JP2014151544A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微振動を生起させて液体を自己循環させる場合において、充分な循環量を確保し、増粘を有効に防止し得る液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】圧力発生室１２にそれぞれ連通するインク供給路１６Ａ，１６Ｂを前記第１および第２の液体供給路にそれぞれ連通し、圧力発生室１２に供給するインクが貯留されるマニホールド１７Ａ，１７Ｂと、マニホールド１７Ａ，１７Ｂ間を連通する連通路と、駆動信号の供給により変位して圧力発生室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子１８と、前記圧力変化に伴い圧力発生室１２内のインクを吐出させるノズル開口１３とを備えた液体噴射ヘッドであって、第１の液体供給路は、圧力発生室内の液体に生じさせた圧力変化に伴って、液体の流れる方向における第１の液体供給路の断面積を変化させる変位部である振動板１５および空間２８を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関し、特に微振動駆動信号により液体を循環させる場合に適用して有用なものである。

液体噴射装置としては、例えば圧電素子からなる圧力発生手段によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、共通のマニホールドから各圧力発生室に個別にインクを供給するインク供給路と、各圧力発生室に形成されてインク滴を吐出するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置がある（例えば特許文献１参照）。

かかるインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズル開口と連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギーを付与してインク滴をノズル開口から外部に吐出させ、紙等の媒体の所定位置に着弾させている。

したがって、この種のインクジェット式記録装置では、ノズル開口が大気に臨むことになる。このため、ノズル開口を介した水分の蒸発によりインクが増粘され、増粘されたインクに起因してインク滴の吐出特性に悪影響を及ぼす場合が生起される。すなわち、増粘されたインクが一部でも存在するとノズル開口を介するインク滴の吐出量および吐出速度が変化し、着弾のばらつきを生起するという不都合が発生する。

このため、従来技術に係るインクジェット式記録装置では、インク滴を吐出させない場合には、圧力発生手段であるＰＺＴ等により圧力発生室に微振動を発生させ、圧力発生室内のインクを攪拌することにより、いくらかでも増粘を抑制する工夫をしている（例えば特許文献２参照）。また、ポンプ等を用いてインクをインクタンクとの間で強制的に循環させる方式や、圧力発生手段であるＰＺＴ等による微振動によりインクを循環させる自己循環方式も提案されている。

特開２００２−３５５９６１号公報 特開２００７−１８５８６７号公報

ところが、圧力発生室に微振動を発生させ圧力発生室内のインクを攪拌することにより増粘を抑制する方法では、増粘を防止する一定の効果はあるが、時間が長くなると、ノズル近傍のインクが全部濃くなり、それ以上の効果が得られないという問題を有する。また、循環方式にしてもポンプ等の圧送手段を別途有するものでは、コストがかさみ、圧力発生手段の微振動による自己循環方式では充分な循環量を確保することが困難であるという問題を有している。

なお、このような問題は、インクを噴射するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、他の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明は、上記従来技術に鑑み、微振動を生起させて液体を自己循環させる場合において、充分な循環量を確保し、増粘を有効に防止し得る液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、液体が充填される圧力発生室と、圧力発生室にそれぞれ連通する第１および第２の液体供給路と、前記第１および第２の液体供給路にそれぞれ連通し、前記圧力発生室に供給する液体が貯留される第１および第２の共通液体室と、第１および第２の共通液体室間を連通する連通路と、駆動信号の供給により変位して前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内の液体を吐出させるノズル開口とを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記第１の液体供給路は、前記圧力発生室内の液体に生じさせた圧力変化に伴って、液体の流れる方向における前記第１の液体供給路の断面積を変化させる変位部を有することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
本態様によれば、変位部の変位により第１の液体供給路のイナータンスを大小何れの方向にも変化させることができる。したがって、変位部の変位の方向を交互に切替えることによりイナータンスの変化を交互に繰り返して圧力発生室内の液体を流路の軸方向に振動させつつ一方向に移動させることができる。これにより第１の共通液体室と第２の共通液体室との間で連通路を介して圧力発生室内の液体を循環させることができる。この結果、ノズル開口近傍における液体の高粘度化を未然に防止し得る。

ここで、前記変位部は、前記圧力発生手段の変位によって前記圧力発生室が膨張された場合、前記圧力発生室内の液体に発生する負圧によって前記断面積が縮小し、前記圧力発生手段の変位によって前記圧力発生室が縮小された場合、前圧力発生室内の液体に発生する正圧によって前記断面積が拡大するように構成するのが好ましい。この場合には、圧力発生室内の液体を効果的に循環させることができる。

また、前記圧力発生室に圧力が供給されていない状態で、前記第１および第２の液体供給路の前記断面積を含む形状が同一となるように構成するとともに、前記第１および第２の液体供給路イナータンスが同一となるように構成するのが望ましい。これらの場合には、圧力発生室内の圧力変動により確実に一方向への液体の循環流を形成することができるからである。

さらに、前記ノズル開口から液滴を吐出させることなく圧力発生室内の液体を攪拌させる微振動駆動信号で前記圧力発生手段を駆動する駆動手段を有するのが好適である。かかる微振動によりノズル開口から液滴を吐出させることなく所望の循環流のみを好適に形成し得るからである。

ここで、前記第１または第２の共通液体室に対し流路を介して前記液体を供給する液体貯留部に、前記第１または第２の共通液体室と連通する循環用流路を連通させるか、または前記第１または第２の共通液体室に対し流路を介して前記液体を供給する液体貯留部に、前記第１の共通液体室と連通する循環用第１流路と、前記第２の共通液室と連通する前記循環用第１流路とは異なる循環用第２流路を連通させるのが望ましい。この場合には、自己循環される液体とともに液体中の気泡を液体貯留部に導くことで除去することができる。

本発明の他の態様は、上記何れかの液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
本態様によれば、第１の液体供給路の変位部で交互に繰り返される凹凸の変位で圧力発生室の液体を第１および第２の共通液体室間を自己循環させることで、ノズル開口部における液体の高粘度化を有効に防止することができ、長期に亘り安定した印字品質等を確保することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る液体噴射ヘッドを示す断面図である。 図１のＡ−Ａ′線断面図である。 第１の実施の形態における自己循環時の動作態様を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る液体噴射ヘッドを示す断面図である。 図４のＢ−Ｂ′線断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る液体噴射ヘッドを示す断面図である。 図６のＣ−Ｃ′線断面図である。 第４の実施の形態に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドを示す断面図、図２はそのＡ−Ａ′線断面図である。両図に示すように、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドともいう）１Ａは、縦振動型の圧電素子を有するタイプであり、流路基板１１には、中央部に複数の圧力発生室１２が、その短手方向に並設されている。流路基板１１の厚さ方向（図中の上下方向）の両側は、各圧力発生室１２に対応してノズル開口１３を有するノズルプレート１４と、フィルム状の薄膜である振動板１５とにより封止されている。ここで、ノズル開口１３は、径が開口に向かって漸小されるテーパー形状に形成されている。

また、流路基板１１には、各圧力発生室１２毎にそれぞれインク供給路１６Ａ，１６Ｂを介して連通されて複数の圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１７Ａ，１７Ｂが、図１においてノズル開口１３を通る垂直方向の中心線に対し、左右対称となるように配設されている。そして、圧力発生室１２に圧力が発生していない状態（図１に示す状態）でのインク供給路１６Ａ，１６Ｂのイナータンスおよび形状が同じになるように構成してある。ここで、イナータンスおよび形状が同じとは、実質的に同じである場合を含む。

ここで、本形態においては、ケースヘッド２３の下端部には、振動板１５を介して一方のインク供給路１６Ａに対応する位置に空間２８が設けてある。かくして振動板１５の空間２８に対応する領域は、圧力発生室１２に発生する圧力によりインク供給路１６Ａにおけるインクの流通方向と直交する方向に変位する。この結果、圧力発生室１２の膨張・収縮に伴い液体の流れる方向におけるインク供給路１６Ａの断面積が縮小・拡大される。

マニホールド１７Ａにはケースヘッド２３および振動板１５を貫通してインクを導入するインク供給路２４の一方（図中、下端側）の開口部が臨んでいる。インク供給路２４の他方（図中、上端側）の開口部は流路２５を介してインクを貯留しているインクカートリッジ２６に連通されている。

さらに、本形態の流路基板１１には、図２に明示するように、マニホールド１７Ａ，１７Ｂの両端部同士を連通する連通路２９Ａ，２９Ｂが形成されている。

振動板１５の圧力発生室１２とは反対側には、各圧力発生室１２に対応する領域に島部２７を介して圧電素子１８の先端が当接されている。圧電素子１８は、圧電材料１９と、電極形成材料２０、２１とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層され、振動に寄与しない不活性領域が固定基板２２を介してケースヘッド２３に固着されている。なお、固定基板２２と、振動板１５、流路基板１１及びノズルプレート１４とは、ケースヘッド２３を介して一体的に固定されている。

このように構成されたインクジェット式記録ヘッド１Ａでは、インクカートリッジ２６に連通される流路２５およびインク供給路２４を介してマニホールド１７Ａにインクが供給され、インク供給路１６を介して各圧力発生室１２に分配される。かかる状態で圧電素子１８に電圧を印加することにより圧電素子１８を収縮させる。これにより、振動板１５が圧電素子１８とともに変形されて（図１中上方向に引き上げられて）圧力発生室１２の容積が広げられ、圧力発生室１２内にインクが引き込まれる。そして、ノズル開口１３に至るまでの内部をインクで満たした後、駆動信号生成部（図示せず）から送出される吐出用の駆動信号に基づき圧電素子１８の電極形成材料２０及び２１に印加していた電圧を解除すると、圧電素子１８が伸張されて元の状態に戻る。これにより、振動板１５も変位して元の状態に戻る。このため圧力発生室１２が収縮され、内部圧力が高まりノズル開口１３からインク滴が吐出される。すなわち、本形態では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として縦振動型の圧電素子１８が設けられている。

ここで、本形態では、図３（ａ）に示すように、圧力発生室１２の膨張に伴い、圧力発生室１２が負圧となることで振動板１５の空間２８に対応する部分に負圧が作用し、この部分の振動板１５がインク供給路１６Ａ側に突出する凸部となる。この結果、インク供給路１６Ａの流路の断面積がインク供給路１６Ｂの流路の断面積に較べ小さくなり、インク供給路１６Ａのイナータンスが大きくなるので、より多くのインクがインク供給路１６Ｂを介して圧力発生室１２に流入する。

一方、本形態においては、図３（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の収縮に伴い、圧力発生室１２が正圧となることで振動板１５の空間２８に対応する部分に正圧が作用し、この部分の振動板１５がインク供給路１６Ａに対し凹部となる。この結果、インク供給路１６Ａの流路の断面積がインク供給路１６Ｂの流路の断面積に較べて大きくなり、インク供給路１６Ａのイナータンスが小さくなるので、より多くのインクがインク供給路１６Ａを介して圧力発生室１２からマニホールド１７Ａ側に排出される。したがって、本形態においては、振動板１５の一部と空間２８とが一体となって、圧力発生室１２が膨張されたとき、圧力発生室１２に発生する負圧によりインク供給路１６Ａ（第１の液体供給路）の断面積を縮小するとともに、圧力発生室１２が縮小されたとき、圧力発生室１２に発生する正圧によりインク供給路１６Ａの断面積を拡大する変位部を形成しており、この変位部がインク供給路１６Ａに臨んでいる。ここで、図３（ａ）および図３（ｂ）中の矢印は圧電素子１８の変位に伴うインクの流れ方向、太さはインク流量を表わしている。

本形態において圧電素子１８に微振動駆動信号を供給すると、図３（ａ）および図３（ｂ）の状態が交互に形成されインク供給路１６Ａのイナータンス変化が交互に繰り返される。この結果、圧力発生室１２内のインクは圧力発生室１２の軸方向に振動しながら徐々にインク供給路１６Ａを介してマニホールド１７Ａ側に排出され、マニホールド１７Ａから連通路２９Ａ，２９Ｂを介して反対側のマニホールド１７Ｂに至り、再度圧力発生室１２に流入して循環される。かくして、水分の蒸発により粘度が増大するノズル開口１３近傍のインクは、振動により攪拌されるだけでなく、圧力発生室１２からマニホールド１７Ａ，１７Ｂおよび連通路２９Ａ，２９Ｂを介してマニホールド１７Ｂとの間を自己循環され、長期に亘って良好にインク粘度の上昇が抑制される。

かかるインクの自己循環を発生させる場合は、駆動信号発生手段（図示せず）により微振動駆動信号を圧電素子１８に供給する。微振動駆動信号とは、ノズル開口１３からインク滴を吐出させることなく、圧力発生室１２内のインクを攪拌させるよう圧電素子１８に供給される信号である。本形態においてはノズル開口１３から所定のインク滴を吐出させて印字等を行う印字モード以外の時間帯において所定周期（例えば、１０ｋＨｚ）の微振動駆動信号を圧電素子１８に供給することで圧力発生室１２内のインクを自己循環させてその高粘度化を防止する。

なお、連通路２９Ａ，２９Ｂは必ずしも２本設ける必要はない。循環量等を考慮し、少なくとも一本設けられていれば良い。

＜第２の実施の形態＞
図４は本発明の第２の実施の形態に係る液体噴射ヘッドを示す断面図、図５は図４のＢ−Ｂ′線断面図である。両図に示すように、本形態に係るインクジェット式記録ヘッド１Ｂでは、マニホールド１７Ａに対し流路２５を介してインクを供給する液体貯留部であるインクカートリッジ２６に、マニホールド１７Ａとの間を連通する循環用流路３０を連通させたものである。なお、図１および図２と同一構成部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

本形態によれば、連通路２９Ａ，２９Ｂを介する自己循環路とともに、循環用流路３０を介してインクカートリッジ２６に至り、流路２５を介してマニホールド１７Ａに戻る循環用流路も形成される。この場合には、第１の実施の形態と同様の作用効果によるインクの高粘度化の防止に加え、循環用流路３０を介して自己循環されるインクとともにインク中の気泡をインクカートリッジ２６に導いて除去することもできる。

＜第３の実施の形態＞
図６は本発明の第３の実施の形態に係る液体噴射ヘッドを示す断面図、図７は図６のＣ−Ｃ′線断面図である。両図に示すように、本形態に係るインクジェット式記録ヘッド１Ｃでは、マニホールド１７Ａに対し流路２５を介してインクを供給するインクカートリッジ２６に、マニホールド１７Ａとの間を連通する循環用流路３１Ａと、マニホールド１７Ｂとの間を連通する循環用流路３１Ｂを連通させたものである。なお、図１および図２と同一構成部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

本形態によれば、連通路２９Ａ，２９Ｂを介する自己循環路とともに、循環用流路３１Ａを介してインクカートリッジ２６に至り、循環用流路３１Ｂを介してマニホールド１７Ｂに戻る循環用流路も形成される。この場合には、第１の実施の形態と同様の作用効果によるインクの高粘度化の防止に加え、循環用流路３１Ａ，３１Ｂを介して自己循環されるインクとともにインク中の気泡をインクカートリッジ２６に導いて除去することもできる。

＜第４の実施の形態＞
図８は本発明の第４の実施の形態に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。同図に示すように、本形態に係るインクジェット式記録装置Ｉには、インクカートリッジ２６が着脱可能に設けられている第１〜第３の実施の形態に係る記録ヘッド１Ａ、１Ｂ，１Ｃの何れかを搭載している。記録ヘッド１Ａ〜１Ｃは、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。記録ヘッド１Ａ〜１Ｃが搭載されたキャリッジ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。

また、キャリッジ軸５の一端部近傍には、駆動モーター６が設けられており、駆動モーター６の軸の先端部には外周に溝を有する第１のプーリー６ａが設けられている。さらに、キャリッジ軸５の他端部近傍には、駆動モーター６の第１のプーリー６ａに対応する第２のプーリー６ｂが回転自在に設けられており、これら第１のプーリー６ａと第２のプーリー６ｂとの間には環状でゴム等の弾性部材からなるタイミングベルト７が掛けられている。そして、駆動モーター６の駆動力がタイミングベルト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１Ａ〜１Ｃ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。

このようなインクジェット式記録装置Ｉでは、キャリッジ３がキャリッジ軸５に沿って移動されるとともに、記録ヘッド１Ａ〜１Ｃによってインクが吐出されることにより記録シートＳに所定の印刷が行われる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限るものでは勿論ない。上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型アクチュエーターを有するヘッドであるが、圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として薄膜型のアクチュエーターである圧電素子を有するヘッド、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエーターである圧電素子を有するヘッド等にも同様に適用できる。

また、上述したインクジェット式記録装置Ｉでは、記録ヘッド１Ａ〜１Ｃがキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、インクジェット式記録ヘッドが装置本体４に固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、いわゆるライン式記録装置にも勿論適用することができる。

さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッド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液体噴射ヘッド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。

Ｉ インクジェット式記録装置、 １Ａ，１Ｂ，１Ｃ インクジェット式記録ヘッド、 １２ 圧力発生室、１３ ノズル開口、 １５ 振動板、 １７Ａ，１７Ｂ マニホールド、 １８ 圧電素子、 ２４ インク供給路、 ２５ 流路、 ２６ インクカートリッジ、 ２７ 島部、 ２８ 空間、 ２９Ａ，２９Ｂ 連通路

Claims (8)

1. 液体が充填される圧力発生室と、圧力発生室にそれぞれ連通する第１および第２の液体供給路と、前記第１および第２の液体供給路にそれぞれ連通し、前記圧力発生室に供給する液体が貯留される第１および第２の共通液体室と、第１および第２の共通液体室間を連通する連通路と、駆動信号の供給により変位して前記圧力発生室内の液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内の液体を吐出させるノズル開口とを備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記第１の液体供給路は、前記圧力発生室内の液体に生じさせた圧力変化に伴って、液体の流れる方向における前記第１の液体供給路の断面積を変化させる変位部を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記変位部は、前記圧力発生手段の変位によって前記圧力発生室が膨張された場合、前記圧力発生室内の液体に発生する負圧によって前記断面積が縮小し、前記圧力発生手段の変位によって前記圧力発生室が縮小された場合、前圧力発生室内の液体に発生する正圧によって前記断面積が拡大することを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧力発生室に圧力が供給されていない状態で、前記第１および第２の液体供給路の前記断面積を含む形状が同一となるように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧力発生室に圧力が供給されていない状態で、前記第１および第２の液体供給路イナータンスが同一となるように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記ノズル開口から液滴を吐出させることなく圧力発生室内の液体を攪拌させる微振動駆動信号で前記圧力発生手段を駆動する駆動手段を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記第１または第２の共通液体室に対し流路を介して前記液体を供給する液体貯留部に、前記第１または第２の共通液体室とを連通する循環用流路を連通させたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
7. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記第１または第２の共通液体室に対し流路を介して前記液体を供給する液体貯留部に、前記第１の共通液体室と連通する循環用第１流路と、前記第２の共通液室と連通する前記循環用第１流路とは異なる循環用第２流路を連通させたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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