JP5981682B1 - 液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置 - Google Patents

液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明の目的は、ダミー加圧室の信頼性を高くできる液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔8、複数の加圧室10、ダミー加圧室10D2を有する流路部材4と、複数の加圧部50を有する基板40とを含んでいる液体吐出ヘッド2であって、流路部材4は、加圧室プレート4a、ダミー加圧室プレート4bおよびプレート4c〜lが積層されており、加圧室プレート4aは、孔を有し、当該孔の側面が加圧室10の側面とされており、かつ当該孔の開口が加圧室開口とされており、ダミー加圧室プレート4bは、孔を有し、当該孔の側面がダミー加圧室10D2の側面とされており、かつ当該孔の開口がダミー加圧室開口とされており、複数の前記加圧室開口は基板40により塞がれており、前記ダミー加圧室開口は加圧室プレート4aにより塞がれていることを特徴とする。
【選択図】 図5

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置に関する。
従来、印刷用ヘッドとして、例えば、液体を記録媒体上に吐出することによって、各種の印刷を行なう液体吐出ヘッドが知られている。液体吐出ヘッドは、例えば、液体を吐出する吐出孔と、吐出孔から液体が吐出されるように液体を加圧する加圧室と、加圧室に液体を供給する共通流路と有する流路部材に、加圧室を加圧する圧電アクチュエータ基板を積層し、流路部材の上面に開口している加圧室の開口を塞いだものが知られている。また、そのような液体吐出ヘッドにおいて、流路部材にダミー加圧室を配置し、流路部材の上面に開口しているダミー加圧室の開口を圧電アクチュエータ基板で塞いだものが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2014−24270号公報
特許文献1に記載されているような液体吐出ヘッドでは、ダミー加圧室を塞いでいる部分の圧電アクチュエータ基板に破損などが生じた際に、その部分から液体が漏れるおそれがあった。液体が漏れることで、流路の特性が変わり、吐出特性(吐出量や吐出速度)が変動したり、漏れた液体により圧電アクチュエータ基板に設けられた電極間がショートするといった問題があった。
したがって、本発明の目的は、ダミー加圧室の信頼性を高くできる液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置を提供することにある。
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室、およびダミー加圧室を有する流路部材と、該流路部材の上に配置されている、前記複数の加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する基板とを含んでいる液体吐出ヘッドであって、前記流路部材は、積層された複数のプレートを含んでおり、該複数のプレートは、一つの加圧室プレートおよび一つのダミー加圧室プレートを含んでおり、前記加圧室プレートは、孔あるいは溝を有し、当該孔あるいは溝の側面が前記加圧室の側面とされており、かつ当該孔あるいは溝の開口が加圧室開口とされており、前記ダミー加圧室プレートは、孔あるいは溝を有し、当該孔あるいは溝の側面が前記ダミー加圧室の側面とされており、かつ当該孔あるいは溝の開口がダミー加圧室開口とされており、複数の前記加圧室開口は前記基板により塞がれており、前記ダミー加圧室開口は前記加圧室プレート、もしくは他の前記プレートにより塞がれていることを特徴とする。
また、本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室、およびダミー加圧室を有する流路部材と、該流路部材の上に配置されている、前記複数の加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する基板とを含んでいる液体吐出ヘッドであって、前記流路部材は、積層された複数のプレートを含んでおり、該複数のプレートは、一つの加圧室プレートを含んでおり、該加圧室プレートは、孔あるいは溝を有し、当該孔あるいは溝の側面が前記加圧室の側面とされており、かつ当該孔あるいは溝の開口が前記加圧室開口とされており、複数の前記加圧室開口は前記基板により塞がれており、前記ダミー加圧室は、前記加圧室プレートの前記基板と反対側の面に設けられた溝と、該溝を塞いでいる他の前記プレートとにより構成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部を備えていることを特徴とする。
本発明の液体吐出ヘッドによれば、ダミー加圧室の信頼性を高くできる。
(a)は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを含む記録装置の側面図であり、(b)は平面図である。 (a)は、図1の液体吐出ヘッドの要部であるヘッド本体の平面図であり、(b)は、(a)から第2流路部材を除いた平面図である。 図2(b)の一部の拡大平面図である。 図2(b)の一部の拡大平面図である。 (a)は、図4のV−V線に沿った部分縦断面図であり、(b)は、図4のX−X線に沿った部分縦断面図である。 図2(a)のヘッド本体の部分縦断面図ある。 本発明の他の実施形態のヘッド本体の部分縦断面図である。
図1(a)は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド2を含む記録装置であるカラーインクジェットプリンタ1(以下で単にプリンタと言うことがある)の概略の側面図であり、図1(b)は、概略の平面図である。プリンタ1は、記録媒体である印刷用紙Pをガイドローラ82Aから搬送ローラ82Bへと搬送することにより、印刷用紙Pを液体吐出ヘッド2に対して相対的に移動させる。制御部88は、画像や文字のデータに基づいて、液体吐出ヘッド2を制御して、記録媒体Pに向けて液体を吐出させ、印刷用紙Pに液滴を着弾させて、印刷用紙Pに印刷などの記録を行なう。
本実施形態では、液体吐出ヘッド2はプリンタ1に対して固定されており、プリンタ1はいわゆるラインプリンタとなっている。本発明の記録装置の他の実施形態としては、液体吐出ヘッド2を、印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に往復させるなどして移動させる動作と、印刷用紙Pの搬送を交互に行なう、いわゆるシリアルプリンタが挙げられる。
プリンタ1には、印刷用紙Pとほぼ平行となるように平板状のヘッド搭載フレーム70(以下で単にフレームと言うことがある)が固定されている。フレーム70には図示しない20個の孔が設けられており、20個の液体吐出ヘッド2がそれぞれの孔の部分に搭載されていて、液体吐出ヘッド2の、液体を吐出する部位が印刷用紙Pに面するようになっている。液体吐出ヘッド2と印刷用紙Pとの間の距離は、例えば0.5〜20mm程度とされる。5つの液体吐出ヘッド2は、1つのヘッド群72を構成しており、プリンタ1は、4つのヘッド群72を有している。
液体吐出ヘッド2は、図1(a)の手前から奥へ向かう方向、図1(b)の上下方向に細長い長尺形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。1つのヘッド群72内において、3つの液体吐出ヘッド2は、印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に沿って並んでおり、他の2つの液体吐出ヘッド2は搬送方向に沿ってずれた位置で、3つの液体吐出ヘッド2の間にそれぞれ一つずつ並んでいる。液体吐出ヘッド2は、各液体吐出ヘッド2で印刷可能な範囲が、印刷用紙Pの幅方向に(印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向に)繋がるように、あるいは端が重複するように配置されており、印刷用紙Pの幅方向に隙間のない印刷が可能になっている。
4つのヘッド群72は、記録用紙Pの搬送方向に沿って配置されている。各液体吐出ヘッド2には、図示しない液体タンクから液体、例えば、インクが供給される。1つのヘッド群72に属する液体吐出ヘッド2には、同じ色のインクが供給されるようになっており、4つのヘッド群72で4色のインクが印刷できる。各ヘッド群72から吐出されるインクの色は、例えば、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、シアン(C)およびブラック(K)である。このようなインクを、制御部88で制御して印刷すれば、カラー画像が印刷できる。
プリンタ1に搭載されている液体吐出ヘッド2の個数は、単色で、1つの液体吐出ヘッド2で印刷可能な範囲を印刷するのなら1つでもよい。ヘッド群72に含まれる液体吐出ヘッド2の個数や、ヘッド群72の個数は、印刷する対象や印刷条件により適宜変更できる。例えば、さらに多色の印刷をするためにヘッド群72の個数を増やしてもよい。また、同色で印刷するヘッド群72を複数配置して、搬送方向に交互に印刷すれば、同じ性能の液体吐出ヘッド2を使用しても搬送速度を速くできる。これにより、時間当たりの印刷面積を大きくすることができる。また、同色で印刷するヘッド群72を複数準備して、搬送方向と交差する方向にずらして配置して、印刷用紙Pの幅方向の解像度を高くしてもよい。
さらに、色の付いたインクを印刷する以外に、印刷用紙Pの表面処理をするために、コーティング剤などの液体を印刷してもよい。
プリンタ1は、記録媒体である印刷用紙Pに印刷を行なう。印刷用紙Pは、給紙ローラ80Aに巻き取られた状態になっており、2つのガイドローラ82Aの間を通った後、フレーム70に搭載されている液体吐出ヘッド2の下側を通り、その後2つの搬送ローラ82Bの間を通り、最終的に回収ローラ80Bに回収される。印刷する際には、搬送ローラ82Bを回転させることで印刷用紙Pは、一定速度で搬送され、液体吐出ヘッド2によって印刷される。回収ローラ80Bは、搬送ローラ82Bから送り出された印刷用紙Pを巻き取る。搬送速度は、例えば、50m/分とされる。各ローラは、制御部88によって制御されてもよいし、人によって手動で操作されてもよい。
記録媒体は、印刷用紙P以外に、ロール状の布などでもよい。また、プリンタ1は、印刷用紙Pを直接搬送する代わりに、搬送ベルトを直接搬送して、記録媒体を搬送ベルト上に置いて搬送してもよい。そのようにすれば、枚葉紙や裁断された布、木材、タイルなどを記録媒体にできる。さらに、液体吐出ヘッド2から導電性の粒子を含む液体を吐出するようにして、電子機器の配線パターンなどを印刷してもよい。またさらに、液体吐出ヘッド2から反応容器などに向けて所定量の液体の化学薬剤や化学薬剤を含んだ液体を吐出させて、反応させるなどして、化学薬品を作製してもよい。
また、プリンタ1に、位置センサ、速度センサ、温度センサなどを取り付けて、制御部88が、各センサからの情報から分かるプリンタ1各部の状態に応じて、プリンタ1の各部を制御してもよい。例えば、液体吐出ヘッド2の温度や液体タンクの液体の温度、液体タンクの液体が液体吐出ヘッド2に加えている圧力などが、吐出される液体の吐出量や吐出速度などの吐出特性に影響を与えている場合などに、それらの情報に応じて、液体を吐出させる駆動信号を変えるようにしてもよい。
次に、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド2について説明する。図2(a)は、図1に示された液体吐出ヘッド2の要部であるヘッド本体2aを示す平面図である。図2(b)は、ヘッド本体2aから第2流路部材6を除いた状態の平面図である。図3および図4は、図2(b)の拡大平面図である。図5(a)は、図4のV−V線に沿った部分縦断面図である。図5(b)は、ヘッド本体2aの、第1端部流路30付近の部分縦断面図である。図5(b)は、図示しないがV−V線のように折れ曲がった線に沿った部分縦断面図である。図6は、ヘッド本体2aの第1共通流路20の開口20a付近における、第1共通流路20に沿った部分縦断面図である。
各図は、図面を分かり易くするために次のように描いている。図2〜4では、他のものの下方にあって破線で描くべき流路などを実線で描いている。図2(a)では、第1流路部材4内の流路は、省略し、圧電アクチュエータ基板40についても、その外形と個別電極本体44aの配置のみを示している。
液体吐出ヘッド2は、ヘッド本体2a以外に、金属製の筐体や、ドライバIC、配線基板などを含んでいてもよい。また、ヘッド本体2aは、第1流路部材4と、第1流路部材4に液体を供給する第2流路部材6と、加圧部である変位素子50が作り込まれている圧電アクチュエータ基板40とを含んでいる。ヘッド本体2aは、一方方向に長い平板形状を有しており、その方向を長手方向と言うことがある。また、第2流路部材6は、支持部材の役割を果たしており、ヘッド本体2aは、第2流路部材6の長手方向の両端部のそれぞれでフレーム70に固定される。
ヘッド本体2aを構成する第1流路部材4は、平板状の形状を有しており、その厚さは0.5〜2mm程度である。第1流路部材4の第1の主面である加圧室面4−1には、加圧室10が平面方向に多数並んで配置されている。第1流路部材4の第2の主面であり、加圧室面4−1の反対側の面である吐出孔面4−2には、液体が吐出される吐出孔8が平面方向に多数並んで配置されている。吐出孔8は、それぞれ加圧室10と繋がっている。以下において、加圧室面4−1は、吐出孔面4−2に対して、上方に位置しているものとして説明をする。
第1流路部材4には、複数の第1共通流路20および複数の第2共通流路24が、同じ方向に沿って伸びるように配置されている。これら第1共通流路20および第2共通流路24に沿った方向が第1方向である。また、第1共通流路20と第2共通流路24とは、第1方向と交差する方向である第2方向に交互に並んでいる。なお、第2方向は、ヘッド本体2aの長手方向と同じ方向である。
第1共通流路20の両側に沿って加圧室10が並んでおり、片側1列ずつ、合計2列の加圧室列11Aを構成している。第1共通流路20とその両側に並んでいる加圧室10とは、第1個別流路12を介して繋がっている。なお、以下では、第1共通流路20と第2共通流路24とを合わせて、共通流路と言うことがある。また、複数の共通流路は、第2方向に並んで、共通流路群を構成している。
第2共通流路24の両側に沿って加圧室10が並んでおり、片側1列ずつ、合計2列の加圧室列11Aを構成している。第2共通流路24とその両側に並んでいる加圧室10とは、個別排出流路である第2個別流路14を介して繋がっている。
別の表現をすれば、加圧室10は仮想線上に並んで配置されており、仮想線の一方の側に沿って第1共通流路20が伸びており、仮想線の他方の側に沿って第2共通流路24が伸びている。本実施形態では、加圧室10が並んでいる仮想線は直線状であるが、曲線状や折れ線状であってもよい。
以上のような構成により、第1流路部材4においては、第2共通流路24に供給された液体は、第2共通流路24に沿って並んでいる加圧室10に流れ込み、一部の液体は吐出孔8から吐出され、他の一部の液体は、加圧室10に対して第2共通流路24と反対側に位置している第1共通流路20に流れ込み、第1流路部材4の外に排出される。
第1共通流路20の両側に第2共通流路24が配置されており、第2共通流路24の両側に第1共通流路20が配置されていることにより、1つの加圧室列11Aに対して、1つの第1共通流路20および1つの第2共通流路24が繋がっており、別の加圧室列11Aに対して、別の第1共通流路20および別の第2共通流路24が繋がっている場合と比較して、第1共通流路20および第2共通流路24の数を約半分にできるので好ましい。第1共通流路20および第2共通流路24の数が少なくて済む分、加圧室10の数を増やして高解像度化したり、第1共通流路20や第2共通流路24を太くして、吐出孔8からの吐出特性の差を小さくしたり、ヘッド本体2aの平面方向の大きさを小さくすることができる。
第1共通流路20に繋がっている第1個別流路12の第1共通流路20側の部分に加わる圧力は、圧力損失の影響で、第1共通流路20に第1個別流路12が繋がっている位置(主に第1方向における位置)により変わる。第2共通流路24に繋がっている第2個別流路14側の部分に加わる圧力は、圧力損失の影響で、第2共通流路24に第2個別流路14が繋がっている位置(主に第1方向における位置)により変わる。第1共通流路20の外部への開口20aを第1方向の一方の端部に配置し、第2共通流路24の外部への開口24aを第1方向の他方の端部に配置すれば、各第1個別流路12および各第2個別流路14の配置による圧力の差が打ち消されるように作用し、各吐出孔8に加わる圧力の差を小さくできる。なお、第1共通流路20の開口20a、および第2共通流路24の開口24aはともに、加圧室面4−1に開口している。
吐出しない状態では、吐出孔8には液体のメニスカスが保持されている。吐出孔8において液体の圧力が負圧(液体を第1流路部材4に引き込もうとする状態)になっていることで、液体の表面張力とつり合ってメニスカスを保持できる。液体の表面張力は、液体の表面積を小さくしようとするので、正圧であっても圧力が小さければ、メニスカスを保持できる。正圧が大きくなれば、液体はあふれ出し、負圧が大きくなれば、液体が第1流路部材4内に引き込まれてしまい、液体が吐出可能な状態を維持できない。そのため、第2共通流路24から第1共通流路20に液体を流した際における、吐出孔8での液体の圧力の、吐出孔8毎の差が大きくなり過ぎないようにする必要がある。
第1共通流路20の吐出孔面4−2側の壁面は、第1ダンパ28Aとなっている。第1ダンパ28Aの一方の面は、第1共通流路20に面しており、他方の面はダンパ室29に面している。ダンパ室29があることにより、第1ダンパ28Aは変形可能になっており、変形することで第1共通流路20の体積を変えることができる。液体を吐出させるために加圧室10内の液体が加圧されると、その圧力の一部は、液体を通じて第1共通流路20に伝わってくる。これにより、第1共通流路20内の液体が振動し、その振動が、元の加圧室10や、他の加圧室10に伝わって、液体の吐出特性を変動させる流体クロストークが生じることがある。第1ダンパ28Aが存在すると、第1共通流路20に伝わってきた液体の振動で第1ダンパ28Aが振動し、減衰することで、第1共通流路20内の液体の振動は持続され難くなるので、流体クロストークの影響を小さくできる。また、第1ダンパ28Aは、液体の給排を安定化させる役目も果たす。
第2共通流路24の加圧室面4−1側の壁面は、第2ダンパ28Bとなっている。第2ダンパ28Bの一方の面は、第2共通流路24に面しており、他方の面はダンパ室29に面している。第2ダンパ28Bも、第1ダンパ28Aと同様に、流体クロストークの影響を小さくできる。また、第2ダンパ28Bは、液体の給排を安定化させる役目も果たす。
加圧室10は、加圧室面4−1に面して配置されており、変位素子50からの圧力を受ける加圧室本体10aと、加圧室本体10aの下から吐出孔面4−2に開口している吐出孔8に繋がる部分流路であるディセンダ10bとを含んだ中空の領域である。加圧室本体10aは、直円柱形状であり、平面形状は円形状である。平面形状が円形状であることにより変位素子50が同じ力で変形させた場合の変位量、および変位により生じる加圧室10の体積変化を大きくできる。ディセンダ10bは、直径が加圧室本体10aより小さい、直円柱形状であり、断面形状は円形状である。また、ディセンダ10bは、加圧室面4−1から見たときに、加圧室本体10a内に納まっている。
複数ある加圧室10は、加圧室面4−1において、千鳥状に配置されている。複数ある加圧室10は、第1方向に沿った複数の加圧室列11Aを構成している。各加圧室列11Aでは、加圧室10が、ほぼ等間隔で配置されている。隣り合っている加圧室列11Aに属する加圧室10は、第1方向に前記間隔の約半分ずれて配置されている。別の表現をすれば、ある加圧室列11Aに属する加圧室10は、その隣に位置する加圧室列11Aに属する、連続する2つの加圧室10に対して、第1方向のほぼ中央に位置している。
これにより、1つ置きの加圧室列11Aに属している加圧室10は、第2方向に沿って配置されることになり、加圧室行11Bを構成している。
また、第1流路部材4には、第1ダミー加圧室10D1および第2ダミー加圧室10D2が配置されている。これらを合わせてダミー加圧室と呼ぶことがある。第1ダミー加圧室10D1および第2ダミー加圧室10D2の詳細については後述する。
本実施形態では、第1共通流路20は51本、第2共通流路24は50本であり、加圧室列11Aは100列である。なお、ここでは、後述のダミー加圧室のみで構成されているダミー加圧室列11Dは、上述の加圧室列11Aの数に含めていない。また、直接的に繋がっているのがダミー加圧室だけである第2共通流路24は、上述の第2共通流路24の数に含めていない。また、各加圧室列11Aには16個の加圧室10が含まれている。ただし、第2方向の端に位置する加圧室列11Aには、8個の加圧室10および8個のダミー加圧室が含まれている。上述のように、加圧室10は千鳥状に配置されているため、加圧室行11Bの行数は、32行である。
複数ある加圧室10は、吐出孔面4−2において、第1方向および第2方向に沿った格子状に配置されている。複数ある吐出孔8は、第1方向に沿った複数の吐出孔列9Aを構成している。吐出孔列9Aと加圧室列11Aとは、ほぼ同じ位置に配置されている。
加圧室10の面積重心と、加圧室10と繋がっている吐出孔8とは第1方向にずらされて配置されている。1つの加圧室列11A内では、ずらされる方向は同じ方向であり、隣り合う加圧室列11Aでは、ずらされる方向は逆方向になっている。これにより、2行の加圧室行11Bに属する加圧室10から繋がっている吐出孔8は、第2方向に沿って配置された1行の吐出孔行9Bを構成している。
したがって、本実施形態では、吐出孔列9Aは100列であり、吐出孔行9Bは16行である。
加圧室本体10aの面積重心と、加圧室本体10aから繋がっている吐出孔8とは、ほぼ第1方向に位置がずれている。ディセンダ10bは、加圧室本体10aに対して、吐出孔8の方向にずれた位置に配置されている。加圧室本体10aの側壁と、ディセンダ10bの側壁とは接するように配置されており、これにより加圧室本体10a内での液体の滞留を起き難くすることができる。
吐出孔は、ディセンダ10bの中央部に配置されている。ここで中央部とは、ディセンダ10bの面積重心を中心とする、ディセンダ10bの直径の半分の円内の領域のことである。
第1個別流路12と加圧室本体10aとの接続部は、加圧室本体10aの面積重心に対して、ディセンダ10bとは反対側に配置されている。これにより、ディセンダ10bから流れ込んだ液体は、加圧室本体10a全体に広がった後、第1個別流路12に向かうように流れるため、加圧室本体10a内に液体の滞留が生じ難い。
第2個別流路14は、ディセンダ10bの吐出孔面4−2側の面から、平面方向に引き出されて第2共通流路24と繋がっている。引き出される方向は、加圧室本体10aに対して、ディセンダ10bがずらされる方向と同じである。
第1方向と第2方向とが成す角度は直角からずれている。このため、第1方向に沿って配置されている吐出孔列9Aに属する吐出孔8同士は、その直角からのずれた角度の分、第2方向にずれて配置される。そして、吐出孔列9Aが第2方向に並んで配置されるので、異なる吐出孔列9Aに属する吐出孔8は、その分、第2方向にずれて配置される。これらが合わさって、第1流路部材4の吐出孔8は、第2方向に一定間隔で並んで配置されており、これにより、吐出した液体により形成される画素で所定の範囲を埋めるように印刷ができる。
1つの吐出孔列9Aに属する吐出孔8の配置は、第1方向に沿って完全に一直線上に配置すれば、上述のように所定範囲を埋め尽くすように印刷が可能である。ただし、そのように配置した場合に、プリンタ1に液体吐出ヘッド2を設置する際に生じる第2方向に直交する方向と搬送方向とのずれが、印刷精度に与える影響が大きくなる。そのため、上述の一直線上の吐出孔8の配置から、隣り合う吐出孔列9Aの間で、吐出孔8を入れ替えて配置するのが好ましい。
本実施形態では、吐出孔8の配置は次のようになっている。図3において、吐出孔8を第2方向と直交する方向に投影すると、仮想直線Rの範囲に32個の吐出孔8が投影され、仮想直線R内で各吐出孔8は360dpiの間隔に並ぶ。これにより、仮想直線Rに直交する方向に印刷用紙Pを搬送して印刷すれば、360dpiの解像度で印刷できる。仮想直線R内に投影される吐出孔8は、1列の吐出孔列9Aに属する吐出孔8すべて(16個)と、その吐出孔列9Aの両隣に位置する2つの吐出孔列9Aに属する吐出孔8の半分(8個)ずつである。このような構成にするために、各吐出孔行9Bでは、吐出孔8は、22.5dpiの間隔で並んでいる。これは、360/16=22.5であるからである。
第1共通流路20および第2共通流路24は、吐出孔8が直線状に並んでいる範囲では、直線になっており、直線がずれる吐出孔8の間で平行にずれている。第1共通流路20および第2共通流路24において、このずれる箇所が少ないので、流路抵抗が小さくなっている。また、この平行にずれる部分は、加圧室10と重ならない位置に配置されているので、加圧室10毎に吐出特性の変動を小さくできる。
第2方向の両方の端の1列(すなわち合わせて2列)の加圧室列11Aには、通常の加圧室10と第1ダミー加圧室10D1とが含まれている。そのため、この加圧室列11Aをダミー加圧室列11D1と言うことがある。また、ダミー加圧室列11D1のさらに外側には、第2ダミー加圧室10D2が並んでいる。片側の端に1列、両端で合わせて2列の第2ダミー加圧室列11D2が配置されている。第2方向の両方の端に1本ずつ、すなわち合わせて2本ある流路は、第1共通流路24と同じ形状をしているが、直接的には加圧室10とは繋がっておらず、第2ダミー加圧室10D2としか繋がっていないダミー第2共通流路24Dである。以下で、このようなダミー第2共通流路24Dを、第2端部流路と称する。
加圧室10は、全体で加圧室群11Cを構成している。加圧室群11Cは、全体として第2方向に長い長方形状をなしている。加圧室列11Aは第2方向に対して斜めに伸びており、第2方向の端の加圧室列11Aでは、加圧室10は列の半分である。そのため、加圧室群11Cは、第2方向の両方の端では、第2方向に伸びる三角形状の突起が2つ付いた形状になっている。第1ダミー加圧室10D1、第2ダミー加圧室10D2は、加圧室群11Cの外側に配置されている。本実施形態では、ダミー加圧室は、第2方向の外側にだけ配置されているが、他の方向、例えば、第1方向の外側に配置してもよい。
第1流路部材4は、第1共通流路20および第2共通流路24からなる共通流路群の第2方向の外側の位置に、第1方向に伸びている、第1端部流路30を有している。第1端部流路30は、加圧室面4−1に並んでいる第1共通流路20の開口20aのさらに外側に配置されている開口30cと、加圧室面4−1に並んでいる第2共通流路24の開口24aのさらに外側に配置されている開口30dとを繋いでいる流路であり、第1端部流路30の流路抵抗は、第1共通流路20および第2共通流路24の流路抵抗よりも小さくなっている。第1端部流路30については後で詳述する。
第2流路部材6は、第1流路部材4の加圧室面4−1に接合されている。第2流路部材6は、第2共通流路24に液体を供給する第2統合流路26と、第1共通流路20の液体を回収する第1統合流路22とを有している。第2流路部材6の厚さは、第1流路部材4よりも厚く、5〜30mm程度である。
第2流路部材6は、第1流路部材4の加圧室面4−1の圧電アクチュエータ基板40が接続されていない領域で接合されている。より具体的には、圧電アクチュエータ基板40を囲むように接合されている。このようにすることで、圧電アクチュエータ基板40に、吐出した液体の一部がミストとなって付着するのを抑制できる。また、第1流路部材4を外周で固定することになるので、第1流路部材4が変位素子50の駆動に伴って振動して、共振などが生じることを抑制できる。
また、第2流路部材6の中央部で、貫通孔6cが上下に貫通している。貫通孔6cは、圧電アクチュエータ基板40を駆動する駆動信号を伝達するFPC(Flexible Printed Circuit)などの配線部材が通される。なお、貫通孔6cの第1流路部材4側は、短手方向の幅が広くなっている拡幅部6caとなっており、圧電アクチュエータ基板40から短手方向の両側に伸びる配線部材は、拡幅部6caで曲げられて上方に向かい、貫通孔6を抜ける。なお、拡幅部6caに広がる部分の凸部は、配線部材を傷つけるおそれがあるので、R形状にしておくのが好ましい。
第1統合流路22を、第1流路部材4とは別の、第1流路部材4より厚い第2流路部材6に配置することで、第1統合流路22の断面積を大きくすることができ、それにより第1統合流路22と第1共通流路20とが繋がっている位置の差による圧力損失の差を小さくできる。第1統合流路22の流路抵抗は、第1共通流路20の1/100以下にするのが好ましい。ここで、第1統合流路22の流路抵抗とは、より正確には第1統合流路22のうちで、第1共通流路20と繋がっている範囲の流路抵抗のことである。
第2統合流路26を、第1流路部材4とは別の、第1流路部材4より厚い第2流路部材6に配置することで、第2統合流路26の断面積を大きくすることができ、それにより第2統合流路26と第2共通流路24とが繋がっている位置の差による圧力損失の差を小さくできる。第2統合流路26の流路抵抗は、第2共通流路24の1/100以下にするのが好ましい。ここで、第2統合流路26の流路抵抗とは、より正確には第2統合流路26のうちで、第1統合流路22と繋がっている範囲の流路抵抗のことである。
第1統合流路22を第2流路部材6の短手方向の一方の端に配置し、第2統合流路26を第2流路部材6の短手方向の他方の端に配置し、それぞれの流路を第1流路部材4側に向かわせて、それぞれ第1共通流路20および第2共通流路24と繋げる構造にする。このような構造にすることで、第1統合流路22および第2統合流路26の断面積を大きくして、流路抵抗を小さくできる。また、このような構造にすることで、第1流路部材4は、外周が第2流路部材6で固定されるので剛性を高くできる。さらに、このような構造にすることで、信号伝達部の通る貫通孔6cを設けることができる。
第2流路部材6は、第2流路部材のプレート6aと6bとが積層されて構成されている。プレート6bの上面には、第1統合流路22のうち第2方向に伸びている流路抵抗の低い部分である第1統合流路本体22aとなる溝と、第2統合流路26のうち第2方向に伸びている流路抵抗の低い部分である第2統合流路本体26aとなる溝が配置されている。
第1統合流路本体22aとなる溝から、下方(第1流路部材4の方向)に向かって複数の第1接続流路22bが伸びており、加圧室面4−1上に開口している第1共通流路の開口20aに繋がっている。各第1接続流路22bの間は仕切り6baで区切られている(つまり、第1接続流路22bの第1共通流路20側は分岐している)。これにより、第2流路部材6と第1流路部材4との接続の剛性を高くできる。さらに、第2方向において、仕切り6baの長さは、第1接続流路22bの長さより長くなっていることで、第2流路部材6と第1流路部材4との接続の剛性をより高くできる。
第2統合流路本体26aとなる溝から、下方(第1流路部材4の方向)に向かって複数の第2接続流路26bが伸びており、加圧室面4−1上に開口している第2共通流路の開口24aに繋がっている。各第2接続流路26bの間は仕切り6bbで区切られている(つまり、第2接続流路26bの第2共通流路24側は分岐している)。これにより、第2流路部材6と第1流路部材4との接続の剛性を高くできる。さらに、第2方向において、仕切り6bbの長さは、第2接続流路26bの長さより長くなっていることで、第2流路部材6と第1流路部材4との接続の剛性をより高くできる。
プレート6aには、第1統合流路22の第2方向の両端それぞれに開口22c、22dが設けられている。プレート6aには、第2統合流路26の第2方向の両端それぞれに開口26c、26dが設けられている。液体の入っていない液体吐出ヘッド2に液体を供給するとき、第2統合流路26内の液体が外部に排出され易いように、一方の開口(例えば開口26c)から液体を供給し、第1流路部材4に液体を供給するとともに、空気および溢れた液体を他の開口(例えば26d)から排出することで、第1流路部材4に気体が入り込み難くできる。第1統合流路22についても同様に、一方の開口(例えば開口22c)から供給し、他方の開口(例えば開口22d)から排出するようにすればよい。
印刷をする場合の、液体の供給および回収にはいくつかの方法がある。一つは、第2統合流路26に供給した液体のすべてが、第1流路部材4に入り、さらに第1統合流路22入って外部に排出される。この際、第1統合流路22へは、外部からの液体は供給されない。この場合さらに、2つの開口26c、26dから液体を供給し、2つの開口22c、22dから回収する方法と、開口26c、26dのどちらか一方から液体を供給し、他方は閉じておき、開口22c、22dのどちらか一方から液体を回収し、他方は閉じておく方法がある。どちらの開口を用いるかは組み合わせ可能なので、合計4通りの方法があることになる。圧力損失による圧力の差を小さくするには、2つの開口から供給し、2つの開口から回収するのが好ましいが、液体を給排するチューブの接続や、圧力の制御が煩雑になる。1つの開口から供給し、1つの開口から回収すると、接続や圧力の制御が簡単になる。その場合、供給と回収は、第2方向に関して反対側の位置にある開口を組にして行なえば、圧力損失の影響が相殺するようになるので好ましい。具体的には、開口26cから供給し開口22dから回収する、あるいは開口26dから供給し開口22cから回収するようにすればよい。
給排の他の方法は、第2統合流路26の一方の開口(例えば26c)から液体を供給し、他方の開口(例えば26d)から回収し、第1統合流路22の一方の開口(例えば22d)から液体を供給し、他方の開口(例えば22c)から回収する。それぞれの給排の圧力を調節して、第2統合流路26の圧力が、第1統合流路22の圧力より高くなるようにすれば、第1流路部材4に液体が流れるようになる。このようにすると、各吐出孔8のメニスカスに加わる圧力の差は、ここまで説明した方法の中ではもっとも小さくなる。
上述の方法を組み合わせて、第2統合流路26に対して給排を行なって、第1統合流路22からは回収だけにしてもよい。逆に、第2統合流路26に対しては供給だけを行ない、第1統合流路22には給排を行なってもよい。
またさらに、以上で説明した供給と回収の関係を逆にしてもよい。例えば、第1統合流路22の開口22dは閉じて、開口22cから液体を供給し、第2統合流路26の開口22cは閉じて、開口26dから液体を回収してもよい。
第1統合流路22および第2統合流路26には、ダンパを設けて、液体の吐出量の変動に対して液体の供給、あるいは排出が安定するようにしてもよい。また、第1統合流路22および第2統合流路26内に、フィルタを設けることにより、異物や気泡が、第1流路部材4に入り込み難くしてもよい。
第1流路部材4の上面である加圧室面4−1には、変位素子50を含む圧電アクチュエータ基板40が接合されており、各変位素子50が加圧室10上に位置するように配置されている。圧電アクチュエータ基板40は、加圧室10によって形成された加圧室群とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室10の開口は、流路部材4の加圧室面4−1に圧電アクチュエータ基板40が接合されることで閉塞される。圧電アクチュエータ基板40は、ヘッド本体2aと同じ方向に長い長方形状である。また、圧電アクチュエータ基板40には、各変位素子50に信号を供給するためのFPCなどの信号伝達部が接続されている。第2流路部材6には、中央で、上下に貫通している貫通孔6cが配置されている。信号伝達部は貫通孔6cを通って制御部88と電気的に繋がれる。信号伝達部は、圧電アクチュエータ基板40の一方の長辺の端から他方の長辺の端に向かうように短手方向に伸びる形状にし、信号伝達部に配置される配線が短手方向に沿って伸び、長手方向に並ぶようにすれば、配線間の距離を大きくしやすくなり、好ましい。
圧電アクチュエータ基板40の上面における各加圧室10に対向する位置には個別電極44がそれぞれ配置されている。
流路部材4は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。流路部材4の加圧室面4−1側から順に、プレート4aからプレート4lまでの12枚のプレートが積層されている。これらのプレートには多数の孔や溝が形成されている。孔や溝は、例えば、各プレートを金属で作製し、エッチングで形成できる。各プレートの厚さは10〜300μm程度であることにより、形成する孔の形成精度を高くできる。プレート4f〜iは、同じ形状のプレートであり、それらは1枚のプレートで構成してもよいが、孔を精度よく形成するため、4枚のプレートで構成している。各プレートは、これらの孔が互いに連通して第1共通流路20などの流路を構成するように、位置合わせして積層されている。
平板状の流路部材4の加圧室面4−1には、加圧室本体10aが開口しており、圧電アクチュエータ基板40が接合されている。また、加圧室面4−1には、第2共通流路24に液体を供給する開口24a、および第1共通流路20から液体を回収する開口20aが開口している。流路部材4の、加圧室面4−1と反対側の面である吐出孔面4−2には吐出孔8が開口している。なお、加圧室面4−1にさらにプレートを積層して、加圧室本体10aの開口を塞ぎ、その上に圧電アクチュエータ基板40を接合してもよい。そのようにすれば、吐出する液体が圧電アクチュエータ基板40に影響する可能性を低減することができ、信頼性をより高くできる。
液体を吐出する構造としては、加圧室10と吐出孔8とがある。加圧室10は、変位素子50に面している加圧室本体10aと、加圧室本体10aより断面積が小さいディセンダ10bから成っている。加圧室本体10aは、プレート4aに形成されており、ディセンダ10bは、プレート4b〜kに形成された孔が重ねられ、さらにノズルプレート4lで(吐出孔8以外の部分を)塞がれて成っている。
加圧室本体10aには、第1個別流路12が繋がっており、第1個別流路12は、第1共通流路20に繋がっている。第1個別流路12は、プレート4bを貫通する円形状の孔と、プレート4cにおいて平面方向に伸びている貫通溝と、プレート4dを貫通する円形状の孔とを含んでいる。第1共通流路20はプレート4f〜iに形成された孔が重ねられ、さらに上側をプレート4eで、下側をプレート4jで塞がれて成っている。
ディセンダ10bには、第2個別流路14が繋がっており、第2個別流路14は、第2共通流路24に繋がっている。第2個別流路14は、プレート4jにおいて平面方向に伸びている貫通溝である。第2共通流路24はプレート4f〜iに形成された孔が重ねられ、さらに上側をプレート4eで、下側をプレート4jで塞がれて成っている。
液体の流れについて、まとめると、第2統合流路26に供給された液体は、第2共通流路24および第2個別流路14を順に通って加圧室10に入り、一部の液体は吐出孔8から吐出される。吐出されなかった液体は、第1個別流路12を通って、第1共通流路20に入った後、第1統合流路22に入り、ヘッド本体2の外部に排出される。
圧電アクチュエータ基板40は、圧電体である2枚の圧電セラミック層40a、40bからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層40a、40bはそれぞれ20μm程度の厚さを有している。すなわち、圧電アクチュエータ基板40の圧電セラミック層40aの上面から圧電セラミック層40bの下面までの厚さは40μm程度である。圧電セラミック層40aと圧電セラミック層40bの厚さの比は、3:7〜7:3、好ましく4:6〜6:4にされる。圧電セラミック層40a、40bのいずれの層も複数の加圧室10を跨ぐように延在している。これらの圧電セラミック層40a、40bは、例えば、強誘電性を有する、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系、NaNbO系、BaTiO系、(BiNa)NbO系、BiNaNb15系などのセラミックス材料からなる。
圧電アクチュエータ基板40は、Ag−Pd系などの金属材料からなる共通電極42およびAu系などの金属材料からなる個別電極44を有している。共通電極42の厚さは2μm程度であり、個別電極44の厚さは、1μm程度である。
個別電極44は、圧電アクチュエータ基板40の上面における各加圧室10に対向する位置に、それぞれ配置されている。個別電極44は、平面形状が加圧室本体10aより一回り小さく、加圧室本体10aとほぼ相似な形状を有している個別電極本体44aと、個別電極本体44aから引き出されている引出電極44bとを含んでいる。引出電極44bの一端の、加圧室10と対向する領域外に引き出された部分には、接続電極46が形成されている。接続電極46は例えば銀粒子などの導電性粒子を含んだ導電性樹脂であり、5〜200μm程度の厚さで形成されている。また、接続電極46は、信号伝達部に設けられた電極と電気的に接合されている。
詳細は後述するが、個別電極44には、制御部88から信号伝達部を通じて駆動信号が供給される。駆動信号は、印刷媒体Pの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。
共通電極42は、圧電セラミック層40aと圧電セラミック層40bとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極42は、圧電アクチュエータ基板40に対向する領域内のすべての加圧室10を覆うように延在している。共通電極42は、圧電セラミック層40a上に個別電極44からなる電極群を避ける位置に形成されている共通電極用表面電極(不図示)に、圧電セラミック層40aを貫通して形成された貫通導体を介して繋がっている。また、共通電極42は、共通電極用表面電を介して接地され、グランド電位に保持されている。共通電極用表面電極は、個別電極44と同様に、制御部88と直接あるいは間接的に接続されている。
圧電セラミック層40aの個別電極44と共通電極42とに挟まれている部分は、厚さ方向に分極されており、個別電極44に電圧を印加すると変位する、ユニモルフ構造の変位素子50となっている。より具体的には、個別電極44を共通電極42と異なる電位にして圧電セラミック層40aに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この構成において、電界と分極とが同方向となるように、制御部88により個別電極44を共通電極42に対して正または負の所定電位にすると、圧電セラミック層40aの電極に挟まれた部分(活性部)が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層40bは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層40aと圧電セラミック層40bとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層40bは加圧室10側へ凸となるように変形(ユニモルフ変形)する。
続いて、液体の吐出動作について、説明する。制御部88からの制御でドライバICなどを介して、個別電極44に供給される駆動信号により、変位素子50が駆動(変位)させられる。本実施形態では、様々な駆動信号で液体を吐出させることができるが、ここでは、いわゆる引き打ち駆動方法について説明する。
あらかじめ個別電極44を共通電極42より高い電位(以下、高電位と称す)にしておき、吐出要求がある毎に個別電極44を共通電極42と一旦同じ電位(以下、低電位と称す)とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極44が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層40a、40bが元の(平らな)形状に戻り(始め)、加圧室10の容積が初期状態(両電極の電位が異なる状態)と比較して増加する。これにより、加圧室10内の液体に負圧が与えられる。そうすると、加圧室10内の液体が固有振動周期で振動し始める。具体的には、最初、加圧室10の体積が増加し始め、負圧は徐々に小さくなっていく。次いで加圧室10の体積は最大になり、圧力はほぼゼロとなる。次いで加圧室10の体積は減少し始め、圧力は高くなっていく。その後、圧力がほぼ最大になるタイミングで、個別電極44を高電位にする。そうすると最初に加えた振動と、次に加えた振動とが重なり、より大きい圧力が液体に加わる。この圧力がディセンダ内を伝搬し、吐出孔8から液体を吐出させる。
つまり、高電位を基準として、一定期間低電位とするパルスの駆動信号を個別電極44に供給することで、液滴を吐出できる。このパルス幅は、加圧室10の液体の固有振動周期の半分の時間であるAL(Acoustic Length)とすると、原理的には、液体の吐出速度および吐出量を最大にできる。加圧室10の液体の固有振動周期は、液体の物性、加圧室10の形状の影響が大きいが、それ以外に、圧電アクチュエータ基板40の物性や、加圧室10に繋がっている流路の特性からの影響も受ける。
ヘッド本体2aにおいて、第1ダミー加圧室10D1および第2ダミー加圧室10D2
は、例えば、次の理由により設けられる。第1の理由は、配置されている加圧室10からなる加圧室群11Cの端部に位置する加圧室10から吐出される液体の吐出特性と、他の加圧室10、例えば加圧室群11Cの中央部に配置されている加圧室10の吐出特性との差を小さくするためである。加圧室10の吐出特性は、加圧室10の周囲の流路部材の剛性の影響を受けるため、周囲の加圧室10の配置が変わると変動する。端部に配置されている加圧室10は、周囲に配置されている加圧室10が少ない状態になっている。しかし、そのさらに外側にダミー加圧室を配置することで、端部に配置されている加圧室10の吐出特性が他の加圧室10に近づくようにできる。
本実施形態では、加圧室10は、第2方向に広がって配置されており、第2方向の端に位置する加圧室10の外側に、ダミー加圧室が配置されており、加圧室10とダミー加圧室とが、規則的に配置されている。これにより、第2方向の端に位置する加圧室10の吐出特性の変動を少なくすることができる。このためには、ダミー加圧室は、通常の加圧室10と同様に、周囲の流路部材よりも剛性の低い空隙にする。また、ダミー加圧室は、周囲の流路と繋がっていて、液体が満たされるようになっている必要性は、必ずしもない。
第2の理由は、第1共通流路20および第2共通流路24に流れる液体の状態を平均化して、吐出特性のばらつきを小さくするためである。ヘッド本体2aでは、第2共通流路24と第1共通流路20との間は、複数の加圧室10で並列に繋げられている。第2共通流路24に供給された液体は、第2共通流路24に繋がっている、複数存在する加圧室10のいずれかを通って第1共通流路20に排出される。一般的に、第2方向の端に位置する共通流路に繋がっている加圧室10の数は、他の共通流路、例えば第2方向の中央部に配置されている共通流路に繋がっている加圧室10の数と異なるので、第2共通流路24の開口24aから第1共通流路20の開口20aまでの流路抵抗は、それぞれで異なる。したがって、それぞれに流れる液体の流速が異なり、その影響で吐出特性も変動する。第2方向の端部に位置する共通流路にダミー加圧室を繋げて、加圧室10と同様に液体を流すことで、この影響を小さくすることができる。このためには、ダミー加圧室は、所定の流路抵抗を持った単なる流路でもよい。
ダミー加圧室を、通常の加圧室10とほぼ同形状にし、周囲の共通流路と繋げて、液体を流すようにすれば、上述の両方のメリットが得られる。ダミー加圧室には、ノズル8を繋がないのが好ましい。ダミー加圧室に、ノズル8が繋がっていなければ、そのノズル8でメニスカスが保てなくなることによる、液体の溢れや、大気の引き込みが起きなくなる。
ダミー加圧室を設けることには以上のようなメリットがあるが、次のような問題が生じるおそれがある。第1は、ダミー加圧室を、加圧室10と同様に圧電アクチュエータ基板40で塞ぐようにすると、ダミー加圧室に対応する部分の圧電アクチュエータ基板40が破損するなどした場合に、液体が漏れることで流路特性が変わることによる吐出特性の変動や、漏れた液体によるショートが生じることである。本実施形態では、加圧室10は、プレート(加圧室プレート)4aに形成されており、加圧室10の上側は圧電アクチュエータ基板40で塞がれている。さらに本実施形態では、一部のダミー加圧室は、プレート4aより下側に位置するプレート(ダミー加圧室プレート)4bに形成されており、ダミー加圧室10の上側はプレート(加圧室プレート)4aで塞がれている。このような構成になっていることにより、加圧室10の周囲の剛性の差および共通流路に流れる液体の状態の差を小さくしつつ、ダミー加圧室と圧電アクチュエータ基板40とが直接接触しないようにすることができる。
なお、本実施形態では、第2ダミー加圧室10D2は、上述のようにプレート(ダミー加圧室プレート)4bに形成されている。第1ダミー加圧室10D1は、剛性や流路特性を加圧室10により近くするために、加圧室と同じプレート(加圧室プレート)4aに形成されている。第1ダミー加圧室10D1も含めてすべてのダミー加圧室を、上述のようにプレート(ダミー加圧室プレート)4bに形成してもよい。
第2は、ダミー加圧室を塞ぐために、圧電アクチュエータ基板40が大きくなり、コストが高くなったり、不良率が高くなったりすることである。ダミー加圧室がプレート4aで塞がれる構造になっているため、圧電アクチュエータ基板40は、ダミー加圧室の上まで覆う大きさにする必要がなくなる。圧電アクチュエータ基板40の大きさを、平面視したときに、一部のダミー加圧室と重ならない大きさすれば、圧電アクチュエータ基板40を小型化することができる。
加圧室10および第2ダミー加圧室10D2の構造について、より詳細に説明する。加圧室本体10aの側面は、プレート(加圧室プレート)4aに形成された孔により構成されており、この孔の上側は、圧電アクチュエータ基板40で塞がれている。この孔の下側、すなわち圧電アクチュエータ基板40が積層されているのと反対側は、大部分がプレート(ダミー加圧室プレート)4bで塞がれており、塞がれてない部分は、ディセンダ10bおよび第1個別流路12に繋がっている。プレート(ダミー加圧室プレート)4bに配置されている、加圧室本体10aと繋がっている流路、すなわちディセンダ10bおよび第1個別流路12は、プレート(ダミー加圧室プレート)4bを上下に貫通している流路であり、液体は主に上下方向に移動するように流れる。このような構成により、第2ダミー加圧室本体10D2aをプレート4aの1層下のプレート(ダミー加圧室プレート)4bに積層されても、変わる流路抵抗は、プレート(ダミー加圧室プレート)4bに形成されているディセンダ10bおよび第1個別流路12がわずかに短くなる分だけなので、その流路抵抗の差を小さくすることができる。
本実施形態では、プレート(加圧室プレート)4aの直接下にプレート(ダミー加圧室プレート)4bが積層されているが、プレート(加圧室プレート)4aとプレート(ダミー加圧室プレート)4bとの間に他のプレートが積層されていてもよい。そのような場合、プレート(加圧室プレート)4aの直接下に積層されているプレートから、プレート(ダミー加圧室プレート)4bまでのすべてのプレートに、それらのプレートを貫通して、加圧室10に液体を供給および排出する、液体が主に上下方向に移動する流路を設ければよい。
なお、ここで主に上下に流れるとは、プレート4bとプレート4aとの境界に位置している流路の面積重心と、プレート4bとプレート4cとの境界に位置している流路の面積重心とが、平面方向に大きくずれていない場合の液体の流れを表している。より具体的には、プレート4bとプレート4aとの境界に位置している流路の面積を円換算した直径と、プレート4bとプレート4cとの境界に位置している流路の面積を円換算した直径とを算術平均した直径に対して、前述の面積重心同士の平面方向の距離が50%以下であることを意味し、さらに、30%以下、特に10%以下であることが好ましい。
第2ダミー加圧室本体10D2aの側面は、プレート(ダミー加圧室プレート)4bに形成された孔により構成されており、この孔の上側は、プレート4aで塞がれている。この孔の下側は、大部分がプレート4cで塞がれており、塞がれてない部分は、ダミーディセンダ10D2bおよびダミー第1個別流路12Dに繋がっている。
第2ダミー加圧室本体10D2aを配置するプレートは、プレート(加圧室プレート)4aより下側のプレートであれば、どのプレートでもよい。第2ダミー加圧室10D2周囲の構造(より具体的には剛性や流路抵抗)を加圧室10の周囲の構造により近づける点で、第2ダミー加圧室10D2は、プレート(加圧室プレート)4aのすぐ下に積層されているプレート4bに配置するのが好ましい。第2ダミー加圧室10D2を、例えば、プレート4cに配置する場合、第2ダミー加圧室10D2の上面は、プレート4bで塞がれる。
第2ダミー加圧室10D2周囲の構造(より具体的には剛性や流路抵抗)を加圧室10の構造に近づけるように、加圧室10の高さ(深さ)は、第2ダミー加圧室10D2の高さ(深さ)は略同じであることが好ましい。つまり、プレート(ダミー加圧室プレート)4bと、プレート(加圧室プレート)4aの厚さは、略同じであることが好ましい。これにより、加圧室本体10aの流路抵抗と、第2ダミー加圧室本体10D2aの流路抵抗とがほぼ同じにすることができる。ここで厚さが略同じとは、一方の厚さが他方の厚さの±50%以内であることを意味し、さらに±30%以内、特に±10%以内であることが好ましい。
本実施形態では、共通流路は、ヘッド本体2aのほぼ短手方向である第1方向に沿って伸びているとともに、ヘッド本体2aの長手方向である第2方向に並んでいる。共通流路は、全体で1つの共通流路群を構成している。ヘッド本体2aは、第2方向に共通流路群の外側にまで伸びており、外部と液体の給排が行なわれる開口22c、22d、26c、26dが設けられている。また、ヘッド本体2aは、第2方向の両端でプリンタ1に固定される。
液体の吐出特性を安定させるために、ヘッド本体2aは、温度を一定にするようコントロールされる。また、液体の粘度が低くなる方が、吐出や液体の循環が安定するため、温度は、基本的には常温以上にされる。そのため、基本的には加熱することになるが、環境温度が高い場合は、冷却することもある。以下では環境温度に対して加熱する場合について説明するが、冷却の場合も同様になる。環境温度と、目標とする温度に差がある場合、ヘッド本体2aの長手方向(第2方向)の端部からの放熱が多くなるため、共通流路群の中で、第2方向の端に位置する共通流路中の液体の温度が低くなりやすい。この影響で、第2方向の端に位置する加圧室10からの吐出特性は、他の加圧室10からの吐出特性と差が生じるため、印刷精度が低下することがあった。
そのため、ヘッド本体2aでは、流路部材(第1流路部材4と第2流路部材6とを合わせたもの)の、共通流路群の第2方向の外側に、第1端部流路30が設けられている。第1端部流路30は、共通流路よりも流路抵抗が低くなっている。第1端部流路30の流路抵抗が低いため、第1端部流路30に流れる液体の時間当たりの流量は、共通流路に流れる液体の時間当たりの流量よりも多くなる。このため、ヘッド本体2aの第2方向の端部からの放熱が大きくても、第1端部流路30を横切るように温度が伝わり難いので、共通流路群内の温度差を小さくできる。第1端部流路30の流路抵抗は、共通流路の流路抵抗の2倍以上、特に3倍以上であるのが好ましい。
なお、共通流路の流路抵抗とは、1つの第2共通流路24の開口24bから、1つの第1共通流路20の開口20aまでの流路抵抗のことである。本実施形態では、1本の第2共通流路24に供給された液体は、2列の加圧室列11Aの加圧室に流れ込み、さらに2本の第1共通流路20に流れ込む。逆に、1本の第1共通流路20には、2本の第2共通流路24からの液体が流れ込む。この関係から、共通流路の流路抵抗は、1本の第2共通流路24に供給された液体が、2列の加圧室列11Aの加圧室に流れ込み、さらに第1共通流路20の2倍の流路抵抗に流れ込んだ場合の流路抵抗と同じになる。すなわち、第1共通流路20の流路抵抗をRA、第2共通流路24の流路抵抗をRB、個別流路の流路抵抗をRIとすれば、共通流路の流路抵抗は、RB+(RI/16+RA×2)/2と表せる。これは、計算すればRA+RB+RI/32となる。すなわち、共通流路の流路抵抗は、第1共通流路20の流路抵抗、第2共通流路24の流路抵抗、および2列の加圧室列11Aの個別流路が並列になっている場合の流路抵抗の合計になる。
本実施形態では、第1端部流路30は、共通流路群の両側にそれぞれ設けており、温度の安定化のためには両側に設ける方がよいが、片側だけであっても、その片側において温度を安定化することができる。
ヘッド本体2aとプリンタ1との固定をヘッド本体2aの第2方向の端部で行なう場合、ヘッド本体2aの両端部からプリンタ1への熱伝導が大きくなるため、そのようなヘッド本体2aでは、第1端部流路30を設ける必要性が高くなる。
第1端部流路30には、流路の幅が、共通流路の幅よりも広い幅広部30aが設けられており、幅広部30aの加圧室側4−1には第3ダンパ28cが設けられている。第3ダンパ28Cは、一方の面が幅広部30aに面しており、他方の面がダンパ室29に面していて変形可能になっている。ダンパのダンピング能力は、変形可能な領域の差し渡しが一番狭い部分の影響が大きい。共通流路の幅を広くするヘッド本体2aの大きさが大きくなってしまうため、共通流路の幅はあまり大きくできず、共通流路に設けられた第1ダンパ28A、第2ダンパ28Bだけでは、ダンピング能力が十分でないおそれがある。幅広部30aの幅を大きくすることで、第3ダンパ28Cのダンピング能力を大きくすることができる。幅広部30aの幅は、共通流路の幅の2倍上、特に3倍以上であるのが好ましい。
幅広部30aの吐出孔面4−2側にもダンパを設けて、さらにダンピング能力を大きくしてもよい。 温度安定化のためには、第1端部流路30の流路抵抗は低い方が好ましいが、極端に低いと、共通流路に供給される液体の量が不足するおそれがあり、第1端部流路30の流路抵抗は、共通流路の0.05倍以上、特に0.1倍以上であるのが好ましい。幅広部30aを設けるとともに、流路抵抗を大きくするには、幅広部30aよりも幅の狭い狭窄部30bを設けるのが好ましい。狭窄部30bを2つの幅広部30aの間に配置すれば、液体の供給側と排出側の両方でダンピングによる安定化ができるとともに、供給側と排出側との間で液体の振動が伝わり難くなるので、供給側の変動が排出側に影響し難くでき、排出側の変動が供給側に影響し難くできる。
また、第1端部流路30の流路抵抗は、共通流路全体の構成も考慮して、共通流路に流れる流量の80%以上が共通流路に流れるようにするのが好ましい。具体的には、後述の第2端部流路も含めて、次のようにするのが好ましい。流路抵抗R0の共通流路がn0本、流路抵抗R1の第1端部流路30がn1本、流路抵抗R2の第2端部流路n2本が並列に繋がっており、全体の流路抵抗はRであるとする。また、1本の共通流路に流れる液体の流量がU0、1本の第1端部流路30に流れる液体の流量がU1、1本の第2端部流路に流れる液体の流量がU2であり、合計の流量はUであるとする。これらの関係から、1/R=n0/R0+n1/R1+n2/R2であり、U=n0×U0+n1×U1+n2×U2であり、U0×R0=U1×R1=U2×R2である。上述の条件は、U0≧0.8×Uと表され、上記条件を当てはめると、(n0×R1×R2)/(n0×R1×R2+n1×R2×R0+n2×R0×R1)≧0.8とするのが好ましいことが分かる。共通流路の本数10本以上と多い場合は、第1端部流路30の流路抵抗は、共通流路の0.5〜0.9倍とするのが好ましい。 本実施形態では、液体を吐出できる加圧室10の列である加圧室列11Aの、第2方向の外側に、第1ダミー加圧室10D1と加圧室10が並んでいる列である第1ダミー加圧室列11AD1と、第2ダミー加圧室10D2が並んでいる列である第2ダミー加圧室列11AD2が配置されている。第1ダミー加圧室列11AD1は、すべてが加圧室10で構成されている加圧室列11Aの第2方向の外側に、1列ずつ配置されており、第2ダミー加圧室列11AD2は、第1ダミー加圧室列11AD1の第2方向の外側に、1列ずつ配置されている。
第1ダミー加圧室10D1には、吐出孔8が繋がっていない。また、第1ダミー加圧室10D1には、対応する個別電極44が形成されていない。これ以外の点では、第1ダミー加圧室10D1は、加圧室10とほぼ同じである。第1ダミー加圧室列11AD1には、第1共通流路20の開口20a側に8個の第1ダミー加圧室列11AD1が並んでおり、第2共通流路24の開口24a側に8個の加圧室10が並んでいる。
第2ダミー加圧室10D2には、吐出孔8が繋がっていない。また、第2ダミー加圧室10D2には、対応する個別電極44が形成されていない。さらに、第2ダミー加圧室列11AD2の一部は、圧電アクチュエータ基板40より外側に配置されている。そのため、第2ダミー加圧室10D2の第2ダミー加圧室本体10aD2は、加圧室本体10aの形成されているプレート4aよりも1枚吐出孔面4−2側のプレート4bに形成されており、プレート4aで塞がれている。これ以外の点では、第2ダミー加圧室10D2は、加圧室10とほぼ同じである。
本発明において、共通流路とは、液体を吐出可能な加圧室10に(直接的に)液体を給排する流路である。本実施形態では、共通流路からなる共通流路群の第2方向の外側に、それぞれ1本のダミー第2共通流路24Dが配置されており、第2端部流路と呼ぶ。第1端部流路30は、第2端部流路のさらに外側に配置されている。
共通流路群の一番端に位置する第1共通流路20は、1列の加圧室列11A(第1ダミー加圧室列11AD1)からしか液体の排出を受けていない。他の第1共通流路20は、2列の加圧室列11Aからの液体の排出を受けているため、一番端に位置する第1共通流路20から液体の供給を受ける加圧室10は、他の加圧室10と液体の流れる条件が大きく変わり、吐出特性が変わるおそれがある。また、第1ダミー加圧室列11AD1に存在する液体の吐出を行なう加圧室10は8個であり、他の加圧室列11Aよりも少なく、そのままでは液体の給排の状態が他の加圧室列11Aと大きく異なる。
そこで給排の状態の差をなくすように、第1ダミー加圧室列11AD1には8個の第1ダミー加圧室10D1を配置している。これにより、第1ダミー加圧室列11AD1に含まれる第1ダミー加圧室10D1と加圧室10との合計数は、他の加圧室列11Aの加圧室10の数と同じになっている。さらに、一番端に位置する第1共通流路20の外側にダミー第2共通流路24Dを配置して、それらの間に第2ダミー加圧室10D2を配置している。第1ダミー加圧室10D1を含むダミー個別流路の流路特性および第2ダミー加圧室10D2を含むダミー個別流路は、個別流路の流路特性とほぼ同じであり、一番端に位置する第1共通流路20は、1列の第1ダミー加圧室列11AD2と、第2ダミー加圧室列11AD2からの液体の排出を受けることになるので、一番端に位置する第1ダミー加圧室列11AD1に含まれる加圧室10の吐出特性を他と同等にできる。
第1端部流路30は、ヘッド本体2aの第2方向の端部に生じる温度変動を共通流路に伝え難くする効果があるが、ヘッド本体2aに供給される液体の温度が変動した場合、他の部分と比較して、第1端部流路30の周囲の温度変化が速くなり、第2方向の端部の加圧室10が温度変化の影響を受けやすくなる。第1共通流路20の第2方向の外側に、ダミー第2共通流路(第2端部流路)24Dが存在すると、共通流路に第1端部流路30の温度変動を伝わり難くできる。
ダミー第2共通流路(第2端部流路)24Dは、第2ダミー加圧室10D2を介して、共通流路と繋がっているため、液体の流量のバランスがくずれないように、ダミー第2共通流路24Dは、第2共通流路24と流路抵抗をほぼ同じにするのが好ましい。ここで流路抵抗がほぼ同じとは、±30%以内、さらに±20%以内、特に±10%以内のことである。
第2ダミー加圧室10D2の位置に、第1ダミー加圧室10D1と同じ構造のダミー加圧室を設けてもよいが、そのようにするには、圧電アクチュエータ基板40が、第2ダミー加圧室列11AD2まで覆う大きさにする必要がある。第2ダミー加圧室10D2を含むダミー個別流路の流路抵抗は、第1ダミー加圧室10D1を含むダミー個別流路の流路抵抗と比較すれば、加圧室10を含む個別流路の流路抵抗に近い値にする必要性は低い。そこで、第2ダミー加圧室本体10aD2を一層下のプレート4bに配置し、圧電アクチュエータ基板40で塞ぐ代わりにプレート4aで塞ぐようにする。このようにすれば、圧電アクチュエータ基板40の大きさを小さくすることができる。
なお、以上の実施形態では第1共通流路20は、第2統合流路26と直接繋がっておらず、第2共通流路24は、第1統合流路22と直接繋がっていないが、本発明は、このような形態に限定されない。すなわち、共通流路が、第1統合流路22と第2統合流路26とを直接繋いでいてもよい。
図7は、本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッド本体102aの部分縦断面図であり、図5(b)に相当する部分である。ヘッド本体102aの基本的な構成は、図2〜図6に示したヘッド本体2aと同じであり、差異が少ない部位については、同じ符号を付けて説明を省略する。
ヘッド本体102aでは、第2ダミー加圧室本体110D2aは、プレート(加圧室プレート)4aに形成された、下側、すなわち圧電アクチュエータ基板40が積層されているのとは反対側に開口した溝と、その溝をほとんど塞いでいるプレート4cとで構成されている。プレート4cに塞がれていない部分は、第2ダミーディセンダ110D2bおよびダミー第1個別流路112Dに繋がっている。第2ダミー加圧室本体110D2aは、プレート(加圧室プレート)4aの下側に開口した溝で構成されており、プレート(加圧室プレート)4aの上側には開口していないため、その上に圧電アクチュエータ基板40を配置する必要はない。このような溝は、例えば、金属製のプレート4aをハーフエッチィングすることで形成できる。
ヘッド本体102aの第2ダミー加圧室本体110D2aは、ヘッド本体2aの第2ダミー加圧室本体10D2aと同様に、加圧室10の周囲の剛性の差を小さくし、共通流路に流れる流量の差を小さくすることができる。
なお、以上の実施形態では、加圧室プレートやダミー加圧室プレートが1層のプレートで構成されているものを示したが、それら自体が複数のプレートを積層して構成されていてもよい。
1・・・カラーインクジェットプリンタプリンタ
2・・・液体吐出ヘッド
2a、102a・・・ヘッド本体
4・・・第1流路部材
4a〜4l・・・(第1流路部材の)プレート
4−1・・・加圧室面
4−2・・・吐出孔面
6・・・第2流路部材
6a、6b・・・(第2流路部材の)プレート
6ba、6bb・・・仕切り
6c・・・(第2流路部材の)貫通孔
6ca・・・貫通孔の拡幅部
8・・・吐出孔
9A・・・吐出孔列
9B・・・吐出孔行
10・・・加圧室
10a・・・加圧室本体
10b・・・部分流路(ディセンダ)
10D1・・・第1ダミー加圧室
10D2、110D2・・・第2ダミー加圧室
10D2a、110D2a・・・第2ダミー加圧室本体
10D2b、110D2b・・・第2ダミー部分流路(ダミーディセンダ)
11A・・・加圧室列
11B・・・加圧室行
11C・・・加圧室群
12・・・第1個別流路
12D、112D・・・ダミー第1個別流路
14・・・第2個別流路
14D・・・ダミー第2個別流路
20・・・第1共通流路
20a・・・(第1共通流路の)開口
22・・・第1統合流路
22a・・・第1統合流路本体
22b・・・第1接続流路
22c、22d・・・(第1統合流路の)開口
24・・・第2共通流路
24a・・・(第2共通流路の)開口
24D・・・ダミー第2共通流路(第2端部流路)
26・・・第2統合流路
26a・・・第2統合流路本体
26b・・・第2接続流路
26c、26d・・・(第2統合流路の)開口
28A・・・第1ダンパ
28B・・・第2ダンパ
28C・・・第3ダンパ
29・・・ダンパ室
30・・・第1端部流路
30a・・・幅広部
30b・・・狭窄部
30c、30d・・・(第1端部流路の)開口
40・・・圧電アクチュエータ基板
40a・・・圧電セラミック層
40b・・・圧電セラミック層(振動板)
42・・・共通電極
44・・・個別電極
44a・・・個別電極本体
44b・・・引出電極
46・・・接続電極
50・・・変位素子(加圧部)
70・・・ヘッド搭載フレーム
72・・・ヘッド群
80A・・・給紙ローラ
80B・・・回収ローラ
82A・・・ガイドローラ
82B・・・搬送ローラ
88・・・制御部
P・・・印刷用紙

Claims (13)

  1. 複数の吐出孔、該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室、およびダミー加圧室を有する流路部材と、該流路部材の上に配置されている、前記複数の加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する基板とを含んでいる液体吐出ヘッドであって、
    前記流路部材は、積層された複数のプレートを含んでおり、該複数のプレートは、一つの加圧室プレートおよび一つのダミー加圧室プレートを含んでおり、
    前記加圧室プレートは、孔あるいは溝を有し、当該孔あるいは溝の側面が前記加圧室の側面とされており、かつ当該孔あるいは溝の開口が加圧室開口とされており、
    前記ダミー加圧室プレートは、孔あるいは溝を有し、当該孔あるいは溝の側面が前記ダミー加圧室の側面とされており、かつ当該孔あるいは溝の開口がダミー加圧室開口とされており、
    複数の前記加圧室開口は前記基板により塞がれており、前記ダミー加圧室開口は前記加圧室プレート、もしくは他の前記プレートにより塞がれていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記ダミー加圧室は、前記複数の加圧室からなる加圧室群よりも外側に配置さ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. 前記ダミー加圧室は、少なくとも一部が前記基板と重ならないように配置され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. 前記流路部材は、前記複数の加圧室および前記ダミー加圧室の少なくとも一方に液体を供給する共通供給流路と、前記複数の加圧室および前記ダミー加圧室の少なくとも一方から液体を回収する共通回収流路とを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記ダミー加圧室プレートは、前記加圧室プレートの前記基板と反対側に直接積層されており、前記ダミー加圧室プレートには、前記加圧室に液体を供給する流路および前記加圧室から液体を回収する流路をなす孔が設けられており、該流路は液体が上下方向に移動する流路であることを特徴とする請求項4に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記加圧室プレートの前記基板と反対側に直接積層されている他の前記プレートから前記ダミー加圧室プレートまでの各プレートには、それぞれ前記加圧室に液体を供給する流路および前記加圧室から液体を回収する流路をなす孔が設けられており、いずれの流路も液体が上下方向に移動する流路であることを特徴とする請求項4に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記加圧室の高さと前記ダミー加圧室の高さとが略同じであることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  8. 複数の吐出孔、該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室、およびダミー加圧室を有する流路部材と、該流路部材の上に配置されている、前記複数の加圧室をそれぞれ加圧する複数の加圧部を有する基板とを含んでいる液体吐出ヘッドであって、
    前記流路部材は、積層された複数のプレートを含んでおり、該複数のプレートは、一つの加圧室プレートを含んでおり、
    該加圧室プレートは、孔あるいは溝を有し、当該孔あるいは溝の側面が前記加圧室の側面とされており、かつ当該孔あるいは溝の開口が前記加圧室開口とされており、
    複数の前記加圧室開口は前記基板により塞がれており、
    前記ダミー加圧室は、前記加圧室プレートの前記基板と反対側の面に設けられた溝と、該溝を塞いでいる他の前記プレートとにより構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  9. 前記ダミー加圧室は、前記複数の加圧室からなる加圧室群よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項8に記載の液体吐出ヘッド。
  10. 前記ダミー加圧室は、少なくとも一部が前記基板と重ならないように配置されていることを特徴とする請求項8または9に記載の液体吐出ヘッド。
  11. 前記流路部材は、前記複数の加圧室に液体を供給する共通供給流路と、前記複数の加圧室から液体を回収する共通回収流路とを有することを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  12. 前記加圧室プレートの前記基板と反対側に直接積層されている他の前記プレートから前記ダミー加圧室プレートまでの各プレートには、前記加圧室に液体を供給する流路および前記加圧室から液体を回収する流路をなす孔が設けられており、いずれの流路も液体が上下方向に移動する流路であることを特徴とする請求項11に記載の液体吐出ヘッド。
  13. 請求項1〜12のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部を備えていることを特徴とする記録装置。
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