JP7584912B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。

液滴の吐出によって記録を行うインクジェット記録装置等の液体吐出装置には、圧電アクチュエータを有する液体吐出ヘッドを備えたものがある。液体吐出ヘッドには、共通液室と、圧力室と、吐出口とを含む液体流路が構成されている。例えば、特許文献１には、共通液室から個別供給路を介して圧力室に連通し、圧力室から吐出流路を介して吐出口に連通する液体流路を有する液体吐出ヘッドが記載されている。圧力室を構成する壁の一部に圧電アクチュエータが配置されている。共通液室から圧力室へ向かう方向と、圧力室から吐出口へ向かう方向は実質的に反対向きである。すなわち、液体の流れ方向は、共通液室から個別供給路を介して圧力室に向かった後に、実質的に１８０度転換して圧力室から吐出流路を介して吐出口へ向かう。

特許文献２には、共通液室から個別供給路を介して圧力室に連通し、圧力室から直接吐出口に連通する液体流路が構成されている。圧力室を構成する壁の一部に圧電アクチュエータが配置されている。共通液室から圧力室へ向かう方向と、圧力室から吐出口へ向かう方向は実質的に一致している。

特開２０１１－３７２７８号公報 特開２０１８－１５５０号公報

特許文献１に記載されている液体吐出ヘッドでは、圧電アクチュエータは、基板の、吐出口形成部材と接合される面と反対側の面に配置されている。従って、圧力室および圧電アクチュエータと吐出口との間の距離が長いため、液体の吐出量を精緻に制御することが困難であり、吐出応答性が良好ではない。

特許文献２に記載されている液体吐出ヘッドでは、圧力室および圧電アクチュエータと吐出口との間の距離が短い。しかし、圧力室を構成する壁の一部が吐出口形成部材からなる。従って、液体を吐出するために圧電アクチュエータが圧力室内の液体に圧力を加える際に、吐出口形成部材が僅かに変形し、液体の吐出量が不安定になるおそれがある。吐出口形成部材の変形を防止するためには、吐出口形成部材を高剛性の材料によって形成する必要がある。それにより、液体吐出ヘッドの設計に制約が生じたり、製造の容易さや低コスト化の妨げになったりする可能性がある。

そこで、本発明の目的は、液体の吐出量を制御でき、かつ吐出応答性が良好で、吐出口形成部材の材料の選択の自由度が高い液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、吐出口に接続されている圧力室と、圧力室に対応して配置されている圧電アクチュエータと、圧力室に接続されている共通液室と、を有し、共通液室から圧力室を介して吐出口に至る液体流路が構成されており、１つの圧力室に対応して、１対の圧電アクチュエータと、共通液室から当該圧力室に液体を供給するための２つの個別流路と、が設けられ、圧力室と、吐出口が形成されている吐出口形成部材との間に、振動板が設けられており、振動板に圧電アクチュエータが配置されており、圧電アクチュエータは、振動板と吐出口形成部材との間に設けられた支持基板に形成された開口部の内部に配置されており、前記圧力室を形成する孔部を有する第１の基板と、前記個別流路が形成された第２の基板と、前記共通液室が形成された第３の基板と、が順番に積層された積層構造を有し、前記個別流路は前記第２の基板の面と垂直な第１の方向に前記第２の基板を貫通する孔であることを特徴とする。

本発明によると、液体の吐出量を制御でき、かつ吐出応答性が良好で、吐出口形成部材の材料の選択の自由度が高い液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの底面図および断面図である。 本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの底面図および断面図である。 本発明の液体吐出装置の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッド１の底面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。液体吐出ヘッド１は、基板２と、基板２に積層された吐出口形成部材３とを有する。吐出口形成部材３は、例えばシリコンや合成樹脂等によって形成されている。吐出口形成部材３には、液体を吐出する複数の吐出口４が形成されており、複数の吐出口４が吐出口列を構成している。複数の吐出口列から、種類の異なる液体、例えばブラック、イエロー、シアン、マゼンタ等のインクが吐出される。

基板２は複数のプレートからなり、具体的には、例えば合成樹脂からなる共通液室基板５，６と、例えばシリコンからなる流路基板７，８と、二酸化ケイ素の膜からなる振動板９と、例えばシリコンからなる支持基板１０と、が順番に積層された積層体である。共通液室基板６に孔部が設けられており、この孔部によって、共通液室基板５，６と流路基板７とに囲まれた空間である共通液室１１が形成されている。流路基板７に孔部が設けられており、この孔部によって、共通液室１１に連通する個別供給路１２が形成されている。流路基板８に孔部が設けられており、この孔部によって、流路基板７，８と振動板９とに囲まれた空間であって、個別供給路１２に連通する圧力室１３が形成されている。すなわち、流路基板７，８は、振動板９に積層され、振動板９とともに圧力室１３を構成する壁を形成している。圧力室１３は個別供給路１２を介して共通液室１１に連通している。振動板９と支持基板１０とに、互いに重なり合う孔部が設けられており、この孔部によって、圧力室１３に連通する吐出流路１４が形成されている。支持基板１０には、吐出流路１４に近接し、圧力室１３に重なり合う位置にもう１つの孔部が設けられており、この孔部によって、振動板９と支持基板１０とに囲まれた矩形状の開口部１５が形成されている。振動板９の、圧力室１３と反対側の面であって開口部１５の内部に、圧力室１３に対応する圧電アクチュエータ１６が配置されている。圧電アクチュエータ１６は、圧力室１３を構成する壁の一部の、圧力室１３から見て振動板９の裏面側に位置している。

吐出口形成部材３には、液体を吐出する貫通孔であって吐出流路１４に連通可能な吐出口４が設けられている。従って、吐出口形成部材３が基板２に積層された状態で、共通液室１１から個別供給路１２と圧力室１３と吐出流路１４とを通って吐出口４に至る液体流路が構成される。１つの共通液室１１に複数の個別供給路１２が接続されており、圧力室１３と吐出流路１４と吐出口４とはそれぞれ個別供給路１２と同数形成されており、互いに連通している。従って、１つの共通液室１１から複数系統の独立した液体流路が延びている。これらの液体流路において、共通液室１１から圧力室１３に向かう方向と、圧力室１３から吐出口４に向かう方向は、実質的に一致している。開口部１５内の圧電アクチュエータ１６が、振動板９を挟んで圧力室１３と対向する位置にある。

圧電アクチュエータ１６は、液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子であり、１対の電極１６ａと、１対の電極１６ａに挟まれた圧電膜１６ｂとからなる。圧電膜１６ｂは、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸鉛を主成分とする圧電材料によって構成された膜である。電極１６ａは、例えばアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金、もしくは銅または銅を主成分とする合金等で構成され、ドライバＩＣ（不図示）に接続されている。

この液体吐出ヘッド１では、共通液室１１から個別供給路１２を介して圧力室１３に液体（例えば液体インク）が供給された状態で、図示しないドライバＩＣから配線基板および電気配線を介して圧電アクチュエータ１６の電極１６ａに電力が印加される。圧電アクチュエータ１６は、電力が印加されると、圧力室１３の内側に向かって撓むように変形する。圧電アクチュエータ１６の変形に伴って振動板９が圧電アクチュエータ１６と一体的に変形し、それによって圧力室１３の容積が小さくなるとともに、圧力室１３内において液体に圧力が加えられる。圧力室１３内において液体に圧力が加えられると、液体の一部が液滴として吐出口４から吐出する。

本実施形態の液体吐出ヘッドでは、吐出口形成部材３と基板２の積層方向において、圧力室１３は共通液室１１と吐出口４との間に位置しており、圧力室１３および圧電アクチュエータ１６と吐出口４との間の距離が短い。従って、本実施形態の液体吐出ヘッド１は、圧力室１３および圧電アクチュエータ１６と吐出口４との間の距離が長い液体吐出ヘッドに比べて、液体の吐出量を精緻に制御でき、かつ吐出応答性が良好である。また、本実施形態の液体吐出ヘッド１では、吐出口形成部材３が圧力室１３の壁の一部を構成していない。従って、圧電アクチュエータ１６が圧力室１３の液体に圧力を加える際に吐出口形成部材３が変形することはなく、液体の吐出量が不安定になることが抑えられる。吐出口形成部材３を特別に剛性が高い材料によって形成する必要がなく、吐出口形成部材３の材料の選択の自由度が高い。そのため、液体吐出ヘッド１の設計に制約が生じたり、製造の容易さや低コスト化の妨げになったりすることが抑えられる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と同様な部分については同一の符号を付与し、説明を省略する。図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッド１の底面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。第１の実施形態では、吐出口４および圧力室１３と同数の圧電アクチュエータ１６および開口部１５が設けられているが、このような構成に限定されない。吐出口４および圧力室１３よりも多くの数の圧電アクチュエータ１６および開口部１５が設けられていてもよく、図２に示す第２の実施形態では、吐出口４および圧力室１３の２倍の数の圧電アクチュエータ１６および開口部１５が設けられている。そして、吐出口４を中心として対称な位置に、１対の圧電アクチュエータ１６および開口部１５がそれぞれ配置されている。圧力室１３は１対の圧電アクチュエータ１６を包含する大面積の平面形状を有している。そのため、共通液室１１から圧力室１３に液体を供給するための個別供給路１２が２つ設けられている。

本実施形態でも第１の実施形態と同様に、圧力室１３および圧電アクチュエータ１６と吐出口４との間の距離が短いため、液体の吐出量を精緻に制御でき、かつ吐出応答性が良好である。さらに、圧電アクチュエータ１６が圧力室１３の液体に圧力を加える際に吐出口形成部材３が変形することはなく、液体の吐出量が不安定になることが抑えられるため、吐出口形成部材３の材料の選択の自由度が高い。従って、液体吐出ヘッド１の設計に制約が生じたり、製造の容易さや低コスト化の妨げになったりすることが抑えられる。また、本実施形態では、各吐出口４からの吐出量を多くすることができる。それにより、特に商業印刷用などの大型の印刷機においても効率良く記録が可能である。

以上、２つの実施形態について説明した通り、本発明によると、圧力室１３と吐出口形成部材３との間に振動板９が配置され、その振動板９に圧電アクチュエータ１６が配置されている。この圧電アクチュエータ１６は支持基板１０の開口部１５の内部に位置し、吐出口形成部材３に対して非接触である。その結果、圧電アクチュエータ１６が作動して圧力室１３内の液体に圧力を加えても、その圧力は吐出口形成部材３にはほとんど影響を及ぼさず、変形が抑えられる。また、共通液室１１と圧力室１３と吐出口４とが同一方向（吐出口形成部材３と基板２の積層方向）に沿って順番に並んでおり、圧力室１３および圧電アクチュエータ１６と吐出口４との間の距離が短く、圧力損失が小さい。そのため、液体の吐出量を精緻に制御でき、吐出応答性が良い。ただし、本発明の液体吐出ヘッドは、前述した２つの実施形態の構成に限られず、様々な変更例が可能である。

［液体吐出装置］
図３に、本発明の液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装置を模式的に示している。本発明に係る液体吐出ヘッド１に、共通液室１１に液体を供給するためのタンクを含む液体供給手段２１が接続されている。液体吐出ヘッド１には、圧電アクチュエータ１６に駆動電力を供給する制御手段２２が接続されている。制御手段２２には、図示しない記録媒体を搬送する搬送手段２３も接続されている。制御手段２２が、適宜のタイミングで複数の圧電アクチュエータ１６を選択的に駆動するとともに、記録媒体を順次搬送するように搬送手段２３を駆動する。こうして、液体吐出ヘッド１から記録媒体への液体吐出と、記録媒体の搬送とを交互に行うことにより、記録媒体への記録を行う。

１ 液体吐出ヘッド
４ 吐出口
９ 振動板
１１ 共通液室
１３ 圧力室
１６ 圧電アクチュエータ

Claims (9)

1. 液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に接続されている圧力室と、前記圧力室に対応して配置されている圧電アクチュエータと、前記圧力室に接続されている共通液室と、を有し、
   前記共通液室から前記圧力室を介して前記吐出口に至る液体流路が構成されており、
   １つの前記圧力室に対応して、１対の前記圧電アクチュエータと、前記共通液室から当該圧力室に液体を供給するための２つの個別流路と、が設けられ、
   前記圧力室と、前記吐出口が形成されている吐出口形成部材との間に、振動板が設けられており、該振動板に前記圧電アクチュエータが配置されており、
   前記圧電アクチュエータは、前記振動板と前記吐出口形成部材との間に設けられた支持基板に形成された開口部の内部に配置されており、
   前記圧力室を形成する孔部を有する第１の基板と、前記個別流路が形成された第２の基板と、前記共通液室が形成された第３の基板と、が順番に積層された積層構造を有し、前記個別流路は前記第２の基板の面と垂直な第１の方向に前記第２の基板を貫通する孔であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記支持基板はシリコンからなる、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記吐出口形成部材は樹脂によって形成されている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記圧電アクチュエータは前記吐出口形成部材に対して非接触である、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記共通液室と前記圧力室と前記吐出口とは、前記吐出口形成部材と、前記共通液室および前記圧力室が形成された基板との積層方向において、前記共通液室、前記圧力室、前記吐出口の順番に並んで位置している、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. １対の前記圧電アクチュエータは前記吐出口を中心として対称な位置に配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記２つの個別流路は前記吐出口を中心として対称な位置に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記振動板の面と垂直な方向から見て、前記吐出口が前記共通液室と重なる位置に配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を搬送する搬送手段と、前記圧電アクチュエータと前記搬送手段とを駆動する制御手段と、を有する液体吐出装置。

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