定し、またその着弾直径も測定した。着弾直径は、インク吐出量に相関するデータであり、吐出量のバラツキを測定することができる。

上記測定の結果、各ノズル孔の着弾バラツキは、ノズル孔間隔の平均２．５％程度であり、最大でも３．５％であった。また、全ノズル孔の着弾直径の平均値に対する各ノズルの平均着弾直径の差も最大で３％以内であった。この結果からノズル孔毎の差も分割による影響は無いものと判断できる。

以上の測定結果から、インク室を２つの部品に分解可能としたノズル構造としても、インクジェット吐出特性に影響がないことを確認した。
次に、図４を参照して本発明の第２の実施の形態に係るインクジェットヘッドについて説明する。図４は、インクジェットヘッドを分解した断面図である。インク室溝５やインク流路溝７の構造は、図１及び図２に示した第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、固定ネジ１０を用いて固定する枠を別部材として構成している点にある。

即ち、インク室溝５とインク流路溝７を形成するインク室プレート６とノズルプレート３及びダイヤフラム板８、ベース部材９に関しては、圧電素子１３の圧力のインク液への伝達を行うため、部材間の隙間をできるだけ低減する必要がある。しかし、ネジ固定部分についてはこの条件は必ずしも必要ではないため、別部材（押さえ板）にすることで、ネジ座グリ部の深さの制限を緩和することを可能になる。

以上、本発明の一実施の形態について述べたが、本発明はこれ以外にも種々変形可能である。以下、それについて述べる。

本実施の形態においては、オリフィスプレート１６とノズルプレート材は共にステンレス部材を使用しているが、例えばタングステン、ニッケルメッキ等の異種金属を用いることも可能である。また例えばポリイミド系の樹脂部材を使用することも可能である。

オリフィスプレート１６の接合には、拡散接合を用いたが、接着によることも可能である。特に、接着を用いる場合には、接着剤のはみ出しをノズル孔２の内面から確認することができ、ノズル空間が適切に形成されているかを確認することができる。更に積極的にはみ出した接着剤を除去することも可能である。

更に実施の形態においては、２列の圧電素子部材１２を１列のノズル孔２に構成する部材形状について説明しているが、ノズルプレート部材をもう一枚追加することで、３〜４列の圧電素子列を１列のノズル列にすることも可能である。

本発明の第一の実施の形態に係わるインクジェットヘッドの構成を示す図である。 本発明の第一の実施の形態に係わるヘッドの断面の構成を示す図である。 本発明の第一の実施の形態に係わるヘッド断面の分解時の構成を示す図である。 本発明の第二の実施の形態に係わるヘッド断面構成を示す図である。 従来のインクジェットヘッドの構成を示す図である。 従来の2列ノズルのノズル列配置例を示す図である。 インクジェットヘッド傾斜による吐出ピッチの変更例を示す図である。 1列ノズル構成によるノズル傾斜による吐出ピッチの変更事例である。 従来のノズルプレートの構成を示す図である。

符号の説明

１…インクジェットヘッド、２…ノズル孔、３…ノズルプレート、４ａ…ネジ孔（固定ネジ用座グリ）、４ｂ…貫通孔、５…インク室溝、６…インク室プレート、７…インク流路溝、８…ダイヤフラム板、９…ベース部材、１０…固定ネジ、１１…圧電素子、１１…圧電素子挿入穴、１２…圧電素子部材、１３…圧電素子、１６…オリフィスプレート、１８…接合面、１９…溝部、１００…インクジェットヘッド、１０１…ノズルプレート、１０２…ノズル孔、１０３…ノズルプレート、１０４…インク室溝、１０５…インク流路溝、１０６…ダイヤフラム板、１０７…インク供給口、１０８…圧電素子挿入穴、１０９…ベース部材、１１０…圧電素子部材、１１１…圧電素子

Claims (5)

1. インクを吐出する複数のノズル孔が開口された第１のノズルプレートと、
   インクを吸引する吸引機構と液滴を噴出する噴出機構を兼ね備えたインク室溝と、該インク室溝にインクを供給するインク流路溝が開口された第２のノズルプレートと、
   前記インク室溝の容積を可変させるダイヤフラム板と、
   該ダイヤフラム板が載置されると共に圧電素子が挿入される圧電素子挿入穴を備えたベース部材と、
   前記圧電素子挿入穴に挿入される圧電素子を含む圧電素子部材とが順次積重されてなるインクジェットヘッドであって、
   前記ノズル孔は、前記第１のノズルプレート面に対して垂直な貫通口であり、前記インク室溝は、前記第２のノズルプレート面に対して垂直な貫通口であり、更に前記インク流路溝は、前記インク室溝に連通しつつ第２のノズルプレートのダイヤフラム板との接触面側に開設された溝であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記第１のノズルプレートの前記ノズル孔を含むノズル周辺部は、該第１のノズルプレートに着脱可能な着脱機構を有する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。
3. 前記第１のノズルプレートの周縁部には、組立締結用ネジ孔を挿通させる貫通口が開口され、前記第２のノズルプレートの周縁部には、前記ネジ孔と連通するように貫通口が開口され、前記ベース部材には突設部が設けられ該突設部には雌ネジが開口されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記インク室溝の内壁面は、金属又はセラミックからなることを特徴とする請求項１乃至３に記載のインクジェットヘッド。
5. 分割面をノズル列の端面が作る平面に平行な平面とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。

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