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発明の名称 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−76107(P2007−76107A)
公開日 平成19年3月29日(2007.3.29)
出願番号 特願2005−265435(P2005−265435)
出願日 平成17年9月13日(2005.9.13)
代理人 【識別番号】100101236
【弁理士】
【氏名又は名称】栗原 浩之
発明者 金谷 宗秀
要約 課題
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。

解決手段
ノズル開口21が穿設されたノズルプレート20と、ノズルプレート20が一方面側に接合されると共に圧力発生室12が複数並設される流路形成基板10と、圧力発生手段300とを少なくとも有するヘッド本体2と、ノズル開口21を露出する露出口111を有し複数のヘッド本体2が位置決め固定される固定板3とを具備し、この固定板3が、リザーバ112が設けられたリザーバ形成基板110と、リザーバ112に対向する領域に可撓部131を有するコンプライアンス基板130と、リザーバ形成基板110の他方面側に接合されてリザーバ112を封止する封止基板120とからなるようにする。
特許請求の範囲
【請求項1】
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2】
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3】
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4】
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5】
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6】
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7】
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。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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)。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
【特許文献1】特開2005−096419号公報(特許請求の範囲、第1図、第5図等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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)。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
(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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】実施形態1に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図2】実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。
【図3】実施形態1に係る記録ヘッドの拡大断面図である。
【図4】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。
【図5】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】
【0044】
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




 

 


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