吐出装置
【課題】微粒子が分散した状態を維持し難い吐出物であっても、安定してノズルから出力できる吐出装置を提供する。
【解決手段】吐出装置１は、液状の吐出物２をワーク１０に向けて吐出し、ワーク１０にドットを形成するノズル３を備えた吐出用ヘッド５と、吐出物２を貯蔵する容器４を装着した装着部６と、装着された容器４から吐出用ヘッド５へ吐出物２を供給する供給路７と、容器４内の吐出物２を攪拌する攪拌手段とを有し、容器４は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、攪拌手段は容器４を通して磁力を加えて、攪拌部材を駆動する。
【解決手段】吐出装置１は、液状の吐出物２をワーク１０に向けて吐出し、ワーク１０にドットを形成するノズル３を備えた吐出用ヘッド５と、吐出物２を貯蔵する容器４を装着した装着部６と、装着された容器４から吐出用ヘッド５へ吐出物２を供給する供給路７と、容器４内の吐出物２を攪拌する攪拌手段とを有し、容器４は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、攪拌手段は容器４を通して磁力を加えて、攪拌部材を駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式の吐出装置および吐出物を貯蔵する容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾやヒータをアクチュエータとして、複数のノズルからインクを吐出することにより印刷用紙に文字や画像を印刷するインクジェット方式の印刷装置が知られている。この印刷装置では、複数のノズルを備えた印刷ヘッドを動かしながら、文字や画像を印刷するために染料インクや、粒子径が１ミクロン以下でかつその密度が２ｇ／ｃｍ３以下程度の有機顔料やカーボンブラックを含有したインクをノズルから吐出して用紙に微小なドットを形成する。そして、ドットの集合として文字や画像を用紙に記録する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
印刷装置として開発されたインクジェット技術を用い、印刷用紙に代わるものにインク以外のものを吐出することが検討されている。特に、ピエゾアクチュエータを採用することにより、流体を加熱しないで吐出することができるので、応用範囲が広いと予想されている。さらに、液体に限らず、液体と微粒子との混合物を流体としてノズルから吐出することも検討されている。
【０００４】
たとえば、液晶表示パネルにおいて、対向する基板の間隔を調整するためのスペーサをインクジェット技術を用いて吐出ヘッドから吐出してパターニングすることが考えられる。さらには、印刷用としては用いられていない金、銀、アルミ、その他の金属やガラスおよびそれらの酸化物や化合物などの比重の大きな金属微粒子が分散した液（吐出物または混合液）を陶磁器などに吐出して絵付けすることが考えられる。また、粒子径や密度が通常のインクよりも高い、無機顔料が含有された無機顔料インクを吐出物として噴出することも考えられている。
【０００５】
しかしながら、発明者が実験を繰り返したところ、実際にインクジェット技術によりこれらの微粒子を大量に含む吐出物を吐出する場合は、従来のインクを印刷用紙に印刷する場合と異なり、濃淡あるいは付着した微粒子の密度の不均一が生じたり、パターンが歪んだりすることが分かった。したがって、印刷用のヘッド機構をそのまま流用したのでは、基板間にスペーサを精度良くパターニングしたり、陶磁器などへ顔料を精度良く、また一定の濃度分布で塗布することができない。
【０００６】
そこで、本発明においては、固形物である顔料の密度の高い吐出物、粒径が数ミクロンあるいはそれ以上の高分子樹脂や無機材料などの粒子が含有された吐出物を安定した状態で吐出でき、精度の良いパターンを印刷用紙以外のワーク上にも確実に形成することができる吐出装置および吐出物を貯蔵する容器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドを備えた吐出装置の装着部に装着可能な前記吐出物を貯蔵する容器であって、前記装着部から間接的に駆動される攪拌部材を内部に有する容器である。前記攪拌部材は、磁場あるいは光を介して駆動されることが望ましい。前記攪拌部材が動くスペースを確保し、透過性の保護ケースを有することが望ましい。
【０００８】
本発明の異なる態様は、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、前記容器は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、前記攪拌手段は前記容器を通して磁力を加えて、前記攪拌部材を駆動する吐出装置である。また、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、
前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、前記容器は密閉された容器であって、その内部に光を受光して回転する攪拌部材を備えており、前記攪拌手段は前記容器を透過して前記攪拌部材に光を照射して前記攪拌部材を駆動する吐出装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１に本発明に係る吐出用ヘッドが搭載された吐出装置の概略を示してある。本例の吐出装置１は、粒径が１ミクロンを超える微粒子や比重が２以上の金属微粒子などの比重の大きな微粒子と液体との混合物を吐出物２としてワーク１０に吐出し、ホストコンピュータ（以降ではホスト）９から指示された所定のパターンを吐出物２でワーク１０の表面に形成することができる装置である。
【００１０】
このため、吐出装置１は、吐出物２を出力（吐出）する複数のノズル３を備えた吐出用ヘッド５と、吐出物２を貯蔵した容器４を装着可能な装着部６と、この装着部６に装着された容器４から吐出物２を吐出用ヘッド５に導く供給路７と、この吐出装置１を制御する制御装置８とを有している。
【００１１】
吐出装置１は、さらに、供給路７の吐出物２を攪拌する第２の攪拌手段と、容器４の吐出物２を攪拌する第３の攪拌手段としての機能を果たす循環路１５と、ポンプ１６とを備えている。循環路１５は供給路７の吐出用ヘッド５の近傍と上流側に相当する容器４とを繋いでおり、ポンプ１６は循環路１５の途中に接続され、循環路１５を介して供給路７と容器４の吐出物２を循環することにより攪拌する。なお、循環路１５はマニフォールド２５の一端から循環するように設けられていても良い。
【００１２】
さらに、装着部６には、容器４の板状の底面４ａに接触し、容器４に振動を与えて内部の吐出物２を攪拌する第３の攪拌手段として機能する圧電素子１４が配置されている。また、容器４は、底面４ａに圧電素子１４と接触して振動を内部の吐出物２に与えやすい剛性の高い板状の底面４ａを備えている。したがって、容器４の内部の吐出物２は、循環と振動とによって効率良く攪拌されることになる。循環路１５により再循環される吐出物２の量が十分であるときは圧電素子１４は不用であるが、ポンプ容量が小さかったり、供給路７や循環路１５の断面積が小さく、容器４の内部を攪拌するのに十分な循環量を確保できない場合は、本例のように圧電素子１４を設けておくことは有効である。また、容器４を回転させながら振動を加えることにより、容器内部の吐出物２をいっそう効率良く攪拌できると共に、容器４の内部の壁面に付着している微粒子があってもその微粒子を攪拌し易くなるので、容器４が回転するようにしておくことも有効である。
【００１３】
また、供給路７に吐出物２に含まれる異物などをろ過するフィルター３０が配置されており、このフィルター３０にも圧電素子３４が取り付けられている。圧電素子３４は電力を加えて駆動することにより振動させることができる。圧電素子３４の振動は、フィルター３０の液通過部分３１に伝達され、液通過部分３１を振動する。このため、液通過部分３１の目詰まりを解消すると共にフィルター３０の吐出物２を攪拌する効果が得られる。
【００１４】
したがって、制御装置８により圧電素子１４、圧電素子３４およびポンプ１６を駆動することにより、容器４および供給路７の吐出物２を攪拌でき、比重やサイズの大きな微粒子を吐出物２の中で分散させたまま容器４および供給路７の内部で保持することが可能である。このため、微粒子が分散された、安定した状態で吐出物２を吐出用ヘッド５に供給できる。
【００１５】
本例の吐出用ヘッド５は、複数のノズル３と、各々のノズル３に連通し、各々のノズル３に対応した圧力室２１と、各々の圧力室２１の上流に位置し、圧力室２１に共通なマニフォールド（またはリザーバ）２５とを備えている。各々の圧力室２１には、圧力室２１の内部を加圧してノズル３から吐出物２を出力する加圧手段となる圧電素子（ピエゾ素子）２６が取り付けられている。圧力室２１の圧電素子２６は制御装置８からの吐出信号によって伸び縮みし、その結果、圧力室内の吐出物２がノズル３から液滴２ｄとして出力される。このため、ワーク１０に吐出された吐出物２のドットにより、制御装置８から供給された吐出信号に対応するパターンが形成される。
【００１６】
さらに、マニフォールド２５には、マニフォールド２５を振動してマニフォールド２５の内部の吐出物２を攪拌する第１の攪拌手段として機能する圧電素子１８が取り付けられている。圧電素子１８が振動すると、マニフォールド２５の内部の吐出物２に圧力変動が生じ、それによって吐出物２は連続的に動かされて攪拌される。このため、吐出物２に含まれる微粒子は沈殿したり凝集することがなく、分散あるいは拡散された状態で維持される。したがって、マニフォールド２５に供給口２２を介して供給路７から供給された吐出物２は、供給されたままの微粒子が分散された安定した状態で保持される。そして、マニフォールド２５から流路２４を介して各々の圧力室２１に、安定した品質の吐出物２が供給される。
【００１７】
マニフォールド２５は、圧力室２１の直前に位置する箇所であり、そこから供給される吐出物２に微粒子が分散されている。このため、圧力室２１で加圧されてノズル３から出力される液滴２ｄにも、金属微粒子などの分散させにくい微粒子が分散された状態で含まれており、微粒子の濃度あるいは分布が均一な吐出物２をワーク１０に噴射できる。
【００１８】
ノズル３から吐出物２を出力している間は、マニフォールド２５、流路２４および圧力室２１にかけて吐出物２が流動しているので攪拌されている状態である。さらに、圧力室２１を圧縮する圧電素子２６が動くと、その圧力変動によっても吐出物２は攪拌される。しかしながら、どの圧電素子２６が駆動されるかは制御回路８の駆動信号あるいは吐出信号に左右されるので、安定した攪拌効果は期待できない。さらに、常にノズル３から吐出物２が噴出されるわけでもない。このため、圧電素子２６の駆動状態に関わらず圧電素子１８を駆動してマニフォールド２５の吐出物２を攪拌することが望ましい。
【００１９】
図２に、液滴２ｄを出力するために圧電素子２６の駆動する信号Ｖ１と、マニフォールドを振動するために圧電素子１８を駆動する信号Ｖ２を示してある。駆動信号Ｖ１およびＶ２を同位相で制御すると、圧力素子１８によりマニフォールド２５に発生した圧力が圧力室２１に伝播し、圧力室２１でも圧電素子２６により同位相の圧力変化が起きるので、圧力室２１の圧力変動が過大となる。負圧側に過大となるとノズル３からエアーを吸込むことになるし、正圧側に過大になれば液滴２ｄの量が大きくなり過ぎ、また、その反動としてエアーを吸込む可能性がある。いずれのケースでも、吐出不良を起こす可能性があるので、圧電素子１８および２６の駆動信号Ｖ２およびＶ１は、位相をずらすことが望ましい。一方、駆動信号Ｖ２およびＶ１の周期をランダムにずらすと、タイミングによっては、上記と同じ状態になる可能性がある。また、圧電素子２６を駆動したときのマニフォールド２５の圧力条件が吐出の度に異なるのでは安定した量の吐出物２を吐出できない。したがって、圧電素子２６に印加される駆動電圧Ｖ１と、マニフォールド２５の圧電素子１８に印加される駆動電圧Ｖ２とは同期していることが望ましい。たとえば、圧電素子２６に印加される駆動電圧Ｖ１の最短周期をＴ、マニフォールド２５の圧電素子１８に印加される駆動電圧Ｖ２の周期をＴ１としたとき、圧電素子２６の最短周期Ｔの整数倍または整数分の１の周期Ｔ１で圧電素子１８を駆動すれば良い。すなわち、周期ＴおよびＴ１が以下の条件（１）、（２）を満たすように駆動電圧Ｖ１およびＶ２を制御すれば良い。
Ｔ≦Ｔ１のとき、Ｔ１＝ｎＴ（ｎは整数） ・・・（１）
Ｔ＞Ｔ１のとき、Ｔ１＝Ｔ／ｎ（ｎは整数） ・・・（２）
【００２０】
図２（ａ）および（ｂ）は、駆動信号Ｖ２の周期Ｔ１が駆動電圧Ｖ１の最短周期Ｔと等しい場合を示してある。圧電素子２６の駆動するタイミング（時刻ｔ１１、時刻ｔ１２）と圧電素子１８の駆動するタイミング（時刻ｔ２１、時刻ｔ２２）の時間差または位相差ｔ１は所望の値に保持され、常に一定の圧力で吐出物２をノズル３から出力できる。
【００２１】
さらに、圧電素子２６の駆動信号Ｖ１が低レベルになるタイミング（時刻ｔ１１）と圧電素子１８の駆動信号Ｖ２が低レベルになるタイミング（時刻ｔ２１）との時間差（位相差）ｔ１が、圧力素子２６が駆動信号Ｖ１により駆動されて圧力室２１が負圧になってから正圧になるまでの時間ｔ２と同じまたはそれ以上になるように駆動信号Ｖ２を制御することが望ましい。すなわち、駆動信号Ｖ１およびＶ２の位相差ｔ１を、圧力が回復する時間ｔ２に対し以下の条件（３）を満たすように制御することが望ましい。
ｔ２≦ｔ１ ・・・（３）
【００２２】
図２（ａ）に示した駆動波形Ｖ１により圧電素子２６が１回振動すると、図２（ｃ）に示すような圧力変動Ｐ１が圧力室（キャビティ）２１に発生する。すなわち、圧電素子２６により、圧力室２１の圧力を、ノズル３のメニスカスを内部に引き込むように負圧にした後に、その引き込んだメニスカスを外部に押し出すように正圧にして、圧力室２１の吐出物２をノズル３から出力する。このような方法は引き打ち法とも呼ばれ、インクジェットプリンタなどで多く採用されている方法である。このような引き打ち法であると、圧電素子２６が駆動された直後に圧力室２１が負圧になったタイミングでさらに圧電素子１８によりマニフォールド２５に負圧が発生すると、マニフォールド２５で発生した負圧が圧力室２１に加わってノズル３のメニスカスがより強く内部に引き込まれることになる。このようになると、メニスカスの引き込み時に空気または外気をノズル３から取り込んでしまい、吐出性能が悪化する。したがって、圧力室２１が負圧になっている間の時間ｔ２は、圧電素子１８を駆動せずに、マニフォールド２５に発生される負圧が圧力室２１に加わらないようにすることが望ましいのである。
【００２３】
一方、吐出装置１がスタンバイ状態で、ノズル３から液滴２ｄを吐出するために圧電素子２６が作動していない状態では、任意の周期で圧電素子１８を駆動してマニフォールド２５の吐出物２を攪拌しておくことが可能である。さらに、吐出装置１がスタンバイ状態のときに、圧力室２１の圧電素子２６を微小振動させて圧力室内の吐出物２の攪拌を行なうことも有効である。圧電素子２６の駆動電圧Ｖ１を、吐出物２がノズルから出力しない程度に低下させるか、パルス幅ｔ０を出力が起こらない程度に短くするか、あるいは長くすることにより、液滴２ｄを出力しないで圧力室２１の吐出物２を攪拌することができる。スタンバイ状態で圧電素子２６を振動させる場合は、マニフォールド２５の圧電素子１８を上記の条件で制御し、マニフォールド２５の圧力変動と圧力室２１の圧力変動が共鳴しないようにすることが望ましい。
【００２４】
さらに、本例の吐出ヘッド５においては、ノズルの最小径を吐出物２に含まれる粒子の最大径の６倍以上にして、液滴２ｄの吐出方向を安定させている。図３に、ノズル３から吐出物２が吐出される様子を模式的に示してある。ピエゾ型のインクジェットプリンタで、引き打ち法と呼ばれる駆動方法で吐出する例である。まず、図３（ａ）に示すように、吐出を行なわない待機状態では、圧力室２１を若干負圧にしてノズル３の先端のメニスカスを内部に引き込んでおく（駆動電圧Ｖ１が低い値に保持された状態である）。次に、図３（ｂ）に示すように、吐出の直前に圧電素子２６を制御して、圧力室２１を負圧にし、メニスカス３５が圧力室２１の内部に吸い込まれるようにする（駆動電圧Ｖ１を０にした状態である）。さらに、図３（ｃ）に示すように、圧電素子２６に駆動電圧Ｖ１を加えて圧電素子２６を変形して圧力室２１を加圧すると吐出物２が押し出される。この際、ノズル３の先端から吐出物２が軸３６に対称となる形で押し出されて液柱を形成することにより、ノズル３の延長方向に真っ直ぐに液滴が出力される。
【００２５】
しかしながら、ノズル３の一部が吐出物２に含まれる粒子によって塞がれていたり、ノズル３の内部に引き込んだメニスカス３５の形状が吐出物２に含まれる粒子によって非対称になったり、ノズル３から液柱を形成するときに粒子とノズル３との間に不均一な摩擦力などが発生する可能性がある。その結果、図３（ｄ）に示すように、軸３６に対し非対称な液柱が形成され、ノズル３から出力される吐出物２の飛行方向が変わったり、途中で曲がったり、粒子の通過の有無により液滴スピードが変動したりする可能性があり、実際にそのような現象が見られる。また、ノズル３の出口３ａが粒子により塞がれていると、メニスカス３５を引き込んだときに、メニスカス３５が分離して、圧力室２１の内部にエアーを引き込む可能性があり、それによる吐出性能の悪化も危惧される現象の１つである。
【００２６】
図４にノズル３の最小径Ｄを変えながら、最大径ｄが５ミクロンの微粒子を含む吐出物２を出力したときの実験結果を示してある。ノズル３の最小径とは、ノズル３の断面が円形である場合は、図３に示した出口３ａの径を示す。一方、図５のように、ノズル３の出口３ａの形状が台形などの非円形である場合は、その出口３ａの内接円Ｃ１の直径を示す。粒子の最大径ｄは、図６に示すように、粒子２ａが球でなければ、粒子２ａの外接球Ｃ２の直径を示す。柱状の粒子２ａであれば、その断面の外接円の直径を示す。
【００２７】
図４から分かるように、ノズル３の最小径Ｄが３０ミクロン以上、すなわち、ノズル径Ｄが、粒子の最大径ｄの６倍以上であると、安定した吐出が得られる。すなわち、液滴の方向がずれたりすることがなく、所望のパターンを精度よく吐出物により描くことができる。ノズル３の最小径Ｄが２５ミクロン以下、すなわち、ノズル径Ｄが、粒子の最大径ｄの６倍未満であると、駆動周波数が１ｋＨｚであっても、パターンがゆがんだり、所定の形状からずれたりする現象が見られる。
【００２８】
さらに、ノズル３の最小径Ｄが３５ミクロン以上、すなわち、ノズル径Ｄが粒子の最大径ｄの７倍以上であると、駆動周波数を５ｋＨｚと高速で動かしても安定した吐出が得られる。したがって、ノズル径Ｄは、吐出物２の粒子の最大径ｄの６倍以上が好ましく、７倍以上がさらに好ましいことが分かる。ノズル径Ｄが粒子径ｄに対して十分に大きい場合は、上記のような現象があっても、それによって液滴２ｄの出射方向にほとんど影響を及ぼさず、本実験のような結果が得られるものと考えられる。一方、ノズル径Ｄが非常に大きいと、吐出される液滴２ｄの量が増え、液滴２ｄのサイズも大きくなり、ドットの解像度も低くなる。したがって、ノズル径Ｄは、吐出物２に含まれる粒子の最大径ｄの６倍から２０倍程度の範囲が好ましい。さらに、吐出安定性が高く、解像度の高いパターンを吐出物で描くためには、ノズルの最小径Ｄは、吐出物２に含まれる粒子の最大径ｄの７倍から１２倍程度の範囲が好ましい。
【００２９】
吐出物２に含まれる微粒子の大きさにばらつきがあるときには、最大外接球や最大外接円の直径の平均値を最大径ｄとして採用できる。ただし、最大外接球や最大外接円の直径の分布が±２０パーセント以上ある場合は、分布の中で最大の値を最大径ｄとすることが望ましい。また、このようにして求めた、分布の中で最大の値が全体分布の中で１パーセント以下の場合は分布の中で大きいほうから２〜１０パーセント程度の値を最大径ｄとして採用することが望ましい。このように最大径ｄを決定することにより吐出物２を安定して吐出することができるノズルサイズを決定することが可能であり、吐出物２を吐出するのに適したノズルを選択して利用することができる。
【００３０】
このように、本例の吐出装置１では、マニフォールド２５の吐出物２を圧電素子１８によって攪拌することにより、常に微粒子が分散された状態の吐出物２を圧力室２１に供給しノズル３から出力できる。したがって、金属微粒子などの比重の大きな微粒子を含む吐出物や、微粒子の密度が２ｇ／ｃｍ３以上の高密度の吐出物２であっても、含まれる微粒子が沈殿したり凝集して分布が偏ったりすることなく、所望の混合状態の吐出物をノズル３から出力できる。さらに、ノズル径Ｄを上記の範囲に選択することにより、吐出物を安定してワーク１０に吐出することができ、所望のパターンを精度良く吐出物により描くことができる。このため、本例の吐出装置１であれば、様々な微粒子を含む流体を用い、常に安定した状態で精度の高いパターンをワーク上に形成することが可能であり、液晶パネルを製造するためのスペーサを塗布したり、比重の高い金属粒子や、サイズの大きな粒子を含む無機顔料をセラミックなどに塗布するなどの様々な目的に利用することが可能となる。
【００３１】
以上に本発明の１つの実施の形態の一例を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。たとえば、図７に示すように、供給路７の内面７ａに管の中心に向けて突き出た複数の突起３７を設けることも有効である。突起３７により供給路７を流れる吐出物２の流れが乱されるので、より攪拌する効果が得られる。突起３７を設ける代わりに、吐出物２の流速を上げて乱流化することによってもさらに攪拌する効果が得られる。たとえば、供給路７の管径が１０ｍｍ以下の場合であれば、吐出物２の流速を毎秒１ｃｍ以上となるようにポンプ１６を駆動することにより、乱流状態を形成できる。
【００３２】
また、図８に示すように、循環路１５を設けて供給路７の流れを確保して吐出物２を攪拌する代わりに、圧電素子などの複数の振動源３７を第２の攪拌手段として設けることも可能である。たとえば、供給路７の外周部の一部に接するように、数箇所に圧電素子などの振動源３７を取り付ければ良い。供給路７をステンレスなどの金属管やポリエチレンなどの硬い部材で構成することにより、振動源３７の振動を供給路内の吐出物２に伝達し易くなり吐出物２の攪拌効果を高めることが可能である。
【００３３】
図９（ａ）および（ｂ）に示した例では、振動源３７の振動が振動伝達部材３９を介して供給路７に伝達され、供給路内の吐出物２が攪拌される。振動伝達部材３９と振動源３７は接触させる代わりに、連結部材を介して連結しておくことも可能である。そして、振動伝達部材３９は、図９（ｃ）に示すように、供給路７の外周面７ｂに沿うような断面形状とすることも可能である。これにより、振動伝達部材３９と供給路７との接触面積を増やすことが可能になり、振動源３７の振動を供給路内の吐出物２にいっそう効率良く伝達して攪拌効果を高めることができる。
【００３４】
図１０（ａ）および（ｂ）に示した例では、振動伝達部材３９を供給路７の内部に配置し、この振動伝達部材３９を連結部材４０で外部の振動源３７と接続している。振動伝達部材３９により供給路７の内部から吐出物２を攪拌できる。
【００３５】
図１１（ａ）および（ｂ）に示した例では、円筒状の振動素子、たとえば、グールタイプの圧電素子を振動源３７として採用し、供給路７の外周面７ｂを囲っている。供給路７の外周面７ｂに部分的に設けても良く、外周面７ｂの全体に設けても良い。さらに、供給路７の外周面７ｂの代わりに、供給路７の内周面７ａに設けても良い。これらの例のように、振動により供給路７の吐出物２を攪拌する場合は、供給路７を回転させながら振動を加えることも有効である。このようにすると、供給路７の内部の吐出物２を効率良く攪拌できる。また、供給路７の内周面７ａに付着した微粒子があってもその微粒子を攪拌し易い。
【００３６】
図１２および図１３に、容器４の吐出物２を攪拌する第３の攪拌手段の変形例を示してある。図１２（ａ）は、一方の端が容器４の内部に突出している棒状または傘状の振動伝達部材４２を、装着部６に設けられた圧電素子などの振動源４１により振動させて内部の吐出物２を攪拌する例である。振動伝達部材４２の形状は振動を吐出物２に効率良く伝えられる形状であれば良い。
【００３７】
図１２（ｂ）は、容器４の底部４ａがフィルムやゴムなどの変形可能な可撓性部材とし、装着部６に設けられた可動部４３により可撓性部材の底４ａを介して吐出物２を攪拌する。可動部４３は、モータなどの駆動源により左右および／または上下に動くものである。
【００３８】
図１２（ｃ）は、可動部４３が、上下に伸縮するストローク運動を行ないやすいように蛇腹状４６になった例である。
【００３９】
図１２（ｄ）は、装着部６に加熱装置（ヒーター）４８を設け、これにより容器４の内部の吐出物２の一部を加熱して容器４の内部に温度差による循環流を起こして攪拌するものである。図１２（ｅ）は、装着部６に冷却装置４９を用意して、容器４の吐出物２の一部を冷却することにより循環流を起こして攪拌するものである。加熱装置４８と冷却装置４９の両方を設けることも可能である。これらの加熱装置４８あるいは冷却装置４９としては温度制御の容易なペルチェ素子が適している。
【００４０】
図１３（ａ）は、密閉された容器４の内部に金属または磁石を組み込んだ回転子５２が取り付けられており、装着部６に設けられた磁石または金属の駆動部材５４により磁力を介して回転子５２が回転して吐出物２が攪拌されるものである。装着部６には、駆動部材５４を回転するためのモータ５５が配置されている。
【００４１】
図１３（ｂ）は、回転子５２が金属あるいは樹脂などにより形成された籠あるいはネット状で吐出物が透過する保護ケース５８に収納されている。容器４がフィルムやゴムなどの変形可能な部材から形成されていると、吐出物２が減少するのに伴って容器４が縮み、回転子５２の動きを阻害する。したがって、ハードな変形し難い保護ケース５８を設けて回転子５２が回転するスペースを確保して、ソフトな変形しやすい容器４においても最後まで吐出物２を攪拌できるようにしている。
【００４２】
図１３（ｃ）は、吐出物２を容器４から取り出す箇所または取り出し口となるスパウト部６２に保護ケース５８を設けて回転子５２により攪拌するようにしている。これにより供給路７に出力される直前の吐出物２を攪拌することが可能であり、品質のより安定した吐出物２を供給路７に出力できる。
【００４３】
回転子５２は磁力を介さずに装着部６に設けられたモータと連結して回転するようにしても良いが、連結部分のシールなどの問題があり、間接的に回転子５２を駆動できる上記の方法が優れている。磁力の代わりに、光や電波を介して駆動用のエネルギーを容器内の回転子や回転子を駆動するアクチュエータに供給しても良い。また、容器４および／または供給路７を水などの液体に浸して超音波振動により振動を与えて内部の吐出物２を攪拌することも可能である。
【００４４】
上記に示したように、容器４の吐出物２を攪拌して吐出物に含まれた微粒子が凝集あるいは沈降しないようにすることは、これらの微粒子が比較的安定して液体と混合している準安定な吐出物においても有効である。すなわち、凝集や沈降が起こりやすい吐出物を吐出する装置においては、上記のように、容器からマニフォールドにわたる全体を攪拌して微粒子が拡散された状態を保持することが望ましいが、微粒子の沈降が比較的遅い吐出物をハンドリングする場合は、容器４に攪拌手段を設けることにより準安定な吐出物を安定して吐出することが可能となる。
【００４５】
ここで準安定な吐出物とは、吐出物を放置したときに１０％の密度変化が起きる時間Ｔｂが、吐出装置１において容器４から供給された吐出物２がノズル３から吐出されるまでの消費時間Ｔａより短いものをいう。消費時間Ｔａは以下のように算出することができる。
Ｔａ＝Ｖｏｌ／Δｖｏｌ ・・・（４）
Ｖｏｌは、容器４の出口からノズル３の先端までの供給路７を含めた容積であり、Δｖｏｌは、パターニングや乾燥防止の目的でノズル３から消費される時間当りの平均的な液消費体積である。
【００４６】
また、準安定な吐出物をハンドリングする吐出装置１においても、容器４に加えてフィルター３０にも振動手段３４を設けておくことが望ましい。フィルター３０では微粒子がフィルタリングのメッシュ部材に付着することが多く、いったん付着し始めると流路抵抗となり、その近傍の流速が下がり、付着面積も増加するので加速度的に付着が進み閉塞する可能性があるからである。
【００４７】
図１４に本発明の吐出装置の異なる例を示してある。この吐出装置１では、循環路１５がマニフォールド２５の流出口２３に接続されており、マニフォールド２５の内部も吐出物２が循環するようになっている。したがって、流出口２３が第１の攪拌手段としての機能を果たしており、マニフォールド２５に設けられていた圧電素子１８を省くことができる。
【００４８】
以上に説明したように、吐出用ヘッドのノズルに吐出物を供給するためのマニフォールド内の吐出物を攪拌する手段を設けることにより、吐出物に含まれる微粒子を、吐出される直前まで安定して拡散した状態に保持することができる。したがって、そのままでは安定して拡散した状態に保持することが難しい、１ミクロン以上の微粒子を含む吐出物、比重が２以上の微粒子を含む吐出物であっても安定した状態で吐出することが可能であり、精度良く所望のパターンを吐出物により描くことができる。
【００４９】
上記に開示されている吐出用ヘッドは、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルと、各々のノズルに連通した複数の圧力室と、それぞれの圧力室の吐出物を加圧してノズルから吐出物を出力する加圧手段と、供給口から供給された吐出物をそれぞれの圧力室に導くマニフォールドと、マニフォールドの吐出物を攪拌する第１の攪拌手段とを有する吐出用ヘッドである。第１の攪拌手段を設けることにより、まず、吐出用ヘッドにおいて吐出する段階の吐出物の品質を一様に保つようにしている。
【００５０】
すなわち、印刷用紙に印刷する際に使用しているインクは、インクに含まれる微粒子の径が約１ミクロン以下で、かつ、その密度が２ｇ／ｃｍ３以下の低密度な混合物である。このため、微粒子が分子レベルで溶解していたり、微粒子の密度が小さくてその粒径も小さく、高分子分散剤などの各種分散剤や界面活性剤などにより数日から半永久的に長期間安定した分散状態または溶解状態が保持される。したがって、インクを吐出するのであれば、微粒子の分散状態を意識する必要はなく、吐出するインクの品質を吐出直前でも一様に保持するという考え方はない。増して、多少の分布が生じたとしても、インクジェット方式であると圧力室で加圧されるノズルから噴出されるときに混合されるので、印刷結果の一様性、たとえば色や濃淡を維持するのは容易であった。
【００５１】
これに対し、金属粒子などの比重の大きい粒子を含んだ吐出物や、微粒子であっても密度の大きな吐出物であると、含有されている粒子が沈降したり、凝集したりすることに起因する吐出物の密度の変動や粒子の分布あるいは濃度の変動が、吐出結果にも反映されてしまうことが判明した。このため、本発明においては、吐出物がノズルから吐出される直前に蓄積される吐出用ヘッド内のマニフォールドに攪拌手段を設けることにより、粒子を含んだ吐出物の吐出される直前の品質あるいは状態を積極的に安定させ、吐出結果に濃淡や歪みなどが生じないようにしている。すなわち、マニフォールドに攪拌手段を設けることにより、粒子を含む吐出物であっても、粒子を含めて攪拌されるので、粒子は流体内に恒常的にほぼ一様に分散された状態となる。このため、質量の大きな粒子や、大量の微粒子を含む吐出物であっても、粒子の分布や濃度の変動を抑制できるので、ノズルからは一様な状態の流体を一様な条件で噴出することが可能となり、吐出結果の精度や品質を高く保持できる。
【００５２】
マニフォールドの吐出物を攪拌する第１の攪拌手段としては、マニフォールドの内側あるいは外側から吐出物に振動や熱変化を与える手段を採用できる。吐出物に対する熱の影響を避け、さらには、吐出物と第１の攪拌手段が直に接することによる吐出物と攪拌手段との間の相互の影響を防止するためには、マニフォールドを振動する手段を採用することが望ましい。振動源としては、コンパクトでノズルの加圧手段としても実績のあるピエゾなどの圧電素子を採用することが望ましい。第１の攪拌手段はマニフォールドの一部を加熱する熱源であってもよい。
【００５３】
第１の攪拌手段によりマニフォールドを振動させる場合、加圧手段により吐出物を加圧して吐出するときのマニフォールドの圧力状態がその都度変動すると、吐出するときの条件が一致しないので吐出結果に影響がでる。したがって、加圧手段の最短周期の整数倍または整数分の１の周期で行なうように吐出物を攪拌する手段を第１の攪拌手段として採用するか、第１の攪拌手段をそのように制御することが望ましい。特に、圧力室が負圧になるタイミングでマニフォールドも負圧になると、ノズルの先端のメニスカスがより内部に強く引き込まれ、ノズルの先端から空気を取り込んでしまう要因になる。したがって、第１の攪拌手段によりマニフォールドが負圧になるタイミングと、加圧手段により圧力室が負圧になるタイミングとを一致させないような第１の攪拌手段を採用するか、第１の攪拌手段を制御することが望ましい。また、吐出物を各々のノズルから吐出しないときに、加圧手段を各々のノズルから吐出物が吐出されない範囲で駆動する制御方法を採用することにより、圧力室内の吐出物も攪拌することができる。第１の攪拌手段は供給口からマニフォールドに流入した吐出物を循環するための流出口であってもよい。
【００５４】
吐出物は液体と微粒子の混合物であれば、ノズルの最小径は微粒子の最大径の６倍以上であることが望ましい。ノズルから噴出される直前の吐出物の状態が安定しても、ノズルの径が小さい場合は、吐出方向が不安定になり、その結果、吐出結果の品質が劣化する要因となることも分かった。このため、吐出用ヘッドのノズルは、その最小径が、吐出物に含まれる微粒子の最大径の６倍以上になっていることが望ましい。ノズル径が小さく、微粒子の粒径が数ミクロン以上ある場合は、ノズルの形状に粒子が影響を与えて対称なメニスカスが形成され難くなり、吐出物が異なる方角に出力されたり、飛行中に曲がる可能性がある。ノズルの最小径を微粒子の最大径の６倍以上とすることにより、微粒子の有無に影響されずに安定した形状のメニスカスが形成される。したがって、所望の方向に、安定して吐出物が吐出され、所望の品質の吐出結果が得られる。ここで、ノズルの最小径とは、ノズルが台形、四角形、半円形などの非円形のノズルであれば内接円の直径であり、微粒子の最大径とは微粒子が外接する円または球の直径である。
【００５５】
上記の吐出用ヘッドを搭載することにより、長時間安定した状態を作ることが難しい粒子を含んだ吐出物、たとえば、粒子の比重が２以上であったり、粒径が１μｍを超えるものを含んだ吐出物であっても、安定した吐出結果を得ることができる吐出装置を提供することができる。一方、吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着された容器からマニフォールドへ吐出物を供給する供給路とを有する吐出装置においては、供給路内や容器内で吐出物の微粒子が沈降したり凝集してしまう可能性があり、それがマニフォールドの吐出物の品質に影響する可能性がある。このため、供給路内の吐出物を攪拌する第２の攪拌手段と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを設けることが望ましい。一形態は、吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着された容器からマニフォールドへ吐出物を供給する供給路と、供給路内の吐出物を攪拌する第２の攪拌手段と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを有する吐出装置である。
【００５６】
第２の攪拌手段としては、供給路を振動する手段、たとえば、モータや圧電素子を採用することが可能である。供給路の外周または内周に沿って円筒状に形成した圧電素子を配置することにより、供給路に沿って一様な振動を発生させ、より確実に供給路内の吐出物を攪拌できる。また、供給路が回転するようにしておけば、供給路内の吐出物を振動によりいっそう効率良く攪拌できる。そして、供給路が回転すれば、供給路内の壁面に付着した微粒子があっても攪拌し易い。供給路の少なくとも一部を液体に浸漬して超音波振動を与える手段により振動することも可能である。供給路と共に容器の少なくとも一部を浸漬すれば、供給路内の吐出物と容器内の吐出物に対して同時に振動を与えることができ、第２の攪拌手段と第３の攪拌手段とを兼ねることができる。振動する手段の典型的なものは圧電素子である。圧電素子は供給路の外周または内周に沿って円筒状に形成できる。振動する手段は、供給路の少なくとも一部が浸漬された液体を介して超音波振動を与える手段であってもよい。容器の少なくとも一部が液体中に浸漬されており、振動する手段は第３の攪拌手段を兼ねてもよい。
【００５７】
また、第２の攪拌手段としては、供給路の一部を加熱する熱源を採用することも可能である。さらに、振動の代わりに供給路内に恒常的な流れを作って吐出物を攪拌することも可能であり、そのために、供給路内の吐出物を上流に戻す循環路と、吐出物を循環するポンプとを設けることも有効である。さらに、吐出用ヘッドのマニフォールド内も吐出物の流れにより攪拌することが可能である。そのために、第１の攪拌手段を供給口からマニフォールドに流入した吐出物を循環するための流出口とし、循環路と流出口と繋ぐことができる。さらに、循環路を容器に繋げば、容器内も流れにより吐出物を攪拌することが可能である。循環あるいは流れにより吐出物を攪拌する際に、供給路内の流れは層流よりも乱流である方が攪拌の効率が良い。このため、供給路および／または循環路の内部に突起を断続的に形成したり、ポンプの性能を乱流状態になるように選択することが望ましい。第２の攪拌手段は、供給路内の吐出物を継続して流すために供給路内の吐出物を上流に戻す循環路と、吐出物を循環するポンプとを備えていることが望ましい。第１の攪拌手段は供給口からマニフォールドに流入した吐出物を循環するための流出口であり、循環路は流出口と繋がっていることが望ましい。循環路は容器に繋がり、第２の攪拌手段は第３の攪拌手段を兼ねていることが望ましい。また、供給路および／または循環路の内部に突起が断続的に形成されていることが望ましい。さらに、ポンプは、吐出物を供給路および循環路を乱流状態で循環可能であることが望ましい。
【００５８】
典型的な吐出装置の１つは、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルを備えた吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された容器から吐出用ヘッドへ吐出物を供給する供給路と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを有する吐出装置である。容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段としては、容器を振動する手段を採用できる。そのため、容器に蛇腹形状などをした可撓部を設け、この可撓部を振動する手段で振動したり、容器に板状の部分を設け、この板状の部分に圧電素子を接触させて振動させることができる。そして、容器が回転するようにしておけば、容器内の吐出物を振動によりいっそう効率良く攪拌できると共に、容器内の壁面に付着した微粒子があっても攪拌し易くなる。液体を介して超音波振動を与えても良い。また、容器の一部をヒーターおよび／または冷却装置の熱源に接して内部の吐出物を温度差で循環させることにより攪拌しても良い。たとえば、ヒータおよび冷却装置としてペルチェ素子を採用できる。すなわち、第３の攪拌手段の典型的なものは容器を振動する手段である。容器が回転してもよい。容器が可撓部を備えており、振動する手段は当該可撓部を振動するものであってもよい。可撓部が蛇腹形状をしていてもよい。容器が板状の部分を備えており、振動する手段は板状の部分に接している圧電素子であってもよい。振動する手段は、容器の少なくとも一部が浸漬された液体を介して超音波振動を与える手段であってもよい。第３の攪拌手段は容器の一部を加熱する熱源であってもよい。熱源の典型的なものはヒーターおよび／または冷却装置である。熱源はペルチェ素子であってもよい。
【００５９】
容器は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、第３の攪拌手段は容器を通して磁力を加えて、攪拌部材を駆動する吐出装置も含まれる。容器は密閉された容器であって、その内部に光を受光して回転する攪拌部材を備えており、第３の攪拌手段は容器を透過して攪拌部材に光を照射して攪拌部材を駆動する吐出装置も含まれる。供給路に配置されたフィルターを有し、フィルターを振動する手段を有している吐出装置も含まれる。
【００６０】
また、密閉された容器の内部に磁力に反応する攪拌部材を設け、第３の攪拌手段により容器を通して磁力で攪拌部材を駆動して容器内の吐出物を攪拌しても良い。磁力に反応する攪拌部材の代わりに、光を受光して回転する攪拌部材を容器内に設け、第３の攪拌手段により容器を透過して攪拌部材に光を照射しても良い。このように容器内に吐出物を攪拌するための素子（攪拌部材）を入れる際には、この素子の外周部を覆うように樹脂などで構成された部材を、容器に固定されている部材、または容器の注入口を構成する部材と一体に構成すれば、容器内で素子が移動するのを防止でき、常に適切な位置で吐出物を攪拌できる。特に、容器内の吐出物が減ってきたときであっても予め決められた位置で常に駆動できるので望ましい。
【００６１】
容器内部の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段は、凝集や沈降が比較的遅い、準安定な吐出物を吐出する吐出装置においても有効である。すなわち、準安定な吐出物を吐出する吐出装置においては、第３の攪拌手段を設けるだけで、品質の安定した吐出物をワークに出力することができる。したがって、本発明においては、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルを備えた吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された容器から吐出用ヘッドへ吐出物を供給する供給路と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを有する吐出装置も有用である。
【００６２】
したがって、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルを備えた吐出用ヘッドを備えた吐出装置の装着部に装着可能な吐出物を貯蔵する容器であって、装着部から間接的に駆動される攪拌部材を内部に有する容器も本発明に含まれる。上述したように、攪拌部材は、磁場あるいは光を介して駆動されることが望ましい。さらに、容器が変形可能なものの場合は、攪拌部材が動くスペースを確保し、変形し難い透過性の保護ケースを設けておくことが望ましい。
【００６３】
また、供給路にフィルターを設けられている場合は、フィルターを振動する手段も一緒に設けることが望ましい。吐出物が流れる流路（供給路）の一部に構成されているフィルターを振動することにより、フィルターの目詰まりの解消と共に、供給路内の吐出物を攪拌する効果が得られる。フィルターを振動する手段は振動源としてフィルターに接触して直接に振動させるものでも良く、フィルターを固定している部材と振動源を連結したものでも良い。
【００６４】
吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着された容器からマニフォールドへ吐出物を供給する供給路とを有する吐出装置の制御方法においては、吐出物を各々のノズルから吐出するときに、加圧手段の最短周期の整数倍または整数分の１の周期で第１の攪拌手段を駆動することが望ましい。吐出物を各々のノズルから吐出しないときに、加圧手段を各々のノズルから吐出物が吐出されない範囲で駆動することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】インクジェット装置の全体構成を示す図である。
【図２】吐出用ヘッドの制御を示す図である。
【図３】ノズルの先端に形成されるメニスカスの様子を示す図である。
【図４】微粒子を含む吐出物をノズルの最小径を代えて出力したときの実験結果を示す図である。
【図５】ノズルの出口が台形断面をしているときのノズルの最小径を示す図である。
【図６】微粒子の最大径を説明するための図である。
【図７】供給路の内部の構造を示す図である。
【図８】本発明の吐出装置の異なる例を示す図である。
【図９】供給路を振動する異なる例を示す図である。
【図１０】供給路を振動するさらに異なる例を示す図である。
【図１１】供給路を振動するさらに異なる例を示す図である。
【図１２】容器内の吐出物を攪拌する異なる例を示す図である。
【図１３】容器内の吐出物を攪拌するさらに異なる例を示す図である。
【図１４】本発明の吐出装置のさらに異なる例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 吐出装置
２ 吐出物 ２ａ 微粒子
３ ノズル ５ 吐出用ヘッド ６ 装着部
７ 供給路
１０ ワーク
１４ 圧電素子（第３の攪拌手段）
１５ 循環路 １６ ポンプ
１８ 圧電素子（第１の攪拌手段）
２１ 圧力室 ２２ 供給口 ２３ 流出口
２５ マニフォールド
２６ 圧電素子（加圧手段）
３０ フィルター
３４ 圧電素子（フィルターを振動する手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式の吐出装置および吐出物を貯蔵する容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピエゾやヒータをアクチュエータとして、複数のノズルからインクを吐出することにより印刷用紙に文字や画像を印刷するインクジェット方式の印刷装置が知られている。この印刷装置では、複数のノズルを備えた印刷ヘッドを動かしながら、文字や画像を印刷するために染料インクや、粒子径が１ミクロン以下でかつその密度が２ｇ／ｃｍ３以下程度の有機顔料やカーボンブラックを含有したインクをノズルから吐出して用紙に微小なドットを形成する。そして、ドットの集合として文字や画像を用紙に記録する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
印刷装置として開発されたインクジェット技術を用い、印刷用紙に代わるものにインク以外のものを吐出することが検討されている。特に、ピエゾアクチュエータを採用することにより、流体を加熱しないで吐出することができるので、応用範囲が広いと予想されている。さらに、液体に限らず、液体と微粒子との混合物を流体としてノズルから吐出することも検討されている。
【０００４】
たとえば、液晶表示パネルにおいて、対向する基板の間隔を調整するためのスペーサをインクジェット技術を用いて吐出ヘッドから吐出してパターニングすることが考えられる。さらには、印刷用としては用いられていない金、銀、アルミ、その他の金属やガラスおよびそれらの酸化物や化合物などの比重の大きな金属微粒子が分散した液（吐出物または混合液）を陶磁器などに吐出して絵付けすることが考えられる。また、粒子径や密度が通常のインクよりも高い、無機顔料が含有された無機顔料インクを吐出物として噴出することも考えられている。
【０００５】
しかしながら、発明者が実験を繰り返したところ、実際にインクジェット技術によりこれらの微粒子を大量に含む吐出物を吐出する場合は、従来のインクを印刷用紙に印刷する場合と異なり、濃淡あるいは付着した微粒子の密度の不均一が生じたり、パターンが歪んだりすることが分かった。したがって、印刷用のヘッド機構をそのまま流用したのでは、基板間にスペーサを精度良くパターニングしたり、陶磁器などへ顔料を精度良く、また一定の濃度分布で塗布することができない。
【０００６】
そこで、本発明においては、固形物である顔料の密度の高い吐出物、粒径が数ミクロンあるいはそれ以上の高分子樹脂や無機材料などの粒子が含有された吐出物を安定した状態で吐出でき、精度の良いパターンを印刷用紙以外のワーク上にも確実に形成することができる吐出装置および吐出物を貯蔵する容器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドを備えた吐出装置の装着部に装着可能な前記吐出物を貯蔵する容器であって、前記装着部から間接的に駆動される攪拌部材を内部に有する容器である。前記攪拌部材は、磁場あるいは光を介して駆動されることが望ましい。前記攪拌部材が動くスペースを確保し、透過性の保護ケースを有することが望ましい。
【０００８】
本発明の異なる態様は、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、前記容器は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、前記攪拌手段は前記容器を通して磁力を加えて、前記攪拌部材を駆動する吐出装置である。また、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、
前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、前記容器は密閉された容器であって、その内部に光を受光して回転する攪拌部材を備えており、前記攪拌手段は前記容器を透過して前記攪拌部材に光を照射して前記攪拌部材を駆動する吐出装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１に本発明に係る吐出用ヘッドが搭載された吐出装置の概略を示してある。本例の吐出装置１は、粒径が１ミクロンを超える微粒子や比重が２以上の金属微粒子などの比重の大きな微粒子と液体との混合物を吐出物２としてワーク１０に吐出し、ホストコンピュータ（以降ではホスト）９から指示された所定のパターンを吐出物２でワーク１０の表面に形成することができる装置である。
【００１０】
このため、吐出装置１は、吐出物２を出力（吐出）する複数のノズル３を備えた吐出用ヘッド５と、吐出物２を貯蔵した容器４を装着可能な装着部６と、この装着部６に装着された容器４から吐出物２を吐出用ヘッド５に導く供給路７と、この吐出装置１を制御する制御装置８とを有している。
【００１１】
吐出装置１は、さらに、供給路７の吐出物２を攪拌する第２の攪拌手段と、容器４の吐出物２を攪拌する第３の攪拌手段としての機能を果たす循環路１５と、ポンプ１６とを備えている。循環路１５は供給路７の吐出用ヘッド５の近傍と上流側に相当する容器４とを繋いでおり、ポンプ１６は循環路１５の途中に接続され、循環路１５を介して供給路７と容器４の吐出物２を循環することにより攪拌する。なお、循環路１５はマニフォールド２５の一端から循環するように設けられていても良い。
【００１２】
さらに、装着部６には、容器４の板状の底面４ａに接触し、容器４に振動を与えて内部の吐出物２を攪拌する第３の攪拌手段として機能する圧電素子１４が配置されている。また、容器４は、底面４ａに圧電素子１４と接触して振動を内部の吐出物２に与えやすい剛性の高い板状の底面４ａを備えている。したがって、容器４の内部の吐出物２は、循環と振動とによって効率良く攪拌されることになる。循環路１５により再循環される吐出物２の量が十分であるときは圧電素子１４は不用であるが、ポンプ容量が小さかったり、供給路７や循環路１５の断面積が小さく、容器４の内部を攪拌するのに十分な循環量を確保できない場合は、本例のように圧電素子１４を設けておくことは有効である。また、容器４を回転させながら振動を加えることにより、容器内部の吐出物２をいっそう効率良く攪拌できると共に、容器４の内部の壁面に付着している微粒子があってもその微粒子を攪拌し易くなるので、容器４が回転するようにしておくことも有効である。
【００１３】
また、供給路７に吐出物２に含まれる異物などをろ過するフィルター３０が配置されており、このフィルター３０にも圧電素子３４が取り付けられている。圧電素子３４は電力を加えて駆動することにより振動させることができる。圧電素子３４の振動は、フィルター３０の液通過部分３１に伝達され、液通過部分３１を振動する。このため、液通過部分３１の目詰まりを解消すると共にフィルター３０の吐出物２を攪拌する効果が得られる。
【００１４】
したがって、制御装置８により圧電素子１４、圧電素子３４およびポンプ１６を駆動することにより、容器４および供給路７の吐出物２を攪拌でき、比重やサイズの大きな微粒子を吐出物２の中で分散させたまま容器４および供給路７の内部で保持することが可能である。このため、微粒子が分散された、安定した状態で吐出物２を吐出用ヘッド５に供給できる。
【００１５】
本例の吐出用ヘッド５は、複数のノズル３と、各々のノズル３に連通し、各々のノズル３に対応した圧力室２１と、各々の圧力室２１の上流に位置し、圧力室２１に共通なマニフォールド（またはリザーバ）２５とを備えている。各々の圧力室２１には、圧力室２１の内部を加圧してノズル３から吐出物２を出力する加圧手段となる圧電素子（ピエゾ素子）２６が取り付けられている。圧力室２１の圧電素子２６は制御装置８からの吐出信号によって伸び縮みし、その結果、圧力室内の吐出物２がノズル３から液滴２ｄとして出力される。このため、ワーク１０に吐出された吐出物２のドットにより、制御装置８から供給された吐出信号に対応するパターンが形成される。
【００１６】
さらに、マニフォールド２５には、マニフォールド２５を振動してマニフォールド２５の内部の吐出物２を攪拌する第１の攪拌手段として機能する圧電素子１８が取り付けられている。圧電素子１８が振動すると、マニフォールド２５の内部の吐出物２に圧力変動が生じ、それによって吐出物２は連続的に動かされて攪拌される。このため、吐出物２に含まれる微粒子は沈殿したり凝集することがなく、分散あるいは拡散された状態で維持される。したがって、マニフォールド２５に供給口２２を介して供給路７から供給された吐出物２は、供給されたままの微粒子が分散された安定した状態で保持される。そして、マニフォールド２５から流路２４を介して各々の圧力室２１に、安定した品質の吐出物２が供給される。
【００１７】
マニフォールド２５は、圧力室２１の直前に位置する箇所であり、そこから供給される吐出物２に微粒子が分散されている。このため、圧力室２１で加圧されてノズル３から出力される液滴２ｄにも、金属微粒子などの分散させにくい微粒子が分散された状態で含まれており、微粒子の濃度あるいは分布が均一な吐出物２をワーク１０に噴射できる。
【００１８】
ノズル３から吐出物２を出力している間は、マニフォールド２５、流路２４および圧力室２１にかけて吐出物２が流動しているので攪拌されている状態である。さらに、圧力室２１を圧縮する圧電素子２６が動くと、その圧力変動によっても吐出物２は攪拌される。しかしながら、どの圧電素子２６が駆動されるかは制御回路８の駆動信号あるいは吐出信号に左右されるので、安定した攪拌効果は期待できない。さらに、常にノズル３から吐出物２が噴出されるわけでもない。このため、圧電素子２６の駆動状態に関わらず圧電素子１８を駆動してマニフォールド２５の吐出物２を攪拌することが望ましい。
【００１９】
図２に、液滴２ｄを出力するために圧電素子２６の駆動する信号Ｖ１と、マニフォールドを振動するために圧電素子１８を駆動する信号Ｖ２を示してある。駆動信号Ｖ１およびＶ２を同位相で制御すると、圧力素子１８によりマニフォールド２５に発生した圧力が圧力室２１に伝播し、圧力室２１でも圧電素子２６により同位相の圧力変化が起きるので、圧力室２１の圧力変動が過大となる。負圧側に過大となるとノズル３からエアーを吸込むことになるし、正圧側に過大になれば液滴２ｄの量が大きくなり過ぎ、また、その反動としてエアーを吸込む可能性がある。いずれのケースでも、吐出不良を起こす可能性があるので、圧電素子１８および２６の駆動信号Ｖ２およびＶ１は、位相をずらすことが望ましい。一方、駆動信号Ｖ２およびＶ１の周期をランダムにずらすと、タイミングによっては、上記と同じ状態になる可能性がある。また、圧電素子２６を駆動したときのマニフォールド２５の圧力条件が吐出の度に異なるのでは安定した量の吐出物２を吐出できない。したがって、圧電素子２６に印加される駆動電圧Ｖ１と、マニフォールド２５の圧電素子１８に印加される駆動電圧Ｖ２とは同期していることが望ましい。たとえば、圧電素子２６に印加される駆動電圧Ｖ１の最短周期をＴ、マニフォールド２５の圧電素子１８に印加される駆動電圧Ｖ２の周期をＴ１としたとき、圧電素子２６の最短周期Ｔの整数倍または整数分の１の周期Ｔ１で圧電素子１８を駆動すれば良い。すなわち、周期ＴおよびＴ１が以下の条件（１）、（２）を満たすように駆動電圧Ｖ１およびＶ２を制御すれば良い。
Ｔ≦Ｔ１のとき、Ｔ１＝ｎＴ（ｎは整数） ・・・（１）
Ｔ＞Ｔ１のとき、Ｔ１＝Ｔ／ｎ（ｎは整数） ・・・（２）
【００２０】
図２（ａ）および（ｂ）は、駆動信号Ｖ２の周期Ｔ１が駆動電圧Ｖ１の最短周期Ｔと等しい場合を示してある。圧電素子２６の駆動するタイミング（時刻ｔ１１、時刻ｔ１２）と圧電素子１８の駆動するタイミング（時刻ｔ２１、時刻ｔ２２）の時間差または位相差ｔ１は所望の値に保持され、常に一定の圧力で吐出物２をノズル３から出力できる。
【００２１】
さらに、圧電素子２６の駆動信号Ｖ１が低レベルになるタイミング（時刻ｔ１１）と圧電素子１８の駆動信号Ｖ２が低レベルになるタイミング（時刻ｔ２１）との時間差（位相差）ｔ１が、圧力素子２６が駆動信号Ｖ１により駆動されて圧力室２１が負圧になってから正圧になるまでの時間ｔ２と同じまたはそれ以上になるように駆動信号Ｖ２を制御することが望ましい。すなわち、駆動信号Ｖ１およびＶ２の位相差ｔ１を、圧力が回復する時間ｔ２に対し以下の条件（３）を満たすように制御することが望ましい。
ｔ２≦ｔ１ ・・・（３）
【００２２】
図２（ａ）に示した駆動波形Ｖ１により圧電素子２６が１回振動すると、図２（ｃ）に示すような圧力変動Ｐ１が圧力室（キャビティ）２１に発生する。すなわち、圧電素子２６により、圧力室２１の圧力を、ノズル３のメニスカスを内部に引き込むように負圧にした後に、その引き込んだメニスカスを外部に押し出すように正圧にして、圧力室２１の吐出物２をノズル３から出力する。このような方法は引き打ち法とも呼ばれ、インクジェットプリンタなどで多く採用されている方法である。このような引き打ち法であると、圧電素子２６が駆動された直後に圧力室２１が負圧になったタイミングでさらに圧電素子１８によりマニフォールド２５に負圧が発生すると、マニフォールド２５で発生した負圧が圧力室２１に加わってノズル３のメニスカスがより強く内部に引き込まれることになる。このようになると、メニスカスの引き込み時に空気または外気をノズル３から取り込んでしまい、吐出性能が悪化する。したがって、圧力室２１が負圧になっている間の時間ｔ２は、圧電素子１８を駆動せずに、マニフォールド２５に発生される負圧が圧力室２１に加わらないようにすることが望ましいのである。
【００２３】
一方、吐出装置１がスタンバイ状態で、ノズル３から液滴２ｄを吐出するために圧電素子２６が作動していない状態では、任意の周期で圧電素子１８を駆動してマニフォールド２５の吐出物２を攪拌しておくことが可能である。さらに、吐出装置１がスタンバイ状態のときに、圧力室２１の圧電素子２６を微小振動させて圧力室内の吐出物２の攪拌を行なうことも有効である。圧電素子２６の駆動電圧Ｖ１を、吐出物２がノズルから出力しない程度に低下させるか、パルス幅ｔ０を出力が起こらない程度に短くするか、あるいは長くすることにより、液滴２ｄを出力しないで圧力室２１の吐出物２を攪拌することができる。スタンバイ状態で圧電素子２６を振動させる場合は、マニフォールド２５の圧電素子１８を上記の条件で制御し、マニフォールド２５の圧力変動と圧力室２１の圧力変動が共鳴しないようにすることが望ましい。
【００２４】
さらに、本例の吐出ヘッド５においては、ノズルの最小径を吐出物２に含まれる粒子の最大径の６倍以上にして、液滴２ｄの吐出方向を安定させている。図３に、ノズル３から吐出物２が吐出される様子を模式的に示してある。ピエゾ型のインクジェットプリンタで、引き打ち法と呼ばれる駆動方法で吐出する例である。まず、図３（ａ）に示すように、吐出を行なわない待機状態では、圧力室２１を若干負圧にしてノズル３の先端のメニスカスを内部に引き込んでおく（駆動電圧Ｖ１が低い値に保持された状態である）。次に、図３（ｂ）に示すように、吐出の直前に圧電素子２６を制御して、圧力室２１を負圧にし、メニスカス３５が圧力室２１の内部に吸い込まれるようにする（駆動電圧Ｖ１を０にした状態である）。さらに、図３（ｃ）に示すように、圧電素子２６に駆動電圧Ｖ１を加えて圧電素子２６を変形して圧力室２１を加圧すると吐出物２が押し出される。この際、ノズル３の先端から吐出物２が軸３６に対称となる形で押し出されて液柱を形成することにより、ノズル３の延長方向に真っ直ぐに液滴が出力される。
【００２５】
しかしながら、ノズル３の一部が吐出物２に含まれる粒子によって塞がれていたり、ノズル３の内部に引き込んだメニスカス３５の形状が吐出物２に含まれる粒子によって非対称になったり、ノズル３から液柱を形成するときに粒子とノズル３との間に不均一な摩擦力などが発生する可能性がある。その結果、図３（ｄ）に示すように、軸３６に対し非対称な液柱が形成され、ノズル３から出力される吐出物２の飛行方向が変わったり、途中で曲がったり、粒子の通過の有無により液滴スピードが変動したりする可能性があり、実際にそのような現象が見られる。また、ノズル３の出口３ａが粒子により塞がれていると、メニスカス３５を引き込んだときに、メニスカス３５が分離して、圧力室２１の内部にエアーを引き込む可能性があり、それによる吐出性能の悪化も危惧される現象の１つである。
【００２６】
図４にノズル３の最小径Ｄを変えながら、最大径ｄが５ミクロンの微粒子を含む吐出物２を出力したときの実験結果を示してある。ノズル３の最小径とは、ノズル３の断面が円形である場合は、図３に示した出口３ａの径を示す。一方、図５のように、ノズル３の出口３ａの形状が台形などの非円形である場合は、その出口３ａの内接円Ｃ１の直径を示す。粒子の最大径ｄは、図６に示すように、粒子２ａが球でなければ、粒子２ａの外接球Ｃ２の直径を示す。柱状の粒子２ａであれば、その断面の外接円の直径を示す。
【００２７】
図４から分かるように、ノズル３の最小径Ｄが３０ミクロン以上、すなわち、ノズル径Ｄが、粒子の最大径ｄの６倍以上であると、安定した吐出が得られる。すなわち、液滴の方向がずれたりすることがなく、所望のパターンを精度よく吐出物により描くことができる。ノズル３の最小径Ｄが２５ミクロン以下、すなわち、ノズル径Ｄが、粒子の最大径ｄの６倍未満であると、駆動周波数が１ｋＨｚであっても、パターンがゆがんだり、所定の形状からずれたりする現象が見られる。
【００２８】
さらに、ノズル３の最小径Ｄが３５ミクロン以上、すなわち、ノズル径Ｄが粒子の最大径ｄの７倍以上であると、駆動周波数を５ｋＨｚと高速で動かしても安定した吐出が得られる。したがって、ノズル径Ｄは、吐出物２の粒子の最大径ｄの６倍以上が好ましく、７倍以上がさらに好ましいことが分かる。ノズル径Ｄが粒子径ｄに対して十分に大きい場合は、上記のような現象があっても、それによって液滴２ｄの出射方向にほとんど影響を及ぼさず、本実験のような結果が得られるものと考えられる。一方、ノズル径Ｄが非常に大きいと、吐出される液滴２ｄの量が増え、液滴２ｄのサイズも大きくなり、ドットの解像度も低くなる。したがって、ノズル径Ｄは、吐出物２に含まれる粒子の最大径ｄの６倍から２０倍程度の範囲が好ましい。さらに、吐出安定性が高く、解像度の高いパターンを吐出物で描くためには、ノズルの最小径Ｄは、吐出物２に含まれる粒子の最大径ｄの７倍から１２倍程度の範囲が好ましい。
【００２９】
吐出物２に含まれる微粒子の大きさにばらつきがあるときには、最大外接球や最大外接円の直径の平均値を最大径ｄとして採用できる。ただし、最大外接球や最大外接円の直径の分布が±２０パーセント以上ある場合は、分布の中で最大の値を最大径ｄとすることが望ましい。また、このようにして求めた、分布の中で最大の値が全体分布の中で１パーセント以下の場合は分布の中で大きいほうから２〜１０パーセント程度の値を最大径ｄとして採用することが望ましい。このように最大径ｄを決定することにより吐出物２を安定して吐出することができるノズルサイズを決定することが可能であり、吐出物２を吐出するのに適したノズルを選択して利用することができる。
【００３０】
このように、本例の吐出装置１では、マニフォールド２５の吐出物２を圧電素子１８によって攪拌することにより、常に微粒子が分散された状態の吐出物２を圧力室２１に供給しノズル３から出力できる。したがって、金属微粒子などの比重の大きな微粒子を含む吐出物や、微粒子の密度が２ｇ／ｃｍ３以上の高密度の吐出物２であっても、含まれる微粒子が沈殿したり凝集して分布が偏ったりすることなく、所望の混合状態の吐出物をノズル３から出力できる。さらに、ノズル径Ｄを上記の範囲に選択することにより、吐出物を安定してワーク１０に吐出することができ、所望のパターンを精度良く吐出物により描くことができる。このため、本例の吐出装置１であれば、様々な微粒子を含む流体を用い、常に安定した状態で精度の高いパターンをワーク上に形成することが可能であり、液晶パネルを製造するためのスペーサを塗布したり、比重の高い金属粒子や、サイズの大きな粒子を含む無機顔料をセラミックなどに塗布するなどの様々な目的に利用することが可能となる。
【００３１】
以上に本発明の１つの実施の形態の一例を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。たとえば、図７に示すように、供給路７の内面７ａに管の中心に向けて突き出た複数の突起３７を設けることも有効である。突起３７により供給路７を流れる吐出物２の流れが乱されるので、より攪拌する効果が得られる。突起３７を設ける代わりに、吐出物２の流速を上げて乱流化することによってもさらに攪拌する効果が得られる。たとえば、供給路７の管径が１０ｍｍ以下の場合であれば、吐出物２の流速を毎秒１ｃｍ以上となるようにポンプ１６を駆動することにより、乱流状態を形成できる。
【００３２】
また、図８に示すように、循環路１５を設けて供給路７の流れを確保して吐出物２を攪拌する代わりに、圧電素子などの複数の振動源３７を第２の攪拌手段として設けることも可能である。たとえば、供給路７の外周部の一部に接するように、数箇所に圧電素子などの振動源３７を取り付ければ良い。供給路７をステンレスなどの金属管やポリエチレンなどの硬い部材で構成することにより、振動源３７の振動を供給路内の吐出物２に伝達し易くなり吐出物２の攪拌効果を高めることが可能である。
【００３３】
図９（ａ）および（ｂ）に示した例では、振動源３７の振動が振動伝達部材３９を介して供給路７に伝達され、供給路内の吐出物２が攪拌される。振動伝達部材３９と振動源３７は接触させる代わりに、連結部材を介して連結しておくことも可能である。そして、振動伝達部材３９は、図９（ｃ）に示すように、供給路７の外周面７ｂに沿うような断面形状とすることも可能である。これにより、振動伝達部材３９と供給路７との接触面積を増やすことが可能になり、振動源３７の振動を供給路内の吐出物２にいっそう効率良く伝達して攪拌効果を高めることができる。
【００３４】
図１０（ａ）および（ｂ）に示した例では、振動伝達部材３９を供給路７の内部に配置し、この振動伝達部材３９を連結部材４０で外部の振動源３７と接続している。振動伝達部材３９により供給路７の内部から吐出物２を攪拌できる。
【００３５】
図１１（ａ）および（ｂ）に示した例では、円筒状の振動素子、たとえば、グールタイプの圧電素子を振動源３７として採用し、供給路７の外周面７ｂを囲っている。供給路７の外周面７ｂに部分的に設けても良く、外周面７ｂの全体に設けても良い。さらに、供給路７の外周面７ｂの代わりに、供給路７の内周面７ａに設けても良い。これらの例のように、振動により供給路７の吐出物２を攪拌する場合は、供給路７を回転させながら振動を加えることも有効である。このようにすると、供給路７の内部の吐出物２を効率良く攪拌できる。また、供給路７の内周面７ａに付着した微粒子があってもその微粒子を攪拌し易い。
【００３６】
図１２および図１３に、容器４の吐出物２を攪拌する第３の攪拌手段の変形例を示してある。図１２（ａ）は、一方の端が容器４の内部に突出している棒状または傘状の振動伝達部材４２を、装着部６に設けられた圧電素子などの振動源４１により振動させて内部の吐出物２を攪拌する例である。振動伝達部材４２の形状は振動を吐出物２に効率良く伝えられる形状であれば良い。
【００３７】
図１２（ｂ）は、容器４の底部４ａがフィルムやゴムなどの変形可能な可撓性部材とし、装着部６に設けられた可動部４３により可撓性部材の底４ａを介して吐出物２を攪拌する。可動部４３は、モータなどの駆動源により左右および／または上下に動くものである。
【００３８】
図１２（ｃ）は、可動部４３が、上下に伸縮するストローク運動を行ないやすいように蛇腹状４６になった例である。
【００３９】
図１２（ｄ）は、装着部６に加熱装置（ヒーター）４８を設け、これにより容器４の内部の吐出物２の一部を加熱して容器４の内部に温度差による循環流を起こして攪拌するものである。図１２（ｅ）は、装着部６に冷却装置４９を用意して、容器４の吐出物２の一部を冷却することにより循環流を起こして攪拌するものである。加熱装置４８と冷却装置４９の両方を設けることも可能である。これらの加熱装置４８あるいは冷却装置４９としては温度制御の容易なペルチェ素子が適している。
【００４０】
図１３（ａ）は、密閉された容器４の内部に金属または磁石を組み込んだ回転子５２が取り付けられており、装着部６に設けられた磁石または金属の駆動部材５４により磁力を介して回転子５２が回転して吐出物２が攪拌されるものである。装着部６には、駆動部材５４を回転するためのモータ５５が配置されている。
【００４１】
図１３（ｂ）は、回転子５２が金属あるいは樹脂などにより形成された籠あるいはネット状で吐出物が透過する保護ケース５８に収納されている。容器４がフィルムやゴムなどの変形可能な部材から形成されていると、吐出物２が減少するのに伴って容器４が縮み、回転子５２の動きを阻害する。したがって、ハードな変形し難い保護ケース５８を設けて回転子５２が回転するスペースを確保して、ソフトな変形しやすい容器４においても最後まで吐出物２を攪拌できるようにしている。
【００４２】
図１３（ｃ）は、吐出物２を容器４から取り出す箇所または取り出し口となるスパウト部６２に保護ケース５８を設けて回転子５２により攪拌するようにしている。これにより供給路７に出力される直前の吐出物２を攪拌することが可能であり、品質のより安定した吐出物２を供給路７に出力できる。
【００４３】
回転子５２は磁力を介さずに装着部６に設けられたモータと連結して回転するようにしても良いが、連結部分のシールなどの問題があり、間接的に回転子５２を駆動できる上記の方法が優れている。磁力の代わりに、光や電波を介して駆動用のエネルギーを容器内の回転子や回転子を駆動するアクチュエータに供給しても良い。また、容器４および／または供給路７を水などの液体に浸して超音波振動により振動を与えて内部の吐出物２を攪拌することも可能である。
【００４４】
上記に示したように、容器４の吐出物２を攪拌して吐出物に含まれた微粒子が凝集あるいは沈降しないようにすることは、これらの微粒子が比較的安定して液体と混合している準安定な吐出物においても有効である。すなわち、凝集や沈降が起こりやすい吐出物を吐出する装置においては、上記のように、容器からマニフォールドにわたる全体を攪拌して微粒子が拡散された状態を保持することが望ましいが、微粒子の沈降が比較的遅い吐出物をハンドリングする場合は、容器４に攪拌手段を設けることにより準安定な吐出物を安定して吐出することが可能となる。
【００４５】
ここで準安定な吐出物とは、吐出物を放置したときに１０％の密度変化が起きる時間Ｔｂが、吐出装置１において容器４から供給された吐出物２がノズル３から吐出されるまでの消費時間Ｔａより短いものをいう。消費時間Ｔａは以下のように算出することができる。
Ｔａ＝Ｖｏｌ／Δｖｏｌ ・・・（４）
Ｖｏｌは、容器４の出口からノズル３の先端までの供給路７を含めた容積であり、Δｖｏｌは、パターニングや乾燥防止の目的でノズル３から消費される時間当りの平均的な液消費体積である。
【００４６】
また、準安定な吐出物をハンドリングする吐出装置１においても、容器４に加えてフィルター３０にも振動手段３４を設けておくことが望ましい。フィルター３０では微粒子がフィルタリングのメッシュ部材に付着することが多く、いったん付着し始めると流路抵抗となり、その近傍の流速が下がり、付着面積も増加するので加速度的に付着が進み閉塞する可能性があるからである。
【００４７】
図１４に本発明の吐出装置の異なる例を示してある。この吐出装置１では、循環路１５がマニフォールド２５の流出口２３に接続されており、マニフォールド２５の内部も吐出物２が循環するようになっている。したがって、流出口２３が第１の攪拌手段としての機能を果たしており、マニフォールド２５に設けられていた圧電素子１８を省くことができる。
【００４８】
以上に説明したように、吐出用ヘッドのノズルに吐出物を供給するためのマニフォールド内の吐出物を攪拌する手段を設けることにより、吐出物に含まれる微粒子を、吐出される直前まで安定して拡散した状態に保持することができる。したがって、そのままでは安定して拡散した状態に保持することが難しい、１ミクロン以上の微粒子を含む吐出物、比重が２以上の微粒子を含む吐出物であっても安定した状態で吐出することが可能であり、精度良く所望のパターンを吐出物により描くことができる。
【００４９】
上記に開示されている吐出用ヘッドは、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルと、各々のノズルに連通した複数の圧力室と、それぞれの圧力室の吐出物を加圧してノズルから吐出物を出力する加圧手段と、供給口から供給された吐出物をそれぞれの圧力室に導くマニフォールドと、マニフォールドの吐出物を攪拌する第１の攪拌手段とを有する吐出用ヘッドである。第１の攪拌手段を設けることにより、まず、吐出用ヘッドにおいて吐出する段階の吐出物の品質を一様に保つようにしている。
【００５０】
すなわち、印刷用紙に印刷する際に使用しているインクは、インクに含まれる微粒子の径が約１ミクロン以下で、かつ、その密度が２ｇ／ｃｍ３以下の低密度な混合物である。このため、微粒子が分子レベルで溶解していたり、微粒子の密度が小さくてその粒径も小さく、高分子分散剤などの各種分散剤や界面活性剤などにより数日から半永久的に長期間安定した分散状態または溶解状態が保持される。したがって、インクを吐出するのであれば、微粒子の分散状態を意識する必要はなく、吐出するインクの品質を吐出直前でも一様に保持するという考え方はない。増して、多少の分布が生じたとしても、インクジェット方式であると圧力室で加圧されるノズルから噴出されるときに混合されるので、印刷結果の一様性、たとえば色や濃淡を維持するのは容易であった。
【００５１】
これに対し、金属粒子などの比重の大きい粒子を含んだ吐出物や、微粒子であっても密度の大きな吐出物であると、含有されている粒子が沈降したり、凝集したりすることに起因する吐出物の密度の変動や粒子の分布あるいは濃度の変動が、吐出結果にも反映されてしまうことが判明した。このため、本発明においては、吐出物がノズルから吐出される直前に蓄積される吐出用ヘッド内のマニフォールドに攪拌手段を設けることにより、粒子を含んだ吐出物の吐出される直前の品質あるいは状態を積極的に安定させ、吐出結果に濃淡や歪みなどが生じないようにしている。すなわち、マニフォールドに攪拌手段を設けることにより、粒子を含む吐出物であっても、粒子を含めて攪拌されるので、粒子は流体内に恒常的にほぼ一様に分散された状態となる。このため、質量の大きな粒子や、大量の微粒子を含む吐出物であっても、粒子の分布や濃度の変動を抑制できるので、ノズルからは一様な状態の流体を一様な条件で噴出することが可能となり、吐出結果の精度や品質を高く保持できる。
【００５２】
マニフォールドの吐出物を攪拌する第１の攪拌手段としては、マニフォールドの内側あるいは外側から吐出物に振動や熱変化を与える手段を採用できる。吐出物に対する熱の影響を避け、さらには、吐出物と第１の攪拌手段が直に接することによる吐出物と攪拌手段との間の相互の影響を防止するためには、マニフォールドを振動する手段を採用することが望ましい。振動源としては、コンパクトでノズルの加圧手段としても実績のあるピエゾなどの圧電素子を採用することが望ましい。第１の攪拌手段はマニフォールドの一部を加熱する熱源であってもよい。
【００５３】
第１の攪拌手段によりマニフォールドを振動させる場合、加圧手段により吐出物を加圧して吐出するときのマニフォールドの圧力状態がその都度変動すると、吐出するときの条件が一致しないので吐出結果に影響がでる。したがって、加圧手段の最短周期の整数倍または整数分の１の周期で行なうように吐出物を攪拌する手段を第１の攪拌手段として採用するか、第１の攪拌手段をそのように制御することが望ましい。特に、圧力室が負圧になるタイミングでマニフォールドも負圧になると、ノズルの先端のメニスカスがより内部に強く引き込まれ、ノズルの先端から空気を取り込んでしまう要因になる。したがって、第１の攪拌手段によりマニフォールドが負圧になるタイミングと、加圧手段により圧力室が負圧になるタイミングとを一致させないような第１の攪拌手段を採用するか、第１の攪拌手段を制御することが望ましい。また、吐出物を各々のノズルから吐出しないときに、加圧手段を各々のノズルから吐出物が吐出されない範囲で駆動する制御方法を採用することにより、圧力室内の吐出物も攪拌することができる。第１の攪拌手段は供給口からマニフォールドに流入した吐出物を循環するための流出口であってもよい。
【００５４】
吐出物は液体と微粒子の混合物であれば、ノズルの最小径は微粒子の最大径の６倍以上であることが望ましい。ノズルから噴出される直前の吐出物の状態が安定しても、ノズルの径が小さい場合は、吐出方向が不安定になり、その結果、吐出結果の品質が劣化する要因となることも分かった。このため、吐出用ヘッドのノズルは、その最小径が、吐出物に含まれる微粒子の最大径の６倍以上になっていることが望ましい。ノズル径が小さく、微粒子の粒径が数ミクロン以上ある場合は、ノズルの形状に粒子が影響を与えて対称なメニスカスが形成され難くなり、吐出物が異なる方角に出力されたり、飛行中に曲がる可能性がある。ノズルの最小径を微粒子の最大径の６倍以上とすることにより、微粒子の有無に影響されずに安定した形状のメニスカスが形成される。したがって、所望の方向に、安定して吐出物が吐出され、所望の品質の吐出結果が得られる。ここで、ノズルの最小径とは、ノズルが台形、四角形、半円形などの非円形のノズルであれば内接円の直径であり、微粒子の最大径とは微粒子が外接する円または球の直径である。
【００５５】
上記の吐出用ヘッドを搭載することにより、長時間安定した状態を作ることが難しい粒子を含んだ吐出物、たとえば、粒子の比重が２以上であったり、粒径が１μｍを超えるものを含んだ吐出物であっても、安定した吐出結果を得ることができる吐出装置を提供することができる。一方、吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着された容器からマニフォールドへ吐出物を供給する供給路とを有する吐出装置においては、供給路内や容器内で吐出物の微粒子が沈降したり凝集してしまう可能性があり、それがマニフォールドの吐出物の品質に影響する可能性がある。このため、供給路内の吐出物を攪拌する第２の攪拌手段と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを設けることが望ましい。一形態は、吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着された容器からマニフォールドへ吐出物を供給する供給路と、供給路内の吐出物を攪拌する第２の攪拌手段と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを有する吐出装置である。
【００５６】
第２の攪拌手段としては、供給路を振動する手段、たとえば、モータや圧電素子を採用することが可能である。供給路の外周または内周に沿って円筒状に形成した圧電素子を配置することにより、供給路に沿って一様な振動を発生させ、より確実に供給路内の吐出物を攪拌できる。また、供給路が回転するようにしておけば、供給路内の吐出物を振動によりいっそう効率良く攪拌できる。そして、供給路が回転すれば、供給路内の壁面に付着した微粒子があっても攪拌し易い。供給路の少なくとも一部を液体に浸漬して超音波振動を与える手段により振動することも可能である。供給路と共に容器の少なくとも一部を浸漬すれば、供給路内の吐出物と容器内の吐出物に対して同時に振動を与えることができ、第２の攪拌手段と第３の攪拌手段とを兼ねることができる。振動する手段の典型的なものは圧電素子である。圧電素子は供給路の外周または内周に沿って円筒状に形成できる。振動する手段は、供給路の少なくとも一部が浸漬された液体を介して超音波振動を与える手段であってもよい。容器の少なくとも一部が液体中に浸漬されており、振動する手段は第３の攪拌手段を兼ねてもよい。
【００５７】
また、第２の攪拌手段としては、供給路の一部を加熱する熱源を採用することも可能である。さらに、振動の代わりに供給路内に恒常的な流れを作って吐出物を攪拌することも可能であり、そのために、供給路内の吐出物を上流に戻す循環路と、吐出物を循環するポンプとを設けることも有効である。さらに、吐出用ヘッドのマニフォールド内も吐出物の流れにより攪拌することが可能である。そのために、第１の攪拌手段を供給口からマニフォールドに流入した吐出物を循環するための流出口とし、循環路と流出口と繋ぐことができる。さらに、循環路を容器に繋げば、容器内も流れにより吐出物を攪拌することが可能である。循環あるいは流れにより吐出物を攪拌する際に、供給路内の流れは層流よりも乱流である方が攪拌の効率が良い。このため、供給路および／または循環路の内部に突起を断続的に形成したり、ポンプの性能を乱流状態になるように選択することが望ましい。第２の攪拌手段は、供給路内の吐出物を継続して流すために供給路内の吐出物を上流に戻す循環路と、吐出物を循環するポンプとを備えていることが望ましい。第１の攪拌手段は供給口からマニフォールドに流入した吐出物を循環するための流出口であり、循環路は流出口と繋がっていることが望ましい。循環路は容器に繋がり、第２の攪拌手段は第３の攪拌手段を兼ねていることが望ましい。また、供給路および／または循環路の内部に突起が断続的に形成されていることが望ましい。さらに、ポンプは、吐出物を供給路および循環路を乱流状態で循環可能であることが望ましい。
【００５８】
典型的な吐出装置の１つは、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルを備えた吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された容器から吐出用ヘッドへ吐出物を供給する供給路と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを有する吐出装置である。容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段としては、容器を振動する手段を採用できる。そのため、容器に蛇腹形状などをした可撓部を設け、この可撓部を振動する手段で振動したり、容器に板状の部分を設け、この板状の部分に圧電素子を接触させて振動させることができる。そして、容器が回転するようにしておけば、容器内の吐出物を振動によりいっそう効率良く攪拌できると共に、容器内の壁面に付着した微粒子があっても攪拌し易くなる。液体を介して超音波振動を与えても良い。また、容器の一部をヒーターおよび／または冷却装置の熱源に接して内部の吐出物を温度差で循環させることにより攪拌しても良い。たとえば、ヒータおよび冷却装置としてペルチェ素子を採用できる。すなわち、第３の攪拌手段の典型的なものは容器を振動する手段である。容器が回転してもよい。容器が可撓部を備えており、振動する手段は当該可撓部を振動するものであってもよい。可撓部が蛇腹形状をしていてもよい。容器が板状の部分を備えており、振動する手段は板状の部分に接している圧電素子であってもよい。振動する手段は、容器の少なくとも一部が浸漬された液体を介して超音波振動を与える手段であってもよい。第３の攪拌手段は容器の一部を加熱する熱源であってもよい。熱源の典型的なものはヒーターおよび／または冷却装置である。熱源はペルチェ素子であってもよい。
【００５９】
容器は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、第３の攪拌手段は容器を通して磁力を加えて、攪拌部材を駆動する吐出装置も含まれる。容器は密閉された容器であって、その内部に光を受光して回転する攪拌部材を備えており、第３の攪拌手段は容器を透過して攪拌部材に光を照射して攪拌部材を駆動する吐出装置も含まれる。供給路に配置されたフィルターを有し、フィルターを振動する手段を有している吐出装置も含まれる。
【００６０】
また、密閉された容器の内部に磁力に反応する攪拌部材を設け、第３の攪拌手段により容器を通して磁力で攪拌部材を駆動して容器内の吐出物を攪拌しても良い。磁力に反応する攪拌部材の代わりに、光を受光して回転する攪拌部材を容器内に設け、第３の攪拌手段により容器を透過して攪拌部材に光を照射しても良い。このように容器内に吐出物を攪拌するための素子（攪拌部材）を入れる際には、この素子の外周部を覆うように樹脂などで構成された部材を、容器に固定されている部材、または容器の注入口を構成する部材と一体に構成すれば、容器内で素子が移動するのを防止でき、常に適切な位置で吐出物を攪拌できる。特に、容器内の吐出物が減ってきたときであっても予め決められた位置で常に駆動できるので望ましい。
【００６１】
容器内部の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段は、凝集や沈降が比較的遅い、準安定な吐出物を吐出する吐出装置においても有効である。すなわち、準安定な吐出物を吐出する吐出装置においては、第３の攪拌手段を設けるだけで、品質の安定した吐出物をワークに出力することができる。したがって、本発明においては、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルを備えた吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、装着された容器から吐出用ヘッドへ吐出物を供給する供給路と、容器内の吐出物を攪拌する第３の攪拌手段とを有する吐出装置も有用である。
【００６２】
したがって、液状の吐出物をワークに向けて吐出し、ワーク上にドットを形成する複数のノズルを備えた吐出用ヘッドを備えた吐出装置の装着部に装着可能な吐出物を貯蔵する容器であって、装着部から間接的に駆動される攪拌部材を内部に有する容器も本発明に含まれる。上述したように、攪拌部材は、磁場あるいは光を介して駆動されることが望ましい。さらに、容器が変形可能なものの場合は、攪拌部材が動くスペースを確保し、変形し難い透過性の保護ケースを設けておくことが望ましい。
【００６３】
また、供給路にフィルターを設けられている場合は、フィルターを振動する手段も一緒に設けることが望ましい。吐出物が流れる流路（供給路）の一部に構成されているフィルターを振動することにより、フィルターの目詰まりの解消と共に、供給路内の吐出物を攪拌する効果が得られる。フィルターを振動する手段は振動源としてフィルターに接触して直接に振動させるものでも良く、フィルターを固定している部材と振動源を連結したものでも良い。
【００６４】
吐出用ヘッドと、吐出物を貯蔵する容器を装着可能な装着部と、装着された容器からマニフォールドへ吐出物を供給する供給路とを有する吐出装置の制御方法においては、吐出物を各々のノズルから吐出するときに、加圧手段の最短周期の整数倍または整数分の１の周期で第１の攪拌手段を駆動することが望ましい。吐出物を各々のノズルから吐出しないときに、加圧手段を各々のノズルから吐出物が吐出されない範囲で駆動することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】インクジェット装置の全体構成を示す図である。
【図２】吐出用ヘッドの制御を示す図である。
【図３】ノズルの先端に形成されるメニスカスの様子を示す図である。
【図４】微粒子を含む吐出物をノズルの最小径を代えて出力したときの実験結果を示す図である。
【図５】ノズルの出口が台形断面をしているときのノズルの最小径を示す図である。
【図６】微粒子の最大径を説明するための図である。
【図７】供給路の内部の構造を示す図である。
【図８】本発明の吐出装置の異なる例を示す図である。
【図９】供給路を振動する異なる例を示す図である。
【図１０】供給路を振動するさらに異なる例を示す図である。
【図１１】供給路を振動するさらに異なる例を示す図である。
【図１２】容器内の吐出物を攪拌する異なる例を示す図である。
【図１３】容器内の吐出物を攪拌するさらに異なる例を示す図である。
【図１４】本発明の吐出装置のさらに異なる例を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 吐出装置
２ 吐出物 ２ａ 微粒子
３ ノズル ５ 吐出用ヘッド ６ 装着部
７ 供給路
１０ ワーク
１４ 圧電素子（第３の攪拌手段）
１５ 循環路 １６ ポンプ
１８ 圧電素子（第１の攪拌手段）
２１ 圧力室 ２２ 供給口 ２３ 流出口
２５ マニフォールド
２６ 圧電素子（加圧手段）
３０ フィルター
３４ 圧電素子（フィルターを振動する手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドを備えた吐出装置の装着部に装着可能な前記吐出物を貯蔵する容器であって、前記装着部から間接的に駆動される攪拌部材を内部に有する容器。
【請求項２】
請求項１において、前記攪拌部材は、磁場あるいは光を介して駆動される容器。
【請求項３】
請求項１または２において、前記攪拌部材が動くスペースを確保し、透過性の保護ケースを有する容器。
【請求項４】
液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、
前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、
装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、
前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、
前記容器は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、
前記攪拌手段は前記容器を通して磁力を加えて、前記攪拌部材を駆動する吐出装置。
【請求項５】
液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、
前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、
装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、
前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、
前記容器は密閉された容器であって、その内部に光を受光して回転する攪拌部材を備えており、
前記攪拌手段は前記容器を透過して前記攪拌部材に光を照射して前記攪拌部材を駆動する吐出装置。
【請求項１】
液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドを備えた吐出装置の装着部に装着可能な前記吐出物を貯蔵する容器であって、前記装着部から間接的に駆動される攪拌部材を内部に有する容器。
【請求項２】
請求項１において、前記攪拌部材は、磁場あるいは光を介して駆動される容器。
【請求項３】
請求項１または２において、前記攪拌部材が動くスペースを確保し、透過性の保護ケースを有する容器。
【請求項４】
液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、
前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、
装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、
前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、
前記容器は密閉された容器であって、その内部に磁力に反応する攪拌部材を備えており、
前記攪拌手段は前記容器を通して磁力を加えて、前記攪拌部材を駆動する吐出装置。
【請求項５】
液状の吐出物をワークに向けて吐出し、前記ワーク上にドットを形成する少なくとも１つのノズルを備えた吐出用ヘッドと、
前記吐出物を貯蔵する容器を装着した装着部と、
装着された前記容器から前記吐出用ヘッドへ前記吐出物を供給する供給路と、
前記容器内の吐出物を攪拌する攪拌手段とを有し、
前記容器は密閉された容器であって、その内部に光を受光して回転する攪拌部材を備えており、
前記攪拌手段は前記容器を透過して前記攪拌部材に光を照射して前記攪拌部材を駆動する吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−１８５８７（Ｐ２００９−１８５８７Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９１８６９（Ｐ２００８−１９１８６９）
【出願日】平成２０年７月２５日（２００８．７．２５）
【分割の表示】特願２００１−２６３７６７（Ｐ２００１−２６３７６７）の分割
【原出願日】平成１３年８月３１日（２００１．８．３１）
【出願人】（５９８０８６５８９）株式会社マイクロジェット (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２５日（２００８．７．２５）
【分割の表示】特願２００１−２６３７６７（Ｐ２００１−２６３７６７）の分割
【原出願日】平成１３年８月３１日（２００１．８．３１）
【出願人】（５９８０８６５８９）株式会社マイクロジェット (16)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]