JP4661354B2 - 液体移送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体に圧力を付与して移送する液体移送装置に関する。
インクをノズルへ移送して、このノズルから記録用紙等の被噴射体に対して吐出するインクジェットヘッドとしては、種々の構成のものが提案され、あるいは、実用化されている。その中でも、特許文献1に記載のインクジェットヘッドは、ノズルに連通する圧力室が複数形成された流路ユニット(キャビティプレート)と、圧力室の容積を変化させることにより圧力室内のインクにノズルから吐出させるための圧力を付与する圧電アクチュエータとを備えている。
このインクジェットヘッドの圧電アクチュエータは、圧力室を覆うように配設された、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる複数枚の圧電シートと、これら複数枚の圧電シートの間に交互に配置された、個別電極(駆動電極)及び共通電極(コモン電極)とを有する。個別電極と共通電極は、圧電シートの面に直交する方向から見て、圧力室の内側の領域においてその縁部に沿うように環状に形成されている。
そして、この圧電アクチュエータは、圧力室の容積を一旦増加させて圧力室内にインクを引き込んだ後、圧力室の容積を減少させることによりインクに大きな圧力を付与する、いわゆる、引き打ちを容易に行うことができるように構成されている。即ち、共通電極がグランド電位に保持された状態で、個別電極に駆動電圧が印加されると、個別電極と共通電極との間に挟まれた、圧力室の縁部に重なる圧電シートの環状部分がその面に平行な方向に縮む。その結果、複数枚の圧電シートが圧力室と反対側に凸となるように変形し、圧力室内の容積が増加して、圧力室内に負の圧力波が発生する。さらに、この圧力波が圧力室内で正に転じるタイミングで、個別電極への駆動電圧の印加が停止されると、複数枚の圧電シートが元の形状に戻って圧力室内の容積が減少するが、このとき、前述の圧力室の容積増大に伴う圧力波と、圧電シートの復元に伴い生じる圧力波とが合成されて、インクに大きな圧力が付与される。そのため、この圧電アクチュエータは、比較的低い駆動電圧でインクに効率よく圧力を付与することができる。また、インクを吐出するタイミングにおいてのみ個別電極に駆動電圧が印加されて圧電層に電界が作用するため、インクの吐出タイミング以外では圧電層に電界が付与されず、圧電層に分極劣化が生じにくくなることから、アクチュエータの耐久性も高くなる。
特開2004−166463号公報
しかし、前述の特許文献1に記載されているような圧電アクチュエータにおいて、圧力室と重なる領域(特に、圧力室の中央部と重なり、個別電極が形成されていない領域)における剛性が高いと、圧電シート全体が変形しにくくなり、変形量が小さくなる。その場合には、圧力室内のインクに所定の圧力を付与するために個別電極により高い駆動電圧を印加することになり、圧電アクチュエータの消費電力が大きくなってしまう。従って、圧電アクチュエータの駆動効率をより向上させるためには、駆動電圧を高くすることなく、その変形量を大きくすることが可能な構成が求められる。
本発明の目的は、駆動効率に優れる圧電アクチュエータを備えた液体移送装置を提供することである。
課題を解決するための手段及び発明の効果
第1の発明の液体移送装置は、それぞれが液体流入口及び液体流出口を有し、且つ、平面に沿って配置され、その平面に平行な一表面に開口した複数の圧力室を含む流路ユニットと、この流路ユニットの前記一表面に配置され、前記圧力室の容積を変化させてその内部の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備え、前記流路ユニットは、前記圧力室と連通する共通液室と、前記一表面まで延びており、且つ前記圧力室と前記共通液室とを隔てる隔壁部とを有し、前記圧電アクチュエータは、前記圧力室を覆う振動板と、この振動板の前記圧力室と反対側に配置された圧電層と、この圧電層の一方の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中央部以外の領域である縁部と夫々重なる領域に配置された複数の個別電極、及び、前記圧電層の他方の面に配置された共通電極を有し、前記振動板の前記圧力室側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記隔壁部と重なるとともに、前記圧力室の中央部と重なる領域から前記圧力室と重なる領域よりも外側の領域まで、凹部が形成されており、前記凹部の前記隔壁部と重なる部分と、前記隔壁部の前記一表面との間に、前記共通液室と各圧力室との間において流路面積が部分的に狭くなる絞り流路が形成されていることを特徴とするものである。
この液体移送装置において、圧電アクチュエータの個別電極は、圧力室の縁部と重なる領域に配置されている。そのため、個別電極に駆動電圧が印加されると、個別電極と共通電極との間に挟まれた、圧力室の縁部に沿う圧電層の部分がその面に平行な方向に縮む。すると、振動板が圧力室の中心部と重なる部分を頂点として圧力室と反対側に凸となるように変形し、その結果、圧力室の容積が増加して、圧力室内に負の圧力波が発生する。さらに、この圧力波が圧力室内で正に転じるタイミングで、個別電極への駆動電圧の印加が停止されると、振動板が元の形状に戻って圧力室内の容積が減少するが、前述の圧力室の容積増大に伴う圧力波と、振動板の復元に伴い生じる圧力波とが合成され、圧力室内の液体に大きな圧力が付与される。従って、比較的低い駆動電圧で液体に高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータの駆動効率が高くなる。また、液体を移送するタイミングにおいてのみ個別電極が駆動電圧を印加されて圧電層に電界が作用するため、圧電層に分極劣化が生じにくく、耐久性に優れる。
また、共通液室と各圧力室との間に設けられる絞り流路は、各圧力室で発生した圧力波を共通液室へ伝播しにくくなるように流路を絞るためのものであるが、この絞り流路の流路面積は、圧力室内における圧力波の伝播、ひいては、液体の移送量等に大きな影響を及ぼすため、絞り流路は精度よく形成される必要がある。ここで、絞り流路は、凹部の一部と流路ユニットの一表面との間に形成されることから、振動板に凹部を形成することにより、絞り流路をも同時形成することができることになる。従って、精度よく形成する必要のある絞り流路を、凹部とは別にハーフエッチング等により形成する場合に比べて製造工程を簡略化でき、歩留まりも低下する。
さらに、振動板の圧力室側の面の、圧力室の中央部と重なる領域(個別電極が形成されていない従動領域)に凹部が形成されてその厚さが部分的に薄くなっており、この凹部が形成された部分の振動板の剛性が他の部分よりも低下している。従って、個別電極に駆動電圧が印加されて圧電層が変形したときに、振動板が変形しやすくなるため、その振動板の変形量を大きくすることができ、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。
尚、この第1の発明は、振動板と共通電極とが別部材で構成されている態様だけでなく、振動板が導電性を有し、この振動板の圧力室と反対側の面が共通電極を兼ねている態様をも含む。
第2の発明の液体移送装置は、前記第1の発明において、前記複数の圧力室は、それぞれ所定の一方向に長い形状に形成されており、各圧力室の長手方向の両端部に前記液体流入口及び前記液体流出口が設けられ、前記凹部の前記長手方向端部が、前記平面に直交する方向から見て、前記液体流入口と前記液体流出口の少なくとも何れか一方と部分的に重なっていることを特徴とするものである。この構成では、圧力室内において、液体流入口から凹部を経て液体流出口に至るよどみのない液体の流れが生じるため、圧力室内に気泡が混入したときでも、その気泡が凹部の端部に滞留しにくくなる。
第3の発明の液体移送装置は、前記第2の発明において、前記凹部は、前記液体流入口と前記液体流出口の少なくとも一方に対して、前記長手方向と直交する方向の一方側に偏った状態で重なっていることを特徴とするものである。この構成によれば、液体流入口から凹部に液体が流れ込む際、あるいは、凹部から液体流出口へ液体が流れ出す際に、渦流が発生しやすくなるため、液体流入口付近または液体流出口付近に気泡が滞留しにくくなる。
第4の発明の液体移送装置は、前記第1〜第3の何れかの発明において、前記凹部は、前記圧力室側ほど広がるテーパー状の断面形状を有することを特徴とするものである。この構成では、凹部の隅部の角度が90度より大きくなるため、この隅部に気泡が滞留しにくくなる。
の発明の液体移送装置は、前記第1〜第4の何れかの発明において、前記隔壁部の前記圧力室の一側面を画定する面が、前記振動板から離れるほど前記圧力室側に傾斜していることを特徴とするものである。この構成では、隔壁部と圧力室の底面とで形成される隅部において液体がよどみにくくなるため、この隅部に気泡が滞留しにくくなる。
の発明の液体移送装置は、前記第1〜第の何れかの発明において、前記個別電極は、前記圧力室の縁部に沿って環状に形成されていることを特徴とするものである。この構成では、個別電極が形成された圧力室の縁部に沿う環状の領域において全周にわたって圧電層が変形するため、この圧電層の変形に伴う振動板の変形が大きくなり、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。
本発明の参考実施形態について説明する。本実施形態は、液体移送装置として、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに本発明の参考例を適用したものである。
まず、インクジェットヘッド1を備えたインクジェットプリンタ100について簡単に説明する。図1に示すように、インクジェットプリンタ100は、図1の左右方向に移動可能なキャリッジ101と、このキャリッジ101に設けられて記録用紙Pに対してインクを吐出するシリアル式のインクジェットヘッド1と、記録用紙Pを図1の前方へ搬送する搬送ローラ102等を備えている。インクジェットヘッド1は、キャリッジ101と一体的に左右方向(走査方向)へ移動して、その下面のインク吐出面に形成されたノズル20(図2〜図5参照)の出射口から記録用紙Pに対してインクを吐出する。そして、インクジェットヘッド1により記録された記録用紙Pは、搬送ローラ102により前方(紙送り方向)へ排出される。
次に、インクジェットヘッド1について説明する。図2〜図5に示すように、インクジェットヘッド1は、内部にインク流路が形成された流路ユニット2と、この流路ユニット2の上面に配置された圧電アクチュエータ3とを有する。
まず、流路ユニット2について説明する。流路ユニット2はキャビティプレート10、ベースプレート11、マニホールドプレート12、及びノズルプレート13を備えており、これら4枚のプレート10〜13が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート10、ベースプレート11及びマニホールドプレート12は略矩形のステンレス鋼製の板である。そのため、これら3枚のプレート10〜12に、後述するマニホールド17や圧力室14等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート13は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート12の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート13も、3枚のプレート10〜12と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。
図2〜図5に示すように、キャビティプレート10には、平面に沿って配列された複数の圧力室14が形成されており、これら複数の圧力室14は、後述の振動板30側(図4、図5の上方)へ開口している。また、複数の圧力室14は、紙送り方向(図2の上下方向)に2列に配列されている。各圧力室14は、平面視で走査方向(図2の左右方向)に長い、略楕円形状に形成されている。図3、図4に示すように、圧力室14は、ともに円形の平面形状を有するインク流入口14a(液体流入口)とインク流出口14b(液体流出口)とを有し、これらインク流入口14a及びインク流出口14bは圧力室14の長手方向両端部に夫々配置されている。
図3、図4に示すように、ベースプレート11の、平面視で圧力室14の両端部(インク流入口14a及びインク流出口14b)と重なる位置には、夫々連通孔15,16が形成されている。また、マニホールドプレート12には、紙送り方向(図2の上下方向)に延びるマニホールド17が形成されている。図2〜図4に示すように、マニホールド17は、平面視で、左側に配列された圧力室14の左半分、及び、右側に配列された圧力室14の右半分と夫々重なるように配置されている。そして、このマニホールド17は、後述の振動板30に形成されたインク供給口18が接続されており、インクタンク(図示省略)からインク供給口18を介してインクが供給される。また、マニホールドプレート12の、平面視で複数の圧力室14のマニホールド17と反対側の端部と重なる位置には、夫々、複数の連通孔16に連なる複数の連通孔19も形成されている。さらに、ノズルプレート13の、平面視で複数の連通孔19に夫々重なる位置には、複数のノズル20が夫々形成されている。これらのノズル20は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより形成される。
そして、図4に示すように、マニホールド17は連通孔15を介して圧力室14のインク流入口14aに連通し、さらに、圧力室14のインク流出口14bは、連通孔16,19を介してノズル20に連通している。このように、流路ユニット2内には、マニホールド17から圧力室14を経てノズル20に至る個別インク流路21が形成されている。
次に、圧電アクチュエータ3について説明する。
図2〜図5に示すように、圧電アクチュエータ3は、流路ユニット2の上面に配置された導電性を有する振動板30と、この振動板30の上面(圧力室14と反対側の面)に形成された圧電層31と、この圧電層31の上面において、複数の圧力室14に夫々対応して形成された複数の個別電極32とを備えている。
振動板30は、金属材料(例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、あるいは、チタン合金等)からなる、平面視で略矩形状の板であり、この振動板30は、複数の圧力室14を覆うようにキャビティプレート10に接合されている。また、この振動板30は、圧電層31の下面側に配置されて個別電極32と振動板30との間の圧電層31に電界を作用させる共通電極を兼ねており、振動板30は常にグランド電位に保持された状態となっている。
ここで、図3〜図5に示すように、振動板30の下面(圧力室14側の面)の、平面視で圧力室14の中央部と重なる領域には、圧力室14よりも一回り小さい楕円形の凹部40が形成されている。そして、この凹部40が形成された領域においては、振動板30の厚さが他の部分よりも薄くなっており、振動板30の剛性が部分的に低下している。この凹部40は、ハーフエッチングやプレス加工等の種々の加工方法を用いて形成することができる。この凹部40については、その作用及び効果と合わせて、後ほどさらに詳しく説明する。
圧電層31は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなり、振動板30の上面において、複数の圧力室14を全面的に覆うように形成されている。この圧電層31は、例えば、圧電材料の粒子を基材の一表面に噴射して堆積させるエアロゾルデポジション法(AD法)により形成することができる。また、スパッタ法、CVD(化学蒸着)法、ゾル・ゲル法、水熱合成法等の、他の既知の方法で圧電層31を形成することもできる。あるいは、PZTのグリーンシートを焼成することにより生成された圧電シートを所定の大きさに切断し、この切断された圧電シートを振動板30に貼り付けることにより圧電層31を形成してもよい。
個別電極32はその中央部に穴32aを有し、平面視で(複数の圧力室14が配置された平面と直交する方向から見て)、圧力室14の中央部以外の領域である縁部と重なる領域において、この縁部に沿った環状に形成されている。尚、個別電極32は、導電性材料(例えば、金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタン等)で形成されている。さらに、図2〜図4に示すように、複数の個別電極32の一端部からは、夫々複数の端子部35が走査方向(図2の左右方向)に延びている。そして、これら複数の端子部35には、フレキシブルプリント配線板(Flexible Printed Circuit:FPC)等の可撓性を有する配線部材(図示省略)を介して、ドライバIC37が接続されており、このドライバIC37から複数の端子部35を介して複数の個別電極32に対して選択的に駆動電圧が印加される。尚、個別電極32及び端子部35は、スクリーン印刷、スパッタ法、あるいは、蒸着法等により形成することができる。
次に、インク吐出時における圧電アクチュエータ3の作用について説明する。
複数の個別電極32に対してドライバIC37から選択的に駆動電圧が印加されると、駆動電圧が印加された圧電層31上側の個別電極32とグランド電位に保持されている圧電層31下側の共通電極としての振動板30の電位が異なる状態となり、個別電極32と振動板30の間に挟まれた、圧電層31の圧力室14の縁部に沿う環状部分にその厚み方向の電界が生じる。このとき、圧電層31の分極方向と電界の方向とが同じ場合には、圧電層31がその分極方向である厚み方向に伸びて、分極方向と直交する方向である、圧電層31の面と平行な方向に収縮する。
ここで、前述したように、個別電極32は、圧電層31の圧力室14の縁部と重なる環状の領域に形成されているため、図6に示すように、圧電アクチュエータ3の、圧力室14の縁部に沿う環状の領域が、圧電層31が自発的に変形する駆動領域A1(活性領域)となり、圧力室14の中央部と重なる領域が、駆動領域A1の圧電層31の変形に伴って変形する従動領域A2(非活性領域)となる。また、圧力室14の外側の、振動板30がキャビティプレート10に接合された領域は、振動板30の変形が拘束された被拘束領域A3となる。そして、図6における両側に位置する駆動領域A1の圧電層31は面と平行な方向に収縮する一方で、この駆動領域A1における振動板30は面と平行な方向に収縮しないことから、駆動領域A1の間に挟まれた従動領域A2の圧電層31及び振動板30が変形し、振動板30は従動領域A2の中央を頂点として圧力室14と反対側に凸となるように変形する(フニモルフ変形)。すると、圧力室14内の容積が増大して、圧力室14内に負の圧力波が発生する。
従来から知られているように、この圧力室14の容積増大に伴う圧力波が圧力室14の長手方向に片道伝播する時間が経過したときに、圧力室14内の圧力は正に転じる。そこで、ドライバIC37は、この圧力室14内の圧力が正に転じるタイミングで、このドライバIC37による個別電極32への駆動電圧の印加を停止する。すると、個別電極32の電位がグランド電位になり、振動板30が元の形状に戻って圧力室14内の容積が減少するが、このとき、前述の圧力室14の容積増大に伴う圧力波と、振動板30の復元に伴い生じる圧力波とが合成されるため、圧力室14内のインクに大きな圧力が付与されて、インクがノズル20から吐出される。従って、低い駆動電圧でインクに高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータ3の駆動効率が高くなる。また、インクを吐出するタイミングにおいてのみ個別電極32に駆動電圧を印加して圧電層31に電界を作用させるため、圧電層31に分極劣化が生じにくく、耐久性に優れる。
尚、個別電極32は、圧力室14の縁部に沿って環状に形成されており、個別電極32が形成された圧力室14の縁部に沿う環状領域の全周にわたって圧電層31が変形する。そのため、圧力室14の縁部の一部にのみ個別電極32が形成されている場合に比べて、圧電層31の変形に伴う振動板30の変形量は大きくなる。
ここで、当然のことであるが、振動板30の変形量が大きいほど、低い駆動電圧でインクに高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータ3の駆動効率は高くなる。そして、振動板30の変形量を大きくするには、個別電極32が形成されていない従動領域A2における振動板30の剛性をできるだけ低くすることが効果的である。そこで、この参考実施形態のインクジェットヘッド1においては、図2〜図6に示すように、振動板30の下面(圧力室14側の面)の、圧力室14の中央部と重なる領域(個別電極32の穴32aに対向する領域)に、圧力室14よりも一回り小さい楕円形状の凹部40が形成されている。つまり、圧力室14の中央部と重なる従動領域A2において、振動板30の厚さが他の部分に比べて薄くなっている。ここで、板材の曲げ剛性は板厚の3乗に比例するため、凹部40が形成された部分の振動板30の剛性は、凹部40が形成されていない他の部分に比べてかなり小さくなる。従って、個別電極32に駆動電圧が印加されて圧電層31の駆動領域A1の部分が変形したときに、振動板30の従動領域A2の部分がより変形しやすくなるため、より低い駆動電圧でインクに高い圧力を付与することができ、圧電アクチュエータ3の駆動効率が向上する。また、駆動電圧を低くすることにより、個別電極32に駆動電圧を供給するドライバIC37やFPC等の電装系統のコストを低減することも可能になる。さらに、凹部40が形成された部分の振動板30の剛性が、凹部40が形成されていない部分の剛性よりも小さくなることによって、これらの剛性が同じである場合に比べて、凹部40が形成された部分の変形が、凹部40が形成されずにキャビティプレート10に接合された部分に伝わりにくくなる。したがって、振動板30の変形が隣接する圧力室14に対応する部分まで伝わることを抑制し、クロストークを低減させることができる。
また、この凹部40は、振動板30の下面(圧力室14側の面)に形成されているため、振動板30の上面は凹凸のない平面状になっている。そのため、振動板30の上面に、AD法等を用いて圧電層31を形成したときに、この圧電層31の上面に凹凸が生じにくくなる。つまり、凹凸の少ない圧電層31の上面に個別電極32を形成するため、個別電極32の形成が容易になるという効果も得られる。
また、図3、図4に示すように、振動板30に形成された楕円形の凹部40の長手方向両端部は、平面視で、円形のインク流入口14a及びインク流出口14bの略中央部と重なる領域まで夫々延びて、これらと部分的に重なっている。従って、圧力室14内に、その長手方向に沿ってインク流入口14aから凹部40を経てインク流出口14bに至る、よどみのないインクの流れが生じるため、インクカートリッジを交換したときなどにインクに混入した気泡が圧力室14内に侵入しても、凹部40の両端の隅部に気泡が滞留しにくい。凹部40の長手方向両端部の隅部は、凹部40内でインクの速度が最も低下する位置であるため、一旦これらの位置に到達した気泡は、その位置から移動しにくくなって停留するのであるが、本実施の形態においては、インクの流れに含まれる気泡がこれらの位置に到達しにくくなっている。すなわち、インク流入口14aにはマニホールド17から圧力室14に向かうインクの流れが生じ、インク流出口14bには圧力室14からノズル20に向かうインクの流れが生じるのであるが、これらのインクの流れは、圧力室14内におけるインクの流れよりも急速であることから、インク流入口14a及びインク流出口14bの内部に位置する気泡は、これらの急速な流れに引きずられることによって、凹部40の長手方向両端部の隅部に到達することなく流出されるのである。なお、凹部40の長手方向両端部は、インク流入口14a及びインク流出口14bの圧力室14の中心部の端部からこれらの略中心までの範囲内に位置するのが望ましい。また、図4、図5に示すように、凹部40は、圧力室14側(下側)ほど広がるテーパー状の断面形状を有する。つまり、凹部40の隅部の角度が90度より大きくなっているため、気泡が凹部40の隅部に滞留しにくい。尚、凹部40のテーパー角度は、例えば、エッチング速度等の加工条件を調整することにより、所望の角度にすることができる。
このように、凹部40の両端部や隅部に気泡が滞留しにくくなっているため、圧電アクチュエータ3により圧力室14内のインクに付与される圧力の一部が気泡により吸収されて、ノズル20から吐出されるインクの液滴速度や液滴体積が小さくなるなどの悪影響が生じるのが極力防止される。
次に、前記参考実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記参考実施形態とほぼ同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
1]図7に示すように、凹部40Aの両端部における幅がその中央部における幅に比べて狭くなっており、幅が部分的に狭くなったこれら両端部が、平面視でインク流入口14a及びインク流出口14bとそれぞれ重なっていてもよい(変更形態1)。図3に示した形態では、個別電極32が形成された駆動領域A1の一部分に凹部40が重なるように形成されていたが、本変更形態によれば、図3に示した形態と比べて、個別電極32が形成された駆動領域A1内における、振動板30の凹部40Aが形成された領域が占める割合を少なくすることができる。圧電アクチュエータ3に採用されるユニモルフ変形は、その変形効率が、駆動領域A1内における圧電層31と振動板30との剛性の比に依存するものであるため、変形効率を最適化するように振動板30の厚みを決定した場合には、凹部40の駆動領域A1に対する重なりが変形効率を劣化させるように作用していたが、本変更形態においては、凹部40Aの駆動領域A1に重なる部分を小さくすることができるので、良好な変形効率を維持することができる。
2]さらに、図8に示すように、凹部40Bの、幅が部分的に狭くなった両端部が、インク流入口14a及びインク流出口14bに対して、それぞれ圧力室14の長手方向と直交する方向の一方側(図8における上方又は下方)に偏った状態で、これらインク流入口14a及びインク流出口14bと部分的に重なるように配置されていてもよい(変更形態2)。インク流入口14aとインク流出口14bは、圧力室14の両端部に配置されており、さらに、これらインク流入口14a及びインク流出口14bにおいてはインクの流れ方向がほぼ直角的に変化している(図4参照)ことから、局所的にインクの流速が遅くなるよどみ点が生じやすく、圧力室14内に侵入した気泡はインク流入口14aやインク流出口14b付近に滞留しやすい。しかし、この変更形態2の構成によれば、インク流入口14aからインクが凹部40Bへ流れる際、あるいは、凹部40Bからインク流出口14bへインクが流れる際に、渦流が発生しやすくなるため、前述の変更形態1(図7参照)に比べて、インク流入口14a付近やインク流出口14b付近の流速が高まり、気泡が滞留しにくくなる。
3]図9に示すように、凹部40Cが、個別電極32が形成されていない圧力室14の中央部と重なる領域から、個別電極32が形成されている領域まで延びるように形成されていてもよい(変更形態3)。
4]図10、図11に示すように、振動板30Dに形成された凹部40Dが、圧力室14の縁まで延びて、前記参考実施形態の凹部40(図4、図5参照)よりも傾斜(テーパー角度)の緩いテーパー状に形成されていてもよい(変更形態4)。この構成では、凹部40Dの隅部の角度が大きくなり、さらに気泡が滞留しにくくなる。
5]前記参考実施形態の圧電アクチュエータ3のように、振動板30が共通電極を兼ねている必要は必ずしもなく、図12に示すように、共通電極34が振動板30とは別に設けられていてもよい(変更形態5)。但し、振動板30が金属板である場合には、振動板30と共通電極34との間が、セラミックス材料や合成樹脂材料等からなる絶縁材料層により絶縁されている必要がある。一方、振動板30が絶縁材料からなる場合には、この振動板30の上面に直接共通電極34が形成される。
6]凹部が、インク流入口14aとインク流出口14bの両方と重なっている必要は必ずしもなく、何れか一方と重なっている場合でも良好な気泡排出効果が得られる。
7]圧力室の形状は、楕円形状(長円形状)に限られるものではない。例えば、圧力室が菱形や矩形のような一方向に長い形状である場合には、前記参考実施形態と同様に適用できる。さらに、圧力室が一方向に長い形状である必要も特になく、例えば、圧力室が円形や正方形等である場合にも適用することは可能である。
次に、本発明の実施形態について説明する。この実施形態は、インクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。
図13〜図15に示すように、実施形態のインクジェットヘッド51は、複数の圧力室64を含むインク流路が形成された流路ユニット52と、この流路ユニット52の上面に配置された圧電アクチュエータ53とを備えている。
図15に示すように、流路ユニット52は、キャビティプレート60、マニホールドプレート61、及び、ノズルプレート62の3枚のプレートを備えており、これら3枚のプレートは積層状態で接合されている。キャビティプレート60及びマニホールドプレート61は、ステンレス鋼などの金属材料からなるプレートである。また、ノズルプレート62は、ポリイミドなどの合成樹脂材料からなるプレートであってもよいし、あるいは、キャビティプレート60やマニホールドプレート61と同じく、金属材料からなるプレートであってもよい。
キャビティプレート60には、平面に沿って配列された複数の圧力室64が形成されている。各圧力室64は、走査方向(図13の左右方向)に長い略楕円形の平面形状を有する。また、このキャビティプレート60及びその下のマニホールドプレート61の、複数の圧力室64の長手方向一端部(図13、図14では右端部)に近接する位置には、紙送り方向(図13の上下方向)に延びるマニホールド67(共通液室)が形成されている。複数の圧力室64とマニホールド67は、圧力室64の一側面(図13,図14の右側面)を画定する隔壁部66により仕切られた状態で、隣接して配置されている。また、図15に示すように、圧力室64の一端(図15における右端)の縁と後述の振動板80との間にはインク流入口64aが形成され、圧力室64の他端部(図15における左端部)にはインク流出口64bが設けられている。さらに、隔壁部66と振動板80との間には圧力室64とマニホールド67とを連通させる絞り流路68が形成されている。尚、隔壁部66の、圧力室64の図15における右側面を画定する面66aは、振動板80から離れるにつれて圧力室64の内側に傾斜するように形成されている。つまり、この面66aは、圧力室64の底面64c(振動板80と反対側の面)に対して90度を超える角度(例えば、120度)をなす傾斜面となっている。従って、絞り流路68を介して圧力室64内に流入したインクが、隔壁部66の面66aと圧力室64の底面64cとの間の隅部によどみにくくなり、この隅部に気泡が滞留しにくい。また、マニホールドプレート61の、各圧力室64の図13,図14における左端部(インク流出口64b)と平面視で重なる位置には連通孔69が形成されている。さらに、ノズルプレート62の各連通孔69の中央部と平面視で重なる位置にはノズル70が形成されている。
そして、図15に示すように、マニホールド67が、絞り流路68を介して圧力室64のインク流入口64aに連通しており、さらに、圧力室64のインク流出口64bは、連通孔69を介してノズル70に連通している。
図13及び図15に示すように、圧電アクチュエータ53は、流路ユニット52の上面に配置された振動板80と、この振動板80の上面(圧力室64と反対側の面)に形成された圧電層81と、この圧電層81の上面に複数の圧力室64に夫々対応して環状に形成された複数の個別電極82とを備えている。圧電層81及び個別電極82は、前記第1実施形態の圧電層31及び個別電極32(図3〜図6参照)と略同様の構成を有するものであり、その説明は省略する。
振動板80は、複数の圧力室64を覆うようにキャビティプレート60に接合されている。ここで、振動板80の下面(圧力室64と反対側の面)の、平面視で圧力室64の中央部と重なる領域には、圧力室64の長手方向に延びる凹部90が形成されている。そして、この凹部90が形成された部分において振動板80の剛性が部分的に低下して、振動板80が変形しやすくなっているため、低い駆動電圧で振動板80を大きく変形させることが可能である。
また、凹部90の一端部(図13及び図15における左端部)は、平面視で、圧力室64のインク流出口64bの略中央部まで延びて部分的に重なっている。そのため、凹部90からインク流出口64bへインクがよどみなく流れることになり、圧力室64内に気泡が侵入したときでも、この気泡がインク流出口64b付近に滞留しにくくなる。
さらに、振動板80の下面に形成された凹部90は、圧力室64よりもさらに外側(図13〜図15における右方)に位置するマニホールド67の幅方向(図13の左右方向)略中央部まで延びている。そして、図15に示すように、この凹部90と圧力室64の端部(図15の右端部)との間にインク流入口64aが形成され、さらに、凹部90の圧力室64と重なる領域よりも外側まで延びた部分と隔壁部66の上面との間には絞り流路68が形成されている。この絞り流路68の流路高さは凹部90の深さに等しく、その流路面積は圧力室64とマニホールド67に比べて十分狭くなっている。そして、圧力室64とマニホールド67との間で部分的に流路面積が狭くなった絞り流路68により、振動板80が変形(振動)したときに圧力室64で発生する圧力波がマニホールド67へ伝播しにくくなるようになっている。
ところで、絞り流路68の流路面積は、圧力室64内における圧力波の伝播に影響し、ひいては、ノズル70から吐出されるインクの液滴速度や液滴体積等、インク吐出特性に大きく影響を及ぼすことから、絞り流路68はかなり精度よく形成されている必要がある。しかし、この実施形態のインクジェットヘッド51においては、振動板80の下面に形成された凹部90の一部とキャビティプレート60(流路ユニット52)の隔壁部66の上面との間に絞り流路68が形成されることから、振動板80に凹部90を精度よく形成するだけで、絞り流路68も同時に精度よく形成されることになる。従って、絞り流路68を凹部90とは別にハーフエッチング等により形成する場合に比べてインクジェットヘッド51の製造工程を簡略化でき、歩留まりも向上する。
以上、本発明をインクジェットヘッドに適用した形態について実施形態を例に挙げて説明したが、本発明を適用可能な形態はこの実施形態に限られるものではない。例えば、インク以外の液体を移送する種々の液体移送装置に本発明を適用することも可能である。
本発明の参考実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。 インクジェットヘッドの平面図である。 図2の一部拡大図である。 図3のIV-IV線断面図である。 図3のV-V線断面図である。 アクチュエータ駆動時における振動板の変形状態を示す図である。 変更形態1のインクジェットヘッドの拡大平面図である。 変更形態2のインクジェットヘッドの拡大平面図である。 変更形態3のインクジェットヘッドの拡大平面図である。 変更形態4の図4相当の断面図である。 変更形態4の図5相当の断面図である。 変更形態5の図4相当の断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの拡大平面図である。 流路ユニットの拡大平面図である。 図13のXV-XV線断面図である。
符号の説明
1 インクジェットヘッド
2 流路ユニット
3 圧電アクチュエータ
14 圧力室
14a インク流入口
14b インク流出口
20 ノズル
30,30D 振動板
31 圧電層
32 個別電極
34 共通電極
40,40A,40B,40C,40D 凹部
51 インクジェットヘッド
52 流路ユニット
53 圧電アクチュエータ
64a インク流入口
64b インク流出口
64 圧力室
66 隔壁部
67 マニホールド
68 絞り流路
70 ノズル
80 振動板
81 圧電層
82 個別電極
90 凹部

Claims (6)

  1. それぞれが液体流入口及び液体流出口を有し、且つ、平面に沿って配置され、その平面に平行な一表面に開口した複数の圧力室を含む流路ユニットと、この流路ユニットの前記一表面に配置され、前記圧力室の容積を変化させてその内部の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備え、
    前記流路ユニットは、
    前記圧力室と連通する共通液室と、
    前記一表面まで延びており、且つ前記圧力室と前記共通液室とを隔てる隔壁部とを有し、
    前記圧電アクチュエータは、
    前記圧力室を覆う振動板と、
    この振動板の前記圧力室と反対側に配置された圧電層と、
    この圧電層の一方の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中央部以外の領域である縁部と夫々重なる領域に配置された複数の個別電極、及び、前記圧電層の他方の面に配置された共通電極を有し、
    前記振動板の前記圧力室側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記隔壁部と重なるとともに、前記圧力室の中央部と重なる領域から前記圧力室と重なる領域よりも外側の領域まで、凹部が形成されており、
    前記凹部の前記隔壁部と重なる部分と、前記隔壁部の前記一表面との間に、前記共通液室と各圧力室との間において流路面積が部分的に狭くなる絞り流路が形成されていることを特徴とする液体移送装置。
  2. 前記複数の圧力室は、それぞれ所定の一方向に長い形状に形成されており、
    各圧力室の長手方向の両端部に前記液体流入口及び前記液体流出口が設けられ、
    前記凹部の前記長手方向端部が、前記平面に直交する方向から見て、前記液体流入口と前記液体流出口の少なくとも何れか一方と部分的に重なっていることを特徴とする請求項1に記載の液体移送装置。
  3. 前記凹部は、前記液体流入口と前記液体流出口の少なくとも一方に対して、前記長手方向と直交する方向の一方側に偏った状態で重なっていることを特徴とする請求項2に記載の液体移送装置。
  4. 前記凹部は、前記圧力室側ほど広がるテーパー状の断面形状を有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の液体移送装置。
  5. 前記隔壁部の前記圧力室の一側面を画定する面が、前記振動板から離れるほど前記圧力室側に傾斜していることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の液体移送装置。
  6. 前記個別電極は、前記圧力室の縁部に沿って環状に形成されていることを特徴とする請求項1〜の何れかに記載の液体移送装置。
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