JP2010143130A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴の噴射特性を安定させ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】液滴を噴射するノズル１３と、ノズル１３に接続され隔壁１７によって区画された複数の圧力発生室１１と、圧力発生室１１内に液滴噴射のための圧力を発生させる圧力発生手段１６とを具備し、隔壁１７には少なくとも圧力発生室１１に対応する領域に間隙部４０が設けられており、間隙部４０はノズル１３とは異なる方向の面に設けられ且つ圧力発生室１１とノズル１３との接続部とは反対側の端部近傍で接続される接続孔４１を介して外部と連通されている構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特にノズルからインク滴を噴射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。

液滴を噴射する液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を噴射するノズルと連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズルからインク滴を噴射させるインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。具体例としては、圧力室が形成される流路形成基板の一方面側にノズルが形成されたノズルプレートが接合され、流路形成基板の他方面側に振動板が接合され、圧力発生手段である圧電素子の先端が、この振動板上に設けられる島状部に当接するように設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような構造のインクジェット式記録ヘッドでは、各圧力室（圧力発生室）を区画する隔壁の厚さが比較的薄い。なおノズルの高密度化に伴って隔壁の厚さはさらに薄くなる傾向にある。このため、圧電素子等の圧力発生手段によって圧力発生室内に圧力変動を生じさせると、それに伴って隔壁が変形し、隣接する圧力発生室の圧力変動に影響を及ぼしてしまうという問題がある。すなわち各圧力発生室間で、いわゆるクロストークが発生してしまい、インク滴の噴射特性を良好に維持することができないという問題がある。

このような問題を解決するために、各インク室（圧力発生室）の間にダミー室を設け、各インク室内の相互の圧力干渉を避け、インク吐出の不安定性を解消するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２７７５２４号公報（図１等） 特開平７−６８７５２号公報（図１等）

上述のような構成とすることで、各圧力発生室間の相互の圧力干渉は避けることはできるが、インク滴の噴射特性を十分に安定させることは難しい。例えば、特許文献２に記載の構成では、各ダミー室に連通する大気連通孔を設ける必要があり、この大気連通孔がノズルとインク室との接続部近傍に設けられている。このため、大気連通孔から排出された空気によって周囲（ノズルの周囲）の気流に乱れが生じてしまい、インク滴の噴射特性が不安定になってしまう虞がある。

なお、このような問題は、インク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、他の液滴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、液滴の噴射特性を安定させ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課題とする。

上記課題を解決する本発明は、液滴を噴射するノズルと、該ノズルに接続され隔壁によって区画された複数の圧力発生室と、該圧力発生室内に液滴噴射のための圧力を発生させる圧力発生手段とを具備し、前記隔壁には少なくとも前記圧力発生室に対応する領域に間隙部が設けられており、該間隙部は前記ノズルとは異なる方向の面に設けられ且つ前記圧力発生室と前記ノズルとの接続部とは反対側の端部近傍で接続される接続孔を介して外部と連通されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、隔壁に間隙部が設けられていると共にこの間隙部に接続孔が接続されていることで、隣接する圧力発生室間でのクロストークの発生を抑制することができる。すなわち隣接する圧力発生室内の圧力変動の影響を抑えて、各ノズルから良好に液滴を噴射することができる。また、ノズルから液滴を噴射する際に隔壁が変形することで、接続孔から空気が排出されて周囲の気流に乱れが生じるが、接続孔がノズルとは離れた位置に設けられていることで、この気流の乱れによる液滴の噴射特性への悪影響を抑制することができる。よって、各ノズルから噴射される液滴の噴射特性が安定する。

ここで、前記接続孔は、前記ノズルが形成された面に相対向する面に設けられていることが好ましい。これにより、上述の気流の乱れによる液滴の噴射特性への悪影響をより確実に抑えることができる。

さらに、複数の各圧力発生室に連通するリザーバーを有すると共に、該リザーバーの一方面には当該リザーバー内の圧力変動によって変形可能なコンプライアンス部が設けられ、該コンプライアンス部に対向する領域には、当該コンプライアンス部の変形を許容する空間部が設けられており、前記接続孔がこの空間部に接続されていることが好ましい。空間部はコンプライアンス部の変形を許容するため大気開放されている。このため、接続孔がこの空間部に接続されていることで、比較的容易な構造で間隙部を外部に連通させることができる。

また本発明は、このような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。かかる本発明では、液滴の噴射特性が良好な状態に安定するため、信頼性を向上した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。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの一例を示す断面図であり、図２はその要部を拡大した拡大断面図である。また図３は、流路形成基板の平面図である。

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、複数の圧力発生室１１が設けられた流路形成基板１２と、各圧力発生室１１に連通する複数のノズル１３が穿設されたノズルプレート１４と、流路形成基板１２のノズルプレート１４とは反対側の面に設けられる振動板１５と、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力発生手段としての圧電素子１６とを有する。

流路形成基板１２には、各圧力発生室１１が隔壁１７によって区画されてその幅方向に複数並設されている。例えば、本実施形態では、複数の圧力発生室１１が並設された列が流路形成基板１２に２列設けられている。

各圧力発生室１１の列の外側には、各圧力発生室１１にインクを供給するためのリザーバー１８が、流路形成基板１２を厚さ方向に貫通して設けられている。そして、各圧力発生室１１とリザーバー１８とは、インク供給路１９を介して連通している。インク供給路１９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、リザーバー１８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は、本実施形態では、流路形成基板１２を貫通することなく形成されており、圧力発生室１１のリザーバー１８とは反対の端部側には、流路形成基板１２を貫通してノズル１３に連通するノズル連通路２０が形成されている。

このような流路形成基板１２は、本実施形態では、シリコン単結晶基板からなり、流路形成基板１２に設けられる圧力発生室１１等は、流路形成基板１２をエッチングすることによって形成されている。

この流路形成基板１２の一方面側にはノズルプレート１４が接合されている。そして上述のように各ノズル１３が流路形成基板１２に設けられたノズル連通路２０を介して各圧力発生室１１と連通している。また、流路形成基板１２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、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。そしてこの振動板１５上には、圧力発生室１１内にインク滴を噴射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１６が設けられている。圧電素子１６は、その先端部が振動板１５上に当接した状態で固定されている。

圧電素子１６は、本実施形態では、圧電材料２１と電極形成材料２２及び２３とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層され、振動に寄与しない不活性領域が固定基板２４に固着されている。また、本実施形態では、圧電素子１６の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でその空間を密封可能な圧電素子保持部２５を有するヘッドケース２６が振動板１５上に固定されている。そして、圧電素子１６が固定された固定基板２４が、圧電素子１６とは反対側の面でこのヘッドケース２６に固定されている。

ここで、圧電素子１６の先端が当接する振動板１５は、例えば、樹脂フィルム等の弾性部材からなる弾性膜２７と、この弾性膜２７を支持する、例えば、金属材料等からなる支持板２８との複合板で形成されており、弾性膜２７側が流路形成基板１２に接合されている。例えば、本実施形態では、弾性膜２７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２８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１６の先端部が当接する島部２９が設けられている。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３０が形成されて、この薄肉部３０の内側にそれぞれ島部２９が設けられている。

また振動板１５のリザーバー１８に対向する領域には、薄肉部３０と同様に、支持板２８がエッチングにより除去されて実質的に弾性膜２７のみで構成されるコンプライアンス部３１が設けられている。なお、このコンプライアンス部３１は、リザーバー１８内の圧力変化が生じた時に、このコンプライアンス部３１の弾性膜２７が変形することによって圧力変化を吸収し、リザーバー１８内の圧力を一定に維持する役割を果たす。

なおヘッドケース２６のコンプライアンス部３１に対向する部分には、コンプライアンス部３１の変形を許容する空間である空間部３２が形成されている。この空間部３２はヘッドケース２６に設けられる連通孔３３を介して外部と連通している。つまり空間部３２は大気開放されている。これによりコンプライアンス部３１がリザーバー１８の圧力変化に伴って良好に変形する。

このようなインクジェット式記録ヘッド１０では、インク滴を噴射する際に、圧電素子１６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所定のノズル１３からインク滴を噴射させるようになっている。具体的には、図示しないインクカートリッジからリザーバー１８にインクが供給されると、インク供給路１９を介して各圧力発生室１１にインクが分配される。実際には、圧電素子１６に電圧を印加することにより圧電素子１６を収縮させる。これにより、振動板１５が圧電素子１６と共に変形されて圧力発生室１１の容積が広げられ、圧力発生室１１内にインクが引き込まれる。そして、ノズル１３に至るまで内部にインクを満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、圧電素子１６の電極形成材料２２及び２３に印加していた電圧を解除する。これにより、圧電素子１６が伸張されて元の状態に戻ると共に振動板１５も変位して元の状態に戻る。結果として圧力発生室１１の容積が収縮して圧力発生室１１内の圧力が高まりノズル１３からインク滴が噴射される。

ここで、このように圧電素子１６の駆動に伴う振動板１５の変位により圧力発生室１１内に圧力変化を生じさせてインク滴を噴射させようとすると、各圧力発生室１１を区画している隔壁１７も若干変形してしまう。このため、本発明では、以下に説明するように、隔壁１７に間隙部４０を設け、隔壁１７の変形が隣接する圧力発生室１１の圧力変動に影響を与えることがないようにしている。

具体的には、図２及び図３に示すように、圧力発生室１１間の各隔壁１７には、少なくとも圧力発生室１１に対応する部分に間隙部４０が設けられている。本実施形態では、間隙部４０は、圧力発生室１１からインク供給路１９に対応する部分に渡って連続的に設けられている。この間隙部４０は、圧力発生室１１の長手方向に沿って隔壁１７を実質的に二つに分離して、第１の隔壁部１７ａ及び第２の隔壁部１７ｂを形成する空間（空気層）である。間隙部４０が隔壁１７に設けられていることで、圧電素子１６を駆動して圧力発生室１１内に圧力変動を生じさせた場合、各隔壁１７の第１の隔壁部１７ａ又は第２の隔壁部１７ｂの何れか一方のみが変形する。すなわち、第１の隔壁部１７ａと第２の隔壁部１７ｂとは、間隙部４０によって分離されているため、一つの圧力発生室１１の圧力変動によって第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂの両方が変形することはなない。

したがって、複数のノズル１３からインク滴を噴射させる際に、各圧力発生室１１の圧力変動は、隣接する圧力発生室１１の圧力変動の影響を受けることがなく、各ノズル１３からインク滴を良好な噴射特性で噴射することができる。

なお、間隙部４０は、第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂの変形を吸収できる程度に、隔壁１７の少なくとも圧力発生室１１に対応する領域に設けられていればよく、その幅等は適宜決定されればよい。例えば、本実施形態では、隔壁１７（流路形成基板１２）を厚さ方向に貫通することなく、圧力発生室１１に対応する部分のみに間隙部４０を形成するようにしたが、勿論、間隙部４０は隔壁１７を厚さ方向に貫通して設けられていてもよい。

また間隙部４０に対向する領域の振動板１５には、接続孔４１が設けられている。この接続孔４１は、本実施形態では振動板１５を貫通して設けられ、ヘッドケース２６の空間部３２に連通している。上述したように、この空間部３２は連通孔３３を介して大気開放されている。これにより、第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂの変形を間隙部４０によって確実に吸収することができる。

第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂが変形に伴って間隙部４０の容積が変化するため、例えば、間隙部４０が密封空間であると、第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂの変形に伴って間隙部４０内の圧力が上昇し、第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂの変形を妨げる虞がある。すなわち各圧力発生室１１の圧力変動が、隣接する圧力発生室１１の圧力変動の影響を受けてしまう虞がある。

しかしながら、間隙部４０が接続孔４１を介して大気開放されていることで、第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂの変形を妨げることがない。つまり各圧力発生室１１の圧力変動が、隣接する圧力発生室１１の圧力変動の影響を受けることがない。したがって、各ノズル１３からインク滴を良好に噴射することができる。

また接続孔４１は、ノズル１３とは異なる方向の面、本実施形態ではノズル１３が形成された面に相対向する面に設けられている。例えば、本実施形態では、流路形成基板１２の一方面側に接合されたノズルプレート１４にノズル１３が形成されているのに対し、接続孔４１は流路形成基板１２の他方面側に接合された振動板１５に形成されている。つまり接続孔４１は、ノズル１３が形成された面とは逆側の面に形成されている。さらに本発明では、接続孔４１が、ノズル１３と圧力発生室１１との接続部（本実施形態では、ノズル連通路２０）とは反対側の間隙部４０の端部近傍に接続されている。

このように接続孔４１が、ノズル１３から離れた位置に設けられていることで、各ノズル１３からインク滴をさらに良好に噴射させることができる。インク滴を噴射させる際に第１及び第２の隔壁部１７ａ，１７ｂが変形すると、間隙部４０から接続孔４１を介して外部に排出された空気によって周囲の気流に乱れが生じるが、上述のように接続孔４１がノズル１３から離れた位置に設けられていれば、この気流の乱れがノズル１３から噴射されたインク滴に影響を及ぼすことがない。よって、各ノズル１３からインク滴を良好に噴射させることができる。

特に、本実施形態では、接続孔４１が空間部３２に連通するようにし、間隙部４０が、接続孔４１、空間部３２及び連通孔３３を介して外部に連通されるように構成されている。したがって、気流の乱れがインク滴に悪影響を及ぼすのをより確実に抑えることができる。さらに接続孔４１を空間部３２に連通させるようにすることで、比較的簡単な構造で、間隙部４０を大気開放させることができる。

なお本実施形態では、このように接続孔４１が空間部３２に連通するようにしたが、勿論、接続孔４１が直接外部に連通していてもよい。さらに接続孔４１はノズル１３とは異なる面に設けられていればよく、必ずしも振動板１５に設けられている必要はない。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、勿論、本発明は上述したものに限定されるものではない。例えば、インクジェット式記録ヘッドの構成は、上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、圧力発生室１１が流路形成基板１２を厚さ方向に貫通することなく形成されノズル連通路２０を介してノズル１３と連通しているが、ノズル連通路２０を設けずに圧力発生室１１が流路形成基板１２を厚さ方向に貫通して設けられていてもよい。この場合には、間隙部４０も隔壁１７を厚さ方向に貫通して設けられていることが好ましい。また、上述の実施形態では、圧力発生室１１とノズル１３とを連通するノズル連通路２０を、流路形成基板１２に形成するようにしたが、これに限定されず、ノズル連通路２０は、圧力発生室１１が形成される流路形成基板１２とは別の基板に設けられていてもよい。

また上述の実施形態では、圧力発生手段として、いわゆる縦振動型の圧電素子を例示して本発明を説明したが、圧力発生手段の構成は特に限定されず、例えば、いわゆる撓み振動型の圧電素子や、静電気力を用いるタイプのものや、発熱素子等であってもよい。

さらに、本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装置におけ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、駆動モーター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ー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、本発明の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説明したが、液体噴射ヘッド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。本発明は、広く液体噴射ヘッドの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ものにも勿論適用することができる。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター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ー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断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの拡大断面図である。 実施形態１に係る流路形成基板の平面図である。 一実施形態に係る液体噴射装置の概略図である。

符号の説明

１１ 圧力発生室、 １２ 流路形成基板、 １３ ノズル、 １４ ノズルプレート、 １５ 振動板、 １６ 圧電素子、 １７ 隔壁、 １８ リザーバー、 １９ インク供給路、 ２０ ノズル連通路、 ２１ 圧電材料、 ２２，２３ 電極形成材料、 ２４ 固定基板、 ２５ 圧電素子保持部、 ２６ ヘッドケース、 ２７ 弾性膜、 ２８ 支持板、 ２９ 島部、 ３０ 薄肉部、 ３１ コンプライアンス部、 ３２ 空間部、 ３３ 連通孔、 ４０ 間隙部、 ４１ 接続孔

Claims (4)

1. 液滴を噴射するノズルと、該ノズルに接続され隔壁によって区画された複数の圧力発生室と、該圧力発生室内に液滴噴射のための圧力を発生させる圧力発生手段とを具備し、
   前記隔壁には少なくとも前記圧力発生室に対応する領域に間隙部が設けられており、該間隙部は前記ノズルとは異なる方向の面に設けられ且つ前記圧力発生室と前記ノズルとの接続部とは反対側の端部近傍で接続される接続孔を介して外部と連通されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記接続孔は、前記ノズルが形成された面に相対向する面に設けら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. 複数の各圧力発生室に連通するリザーバーを有すると共に、該リザーバーの一方面には当該リザーバー内の圧力変動によって変形可能なコンプライアンス部が設けられ、該コンプライアンス部に対向する領域には、当該コンプライアンス部の変形を許容する空間部が設けられており、前記接続孔がこの空間部に接続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。
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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