JP2014188899A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 より稼働率を向上させる液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】 インクが充填される複数の圧力発生室21と、該圧力発生室21内でインクに圧力を付与することにより各圧力発生室21に対応させて設けられたノズル開口34を介してインク滴を吐出させる圧電素子40とを備えたインクジェット式記録ヘッド10であって、圧力発生室21は、圧電素子40の少なくとも一部が、圧力発生室21外に引き出された引出方向の側よりも反対側が、圧電素子40が変形し易い形状とした。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関し、特に液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドおよびインクジェット式記録装置に関する。
液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、圧電素子及び圧力発生室が設けられたアクチュエーターユニットと、圧力発生室に連通してインクを吐出するノズル開口が設けられたノズルプレート及び圧力発生室の共通のインク室となるマニホールドが設けられたマニホールド形成基板を有する流路ユニットと、を具備するものがある。
このようなインクジェット式記録ヘッドにおける圧力発生室の形状は、通常矩形に形成されるが、高駆動効率のメリットを活かしつつも、電極パッド部による駆動部の撓み変形拘束を低減して駆動効率の向上を図った形状(特許文献1参照)としての円形や、構造的クロストークを低減すべく、ほぼ平行四辺形の個別電極に対応させた形状(特許文献2参照)として平行四辺形形状とした圧力発生室を有するものも提案されている。なお、ここでいう圧力発生室の形状とは、ノズル開口が形成されたノズルプレートと平行な平面上に投影される圧力発生室の形状をいう(以下、本明細書において同じ)。
特開2002−248765号公報 特開2007−237746号公報
しかしながら、圧電素子の変位効率を向上すれば電極パッドによる故障の可能性が高まる。
なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外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。
本発明はこのような事情に鑑み、より稼働率を向上させ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。
上記課題を解決する本発明の態様は、液体が充填される複数の圧力発生室と、該圧力発生室内で前記液体に圧力を付与することにより各圧力発生室に対応させて設けられたノズル開口を介して液滴を吐出させる圧電素子とを備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧力発生室は、前記圧電素子の少なくとも一部が、前記圧力発生室外に引き出された引出方向の側よりも反対側が、前記圧電素子が変形し易い形状であ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、圧力発生室外に引出された引出方向の側よりも反対側において圧電素子が変形し易いように圧力発生室の形状を形成したので、圧電素子を良好に変位させることができ、前記反対側、すなわちノズル開口に対応する領域での変位効率を大きくすることができる。同時に、引出側における急激な変位の増大を有効に防止することができる。この結果、応力集中を緩和し得るばかりでなく、圧電素子の変位効率の向上と長寿命化を同時に実現できる。また、クロストークも有効に防止し得る。
ここで、前記圧力発生室は、前記圧電素子の少なくとも一部が前記圧力発生室外に引き出された引出方向の側の端部から所定距離内側における前記引出方向に直交する方向の前記圧力発生室の幅が、前記圧力発生室の前記引出方向と反対側の端部から前記所定距離内側における前記直交する方向の前記圧力発生室の幅よりも狭い形状とするのが望ましい。
この場合には、引出方向の側の端部の幅を狭くしたので、引出側における急激な変位の増大を確実に防止することができる。この結果、応力集中を緩和し得る。
また、前記圧電素子は、複数の圧電素子に共通する共通電極と、圧電素子層および圧電素子毎に設けられた個別電極とを有し、前記引出方向は前記個別電極が前記圧力発生室外に引出された方向であるように構成することができる。さらに、前記個別電極は、各圧力発生室の形状に沿う形状に形成するのが望ましい。この場合には高効率で圧電素子の変位を圧力発生室内の液体に作用させることができるからである。ただ、前記個別電極は、矩形に形成することもできる。
前記圧力発生室は、前記引出方向に直交する方向である前記圧力発生室の並設方向に対して隣接するものに対応する前記ノズル開口の位置が前記引出方向に関してズレたスタガード配置となるように構成することができる。この場合には、ノズル開口がスタガード配置されるので、容易にノズル開口の高密度化を実現し得る。
さらに、前記圧力発生室は、前記並設方向に対して隣接する圧力発生室の一つが該圧力発生室に相互に隣接する他の圧力発生室の間に、それぞれの圧力発生室に関する前記引出方向と反対側に前記引出方向が形成されるように配設することもできる。この場合にも隣接する圧力発生室間の間隔を狭くして高密度化を実現し得る。
また、本発明は、圧力発生室を矩形とし、接続配線を介して電極パッドと一体となった上電極膜を含む圧電素子の形状のみを上述の如き、各形状としても良い。すなわち、本発明の他の態様は、液体が充填される複数の圧力発生室と、該圧力発生室内で前記液体に圧力を付与することにより各圧力発生室に対応させて設けられたノズル開口を介して液滴を吐出させる圧電素子とを備えた液体噴射ヘッドであって、前記上電極膜は、その少なくとも一部が、前記圧力発生室外に引き出された引出方向の側よりも反対側が、前記圧電素子をより変形させ易い形状であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
本態様においても、変位効率の向上および応力集中の緩和に関しては、圧力発生室を前記態様に示す形状とした場合と同様の効果が得られる。
ここで、前記上電極膜は、その少なくとも一部が、前記圧力発生室外に引き出された引出方向の側の端部から所定距離内側における前記引出方向に直交する方向の前記上電極膜の幅が、前記引出方向と反対側の端部から前記所定距離内側における前記直交する方向の前記上電極膜の幅よりも狭い形状をするのが望ましい。また、前記圧電素子は、複数の圧電素子に共通する共通電極と、圧電素子層および圧電素子毎に設けられた個別電極とを有し、前記引出方向は前記個別電極が圧力発生室外に引出された方向であるように構成すること、前記引出方向に直交する方向である前記圧力発生室の並設方向に対して隣接するものに対応する前記ノズル開口の位置が前記引出方向に関してズレたスタガード配置となるように構成すること、および前記圧力発生室を、前記並設方向に対して隣接する圧力発生室の一つが該圧力発生室に相互に隣接する他の圧力発生室の間に、それぞれの圧力発生室に関する前記引出方向と反対側に前記引出方向が形成されるように配設して構成すること等も任意に行ない得る。
本発明の他の態様は、上述の如き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、液体噴射特性を向上した液体噴射装置を実現できる。
本発明の実施の形態に係る記録ヘッドの断面図である。 本発明の実施の形態に係る記録ヘッドの要部平面図である。 圧力発生室の形状を説明するための要部平面図である。 圧力発生室の形状を説明するための要部平面図である。 圧力発生室の形状を説明するための要部平面図である。 圧力発生室の形状を説明するための要部平面図である。 本発明の他の実施の形態に係る記録ヘッドの断面図である。 図8に示す場合の圧力発生室の形状を説明するための要部平面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
以下に本発明を実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る液体噴射ヘッドの一例を示すインクジェット式記録ヘッドの断面図で、図2は、インクジェット式記録ヘッドの要部平面図である。
両図に示すように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド10は、アクチュエーターユニット20と、このアクチュエーターユニット20が固定される流路ユニット30とで構成されている。
アクチュエーターユニット20は、圧電素子40を具備するアクチュエーター装置であり、圧力発生室21が形成された流路形成基板22と、流路形成基板22の一方面側に設けられた振動板23と、流路形成基板22の他方面側に設けられた圧力発生室底板24とを有する。
流路形成基板22は、例えば、150μm程度の厚みを有するアルミナ(Al23)や、ジルコニア(ZrO2)などのセラミックス板からなり、本実施形態では、複数の圧力発生室21がその幅方向に沿って並設されている。そして、この流路形成基板22の一方面に、例えば、厚さ10〜12μmのステンレス鋼(SUS)の薄板からなる振動板23が固定され、圧力発生室21の一方面はこの振動板23により封止されている。ここで、本形態における圧力発生室21は、図2に明示するように、圧電素子40の少なくとも一部が、圧力発生室21外に引出された引出方向の側(図2の右側)よりも反対側(図2の左側)において圧電素子40が変形し易い形状であると同時に、前記引出方向の側の端部の幅が狭くなる形状としてある。かかる圧力発生室21の形状に関しては後に詳述する。
流路形成基板22の一方面には、例えば、厚さ10〜12μmのステンレス鋼(SUS)の薄板からなる振動板23が固定され、圧力発生室21の一方面はこの振動板23により封止されている。圧力発生室底板24は、流路形成基板22の他方面側に固定されて圧力発生室21の他方面を封止すると共に、圧力発生室21の長手方向一方の端部近傍に設けられて圧力発生室21と後述するマニホールドとを連通する供給連通孔25と、圧力発生室21の長手方向他方の端部近傍に設けられて後述するノズル開口34に連通するノズル連通孔26とを有する。そして、圧電素子40は、振動板23上の各圧力発生室21に対向する領域のそれぞれに設けられている。
ここで、各圧電素子40は、振動板23上に設けられた下電極膜41と、各圧力発生室21毎に独立して設けられた圧電体層42と、各圧電体層42に対応させてその上面に設けられた個別電極である上電極膜43と、圧力発生室21の外部に位置する電極パッド44と、上電極膜43及び電極パッド44を接続する配線である接続配線45と、で構成されている。ここで上電極膜43と電極パッド44および接続配線45とは一体的に形成されている。そして、電極パッド44は接続配線45よりも振動板23から高く盛り上がるように形成されている。圧電体層42は、圧電材料からなるグリーンシートを貼付することや、印刷することで形成される。また、下電極膜41は、並設された圧電体層42に亘って設けられて各圧電素子40の共通電極となっており、振動板の一部として機能する。勿論、下電極膜41を各圧電体層42毎に設けるようにしてもよい。
なお、アクチュエーターユニット20の各層である流路形成基板22、振動板23及び圧力発生室底板24は、粘土状のセラミックス材料、いわゆるグリーンシートを所定の厚さに成形して、例えば、圧力発生室21等を穿設後、積層して焼成することにより接着剤を必要とすることなく一体化される。そして、その後、振動板23上に圧電素子40が形成される。
一方、流路ユニット30は、アクチュエーターユニット20の圧力発生室底板24に接合された液体供給口形成基板31と、複数の圧力発生室21の共通インク室となるマニホールド32が形成されるマニホールド形成基板33と、マニホールド形成基板33の液体供給口形成基板31とは反対側に設けられた基板50と、ノズル開口34が形成されたノズルプレート35とからなる。
液体供給口形成基板31は、厚さ60μmのステンレス鋼(SUS)の薄板からなり、ノズル開口34と圧力発生室21とを接続するノズル連通孔36と、前述の供給連通孔25と共にマニホールド32と圧力発生室21とを接続する液体供給口37を穿設して構成され、また、各マニホールド32と連通し、外部のインクタンクからのインクを供給する液体導入口38が設けられている。液体供給口37と液体導入口38とは、圧力発生室21の長手方向、すなわち、圧力発生室21の並設方向である一方向とは直交する方向で、後述するマニホールド32の両端部にそれぞれ連通するように設けられている。
マニホールド形成基板33は、インク流路(液体流路)を構成するに適した、例えば、150μmのステンレス鋼などの耐食性を備えた板材に、外部のインクタンク(図示なし)からインクの供給を受けて圧力発生室21にインクを供給するマニホールド32と、圧力発生室21とノズル開口34とを連通するノズル連通孔39とを有する。マニホールド32は、複数の圧力発生室21に亘って、すなわち、圧力発生室21の並設方向に亘って設けられている。
基板50は、マニホールド形成基板33の液体供給口形成基板31とは反対側の面に接合されてマニホールド32の底面を封止している。また、基板50には、厚さ方向に貫通してマニホールド形成基板33に設けられたノズル連通孔39とノズル開口34とを連通するノズル連通孔52が設けられている。すなわち、圧力発生室21からのインクは、液体供給口形成基板31、マニホールド形成基板33及び基板50に設けられたノズル連通孔36、39及び52を介してノズル開口34から吐出される。
ノズルプレート35は、例えば、ステンレス鋼等の金属やシリコン等のセラミックス材
料で形成された板状部材からなる。ノズルプレート35には、圧力発生室21と同一の配
列ピッチでノズル開口34が穿設されて形成されている。
このような流路ユニット30は、液体供給口形成基板31、マニホールド形成基板33、基板50及びノズルプレート35を接着剤や熱溶着フィルム等によって固定することで形成される。なお、図1では、ノズルプレート35と基板50とを接着する接着剤62のみを例示しているが、流路ユニット30を構成する他の部材の間にも図示しないが接着剤が設けられている。そして、このような流路ユニット30とアクチュエーターユニット20とは、接着剤や熱溶着フィルムを介して接合されて固定されている。
ここで、図2に基づき本形態における圧力発生室の形状をさらに詳細に説明しておく。図2に示すように、圧力発生室21は、個別電極である上電極膜43が圧電素子40から引出されて電極パッド44に一体的に接続されている圧電素子40の電極パッド側端部(図では右端部)よりも反対側が、圧電素子40が変形し易い形状となっている。すなわち、相対的に面積が大きく圧電素子40の大きな変位を許容し得る形状となっている。同時に、圧力発生室21の前記電極パッド側端部から所定距離Lだけ内側における圧力発生室21の幅W1は、圧力発生室21の前記電極パッド側端部と反対側の端部(図では左端部)から所定距離Lだけ内側における幅W2よりも狭い形状としてある。すなわち、電極パッド側端部における形状は幅W1が漸減するが尖った形状となって圧電素子40の電極パッド側の各部の変位を緩やかに変化させ得る形状となっている。ここで、圧電素子40の形状は圧力発生室21の形状に倣って成形してある。
このように形成することにより、圧力発生室21の電極パッド44に対する反対側の端部側で圧電素子40を良好に変位させることができ、ノズル開口34に対応する領域での変位効率を大きくすることができる。同時に、電極パッド44の側の端部の圧力発生室21の幅W1を狭くしたので、電極パッド44側における変位効率を低下させることができる。この結果、応力集中を緩和し得る。これに伴い、圧電素子40の変位の度に繰り返し応力が作用する接続配線45における繰り返し応力を低減し、その断線を未然に防止し得る。
上述の如き本形態に係るインクジェット式記録ヘッド10では、インクカートリッジ(貯留手段)から液体導入口38を介してマニホールド32内にインクを取り込み、マニホールド32からノズル開口34に至るまでのインク流路内をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、各圧力発生室21に対応する各圧電素子40に電圧を印加して圧電素子40と共に振動板23をたわみ変形させることにより、各圧力発生室21内の圧力が高まり各ノズル開口34からインク滴が噴射される。
ここで、圧力発生室21の形状を上述の如く、図2に示すように形成したので、電極パッド44側と反対側での変位効率を向上させ、ノズル開口34を介してインク滴の吐出を良好に行わせることができると同時に、電極パッド側における圧電素子40に対する応力集中を緩和することができる。この結果、圧電素子40の変位効率の向上と長寿命化を同時に実現できる。また、クロストークも有効に防止し得る。
上記と同様の作用・効果を奏する圧力発生室の形状等は、図2に示すものに限るものではない。電極パッド側に引き出されている電極の側が、その反対側よりも変位しずらい構造をしていれば良いので、例えば図3〜図5の形状が考えられる。図3に示す圧力発生室211は直線的な辺の組み合わせを基本とするが、圧力発生室211は電極パッド441側に近接するに伴い幅が漸減されている。ここで、上電極膜431は接続配線451を介して電極パッド441に接続してある。
また、図4に示すように、圧力発生室212を、その並設方向において隣接するものに対し長手方向(電極パッド442側)に関してずらすことによりスタガード配置となるように構成しても良い。この場合には、さらにノズル開口34の高密度化も図ることができる。なお、上電極膜432は接続配線452を介して電極パッド442に接続してある。
さらに、図5に示すように、圧力発生室213を、その並設方向において隣接するもの同士を互い違いに配設しても良く、この場合にもノズル開口34の高密度化も図ることができる。ここで、上電極膜433は接続配線453を介して電極パッド443に接続してある。
図3〜図5においても、電極パッド441,442,443と一体となった上電極膜431,432,433の形状は圧力発生室211,212,213の形状よりも若干小さいが、これを倣う形状とした。このように上電極膜431〜433の形状が圧力発生室211〜213の形状を倣った場合が最も効率よく圧電素子40の変位が圧力発生室211〜213のインクに伝達される。ただ、これに限るものではない。上述の例のような圧力発生室の形状を有し、上電極膜431〜433の形状および圧電素子40が従来と同様の矩形である場合であっても、程度は小さくなるが、上記実施の形態と同様の作用・効果は発揮される。
さらに、図6に示すように、圧力発生室214は従来と同様の矩形とし、接続配線454を介して電極パッド444と一体となった上電極膜434を含む圧電素子の形状のみを図2〜図5に示す形状(図6は図2と同一形状である場合である)としても良い。変位効率の向上および応力集中の緩和に関しては、圧力発生室211〜213を図2〜図5に示す形状とした場合と同様の効果が得られるからである。
また、図7およびその平面図である図8に示すように、圧電素子405の圧電体層425を電極パッド445の部分まで伸ばすとともに、幅方向には振動板23の全面に配設されるように構成しても良い。ここで、上電極膜43は接続配線455を介して電極パッド445に接続されている。
(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明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。例えば、上記実施の形態では、厚膜型の圧電素子40を有するインクジェット式記録ヘッド10を例示したが、圧力発生室21に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としては、特にこれに限定されず、例えば、ゾル−ゲル法、MOD法、スパッタリング法等により形成される圧電材料を有する薄膜型の圧電素子の変形によってノズル開口からインク滴を吐出するものなどを有するインクジェット式記録ヘッドであっても同様の効果を奏する。
また、本実施形態の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に搭載される。図9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。
図9に示すように、インクジェット式記録装置Iは、インクジェット式記録ヘッド10を有する記録ヘッドユニット1A及び1Bを具備する。記録ヘッドユニット1A、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。
また、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。そして、これら駆動モーター6や記録ヘッドユニット1A及び1Bの圧力発生手段等は、図示しないCPUやメモリー等で構成された制御部によって制御されて動作する。
上記実施の形態においては、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挙げて説明したが、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。
10 インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 20 アクチュエーターユニット、 21 圧力発生室、 22 流路形成基板、 23 振動板、 24 圧力発生室底板、 25 供給連通孔、 30 流路ユニット、 31 液体供給口形成基板、 32 マニホールド、 33 マニホールド形成基板、 34 ノズル開口、 35 ノズルプレート、 36 ノズル連通孔、 37 液体供給口、 38 液体導入口、 39 ノズル連通孔、 40、405 圧電素子、 41 下電極膜、 42、425 圧電体層、 43 上電極膜、 44、441〜445 電極パッド

Claims (8)

  1. 液体が充填される複数の圧力発生室と、該圧力発生室内で前記液体に圧力を付与することにより各圧力発生室に対応させて設けられたノズル開口を介して液滴を吐出させる圧電素子とを備えた液体噴射ヘッドであって、
    前記圧力発生室は、前記圧電素子の少なくとも一部が、前記圧力発生室外に引き出された引出方向の側よりも反対側が、前記圧電素子が変形し易い形状であ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、
    前記圧力発生室は、前記圧電素子の少なくとも一部が前記圧力発生室外に引き出された引出方向の側の端部から所定距離内側における前記引出方向に直交する方向の前記圧力発生室の幅が、前記圧力発生室の前記引出方向と反対側の端部から前記所定距離内側における前記直交する方向の前記圧力発生室の幅よりも狭い形状を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、
    前記圧電素子は、複数の圧電素子に共通する共通電極と、圧電素子層および圧電素子毎に設けられた個別電極とを有し、前記引出方向は前記個別電極が前記圧力発生室外に引出された方向であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
  4. 請求項3に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
    前記個別電極は、各圧力発生室の形状に沿う形状に形成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
  5. 請求項3に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
    前記個別電極は、矩形に形成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
  6. 請求項1〜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、
    前記圧力発生室は、前記引出方向に直交する方向である前記圧力発生室の並設方向に対して隣接するものに対応する前記ノズル開口の位置が前記引出方向に関してズレたスタガード配置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。
  7. 請求項1〜請求項6の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
    前記圧力発生室は、前記並設方向に対して隣接する圧力発生室の一つが該圧力発生室に相互に隣接する他の圧力発生室の間に、それぞれの圧力発生室に関する前記引出方向と反対側に前記引出方向が形成されるように配設したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
  8. 請求項1〜請求項7の何れか一項に記載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。
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