JP5991061B2 - 液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置に関し、特に、金属顔料などの平板状粒子を含む液体を噴射する液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は、液体を液滴としてノズルから噴射可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）を備え、この記録ヘッドのノズルから液体状のインクをインク滴として噴射させて記録を行うインクジェット式記録装置（プリンター）等の画像記録装置を挙げることができる。また、この他、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターに用いられる色材、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイに用いられる有機材料、電極形成に用いられる電極材等、様々な種類の液体の噴射に液体噴射装置が用いられている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

インクジェット技術を採用する液体噴射ヘッドの内部には、複数のノズル、ノズル毎に形成された圧力室、複数の圧力室に共通な共通液体室（リザーバーあるいはマニホールドとも言う）、および、共通液体室と各圧力室とをそれぞれ連通する供給路等から成る液体流路が設けられている。そして、圧電素子や発熱素子等の圧力発生手段の駆動により、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、この圧力変動を利用してノズルから液体を噴射させるように構成されている。

近年ではインクジェット技術の応用として、例えば、金属粒子を顔料として含むメタリックインクを噴射する用途が挙げられる（例えば、特許文献１）。このようなメタリックインクを用いた印刷物において金属的な光沢を得るためには、金属粒子の表面がなるべく平坦であることが望ましい。このため、メタリックインクに含まれる金属顔料は、平板状（鱗片状）の粒子となっている。

特開２０１２−００１５８１号公報

ここで、図６は、記録ヘッドの液体流路の構成の一例を説明する模式図である。同図において、矢印はインクの流れを示している。同図に示すように、各圧力室５１は、インク供給路５２を通じてリザーバー５３（共通液体室）と連通している。このインク供給路５２の断面積は、圧力室の断面積よりも十分に小さく設定されている。このため、インク供給路５２と圧力室５１との境界部分では、流路の断面積が急激に変化する。リザーバー側からインク供給路５２を通って圧力室５１に向かうインクの流れに関し、流路断面積が小さい側から大きい側に変化するので、インク供給路５２から圧力室５１に流れ込むインクの流速が低下する。特に、インク供給路５２の圧力室５１側への延長領域から外れた領域（図５においてＸで示す領域）では、延長領域と比較して流速の低下が大きい。これにより、この領域Ｘと延長領域との間で境界層剥離が生じ、圧力室５１内で乱流、すなわち渦流が生じる。そして、メタリックインクの場合、この渦流によって平板状粒子が局所域内でぐるぐると周回（公転）する。この平板状粒子が圧力室内の狭い範囲で周回すると、インクの噴射に悪影響が生じるという問題があった。具体的には、ノズル５４から噴射されるインクの飛翔方向が曲がったり、ノズル５４からインクが噴射されなかったりといった不具合が生じることがあった。

なお、上記のような問題は、メタリックインクを噴射するインクジェット式記録ヘッドに限られず、平板状粒子が含まれる液体を噴射する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に生じる。

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、平板状粒子を噴射する構成において、流路内において平板状粒子の局所域での周回に起因する液体噴射の不具合を抑制することが可能な液体噴射ヘッド、および、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、液体を噴射する複数のノズルと、
前記複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、
前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、
前記複数の圧力室に連通する共通液体室と、
前記複数の圧力室と前記共通液体室とをそれぞれ連通する液体供給路と、
を備え、平板状粒子を含む液体を前記ノズルから噴射する液体噴射ヘッドであって、
前記圧力室の壁部と前記液体供給路の壁部とを連続させて流路断面積が変化する領域の壁面に、液体の流れに対して抵抗となる抵抗部が形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、圧力室と液体供給路との境界部の流路断面積が変化する領域における、圧力室の壁部と液体供給路の壁部とを連続する壁面に、液体の流れに対して抵抗となる抵抗部を設けることで、液体供給路側と圧力室との間を液体が流れる際に、上記壁面の表面付近で抵抗部による細かい乱流が生じる。すなわち、当該壁面の近傍に乱流境界層が形成される。これにより、液体供給路側から圧力室側への流れ（層流）と乱流境界層との間で剥離が生じにくくなり、より大きな乱流（渦流）の発生を抑制することができる。これにより、平板状粒子を含む液体を噴射する場合に、液体供給路と圧力室との境界部分において平板状粒子が渦流によって周回することが抑制され、平板状粒子を含む液体がノズルに向けて円滑に流れる。このため、圧力室内における平板状粒子の回転に基づく噴射時の不具合、すなわち、ノズルから噴射される液体の飛翔曲がりやノズルから液体が噴射されない所謂ドット抜け等の不具合を防止することが可能となる。

また、上記構成において、前記抵抗部は、前記流路断面積が変化する領域の壁面から流路側に突出した凸部または前記流路断面積が変化する領域の壁面から流路側とは反対側に窪んだ凹部から構成されることが望ましい。
この構成によれば、壁面に凸部または凹部を設けるという簡単な構成で、壁面の近傍を流れる液体に乱流境界層を形成させることが可能となる。

また、本発明の液体噴射装置は、上記何れかの構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、上記液体噴射ヘッドを採用することにより、平板状粒子を含む液体を噴射する場合においても、圧力室内における平板状粒子の回転に基づく噴射時の不具合、すなわち、ノズルから噴射される液体の飛翔曲がりやノズルから液体が噴射されない所謂ドット抜け等の不具合を防止することが可能となる。
また、本発明の液体噴射ヘッドは、液体を噴射する複数のノズルと、前記複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、 前記複数の圧力室に連通する共通液体室と、前記複数の圧力室と前記共通液体室とをそれぞれ連通する液体供給路と、を備え、平板状粒子を含む液体を前記ノズルから噴射する液体噴射ヘッドであって、前記圧力室の壁部と前記液体供給路の壁部とを連続させて流路断面積が変化する領域の壁面に、前記壁面から流路側に突出した凸部または前記壁面から流路側とは反対側に窪んだ凹部が形成されたことを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する図である。 圧力室形成基板の構成を説明する要部平面図である。 インク供給路と圧力室との境界部分における壁面の斜視図である。 第２の実施形態における圧力室形成基板の構成を説明する要部平面図である。 従来の圧力室形成基板の構成を説明する平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、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、以下においては、本発明の液体噴射ヘッドとして、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２を例に挙げて説明する。

図１はプリンター１の構成を示す斜視図である。このプリンター１は、記録ヘッド２が取り付けられると共に、液体供給源の一種であるインクカートリッジ３が着脱可能に取り付けられるキャリッジ４と、記録動作時の記録ヘッド２の下方に配設されたプラテン５と、キャリッジ４を記録紙６（記録媒体および着弾対象の一種）の紙幅方向、即ち、主走査方向に往復移動させるキャリッジ移動機構７と、主走査方向に直交する副走査方向に記録紙６を搬送する紙送り機構８と、を備えている。

キャリッジ４は、主走査方向に架設されたガイドロッド９に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構７の作動により、ガイドロッド９に沿って主走査方向に移動するように構成されている。キャリッジ４の主走査方向の位置は、リニアエンコーダー１０によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルスが図示しないプリンターコントローラーに送信される。リニアエンコーダー１０は位置情報出力手段の一種であり、記録ヘッド２の走査位置に応じたエンコーダーパルスを、主走査方向における位置情報として出力する。このため、プリンターコントローラーは、受信したエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４に搭載された記録ヘッド２の走査位置を認識できる。即ち、例えば、受信したエンコーダーパルスをカウントすることで、キャリッジ４の位置を認識することができる。これにより、プリンターコントローラーはこのリニアエンコーダー１０からのエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４（記録ヘッド２）の走査位置を認識しながら、記録ヘッド２による記録動作を制御することができる。

キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジの走査の基点となるホームポジションが設定されている。本実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル形成面（ノズル形成基板１５：図２参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル形成面を払拭するためのワイパー部材１２とが配置されている。そして、プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録紙６上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録が可能に構成されている。

図２は、本実施形態の記録ヘッド２の構成を示す図であり、（ａ）は記録ヘッド２の部分的な平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′線断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図２（ｃ）では保護基板１９の図示が省略されている。また、図２ではノズル４つ分の構成を例示しているが、残りの他のノズルに対応する構成も同様である。本実施形態における記録ヘッド２は、圧力室基板１４、ノズル形成基板１５、弾性体膜１６、絶縁体膜１７、圧電素子１８、及び、保護基板１９等を積層して構成されている。

圧力室基板１４は、例えば、シリコン単結晶基板から成る板材である。この圧力室基板１４には、複数の圧力室２０が、隔壁３６（図２（ｃ）参照）を間に挟んでその幅方向（ノズル列方向）に並設されている。圧力室基板１４の圧力室２０の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）における外側に外れた領域には連通部２１が形成され、連通部２１と各圧力室２０とが、圧力室２０毎に設けられたインク供給路２２（本発明における液体供給路に相当）を介して連通されている。なお、連通部２１は、後述する保護基板１９のリザーバー部２９と連通して各圧力室２０の共通のインク室となるリザーバー３０の一部を構成する。すなわち、インク供給路２２の流路断面積（ノズル列方向の断面積）は、圧力室２０の断面積よりも小さくなっている。本実施形態においては、インク供給路２２のノズル列方向の幅が、圧力室２０の同方向の幅よりも狭く形成されている。このインク供給路２２と圧力室２０との境界部分の流路断面積が変化する領域に形成された傾斜面３９（本願発明における壁面に相当）には、複数の凸部３７がマトリクス状に設けられている。この点の詳細については後述する。なお、圧力室基板１４におけるこれらの圧力室２０やインク供給路２２等の流路、および、凸部３７は、異方性エッチングにより形成されている。

圧力室基板１４の下面には、各圧力室２０に対応して複数のノズル２３が列状に開設されたノズル形成基板１５が接合されている。これにより、圧力室２０の下面側の開口がノズル形成基板１５により封止されて圧力室２０の底部が画成される。圧力室基板１４の上面には、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１６が形成されている。この弾性膜１６上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜１７が形成されている。この弾性膜１６および絶縁体膜１７における圧力室２０の開口を封止する部分は、作動面として機能する。また、この絶縁体膜１７上には下電極２４と、圧電体２５と、上電極２６とが形成され、これらが積層状態で圧電素子１８を構成している。

一般的には、圧電素子１８の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極（正極又は個別電極）及び圧電体２５を圧力室２０毎にパターニングして構成する。そして、パターニングされた何れか一方の電極及び圧電体２５から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。なお、本実施形態では、下電極２４が圧電素子１８の共通電極とされ、上電極２６が圧電素子１８の個別電極とされているが、圧電体２５の分極方向や駆動回路や配線の都合等によってこれらを全体的に逆にする構成とすることもできる。何れの場合においても、圧力室２０毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、このような各圧電素子１８の上電極２６には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極２７がそれぞれ接続されている。

圧力室基板１４上の圧電素子１８側の面には、圧電素子１８に対向する領域にその変位を阻害しない程度の大きさの空間となる圧電素子保持部２８を有する保護基板１９が接合されている。さらに、保護基板１９には、圧力室基板１４の連通部２１に対応する領域にリザーバー部２９が設けられている。このリザーバー部２９は、圧力室２０の並設方向に沿って長尺な矩形の開口形状を有する貫通穴として保護基板１９に形成されており、上述したように圧力室基板１４の連通部２１と連通されてリザーバー３０（共通液体室の一種）を画成する。このリザーバー３０は、インクの種類毎（色毎）に設けられ、複数の圧力室２０に共通のインクが貯留される。

また、保護基板１９の圧電素子保持部２８とリザーバー部２９との間の領域には、保護基板１９を厚さ方向に貫通する貫通孔３１が設けられ、この貫通孔３１内に下電極２４の一部及びリード電極２７の先端部が露出されている。保護基板１９上には、封止膜３２及び固定板３３とからなるコンプライアンス基板３４が接合されている。封止膜３２は、可撓性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイドフィルム）からなり、この封止膜３２によってリザーバー部２９の一方面が封止されている。また、固定板３３は、金属等の硬質の材料（例えば、ステンレス鋼等）で形成される。この固定板３３のリザーバー３０に対向する領域は、厚さ方向を貫通する開口部３５となっている。このため、リザーバー３０の一方の面は可撓性を有する封止膜３２のみで封止されている。

上記構成の記録ヘッド２では、インクカートリッジ等のインク供給手段からインクを取り込み、リザーバー３０からノズル２３に至るまでインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２０に対応するそれぞれの下電極２４と上電極２６との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１８および作動面（弾性膜１６）が撓み変形することにより、圧力室２０内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２３からインクを噴射させたり、或いは、インクが噴射されない程度にノズル２３におけるメニスカスを微振動させたりする。

本実施形態における記録ヘッド２が噴射するインクとして、光輝系顔料を含むインク（本発明における液体の一種）が用いられる。光輝系顔料としては、例えば、アルミニウム等の金属から成る金属顔料や、雲母の表面を金属酸化物でコーティングしたパール顔料などがある。そして、この光輝系顔料を構成する粒子は、一般的には扁平な平板状（鱗片状）を呈する。すなわち、光輝系顔料は、本発明における平板状粒子に相当する。ここで、「平板状粒子」とは、略平坦な面（Ｘ−Ｙ平面）を有し、これらのＸ、Ｙそれぞれに対して、或いは、Ｘ−Ｙ平面の円相当径に対して、厚みＺが十分に小さい（例えば、１／２以下である）粒子を意味する。なお、「円相当径」は、光輝性顔料の平板状粒子の略平坦な面（Ｘ−Ｙ平面）の投影面積と等しい面積を持つ円の直径である。また、「略平坦な面」とは、当該平板状粒子の投影面積が最大となる面を意味する。そして、本実施形態における光輝系顔料は、金属蒸着膜を破砕して作製されている。

本発明に係るプリンター１は、インク流路の形状、特に、インク供給路２２と圧力室２０との境界部分における流路を工夫することにより、上記の平板状粒子を含むインクを記録ヘッド２から噴射する際の不具合を抑制している点に特徴を有している。

図３は、圧力室基板１４の要部平面図である。また、図４は、インク供給路２２と圧力室２０との境界部分における傾斜面３９の近傍の斜視図である。なお、図３における矢印はインクの流れを示している。また、図３では、ノズル３つ分の構成が図示されているが、他のノズル２３に対応するインク流路の構成も同様である。上述したように、インク供給路２２と圧力室２０との境界部分には、インクの流れに対して抵抗となる凸部３７（本発明における抵抗部の一種）が設けられている。具体的には、インク供給路２２と圧力室２０との間の流路断面積が変化する（インク供給路２２側から圧力室２０側に向けて拡大する）領域（図３においてＸで示す領域）であって、インク供給路２２の壁部と圧力室２０の壁部とを連続する傾斜面３９に、傾斜面から流路側に突出した複数の凸部３７が形成されている。本実施形態における凸部３７は、半球状の突起から成り、傾斜面３９にマトリクス状に並べて形成されている。

このように、傾斜面３９に複数の凸部３７を設けることで、インク供給路２２側から圧力室２０側へインクが流れる際に、図３におけるＺで示すように、傾斜面３９の表面付近で凸部３７による細かい乱流が生じる。すなわち、傾斜面３９の近傍に乱流境界層が形成される。これにより、インク供給路２２側から圧力室２０側への流れ（層流）と乱流境界層との間で剥離が生じにくくなり、より大きな乱流の発生を抑制することができる。このため、平板状粒子Ａを含むインクを噴射する場合に、インク供給路２２と圧力室２０との境界部分において平板状粒子Ａが、境界層の剥離による乱流によって圧力室２０内の局所域で周回することが抑制され、平板状粒子Ａを含むインクがノズル２３に向けて円滑に流れる。このため、圧力室２０内における平板状粒子Ａの回転に基づく噴射時の不具合、すなわち、ノズル２３から噴射されるインクの飛翔曲がりやノズル２３からインクが噴射されない所謂ドット抜け等の不具合を防止することが可能となる。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態における圧力室基板１４の要部平面図である。
上記第１の実施形態では、インク供給路２２と圧力室２０との間の流路断面積が変化する領域であって、インク供給路２２の壁部と圧力室２０の壁部とを連続する傾斜面３９が、ノズル列方向における片側一箇所に形成された構成を例示したがこれには限られず、本実施形態においては、一つの圧力室２０に対して傾斜面３９がノズル列方向の両側に合計２箇所ずつ形成されている。また、第１の実施形態では、本発明における抵抗部として凸部３７を例示したが、これには限られない。本実形態においては、抵抗部として複数の凹部３７′（ディンプル）が両側の傾斜面３９にマトリクス状に並べて形成されている。本実施形態の構成によっても、上記第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。すなわち、傾斜面３９に複数の凹部３７′を設けることで、インク供給路２２側から圧力室２０側へインクが流れる際に、傾斜面３９の表面付近で凹部３７′による乱流境界層が形成され、より大きな乱流の発生を抑制することができる。このため、圧力室２０内における平板状粒子Ａの回転に基づく噴射時の不具合が防止されることが可能となる。
このように、抵抗部は、インク供給路２２と圧力室２０との間を流れるインクに対して抵抗となれば良く、その形状およびその数は例示したものには限定されない。例えば、インクの流れに直交する方向に沿って傾斜面２９に形成された複数のリブあるいは複数の溝部によって抵抗部を構成することもできる。或いは、傾斜面３９自体を、複数の段部によって階段状に形成しても良い。この場合、シリコン単結晶基板としての圧力室基板１４に対する異方性エッチングによって容易に抵抗部を形成することができる。

さらに、上記各実施形態では、インク供給路２２の幅（ノズル列方向の寸法）を圧力室の同方向の幅よりも狭く設定することでインク供給路２２の流路断面積が圧力室２０の流路断面積よりも小さい構成を例示したが、これには限られず、インク供給路２２の高さ（圧力室基板１４に垂直な方向）の寸法を圧力室の同方向の寸法よりも小さくすることでインク供給路２２の流路断面積を圧力室２０の流路断面積よりも小さくする構成を採用することも可能である。これに応じて、凸部３７や凹部３７′等の抵抗部は、インク供給路２２と圧力室２０の境界部分において流路が高さ方向に拡大する部分の傾斜面に形成される。

なお、上記各実施形態では、本発明の液体噴射ヘッドとして、インクを噴射する記録ヘッド２を例示したが、これには限られない。例えば、Ｒ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射するディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドや、液状の電極材料を噴射する電極形成装置用の電極材噴射ヘッドや、生体有機物の溶液を噴射するチップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッド等であって、平板状粒子を含む液体を噴射する液体噴射ヘッドにも本発明を適用することができる。

１…プリンター，２…記録ヘッド，１４…圧力室基板，１５…ノズル形成基板，１８…圧電素子，２０…圧力室，２１…連通部，２２…インク供給路，２３…ノズル，３０…リザーバー，３６…隔壁，３７…凸部，３９…傾斜面，４１…凹部

Claims (2)

1. 液体を噴射する複数のノズルと、
   前記複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、
   前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、
   前記複数の圧力室に連通する共通液体室と、
   前記複数の圧力室と前記共通液体室とをそれぞれ連通する液体供給路と、
   を備え、平板状粒子を含む液体を前記ノズルから噴射する液体噴射ヘッドであって、
   前記圧力室の壁部と前記液体供給路の壁部とを連続させて流路断面積が変化する領域の壁面に、前記壁面から流路側に突出した凸部または前記壁面から流路側とは反対側に窪んだ凹部が形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。

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