JP4924220B2 - 液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する複数のノズルと各ノズルに連通するノズル毎の圧力室とを有するキャビティユニットと、各圧力室に吐出圧を発生させるアクチュエータユニットとを備えた液体吐出装置に関する技術である。

従来、液体吐出装置として、例えば、インクを微小な液滴にして吐出する複数のノズルを一方の面に形成し、各ノズルにそれぞれ連通してノズル毎に設けられている複数の圧力室を他方の面に開口したプレート状のキャビティユニットと、キャビティユニットの複数の圧力室に対し吐出圧を発生させるプレート状のアクチュエータユニットとを積層した構造を備えたインクジェットヘッドがある。

アクチュエータユニットは、セラミックス層を複数積層した構造を有しており、セラミックス層の間に、キャビティユニットの各圧力室に対し個々に設けられている個別電極と、全ての圧力室に共通し接地されている共通電極とが、所定数交互に配設されている。セラミック層の個別電極と共通電極とで挟まれている部分は活性部になっており、各活性部が各圧力室にそれぞれ対応するようにして、アクチュエータユニットがキャビティユニットの前記他方の面に接合されている。そして、アクチュエータユニットの個別電極と共通電極間に電圧を印加して活性部を駆動すれば、キャビティユニットの圧力室に容積変形が生じて吐出圧が発生し、圧力室に対応するノズルからインクが吐出される。

このアクチュエータユニットはセラミックスの焼結体であるため、焼成時あるいは駆動にともなう変形により、微小な亀裂（クラック）が生じやすい。このような欠陥があると、アクチュエータユニットのセラミックス層とキャビティプレートとが直接接触している箇所においては、圧力室内のインクがクラックに侵入してセラミックス層内に浸透することで、個別電極と共通電極とが電気的に短絡される可能性がある。

この不具合を回避するため、特許文献１のインクジェットヘッドは、アクチュエータユニットのキャビティユニットとの接合面に、導電性保護膜を形成することによって、セラミックス層と圧力室のインクとが直接接触しないようにしている。この保護膜は、アクチュエータユニットに、導電性ペーストを塗布し焼成することで形成されている。また、この保護膜は、圧力室のインクが帯電するのを防止するものでもある。
特開２００６−３４１５０９号公報（第５〜７頁、第３図）

しかしながら、上記のように、保護膜をアクチュエータユニットの外面に露出した状態で形成していると、アクチュエータユニットを焼成した後の製造過程において保護膜に傷が入るおそれがあり、もしセラミックス層にクラックが存在していると、インクが保護膜の傷を通じてセラミックス層のクラックに侵入し、個別電極と共通電極とを電気的に短絡させる可能性がある。

そこで本発明は、キャビティユニットと接しているアクチュエータユニットのセラミックス層に、クラックが存在している場合でも、液体による個別電極と共通電極との電気的な短絡を避けることができる液体吐出装置を提供することを目的とする。

請求項１の液体吐出装置は、液体を吐出する複数のノズルに連通する前記ノズル毎の圧力室が開口して形成されているキャビティユニットと、同キャビティユニットの前記開口を覆ってアクチュエータユニットを積層し、同アクチュエータユニットは複数のセラミックス層が、前記キャビティユニットと前記アクチュエータユニットとの積層方向に積層されており、前記セラミックス層を挟んで前記各圧力室に対して個別に設けられている個別電極と、全ての前記圧力室に共通する共通電極とが設けられ、前記個別電極と前記共通電極との間の前記セラミックス層に駆動電圧を印加することにより、前記圧力室に対し選択的に前記吐出圧を発生させる液体吐出装置でおいて、前記アクチュエータユニットにおける前記キャビティユニットに接触するセラミックス層と、同層の前記キャビティユニットとは反対側のセラミックス層との間に、前記共通電極が介挿され、前記共通電極と前記キャビティユニットに接触するセラミックス層との間に、電極を介することなく、前記キャビティユニットに接触するセラミックス層と一体に焼成され前記液体を通さない前記バリア層が設けられ、前記セラミックス層がシート状のセラミックス材料からなり、前記バリア層が、二酸化珪素、アルミナ、二酸化チタンから選択される酸化物セラミックスからなることを特徴としている。

この請求項１の液体吐出装置によれば、前記バリア層を、前記キャビティユニットに接触する前記セラミックス層と前記共通電極との間に設けて、前記アクチュエータユニットの外面に積層しないようにすることで、前記アクチュエータユニットの焼成後の製造過程において、前記バリア層に傷が入ることを避けることができる。また、仮に前記キャビティユニットに接触する前記セラミックス層にクラックが発生し、同クラックから前記圧力室の液体が侵入し、前記セラミックス層中を浸透して前記バリア層に到達しても、前記バリア層に傷が入りにくいため、共通電極への前記液体の浸透が阻止され、前記液体による前記個別電極と前記共通電極との短絡を避けることができる。

前記バリア層を前記セラミックス層と一体に焼成するので、前記バリア層を、前記アクチュエータユニットの焼成と同時に形成することができる。

前記セラミックス層をシート状のセラミックス材料とし、前記バリア層を酸化物セラミックスとするので、前記セラミックス層と前記バリア層とに、熱膨張率の近い材料を用いることで、前記アクチュエータユニットを焼成した際の反り等の変形を抑えることができる。

前記酸化物セラミックス材料を、二酸化珪素、アルミナ、二酸化チタンから選択するので、前記アクチュエータユニットを焼成した際の反り等の変形を、より効果的に抑えることができる。

請求項１の液体吐出装置は、アクチュエータユニットのキャビティユニットに接触するセラミックス層にクラックが存在していても、電気的に短絡することがないため、吐出不良が生じるなどの不具合が発生せず、装置の信頼性を高めることができる。

また、アクチュエータユニットのキャビティユニットに接触するセラミックス層にクラックが存在していても、バリア層によって、液体が共通電極以上に浸透せず、電気的に短絡することがないため、吐出不良が生じるなどの不具合が発生せず、装置の信頼性を高めることができる。

さらに、装置の信頼性を高めるとともに、製造工程が簡素化される。アクチュエータユニットを焼成した際の反り等の変形が抑えられるため、構造的にも信頼性を高めることができる。

本発明にかかる液体吐出装置の実施形態について図１及び図２を参照しつつ説明する。図１は液体吐出装置１の分解斜視図であり、図２は図１におけるＡ―Ａ矢視の一部拡大断面図（ａ）と、Ｂ―Ｂ矢視の一部拡大断面図（ｂ）である。

液体吐出装置１は、プレート状のキャビティユニット２及びアクチュエータユニット３を積層した構造になっており、アクチュエータユニット３のキャビティユニット２と反対側の面に、外部機器と接続するためのフレキシブルフラットケーブル４が接合される。

キャビティユニット２は、複数枚のプレートを重ねて接合した積層構造を有しており、記録媒体と相対する側からノズルプレート５、スペーサプレート６、ダンパープレート７、二枚のマニホールドプレート８・９、サプライプレート１０、ベースプレート１１、キャビティプレート１２を積層したものである。

ノズルプレート５は、ポリイミド等の合成樹脂で形成されており、インクを吐出する複数のノズル１３・１３・１３・・・が、インクの色ごとに配列されている。このように配列されている各列のノズル１３・１３・１３・・・は、千鳥状に配置されている。

一方、キャビティプレート１２には、吐出圧を発生させる圧力室１４・１４・１４・・・が、ノズル１３・１３・１３・・・毎に設けられており、ノズル１３・１３・１３・・・の列に対応して、供給されるインクの色ごとに列をなすように形成されている。

二枚のマニホールドプレート８・９にはそれぞれ、ノズル１３・１３・１３・・・の列の列方向に延びる貫通孔が形成されて、共通インク室１６・１７が、インクの色ごとに設けられている。各色に対応する共通インク室１６・１７はそれぞれ、平面視において、対応するインクを吐出するノズル１３・１３・１３・・・の列の両側に設けられている。そして、カラーインクに対応した両側の共通インク室１６ａ・１７ａは、長手方向における一方向に延長して合流させた形状になっており、ブラックインクに対応した両側の共通インク室１６ｂ・１７ｂは、前記一方向に延長し、互いに接近させた形状になっている。

サプライプレート１０には、共通のインク室１６・１７のインクをキャビティプレート１２の各圧力室１４・１４・１４・・・に分配するインク供給路１８・１８・１８・・・が供給するインクの色ごとに列なして形成されている。

ベースプレート１１には、サプライプレート１０のインク供給路１８・１８・１８・・・とキャビティプレート１２の圧力室１４・１４・１４・・・と連通する連通孔１９・１９・１９・・・が、各圧力室１４・１４・１４・・・の一端部にそれぞれ連通するように設けられている。

ダンパープレート７には、マニホールドプレート８と反対側の面に、平面視において、共通インク室１６と重なる位置に、圧力変動を吸収するためのダンパー室２０が、ハーフエッチングによって形成されている。

そして、圧力室１４・・・の列の延長位置に、キャビティプレート１２からサプライプレート１０までの各プレートを貫通し、マニホールドプレート８・９の共通のインク室１６・１７に連通するインク供給口２１が、インクの色ごとに形成されている。各インク供給口２１はそれぞれ、インクに含有される塵埃等を捕捉するフィルタ２２で覆われている。また、ベースプレート１１からスペーサプレート６までの各プレートには、キャビティプレート１２の圧力室１４・１４・１４・・・とノズルプレート５のノズル１３・１３・１３・・・とを連通するインク流路２３・２３・２３・・・が、貫通して形成されている。

このキャビティユニット２のインク供給口２１からインクが供給されると、インクは、マニホールドプレート８・９の共通インク室１６・１７に入り、その後、サプライプレート１０の各インク供給路１８・１８・１８・・・、ベースプレート１１の連通孔１９・１９・１９・・・を通じてキャビティプレート１２の各圧力室１４・１４・１４・・・に供給される。各圧力室１４・１４・１４・・・に供給されたインクは、各インク流路２３・２３・２３・・・を通じて各ノズル１３・１３・１３・・・から吐出される。

アクチュエータユニット３は、セラミックス材料からなる複数枚のシートを、アクチュエータユニット３とキャビティユニット２との積層方向と同方向に積層して焼成した積層構造を備えており、キャビティプレート１２上に接着剤等により接合されている。アクチュエータユニット３の各シートは、圧力室１４・１４・１４・・・全体に対応する面積を有し、最下層（以下、アクチュエータユニット３においてキャビティユニット２側を下、フレキシブルフラットケーブル４側を上として説明する）のセラミックス層２４ａにて圧力室１４・１４・１４・・・の上面開口部を覆っている。

最下層のセラミックス層２４ａとその上に積層されている複数層のセラミックス層２４との間には、インクを通さないバリア層２４ｂが介挿されている。バリア層１４ｂとその上に隣接するセラミックス層２４との間には、キャビティユニット２の全圧力室１４・１４・１４・・・にわたって延在する共通電極２５が配設されている。この共通電極２５とその上のセラミックス層２４を挟んで対向する位置には、各圧力室１４・１４・１４・・・に対向して個々に設けられている個別電極２６が配設されている。この個別電極２６と共通電極２５とは、複数のセラミックス層２４間に交互に複数配設されている。この個別電極２６と共通電極２５とに挟まれたセラミックス層２４は、例えば、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料等で形成され、両電極の対向方向に分極されている。つまり、このセラミックス層２４は、個別電極２６と共通電極２５との間への電圧の印加により積層方向に変形する圧電層を構成する。

アクチュエータユニット３は、両電極に挟まれたセラミックス層２４の上にさらに変形
に寄与しないセラミックス層２４を備え、上記圧電層の変形を圧力室１４・１４・１４・・・に向けるようにしている。アクチュエータユニット３の最上面には、フレキシブルフラットケーブル４の配線パターンが接合される表面電極２７が個別電極２６毎、及び共通電極２５に対応して設けられている。各表面電極２７は対応する個別電極２６及び共通電極２５に対して、図示しないスルーホール等の手段により電気的に接続されている。

このように構成されているアクチュエータユニット３は、以下のように製造される。最下層のセラミックス層２４ａの上面にバリア層２４ｂを形成し、さらにそのバリア層２４ｂの上面に共通電極２５を印刷形成する。その最下層のセラミックス層２４ａの上面に、個別電極２６を上面に印刷形成したセラミックス層２４、共通電極２５を上面に印刷形成したセラミックス層２４を複数枚交互に積層する。さらに、共通電極２５及び個別電極２６を有しないセラミックス層２４、表面電極２７を上面に印刷形成したセラミックス層２４を積層し、それらを焼成して一体化している。

バリア層２４ｂは、インクを通さない材料であって、アクチュエータユニット３の焼成時に消失しない材料であれば、任意の材料を使用することができる。好ましくは、セラミックス系の材料でセラミックス層２４と熱膨張率が近いものであると、アクチュエータユニット３と一体で焼成し形成することができる。さらに、その焼成の際に反りなどの変形を生じにくい。特に、二酸化珪素、アルミナ、二酸化チタン等を用いれば、焼成後の変形をより効果的に抑えることができる。各セラミックス層２４の厚さは約３０μｍであるのに対し、バリア層２４ｂの厚さは約１μｍ〜数μｍである。

また、バリア層２４ｂは、セラミックス層２４の間に積層された状態になっていて、外面に露出していないので、キャビティユニット２と接合する工程等において、傷が入ることを避けることができる。また、
そして、キャビティユニット２に接合したアクチュエータユニット３の個別電極２６と共通電極２５との間に電圧を印加すると、個別電極２６と共通電極２５とで挟まれたセラミックス層２４の部分は伸長する。その結果、圧力室１４・１４・１４・・・内のインクに圧力が付与され、ノズル１３・１３・１３・・・からインクが吐出される。

この液体吐出装置１において、アクチュエータユニット３の焼成時にセラミックス層２４ａにクラックが発生していたり、アクチュエータユニット３が駆動することでクラックが発生した場合、圧力室１４・１４・１４・・・のインクがクラックに侵入する。もし、クラックに侵入したインクが、セラミックス層２４ａ内を浸透し、バリア層２４ｂに達したとしても、それ以上アクチュエータユニット３の内部へ侵入することがない。したがって、アクチュエータユニット３の個別電極２６と共通電極２５とが、インクによって電気的に短絡される不具合を回避できる。

なお、バリア層２４ｂは、共通電極２５と最下層のセラミックス層２４ａとの間に配置してあるが、共通電極２５と個別電極２６との間に配置してもよい。共通電極２５とキャビティユニット２とが電気的に接地等されて同電位にある場合、共通電極２５までインクが侵入しても、共通電極２５と個別電極２６と短絡しなければ、問題ない。つまり、少なくともアクチュエータユニット３におけるキャビティユニット２との接触面２７と、それに最も近い個別電極２６との間に、バリア層２４ｂがあればよい。

また、共通電極２５と個別電極２６との位置を相互に入れ替え、下から順に個別電極２６、共通電極２５、個別電極２６とした場合、最下の個別電極２６とセラミックス層２４ａとの間にバリア層２４ｂを配置することができる。さらに、最下層のセラミックス層２４ａやその上に隣接するセラミックス層２４を積層方向に分割し、その間にバリア層２４ｂを介挿することもできるし、複数設けることもできる。

また、バリア層２４ｂは、セラミックス層２４ａの全面にわたって設けることなく、ほぼ圧力室１４に対応する箇所に設けることもできる。

上記実施の形態は、液体吐出装置をインクジェットヘッドに具体化した例について説明したが、インク以外の液体、例えば着色液を塗布して液晶表示装置のカラーフィルタを製作する装置などにも適用することができる。

本発明にかかる液体吐出装置の実施形態の分解斜視図。 （ａ）は図１におけるＡ―Ａ矢視の一部拡大断面図。（ｂ）は図１におけるＢ―Ｂ矢視の一部拡大断面図。

符号の説明

１ 液体吐出装置
２ キャビティユニット
３ アクチュエータユニット
１３・１３・１３・・・ ノズル
１４・１４・１４・・・ 圧力室
２４ｂ バリア層
２５ 共通電極
２６ 個別電極
２７ 接触面

Claims (1)

1. 液体を吐出する複数のノズルに連通する前記ノズル毎の圧力室が開口して形成されているキャビティユニットと、同キャビティユニットの前記開口を覆ってアクチュエータユニットを積層し、
   同アクチュエータユニットは複数のセラミックス層が、前記キャビティユニットと前記アクチュエータユニットとの積層方向に積層されており、前記セラミックス層を挟んで前記各圧力室に対して個別に設けられている個別電極と、全ての前記圧力室に共通する共通電極とが設けられ、前記個別電極と前記共通電極との間の前記セラミックス層に駆動電圧を印加することにより、前記圧力室に対し選択的に前記吐出圧を発生させる液体吐出装置でおいて、
   前記アクチュエータユニットにおける前記キャビティユニットに接触するセラミックス層と、同層の前記キャビティユニットとは反対側のセラミックス層との間に、前記共通電極が介挿され、
   前記共通電極と前記キャビティユニットに接触するセラミックス層との間に、電極を介することなく、前記キャビティユニットに接触するセラミックス層と一体に焼成され前記液体を通さない前記バリア層が設けられ、
   前記セラミックス層がシート状のセラミックス材料からなり、前記バリア層が、二酸化珪素、アルミナ、二酸化チタンから選択される酸化物セラミックスからなることを特徴とする液体吐出装置。

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