(57)【要約】      （修正有）【課題】吐出能力の高い液体吐出ヘッド及び、それを備えた液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体吐出ヘッド（ヘッド本体９１）は、圧力室１１、ノズル１２、圧力室１１の少なくとも一部を区画する弾性区画部１８、弾性区画部１８を所定の方向に伸縮変形させることによって、圧力室内の液体に圧力を印加するアクチュエータ１９、及び、弾性区画部１８が接合されると共に、アクチュエータ１９の駆動に伴い変位することで、当該弾性区画部１８を伸縮変形させる加圧部１５、を備える。弾性区画部１８には、少なくともアクチュエータ１９の非駆動時において伸縮方向の圧縮力が付与されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容する圧力室、
前記圧力室に連通しかつ、前記圧力室内の液体を吐出するノズル、
前記圧力室の少なくとも一部を区画する弾性区画部、
前記弾性区画部を所定の方向に伸縮変形させることによって、前記圧力室内の前記液体に圧力を印加するアクチュエータ、及び、
前記弾性区画部に接合されると共に、前記アクチュエータの駆動に伴い変位することで、当該弾性区画部を伸縮変形させる加圧部、を備え、
前記弾性区画部には、少なくとも前記アクチュエータの非駆動時において、前記伸縮方向の圧縮力が付与されている液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記弾性区画部は、前記伸縮方向に押圧変形されており、
前記押圧変形量は、前記アクチュエータの駆動によって前記弾性区画部が伸長変形する量よりも大に設定されている液体吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドを備えている液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
記録紙に対してインク滴を吐出するインクジェット技術が、近年、エレクトロニクス分野を始めとした様々な分野の製造過程に利用されている。すなわち、液体吐出ヘッドから液体材料を吐出することによって、各種のデバイス製造過程におけるパターンの形成や均一薄膜の形成等が行われている。そうしたパターン形成等に用いられる液体吐出ヘッドには、さらなる小液滴の吐出や高粘度液体の吐出が要求される。それらの要求を満たす吐出能力の高いヘッドを実現するには、圧力室内の液体に、より高い圧力を加える必要がある。
【０００３】
例えば特許文献１に開示されている液体吐出ヘッドでは、圧力室の一部を弾性変形可能な弾性体によって区画している。そして、その弾性体に対し、アクチュエータの駆動により変位する加圧板を接合している。この液体吐出ヘッドでは、アクチュエータを駆動させることで、加圧板を介して弾性体を伸縮変形させ、それによって圧力室の体積を変化させるようにしている。この構成の液体吐出ヘッドでは、アクチュエータの駆動により発生したエネルギーを、圧力室内の液体に印加する圧力へと効率的に変換して、その液体に高い圧力を印加することができる。
【特許文献１】特許第２７２１１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、前記の液体吐出ヘッドにおいては、アクチュエータの駆動によって弾性体を伸長変形させたときに、弾性体と加圧板との間に両者を剥離させる方向の力が作用する。この力が大きすぎるときには、接合させた弾性体と加圧板との間が剥がれてしまって、ヘッドの破損に至ることになる。
【０００５】
このように前記特許文献１に記載された構造の液体吐出ヘッドでは、弾性体と加圧板との間の接合力によって、アクチュエータの駆動力が制限されるため、吐出能力をさらに向上させることが難しい、という問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、吐出能力の高い液体吐出ヘッド及び、それを備えた液体吐出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面によると、液体吐出ヘッドは、液体を収容する圧力室、前記圧力室に連通しかつ、前記圧力室内の液体を吐出するノズル、前記圧力室の少なくとも一部を区画する弾性区画部、前記弾性区画部を所定の方向に伸縮変形させることによって、前記圧力室内の前記液体に圧力を印加するアクチュエータ、及び、前記弾性区画部に接合されると共に、前記アクチュエータの駆動に伴い変位することで、当該弾性区画部を伸縮変形させる加圧部、を備え、前記弾性区画部には、少なくとも前記アクチュエータの非駆動時において、前記伸縮方向の圧縮力が付与されている。
【０００８】
この構成によると、加圧部に接合された弾性区画部には、アクチュエータの非駆動時に伸縮方向の圧縮力が付与されている。このため、アクチュエータの駆動により弾性区画部を伸長変形させたときに、その弾性区画部と加圧部との間に発生する、両者を剥離させる方向の力は、少なくとも前記圧縮力の分だけ緩和される。それによって、アクチュエータの駆動力の制限が緩和されるため、圧力室内の液体に高い圧力を印加するが可能になって、液体吐出ヘッドの吐出能力が向上する。
【０００９】
前記弾性区画部は、前記伸縮方向に押圧変形されており、前記押圧変形量は、前記アクチュエータの駆動によって前記弾性区画部が伸長変形する量よりも大に設定されている、としてもよい。
【００１０】
こうすることで、アクチュエータの駆動によって弾性区画部を伸長変形させたときでも、弾性区画部には圧縮力が付与されていることになり、弾性区画部と加圧部とを剥離させる方向の力が生じない。それによって、アクチュエータの駆動力の制限が無くなるため、圧力室内の液体にさらに高い圧力を印加することが可能になり、液体吐出ヘッドの吐出能力がさらに向上する。
【００１１】
本発明の他の側面によると、液体吐出装置は、前記の液体吐出ヘッドを備えている。このため、吐出能力の高い液体吐出装置が実現する。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によると、アクチュエータの非駆動時に、弾性区画部に対し伸縮方向の圧縮力を付与することで、弾性区画部と加圧部とを剥離させる方向の力を緩和することができるため、アクチュエータの駆動力の制限を緩和して、液体吐出ヘッドの吐出能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１４】
図１は、液体吐出装置Ａの概略構成を示している。この液体吐出装置Ａは、一又は複数のヘッド本体９１（図２等参照）を備えた液体吐出ヘッド７と、被記録物４を支持するステージ３１と、を備えている。
【００１５】
液体吐出ヘッド７は、装置基台６に支持されたヘッド移動装置２によって主走査方向（図１に示すＸ方向）に往復移動し、ステージ３１は、同じく装置基台６に支持されたステージ移動装置３によって副走査方向（図１に示すＹ方向）に往復移動する。
【００１６】
ヘッド移動装置２は、液体吐出ヘッド７を支持するキャリッジ７ａを含む。キャリッジ７ａは、主走査方向に延びるキャリッジ軸７ｂにガイドされ、図示を省略する駆動源（例えばモータ）によって、主走査方向に往復移動する。
【００１７】
ステージ移動装置３は、主走査方向に所定間隔を開けて配置されかつ、それぞれ副走査方向に延びる２つのステージ軸３２，３２を含む。ステージ３１はこれらのステージ軸３２，３２にガイドされ、図示を省略する駆動源（例えばモータ）によって、副走査方向に往復移動する。
【００１８】
液体吐出装置Ａはこの構成によって、液体吐出ヘッド７とステージ３１上の被記録物４とを相対移動させながら、液体吐出ヘッド７（ヘッド本体９１）から被記録物４に向かって液体材料を吐出し、被記録物４上に所望のパターンや均一薄膜等を形成する。
【００１９】
図２に示すように、ヘッド本体９１は、液体材料が収容される圧力室１１と、その圧力室１１に連通するノズル１２とを備えている。このヘッド本体９１は、ノズル１２が形成されたノズル板１３と、圧力室１１の側面を区画する圧力室壁部材１４と、圧力室１１の上面を区画する加圧部材１５と、アクチュエータ１９と、を積層した積層構造を有している。尚、以下においては、図２における上下方向をヘッド本体９１における上下方向、図２における左右方向をヘッド本体９１における水平方向と呼ぶ。
【００２０】
ノズル板１３は、例えば約０．３ｍｍ厚のステンレス鋼からなる板状の部材であり、その上面によって圧力室１１の底面が区画される。
【００２１】
ノズル１２は、ノズル板１３に対して、その板厚方向に貫通して形成されており、その径が基端から先端に向かって小さくなるテーパ形状を有している。基端開口の径は、例えば約φ０．２ｍｍ、先端開口の径は、例えば約φ０．０３ｍｍとすればよい。
【００２２】
尚、このノズル板１３の下面は、図示は省略するが、液体材料の吐出安定性の観点から、撥水膜で被覆されていることが好ましい。この撥水膜は、公知の方法により形成することが可能である。
【００２３】
圧力室壁部材１４は、例えば約０．４ｍｍ厚のステンレス鋼からなる板状部材であり、前記ノズル板１３の上面に対して接着層を介して接着されている。圧力室壁部材１４には、その厚み方向に貫通する圧力室用孔１４ａが形成されている。圧力室用孔１４ａは、その内周面によって圧力室１１の側面を区画する孔であり、例えば横断面円形状に形成すればよい。また、圧力室用孔１４ａの直径は、例えば約φ０．２５ｍｍとしてもよい。
【００２４】
圧力室壁部材１４にはまた、その板厚方向の略中間部を水平方向に延びて圧力室用孔１４ａに連通する供給口１４ｂが形成されている。供給口１４ｂは、図示は省略する液体材料の供給源から圧力室１１内に、液体材料を供給するための孔である。供給口１４ｂは、例えば一辺の長さが約０．０７ｍｍの横断面矩形状の孔としてもよい。
【００２５】
加圧部材１５は、例えばその厚みが約２．０ｍｍの、ステンレス鋼からなる板状部材であり、前記圧力室壁部材１４の上面に対して弾性区画部材１８を介して接合されている。圧力室１１の上面は、この加圧部材１５の下面によって区画される。
【００２６】
弾性区画部材１８は、後述するように、アクチュエータ１９の駆動に伴い加圧部材１５が上下方向に変位することで弾性的に伸縮変形して、圧力室１１の体積を変化させるための部材である。弾性区画部材１８には、その厚み方向に貫通した貫通孔が形成されており、この貫通孔は、前記圧力室壁部材１４の圧力室用孔１４ａの上側にこの圧力室用孔１４ａと同軸に配置されることによって、圧力室用孔１４ａと共に圧力室１１の側面の一部を区画する。弾性区画部材１８は、例えばそのヤング率が４ＭＰａ程度、体積弾性率が２ＧＰａ程度の材料によって構成すればよい。弾性区画部材１８は、液体材料に対する耐食性を考慮して、例えば耐溶剤性のゴム、具体的にはフッ素ゴムやシリコンゴム等によって形成してもよい。また、弾性区画部材１８の厚みは例えば０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍ程度、好適には０．０３ｍｍ程度とすればよい。
【００２７】
アクチュエータ１９は、例えばその厚みが１．０ｍｍ程度の積層型圧電体からなる。アクチュエータ１９は、図２では図示を省略する電極に電圧が印可されることによって、図２における上下方向に伸縮変形する（図２の白抜きの矢印参照）。アクチュエータ１９は、その下端が加圧部材１５の上面に対して接合されていると共に、その上端が、ヘッドプレート４１の下面に対して接合されている。ヘッドプレート４１は、例えば約２．０ｍｍ厚のステンレス鋼からなる板状の部材であり、その水平方向の両端部それぞれが、支持部材４２を介してノズル板１３に連結されている。この構成により、アクチュエータ１９の伸縮駆動に伴い、加圧部材１５が図２における上下方向に変位し、それに伴い弾性区画部材１８が上下方向に伸縮変形する。そのことで圧力室１１の体積が増減するようになっている。
【００２８】
本実施形態に係るヘッド本体９１においては、アクチュエータ１９が非駆動の状態において、図２に実線の矢印で示すように、弾性区画部材１８に対し上下方向（伸縮方向）の圧縮力が付与されている。こうした圧縮力を付与する方法としては、ヘッド本体９１の製造時に、ヘッドプレート４１とノズル板１３との間において上下方向に荷重をかけ、それによって弾性区画部材１８に上下方向の圧縮力を付与した状態のままで、前記ヘッドプレート４１とノズル板１３との間を支持部材４２によって拘束するように、両者を接合すればよい。弾性区画部材１８はヘッドプレート４１とノズル板１３とによって挟持される構造であるため、弾性区画部材１８に対し上下方向の圧縮力を付与した状態にすることができる。
【００２９】
また、例えばヘッド本体９１の製造時において、アクチュエータ１９に電圧を印加して収縮させた状態で、ヘッドプレート４１とノズル板１３との間を支持部材４２によって拘束するように、両者を接合するようにしてもよい。こうすることで、アクチュエータ１９への電圧印加が解除されて当該アクチュエータ１９が元の状態にまで伸長したときに、弾性区画部材１８に上下方向の圧縮力が付与されることになり、結果として、アクチュエータ１９が非駆動の状態において、弾性区画部材１８に対し上下方向の圧縮力が付与されている状態にすることができる。
【００３０】
次に、上記構成のヘッド本体９１の動作について説明する。供給口１４ｂ、圧力室１１、及びノズル１２内のそれぞれに液体材料が充填された状態でアクチュエータ１９に所定の電圧を印可する。このことによって、アクチュエータ１９を所定量だけ伸長変形させる。アクチュエータ１９の伸長変形に伴い加圧部材１５は下方に変位する。この変位位置を基本位置として、そこから、アクチュエータ１９を収縮変形させる。
【００３１】
アクチュエータ１９の収縮変形によって加圧部材１５は上方に変位するため、それに伴い弾性区画部材１８が伸長変形し、液体材料の供給源から供給口１４ｂを介して、液体材料が圧力室１１内に充填される。
【００３２】
そうして、アクチュエータ１９への電圧印加を解除することによって、収縮していたアクチュエータ１９が元に戻り、圧力室１１内の液体材料に対して圧力が印加される。それによって液体材料がノズル１２から押し出されて被記録物４に向かって吐出される。液滴は被記録物４にドット状に付着する。
【００３３】
この構成のヘッド本体９１では、アクチュエータ１９を駆動させて、弾性区画部材１８を伸長変形させたときに、弾性区画部材１８と加圧部材１５との間、及び弾性区画部材１８と圧力室壁部材１４との間には、それらを互いに剥離させる方向の力が発生する。ここで、前述したように、弾性区画部材１８には上下方向の圧縮力が予め付与されているため、その剥離方向の力は圧縮力によって緩和される。例えば前述したヘッド本体９１の製造時における、弾性区画部材１８の押圧変形量を、アクチュエータ１９の駆動によって弾性区画部材１８が伸長変形する量よりも大に設定しておけば、前記剥離方向の力の発生自体を回避することができる。
【００３４】
そうしてヘッド本体９１では、弾性区画部材１８と加圧部材１５との間、及び弾性区画部材１８と圧力室壁部材１４との間における剥離の発生が抑制されるため、アクチュエータ１９の駆動力の制限が緩和される。その結果、圧力室１１内の液体材料に対して高い圧力を印加することができる。前記構成のヘッド本体９１は、例えば粘度が５０ｃＰ（０．０５Ｐａ・ｓ）の高粘度液体を、約２０ｐｌ（ピコリットル）の小さい液滴量で吐出することが可能である。つまり、液体吐出ヘッド７の吐出能力が高くなる。
【００３５】
また、アクチュエータ１９の駆動を、加圧部材１５を下方に変位させた基本位置からアクチュエータを収縮・伸長させるようにすることで、弾性区画部材１８に対して圧縮力を付与する方向にヘッド本体９１を駆動することができ、弾性区画部材１８の剥離を防止する上で有利になる。尚、アクチュエータ１９の駆動は、例えば加圧部材１５を上方に変位させて液体材料を圧力室１１内に充填させた後に、その加圧部材１５を元に戻すことで、液体材料をノズル１２から吐出させる、いわゆる引き押し駆動としてもよい。また、加圧部材１５を下方に変位させて液体材料をノズル１２から吐出させた後に、その加圧部材１５を元に戻すことで液体材料を圧力室１１内に充填させる、いわゆる押し引き駆動としてもよい。
【００３６】
液体吐出ヘッド７におけるヘッド本体の構成は、前記の構成に限定されるものではない。例えば、図３に示すような構成を採用してもよい。
【００３７】
図３に示すヘッド本体９２は、ノズル１２が形成されたノズル板１３と、加圧部材１５を保持する保持部材１６と、アクチュエータ１９と、ヘッドプレート４１と、を上下方向に積層した積層構造を有している。すなわち、このヘッド本体９２においては、圧力室壁部材が省略されている。
【００３８】
保持部材１６は、例えばその厚みが約０．３ｍｍの板状部材であり、ノズル板１３の上面に対して接着層１８ａを介して接着されている。保持部材１６にはまた、板厚方向に貫通した貫通孔１６ａが形成されている。貫通孔１６ａは、後述するように円柱形状の加圧部材１５が内挿される孔である。保持部材１６をノズル板１３の上面に接着した状態において、ノズル１２と、保持部材１６の貫通孔１６ａとは、互いに同軸にされる。貫通孔１６ａの直径は、加圧部材１５の径に応じて適宜設定すればよく、例えばφ０．８ｍｍ程度とすればよい。
【００３９】
ノズル板１３の上面には、ノズル１２と同軸に、窪み１３ａが形成されており、弾性区画部材１８は、その窪み１３ａ内に配設されている。弾性区画部材１８は、ここでは円環状に形成され、その内周面によって圧力室１１の側面が区画される。弾性区画部材１８の外径は約φ０．９ｍｍ、その内径は約φ０．３ｍｍとすればよい。またその厚みは０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍ程度、好適には０．０５ｍｍ程度とすればよい。また、窪み１３ａは、例えばその内径が約１．０ｍｍ、深さが約０．０３ｍｍとしてもよい。このように弾性区画部材１８を配置するための窪み１４ｃを形成することによって、ヘッド本体９２の組立の際に、円環状の弾性区画部材１８の位置決めを容易に行い得るという利点がある。
【００４０】
保持部材１６とノズル板１３とを互いに接合する接着層１８ａは、弾性区画部材１８の外周面を取り囲んでいる。これによって、接着層１８ａは、弾性区画部材１８が弾性変形するときに、その弾性区画部材１８が圧力室１１の外方に向かって逃げ変形することを規制するようになっている。
【００４１】
ヘッドプレート４１は、保持部材１６を挟んでノズル板１３とは逆側に配設されており、ヘッドプレート４１と保持部材１６との間には、アクチュエータ１９の厚みに相当する間隔が空けられている。ヘッドプレート４１には、厚み方向に貫通する貫通孔４１ａが形成されている。この貫通孔４１ａは、後述するように、加圧部材１５が内挿される孔である。
【００４２】
アクチュエータ１９は積層型圧電体からなり、その厚み方向に貫通して形成された貫通孔１９ａを有している。アクチュエータ１９は、その下端が保持部材１６の上面に対して接合されていると共に、その上端がヘッドプレート４１の下面に対して接合されている。
【００４３】
このヘッド本体９２における加圧部材１５は、その中心軸が上下方向に延びる円柱形状を有しており、その下端部は保持部材１６の貫通孔１６ａに内挿されることで、積層方向に変位可能に保持されている。加圧部材１５の下面は、弾性区画部材１８の上面に対して接合されている。
【００４４】
尚、符号１６ｂは、加圧部材１５と保持部材１６の貫通孔との隙間に充填された充填剤であり、この充填剤１６ｂは、加圧部材１５が積層方向に変位可能となるように弾性変形するようになっている。尚、充填剤１６ｂは、省略することも可能である。
【００４５】
加圧部材１５の上端部は、ヘッドプレート４１の貫通孔４１ａを通って、ヘッドプレート４１の上方に突出しており、この状態で加圧部材１５は、ヘッドプレート４１に対し固定されている。
【００４６】
そうして、加圧部材１５の中間部は、アクチュエータ１９の貫通孔１９ａ内に位置している。ここで加圧部材１５は、例えばアルミナやセラミック等の電気絶縁材料によって構成することが好ましい。こうすることで、加圧部材１５と積層型圧電体からなるアクチュエータ１９との隙間を小さくすることが可能になる。つまりヘッド本体９２を小型化する上で有利になる。
【００４７】
この加圧部材１５には、その中心軸に沿って貫通孔１５ａが形成されている。この貫通孔１５ａの下端開口は、圧力室１１に連通しており、貫通孔１５ａは、圧力室１１に液体材料を供給するための供給口として機能する。このように、加圧部材１５に供給口を形成することによって、液体材料の供給系の構成が簡略化するという利点がある。尚、この貫通孔１５ａ（供給口）の径は、例えば約φ０．０７ｍｍ程度とすればよい。
【００４８】
このヘッド本体９２では、アクチュエータ１９を駆動させたときに、ヘッドプレート４１を介して加圧部材１５が上下方向に変位するようになり、それに伴い弾性区画部材１８が積層方向に伸縮変形して、圧力室１１の体積が増減する。
【００４９】
このヘッド本体９２においても、その弾性区画部材１８には、アクチュエータ１９が非駆動の状態において、上下方向の圧縮力が予め付与されている（図３の実線の矢印参照）。つまり、ヘッド本体９２の製造の際に、前述した製造方法と同様に、加圧部材１５を弾性区画部材１８に対して押圧させるようにして、弾性区画部材１８に対し上下方向の圧縮力を付与した状態のままで、例えばヘッドプレート４１と加圧部材１５との間を接合が行われる。
【００５０】
これによって、アクチュエータ１９を駆動させて弾性区画部材１８を伸長変形させたときに、弾性区画部材１８と加圧部材１５との間、及び弾性区画部材１８とノズル板１３との間における剥離方向の力が緩和される。その結果、アクチュエータ１９の駆動力の制限が緩和されて、圧力室１１内の液体材料に対して高い圧力を印加することができ、液体吐出ヘッド７の吐出能力を向上させることができる。
【００５１】
またこのヘッド本体９２では、圧力室壁部材を省略することによって圧力室１１の体積は小さくなる。その結果、圧力室１１の体積変化率（＝体積変化量／圧力室の体積）は相対的に大きくなり、ヘッド本体９２の吐出能力はさらに高まる。
【００５２】
尚、ヘッド本体９１，９２において、圧力室１１内の液体に対して圧力を印加するためのアクチュエータ１９としては、圧電体に限らず、例えば磁歪素子を採用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上説明したように、本発明は、小液滴の吐出や高粘度液体の吐出が実現するから、例えばフラットパネルディスプレイや回路基板等の各種デバイスの製造といったエレクトロニクス分野を始めとして、オプトエレクトロニクス分野、バイオ・メディカル分野等の各種の技術分野において、種々なパターンや均一薄膜等を形成する液体材料吐出ヘッド及び液体材料吐出装置として有用であると共に、インクを吐出することによって例えば記録紙等の記録媒体上に画像を形成するインク吐出ヘッド及び画像形成装置としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施形態に係る液体吐出装置を示す概略斜視図である。
【図２】実施形態に係るヘッド本体を示す縦断面図である。
【図３】他の実施形態に係るヘッド本体を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１  圧力室
１２  ノズル
１５  加圧部材
１８  弾性区画部材
１９  アクチュエータ
７    液体吐出ヘッド
９１  ヘッド本体
９２  ヘッド本体
Ａ    液体吐出装置
【図１】
2009045811.tif 000003
【図２】
2009045811.tif 000004
【図３】
2009045811.tif 000005