JP7028178B2 - Inkjet heads, their manufacturing methods, and inkjet printers - Google Patents
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Description
本発明は、インクジェットヘッドおよびその製造方法と、インクジェットプリンタとに関するものである。 The present invention relates to an inkjet head, a method for manufacturing the same, and an inkjet printer.
従来、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドとして、例えば特許文献1および2に開示されたものがある。特許文献1では、ノズルプレートに設けられるノズルを、小径の第1ノズル部と大径の第2ノズル部との2段穴で構成し、第1ノズル部および第2ノズル部を、基板面に対して垂直にかつ同軸上に設けることで、インク滴の吐出方向をノズルの中心軸方向に揃えて、安定したインク吐出特性を発揮するようにしている。また、特許文献2では、圧力室内のインクを、連通路を介してノズルから吐出する構成において、上記の連通路を回収路を介して共通回収路と接続し、これによって、余剰のインクを共通回収路を介して循環させるようにしている。
Conventionally, as an inkjet head that ejects ink from a nozzle, for example, there are those disclosed in
近年、インクジェットヘッドには、様々なインク種を扱えること、液滴サイズを自由に変えられること(特に大液滴のインク吐出が可能であること)、インクの高速吐出が可能なこと、などの性能が要求されている。インク種としては、染料インクや顔料インクがあるが、特に顔料インクを用いた場合、顔料は沈降してノズル近傍に滞留しやすいため、ノズルの詰まりや吐出性能の悪化が生じやすくなる。また、大液滴のインク吐出や高速吐出に対応するためには、インクの吐出後に、圧力室内のインクをノズル内にスムーズに補充する特性(いわゆるリフィル性)を向上させることが必要とされる。 In recent years, inkjet heads can handle various ink types, can freely change the size of droplets (especially capable of ejecting large droplets of ink), and can eject ink at high speed. Performance is required. Dye inks and pigment inks are available as ink types. In particular, when pigment inks are used, the pigments tend to settle and stay in the vicinity of the nozzles, so that nozzle clogging and ejection performance are likely to deteriorate. Further, in order to cope with ink ejection of large droplets and high-speed ejection, it is necessary to improve the characteristic (so-called refillability) of smoothly replenishing the ink in the pressure chamber into the nozzle after the ink is ejected. ..
この点、特許文献1のように、ノズルプレートに設けられるノズルを2段穴で構成した場合、大径の第2ノズル部から小径の第1ノズル部に向かってインクが流れるときに、大径の第2ノズル部の底面(小径の第1ノズル部の上面)がインクの流れの抵抗となる(インクの流れ方向に対して上記底面が直交するため)。その結果、圧力室からノズルへのインクのリフィル性が低下し、大液滴のインク吐出やインクの高速吐出には対応できなくなる。また、上記流れ方向に対して直交する面(大径の第2ノズル部の底面)が存在するため、顔料インクを用いた場合に、上記底面に顔料が滞留しやすくなる。その結果、上述したように、上記顔料に起因するノズルの詰まりや吐出性能の悪化が生じやすく、インクの吐出が不安定になる(例えばインクの吐出方向や吐出速度が変化する)。
In this regard, when the nozzle provided on the nozzle plate is composed of two-step holes as in
また、特許文献2の構成では、インクを循環させるための回収路は、ノズルが形成されたノズルプレートから離れた基板位置に形成されている。このため、ノズル近傍に沈降した顔料を効率よく回収路を介して回収することができない。その結果、上記と同様に、滞留した顔料によってノズルの詰まりが発生したり、インクの吐出が不安定になる。
Further, in the configuration of
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、圧力室からノズルへのインクのリフィル性を向上させて、大液滴や高速でのインク吐出に対応するとともに、沈降しやすい粒子(例えば顔料)を含むインクを用いた場合でも、ノズル近傍に沈降した余分な粒子を効率よく回収して、ノズルの目詰まりの発生を抑え、インク吐出も安定して行うことができるインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタと、インクジェットヘッドの製造方法とを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to improve the refillability of ink from a pressure chamber to a nozzle to cope with large droplets and high-speed ink ejection. At the same time, even when ink containing particles (for example, pigments) that easily settle is used, excess particles that have settled in the vicinity of the nozzle are efficiently recovered, clogging of the nozzle is suppressed, and ink ejection is performed stably. It is an object of the present invention to provide an inkjet head capable of being capable of the process, an inkjet printer provided with the inkjet head, and a method for manufacturing the inkjet head.
本発明の上記目的は、以下の構成または製造方法によって達成される。 The above object of the present invention is achieved by the following configuration or manufacturing method.
すなわち、本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、インクを収容する圧力室を有し、前記圧力室の体積を変化させるアクチュエータと、前記圧力室と連通する連通部と、前記連通部と連通し、前記アクチュエータによる前記圧力室の体積変化によって、前記圧力室から前記連通部を介して流れ込むインクを外部に吐出するノズルと、未吐出のインクを循環させるための循環流路部とを有するノズルプレートとを備え、前記連通部は、少なくとも1つのテーパー壁を有しており、前記テーパー壁は、前記圧力室側から前記ノズル側に向かうにつれて前記連通部の開口面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して傾斜しており、前記循環流路部は、前記少なくとも1つのテーパー壁を貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通している。 That is, the inkjet head according to one aspect of the present invention has a pressure chamber for accommodating ink, an actuator that changes the volume of the pressure chamber, a communication portion that communicates with the pressure chamber, and communication with the communication portion. A nozzle plate having a nozzle for ejecting ink flowing from the pressure chamber through the communication portion to the outside due to a volume change of the pressure chamber by the actuator, and a circulation flow path portion for circulating undischarged ink. The communication portion has at least one tapered wall, and the tapered wall has the nozzle so that the opening area of the communication portion becomes smaller from the pressure chamber side to the nozzle side. It is inclined with respect to a surface perpendicular to the thickness direction of the plate, and the circulation flow path portion is provided in the nozzle plate so as to penetrate the at least one tapered wall and communicates with the communication portion. There is.
本発明の他の側面に係るインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる。 The inkjet printer according to another aspect of the present invention includes the above-mentioned inkjet head, and ejects ink from the inkjet head toward a recording medium.
本発明のさらに他の側面に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上述したインクジェットヘッドを製造する製造方法であって、前記連通部をウェットエッチングで形成する。 The method for manufacturing an inkjet head according to still another aspect of the present invention is the above-mentioned manufacturing method for manufacturing an inkjet head, in which the communication portion is formed by wet etching.
本発明のさらに他の側面に係るインクジェットヘッドの製造方法は、上述したインクジェットヘッドを製造する製造方法であって、前記循環流路部をウェットエッチングで形成する。 The method for manufacturing an inkjet head according to still another aspect of the present invention is the above-mentioned manufacturing method for manufacturing an inkjet head, in which the circulation flow path portion is formed by wet etching.
アクチュエータによる圧力室の体積変化によって、圧力室からノズルプレートの連通部を介して流れ込むインクを、ノズルから外部に吐出する構成において、連通部は、少なくとも1つのテーパー壁を有している。テーパー壁の傾斜により、流路抵抗が小さくなって、連通部からノズルに向かってインクがスムーズに流れ込むようになるため、圧力室からノズルへのインクのリフィル性を向上させることができる。したがって、大液滴や高速でのインク吐出に対応する(そのようなインク吐出を容易に行う)ことが可能となる。 In the configuration in which the ink flowing from the pressure chamber through the communication portion of the nozzle plate is discharged from the nozzle to the outside due to the volume change of the pressure chamber by the actuator, the communication portion has at least one tapered wall. Due to the inclination of the tapered wall, the flow path resistance becomes small and the ink flows smoothly from the communication portion toward the nozzle, so that the refillability of the ink from the pressure chamber to the nozzle can be improved. Therefore, it is possible to cope with large droplets and ink ejection at high speed (such ink ejection can be easily performed).
また、循環流路部は、連通部のテーパー壁を貫通するようにノズルプレートに設けられて、連通部と連通している。つまり、循環流路部は、ノズルが設けられたノズルプレートと同じプレートに設けられている。このため、循環流路部をノズル近傍に位置させることができ、沈降しやすい粒子を含むインクを用いた場合でも、ノズル近傍で沈降した余分な粒子を連通部を介して効率よく循環流路部に導いて回収することができる。その結果、上記粒子によるノズルの目詰まりの発生を抑えることができる。また、上記粒子の回収により、上記粒子がノズルに存在することによってインクの吐出方向や吐出速度が変化するのを抑えることも可能となり、インクの吐出を安定して行うことが可能となる。 Further, the circulation flow path portion is provided in the nozzle plate so as to penetrate the tapered wall of the communication portion, and communicates with the communication portion. That is, the circulation flow path portion is provided on the same plate as the nozzle plate on which the nozzle is provided. Therefore, the circulation flow path portion can be positioned in the vicinity of the nozzle, and even when ink containing particles that easily settle is used, the excess particles that have settled in the vicinity of the nozzle can be efficiently routed through the communication section. Can be led to recovery. As a result, it is possible to suppress the occurrence of nozzle clogging due to the particles. Further, by collecting the particles, it is possible to suppress the change in the ink ejection direction and the ejection speed due to the presence of the particles in the nozzle, and it is possible to stably eject the ink.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をA~Bと表記した場合、その数値範囲に下限Aおよび上限Bの値は含まれるものとする。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this specification, when the numerical range is expressed as A to B, the numerical range includes the values of the lower limit A and the upper limit B.
なお、以下の説明では、ラインヘッドを用いた構成(記録媒体の搬送のみ)で描画を行う1パス描画方式での実施形態を例にして説明するが、それ以外の描画方式であってもよく、例えば、スキャン方式やドラム方式を用いた描画方式を採用してもよい。 In the following description, an embodiment of a one-pass drawing method in which drawing is performed by a configuration using a line head (only transporting a recording medium) will be described as an example, but other drawing methods may be used. For example, a drawing method using a scan method or a drum method may be adopted.
また、以下の説明では、記録媒体Kの搬送方向を前後方向、記録媒体Kの搬送面において当該搬送方向に直交する方向を左右方向とし、前後方向および左右方向に垂直な方向を上下方向として説明する。 Further, in the following description, the transport direction of the recording medium K is defined as the front-rear direction, the direction orthogonal to the transport direction on the transport surface of the recording medium K is defined as the left-right direction, and the directions perpendicular to the front-rear direction and the left-right direction are defined as the vertical direction. do.
〔インクジェットプリンタの概略〕
図1は、インクジェットプリンタの概略の構成を示す斜視図である。インクジェットプリンタ100は、プラテン101、搬送ローラ102、ラインヘッド103・104・105・106、およびインクの循環機構107(図7参照)等を備えている。なお、循環機構107の詳細については後述する。[Outline of inkjet printer]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an inkjet printer. The
プラテン101は、上面に記録媒体Kを支持しており、搬送ローラ102が駆動されると、記録媒体Kを搬送方向(前後方向)に搬送する。
The
ラインヘッド103~106は、記録媒体Kの搬送方向(前後方向)に直交する幅方向(左右方向)に長尺状に設けられているとともに、搬送方向の上流側から下流側にかけて並列に設けられている。そして、ラインヘッド103~106の内部には、後述するインクジェットヘッド1(図2等参照)が少なくとも1つ設けられており、例えば、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、黒(K)のインクを記録媒体Kに向けて吐出する。 The line heads 103 to 106 are provided in a long shape in the width direction (left-right direction) orthogonal to the transport direction (front-back direction) of the recording medium K, and are provided in parallel from the upstream side to the downstream side in the transport direction. ing. At least one inkjet head 1 (see FIG. 2 and the like) described later is provided inside the line heads 103 to 106, and for example, cyan (C), magenta (M), yellow (Y), and black. The ink (K) is ejected toward the recording medium K.
〔インクジェットヘッドの概略構成〕
図2は、インクジェットヘッド1の分解斜視図であり、図3は、図2中の(III)-(III)線に沿う部分で切断したインクジェットヘッド1の断面図である。インクジェットヘッド1は、ヘッドチップ2(ヘッド基板)、保持板3、接続部材4およびインク流路部材5等を備えている。[Rough configuration of inkjet head]
FIG. 2 is an exploded perspective view of the
ヘッドチップ2は、複数の基板が積層されて構成されており、最下層には、インクを吐出するノズル211が設けられている。ノズル211は、インクを収容する圧力室231と連通している。また、ヘッドチップ2の上面には、駆動素子としての圧電素子24が設けられている。なお、圧電素子24の詳細については後述する。圧電素子24の変位によって、ヘッドチップ2の内部の圧力室231に充填されたインクが加圧され、ノズル211からインクの液滴が外部に吐出される。
The
保持板3は、ヘッドチップ2の強度保持のために、ヘッドチップ2上面に接着剤を用いて接合されている。また、保持板3は、中央部に開口部31を有しており、ヘッドチップ2の上面の圧電素子24が開口部31の内部に格納されるように構成されている。
The holding
接続部材4は、例えばFPC(Flexible Printed Circuits)等からなる配線部材であり、その幅方向が保持板3の左右方向に沿うように、保持板3の上面の後側付近に接着されている。そして、接続部材4は、ボンディングワイヤ41によって圧電素子24と電気的に接続されている。ボンディングワイヤ41は、保持板3の中央に設けられた開口部31を通るように設けられている。また、接続部材4は、駆動回路60(図8参照)と接続されている。これにより、駆動回路60から、接続部材4およびボンディングワイヤ41を介して、圧電素子24に給電される。
The connecting
インク流路部材5は、保持板3上面の左右方向の両端部にそれぞれ1つ接合されている。一方のインク流路部材5は、ヘッドチップ2の内部にインクを供給するためのインク供給流路501と、ヘッドチップ2の内部からインクを排出するためのインク循環流路504とを備えている。他方のインク流路部材5は、ヘッドチップ2の内部にインクを供給するためのインク供給流路502と、ヘッドチップ2の内部からインクを排出するためのインク循環流路503とを備えている。
One ink
以下、ヘッドチップ2、保持板3およびインク流路部材5について詳細に説明する。
Hereinafter, the
〔ヘッドチップ〕
図4は、ヘッドチップ2の平面図である。なお、図4では、便宜上、ヘッドチップ2内部の構成については破線で示している。また、共通供給流路25から各連通孔221までのインク流路については、網目のハッチングを付している。[Head tip]
FIG. 4 is a plan view of the
ヘッドチップ2は、上面に、左右方向沿って一列に並んで設けられた圧電素子24と、インク流路部材5からヘッドチップ2の内部にインクを供給するためのインク供給口201・202と、ヘッドチップ2の内部からインク流路部材5にインクを排出するためのインク循環口203・204等を備えている。
The
図5は、図4中の(V)-(V)線に沿う部分で切断したヘッドチップ2の断面図である。ヘッドチップ2は、下側から順にノズルプレート21、中間プレート22、ボディプレート23の3枚の基板が積層され、一体化されることによって構成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
(ノズルプレート)
ノズルプレート21は、ヘッドチップ2の最下層に位置した基板であり、例えば、ノズル層21a、結合層21b、ノズル支持層21cの3層から構成されるSOI(Silicon on Insulator)ウェハからなる。(Nozzle plate)
The
ノズル層21aは、圧力室231から後述する連通部212を介して流れ込むインクを外部に吐出するノズル211が形成された層であり、厚さが例えば10~50μmのSi基板からなる。ノズル層21aの下面であるノズル面214には、撥インク膜(図示省略)が形成されている。結合層21bは、厚さが例えば0.3~1.0μmのSiO2基板からなる。ノズル支持層21cは、厚さが例えば80~300μmのSi基板からなる。このノズル支持層21cには、圧力室231と連通する連通部212と、連通部212と連通する循環流路部213とが形成されている。すなわち、ノズル211、連通部212および循環流路部213は、全て、同じノズルプレート21に形成されている。循環流路部213は、個々の圧力室231に対応して設けられる個別循環流路部であり、圧力室231からノズル211に向かうインクの流路中にある連通部212から分岐して設けられ、圧力室231から排出されてノズル211から吐出されずに残留している未吐出インクを循環させるための流路を形成している。循環流路部213は、中間プレート22に形成される共通循環流路26と連通している。The nozzle layer 21a is a layer on which a
なお、ノズル211におけるインク吐出方向に垂直な断面での形状は、例えば円形であるが、ノズル211の断面形状は、インクを吐出することができる形状であれば特に限定されず、様々な断面形状とすることができる。例えば、ノズル211の断面形状は、四角形や六角形などの多角形状とすることができる。
The shape of the
ノズル層21aおよびノズル支持層21cは、それぞれSi基板で構成されているため、ノズル層21aとノズル支持層21cは、ドライエッチングやウェットエッチングによって容易に加工することが可能である。 Since the nozzle layer 21a and the nozzle support layer 21c are each made of a Si substrate, the nozzle layer 21a and the nozzle support layer 21c can be easily processed by dry etching or wet etching.
循環流路部213は、ノズル支持層21cにおいて、結合層21bに面した空隙部によって形成されているため、高精度に加工されて製造されている。なお、結合層21bに面した空隙部を形成した後に、バッファード・フッ酸(BHF)等を用いたウェットエッチング処理で結合層21bを除去することにより、循環流路部213をノズル層21aに面した空隙部によって形成してもよい。
Since the circulation
なお、上述した連通部212の形状をはじめ、ノズルプレート21の各部の詳細については、後述する。
The details of each part of the
(中間プレート)
中間プレート22は、厚さが例えば100~300μm程度のガラス基板からなり、ノズルプレート21の連通部212に対応する位置に連通孔221を有している。連通孔221は、中間プレート22を厚み方向に貫通して、圧力室231と連通部212とを連通するように形成されており、インクの吐出時のインク流路となる。連通孔221の径を流路方向の途中で絞るなど、連通孔221においてインクの流路の形状を調整することにより、インクの吐出において、インクに加えられる運動エネルギーを調整することができる。また、中間プレート22には、ノズル支持層21cに形成された複数の循環流路部213から流れてきたインクが合流する共通循環流路26が設けられている。(Intermediate plate)
The
中間プレート22を構成するガラス基板としては、ホウケイ酸ガラス(例えば、テンパックスガラス)が好ましく用いられる。
Borosilicate glass (for example, Tempax glass) is preferably used as the glass substrate constituting the
(ボディプレート)
ボディプレート23は、圧力室層23aと、振動層23bから構成されている。圧力室層23aは、厚さが例えば100~300μm程度のSi基板からなる。この圧力室層23aには、中間プレート22の連通孔221に連通し、平面視で略円形状である複数の圧力室231と、複数の圧力室231に対して共通にインクを供給するための共通供給流路25と、共通供給流路25と各圧力室231とを個別に連通し、共通供給流路25内のインクを圧力室231に供給するためのインレット232とが形成されている。インレット232は、圧力室231よりも流路が狭いくびれ部を有しており、圧力室231に加えられた圧力が、インレット232側から逃げ難くなっている。なお、くびれ部は、圧力室231よりも狭い流路であればよく、形状は適宜変更可能である。(Body plate)
The
振動層23bは、厚さが例えば20~30μm程度の薄い弾性変形可能なSi基板であり、圧力室層23aの上面に積層されている。また、振動層23bにおいて、圧力室231の上面は振動板233として機能し、振動板233の上面に設けられた圧電素子24の動作(伸縮)に応じて振動板233が振動し、圧力室231内のインクに圧力を加えることができる。
The vibrating
また、振動層23bは、共通供給流路25の上面に形成されたダンパ234と、共通循環流路26の上面に形成されたダンパ235とを有している。ダンパ234・235は、例えば、圧力室231に一度に圧力が加えられて共通循環流路26に一度にインクが流れてきた場合に、わずかに弾性変形できるようになっており、インク流路における急激な圧力変化を防ぐために設けられている。
Further, the vibrating
上記構成において、インクは、以下のように流れる。まず、図4のインク供給口201・202から共通供給流路25にインクが供給される。次に、インクは共通供給流路25から分岐して各ノズル211に対応するインレット232、圧力室231、連通孔221、連通部212、および循環流路部213に順に流れる。次に、各循環流路部213からのインクが共通循環流路26で合流し、インク循環口203・204からインクが排出され、インク循環流路503・504(図2参照)を通って循環用サブタンク63(図7参照)に戻される。
In the above configuration, the ink flows as follows. First, ink is supplied to the common
〔保持板〕
図2および図3に示すように、保持板3は、ヘッドチップ2の上面に接着剤で接合されており、厚みが例えば0.5~3.0mm程度のSi基板またはガラス基板で構成されている。保持板3にSi基板またはガラス基板を用いることで、ヘッドチップ2を構成する基板と線膨張率が近づくため、接着剤として熱硬化性接着剤等を用い、加熱を伴う接合方法を用いた場合でも、保持板3とヘッドチップ2との間の反りは抑制される。[Holding plate]
As shown in FIGS. 2 and 3, the holding
保持板3の平面視形状は、前後方向および左右方向のいずれにおいても、ヘッドチップ2よりも大きく形成されている。特に、保持板3の左右方向の両端部は、ヘッドチップ2よりも大きく張り出している。保持板3の中央部には、ヘッドチップ2と接合された際に、当該ヘッドチップ2の上面に配列されている全ての圧電素子24を取り囲むことができる大きさの開口部31が貫通形成されている。
The plan view shape of the holding
開口部31は、左右方向に沿って延びる矩形状に形成されており、開口部31の内部に圧電素子24を全て取り囲むことができ、かつ、ヘッドチップ2の上面の両端部に設けられたインク供給口201・202およびインク循環口203・204の位置までは至らない大きさに形成されている。保持板3を平面視した場合、ノズルプレート21に形成された各ノズル211は、開口部31よりも内側に位置する。
The
保持板3の開口部31の下半分は、上半分よりも空間が大きくなるように形成されている。そして、開口部31の下半分の外形は、保持板3とヘッドチップ2とが接合された際に、圧電素子24と、圧電素子24の前後方向に設けられた共通供給流路25および共通循環流路26とを内側に含む大きさで形成されている。
The lower half of the
また、図2に示すように、保持板3の左右方向の両端部近傍には、ヘッドチップ2の上面に設けられたインク供給口201・202およびインク循環口203・204をそれぞれ1つずつ取り囲むことのできる大きさの貫通孔301・302・303・304が形成されている。貫通孔301~304は、それぞれインク流路部材5とヘッドチップ2との間を連通するインク流路として用いられる。
Further, as shown in FIG. 2, the
〔インク流路部材〕
インク流路部材5は、例えばPPS(ポリフェニレンサルファイド樹脂)等の合成樹脂によって、下面が開口する箱状形状に形成されており、保持板3上面の左右方向の両端部に1つずつ配置されている。[Ink flow path member]
The ink
以下、左右に設けられたインク流路部材5は、同様の構成であるため、右側のインク流路部材5の概略構成についてのみ説明し、左側のインク流路部材5の説明は省略する。
Hereinafter, since the ink
図6は、図2中の(VI)-(VI)線に沿う部分で切断したインク流路部材5の断面図である。インク流路部材5には、インク供給用の流路として機能するインク供給流路501と、インクを排出用の流路として機能するインク循環流路504が設けられている。インク流路部材5の内部には、インク供給流路501およびインク循環流路504のそれぞれに対して、インク流路部材5の内部を通過するインク中のごみや気泡等の不純物を取り除くためのフィルタ51が設けられている。フィルタ51は、例えば、ステンレス鋼等の金属製メッシュが用いられ、インク流路部材5内の樹脂に対して接着されている。インク供給流路501から供給されるインクは、フィルタ51および貫通孔301を順に経てインク供給口201に流れる。また、インク循環口204から排出されるインクは、貫通孔304およびフィルタ51を順に経てインク循環流路504に達する。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the ink
〔循環機構〕
次に、インクの循環機構107について説明する。図7は、循環機構107の構成を模式的に示す説明図である。循環機構107は、供給用サブタンク62、循環用サブタンク63、インク流路72・73・74およびポンプ81・82を有している。[Circulation mechanism]
Next, the
インク流路部材5のインク供給流路501は、インク流路72を介して供給用サブタンク62と接続されている。これにより、供給用サブタンク62からインク流路部材5の内部にインクを供給し、貫通孔301(図6参照)およびインク供給口201(図6参照)を介してヘッドチップ2の内部にインクを供給することができる。
The ink
また、インク流路部材5のインク循環流路504は、インク流路73を介して循環用サブタンク63と接続されている。これにより、ヘッドチップ2のインク供給口204(図6参照)および貫通孔304(図6参照)を介してインク流路部材5内部に排出されたインクを、循環用サブタンク63に排出することができる。
Further, the ink
供給用サブタンク62および循環用サブタンク63は、ヘッドチップ2内部の共通供給流路25および共通循環流路26が設けられた位置基準面に対して、上下方向(重力方向)に異なる位置に設けられている。そして、当該位置基準面に対して、供給用サブタンク62との水頭差による圧力P1および循環用サブタンク63との水頭差による圧力P2によって、ヘッドチップ2の内部のインクを循環させることができる。
The
また、供給用サブタンク62は、インク流路74を介して循環用サブタンク63に繋がっており、ポンプ82によって、循環用サブタンク63から供給用サブタンク62にインクを戻すことができる。
Further, the
また、供給用サブタンク62は、インク流路71を介してメインタンク61に繋がっており、ポンプ81によって、メインタンク61から供給用サブタンク62にインクを供給することができる。
Further, the
したがって、供給用サブタンク62および循環用サブタンク63の水頭差、および各サブタンクの上下方向(重力方向)の位置を適宜調整することによって、圧力P1および圧力P2を調整し、適宜の循環流速でヘッドチップ2内部のインクを循環させることができる。なお、循環流路の経路中にバルブを設けておき、インク吐出時には、上記バルブを閉めることにより、インクの循環を停止させてもよい。
Therefore, the pressure P1 and the pressure P2 are adjusted by appropriately adjusting the head difference between the
〔圧電素子の詳細について〕
本実施形態で用いる圧電素子としては、インクをノズルから吐出することができるものであれば特に限定されない。以下、圧電素子の一例である圧電素子24の詳細について説明する。[Details of piezoelectric element]
The piezoelectric element used in this embodiment is not particularly limited as long as it can eject ink from a nozzle. Hereinafter, the details of the
図8は、圧電素子24の断面図である。圧電素子24は、ヘッドチップ2のボディプレート23にて支持されており、ヘッドチップ2側から、下部電極241、圧電薄膜242(圧電体)、上部電極243をこの順で積層して形成されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
下部電極241は、複数の圧力室231に共通して設けられるコモン電極であり、厚みが例えば0.1μm程度の白金(Pt)からなる層で形成されている。なお、下部電極241は、Pt層とヘッドチップ2との間に、チタン(Ti)や酸化チタン(TiOx)からなる密着層を有していてもよい。
The
圧電薄膜242は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの強誘電体薄膜で構成されており、各圧力室231に対応して設けられている。圧電薄膜242の膜厚は、例えば1μm以上10μm以下である。圧電薄膜242の成膜方法としては、CVD法(Chemical Vapor Deposition )などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法、印刷法など種々の方法を用いることができる。
The piezoelectric
上部電極243は、各圧力室231に対応して設けられる個別電極であり、厚みが例えば0.1μm程度の白金(Pt)からなる層で形成されている。なお、上部電極243は、Pt層と圧電薄膜242との間に密着層を有していてもよい。また、Ptの代わりに、金(Au)を用いて上部電極243が形成されてもよい。
The
圧電素子24は、駆動回路60と接続部材4(図3参照)を介して接続されている。駆動回路60は、圧電素子24を制御する駆動制御部であり、圧電素子24を駆動するための駆動信号を生成し、圧電素子24に供給する。この駆動回路60は、インクジェットヘッド1に設けられていてもよいし、インクジェットヘッド1の外部で、かつ、インクジェットプリンタ100の内部に設けられ、インクジェットヘッド1の圧電素子24と電気的に接続されていてもよい。
The
圧電素子24は、駆動回路60から供給される駆動信号に基づいて駆動される。すなわち、駆動回路60から下部電極241および上部電極243に駆動信号(駆動電圧)を印加すると、圧電薄膜242が、下部電極241と上部電極243との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向に伸縮する。そして、圧電薄膜242と振動板233との長さの違いにより、振動板233に曲率が生じ、振動板233が厚さ方向に変位(湾曲、振動)する。
The
したがって、圧力室231内にインクを収容しておけば、インクの吐出時には、上述した振動板233の振動により、圧力室231の体積が変化し、この体積変化によって圧力室231内のインクが、連通孔221および連通部212を介してノズル211に流れ込み、ノズル211からインク滴として外部に吐出される。一方、インクの非吐出時には、上述した循環機構107により、未吐出インクが循環することになる。
Therefore, if the ink is stored in the
以上のことから、圧力室231を有するボディプレート23および圧電素子24は、圧電体(圧電薄膜242)に電圧を印加したときの圧電体の伸縮によって、圧力室231を覆う振動板233を振動させることにより、圧力室231の体積を変化させるベンドモード型のアクチュエータを構成していると言える。
From the above, the
〔ノズルプレートの各部の詳細について〕
次に、上述したノズルプレート21の各部の詳細について説明する。図9Aは、ノズルプレート21の一構成例を示す平面図であり、図9Bは、図9AにおけるA-A’線矢視断面図である。ノズルプレート21に形成される連通部212は、4つのテーパー壁212aを有しており、4つのテーパー壁212aによって規定される連通部212の外形は、四角錐(ここでは正四角錐、方錐)の側面によって規定される形状と略等しくなっている。つまり、4つのテーパー壁212aは、四角錐の4つの側面(頂点と対向する底面を除く面)にそれぞれ対応している。そして、連通部212における四角錐の頂点に相当する部分にノズル211が位置し、連通部212とノズル211とが連通している。なお、連通部212において、四角錐の底面に相当する部分は、ここでは連通孔221(図5参照)から連通部212に向けてインクが流れ込むときに通過する開口部である。[Details of each part of the nozzle plate]
Next, the details of each part of the
テーパー壁212aは、圧力室231側からノズル211側に向かうにつれて連通部212の開口面積が小さくなるように、ノズルプレート21の厚さ方向に垂直な面S1に対して傾斜している。そして、循環流路部213は、4つのうちのいずれかのテーパー壁212aを貫通するようにノズルプレート21に設けられて、連通部212と連通している。
The tapered
上記構成のノズルプレート21は、例えば以下のようにして製造することが可能である。まず、ノズルプレート21として、Si基板を用意する。Si基板の厚みは、例えば150μmである。このSi基板に対して、ICP(Inductively Coupled Plasma ;誘導結合プラズマ)装置を用いたボッシュプロセスにより深堀加工を行い、厚み方向の高さが例えば10~50μmのノズル211を形成する。ここでは、ノズル211として、インク吐出方向において開口径が一定のストレートノズル211aを形成する。
The
次に、Si基板のノズル211側とは反対側の面に対してウェットエッチングによる異方性エッチングを行う。Si基板の表面(基板厚み方向に垂直な面)をSi(100)面とした場合、KOH(水酸化カリウム)やTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)などの薬剤でSi基板をエッチングすると、エッチングレートの遅いSi(111)面が露出され、このSi(111)面に沿ってテーパー壁212aが現れ、外形が四角錐状の連通部212が形成される。このとき、テーパー壁212aの面S1に対する傾斜角度をα(°)とすると、α=54.7°である。なお、面S1は、Si(100)面と平行である。このように、連通部212をウェットエッチングで形成することにより、テーパー形状の連通部212を容易に得ることができる。
Next, anisotropic etching is performed by wet etching on the surface of the Si substrate opposite to the
また、Si基板に対して、ドライエッチングまたはウェットエッチングを行い、連通部212と連通する循環流路部213を形成する。特に、循環流路部213をウェットエッチングで形成する場合、エッチング面が平滑な結晶面になり、流路抵抗が小さい良好な循環流路部213が形成される。また、ウェットエッチングの場合、循環流路部213の側面がSi(100)面に対して傾斜して流路抵抗が小さくなるため、インクが循環流路部213を流れやすくなって循環しやすくなる。さらに、循環流路部213の流路抵抗の調整も容易となる。
Further, the Si substrate is dry-etched or wet-etched to form a circulation
具体的なスペックの例としては、Si基板の厚みは、100~300μm程度であり、望ましくは150μm以下である。ノズル211の穴径Nは、10~50μm程度、望ましくは20~30μm程度であり、ノズル211の高さh1(ノズルプレート21の厚み方向の長さ)は、10~50μmであり、望ましくは20~30μm程度である。循環流路部213の流路方向の長さWは、600~1500μm程度であり、循環流路部213の高さh2は、80~200μm程度であり、循環流路部213の幅(図9Bで奥行方向の長さ)は、20~50μm程度である。
As an example of specific specifications, the thickness of the Si substrate is about 100 to 300 μm, preferably 150 μm or less. The hole diameter N of the
以上のように、ノズルプレート21において、ノズル211と連通する連通部212は、テーパー壁212aを有している。このように、連通部212の側面をテーパー形状にしてノズル211の側面とつなげることにより、従来の2段穴でノズルを構成する場合のように、インク流路方向に垂直な面が存在しないため、インクの流路抵抗が小さくなり、連通部212からノズル211に向かってインクがスムーズに流れ込む。これにより、圧力室213からノズル211へのインクのリフィル性を向上させることができ、大液滴のインク吐出や高速でのインク吐出にも容易に対応することが可能となる。また、リフィル性の向上により、ノズル211のインクメニスカスを安定して保持することもできる。
As described above, in the
また、循環流路部213は、連通部212のテーパー壁212aを貫通するようにノズルプレート21に設けられて、連通部212と連通している。循環流路部213を、ノズル211が設けられたノズルプレート21と同じプレートに設けることで、ノズル211の近傍に循環流路部213を位置させることができる。これにより、沈降しやすい粒子(例えば顔料)を含むインクを用いた場合でも、ノズル211の近傍で沈降した余分な粒子を、連通部212を介して効率よく循環流路部213に導いて回収することができる。その結果、上記粒子によるノズル211の目詰まりの発生を抑えることができる。また、上記粒子の回収により、上記粒子がノズルに存在することによってインクの吐出方向や吐出速度が変化するのを抑えることも可能となり、インクの吐出を安定して行うことが可能となる。
Further, the circulation
さらに、高速なインク吐出を行う場合、ノズル211からの気泡の巻き込み量も多くなるが、本実施形態では、ノズル211の近傍に循環流路部213が位置するため、巻き込んだ気泡を効率よく循環流路部213に導いて回収することができる。これにより、巻き込んだ気泡によるメニスカスブレークを防止することができる。
Further, when high-speed ink ejection is performed, the amount of air bubbles entrained from the
ここで、テーパー壁212aの面S1に対する傾斜角度αが小さすぎると、テーパー壁212aが水平に近づくため、インクの流路抵抗が大きくなり、リフィル性が低下することが懸念される。逆に、傾斜角度αが大きすぎると、連通部212の開口面積が小さくなるため(ノズル211の穴径を一定とする)、ノズルプレート21と中間プレート22との接着に用いる接着剤が連通部212に入り込んでそこを塞ぐおそれがある。以上のことを考えると、テーパー壁212aの傾斜角度αは、30°以上60°以下であることが望ましい。
Here, if the inclination angle α of the tapered
以上では、ノズル211をストレートノズル211aで形成した例について説明した。この場合、技術の確立したボッシュプロセスを使ってSiの深堀加工を行うことによってストレートノズル211aを形成できるため、安定した製造が可能である。しかし、ノズル211は、このようなストレートノズル211aに限定されるわけではない。
In the above, an example in which the
図10および図11は、ノズルプレート21の他の構成例を示す断面図である。ノズル211は、テーパーノズル211bを含んで構成されていてもよい。このとき、ノズル211は、図10に示すように、テーパーノズル211bとストレートノズル211aとを連結して構成されていてもよいし、図11に示すように、テーパーノズル211b単独で構成されていてもよい。テーパーノズル211bは、圧力室231側からノズル211のインク吐出側に向かうにつれて開口面積が小さくなるように、ノズルプレート21の厚さ方向に垂直な面S2に対して側面211b1が傾斜して構成されたノズルである。10 and 11 are cross-sectional views showing another configuration example of the
テーパーノズル211bを形成する場合、ボッシュプロセスを応用し、テーパーを付けながらSiの深堀加工を行う。製造が難しい反面、インク吐出特性の改善が見込める。また、効率的なインク吐出が可能であり、ストレートノズル211aの場合よりも、吐出電圧を下げることができる(小さい吐出電圧でインクを吐出させることができる)。
When forming the
ここで、テーパーノズル211bの側面211b1の面S2に対する傾斜角度をβ(°)としたとき、α>βであると、連通部212からのインクがノズル211を流れる際に、テーパーノズル211bの側面211b1が流路抵抗となってリフィル性が低下することが懸念される。このため、α<βを満足することが望ましい。Here, when the inclination angle of the
特に、流路抵抗の増大を確実に抑えて、リフィル性を確実に向上させる観点では、α<βを満足した上で、β>60°を満足することが望ましく、β≧70°を満足することがより望ましく、80°≦β≦85°を満足することがさらに望ましい。 In particular, from the viewpoint of surely suppressing the increase in flow path resistance and surely improving the refillability, it is desirable to satisfy α <β and then β> 60 °, and satisfy β ≧ 70 °. It is more desirable, and it is further desirable to satisfy 80 ° ≤ β ≤ 85 °.
また、ノズルプレート21の厚さ方向の沿ったノズル211の高さh1(図9B参照)は、小さければ小さいほど、ノズル211へのリフィル性が良好となる。この点で、ノズル211の高さh1は、50μm以下であることが望ましい。
Further, the smaller the height h1 (see FIG. 9B) of the
〔連通部の形状のバリエーションについて〕
以上では、テーパー壁212aによって規定される連通部212の外形が、四角錐のうちで特に正四角錐の側面によって規定される形状と略等しい場合について説明したが、連通部212はそのような形状に限定されるわけではない。[Variations in the shape of the communication part]
In the above, the case where the outer shape of the
図12~図14は、連通部212の他の例を示す平面図である。ここで、以下での説明の便宜上、ノズルプレート21の厚さ方向に垂直な面内(例えば面S1内)で互いに垂直な2方向のうち、いずれか一方向をX方向とし、他方向(X方向に垂直な方向)をY方向とする。
12 to 14 are plan views showing another example of the
連通部212の外形は、図12に示すように、X方向に横長の形状であって、底面が横長の四角錐(長方錐)の側面によって規定される形状と略等しくてもよいし、図13に示すように、円錐の側面によって規定される形状と略等しくてもよいし、図14に示すように、X方向に横長の形状であって、底面が横長の円錐(楕円錐)の側面によって規定される形状と略等しくてもよい。図13および図14の連通部212の形状では、テーパー壁212aの数は、1個である。この他、図示はしないが、連通部212の外形は、四角錐以外の多角錐の側面によって規定される形状と略等しくてもよいし、傾斜角度αの異なるテーパー壁212aを周方向に2個または3個つなげた形状であってもよい。いずれの場合でも、連通部212が上述したテーパー壁212aを少なくとも1つ有していれば、従来のようにノズルを2段穴で形成する場合に比べて、インクの流路抵抗が小さくなるため、圧力室213からノズル211へのインクのリフィル性を向上させることができるなど、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
As shown in FIG. 12, the outer shape of the
〔循環流路部の形成位置について〕
図12および図14で示したように、テーパー壁212aによって規定される連通部212の外形が、X方向の幅がY方向よりも相対的に大きくなるような、底面が横長の四角錐または楕円錐の側面によって規定される形状と略等しい場合、循環流路部213は、連通部212の外形が横長となるX方向の一端側でテーパー壁212aを貫通するようにノズルプレート21に設けられて、連通部212と連通していてもよい。この場合、Y方向において、ノズル211の形成ピッチを狭くすることができるため、小型で高精細なインク吐出を行うことが可能なインクジェットヘッド1を実現することができる。[About the formation position of the circulation flow path]
As shown in FIGS. 12 and 14, a quadrangular pyramid or an ellipse having a horizontally long bottom surface such that the outer shape of the
また、図15および図16は、循環流路部213の他の形成位置を示す平面図である。同図に示すように、連通部212の外形が、X方向の幅がY方向よりも相対的に大きくなるような、底面が横長の四角錐または楕円錐の側面によって規定される形状と略等しい場合、循環流路部213は、連通部212の外形が横長となるX方向とは異なるY方向の一端側に位置するテーパー壁212aを貫通するようにノズルプレート21に設けられて、連通部212と連通していてもよい。なお、この場合、Y方向において、循環流路部213と、これと連通しない連通部212との干渉を回避するために、Y方向に延びる循環流路部213を、折り曲げ部213aにてX方向に折り曲げて形成する必要がある。
15 and 16 are plan views showing other formation positions of the circulation
図15および図16のように、循環流路部213が、連通部212とY方向の一端側で連通すると、連通部212とX方向の一端側で連通する構成に比べて、循環流路部213と連通部212との接続部213bがノズル211により近い位置に配される。これにより、ノズル211の近傍に沈降した粒子を、連通部212を介してさらに効率よく循環流路部213に導いて回収することができる。その結果、ノズル211の目詰まり防止およびインクの吐出の安定化の効果を確実に得ることができる。
As shown in FIGS. 15 and 16, when the circulation
図17は、循環流路部213のさらに他の形成位置を示す平面図である。同図に示すように、連通部212の外形が、四角錐の側面によって規定される形状と略等しい場合において、循環流路部213は、隣り合う2つのテーパー壁212a・212aの連結部212bを貫通するようにノズルプレート21に設けられて、連通部212と連通していてもよい。連通部212の対角部(四角錐の底面の角部に相当する部分)に循環流路部213を形成することにより、連通部212から循環流路部213へ流路抵抗がスムーズに変化し、循環効率が向上する。また、連通部212の外形が四角錐の側面によって規定される形状と略等しい場合、隣り合うテーパー壁212a・212aの連結部212bは角部となるため、この角部にインク中の粒子(顔料等)が滞留しやすい。このため、連結部212bを貫通するように循環流路部213を形成することにより、滞留しやすい位置に滞留する粒子を確実に循環流路部213に導いて循環によって回収することができる。
FIG. 17 is a plan view showing still another formation position of the circulation
また、同図に示すように、循環流路部213は、流路変更部213cを有していてもよい。この流路変更部213cは、連通部212から流れ込む未吐出のインクの流路方向を流入方向と流出方向とで変える変曲部である。循環流路部213に流路変更部213cを設けることにより、インクの吐出と未吐出インクの循環とに最適な流路抵抗が得られるように、循環流路部213の長さを調整することができる。つまり、吐出および循環に最適な設計が可能となる。
Further, as shown in the figure, the circulation
なお、図15および図16の構成では、連通部212から循環流路部213に流れ込む未吐出インクの流路方向が、折り曲げ部213aにてY方向からX方向に変更されるため、上記の折り曲げ部213aも、図17で示した流路変更部213cと同様の機能を有すると言える。したがって、図15および図16の構成についても、吐出および循環に最適な設計を実現することができると言える。
In the configurations of FIGS. 15 and 16, the flow path direction of the undischarged ink flowing from the
〔シェアモード型アクチュエータについて〕
以上では、圧電体の伸縮による振動板の撓み変形を利用するベンドモード型のアクチュエータを備えたインクジェットヘッド1について説明したが、上述した本実施形態のノズルプレート21の構成は、シェアモード型のアクチュエータを備えたインクジェットヘッドにも適用することができる。[About share mode actuator]
In the above, the
図18は、シェアモード型のインクジェットヘッド1のヘッドチップ2を一部破断して示す斜視図である。なお、図中の矢印はインクの流れを示し、特に破線の矢印は、循環時の未吐出インクの流れを示している。また、図19は、図18におけるVIII-VIII線矢視断面図である。なお、図18で示した破線の矢印は、図19では実線の矢印に対応している。
FIG. 18 is a perspective view showing a partially
ヘッドチップ2は、ノズルプレート21と、圧力室プレート27とを接合して構成されている。圧力室プレート27は、圧電体の分極方向と直交する方向に電界を加えて発生する圧電体のせん断変形により、圧力室の体積を変化させるシェアモード型のアクチュエータである。圧力室プレート27には、複数の圧力室231が千鳥状に配置されているとともに、共通循環流路26が形成されている。
The
ノズルプレート21には、テーパー壁212aを有する連通部212と、連通部212と連通するノズル211と、循環流路部213とが形成されている。循環流路部213は、テーパー壁212aを貫通してノズルプレート21に設けられて、連通部212と連通している。また、循環流路部213は、圧力室プレート27の共通循環流路26とも連通している。
The
このように、ノズルプレート21の連通部212が、テーパー壁212aを有し、循環流路部213が、このテーパー壁212aを貫通して連通部212と連通しているため、ノズル211へのインクのリフィル性を向上させて、大液滴のインク吐出や高速でのインク吐出にも容易に対応することができるとともに、ノズル211の目詰まりを抑え、インクの吐出も安定して行うことができる。
As described above, since the
特に、シェアモード型のアクチュエータでは、図18のように、各圧力室231が断面長方形状に形成されるため、流路抵抗を小さくしてリフィル性を向上させる観点からは、テーパー壁212aによって規定される連通部212の外形は、平面視で、圧力室231の上記断面形状と相似形であるか、相似形に近い形状であることが望ましいと考えられる。つまり、連通部212の外形は、底面が横長の四角錐または円錐(楕円錐)の側面によって規定される形状と略等しいことが望ましいと考えられる。
In particular, in the share mode type actuator, since each
次に、上述した圧力室プレート27の製造方法について説明する。図20は、圧力室プレート27の製造工程を示す断面図である。まず、下部基板271上に、2枚の圧電素子基板272a・272bをこの順で接合する。圧電素子基板272a・272bに用いる圧電素子材料としては、例えばPZTなど、電圧を加えることにより変形を生じる公知の圧電素子材料を用いることができる。圧電素子基板272a・272bは、互いに分極方向(矢印で示す)が反対方向を向くように積層され、下部基板271上に接着剤を用いて接着される。
Next, the method for manufacturing the
次に、2枚の圧電素子基板272a・272bに亘って、ダイシングブレード等を用いて複数の平行な溝を研削する。これにより、下部基板271上に高さ方向で分極方向が反対となる駆動壁272を並設する。各溝は、圧電素子基板272a・272bの一方の端から他方の端に亘ってほぼ同じ一定の深さで研削することで、ストレート状のインクチャネル273となる。このインクチャネル273は、圧力室231に対応する部分である。
Next, a plurality of parallel grooves are ground over the two
なお、下部基板271を用いる代わりに、厚手の圧電素子基板272aを用い、薄手の圧電素子基板272b側から厚手の圧電素子基板272aの中途部にまで至る複数の平行な溝を研削することにより、高さ方向で分極方向が反対となる駆動壁272を形成してもよい。この場合、駆動壁272と下部基板部分とを一体的に形成することができる。
Instead of using the
続いて、各インクチャネル273の内面に駆動電極274を形成する。駆動電極274を形成する金属は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)等があるが、電気抵抗の面からは、AlやCuを用いることが好ましく、腐食や強度、コストの面からは、Niを用いることが好ましい。駆動電極274の形成方法としては、蒸着法、スパッタリング法、めっき法、CVD(化学気相反応法)等の真空装置を用いた方法等が挙げられる。
Subsequently, a
その後、図21に示すように、駆動壁272(圧電素子基板272a・272b)に上部基板275を接着剤で接合する。ここで、上部基板275および下部基板271として、駆動壁272を構成する圧電材料と同一の基板材料を脱分極して用いると、駆動時の熱の影響による熱膨張係数の差に起因する反りや変形を防止することができる。
After that, as shown in FIG. 21, the
次に、上記で得られた基板を、インクチャネル273の長さ方向と直交する面に沿う複数のカットラインC1、C2、・・・に沿って切断することにより、上部基板275、駆動壁272および下部基板271を接合してなる1枚のハーモニカタイプの複数の基板276が得られる。
Next, by cutting the substrate obtained above along a plurality of cut lines C1, C2, ... Along the plane orthogonal to the length direction of the
続いて、図22に示すように、2つの上部基板275・275同士が対向するように、かつ、上段と下段とでインクチャネル273の位置がずれるように、2つの基板276・276を、接着剤を用いて積層することにより、各インクチャネル273(圧力室231)が千鳥状に配置された圧力室プレート27が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 22, the two
図23は、圧力室プレート27のインク吐出時の駆動壁272の形状を示す断面図である。圧力室プレート27において、駆動電極274(図20参照)を図示しない駆動回路と電気的に接続し、駆動電極274を介して駆動壁272(圧電素子基板272a・272b)に、分極方向に垂直な方向の電界を加えると、駆動壁272は図23のようにせん断変形を起こし、これによって隣り合う駆動壁272・272で挟まれたインクチャネル273、つまり、圧力室231の体積が変化する。このような圧力室231の体積変形により、圧力室231内のインクがノズル211(図18参照)から吐出される。
FIG. 23 is a cross-sectional view showing the shape of the
〔補足〕
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。〔supplement〕
Although the embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention.
以上で説明した本実施形態のインクジェットヘッド、インクジェットプリンタおよびインクジェットヘッドの製造方法は、以下のように表現することができる。 The method for manufacturing an inkjet head, an inkjet printer, and an inkjet head according to the present embodiment described above can be expressed as follows.
本実施形態のインクジェットヘッドは、インクを収容する圧力室を有し、前記圧力室の体積を変化させるアクチュエータと、前記圧力室と連通する連通部と、前記連通部と連通し、前記アクチュエータによる前記圧力室の体積変化によって、前記圧力室から前記連通部を介して流れ込むインクを外部に吐出するノズルと、未吐出のインクを循環させるための循環流路部とを有するノズルプレートとを備え、前記連通部は、少なくとも1つのテーパー壁を有しており、前記テーパー壁は、前記圧力室側から前記ノズル側に向かうにつれて前記連通部の開口面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して傾斜しており、前記循環流路部は、前記少なくとも1つのテーパー壁を貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通している。 The inkjet head of the present embodiment has a pressure chamber for accommodating ink, an actuator that changes the volume of the pressure chamber, a communication portion that communicates with the pressure chamber, and the communication portion that communicates with the communication portion. The nozzle plate is provided with a nozzle for ejecting ink flowing from the pressure chamber through the communication portion to the outside due to a change in the volume of the pressure chamber, and a nozzle plate having a circulation flow path portion for circulating undischarged ink. The communication portion has at least one tapered wall, and the tapered wall is in the thickness direction of the nozzle plate so that the opening area of the communication portion becomes smaller from the pressure chamber side to the nozzle side. The circulation flow path portion is provided on the nozzle plate so as to penetrate the at least one tapered wall and communicates with the communication portion.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、四角錐、円錐、楕円錐のいずれかの側面によって規定される形状と略等しくてもよい。 The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall may be substantially equal to the shape defined by the side surface of any of a quadrangular pyramid, a cone, and an elliptical pyramid.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、四角錐の側面によって規定される形状と略等しく、前記循環流路部は、隣り合う2つの前記テーパー壁の連結部を貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通していてもよい。 The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is substantially equal to the shape defined by the side surface of the quadrangular pyramid, and the circulation flow path portion penetrates the connecting portion of the two adjacent tapered walls. It may be provided on the nozzle plate and communicate with the communication portion.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、底面が横長の四角錐または楕円錐の側面によって規定される形状と略等しく、前記循環流路部は、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面内で互いに垂直な2方向のうち、前記連通部の外形が横長となる方向の一端側で前記テーパー壁を貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通していてもよい。 The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is substantially equal to the shape defined by the side surface of a horizontally long quadrangular pyramid or elliptical cone, and the circulation flow path portion is perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate. The nozzle plate is provided on the nozzle plate so as to penetrate the tapered wall on one end side in the direction in which the outer shape of the communicating portion is horizontally long among the two directions perpendicular to each other in the plane, and communicates with the communicating portion. May be good.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、底面が横長の四角錐または楕円錐の側面によって規定される形状と略等しく、前記循環流路部は、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面内で互いに垂直な2方向のうち、前記連通部の外形が横長となる方向とは異なる方向の一端側で前記テーパー壁を貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通していてもよい。 The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is substantially equal to the shape defined by the side surface of a horizontally long quadrangular pyramid or elliptical cone, and the circulation flow path portion is perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate. The nozzle plate is provided on the nozzle plate so as to penetrate the tapered wall at one end side in a direction different from the direction in which the outer shape of the communicating portion is horizontally long among the two directions perpendicular to each other in the plane. It may be communicated.
前記テーパー壁の、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対する傾斜角度は、30°以上60°以下であることが望ましい。 It is desirable that the inclination angle of the tapered wall with respect to the plane perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate is 30 ° or more and 60 ° or less.
前記ノズルは、開口径が一定のストレートノズルであってもよい。 The nozzle may be a straight nozzle having a constant opening diameter.
前記ノズルは、前記圧力室側からインクの吐出側に向かうにつれて開口面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して側面が傾斜したテーパーノズルを含んでいてもよい。 The nozzle may include a tapered nozzle whose side surface is inclined with respect to a surface perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate so that the opening area becomes smaller toward the ink ejection side from the pressure chamber side. ..
前記連通部の前記テーパー壁の、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対する傾斜角度をα(°)とし、前記テーパーノズルの前記側面の、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対する傾斜角度をβ(°)としたとき、
α<β
であることが望ましい。The angle of inclination of the tapered wall of the communication portion with respect to the surface perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate is α (°), and the inclination angle of the side surface of the tapered nozzle with respect to the surface perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate. When the tilt angle is β (°)
α <β
Is desirable.
β>60°
であることが望ましい。β> 60 °
Is desirable.
前記ノズルプレートの厚さ方向の沿った前記ノズルの高さは、50μm以下であることが望ましい。 The height of the nozzle along the thickness direction of the nozzle plate is preferably 50 μm or less.
前記循環流路部は、前記連通部から流れ込む前記未吐出のインクの流路方向を変える流路変更部を有していることが望ましい。 It is desirable that the circulation flow path portion has a flow path changing section that changes the flow path direction of the undischarged ink flowing from the communication section.
前記アクチュエータは、圧電体に電圧を印加したときの前記圧電体の伸縮によって、前記圧力室を覆う振動板を振動させることにより、前記圧力室の体積を変化させるベンドモード型であってもよい。 The actuator may be of a bend mode type in which the volume of the pressure chamber is changed by vibrating the diaphragm covering the pressure chamber by the expansion and contraction of the piezoelectric body when a voltage is applied to the piezoelectric body.
前記アクチュエータは、圧電体の分極方向と直交する方向に電界を加えて発生する前記圧電体のせん断変形により、前記圧力室の体積を変化させるシェアモード型であってもよい。 The actuator may be a share mode type in which the volume of the pressure chamber is changed by shear deformation of the piezoelectric body generated by applying an electric field in a direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric body.
本実施形態のインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる。 The inkjet printer of the present embodiment includes the above-mentioned inkjet head, and ejects ink from the inkjet head toward the recording medium.
本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法は、上述したインクジェットヘッドを製造する製造方法であって、前記連通部をウェットエッチングで形成してもよい。また、前記循環流路部をウェットエッチングで形成してもよい。 The method for manufacturing an inkjet head according to the present embodiment is the above-mentioned manufacturing method for manufacturing an inkjet head, and the communication portion may be formed by wet etching. Further, the circulation flow path portion may be formed by wet etching.
本発明のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。 The inkjet head of the present invention can be used for an inkjet printer.
1 インクジェットヘッド
21 ノズルプレート
23 ボディプレート(アクチュータ)
24 圧電素子(アクチュエータ)
27 圧力室プレート(アクチュエータ)
100 インクジェットプリンタ
211 ノズル
211a ストレートノズル
211b テーパーノズル
211b1 側面
212 連通部
212a テーパー壁
212b 連結部
213 循環流路部
213a 折り曲げ部(流路変更部)
213c 流路変更部
231 圧力室1
24 Piezoelectric element (actuator)
27 Pressure chamber plate (actuator)
100
213c Flow path change
Claims (16)
前記圧力室と連通する連通部と、前記連通部と連通し、前記アクチュエータによる前記圧力室の体積変化によって、前記圧力室から前記連通部を介して流れ込むインクを外部に吐出するノズルと、未吐出のインクを循環させるための循環流路部とを有するノズルプレートとを備え、
前記連通部は、前記ノズルの側面とつながる少なくとも1つのテーパー壁を有しており、
前記テーパー壁は、前記圧力室側から前記ノズル側に向かうにつれて前記連通部の開口面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して傾斜しており、
前記循環流路部は、前記少なくとも1つのテーパー壁を貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通し、
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、四角錐、円錐、楕円錐のいず れかの側面によって規定される形状と略等しく、
前記連通部において、前記四角錐、前記円錐、前記楕円錐のいずれかの底面に相当する 部分は、前記圧力室から前記連通部に向けて流れ込むインクが通過する開口部であり、
前記アクチュエータは、圧電体の分極方向と直交する方向に電界を加えて発生する前記 圧電体のせん断変形により、前記圧力室の体積を変化させるシェアモード型である、インクジェットヘッド。An actuator that has a pressure chamber for accommodating ink and changes the volume of the pressure chamber,
A nozzle that communicates with the pressure chamber, a nozzle that communicates with the communication portion, and ejects ink that flows from the pressure chamber through the communication portion to the outside due to a volume change of the pressure chamber by the actuator, and a nozzle that does not eject. A nozzle plate having a circulation flow path portion for circulating the ink of
The communication portion has at least one tapered wall connected to the side surface of the nozzle.
The tapered wall is inclined with respect to a surface perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate so that the opening area of the communication portion becomes smaller from the pressure chamber side to the nozzle side.
The circulation flow path portion is provided in the nozzle plate so as to penetrate the at least one tapered wall, and communicates with the communication portion .
The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is substantially equal to the shape defined by the side surface of any of a quadrangular pyramid, a cone, and an elliptical pyramid .
In the communication portion, the portion corresponding to the bottom surface of any one of the quadrangular pyramid, the cone, and the elliptical cone is an opening through which ink flowing from the pressure chamber toward the communication portion passes.
The actuator is a share mode type actuator that changes the volume of the pressure chamber by shear deformation of the piezoelectric body generated by applying an electric field in a direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric body.
前記圧力室と連通する連通部と、前記連通部と連通し、前記アクチュエータによる前記 The communication portion communicating with the pressure chamber and the communication portion communicating with the actuator are used. 圧力室の体積変化によって、前記圧力室から前記連通部を介して流れ込むインクを外部にDue to the volume change of the pressure chamber, the ink flowing from the pressure chamber through the communication portion is sent to the outside. 吐出するノズルと、未吐出のインクを循環させるための循環流路部とを有するノズルプレNozzle pre with a nozzle for ejecting and a circulation flow path portion for circulating undischarged ink ートとを備え、Equipped with
前記連通部は、前記ノズルの側面とつながる少なくとも1つのテーパー壁を有しておりThe communication portion has at least one tapered wall connected to the side surface of the nozzle. 、,
前記テーパー壁は、前記圧力室側から前記ノズル側に向かうにつれて前記連通部の開口The tapered wall opens the communication portion from the pressure chamber side toward the nozzle side. 面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して傾斜しておInclined with respect to the plane perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate so that the area is small. り、the law of nature,
前記循環流路部は、前記少なくとも1つのテーパー壁を貫通するように前記ノズルプレThe circulation flow path portion penetrates the at least one tapered wall. ートに設けられて、前記連通部と連通し、It is provided in the communication part and communicates with the communication part.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、四角錐の側面によって規定さThe outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is defined by the side surface of the quadrangular pyramid. れる形状と略等しく、Approximately the same shape as
前記循環流路部は、隣り合う2つの前記テーパー壁の連結部を貫通するように前記ノズThe circulation flow path portion has the nose so as to penetrate the connecting portion of the two adjacent tapered walls. ルプレートに設けられて、前記連通部と連通し、It is provided on the plate and communicates with the communication part.
前記連通部において、前記四角錐の底面に相当する部分は、前記圧力室から前記連通部In the communication portion, the portion corresponding to the bottom surface of the quadrangular pyramid is from the pressure chamber to the communication portion. に向けて流れ込むインクが通過する開口部である、インクジェットヘッド。An inkjet head, which is an opening through which ink flows toward.
前記圧力室と連通する連通部と、前記連通部と連通し、前記アクチュエータによる前記 The communication portion communicating with the pressure chamber and the communication portion communicating with the actuator are used. 圧力室の体積変化によって、前記圧力室から前記連通部を介して流れ込むインクを外部にDue to the volume change of the pressure chamber, the ink flowing from the pressure chamber through the communication portion is sent to the outside. 吐出するノズルと、未吐出のインクを循環させるための循環流路部とを有するノズルプレA nozzle pre with a nozzle for ejecting and a circulation flow path portion for circulating undischarged ink. ートとを備え、Equipped with
前記連通部は、前記ノズルの側面とつながる少なくとも1つのテーパー壁を有しておりThe communication portion has at least one tapered wall connected to the side surface of the nozzle. 、,
前記テーパー壁は、前記圧力室側から前記ノズル側に向かうにつれて前記連通部の開口The tapered wall opens the communication portion from the pressure chamber side toward the nozzle side. 面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して傾斜しておInclined with respect to the plane perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate so that the area is small. り、the law of nature,
前記循環流路部は、前記少なくとも1つのテーパー壁を貫通するように前記ノズルプレThe circulation flow path portion penetrates the at least one tapered wall. ートに設けられて、前記連通部と連通し、It is provided in the communication part and communicates with the communication part.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、底面が横長の四角錐または楕The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is a quadrangular pyramid or ellipse having a horizontally long bottom surface. 円錐の側面によって規定される形状と略等しく、Approximately equal to the shape defined by the sides of the cone,
前記循環流路部は、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面内で互いに垂直な2方向The circulation flow path portion has two directions perpendicular to each other in a plane perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate. のうち、前記連通部の外形が横長となる方向の一端側で前記テーパー壁を貫通するようにOf these, so as to penetrate the tapered wall at one end side in the direction in which the outer shape of the communicating portion becomes horizontally long. 前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通し、Provided on the nozzle plate to communicate with the communication portion,
前記連通部において、前記四角錐または前記楕円錐の底面に相当する部分は、前記圧力In the communication portion, the portion corresponding to the bottom surface of the quadrangular pyramid or the elliptical cone is the pressure. 室から前記連通部に向けて流れ込むインクが通過する開口部である、インクジェットヘッAn inkjet head, which is an opening through which ink flowing from the chamber toward the communication portion passes. ド。De.
前記圧力室と連通する連通部と、前記連通部と連通し、前記アクチュエータによる前記 The communication portion communicating with the pressure chamber and the communication portion communicating with the actuator are used. 圧力室の体積変化によって、前記圧力室から前記連通部を介して流れ込むインクを外部にDue to the volume change of the pressure chamber, the ink flowing from the pressure chamber through the communication portion is sent to the outside. 吐出するノズルと、未吐出のインクを循環させるための循環流路部とを有するノズルプレNozzle pre with a nozzle for ejecting and a circulation flow path portion for circulating undischarged ink ートとを備え、Equipped with
前記連通部は、前記ノズルの側面とつながる少なくとも1つのテーパー壁を有しておりThe communication portion has at least one tapered wall connected to the side surface of the nozzle. 、,
前記テーパー壁は、前記圧力室側から前記ノズル側に向かうにつれて前記連通部の開口The tapered wall opens the communication portion from the pressure chamber side toward the nozzle side. 面積が小さくなるように、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面に対して傾斜しておInclined with respect to the plane perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate so that the area is small. り、the law of nature,
前記循環流路部は、前記少なくとも1つのテーパー壁を貫通するように前記ノズルプレThe circulation flow path portion penetrates the at least one tapered wall. ートに設けられて、前記連通部と連通し、It is provided in the communication part and communicates with the communication part.
前記テーパー壁によって規定される前記連通部の外形は、底面が横長の四角錐または楕The outer shape of the communication portion defined by the tapered wall is a quadrangular pyramid or ellipse having a horizontally long bottom surface. 円錐の側面によって規定される形状と略等しく、Approximately equal to the shape defined by the sides of the cone,
前記循環流路部は、前記ノズルプレートの厚さ方向に垂直な面内で互いに垂直な2方向The circulation flow path portion has two directions perpendicular to each other in a plane perpendicular to the thickness direction of the nozzle plate. のうち、前記連通部の外形が横長となる方向とは異なる方向の一端側で前記テーパー壁をOf these, the tapered wall is formed on one end side in a direction different from the direction in which the outer shape of the communicating portion is horizontally long. 貫通するように前記ノズルプレートに設けられて、前記連通部と連通し、It is provided on the nozzle plate so as to penetrate, and communicates with the communication portion.
前記連通部において、前記四角錐または前記楕円錐の底面に相当する部分は、前記圧力In the communication portion, the portion corresponding to the bottom surface of the quadrangular pyramid or the elliptical cone is the pressure. 室から前記連通部に向けて流れ込むインクが通過する開口部である、インクジェットヘッAn inkjet head, which is an opening through which ink flowing from the chamber toward the communication portion passes. ド。De.
α<βα <β
である、請求項7に記載のインクジェットヘッド。The inkjet head according to claim 7.
である、請求項8に記載のインクジェットヘッド。The inkjet head according to claim 8.
前記連通部をウェットエッチングで形成する、インクジェットヘッドの製造方法。A method for manufacturing an inkjet head, in which the communication portion is formed by wet etching.
前記循環流路部をウェットエッチングで形成する、インクジェットヘッドの製造方法。A method for manufacturing an inkjet head, in which the circulation flow path portion is formed by wet etching.
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