JP2020082492A - インクジェットヘッド及びインクジェット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を向上できる、インクジェットヘッド、及びインクジェット装置を提供する。【解決手段】一実施形態にかかるインクジェットヘッドは、インク流路に設けられる電極と、絶縁層と、導電層と、を備える。絶縁層は、絶縁性材料で構成され、前記電極の前記インク流路側の面に配される。導電層は、導電性材料で構成され、前記絶縁層の前記インク流路側の面に配されるとともに接地される。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びインクジェット装置に関する。

液体を吐出するインクジェットヘッドにおいて、複数のノズルを有するノズルプレートと、ノズルに連通する圧力室を含む流路を構成するベースとを備え、流路に電極を配する構成が知られている。インクジェットヘッドにおいて、様々な印字媒体への印刷要求があり、各種インクへの対応が求められていることから、電極とインクが接触しないように、電極上に、電気的保護層を設けることがある。このようなインクジェットヘッドにおいて、絶縁膜の表面に電荷が溜まると、インクとの電気化学反応により絶縁層の耐久性が損なわれる虞がある。

特開平６−１２６９５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、耐久性を向上できる、インクジェットヘッド、及びインクジェット装置を提供することである。

一実施形態にかかるインクジェットヘッドは、インク流路に設けられる電極と、絶縁層と、導電層と、を備える。絶縁層は、絶縁性材料で構成され、前記電極の前記インク流路側の面に配される。導電層は、導電性材料で構成され、前記絶縁層の前記インク流路側の面に配されるとともに接地される。

第１実施形態にかかるインクジェットヘッドの分解斜視図。 同インクジェットヘッドの一部の構成を示す断面図。 同インクジェットヘッドの一部の構成及び製造方法を示す説明図。 同実施形態にかかるインクジェット記録装置の説明図。 他の実施形態にかかるインクジェットヘッドの一部の構成を示す断面図。 同インクジェットヘッドの一部の構成及び製造方法を示す説明図。

以下に、第１実施形態に係るインクジェットヘッド１及びインクジェット装置１００の構成について、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、一実施形態にかか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の断面図である。図３はインクジェットヘッドの一部の構成及び製造方法を示す説明図である。各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

図１乃至図４に示すインクジェットヘッド１は、ベース１０と、複数のノズル２１を有するノズルプレート２０と、フレーム部材３０と、マニフォルド４０と、一対の回路基板５０と、を備える。インクジェットヘッド１は、いわゆるサイドシューター型のシェアモードシェアードウォール方式のインクジェットヘッドである。本実施形態において、一例としてノズル列２１Ａ、アクチュエータ１３、回路基板５０、をそれぞれ一対ずつ備える例を示すが、これに限られるものではなく、各構成部品の数は適宜変更して実施可能である。

図１乃至図３に示すように、ベース１０は、基板１２と、アクチュエータ１３とを備える。

基板１２は、所定の厚さを有する方形の板状に構成されている。基板１２は、好ましくは、ＰＺＴ、セラミックス、ガラス、快削性セラミックス、あるいはこれらを含む材料で、構成される。

基板１２のノズルプレート２０側の面上には、所定の配線パターン１２ａ（配線電極）が形成されている。配線パターン１２ａは、例えば、真空蒸着法や無電解ニッケルメッキ法等の手法で形成され、エッチングやレーザ加工により所定形状にパターニングされている。

基板１２には、供給口１２ｂ、及び排出口１２ｃが形成されている。供給口１２ｂはマニフォルド４０の共通路４１に連通し、マニフォルド４０の共通路４１からインク室Ｃ２にインクを流入させる貫通孔である。排出口１２ｃは、マニフォルド４０の共通路４１に連通し、インク室Ｃ２からマニフォルド４０の共通路４１にインクを排出させる貫通孔である。

基板１２の、ノズルプレート２０に対向する対向面において、各ノズル列２１Ａに対向する所定箇所にそれぞれアクチュエータ１３が設けられている。本実施形態において、第１方向に延びる一対のアクチュエータ１３が形成される。アクチュエータ１３は、例えば２枚の圧電部材が積層された積層圧電体で構成されている。アクチュエータ１３は、櫛歯状に構成され、複数の溝１４と、複数の溝１４の間に配される複数の駆動素子１５と、を交互に有する。

アクチュエータ１３を構成する圧電部材は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系圧電セラミックス材料で構成された２枚の圧電部材１３ａ，１３ｂが、互いに逆向きとなる分極方向に分極され、接着層を介して接着されている。

複数の溝１４は各ノズル２１に対向する位置に配置され、ノズル列２１Ａの列方向である第１方向に並ぶ。隣接する溝１４の間に形成された壁状部が、溝１４の容積を変化させる駆動素子１５を構成する。

各溝１４は、それぞれノズル２１に対向配置され、ノズル２１に連通する圧力室Ｃ１を構成する。圧力室Ｃ１の内壁には、電極１６と、電極１６の表面を覆う絶縁層１７と、絶縁層１７の表面を覆う導電層としての導電膜１８と、が積層され、保護構造が形成されている。

電極１６は、溝１４の底壁及び側壁に形成される金属膜であり、ニッケルなどの導電性材料で構成される導電膜である。電極１６は、圧力室Ｃ１から基板１２の上面に至って形成され、配線パターン１２ａに接続される。電極１６は、例えば金や銅等で形成してもよい。あるいは２種以上の導電性の膜を積層しても良い。

絶縁層１７は絶縁性材料で構成された膜であり、電極１６の圧力室Ｃ１側の表面である接液面の全面を覆う。本実施形態において、絶縁層１７は例えばパリレンで形成されている。絶縁層１７の膜厚は、例えば３μｍ以上５μｍ以下程度である。

導電膜１８は、絶縁層１７の圧力室Ｃ１側の表面である接液面の全面を覆う。導電膜１８はスパッタ等で形成され、例えばＡｌやＮｉ等で構成される。導電膜１８はグランドＧＮＤ１に電気的に接続される。導電膜１８は電極１６とは接触しない。導電膜１８は、絶縁層１７の表面を覆うことができればよく、膜厚は薄くてもよい。例えば導電膜１８の膜厚は例えば０．５μｍ程度とした。

ノズルプレート２０は、ベース１０の一方側に対向配置されている。ノズルプレート２０は、厚さ１０μｍ以上１００μｍ以下程度の方形の板状に構成される。ノズルプレート２０には、厚さ方向に貫通する複数のノズル２１を有するノズル列２１Ａが形成されている。本実施形態においては例えば２列のノズル列２１Ａが形成されている。ノズル２１は、複数の圧力室Ｃ１に対応する位置にそれぞれ設けられている。すなわち、ノズルプレート２０は、溝１４で構成される圧力室Ｃ１に連通するノズル２１を有する。

フレーム部材３０は、例えば方形の枠状に構成される。フレーム部材３０は、ベース１０とノズルプレート２０との間に挟持され、ベース１０のアクチュエータ１３の外周を囲み、圧力室Ｃ１に連通するインク室Ｃ２を形成する。ノズルプレート２０とフレーム部材３０によって、ベース１０のアクチュエータ１３が覆われる。

図１及び図２に示すように、マニフォルド４０はベース１０の他方側、すなわちノズルプレート２０とは反対側に、設けられる。マニフォルド４０は、例えばブロック状に構成され、内部にインク流路１１の一部となる共通路４１を形成する。共通路４１はベース１０の供給口１２ｂに連通する供給路４２、及び排出口１２ｃに連通する排出路４３を有する。

一対の回路基板５０は例えばマニフォルド４０の幅方向両側の一対の側壁にそれぞれ配される。回路基板５０には各種実装部品が搭載されている。回路基板５０は例えば所定の配線が形成されたＦＣＰ（フィルムキャリアパッケージ）５１を備え、ＦＣＰ５１により基板１２に接続されている。ＦＣＰ５１には、例えば駆動ＩＣ５２が実装されている。したがって、駆動ＩＣ５２は、ＦＣＰ５１の配線や配線パターン１２ａを介して圧力室の電極１６に接続される。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１には、ノズル２１に連通する複数の圧力室Ｃ１と、複数の圧力室Ｃ１に連通するインク室Ｃ２と、マニフォルド４０の共通路４１を含むインク流路１１が形成される。

図３はインクジェットヘッド１の製造方法の一部を示す説明図である。図３に示すように、本実施形態にかかるインクジェットヘッド１の製造方法において、アクチュエータ１３の溝１４の内壁に電極１６を形成し（ＡＣＴ１１）、その後当該電極１６の圧力室Ｃ１側、すなわちインク流路１１側の面である接液面の全面を覆う絶縁層１７を形成し（ＡＣＴ１２）、さらに絶縁層１７の圧力室Ｃ１側の接液面の全面を覆うようにＡｌやＮｉ等をスパッタ等で成膜することで導電膜１８を形成する（ＡＣＴ１３）。この後、導電膜１８を電気的にグランドＧＮＤ１に繋げることで保護構造が完成する。その後、フレーム部材３０を介してベース１０に対してノズルプレート２０を対向配置させ、ベース１０とフレーム部材３０とノズルプレート２０とを接合する（ＡＣＴ１４）。

以下、インクジェットヘッド１を有するインクジェット装置１００について、図４を参照して説明する。図４はインクジェット装置１００の構成を示す説明図である。図４に示すように、インクジェット装置１００は、筐体１１１と、媒体供給部１１２と、画像形成部１１３と、媒体排出部１１４と、搬送装置１１５と、制御部１１６と、を備える。

インクジェット装置１００は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る所定の搬送路Ａ１に沿って、吐出対象物である記録媒体として例えば用紙Ｐを搬送しながらインク等の液体を吐出することで、用紙Ｐに画像形成処理を行うインクジェットプリンタである。

媒体供給部１１２は複数の給紙カセット１１２ａを備える。媒体排出部１１４は、排紙トレイ１１４ａを備える。画像形成部１１３は、用紙を支持する支持部１１７と、支持部１１７の上方に対向配置された複数のヘッドユニット１３０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成を行う所定領域にループ状に備えられる搬送ベルト１１８と、搬送ベルト１１８を裏側から支持する支持プレート１１９と、搬送ベルト１１８の裏側に備えられた複数のベルトローラ１２０と、を備える。

ヘッドユニット１３０は、複数のインクジェットヘッド１と、各インクジェットヘッド１上にそれぞれ搭載された液体タンクとしての複数のインクタンク１３２と、インクジェットヘッド１とインクタンク１３２とを接続する接続流路１３３と、循環部である循環ポンプ１３４と、を備える。ヘッドユニット１３０は、インクジェットヘッド１及びインクタンク１３２を通る循環流路にて液体を循環させる循環型のヘッドユニットである。

本実施形態において、インクジェットヘッド１としてシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色のインクジェットヘッド１Ｃ，１Ｍ，１Ｙ，１Ｂと、これらの各色のインクをそれぞれ収容するインクタンク１３２として、インクタンク１３２Ｃ，１３２Ｍ，１３２Ｙ，１３２Ｂを備える。インクタンク１３２は接続流路１３３によってインクジェットヘッド１に接続される。接続流路１３３は、インクジェットヘッド１のインク流路１１の一次側に接続される供給流路１３３ａと、インクジェットヘッド１のインク流路１１の二次側に接続される回収流路１３３ｂと、を備える。

また、インクタンク１３２には、図示しないポンプなどの負圧制御装置が連結されている。そして、インクジェットヘッド１とインクタンク１３２との水頭値に対応して、負圧制御装置によりインクタンク１３２内を負圧制御することで、インクジェットヘッド１の各ノズルに供給されたインクを所定形状のメニスカスに形成させている。

循環ポンプ１３４は、例えば圧電ポンプで構成される送液ポンプである。循環ポンプ１３４は、供給流路１３３ａに設けられている。循環ポンプ１３４は、配線により制御部１１６の駆動回路に接続され、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１６ａの制御によって制御可能に構成されている。循環ポンプ１３４は、インクジェットヘッド１とインクタンク１３２を含む循環流路で液体を循環させる。循環流路は、インクに電荷が溜まらないように、接地されている。

インクジェット装置１００はグランドＧＮＤ２に接続されている。グランドＧＮＤ２は、インクジェットヘッド１の導電膜１８が接続されたグランドＧＮＤ１と接続されている。したがって、インクジェット装置１００のグランドＧＮＤ２と導電膜１８のグランドＧＮＤ１とは同電位となる。

搬送装置１１５は、媒体供給部１１２の給紙カセット１１２ａから画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４の排紙トレイ１１４ａに至る搬送路Ａ１に沿って、用紙Ｐを搬送する。搬送装置１１５は、搬送路Ａ１に沿って配置される複数のガイドプレート対１２１ａ〜１２１ｈと、複数の搬送用ローラ１２２ａ〜１２２ｈと、を備えている。

制御部１１６は、コントローラであるＣＰＵ１１６ａと、各種のプログラムなどを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各種の可変データや画像データなどを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部と、を備える。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１及びインクジェット装置１００において、ノズル２１から液体を吐出する駆動時には、制御部１１６は、駆動ＩＣ５２により、駆動電圧を印加し、駆動素子１５を変形させることで圧力室Ｃ１の容積を変化させ、ノズル２１からインク滴を吐出させる。

本実施形態にかかるインクジェットヘッド１及びインクジェット装置１００は、インクの接液面である導電膜１８が電気的にグランドになり、インクとの化学反応などが生じにくくなるため、絶縁層１７の耐久性を向上できる。

また、インクジェット装置１００のインクの流路である循環流路を電気的にグランドにすることで、インクに電荷が溜まることを防止でき、耐久性が向上する。

さらに、インクジェット装置１００内において絶縁層１７上の導電膜１８のグランドＧＮＤ１と、インクジェット装置１００が接地されたグランドＧＮＤ２を互いに接続して同電位としたことにより、インクジェット装置１００内に付着しているインクとインクジェットヘッド１内部のインクが接触しても、インク内で電位差が生じないため、インクやインクジェットヘッド１への不具合が生じることを防ぐことができる。

上述した実施形態によれば、絶縁層１７の電気化学反応を防止でき、耐久性を向上できる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく適宜変更して実施可能である。例えば絶縁層１７はパリレンの他、ＳｉＯ２、ＴＥＯＳ（テトエトキシシラン）等の他の絶縁材料を用いてもよい。

例えば上述した第１実施形態においては、圧力室Ｃ１及びインク室Ｃ２に面した電極の表面を絶縁層１７及び導電膜１８の保護構造にて覆う例を示したが、例えば図５及び図６に示すように他の実施形態にかかるインクジェットヘッド１Ａのように導電膜１８の圧力室側の表面である接液面の全面にさらに保護層１９が形成される構成としてもよい。

保護層１９は絶縁性材料で構成された膜であり、導電膜１８の圧力室Ｃ１側の表面である接液面の全面を覆う。本実施形態において、保護層１９は例えば使用するインクと反応し難い材料で構成される。保護層１９は、例えば絶縁層１７と同じパリレンやＳｉＯ２、ＴＥＯＳ等の絶縁材料の他、金属材料で構成されていてもよい。保護層１９の膜厚は、例えば３μｍ以上５μｍ以下程度である。

図６はインクジェットヘッド１Ａの製造方法の一部を示す説明図である。本実施形態にかかるインクジェットヘッド１Ａの製造方法において、図３に示すように第１実施形態にかかるインクジェットヘッド１と同様にＡｃｔ１１〜Ａｃｔ１３を行う。具体的には、アクチュエータ１３の溝１４の内壁に電極１６を形成し（ＡＣＴ１１）、その後当該電極１６の圧力室Ｃ１側の接液面の全面を覆う絶縁層１７を形成し（ＡＣＴ１２）、さらに絶縁層１７の圧力室Ｃ１側の接液面の全面を覆うようにＡｌやＮｉ等をスパッタ等で成膜することで導電膜１８を形成し（ＡＣＴ１３）、導電膜１８を電気的にグランドＧＮＤ１に繋げる。その後、図６に示すように、導電膜１８の圧力室Ｃ１側の接液面の全面を覆うように保護層１９を形成する（ＡＣＴ１５）。さらに、フレーム部材３０を介してベース１０対してノズルプレート２０を対向配置させ、ベース１０とフレーム部材３０とノズルプレート２０とを接合する（ＡＣＴ１６）。

その他の構成は第１実施形態に係るインクジェットヘッド１と同様である。本実施形態においても上記第１実施形態と同様の効果を得られる。

すなわち、インクジェットヘッド１Ａは、インクの接液面である保護層１９が電気的にグランドになり、インクとの化学反応などが生じにくくなるため、絶縁層１７の耐久性を向上できる。さらに、本実施形態によれば、導電膜１８を保護層１９で被覆して保護することができるため、適用するインクの種類の制約を緩和でき、様々なインクが適用できる。すなわち例えば金属を溶解する等の、導電膜１８に接液するのには適さないインクも利用することができ、汎用性が高い。

また、本実施形態においても、インクジェット装置１００をグランドＧＮＤ２に接地するとともに、導電膜１８のグランドＧＮＤ１と、インクジェット装置１００のグランドＧＮＤ２とを接続して同電位としたことにより、インクジェット装置１００内に付着しているインクとインクジェットヘッド１内部のインクが接触しても、インクに電位差が生じることがなく、インクやインクジェットヘッド１への不具合が生じることを防ぐことができる。

上記実施形態ではいわゆるサイドシューター型のインクジェットヘッド１を例示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態としてエンドシューター型のインクジェットヘッドに適用してもよい。

また、吐出する液体はインクに限られるものではなく、インク以外の液体を吐出することもできる。インク以外を吐出する液体吐出装置としては、例えばプリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体を吐出する装置等であっても良い。

インクジェットヘッド１は、上記の他、例えば振動板を変形してインク滴を吐出する構造、あるいはヒータ等の熱エネルギーを利用してノズルからインク滴を吐出する構造等でもよい。

また、上記実施形態において、液体吐出装置はインクジェット記録装置に用いられる例を示したが、これに限られるものではない。例えば３Ｄプリンタ、産業用の製造機械、医療用途にも用いることが可能であり、小型軽量化及び低コスト化が可能である。

以上述べた少なくとも一つの実施形態によれば、電極を被覆する保護層の耐久性を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…インクジェットヘッド、１０…ベース、１１…インク流路、１２…基板、１２ａ…配線パターン、１２ｂ…供給口、１２ｃ…排出口、１３…アクチュエータ、１３ａ…圧電部材、１３ｂ…圧電部材、１４…溝、１５…駆動素子、１６…電極、１７…絶縁層、１８…導電膜、１９…保護層、２０…ノズルプレート、２１…ノズル、２１Ａ…ノズル列、３０…フレーム部材、４０…マニフォルド、４１…共通路、４２…供給路、４３…排出路、５０…回路基板、５１…ＦＣＰ、５２…駆動ＩＣ、１００…インクジェット装置、１１１…筐体、１１２…媒体供給部、１１２ａ…給紙カセット、１１３…画像形成部、１１４…媒体排出部、１１４ａ…排紙トレイ、１１５…搬送装置、１１６…制御部、１１６ａ…ＣＰＵ、１１７…支持部、１１８…搬送ベルト、１１９…支持プレート、１２０…ベルトローラ、１２１ａ〜１２１ｈ…ガイドプレート対、１２２ａ〜１２２ｈ…搬送用ローラ、１３０…ヘッドユニット、１３２…インクタンク、１３３…接続流路、１３３ａ…供給流路、１３３ｂ…回収流路、１３４…循環ポンプ、Ａ１…搬送路、Ｃ１…圧力室、Ｃ２…インク室、ＧＮＤ１…グランド、ＧＮＤ２…グランド。

Claims (5)

1. インク流路に設けられる電極と、
   絶縁性材料で構成され、前記電極の前記インク流路側の面に配される絶縁層と、
   導電性材料で構成され、前記絶縁層の前記インク流路側の面に配されるとともに接地される、導電層と、
   を備えるインクジェットヘッド。
2. 前記インク流路は、インクを吐出するノズルに連通する圧力室を有し、
   前記電極は前記圧力室に設けられたアクチュエータに接続され、
   前記絶縁層は、前記電極の前記インク流路側の面を覆い
   前記導電層は前記絶縁層の前記インク流路側の面を覆う、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記導電層の前記インク流路側の面を覆う保護層を備える、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
4. インク流路に設けられる電極と、絶縁性材料で構成され、前記電極の前記インク流路側の面に配される絶縁層と、導電性材料で構成され、前記絶縁層の前記インク流路側の面に配されるとともに接地される、導電層と、を備えるインクジェットヘッドと、
   前記インクジェットヘッドに接続されるとともに、前記導電層が接地されるグランドと同電位に接続されたグランドに接地される、インクジェット装置。
5. 前記インクジェットヘッドは、前記導電層の前記インク流路側の面を覆う保護層を備える、請求項４に記載のインクジェット装置。