JP2012143923A - 液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体噴射時のクロストークを防止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。
【解決手段】ノズル２３に連通する圧力室２０を隔壁３７によって複数区画し、当該圧力室の開口面を封止する作動面（弾性膜１６）を圧電素子１８によって変形させて当該圧力室内のインクに圧力変動を生じさせることで当該圧力室に連通するノズルからインクを噴射させる記録ヘッドにおいて、隣り合う圧力室同士を区画する隔壁は、作動面側から前記ノズル側に向かうにしたがって壁厚が厚くなる３段以上の複数段に形成された。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッド、および、これを搭載する液体噴射装置に関し、特に、ノズルに連通する圧力室の一部を構成する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによりノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッド、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。

上記のプリンターに搭載される記録ヘッドは、インクカートリッジ等のインク供給源からのインクを圧力室に導入し、圧電素子を作動させて圧力室の開口を封止する作動面を変形させて当該圧力室内のインクに圧力変動を生じさせ、この圧力変動を利用して圧力室内のインクをノズルからインク滴として噴射するように構成されたものがある。このような記録ヘッドでは、記録画像の画質向上に対応するべく、複数のノズルを高密度に配設している。これにより、各ノズルに連通している圧力室も高い密度で形成されており、その結果、隣り合う圧力室やその他の流路同士を区画する隔壁は非常に薄くなる傾向にある。そのため、隣接するノズル間において所謂隣接クロストークが問題となる。

この点に関し、圧力室（圧力発生室）を２段構造とし、圧電素子に近い側（以下、１段目）の圧力室を幅広とする一方、圧電素子から遠い側（以下、２段目）の圧力室を幅狭とすることで、隔壁の剛性を高めた構成も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２８７３６０号公報

ところが、上記の構成では、１段目の圧力室の隔壁の厚さと２段目の圧力室の隔壁の厚さとの差（段差）が大きいため、当該２段目の圧力室の隔壁が圧電素子および作動面（振動板）が変位した際に干渉する虞があった。その一方、圧電素子および作動面と隔壁との干渉を防止すべく１段目の圧力室の隔壁の高さを高くした場合、その分、当該１段目の隔壁の耐久性が低下し、壊れやすくなる等の問題があった。

なお、このような問題は、インクを噴射する記録ヘッドを搭載したインクジェット式記録装置だけではなく、複数の圧力室を、間に隔壁を隔てて有し、圧力室の開口面を封止する作動面を圧電素子によって変形させることで圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによりノズルから液体を噴射させる他の液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置においても同様に存在する。

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、液体噴射時のクロストークを防止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。

本発明の液体噴射装置は、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズルに連通する圧力室を隔壁によって複数区画し、当該圧力室の開口面を封止する作動面を圧力発生手段によって変形させて当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
隣り合う圧力室同士を区画する隔壁は、前記作動面側から前記ノズル側に向かうにしたがって壁厚が厚くなる３段以上の複数段に形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、圧力室同士を区画する隔壁を厚さの異なる３段以上の複数段から構成し、作動面側からノズル側に向かうにしたがって壁厚を厚くすることで、圧力発生手段および作動面の変位を阻害することなく隔壁全体の剛性を高めることができる。このため、圧力発生手段を作動させてノズルから液体を噴射させる際に圧力室の内圧が上昇したときに隔壁が隣接する圧力室側に変形することが抑制される。これにより、圧力損失が低減され、隣接するノズル間におけるクロストークが防止される。その結果、クロストークに起因する液体の噴射特性（ノズルから噴射される液体の量や飛翔速度）の変動を抑制することができる。また、隔壁の耐久性が高まるため、液体噴射ヘッドの信頼性を向上させることが可能となる。さらに、隔壁を３段以上とすることで段差がより小さくなるので圧力室における液体の流れをより円滑にして気泡の滞留を防止することが可能となる。

また、上記構成において、前記複数段の隔壁のうち最も作動面側に位置する隔壁の壁厚および高さは、前記ノズルから液体を噴射する際に必要な前記作動面の最大変位量が得られるように定められ、
前記複数段の隔壁のうち最もノズル側に位置する隔壁の壁厚および高さは、前記圧力室から前記ノズルへの流路を狭めない範囲内で厚く設定された構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、最も作動面側に位置する隔壁の壁厚および高さは、ノズルから液体を噴射する際に必要な作動面の最大変位量が得られるように定められ、最もノズル側に位置する隔壁の壁厚および高さは、圧力室からノズルへの流路を狭めない範囲内で厚く設定されたので、圧力発生手段および作動面の変位を阻害することなく隔壁全体の剛性を高めることができる。このため、圧力発生手段を作動させてノズルから液体を噴射させる際に圧力室の内圧が上昇したときに隔壁が隣接する圧力室側に変形することが抑制される。これにより、圧力損失が低減され、隣接するノズル間におけるクロストークがより確実に防止される。

また、本発明の液体噴射装置は、ノズルに連通する圧力室を隔壁によって複数区画し、当該圧力室の開口面を封止する作動面を圧力発生手段によって変形させて当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
前記液体噴射ヘッドにおける隣り合う圧力室同士を区画する隔壁は、前記作動面側から前記ノズル側に向かうにしたがって壁厚が厚くなる３段以上の複数段に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。 記録ヘッドの要部拡大断面図である。

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、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２を搭載したインクジェット式記録装置（以下、プリンター１）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、連通口基板１３、流路形成基板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。

流路形成基板１４は、例えば、シリコン単結晶基板から成る板材である。この流路形成基板１４には、複数の圧力室２０が、隔壁３７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。後述するように、圧力室同士を区画する隔壁３７は、厚さ（ノズル列方向の寸法）が異なる複数段（３７ａ〜３７ｃ）から成る。流路形成基板１４の圧力室２０の長手方向外側の領域には連通部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。インク供給路２２は、圧力室２０よりも狭い幅で形成されており、連通部２１から圧力室２０に流入するインクに対して一定の流路抵抗を付与する。流路形成基板１４におけるこれらの圧力室２０やインク供給路２２等の流路は、異方性エッチングにより形成されている。

流路形成基板１４の一方の面（図２（ｂ）において下側の面）には、連通口３６が開設された連通口基板１３が、接着剤や熱溶着フィルム等を介して接合されている。また、この連通口基板１３の流路形成基板１４との接合面とは反対側の面には、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が接着剤等により接合されている。連通口基板１３の連通口３６は、各圧力室２０にそれぞれ対応して連通口基板１３の厚さ方向を貫通した状態で複数形成されている。連通口３６の一端（図２（ｂ）において上端）は、対応する圧力室２２のインク供給路２２とは反対側の端部に連通する一方、連通口３６の他端（図２（ｂ）において下端）は、ノズル形成基板１５のノズル２３に連通する。本実施形態における連通口３６の幅（ノズル列方向の寸法）は、圧力室２０の最小幅（後述する第３圧力室２０ｃの幅）よりも少し狭くなっている。

流路形成基板１４の他方の面には、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における圧力室２０の開口を封止する部分は、本発明における作動面に相当する。また、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、さらに、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（圧力発生手段の一種）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。

流路形成基板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、流路形成基板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、上述したように流路形成基板１４の連通部２１と連通されて各圧力室２０の共通のインク室となるリザーバー３０を構成している。

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、厚さ方向に完全に除去された開口部３５となっているため、リザーバー３０の一方面は可撓性を有する封止膜３２のみで封止されている。

そして、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に至るまで内部をインクで満たした後、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を付与し、圧電素子１８および作動面（弾性膜１６）を撓み変形させることにより圧力室２０内の圧力を変動させる。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。

本発明に係る記録ヘッド２では、隣り合う圧力室同士を区画する隔壁３７が、厚さの異なる複数段、本実施形態においては、第１隔壁３７ａ、第２隔壁３７ｂ、および第３隔壁３７ｃの合計３段から構成されており、作動面（弾性膜１６）側からノズル２３側に向かうにしたがい壁厚が段階的に厚くなっている。即ち、最も作動面側に位置する第１隔壁３７ａの壁厚が最も薄く、第２隔壁３７ｂの壁厚は第１隔壁３７ａの壁厚よりも厚く、最もノズル２３側に位置する第３隔壁３７ｃの壁厚が最も厚くなっている。このため、圧力室２０は、幅の異なる３つの圧力室２０ａ〜２０ｃから成り、最も作動面側である最上段の第１圧力室２０ａの幅が最も広く、第２圧力室２０ｂの幅は第１圧力室２０ａの幅よりも狭く、最もノズル２３側である最下段の第３圧力室２０ｃの幅は最も狭くなっている。

ここで、最上段の第１圧力室２０ａの開口面積、即ち、当該圧力室２０を封止している作動面の面積に関し、圧電素子１８を駆動したときの当該作動面の圧力室内側（ノズル２３側）への最大変位量が設計上の目標値となるように定められている。つまり、目標とする最大変位量が得られるようなコンプライアンス（柔らかさ）を作動面に対して付与するべく第１圧力室２０ａの開口面積が設定されている。これに応じて、図３に示すように、最上段の第１圧力室２０ａの幅方向の寸法Ｗａが定められている。したがって、第１隔壁３７ａの厚さは、第１圧力室２０ａの幅Ｗａとノズル２３の形成ピッチとに応じて一意的に定まる。この第１隔壁３７ａの厚さは、隔壁の厚さが一定の従来構造の壁厚と同程度となっている。また、第１圧力室２０ａの縦方向（ノズル形成基板１５に垂直な方向の高さ）の寸法、即ち、第１隔壁３７ａの高さＨａは、作動面が圧力室内側に最大限変位した際に当該作動面に第１隔壁３７ａと第２隔壁３７ｂとの間の段差が干渉しない範囲で、最小限の寸法に設定されている。この第１隔壁３７ａの高さＨａは、従来構造の隔壁の高さよりも十分に低くなっており、これにより剛性が高められている。

また、最下段の第３隔壁３７ｃの壁厚は、圧力室２０から連通口３６およびノズル２３へのインクの流れに支障が生じない範囲、具体的には、圧力室２０からノズル２３へ向かう流路（本実施形態においては、連通口３６）を狭めない範囲で可及的に厚くなっている。さらに、残りの第２隔壁３７ｂの厚さは、第１隔壁３７ａの厚さと第３隔壁３７ｃの厚さとの中間に設定されている。本実施形態においては、図３に示すように、第１圧力室２０ａの開口縁と連通口３６の上端開口縁を結ぶ仮想線Ｌ上に各段部の角がそれぞれ位置するように第２隔壁３７ｂの厚さおよび第３隔壁３７ｃの厚さが定められている。さらに、第２隔壁３７ｂの高さおよび第３隔壁３７ｃの高さは、第１圧力室２０ａを含めた圧力室全体の流路抵抗およびイナータンスが設計上の目標値となるような高さに設定されている。

このように、圧力室同士を区画する隔壁３７を厚さの異なる複数段から構成し、作動面側からノズル２３側に向かうにしたがって壁厚を厚くすることで、圧電素子１８および作動面の変位を阻害することなく隔壁全体の剛性を高めることができる。このため、圧電素子１８を作動させてノズル２３からインクを噴射させる際に圧力室２０の内圧が上昇したときに隔壁３７が隣接する圧力室側に変形する（撓む）ことが抑制される。これにより、インク噴射時の圧力損失が低減され、隣接するノズル間におけるクロストークが防止される。その結果、クロストークに起因するインク噴射特性（ノズル２３から噴射されるインクの量や飛翔速度）の変動を抑制することができる。また、隔壁３７の耐久性が高まるため、記録ヘッド２の信頼性を向上させることが可能となる。

本実施形態においては、第１隔壁３７ａの壁厚および高さは、ノズル２３からインクを噴射する際に必要な作動面の最大変位量が得られるように定める一方、第３隔壁３７ｃの壁厚および高さは、圧力室２０からノズル２３へのインクの流れに支障が生じない範囲内で厚く設定して剛性を高めたので、設計上目標とするインク噴射特性（ノズル２３から噴射されるインクの量や飛翔速度）をより確実に確保することが可能となる。

なお、圧力室２０におけるインクの流れを円滑にして気泡の滞留を防止すると共に、隔壁３７の耐久性を高める観点から、隔壁間の段差はできるだけ小さいことが望ましい。このため、隔壁３７は少なくとも３段以上の複数段であることが望ましい。

また、上記実施形態では、圧力発生手段として所謂撓み振動型の圧電素子１８を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電素子を採用することも可能である。

なお、本発明は、複数の圧力室を隔壁によって複数区画し、圧力室の開口面を封止する作動面を圧力発生手段によって変位させることでノズルからインク等の液体を噴射させる液体噴射ヘッドおよびこれを備える液体噴射装置であれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体噴射装置、例えば、ディスプレイ製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等にも適用することができる。

１…プリンター，２…記録ヘッド，１３…連通口基板，１４…流路形成基板，１５…ノズル形成基板，１６…弾性膜，１８…圧電素子，２０…圧力室，２３…ノズル，３６…連通口，３７…隔壁，３７ａ…第１隔壁，３７ｂ…第２隔壁，３７ｃ…第３隔壁

Claims (3)

1. ノズルに連通する圧力室を隔壁によって複数区画し、当該圧力室の開口面を封止する作動面を圧力発生手段によって変形させて当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
   隣り合う圧力室同士を区画する隔壁は、前記作動面側から前記ノズル側に向かうにしたがって壁厚が厚くなる３段以上の複数段に形成されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記複数段の隔壁のうち最も作動面側に位置する隔壁の壁厚および高さは、前記ノズルから液体を噴射する際に必要な前記作動面の最大変位量が得られるように定められ、
   前記複数段の隔壁のうち最もノズル側に位置する隔壁の壁厚および高さは、前記圧力室から前記ノズルへの流路を狭めない範囲内で厚く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。
3. ノズルに連通する圧力室を隔壁によって複数区画し、当該圧力室の開口面を封止する作動面を圧力発生手段によって変形させて当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることで当該圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
   前記液体噴射ヘッドにおける隣り合う圧力室同士を区画する隔壁は、前記作動面側から前記ノズル側に向かうにしたがって壁厚が厚くなる複数段に形成されたことを特徴とする液体噴射装置。

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