JP4991191B2 - 液滴噴射ヘッド及び液滴噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴を噴射する液滴噴射ヘッド及びその液滴噴射ヘッドを備える液滴噴射装置に関する。

液滴噴射ヘッドは、塗布対象物に向けて複数のノズルからインク等の液体を液滴としてそれぞれ噴射する液滴噴射部（例えば、インクジェットヘッド）である。この液滴噴射ヘッドを備える液滴噴射装置は、通常、液晶表示装置、有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置、電子放出表示装置、プラズマ表示装置及び電気泳動表示装置等の様々な表示装置を製造するために用いられている。この液滴噴射装置は、液滴噴射ヘッドにより塗布対象物である基板に液滴を着弾させ、所定のパターンのドット列を形成し、例えば、カラーフィルタやブラックマトリクス（カラーフィルタの額縁）等の塗布体を製造する。

このような液滴噴射ヘッドは、複数の圧電素子を保持するベース部材と、そのベース部材上に設けられ各圧電素子により振動する振動プレートと、その振動プレート上に設けられ液体をそれぞれ収容する液室を有する液室プレートと、その液室プレート上に設けられ各液室にそれぞれ連通する複数のノズルを有するノズルプレートとを備えている（例えば、特許文献１参照）。ノズルプレートは、例えばガラス等の材料により形成されており、ベース部材、振動プレート、液室プレート及びノズルプレートは、それらをそれぞれ貫通する複数のネジにより締結されている。この締結力が強いほど、液滴噴射ヘッドの噴射性は安定する。
特開２００５−２７０７４３号公報

しかしながら、ネジ止めによる締結力を強くし過ぎると、ノズルプレートがガラス等の材料により形成されており、加えて、ネジがノズルプレートを直接押圧するため、ノズルプレートに亀裂（クラック）が発生してしまう。このため、ネジ止めによる締結力はノズルプレートが破損しない程度の強さに設定されるので、圧電素子からのエネルギーが効率良くノズルに伝達しなくなる。その結果、噴射性が安定せず、液滴の着弾精度が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、噴射性の安定を実現し、液滴の着弾精度を向上させることができる液滴噴射ヘッド及び液滴噴射装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、液滴噴射ヘッドにおいて、複数の圧電素子を保持するベース部材と、ベース部材上に設けられ、複数の圧電素子により振動する振動プレートと、振動プレート上に設けられ、液体をそれぞれ収容し振動プレートにより容積が変化する複数の液室の壁面を形成する液室プレートと、液室プレート上に設けられ、複数の液室にそれぞれ連通する複数のノズルを有するノズルプレートと、ノズルプレートを覆うように液室プレート上に設けられ、複数のノズルを露出させる開口部を有するホルダプレートと、ホルダプレートとノズルプレートとの間に設けられ、前記開口部側から見て前記複数のノズルを外側から囲うように配置された環状の緩衝部材と、ベース部材、振動プレート、液室プレート及びホルダプレートを締結する複数のネジとを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、液滴噴射装置において、前述の第１の特徴の液滴噴射ヘッドと、液滴噴射ヘッドを保持すると共に、液滴噴射ヘッドにインクを供給する本体とを備えることである。

本発明によれば、噴射性の安定を実現し、液滴の着弾精度を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る液滴噴射ヘッド１Ａは、複数の圧電素子２ａを保持するベース部材２と、ベース部材２上に設けられ、各圧電素子２ａにより振動する振動プレート（ダイヤフラムプレート）３と、その振動プレート３上に設けられ、インク等の液体をそれぞれ収容し振動プレート３により容積が変化する複数の液室４ａの壁面を形成する液室プレート４と、その液室プレート４上に設けられ、各液室４ａにそれぞれ連通する複数のノズル５ａを有するノズルプレート５と、そのノズルプレート５を覆うように液室プレート４上に設けられ、各ノズル５ａを露出させる開口部６ａを有するホルダプレート６と、そのホルダプレート６とノズルプレート５との間に設けられた緩衝部材７と、ベース部材２、振動プレート３、液室プレート４及びホルダプレート６を締結する複数のネジ８とを備えている。

ベース部材２は、例えばステンレス等の金属材料により形成されている。このベース部材２の表面には、各圧電素子２ａがそれぞれ挿入される２つの挿入口２ｂ及び各ネジ８がそれぞれ挿入される複数のネジ穴Ｎ１が形成されている。各挿入口２ｂは、例えば長方形状にそれぞれ形成されており、ベース部材２の表面の略中央に並べて設けられている。また、各ネジ穴Ｎ１は、ベース部材２の表面の周縁部にそれぞれ設けられている。これらのネジ穴Ｎ１の内部には、例えば雌ネジのネジ溝が形成されている。なお、ネジ穴Ｎ１は、例えば１０個設けられている。

各圧電素子２ａは、２列に並べてそれぞれ配置されており、例えば３つの支持部材２ｃにより支持されている。これらの圧電素子２ａは、各先端が振動プレート３に接触するように各挿入口２ｂに挿入され、３つの支持部材２ｃと共にベース部材２の内部に設けられている。なお、各圧電素子２ａの先端部は、振動プレート３に接着固定されている。このような圧電素子２ａには、電圧印加用の配線が接続されており、各圧電素子２ａに電圧が印加されると、各圧電素子２ａの伸縮により振動プレート３が振動する。

振動プレート３は、例えば弾性材料により形成されている。この振動プレート３には、各ネジ８がそれぞれ挿入される複数のネジ穴Ｎ２が形成されている。これらのネジ穴Ｎ２は、振動プレート３の表面の周縁部にそれぞれ設けられており、振動プレート３を貫通する貫通孔である。なお、ネジ穴Ｎ２は、例えば１０個設けられており、ネジ穴Ｎ１と同一直線上に位置付けて形成されている。振動プレート３は、各圧電素子２ａの伸縮により変形し、液室プレート４の各液室４ａの容積をそれぞれ増減させる。これにより、各液室４ａ内の液体が各ノズル５ａから液滴として噴射される。

液室プレート４は、例えば金属やセラミック等の材料により形成されている。この液室プレート４には、液体をそれぞれ収容する各液室４ａ、それらの液室４ａにそれぞれ連通する２つの液体供給溝４ｂ及び各ネジ８がそれぞれ挿入される複数のネジ穴Ｎ３が形成されている。各液室４ａは、液体供給溝４ｂから供給される液体を収容する収容部であり、液室プレート４の略中央に２列に並べてそれぞれ設けられている。これらの液室４ａの底面は、振動プレート３により形成されている。各液体供給溝４ｂは、各液室４ａを挟持するように略平行に設けられている。これらの液体供給溝４ｂには、外部の液体タンク等からチューブ等の供給径路（図示せず）を介して液体が供給される。各ネジ穴Ｎ３は、液室プレート４の表面の周縁部にそれぞれ設けられており、液室プレート４を貫通する貫通孔である。なお、ネジ穴Ｎ３は、例えば１０個設けられており、ネジ穴Ｎ１と同一直線上に位置付けて形成されている。

ノズルプレート５は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術等の半導体の微細加工技術を用いて、例えばガラス等の材料により形成されている。このノズルプレート５は、ホルダプレート６の開口部６ａから突出するように形成されている。すなわち、ノズルプレート５には、ホルダプレート６の開口部６ａに挿入される凸部５ｂが設けられている。これにより、図２に示すように、ノズルプレート５の露出面Ｒ１（オリフィスプレート５ｃの露出面）はホルダプレート６の表面Ｒ２よりも、例えば数十μｍ程度突出している。この凸部５ｂの表面（図２中の上面）上には、各ノズル５ａが一列に並べて形成されたオリフィスプレート５ｃが設けられている。このオリフィスプレート５ｃは、例えばＳｉ等の材料により形成されている。また、ノズルプレート５には、各ノズル５ａと各液室４ａとをそれぞれ連通する複数の液体流路５ｄが設けられている。これらの液体流路５ｄは、各液室４ａに対向する位置に位置付けて形成されている。

ホルダプレート６は、ノズルプレート５よりも圧縮強度が高くなる材料、例えば金属等の材料により形成されている。このホルダプレート６には、各ノズル５ａが露出するように形成された開口部６ａ及び各ネジ８がそれぞれ挿入される複数のネジ穴Ｎ４が形成されている。開口部６ａは、ホルダプレート６の略中央に設けられており、各ノズル５ａを露出させる形状、例えば長方形状に形成されている。この開口部６ａからノズルプレート５の各ノズル５ａが露出している。また、各ネジ穴Ｎ４は、ホルダプレート６の表面の周縁部にそれぞれ設けられており、ホルダプレート６を貫通する貫通孔である。これらのネジ穴Ｎ４は、例えば座グリ加工により形成されている。なお、ネジ穴Ｎ４は、例えば１０個設けられており、ネジ穴Ｎ１と同一直線上に位置付けて形成されている。

緩衝部材７は、例えば環状に形成されており、ノズルプレート５の凸部５ｂの周囲に設けられている。この緩衝部材７は、ノズルプレート５とホルダプレート６との当接を防止し、それらの衝撃をやわらげている。この緩衝部材７としては、例えば弾性部材等を用いる。弾性部材の材料としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：四フッ化エチレン樹脂）やシリコーン、カルレッル等を用いる。

各ネジ８は、例えば棒状に形成されており、各ネジ穴Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４にそれぞれ挿入されている。これらのネジ８は、ベース部材２に対して振動プレート３、液室プレート４及びホルダプレート６を固定する。このとき、ノズルプレート５も、ホルダプレート６及び液室プレート４により挟持されて固定されている。各ネジ８には、例えば雄ネジのネジ溝が形成されている。このような各ネジ８により、ベース部材２、振動プレート３、液室プレート４及びホルダプレート６が締結されている。

次に、このような液滴噴射ヘッド１Ａの噴射動作について説明する。

電圧が各圧電素子２ａにそれぞれ印加されると（印加電圧オン）、各圧電素子２ａが縮み、振動プレート３を変形させて、対応する液室４ａの容積を増大させる。このとき、容積が増大した液室４ａには、液体供給溝４ｂから液体が補充される。その後、電圧が各圧電素子２ａに印加されなくなると（印加電圧オフ）、振動プレート３が元の形状に復帰し、対応する液室４ａの容積も元に戻る。このとき、液室４ａ内の液体が圧迫され、その液体がノズル５ａから液滴として噴射される。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、ノズルプレート５を覆うようにホルダプレート６を設け、さらに、ノズルプレート５とホルダプレート６との間に緩衝部材７を設けることによって、各ネジ８がホルダプレート６に当接するようになり、各ネジ８がノズルプレート５を直接押圧することがなくなり、加えて、ノズルプレート５とホルダプレート６とが当接することも防止されるので、ノズルプレート５の破損を防止しながら各ネジ８による締結力を向上させることが可能になり、十分な締結力を得ることができる。その結果として、噴射性の安定を実現し、液滴の着弾精度を向上させることができる。加えて、十分な締結力が得られるので、振動プレート３、液室プレート４及びノズルプレート５の各間から液体が漏れ出すことを確実に防止することができる。さらに、ノズルプレート５がホルダプレート６により覆われるので、液滴噴射ヘッド１Ａの機械的な強度を向上させることができ、その結果として、液滴噴射ヘッド１Ａの破損を防止することができる。

加えて、ノズルプレート５は、ホルダプレート６と組み合わされた状態において、ノズル５ａが形成されている領域がホルダプレート６の開口部６ａから突出するように形成されていることから、ノズルプレート５の露出面Ｒ１（オリフィスプレート５ｃの露出面）がホルダプレート６の表面Ｒ２よりも突出するようになる。これにより、各ノズル５ａ及びその周辺を清掃するヘッドクリーニング動作等を行う場合には、各ノズル５ａ及びその周辺を清掃しやすく、それらを確実に清掃することが可能になるので、液滴の噴射不良の発生を防止することができる。

また、ホルダプレート６は、ノズルプレート５よりも圧縮強度が高くなる材料により形成されていることから、ホルダプレート６の機械的な強度がノズルプレート５よりも向上するので、ホルダプレート６とノズルプレート５とが同じ材料により形成されている場合に比べ、ホルダプレート６の破損を防止しながら、各ネジ８による締結力をより向上させることができ、さらに、ノズルプレート５をより強い衝撃から保護することができる。

なお、このような液滴噴射ヘッド１Ａと、この液滴噴射ヘッド１Ａを保持すると共に液滴噴射ヘッド１Ａにインクを供給する本体とを用いて液滴噴射装置を構成することによって、噴射性の安定を実現し、液滴の着弾精度を向上させることができる。さらに、機械的な強度が高い液滴噴射ヘッド１Ａが用いられるので、液滴噴射装置の耐久性を上げることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態で説明した部分と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する（他の実施の形態も同様である）。

図３に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る液滴噴射ヘッド１Ｂでは、ノズルプレート５の凸部５ｂがオリフィスプレート５ｃにより形成されており、ノズルプレート５が直方体形状に形成されている。オリフィスプレート５ｃは、ノズルプレート５の露出面Ｒ１（オリフィスプレート５ｃの露出面）がホルダプレート６の表面Ｒ２より例えば数十μｍ程度突出するように形成されている。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。特に、ノズルプレート５を直方体形状に形成すればよく、ノズルプレート５の加工が容易になるので、液滴噴射ヘッド１Ｂを製造する際の製造上の歩留まりの低下を抑えることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。本発明の第３の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。

図４に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る液滴噴射ヘッド１Ｃでは、ノズルプレート５の凸部５ｂが形成されておらず、ノズルプレート５が直方体形状に形成されており、そのノズルプレート５の表面上にその全面に亘ってオリフィスプレート５ｃが設けられている。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。特に、ノズルプレート５を直方体形状に形成すればよく、ノズルプレート５の加工が容易になるので、液滴噴射ヘッド１Ｃを製造する際の製造上の歩留まりの低下を抑えることができる。ただし、ノズルプレート５の露出面Ｒ１（オリフィスプレート５ｃの露出面）がホルダプレート６の表面Ｒ２よりも突出していないため、第１の実施の形態に比べ、清掃のしやすさは低下する。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態について図５を参照して説明する。本発明の第４の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分について説明する。

図５に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る液滴噴射ヘッド１Ｄでは、オリフィスプレート５ｃが設けられておらず、各ノズル５ａがノズルプレート５の凸部５ｂに一列に並べて形成されている。なお、ノズルプレート５は、その露出面Ｒ１がホルダプレート６の表面Ｒ２より例えば数十μｍ程度突出するように形成されている。

以上説明したように、本発明の第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。特に、ノズルプレート５上にオリフィスプレート５ｃを設ける必要がなくなり、製造工程数を削減することが可能になるので、液滴噴射ヘッド１Ｄを製造する際の製造上の歩留まりの低下を抑えることができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の実施の形態においては、ネジ８によりベース部材２と液室プレート４との間に振動プレート３を固定しているが、これに限るものではなく、例えば、ネジ８に加え、接着剤によりベース部材２と液室プレート４との間に振動プレート３を接着固定するようにしてもよい。

また、前述の実施の形態においては、緩衝部材７を環状に形成し、ノズルプレート５上に１つの緩衝部材７を設けているが、これに限るものではなく、例えば、緩衝部材７を長方体形状や円板形状に形成し、ノズルプレート５上に複数の緩衝部材７を設けるようにしてもよい。

最後に、前述の実施の形態においては、ネジ穴Ｎ４の内部に雌ネジのネジ溝を形成していないが、これに限るものではなく、例えば、ネジ穴Ｎ４の内部に雌ネジのネジ溝を形成するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る液滴噴射ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 図１に示す液滴噴射ヘッドの概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る液滴噴射ヘッドの概略構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る液滴噴射ヘッドの概略構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る液滴噴射ヘッドの概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…液滴噴射ヘッド、２ａ…圧電素子、２…ベース部材、３…振動プレート、４ａ…液室、４…液室プレート、５ａ…ノズル、５…ノズルプレート、６ａ…開口部、６…ホルダプレート、７…緩衝部材、８…ネジ

Claims (4)

1. 複数の圧電素子を保持するベース部材と、
   前記ベース部材上に設けられ、前記複数の圧電素子により振動する振動プレートと、
   前記振動プレート上に設けられ、液体をそれぞれ収容し前記振動プレートにより容積が変化する複数の液室の壁面を形成する液室プレートと、
   前記液室プレート上に設けられ、前記複数の液室にそれぞれ連通する複数のノズルを有するノズルプレートと、
   前記ノズルプレートを覆うように前記液室プレート上に設けられ、前記複数のノズルを露出させる開口部を有するホルダプレートと、
   前記ホルダプレートと前記ノズルプレートとの間に設けられ、前記開口部側から見て前記複数のノズルを外側から囲うように配置された環状の緩衝部材と、
   前記ベース部材、前記振動プレート、前記液室プレート及び前記ホルダプレートを締結する複数のネジと、
   を備えることを特徴とする液滴噴射ヘッド。
2. 前記ノズルプレートは、前記ホルダプレートと組み合わされた状態において、前記ノズルが形成されている領域が前記開口部から突出するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の液滴噴射ヘッド。
3. 前記ホルダプレートは、前記ノズルプレートよりも圧縮強度が高くなる材料により形成されていることを特徴とする請求項１記載の液滴噴射ヘッド。
4. 請求項１ないし３のいずれか一に記載の液滴噴射ヘッドと、
   前記液滴噴射ヘッドを保持すると共に、前記液滴噴射ヘッドにインクを供給する本体と、
   を備えることを特徴とする液滴噴射装置。

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