JP7119413B2 - ヘッド用振動板部材、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置 - Google Patents

Description

本発明はヘッド用振動板部材、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置に関する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドとして、ノズルに連通する個別液室の壁面を形成する振動領域を有する振動板部材と、振動領域を変位させる圧電素子とを備え、更に、個別液室間の隔壁に対応して、圧電素子からなる支柱部を振動板部材に接合したものがある。

従来、圧電素子を絶縁材料で被覆し、振動板部材と絶縁することが知られている（特許文献１）。

特開平４－１６３０５０号公報

ところで、圧電素子からなる支柱部を振動板部材に接合すると、圧電素子の活電部が振動板部材と接触して導通するという課題がある。この場合、特許文献１に開示の構成のように圧電素子を絶縁材料で被覆するためには加工が必要になるという課題が生じる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧電素子への加工を施すことなく、圧電素子の活電部と振動板部材との接触を防止することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るヘッド用振動板部材は、
液体を吐出するノズルに連通する個別液室の壁面を形成する変形可能な複数の振動領域を有し、
隣り合う前記振動領域の間には圧電素子からなる支柱部が接合されるヘッド用振動板部材であって、
少なくとも、前記支柱部の長手方向の両端部に対向する位置のみに凹部が設けられている
構成とした。

本発明によれば、圧電素子への加工を施すことなく、圧電素子の活電部と振動板部材との接触を防止することができる。

発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。 図１のＸ－Ｘ線に沿う同ヘッドのノズル配列方向に沿う断面説明図である。 同第１実施形態における圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分の平面説明図である。 図３のＹ１-Ｙ１線に沿う断面説明図である。 本発明の第２実施形態における圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分の平面説明図である。 図５のＹ２-Ｙ２線に沿う断面説明図である。 本発明の第３実施形態の異なる例を示す圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分の平面説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置の一例の要部平面説明図である。 同装置の要部側面説明図である。 本発明に係る液体吐出ユニットの他の例の要部平面説明図である。 本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例の正面説明図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は同実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図、図２は図１のＸ－Ｘ線に沿う同ヘッドのノズル配列方向に沿う断面説明図である。

この液体吐出ヘッド１００は、ノズル板１と、流路板２と、壁面部材としての振動板部材３とを積層接合している。そして、振動板部材３の振動領域（振動板）３０を変位させる圧電アクチュエータ１１と、ヘッドのフレーム部材を兼ねている共通液室部材２０を備えている。

ノズル板１は、液体を吐出する複数のノズル４を有している。

流路板２は、ノズル４にノズル連通路５を介して通じる個別液室６、個別液室６に通じる供給流路を構成する流体抵抗部７、流体抵抗部７に通じる液導入部８を形成している。なお、導入部８は、２以上の流体抵抗部７に通じる構成としている。本実施形態では、流路板２は、ノズル板１側から３枚の板状部材２Ａ～２Ｃで構成している。

振動板部材３は、流路板２の個別液室６の壁面を形成する変形可能な振動領域３０を有する。ここでは、振動板部材３は３層構造（限定されない）とし、流路板２側から薄肉部を形成する第１層と、厚肉部を形成する第２層及び第３層で形成され、第１層で個別液室６に対応する部分に変形可能な振動領域３０を形成している。

そして、振動板部材３の個別液室６とは反対側に、振動板部材３の振動領域３０を変形させる駆動手段（アクチュエータ手段、圧力発生手段）としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ１１を配置している。

この圧電アクチュエータ１１は、ベース部材１３上に接合した圧電部材１２にハーフカットダイシングによって溝加工をして、ノズル配列方向において、所要数の柱状の圧電素子１２Ａ、１２Ｂを所定の間隔で櫛歯状に形成している。

そして、駆動部となる圧電素子１２Ａを振動板部材３の振動領域（振動板）３０に形成した島状の厚肉部である島状凸部３０ａに接合し、支柱部となる圧電素子１２Ｂを振動領域３０間の厚肉部３０ｂに接合している。

圧電部材１２は、圧電層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極がそれぞれ端面に引き出されて外部電極１４Ａ、１４Ｂが設けられ、駆動部となる圧電素子１２Ａの外部電極１４Ａにフレキシブル配線部材１５が接続されている。なお、外部電極１４Ｂはノズル配列方向の端部で外部電極１４Ａと同じ面に引き出されてフレキシブル配線部材１５と接続されている。

共通液室部材２０は、共通液室１０を形成し、共通液室１０には外部から液体を供給する供給路２１が設けられている。

このように構成した液体吐出ヘッド１００においては、例えば圧電素子１２Ａに与える電圧を基準電位（中間電位）から下げることによって圧電素子１２Ａが収縮し、振動板部材３の振動領域３０が引かれて個別液室６の容積が膨張することで、個別液室６内に液体が流入する。

その後、圧電素子１２Ａに印加する電圧を上げて圧電素子１２Ａを積層方向に伸長させ、振動板部材３の振動領域３０をノズル４に向かう方向に変形させて個別液室６の容積を収縮させることにより、個別液室６内の液体が加圧され、ノズル４から液体が吐出される。

なお、ヘッドの駆動方法については上記の例（引き－押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行なうこともできる。

次に、本発明の第１実施形態における圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分について図３及び図４を参照して説明する。図３は圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分の平面説明図、図４は図３のＹ１-Ｙ１線に沿う断面説明図である。

本発明に係るヘッド用振動板部材である振動板部材３の振動領域３０には、凹部３０ｄで囲まれる島状凸部３０ａが形成され、この島状凸部３０ａに圧電素子１２Ａが接合されている。

一方、振動領域３０、３０の間は前述したように厚肉部３０ｂとなっており、この厚肉部３０ｂに支柱部となる圧電素子１２Ｂが接合される。

ここで、振動板部材３には、支柱部である圧電素子１２Ｂの長手方向の両端部に対向する部分に凹部３０ｃが形成されている。

これにより、圧電素子１２Ｂに加工を施すことなく、圧電素子１２Ｂの長手方向の両端部の活電部と振動板部材３との接触を防止することができる。

次に、本発明の第２実施形態について図５及び図６を参照して説明する。図５は同実施形態における圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分の平面説明図、図６は図５のＹ２-Ｙ２線に沿う断面説明図である。

本実施形態においては、振動板部材３には、支柱部である圧電素子１２Ｂの周縁部の全周に亘って対向する部分には、環状に凹部３０ｃが形成されている。

つまり、振動領域３０と同様に島状凸部３０ｅを形成して、この島状凸部３０ｅに支柱部である圧電素子１２Ｂを接合している。

これにより、支持部である圧電素子１２Ｂの精度によらずに接合することができる。

次に、本発明の第３実施形態の異なる例について図７を参照して説明する。図７は同実施形態における圧電素子及び支柱部と振動板部材との接合部分の平面説明図である。

図７（ａ）の第１例は、凹部３０ｃを平面形状で略矩形状とした例、図７（ｂ）の第２例は、凹部３０ｃを平面形状で三角形状とした例、図７（ｃ）の第３例は、凹部３０ｃを平面形状で略半円形状とした例である。

つまり、本実施形態の凹部３０ｃは、平面形状において、支柱部となる圧電素子１２Ｂの長手方向の辺と直角に交差する辺３０ｃ１～３０ｃ３を有している形状としている。

これにより、支柱部となる圧電素子１２Ｂと厚肉部３０ｂとの接合ばらつきを低減することができる。

次に、本発明に係る液体を吐出する装置の一例について図８及び図９を参照して説明する。図８は同装置の要部平面説明図、図９は同装置の要部側面説明図である。

この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構４９３によって、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構４９３は、ガイド部材４０１、主走査モータ４０５、タイミングベルト４０８等を含む。ガイド部材４０１は、左右の側板４９１Ａ、４９１Ｂに架け渡されてキャリッジ４０３を移動可能に保持している。そして、主走査モータ４０５によって、駆動プーリ４０６と従動プーリ４０７間に架け渡したタイミングベルト４０８を介して、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動される。

このキャリッジ４０３には、本発明に係る液体吐出ヘッド４０４及びヘッドタンク４４１を一体にした液体吐出ユニット４４０を搭載している。液体吐出ユニット４４０の液体吐出ヘッド４０４は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液体を吐出する。また、液体吐出ヘッド４０４は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。

液体吐出ヘッド４０４の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド４０４に供給するための供給機構４９４により、ヘッドタンク４４１には、液体カートリッジ４５０に貯留されている液体が供給される。

供給機構４９４は、液体カートリッジ４５０を装着する充填部であるカートリッジホルダ４５１、チューブ４５６、送液ポンプを含む送液ユニット４５２等で構成される。液体カートリッジ４５０はカートリッジホルダ４５１に着脱可能に装着される。ヘッドタンク４４１には、チューブ４５６を介して送液ユニット４５２によって、液体カートリッジ４５０から液体が送液される。

この装置は、用紙４１０を搬送するための搬送機構４９５を備えている。搬送機構４９５は、搬送手段である搬送ベルト４１２、搬送ベルト４１２を駆動するための副走査モータ４１６を含む。

搬送ベルト４１２は用紙４１０を吸着して液体吐出ヘッド４０４に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト４１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ４１３と、テンションローラ４１４との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、あるいは、エアー吸引などで行うことができる。

そして、搬送ベルト４１２は、副走査モータ４１６によってタイミングベルト４１７及びタイミングプーリ４１８を介して搬送ローラ４１３が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。

さらに、キャリッジ４０３の主走査方向の一方側には搬送ベルト４１２の側方に液体吐出ヘッド４０４の維持回復を行う維持回復機構４２０が配置されている。

維持回復機構４２０は、例えば液体吐出ヘッド４０４のノズル面（ノズルが形成された面）をキャッピングするキャップ部材４２１、ノズル面を払拭するワイパ部材４２２などで構成されている。

主走査移動機構４９３、供給機構４９４、維持回復機構４２０、搬送機構４９５は、側板４９１Ａ，４９１Ｂ、背板４９１Ｃを含む筐体に取り付けられている。

このように構成したこの装置においては、用紙４１０が搬送ベルト４１２上に給紙されて吸着され、搬送ベルト４１２の周回移動によって用紙４１０が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ４０３を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド４０４を駆動することにより、停止している用紙４１０に液体を吐出して画像を形成
する。

このように、この装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの他の例について図１０を参照して説明する。図１０は同ユニットの要部平面説明図である。

この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板４９１Ａ、４９１Ｂ及び背板４９１Ｃで構成される筐体部分と、主走査移動機構４９３と、キャリッジ４０３と、液体吐出ヘッド４０４で構成されている。

なお、この液体吐出ユニットの例えば側板４９１Ｂに、前述した維持回復機構４２０、及び供給機構４９４の少なくともいずれかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。

次に、本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図１１を参照して説明する。図１１は同ユニットの正面説明図である。

この液体吐出ユニットは、流路部品４４４が取付けられた液体吐出ヘッド４０４と、流路部品４４４に接続されたチューブ４５６で構成されている。

なお、流路部品４４４はカバー４４２の内部に配置されている。流路部品４４４に代えてヘッドタンク４４１を含むこともできる。また、流路部品４４４の上部には液体吐出ヘッド４０４と電気的接続を行うコネクタ４４３が設けられている。

本願において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。

液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ（積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子）、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。

「液体吐出ユニット」は、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体が含まれる。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。

ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。

例えば、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。

主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。

「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を 気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。

この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。

例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。

また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。

また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。

また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。

なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。

１ ノズル板
２ 流路板
３ 振動板部材
４ ノズル
６ 個別液室
１０ 共通液室
１２Ｂ 圧電素子（支柱部）
３０ 振動領域
３０ａ 島状凸部
３０ｂ 厚肉部
３０ｃ 凹部
１００ 液体吐出ヘッド
４０３ キャリッジ
４０４ 液体吐出ヘッド
４４０ 液体吐出ユニット

Claims (7)

1. 液体を吐出するノズルに連通する個別液室の壁面を形成する変形可能な複数の振動領域
   を有し、
   隣り合う前記振動領域の間には圧電素子からなる支柱部が接合される
   ヘッド用振動板部材であって、
   少なくとも、前記支柱部の長手方向の両端部に対向する位置のみに凹部が設けられている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド用振動板部材。
2. 前記凹部は、平面形状で、前記支柱部の長手方向に沿う辺と直角に交差する辺を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド用振動板部材。
3. 前記凹部は、平面形状で略矩形状、三角形状、略半円形状のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１若しくは２に記載の液体吐出ヘッド用振動板部材。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用振動板部材を備えている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 請求項４に記載の液体吐出ヘッドを含むことを特徴とする液体吐出ユニット。
6. 前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくともいずれか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化した
   ことを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ユニット。
7. 請求項４に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項５若しくは６に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。

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