JP4992730B2 - 液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、インクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関し、特に、圧力発生室からノズル開口に液体を供給する圧力発生ユニット、及び、液室から圧力発生室を通って圧力発生ユニットとノズル開口とを連通する液体流路を形成した流路ユニットを有する液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関する。

例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）を代表とする液体噴射ヘッドには、リザーバ（液室）から圧力発生室を経てノズル開口に至る一連の液体流路をノズル開口に対応して複数備え、圧力発生手段の駆動によって圧力発生室内の液体に生じた圧力変動を利用してノズル開口からインクなどの液体を吐出させるように構成されたものがある。

上記の液体噴射ヘッドは複数の構成部品を積層して構成されている。例えば、特許文献１に開示されている記録ヘッドは、圧力発生室とこの圧力発生室の容積を変動させるための圧電振動子を有するアクチュエータユニットと、液体流路を形成する流路ユニットとから成り、アクチュエータユニットと流路ユニットとを重ね合わせた状態で一体化して構成されている。

アクチュエータユニット（圧力発生ユニット）は、圧電振動子と、振動板と、複数の圧力発生室が形成された圧力発生室プレート（スペーサ）とを積層し、焼成等により一体化することで構成されている。一方、上記流路ユニットは、ノズル連通口の一部となる貫通口や供給側連通口が形成された連通口形成プレート、リザーバからのインクを圧力発生室側に供給するための供給口やノズル連通口の一部となる貫通口が形成された供給口形成プレート、リザーバ（液室）およびノズル連通口の一部となる貫通口が形成されたリザーバプレート（液室形成プレート）から成り、これに複数のノズル開口を列設してノズル列が形成されたノズルプレート（ノズル開口形成部材）を積層して一体化することで構成されている。

上記構成の記録ヘッドによってノズル開口からインクを吐出する場合、インクを吐出するのに先だって圧力発生室を予備的に膨張させたときにはリザーバ側から供給口を通じて圧力発生室内にインクが供給され、また、予備膨張の後に圧力発生室を急激に収縮させるとノズル開口からインク滴が吐出されると共に圧力発生室内のインクの一部が供給口を通じてリザーバ側に移動する。

特開平０９−３１４８３６号公報

上記のリザーバに関し、インクの流動抵抗による圧力損失を低減する観点から断面積、具体的には深さをより大きく採ることが望ましい。このためには、リザーバプレートを厚くすることが考えられる。しかしながら、リザーバプレートを厚くすると、このリザーバプレートにノズル連通口の一部となる貫通口をプレス加工で開設する際にパンチの座屈等の虞があったため、リザーバの深さを確保することが困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液室の圧力損失を低減しつつ加工も容易な液体噴射ヘッド、及び、これを備えた液体噴射装置を提供することにある。

本発明の液体噴射ヘッドは、上記目的を達成するために提案されたものであり、圧力発生室からノズル開口に液体を供給する圧力発生ユニット、及び、液室から前記圧力発生室を通って前記圧力発生ユニットとノズル開口とを連通する液体流路を形成した流路ユニットを有する液体噴射ヘッドであって、
前記流路ユニットは、液室が開設された液室形成プレートと、
当該液室形成プレートの一方の面に接合された液室内の液体を圧力発生室側に供給する供給口が開設された供給口形成プレートと、
を有し、
前記供給口形成プレートは、前記圧力発生室側に開口した第１の凹部と、前記液室側に開口した第２の凹部を有し、
前記第１の凹部及び前記第２の凹部は、前記液室に対応する領域に形成され、前記第１の凹部よりも前記第２の凹部の方が幅広に形成されたことを特徴とする。

この構成によれば、供給口形成プレートは、液室形成プレート側の面における液室に対応する領域に液室側に開口した第２の凹部を有するので、液室形成プレートを従来よりも厚くすることなく第２の凹部により液室の深さをより大きく確保することができる。これにより、液室を流れる液体の流動抵抗を低減し、圧力損失を抑制することが可能となる。また、第２の凹部は、液室に対応する領域に第１の凹部よりも幅広に形成されたので、第１の凹部の底部全面を、液室内の圧力変動を吸収するコンプライアンス部として機能させることができる。
なお、この場合の「幅広」とは、少なくとも圧力発生室の長手方向に対して広くなっている状態をいう。

上記構成において、前記第２の凹部の領域が前記液室の領域を含む構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、第２の凹部の領域が液室の領域を含める広さであれば、液室全体にわたって圧力変動を吸収することができ、また、気泡等の停滞場所を抑制することができるので液室内からの供給口へのインクの供給も良好である。

また、上記構成において、前記供給口を、前記第２の凹部の領域内に開設する構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、供給口形成プレートの板厚を厚くして液室の深さをより大きく確保した構成においても、板厚の薄い第２の凹部の領域内、即ち、第２の凹部の底部に供給口を形成するので、プレス加工時のポンチの座屈等を防止することができ、加工が容易である。

また、上記構成において、前記供給口について、前記液室側の口径が前記圧力発生室側の口径よりも広い構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、供給口の液室側の口径を圧力発生室側の口径よりも広くすることで、供給口を通過する際にも液体の圧力振動を減衰させることができる。

そして、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明は、本発明における液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録装置（本発明の液体噴射装置の一種）に搭載されるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという。）を例に挙げて行う。

図１は、記録ヘッド１を圧力発生ユニット側から見た斜視図、図２は、供給口形成プレートの平面図である。また、図３は記録ヘッド１の要部断面図である。

記録ヘッド１は、圧力発生ユニット（又はアクチュエータユニット）９と、流路ユニット１０と、ノズルプレート２６とから構成されており、これらを重ね合わせた状態で一体化してある。圧力発生ユニット９は、圧電振動子１６（圧力発生手段の一種）と、必要に応じて振動板１７と、圧力発生室１１を区画するための圧力発生室プレート１２とを積層し、焼成等により一体化することで構成されている。

また、流路ユニット１０は、供給口２０や第２連通口２１を形成した供給口形成プレート２２と、リザーバ２３や第１連通口２４を形成したリザーバプレート２５（本発明における液室形成プレートに相当）とを積層することで構成されている。また、リザーバプレート２５の供給口形成プレート２２とは反対側の面には、ノズル開口８が形成されたノズルプレート２６（ノズル開口形成部材の一種）を設けている。なお、本実施形態において例示したものには限られず、例えば、リザーバプレート２５とノズルプレート２６との間にリザーバ２３を封止するための封止部材を設けたり、或いは、封止部材とノズル開口形成部材とを同一平面上に別個に設ける構成を採用することも可能である。

振動板１７は、弾性を有する板材で構成されている。圧力発生室１１とは反対側となる振動板１７の外側表面には、各圧力発生室１１に対応した状態で複数の圧電振動子１６が配設される。例示した圧電振動子１６は撓み振動モードの振動子であり、駆動電極１６ａと共通電極１６ｂとによって圧電体１６ｃを挟んで構成されている。そして、圧電振動子１６の駆動電極に駆動信号が印加されると、駆動電極と共通電極との間には電位差に応じた電場が発生する。この電場は圧電体に付与され、圧電体が付与された電場の強さに応じて変形する。

圧力発生室プレート１２は、圧力発生室１１を形成するのに適した厚さのセラミックス材の薄板、例えばアルミナやジルコニア等によって構成され、圧力発生室１１を区画するための空部がプレートの厚さ方向に貫通した状態で形成されている。圧力発生室１１は、ノズルプレート２６のノズル開口８のピッチと同じ一定のピッチで列状に開設され、列設方向と直交する左右方向に細長い長孔である。

供給口形成プレート２２は、図２に示すように、ステンレス材等の金属材料によって構成された薄手の板状部材である。この供給口形成プレート２２には、板厚方向を貫通する供給口２０が複数開設されている。また、板厚方向を貫通する第２連通口２１が、リザーバプレート２５の第１連通口２４に対応させて形成されている。供給口２０は、インク流路（液体流路）内のインクに対して流体抵抗（流動抵抗）を付与する部分である。この供給口２０に関し、図３に示すように、リザーバ２３側の口径が圧力発生室１１側の口径よりも広くなっている。この供給口２０はプレス加工によって形成される。

また、供給口形成プレート２２には、肉厚を他の部分よりも十分に薄くしたコンプライアンス部２８が形成されている。このコンプライアンス部２８は、リザーバプレート２５のリザーバ２３に対応する領域内を両面側から板厚方向に窪ませて凹部２９，３０を形成することで作製されている。具体的には、供給口形成プレート２２の圧力発生室１１側の上面におけるリザーバ２３に対応する領域内であって供給口２０から外れた領域をリザーバプレート２５側の下面に向けて板厚方向の途中まで窪ませることで第１の凹部２９を形成している。また、供給口形成プレート２２の下面におけるリザーバ２３に対応する領域を、第１の凹部２９との間に薄肉部２８′が残る程度に上面側に窪ませて第２の凹部３０を形成している。即ち、供給口形成プレート２２は、圧力発生室１１側に開口した第１の凹部２９と、リザーバ２３側に開口した第２の凹部３０を薄肉部２８′で隔てた状態で有している。本実施形態において、これらの凹部２９，３０をエッチングによって形成している。

リザーバプレート２５は、ステンレス材等の金属材料によって構成された板状部材である。このリザーバプレート２５には、リザーバ２３を区画するための空部が板厚方向を貫通した状態で形成されている。この空部と上記の第２の凹部３０とが一連に連通してリザーバ２３が区画形成されるようになっている。このリザーバ２３は、複数の圧力発生室１１に共通な液室として機能する部分であり、インクの種類（色）毎に設けられる。また、リザーバプレート２５には、板厚方向を貫通する第１連通口２４が上記の第２連通口２１に対応させて複数形成されている。

ノズルプレート２６は、ステンレス材等の金属材料によって構成された板状部材である。このノズルプレート２６には、複数のノズル開口８を列設してノズル列（ノズル開口群）が横並びに形成されており、本実施形態では、ノズル列は一定のピッチ（例えば、１８０ｄｐｉ）で開設された１８０個のノズル開口８によって構成されている。
なお、ノズルプレート２６は金属材料以外にも、有機プラスチックフィルム等から構成してもよい。

そして、各プレート部材は、圧力発生ユニット９と供給口形成プレート２２との間、供給口形成プレート２２とリザーバプレート２５との間、およびリザーバプレート２５とノズルプレート２６との間を接合して一体化される。これにより、図３に示すように、リザーバ２３と圧力発生室１１の他端部とが、供給口２０を通じて連通する。また、圧力発生室１１の一端部とノズル開口８とが、リザーバプレート２５の第１連通口２４および供給口形成プレート２２の第２連通口２１からなるノズル連通口を通じて連通する。そして、リザーバ２３から圧力発生室１１を通って圧力発生ユニット９とノズル開口８とを連通する一連のインク流路（液体流路）がノズル開口８毎に形成される。

上記構成の記録ヘッド１では、圧電振動子１６を変形させることで対応する圧力発生室１１が収縮或いは膨張し、圧力発生室１１内のインクに圧力変動が生じる。このインク圧力を制御することで、ノズル開口８からインクを吐出（噴射）させることができる。インクを吐出するのに先だって定常容積の圧力発生室１１を予備的に膨張させるとリザーバ２３側から供給口２０を通じて圧力発生室１１内にインクが供給される。また、予備膨張の後に圧力発生室１１を急激に収縮させるとノズル開口８からインクが吐出されると共に、圧力発生室１１内のインクの一部が供給口２０を通じてリザーバ２３側に移動する。そして、上記コンプライアンス部２８は、圧電振動子１６を変形させることによるリザーバ２３内の圧力変動をその弾性変形によって吸収する。この際、第１の凹部２９と圧力発生室プレート１２とによって区画される空間が、コンプライアンス部２８の変形を許容するための逃げ空部となる。

そして、リザーバ２３側から各圧力発生室１１へのインクの供給をばらつき無くスムーズに行うために、リザーバ２３における流動抵抗による圧力損失を極力抑えることが望ましい。この圧力損失を抑えるためには、リザーバプレート２５を板厚を厚くすることでリザーバ２３の深さをより大きくすることが考えられる。しかしながら、リザーバプレート２５を厚くすると、例えばリザーバプレート２５に第１連通口２４をプレス加工で開設する際にポンチの座屈の虞がある等、加工が困難であった。

したがって、本発明に係る記録ヘッド１では、供給口形成プレート２２に上記の第２の凹部３０を設けることで、リザーバプレート２５を厚くすることなくリザーバ２３の深さＤをより大きく確保している。これにより、リザーバ２３を流れるインクの流動抵抗を低減し、圧力損失を抑制することが可能となる。その結果、リザーバ２３から各圧力発生室１１にインクをむら無くスムーズに供給することができ、以て、各ノズル開口８のインクの噴射特性を揃えることが可能となる。

また、本実施形態においては、図２に示すように、第２の凹部３０の幅Ｗ２（圧力発生室１１の長手方向、或いはノズル列に直交する方向の寸法）を、第１の凹部２９の幅Ｗ１よりも広く設定している。より具体的には、第２の凹部３０の供給口２０側の端部が、第１の凹部２９の供給口２０側の端部よりも供給口２０側に超えて位置するように第２の凹部３０を形成している。これにより、第１の凹部２９の底部全面をコンプライアンス部２８として機能させることができる。加えて、第２の凹部３０の底部における第１の凹部２９よりも外側の領域を、供給口２０を開設するための肉厚の薄く平坦な供給口開設部２２´とすることができる。即ち、本実施形態においては、供給口２０を第２の凹部３０の領域内、つまり第２の凹部３０の底部における供給口開設部２２´に開設している。これにより、供給口形成プレート２２の板厚を厚くしてリザーバ２３の深さＤをより大きく確保した構成においても、板厚の薄い供給口開設部２２´に供給口２０を形成するので、プレス加工時のポンチの座屈等を防止することができ、加工が容易である。

さらに、上述したように、供給口２０のリザーバ２３側の口径を圧力発生室１１側の口径よりも広くしている。そして、この供給口２０をプレス加工によって形成する際には、供給口形成プレート２２の下面側から上面側に向けて上型（パンチ）を打ち込むようにしている。これは、上記の構成とは供給口２０が逆向き、つまり、供給口２０が圧力発生室１１側からリザーバ２３側に縮径する構成では、プレス加工が困難だからである。この場合、供給口形成プレート２２の上面側から下面側に向けてプレス加工することになるが、供給口２０の開設予定部位である供給口開設部２２´の近傍に、第２の凹部３０と供給口形成プレート２２の下面との間の段差があるため、プレス加工機の下型をこの段差形状に倣った形にする必要がある。これに対し、供給口形成プレート２２の下面側（液室側）から上面側（圧力発生室側）に向けて加工する構成では、供給口形成プレート２２の上面において供給口２０の開設予定部位周辺の平坦な部分（第１の凹部２９や第２の凹部３０がによる段差が無い部分）にプレス加工機の下型が当接する形となるので、下型を特殊な形状にすることなく供給口２０を容易に開設することができる。また、供給口２０のリザーバ２３側の口径を圧力発生室１１側の口径よりも広くすることで、この供給口２０をインクが通る時点でもこのインクの圧力振動を減衰させることができる。なお、勿論、供給口２０が圧力発生室１１側からリザーバ２３側に縮径する構成を採用することも可能である。

なお、上記実施形態においては、第１の凹部２９及び第２の凹部３０をエッチングで形成する構成を例示したが、これには限られない。例えば、これらの凹部２９，３０をプレス加工によって形成することも可能である。また、供給口形成プレート２２となる基材に、各凹部２９，３０を区画する区画壁を電鋳法によって形成することで各凹部２９，３０を作製する構成を採用することもできる。これにより、形状精度の高い供給口形成プレート２２を作製することができる。

また、上記実施形態では、圧力発生手段として、所謂撓み振動モードの圧電振動子１６を例示したが、これには限られない。例えば、図４に示す第２実施形態のように、電界方向に直交する方向に変位する所謂縦振動モードの圧電振動子１６´を採用することも可能である。この第２実施形態においては、振動板１７′を、金属製の支持板１７ａに弾性フィルム１７ｂを積層した複合板材によって構成している。そして、エッチング処理によって圧力発生室１１に対応する部分に周囲の支持板１７ａ本体から独立した島部１７ｃを形成し、この島部１ｃに圧電振動子１６′の先端面を接合している。

さらに、図５に示す第３実施形態のように、圧力発生ユニット９と供給口形成プレート２２の間に、供給口２０から圧力発生室側１１にインクを供給し、かつ圧力発生室１１からノズル開口８側へインクを供給するための連通口を有する連通口形成プレート１５を設ける構成を採用することができる。この第３実施形態における連通口形成プレート１５は、第３連通口１３と供給側連通口１４とを開設した板材によって構成されている。第３連通口１３（ノズル開口側連通口）は、圧力発生室１１のノズル開口８側の一端部に連通し、ノズル開口８よりも大きい寸法に設定された貫通孔である。そして、この第３連通口１３は、第２連通口２１及び第１連通口２４と一連となってノズル連通口として機能し、圧力発生室１１側からノズル開口８側へ液体を供給する。また、供給側連通口１４（液室側連通口）は、第３連通口１３とは反対側の圧力発生室１１の他端部に連通し、板厚方向を貫通する孔である。この供給側連通口１４は、供給口形成プレート２２の供給口２０と共にリザーバ２３と圧力発生室１１を連通し、リザーバ２３側から供給口２０を通ってきたインクを圧力発生室１１に供給する。

図５に示すように、この第３実施形態においては、圧力発生室１１の他端側の内壁から一端側に少し離れた位置に供給側連通口１４を設け、第１の凹部２９の圧力発生室１１側の端部を供給口２０及び供給側連通口１４に干渉しない程度にこれらの供給口２０及び供給側連通口１４に可及的に近づけることで、平面視において、第１の凹部２９の領域の一部が、圧力発生室１１の領域の一部と重なるように構成している。なお、ここでいう「平面視」とは、圧力発生ユニット９側から流路ユニット１０側を投影的に見た状態、又は、流路ユニット１０側から圧力発生ユニット９を投影的に見た状態を意味する。即ち、圧力発生室１１を第１の凹部２９に投影した場合、或いは、第１の凹部２９を圧力発生室１１に投影した場合に、両領域の一部が互いにオーバーラップするように第１の凹部２９を形成している。これにより、第１の凹部２９の面積、即ち、コンプライアンス部２８の面積をより広く確保することができ、コンプライアンスを大きくすることができる。これにより、リザーバ２３内の圧力変動をコンプライアンス部２８でより効果的に吸収することが可能となる。また、第２の凹部２９の領域がリザーバ２３の領域を含める広さであれば、リザーバ２３全体にわたって圧力変動を吸収することができ、また、気泡等の停滞場所を抑制することができるのでリザーバ２３内からの供給口２０へのインクの供給も良好となる。

また、以上では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、プリンタ（液体噴射装置の一種）に搭載される記録ヘッド１を例示したが、本発明は、リザーバと供給口を有する他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、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、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。

記録ヘッドを圧力発生ユニット側から見た斜視図である。 供給口形成プレートの構成を説明する平面図である。 第１の実施形態における記録ヘッドの要部断面図である。 第２の実施形態における記録ヘッドの要部断面図である。 第３の実施形態における記録ヘッドの要部断面図である。

符号の説明

１…記録ヘッド，８…ノズル開口，９…圧力発生ユニット，１０…流路ユニット，１１…圧力発生室，１２…圧力発生室プレート，１３…第３連通口，１４…供給側連通口，１５…連通口形成プレート，１６（１６′）…圧電振動子，１７（１７′）…振動板，２０…供給口，２１…第２連通口，２２…供給口形成プレート，２３…リザーバ，２４…第１連通口，２５…リザーバプレート，２６…ノズルプレート，２９…第１の凹部，３０…第２の凹部

Claims (5)

1. 圧力発生室からノズル開口に液体を供給する圧力発生ユニット、及び、液室から前記圧力発生室を通って前記圧力発生ユニットとノズル開口とを連通する液体流路を形成した流路ユニットを有する液体噴射ヘッドであって、
   前記流路ユニットは、液室が開設された液室形成プレートと、
   当該液室形成プレートの一方の面に接合された液室内の液体を圧力発生室側に供給する供給口が開設された供給口形成プレートと、
   を有し、
   前記供給口形成プレートは、前記圧力発生室側に開口した第１の凹部と、前記液室側に開口した第２の凹部を有し、
   前記第１の凹部及び前記第２の凹部は、前記液室に対応する領域に形成され、前記第１の凹部よりも前記第２の凹部の方が幅広に形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記第２の凹部の領域が前記液室の領域を含むことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記供給口が、前記第２の凹部の領域内に開設されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記供給口について、前記液室側の口径が前記圧力発生室側の口径よりも広くなっていることを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。

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