JP2010076363A - 液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルプレートに万一衝撃が加わってもこれを吸収緩和することができ、致命的な損傷を受けることを防止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】ノズル開口１２を有するノズルプレート３、当該ノズル開口に連通する圧力発生室９、及び圧電素子６を備え、当該圧電素子の作動により前記ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド１で、前記ノズルプレート３は、前記圧力発生室９に対応する位置に中空部１３を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッド、及びこの液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置に関し、特に、外力によるノズルプレートへの衝撃の緩和が可能なものに関する。

液体噴射装置は、液体を噴射可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、液体噴射ヘッドとしての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）を備え、この記録ヘッドのノズル開口から液体状のインクを記録紙等の記録媒体（噴射対象物）に対して噴射・着弾させてドットを形成することで画像等の記録を行うインクジェット式プリンタ等の画像記録装置を挙げることができる。また、近年においては、この画像記録装置に限らず、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造装置等、各種の製造装置にも液体噴射装置が応用されている。

液体を噴射するための記録ヘッドの一例は、流路形成基板、ノズルプレート、弾性体膜、絶縁体膜、及び、圧電素子等を積層して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
この流路形成基板には、複数の圧力発生室が並設され、圧力発生室の外側の領域に連通部が形成され、圧力発生室よりも狭い幅のインク供給路を介して各圧力発生室と連通部とが連通されている。また、連通部は、保護基板のリザーバ部と連通して各圧力発生室の共通のインク室となるリザーバの一部を構成している。

一方、ノズルプレートには、各圧力発生室のインク供給路とは反対側の端部に連通するノズル開口が開設され、流路形成基板の開口面側に接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。このノズルプレートは、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などで構成されている。なお、ノズルプレートを液晶ポリマー（ＬＣＰ）で構成したものもある（例えば、特許文献２参照）。
流路形成基板の開口面とは反対側には、弾性膜が形成され、この弾性膜上に絶縁体膜を介して下電極膜と、圧電体層と、上電極膜とを積層して構成した圧電素子が形成されている。

この記録ヘッドでは、インク供給手段からインクを取り込み、リザーバからノズル開口に至るまで内部をインクで満たした後、コントローラ側からの駆動信号の供給により、圧力発生室に対応するそれぞれの下電極膜と上電極膜との間に電圧を印加し、弾性膜、絶縁体膜、下電極膜及び圧電体層を撓み変形させることにより圧力発生室内の圧力を高め、この圧力変動を制御することで、ノズル開口からインク滴が噴射（吐出）される。

特開２００８−１１９９６８号公報 特開平９−３２７９２４号公報

上記のような従来の記録ヘッドのノズルプレートは、流路形成基板の圧力発生室等の開口面を塞ぐように配置されて固着されるため、記録ヘッドの外側表面に位置することになり、ヘッドの組立工程等で外部から万一衝撃力が加えられると、ノズルプレートが変形してノズル開口からの噴射特性が確保できなくなったり、流路形成基板との固着部分が剥離して使用不能となる等致命的な損傷を受けてしまうという問題がある。

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、ノズルプレートに万一衝撃が加わってもこれを吸収緩和することができ、致命的な損傷を受けることを抑制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にある。

上記目的を達成するため、本発明の液体噴射ヘッドは、ノズル開口を有するノズルプレートと、該ノズルプレートに一部が区画され前記ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室内の圧力を変動する圧力変動素子とを備え、該圧力変動素子の作動により圧力発生室内の圧力を変動して前記ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッドであって、
前記ノズルプレートは、前記圧力発生室に対応する部位の内部に中空部を有することを特徴とする。

上記構成によれば、ノズルプレートの圧力発生室に対応する部位の内部に中空部を備えるので、ノズルプレートに外部から万一衝撃が加わっても中空部によって衝撃を吸収緩和することが可能となる。これにより、ノズルプレートの変形によるノズル開口からの噴射特性への影響を回避することができ、特に噴射特性に影響を及ぼし易い圧力発生室に対応する部位の内部に中空部を備えるので、噴射特性への影響を効率良く抑制できる。また、ノズルプレートの変形を抑えることができるので、ノズルプレートの剥離などを防止することができ、使用不能となることを抑制できる。

また、前記ノズルプレートは、複数枚のプレートを積層して構成され、
前記中空部は、重ねたプレートの間の一部分に非接合空部を形成して構成することができる。
この様に構成すると、中空部を簡単に形成することができ、製造が容易である。

また、前記ノズルプレートは、前記中空部よりも前記圧力発生室側の剛性が圧力発生室と反対側の剛性よりも大きく設定することが望ましい。

上記構成によれば、ノズルプレートの外側の剛性を小さくすることで、中空部と協働して外部からの衝撃の吸収緩和機能を一層高めることができると同時に、圧力発生室側の剛性を大きくすることで、ノズル開口から噴射される液体への影響を抑えることが可能となり、噴射特性を確保することができる。

また、本発明の液体噴射装置（プリンタ）は、ノズル開口を有するノズルプレートと、該ノズルプレートに一部が区画され前記ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室内の圧力を変動する圧力変動素子とを備え、該圧力変動素子の作動により圧力発生室内の圧力を変動して前記ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
前記ノズルプレートは、前記圧力発生室に対応する部位の内部に中空部を有することを特徴とする。

上記構成によれば、ノズルプレートの圧力発生室に対応する位置に中空部を備えることで、ノズルプレートに外部から万一衝撃が加わっても中空部によって衝撃を吸収緩和することが可能となる。これにより、ノズルプレートの変形によるノズル開口からの噴射特性への影響を回避した液体噴射装置とすることができる。また、ノズルプレートの変形を抑えることができ、ノズルプレートの剥離などを抑制した液体噴射装置とすることができる。

前記ノズルプレートは、複数枚のプレートを積層して構成され、
前記中空部は、前記ノズルプレートの少なくとも１枚のプレートに穴部を形成するなどして、重ねたプレートの間の一部分に接合されない空部を形成して構成してもよい。
そして、前記ノズルプレートは、前記中空部の前記圧力発生室側の剛性が圧力発生室と反対側の剛性よりも大きいことが望ましい。

上記構成によれば、ノズルプレートの外側の剛性を小さくすることで、中空部と協働して外部からの衝撃の吸収緩和機能を一層高めることができると同時に、圧力発生室側の剛性を大きくすることで、圧力発生室内の圧力変動によってノズルプレートが撓むことを抑制することができ、噴射される液体への影響を抑えることが可能となり、噴射特性に優れた液体噴射装置にすることができる。

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、本発明の液体噴射ヘッドとして、インクジェット式プリンタ（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、本実施形態の記録ヘッド１の構成を示す分解斜視図である。また、図２（ａ）は記録ヘッド１の平面図、図２（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′線断面図である。また、図３（ａ）はノズルプレートの断面図、図３（ｂ）はノズルプレートの衝撃吸収状態の説明図である。
本実施形態における記録ヘッド１は、流路形成基板２、ノズルプレート３、弾性体膜４、絶縁体膜５、圧力変動素子としての圧電素子６、及び、保護基板７等を積層して構成されている。
流路形成基板２は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、この流路形成基板２には、複数の圧力発生室９がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板２の圧力発生室９の長手方向外側の領域には連通部１０が形成され、連通部１０と各圧力発生室９とが、各圧力発生室９毎に設けられたインク供給路１１を介して連通されている。なお、連通部１０は、後述する保護基板７のリザーバ部２０と連通して各圧力発生室９の共通のインク室となるリザーバ２１の一部を構成する。インク供給路１１は、圧力発生室９よりも狭い幅で形成されており、連通部１０から圧力発生室９に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

流路形成基板２の開口面側には、ノズル開口１２が開設されたノズルプレート３が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着され、各ノズル開口１２は、インク供給路１１とは反対側の端部において各圧力発生室９と連通している。そして、このノズルプレート３には、外部からの万一の衝撃を吸収緩和するための薄い中空部１３が板厚内部に形成され、この中空部１３が圧力発生室９に対応する位置に複数の圧力発生室９を横切る状態で配置され、リザーバ部２０に対応する部分には、ほとんど位置しないようにしてある。ここでは、中空部１３は一つの連続した空間として形成され、ノズル開口１２の側方からインク供給路１１を越えてわずかに連通部１０に至る範囲に亘って形成してある。

このノズルプレート３の各圧力発生室９の周辺において、ノズルプレート３に対して圧力発生室９の反対側から衝撃が加えられた場合に、中空部１３が衝撃吸収層として機能し、外部から加えられた衝撃を和らげることができる。したがって、記録ヘッド１の致命的な損傷を防止する。なお、ノズルプレート３は、例えば薄いプレート２層の積層構造とされて、その積層プレート間の一部分に非接合部分を形成して構成された中空部１３を備え、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などから構成してもよい。また、ガラスセラミックス等で構成する場合には、燒結により一層構造とすることもできる。

一方、流路形成基板２の開口面とは反対側には、厚さが例えば約１．０μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜４が形成され、この弾性膜４上には、厚さが例えば、約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜５が形成されている。また、この絶縁体膜５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜１４と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層１５（圧電体膜３２）と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜１６とが形成され、全体として約１．２５μｍの膜厚の圧電素子６（薄膜圧電素子）を構成している。したがって、圧電素子６は、下電極膜１４、圧電体層１５、及び上電極膜１６を含み、上下何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層１５を圧力発生室９毎にパターニングして構成する。そして、パターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層１５から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜１４は圧電素子６の共通電極とし、上電極膜１６を圧電素子６の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合によってこれを逆にする構成とすることもできる。何れの場合においても、圧力発生室９毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、このような各圧電素子６の上電極膜１６には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極１７がそれぞれ接続され、このリード電極１７を介して各圧電素子６に選択的に電圧が印加されるようになっている。

また、本実施形態における圧電素子６は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜によって全体を覆われている。このように圧電素子６を保護膜で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子６の破壊を防止することができる。このような保護膜の材料としては、耐湿性を有する材料、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料、または、ポリイミド（ＰＩ）等の有機絶縁材料を用いることができる。

流路形成基板２上の圧電素子６側の面には、圧電素子６に対向する領域にその変位を阻害しない程度の大きさの空間となる圧電素子保持部１９を有する保護基板７が接合されている。圧電素子６は、この圧電素子保持部１９内に収容されるため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに、保護基板７には、流路形成基板２の連通部１０に対応する領域にリザーバ部２０が設けられている。このリザーバ部２０は、保護基板７を厚さ方向に貫通して圧力発生室９の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板２の連通部１０と連通されて各圧力発生室９の共通のインク室となるリザーバ２１を構成している。

また、保護基板７の圧電素子保持部１９とリザーバ部２０との間の領域には、保護基板７を厚さ方向に貫通する貫通孔２２が設けられ、この貫通孔２２内に下電極膜１４の一部及びリード電極１７の先端部が露出され、これら下電極膜１４及びリード電極１７には、図示しないが、駆動ＩＣからの配線の一端部が電気的に接続される。保護基板７上には、封止膜２３及び固定板２４とからなるコンプライアンス基板２５が接合されている。封止膜２３は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイドフィルム）からなり、この封止膜２３によってリザーバ部２０の一方面が封止されている。また、固定板２４は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼等）で形成される。この固定板２４のリザーバ２１に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部２６となっているため、リザーバ２１の一方面は可撓性を有する封止膜２３のみで封止されている。

上記構成の記録ヘッド１では、インクカートリッジ等のインク供給手段からインクを取り込み、リザーバ２１からノズル開口１２に至るまで内部をインクで満たした後、プリンタ本体の図示しないプリンタコントローラ側からの駆動信号の供給により、圧力発生室９に対応するそれぞれの下電極膜１４と上電極膜１６との間に電圧を印加し、弾性膜４、絶縁体膜５、下電極膜１４及び圧電体層１５を撓み変形させることにより圧力発生室９内の圧力が高まり、この圧力変動を制御することで、ノズルプレート３に開設したノズル開口１２からインク滴が噴射（吐出）される。

このような記録ヘット１において、ヘッドの外側表面に位置するノズルプレート３に、組立工程や使用時等で、万一衝撃が加わった場合に、従来のノズルプレート３では、変形が生じたり、変形によって圧力発生室９の長手方向外側の連通部１０との固着部分での剥離が発生することがあったが、本発明のノズルプレート３では、図３（ｂ）に示すように、中空部１３によって衝撃を吸収緩和して変形を抑えることができ、ノズルプレート３の損傷を防止することができる。さらに、ノズルプレート３の変形が抑えられることで、流路形成基板２との固着部分の剥離を防止することができる。また、ノズルプレート３は中空部１３よりも圧力発生室９側の部分が各圧力発生室９の開口部側の周囲（例えば、隔壁などの区画構成部分）に固着されることで、支持されているので、中空部１３による剛性低下の影響は少なく、これまでと同様な噴射特性を確保することができる。一方、ノズルプレート３の中空部１３よりも圧力発生室９側と反対側の部分は支持されておらず、中空部１３よりも圧力発生室９側の部分よりも剛性が低くなっている。なお、ノズルプレート３に備える中空部１３は１つの空間として形成する場合に限らず、各圧力発生室９に対応して複数の空間として、あるいは複数の圧力発生室９に纏めた領域に対応して複数の空間に区分けして形成することもできる。この様に、中空部１３を複数の小さな空間に区分けして構成すると、中空にしたことに起因するノズルプレート３の剛性低下を極力抑えることができ、噴射特性を確保することが容易となる。

また、記録ヘッド１のノズルプレート３としては、図示例のように、２層の積層構造とし、圧力発生室９側のプレートに中空部１３となる凹部を形成しておき、平坦なプレートを接着剤等で一体化して製造することができるが、中空部１３の部分を切り欠いたプレートとして３層の積層構造として製造することもできる。
また、複数層の積層構造としてノズルプレート３を構成する場合には、中空部１３よりも圧力発生室９側となる内側のプレートの剛性が反圧力発生室側（圧力発生室と反対側）となる外側のプレートの剛性よりも大きくなるような材質とすることで、外側の剛性の小さいプレートで、中空部１３と協働して外部からの衝撃の吸収緩和機能を一層高めることができると同時に、圧力発生室９側の剛性の大きいプレートで、圧力発生室９内の圧力変動の吸収を抑えることができ、ノズル開口１２からの液体の噴射特性を一層確実に確保することができる。

そして、上記中空部１３を備えるノズルプレート３のノズル開口１２からインクを噴射する記録ヘッド（液体噴射ヘッド）１、及び、この記録ヘッド１を備えるプリンタ（液体噴射装置）では、万一の衝撃が加わってもこれを吸収緩和することができるから、組立工程での取扱いが容易となり、生産効率や信頼性を向上させることが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な流路構造や材質を採用してもよい。また、上述した実施形態では、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェット式記録ヘッドを例示したが、勿論、インク以外の液体を噴射するものにも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装置に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成装置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。
また、圧力変動素子は、圧電素子に限定されるものではなく、磁歪素子などでもよいし、気泡を発生させるインクを使用する場合の発熱素子でもよい。

記録ヘッドの分解斜視図である。 記録ヘッドの平面図及び断面図である。 （ａ）は外力を受けない状態におけるノズルプレートの断面図、（ｂ）は外力を受けて変形した状態におけるノズルプレートの断面図である。

符号の説明

１…記録ヘッド，２…流路形成基板，３…ノズルプレート，６…圧電素子，９…圧力発生室、１２…ノズル開口，１３…中空部，２０…リザーバ部，２１…リザーバ，２６…開口部

Claims (6)

1. ノズル開口を有するノズルプレートと、該ノズルプレートに一部が区画され前記ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室内の圧力を変動させて前記ノズル開口から液体を噴射させる圧力変動素子とを備える液体噴射ヘッドであって、
   前記ノズルプレートは、前記圧力発生室に対応する部位の内部に中空部を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記ノズルプレートは、複数枚のプレートを積層して構成され、
   前記中空部は、前記ノズルプレートの少なくとも１枚のプレートに穴部を形成して構成されてい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. 前記ノズルプレートは、前記中空部の前記圧力発生室側の剛性が圧力発生室と反対側の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. ノズル開口を有するノズルプレートと、該ノズルプレートに一部が区画され前記ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室内の圧力を変動させて前記ノズル開口から液体を噴射させる圧力変動素子とを備える液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
   前記ノズルプレートは、前記圧力発生室に対応する部位の内部に中空部を有することを特徴とする液体噴射装置。
5. 前記ノズルプレートは、複数枚のプレートを積層して構成され、
   前記中空部は、前記ノズルプレートの少なくとも１枚のプレートに穴部を形成して構成されていることを特徴とする請求項４に記載の液体噴射装置。
6. 前記ノズルプレートは、前記中空部の前記圧力発生室側の剛性が圧力発生室と反対側の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項４又は５に記載の液体噴射装置。

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