JP2004216605A

JP2004216605A - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2004216605A
Application number: JP2003003908A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shimizu; 一夫清水; Osamu Machida; 治町田
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: US20040227797A1; JP4239593B2; US7192130B2

Abstract

【課題】インクが流れる孔を小さく、精度良く形成し、且つ耐食性を有するフィルタ部を備えたインクジェットプリントヘッドおよびインクジェット記録装置を提供することを課題とする。
【解決方法】ステンレス鋼の薄板の表面及び裏面をエッチングすることにより溝状または矩形状等の凹部を形成し、その形状の重なり合う部分に貫通孔を形成してフィルタ部を構成した。該貫通穴の開口率は、「フィルタ部＜フィルタ部と一定の間隔を置いた貫通穴部」とすることで、フィルタ部のエッチング精度を向上した。また、溝のピッチ、あるいは矩形の間隔を調整して開孔率を適切に設定する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェットヘッドに係り、特にインク内の異物及び気泡等を除去するためのフィルタ、フィルタを具備するインクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットヘッドは一般に、インク導入口から導入されたインクに、圧電素子等を駆動させて圧力を加えて、ノズルから吐出させるように構成されている。このようなインクジェットヘッドは、供給されたインク内に異物が存在するとインク流路やノズルが詰まり、吐出不良が発生する。インク内に存在する気泡が原因となり、インクの流れが阻害され、また、圧電素子等によって加えられた圧力が吸収される等の理由により吐出不良が発生する。そのため、通常はインク供給路の途中に複数の微細な穴を有し、インク内の異物や気泡を除去するためのフィルタが装着されている。
【０００３】
このフィルタとしては、従来から、繊維を織って織り目をフィルタ孔とした構造のフィルタが用いられており、このフィルタ孔をインクが通過する際に異物及び気泡が除去される。しかしこの構造のフィルタは繊維をあまり細くすることが出来ないために、フィルタ孔を小さくしようとすると開口率が小さくなる。その結果、インクを流す際の圧力損失が大きくなり、吐出性能が低下するという問題がある。
【０００４】
また、開口率を増加させる方法としてエレクトロフォーミングにより丸孔を形成したニッケル板をフィルタとする方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法で製作されたフィルタの開口率は３０％程度でありインクの流れの圧力損失にあまり影響しないフィルタが製作可能である。
【特許文献１】
特開平１１−２９１５１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の印字の高精細化に伴うヘッドのノズル径の小径化に伴い、フィルタ孔の径も益々小さく形成する必要がでてきている。前述のエレクトロフォーミングによる方法では、そのレジストのパターニング分解能の限界により対応できない場合が生じている。また、吐出させる液体が溶剤や腐食性液体の場合にはニッケルが侵されるという問題がある。
【０００６】
そこで、吐出させる液体に対して耐腐食性を有する材料を用いて、エッチング法により表面と裏面に所定形状の凹部を形成し、該凹部が重なり合う領域に貫通穴を形成してフィルタを構成することが考えられる。しかしながら、フィルタ部材は、フィルタ部の他に他部品との位置決めする為のパターン等が混在している。部品面内でのエッチング進行速度の若干のばらつきにより、貫通穴部分が貫通するタイミングにばらつきが生じると、エッチング液の流れ方に分布を生じ、エッチングの進行速度分布が増幅される。その結果、フィルタ部分の貫通穴精度が低下し、フィルタとして機能しなくなってしまう。
【０００７】
本発明の課題は、このような事情に鑑み、インクが流れる孔を小さく、精度良く形成し、且つ耐食性を有したフィルタを具備するインクジェットヘッド及び記録装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、インクを蓄える加圧室と、該加圧室にフィルタ部を通してインクを供給する手段と、前記加圧室からオリフィスを通してインク液滴を噴射する手段を備えたインクジェットヘッドの前記フィルタ部を構成するフィルタプレートは貫通穴を有し、該貫通穴の開口率は、「フィルタ部＜フィルタ部と一定の間隔を置いた貫通穴部」であることを特徴とする。このように構成することにより、フィルタ部周囲のエッチング液の流れが安定し、微小な径を有する開孔を精度よく形成することが可能になる。
【０００９】
本発明の他の特徴は、「フィルタ部周辺貫通穴の最大開口部長さ＜フィルタ部とフィルタ部周辺貫通穴との間隔＜フィルタ部周辺貫通穴最大開口部長さの３倍」を満たす、フィルタ部とフィルタ部周辺貫通穴の間隔としたことにある。このように構成すると、フィルタ部と周辺の貫通穴が干渉することなくそれぞれを加工することが可能になる。
【００１０】
本発明の他の特徴は、インクジェットヘッドにおけるフィルタ部の表面に円形又は矩形状の多数の凹部を形成し、前記フィルタ部の裏面には上記の円形または矩形より小さい径又は辺の円形又は矩形の多数の凹部を形成し、該凹部が重なり合う領域に貫通穴を形成したことにある。このように構成すると、フィルタ部の開孔の径をインクの流入側と流出側で変えることができ、フィルタの性能を維持したまま、流路抵抗の低減を図ることが可能になる。
【００１１】
本発明の他の特徴は、インクジェットヘッドにおけるフィルタ部の表面に多数の矩形状の凹部を形成し、前記フィルタ部の裏面には、上記の矩形と一部が重なり合うようにずれた位置に多数の矩形状の凹部が形成し、該凹部が重なり合う領域に貫通穴を形成したことにある。このように構成することにより、微小な径を有する開孔を簡単に形成することが可能になる。
【００１２】
本発明の他の特徴は、インクジェットヘッドにおけるフィルタ部をステンレス鋼で形成したことにある。このようにすると、フィルタの耐食性の向上を図ることができる。
【００１３】
本発明の他の特徴は、上記のように構成されたインクジェットヘッドを印刷用紙の走行方向に対して直角の方向に多数配列してなるプリントヘッド組と、ヘッドのオリフィスと対向して印刷用紙を搬送する機構を備えたインクジェット式記録装置を実現したことにある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係るインクジェットヘッドのノズル部構成の一例を示す断面図である。１はオリフィス、２は加圧室、３は振動板、４は圧電素子、５ａと５ｂは信号入力端子、６は圧電素子固定板、７は共通インク供給路８と加圧室２とを連結し加圧室２へのインク流入を制御するリストリクタ、８は共通インク供給路、９はフィルタ、１０は振動板３と圧電素子４とを連結するシリコン接着剤等の弾性を有する接着剤、１１はリストリクタ７を形成するリストリクタプレート、１２は加圧室２を形成する加圧室プレート、１３はオリフィス１を形成するオリフィスプレート、１４は振動板３を補強する支持板、１５は共通インク供給路８を形成するための共通インク供給路部材、１６はフィルタ９を形成するフィルタプレートである。
【００１６】
振動板３、リストリクタプレート１１、加圧室プレート１２、支持板１４は、例えばステンレス材から作られ、オリフィスプレート１３はニッケル材あるいはステンレス材から作られている。また、圧電素子固定板６は、セラミックス，ポリイミドなどの絶縁物から作られている。インクは、上流から下流へ向かって、共通インク供給路８の途中で、フィルタ９を通過して、リストリクタ７、加圧室２、オリフィス１の順に流れる。圧電素子４は信号入力端子５ａと５ｂの間に電位差が印加されたときに伸縮し、信号入力端子５ａと５ｂ間に電位差が無くなれば伸縮前の形に戻る。この圧電素子４の変形によって、加圧室２内のインクに圧力が加わり、オリフィス１からインクが吐出する。
【００１７】
図２は上記のフィルタプレート１６の平面図を示す。フィルタプレート１６は、フィルタ９が形成される部分と、くり貫かれた部分１６ａと、フィルタ９よりも開口率の大きな貫通穴が形成される部分１６ｂを有する。フィルタ部９は共通インク供給路８の全面にわたって形成されている。また、くり貫かれた部分１６ａは圧電素子４が挿入される空間になる。貫通穴が形成される部分１６ｂとフィルタ９が形成される部分とは、間隔ｄを設けて形成される。間隔ｄは、１６ｂ部分に形成される貫通穴の最大径よりも大きく、１６ｂ部分に形成される貫通穴の最大径の３倍よりも小さい値である。
【００１８】
図３はフィルタ部９の構成図を示す。フィルタ部９の表面には縦方向に多数の溝が等間隔に形成され、裏面にはそれと直交する方向に多数の溝が等間隔に形成されている。図４はこれを拡大して示したもので、１０１，１０２，１０３が表面の溝、２０１，２０２，２０３が裏面に形成された溝を表わす。そして各溝の深さは、それぞれフィルタプレート１６の厚みに対して、半分の厚さと等しいか、それよりも若干深くなるように形成される。この結果、表面の溝１０１，１０２，１０３と裏面の溝２０１，２０２，２０３の交わる部分３０１，３０２，３０３は正方形の貫通孔１７が形成される。
【００１９】
図５は、図３のＡ−Ａ断面を示しており、貫通孔１７が等間隔に形成されており、この貫通孔１７をインクが通過することにより、インク中の異物が除去される。
【００２０】
次に本発明に係るインクジェットプリントヘッドに用いられるフィルタプレートの製作工程を図６を参照して説明する。
【００２１】
まず、（ａ）に示すように、圧延された２５μｍ厚のステンレス鋼（ＳＵＳ）の薄板１８の両面にラミネータによりドライフィルムレジスト１９を貼り付ける。次に（ｂ）に示すように、薄板１８の表面と裏面のドライフィルムレジスト１９をフォトリソ工程により溝幅３０μｍにパターニングする。この場合、表面のレジストを縦方向に等間隔にパターンニングしたら、裏面のレジストは横方向に等間隔にパターニングして、両方のレジスト層が直交するように形成する。
【００２２】
次に（ｃ）に示すように、溝部のステンレス鋼（ＳＵＳ）の薄板１８を塩化第２鉄溶液にて深さ１３μｍまで両面からエッチングを行う。両面のエッチングばらつきを減らすために、エッチング液を両面同時にスプレーで吹き付けると良い。
【００２３】
エッチングの最終段階頃になると、フィルタ９が形成される部分１６ａで両面の溝が交差する位置に貫通穴が形成される。この時、フィルタ９が形成される部分１６ａの外周近傍では、その中央付近に比べエッチング液が滞留しやすく、エッチング速度に偏りを生じる。フィルタ９が形成される部分１６ａと間隔ｄ隔てて貫通穴が形成される部分１６ｃを設けることで、エッチング液の滞留を防ぎ、フィルタ９が形成される部分１６ａ内で一様なエッチング速度を保つことができる。フィルタ部とフィルタ部周辺貫通穴の間隔ｄは、フィルタ部周辺貫通穴の最大開口部長さより小さいと、フィルタ部周辺貫通穴がフィルタ部に干渉し連通してしまう可能性がある。また、フィルタ部周辺貫通穴最大開口部長さの３倍よりも大きくなると、エッチング液の滞留を防ぐ効果が低下し、エッチング速度の分布を発生しやすくなる。
【００２４】
最後に（ｄ）に示すように、両面のドライフィルムレジスト１９を剥離液によって除去することによって、等間隔に貫通孔１７が形成されたフィルタ部が完成する。
【００２５】
本例では、溝幅を３０μｍとしたがこの数値に限定されるものではない。すなわち、オリフィス１の径より小さい溝幅であれば、一辺の長さがオリフィス径よりも小さなフィルタが形成されるため、オリフィス１が目詰まりを起こすことはない。通常オリフィスの径は８０μｍ以下であることが望ましく、溝幅は２０〜６０μｍの範囲が望ましい。
【００２６】
溝のピッチを調整することによって貫通孔１７の数を調整することができ、従って開孔率も任意に設定することができる。例えば、溝幅を３０μｍ、ピッチを５５μｍとし場合、開孔率は１３．２％となる。開孔率はインクの流れにおける抵抗に関係があり、インク吐出時の周波数応答性に影響を与える。通常、開孔率は１０％以上であれば問題ないとされており、この範囲で溝ピッチを選定すると良い。また、フィルタプレートと支持板１４、共通インク供給路部材１５を接合する方法はいくつか考えられるが、例えば、耐インク性を有する接着を薄く塗布又は転写したものを用いる場合、貫通穴部１６は余分な接着剤の逃げ穴としての効果もある。インク流路への接着剤のはみ出しを防止することが出来るため、インク吐出特性ばらつきの低減に効果がある。
【００２７】
図７は本例のフィルタプレートを組み込んだプリントヘッドの駆動周波数と液滴の吐出速度の関係を示す。駆動周波数が２０ｋＨｚにおいてもインク滴の速度変動は少なく、良好な特性を示していることが分かる。
【００２８】
図８は本発明に係るインクジェットプリントヘッドフィルタ部の第２の例を示す断面図、図９はその上面図である。この例では、図９のようにフィルタプレートの表面と裏面に多数の正方形の凹部がエッチングにより形成されている。表面の凹部４０１，４０２，４０３の深さはフィルタプレートの厚さのほぼ半分の深さにエッチングされる。一方、裏面凹部５０１，５０２の正方形の大きさは、表面凹部４０１，４０２，４０３の正方形の大きさより大きめにエッチングされ、その深さはフィルタプレートの厚さのほぼ半分に設定されている。この結果、図８に示すように、フィルタ部８の貫通孔１７はインク流入側の溝幅がインク流出側よりも広く形成される。
【００２９】
インクがフィルタ部８の貫通孔１７を通過する際の抵抗は孔径だけではなく、貫通孔１７の長さにも影響を受ける。異物の通過を阻止するというフィルタの機能には、貫通孔の長さは影響しないため、抵抗を小さくするために極力フィルタプレートの厚さを薄くするほうが望ましいが、加工時及びヘッド組立て時のハンドリングの容易さから限界がある。つまり、あまり薄すぎるその加工及び組立てが著しく困難になる。そのため本例では貫通孔の径は所定の大きさに維持したまま、インク流れの抵抗を小さくし、且つハンドリングを容易にしたものである。
【００３０】
なお上記の例では、フィルタ部に正方形の孔１７を形成した例を示したが、この孔の形状は正方形に限定されず、例えば断面円形であってもよい。また表面および裏面をエッチングすることにより形成される凹部の深さは、それぞれフィルタプレートの厚さの半分程度としたが、これもいろいろな変形が可能である。
【００３１】
従来のフィルタプレートの厚さは、開孔部の流路抵抗と、ハンドリングのし易さとの兼ね合いから３０μｍ程度の厚さに設定されている。しかし図８のような形状の開孔部にすれば流路抵抗を低減できるので、フィルタプレートの厚さは５０μｍ程度にしても差し支えない。また、開孔部１７の孔径の小さい部分の厚さは最小で１０μｍ程度にすることが可能であり、流路抵抗から２５μｍ以下にすることが望ましい。したがって孔径の大きい部分の厚さは、全体の厚さが５０μｍのときは２５〜４０μｍ、全体の厚さが３０μｍのときは１５〜２０μｍ程度が望ましい。すなわち本例の望ましい範囲は、フィルタプレートが２５〜５０μｍ、小さい径の開孔部の厚さは１０μｍ〜２５μｍ、大きい径の開孔部の厚さは１５μｍ以上ということになる。
【００３２】
図１０は本発明にかかるインクジェットヘッドフィルタ部の第３の例を示す上面図である。この実施例は、フィルタプレートの表面を矩形７０１，７０２の形状にエッチングして凹部を形成し、裏面にはこれとずれた位置に矩形６０１，６０２，６０３の形状にエッチングして凹部を形成したものである。このようにすると、矩形７０１，７０２と矩形６０１，６０２，６０３の重なる領域８０１，８０２，８０３が貫通孔となる。
【００３３】
リソグラフィ技術の進歩により小さい孔径の開孔を形成することは比較的容易になったが、プレートの材料や厚さによって数１０μｍの孔を空けることが困難な場合もある。しかし第３の実施例のようにして開孔部を形成すればリソグラフィーの解像度としてはそれほど高い精度を要求されず、しかも微小な孔部を形成できるという効果がある。
【００３４】
次に上述のインクジェットヘッドを用いた本発明のインクジェット式記録装置の一例について説明する。
【００３５】
図１１において、筺体３０の上部にヘッドベース３１が配置され、その上に４本のプリントヘッド組３２が設けられている。筺体３０の内部にはロール紙搬送装置や制御装置が収納されているが図示を省略してある。４本のプリントヘッド組３２には４本のインク供給管３４から、カラーの印刷をするためにシアン、マジェンタ、イエロー、ブラックのインクが供給される。各ヘッド組３２には、印刷用紙の長手方向と直角の方向に、例えば２０個のヘッドが配列され、各ヘッドには図１に示したノズルが例えば１２８個設けられている。ノズルのオリフィス１（図１）と対向するように印刷用紙３３が搬送される。この図では矢印の方向にロール紙が搬送され、その上流にロール紙供給装置が配置されるが図面では省略してある。
【００３６】
筺体３０の上部のフレーム３９と４０との間にロッド３７，３８が設けられ、そのロッド３７，３８を支持体３５，３６が摺動できるように支持されている。この支持体３５，３６に前記へードベース３１が取付けられているので、プリントヘッド組３２は印刷用紙３３の長手方向と直角の方向に移動してヘッドクリーニング機構４０の位置まで移動することができる。
【００３７】
本発明のインクジェットヘッドは上記のような記録装置のほかに汎用の小形のインクジェット式記録装置にも勿論使用することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるインクジェットプリントヘッドは、貫通穴の開口率を、フィルタ部＜フィルタ部と一定の間隔を置いた貫通穴部としていることから、エッチング液のフィルタ部への滞留を低減し、エッチング速度分布の発生によるエッチング不良を低減できる。
【００３９】
また、フィルタ部とフィルタ部周辺貫通穴の間隔は、フィルタ部周辺貫通穴の最大開口部長さ＜フィルタ部とフィルタ部周辺貫通穴との間隔＜フィルタ部周辺貫通穴最大開口部長さの３倍としているため、上記エッチング不良を低減する効果を保ちつつ、フィルタ部周辺貫通穴がフィルタ部に干渉して、連通することがない。
【００４０】
さらに、フィルタプレートの表面と裏面に溝状あるいは矩形の凹部を形成し、その形状の重なり合う部分に貫通孔を形成してフィルタ部を構成しているので、微小な径の開孔を有するフィルタを製作可能であり、このフィルタプレート用いることにより高精細のインクジェットプリンタが実現可能である。
【００４１】
加えて、フィルタプレートがステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成されていることから、多種のインク及び液体の吐出が可能となり、汎用性のあるインクジェットプリントヘッドが実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットプリントヘッドの一実施例を示す断面図。
【図２】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタプレートの平面図。
【図３】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタ部の拡大平面図。
【図４】図３の拡大平面図。
【図５】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタ部の断面図。
【図６】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタプレートの製造工程を示す説明図。
【図７】本発明のインクジェットプリントヘッド駆動周波数と液滴速度の関係を示す特性図。
【図８】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタ部の第２の例を示す断面図。
【図９】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタ部の第２の例を示す平面図。
【図１０】本発明のインクジェットプリントヘッドフィルタ部の第３の例を示す平面図。
【図１１】本発明のインクジェットヘッドを用いた記録装置の一例を示す外観斜視図。
【符号の説明】
１はオリフィス、２は加圧室、３は振動板、４は圧電素子、５ａと５ｂは信号入力端子、６は圧電素子固定基板、７はリストリクタ、８は共通インク供給路、９はフィルタ、１０は接着剤、１１はリストリクタプレート、１２は加圧室プレート、１３はオリフィスプレート、１４は支持板、１５は共通インク供給路部材、１６はフィルタプレート、１７は貫通孔、１８はＳＵＳ薄板、１９はドライフィルムレジストである。

Claims

インクを蓄える加圧室と、該加圧室にフィルタ部を通してインクを供給する手段と、前記加圧室からオリフィスを通してインク液滴を噴射する手段を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部を構成するフィルタプレートは貫通穴を有し、該貫通穴の開口率は、「フィルタ部＜フィルタ部と一定の間隔を置いた貫通穴部」であることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、
フィルタ部とフィルタ部周辺の貫通穴の間隔は、「フィルタ部周辺の貫通穴の最大開口部長さ＜フィルタ部」、「フィルタ部周辺の貫通穴との間隔＜フィルタ部周辺の貫通穴の最大開口部長さの３倍」を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または請求項２記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部はその表面に多数の溝状の凹部が形成され、上記フィルタ部の裏面には上記の溝と直交する方向に多数の溝状の凹部が形成され、該凹部が重なり合う領域に貫通穴を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または請求項２記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部の裏面には円形、矩形より小さい径もしくは辺の円形、または矩形の多数の凹部が形成され、該凹部が重なり合う領域に貫通穴を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または請求項２記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部はその表面に多数の矩形状の凹部が形成され、前記フィルタ部の裏面には、上記の矩形と一部が重なり合うようにずれた位置に多数の矩形状の凹部が形成され、該凹部が重なり合う領域に貫通穴を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１ないし５記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部がステンレス鋼で形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１ないし５記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部の凹部がエッチングによって形成されることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項３記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部の表面及び裏面の溝幅は２０〜６０μｍ、オリフィスの径は８０μｍ以下、開孔率は１０％以上であることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項４記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部はインクを通す貫通孔を多数有し、該貫通孔は孔径の大きい第１の部分と、該第１の部分より孔径の小さい第２の部分とを有し、上記第１部分はインクの流入側に配置し、上記第２部分はインクの流入側に配置されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項９記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部の厚さは１０〜５０μｍ、第１部分の厚さは１５μｍ以上、第２部分の厚さは１０μｍ〜２５μｍであることを特徴とするインクジェットヘッド
請求項５記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記フィルタ部矩形状の凹部幅は５０〜１５０μｍ、オリフィスの径は８０μｍ以下、開口率は１０％以上であることを特徴とするインクジェットヘッド。
表面と裏面に所定形状の凹部が形成され、該凹部が重なり合う領域に貫通孔を有するフィルタと、該フィルタを通してインクを加圧室に供給する手段と、該加圧室からオリフィスを通してインク液滴を噴射する手段を備えたインクジェットヘッドを、印刷用紙の走行方向と直角の方向に複数個配列してなるプリントヘッド組と、上記オリフィスと対向するように上記印刷用紙を搬送する機構を備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。