液体喷出头及液体喷出装置的制作方法

1.本发明的实施方式涉及液体喷出头及液体喷出装置。


背景技术：

2.近年来，在喷墨头中，要求高生产率，高速化、液滴量增加成为课题。例如，剪切模式共用壁式的喷墨头为高功率，面向高粘度墨的喷出、大液滴的喷出。在剪切模式共用壁式的喷墨头中，一般是所谓的3循环驱动，即，由2个压力室共用相同的驱动柱，将多个排列的室中的1/3作为压力室而同时驱动。另外，还开发了将驱动的压力室的两侧作为虚拟压力室，用独立的2个驱动柱驱动1个压力室的独立驱动头。例如，开发了作为独立驱动的结构，在压电体上形成多个槽，每隔一个槽堵塞出入口，将出入口未被堵塞的槽作为压力室，将堵塞的槽作为空气室。
3.在这样的喷墨头中，在墨滴喷出后，从共用液室向压力室补给墨水。此时，产生在喷嘴中过冲而弯液面隆起的现象。从共用液室到喷嘴的流路的流体阻力越小，过冲越大，若该过冲不收敛，则无法以弯液面稳定的状态喷出。因此，为了在喷墨头中实现高速化，要求快速地收敛弯液面的隆起，确保稳定的喷出特性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供能够确保稳定的喷出特性的液体喷出头。
5.一个实施方式所涉及的液体喷出头具备致动器，该致动器具有：多个压力室，与喷出液体的喷嘴连通；多个虚设室，配置于多个所述压力室之间；以及共用室，与多个所述压力室的两侧连通，所述压力室在向所述共用室开口的端部具有节流部，所述液体喷出头为侧喷型。
6.另一实施方式所涉及的液体喷出装置，具备：液体喷出头；以及输送装置，沿着预定的输送路径输送介质，所述液体喷出头具备致动器，该致动器具有：多个压力室，与喷出液体的喷嘴连通；多个虚设室，配置于多个所述压力室之间；以及共用室，与多个所述压力室的两侧连通，所述压力室在向所述共用室开口的两端部具有流体阻力比所述压力室内的流体阻力大的节流部，所述液体喷出头为侧喷型。
附图说明
7.图1是表示实施方式所涉及的喷墨头的立体图。
8.图2是表示实施方式所涉及的喷墨头的一部分的结构的分解立体图。
9.图3是实施方式所涉及的喷墨头的说明图。
10.图4是试验例1及试验例2所涉及的喷墨头的说明图。
11.图5是表示试验例1所涉及的喷墨头的喷出速度的图表。
12.图6是表示试验例2所涉及的喷墨头的喷出速度的图表。
13.图7是表示试验例1及试验例2所涉及的喷墨头的弯液面恢复特性的图表。
14.图8是表示试验例1及试验例3所涉及的末端喷射的喷墨头的说明图。
15.图9是表示试验例1及试验例3所涉及的喷墨头的驱动波形的图表。
16.图10是表示试验例1及试验例3所涉及的喷墨头的喷嘴流速振动的图表。
17.图11是表示试验例1及试验例3所涉及的喷墨头的喷出体积的图表。
18.图12是表示试验例1及试验例3所涉及的喷墨头的弯液面恢复特性的图表。
19.图13是表示实施方式所涉及的喷墨打印机的示意图。
20.附图标记说明
21.10
…
喷墨头、11
…
致动器底座、12
…
喷嘴板、13
…
框架、17
…
电路基板、18
…
歧管、21
…
基板、22
…
致动器、24
…
节流部、25
…
供给孔、26
…
排出孔、27
…
墨水室、31
…
压力室、32
…
虚设室、33
…
侧壁部、34
…
电极层、51
…
膜、52
…
驱动ic芯片、100
…
喷墨打印机、111
…
机壳、112
…
介质供给部、113
…
图像形成部、114
…
介质排出部、115
…
输送装置、116
…
控制部、117
…
支承部、118
…
输送带、119
…
支承板、120
…
带辊、121
…
引导板对、122
…
输送用辊、130
…
头单元、132
…
墨罐、133
…
连接流路、134
…
循环泵、211
…
图案布线、221
…
侧面部、222
…
顶部、271
…
第一共用室、272
…
第二共用室。
具体实施方式
22.下面，参照图1至图3对作为第一实施方式所涉及的液体喷出头的喷墨头10的结构进行说明。图1是表示第一实施方式所涉及的喷墨头的立体图，图2是喷墨头的一部分的分解立体图。图3是喷墨头的说明图。图中x、y、z分别表示相互正交的第一方向、第二方向及第三方向。此外，在本实施方式中，以喷墨头10的喷嘴28、压力室31的排列方向沿x轴、压力室31的延伸方向沿y轴、液体的喷出方向沿z轴的姿态为基准来记载方向的说明，但不限于此。
23.如图1至图3所示，喷墨头10是所谓的侧喷型的剪切模式共用壁式喷墨头。喷墨头10是用于喷出墨水的装置，例如搭载于喷墨打印机的内部。例如喷墨头10是压力室31和虚设室32交替配置的独立驱动式的喷墨头。虚设室32是不被供给墨水的空气室，不具备喷嘴28。
24.喷墨头10具备致动器底座11、喷嘴板12及框架13。致动器底座11是基材的一例。在喷墨头10的内部形成有被供给作为液体的一例的墨水的墨水室27。
25.而且，喷墨头10具备控制喷墨头10的电路基板17、形成喷墨头10与墨罐之间的路径的一部分的歧管18等部件。
26.如图2所示，致动器底座11具备基板21和一对致动器22。
27.基板21例如由氧化铝等陶瓷形成为矩形的板状。基板21具有平坦的安装面。在基板的安装面接合有一对致动器22。在基板21形成有多个供给孔25和排出孔26。
28.如图2所示，在致动器底座11的基板21形成有图案布线211。图案布线211例如由镍薄膜形成。图案布线211具有共用图案或单独图案，构成为与形成于致动器22的电极层34连接的预定的图案形状。
29.供给孔25在基板21的中央部且一对致动器22之间沿致动器22的长度方向排列设置。供给孔25与歧管18的墨水供给部连通。供给孔25经由墨水供给部与墨罐连接。供给孔25将墨罐的墨水供给到墨水室27。
30.排出孔26隔着供给孔25及一对致动器22而并列设置成两列。排出孔26与歧管18的
墨水排出部连通。排出孔26经由墨水排出部与墨罐连接。排出孔26将墨水室27的墨水排出到墨罐。
31.一对致动器22粘接于基板21的安装面。一对致动器22隔着供给孔25排列成两列而设置于基板21。各致动器22分别由例如由锆钛酸铅(pzt)形成的板状的两个压电体形成。所述两个压电体以极化方向在其厚度方向上彼此反向的方式贴合。致动器22例如通过具有热固化性的环氧系粘接剂而粘接于基板21的安装面。如图2所示，致动器22与排列成两列的喷嘴28对应地在墨水室27内平行地排列配置。致动器22将墨水室27划分为供给孔25开口的第一共用室271和排出孔26开口的两个第二共用室272。
32.致动器22形成为截面呈梯形的形状。致动器22的侧面部221具有相对于第二方向及第三方向倾斜的倾斜面。即，致动器22在与第二方向正交的剖视观察时构成为梯形形状。致动器22的顶部粘接于喷嘴板12。致动器22具备多个压力室31和多个虚设室32。致动器22具有多个侧壁部33，在侧壁部33之间具有构成压力室31及虚设室32的槽。换言之，侧壁部33作为驱动元件而形成在形成压力室31及虚设室32的槽之间。
33.如图1至图3所示，槽的底面部与基板21的主面通过倾斜的侧面部221相连。压力室31和虚设室32交替地配置。压力室31及虚设室32分别在与致动器22的长度方向相交的方向上延伸，在致动器22的长度方向即第一方向(图中x轴)上排列有多个。
34.此外，压力室31的形状与虚设室32的形状也可以不同。侧壁部33形成于压力室31与虚设室32之间，根据驱动信号而发生变形，从而使压力室31的容积发生变化。
35.多个压力室31与接合于顶部的喷嘴板12的多个喷嘴28连通。压力室31的第二方向的两端部与墨水室27连通。即，一个端部向墨水室27的第一共用室271开口，另一个端部向墨水室27的第二共用室272开口。因此，墨水从压力室31的一个端部流入并从另一个端部流出。压力室31在第二方向两端的开口具有流路阻力增加的节流部24。例如，节流部24形成于在压力室31的两端与作为共用室的第一共用室271及第二共用室272连通的开口。节流部24例如通过使压力室31的与第二方向正交的流路的截面积比压力室31内的更缩小而增加流体阻力。节流部24的与第二方向相交的方向的尺寸例如在压力室31的两端的出入口，构成为比与作为压力室31的延伸方向的第二方向相交的方向、例如第一方向或第三方向上的宽度尺寸小。例如节流部24也可以是通过在压力室31设置壁部件、突起来堵塞压力室31及墨水室27之间的流路的一部分的结构。
36.此外，若节流部24的流体阻力过大，则墨滴喷出后向压力室31补给墨水变慢，从而阻碍高速化。另外，弯液面的隆起根据墨水粘度、喷出体积、驱动频率等而不同。因此，节流部24的尺寸、位置等条件被设定为与墨水补给条件、弯液面的隆起的特性相应的流路阻力。
37.虚设室32的第三方向上的一侧被与顶部接合的喷嘴板12堵塞。另外，虚设室32的第二方向上的两端相对于第一共用室271及第二共用室272被堵塞。即，在墨水室27的第一共用室271与虚设室32的入口之间、以及虚设室32的出口与第二共用室272之间分别设置有隔壁，虚设室32的两端与墨水室27分隔开。因此，虚设室32构成墨水不流入的空气室。
38.在致动器底座11的压力室31及虚设室32分别设置有电极层34。电极层34例如由镍薄膜形成。电极层34从槽的底部到达基板21上并与图案布线211连接。
39.喷嘴板12例如由聚酰亚胺制的矩形膜形成。喷嘴板12与致动器底座11的安装面相对。在喷嘴板12形成有在厚度方向上贯通喷嘴板12的多个喷嘴28。
40.多个喷嘴28设置为与压力室31相同数量，分别与压力室31相对配置。喷嘴28沿着第一方向排列有多个，与一对致动器22对应地排列成两列。各喷嘴28分别构成为轴沿着第三方向的筒状。例如，喷嘴28的直径既可以是恒定的，也可以是缩径到中央部或前端部的形状。喷嘴28与形成于一对致动器22的压力室31的延伸方向的中途部分相对配置，并分别与压力室31连通。喷嘴28在各压力室31的长度方向中央部分别配置有一个。
41.框架13例如由镍合金形成为矩形的框状。框架13介于致动器底座11的安装面与喷嘴板12之间。框架13分别粘接于致动器底座11的安装面和喷嘴板12。即，喷嘴板12经由框架13安装于致动器底座11。
42.歧管18接合于致动器底座11的与喷嘴板12相反一侧。在歧管18的内部形成有作为与供给孔25连通的流路的墨水供给部、作为与排出孔26连通的流路的墨水排出部。
43.电路基板17是薄膜载体封装(fcp)。电路基板17具有形成有多个布线并且具有柔软性的树脂制的薄膜51和与薄膜51的多个布线连接的ic52。ic52经由薄膜51的布线、图案布线211与电极层34电连接。
44.在如以上那样构成的喷墨头10的内部，形成由致动器底座11、喷嘴板12、框架13包围的墨水室27。即，墨水室27形成在致动器底座11与喷嘴板12之间。例如墨水室27被两个致动器22在第二方向上分隔为三个区间，从而具有作为排出孔26开口的共用室的两个第二共用室272和作为供给孔25开口的共用室的第一共用室271。第一共用室271及第二共用室272与多个压力室31连通。
45.在如以上那样构成的喷墨头10中，墨水通过供给孔、压力室及排出孔而在墨罐与墨水室27之间循环。例如根据从喷墨打印机的控制部输入的信号，驱动ic52经由薄膜51的布线对压力室31的电极层34施加驱动电压，由此在压力室31的电极层34与虚设室32的电极层34之间产生电位差，由此选择性地使侧壁部33发生剪切模式变形。通过使形成于压力室31与虚设室32之间的侧壁部33根据驱动信号发生变形，从而使压力室31的容积发生变化。
46.通过侧壁部33的剪切模式变形，设置有该电极层34的压力室31的容积增加，压力减少。由此，墨水室27的墨水流入该压力室31。
47.在压力室31的容积增加的状态下，ic52向压力室31的电极层34施加反电位的驱动电压。由此，侧壁部33发生剪切模式变形，设置有该电极层34的压力室31的容积减少，压力增加。由此，压力室31中的墨水被加压而从喷嘴28喷出。
48.下面，参照图13对具备喷墨头10的喷墨打印机100的一例进行说明。喷墨打印机100具备机壳111、介质供给部112、图像形成部113、介质排出部114、输送装置115及控制部116。
49.喷墨打印机100是如下的液体喷出装置：沿着从介质供给部112通过图像形成部113而到达介质排出部114的预定的输送路径a，一边输送例如纸张p作为喷出对象物即记录介质，一边喷出墨水等液体，由此对纸张p进行图像形成处理。
50.机壳111构成喷墨打印机100的外轮廓。在机壳111的预定部位具备将纸张p向外部排出的排出口。
51.介质供给部112具备多个供纸盒，构成为能够层叠多张各种尺寸的纸张p并进行保持。
52.介质排出部114具备能够构成为保持从排出口排出的纸张p的排纸托盘。
53.图像形成部113具备支承纸张p的支承部117、与支承部117的上方相对配置的多个头单元130。
54.支承部117具备：输送带118，在进行图像形成的预定区域呈环状设置；支承板119，对输送带118从背面侧进行支承；以及多个带辊120，设置在输送带118的背面侧。
55.在图像形成时，支承部117将纸张p支承于作为输送带118的上表面的保持面，并且通过带辊120的旋转而在预定的定时传送输送带118，由此将纸张p向下游侧输送。
56.头单元130具备多个(四种颜色的)喷墨头10、分别搭载在各喷墨头10上的作为液体罐的墨罐132、连接喷墨头10和墨罐132的连接流路133及作为循环部的循环泵134。头单元130是使液体在墨罐132、在喷墨头10的内部制作的压力室31、虚设室32及墨水室27中始终循环的循环型的头单元。
57.在本实施方式中，具备青色、品红色、黄色、黑色这四种颜色的喷墨头10和分别收纳这些各色的墨水的墨罐132。墨罐132通过连接流路133与喷墨头10连接。连接流路133具备与喷墨头10的供给口连接的供给流路和与喷墨头10的排出口连接的回收流路。
58.另外，在墨罐132连结有未图示的泵等负压控制装置。并且，与喷墨头10和墨罐132的水头值对应地，负压控制装置对墨罐132内进行负压控制，从而使供给至喷墨头10的各喷嘴28的墨水形成预定形状的弯液面。
59.循环泵134例如是由压电泵构成的送液泵。循环泵134设置于供给流路。循环泵134通过布线与控制部116的驱动电路连接，构成为能够通过cpu(central processing unit：中央处理器)的控制对循环泵134进行控制。循环泵134使液体在包括喷墨头10和墨罐132的循环流路中循环。
60.输送装置115沿着从介质供给部112通过图像形成部113到达介质排出部114的输送路径a输送纸张p。输送装置115具备沿着输送路径a配置的多个引导板对121和多个输送用辊122。
61.多个引导板对121分别具备隔着被输送的纸张p而相对配置的一对板部件，沿着输送路径a引导纸张p。
62.输送用辊122通过控制部116的控制被驱动而旋转，从而将纸张p沿着输送路径a向下游侧输送。此外，在输送路径a的各处配置有检测纸张的输送状况的传感器。
63.控制部116具备：作为控制器的cpu等控制电路；存储各种程序等的rom(read only memory：只读存储器)；暂时存储各种可变数据、图像数据等的ram(random access memory：随机存取存储器)；以及输入来自外部的数据及向外部输出数据的接口部。
64.在如以上那样构成的喷墨打印机100中，控制部116例如检测到用户在接口处基于操作输入部的操作的印刷指示时，驱动输送装置115来输送纸张p，并且在预定的定时对头单元130输出打印信号，从而驱动喷墨头10。作为喷出动作，喷墨头10根据与图像数据对应的图像信号，向ic发送驱动信号，经由布线向压力室31的电极层34施加驱动电压，选择性地驱动致动器22的侧壁部33而从喷嘴28喷出墨水，在保持于输送带118上的纸张p上形成图像。另外，作为液体喷出动作，控制部116通过驱动循环泵134，使液体在通过墨罐132和喷墨头10的循环流路中循环。通过循环动作，循环泵134被驱动，从而墨罐132的墨水通过歧管18的墨水供给部，从供给孔25向墨水室27的第一共用室271供给。该墨水被供给到一对致动器22的多个压力室31和多个虚设室32。墨水通过压力室31和虚设室32流入墨水室27的第二共
用室272。该墨水从排出孔26通过歧管18的墨水排出部而被排出到墨罐132。
65.根据上述的实施方式，能够提供能够确保稳定的喷出特性的液体喷出头。即，上述实施方式所涉及的喷墨头10通过在压力室31具备节流部24，从而压力室31的入口及出口与压力室31内部、第一共用室271、第二共用室272相比，流路阻力更大。作为具体例，向作为压力室31的共用室的第一共用室271、第二共用室272开口的开口部比压力室31的流路截面积小。因此，在喷墨头10中进行了液体喷出时的弯液面的隆起变小。因此，弯液面的恢复变快，能够减轻对下一次喷出的影响，能够提高喷出稳定性。
66.图4是具备节流部(节流部24)的喷墨头110的试验例1和不具备节流部的喷墨头1010的试验例2。图5表示试验例1所涉及的具有节流部的喷墨头110的频率特性，图6表示作为试验例2的不具备节流部的喷墨头1010的频率特性。在图5及图6中，分别针对1滴(drop)、3滴的情况，表示喷嘴的喷出速度与频率的关系。
67.在此，试验例1所涉及的喷墨头110是压力室31的延伸方向即第二方向的两侧与共用室连通，并且喷嘴28在压力室31的延伸方向的中途部分开口的侧喷型。
68.如图6所示，在试验例2所涉及的喷墨头1010中，在低频区域中喷出速度平缓，但随着频率变高，喷出速度有减少趋势，在低频区域和高频区域中喷出速度存在差异。在试验例2所涉及的喷墨头1010的1滴中，到25khz为止，喷出速度平缓，但在25khz以上，随着频率变高，喷出速度有减少趋势。另外，在试验例2所涉及的喷墨头1010的3滴中，到15khz为止，喷出速度平缓，但在15khz以上，随着频率变高，喷出速度有减少趋势。因此，会根据印刷的图案而在喷落位置上产生偏移。像这样，喷出速度的差异大时，弯液面的隆起收敛需要花费时间，引起打印质量降低，因此无法进行高速驱动。
69.另一方面，如图5所示，在具有节流部的喷墨头110中，1滴及3滴的喷出速度都处于平缓的趋势。这是因为从共用液到喷嘴间的流体阻力变大，弯液面的隆起变小。
70.另外，图7示出了在压力室设置有节流部的试验例1和未设置节流部的试验例2的弯液面恢复的模拟结果。根据图7，在喷嘴的弯液面状态为低频的情况下，从喷出墨滴到进行下一次喷出为止有充分的时间，无论有无节流部，都能够在等待弯液面的恢复之后以稳定状态喷出。另一方面，在高频的情况下，由于从喷出点(墨滴)到进行下一次喷出为止的时间短，因此会在弯液面的恢复前开始进行下一次喷出。因此，在不设置节流部的喷墨头1010的情况下，在喷出后，弯液面的隆起变大，在进行下一次喷出之前，无法恢复弯液面，喷出速度降低。与此相对，在设置有节流部的情况下，由于弯液面的隆起变小，因此弯液面的恢复变快，能够减轻对下一次喷出的影响。因此，根据这些模拟结果，可以说通过在压力室31与共用室之间设置节流部，能够提高喷墨头110的喷出稳定性。
71.图8是作为试验例1的侧喷型的喷墨头110和作为墨水出入口形成于一端且喷嘴形成于另一端的试验例3的剪切模式共用壁式末端喷射型的喷墨头2010的说明图。
72.图9至图12是对作为试验例3的末端喷射型的喷墨头2010和侧喷型的试验例1的喷墨头110中分别设置有节流部时的模拟特性进行比较的图。图9表示驱动波形，图10表示喷嘴流速振动，图11表示喷出体积，图12表示弯液面的恢复特性。
73.试验例3所涉及的喷墨头2010设为末端喷射型，压力室31的延伸方向即第二方向的一端侧与共用室连通，另一端部关闭，喷嘴在流路的端部开口。即，喷墨头2010构成从第二方向的一方朝向喷嘴28流动的流路。
74.对于作为试验例3的从单侧供给的末端喷射型的喷墨头2010和作为两侧供给的侧喷型的试验例1的喷墨头110，使喷出体积、喷嘴流速振动、弯液面恢复特性一致时的驱动电压在两侧供给的侧喷型的结构中最低，因此可以说两侧供给相对于单侧供给，从驱动效率的观点来看优越性高。即，在压力室的中央部分具有喷嘴且墨水的出入口位于两端的所谓侧喷型的喷墨头110的喷出效率更优于末端喷射型的喷墨头2010的喷出效率。
75.此外，本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段能够在不脱离其主旨的范围内对构成要素进行变形而进行具体实施。
76.在上述实施方式中，示出了在基板21的主面部分配置具备多个槽的致动器22的例子，但并不限定于此。例如也可以是在基板21的端面具备致动器的结构。另外，喷嘴列的数量也不限于上述实施方式，也可以采用具备1列或3列以上的结构。
77.另外，在上述实施方式中，示出了在基板21具备由压电部件131构成的层叠压电体的致动器底座11，但并不限定于此。例如也可以不使用基板而仅通过压电部件形成致动器底座11。另外，也可以不使用两个压电部件而设为一个压电部件。另外，虚设室32也可以与作为共用室的第一共用室271、第二共用室272连通。另外，供给侧和排出侧可以相反，或者也可以构成为能够切换。
78.另外，在上述实施方式中，作为一例，示出了压力室31的一侧为供给侧，另一侧为排出侧，流体从压力室的一侧流入并从另一侧流出的循环型的喷墨头，但并不限定于此。例如也可以是非循环型。另外，例如也可以是压力室31的两侧的共用室为供给侧且从两侧流入的结构。即，也可以是流体从压力室31的两侧流入并从配置于压力室31的中央部分的喷嘴28流出的结构。在该情况下，通过在压力室31的两侧的入口部分设置节流部24，流体阻力增加，能够改善喷出效率。
79.例如，喷出的液体不限于打印用的墨水，例如也可以是喷出包含用于形成印刷布线基板的布线图案的导电性粒子在内的液体的装置等。
80.另外，在上述实施方式中，示出了喷墨头用于喷墨打印机等液体喷出装置的例子，但不限于此，例如也能够用于3d打印机、产业用的制造机械、医疗用途，能够实现小型轻量化及低成本化。
81.根据以上说明的至少一个实施方式，能够提供一种能够确保稳定的喷出特性的液体喷出头。
82.此外，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。