JP2006341508A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電アクチュエータの変位をキャビティユニットに効率よく伝達しながら、圧電アクチュ−エータのセラミックス層をインクの侵入から保護する。
【解決手段】 圧電アクチュエータ２１は、複数の圧力室２４にわたって扁平な複数のセラミックス層４１〜４３を、その扁平な方向を圧力室２４が開口した面と平行にして積層して構成され、圧力室２４の開口を覆う側をセラミックス層とし、そのセラミックス層の圧力室と反対側に少なくとも一対の電極間に挟まれた他のセラミックス層を配置してなり、圧電アクチュエータ２１における圧力室２４の開口を覆うセラミックス層４１ａの少なくとも圧力室２４に対向する領域は、電気絶縁性を有する窒化物の保護膜５０で覆われている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、インクジェットヘッドに係り、特に、インクが充填されたキャビティユニットの圧力室に、圧電アクチュエータが吐出圧力を与えるように構成されたインクジェットヘッドに関するものである。

従来から、インクジェットヘッドにおいては、圧電層と電極層とを交互に積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータを、キャビティユニットの圧力室に面して接合させて、この圧電アクチュエータの変位により、前記圧力室の容積に変化を与えインクを吐出させるものが知られている。

例えば、特許文献１のインクジェットヘッドでは、キャビティユニットが複数のプレートを積層して形成されており、その最前面のプレートに複数のノズルが設けられるとともに、最背面のプレートにノズル毎に対応する複数の圧力室が背面側に開口を有して設けられている。圧電アクチュエータでは、図５に模式的に示すように、キャビティユニット１２０の各圧力室１２４毎に対応した個別電極１４４の層と全圧力室１２４に共通なコモン電極１４５の層とが圧電層１６２を挟んで交互に積層されており、個別電極１４４とコモン電極１４５とに上下を挟まれた圧電層１６２の領域が活性部となっている。

そして、前記各圧力室１２４の位置に各活性部を対応させて、キャビティユニット１２０の背面に圧電アクチュエータ１２１が積層固定され、インクジェットヘッド１００が形成される。このインクジェットヘッド１００では、接地されたコモン電極１４５に対して個別電極１４４に選択的に電圧を印加することで対応する活性部が変位し、この変位が伝達されて圧力室１２４に吐出圧力が与えられる。

圧電アクチュエータの圧電層１６２は、一般的に、ＰＺＴ系等の圧電材料（セラミックス）を成形した圧電シートを焼結することにより形成されているため、焼結体である圧電層１６２（以下、セラミックス層１６２と記載する）には、図５に示すように、微小な欠陥（マイクロクラック）１６０が生じ易い。それ故に、上述のように、圧力室１２４の開口を圧電アクチュエータ１２１で直接覆って密閉していると、微小な欠陥１６０を通じてセラミックス層１６２にインクが浸透する可能性が大きく、さらにインクの浸透が進むと、電極間の電気的短絡を招くという問題があった。

そのため、前記特許文献１では、キャビティユニットと圧電アクチュエータとの接着にインク非浸透性の接着シートを用い、この接着シートで、キャビティユニットと対向する圧電アクチュエータの面を全部覆うようにして、圧電アクチュエータのセラミックス層がインクと直接接触しないようにしている。

また、上記のように圧力室の開口を圧電アクチュエータで覆っているものでは、特許文献２にあるように、電極に電圧を印加したとき、インクをとおしてキャビティユニットや隣接する個別電極への電圧漏れによって、インクの吐出性能にバラツキが生じる等の問題を解決するために、圧電アクチュエータ内のコモン電極をキャビティユニットとともに接地することが考えられている。
特開２００２−５９５４７号公報（図７及び図８参照） 特開２００３−８０７０９号公報（図１１、図１２、図１３及び図１６参照）

ところで、キャビティユニットでは、静電気等によりインクに電荷が溜まることがある。インクが正に帯電すると、図５に示すように、圧力室に充填されたインク１６１と、接地された圧電アクチュエータのコモン電極１４５との間には、最下層のセラミックス層１６２ａを挟んで電位差が生じることになる。このような電位差は、正に帯電したインク１６１をコモン電極１４５側に移動させる電気浸透現象を発生させるため、インクには、セラミックス層１６２に浸透させようとする積極的な力が作用する。

前述した特許文献１では、接着シートで圧電アクチュエータのセラミックス層を覆っているものの、微視的には、接着シートには微小な空孔が多数あるため、前述したようなインクを積極的にセラミックス層側に誘導する力が作用すると、インクが接着シートを通過する。その結果、セラミックス層に欠陥があると、その内部にインクが浸透してしまい、従来同様の電気的短絡等の問題を招来する。

特許文献２では、圧力室にセラミックス層が直接接しているので、セラミックス層に欠陥が生じると、インクが毛細管現象等で侵入するおそれがある。

本発明は、上記問題を解消するものであり、圧電アクチュエータの変位をキャビティユニットに確実に伝達しながら、圧電アクチュ−エータをインクの侵入から保護することのできるインクジェットヘッドの提供を目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明におけるインクジェットヘッドは、インクを吐出する複数のノズルが配置され、前記各ノズル毎に対応する複数の圧力室が平面上に開口形成されたキャビティユニットと、このキャビティユニットの前記圧力室が開口した面に積層され、インクが充填された前記圧力室に吐出圧力を与える圧電アクチュエータと、を備えるインクジェットヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、複数の圧力室にわたって扁平な複数のセラミックス層を、その扁平な方向を前記圧力室が開口した面と平行にして積層して構成され、前記圧力室の開口を覆う側をセラミックス層とし、そのセラミックス層の前記圧力室と反対側に少なくとも一対の電極間に挟まれた他のセラミックス層を配置してなり、前記圧電アクチュエータにおける前記圧力室の開口を覆うセラミックス層の少なくとも前記圧力室に対向する領域は、電気絶縁性を有する窒化物の保護膜で覆われていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記窒化物の保護膜は、窒化珪素膜であることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記キャビティユニットにおける少なくとも前記圧力室を有する部材は導電性材料を素材とし、前記圧電アクチュエータの電極は、前記圧力室側から積層方向に沿って順に、複数の圧力室に共通するコモン電極と各圧力室毎に対応する個別電極とが他のセラミックス層を挟んで交互に配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記窒化物の保護膜は、ＰＶＤまたはＣＶＤにより形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記コモン電極は、前記キャビティユニットにおける圧力室を有する部材と、前記圧電アクチュエータの側面に配置された導電性材料により電気的に接続されていることを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記コモン電極と前記キャビティユニットにおける圧力室を有する部材とは、接地されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、圧力室の開口を覆うセラミックス層の少なくとも圧力室に対向する領域が電気絶縁性を有する窒化物の保護膜で覆われているから、圧力室に充填されたインクと前記セラミックス層が直接的に接触することを防止できる。加えて、圧力室と電極との間にセラミックス層と保護膜とが積層されているから、仮に静電気等でインクが帯電してインクと電極との間に電位差が生じても、この電位差はセラミックス層と保護膜とに分配されて掛かるから、セラミックス層自体に掛かる電圧は小さくなる。従って、セラミックス層に欠陥が存在しても、インクをセラミックス層に積極的に誘導させるような強い力が作用しない( 電気浸透現象が生じないか、生じても僅かとなる）から、セラミックス層へのインクの浸透を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、窒化珪素膜は、高いブロッキング性を有しているため、セラミックス層を保護する効果が高められる。

請求項３に記載の発明によれば、圧電アクチュエータは、キャビティユニットに近い側から順に、セラミックス層、コモン電極、セラミックス層、個別電極・・の順で配置される。通常、インクが静電気により正の電荷を帯びた状態で、コモン電極を接地すると、セラミックス層を挟んで圧力室のインクとコモン電極との間に大きな電位差が生じるが、請求項１または２の発明により、セラミックス層を挟む電位差を小さくし、さらにセラミックス層に対する保護性能を高めることができるので、セラミックス層へのインクの浸透を防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、窒化物の保護膜を容易に成膜することができる。

請求項５に記載の発明によれば、圧力室のインクが帯電しても、インクの電荷を、圧力室を有する部材及び導電性部材を介して、コモン電極に逃がすことができる。

請求項６に記載の発明によれば、圧力室のインクが帯電しても、インクの電荷を速やかに逃がすことができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態による圧電式のインクジェットヘッド１におけるキャビティユニット２０、圧電アクチュエータ２１、及びフレキシブルフラットケーブル２２の斜視図であり、複数枚のプレートからなるキャビティユニット２０にプレート型の圧電アクチュエータ２１が保護膜５０を介して接合され、このプレート型の圧電アクチュエータ２１の上面に外部機器との接続のためのフレキシブルフラットケーブル２２が重ね接合されている。そして、キャビティユニット２０の下面側に開口されたノズル２３から、下向きにインクが吐出するものとする（図３参照）。

前記キャビティユニット２０は、図２に示すように、ノズルプレート３０、スペーサプレート３１、２枚のマニホールドプレート３３ａ、３３ｂ、サプライプレート３４、ベースプレート３５、及びキャビティプレート３６の合計７枚の薄い板をそれぞれ接着剤にて重ね接合した構造となっている。

実施形態では、各プレート３０〜３６は５０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート３０はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート３１〜３６は４２％ニッケル合金鋼板製である。前記ノズルプレート３０には、微小径（２５μｍ程度）のインク吐出用のノズル２３が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル２３は、当該ノズルプレート３０における長辺方向（Ｘ方向）と平行な２列に配列されている。

また、前記キャビティプレート３６には、図３に示すように、複数の圧力室２４がキャビティプレート３６の長辺（前記Ｘ方向）と平行な２列に配列されている。実施形態では、前記各圧力室２４は、平面視細長形状に形成され、その長手方向がキャビティプレート３６の短辺方向（Ｙ方向）に沿うようにして穿設され、長手方向の一端部がノズル２３と連通し、他端部が後述する共通インク室２５と連通する。

各圧力室２４における先端部は、サプライプレート３４、ベースプレート３５と２枚のマニホールドプレート３３ａ、３３ｂ、及びスペーサプレート３１に穿設されている微小径の連通孔２６を介して、ノズルプレート３０における前記各ノズル２３に連通している。

キャビティプレート３６の下面に隣接するベースプレート３５には、各圧力室２４の他端部に接続する貫通孔２８が穿設されている。

ベースプレート３５の下面に隣接するサプライプレート３４には、後述する共通インク室２５から前記各圧力室２４へインクを供給するための接続流路２９が設けられる。そして各接続流路２９には、共通インク室２５からインクが入る入口孔と、圧力室２４側（貫通孔２８）に開口する出口孔と、入口孔と出口孔との間にあって、接続流路２９中で最も大きな流路抵抗となるように断面積を小さくして形成された絞り部とが備えられている。

２枚のマニホールドプレート３３ａ，３３ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い２つの共通インク室２５が前記ノズル２３の各列に沿って延びるように板厚を貫通して形成されている。すなわち、図２及び図３に示すように、２枚のマニホールドプレート３３ａ、３３ｂを積層し、かつその上面をサプライプレート３４にて覆い、下面をスペーサプレート３１にて覆うことにより、合計２つの共通インク室（マニホールド室）２５が密閉状に形成される。各共通インク室２５は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記圧力室２４の一部と重なって圧力室２４の列方向（ノズル２３の列方向）に沿って長く延びている。

また、図２に示すように、キャビティプレート３６、ベースプレート３５、及びサプライプレート３４の一方の短辺側の端部には、上下の位置を対応させて、それぞれ２つのインク供給口４０が穿設されている。インク供給源からのインクが、これらインク供給口４０から共通インク室２５の一端部に連通するようになっている。また、インク供給口４０には、フィルタ体４０ａが接着剤等で貼着されている。

インク供給口４０からノズル２３に至るインク流通路では、インクは、インク供給口４０からインク供給チャンネルとしての共通インク室２５に供給された後、図３に示すように、サプライプレート３４の接続流路２９及びベースプレート３５の貫通孔２８を経由して各圧力室２４に分配供給される。そして、インクは各圧力室２４内から前記連通孔２６を通って、その圧力室２４に対応するノズル２３に至るという構成になっている。

一方、前記圧電アクチュエータ２１は、特開平４−３４１８５３号公報及び前記特許文献２公報等に開示された公知のものと同様に、１枚の厚さが３０μｍ程度でかつ全圧力室２４にわたる大きさに扁平に成形したセラミックス層４１〜４３を、図３に示すように、圧力室２４が開口した面と平行に複数枚積層して焼成した構造である。セラミックス層のうち下から所定数の偶数段目のセラミックス層４２の上面（広幅面）には、前記キャビティユニット２０における各圧力室２４に対応した箇所ごとに細幅の個別電極４４が長辺方向（Ｘ方向）に沿って列状に形成されている。下から所定数の奇数段目のセラミックス層４１の上面（広幅面）には、複数個の圧力室２４に対して共通のコモン電極４５が形成されている。このコモン電極４５は、キャビティプレート３６と電気的に接続する（後述する）ために、セラミックス層４１の端縁にまで延設されて、圧電アクチュエータ２１の側面に引き出されている。最上段のセラミックス層の上面には、表面電極４６（図１参照）として、積層方向に対応する前記個別電極４４の各々に対して前記特許文献２に記載されているように電気的なスルーホール等の手段により電気的に接続される表面電極と、前記コモン電極４５に対して電気的に接続される表面電極とが設けられている。これらの各電極４４，４５，４６は、各セラミックス層のグリーンシートに導電性ペーストをスクリーン印刷する等して形成される。

このように電極を挟んで積層されたセラミックス層４１〜４３が焼結され、一体化される。そして、公知のように個別電極４４とコモン電極４５との間に高電圧を印加することで、両電極に挟まれたセラミックス層の部分が分極され、圧電特性を有する活性部として形成される。

このように形成された圧電アクチュエータ２１では、最下層のセラミックス層４１ａの下面に電極が設けられていないので、焼結体であるセラミックスが全面に露出している。そして、このセラミックス層４１ａの下面が、圧力室２４と対向するように、キャビティユニット２０に積層されるので、この圧電アクチュエータ２１の下面のセラミックスを保護するように、あらかじめ保護膜５０として、電気絶縁性を有する窒化膜が形成されている。保護膜５０は、少なくとも圧力室２４と対向する領域、換言すれば直接インクと接する領域に設けられていればよいが、この実施形態では、キャビティユニット２０と対向する圧電アクチュエータ２１の下面全部に、窒化珪素膜が、ＰＶＤ（物理的蒸着法、スパッタ等）やＣＶＤ（化学的蒸着法）等の適宜方法により形成されている。保護膜５０の厚みは、１μｍ〜３μｍの範囲が望ましい。

そして、この保護膜５０とキャビティプレート３６との間に、耐インク性に優れたシート状の接着剤（図示せず）を介在させて、キャビティユニット２０の上面に圧電アクチュエータ２１が接着固定される。

また、キャビティユニット２０のキャビティプレート３６は導電体製であるため、圧電アクチュエータ２１のコモン電極４５と導電性部材５１によって電気的に接続され、接地されている。この実施形態では、導電性部材５１としては、導電性ペーストを用いており、圧電アクチュエータ２１の外周のいずれか１箇所においてその側面に露出したコモン電極４５とキャビティプレート３６の上面とに接触させて塗布すればよく、ここでは、長手方向（Ｘ方向）の略中央部で接続している（図４参照）。

なお、導電性部材５１は、３層設けられたコモン電極４５及びそれに接続された表面電極が互いに電気的に接続されて接地されているので、これらのコモン電極４５及び表面電極のいずれかと接続していればよい。

このように構成されたインクジェットヘッドは、コモン電極４５がフレシキブルフラットケーブル２２の配線パターンの一部を介して接地され、インクを吐出しようとするノズルに対応する個別電極４４に電圧が印加されることにより、活性部が圧力室２４に対して伸長され、圧力室２４内のインクに吐出圧力が加えられる。

上記実施形態では、圧電アクチュエータ２１におけるキャビティユニットと対向する面全体を保護膜５０として、電気絶縁性を有する窒化珪素膜で覆っているから、セラミックス層４１ａがインクと直接接触するのを防止できる。特に、窒化珪素膜は、同じく電気絶縁性を有する酸化珪素膜に比べて、一般的にブロッキング性に優れた膜として知られているため、セラミックス層に対する保護性能に優れた効果を発揮する。

また、この実施形態では、キャビティプレート３６を、導電性部材５１である導電性ペーストを介してコモン電極４５に接続し、コモン電極４５を接地している。導電性ペーストは、抵抗値を有しているため、仮に静電気等によりインクが正に帯電すると、その電荷は直ちにグランドには逃げずに、最下層のセラミックス層４１ａの上面に形成されたコモン電極４５と圧力室２４のインクとの間の電位差Ｖが、セラミックス層４１ａに掛かることになる。

しかしながら、コモン電極４５と圧力室２４のインクとの間には、セラミックス層４１ａと保護膜５０とがあり、セラミックス層４１ａの静電容量Ｃｐは、保護膜５０としての窒化珪素膜の静電容量Ｃｎよりもかなり大きい（Ｃｐ＞＞Ｃｎ）から、前記電位差Ｖは分配されて、セラミックス層４１ａに掛かる電圧は、｛Ｖ×Ｃｎ／（Ｃｎ＋Ｃｐ）｝と極めて小さくなる。換言すれば、セラミックス層４１ａには、保護膜５０のない場合のように、電位差Ｖがそのまま掛かる訳でないので、従来のように、インクをセラミックス層４１ａへ積極的に誘導する強い力が作用しない。そのため、圧電アクチュエータ２１の内部へのインクの浸透を抑制することができ、ひいては、インクの浸透による電気的な短絡を招来する虞もない。

さらに、導電性部材５１である導電性ペーストは抵抗値を有しているが、静電気による圧力室２４のインクの電荷を、キャビティプレート３６、導電性部材５１、及びコモン電極４５を介して、直ちにグランドに逃がすことができるという効果を奏する。

なお、導電性部材５１を省略した場合でも、前述したようにセラミックス層４１ａに掛かる電圧は、保護膜５０を設けることによる分配で、低電圧化されるから、セラミックス層４１ａへのインクの浸透を大幅に軽減することができる。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの分解斜視図である。 図１のIII −III 線矢視断面図である。 導電性部材５１を配置した状態の模式的な斜視図である。 従来のインクジェットヘッドを説明する縦断面図である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２０ キャビティユニット
２１ 圧電アクチュエータ
２２ フレキシブルフラットケーブル
２３ ノズル
２４ 圧力室
３０ ノズルプレート
３６ キャビティプレート
４１〜４３ 圧電シート
４４ 個別電極
４５ コモン電極
５０ 保護膜
５１ 導電性部材
６０ 欠陥
６１ インク

Claims (6)

1. インクを吐出する複数のノズルが配置され、前記各ノズル毎に対応する複数の圧力室が平面上に開口形成されたキャビティユニットと、
   このキャビティユニットの前記圧力室が開口した面に積層され、インクが充填された前記圧力室に吐出圧力を与える圧電アクチュエータと、を備えるインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧電アクチュエータは、複数の圧力室にわたって扁平な複数のセラミックス層を、その扁平な方向を前記圧力室が開口した面と平行にして積層して構成され、前記圧力室の開口を覆う側をセラミックス層とし、そのセラミックス層の前記圧力室と反対側に少なくとも一対の電極間に挟まれた他のセラミックス層を配置してなり、
   前記圧電アクチュエータにおける前記圧力室の開口を覆うセラミックス層の少なくとも前記圧力室に対向する領域は、電気絶縁性を有する窒化物の保護膜で覆われていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記窒化物の保護膜は、窒化珪素膜であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記キャビティユニットにおける少なくとも前記圧力室を有する部材は導電性材料を素材とし、
   前記圧電アクチュエータの電極は、前記圧力室側から積層方向に沿って順に、複数の圧力室に共通するコモン電極と各圧力室毎に対応する個別電極とが他のセラミックス層を挟んで交互に配置されてい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。
4. 前記窒化物の保護膜は、ＰＶＤまたはＣＶＤにより形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
5. 前記コモン電極は、前記キャビティユニットにおける圧力室を有する部材と、前記圧電アクチュエータの側面に配置された導電性材料により電気的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記コモン電極と前記キャビティユニットにおける圧力室を有する部材とは、接地されていることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
   
   
   

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