(57)【要約】【課題】高解像度化を実現すると同時に吐出特性の性能向上にも寄与させることができる液体噴射ヘッドを提供する。【解決手段】隣り合うノズル開口５６が圧力発生室５２の並設方向において圧力発生室５２の長手方向に関して互いにずらして配設され、同時に、インク供給路５４の入口から圧力発生室５２を介してノズル開口５６に至る長さが異なる複数種類の個別流路７１〜７３を有するとともに、個別流路７１〜７３は、インク供給路５４の入口から前記並設方向と直交する方向における圧電素子の中心に対応する基準位置Ｃに至る第１の流路部７１Ａ〜７３Ａと、基準位置Ｃからノズル開口５６に至る第２の流路部７１Ｂ〜７３Ｂとを有し、さらに第１の流路部７１Ａ〜７３ＡのイナータンスＭ１と、第２の流路部７１Ｂ〜７３ＢのイナータンスＭ２との比Ｍ１／Ｍ２が各個別流路７１〜７３において同じであるように構成されている。【選択図】図２
2013006334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体貯留部に貯留された液体が第１の液体供給路を介して供給される第１の圧力発生室と、第１の圧力発生手段が前記第１の圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることにより液体を噴射する第１のノズル開口と、前記液体貯留部に貯留された液体が第２液体供給路を介して供給される第２の圧力発生室と、第２の圧力発生手段が前記第２の圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることにより液体を噴射する第２のノズル開口とを備え、
前記第１の圧力発生室と前記第２の圧力発生室とが並設され、
前記第１のノズル開口と前記第２のノズル開口とは、前記液体貯留部からの流路長さが異なり、
前記第１の液体供給路の入口から前記第１の圧力発生手段の中心に対応する第１の基準位置に至る流路のイナータンスと、前記第１の基準位置から前記第１のノズル開口に至る流路のイナータンスとの比が、前記第２の液体供給路の入口から前記第２の圧力発生手段の中心に対応する第２の基準位置に至る流路のイナータンスと、前記第２の基準位置から前記第２のノズル開口に至る流路のイナータンスとの比と同じであ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。
【請求項２】
請求項１に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
前記液体供給路の前記入口から出口に至るイナータンスが前記各液体供給路において同じ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。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
前記液体供給路から前記圧力発生室を経て前記ノズル開口に至る各流路の流路抵抗が同じ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。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する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】
本発明は液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関し、特に隣接するノズル開口の位置をずらすことにより高解像度化を図る場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
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、共通のインク貯留部である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１参照）。
【０００３】
かかるインクジェット式記録装置では、駆動信号に対応するノズル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。
【０００４】
かかるインクジェット式記録装置において高解像度の印刷を実現するためには、インクジェット式記録ヘッドにおける隣接するノズル開口の間隔を可及的に縮小する必要がある。
【０００５】
ところが、高解像度化に伴い隣接するノズル開口の間隔を縮小した場合には、隣接しあうノズル開口から噴射されたインク滴間の間隔が拡がってしまい、印刷品質を劣化させてしまうという問題が発生する。かかる問題を解決するためにはノズル開口のノズルプレートの面内における位置をずらし、吐出タイミングをずらすことが対策として考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２７７５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の如くノズル開口の位置を単純にずらした場合には、インク供給口から圧力発生室を介してノズル開口に至る個別流路の長さがそれぞれ変化するため、吐出特性が変化してしまい、インクの吐出量や吐出速度がノズル開口毎にばらつき、均一な印刷品質の確保が困難になる。また、気泡排出性にも問題を生じる。
【０００８】
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はなく、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。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、高解像度化を実現すると同時に吐出特性等の性能向上にも寄与させることができる液体噴射ヘッド及びこれを有する液体噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明の態様は、液体貯留部に貯留された液体が第１の液体供給路を介して供給される第１の圧力発生室と、第１の圧力発生手段が前記第１の圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることにより液体を噴射する第１のノズル開口と、前記液体貯留部に貯留された液体が第２の液体供給路を介して供給される第２の圧力発生室と、第２の圧力発生手段が前記第２の圧力発生室内の液体に圧力変動を生じさせることにより液体を噴射する第２のノズル開口とを備え、前記第１の圧力発生室と前記第２の圧力発生室とが並設され、前記第１のノズル開口と前記第２のノズル開口とは、前記液体貯留部からの流路長さが異なり、前記第１の液体供給路の入口から前記第１の圧力発生手段の中心に対応する第１の基準位置に至る流路のイナータンスと、前記第１の基準位置から前記第１のノズル開口に至る流路のイナータンスとの比が、前記第２の液体供給路の入口から前記第２の圧力発生手段の中心に対応する第２の基準位置に至る流路のイナータンスと、前記第２の基準位置から前記第２のノズル開口に至る流路のイナータンスとの比と同じであ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にある。
本態様によれば、液体供給路から圧力発生室を介してノズル開口に至る距離が異なる複数種類の個別流路を形成したので、圧力発生室の並設方向において該並設方向に直交する方向に関しノズル開口が互いにずらして配設されることになる。この結果、前記直交方向に関して隣り合うノズル開口間の間隔を可及的に縮小して高解像度の印刷を実現することができる。反面、隣り合うノズル開口の中心間の距離は比較的大きな寸法を確保することができる。この結果、隣り合うノズル開口から噴射された液滴間の間隔が拡がってしまうこともない。
同時に本態様においては、所定のイナータンスの比が個別の流路で同じになるように構成しているので、同一の駆動波形で圧力発生手段を駆動しても同等の吐出特性を得ることができる。また、気泡排出性も良好なものとすることができる。
【００１１】
ここで、前記液体供給路の前記入口から出口に至るイナータンスが前記各液体供給路において同じになるように構成されていることが望ましい。液体供給路のイナータンスを含む第１の流路部のイナータンスの規定が容易になるからである。
【００１２】
また、前記液体供給路から前記圧力発生室を経て前記ノズル開口に至る各流路の流路抵抗が同じになるように構成されているのが望ましい。前述の吐出特性をさらに良好なものとすることができるからである。
【００１３】
本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドの何れか一つを具備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、同一の駆動信号で圧電素子を駆動した場合でも、良好な高解像度の印刷等が可能になり、しかも吐出特性も良好に維持することができるので、高品質の印刷等を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る記録ヘッドの断面図である。
【図２】本実施の形態のノズル開口の配置および個別の流路を示す説明図である。
【図３】イナータンスおよび流路抵抗を概念的に示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る記録装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の短手方向の断面図であり、図１（ｂ）は、液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の断面図である。両図に示すように、流路形成基板５０はシリコン単結晶基板で形成されている。流路形成基板５０の一方面側の表層部分には、隔壁５１によって画成された複数の圧力発生室５２がこの圧力発生室５２の幅方向（短手方向）に並設されている。各圧力発生室５２の長手方向一端部側には、液体の一種であるインクを各圧力発生室内に供給するための液体供給路であるインク供給路５４が連通されている。各インク供給路５４には、液体貯留部の一種であるマニホールド５３からインクが供給される。マニホールド５３はヘッドケース５８に形成したインク供給路６２を介してインクカートリッジ（図示せず）から供給されたインクを貯留している。
【００１６】
流路形成基板５０の圧力発生室５２の開口面側は振動板５５で封止され、他方面側にはノズル開口５６が穿設されたノズルプレート５７が接着剤や熱溶着フィルムを介して接着されている。かくしてノズルプレート５７のノズル面には多数のノズル開口５６が列設されたノズル列が形成されている。
【００１７】
ここで、図１には明示はされていないが、本形態に係る記録ヘッドでは、インク供給路５４から圧力発生室５２を介してノズル開口５６に至る流路であって、圧力発生室５２の並設方向において隣り合う流路の長さが異なる複数種類の流路が形成されている。この点に関しては、後に詳述する。
【００１８】
振動板５５上には、図示しない複数のインクカートリッジに接続されるインク供給路６２を有するヘッドケース５８が固定されており、且つこのヘッドケース５８には、圧電素子ユニット１０が高精度に位置決めされて固定されている。すなわち、ヘッドケース５８には、貫通した収容部５８Ａが設けられており、この収容部５８Ａの一方の内面に固定基板１４を介して圧電素子ユニット１０が固定されている。この結果、各圧電素子１１の先端が振動板５５上の各圧力発生室５２に対応する領域に設けられた各アイランド部５９に当接された状態で固定されている。
【００１９】
圧電素子ユニット１０には、各圧電素子１１を駆動するための信号を供給するフィルム状の配線基板３０が接続されており、配線基板３０に各圧電素子１１を駆動する駆動信号を供給する駆動ＩＣ３１が実装されている。かかる配線基板３０の接続配線の一端部が各圧電素子１１に電気的に接続されるとともに、他端部が入力配線基板６０に電気的に接続されている。入力配線基板６０は、駆動ＩＣ３１および圧電素子１１に外部から駆動電圧及び印刷信号等を供給する。
【００２０】
図２は本形態におけるノズル開口の配置態様および個別流路を概念的に示す説明図である。同図に示すように、本形態におけるノズル開口５６は、ノズルプレート５７（図１参照）の表面が形成する面である同一面内において隣り合うもの同士が、圧力発生室５２の並設方向と直交する方向（圧力発生室５２の長手方向）に関する位置を互いにずらして配設されている。これに伴い、インク供給路５４の入口（マニホールド５３との境界）から圧力発生室５２を介してノズル開口５６に至るインクの流路は、長さＬ１，Ｌ２，Ｌ３が異なる複数種類（本形態では３種類）の個別流路７１，７２，７３として形成されている。
【００２１】
各個別流路７１〜７３は、インク供給路５４の入口から図２中に一点鎖線で示す基準位置Ｃに至る第１の流路部７１Ａ，７２Ａ，７３Ａと、基準位置Ｃからノズル開口５６に至る第２の流路部７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂとに分割され、第１の流路部７１Ａ〜７３ＡのイナータンスＭ１と、第２の流路部７１Ｂ〜７３ＢのイナータンスＭ２との比Ｍ１／Ｍ２が各個別流路７１〜７３において同じになるように構成されている。ここで、基準位置Ｃは、インク供給路５４の入口から圧力発生室５２の並設方向と直交する方向における圧力発生手段である圧電素子１１（図１参照）の中心に対応する位置である。すなわち、圧力発生室５２内のインクに所定の吐出圧力を付与する際の変位の中心位置である。
【００２２】
さらに、本形態では、各インク供給路５４の入口から出口に至るイナータンスＭが各個別流路７１〜７３において同じになるように構成されている。同時に、各個別流路７１〜７３の流路抵抗も同じになるように構成されている。
【００２３】
なお、イナータンスおよび流路抵抗は、一般的には次のようにして求めることができる。すなわち、図３（ａ）に示すように、流路が中空直方体である場合、そのイナータンスＭ直＝（ρｌ／ｗｈ）、流路抵抗Ｒ直＝（１２μｌ／ｗｈ3）となる。また、図３（ｂ）に示すように、流路が円筒体である場合、そのイナータンスＭ円＝（ρｌ／πｒ2）、流路抵抗Ｒ円＝（８μｌ／πｒ4）となる。なお、上式中、μはインクの粘度、ρはインクの密度である。
【００２４】
したがって、インク供給路５４や圧力発生室５２の形状が中空直方体で近似できる場合は、前記イナータンスＭ直及び流路抵抗Ｒ直を求める式を利用してそのイナータンスおよび流路抵抗を求めることができ、またノズル開口５６の形状が円筒体で近似できる場合は、前記イナータンスＭ円及び流路抵抗Ｒ円を求める式を利用してそのイナータンスおよび流路抵抗を求めることができる。なお、このような近似ができない場合でも、積分を利用することにより同様の演算で所望のイナータンスおよび流路抵抗を求めることができる。
【００２５】
ここで、第１の流路部７１Ａ〜７３Ａの各イナータンスＭ１は、インク供給路５４のイナータンスＭと圧力発生室５２のイナータンスの半分（圧力発生室５２の全イナータンス中、基準位置Ｃよりもインク供給路５４側のイナータンス）が直列に接続されているので、各値を加算した値として求めることができる。同様に、第２の流路部７１Ｂ〜７３Ｂの各イナータンスＭ２は、圧力発生室５２のイナータンスＭの半分（圧力発生室５２の全イナータンス中、基準位置Ｃよりもノズル開口５６側のイナータンス）とノズル開口５６を含むノズル部分のイナータンスが直列に接続されているので、各値を加算した値として求めることができる。
【００２６】
本形態では、上述の如き演算により求めたイナータンスＭ１，Ｍ２の比Ｍ１／Ｍ２が各個別流路７１〜７３で同じになるように調整してある。また、各個別流路７１〜７３におけるインク供給路５４の部分のイナータンスＭはその長さおよび断面積をパラメーターとする値として与えられるので、各個別流路７１〜７３におけるインク供給路５４の部分のイナータンスＭが同じになるような合わせ込みも容易に行うことができる。
【００２７】
各個別流路７１〜７３の流路抵抗は、上述の如く個別に求まるインク供給路５４、圧力発生室５２およびノズル開口５６を含むノズル部分の流路抵抗を直列に接続した合成流路抵抗であるので、各抵抗値を加算した値として容易に求めることができ、したがって各個別流路７１〜７３の流路抵抗が同じになるように合わせ込むことも可能となる。
【００２８】
かかるインクジェット式記録ヘッドでは、インクカートリッジに連通されるインク供給路６２を介してマニホールド５３にインクが供給され、インク供給路５４を介して各圧力発生室５２に分配される。このとき圧電素子１１に電圧を印加することにより圧電素子１１を収縮させると、振動板５５が圧電素子１１と共に引き上げられて圧力発生室５２の容積が広げられる。この結果、圧力発生室５２内にインクが引き込まれる。そして、ノズル開口５６に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ３１からの記録信号に従い、圧電素子１１に印加していた電圧を解除すると、圧電素子１１が伸張されて元の状態に戻る。これにより、振動板５５も変位して元の状態に戻るため圧力発生室５２が収縮され、内部圧力によって圧力発生室５２内に充填されているインクが排出される。この結果、ノズル開口５６からインクが吐出される。
【００２９】
ここで、本形態においては、ノズル開口５６が、ノズルプレート５７の表面が形成する面である同一面内において、圧力発生室５２の並設方向において該並設方向に直交する方向（圧力発生室５２の長手方向）に関し互いにずらして配設されている。この結果、圧力発生室５２の並設方向において隣り合うノズル開口５６間の間隔を可及的に縮小して高解像度の印刷を実現することができる。反面、隣り合うノズル開口５６の中心間の距離は比較的大きな寸法を確保することができるので、ノズル開口５６間の気流の流路を確保してノズル開口５６から噴射されたインク滴間の間隔が拡がるのを防止してインク滴の着弾位置精度の向上に寄与させることができる。
【００３０】
さらに、本形態においては、イナータンスＭ１，Ｍ２の比Ｍ１／Ｍ２が各個別流路７１〜７３で同じになるように構成しているので、同一の駆動波形で圧電素子１１を駆動しても同等の吐出特性を得ることができる。ここで各個別流路７１〜７３におけるインク供給路５４のイナータンスＭは同じになるように調整してあるので、このイナータンスＭを含むイナータンスＭ１とイナータンスＭ２との比Ｍ１／Ｍ２の調整が容易になる。
【００３１】
さらに、本形態では流路抵抗も各個別流路７１〜７３で同じになるように揃えたので、前述の吐出特性をさらに良好なものとすることができる。これは、圧電素子１１を駆動する駆動信号が高周波になればなるほど顕著な効果となる。
【００３２】
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。要するに、基準位置Ｃが、圧力発生手段の中心に対応する位置、すなわち圧力発生室内のインクに所定の吐出圧力を付与する際の変位の中心位置となっていれば良く、基準位置Ｃを基準にしたイナータンスＭ１，Ｍ２の比Ｍ１／Ｍ２が各個別流路７１〜７３で同じになっていれば良い。
【００３３】
また、上記実施の形態においては、インク供給路５４のイナータンスＭが各個別流路７１〜７３において同じになるようにしたが、必ずしもこのように構成する必要はない。ただ、このように形成した場合、イナータンスＭ１の規定が容易になるという効果はある。
【００３４】
上記実施の形態においては、各個別流路７１〜７３の流路抵抗も同一としたが、これも必須ではない。ただ、各個別流路７１〜７３の流路抵抗を同じにした場合には、吐出特性をさらに改善することができる。
【００３５】
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。
【００３６】
上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図４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、上記実施の形態に係るインクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ、１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ、２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット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。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、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ものとしている。
【００３７】
そして、駆動モーター６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、記録ヘッドユニット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にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない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。
【符号の説明】
【００３８】
１０  圧電素子ユニット、  １１  圧電素子、  ５０  流路形成基板、  ５２  圧力発生室、  ５３  マニホールド、  ５４  インク供給路、  ５６  ノズル開口、  ７１，７２，７３  個別流路、  ７１Ａ，７２Ａ，７３Ａ  第１の流路部、  ７１Ｂ，７２Ｂ，７３Ｂ  第２の流路部、  Ｍ１，Ｍ２，Ｍ  イナータンス
【図１】
2013006334.tif 000003
【図２】
2013006334.tif 000004
【図３】
2013006334.tif 000005
【図４】
2013006334.tif 000006