JP2008149617A - 液体噴射ヘッド、および、これを備えた液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い周波数で液滴を吐出することが可能な液体噴射ヘッド、および、これを備えた液体噴射装置を提供する。
【解決手段】
流路ユニット１０は、ノズル開口８が開設されたノズルプレート２６と、リザーバ２３及び第１連通口２４が開設されたリザーバプレート２５と、供給口２０及び第２連通口２１が開設された供給口プレート２２とで構成され、アクチュエータユニット９は、供給側連通口１４及び第３連通口１３が開設された連通口プレート１５を有し、連通口プレートにおける供給側連通口の内径φｒｓおよび第３連通口の内径φｒを、φｒｓ＜φｒｎ（２／３）を満たすように設定し、連通口プレートの厚さｔｒおよび供給側連通口の内径φｒｓを、ｔｒ／φｒｓ＞２を満たすように設定し、供給側連通口の内径φｒｓおよび供給口の内径φｓを、φｒｓ＞φｓを満たすように設定した。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、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、高周波駆動に好適な液体噴射ヘッド、および、これを備えた液体噴射装置に関する。

例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）を代表とする液体噴射ヘッドには、リザーバから圧力室を経てノズル開口に至る一連の液体流路をノズル開口に対応して複数備え、圧力発生手段の駆動によって圧力室内の液体に生じた圧力変動を利用してノズル開口から液滴を吐出させるように構成されたものがある。

上記の液体噴射ヘッドは複数の構成部品（プレート部材）を積層して構成されている。例えば、特許文献１に開示されている記録ヘッドは、圧力発生手段としてのアクチュエータユニットと、液体流路を形成する流路ユニットとから成り、アクチュエータユニットと流路ユニットとを重ね合わせた状態で一体化して構成されている。

アクチュエータユニットは、複数の圧力室を形成した圧力室プレート（スペーサ）、ノズル連通口や供給側連通口を形成した連通口プレート（第２の蓋体）、及び、圧電振動子を実装した振動板（第１の蓋板）とを積層し、焼成等により一体化することで構成されている。上記流路ユニットは、インク供給口を形成した供給口プレート（インク供給口形成基板）、リザーバ（共通液室）を形成したリザーバプレート（リザーバ形成基板）、及び、複数のノズル開口を列設してノズル列が形成されたノズルプレートから成るプレート部材を積層して一体化することで構成されている。

上記構成の記録ヘッドによってインク滴を吐出する場合、インク滴を吐出するのに先だって圧力室を予備的に膨張させたときにはリザーバ側からインク供給口を通じて圧力室内にインクが供給され、また、予備膨張の後に圧力室を急激に収縮させるとノズル開口からインク滴が吐出されると共に圧力室内のインクの一部がインク供給口を通じてリザーバ側に移動する。

特開平１１−２７７７４３号公報

ここで、上記インク供給口を円筒形状の穴とすると、このインク供給口の流路抵抗ＲとイナータンスＭは、それぞれ以下の式（Ａ），（Ｂ）によって表される。

ここで、λはインクの粘度、Ｌはインク供給口の流路長、ｒはインク供給口の半径、ρはインクの密度である。流路抵抗Ｒはインクの体積速度に対する抵抗であり、このＲの値が大きいほど、インクの流れに対する抵抗が大きくなる。これに対し、イナータンスＭはインクの体積加速度に対する抵抗であり、このイナータンスＭが大きいほどインクの比較的急峻な流速変化に対する抵抗が大きくなる。つまり、インク供給口におけるインクの流動性（流動のしやすさ）に関し、比較的穏やかな圧力変化によるインクの流速ではイナータンスＭよりも流路抵抗Ｒの影響がより強く表れ、逆に急峻な圧力変化によるインクの流速では流路抵抗ＲよりもイナータンスＭの影響が強く表れる。

そして、インク供給口における流路抵抗Ｒが大きすぎると、例えば数十ｋＨｚの周波数で連続的にインク滴を吐出する場合にはリザーバ側から圧力室側へのインクの供給が間に合わなくなる虞がある。その一方で、流路抵抗Ｒを小さくするべくインク供給口の径を単に大きくしただけでは、これに伴ってイナータンスＭも小さくなってしまうため、吐出のために圧力室を急激に収縮させたときに圧力室からリザーバ側にインクが逆流し易くなる。このため、ノズル開口からインク滴が正常に吐出されない虞がある。

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、より高い周波数での駆動においても液滴を正常に吐出することが可能な液体噴射ヘッド、および、これを備えた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、アクチュエータユニットと流路ユニットとから構成され、リザーバから圧力室を通ってノズル開口に至る一連の液体流路をノズル開口毎に形成した液体噴射ヘッドであって、
前記流路ユニットは、ノズル開口が開設されたノズルプレートと、リザーバおよびノズル連通口の一部となる第１連通口が開設されたリザーバプレートと、リザーバの液体を圧力室側に供給するための供給口およびノズル連通口の一部となる第２連通口が開設された供給口プレートとを積層状態で一体化することで作製され、
前記アクチュエータユニットは、前記供給口と圧力室とを連通する供給側連通口およびノズル連通口の一部となる第３連通口が開設され、前記供給口プレートに積層される連通口プレートを有し、
前記連通口プレートにおける供給側連通口の内径φｒｓおよび第３連通口の内径φｒｎが、以下の式（１）を満たすように設定されたことを特徴とする。
φｒｓ＜φｒｎ（２／３） …（１）

上記構成において、前記連通口プレートの厚さｔｒおよび前記供給側連通口の内径φｒｓを、以下の式（２）を満たすように設定することが望ましい。
ｔｒ／φｒｓ＞２ …（２）

上記構成において、前記供給側連通口の内径φｒｓおよび前記供給口の内径φｓを、以下の式（３）を満たすように設定することが望ましい。
φｒｓ＞φｓ …（３）

また、本発明の液体噴射装置は、上記各構成の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする。

上記の各発明によれば、供給側連通口の寸法を各式（１）〜（３）に基づいて適切に設計することにより、供給側連通口および供給口からなる液体供給口におけるイナータンスを最適値に維持しつつ流路抵抗を小さくすることができる。これにより、より高い周波数で連続的に液滴を吐出させる高周波駆動においても、液滴の吐出特性を低下させることなくリザーバ側から圧力室への液体の供給を追従させることができる。その結果、高周波駆動に対応することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、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、以下の説明は、本発明における液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録装置（液体噴射装置の一種。以下、単にプリンタという。）に搭載されるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという。）を例に挙げて行う。

図１は、記録ヘッド６を備えるヘッドユニット１を記録ヘッド６のノズルプレート側から見た斜視図、図２は記録ヘッド６をアクチュエータユニット側から見た斜視図、図３は記録ヘッド６の要部断面図である。

図１に示すように、ヘッドユニット１はフレーム２を備えており、フレーム２におけるベース板部３の上面にはインクカートリッジ等の液体供給源が取り付け可能なホルダ部５が形成されている。一方、ホルダ部５とは反対側となるベース板部３の底面側には、記録ヘッド６が取り付けられている。この記録ヘッド６と、ホルダ部５に保持された液体供給源とはインク供給路７によって連通される。従って、記録ヘッド６には、インク供給路７を通じてインク（液体の一種）が供給される。そして、記録ヘッド６に供給されたインクは、記録ヘッド６の外側表面に複数形成されたノズル開口８から吐出される。このノズル開口８はドット形成密度に対応したピッチで列状に穿設されており、本実施形態においてはノズル列が２列横並びに形成されている。本実施形態におけるノズル開口８の内径は、２０（μｍ）に設定されている。

図２に示すように、記録ヘッド６は、アクチュエータユニット９と流路ユニット１０とから構成されており、これらを重ね合わせた状態で一体化してある。アクチュエータユニット９は、圧力室１１を区画するための圧力室プレート１２、第３連通口１３や供給側連通口１４を形成した連通口プレート１５、及び、圧電振動子１６を実装した振動板１７とを積層し、焼成等により一体化することで構成されている。また、流路ユニット１０は、供給口２０や第２連通口２１を形成した供給口プレート２２、リザーバ２３や第１連通口２４を形成したリザーバプレート２５、及び、ノズル開口８が形成されたノズルプレート２６からなるプレート部材（ヘッド構成部材）を積層状態で接着することで構成されている。

圧力室プレート１２は、圧力室を形成するのに適した厚さのセラミックス材の薄板、例えばアルミナやジルコニア等によって構成され、圧力室を区画するための空部がプレートの厚さ方向に貫通した状態で形成されている。圧力室１１は、ノズルプレート２６のノズル開口８のピッチと同じ一定のピッチで列状に開設され、列設方向と直交する左右方向に細長い長孔である。

連通口プレート１５は、圧力室プレート１２と同様のジルコニア等のセラミックス材であって、第３連通口１３と供給側連通口１４とをポンチなどを用いて開設した薄板によって構成されている。本実施形態における連通口プレート１５の厚さｔｒは、１５０（μｍ）に設定されている。第３連通口１３は、圧力室１１のノズル開口８側の一端部に連通し、ノズル開口８よりも十分に大きい寸法（本実施形態では１３０（μｍ））に設定された貫通孔である。そして、この第３連通口１３は、後述する第２連通口２１及び第１連通口２４と一連となってノズル連通口として機能する。また、供給側連通口１４は、第３連通口１３とは反対側の圧力室１１の他端部に連通し、板厚方向を貫通する円形の孔である。この供給側連通口１４は、供給口２０と共にリザーバ２３と圧力室１１を連通するインク供給口（液体供給口）として機能する。本発明に係る記録ヘッド６は、この供給側連通口１４の寸法の設定に特徴を有している。この点の詳細については後述する。

振動板１７は、弾性を有するセラミックス材の薄板で構成されている。圧力室１１とは反対側となる振動板１７の外側表面には、各圧力室１１に対応した状態で複数の圧電振動子１６が配設される。例示した圧電振動子１６は撓み振動モードの振動子であり、駆動電極１６ａと共通電極１６ｂとによって圧電体１６ｃを挟んで構成されている。そして、圧電振動子１６の駆動電極に駆動信号が印加されると、駆動電極と共通電極との間には電位差に応じた電場が発生する。この電場は圧電体に付与され、圧電体が付与された電場の強さに応じて変形する。即ち、駆動電極の電位を高くする程、圧電体層は電場と直交する方向に収縮し、圧力室１１の容積を少なくするように振動板１７を変形させる。

供給口プレート２２は、ステンレス材等の金属材料によって作製されており、本実施形態においては厚さ３５（μｍ）の板材に構成されている。この供給口プレート２２には、板厚方向を貫通する供給口２０を上記の供給側連通口１４に対応させて形成し、また、板厚方向を貫通する第２連通口２１を上記の第３連通口１３に対応させて形成している。この第２連通口２１は、第３連通口１３と同じ直径の円形の孔である。この供給口２０の内径は、供給側連通口１４の内径（後述）よりも絞られており、本実施形態においては、３５（μｍ）となっている。

リザーバプレート２５は、ステンレス材等の金属材料によって構成された板状部材である。このリザーバプレート２５には、リザーバ２３を区画するための空部が板厚方向を貫通した状態で形成されている。これらのリザーバ２３は、共通液室として機能する部分であり、インクの種類（色）毎に設けられる。また、リザーバプレート２５には、板厚方向を貫通する第１連通口２４が上記の第２連通口２１に対応させて複数形成されている。

ノズルプレート２６は、ステンレス材等の金属材料によって構成された薄い板状部材である。このノズルプレート２６には、複数のノズル開口８を列設してノズル列（ノズル群）が横並びに形成されており、本実施形態では、ノズル列は一定のピッチ（例えば、３６０ｄｐｉ）で開設された３６０個のノズル開口８によって構成されている。本実施形態におけるノズルプレート２６の厚さは５０（μｍ）である。

そして、各プレート部材は、アクチュエータユニット９と供給口プレート２２との間、供給口プレート２２とリザーバプレート２５との間、およびリザーバプレート２５とノズルプレート２６との間にそれぞれ接着剤を介在させた状態で積層して一体化される。これにより、図３に示すように、リザーバ２３と圧力室１１の他端部とが、供給口２０および供給側連通口１４からなるインク供給口を通じて連通する。また、圧力室１１の一端部とノズル開口８とが、リザーバプレート２５の第１連通口２４、供給口プレート２２の第２連通口２１、および連通口プレート１５の第３連通口１３からなるノズル連通口を通じて連通する。そして、リザーバ２３から圧力室１１を通ってノズル開口８に至る一連のインク流路（液体流路）がノズル開口８毎に形成される。

上記構成の記録ヘッド６では、圧電振動子１６を変形させることで対応する圧力室１１が収縮或いは膨張し、圧力室１１内のインクに圧力変動が生じる。このインク圧力を制御することで、ノズル開口８からインク滴（液滴）を吐出させることができる。インク滴を吐出するのに先だって定常容積の圧力室１１を予備的に膨張させるとリザーバ２３側からインク供給口（供給口２０および供給側連通口１４）を通じて圧力室１１内にインクが供給される。また、予備膨張の後に圧力室１１を急激に収縮させるとノズル開口８からインク滴が吐出されると共に、圧力室１１内のインクの一部がインク供給口を通じてリザーバ２３側に移動する。

ところで、この種の記録ヘッドでは、近年の駆動波形の工夫などにより、より高い周波数での連続的なインク滴の吐出が可能となってきた。しかし、このような高周波駆動を行うと、インク供給口における流路抵抗Ｒｘ（供給口２０の流路抵抗Ｒｓと供給側連通口１４の流路抵抗Ｒｒｓの合成抵抗）が大きすぎると、上記のような高い周波数で連続的にインク滴を吐出する場合にはリザーバ２３側から圧力室１１側へのインクの供給が間に合わなくなる虞がある。このような不具合を防止すべく、例えばインク供給口全体の内径を単に大きくして流路抵抗Ｒｘを小さくすると、これに伴ってインク供給口のイナータンスＭｘ（供給口２０のイナータンスＭｓと供給側連通口１４のイナータンスＭｒｓの合成イナータンス）も小さくなってしまうため、吐出のために圧力室１１を急激に収縮させたときに圧力室１１からリザーバ２３側にインクが逆流し易くなる。このため、圧力室１１内の昇圧が不足してノズル開口８から吐出されるインク滴の量や飛翔速度が低下してしまい、最悪の場合にはインク滴が吐出されない虞がある。

このため、本発明に係る記録ヘッド６では、従来においては供給口２０と圧力室１１を連通するための単なる連通口としての機能しか与えられていなかった供給側連通口１４に着目し、この供給側連通口１４の寸法を供給口２０の寸法と併せて適切に設計することにより、イナータンスＭｘを最適値に維持しつつ流路抵抗Ｒｘを小さくするようにしている。なお、イナータンスＭｘの最適値は、ノズル開口８から吐出されるインク滴の量や飛翔速度が目標値（設計値）となるような値であり、ノズル開口８側のイナータンスＭｚに基づいて定められる。

ここで、先述した円筒状流路に関する流路抵抗ＲとイナータンスＭの各式（Ａ），（Ｂ）に基づくと、流路抵抗Ｒは流路半径ｒの４乗に反比例し、イナータンスＭは流路半径ｒの２乗に反比例する。つまり、流路径は、イナータンスＭに対してよりも流路抵抗Ｒに対してより大きく影響する。一方で、流路抵抗ＲとイナータンスＭは何れも流路長Ｌに比例し、流路抵抗ＲとイナータンスＭに対する流路長Ｌの影響は同程度である。したがって、流路径と流路長を適切に設計すれば、イナータンスの値を維持しつつ流路抵抗を小さくすることができる。基本的には、インク供給口全体の流路径をより大きく、且つ、インク供給口全体の流路長をより長くすることを前提としつつ、以下に示す各条件を満たすように供給側連通口１４の寸法を設定している。

まず、供給側連通口１４の内径φｒｓを、第３連通口の内径（ノズル連通口の流路径）φｒｎを基準として以下の式（１）を満たすように設定している。
φｒｓ＜φｒｎ（２／３） …（１）
つまり、供給側連通口１４の内径φｒｓを、少なくとも第３連通口の内径φｒｎの２／３よりも小さく設定している。本実施形態においては、供給側連通口１４の内径φｒｓを、第３連通口の内径φｒｎ（＝１３０（μｍ））の２／３である約８７（μｍ）よりも小さく設定する。なお、ノズル連通口（連通口１３，２１，２４）の流路径は、吐出特性に影響を及ぼさない範囲でノズル開口８の寸法よりも十分に大きく設定される。

また、供給側連通口１４の内径φｒｓと供給口プレート１５の厚さｔｒ（即ち、供給側連通口１４の流路長Ｌｒｓ）に関し、以下の式（２）を満たすようにそれぞれ定めている。
ｔｒ／φｒｓ＞２ …（２）
つまり、内径φｒｓに対する厚さｔｒの比が２よりも大きいということである。これは、供給側連通口１４の穴径に比べて供給口プレート１５の厚さを大きく設定するということである。本実施形態においては、ｔｒ（＝Ｌｒｓ）＝１５０（μｍ）であるので、内径φｒｓを７５（μｍ）よりも小さく設定する。

さらに、供給側連通口１４の内径φｒｓおよび供給口２０の内径φｓを、以下の式（３）を満たすように設定している。
φｒｓ＞φｓ …（３）
即ち、供給側連通口１４の内径φｒｓを供給口２０の内径φｓよりも大きく設定している。本実施形態においては、φｓ＝３５（μｍ）であるため、これによりもφｒｓを大きく設定する。なお、供給側連通口１４の内径φｒｓよりも供給口２０の内径φｓを小さくするようにしたのは、供給口２０の方が寸法精度良く形成できるからである。即ち、供給側連通口１４は、セラミックの板材からなる連通口プレート１５に開設された後、焼成を経ることによって寸法が変動する可能性があるのに対し、供給口２０は、ステンレス材等の金属材料から成る供給口プレート２２に開設されているので、供給側連通口１４に比べて寸法の変動の虞が少ない。したがって、供給側連通口１４の内径φｒｓよりも供給口２０の内径φｓを小さくする構成する方が、両者の内径を同一に揃える構成または逆に供給側連通口１４の内径φｒｓよりも供給口２０の内径φｓを大きくする構成と比較してインク供給口全体の寸法精度をより高めることができる。

このように、供給側連通口１４の寸法を、供給口２０の寸法と併せて適切に設計することにより、インク供給口におけるイナータンスＭｘを最適値に維持しつつ流路抵抗Ｒｘを小さくすることができる。これにより、記録ヘッド６を高周波駆動させた場合においても、インク滴の吐出特性を低下させることなく、リザーバ２３側から圧力室１１へのインクの供給を追従させることができる。本実施形態においては、各条件（１）〜（３）を満たすべく、供給側連通口１４の内径φｒｓを７０（μｍ）に設定している。そして、本実施形態において、ノズル開口８のイナータンスＭｎｚ、ノズル開口８の流路抵抗Ｒｎｚ、供給側連通口１４のイナータンスＭｒｓ、供給側連通口１４の流路抵抗Ｒｒｓ、供給口２０のイナータンスＭｓ、供給口２０の流路抵抗Ｒｓは、それぞれ以下のようになる。
Ｍｎｚ＝１．４ｅ＋８（ｋｇ／ｍ^４） …（４）
Ｒｎｚ＝１．５ｅ＋１３（Ｐａ・ｓ／ｍ^３）…（５）
Ｍｒｓ＝１．２ｅ＋８（ｋｇ／ｍ^４） …（６）
Ｒｒｓ＝３．７ｅ＋１２（Ｐａ・ｓ／ｍ^３）…（７）
Ｍｓ ＝５．５ｅ＋７（ｋｇ／ｍ^４） …（８）
Ｒｓ ＝３．４ｅ＋１２（Ｐａ・ｓ／ｍ^３）…（９）
なお、ノズル連通口（連通口１３，２１，２４）のイナータンスと流路抵抗は、（４）〜（９）に比べて無視できる程度に小さい。

なお、以上では、本発明に係る液体噴射ヘッドとして、プリンタ（液体噴射装置の一種）に搭載される記録ヘッド６を例示したが、本発明は、圧力室とリザーバとを連通する供給口および供給側連通口を有する他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、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（Electro Luminescence）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噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。

ヘッドユニットをノズルプレート側から見た斜視図である。 記録ヘッドをアクチュエータユニット側から見た斜視図である。 記録ヘッドの要部断面図である。

符号の説明

６…記録ヘッド，８…ノズル開口，９…アクチュエータユニット，１０…流路ユニット，１１…圧力室，１２…圧力室プレート，１３…第３連通口，１４…供給側連通口，１５…連通口プレート，１６…圧電振動子，１７…振動板，２０…供給口，２１…第２連通口，２２…供給口プレート，２３…リザーバ，２４…第１連通口，２５…リザーバプレート，２６…ノズルプレート

Claims (4)

1. アクチュエータユニットと流路ユニットとから構成され、リザーバから圧力室を通ってノズル開口に至る一連の液体流路をノズル開口毎に形成した液体噴射ヘッドであって、
   前記流路ユニットは、ノズル開口が開設されたノズルプレートと、リザーバおよびノズル連通口の一部となる第１連通口が開設されたリザーバプレートと、リザーバの液体を圧力室側に供給するための供給口およびノズル連通口の一部となる第２連通口が開設された供給口プレートとを積層状態で一体化することで作製され、
   前記アクチュエータユニットは、前記供給口と圧力室とを連通する供給側連通口およびノズル連通口の一部となる第３連通口が開設され、前記供給口プレートに積層される連通口プレートを有し、
   前記連通口プレートにおける供給側連通口の内径φｒｓおよび第３連通口の内径φｒｎが、以下の式（１）を満たすように設定されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
   φｒｓ＜φｒｎ（２／３） …（１）
2. 前記連通口プレートの厚さｔｒおよび前記供給側連通口の内径φｒｓが、以下の式（２）を満たすように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
   ｔｒ／φｒｓ＞２ …（２）
3. 前記供給側連通口の内径φｒｓおよび前記供給口の内径φｓが、以下の式（３）を満たすように設定されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
   φｒｓ＞φｓ …（３）
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の液体噴射ヘッドを備える液体噴射装置。

Images