JP4730531B2

JP4730531B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP4730531B2
Application number: JP2005265435A
Authority: JP
Inventors: 宗秀金谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-09-13
Also published as: US7571994B2; JP2007076107A; US20070058005A1; CN1944056A; CN100484764C

Description

本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特にインク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室内の液体に圧力を付与する圧力発生手段変位によりインク滴を吐出させ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。

プリンタやプロッタ等のインクジェット式記録装置には、インクカートリッジやインクタンク等のインク貯留部に貯留されたインクを、インク滴として吐出可能な複数のヘッド本体を有するインクジェット式記録ヘッドが搭載されている。

また、このようなインクジェット式記録装置は、複数色のインク滴を吐出してカラー印刷を行えるものが一般的になっており、インクジェット式記録装置には、それぞれ色の異なるインク滴を吐出する複数のヘッド本体を有するインクジェット式記録ヘッドが搭載されている。このようなインクジェット式記録ヘッド（インクジェット式記録ヘッドユニット）としては、例えば、各ヘッド本体（インクジェット式記録ヘッド）が、ノズルプレート側に設けられる固定板に所定間隔で位置決め固定されているものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、各ヘッド本体は、例えば、特許文献１に記載されているように、シリコン単結晶基板からなり圧力発発生室及びリザーバの一部を構成する連通部が設けられる流路形成基板と、圧力発生室に連通するノズル開口が穿設されたノズルプレートと、連通部と共にリザーバを構成するリザーバ部と圧電素子を保護する圧電素子保持部とを有するリザーバ形成基板等で構成されている。

このような構造のヘッド本体は、流路形成基板に圧力発生室と共にリザーバの一部が形成されているため、流路形成基板の面積が大きくなってしまう。このため、複数のヘッド本体が並設されているインクジェット式記録ヘッドも大型化してしまうという問題もある。さらに、各ヘッド本体の間隔が広くなってしまうため、すなわち、ノズル開口の列の間隔が広くなりノズル開口を高密度に配列することができないため、印刷品質の向上が困難になるという問題もある。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

特開２００５−０９６４１９号公報（特許請求の範囲、第１図、第５図等）

本発明はこのような事情に鑑み、各ヘッド本体を近接して配設でき、印刷品質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。

本発明の第１の態様は、液滴を吐出するノズル開口が穿設されたノズルプレートと、該ノズルプレートが一方面側に接合されると共に前記ノズル開口に連通する圧力発生室が複数並設される流路形成基板と、前記圧力発生室内の液体に圧力を付与する圧力発生手段とを少なくとも有するヘッド本体と、該ヘッド本体に対応する領域のそれぞれに前記ノズル開口を露出する露出口を有し複数の前記ヘッド本体が所定間隔で位置決め固定される固定板とを具備し、該固定板が、複数の前記圧力発生室に連通するリザーバが設けられたリザーバ形成基板と、前記リザーバ形成基板の一方面に接合されて前記リザーバに対向する領域に当該リザーバ内の圧力変化によって変形可能な可撓部を有するコンプライアンス基板と、前記リザーバ形成基板の他方面側に接合されて前記リザーバを封止する封止基板とからなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、リザーバが固定板に設けられ、流路形成基板には圧力発生室のみを形成すればよいため、流路形成基板の面積が小さくなりヘッド本体が小型化される。また、ヘッド本体の小型化に伴って、液体噴射ヘッドの小型化を図ることができる。さらに、各ヘッド本体の間隔（ノズル開口の列の間隔）を狭くすることができる。すなわち、ノズル開口を高密度に配列することができるため、印刷品質が向上する。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧力発生室と前記リザーバとが、前記コンプライアンス基板に設けられた貫通孔と、前記ノズルプレートに設けられた複数の微小孔で構成される供給孔とを介して連通していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、液体に気泡が混入するのを防止して、リザーバから各圧力発生室に液体を良好に供給することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記ノズルプレートがシリコン単結晶基板からなることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、ノズル開口及び供給孔を高精度に形成することができ、液滴の吐出特性が向上する。

本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記コンプライアンス基板が、弾性材料からなる弾性シートと該弾性シート上に接合され当該弾性シートを固定する補強基板とからなり、前記可撓部が前記弾性シートのみで形成されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、可撓部の弾性シートが変形することで、リザーバ内の圧力が常に一定に維持される。

本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記固定板上には、前記リザーバに対応する領域に前記リザーバと各リザーバに供給される液体が保持された液体保持手段とを繋ぐ流路の一部を構成する連通路が設けられると共に各ヘッド本体に対応する領域にヘッド保持部を有する流路部材がさらに接合されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、流路部材の連通路を介して各リザーバに液体が良好に供給される。そして、ヘッド本体が小型化されることで、この連通路を有する流路部材も小型化される。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧力発生手段が、前記流路形成基板の前記ノズルプレートとは反対側の面に振動板を介して設けられる圧電素子であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、圧電素子の駆動によりノズル開口から液滴が吐出される。また、流路形成基板には圧力発生室のみが形成されているため、このような圧電素子を有する構造としても、振動板に割れ等が生じることがない。

本発明の第７の態様は、第１〜６の何れかの態様の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。
かかる第７の態様では、信頼性を向上し、且つ小型化した液体噴射装置を実現することができる。

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を示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの要部を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１は、複数のヘッド本体２と、これらのヘッド本体２が位置決め固定される固定板３と、ヘッド本体２と共に固定板３に接合される流路基板４とを有する。

図２に示すように、本実施形態に係るヘッド本体２は、圧力発生手段の一例である圧電素子３００の駆動により圧力が付与される圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０と、流路形成基板１０の一方面に接合されるノズルプレート２０と、流路形成基板１０の圧電素子３００側の面に接合される保護基板３０とで構成されている。

ヘッド本体２は、インクと駆動信号を供給することでインク吐出可能なので、ヘッド本体２の形態でインク吐出検査を実施することが出来る。従って、ヘッド本体２を複数並べた時に、ばらつきが小さく、歩留まりの高いインクジェット式記録ヘッドを得ることが出来るという特徴がある。

流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁によって区画された圧力発生室１２が、幅方向に並設された列が２列形成されている。流路形成基板１０の開口面側には、ノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。

ノズルプレート２０には、インク滴を吐出するノズル開口２１が穿設され、各ノズル開口２１は、各圧力発生室１２の長手方向一端部、すなわち、流路形成基板１０の中央側の端部に連通している。また、ノズルプレート２０には、圧力発生室１２のノズル開口２１とは反対側の端部に連通するインク供給口２２が設けられている。そして、各圧力発生室１２には、後述するリザーバからこのインク供給口２２を介してインクが供給される。本実施形態に係るインク供給口２２は、複数の微小孔によって構成されている。この微小孔の大きさ（直径）は、特に限定されないが、比較的小さいことが好ましく、少なくともノズル開口２１よりも小さいことが望ましい。

なお、ノズルプレート２０の材料としては、流路形成基板１０と線膨張係数が近い材料を用いることが好ましく、本実施形態では、シリコン単結晶基板を用い、各ノズル開口２１及びインク供給口２２をエッチングにより形成している。勿論、ノズルプレート２０の材料は、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いるようにしてもよく、この場合、各ノズル開口２１及びインク供給口２２は、プレス加工で形成すればよい。

一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側には、弾性膜５０上に、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等からなる絶縁体膜５５が設けられ、この絶縁体膜５５上には、例えば、白金、イリジウム等の金属材料からなる下電極膜６０と、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウム等の金属材料からなる上電極膜８０とが積層され、各圧力発生室１２に対向する領域にそれぞれ圧電素子３００が形成されている。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータと称する。

また、各圧電素子３００の個別電極である上電極膜８０には、リード電極９０がそれぞれ接続されている。これらのリード電極９０は、本実施形態では、その一端が圧電素子３００の長手方向に沿って、流路形成基板１０の中央部まで延設されており、その先端は、後述する保護基板３０の貫通部３２内に露出されている。

流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００を保護するための圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が、接着剤等を介して接合されている。本実施形態では、圧電素子保持部３１は、各圧電素子３００の列に対向する領域にそれぞれ独立して設けられている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。なお、圧電素子保持部３１は、密封されていてもよいが、勿論、密封されていなくてもよい。

ここで、流路形成基板１０の保護基板３０との接合領域に、振動板のみで構成される領域、すなわち、インク流路が形成された領域があると、流路形成基板１０に保護基板３０を接合する際等、その領域で振動板に割れが生じるという問題がある。しかしながら、本発明の構成では、流路形成基板１０には圧力発生室１２のみが形成され、保護基板３０との接合領域にはインク流路が形成されていないため、このような問題が生じることはない。

また、保護基板３０の中央部、すなわち、圧電素子３００の列間に対応する領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通部３２が設けられている。そして、上述したように、各圧電素子３００に対応するリード電極９０は、それぞれこの貫通部３２に対向する領域まで延設され、図示しないが、この貫通部３２内に延設される接続配線を介して圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等と電気的に接続される。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミック、金属、プラスチック等を挙げることができるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましい。このため、本実施形態では、保護基板３０の材料として、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いている。

そして、このような構成の複数のヘッド本体２、本実施形態では、３つのヘッド本体２が、固定板３に所定間隔で位置決めされて接合されている。また、本実施形態では、これら複数のヘッド本体２と共に、流路基板４が固定板３に接合されている（図１参照）。

ここで、本発明に係る固定板３は、リザーバ形成基板１１０、封止基板１２０及びコンプライアンス基板１３０で構成され、各ヘッド本体２のノズル開口２１に対応する領域には、これらリザーバ形成基板１１０、封止基板１２０及びコンプライアンス基板１３０を貫通して各ノズル開口２１を露出する露出口１１１が設けられている。なお、この露出口１１１のヘッド本体２とは反対側の開口縁部、すなわち、封止基板１２０側の開口縁部は、面取りされたテーパ面１１１ａとなっていることが好ましい（図３参照）。ノズル開口２１の表面のワイピングをスムーズに行うためである。

リザーバ形成基板１１０は、例えば、シリコン単結晶基板等の材料からなり、各圧力発生室１２の列に対応して、リザーバ形成基板１１０を厚さ方向に貫通するリザーバ１１２を有する。そして、リザーバ形成基板１１０の一方面、すなわち、ヘッド本体２とは反対側の面には、例えば、シリコン単結晶基板等の材料からなる封止基板１２０が接合され、これによりリザーバ１１２の一方側の面が封止されている。

コンプライアンス基板１３０は、リザーバ形成基板１１０の他方面側に接合され、リザーバ１１２に対応する領域には、リザーバ１１２内の圧力変化によって変形可能な可撓部１３１が設けられている。この可撓部１３１が変形することで、リザーバ１１２内の圧力変化が実質的に吸収され、リザーバ１１２内は常にほぼ一定の圧力に保持される。

本実施形態では、コンプライアンス基板１３０は、樹脂材料等の弾性材料からなる弾性シート１３２と、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等からなり弾性シート１３２を補強する補強基板１３３とからなり、弾性シート１３２側がリザーバ形成基板１１０に接合されている。そして、補強基板１３３のリザーバに対向する領域には、補強基板１３３を厚さ方向に貫通する貫通部１３４が形成され、この貫通部１３４内が弾性シート１３２のみ構成される上記可撓部１３１となる。

また、コンプライアンス基板１３０には、一端がリザーバ１１２に連通すると共に、他端側にノズルプレート２０のインク供給口２２が連通するインク供給連通口１３５が形成されている。そして、リザーバ形成基板１１０に設けられているリザーバ１１２は、このインク供給連通口１３５とノズルプレート２０に設けられたインク供給口２２とを介して各ヘッド本体２の圧力発生室１２にそれぞれ連通している。

なお、インク供給連通口１３５は、圧力発生室１２毎に独立して設けられていてもよいが、本実施形態では、スリット状に形成されており、複数の圧力発生室１２に共通している。ノズルプレート２０に設けられているインク供給口２２が圧力発生室１２毎に独立して設けられているため、インク供給連通口１３５がスリット状であっても、各圧力発生室１２に良好にインクが供給される。さらに、コンプライアンス基板１３０には、リザーバ１１２内にインクを供給するためのインク導入口１３６がさらに設けられている。このインク導入口１３６の数は、特に限定されないが、本実施形態では、各リザーバ１１２に対応してそれぞれ２つ設けるようにしている。

そして、このコンプライアンス基板１３０上には、インク導入口１３６に一端が連通すると共に、他端側がインクカートリッジ等のインク保持手段（図示なし）に繋がるインク連通路４ａを有する流路基板４が接合されている。本実施形態に係る流路基板４は、各ヘッド本体２に対応する領域に流路基板４を厚さ方向に貫通するヘッド保持部４ｂを有し、各ヘッド本体２の周囲を囲むように設けられている。そして、流路基板４には、コンプライアンス基板１３０の各インク導入口１３６に対応する位置に、それぞれインク連通路４ａが設けられ、インク連通路４ａ及びインク導入口１３６を介してインク保持手段内のインクがリザーバ１１２に供給されるようになっている。

以上説明したように、本発明では、ヘッド本体２の流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを形成するようにし、複数のヘッド本体２が固定される固定板３にリザーバ１１２を設けるようにした。これにより、流路形成基板１０の面積が小さくなり、流路形成基板１０上に形成されるアクチュエータが小型化されるため、大幅なコストダウンを図ることができる。すなわち、製造コストが高いアクチュエータ部分の面積を縮小することで、ヘッドとしては大幅なコスト削減となる。

また、流路形成基板１０の面積が小さくなることでヘッド本体２も小型化される。したがって、各ヘッド本体２の配列ピッチを狭くすることができ、各ノズル開口２１の列の間隔も狭くなる。すなわち、ノズル開口２１を高密度に配設して、印刷品質の向上を図ることもできる。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、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、上述の実施形態では、ヘッド本体を、圧力発生室１２の列方向とは直交する方向で並設するようにしたが、これに限定されず、例えば、図４に示すように、ヘッド本体２を圧力発生室１２の列方向においても複数並設するようにしてもよい。また、この場合、固定板３に複数のヘッド本体２に共通するリザーバ１１２Ａを形成するようにしてもよい。また、リザーバ１１２Ａと共に、補強基板１３３の貫通部１３４Ａ、すなわち、可撓部１３１Ａを、複数のヘッド本体２に対応する領域に亘って連続的に形成するようにしてもよい。勿論、このような構成とした場合でも、各ヘッド本体２のピッチを狭くすることができる。したがって、インクジェット式記録ヘッドの小型化を図ることができると共に印刷品質を向上することができるという効果は得られる。

また、上述した実施形態では、圧力発生室１２内の液体に圧力を付与する圧力発生手段として、撓み振動型の圧電素子を例示したが、圧力発生手段は、特に限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子であってもよいし、発熱素子等であってもよい。

なお、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッド１は、例えば、インクカートリッジ等の液体保持手段が搭載される保持部材等と共にヘッドユニットを構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、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５に示すように、インクジェット式記録ヘッド１を有するヘッドユニット２００は、複数色のインクカートリッジ２０１が着脱可能に固定された状態で、キャリッジ２０２に搭載される。このヘッドユニット２００を搭載したキャリッジ２０２は、装置本体２０３に取り付けられたキャリッジ軸２０４に軸方向移動自在に設けられている。

そして、ヘッドユニット２００を搭載したキャリッジ２０２は、駆動モータ２０５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２０６を介してキャリッジ２０２に伝達されることで、キャリッジ軸２０４に沿って移動される。一方、装置本体２０３にはキャリッジ軸２０４に沿ってプラテン２０７が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン２０７上を搬送されるようになっている。

また、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの拡大断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの変形例を示す分解斜視図である。一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。

符号の説明

１インクジェット式記録ヘッド、２ヘッド本体、３固定板、４流路基板、１０流路形成基板、１２圧力発生室、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、２２インク供給口、３０保護基板、３１圧電素子保持部、１１０リザーバ形成基板、１１１露出口、１１２リザーバ、１２０封止基板、１３０コンプライアンス基板、１３２弾性シート、１３３、補強基板、１３４貫通部、１３５インク供給連通口、１３５インク導入口

Claims

液滴を吐出するノズル開口が穿設されたノズルプレートと、該ノズルプレートが一方面側に接合されると共に前記ノズル開口に連通する圧力発生室が複数並設される流路形成基板と、前記圧力発生室内の液体に圧力を付与する圧力発生手段とを少なくとも有するヘッド本体と、該ヘッド本体に対応する領域のそれぞれに前記ノズル開口を露出する露出口を有し複数の前記ヘッド本体が所定間隔で位置決め固定される固定板とを具備し、
該固定板が、複数の前記圧力発生室に連通するリザーバが設けられたリザーバ形成基板と、前記リザーバ形成基板の一方面に接合されて前記リザーバに対向する領域に当該リザーバ内の圧力変化によって変形可能な可撓部を有するコンプライアンス基板と、前記リザーバ形成基板の他方面側に接合されて前記リザーバを封止する封止基板とからなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１において、前記圧力発生室と前記リザーバとが、前記コンプライアンス基板に設けられた貫通孔と、前記ノズルプレートに設けられた複数の微小孔で構成される供給孔とを介して連通していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１又は２において、前記ノズルプレートがシリコン単結晶基板からなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜３の何れかにおいて、前記コンプライアンス基板が、弾性材料からなる弾性シートと該弾性シート上に接合され当該弾性シートを固定する補強基板とからなり、前記可撓部が前記弾性シートのみで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１〜４の何れかにおいて、前記固定板上には、前記リザーバに対応する領域に前記リザーバと各リザーバに供給される液体が保持された液体保持手段とを繋ぐ流路の一部を構成する連通路が設けられると共に各ヘッド本体に対応する領域にヘッド保持部を有する流路部材がさらに接合されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜５の何れかにおいて、前記圧力発生手段が、前記流路形成基板の前記ノズルプレートとは反対側の面に振動板を介して設けられる圧電素子であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項１〜６の何れかの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。