JP4640613B2

JP4640613B2 - 液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置

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Publication number: JP4640613B2
Application number: JP2006064777A
Authority: JP
Inventors: 欣也小澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: US7810912B2; US20070211120A1; KR20070092618A; JP2007237611A; CN101032884A

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。

インクジェット記録装置などの液滴吐出装置で用いられる液滴吐出ヘッドにおいて、より微小な液滴を吐出できるようにすることが求められている。
吐出する液滴を微小化するためには、外部から振動による圧力を受けてノズルへ液体材料を供給するキャビティの振動周期を小さくする必要がある。そのためには、ノズル、キャビティ、そしてキャビティへ供給する液体材料を貯留するリザーバも含めて、液体材料の流路全体を小さく形成する必要がある。

しかし、リザーバを小さくすると、リザーバ内での液体材料の流れに対する抵抗が大きくなるためキャビティへの材料の供給効率が落ち、ノズルによっては材料供給が不十分なまま液滴の吐出が行われる場合がある。

なお、特許文献１には、インクジェット記録装置におけるインク供給に関する技術が開示されている。

特開２００３−２１１６４４号公報

そこで本発明の目的は、液滴吐出ヘッドの各ノズルへの材料供給のばらつきを低減することである。

本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、液体材料を吐出するノズル部と、前記ノズル部と連通し、外部からの圧力を受けて前記ノズル部へ前記液体材料を供給する液室と、複数の前記液室と複数のインク供給路を介して連通し、材料供給口を通して外部から供給された前記液体材料を前記複数の液室へ供給する貯留室とを備え、前記材料供給口から前記液室へ向かう方向を第１の方向とし、前記第１の方向に垂直な方向を第２の方向とし、前記材料供給口を前記第１の方向に通過する直線を第１の基準線とし、前記材料供給口を前記第２の方向に通過する直線を第２の基準線としたとき、における、前記第２の基準線との鉛直距離が長い液室ほど、前記第１の基準線との鉛直距離が短いことを特徴とする。

また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、材料供給口を有する貯留室と、前記貯留室に接続された複数のインク供給路と、前記複数のインク供給路の各々に接続された複数の液室と、前記複数の液室の各々に接続された複数のノズル部と、を有し、前記貯留室の外周から前記複数の液室のうち第１の液室と前記複数のインク供給路のうち第１のインク供給路との連結部に引かれる法線の長さが、前記第１のインク供給路の長さより短いことを特徴とするものであってもよい。

また、本発明にかかる液滴吐出ヘッドは、材料供給口を有する貯留室と、前記貯留室に接続された複数のインク供給路と、前記複数のインク供給路の各々に接続された複数の液室と、前記複数の液室の各々に接続された複数のノズル部と、を有し、前記貯留室の外周から前記複数の液室のうち第１の液室と前記複数のインク供給路のうち第１のインク供給路との連結部に引かれる法線の長さと、前記貯留室の外周から前記複数の液室のうち第２の液室と前記複数のインク供給路のうち第２のインク供給路との連結部に引かれる法線の長さとが異なることを特徴とするものであってもよい。

これにより、各液室に液体材料が届くまでにかかる時間の差が緩和され、液体材料の供給効率が各液室でほぼ一定になる。よって、各ノズルへの材料供給のばらつきを低減することができる。

また、上記の液滴吐出ヘッドにおいては、前記貯留室の外周から前記複数の液室のうち第１の液室と前記複数のインク供給路のうち第１のインク供給路との連結部に引かれる法線の長さが、前記第１のインク供給路の長さより短いことが好ましい。

また、上記の液滴吐出ヘッドにおいては、前記複数のインク供給路の各々の長さが異なることが好ましい。

また、上記の液滴吐出ヘッドにおいては、前記貯留室が前記複数の供給路と接続する複数の連結部を有し、前記貯留室の側面の少なくとも一部が曲面を有し、前記複数の連結部が前記曲面に形成されていることが好ましい。

また、上記の液滴吐出ヘッドにおいては、前記貯留室が前記複数の供給路と接続する複数の連結部を有し、前記貯留室の底面が多角形をなし、前記貯留室の側面が複数の面から構成され、前記複数の連結部のうち第１連結部が形成されている前記複数の面のいずれかと、前記複数の連結部のうち第２連結部が形成されている前記複数の面のいずれかとが異なることが好ましい。

また、上記の液滴吐出ヘッドにおいては、前記貯留室が複数含まれることが好ましい。

また、上記の液滴吐出ヘッドにおいては、前記複数の貯留室が、ジグザグ状に配置されていることが好ましい。これにより、貯留室とノズルを高密度に配置することができる。
本発明にかかる液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
なお、本発明において「距離」とは「長さ（length）」のことであり、二点を結ぶ線分を鉛直線上に正射影したときの長さを意味する「鉛直距離（distance）」より広い概念として用いている。
実施の形態１．
図１（Ａ）は本発明の実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０の一例を分解して示した模式図である。また、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のａ−ａ’方向の断面図である。
図１に示すように、液滴吐出ヘッド１０は、ノズルプレート１１、流路基板１２、振動板１３、ピエゾ１４、支持基板１５、ヘッドケース１６、電極１９を備えており、ノズルプレート１１にはノズル部１００が形成され、流路基板１２と振動板１３との間には、リザーバ（貯留室）１８とキャビティ（液室）１０３と、リザーバ１８とキャビティ１０３とを連通するインク供給路１０２とが形成されている。

なお、液滴吐出ヘッドは、この構成に限られず、以下に説明するリザーバ１８とキャビティ１０３とインク供給路１０２との関係を適用することができるものであれば、ノズルプレート１１と流路基板１２とが一体形成されているものであってもよい。また、ノズル部１００は、流路基板１２と振動板１３との境界に設けられていてもよい。

液滴吐出ヘッド１０は、例えば図２に示すような液滴吐出装置のヘッドユニット部（図中Ａ）に設置されている。液滴吐出装置としては、インクの吐出に用いられる画像形成装置の他、工業用の用途に使用される成膜装置が挙げられる。成膜装置とは、例えば基板上へ高分子材料などの有機材料や金属粒子などの無機材料を含む液体材料を吐出することで、例えばカラーフィルタや金属配線といった機能性膜を成膜する装置である。

外部の供給手段からインク供給口１７を介して液滴吐出ヘッド１０に液体材料が取り込まれると、リザーバ１８、キャビティ１０３、ノズル部１００を形成する空間が液体材料で満たされる。その後、電極１９からピエゾ１４に電気信号が伝わることによりピエゾ１４と振動板１３にたわみが生じ、キャビティ１０３内の圧力が瞬間的に高まることによってノズル部１００から液滴が吐出される。

図３は、実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０のリザーバ１８、キャビティ１０３、及びノズル部１００を上から見た図である。
１つのリザーバ１８には、複数のインク供給路１０１を介して複数のキャビティ１０３が結合している。液滴吐出ヘッド１０には、このような複数のキャビティ１０３が結合したリザーバ１８が１つ以上含まれる。
材料供給口１７は、リザーバ１８のキャビティ１０３から遠い側の周縁部に位置している。これは、リザーバ１８内の気泡が抜けやすいようにするためである。

実施の形態１では、リザーバ１８の形状が楕円形になっており、各キャビティ１０３は楕円の弧に沿うように結合している。
図３（Ａ）に示すように、材料供給口１７からキャビティ１０３へ向かう方向１（第１の方向）に垂直な方向２（第２の方向）における、材料供給口１７との距離が長いキャビティ１０３ほど、方向１における材料供給口１７との距離が短くなっている。すなわち、両端のキャビティ１０３は、中央のキャビティ１０３に比べて方向２における材料供給口１７からの距離が長いが、方向１について見ると、中央のキャビティ１０３よりも材料供給口１７からの距離が近い。

すなわち、材料供給口１７を第１の方向に通過する直線を第１の基準線とし、材料供給口１７を第２の方向に通過する直線を第２の基準線としたとき、複数のキャビティ１０３のうち第１のキャビティ１０３ａと第２のキャビティ１０３ｂとについて、第２の基準線と第１のキャビティ１０３ａとの鉛直距離である第１の方向における第１の鉛直距離Ｌ₁ａが、第２の基準線と第２のキャビティ１０３ｂとの鉛直距離である第１の方向における第２の鉛直距離Ｌ₁ｂより大きいとき、第１の基準線と第１のキャビティとの鉛直距離である第２の方向における第１の鉛直距離Ｌ₂ａが、第１の基準線と第２のキャビティとの鉛直距離である第２の方向における第２の鉛直距離Ｌ₁ｂより小さいという関係が成り立つ。

なお、ここでの「距離」とは「長さ（length）」のことであり、二点を結ぶ線分を鉛直線上に正射影したときの長さを意味する「鉛直距離（distance）」より広い概念として用いている。

また、この複数のキャビティ１０３の位置関係は、次のように特徴付けることもできる。
すなわち、図３（Ｂ）において、リザーバ１８の外周から第１のキャビティ１０３ａと第１のインク供給路１０１ａとの連結部へ引かれた第１の法線の長さが、第１のインク供給路１０１ａより短いものである。また、リザーバ１８の外周から他のキャビティである第２のキャビティ１０３ｂと第２のインク供給路１０１ｂとの連結部へ引かれた第２の法線の長さが、第１の法線より短いものである。つまり、第１のインク供給路１０１ａと第２のインク供給路１０１ｂとの長さは同じだとしても、第１の法線の長さと第２の法線の長さが異なる。
なお、ここでいう法線とは、キャビティ１０３の外周に接する接線に垂直な直線である。
ここで、第１のインク供給路１０１ａの長さが第１の法線の長さに等しく、第２のインク供給路１０１ｂの長さが第２の法線の長さに等しいとすると、インク供給路の長さの差が、液体材料の各キャビティへの供給能力の差となって表れてしまう。このような不具合を図３（Ｂ）の特徴により、解消することもできる。

一方、図４は、比較例による液滴吐出ヘッドのリザーバ１８、キャビティ１０３、及びノズル部１００を上から見た図である。比較例では、リザーバ１８の形状が半円形になっており、すべてのキャビティ１０３が、リザーバ１８の弦の側に結合している。
このため、材料供給口１７からキャビティ１０３へ向かう方向１（第１の方向）に垂直な方向２（第２の方向）における、材料供給口１７からの距離に関係なく、方向１における材料供給口１７との距離が等しい。すなわち、両端のキャビティ１０３は、中央のキャビティ１０３に比べて方向２における材料供給口１７からの距離が長いが、方向１について見ると、全てのキャビティ１０３で材料供給口１７からの距離が等しくなっている。

材料供給口１７からリザーバ１８内にインクが流れ込むと、材料供給口１７からキャビティ１０３が接続されている側へ向かう直線状のインクの流れが発生すると共に、その直線状の流れから枝分かれするようにインクの流れが発生する。図５（Ａ）に比較例による液滴吐出ヘッドのリザーバ内でのインクの主な流れを、図５（Ｂ）に実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０のリザーバ１８内でのインクの主な流れを矢印で示す。

図５（Ａ）に示すように、比較例では、両端に近いキャビティ１０３ほど、すなわち方向２における材料供給口１７との距離が長いキャビティ１０３ほど、インクが届くまでに時間がかかり供給効率が悪い。よって、インクの吐出の際に、両端に近いキャビティ１０３にはインクが充分に供給されていない場合がある。
一方、図５（Ｂ）に示すように、本発明による液滴吐出ヘッド１０では、方向２における材料供給口１７との距離が長いキャビティ１０３ほど、方向１における材料供給口１７との距離が短くなっているので、比較例に比べて各キャビティ１０３にインクが届くまでにかかる時間の差が緩和され、供給効率がほぼ一定に保たれる。

なお、実施の形態１によるリザーバ１８は、例えばニッケル、コバルト、マンガン等の金属、またはそれらの金属の合金を用いた電鋳法によって形成することができる。または、シリコン基板にフォトリソグラフィ法を施すことにより、キャビティ１０３と一体に形成してもよい。

図６は、実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０のリザーバ１８の変形例を示す図である。リザーバ１８は各キャビティ１０３にインクが届くまでにかかる時間の差があまりない形状であればよく、例えば図６（Ａ）のような円形や、図６（Ｂ），（Ｃ）に示すような多角形などでもよい。また、図６（Ｄ），（Ｅ）に示すように、キャビティ１０３を結合する側が曲線状になった形状でもよい。

以上のように、本実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０は、材料供給口１７からキャビティ１０３へ向かう方向１に垂直な方向２における、材料供給口１７との距離が長いキャビティ１０３ほど、方向１における材料供給口１７との距離が短くなっている。
よって、各キャビティ１０３にインクが届くまでにかかる時間の差が緩和され、インクの供給効率が各キャビティ１０３でほぼ一定になる。これにより、各ノズルへの材料供給のばらつきを低減することができる。

特に、吐出する液滴を微小化するためにはリザーバ１８を含めたインク流路全体を小さくする必要があるが、リザーバ１８を小さくするとリザーバ１８内でのインクの流れに対する抵抗が大きくなりキャビティ１０３へのインクの供給効率が悪くなる。しかし、実施の形態１による液滴吐出ヘッド１０を適用すれば、各ノズルへのインク供給効率が向上する。

実施の形態２．
図７（Ａ）は、実施の形態２による液滴吐出ヘッド１０の断面図、図７（Ｂ）は、実施の形態２による液滴吐出ヘッド１０のリザーバ１８、キャビティ１０３、及びノズル部１００を上から見た図である。
図に示すように、実施の形態２では、複数のリザーバ１８がジグザグ状に配置されている。リザーバ１８は、材料供給口１７のある側を背中合わせにして配置されているため、キャビティ１０３はリザーバ１８の左右両側へ配置される。

各々のリザーバ１８の形状は実施の形態１と同様に、材料供給口１７からキャビティ１０３へ向かう方向１に垂直な方向２における材料供給口１７との距離が長いキャビティ１０３ほど、方向１における材料供給口１７との距離が短くなっている。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、１つのリザーバ１８に接続された各々のキャビティ１０３でインクの供給効率がほぼ一定になることにより、各ノズルへの材料供給のばらつきを低減することができる。また、リザーバ１８を材料供給口１７のある側を背中合わせにしてジグザグ状に配置するようにしたので、リザーバ１８を高密度に配置することができる。

図１（Ａ）は本発明による液滴吐出ヘッドを分解して示した模式図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のａ−ａ’方向の断面図である。図２は、本発明による液滴吐出装置の構造を示す図である。図３（Ａ），（Ｂ）は、実施の形態１による液滴吐出ヘッドのリザーバ、キャビティ、及びノズル部を上から見た図である。図４は、比較例による液滴吐出ヘッドのリザーバ、キャビティ、及びノズル部を上から見た図である。図５（Ａ）は比較例による液滴吐出ヘッドのリザーバ内でのインクの流れを示した図、図５（Ｂ）は実施の形態１による液滴吐出ヘッドのリザーバ内でのインクの流れを示した図である。図６（Ａ）〜（Ｅ）は、実施の形態１による液滴吐出ヘッドのリザーバの変形例を示す図である。図７（Ａ）は本発明の実施の形態２による液滴吐出ヘッドの断面図、図７（Ｂ）は実施の形態２による液滴吐出ヘッドのリザーバ、キャビティ、及びノズル部を上から見た図である。

符号の説明

１０液滴吐出ヘッド、１１ノズルプレート、１２流路基板、１３振動板、１４ピエゾ、１５支持基板、１６ヘッドケース、１７インク供給口、１８リザーバ、１９電極、１００ノズル部、１０１インク供給路、１０１ａ第１のインク供給路、１０１ｂ第２のインク供給路、１０３キャビティ、１０３ａ第１のキャビティ、１０３ｂ第２のキャビティ

Claims

液体材料を吐出するノズル部と、
前記ノズル部と連通し、外部からの圧力を受けて前記ノズル部へ前記液体材料を供給する液室と、
複数の前記液室と複数のインク供給路を介して連通し、材料供給口を通して外部から供給された前記液体材料を前記複数の液室へ供給する貯留室とを備え、
前記ノズル部、前記複数の液室、前記複数のインク供給路、及び前記貯留室の上面視において、
前記複数のインク供給路の各々は、第１の方向に沿って平行に設けられており、さらに、前記複数のインク供給路は、前記第１の方向に平行で前記材料供給口を通る直線に対して対称に配置されており、
前記上面視において前記第１の方向に垂直な方向を第２の方向とすると、前記材料供給口と、前記液室と前記インク供給路の接続部との前記上面視における距離の第２の方向に沿う成分が長い液室ほど、前記上面視における距離の第１の方向に沿う成分が短いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記貯留室が前記複数のインク供給路と接続する複数の連結部を有し、前記貯留室の側面の少なくとも一部が前記液室側へ向かって凸になるように形成された曲面を有し、前記複数の連結部が前記曲面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
液体材料を吐出するノズル部と、
前記ノズル部と連通し、外部からの圧力を受けて前記ノズル部へ前記液体材料を供給する液室と、
複数の前記液室と複数のインク供給路を介して連通し、材料供給口を通して外部から供給された前記液体材料を前記複数の液室へ供給する貯留室とを備え、
前記ノズル部、前記複数の液室、前記複数のインク供給路、及び前記貯留室の上面視において、
前記複数のインク供給路の各々は、第１の方向に沿って平行に設けられており、さらに、前記複数のインク供給路は、前記第１の方向に平行で前記材料供給口を通る直線に対して対称に配置されており、
前記上面視において前記第１の方向に垂直な方向を第２の方向とすると、前記材料供給口と、前記液室と前記インク供給路の接続部との前記上面視における距離の第２の方向に沿う成分が長い液室ほど、前記上面視における距離の第１の方向に沿う成分が短く、
前記貯留室が前記複数のインク供給路と接続する複数の連結部を有し、前記貯留室の底面が多角形をなし、前記貯留室の側面が複数の面から構成され、前記複数の連結部のうち第１連結部が形成されている前記複数の面のいずれかと、前記複数の連結部のうち第２連結部が形成されている前記複数の面のいずれかとが異なることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
液体材料を吐出する第１のノズル部と、
前記第１のノズル部と連結し、前記第１のノズル部へ前記液体材料を供給する第１の液室と、
前記液体材料を吐出する第２のノズル部と、
前記第２のノズル部と連結し、前記第２のノズル部へ前記液体材料を供給する第２の液室と、
前記液体材料を供給する材料供給口を有する貯留室と、
前記第１のノズル部、前記第２のノズル部、前記第１の液室、前記第２の液室、及び前記貯留室の上面視において、
前記材料供給口から前記第１の液室へと向かう方向を第１の方向としたとき、前記第１の方向に沿って形成される前記第１の液室と前記貯留室とを連結する第１のインク供給路と、
前記第１の方向に沿って形成される前記第２の液室と前記貯留室とを連結する第２のインク供給路と、を備え、
前記第１の液室と前記第１のインク供給路との第１接続部と、前記材料供給口との前記上面視における距離の前記第１の方向に沿う成分は、前記第２の液室と前記第２のインク供給路との第２接続部と、前記材料供給口との前記上面視における距離の前記第１の方向に沿う成分よりも大きく、
前記上面視において前記第１の方向と垂直な方向を第２の方向としたとき、前記第１接続部と前記材料供給口との前記上面視における距離の前記第２の方向に沿う成分は、前記第２接続部と前記材料供給口との前記上面視における距離の前記第２の方向に沿う成分より小さいことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記貯留室が複数含まれることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
前記複数の貯留室が、ジグザグ状に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。