JP2009178951A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡の滞留を防止して液体噴射特性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】液体を噴射するノズル開口３４に連通する圧力発生室２１を有する液体流路が設けられた流路形成ユニットと、前記圧力発生室２１に圧力変化を生じさせる圧力発生手段４０とを具備し、前記流路形成ユニットが、接着層１００〜１０２を介して積層された複数の流路部材を有すると共に、前記液体流路が接着層１００〜１０２を介して積層された複数の流路部材の積層方向に亘って設けられており、前記接着層１００〜１０２の前記液体流路側の端部が一方の流路部材の前記液体流路側端部と他方の流路部材の前記液体流路側端部との間に設けられることによって階段状の段差部１１０〜１１２が設けられている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、圧電素子及び圧力発生室が設けられたアクチュエータユニットと、圧力発生室に連通してインクを吐出するノズル開口が設けられたノズルプレートを有する流路ユニットとを具備するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このようなインクジェット式記録ヘッドでは、インクの流路を形成する各部材、例えば、アクチュエータユニットと流路ユニットとや、流路ユニットの各部材などは接着剤を介して接着されて固定されている。

特開２００４−０４２５５９号公報（第６〜８頁、第１〜２図）

しかしながら、流路ユニットを構成する複数の流路部材を接着剤を介して接着した際に、位置ずれなどにより、積層された流路部材の位置ずれや液体流路の開口面積の違いなどから液体流路に段差が設けられると、この段差に気泡が滞留してしまうという問題がある。

そして、このような気泡を排出するには、ノズル開口側からインクを吸引するクリーニング動作が行われるが、気泡の排出性が悪く、無駄にインクを消費してしまうと共に、クリーニング動作によって完全に排出させるのは困難であるという問題がある。

また、液体流路に気泡が滞留すると、圧電素子等の圧力発生手段によって圧力発生室に圧力変化を生じさせた際に、圧力変化が気泡によって緩衝されてしまいインク吐出特性が劣化してしまうという問題がある。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、気泡の滞留を防止して液体噴射特性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を有する液体流路が設けられた流路形成ユニットと、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備し、前記流路形成ユニットが、接着層を介して積層された複数の流路部材を有すると共に、前記液体流路が接着層を介して積層された複数の流路部材の積層方向に亘って設けられており、前記接着層の前記液体流路側の端部が一方の流路部材の前記液体流路側端部と他方の流路部材の前記液体流路側端部との間に設けられることによって階段状の段差部が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

かかる態様では、積層された流路部材の液体流路に段差を設けることで、液体に流路抵抗を付与することができ、流路部材の積層時の精度不良による不具合を防止することができると共に、積層された流路部材の液体流路の段差に接着層によって階段状の段差部を設けることで、積層された流路部材の連通する液体流路の段差に気泡が滞留するのを防止して、気泡排出性を向上することができる。

ここで、前記流路形成ユニットが、前記圧力発生室及び前記圧力発生手段が設けられたアクチュエータユニットと、複数の圧力発生手段に液体を供給するリザーバ及び前記ノズル開口が設けられた流路ユニットとで構成されていることが好ましい。これによれば、各ユニット毎に形成することができ、構造を簡略化して製造を容易にすることができる。

また、前記アクチュエータユニットが、前記圧力発生室が形成された流路形成基板と、前記圧力発生室の底面を画成すると共に前記リザーバに連通する供給連通孔及び前記ノズル開口に連通する第１のノズル連通孔が設けられた圧力発生室底板とで構成され、前記流路ユニットが、前記リザーバが設けられたリザーバ形成基板と、該リザーバ形成基板と前記圧力発生室底板との間に設けられて前記リザーバと前記供給連通孔とを連通する液体供給口及び前記ノズル開口と前記第１のノズル連通孔とを連通する第２のノズル連通孔が設けられた液体供給口形成基板と、前記リザーバ形成基板の前記液体供給口形成基板とは反対側に設けられて前記リザーバ形成基板に設けられた第３のノズル連通孔に連通する前記ノズル開口が設けられたノズルプレートとで構成され、前記接着剤を介して積層された前記流路部材が、前記圧力発生室底板と、前記リザーバ形成基板と、前記液体供給口形成基板と、前記ノズルプレートとからなることが好ましい。これによれば、気泡が滞留し易い領域に段差部を設けることができ、気泡の滞留を防止することができると共に気泡排出性を向上することができる。

また、前記段差部が、前記供給連通孔と前記液体供給口との間と、前記第３のノズル連通孔と前記ノズル開口との間とに設けられていることが好ましい。これによれば、気泡が滞留し易い領域に段差部を設けることができ、気泡の滞留を防止することができると共に気泡排出性を向上することができる。

さらに、本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。かかる態様では、液体噴射特性を向上することができる液体噴射装置を実現できる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例を示すインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２はインクジェット式記録ヘッドの断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１０は、アクチュエータユニット２０と、このアクチュエータユニット２０が固定される流路ユニット３０とで構成されている。

アクチュエータユニット２０は、圧電素子４０を具備するアクチュエータ装置であり、圧力発生室２１が形成された流路形成基板２２と、流路形成基板２２の一方面側に設けられた振動板２３と、流路形成基板２２の他方面側に設けられた圧力発生室底板２４とを有する。

流路形成基板２２は、例えば、１５０μｍ程度の厚みを有するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や、ジルコニア（ＺｒＯ₂）などのセラミックス板からなり、本実施形態では、複数の圧力発生室２１がその幅方向に沿って並設された列が２列形成されている。そして、この流路形成基板２２の一方面に、例えば、厚さ１０μｍのジルコニアの薄板からなる振動板２３が固定され、圧力発生室２１の一方面はこの振動板２３により封止されている。

圧力発生室底板２４は、流路形成基板２２の他方面側に固定されて圧力発生室２１の他方面を封止すると共に、圧力発生室２１の長手方向一方の端部近傍に設けられて圧力発生室２１と後述するリザーバとを連通する供給連通孔２５と、圧力発生室２１の長手方向他方の端部近傍に設けられて後述するノズル開口３４に連通する第１のノズル連通孔２６とを有する。

そして、圧電素子４０は、振動板２３上の各圧力発生室２１に対向する領域のそれぞれに設けられ、例えば、本実施形態では、圧力発生室２１の列が２列設けられているため、圧電素子４０の列も２列設けられている。

ここで、各圧電素子４０は、振動板２３上に設けられた下電極膜と、各圧力発生室２１毎に独立して設けられた圧電体層と、各圧電体層上に設けられた上電極膜とで構成されている。圧電体層は、圧電材料からなるグリーンシートを貼付することや、印刷することで形成されている。また、下電極膜は、並設された圧電体層に亘って設けられて各圧電素子４０の共通電極となっており、振動板の一部として機能する。勿論、下電極膜を各圧電体層毎に設けるようにしてもよい。

なお、アクチュエータユニット２０の各層である流路形成基板２２、振動板２３及び圧力発生室底板２４は、粘土状のセラミックス材料、いわゆるグリーンシートを所定の厚さに成形して、例えば、圧力発生室２１等を穿設後、積層して焼成することにより接着剤を必要とすることなく一体化される。そして、その後、振動板２３上に圧電素子４０が形成される。

一方、流路ユニット３０は、アクチュエータユニット２０の圧力発生室底板２４に接着剤を介して接合される液体供給口形成基板３１と、複数の圧力発生室２１の共通インク室となるリザーバ３２が形成されるリザーバ形成基板３３と、ノズル開口３４が形成されたノズルプレート３５とからなる。すなわち、本実施形態の流路ユニット３０は、流路部材として液体供給口形成基板３１、リザーバ形成基板３３及びノズルプレート３５が積層されたものである。

液体供給口形成基板３１は、厚さ１５０μｍのジルコニアの薄板からなり、ノズル開口３４と圧力発生室２１とを接続する第２のノズル連通孔３６と、前述の供給連通孔２５と共にリザーバ３２と圧力発生室２１とを接続する液体供給口３７を穿設して構成され、また、各リザーバ３２と連通し、外部のインクタンクからのインクを供給するインク導入口３８が設けられている。

ここで、図３（ａ）に示すように、液体供給口形成基板３１に設けられた液体供給口３７は、圧力発生室底板２４に設けられた供給連通孔２５よりも狭い開口で形成されることで、リザーバ３２から供給連通孔２５に供給するインクに液体供給口３７によって一定の流路抵抗を付与している。すなわち、リザーバ３２からのインクは、液体供給口３７によって流路抵抗が付与されて圧力発生室２１に供給される。そして、液体供給口３７が供給連通孔２５よりも狭い開口で形成されることで、供給連通孔２５と液体供給口３７との間には段差が設けられている。

リザーバ形成基板３３は、インク流路を構成するに適した、例えば、１５０μｍのステンレス鋼などの耐食性を備えた板材に、外部のインクタンク（図示なし）からインクの供給を受けて圧力発生室２１にインクを供給するリザーバ３２と、圧力発生室２１とノズル開口３４とを連通する第３のノズル連通孔３９とを有する。

ノズルプレート３５は、例えば、ステンレス鋼からなる薄板に、圧力発生室２１と同一の配列ピッチでノズル開口３４が穿設されて形成されている。例えば、本実施形態では、流路ユニット３０には、圧力発生室２１の列が２列設けられているため、ノズルプレート３５にも、ノズル開口３４の列が２列形成されている。また、このノズルプレート３５は、リザーバ形成基板３３の流路形成基板２２の反対面に接合されてリザーバ３２の一方面を封止している。

ここで、図３（ｂ）に示すように、ノズル開口３４は、リザーバ形成基板３３に設けられたノズル連通孔３９の開口よりも狭い開口で形成されており、ノズル開口３４とノズル連通孔３９との間には段差が設けられている。

すなわち、これらのアクチュエータユニット２０及び流路ユニット３０からなるインクジェット式記録ヘッド１０には、液体流路として、本実施形態では、インク導入口３８、リザーバ３２、液体供給口３７、供給連通孔２５、圧力発生室２１、第１のノズル連通孔２６、第２のノズル連通孔３６、第３のノズル連通孔３９及びノズル開口３４が設けられている。また、本実施形態では、圧力発生室２１を有する液体流路が設けられた流路形成ユニットを構成する流路部材として、流路ユニット３０の各部材と、アクチュエータユニット２０の流路形成基板２２及び圧力発生室底板２４とが設けられていることになる。

このような流路ユニット３０は、液体供給口形成基板３１、リザーバ形成基板３３及びノズルプレート３５を接着剤や熱溶着フィルム等によって固定することで形成される。そして、このような流路ユニット３０とアクチュエータユニット２０とは、接着剤や熱溶着フィルムを介して接合されて固定されている。本実施形態では、流路ユニット３０を構成する流路部材であるノズルプレート３５とリザーバ形成基板３３とを接着剤からなる接着層１００で接合し、リザーバ形成基板３３と液体供給口形成基板３１とを接着剤からなる接着層１０１で接合した。また、流路ユニット３０の液体供給口形成基板３１とアクチュエータユニット２０の圧力発生室底板２４とを接着剤からなる接着層１０２で接合した。すなわち、流路ユニット３０を構成する各部材と、圧力発生室底板２４とが接着剤からなる接着層１００〜１０２を介して積層された流路部材となっている。

そして、これらの接着層１００〜１０２の液体流路側の端面は、接着層１００〜１０２を介して接合された流路部材を連通する液体流路の段差が設けられた２つの開口縁部の間に配置されており、接着層１００〜１０２を介して積層された流路部材の間には、連通する２つの液体流路の開口縁部と接着層１００〜１０２の端面とによって、階段状の段差部１１０、１１１が設けられている。

本実施形態では、図３（ａ）に示すように、液体供給口形成基板３１の液体供給口３７と圧力発生室底板２４に設けられた供給連通孔２５との間の接着層１０２の端面を両者の開口縁部の間に突出させることで、液体供給口形成基板３１の液体供給口３７から圧力発生室底板２４に設けられた供給連通孔２５側に向かって階段状に漸大する段差部１１０を設けるようにした。

また、図３（ｂ）に示すように、リザーバ形成基板３３の第３のノズル連通孔３９とノズルプレート３５のノズル開口３４との間の接着層１００の端面を両者の開口縁部の間に突出させることで、リザーバ形成基板３３の第３のノズル連通孔３９からノズルプレート３５のノズル開口３４に向かって階段状に漸小する段差部１１１を設けるようにした。

なお、図３（ａ）に示すように、リザーバ形成基板３３のリザーバ３２も液体供給口３７よりも広い開口面積で形成されているため、リザーバ３２と液体供給口３７との間にも段差が設けられ、且つリザーバ形成基板３３と液体供給口３７とを接着する接着層１０１の端面もリザーバ３２の開口縁部と液体供給口３７との開口縁部との間に設けられて段差部１１２が形成されている。

このように、接着層１００〜１０２を介して積層された流路部材において、液体流路が段差となる領域に接着層１００〜１０２の端部で階段状に漸小又は漸大する段差部１１０〜１１２を設けるようにしたため、ノズル開口３４に向かうインクの流れが良好となり、液体流路が段差となって連通する領域で気泡が滞留するのを防止することができる。すなわち、図４に示すように、接着層１００〜１０２の端面が狭い開口となる液体流路の開口縁部よりも内側（面一も含む）に設けられている場合、積層された流路部材の間に空間１２０が形成されて、この空間１２０に気泡１２１が滞留してしまう。これに対して、本実施形態では、液体流路が段差となる領域に接着層１００〜１０２の端部で階段状に漸小又は漸大する段差部１１０〜１１２を設けることで、液体流路が段差となって連通する領域で気泡が滞留するのを防止することができる。したがって、液体流路に気泡１２１が滞留することによるインク吐出特性の劣化を防止して、インク吐出特性を向上することができると共に、段差部１１０〜１１２に気泡が付着した場合であっても、ノズル開口３４側からインクを吸引するクリーニング動作を行うことによって、気泡を容易に且つ確実に排出させて、無駄なインクの消費を防止することができる。

そして、このような構成のインクジェット式記録ヘッド１０では、インクカートリッジ（貯留手段）からインク導入口３８を介してリザーバ３２内にインクを取り込み、リザーバ３２からノズル開口３４に至るまでの液体流路内をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、各圧力発生室２１に対応する各圧電素子４０に電圧を印加して圧電素子４０と共に振動板２３をたわみ変形させることにより、各圧力発生室２１内の圧力が高まり各ノズル開口３４からインク滴が噴射される。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、厚膜型の圧電素子４０を有するインクジェット式記録ヘッド１０を例示したが、圧力発生室２１に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としては、特にこれに限定されず、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ法、スパッタリング法等により形成される圧電材料を有する薄膜型の圧電素子、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子、振動板と電極を所定の隙間を開けて配置し、静電気力で振動板の振動を制御する、いわゆる静電アクチュエータ、圧力発生室内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズル開口から液滴を吐出するものなどを有するインクジェット式記録ヘッドであっても同様の効果を奏するものである。

また、上述した実施形態１では、流路形成ユニットとして、流路ユニット３０の各部材と、アクチュエータユニット２０の流路形成基板２２及び圧力発生室底板２４とを例示したが、その他の部材が設けられたものであってもよく、また、接着層１００〜１０２の端部によって階段状に漸大又は漸小する段差部１１０〜１１２は、上述した実施形態１以外の部分に設けるようにしてもよい。

また、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図５に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

なお、上述した実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの検査方法にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの要部拡大断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの比較例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。

符号の説明

Ｉ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 １０ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ２０ アクチュエータユニット、 ２１ 圧力発生室、 ２２ 流路形成基板、 ２３ 振動板、 ２４ 圧力発生室底板、 ２５ 供給連通孔、 ３０ 流路ユニット、 ３１ 液体供給口形成基板、 ３２ リザーバ、 ３３ リザーバ形成基板、 ３４ ノズル開口、 ３５ ノズルプレート、 ３６ 第２のノズル連通孔、 ３７ 液体供給口、 ３９ 第３のノズル連通孔、 ４０ 圧電素子、 １００〜１０２ 接着層、 １１０〜１１２ 段差部

Claims (5)

1. 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を有する液体流路が設けられた流路形成ユニットと、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備し、
   前記流路形成ユニットが、接着層を介して積層された複数の流路部材を有すると共に、前記液体流路が接着層を介して積層された複数の流路部材の積層方向に亘って設けられており、前記接着層の前記液体流路側の端部が一方の流路部材の前記液体流路側端部と他方の流路部材の前記液体流路側端部との間に設けられることによって階段状の段差部が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記流路形成ユニットが、前記圧力発生室及び前記圧力発生手段が設けられたアクチュエータユニットと、複数の圧力発生手段に液体を供給するリザーバ及び前記ノズル開口が設けられた流路ユニットとで構成されていることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記アクチュエータユニットが、前記圧力発生室が形成された流路形成基板と、前記圧力発生室の底面を画成すると共に前記リザーバに連通する供給連通孔及び前記ノズル開口に連通する第１のノズル連通孔が設けられた圧力発生室底板とで構成され、
   前記流路ユニットが、前記リザーバが設けられたリザーバ形成基板と、該リザーバ形成基板と前記圧力発生室底板との間に設けられて前記リザーバと前記供給連通孔とを連通する液体供給口及び前記ノズル開口と前記第１のノズル連通孔とを連通する第２のノズル連通孔が設けられた液体供給口形成基板と、前記リザーバ形成基板の前記液体供給口形成基板とは反対側に設けられて前記リザーバ形成基板に設けられた第３のノズル連通孔に連通する前記ノズル開口が設けられたノズルプレートとで構成され、
   前記接着剤を介して積層された前記流路部材が、前記圧力発生室底板と、前記リザーバ形成基板と、前記液体供給口形成基板と、前記ノズルプレートとからなることを特徴とする請求項２記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記段差部が、前記供給連通孔と前記液体供給口との間と、前記第３のノズル連通孔と前記ノズル開口との間とに設けられていることを特徴とする請求項３記載の液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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