JP5366367B2 - インクジェットプリントヘッド及びその気泡除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッド及び気泡除去方法に関し、特に気泡除去能を有するインクジェットプリントヘッドに関する。

一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて、所定色相の画像を印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドは、インク吐出方式によって２つに大別されうる。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用して、その圧電体の変形によってインクに加えられる圧力によりインクを吐出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。

米国特許第５３９４１８１号明細書

プリントヘッド内のインク流路、特に、圧力チャンバ内には、インクで満ちていなければならない。しかしながら、印刷を行う間に、プリントヘッドのノズルを介して混入された空気やインクに溶解されていた空気、及び他のガス成分が温度上昇などの要因によって、インクに気泡が成長する。プリントヘッド内のインク流路、特に、圧力チャンバに存在する気泡は、プリントヘッドの吐出能を低下させる。また、温度の上昇につれて気泡が体積膨張を起こし、これにより、プリントヘッド内のインクの圧力均衡を崩して、ノズルを介したインクの漏れを引き起こす問題がある。

気泡を除去するために、真空ポンプなどを利用して、ノズルを介して強制的にインクを吸い込むなどの方法が従来から使われてきたが、この方法によっても、インク流路、特に、圧力チャンバの隅にある気泡は容易に除去されない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、気泡を確実に除去することが可能な、新規かつ改良されたインクジェットプリントヘッド及びその気泡除去方法を提供するところにその目的がある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、圧力チャンバを備えるインク流路と、前記圧力チャンバと連通されたノズルと、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供するアクチュエータと、前記ノズルに近いほど低電圧が印加され、前記インク流路に不均一な電界を形成する複数の電極と、を備えるインクジェットプリントヘッドが提供される。

前記複数の電極には、周波数が変化する移動パルス形態の電圧が印加されるものであっても良い。

また、前記複数の電極は、前記インク流路を形成する壁面に設けられるものであっても良い。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、圧力チャンバを備えるインク流路、前記圧力チャンバと連通されたノズル、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供するアクチュエータ、及び前記インク流路に設けられる複数の電極を備えるインクジェットプリントヘッドの気泡除去方法であって、前記複数の電極に電圧を印加段階であって、前記ノズルに近いほど低電圧を印加する段階と、前記複数の電極によって形成される不均一な電界と、インク内の気泡の双極子モーメントとによって発生する誘電泳動力によって、前記気泡を前記ノズル側に移動させる段階と、前記気泡を前記ノズルを介して排出する段階とを含むインクジェットプリントヘッドの気泡除去方法が提供される。

前記気泡を排出する段階は、前記アクチュエータを駆動して、前記ノズルを介してインクと共に前記気泡を排出するものであっても良い。

前記気泡を排出する段階は、前記ノズルを介して負圧を与えることで、前記気泡を吸い込むものであっても良い。

前記複数の電極には、周波数が変化する移動パルス形態の電圧を印加して、前記気泡を加速させるものであっても良い。

本発明によるインクジェットプリントヘッド及びその気泡除去方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
第１に、複数の電極を利用して誘電泳動によって気泡をノズル周囲に集めることができるので、インク流路の壁面周囲と隅とに存在する気泡を容易に除去できる。従って、プリントヘッドのインク吐出能を最適の状態に維持できる。
第２に、気泡をノズル周囲に集めてからノズルを介して排出するので、気泡を除去する過程で消耗されるインクの量を画期的に減らすことができる。
第３に、複数の電極に周波数が変化する移動パルス形態の電圧が印加することで、気泡を加速させて、さらに迅速に気泡をノズル周囲に移動させることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図面上の各構成要素のサイズについては、説明の明瞭性及び便宜のために誇張されている場合があるものとする。また、一層が基板や他の層上に存在すると説明される場合、その層は、基板や他の層に直接接しつつ、その上に存在してもよく、その間に第３の層が存在してもよい。

図１は、本発明によるインクジェットプリントヘッドの一実施形態の平面図であり、図２は、図１に示す本発明によるインクジェットプリントヘッドの一実施形態の垂直断面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ'線の断面図である。

図１及び図２を共に参照すれば、インクジェットプリントヘッドは、インク流路が形成された流路形成基板１１０と、インク吐出圧力を提供するためのアクチュエータ１４０とを備える。流路形成基板１１０には、圧力チャンバ１１１と、圧力チャンバ１１１にインクを供給するためのマニフォールド１１３とリストリクター１１２とを備える。流路形成基板１１０には、圧力チャンバ１１１からインクを吐出させるためのノズル１２２が形成されたノズル基板１２０が接合される。圧力チャンバ１１１の上部には、圧電アクチュエータ１４０の駆動により変形される振動板１１４が設けられる。流路形成基板１１０とノズル基板１２０とによってインク流路が定義される。

圧電アクチュエータ１４０は、流路形成基板１１０の上部に形成されて、圧力チャンバ１１１にインクの吐出のための駆動力を提供する役割を行う。圧電アクチュエータ１４０は、共通電極の役割を行う下部電極１４１と、電圧の印加によって変形される圧電膜１４２と、駆動電極の役割を行う上部電極１４３とを備え、下部電極１４１、圧電膜１４２、及び上部電極１４３が流路形成基板１１０上に順次積層された構造を有する。

下部電極１４１は、圧力チャンバ１１１が形成された流路形成基板１１０上に形成される。流路形成基板１１０がシリコンウェーハからなる場合には、流路形成基板１１０と下部電極１４１との間に絶縁膜としてシリコン酸化膜１３１が形成されうる。下部電極１４１は、導電性を有するた金属物質からなる。下部電極１４１は、一層の金属層からなってもよいが。Ｔｉ層とＰｔ層との二層の金属層から形成されることが望ましい。Ｔｉ／Ｐｔ層からなる下部電極１４１は、共通電極の役割を行うだけでなく、その上に形成される圧電膜１４２とその下の流路形成基板１１０との相互拡散を防止する拡散防止層の役割も行う。

圧電膜１４２は、下部電極１４１上に形成され、圧力チャンバ１１１に対応する位置に配置される。圧電膜１４２は、圧電物質、望ましくは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料で形成されうる。

上部電極１４３は、圧電膜１４２に電圧を印加する駆動電極の役割を行うものであって、圧電膜１４２上に形成される。上部電極１４３の上面には、電圧印加用の駆動回路、例えば、フレキシブル印刷回路１５０の配線１５１がボンディングされる。

上部電極１４３に駆動電圧が印加されれば、圧電膜１４２が変形されながら振動板１１４が曲がり、圧力チャンバ１１１の体積が変化する。これによって、圧力チャンバ１１１には、インクを吐出するための圧力が生成されて、圧力チャンバ１１１内のインクはノズル１２２を介して吐出される。

インクに溶解されていた空気及び他のガス成分が温度上昇などの要因によって、気泡に成長する。また、印刷を行う間に、プリントヘッドのノズルを介して空気がプリントヘッド内に流入される。プリントヘッド内に気泡があれば、プリントヘッドの吐出能が低下する。また、気泡が温度の上昇につれて体積膨張を起こし、これは、プリントヘッド内の圧力均衡を崩して、ノズルを介したインクの漏れを引き起こす。

電場内で荷電されない気泡は、誘電分極される。不均一な電界は、分極された気泡を移動させる移動力を提供する。このように、荷電されない粒子が不均一な電界内で移動する現象を誘電泳動という。ここで重要となるのが気泡の移動方向である。移動方向は、分極による双極子モーメントの大きさに依存する。不均一な電界内で双極子モーメントの大きい粒子は、高電圧側に移動し、分極モーメントの小さな粒子は、低電圧が印加された電極側に移動する。双極子モーメントの大きさは、粒子の誘電率に依存する。真空の誘電率を１と定義するとき、気泡の主成分である空気の誘電率は、１．０００５程度である。また、水の誘電率は、８０程度である。インクジェットプリンティングに使われるインクの誘電率は、約１０〜８０である。したがって、一般的に、インクの誘電率は、気泡の誘電率より大きく、不均一な電界内において気泡は、低電圧が印加された電極側に移動する。不均一な電界によって気泡に加えられる力(ｆ）は、下記の数式１で表示されうる。

ここで、ε_ｐは気泡の誘電率、ε_ｍはインクの誘電率、ｒは気泡を球形であると仮定した時の半径を意味する。また、Ｒｅは、（ε_ｐ−ε_ｍ）／（ε_ｐ＋２ε_ｍ）の実数部を意味する。

前述したように、誘電泳動の原理を利用して気泡を除去するために、本実施形態のインクジェットプリントヘッドは、図２および図３に示すように、インク流路に不均一な電界を形成させる複数の電極１７０を備える。複数の電極１７０は、圧力チャンバ１１１の圧電アクチュエータ１４０と対向する底面１１１ａに設置される。絶縁層１６０は、複数の電極１７０を基板１１０及び圧力チャンバ１１１内のインクと絶縁させる。

図３は、絶縁層１６０が省略された図面である。電圧印加手段１８０は、複数の電極１７０に電圧を印加する。不均一な電界を形成するために、複数の電極１７０は、その形状が不均一である。例えば、電極１７０ａ、１７０ｃは、圧力チャンバ１１１の幅方向に延びた平板状であり、電極１７０ｂ、１７０ｄは、圧力チャンバ１１１の長手方向に突出したブランチのある平板状である。

これによって、複数の電極１７０の間には、不均一な電界が形成される。なお、複数の電極１７０の形状は、図３に示す例によって限定されない。気泡は、低電圧側に移動する。気泡をノズル１２２の周囲に移動させてから、アクチュエータ１４０を利用してインクを吐出して、気泡とインクとを共に排出することが望ましい。したがって、複数の電極１７０に電圧を印加するに当たって、ノズル１２２から遠いほど高電圧が印加され、近いほど低電圧が印加される。すなわち、電極１７０ａに最も高電圧が印加され、電極１７０ｄに最も低電圧が印加される。電極１７０の数は、特別に制限されない。電圧印加手段１８０は、複数の電極１７０の端子部１７１を通じて複数の電極１７０に電圧を印加する。

次に、前記のような構成による気泡除去方法について説明する。気泡除去作業を行うために、複数の電極１７０には、電圧が印加される。これによって、複数の電極１７０間には不均一な電界が形成される。気泡の分極によって発生した双極子モーメントと不均一な電界の勾配とにより、気泡には、数式１によって定義される力が作用される。インクに比べて誘電率の小さな気泡は、低電圧が印加された電極側に移動する。これによって、気泡は、図４の矢印で示すように、電極１７０ａから電極１７０ｄに順次に移動してノズル１２２周囲に集まる。その後、フレキシブル印刷回路１５０の配線１５１を通じて、上部電極１４３に駆動電圧を印加してインクを吐出する。それにより、ノズル１２２の周囲に集まった気泡は、インクと共にノズル１２２を介して排出される。

従来は、ノズル１２２を介して負圧を提供することにより、ノズルを介してインクと共に気泡を強制的に吸い込む方式が採用されていた。この場合、一般的にインク流路の壁面近く及び隅(図２の“ａ”で表示された部分)に存在する気泡を良好に除去することは困難である。このような気泡は、特に、圧電アクチュエータ１４０または熱駆動方式アクチュエータの駆動性能に大きい影響を及ぼす。本発明によるインクジェットプリントヘッド及び気泡除去方法によれば、誘電泳動を利用して気泡をノズル１２２の周囲に集めるので、インク流路の壁面近く及び隅に存在する気泡まで容易に除去できる。したがって、気泡によるインク液滴の吐出速度低下、インク液滴の体積の不均一性、吐出周波数の低下などを防止できる。また、気泡をノズル１２２の周囲に集めた後にインクを吐出して気泡を排出するので、気泡を除去するために消耗されるインクの量を画期的に減らすことができる。

前述した実施形態では、圧力チャンバ１１１の底面１１１ａに複数の電極１７０を設置したが、これによって、本発明の範囲が限定されるものではない。複数の電極１７０は、圧力チャンバ１１１の側壁１１１ｂだけでなく、圧力チャンバ１１１を形成する壁面のどこにも形成できる。但し、圧電アクチュエータ１４０が設置される上面１１１ｃは避けることが望ましい。また、複数の電極１７０は、リストリクター１１２にまで延びて設置されてもよい。

また、図５に示すように、複数の電極１７０に電圧を印加して気泡をノズル１２２の周囲に集めた後、ノズルキャップ１９１を利用して、ノズル１２２をキャッピングし、負圧提供手段１９０を利用して、ノズル１２２を介してインクと共に気泡を吸い込むことができる。負圧提供手段１９０は、例えば、真空ポンプでありうる。この場合、既に気泡のほとんどがノズル１２２の周囲に集まっているので、吸い込まれるインクの量を従来の吸い込みによって気泡を除去する方式に比べて、画期的に減らすことができる。また、インクと気泡を吸い込むための負圧の大きさも減らすことができるので、過度な負圧によってインク流路が破損される危険を減らすことができる。

また、複数の電極１７０には、周波数が変化する移動パルス形態の電圧が印加されうる。これによって、低電圧が印加された電極側に移動する気泡を加速することで、さらに迅速に気泡をノズル１２２の周囲に移動させることができる。

図１及び図２に示す流路形成基板１１０、ノズル基板１２０、及び圧電アクチュエータ１４０の構造は、一例に過ぎない。すなわち、インクジェットプリントヘッドには、多様な構造のインク流路が設けられ、このようなインク流路は、図１に示す二枚の基板１１０、１２０ではなく、それより多数の基板を使用して形成されてもよい。また、圧電アクチュエータ１４０の構造及び圧電アクチュエータと電圧印加用の駆動回路との連結のための構造も多様な構造に変形されうる。言い換えれば、本発明は、インク流路の構造、インク吐出方式などに特徴があるのではなく、インク流路内のバブルを除去するための構造及び気泡除去方法に特徴があるということをここで明確にしておく。

また、複数の電極１７０を利用して気泡を除去する方式は、圧電アクチュエータ１４０の代わりに、熱源を利用して圧力チャンバ１１１内にバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によってインクを吐出させる熱駆動方式のアクチュエータを採用する、熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドにも適用できるということは、当業者ならば理解できるであろう。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。本発明の真の技術的範囲は、特許請求の範囲によって決定される。

本発明は、インクジェットプリント関連の技術分野に好適に用いられる。

本発明によるインクジェットプリントヘッドの一実施形態の平面図である。 図１に示す本発明によるインクジェットプリントヘッドの一実施形態の垂直断面図である。 図２に示す本発明によるインクジェットプリントヘッドの一実施形態のＡ−Ａ'線の断面図である。 複数の電極によって形成された不均一な電界によって気泡が移動する様子を示す図面である。 気泡を除去するためにインクを吸い込む様子を示す図面である。

符号の説明

１００ 装置
１０２ 部品
１１０ 流路形成基板
１１１ 圧力チャンバ
１１２ リストリクター
１１３ マニフォールド
１１４ 振動板
１２０ ノズル基板
１２２ ノズル
１３１ シリコン酸化膜
１４０ アクチュエータ
１４１ 下部電極
１４２ 圧電膜
１４３ 上部電極
１５０ フレキシブル印刷回路
１５１ 配線
１６０ 絶縁層
１７０ 電極
１７１ 端子部
１８０ 電圧印加手段
１９０ 負圧提供手段
１９１ ノズルキャップ

Claims (7)

1. 圧力チャンバを備えるインク流路と；
   前記圧力チャンバと連通されたノズルと；
   前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供するアクチュエータと；
   前記ノズルに向かう方向に分離して配置され、前記ノズルに近いほど低電圧が印加され、前記インク流路に不均一な電界を形成してインク内の気泡を前記ノズルから排出するために前記ノズルの周囲に集める複数の電極と；
   を備えることを特徴とする、インクジェットプリントヘッド。
2. 前記複数の電極には、周波数が変化する電圧が印加されることを特徴とする、請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記複数の電極は、前記インク流路を形成する壁面に設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 圧力チャンバを備えるインク流路、前記圧力チャンバと連通されたノズル、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供するアクチュエータ、及び前記ノズルに向かう方向に分離して配置され、前記インク流路に設けられる複数の電極を備えるインクジェットプリントヘッドの気泡除去方法であって：
   前記複数の電極に電圧を印加する段階であって、前記ノズルに近いほど低電圧を印加する段階と；
   前記複数の電極によって形成される不均一な電界と、インク内の気泡の双極子モーメントとによって発生する誘電泳動力によって、インク内の前記気泡を前記ノズルから排出するために前記気泡を前記ノズル側に移動させて前記ノズルの周囲に集める段階と；
   前記気泡を前記ノズルを介して排出する段階と；
   を含むことを特徴とする、インクジェットプリントヘッドの気泡除去方法。
5. 前記気泡を排出する段階において、前記アクチュエータを駆動して、前記ノズルを介してインクと共に前記気泡を排出することを特徴とする、請求項４に記載のインクジェットプリントヘッドの気泡除去方法。
6. 前記気泡を排出する段階において、前記ノズルを介して負圧を与えることで、前記気泡を前記ノズルに吸い込むことを特徴とする請求項４に記載のインクジェットプリントヘッドの気泡除去方法。
7. 前記複数の電極に周波数が変化する電圧を印加して、前記気泡を加速させることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの気泡除去方法。

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