JP2013071276A

JP2013071276A - 液体噴射ヘッド

Info

Publication number: JP2013071276A
Application number: JP2011210328A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Sayama; 朋裕狭山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-22
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: US20130076832A1; JP5948775B2

Abstract

【課題】並設された各圧力室の液体噴射特性を揃えることができる液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】複数のノズル２９を列設したノズル列の方向に沿って圧力室２１を隔壁２３によって複数区画して並設し、圧力発生手段１８の駆動により当該圧力室２１内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル２９から液体を噴射させる液体噴射ヘッド２であって、圧力室の並設方向の両端に位置する圧力室のうちの少なくとも一つは、液体の噴射が行われないダミー圧力室２２であり、該ダミー圧力室２２に液体が充填された。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射ヘッドに関するものである。

圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴として吐出させ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インクジェット式記録ヘッド、液晶ディスプレイ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（Electro Luminescence）ディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等がある。

上記のような液体噴射ヘッドは、液体供給源からの液体を圧力室に導入し、当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、この圧力変動を利用してノズルから液体を噴射する。このような液体噴射ヘッドは、記録画像の画質向上に対応するべく、複数のノズルを高密度に配設している。これに伴って、各ノズルに連通している圧力室も高い密度で形成され、隣り合う圧力室やその他の流路同士を区画する隔壁が非常に薄くなる傾向にある。このため、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせてノズルから液体を噴射する際に、この圧力変動によって隔壁が隣接する圧力室側に撓むことで圧力損失が生じる。その結果、ノズルから噴射される液体の液量や飛翔速度は、目標値から低下する。

特に、複数並設された圧力室のうち、当該並設方向の内側に位置する圧力室（すなわち、両端に位置する圧力室以外の圧力室）の両側には、隔壁を挟んで他の圧力室がそれぞれ隣接しているため、圧力損失は比較的大きなものとなる。一方、並設方向の両端に位置する端部圧力室の一側には隔壁を挟んで他の圧力室が隣接しているのに対して、当該端部圧力室の他側は、圧力室同士の隔壁よりも厚く剛性の高い壁となる。この壁は、圧力室内の圧力変動によっても変形し難いため、当該圧力室における圧力損失は比較的小さなものとなる。その結果、複数並設された圧力室のうち、内側に位置する圧力室と両端に位置する圧力室との間で圧力損失の差が生じ、ひいては、着弾対象（記録媒体）上において液体の濃度差から生じるムラとなっていた。

この点に関し、複数並設された圧力室の当該並設方向の端に、液体の噴射が行われないダミー圧力室を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。これにより、端に位置する圧力室の液体に生じる圧力変動が、隣接する圧力室およびダミー圧力室の両側に伝播し、このときの圧力損失を内側に位置する圧力室に近づけることができる。

特開２０１１−０６２９３７号公報

しかしながら、上記のような従来の液体噴射ヘッドのダミー圧力室は、他の圧力室や流路に対して独立した空間であって、その内部には空気が満たされていた。液体と空気とでは圧縮率が異なるため、ダミー圧力室の隣の圧力室で圧力変動が生じたときのダミー圧力室側の隔壁の変形度合いと、液体が充填された他の圧力室側の隔壁の変形度合いとが異なる。これにより、ダミー圧力室側への圧力変動の伝播の仕方が、液体が充填された圧力室側への伝播の仕方とは異なる。このため、単にダミー圧力室を設けただけでは、各圧力室の圧力損失のばらつきを確実に抑制することが困難であった。その結果、液体噴射特性（ノズルから噴射される液体の量や飛翔速度）に差が生じ、着弾対象上において液体の濃度差から生じるムラとなる虞があった。

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、並設された各圧力室の液体噴射特性を揃えることができる液体噴射ヘッドを提供することにある。

本発明の液体噴射ヘッドは、上記目的を達成するために提案されたものであり、複数のノズルを列設したノズル列の方向に沿って圧力室を隔壁によって複数区画して並設し、圧力発生手段の駆動により当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
圧力室の並設方向の両端に位置する圧力室のうちの少なくとも一つは、液体の噴射が行われないダミー圧力室であり、
該ダミー圧力室に液体が充填されたことを特徴とする。

本発明の液体噴射ヘッドによれば、ダミー圧力室に、他の圧力室と同様に液体が充填されているので、ダミー圧力室の隣の圧力室において圧力変動が生じたときのダミー圧力室側の隔壁の変形度合いと他の圧力室側の隔壁の変形度合いとを同程度に揃えることができる。これにより、並設した圧力室のうちダミー圧力室の隣に位置する圧力室であっても、内側に位置する他の圧力室における圧力損失と同程度の圧力損失量（同一の大きさの圧力変動が生じたときの圧力損失量）を得ることができる。その結果、並設された各圧力室の液体噴射特性を揃えることができる。

上記構成において、前記ダミー圧力室の、圧力室並設方向の幅は、前記圧力室の同方向の幅に揃えられたことが望ましい。

この構成によれば、ダミー圧力室側への圧力損失量を圧力室側への圧力損失量により正確に揃えることができる。

上記各構成において、前記ダミー圧力室と前記圧力室とを区画する隔壁の幅は、前記圧力室同士を区画する隔壁の幅に揃えられたことが望ましい。

この構成によれば、ダミー圧力室側への圧力損失量を圧力室側への圧力損失量に更に正確に揃えることができる。

また、前記複数の圧力室に共通の液体を供給するリザーバーを備え、
該リザーバーと前記ダミー圧力室とが連通することが望ましい。

この構成によれば、ダミー圧力室に供給される液体と圧力室に供給される液体とを同じにでき、ダミー圧力室側への圧力損失量を圧力室側への圧力損失量に一層正確に揃えることができる。

さらに、前記複数の圧力室に共通の液体を供給するリザーバーを備え、
前記ダミー圧力室は、前記リザーバーに対して独立した空間であると共に、当該ダミー圧力室に前記ノズルから噴射させる液体とは組成の異なる液体が充填されたことが望ましい。

この構成によれば、ダミー圧力室内にゴミや気泡等が停留することを防止できる。また、ノズルから噴射する液体に顔料等の粒子を含む液体を用いたとしても、ダミー圧力室内に当該粒子が沈殿して、堆積することを防止できる。

上記構成において、前記ダミー圧力室に充填する液体の圧縮率と、前記ノズルから噴射させる液体の圧縮率とが揃えられたことが望ましい。

プリンターの斜視図である。記録ヘッドの構成を説明する分解斜視図である。第１の実施形態における記録ヘッドを模式的に表した要部断面図である。図３におけるＡ−Ａ断面図である。第２の実施形態における記録ヘッドを模式的に表した要部断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、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、以下においては、本発明の液体噴射装置として、インクジェット式記録装置１（以下、プリンター）を例に挙げて説明する。

図１はプリンター１の構成を示す斜視図である。このプリンター１は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２が取り付けられると共に、液体供給源の一種であるインクカートリッジ３が着脱可能に取り付けられるキャリッジ４と、記録動作時の記録ヘッド２の下方に配設されたプラテン５と、キャリッジ４を記録紙６（記録媒体および着弾対象の一種）の紙幅方向、即ち、主走査方向に往復移動させるキャリッジ移動機構７と、主走査方向に直交する副走査方向に記録紙６を搬送する搬送機構８と、を備えている。

キャリッジ４は、主走査方向に架設されたガイドロッド９に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構７の作動により、ガイドロッド９に沿って主走査方向に移動する。キャリッジ４の主走査方向の位置は、位置情報検出手段の一種であるリニアエンコーダー１０によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルス（位置情報の一種）をプリンター１の制御部に送信する。

また、キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジ４の走査の基点となるホームポジションが設定されている。本実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル形成面（ノズルプレート１６：図２、図４参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル形成面を払拭するためのワイパー部材１２とが配置されている。そして、プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録紙６上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録を行う。

次に記録ヘッド２について説明する。
図２は、本実施形態の記録ヘッド２の構成を示す分解斜視図であり、図３は、記録ヘッド２を模式的に表した要部断面図である。また図４は、図３におけるＡ−Ａ断面図である。本実施形態における記録ヘッド２は、流路形成基板１５、ノズルプレート１６、振動板１７、圧電素子１８（本発明における圧力発生手段に相当）、及び、保護基板１９等を積層して構成されている。

本実施形態の流路形成基板１５はシリコン単結晶基板からなり、後述するノズル列方向に沿って複数の圧力室２１が並設されている。各圧力室２１は、ノズル列に直交する方向に長尺な空部である。この圧力室並列方向の端部には、液体の噴射が行われないダミー圧力室２２が形成されている。本実施形態のダミー圧力室２２は、圧力室並設方向の両端に１つずつ形成されている。言い換えると、圧力室並設方向の両端に位置する圧力室をダミー圧力室２２としている。この圧力室２１およびダミー圧力室２２は、後述するように、その上部が振動板１７によって封止される一方、その下部がノズルプレート１６によって封止される。そして、圧力室２１にはノズル２９が連通する。また、圧力室２１に対応する振動板１７の上部には圧電素子１８が配置される（何れも、後述する。）。

なお、本実施形態のダミー圧力室２２は、圧力室２１と同じ寸法・形状の空部である。このため、図４に示すように、ダミー圧力室２２の、圧力室並設方向の幅Ｌｃは、他の圧力室２１の同方向の幅Ｌｃに揃えられている。また、このダミー圧力室２２と、その隣の圧力室２１との間隔は、他の圧力室２１同士の間隔に揃えられている。即ち、図４に示すように、ダミー圧力室２２と圧力室２１とを区画する隔壁２３ａの幅Ｌｗは、圧力室２１同士を区画する隔壁２３ｂの幅Ｌｗに揃えられている。

また、流路形成基板１５の圧力室２１およびダミー圧力室２２の長手方向外側の領域には、圧力室並設方向に沿って長尺な連通部２４が一連に形成されている。この連通部２４と各圧力室２１およびダミー圧力室２２とが、各インク供給路２５を介してそれぞれ連通されている。これにより、連通部２４のインクを各圧力室２１およびダミー圧力室２２に充填することができる。なお、インク供給路２５は、一部に圧力室２１およびダミー圧力室２２よりも狭い幅で形成された狭窄部２５ａを有しており、連通部２４から圧力室２１に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、連通部２４は、後述する保護基板１９の共通室３６と連通して各圧力室２１の共通のインク室となるリザーバー２６の一部を構成する。

流路形成基板１５の開口面側（下側）には、圧力室２１の底面を構成するノズルプレート１６が、接合されている。ノズルプレート１６は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍ程度のシリコン単結晶基板やステンレス鋼等からなり、複数のノズル２９からなるノズル列が開設されている。各ノズル２９は、それぞれ圧力室２１のインク供給路２５とは反対側の端部に連通する。なお、本実施形態では、ダミー圧力室２２に対応する位置にノズル２９は開設されない。また、ノズル２９は、例えば、ノズルプレート１６をシリコン単結晶基板で作製する場合には、エッチングにより形成され、ノズルプレート１６をステンレス鋼で作成する場合には、プレス加工あるいはレーザー加工により形成される。

流路形成基板１５の開口面とは反対側（上側）には、振動板１７が形成されている。本実施形態の振動板１７は、例えば、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３２と、この弾性膜３２上に積層された厚さが例えば、約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜３３と、から構成されている。また、この絶縁体膜３３上には、圧電素子１８が各圧力室２１に対応して複数設けられている。本実施形態における圧電素子１８は撓み振動モードの振動子であり、駆動電極と共通電極とによって圧電体を挟んで構成されている（図示を省略）。そして、圧電素子１８の駆動電極に駆動信号が印加されると、駆動電極と共通電極との間には電位差に応じた電場が発生する。この電場は圧電体に付与され、圧電体が付与された電場の強さに応じて変形する。そして、この変形により、圧力室２１内の容積が変化し、圧力室２１内のインクの圧力が変動する。

また、流路形成基板１５上の圧電素子１８側の面には、圧電素子１８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３５を有する保護基板１９が、振動板１７を挟んで接合されている。圧電素子１８は、この圧電素子保持部３５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、図２に示すように、保護基板１９には、流路形成基板１５の連通部２４に対応する領域に共通室３６が設けられている。この共通室３６は、保護基板１９を厚さ方向に貫通して圧力室２１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１５の連通部２４と連通されて各圧力室２１の共通のインク室となるリザーバー２６を構成している。

さらに、保護基板１９上には、封止膜３７及び固定板３８とからなるコンプライアンス基板３９が接合されている。封止膜３７は、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３７によって共通室３６の一方面が封止されている。また、固定板３８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３８のリザーバー２６に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４０となっているため、リザーバー２６の一方面は可撓性を有する封止膜３７のみで封止されている。

そして、上記構成の記録ヘッド２では、インクカートリッジ３からのインクを図示しないインク導入路から取り込み、リザーバー２６を介して各圧力室２１およびダミー圧力室２２にインクを供給する。各圧力室２１およびダミー圧力室２２にインクが満たされた状態で、図示しないプリンタコントローラー側からの駆動信号の供給により、圧力室２１に対応する圧電素子１８を駆動させ、各圧力室２１内のインクの圧力を変動させる。そして、この圧力変動を制御することで、ノズル２９からインク滴が噴射（吐出）される。

ここで、圧電素子１８の駆動により圧力変動が生じると、この圧力変動が隔壁２３を介して隣接する圧力室２１側またはダミー圧力室２２側のインクに伝播し、圧力損失が生じる。より詳しくは、圧力室２１内が負圧に変化すると、隔壁２３が内側（当該圧力室２１側）に撓む。一方、圧力室２１内が正圧に変化すると、隣接する圧力室２１内またはダミー圧力室２２内のインクの圧力に抗しつつ、隔壁２３が外側（隣接する圧力室２１側またはダミー圧力室２２側）に撓む。これにより、圧電素子１８の駆動により圧力室２１内に発生させた圧力変動の一部が吸収され、圧力損失が生じる。このときの圧力損失量は、隔壁２３の撓みやすさと隣接する圧力室２１またはダミー圧力室２２の内部に充填されたインクの体積変化のしやすさ（例えば、圧縮率）に依存する。即ち、インクの圧縮率が大きく、或いは、隔壁２３が撓みやすいほど圧力損失量は大きくなる。また、インクの圧縮率が小さく、或いは、隔壁２３が撓みにくいほど圧力損失量は小さくなる。そして、圧力損失が大きいほど、ノズル２９から噴射されるインクの噴射特性（ノズル２９から噴射されるインクの量や飛翔速度）が、目標値から低下する。

そして、本実施形態では、ダミー圧力室２２に、他の圧力室２１と同様にインクが充填されているので、即ち、ダミー圧力室２２に液体が充填されているので、ダミー圧力室２２の隣の圧力室２１で圧力変動が生じたときのダミー圧力室２２側の隔壁２３の変形度合いと他の圧力室２１側の隔壁２３の変形度合いとを同程度に揃えることができる。これにより、圧力変動の伝播による圧力損失量をダミー圧力室２２側と圧力室２１側とで同程度に揃えることができる。これにより、並設された圧力室２１のうちダミー圧力室２２の隣に位置する圧力室２１であっても、内側に位置する他の圧力室２１の圧力損失量と同程度の圧力損失量を得ることができる。その結果、並設された各圧力室２１の液体噴射特性を揃えることができる。

また、本実施形態では、ダミー圧力室２２の圧力室並設方向の幅Ｌｃが、圧力室２１の同方向の幅Ｌｃに揃えられたので、ダミー圧力室２２側への圧力損失量を圧力室２１側への圧力損失量により正確に揃えることができる。さらに、ダミー圧力室２２と圧力室２１とを区画する隔壁２３ａの幅Ｌｗは、圧力室２１同士を区画する隔壁２３ｂの幅Ｌｗに揃えられたので、ダミー圧力室２２側への圧力損失量を圧力室２１側への圧力損失量に更に正確に揃えることができる。加えて、リザーバー２６とダミー圧力室２２とを連通させたので、ダミー圧力室２２に供給される液体と圧力室２１に供給される液体とを同じにでき、ダミー圧力室２２側への圧力損失量を圧力室２１側への圧力損失量に一層正確に揃えることができる。

ところで、上記実施形態では、リザーバー２６とダミー圧力室２２とを連通させたが、これには限られない。例えば、図５に示す第２の実施形態では、ダミー圧力室２２′を、リザーバー２６に対して独立した空間とし、当該ダミー圧力室２２′内にノズル２９から噴射させるインク（リザーバー２６内のインク）とは組成の異なる液体が充填されている。

具体的に説明すると、ダミー圧力室２２′に連通するインク供給路２５′の一部に接着剤や樹脂等からなる封止材４２が充填され、インク供給路２５′が封止されている。これにより、ダミー圧力室２２′とリザーバー２６とが隔離される。そして、ダミー圧力室２２′内には、ノズル２９から噴射させるインクとは組成の異なる液体であって、当該インクの圧縮率と揃えられた液体、例えば、インクから顔料や染料等の着色成分を抜いた液体（即ち、インクの溶媒）が充填される。なお、このようなダミー圧力室２２′は、まず、流路形成基板１５に振動板１７を接合した状態でインク供給路２５′の一部を封止材４２により封止し、この状態で、ダミー圧力室２２′内に液体を充填した後で、ノズルプレート１６を流路形成基板１５に接合することで形成される。また、その他の構成等は第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

このように、本実施形態では、ダミー圧力室２２′を、リザーバー２６に対して独立した空間としたため、ダミー圧力室２２′内にゴミや気泡等が停留することを防止できる。また、ノズル２９から噴射させるインクとは組成の異なる液体を充填しているため、ノズル２９から噴射する液体に顔料等の粒子を含む液体を用いたとしても、ダミー圧力室２２′内に当該粒子が沈殿して、堆積することを防止できる。さらに、ダミー圧力室２２′に充填する液体の圧縮率と、ノズル２９から噴射させるインクの圧縮率とを揃えたので、ダミー圧力室２２′側への圧力損失量を圧力室２１側への圧力損失量により正確に揃えることができる。

ところで、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。例えば、上記した各実施形態では、ダミー圧力室２２を圧力室並設方向の両端に位置させたが、両端のうちどちらか一方にダミー圧力室２２を設ける構成とすることもできる。また、第２の実施形態では、封止材４２を用いたが、封止材４２を用いずに、ダミー圧力室２２′をリザーバー２６に対して独立した空間とすることもできる。例えば、流路形成基板１５をエッチング等により作成する際に、予めインク供給路２５のうち封止材４２に対応する部分を残して（リザーバー２６と連通させないで）、ダミー圧力室２２′を形成すればよい。

さらに、上記実施形態では、圧力発生手段として、所謂撓み振動型の圧電振動子を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電振動子を採用することも可能である。さらに、圧力発生手段としては圧電振動子には限らず、圧力室内に気泡を発生させる発熱素子や静電気力を利用して圧力室の容積を変動させる静電アクチュエーター等の各種圧力発生手段を用いる場合にも本発明を適用することができる。

そして、本発明は、圧力発生手段を用いて液体の噴射制御が可能な液体噴射装置の液体噴射ヘッドであれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体噴射装置、例えば、ディスプレイ製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等に用いられる液体噴射ヘッドにも適用することができる。そして、ディスプレイ製造装置では、色材噴射ヘッドからＲ（Ｒｅｄ）・Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）・Ｂ（Ｂｌｕｅ）の各色材の溶液を噴射する。また、電極製造装置では、電極材噴射ヘッドから液状の電極材料を噴射する。チップ製造装置では、生体有機物噴射ヘッドから生体有機物の溶液を噴射する。

１…プリンター，２…記録ヘッド，１５…流路形成基板，１６…ノズルプレート，１７…振動板，１８…圧電素子，２１…圧力室，２２…ダミー圧力室，２３…隔壁，２５…インク供給路，２６…リザーバー，２９…ノズル，４２…封止材

Claims

複数のノズルを列設したノズル列の方向に沿って圧力室を隔壁によって複数区画して並設し、圧力発生手段の駆動により当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで前記ノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
圧力室の並設方向の両端に位置する圧力室のうちの少なくとも一つは、液体の噴射が行われないダミー圧力室であり、
該ダミー圧力室に液体が充填されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記ダミー圧力室の、圧力室並設方向の幅は、前記圧力室の同方向の幅に揃えられたことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記ダミー圧力室と前記圧力室とを区画する隔壁の幅は、前記圧力室同士を区画する隔壁の幅に揃えられた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。
前記複数の圧力室に共通の液体を供給するリザーバーを備え、
該リザーバーと前記ダミー圧力室とが連通することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
前記複数の圧力室に共通の液体を供給するリザーバーを備え、
前記ダミー圧力室は、前記リザーバーに対して独立した空間であると共に、当該ダミー圧力室に前記ノズルから噴射させる液体とは組成の異なる液体が充填されたことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
前記ダミー圧力室に充填する液体の圧縮率と、前記ノズルから噴射させる液体の圧縮率とが揃えられたことを特徴とする請求項５に記載の液体噴射ヘッド。