JP2010241002A - 液滴吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液体の圧力室から貯留室側への戻りを抑制防止することが可能な液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】複数のノズル１５から液滴を吐出する液滴吐出ヘッド１にあって、ノズル１５に連通して吐出液体を加圧する圧力室１９と、圧力室１９に配設され、印加される駆動信号によって駆動してノズル１５から液滴を吐出させる圧電振動子１４と、圧力室１９に供給される液体を貯留する貯留室１７と、圧電振動子１４に駆動信号を印加する制御装置と、貯留室１７と圧力室１９との間に設けられ且つ当該貯留室１７から圧力室１９への液体の流動抵抗よりも当該圧力室１９から貯留室１７への液体の流動抵抗が大きい流量調整部２とを備えることにより、圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを抑制防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、微小な液滴を複数のノズルから吐出する液滴吐出ヘッドに関するものであり、例えばその微粒子（ドット）を印刷媒体上に形成することにより、所定の文字や画像等を印刷するようにした液滴吐出型印刷装置に好適なものである。

液滴吐出型印刷装置は、一般に安価で且つ高品質なカラー印刷物が容易に得られることから、パーソナルコンピュータやデジタルカメラなどの普及に伴い、オフィスのみならず一般ユーザにも広く普及してきている。
このような液滴吐出型印刷装置のうち、液滴吐出ノズルの形成された液滴吐出ヘッドをキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液滴吐出ヘッドを配置して、所謂１パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。

この種の液滴吐出型印刷装置では、液滴吐出ヘッドに液体を吐出するためのノズルを複数形成し、各ノズルには、吐出される液体を加圧するための圧力室を連通し、この圧力室に、圧電素子などのノズルアクチュエータを配設し、各ノズルアクチュエータの夫々に駆動信号を印加することで該当するノズルから印刷媒体に向けて液滴を吐出する。下記特許文献１では、圧力室の吐出液体供給方向手前側に、当該吐出液体を貯留する貯留室を設け、この貯留室と圧力室とを連通する流路に島部を形成し、その島部の流動抵抗によって、圧力室への吐出液体供給過剰と戻り過剰を同時に抑制防止するようにしている。

特開２００３−３３４９５１号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される圧力室と貯留室との間の流路に形成された島部は、貯留室から圧力室への液体の流れに対しても、圧力室から貯留室への液体の流れに対しても、流動抵抗が同等なので、圧力室内の液体をノズルから押出す（吐出する）際、液体が貯留室側に戻るのを十分に抑制防止することができない。このように液体が圧力室から貯留室側に戻ってしまうと、その分だけ、ノズルアクチュエータの動作量を大きくしなければならず、ノズルアクチュエータへの負荷が増大してしまう。
本発明は、これらの諸問題に着目して開発されたものであり、液体の圧力室から貯留室側への戻りを抑制防止することが可能な液滴吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。

上記諸問題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドは、複数のノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドであって、前記ノズルに連通して吐出液体を加圧する圧力室と、前記圧力室に配設され、印加される駆動信号によって駆動して前記ノズルから液滴を吐出させるノズルアクチュエータと、前記圧力室に供給される液体を貯留する貯留室と、前記ノズルアクチュエータに駆動信号を印加する制御装置と、前記貯留室と圧力室との間に設けられ且つ当該貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗が大きい流量調整部とを備えたことを特徴とするものである。

この液滴吐出ヘッドによれば、貯留室と圧力室との間に設けられた流量調整部の貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも圧力室から貯留室への液体の流動抵抗を大きくすることにより、圧力室から貯留室側への液体の戻りを抑制防止することができる。
また、前記流量調整部は、前記貯留室側の流路幅よりも圧力室側の流路幅を狭くすることによって、貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗を大きくしたことを特徴とするものである。

この液滴吐出ヘッドによれば、流量調整部における貯留室側の流路幅を圧力室側の流路幅より狭くするだけで、貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗を大きくすることができるので、構成が簡潔で、圧力室から貯留室側への液体の戻りを効果的に抑制防止することができる。
また、前記流量調整部は、圧力室から貯留室への液体の流れに渦流を生じせしめる堰部を設けることにより、貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗を大きくしたことを特徴とするものである。
この液滴吐出ヘッドによれば、圧力室から貯留室側に液体が戻ろうとしても堰部によって渦流が生じてしまうので、構成が簡潔で、圧力室から貯留室側への液体の戻りを効果的に抑制防止することができる。

本発明の液滴吐出ヘッドの一実施形態を示す概略構成図である。 図１の液滴吐出ヘッドの圧力室と貯留室との間に形成された流量調整部の第１実施形態の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。 従来の液滴吐出ヘッドの圧力室と貯留室との間に形成された流量調整部の平面図である。 図１の液滴吐出ヘッドの圧力室と貯留室との間に形成された流量調整部の第２実施形態の平面図である。 図４の流量調整部の作用の説明図である。 図１の液滴吐出ヘッドの圧力室と貯留室との間に形成された流量調整部の第３実施形態の平面図である。

次に、本発明の液滴吐出ヘッドの一実施形態について説明する。
図１は、液体吐出型印刷装置に用いられる本実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成図である。液滴吐出ヘッド１は、圧電振動子１４が収容されるヘッドケース１６と、このヘッドケース１６のユニット固着面に接着剤などで固着される流路ユニット２６とを備えている。流路ユニット２６は、インクなどの液滴吐出のためのノズル（ノズル開口）１５が列状に形成されたノズルプレート１０と、各ノズル１５に連通する圧力室１９の列及び各圧力室１９に供給される液体を貯留する貯留室１７を含む流路空間の形成された流路形成基板１１と、流路形成基板１１の一面に接合され且つ圧力室１９を含む流路空間を封止する振動板（弾性板）１２とが積層されて構成されている。

前記ノズルプレート１０は、ノズル１５が複数列設されてノズル列２５が形成され、この例では２列のノズル列２５が形成されて、夫々、独立して液滴を吐出するように構成されている。２列のノズル列２５の夫々のノズル１５は同じピッチで開設されているが、２列のノズル列２５は、互いに半ピッチずれており、所謂千鳥配列になっている。このノズルプレート１０は、例えばステンレス板から形成されている。
前記２列のノズル列２５に対応するように圧力室１９の列も２列設けられている。具体的には、圧力室１９の列は２列１組で対向されて配設され、その両側に、各圧力室１９の列に対応して、夫々、１つずつ共通の貯留室１７が配設されている。これら圧力室１９及び貯留室１７を含む流路空間は、Ｓｉ単結晶基板からなる流路形成基板１１をエッチングして形成されている。

また、前記振動板１２は、ポリフェニレンサルファイドフィルムからなり、ステンレス板製の島部１３などがラミネートされて形成されている。
そして、流路形成基板１１の一面にノズルプレート１０が積層され、前記島部１３を外側に配置するようにして、当該流路形成基板１１の他面に振動板１２が積層されて流路ユニット２６が形成されている。
一方、ヘッドケース１６は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を射出成形してなり、図１の底面から開設されている収容空間には、前記圧力室１９に対応して前記振動板１２を変形させることにより当該圧力室１９内の圧力を変動させる圧電振動子１４が収容される。
圧電振動子１４は、縦振動モードの圧電素子であり、複数の圧電振動子１４の下方端部を固定基板に列状に固着して振動子ユニットを構成し、この振動子ユニットがヘッドケース１６内に収容されている。

図２には、１つのノズル１５に対して設けられた流路ユニット２６の圧力室１９、貯留室１７、圧電振動子１４の詳細を示す。圧力室１９は、圧電振動子１４直下の加圧室と、そこから少しずれた連通室とからなり、この連通室がノズルプレート１０に開設されたノズル１５に連通している。
そして、圧力室１９と貯留室１７との間の流路に流量調整部２を設けた。この流量調整部２は、貯留室１７から圧力室１９への液体の流動抵抗よりも当該圧力室１９から貯留室１７への液体の流動抵抗を大きくすることで、圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを抑制防止するためのものである。本実施形態では、圧力室１９側の流路幅を貯留室１７側の流路幅より狭くすることで、貯留室１７から圧力室１９への液体の流動抵抗よりも当該圧力室１９から貯留室１７への液体の流動抵抗を大きくしている。具体的には、圧力室１９と貯留室１７との間の流路の壁部をせり出すようにし、貯留室１７側のせり出しを緩やかに、圧力室１９側のせり出しを急にして、圧力室１９から貯留室１７側への流動抵抗を大きくした。

流動抵抗Ｒは、一般に液体の粘度η、流速Ｖ、流路長Ｌで決まり、Ｒ＝η・Ｖ／Ｌで示される。よって、粘度が一定の場合には、流速Ｖが大きく、流路長Ｌが短いほど、流動抵抗Ｒが大きくなる。また、流量が一定の場合、流路の断面積が小さいほど、流速は早くなる。よって、圧電振動子１４の動作によって所定の容積の液体が動く場合には、流路長Ｌを短くして、断面積を急激に減少させた方が、流速Ｖが増し、流動抵抗Ｒが大きくなり、液体を流れにくくすることができる。
つまり、圧力室１９側の流路の壁部のせり出しを急にすると、短い流路長で断面積が急激に小さくなるため、流動抵抗は大きい。一方、貯留室１７側の流路の壁部のせり出しは緩やかなので、長い流路長で断面積が緩やかに小さくなるため、流動抵抗は小さい。これにより、貯留室１７から圧力室１９側への液体の充填を阻害せず、圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを抑制防止することができる。そして、そのようにすることで、圧電振動子１４の動作量を小さくすることができ、負荷を低減することが可能となると共に、ノズル１５からの液滴の吐出特性が向上する。

図３は、前記特許文献１に記載される流量調整部２であり、圧力室１９と貯留室１７との間の流路に島部５１を設けている。この島部５１も、貯留室１７から圧力室１９への液体の供給過剰（微小液滴吐出のため）と圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを抑制防止するためのものであるが、図に示すように、島部５１の貯留室１７側のテーパーと圧力室１９側のテーパーが同形状である。そのため、貯留室１７から圧力室１９への液体の流動抵抗も、圧力室１９から貯留室１７への液体の流動抵抗も同じであり、圧力室１９から貯留室１７への液体の戻りを十分に抑制防止することができない。

図４は、本発明の液滴吐出ヘッドの第２実施形態を示す流量調整部２の平面図である。この実施形態も、前記図２と同様に、圧力室１９側の流路幅を貯留室１７側の流路幅より狭くするものであるが、前記図２の流路壁部のせり出しを極端にし、圧力室１９側は壁部が垂直にせり出して堰部３を形成している。図５は、堰部３の作用を分かり易く誇張したものであるが、このように圧力室１９に堰部３があると、前述の流路長と断面積による流動抵抗の増大に加え、圧力室１９から貯留室１７側への液体の流れに対して堰部３の手前で渦流が発生する。この渦流は、貯留室１７側への液体の戻りを積極的に抑制防止すると共に、液体を圧力室１９側に流そうとする流れとなり、結果的にノズル１５からの液滴の吐出特性が向上する。

図６は、本発明の液滴吐出ヘッドの第３実施形態を示す流量調整部２の平面図である。この実施形態では、前記図４の圧力室１９と貯留室１７との間の流路壁部のせり出しを多段化（３段化）し、流路の両側に、計６個の堰部３を形成したものである。このように堰部３を多段化することにより、圧力室１９から貯留室１７への液体の戻りをより一層抑制防止することが可能となる。
このように、本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、複数のノズル１５から液滴を吐出する液滴吐出ヘッド１にあって、貯留室１７と圧力室１９との間に設けられた流量調整部２の貯留室１７から圧力室１９への液体の流動抵抗よりも圧力室１９から貯留室１７への液体の流動抵抗を大きくすることにより、圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを抑制防止することができる。

また、流量調整部２における貯留室１７側の流路幅を圧力室１９側の流路幅より狭くするだけで、貯留室１７から圧力室１９への液体の流動抵抗よりも当該圧力室１９から貯留室１７への液体の流動抵抗を大きくすることができるので、構成が簡潔で、圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを効果的に抑制防止することができる。
また、圧力室１９から貯留室１７への液体の流れに渦流を生じせしめる堰部３を設けたことにより、圧力室１９から貯留室１７側に液体が戻ろうとしても堰部３によって渦流が生じてしまうので、構成が簡潔で、圧力室１９から貯留室１７側への液体の戻りを効果的に抑制防止することができる。

なお、前記実施形態では、本発明の液滴吐出ヘッドをインクなどの液体を吐出するものに具体化したが、この限りではなく、インク以外の他の液体（液体以外にも、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルなどの流状体を含む）や液体以外の流体（流体として流して噴射できる固体など）を吐出する液滴吐出ヘッドに具体化することもできる。例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッサンス）ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルタの製造などに用いられる電極材や色材などの材料を分散又は溶解の形態で含む液状体を吐出する液状体吐出ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出ヘッド、精密ピペットとして用いられて試料となる液体を吐出する液滴吐出ヘッドであってもよい。更に、時計やカメラなどの精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出ヘッド、光通信素子などに用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するための紫外線硬化樹脂などの透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出ヘッド、基板などをエッチングするために酸又はアルカリなどのエッチング液を吐出する液滴吐出ヘッド、ジェルを吐出する流状体吐出ヘッド、トナーなどの粉体を例とする固体を吐出する流体吐出式記録ヘッドであってもよい。そして、これらのうち何れか一種の吐出ヘッドに本発明を適用することができる。

１は液滴吐出ヘッド、２は流量調整部、３は堰部、１０はノズルプレート、１１は流路形成基板、１２は振動板、１３は島部、１４は圧電振動子、１５はノズル、１６はヘッドケース、１７は貯留室、１９は圧力室、２０は固定基板、２４は供給流路、２５はノズル列、２６は流路ユニット

Claims (3)

1. 複数のノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドであって、前記ノズルに連通して吐出液体を加圧する圧力室と、前記圧力室に配設され、印加される駆動信号によって駆動して前記ノズルから液滴を吐出させるノズルアクチュエータと、前記圧力室に供給される液体を貯留する貯留室と、前記ノズルアクチュエータに駆動信号を印加する制御装置と、前記貯留室と圧力室との間に設けられ且つ当該貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗が大きい流量調整部とを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記流量調整部は、前記貯留室側の流路幅よりも圧力室側の流路幅を狭くすることによって、貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記流量調整部は、圧力室から貯留室への液体の流れに渦流を生じせしめる堰部を設けることにより、貯留室から圧力室への液体の流動抵抗よりも当該圧力室から貯留室への液体の流動抵抗を大きくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッド。

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