JP2011167855A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の噴射不良の低減した液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を得ること。
【解決手段】供給口２１５の開口２１５０の形状である楕円形状の短軸の長さＬ１より長く、長軸の長さＬ２より短い直径の円の通過断面を有する気泡Ｂ１は、供給口２１５にさしかかっても、供給口２１５と気泡Ｂ１との間に隙間Ｓ１を生じ、供給口２１５を完全には塞がない。したがって、インクをマニホールドから圧力室に供給でき、ノズル開口からのインクの吐出不良が低減したインクジェット式記録ヘッドを得ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、マニホールドから供給口を介して複数の圧力室へ液体を供給する液体噴射ヘッドおよ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室内の圧力変化を利用して、ノズル列を構成する複数の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、複数のノズル開口にそれぞれ連通する複数の圧力室に圧電素子を設け、この圧電素子に電圧を印加して圧電素子を収縮または膨張させることで、圧力室内を減圧してインクを供給し、圧力室内を加圧してノズル開口からインク滴を吐出する。
各圧力室には、供給口を介してマニホールドであるインク貯留室からインクが供給される。供給口の断面形状は円形である（例えば、特許文献１参照）。
ここで、圧力室内を加圧してノズル開口から液体を噴射させるときに、噴射特性を得るために、圧力室からマニホールドへの液体の逆流を少なくする必要があり、供給口の開口の開口面積には、最適な大きさがあり上限が存在する。

特開２００４−３０６３８１号公報（９頁、図４）

マニホールドの液体中には、様々な理由により、大きさの異なる気泡が混入、発生する。液体中に混入、発生した気泡は、マニホールドから圧力室に至るまでの供給路のマニホールド側の供給口を塞ぐ。
気泡によって供給口が塞がれた状態では、液体の供給が滞るとともに、圧力室内を減圧して液体を供給する際に、ノズル開口から液体が過度に引きこまれてしまい、圧力室内を加圧しても、ノズル開口から液体が噴射されなくなる。ノズル開口から一度液体が過度に引きこまれてしまうと、供給口から気泡が移動し供給口が開放されても、ノズル開口から液体が噴射されなくなる。
また、気泡は、マニホールド内の液体の流れで他の供給口へと移動して供給口を塞ぎ、噴射不良のノズル開口の数が増え、液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置として見過ごすことのできない噴射不良が起こる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
液体を噴射する複数のノズル開口にそれぞれに対応して連通する複数の圧力室と、前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、複数の前記圧力室に連通する共通の液室であるマニホールドと、複数の前記圧力室と前記マニホールドとを連通する供給路と、前記供給路の前記マニホールド側に形成され、内接円が存在する形状の開口を有する供給口とを備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。

この適用例によれば、圧力室とマニホールドとを連通する供給路のマニホールド側に形成された供給口が、内接円が存在する形状の開口を有している。内接円より小さい通過断面を持つ気泡は、供給口を通過して供給口を塞がない。一方、内接円以上の大きさで、供給口の開口の形状の内接円の接する部分より外側の領域をすべて覆う円より小さい通過断面を持つ気泡は、供給口の開口で留まっても、供給口の開口の形状の内接円の接する部分より外側の領域で、液体が供給口を通過する。したがって、ほぼ同じ開口面積を持つ円形の供給口と比較して、供給口を完全に塞ぐ気泡の大きさが大きくなり、ノズル開口からの液体の噴射不良が低減した液体噴射ヘッドが得られる。
ここで、液体中の気泡は液体の表面張力で球状になり、物と接触して扁平になってもほぼ円形の通過断面形状を持つ。

［適用例２］
上記液体噴射ヘッドにおいて、前記開口の形状が楕円形状であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
この適用例では、開口の形状を円形に近い楕円形状にすることにより加工が行い易く、供給口の開口の形状の内接円の接する部分より長軸方向の外側の領域を大きくとれ、ノズル開口からの液体の噴射不良がより低減した液体噴射ヘッドが得られる。

［適用例３］
上記液体噴射ヘッドにおいて、前記開口は、前記マニホールドに開いた第１内接円の存在する形状の第１開口と、前記第１開口より前記圧力室側に設けられ、前記第１内接円より小さい第２内接円が存在する形状の第２開口とを備えていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
この適用例では、第２開口の開口面積によって、圧力室からマニホールドへの液体の逆流を少なくするために、圧力室側の供給口の大きさを制限しつつ、マニホールドに開いた第１開口を大きくして、供給口を完全に塞ぐ気泡の大きさが大きくなる。したがって、噴射特性を保ちつつ、ノズル開口からの液体の噴射不良がより低減した液体噴射ヘッドが得られる。
また、第１内接円の直径から第２内接円の直径までの直径の円の通過断面を有する気泡は、供給口に留まる可能性が高く、移動して他の供給口を塞ぐ可能性が低減する。したがって、軽微な噴射不良で止まる液体噴射ヘッドが得られる。

［適用例４］
上記液体噴射ヘッドにおいて、前記第１開口および前記第２開口の形状が楕円形状であり、前記第２開口の長軸の長さが前記第１開口の短軸の長さより長いことを特徴とする液体噴射ヘッド。
この適用例では、第１開口の短軸の長さより短い直径の円形の通過断面の気泡は第１開口を通過するが、第２開口の長軸の長さが第１開口の短軸方向の長さより長いので、第２開口を気泡が塞いでも、第２開口の長軸方向の外側の領域を大きくとれ、液体はマニホールドから圧力室に供給される。したがって、ノズル開口からの液体の噴射不良がより低減した液体噴射ヘッドが得られる。

［適用例５］
上記液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。

この適用例によれば、前述の効果を有する液体噴射装置が得られる。

第１実施形態におけるインクジェット式記録装置を示す概略斜視図。 インクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図。 インクジェット式記録ヘッドの部分平面図。 インクジェット式記録ヘッドの図３におけるＡ−Ａ概略断面図。 供給口をマニホールドから見た部分拡大平面図。 気泡が供給口にさしかかったときの様子を示す部分拡大平面図。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、変形例における供給口をマニホールドから見た部分拡大平面図。 （ａ）は第２実施形態における供給口を連通口形成板から見た部分拡大平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図。 気泡が供給口にさしかかったときの様子を示す部分拡大平面図。

以下、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態にかかる液体噴射装置の一例としてのインクジェット式記録装置１０００を示す概略斜視図である。インクジェット式記録装置１０００は、記録媒体である記録シートＳに液体としてのインクを噴射して記録を行う装置である。
図１において、インクジェット式記録装置１０００は、液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド１を有する記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂを備えている。記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂには、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａおよび２Ｂが着脱可能に設けられている。
ここで、インクジェット式記録ヘッド１は、記録ヘッドユニット１Ａおよび１Ｂの記録シートＳと対向する側に設けられており、図１においては図示されていない。

記録ヘッドユニット１Ａおよび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および１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物およびカラーインク組成物を吐出するものである。

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および１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動する。
一方、装置本体４にはキャリッジ３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、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。

以下、図２、図３および図４を参照して、インクジェット式記録ヘッド１について詳細に説明する。
図２はインクジェット式記録ヘッド１の概略を示す分解斜視図を、図３は、インクジェット式記録ヘッド１の部分平面図を、図４はインクジェット式記録ヘッド１の図３におけるＡ−Ａ概略断面図を示している。

図２、図３および図４において、インクジェット式記録ヘッド１は、アクチュエーターユニット１００と、流路ユニット２００とを備えている。
図２および図４において、アクチュエーターユニット１００は、圧力室形成基板１１０と振動板１２０とを備えている。圧力室形成基板１１０の片面側に振動板１２０は形成されている。また、図２、図３および図４において、圧力室形成基板１１０には、複数の圧力室１１１を形成する空間が列設されている。したがって、振動板１２０は圧力室１１１の一部を構成している。

図２および図３において、振動板１２０の圧力室１１１の一部を構成する側とは反対の側には、各圧力室１１１に対応する平板状の圧力発生手段としての圧電素子である圧電振動子１２１が設けられている。圧電振動子１２１は、振動板１２０に形成された共通の下部電極１２２と各圧電振動子１２１に対応した個別の上部電極１２３とを備えている。

図２および図４において、流路ユニット２００は、供給路形成板２１０とマニホールド形成基板２２０とノズルプレート２３０とを備えている。
流路ユニット２００は、マニホールド形成基板２２０を供給路形成板２１０とノズルプレート２３０とで挟んで積層されて構成されている。
流路ユニット２００の供給路形成板２１０は、アクチュエーターユニット１００の圧力室形成基板１１０の振動板１２０の形成面とは反対側の面に貼着されている。したがって、振動板１２０とともに、供給路形成板２１０が圧力室１１１の一部を構成している。

マニホールド形成基板２２０には、マニホールド２２１の一部が形成され、ノズルプレート２３０には、ノズル開口２３１が形成されている。マニホールド形成基板２２０を供給路形成板２１０とノズルプレート２３０とで挟んで積層することにより、マニホールド２２１が構成される。
インクジェット式記録ヘッド１は、カートリッジ２Ａおよび２Ｂからインクを取り込み、マニホールド２２１からノズル開口２３１に至るまで内部をインクで満たす。その後、図示しない駆動ＩＣからの駆動信号に従い、圧力室１１１に対応するそれぞれの下部電極１２２と上部電極１２３との間に駆動電圧を印加し、圧電振動子１２１および振動板１２０をたわみ変形させ、各圧力室１１１内の圧力が高まることで、ノズル開口２３１からインク滴を吐出する。

以下に、供給路形成板２１０について詳しく説明する。
図２および図４において、供給路形成板２１０は、連通口形成板２１１と供給口形成板２１２とを備えている。
図２、図３および図４において、連通口形成板２１１には、圧力室１１１とノズル開口２３１とを連通する連通口２１３およびマニホールド２２１と圧力室１１１とを連通するインクの供給路としての連通口２１４が形成されている。
圧力室１１１は、長穴状に形成され、一端側が連通口２１４を介してマニホールド２２１に連通し、他端側が連通口２１３を介してノズル開口２３１に連通する。
連通口２１３および連通口２１４は、圧力室１１１の列設方向に列設されている。連通口２１３の列は圧力室１１１の内側に対応する位置に、連通口２１４の列は圧力室１１１の外側に対応する位置に形成されている。

供給口形成板２１２には、マニホールド２２１から圧力室１１１にインクを供給する供給口２１５が形成されている。インクは、マニホールド２２１からインクの供給路としての供給口２１５を介して、連通口２１４を通り圧力室１１１に供給される。
また、図２および図３において、供給口形成板２１２には、カートリッジ２Ａおよび２Ｂから各マニホールド２２１にインクを導入する２つのインク導入口２１６が設けられている。
さらに、図４において、供給口形成板２１２には、連通口２１３とノズル開口２３１を連通する連通口２１７が形成されている。

図５に、供給口２１５の形成された供給口形成板２１２をマニホールド２２１側から見た部分拡大平面図を示した。
供給口２１５の開口２１５０の形状は、短軸の長さをＬ１、長軸の長さをＬ２とした楕円形状である。楕円形状は、直径Ｌ１の内接円２１５１を有している。

図２、図３および図４において、マニホールド形成基板２２０には、複数の圧力室１１１にインクを分配する共通の液室であるマニホールド２２１を形成する空間が、２つの圧力室１１１の列に対応して２つ形成されている。また、２つの圧力室１１１の列に対応して、各ノズル開口２３１に連通するノズル連通口２２２が列設されている。
図２および図３において、マニホールド２２１は、いずれも圧力室１１１の列設方向に延び、１列の圧力室１１１の列に対し、各圧力室１１１の一端側において並設されている。また、マニホールド２２１は、一端側がインク導入部になっており、このインク導入部が、インク導入口２１６に連通するようになっている。
ノズルプレート２３０には、ノズル開口２３１が、アクチュエーターユニット１００の圧力室１１１の列に対応するよう２列に列設されている。

以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
図６は、気泡Ｂ１が供給口２１５にさしかかったときの様子を示す部分拡大平面図である。ここで、マニホールド２２１のインク中に混入、発生する気泡Ｂ１の大きさは、２０μｍ〜５０μｍ程度の直径である。

（１）供給口２１５の開口２１５０の形状である楕円形状の短軸の長さＬ１より長く、長軸の長さＬ２より短い直径の円の通過断面を有する気泡Ｂ１は、供給口２１５にさしかかっても、供給口２１５と気泡Ｂ１との間に隙間Ｓ１を生じ、供給口２１５を完全には塞がない。したがって、インクをマニホールド２２１から圧力室１１１に供給でき、ノズル開口２３１からのインクの吐出不良が低減したインクジェット式記録ヘッド１を得ることができる。
楕円形状の短軸の長さＬ１および長軸の長さＬ２は、存在する気泡の大きさによって決めることができるが、気泡Ｂ１の直径が２０μｍ〜５０μｍ程度であれば、短軸の長さＬ１を２０μｍより小さく、長軸の長さＬ２を５０μｍより大きくすることで、気泡Ｂ１は、供給口２１５を通過しにくく、供給口２１５を塞ぎにくくなる。

（２）開口２１５０の形状を円形に近い楕円形状にすることにより加工が行い易く、供給口２１５の開口２１５０の形状の内接円２１５１の接する部分より長軸方向の外側の領域である隙間Ｓ１を大きくとれ、ノズル開口２３１からのインクの吐出不良がより低減したインクジェット式記録ヘッド１を得ることができる。

（３）前述の効果を有するインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。

（変形例）
図７（ａ）〜（ｃ）に、第１実施形態の変形例における供給口２１５の形成された供給口形成板２１２をマニホールド２２１から見た部分拡大平面図を示した。第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付している。
（ａ）は、供給口２１５の開口２１５０の形状が正三角形の場合を、（ｂ）は、供給口２１５の開口２１５０の形状が正方形の場合を、（ｃ）は、供給口２１５の開口２１５０の形状が十字型形の場合を示している。

以上に述べた変形例によれば、以下の効果が得られる。
（４）いずれの変形例においても、圧力室１１１とマニホールド２２１とを連通する連通口２１４および供給口２１５のマニホールド側に形成された供給口２１５が、内接円２１５１が存在する形状の開口２１５０を有している。内接円２１５１より小さい通過断面を持つ気泡Ｂ１は、供給口２１５を通過して供給口２１５を塞がない。一方、内接円２１５１以上の大きさで、供給口２１５の開口２１５０の形状の内接円２１５１の接する部分より外側の領域である隙間Ｓ１をすべて覆う円より小さい通過断面を持つ気泡Ｂ１は、供給口２１５の開口２１５０で留まっても、供給口２１５の開口２１５０の形状の内接円２１５１の接する部分より外側の隙間Ｓ１で、インクが供給口２１５を通過する。したがって、ほぼ同じ開口面積を持つ円形の供給口と比較して、供給口２１５を完全に塞ぐ気泡の大きさを大きくでき、ノズル開口２３１からのインクの吐出不良が低減したインクジェット式記録ヘッド１およびインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。

供給口２１５の開口２１５０の形状は、内接円２１５１を有する形状であれば、どのようなものでもよいが、気泡Ｂ１の大きさが変化しても隙間Ｓ１ができるだけ生じる形状が好ましい。例えば、（ｃ）において、十字方向に伸びる部分が長ければ、広い範囲の気泡Ｂ１の大きさに対応できる。

（第２実施形態）
図８（ａ）に、本実施形態における供給口２１８の形成された供給口形成板２１２を連通口２１４が形成された連通口形成板２１１から見た部分拡大平面図を、（ｂ）に（ａ）におけるＢ−Ｂ概略断面図を示した。
本実施形態における供給口２１８は開口の形状が楕円のテーパー形状を有している。マニホールド２２１側の第１開口２１８１は短軸の長さＬ３、長軸の長さＬ４の楕円形状で、連通口２１４側の第２開口２１８２は短軸の長さＬ５、長軸の長さＬ６の楕円形状である。
第１開口２１８１は、第１内接円２１８３を有し、第２開口２１８２は、第２内接円２１８４を有している。
本実施形態では、供給口２１８は第１開口２１８１および第２開口２１８２の形状が楕円のテーパー形状を有しているが、マニホールド２２１に開いた第１内接円の存在する形状の第１開口と、第１開口より圧力室側に設けられ、第１内接円より小さい第２内接円が存在する形状の第２開口とを備えていれば、第１開口および第２開口の形状は楕円に限らない。また、供給口２１８はテーパー形状に限らず、例えば、多段形状であってもよい。

以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
図９は、気泡Ｂ１および気泡Ｂ２が供給口２１８にさしかかったときの様子示す部分拡大平面図である。気泡Ｂ１は、第２内接円２１８４の直径であるＬ５より長く、長軸の長さＬ６より短い直径の円の通過断面を有する。気泡Ｂ２は、第１内接円２１８３の直径であるＬ３より長く、長軸の長さＬ４より短い直径の円の通過断面を有する。

（５）第２開口２１８２の開口面積によって、圧力室１１１からマニホールド２２１へのインクの逆流を少なくするために、圧力室１１１側の供給口２１８の大きさを制限しつつ、マニホールド２２１に開いた第１開口２１８１を大きくして、供給口２１８を完全に塞ぐ気泡Ｂ２の大きさを大きくできる。したがって、吐出特性を保ちつつ、ノズル開口２３１からのインクの吐出不良がより低減したインクジェット式記録ヘッド１およびインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。

（６）第１開口２１８１の短軸の長さＬ３より短い直径の円形の通過断面の気泡Ｂ１は第１開口２１８１を通過するが、第２開口２１８２の長軸の長さＬ６が第１開口２１８１の短軸の長さＬ３より長いので、第２開口２１８２を気泡Ｂ１が塞いでも、第２開口２１８２の長軸方向の外側の領域である隙間Ｓ２を大きくとれ、インクはマニホールド２２１から圧力室１１１に供給される。したがって、ノズル開口２３１からのインクの吐出不良が低減したインクジェット式記録ヘッド１およびインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。
楕円形状の第１開口２１８１の短軸の長さＬ３、長軸の長さＬ４および第２開口２１８２の短軸の長さＬ５、長軸の長さＬ６は、存在する気泡の大きさによって決めることができる。例えば、気泡Ｂ１，Ｂ２の直径が２０μｍ〜５０μｍ程度であれば、第１開口２１８１の短軸の長さＬ３を５０μｍより短く、長軸の長さＬ４を５０μｍより長くし、第２開口２１８２の短軸の長さＬ５を２０μｍより短く、長軸の長さＬ６を２０μｍより長くすることで、気泡Ｂ１，Ｂ２は、供給口２１８を塞ぎにくくなる。

（７）第１内接円２１８３の直径から第２内接円２１８４の直径までの直径の円の通過断面を有する気泡は、供給口２１８に留まる可能性が高く、移動して他の供給口２１８を塞ぐ可能性を低減できる。したがって、軽微な吐出不良で止まるインクジェット式記録ヘッド１およびインクジェット式記録装置１０００を得ることができる。

以上、実施形態を説明したが、基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
例えば、実施形態におけるインクジェット式記録ヘッド１は、圧力発生手段として、圧電振動子１２１の撓み振動を利用して圧力室１１１の容積を変化させるものであるが、伸縮振動を利用して圧力室１１１の容積を変化させるものであってもよい。
また、圧力発生手段として、圧力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ものや、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエーター等であってもよい。

なお、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１を挙げて説明したが、その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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。

１…液体噴射ヘッドとしてのインクジェット式記録ヘッド、１１１…圧力室、１２１…圧力発生手段としての圧電振動子、２１４，２１５…供給路としての連通口および供給口、２１５，２１８…供給口、２２１…マニホールド、２３１…ノズル開口、２１５０…開口、２１５１…内接円、２１８１…第１開口、２１８２…第２開口、２１８３…第１内接円、２１８４…第２内接円、１０００…液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置、Ｌ３…第１開口の短軸の長さ、Ｌ６…第２開口の長軸の長さ。

Claims (5)

1. 液体を噴射する複数のノズル開口にそれぞれに対応して連通する複数の圧力室と、
   前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、
   複数の前記圧力室に連通する共通の液室であるマニホールドと、
   複数の前記圧力室と前記マニホールドとを連通する供給路と、
   前記供給路の前記マニホールド側に形成され、内接円が存在する形状の開口を有する供給口とを備えた
   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、
   前記開口の形状が楕円形状である
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
   前記開口は、前記マニホールドに開いた第１内接円の存在する形状の第１開口と、
   前記第１開口より前記圧力室側に設けられ、前記第１内接円より小さい第２内接円が存在する形状の第２開口とを備えている
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項３に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
   前記第１開口および前記第２開口の形状が楕円形状であり、
   前記第２開口の長軸の長さが前記第１開口の短軸の長さより長い
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えた
   ことを特徴とする液体噴射装置。

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