JP2013215941A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルから噴射される液体の噴射特性を各ノズル間において容易に揃え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】接着領域の圧電素子３４が並んだ方向における中央部分３９の断面積が小さく、中央部分３９の剛性が高いため、圧電素子３４の振動に対する反力が大きくなるのに対し、接着領域の圧電素子３４が並んだ方向における両端部分３８の断面積は大きく、剛性が低いため、圧電素子３４の振動に対する反力が小さくなる。このため、両端部分３８に位置する圧電素子３４と比較して、中央部分３９に位置する圧電素子３４の駆動力を、圧力室２３側にロスを抑えつつ伝えることが出来る。これにより、圧電素子３４が並んだ方向の両端部分３８に位置するノズル２４から噴射されるインクの飛翔速度に対する、中央部分に位置するノズル２４から噴射されるインクの飛翔速度の不足分が補われる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ノズルに連通する圧力室に圧力変動を与えて、圧力室内の液体をノズルから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。

この液体噴射ヘッドとしては、例えば、インクジェット式記録装置など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）があるが、最近ではごく少量の液体を所定位置に正確に着弾させることができるという特長を生かして各種の製造装置にも応用されている。
例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターを製造するディスプレイ製造装置、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極を形成する電極形成装置、バイオチップ（生物化学素子）を製造するチップ製造装置に応用されている。
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。

例えば、上記記録ヘッドには、複数のノズルを列設して成るノズル列（ノズル群）を有し、圧電素子（圧力発生手段の一種）を駆動することにより圧力室内の液体に圧力変化を与え、この圧力変化を利用して圧力室に連通したノズルから液体を噴射させるように構成されたものがある。
このような従来の記録ヘッドでは、ノズル列において隣接する複数のノズルからインクを同時に噴射する際、上記圧力変動や圧電素子の駆動による振動などが隣り合う圧力室間で相互に影響し合うことにより、１つのノズルから単独でインクを噴射する場合と、隣接する複数のノズルから同時にインクを噴射する場合とで、噴射されるインクの飛翔速度や量（重量・体積）等の噴射特性が変動する所謂クロストークが発生する問題があった。特に、近年では、記録画像の画質向上の要請に対応すべく、ノズルがより高密度で形成される傾向にある。ノズルを高密度に配置した場合、隣接するノズルから同時にインクを噴射した場合にクロストークが生じやすい。

このように隣接する複数のノズルから同時にインクを噴射した場合、その際に発生する振動などが隣り合う圧力室間で相互に影響し合うことにより、ノズル列の中央部に位置するノズルほどインクの飛翔速度が低下し、ノズル列の端部に位置するノズルほどインクの飛翔速度が高くなる傾向となる。このため、これらのノズル列の各ノズルから噴射されたインクを観察すると、略アーチ型を呈した状態で各インクが飛翔する。ここで、飛翔速度が高いインクほど短い時間で記録媒体に着弾し、飛翔速度が遅くなるほど記録媒体に着弾するまでの時間が長くなる。そして、記録ヘッドと記録媒体（着弾対象）とを相対移動させながら印刷を行う構成では、インクの飛翔速度に応じて記録媒体上における各インクの着弾位置が異なる。このため、記録媒体に各インクが着弾して形成されるドット群も平面で見た場合にアーチ状に曲がって並んでしまう。その結果、記録画像等の画質の低下を招く問題があった。

このような問題を防止するため、圧電素子を固定する固定板の当該圧電素子が接着される側の面の一部を削り、固定板と圧電素子との接着面積をノズル列の中央部と端部とで異なるように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
具体的には、圧電素子と固定板の接着面積について、中央部側は、端部側よりも相対的に小さくされている。このようにすることで、ノズル列の中央部に位置するノズルから噴射されるインクの飛翔速度を高めて、各ノズルから噴射されるインクの飛翔速度を均一にしようと試みている。

特開２００６−１９８９４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、固定板を加工する手間がかかり、製造工程が複雑になっていた。特に固定板が一般的に金属で形成されているため、加工に長い時間を要していた。
また、固定板の圧電素子を接着する面を狭くした場合において、固定板と圧電素子との接着位置がずれると、圧電素子の駆動による振動が圧力室側に垂直に伝わらない虞があった。すなわち、固定板と圧電素子との相対位置のずれにより固定板と圧電素子との接着面積がさらに小さくなり、圧電素子が固定板に安定して支持されない虞があった。このため、固定板と圧電素子との相対位置のずれを抑制するために高い接着精度が必要となり、製造がより困難になっていた。

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、ノズルから噴射される液体の噴射特性を各ノズル間において容易に揃え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、共通液室から圧力室を経てノズルに連通する一連の液体流路を形成した流路形成基板および当該流路形成基板の一方の表面に接合された振動板を有する流路ユニットと、前記振動板を変形させる圧電素子が並んだ圧電素子群及び当該圧電素子群が支持される固定部材を有する圧電素子ユニットと、当該圧電素子ユニットを収容可能な収容空部を有するケース部材とを備えた液体噴射ヘッドであって、前記圧電素子群が、自由端部を前記固定部材の先端面から外側に突出させた状態で前記固定部材に接合され、前記圧電素子群の前記自由端部が挿通される前記収容空部に臨む前記ケース部材は、前記流路ユニットの前記振動板側に接合され、前記固定部材の前記圧電素子群との接続面以外の一面が、前記ケース部材の表面と接着剤を介して接合され、その接着領域の前記圧電素子が並んだ方向に沿った断面積が、前記圧電素子の並びの中央部分から両端部分に行く程大きくなることを特徴とする。

本発明の液体噴射ヘッドによれば、圧電素子が並んだ方向において、ケース部材と固定部材の接着領域の中央部分の断面積が小さく中央部分の剛性が高いため、圧電素子の振動に対する反力が大きくなるのに対し、接着領域の圧電素子が並んだ方向における両端部分の断面積は大きく剛性が低いため、圧電素子の振動に対する反力が小さくなる。このため、圧電素子のうち圧電素子が並んだ方向における両端部分に位置する圧電素子と比較して、中央部分に位置する圧電素子の駆動力を、圧力室側にロスを抑えつつ伝えることが出来る。これにより、圧電素子が並んだ方向の両端部分に位置するノズルから噴射される液体の飛翔速度に対する、中央部分に位置するノズルから噴射される液体の飛翔速度の不足分が補われる。その結果、ノズル列を構成する各ノズルから噴射される液体の飛翔速度を揃えることができる。また、接着領域の断面積を、圧電素子が並んだ方向に沿って変えるだけでよいため、ノズルから噴射される液体の噴射特性を各ノズル間において容易に揃えることができる液体噴射ヘッドを得ることができる。さらに、固定基板を加工しなくてもケース部材を加工して、接着剤の厚みを変更できるため、ケース部材が一般的に樹脂で作られることから、加工が容易になる。

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ることを特徴とする。

プリンターの概略斜視図である。 記録ヘッドの要部断面図である。 図２に示すＡ−Ａ線における部分断面図である。 変形例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、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、本発明の液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置として、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の構成を示す概略斜視図である。このプリンター１は、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド２（以下、記録ヘッド２）が取り付けられると共に、内部に液体状のインクを貯留した液体貯留部材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を備えている。このキャリッジ４の後部には、キャリッジ４を記録紙５（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６を備えている。また、記録動作時における記録ヘッド２の下方に、記録ヘッド２と間隔を空けてプラテン７を備えている。このプラテン７上には、プリンター１の後方に備えた搬送機構８によって、記録紙５が主走査方向に直交する副走査方向に搬送される。

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６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。実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル面（ノズルプレート１９：図２参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル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５上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録を行う。

図２に、記録ヘッド２の要部断面図を示した。
図２において、記録ヘッド２は、流路ユニット１４、圧電素子ユニット１５、および、ケース部材としてのヘッドケース１６から構成されている。

流路ユニット１４は、流路形成基板１８の一方の面にノズルプレート１９を、流路形成基板１８の他方の面に振動板２０をそれぞれ接合して構成されている。
圧電素子ユニット１５は、圧力室２３内のインクに圧力変動を生じさせる圧電素子３４をノズル列方向に沿って複数列設した圧電素子群と、該圧電素子群の先端部とは反対側の基端部が固定される固定部材３５と、圧電素子３４に駆動信号を供給するためのフレキシブルケーブル３７（配線部材）と、から構成されている。ここで、圧電素子３４が並んだ方向は、ノズル列方向と同じ方向である。
実施形態における圧電素子群は、基材である圧電素子板の先端部を数十μｍ程度の極めて細い幅に切り分けることで、櫛歯状に形成されている。櫛歯状に切り分けられた各部分が縦方向に伸縮可能な縦振動型の圧電素子３４として構成されている。

ノズルプレート１９は、ドット形成密度に対応したピッチ（例えば１８０ｄｐｉ）で複数のノズル２４が列状に穿設されたステンレスやシリコーン結晶等の薄いプレートである。実施形態のノズル列は、例えば１８０個のノズル２４によって構成されている。なお、ノズルプレート１９の下面（流路形成基板１８とは反対側）が本発明におけるノズル面に相当する。

流路ユニット１４には、共通液室としてのリザーバー２１、インク供給口２２、および圧力室２３からなる一連の液体流路としてのインク流路が設けられている。リザーバー２１は、圧電素子３４が並んだ方向に沿って長尺な空部であり、その上部に後述するケース流路３１が連通されている。インク供給口２２は、各圧力室２３とリザーバー２１とを連通させる流路幅の狭い狭窄部として形成されている。圧力室２３は、ノズル列に直交する方向に沿って長尺な空部であり、圧電素子３４が並んだ方向に複数列設されている。そして、この圧力室２３には、ノズル２４が連通（開口）されている。

振動板２０は、支持板２６の表面に弾性体膜２７を積層した二重構造である。実施形態では、金属板の一種であるステンレス板を支持板２６とし、この支持板２６の表面に樹脂フィルムを弾性体膜２７としてラミネートした複合板材を用いて振動板２０が作製されている。この振動板２０には、圧力室２３の容積を変化させるダイヤフラム部２８が設けられている。なお、ダイヤフラム部２８における弾性体膜２７が本発明における圧力室２３の作動面に相当する。

ダイヤフラム部２８は、エッチング加工等によって圧力室２３に対向する領域の支持板２６を部分的に除去することで作製される。即ち、このダイヤフラム部２８は、圧電素子３４の自由端部（固定部材３５に固定される側とは反対側の端部）の先端面が接合される島部３０と、この島部３０を囲む薄肉弾性部とからなる。つまり、島部３０を介して圧電素子３４の先端部が圧力室２３の作動面に接続されている。
圧電素子３４は、フレキシブルケーブル３７からの駆動信号により伸縮して圧力室２３の容積を膨張または収縮することで、圧力室２３内のインクに圧力変動を生じさせ、この圧力変動の制御によりノズル２４からインクを噴射させることができる。

また、振動板２０には、リザーバー２１の一部を封止するコンプライアンス部２９が設けられている。このコンプライアンス部２９は、リザーバー２１の開口面に対向する領域の支持板２６を、ダイヤフラム部２８と同様にエッチング加工等によって除去することにより作製される。これにより、コンプライアンス部２９が、リザーバー２１に貯留されたインクの圧力変動を吸収するダンパーとして機能する。

ヘッドケース１６は、例えば、エポキシ系樹脂により作製された中空箱体状部材であり、流路ユニット１４のノズル面とは反対側に接合されている。また、ヘッドケース１６の内部には、ケース流路３１、および、圧電素子ユニット１５を収容する収容空部３２が、その高さ方向に貫通して形成されている。ケース流路３１は、図１に示したインクカートリッジ３からのインクをリザーバー２１に供給するための流路である。

ヘッドケース１６が流路ユニット１４に接合された状態において、圧力室２３に対応して列設された島部３０が、収容空部３２の下端側（流路ユニット１４側）の開口内に位置する。実施形態では、収容空部３２は、平面視において圧電素子３４が並んだ方向に長尺な長方形状に形成されている。また、収容空部３２の内部の圧電素子３４が並んだ方向に沿った壁面のうち一側（実施形態では、ケース流路３１側）には、後述する固定部材３５が接合される段差がヘッドケース１６の高さ方向の途中に設けられている。すなわち、図２に示すように、収容空部３２の一側面の下側（流路ユニット１４側）が、上側（流路ユニット１４とは反対側）よりも他側面に向けて突出して、収容空部３２内の一側面の壁部の途中にノズル面に平行な部分（段差）が設けられている。この段差の上面が、固定部材３５が着座される着座部３３となる。

固定部材３５は、剛性のあるＳＵＳ等からなる板材であり、一側（着座部３３とは反対側）の側面に、圧電素子群の自由端部を下面より突出させた状態で当該圧電素子群の基端部が接続されている。すなわち、圧電素子群は、所謂片持ち梁状態で固定部材３５に接合されている。また、固定部材３５は、圧電素子３４が並んだ方向における長さが圧電素子板（圧電素子群）と揃えられるとともに、その厚さが着座部３３の幅よりも厚く形成されている。そして、この固定部材３５の下面（圧電素子群先端部側の端面）の圧電素子群とは反対側が接着層３６を介して着座部３３に接着され接着領域を形成している。

実施形態の接着層３６として、接着剤（例えば、エポキシ系接着剤やシリコーン系接着剤等）が用いられており、その長さおよび幅が、圧電素子３４が並んだ方向に均一に形成されている。
図３は、図２に示すＡ−Ａ線における部分断面図である。
接着層３６による着座部３３と固定部材３５との剛性は、圧電素子３４が並んだ方向における両端部分３８よりも中央部分３９の方が高くなるように構成されている。
具体的には、図３に示すように、ヘッドケース１６における着座部３３の形状を、圧電素子３４が並んだ方向に対して垂直方向に凸形状とする。これにより着座部３３と固定部材３５との接着剤による接着層３６の厚さが圧電素子３４が並んだ方向に中央部分３９から両端部分３８にかけて厚くなるため、接着領域の圧電素子３４が並んだ方向に沿った断面積が両端部分３８ほど大きいので、中央部分３９の剛性を両端部分３８よりも高くすることが出来る。

このように構成すれば、圧電素子３４が並んだ方向において、ヘッドケースと固定部材の接着領域の中央部分３９の断面積が小さく、中央部分３９の剛性が高いため、圧電素子３４の振動に対する反力が大きくなるのに対し、同接着領域の圧電素子３４が並んだ方向における両端部分３８の断面積は大きく、剛性が低いため、圧電素子３４の振動に対する反力が小さくなる。このため、圧電素子３４のうち圧電素子３４が並んだ方向における両端部分３８に位置する圧電素子３４と比較して、中央部分３９に位置する圧電素子３４の駆動力を、圧力室２３側にロスを抑えつつ伝えることが出来る。これにより、圧電素子３４が並んだ方向の両端部分３８に位置するノズル２４から噴射されるインクの飛翔速度に対する、中央部分３９に位置するノズル２４から噴射されるインクの飛翔速度の不足分が補われる。その結果、ノズル列を構成する各ノズル２４から噴射されるインクの飛翔速度を揃えることができる。また、接着領域の断面積を、圧電素子３４が並んだ方向に沿って変えるだけでよいため、ノズル２４から噴射されるインクの噴射特性を各ノズル２４間において容易に揃えることができる記録ヘッド２を得ることができる。

ところで、本発明は、上記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、上記実施形態では、ヘッドケース１６の着座部３３を凸形状としたが、固定部材３５を凸形状としても良い。

（変形例）
実施形態では、ヘッドケース１６に着座部３３を設けたが、これには限られない。例えば、図４に示す変形例の記録ヘッド２００では、ヘッドケース１６０と流路ユニット１４との間にケース部材としての固定プレート４１を挟み、この固定プレート４１上に着座部３３０が形成されている。なお、変形例では、ヘッドケース１６０と固定プレート４１が本発明におけるケース部材に相当する。

変形例のヘッドケース１６０は、固定プレート４１の流路ユニット１４とは反対側の面に接合されている。このヘッドケース１６０の内部には、ケース流路３１０、および、圧電素子ユニット１５を収容する上方収容空部４２が、その高さ方向に貫通して形成されている。

固定プレート４１は、例えば、剛性のあるＳＵＳ等により作製された基板であり、流路ユニット１４のノズル面とは反対側に接合されている。この固定プレート４１の内部には、連通流路４４、および、圧電素子３４の下端部を収容する下方収容空部４３が、その高さ方向に貫通して形成されている。連通流路４４は、上端がヘッドケース１６０のケース流路３１０と連通され、下端がリザーバー２１と連通されている。

下方収容空部４３は、ヘッドケース１６０の上方収容空部４２と連通して収容空部３２０を構成している。この下方収容空部４３のノズル列に直交する方向の幅は、ヘッドケース１６０の上方収容空部４２の同方向の幅よりも狭く形成され、他側（圧電素子ユニット１５の固定部材３５とは反対側）の壁面が、上方収容空部４２における同側の壁面と揃えられている。すなわち、下方収容空部４３における一側（圧電素子ユニット１５の固定部材３５側）の壁面は、上方収容空部４２における同側の壁面よりも内側に位置し、固定プレート４１の上面の一部が上方収容空部４２内に露出されている。そして、この露出された部分が着座部３３０を形成している。この着座部３３０には、接着層３６を介して固定部材３５の下面の圧電素子群とは反対側が固定される。

このように、ヘッドケース１６０の下方に固定プレート４１を接続して、この固定プレート４１上に着座部３３０を設けたので、ヘッドケース１６０に樹脂等の剛性が低い部材を用いたとしても、固定プレート４１に剛性の高い部材を用いることで着座部３３０の剛性を高くすることができる。これにより、着座部３３０の圧電素子３４の振動に対する反力を大きくすることができ、圧電素子３４による振動を圧力室２３側に効率よく伝えることができる。また、接着層３６に設けた接合強度の差によるインクの飛翔速度の差を、より際立たせることができる。さらに、ヘッドケース１６０を製造が容易な樹脂等で作成することができるため、コストを下げることができる。

そして、本発明は、圧電素子３４を用いて液体の噴射制御が可能な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、３…インクカートリッジ、４…キャリッジ、５…記録紙、６…キャリッジ移動機構、７…プラテン、８…搬送機構、９…ガイドロッド、１０…リニアエンコーダー、１１…キャッピング部材、１２…ワイパー部材、１４…流路ユニット、１５…圧電素子ユニット、１６…ヘッドケース、１８…流路形成基板、１９…ノズルプレート、２０…振動板、２１…リザーバー、２２…インク供給口、２３…圧力室、２４…ノズル、２６…支持板、２７…弾性体膜、２８…ダイヤフラム部、２９…コンプライアンス部、３０…島部、３１…ケース流路、３２…収容空部、３３…着座部、３４…圧電素子、３５…固定部材、３６…接着層、３７…フレキシブルケーブル、３８…両端部分、３９…中央部分、４１…固定プレート、４２…上方収容空部、４３…下方収容空部、４４…連通流路、１６０…ヘッドケース、２００…記録ヘッド、３１０…ケース流路、３２０…収容空部、３３０…着座部。

Claims (2)

1. 共通液室から圧力室を経てノズルに連通する一連の液体流路を形成した流路形成基板および当該流路形成基板の一方の表面に接合された振動板を有する流路ユニットと、前記振動板を変形させる圧電素子が並んだ圧電素子群及び当該圧電素子群が支持される固定部材を有する圧電素子ユニットと、当該圧電素子ユニットを収容可能な収容空部を有するケース部材とを備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記圧電素子群が、自由端部を前記固定部材の先端面から外側に突出させた状態で前記固定部材に接合され、
   前記圧電素子群の前記自由端部が挿通される前記収容空部に臨む前記ケース部材は、前記流路ユニットの前記振動板側に接合され、
   前記固定部材の前記圧電素子群との接続面以外の一面が、前記ケース部材の表面と接着剤を介して接合され、その接着領域の前記圧電素子が並んだ方向に沿った断面積が、前記圧電素子の並びの中央部分から両端部分に行く程大きくなる
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１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。

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