JPWO2015190409A1 - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特に、インクを加熱する構成を有するインクジェット記録装置の場合、インク流路とその外側に温度差が生じ、インクジェットヘッドに物理的な歪みが生じることで、固着部分の劣化がより顕著となる。
所定温度に加熱されたインクを吐出するインクジェット記録装置のインクジェットヘッドであって、
第1の部材と、
前記第1の部材に固着される第2の部材と、を備え、
前記第1の部材と前記第2の部材との界面に、シランカップリング剤が介在されていることを特徴とする。
前記インクが、相転移温度を境に固体状態と液体状態との間で可逆的に相転移する相転移インクであることを特徴とする。
前記インクが、相転移温度を境にゲル状態とゾル状態との間で可逆的に相転移する相転移インクであることを特徴とする。
前記第1の部材と前記第2の部材との固着部分が、前記インクに接触することを特徴とする。
前記第1の部材のインク供給方向上流側に設けられて複数のノズルに前記インクを供給する共通インク室と、
前記共通インク室に設けられて前記インクを加熱するヒーターと、を更に備えることを特徴とする。
前記ヒーターが、前記共通インク室の外面に設けられていることを特徴とする。
前記第1の部材が、ノズルからインクを吐出させるヘッドチップであることを特徴とする。
前記シランカップリング剤が、加熱硬化型の接着剤に含有されていることを特徴とする。
前記接着剤が、導電性粒子を含有することを特徴とする。
前記第2の部材が、前記第1の部材の表面に設けられる保護膜であることを特徴とする。
前記シランカップリング剤が、硫黄元素を含有することを特徴とする。
20kHz以上の吐出周波数で駆動することを特徴とする。
請求項1から12のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備えることを特徴とする。
非稼働時には前記インクの加熱を行わず、稼働時には前記インクを加熱する制御部を更に備えることを特徴とする。
本実施形態のラインヘッド31は、キャリッジ33に、記録媒体Pの搬送方向に略垂直な方向(幅方向)について記録媒体Pの全体をカバーする長さ(幅)で設けられている。すなわち、インクジェット記録装置100は、ワンパス方式のラインヘッド型インクジェット記録装置である。ラインヘッド31は、複数のインクジェットヘッド1(図2及び図3参照)が配列されて構成されている。また、キャリッジ33にはキャリッジヒーター33aが設けられ、当該キャリッジヒーター33aは、インクジェットヘッド1の外側でインクを加熱する外部ヒーターを構成している。
インクタンク41内のインクは、ポンプ42により、インクチューブ43を介してインクジェットヘッド1のインクの背圧を調整するサブタンク44に送られる。サブタンク44には、フロートセンサー44aが設けられ、当該フロートセンサー44aによる液面位置の検出データに基づいて制御部50がポンプ42を動作させることにより所定量のインクが貯留されるようになっている。サブタンク44内のインクは、インクチューブ45を介してインクジェットヘッド1に供給される。
なお、インクジェット記録装置100に用いられるインクとしては、紫外線硬化型のインクでなくとも良く、例えば、相転移温度を境にゲル状態とゾル状態との間を可逆的に相転移する相転移インクであっても良いし、相転移温度を境に固体状態と液体状態との間を可逆的に相転移する相転移インクであっても良い。また、それらの相転移インクでなくとも良い。
また、チャネル114を互いに独立させる必要があるため、駆動壁113の前端面には駆動電極115が形成されないようにする。このため、駆動電極115の形成時には、例えば各駆動壁113の前端面にあらかじめドライフィルムやレジストを設けておき、金属被膜を形成した後に当該ドライフィルムやレジストを除去することで、各チャネル114の内面にのみ選択的に駆動電極115を形成することができる。
なお、接続電極116は、上記駆動電極115と同様、Al層の上にAu層を積層した積層構造としても良い。また、接続電極116の形成方法としては、上記駆動電極115と同様、例えば、蒸着法、スパッタリング法、めっき法、CVD(化学気相反応法)等が挙げられる。
なお、配線基板13は、1枚板状の基板により構成されているものでなくとも良く、薄板状の基板材料を複数枚積層して所望の厚さとなるように構成されているものとしても良い。
開口部132の形成方法としては、基板材料に応じて、例えば、ダイシングソーで加工する方法、超音波加工機で加工する方法、焼結前のセラミックスを型成形し、焼成する方法等が採用できる。
シランカップリング剤としては、ヘッドチップ11や配線基板13と化学的に結合することができるものであればいずれであっても良く、更に、接着剤61と化学的に結合することができるものであることが好ましい。そのようなシランカップリング剤としては、例えば、ハロゲン含有シランカップリング剤(2−クロロエチルトリメトキシシラン、2−クロロエチルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン等)、エポキシ基含有シランカップリング剤(3−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、3−(3,4−エポキシシクロヘキシル)プロピルトリメトキシシラン、2−グリシジルオキシエチルトリメトキシシラン、2−グリシジルオキシエチルトリエトキシシラン、3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン等)、アミノ基含有シランカップリング剤(2−アミノエチルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、2−[N−(2−アミノエチル)アミノ]エチルトリメトキシシラン、3−[N−(2−アミノエチル)アミノ]プロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノ]プロピルトリエトキシシラン、3−[N−(2−アミノエチル)アミノ]プロピル メチル ジメトキシシラン等)、メルカプト基含有シランカップリング剤(2−メルカプトエチルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン等)、チオカルボキシラート基含有シランカップリング剤(3−オクタノイルチオ−1−プロピルトリエトキシシラン等)、ビニル基含有シランカップリング剤(ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等)、(メタ)アクリロイル基含有シランカップリング剤(2−メタクリロイルオキシエチルトリメトキシシラン、2−メタクリロイルオキシエチルトリエトキシシラン、2−アクリロイルオキシエチルトリメトキシシラン、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロイルオキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン等)等が挙げられる。これらのシランカップリング剤は単独又は二種以上を組み合わせて使用できる。中でも、ヘッドチップ11や配線基板13、接着剤61等を構成する材料がいずれであっても広い範囲で適用し得る、硫黄原子を含有するシランカップリング剤(メルカプト基含有シランカップリング剤、チオカルボキシラート基含有シランカップリング剤等)が好ましい。
また、インクジェット記録装置100の使用時において、所定温度に加熱されたインクがヘッドチップ11内を流通することによって固着部分が加熱され、ヘッドチップ11と配線基板13との界面に介在されているシランカップリング剤の非結合部分(インクジェットヘッド1の作製時に未反応であった部分や、長期使用による加水分解等によって結合が切れてしまった部分)が化学結合を形成し、ヘッドチップ11と配線基板13との固着強度を更に向上させることができる。更に、図3に示すように、ヘッドチップ11と配線基板13との固着部分がインクに直接的に接触するため、当該固着部分が加熱されやすく、ヘッドチップ11と配線基板13との固着強度を向上させやすい。
このように、所定温度に加熱されたインクが通過することによって、ヘッドチップ11と配線基板13との固着強度を向上させることができるため、圧電素子の繰り返し変形によりヘッドチップ11と配線基板13との固着部分に剥離が発生することを抑制できる。
また、接着剤61中には導電性粒子が含有されていないものとしても良い。
なお、保護膜62に用いられる材料としては、ポリパラキシリレンでなくとも良く、駆動電極115等の腐食を防止することができる材料であれば良い。
ヘッドチップ11と保護膜62との界面にシランカップリング剤層71を介在させる方法としては、例えば、保護膜62形成前にシランカップリング剤溶液をヘッドチップ11表面に塗布し乾燥する方法等を挙げることができる。
ヘッドチップ11と保護膜62との間にシランカップリング剤層71が設けられていることにより、上記ヘッドチップ11と配線基板13との界面にシランカップリング剤が介在されている場合と同様、ヘッドチップ11と保護膜62との固着強度を向上させることができる。これにより、ヘッドチップ11と保護膜62との固着部分に剥離が発生することを抑制できる。
《サンプル1−1の準備》
図2及び図3に示すインクジェットヘッドの作製に用いられるせん断モード方式のヘッドチップと、配線基板とを加熱硬化型エポキシ接着剤を用いて接着し、インクジェットヘッドを作製した。ここで、図2では、チャネル数12のヘッドチップを示しているが、本実施例ではチャネル数512のヘッドチップを用いた。加熱硬化型エポキシ接着剤としては、エピコート807(ジャパンエポキシレジン社製)30質量%とエピコート152(ジャパンエポキシレジン社製)70質量%との混合物に、イミダゾール系硬化剤として2−エチル−4−メチルイミダゾールを10質量%添加してなるものを用い、100℃で1時間加熱して硬化させた。
作製したインクジェットヘッドを用いて図1に示す構成と略同様のインクジェット記録装置を作製した。なお、作製したインクジェット記録装置には、キャリッジやインク供給部に設けられる外部ヒーター、及び内部ヒーターが設けられていない。
このようにしてサンプル1−1を準備した。
上記サンプル1−1のインクジェット記録装置の作製において、加熱硬化型エポキシ接着剤にエポキシ系シランカップリング剤として3−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを1質量%添加した以外は同様にして、サンプル1−2のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−1と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−2を準備した。
上記サンプル1−1のインクジェット記録装置の作製において、インクジェットヘッドの外側でインクを加熱する外部ヒーターとして、キャリッジ部分にキャリッジヒーターを設けた以外は同様にして、サンプル1−3のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、アクリル系UVモノマーからなるUVインク(65℃で8cP)を室温(25℃)環境下にて予備吐出した。予備吐出条件としては、駆動電圧:20V、パルス数:1010回、周波数:4kHzとした。また、吐出時のインクの温度が65℃となるように設定した。
このようにしてサンプル1−3を準備した。
上記サンプル1−3のインクジェット記録装置の作製において、加熱硬化型エポキシ接着剤にエポキシ系シランカップリング剤として3−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを1質量%添加した以外は同様にして、サンプル1−4のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−3と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−4を準備した。
上記サンプル1−4のインクジェット記録装置の作製と同様にして、サンプル1−5のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、アクリル系UVモノマーからなるUVインク(65℃で8cP)を室温(25℃)環境下にて予備吐出した。予備吐出条件としては、駆動電圧:20V、パルス数:1010回、周波数:25kHzとした。また、吐出時のインクの温度が65℃となるように設定した。
このようにしてサンプル1−5を準備した。
上記サンプル1−5のインクジェット記録装置の作製において、加熱硬化型エポキシ接着剤にNi導電性粒子を0.5質量%添加した以外は同様にして、サンプル1−6のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−5と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−6を準備した。
上記サンプル1−5のインクジェット記録装置の作製において、エポキシ系シランカップリング剤の代わりに、メルカプト系シランカップリング剤として3−メルカプトプロピルトリメトキシシランを1質量%添加した以外は同様にして、サンプル1−7のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−5と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−7を準備した。
上記サンプル1−7のインクジェット記録装置の作製において、外部ヒーターの代わりに、インクマニホールドの外面に内部ヒーターを設けた以外は同様にして、サンプル1−8のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−7と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−8を準備した。
上記サンプル1−8のインクジェット記録装置の作製と同様にして、サンプル1−9のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、相転移インクを室温(25℃)環境下にて予備吐出した。ここで、本実施例で用いられる相転移インクとは、上記各サンプルの予備吐出に用いられるUVインクに所定量のワックスが添加されたインクであって、常温で固体状態であり、加熱により液体状態となるインク(65℃で8cP)である。予備吐出条件としては、駆動電圧:20V、パルス数:1010回、周波数:25kHzとした。また、吐出時のインクの温度が65℃となるように設定した。
このようにしてサンプル1−9を準備した。
上記サンプル1−2のインクジェット記録装置の作製において、せん断モード方式のヘッドチップの代わりに、ベンドモード方式のヘッドチップを用いた以外は同様にして、サンプル1−10のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−2と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−10を準備した。
上記サンプル1−10のインクジェット記録装置の作製において、加熱硬化型エポキシ接着剤にシランカップリング剤を添加せず、インクジェットヘッドの外側でインクを加熱する外部ヒーターとして、キャリッジ部分にキャリッジヒーターを設けた以外は同様にして、サンプル1−11のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、アクリル系UVモノマーからなるUVインク(65℃で8cP)を室温(25℃)環境下にて予備吐出した。予備吐出条件としては、駆動電圧:20V、パルス数:1010回、周波数:4kHzとした。また、吐出時のインクの温度が65℃となるように設定した。
このようにしてサンプル1−11を準備した。
上記サンプル1−11のインクジェット記録装置の作製において、加熱硬化型エポキシ接着剤にエポキシ系シランカップリング剤として3−グリシジルオキシプロピルトリエトキシシランを1質量%添加した以外は同様にして、サンプル1−12のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−11と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−12を準備した。
上記サンプル1−12のインクジェット記録装置の作製において、外部ヒーターの代わりに、インクマニホールドの外面に内部ヒーターを設けた以外は同様にして、サンプル1−13のインクジェット記録装置を作製した。
また、作製したインクジェット記録装置を用い、サンプル1−12と同一の条件にて予備吐出を行った。
このようにしてサンプル1−13を準備した。
上記準備したサンプル1−1〜1−13のインクジェット記録装置に対して、以下の評価を行った。評価結果を表1に示す。
各サンプルにおいて上記予備吐出の前後でそれぞれ、インクジェットヘッドに駆動回路よりパルス信号を送りチャネルの容量値を計測した。予備吐出の前後で容量値が50%以下になったチャネルを断線とし、下記の基準で評価した。
○:断線なし
△:断線したチャネルの数が1〜10
×:断線したチャネルの数が11以上
各サンプルにおいて上記予備吐出に使用したインクを使用し、インクジェットヘッドに駆動回路よりパルス信号を送ることによりインクを出射した。各ノズルから吐出されるインク液滴を撮像し、吐出速度を計算して求めた。各サンプルにおいて上記予備吐出の前後でそれぞれ吐出速度を求め、その速度低下率を算出し、下記の基準で評価した。なお、各サンプルにおいて吐出されるインクの温度は上記予備吐出時のインクの温度と同一の温度となるようにして行った。
◎:インク吐出速度の速度低下率が1%以下
○:インク吐出速度の速度低下率が1%超5%以下
△:インク吐出速度の速度低下率が5%超10%以下
×:インク吐出速度の速度低下率が10%超20%以下
××:インク吐出速度の速度低下率が20%超
各サンプルにおいて上記予備吐出に使用したインクを使用し、インクジェットヘッドに駆動回路よりパルス信号を送ることによりインクを出射した。各ノズルから吐出されるインク液滴を撮像し、吐出速度を計算して求めた。吐出が確認されたノズルから吐出されたインク液滴の吐出速度の分布を計算し、下記の基準で評価した。なお、各サンプルにおいて吐出されるインクの温度は上記予備吐出時のインクの温度と同一の温度となるようにして行った。
○:速度分布が±10%以下
△:速度分布が±10%超20%以下
×:速度分布が±20%超
表1より、本発明に係るサンプル1−4〜1−9、1−12、1−13は、比較例のサンプル1−1〜1−3、1−10、1−11よりも導通試験、インク吐出速度測定及び速度分布測定において優れた結果を示していることが分かる。これは、ヘッドチップとエポキシ接着剤との界面にシランカップリング剤が介在されていることで、固着部分に剥離が発生することが効果的に抑制されたため、断線が発生せず、インクの吐出速度の低下が抑制され、各ノズルの速度分布のばらつきも抑制されたものと考えられる。
また、単にエポキシ接着剤にシランカップリング剤を添加するのみでは固着部分の剥離抑制効果は得られず、加熱インクを流通してエポキシ接着剤中のシランカップリング剤を加熱することによって、良好な剥離抑制効果が得られることが確認された。
《サンプル2−1の作製》
基板としてのPZT板上にアルミニウムを2μm蒸着した。当該アルミニウム層上に、アクリル系シランカップリング剤としての3−アクリロキシプロピルトリメトキシシランの1%イソプロピルアルコール溶液を乾燥層厚が0.01μmとなるように塗布し、室温(25℃)にて3時間乾燥した。当該シランカップリング剤層上に、ヘッドチップの保護膜として用いられるポリパラキシリレンを3μm形成した。当該基板を95℃に保たれたUVインク中に1月間浸漬した。
上記サンプル2−1の作製において、シランカップリング剤層を設けず、製膜後の基板を25℃に保たれたUVインク中に1月間浸漬した以外は同様にして、サンプル2−2を作製した。
上記サンプル2−1の作製において、製膜後の基板を25℃に保たれたUVインク中に1月間浸漬した以外は同様にして、サンプル2−2を作製した。
上記サンプル2−1の作製において、シランカップリング剤層を設けない以外は同様にして、サンプル2−4を作製した。
(1)剥離試験
UVインク中に浸漬した後の各サンプルの保護膜上に、エポキシ系接着剤が塗布されたポリイミドフィルムを貼り付け、これを剥離した。ポリイミドフィルム剥離後の各サンプルの状態を目視により観察し、下記の基準で評価した。
○:剥離の発生なし
×:アルミニウム層と保護膜との間で剥離が発生
表2より、本発明に係るサンプル2−1は、比較例のサンプル2−2〜2−4よりも保護膜の剥離が抑制されていることが分かる。これにより、ヘッドチップと保護膜との界面にシランカップリング剤を介在させた場合においても、ヘッドチップと保護膜との固着部分に剥離が発生することを効果的に抑制できることが確認された。
11 ヘッドチップ(第1の部材)
12 ノズルプレート
13 配線基板(第2の部材)
14 FPC
15 インクマニホールド(共通インク室)
20 搬送部
30 画像形成部
31 ラインヘッド
40 インク供給部
46 ヒーター
61 接着剤
62 保護膜(第2の部材)
71 シランカップリング剤層
100 インクジェット記録装置
113 駆動壁
114 チャネル
115 駆動電極
116 接続電極
121 ノズル
131 配線接続部
133 配線電極
153 内部ヒーター
P 記録媒体
Claims (14)
- 所定温度に加熱されたインクを吐出するインクジェット記録装置のインクジェットヘッドであって、
第1の部材と、
前記第1の部材に固着される第2の部材と、を備え、
前記第1の部材と前記第2の部材との界面に、シランカップリング剤が介在されていることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記インクが、相転移温度を境に固体状態と液体状態との間で可逆的に相転移する相転移インクであ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。
- 前記インクが、相転移温度を境にゲル状態とゾル状態との間で可逆的に相転移する相転移インクであ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。
- 前記第1の部材と前記第2の部材との固着部分が、前記インクに接触することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第1の部材のインク供給方向上流側に設けられて複数のノズルに前記インクを供給する共通インク室と、
前記共通インク室に設けられて前記インクを加熱するヒーターと、を更に備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。 - 前記ヒーターが、前記共通インク室の外面に設けられてい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。
- 前記第1の部材が、ノズルからインクを吐出させるヘッドチップであることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記シランカップリング剤が、加熱硬化型の接着剤に含有されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記接着剤が、導電性粒子を含有す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。
- 前記第2の部材が、前記第1の部材の表面に設けられる保護膜であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記シランカップリング剤が、硫黄元素を含有することを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 20kHz以上の吐出周波数で駆動することを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 請求項1から12のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
- 非稼働時には前記インクの加熱を行わず、稼働時には前記インクを加熱する制御部を更に備えることを特徴とする請求項13に記載のインクジェット記録装置。
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