JP2007190756A - インクジェットヘッドチップ、インクジェットヘッド、およびインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ノズルプレートに付着するインクミストや被記録媒体の紙粉、糸粉などのゴミに影響をされず長時間安定したインク吐出を実現させ、高品位の文字、画像の印刷を可能にしたインクジェットヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
ノズルプレート表面に親水処理を施し、ノズル開口２７の淵から４０±１５μｍの範囲に撥水膜を形成した。ノズル開口近傍に浮遊し付着したインクミストや被記録媒体の紙粉、糸粉などは親水処理側に引き寄せられるのでノズル開口内のインクとは接触せず、メニスカスを正常に保つことができる。さらに、親水処理部ではインクの接触角度が非常に小さくなるためにインクミストが集合して液滴になることは無く、印字の際に生じる振動で被記録媒体に滴下することも無い。
【選択図】 図３

Description

本発明は、インク滴を吐出させ、被記録媒体に文字及び画像を記録する例えば、プリンタ、ファックスなどに適用されるインクッジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドに関する。

従来より、インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドを用いて被記録媒体に文字や画像を記録するインクジェット式記録装置が知られている。かかるインクジェット式記録装置では、インクジェットヘッドのノズルが被記録媒体に対向するようにヘッドホルダに設けられ、このヘッドホルダはキャリッジに搭載され被記録媒体の搬送方向とは直交する方向に走査されるようになっている。

このようなインクジェットヘッドのヘッドチップの一例の分解概略を図１０に、要部断面を図１１に示す。図１０及び図１１に示すように、圧電セラミックスプレート１０１には、複数の溝１０２が並設され、各溝１０２は、側壁１０３で分離されている。各溝１０２の長手方向一端部は圧電セラミックスプレート１０１の一端面まで延設されており、他端部は、他端面までは延びておらず、深さが徐々に浅くなっている。また、各溝１０２内の両側壁１０３の開口側表面には、長手方向に亘って、駆動電界印加用の電極１０５が形成されている。

また、圧電セラミックスプレート１０１の溝１０２の開口側には、インク室プレート１０７が接着剤１０９を介して接合されている。インク室プレート１０７には、各溝１０２の浅くなった他端部と連通する凹部となる共通インク室１１１と、この共通インク室１１１の底部から溝１０２とは反対方向に貫通するインク供給口１１２とを有する。

また、圧電セラミックスプレート１０１とインク室プレート１０７との接合体の溝１０２が開口している端面には、ノズルプレート１１５が接合されており、ノズルプレート１１５の各溝１０２に対向する位置にはノズル開口１１７が形成されている。

なお、圧電セラミックスプレート１０１のノズルプレート１１５とは反対側でインク室プレート１０７とは反対側の面には、配線基板１２０が固着されている。配線基板１２０には、各電極１０５とフレキシブルケーブル１２１で接続された配線パターン１２２が形成され、この配線パターン１２２を介して電極１０５に駆動電圧を印加できるようになっている。

このように構成されるインクジェットヘッドチップでは、インク供給口１１２から各溝１０２内にインクを充填し、所定の溝１０２の両側の側壁１０３に電極１０５を介して所定の駆動電界を作用させると、側壁１０３が変形して所定の溝１０２内の容積が変化し、これにより、溝１０２内のインクがノズル開口１１７から吐出する。

例えば、図１２に示すように、溝１０２ａに対応するノズル開口１１７からインクを吐出する場合には、その溝１０２ａ内の電極１０５ａ，１０５ｂに正の駆動電圧を印加すると共にそれぞれに対向する電極１０５ｃ，１０５ｄを接地するようにする。これにより、側壁１０３ａ，１０３ｂには溝１０２ａに向かう方向の駆動電界が作用し、これが圧電セラミックスプレート１０１の分極方向と直交すれば、圧電厚みすべり効果により側壁１０３ａ，１０３ｂが溝１０２ａ方向に変形し、溝１０２ａ内の容積が減少して圧力が増加し、ノズル開口１１７からインクが吐出する。

このようなヘッドチップでは、ノズル開口１１７から曲りなく真っ直ぐに安定してインクを吐出するためには、常にメニスカスが正常な形状に保たれていなければならない。尚、正常なメニスカスはノズル開口の中心から擂り鉢状に点対称になっている。機械的振動およびインク吐出直後に発生するインクの振動によりメニスカスの形状が崩れると、吐出スピードの低下、ドロップボリュームの減少、飛行曲りなどによりインク滴の着弾位置がズレてしまうという問題がある。

そのため、ノズルプレート表面にはインクの接触角度を増大させ、速やかにメニスカスが復帰するようにメッキ、蒸着或いは焼成により撥水処理を施している。
特開平４−２２６４４号公報

図８はインク吐出時のメニスカス１２４とインク１２５の飛翔状態を示す断面図であり、図９はノズル開口１１７近傍に異物１２９が付着した時のインク１２５の飛翔状態を示す断面図である。

図８（ａ）はインク吐出前のメニスカス１２４の平常状態、図８（ｂ）はインク吐出が開始されてインク１２５がノズル開口１１７より押し出された状態、図８（ｃ）はインク滴１２６をインク１２５から切り離すための引き込み動作が開始された状態、図８（ｄ）は引き込み動作が終了しインク滴１２６がインク１２５と切り離された状態、図８（ｅ）はインク吐出が終了しメニスカス１２４が平常に戻った状態である。図８（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ノズル開口１１７から吐出したインク滴１２６の滴尾１２７が千切れてミスト１２８となり浮遊する。このミスト１２８や被記録媒体の紙粉、糸粉などがノズルプレートに付着してしまう。

図９（ａ）はノズル開口１１７近傍に異物１２９が付着した様子、図９（ｂ）はインク吐出が開始されてインク滴１２６がノズル開口１１７より押し出された様子、図９（ｃ）はインク滴１２６がインク１２５と切り離された様子である。図９（ａ）に示すように、異物１２９がノズル開口内のインク１２５に接触しメニスカス１２４を壊し、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように飛行曲りや最悪の場合には吐出不能になる。さらに、ノズルプレート１１５の撥水膜１２３の影響でノズルプレート１１５に付着したインクミスト１２８が表面張力により集まり、図示しない大きな液滴に成長し、印字の際に生じる振動で被記録媒体に滴下し印字品質を損ねてしまう。そのために、頻繁にインクジェットヘッドをサービスステーションに移動させ、スピッティングやワイプを行いノズル開口１１７およびノズルプレート１１５のメンテナンスをしなければ正常なインク吐出ができないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑み、ノズルプレートに付着するインクミストや被記録媒体の紙粉、糸粉などのゴミに影響をされず長時間安定したインク吐出を実現させ、高品位の文字、画像の印刷を可能にしたインクジェットヘッドチップ及びその製造方法を提供することを課題とするものである。

上記目的を解決する本発明の第１の課題解決手段は、一端面に開口する複数のチャンバを有する基板と、基板の一方面に接合され、チャンバへインクを供給する共通インク室が形成されたインク室プレートと、表面が親水処理され、基板及びインク室プレートの端面に接合されており、チャンバと連通して被記録媒体にインクを吐出するノズル開口を有し、ノズル開口の外周のみに撥水膜を設けたノズルプレートと、からなるインクジェットヘッドチップにある。

また、本発明の第２の課題解決手段は、一端面に開口する複数のチャンバを有する基板と、チャンバの側壁に設けた電極と、基板の一方面に接合され、チャンバへインクを供給する共通インク室が形成されたインク室プレートと、表面が親水処理され、基板及びインク室プレートの端面に接合されており、チャンバと連通して被記録媒体にインクを吐出するノズル開口を有し、ノズル開口の外周のみに撥水膜を設けたノズルプレートと、電極に駆動信号を入力する駆動回路と、からなるインクジェットヘッドにある。

また、本発明の第３の課題解決手段は、ノズルプレートはポリイミドフィルムから成り、表裏両面ともアルカリ性溶液を用いたエッチングにより親水処理が施され、ノズル開口の外周はテフロン系の撥水膜が形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドにある。

また、本発明の第４の課題解決手段は、ノズル開口の外周の前記撥水膜はノズルプレート表面に感光性樹脂を塗布し露光現像により部分的に露出させ、撥水膜焼成後に感光性樹脂を剥離して形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドにある。

また、本発明の第５の課題解決手段は、ノズルプレートは、厚さが５０〜７５μｍで面方向に厚さが略一定であることを特徴とするインクジェットヘッドにある。

また、本発明の第６の課題解決手段は、ノズルプレートのノズル開口は撥水膜焼成後にエキシマレーザーによる穴あけ加工によって形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドにある。

また、本発明の第７の課題解決手段は、基板が圧電セラミックプレートからなり、チャンバが前記圧電セラミックプレートに溝を形成することにより形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドにある。

また、本発明の第８の課題解決手段は、前記インクジェットヘッドと、インクを貯留するインク貯留部と、インク貯留部から前記共通インク室にインクを供給するインク供給路と、インクジェットヘッドと対向するように被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送部と、
からなるインクジェット記録装置にある。

かかる本発明では、ノズル開口内のインクは外周に撥水膜を形成した効果でメニスカスが適性に保たれ、安定したインク吐出を可能にし、且つ、ノズルプレート表面に親水処理を施したためにノズル開口近傍に浮遊し付着したインクミストや被記録媒体の紙粉、糸粉などは親水処理側に引き寄せられるのでノズル開口内のインクとは接触せず、メニスカスを壊すことが無い。さらに、親水処理部ではインクの接触角度が非常に小さくなるためにインクミストが集合して液滴になることは無く、印字の際に生じる振動で被記録媒体に滴下することも無い。

上述したように本発明は、ノズルプレートに付着するインクミストや被記録媒体の紙粉、糸粉などのゴミに影響をされず長時間安定したインク吐出を実現させ、高品位の文字、画像の印刷を可能にしたインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。勿論、本発明はこれに限定されるものでないことは言うまでもない。

図１は実施形態１に係るインクジェットヘッドの分解斜視図であり、図２はインクジェットヘッドチップの分解斜視図であり、図３はインクジェットヘッドチップのチャンバの断面図である。

図１に示すように、本実施形態のインクジェットヘッド４０は、ヘッドチップ１０と、このヘッドチップ１０の一方面側に設けられるベースプレート３３と、ヘッドチップ１０の他方面側に設けられるヘッドカバー３４と、ヘッドチップ１０を駆動するための駆動回路３７等が搭載された配線基板３６とを有する。

まず、ヘッドチップ１０の構造について詳しく説明する。図２及び図３に示すように、ヘッドチップ１０を構成する圧電セラミックプレート１１には、複数のチャンバ１２が並設され、各チャンバ１２は側壁１３によって分離されている。これらの各チャンバ１２の長手方向一端部は圧電セラミックプレート１１の一端面まで延設されており、他端部は圧電セラミックプレート１１の他端面までは延びておらず、深さが徐々に浅くなっている。この圧電セラミックプレート１１に形成される各チャンバ１２は、例えば、円盤状のダイスカッターにより形成され、深さが徐々に浅くなった部分は不要であるが、ダイスカッターの形状により形成されてしまう。

また、これら各チャンバ１２内の幅方向両側の側壁１３には、チャンバ１２の開口側に長手方向に亘って、側壁１３を駆動させるための電界を印加する電極１５が形成されている。この電極１５は、公知の斜め方向からの蒸着により形成される。

圧電セラミックプレート１１のチャンバ１２の開口側には、インク室プレート１７が接合されている。このインク室プレート１７には、各チャンバ１２と連通する凹部となる共通インク室２２と、この共通インク室２２の底部からチャンバ１２とは反対方向に貫通するインク供給口２１とを有する。

また、圧電セラミックプレート１１とインク室プレート１７との接合体のチャンバ１２が開口している端面には、ノズルプレート２５が接合されており、ノズルプレート２５の各チャンバ１２に対向する位置にはノズル開口２７が形成されている。ノズルプレート２５の表面には親水処理が施され、ノズル開口２７の外周にのみテフロン系撥水膜４１が焼成されている。

図５はメニスカス５５とノズルプレート２５の状態を示す断面図である。図５（ａ）ノズルプレート２５にインクミスト５１が付着した様子、図５（ｂ）はノズルプレート２５の撥水膜４１に異物５２が付着した様子、図５（ｃ）はノズルプレート２５の撥水膜４１に付着した異物５２が親水処理部５３に移動する様子である。この撥水膜４１の形成範囲は、正常なメニスカスを保持しインクミストが付着しても親水処理部５３に引き伸ばされ滴下する大きさに成長しないように、また、被記録媒体の紙粉、糸粉などの異物５２が付着しても矢印Aのように親水処理部５３に移動させるためにノズル開口２７の淵から４０±１５μｍの範囲で略１５００Åの厚さで均一に焼成されている。この撥水膜４１の形成範囲が広すぎると、撥水膜４１上に沢山のインクミストが付着し、液滴となってメニスカスに悪影響を及ぼす恐れや、被記録媒体上に滴下する恐れがある。また、厚さが不均一であったり、厚すぎたりすると、ノズルプレート上に段差が出来てしまい、インクの飛翔に悪影響を与えてしまう。

なお、ノズルプレートの厚みは、薄いとクロストークやセルフトークの影響を受けやすく厚いと引き込み動作でインクが切り離される時に、どちらもインク吐出が不安定になってインクミストが増大してしまうので、ノズルプレートは５０〜７５μｍを採用している。

ここで、ノズルプレート２５の製造方法について説明する。図６はノズルプレートの製造工程を示す要部斜視図である。

まず、図６(ａ)に示すように、アルカリ性溶液浸漬によるエッチングで親水処理が施されたポリイミドフィルム４２の一方面にレジスト層４３をラミネートし、所定の位置にアライメント用の貫通穴４４を明ける。

次に、貫通穴４４を基準にノズル開口となる場所以外のレジスト層４３が残存するように露光マスクを用いて露光し、現像することにより、図６(ｂ)に示すように、開口部４５のみレジスト層４３を除去する。この開口部４５の直径が、ノズル開口２７の周囲に設けた撥水膜４１の外周直径に対応する。

次に、図６(ｃ)に示すように、スピンコーターを用いて全面に撥水膜４１を塗布し、焼成する。

次に、図６(ｄ)に示すように、貫通穴４４を基準にエキシマレーザーを用いてノズル開口２７を形成する。

その後、レジスト層４３を除去することでレジスト層４３面に焼成された撥水膜４１も同時に剥離され、図６(ｅ)に示すように、貫通穴４４を基準に外形を形抜きして、ノズルプレート２５が完成する。

また、以下にこのようなノズルプレート２５を用いたインクジェットヘッド４０について説明する。なお、図４はインクジェットヘッドの組み立て工程を示す概略斜視図である。
図１、図２及び図４に示すようにインクジェットヘッド４０は、ノズルプレート２５と圧電セラミックプレート１１とインク室プレート１７及びノズル支持プレート２８で構成されるヘッドチップ１０に、ノズルプレート２５とは反対側の端部には配線パターン１６が形成されており、この配線パターン１６には異方性導電膜３１を介してフレキシブルケーブル３２が接合される。また、圧電セラミックプレート１１とインク室プレート１７との接合体のノズル支持プレート２８の後端側には、圧電セラミックプレート１１側のアルミニウム製のベースプレート３３と、インク室プレート１７側のヘッドカバー３４とが組み付けられる。

ヘッドカバー３４には、一端がインク室プレート１７のインク供給口２１のそれぞれに連通する管形状のインク導入路３５が設けられており、このインク導入路３５の他端側は、後述するインクカートリッジが搭載されたインクジェット記録装置に接続されてインクカートリッジからのインクをインクジェットヘッドチップ１０に供給するようになっている。

このようなヘッドカバー３４と、ベースプレート３３とは、ベースプレート３３の係止孔３３ａにヘッドカバー３４の係止シャフト３４ａを係合することにより固定され、両者で圧電セラミックプレート１１とインク室プレート１７との接合体を挟持する。

また、図４（ａ）に示すように、圧電セラミックプレート１１の後端側に突出したベースプレート３３上には配線基板３６が固着される。ここで、配線基板３６上にはヘッドチップ１０を駆動するための集積回路などの駆動回路３７が搭載され、駆動回路３７とフレキシブルケーブル３２とが異方性導電膜３８を介して接続される。これにより、図４（ｂ）のインクジェットヘッド４０が完成する。

また、このように形成されたインクジェットヘッドは、例えば、インクジェット式記録装置に装備されて使用される。この使用態様の一例の概略を図７示す。

図７に示すように、インクジェットヘッド４０は、一対のガイドレール６２ａ，６２ｂ上のキャリッジ６１に軸方向に移動自在に搭載されており、インクカートリッジ７０（インク貯留部）からインクチューブ７１（インク供給路）を介してインクを供給し、ガイドレール６２ａ，６２ｂの一端側に設けられてキャリッジ駆動モータ６３に連結されたプーリ６４ａと、他端側に設けられたプーリ６４ｂとに掛け渡されたタイミングベルト６５を介して搬送される。インクジェットヘッド１０の搬送方向と直交する方向の両側には、ガイドレール６２ａ，６２ｂに沿ってそれぞれ一対の搬送ローラ６６及び６７が設けられている。これらの搬送ローラ６６，６７（被記録媒体搬送部）は、インクジェットヘッド４０の下方に当該インクジェットヘッド４０の搬送方向とは直交する方向に被記録媒体Ｓを搬送するものである。

このようなインクジェット式記録装置により、被記録媒体Ｓを送りつつインクジェットヘッド４０をその送り方向とは直交方向に走査することにより、被記録媒体Ｓ上に文字及び画像を記録することができる。

本発明に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。 本発明に係るインクジェットヘッドチップの斜視図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの断面図である。 本発明に係るインクジェットヘッドユニットの組み立て工程を示す斜視図である。 本発明に係るノズル開口のメニスカスの状態を示す断面図である。 本発明に係るノズルプレートの製造工程を示す要部斜視図である。 本発明に係るインクジェット式記録装置の概略を示す斜視図である。 従来技術に係るインク吐出の状態を示す断面図である。 従来技術に係るインクの飛行曲りとノズルプレートの状態を示す断面図である。 従来技術に係るインクジェットヘッドチップの分解斜視図である。 従来技術に係るインクジェットヘッドチップの概略を示す断面図である。 従来技術に係るインクジェットチップの概略を示す断面図である。

符号の説明

４０ インクジェットヘッド
１０ インクジェットヘッドチップ
３３ ベースプレート
３４ ヘッドカバー
１１ 圧電セラミックプレート（基板）
１２ チャンバ
１３ 側壁
１５ 電極
１７ インク室プレート
２５ ノズルプレート
２７ ノズル開口
２８ ノズル支持プレート
３５ インク導入路
３６ 配線基板
４１ 撥水膜
４３ レジスト層
４４ 貫通穴
４７ 駆動回路
５３ 親水処理部
５５ メニスカス
８０ インクジェット式記録装置

Claims (8)

1. 一端面に開口する複数のチャンバを有する基板と、
   前記基板の一方面に接合され、前記チャンバへインクを供給する共通インク室が形成されたインク室プレートと、
   表面が親水処理され、前記基板及び前記インク室プレートの端面に接合されており、前記チャンバと連通して被記録媒体にインクを吐出するノズル開口を有し、前記ノズル開口の外周のみに撥水膜を設けたノズルプレートと、
   からなるインクジェットヘッドチップ。
2. 一端面に開口する複数のチャンバを有する基板と、
   前記チャンバの側壁に設けた電極と、
   前記基板の一方面に接合され、前記チャンバへインクを供給する共通インク室が形成されたインク室プレートと、
   表面が親水処理され、前記基板及び前記インク室プレートの端面に接合されており、前記チャンバと連通して被記録媒体にインクを吐出するノズル開口を有し、前記ノズル開口の外周のみに撥水膜を設けたノズルプレートと、
   前記電極に駆動信号を入力する駆動回路と、
   からなるインクジェットヘッド。
3. 前記ノズルプレートはポリイミドフィルムから成り、表裏両面ともアルカリ性溶液を用いたエッチングにより親水処理が施され、前記ノズル開口の外周はテフロン系の撥水膜が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記ノズル開口の外周の前記撥水膜はノズルプレート表面に感光性樹脂を塗布し露光現像により部分的に露出させ、撥水膜焼成後に感光性樹脂を剥離して形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記ノズルプレートは、厚さが５０〜７５μｍで面方向に厚さが略一定あることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記ノズルプレートの前記ノズル開口はエキシマレーザーによる穴あけ加工によって形成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。
7. 前記基板が圧電セラミックプレートからなり、前記チャンバが前記圧電セラミックプレートに溝を形成することにより形成されていることを特徴とする請求項２から６のうちいずれか１項記載のインクジェットヘッド。
8. 請求項２記載のインクジェットヘッドと、
   インクを貯留するインク貯留部と、
   前記インク貯留部から前記共通インク室にインクを供給するインク供給路と、
   前記インクジェットヘッドと対向するように前記被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送部と、
   からなるインクジェット記録装置。

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