JP2014237276A - 流路ユニットおよび流路ユニットを搭載した液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークをより低減する。【解決手段】複数の圧力室が第１の方向に並ぶ圧力室基板と、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子と、を備えた流路ユニットであって、前記圧電素子の能動部の平面形状は、前記第１の方向と交差する第２の方向における一方側の幅が、当該第２の方向における他方側の幅よりも大きい形状である流路ユニット。前記第２の方向における前記圧電素子の能動部の前記幅が大きい側と前記幅が小さい側との配置が、前記第１の方向で隣り合うもの同士で異なるように、互い違いの向きで配設されている。【選択図】図３

Description

本発明は、流路ユニットおよび流路ユニットを搭載した液体噴射装置に関する。

インクジェットヘッド等の液体噴射ヘッドにおいては、より高品質な出力結果を得るために、ノズルの高密度化が進められている。ノズルの高密度化は、各ノズルへ液体を供給する圧力室の高密度化を同様に伴う。そのため、圧力室間の隔壁が薄膜化しやすく、これにより、ある圧力室に生じた変形による振動が隔壁を通じて隣の圧力室へ伝わる、いわゆるクロストークが生じ得る。クロストークは、隣接する圧力室の挙動に影響を与えるものであるため、これを抑制する必要がある。

関連技術として、隣接する圧力室間を隔離する圧力室隔壁の一部を厚肉部として剛性を高め、圧力室隔壁による圧力室へのクロストークを低減しようとしたインクジェットヘッドが知られている（特許文献１の図１参照）。

特開２００１‐１９９０６３号公報

上述したような高密度化とクロストークの低減という、相反する課題を解決することが望まれている。
本発明は少なくとも上述の課題を解決するためになされたものであり、圧力室の高密度化とクロストークの低減との両立に有効な流路ユニットおよび流路ユニットを搭載した液体噴射装置を提供する。

本発明の態様の一つは、複数の圧力室が第１の方向に並ぶ圧力室基板と、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子と、を備えた流路ユニットであって、前記圧電素子の能動部の平面形状は、前記第１の方向と交差する第２の方向における一方側の幅が、当該第２の方向における他方側の幅よりも大きい形状である。
また、本発明の態様の一つは、複数の圧力室が第１の方向に並ぶ圧力室基板と、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子と、を備えた流路ユニットであって、前記圧力室の平面形状は、前記第１の方向と交差する第２の方向における一方側の幅が、当該第２の方向における他方側の幅よりも大きい形状である。

当該構成によれば、圧電素子の能動部および圧力室の少なくとも一方の平面形状は、第１の方向と交差する第２の方向における一方側の幅が大きく、第２の方向における他方側の幅が小さい形状である。従って、圧力室の高密度化（第１の方向における一定距離あたりの圧力室数の増加）を図ったとしても、圧力室を隔てる隔壁を通じたクロストークを、当該幅が小さい側の存在によって抑えることができる。

本発明の態様の一つは、前記第２の方向における前記圧電素子の能動部の前記幅が大きい側と前記幅が小さい側との配置が、前記第１の方向で隣り合うもの同士で異なるように、互い違いの向きで配設されているとしてもよい。
また、本発明の態様の一つは、前記第２の方向における前記圧力室の前記幅が大きい側と前記幅が小さい側との配置が、前記第１の方向で隣り合うもの同士で異なるように、互い違いの向きで配設されているとしてもよい。
当該構成によれば、圧力室の高密度化とクロストークの低減とをより促進することができる。

本発明の態様の一つは、前記圧電素子の能動部は、前記第１の方向で隣り合うもの同士で、前記第２の方向においてずれて配置されているとしてもよい。
また、本発明の態様の一つは、前記圧力室は、前記第１の方向で隣り合うもの同士で、前記第２の方向においてずれて配置されているとしてもよい。
当該構成によれば、圧力室の高密度化とクロストークの低減とをより促進することができる。

本発明の態様の一つは、前記幅が大きい側において、前記圧力室は液体を噴射するためのノズルと連通する構成としてもよい。当該構成によれば、圧力室の十分な容積変化に応じた液体の適切な噴射量を確保することができる。

本発明にかかる技術的思想は流路ユニットという形態のみで実現されるものではなく、他の物によって具現化されてもよい。例えば、上述の流路ユニットを搭載した装置（液体噴射装置）を一つの発明として捉えることが可能である。また、上述の流路ユニットや液体噴射装置を製造する製造方法の発明を捉えることも可能である。

液体噴射ヘッドの構成を模式的に例示する分解斜視図。 （ａ）は図１のＡ１‐Ａ１線における液体噴射ヘッドの断面図、（ｂ）は図１のＡ２‐Ａ２線における液体噴射ヘッドの断面図。 能動部および圧力室の形状等を例示する図。 能動部および圧力室の形状等（変形例１）を示す図。 能動部および圧力室の形状等（変形例２）を示す図。 能動部および圧力室の形状等（変形例３）を示す図。 能動部および圧力室の形状等（変形例４）を示す図。 能動部および圧力室の形状のバリエーションを示す図。 インクジェットプリンターの一例を示す概略図。

１．流路ユニット及び液体噴射ヘッドの概要の例示
図１は、流路ユニットＵ０を含む液体噴射ヘッド１の構成の概略を例示している。
図２（ａ）は、液体噴射ヘッド１を、図１のＡ１‐Ａ１線による断面図で示している。
図２（ｂ）は、液体噴射ヘッド１を、図１のＡ２−Ａ２線による断面図で示している。
図中、符号Ｄ１は流路ユニットＵ０の厚み方向を示している。符号Ｄ３は、流路ユニットＵ０の長手方向を示し、符号Ｄ４は、流路ユニットＵ０の短手方向を示している。各方向Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４は、互いに直交するものとするが、互いに交わっていれば直交していなくてもよい。分かり易く示すため、各方向Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４の拡大率は異なることがあり、圧電素子３の面積率も異なることがあり、各図は整合していないことがある。

本明細書で説明する位置関係は、発明を説明するための例示に過ぎず、発明を限定するものではない。また、方向や位置等の同一、直交、等は、厳密な同一、直交、等のみを意味するのではなく、製造時等に生じる誤差も含む意味である。更に、接すること、及び、接合することは、間に接着剤等の介在するものが有ることと、間に介在するものが無いこととの両方を含む。

図１に例示する液体噴射ヘッド１は、符号１０，２０，３０の各部を有する流路ユニットＵ０と、圧力室２１に連通するノズル６２と、を備え、インク（液体）を噴射（吐出）するインクジェット式記録ヘッドである。図９に例示する液体噴射装置２００は、前述のような液体噴射ヘッドを搭載したインクジェットプリンター（記録装置）である。

振動板１０は、スペーサー部２０の一方の面（表面２０ａ）を封止する。図２に示すように、振動板１０の、スペーサー部２０と接する裏面１０ｂとは反対側の表面１０ａに圧電素子３、リード電極８４、等が設けられている。図１では、当該表面１０ａに搭載される構成の図示を省略している。振動板１０の裏面１０ｂは、圧力室２１の壁面の一部を構成する。振動板１０は、圧電素子３により駆動信号ＳＧ１に応じて変形して圧力室２１内の液体に圧力を加える。

圧電素子３は、圧電体層８２と、圧電体層８２の圧力室２１側に設けられた下電極（第一電極）８１と、圧電体層８２の他方側に設けられた上電極（第二電極）８３とを有する圧力発生部である。図２に示す圧電素子３は、各圧力室２１に対応した位置にある。圧電素子３を駆動制御するための制御回路基板９１は、例えば、上電極８３に対してフレキシブル基板等といったケーブル類９２を介して接続される。電極８１，８３の一方は、他の圧電素子３の電極８１，８３の一方と電気的に接続された共通電極にされてもよい。上下電極の構成金属には、例えば、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｔｉ（チタン）、等の一種以上を用いることができる。圧電体層８２には、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）といった強誘電体、非鉛系ペロブスカイト型酸化物といったペロブスカイト構造を有する材料等を用いることができる。リード電極８４は、下電極８１に接続されてもよいし、上電極８３に接続されてもよい。

スペーサー部２０には、厚み方向Ｄ１へ貫通した圧力室２１が形成されている。このスペーサー部２０が振動板１０と接続部３０とに挟まれることにより、圧力室２１が流路ユニットＵ０の内部に設けられる。この意味で、流路ユニットＵ０は、特許請求の範囲における圧力室基板を少なくとも含む。各圧力室２１は、長手方向を流路ユニットＵ０の短手方向Ｄ４に向けた長尺状に形成され、流路ユニットＵ０の長手方向Ｄ３へ複数並べられている。圧力室２１同士の間は、隔壁２２とされる。圧力室２１内の液体には、壁の一部である振動板１０の変形により圧力が加わる。流路ユニットＵ０の長手方向Ｄ３へ並んだ圧力室２１の列は、流路ユニットＵ０の短手方向Ｄ４へ複数並べられてもよい。

接続部３０には、各圧力室２１に連通する位置で厚み方向Ｄ１へ貫通した液体の供給孔３１及び連通孔３２が形成されている。すなわち、接続部３０は、孔３１，３２を除いてスペーサー部２０における表面２０ａとは反対側の面（裏面２０ｂ）を封止する。供給孔３１は、圧力室２１の長手方向の一つの端部に対応する位置に設けられ、連通孔３２は、圧力室２１の長手方向のもう一つの端部に対応する位置に設けられている。以下では、圧力室２１の供給孔３１と連通する側を供給側端部と呼び、圧力室２１の連通孔３２と連通する側をノズル側端部と呼ぶ。孔３１，３２及び圧力室２１は、流路ユニットＵ０の液体が通過する流路となる。

接続部３０の裏面３０ｂに接合されるリザーバープレート５０には、厚み方向Ｄ１へ貫通したリザーバー５１及び連通孔５２が形成されている。リザーバー５１は、接続部３０の各供給孔３１と、図示しない液体供給経路と、に連通した共通液室（共通インク室）である。各連通孔５２は、接続部３０の各連通孔３２に連通する位置に設けられている。接続部３０の裏面３０ｂは、リザーバー５１の壁面の一部を構成する。

リザーバープレート５０の接続部３０と接合する面とは反対側の面に接合されるノズルプレート６０には、各連通孔５２に連通する位置で厚み方向Ｄ１へ貫通したノズル６２が形成されている。ノズルプレート６０の裏面は、ノズル６２から液滴を噴射するノズル面６０ｂとされる。図１に示すノズルプレート６０は、各圧力室２１に連通するノズル６２が所定方向（Ｄ３）へ所定間隔で並べられたノズル列を有している。図１に示す複数のノズル６２は、いわゆる千鳥状に配置されている。

液体噴射ヘッド１は、リザーバープレート５０を必ずしも備える必要は無い。例えば、リザーバープレート５０が無い場合には、ノズルプレート６０を流路ユニットＵ０へ接合することができる。リザーバープレート５０を設けない場合は、当該プレートの機能を他のプレートに担わせる。逆に、液体噴射ヘッド１は、図示しない他のプレート（例えば、リザーバープレート５０と接続部３０との間に挿入される封止プレート）を、有するとしてもよい。また、液体噴射ヘッド１は、いわゆるコンプライアンスプレート等の他のプレートを備えていてもよく、例えば、コンプライアンスプレートがリザーバープレート５０とノズルプレート６０との間に配置されてもよい。更に、上述したプレートのいずれかが複数のプレートで構成されてもよいし、逆に、複数のプレートの機能を一枚のプレートが備えるとしてもよい。

図１の例では、方向Ｄ３に並ぶ複数の圧力室２１は、ノズル側端部の向き（供給側端部の向き）が隣り合うもの同士で互い違いとなっている。図１におけるＡ１‐Ａ１線は、ノズル側端部の向きが、方向Ｄ４の両端のうち一端側（図２における右側）を向く圧力室２１を通過する線である。図１におけるＡ２‐Ａ２線は、ノズル側端部の向きが、方向Ｄ４の両端のうち他端側（図２における左側）を向く圧力室２１を通過する線である。

上述した液体噴射ヘッド１において、インク等の液体は、図示しない液体供給経路から導入されてリザーバー５１内を満たし、各供給孔３１を通って各圧力室２１内を満たす。制御回路基板９１からの駆動電圧（駆動信号ＳＧ１）に応じて振動板１０を圧力室２１側へ撓ませるように圧電素子３が変形すると、それに応じて振動板１０も変形する。振動板１０の変形により圧力室２１の容積が変化して圧力室２１内の液体の圧力が高まり、連通孔３２，５２を介してノズル６２から液滴が噴射される。

２．能動部およびまたは圧力室の形状の説明
次に、本実施形態における圧電素子３および圧力室２１の特徴的形状を説明する。
図３は、表面１０ａに対面する視点による、圧電素子３の能動部４の形状等を例示している。能動部４とは、圧電素子３のうち、下電極８１と圧電体層８２と上電極８３とが重なる範囲を意味し、駆動信号ＳＧ１に応じて変形する範囲である。能動部４は実線にて示している。また図３では、能動部４に対応して形成されている圧力室２１の形状と、圧力室２１内に連通する供給孔３１及び連通孔３２とを、鎖線にて示している。図３に示すように、能動部４の平面形状（方向Ｄ３および方向Ｄ４に対して平行な面における形状）は、圧力室２１のノズル側端部に対応する側の幅（方向Ｄ３における幅。以下同様。）が、圧力室２１の供給側端部に対応する側の幅よりも大きい形状である。なお、方向Ｄ３は特許請求の範囲における「第１の方向」に、方向Ｄ４は特許請求の範囲における「第２の方向」に、それぞれ該当する。

また図３の例では、圧力室２１の平面形状も、能動部４と相似あるいは略相似であり、ノズル側端部の幅が供給側端部の幅よりも大きい形状である。また、能動部４および圧力室２１は、方向Ｄ３において隣り合うもの同士で、互い違いの向きである。つまり、方向Ｄ３において、幅の大きいノズル側端部と幅の狭い供給側端部とが交互に配置されている。さらに、能動部４および圧力室２１の端部（一端側及び／又は他端側）は、方向Ｄ３において隣り合うもの同士で揃わずに、方向Ｄ４においてずれて配置されている。言い換えると、方向Ｄ３において隣り合う能動部４および圧力室２１は、方向Ｄ４において重なる範囲が、ノズル側端部と比較して上記幅が狭い部分である。また、方向Ｄ３から見て、各能動部４および圧力室２１が重なる領域が、上記幅が狭い部分の領域とされている。

ここで、符号Ｐで表される距離は、方向Ｄ３における圧力室２１間の距離であり、方向Ｄ３におけるノズル６２間の距離（ノズルピッチ）でもある。この距離Ｐをより狭くすることで、圧力室２１の高密度化すなわちノズル６２の高密度化が進む。
本実施形態では、圧電素子３（能動部４）および圧力室２１が上述したような特徴的形状を採用することにより、距離Ｐを狭めた場合であっても、圧力室２１間を隔てる隔壁２２の厚さを確保し易い。従って、圧力室２１の高密度化（ノズル６２の高密度化）とクロストークの低減という２つの課題を同時に解決することができる。また、圧力室２１のノズル側端部は、他の圧力室２１に干渉しない位置で、その幅が比較的大きく確保されているため、ノズル側端部における振動板１０の変位量が十分に確保される。つまり、振動板１０の変位量が十分確保される能動部４および圧力室２１のノズル側端部同士の方向Ｄ３における距離（間隔２２´（図３参照））が、振動板１０の変位量がそれより小さい能動部４および圧力室２１の供給側端部同士の方向Ｄ３における距離（間隔、つまり隔壁２２の厚さ）よりも大きく確保されている。そのため、圧力室２１等の幅を全体的に狭めた場合に振動板１０の変位量不足に起因してノズル６２からの液体噴射量が低下する、といった不具合も本実施形態では回避することができる。

３．変形例
能動部４および圧力室２１の形状としては、図３に示したものに限られず、以下に説明する複数の変形例を採用することも可能である。

図４は、変形例１にかかる能動部４および圧力室２１の形状等を、図３と同様の視点で示している。能動部４および圧力室２１は、方向Ｄ３において隣り合うもの同士で、方向Ｄ４においてずれていなくてもよい。つまり図４は、図３に示したような方向Ｄ４におけるずれが無い構成を示している。

図５は、変形例２にかかる能動部４および圧力室２１の形状等を、図３と同様の視点で示している。能動部４および圧力室２１は、方向Ｄ３において隣り合うもの同士で、互い違いの向きでなくてもよい。つまり図５は、能動部４および圧力室２１はいずれも、上記幅が広い部分が、方向４における同じ側（例えば、方向Ｄ４の他端側）を向いている。

変形例１，２のいずれかを採用する場合であっても上記幅が狭い部分が存在するため、距離Ｐを狭めつつも圧力室２１間を隔てる隔壁の厚さを確保し易い。従って、的確にクロストークを抑制することができる。変形例１，２のいずれかを採用する場合は、図１，２に示した態様のリザーバー５１をそのまま採用することは難しいが、リザーバーについては、各供給孔３１を介して各圧力室２１へ液体を供給するために必要な数や位置を確保すればよい。

図６は、変形例３にかかる能動部４および圧力室２１の形状等を、図３と同様の視点で示している。能動部４とそれに対応する圧力室２１とは、互いに相似形でなくてもよい。図６では、能動部４の形状は図３と同様であるが、圧力室２１は矩形状となっている。当該構成を採用した場合、圧力室２１の幅は、圧力室２１の長手方向（Ｄ４）の全範囲で広く確保されているため、距離Ｐを狭めようとすると、隔壁２２が図３等の例と比較して薄くなり易い。しかしながら、能動部４は圧力室２１の供給側端部に対応する側において幅が狭い形状となっているため、能動部４の当該供給側端部に対応する側の変位が隣の圧力室２１へ及ぼす影響は少ない。従って、距離Ｐを狭めつつも的確にクロストークを抑制することができる。

図７は、変形例４にかかる能動部４および圧力室２１の形状等を、図３と同様の視点で示している。図７では、圧力室２１の形状は図３と同様であるが、能動部４は矩形状となっている。当該構成を採用した場合であっても、図３等の例と同様に距離Ｐを狭めつつも圧力室２１間を隔てる隔壁２２の厚さを確保し易い。従って、的確にクロストークを抑制することができる。
なお、図６，７のいずれかに示した能動部４および圧力室２１の形状と、図４，５のいずれかに示した能動部４および圧力室２１の配置とを組み合わせることも可能である。

さらに、能動部４や圧力室２１の形状は上述したものに限定されない。
図８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ能動部４および圧力室２１の形状（ノズル側端部に対応する側の幅が、供給側端部に対応する側の幅よりも大きい形状）の種々のバリエーションを例示している。能動部４および圧力室２１は、図８（ａ）に示すように、例えば、その短手方向において非対称な形状であってもよい。また、能動部４および圧力室２１は、図８（ｂ）に示すように、例えば、供給側端部に対応する側の幅が、ノズル側端部に対応する側の幅よりも小さい範囲内で、供給側端部とノズル側端部とを連結している部分の幅よりも広くてもよい。また、能動部４および圧力室２１は、図８（ｃ）に示すように、例えば、一部に切り欠き形状を含むとしてもよい。むろん、能動部４および圧力室２１のいずれか一方が、図８に示したいずれかの形状を採用するとしてもよい。また、能動部４および圧力室２１の幅の狭い部分を供給側端部に向かうにつれて徐々に幅を狭くさせた形状としてもよい。

４．液体噴射装置の例
図９は、上述した液体噴射ヘッド１を記録ヘッドとして有するインクジェット式の記録装置である液体噴射装置２００の外観を示している。液体噴射ヘッド１を記録ヘッドユニット２１１，２１２に組み込むと、液体噴射装置２００を製造することができる。図９に示す液体噴射装置２００は、記録ヘッドユニット２１１，２１２のそれぞれに、液体噴射ヘッド１が設けられ、外部インク供給手段であるインクカートリッジ２２１，２２２が着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット２１１，２１２を搭載したキャリッジ２０３は、装置本体２０４に取り付けられたキャリッジ軸２０５に沿って往復移動可能に設けられている。駆動モーター２０６の駆動力が図示しない複数の歯車及びタイミングベルト２０７を介してキャリッジ２０３に伝達されると、キャリッジ２０３がキャリッジ軸２０５に沿って移動する。図示しない給紙ローラー等により給紙される記録媒体２９０は、プラテン２０８上に搬送され、インクカートリッジ２２１，２２２から供給され液体噴射ヘッド１から噴射されるインク滴により印刷がなされる。
また、液体噴射装置２００は、印刷中に液体噴射ヘッドが移動しないように固定されて、記録媒体を移動させるだけで印刷を行ういわゆるラインヘッド型のプリンターでもよい。

５．応用、その他
流体噴射ヘッドから吐出される液体は、液体噴射ヘッドから吐出可能な材料であればよく、染料等が溶媒に溶解した溶液、顔料や金属粒子といった固形粒子が分散媒に分散したゾル、等の流体が含まれる。このような流体には、インク、液晶、等が含まれる。液体噴射ヘッドは、プリンターといった画像記録装置の他、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造装置、有機ＥＬディスプレーやＦＥＤ（電解放出ディスプレー）等の電極の製造装置、バイオチップ製造装置、等に搭載可能である。
圧力室に圧力を与えるための圧電素子は、図２（ａ），（ｂ）で示したような薄膜型に限定されず、圧電材料と電極材料とを交互に積層させた積層型等でもよい。

また、上述した実施形態や変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、公知技術並びに上述した実施形態及び変形例の中で開示した各構成を相互に置換したり組み合わせを変更したりした構成、等も実施可能である。本発明は、これらの構成等も含まれる。

１…液体噴射ヘッド、３…圧電素子、４…能動部、１０…振動板、２０…スペーサー部、２１…圧力室、２２…隔壁、３０…接続部、３１…供給孔、３２…連通孔、５０…リザーバープレート、５１…リザーバー、５２…連通孔、６０…ノズルプレート、６２…ノズル、２００…液体噴射装置、Ｕ０…流路ユニット

Claims (9)

1. 複数の圧力室が第１の方向に並ぶ圧力室基板と、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子と、を備えた流路ユニットであって、
   前記圧電素子の能動部の平面形状は、前記第１の方向と交差する第２の方向における一方側の幅が、当該第２の方向における他方側の幅よりも大きい形状であることを特徴とする流路ユニット。
2. 前記第２の方向における前記圧電素子の能動部の前記幅が大きい側と前記幅が小さい側との配置が、前記第１の方向で隣り合うもの同士で異なるように、互い違いの向きで配設されていることを特徴とする請求項１に記載の流路ユニット。
3. 前記圧電素子の能動部は、前記第１の方向で隣り合うもの同士で、前記第２の方向においてずれて配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路ユニット。
4. 前記幅が大きい側において、前記圧力室は液体を噴射するためのノズルと連通することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか記載の流路ユニット。
5. 複数の圧力室が第１の方向に並ぶ圧力室基板と、前記圧力室の容積を変化させる圧電素子と、を備えた流路ユニットであって、
   前記圧力室の平面形状は、前記第１の方向と交差する第２の方向における一方側の幅が、当該第２の方向における他方側の幅よりも大きい形状であることを特徴とする流路ユニット。
6. 前記第２の方向における前記圧力室の前記幅が大きい側と前記幅が小さい側との配置が、前記第１の方向で隣り合うもの同士で異なるように、互い違いの向きで配設されていることを特徴とする請求項５に記載の流路ユニット。
7. 前記圧力室は、前記第１の方向で隣り合うもの同士で、前記第２の方向においてずれて配置されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の流路ユニット。
8. 前記幅が大きい側において、前記圧力室は液体を噴射するためのノズルと連通することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか記載の流路ユニット。
9. 請求項１〜請求項８のいずれかに記載の流路ユニットを搭載した液体噴射装置。

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