JP2014162178A - 流路部材および液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の電位を的確に制御することが可能であり、また、製品の小型化やコストダウンに貢献することが可能な構成を提供する。
【解決手段】液体を収容する圧力室と、上記圧力室の側面を形成する振動板と、上記振動板の上記圧力室側と逆側に設けられた第一電極、第一電極の上記圧力室側と逆側に設けられた圧電体層および圧電体層の上記圧力室側と逆側に設けられた第二電極を有する圧電素子とを備え、上記振動板は、上記圧力室に面し導電性を有する導電膜と、当該導電膜よりも導電性が低く且つ当該導電膜よりも上記圧電素子側の層を形成する基材と、当該基材の粒界に入り込み当該導電膜と同一素材によって形成された導電路とを有し、上記導電路は、上記導電膜と上記第一電極とを電気的に接続する。
【選択図】図３

Description

本発明は、流路部材および液体噴射装置に関する。

インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドは、ノズルに連通する流路内のインクを、ノズルを介して外部に噴射する。このとき、流路内のインクが帯電していると、例えば、印刷媒体側の帯電（静電気）の状態によってインク滴の飛翔方向が変化するなどし、記録品質に影響が出るおそれがあった。従来、インクは、ノズルを有する導電性のノズルプレートと、ノズルプレートと接触する金属部品であり接地（アース）されているヘッドカバーとを介して、接地されていた（特許文献１参照）。

特開２０１１‐７７８号公報

従来の構成おいては、ノズルプレートを絶縁体で作る場合や、ノズルプレートとヘッドカバーとの接触が不完全な場合や、ノズルプレートとヘッドカバーを構造上の理由から接触させられない場合には、インクを接地することができず、インクの帯電に起因して記録品質に影響が生じるおそれがあった。また、ヘッドカバーを介して接地する構成であるため、ヘッドカバーを省略することができず、そのことが製品の小型化やコストダウンの妨げに成り得た。さらに、インクを接地するだけでなく、インクを帯電させてインクの電位をグラウンドレベルではない所望の電位としたいという要望がある場合に、従来の構成ではそのような要望に的確に応えることができなかった。

本発明は少なくとも上述の課題を解決するためになされたものであり、液体の電位を的確に制御することが可能であり、また、製品の小型化やコストダウンに貢献することが可能な流路部材および液体噴射装置を提供する。

本発明の態様の一つは、流路部材は、液体を収容する圧力室と、上記圧力室の側面を形成する振動板と、上記振動板の上記圧力室側と逆側に設けられた第一電極、第一電極の上記圧力室側と逆側に設けられた圧電体層および圧電体層の上記圧力室側と逆側に設けられた第二電極を有する圧電素子とを備え、上記振動板は、上記圧力室に面し導電性を有する導電膜と、当該導電膜よりも導電性が低く且つ当該導電膜よりも上記圧電素子側の層を形成する基材と、当該基材の粒界に入り込み当該導電膜と同一素材によって形成された導電路とを有し、上記導電路は、上記導電膜と上記第一電極とを電気的に接続する。

当該構成によれば、流路部材内の液体は、圧力室の側面を形成する振動板（導電膜および導電路）を介して第一電極と電気的に接続する。従って、第一電極の電位を設定することにより、液体の電位を的確に制御することが可能となる。また、従来のようにヘッドカバーを介して接地する構成ではないため、ヘッドカバーとの電気的接触の不具合等に起因する液体の接地失敗が無く、また、ヘッドカバーを省略して製品の小型化やコストダウンに貢献することも可能である。

本発明の態様の一つは、上記第一電極は、所定電位に維持されているとしてもよい。例えば、第一電極は接地される。
当該構成によれば、流路部材内の液体は、振動板（導電膜および導電路）を介して第一電極と電気的に接続するため、確実に所定電位に維持される。例えば、第一電極を接地させることにより流路部材内の液体は接地され、液体が帯電することによる記録品質への悪影響を無くすことができる。

本発明にかかる技術的思想は流路部材という形態のみで実現されるものではなく、他の物によって具現化されてもよい。例えば、流路部材を含む液体噴射ヘッドや、さらに当該液体噴射ヘッドを搭載した装置（液体噴射装置）を一つの発明として捉えることが可能である。また、上述した流路部材を製造する製造方法の発明を捉えることも可能である。

液体噴射ヘッドの主要構成の一部を例示する分解斜視図である。 ノズルを通過する断面を例示する断面図である。 液体噴射ヘッドの一部範囲を拡大的かつ模式的に例示する断面図である。 インクジェットプリンターの一例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態にかかる液体噴射ヘッド１０の主要構成の一部を、分解斜視図により例示している。液体噴射ヘッド１０は、本発明にかかる流路部材を含んで構成される。ここでは、液体噴射ヘッド１０は、インクを噴射（吐出）するインクジェット式記録ヘッドであるとして説明を行う。液体噴射ヘッド１０は、振動板２０、流路プレート３０、封止プレート４０、リザーバープレート５０、ノズルプレート６０といった各部材を含んで構成される。これら各部材は、それぞれが個別に生成されて積層されるものであってもよいし、それら（あるいはそれらの一部）が一体的に生成されるものであってもよい。

振動板２０は、流路プレート３０の一方の面を封止する。流路プレート３０は、液体の流路３１を複数有する。流路３１は、その長手方向を第一方向と平行とした状態で、第一方向に直交する第二方向に並設されている。流路３１と流路３１との間には、隔壁３６が設けられている。本明細書において、液体噴射ヘッド１０の各構成の方向や位置や距離等について、平行、直交あるいは同一、等と表現した場合であっても、それらは厳密な平行、直交あるいは同一のみを意味するのではなく、製品性能上許容される程度の誤差や製品製造時に生じ得る程度の誤差も含む意味である。また、本明細書において、物と物とが「接する」とは、物と物との間に接着剤等が介在する状態と、介在する物が無い状態とのどちらをも含む意味である。

それぞれの流路３１は、供給孔３２と、圧力室３３と、連通孔３４とを含んで構成される。圧力室３３は、流路プレート３０の上記一方の面において開口しており、供給孔３２および連通孔３４は、流路プレート３０の他方の面において開口している。供給孔３２は、圧力室３３の長手方向における一端側近傍で圧力室３３と連通している。連通孔３４は、圧力室３３の長手方向における他端側近傍で圧力室３３と連通している。

振動板２０は、流路プレート３０側と逆側の面に、圧電素子８０（図２参照）を搭載する。圧電素子８０は、後述するように、第一電極、一方側において第一電極と接する圧電体層および圧電体層の他方側と接する第二電極を有して構成される圧力発生手段である。図１では、圧電素子８０を構成する圧電体層８１を例示しており、圧電体層８１は、各流路３１の圧力室３３に対応して配置されている。振動板２０や流路プレート３０は、例えば、セラミックスやシリコン単結晶基板等で生成されるが、本実施形態では、振動板２０および流路プレート３０は、セラミックスの一種としてのジルコニアを焼成することにより一体生成されているものとする。

ノズルプレート６０は、インクを噴射するための貫通孔としてのノズル６１を複数有する。流路３１毎の各連通孔３４は、各圧力室３３と各ノズル６１とを一対一で連通させる。ただし図１の例では、流路プレート３０の上記他方の面と、ノズルプレート６０との間には、封止プレート４０とリザーバープレート５０とが介在する。封止プレート４０は、一方の面を、流路プレート３０の上記他方の面に対して接する。リザーバープレート５０は、一方の面を、封止プレート４０の他方の面に対して接する。また、リザーバープレート５０は、他方の面を、ノズルプレート６０の外部に露出する面（ノズル開口面）と逆側の面に対して接する。

図１の例では、ノズルプレート６０は、ノズル６１が第二方向に沿って所定の間隔で複数形成されたノズル列６２を有している。なお、ノズルプレート６０は、複数のノズル６１が第二方向に沿って形成された複数のノズル列を第一方向に並設し、一方のノズル列と他方のノズル列とを第二方向においてずらして配置する（いわゆる千鳥配置とする）構成を採用してもよい。

リザーバープレート５０は、複数の第二連通孔５１と、リザーバー５２とを有する。リザーバー５２は、共通インク室とも呼ぶ。第二連通孔５１とリザーバー５２とは、いずれもリザーバープレート５０を貫通する。各第二連通孔５１は、各ノズル６１に一対一で対応する位置に配置されている。リザーバー５２は、ノズル列６２の第二方向における長さに略対応して、第二方向における長さが確保されている。封止プレート４０は、複数の第一連通孔４１と、共通供給孔４２とを有する。第一連通孔４１と共通供給孔４２とは、いずれも封止プレート４０を貫通する。

各第一連通孔４１は、各第二連通孔５１と同様に各ノズル６１に一対一で対応する位置に配置されている。また、各第一連通孔４１は、各連通孔３４とも一対一で連通する。共通供給孔４２は、リザーバー５２と同様にノズル列６２の第二方向における長さに略対応して、第二方向における長さが確保されている。また、共通供給孔４２は、各供給孔３２と連通する。リザーバー５２は、（後述する外部からのインク供給経路を除いて、）ノズルプレート６０と接する側でノズルプレート６０により封止され、封止プレート４０と接する側で共通供給孔４２と相対する箇所を除いて封止プレート４０により封止されている。封止プレート４０やリザーバープレート５０やノズルプレート６０は、例えば、セラミックスやシリコン単結晶基板やステンレス鋼等で生成される。

このような液体噴射ヘッド１０において、振動板２０と、圧力室３３を有する流路プレート３０と、振動板２０に形成される圧電素子８０とを含む構成は、特許請求の範囲における流路部材の一例に該当する。以下では、一体生成された振動板２０および流路プレート３０を第一流路基板１１と呼ぶこともある。また、圧電素子８０を搭載する第一流路基板１１を、アクチュエーター基板と呼ぶこともできる。また、以下では、封止プレート４０、リザーバープレート５０およびノズルプレート６０をまとめて第二流路基板１３と呼ぶこともある。なお、液体噴射ヘッド１０は、図１に図示した部材の一部を有さない構成であってもよいし、図１に図示した部材以外の部材を含む構成であってもよい。例えば、第二流路基板１３は、封止プレート４０、リザーバープレート５０およびノズルプレート６０の全てを含むものでなくても良く、また、封止プレート４０、リザーバープレート５０およびノズルプレート６０以外の部材（層）を含むものであってもよい。

図２は、液体噴射ヘッド１０の断面であって、第二方向に垂直（第一方向に平行）な面を例示している。当該断面は、ノズル６１を通過する断面である。図２に示すように、圧力室３３は、連通孔３４、第一連通孔４１および第二連通孔５１を介して、ノズル６１に連通している。また、振動板２０の流路プレート３０と接する面と逆側の面には、圧電素子８０が圧力室３３に対応する位置に接合している。圧電素子８０は、圧力室３３に近い側から順に第一電極８２、圧電体層８１および第二電極８３が積層されて構成される。例えば、第一電極８２は、複数の圧電素子８０に共通して設けられた（複数の圧電素子８０が共有する）共通電極である。一方、第二電極８３は、圧力室３３に対応する圧電素子８０毎に設けられた個別電極である。

第二電極８３には、パターンやケーブル類（フレキシブル基板等）９０を介して制御回路基板１００が接続され、制御回路基板１００から駆動電圧が印加される。一方、第一電極８２は電位が所定レベル（例えばグラウンドレベル）に保持される。第一電極８２は、それが接地される場合、例えば、パターンやケーブル類（フレキシブル基板等）９０を介して制御回路基板１００へ接続され、制御回路基板１００あるいは制御回路基板１００の更に先に設けられた接地点と接続されることにより、接地される。あるいは、第一電極８２は、制御回路基板１００側ではない任意の接地点に接続されるとしてもよい。かかる構成により、圧電素子８０が駆動電圧に応じて変形する。

リザーバー５２へは、図示しないインク供給経路を介して、外部からインクが供給される。リザーバー５２へ供給されたインクは、共通供給孔４２を通過して、各供給孔３２から各圧力室３３へ供給される。上述のような圧電素子８０の変形に伴い振動板２０が撓むことにより、圧力室３３内で圧力が高まり、かかる圧力の高まりに応じて圧力室３３内のインクがノズル６１から噴射される。ここで、本実施形態ではインクを第一電極８２と導通させることによりインクを接地する。具体的には、振動板２０は、圧力室３３に面し導電性を有する導電膜２２と、導電膜２２よりも導電性が低く且つ導電膜２２よりも圧電素子８０側の層を形成する基材２１と、基材２１の粒界に入り込み導電膜２２と同一素材によって形成された導電路２３とを有する。そして、導電路２３は導電膜２２と第一電極８２とを電気的に接続する。

図３は、振動板２０、圧力室３３および第一電極８２を含む一部範囲を、図２と同様の視点により拡大的かつ模式的に例示している。図３では、部材の断面を表すハッチングの一部を省略して図示を簡略化している。図３に示すように、圧力室３３にはインクＩｋが満たされている。基材２１は、振動板２０の基材であり、上述したように一例としてジルコニアにより生成されている。一方、導電膜２２は、基材２１よりも高い導電性を有し、例えば、タンタルやアルミニウムやニッケル等の金属素材や、その他の導電性部材により生成されている。

本実施形態では、基材２１を形成する結晶の粒子Ｇは、導電膜２２を形成する結晶の粒子よりも大きい。例えば、基材２１の粒子Ｇの径が０．１〜１．０μｍ程度であれば、導電膜２２の粒子の径は、その１０分の１から１００分の１程度の大きさである。導電膜２２の粒子は、基材２１の粒子間（粒界ＧＢ）に入り込むことが可能な程に小さい。言い換えると、このような粒子の大小関係を満たす各素材で基材２１と導電膜２２とを生成する。そのため、導電膜２２が基材２１の面に成膜されるときに、導電膜２２の一部が基材２１の粒界ＧＢに入り込み、反対側（第一電極８２が搭載される側）まで達する。このような、導電膜２２の一部であって基材２１の粒界ＧＢに入り込み反対側まで達した部分が、導電路２３である。従って、導電路２３は、導電膜２２と第一電極８２とを電気的に接続する役割を果たし、その結果、インクＩｋが導電膜２２、導電路２３および第一電極８２を介して接地される。

このように本実施形態によれば、液体噴射ヘッド１０は、流路内のインクを確実に接地することができる。従って、帯電したインクがノズル６１から噴射されることを防止し、インクが帯電していることによる記録品質への悪影響を無くすことができる。また、従来のようにヘッドカバーを介してインクを接地する構成ではないため、ヘッドカバーとの電気的非接触に起因するインクの接地失敗が無く、またヘッドカバーを省略することができるため、製品の小型化やコストダウンに貢献する。

振動板２０は、その厚みが数μｍと非常に薄い部材であり、圧電素子８０の変形を受けて撓むものでもあるため、ひび割れ等を起こし易い。また、当該ひび割れで生じたクラックを介してインクが圧力室３３から外部へ漏れるという不具合も生じかねない。このような状況において、導電膜２２は、基材２１の表面の耐久性を向上させる保護膜としても機能する。つまり本実施形態によれば、振動板２０の強度を向上させ、インク漏れ等を防止することもできる。なお、振動板２０が基材２１および導電膜２２を含むと解してもよいし、基材２１を振動板２０そのものと捉えて、振動板２０（基材２１）の圧力室３３側を向く面２０ａ（図２参照）に、導電膜２２が成膜されていると解してもよい。

以下に、導電膜２２および導電路２３を生成する工程を含む液体噴射ヘッドの製造方法の一例を簡単に説明する。
第一流路基板１１における振動板２０（基材２１）の面２０ａに導電膜２２を成膜するに際し、面２０ａとは反対側の面に、帯電した物体（例えば、帯電した第一電極８２）を置いた状態とする。かかる状態で、第一流路基板１１の、第二流路基板１３側を向く開口（供給孔３２の開口や連通孔３４の開口）から圧力室３３内へ、導電膜２２および導電路２３となる素材を注入する。このとき、当該素材については、上記帯電した物体とは逆の極性に帯電させておくことが望ましい。これにより、当該素材は面２０ａ側に引き寄せられて面２０ａに対して定着し、導電膜２２が形成される。これは、面２０ａがメッキ処理されたとも言える。また、当該素材の一部が、基材２１の粒界ＧＢに進入し、導電路２３が形成される。その後は、第一流路基板１１と第二流路基板１３との接合や、（振動板２０上への圧電素子８０の形成が未実施であれば）振動板２０上への圧電素子８０の形成や、制御回路基板１００との接続等を行うことにより、液体噴射ヘッド１０の製造が終了する。

他の実施形態：
本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような実施形態も可能である。これまでに述べた実施形態と以下に述べる実施形態とを適宜組み合わせた内容も、本発明の開示範囲に含まれる。

インクは、接地されるものに限られず、所定電位に保たれるものであればよい。例えば、第一電極８２が、接地されずに、パターンやケーブル類（フレキシブル基板等）９０を介して所定の電圧が印加されることで、インクの電位を所定電位とすることができる。この場合、例えば、インクをプラス（あるいはマイナス）に帯電させ、一方、インクの噴射を受ける印刷媒体をインクとは逆の極性に帯電させておくことで、印刷媒体へのインクの付着を安定させる、といったことも可能である。

また、第二流路基板１３は、必ずしも封止プレート４０およびリザーバープレート５０を備える必要は無く、いわゆるコンプライアンスプレート等の他のプレートを備えてもよい。さらに、これらのプレートが複数のプレートで構成されてもよいし、複数のプレートの機能を一枚のプレートが備えるとしてもよい。例えば、第二流路基板１３は、ノズルプレート６０のみであったり、いわゆるコンプライアンスプレートとノズルプレート６０とを積層したものであったりしてもよく、ノズルプレート６０やコンプライアンスプレートが第一流路基板１１へ接合されるとしてもよい。例えば、第二流路基板１３としてのノズルプレート６０を第一流路基板１１に接合する構成においては、流路プレート３０が、各圧力室３３にインクを供給するためのリザーバーの一部を包含するような構成を採用すればよい。

また、液体噴射ヘッド１０は、インクカートリッジ等と連通するインク供給経路を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェットプリンター２００に搭載される。インクジェットプリンター２００は液体噴射装置の一例である。

図４は、インクジェットプリンター２００の一例を示す概略図である。インクジェットプリンター２００において、複数の液体噴射ヘッド１０を有するインクジェット式記録ヘッドユニット（以下、ヘッドユニット２０２）には、例えば、インクカートリッジ２０２Ａ，２０２Ｂ等が着脱可能に設けられる。ヘッドユニット２０２を搭載したキャリッジ２０３は、装置本体２０４に取り付けられたキャリッジ軸２０５に軸方向移動自在に設けられている。そして、駆動モーター２０６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト２０７を介してキャリッジ２０３に伝達されることで、キャリッジ２０３はキャリッジ軸２０５に沿って移動する。

装置本体２０４にはキャリッジ軸２０５に沿ってプラテン２０８が設けられており、図示しないローラー等により供給された印刷媒体Ｓがプラテン２０８上を搬送される。そして、搬送される印刷媒体Ｓに対して、液体噴射ヘッド１０のノズル６１からインクが噴射され任意の画像が印刷媒体Ｓに印刷される。なお、インクジェットプリンター２００は、ヘッドユニット２０２が上記のように移動するものだけでなく、例えば、液体噴射ヘッド１０が固定されて、印刷媒体Ｓを移動させるだけで印刷を行ういわゆるラインヘッド型のプリンターであってもよい。

また本発明は、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも適用することができる。例えば、液体噴射ヘッドとしては、液晶ディスプレー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ディスプレーやＦＥＤ（電解放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置にも本発明を適用することができる。

１０…液体噴射ヘッド、１１…第一流路基板、１３…第二流路基板、２０…振動板、２１…基材、２２…導電膜、２３…導電路、３０…流路プレート、３１…流路、３２…供給孔、３３…圧力室、３４…連通孔、４０…封止プレート、４１…第一連通孔、４２…共通供給孔、５０…リザーバープレート、５１…第二連通孔、５２…リザーバー、６０…ノズルプレート、６１…ノズル、６２…ノズル列、８０…圧電素子、８１…圧電体層、８２…第一電極、８３…第二電極、９０…ケーブル類（フレキシブル基板）、１００…制御回路基板、２００…インクジェットプリンター

Claims (3)

1. 液体を収容する圧力室と、
   上記圧力室の側面を形成する振動板と、
   上記振動板の上記圧力室側と逆側に設けられた第一電極、第一電極の上記圧力室側と逆側に設けられた圧電体層および圧電体層の上記圧力室側と逆側に設けられた第二電極を有する圧電素子と、を備え、
   上記振動板は、上記圧力室に面し導電性を有する導電膜と、当該導電膜よりも導電性が低く且つ当該導電膜よりも上記圧電素子側の層を形成する基材と、当該基材の粒界に入り込み当該導電膜と同一素材によって形成された導電路と、を有し、
   上記導電路は、上記導電膜と上記第一電極とを電気的に接続する、ことを特徴とする流路部材。
2. 上記第一電極は、所定電位に維持されていることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
3. 請求項１または請求項２に記載の流路部材を搭載した液体噴射装置。

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