JP5685825B2

JP5685825B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

Info

Publication number: JP5685825B2
Application number: JP2010072428A
Authority: JP
Inventors: 望小川; 峻介渡邉
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2011201226A; CN102218916A; US20110234709A1

Description

本発明は、液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に液体としてイ
ンクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

従来から、圧電素子や発熱素子などの圧力発生手段によって液体に圧力を付与すること
で、ノズルから液滴を吐出する液体噴射ヘッドが知られており、その代表例としては、ノ
ズルからインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッド（以下、ヘッドとも言う）が挙
げられる。

このようなヘッドとしては、例えば、ノズル開口が穿設されたノズルプレートと、ノズ
ル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、圧力発生室に圧力を付与する
圧力発生手段とを備えたヘッド本体が、樹脂から形成されたヘッドケースに保持されたも
のがある。

さらに、ヘッドケースの剛性を向上させるため、もしくはヘッドケースに設けられた流
路に供給されるインクを加熱するための加熱体として、金具をヘッドケース内部に埋設し
たものがある（例えば、特許文献１参照）。このようなヘッドケースは、一般にインサー
ト成形により形成される。

特開２００９−５１１５３号公報

インサート成形によりヘッドケースを形成する際には、インサートされる金具を金型で
保持して樹脂を流し込む必要があるため、完成したヘッドケースには、金型が当接してい
た金具の一部が露出した溝部が現れる。この溝部における樹脂と金具との界面はインクが
浸入する流路となり得るので、ヘッド本体を構成する各部材が浸入したインクで短絡し、
故障を生じる虞がある。

例えば、ヘッドケースの外面や、ヘッドケースのヘッド本体を収納する収容部の内面に
このような溝部がある場合、インクカートリッジ等の流路部材から漏れ出たインクが、ヘ
ッドケースの外面における樹脂と金具との界面に流れ込み、収納部における溝部にまで達
して当該インクが収納部内に漏れ出し、ヘッド本体に達する虞がある。

なお、このような問題は、インク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドだけでなく
、他の液滴を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、金具のヘッドケー
スへの埋設をインサート成形により行った場合だけでなく、ヘッドケースに埋設した金具
が一部露出したヘッド一般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、ヘッドケース内部に浸入した液滴からヘッド本体を保
護して信頼性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを
課題とする。

上記課題を解決する本発明は、液滴を吐出する液体噴射ヘッド本体と、前記液体噴射ヘッド本体の一部を収容する収容部を備え、金属部材が一体成形された樹脂で構成されるヘッドケースと、を具備し、前記ヘッドケースの前記収容部は、前記ヘッドケースの厚み方向に貫通して設けられ、前記収容部の内壁には、前記金属部材の板状部が埋設されているとともに、前記内壁の表面から該内壁に埋設された前記金属部材の板状部の方向に向かって形成された溝部が、前記内壁の上端部側から下端部側に向けて延設されており、前記溝部の最深部は前記金属部材の前記板状部が露出され、前記溝部の下端部に液体が貯留される貯留部が形成されており、前記内壁における、前記溝部の前記金属部材の前記板状部が露出された箇所から、前記内壁の表面側に向かって、前記収容された液体噴射ヘッド本体の一部に至るまでの間の位置に前記貯留部が配置されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、液体が収容部の溝部に浸入しても、当該液体は、溝部を流れ落ちて貯留部に貯留される。このように液体が貯留部に貯留されるので、液体が液体噴射ヘッド本体を構成する各部材に付着することが防止され、これらの部材に動作不良や故障が生じることが防止される。特に、ヘッドケースの外面に露出した補強部材の一部におけるヘッドケースと補強部材との界面に、液体が浸入すると、収容部の内側面に設けられた溝部にまで達することがあるが、このような場合においても当該液体は溝部を流れ落ちて貯留部に貯留されるので、液体噴射ヘッド本体を構成する各部材を液体から保護することができる。本発明に係る液体噴射ヘッドは、このような貯留部が設けられたことにより、ヘッドケースの収容部に浸入した液体から各部材が保護されるので、信頼性が向上したものとなる。

ここで、前記貯留部は、鉛直方向の下方に窪んだ凹部であることが好ましい。これによ
り、溝部に流れ落ちた液体を好適に貯留することができる。

また、前記凹部の開口は、前記溝部の底面側が短辺となる略台形状に形成されているこ
とが好ましい。これにより、溝部の底面側とその側面との成す角が鈍角になるため、貯留
部に貯留された液体が、当該底面とその側面との境界部を表面張力で上方に昇っていくこ
とが抑制される。これにより、貯留部外に液体があふれ出すことが防止され、より一層、
液体噴射ヘッド本体の保護を確実なものとすることができる。

また、前記凹部の開口縁部がＲ形状となっていることが好ましい。これにより、開口縁
部の開口が広くなるため、開口縁部の近傍では液体の表面張力が弱くなり、貯留部から液
体があふれ出にくくなる。

また、前記液体噴射ヘッド本体は、複数の圧電素子が形成される圧電素子形成部材と、
前記圧電素子の先端面が固定される振動板を有すると共にノズル開口に連通する複数の圧
力発生室が設けられた流路形成基板とを備え、前記圧電素子形成部材は、前記収容部内に
固定され、前記流路形成基板は、前記ヘッドケースの鉛直方向下側の端面に接合されてい
ることが好ましい。これにより、液体噴射ヘッド本体を構成する圧電素子形成部材や、流
路形成基板を液体から保護することができる。

また、本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射
装置にある。かかる態様では、信頼性が向上した液体噴射装置が提供される。

実施形態１に係るヘッドの平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線断面図である。図１の要部を拡大した平面図である。図４のＡ−Ａ線断面図である。実施形態１に係る液体噴射装置の概略構成図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの一例を示す平面図で
あり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。

図１〜図３に示すように、ヘッド１０は、ヘッド本体４０とヘッド本体４０を保持する
ヘッドケース５０とから構成されている。

ヘッド本体４０は、ヘッドケース５０の鉛直方向下側の端面に接合された流路形成基板
１２と、ヘッドケース５０に設けられた収容部５１に保持された２つの圧電素子ユニット
３４とから構成されている。

流路形成基板１２はシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、複数
の隔壁１７によって画成された圧力発生室１１がその幅方向（短手方向）に並設されてい
る。また、各圧力発生室１１の長手方向一端部側には、各圧力発生室１１に液体の一例で
あるインクを供給するためのマニホールド１８がインク供給路１９を介して連通されてい
る。また、流路形成基板１２の圧力発生室１１の開口面側は振動板１５で封止され、他方
面側にはノズル開口１３が穿設されたノズルプレート１４が接着剤や熱溶着フィルムを介
して接着されている。

流路形成基板１２上に形成された振動板１５は、例えば、樹脂フィルム等の弾性部材か
らなる弾性膜２７と、この弾性膜２７を支持する、例えば、金属材料等からなる支持板２
８との複合板で形成されており、弾性膜２７側が流路形成基板１２に接合されている。例
えば、本実施形態では、弾性膜２７は、厚さが数μｍ程度のＰＰＳ（ポリフェニレンサル
ファイド）フィルムからなり、支持板２８は、厚さが数十μｍ程度のステンレス鋼板（Ｓ
ＵＳ）からなる。また、振動板１５の各圧力発生室１１に対向する領域内には、圧電素子
の先端部が当接する島部２９が設けられている。すなわち、振動板１５の各圧力発生室１
１の周縁部に対向する領域に他の領域よりも厚さの薄い薄肉部３０が形成され、この薄肉
部３０の内側にそれぞれ島部２９が設けられている。本実施形態では、振動板１５に島部
２９を設けることで、振動板１５に他の領域（薄肉部３０）よりも厚い厚肉部が設けられ
ている。

また、振動板１５のマニホールド１８に対向する領域には、薄肉部３０と同様に、支持
板２８がエッチングにより除去されて実質的に弾性膜２７のみで構成されるコンプライア
ンス部３１が設けられている。なお、このコンプライアンス部３１は、マニホールド１８
内に圧力変化が生じた時に、このコンプライアンス部３１の弾性膜２７が変形することに
よって圧力変化を吸収し、マニホールド１８内の圧力を常に一定に保持する役割を果たす
。

振動板１５上には、複数のインクカートリッジ（図示せず）に接続される液体供給路の
一例であるインク供給路３３を有するヘッドケース５０が固定されており、このヘッドケ
ース５０には、圧電素子ユニット３４が高精度に位置決めされて固定されている。具体的
には、ヘッドケース５０には厚さ方向に貫通した収容部５１が設けられており、この収容
部５１の一方の内側面に圧電素子ユニット３４が固定されている。また、各圧電素子の先
端は、振動板１５上の各圧力発生室１１に対応する領域に設けられた各島部２９（厚肉部
）に接着剤等を介して固定されている。

圧電素子ユニット３４は、複数の圧電素子がその幅方向に並設された圧電素子形成部材
１６と、圧電素子形成部材１６の先端部（一端部）側が自由端となるようにその基端部（
他端部）側が固定端として接合される固定板２４とを有する。圧電素子形成部材１６は、
圧電材料２１と電極形成材料２２及び２３とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層す
ることにより形成されている。このような圧電素子ユニット３４は、固定板２４の圧電素
子形成部材１６が固定された面とは反対側の面が、ヘッドケース５０の収容部５１の内側
面に固定される。

また、圧電素子ユニット３４には、圧電素子を駆動するための駆動ＩＣ（図示なし）が
搭載された回路基板３５が接続されている。回路基板３５は、例えば、本実施形態では、
チップオンフィルム（ＣＯＦ）からなる。回路基板３５の各配線は、その基端部側では、
例えば、半田、異方性導電材等によって圧電素子を構成する電極に接続されている。一方
、先端部側では、特に図示しないが、ヘッドケース５０上に配設される配線基板に接合さ
れている。

なおヘッドケース５０のコンプライアンス部３１に対向する部分には、コンプライアン
ス部３１の変形を許容する空間である空間部３２が形成されている。この空間部３２はヘ
ッドケース５０に設けられる連通孔（図示せず）を介して外部と連通している。つまり空
間部３２は大気開放されている。これによりコンプライアンス部３１がマニホールド１８
の圧力変化に伴って良好に変形する。

このようなヘッドケース５０は、樹脂材料によって形成されている。本実施形態では、
ヘッドケース５０は、鉛直方向に貫通する貫通孔である収容部５１が２つ設けられており
、各収容部５１にヘッド本体４０の圧電素子ユニット３４が保持されている。

また、ヘッドケース５０には、金属部材の一例である補強部材６０が一体成形されてい
る。具体的には、ヘッドケース５０の２つの収容部５１を隔てる隔壁５２に、補強部材６
０（金属部材）が埋設されている。

このようなヘッドケース５０は、金型を用いてヘッドケース５０を樹脂材料で成形する
際に、金型内に補強部材６０を予め挿入しておくことで、ヘッドケース５０と一体化（一
体成形）することができる。勿論、ヘッドケース５０に補強部材６０を埋設する方法は、
一体成形に限定されず、ヘッドケース５０に埋設孔を設け、埋設孔内に補強部材６０を接
着剤や圧入等によって埋設するようにしてもよい。

補強部材６０は、圧力発生室１１の並設方向に長尺である金属の板状部材である。補強
部材６０は、ヘッドケース５０よりも高い剛性を有している。このため、ヘッドケース５
０の隔壁５２に補強部材６０を設けることで、ヘッドケース５０の剛性を向上することが
できる。

また、ヘッドケース５０の外面には、圧力発生室１１の並設方向における補強部材６０
の両方の端面６１が露出している。本実施形態では、端面６１は、ヘッドケース５０を成
形する際に金型が当接されて保持されていた部分である。このため、端面６１は樹脂で覆
われず、ヘッドケース５０の外面に露出している。

さらに、収容部５１の内側面のうち、隔壁５２を構成する内側面には、補強部材６０の
一部が底面に露出した溝部５３が形成されている。本実施形態では、溝部５３は、上端側
へは隔壁５２の頂面に達するまで延設され、下端側へは隔壁５２の途中まで延設されてい
る。このような溝部５３が隔壁５２の両側面にそれぞれ４つ形成されている。

溝部５３は、ヘッドケース５０の外面に露出した端面６１と同様に、ヘッドケース５０
を成形する際に金型が当接されて保持されていた部分である。一体成形時の樹脂の熱で補
強部材６０が膨張、変形することを抑制するために、補強部材６０の各面の４カ所を金型
で挟持したため、このような溝部５３が形成されている。

また、溝部５３の鉛直方向の下端部には、インク等の液体を貯留する貯留部５４が形成
されている。図４及び図５を用いて貯留部５４を詳細に説明する。

図示するように、溝部５３の下端部には、鉛直方向の下方に窪んだ凹部である貯留部５
４が形成されている。具体的には、貯留部５４は、溝部５３の下端部に立設した壁部５５
と、溝部５３の側面５６ａ、５６ｂと、溝部５３の底面５７（溝部５３に露出した補強部
材６０の一部）とが凹部の側壁を構成することにより形成されている。

ここで、ヘッドケース５０に露出した補強部材６０の端面６１とヘッドケース５０との
界面に浸入したインクなどの液体は、溝部５３において底面に露出した補強部材６０と溝
部５３の側面５６ａ（５６ｂ）との界面にまで達することがある。このように外部から補
強部材６０とヘッドケース５０との界面を伝ってインクが収容部５１内に浸入しても、当
該インクは、溝部５３に達し、そのまま溝部５３を流れ落ちて貯留部５４に貯留される。

このようにインクが貯留部５４に貯留されるので、インク等が圧電素子ユニットの圧電
素子や回路基板３５の配線やＩＣ等の各部材に付着することが防止され、これらの部材に
動作不良や故障が生じることが防止される。本実施形態に係るヘッド１０は、このような
貯留部５４が設けられたことにより、ヘッドケース５０の収容部５１に浸入したインクな
どの液体から各部材が保護されるので、信頼性が向上したものとなる。

なお、インクがヘッドケース５０の収容部５１内に浸入する経路としては、ヘッドケー
ス５０と、ヘッドケース５０の上に接合される流路部材等との界面からインクが浸入する
虞がある。この場合においても、当該インクが溝部５３を流れ落ちても貯留部５４に貯留
されるので、圧電素子や回路基板３５等をインクから保護することができる。

さらに、本実施形態では、貯留部５４の開口は、溝部５３の底面側が短辺となる略台形
状に形成されている。すなわち、図４に示すように、平面視において、壁部５５、側面５
６ａ、５６ｂ及び底面５７とから形成された開口が、底面５７の部分を短辺とする略台形
状に形成されている。このように貯留部５４の開口が略台形状に形成されていることで、
底面５７と側面５６ａ、５６ｂとの成す角θ_１が鈍角になっている。

角θ_１が鈍角になっていることで、貯留部５４に貯留されたインクがその表面張力によ
り、底面５７と側面５６ａ、５６ｂとの境界部を上方に昇っていくことが抑制される。角
θ_１が鈍角であるほどインクの表面張力が弱くなり、当該境界部を上昇して行き難くなる
からである。このように貯留部５４の角θ_１を鈍角にしたことにより、貯留部５４に貯留
されたインクが底面５７と側面５６ａ、５６ｂとの境界部を上昇して、貯留部５４外にあ
ふれ出してしまうことが防止される。より一層、ヘッド本体４０を構成する各部材の保護
を確実なものとすることができる。

また、貯留部５４の開口縁部５８はＲ形状としてある。開口縁部５８をＲ形状とするこ
とで、さらに貯留部５４に貯留されたインクが貯留部５４外にあふれ出すことを防止でき
る。例えば、図５に示すように、壁部５５の開口縁部５８をＲ形状とすることで、壁部５
５の開口縁部５８は、側面５６ａから離れて距離が開くことになるため、上述した角θ_１
が鈍角である場合と同様に、開口縁部５８近傍ではインクの表面張力が弱くなり、貯留部
５４からインクがあふれ出にくくなるからである。

以上に説明したインクジェット式記録ヘッド１０では、インク滴を吐出する際に、圧電
素子及び振動板１５の変形によって各圧力発生室１１の容積を変化させて所定のノズル開
口１３からインク滴を吐出させるようになっている。具体的には、図示しないインクカー
トリッジから、インク供給路３３を介してマニホールド１８にインクが供給されると、イ
ンク供給路１９を介して各圧力発生室１１にインクが分配される。実際には、圧電素子に
電圧を印加することにより圧電素子を収縮させる。これにより、振動板１５が圧電素子と
共に変形されて圧力発生室１１の容積が広げられ、圧力発生室１１内にインクが引き込ま
れる。そして、ノズル開口１３に至るまで内部にインクを満たした後、配線基板を介して
供給される記録信号に従い、圧電素子の電極に印加していた電圧を解除する。これにより
、圧電素子が伸張されて元の状態に戻ると共に振動板１５も変位して元の状態に戻る。結
果として圧力発生室１１の容積が収縮して圧力発生室１１内の圧力が高まりノズル開口１
３からインク滴が吐出される。

〈他の実施形態〉
以上、本発明の実施形態を説明したが、勿論、本発明は上述したものに限定されるもの
ではない。例えば、貯留部５４は、上述した構成に限定されず、溝部５３を流れ落ちるイ
ンクを貯留できる形状であればよい。例えば、溝部５３の下端部に、溝部５３の底面５７
側に向けて下降する傾斜面を設けることにより貯留部を形成してもよい。この場合におい
ても、溝部５３を流れ落ちたインクは、傾斜面の下側に貯留されるので、インクが貯留部
５４外に漏れ出ることが防止される。

また、金属部材として、ヘッドケース５０の剛性を向上させるための補強部材６０を例
示したが、このような目的に限らない。例えば、ヘッドケース５０のインク供給路３３を
流れるインクを加熱するための熱を伝達する媒体として金属部材をヘッドケース５０に一
体成形した場合においても、本発明の作用効果が得られる。

上述の実施形態では、圧力発生手段として、いわゆる縦振動型の圧電素子を例示して本
発明を説明したが、圧力発生手段の構成は特に限定されず、例えば、いわゆる撓み振動型
の圧電素子や、静電気力を用いるタイプのものや、発熱素子等であってもよい。

さらに、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通す
るインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装
置に搭載される。図６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図６に示すように、本実施形態の液体噴射装置であるインクジェット式記録装置１は、
例えば、ブラック（Ｂ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）等の複数の異
なる色のインクが貯留される貯留室を有するインクカートリッジ（液体貯留手段）２が装
着されたインクジェット式記録ヘッド１０を具備する。ヘッド１０はキャリッジ３に搭載
されており、ヘッド１０が搭載されたキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャ
リッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。そして、駆動モーター６の駆動力が図示
しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、
キャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸
５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙装置等により給紙された紙等の
被記録媒体Ｓがプラテン８上を搬送されるようになっている。

なお、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェ
ット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定され
るものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク
以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。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各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等
のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ
（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉ
ｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

１インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０インクジェット式記録ヘッ
ド（液体噴射ヘッド）、１１圧力発生室、１２流路形成基板、１３ノズル開
口、１４ノズルプレート、１５振動板、１８マニホールド、３４圧電素
子ユニット、３５回路基板、４０ヘッド本体、５０ヘッドケース、５１
収容部、５２隔壁、５３溝部、５４貯留部、５５壁部、５６ａ、５６
ｂ側面、５７底面、５８開口縁部、６０補強部材、６１端面

Claims

液滴を吐出する液体噴射ヘッド本体と、
前記液体噴射ヘッド本体の一部を収容する収容部を備え、金属部材が一体成形された樹脂で構成されるヘッドケースと、
を具備し、
前記ヘッドケースの前記収容部は、前記ヘッドケースの厚み方向に貫通して設けられ、
前記収容部の内壁には、前記金属部材の板状部が埋設されているとともに、前記内壁の表面から該内壁に埋設された前記金属部材の板状部の方向に向かって形成された溝部が、前記内壁の上端部側から下端部側に向けて延設されており、
前記溝部の最深部は前記金属部材の前記板状部が露出され、前記溝部の下端部に液体が貯留される貯留部が形成されており、
前記内壁における、前記溝部の前記金属部材の前記板状部が露出された箇所から、前記内壁の表面側に向かって、前記収容された液体噴射ヘッド本体の一部に至るまでの間の位置に前記貯留部が配置されている
ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
前記貯留部は、鉛直方向の下方に窪んだ凹部である
ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項２に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
前記凹部の開口は、前記溝部の前記金属部材の前記板状部が短辺となる略台形状に形成されている
ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項２又は請求項３に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
前記凹部の開口縁部がＲ形状となっている
ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。