JP6266561B2 - インクジェットヘッド、及びプリンタ - Google Patents

Description

本発明の実施態様は、インクジェットヘッド、及びプリンタに関する。

インクの循環経路に設けられた圧力室の壁（以下、圧力室壁という。）をせん断変形させることによりノズル孔からインクを射出するシェアモード型のインクジェットヘッドが知られている。シェアモード型のインクジェットヘッドの場合、圧力室壁は表面に電極が形成された圧電素子で構成されており、圧電素子の表面の電極がインクにさらされる構造となっている。シェアモード型のインクジェットヘッドに電気伝導性や極性を有するインクを使用する場合、電極がインクの影響を受けないように、絶縁性を有する保護膜で電極表面を被覆する必要がある。

インクジェットヘッドの製造過程でパーティクルは不可避に発生する。パーティクルが電極表面に付着した場合、パーティクルが付着した場所にピンホールが発生しやすい。ピンホールは、保護膜の絶縁性を低くする。

特開２００２−１６０３６４号公報

本発明が解決しようとする課題は、圧力室壁の電極表面に形成する保護膜に絶縁性を設けた場合に、ピンホールが発生するのを防止することである。

実施形態のインクジェットヘッドは、壁状の圧電素子と、電極と、保護膜と、圧力室壁と、を備える。電極は、圧電素子の表面に形成され、圧電素子を変形させる。保護膜は、電極の表面に形成され、電極側から、電極の表面を平坦化する無機材料で構成される平坦化層、パーティクルステップを被覆する無機材料で構成されるパーティクルステップ被覆層、電極を他の電極から絶縁する無機材料で構成される絶縁層、有機溶剤が含まれるインクに対する耐薬特性を有する無機材料で構成されるインク層の順番で積層され構成されている。圧力室壁は、圧電素子と電極と保護膜とを有する。

本実施形態のインクジェットヘッドを備えるプリンタを示す図である。 本実施形態のインクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの展開斜視図である。 駆動ユニットの部分拡大図である。 （Ａ）は変形前の圧力室壁を示す図、（Ｂ）は変形後の圧力室壁を示す図である。 インクジェットヘッドの断面図である。 表面に保護膜が形成された駆動ユニットの拡大断面図である。 保護膜の積層構造を示す図である。 保護膜の積層構造を示す図である。 （Ａ）はパーティクルが付着した様子を示す図、（Ｂ）はパーティクルによってピンホールが発生した様子を示す図である。 （Ａ）はパーティクルステップ被覆層によりパーティクルステップが被覆された様子を示す図、（Ｂ）はピンホールなく絶縁膜が形成された様子を示す図である。 保護膜の積層構造の変形例を示す図である。 保護膜の積層構造の変形例を示す図である。 ピンホールが形成されたパーティクルステップがパーティクルステップ被覆層により被覆された様子を示す図である。

以下、発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本実施形態のインクジェットヘッドを備えるプリンタ１００を示す図である。プリンタ１００は、筐体１１０と、給紙カセット１２０と、排紙トレイ１３０と、搬送装置１４０と、保持ローラ１５０と、画像形成装置１６０と、を備える。

搬送装置１４０は、搬送路Ａ１に沿って用紙Ｓを搬送する装置である。搬送路Ａ１は、給紙カセット１２０から保持ローラ１５０を経由し、排紙トレイ１３０にわたって形成されている。搬送路Ａ１には、用紙Ｓを反転させる反転装置１７１や用紙Ｓの先端位置を検知する用紙位置センサ１７２が設けられている。また、搬送装置１４０は、搬送路Ａ１に沿って設けられた複数のガイド部材１４１〜１４３と、複数の第１の搬送用ローラと、複数の第２の搬送ローラと、を備える。

搬送装置１４０は、第１の搬送用ローラとして、ピックアップローラ１４４と、給紙ローラ対１４５と、を有している。第１の搬送用ローラにより、用紙Ｓは、保持ローラ１５０へ搬送される。また、搬送装置１４０は、第２の搬送用ローラとして、レジストローラ対１４６、分離ローラ対１４７、搬送ローラ対１４８、排出ローラ対１４９を有している。第２の搬送用ローラにより、用紙Ｓは、プリンタ１００の外部へ搬送される。

保持ローラ１５０は、用紙Ｓを保持して回転するローラである。保持ローラ１５０の周面には、画像形成装置１６０が設置されている。保持ローラ１５０は、搬送装置１４０で搬送された用紙Ｓを吸着して回転することで、用紙Ｓを画像形成装置１６０まで搬送する。

画像形成装置１６０は、用紙Ｓに画像を形成する装置である。画像形成装置１６０は、保持ローラ１５０の上方に配置された４つのインクジェットヘッド１０Ｃ、１０Ｍ、１０Ｙ、１０Ｋを備える。４色のインクジェットヘッド１０Ｃ、１０Ｍ、１０Ｙ、１０Ｋそれぞれが、本実施形態のインクジェットヘッド１０である。インクジェットヘッド１０が用紙Ｓにインクを吐出することで、用紙Ｓに画像が形成される。

図２は、本実施形態のインクジェットヘッド１０の斜視図である。本実施形態のインクジェットヘッド１０は、シェアモードシェアードウォールのサイドシュータ型のインクジェットヘッドである。なお、以下の説明には、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を用いる。図中、矢印の指し示す方向がプラス方向である。以下の説明では、Ｚ軸プラス方向を上方、その反対方向を下方とする。

図３は、インクジェットヘッド１０の展開斜視図である。インクジェットヘッド１０は、インクジェットヘッド基板２０と、フレーム３０と、ノズルプレート４０と、を備える。

インクジェットヘッド基板２０は、ベース基板２１と、ベース基板２１上に配置された２つの駆動ユニット５０（駆動ユニット５０_１及び駆動ユニット５０_２）と、を備える。

ベース基板２１は、圧力室に圧力を加えるアクチュエータ（圧力室壁）を配置するための基板である。本実施形態では、アクチュエータは、駆動ユニット５０の一部であり、駆動ユニット５０を介してベース基板２１に配置されている。ベース基板２１は、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形の板状体である。ベース基板２１は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等のセラミックから構成される。

ベース基板２１のＹ軸方向中央部には、Ｘ軸方向に沿って一列に複数の開口２２が形成されている。また、開口２２のＹ軸マイナス方向側には、Ｘ軸方向に沿って一列に複数の開口２３_１が形成されている。また、開口２２のＹ軸プラス方向側には、Ｘ軸方向に沿って一列に複数の開口２３_２が形成されている。本実施形態の場合、開口２２の内径は、開口２３（開口２３_１及び開口２３_２）の内径よりもやや大きい。開口２２及び開口２３には、インクの循環系が接続される。開口２２は、インクの吸入口として機能し、開口２３は、インクの排出口として機能する。

ベース基板２１の上面には、２つの駆動ユニット５０（駆動ユニット５０_１及び駆動ユニット５０_２）が配置されている。駆動ユニット５０_１は、開口２２と開口２３_１の間に配置されており、駆動ユニット５０_２は、開口２２と開口２３_２の間に配置されている。

図４は、駆動ユニット５０の部分拡大図である。駆動ユニット５０は、ベース基板２１の上面に接着されるベース材５１と、ベース材５１に支持される複数の圧電素子である複数の圧電体５２と、電極パターン５３と、から構成される。

ベース材５１は、Ｘ軸方向を長手方向とする細長の部材である。ベース材５１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料から構成される。ベース材５１の上面には、上方に突出する突出部５１ａが形成されている。突出部５１ａは、Ｘ軸に沿って等間隔に形成されている。ベース材５１の下面は、ベース基板２１の上面に接着されている。

圧電体５２は、ＺＹ断面が台形の圧電部材である。圧電体５２は、圧電材料で構成される。例えば、圧電体５２は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするピエゾ素子から構成される。圧電体５２の下面は、突出部５１ａの上面に接着されている。

圧電体５２と突出部５１ａは、圧力室壁５０ａの一部である。圧力室壁５０ａは、圧電体５２と、突出部５１ａと、電極５３ａと、で構成される。電極５３ａは、電極パターン５３の一部であり、圧電体５２及び突出部５１ａのＸ軸方向両面（以下、電極面という。）に配置されている。圧力室壁５０ａは、電極面が対向するように、Ｘ軸方向に一列に配置されている。上述したように、圧電体５２と突出部５１ａは、ともに圧電材料で構成されている。圧電体５２と突出部５１ａの分極方向はＺ軸に平行であり、圧電体５２と突出部５１ａとは、極性が逆になっている。

本実施形態の場合、圧力室壁５０ａと圧力室壁５０ａの間が圧力室Ｓとなっている。各圧力室Ｓの内壁面には、電極パターン５３が形成されている。電極パターン５３は、ニッケル膜等の金属膜から構成される。電極パターン５３の表面は、金メッキ等のメッキが施されている。電極パターン５３の一部は、ベース基板２１まで延伸している。延伸部分の端部は、ベース基板２１上に形成された配線パターン２４と接続されている。電極パターン５３には、配線パターン２４を介して、不図示の駆動回路（例えば、ドライバＩＣ）が接続される。

１つの圧力室Ｓには１つの電極パターン５３が配置される。各電極パターン５３に選択的に電圧を印加することで、図５（Ａ）に示されるように直線状になっている圧力室壁５０ａを、図５（Ｂ）に示されるように屈曲させることができる。圧力室壁ａが屈曲すると、圧力室Ｓ内の圧力が高まり、ノズル孔４１からインクが吐出される。

ベース基板２１の上面には、図３及び図４に示すように、配線パターン２４（配線パターン２４_１、及び配線パターン２４_２）が形成されている。配線パターン２４は、圧力室壁５０ａと、圧力室壁５０ａを駆動する不図示の駆動回路（例えば、ドライバＩＣ）と、を接続するための電極パターンである。配線パターン２４は、ニッケル膜等の金属膜から構成される。１つの圧力室Ｓには、１つの配線パターン２４が配置される。なお、配線パターン２４がインクにさらされないようにするため、配線パターン２４をベース基板２１の内層に配置してもよい。

図２に戻り、フレーム３０は、長手方向をＸ軸方向とする枠状体である。フレーム３０は、例えば、セラミックから構成される。フレーム３０の大きさは、ベース基板２１よりも一回り小さな大きさである。フレーム３０は、ベース基板２１の上面に接着される。フレーム３０の中央には、開口３１が形成されている。フレーム３０は、ベース基板２１の開口２３がフレーム３０の開口３１の中に位置するよう接着される。

ノズルプレート４０は、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形のシートである。ノズルプレート４０は、ポリイミドフィルム等の樹脂フィルムで構成される。ノズルプレート４０のＸＹ平面上の大きさは、フレーム３０のＸＹ平面上の大きさと同じである。

ノズルプレート４０には、円形のノズル孔４１_１がＸ軸に沿って等間隔に形成されている。また、ノズル孔４１_１のＹ軸プラス方向側には、円形のノズル孔４１_２がＸ軸に沿って等間隔に形成されている。ノズル孔４１（ノズル孔４１_１及び４１_２）の配列ピッチは、圧力室壁５０ａのＸ軸方向の配列ピッチと同じである。

ノズルプレート４０は、フレーム３０の上面、及び圧力室壁５０ａの上方の端面に接着される。図５（Ａ）を参照するとわかるように、ノズルプレート４０がフレーム３０に接着されたとき、ノズル孔４１は、圧力室Ｓそれぞれの上方に位置する。

図６は、図１に示されるインクジェットヘッド１０のＡ−Ａ線断面図である。インクジェットヘッド基板２０、フレーム３０、及びノズルプレート４０が一体化されたとき、圧力室Ｓの上方がノズルプレート４０によって塞がれた状態になり、開口２２及び２３と圧力室Ｓとの間にインクの流路が形成される。実線矢印で示されるように、開口２２から流入したインクは、圧力室Ｓを通過して、インクジェットヘッド基板２０の開口２３から流出する。

インクが循環しているときに、電極パターン５３に選択的に電圧を印加することにより、圧力室壁５０ａが、図５（Ａ）に示される状態から、図５（Ｂ）に示される状態に変形する。圧力室壁５０ａが変形することにより、図６の白抜き矢印に示されるように、ノズル孔４１からインクが吐出される。

シェアモード型のインクジェットヘッドの場合、圧力室壁５０ａを駆動する電極パターン５３がインクにさらされる。インクを電気伝導性や極性を有する液体とした場合、電極パターン５３が、他の圧力室Ｓの電極パターン５３とインクを介して導通する。図７は、駆動ユニット５０の拡大断面図である。本実施形態のインクジェットヘッド１０は、インクが電極パターン５３の電気信号に影響を与えることを回避するため、電極パターン５３の表面を含めた駆動ユニット５０の露出面全体が、絶縁性を有する保護膜５４で覆われている。

本実施形態の場合、配線パターン２４はベース基板２１の上面に形成されており、電極パターン５３のみならず、配線パターン２４もインクにさらされる構造となっている。インクが配線パターン２４に流れる電気信号に影響を与えることを回避するため、保護膜５４は、駆動ユニット５０の表面のみならず、ベース基板２１の上面全体も覆っている。なお、配線パターン２４がベース基板２１の内層に設けられる場合、ベース基板２１には必ずしも保護膜５４を設ける必要はない。以下の説明では、電極パターン５３と配線パターン２４とを単に電極という。

図８（Ａ）は、電極（図の例では電極パターン５３）の表面に形成された保護膜５４の断面図である。保護膜５４は、電極側から順番に、平坦化層５４ａ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、絶縁層５４ｃ、及び耐インク層５４ｄの４層が積層されて構成されている。平坦化層５４ａ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、絶縁層５４ｃ、及び耐インク層５４ｄは、いずれも無機材料から構成される。

なお、絶縁層５４ｃが絶縁性に加えて耐インク性を兼ね備えているのであれば、保護膜５４は、耐インク層５４ｄを備えていなくてもよい。例えば、保護膜５４は、図８（Ｂ）に示すように、平坦化層５４ａ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、及び絶縁層５４ｃの３層構造であってもよい。また、電極パターン５３が、銅等、表面の平坦性が確保しやすい材料で構成され、電極パターン５３の表面の平坦性が確保されているのであれば、保護膜５４は、平坦化層５４ａを備えていなくてもよい。例えば、保護膜５４は、図９（Ａ）に示すように、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、絶縁層５４ｃ、及び耐インク層５４ｄの３層構造であってもよいし、図９（Ｂ）に示すように、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、及び絶縁層５４ｃの２層構造であってもよい。

以下、平坦化層５４ａ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、絶縁層５４ｃ、及び耐インク層５４ｄの各層について説明する。

平坦化層５４ａは、電極の表面を平坦化するための層である。平坦化層５４ａは、平坦化特性の高い無機材料で構成される。例えば、平坦化層５４ａは、常温ガラスコーティング材や二酸化シリコン等を使用した平坦化膜で構成される。

耐インク層５４ｄは、インクを有機溶剤とした場合に、絶縁層５４ｃ等がインクに溶けてしまうことを防ぐための層である。耐インク層５４ｄは、耐薬性の高い無機材料で構成される。例えば、耐インク層５４ｄは、酸化ハウニウムや五酸化タンタル等を使用した耐インク膜で構成される。

絶縁層５４ｃは、電極の表面を絶縁するための層である。絶縁層５４ｃは、電気絶縁性を高めた無機材料で構成される。例えば、絶縁層５４ｃは、二酸化シリコンや窒化シリコン等を使用した絶縁膜で構成される。

パーティクルステップ被覆層５４ｂは、電極の表面に付着したパーティクルにより形成されるピンホールを抑制するための層である。パーティクルは、大きさが数ミクロンの小片や粒子のことであり、インクジェットヘッドの製造過程で不可避に発生する。電極表面に絶縁膜を形成する前に部品を洗浄したり、絶縁膜形成場所をクリーンルーム化したりしたとしても、ある一定の大きさより小さいパーティクルは取り除くことは困難である。以下の説明では、製造過程で取り除けないと想定されるパーティクルのうち、最大のものの粒径を除去困難パーティクル最大粒径Ｒと表現する。粒径は、例えば、パーティクルに外接する球体の直径である。一例として、除去困難パーティクル最大粒径Ｒは３μｍである。

図１０（Ａ）は、電極表面にパーティクルＰが付着した様子を示している。図の例では、電極は電極パターン５３となっている。電極表面にパーティクルＰが付着した場合、電極表面とパーティクルＰの間には鋭角のステップが形成される。以下の説明では、電極表面とパーティクルＰの間に形成されるステップのことをパーティクルステップＰＳと呼ぶ。

図１０（Ａ）に示す状態のまま、電極表面に絶縁層５４ｃを成膜した場合、図１０（Ｂ）に示すように、パーティクルステップＰＳの部分にピンホールＨが形成される。絶縁層５４ｃをステップガバレッジ性の高いものにすれば、ピンホールＨが形成される可能性は低くなる。しかし、この場合、絶縁層５４ｃの材料や成膜方法の選択肢が狭くなる。結果として、絶縁層５４ｃの絶縁性が低くなり、或いは、インクジェットヘッド１０のコストが上昇する。

本実施形態では、絶縁層５４ｃを電極表面に成膜する前に、図１１（Ａ）に示すように、パーティクルステップ被覆層５４ｂを成膜する。パーティクルステップ被覆層５４ｂは、例えば、ステップガバレッジ性の高い無機材料で構成される。例えば、絶縁層５４ｃは、液体ソースのＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を原料とした二酸化シリコンのＰＥＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）膜である。パーティクルステップ被覆層５４ｂの成膜方法は、減圧ＣＶＤや大気圧ＣＶＤあってもよい。パーティクルステップ被覆層５４ｂのステップガバレッジ性を高めることができる。

パーティクルステップ被覆層５４ｂの膜厚ｄは、ピンホールの発生とクラック（ひび割れ）の発生のバランスを考えて決定される。膜厚ｄが薄すぎるとパーティクルステップＰＳが十分に埋まらず、ピンホール発生の原因となり、一方で、膜厚ｄが厚すぎるとクラックが発生し、やはりピンホール発生の原因となるためである。膜厚ｄは、除去困難パーティクル最大粒径Ｒの１０％〜１００％、望ましくは１５％〜５０％である。除去困難パーティクル最大粒径Ｒが３μｍの場合、膜厚ｄは０．３μｍ〜３μｍ、望ましくは０．４５μｍ〜１．５μｍである。一例として、膜厚ｄは０．５μｍである。

パーティクルステップ被覆層５４ｂの上に、図１１（Ｂ）に示すように、絶縁層５４ｃを成膜する。パーティクルステップ被覆層５４ｂがパーティクルステップＰＳを埋めるので、電極表面にパーティクルＰが付着したとしても、絶縁層５４ｃにピンホールは発生しない。なお、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）の例では、電極表面に、直接、パーティクルステップ被覆層５４ｂを成膜しているが、電極表面に平坦化層５４ａを成膜し、その上にパーティクルステップ被覆層５４ｂを成膜してもよい。

本実施形態によれば、絶縁層５４ｃを成膜する前に、パーティクルステップ被覆層５４ｂを成膜しているので、例えインクジェットヘッド１０の製造過程で電極にパーティクルが付着しても、パーティクルステップにピンホールはほとんど形成されない。結果、保護膜５４の絶縁性は高くなる。

有機材料から構成される膜と無機材料から構成される膜との密着力は弱い。しかし、本実施形態の保護膜５４は、各層（平坦化層５４ａ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、絶縁層５４ｃ、及び耐インク層５４ｄ）が全て無機材料から構成されている。そのため、各層の密着力が高いので、保護膜５４の耐久性を高く保つことができる。

上述の実施形態は一例であり、種々の変更及び応用が可能である。

例えば、上述の実施形態では、パーティクルステップ被覆層５４ｂは絶縁層５４ｃの下層（電極側）に位置するものとして説明した。しかし、パーティクルステップ被覆層５４ｂは絶縁層５４ｃの上層に位置していてもよい。例えば、保護膜５４は、図１２（Ａ）に示すように、電極側から順番に、平坦化層５４ａ、絶縁層５４ｃ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、及び耐インク層５４ｄの４層が積層された構造であってもよい。また、絶縁層５４ｃが耐インク性を兼ね備えているのであれば、保護膜５４は、図１２（Ｂ）に示すように、電極側から順番に、平坦化層５４ａ、絶縁層５４ｃ、パーティクルステップ被覆層５４ｂの３層が積層された構造であってもよい。

また、電極表面の平坦性が確保されているのであれば、保護膜５４は、平坦化層５４ａを備えていなくてもよい。例えば、保護膜５４は、図１３（Ａ）に示すように、電極側から順番に、絶縁層５４ｃ、パーティクルステップ被覆層５４ｂ、及び耐インク層５４ｄの３層が積層された構造であってもよいし、図１３（Ｂ）に示すように、電極側から順番に、絶縁層５４ｃ、及びパーティクルステップ被覆層５４ｂの２層が積層された構造であってもよい。

絶縁層５４ｃの下層（電極側）にパーティクルステップ被覆層５４ｂを配置したとしても、図１４に示すように、パーティクルステップＰＳはパーティクルステップ被覆層５４ｂにより埋められる。パーティクルステップ被覆層５４ｂも絶縁性を有しているため、保護膜５４の絶縁性は保たれる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この新規な実施形態は、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、変更を行うことが出来る。この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。

１０、１０Ｃ、１０Ｋ、１０Ｍ、１０Ｙ…インクジェットヘッド
５０、５０_１、５０_２…駆動ユニット
５０ａ…圧力室壁
５２…圧電体（圧電素子）
５３…電極パターン（電極）
５４…保護膜
５４ａ…平坦化層
５４ｂ…パーティクルステップ被覆層
５４ｃ…絶縁層
５４ｄ…耐インク層
１００…プリンタ

Claims (4)

1. 壁状の圧電素子と、
   前記圧電素子の表面に形成され、前記圧電素子を変形させる電極と、
   前記電極の表面に形成され、前記電極側から、前記電極の表面を平坦化する無機材料で構成される平坦化層、パーティクルステップを被覆する無機材料で構成されるパーティクルステップ被覆層、前記電極を他の電極から絶縁する無機材料で構成される絶縁層、有機溶剤が含まれるインクに対する耐薬特性を有する無機材料で構成される耐インク層の順番で積層されて構成されている保護膜と、
   前記圧電素子と前記電極と前記保護膜とを有する圧力室壁と、を備える、
   インクジェットヘッド。
2. 前記パーティクルステップ被覆層の膜厚は、除去困難なパーティクルの最大粒径の１０％〜１００％である、
   請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記パーティクルステップ被覆層の膜厚は、０．３μｍ〜３μｍである、
   請求項１に記載のインクジェットヘッド。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、
   前記インクジェットヘッドへ用紙を搬送する搬送用ローラと、を備える、
   プリンタ。

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