JP2022006613A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液滴の着弾精度の悪化と液体の吐出不良の発生とを抑制して高品位な画像を記録する液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッド３０は、液体を吐出する複数の吐出口１３に連通する流路２２，２３を有する流路形成部材３と、複数の吐出口１３が形成された吐出口面６ａを有し、吐出口面６ａと反対側の面で流路形成部材３に設けられた吐出口形成部材６と、流路形成部材３の吐出口形成部材６が設けられた面に設けられ、流路２２，２３内の液体の圧力を調整する圧力調整部１５と、を有し、圧力調整部１５が、流路形成部材３に形成された開口を閉塞して流路２２，２３の一部を画定する可撓性のフィルム５と、フィルム５の流路形成部材３に対向する面と反対側の面にフィルム５を覆うように設けられた蓋部材７とを有し、蓋部材７が、フィルム５に対向する面に、フィルム５との間に空間２７を形成する凹部２６を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関する。

インクなどの液体を吐出して記録媒体に画像を記録する液体吐出ヘッドとして、圧電素子により圧力室内の液体に圧力変化を生じさせることで、圧力室に連通する吐出口から液体を吐出するピエゾ方式の液体吐出ヘッドが知られている。特許文献１には、圧力室に連通する流路内の液体の圧力を調整する圧力調整部を備えた液体吐出ヘッドが記載されている。この圧力調整部は、可撓性のフィルムと、固定板と、蓋部材とを有し、これらは流路形成部材にこの順に設けられている。フィルムは、流路形成部材に形成された開口を閉塞して流路の一部を画定し、固定板と蓋部材は、固定板に形成された孔部を蓋部材が閉塞することで、フィルムの変形を許容する空間を形成している。

特開２０１８－３４５１８号公報

特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、圧力調整部は、流路形成部材の吐出口形成部材が設けられた面に設けられており、吐出口形成部材の吐出口面（吐出口が形成された面）よりも記録媒体の側に突出している。したがって、その分だけ吐出口面と記録媒体との距離を遠ざける必要があり、記録媒体に対する液滴の着弾精度が悪化する懸念がある。また、吐出口形成部材と蓋部材との間に形成される段差が大きくなると、吐出口面に付着した液体を除去するためにワイピング動作を実施する際に段差部分に拭き残りが発生し、液体の吐出不良が発生する懸念もある。
そこで、本発明の目的は、液滴の着弾精度の悪化と液体の吐出不良の発生とを抑制して高品位な画像を記録する液体吐出ヘッドを提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口に連通する流路を有する流路形成部材と、複数の吐出口が形成された吐出口面を有し、吐出口面と反対側の面で流路形成部材に設けられた吐出口形成部材と、流路形成部材の吐出口形成部材が設けられた面に設けられ、流路内の液体の圧力を調整する圧力調整部と、を有し、圧力調整部が、流路形成部材に形成された開口を閉塞して流路の一部を画定する可撓性のフィルムと、フィルムの流路形成部材に対向する面と反対側の面にフィルムを覆うように設けられた蓋部材とを有し、蓋部材が、フィルムに対向する面に、フィルムとの間に空間を形成する凹部を有している。

本発明によれば、液滴の着弾精度の悪化と液体の吐出不良の発生とを抑制して高品位な画像を記録することができる。

第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの断面図である。 第１の実施形態に係る蓋部材のいくつか構成例を示す平面図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの変形例を示す断面図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの断面図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの変形例を示す断面図である。 第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一構成例を示す断面図である。 第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの他の構成例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本明細書では、１つのヘッドチップ（後述する保護基板から吐出口基板までの積層体を含むヘッド本体部分）で液体吐出ヘッドが構成される場合を例示するが、本発明はこれに限定されず、複数のヘッドチップを組み合わせた場合にも適用可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図であり、図２は液体吐出ヘッドの断面図である。
液体吐出ヘッド３０は、複数の吐出口１３からインクなどの液体を吐出して記録媒体に画像を記録するものである。液体吐出ヘッド３０は、支持基板１と、保護基板４と、圧力室基板２と、流路基板（流路形成部材）３と、吐出口基板（吐出口形成部材）６と、フィルム５と、蓋部材７とを有し、これらは、接着剤などにより互いに接合されて固定されている。

支持基板１は、一方の面に凹部１４を有し、凹部１４内に保護基板４と圧力室基板２が収容されている。これにより、支持基板１は、保護基板４および圧力室基板２との間に、複数の吐出口１３から吐出される液体を供給する共通流路の一部である第１のマニホールド部２１を形成する。また、支持基板１には、第１のマニホールド部２１に連通する液体導入路１２と、配線基板８を受け入れる貫通孔９とが形成されている。支持基板１は、例えば樹脂材料の射出成形体で形成されている。
圧力室基板２には、複数の吐出口１３の配列方向（Ｘ方向）に沿って配列された複数の圧力室１６が形成されている。圧力室基板２の材料としては、ステンレス鋼やニッケルなどの金属、アルミナやジルコニウム、ガラスのような酸化物などを用いることもできる。また、圧力室基板２として、異方性エッチングにより圧力室１６を形成することができるシリコン基板を用いることもできる。

保護基板４と圧力室基板２との間には、振動板１８が設けられている。振動板１８は、弾性膜と絶縁膜とから構成され、弾性膜としてはシリコン酸化膜を用いることができ、絶縁膜としてはジルコニウム酸化膜などを用いることができる。振動板１８の保護基板４に対向する面には、第１の電極と圧電体層と第２の電極とがこの順に積層された圧電素子１７が形成されている。保護基板４は、この圧電素子１７を保護するために設けられ、振動板１８との間に、圧電素子１７を収容する空間である収容部１９を形成する。保護基板４は、例えばシリコン基板からなる。
圧電素子１７の２つの電極のうち一方の電極は共通電極として機能し、他方の電極は、圧電体層と共に圧力室１６ごとにパターニングされることで個別電極として機能する。圧電素子１７の電極は配線基板８に接続され、この配線基板８を通じて圧電素子１７ごとに駆動電力と駆動信号が供給される。また、保護基板４には、支持基板１に形成された貫通孔９と共に配線基板８を受け入れる貫通孔１１が形成されている。

流路基板３には、圧力室１６と吐出口１３とを連通する貫通孔からなる連通流路２９と、その反対側で圧力室１６に連通する貫通孔からなる個別流路２８とが形成されている。連通流路２９と個別流路２８は、それぞれ圧力室１６ごとに複数設けられている。さらに、流路基板３には、第１のマニホールド部２１に連通する貫通孔からなる第２のマニホールド部２２と、第２のマニホールド部２２に連通する凹部からなる第３のマニホールド部２３とが形成されている。第２のマニホールド部２２と第３のマニホールド部２３は、それぞれ複数の吐出口１３にわたって連続的に設けられている。第２のマニホールド部２２は、第１のマニホールド部２１と共に共通流路を構成し、第３のマニホールド部２３は、共通流路２１，２２と複数の個別流路２８とを連通する絞り流路として機能する。
流路基板３の材料としては、ステンレス鋼やニッケルなどの金属、アルミナやジルコニウム、ガラスのような酸化物などを用いることができる。また、流路基板３として、異方性エッチングにより流路２９，２８やマニホールド部２１，２２を形成することができるシリコン基板を用いることもできる。ただし、流路基板３と圧力室基板２との線膨張係数が大きく異なると、加熱や冷却などの温度変化によって、反りやクラック、剥離などが発生しやすくなる。そのため、流路基板３の材料は、圧力室基板２の材料と線膨張係数が同等のものであることが好ましい。

吐出口基板６には、液体を吐出する複数の吐出口１３が形成されている。複数の吐出口１３は、上述したようにＸ方向に沿って配列され、それと交差するＹ方向に並列する２つの吐出口列を形成する。吐出口基板６は、複数の吐出口１３が形成された吐出口面６ａと反対側の面で流路基板３に接合されている。
吐出口基板６の材料としては、ステンレス鋼やニッケルなどの金属、アルミナやジルコニウム、ガラスのような酸化物などを用いることができる。また、吐出口基板６として、異方性エッチングにより吐出口１３を形成することができるシリコン基板を用いることもできる。ただし、吐出口基板６と流路基板３との線膨張係数が大きく異なると、加熱や冷却などの温度変化によって、反りやクラック、剥離などが発生しやすくなる。そのため、吐出口基板６の材料は、流路基板３の材料と線膨張係数が同等のものであることが好ましい。

フィルム５と蓋部材７は、流路基板３の吐出口基板６が設けられた面に設けられ、第２および第３のマニホールド部（流路）２２，２３内の液体の圧力を調整する圧力調整部１５として機能する。
フィルム５は、可撓性を有し、流路基板３に形成された貫通孔および凹部の開口を閉塞して流路２２，２３の一部を画定するものである。フィルム５が撓み変形することにより、流路２２，２３内の液体の圧力変動を吸収することができる。フィルム５としては、例えば、厚さ２０μｍ以下の芳香族ポリアミドやポリフェニレンサルファイドなどからなるものを用いることができるが、吐出される液体に対して耐性を有するものであれば、これに限定されるものではない。

蓋部材７は、フィルム５の流路基板３に対向する面と反対側の面、すなわち、記録媒体に対向する面にフィルム５を覆うように接合され、吐出口基板６を露出させる開口部１０を有している。加えて、蓋部材７のフィルム５に対向する面には、フィルム５との間に空間２７を形成する凹部２６が設けられている。蓋部材７により、フィルム５が用紙などの記録媒体に接触して破壊されるのが抑制されるとともに、フィルム５との間に形成される空間２７により、フィルム５の撓み変形が許容される。
蓋部材７の材料としては、ステンレス鋼やニッケルなどの金属、アルミナやジルコニウム、ガラスのような酸化物などを用いることができる。また、蓋部材７として、異方性エッチングにより凹部２６を形成することができるシリコン基板を用いることもできる。なお、蓋部材７の材料は、吐出口基板６と同様、温度変化による反りなどの発生を抑制するために、流路基板３の材料と線膨張係数が同等のものであることが好ましい。また、蓋部材７の記録媒体に対向する面には撥水処理が施されていることが好ましい。これにより、蓋部材７の記録媒体に対向する面をワイパーブレードで払拭するワイピング動作を行うことができ、その面に付着した液体で記録媒体が汚れることを抑制することができる。

このように構成された液体吐出ヘッド３０では、共通流路２１，２２に供給された液体は、絞り流路２３を通り、複数の個別流路２８を介して複数の圧力室１６に供給される。そして、圧力室１６に対応する圧電素子１７に電圧を印加し、圧電素子１７と共に振動板１８を変形させて圧力室１６内に圧力変化を生じさせることで、圧力室１６内の液体は、連通流路２９を通じて吐出口１３から吐出される。このとき、流路２２，２３内の液体にも圧力変動が生じるが、そのような圧力変動はフィルム５が撓み変形することにより吸収され、液体の吐出特性に悪影響を及ぼすことが抑制される。

本実施形態では、流路２２，２３内の液体の圧力を調整する圧力調整部１５として、フィルム５の記録媒体に対向する面には、フィルム５との間に空間２７を形成する凹部２６を有する蓋部材７のみが設けられている。すなわち、フィルム５と蓋部材７の凹部２６の上面とが接合されている。これにより、圧力調整部１５の蓋部材７が吐出口基板６の吐出口面６ａから記録媒体の側に突出することを最小限に抑え、吐出口基板６と蓋部材７との間に形成される段差を小さくすることができる。その結果、吐出口面６ａと記録媒体の距離を近づけることができる。また、吐出口面６ａのワイピング動作を実施する際にも、吐出口基板６と蓋部材７との段差部分に拭き残りが発生することを抑制することができる。その結果、記録媒体に対する液滴の着弾精度の向上と液体の吐出不良の抑制とが可能になり、高品位な画像を記録することが可能になる。

蓋部材７の凹部２６とフィルム５とにより形成される空間２７は、流路２２，２３内の液体の圧力変動に応じてフィルム５を撓み変形させるために、液体吐出ヘッド３０の外部に連通して大気開放されていることが好ましい。図３（ａ）から図３（ｃ）は、それぞれ蓋部材のフィルムに対向する面を示す平面図であり、フィルムと蓋部材との間の空間を外部に連通させる連通部のいくつかの構成例を示す図である。

図３（ａ）に示す構成例では、連通部として、凹部２６に連通する連通溝３４と、連通溝３４を外部に連通させる連通孔３３とが設けられている。本実施形態では、凹部２６は、吐出口１３の配列方向（Ｘ方向）に分割された複数の小凹部２６ａから構成されているが、連通溝３４は、複数の小凹部２６ａをＸ方向に横切って延び、連通孔３３は、連通溝３４の延在方向（Ｘ方向）の両端に形成されている。一方、図３（ｂ）に示す構成例では、連通孔３３が設けられていない代わりに、連通溝３４が蓋部材７の端部まで延びて両側面に開口している。このように、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す構成例では、複数の小凹部２６ａをまとめて外部に連通させているが、その代わりに、複数の小凹部２６ａを個別に外部に連通させてもよい。すなわち、図３（ｃ）に示すように、複数の小凹部２６ａからＹ方向に個別に延び、蓋部材７の側面に開口する複数の連通溝３４を設けてもよい。
なお、図３（ａ）に示す構成例では、連通孔３３は、その形状や位置に特に制限はなく、例えば、流路基板３や圧力室基板２などに形成された溝や貫通孔などからなる大気開放路（図示せず）を介して、液体吐出ヘッド３０の外部に連通していてもよい。ただし、液体吐出ヘッド３０の外部に開口する大気開放口に接着剤や液体が付着すると、大気開放路が閉塞したり、接着剤や液体が空間２７に侵入したりするなどの不具合が生じる懸念がある。そのため、連通孔３３に連通する大気開放路は、接着剤や液体が付着しにくい面に開口形していることが好ましい。

図４は、本実施形態の蓋部材の変形例を示す断面図である。
蓋部材７には凹部２６が形成されているため、その領域の厚さが薄くなり、強度の低下が懸念される。そのため、蓋部材７の凹部２６の底面には、図４に示すように、強度を高めるための梁状の凸部３５が形成されていてもよい。凸部３５は、蓋部材７の凹部２６の深さ以下の高さを有し、かつ先端がフィルム５と接触してもよいが固定されていないことが好ましい。これは、凸部３５の高さが凹部２６の深さよりも大きくなると、フィルム５にテンションがかかってしまい、フィルム５の撓み変形が制限され、液体の圧力変動を吸収する機能が低下してしまうためである。また、凸部３５がフィルム５に固定されると、同様にフィルム５の撓み変形が制限され、液体の圧力変動を吸収する機能が低下してしまうためである。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの分解斜視図であり、図６は、液体吐出ヘッドの断面図である。以下、第１の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、圧力調整部１５の構成が第１の実施形態と異なっており、具体的には、フィルム５と蓋部材７との間に固定板３１が設けられている点で第１の実施形態と異なっている。固定板３１には、吐出口基板６を露出させる開口部３２と、蓋部材７の凹部２６に対向する位置に凹部２６と共に空間２７を形成する孔部３３とが形成されている。なお、固定板３１とフィルム５の貼り付けは、固定板３１に対する機械加工や化学エッチングによる加工等の後に行ってもよく、固定板３１とフィルム５を貼り付けた後に化学エッチングにより固定板３１を選択的に加工してもよい。
蓋部材７に凹部２６が設けられていることで、固定板３１を薄くすることができ、吐出口基板６と蓋部材７との段差を小さくすることができる。その結果、本実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態においても同様に、蓋部材７の強度を高めるために、図７に示すように、凹部２６の底面に梁状の凸部３５を１つ以上形成してもよい。このとき、凸部３５は、フィルム５の撓み変形を制限しないように、空間２７の高さ（Ｚ方向の長さ）以下の高さを有し、かつフィルム５に固定されていないことが好ましい。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一構成例を示す断面図であり、図９は、本実施形態の液体吐出ヘッドの他の構成例を示す断面図である。以下、第１および第２の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第１および第２の実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態は、固定板３１が設けられている点では第２の実施形態と同様であるが、蓋部材７に凹部２６が設けられておらず、固定板３１の孔部３３のみが空間２７を形成している点で、上述した実施形態と異なっている。本実施形態では、固定板３１を薄くすることで、吐出口基板６と蓋部材７との段差を小さくすることができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、この場合、フィルム５と蓋部材７との距離が近くなるため、フィルム５が蓋部材７に貼り付いて動作不良を引き起こすおそれがある。そのため、本実施形態では、フィルム５と蓋部材７との接触を抑制するために、図８に示すように、蓋部材７のフィルムに対向する面に微細加工による凹凸３６を形成してもよい。あるいは、図９に示すように、蓋部材７のフィルム５に対向する面をサンドペーパーやサンドブラスト等で荒らし、好ましくは０．８μｍ以上の表面粗さＲｚを有する微小な凹凸３７を形成することで、フィルム５と蓋部材７との貼り付きを抑制してもよい。
なお、このように蓋部材７のフィルム５に対向する面に意図的に物理的な加工を施すことは、第１の実施形態に対しても適用可能である。すなわち、第１の実施形態の液体吐出ヘッド３０において、蓋部材７の凹部２６の底面に、本実施形態と同様の凹凸３６，３７が形成されていてもよい。

５ 蓋部材
７ フィルム
１５ 圧力調整部
２６ 凹部
２７ 空間
３０ 液体吐出ヘッド

Claims (13)

1. 液体を吐出する複数の吐出口に連通する流路を有する流路形成部材と、前記複数の吐出口が形成された吐出口面を有し、前記吐出口面と反対側の面で前記流路形成部材に設けられた吐出口形成部材と、前記流路形成部材の前記吐出口形成部材が設けられた面に設けられ、前記流路内の液体の圧力を調整する圧力調整部と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記圧力調整部が、前記流路形成部材に形成された開口を閉塞して前記流路の一部を画定する可撓性のフィルムと、前記フィルムの前記流路形成部材に対向する面と反対側の面に前記フィルムを覆うように設けられた蓋部材とを有し、
   前記蓋部材が、前記フィルムに対向する面に、前記フィルムとの間に空間を形成する凹部を有する、液体吐出ヘッド。
2. 前記蓋部材が、前記空間を外部に連通させる連通部を有する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記凹部が、前記複数の吐出口の配列方向に分割された複数の小凹部から構成されている、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記連通部が、前記蓋部材の前記フィルムに対向する面に形成され、前記複数の小凹部を前記配列方向に横切って延びる連通溝を有する、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記連通溝は、前記蓋部材の側面に開口している、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記連通溝は、前記蓋部材の側面に開口しておらず、前記連通部が、前記連通溝を前記蓋部材の外部に連通させる連通孔をさらに有する、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記連通部は、前記蓋部材の前記フィルムに対向する面に形成され、前記複数の小凹部から前記配列方向と交差する方向に個別に延び、前記蓋部材の側面に開口する複数の連通溝である、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記蓋部材が、前記凹部の底面に形成された凸部を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記凸部は、前記凹部の深さ以下の高さを有し、かつ先端が前記フィルムに固定されていない、請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記凹部の底面に凹凸が形成されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記凹凸の表面粗さＲｚは０．８μｍ以上である、請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記圧力調整部が、前記フィルムと前記蓋部材との間に設けられ、前記凹部と共に前記空間を形成する孔部を有する固定板を有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記フィルムと前記蓋部材の前記凹部の上面とが接合されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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