JP2013116566A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力室３で励起された圧力波が液体供給室５側に伝搬し、液滴を吐出させるエネルギー効率が低下することと、隣接する圧力室３の吐出条件に影響を与えるクロストークが発生する。
【解決手段】液体に圧力を印加する圧力室３と、圧力室３に連通し、液体を吐出するノズル２と、圧力室３に液体を供給する液体供給室５と、液体供給室５と圧力室３の間に設置され、ノズル２の開口径よりも小さい開口径を有する孔４とを備え、液体供給室５から圧力室３に孔４を介して液体が供給される。これにより、液体供給室５と圧力室３はノズル２の開口径よりも小さい開口径を有する孔４により連通するので、圧力室３で励起された圧力波が液体供給室５に伝搬し難くなり、エネルギー効率が改善し、クロストークが低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノズルから液体を吐出して被記録媒体に画像や文字、あるいは機能性薄膜を形成する液体噴射ヘッド、及びこれを用いた液体噴射装置に関する。

近年、記録紙等にインク滴を吐出して文字、図形を記録する、或いは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜を形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、液体タンクからインクや液体材料（以下、総称して液体という。）を供給管を介して液体噴射ヘッドに供給し、液体噴射ヘッドのチャンネルに充填に充填された液体をこのチャンネルに連通するノズルから吐出させる。液体の吐出の際には、液体噴射ヘッドや噴射した液体を記録する被記録媒体を移動させて、文字や図形を記録する、或いは所定形状の機能性薄膜を形成する。

図８は、特許文献１に記載される液体噴射ヘッドチップ１００の部分断面構造を表す（特許文献１の図３を参照）。液体噴射ヘッドチップ１００は、ＰＺＴ等の圧電素子からなるアクチュエータ基板１０３と、その上に接合され、共通インク室１１７が形成されるカバープレート基板１０５と、カバープレート基板１０５に設置され、共通インク室１１７に連通しカバープレート基板１０５の開口面１１７Ａに接合される流路部材１０９と、を備える。

アクチュエータ基板１０３は、表面に並列する複数の溝を備え、交互に配列する吐出チャンネル１２３Ａとダミーチャンネル１２３Ｂを構成する。各チャンネルは側壁１１５により分離される。側壁１１５は分極処理が施された圧電体からなり、側面には電極１０２が形成されて、せん断型圧電素子が構成される。アクチュエータ基板１０３の紙面垂直上方には図示しないノズルプレートが接合され、ノズルプレートには吐出チャンネル１２３Ａに連通するノズル孔１０８が形成される。

カバープレート基板１０５は、凹部から成る共通インク室１１７を備え、共通インク室１１７の底面には吐出チャンネル１２３Ａに連通するスリット１１９が形成される。カバープレート基板１０５の凹部の内側面は段差部１２５を備え、段差部１２５にはフィルター１５０が設置されている。

液体噴射ヘッドチップ１００は次のように動作する。図示されないインクタンクからインクが流路部材１０９に流入し、共通インク室１１７からフィルター１５０及びスリット１１９を介して吐出チャンネル１２３Ａに充填される。側壁１１５に形成される電極１０２に電圧が印加されると、側壁１１５は“くの字”型にせん断変形し、吐出チャンネル１２３Ａの容積が変化してノズル孔１０８からインクが吐出される。ここで、フィルター１５０は、流路部材１０９から共通インク室１１７に供給されるインクに塵埃や気泡が含まれた場合にこの塵埃や気泡が吐出チャンネル１２３Ａへ進入し、ノズル孔１０８を閉塞させてドット抜けが発生しないようにするために設けてある。

特開２０１０−１３１９４０号公報

吐出チャンネル１２３Ａは、カバープレート基板１０５の共通インク室１１７とスリット１１９を介して連通する。吐出チャンネル１２３Ａは、通常溝の深さが約０．３６ｍｍ、溝の幅が５０μｍ〜１００μｍ、溝の長さが数ｍｍ〜１０ｍｍ、ノズル孔の直径が２０μｍ〜４０μｍである。これに伴い、カバープレート基板１０５のスリット１１９は、上記溝の幅と同程度の幅を有し、長さが２ｍｍ〜数ｍｍである。従って、スリット１１９の開口部１１３Ａの大きさは（５０μｍ〜１００μｍ）×（２ｍｍ〜数ｍｍ）程度となる。

ノズル孔１０８からインクを吐出させる際には電極１０２に電圧を印加して側壁１１５を変形させ、吐出チャンネル１２３Ａの容積を拡大、縮小させてインクに圧力波を励起する。この圧力波によりインクはノズル孔１０８からインク滴として吐出される。しかし、吐出チャンネル１２３Ａは開口部１１３Ａとスリット１１９を介して共通インク室１１７に連通する。そのため、インクの圧力波はスリット１１９を抜けて共通インク室１１７に伝搬する。このように、圧力波が共通インク室１１７側にも伝搬するのでノズル孔１０８から液滴として吐出させるためのエネルギー効率が低下し、これを補うために駆動電圧を高くする必要がある。

また、共通インク室１１７は吐出チャンネル１２３Ａの他に吐出チャンネル１２３Ｘや吐出チャンネル１２３Ｙにも連通する。そのため、いずれかの吐出チャンネルで吐出させるとそのインクの圧力波が他の吐出チャンネルにも伝搬して液滴の吐出に影響を与えるクロストークが発生する。さらに、このクロストークは吐出パターンや吐出周波数などに大きく影響され、記録品質が低下する原因となっている。

本発明は、液滴吐出のためのエネルギー効率を高め、クロストークを低減した液体噴射ヘッドを提供することを目的としてなされた。

本発明の液体噴射ヘッドは、液体に圧力を印加する圧力室と、前記圧力室に連通し、液体を吐出するノズルと、前記圧力室に液体を供給する液体供給室と、前記液体供給室と前記圧力室の間に設置され、前記ノズルの開口径よりも小さい開口径を有する孔と、を備え、前記液体供給室から前記圧力室に前記孔を介して液体が供給されることとした。

また、表面に複数の溝が並列して形成されるアクチュエータ基板と、前記ノズルを有し、前記アクチュエータ基板に接合されるノズルプレートと、前記孔を複数有し、前記溝を覆うように前記アクチュエータ基板に接合される仕切板と、前記液体供給室が形成され、前記仕切板に接合されるカバープレートと、を備え、前記圧力室は前記仕切板により覆われた前記溝により構成されることとした。

また、前記仕切板は、ポリイミドフィルムから成ることとした。

また、前記溝は液体吐出用の吐出溝と液体を吐出しないダミー溝を有し、前記吐出溝と前記液体供給室は複数の前記孔を介して連通し、前記ダミー溝と前記液体供給室とは前記仕切板により遮断されることとした。

また、前記孔は前記液体供給室から前記圧力室に向けて縮径することとした。

本発明の液体噴射装置は、上記いずれかの液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドを往復移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備えることとした。

本発明の液体噴射ヘッドは、液体に圧力を印加する圧力室と、圧力室に連通し、液体を吐出するノズルと、圧力室に液体を供給する液体供給室と、液体供給室と圧力室の間に設置され、ノズルの開口径よりも小さい開口径を有する孔と、を備え、液体供給室から圧力室に孔を介して液体が供給される。これにより、圧力室で励起された液体の圧力波が液体供給室へ伝搬し難くなり、ノズルから液滴を吐出させるためのエネルギー効率が改善して駆動電圧が低下し、同時にクロストークが低減して記録品質が向上する。

本発明に係る液体噴射ヘッドの基本的な構成を表す概念図である。 本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの模式的な分解斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの圧力室方向の縦断面模式図である。 本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッドのカバープレートを取り除いた上面模式図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドのカバープレートを取り除いた上面模式図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの仕切板の孔形状を表す部分断面図である。 本発明の第五実施形態に係る液体噴射装置の模式的な斜視図である。 従来から公知の液体噴射ヘッドチップの部分断面構造を表す。

（基本構成）
図１は、本発明の液体噴射ヘッド１の基本的な構成を表す概念図である。液体噴射ヘッド１は、液体に圧力を印加するための圧力室３と、この圧力室３に連通し液体を吐出するノズル２と、圧力室３に液体を供給する液体供給室５と、液体供給室５と圧力室３の間に設置され、ノズル２の開口径ｄ１よりも小さい開口径ｄ２を有する孔４とを備える。液体は液体供給室５から圧力室３に孔４を介して供給される。圧力室３は紙面垂直方向に複数形成され、液体供給室５は複数の圧力室３とそれぞれの圧力室３に対応して設置される孔４を介して連通する。

液体噴射ヘッド１は次のように駆動される。図示しない液体貯留部からインクなどの液体が液体供給室５に供給され、孔４を介して圧力室３に充填される（一点鎖線）。駆動素子１４により圧力室３に充填される液体に圧力波を励起すると、圧力室３に連通するノズル２から液体が吐出される。圧力室３と液体供給室５とはノズル２の開口径ｄ１よりも小さい開口径ｄ２の複数の孔４を介して連通する。これにより、圧力室３で励起された圧力波は液体供給室５に伝搬し難くなり、ノズル２から液滴を吐出させるためのエネルギー効率が改善して駆動電圧が低下し、同時にクロストークが低減して記録品質が向上する。

更に、孔４は、その開口径ｄ２がノズル２の開口径ｄ１よりも小さいので、液体に混入する塵埃や気泡に対し、フィルターとしても機能する。つまり、孔４の開口径ｄ２よりも大きい塵埃や気泡は圧力室３に進入することが阻止されるので、これらの異物によりノズル２が詰まり、ドット抜けとなる不具合の発生を防止することができる。なお、孔４は開口部が円形に限定されず、楕円形や多角形等であってもよい。この場合、孔４は、ノズル２の開口面積よりも小さい開口面積を有する。以下、本発明について実施形態に基づいて詳細に説明する。

（第一実施形態）
図２は、本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド１の模式的な分解斜視図であり、図３は、液体噴射ヘッド１の圧力室３方向の縦断面模式図である。液体噴射ヘッド１は、表面に複数の溝７が並列して形成されるアクチュエータ基板６と、ノズル２を有し、アクチュエータ基板６の端面に接合されるノズルプレート８と、複数の孔４を有し、上記アクチュエータ基板６に溝７を覆うように接合される仕切板９と、液体供給室５が形成され、仕切板９のアクチュエータ基板６とは反対側に接合されるカバープレート１０とを備える。

ノズルプレート８は、ノズル２が溝７に連通するようにアクチュエータ基板６の端面に接着剤により接合される。アクチュエータ基板６は、基板面に垂直方向（ｚ方向）に分極処理の施された圧電体から成る。圧電体としてはＰＺＴセラミックスを使用する。各溝７は、溝７と溝７の間に壁１１を残し、アクチュエータ基板６の一方の端部から他方の端部の手前までダイシングブレード等を用いた切削加工により形成することができる。壁１１は、略１／２の深さよりも上方（ｚ方向）の側面に壁１１を駆動するための駆動電極１２が形成され、駆動素子を構成する。アクチュエータ基板６の他方の端部の表面には電極端子１３が形成され、駆動電極１２と電気的に接続される。圧力室３は、仕切板９とノズルプレート８に囲まれる溝７の領域により構成される。

仕切板９は、アクチュエータ基板６の表面に接着剤により接合され、圧力室３のノズル２とは反対側の領域に連通する複数の孔４を備える。孔４は、液体供給室５と圧力室３を連通可能に貫通し、孔４の開口径ｄ２はノズル２の開口径ｄ１よりも小さい。カバープレート１０は仕切板９の複数の孔４に対応する位置に液体供給室５を備え、仕切板９に接着剤により接合される。ノズルプレート８及び仕切板９はポリイミドフィルムを使用する。カバープレート１０はアクチュエータ基板６と同じ熱膨張係数を有するセラミックス材料を使用する。

なお、溝７の幅（ｘ方向）は７０μｍ〜８０μｍ、ノズル２の開口径ｄ１が略３０μｍである。また、仕切板９は、厚さが略２５μｍ、孔４の開口径ｄ２が略１０μｍ、孔４の数が１０個〜２０個、孔４が形成される溝７の長手方向（ｙ方向）の長さが略２．５ｍｍである。

液体供給室５に液体が供給されると、液体は仕切板９の孔４を介して圧力室３に充填される。電極端子１３に駆動信号が印加されると壁１１の駆動電極１２に伝達され、壁１１は立設方向（ｚ方向）にせん断変形して屈曲する。これにより、圧力室３の容積が変化して充填される液体に圧力波が励起され、この圧力波によってノズル２から液滴が吐出される。この場合に、孔４の開口径はノズル２の開口径よりも小さく、圧力室３で励起された圧力波は孔４を形成した仕切板９から液体供給室５へ伝搬し難くなり、ノズル２から液滴を吐出させるためのエネルギー効率が改善して駆動電圧が低下する。同時に、圧力波が他の圧力室に伝搬して吐出条件に影響を与えるクロストークが低減し、記録品質が向上する。

また、仕切板９の孔４の開口径ｄ２はノズル２の開口径ｄ１よりも小さいので、孔４の開口径よりも大きな塵埃や気泡は圧力室３に進入することが阻止される。そのため、これらの異物がノズル２を詰まらせ、記録する際にドット抜けとなる不具合の発生を防止することができる。本実施形態では仕切板９の孔４がフィルター機能を有するので、液体噴射ヘッド１に液体を供給する図示しない液体供給管と仕切板９との間の液体の流路にフィルターを設置しない構成とすることができる。

なお、溝７はアクチュエータ基板６の一方の端部から他方の端部の手前まで形成したが、他方の端部までストレートに形成し、他方の端部側の溝７を接着剤等により閉塞してもよい。また、アクチュエータ基板６として上下方向に分極した２枚の圧電体基板を貼り合わせた積層基板を用い、壁１１の側面の上端面から底面にかけて駆動電極１２を形成して、駆動素子を構成してもよい。

また、上記実施形態では、カバープレート１０とアクチュエータ基板６の間に孔４を形成した仕切板９を挟むように設置したが、これに代えて、液体供給室５の底部にのみ孔４を形成した仕切板を設置してもよい。また、カバープレート１０の液体供給室５となる領域に凹部を形成し、この凹部の底面の各圧力室３に対応する位置に、ノズル２の開口径ｄ１よりも小さい開口径ｄ２を有する孔４を形成してもよい。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド１の、カバープレート１０を取り除いた上面模式図である。アクチュエータ基板６は、表面に液体吐出用の吐出溝７ａと液体を吐出しないダミー溝７ｂを有し、吐出溝７ａとダミー溝７ｂは交互に並列に配列する。アクチュエータ基板６の一方の端部にノズルプレート８が接合され、ノズル２は吐出溝７ａに連通し、ダミー溝７ｂにはノズル２が対応して形成されない。仕切板９は、複数の孔４が吐出溝７ａに対応し、ダミー溝７ｂが閉塞されるようにアクチュエータ基板６に接合される。従って、吐出溝７ａと液体供給室５は複数の孔４を介して連通し、ダミー溝７ｂと液体供給室５は仕切板９により遮断される。アクチュエータ基板６の他方の端部の表面には駆動電極１２が形成される。

仕切板９に形成した孔４は開口径が１０μｍ〜２０μｍであり、ノズル２の開口径よりも小さい。吐出溝７ａに対応する孔４が１６個配置され、孔４が形成される溝７方向の長さが２ｍｍ〜３ｍｍである。その他の構成は、第一実施形態と同様なので、説明を省略する。

この構成により、各吐出溝７ａは隣接する吐出溝７ａに対して独立して駆動することができるので、全ての吐出溝７ａから液滴を同時に吐出できる１サイクル駆動が可能となる。圧力室３を構成する吐出溝７ａと液体供給室５は仕切板９により仕切られるので、圧力室３で励起された圧力波が液体供給室５に伝搬し難くなり、ノズル２から液滴を吐出させるためのエネルギー効率が改善して駆動電圧が低下し、同時にクロストークが低減して記録品質が向上する。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド１の、カバープレート１０を取り除いた上面模式図である。アクチュエータ基板６は、表面に液体吐出用の吐出溝７ａが並列に配列する。アクチュエータ基板６の一方の端部にノズルプレート８が接合され、各吐出溝７ａに対応してノズル２が設置される。仕切板９は、液体供給室５に対応する領域の全面に複数の孔４が形成される。従って、吐出溝７ａと液体供給室５は複数の孔４を介して連通する。この場合は、仕切板９の孔４の位置と吐出溝７ａとの間の位置合わせが不要となるので組立が容易となる。

仕切板９に形成した孔４は開口径が１０μｍ〜２０μｍであり、ノズル２の開口径よりも小さい。吐出溝７ａに対応する孔４が１０個〜２０個配置され、孔４が形成される溝７方向の長さが２ｍｍ〜３ｍｍである。壁１１の溝７方向に直交する方向の厚さは溝７の幅と同程度なので、壁１１の幅より孔４の開口径が小さく、壁１１の上面の孔４を介して隣接する吐出溝７ａ間が連通することはない。その他の構成は、第一実施形態と同様なので、説明を省略する。

この構成では、液滴を吐出する際に隣接する吐出溝７ａから同時に吐出できず、３つの吐出溝７ａを順次駆動する３サイクル駆動により液滴を吐出する。この場合も、圧力室３を構成する吐出溝７ａと液体供給室５には仕切板９により仕切られるので、圧力室３で励起された圧力波が液体供給室５に伝搬し難く、ノズル２から液滴を吐出させるためのエネルギー効率が改善する。更に、クロストークが低減し記録品質を向上させることができる。

（第四実施形態）
図６は、本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッド１の仕切板９の孔形状を表す部分断面図である。

図６に示すように、仕切板９の孔４は液体供給室５から圧力室３に向けて漸次縮径する。これにより、圧力室３で励起された圧力波が液体供給室５側に伝搬し難くなり、ノズル２から液滴を吐出させるためのエネルギー効率が改善し、駆動電圧を低下させることができる。更に、クロストークが低減し記録品質を向上させることができる。なお、この漸次縮径する孔４はレーザ加工等により容易に形成することができる。

（第五実施形態）
図７は本発明の第五実施形態に係る液体噴射装置３０の模式的な斜視図である。液体噴射装置３０は、液体噴射ヘッド１、１’を往復移動させる移動機構４０と、液体噴射ヘッド１、１’に液体を供給する流路部３５、３５’と、流路部３５、３５’に液体を供給する液体ポンプ３３、３３’及び液体タンク３４、３４’を備えている。各液体噴射ヘッド１、１’は複数の吐出溝を備え、各吐出溝に連通するノズルから液滴を吐出する。各液体噴射ヘッド１、１’は第一〜第四実施形態において説明したものを使用する。

液体噴射装置３０は、紙等の被記録媒体４４を主走査方向に搬送する一対の搬送手段４１、４２と、被記録媒体４４に液体を吐出する液体噴射ヘッド１、１’と、液体噴射ヘッド１、１’を載置するキャリッジユニット４３と、液体タンク３４、３４’に貯留した液体を流路部３５、３５’に押圧して供給する液体ポンプ３３、３３’と、液体噴射ヘッド１、１’を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構４０を備えている。図示しない制御部は液体噴射ヘッド１、１’、移動機構４０、搬送手段４１、４２を制御して駆動する。

一対の搬送手段４１、４２は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに移転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体４４を主走査方向に搬送する。移動機構４０は、副走査方向に延びた一対のガイドレール３６、３７と、一対のガイドレール３６、３７に沿って摺動可能なキャリッジユニット４３と、キャリッジユニット４３を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト３８と、この無端ベルト３８を図示しないプーリを介して周回させるモータ３９を備えている。

キャリッジユニット４３は、複数の液体噴射ヘッド１、１’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４種類の液滴を吐出する。液体タンク３４、３４’は対応する色の液体を貯留し、液体ポンプ３３、３３’、流路部３５、３５’を介して液体噴射ヘッド１、１’に供給する。各液体噴射ヘッド１、１’は駆動信号に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド１、１’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット４３を駆動するモータ３９の回転及び被記録媒体４４の搬送速度を制御することにより、被記録媒体４４上に任意のパターンを記録することできる。

本発明の液体噴射装置３０によれば、液体噴射ヘッド1のエネルギー効率が改善し、クロストークが低減するので、記録品質が向上する。なお、液体供給室５と圧力室３の間に設置した仕切板９は、ノズル２の開口径よりも小さい開口径の孔４を有し、フィルターとしても機能する。そのため、液体タンク３４、３４’と仕切板９との間の流路にフィルターを設置しない構成とすることができる。

１ 液体噴射ヘッド
２ ノズル
３ 圧力室
４ 孔
５ 液体供給室
６ アクチュエータ基板
７ 溝
８ ノズルプレート
９ 仕切板
１０ カバープレート
１１ 壁
１２ 駆動電極
１３ 電極端子

Claims (6)

1. 液体に圧力を印加する圧力室と、
   前記圧力室に連通し、液体を吐出するノズルと、
   前記圧力室に液体を供給する液体供給室と、
   前記液体供給室と前記圧力室の間に設置され、前記ノズルの開口径よりも小さい開口径を有する孔と、を備え、
   前記液体供給室から前記圧力室に前記孔を介して液体が供給される液体噴射ヘッド。
2. 表面に複数の溝が並列して形成されるアクチュエータ基板と、
   前記ノズルを有し、前記アクチュエータ基板に接合されるノズルプレートと、
   前記孔を複数有し、前記溝を覆うように前記アクチュエータ基板に接合される仕切板と、
   前記液体供給室が形成され、前記仕切板に接合されるカバープレートと、を備え、
   前記圧力室は前記仕切板により覆われた前記溝により構成される請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記仕切板は、ポリイミドフィルムから成る請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記溝は液体吐出用の吐出溝と液体を吐出しないダミー溝を有し、
   前記吐出溝と前記液体供給室は複数の前記孔を介して連通し、前記ダミー溝と前記液体供給室とは前記仕切板により遮断される請求項２又は３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記孔は前記液体供給室から前記圧力室に向けて縮径する請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドと、
   前記液体噴射ヘッドを往復移動させる移動機構と、
   前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、
   前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える液体噴射装置。

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