JP2013059971A

JP2013059971A - 液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置

Info

Publication number: JP2013059971A
Application number: JP2011201473A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Makita; 秀史牧田; Kinya Ozawa; 欣也小澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-04-04
Also published as: US20130070034A1

Abstract

【課題】別途駆動源を設ける必要がなく、簡単に圧力室内の液体を攪拌することができる液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズルプレート１７に開設したノズル２９に連通する圧力室２３に液体を充填し、当該圧力室２３内の液体に圧力変動を付与することによりノズル２９から液滴を噴射可能な液体噴射ヘッド２であって、圧力室２３は、底面の少なくとも一部に、当該圧力室２３内の液体の圧力変動に基いて変形する変形部３１を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射ヘッド、および、その液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置に関し、特に、顔料等の粒子を含む液体をノズルから噴射する液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置に関するものである。

圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることでノズル開口から液滴として吐出させる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）、液晶ディスプレイ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）ディスプレイ、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がある。

上記のような液体噴射ヘッドに用いられる液体の中には、溶媒中に粒子を含有したものがある。例えば、色素として顔料を用い、この顔料をインク溶媒内に分散させた顔料分散系のインク（以下、顔料インクという）がある。この顔料インクは、長期間に亘って放置すると顔料が沈降（沈殿）してしまうという問題を有している。特に金属系の顔料は沈降しやすい。そして、顔料が沈降すると、吐出した液滴内の顔料濃度がばらつく虞があるだけでなく、ノズルを目詰まりさせる虞がある。

このような問題を解決すべく、記録ヘッド内に循環流路を設け、圧力室内のインクを循環させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、沈降した顔料を攪拌することが出来る。

特開２００８−２８４７３９号公報

しかしながら、上記のような記録ヘッドでは記録ヘッド内に循環流路を設けているため、構造が複雑であった。また、インクを循環させる駆動源を別途用意する必要があった。このため、記録ヘッドの製造の観点からコストアップや装置の大型化につながっていた。

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、別途駆動源を設ける必要がなく、簡単に圧力室内の液体を攪拌することができる液体噴射ヘッド、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、ノズルに連通する圧力室に液体を充填し、当該圧力室内の液体に圧力変動を付与することにより前記ノズルから液滴を噴射可能な液体噴射ヘッドであって、
前記圧力室は、底面の少なくとも一部に、当該圧力室内の液体の圧力変動に基いて変形する変形部を有することを特徴とする。

本発明の液体噴射ヘッドによれば、圧力室内の液体の圧力変動により、底面の変形部が変動するため、この変形部の変動により圧力室内の液体が攪拌される。これにより、別途駆動源を設けることなく顔料等の沈降を防止することができる。また、顔料等が底面に沈降していた場合でも、沈降した顔料等を攪拌することができる。

上記構成において、前記圧力室の底面は、前記ノズルが開口したノズルプレート、および、該ノズルプレートと圧力室の間において少なくとも一部に積層された可撓性を有する振動板により構成され、
前記ノズルプレートにおいて、前記圧力室に対応する少なくとも一部に凹部が形成され、
前記変形部は、前記振動板によって前記凹部を封止することによって形成されていることが望ましい。

この構成によれば、底面に沈降した顔料等を攪拌するための構成を簡単に実現することができる。

また、前記圧力室の底面は、前記ノズルが開口したノズルプレートにより構成され、
前記変形部は、該ノズルプレートの板厚が他の部分よりも薄い部分から成る構成を採用することが望ましい。

この構成によれば、従来の液体噴射ヘッドに新たな部材等を加えて変形部を構成する必要がないため、底面に沈降した顔料等を攪拌するための構成を更に簡単に実現することができる。

そして、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たことを特徴とする。

プリンターの斜視図である。記録ヘッドの構成を説明する分解斜視図である。第１の実施形態における記録ヘッドの（ａ）要部断面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図である。顔料の攪拌を表す模式図である。第２の実施形態における記録ヘッドの要部断面図である。

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、インクジェット式記録装置１（以下、プリンター）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、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド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を搬送する搬送機構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。キャリッジ４の主走査方向の位置は、位置情報検出手段の一種である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（位置情報の一種）をプリンター１の制御部に送信する。

また、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４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（ノズルプレート１７：図２、図３参照）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を行う。

次に記録ヘッド２について説明する。
図２は、本実施形態の記録ヘッド２の構成を示す分解斜視図であり、図３（ａ）は、記録ヘッド２の要部断面図、図３（ｂ）は、Ａ−Ａ線断面図である。本実施形態における記録ヘッドは、流路形成基板１５、下側振動板１６、ノズルプレート１７、上側振動板１８、圧電素子２０、及び、保護基板２１等を積層して構成されている。

流路形成基板１５は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、この流路形成基板１５には、複数の圧力室２３がその幅方向に並設されている。各圧力室２３は、ノズル列に直交する方向に長尺な空部である。この圧力室２３の上部は上側振動板１８によって封止される一方、圧力室２３の下部は下側振動板１６によって封止される（何れも後述する。）。そして、この圧力室２３の容積は、後述する圧電素子２０の駆動により上側振動板１８が変形することで増減される。また、流路形成基板１５の圧力室２３の長手方向外側の領域には連通部２４が形成され、連通部２４と各圧力室２３とが、圧力室２３毎に設けられたインク供給路２５を介して連通されている。インク供給路２５は、圧力室２３よりも狭い幅で形成されており、連通部２４から圧力室２３に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、連通部２４は、後述する保護基板２１の共通室３６と連通して各圧力室２３の共通のインク室となるリザーバー２６の一部を構成する。

流路形成基板１５の開口面側（下側）には、圧力室２３の底面を構成する下側振動板１６（本発明における振動板に相当）、および、ノズルプレート１７が、この順に積層されて接合されている。下側振動板１６は、可撓性を有する薄手のシート材（膜材）であり、本実施形態では、例えば、厚さが約１．０μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成されている。この下側振動板１６は、ノズルプレート１７の圧力室２３側の全面に積層されている。なお、下側振動板１６の形成範囲に関し、ノズルプレート１７の全面には限られず、ノズルプレート１７の圧力室２３側の面の少なくとも一部（圧力室２３に対応する部分）に設けられていれば良い。また、下側振動板１６のノズル２９（後述）に対応する部分には、連通孔２８が開設され、この連通孔２８を介して圧力室２３とノズル２９を連通している。

ノズルプレート１７は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍ程度のシリコン単結晶基板やステンレス鋼等などからなり、各圧力室２３に対応したノズル２９が開設されている。各ノズル２９は、それぞれ圧力室２３のインク供給路２５とは反対側の端部に連通する。また、図３（ａ）に示すように、ノズルプレート１７には、下側振動板１６側の面における各圧力室２３に対応する部分の一部に、圧力室２３とは反対側に窪んだ空部３０が形成されている。本実施形態の空部３０は、図３（ｂ）に示すように、インク供給路２５とノズル２９との間において、平面視で圧力室２３の長手方向に沿った長方形状（すなわち、直方体状の凹部）に形成されている。そして、この空部３０の開口部を封止する下側振動板１６により変形部３１が構成されている。空部３０は、圧力室２３内の液体の圧力変動に応じて下側振動板１６が変動（変形）し得る形状、寸法（容積）に設計されている。そして、圧力室２３内の液体の圧力変動に応じて下側振動板１６が変動することで、圧力室２３の底部に沈降した顔料を攪拌することができる。なお、変形部３１による顔料の攪拌については、後述する。また、空部３０は、一部又は全部をノズルプレート１７の板厚方向に貫通させて形成しても良い。さらに、ノズル２９および空部３０は、例えば、ノズルプレート１７をシリコン単結晶基板で作製する場合には、エッチングにより形成され、ノズルプレート１７をステンレス鋼で作成する場合には、プレス加工により形成される。

流路形成基板１５の開口面とは反対側（上側）には、上側振動板１８が形成されている。本実施形態の上側振動板１８は、例えば、厚さが例えば約１．０μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜３２と、この弾性膜３２上に積層された厚さが例えば、約０．４μｍの酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜３３と、から構成されている。また、この絶縁体膜３３上には、圧電素子２０が各圧力室２３に対応して複数設けられている。本実施形態における圧電素子２０は撓み振動モードの振動子であり、駆動電極と共通電極とによって圧電体を挟んで構成されている（図示を省略）。そして、圧電素子２０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。

また、流路形成基板１５上の圧電素子２０側の面には、圧電素子２０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３５を有する保護基板２１が、上側振動板１８を挟んで接合されている。圧電素子２０は、この圧電素子保持部３５内に収容されるため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。さらに、図２に示すように、保護基板２１には、流路形成基板１５の連通部２４に対応する領域に共通室３６が設けられている。この共通室３６は、保護基板２１を厚さ方向に貫通して圧力室２３の並設方向に沿って設けられており、上述したように流路形成基板１５の連通部２４と連通されて各圧力室２３の共通のインク室となるリザーバー２６を構成している。

さらに、保護基板２１上には、封止膜３７及び固定板３８とからなるコンプライアンス基板３９が接合されている。封止膜３７は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍの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３７によって共通室３６の一方面が封止されている。また、固定板３８は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼等）で形成される。この固定板３８のリザーバー２６に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された固定板開口部４０となっているため、リザーバー２６の一方面は可撓性を有する封止膜３７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３からのインクを図示しないインク導入路から取り込み、リザーバー２６からノズル２９に至るまで内部をインクで満たした後、図示しないプリンタコントローラー側からの駆動信号の供給により、圧力室２３に対応する圧電素子２０を駆動させることにより各圧力室２３内のインクの圧力が変動し、この圧力変動を制御することで、ノズル２９からインク滴が噴射（吐出）される。

ここで、圧電素子の駆動により圧力室２３内のインクに圧力変動が生じると、図４に示すように、変形部３１が上下に振動する。これにより、例えば、圧力室２３内に流れＦを発生させることができ、底面に沈降した顔料ｐｉ（例えば、白色の顔料として用いられる二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、光輝性顔料として用いられるアルミニウム等の金属から成る金属片など）を攪拌することができる。これにより、顔料ｐｉが分散し、その結果、吐出したインク滴内の顔料濃度のばらつきを抑えることができる。なお、圧力室２３内のインクの攪拌は、ノズル２９からインク滴を噴射する場合に限らず、ノズル２９からインク滴を噴射しない場合にも起すことができる。例えば、圧電素子２０を駆動して、ノズル２９からインク滴を噴射しない程度の微振動を発生させることにより、変形部３１を振動させる。

このように、圧力室２３の底面の少なくとも一部に、当該圧力室２３内のインクの圧力変動に応じて変形する変形部３１を有するように構成したので、圧力室２３内のインクの圧力変動により、変形部３１が変動して、圧力室２３内のインクが攪拌される。これにより、顔料ｐｉの底面への沈降を防止することができる。また、顔料ｐｉが底面に沈降していた場合でも、沈降した顔料ｐｉを攪拌することができる。さらに、本実施形態の変形部３１は、ノズルプレート１７の圧力室２３に対応する部分の一部に形成した空部３０の開口部が下側振動板１６により封止された構成を採用したので、底面に沈降した顔料ｐｉを攪拌するための構成を簡単に実現することができる。

ところで、圧力室２３の底面の少なくとも一部に、当該圧力室２３内のインクの圧力変動に応じて変形する変形部を有する構成は、上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、図５に示す第２の実施形態では、下側振動板１６を設けず、ノズルプレート１７自体に変形部３１′を形成している。

具体的に説明すると、ノズル２９が開口したノズルプレート１７により圧力室２３の底面を構成し、該底面の一部に他の部分よりも板厚が薄い部分を変形部３１′として形成している。例えば、ノズルプレート１７が板厚１００μｍ程度のシリコン単結晶基板である場合には、変形部３１′に相当する部分の板厚を、圧力室２３とは反対側からエッチング等により窪ませて４０μｍ程度にすることで、当該部分を変形部３１′とすることができる。なお、この変形部３１′は、第１の実施形態と同じようにインク供給路２５とノズル２９との間において、平面視で圧力室２３の長手方向に沿った長方形状に形成されている。

このように、変形部３１′は、ノズルプレート１７の板厚が他の部分よりも薄い部分から成るので、従来の記録ヘッドに新たな部材等（下側振動板１６）を加えて変形部３１′を構成する必要がなく、底面に沈降した顔料等を攪拌するための構成を更に簡単に実現することができる。なお、その他の構成等は第１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

ところで、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。例えば、変形部は、平面視で圧力室の長手方向に沿った長方形状（直方体状の凹部）に形成したが、これには限らず、任意の形状にすることができる。また、１つの圧力室内に複数の変形部を設けることもできる。要は、圧力室内の底面に変形部があればよく、この変形部の形状は、圧力室の形状に応じて攪拌し易い形状に設定することができる。

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振動子を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電振動子を採用することも可能である。さらに、圧力発生手段としては圧電振動子には限らず、圧力室内に気泡を発生させる発熱素子や静電気力を利用して圧力室の容積を変動させる静電アクチュエーター等の各種圧力発生手段を用いる場合にも本発明を適用することができる。

そして、本発明は、圧力発生手段を用いて液体の噴射制御が可能な液体噴射装置の液体噴射ヘッドであれば、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用いられる液体噴射ヘッドにも適用することができる。そして、ディスプレイ製造装置では、色材噴射ヘッドからＲ（Ｒｅｄ）・Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）・Ｂ（Ｂｌｕｅ）の各色材の溶液を噴射する。また、電極製造装置では、電極材噴射ヘッドから液状の電極材料を噴射する。チップ製造装置では、生体有機物噴射ヘッドから生体有機物の溶液を噴射する。

１…プリンター，２…記録ヘッド，１５…流路形成基板，１６…下側振動板，１７…ノズルプレート，２３…圧力室，２５…インク供給路，２８…連通孔，２９…ノズル，３０…空部，３１…変形部，

Claims

ノズルに連通する圧力室に液体を充填し、当該圧力室内の液体に圧力変動を付与することにより前記ノズルから液滴を噴射可能な液体噴射ヘッドであって、
前記圧力室は、底面の少なくとも一部に、当該圧力室内の液体の圧力変動に基いて変形する変形部を有することを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧力室の底面は、前記ノズルが開口したノズルプレート、および、該ノズルプレートと圧力室の間において少なくとも一部に積層された可撓性を有する振動板により構成され、
前記ノズルプレートにおいて、前記圧力室に対応する少なくとも一部に凹部が形成され、
前記変形部は、前記振動板によって前記凹部を封止することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記圧力室の底面は、前記ノズルが開口したノズルプレートにより構成され、
前記変形部は、該ノズルプレートの板厚が他の部分よりも薄い部分から成ることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。