JP4453720B2 - 液体噴射ヘッドユニット及び液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴を噴射するヘッド本体を具備する液体噴射ヘッドユニットに関し、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ユニットに関する。

例えば、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ヘッドユニットとしては、インクが充填されたインクカートリッジ等から供給されるインクをノズル開口から吐出する複数のインクジェット式記録ヘッドと、このインクジェット式記録ヘッドのインク吐出面とは反対側に接合されるヘッドケースと、記録ヘッド本体及びヘッドケースを複数個保持するカートリッジケースとを有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

そして、最近は、インクジェット式記録ヘッドユニットの小型化を目的として、インク供給手段に挿入されるインク供給針と、ヘッド本体の接合部材側に設けられたインク導入口とを接続する収束流路部の長さがそれぞれ異なるものが提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。

特開２００１−１６２８１１号公報（第２図） 特開２００２−５２７１５号公報（第３図） 特開２００３−１１３８３号公報（請求項１）

しかしながら、上述したようなインクジェット式記録ヘッドユニットでは各収束流路の長さがそれぞれ異なることから、インクが収束流路を通って流れる際にインクとその収束流路の壁面との間で熱のやり取りが行われ、インクの温度がその収束流路の長さに応じて変化することになる。その結果、各ノズル開口から吐出されるインクの粘度にバラツキが生じ、各ノズル開口から吐出されるインクの吐出特性が異なってしまうという問題があった。そして、このような問題は、産業用液体噴射ヘッドユニットのような大型液体噴射ヘッドユニットにおいて高粘度（例えば４０℃における粘度が１０Ｐａ・ｓｅｃ以上）の液体を用いた場合に特に顕著になる。

本発明はこのような事情に鑑み、液体が貯留された貯留手段とその液体が吐出するノズル開口とを繋ぐ各液体流路の長さがそれぞれ異なっていても、各ノズル開口から吐出される液滴の温度を均一化することによって、各ノズル開口から吐出する液滴の吐出特性を均一化することができる液体噴射ヘッドユニットを提供することを目的とする。

本発明の態様は、複数のノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室内の液体に圧力発生手段によって圧力を付与して前記ノズル開口から液滴を噴射する複数のヘッド本体と、前記ヘッド本体毎に形成され、前記圧力発生室を含み前記複数のノズル開口と前記圧力発生室に供給する液体を貯留する前記貯留手段とをそれぞれ繋ぐ複数の液体流路と、前記各液体流路の近傍にそれぞれ設けられ、その液体流路を流れる液体を加熱する複数の加熱手段と、前記加熱手段をそれぞれ制御する制御部と、前記各液体流路を流れる各液体の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記制御部は、前記各温度検出手段に検出された液体の温度、及び前記各貯留手段から各ヘッド本体までの各液体流路の長さに基づいて前記加熱手段をそれぞれ制御することを特徴とする液体噴射ヘッドユニットにある。かかる態様では、各液体流路毎にその流路を流れる液体の温度を制御して各ノズル開口から吐出される液滴の温度を均一化することができる。また、各液体流路毎にその流路を流れる液体の温度を検出することができるので、得られた各液体の温度、及び前記各貯留手段から前記各ヘッド本体までの各液体流路の長さに応じて各加熱手段を制御することができる。この結果、各ノズル開口から吐出される液滴の温度をより正確に均一化することができる。

ここで、液体を複数の圧力発生室に供給するリザーバが設けられたリザーバ基板と、該リザーバ基板に積層されて、前記リザーバに対向する領域に空間を有するコンプライアンス基板と、を含み、前記加熱手段は、前記空間に設けられていることが好ましい。
また、前記加熱手段は、前記ヘッド本体に設けられていることが好ましい。これによれば、ノズル開口に近い領域で液体流路を流れる液体を加熱することができるので、各ノズル開口から吐出される液滴の温度を正確かつ容易に均一化することができる。

また、前記リザーバ基板と前記コンプライアンス基板とは、金属からなることが好ましい。すなわち、前記ヘッド本体は、積層された複数の金属層を有し、前記加熱手段は、前記金属層のいずれかに接触した状態で設けられていることが好ましい。これによれば、いずれかの金属板の間に加熱手段を設けることができるので、加熱手段を備えたヘッド本体を容易に作製することができる。また、それらの金属層により構成されているヘッド本体の部分は熱伝導率が高いので、それらの金属層により形成された液体流路の部分を流れる液体を加熱手段により直ちに加熱することができる。

また、前記ヘッド本体は、前記ノズル開口が形成されたノズル形成部材を有し、前記加熱手段と前記ノズル形成部材との間に断熱層が設けられていることが好ましい。これによれば、ノズル形成部材が加熱されるのを防止しつつ液体流路を流れる液体を加熱することができる。この結果、ノズル形成部材のノズル開口付近で液体が固化することを防止することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置を示す概略斜視図である。図１に示すように、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置Ｉは、液体噴射ヘッドユニットの一例であるインクジェット式記録ヘッドユニット１が設けられている。このインクジェット式記録ヘッドユニット１は、貯留手段であるインクカートリッジ１００が着脱可能に設けられている。このインクカートリッジ１００が搭載されたインクジェット式記録ヘッドユニット１は、固定部材であるキャリッジ３に搭載されている。

インクジェット式記録ヘッドユニット１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。なお、インクジェット式記録ヘッドユニット１は、例えば、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。

そして、駆動モータ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、インクジェット式記録ヘッドユニット１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上を搬送されるようになっている。

ここで、本実施形態の液体噴射ヘッドユニットの一例であるインクジェット式記録ヘッドユニット１について詳細に説明する。なお、図２は図１に示すＸ方向にインクジェット式記録ヘッドユニット及びインクカートリッジを切断した際の概略断面図である。

同図に示すように、インクジェット式記録ヘッドユニット１は、金属製のフレーム２００を備えており、フレーム２００の上面には、インクカートリッジ１００が取り付け可能なカートリッジホルダ部２１０が形成されている。

インクカートリッジ１００は、内部が複数のインク室に区画形成された中空箱状部材からなっており、各インク室内には単一種類のインクがそれぞれ貯留されている。本実施形態におけるインクカートリッジ１００は、ブラックインク（ＢＫ）、シアンインク（Ｃ）、マゼンダインク（Ｍ）及びイエローインク（Ｙ）をそれぞれ貯留する４つのインク室１１０ａ〜１１０ｄを備えている。各インク室１１０ａ〜１１０ｄの底部には、対応するインク供給針２１１ａ〜２１１ｄが挿入される針接続部１１１ａ〜１１１ｄがそれぞれ設けられている。この針接続部１１１ａ〜１１１ｄは、各インク室１１０ａ〜１１０ｄのインク出口として機能する。

一方、フレーム２００の下部にはベース板部２２０が形成されている。ベース板部２２０には、各インク供給針２１１ａ〜２１１ｄにそれぞれ連通する収束流路２３０ａ〜２３０ｄが形成されている。そして、ベース板部２２０の下面には、各収束流路２３０ａ〜２３０ｄにそれぞれ接続される複数のヘッド本体１０が下側から取り付けられており、インクカートリッジ１００に貯留された各インクを各ヘッド本体１０にそれぞれ供給することができるようになっている。すなわち、各ヘッド本体１０と各インク室１１０ａ〜１１０ｄとは、それぞれ対応するインク供給針２１１ａ〜２１１ｄ及び収束流路２３０ａ〜２３０ｄからなるインク供給路によってそれぞれ連通されており、インクカートリッジ１００に貯留された各インクを各ヘッド本体１０に供給することができるようになっている。

そして、詳細は後述するが、各ヘッド本体１０を構成する加熱層に接続される制御部５０が設けられている。この制御部５０は、各インク室１１０ａ〜１１０ｄ内にそれぞれ設けられた温度検出手段である温度センサ５１に接続されている。

次に、ヘッド本体１０について説明する。図３はヘッド本体の分解斜視図であり、図４はヘッド本体の断面図である。図示するように、本実施形態のヘッド本体１０は、アクチュエータユニット２０と、このアクチュエータユニット２０が固定される流路ユニット３０とで構成されている。

アクチュエータユニット２０は、圧電素子４０を具備するアクチュエータ装置であり、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、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）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た列が２列形成されている。そして、この流路形成基板２２の一方面に、例えば、ジルコニア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と後述するリザーバ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、例えば、本実施形態では、圧力発生室２１の列が２列設けられているため、圧電素子４０の列も２列設けられている。

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と、各圧力発生室２１毎に独立して設けられた圧電体層と、各圧電体層上に設けられた上電極膜とで構成されている。圧電体層は、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ている。また、下電極膜は、並設された圧電体層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、下電極膜を各圧電体層毎に設けるようにしてもよい。

なお、アクチュエータユニット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、アクチュエータユニット２０の圧力発生室底板２４に接着剤を介して接合されるインク供給口形成基板３１と、複数の圧力発生室２１の共通インク室となるリザーバ３２が形成されるリザーバ形成基板３３と、リザーバ形成基板３３に接合されるコンプライアンス基板３００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。

インク供給口形成基板３１は、ジルコニアの薄板からなり、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と共にリザーバ３２と圧力発生室２１とを接続するインク供給口３７を穿設して構成され、また、各リザーバ３２と連通し、上述したインク供給路と接続するインク導入口３８が設けられている。

リザーバ形成基板３３は、インク流路を構成するに適した、例えば、ステンレス鋼などの耐食性を備えた板材に、インクカートリッジ１００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リザーバ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。

コンプライアンス基板３００は、ステンレス鋼などの金属からなる上側コンプライアンス基板３１０及び下側コンプライアンス基板３２０により構成され、幅方向中央部に圧力発生室２１とノズル開口３４とを連通するノズル連通孔３６０を有する。このコンプライアンス基板３００は、リザーバ形成基板３３の流路形成基板２２の反対面に接合されてリザーバ３２の他方面を封止している。

また、上側コンプライアンス基板３１０と下側コンプライアンス基板３２０との間のリザーバ３２に対向する領域には、空間３１１がそれぞれ形成されている。この空間３１１内には、ニクロム、銅などからなる加熱層３３０が設けられている。そして、加熱層３３０の長手方向端部には、制御部５０と電気的に接続された引出し線（図示しない）が接続されており、制御部５０によって加熱層３３０の発熱量を制御することができるようになっている。具体的には、各加熱層３３０は、上述した各温度センサ５１により検出される各インク室１１０ａ〜１１０ｄ内の各インクの温度に応じて、各ノズル開口３４から吐出されるインクの温度が均一になるようにそれぞれ制御される。すなわち、各加熱層３３０は、各インクの温度に応じて個別に制御される。本実施形態では、例えば、インク室内のインクの温度と、各インク室１１０ａ〜１１０ｄから各ヘッド本体１０、具体的にはヘッド本体１０を構成する各ノズル列までの流路長さ、そして、その温度及び長さにおいてノズル開口３４から吐出されるインクの温度を均一化するために必要となる加熱層３３０の発熱量との関係を各インク毎に予め求めておき、その関係に基づいて各加熱層３３０の発熱量を制御することによって、各ノズル開口３４から吐出されるインクの温度を均一化することができる。ここで、発熱量を制御する１つの要因として、各インク室１１０ａ〜１１０ｄから各ヘッド本体１０、具体的にはヘッド本体１０を構成する各ノズル列までの流路長さを考慮したのは、各インク室１１０ａ〜１１０ｄから各ヘッド本体１０までの流路長さが各インク流路毎で異なり、その違いによって粘度の硬化の程度が異なるためである。

ここで、本実施形態では、コンプライアンス基板３００は積層された複数の金属板により構成されており、それらの金属板間に加熱層３３０を形成することができるので、加熱層３３０を備えたヘッド本体１０を容易に作製することができる。また、コンプライアンス基板３００は金属板により構成されており、熱伝導率が高いので、リザーバ３２内のインクを直ちに加熱することができる。

ノズルプレート３５は、例えば、ステンレス鋼からなる薄板に、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。例えば、本実施形態では、流路ユニット３０には、圧力発生室２１の列が２列設けられているため、ノズルプレート３５にも、ノズル開口３４の列が２列形成されている。また、ノズルプレート３５のリザーバ形成基板３３とは反対側であるインク吐出面側には、撥水膜６０が設けられている。

このような流路ユニット３０は、これらインク供給口形成基板３１、リザーバ形成基板３３、コンプライアンス基板３００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。そして、このような流路ユニット３０とアクチュエータユニット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。

これらのアクチュエータユニット２０及び流路ユニット３０からなるヘッド本体１０には、インク流路として、インク導入口３８、リザーバ３２、インク供給口３７、供給連通孔２５、圧力発生室２１、ノズル連通孔２６、３６、３９及びノズル開口３４が設けられている。したがって、本実施形態では、このインク流路と、上述したインク供給路とにより、ノズル開口３４とインクカートリッジ１００とを繋ぐ液体流路が形成されている。

以上説明したように、インクジェット式記録ヘッドユニット１を構成することにより、各リザーバ３２内のインクの温度を制御して各ノズル開口３４から吐出されるインクの温度を均一化することができる。その結果、各ノズル開口３４から吐出されるインクの吐出特性を均一化することができる。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドユニットでは、インクカートリッジ１００からインクを取り込み、リザーバ３２からノズル開口３４に至るまで内部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に対応するそれぞれの下電極膜と上電極膜との間に電圧を印加し、圧電体層及び振動板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からインク滴が吐出する。

（他の実施形態）
以上、本発明の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、上述した実施形態では、各ヘッド本体１０内のリザーバ３２の近傍に加熱手段である加熱層３３０を設けたが、液体流路を流れるインクを加熱することができるのであれば、加熱手段は特に限定されず、加熱手段が設けられる位置も特に限定されない。例えば、フレーム２００内の各インク供給路の近傍に加熱層をそれぞれ設け、それらの加熱層の発熱量を制御して各ノズル開口３４から吐出されるインクの温度を均一化するようにしてもよい。

また、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドユニットにおいて、加熱手段とノズルプレート３５との間に断熱層を設けてもよい。例えば図５に示すように、コンプライアンス基板３００とノズルプレート３５との間に断熱層４００を設けてもよい。

ここで、ノズルプレート３５が加熱層３３０により加熱されると、ノズルプレート３５の熱によってインクが乾燥して、ノズル開口付近で固化してしまうという問題が生ずる可能性がある。しかしながら、このように断熱層４００を設けることにより、加熱層３３０からの発熱によってノズルプレート３５が加熱されるのを防止することができるので、このような問題が生じることはない。

また、上述した実施形態では、加熱層３３０に接触するコンプライアンス基板３００を金属で形成するようにしたが、ヘッド本体１０自体を金属で形成するようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、各インク室１１０ａ〜１１０ｂ内に温度センサをそれぞれ設けたが、各液体流路内を流れるインクの温度を測定することができるのであれば温度センサが設けられる位置は特に限定されない。例えば温度センサをヘッド本体１０やフレーム２００に設けてもよいが、ノズル開口３４により近い位置に設けるのが好ましい。温度センサをノズル開口３４により近い位置に設けることにより、ノズル開口３４から吐出されるインクの温度により近いインクの温度を検出することができる。その結果、各ノズル開口３４から吐出されるインクの温度をより正確に均一化させることができる。

また、例えば、上述した実施形態では、各層がグリーンシート貼付又は印刷により形成された、いわゆる厚膜型の圧電素子を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットを例示して説明したが、これに限定されず、本発明は、各層が成膜及びリソグラフィ法により形成された、いわゆる薄膜型の圧電素子を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットにも適用することができる。

さらに、上述した実施形態では、フレーム２００内に形成された収束流路２３０ａ〜２３０ｄを用いてインクカートリッジ１００内のインクを各ヘッド本体１０に供給するようにしたインクジェット式記録ヘッドユニットを例示して説明したが、これに限定されず、本発明は、チューブを用いてインクカートリッジ１００内のインクを各ヘッド本体１０に供給するようにしたインクジェット式記録ヘッドユニットにも適用することができる。

また、上述した実施形態では、圧電素子を駆動させる駆動回路とは別に制御部５０を設けたが、駆動回路に加熱層を制御する機能を具備させてもよい。

なお、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドユニットの一例としてインクジェット式記録ヘッドユニットを説明したが、液体噴射ヘッドユニット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ユニット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ユニットとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッドユニット、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ユニット、有機ＥＬディスプレー及びＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッドユニット、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドユニット等を挙げることができる。

実施形態１に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。 実施形態１に係るヘッドユニット及びインクカートリッジの概略断面図である。 実施形態１に係るヘッド本体の分解斜視図である。 実施形態１に係るヘッド本体の概略断面図である。 他の実施形態に係るヘッド本体の概略断面図である。

符号の説明

１ インクジェット式記録ヘッドユニット、 １０，１０Ａ ヘッド本体、 ２０ アクチュエータユニット、 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、 ２６ ノズル連通孔、 ３０，３０Ａ 流路ユニット、 ３１ インク供給口形成基板、 ３２ リザーバ、 ３３ リザーバ形成基板、 ３４ ノズル開口、３５ ノズルプレート、 ３６，３９，３６０ ノズル連通孔、 ３７ インク供給口、 ３８ インク導入口、 ４０ 圧電素子、 ５０ 制御部、 ６０ 撥水膜、 １００ インクカートリッジ、 １１０ａ〜１１０ｄ インク室、 １１１ａ〜１１１ｄ 針接続部、 ２００ フレーム、 ２１０ カートリッジホルダ部、 ２１１ａ〜２１１ｄ インク供給針、 ２２０ ベース板部、 ２３０ａ〜２３０ｄ 収束流路、 ３００ コンプライアンス基板、 ３１０ 上側コンプライアンス基板、 ３１１ 空間、 ３２０ 下側コンプライアンス基板、 ３３０ 加熱層、 ４００ 断熱層

Claims (6)

1. 複数のノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室内の液体に圧力発生手段によって圧力を付与して前記ノズル開口から液滴を噴射する複数のヘッド本体と、
   前記ヘッド本体毎に形成され、前記圧力発生室を含み前記複数のノズル開口と前記圧力発生室に供給する液体を貯留する貯留手段とをそれぞれ繋ぐ複数の液体流路と、
   複数の圧力発生室に液体を供給するリザーバが設けられたリザーバ基板と、
   金属からなり、前記リザーバ基板に積層されて前記リザーバに対向する領域に空間を有するコンプライアンス基板と、
   前記コンプライアンス基板の前記空間に設けられて、前記液体を加熱する複数の加熱手段と、
   前記加熱手段をそれぞれ制御する制御部と、
   前記各液体流路を流れる各液体の温度を検出する温度検出手段と、を備えた液体噴射ヘッドユニットであって、
   前記コンプライアンス基板と前記ノズルプレートとの間に断熱層を有し、
   前記制御部は、各液体毎に予め求められた前記液体流路内の液体の温度および前記液体流路の長さに対して噴射される液体の温度を均一化するために必要となる前記加熱手段の発熱量の関係と、前記温度検出手段により検出された温度と、に基づいて各前記加熱手段の発熱量を制御することを特徴とする液体噴射ヘッドユニット。
2. 前記金属はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドユニット。
3. 前記リザーバ形成基板は、金属からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドユニット。
4. 前記加熱手段は、制御部と電気的に接続されたニクロム又は銅からなる加熱層を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドユニット。
5. 前記コンプライアンス基板は、積層された複数の金属板により構成され、前記金属板間に前記加熱手段が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドユニット。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドユニットを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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