JP2023109057A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】一実施形態に係る液体吐出ヘッドはシェアモードシェアードウォール式であり、アクチュエータ部と、絞り部と、を備える。アクチュエータ部は、圧電部材で構成され、圧力室と、空気室と、を有する。絞り部は圧電部材で構成される。絞り部は前記圧力室の入口及び出口に設けられる。絞り部は前記圧力室に連通するとともに前記圧力室の流体抵抗を増加する絞り口を有する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

近年、インクジェットヘッドにおいて、高生産性が求められ、高速化や液滴量増加が課題となっている。例えば、シェアモードシェアードウォール式のインクジェットヘッドは、ハイパワーとなり、高粘度インクの吐出や大きな液滴の吐出に向いている。シェアモードシェアウォール式のインクジェットヘッドにおいては、同じ駆動柱を２つの圧力室で共有し、複数配列される室のうちの１／３を圧力室として同時に駆動する所謂３サイクル駆動が一般的である。また、駆動する圧力室の両側をダミー圧力室として、１つの圧力室を独立した２つの駆動柱で駆動する独立駆動ヘッドも開発されている。例えば、圧電体に多数の溝を形成し、１本おきに出入り口を塞ぎ、出入り口が塞がれない溝を圧力室とし、塞がれた溝を空気室として、独立駆動とする構造が開発されている。

このようなインクジェットヘッドにおいては、インク滴が吐出した後、共通液室から圧力室にインクが補給される。このとき、ノズルでオーバーシュートしてメニスカスが盛り上る現象が発生する。共通液室からノズルに至る流路の流体抵抗が小さいほどオーバーシュートは大きくなり、このオーバーシュートが収まらないとメニスカスが安定した状態で吐出をすることができない。したがって、インクジェットヘッドにおいて高速化するには、メニスカスの盛り上りを早く収束させ、安定的な吐出特性を確保することが求められる。

特開２００８－９４０３６号公報

本発明が解決しようとする課題は、安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。

一実施形態に係る液体吐出ヘッドはシェアモードシェアードウォール式であり、アクチュエータ部と、絞り部と、を備える。アクチュエータ部は、圧電部材で構成され、圧力室と、空気室と、を有する。絞り部は圧電部材で構成される。絞り部は前記圧力室の入口及び出口に設けられる。絞り部は前記圧力室に連通するとともに前記圧力室の流体抵抗を増加する絞り口を有する。

実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図。 実施形態に係るインクジェットヘッドの一部の構成を示す分解斜視図。 同インクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す斜視図。 同インクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す断面図。 同インクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す断面図。 同インクジェットヘッドの製造方法の説明図。 同インクジェットヘッドの製造方法の説明図。 試験例１及び試験例２に係るインクジェットヘッドの説明図。 試験例１に係るインクジェットヘッドの吐出速度を示すグラフ。 試験例２に係るインクジェットヘッドの吐出速度を示すグラフ。 試験例１及び試験例２に係るインクジェットヘッドのメニスカス復帰特性を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るエンドシュータのインクジェットヘッドの説明図。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドの駆動波形を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドのノズル流速振動を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドの吐出体積を示すグラフ。 試験例１及び試験例３に係るインクジェットヘッドのメニスカス復帰特性を示すグラフ。 実施形態に係るインクジェットプリンタを示す模式図。 他の実施形態にかかるインクジェットヘッドの製造方法の説明図。 他の実施形態にかかるインクジェットヘッドの製造方法の説明図。 同実施形態にかかるインクジェットヘッドの製造方法の説明図。 同実施形態にかかるインクジェットヘッドの製造方法の説明図。

以下に、第１実施形態に係る液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッド１０の構成について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図であり、図２はインクジェットヘッドの一部の分解斜視図である。図３はインクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す斜視図であり、図４及び図５はインクジェットヘッドの一部の構成を拡大して示す断面図である。図６及び図７はインクジェットヘッドの製造工程の説明図である。図中Ｘ、Ｙ、Ｚは互いに直交する第１方向、第２方向、及び３方向をそれぞれ示す。なお、本実施形態において、インクジェットヘッド１０のノズル２８や圧力室３１の並列方向がＸ軸に、圧力室３１の延出方向がＹ軸に、液体の吐出方向がＺ軸に、それぞれ沿う姿勢を基準として方向の説明を記載するが、これに限られるものではない。

図１乃至図５に示すように、インクジェットヘッド１０は、いわゆるサイドシュータ型のシェアモードシェアードウォール式のインクジェットヘッドである。インクジェットヘッド１０は、インクを吐出するための装置であり、例えばインクジェットプリンタの内部に搭載される。例えばインクジェットヘッド１０は圧力室３１と空気室３２が交互に配される独立駆動式のインクジェットヘッドである。空気室３２は、インクが供給されない空気室であり、ノズル２８を備えない。

インクジェットヘッド１０は、アクチュエータベース１１と、ノズルプレート１２と、フレーム１３と、を備えている。アクチュエータベース１１は、基材の一例である。インクジェットヘッド１０の内部に、液体の一例としてのインクが供給されるインク室２７が形成される。

さらに、インクジェットヘッド１０は、インクジェットヘッド１０を制御する回路基板１７や、インクジェットヘッド１０とインクタンクとの間の経路の一部を形成するマニホールド１８などの部品を備える。

図２乃至図５に示すように、アクチュエータベース１１は、基板２１と、一対のアクチュエータ２２と、を備える。

基板２１は、例えばアルミナなどのセラミックスによって矩形の板状に形成される。基板２１は平坦な実装面を有する。基板の実装面に一対のアクチュエータ２２が接合されている。基板２１には複数の供給孔２５と排出孔２６とが形成されている。

図２及び図３に示すように、アクチュエータベース１１の基板２１には、パターン配線２１１が形成される。パターン配線２１１は、例えばニッケル薄膜によって形成される。パターン配線２１１は、共通パターンや個別パターンを有し、アクチュエータ２２に形成された電極層３４に接続される所定のパターン形状に構成される。

供給孔２５は、基板２１の中央部であって一対のアクチュエータ２２の間において、アクチュエータ２２の長手方向に並んで設けられている。供給孔２５は、マニホールド１８のインク供給部に連通する。供給孔２５は、インク供給部を介してインクタンクに接続される。供給孔２５はインクタンクのインクをインク室２７に供給する。

排出孔２６は、供給孔２５及び一対のアクチュエータ２２を挟んで、二列に並んで設けられている。排出孔２６は、マニホールド１８のインク排出部に連通する。排出孔２６は、インク排出部を介してインクタンクに接続される。排出孔２６はインク室２７のインクをインクタンクに排出する。なお、排出孔２６は、印字中に開かれる構成であってもよく、この場合には循環式となり、各圧力室３１に対して供給孔２５がある一方側から、排出孔２６がある他方側に向けて、インクが流れる。あるいは、排出孔２６は、例えばメンテナンス時のみ開かれ、印字中には閉じられる構成であってもよい。この場合、非循環式となり、各圧力室３１に対して両側からインクが流れ込む。

一対のアクチュエータ２２は、基板２１の実装面に接着される。一対のアクチュエータ２２は供給孔２５を挟んで二列に並んで基板２１に設けられている。
各アクチュエータ２２は、第２方向の中央に設けられるアクチュエータ部材２０１（アクチュエータ部）と、アクチュエータ部材２０１の第２方向の両端部にそれぞれ設けられる一対の絞り部材２０２（絞り部）と、をそれぞれ備える。

アクチュエータ部材２０１及び絞り部材２０２はいずれも圧電部材で構成される。例えばアクチュエータ部材２０１及び絞り部材２０２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成された板状の二つの圧電体によってそれぞれ形成される圧電部材で構成される。前記二つの圧電体は、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされる。アクチュエータ部材２０１と絞り部材２０２は、積層される２つの圧電体の厚さ比が、互いに異なっていてもよい。

一例として、アクチュエータ部材２０１は一対の絞り部材２０２と、圧力室３１の並列方向となる第１方向と、２つの圧電体が重なる積層方向である第３方向において、長さが等しく構成される。アクチュエータ部材２０１は、圧力室３１の延出方向である第２方向において、絞り部材２０２よりも長く、例えばアクチュエータ部材２０１の第２方向の長さが各絞り部材２０２の第２方向の長さの２倍以上に構成される。

アクチュエータ２２は、例えば熱硬化性を有するエポキシ系接着剤によって基板２１の実装面に接着される。図２に示すように、アクチュエータ２２は、二列に並ぶノズル２８に対応して、インク室２７内において平行に並んで配置される。アクチュエータ２２は、インク室２７を、供給孔２５が開口する第１共通室２７１と、排出孔２６が開口する二つの第２共通室２７２とに区切る。

アクチュエータ２２は、短手方向の幅が頂部側から基板側に向かって漸次大きくなる。アクチュエータ２２の長手方向に直交する方向（短手方向）に沿う断面形状は台形状に形成される。アクチュエータ２２の側面部２２１は、第２方向及び第３方向に対して傾斜する傾斜面を有する。アクチュエータ２２の頂部は、ノズルプレート１２に接着される。

アクチュエータ２２は、アクチュエータ部材２０１に形成される複数の圧力室３１と、複数の空気室３２と、を備える。すなわち、アクチュエータ部材２０１は、圧電部材で構成される複数の側壁部３３を有し、側壁部３３の間に、圧力室３１及び空気室３２を構成する溝２０１１を有する。言い換えると、側壁部３３は、圧力室３１及び空気室３２を形成する溝２０１１の間に駆動素子として形成される。

また、アクチュエータ２２は、絞り部材２０２に形成される複数の絞り口２４２を備える。すなわち、絞り部材２０２は圧電部材で構成される複数の側壁部２４１を有し、側壁部２４１の間に絞り口２４２を構成する溝２０２１を有する。言い換えると、側壁部２４１は、絞り口２４２を形成する溝２０２１の間に駆動素子として形成される。

図１乃至図５に示すように、溝２０２１の底面部と基板２１の主面とは傾斜する側面部２２１によって繋がる。圧力室３１と空気室３２とは、交互に配置される。圧力室３１および空気室３２は、アクチュエータ２２の長手方向と交差する方向にそれぞれ延び、アクチュエータ２２の長手方向である第１方向（図中Ｘ軸）において複数並列する。本実施形態において例えば溝２０１１は、Ｘ方向の幅寸法が、Ｚ方向に沿う深さ方向において一定に構成され、延出方向であるＹ方向に直交する断面が矩形状に構成される。溝２０１１と溝２０２１の深さ寸法は異なっていてもよいし、同じであってもよい。

なお、圧力室３１の形状と空気室３２の形状とが異なっていてもよい。側壁部３３、２４１は、圧力室３１と空気室３２の間に形成され、駆動信号に応じて変形することで、圧力室３１の容積を変化させる。

アクチュエータベース１１の圧力室３１、空気室３２、及び絞り口２４２を構成する複数の溝２０１１、２０２１の内壁面にはそれぞれ電極層３４が設けられている。電極層３４は、例えばニッケル薄膜等の導電膜によって形成される。電極層３４は溝２０１１、２０２１の内面部から基板２１上に至り、パターン配線２１１に接続される。すなわち、圧力室３１や空気室３２に形成される電極と絞り口２４２に形成される電極は接続され、絞り口２４２は圧力室３１や空気室３２と連動して駆動される。例えば電極層３４は、少なくとも側壁部３３の側面部、すなわち圧力室３１、空気室３２及び絞り口２４２を構成する溝２０１１、２０２１の側壁面に、形成されている。電極層３４は例えば溝２０１１、２０２１の側面部及び底面部に形成されていてもよい。

複数の圧力室３１は、頂部に接合されるノズルプレート１２の複数のノズル２８に連通する。圧力室３１の第２方向の両端はインク室２７に連通する。すなわち、一方の端部はインク室２７の第１共通室２７１に開口し、他方の端部は、インク室２７の第２共通室２７２に開口する。例えば、圧力室３１の一方の端部の開口はインクが流入する入口となり、他方の端部の開口はインクが流出する出口となる。あるいは、両側からインクが流入する場合には両端部の開口がインクの入口となる。圧力室３１におけるインク室２７との連通口には、圧力室３１内部よりも流体抵抗が大きく構成された絞り口２４２を有する絞り２４０が形成される。一例として本実施形態においては圧力室３１の両側の端部の開口に、それぞれ絞り２４０が形成される。

絞り２４０は、圧力室３１のインク室２７に連通する開口部を狭める形状に構成される。一例として、絞り２４０は、絞り部材２０２で構成され、圧力室３１の第２方向の端部に連通するとともに、圧力室３１を構成する溝２０１１の溝幅よりも小さい溝幅を有する溝２０２１で構成される。Ｘ方向において、溝２０２１の溝幅は、溝２０１１の溝幅よりも小さい。

すなわち、圧力室３１を構成する溝２０１１は、延出方向である第２方向の両端部に、圧力室３１と第１共通室２７１及び第２共通室２７２とを連通する絞り口２４２が形成される。絞り口２４２は圧力室３１の長手方向である第２方向（Ｙ方向）と、圧力室３１の深さ方向となる第３方向（Ｚ方向）に延びるスリット形状である。絞り口２４２は、第１方向の開口幅が、圧力室３１内部の第１方向の幅よりも小さく構成されていることにより、圧力室３１の流路断面積より小さく構成されている。すなわち、圧力室の第２方向両端の連通口に流路抵抗が増加する絞り２４０が形成される。なお、絞り口２４２は、深さ方向である第３方向の深さ寸法は圧力室３１の内部の第３方向の寸法と同じであってもよく、異なっていてもよい。一例として、絞り口２４２の第３方向の寸法は、圧力室３１の内部の第３方向の寸法より小さく構成される。

なお、絞り２４０の流体抵抗は、大きくしすぎると、インク滴吐出後の圧力室３１へのインクの補給が遅くなり、高速化を阻害することになる。また、メニスカスの盛り上りは、インク粘度、吐出体積、駆動周波数などにより異なる。したがって、側壁部２４１の形状、絞り２４０の絞り口２４２の寸法や位置は、インク補給条件やメニスカスの盛り上がりの特性に応じた流路抵抗となるようそれぞれ設定される。なお、両側の絞り２４０は異なる構成であってもよい。

空気室３２は第３方向における一方側が頂部に接合されるノズルプレート１２によって塞がれる。また複数の空気室３２は例えば第２方向の両端がカバー部２３により塞がれる。すなわち、インク室２７の第１共通室２７１と空気室３２の入口との間、及び空気室３２の出口と第２共通室２７２との間にそれぞれカバー部２３が配され、空気室３２の両端はインク室２７と隔てられている。このため、空気室３２はインクが流入しない空気室を構成する。

例えばカバー部２３は、空気室３２の両端部に連通する絞り部材２０２に形成された溝２０２１に感光性樹脂を充填した後、硬化させて形成され、空気室３２の入口及び出口を塞ぐ。

ノズルプレート１２は、例えばポリイミド製の矩形のフィルムによって形成される。ノズルプレート１２は、アクチュエータベース１１の実装面に対向する。ノズルプレート１２には、ノズルプレート１２を厚さ方向に貫通する、複数のノズル２８が形成される。

複数のノズル２８は、圧力室３１と同数設けられ、圧力室３１にそれぞれ対向して配置される。ノズル２８は、第１方向に沿って複数並び、一対のアクチュエータ２２に対応して２列に配列される。各ノズル２８はそれぞれ軸が第３方向に延びる筒状に構成される。例えばノズル２８は径が一定であっても、中央部または先端部にかけて縮径する形状であってもよい。ノズル２８は、一対のアクチュエータ２２に形成される圧力室３１の延出方向の中途部に対向配置され、圧力室３１にそれぞれ連通する。ノズル２８は、各圧力室３１の、両端部の間に対応する位置であって、例えば長手方向中央部に、１つずつ、配置される。

フレーム１３は、例えばニッケル合金によって矩形の枠状に形成される。フレーム１３は、アクチュエータベース１１の実装面とノズルプレート１２との間に介在する。フレーム１３は、アクチュエータベース１１の実装面とノズルプレート１２とにそれぞれ接着される。すなわち、ノズルプレート１２は、フレーム１３を介してアクチュエータベース１１に取り付けられている。

マニホールド１８は、アクチュエータベース１１のノズルプレート１２とは反対側に接合される。マニホールド１８の内部に、供給孔２５に連通する流路であるインク供給部や排出孔２６に連通する流路であるインク排出部が形成される。

回路基板１７は、フィルムキャリアパッケージ（ＦＣＰ）である。回路基板１７は、複数の配線が形成されるとともに、柔軟性を有する樹脂製のフィルム５１と、フィルム５１の複数の配線に接続されたＩＣ５２と、を有する。ＩＣ５２はフィルム５１の配線やパターン配線２１１を介して電極層３４に電気的に接続される。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１０の内部において、アクチュエータベース１１と、ノズルプレート１２と、フレーム１３とに囲まれるインク室２７が形成される。すなわち、インク室２７は、アクチュエータベース１１とノズルプレート１２との間に形成される。例えばインク室２７は、２つのアクチュエータ２２によって第２方向において３つの区間に仕切られ、排出孔２６が開口する共通室としての二つの第２共通室２７２と、供給孔２５が開口する共通室としての第１共通室２７１と、を有する。第１共通室２７１及び第２共通室２７２は、複数の圧力室３１に連通している。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１０において、供給孔２５、圧力室３１、及び排出孔２６を通って、インクはインクタンクとインク室２７との間で循環する。例えばインクジェットプリンタの制御部から入力された信号によって、駆動ＩＣ５２がフィルム５１の配線を介して圧力室３１の電極層３４に駆動電圧を印加することにより、圧力室３１の電極層３４と、空気室３２の電極層３４との間に電位差を生じさせることで、側壁部３３を選択的にシェアモード変形させる。圧力室３１と空気室３２の間に形成された側壁部３３を駆動信号に応じて変形することで、圧力室３１の容積を変化させる。このとき、絞り部材２０２の側壁部２４１も同時に駆動され、変形することで、絞り口２４２を変形させる。

側壁部３３、２４１がシェアモード変形することにより、当該電極層３４が設けられた圧力室３１の容積が増加し、圧力が減少する。これにより、当該圧力室３１にインク室２７のインクが流入する。圧力室３１に連通する絞り口２４２が圧力室３１と連動するため、圧力室３１の容積が増加するとき、絞り口２４２も広がり、インク流入を促進させる。

圧力室３１の容積が増加した状態で、ＩＣ５２が圧力室３１の電極層３４に逆電位の駆動電圧を印加する。これにより、側壁部３３がシェアモード変形して当該電極層３４が設けられた圧力室３１の容積が減少し、圧力が増加する。これにより、圧力室３１の中のインクが加圧され、ノズル２８から吐出される。絞り口２４２が圧力室３１と連動するため、圧力室３１の容積が減少するとき、絞り口２４２も縮小し圧力室３１の圧力増加を促進させる。
駆動終了後にメニスカスの残留振動が生じるが、この時には絞り口２４２は所望の設計サイズに戻っており、設計通りの流体抵抗となっている。よってメニスカスの振動を抑制しながら、吐出効率を上げることが可能である

インクジェットヘッド１０の製造方法について図６及び図７を参照して説明する。まずアクチュエータ部材２０１に圧力室３１及び空気室３２を構成する溝２０１１を形成する。溝２０１１は、ダイシングソーやスライサー等を使用した機械加工で形成することができる。続いて、一対の絞り部材２０２をアクチュエータ部材２０１の第２方向の両端部に接合し、絞り部材２０２に絞り口２４２を構成する溝２０２１を形成する。そして、基板２１に接着剤等で貼り付け、ダイシングソーやスライサー等を使用した機械加工を施して、所定形状の外形を有するアクチュエータベース１１を成形する。なお、例えば予め複数枚分の厚さのブロック状のベース部材を形成してから分割し、所定形状のアクチュエータベース１１を複数枚製造してもよい。

続いて、圧力室３１、空気室３２、及び絞り口２４２を構成する複数の溝２０１１、２０２１の内面や基板２１の表面に電極層３４やパターン配線２１１を形成する。例えば電極層３４やパターン配線２１１は、例えば無電解メッキで電極膜を形成した後にＰＥＰ法（Ｐｈｏｔｏ Ｅｎｇｒａｖｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ）で不要部位の電極膜を除去する等、種々の方法で形成することができる。以上により、アクチュエータベース１１の表面に、電極層３４、及びパターン配線２１１が所定箇所にそれぞれ形成される。

続いて、カバー部２３を所定箇所に形成することによって空気室３２の両端に続く溝２０２１を塞ぐ。例えば絞り部材２０２に形成された複数の溝２０２１のうち、空気室３２に連通する溝２０２１に、感光性樹脂を充填し、硬化させることにより、カバー部２３を形成する。以上により、圧力室３１の出入り口に、絞り２４０が形成されるとともに、カバー部２３によって塞がれた空気室３２が形成される。

そして、アクチュエータベース１１をマニホールド１８に組み付け、アクチュエータベース１１の基板２１の一方の面に、熱可塑性樹脂の接着シートにより、フレーム１３を貼付ける。

そして、組立てられたフレーム１３、アクチュエータ２２の側壁部３３の頂部、が同一面となるよう研磨する。そして、側壁部３３の頂部、フレーム１３、の研磨面にノズルプレート１２を接着して取り付ける。このとき、圧力室３１にノズル２８が対向するように位置決めを行う。さらに、基板２１の主面に形成されたパターン配線２１１に、フレキシブルプリント基板を介して駆動ＩＣチップ５２や回路基板１７を接続することで、インクジェットヘッド１０が完成する。

以下に、インクジェットヘッド１０を備えるインクジェットプリンタ１００の一例について、図１７を参照して説明する。図１７はインクジェットプリンタ１００の構成を示す説明図である。図１７に示す様に、インクジェットプリンタ１００は、筐体１１１と、媒体供給部１１２と、画像形成部１１３と、媒体排出部１１４と、搬送装置１１５と、制御部１１６と、を備える。

インクジェットプリンタ１００は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る所定の搬送路Ａに沿って、吐出対象物である記録媒体として例えば用紙Ｐを搬送しながらインク等の液体を吐出することで、用紙Ｐに画像形成処理を行う液体吐出装置である。

筐体１１１は、インクジェットプリンタ１００の外郭を構成する。筐体１１１の所定箇所に、用紙Ｐを外部に排出する排出口を備える。

媒体供給部１１２は複数の給紙カセットを備え、各種サイズの用紙Ｐを複数枚積層して保持可能に構成される。

媒体排出部１１４は、排出口から排出される用紙Ｐを保持可能に構成された排紙トレイを備える。

画像形成部１１３は、用紙Ｐを支持する支持部１１７と、支持部１１７の上方に対向配置された複数のヘッドユニット１３０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成を行う所定領域にループ状に備えられる搬送ベルト１１８と、搬送ベルト１１８を裏側から支持する支持プレート１１９と、搬送ベルト１１８の裏側に備えられた複数のベルトローラ１２０と、を備える。

支持部１１７は、画像形成の際に、搬送ベルト１１８の上面である保持面に用紙Ｐを支持するとともに、ベルトローラ１２０の回転によって所定のタイミングで搬送ベルト１１８を送ることにより、用紙Ｐを下流側へ搬送する。

ヘッドユニット１３０は、複数（４色）のインクジェットヘッド１０と、各インクジェットヘッド１０上にそれぞれ搭載された液体タンクとしてのインクタンク１３２と、インクジェットヘッド１０とインクタンク１３２とを接続する接続流路１３３と、循環部である循環ポンプ１３４と、を備える。ヘッドユニット１３０は、インクタンク１３２と、インクジェットヘッド１０の内部に作りこまれた圧力室３１、空気室３２、及びインク室２７において液体を常時循環させる循環型のヘッドユニットである。

本実施形態において、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色のインクジェットヘッド１０と、これらの各色のインクをそれぞれ収容するインクタンク１３２を備える。インクタンク１３２は接続流路１３３によってインクジェットヘッド１０に接続される。接続流路１３３は、インクジェットヘッド１０の供給口に接続される供給流路と、インクジェットヘッド１０の排出口に接続される回収流路と、を備える。

また、インクタンク１３２には、図示しないポンプなどの負圧制御装置が連結される。そして、インクジェットヘッド１０とインクタンク１３２との水頭値に対応して、負圧制御装置はインクタンク１３２内を負圧制御することで、インクジェットヘッド１０の各ノズル２８に供給されたインクを所定形状のメニスカスを形成する。

循環ポンプ１３４は、例えば圧電ポンプで構成される送液ポンプである。循環ポンプ１３４は、供給流路に設けられている。循環ポンプ１３４は、配線により制御部１１６の駆動回路に接続され、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）による制御によって制御可能に構成される。循環ポンプ１３４は、インクジェットヘッド１０とインクタンク１３２を含む循環流路で液体を循環させる。

搬送装置１１５は、媒体供給部１１２から画像形成部１１３を通って媒体排出部１１４に至る搬送路Ａに沿って、用紙Ｐを搬送する。搬送装置１１５は、搬送路Ａに沿って配置される複数のガイドプレート対１２１と、複数の搬送用ローラ１２２と、を備えている。

複数のガイドプレート対１２１は、それぞれ、搬送される用紙Ｐを挟んで対向配置される一対のプレート部材を備え、用紙Ｐを搬送路Ａに沿って案内する。

搬送用ローラ１２２は、制御部１１６の制御によって駆動されて回転することで、用紙Ｐを搬送路Ａに沿って下流側に送る。なお、搬送路Ａには用紙の搬送状況を検出するセンサが各所に配置される。

制御部１１６は、コントローラであるＣＰＵ等の制御回路と、各種のプログラムなどを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各種の可変データや画像データなどを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部と、を備える。

以上のように構成されたインクジェットプリンタ１００において、制御部１１６は、例えばインターフィースにおいてユーザが操作入力部の操作による印刷指示を検出すると、搬送装置１１５を駆動して用紙Ｐを搬送するとともに、所定のタイミングでヘッドユニット１３０に対して印字信号を出力することで、インクジェットヘッド１０を駆動する。インクジェットヘッド１０は吐出動作として、画像データに応じた画像信号により、ＩＣに駆動信号を送り、配線を介して圧力室３１の電極層３４に駆動電圧を印加してアクチュエータ２２の側壁部３３を選択的に駆動してノズル２８からインクを吐出し、搬送ベルト１１８上に保持された用紙Ｐに画像を形成する。また、液体吐出動作として、制御部１１６は、循環ポンプ１３４を駆動することで、インクタンク１３２とインクジェットヘッド１０とを通る循環流路で液体を循環させる。循環動作により、インクタンク１３２内のインクは、循環ポンプ１３４が駆動されることにより、インクタンク１３２のインクが、マニホールド１８のインク供給部を通って、供給孔２５からインク室２７の第１共通室２７１に供給される。このインクは、一対のアクチュエータ２２の複数の圧力室３１と、複数の空気室３２とに供給される。インクは、圧力室３１と空気室３２とを通ってインク室２７の第２共通室２７２に流入する。このインクは、排出孔２６から、マニホールド１８のインク排出部を通ってインクタンク１３２に排出される。

上述した実施形態によれば周波数特性の高いインクジェットヘッドを提供できる。すなわち、上記実施形態に係るインクジェットヘッド１０は、圧力室３１の開口部に、圧力室３１内部や第１共通室２７１、第２共通室２７２よりも流路抵抗が大きい絞り２４０を容易に形成できる。そして、絞り２４０は、圧力室３１の共通室である第１共通室２７１や第２共通室２７２に開口する開口部が、圧力室３１の流路断面積より小さい。このため、インクジェットヘッド１０において液体吐出を行った際のメニスカスの盛り上がりが小さくなる。したがって、メニスカスの復帰が早くなり次弾への影響が軽減でき、吐出安定性が向上できる。

図８は、絞り（絞り２４０）を備えるインクジェットヘッド１１０の試験例１と、絞りを備えていないインクジェットヘッド１０１０の試験例２である。図９は、試験例１に係る絞りを有するインクジェットヘッド１１０の周波数特性を示し、図１０は、比較例２としての絞りを備えないインクジェットヘッド１０１０の、周波数特性を示す。図１０及び図１１においてそれぞれノズルの吐出速度と、周波数との関係を、１ｄｒｏｐ、３ｄｒｏｐの場合について、それぞれ示している。

ここで、試験例１にかかるインクジェットヘッド１１０は、圧力室３１の延出方向である第２方向の両側が共通室に連通するとともに、圧力室３１の延出方向の中途部にノズル２８が開口するサイドシュータ型である。

図１０に示されるように試験例２に係るインクジェットヘッド１０１０においては、低周波領域では吐出速度はフラットであるが、周波数が高くなるにつれて吐出速度が減少傾向にあり、低周波領域と高周波領域で吐出速度に差異がある。試験例２に係るインクジェットヘッド１０１０の１ｄｒｏｐにおいては、２５ｋＨｚまでは、吐出速度はフラットであるが、２５ｋＨｚ以上で周波数が高くなるにつれて吐出速度が減少傾向である。また、試験例２に係るインクジェットヘッド１０１０の３ｄｒｏｐにおいては、１５ｋＨｚまでは、吐出速度はフラットであるが、１５ｋＨｚ以上で周波数が高くなるにつれて吐出速度が減少傾向である。したがって、印刷のパターンによって着弾位置にズレが生じる。このように吐出速度に差異が大きいと、メニスカスの盛り上りが収まるのに時間がかかり、印字品質低下を引き起こすため、高速駆動することができない。

一方、図９に示すように、絞り部を有するインクジェットヘッド１１０では、１ｄｒｏｐ及び３ｄｒｏｐ共に吐出速度がフラットな傾向にある。これは、共通液からノズル間の流体抵抗が大きくなり、メニスカスの盛り上がりが小さくなるためである。

また図１１は圧力室に絞りを設けた試験例１と絞りを設けない試験例２のメニスカス復帰のシミュレーション結果を示している。図１１によれば、ノズルのメニスカス状態は低周波の場合、インク滴を吐出してから次弾が吐出されるまでに十分な時間があり、絞り有無に関わらずメニスカスの復帰を待ってから安定状態で吐出が可能である。一方、高周波の場合、ドット（インク滴）を吐出してから次弾が吐出されるまでの時間が短いために、メニスカスの復帰前に次弾の吐出が始まる。このため、絞りを設けないインクジェットヘッド１０１０の場合には、吐出した後、メニスカスの盛り上がりが大きくなり、次弾の吐出までにメニスカス復帰できず、吐出速度が低下する。それに対して、絞りを設けた場合はメニスカスの盛り上がりが小さくなるため、メニスカスの復帰が早くなり次弾への影響が軽減できる。よってこれらのシミュレーション結果から、圧力室３１と共通室との間に絞りを設けることでインクジェットヘッド１１０吐出安定性向上に繋がると言える。

図１２は試験例１としてのサイドシュータ型のインクジェットヘッド１１０と、インク出入り口が一端でノズルが他端に形成された試験例３としてのシェアモードシェアードウォール式エンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０の、説明図である。

図１３乃至図１６は試験例３としてのエンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０と、サイドシュータ型の試験例１のインクジェットヘッド１１０においてそれぞれ絞りを設けた場合の、シミュレーション特性比較した図である。図１３は駆動波形、図１４はノズル流速振動、図１５は吐出体積、図１６はメニスカスの復帰特性を、それぞれ示す。

また、試験例３にかかるインクジェットヘッド２０１０は、圧力室３１の延出方向である第２方向の一端側が共通室に連通し、他端部が閉じ、流路の端部にノズルが開口するエンドシュータ型とした。すなわち、インクジェットヘッド２０１０は第２方向の一方からノズル２８に向けて流れる流路を構成する。

試験例３としての片側から供給するエンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０と、両側供給のサイドシュータ型の試験例１としてのインクジェットヘッド１１０は、吐出体積、ノズル流速振動、メニスカス復帰特性を揃えた時の駆動電圧は両側供給のサイドシュータ型の構成が最も低いため、両側供給は片側供給に対して、駆動効率の観点から優位性が高いと言える。すなわち、圧力室の中央にノズルがあり、インクの出入り口が両端にある、所謂サイドシュータ型のインクジェットヘッド１１０の方が、エンドシュータ型のインクジェットヘッド２０１０よりも吐出効率が優れている。

上記実施形態にかかるインクジェットヘッド１０において、絞り口２４２を有する絞り部材２０２は圧電部材で構成され、圧力室３１に繋がる電極層３４が形成されていることから、圧力室３１と連動して駆動される。したがって、圧力室３１を縮小して加圧し、インクを吐出するとき、絞り口２４２も同時駆動により狭くなり、圧力室の圧力増加を促進させる。吐出を終了し圧力室３１を縮小した状態から拡張するときは、絞り口２４２も広くなるため、急激な減圧を抑えることができ、インクのリフィル（充填）を促進させる。また、駆動終了後にメニスカスの残留振動が生じるが、このときには絞り口２４２は所望の設計サイズに戻っており、設計通りの流体抵抗となる。このように、インクジェットヘッド１０によれば、絞り口２４２が圧力室３１と連動して動作するため、インクの吐出性能が向上する。

また、上記実施形態にかかるインクジェットヘッド１０においては、圧力室３１の出入口となる連通口において部分的に絞りを形成するため、圧力室３１を全体的に縮幅するよりも圧力室３１の体積を確保しやすい。したがって、圧力室を全体的に縮幅する構成と比べてノズルや液滴の大きさに制約が少なく、吐出性能を維持しやすい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

また、アクチュエータの製造方法は上記実施形態に限られるものではない。例えばアクチュエータ部材２０１及び絞り部材２０２にそれぞれ溝２０１１、２０２１を形成してカバー部２３を形成した後にノズルプレート１２との対向面を研磨で同一面にしてもよい。また、絞り部材２０２をアクチュエータ部材２０１に接合して組付けた後、外形を台形状に加工してから、絞り口２４２となる溝２０２１を形成してもよい。

例えば上記実施形態においては、アクチュエータ部材２０１と絞り部材２０２を接合した後に基板２１に接着する例を示したが、これに限られるものではなく、例えば他の実施形態として図１８に示すように、アクチュエータ部材２０１と絞り部材２０２それぞれを基板２１に接合させて構成してもよい。

また、アクチュエータ２２の構成は上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態においては、異なる部材、つまり別体で構成されたアクチュエータ部材２０１と絞り部材２０２を組み合わせてアクチュエータ２２を形成した例を示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態として図１９乃至図２１に示すアクチュエータ２２０のように、１つの圧電部材２０３でアクチュエータ２２０が構成されていてもよい。図１９乃至図２１は他の実施形態にかかるアクチュエータ２２０の製造方法を示す説明図である。本実施形態にかかるアクチュエータ２２０は、アクチュエータ部と絞り部が一体に構成され、共通の圧電部材２０３で構成されている。本実施形態にかかるアクチュエータ２２０は、例えば矩形板状の圧電部材２０３の、第２方向の中央の部位に、圧力室３１及び空気室３２を構成する凹部２０３１を形成した後に、第２方向両端の部位に、凹部２０３１よりも幅が小さい絞り口２４２となる溝２０３２を形成する。具体的には、図２１に示す様に、超音波ツールＳを用いた超音波加工により、圧電部材２０３の中央部に凹部２０３１を形成することができる。以上により、１つの圧電部材２０３に、圧力室３１及び空気室３２と、絞り口２４２と、を順番に形成できる。

また、例えば、アクチュエータ部材２０１と絞り部材２０２における２つの圧電体の厚さ比が同じであってもよい。

なお、圧力室３１及び空気室３２を構成する溝２０１１や凹部２０３１の深さは、絞り口２４２を構成する溝２０１１、２０３２の深さと異なる深さで構成してもよい。また、圧力室３１や空気室３２を構成する凹部２０３１と、絞り口２４２を構成する溝２０３２を、両方とも超音波加工で形成してもよい。

上記実施形態において、両側の絞り２４０はそれぞれ異なる構成であってもよい。例えば、両側が共通室２７１、２７２に連通する圧力室３１の少なくとも一方の連通口に、絞り２４０が形成されていることにより、吐出性能を改善し、安価かつ容易に絞り２４０を形成できるという効果が得られる。

また、カバー部２３は空気室３２に連通する絞り口２４２の内側に形成され、絞り口２４２を埋める形状としたが、これに限られるものではない。例えばアクチュエータ２２、２２０の側面において、空気室３２に連通する絞り口２４２の外側に、空気室３２を塞ぐカバー部２３を形成してもよい。

上記実施形態においては、基板２１の主面部分に複数の溝を備えるアクチュエータ２２を配した例を示したが、これに限られるものではない。たとえば基板２１の端面に、アクチュエータを備える構成であってもよい。また、ノズル列の数も上記実施形態に限られるものではなく、１列、あるいは３列以上備える構成としてもよい。

また、上記実施形態においては、基板２１に圧電部材からなる積層圧電体を備えたアクチュエータベース１１を例示したが、これに限るものではない。例えば基板を用いずに圧電部材のみでアクチュエータベース１１を形成してもよい。また、各圧電部材が１枚の圧電体でそれぞれ構成されていてもよい。また空気室３２は共通室である第１共通室２７１や第２共通室２７２に連通していてもよい。また供給側と排出側が逆であってもよく、あるいは切り替え可能に構成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、一例として、圧力室３１の一方側が供給側であり、他方側が排出側であり、第１共通室流体が圧力室の一方側から流入して他方側から流出する循環型のインクジェットヘッドを例示したがこれに限られるものではない。例えば非循環型としてもよい。また、例えば圧力室３１の両側の共通室が供給側であって、両側から流入する構成であってもよい。すなわち、圧力室３１の両側から流体が流入し、圧力室３１の中央に配置されるノズル２８から流出する構成であってもよい。この場合にあっても、圧力室３１の両側の入口となる連通口に絞り２４０を設けることによって、流体抵抗が増加し、吐出効率が改善できる。また、両端にそれぞれ形成される絞り２４０の構成が異なっていてもよい。

また、上記実施形態において絞り２４０を圧力室３１の延出方向の両端にそれぞれ形成した例を示したが、これに限られるものではなく、圧力室３１が両端の共通室２７１、２７２と連通する両側の出入り口のうち、一方側のみに絞り２４０が形成されていてもよい。例えば一方側の端部には圧力室３１内部よりも流体抵抗が増加する絞り２４０が形成され、他方側の端部は圧力室３１内部と同じ流体抵抗、例えば圧力室３１の内部の断面積と同じ連通口の断面積を有する構成であってもよい。

また、例えば、吐出する液体は印字用のインクに限られるものではなく、例えばプリント配線基板の配線パターンを形成するための導電性粒子を含む液体を吐出する装置等であってもよい。

また、上記実施形態において、インクジェットヘッドは、インクジェットプリンタ等の液体吐出装置に用いられる例を示したが、これに限られるものではなく、例えば３Ｄプリンタ、産業用の製造機械、医療用途にも用いることが可能であり、小型軽量化及び低コスト化が可能である。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、安定的な吐出特性を確保することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供できる。

この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…インクジェットヘッド、１１…アクチュエータベース、１２…ノズルプレート、１３…フレーム、１７…回路基板、１８…マニホールド、２１…基板、２２…アクチュエータ、２０１…アクチュエータ部材、２０２…絞り部材、２０３…圧電部材、２５…供給孔、２６…排出孔、２７…インク室、３１…圧力室、３２…空気室、３３…側壁部、３４…電極層、５１…フィルム、５２…駆動ＩＣチップ、１００…インクジェットプリンタ、１１１…筐体、１１２…媒体供給部、１１３…画像形成部、１１４…媒体排出部、１１５…搬送装置、１１６…制御部、１１７…支持部、１１８…搬送ベルト、１１９…支持プレート、１２０…ベルトローラ、１２１…ガイドプレート対、１２２…搬送用ローラ、１３０…ヘッドユニット、１３２…インクタンク、１３３…接続流路、１３４…循環ポンプ、２１１…パターン配線、２２１…側面部、２２２…頂部、２４０…絞り、２４２…絞り口、２７１…第１共通室、２７…インク室、２７２…第２共通室。

Claims (5)

1. 圧電部材で構成され、圧力室と、空気室と、を有するアクチュエータ部と、
   圧電部材で構成され、前記圧力室の両側の開口に設けられ、前記圧力室に連通するとともに前記圧力室の流体抵抗を増加する絞り口を有する、絞り部と、
   を備える、シェアモードシェアードウォール式の液体吐出ヘッド。
2. 前記圧力室及び前記絞り口に電極が形成され、
   前記圧力室の前記電極と前記絞り口の前記電極は電気的に接続される、
   請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記絞り部と前記アクチュエータ部とは異なる部材で構成される、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記アクチュエータ部は複数の圧電体が所定の厚さ比で積層されて構成され、
   前記絞り部は前記アクチュエータ部とは異なる厚さ比で複数の圧電体が積層されて構成される、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記アクチュエータ部と前記絞り部は、一体に構成される、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。