JP5888397B2 - 液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体の流動状態を正常に維持する液体噴射ヘッドおよびこのような液体噴射ヘッドが装着された液体噴射装置に関するものである。

液体をターゲットに噴射させる液体噴射装置の一つとして、インクジェット式プリンタが広く用いられている。このインクジェット式プリンタは、キャリッジと、同キャリッジに搭載された記録ヘッドとを備える。そして、同キャリッジを記録媒体に対して移動させながら、記録ヘッドに形成されたノズルからインクを吐出し、印刷用紙に対して印刷を行うようになっている。

上記液体噴射装置に装備されている液体噴射ヘッドの構造およびその製造工程等を、図５〜図９にしたがって説明する。

図５（Ａ）は、インク噴射ヘッドの断面図である。インク噴射ヘッド１は、インク貯留源であるインクカートリッジ等（図示していない）からのインクを貯留する共通インク室２と、上記共通インク室２からインクを導入して圧力発生手段３によりインクを加圧する圧力発生室４と、上記圧力発生室４で加圧されたインクを噴射するノズル開口５を備えている。

上記インク噴射ヘッド１は、ノズル開口５が形成されたノズルプレート６と、上記ノズルプレート６に接合され共通インク室２が形成された共通インク室形成基板７と、上記共通インク室形成基板７に接合されインクの供給口８が形成された供給口形成基板９と、上記供給口８に連通する圧力発生室４が形成され上記供給口形成基板９に一体化されている圧力発生室形成基板１０と、上記圧力発生室形成基板１０に接合され圧力発生室４を封止する振動板１１と、上記振動板１１に取り付けられた圧力発生手段である撓み振動型の圧電素子３との各機能部材から構成されている。

なお、ここではディスタンスプレート１２が供給口形成基板９と圧力発生室形成基板１０との間に接合され、この接合した部分に共通インク室２から圧力発生室４にインクを供給する導入流路１３が形成されている。また、ノズル開口５と圧力発生室４を連通し、圧力発生室４からノズル開口５に吐出インクを供給する供給流路１４が、共通インク室形成基板７と供給口形成基板９とディスタンスプレート１２に設けられている。また、各部材の接合は、接着によってなされている。

上記共通インク室２におけるインクの圧力変動に順応させるために、大気に連通している空間とされたコンプライアンス部１５が形成されている。上記コンプライアンス部１５を形成するために、供給口形成基板９が積層構造とされている。すなわち、供給口形成基板９は、板厚の厚いステンレス製の第１板材１６と上記第１板材１６よりも板厚が薄くされたステンレス製の第２板材１７とが接着剤層である接合層１８により、一体化されている。そして、第１板材１６にエッチング処理を施すことにより、コンプライアンス部１５が形成される。

図７は、上記の各部の構造形態を平面的に透視して表した平面図であり、平面的に見た各部の位置関係が理解できる。

図６は、供給口８の部分を拡大して示した部分的な断面図である。供給口８は、断面形状が円形であり、第１板材１６側に形成されたテーパ穴８ａと第２板材１７側に形成されたストレート穴８ｂから構成されている。実際には、後述の塑性加工工程から容易に理解されるように、供給口８はその全長が塑性変形をした第１板材１６を貫通しているのであるが、上記のような「第１板材１６側」や「第２板材１７側」なる表現は、テーパ穴８ａやストレート穴８ｂが、供給口形成基板９の厚さ領域において、どの辺りに存在しているかを理解するために用いられている。

図５（Ａ）に示すように、圧電素子３に駆動信号が印加されて圧力発生室４内のインクが加圧されると、インクは供給流路１４からノズル開口５を経て吐出される。他方、図５（Ｂ）に示すように、導入流路１３側へ逆流したインクは、テーパ穴８ａにより絞られながら流路面積の小さなストレート穴８ｂを通って共通インク室２内に流入するため、共通インク室２内での流速がきわめて大きくなり、ストレート穴８ｂ近傍において渦流Ｖが発生する。この渦流発生により、共通インク室２内に流入したインク流に圧力損失が生じ、圧力発生室４から共通インク室２への流入に大きな流動抵抗が作用する。このような流動抵抗により、共通インク室２へのインク流が阻害され、共通インク室２へのインクの逆流量が減少する。

つぎに、圧電素子３への駆動信号が停止されると、加圧方向に撓んでいた圧電素子３が、今度は、逆方向に撓んで圧力発生室４内へインクが導入される。図５（Ｃ）に示すように、共通インク室２から導入流路１３を経て圧力発生室４に向うインク流は、ストレート穴８ｂを経由してテーパ穴８ａによりインク流の流路面積を徐々に拡大しながら流通するので、導入流路１３や圧力発生室４内において渦流が発生しない。したがって、導入流路１３ないしは圧力発生室４におけるインク流の圧力損失は、上記インク加圧時の場合に比べて大幅に低下し、圧力発生室４へのインク流は円滑になされる。

図９（Ａ）にも示されているように、上記ストレート穴８ｂは、塑性変形をした第１板材１６に開口しており、その開口部（開口円）は符号８ｃで示されている。上記開口部８ｃの周囲には、略同心の状態で略円形の接合層１９（以下、便宜上「円形接合層１９」という）が露出している。上記円形接合層１９は、後述の塑性加工工程後の開口工程によって表面（供給口形成基板９の裏面）に露出するもので、第１板材１６と第２板材１７との境界部にあらわれている。

図８は、上記供給口８の穴あけ工程を示している。なお、第１板材１６と第２板材１７の厚さ寸法は、それぞれ５０μｍ，１５μｍであり、上記のようにステンレスで作られている。

供給口８の穴あけ加工は、通常のパンチ２０とダイ２１によって行われる塑性加工工程と、上記塑性加工工程によって形成された膨出部を除去して供給口８を開口させる開口工程との２工程から成り立っている。上記パンチ２０は、断面が円形であり、先端側に配置されたストレート部２０ｂと上記ストレート部２０ｂに連続しているテーパ部２０ａが設けられ、上記テーパ部の拡開角度θ１は２０度である。

図８（Ａ）は、ダイ２１上に供給口形成基板９が載置された状態を示している。ここで、パンチ２０のストレート部２０ｂが供給口形成基板９の表面に圧入され、さらにこの圧入が進行すると、テーパ部２０ａの部分が第１板材１６に圧入される。そして、（Ｂ）に示すように、ストレート部２０ｂの先端部が第２板材１７の外表面２２を越えた箇所でパンチ２０の進出が停止される。ストレート部２０ｂの先端部が第２板材１７の外表面２２を越えた長さは、図８（Ｂ），（Ｃ）に符号Ｌで示されている。

パンチ２０の進出により、ダイ２１の開口２１ａ（その内径はφ１で示されている）内に、第１板材１６，接合層１８，第２板材１７が層状になって押し込まれた状態となり、膨出部２３が形成される。このような塑性加工が上記の「塑性加工工程」である。

つぎに、パンチ２０が後退し膨出部２３がダイ２１の開口２１ａから取り出されると、（Ｃ）に示すように、有底の供給口８と膨出部２３が形成される。ここで、第２板材１７の外表面２２に沿って膨出部２３を除去すなわち研磨加工をすると、（Ｄ）に示すように、供給口形成基板９を貫通した供給口８が形成される。上記のように越えた長さＬが確保されているので、上記の研磨加工と同時に供給口８が開口する。この開口をさせる工程が上記の「開口工程」である。なお、上記の膨出部２３の除去は、このような微細な構造部分であるので、研磨工程を適用している。

上記の開口工程により、第１板材１６と第２板材１７の境界部に円形接合層１９が、図９（Ａ）に示すように、露出する。なお、この露出形状はインク液によって膨潤していない状態である。

パンチ２０の圧入ストロークの進行長さと膨出部２３が次第に大きくなって行く変化状態は、パンチ２０のストレート部２０ｂが第１板材１６に圧入されることにより、膨出部２３の初期の小さな膨出が進行する。さらに、パンチ２０が進出してテーパ部２０ａが第１板材１６の素材中に圧入され始めると、それに伴う素材の流動量が増加して、膨出現象が促進され、最終的には図８（Ｃ）のような形状となる。

特許第３２９６３９１号公報

図８にしたがって説明したように、パンチ２０のテーパ部２０ａのテーパ角度が第１板材１６の素材流動にとって最適化されていないので、ダイ２１の開口２１ａ内に向って強制的に塑性流動をする素材の量が十分なものとはならない。したがって、図８（Ｂ），（Ｃ）に見られるように、パンチ２０のストレート部２０ｂの外周面と接合層１８までの肉厚Ｓ１が十分な厚さにならないので、開口工程後の状態は図９（Ａ）に示すように、開口部８ｃの直径Ｄ１と円形接合層１９の直径Ｄ２の差が著しく小さな距離となる。

上記の円形接合層１９がインクに浸されて膨潤すると、図９（Ｂ）に示すように、円形接合層１９の接合材料、例えば合成樹脂製の接着剤が共通インク室２内に突出してくる。このとき上記のように、Ｄ１とＤ２との差が小さいものであると、膨潤によって突出してきた膨潤片１９ａが、ストレート穴８ｂの開口部８ｃの間際にまでいたったり、さらに著しく膨潤したときにはストレート穴８ｂの仮想円筒の内側にまで侵入したりした状態になる。

上記のような膨潤片１９ａが形成されると、開口部８ｃの近傍でインク流に乱流が発生し、それにより開口部８ｃの実質的な流路面積が小さくなるので、共通インク室２から圧力発生室４に流入するインクが所定量を下回ることとなり、ノズル開口５からのインク滴吐出に異常を来すおそれがある。また、上記乱流による圧力損失で、同様にインク流量に不足を来すおそれがある。さらに、膨潤片１９ａが存在すると、共通インク室２内の気泡が膨潤片１９ａにひっかかって、円滑に後流側へ排出されない可能性がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、膨潤片による悪影響を防止し得る液体噴射ヘッドおよびそれが装備された液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的達成するため、本発明の液体噴射ヘッドは、圧力発生室が設けられた圧力発生室ユニットと、上記圧力発生室に連通する流路が形成されて圧力発生室ユニットに接合された供給口形成基板と、共通液体室が設けられて供給口形成基板に接合された共通液体室形成基板と、ノズル開口が形成されて共通液体室形成基板に接合されたノズルプレートとが層状構造として形成され、上記供給口形成基板に、上記共通液体室から圧力発生室に対して液体を導入する導入流路が設けられ、上記供給口形成基板および共通液体室形成基板に、上記圧力発生室からノズル開口に対して液体を供給する供給流路が設けられ、上記共通液体室形成基板の導入流路側の表面に、上記共通液体室と導入流路とを連通させる制御流路が形成されていることを要旨とする。

上記制御流路は、共通液体室形成基板の導入流路側の表面に形成されているので、制御流路と導入流路は離隔した位置関係とすることができる。したがって、導入流路に接着剤からなる接合層が液体による膨潤等で突出しても、制御流路には何等影響することなく、制御流路としての正常な機能を果たすことができる。また、制御流路が共通液体室形成基板の表面に成形されているので、制御流路を、例えば、プレス加工で成形することができ、製造工程が簡素化され、同時に制御流路の成形精度を向上させることができる。さらに、制御流路が共通液体室形成基板の表面に成形されていることから、制御流路の形状を選定する自由度が拡大され、最適の制御流路の形状を求めるのに有利である。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記制御流路は、流路面積が小さく設定され共通液体室に連通している絞り流路と、流路面積が上記絞り流路よりも大きく設定され上記導入流路に連通している接続流路とにより構成されている場合には、上記圧力発生室から導入流路と制御流路を経て、液体が共通液体室に逆流するときには、流路面積の大きな接続流路から流路面積の小さな絞り流路に流動するので、絞り流路において液体の流速が著しく速められ、それに伴って、共通液体室内に渦流が発生する。この渦流の発生により、共通液体室内における液体流に圧力損失が発生し、同時に流動抵抗が高くなる。したがって、共通液体室内に液体が流入しにくくなる状態が形成され、圧力発生室から共通液体室に逆流する液体の量を最小化することができる。逆に、共通液体室から圧力発生室に液体が導入されるときには、絞り流路から接続流路にかけての液体流に渦流や乱流が発生しないので、円滑な導入流が得られ、より多くの量の液体が圧力発生室に導入される。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記絞り流路は、その流路面積が徐々に大きくなるよう変化して上記接続流路に連続している場合には、圧力発生室から共通液体室に向う逆流時に、接続流路から絞り流路にかけて滑らかな流路面積変化が得られて、絞り流路の流速をより速くすることができ、共通液体室における渦流発生ないしは圧力損失を大きくして、逆流の流量を減少することができる。他方、共通液体室から圧力発生室に液体を導入するときには、絞り流路から接続流路にかけて徐々に流路面積が大きくなっているので、渦流や乱流が発生することがなく、圧力発生室に導入される液体量がより多くなる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記絞り流路の流路面積の変化は、共通液体室形成基板の導入流路側の表面の面方向の寸法変化によってなされている場合には、上記表面の面方向の寸法変化によって所定の流路面積の変化を求めることができる。また、制御流路形成の際に、共通液体室形成基板の厚さに制約があるときには、流路面積を変化させることが行いやすくなる。さらに、共通液体室形成基板の厚さ方向において流路面積の変化を求める場合は、そのための形状変化は流路の深さ方向ひとつだけとなり、流路面積変化の自由度が十分に確保できない。しかし、上記のような面方向の変化であれば、流路の両側に形状変化を付与し、例えば、流路溝の両側の内壁を拡開させる構造とすることができ、製造が容易になり、しかも流路面積変化の自由度も向上する。そして、このような面方向の変化は、特異な形状のポンチで簡単に成形できる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記絞り流路の流路面積の変化は、共通液体室形成基板の厚さ方向の寸法変化によってなされている場合には、上記厚さ方向の寸法変化によって所定の流路面積の変化を求めることができる。また、制御流路形成の際に、共通液体室形成基板の表面の面方向に制約があるときには、流路面積を変化させることが行いやすくなる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記絞り流路の流路面積の変化は、上記面方向の寸法変化と、上記厚さ方向の寸法変化との双方の変化によってなされている場合には、上記双方の寸法変化を活用して、最適形状の制御流路を構成することができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記制御流路は、共通液体室側の共通液体室形成基板の表面を窪ませることにより形成されている場合には、例えば、プレス装置の金型を共通液体室形成基板の表面に加圧して制御流路を形成できる。したがって、液体噴射ヘッドの生産性の向上が図れるとともに、成形精度を高めることができる。

本発明の液体噴射ヘッドにおいて、上記制御流路の共通液体室に連通している箇所に、上記共通液体室と制御流路を所定の空間でつなぐ中継拡大部が設けられている場合には、圧力発生室から共通液体室に液体が逆流するとき、中継拡大部は、制御流路の連通開口部と共通液体室との間において、制約された空間部分となり、そこに発生した渦流は、多数の渦流が高い密度となり、それに伴って大きな圧力損失が得られる。また、共通液体室から圧力発生室へ液体が導入されるときには、共通液体室の液体が、制約された空間部分である中継拡大部内に押し込まれるような加圧された状態になり、それによって絞り流路での液体流速が速められて、圧力発生室への流量が増量される。

上記目的達成するため、本発明の液体噴射装置は、圧力発生室が設けられた圧力発生室ユニットと、上記圧力発生室に連通する流路が形成されて圧力発生室ユニットに接合された供給口形成基板と、共通液体室が設けられて供給口形成基板に接合された共通液体室形成基板と、ノズル開口が形成されて共通液体室形成基板に接合されたノズルプレートとが層状構造として形成され、上記供給口形成基板に、上記共通液体室から圧力発生室に対して液体を導入する導入流路が設けられ、上記供給口形成基板および共通液体室形成基板に、上記圧力発生室からノズル開口に対して液体を供給する供給流路が設けられ、上記共通液体室形成基板の導入流路側の表面に、上記共通液体室と導入流路とを連通させる制御流路が形成されてなる液体噴射ヘッドが備えられたことを要旨とする。

上記制御流路は、共通液体室形成基板の導入流路側の表面に形成されているので、制御流路と導入流路は離隔した位置関係とすることができる。したがって、導入流路に接着剤からなる接合層が液体による膨潤等で突出しても、制御流路には何等影響することなく、制御流路としての正常な機能を果たすことができる。また、制御流路が共通液体室形成基板の表面に成形されているので、制御流路を、例えば、プレス加工で成形することができ、製造工程が簡素化され、同時に制御流路の成形精度を向上させることができる。さらに、制御流路が共通液体室形成基板の表面に成形されていることから、制御流路の形状を選定する自由度が拡大され、最適の制御流路の形状を求めるのに有利である。上記のようにすぐれた利点を有する液体噴射ヘッドを液体噴射装置に装着して、液体噴射装置の性能を一層向上させることができる。

インクジェット式プリンタの周辺構造を示す斜視図である。 インク噴射ヘッドの断面図および関連箇所の平面図と断面図である。 インク噴射ヘッドの関連箇所の平面図と断面図である。 導入流路と制御流路の部分を示す断面図である。 従来のインク噴射ヘッドの断面図および関連箇所の断面図である。 図５に示した供給口部分の拡大断面図である。 図５に示したインク噴射ヘッドの各部の位置関係を示す平面図である。 図５に示す供給口の加工順序を示す断面図である。 図５に示した供給口の開口状態を示す底面図と断面図である。

つぎに、本発明の液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を実施するための最良の形態を説明する。

図１〜４は、本発明の液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置の一実施例を示す。

図１は、液体噴射装置としてのインクジェット式プリンタ（以下、プリンタという）の全体的な形状を示す簡略的な斜視図である。

本発明が適用されるインクジェット式プリンタ３１は、インクカートリッジ３２が搭載されるとともに液体噴射ヘッドである記録ヘッド４０が搭載されたキャリッジ３３を備えている。

上記キャリッジ３３は、タイミングベルト３４を介してステッピングモータ３５に接続され、ガイドバー３６に案内されて記録紙３７の紙幅方向すなわち主走査方向に往復移動するようになっている。上記キャリッジ３３は、上部に開放する箱型を呈し、被噴射物である記録紙３７と対向する面（この例では下面）に、記録ヘッド４０のノズル面が露呈するように取り付けられるとともに、インクカートリッジ３２が収容されるようになっている。

そして、上記記録ヘッド４０にインクカートリッジ３２からインクが供給され、キャリッジ３３を移動させながら記録紙３７上面にインク滴を吐出させて記録紙３７に画像や文字をドットマトリックスにより印刷するようになっている。図１において、３８は印刷休止中に記録ヘッド４０のノズル開口を封止することによりノズルの乾燥をできるだけ防ぐとともに、ノズル開口や記録ヘッド４０内のインク流路をクリーニングするための吸引キャップ、３９は記録ヘッド４０のノズル面をワイピングするワイパーブレードである。また、キャリッジ３３には、図１に示すように、ガイドバー３６が挿通されている。さらに、３９ａは上記クリーニングで吸引されたインクを貯留する廃インク貯留部である。また、３１ａは、インクジェット式プリンタ３１全体を動作する制御装置である。

本発明において対象とされている液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置は、種々な液体を噴射させて機能させることができ、図示の実施例においては、その代表的な例として、インクジェット式プリンタに適用されるものを示している。

図２（Ａ）は液体噴射ヘッドの断面図であり、その基本的な構成は図５，図６および図７等にしたがって説明したものと同じである。

すなわち、インク噴射ヘッド１は、インク貯留源であるインクカートリッジ等（図示していない）からのインクを貯留する共通インク室２と、上記共通インク室２からインクを導入して圧力発生手段３によりインクを加圧する圧力発生室４と、上記圧力発生室４で加圧されたインクを噴射するノズル開口５を備えている。

上記インク噴射ヘッド１は、圧力発生室ユニット２４と、それに接合される供給口形成基板９，共通インク室形成基板７，ノズルプレート６等が層状構造となって形成されている。

上記圧力発生室ユニット２４は、圧力発生室４が形成された圧力発生室形成基板１０と、上記圧力発生室４を封止する振動板１１と、この振動板１１に接合され圧力発生室４内のインクを加圧する撓み振動型の圧電素子３と、圧力発生室形成基板１０に接合されたディスタンスプレート１２とが層状に接合されて構成されている。そして、振動板１１，圧力発生室形成基板１０，ディスタンスプレート１２は、セラミック製とされている。

圧力発生室ユニット２４のディスタンスプレート１２に供給口形成基板９が接着剤で接合され、この供給口形成基板９には共通インク室２が設けられた共通インク室形成基板７が接着剤で接合されている。そして、この共通インク室形成基板７にはノズル開口５が設けられたノズルプレート６が接着剤で接合されている。なお、この例では、ディスタンスプレート１２が供給口形成基板９と圧力発生室形成基板１０との間に接合されている。

共通インク室２から圧力発生室４にインクを導入する断面円形の導入流路１３が形成されている。この導入流路１３は、供給口形成基板９に設けられた流路１３ａによって形成されるものであるが、この例では、ディスタンスプレート１２が採用されているので、そこに流路１３ｂが設けられている。したがって、図２（Ａ）に示す実施例では、導入流路１３が流路１３ａと１３ｂによって構成されている。

圧力発生室４とノズル開口５を連通し、圧力発生室４からノズル開口５にインクを供給する断面円形の供給流路１４が設けられている。この供給流路は、供給口形成基板９に設けた流路１４ａと共通インク室形成基板７に設けた流路１４ｃによって形成されるものであるが、この例では、ディスタンスプレート１２が採用されているので、そこに流路１４ｂが設けられている。したがって、図２（Ａ）に示す実施例では、供給流路１４が流路１４ａと１４ｃおよび１４ｂによって構成されている。

なお、このディスタンスプレート１２は、圧力発生室形成基板１０および供給口形成基板９の厚さ等との関係で、その厚さを変えたりディスタンスプレート１２自体をなくしたりすることができる。

上記共通インク室２におけるインクの圧力変動に順応させるために、大気に連通している空間とされたコンプライアンス部１５が形成されている。上記コンプライアンス部１５を形成するために、供給口形成基板９が積層構造とされている。すなわち、供給口形成基板９は、板厚の厚いステンレス製の第１板材１６と上記第１板材１６よりも板厚が薄くされたステンレス製の第２板材１７とが接着剤層である接合層１８により、一体化されている。そして、第１板材１６にエッチング処理を施すことにより、コンプライアンス部１５が形成される。

図２に示すように、上記共通インク室２と導入流路１３を連通する制御流路２５が共通インク室形成基板７に設けられている。図２（Ｂ）は、共通インク室形成基板７単体の制御流路２５の部分を示す平面図である。上記制御通路２５は、共通インク室形成基板７の導入流路１３側の表面７ａ、すなわち図２（Ｂ）に示されている共通インク室形成基板７の上面に、窪ませた形状の流路空間として形成されている。また、制御流路２５は、共通インク室形成基板７の共通インク室２側に形成され、同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、共通インク室２に連通している絞り流路２５ａを有している。そして、上記絞り流路２５ａは、その流路面積よりも大きな流路面積とされた接続流路２５ｂに連続させてある。上記接続流路２５ｂは、絞り流路２５ａよりも流路面積が大きくなった状態で導入流路１３に連通している。同図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されている接続流路２５ｂの形状は、導入流路１３の円形断面の形状に合致するように円形の流路とされている。

図２（Ｄ）および（Ｅ）に示した制御流路２５は、接続流路２５ｂが長円形とされているものであり、（Ｅ）に示すように、接続流路２５ｂの端部に導入流路１３が連通している。

上記制御流路２５が共通インク室２に連通している箇所、すなわち連通開口部２５ｃに共通インク室２と制御流路２５を所定の空間でつなぐ中継拡大部２６が設けられている。上記中継拡大部２６は、共通インク室２の空間部分と上記連通開口部２５ｃとの間に配置されている。そのために、共通インク室形成基板７の共通インク室２側端部の絞り流路２５ａ側に段状の切り欠き部７ｃが形成してある。このように共通インク室形成基板７の端部に切欠き部７ｃを形成することによって、中継拡大部２６が形成されている。

図２（Ｆ），（Ｇ）に示すように、絞り流路２５ａの流路面積は徐々に大きくなるように変化して接続流路２５ｂに連なっている。同図（Ｆ），（Ｇ）の例は、絞り流路２５ａの深さは一定で幅方向、すなわち上記表面７ａの面方向の寸法変化によって、流路面積が徐々に変化している。そのために、制御流路２５の内側面に、絞り流路２５ａの幅を接続流路２５ｂの方に向って徐々に広くする湾曲部２５ｄが設けられている。

一方、図３（Ａ），（Ｂ）に示した例は、絞り流路２５ａの幅は徐々に変化させることなく深さ方向、すなわち共通インク室形成基板７の厚さ方向の寸法変化によって、流路面積が徐々に変化している。そのために、制御流路２５の底面に、絞り流路２５ａの深さを接続流路２５ｂの方に向って徐々に深くする傾斜部２５ｅが設けられている。それに伴って、接続流路２５ｂの深さも深くなっている。

また、図３（Ｃ），（Ｄ）に示した例は、絞り流路２５ａが上記の幅方向と深さ方向の双方の変化によって、絞り流路２５ａから接続流路２５ｂに向って流路面積が徐々に大きくなっている。そのために、制御流路２５の幅と深さを徐々に大きくする複合湾曲部２５ｆが、絞り流路２５ａから接続流路２５ｂにかけて設けられている。

上記共通インク室形成基板７はステンレス製であり、窪み形状の制御流路２５は塑性加工すなわちプレス装置の型成形によって成形されている。

図４は、供給口形成基板９の接合層１８がインクによって膨潤し、導入流路１３内に膨出した状態を示す断面図である。このように導入流路１３内に膨潤片１８ａが突出しても、導入流路１３の断面積を所定の大きさに設定しておくことにより、導入流路１３におけるインクの流量に支障が生じることなく、しかも、接続流路２５ｂや絞り流路２５ａに膨潤片１８ａが干渉する恐れがない。

上記インク噴射ヘッド１におけるインクの流動状態について説明する。

図２（Ａ）に示す圧電素子３に駆動信号が印加されて圧力発生室４内のインクが加圧されると、インクは供給流路１４からノズル開口５を経て吐出される。他方、導入流路１３側へ逆流したインクは、接続流路２５ｂから流路面積の小さな絞り流路２５ａで絞られながら共通インク室２内に流入する。大きな流路面積の接続流路２５ｂから小さな流路面積の絞り流路２５ａを通過するので、絞り流路２５ａではインクの流速が著しく速くなり、これに伴って共通インク室２内での流速がきわめて大きくなる。この状態で中継拡大部２６に流入するので、中継拡大部２６において渦流が発生し、この渦流発生により、共通インク室２内に流入したインク流に圧力損失が生じ、圧力発生室４から共通インク室２への流入に大きな流動抵抗が作用する。このような流動抵抗により、共通インク室２へのインク流が阻害され、共通インク室２へのインクの逆流量が減少する。

つぎに、圧電素子３への駆動信号が停止されると、加圧方向に撓んでいた圧電素子３が、今度は、逆方向に撓んで圧力発生室４内へインクが導入される。共通インク室２から導入流路１３を経て圧力発生室４に向うインク流は、絞り流路２５ａを経由して接続流路２５ｂへ流通するので、導入流路１３や圧力発生室４内における渦流の発生がない。あるいは、渦流が発生してもほとんど実害のない程度である。さらに、絞り流路２５ａから接続流路２５ｂに向って流路面積が徐々に大きくなるように変化させておくことにより、制御流路２５内におけるインク流に渦流や乱流が発生することがない。したがって、導入流路１３ないしは圧力発生室４におけるインク流の圧力損失は、上記インク加圧時の場合に比べて大幅に低下し、圧力発生室４へのインク流は円滑になされ、圧力発生室４へのインク導入量を増大することができる。

上記の流動動作において、圧力発生室４から共通インク室２にインクが逆流するとき、中継拡大部２６は、制御流路２５の連通開口部２５ｃと共通インク室２との間において、供給口形成基板９の下側の面と切り欠き部７ｃで制約された空間部分であるから、そこに発生した渦流は、多数の渦流が高い密度となり、それに伴って大きな圧力損失が得られる。また、共通インク室２から圧力発生室４へインクが導入されるときには、共通インク室２のインクが、制約された空間部分である中継拡大部２６内に押し込まれるような加圧された状態になり、それによって絞り流路２５ａでのインク流速が速められて、圧力発生室４への流量が増量される。

上記実施例の作用効果を列記すると、つぎのとおりである。

上記制御流路２５は、共通インク室形成基板７の導入流路１３側の表面７ａに形成されているので、制御流路２５と導入流路１３は離隔した位置関係とすることができる。したがって、導入流路１３に接着剤からなる接合層１８がインクによる膨潤等で突出しても、制御流路２５には何等影響することなく、制御流路２５としての正常な機能を果たすことができる。また、制御流路２５が共通インク室形成基板７の表面７ａに成形されているので、制御流路２５を、例えば、プレス加工で成形することができ、製造工程が簡素化され、同時に制御流路２５の成形精度を向上させることができる。さらに、制御流路２５が共通インク室形成基板７の表面７ａに成形されていることから、制御流路２５の形状を選定する自由度が拡大され、最適の制御流路２５の形状を求めるのに有利である。

上記制御流路２５は、流路面積が小さく設定され共通インク室２に連通している絞り流路２５ａと、流路面積が上記絞り流路２５ａよりも大きく設定され上記導入流路１３に連通している接続流路２５ｂとにより構成されている。このため、上記圧力発生室４から導入流路１３と制御流路２５を経て、インクが共通インク室２に逆流するときには、流路面積の大きな接続流路２５ｂから流路面積の小さな絞り流路２５ａに流動するので、絞り流路２５ａにおいてインクの流速が著しく速められ、それに伴って、共通インク室２内に渦流が発生する。この渦流の発生により、共通インク室２内におけるインク流に圧力損失が発生し、同時に流動抵抗が高くなる。したがって、共通インク室２内にインクが流入しにくくなる状態が形成され、圧力発生室４から共通インク室２に逆流するインクの量を最小化することができる。逆に、共通インク室２から圧力発生室４にインクが導入されるときには、絞り流路２５ａから接続流路２５ｂにかけてのインク流に渦流や乱流が発生しないので、円滑な導入流が得られ、より多くの量のインクが圧力発生室４に導入される。

上記絞り流路２５ａは、その流路面積が徐々に大きくなるよう変化して上記接続流路２５ｂに連続している。これにより、圧力発生室４から共通インク室２に向う逆流時に、接続流路２５ｂから絞り流路２５ａにかけて滑らかな流路面積変化が得られて、絞り流路２５ａの流速をより速くすることができ、上述のように、共通インク室２における渦流発生ないしは圧力損失を大きくして、逆流の流量を減少することができる。他方、共通インク室２から圧力発生室４にインクを導入するときには、絞り流路２５ａから接続流路２５ｂにかけて徐々に流路面積が大きくなっているので、渦流や乱流が発生することがなく、圧力発生室４に導入されるインク量がより多くなる。

上記絞り流路２５ａの流路面積の変化は、共通インク室形成基板７の導入流路１３側の表面７ａの面方向の寸法変化によってなされているため、上記表面７ａの面方向の寸法変化によって所定の流路面積の変化を求めることができる。また、制御流路２５の形成の際に、共通インク室形成基板７の厚さに制約があるときには、流路面積を変化させることが行いやすくなる。さらに、共通インク室形成基板７の厚さ方向において流路面積の変化を求める場合は、そのための形状変化は流路の深さ方向ひとつだけとなり、流路面積変化の自由度が十分に確保できない。しかし、上記のような面方向の変化であれば、流路の両側に形状変化を付与し、例えば、流路溝の両側の内壁を拡開させる構造とすることができ、製造が容易になり、しかも流路面積変化の自由度も向上する。そして、このような面方向の変化は、特異な形状のポンチで簡単に成形できる。

上記絞り流路２５ａの流路面積の変化は、共通インク室形成基板７の厚さ方向の寸法変化によってなされているので、上記厚さ方向の寸法変化によって所定の流路面積の変化を求めることができる。また、制御流路２５の形成の際に、共通インク室形成基板７の表面７ａの面方向に制約があるときには、流路面積を変化させることが行いやすくなる。

上記絞り流路２５ａの流路面積の変化は、上記面方向の寸法変化と、上記厚さ方向の寸法変化との双方の変化によってなされているので、上記双方の寸法変化を活用して、最適形状の制御流路２５を構成することができる。

上記制御流路２５は、共通インク室２側の共通インク室形成基板７の表面７ａを窪ませることにより形成されているので、例えば、プレス装置の金型を共通インク室形成基板７の表面７ａに加圧して制御流路２５を形成できる。したがって、インク噴射ヘッド１の生産性の向上が図れるとともに、成形精度を高めることができる。

上記制御流路２５の共通インク室２に連通している箇所に、上記共通インク室２と制御流路２５を所定の空間でつなぐ中継拡大部２６が設けられている。このため、圧力発生室４から共通インク室２にインクが逆流するとき、中継拡大部２６は、制御流路２５の連通開口部２５ｃと共通インク室２との間において、共通インク室２の高さよりも小さく、且つ制御流路の連通開口部２５ｃの高さよりも大きい空間部分となり、そこに発生した渦流の発生領域は小さくなり、それに伴って大きな圧力損失が得られる。また、共通インク室２から圧力発生室４へインクが導入されるときには、共通インク室２のインクが、制約された空間部分である中継拡大部２６内に押し込まれるような加圧された状態になり、それによって絞り流路２５ａでのインク流速が速められて、圧力発生室４への流量が増量される。

インクジェット式プリンタ３１において、上記制御流路２５は、共通インク室形成基板７の導入流路１３側の表面７ａに形成されているので、制御流路２５と導入流路１３は離隔した位置関係とすることができる。したがって、導入流路１３に接着剤からなる接合層１８がインクによる膨潤等で突出しても、制御流路２５には何等影響することなく、制御流路２５としての正常な機能を果たすことができる。また、制御流路２５が共通インク室形成基板７の表面７ａに成形されているので、制御流路２５を、例えば、プレス加工で成形することができ、製造工程が簡素化され、同時に制御流路２５の成形精度を向上させることができる。さらに、制御流路２５が共通インク室形成基板７の表面７ａに成形されていることから、制御流路２５の形状を選定する自由度が拡大され、最適の制御流路２５の形状を求めるのに有利である。上記のようにすぐれた利点を有するインク噴射ヘッド１をインクジェット式プリンタ３１に装着して、同プリンタ３１の性能を一層向上させることができる。

制御流路２５は、導入流路１３から共通インク室２の方へ延ばされた形態となっているので、インク噴射ヘッド１の厚さ方向で見て、圧力発生室４と共通インク室２とが重複しない位置関係となっている。したがって、圧力発生室４の圧力変化によって生じる応力が共通インク室形成基板７において全面的に受け止められる状態となり、インク噴射ヘッド１の剛性を適正に維持することができる。

上記各実施例は、インクジェット式プリンタを対象にしたものであるが、本発明によってえられた液体噴射ヘッドおよびそれを装着した液体噴射装置は、インクジェット式プリンタ用のインクだけを対象にするのではなく、グルー，マニキュア，導電性液体（液体金属）等を噴射することができる。さらに、上記実施例では、液体の一つであるインクを用いたインクジェット式プリンタについて説明したが、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド，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，バイオチップ製造に用いられる生体有機噴射ヘッド等の液体を吐出する液体噴射ヘッド全般に適用することも可能である。

１…インク噴射ヘッド、２…共通インク室、３…圧力発生手段、撓み振動型の圧電素子、４…圧力発生室、５…ノズル開口、６…ノズルプレート、７…共通インク室形成基板、７ａ…表面、７ｃ…切り欠き部、８…供給口、８ａ…テーパ穴、８ｂ…ストレート穴、８ｃ…開口部、Ｖ…渦流、９…供給口形成基板、積層部材、１０…圧力発生室形成基板、１１…振動板、１２…ディスタンスプレート、１３…導入流路、１３ａ…流路、１３ｂ…流路、１４…供給流路、１４ａ…流路、１４ｂ…流路、１４ｃ…流路、１５…コンプライアンス部、１６…第１板材、１７…第２板材、１８…接合層、１８ａ…膨潤片、１９…略円形の接合層、円形接合層、１９ａ…膨潤片、２０…パンチ、２０ａ…テーパ部、２０ｂ…ストレート部、２１…ダイ、２１ａ…開口、２２…外表面、２３…膨出部、Ｌ…越えた長さ、θ１…拡開角度、Ｄ１…ストレート穴の直径、Ｄ２…円形接合層の直径、Ｓ１…肉厚、φ１…ダイの開口径、２４…圧力発生室ユニット、２５…制御流路、２５ａ…絞り流路、２５ｂ…接続流路、２５ｃ…連通開口部、２５ｄ…湾曲部、２５ｅ…傾斜部、２５ｆ…複合湾曲部、２６…中継拡大部、３１…インクジェット式プリンタ、３１ａ…制御装置、３２…インクカートリッジ、３３…キャリッジ、３４…タイミングベルト、３５…ステッピングモータ、３６…ガイドバー、３７…記録紙、３８…吸引キャップ、３９…ワイパーブレード、３９ａ…廃インク貯留部、４０…記録ヘッド。

Claims (1)

1. 共通液体室から液体を複数の圧力発生室に導入して圧力発生手段により液体を複数のノズル開口から噴射する液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
   複数の基板を積層し、当該複数の基板は、少なくとも、
   複数の上記圧力発生室が設けられた圧力発生室形成基板と、
   上記圧力発生室に連通する複数の導入流路が形成された供給口形成基板と、
   上記圧力発生室形成基板側の表面に上記共通液体室からの液体を上記導入流路に供給する複数の制御流路が形成された流路形成基板と、
   複数の上記ノズル開口が形成されたノズルプレートとを備え、
   上記供給口形成基板は、接着剤からなる接合層で接合された複数の板材を有し、上記接合層が前記導入流路に突出し、
   上記流路形成基板の制御流路を形成した面と、上記供給口形成基板とが接合されている
   ことを特徴とする液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置。
   

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