JP2007038532A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力発生素子の振動板側の電極に電圧が印加された場合でも、電気泳動現象による画質の劣化や、電気分解で発生した異物・ガスによる吐出不良の問題等が生じることがなく、液体噴射処理を支障なく行えるようにする。
【解決手段】 本発明の液体噴射ヘッド１２は、ノズル開口２０が形成されたノズルプレート２１に対向して離間配置され、圧力室２３の一面を形成する振動板２６と、振動板２６の圧力室２３と反対側に設けられた圧力発生素子２７であって、振動板２６上に形成された第１電極２８、第１電極２８に接合された圧電素子３０、及び圧電素子３０に接合されて第１電極２８と対を成す第２電極２９を有する、圧力発生素子２７と、第１電極２８にグランド以外の電圧が印加された状態において、振動板２６の圧力室２３側の面とノズルプレート２１との間の電位差の発生を防止する電位差発生防止手段４０と、を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ノズル開口に連通する圧力室の内部の液体に圧力変動を生じさせてノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッド及びこの液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置に関する。

従来の液体噴射装置の代表例としては、画像記録用のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置がある。その他の液体噴射装置としては、例えば液晶ディスプレー等のカラーフィルタ製造に用いられる色材噴射ヘッドを備えた装置、有機ＥＬディスプレー、面発光ディスプレー（ＦＥＤ）等の電極形成に用いられる電極材（導電ペースト）噴射ヘッドを備えた装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドを備えた装置、精密ピペットとしての試料噴射ヘッドを備えた装置等が挙げられる。

液体噴射装置の代表例であるインクジェット式記録装置は、印刷時の騒音が比較的小さく、しかも小さなドットを高い密度で形成できるため、昨今においてはカラー印刷を含めた多くの印刷に使用されている。

このようなインクジェット式記録装置は、一般に、キャリッジ上に搭載されて記録紙等の記録媒体（被処理物）の幅方向（ヘッド走査方向）に往復移動するインクジェット式記録ヘッドと、記録媒体をヘッド走査方向と直交する方向（送り方向）に移動させる送り機構と、を備えており、さらに、記録ヘッドに対向して配置され、送り機構により搬送される記録媒体を裏面から支持して記録ヘッドに対する記録媒体の位置を規定するプラテンを備えている。

このインクジェット式記録装置においては、印刷データに対応して記録ヘッドより記録媒体に対してインク滴を吐出させることで印刷が行われる。そして、キャリッジ上に搭載される記録ヘッドを、例えばブラック、イエロー、シアン、マゼンタの各色のインクの吐出が可能なものとすることにより、ブラックインクによるテキスト印刷ばかりでなく、各インクの吐出割合を変えることにより、フルカラー印刷を可能としている。

従来のインクジェット式記録装置における記録ヘッドは、ノズル開口に連通する圧力室の内部のインクに圧力変動を生じさせてノズル開口からインク滴を吐出させるものである。記録ヘッドは、多数のノズル開口が形成された金属製のノズルプレートと、このノズルプレートに対向して離間配置され、圧力室の一面を形成する振動板と、ノズルプレートと振動板とで挟まれた流路形成基板と、振動板の圧力室と反対側に設けられた圧力発生素子とを備えている。

圧力発生素子は、各圧力室に対応して設けられており、振動板上に形成された下電極（共通電極）、この下電極と対を成す上電極（個別の駆動電極）、及び下電極と上電極との間に挟まれた圧電素子を備えている。そして、上電極に駆動電圧を供給して圧電素子に電圧を印加することで圧電素子と共に振動板が変形し、圧力室の内部に圧力変動が生じてインク滴がノズル開口から吐出される。

上述した従来のインクジェット式記録装置の記録ヘッドにおいては、インク滴を吐出すべく上電極に駆動電圧を印加する際には、圧電素子の変位量を十分に確保するために、下電極（共通電極）の電位はグランド（Ｇｎｄ）ではなく、所定のバイアス電圧（例えば＋５Ｖ程度）が印加されている。一方、ノズル開口が形成された金属製のノズルプレートはグランドに導通している。このため、記録ヘッド内のインクに対して、ノズルプレート（Ｇｎｄ）と下電極（＋５Ｖ）との間の電位差が印加された状態となっている。

図７は、例えばＺｒＯ_２膜及びＳｉＯ_２膜で形成された振動板を有する記録ヘッドにおいて、下電極への印加電圧が６Ｖの場合にインクに作用する電界強度を計算した結果を示している。図７から分かるように、下電極に６Ｖの電圧が印加されると、６６．２Ｖ／ｍｍというかなり強い電界が記録ヘッド中のインクに作用することが分かる。

記録ヘッド内のインクに対して電位差が印加された状態にあると、顔料インクにおいてはそこに含まれる顔料粒子（大きな表面極性を持っている）が通常帯電しているので、インクに電界が印加されることにより電気泳動現象によって顔料粒子が移動し、インク内の顔料濃度が不均一となってしまう。分散されている粒子の径が大きい液体においては、分散が不安定となり、また帯電量も大きいので、電気泳動を起こしやすい傾向がある。

このように記録ヘッド内のインクに電気泳動現象が生じることにより、記録ヘッド内にインクが充填された直後と、充填後ある程度時間が経過した後では、吐出されるインク滴内の顔料濃度が異なり、印刷される画像濃度や色が異なってしまうという問題が引き起こされる。

また、電解質の水性インクを用いた場合には、インクの電気分解による生成物がノズル開口を閉塞したり、インク中にガスが混入することにより、吐出不良が引き起こされる可能性がある。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであって、圧力発生素子の振動板側の電極に電圧が印加された場合でも、電気泳動現象による画質の劣化や、電気分解で発生した異物・ガスによる吐出不良の問題等が生じることがなく、液体噴射による被処理物の処理を支障なく行うことができる液体噴射ヘッド及びこの液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ノズル開口に連通する圧力室の内部の液体に圧力変動を生じさせて前記ノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、前記ノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートに対向して離間配置され、前記圧力室の一面を形成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側に設けられた圧力発生素子であって、前記振動板上に形成された第１電極、前記第１電極に接合された圧電素子、及び前記圧電素子に接合されて前記第１電極と対を成す第２電極を有する、圧力発生素子と、前記第１電極にグランド以外の電圧が印加された状態において、前記振動板の前記圧力室側の面と前記ノズルプレートとの間の電位差の発生を防止する電位差発生防止手段と、を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、前記電位差発生防止手段は、前記第１電極の電位と前記ノズルプレートの電位とを同一にするものである。

また、好ましくは、前記電位差発生防止手段は、前記振動板の前記圧力室側に形成された導電層を有し、前記導電層の電位と前記ノズルプレートの電位とを同一にするものである。

また、好ましくは、前記電位差発生防止手段は、前記導電層と前記ノズルプレートとを導通させる連絡配線を有する。

上記課題を解決するために、本発明による液体噴射装置は、上記いずれかの液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドに供給される液体を貯留する液体容器と、前記液体容器から前記液体噴射ヘッドに液体を輸送するための液体流路と、前記液体容器又は前記液体流路の内部の液体に接触する導電性部材と、前記導電性部材の電位と前記ノズルプレートの電位とを同一に保持するための同電位保持手段と、を備えたことを特徴とする。

また、上記液体噴射装置は、好ましくは、前記液体流路の内部に設けられた液体フィルタをさらに有し、前記導電性部材は前記液体フィルタよりも上流側に配置されている。

また、好ましくは、前記導電性部材は、前記液体流路を構成する配管と前記液体容器とを接続する導電性の接続部材である。

本発明によれば、液体噴射ヘッドの圧力発生素子の振動板側の電極に電圧が印加された場合でも、表面極性の大きい顔料粒子を含む液体や、分散されている粒子径が大きい液体を用いたとしても、電気泳動現象による画質の劣化や、電気分解で発生した異物・ガスによる吐出不良の問題等が生じることがなく、液体噴射による被処理物の処理を支障なく行うことができる。

以下、本発明による液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置の一実施形態としてのインクジェット式記録装置について、図面を参照して説明する。

図１及び図２は、本実施形態によるインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図であり、図３は同インクジェット式記録装置のプラテン及びその周囲を拡大して示した図である。図１中符号１はキャリッジであり、このキャリッジ１はキャリッジモータ２により駆動されるタイミングベルト３を介して、ガイド部材４に案内されてプラテン５の軸方向に往復移動されるように構成されている。プラテン５は、記録紙（被処理物）６をその裏面から支持してインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１２に対する記録紙６の位置を規定する。

キャリッジ１、キャリッジモータ２、タイミングベルト３、及びガイド部材４は、インクジェット式記録ヘッド１２をキャリッジ１と共にヘッド走査方向に走査させる走査機構を構成している。

記録ヘッド１２は、キャリッジ１の記録紙６に対向する側に搭載されている。また、キャリッジ１には、記録ヘッド１２にインクを供給するインクカートリッジ７が着脱可能に装着されている。

インクジェット式記録装置の非印刷領域であるホームポジション(図１中、右側)にはキャップ部材１３が配置されており、このキャップ部材１３はキャリッジ１に搭載された記録ヘッド１２がホームポジションに移動した時に、記録ヘッド１２のノズル形成面に押し当てられてノズル形成面との間に密閉空間を形成するように構成されている。そして、キャップ部材１３の下方には、キャップ部材１３により形成された密閉空間に負圧を与えるためのポンプユニット１０が配置されている。

キャップ部材１３の印刷領域側の近傍には、ゴムなどの弾性板を備えたワイピング手段１１が記録ヘッド１２の移動軌跡に対して例えば水平方向に進退できるように配置されていて、キャリッジ１がキャップ部材１３側に往復移動するに際して、必要に応じて記録ヘッド１２のノズル形成面を払拭することができるように構成されている。

本実施形態によるインクジェット式記録装置は、さらに、記録ヘッド１２により印刷処理が行われる記録紙６をヘッド走査方向に対して直交する送り方向に間欠的に搬送する送り機構を備えている。

図３に示したように送り機構は、記録紙６を挟み込んでプラテン５上へ送るために互いに対向配置された給紙ローラ１４ａ、１４ｂと、印刷された記録紙６を排出するために互いに対向配置された排紙ローラ１５ａ、１５ｂと、を備えている。なお、給紙ローラ１４ａ及び排紙ローラ１５ａは従動ローラであり、給紙ローラ１４ｂ及び排紙ローラ１５ｂは駆動ローラである。

図３から分かるようにプラテン５は、給紙方向（送り方向）Ｆと平行な方向に延びる複数のインク受け縦開口５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆと、給紙方向Ｆに対して直交するヘッド走査方向に延びる複数のインク受け横開口５ａ、５ｂとが形成されている。これらのインク受け開口５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆには、いずれも、記録ヘッド１２から吐出されたインクを吸収する吸収部材１６が配置されている。吸収部材１６は、記録紙６の裏面側において記録紙６とは接触しないようにして配置されている。

図４は、本実施形態による記録ヘッド１２を拡大して示した縦断面図であり、複数のノズル開口２０のうちの一つを通る縦断面を示している。記録ヘッド１２は、複数のノズル開口２０が列状に穿設された金属製のノズルプレート２１を有する。複数のノズル開口２０は、図４の紙面に垂直な方向に沿って列状に配置されている。

ノズルプレート２１には流路形成基板２２が接合されており、この流路形成基板２２には、ノズル開口２０に連通する圧力室２３、インク供給路２４及び連通部２５が形成されている。インク供給路２４は圧力室２３よりも狭い幅で形成されており、連通部２５と圧力室２３との間の流路抵抗を規定している。ノズルプレート２１は、例えばシリコン単結晶基板によって形成されており、圧力室２３、インク供給路２４、及び連通部２５はエッチングによって形成される。

流路形成基板２２のノズルプレート２０と反対側には、非導電性材料より成る振動板２６が接合されており、この振動板２６は圧力室２３の上面を形成している。振動板２６の圧力室２３と反対側には、圧力発生素子２７が設けられている。この圧力発生素子２７は、振動板２６上に形成された下電極（共通電極）２８、この下電極２８に対向して離間配置された上電極（個別の駆動電極）２９、及び下電極２８と上電極２９との間に挟まれた圧電素子３０を備えている。

上電極２９にはリード電極３１が接続されており、このリード電極３１を介して上電極２９に駆動電圧が供給される。これにより、圧電素子３０に所定波形の駆動電圧が印加されて圧電素子３０及び振動板２６が変形し、圧力室２３の内部に圧力変動が生じてインク滴がノズル開口２０から吐出される。

振動板２６の上面には保護基板３２が接合されており、この保護基板３２に形成された凹部３３の中に圧力発生素子２７が収納されて保護されている。保護基板３２には連通部２５に連通するリザーバ部３４が形成されており、このリザーバ部３４は複数の圧力室２３に対する共通のインク室として機能する。保護基板３２の上面には駆動ＩＣ３５が実装されている。

図４に示したように圧力発生素子２７の下電極（共通電極）２８には、下電極用配線３６を介して５Ｖのバイアス電源３７に接続されており、これにより、下電極２８にバイアス電圧が印加される。

そして、本実施形態による記録ヘッド１２においては、ノズルプレート２１に対してもノズルプレート用配線３８を介してノズルプレート用電源３９から５Ｖの電圧が印加される。ノズルプレート用配線３８及びノズルプレート用電源３９は、本発明における電位差発生防止手段４０を構成している。本実施形態においては、１ｋΩ〜１MΩの制限抵抗５３を電源に付与しており、万一、導電性の異物等を介しメカフレーム(Gnd)とノズルプレートが接触した場合でも漏電を防止することが出来る。

このように本実施形態による記録ヘッド１２においては、電位差発生防止手段４０によって、下電極２８にバイアス電圧が印加された状態において、下電極２８の電位（５Ｖ）とノズルプレート２１の電位（５Ｖ）とが同一とされる。これにより、振動板２６の圧力室２３側の面とノズルプレート２１との間に電位差が生じないようになるので、流路形成基板２２内のインクに電位差が印加されることがない。

従って、本実施形態による記録ヘッド１２によれば、電気泳動現象による画質の劣化や、電気分解で発生した異物・ガスによる吐出不良の問題等を引き起こすことなく、液体噴射による被処理物の処理を支障なく行うことができる。

次に本発明による液体噴射ヘッドの他の実施形態による記録ヘッドについて図５を参照して説明する。なお、図４に示した記録ヘッドと同一の構成要素には同一の符号を付すと共に説明は省略する。

本実施形態においては、振動板２６の圧力室２３側の面に導電層４１が形成されている。この導電層４１は、連絡配線４２を介してノズルプレート２１に導通すると共に接地配線４３を介してグランドに導通している。導電層４１、連絡配線４２、及び設置用配線４３は、本発明における電位差発生防止手段４４を構成している。

本実施形態による記録ヘッド１２Ａによれば、圧力発生手段２７の下電極２８にバイアス電圧が印加されていても、流路形成基板２２の内部のインクには電位差が印加されないので、電気泳動現象による画質の劣化や、電気分解で発生した異物・ガスによる吐出不良の問題等が生じることがなく、液体噴射による被処理物の処理を支障なく行うことができる。

なお、図５に示した例においては連絡配線４２をグランドに導通させるようにしたが、グランドではなく電源や任意電圧発生回路に接続しても良い。

図６は、図４に示した実施形態の一変形例を示しており、記録ヘッド１２が装着されたキャリッジ１にサブタンク（液体容器）４５が設けられており、このサブタンク４５から配管４６を介して記録ヘッド１２にインクが供給される。サブタンク４５の内部には、記録ヘッド１２に供給されるインクから異物を除去するための液体フィルタ４７が設けられている。

サブタンク４５には、インク流路を構成する可撓性配管４８を介して定置式のインクタンク（液体容器）４９が接続されており、インクタンク４９からサブタンク４５にインクが補給されるように構成されている。可撓性配管４８の一端は、導電性材料より成る第１の接続部材５０によってサブタンク４５に接続されており、可撓性配管４８の他端は、導電性材料より成る第２の接続部材５１によってインクタンク４９に接続されている。

第１及び第２の接続部材５０、５１はいずれも、インク流路内のインクと接触している。また、第１及び第２の接続部材５０、５１はいずれも、液体フィルタ４７よりも上流側に位置している。

そして、本実施形態においては、図４に示した電位差発生防止手段４０に加えて、第１の接続部材５０と記録ヘッド１２のノズルプレート２１とを同電位に保持するための同電位保持手段５２を有している。この同電位保持手段５２は、電位差発生防止手段４０のノズルプレート用配線３８から分岐して第１の接続部材５０に接続された配線で構成されている。

なお、変形例としては、同電位保持手段５２を構成する配線を、第２の接続部材５１に接続しても良い。

以上述べたように本実施形態においては、ノズルプレート２１と、インク流路内のインクに接触する導電性の接続部材５０（５１）とを同電位に保持する同電位保持手段５２を設けたので、ノズルプレート２１にグランド以外の電圧が印加された場合でも、記録ヘッド１２の内部のインクと、サブタンク４７や可撓性配管４８の内部のインクとの間に電位差が発生することを防止することができる。

また、ノズルプレート用電源３９から電圧が印加される導電性の接続部材５０（５１）は、液体フィルタ４７よりも上流側に位置しているので、接続部材５０（５１）とメカフレーム（Ｇｎｄ）との間の電位差がインクに作用して、電気分解による異物生成や、顔料粒子の分散が破壊されて凝集が生じた場合でも、生成物や凝集物が液体フィルタ４７によって捕捉され、吐出不良を防止することができる。

なお、変形例としては、同電位保持手段５２の配線を、例えばサブタンク４５やインクタンク４０の内部でインクに接触する導電性部材に接続することもできる。但し、インクタンク４０は交換されるものであるため、図６に示したように可撓性配管４８とサブタンク４７（又はインクタンク４９）とを接続する接続部材５０（又は５１）に同電位保持手段５２の配線を接続することが望ましい。

本発明による液体噴射装置の一実施形態としてのインクジェット式記録装置の内部構造の概略構成を示した斜視図。 本発明による液体噴射装置の一実施形態としてのインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図。 本発明による液体噴射装置の一実施形態としてのインクジェット式記録装置のプラテン及びその周囲を拡大して示した部分平面図。 本発明による液体噴射ヘッドの一実施形態としての記録ヘッドを拡大して示した縦断面図。 本発明による液体噴射ヘッドの他の実施形態としての記録ヘッドを拡大して示した縦断面図。 図４に示した実施形態の記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の一変形例を示した図。 従来の記録ヘッドにおいて記録ヘッド内のインクに作用する電界強度を説明するための図。

符号の説明

１ キャリッジ
６ 記録紙
１２、１２Ａ インクジェット式記録ヘッド
２０ ノズル開口
２１ ノズルプレート
２２ 流路形成基板
２３ 圧力室
２４ インク供給路
２５ 連通路
２６ 振動板
２７ 圧力発生素子
２８ 下電極（共通電極）
２９ 上電極（個別の駆動電極）
３０ 圧電素子
３６ 下電極用配線
３７ バイアス電源
３８ ノズルプレート用配線
３９ ノズルプレート用電源
４０、４４ 電位差発生防止手段
４１ 導電層
４２ 連絡配線
４３ 接地配線
４５ サブタンク（液体容器）
４７ 液体フィルタ
４８ 可撓性配管
４９ インクタンク（液体容器）
５０、５１ 導電性部材
５２ 同電位保持手段

Claims (7)

1. ノズル開口に連通する圧力室の内部の液体に圧力変動を生じさせて前記ノズル開口から液滴を吐出させる液体噴射ヘッドにおいて、
   前記ノズル開口が形成されたノズルプレートと、
   前記ノズルプレートに対向して離間配置され、前記圧力室の一面を形成する振動板と、
   前記振動板の前記圧力室と反対側に設けられた圧力発生素子であって、前記振動板上に形成された第１電極、前記第１電極に接合された圧電素子、及び前記圧電素子に接合されて前記第１電極と対を成す第２電極を有する、圧力発生素子と、
   前記第１電極にグランド以外の電圧が印加された状態において、前記振動板の前記圧力室側の面と前記ノズルプレートとの間の電位差の発生を防止する電位差発生防止手段と、を備えた液体噴射ヘッド。
2. 前記電位差発生防止手段は、前記第１電極の電位と前記ノズルプレートの電位とを同一にするものである、請求項１記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記電位差発生防止手段は、前記振動板の前記圧力室側に形成された導電層を有し、前記導電層の電位と前記ノズルプレートの電位とを同一にするものである、請求項１記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記電位差発生防止手段は、前記導電層と前記ノズルプレートとを導通させる連絡配線を有する、請求項３記載の液体噴射ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドと、
   前記液体噴射ヘッドに供給される液体を貯留する液体容器と、
   前記液体容器から前記液体噴射ヘッドに液体を輸送するための液体流路と、
   前記液体容器又は前記液体流路の内部の液体に接触する導電性部材と、
   前記導電性部材の電位と前記ノズルプレートの電位とを同一に保持するための同電位保持手段と、を備えた液体噴射装置。
6. 前記液体流路の内部に設けられた液体フィルタをさらに有し、
   前記導電性部材は前記液体フィルタよりも上流側に配置されている、請求項５記載の液体噴射装置。
7. 前記導電性部材は、前記液体流路を構成する配管と前記液体容器とを接続する導電性の接続部材である、請求項５又は６に記載の液体噴射装置。

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