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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-168170(P2015-168170A)
(43)【公開日】2015年9月28日
(54)【発明の名称】インクジェットプリントヘッド
(51)【国際特許分類】
B41J 2/045 20060101AFI20150901BHJP
B41J 2/055 20060101ALI20150901BHJP
【ＦＩ】
B41J3/04 103A
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2014-45314(P2014-45314)
(22)【出願日】2014年3月7日
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】000003562
【氏名又は名称】東芝テック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000235
【氏名又は名称】特許業務法人 天城国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】室地 伸昭
【テーマコード（参考）】
2C057
【Ｆターム（参考）】
2C057AF93
2C057AG15
2C057AG45
2C057AP14
2C057AP22
2C057AP52
2C057AQ03
2C057BA03
2C057BA14
(57)【要約】
【課題】装置の製造時や、装置の廃棄時の環境負荷を低減する。【解決手段】一実施形態によれば、インクジェットプリントヘッドは、基板と、複数のアクチュエータと、バッファ材と、オリフスプレートを備える。複数のアクチュエータは、前記基板と平行な第１軸方向へ配列される。バッファ材は、無鉛材料からなり、前記基板に対して、前記アクチュエータを支持する。オリフスプレートは、前記バッファ材と前記アクチュエータによって規定される圧力室に通じる開口が形成され、前記基板と平行に支持される。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板と平行な軸方向へ配列される複数のアクチュエータと、
無鉛材料からなり、前記基板に対して、前記アクチュエータを支持するバッファ材と、
前記バッファ材と前記アクチュエータによって規定される圧力室に通じる開口が形成され、前記基板と平行に支持されるオリフィスプレートと、
を備えるインクジェットプリントヘッド。
前記基板と平行な軸方向へ配列される複数のアクチュエータと、
無鉛材料からなり、前記基板に対して、前記アクチュエータを支持するバッファ材と、
前記バッファ材と前記アクチュエータによって規定される圧力室に通じる開口が形成され、前記基板と平行に支持されるオリフィスプレートと、
を備えるインクジェットプリントヘッド。
【請求項2】
バッファ材は絶縁材料からなる請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
【請求項3】
前記アクチュエータは、前記基板に直交する方向に配列される２つの圧電素子を有する請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
【請求項4】
前記基板には、前記圧力室に供給されるインクが流入する流入口と、前記圧力室から流出する流出口が形成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、インクジェットプリントヘッドに関する。
【背景技術】
【0002】
液体インクを紙などの記録媒体に吹き付けることにより印刷を行うインクジェットプリンタでは、印刷が行われない待機時間が長期化すると、プリントヘッドに設けられたノズル内のインクが乾燥する。ノズル内のインクが乾燥すると、インクの粘度が高くなったりインクが固形化し、ノズルの目詰まりが発生する。
【0003】
そこで、プリントヘッドのノズル内で、インクの乾燥を防止するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【0004】
従来のインクジェットプリントヘッドは、シェアモードシェアードウォール型のインクジェットプリントヘッドである。このインクジェットプリントヘッドは、圧電素子によって規定される圧力室を有している。そして、この圧力室内のインクを、圧電素子を変形させることにより、記録媒体に吐出する。
【0005】
特許文献１に開示された従来のインクジェットプリントヘッドでは、圧力室とインク室が隣接して設けられている。このため、当該圧力室を規定する圧電素子の大きさは、たとえ圧力室が小さい場合であっても、インク室の大きさに基づいて規定されている。
【0006】
一般に、圧電素子としては、チタン酸ジルコン酸鉛などの鉛を含むピエゾ素子がよく用いられる。このため、インクヘッドの製造時や、インクヘッドを廃棄処分するときの環境負荷を考慮する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１３−６３３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、装置の製造時や、装置の廃棄時の環境負荷を低減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するため、本実施形態に係るインクジェットプリントヘッドは、基板と、アクチュエータと、バッファ材及びオリフィスプレートを備える。複数のアクチュエータは、前記基板と平行な軸方向へ配列される。バッファ材は、無鉛材料からなり、前記基板に対して、前記アクチュエータを支持する。オリフスプレートは、前記バッファ材と前記アクチュエータによって規定される圧力室に通じる開口が形成され、前記基板と平行に支持される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態に係るプリントヘッドを示す斜視図である。
【図2】プリントヘッドの展開斜視図である。
【図3】駆動ユニットの一部を拡大して示す図である。
【図4】電極パターンを示す図である。
【図5】アクチュエータの動作を説明するための図である。
【図6】アクチュエータの動作を説明するための図である。
【図7】ベース基板に接着されたフレームを示す図である。
【図8】プリントヘッドの断面図である。
【図9】プリントヘッドの製造工程を説明するための図である。
【図10】プリントヘッドの製造工程を説明するための図である。
【図11】プリントヘッドの製造工程を説明するための図である。
【図12】プリントヘッドの製造工程を説明するための図である。
【図13】プリントヘッドの製造工程を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。説明には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を用いる。
【0012】
図１は、本実施形態に係るプリントヘッド（インクジェットプリントヘッド）１０を示す斜視図である。プリントヘッド１０は、シェアモードシェアードウォール型のプリントヘッドである。このプリントヘッド１０は、ベース基板２０、フレーム３０、オリフィスプレート４０を有している。
【0013】
図２は、図１に示されるプリントヘッド１０の展開斜視図である。図２に示されるように、ベース基板２０は、長手方向をＸ軸方向とする長方形板状の部材である。ベース基板２０は、アルミナやセラミックからなり、Ｙ軸方向中央部には、Ｘ軸に沿って複数の開口２１が形成されている。また、開口２１の−Ｙ側には、Ｘ軸に沿って複数の開口２２１が形成され、開口２１の＋Ｙ側には、Ｘ軸に沿って４つの開口２２２が形成されている。
【0014】
ベース基板２０の上面には、２つの駆動ユニット５０１，５０２が配置されている。図２に示されるように、駆動ユニット５０１は、開口２１と開口２２１の間に配置され、駆動ユニット５０２は、開口２１と開口２２２の間に設けられている。
【0015】
図３は、駆動ユニット５０の一部を拡大して示す図である。図３に示されるように、駆動ユニット５０は、ベース基板２０の上面に接着されるバッファ材５１、バッファ材５１に支持される複数のアクチュエータ５０ａからなる。
【0016】
バッファ材５１は、ＺＹ断面が台形で、長手方向をＸ軸方向とする部材である。バッファ材５１は、例えば、ガラスエポキシ樹脂、或いはポリイミドなどの絶縁材料からなる。このバッファ材５１の上面には、上方（＋Ｚ方向）に突出する突出部５１ａが、Ｘ軸に沿って等間隔に形成されている。また、バッファ材５１の下面は、接着層５４を介して、ベース基板２０の上面に接着されている。
【0017】
アクチュエータ５０ａは、２つの圧電素子５２，５３を有している。圧電素子５２は、接着層５５を介してバッファ材５１の突出部５１ａに接着されている。また、圧電素子５３は、圧電素子５２の上面に、接着層５６を介して接着されている。このように、駆動ユニット５０は、バッファ材５１と、２つの圧電素子５２，５３からなる三層構造の部材となっている。
【0018】
圧電素子５２，５３は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするピエゾ素子である。圧電素子５２，５３それぞれの分極方向はＺ軸に平行であり、圧電素子５２の極性と、圧電素子５３の極性は逆になっている。圧電素子５２，５３それぞれの＋Ｙ側の側面は、バッファ材５１の＋Ｙ側の面と連続する平面となり、圧電素子５２，５３それぞれの−Ｙ側の側面は、バッファ材５１の−Ｙ側の面と連続する平面となるように、圧電素子５２，５３それぞれが整形されている。
【0019】
駆動ユニット５０では、隣接する１組のアクチュエータ５０ａと、これらを支持する１組の突出部５１ａの間が、圧力室Ｓとなっている。また、本実施形態では、図２に示されるように、駆動ユニット５０１のアクチュエータ５０ａの配列ピッチと、駆動ユニット５０２のアクチュエータ５０ａの配列ピッチは等しいが、駆動ユニット５０２のアクチュエータ５０ａの位置が、−Ｘ方向へオフセットしている。このため、駆動ユニット５０１の圧力室Ｓに対して、駆動ユニット５０２の圧力室Ｓは、アクチュエータ５０ａの配列ピッチの１／２だけ、−Ｘ方向にオフセットしている。
【0020】
また、図１乃至３で図示が省略されているが、図４示さるように、各圧力室Ｓの内壁面から、ベース基板２０の上面にかけて、電極パターン６０が形成されている。この電極パターン６０は、例えば、ニッケル膜からなるパターンであり、アクチュエータ５０ａに電圧を印加するための電極として機能する。
【0021】
各電極パターン６０に選択的に電圧を印加することで、図５に示されるように、直線的になっているアクチュエータ５０ａを、図６に示されるように、屈曲させることができる。アクチュエータ５０ａが屈曲すると、圧力室Ｓの体積が小さくなり、オリフィスプレート４０の開口４１からインクが吐出する。
【0022】
なお、図５に示される圧電素子５２，５３の厚さｄ２，ｄ３は、８０μｍ程度であり、バッファ材５１の厚さｄ１は、０．３ｍｍ程度である。
【0023】
図２に戻り、フレーム３０は、長手方向をＸ軸方向とする部材である。フレーム３０は、例えば、セラミックやアルミナ、又は、表面が絶縁材料によって被覆されたアルミニウム或いはステンレスなどの金属からなる。また、フレーム３０は、ベース基板２０よりも一回り小さい。
【0024】
フレーム３０の中央には、開口３１が形成されている。開口３１の内壁面には、外側に向かって窪む８つの凹部３２が形成されている。フレーム３０は、図７に示されるように、ベース基板２０に接着される。この状態のときには、フレーム３０の内壁面に形成された凹部３２に、ベース基板２０に形成された開口２２が位置した状態になる。
【0025】
図２に戻り、オリフィスプレート４０は、ポリイミド等を素材とし、長手方向をＸ軸方向とする長方形のシートである。オリフィスプレート４０のＸ軸方向の大きさは、フレーム３０のＸ軸方向の大きさよりもやや小さいか、もしくは等しい。また、オリフィスプレート４０のＹ軸方向の大きさは、フレーム３０のＹ軸方向の大きさよりやや小さいか、もしくは等しい。
【0026】
このオリフィスプレート４０には、Ｘ軸に沿って等間隔に円形の開口４１１が形成されている。また、開口４１１の＋Ｙ側には、Ｙ軸に沿って等間隔に円形の開口４１２が形成されている。開口４１は、プリントヘッド１０を循環するインクを、紙などの記録媒体に吐出するためのノズルとして機能する。これらの開口４１の配列ピッチは、図２に示されるアクチュエータ５０ａのＸ軸方向の配列ピッチに等しい。
【0027】
オリフィスプレート４０は、図１に示されるように、フレーム３０の上面に接着される。図５を参照するとわかるように、この状態のときには、オリフィスプレート４０に設けられた開口４１が、アクチュエータ５０ａによって規定される圧力室Ｓそれぞれの上方に位置する。
【0028】
上述のように構成されるベース基板２０、フレーム３０、オリフィスプレート４０は、ベース基板２０の上面にフレーム３０が接着され、フレーム３０の上面にオリフィスプレート４０が接着されることで一体化される。図８は、図１に示されるプリントヘッド１０のＡＡ断面を示す図である。図８に示されるように、ベース基板２０、フレーム３０、オリフィスプレート４０が一体されたときには、圧力室Ｓの上方がオリフィスプレート４０によって塞がれた状態になる。
【0029】
これにより、ベース基板２０に形成される開口２１，２２と、駆動ユニット５０の圧力室Ｓとの間をインクが循環するための流路が形成される。図８の実線で示されるように、プリントヘッド１０では、ベース基板２０の開口２１から流入したインクは、駆動ユニット５０の圧力室Ｓを通過して、ベース基板２０の開口２２から流出する。
【0030】
また、インクが、図８の実線で示されるように循環しているときに、図４に示される電極パターン６０に選択的に電圧を印加すると、アクチュエータ５０ａが、図５に示される状態から、図６に示される状態に変形する。これにより、圧力室Ｓが収縮して、図８の白抜き矢印に示されるように、オリフィスプレート４０に形成された開口４１からインクが吐出する。
【0031】
次に、上述のように構成されたプリントヘッド１０の製造方法について説明する。まず、ベース基板２０と同じ素材からなる基板２００を準備する。そして、図９に示されるように、この基板２００に、機械加工を施して、開口２１，２２を形成する。
【0032】
次に、図１０を参照するとわかるように、ベース基板２０の上面に、バッファ材５１と同じ素材からなる２枚のシート５１０を接着する。シート５１０の接着には、例えば、熱硬化性を有する接着材或いは紫外線硬化性を有する接着材を用いることができる。これにより、２枚のシート５１０それぞれは、開口２１と開口２２の間に固定される。
【0033】
次に、圧電素子５２と同じチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする２枚のシート５２０を、２枚のシート５１０の上面にそれぞれ張り付ける。なお、シート５２０の分極方向はシート５２０の法線に平行な方向である。ここでは、シート５２０の極性が＋Ｚ方向になるように、シート５２０を、シート５１０に接着する。
【0034】
続いて、圧電素子５３と同じチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする２枚のシート５３０を、２枚のシート５２０の上面にそれぞれ張り付ける。シート５２０と同様に、このシート５３０の分極方向はシート５３０の法線に平行な方向である。ここでは、シート５３０の極性が、シート５２０の極性とは逆の−Ｚ方向になるように、シート５３０を、シート５２０に接着する。なお、シート同士を接着する工程では、各シートの間に気泡が入らないように、真空雰囲気下で、それぞれのシートを加圧圧着するのが好ましい。
【0035】
以上の工程を経ることにより、ベース基板２０の上面に、積層された３枚のシート５１０，５２０，５３０からなる２つのシートブロック５００１，５００２が形成される。
【0036】
次に、図１１に示されるように、ダイヤモンドソーなどを用いて、シートブロック５００１，５００２のＺＹ断面が台形になるように、シートブロック５００１，５００２それぞれの側面を、切削する。
【0037】
次に、図１２に示されるように、ダイヤモンドソーなどを用いて、シートブロック５００１，５００２それぞれに、シート５３０の上面からシート５１０に達しＹ軸に平行な溝５００ａを、Ｘ軸に沿って等間隔に形成する。シートブロック５００１，５００２それぞれを構成するシート５２０，５３０は、溝５００ａが形成されることにより、小片に分割される。シート５２０が分割されることにより形成される小片は、図３に示される圧電素子５２となる。また、シート５３０が分割されることにより形成される小片は、圧電素子５３となる。これにより、アクチュエータ５０ａが形成される。
【0038】
次に、隣接するアクチュエータ５０ａの間から基板２００の上面に、図４に示される電極パターン６０を形成する。この電極パターン６０は、例えば、スパッタ法を用いて、シートブロック５００及び基板２００の表面全体にニッケルからなるソリッドパターン（べたパターン）を形成し、このソリッドパターンを、パターニングすることにより形成することができる。基板２００に電極パターン６０を形成することで、図２に示されるベース基板２０が完成する。
【0039】
次に、図１３に示されるように、ベース基板２０の上面に、フレーム３０を接着するとともに、フレーム３０の上面に、オリフィスプレート４０となるシート４００を接着する。これにより、アクチュエータ５０ａとシート４００によって囲まれる部分に圧力室Ｓが形成される。
【0040】
次に、シート４００の上面にレーザ光を照射して、シート４００の上方から圧力室Ｓに通じる開口４１を形成する。これにより、開口４１が形成されたシート４００は、図８に示されるように、開口４１がノズルとなったオリフィスプレート４０となる。
【0041】
プリントヘッド１０は、以上の工程を経て、製造される。このプリントヘッド１０は、電極パターン６０に、ドライバＩＣが接続され、ベース基板２０の開口２１，２２に、インク循環系が接続される。
【0042】
以上説明したように、本実施形態に係るプリントヘッド１０では、図３を参照するとわかるように、２つの圧電素子５２，５３からなるアクチュエータ５０ａが、バッファ材５１に形成される突出部５１ａによって支持される。これにより、従来、圧電素子のみから構成される駆動ユニット５０を、バッファ材と圧電素子によって構成することができ、プリントヘッド１０に使用される圧電素子の割合を小さくすることができる。
【0043】
したがって、プリントヘッド１０の製造時に、圧電材料を切削することなどにより発生するチタン酸ジルコン酸鉛などの特定有害物質の発生量を削減することができる。また、プリントヘッド１０に使用される圧電材料の量が少なくなるため、プリントヘッド１０を廃棄する際に生じるチタン酸ジルコン酸鉛などの特定有害物質の量を削減することができる。したがって、プリントヘッドの製造時や、プリントヘッドの廃棄時に発生する特定有害物質を含む廃棄物の量を少なくすることができ、環境負荷を低減することが可能となる。
【0044】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、バッファ材５１が、ガラスエポキシ樹脂、或いはポリイミドなどの絶縁材料からなることとした。バッファ材５１の材料はこれに限られるものではなく、例えば、ＰＥＴなどの他の材料から構成されていてもよい。
【0045】
上記実施形態では、アクチュエータ５０ａを構成する圧電素子５２，５３の厚さが相互に等しい場合について説明した。これに限らず、圧電素子５２，５３の厚さは、圧電素子５２，５３相互間で異なっていてもよい。プリントヘッド１０の用途、解像度に応じて、圧電素子５２，５３の大きさや形状を決定することができる。
【0046】
上記実施形態では、スパッタ法を用いて電極パターン６０を形成する場合について説明した。これに限らず、無電解めっき及び電界めっきからなるめっき膜を、シートブロック５００及び基板２００の表面全体に形成し、シートブロック５００及び基板２００の表面全体に形成されたソリッドパターン（べたパターン）をパターニングすることにより、電極パターン６０を形成することとしてもよい。
【0047】
また、シートブロック５００及び基板２００の表面全体に、蒸着法を用いて、ソリッドパターンを形成し、このソリッドパターンをパターニングすることにより、電極パターン６０を形成することとしてもよい。ソリッドパターンに対しては、レーザ光を用いたパターニングや、ルータ等を用いたパターニングを行うことが考えられる。また、マスクを用いて、電極パターン６０が形成される部分にのみ、金属膜を形成することとしてもよい。
【0048】
上記実施形態では、ベース基板２０と、フレーム３０が、セラミックやアルミナ等から形成されている場合について説明した。ベース基板２０及びフレーム３０の素材は、上記材料に限定されるものではなく、例えば樹脂等であってもよい。
【0049】
上記実施形態では、オリフィスプレート４０が、ポリイミド等からなる場合について説明した。これに限らず、オリフィスプレート４０は、ポリイミド以外の金属や樹脂から構成されていてもよい。
【0050】
上記実施形態では、フレーム３０とオリフィスプレート４０とを接着してから、オリフィスプレート４０に開口４１を形成することとした。これに限らず、プレス加工や電鋳により、あらかじめ開口４１が形成されたオリフィスプレート４０を、フレーム３０に張り付けることとしてもよい。
【0051】
上記実施形態に係るプリントヘッド１０は一例であり、ベース基板２０に形成される開口２１，２２の数や、アクチュエータ５０ａの数は、プリントヘッド１０の用途や解像度に応じて、適宜変更することができる。
【0052】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら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。
【符号の説明】
【0053】
１０ プリントヘッド２０ ベース基板
２１ 開口
２２ 開口
３０ フレーム
３１ 開口
３２ 凹部
４０ オリフィスプレート
４１ 開口
５０ 駆動ユニット
５０ａ アクチュエータ
５１ バッファ材
５１ａ 突出部
５２，５３ 圧電素子
５４〜５６ 接着層
６０ 電極パターン
２００ 基板
４００ シート
５００ シートブロック
５００ａ 溝
５１０，５２０，５３０ シート
Ｓ 圧力室