JP5626070B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドとして、特許文献１に記載されたインクジェットヘッドが知られている。このインクジェットヘッドは、マニホールドから圧力室を経てノズルに至る個別インク流路が複数形成されており、圧電アクチュエータが圧力室の容積を選択的に変化させてインクを吐出している。このとき、マニホールドが圧電アクチュエータに対してノズルの反対側に、平面視で複数のノズル及び圧力室と重なる領域に配置されていることで、インクジェットヘッドの小型化を達成している。

特開２００６−１１６９５４号公報

しかしながら、特許文献１では、圧電アクチュエータが、インクに曝されるマニホールドと圧力室の間に配置されており、さらに圧電アクチュエータを貫通する貫通孔を通じてマニホールドと圧力室を連通している。そのため、圧電アクチュエータ全体がインクに侵食されるおそれがあり、圧電アクチュエータがインクに侵食されると、電圧が付与される電極がショートして圧電アクチュエータが破壊されてしまう。

そこで、本発明は、アクチュエータ全体が液体に曝されることがない液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

第１の発明の液体吐出ヘッドは、隔壁と、前記隔壁の一方側の面に隣接して設けられた共通液室と、前記共通液室に連通し、前記隔壁の他方側の面に隣接して設けられた複数の圧力室と、複数の前記圧力室にそれぞれ連通する複数のノズルとを有する流路ユニットと、前記共通液室の前記隔壁に対向する位置に設けられたアクチュエータと、前記共通液室内に、前記アクチュエータの変位を前記隔壁に伝達する変位伝達部材と、を備え、前記アクチュエータは、複数の前記圧力室のそれぞれに対応する位置に変形部が設けられており、前記変位伝達部材は、複数の前記圧力室に対応して複数設けられ、前記アクチュエータの前記変形部の変位を、前記隔壁のその変形部に対応する前記圧力室が設けられた部分に伝達し、前記隔壁は、前記共通液室と複数の前記圧力室とを連通させる連通孔が形成されており、前記変位伝達部材は、その内部に前記共通液室と前記圧力室を連通させる連通通路が形成されていることを特徴としている。

これによれば、アクチュエータ全体がインクに曝される部分に形成されていないため、アクチュエータがインクに侵食されて破壊されるのを抑制することができる。また、隔壁が圧力室を変形させる振動板として機能するため、液体吐出ヘッドを小型化することができる。

これによれば、共通液室と圧力室を連通させる流路を容易に形成することができる。

これによれば、変位伝達部材が、アクチュエータの変位を伝達するとともに、共通液室と圧力室を連通させることができる。

第２の発明の液体吐出ヘッドは、第１の発明において、複数の前記圧力室は、前記隔壁に直交する方向から見て、前記共通液室と重なる領域内に設けられていることを特徴としている。

これによれば、複数の圧力室を共通液室と重なる領域内に設けているため、液体吐出ヘッドの平面形状を小型化することができる。

第３の発明の液体吐出ヘッドは、第１または第２の発明において、前記変位伝達部材は、前記アクチュエータの前記変形部と前記隔壁を接続していることを特徴としている。

これによれば、アクチュエータの変位を効率よく伝達することができる。

第４の発明の液体吐出ヘッドは、第１から第３の発明において、前記変位伝達部材は、前記隔壁に直交する方向から見て、前記圧力室の中央部に設けられていることを特徴としている。

これによれば、伝達されたアクチュエータの変位を圧力室内の液体に効率よく付与することができる。その結果、ノズルから効率よく液体を吐出させることができる。

第５の発明の液体吐出ヘッドは、第１から第４の発明において、複数の前記圧力室は、複数の圧力室列を形成しており、前記流路ユニットは、前記共通液室内における、互いに隣接する前記圧力室列の間に対応する位置に、前記隔壁と前記隔壁に対向する前記アクチュエータが設けられた側とを接続する補強壁が設けられている。

これによれば、１つ圧力室列に対応するアクチュエータの変位が他の圧力室列に伝達されることを抑制することができる。

本発明によれば、アクチュエータ全体が液体に曝されることがない液体吐出ヘッドを提供することができる。

インクジェットプリンタの概略斜視図である。 第１実施形態に係るインクジェットヘッドの概略平面図である。 図２のIII−III線断面図である。 図２のIV−IV線断面図である。 図２のV−V線断面図である。 第２実施形態に係る図３相当の図である。

本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態は、インクジェットプリンタの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１に示すように、インクジェットプリンタ１００は、インクジェットヘッド１をその下面に固定したキャリッジ１０１と、キャリッジ１０１に搭載されインクジェットヘッド１に供給されるインクを一時的に貯留するサブタンク１０２と、サブタンク１０２に対してインクを供給するチューブ１０３、インクタンク１０４と、インクタンク１０４を装着するタンク装着部１０５などを有している。

キャリッジ１０１は、走査ベルト１０６に接続しており、走査ベルト１０６が駆動モータ１０７で駆動されることで、走査方向（図１左右方向）に往復移動する。

サブタンク１０２は、インクジェットヘッド１の上面に配置され、後述するインク供給口２２からインクジェットヘッド１にインクを供給する。また、サブタンク１０２は、チューブ１０３の一端と接続しており、チューブ１０３の他端は、タンク装着部１０５と接続している。そして、タンク装着部１０５にインクタンク１０４が装着されたときに、チューブ１０３とインクタンク１０４が連通する。これにより、インクジェットヘッド１がインクタンク１０４と連通している。なお、サブタンク１０２、チューブ１０３、インクタンク１０４は、インクジェットヘッドが吐出する４色（例えば、ブラック、イエロー、シアン、マゼンタ）のインクに対応して、４つずつ配置されている。

紙送り方向（図１上下方向）のキャリッジ１０１よりも上流側には、記録用紙Ｐを搬送する図示しない搬送ローラと搬送ローラを駆動する駆動モータが配置されており、下流側には記録用紙Ｐを排出する図示しない排出ローラと排出ローラを駆動する駆動モータが配置されている。そして、キャリッジ１０１が走査方向に往復移動するとともに、インクジェットヘッド１の後述するノズル６１からインクが吐出されて、記録用紙Ｐに所定の画像や文字が記録される。インクジェットヘッド１のノズル６１からインクが吐出されると、インクタンク１０４からチューブ１０３、サブタンク１０２を通して、インクジェットヘッド１にインクが供給される。

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、流路ユニット１０と圧電アクチュエータ７０からなる。圧電アクチュエータ７０は、流路ユニット１０の外部に接合されている。なお、インクジェットヘッド１は、４色のインクを吐出するものであるが、以下においては、そのうちの１色についてのみ説明する。

流路ユニット１０は、サブタンク１０２と接続される略楕円状のインク供給口２２が上面に形成されており、インク供給口２２にマニホールド２１が連通している。マニホールド２１は、略矩形状であり、圧電アクチュエータ７０に覆われる領域に流路ユニット１０の上面に開口して形成されている。さらに、各圧力室４１の走査方向の一端側に複数の貫通孔３１が形成されており、マニホールド２１と圧力室４１は、貫通孔３１を通して連通している。それぞれの圧力室４１は走査方向に長い長円状であり、複数の圧力室４１が紙送り方向に圧力室列を形成しており、さらに、圧力室列は走査方向に４列配置されている。各圧力室列は、紙送り方向にずれて配置されている。これら全ての圧力室４１は、マニホールド４１と重なる領域内に設けられている。

各圧力室４１の走査方向の他端側には、さらに貫通孔５１が形成されており、ノズル６１に連通している。このノズル６１は、インクジェットヘッド１の下面に向かってノズル径が小さくなるテーパー形状となっている。以上により、インク供給口２２からマニホールド２１、貫通孔３１、圧力室４１、貫通孔５１、およびノズル６１に至る個別インク流路が複数形成されている。

また、マニホールド２１内には、圧電アクチュエータ７０と接続される変位伝達壁３２
と補強壁３３が形成されている。変位伝達壁３２は、各圧力室４１の中央部に形成されており、図３における、マニホールド２１の上部の壁（圧電アクチュエータ７０）と下部の壁（圧力室４１に対応する振動板４１の部分）が接続されている。一方、補強壁３３は、２本の圧力室列の間であって、互いに隣接する４つの圧力室４１の重心位置に形成されている。

この流路ユニット１０は、５枚のプレートを積層して接合することで構成されている。これら５枚のプレートは、流路ユニット１０の上面の圧電アクチュエータ７０側から順番に、マニホールドプレート２０、振動板３０、キャビティプレート４０、スペーサプレート５０、およびノズルプレート６０である。これら５枚のプレートはステンレスなどの金属からなる矩形状のプレートである。

マニホールドプレート２０は、マニホールド２１が貫通して形成されている。さらに、マニホールド２１の紙送り方向両端にインク供給口２２が２箇所形成されている。振動板３０は、圧力室４１の一端側に連通孔３１が貫通して形成されている。さらに、マニホールド２１内に配置される変位伝達壁３２と補強壁３３がマニホールド２１に向かって突出して複数形成されている。キャビティプレート４０は、複数の圧力室４１が貫通して形成されている。スペーサプレート５０は、圧力室４１の他端側に連通孔５１が貫通して形成されている。ノズルプレート６０は、連通孔５１に連通するノズル６１が貫通して形成されている。これらの貫通孔および壁は、各プレートをエッチング、レーザ加工、プレス加工等により形成されている。なお、図２では、簡単のため、マニホールド２１とインク供給口２２、および圧力室４１以外の貫通孔は図示していない。

これら５枚のプレートが積層されて接合されることで、各プレートに形成された貫通孔が個別インク流路を形成している。各プレートの接合は、接着剤を介した接着や、金属拡散接合などにより行われる。

次に、圧電アクチュエータ７０について説明する。圧電アクチュエータ７０は、３層の圧電層７１〜７３と、圧電層の各面に形成された共通電極７４、７５と個別電極７６、７７とからなる。

圧電層７１〜７３は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛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）を主成分とする圧電材料で形成されている。各圧電層７１〜７３は、外形互いに同じ大きさの矩形状であり、流路ユニット１０の外形よりも小さく形成されている。

共通電極７４は圧電層７１の下面に形成され、共通電極７５は圧電層７２の上面に、圧電層７２、７３に挟まれて形成されている。これらの共通電極７４、７５は、圧電層７１〜７３と同じ外形である。個別電極７６は圧電層７１の上面に、圧電層７１、７２に挟まれて形成され、個別電極７７は圧電層７３の上面に形成されている。これらの個別電極７６、７７は、圧力室４１よりも一回り小さい長円状であり、各圧力室４１に対応して、圧力室４１の中央部に対向する位置に形成されている。

共通電極７４、７５は、圧電層７１〜７３に形成された図示しないスルーホールに充填された導電材料により圧電層７３の上面に引き出されている。さらに、個別電極７６は、圧電層７２、７３に形成された図示しないスルーホールに充填された導電材料により表面の個別電極７７と導通している。なお、個別電極７６、７７と共通電極７４、７５で挟まれた圧電層７１〜７３の各部分（活性部）は、個別電極７６、７７から共通電極７４、７５に向かう方向に平行な方向に分極されている。

この圧電アクチュエータ７０は、各圧電層７１〜７３となる圧電材料のグリーンシート上に共通電極７４、７５、および個別電極７６、７７となる導電性の金属材料をスクリーン印刷等により形成し、積層して焼成することで形成される。焼成して形成する以外に、ゾルゲル法やエアロゾルデポジション法により圧電アクチュエータ７０を形成してもよい。

圧電アクチュエータ７０上には、図示しない配線基板が配置されており、圧電層７３の上面に引き出された共通電極７４、７５および個別電極７７に配線が接続されており、配線基板上に実装されたドライバＩＣと接続している。

以上の流路ユニット１０と圧電アクチュエータ７０が接合されてインクジェット１を構成している。このとき、個別電極７６、７７は、圧力室４１の中央部にそれぞれ重なり、さらに、変位伝達壁３２は個別電極７６、７７と圧力室４１の中央部に重なる位置に配置され、変位伝達壁３２と共通電極７４が当接している。

次にインクジェットヘッド１の動作について説明する。共通電極７４、７５は常時グランド電位に保持されており、ドライバＩＣから個別電極７７に電圧が付与されると、個別電極７６、７７と共通電極７４、７５の間に電位差が生じ、それらの電極間に電界が発生する。これにより、活性部が分極方向に伸張し、分極方向に直交する方向に収縮して変形する。この変形により生じた圧電アクチュエータ７０の変位を変位伝達壁３２が振動板３０の圧力室４１に対向する部分に伝達することで、圧力室４１の容積が変化し、圧力室４１内のインクに圧力が付与される。この圧力によりノズル６１からインクが吐出される。

以上説明したインクジェットヘッド１は、次のような効果を奏する。圧電アクチュエータ７０のインクに曝される部分がその一面のみであるため、圧電アクチュエータ７０全体がインクに曝されるおそれがある場合に比べて、圧電アクチュエータ７０がインクの侵食を受けて破壊されることを抑制できる。さらに、圧電アクチュエータ７０のインクに接する部分には全面に共通電極７４が形成されているため、圧電アクチュエータ７０がインクの侵食を受けることがなく、電圧が付与される個別電極７６、７７がショートして圧電アクチュエータ７０が破壊されることがない。

さらに、振動板３０は、変位伝達壁３２により伝達された変位によって圧力室４１を変形させる振動板として機能するとともに、圧力室４１とマニホールド２１を隔離する隔壁として機能するため、インクジェットヘッド１を構成するプレートを少なくすることができ、インクジェットヘッド１を小型化することができる。

さらに、圧電アクチュエータ７０、マニホールド２１、圧力室４１、ノズル６１がこの順番に積層されているため、圧力室４１とノズル６１の距離を短くすることができる。これにより、圧力室４１に伝達された変位、すなわち、圧力室４１内に発生した圧力のロスを少なくして効率よくノズル６１からインクを吐出させることができる。

さらに、圧電アクチュエータ７０は、マニホールド２１の上側に形成されているおり、その上面が露出しているため、配線基板との接続を容易にすることができる。

さらに、補強壁３３は、互いに隣接する４つの圧力室４１の重心位置に形成されているため、圧電アクチュエータ７０の変位が隣接する他の圧力室４１に伝達されることを効果的に抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態の変位伝達壁３２は、その内部に連通流路３４が形成されている。この連通流路３４は、下端が圧力室４１に開口しており、上端が変位伝達壁３２に側面に開口し、マニホールド２１と圧力室４１を連通している。

ここで、圧力室４１に対向する振動板３０の変位は、変位伝達壁３２が設けられている中央部が最も大きい。すなわち、圧力室４１内のインクは、中央部付近において最も流動することになる。第２実施形態においては、第１実施形態の連通孔３１に比べて、マニホールド２１と圧力室４１を連通させる連通流路３４が、圧力室の中央部に設けられているため、マニホールド２１から圧力室４１に向けて連通流路３４のインクがより効率的に流動することになる。したがって、圧電アクチュエータ７０を駆動してインクを吐出させた後に、マニホールド２１から圧力室４１へインクを効率よく供給することができる。

以上の実施形態においては、変位伝達壁３２と補強壁３３が振動板３０（流路ユニット１０）に設けられていたが、これには限られず、変位伝達壁３２と補強壁３３が圧電アクチュエータ７０と一体に設けられていてもよい。さらに、変位伝達壁３２と補強壁３３の一方が振動板３０に設けられ、他方が圧電アクチュエータ７０に設けられてもよい。また、変位伝達壁３２と補強壁３３が流路ユニット１０および圧電アクチュエータ７０とは別の部材で構成されていてもよい。また、変位伝達壁３２は、各圧力室４１の中央部に形成されていたが、これには限られず、いかなる位置に設けられていてもよい。また、補強壁３３は、互いに隣接する４つの圧力室４１の重心位置に形成されていたが、これには限られず、いかなる位置に設けられていてもよい。

また、以上の実施形態においては、変位伝達壁３２は、圧電アクチュエータ７０と圧力室４１に対向する振動板３０の部分を接続していたが、これには限られず、変位伝達壁３２は、圧電アクチュエータ７０と圧力室４１に対向する振動板３０の部分のいずれか一方に接続し、他方とは隙間を空けて設けられていてもよい。この場合には、変位伝達部３２と、圧電アクチュエータ７０と圧力室４１に対向する振動板３０の部分のうち隙間を空けて設けられている部分とが、圧電アクチュエータ７０の活性部が変形したときに当接することで、圧電アクチュエータ７０の活性部に変形により生じた変位を圧力室４１に伝達する。

また、以上の実施形態においては、圧電アクチュエータ７０のインクに接する部分には全面に共通電極７４が形成されていたが、共通電極７４の下面にさらにインクに対して耐食性を有する樹脂や金属製の膜が形成されていてもよい。

また、以上の実施形態においては、アクチュエータとして圧電アクチュエータ７０を採用していたが、これには限られず、いかなるアクチュエータを採用してもよい。

また、以上の実施形態においては、圧力室列が４列形成されていたが、圧力室列は１列でもよく、また２列以上の任意の列数であってもよい。さらに、圧力室列が１列または２列の場合には、マニホールド２１と圧力室４１を連通させる連通孔３１は振動板３０に形成されているものに限られない。例えば、振動板３０が他のプレートよりもその外形が小さく、振動板３０の以外の領域に、マニホールド２１と圧力室４１を連通させる連通流路が形成されていてもよい。

また、以上の実施形態においては、圧力室４１の全面がマニホールド２１と重なる領域に設けられていたが、圧力室４１がマニホールド２１の一部と重なっており、その重なった領域に変位伝達壁３２が設けられていてもよい。

また、以上の実施形態においては、補強壁３３が設けられていたが、補強壁３３が設けられていなくてもよい。さらに、この場合において、複数列の圧力室列のうち隣接する圧力室列に対応する圧電アクチュエータ７０を同時に駆動させないようにインクジェットプリンタ１を制御してもよい。これによれば、駆動していない圧力室列に対応する変位伝達壁３２が、駆動している隣接する圧力室列に対して、補強壁としての機能を果たす。

以上においては、インクジェットヘッド１がキャリッジ１０１に設けられており、走査方向に往復移動しながら記録用紙Ｐに記録を行う、いわゆるシリアルプリンタについて説明したが、これには限られず、インクジェットヘッド１が記録用紙の幅以上の長さを有しているとともに、インクジェットプリンタ１００に対して固定されており、搬送される記録用紙に向かって記録を行う、いわゆるラインプリンタについて本発明を適用することもできる。

また、以上においては、本発明をインクを吐出するインクジェットヘッドに適用したが、インク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッドに適用してもよい。

１ インクジェットヘッド
１０ 流路ユニット
２１ マニホールド
３０ 振動板
３１ 貫通孔
３２ 変位伝達壁
３３ 補強壁
３４ 連通流路
４１ 圧力室
７０ 圧電アクチュエータ
Ｐ 記録用紙

Claims (5)

1. 隔壁と、前記隔壁の一方側の面に隣接して設けられた共通液室と、前記共通液室に連通し、前記隔壁の他方側の面に隣接して設けられた複数の圧力室と、複数の前記圧力室にそれぞれ連通する複数のノズルとを有する流路ユニットと、
   前記共通液室の前記隔壁に対向する位置に設けられたアクチュエータと、
   前記共通液室内に、前記アクチュエータの変位を前記隔壁に伝達する変位伝達部材と、を備え、
   前記アクチュエータは、複数の前記圧力室のそれぞれに対応する位置に変形部が設けられており、
   前記変位伝達部材は、複数の前記圧力室に対応して複数設けられ、前記アクチュエータの前記変形部の変位を、前記隔壁のその変形部に対応する前記圧力室が設けられた部分に伝達し、
   前記隔壁は、前記共通液室と複数の前記圧力室とを連通させる連通孔が形成されており、
   前記変位伝達部材は、その内部に前記共通液室と前記圧力室を連通させる連通通路が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
   
2. 複数の前記圧力室は、前記隔壁に直交する方向から見て、前記共通液室と重なる領域内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
   
3. 前記変位伝達部材は、前記アクチュエータの前記変形部と前記隔壁を接続していることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
   
4. 前記変位伝達部材は、前記隔壁に直交する方向から見て、前記圧力室の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
   
5. 複数の前記圧力室は、複数の圧力室列を形成しており、
   前記流路ユニットは、前記共通液室内における、互いに隣接する前記圧力室列の間に対応する位置に、前記隔壁と前記隔壁に対向する前記アクチュエータが設けられた側とを接続する補強壁が設けられている請求項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。

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