JP5928700B2 - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関し、特にノズル開口を有する複数の圧力発生室を挟んだ両側に配設されて各圧力発生室に連通する液体貯留部である第１および第２のマニホールドとの間で、各圧力発生室を介して液体を循環させる循環方式を採用するものに適用して有用なものである。

液体噴射装置としては、例えば圧電素子からなる圧力発生手段によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、共通のマニホールドから各圧力発生室に個別にインクを供給するインク供給路と、各圧力発生室に形成されてインク滴を吐出するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）を具備するインクジェット式記録装置がある（例えば特許文献１、２参照）。

かかるインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズル開口と連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギーを付与してインク滴をノズル開口から外部に吐出させ、紙等の媒体の所定位置に着弾させている。

したがって、この種のインクジェット式記録装置の記録ヘッドでは、ノズル開口が大気に臨むことになる。このため、ノズル開口を介した水分の蒸発によりインクが増粘され、インク滴の吐出特性に悪影響を及ぼす場合が発生する。すなわち、増粘されたインクが一部でも存在するとノズル開口を介するインク滴の吐出量および吐出速度が変化し、着弾のばらつきを生起するという不都合が発生する。

かかる不都合を回避するため、ノズル開口に連通する圧力発生室のインクを循環させてノズル開口近傍にインクが滞留しないように工夫している。すなわち、かかる循環方式の記録ヘッドでは、ノズル開口を有する複数の圧力発生室を挟んだ両側に配設されて各圧力発生室に連通する液体貯留部である第１および第２のマニホールドとの間で、各圧力発生室を介して液体を循環させるように構成してある。

特開２００２−３５５９６１号公報 特許第３０９７７１８号公報

ところが、上述の如き循環方式を作用する記録ヘッドにおいては、インクの循環量が多い場合には、圧力発生室内のインクの流れが速くなり、ノズル開口からインクが吐出されにくくなる結果、安定した吐出の障害になるという問題があり、循環量が少ない場合には、特に吐出ノズルの数が増加し、必要な吐出量が増加した場合に吐出インク量の不足という問題を生起する。そこで、相反する二つの要件を同時に満足させるための工夫が必要になる。

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なく、他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、上記従来技術に鑑み、循環方式を採用する場合において、循環により圧力発生室内を流れる液体の速度を十分遅くすることができると同時に、吐出のための十分な量の液体は圧力発生室内に確保することができる液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、複数のノズル開口にそれぞれ連通される圧力発生室と、各圧力発生室に連通される第１の液体貯留部と、前記第１の液体貯留部の反対側で前記圧力発生室に連通される第２の液体貯留部とを備えた流路部材を有し、前記圧力発生室に充填された液体に圧力発生手段で圧力を付与することにより前記ノズル開口を介して液滴を吐出させるとともに、前記第１の液体貯留部と第２の液体貯留部との間で、前記圧力発生室を介して前記液体を循環させるように構成した液体噴射ヘッドであって、前記流路部材は、前記ノズル開口が形成するノズル列の外側で、該ノズル列の一端側と他端側との二箇所で前記第１および第２の液体貯留部をそれぞれ接続している第１および第２のバイパス流路を有し、しかも第１および第２のバイパス流路の流路抵抗Ｒと、前記第１および第２の液体貯留部を接続する各圧力発生室を含む流路部分の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎ（ただし、Ｎは全ノズル開口の数）となるように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
本態様によれば、第１および第２のバイパス流路の流路抵抗Ｒと、前記第１および第２の液体貯留部を接続する各圧力発生室を含む流路部分の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎとなるように構成しているので、循環される液体の多くが第１および第２のバイパス流路を介して流れる結果、各圧力発生室を介して流れる循環流の流量が抑制される。この結果、圧力発生手段が駆動された場合には、その発生圧力が良好に圧力発生室内の液体に伝達され、ノズル開口からは所定量の液滴が吐出される。すなわち、吐出特性に対する循環流の影響を可及的に抑制し得る。
ここで、圧力発生室における循環流は少量でも液体の増粘効果を得る上では何ら障害とならない。液体がノズル開口近傍に止まらず、少しでも移動すれば増粘は防止されるからである。
また、液体は第１および第２の流路も含め、ノズル開口を介しての液滴の吐出に必要な十分な量が循環されているので、この点でも吐出特性が悪影響を受けることはない。

ここで、前記圧力発生室は、前記ノズル列に対して直交する方向で２個が相対向させてあり、相互の先端部同士が連通路で連通されるとともに、一方のノズル列と他方のノズル列において、前記ノズル列方向で隣接するノズル開口が千鳥配置になるように構成されていても良い。この場合には、ノズル開口の千鳥配置により高密度化を図る際のヘッドの小型化を図り得る、第１の実施の形態における第２の液体貯留部に対応する部分を削除して相対向させた２個の圧力発生室の相互の先端部同士を連通路で連通したからである。

本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを有することを特徴とする液体噴射装置にある。
本態様によれば、循環方式を採用する記録ヘッドを搭載した場合でも、良好な吐出特性を得ることができる。この結果、循環方式による液体の増粘による吐出特性の悪化と循環流による吐出特性の悪化を同時に抑制して、高品質の印刷物等の作成に資することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる記録ヘッドのＡ−Ａ′線断面図である。 図１の流路基板を平面的に示す概略平面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる記録ヘッドのＢ−Ｂ′線断面図である。 図３の流路基板を平面的に示す概略平面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット式記録装置の概略斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における記録ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、本形態に係るインクジェット式記録ヘッド１０は、縦振動型の圧電素子を有するタイプであり、流路基板１１には、複数の圧力発生室１２が並設され、流路基板１１の厚さ方向（図中の上下方向）の両側は、各圧力発生室１２に対応してノズル開口１３を有するノズルプレート１４と、振動板１５とにより封止されている。ここで、ノズル開口１３は、径が開口に向かって漸小されるテーパー形状に形成されている。

また、流路基板１１には、各圧力発生室１２毎にそれぞれインク供給口１６を介して連通されて複数の圧力発生室１２の共通のインク室となる第１の液体貯留部である第１のマニホールド１７が形成されている。第１のマニホールド１７にはケースヘッド２３および振動板１５を貫通してインクを導入するインク供給路２４の一方（図中、下端側）の開口部が臨んでいる。

振動板１５の圧力発生室１２とは反対側には、各圧力発生室１２に対応する領域にそれぞれ圧電素子１８の先端が当接されている。これらの圧電素子１８は、圧電材料１９と、電極形成材料２０及び２１とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層され、振動に寄与しない不活性領域が固定基板２２を介してケースヘッド２３に固着されている。なお、固定基板２２と、振動板１５、流路基板１１及びノズルプレート１４とは、ケースヘッド２３を介して一体的に固定されている。

第２の液体貯留部となる第２のマニホールド２９は、流路基板１１において圧力発生室１２を挟んで第１のマニホールド１７と反対側で第１のマニホールド１７と平行に形成されており、循環用連通路２８を介して圧力発生室１２に連通している。かくして、圧力発生室１２にはノズル開口１３とともに、循環用連通路２８が、圧力発生室１２に対しノズル開口１３と同じ側で圧力発生室１２に連通されている。第２のマニホールド２９には振動板１５およびケースヘッド２３を貫通してインクを排出するインク排出路３０の一方（図中、下端側）の開口部が臨んでいる。

インク供給路２４とインク排出路３０の他方（図中、上端側）の開口部間は流路２５で連通されており、流路２５の途中にはインク貯留部であるインクカートリッジ２６およびポンプ２７が配設してある。

かくして本形態におけるインク循環は、ポンプ２７の駆動力を利用して強制的に行われる。すなわち、インクは、これを貯留しているインクカートリッジ２６から流路２５およびインク供給路２４を介して第１のマニホールド１７内に至り、インク供給口１６、圧力発生室１２、循環用連通路２８、第２のマニホールド２９、インク排出路３０、流路２５およびポンプ２７を介してインクカートリッジ２６に戻る経路で循環される。

図２は図１の流路基板を平面的に示す概略平面図である。同図中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。図２に示すように、流路基板１１は、ノズル開口１３が形成するノズル列（図２の上下方向の列）の外側で、該ノズル列の一端側（図では上端側）と他端側（図では下端側）との二箇所で第１および第２のマニホールド１７，２９をそれぞれ接続している第１および第２のバイパス流路３５，３６を有している。

ここで、本形態においては、第１および第２のバイパス流路３５，３６の流路抵抗Ｒと、第１および第２のマニホールド１７，２９を接続する各圧力発生室１２を含む流路部分（インク供給口１６＋圧力発生室１２＋循環用連通路２８）の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎ（ただし、Ｎは全ノズル開口の数）となるように構成してある。

この結果、インク供給路２４を介して第１のマニホールド１７内に供給されたインクは、各インク供給口１６、圧力発生室１２および循環用連通路２８を介して第２のマニホールド２９に流入すると同時に、第１および第２のバイパス流路３５，３６を介して第２のマニホールド２９に流入する。ここで、第１および第２のバイパス流路３５，３６の流路抵抗Ｒと、第１および第２のマニホールド１７，２９を接続する各圧力発生室１２を含む流路部分の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎとなっているので、循環されるインクの多くが第１および第２のバイパス流路３５，３６を介して流れる。この結果、各圧力発生室１２を介して流れる循環流の流量が抑制される。

このように構成されたインクジェット式記録ヘッド１０では、インクカートリッジ２６に連通される流路２５およびインク供給路２４を介して第１のマニホールド１７にインクが供給され、インク供給口１６を介して各圧力発生室１２に分配される。かかる状態で圧電素子１８に電圧を印加することにより圧電素子１８を収縮させる。これにより、振動板１５が圧電素子１８と共に変形されて（図中上方向に引き上げられて）圧力発生室１２の容積が広げられ、圧力発生室１２内にインクが引き込まれる。そして、ノズル開口１３に至るまでの内部をインクで満たした後、吐出用の駆動信号に基づき圧電素子１８の電極形成材料２０及び２１に印加していた電圧を解除すると、圧電素子１８が伸張されて元の状態に戻る。これにより、振動板１５も変位して元の状態に戻るため圧力発生室１２が収縮され、内部圧力が高まりノズル開口１３からインク滴が吐出される。

ここで、本形態では外部の駆動源であるポンプ２７を利用して前述の如き態様で、インクが循環させているが、第１のマニホールド１７に流入するインクの多くが第１および第２のバイパス流路３５，３６を介して第２のマニホールド２９に流入し、各圧力発生室１２内における循環流の流速を抑制してあるので、圧電素子１８が駆動された場合には、その発生圧力が良好に圧力発生室１２内のインクに伝達され、ノズル開口１３からは所定量のインク滴が吐出される。すなわち、良好な吐出特性を得る。

一方、圧力発生室１２においては少量ではあるが循環流が発生しているので、インクの増粘防止効果を得ることはできる。インクがノズル開口１３の近傍に止まらず、少しでも移動すれば増粘は防止されるからである。同時に、第１および第２のバイパス流路３５，３６も含めた循環路となっているので、十分なインクの循環量が確保され、ノズル開口１３を介してのインク滴の吐出に支障が出ることはない。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施の形態にかかる記録ヘッドのＢ−Ｂ′線断面図、図４は図３の流路基板を平面的に示す概略平面図である。

図３および図４に示すように、本形態に係る記録ヘッド１００は、図１および図２に示す第１の実施の形態に係る記録ヘッド１０の２個を相対向させて結合したものである。このときノズルプレート１４０に配設された一方と他方のノズル開口１３１，１３２で形成するノズル列が、前記ノズル列方向で隣接するノズル開口１３１，１３２が千鳥配置になるように構成されている。また、流路基板１１０に相対向して配設された圧力発生室１２１，１２２は先端部同士が循環用連通路２８０で連通されている。ここで、ノズル開口１３１，１３２が千鳥配列になっているので、循環用連通路２８０は圧力発生室１２１，１２２の長手方向の中心線に対して傾斜させてある。

循環用連通路２８０を介して連通された圧力発生室１２１、１２２を挟んで流路基板１１０の両端部には、第１および第２のマニホールド１７１、１７２が形成され、第１および第２のマニホールド１７１、１７２が、インク供給口１６１、圧力発生室１２１、循環用連通路２８０、圧力発生室１２２、インク排出路１６２を介して連通されている。

さらに流路基板１１０は、ノズル開口１３１，１３２が形成するノズル列（図４の上下方向の列）の外側で、該ノズル列の一端側（図では上端側）と他端側（図では下端側）との二箇所で第１および第２のマニホールド１７１，１７２をそれぞれ接続している第１および第２のバイパス流路３５０，３６０を有している。ここで、本形態においては、第１および第２のバイパス流路３５０，３６０の流路抵抗Ｒと、第１および第２のマニホールド１７１，１７２を接続する各圧力発生室１２１，１２２を含む流路部分（インク供給口１６１＋圧力発生室１２１＋循環用連通路２８０＋圧力発生室１２２＋インク排出路１６２）の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎ（ただし、Ｎは全ノズル開口の数）となるように構成してある。

かくして、インクカートリッジ２６０から流路２５０およびインク供給路２４１を介して第１のマニホールド１７１内に至り、インク供給口１６１、圧力発生室１２１、循環用連通路２８０、圧力発生室１２２、インク排出路１６２、第２のマニホールド１７２、インク排出路２４２、流路２５０およびポンプ２７０を介してインクカートリッジ２６０に戻るインクの循環路が形成される。同時に、第１および第２のバイパス流路３５０、３６０を介した循環路も形成されている。

一方、振動板１５０の圧力発生室１２１，１２２とは反対側には、各圧力発生室１２１，１２２に対応する領域にそれぞれ圧電素子１８１，１８２の先端が当接されている。これらの圧電素子１８１，１８２は、圧電材料１９１，１９２と、電極形成材料２０１，２０２とを縦に交互にサンドイッチ状に挟んで積層され、振動に寄与しない不活性領域が固定基板２２１，２２２を介してケースヘッド２３１に固着されている。なお、固定基板２２１と、振動板１５０、流路基板１１０及びノズルプレート１４０とは、ケースヘッド２３１を介して一体的に固定されている。

本形態においても第１の実施の形態と同様に、循環されるインクの多くが第１および第２のバイパス流路３５０，３６０を介して流れる結果、各圧力発生室１２１，１２２を介して流れる循環流の流量が抑制される結果、圧電素子１８１，１８２が駆動された場合には、その発生圧力が良好に圧力発生室１２１，１２２内のインクに伝達され、ノズル開口１３１，１３２からは所定量のインク滴が良好に吐出される。本形態でも、第１および第２のバイパス流路３５０，３６０の流路抵抗Ｒと、第１および第２のマニホールド１７１，１７２を接続する各圧力発生室１２１，１２２を含む流路部分の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎとなるように構成しているからである。

また、本形態においてもインクがノズル開口１３１，１３２の近傍に止まらず移動しているのでインクの増粘も有効に防止される。

さらに、本形態によれば、ノズル開口１３１，１３２の千鳥配置により高密度化を図る際のヘッドの小型化を図り得るばかりでなく、第１の実施の形態における第２のマニホールド２９に対応する部分を削除して相対向させた２個の圧力発生室１２１，１２２の相互の先端部同士を循環用連通路２８０で連通したので、記録ヘッド１００の小型化も実現し得る。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限るものでは勿論ない。例えば、上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは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アクチュエーターを有するヘッドであるが、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アクチュエーターである圧電素子を有するヘッド、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アクチュエーターである圧電素子を有するヘッド等にも同様に適用できる。さらに、圧力発生手段として、圧力発生室内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズル開口から液滴を吐出させるいわゆるバブル式アクチュエーターや、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口から液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエーター等にも適用することもできる。

さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッド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にも勿論適用することができる。その他の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ｃｈｉｐ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。

上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、インクジェット式記録装置に搭載される。図５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。同図に示すように、本形態に係るインクジェット式記録装置Ｉは、上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッド１Ａ及び１Ｂを有しており、さらに記録ヘッド１Ａ，１Ｂにインクを供給する供給手段を構成するインクカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられている。記録ヘッド１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ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。この記録ヘッド１Ａ及び１Ｂは、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出する。

また、キャリッジ軸５の一端部近傍には、駆動モーター６が設けられており、駆動モーター６の軸の先端部には外周に溝を有する第１のプーリー６ａが設けられている。さらに、キャリッジ軸５の他端部近傍には、駆動モーター６の第１のプーリー６ａに対応する第２のプーリー６ｂが回転自在に設けられており、これら第１のプーリー６ａと第２のプーリー６ｂとの間には環状でゴム等の弾性部材からなるタイミングベルト７が掛けられている。

そして、駆動モーター６の駆動力がタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッド１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ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３に沿ってプラテン８が設けられている。このプラテン８は図示しない紙送りモーターの駆動力により回転できるようになっており、給紙ローラー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８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

Ｉ インクジェット式記録装置、 １０ インクジェット式記録ヘッド、 １１，１１０ 流路基板、 １２，１２１，１２２ 圧力発生室、 １３，１３１，１３２ ノズル開口、 １７，２９，１７１，１７２ マニホールド、 １８，１８１，１８２ 圧電素子、 ２８，２８０ 循環用連通路、 ３５，３６，３５０，３６０ バイパス流路

Claims (3)

1. 複数のノズル開口にそれぞれ連通される圧力発生室と、各圧力発生室に連通される第１の液体貯留部と、前記第１の液体貯留部の反対側で前記圧力発生室に連通される第２の液体貯留部とを備えた流路部材を有し、前記圧力発生室に充填された液体に圧力発生手段で圧力を付与することにより前記ノズル開口を介して液滴を吐出させるとともに、前記第１の液体貯留部と第２の液体貯留部との間で、前記圧力発生室を介して前記液体を循環させるように構成した液体噴射ヘッドであって、
   前記流路部材は、前記ノズル開口が形成するノズル列の外側で、該ノズル列の一端側と他端側との二箇所で前記第１および第２の液体貯留部をそれぞれ接続している第１および第２のバイパス流路を有し、しかも第１および第２のバイパス流路のそれぞれの流路抵抗Ｒと、前記第１および第２の液体貯留部を接続する各圧力発生室を含む流路部分の流路抵抗ｒとの関係がＲ＜ｒ／Ｎ（ただし、Ｎは全ノズル開口の数）となるように構成したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記圧力発生室は、前記ノズル列に対して直交する方向で２個が相対向させてあり、相互の先端部同士が連通路で連通されるとともに、一方のノズル列と他方のノズル列において、前記ノズル列方向で隣接するノズル開口が千鳥配置になるように構成されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載する液体噴射ヘッドを有することを特徴とする液体噴射装置。
   
   

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