圧電インクジェットヘッド
【課題】 印刷時に、開口から吐出されたインク滴をできるだけまっすぐ前方に飛翔させることができるため、印刷精度の高い印刷を行うことが可能な圧電インクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】 ノズルプレート１ｄの、ノズル３の開口３０が形成された表面１ｅに、その平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌが、全周に亘って、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口３０の円の半径である。〕
を満足する範囲内とされた、撥水処理されない領域Ａ１を設け、この領域Ａ１より外は撥水層１２を形成して撥水処理した圧電インクジェットヘッドである。
【解決手段】 ノズルプレート１ｄの、ノズル３の開口３０が形成された表面１ｅに、その平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌが、全周に亘って、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口３０の円の半径である。〕
を満足する範囲内とされた、撥水処理されない領域Ａ１を設け、この領域Ａ１より外は撥水層１２を形成して撥水処理した圧電インクジェットヘッドである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にプリンタ、コピア、ファクシミリ、およびそれらの複合機などに好適に用いることのできる圧電インクジェットヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、オンデマンド型のインクジェットプリンタなどに用いる、圧電素子の電歪効果を駆動源とする圧電インクジェットヘッドにおいては、当該圧電素子に電圧を印加して変形させ、それによって振動板を撓ませて加圧室の容積を減少させることで、当該加圧室内のインクを、連通するノズルからインク滴として吐出させて、紙面にドットを形成している。
【０００３】
詳しく説明すると、圧電セラミックと、圧電セラミックを支持する振動板とを含む圧電アクチュエータが、圧電セラミックが発生する力を加圧室内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室に連通するノズルからインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。それと同時に、圧電アクチュエータは、加圧室内のインクの圧力を受けることによって振動板が撓むため、当該加圧室を含むヘッド内のインクの振動に対して、弾性体としての役割も持っている。
【０００４】
圧電セラミックに駆動電圧を印加して力を発生させると、ヘッド内のインクは、振動板を介して圧電アクチュエータから受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、圧電アクチュエータと加圧室とを弾性、加圧室にインクを供給する供給口、加圧室とノズルとを繋ぐノズル流路、およびノズルを慣性として発生する。この振動における、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、圧電アクチュエータの寸法と物性値とによって決まる。
【０００５】
そして、圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル内でのインクメニスカスの振動を利用してインク滴を発生させて、紙面にドットを形成している。すなわち、ノズル内のインクメニスカスは、振動の速度がノズルの外方へ向かうことによって、ノズル先端の開口から、外部へと柱状に押し出される。この押出されたインクは、その形状からインク柱と呼ばれる。振動の速度は、やがてノズルの内方向へ向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離される。そして、切り離されたインク柱が１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【０００６】
上記のうちノズルは、通常、ノズルの長さに対応した厚みを有する平板状のノズルプレートを貫通するように形成される。また、このノズルプレートは、インクに濡れやすい材料によって形成されるのが一般的である。ノズルの内壁がインクに濡れやすいことによって、ノズル内に、安定したインクメニスカスを形成できるからである。
しかし、ノズルプレートの、インク滴吐出側の先端が開口された表面がインクに濡れやすいと、インクの付着によるインク滴の吐出不良を招きやすいという問題がある。そのため、上記表面を、インクジェットインクの主流である水性のインクに濡れにくくするべく、撥水処理することが行われる。
【０００７】
図５は、撥水処理したノズルプレートの一例を示す拡大断面図である。図の例では、ノズルプレート９１の、インク滴吐出側の表面９１ａに、例えば共析メッキやゾル−ゲル法によって撥水性を有する層（撥水層９２）を積層することで、当該表面９１ａを撥水処理している。
従来、撥水層９２は、前記のようにインクの付着によるインク滴の吐出不良を極力、防止する観点から、同図に示すように、ノズル９３の、開口９３ａの外周縁のぎりぎりまで形成するのが望ましいと考えられきた。例えば、後述する特許文献２においては、開口９３ａの周囲の、撥水層９２で覆われていない領域の面積が、開口９３ａの面積の１０％以下となるように、撥水層９２を、ノズル９３の、開口９３ａの外周縁のぎりぎりまで、できるだけ近接させて形成する必要があるとされている。
【０００８】
表面９１ａに撥水層９２が形成されたノズルプレート９１の形成方法としては、大別すると、下記の２つの方法が挙げられる。
(i) ノズルプレート９１にノズル９３を穴あけ加工した後、このノズルプレート９１の表面９１ａに、撥水層９２を積層して撥水処理する。
(ii) ノズルプレート９１の表面９１ａを、先に撥水層９２を積層して撥水処理した後、ノズル９３を穴あけ加工する。
【０００９】
しかし、(i)の方法では、ノズル９３の内周面９３ｂまで撥水層９２が形成されて撥水性となり、安定したインクメニスカスを形成できなくなる。そこで、フォトリソグラフィーの技術を利用して、ノズル９３を穴あけ加工したノズルプレート９１の表面９１ａを感光性のレジストで覆い、露光して、ノズル９３の開口９３ａと重なり、かつ開口９３ａよりもごく僅かだけ広い領域のレジストを硬化させてレジスト膜を形成した後、未硬化のレジストを除去して、残ったレジスト膜で開口９３ａに蓋をした状態で、ノズルプレート９１の露出された表面９１ａに、選択的に、撥水層９２を形成することが考えられる。
【００１０】
ところが、
・ ノズル９３の、インク滴吐出側の先端の開口９３ａの直径が、およそ３０μｍ以下というごく微小なものであること、
・ ノズルプレート９１には、かかる微小な開口９３ａを有するノズル９３が、インクジェットプリンタの画像解像度に合わせたごく微小なノズルピッチで複数個、配列されていること、および
・ ノズル９３は、例えばプレス加工やレーザー加工等によって形成されるが、これら加工方法の加工精度に応じて、複数個のノズル９３の形成位置にずれが生じやすいこと、
から、ノズルプレート９１上の全てのノズル９３について、レジスト膜を、精度良く位置決めした状態で形成することは困難である。ノズルプレート９１上の多くのノズル９３においては、レジスト膜が、開口９３ａに対して位置ずれして形成されることになる。
【００１１】
そのため、撥水層９２を形成すると、例えば図６(a)(b)に示すように、開口９３ａの外周縁の一部は、ぎりぎりまで撥水層９２で覆われているが、その他の部分では撥水層９２が外周縁まで到達せず、ノズルプレート９１が露出した状態となることが多い。そして、この状態では、開口９３ａの外周縁のうち、ぎりぎりまで撥水層９２で覆われた部分よりも、ノズルプレート９１が露出した部分の方が、インクに対する濡れ性が高くなる。
【００１２】
そして、インクメニスカスがノズル９３の開口９３ａから外部へと押し出されてインク柱が形成される際に、図７の上側に示すように、インク柱の後端の、インクメニスカスと接合している部分が、開口９３ａの外周縁のうち、濡れ性の高い、ノズルプレート９１が露出した部分に引っ張られてインク柱が曲げられ、それに伴ってインク滴の飛翔方向が曲げられるという現象を生じるため、図７の下側に示すように、インク滴をまっすぐ前方に飛翔させることができなくなる。
【００１３】
しかも、同じノズルプレート９１上に形成された複数のノズル９３の、開口９３ａの位置ずれの方向は一定でないため、各開口９３ａにおける、インクに対する濡れ性が高い部分と低い部分の位置も一定しない。そのため、個々のノズル９３ごとに、インク滴の飛翔方向にばらつきを生じる結果、印刷精度が低下する。
また、図６(a)中に破線で示すように、撥水層９２が、部分的に開口９３ａに覆い被さった状態で形成される場合もあり、その場合には、覆い被さった撥水層９２によってインク滴の吐出が阻害されるため、さらに印刷精度が悪化する。
【００１４】
これに対し、前記(ii)の方法によれば、ノズルプレート９１に、先に撥水層９２を積層し、次いで、プレス加工やレーザー加工などによってノズル９３が形成されることから、撥水層９２を、開口９３ａの全周に亘って、いずれも外周縁のぎりぎりまで残して、図５の、理想的であると考えられている形態に近い状態とすることができるものと予測されている（例えば特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２６０３６０号公報（請求項１、第０００８欄〜第００１０欄、図３）
【特許文献２】特開２００３−２０５６１０号公報（請求項１、３、第０００７欄〜第００１２欄、第００１５欄〜第００１６欄、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、実際には、ノズル９３の穴あけ加工時に生じる応力や熱等によって、開口９３ａの外周縁の近傍の撥水層９２が部分的かつ不規則に剥がれたり傷ついたり、あるいは除去されずに残った撥水層９２が開口９３ａに覆い被さった状態となったりして、前記(i)の場合と同様に、印刷時に、開口９３ａから吐出されたインク滴をまっすぐ前方に飛翔せることができず、印刷精度が悪化するという問題を生じる。
【００１６】
本発明は、印刷時に、開口から吐出されたインク滴をできるだけまっすぐ前方に飛翔させることができるため、印刷精度の高い印刷を行うことが可能な圧電インクジェットヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項1記載の発明は、
(A) インクが充てんされる加圧室、
(B) 加圧室に連通したノズル、および
(C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
を備え、ノズルのインク滴吐出側の先端が、当該ノズルを形成する部材の表面に円形に開口されていると共に、この表面に、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域が、ノズルの開口と重ねて設けられ、この領域以外の表面が撥水処理されている圧電インクジェットヘッドであって、
上記撥水処理されない領域の、平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌが、その全周に亘って、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲内とされていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
従来の圧電インクジェットヘッドは、いずれのものも、先に説明したように、開口の外周縁の全周に亘って、できる限りぎりぎりまで撥水処理しようとして、逆に加工精度や加工時に発生する応力等の影響によって均一に撥水処理できないため、印刷精度が低下していた。
これに対し、前記請求項１記載の発明によれば、開口に重ねて設ける、撥水処理されない領域の、平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌを式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲に規定することによって、当該領域の大きさにある程度の余裕を持たせてあるため、たとえ加工精度等による開口の位置ずれが発生しても、その周囲に、ノズルプレート等の表面が適当な幅で露出された領域を確保して、開口の外周縁の全周に亘って、インクに対する濡れ性を一定の範囲内に維持することができる。
【００１９】
つまり、上記距離Ｌを、ノズルの開口の円の半径Ｒの１．２倍を超える範囲に設定することによって、ノズルの開口の外周縁と、撥水処理されない領域の外周縁との間でノズルプレート等の表面が露出される領域の幅を、例えば、プレス加工やレーザー加工等の通常の穴あけ加工の加工精度に基づく位置ずれに比べて十分に大きい幅とすることができる。そのため、ノズルプレート等の表面を、開口の外周縁の全周に亘って確実に露出させて、開口に撥水層が覆い被さってインク滴の吐出を妨げたり、外周縁のぎりぎりまで撥水層に覆われて、その他の部分よりインクに対する濡れ性が低い部分が生じたりするのを防止することができる。また、上記距離Ｌを、半径Ｒの２倍未満に設定することによって、上記ノズルプレート等の表面が露出される領域の幅が広くなりすぎて、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるのを防止することもできる。
【００２０】
したがって、請求項１記載の発明によれば、開口の外周縁の全周に亘って、インクに対する濡れ性を一定の範囲内に維持することができるため、印刷時に、開口から吐出されたインク滴をできるだけまっすぐ前方に飛翔させて、印刷精度の高い印刷を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。
図の例の圧電インクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
また図２(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図２(b)は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【００２２】
各ドット形成部のノズル３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉであって、圧電インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。
各ドット形成部は、基板１の、図２(a)において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋ぐと共に、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。
【００２３】
また上記各部は、図の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズルプレートとしての、ノズル３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。
またノズル３は、図３(a)(b)に示すように、インク滴吐出側の先端の開口３０を、基板１の下面側である第４基板１ｄの下側の表面１ｅに円形に形成してある。それと共にノズル３は、この先端側の開口３０が、加圧室２側の開口３１よりも小さくなるように、テーパー状に形成してある。
【００２４】
第1基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。
さらに各基板１ａ〜１ｄは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
【００２５】
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７と、少なくとも各ドット形成部を覆う大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８と、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子９と、各圧電素子９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とを、この順に積層することで圧電アクチュエータＡＣを構成してある。
【００２６】
なお圧電素子９を、いくつかのドット形成部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
上記のうち振動板７は、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また振動板７には、先の基板１の通孔１１ａと共にジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。
【００２７】
共通電極８、個別電極１０は、共に金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、例えば白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
圧電素子９を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【００２８】
薄板状の圧電素子９は、従来と同様にして形成することができる。
例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法（またはＭＯＤ法）によって、共通電極８上に、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、圧電素子９を形成することができる。
【００２９】
圧電素子９を、例えば横振動モードとして駆動するためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子９をエージング処理してもよい。
【００３０】
圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電素子９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から正の駆動電圧ＶPを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電素子９と振動板７とが加圧室方向に撓むことになる。
このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル３の外に向かうことによって、ノズル３内のインクメニスカスが、インク滴吐出側の先端の開口３０から外部へと押し出されて、先に説明したようにインク柱が形成される。
【００３１】
振動の速度は、やがてノズル内方向に向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離されて１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル３内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル３に再充てんされる。
【００３２】
基板１の下面側である第４基板１ｄの下側の表面１ｅには、前記のように、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域Ａ１を、ノズル３のインク滴吐出側の先端の、円形の開口３０と重ねて設けてある。すなわち、この領域Ａ１を除くそれ以外の表面１ｅに撥水層１２を積層して撥水処理すると共に、領域Ａ１内は撥水層１２を形成せずに、第４基板１ｄの表面を露出させて、撥水処理されていない状態としてある。
【００３３】
領域Ａ１は、図３(a)(b)に示すように、その平面形状を円形とし、なおかつ、円の中心Ｃ１から円形の外周縁までの距離Ｌ（すなわち円の半径）を、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲に設定してある。これにより、先に説明したように、加工精度等による開口３０の位置ずれが発生しても、当該開口３０の外周縁の全周に亘って、第４基板１ｄの表面１ｅが適当な幅で露出された領域を確保して、そのインクに対する濡れ性を一定の範囲に維持することができる。
【００３４】
したがって、前記のようにインクメニスカスがノズル３の開口３０から外部へと押し出されてインク柱が形成される際に、インク柱の後端の、インクメニスカスと接合している部分が、開口３０の外周縁のうち濡れ性の高い部分に引っ張られてインク柱が曲げられ、それに伴ってインク滴の飛翔方向も曲げられるという現象を生じることなく、インク滴をまっすぐ前方に飛翔させることが可能となる。
【００３５】
なお、開口３０の位置ずれが発生しても、より確実に、開口３０の外周縁の全周に亘って、表面１ｅが露出された領域を確保することを考慮すると、距離Ｌは、半径Ｒの１．４倍以上であるのが好ましい。また、表面１ｅが露出された領域の幅が広くなりすぎて、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるのを防止することを考慮すると、距離Ｌは、半径Ｒの１．８倍以下であるのが好ましい。
【００３６】
領域Ａ１は、図４に示すように、正多角形状（図の場合は正八角形状）等の、円形以外の他の平面形状に形成することもできる。図の、正八角形状の領域Ａ１においては、当該正八角形と外接する外接円Ｃの中心Ｃ１から円形の外周縁までの距離Ｌを、その全周に亘って、つまり最長距離Ｌ1と最短距離Ｌ2を共に、前記式(1)を満足する範囲に設定すればよい。それにより、加工精度等による開口３０の位置ずれが発生しても、当該開口３０の外周縁の全周に亘って、第４基板１ｄの表面１ｅが適当な幅で露出された領域を確保して、そのインクに対する濡れ性を一定の範囲に維持することができる。
【００３７】
第４基板１ｄの表面１ｅのうち、上記領域Ａ１を除くその他の領域に撥水層１２を形成し、それによって開口３０と重ねて領域Ａ１を設けるためには、従来同様に、フォトリソグラフィーの技術を利用した、下記の方法が好適に採用される。
すなわち、ノズル３を穴あけ加工した第４基板１ｄの表面１ｅを感光性のレジストで覆い、露光して、開口３０と重なるように、上記の寸法、形状を有する領域のレジストを硬化させてレジスト膜を形成する。次いで、未硬化のレジストを除去して、第４基板１ｄの露出された表面１ｅに選択的に、撥水層１２を形成した後、硬化させたレジスト膜を除去すると、領域Ａ１を除くその他の領域に撥水層１２が形成されると共に、開口３０と重ねて領域Ａ１が設けられる。
【００３８】
また、上記の手順により、あらかじめ、領域Ａ１を除くその他の領域に撥水層１２を形成した後、ノズル３を穴あけ加工しても良い。その場合も、領域Ａ１が、前記式(1)を満足する大きさを有するため、加工精度等による開口３０の位置ずれが発生しても、当該開口３０の外周縁の全周に亘って、第４基板１ｄの表面１ｅが適当な幅で露出された領域を確保して、そのインクに対する濡れ性を一定の範囲に維持することができる。
【００３９】
撥水層１２としては、上記の方法によって所定の平面形状に形成することが可能な、撥水性を有する種々の材料からなる層が、いずれも採用できる。かかる撥水層１２の例としては、共析メッキによる撥水層や、ゾル−ゲル法による撥水層等が挙げられる。また、例えばフッ素含有ガラスからなる撥水層を用いることもできる。
このうち、共析メッキによる撥水層は、例えばニッケル等の金属と、フッ素樹脂等の撥水性樹脂とを、第４基板１ｄの、レジスト膜が形成されずに露出された表面に共析メッキ処理（分散メッキ処理）することによって形成される。
【００４０】
また、ゾル−ゲル法による撥水層は、例えばケイ素酸化物の前駆体であるアルコキシシラン化合物（メトキシシラン、エトキシシラン等）と、フッ化炭素鎖を含むアルコキシシラン化合物とを含有する塗布液を、上記第４基板１ｄの、レジスト膜が形成されずに露出された表面に塗布し、乾燥後、加熱してゾル−ゲル反応させて、ケイ素酸化物を生成させることによって形成される。
【００４１】
撥水層１２の厚みは、特に限定されないが、０．５〜２μｍであるのが好ましい。撥水層１２の厚みがこの範囲未満では、撥水性が低下して、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるおそれがある。また、この範囲を超える撥水層１２は膜形成が容易でない上、形成できたとしても、それ以上の効果が得られないおそれがある。
第４基板１ｄの表面の、撥水層１２が形成されずに露出された表面や、ノズル３の内周面３２には、第４基板１ｄを、金属等の、インクに濡れやすい材料によって形成することによって、本来的に親水性を付与してあるが、さらに親水処理をして親水性を高めることもできる。親水処理としては、酸素プラズマ処理、オゾン処理、レーザー処理等が挙げられる。
【００４２】
本発明の圧電インクジェットヘッドは、ドット形成の直前に加圧室の容量を拡大させる方向に圧電素子を変形させることで、ノズル内のインクメニスカスを引き込み、その後、加圧室の容量を縮小させる方向に圧電素子を変形させることで、インク滴をインクメニスカスから分離させて吐出させる引き打ち式、およびドット形成時に、加圧室の容量を縮小させる方向に圧電素子を変形させることで、ノズル内のインクメニスカスを押し出し、次いで、加圧室の容量を拡大させる方向に圧電素子を変形させることで、インクメニスカスを引き込んで、インク滴をインクメニスカスから分離させて吐出させる押し打ち式のいずれの駆動方法によって駆動しても良い。
【実施例】
【００４３】
以下に本発明を、実施例に基づいて説明する。
圧電インクジェットヘッドの作製：
図１および図２(a)(b)に示す構造を有し、なおかつ加圧室２の面積が０．２ｍｍ2、幅が２００μｍ、深さが１００μｍ、ノズル流路４の直径が２００μｍ、長さが８００μｍ、供給口５の直径が３０μｍ、長さが４０μｍ、ノズル３の長さが３０μｍ、開口３０の形状が円形で半径Ｒが１０μｍであると共に、この各部からなるドット形成部が１列で６４個、全体（４列）で２５６個、基板１上に配列された圧電インクジェットヘッドを用意した。同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉとし、また隣り合う各列を１／４ピッチずつずらすことで、全体として３６０ｄｐｉとした。
【００４４】
そして、基板１の下面側である、ステンレス鋼製の第４基板１ｄの、下側の表面１ｅに、前記フォトリソグラフ法によって、図３(a)に示すように、いずれも平面形状が円形で、なおかつ距離Ｌが表１に示す値である２５６個の領域Ａ１を有する、厚み１．０μｍの、ニッケルとフッ素樹脂の共析メッキによる撥水層１２を形成して、実施例、比較例の圧電インクジェットヘッドを作製した。
【００４５】
印刷精度試験：
上記で作製した各実施例、比較例の圧電インクジェットヘッド上の、４列のドット形成部のうち、１列分の６４個を使用し、各ドット形成部を駆動周波数の１／８のタイミングで１０回、駆動させて、紙面上に、６４×１０個のドットを格子状に形成した。
各ドット形成部のノズル３から吐出されるインク滴が、いずれもまっすぐ前方に飛翔する場合、形成される各ドットの重心位置は、６４×１０個の格子点上に並ばなければならない。しかし、インク滴がまっすぐ前方に飛翔しない場合、各ドットは、その重心位置が、上記格子点上からずれた位置に形成される。
【００４６】
そこで、形成した全てのドットの位置を画像解析装置で解析して、最小二乗法によって、それぞれの重心位置の、本来あるべき格子点上からのずれ量を求め、その平均値と最大値とを記録して、各ドット形成部のノズル３から吐出されるインク滴が、どの程度まっすぐ前方に飛翔しているかを評価した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表の、実施例、比較例の結果より、領域Ａ１の距離Ｌを、ノズル３の開口３０の半径Ｒの１．２倍を超え、かつ２．０倍未満の範囲とすることにより、各ドット形成部のノズル３から吐出されるインク滴を、できるだけまっすぐ前方に飛翔させて、印刷精度を向上できることが判った。
また、各実施例、比較例の圧電インクジェットヘッドの、第４基板１ｄの、撥水層１２を形成した表面１ｅを、実体顕微鏡によって観察したところ、領域Ａ１の距離Ｌが、ノズル３の開口３０の半径Ｒの１．２倍以下であった比較例１、２においては、撥水層１２が開口３０の外周縁の一部でぎりぎりまで形成されて、表面１ｅが露出していない個所がある開口３０や、撥水層１２が覆い被さっている開口３０が存在していることが確認された。そして、このことから、これらの比較例においては、開口３０の外周縁における、インクに対する濡れ性のばらつきや、開口３０に覆い被さった撥水層１２が原因となって、インク滴をまっすぐ前方に飛翔できなかったことが確認された。
【００４９】
また、印刷後の表面１ｅを、同様に実体顕微鏡によって観察したところ、領域Ａ１の距離Ｌが、ノズル３の開口３０の半径Ｒの２倍以上であった比較例４〜６においては、表面１ｅの、開口３０の周囲が、広い面積に亘ってインクによって着色されているのが確認された。そして、このことから、これらの比較例においては、インクの付着によるインク滴の吐出不良が原因となって、インク滴をまっすぐ前方に飛翔できなかったことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。
【図２】同図(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図(b)は、１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【図３】同図(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドのうち、ノズルプレートとしての第４基板の表面の、ノズルの開口と、それに重ねて撥水処理しない領域を形成した部分を拡大した平面図、同図(b)は、上記部分の断面図である。
【図４】撥水処理しない領域の変形例を示す平面図である。
【図５】従来、理想的と考えられていたノズルの開口の、撥水処理の状態を示す断面図である。
【図６】図５の状態を実現すべく実際に撥水処理した際に生じる、開口と撥水層のずれを示す図であって、同図(a)は平面図、同図(b)破断面図である。
【図７】図６(a)(b)の状態のノズルの開口からインクを吐出させた際の、インクメニスカスから分離する前後のインク柱の形状変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ｄ 第４基板（ノズルプレート）
１ｅ 表面
２ 加圧室
３ ノズル
３０ 開口
Ｒ 半径
Ａ１ 領域
Ｃ１ 中心
Ｌ 距離
１２ 撥水層
ＡＣ 圧電アクチュエータ
７ 振動板
９ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にプリンタ、コピア、ファクシミリ、およびそれらの複合機などに好適に用いることのできる圧電インクジェットヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、オンデマンド型のインクジェットプリンタなどに用いる、圧電素子の電歪効果を駆動源とする圧電インクジェットヘッドにおいては、当該圧電素子に電圧を印加して変形させ、それによって振動板を撓ませて加圧室の容積を減少させることで、当該加圧室内のインクを、連通するノズルからインク滴として吐出させて、紙面にドットを形成している。
【０００３】
詳しく説明すると、圧電セラミックと、圧電セラミックを支持する振動板とを含む圧電アクチュエータが、圧電セラミックが発生する力を加圧室内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室に連通するノズルからインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。それと同時に、圧電アクチュエータは、加圧室内のインクの圧力を受けることによって振動板が撓むため、当該加圧室を含むヘッド内のインクの振動に対して、弾性体としての役割も持っている。
【０００４】
圧電セラミックに駆動電圧を印加して力を発生させると、ヘッド内のインクは、振動板を介して圧電アクチュエータから受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、圧電アクチュエータと加圧室とを弾性、加圧室にインクを供給する供給口、加圧室とノズルとを繋ぐノズル流路、およびノズルを慣性として発生する。この振動における、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、圧電アクチュエータの寸法と物性値とによって決まる。
【０００５】
そして、圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル内でのインクメニスカスの振動を利用してインク滴を発生させて、紙面にドットを形成している。すなわち、ノズル内のインクメニスカスは、振動の速度がノズルの外方へ向かうことによって、ノズル先端の開口から、外部へと柱状に押し出される。この押出されたインクは、その形状からインク柱と呼ばれる。振動の速度は、やがてノズルの内方向へ向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離される。そして、切り離されたインク柱が１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【０００６】
上記のうちノズルは、通常、ノズルの長さに対応した厚みを有する平板状のノズルプレートを貫通するように形成される。また、このノズルプレートは、インクに濡れやすい材料によって形成されるのが一般的である。ノズルの内壁がインクに濡れやすいことによって、ノズル内に、安定したインクメニスカスを形成できるからである。
しかし、ノズルプレートの、インク滴吐出側の先端が開口された表面がインクに濡れやすいと、インクの付着によるインク滴の吐出不良を招きやすいという問題がある。そのため、上記表面を、インクジェットインクの主流である水性のインクに濡れにくくするべく、撥水処理することが行われる。
【０００７】
図５は、撥水処理したノズルプレートの一例を示す拡大断面図である。図の例では、ノズルプレート９１の、インク滴吐出側の表面９１ａに、例えば共析メッキやゾル−ゲル法によって撥水性を有する層（撥水層９２）を積層することで、当該表面９１ａを撥水処理している。
従来、撥水層９２は、前記のようにインクの付着によるインク滴の吐出不良を極力、防止する観点から、同図に示すように、ノズル９３の、開口９３ａの外周縁のぎりぎりまで形成するのが望ましいと考えられきた。例えば、後述する特許文献２においては、開口９３ａの周囲の、撥水層９２で覆われていない領域の面積が、開口９３ａの面積の１０％以下となるように、撥水層９２を、ノズル９３の、開口９３ａの外周縁のぎりぎりまで、できるだけ近接させて形成する必要があるとされている。
【０００８】
表面９１ａに撥水層９２が形成されたノズルプレート９１の形成方法としては、大別すると、下記の２つの方法が挙げられる。
(i) ノズルプレート９１にノズル９３を穴あけ加工した後、このノズルプレート９１の表面９１ａに、撥水層９２を積層して撥水処理する。
(ii) ノズルプレート９１の表面９１ａを、先に撥水層９２を積層して撥水処理した後、ノズル９３を穴あけ加工する。
【０００９】
しかし、(i)の方法では、ノズル９３の内周面９３ｂまで撥水層９２が形成されて撥水性となり、安定したインクメニスカスを形成できなくなる。そこで、フォトリソグラフィーの技術を利用して、ノズル９３を穴あけ加工したノズルプレート９１の表面９１ａを感光性のレジストで覆い、露光して、ノズル９３の開口９３ａと重なり、かつ開口９３ａよりもごく僅かだけ広い領域のレジストを硬化させてレジスト膜を形成した後、未硬化のレジストを除去して、残ったレジスト膜で開口９３ａに蓋をした状態で、ノズルプレート９１の露出された表面９１ａに、選択的に、撥水層９２を形成することが考えられる。
【００１０】
ところが、
・ ノズル９３の、インク滴吐出側の先端の開口９３ａの直径が、およそ３０μｍ以下というごく微小なものであること、
・ ノズルプレート９１には、かかる微小な開口９３ａを有するノズル９３が、インクジェットプリンタの画像解像度に合わせたごく微小なノズルピッチで複数個、配列されていること、および
・ ノズル９３は、例えばプレス加工やレーザー加工等によって形成されるが、これら加工方法の加工精度に応じて、複数個のノズル９３の形成位置にずれが生じやすいこと、
から、ノズルプレート９１上の全てのノズル９３について、レジスト膜を、精度良く位置決めした状態で形成することは困難である。ノズルプレート９１上の多くのノズル９３においては、レジスト膜が、開口９３ａに対して位置ずれして形成されることになる。
【００１１】
そのため、撥水層９２を形成すると、例えば図６(a)(b)に示すように、開口９３ａの外周縁の一部は、ぎりぎりまで撥水層９２で覆われているが、その他の部分では撥水層９２が外周縁まで到達せず、ノズルプレート９１が露出した状態となることが多い。そして、この状態では、開口９３ａの外周縁のうち、ぎりぎりまで撥水層９２で覆われた部分よりも、ノズルプレート９１が露出した部分の方が、インクに対する濡れ性が高くなる。
【００１２】
そして、インクメニスカスがノズル９３の開口９３ａから外部へと押し出されてインク柱が形成される際に、図７の上側に示すように、インク柱の後端の、インクメニスカスと接合している部分が、開口９３ａの外周縁のうち、濡れ性の高い、ノズルプレート９１が露出した部分に引っ張られてインク柱が曲げられ、それに伴ってインク滴の飛翔方向が曲げられるという現象を生じるため、図７の下側に示すように、インク滴をまっすぐ前方に飛翔させることができなくなる。
【００１３】
しかも、同じノズルプレート９１上に形成された複数のノズル９３の、開口９３ａの位置ずれの方向は一定でないため、各開口９３ａにおける、インクに対する濡れ性が高い部分と低い部分の位置も一定しない。そのため、個々のノズル９３ごとに、インク滴の飛翔方向にばらつきを生じる結果、印刷精度が低下する。
また、図６(a)中に破線で示すように、撥水層９２が、部分的に開口９３ａに覆い被さった状態で形成される場合もあり、その場合には、覆い被さった撥水層９２によってインク滴の吐出が阻害されるため、さらに印刷精度が悪化する。
【００１４】
これに対し、前記(ii)の方法によれば、ノズルプレート９１に、先に撥水層９２を積層し、次いで、プレス加工やレーザー加工などによってノズル９３が形成されることから、撥水層９２を、開口９３ａの全周に亘って、いずれも外周縁のぎりぎりまで残して、図５の、理想的であると考えられている形態に近い状態とすることができるものと予測されている（例えば特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００１−２６０３６０号公報（請求項１、第０００８欄〜第００１０欄、図３）
【特許文献２】特開２００３−２０５６１０号公報（請求項１、３、第０００７欄〜第００１２欄、第００１５欄〜第００１６欄、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、実際には、ノズル９３の穴あけ加工時に生じる応力や熱等によって、開口９３ａの外周縁の近傍の撥水層９２が部分的かつ不規則に剥がれたり傷ついたり、あるいは除去されずに残った撥水層９２が開口９３ａに覆い被さった状態となったりして、前記(i)の場合と同様に、印刷時に、開口９３ａから吐出されたインク滴をまっすぐ前方に飛翔せることができず、印刷精度が悪化するという問題を生じる。
【００１６】
本発明は、印刷時に、開口から吐出されたインク滴をできるだけまっすぐ前方に飛翔させることができるため、印刷精度の高い印刷を行うことが可能な圧電インクジェットヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項1記載の発明は、
(A) インクが充てんされる加圧室、
(B) 加圧室に連通したノズル、および
(C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
を備え、ノズルのインク滴吐出側の先端が、当該ノズルを形成する部材の表面に円形に開口されていると共に、この表面に、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域が、ノズルの開口と重ねて設けられ、この領域以外の表面が撥水処理されている圧電インクジェットヘッドであって、
上記撥水処理されない領域の、平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌが、その全周に亘って、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲内とされていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
従来の圧電インクジェットヘッドは、いずれのものも、先に説明したように、開口の外周縁の全周に亘って、できる限りぎりぎりまで撥水処理しようとして、逆に加工精度や加工時に発生する応力等の影響によって均一に撥水処理できないため、印刷精度が低下していた。
これに対し、前記請求項１記載の発明によれば、開口に重ねて設ける、撥水処理されない領域の、平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌを式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲に規定することによって、当該領域の大きさにある程度の余裕を持たせてあるため、たとえ加工精度等による開口の位置ずれが発生しても、その周囲に、ノズルプレート等の表面が適当な幅で露出された領域を確保して、開口の外周縁の全周に亘って、インクに対する濡れ性を一定の範囲内に維持することができる。
【００１９】
つまり、上記距離Ｌを、ノズルの開口の円の半径Ｒの１．２倍を超える範囲に設定することによって、ノズルの開口の外周縁と、撥水処理されない領域の外周縁との間でノズルプレート等の表面が露出される領域の幅を、例えば、プレス加工やレーザー加工等の通常の穴あけ加工の加工精度に基づく位置ずれに比べて十分に大きい幅とすることができる。そのため、ノズルプレート等の表面を、開口の外周縁の全周に亘って確実に露出させて、開口に撥水層が覆い被さってインク滴の吐出を妨げたり、外周縁のぎりぎりまで撥水層に覆われて、その他の部分よりインクに対する濡れ性が低い部分が生じたりするのを防止することができる。また、上記距離Ｌを、半径Ｒの２倍未満に設定することによって、上記ノズルプレート等の表面が露出される領域の幅が広くなりすぎて、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるのを防止することもできる。
【００２０】
したがって、請求項１記載の発明によれば、開口の外周縁の全周に亘って、インクに対する濡れ性を一定の範囲内に維持することができるため、印刷時に、開口から吐出されたインク滴をできるだけまっすぐ前方に飛翔させて、印刷精度の高い印刷を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。
図の例の圧電インクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
また図２(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図２(b)は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【００２２】
各ドット形成部のノズル３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉであって、圧電インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。
各ドット形成部は、基板１の、図２(a)において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋ぐと共に、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。
【００２３】
また上記各部は、図の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズルプレートとしての、ノズル３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。
またノズル３は、図３(a)(b)に示すように、インク滴吐出側の先端の開口３０を、基板１の下面側である第４基板１ｄの下側の表面１ｅに円形に形成してある。それと共にノズル３は、この先端側の開口３０が、加圧室２側の開口３１よりも小さくなるように、テーパー状に形成してある。
【００２４】
第1基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。
さらに各基板１ａ〜１ｄは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
【００２５】
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７と、少なくとも各ドット形成部を覆う大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８と、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子９と、各圧電素子９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とを、この順に積層することで圧電アクチュエータＡＣを構成してある。
【００２６】
なお圧電素子９を、いくつかのドット形成部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
上記のうち振動板７は、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また振動板７には、先の基板１の通孔１１ａと共にジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。
【００２７】
共通電極８、個別電極１０は、共に金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、例えば白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
圧電素子９を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【００２８】
薄板状の圧電素子９は、従来と同様にして形成することができる。
例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法（またはＭＯＤ法）によって、共通電極８上に、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、圧電素子９を形成することができる。
【００２９】
圧電素子９を、例えば横振動モードとして駆動するためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子９をエージング処理してもよい。
【００３０】
圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電素子９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から正の駆動電圧ＶPを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電素子９と振動板７とが加圧室方向に撓むことになる。
このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル３の外に向かうことによって、ノズル３内のインクメニスカスが、インク滴吐出側の先端の開口３０から外部へと押し出されて、先に説明したようにインク柱が形成される。
【００３１】
振動の速度は、やがてノズル内方向に向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離されて１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル３内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル３に再充てんされる。
【００３２】
基板１の下面側である第４基板１ｄの下側の表面１ｅには、前記のように、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域Ａ１を、ノズル３のインク滴吐出側の先端の、円形の開口３０と重ねて設けてある。すなわち、この領域Ａ１を除くそれ以外の表面１ｅに撥水層１２を積層して撥水処理すると共に、領域Ａ１内は撥水層１２を形成せずに、第４基板１ｄの表面を露出させて、撥水処理されていない状態としてある。
【００３３】
領域Ａ１は、図３(a)(b)に示すように、その平面形状を円形とし、なおかつ、円の中心Ｃ１から円形の外周縁までの距離Ｌ（すなわち円の半径）を、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲に設定してある。これにより、先に説明したように、加工精度等による開口３０の位置ずれが発生しても、当該開口３０の外周縁の全周に亘って、第４基板１ｄの表面１ｅが適当な幅で露出された領域を確保して、そのインクに対する濡れ性を一定の範囲に維持することができる。
【００３４】
したがって、前記のようにインクメニスカスがノズル３の開口３０から外部へと押し出されてインク柱が形成される際に、インク柱の後端の、インクメニスカスと接合している部分が、開口３０の外周縁のうち濡れ性の高い部分に引っ張られてインク柱が曲げられ、それに伴ってインク滴の飛翔方向も曲げられるという現象を生じることなく、インク滴をまっすぐ前方に飛翔させることが可能となる。
【００３５】
なお、開口３０の位置ずれが発生しても、より確実に、開口３０の外周縁の全周に亘って、表面１ｅが露出された領域を確保することを考慮すると、距離Ｌは、半径Ｒの１．４倍以上であるのが好ましい。また、表面１ｅが露出された領域の幅が広くなりすぎて、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるのを防止することを考慮すると、距離Ｌは、半径Ｒの１．８倍以下であるのが好ましい。
【００３６】
領域Ａ１は、図４に示すように、正多角形状（図の場合は正八角形状）等の、円形以外の他の平面形状に形成することもできる。図の、正八角形状の領域Ａ１においては、当該正八角形と外接する外接円Ｃの中心Ｃ１から円形の外周縁までの距離Ｌを、その全周に亘って、つまり最長距離Ｌ1と最短距離Ｌ2を共に、前記式(1)を満足する範囲に設定すればよい。それにより、加工精度等による開口３０の位置ずれが発生しても、当該開口３０の外周縁の全周に亘って、第４基板１ｄの表面１ｅが適当な幅で露出された領域を確保して、そのインクに対する濡れ性を一定の範囲に維持することができる。
【００３７】
第４基板１ｄの表面１ｅのうち、上記領域Ａ１を除くその他の領域に撥水層１２を形成し、それによって開口３０と重ねて領域Ａ１を設けるためには、従来同様に、フォトリソグラフィーの技術を利用した、下記の方法が好適に採用される。
すなわち、ノズル３を穴あけ加工した第４基板１ｄの表面１ｅを感光性のレジストで覆い、露光して、開口３０と重なるように、上記の寸法、形状を有する領域のレジストを硬化させてレジスト膜を形成する。次いで、未硬化のレジストを除去して、第４基板１ｄの露出された表面１ｅに選択的に、撥水層１２を形成した後、硬化させたレジスト膜を除去すると、領域Ａ１を除くその他の領域に撥水層１２が形成されると共に、開口３０と重ねて領域Ａ１が設けられる。
【００３８】
また、上記の手順により、あらかじめ、領域Ａ１を除くその他の領域に撥水層１２を形成した後、ノズル３を穴あけ加工しても良い。その場合も、領域Ａ１が、前記式(1)を満足する大きさを有するため、加工精度等による開口３０の位置ずれが発生しても、当該開口３０の外周縁の全周に亘って、第４基板１ｄの表面１ｅが適当な幅で露出された領域を確保して、そのインクに対する濡れ性を一定の範囲に維持することができる。
【００３９】
撥水層１２としては、上記の方法によって所定の平面形状に形成することが可能な、撥水性を有する種々の材料からなる層が、いずれも採用できる。かかる撥水層１２の例としては、共析メッキによる撥水層や、ゾル−ゲル法による撥水層等が挙げられる。また、例えばフッ素含有ガラスからなる撥水層を用いることもできる。
このうち、共析メッキによる撥水層は、例えばニッケル等の金属と、フッ素樹脂等の撥水性樹脂とを、第４基板１ｄの、レジスト膜が形成されずに露出された表面に共析メッキ処理（分散メッキ処理）することによって形成される。
【００４０】
また、ゾル−ゲル法による撥水層は、例えばケイ素酸化物の前駆体であるアルコキシシラン化合物（メトキシシラン、エトキシシラン等）と、フッ化炭素鎖を含むアルコキシシラン化合物とを含有する塗布液を、上記第４基板１ｄの、レジスト膜が形成されずに露出された表面に塗布し、乾燥後、加熱してゾル−ゲル反応させて、ケイ素酸化物を生成させることによって形成される。
【００４１】
撥水層１２の厚みは、特に限定されないが、０．５〜２μｍであるのが好ましい。撥水層１２の厚みがこの範囲未満では、撥水性が低下して、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるおそれがある。また、この範囲を超える撥水層１２は膜形成が容易でない上、形成できたとしても、それ以上の効果が得られないおそれがある。
第４基板１ｄの表面の、撥水層１２が形成されずに露出された表面や、ノズル３の内周面３２には、第４基板１ｄを、金属等の、インクに濡れやすい材料によって形成することによって、本来的に親水性を付与してあるが、さらに親水処理をして親水性を高めることもできる。親水処理としては、酸素プラズマ処理、オゾン処理、レーザー処理等が挙げられる。
【００４２】
本発明の圧電インクジェットヘッドは、ドット形成の直前に加圧室の容量を拡大させる方向に圧電素子を変形させることで、ノズル内のインクメニスカスを引き込み、その後、加圧室の容量を縮小させる方向に圧電素子を変形させることで、インク滴をインクメニスカスから分離させて吐出させる引き打ち式、およびドット形成時に、加圧室の容量を縮小させる方向に圧電素子を変形させることで、ノズル内のインクメニスカスを押し出し、次いで、加圧室の容量を拡大させる方向に圧電素子を変形させることで、インクメニスカスを引き込んで、インク滴をインクメニスカスから分離させて吐出させる押し打ち式のいずれの駆動方法によって駆動しても良い。
【実施例】
【００４３】
以下に本発明を、実施例に基づいて説明する。
圧電インクジェットヘッドの作製：
図１および図２(a)(b)に示す構造を有し、なおかつ加圧室２の面積が０．２ｍｍ2、幅が２００μｍ、深さが１００μｍ、ノズル流路４の直径が２００μｍ、長さが８００μｍ、供給口５の直径が３０μｍ、長さが４０μｍ、ノズル３の長さが３０μｍ、開口３０の形状が円形で半径Ｒが１０μｍであると共に、この各部からなるドット形成部が１列で６４個、全体（４列）で２５６個、基板１上に配列された圧電インクジェットヘッドを用意した。同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉとし、また隣り合う各列を１／４ピッチずつずらすことで、全体として３６０ｄｐｉとした。
【００４４】
そして、基板１の下面側である、ステンレス鋼製の第４基板１ｄの、下側の表面１ｅに、前記フォトリソグラフ法によって、図３(a)に示すように、いずれも平面形状が円形で、なおかつ距離Ｌが表１に示す値である２５６個の領域Ａ１を有する、厚み１．０μｍの、ニッケルとフッ素樹脂の共析メッキによる撥水層１２を形成して、実施例、比較例の圧電インクジェットヘッドを作製した。
【００４５】
印刷精度試験：
上記で作製した各実施例、比較例の圧電インクジェットヘッド上の、４列のドット形成部のうち、１列分の６４個を使用し、各ドット形成部を駆動周波数の１／８のタイミングで１０回、駆動させて、紙面上に、６４×１０個のドットを格子状に形成した。
各ドット形成部のノズル３から吐出されるインク滴が、いずれもまっすぐ前方に飛翔する場合、形成される各ドットの重心位置は、６４×１０個の格子点上に並ばなければならない。しかし、インク滴がまっすぐ前方に飛翔しない場合、各ドットは、その重心位置が、上記格子点上からずれた位置に形成される。
【００４６】
そこで、形成した全てのドットの位置を画像解析装置で解析して、最小二乗法によって、それぞれの重心位置の、本来あるべき格子点上からのずれ量を求め、その平均値と最大値とを記録して、各ドット形成部のノズル３から吐出されるインク滴が、どの程度まっすぐ前方に飛翔しているかを評価した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表の、実施例、比較例の結果より、領域Ａ１の距離Ｌを、ノズル３の開口３０の半径Ｒの１．２倍を超え、かつ２．０倍未満の範囲とすることにより、各ドット形成部のノズル３から吐出されるインク滴を、できるだけまっすぐ前方に飛翔させて、印刷精度を向上できることが判った。
また、各実施例、比較例の圧電インクジェットヘッドの、第４基板１ｄの、撥水層１２を形成した表面１ｅを、実体顕微鏡によって観察したところ、領域Ａ１の距離Ｌが、ノズル３の開口３０の半径Ｒの１．２倍以下であった比較例１、２においては、撥水層１２が開口３０の外周縁の一部でぎりぎりまで形成されて、表面１ｅが露出していない個所がある開口３０や、撥水層１２が覆い被さっている開口３０が存在していることが確認された。そして、このことから、これらの比較例においては、開口３０の外周縁における、インクに対する濡れ性のばらつきや、開口３０に覆い被さった撥水層１２が原因となって、インク滴をまっすぐ前方に飛翔できなかったことが確認された。
【００４９】
また、印刷後の表面１ｅを、同様に実体顕微鏡によって観察したところ、領域Ａ１の距離Ｌが、ノズル３の開口３０の半径Ｒの２倍以上であった比較例４〜６においては、表面１ｅの、開口３０の周囲が、広い面積に亘ってインクによって着色されているのが確認された。そして、このことから、これらの比較例においては、インクの付着によるインク滴の吐出不良が原因となって、インク滴をまっすぐ前方に飛翔できなかったことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す平面図である。
【図２】同図(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図(b)は、１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【図３】同図(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドのうち、ノズルプレートとしての第４基板の表面の、ノズルの開口と、それに重ねて撥水処理しない領域を形成した部分を拡大した平面図、同図(b)は、上記部分の断面図である。
【図４】撥水処理しない領域の変形例を示す平面図である。
【図５】従来、理想的と考えられていたノズルの開口の、撥水処理の状態を示す断面図である。
【図６】図５の状態を実現すべく実際に撥水処理した際に生じる、開口と撥水層のずれを示す図であって、同図(a)は平面図、同図(b)破断面図である。
【図７】図６(a)(b)の状態のノズルの開口からインクを吐出させた際の、インクメニスカスから分離する前後のインク柱の形状変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ｄ 第４基板（ノズルプレート）
１ｅ 表面
２ 加圧室
３ ノズル
３０ 開口
Ｒ 半径
Ａ１ 領域
Ｃ１ 中心
Ｌ 距離
１２ 撥水層
ＡＣ 圧電アクチュエータ
７ 振動板
９ 圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(A) インクが充てんされる加圧室、
(B) 加圧室に連通したノズル、および
(C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
を備え、ノズルのインク滴吐出側の先端が、当該ノズルを形成する部材の表面に円形に開口されていると共に、この表面に、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域が、ノズルの開口と重ねて設けられ、この領域以外の表面が撥水処理されている圧電インクジェットヘッドであって、
上記撥水処理されない領域の、平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌが、その全周に亘って、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲内とされていることを特徴とする圧電インクジェットヘッド。
【請求項１】
(A) インクが充てんされる加圧室、
(B) 加圧室に連通したノズル、および
(C) 圧電素子と、この圧電素子の変形によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズルを通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む圧電アクチュエータ、
を備え、ノズルのインク滴吐出側の先端が、当該ノズルを形成する部材の表面に円形に開口されていると共に、この表面に、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域が、ノズルの開口と重ねて設けられ、この領域以外の表面が撥水処理されている圧電インクジェットヘッドであって、
上記撥水処理されない領域の、平面形状の中心から外周縁までの距離Ｌが、その全周に亘って、式(1)：
１．２Ｒ＜Ｌ＜２Ｒ (1)
〔Ｒは、ノズルの開口の円の半径である。〕
を満足する範囲内とされていることを特徴とする圧電インクジェットヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−３５５１７（Ｐ２００６−３５５１７Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１６２９３（Ｐ２００４−２１６２９３）
【出願日】平成１６年７月２３日（２００４．７．２３）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２３日（２００４．７．２３）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]