JP2009208330A - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ノズル開口の配置レイアウトの自由度を向上させることが可能な液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル開口13を開設したノズルプレート4、及び、ノズル開口に連通する圧力発生室8を形成した圧力発生室プレート9を備えた記録ヘッド1において、ノズルプレートと圧力発生室プレートとの間に、圧力発生室とノズル開口とを連通する連通貫通口24が開設されたノズル連通プレート5を複数設け、この連通貫通口によって1つの圧力発生室に対し複数のノズル開口を連通させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、例えば、インクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関し、特に、ノズル開口を開設したノズルプレート、及び、ノズル開口に連通する圧力発生室を形成した圧力発生室プレートを備えた液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関する。
例えば、インクジェット式記録ヘッド(以下、単に記録ヘッドという)を代表とする液体噴射ヘッドには、リザーバ(液室)から圧力発生室を経てノズル開口に至る一連の液体流路をノズル開口に対応して複数備え、圧力発生手段の駆動によって圧力発生室内の液体に生じた圧力変動を利用してノズル開口からインクなどの液体を噴射(吐出)させるように構成されたものがある。
上記の記録ヘッドでは、記録画像の画質や記録速度の向上に対応するべく複数のノズル開口をより高密度に配置することが望ましい。しかしながら、ノズル開口の高密度化を図ろうとすると、必然的に圧力発生室の形成ピッチを小さくする必要がある。圧力発生室の形成ピッチを小さくすると、これに伴って圧力発生室同士を区画する隔壁の壁厚が薄くなってしまう。これにより、インクを噴射する際の圧力発生室内の圧力変動が隔壁を通じて隣り合う圧力発生室に伝わってインクの噴射特性に影響を及ぼす所謂クロストークが問題となる。このクロストークを抑制する観点から圧力発生室の形成ピッチの狭小化には限界があった。このような事情から、従来の記録ヘッドでは、ノズル開口の高密度配置が困難であった。
上記の問題点を解決すべく、1つの圧力発生室に対し複数のノズル開口(以下、ノズルセットという。)を形成する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この構成では、一度の噴射動作で駆動対象の圧力発生室に対応する各ノズル開口から同時にインクが噴射され、これらのインクが記録紙等の記録媒体に着弾して複数のドットが同時に形成される。このように構成することで、圧力発生室の列設ピッチを変更することなくノズル形成密度を高めることができる。
特開2003−080700号公報
しかしながら、1つの圧力発生室に対し複数のノズル開口を形成する構成においても、平面視で投影した状態において圧力発生室の領域内にノズル開口が配設されているため、同一圧力発生室に対応するノズル開口同士の形成密度を高めることができる反面、隣り合う圧力発生室の間には隔壁が存在するため、この隔壁の領域内(隔壁の直下)にノズル開口を配置することができなかった。したがって、隣り合う圧力発生室間におけるノズル開口の配置間隔は、依然として圧力発生室の形成ピッチに左右されてしまう問題があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズル開口の配置レイアウトの自由度を向上させることが可能な液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置を提供することにある。
本発明の液体噴射ヘッドは、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズル開口を開設したノズルプレート、及び、ノズル開口に連通する圧力発生室を形成した圧力発生室プレートを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記ノズルプレートと前記圧力発生室プレートとの間に、前記圧力発生室と前記ノズル開口とを連通する連通貫通口が開設されたノズル連通プレートを有し、
前記連通貫通口は、1つの圧力発生室に対し複数のノズル開口を連通させることを特徴とする。
この構成によれば、ノズルプレートと圧力発生室プレートとの間に、圧力発生室とノズル開口とを連通する連通貫通口が開設されたノズル連通プレートを有し、連通貫通口は、1つの圧力発生室に対し複数のノズル開口を連通させるので、圧力発生室の形成ピッチに左右されずにノズル開口の配置レイアウトの自由度を向上させることが可能となる。これにより、例えば、圧力発生室の列設ピッチよりも小さい一定のピッチでノズル開口を圧力発生室列設方向に複数配置することができる。
上記構成において、前記複数のノズル連通プレートのうち最もノズルプレート側のノズル連通プレートの連通貫通口の中心が、最も圧力発生室プレート側のノズル連通プレートの連通貫通口の中心に対してずれた状態で両連通貫通口が連通する構成を採用することができる。
この構成によれば、各ノズル連通プレートの連通貫通口の中心を互いにずらして配置することで、ノズル開口の種々のレイアウトに対応することができる。
また、上記構成において、前記連通貫通口を介して同一圧力発生室に連通する複数のノズル開口のうちの少なくとも一部を、当該圧力発生室の領域外に配置する構成を採用することができる。
さらに、同一圧力発生室に連通するノズル開口が多角形状に配置されてノズルセットを構成し、
前記多角形状の向きが交互に異なる状態で圧力発生室の列設方向に前記ノズルセットを複数配置する構成を採用することもできる。
そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明は、本発明における液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録装置(本発明の液体噴射装置の一種)に搭載されるインクジェット式記録ヘッド(以下、単に記録ヘッドという。)を例に挙げて行う。
図1は記録ヘッド1をノズルプレート側から見た要部拡大平面図、図2は図1におけるA−A線断面図、図3は図1におけるB−B線断面図である。
本実施形態における記録ヘッド1は、圧力発生ユニット2と、流路ユニット3と、ノズルユニット11(ノズルプレート4及びノズル連通プレート5)とから構成されており、これらを重ね合わせた状態で一体化してある。圧力発生ユニット2は、圧電振動子6(圧力発生手段の一種)と、振動板7と、圧力発生室8を区画するための圧力発生室プレート9とを積層し、焼成等により一体化することで構成されている。
また、流路ユニット3は、圧力発生室8にインクを供給する供給側連通口12及び圧力発生室8からノズル開口13側へインクを供給するための第3連通口15を形成した連通口プレート10、供給口16や第2連通口17を形成した供給口プレート18と、リザーバ20や第1連通口21を形成したリザーバプレート22とを積層することで構成されている。また、リザーバプレート22とノズルプレート4との間には、連通貫通口24(24a,24b)が開設された複数のノズル連通プレート5(5a,5b)が配設されている。
振動板7は、弾性を有する板材で構成されており、圧力発生室8の一方の開口を封止している。圧力発生室8とは反対側となる振動板7の外側表面には、各圧力発生室8に対応させた状態で複数の圧電振動子6が配設されている。例示した圧電振動子6は所謂撓み振動モードの振動子であり、駆動電極6aと共通電極6bとによって圧電体6cを挟んで構成されている。そして、圧電振動子6の駆動電極に駆動信号が印加されると、駆動電極と共通電極との間には電位差に応じた電場が発生する。この電場は圧電体に付与され、圧電体が付与された電場の強さに応じて変形する。
圧力発生室プレート9は、圧力発生室8を区画するための空部がプレートの厚さ方向に貫通した状態で形成されている。圧力発生室8は、一定のピッチ、例えば、ドット形成密度の180dpiに相当する間隔で列状に開設され、列設方向と直交する左右方向に細長い長孔である。隣り合う圧力発生室8同士の間は、圧力発生室プレート9の一部からなる隔壁25で仕切られている。この隔壁25に関し、隣り合う圧力発生室8における圧力変動の相互間への影響を抑制可能な程度の厚みが確保されている。
連通口プレート10は、第3連通口15と供給側連通口12とを開設した板材によって構成されており、圧力発生室8の他方の開口を封止している。第3連通口15(ノズル開口側連通口)は、圧力発生室8のノズル開口13側の一端部に連通し、ノズル開口13よりも大きい寸法に設定された貫通孔である。そして、この第3連通口15は、第2連通口17及び第1連通口21と一連となってノズル連通路26として機能し、圧力発生室8側からのインクをノズル開口13側へ供給する。また、供給側連通口12は、第3連通口15とは反対側の圧力発生室8の他端部に連通する貫通穴である。この供給側連通口12は、供給口プレート18の供給口16と共にリザーバ20と圧力発生室8を連通し、リザーバ20側からのインクを圧力発生室8に供給する。
供給口プレート18には、板厚方向を貫通する供給口16が、連通口プレート10の供給側連通口12に対応させて複数開設されている。また、板厚方向を貫通する第2連通口17が、連通口プレート10の第3連通口15及びリザーバプレート22の第1連通口21に対応させて形成されている。供給口16の内径は、供給側連通口12の内径よりも小さく絞られており、この供給口16を通過するインクに対して流体抵抗(流動抵抗)を付与するように設計されている。
リザーバプレート22は、ステンレス材等の金属材料によって構成された板状部材である。このリザーバプレート22には、リザーバ20を区画するための空部が板厚方向を貫通した状態で形成されている。この空部の上下の開口が供給口プレート18と第1ノズル連通プレート5aとによって封止されてリザーバ20が区画形成されるようになっている。このリザーバ20は、複数の圧力発生室8に共通な液室として機能する部分であり、インクの種類(色)毎に設けられる。また、リザーバプレート22には、板厚方向を貫通する第1連通口21が上記の第2連通口17に対応させて形成されている。
これらの連通口プレート10、供給口プレート18、リザーバプレート22は、接着剤等によって接合されて一体化され、本実施形態における流路ユニット3を構成する。
ノズルプレート4は、シリコンから作製された板状部材である。このノズルプレート4には、複数のノズル開口13を列設してノズル列(ノズル開口群)が形成されている。本実施形態において1つのノズル列(ノズル群)は、圧力発生室8の形成ピッチよりも小さいピッチ、例えば360dpiで開設された360個のノズル開口13によって構成されている。このノズルプレート4は、後述するノズル連通プレート5(第1ノズル連通プレート5a及び第2ノズル連通プレート5b)を介して流路ユニット3に接合される。
なお、ノズルプレート4は、例示したシリコン以外に金属や有機プラスチックフィルム等から構成してもよい。
ここで、複数のノズル開口13、本実施形態の場合2つのノズル開口13(13a,13b)によって、1組のノズルセット23が構成されている。同一のノズルセット23を構成する各ノズル開口13a,13bは、後述するノズル連通プレート5の連通貫通口24(24a,24b)及び上記ノズル連通路26を介して同一の圧力発生室8に連通している。図1に示すように、本実施形態において、ノズルセット23を構成する2つのノズル開口13a,13bのうち、一方のノズル開口13aは、ノズルプレート4側から圧力発生室プレート9側を投影的に見た状態(以下、「平面視」と記載した場合はこの状態を示す。)において圧力発生室8の領域内(ノズルプレート4において、圧力発生室8に対向する領域内)に配置されているのに対し、他方のノズル開口13bは、圧力発生室8の領域外、具体的には、隣り合う圧力発生室8を区画する隔壁25の領域内(投影視において隔壁25と重なる位置)に配置されている。
上記のようなノズル開口13の配置レイアウトを実現するために、上記記録ヘッド1では、ノズルプレート4と圧力発生室プレート9との間であって、より詳しくはノズルプレート4とリザーバプレート22との間に、圧力発生室8とノズル開口13とを連通する連通貫通口24が開設されたノズル連通プレート5を有していることに特徴を有している。本実施形態におけるノズル連通プレート5は、シリコンから作製された板材であり、複数枚、具体的には第1ノズル連通プレート5aと第2ノズル連通プレート5bの合計2枚から構成されている。これらのノズル連通プレート5a,5bは、シリコンに限らず、ステンレス鋼等の金属材料などを使用することも可能である。
第1ノズル連通プレート5aには第1連通貫通口24aが、第2ノズル連通プレート5bには第2連通貫通口24bが、それぞれ開設されている。本実施形態において、これらの連通貫通口24a,24bはドライエッチングによって形成されている。なお、ノズル連通プレート5を金属板等で構成した場合には、プレス加工によって開設することもできる。
図1に示すように、本実施形態における第1連通貫通口24aは、ノズル連通路26と第2連通貫通口24bとを連通する空部であり、圧力発生室列設方向に長尺な楕円形状に形成されている。記録ヘッド1の各構成部品を位置決めして積層した状態において、第1連通貫通口24aは、圧力発生室8の幅方向の中心線CLに対して中心が隣の圧力発生室8寄り(図1において右側)に少しずれた状態で配置される。この第1連通貫通口24aの長尺方向の一端部(図1において左側の端部)は、平面視において圧力発生室8の領域内に位置する一方、第1連通貫通口24aの他端部(図1において右側の端部)は平面視において圧力発生室8の領域外であって隣の圧力発生室8との間の隔壁25の領域内に位置する。
また、本実施形態における第2連通貫通口24bは、第1連通貫通口24aとノズルセット23の各ノズル開口13とを連通する空部であり、第1連通貫通口24aと比較して圧力発生室列設方向により長く圧力室列設方向に直交する方向により短い楕円形状に形成されている。この第2連通貫通口24bは、記録ヘッド1の各構成部品を位置決めして積層した状態において、圧力発生室8の幅方向の中心線CLに対して中心が第1連通貫通口24aの中心よりもさらに隣の圧力発生室8寄りにずれた状態で配置される。即ち、ノズル連通プレート5a,5bのうち最もノズルプレート4側に位置する第2ノズル連通プレート5bの第2連通貫通口24bの中心が、最も圧力発生室プレート9側に位置する第1ノズル連通プレート5aの第1連通貫通口24aの中心に対してずれた状態となっている。
この第2連通貫通口24bの長尺方向の一端部(図1において左側の端部)は平面視において第1連通貫通口24aの領域内に位置する一方、第2連通貫通口24bの他端部(図1において右側の端部)は平面視において圧力発生室8と第1連通貫通口24aの領域外であって隣の圧力発生室8との間の隔壁25の領域内、換言すれば隔壁25に重なる領域に位置する。そして、この第1連通貫通口24aは、平面視においてノズルセット23を構成する各ノズル開口13a,13bを含む状態に形成されている。
本実施形態において、第1ノズル連通プレート5a、第2ノズル連通プレート5b、及びノズルプレート4は、例えば陽極接合によって積層した状態で一体化され、ノズルユニット11を構成する。そして、圧力発生ユニット2と流路ユニット3との間、及び、流路ユニット3とノズルユニット11との間を接合して一体化される。これにより、図3に示すように、リザーバ20と圧力発生室8の他端部とが、供給口16及び供給側連通口12を通じて連通する。また、圧力発生室8の一端部とノズル開口13とが、第1連通口21〜第3連通口15からなるノズル連通路26に連通する。さらに、このノズル連通路26とノズルセット23の各ノズル開口13とが、第1連通貫通口24a及び第2連通貫通口24bを介して連通する。そして、リザーバ20から圧力発生室8を通ってノズル開口13に連通する一連のインク流路(液体流路)がノズルセット23毎に形成される。
上記構成の記録ヘッド1では、圧電振動子6を駆動して振動板7を変形させることでこれに対応する圧力発生室8の容積が収縮或いは膨張し、圧力発生室8内のインクに圧力変動が生じる。この圧力変動によりノズルセット23を構成する各ノズル開口13からインクが同時に噴射される。
このように、ノズルプレート4と圧力発生室プレート9との間にノズル連通プレート5a,5bを設け、これらのノズル連通プレート5a,5bにそれぞれ開設された連通貫通口24a,24bを通じて1つの圧力発生室8に対して複数のノズル開口13を連通させている。このように構成することで、圧力発生室8の形成ピッチに左右されずにノズル開口13の配置レイアウトの自由度を向上させることができる。即ち、図4に示すように、同一ノズルセット23を構成するノズル開口13a,13bのうち、つまり、連通貫通口24a,24bを介して同一圧力発生室8に連通する複数のノズル開口13のうち、少なくとも一つのノズル開口13を、平面視における圧力発生室8の領域を外れた隔壁25の領域内に配置するレイアウトを採用することもできる。特に、本実施形態のように、各ノズル連通プレート5a,5bの連通貫通口24a,24bの中心を互いにずらして配置することで、ノズル開口13の種々のレイアウトに対応することができる。
図4に例示したノズル開口13のレイアウトでは、圧力発生室列設方向におけるノズル開口13の形成ピッチP1が、圧力発生室8の形成ピッチP2の1/2となっている。したがって、圧力発生室列設方向におけるドット形成密度(記録解像度)を、本発明を適用しない従来構成と比較して見かけ上2倍にすることができる。また、隣り合う圧力発生室8の間の隔壁25の領域内にノズル開口13を配置することができるので、隔壁の領域内にノズル開口を配置しない従来の構成のように圧力発生室を千鳥状にずらして配置することで圧力発生室列設方向のノズル開口の配置ピッチを一定にする構成と比較して記録ヘッドの小型化に寄与することができる。
そして、上記の記録ヘッド1を搭載するプリンタでは、複数のノズル開口13の組みから成るノズルセット23に対して圧力発生室8を1つずつ対応させて設けたので、一度の噴射動作で駆動対象の圧力発生室8に対応するノズルセット23の各ノズル開口13から同時にインクを噴射することができ、各ノズル開口13から噴射されたインクによって、従来よりも少ないインク量で記録紙等の記録媒体上の所定の領域を効率良くドットで埋めることができる。これにより、インクの消費、つまり、画像等を記録する際の記録媒体に着弾するインクの総量を抑えることができ、その結果、インクに含まれる水分による記録紙の歪みや記録画像の滲みを抑制することが可能となる。また、インクの消費を抑えることができるので、ランニングコストの低減や環境保全に寄与することが可能となる。
なお、上記実施形態では、圧力発生手段として、所謂撓み振動モードの圧電振動子6を例示したが、これには限られない。例えば、図5〜図7に示す第2実施形態のように、電界方向に直交する方向に変位する所謂縦振動モードの圧電振動子6´を採用することも可能である。この第2実施形態においては、振動板7′を、金属製の支持板7aに弾性フィルム7bを積層した複合板材によって構成している。そして、エッチング処理によって圧力発生室8に対応する部分に周囲の支持板7a本体から独立した島部7cを形成し、この島部7cに圧電振動子6′の先端面を接合している。この第2実施形態では、ノズルプレート4と圧力発生室プレート9との間にノズル連通プレート5a,5bが設けられており、これらのノズル連通プレート5a,5bにそれぞれ開設された連通貫通口24a,24bを通じて1つの圧力発生室8に対し、ノズルセット23を構成する複数のノズル開口13を連通させている。
さらに、図8〜10に示す第3実施形態のように、ノズルセット23を合計3つのノズル開口13a,13b,13cから構成し、これらのノズル開口13を、多角形状(この例では、三角形状(二等辺三角形状又は正三角形状))に配置するレイアウトを採ることも可能である。なお、図9は、図8におけるA−A線が全てのノズル開口13を横断するようにジグザグに切った状態の断面図である。図8に示すように、この第3実施形態においては、三角形状の向きが交互に異なる状態で圧力発生室8の列設方向にノズルセット23を複数配置している。即ち、同一ノズルセット23内のノズル開口13のうち三角形の頂角に対応する第1ノズル開口13aが圧力発生室8の長手方向中央部に対して外側に位置する第1ノズルセット23aと、第1ノズル開口13aが圧力発生室の中央部に対して内側に位置する第2ノズルセット23bとが圧力発生室8の列設方向に交互に配置されている。この構成では、第2ノズル開口13bと第3ノズル開口13cが、圧力発生室8の領域外(隔壁25の領域内)に配置されている。
本実施形態における第1連通貫通口24aは、ノズルセット23の各ノズル開口13に共通な略三角形状の貫通穴であり、1辺の長さが圧力発生室8の幅方向の寸法よりも少し大きく設定されている。これに対し、第2連通貫通口24bは、ノズルセット23の各ノズル開口13に個別に連通する円形の貫通穴であり、ノズル開口13の内径よりも一回り大きい内径に設定されている。この第2連通貫通口24bは、平面視において第1連通口24aと少なくとも一部が重なると共にノズルセット13の対応するノズル開口13を含む状態に形成されている。
本実施形態の構成によれば、隣り合う圧力発生室8の間でノズル開口13や連通貫通口24が互いに干渉することなく、最小限のスペースで、圧力発生室列設方向におけるノズル開口13の形成密度を高めることができる。即ち、例示したノズル開口13のレイアウトでは、圧力発生室列設方向で見たノズル開口13の形成ピッチが、圧力発生室8の列設ピッチの1/3となっている。したがって、圧力発生室列設方向におけるドット形成密度(記録解像度)を、本発明を適用しない従来構成と比較して見かけ上3倍にすることができる。また、三角形状以外の多角形状にすることでさらにドット形成密度を上げることができる。
なお、上記各実施形態においては、ノズル連通プレート5を第1ノズル連通プレート5aと第2ノズル連通プレート5bの合計2枚から構成した例を示したが、これには限られず、1枚又は3枚以上のノズル連通プレート5を設ける構成を採用することも可能である。要は、隣り合う圧力発生室の流路(圧力発生室8、ノズル連通路26、連通貫通口24、及び、ノズル開口13を含む)に干渉することなく、1つ又は複数の連通貫通口によって複数のノズル開口が1つの圧力発生室に連通される構成であれば良い。
このように、圧力発生手段から圧力発生室を構成する部材は従来と同じものを使いながらも、ノズル数を効率よく増やすことができる。
また、以上では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、プリンタ(液体噴射装置の一種)に搭載される記録ヘッド1を例示したが、本発明は、他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、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(Electro Luminescence)ディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ(生物化学素子)の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。
記録ヘッドをノズルプレート側から見た要部拡大平面図である。 図1におけるA−A線断面図である。 図1におけるB−B線断面図である。 ノズル開口の配置レイアウトを説明する図である。 第2の実施形態における記録ヘッドの要部拡大平面図である。 図5におけるA−A線断面図である。 図5におけるB−B線断面図である。 第3の実施形態における記録ヘッドの要部拡大平面図である。 図8におけるA−A線断面図である。 図8におけるB−B線断面図である。
符号の説明
1…記録ヘッド,4…ノズルプレート,5…ノズル連通プレート,8…圧力発生室,9…圧力発生室プレート,11…ノズルユニット,13…ノズル開口,23…ノズルセット,24…連通貫通口,25…隔壁

Claims (5)

  1. ノズル開口を開設したノズルプレート、及び、ノズル開口に連通する圧力発生室を形成した圧力発生室プレートを備えた液体噴射ヘッドであって、
    前記ノズルプレートと前記圧力発生室プレートとの間に、前記圧力発生室と前記ノズル開口とを連通する連通貫通口が開設されたノズル連通プレートを有し、
    前記連通貫通口は、1つの圧力発生室に対し複数のノズル開口を連通させることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  2. 前記複数のノズル連通プレートのうち最もノズルプレート側のノズル連通プレートの連通貫通口の中心が、最も圧力発生室プレート側のノズル連通プレートの連通貫通口の中心に対してずれた状態で両連通貫通口が連通することを特徴とする請求項1に記載の液体噴射ヘッド。
  3. 前記連通貫通口を介して同一圧力発生室に連通する複数のノズル開口のうちの少なくとも一部が、前記ノズルプレートの圧力発生室に対向する領域外に配置されたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の液体噴射ヘッド。
  4. 同一圧力発生室に連通するノズル開口が多角形状に配置されてノズルセットを構成し、
    前記多角形状の向きが交互に異なる状態で圧力発生室の列設方向に前記ノズルセットを複数配置したことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  5. 請求項1から請求項4の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。
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