JP5380395B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びその製造方法に関する。

インクジェットヘッドのノズルプレートは、インクを吐出するノズル穴を有している。このようなノズルプレートは、ノズル穴の周辺に余分なインクが残らないように、撥インク性に保たれることが望ましい。これにより、ノズル穴に異物がなくなり、正常なメニスカスをキープして正常なインクの吐出を可能としている。但し、メンテナンス時にブレード等を用いてノズルプレートをワイプした際に、インク滴の拭き残りが生じ、残ったインクが媒体に落下する可能性がある。このため、より高品位な印刷を可能とするインクジェットヘッドが要求されている。

そこで、アルカリ性溶液浸漬によるエッチングで親水処理を施したポリイミドフィルムの一方の面にレジスト層をラミネートし、ノズル及びその外周に相当する領域のレジスト層を除去し、全面に撥水膜を塗布した後に焼成し、レジスト層を除去することでレジスト層上に焼成された撥水膜も同時に剥離し、ノズルの外周のみに撥水膜を残す技術が提案されている。

しかしながら、このような手法では、エッチングや、レジスト層を用いた撥水膜のパターニングが必要となるため、製造工程数が比較的多くなる。このため、製造工程数を削減し、製造コストの低下及び製造時間の短縮が要求されている。

特開２００７−１９０７５６号公報

本実施形態の目的は、高品位の印刷が可能であり、且つ、製造コストの低下及び製造時間の短縮が可能なインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することにある。

本実施形態によれば、
絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された枠体と、前記絶縁基板の上面において前記枠体で囲まれた内側にインク圧力室を形成する圧電部材と、前記インク圧力室に対向するノズル穴を有するノズルプレートと、前記ノズルプレートの少なくとも上面にコーティングされ、前記ノズル穴を囲む領域を含む撥インク性の第１領域と、前記第１領域よりもインクの接触角が小さい親インク性の第２領域と、含む被膜と、を具備することを特徴とするインクジェットヘッドが提供される。

本実施形態によれば、
絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された枠体と、前記絶縁基板の上面において前記枠体で囲まれた内側にインク圧力室を形成する圧電部材と、前記インク圧力室に対向するノズル穴を有するノズルプレートと、を具備するインクジェットヘッドの製造方法であって、前記ノズルプレートの少なくとも上面に撥インク性の被膜をコーティングし、前記被膜の一部を基材で押さえ、前記被膜を形成する材料のガラス転移点以上の温度で前記ノズルプレート及び前記被膜を加熱し、前記基材を剥離し、前記基材で押さえなかった領域に撥インク性の第１領域を形成するとともに、前記基材で押さえた領域に前記第１領域よりもインクの接触角が小さい親インク性の第２領域を形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法が提供される。

図１は、本実施形態におけるインクジェットヘッドの構成を概略的に示す分解斜視図である。 図２は、図１に示したインクジェットヘッドを第２方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。 図３は、図２に示したインクジェットヘッドを構成するノズルプレートに被膜がコーティングされた状態を概略的に示す上面図である。 図４は、本実施形態におけるインクジェットヘッドにおいてノズル穴からインクが吐出される過程を説明するための図である。 図５は、本実施形態におけるインクジェットヘッドのメンテナンス時あるいは待機時の動作を説明するための図である。 図６は、本実施形態におけるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための図である。 図７は、本実施形態におけるインクジェットヘッドの他の製造方法説明するためのフローチャートである。 図８は、本実施形態におけるインクジェットヘッドの他の製造方法説明するためのフローチャートである。 図９は、本実施形態におけるインクジェットヘッドの他の製造方法説明するためのフローチャートである。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態におけるインクジェットヘッド１の構成を概略的に示す分解斜視図である。

このインクジェットヘッド１は、主要部１０、ノズルプレート２０、マスクプレート３０、及び、ホルダ４０を備えている。主要部１０は、絶縁基板１１、枠体１２、圧電部材１３などを備えて構成されている。

絶縁基板１１は、例えば、アルミナなどのセラミックス製であり、第１方向Ｘに沿って延出した四角形の板状に形成されている。この絶縁基板１１は、ノズルプレート２０と対向する側に上面１１Ａを有するとともに、ホルダ４０と対向する側に下面１１Ｂを有している。このような絶縁基板１１は、インク供給口１１ｉｎ及びインク排出口１１ｏｕｔを有している。これらのインク供給口１１ｉｎ及びインク排出口１１ｏｕｔは、上面１１Ａから下面１１Ｂまで貫通している。

枠体１２は、例えば、金属製であり、矩形枠状に形成されている。この枠体１２は、絶縁基板１１の上面１１Ａに配置されている。圧電部材１３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）製であり、絶縁基板１１の上面１１Ａにおいて枠体１２で囲まれた内側に配置されている。各圧電部材１３は、第１方向Ｘに概ね直交する第２方向Ｙに沿って延出している。これらの圧電部材１３は、第１方向Ｘに沿って並んでいる。第１方向Ｘに沿って並んだ一対の圧電部材１３の間には、第２方向Ｙに沿って延出したインク圧力室１４がスリット状に形成される。

図示した例では、圧電部材１３は、第１方向Ｘに沿って２列に配置されている。複数のインク供給口１１ｉｎは、絶縁基板１１の略中央部、つまり、２列の圧電部材１３の間において第１方向Ｘに沿って並んでいる。複数のインク排出口１１ｏｕｔは、絶縁基板１１の周辺部、つまり、圧電部材１３と枠体１２との間において第１方向Ｘに沿って並んでいる。このような構成により、インク供給口１１ｉｎのそれぞれからインク圧力室１４に向けてインクが供給され、インク圧力室１４を通過したインクがインク排出口１１ｏｕｔのそれぞれから排出される。

ノズルプレート２０は、例えば、ポリイミド製であり、第１方向Ｘに沿って延出した四角形の板状に形成されている。このノズルプレート２０は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに直交する第３方向Ｚに沿って主要部１０の上方に配置されている。このノズルプレート２０は、マスクプレート３０と対向する側に上面２０Ａを有するとともに、主要部１０と対向する側に下面２０Ｂを有している。このノズルプレート２０の下面２０Ｂと、枠体１２及び圧電部材１３とは、図示しない接着剤により接着されている。

このようなノズルプレート２０は、ノズル穴２１を有している。各ノズル穴２１は、インク圧力室１４に対向して形成されている。図示した例では、互いに隣接するノズル穴２１は、第１方向Ｘに沿った同一直線上に形成されていない。ここでは、３個のノズル穴２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが徐々に第２方向Ｙにずれて形成され、２個おきに並んだノズル穴２１が第１方向Ｘに沿った同一直線上に形成されている。

マスクプレート３０は、例えば、金属製であり、ノズルプレート２０を囲む枠状に形成されている。このマスクプレート３０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の上方に配置されている。このマスクプレート３０は、ノズルプレート２０の外径と略同等の四角形状の開口部３０Ａを有している。このマスクプレート３０と、枠体１２とは、図示しない接着剤により接着されている。

ホルダ４０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の下方に配置されている。このホルダ４０は、インク供給口１１ｉｎに向けてインクを導入するためのインク導入路４１、及び、インク排出口１１ｏｕｔから排出されたインクを回収するインク回収路４２を有している。インク導入路４１には、図示しないインクタンクからインクを導入するための導入用パイプＰ１が接続されている。インク回収路４２には、インクをインクタンクに回収するための回収用パイプＰ２が接続されている。このホルダ４０は、主要部１０と対向する側に上面４０Ａを有している。このホルダ４０の上面４０Ａと、絶縁基板１１の下面１１Ｂとは、図示しない接着剤により接着されている。

図２は、図１に示したインクジェットヘッド１を第２方向Ｙに沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。

ホルダ４０の上面４０Ａには、絶縁基板１１の下面１１Ｂが接着されている。絶縁基板１１の上面１１Ａには、枠体１２が配置されている。枠体１２の内側には、圧電部材１３が配置されている。圧電部材１３は、Ｙ−Ｚ平面内に台形状の断面を有している。枠体１２の外側には、詳述しないが圧電部材１３を駆動する電極に電気的に接続された端子Ｔが配置されている。端子Ｔには、図示しない異方性導電膜を介して配線基板１５が実装されている。この配線基板１５は、ホルダ４０の側に引き出され、図示しないプリント回路基板などに電気的に接続されている。

枠体１２は、Ｙ−Ｚ平面内に階段状の断面を有している。すなわち、枠体１２は、その内側にノズルプレート２０を受ける第１ステップ１２Ａと、その外側にマスクプレート３０を受ける第２ステップ１２Ｂとを有している。第１ステップ１２Ａの高さＨ１は、第２ステップ１２Ｂの高さＨ２より高い。

ノズルプレート２０は、その下面２０Ｂが枠体１２の第１ステップ１２Ａに接着されるとともに圧電部材１３にも接着されている。ノズルプレート２０の上面２０Ａには、被膜５０がコーティングされている。この被膜５０は、元来、撥インク性を呈する材料によって形成され、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂によって形成されている。

この被膜５０は、撥インク性の第１領域５１と、第１領域５１よりもインクの接触角が小さい親インク性の第２領域５２と、を含んでいる。第１領域５１は、圧電部材１３の直上付近を含むノズルプレート２０の中央部をコーティングする領域に形成されている。第２領域５２は、枠体１２の直上付近を含むノズルプレート２０の周縁部をコーティングする領域に形成されている。

第１領域５１を形成する材料は、フッ素樹脂の分子構造を有している。第２領域５２を形成する材料は、第１領域５１を形成する材料が変質したものである。このような第１領域５１と第２領域５２とにおいて接触角計にて水のコンタクトアングル（接触角）を計測すると、第1領域５１に比べて第２領域５２はコンタクトアングルが小さい。すなわち、第１領域５１に対して、第２領域５２は材料が変質したことがわかる。

このような第１領域５１及び第２領域５２を含む被膜５０は、ノズルプレート２０にコーティングされたフッ素樹脂をガラス転移点以上の温度で加熱されることによって形成される。詳細には後述するが、第１領域５１は加熱によって崩れた分子構造がその後の冷却によって元の分子構造に戻ったことにより撥インク性を呈し、第２領域５２は加熱によって崩れた分子構造がその後の冷却によっても元の分子構造に戻らなかったことにより撥インク性が崩れ親インク性を呈するものである。

マスクプレート３０は、枠体１２の第２ステップ１２Ｂに接着されている。マスクプレート３０の開口部３０Ａには、被膜５０がコーティングされた状態のノズルプレート２０が配置されている。また、このマスクプレート３０は、端子Ｔから引き出された配線基板１５を保持している。

ホルダ４０と絶縁基板１１とを接着する接着剤、ノズルプレート２０と枠体１２及び圧電部材１３とを接着する接着剤、及び、マスクプレート３０と枠体１２とを接着する接着剤の少なくとも１つとして、例えば、被膜５０を形成する材料のガラス転移点以下の温度で硬化するエポキシ樹脂などの熱硬化型樹脂が適用可能である。

図３は、図２に示したインクジェットヘッド１を構成するノズルプレート２０に被膜５０がコーティングされた状態を概略的に示す上面図である。

ノズルプレート２０には、ノズル穴２１が形成されている。このノズル穴２１は、図中に破線で示したように、一対の圧電部材１３の間に形成されたインク圧力室１４の直上に形成されている。

ノズルプレート２０にコーティングされた被膜５０は、ノズル穴２１を囲む領域を含む第１領域５１と、この第１領域５１の外側の第２領域５２と、を含んでいる。なお、図示した例では、第２領域５２は、ノズルプレート２０の周縁部に沿った矩形枠状に形成されたが、他の形状であっても良い。

図４は、本実施形態におけるインクジェットヘッド１においてノズル穴２１からインクが吐出される過程を説明するための図である。

図中に（ａ）で示したように、ノズルプレート２０の上面２０Ａは、被膜５０によってコーティングされている。この被膜５０のうち、ノズル穴２１を囲む第１領域５１は撥インク性である。このため、ノズル穴２１の周囲にはインクＩの余分な液滴が付着せず、正常なメニスカスをキープすることができる。

そして、図中に（ｂ）で示したように、インクＩの吐出動作が開始されると、インクＩがノズル穴２１から押し出される。これにより、インク滴Ｉ’がノズルプレート２０から離れる方向に延びる。そして、ノズル穴２１のインクＩと、インク滴Ｉ’とを切り離すための引き込み動作が開始されると、ノズル穴２１のインクＩが引き込まれる一方で、インク滴Ｉ’はノズルプレート２０からさらに離れる方向に延びる。

そして、図中に（ｃ）で示したように、インクＩの引き込み動作により、ノズル穴２１のインクＩとインク滴Ｉ’とが切り離され、ノズル穴２１のインクＩは正常なメニスカスに復帰する一方で、インク滴Ｉ’は媒体に向かって飛翔する。

図５は、本実施形態におけるインクジェットヘッド１のメンテナンス時あるいは待機時の動作を説明するための図である。なお、この図５においては、説明に必要な構成のみを簡略化して図示している。

メンテナンス時あるいは待機時には、ノズルプレート２０上の被膜５０がブレード６０によってワイプされる。このとき、ノズル穴２１の周囲は撥インク性の第１領域５１であり、第１領域５１の周囲は親インク性の第２領域５２であるため、第１領域５１がワイプされた際にインクは第２領域５２に掃き出される。第２領域５２では、第１領域５１と比較してインクに対する表面張力が低いため、印字の際に生じる振動等でインクが媒体に落下する可能性が極めて低くなり、より高品位な印刷が可能となる。

次に、本実施形態におけるインクジェットヘッドの製造方法について図６を参照しながら説明する。

まず、図中に（ａ）で示したように、ノズルプレート２０の少なくとも上面２０Ａに撥インク性の被膜５０をコーティングする。ここでは、被膜５０は、フッ素樹脂によって形成した。

続いて、図中に（ｂ）で示したように、被膜５０の表面５０Ａのうち、親インク性の第２領域５２を形成すべき領域を基材７０で押さえる。このとき、第１領域５１を形成すべき領域は、基材７０から露出している。ここでは、基材７０は、ポリイミドフィルムに粘着剤がコーティングされた粘着テープを使用した。なお、基材７０としては、被膜５０を形成する材料のガラス転移点温度以上の温度に対して耐熱性を有するものであれば、他のテープ類を使用しても良い。

そして、被膜５０を形成する材料、ここではフッ素樹脂のガラス転移点以上の温度でノズルプレート２０及び被膜５０を加熱する。基材７０で押さえられなかった領域では、ガラス転移点以上の温度で加熱した場合、フッ素樹脂の分子構造が一時的に崩れるが、ガラス転移点より温度が下がった時点で元のフッ素樹脂の分子構造に戻る。一方、基材７０で押さえられた領域では、ガラス転移点以上の温度で加熱した場合にフッ素樹脂の分子構造が崩れるが、基材７０によって被膜５０の表面５０Ａが固定されているため、ガラス転移点より温度が下がった場合でも元のフッ素樹脂の分子構造に戻らない。

続いて、図中の（ｃ）で示したように、基材７０を剥離すると、基材７０で押さえられなかった領域には、撥インク性の第１領域５１が形成される。一方、基材７０で押さえられた領域は、撥インク性が崩れ、親インク性の第２領域５２となる。

上述したように、エッチングやレジスト層を用いたパターニングを行うことなく、簡易な手法により、ノズルプレート２０の表面に撥インク性の第１領域５１及び親インク性の第２領域５２を形成することができる。このため、製造工程数の削減が可能となり、製造コストの低下及び製造時間の短縮が可能となる。

上述したノズルプレート２０及び被膜５０を加熱する工程は、インクジェットヘッド１を構成する部材同士を接着するためのいずれかの接着剤（熱硬化型樹脂）を硬化する加熱工程と同一であっても良い。これにより、さらに製造工程数の削減が可能となる。この具体例について、以下に説明する。

図７に示した例では、まず、絶縁基板１１の上に枠体１２及び圧電部材１３などを配置した主要部１０を用意するとともに、被膜５０がコーティングされたノズルプレート２０を用意する（ＳＴ１１）。そして、主要部１０の枠体１２及び圧電部材１３とノズルプレート２０の下面２０Ｂとを接着する（ＳＴ１２）。このとき、ノズルプレート２０には、ノズル穴２１が形成されている。

そして、被膜５０の一部の表面５０Ａに基材７０を貼付する（ＳＴ１３）。そして、絶縁基板１１の下面１１Ｂとホルダ４０の上面４０Ａとを熱硬化型樹脂により接着する（ＳＴ１４）。このとき、被膜５０を形成する材料のガラス転移点以上の温度で加熱することにより、被膜５０に第１領域５１及び第２領域５２を形成するとともに、熱硬化型樹脂を硬化させる。そして、基材７０を剥離する（ＳＴ１５）。

図８に示した例では、まず、絶縁基板１１の上に枠体１２及び圧電部材１３などを配置した主要部１０を用意するとともに、被膜５０がコーティングされたノズルプレート２０を用意する（ＳＴ２１）。そして、主要部１０の枠体１２及び圧電部材１３とノズルプレート２０の下面２０Ｂとを接着する（ＳＴ２２）。このとき、ノズルプレート２０には、ノズル穴２１が形成されている。

そして、被膜５０の一部の表面５０Ａに基材７０を貼付する（ＳＴ２３）。そして、主要部１０の枠体１２とマスクプレート３０とを熱硬化型樹脂により接着する（ＳＴ２４）。このとき、被膜５０を形成する材料のガラス転移点以上の温度で加熱することにより、被膜５０に第１領域５１及び第２領域５２を形成するとともに、熱硬化型樹脂を硬化させる。そして、基材７０を剥離する（ＳＴ２５）。

図９に示した例では、まず、絶縁基板１１の上に枠体１２及び圧電部材１３などを配置した主要部１０を用意するとともに、被膜５０がコーティングされたノズルプレート２０を用意する（ＳＴ３１）。そして、被膜５０の一部の表面５０Ａに基材７０を貼付する（ＳＴ３２）。

そして、主要部１０の枠体１２及び圧電部材１３とノズルプレート２０の下面２０Ｂとを熱硬化型樹脂により接着する（ＳＴ３３）。このとき、被膜５０を形成する材料のガラス転移点以上の温度で加熱することにより、被膜５０に第１領域５１及び第２領域５２を形成するとともに、熱硬化型樹脂を硬化させる。そして、基材７０を剥離する（ＳＴ３４）。

図７乃至図９に示した例のように、インクジェットヘッド１を構成する部材同士を接着するいずれかの接着工程と、被膜５０に第１領域５１及び第２領域５２を形成する工程とが共通の加熱工程で実施されるため、製造工程数の削減が可能となり、さらなる製造コストの低下及び製造時間の短縮が可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、高品位の印刷が可能であり、且つ、製造コストの低下及び製造時間の短縮が可能なインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…インクジェットヘッド
１０…主要部
１１…絶縁基板 １２…枠体 １３…圧電部材 １４…インク圧力室
２０…ノズルプレート ２１（Ａ、Ｂ、Ｃ）…ノズル穴
３０…マスクプレート
４０…ホルダ ４１…インク導入路 ４２…インク回収路
５０…被膜 ５１…第１領域 ５２…第２領域
６０…ブレード
７０…基材

Claims (12)

1. 絶縁基板と、
   前記絶縁基板の上面に配置された枠体と、
   前記絶縁基板の上面において前記枠体で囲まれた内側にインク圧力室を形成する圧電部材と、
   前記インク圧力室に対向するノズル穴を有するノズルプレートと、
   前記ノズルプレートの少なくとも上面にコーティングされ、前記ノズル穴を囲む領域を含む撥インク性の第１領域と、前記第１領域よりもインクの接触角が小さい親インク性の第２領域と、含む被膜と、
   を具備し、
   前記ノズルプレートの下面と前記枠体及び前記圧電部材とは、前記被膜を形成する材料のガラス転移点以下の温度で硬化する熱硬化型樹脂によって接着されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記絶縁基板は、前記枠体で囲まれた内側に、前記インク圧力室にインクを供給するインク供給口、及び、前記インク圧力室を通過したインクを排出するインク排出口を有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. さらに、前記インク供給口に向けてインクを導入するためのインク導入路、及び、前記インク排出口から排出されたインクを回収するインク回収路を有するホルダを備え、
   前記絶縁基板の下面と前記ホルダの上面とは、前記被膜を形成する材料のガラス転移点以下の温度で硬化する熱硬化型樹脂によって接着されたことを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. さらに、前記ノズルプレートを囲む枠状のマスクプレートを備え、
   前記マスクプレートと前記枠体とは、前記被膜を形成する材料のガラス転移点以下の温度で硬化する熱硬化型樹脂によって接着されたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
5. 絶縁基板と、前記絶縁基板の上面に配置された枠体と、前記絶縁基板の上面において前記枠体で囲まれた内側にインク圧力室を形成する圧電部材と、前記インク圧力室に対向するノズル穴を有するノズルプレートと、を具備するインクジェットヘッドの製造方法であって、
   前記ノズルプレートの少なくとも上面に撥インク性の被膜をコーティングし、
   前記被膜の一部を基材で押さえ、
   前記被膜を形成する材料のガラス転移点以上の温度で前記ノズルプレート及び前記被膜を加熱し、
   前記基材を剥離し、
   前記基材で押さえなかった領域に撥インク性の第１領域を形成するとともに、前記基材で押さえた領域に前記第１領域よりもインクの接触角が小さい親インク性の第２領域を形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
6. 前記ノズルプレートには、前記インク圧力室に対向するノズル穴が形成され、
   前記第１領域は、前記ノズル穴を囲む領域を含むことを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
7. 前記第２領域は、前記ノズルプレートの上面における周縁部をコーティングする領域に形成されたことを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
8. 前記被膜は、フッ素樹脂によって形成されたことを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
9. 前記第１領域を形成する材料は前記フッ素樹脂であり、前記第２領域を形成する材料は前記フッ素樹脂が変質したものであることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
10. 前記ノズルプレート及び前記被膜を加熱する工程は、前記ノズルプレートの下面と前記枠体及び前記圧電部材とを接着する熱硬化型樹脂を硬化する加熱工程と同一であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
11. 前記ノズルプレート及び前記被膜を加熱する工程は、インク導入路及びインク回収路を有するホルダの上面と前記絶縁基板の下面とを接着する熱硬化型樹脂を硬化する加熱工程と同一であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
12. 前記ノズルプレート及び前記被膜を加熱する工程は、前記ノズルプレートを囲む枠状のマスクプレートと前記枠体とを接着する熱硬化型樹脂を硬化する加熱工程と同一であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。

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