JP2023032351A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る液体吐出ヘッドは、アクチュエータと、共通室と、絞り部と、を備える。アクチュエータは、液体を吐出するノズルに連通する複数の圧力室及び複数の前記圧力室の間に配される複数のダミー室を構成する複数の溝と、前記圧力室及び前記ダミー室を構成する前記溝の間に形成される複数の側壁と、を有する。共通室は、前記アクチュエータの前記圧力室の両端部にそれぞれ連通する。絞り部は、感光性樹脂で構成され、前記アクチュエータの前記圧力室の前記共通室側の端部に配され前記圧力室の前記共通室に連通する連通口の一部を塞ぐ。
【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

近年、インクジェットヘッドにおいて、高生産性が求められ、高速化や液滴量増加が課題となっている。例えば、シェアモードシェアードウォール式のインクジェットヘッドは、ハイパワーとなり、高粘度インクの吐出や大きな液滴の吐出に向いている。シェアモードシェアウォール式のインクジェットヘッドにおいては、同じ駆動柱を２つの圧力室で共有し、複数配列される室のうちの１／３を圧力室として同時に駆動する所謂３サイクル駆動が一般的である。また、駆動する圧力室の両側をダミー圧力室として、１つの圧力室を独立した２つの駆動柱で駆動する独立駆動ヘッドも開発されている。例えば、圧電体に多数の溝を形成し、１本おきに出入り口を塞ぎ、出入り口が塞がれない溝を圧力室とし、塞がれた溝を空気室として、独立駆動とする構造が開発されている。

このようなインクジェットヘッドにおいては、インク滴が吐出した後、共通液室から圧力室にインクが補給される。このとき、ノズルでオーバーシュートしてメニスカスが盛り上る現象が発生する。共通液室からノズルに至る流路の流体抵抗が小さいほどオーバーシュートは大きくなり、このオーバーシュートが収まらないとメニスカスが安定した状態で吐出をすることができない。したがって、インクジェットヘッドにおいて高速化するには、メニスカスの盛り上りを早く収束させ、安定的な吐出特性を確保することが求められる。

特開２００８－９４０３６号公報

本発明が解決しようとする課題は、安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。

一実施形態に係る液体吐出ヘッドは、アクチュエータと、共通室と、絞り部と、を備える。アクチュエータは、液体を吐出するノズルに連通する複数の圧力室及び複数の前記圧力室の間に配される複数のダミー室を構成する複数の溝と、前記圧力室及び前記ダミー室を構成する前記溝の間に形成される複数の側壁と、を有する。共通室は、前記アクチュエータの前記圧力室の両端部にそれぞれ連通する。絞り部は、感光性樹脂で構成され、前記アクチュエータの前記圧力室の前記共通室側の端部に配され前記圧力室の前記共通室に連通する連通口の一部を塞ぐ。

実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図。 実施形態に係るインクジェットヘッドの一部の構成を示す分解斜視図。 同インクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す断面図。 同インクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す断面図。 同インクジェットヘッドの製造方法の説明図。 試験例１及び試験例２に係るインクジェットヘッドの説明図。 試験例１に係るインクジェットヘッドの吐出速度を示すグラフ。 試験例２に係るインクジェットヘッドの吐出速度を示すグラフ。 試験例１及び試験例２に係るインクジェットヘッドのメニスカス復帰特性を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るエンドシュータのインクジェットヘッドの説明図。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドの駆動波形を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドのノズル流速振動を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドの吐出体積を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドのメニスカス復帰特性を示すグラフ。 実施形態に係るインクジェットプリンタを示す模式図。

以下に、第１実施形態に係る液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッド１０の構成について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図であり、図２はインクジェットヘッドの一部の分解斜視図である。図３、図４はインクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す断面図である。図５はインクジェットヘッドの製造工程の説明図である。図中Ｘ、Ｙ、Ｚは互いに直交する第１方向、第２方向、及び３方向をそれぞれ示す。なお、本実施形態において、インクジェットヘッド１０のノズル２８や圧力室３１の並列方向がＸ軸に、圧力室３１の延出方向がＹ軸に、液体の吐出方向がＺ軸に、それぞれ沿う姿勢を基準として方向の説明を記載するが、これに限られるものではない。

図１乃至図４に示すように、インクジェットヘッド１０は、いわゆるサイドシュータ型のシェアモードシェアウォール方式インクジェットヘッドである。インクジェットヘッド１０は、インクを吐出するための装置であり、例えばインクジェットプリンタの内部に搭載される。例えばインクジェットヘッド１０は圧力室３１とダミー室３２が交互に配される独立駆動式のインクジェットヘッドである。ダミー室３２は、インクが供給されない空気室であり、ノズル２８を備えない。

インクジェットヘッド１０は、アクチュエータベース１１と、ノズルプレート１２と、フレーム１３と、を備えている。アクチュエータベース１１は、基材の一例である。インクジェットヘッド１０の内部に、液体の一例としてのインクが供給されるインク室２７が形成される。

さらに、インクジェットヘッド１０は、インクジェットヘッド１０を制御する回路基板１７や、インクジェットヘッド１０とインクタンクとの間の経路の一部を形成するマニホールド１８などの部品を備える。

図２に示すように、アクチュエータベース１１は、基板２１と、一対のアクチュエータ２２と、を備える。

基板２１は、例えばアルミナなどのセラミックスによって矩形の板状に形成される。基板２１は平坦な実装面を有する。基板の実装面に一対のアクチュエータ２２が接合されている。基板２１には複数の供給孔２５と排出孔２６とが形成されている。

図２に示すように、アクチュエータベース１１の基板２１には、パターン配線２１１が形成される。パターン配線２１１は、例えばニッケル薄膜によって形成される。パターン配線２１１は、共通パターンや個別パターンを有し、アクチュエータ２２に形成された電極層３４に接続される所定のパターン形状に構成される。

供給孔２５は、基板２１の中央部であって一対のアクチュエータ２２の間において、アクチュエータ２２の長手方向に並んで設けられている。供給孔２５は、マニホールド１８のインク供給部に連通する。供給孔２５は、インク供給部を介してインクタンクに接続される。供給孔２５はインクタンクのインクをインク室２７に供給する。

排出孔２６は、供給孔２５及び一対のアクチュエータ２２を挟んで、二列に並んで設けられている。排出孔２６は、マニホールド１８のインク排出部に連通する。排出孔２６は、インク排出部を介してインクタンクに接続される。排出孔２６はインク室２７のインクをインクタンクに排出する。

一対のアクチュエータ２２は、基板２１の実装面に接着される。一対のアクチュエータ２２は供給孔２５を挟んで二列に並んで基板２１に設けられている。各アクチュエータ２２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成された板状の二つの圧電体によってそれぞれ形成される。前記二つの圧電体は、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされる。アクチュエータ２２は、例えば熱硬化性を有するエポキシ系接着剤によって基板２１の実装面に接着される。図２に示すように、アクチュエータ２２は、二列に並ぶノズル２８に対応して、インク室２７内において平行に並んで配置される。アクチュエータ２２は、インク室２７を、供給孔２５が開口する第１共通室２７１と、排出孔２６が開口する二つの第２共通室２７２とに区切る。

アクチュエータ２２は、断面台形状に形成される。アクチュエータ２２の側面部２２１は、第２方向及び第３方向に対して傾斜する傾斜面を有する。すなわち、アクチュエータ２２は第２方向に直交する断面視が台形状に構成される。アクチュエータ２２の頂部は、ノズルプレート１２に接着される。アクチュエータ２２は、複数の圧力室３１と、複数のダミー室３２と、を備える。アクチュエータ２２は、複数の側壁部３３を有し、側壁部３３の間に、圧力室３１及びダミー室３２を構成する溝を有する。言い換えると、側壁部３３は、圧力室３１及びダミー室３２を形成する溝の間に駆動素子として形成される。

図１乃至図６に示すように、溝の底面部と基板２１の主面とは傾斜する側面部２２１によって繋がる。圧力室３１とダミー室３２とは、交互に配置される。圧力室３１およびダミー室３２は、アクチュエータ２２の長手方向と交差する方向にそれぞれ延び、アクチュエータ２２の長手方向である第１方向（図中Ｘ軸）において複数並列する。

なお、圧力室３１の形状とダミー室３２の形状とが異なっていても良い。側壁部３３は、圧力室３１とダミー室３２の間に形成され、駆動信号に応じて変形することで、圧力室３１の容積を変化させる。

複数の圧力室３１は、頂部に接合されるノズルプレート１２の複数のノズル２８に連通する。圧力室３１の第２方向の両端はインク室２７に連通する。すなわち、一方の端部はインク室２７の第１共通室２７１に開口し、他方の端部は、インク室２７の第２共通室２７２に開口する。このため、圧力室３１の一方の端部からインクが流入し、他方の端部からインクが流出する。圧力室３１の両端部には、圧力室３１内部よりも流体抵抗が大きく構成された絞り部２４０が形成される。

絞り部２４０は、圧力室内よりも連通口の開口を狭める形状に構成される。一例として、絞り部２４０は、圧力室３１の第２方向の端部において、第１方向の両側面に、形成される一対の突起部２４１を有する。一対の突起部２４１はそれぞれ圧力室３１の溝の深さ方向である第３方向において全長に渡って形成されていてもよいし、第３方向における一部に形成されていてもよい。突起部２４１は、例えば圧力室３１の両側面にそれぞれ形成される。例えば一対の突起部２４１はそれぞれ第３方向に長い方体形状に構成される。

圧力室３１を構成する溝は突起部２４１よって完全には覆われず、一対の突起部２４１の間に、圧力室３１と第１共通室２７１及び第２共通室２７２とを連通する絞り口２４２が形成される。絞り口２４２は圧力室の３１深さ方向となる第３方向に延びるスリット形状であり、その第１方向の開口幅が、圧力室３１内部の第１方向の幅よりも小さく構成されていることにより、圧力室３１の流路断面積より小さく構成されている。すなわち、突起部２４１によって第２方向両端の連通口が一部塞がれて流路抵抗が増加する絞り部２４０が形成される。絞り部２４０は、感光性樹脂の成膜後に露光及び現像され、あるいは感光性樹脂の成膜後に露光、現像及び機械加工されることにより、形成される。例えば絞り部２４０は、圧力室３１両側の入り口に感光性樹脂を塗布した後、露光によって突起部２４１を構成する対象部位を硬化させ、現像液で不要な未露光樹脂を洗い流す現像処理によって、所定の形状に構成される。あるいは、圧力室３１に感光性樹脂を塗布し、露光処理及び現像処理によって両側の連通口の所定箇所の感光性樹脂を硬化させた後に、ダイシングなどの機械加工により絞り口２４２を形成してもよい。

なお、絞り部２４０の流体抵抗は、大きくしすぎると、インク滴吐出後の圧力室３１へのインクの補給が遅くなり、高速化を阻害することになる。また、メニスカスの盛り上りは、インク粘度、吐出体積、駆動周波数などにより異なる。したがって、突起部２４１の形状、絞り部２４０の絞り口２４２の寸法や位置は、インク補給条件やメニスカスの盛り上がりの特性に応じた流路抵抗となるよう設定される。

ダミー室３２は第３方向における一方側が頂部２２２に接合されるノズルプレート１２によって塞がれる。また複数のダミー室３２は例えば第２方向の両端がカバー部２３により塞がれる。すなわち、インク室２７の第１共通室２７１とダミー室３２の入口との間、及びダミー室３２の出口と第２共通室２７２との間にそれぞれカバー部２３が配され、ダミー室３２の両端はインク室２７と隔てられている。このため、ダミー室３２はインクが流入しない空気室を構成する。

例えばカバー部２３はダミー室３２の両端部に感光性樹脂を塗布した後、対象部位を硬化させて形成される。なお、突起部２４１及びカバー部２３は、例えば同じ感光性樹脂材により同時に構成されてもよい。

アクチュエータベース１１の圧力室３１及びダミー室３２にはそれぞれ電極層３４が設けられている。電極層３４は、例えばニッケル薄膜によって形成される。電極層３４は溝の内面部から基板２１上に至り、パターン配線２１１に接続される。電極層３４は溝の内壁に形成される。例えば電極層３４は、側壁部３３の側面部や底面部に形成される。

ノズルプレート１２は、例えばポリイミド製の矩形のフィルムによって形成される。ノズルプレート１２は、アクチュエータベース１１の実装面に対向する。ノズルプレート１２には、ノズルプレート１２を厚さ方向に貫通する、複数のノズル２８が形成される。

複数のノズル２８は、圧力室３１と同数設けられ、圧力室３１にそれぞれ対向して配置される。ノズル２８は、第１方向に沿って複数並び、一対のアクチュエータ２２に対応して２列に配列される。各ノズル２８はそれぞれ軸が第３方向に延びる筒状に構成される。例えばノズル２８は径が一定であっても、中央部または先端部にかけて縮径する形状であってもよい。ノズル２８は、一対のアクチュエータ２２に形成される圧力室３１の延出方向の中途部に対向配置され、圧力室３１にそれぞれ連通する。ノズル２８は、各圧力室３１の、長手方向中央部に１つずつ、配置される。

フレーム１３は、例えばニッケル合金によって矩形の枠状に形成される。フレーム１３は、アクチュエータベース１１の実装面とノズルプレート１２との間に介在する。フレーム１３は、アクチュエータベース１１の実装面とノズルプレート１２とにそれぞれ接着される。すなわち、ノズルプレート１２は、フレーム１３を介してアクチュエータベース１１に取り付けられている。

マニホールド１８は、アクチュエータベース１１のノズルプレート１２とは反対側に接合される。マニホールド１８の内部に、供給孔２５に連通する流路であるインク供給部や排出孔２６に連通する流路であるインク排出部が形成される。

回路基板１７は、フィルムキャリアパッケージ（ＦＣＰ）である。回路基板１７は、複数の配線が形成されるとともに、柔軟性を有する樹脂製のフィルム５１と、フィルム５１の複数の配線に接続されたＩＣ５２と、を有する。ＩＣ５２はフィルム５１の配線やパターン配線２１１を介して電極層３４に電気的に接続される。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１０の内部において、アクチュエータベース１１と、ノズルプレート１２と、フレーム１３とに囲まれるインク室２７が形成される。すなわち、インク室２７は、アクチュエータベース１１とノズルプレート１２との間に形成される。例えばインク室２７は、２つのアクチュエータ２２によって第２方向において３つの区間に仕切られ、排出孔２６が開口する共通室としての二つの第２共通室２７２と、供給孔２５が開口する共通室としての第１共通室２７１と、を有する。第１共通室２７１及び第２共通室２７２は、複数の圧力室３１に連通している。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１０において、供給孔、圧力室、及び排出孔を通って、インクはインクタンクとインク室２７との間で循環する。例えばインクジェットプリンタの制御部から入力された信号によって、駆動ＩＣ５２がフィルム５１の配線を介して圧力室３１の電極層３４に駆動電圧を印加することにより、圧力室３１の電極層３４と、ダミー室３２の電極層３４との間に電位差を生じさせることで、側壁部３３を選択的にシェアモード変形させる。圧力室３１とダミー室３２の間に形成された側壁部３３を駆動信号に応じて変形することで、圧力室３１の容積を変化させる。

側壁部３３がシェアモード変形することにより、当該電極層３４が設けられた圧力室３１の容積が増加し、圧力が減少する。これにより、当該圧力室３１にインク室２７のインクが流入する。

圧力室３１の容積が増加した状態で、ＩＣ５２が圧力室３１の電極層３４に逆電位の駆動電圧を印加する。これにより、側壁部３３がシェアモード変形して当該電極層３４が設けられた圧力室３１の容積が減少し、圧力が増加する。これにより、圧力室３１の中のインクが加圧され、ノズル２８から吐出される。

インクジェットヘッド１０の製造方法について説明する。まず、板状の基板２１に複数の溝を形成する圧電部材を接着剤等で貼り付け、ダイシングソーやスライサー等を使用した機械加工を施して所定形状の外形を有するアクチュエータベース１１を成形する。なお、例えば予め複数枚分の厚さのブロック状のベース部材を形成してから分割し、所定形状のアクチュエータベース１１を複数枚製造してもよい。

続いて、圧力室３１やダミー室３２を構成する溝の内面や基板２１の表面に電極層３４やパターン配線２１１を形成する。以上により、アクチュエータベース１１の表面に、電極層３４、及びパターン配線２１１が所定箇所にそれぞれ形成される。続いて、図５に示すように、感光性樹脂によって、突起部２４１及びカバー部２３を同時に形成する。例えば突起部２４１及びカバー部２３は、ダミー室３２及び圧力室３１を構成する溝の両側の出入り口である連通口に感光性樹脂材２４３を充填し、両端の連通口を感光性樹脂によって塞ぐ充填処理Ａｃｔ１と、感光性樹脂を所定形状に成形する成形処理Ａｃｔ２と、を備える。一例として、ダミー室３２及び圧力室３１を構成する溝の両側の連通口に感光性樹脂材２４３を充填した後、絞り口２４２となる開口を形成する部位が未硬化となる露光パターンを有する露光マスクを重ね、露光することで、絞り口２４２となる未硬化対象部位以外の部位を硬化させ、さらに現像液で未硬化部位を洗い流す現像処理によって所定形状の絞り口２４２を開口させる。以上により、感光性樹脂材２４３が所定形状に成形され、絞り部２４０が形成される。すなわち、間に絞り口２４２が形成される一対の突起部２４１と、カバー部２３とを同時に形成する。

また、他の例として、例えば条件によっては露光による感光性樹脂の絞りパターン形成では十分な解像度が得られない場合には機械加工により絞り口２４２を形成して突起部２４１を形成してもよい。例えば図５に示すように、充填処理Ａｃｔ１として、ダミー室３２及び圧力室３１の両端部に感光性樹脂材２４３を塗布して充填し、充填した感光性樹脂材２４３を露光処理及び現像処理により硬化させてダミー室３２及び圧力室３１の連通口を感光性樹脂の壁で塞いだ後に、成形処理Ａｃｔ２として、所望の幅を有するダイサーを用いて機械加工により絞り口２４２を形成する。以上により、所定形状の突起部２４１とカバー部２３が形成される。

さらに、アクチュエータベース１１をマニホールド１８に組み付け、アクチュエータベース１１の基板２１の一方の面に、熱可塑性樹脂の接着シートにより、フレーム１３を貼付ける。

そして、組立てられたフレーム１３、アクチュエータ２２の側壁部３３の頂部２２２、及び突起部２４１のノズルプレート１２に対向する対向面が同一面となるよう研磨する。そして、研磨された側壁部３３の頂部２２２、フレーム１３、突起部２４１の対向面にノズルプレート１２を接着して取り付ける。このとき、圧力室３１にノズル２８が対向するように位置決めを行う。さらに、図１に示すように基板２１の主面に形成されたパターン配線２１１に、フレキシブルプリント基板を介して駆動ＩＣチップ５２や回路基板１７を接続することで、インクジェットヘッド１０が完成する。

以下に、インクジェットヘッド１０を備えるインクジェットプリンタ１００の一例について、図１５を参照して説明する。インクジェットプリンタ１００は、筐体１１１と、媒体供給部１１２と、画像形成部１１３と、媒体排出部１１４と、搬送装置１１５と、制御部１１６と、を備える。

インクジェットプリンタ１００は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る所定の搬送路Ａに沿って、吐出対象物である記録媒体として例えば用紙Ｐを搬送しながらインク等の液体を吐出することで、用紙Ｐに画像形成処理を行う液体吐出装置である。

筐体１１１は、インクジェットプリンタ１００の外郭を構成する。筐体１１１の所定箇所に、用紙Ｐを外部に排出する排出口を備える。

媒体供給部１１２は複数の給紙カセットを備え、各種サイズの用紙Ｐを複数枚積層して保持可能に構成される。

媒体排出部１１４は、排出口から排出される用紙Ｐを保持可能に構成された排紙トレイを備える。

画像形成部１１３は、用紙Ｐを支持する支持部１１７と、支持部１１７の上方に対向配置された複数のヘッドユニット１３０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成を行う所定領域にループ状に備えられる搬送ベルト１１８と、搬送ベルト１１８を裏側から支持する支持プレート１１９と、搬送ベルト１１８の裏側に備えられた複数のベルトローラ１２０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成の際に、搬送ベルト１１８の上面である保持面に用紙Ｐを支持するとともに、ベルトローラ１２０の回転によって所定のタイミングで搬送ベルト１１８を送ることにより、用紙Ｐを下流側へ搬送する。

ヘッドユニット１３０は、複数（４色）のインクジェットヘッド１０と、各インクジェットヘッド１０上にそれぞれ搭載された液体タンクとしてのインクタンク１３２と、インクジェットヘッド１０とインクタンク１３２とを接続する接続流路１３３と、循環部である循環ポンプ１３４と、を備える。ヘッドユニット１３０は、インクタンク１３２と、インクジェットヘッド１０の内部に作りこまれた圧力室３１、ダミー室３２、及びインク室２７において液体を常時循環させる循環型のヘッドユニットである。

本実施形態において、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色のインクジェットヘッド１０と、これらの各色のインクをそれぞれ収容するインクタンク１３２を備える。インクタンク１３２は接続流路１３３によってインクジェットヘッド１０に接続される。接続流路１３３は、インクジェットヘッド１０の供給口に接続される供給流路と、インクジェットヘッド１０の排出口に接続される回収流路と、を備える。

また、インクタンク１３２には、図示しないポンプなどの負圧制御装置が連結される。そして、インクジェットヘッド１０とインクタンク１３２との水頭値に対応して、負圧制御装置はインクタンク１３２内を負圧制御することで、インクジェットヘッド１０の各ノズル２８に供給されたインクを所定形状のメニスカスを形成する。

循環ポンプ１３４は、例えば圧電ポンプで構成される送液ポンプである。循環ポンプ１３４は、供給流路に設けられている。循環ポンプ１３４は、配線により制御部１１６の駆動回路に接続され、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）による制御によって制御可能に構成される。循環ポンプ１３４は、インクジェットヘッド１０とインクタンク１３２を含む循環流路で液体を循環させる。

搬送装置１１５は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る搬送路Ａに沿って、用紙Ｐを搬送する。搬送装置１１５は、搬送路Ａに沿って配置される複数のガイドプレート対１２１と、複数の搬送用ローラ１２２と、を備えている。

複数のガイドプレート対１２１は、それぞれ、搬送される用紙Ｐを挟んで対向配置される一対のプレート部材を備え、用紙Ｐを搬送路Ａに沿って案内する。

搬送用ローラ１２２は、制御部１１６の制御によって駆動されて回転することで、用紙Ｐを搬送路Ａに沿って下流側に送る。なお、搬送路Ａには用紙の搬送状況を検出するセンサが各所に配置される。

制御部１１６は、コントローラであるＣＰＵ等の制御回路と、各種のプログラムなどを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各種の可変データや画像データなどを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部と、を備える。

以上のように構成されたインクジェットプリンタ１００において、制御部１１６は、例えばインターフィースにおいてユーザが操作入力部の操作による印刷指示を検出すると、搬送装置１１５を駆動して用紙Ｐを搬送するとともに、所定のタイミングでヘッドユニット１３０に対して印字信号を出力することで、インクジェットヘッド１０を駆動する。インクジェットヘッド１０は吐出動作として、画像データに応じた画像信号により、ＩＣに駆動信号を送り、配線を介して圧力室３１の電極層３４に駆動電圧を印加してアクチュエータ２２の側壁部３３を選択的に駆動してノズル２８からインクを吐出し、搬送ベルト１１８上に保持された用紙Ｐに画像を形成する。また、液体吐出動作として、制御部１１６は、循環ポンプ１３４を駆動することで、インクタンク１３２とインクジェットヘッド１０とを通る循環流路で液体を循環させる。循環動作により、インクタンク１３２内のインクは、循環ポンプ１３４が駆動されることにより、インクタンク１３２のインクが、マニホールド１８のインク供給部を通って、供給孔２５からインク室２７の第１共通室２７１に供給される。このインクは、一対のアクチュエータ２２の複数の圧力室３１と、複数のダミー室３２とに供給される。インクは、圧力室３１とダミー室３２とを通ってインク室２７の第２共通室２７２に流入する。このインクは、排出孔２６から、マニホールド１８のインク排出部を通ってインクタンク１３２に排出される。

上述した実施形態によれば安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供できる。すなわち、上記実施形態に係るインクジェットヘッド１０は、圧力室３１にカバー部材２４を備えることで、圧力室３１の入り口及び出口が圧力室３１内部や第１共通室２７１、第２共通室２７２よりも流路抵抗が大きい。具体例として、圧力室３１の共通室である第１共通室２７１や第２共通室２７２に開口する開口部が、圧力室３１の流路断面積より小さい。このため、インクジェットヘッド１０において液体吐出を行った際のメニスカスの盛り上がりが小さくなる。したがって、メニスカスの復帰が早くなり次弾への影響が軽減でき、吐出安定性が向上できる。

図６は、絞り（絞り部２４０）を備えるインクジェットヘッド１１０の試験例１と、絞りを備えていないインクジェットヘッド１０１０の試験例２である。図７は、試験例１に係る絞りを有するインクジェットヘッド１１０の周波数特性を示し、図８は、比較例２としての絞りを備えないインクジェットヘッド１０１０の周波数特性を示す。図７及び図８においてそれぞれノズルの吐出速度と、周波数との関係を、１ｄｒｏｐ、３ｄｒｏｐの場合について、それぞれ示している。

試験例１にかかるインクジェットヘッド１１０は、圧力室３１の延出方向である第２方向の両側が共通室に連通するとともに、圧力室３１の延出方向の中途部にノズル２８が開口するサイドシュータ型である。

図８に示されるように試験例２に係るインクジェットヘッド１０１０においては、低周波領域では吐出速度はフラットであるが、周波数が高くなるにつれて吐出速度が減少傾向にあり、低周波領域と高周波領域で吐出速度に差異がある。試験例２に係るインクジェットヘッド１０１０の１ｄｒｏｐにおいては、２５ｋＨｚまでは、吐出速度はフラットであるが、２５ｋＨｚ以上で周波数が高くなるにつれて吐出速度が減少傾向である。また、試験例２に係るインクジェットヘッド１０１０の３ｄｒｏｐにおいては、１５ｋＨｚまでは、吐出速度はフラットであるが、１５ｋＨｚ以上で周波数が高くなるにつれて吐出速度が減少傾向である。したがって、印刷のパターンによって着弾位置にズレが生じる。このように吐出速度に差異が大きいと、メニスカスの盛り上りが収まるのに時間がかかり、印字品質低下を引き起こすため、高速駆動することができない。

一方、図７に示すように、絞り部を有するインクジェットヘッド１１０では、１ｄｒｏｐ及び３ｄｒｏｐ共に吐出速度がフラットな傾向にある。これは、共通液からノズル間の流体抵抗が大きくなり、メニスカスの盛り上がりが小さくなるためである。

また図９は圧力室に絞りを設けた試験例１と絞りを設けない試験例２のメニスカス復帰のシミュレーション結果を示している。図９によれば、ノズルのメニスカス状態は低周波の場合、インク滴を吐出してから次弾が吐出されるまでに十分な時間があり、絞り有無に関わらずメニスカスの復帰を待ってから安定状態で吐出が可能である。一方、高周波の場合、ドット（インク滴）を吐出してから次弾が吐出されるまでの時間が短いために、メニスカスの復帰前に次弾の吐出が始まる。このため、絞りを設けないインクジェットヘッド１０１０の場合には、吐出した後、メニスカスの盛り上がりが大きくなり、次弾の吐出までにメニスカス復帰できず、吐出速度が低下する。それに対して、絞りを設けた場合はメニスカスの盛り上がりが小さくなるため、メニスカスの復帰が早くなり次弾への影響が軽減できる。よってこれらのシミュレーション結果から、圧力室３１と共通室との間に絞りを設けることでインクジェットヘッド１１０吐出安定性向上に繋がると言える。

図１０は試験例１としてのサイドシュータ型のインクジェットヘッド１１０と、インク出入り口が一端でノズルが他端に形成された試験例３としてのシェアモードシェアードウォール式エンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０の、説明図である。

図１１乃至図１４は試験例３としてのエンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０と、サイドシュータ型の試験例１のインクジェットヘッド１１０においてそれぞれ絞りを設けた場合の、シミュレーション特性比較した図である。図１１は駆動波形、図１２はノズル流速振動、図１３は吐出体積、図１４はメニスカスの復帰特性を、それぞれ示す。

また、試験例３にかかるインクジェットヘッド２０１０は、圧力室３１の延出方向である第２方向の一端側が共通室に連通し、他端部が閉じ、流路の端部にノズルが開口するエンドシュータ型とした。すなわち、インクジェットヘッド２０１０は第２方向の一方からノズル２８に向けて流れる流路を構成する。

試験例３としての片側から供給するエンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０と、両側供給のサイドシュータ型の試験例１としてのインクジェットヘッド１１０は、吐出体積、ノズル流速振動、メニスカス復帰特性を揃えた時の駆動電圧は両側供給のサイドシュータ型の構成が最も低いため、両側供給は片側供給に対して、駆動効率の観点から優位性が高いと言える。すなわち、圧力室の中央にノズルがあり、インクの出入り口が両端にある、所謂サイドシュータ型のインクジェットヘッド１１０の方が、エンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０よりも吐出効率が優れている。

なお、一般的に、シェアモードシェアードウォール式のインクジェットヘッドにおいては、例えば圧力室が圧電体にダイヤモンドカッターで形成された微細な溝で構成されるため、圧力室の一部分の断面を小さくすることが困難であるが、上記実施形態によれば、アクチュエータ２２の溝に感光性樹脂を充填し、露光処理によってパターニングすることで、絞り部２４０を形成することで、工程が少なく、安価かつ容易に絞りを形成できる。さらに、露光及び現像により穴形状を比較的自由に選択できるので、絞りの流体抵抗を自由に設計することも容易である。また、上記実施形態において、アクチュエータ２２の側面部２２１が傾斜面を構成することにより、露光方向の制約が少なく、露光及び現像処理が容易となる。また、機械加工を併用することで、より微細なパターニングを高精度で実現できる。

また、上記実施形態にかかるインクジェットヘッド１０においては、圧力室３１の出入口となる連通口において部分的に絞りを形成するため、圧力室３１を全体的に縮幅するよりも圧力室３１の体積を確保しやすい。したがって、圧力室を全体的に縮幅する構成と比べてノズルや液滴の大きさに制約が少なく、吐出性能を維持しやすい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

上記実施形態においては、一例として、圧力室３１の一方側に第１共通室２７１が配され、他方側に第２共通室２７２が配され、流体が圧力室の一方側から流入して他方側から流出する例を示したがこれに限られるものではない。例えば圧力室３１の両側の共通室が供給側であって、両側から流入する構成であってもよい。すなわち、圧力室３１の両側から流体が流入し、圧力室３１の中央に配置されるノズル２８から流出する構成であってもよい。この場合にあっても、圧力室３１の両側の入口部分に絞りを設けることによって、流体抵抗が増加し、吐出効率が改善できる。

また、上記実施形態において、流路抵抗を増加する絞り部２４０は、圧力室３１の両側の側壁部３３の壁面に形成された一対の突起部２４１を有する構成としたが、絞り部２４０の形状はこれに限られるものではない。例えば圧力室３１の底部側の一部、あるいはノズルプレート１２側の一部に形成される突起であってもよいし、圧力室３１の底部側の領域を感光性樹脂によって一部埋める形状であってもよい。例えば絞り口２４２は圧力室の深さ方向となる第３方向に延びるスリット形状としたが、他の方向に延びていてもよく、あるいは円形や長円形を含む他の形状であってもよい。

また、カバー部２３及び突起部２４１は圧力室３１やダミー室３２を形成する溝の内側に形成され溝の一部を埋める形状としたが、これに限られるものではない。例えばアクチュエータの側面において、圧力室３１やダミー室３２を形成する溝の外側に、感光性樹脂を配してダミー室３２を塞ぐカバー部２３や圧力室３１の連通口を一部塞ぐ例えば突起部２４１などの絞り部２４０を、形成してもよい。

上記実施形態においては、基板２１の主面部分に複数の溝を備えるアクチュエータ２２を配した例を示したが、これに限られるものではない。たとえば基板２１の端面に、アクチュエータを備える構成であってもよい。また、ノズル列の数も上記実施形態に限られるものではなく、１列、あるいは３列以上備える構成としてもよい。

また、上記実施形態においては、基板２１に圧電部材１３１からなる積層圧電体を備えたアクチュエータベース１１を例示したが、これに限るものではない。例えば基板を用いずに圧電部材のみでアクチュエータベース１１を形成しても良い。また、２枚の圧電部材を用いずに、１枚の圧電部材としてもよい。またダミー室３２は共通室である第１共通室２７１や第２共通室２７２に連通していてもよい。また供給側と排出側が逆であってもよく、あるいは切り替え可能に構成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、一例として、圧力室３１の一方側が供給側であり、他方側が排出側であり、流体が圧力室の一方側から流入して他方側から流出する循環型のインクジェットヘッドを例示したがこれに限られるものではない。例えば非循環型としてもよい。また、例えば圧力室３１の両側の共通室が供給側であって、両側から流入する構成であってもよい。すなわち、圧力室３１の両側から流体が流入し、圧力室３１の中央に配置されるノズル２８から流出する構成であってもよい。この場合にあっても、圧力室３１の両側の入口となる連通口に絞り部２４０を設けることによって、流体抵抗が増加し、吐出効率が改善できる。

例えば、吐出する液体は印字用のインクに限られるものではなく、例えばプリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体を吐出する装置等であっても良い。

また、上記実施形態において、インクジェットヘッドは、インクジェットプリンタ等の液体吐出装置に用いられる例を示したが、これに限られるものではなく、例えば３Ｄプリンタ、産業用の製造機械、医療用途にも用いることが可能であり、小型軽量化及び低コスト化が可能である。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供できる。

この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…インクジェットヘッド、１１…アクチュエータベース、１２…ノズルプレート、１３…フレーム、１７…回路基板、１８…マニホールド、２１…基板、２２…アクチュエータ、２４…カバー部材（壁部）、２５…供給孔、２６…排出孔、２７…インク室、３１…圧力室、３２…ダミー室、３３…側壁部、３４…電極層、５１…フィルム、５２…駆動ＩＣチップ、８１…インク供給部、８２…インク排出部、１００…インクジェットプリンタ、１１１…筐体、１１２…媒体供給部、１１３…画像形成部、１１４…媒体排出部、１１５…搬送装置、１１６…制御部、１１７…支持部、１１８…搬送ベルト、１１９…支持プレート、１２０…ベルトローラ、１２１…ガイドプレート対、１２２…搬送用ローラ、１３０…ヘッドユニット、１３２…インクタンク、１３３…接続流路、１３４…循環ポンプ、２１１…パターン配線、２２１…側面部、２２２…頂部、２４０…絞り部、２４１…突起部、２４２…絞り口、２４３…感光性樹脂材、２７１…第１共通室、２７２…第２共通室。

Claims (5)

1. 液体を吐出するノズルに連通する複数の圧力室及び複数の前記圧力室の間に配される複数のダミー室を構成する複数の溝と、前記圧力室及び前記ダミー室を構成する前記溝の間に形成される複数の側壁と、を有する、アクチュエータと、
   前記アクチュエータの前記圧力室の両端部にそれぞれ連通する共通室と、
   感光性樹脂で構成され、前記アクチュエータの前記圧力室の前記共通室側の端部に配され前記圧力室の前記共通室に連通する連通口の一部を塞ぐ、絞り部と、
   を備える、サイドシュータ型の、液体吐出ヘッド。
2. 前記圧力室及び前記ダミー室は第１方向に沿って複数配列され、
   第１方向に並んで配列され前記圧力室に連通する複数の前記ノズルを有するノズルプレートと、
   前記アクチュエータが配置されるベースと、を備え、
   前記溝の底部側の面が前記ベースに接合され、
   前記圧力室はそれぞれ前記第１方向と交差する第２方向に延出し、
   前記ノズルが前記圧力室の前記第２方向における中途部に対応する位置に配される、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 液体を吐出するノズルに連通する複数の圧力室、及び複数の前記圧力室の間に配される複数のダミー室を構成する複数の溝と、前記圧力室及び前記ダミー室を構成する前記溝の間に形成される複数の側壁と、を有する、アクチュエータにおいて、前記圧力室の両端に形成される共通室と連通する開口に、感光性樹脂を供給し、露光及び現像により成形し、前記圧力室の一部を覆う絞り部を形成する、サイドシュータ型の、液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記絞り部は、前記感光性樹脂の成膜後に露光及び現像され、あるいは感光性樹脂の成膜後に露光、現像及び機械加工されることにより、前記開口を前記圧力室の内部よりも狭める形状に形成される、請求項３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記アクチュエータの側面部において、前記圧力室及び前記ダミー室に前記感光性樹脂を供給し、露光及び現像により、あるいは露光、現像及び機械加工により、前記開口の一部を塞ぐ絞り部と、感光性樹脂材で構成され前記ダミー室を覆うカバー部と、を形成する、請求項３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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