JP5018899B2 - 液体噴射ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、例えば、インクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッドに関し、特にヘッド内のインクから静電気を除去することができる液体噴射ヘッドである。

例えば、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）を代表とする液体噴射ヘッドには、共通インク室（共通液体室）から圧力発生室を経てノズル開口に至る一連の液体流路をノズル開口に対応して複数備え、圧力発生手段の駆動によって圧力発生室内の液体に生じた圧力変動を利用してノズル開口からインクなどの液体を吐出させるように構成されたものがある。

上記のような記録ヘッドは複数の構成部品を積層して構成されている。例えば、ステンレス等の導電性を有するノズルプレートと、シリコン製の流路基板と 、弾性フィルムの封止膜を有するコンプライアンス基板とが積層され、流路基板に形成された空部がノズルプレートとコンプライアンス基板とに封止されて、液体流路が形成されている。そして、ここにインクが充填されることとなる。

しかし、上記記録ヘッドを備えたプリンターにおいて、記録紙に発生した静電気がノズルプレートへ放電されると、この静電気が記録ヘッド内のインクを伝わって、圧電振動子を駆動する駆動回路を破壊するおそれがある。

このため、ノズル開口を露出させる窓が形成された導電性のヘッドカバーを取り付けて、記録ヘッドを保護するとともに、記録ヘッド内のインクをノズルプレートからヘッドカバーを介して接地することで、記録ヘッド内のインクの帯電を防止し、記録紙からの静電気を逃がして駆動回路の破壊を防止するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１９０５１３号公報

ノズルプレートは、ノズル開口をノズルプレートの所定位置に高精度に形成すべくエッチング技術を適用するため、シリコンで形成したものが開発されつつある。ところが、シリコンはステンレス等に比べ導電性が極めて低く、従来の記録ヘッドのように単にヘッドカバーを取り付けただけでは、記録ヘッド内のインクの静電気を、ヘッドカバーを介して逃がすことができなくなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、ノズルプレートが導電性を有さない場合でも、流路内のインクの帯電を防止でき、駆動回路の破壊を防止することができる液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の液体噴射ヘッドは、液滴を吐出するノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室と、複数の前記圧力発生室に連通して圧力発生室に液体を供給する共通液体室と、前記各圧力発生室内に液滴吐出のための圧力を発生させる圧力発生手段と、前記ノズルプレートの圧力発生室と反対側に設けられた導電性のカバー部とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記ノズルプレートは、非導電材料からなる基板であって、前記共通液体室に対向する位置に、板厚方向に貫通した状態で開設した開口部内に導電材料を充填して導電部を形成してなり、該導電部の少なくとも一部と前記カバー部の少なくとも一部とを重合させて前記共通液体室の液体を前記カバー部に導通させるようにしたことを特徴とする。

この構成によれば、ノズルプレートの共通液体室に対向する位置に、板厚方向に貫通した状態で開設した開口部内に導電材料を充填して導電部を形成し、導電部の少なくとも一部とカバー部の少なくとも一部とを重合させて共通液体室の液体をカバー部に導通させたので、液体噴射ヘッド内のインクの帯電を防止できる。よって、液体噴射ヘッド内のインクの静電気を、カバー部を介して逃がすことができ、駆動回路の破壊を防止することができる。

また、上記構成において、前記ノズルプレートはシリコンで形成することが望ましい。この構成によれば、ノズルプレートをシリコンで形成したので、同じくシリコンで形成される流路基板と熱膨張率が同じであるため、圧電振動子等の熱により各部材が膨張しても接合部分の剥離など熱による悪影響を防止することができる。

また、上記構成において、前記開口部は、前記共通液体室側の開口面積よりも前記カバー部側の開口面積の方が大きいことが望ましい。この構成によれば、開口部に充填する導電材料が、開口部から抜けて液体噴射ヘッド内に入り込む不具合を防止することができる。

また、上記構成において、前記導電材料は、導電性接着剤であることが望ましい。この構成によれば、開口部内の形状に合わせた金属等の導電材料を別途用意する必要が無く、容易に導電部を形成することができる。

また、上記構成において、前記導電材料は、前記ノズルプレート面よりも前記カバー部側に盛り上がっていることが望ましい。この構成によれば、導電材料は、ノズルプレート面よりもカバー部側に盛り上がっているので、導電部がカバー部と安定して導通をとることができる。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 インクジェット式記録ヘッドユニットの分解斜視図である。 インクジェット式記録ヘッドユニットの組立斜視図である。 インクジェット式記録ヘッドユニットの要部断面図である。 ヘッド及びヘッドケースの分解斜視図である。 ヘッド及びヘッドケースの要部断面図である。 ヘッドのノズルプレート側から見た平面図である。 ヘッド及びカバー部の要部断面図である。 第２実施形態におけるヘッドのノズルプレート側から見た平面図である。 第３実施形態におけるヘッド及びカバー部の要部断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、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、以下においては、液体噴射装置として、図１に示すインクジェット式プリンター１０１（以下、プリンター１０１と略記する）を例示する。

プリンター１０１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ユニット１（以下、ヘッドユニット１と言う）が取り付けられると共に、ヘッドユニット１が取り付けられるキャリッジ１０３と、ヘッドユニット１の下方に配設されたプラテン１０４と、ヘッドユニット１が搭載されたキャリッジ１０３を記録紙１０５（吐出対象物の一種）の紙幅方向に移動させるキャリッジ移動機構１０６と、紙幅方向に直交する方向である紙送り方向に記録紙１０５を搬送する紙送り機構１０７等を備えて概略構成されている。ここで、紙幅方向とは、主走査方向（ヘッド走査方向）であり、紙送り方向とは、副走査方向（即ち、ヘッド走査方向に直交する方向）である。

キャリッジ１０３は、主走査方向に架設されたガイドロッド１０８に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構１０６の作動により、ガイドロッド１０８に沿って主走査方向に移動するように構成されている。キャリッジ１０３の主走査方向の位置は、リニアエンコーダー１０９によって検出され、検出信号が位置情報として制御部（図示せず）に送信される。これにより、制御部はこのリニアエンコーダー１０９からの位置情報に基づいてキャリッジ１０３（ヘッドユニット）の走査位置を認識しながら、ヘッドユニットによる記録動作（吐出動作）等を制御することができる。

次に、ヘッドユニット１について、添付図面を参照して説明する。図２は本形態に係るヘッドユニット１の分解斜視図、図３はその組立斜視図、図４はその要部断面図である。

これらの図に示すように、ヘッドユニット１は、カートリッジケース３と、インクジェット式記録ヘッド２（以下、単に記録ヘッド２という）とによって構成されている。記録ヘッド２は、複数個（本形態では４個）のヘッド４及びヘッドケース５と、カバー部６とを備えており、カートリッジケース３に固定されている。また、カバー部６は、カバーヘッド７とヘッド固定板８とによって構成される導電性の部材であり、電気的に記録ヘッド２外部の接地点（不図示）に接地されている。

ヘッド固定板８は、複数のヘッド４を位置決めして保持するための金属製の平板材であり、カバーヘッド７と接合してカバー部６を構成する。そして、このヘッド固定板８は、隣接するヘッド４の間に延設された固定用梁部１０が設けられている。また、複数のヘッド４に亘って記録ヘッド２の外周に沿って設けられた固定用枠部１１と、前記固定用梁部１０とで構成された接合部１２は、後述するノズルプレートのノズル開口３０を露出するように固定板露出開口部１３を形成している。

カバーヘッド７は、ヘッド固定板８と導電性接着剤等で電気的かつ機械的に接合される金属製の箱形状部材であり、ヘッド固定板８の外周に亘って屈曲するように設けられた側壁部１４を備えている。また、このカバーヘッド７は、固定用梁部１０に対応した梁部１５と、固定用枠部１１に対応した枠部１６とで構成された固定部１７を備えており、加えて、固定板露出開口部１３に対応した露出開口部１８を備えている。さらに、カバーヘッド７の側壁部１４から延設されたフランジ部１９に固定孔２０が設けられている。この固定孔２０は、図３及び図４に示すように、カートリッジケース３に突設された突起部２４を挿入し、突起部２４の先端部を加熱してかしめることで、ヘッド４及びヘッドケース５とともに、カバー部６をカートリッジケース３に固定することができる。

カートリッジケース３は、前記したキャリッジ１０３の主要部分を担う部材であり、インクカートリッジ１０２がそれぞれ装着されるカートリッジ装着部２１を有する。インクカートリッジ１０２は、例えばブラック及びカラーインクが充填された別体で構成されたインク供給手段である。すなわち、カートリッジケース３には、各色のインクカートリッジ１０２がそれぞれ装着される。

また、図４に示すように、カートリッジケース３には、一端が各カートリッジ装着部２１に開口するとともに他端がヘッドケース５側に開口する複数のインク連通路２２が内部に設けられている。さらに、カートリッジ装着部２１には、インク供給針２３が上向きに固定されており、該インク供給針２３の基部にインク内の気泡や異物を除去するためのフィルタ（図示せず）が設けてある。そして、カートリッジ装着部２１にインクカートリッジ１０２を装着すると、インク供給針２３がインクカートリッジ１０２の内部に挿入され、これにより、カートリッジ内部のインク貯留空間と記録ヘッド２内部のインク流路とが、インク連通路２２を通じて連通し、カートリッジ内部に貯留されているインクが記録ヘッド２内に導入される。

ヘッドケース５は、各ヘッド４に対応して独立して複数個設けられており、カートリッジケース３の底面に位置決め固定されている。このヘッドケース５は、カートリッジケース３とは反対側の面にヘッド４が接着剤等で一体的に接合される。このヘッド４は、図５に示すように、ノズルプレート２６、流路基板２７、保護基板２８及びコンプライアンス基板２９の４つの基板で構成されている。

流路基板２７は、長尺なシリコン単結晶基板からなり、長手方向に沿って細長な連通部３４が二本、エッチングにより形成され、両連通部３４に挟まれた領域に複数の圧力発生室３２が各連通部３４ごとに、長手方向に並んだ状態でエッチングにより形成されている。そして、各圧力発生室３２は、インク供給路３３を介して、連通部３４と連通している。また、流路基板２７の一方面には、予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜４０が形成され、該弾性膜４０上には、圧電振動子４１が配設され、その反対側にノズルプレートが、接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、圧電振動子４１は、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜、金属からなる下電極膜、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層及び金属からなる上電極膜を順次積層することで形成される。

ノズルプレート２６は、非導電材料であるシリコン単結晶基板で形成しているので、エッチングにより、ノズル開口３０及び開口部５１を穿設することができる。ノズル開口３０は、各圧力発生室３２のインク供給路３３とは反対側で連通するように、ノズルプレート２６に穿設されている。開口部５１は、内部に導電材料を充填することで、後述する導電部５２を形成するものである。この様に、ノズルプレート２６にシリコンを用いると、前記した流路基板２７との熱膨張率を同じにすることができるので、圧電振動子４１等の熱により各部材が膨張しても両者の接合部分の剥離など熱による悪影響を防止することができる。なお、ここで導電材料とは電気抵抗値が１０^４Ω・ｃｍ以下の材料を言い、これに該当しない材料を非導電材料と呼ぶ。

保護基板２８は、流路基板２７のノズルプレート２６と反対側に、接合されており、保護基板２８を厚さ方向に貫通するように、長尺なリザーバー部３５が二本設けられている。このリザーバー部３５は、各連通部３４と連通し、共通インク室３６（共通液体室３６）を構成している。また、保護基板２８の圧電振動子４１に対向する領域には、圧電振動子４１の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電振動子保持部４２が設けられている。このような保護基板２８は、ガラス、セラミック、金属、プラスチック等で好適に形成し得るが、ノズルプレート２６と同様に、流路基板２７の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本形態では、流路基板２７と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成している。

さらに、保護基板２８上には、各圧電振動子４１を駆動するための駆動ＩＣ４４が設けられている。この駆動ＩＣ４４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振動子４１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ＩＣ４４の各端子には、図２及び図５に示すような、フレキシブルプリントケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線４３を介して外部と接続され、各圧電振動子４１を駆動するための外部からの各種信号を、外部配線４３を介して受け取れるようになっている。

コンプライアンス基板２９は、保護基板２８の流路基板２７と反対側に、接合されており、封止膜４６と支持板４７とから形成されている。封止膜４６は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さ６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）で形成されており、また支持板４７は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成されている。ここで、図６に明示するように、コンプライアンス基板２９は、共通インク室３６に対向する領域に、共通インク室３６にインクを供給するためのインク導入口３７を、厚さ方向に貫通して形成されている。また、コンプライアンス基板２９の共通インク室３６に対向する領域において、インク導入口３７以外の領域は、支持板４７が除去された封止膜４６からなる封止部４８となっている。そのため、共通インク室３６は、可撓性を有する封止部４８により封止されることになる。そして、封止部４８に対向するヘッドケース５の一部には、封止膜４６の可撓変形を阻害しない程度の空間を有する封止膜保持部４９を備えている。このように構成することで、可撓性を有する封止膜４６により、共通インク室３６がコンプライアンスを得るようにしてある。

そして、ヘッドケース５は、上述したようにカートリッジケース３の底面に固着されており、それとは反対側でコンプライアンス基板２９と接合している。また、ヘッドケース５は、保護基板２８上に設けられた駆動ＩＣ４４に対向する領域に、厚さ方向に貫通した駆動ＩＣ収納部４５が設けられている。さらに、ヘッドケース５は、インクカートリッジ１０２からのインク連通路２２（図４参照）とコンプライアンス基板２９のインク導入口３７を連通するように、インク供給連通路３８を設けている。

このように、ヘッド４は、インクカートリッジ１０２から供給されたインクを、インク連通路２２、インク供給連通路３８、インク導入口３７、共通インク室３６、インク供給路３３を介して各圧力発生室３２に供給することができる。そして、各圧力発生室３２内には、圧力を発生させる圧力発生手段（圧電振動子４１）を備えてあるので、インク滴（液滴の一種）を吐出させることができる。具体的には、駆動ＩＣ４４からの駆動信号により圧電振動子４１を撓ませることで、圧力発生室３２の圧力変動を発生させることができ、この圧力変動によってノズル開口３０からインク滴が吐出される。

次に、ノズルプレート２６に設けた導電部５２ついて図７及び図８を用いて詳しく説明する。図７はヘッド４をノズルプレート２６側から見た平面図であり、図８はヘッド４及びカバー部６の要部断面図である。

開口部５１は、図７に示すように、共通インク室３６に対向する位置、具体的には、共通インク室３６の長手方向中央部にノズルプレート２６の板厚方向を貫通して、円形状に形成されている。また、この開口部５１は、共通液体室３６側の開口面積よりもカバー部６側の開口面積の方が大きくなるように、断面テーパ状に形成されている。

そして、このノズルプレート２６の開口部５１内に、導電材料を充填することで、導電部５２を形成している。この導電部５２は、ノズルプレート２６の圧力発生室３２と反対側に設けられた導電性カバー部６の一部と重合する位置に形成されているので、ヘッドの組み付け後は導電性カバー部６と電気的に接続することができる。ここで、導電材料は、開口部５１内の形状に合わせて別途作成された銅など金属製の材料でも良いし、銀ペーストやカーボンペースト等の導電性接着剤でも良い。導電材料を導電性接着剤とすれば、開口部５１内の形状に合わせた金属製の材料を別途用意する必要が無く、容易に導電部５２を形成することができる。

また、図８に示すように、導電部５２は、共通インク室３６側ではノズルプレート２６面と平滑になるように形成されているが、カバー部６側ではノズルプレート２６面よりもカバー部６側に盛り上がる（突出する）ように形成され、この突出した部分が導電性カバー部６の一部と接合している。ここで、共通インク室３６側でノズルプレート２６面と平滑になるように形成するのは、インク内に発生した気泡が段差に引っ掛って残留するのを防ぐためであり、カバー部６側でノズルプレート２６面よりもカバー部６側に盛り上がるように形成するのは、導電部５２がカバー部６と安定して導通をとれるようにするためである。さらに、前述のように、開口部５１が共通インク室３６側からもカバー部６側に向けて大きくなるようにテーパ形状を設けているので、開口部５１に充填する導電材料が、開口部５１から抜けて記録ヘッド２内に入り込む不具合を防止することができる。

このように、導電部５２とカバー部６の一部とを重合させることで、共通インク室３６のインクをカバー部６に導通させることができる。したがって、記録ヘッド２内のインクの帯電を防止できる。このため、記録紙１０５からの静電気による記録ヘッド２内のインクの静電気を、カバー部６を介して記録ヘッド２外部の接地点（不図示）に逃がすことができ、駆動回路の破壊を防止することができる。

次に、第２の実施形態として、図９を用いて説明する。図９に示す第２の実施形態では、共通インク室３６の一端部から延設して導電部専用インク室５３を設けている。この導電部専用インク室５３に対向するノズルプレート２６に、上記実施形態と同様に、円形状の開口部５１を形成し、該開口部５１内に導電材料を充填して導電部５２とし、この導電部５２とカバー部６の一部とを重合することによって、共通インク室３６のインクをカバー部６に導通させることができる。したがって、前記した実施形態と同様に、記録紙１０５からの静電気による記録ヘッド２内のインクの静電気を、カバー部６を介して逃がすことができ、駆動回路の破壊を防止することができる。また、この場合、共通インク室３６側のノズルプレート２６面に導電部５２に起因する段差が発生したとしても、共通インク室３６の外部（液体流路の外部）に導電部５２を作成したので、前記段差に気泡が残留し難くい。さらに、その段差に気泡が残留したとしても、液体流路の外部なので、液体噴射時に気泡が悪影響をおよぼすことを防ぐことができる。

なお、前記実施形態では、導電部５２の形状を円形状としたが、これに限らず、楕円形、多角形、その他任意の形状のものであっても良い。さらに、１つの共通インク室３６に対応する導電部５２は、１個である必要はなく、複数個設けても良く、大きさも任意に決定し得る。

ここで、上記実施形態では、開口部５１（導電部５２）の形状は、断面テーパ状に形成したが、これに限るものではない。第３の実施形態として、図１０に示すように、開口部５１（導電部５２）の形状を断面階段状にしてもよい。要は、共通液体室３６の開口面積よりもカバー部６側の開口面積の方が大きければ良く、開口部５１内部の形状は任意でも良い。この場合も、共通液体室３６の開口面積よりもカバー部６側の開口面積の方が大きいとしたので、開口部５１に充填する導電材料が、開口部５１から抜けて記録ヘッド２内に入り込む不具合を防止することができる。

また、本発明は、ノズルプレート２６が非導電材料の場合だけでなく、ノズルプレート２６が導電材料であっても、記録ヘッド２内のインクをカバー部６に導通できない場合にも有用である。例えば、ノズルプレート２６の流路基板２７と反対側表面に、インクが付着しないように形成される撥液膜が非導電材料である場合にも有用である。

さらに、上記実施形態では、圧力発生手段として、所謂撓み振動型の圧電振動子４１を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電振動子４１を採用することも可能である。

そして、本発明は、駆動信号を用いて液滴の吐出制御が可能な液体噴射ヘッドであれば、プリンター１０１に限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体吐出装置、例えば、ディスプレー製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等の他の機器用のヘッドにも適用することができる。そして、ディスプレー製造装置では、色材吐出ヘッドからＲ（Ｒｅｄ）・Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）・Ｂ（Ｂｌｕｅ）の各色材の溶液を吐出する。また、電極製造装置では、電極材吐出ヘッドから液状の電極材料を吐出する。チップ製造装置では、生体有機物吐出ヘッドから生体有機物の溶液を吐出する。

１…インクジェット式記録ヘッドユニット，２…インクジェット式記録ヘッド，４…ヘッド，６…カバー部，２６…ノズルプレート，３０…ノズル開口，３６…共通インク室（共通液体室），４１…圧電振動子，５１…開口部，５２…導電部

Claims (6)

1. 液滴を吐出するノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室と、複数の前記圧力発生室に連通して圧力発生室に液体を供給する共通液体室と、前記各圧力発生室内に液滴吐出のための圧力を発生させる圧力発生手段と、前記ノズルプレートの圧力発生室と反対側に設けられた導電性のカバー部とを具備する液体噴射ヘッドであって、
   前記ノズルプレートは、非導電材料からなる基板であって、前記共通液体室に対向する位置に、板厚方向に貫通した状態で開設した開口部内に導電材料を充填して導電部を形成してなり、前記共通液体室の液体を前記導電部を介して前記カバー部に導通させるようにしたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記ノズルプレートはシリコンで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記開口部は、前記共通液体室側の開口面積よりも前記カバー部側の開口面積の方が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記導電材料は、導電性接着剤であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記導電材料は、前記ノズルプレート面よりも前記カバー部側に盛り上がっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
6. 液滴を吐出するノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する複数の圧力発生室と、複数の前記圧力発生室に連通して圧力発生室に液体を供給する共通液体室と、前記各圧力発生室内に液滴吐出のための圧力を発生させる圧力発生手段と、前記ノズルプレートの圧力発生室と反対側に設けられた導電性のカバー部とを具備する液体噴射ヘッドを備える液体噴射装置であって、
   前記ノズルプレートは、非導電材料からなる基板であって、前記共通液体室に対向する位置に、板厚方向に貫通した状態で開設した開口部内に導電材料を充填して導電部を形成してなり、前記共通液体室の液体を前記導電部を介して前記カバー部に導通させるようにしたことを特徴とする液体噴射装置。

Images