JP2014040071A - 液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平板状粒子の顔料を含む液体を吐出する場合であっても、また本吐出に先立つ引込み動作を伴う場合であっても液体の吐出安定性を実現し得る液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】平板状粒子が含まれたインクが充填される圧力発生室１２と、駆動信号の供給により圧力発生室１２内のインクに圧力変化を生じさせる圧電素子３００と、前記圧力変化に伴い圧力発生室１２内のインクを吐出させるノズル２１が形成されたノズルプレート２０とを備えた液体噴射ヘッドであって、ノズル２１は、インクの吐出面側に形成された第１のノズル部２１Ａと、該第１のノズル部２１Ａに連通して圧力発生室１２側に形成された第２のノズル部２１Ｂとを有し、さらに第１のノズル部２１Ａの吐出面側の開口径をφ１、第２のノズル部２１Ｂの圧力発生室１２側の開口径をφ２としたとき、φ２／φ１≧１．４となるように構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置に関し、特に平板状粒子を含むインクを吐出する場合に適用して有用なものである。

液体噴射装置に搭載されノズルを介して液体を吐出する液体噴射ヘッドの代表例として、例えば圧電アクチュエーターの変位による圧力を利用してノズルからインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドが知られている。この種のインクジェット式記録ヘッドは、一般に、ノズルに連通する圧力発生室が形成された流路形成基板の一方面側に圧電アクチュエーターを設け、この圧電アクチュエーターを変形させることで圧力発生室内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させるように構成してある。

かかるインクジェット式記録ヘッドの中には、金属光沢を有する印刷物を作成すべく、平板状粒子の金属顔料を含むメタリックインクを吐出するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

かかるメタリックインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいては、ヘッド内の流路に吐出に伴う流れが形成された際に、粘度は通常のインクと同程度であってもメタリックインクに含まれる金属顔料である多数の平板状粒子が、流路の壁面近傍の領域において流路内の流れを乱すことによって、厚い境界層が形成される。これは、壁面近傍の領域において流体の速度勾配が大きくなり、この速度勾配に起因して平板状粒子が非対称な力を受けて、回転等、流れ方向と異なる方向に運動することによって、流れをさらに乱すためであると考えられる。

こうして、厚い境界層が形成される結果、壁面抵抗が大きくなって吐出が不安定になるという問題を生起する。さらに詳言すると次の通りである。

図８は圧電アクチュエーターに供給する従来技術に係る駆動信号Ｓ１１の一例を示す波形図である。同図に示すように、かかる波形の駆動信号Ｓ１１をアクチュエーターに印加すれば最初の立上り部で圧力発生室内のメタリックインクに吐出圧力が作用し、ノズルを介してメタリックインクが問題なく吐出される。かかる駆動信号Ｓ１１による吐出動作ではメタリックインクを単純に吐出方向に押圧して吐出させるだけであるので、メタリックインクの粘度や平板状流体の顔料を含みノズルの壁面抵抗が大きいことは特別な不都合を生起するものではない。ただ、前述の如く、単純にメタリックインクを吐出方向に押圧するだけであるので、大きな吐出速度が得られない。

そこで、十分な吐出速度を得るための工夫として図９に示す駆動信号が提案されている。図９に示すように、駆動信号Ｓ１２では、所定の中間電位Ｖｍの電圧を印加し、圧電アクチュエーターを若干撓ませた状態からメタリックインクの吐出方向とは逆の引込み方向にメタリックインクを移動させ、勢いをつけた状態で、その後吐出方向にメタリックインクに圧力を作用させている。このことにより、引込み方向に勢いが付いたメタリックインクを吐出方向に急激に押すことができ、充分大きな吐出速度を得ることができる。

特開２００７−４６０３４号公報

しかしながら、図９に示す駆動信号Ｓ１２で圧電アクチュエーターを駆動した場合には、壁面抵抗が大きいメタリックインクを吐出させる際に吐出が不安定になるという問題を生起する。さらに詳言すると、この場合の本吐出に先立つ引込み動作の際に、大きな壁面抵抗で移動が規制されているノズルの内壁面近傍の境界層部分に存在するメタリックインクにより、メタリックインクを吐出しようとしても吐出方向への流れが阻害される結果、吐出が不安定になる。これは、吐出動作に先立つ引込み動作による移動方向と吐出動作に伴う移動方向が逆転するが、かかる移動方向の逆転に境界層のメタリックインクが追随することができない場合が生起されるためであると考えられる。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、平板状粒子の顔料を含む液体であればインク以外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、このような事情に鑑み、平板状粒子の顔料を含む液体を吐出する場合であっても、また本吐出に先立つ引込み動作を伴う場合であっても液体の吐出安定性を実現し得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。

上記課題を解決する本発明の態様は、平板状粒子が含まれた液体が充填される圧力発生室と、駆動信号の供給により前記圧力発生室内の前記液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内の前記液体を吐出させるノズルが形成されたノズルプレートとを備えた液体噴射ヘッドであって、前記ノズルは、前記液体の吐出面側に形成された第１のノズル部と、該第１のノズル部に連通して前記圧力発生室側に形成された第２のノズル部とを少なくとも有し、さらに前記第１のノズル部の吐出面側の開口径をφ１、前記第２のノズル部の前記圧力発生室側の開口径をφ２としたとき、φ２／φ１≧１．４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、ノズルの圧力発生室側から吐出端側に至る内周面近傍の境界層を薄くしてその分中央部の流れを円滑にすることができる。この結果、平板状粒子を顔料として含むメタリックインクを、一旦、圧力発生室側に引き込んだ後、吐出する場合でも良好な吐出を行わせることができる。

ここで、前記開口径φ１、φ２の関係は、φ２／φ１≧１．６となるように構成するのが望ましい。また、前記平板状粒子は、その表面における対角線の寸法をａ、厚さをｂとするとき、ｂ／ａ≧０．０３となるのが望ましい。

本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置にある。
本態様によれば、平板状粒子を含有するメタリックインク等の液体を良好に媒体上に吐出させることができるので、例えば一定の光輝性が要求される印刷物等の印刷に良好に資することができる。

液体噴射装置の構成を示す模式的斜視図である。 実施の形態に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。 図２の平面図である。 図３のＡ―Ａ´線断面図である。 実施の形態におけるノズルおよびその近傍部分を示す拡大図である。 吐出特性を評価するための平板状粒子を概念的に示す説明図である。 ノズル径と吐出不安定ノズル数との関係を示す特性図である。 従来の液体噴射装置の駆動信号の波形の一例を示す波形図である。 従来の液体噴射装置の駆動信号の波形の他の例を示す波形図である。

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。
図１は、インクジェット式記録装置（以下、記録装置ともいう）の一例を示す概略図である。図１に示すように、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体吐出装置としてのインクジェット式記録装置Ｉに設けられている。即ち、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インクジェット式記録装置Ｉのキャリッジ３に搭載され、キャリッジ３は、インクジェット式記録装置Ｉの装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。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。本形態におけるインクは、金属粒子である平板状粒子を顔料として含ませることにより光揮性を具備させたメタリックインクを使用している。ここで、平板状粒子とは、平板状の粒子の面積を同面積の円に置き換えたときの円の半径をＲとするとき、半径Ｒの前記粒子の存在率が５０％となる粒径をＲ５０とし、前記平板状の粒子の厚さをＺとするとき（Ｒ５０／Ｚ）＞２となるような扁平な形状をもつものをいう（以下、同じ）。

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１中は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。

図２は、図１に示す記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂが内蔵するインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドともいう）の概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、図２の平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。

図２〜図４に示すように、記録ヘッド１０の流路形成基板１１は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなり、本形態における振動部となる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１１には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１１の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板３０のマニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。かくして本形態では、流路形成基板１１に、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになり、圧力発生室１２にインクが充填される。

また、流路形成基板１１の一方の面である開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。ここで、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等で好適に構成することができる。

本形態におけるノズル２１は、図５に、この部分およびその近傍部分を抽出・拡大して示すように、インクの吐出面側に形成された第１のノズル部２１Ａと、第１のノズル部２１Ａに連通して圧力発生室側に形成された第２のノズル部２１Ｂとを有する二段ノズルとして構成してある。さらに、本形態においては、第１のノズル部２１Ａの吐出端側の開口径をφ１、第２のノズル部２１Ｂの圧力発生室側の開口径をφ２としたとき、φ２／φ１≧１．４となるように構成してある。なお、図５中、３６はメタリックインクである。

図２〜図４に戻り、流路形成基板１１の反対側の開口面には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり弾性膜５０等の第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。

さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが２μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、本形態における圧力発生手段であり、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。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ー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０や密着層５６を設けなくてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

かかる圧電素子３００の個別電極である第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、弾性膜５０上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

圧電素子３００が形成された流路形成基板１１上、すなわち、第１電極６０、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１１の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。また、流路形成基板１１の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１１に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１１と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１１の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本形態では、流路形成基板１１と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成してある。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられており、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍が、貫通孔３３内に露出するように構成してある。

一方、保護基板３０上には、制御部（図示せず）で制御されて圧電素子３００を駆動する駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

かかる記録ヘッド１０では、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの駆動信号（例えば、駆動信号Ｓ１２）にしたがい、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧が印加され、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び圧電体層７０を撓み変形させることにより、振動部として機能する弾性膜５０を介して各圧力発生室１２内のインクに前記変形に伴う振動を伝達させる。この結果、各圧力発生室１２内の圧力が高まり、ノズル２１から平板状粒子を顔料として含むインク滴が吐出される。ここで、本形態におけるノズル２１は、前述の如く二段ノズルとして構成してあり、またφ２／φ１≧１．４となるように構成しているので、平板状粒子を顔料として含むメタリックインクを、図９に示すような駆動信号Ｓ１２で吐出させた場合でも良好な吐出を行わせることができる。φ２／φ１≧１．４となるように構成してある二段ノズルによりノズル２１の内周面に沿って形成される境界層を可及的に薄くすることができるからであると考えられるからである。

表１には本形態に係る液体噴射ヘッドで、種々の形状の平板状粒子を含むメタリックインクを吐出させた場合の吐出不安定化ノズルの数を３種類の顔料形状パラメータ（ｂ／ａ）のメタリックインクに関して調べた結果を示す。

ここで、ノズル形状はφ２／φ１をパラメータとした。また、顔料形状パラメータ（ｂ／ａ）は、図６に示すように、平板状粒子３６Ａを直方体と見なした場合の表面の対角線寸法ａと厚さ寸法ｂとの比である。したがって、顔料形状パラメータが小さいほど、扁平な形状となり、吐出に伴う乱流による吐出不安定性を生起し易いと考えられる。

このときの吐出特性の評価条件は、インク滴速度を６ｍ／ｓ、吐出周波数を１ｋＨｚとし、連続吐出安定性評価は全てのノズル２１から３０秒間連続で吐出させて異常（速度低下や着弾精度低下）を生じるか否かを調べた。

表１を参照すれば、各顔料形状パラメータ（ｂ／ａ）において、ノズル形状（φ２／φ１）が大きくなるほど、すなわちノズル部２１Ｂの開口径φ２が、ノズル部２１Ａの開口径φ１に対して大きくなるほど、吐出不安定化ノズルの数が減少し、安定的な吐出を行い得ることが分かる。

表１の結果に基づきそれぞれの組み合わせにおける吐出安定性の評価を表２に示す。同表において、二重丸が非常に良好、丸が良好、バツが不可である。かかる評価は、各形状の平板状粒子を含むメタリックインクを吐出する記録ヘッド１０において、吐出不安定化ノズル数と実際の印字における記録品質とを加味し、吐出評価上で印字安定化が見込める範囲を、吐出不安定化ノズル数≦１０本を基準としている。

表１および表２の評価結果を図７に示す。同図に示すように、顔料形状パラメータ（ｂ／ａ）が０．０２の場合でも、ノズル形状（φ２／φ１）が１．６を超える場合には、吐出不安定化ノズル数≦１０本となっており、十分な吐出安定性が得られていることが分かる。顔料形状パラメータ（ｂ／ａ）が小さくなるほど、メタリックインクに含まれる平板状粒子の形状は扁平になるので、光輝性という観点からはより好ましい。したがって、要求される光輝性によっては、ノズル形状（φ２／φ１）≧１．４の範囲で所定の吐出安定性が得られる。

したがって、第１のノズル部２１Ａの開口径と第２のノズル部２１Ｂの開口径との関係がφ２／φ１≧１．４となるように構成した本形態によれば、平板状粒子を含むメタリックインクの場合でも十分安定な吐出特性が得られる。この場合、φ２／φ１≧１．６の範囲がより好ましい点に関しては論を俟たない。

（他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態におけるノズル２１は、第２のノズル部２１Ｂの内周面が、インクの吐出方向に対して平行となり、第１のノズル部２１Ａに対して階段状の段部を介して連続するように形成したが、かかる階段状形状に限定するものではない。第１のノズル部２１Ａの吐出面側の開口径と、第２のノズル部２１Ｂの圧力発生室側の開口径との関係が、上記実施の形態の如き所定の寸法関係を有していれば、第２のノズル部２１Ｂの前記内周面が前記吐出方向に対して傾斜した、テーパー形状等となっていても構わない。

また、図４に示すように、上記実施の形態におけるノズル２１は圧力発生室１２と直接連通している構成を例示したが、これには限られず、他の液体流路構成部を介していても良い。

なお、上記実施の形態におけるノズル２１は、ノズルプレート２０に形成されている形態を例示したが、これには限られず、複数の部材で形成されても良い。

また、上記実施の形態における記録装置Ｉは、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子を用いた圧電アクチュエーターを具備するもので説明したが、これに限定する必要はない。例えば、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圧電アクチュエーターや、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を用いた圧電アクチュエーター等を使用することもできる。

図１に示す実施の形態は、記録シートＳの搬送方向と交差する方向（主走査方向）に移動するキャリッジ３に記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂを搭載し、記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂを主走査方向に移動させながら印刷を行う、いわゆるシリアル型のインクジェット式記録装置であるがこれに限るものではない。記録ヘッドが固定されて記録シートＳを搬送するだけで印刷を行う、いわゆるライン式のインクジェット記録装置であっても、勿論構わない。

また、上記実施の形態では、液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、平板状粒子を含む液体を吐出する液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置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を具備する液体噴射装置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。

Ｉ 記録装置（インクジェット式記録装置）、 １Ａ、１Ｂ 記録ヘッドユニット、 １０ 記録ヘッド（インクジェット式記録ヘッド）、 １２ 圧力発生室、 ２１ ノズル、 ２１Ａ 第１のノズル部、 ２１Ｂ 第２のノズル部、 ３６ メタリックインク、 ３６Ａ 平板状粒子、 ３００ 圧電素子

Claims (4)

1. 平板状粒子が含まれた液体が充填される圧力発生室と、駆動信号の供給により前記圧力発生室内の前記液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力変化に伴い前記圧力発生室内の前記液体を吐出させるノズルが形成されたノズルプレートとを備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記ノズルは、前記液体の吐出面側に形成された第１のノズル部と、該第１のノズル部に連通して前記圧力発生室側に形成された第２のノズル部とを少なくとも有し、
   さらに前記第１のノズル部の吐出面側の開口径をφ１、前記第２のノズル部の前記圧力発生室側の開口径をφ２としたとき、φ２／φ１≧１．４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、
   前記開口径φ１、φ２の関係が、φ２／φ１≧１．６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。
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、
   前記平板状粒子は、その表面における対角線の寸法をａ、厚さをｂとするとき、ｂ／ａ≧０．０３となるものであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜請求項３に何れか一項に記載する液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする液体噴射装置。