JP5776880B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ノズルから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噴射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。
液滴を噴射する液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、
例えば、ノズルに連通する圧力発生室と、圧力発生室に対向して設けられる圧電アクチュ
エーターと、を具備し、この圧電アクチュエーターの変位によって圧力発生室内に圧力変
化を生じさせることで、ノズルからインク滴を噴射するものがある。
このようなインクジェット式記録ヘッドの構造は、様々提案されているが、一般的に、
複数の部材が接着剤等によって固定されてなる（例えば、特許文献１参照）。
特許３４０２３４９号公報
このように、インクジェット式記録ヘッドにおけるインクの流路は、一般的に複数の部
材によって形成される。インク流路は、その形状がインクの噴射特性に大きく影響するた
め、比較的高精度に形成されていることが好ましい。また印刷品質を向上させるためには
、ノズルの密度を高めることが好ましい。このため近年では、例えば、ヘッドを構成する
部材の材料としてシリコン基板を用い、このシリコン基板をエッチングすることによって
流路やノズルが形成されている。
このようにシリコン基板を用いることで、流路やノズルを比較的高精度・高密度に形成
することはできる。ただしシリコン基板は比較的高価な材料であるため、コストが上昇し
てしまうという問題がある。
なお、このような問題はインクを噴射するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、
インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッド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てなされたものであり、液滴の噴射特性を向上しつつ、
コストの上昇を抑制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
目的とする。
上記課題を解決する本発明は、複数の圧力発生室が形成されたシリコンからなる流路形成基板と、前記流路形成基板に接合され前記圧力発生室に連通する連通孔が形成されたシリコンからなる連通板と、を含む流路形成部材と、前記連通板の前記流路形成基板とは反対側の面の一部に接合され前記連通孔と連通するノズルが形成されたシリコンからなるノズルプレートと、前記圧力発生室に連通するマニホールドの一部を前記流路形成基板に対して前記圧力発生室の長手方向における外側に前記流路形成部材とともに画成するマニホールド部材と、前記連通板の前記ノズルプレートが接合されている面に接合されるとともに前記マニホールドの開口を封止する前記ノズルプレートとは異なる材料からなる蓋部材と、を備える液体噴射ヘッドにある。
かかる本発明では、液滴の噴射特性を向上しつつ、シリコンの使用量を減らすことでコストの上昇を抑制することができる。またこのような構成では、ノズルが圧力発生室に直接連通された構成に比べて、比較的高粘度の液体であってもノズルから良好に噴射することができる。
ここで、前記蓋部材が少なくとも一部に可撓性を有するコンプライアンス部を備えることが好ましい。シリコンからなる流路形成基板にコンプライアンス部を形成しようとすると、製造コストが高くなってしまう。しかしながら、蓋部材にコンプライアンス部を設けることで、シリコンの加工が容易となり製造コストが更に削減される。
また前記蓋部材と前記ノズルプレートとの液体の噴射方向における厚さが略同一であることが好ましい。蓋部材とノズルプレートとに間に段差が形成されることがなく、ヘッドのノズル面を良好にワイピングすることができる。
またこの場合、前記連通孔の内径が前記ノズルの内径よりも大きいことが好ましい。こ
れにより、比較的高粘度の液体をさらに良好に噴射することができる。
また本発明は、このような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。かかる本発明では、良好な噴射特性を有する液体噴射装置を比較的安価に実現する
ことができる。
一実施形態に係る記録ヘッドを示す分解斜視図である。 一実施形態に係る記録ヘッドを示す断面図である。 一実施形態に係る記録ヘッドの変形例を示す断面図である。 一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図である。
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例を示すインクジェット式記録
ヘッドの分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方
向の断面図である。
図１及び図２に示すように、インクジェット式記録ヘッド１は、ヘッド本体１１と、ヘ
ッド本体１１が内部に収容されるケース部材４０とを備えている。本実施形態では、ヘッ
ド本体１１は、流路形成部材である流路形成基板１０及び連通板１５と、ノズルプレート
２０と、保護基板３０とで構成されている。
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設された列が２列形成
されている。また流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向の一端側にはインク供給
路１４が設けられている。この流路形成基板１０は、シリコン、本実施形態では面方位（
１１０）のシリコン単結晶基板からなる。そして流路形成基板１０の一方の面には二酸化
シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。この弾性膜５０は、拡散炉等によって流
路形成基板１０を加熱して、その表面を熱酸化することによって形成されている。また圧
力発生室１２及びインク供給路１４は、シリコン基板である流路形成基板１０を異方性エ
ッチングすることによって比較的高精度に形成されている。そしてこれら圧力発生室１２
及びインク供給路１４の一方面は弾性膜５０によって構成されている。
流路形成基板１０の開口面側（弾性膜５０とは反対側）には、連通板１５が接合されて
いる。連通板１５には、各圧力発生室１２に連通する複数のノズル２１が穿設されたノズ
ルプレート２０が接合されている。連通板１５には、圧力発生室１２とノズル２１とを繋
ぐ連通孔１６が設けられている。これら連通板１５及びノズルプレート２０も、流路形成
基板１０と同様にシリコン基板で形成されており、連通孔１６及びノズル２１も異方性エ
ッチングによって高精度に形成されている。
また連通板１５及びノズルプレート２０は、流路形成基板１０と略同程度に比較的小さ
く形成されている。このようにシリコン基板からなる流路形成基板１０、連通板１５及び
ノズルプレート２０の面積を比較的小さくすることで、使用するシリコン基板の量を減ら
すことができ、材料コストの削減を図ることができる。
流路形成基板１０に形成された弾性膜５０上には、さらに弾性膜５０とは異なる材料の
酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。この絶縁体膜５５上には、第１電極６０
と圧電体層７０と第２電極８０とからなる圧電アクチュエーター（圧力発生手段）３００
が設けられている。本実施形態では、第１電極６０が複数の圧電アクチュエーター３００
に共通する共通電極として機能し、第２電極８０が各圧電アクチュエーター３００で独立
する個別電極として機能する。また第２電極８０には、リード電極９０の一端がそれぞれ
接続されている。リード電極９０の他端には、駆動回路１２０が設けられた配線基板１２
１が接続されている。
流路形成基板１０の圧電アクチュエーター３００側の面には、流路形成基板１０と略同
一の大きさを有する保護基板３０が接合されている。保護基板３０は、圧電アクチュエー
ター３００を保護するための空間である保持部３１を有する。また保護基板３０には貫通
孔３２が設けられている。リード電極９０の他端側は、この貫通孔３２内に露出するよう
に延設され、リード電極９０と配線基板１２１とが貫通孔３２内で電気的に接続されてい
る。
また、このような構成のヘッド本体１１には、ヘッド本体１１を収容するケース部材４
０が固定されている。またこのケース部材４０は、複数の圧力発生室１２に連通するマニ
ホールドをヘッド本体１１と共に画成するマニホールド部材を兼ねている。ケース部材４
０は、流路形成基板１０、連通板１５、ノズルプレート２０及び保護基板３０を備えるヘ
ッド本体１１が収容される凹部４１を有する。この凹部４１は、流路形成基板１０よりも
広い開口面積を有し、圧力発生室１２の長手方向における流路形成基板１０の両外側には
、ケース部材４０とヘッド本体１１とによってマニホールド１００が画成されている。そ
して、このマニホールド１００の開口面は、蓋部材１１０によって封止されている。すな
わち蓋部材１１０が連通板１５及びケース部材４０の外周部に接合されて、マニホールド
１００の開口部が封止されている。
ここで蓋部材１１０は、シリコン基板からなるノズルプレート２０とは異なる材料、例
えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）や、ポリイミドフィルム等からなり、ノズルプレート２０
とは離間して設けられている。すなわち、ヘッド本体１１とケース部材４０とで画成され
るマニホールド１００が、ノズルプレート２０とは異なる材料からなる蓋部材１１０によ
って封止されている。
このように本発明では、流路が形成されるヘッド本体１１を構成する各部材をシリコン
基板で形成すると共に、シリコン基板とは異なる材料からなる蓋部材１１０によってマニ
ホールド１００を封止するようにした。これにより、圧力発生室１２等の流路やノズル２
１を高精度に形成してインクの噴射特性を向上することができると共に、コストの削減を
図ることができる。すなわち、インクジェット式記録ヘッド１の全体におけるシリコン基
板の使用量を減らして、材料コストの削減を図ることができる。またシリコン基板の使用
量の減少に伴ってシリコン基板の加工量も減少するため、加工コストの削減や設備投資費
の削減を図ることもできる。
また本実施形態では、連通板１５に設けられた連通孔１６を介して圧力発生室１２とノ
ズル２１とを連通させている。このように圧力発生室１２とノズル２１との間に連通孔１
６が存在することで、インクの増粘が抑制され、比較的高粘度のインクであっても良好に
噴射させることができる。特に、連通孔１６の内径がノズル２１の内径よりも大きいこと
が好ましい。これにより、さらに効果的にインクの増粘を抑制することができる。
ただし連通板１５はシリコン基板からなるため、連通板１５を設けることでその分のコ
ストが増加してしまう。しかしながら上述したように、マニホールド１００を上述した蓋
部材１１０で封止することで、連通板１５を設けた場合でも、ヘッド全体としてのシリコ
ン基板の使用量を抑え、インクジェット式記録ヘッド全体としてのコストの抑制を図るこ
とができる。
また蓋部材１１０の厚さは、特に限定されないが、本実施形態ではノズルプレート２０
と略同程度に比較的薄く形成されている。そして蓋部材１１０は、マニホールド１００内
の圧力変化によって変形可能な程度の可撓性を有するコンプライアンス部として機能する
。これにより、極めて容易にコンプライアンス部を形成することができ、この点において
も製造コストの削減を図ることができる。なお本実施形態では、蓋部材１１０の全体がコ
ンプライアンス部として機能するが、勿論、蓋部材１１０の一部がコンプライアンス部と
して機能するようにしてもよい。
また蓋部材１１０の厚さは、特に限定されないが、本実施形態のようにノズルプレート
２０と略同程度の厚さに形成されていることで、ワイピングによりノズル面に付着したイ
ンクを良好に除去することができる。例えば、蓋部材１１０の厚さとノズルプレート２０
の厚さとが異なり両者の境界に段差が形成されてしまうと、ノズル面を良好にワイピング
できなくなる虞がある。つまり蓋部材１１０とノズルプレート２０とのインク滴の噴射方
向における厚さは、ノズル面を良好にワイピングできる程度に略同一であることが好まし
い。
なおケース部材４０には、マニホールド１００に連通してマニホールド１００にインク
を供給するための導入路４３が設けられている（図１参照）。またケース部材４０には、
保護基板３０の貫通孔３２に連通して配線基板１２１が挿通される接続口４８が設けられ
ている。さらにケース部材４０は、接続口４８の開口縁部に壁部４９を備えている。この
壁部４９には、配線基板１２１と、配線基板１２１に接続される接続基板１２２と、が固
定されている。接続基板１２２は、例えば、外部配線が接続されるコネクター１２３が設
けられたリジット基板からなる。
そして、このような構成のインクジェット式記録ヘッド１では、インクを噴射する際に
、まずインクカートリッジ等から導入路４３を介してインクを取り込み、マニホールド１
００からノズル２１に至るまで流路内部をインクで満たす。その後、駆動回路１２０から
の信号に従い、圧力発生室１２に対応する各圧電アクチュエーター３００に電圧を印加す
ることにより、圧電アクチュエーター３００と共に弾性膜５０及び絶縁体膜５５をたわみ
変形させる。これにより、圧力発生室１２内の圧力が高まり所定のノズル２１からインク
滴が噴射される。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるも
のではない。上述の実施形態では、蓋部材１１０をケース部材４０の凹部４１の開口面の
みに設けるようにしたが、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等からなる蓋部材１１０を、
図３に示すように、ケース部材４０の凹部４１の開口面から、ケース部材４０の側面上ま
で連続的に設けるようにしてもよい。すなわち、ヘッド本体１１のノズル２１が開口する
ノズル面側を覆って蓋部材１１０を設けるようにしてもよい。これにより蓋部材１１０に
よってヘッド本体１１のノズル面を保護することもできる。
また上述の実施形態では、圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄
膜型の圧電アクチュエーターを例示したが、圧力発生手段の構成は特に限定されるもので
はない。圧力発生手段は、例えば、縦振動型の圧電アクチュエーターや、グリーンシート
を貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電アクチュエーターなどであってもよい
。さらに圧力発生手段は、例えば、圧力発生室内に配された発熱素子の発熱で生じるバブ
ルによってノズルから液滴を噴射させるものや、振動板と電極との間に発生させた静電気
力によって振動板を変形させてノズルから液滴を噴射させるものなどであってもよい。
なお上述したインクジェット式記録ヘッドは、インクジェット式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４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。
本実施形態のインクジェット式記録装置は、いわゆるライン式の装置である。図４に示
すように、インクジェット式記録装置Ｉは、インクジェット式記録ヘッド１を具備するイ
ンクジェット式記録ヘッドユニット２（以下、ヘッドユニット２という）と、装置本体３
と、被記録媒体である記録シートＳを給紙するローラー４と、液体貯留手段５とを備えて
いる。
ヘッドユニット２は、複数のインクジェット式記録ヘッド１と、これら複数のインクジ
ェット式記録ヘッド１を保持する板状のベースプレート６と、を具備する。このヘッドユ
ニット２は、ベースプレート６に取り付けられたフレーム部材７を介して装置本体３に固
定されている。
ローラー４は、装置本体３に設けられ、装置本体３に給紙されインクジェット式記録ヘ
ッド１のノズル面側を通過した紙等の記録シートＳを搬送して装置外部に排出させる。
またインクが貯留されている液体貯留手段５は装置本体３に固定されており、フレキシ
ブルチューブ等の供給管８を介して各インクジェット式記録ヘッド１に接続されている。
このようなインクジェット式記録装置Ｉでは、液体貯留手段５から供給管８を介して各
インクジェット式記録ヘッド１に供給され、ローラー４によって記録シートＳが搬送され
ると、ヘッドユニット２のインクジェット式記録ヘッド１からインクが噴射されて記録シ
ートＳに画像等が印刷される。
なおこの例では、インクジェット式記録装置Ｉにはヘッドユニット２が一つだけ搭載さ
れているが、インクジェット式記録装置Ｉに搭載するヘッドユニット２の数は特に限定さ
れず、複数のヘッドユニット２が搭載されていてもよい。
またインクジェット式記録装置として、いわゆるライン式のものを例示したが、インク
ジェット式記録装置は、勿論、これに限定されるものではない。例えば、キャリッジに搭
載されたインクジェット式記録ヘッドを移動させながら印刷を行う、いわゆるシリアル型
のインクジェット式記録装置にも本発明を適用することができる。この場合、液体貯留手
段はインクジェット式記録ヘッドと共にキャリッジに搭載されていてもよい。
さらに上述の実施形態では、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
を挙げて本発明について説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド及びそれを具備する液
体射装置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液体噴射ヘッド及び
それを具備する液体噴射装置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、ＦＥ
Ｄ（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ｃｈ
ｉｐ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ヘッド（液体噴射ヘッド）、 ２ インクジェット式記録ヘ
ッドユニット、 ３ 装置本体、 ４ ローラー、 ５ 液体貯留手段、 ６ ベースプ
レート、 ７ フレーム部材、 ８ 供給管、 １０ 流路形成基板、 １１ ヘッド本
体、 １２ 圧力発生室、 １４ インク供給路、 １５ 連通板、 １６ 連通孔、
２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル、 ３０ 保護基板、 ３１ 保持部、 ３２
貫通孔、 ４０ ケース部材、 ４１ 凹部、 ４３ 導入路、 ４８ 接続口、 ４９
壁部、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、
８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 １１０ 蓋部材、
１２０ 駆動回路、 １２１ 配線基板、 １２２ 接続基板、 １２３ コネクター、
３００ 圧電アクチュエーター、 Ｉ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、
Ｓ 記録シート

Claims (5)

  1. 複数の圧力発生室が形成されたシリコンからなる流路形成基板と、前記流路形成基板に接合され前記圧力発生室に連通する連通孔が形成されたシリコンからなる連通板と、を含む流路形成部材と、
    前記連通板の前記流路形成基板とは反対側の面の一部に接合され前記連通孔と連通するノズルが形成されたシリコンからなるノズルプレートと、
    前記圧力発生室に連通するマニホールドの一部を前記流路形成基板に対して前記圧力発生室の長手方向における外側に前記流路形成部材とともに画成するマニホールド部材と、
    前記連通板の前記ノズルプレートが接合されている面に接合されるとともに前記マニホールドの開口を封止する前記ノズルプレートとは異なる材料からなる蓋部材と、
    を備える液体噴射ヘッド。
  2. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドであって、
    前記蓋部材が少なくとも一部に可撓性を有するコンプライアンスを備える液体噴射ヘッド。
  3. 請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッドであって、
    前記蓋部材と前記ノズルプレートとの液体の噴射方向における厚さが略同一である液体噴射ヘッド。
  4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドであって、
    前記連通孔の内径が前記ノズルの内径よりも大きい液体噴射ヘッド。
  5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備える液体噴射装置。
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