JP2005153248A - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リザーバを介したノズル間での圧力干渉を抑制することを可能とし、精度良く液滴をすることができることを目的とする。
【解決手段】 ノズルプレート３及びキャビティプレート１である基板を相互に重ね合わせることにより、これらの間に、振動板５を有してノズル２０から液滴を吐出させる複数の圧力室６と、各圧力室６に液体を供給するリザーバ８と、各圧力室をリザーバに連通させている液滴供給口２１との各流路が平面方向に配列された液滴吐出ヘッドにおいて、圧力室６以外の流路に、圧力変動を緩衝させるための複数の圧力変動緩衝室９を設けているので、圧力室６から伝達する吐出圧力を圧力変動緩衝室９で吸収することができ、リザーバ８全体への圧力変動を減少させ、リザーバ８に生じた圧力変動は再び各圧力変動緩衝室９で吸収されることにより、ノズル２０間の圧力干渉を確実に防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は例えばインクジェット記録装置の液滴を吐出するインクジェットヘッド等の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置、更に詳しくはノズル間の圧力干渉を防止するのに適した構造に関するものである。

一般的に、圧力室の圧力変動を利用して記録に必要なときのみインク液滴を吐出させる構成のインクジェットヘッドは、複数のインクノズルのそれぞれに対応して配置され、圧力変動によって対応するインクノズルからインク液滴を吐出させる圧力室と、各圧力室にインクを供給するインクリザーバと、各圧力室に前記インクリザーバに連通させているインク供給口とを有している。圧力室、インクリザーバ及びインク供給口は、平板状の基板を重ね合わせることにより、それらの基板間に平面方向に配列された状態に区画形成されている。

そして、インク液滴を吐出させるために圧力室に圧力変動を発生させると、その圧力（吐出圧力）はインクリザーバに伝達し、インクリザーバを介してインクノズル間で相互に圧力干渉が発生する。そのため、駆動ノズル数（デューティ）に応じて、インクリザーバを介した圧力干渉により、インク液滴の吐出量やインク速度が変化する。
更には、吐出させたいインクノズル（駆動ノズル）以外のインクノズル（非駆動ノズル）からインク液滴が漏れ出てしまうといった弊害が生じていた。

このような弊害を回避するために、従来のインクジェットヘッドは、ノズルプレートの基板及びキャビティープレートである基板を相互に重ね合わせることにより、これらの間に、インクを吐出する複数のインクノズルのそれぞれに対応して配置され、圧力変動によって対応するインクノズルからインク液滴を吐出させる圧力室と、各圧力室のインクを供給するインクリザーバと、各圧力室を前記インクリザーバに連通させているインク供給口とが平面方向に配列された状態に区画形成されているインクジェットヘッドにおいて、前記インクリザーバを区画形成している平面方向に延びる仕切り壁部分に、前記インクリザーバの圧力変動を緩衝させるため、薄い厚さの圧力変動緩衝部分（ダイアフラム）を形成している。これにより小型でありながら、インクリザーバを介した圧力干渉による不具合を軽減している（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１１５１７９号公報（第１頁、図３）

しかしながら、従来のインクジェットヘッドでは、ノズル数が多く平面面積が大きいインクリザーバに１つの圧力変動緩衝部分を形成しているため、圧力変動緩衝部分（ダイアフラム）が板の撓み変形を生じた場合に、固定端の近傍では圧力変動緩衝部分は撓みが少なく、圧力変動緩衝部分の中央では大きな撓みを生じることとなり、圧力変動緩衝部分の撓み変形が面内均一でないことから、圧力変動能力に面内分布をもってしまうこととなる。従って、インクリザーバを介したインクノズル間での圧力干渉による不具合を十分抑制できないことがあるという課題が依然残るものであった。
そこで、本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、リザーバを介したノズル間での圧力干渉を抑制することを可能とし、精度良く液滴をすることができる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズルプレート及びキャビティプレートである基板を相互に重ね合わせることにより、これらの間に、振動板を有してノズルから液滴を吐出させる複数の圧力室と、各圧力室に液体を供給するリザーバと、各圧力室を前記リザーバに連通させている液滴供給口との各流路が平面方向に配列された液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力室以外の流路に、圧力変動を緩衝させるための複数の圧力変動緩衝室を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。

本発明によれば、圧力室以外の流路に、圧力変動を緩衝させるための複数の圧力変動緩衝室を設けているので、圧力室から伝達する吐出圧力を圧力変動緩衝室で吸収することができ、リザーバ全体への圧力変動を減少させ、リザーバに生じた圧力変動は再び各圧力変動緩衝室で吸収されることにより、ノズル間の圧力干渉を確実に防止できる。

また、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、圧力室以外の流路は、リザーバと液滴供給口との間の流路である。
こうすることにより、圧力室から液滴供給口を経由してリザーバに伝達する圧力を圧力変動緩衝室で吸収することができる。

さらに、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、各圧力変動緩衝室は前記各圧力室に対応して設けられているので、各圧力室から液滴供給口を経由してリザーバに伝達する圧力を各圧力室に対応した各圧力変動緩衝室で効果的に吸収することができ、リザーバ全体への圧力変動を減少させ、リザーバに生じた圧力変動は再び各圧力変動緩衝室で吸収されることにより、ノズル間の圧力干渉を確実に防止できる。
また、各圧力室に対応して各圧力変動緩衝室が設けられているので、各圧力変動緩衝室の圧力緩衝能力が同じとなるため、従来のような圧力緩衝能力に面内分布が発生せず、ノズル間の圧力干渉を確実に防止することができる。

このような、各圧力変動緩衝室はノズルプレートとキャビティプレートと、ノズル配列方向に設けられた仕切り壁とによって区画形成されている。

また、本発明の液滴吐出ヘッドにおいて、各圧力変動緩衝室は圧力変動を緩衝させるための圧力変動緩衝部分を有する。
従って、各圧力室から液滴供給口を経由してリザーバに伝達する圧力を各圧力室に対応した各圧力変動緩衝室の圧力変動緩衝部分で吸収する。

その圧力変動緩衝部分は、各圧力変動緩衝室の一部を形成するノズルプレート又はキャビティプレートの一部を薄肉に加工した薄肉部として形成されている。
こうすることにより、別部材を組み付ける必要がないため、小型化及び低コスト化できる。

そして、ノズルプレート又はキャビティプレートの一部を薄肉に加工した薄肉部は、複数の圧力変動緩衝室の圧力変動緩衝部分に対して共用されているので、構成が簡単であり、製造も容易である。

また、圧力変動緩衝部分は、各圧力変動緩衝室の一部を形成するノズルプレート又はキャビティプレートの一部に設けた開口を閉塞する薄い部材で形成されている。
こうすることにより、別部材を組み付けたとしても、開口を閉塞するだけであるから、小型化できる。

そして、ノズルプレート又はキャビティプレートの一部に設けた開口を閉塞する薄い部材は、複数の圧力変動緩衝室の圧力変動緩衝部分に対して共用されているので、構成が簡単であり、製造も容易である。
その開口を閉塞する薄い部材は、プラスチック又は金属で構成されている。

また、その開口を閉塞する薄い部材は、ノズルプレート又はキャビティプレートの一部に設けた開口に対して嵌合状態に固着するようにしているので、組み付けが容易である。

さらに、開口を閉塞する薄い部材は、ノズルプレート又はキャビティプレートの一部に設けられた開口の開口周縁に対して接着剤で固着するようにしているので、組み付けが容易である。

本発明の液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドと、圧力室の振動板と該振動板に対向する電極との間に電圧を印加するドライバとを備えているものである。
本発明によれば、液滴吐出ヘッドがノズル間での圧力緩衝を抑制することができるため、精度よく液滴を吐出させることができる。

以上説明したように、本発明の液滴吐出ヘッドは、ノズルプレート及びキャビティプレートである基板を相互に重ね合わせることにより、これらの間に、振動板を有してノズルから液滴を吐出させる複数の圧力室と、各圧力室に液体を供給するリザーバと、各圧力室を前記リザーバに連通させている液滴供給口との各流路が平面方向に配列された液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧力室以外の流路に、圧力変動を緩衝させるための複数の圧力変動緩衝室を設けているので、圧力室から伝達する吐出圧力を圧力変動緩衝室で吸収することができ、リザーバ全体への圧力変動を減少させ、リザーバに生じた圧力変動は再び各圧力変動緩衝室で吸収されることにより、ノズル間の圧力干渉を確実に防止できる。

図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの一部断面で示した分解斜視図、図２は液滴吐出ヘッドの一部側断面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。
この実施の形態１の例えばインクジェットヘッドである液滴吐出ヘッドは、液滴を基板の面部に設けたノズルから吐出させるフェイス型と呼ばれるものである。
この液滴吐出ヘッドは、第１の基板であるキャビティプレート１と、第２の基板である電極ガラスプレート２と、第３の基板であるノズルプレート３とを積層し接合して構成されている。

キャビティプレート１はシリコン基板により構成されている。キャビティプレート１の全面には、図２に示すように、絶縁膜４が、液滴吐出ヘッドを駆動させた時の絶縁破壊及び短絡を防止するために形成されている。キャビティプレート１には、その底壁が振動板５となる複数の圧力室６を構成する複数の凹部７と、各圧力室６に供給すべき液体が貯蔵されるリザーバ８及び各圧力室６に対応する圧力変動を緩衝する複数の圧力変動緩衝室９を構成する凹部１０とが形成されている。電極端子１１は、図２に示すドライバ２４と接続されている。

複数の圧力変動緩衝室９は、凹部１０の圧力室６側寄りにノズル配列方向に所定間隔を置いて平面方向に延びる複数の仕切り壁１２を設けることにより、ノズルプレート３とキャビティプレート１と仕切り壁１２とによってそれぞれ区画形成される。これらの圧力変動緩衝室９はリザーバ８と後述の液体供給口との間に位置している。
各圧力変動緩衝室９は、圧力変動を緩衝させるための圧力変動緩衝部分であるダイアフラム１３を有している。このダイアフラム１３は各圧力変動緩衝室９の一部を形成するノズルプレート３の一部を薄肉に例えばエッチングにより加工して形成されている。
このダイアフラム１３は複数の圧力変動緩衝室９に対して共用されている。
なお、このダイアフラム１３をキャビティプレート１に形成するようにしてもよいことはいうまでもない。

電極ガラスプレート２は、例えば、ホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス（ＳｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃）又はシリコン基板により構成され、図１及び図２に示すように、キャビティプレート１の裏面に接合されている。
電極ガラスプレート２には、キャビティプレート１に形成されている各圧力室６に対向して複数の凹部１５が形成されている。各凹部１５の内部には、電極１６、リード部１７及び端子部１８（以下、これらを総称して電極部と呼ぶ。）が形成されている。電極部の材料としては、例えば、錫ドープ酸化インジウムやクロム等の金属等がある。
この実施の形態１では、キャビティプレート１に形成された振動板５と、これに対向して配置され、電極ガラスプレート２に形成された電極１６との対向間隔、すなわち、ギャップ長は、凹部１５の深さから電極１６の厚さを減算したものとなる。また、隣接する凹部１５の間の所定箇所には、一端がリザーバ８に連通するとともに他端が図示せぬ液体タンクに接続されている液体供給孔１９が設けられている。さらに、電極１６は、リード部１７及び端子部１８を介して図２に示すドライバ２４と接続されている。

ノズルプレート３は、シリコン基板又はガラス基板により構成され、図１及び図２に示すように、キャビティプレート１の表面に接合されることにより、これらプレート１，３間に圧力室６，リザーバ８、圧力変動緩衝室９及び後述するオリフィス状の液体供給口２１とが平面方向に配列された状態に区画形成される。
ノズルプレート３の略中央表面には、対応する圧力室６と連通するノズル２０が２列並列して形成されている。各ノズル２０は、テーパ状に近づけるために、図２に示すように、２段で構成されており、内側（キャビティプレート１と接合される側）の径が外側の径よりも大きい。これは、液体流れの整流作用により、液体の直進性を高めるためである。 また、ノズルプレート３の内側の面（図１では裏面）には液体供給口２１を構成する細溝２２が形成されており、圧力室６とリザーバ８とを連通させている。
更に、ノズルプレート３の内側の面（図１では裏面）には前述した仕切り壁１２の一部を形成するための細溝２３が形成されている。

また、図２において、ドライバ２４は、例えば、２０ｋＨｚで発振し、電極１６とキャビティプレート１との間に、０Ｖから３０Ｖのパルス電圧を印加して、電極１６に電荷の供給及び停止を行う。
従って、液滴吐出装置は、上記記載の液滴吐出ヘッドと、圧力室６の振動板５と該振動板５に対向する電極１６との間に電圧を印加するドライバ２４とで構成される。

次に、上記構成の液滴吐出ヘッドの動作について説明する。
まず、図示せぬ液体タンクより液体供給孔１９を経てキャビティプレート１の内部に液体であるインク液が供給され、リザーバ８、圧力室６等に貯蔵される。
次に、ドライバ２４を駆動して電極１６に０Ｖから３０Ｖのパルス電圧を印加することにより、電極１６に電荷を供給してその表面を正に帯電させると、振動板５の裏面は負に帯電し、振動板５は静電気の吸引作用により電極１６に引き寄せられて下方に撓む。これにより圧力室６の容積は広がる。

次に、ドライバ２４からの電極１６への電荷供給を停止すると、振動板５は元に戻るが、そのとき圧力室６の容積も元に戻るから、その圧力により差分のインク液の液滴が吐出し、例えば、記録紙に付着することによって記録が行われる。
次に、ドライバ２４を駆動することにより、振動板５が再び下方に撓むと、インク液がリザーバ８より液体供給口２１を介して圧力室６に補給される。

なお、例えばインクジェットヘッドとしての液滴吐出ヘッドで使用されるインク液としては、水、アルコール、トルエン等の主溶媒にエチレングリコール等の海面活性剤と、染料または顔料とを溶解または分散させることにより調製される。さらに、インクジェットヘッドにヒータを設けておけば、ホットメルトインクも使用できる。

以上のように、この実施の形態１の液滴吐出ヘッドにおいては、リザーバ８と液体供給口２１との間には、各圧力室６に対応してリザーバ８の圧力変動を緩衝させるための圧力変動緩衝部分であるダイアフラム１３を有する複数の細長い圧力変動緩衝室９が形成されている。
従って、各圧力室６から液体供給口２１を経由してリザーバ８に伝達する圧力を各圧力室６に対応した各圧力変動緩衝室９で効果的に吸収することができ、リザーバ８全体への圧力変動を減少させ、リザーバ８に生じた圧力変動は再び各圧力変動緩衝室９で吸収されることにより、ノズル２０間の圧力干渉を確実に防止できる。
また、各圧力室６に対応して各圧力変動緩衝室９が設けられているので、各圧力変動緩衝室９の圧力緩衝能力が同じとなるため、従来のような圧力緩衝能力に面内分布が発生せず、ノズル２０間の圧力干渉を確実に防止することができ、液滴吐出ヘッドがインクジェットヘッドとして使用された場合には高画質なインクジェットヘッドの実現が可能となる。

また、各圧力変動緩衝室９の圧力変動緩衝部分であるダイアフラム１３は各圧力変動緩衝室９の一部を形成するノズルプレート３の一部を薄肉に加工した薄肉部として形成されている。
従って、ダイアフラム１３を形成するのに別部材を組み付ける必要がないため、小型化及び低コスト化できる。
そして、ダイアフラム１３は複数の圧力変動緩衝室９に対して共用されているので、構成が簡単であり、製造も容易である。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２の液滴吐出ヘッドの一部断面で示した分解斜視図、図５は開口へのダイアフラムの取り付け状態を示す断面図である。
この実施の形態２は、実施の形態１と異なり、圧力変動緩衝室９の圧力変動緩衝部分であるダイアフラム１３をノズルプレート３とは別部材で形成したものである。
この実施の形態２では、ダイアフラム１３は、例えば薄い部材である非常の剛性の低いプラスチックのフィルムで形成されている。そして、ノズルプレート３の一部に、複数の圧力変動緩衝室９に臨む長方形の大きな開口２６を設け、その開口２６をプラスチックのフィルムであるダイアフラム１３で閉塞している。
このように、ノズルプレート１以外の別部材であるフィルムのダイアフラム１３を開口２６に組み付けたとしても、開口２６を閉鎖するだけであるから、小型化することができる。

また、その複数の圧力変動緩衝室９に臨む長方形の大きな開口２６を閉鎖するフィルムのダイアフラム１３は、複数の圧力変動緩衝室９に対して共用されているので、構成が簡単であり、製造も容易となる。
その開口２６に対するダイアフラム１３の取り付けは、図５の（ａ）に示すように開口３６に段部２６ａを設け、その段部２６にダイアフラム１３の縁部を嵌合状態に載置固定するようにしている。
また、図５の（ｂ）に示すように開口２６の内壁面に嵌合溝２６ｂを設け、その嵌合溝２６ａにダイアフラム１３の縁部を嵌合させるようにしてもよい。いずれの場合も開口２６に対するダイアフラム１３の組み付けは容易である。
さらに、図５の（ｃ）に示すように大きな開口を設けずノズルプレート３上面にダイアフラム１３を接着剤で固着するようにしてもよい。この場合も、開口２６に対するダイアフラム１３の組み付けが容易である。
この実施の形態２では、ダイアフラム１３として薄い部材であるプラスチックのフィルムを用いているが、薄い金属板であってもよいことはいうまでもない。

また、液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドと、圧力室６の振動板５と該振動板５に対向する電極１６との間に電圧を印加するドライバ２４とを備えているものである。
このように、液滴吐出ヘッドがノズル２０間での圧力緩衝を抑制することができるため、精度よく液滴を吐出させることができる。

上述の本発明のインクジェットヘッドにおいて、吐出液体は印刷用のインク液とし、通常の紙媒体等への印刷をする一般的なインクジェットプリンタとして利用することができるとして説明した。
また、吐出液体を生体分子を含む溶液とすれば、例えばＤＮＡチップ、プロテイン（蛋白質）チップ等の製造に利用することができる。
さらに、吐出形態をカラーフィルタを形成させる溶液とすれば、液晶表示装置に利用するカラーフィルタ製造に利用することができる。
また、吐出液体を発光材料を含む溶液とすれば、電界発光素子の吐出を行うことができ、これを用いた表示装置の製造に利用することができる。

本発明の実施の形態１の液滴吐出ヘッドの一部断面で示した分解斜視図。 同液滴吐出ヘッドの一部側断面図。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態２の液滴吐出ヘッドの一部断面で示した分解斜視図。 開口へのダイアフラムの取付状態を示す断面図。

符号の説明

１ キャビティープレート、２ 電極ガラスプレート、３ ノズルプレート、５ 振動板、６ 圧力室、８ リザーバ、９ 圧力変動緩衝室、１２ 仕切り壁、１３ ダイアフラム、１９ 液体供給孔、２０ ノズル、２１ 液体供給口、２４ ドライバ

Claims (13)

1. ノズルプレート及びキャビティプレートである基板を相互に重ね合わせることにより、これらの間に、振動板を有してノズルから液滴を吐出させる複数の圧力室と、各圧力室に液体を供給するリザーバと、各圧力室を前記リザーバに連通させている液体供給口との各流路が平面方向に配列された液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記圧力室以外の流路に、圧力変動を緩衝させるための複数の圧力変動緩衝室を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記圧力室以外の流路は、前記リザーバと前記液体供給口との間の流路であることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記各圧力変動緩衝室は前記各圧力室に対応して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記各圧力変動緩衝室は前記ノズルプレートと前記キャビティプレートと、前記ノズル配列方向に設けられた仕切り壁とによって区画形成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
5. 前記各圧力変動緩衝室は圧力変動を緩衝させるための圧力変動緩衝部分を有することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
6. 前記圧力変動緩衝部分は、前記各圧力変動緩衝室の一部を形成する前記ノズルプレート又は前記キャビティプレートの一部を薄肉に加工した薄肉部として形成されていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッド。
7. 前記ノズルプレート又は前記キャビティプレートの一部を薄肉に加工した薄肉部は、前記複数の圧力変動緩衝室の圧力変動緩衝部分に対して共用されていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッド。
8. 前記圧力変動緩衝部分は、前記各圧力変動緩衝室の一部を形成する前記ノズルプレート又は前記キャビティプレートの一部に設けた開口を閉塞する薄い部材で形成されていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッド。
9. 前記ノズルプレート又は前記キャビティプレートの一部に設けた開口を閉塞する薄い部材は、前記複数の圧力変動緩衝室の圧力変動緩衝部分に対して共用されていることを特徴とする請求項８記載の液滴吐出ヘッド。
10. 前記開口を閉塞する薄い部材は、プラスチック又は金属であることを特徴とする請求項８又は９いずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
11. 前記開口を閉塞する薄い部材は、前記ノズルプレート又は前記キャビティプレートの一部に設けた開口に対して嵌合状態に固着されていることを特徴とする請求項８〜１０いずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
12. 前記開口を閉塞する薄い部材は、前記ノズルプレート又は前記キャビティプレートの一部に設けられた開口の開口周縁に対して接着剤で固着されていることを特徴とする請求項８〜１０いずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドと、
    前記圧力室の振動板と該振動板に対向する電極との間に電圧を印加するドライバと、
    を備えていることを特徴とする液滴吐出装置。
    

Images