(57)【要約】【課題】固形物が分散された液体を、安定して吐出させることができる液滴吐出ヘッドを提供することである。【解決手段】固形物を分散させた液体が供給される液室５と、液室５の先端に対向するノズル８が形成されたノズルプレート４と、液室５内の液体を８ノズルから液滴として吐出させる駆動手段１２と、を具備し、ノズルプレート４の少なくともノズル８の開口周縁近傍における表面４ａの臨界表面張力は、ノズル８の内壁８ａの臨界表面張力と同等の値に設定されている。したがって、固形物が分散された液体を、安定して吐出させることができる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形物を分散させた液体が供給される液室と、
前記液室の先端に対向するノズルが形成されたノズルプレートと、
前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出させる駆動手段と、
を具備し、
前記ノズルプレートの少なくとも前記ノズルの開口周縁近傍における表面の臨界表面張力は、前記ノズルの内壁の臨界表面張力と同等の値に設定されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
固形物を分散させた液体が供給される液室と、
前記液室の先端に対向するノズルが形成されたノズルプレートと、
前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出させる駆動手段と、
を具備し、
前記ノズルプレートの少なくとも前記ノズルの開口周縁近傍における表面は、前記ノズルの内壁と同一部材により形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
固形物を分散させた液体が供給される液室と、
前記液室の先端に対向するノズルが形成されたノズルプレートと、
前記液室内の液体を前記ノズルから液滴として吐出させる駆動手段と、
を具備し、
前記ノズルプレートの少なくとも前記ノズルの開口周縁近傍における表面の臨界表面張力と、前記ノズルの内壁の臨界表面張力とは、前記液体の表面張力より高い値に設定されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記液体は、非水系溶剤と着色のための固形物とを含むインクであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液体は、輻射線により硬化するインクであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
輻射線により硬化する前記インクは、紫外線硬化型のインクであることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固形物を分散させたインクを含む液体を液滴として吐出させる液滴吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の液滴吐出ヘッドの身近な使用例として、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドが挙げられる。このインクジェットヘッドは、インクが供給される液室と、その液室の先端に対向するノズルが形成されたノズルプレートと、液室内のインクをノズルからインク滴として吐出させる駆動手段とを具備することを基本的な構成としている。
【０００３】
一般的には、ノズルの内壁は、インク滴の流通をよくするために親インク処理を施すなどの方法によって濡れ性がよくなるように製作されている。これにより、そのノズルの内壁の臨界表面張力は高くなる。これに対し、ノズルプレートの表面、特にノズルの開口周縁近傍の部分の濡れ性がよすぎると、ノズル開口周縁においてインクの切れが悪くなるので、ノズルプレートを撥インク材により形成するか、撥インク処理を施すことにより、ノズルプレートの表面の臨界表面張力を低く抑え、ノズルプレート表面での撥インク性を高めている。
【０００４】
一方、インクには、水性インク、油性インク、溶剤インク、紫外線硬化インクなどがあり、着色のための色材としては、液中に溶解可能な染料、液中に分散される顔料などの固形物がある。固形物を分散させた紫外線硬化インクは、吐出後１秒以下の短時間に硬化し、耐磨耗性に優れているなどの利点があるため使用が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固形物を分散させたタイプのインクは、インクを吐出させずに放置した後では、直ぐにインクを吐出させることができない現象がある。この現象について図７を参照して説明すれば、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力に対してインクの表面張力が高すぎる場合にノズル８の開口周縁にインク滴が集まり、ノズル８のエッジ８ｂを基点に顔料などの固形物が凝集し易くなることが原因として考えられている。このことは、撥インク処理などによってノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力が、インクの表面張力に対して低すぎる場合も同様である。図７は従来例におけるノズル８の開口面にインク１３の固形物１４が凝集する状態を示す説明図である。固形物１４はノズル８の開口縁のエッジ８ｂの付近に凝集し、この固形物１４の凝集の分布は時間の経過とともに拡大してその部分でのインク１３の粘度などの物性が変化するので、インク１３はさらに吐出し難くなる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、固形物が分散された液体を、安定して吐出させることができる液滴吐出ヘッドを提供することである。この場合の液体とは、インクのみならず、色材以外の固形物を分散させた液体を含むものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の液滴吐出ヘッドは、ノズルプレートの少なくともノズルの開口周縁近傍における表面の臨界表面張力及びノズルの内壁の臨界表面張力が適正に設定されている。したがって、固形物が分散された液体を、安定して吐出させることが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１ないし図６を参照して本発明の一実施の形態について説明する。本実施の形態における液滴吐出ヘッドはインクジェットヘッドである。図１はインクジェットヘッドの縦断側面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線部の縦断正面図、図３及び図４はノズルプレートの縦断側面図、図５はインクを吐出させない放置時間とインクが吐出しないノズルの本数との関係を実験により示したグラフ、図６はノズルの開口面にインク中の固形物が凝集する状態を示す説明図である。
【０００９】
まず、図１及び図２を参照してインクジェットヘッド１の概略の構成を説明する。インクジェットヘッド１は、ヘッド基板２とその両側に接合された振動板３及びノズルプレート４を有し、ヘッド基板２には多数の液室５と、これらの液室５に連通された共通液室６とが形成されている。多数の液室５は、図１においては紙面に対して垂直方向に沿って配列され、図２においては紙面において左右方向に沿って配列され、各液室５は側壁７（図２参照）によって仕切られている。ノズルプレート４には各液室５に連通されたノズル８が形成されている。振動板３の背面には、個々の液室５に対応する多数の圧電部材９と共通電極１０とが固着されている。そして、前述した振動板３と、多数の圧電部材９と、共通電極１０と、これらの圧電部材９と共通電極１０との間に電気的に接続された駆動信号発生手段１１とにより、液室５内の液体をノズル８から液滴として吐出させる駆動手段１２が形成されている。本実施の形態における駆動手段１２は、圧電部材９をアクチュエータとして用いているが、これに限られるものではない。例えば、アクチュエータとして圧電部材９に代えて発熱体を用い、この発熱体の発熱によりインクを沸騰させることにより、インク滴をノズル８から吐出するように構成してもよい。
【００１０】
各液室５には共通液室６を介して液体が供給される。液体は、色材として顔料などの固形物を分散させたインクであるが、これには、非水系溶剤と着色のための固形物とを含むインク、輻射線により硬化するインクなどが挙げられる。輻射線により硬化するインクとしては、紫外線硬化型のインクが挙げられる。この紫外線硬化型のインクは、具体的には、顔料などの固形物と、モノマー、オリゴマー、光重合開始剤、分散剤、表面張力調整剤からなる。
【００１１】
したがって、液滴を吐出させるべき所望の液室５に対応する圧電部材９に駆動発生信号発生手段から信号（電圧のパルス）印加すると選択された圧電部材９の起歪動作により振動板３が振動する。この振動板３の振動により選択された液室５の容積が変化し、容積が増える過程で共通液室６のインクが液室５に吸引され、液室５の容積が縮小する過程で液室５内のインクがインク滴（液滴）としてノズル８から吐出される。
【００１２】
このように、液滴吐出ヘッド１は、液室５と、ノズル８が形成されたノズルプレート４と、液室５内の液体をノズル８からインク滴として吐出させる駆動手段１２とを具備し、ノズルプレート４の表面４ａは、ノズル８の内壁８ａと同一の材料により形成されている。これにより、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力は、ノズル８の内壁８ａの臨界表面張力と同等の値に設定されている。ノズルプレート４の表面４ａとノズル８の内壁８ａとを形成する材料は、この例ではポリイミド樹脂であるが、これに限られるものではない。
【００１３】
ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力を、ノズル８の内壁８ａの臨界表面張力と同等の値に設定するために、図４に示すように、ノズルプレート４の表面に別の材料のシート４ｂを接合したり、別の材料の膜をコーティングなどにより成膜してもかまわない。さらに、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力を、ノズル８の内壁８ａの臨界表面張力と同等の値に設定することを条件として、ノズルプレート４はポリイミド樹脂製に限られるものではなく、ステンレスやニッケルなどの金属プレートを用いてもよい。
【００１４】
ここで、上記のように、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力をノズル８の内壁８ａの臨界表面張力と同等の値に設定したインクジェットヘッド１と、従来のインクジェットヘッドとの比較実験の結果について説明する。従来のインクジェットヘッドとは、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力が、ノズル８の内壁８ａの臨界表面張力に対して低い値に設定されているものである。すなわち、ノズルプレート４の表面４ａでの撥インク性を高めたインクジェットヘッドである。
【００１５】
比較は、全てのノズル８からインク１３（図６参照）を吐出させ、その吐出時点からインク１３を吐出させずに放置し、その放置時間の経過毎にインク１３が吐出しないノズル８の本数がどの位発生したかを調べることによって比較した。図５において、横軸は放置時間、縦軸はインク１３が吐出しないノズル８の本数である。従来のインクジェットヘッドは、図５に点線で示すように２時間放置辺りからインク１３が吐出しないノズル８が発生し始め、１０時間放置後にはインク１３が吐出しないノズル８の本数が略３００本も発生している。
【００１６】
これに対して、本実施の形態におけるインクジェットヘッド１は、図５に実線で示すように、１５時間放置してもインク１３が吐出しないノズル８はなく、２５時間放置後にインク１３が吐出しないノズル８が１、２本発生したが、６０時間放置しても、インク１３が吐出しないノズル８の増加傾向が数本程度と極めて低いことが確認された。これは、吐出後に短時間で硬化する紫外線硬化型のインク１３を用いる場合に極めて有利である。このようにインク１３が吐出しないノズル８の本数が極めて少ないのは、図６に示すように、ノズルプレート４の表面４ａに濡れ性があり、ノズル８の開口周縁にインク滴が立つことがないため、ノズル８の開口面のエッジ８ｂにインク１３中の固形物１４が凝集し難いことによるものである。
【００１７】
以上のように、固形物１４が分散されたインク１３を安定してノズル８から吐出させることができるという効果は、上記のように、液室５と、ノズル８が形成されたノズルプレート４と、液室５内のインク１３をノズル８からインク滴として吐出させる駆動手段１２と、を具備し、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力と、ノズル８の内壁８ａの臨界表面張力とは、インク１３の表面張力より高い値に設定されている液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド１）においても同様に得ることができる。
【００１８】
この場合のインクジェットヘッド１の構成は、ノズルプレート４の表面４ａとノズル８の内壁８ａとが同一材料で形成されている場合に限られるものではなく、例えば、使用するインク１３の表面張力が３０ｍＮ／ｍのとき、ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力及びノズル８の内壁８ａの臨界表面張力を、インク１３の表面張力より高く設定することにより同様に得ることができる。ノズルプレート４の表面４ａの臨界表面張力及びノズル８の内壁８ａの臨界表面張力をインク１３の表面張力より高くする方法として親インク処理が挙げられる。この親インク処理は、機械的に表面を粗す方法、化学的に表面を粗す方法などの方法で表面を粗したシートを、ノズルプレート４に固着することなどにより実現可能である。
【００１９】
なお、ノズルプレート４の表面の材料、臨界表面張力について説明したが、この材料や臨界表面張力を定める対象範囲は、ノズルプレート４の表面４ａの全域に限られるものではなく、少なくともノズル８の開口周縁の近傍を対象範囲としても、本発明が目的とする効果を得ることができる。
【００２０】
本発明は、着色を目的としない固形物、例えば透明な樹脂などの固形物を分散させた液体を記録媒体以外の面に向けてノズルから吐出させる液滴吐出ヘッドにも適用可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、ノズルプレートの少なくともノズルの開口周縁近傍における表面の臨界表面張力及びノズルの内壁の臨界表面張力が適正に設定されているので、固形物が分散された液体を、安定して吐出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるインクジェットヘッドの縦断側面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線部の縦断正面図である。
【図３】ノズルプレートの縦断側面図である。
【図４】ノズルプレートの縦断側面図である。
【図５】インクを吐出させない放置時間とインクが吐出しないノズルの本数との関係を実験により示したグラフである。
【図６】ノズルの開口面にインク中の固形物が凝集する状態を示す説明図である。
【図７】従来例におけるノズルの開口面にインク中の固形物が凝集する状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１…液滴吐出ヘッド、４…ノズルプレート、４ａ…表面、５…液室、８…ノズル、８ａ…ノズルの内壁、１２…駆動手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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