JP6107248B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置に関する。
従来、流路内部の圧力変化に応じて液体を噴射する液体噴射ヘッドが知られている。液体噴射ヘッドは、液体流路の一部となる圧力室を備える流路部材と、圧力室の位置に応じて流路部材に配置された圧電素子や発熱素子などの圧力発生素子と、を有する。このような液体噴射ヘッドは、圧力発生素子が駆動することで圧力室に圧力変化を生じさせ、液体を噴射する(例えば、特許文献1参照)。
また、通常、圧力発生素子は、この圧力発生素子を駆動させる電極を有する。電極は、圧力発生素子の能動部毎に共通の電位を生じさせる共通電極と、圧力発生素子の能動部毎に個別の電位(信号)を発生させる個別電極とで構成される。
特許公報 第3379106号
液体噴射ヘッドでは、液体を吐出する密度が高密度化するに従い、圧力室のサイズや、電極のサイズが小さくなる。電極のサイズを小さくすると配線抵抗が高くなるため、供給される電位が適切な値にならず液体の吐出性能を劣化させる場合があった。
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、最適な吐出性能を維持する液体噴射ヘッド、及び液体噴射装置の提供を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明では、液体を噴射する液体噴射ヘッドであって、前記液体が流れる複数の圧力室を備える流路部材と、前記圧力室に応じた位置に配置されている能動部と、前記各圧力室に共通した電位を生じさせる共通電極とを備える圧力発生素子と、前記流路部材の前記圧力発生素子が固定される側で前記共通電極と電気的に接続し、前記共通電極の抵抗を降下させる導電性の部材と、を有する。
上記のように構成された発明では、圧力発生素子の共通電極は、流路部材における同じ側に位置する導電性の部材に電気的に接続されている。
そのため、共通電極と導電性の部材とが電気的に一体となることで当該共通電極の配線抵抗を低くすることができる。その結果、圧力発生素子間のエレキクロストークや、圧力発生素子を駆動する駆動信号の鈍りを改善することができる。また、共通電極の配線領域を小さくすることができるため、液体噴射ヘッドを小型化することができる。
ここで、圧力発生素子は、液体を気化させて圧力を発生させる発熱素子や、機械的歪みにより圧力を発生させる圧電素子が含まれる。圧力発生素子が発熱素子である場合、能動部はヒーター等の発熱体により構成される。また、圧力発生素子が圧電素子である場合、能動部は電極に挟まれた圧電体により構成される。
また、導電性の部材は、新規な部材を適用するものであってもよいし、圧電素子を収容する既存のヘッド部材等を流用するものであってもよい。また、導電性部材の材質は、導電性を有するものであればどのようなものであってもよく、金(Au)、白金(Pt)、ステンレス鋼(SUS)等を適用することができる。
また、前記導電性の部材は、前記圧力室と連通する前記液体が流れる液体の流路の壁の一部を形成する構成としてもよい。
上記のように構成された発明では、導電性の部材が液体の流路の一部を構成することで、液体噴射ヘッドの大きさをコンパクトにすることができる。
そして、前記導電性の部材と前記液体は電気的に接続している、構成としてもよい。
上記のように構成された発明では、導電性の部材を通じて流れる液体の電位を共通電極に生じる電位と同じにすることで、共通電極に生じる電位をより安定化させることができる。
さらに、前記導電性の部材は、前記複数の圧力室と繋がり、前記各圧力室が共有する共通液室としてもよい。
上記のように構成された発明では、共通液室を流路部材の外部に設けることで、流路部材に形成された流路形状を簡素化することができる。その結果、液体噴射ヘッドの大きさをコンパクトにすることができる。
また、前記共通電極は、前記圧力室毎に配置された個別の電極を有し、前記個別の電極は、前記導電性の部材を通じて互いに導通している、構成としてもよい。
上記のように構成された発明では、共通電極を個別の電極を組み合わせて構成することができるため、共通電極を作りやすくすることができる。
さらに、このような液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置に対しても本発明を適用することができる。
液体噴射ヘッドの構成を説明する断面図である。 液体噴射ヘッドの構成を説明する斜視展開図である。 圧力室とリザーバー室との位置関係を説明する図である。 各電極の位置関係を説明する図である。 インクジェットプリンター200の一例を示す概略図である。 第2の実施形態に係る液体噴射ヘッドを説明する断面図である。 第2の実施形態に係る液体噴射ヘッドを説明する図である。
以下、下記の順序に従って本発明の実施形態を説明する。
1.第1の実施形態:
2.第2の実施形態:
3.その他の実施形態:
1.第1の実施形態:
以下、図を参照して、この発明に係る液体吐出ヘッドを具体化した第1の実施の形態について説明する。図1は、液体噴射ヘッドの構成を説明する断面図である。また、図2は、液体噴射ヘッドの構成を説明する斜視展開図である。ここで、図1は、図2のA−A’線での断面図である。また、図3は、圧力室とリザーバー室との位置関係を説明する図である。そして、図4は、各電極の位置関係を説明する図である。
液体噴射ヘッド1は、印刷装置等の液体噴射装置の一部として用いられる。図1、図2に示すように、液体噴射ヘッド1は、流路ユニット40と、ノズルプレート60と、ヘッド部材50と、を備えている。また、液体噴射ヘッド1は、上記した、流路ユニット40、ノズルプレート60と、が積層状に組み合わさることで、内部に液体流路70が構成されている。
流路ユニット40は、振動板10と、流路形成基板20と、圧電素子(圧力発生素子)30と、を備えている。流路形成基板20と振動板10とは、本発明の流路部材を構成する。なお、本実施形態では、流路ユニット40には圧電素子30が含まれるものとして説明を行うが、圧電素子30を含まないものであってもよい。
流路形成基板20には、複数の圧力室21と、共通液室24と、が形成されている。圧力室21は、液体流路70において圧力変化を生じさせる部位である。また、共通液室24は、例えば、同じ色のインクが流れる圧力室21毎に共通の流路となる空間である。本実施形態では、流路形成基板20は薄板体の第1基板26と第2基板27とを積層して構成されるが、流路形成基板20の構成は、これに限定されない。
図3に示すように、第1基板26には、複数の圧力室21が第2方向D2に併設するよう形成されている。各圧力室21は、内幅が狭くなる狭窄部22を介して供給口23と繋がっている。そして、各供給口23は、第2基板27に形成された共通液室24と連通している(図1)。さらに、各圧力室21の狭窄部22と反対側の下側は、第2基板27に形成された連通口25と連通している。なお、連通口25は、後述するようにノズルプレート60のノズル孔61と連通する開口である。
また、第1基板26の圧力室21の近傍には、共通液室24が形成されている。共通液室24と圧力室21とは、壁部を介して第1基板26内に区画されている。また、共通液室24は第1基板26と第2基板27のそれぞれ形成された空間を組み合わせることで構成される。図3に示すように、共通液室24と圧力室21とは、第1基板26の上面26a側(第1方向)に開口部21a、24aを有する。ここで、共通液室24は、第1基板26において、第2方向D2の両端に位置する圧力室21で規定される幅と略同寸の幅を有する開口部24aを形成している。そして、第2基板27の共通液室24は第1基板26に形成された供給口23と連通している。
ここで、流路形成基板20の材料としては、部分安定化ジルコニア(Zr)や安定化ジルコニアを用いることができる。それ以外にも、流路形成基板20の材質としては、金属等を用いてもよい。
また、流路形成基板20の第1基板26の上面26aには、振動板10が積み重ねられている。図1に示すように、振動板10は、流路形成基板20の圧力室21を覆うよう、流路形成基板20に固定されている。
振動板10は、例えば、セラミックスの薄板体により構成される。その材料としては、部分安定化ジルコニアや安定化ジルコニア、酸化ケイ素(SiO2)を用いることができる。また、振動板10の第3方向D3での厚みは、例えば、2.2マイクロメートル(μm)から6.0マイクロメートル(μm)とすることができる。また、振動板10の流路形成基板20とは反対側の上面に液体透過性を抑制することを目的として絶縁性の膜を成膜するものであってもよい。
また、振動板10の流路形成基板20と固定されない側には、圧電素子30が位置している。圧電素子30は、下電極31と、上電極33と、下電極31と上電極33との間に位置する圧電体(能動部)32とを備える。第1の実施形態では、上電極33は、圧電体32毎に設けられた個別電極として機能する。一方、下電極31は、各圧電体32に共通の電位を供給する共通電極として機能する。
図4に示すように、下電極31は、圧力室21毎に配置された枝部311と、図示しない回路基板と接続された信号入力部312とを有する。枝部311は、振動板10の圧力室21の上方(能動部領域ともいう。)から能動部領域外まで連続してそれぞれ配置されている。一方、信号入力部312は、振動板10の能動部領域以外の位置に、各枝部311と併設するよう形成されている。信号入力部312は、一端側(図4では右端)が他と比べて太く形成されており、この太くなっている部分で回路基板からの配線と接続される。
下電極31や上電極33は、例えば、層状の金(Au)、白金(Pt)等の金属といった導電物質により構成される。そして、下電極31の厚みは、1マイクロメートル(μm)から2マイクロメートル(μm)とすることができる。また、圧電体32は例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)といった誘電体により構成される。
また、流路形成基板20の圧電素子30が形成される側には、ヘッド部材50が固定されている。ヘッド部材50は、例えば、箱状であって、図示しない回路基板等やケーブルが位置決めされるスリット51と、ヘッド部材50の振動板10に固定される側に開口する凹部52と、を有する。スリット51に挿入される回路基板等は、圧電素子30の上電極33又は下電極31と電気的に接続されている。また、凹部52には、後述するインクカートリッジから供給されるインク(液体)が流れる導入路71を備える。
導入路71は、ヘッド部材50の内壁により形成された第1導入口53と、共通液室24の開口周辺に位置する導電性の導入路形成部(導電性の部材)54とで構成されている。この導入路形成部54は、第1導入口53と連通するスリット状の第2導入口55を有する。
また、導入路形成部54の下面(流路形成基板20と面する側の面)は、下電極31と電気的に接続されている。即ち、図4に示すように、導入路形成部54は、下電極31を構成する枝部311及び信号入力部312とそれぞれ導通可能に接続されている。そのため、信号入力部312と各枝部311とは導入路形成部54を通じて導通している。
この第1の実施形態では、導入路形成部54と、下電極31とは、電気的に接続を可能にする接着層80を介して接続されている。接着層80を構成する接着剤の一例として、異方性導電性接着剤(ACF)や、導電性接着剤を用いることができる。また、導入路形成部54と下電極31とを接続する方法は接着層80を用いるものに限定されず、両者をろうづけや直接熱溶着するなど他の方法で接続するものであってもよい。
また、導入路形成部54の材質は導電性を有するものであれどのようなものであってもよく、例えば、金(Au)、白金(Pt)、ステンレス鋼(SUS)等を用いることができる。
ここで、この第1の実施形態では、液体流路70に流れるインクの電位と下電極31に流れる共通電圧の電位は、同じ電位(例えば、0ボルト)となっている。ここで、下電極31とインクとは導入路形成部54を通じて電気的に接続されている。そのため、導入路形成部54を通じて流れるインク(液体)の電位を下電極31に生じる電位と同じにすることで、下電極31に生じる電位をより安定化させることができる。
さらに、流路形成基板20の第2基板27側には、ノズルプレート60が固定されている。そのため、ノズルプレート60は、流路形成基板20の下側を封止している。ノズルプレート60は、薄板体であり、ノズル孔61が第2方向D2に沿って所定間隔で複数形成されている。また、各ノズル孔61は、流路形成基板20の連通口25とそれぞれ連通するよう形成されている。
ノズルプレート60は、例えば、部分安定化ジルコニアや安定化ジルコニアを用いたセラミックスや、金属により構成される。
ノズルプレート60は、複数のノズル孔61が第2方向D2に沿って形成された複数のノズル列を第1方向D1に並設し、一方のノズル列と他方のノズル列とを第2方向D2においてずらして配置する(いわゆる千鳥配置とする)構成を採用してもよい。
また、流路形成基板20とノズルプレート60との間に、連通口基板等の他の基板が存在していてもよい。
上記構成の液体噴射ヘッド1では、各基板が積層状に積み重ねられることで、圧力室21は連通口25を通じてノズル孔61と連通する。また、圧力室21は、供給口23を通じて共通液室24に連通する。そして、ヘッド部材50の導入路71は、共通液室24の開口に連通している。その結果、導入路71と液体流路70とは、連通することとなる。
ヘッド部材50の導入路71を通じて供給されたインクは共通液室24を通じて液体流路70内に充填される。この状態で、図示しない回路基板から駆動電圧が下電極31や上電極33に印加されると、圧電素子30を駆動させる。圧電素子30の駆動により振動板10を振動させて、圧力室21に圧力変化を生じさせる。そして、圧力室21内の圧力変化は、連通口25に充填されたインクをノズル孔61から外部に噴射させる。
また、液体噴射ヘッド1は、インクカートリッジ等と連通するインク供給経路を具備するインクジェット式記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェットプリンター200に搭載される。インクジェットプリンター200は液体噴射装置の一例である。
図5は、インクジェットプリンター200の一例を示す概略図である。図5において、符号1は、液体噴射ヘッド1をそのノズル孔面を外部に露出させつつ収めた筺体(ヘッドカバー)の一部を示している。インクジェットプリンター200において、複数の液体噴射ヘッド1を有するインクジェット式記録ヘッドユニット(以下、ヘッドユニット202)には、例えば、インクカートリッジ202A,202B等が着脱可能に設けられる。ヘッドユニット202を搭載したキャリッジ203は、装置本体204に取り付けられたキャリッジ軸205に軸方向移動自在に設けられている。そして、駆動モーター206の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト207を介してキャリッジ203に伝達されることで、キャリッジ203はキャリッジ軸205に沿って移動する。
装置本体204にはキャリッジ軸205に沿ってプラテン208が設けられており、図示しないローラー等により供給された印刷媒体Sがプラテン208上を搬送される。そして、搬送される印刷媒体Sに対して、液体噴射ヘッド1のノズル孔61からインクが噴射され任意の画像が印刷媒体Sに印刷される。なお、インクジェットプリンター200は、ヘッドユニット202が上記のように移動するものだけでなく、例えば、液体噴射ヘッド1が固定されて、印刷媒体Sを移動させるだけで印刷を行ういわゆるラインヘッド型のプリンターであってもよい。
次に、このような液体噴射ヘッドの製造方法を説明する。
まず、振動板10、第1基板26、第2基板27のそれぞれに対応する焼成前のセラミックスシートを用意する。そして、第1基板26及び第2基板27の元となるセラミックスシートに対して、打ち抜き加工を施し、圧力室21、共通液室24、連通口25、更には供給口23に相当する貫通孔を形成する。そして、振動板10、第1基板26、第2基板27のそれぞれに対応するセラミックスシートを積層し、一体焼成する。
次に、振動板10の上に下電極31を形成する。下電極31は、例えば、スパッタ法等により振動板10の上面に下電極31の元となる金属溶液を塗布する。そして、金属溶液を焼成し、金属膜を形成する。そして、金属膜をパターニングして枝部311、信号入力部312をそれぞれ独立するように形成する。
次に、下電極31の各枝部311の上に圧電体32を形成する。例えば、圧電体32は、スピンコート法等により前駆体を下電極31に塗布した後、焼成する。そして、焼成後の層をパターニングして圧力室21毎の圧電体32を形成する。そして、この圧電体32の上部に上電極33を形成する。
次に、流路形成基板20にノズルプレート60を接着する。ノズルプレート60は、例えば、接着剤を用いて流路形成基板20に接着される。接着剤としては、エポキシ系の接着剤を用いることができる。ここで、ノズルプレート60は、材料となるセラミックスシートをもとに、焼成することで形成することができる。
最後に、振動板10にヘッド部材50を接着する。このヘッド部材50には導入路形成部54が固定されており、下電極31の枝部311及び信号入力部312に該導入路形成部54が通電するように接着される。
以上の工程により、第1の実施形態に係る液体噴射ヘッド1が製造される。
以上説明したように、この第1の実施形態では、圧電素子30の下電極31(共通電極)は、同じ側に位置する導入路形成部54(導電性の部材)に電気的に接続されている。そのため、下電極31と導入路形成部54とが導通することで当該下電極31の配線抵抗を低くすることができる。その結果、圧電素子間のエレキクロストークや、圧電素子30を駆動する駆動信号の鈍りを改善し、液体噴射ヘッド1を適切に駆動させることができる。また、下電極31の配線領域を小さくすることができるため、液体噴射ヘッドを小型化することができる。
2.第2の実施形態:
図6は、第2の実施形態に係る液体噴射ヘッドを説明する断面図である。また、図7は、は第2の実施形態に係る液体噴射ヘッドを説明する図である。
第2の実施形態では、液体噴射ヘッド2は、流路形成基板120の外部に共通液室131を有するリザーバー部材130を備える構成において第1の実施形態と異なる。また、このリザーバー部材130は導電性の部材により構成されており、下電極31に接続されている。また、第2の実施形態では、下電極31と信号入力部312とが連続するように配線されている。この場合であっても下電極31の配線抵抗を低くすることができる。
液体噴射ヘッド2は、第1の実施形態同様、流路ユニット40と、ノズルプレート60と、ヘッド部材50と、を備えている。また、流路ユニット40は、振動板10と、流路形成基板120と、圧電素子30と、リザーバー部材130と、を備えている。
第1の実施形態同様、第1基板126には複数の圧力室121が第2方向D2に併設するよう形成されている。各圧力室121は、内幅が狭くなる狭窄部122を介して供給口123と連通している。供給口123は、第1基板126と第2基板127とのそれぞれに形成されている。そして、供給口123は、流路形成基板120内部で圧力室121毎の個別の流路として形成されている。そのため、この第2の実施形態では、流路形成基板120内部に共通液室を有さない。また、圧力室121の狭窄部122と連通しない側の下側は、第2基板127に形成された連通口125と連通している。
一方、流路形成基板120の供給口123側は、リザーバー部材130に接続されている。このリザーバー部材130は、その内部に共通液室131を備えている。リザーバー部材130は、上面側でヘッド部材50の導入路71と連通し、下面側で流路形成基板120の供給口123と連通している。ここで、共通液室131は、複数の供給口123毎に共通の流路となる。そのため、ヘッド部材50の導入路71と、流路形成基板120の供給口123との間には共通液室131が位置することとなる。
そして、図7に示すように、リザーバー部材130の下面は、下電極31と電気的に接続されている。即ち、リザーバー部材130は、その下面側で下電極31を構成する枝部311、信号入力部312とそれぞれ導通可能に接続されている。そのため、信号入力部312と各枝部311とはリザーバー部材130を通じて導通している。
この第2の実施形態でも、リザーバー部材130と下電極31とは電気的に接続を可能にする接着層を介して接続されてもよいが、これに限定されず、両者を熱溶着するものであってもよい。また、リザーバー部材130の材質は導電性を有するものであれどのようなものであってもよく、例えば、金(Au)、白金(Pt)、ステンレス鋼(SUS)等を用いることができる。
以上、説明したようにこの第2の実施形態では、第1の実施形態で示す液体噴射ヘッドと同様の効果を奏する。加えて、共通液室131を流路形成基板120の外部に位置させることで、流路形成基板120の構成を簡素化することができる。その結果、例えば、液体噴射ヘッドをコンパクト化することができる。
3.その他の実施形態:
第1の実施形態と第2の実施形態とを組み合わせたり、以下の変形例を組み合わせたりしてもよい。
例えば、第1の実施形態でも、下電極31と信号入力部312とが連続するように配線されていてもよい。逆に、第2の実施形態でも、下電極31と信号入力部312とは独立していて、連続していなくてもよい。
これらの実施形態で示す液体噴射ヘッドにおいて、上電極を共通電極とし、下電極を個別電極としてもよい。
また、液体流路に流れる液体の電位と共通電極の電位とを一致させない場合に、例えば、導電性の部材の内側の流路壁に絶縁性の膜や絶縁性の部材を形成し、液体と下電極とを絶縁するものであってもよい。
また、1つの圧電素子が1つの圧力室毎に設けられる以外にも、1つの圧電素子が複数の圧力室に圧力を生じさせるよう設けられるものであってもよい。この場合、圧電体が複数の能動部領域間で連続して設けられていてもよい。
実施形態で示す液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、発熱素子などの圧電素子以外の圧力発生素子を用いたものに適用してもよいし、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、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料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。
即ち、上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用してもよい。
公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用してもよい。
公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用してもよい。
1、2…液体噴射ヘッド、10…振動板、20…流路形成基板、21…圧力室、22…狭窄部、23…供給口、24…共通液室、25…連通口、26…第1基板、27…第2基板、30…圧電素子、31…下電極、32…圧電体、33…上電極、40…流路ユニット、50…ヘッド部材、54…導入路形成部、60…ノズルプレート、61…ノズル孔、70…液体流路、120…流路形成基板、121…圧力室、122…狭窄部、123…供給口、125…連通口、126…第1基板、127…第2基板、130…リザーバー部材、131…共通液室、200…インクジェットプリンター、311…枝部、312…信号入力部

Claims (5)

  1. 液体を噴射する液体噴射ヘッドであって、
    前記液体が流れる複数の圧力室を備える流路部材と、
    前記圧力室に応じた位置に配置されている能動部と、前記各圧力室に共通した電位を生じさせる共通電極とを備える圧力発生素子と、
    前記流路部材の前記圧力発生素子が固定される側で前記共通電極と電気的に接続し、前記共通電極の抵抗を降下させる導電性の部材と、を有し、
    前記導電性の部材は、前記圧力室と連通する前記液体の流路の壁の一部を形成している、液体噴射ヘッド。
  2. 前記導電性の部材と前記液体は電気的に接続している、請求項1に記載の液体噴射ヘッド。
  3. 前記導電性の部材は、前記複数の圧力室と繋がり、前記各圧力室が共有する共通液室を構成する、請求項1又は請求項2のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  4. 前記共通電極は、前記圧力室毎に配置された個別の電極を有し、
    前記個別の電極は、前記導電性の部材を通じて互いに導通している、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  5. 前記請求項1に記載の液体噴射ヘッドを有する液体噴射装置。
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