JP2009226650A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の粘度によらず、高品質な印刷を実現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】液体を吐出するノズル開口２１と、ノズル開口２１に連通し圧力が付与される圧力発生室１１と、圧力発生室１１に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、圧力発生室１１とノズル開口２１との間には、液体が流れる液体吐出路６０が設けられ、液体吐出路６０は、小径部６１と、小径部６１よりもノズル開口２１側に設けられ小径部６１よりも流路面積が大きい拡大部６２とを有する。
【選択図】図２

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する。

液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、圧電素子の変位による圧力を利用してノズル開口からインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが知られている。具体的には、インクを吐出するノズル開口を有するノズルプレートと、ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に設けられる振動板と、各圧力発生室に対応して設けられ固定基板に固定された圧電素子（圧電振動子）と、この圧電素子を収容するケースヘッド（基台）とを有するものが知られている（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は、紙等に対し点描画のようにインク滴を付着させることで、高精細で高品質な印刷を実現している。

ところで、インクジェット式記録ヘッドには様々な粘度のインクが使用されるようになってきている。しかしながら、従来のインクジェット式記録ヘッドの構成では、使用されるインクの粘度の違いで吐出状況が異なり、吐出されるインク滴の付着位置が安定しないことが考えられる。

また従来の構成では、圧力発生室からノズル開口に向かって流れるインクは、ノズル開口部分で流路面積が急激に減少されるので、ノズル開口部分で急激に伸長力（インク滴を引き延ばす力）が加わる。これにより、例えば粘度が高いインクを使用すると、ノズル開口から吐出されるインク滴の切れが不良になり、切れずに伸びた部分が線状に付着してしまう虞もあった。

なお、このような問題は、インクを吐出する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。

特開２００４−７４７４０号公報

本発明はこのような事情に鑑み、液体の粘度によらず、安定した吐出状況が得られ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、液体を吐出するノズル開口と、前記ノズル開口に連通し圧力が付与される圧力発生室と、前記圧力発生室に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、前記圧力発生室と前記ノズル開口との間には、前記液体が流れる液体吐出路が設けられ、前記液体吐出路は、小径部と、当該小径部よりも前記ノズル開口側に設けられ当該小径部よりも流路面積が大きい拡大部とを有す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、圧力発生室からノズル開口に向かって流れる液体は、液体吐出路の小径部でその流路面積を縮小され伸長力（液滴を引き伸ばす力）を加えられる。これにより、圧力発生室からノズル開口に向かう液体の流れに変化が生じ、ノズル開口から吐出された液体の切れがよくなると共に、吐出された液滴の形状も良好になる。したがって、粘度の違いによらず液体の吐出状況が安定する。

ここで、前記小径部の流路面積は、前記ノズル開口の流路面積よりも小さく形成されていることが好ましい。これによれば、圧力発生室からノズル開口に向かう液体には、小径部で、ノズル開口で加わる伸長力よりも大きな伸長力が加わる。これにより、圧力発生室から液体吐出路を通ってノズル開口に向かう液体の流れにさらに大きな変化が生じ、吐出された液体の切れがさらによくなると共に、吐出された液滴の形状がさらに良好になる。したがって、粘度の違いによらずさらに液体の吐出状況が安定する。

また、前記圧力発生室には、液体が貯留されるリザーバに繋がる液体供給路が連続して設けられており、前記液体吐出路のイナータンスが、前記液体供給路のイナータンスよりも小さく構成されていることが好ましい。これによれば、液体が流れる流路において、下流側のイナータンスが上流側のイナータンスよりも小さく構成されることで、十分な液体の吐出量を確保できると共に、良好な液体吐出特性を獲得できるという知見に基づき、液体の粘度によらず、液体の切れが良好になるだけでなく、十分な液体吐出量と、良好な液体吐出特性を獲得できる。

また、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、使用する液体の粘度によらず、安定した吐出状況が得られる液体噴射装置を実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係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の断面図である。

図示するように、インクジェット式記録ヘッド１００は、複数の圧力発生室１１を有する流路形成基板１０と、各圧力発生室１１に連通する複数のノズル開口２１が設けられたノズルプレート２０と、流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面に設けられる振動板１５とを具備する。さらに、インクジェット式記録ヘッド１００は、振動板１５上の各圧力発生室１１に対応する領域に設けられる圧電素子３５を有する圧電素子ユニット３０と、振動板１５上に固定されて圧電素子ユニット３０が収容される収容部４１を有するケースヘッド４０とを具備する。

流路形成基板１０には、その一方面側の表層部分に、圧力発生室１１が隔壁によって区画されてその幅方向で複数並設されている。各圧力発生室１１の列の外側には、ケースヘッド４０の液体導入路であるインク導入路４２を介してインクが供給されるリザーバ１３が、流路形成基板１０を厚さ方向に貫通して設けられている。そして、リザーバ１３と各圧力発生室１１とは、インク供給路１２を介して連通し、各圧力発生室１１には、インク導入路４２、リザーバ１３及びインク供給路１２を介してインクが供給される。インク供給路１２は、本実施形態では、圧力発生室１１よりも狭い幅で形成されており、リザーバ１３から圧力発生室１１に流入するインクの流路抵抗を一定に保持する役割を果たしている。

また、圧力発生室１１のリザーバ１３とは反対の端部側には、インクが流れる液体吐出路６０が設けられている。具体的には、流路形成基板１０には、液体吐出路６０の入口側の部分が設けられている。流路形成基板１０は、例えばシリコン単結晶基板からなり、流路形成基板１０に設けられる上記圧力発生室１１等は、流路形成基板１０をエッチングすることによって形成されている。

流路形成基板１０の一方面側には、ノズル開口２１と、液体吐出路６０のノズル開口２１側の部分が設けられたノズルプレート２０が接合されている。なお、ノズル開口２１とは、インクが吐出する出口のことを指す。液体吐出路６０については後述する。

また、流路形成基板１０の他方面側、すなわち、圧力発生室１１の開口面側には振動板１５が接合されて、各圧力発生室１１はこの振動板１５によって封止されている。

この振動板１５は、例えば、樹脂フィルム等の弾性部材からなる弾性膜１５ａと、この弾性膜１５ａを支持する、例えば、金属材料等からなる支持板１５ｂとの複合板で形成されており、弾性膜１５ａ側が流路形成基板１０に接合されている。例えば、本実施形態では、弾性膜１５ａは、厚さが数μｍ程度のＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）フィルムからなり、支持板１５ｂは、厚さが数十μｍ程度のステンレス鋼板（ＳＵＳ）からなる。また、振動板１５の各圧力発生室１１に対向する領域内には、圧電素子３５の先端部が当接する島部１５ｃが設けられている。この圧電素子３５の先端面は、接着剤によって島部１５ｃに接合されている。すなわち、振動板１５の各圧力発生室１１の周縁部に対向する領域に他の領域よりも厚さの薄い薄肉部１５ｄが形成されて、この薄肉部１５ｄの内側にそれぞれ島部１５ｃが設けられている。また、本実施形態では、振動板１５のリザーバ１３に対向する領域に、薄肉部１５ｄと同様に、支持板１５ｂがエッチングにより除去されて実質的に弾性膜のみで構成されるコンプライアンス部１６が設けられている。なお、このコンプライアンス部１６は、リザーバ１３内の圧力変化が生じた時に、このコンプライアンス部１６の弾性膜１５ａが変形することによって圧力変化を吸収し、リザーバ１３内の圧力を常に一定に保持する役割を果たす。

ここで、圧力発生室１１内にインク滴を吐出するための圧力を発生する圧力発生手段である圧電素子３５について説明する。本実施形態では、圧電素子３５は、一つの圧電素子ユニット３０において一体的に形成されている。すなわち、圧電材料３１と電極形成材料３２，３３とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層した圧電素子形成部材３４を形成し、この圧電素子形成部材３４を各圧力発生室１１に対応して櫛歯状に切り分けることによって各圧電素子３５が形成されている。すなわち、本実施形態では、複数の圧電素子３５が一体的に形成されている。そして、この圧電素子３５（圧電素子形成部材３４）の振動に寄与しない不活性領域、すなわち、圧電素子３５の基端部側が固定基板３６に固着され、圧電素子３５は固定基板３６を介してケースヘッド４０に固定されている。本実施形態では、これら圧電素子３５（圧電素子形成部材３４）と、固定基板３６とで圧電素子ユニット３０が構成されている。

このような圧電素子ユニット３０は、圧電素子３５の先端部が上述したように振動板１５の島部１５ｃに当接された状態で固定されている。例えば、本実施形態では、上述したように振動板１５上にケースヘッド４０が固定されており、圧電素子ユニット３０は、このケースヘッド４０の収容部４１内に収容されて、圧電素子３５が固定された固定基板３６が、圧電素子３５とは反対面側でケースヘッド４０に固定されている。具体的には、ケースヘッド４０は、振動板１５上に接合されて島部１５ｃに相対向する領域に収容部４１が設けられている。そして、ケースヘッド４０の収容部４１のインク導入路４２側には、段差部４３が設けられており、この段差部４３と固定基板３６とが当接された状態で、固定基板３６とケースヘッド４０とは接合されている。

なお、固定基板３６は、上述のように圧電素子３５と一体的に設けられることで、圧電素子ユニット３０を構成し、圧電素子ユニット３０はケースヘッド４０に位置決め固定される。このとき、圧電素子３５の振動板１５（島部１５ｃ）に対する位置合わせは、固定基板３６の外周面とケースヘッド４０の収容部４１の内面とによって行われる。これにより、脆性材料である圧電素子３５を直接把持して位置合わせするのに比べて容易に且つ高精度に位置合わせを行うことができる。

そして、圧電素子３５の基端部近傍には、固定基板３６とは反対側の面に、各圧電素子３５を駆動するための駆動ＩＣ（図示なし）を搭載すると共に、各圧電素子３５を駆動するための信号を供給する配線層５１を有するフレキシブルプリント基板５０が接続されている。このフレキシブルプリント基板５０は、フレキシブルプリンティングサーキット（ＦＰＣ）や、テープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）などからなる。詳しくは、フレキシブルプリント基板５０は、例えば、ポリイミド等のベースフィルム５２の表面に銅薄等で所定のパターンの配線層５１を形成し、配線層５１の圧電素子３５と接続される端子部などの他の配線と接続される領域以外の領域をレジスト等の絶縁材料５３で覆ったものである。

このようなフレキシブルプリント基板５０の配線層５１は、その基端部側で、例えば、半田、異方性導電材等によって圧電素子３５を構成する電極形成材料３２，３３に接続されている。

また、ケースヘッド４０上には、フレキシブルプリント基板５０の各配線層５１がそれぞれ接続される複数の導電パッド７１が設けられた配線基板７０が固定されている。配線基板７０には、ケースヘッド４０の収容部４１に対向する領域にスリット状の開口部７２が形成されている。

そして、フレキシブルプリント基板５０の各配線層５１の先端部側は、この配線基板７０の開口部７２から収容部４１の外側に引き出されて、引き出された領域が屈曲されて導電パッド７１と接続されている。

このようなインクジェット式記録ヘッド１００では、インク滴を吐出する際に、圧電素子３５及び振動板１５の変形によって各圧力発生室１１の容積を変化させて液体吐出路６０を通過してノズル開口２１からインク滴を吐出させるようになっている。具体的には、図示しない液体貯留手段から液体導入路であるインク導入路４２を介してリザーバ１３にインクが供給されると、インク供給路１２を介して各圧力発生室１１にインクが分配される。そして、駆動回路からの駆動信号によって所定の圧電素子３５に電圧を印加及び解除することによって、圧電素子３５を収縮及び伸張させて圧力発生室１１に圧力変化を生じさせる。この圧力発生室１１内の圧力変化により、圧力発生室１１内のインクは、液体吐出路６０を通ってノズル開口２１から吐出する。

図２（ａ）を参照して、液体吐出路６０について説明する。図２（ａ）は、液体吐出路６０の拡大断面図である。

図示するように、液体吐出路６０は、小径部６１と、小径部６１よりもノズル開口２１側に設けられ小径部６１よりも流路面積が大きい拡大部６２とを有する。本実施形態では小径部６１の流路面積は、ノズル開口２１の流路面積よりも小さく形成されている。なお、本実施形態では、小径部６１は流路形成基板１０に設けられている。

また、本実施形態では、液体吐出路６０のイナータンスは、インク供給路１２のイナータンスよりも小さくなるように構成されている。具体的には、イナータンスは、流路の長さや幅、インクの粘度や密度で決定される値であり、本実施形態では、これらが制御されて、液体吐出路６０のイナータンスがインク供給路１２のイナータンスよりも小さくなるように構成されている。

圧力発生室１１とノズル開口２１との間に設けられた液体吐出路６０の小径部６１により、圧力発生室１１内の圧力変動によって圧力発生室１１からノズル開口２１に向かうインクは、ノズル開口２１に達する前に、小径部６１で一度流路面積を縮小され伸長力（インク滴を引き延ばす力）を加えられる。これにより、圧力発生室１１からノズル開口２１に向かうインクの流れに変化が生じ、吐出されたインクの切れがよくなると共に、吐出されたインク滴の形状も良好になる。したがって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１００では、インクの粘度の違いによらず吐出状況が安定する。換言するとインクの粘度の違いで、噴射位置に違いが生じにくい。

また、小径部６１の流路面積が、ノズル開口２１の流路面積よりも小さく形成されているので、圧力発生室１１からノズル開口２１に向かうインクには、小径部６１で、ノズル開口２１で加わる伸長力よりも大きな伸長力が加わる。これにより、圧力発生室１１からノズル開口２１に向かうインクの流れにさらに大きな変化が生じ、吐出されたインクの切れがさらによくなると共に、吐出されたインク滴の形状もさらに良好になる。したがって、粘度の違いによらずさらにインクの吐出状況が安定する。

特に高粘度のインクを使用して、印刷対象、インクジェット式記録ヘッド共に、通常よりも高速に移動させる高速度印刷を行う場合、従来の構成の場合は、ノズル開口から吐出されたインク滴の伸びた部分が他のインク滴と干渉してしまう虞があった。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１００は、液体吐出路６０の小径部６１により、ノズル開口２１から吐出されるインクの切れがよくなると共に、吐出されたインク滴の形状も良好になるので、高粘度のインクを使用しても伸びた部分を生じにくく、当然伸びた部分が他のインク滴と干渉してしまいにくい。

また、本実施形態では、液体吐出路６０のイナータンスは、インク供給路１２のイナータンスよりも小さくなるように構成されている。これによりインクの粘度によらず、ノズル開口２１から吐出されるインクの吐出状況が安定するだけでなく、十分なインク吐出量と、良好なインク吐出特性とを獲得できる。これは、液体の流れにおいて、下流側のイナータンスが上流側のイナータンスよりも小さく構成されることで、十分な液体吐出量と、良好な液体吐出特性を獲得できるという知見に基づく。

以上、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１００について説明したが、本発明は上述した構成に限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、液体吐出路６０の小径部６１は、流路形成基板１０に設けられていた。しかしながら、小径部６１の場所はこれに限定されず、図２（ｂ）に示す液体吐出路６０Ａのように、流路形成基板１０Ａではなくノズルプレート２０Ａに小径部６１Ａが設けられていてもよい。なお、図２（ｂ）では、拡大部６２Ａもノズルプレート２０Ａに設けられている。いずれにしても、圧力発生室とノズル開口の間の液体吐出路に、小径部及び拡大部が設けられていればよい。

また、本発明は、従来のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドの構成にも適用できる。図３（ａ）は、従来のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドの構成に本発明を適用した例である。図３（ａ）におけるノズル開口２１Ｂは、ノズルプレート２０Ｂに形成された、上流側の径がテーパ状に形成されていると共に吐出口側が一定の径で形成されている部分のことを指す。ノズル開口２１Ｂがこのような形状であったとしても、図示するように圧力発生室１１とノズル開口２１Ｂとの間の液体吐出路６０Ｂに小径部６１Ｂと拡大部６２Ｂとを設けることで、インクの切れが良好になり、吐出状況が安定する。なお、図３（ａ）では、液体吐出路６０Ｂは、流路形成基板１０Ｂに設けられている。

なお、ノズル開口の形状は特に限定されず、図３（ｂ）のノズルプレート２０Ｃに設けられたノズル開口２１Ｃに示すような、上流から下流側に向かって漸減するような形状であっても構わない。本発明は、ノズル開口の形状によらず、効果を奏するものである。

また、上述した実施形態では、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を有するインクジェット式記録ヘッドを例示して説明した。しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、厚膜型の圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッド、或いはゾル−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を有するインクジェット式記録ヘッド、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を有するインクジェット式記録ヘッド、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。

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４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４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、上述した実施形態では、液体噴射ヘッド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。

本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの断面図である。 本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの要部拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係る液体噴射ヘッドの要部拡大断面図である。 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

１０，１０Ａ，１０Ｂ 流路形成基板、 １１ 圧力発生室、 １２ インク供給路、 １３ リザーバ、 １５ 振動板、 １５ａ 弾性膜、 １５ｂ 支持板、 １５ｃ 島部、 １５ｄ 薄肉部、 １６ コンプライアンス部、 ２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ ノズルプレート、 ２１，２１Ｂ，２１Ｃ ノズル開口、 ３０ 圧電素子ユニット、 ３１ 圧電材料、 ３２，３３ 電極形成材料、 ３４ 圧電素子形成部材、 ３５ 圧電素子、 ３６ 固定基板、 ４０ ケースヘッド、 ４１ 収容部、 ４２ インク導入路、 ４３ 段差部、 ５０ フレキシブルプリント基板、 ５１ 配線層、 ５２ ベースフィルム、 ５３ 絶縁材料、 ６０，６０Ａ，６０Ｂ 液体吐出路、 ６１，６１Ａ，６１Ｂ 小径部、 ６２，６２Ａ，６２Ｂ 拡大部、 ７０ 配線基板、 ７１ 導電パッド、 ７２ 開口部、 １００ インクジェット式記録ヘッド

Claims (4)

1. 液体を吐出するノズル開口と、前記ノズル開口に連通し圧力が付与される圧力発生室と、前記圧力発生室に圧力を付与する圧力発生手段とを具備し、
   前記圧力発生室と前記ノズル開口との間には、前記液体が流れる液体吐出路が設けられ、
   前記液体吐出路は、小径部と、当該小径部よりも前記ノズル開口側に設けられ当該小径部よりも流路面積が大きい拡大部とを有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
   前記小径部の流路面積は、前記ノズル開口の流路面積よりも小さく形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧力発生室には、液体が貯留されるリザーバに繋がる液体供給路が連続して設けられ、
   前記液体吐出路のイナータンスが、前記液体供給路のイナータンスよりも小さくなるように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜３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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