JP2015134459A - 流路ユニット、液体噴射ヘッド、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切に組み立てることが可能な流路ユニット、液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置を提供する。【解決手段】液体が流れる流路を備える流路ユニットであって、所定方向に開口する複数の圧力室と、所定方向に開口し前記圧力室の共通の流路となる共通液室と、を備える流路基板を有し、前記共通液室の開口部は、前記圧力室に比べて大きく、内壁間に渡された梁部を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、流路ユニット、この流路ユニットを備える液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置に関する。

従来、液体が流れる流路（液体流路とも記載する）を備える流路ユニットが知られている。流路ユニットは、流路を通じて、液体が充填される側と、液体を噴射する側を繋いでいる。このような流路ユニットは、流路に圧力変化を生じさせる圧力室と、この圧力室に共通の流路となる共通液室とを一部に備えている（例えば、特許文献１参照）。

上記した圧力室や共通液室は基板上に孔や溝等を形成することで構成される。また、共通液室は圧力室毎の共通の流路となるため、各圧力室に均一に液体を供給できるようその大きさが圧力室に比べて大きくなる。

特許公報 特許第３４２２３６４号

１つの基板に複数の開口が形成されると基板の剛性が弱くなる場合がある。また、共通液室は圧力室と比べて開口が大きくなるため、共通液室の開口により基板に捩じれが生じることがある。このような場合、当該基板に他の基板を接着させた場合に、基板同士の密着性が弱くなる場合があった。

本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、適切に組み立てることが可能な流路ユニット、液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、液体が流れる流路を備える流路ユニットであって、所定方向に開口する複数の圧力室と、所定方向に開口し前記圧力室の共通の流路となる共通液室と、を備える流路基板を有し、前記共通液室の開口部は、前記圧力室に比べて大きく、内壁間に渡された梁部を有する、構成としてある。

上記のように構成された発明では、流路基板には、流路の一部を形成する圧力室とこの圧力室の共通の流路となる共通液室とを備える。圧力室と共通液室とは流路基板の所定方向においてそれぞれ開口しており、共通液室の開口部は、圧力室に比べて大きく、内壁間に渡された梁部を有している。
そのため、共通液室は梁部により補強されているため、共通液室の開口することにより生じる流路基板の捩じれが抑制され、他の基板と固定する際に基板同士の密着性を高めることができる。また、梁部により流路基板を補強することができる。

また、前記複数の圧力室は、前記流路基板の所定方向に併設するよう位置しており、前記共通液室は、前記複数の圧力室が併設する方向の幅が、前記圧力室と比べて大きい構成としてもよい。

そして、前記梁部は、前記共通液室の流れに沿って渡されている構成としてもよい。
上記のように構成された発明では、共通液室が複数に区画されることで、圧力室の圧力変化に応じて区画された空間に生じる圧力変化は、共通液室を区画しないものに比べて大きいものとなる。そのため、各空間に気泡が生じている場合でも、気泡を共通液室の下流側に排出することができ、気泡排出性を高めることができる。

そして、前記梁部は、前記圧力室が併設する方向に沿って渡されている構成としてもよい。
上記のように構成された発明では、流路基板における圧力室の併設方向の捩じれを抑制することができ、各圧力室の密封性を高めることができる。

そして、前記流路基板は、前記圧力室と、前記共通液室の一部が形成された第１基板と、前記共通液室の一部が形成され、前記第１基板に重さなるよう固定された第２基板と、を備え、前記梁部は、前記第２基板側に形成された前記共通液室に形成されている、構成としてもよい。
上記のように構成された発明では、第１基板側に形成された共通液室を共通の流路とすることができるため、共通液室の流量を安定化させ、各圧力室に均一に液体を供給することができる。

また、このような流路ユニットを備える液体噴射ヘッドに対しても本発明を適用することができる。
そして、このような液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置に対しても本発明を適用することができる。

基板に配置された各流路部を説明する上面図である。 基板に配置された各流路部を説明する上面図である。 液体噴射ヘッドの構成を説明する斜視展開図である。 液体噴射ヘッドの構成を説明する断面図である。 液体噴射ヘッドの構成を説明する断面図である。 インクジェットプリンターの一例を示す概略図である。 第２の実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成を説明する図である。 第２の実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成を説明する図である。

以下、下記の順序に従って本発明の実施形態を説明する。
１．第１の実施形態：
２．第２の実施形態：
３．第３の実施形態：
４．その他の実施形態：

１．第１の実施形態：
以下、図を参照して、この発明に係る液体吐出ヘッドを具体化した第１の実施の形態について説明する。図１、２は、基板に配置された各流路部を説明する上面図である。また、図３は、液体噴射ヘッドの構成を説明する斜視展開図である。そして、図４、５は、液体噴射ヘッドの構成を説明する断面図である。ここで、図４は、図３のＡ−Ａ’線での断面図である。また、図５は、図３のＢ−Ｂ’線での断面図である。

液体噴射ヘッド１は、印刷装置等の液体噴射装置の一部として用いられる。図３、図４に示すように、液体噴射ヘッド１は、流路ユニット４０と、ヘッド部材５０と、ノズルプレート６０と、を備えている。また、液体噴射ヘッド１は、上記した流路ユニット４０、ノズルプレート６０と、が積層状に組み合わさることで、内部に液体流路７０が構成されている。

図４に示すように、流路ユニット４０は、振動板１０と、流路形成基板２０と、圧電素子３０と、を備えている。なお、本実施形態では、流路ユニット４０には圧電素子３０が含まれるものとして説明を行うが、圧電素子３０を含まないものであってもよい。

流路形成基板２０には、複数の圧力室２１と、共通液室２４と、が形成されている。圧力室２１は、液体流路７０において圧力変化を生じさせる部位である。また、共通液室２４は、例えば、同じ色のインクが流れる圧力室２１毎に共通の流路となる空間である。本実施形態では、流路形成基板２０は薄板体の第１基板２６と第２基板２７とを積層して構成されるが、流路形成基板２０の構成は、これに限定されない。

図１に示すように、第１基板２６には、複数の圧力室２１が第２方向Ｄ２に併設するよう形成されている。各圧力室２１は、内幅が狭くなる狭窄部２２を介して供給口２３と繋がっている。そして、この供給口２３は、第２基板２７に形成された下側液室２４２と連通している（図４）。また、圧力室２１の狭窄部２２とは反対側は、第２基板２７に形成された連通口２５と連通している。連通口２５は、後述するようにノズルプレート６０のノズル孔６１と連通する。

共通液室２４は第１基板２６に形成された上側液室２４１と第２基板２７に形成された下側液室２４２を組み合わせることで構成される。上側液室２４１は共通液室２４の一部となる空間である。上側液室２４１と圧力室２１とは、第１基板２６の同一面（例えば、上面２６ａ）でそれぞれ開口している。ここで、上側液室２４１の開口部２４１ａの大きさは、圧力室２１の開口部２１ａの大きさに比べて大きい。図１では、上側液室２４１の開口部２４１ａは、第１基板２６において、第２方向Ｄ２の両端に位置する圧力室２１で規定される幅と略同寸の幅Ｗを有する。

また、図２に示すように、第２基板２７には、連通口２５と第１方向で併設する下側液室２４２が形成されている。下側液室２４２は上側液室２４１と共に共通液室２４の一部となる空間である。この下側液室２４２は、第１基板２６に形成された供給口２３と連通している。また、下側液室２４２の開口部の大きさは、連通口２５の開口部の大きさに比べて大きい。

そして、上側液室２４１には、内壁間に渡された梁部２８が形成されている。図１に示すように、第１基板２６の上側液室２４１には、第１方向で対向する内壁間に渡された梁部２８が一体で形成されている。また、図２に示すように、第２基板２７の下側液室２４２には、第１方向で対向する内壁間に渡された梁部２９が一体で形成されている。第１の実施形態では、梁部２８、２９は、共通液室２４の流れに沿って延設されている。そのため、共通液室２４は梁部２８、２９により複数の空間２４３〜２４５に区画されており、各空間２４３〜２４５は、例えば、２つの圧力室２１毎に共有される流路となる。さらに、梁部２９は、第１基板２６の下面側と当接し、この第１基板２６を下側から指示する。

梁部２８、２９の延設方向は、共通液室２４の流れに沿った方向に限定されない。一方で、梁部２８、２９を共通液室２４の流れに沿って延設することで、気泡排出性を高めることができる。即ち、共通液室２４が複数に区画されることで、圧力室２１の圧力変化に応じて各空間２４３〜２４５に生じる圧力変化は、共通液室２４を区画しないものに比べて大きいものとなる。そのため、各空間２４３〜２４５に気泡が生じている場合でも、気泡を共通液室２４の下流側（後述するノズル孔側）に排出することができる。

流路形成基板２０の材料としては、部分安定化ジルコニア（Ｚｒ）や安定化ジルコニアを用いることができる。それ以外にも、流路形成基板２０の材質としては、金属等を用いてもよい。

また、流路形成基板２０の第１基板２６の上面２６ａには、振動板１０が積み重ねられている。図４に示すように、振動板１０は、流路形成基板２０の圧力室２１の開口を覆うよう、流路形成基板２０に固定されている。振動板１０は、例えば、セラミックスの薄板体により構成される。その材料としては、部分安定化ジルコニアや安定化ジルコニア、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いることができる。また、振動板１０の第３方向Ｄ３での厚みは、例えば、２．２マイクロメートル（μｍ）から６．０マイクロメートル（μｍ）とすることができる。

また、振動板１０の流路形成基板２０に固定されない側には、圧電素子３０が形成されている。圧電素子３０は、下電極３１と、上電極３３と、下電極３１と上電極３３との間に位置する圧電体３２とを備える。第１の実施形態では、上電極３３は、圧電体３２毎に設けられた個別電極として機能する。一方、下電極３１は、各圧電体３２の共通電極として機能する。

下電極３１や上電極３３は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の導電物質により構成される。そして、下電極３１の厚みは、１マイクロメートル（μｍ）から２マイクロメートル（μｍ）とすることができる。また、圧電体３２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）といった磁性体により構成される。

また、振動板１０の流路形成基板２０に固定されない側には、ヘッド部材５０が固定されている。ヘッド部材５０は、例えば、箱状であって、図示しない回路基板等やケーブルが位置決めされるスリット５１と、ヘッド部材５０の振動板１０に固定される側に開口する凹部５２と、を有する。スリット５１に挿入される回路基板等は、圧電素子３０の上電極３３又は下電極３１と電気的に接続されている。また、凹部５２には、後述するインクカートリッジから供給されるインク（液体）が流れる導入路７１を形成する。ヘッド部材５０は、周知の樹脂や、金属を用いて形成することができる。

図５に示すように、ヘッド部材５０の導入路７１は、第１基板２６に形成された上側液室２４１の開口部２４１ａと繋がっている。導入路７１を構成する凹部５２の空間７２は、第３方向Ｄ３において導入口５３から下方に移行するにつれスロープ状に断面積が広がり、共通液室２４の開口付近において、第２方向Ｄ２の内幅が共通液室２４の内幅と同寸となる。ここで、梁部２８、２９で区画された各空間２４３〜２４５は導入路７１の空間７２側で開口しており、この空間７２が共通の流路となる。そのため、導入路７１に導入されたインク（液体）は、各空間２４３〜２４５に均一に供給される。

さらに、第２基板２７には、ノズルプレート６０が固定されている。そのため、ノズルプレート６０は、流路形成基板２０の下側を封止している。ノズルプレート６０は、薄板体であり、ノズル孔６１が第２方向Ｄ２に沿って所定間隔で複数形成されている。また、各ノズル孔６１は、流路形成基板２０の連通口２５とそれぞれ連通するよう形成されている。
ノズルプレート６０は、例えば、部分安定化ジルコニアや安定化ジルコニアを用いたセラミックスや、金属により構成される。

また、ノズルプレート６０は、複数のノズル孔６１が第２方向Ｄ２に沿って形成された複数のノズル列を第１方向Ｄ１に並設し、一方のノズル列と他方のノズル列とを第２方向Ｄ２においてずらして配置する（いわゆる千鳥配置とする）構成を採用してもよい。
さらに、流路形成基板２０とノズルプレート６０との間に液体流路７０の一部を構成する基板が位置しているものであってもよい。

上記構成の液体噴射ヘッド１では、各基板が積層状に積み重ねられることで、圧力室２１は連通口２５を通じてノズル孔６１と連通する。また、圧力室２１は、供給口２３を通じて共通液室２４に連通する。そのため、共通液室２４からノズル孔６１までの流路により液体流路７０が構成される。また、ヘッド部材５０の導入路７１は、共通液室２４に連通している。その結果、導入路７１は、液体流路７０と連通する。

そのため、導入路７１を通じて供給されたインクは共通液室２４の各空間２４３〜２４５を通じて液体流路７０に充填される。この状態で、図示しない回路基板から駆動電圧が下電極３１や上電極３３に印加されると、圧電素子３０を変位させる。圧電素子３０の変位は、振動板１０を振動させて、圧力室２１に圧力変化を生じさせる。そして、圧力室２１内の圧力変化は、連通口２５に充填されたインクをノズル孔６１から外部に吐出させる。

また、液体噴射ヘッド１は、インクカートリッジ等と連通するインク供給経路を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェットプリンター２００に搭載される。インクジェットプリンター２００は液体噴射装置の一例である。

図６は、インクジェットプリンター２００の一例を示す概略図である。図６において、符号１は、液体噴射ヘッド１をそのノズル孔面を外部に露出させつつ収めた筺体（ヘッドカバー）の一部を示している。インクジェットプリンター２００において、複数の液体噴射ヘッド１を有するインクジェット式記録ヘッドユニット（以下、ヘッドユニット２０２）には、例えば、インクカートリッジ２０２Ａ，２０２Ｂ等が着脱可能に設けられる。ヘッドユニット２０２を搭載したキャリッジ２０３は、装置本体２０４に取り付けられたキャリッジ軸２０５に軸方向移動自在に設けられている。そして、駆動モーター２０６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２０７を介してキャリッジ２０３に伝達されることで、キャリッジ２０３はキャリッジ軸２０５に沿って移動する。

装置本体２０４にはキャリッジ軸２０５に沿ってプラテン２０８が設けられており、図示しないローラー等により供給された印刷媒体Ｓがプラテン２０８上を搬送される。そして、搬送される印刷媒体Ｓに対して、液体噴射ヘッド１のノズル孔６１からインクが噴射され任意の画像が印刷媒体Ｓに印刷される。なお、インクジェットプリンター２００は、ヘッドユニット２０２が上記のように移動するものだけでなく、例えば、液体噴射ヘッド１が固定されて、印刷媒体Ｓを移動させるだけで印刷を行ういわゆるラインヘッド型のプリンターであってもよい。

次に、このような液体噴射ヘッドの製造方法を説明する。

まず、振動板１０、第１基板２６、第２基板２７のそれぞれに対応する焼成前のセラミックスシートを用意する。そして、第１基板２６及び第２基板２７の元となるセラミックスシートに対して、打ち抜き加工を施し、圧力室２１、共通液室（上側液室２４１、下側液室２４２）、連通口２５、更には供給口２３に相当する貫通孔を形成する。このとき、各セラミックスシートに対して梁部２８、２９に相当する形状が一体で形成される。そして、振動板１０、第１基板２６、第２基板２７のそれぞれに対応するセラミックスシートを積層し、一体焼成する。

次に、振動板１０の上側に下電極３１を形成する。下電極３１は、例えば、スパッタ法等により振動板１０の上面に下電極３１の元となる金属溶液を塗布する。そして、金属溶液を焼成し、金属膜を形成する。そして、金属膜をパターニングして共通電極としての下電極を形成する。
次に、下電極３１の上に圧電体３２を形成する。例えば、圧電体３２は、スピンコート法等により前駆体を下電極３１に塗布した後、焼成する。そして、焼成後の層をパターニングして圧力室２１毎の圧電体３２を形成する。そして、この圧電体３２の上部に上電極３３を形成する。

次に、流路形成基板２０にノズルプレート６０を接着する。ノズルプレート６０は、例えば、接着剤を用いて流路形成基板２０に接着される。接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。ここで、ノズルプレート６０は、材料となるセラミックスシートをもとに、焼成することで形成することができる。

最後に、振動板１０にヘッド部材５０を接着する。ヘッド部材５０は、例えば、接着剤を用いて振動板１０に接着される。
以上の工程により、第１の実施形態に係る液体噴射ヘッド１が製造される。

以上説明したように、この第１の実施形態では、流路形成基板２０に形成された圧力室２１と共通液室２４とは流路形成基板２０の所定方向においてそれぞれ開口しており、共通液室２４の開口部は、圧力室２１の開口部に比べて大きく、内壁間に渡された梁部２８、２９を有している。そのため、共通液室２４は梁部２８、２９により補強されているため、共通液室２４が開口することにより生じる流路形成基板２０の捩じれが抑制され、ノズルプレート６０と固定する際に基板同士の密着性を高めることができる。また、梁部２８、２９により流路基板を補強することができる。

２．第２の実施形態：
図７は、第２の実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成を説明する図である。第２の実施形態に係る液体噴射ヘッドでは、第２基板２７に形成された下側液室２４２のみに梁部２９が形成されている構成において第１の実施形態と異なる。

液体噴射ヘッドは、第１の実施形態同様、流路ユニット４０と、ヘッド部材５０と、ノズルプレート６０と、を備えている。また、流路ユニット４０は、振動板１０と、流路形成基板２０と、圧電素子３０と、を備えている。

図７（ａ）に示すように、第１基板２６に形成された上側液室２４１には、梁部が形成されていない。一方、図７（ｂ）に示すように、第２基板２７に形成された下側液室２４２には、梁部２９が形成されており、下側液室は空間２４６〜２４８に区画されている。そのため、共通液室２４におけるヘッド部材５０の導入路７１と繋がる位置（上側液室２４１）は、梁部２９により区画された下側液室２４２の各空間２４６〜２４８に共通の流路となる。そのため、空間２４６〜２４８の流量が第１の実施形態に比べてより均一となり、各空間２４６〜２４８に繋がる圧力室２１に均一にインクを供給することができる。

以上説明したように、この第２の実施形態では、第１の実施形態の液体噴射ヘッドが奏する効果と同等の効果を奏することができる。加えて、各圧力室２１に液体を安定的に供給することができる。

３．第３の実施形態：
図８は、第３の実施形態に係る液体噴射ヘッドの構成を説明する図である。第３の実施形態に係る液体噴射ヘッドでは、共通液室２４に形成された梁部の形状が他の実施形態と異なる。

液体噴射ヘッドは、第１の実施形態同様、流路ユニット４０と、ヘッド部材５０と、ノズルプレート６０と、を備えている。また、流路ユニット４０は、振動板１０と、流路形成基板２０と、圧電素子３０と、を備えている。

流路形成基板２０には、複数の圧力室２１とこの圧力室と第１方向Ｄ１で併設する共通液室２４が形成されている。また、共通液室２４には、圧力室２１の併設方向（第２方向Ｄ２）に沿って梁部２８１が内壁間に渡されている。そのため、圧力室２１は、梁部２８１により第１方向に併設する空間２４９、２５０にそれぞれ区画されている。

共通液室２４の内部に圧力室２１が併設される方向に沿って梁部２８１を渡すことで、圧力室２１の併設方向での流路形成基板２０の歪みを抑制することができる。その結果、流路形成基板２０をノズルプレート６０に接着性する際、流路形成基板２０とノズルプレート６０の接着面での密着性を高めることができる。

なお、この第３の実施形態では、第１基板２６及び第２基板２７のそれぞれに梁部が形成されるものを説明したが、第１基板２６又は第２基板２７のいずれかに梁部を形成するものであってもよい。

４．その他の実施形態：
実施形態で示す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、液晶ディスプレー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ディスプレー、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。
即ち、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してもよい。
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してもよい。
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してもよい。

１…液体噴射ヘッド、１０…振動板、２０…流路形成基板、２１…圧力室、２２…狭窄部、２３…供給口、２４…共通液室、２５…連通口、２６…第１基板、２７…第２基板、２８、２９…梁部、３０…圧電素子、３１…下電極、３２…圧電体、３３…上電極、４０…流路ユニット、５０…ヘッド部材、５１…スリット、５２…凹部、５３…導入口、６０…ノズルプレート、６１…ノズル孔、７０…液体流路、７１…導入路、２００…インクジェットプリンター

Claims (7)

1. 液体が流れる流路を備える流路ユニットであって、
   所定方向に開口する複数の圧力室と、前記圧力室の共通の流路となる共通液室と、を備える流路基板を有し、
   前記共通液室の開口部は、前記圧力室に比べて大きく、内壁間に渡された梁部を有する、流路ユニット。
2. 前記複数の圧力室は、前記流路基板の所定方向に併設するよう位置しており、
   前記共通液室は、前記複数の圧力室が併設する方向の幅が、前記圧力室と比べて大きい、請求項１に記載の流路ユニット。
3. 前記梁部は、前記共通液室の流れに沿って渡されている、請求項１又は請求項２のいずれかに記載の流路ユニット。
4. 前記梁部は、前記圧力室が併設する方向に沿って渡されている、請求項２に記載の流路ユニット。
5. 前記流路基板は、前記圧力室と、前記共通液室の一部が形成された第１基板と、
   前記共通液室の一部が形成され、前記第１基板に重さなるよう固定された第２基板と、を備え、
   前記梁部は、前記第２基板側に形成された前記共通液室に形成されている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流路ユニット。
6. 前記請求項１に記載の流路ユニットと、
   前記流路ユニットに固定され、前記圧力室と繋がるノズル孔を有するノズルプレートと、を有する液体噴射ヘッド。
7. 前記請求項６に記載の液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置。

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