JP2013151102A - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より効果的なコンプライアンス部を有する液体噴射ヘッドと、液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 リザーバ室１００内に化学ゲルからなるコンプライアンス部４０〜４２を配置しており、当該化学ゲルは圧力を受けて容積変化するため、制震効果がある。従って、圧力発生室１２内で発生した圧力波がリザーバー室１００に伝播した際、上記化学ゲルからなるコンプライアンス部４０〜４２は圧力変化を受けて容積変化することで同圧力波を減衰させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンプライアンス部を有する液体噴射ヘッドと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を利用して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。インクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室に供給されたインクに圧力を付与することで、ノズル開口からインク滴を吐出させている。

このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室内のインクに圧力を付与すると、圧力発生室内に圧力波が発生する。この圧力波は、圧力発生室に連通するリザーバーに伝播するが、何らかの方法で減衰させないと、圧力波がさらに他の圧力発生室に伝播してしまい、良好なインク吐出特性が得られない。
このため、リザーバーの一方面側に、コンプライアンス基板を設け、薄肉状のコンプライアンス部を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このコンプライアンス部は、圧力発生室の共通のインク室となるリザーバー内の圧力変化によって変形するようになっており、圧力波のエネルギーが吸収されるようになっている。

また、リザーバに連通する凹部を形成しつつ同凹部に発泡ゴムを充填させたものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−６２８３０号公報 特開２０１１−１５６８１４号公報

コンプライアンス部は可及的に薄くしなければならず、７〜８μｍ程度が限界であった。この場合、コンプライアンス部として機能させるためには、一定以上の幅が必要であり、ヘッドサイズが大きくなってしまうという課題があった。
また、コンプライアンスフィルムは水分透過性があるため、保護基板のザグリ部は大気開放する必要があった。なぜなら、フィルムを透過した水蒸気によって、保護基板のザグリ部内の圧力が高まり、フィルムが撓み、コンプライアンス部として機能を失ってしまうからである。

さらに、この大気開放経路は一定以下の水分拡散速度でなければならない。なぜなら、水分拡散速度が高すぎる場合、リザーバ内のインクの水分が急速に失われ、粘度上昇による特性変化を招いたり、場合によってはインクの凝固、ヘッドの故障に至るためである。しかし、このような大気開放経路を配置するために、複雑な構造が必要になり、ヘッドが大型化するといった課題があった。

また、上記のコンプライアンス基板の作成自体にも、複雑な工程を要し、コスト高になるという課題もあった。
さらに、フィルム状のコンプライアンスは制震効果が低く、これによってさらに大きな面積が必要となる。
また、発泡ゴムによるコンプライアンス付与も提案されているが、発泡ゴムを用いた場合、ゴム内気泡が脱気インクに接することでガスがインクに溶け、ゴム性を失うといった課題もあった。

本発明は、より効果的なコンプライアンス部を有する液体噴射ヘッドと、液体噴射装置を提供する。

液体を噴射するノズル開口に連通し、個別流路を構成する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の上記圧力発生室に相対向する領域に設けられた駆動素子と、液体流路を介して上記圧力発生室と連通するリザーバと、同リザーバに液体を導入するための液体導入孔とを具備する液体噴射ヘッドであって、上記リザーバ内には、圧力に応じて容積変化して制震する化学ゲルを配置している。
このように構成した本発明においては、リザーバ内に化学ゲルを配置しており、当該化学ゲルは圧力を受けて容積変化するため、制震効果がある。従って、圧力発生室内で発生した圧力波がリザーバーに伝播した際、上記化学ゲルは圧力変化を受けて容積変化することで同圧力波を減衰させる。

本発明によれば、リザーバ内で容積変化する化学ゲルが制震するので、フィルム状のコンプライアンス部が有していたデメリットを解消し、また、発泡ゴムのように気体が溶け出して劣化するというデメリットも生じない。

液体噴射ヘッドの分解斜視図である。 液体噴射ヘッドの断面図である。 コンプライアンス部の変形例を示す断面図である。 コンプライアンス部の変形例を示す断面図である。 液体噴射ヘッドを適用したインクジェット式記録装置の斜視図である。 変形例にかかる液体噴射ヘッドの断面図である。 変形例にかかる液体噴射ヘッドの断面図である。 変形例にかかる液体噴射ヘッドの断面図である。

（実施例１）
以下、図面にもとづいて本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る液体噴射ヘッドの一例を分解斜視図により示しており、図２は、断面図により示している。
図示するように、流路形成基板１０は、本実施例では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１により複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には、インク供給路１４と連通部１３とが隔壁１１によって区画されている。この圧力発生室１２とインク供給路１４と連通部１３とで個別流路が構成されている。

連通部１３は、圧力発生室１２の列毎に共通のインク室となるリザーバ部１６に連通する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも上面視において狭い幅となるように形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。また、圧力発生室１２からリザーバ部１６に至るまでの流路には流路底面部１５が形成されており、この流路底面部１５により上下方向においても幅狭の流路を形成している。ただし、インク供給路１４によって十分な流路抵抗を構成できる場合には、流路底面部１５を省略することも可能である。なお、インク供給路１４と連通部１３は、圧力発生室１２とリザーバ部１６とを連通させる液体流路となる。

このように、流路形成基板１０により、圧力発生室１２とインク供給路１４と連通部１３とからなる個別流路とともに、共通のインク室であるリザーバ部１６とが形成されている。
流路形成基板１０の下面側には、ノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して設けられている。ノズルプレート２０は、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が個別流路の端部に臨む位置に穿設されている。なお、ノズルプレート２０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレスなどで形成されている。ノズルプレート２０は、流路形成基板１０におけるリザーバ部１６の下面部分にまで延設されており、当該リザーバ部１６にて形成されるリザーバ室１００の底面を形成している。なお、底面については強度を保持すべく他の部位よりも厚く構成するようにしてもよい。

流路形成基板１０について、流路底面部１５を形成しない場合は上下方向に貫通するように各流路やリザーバ部１６を形成すればよい。流路底面部１５を形成する場合は、流路形成基板１０を厚さ方向に２部材に分けて構成してもよい。なぜなら、流路形成基板１０における流路底面部１５を残す側と反対の側には予め弾性膜５０を形成しているからである。むろん、弾性膜５０は別工程で載置することとし、弾性膜５０の側から流路形成基板１０をエッチングし、流路底面部１５を残しても良い。

流路形成基板１０の上面側である一方面側には弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子（駆動素子となる）３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施例では、第１電極６０は圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、このような各圧電素子３００の第２電極８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。リード電極９０には、駆動ＩＣ２００が設けられているＣＯＦ２０１が接続されており、駆動ＩＣ２００からの信号は、リード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に印加される。このように、圧電素子３００は、流路形成基板１０の一方面側である圧力発生室１２に相対向する領域に設けられている。

弾性膜５０と絶縁体膜５５（これらを振動板とも呼ぶ）とにおける上記リザーバ部１６に対面する部分は同じ開口となるように開口を形成し、上下方向に貫通するようにしている。
また、流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有するとともに、上記リザーバ部１６に対面するように凹部を形成した保護基板３０が接着剤層３５を介して接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。また、リザーバ部１６に対面する凹部は保護基板側リザーバ部３２であり、上方に開口するリザーバ部１６と下方に開口する保護基板側リザーバ部３２とにより、ほぼ全方位を覆蓋されたリザーバ室１００が形成されることになる。このリザーバ室１００は上述したように連通部１３を介して各圧力発生室１２へインクを供給し、また、上面に形成したインク導入孔（液体導入孔）１２２を介して外部よりインクが供給されるようになっている。

なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施例では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
保護基板側リザーバ部３２の上面にはその厚みよりも薄い凹部を形成してある。すなわち、当該凹部はリザーバ室１００内に連通するが、保護基板３０の外部まで連通するものではない。当該凹部には化学ゲルからなるコンプライアンス部４０を充填して装着している。コンプライアンス部４０は、好ましくは高分子ゲルで構成している。しかし、形成部位に応じて、耐インク性を考慮して、それぞれのインク（水系インク、ソルベント系インク、ＵＶ硬化型インクなど）に最適なゲルを選択することが可能である。

この化学ゲルは共通の性質として、圧力変化を受けて容積変化し、その際に制震効果を奏する。制震効果の程度については、基本的にはコンプライアンス部４０の体積で調整すればよい。コンプライアンス部４０は保護基板側リザーバ部３２の上面壁の厚みの範囲で調整可能であるし、薄い素材に限定されるフィルム部材からなるコンプライアンス部と比較して比較的小容積で必要とする制震効果を奏することができるので、ヘッドの小型化に貢献することができる。

また、その一方で柔軟性を大きくしたい場合もある。そのような場合には、コンプライアンス部４０を図３に示すように中空で形成し、内部の気体の弾性とこれを被覆する化学ゲルの壁材の弾性とによって所望の制震効果となるように調整すればよい。また、中空とするのに工程や時間がかからないようにするために、内部に気体以外の弾性部材、例えば図４に示すように発泡ゴムを封じ込むことで、全体の圧力を調整しつつ、発泡ゴム内に存する気体がインク中に溶解してしまうというデメリットを生じさせないようにすることも可能である。

このようなインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインク導入孔１２２を介してインクを取り込み、リザーバ室１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ２００からの信号に従い、ＣＯＦ２０１を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

この場合に、本実施例では、リザーバ室１００の天井壁面に圧力に応じて容積変化して制震するコンプライアンス部４０を収容しているため、インク導入時には圧力波をコンプライアンス部４０で制震し、伝搬を防ぐことができる。また、リザーバ室１００の天井壁面に沿って形成すれば面積を多くとることができ、コンプライアンスが高いことから、インク導入時の流入圧力をより緩和し、さらに吐出特性への影響を低減させることが可能である。

（液体噴射装置）
さらに、これらインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置（液体噴射装置）に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
同図に示すインクジェット式記録装置において、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び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及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

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及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない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。

（実施例２）
実施例１に示すものでは、インク導入孔１２２が略正方形の貫通口となっているが、同インク導入孔１２２を、上記個別流路の並び方向に縦長に形成しても良く、この場合は図１に示す位置にはコンプライアンス部４０を配置できない。
しかし、図６に示すように、インク導入孔１２２を形成する壁面の一部に凹部を形成し、当該凹部にコンプライアンス部４１をはめ込むようにして保持しても良い。

（実施例３）
上述した実施例では、保護基板３０によってコンプライアンス部を保持しているが、必ずしも保護基板３０で保持する必要はない。
実施例３では、図７に示すように、流路形成基板１０のリザーバ部１６内に保持するため、コンプライアンス部４２をノズルプレート２０上に保持している。

（実施例４）
上述した実施例では、流路形成基板１０や保護基板３０によってコンプライアンス部を保持しているが、これら以外によって保持してもよい。
実施例４では、図８に示すように、弾性膜５０と絶縁体膜５５（振動板）を敢えてリザーバ室１００内に残し、これらの上でコンプライアンス部４３を保持している。むろん、残すのはリザーバ室１００の一部についてであり、リザーバ室１００は上下において連通している。
すなわち、振動板は、流路形成基板１０と保護基板３０とで挟持され、リザーバ室１００内で開口部位を有しており、同開口部位で交差する部位にてリザーバ室内に露出している。そして、この交差している部位で化学ゲルからなるコンプライアンス部４２を保持している。

なお、上述した実施形態においては、本発明の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を説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の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各種の記録ヘッド、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。

なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること

・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

１０…流路形成基板、１２…圧力発生室、１２２…インク導入孔（液体導入孔）、１３…連通部、１４…インク供給路、１６…リザーバ部、３０…保護基板、３２…保護基板側リザーバ部、４０〜４３…コンプライアンス部、５０…弾性膜、５５…絶縁体膜、１００…リザーバ室、３００…圧電素子。

Claims (10)

1. 液体を噴射するノズル開口に連通し、個別流路を構成する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、
   該流路形成基板の一方面側の上記圧力発生室に相対向する領域に設けられた駆動素子と、
   液体流路を介して上記圧力発生室と連通するリザーバと、
   同リザーバに液体を導入するための液体導入孔とを具備する液体噴射ヘッドであって、
   上記リザーバ内には、圧力に応じて容積変化して制震する化学ゲルを配置していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 上記リザーバを形成する壁面に凹部を形成し、同凹部に上記化学ゲルを充填してあることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 上記化学ゲルは、高分子ゲルであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 上記化学ゲルは、中空となっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
5. 上記化学ゲルは、発泡ゴムを内部に収容していることを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッド。
6. 上記リザーバは、上記流路形成基板に積層される保護基板に形成した凹部を含んでおり、上記化学ゲルは、上記保護基板に形成した凹部の壁面に保持されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
7. 上記化学ゲルは、上記駆動素子が配置される振動板であって上記リザーバ内に露出する部位に保持されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
8. 上記振動板は、上記流路形成基板と上記保護基板とで挟持され、上記リザーバ内で開口部位を有しており、同開口部位で交差する部位にて上記化学ゲルを保持することを特徴とする請求項７に記載の液体噴射ヘッド。
9. 上記ノズルは、ノズルプレートに形成され、同ノズルプレートは、上記リザーバ内で露出しており、化学ゲルは、上記ノズルプレートにおける上記リザーバ内に露出する部位に保持されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体噴射ヘッド。
10. 上記請求項１〜請求項９のいずれかに記載の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。

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