JP2013151070A - 液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】別途駆動源を設ける必要がなく、簡単に圧力室内の液体を攪拌することができる液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル２９に連通する圧力室２３に液体を充填し、当該圧力室２３内の液体に圧力変動を付与することによりノズル２９から液滴を噴射可能な液体噴射ヘッド２であって、圧力室２３の底部は、底部材１７、および、該底部材の圧力室２３側の面に積層された可撓性を有する振動板１６により構成され、底部材１７における圧力室２３に対応する部分に、圧力室２３とは反対側に窪んだ空部３０が形成され、振動板１６は、空部３０の開口部を圧力室２３側から被覆し、空部３０と圧力室２３を連通させる穴２７が形成された。
【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、および、その液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置に関し、特に、顔料等の固形分を含む液体をノズルから噴射する液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置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（以下、単に記録ヘッドという）、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に用いられる液体の中には、溶媒中に粒子（固形分）を含有したものがある。例えば、色素として顔料を用い、この顔料をインク溶媒内に分散させた顔料分散系のインク（以下、顔料インクという）がある。この顔料インクは、長期間に亘って放置されると顔料が沈降（沈殿）してしまうという問題を有している。特に金属系の顔料は沈降しやすい。そして、顔料が沈降すると、吐出した液滴内の顔料濃度がばらつく虞があるだけでなく、ノズルを目詰まりさせる虞がある。

このような問題を解決すべく、記録ヘッド内に循環流路を設け、圧力室内のインクを循環させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、沈降した顔料を攪拌することが出来る。

特開２００８−２８４７３９号公報

しかしながら、上記のような記録ヘッドでは記録ヘッド内に循環流路を設けているため、構造が複雑であった。また、インクを循環させる駆動源を別途用意する必要があった。このため、記録ヘッドの製造の観点からコストアップや装置の大型化につながっていた。

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、別途駆動源を設ける必要がなく、簡単に圧力室内の液体を攪拌することができる液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置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、ノズルに連通する圧力室に液体を充填し、当該圧力室内の液体に圧力変動を付与することにより前記ノズルから液滴を噴射可能な液体噴射ヘッドであって、
前記圧力室の底部は、底部材、および、該底部材の圧力室側の面に積層された可撓性を有する振動板により構成され、
前記底部材における前記圧力室に対応する部分に、前記圧力室とは反対側に窪んだ空部が形成され、
前記振動板は、前記空部の開口部を圧力室側から被覆し、
前記空部と前記圧力室を連通させる穴が形成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、圧力室内の液体の圧力変動により、底部の振動板が変動すると共に、振動板の穴を介して空部と圧力室との間で液体が移動するため、圧力室内の液体を攪拌することができ、別途駆動源を設けることなく顔料等の沈降を防止することができる。また、顔料等が底部に沈降していた場合でも、沈降した顔料等を攪拌することができる。

上記構成において、前記液体は、成分の一部として固形分を含み、
前記穴の開口径が前記固形分の大きさよりも小さく設定されたことが望ましい。

この構成によれば、空部内に顔料等が沈降することを防止できる。

そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。

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の（ａ）要部断面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。 顔料の攪拌を表す模式図である。

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インクジェット式記録ヘッド２（以下、記録ヘッド）が取り付けられると共に、内部に液体状のインクを貯留した液体貯留部材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を備えている。このキャリッジ４の後部には、キャリッジ４を記録紙５（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６を備えている。また、記録動作時における記録ヘッド２の下方には、間隔を空けてプラテン７を備えている。このプラテン７上には、プリンター１の後方に備えた搬送機構８によって、記録紙５が主走査方向に直交する副走査方向に搬送される。

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６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のノズル面（ノズルプレート：図３参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル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５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（ａ）は、記録ヘッド２の要部断面図、図３（ｂ）は、Ａ−Ａ線断面図である。本実施形態における記録ヘッド２は、流路形成基板１５、下側振動板１６、ノズルプレート１７、上側振動板１８、圧電素子２０、及び、保護基板２１等を積層して構成されている。

流路形成基板１５は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、複数の圧力室２３がその幅方向（ノズル列方向）に並設されている。各圧力室２３は、板厚方向に貫通した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２３の上部は上側振動板１８によって封止される一方、圧力室２３の下部（底部）は、下側振動板１６を介在させた状態でノズルプレート１７によって封止される（何れも後述する。）。そして、この圧力室２３の容積は、後述する圧電素子２０の駆動により上側振動板１８が変形することで増減される。

また、流路形成基板１５の圧力室２３の長手方向外側の領域には連通部２４が形成されている。この連通部２４は、圧力室２３毎に設けられたインク供給路２５を介して各圧力室２３と連通されている。インク供給路２５は、圧力室２３よりも狭い幅で形成されており、連通部２４から圧力室２３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２１の共通室３６と連通して各圧力室２３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の下側には、圧力室２３の底部を構成する下側振動板１６（本発明における振動板に相当）、および、ノズルプレート１７（本発明における底部材に相当）が、この順に積層されて接合されている。下側振動板１６は、可撓性を有する薄手のシート材（膜材）であり、本実施形態では、例えば、厚さが約１．０μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成されている。この下側振動板１６は、ノズルプレート１７の圧力室２３側の全面に積層され、ノズルプレート１７の空部３０（後述）の開口部を圧力室２３側から封止（被覆）している。なお、下側振動板１６の形成範囲に関し、ノズルプレート１７の全面には限られず、ノズルプレート１７の圧力室２３側の面の少なくとも一部（圧力室２３に対応する部分）に設けられていれば良い。

また、図３に示すように、下側振動板１６において、ノズルプレート１７の空部３０と圧力室２３を連通させる液体噴射孔２７（本発明における穴に相当）が形成されている。本実施形態の液体噴射孔２７は、円形の開口形状を有する貫通孔である。この液体噴射孔２７は、圧力室２３内において当該圧力室２３の長手方向（ノズル列に直交する方向）に沿って複数列状に形成されている。本実施形態においては、この液体噴射孔２７の列が、ノズル列方向に沿って２列ずつ各圧力室２３に形成されている。さらに、下側振動板１６のノズル２９（後述）に対応する部分には、連通孔２８が開設されている。この連通孔２８を介して圧力室２３とノズル２９とが連通されている。なお、本実施形態では、圧力室２３内のインクの圧力が変動した際に、当該液体噴射孔２７を通じたインクの移動を生じさせつつ下側振動板１６が可撓変形できるように、液体噴射孔２７の流路抵抗が十分に高くなるように設計されている。また、液体噴射孔２７の形状に関し、例示したものには限られず、少なくとも空部３０に対向する部分のうち液体噴射孔２７以外の部分の下側振動板１６が可撓変形できれば、液体噴射孔２７はどのような形状でもよい。

ノズルプレート１７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などからなり、各圧力室２３に対応したノズル２９が開設されている。各ノズル２９は、それぞれ圧力室２３のインク供給路２５とは反対側の端部に連通する。また、図３（ａ）に示すように、ノズルプレート１７には、下側振動板１６側の面における各圧力室２３に対応する部分の一部に、圧力室２３とは反対側に窪んだ空部３０が形成されている。本実施形態の空部３０は、図３（ｂ）に示すように、インク供給路２５とノズル２９との間において、平面視で圧力室２３の長手方向に沿った長方形状（すなわち、直方体状の凹部）に形成されている。そして、この空部３０の開口部を封止する下側振動板１６により変形部３１が構成されている。

また、空部３０は、圧力室２３内の液体の圧力変動に応じて下側振動板１６が変動（変形）し得る形状、寸法（容積）に設計されている。そして、圧力室２３内の液体の圧力変動に応じて下側振動板１６が変動する。なお、変形部３１による顔料の攪拌については、後述する。また、ノズル２９および空部３０は、例えば、ノズルプレート１７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１７をステンレス鋼で作成する場合には、プレス加工により形成される。

流路形成基板１５の上側には、上側振動板１８が形成されている。本実施形態の上側振動板１８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２０が各圧力室２３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２０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２０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。

また、流路形成基板１５上の圧電素子２０側の面には、圧電素子２０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２１が、上側振動板１８を挟んで接合されている。圧電素子２０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２１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２１を厚さ方向に貫通して圧力室２３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２３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２１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、剛性が低く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固定板開口部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からノズル２９に至るまで内部をインクで満たす。この状態で、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２３に対応する圧電素子２０を駆動させる。これにより、各圧力室２３内のインクの圧力が変動し、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、図４に示すように、圧電素子２０の駆動により圧力室２３の上側振動板１８が振動すると、この振動が伝播して下側振動板１６も振動する。これにより、圧力室２３内のインクに乱流を発生させることができ、圧力室２３内の顔料Ｐ（例えば、白色の顔料として用いられる二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、光輝性顔料として用いられるアルミニウム等の金属から成る金属片など）を攪拌することができる。また、圧力室２３の底部に顔料Ｐが堆積していた場合であっても、下側振動板１６の振動により攪拌することができる。

また、上記した下側振動板１６の振動に伴って、液体噴射孔２７を介して圧力室２３と空部３０との間でインクが移動する。すなわち、圧力室２３と空部３０との間でインクの流れが生じる。このインクの流れによって、圧力室２３内をより攪拌することができる。例えば、図４の矢印のように、液体噴射孔２７を介して空部３０側から圧力室２３側に向けて吹き上げるようなインクの流れが生じる。この流れによって、圧力室２３および空部３０の底部に沈降した顔料Ｐを巻き上げることができる。

このように、圧力室２３内のインクの圧力変動により、底部の下側振動板１６が変動すると共に、下側振動板１６の液体噴射孔２７を介して空部３０と圧力室２３との間でインクが移動するため、圧力室２３内のインクを攪拌することができ、別途駆動源を設けることなく顔料等の沈降を防止することができる。また、顔料等が底部に沈降していた場合でも、沈降した顔料等を攪拌することができる。なお、この攪拌のために行う振動は、ノズル２９からインクが吐出されない程度の振動である。

ところで、上記した液体噴射孔２７の開口径（開口寸法）は、インクに含まれる顔料等の固形分の大きさ、例えば粒子径よりも小さく設定されたことが望ましい。このようにすれば、空部３０内に顔料等が沈降することを防止できる。例えば、長期間に亘って駆動されない場合において空部３０内に顔料等が沈降することによる、下側振動板１６の変形が阻害されることを防止できる。

また、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、変形部３１は、平面視で圧力室２３の長手方向に沿った長方形状（直方体状の凹部）に形成したが、これには限らず、任意の形状にすることができる。また、１つの圧力室内に複数の変形部を設けることもできる。

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素子２０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素子を採用することも可能である。また、圧力発生手段としては圧電素子には限らず、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…下側振動板，１７…ノズルプレート，１８…上側振動板，２０…圧電素子，２１…保護基板，２３…圧力室，２４…連通部，２５…インク供給路，２６…リザーバー，２７…液体噴射孔，２８…連通孔，２９…ノズル，３０…空部，３１…変形部，３２…弾性膜，３３…絶縁体膜，３５…圧電素子保持部，３６…共通室，３７…封止膜，３８…固定板，３９…コンプライアンス基板，４０…固定板開口部

Claims (3)

1. ノズルに連通する圧力室に液体を充填し、当該圧力室内の液体に圧力変動を付与することにより前記ノズルから液滴を噴射可能な液体噴射ヘッドであって、
   前記圧力室の底部は、底部材、および、該底部材の圧力室側の面に積層された可撓性を有する振動板により構成され、
   前記底部材における前記圧力室に対応する部分に、前記圧力室とは反対側に窪んだ空部が形成され、
   前記振動板は、前記空部の開口部を圧力室側から被覆し、
   前記空部と前記圧力室を連通させる穴が形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記液体は、成分の一部として固形分を含み、
   前記穴の開口径が前記固形分の大きさよりも小さく設定さ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。
3. 請求項１または請求項２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。

Images