JP2016179622A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル開口近傍に紙粉が付着してもドット抜けとならない液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。【解決手段】 シリコン基板に複数のノズル開口を設けたノズルプレートと、該ノズルプレートに接合され且つ前記ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の前記ノズルプレートとは反対側に設けられ前記圧力発生室内の圧力変化を生じさせるアクチュエーターとを具備し、前記ノズルプレートの吐出面には、吐出面側に突出するテーパー面及び頂面を有する突出部が複数設けられ、前記ノズル開口は前記突出部の前記頂面に開口している。【選択図】 図３

Description

本発明は、液滴を吐出するためのノズル開口を有するシリコンノズルプレートを具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

インクジェット記録方式を用いた記録（印刷）は、インクの小滴を吐出・飛翔させて紙などの記録媒体上に付着させることにより行う。近年のインクジェット記録技術の革新的な進歩により、これまで写真やオフセット印刷が用いられていた高精細な画像記録（画像印刷）の分野においても、インクジェット記録方式を用いたインクジェット記録装置が利用されている。

このようなインクジェット記録装置において、増粘したインクや、紙、布帛などの記録媒体から発生する繊維、紙粉や周囲の埃などもノズルの形成面（ノズルプレート表面）に付着することがあり、インクの正常な吐出が妨げられる。すなわち、ノズルプレート表面に付着した紙粉等がノズル開口に侵入すると、インク吐出が妨げられ、ドット抜けが発生する。

上記のようなインクの増粘やノズルプレート表面への異物付着による吐出不良を防止または軽減するために、ワイパー機構（ノズル回復機構）を備えたインクジェット記録装置が提案されている。例えば、特許文献１には、ワイピングブレードを用いたクリーニング機構を備えたインクジェット記録装置が記載されている。特許文献１には、ワイピングブレードとヘッド（ノズルプレート表面）との摩擦係数を小さくし、ノズルプレート表面を保護するように、ワイピングブレードの表面に微粒子を配する技術が開示されている。

特開２００６−１４２８０４号公報

しかしながら、ワイパー機構を備えていても、紙粉が付着すると、ワイパー機構により除去される前に、ノズル開口に入り込んでしまう場合があり、ノズル抜けを有効に開放すること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、ノズル開口近傍に紙粉が付着してもドット抜けとならない液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の一の態様は、シリコン基板に複数のノズル開口を設けたノズルプレートと、該ノズルプレートに接合され且つ前記ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の前記ノズルプレートとは反対側に設けられ前記圧力発生室内の圧力変化を生じさせるアクチュエーターとを具備し、前記ノズルプレートの吐出面には、吐出面側に突出するテーパー面及び頂面を有する突出部が複数設けられ、前記ノズル開口は前記突出部の前記頂面に開口していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、突出部の頂面にノズル開口が開口しているので、紙粉等のゴミがノズル開口近傍に付着しても、ノズル開口内に入り込むことがない。また、突出部はテーパー面を有しているので、クリーニングブレードによるクリーニングによっても突出部の周囲に液体が残存せず、完全なワイピングが可能となる。

ここで、前記突出部の周囲には凹部が設けられ、前記突出部の前記頂面と前記凹部の周囲のノズル面とが面一であることが好ましい。これによれば、突出部の周囲の凹部に紙粉等のゴミがトラップされ、ノズル開口内に入り込むことがない。

また、前記突出部は、前記ノズル開口毎に設けられていることが好ましい。これによれば、各ノズル開口がそれぞれの突出部に設けられているので、ノズル開口近傍に紙粉等のゴミが付着してもノズル開口内への入り込むことがない。

本発明の他の態様は、前記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、突出部の頂面にノズル開口が開口しているので、紙粉等のゴミがノズル開口近傍に付着しても、ノズル開口内に入り込むことがない。また、突出部はテーパー面を有しているので、クリーニングブレードによるクリーニングによっても突出部の周囲に液体が残存せず、完全なワイピングが可能となる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態１に係るノズルプレートの斜視図及び要部拡大断面図である。 変形例に係るノズルプレートの要部拡大断面図である。 変形例に係るノズルプレートの斜視図及び要部拡大断面図である。 実施形態の作用効果を説明する図である。 実施形態の作用効果を説明する図である。 一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。

（実施形態１）
図１は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′線断面図である。
図示するように、本実施形態の液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドＩが備える流路形成基板１０は、本実施形態では、例えば、シリコン単結晶基板からなる。この流路形成基板１０には、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称する。また、この第１の方向Ｘと直交する方向を、以降、第２の方向Ｙと称する。

また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端部側、すなわち第１の方向Ｘに直交する第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。

ここで、流路形成基板１０の圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路の内壁表面（内面）には、耐インク性（耐液性）を有する材料、例えば、五酸化タンタルなどの酸化タンタル（ＴａＯｘ；アモルファス）からなる耐液膜２１０が設けられている。

流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２に連通するノズル開口２１が形成された実施形態１のノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。すなわち、ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。

流路形成基板１０の他方面側には、熱酸化により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を含む材料で形成された絶縁体層５２と、が積層されている。なお、圧力発生室１２等の液体流路は、流路形成基板１０を一方面側（ノズルプレート２０が接合された面側）から異方性エッチングすることにより形成されており、圧力発生室１２等の液体流路の他方面は、弾性膜５１で画成されている。

絶縁体層５２上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを有する圧電アクチュエーター３００が形成されている。ここで、圧電アクチュエーター３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電アクチュエーター３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、第１電極６０を圧電アクチュエーター３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電アクチュエーター３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなり、例えば、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト型酸化物からなることができ、Ａは、鉛を含み、Ｂは、ジルコニウムおよびチタンのうちの少なくとも一方を含むことができる。前記Ｂは、例えば、さらに、ニオブを含むことができる。具体的には、圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）、シリコンを含むニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３：ＰＺＴＮＳ）などを用いることができる。

また、圧電体層７０は、鉛を含まない非鉛系圧電材料、例えば、鉄酸ビスマスや鉄酸マンガン酸ビスマスと、チタン酸バリウムやチタン酸ビスマスカリウムとを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物などとしてもよい。

さらに、このような圧電アクチュエーター３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１３側の端部近傍から引き出され、振動板５０上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

このような圧電アクチュエーター３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、振動板５０及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１５を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する振動板５０にマニホールドと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１３を設けるようにしてもよい。

保護基板３０には、圧電アクチュエーター３００に対向する領域に、圧電アクチュエーター３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電アクチュエーター保持部３２が設けられている。なお、圧電アクチュエーター保持部３２は、圧電アクチュエーター３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電アクチュエーター３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１２０が固定されている。駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、貫通孔３３を挿通させたボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルムからなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等で形成される。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、振動板５０、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

ここで、ノズルプレート２０は、ドット形成密度に対応したピッチで複数のノズル開口２１を列状に形成したシリコン単結晶基板からなる部材である。本実施形態では、１８０ｄｐｉのピッチで１８０個のノズル開口２１を列設することでノズル列が構成されている。また、各ノズル開口２１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２０の板厚方向におけるインクが吐出される側に形成された内径の小さい第１円筒部２１ａと、インクが吐出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第２円筒部２１ｂと、からノズル開口２１が構成されている。ノズル開口２１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構成されていてもよいし、ストレート部のみから構成されていてもよい。

ノズルプレート２０の吐出面２０ａ側からの斜視図及び拡大部分断面図を図３に示す。図３に示すように、ノズルプレート２０の吐出面２０ａ側には、突出部２２が設けられている。突出部２２は、ノズルプレート２０の突出部２２の周囲のノズル面２３より突出する頂面２４と頂面２４とノズル面２３とを連通する傾斜面であるテーパー面２５とからなる。すなわち、本実施形態の突出部２２の形状は円錐台形状であり、その頂面２４にノズル開口２１が開口している。テーパー面２５のノズル面２３に対する傾斜は、紙粉等のゴミのノズル開口２１への入り込みを防止できる程度以上の傾斜であり、また、クリーニングブレードでのワイピングによりテーパー面２５とノズル面２３との境界部に液体が溜まらずに、良好にワイピングできる程度の傾斜が好ましい。すなわち、テーパー面２５とノズル面２３との成す角θは、２０°〜７０°、好ましくは３０°〜６０°であり、本実施例では、４５°とした。
また、突出部２２の高さは、例えば、１０μｍ〜５０μｍ程度、好ましくは、１５〜３０μｍ程度が好ましい。

このような突出部２２の頂面２４にノズル開口２１が開口した場合の作用効果を図６〜図７を参照して説明する。例えば、図６（ａ）に示すように、ノズル開口２１の周囲に紙粉Ｐがインクｉと共に付着した場合を考えると、インク吐出後、メニスカス形成のためにノズル開口２１にインクｉが引き込まれる際に、紙粉は突出部２２のテーパー面２５に移動が規制され、ノズル開口２１内に入り込むことがない。また、図６（ｂ）に示すように、インクｉと共に紙粉Ｐがテーパー面２５を仮に乗り上げて移動しても、ノズル開口２１から浮き上がった状態となるので、ノズル開口２１内に入り込むことがない。因みに、突出部２２がない場合には、インクｉと共にノズル開口２１内に紙粉Ｐが入り込み、ノズル開口２１を塞ぐ虞が高い。

ここで、図７（ａ）に示すように、ノズルプレート２０をクリーニングブレードＢでワイピングした場合、ノズル面２３とテーパー面２５との境界が鈍角で形成されているので、境界部にインクｉが残存することはない。一方、図７（ｂ）に示すように、ノズル面と突出部との境界が９０°であると、境界部にインクｉが残存し、インク増粘等の不具合が発生する虞がある。

以上説明したように、ノズル開口２１が開口する頂面２４とテーパー面２５とからなる突出部２２を設けることにより、紙粉等のゴミがノズル開口２１に入り込むことがなく、また、ワイピング不良が発生することがないという効果を奏する。

本実施形態では、突出部２２は、ノズル開口２１毎に設けた、すなわち、１つの突出部２２の１つのノズル開口２１が開口しているが、２〜３個、またはそれ以上の複数のノズル開口２１に対して１つの突出部が設けられていてもよい。例えば、図４には、１つの突出部２２Ａに２つのノズル開口２１が開口している例を示す。

本実施形態では、突出部２２の頂面２４及びテーパー面２５以外のノズル面２３は全体として同じ高さを有し、突出部２２のみが突出しているが、突出部２２の周囲が相対的に突出部２２より低くなっていればよい。図５には、突出部２２Ｂの周囲にノズル面２３より低くなった凹部２６を設け、突出部２２Ｂの頂面２４Ｂ及びテーパー面２５Ｂは凹部２６より突出しているが、頂面２４Ｂは凹部２６の周囲のノズル面２３Ｂと面一、すなわち、同じ高さとなっている。このような構成においても、紙粉等のゴミは、凹部２６にトラップされ、ノズル開口２１に入り込むことはない。また、突出部２２Ｂのクリーニングブレードに対するワイピングの効果は上述した実施形態と同様である。なお、図５の例では、凹部２６は複数の突出部２２Ｂに対して１つ設けたが、各突出部２２Ｂの周囲に凹部を設けてもよく、同様な効果を奏することはいうまでもない。

このようなノズルプレートの製造は、例えば、シリコン単結晶基板を用い、まずドライエッチングによって第１円筒部及び第２円筒部からなるノズル開口２１が形成され、その後、表面の突出部２２以外の部分をウェットエッチングにより除去し、突出部２２を形成する。

また、ノズルプレート２０の両面及びノズル開口２１の内周面には、シリコンの熱酸化膜、及び原子層堆積により形成された酸化タンタル膜からなる保護膜が順次形成されている。また、ノズルプレート２０のインクが吐出される側の面（以下、吐出側表面）には、プラズマＣＶＤにより形成された酸化タンタルを含む下地膜と、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）とが順次積層されている。
（他の実施形態）

以上、本発明の実施形態１について説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
上述した実施形態では、ノズル開口２１からインク滴を吐出する圧力発生手段として、薄膜型の圧電アクチュエーター３００を用いて説明したが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電アクチュエーターや、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電アクチュエーターを用いてもよい。

また、上述した実施形態１では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電アクチュエーター３００を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電アクチュエーターや、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電アクチュエーターなどを使用することができる。また、圧力発生手段として、圧力発生室内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズル開口から液滴を吐出するものや、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエーターなどを使用することができる。

また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図８は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図８に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モーター６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７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿って搬送ローラー８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、上述したインクジェット式記録装置ＩＩでは、インクジェット式記録ヘッドＩ（記録ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

なお、上記実施の形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、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勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ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備えた液体噴射装置にも適用できる。

Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ インク供給路、 １４ 連通路、 １５ 連通部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 振動板、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体層、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 ２１０ 耐液膜、 ３００ 圧電アクチュエーター

Claims (4)

1. シリコン基板に複数のノズル開口を設けたノズルプレートと、該ノズルプレートに接合され且つ前記ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の前記ノズルプレートとは反対側に設けられ前記圧力発生室内の圧力変化を生じさせるアクチュエーターとを具備し、
   前記ノズルプレートの吐出面には、吐出面側に突出するテーパー面及び頂面を有する突出部が複数設けられ、前記ノズル開口は前記突出部の前記頂面に開口していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記突出部の周囲には凹部が設けられ、前記突出部の前記頂面と前記凹部の周囲のノズル面とが面一であ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. 前記突出部は、前記ノズル開口毎に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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