JP2011156845A - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電気による不具合をより確実にすることが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】ノズルプレート２２の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズル２７の内周面に、導電膜４６が連続した状態で形成され、第１の面において導電部材（ユニット固定板１７、ヘッドカバー１８）と導通される領域以外の部分に撥液層４９が形成され、導電部材が、第１の面における撥液層が形成されていない導通領域５０に対して導通し、且つ、電気的に接地される。
【選択図】図６

Description

本発明は、インクジェット式プリンター等の液体噴射装置に用いられる液体噴射ヘッド、及び、その製造方法に関するものであり、特に、液体を噴射するノズルが形成されたノズル形成部材および当該ノズル形成部材の周縁部に取り付けられる導電部材を備えた液体噴射ヘッド、及び、その製造方法に関するものである。

液体噴射ヘッドには種々の形式があるが、例えば、インクジェット式記録装置（以下、単にプリンターという）におけるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）は、共通液室から圧力室を経てノズルに至る一連の液体流路が形成された流路ユニットと、圧力室の容積を変動可能な圧力発生手段を有するアクチュエータユニットと、流路ユニットやアクチュエータユニットが固定されるヘッドケースと、を備えたものがある。

この記録ヘッドには、流路ユニットの側面および流路ユニットに設けられたノズルプレート（ノズル形成部材の一種）のノズル面周縁部を被覆する金属製のヘッドカバーが設けられている。このヘッドカバーは、接地線に接続されており、ノズルプレートに接触して電気的に導通することで、例えば、記録紙等から発生した静電気がノズルプレートを通じて伝達することによる駆動ＩＣ等の損傷や誤作動等の不具合を防止するようになっている。

ここで、ノズル周辺部に付着したインクに起因する飛行曲がり等の噴射不良の防止や、ノズル面に付着したインクをワイピング部材により払拭する際の拭き取り性の向上の観点から、ノズルプレートのインクを噴射する側の表面には撥液膜が形成されており、これによりノズルプレート表面の撥液性（撥インク性）が高められている。この撥液膜は絶縁性である場合があるので、ノズルプレートが導電性を有する金属等の素材から作製されている場合、上記ヘッドカバーが取り付けられる部分については撥液膜が除去され、カバーがノズルプレートの素材自体に接触して導通するように構成される（例えば、特許文献１参照）。また、ノズルプレートが電気を通しにくい素材（非導電性部材）、例えば、シリコン単結晶基板で作製されている場合、ノズルプレートのインクを噴射する側の面に、導電性を有する膜が形成され、その上に撥水膜が設けられる構成もある（例えば、特許文献２参照）。なお、シリコンは半導体であるが、本明細書では非導電性の部材として扱う。

特開２００６−２５６２３１号公報 特開２０００−２０３０３３号公報

ところが、ヘッドカバーを通じてノズルプレートを接地する構成においても、静電気の一部が接着剤や撥液膜を通じてノズル側に流れ、これがヘッド内の液体流路中のインクを流れて、駆動ＩＣや振動板などに到達することにより駆動ＩＣの損傷や振動板のクラック等の不具合が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電気による不具合を防止または抑制することが可能な液体噴射ヘッド、及び、液体噴射ヘッドの製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、液体を噴射するノズルが形成され、液体が噴射される側の第１の面とは反対側の第２の面が液体流路の一部を区画する非導電性のノズル形成部材と、
導電性を有し、前記ノズル形成部材の前記第１の面に接触する導電部材と、
を備え、
前記ノズル形成部材の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズルの内周面に亘って、導電膜が連続した状態で形成され、
前記ノズル形成部材の第１の面において前記導電部材と導通される領域以外の部分に撥液層が形成され、
前記導電部材は、前記ノズル形成部材の第１の面における撥液層が形成されていない領域に対して導通し、且つ、電気的に接地されていることを特徴とする。
なお、導電部材がノズル形成部材に接触する状態には、直接接触する状態のみならず、例えば、接着剤等を介して間接的に接触する状態も含まれる。

この構成によれば、ノズル形成部材の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズルの内周面に亘って導電膜が連続した状態で形成され、ノズル形成部材の第１の面において導電部材と導通される領域以外の部分に撥液層が形成され、導電部材が、ノズル形成部材の第１の面における撥液層が形成されていない領域に対して導通し、且つ、電気的に接地されるので、静電気がノズルを通じて液体流路内の液体に流れたとしても、ノズル形成部材における液体に接触する第２の面の導電膜を通じて静電気を導電部材側に流すことができる。これにより、静電気による駆動ＩＣの破損等の不具合をより確実に防止することが可能となる。

また、本発明は、ノズル形成部材がシリコン単結晶基板から成る構成に好適である。

上記構成において、前記導電膜が、酸化タンタルから成る構成を採用することができる。

上記構成において、前記導電部材と前記ノズル形成部材とが導電性接着剤で接合される構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、導電部材と前記ノズル形成部材とが導電性接着剤で接合されるので、導電部材とノズル形成部材間のがたつきを防止すると共に導通をより確実にすることができる。

さらに、本発明は、液体を噴射するノズルが形成され、液体が噴射される側の第１の面とは反対側の第２の面が液体流路の一部を区画する非導電性のノズル形成部材と、導電性を有し、前記ノズル形成部材の前記第１の面に接触する導電部材と、を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記ノズル形成部材の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズルの内周面に亘って、導電膜を連続した状態で形成する工程と、
前記第１の面における前記導電部材と導通される領域以外の部分に撥液層を形成する工程と、
前記導電部材を、前記ノズル形成部材の第１の面における撥液層が形成されていない領域に対して接触させて当該ノズル形成部材と導通させた状態で取り付ける工程と、
前記導電部材を電気的に接地する工程と、
を含むことを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドを斜め上方から観た分解斜視図である。 ヘッドユニットの分解斜視図である。 ヘッドユニットの断面図である。 ヘッドユニットにユニット固定板及びカバー部材が取り付けられた状態を説明する平面図である。 ノズルプレートの製造工程を説明する断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明は、本発明の液体噴射ヘッドとして、インクジェット式プリンター（本発明の液体噴射装置の一種）に搭載されるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）を例に挙げて行う。

まず、プリンターの概略構成について、図１を参照して説明する。プリンター１は、記録紙等の記録媒体２の表面へ液体状のインクを噴射して画像等の記録を行う装置である。このプリンター１は、インクを噴射する記録ヘッド３、この記録ヘッド３が取り付けられるキャリッジ４、キャリッジ４を主走査方向に移動させるキャリッジ移動機構５、記録媒体２を副走査方向に移送するプラテンローラー６等を備えている。ここで、上記のインクは、本発明の液体の一種であり、インクカートリッジ７に貯留されている。このインクカートリッジ７は、記録ヘッド３に対して着脱可能に装着される。なお、インクカートリッジ７がプリンター１の本体側に配置され、当該インクカートリッジ７からインク供給チューブを通じて記録ヘッド３に供給される構成を採用することもできる。

上記のキャリッジ移動機構５はタイミングベルト８を備えている。そして、このタイミングベルト８はＤＣモーター等のパルスモーター９により駆動される。従ってパルスモーター９が作動すると、キャリッジ４は、プリンター１に架設されたガイドロッド１０に案内されて、主走査方向（記録媒体２の幅方向）に往復移動する。

図２は、上記記録ヘッド３の構成を示す分解斜視図である。本実施形態における記録ヘッド３は、ケース１５と、複数のヘッドユニット１６と、ユニット固定板１７と、ヘッドカバー１８とにより概略構成されている。なお、本実施形態におけるユニット固定板１７とヘッドカバー１８とは、本発明における導電部材を構成する。
ケース１５は、内部にヘッドユニット１６や集束流路（図示せず）を収容する箱体状部材であり、上面側に針ホルダ１９が形成されている。この針ホルダ１９は、インク導入針２０を取り付けるための板状部材であり、本実施形態においてはインクカートリッジ７のインク色に対応させて８本のインク導入針２０がこの針ホルダ１９に横並びに配設されている。このインク導入針２０は、インクカートリッジ７内に挿入される中空針状の部材であり、先端部に設けられた導入孔（図示せず）からインクカートリッジ７内に貯留されたインクをケース１５内の集束流路を通じてヘッドユニット１６側に導入するようになっている。

また、ケース１５の底面側には、４つのヘッドユニット１６が、主走査方向に横並びに位置決めされた状態で各ヘッドユニット１６に対応した４つの開口部１７′を有する金属製のユニット固定板１７に接合されると共に、同じく各ヘッドユニット１６に対応する４つの開口部１８′が開設された金属製のヘッドカバー１８によって固定される。

図３は、ヘッドユニット１６（記録ヘッド３よりも狭義の液体噴射ヘッド）の構成を示す分解斜視図であり、図４は、ヘッドユニット１６の断面図である。なお、便宜上、各部材の積層方向を上下方向として説明する。
本実施形態におけるヘッドユニット１６は、ノズルプレート２２、流路基板２３、共通液室基板２４、及び、コンプライアンス基板２５（保護基板）から概略構成され、これらの部材を積層した状態でユニットケース２６に取り付けられている。

ノズルプレート２２（本発明におけるノズル形成部材の一種）は、ドット形成密度に対応したピッチで複数のノズル２７を列状に形成したシリコン単結晶基板から成る部材である。本実施形態では、１８０ｄｐｉのピッチで１８０個のノズル２７を列設することでノズル列が構成されている。また、各ノズル２７は、ドライエッチングによって形成され、内径が異なる連続する２つの円筒状の空部から構成されている。即ち、ノズルプレート２２の板厚方向におけるインクが噴射される側に形成された内径の小さい円筒と、インクが噴射される側とは反対側（インク流路側）に形成された内径の大きい円筒と、からノズル２７が構成されている。ノズル２７の形状については、例示したものには限られず、例えば、内径が一定な円筒部（ストレート部）と、噴射側からインク流路側に向けて内径が次第に拡大するテーパー部と、からノズル２７が構成されていても良い。上記ノズルプレート２２には、後述するように、導電性を付与するための導電膜４６と、撥液性を付与するための撥液層４９が形成されている。この点の詳細については後述する。

流路基板２３は、ノズルプレート２２と同様に、シリコン単結晶基板によって作製されている。図３に示すように、その上面（共通液室基板２４側の面）には二酸化シリコンからなる極薄い弾性膜３０が熱酸化によって形成されている。この流路基板２３には、図４に示すように、異方性エッチング処理によって複数の隔壁で区画された圧力室３１が各ノズル２７に対応して複数形成されている。この流路基板２３における圧力室３１の列の外側には、各圧力室３１の共通のインクが導入される室としての共通液室３２の一部を区画する連通空部３３が形成されている。この連通空部３３は、インク供給路３４を介して各圧力室３１と連通している。

流路基板２３の上面（ノズルプレート２２側とは反対側の面）の弾性膜３０上には、金属製の下電極膜と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層と、金属からなる上電極膜とを順次積層することで形成された圧電素子３５が圧力室３１毎に形成されている。この圧電素子３５は、所謂撓みモードの圧電振動子であり、圧力室３１の上部を覆うように形成されている。

この圧電素子３５が形成された流路基板２３上には、厚さ方向に貫通した貫通空部３６を有する共通液室基板２４が配置される。この共通液室基板２４は、流路基板２３やノズルプレート２２と同様にシリコン単結晶基板を用いて作製されている。また、この共通液室基板２４における貫通空部３６は、流路基板２３の連通空部３３と連通して共通液室３２の一部を区画するようになっている。

共通液室基板２４の上面（流路基板２３とは反対側の面）には、各圧電素子３５を駆動するための駆動ＩＣ３８が設けられている。この駆動ＩＣ３８の各端子は、図示しないボンディングワイヤー等を介して各圧電素子３５の個別電極から引き出された引き出し配線と接続されている。そして、駆動ＩＣ３８の各端子は、フレキシブルプリントケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線３９（図３参照）を介してプリンター１の制御部（図示せず）と電気的に接続され、この外部配線３９を介して制御部側からの印刷信号等の各種信号が供給されるようになっている。

また、共通液室基板２４の上面側には、コンプライアンス基板２５が配置される。このコンプライアンス基板２５における共通液室基板２４の貫通空部３６に対向する領域には、インク導入針２０側からのインクを共通液室３２に供給するためのインク導入口４０が厚さ方向に貫通して形成されている。また、このコンプライアンス基板２５の貫通空部３６に対向する領域のインク導入口４０以外の領域は、極薄く形成された可撓部４１となっており、この可撓部４１によって貫通空部３６の上部開口が封止されることで共通液室３２が区画形成される。そして、この可撓部４１は、共通液室３２内のインクの圧力変動を吸収するコンプライアンス部として機能するようになっている。

ユニットケース２６は、インク導入口４０に連通してインク導入針２０側から導入されたインクを共通液室３２側に供給するためのインク導入路４２が形成されると共に、可撓部４１に対向する領域にこの可撓部４１の膨張を許容する凹部４３が形成された部材である。このユニットケース２６の中心部、具体的には、共通液室基板２４上に設けられた駆動ＩＣ３８に対向する領域には、厚さ方向に貫通した空部４４が開設されており、外部配線３９がこの空部４４を挿通して駆動ＩＣ３８と接続されるようになっている。
そして、これらのノズルプレート２２、流路基板２３、共通液室基板２４、コンプライアンス基板２５、及び、ユニットケース２６は、接着剤や熱溶着フィルム等を間に配置して積層した状態で加熱することで相互に接合される。

以上のように構成されたヘッドユニット１６を備える記録ヘッド３は、各ノズルプレート２２がプラテン５に対向した状態でノズル列方向が副走査方向と一致するようにキャリッジ４に取り付けられる。
そして、各ヘッドユニット１６は、インクカートリッジ７からのインクをインク導入路４２を通じてインク導入口４０から共通液室３２側に取り込み、共通液室３２からノズル２７に至るインク流路（液体流路の一種）をインクで満たす。そして、駆動ＩＣ３８からの駆動信号を圧電素子３５に供給してこの圧電素子３５を撓み変形させることによって対応する圧力室３１内のインクに圧力変動を生じさせ、このインクの圧力変動を利用してノズル２７からインクを噴射させる。

次に、ノズルプレート２２の詳細、特にその製造工程について説明する。
図６は、ノズルプレート２２の製造工程について説明する模式図である。
本実施形態におけるノズルプレート２２の材料としては、上述したシリコン単結晶基板２２′が用いられ、１つの基板２２′から複数のノズルプレート２２が作製される。この基板２２′に対して、図６（ａ）に示すように、まずドライエッチングによってノズル２７が形成される（ノズル形成工程）。次に、図６（ｂ）に示すように、インクが噴射される側の面（図で下側の面。以下、第１の面）、この面とは反対側の面（図で上側の面。以下、第２の面）、及びノズル２７の内周面に、導電膜４６が形成される（導電膜形成工程）。この導電膜４６は、導電性を有し、尚且つ、耐インク性を有するものが望ましく、本実施形態においては、タンタル酸化物膜から構成される。この導電膜４６は、化学蒸着（ＣＶＤ）法により形成され、その膜厚は、１００ｎｍ程度である。導電膜４６は、上記のように、少なくとも上記の第１の面（特に、導電部材が接触する領域（以下、導通領域５０））、第２の面（特に、インク流路のインクが接触する領域）、及び、ノズル２７の内周面に形成され、且つ、これらの領域の導電膜４６が互いに連続していれば良い。勿論、これらの領域以外、例えば、ノズルプレート２２の側面にも導電膜４６が形成される構成を採用することもできる。

基板２２′に導電膜４６を形成したならば、続いて、第１の面の導電膜４６上に、撥液層４９が形成される（撥液層形成工程）。具体的には、先にシリコン材料をプラズマ重合することにより下地膜（ＰＰＳｉ（Plasma Polymerization Silicone）膜）４７が成膜され（図６（ｃ））、この下地膜４７上に、撥液性を有する金属アルコキシドの分子膜を成膜し、その後、乾燥処理、アニール処理等を経て撥液膜（ＳＣＡ（silane coupling agent）膜）４８が形成される（図６（ｄ））。金属アルコキシドの分子膜は撥液性を有していればいかなるものでもよいが、フッ素を含む長鎖高分子基（長鎖ＲＦ基）を有する金属アルコキシドの単分子膜または撥液基を有する金属酸塩の単分子膜であることが望ましい。金属アルコキシドとしては、例えばケイ素、チタン、アルミニウム、ジルコニウム等が一般的に用いられる。長鎖ＲＦ基としては、例えば、パーフルオロアルキル鎖、パーフルオポリエーテル鎖等が挙げられる。この長鎖ＲＦ基を有するアルコキシシランとして、例えば、長鎖ＲＦ基を有するシランカップリング剤等が挙げられる。

ここで、上記の撥液層４９は、導電膜４６と比較して電気的に絶縁性が高いので、第１の面において導電部材が取り付けられて導通される領域、即ち、導通領域５０以外の領域のみに形成される。この導通領域５０に関し、第１の面の全体に撥液層４９を形成した後に該当する部分のみ撥液層４９を除去しても良いし、撥液層４９を形成する際に該当する部分だけマスクすることで当該部分に最初から撥液層４９が形成されないようにしても良い。

撥液層４９が形成されたならば、基板２２′が分割されて複数のノズルプレート２２が得られる。このような工程を経て、ノズルプレート２２が作製される。このノズルプレート２２は、第２の面側に流路基板２３が接合される。これにより、第２の面が圧力室３１や共通液室３２等のインク流路の一部を区画するので、導電膜４６がインク流路に露出して当該インク流路中のインクに接触可能な状態となる。また、本実施形態においては、４つのヘッドユニット１６が、主走査方向に横並びに位置決めされた状態でユニット固定板１７に取り付けられる（導電部材取り付け工程）。このユニット固定板１７は、各ヘッドユニット１６のノズルプレート２２の導通領域５０に導電性接着剤５１によって接合される。導電性接着剤５１としては、例えば、銀、ニッケル、或いは銅等の金属粉や、金メッキが施された導電性ポリマー等の導電材を含有するペースト状の接着剤を用いることができる。また、ペースト状の接着剤には限られず、導電性を有するフィルム状の接着剤を用いることもできる。なお、ユニット固定板１７とノズルプレート２２とが電気的に導通した状態で接合されていれば、例示した接合方法には限られない。

ユニット固定板１７と各ヘッドユニット１６のノズルプレート２２とが接合されたならば、このユニット固定板１７の上に重ねるようにヘッドカバー１８が取り付けられる（導電部材取り付け工程）。ヘッドカバー１８とユニット固定板１７との間も導電施接着剤によって接合される構成を採用することができる。このように、本実施形態では導電部材とノズルプレート２２とが導電性接着剤で接合されるので、導電部材とノズルプレート２２間のがたつきを防止すると共に、導通をより確実にすることができる。

ユニット固定板１７とヘッドカバー１８が取り付けられると、図５に示すように、ユニット固定板１７とヘッドカバー１８の各開口部１７′，１８′からは、各ヘッドユニット１６のノズルプレート２２のノズル開口２７が臨む。また、このヘッドカバー１８は、図示しない接地線に電気的に接続される（接地工程）。したがって、ノズルプレート２２の導電膜４６は、導電部材であるユニット固定板１７及びヘッドカバー１８を通じて接地される。

以上のように、ノズルプレート２２の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズル２７の内周面に、導電膜４６が連続した状態で形成され、第１の面において導電部材（ユニット固定板１７、ヘッドカバー１８）と導通される領域以外の部分に撥液層４９が形成され、導電部材が、第１の面における撥液層４９が形成されていない領域に対して導通し、且つ、電気的に接地されるので、静電気がノズル２７を通じてインク流路内のインクに流れたとしても、ノズルプレート２２におけるインクに接触する第２の面に導電膜４６が形成されているので、この導電膜４６を通じて静電気を導電部材側に逃すことができる（図６（ｅ）における矢印参照。）。これにより、静電気による駆動ＩＣ３８の破損等の不具合をより確実に防止することが可能となる。

ここで、上記ノズルプレート２２に関し、本実施形態では、シリコン単結晶基板から作製された例を示したが、これには限られず、導電膜４６を形成することが必要な、他の非導電性部材、例えば、ガラス、石英などからノズルプレート２２を作製する場合にも本発明は好適である。

なお、図６では、撥液層４９と固定板１７及びヘッドカバー１８との間にノズル面の面方向に亘って隙間を設けているが、ノズルプレート２２と固定板１７の積層方向に対して、接着層４９の一部と固定板１７及びヘッドカバー１８との一部が重なり合うように導電性接着剤５１により接着されていても良い。

また、以上では、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド３を例に挙げて説明したが、本発明は他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。

１…プリンター，３…記録ヘッド，１６…ヘッドユニット，１７…ユニット固定板，１８…ヘッドカバー，２２…ノズルプレート，２３…流路基板，２７…ノズル，３１…圧力室，３２…共通液室，３５…圧電素子，３８…駆動ＩＣ，４６…導電膜，４７…下地膜，４８…撥液膜，４９…撥液層，５０…導通領域，５１…導電性接着剤

Claims (5)

1. 液体を噴射するノズルが形成され、液体が噴射される側の第１の面とは反対側の第２の面が液体流路の一部を区画する非導電性のノズル形成部材と、
   導電性を有し、前記ノズル形成部材の前記第１の面に接触する導電部材と、
   を備え、
   前記ノズル形成部材の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズルの内周面に亘って、導電膜が連続した状態で形成され、
   前記ノズル形成部材の第１の面において前記導電部材と導通される領域以外の部分に撥液膜が形成され、
   前記導電部材は、前記ノズル形成部材の第１の面における撥液膜が形成されていない領域に対して導通し、且つ、電気的に接地されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記ノズル形成部材は、シリコン単結晶基板から成ることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記導電膜が、酸化タンタルから成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記導電部材と前記ノズル形成部材とが導電性接着剤で接合されたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 液体を噴射するノズルが形成され、液体が噴射される側の第１の面とは反対側の第２の面が液体流路の一部を区画する非導電性のノズル形成部材と、導電性を有し、前記ノズル形成部材の前記第１の面に接触する導電部材と、を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、
   前記ノズル形成部材の少なくとも第１の面、第２の面、及び、ノズルの内周面に亘って、導電膜を連続した状態で形成する工程と、
   前記第１の面における前記導電部材と導通される領域以外の部分に撥液膜を形成する工程と、
   前記導電部材を、前記ノズル形成部材の第１の面における撥液膜が形成されていない領域に対して接触させて当該ノズル形成部材と導通させた状態で取り付ける工程と、
   前記導電部材を電気的に接地する工程と、
   を含むことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。

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