JP5901282B2 - 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。

インクを吐出して記録媒体に画像を記録するインクジェット記録装置には、一般的に、インクを吐出する液体吐出ヘッドが搭載されている。液体吐出ヘッドにインクを吐出させる機構として、圧電素子によって容積が収縮可能な圧力室を利用した機構が知られている。この機構では、電圧が印加された圧電素子の変形により圧力室が収縮することによって、圧力室内のインクが、圧力室の一端に形成された吐出口から吐出される。このような機構を有する液体吐出ヘッドの一つとして、圧力室の１つまたは２つの内壁面が圧電素子で構成され、その圧電素子を電圧印加によりせん断変形させることによって、圧力室を収縮させるシェアモードタイプの液体吐出ヘッドが知られている。

工業用途のインクジェット記録装置では、高粘度の液体を使用したいという要求がある。高粘度の液体を吐出するためには、液体吐出ヘッドに大きな吐出力が求められる。この要求に対し、断面形状が円形や矩形の筒形状の圧電部材で圧力室が形成されたグールドタイプと呼ばれる液体吐出ヘッドが提案されている。グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、圧電部材が圧力室の中心に対して内外方向（径方向）に一様に変形することで、圧力室が膨張または収縮する。グールドタイプの液体吐出ヘッドは、圧力室の壁面が全て変形し、その変形がインクの吐出力に寄与するため、１つまたは２つの壁面が圧電素子で形成されたシェアモードタイプの液体吐出ヘッドと比較して、大きな液体吐出力を得ることができる。

グールドタイプの液体吐出ヘッドにおいてより高い解像度を得るためには、複数の吐出口をより高密度に配置する必要がある。これに伴い、各吐出口に対応する圧力室も高密度に配置する必要がある。特許文献１には、圧力室を高密度に形成可能な、グールドタイプの液体吐出ヘッドの製造方法が開示されている。

特許文献１に開示された製造方法では、まず、複数の圧電プレートの各々に、互いに同じ方向に延びる複数の溝が形成される。その後、複数の圧電プレートは、溝の方向が揃えられて積層され、溝の方向と直交する方向に切断される。切断された圧電プレートは、溝部分が圧力室の内壁面を構成する。その後、各圧力室を分離するために圧力室間に存在する圧電部材を一定の深さまで除去する。圧力室が完成した圧電プレートの上下に、供給路プレートおよびインクプールプレートとプリント配線基板およびノズルプレートとがそれぞれ接続されて、液体吐出ヘッドが完成する。この製造方法によれば、圧力室をマトリックス状に配置することができ、そのため、圧力室の高密度な配置が可能となる。また、この製造方法によれば、圧電プレートに孔を開けるよりも、圧電プレートに溝を形成する方が加工性が良いため、精度良く圧力室を形成することができる。

一方、グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、圧力室内に発生する気泡により、吐出口からインクが吐出されない吐出異常が発生することが知られており、そのための対策も必要となる。特許文献２および３には、吐出口（ノズル）内に気泡の滞留を抑制するために印字中も圧力室内の気泡やインクの溶存酸素を脱気させる手段が開示されている。

特開２００７−１６８３１９号公報 特開昭６１−２４９７６０号公報 特開２００６−９５８７８号公報

特許文献１に開示された製造方法で製造された液体吐出ヘッドでは、複数の圧力室が空間で隔てられて配置されている。すなわち、各圧力室を構成する壁部がそれぞれ独立して構成されている。そのため、特に、高粘度の液体を吐出するため（つまり液体の吐出力を大きくするため）に圧力室の長さ（高さ）を大きくした場合、液体吐出ヘッドの剛性が低くなってしまう。剛性が低くなると圧力室が折れやすくなり、それにより液体が吐出できなくなる場合がある。

また、特許文献２および３に開示された手段は、複数の吐出口（圧力室）が二次元的に配置されたグールドタイプの液体吐出ヘッドに対しては、有効に適用することができない。

そこで本発明は、圧力室周囲の剛性を向上させる構造を備え、圧力室内の気泡の除去やインクの脱気が可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口にそれぞれ連通し、吐出口から吐出される液体を貯留するための筒状の複数の圧力室であって、各圧力室を構成する壁部の少なくとも一部が圧電部材で形成され、圧電部材の変形により吐出口から液体を吐出させる複数の圧力室と、各圧力室の周囲に圧力室から間隔をおいて配置され、圧力室が筒状に延びる方向と平行に延びる複数の空間部と、を有するとともに、圧電部材から形成され、複数の第１の溝と、第１の溝と交互に配置された複数の第２の溝とが一方の面に形成された第１のプレートと、複数の第３の溝が一方の面に形成された第２のプレートと、を有する積層体であって、第１の溝と第２のプレートの他方の面とにより圧力室が形成されるとともに、第３の溝と第１のプレートの他方の面とにより減圧可能な空間部が形成されるように、第１のプレートと第２のプレートとが交互に積層された積層体を有し、複数の空間部のうち一部の空間部が減圧可能であり、圧力室と減圧可能な空間部との間には、減圧可能な空間部を通じて圧力室内の気体が排気されるように、ガス透過性部材が設けられている。

本発明によれば、圧力室周囲の剛性を向上させる構造を備え、圧力室内の気泡の除去やインクの脱気が可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

第１の実施形態の液体吐出ヘッドの概略斜視図である。 図１の液体吐出ヘッドの概略正面図および概略断面図である。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドの概略斜視図である。 図３の液体吐出ヘッドの概略正面図および概略断面図である。 第３の実施形態の液体吐出ヘッドの圧電ブロック体の概略斜視図である。 図５の液体吐出ヘッドの第２のプレートの概略斜視図および概略断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態を示す液体吐出ヘッドの構成について説明する。図１は、本実施形態の液体吐出ヘッドの概略斜視図である。

図１を参照すると、本実施形態の液体吐出ヘッド１２は、圧電ブロック体１１と、圧電ブロック体１１の前面に接合されたノズルプレート９と、圧電ブロック体１１の背面に接合されたインクプールプレート８と、を有している。なお、図１では、圧電ブロック体１１の構造を理解しやすくするために、圧電ブロック体１１とノズルプレート９とを分解して示している。ノズルプレート９には、円形貫通孔からなる複数の吐出口１０が形成され、これらの吐出口１０は、所定の間隔で格子状（二次元的）に配置されている。圧電ブロック体１１の側面には、真空ポンプ（図示せず）により真空排気制御される真空排気室１３が接合されている。

次に、本実施形態の圧電ブロック体の構成について説明する。図２（ａ）は、図１に示す本実施形態の圧電ブロック体の概略正面図であり、図２（ｂ）は、図１のＡ−Ａ’線に沿った、圧電ブロック体の概略断面図である。

圧電ブロック体１１は、第１のプレート１と第２のプレート２とが接着層（図示せず）を介して交互に積層された積層体である。

第１のプレート１は、圧電部材で形成され、第１のプレート１の一方の面には、複数の第１の溝３と、第１の溝３と交互に配置された複数の第２の溝４ａとが形成されている。一方、第２のプレート２は、セラミックス部材で形成され、第２のプレート２の一方の面には、複数の第３の溝４ｂが形成されている。第１のプレート１と第２のプレート２とは、溝が形成された面と溝が形成されていない面とが接するように積層されている。これにより、圧電ブロック体１１には、複数の圧力室と、各圧力室の周囲に、圧力室から間隔をおいて配置された複数の空間部とが形成される。すなわち、第１の溝３と第２のプレート２とにより、液体を貯留するための筒状の圧力室が形成される。また、第２の溝４ａと第２のプレート２とにより、圧力室３が筒状に延びる方向と平行に延びる第１の空間部が形成され、第３の溝４ｂと第１のプレート１とにより、同様の第２の空間部が形成される。圧力室３は、一方の端部がノズルプレート９の吐出口１０（図１参照）に連通し、他方の端部がインクプールプレート８（図１参照）に接続されている。

圧力室３および第１の空間部４ａの内面には、それぞれ電極６，７が形成されている。圧力室３と第１の空間部４ａとの間に各電極６，７を用いて電圧を印加して、圧力室３と第１の空間部４ａとに挟まれた内壁部分を伸長変形および収縮変形させることで、圧力室３内に貯留された液滴を吐出口１０から吐出させることができる。

本実施形態では、第１のプレート１において、圧力室（第１の溝）３と、第１の空間部（第２の溝）４ａとは、圧電部材からなる壁部３４によって隔てられている。また、第２のプレート２においては、第２の空間部（第３の溝）４ｂ同士は、セラミックス部材からなる壁部３５によって隔てられている。これらの壁部３４，３５は互いに連結するように構成されており、これにより、本実施形態の液体吐出ヘッド１２では、圧力室３周囲の剛性を高めることが可能となる。

一方、第２の空間部（第３の溝）４ｂは、図１からもわかるように、圧電ブロック体１１の前面側がノズルプレート９により閉鎖されるが、背面側は、図２（ｂ）に示すように、真空排気室１３に連通した真空流路１６に接続されている。さらに、第２の空間部４ｂの、圧電ブロック体１１の背面側には、図２（ｂ）に示すように、ガス透過性部材１４が設けられている。また、第２のプレート２の第３の溝４ｂ内の、ガス透過性部材１４に対応する位置には、第２のプレート２を貫通する孔１５が形成されている。ガス透過性部材１４は、酸素ガス透過係数が１０^-10ｍｍ³・ｍｍ／（ｍｍ²・ｓ・Ｐａ）のポリオレフィンフィルムからなり、接着剤により孔１５を塞ぐように第２のプレート２に接合されている。ガス透過性部材１４は、第３の溝４ｂの深さよりも薄い厚さと、孔１５を閉鎖することができる大きさとを有している。

このような構成により、本実施形態では、真空排気室１３が真空排気されると、第２の空間部４ｂは真空流路１６を通じて減圧される。それにより、第２の空間部４ｂに設けられたガス透過性部材１４を介して、圧力室３が収縮変形した際に発生する気泡、インク中の気泡、溶存酸素、および吐出口から侵入した空気等、圧力室３内に存在する気体を少しずつ除去することができる。その際に、圧力室３内のインクが排気されることはない。こうして、圧力室内の気泡の除去やインクの脱気を行うことが可能となる。

本実施形態のガス透過性部材は、ポリオレフィンフィルムから形成されていたが、これに限定されることはなく、ガス透過性を有する材料であってフィルムやシート状に形成されていればよい。例えば、ガス透過性部材の材料としては、シリコーン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリプロピレン等を用いることができ、ガス透過性を有するセラミックスも同様に用いることができる。この場合、各材料のガス透過性については、酸素ガス透過係数が１０^-12ｍｍ³・ｍｍ／（ｍｍ²・ｓ・Ｐａ）以上であることが好ましく、１０^-10ｍｍ³・ｍｍ／（ｍｍ²・ｓ・Ｐａ）以上であることがより好ましい。なお、上限は、使用するインクが浸透して漏れださない程度であれば特に限定されない。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの概略斜視図である。図４（ａ）は 図３に示す本実施形態の圧電ブロック体の概略正面図であり、図４（ｂ）は、図３のＡ−Ａ’線に沿った、圧電ブロック体の概略断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態に対して、圧電ブロック体１１の構成、特に第２のプレート２の構成を変更した変形例である。具体的には、第２のプレート２が圧電部材で形成され、第３の溝４ｂが、圧力室を形成する第１の溝３とそれぞれ対向するように形成されている点で、第１の実施形態と異なっている。また、第２のプレート２（つまり第３の溝４ｂ）にも電極７が形成されている。これ以外の構成については、ガス透過性部材１４の形状等、わずかな変更を除いて、第１の実施形態と同様である。

このように、本実施形態では、ガス透過性部材１４が設けられた液体吐出ヘッド１２の背面側を除いて、圧力室３を構成する壁部３４，３５の大部分が圧電部材で形成されている。また、断面が矩形状の圧力室３の周囲には、圧電部材からなる壁部３４，３５を挟んで、４つの側面方向にそれぞれ第１および第２の空間部４ａ，４ｂが配置されている。そのため、第１および第２の空間部４ａ，４ｂとの間に挟まれた４つの壁部３４，３５のすべてが各電極６，７により収縮可能となり、これにより、インクの吐出力をより一層向上させることが可能となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の液体吐出ヘッドにおける圧電ブロック体の概略斜視図である。

本実施形態は、第１の実施形態に対して、圧電ブロック体１１の構成、特に第２のプレート２の構成を変更した変形例である。具体的には、第２のプレート２がガス透過性のセラミックス部材で形成され、第３の溝４ｂが、第２の実施形態と同様に、圧力室を形成する第１の溝３にそれぞれ対向する位置に形成されている点で、第１の実施形態と異なっている。また、本実施形態の第２のプレート２には、第１の実施形態において第２のプレート２に設けられていた孔１５は設けられていない。これ以外の構成については、第１の実施形態と同様である。

このように、本実施形態では、第２のプレート２自体がガス透過性を有しているため、第２のプレート２全体で圧力室３内の脱ガスが行うことができる。そのため、吐出口付近やインク中の気泡や溶存酸素を非常に効率的に除去することができ、吐出安定性を向上させることができる。また、第１の実施形態の液体吐出ヘッド１２を製造する際には必要であった、ガス透過性部材１４を第２のプレート２の孔１５に合わせて接着剤で張り合わせる工程が不要となり、構造と製造工程とが簡素化されるため、歩留まりを向上させることができる。

（第４の実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第４の実施形態の液体吐出ヘッドにおける第２のプレートの概略斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態に対して、圧電ブロック体１１の構成、特に第２のプレート２の構成を変更した変形例である。具体的には、第２のプレート２が焼結ガス透過性のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されている。つまり、本実施形態の第２のプレート２は、圧電性能とガス透過性能を併せ持つ材料で形成されている。また、第３の溝３ｂは、第２および第３の実施形態と同様の構成で、第２のプレート２に形成されている。

さらに、第２のプレート２の両面には電極７が形成されている。電極７が形成された部分はガス透過性が悪くなるため、プレート両面の電極７には、プレートの積層方向から見て重なる位置に、それぞれガスを良好に透過させるための電極非形成部１７が設けられている。電極非形成部１７は、第１のプレート１の圧力室（第１の溝）３に対応する位置に設けられ、したがって、第２のプレート２の一方の面では、第３の溝４ｂ内に設けられている。

このように、本実施形態では、圧電性能とガス透過性能とを有する第２のプレート２によって、第２の実施形態の効果と第３の実施形態の効果との両方を得ることができる。すなわち、圧力室３を構成する内壁の大部分が収縮可能となることで、インクの吐出力をより一層向上させることができる。それに加えて、第２のプレート２の電極非形成部１７を通じた圧力室３内の脱ガスが可能となることで、吐出口付近やインク中の気泡や溶存酸素を非常に効率的に除去することができ、吐出安定性を向上させることができる。

第２のプレートの両面での電極非形成部は、プレート両面で位置が重なっていればよく、その形状や数は、脱気性能と吐出性能とによって適宜変更可能である。例えば、図示した実施形態では円形状に形成されているが、電極が断線することがなければ、矩形状やストライプ状に形成されていてもよく、両面で同じ形状に形成されている必要もない。また、プレート両面で電極非形成部が重なる領域の大きさは、予め使用するガス透過性のＰＺＴのガス透過性能を評価して設計されていることがより好ましい。

なお、本発明の液体吐出ヘッドにおける、吐出口の構成（吐出口数、ピッチ、密度、形状）や溝の形状（幅、深さ、長さ等）、電極の取り出し等の仕様は、上述した実施形態に限定されるものではなく、用途に応じて適宜変更可能である。

１ 第１のプレート
２ 第２のプレート
３ 圧力室（第１の溝）
４ａ 第１の空間部（第２の溝）
４ｂ 第２の空間部（第３の溝）
１４ ガス透過性部材

Claims (7)

1. 液体を吐出する複数の吐出口にそれぞれ連通し、該吐出口から吐出される液体を貯留するための筒状の複数の圧力室であって、該各圧力室を構成する壁部の少なくとも一部が圧電部材で形成され、該圧電部材の変形により前記吐出口から液体を吐出させる複数の圧力室と、
   前記各圧力室の周囲に該圧力室から間隔をおいて配置され、前記圧力室が筒状に延びる方向と平行に延びる複数の空間部と、を有するとともに、
   圧電部材から形成され、複数の第１の溝と、該第１の溝と交互に配置された複数の第２の溝とが一方の面に形成された第１のプレートと、複数の第３の溝が一方の面に形成された第２のプレートと、を有する積層体であって、前記第１の溝と前記第２のプレートの他方の面とにより前記圧力室が形成されるとともに、前記第３の溝と前記第１のプレートの他方の面とにより前記減圧可能な空間部が形成されるように、前記第１のプレートと前記第２のプレートとが交互に積層された積層体を有し、
   前記複数の空間部のうち一部の空間部が減圧可能であり、
   前記圧力室と前記減圧可能な空間部との間には、該減圧可能な空間部を通じて前記圧力室内の気体が排気されるように、ガス透過性部材が設けられている、液体吐出ヘッド。
2. 前記第３の溝内には、前記第２のプレートを貫通する孔が形成され、前記ガス透過性部材が、前記孔を塞ぐように前記第３の溝内に設けられている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第２のプレートが、セラミックス部材で形成されている、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２のプレートが、圧電部材で形成されている、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第２のプレートが、ガス透過性のセラミックス部材で形成されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第２のプレートが、ガス透過性の圧電部材で形成されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第２のプレートの両面には電極がそれぞれ形成され、該電極の、前記プレートの積層方向から見て重なる位置に、それぞれ電極非形成部が設けられている、請求項６に記載の液体吐出ヘッド。

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