JP2004314396A

JP2004314396A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2004314396A
Application number: JP2003110368A
Authority: JP
Inventors: Toshio Arimura; 敏男有村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】ノズルの目詰まり、インク吐出不良などの起きない、応答性と印字品質に優れたインクジェットヘッドを提案すること。
【解決手段】インクジェットヘッドの共通インク室６から複数の個別インク室５にインクを供給するインク供給口部９の共通インク室６側に、深さの浅い共通インク室１６を設け、この深さの浅い共通インク室１６は単一流路部７０、７４と、この単一流路部分の途中位置に形成された複数の柱状突起７７からなる分流路部分とを備え、各分流路の矩形断面の対角線長さはインクノズル８のノズル径よりも小さい寸法としてある。インクノズルに目詰まりを起こす惧れのある大きさの異物は各分流路で捕捉される。インク供給口部９の単一流路部分７０と柱状突起７６の形成された分流路部分では音響抵抗およびイナータンスが異なるので、インクジェットヘッドの応答性および印字品質が共に改善される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク液滴を記録媒体上に吐出して印刷を行うインクジェットヘッド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としては、インクを貯留しているインク室の容積変動により、インク室に連通しているインクノズルからインク液滴を吐出させる形式のものが知られている。この形式のインクジェットヘッドには圧電式および静電駆動式のものがある。圧電式のインクジェットヘッドでは、振動板と圧電素子からなる振動系を備え、静電駆動式のものでは対向電極間に発生する静電気力により振動する振動板からなる振動系を備えている。
【０００３】
このような振動系を備えたインクジェットヘッドの特性は、そのイナータンス、音響容量、音響抵抗を用いて電気的等価回路として表すことができる。例えば、特許文献１又は２には、圧電式のインクジェットヘッドの電気的等価回路が開示されている。一般に、長さおよび断面形状が同一の場合には、そのインク流路の音響抵抗およびイナータンスは一義的に決まり、音響抵抗を小さくすると、イナータンスも小さくなる。
【０００４】
ここで、インクジェットヘッドは一般に多数のインクノズルを備えており、各インクノズルがそれぞれ連通している個別インク室にインクを供給するために、外部からインクを共通インク室に一旦供給し、この共通インク室から各個別インク室に対してそれぞれインク供給口部を介してインクを供給するようしている。この場合、インクジェットヘッドの応答性を改善するためには、インク通路、特に共通インク室と各個別インク室を連通しているインク供給口部の音響抵抗を小さくすることが望ましい。しかし、音響抵抗を小さくすると、イナータンスも小さくなる。イナータンスが小さいと、インク吐出後の共通インク室の圧力振動が吐出インクのインクスピードに影響を及ぼし、所望の印字品質を満足するインクスピードを得ることができないので、印字品質が低下してしまう。
【０００５】
そこで、本願人は、参考文献３において、インクジェットヘッドの応答性の改善と印字品質の改善を両立させるために、共通インク室と各個別インク室を連通しているインク供給口部に、単一流路部分と、断面積が小さい複数の分流路からなる分流路部分を形成する構成を提案している。このように、音響抵抗およびイナータンスが異なる部分をインク供給路に形成することにより、応答速度が速く、良好な印字品質を確保可能なインクジェットヘッドを得ることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５８−５２６９号公報、
【特許文献２】
特開昭６１−１４１５６６号公報
【特許文献３】
特開２００１−９６７３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、インクノズルのノズル径よりも大きな異物が、共通インク室から個別インク室内にインクと共に進入した場合にはインクノズルに目詰まりが発生する惧れがある。そこで、これらの間を連通しているインク供給口部などにおいてノズル径よりも大きな異物を捕捉できるようにする必要がある。このためには、上記の公開公報に開示されている単一流路部分と分流路部分を備えたインク供給路において、分流路部分を形成している各分流路の断面積を小さくして異物通過を阻止できるようにすることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、分流路の断面積を小さくすると、音響抵抗が大きくなってイナータンスが小さくなる傾向にあるため、インクジェットヘッドの応答性、および印字品質が低下してしまう。
【０００９】
また、上述の音響抵抗とイナータンスの変化を最低限に押さえる形状の設計を行うと、分流路部分においてインク通路断面積が急激に絞られるので、当該分流路部分の手前にインクの淀み領域が形成されてしまい、ここが気泡溜まりとなる惧れがある。例えば、インクの初期充填時あるいはインクカートリッジ交換時におけるインク充填時には、気泡を抱き込んだインクが供給される可能性が高く、インクに含まれている気泡がインク供給路の手前部分（共通インク室側の位置）に溜まり易い。気泡が溜まると、共通インク室から個別インク室へのインク供給が阻害され、インクノズルがインク液滴の吐出不良あるいは吐出不能状態に陥り、印字品質が低下してしまう。
【００１０】
また、上述のように、インク供給路において、分流路部分を形成している各分流路の断面積を小さくして異物通過を阻止できるように構成した場合、インク供給口部に異物が残留すると、インクが共通インク室から個別インク室に供給される時に、その異物によってインクの供給不足が発生し、インクノズルがインク液滴の吐出不良あるいは吐出不能状態に陥り、印字品質が低下してしまう惧れがある。
【００１１】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、インク供給口部と共通インク室の構造を工夫することにより、応答性および印字品質の両立を図ると共に、インクノズルの目詰まりの原因となる異物を捕捉でき、しかも、インク供給不足によるインク液滴の吐出不良・不能が発生しないようにしたインクジェットヘッドを提案することにある。
【００１２】
【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、共通インク室と、個別インク室と、この個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共通インク室から前記個別インク室にインクを供給するための、単一流路部分と、複数の分流路部分とを備えたインク供給口部を有し、前記個別インク室の容積変動により前記インクノズルからインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記共通インク室は深さの異なる流路部分から成り、深さの浅い流路部分は、単一流路部分と、この単一流路部分の途中位置に形成された複数の分流路からなる分流路部分を備え、各分流路の断面は矩形であり、当該矩形断面の対角線長さは、前期インクノズルのノズル径よりも小さい寸法とされていることを特徴としている。
【００１３】
上記構成により、この共通インク室、インク供給口部を備えたインクジェットヘッドでは、共通インク室からインク供給口部を介して個別インク室に流入するインクに混入している異物のうち、インクノズルに目詰まりを起こす惧れのある大きさのものは、共通インク室に形成された各分流路を通過できず、ここで捕捉される。よって、インクノズルの目詰まりを防止できる。
【００１４】
また、異物を捕捉する分流路部分が共通インク室部に形成されているため、前記分流路部分は、インク供給口部毎の個別の音響抵抗、イナータンスには影響を与えない。従って、インク供給口部の形状は、共通インク室からインク供給路を介して個別インク室に流入するインクに混入している異物の大きさを考慮することなく決定できるため、複雑な形状にしなくとも最適な音響抵抗、イナータンスを得ることが可能となり、インクジェットヘッドの応答性、印字品質を改善することができる。
【００１５】
さらに、異物を捕捉する分流路部分が共通インク室部に形成されているため、分流路部に流れ込むインクの流れに淀みが発生し、分流路部の手前部分（深い共通インク室側）に気泡が滞留したとしても、また、インクに混入している異物が捕捉されたとしても、個別インク室へのインクの供給は、近傍の分流路部からインク供給口部を通って可能となるため、インクの供給不足によるインクノズルのインク液滴の吐出不良、不能が引き起こされることを防止できる。
【００１６】
次に本発明は、前記共通インク室に形成されるインク流路断面が小さな分流路部分では、各分流路がインク流れ方向に対して斜めに配列されている。各分流路を斜めに配列すると、同一幅の部分により多くの分流路を形成できる。このように分流路部分でのインク流路断面積を大きく取れるので、上述と同様に、深さの深い単一流路部の共通インク室から当該分流路部、インク供給口部を経由して個別インク室に流れ込むインクに混入している異物のうち、インクノズルに目詰まりを起こす惧れのある大きさのもが、ここで捕捉でき、捕捉された異物によるインクの供給不足も確実に防止できる。さらに、分流路部に流れ込むインクの流れに淀みが発生し、分流路部の手前部分（深い共通インク室側）に気泡が滞留したとしても、インクの供給不足によるインクノズルのインク液滴の吐出不良、不能が引き起こされることをより確実に防止できる。
【００１７】
一方、本発明は、対向電極の間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって、前記個別インク室に容積変動を発生さる静電アクチュエータを備えたインクジェットヘッドに適用することができる。
【００１８】
また、本発明は、表面に異方性エッチングまたはＩＣＰプラズマエッチングによって加工された複数の凹部を備えた第１および第２の半導体基板が相互に接合され、これらの半導体基板の間に、前記共通インク室、前記個別インク室および前記インク供給口部が形成されたインクジェットヘッドに適用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
図１は本例のインクジェットヘッドの断面図である。本例のインクジェットヘッドは３枚のノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３を順に積層した３層構造をしている。
【００２０】
中間のキャビティ基板２は、例えばシリコン基板であり、その表面に一端から平行に等しい間隔で形成された複数本の、底壁が薄肉で、面外方向（図において上下方向）に弾性変位可能な振動板４として機能する個別インク室５と、１つの共通インク室６とがエッチングによって形成されている。また、キャビティ基板２の上面には共通電極７が形成されている。
【００２１】
キャビティ基板２の上側に接合されるノズル基板１は、キャビティ基板２と同様に例えばシリコン基板であり、個別インク室５の上面部分には各個別インク室に対応してインクノズル８が個別インク室５の先端部付近に形成されており、各インクノズル８は対応する個別インク室５に連通している。また、個別インク室５と共通インク室６の中間部分の上面には、共通インク室６を各個別インク室５に連通させているインク供給口部９としての溝、および深さの浅い共通インク室１６としての溝がＩＣＰプラズマエッチングによる異方性エッチングによって形成されている。
【００２２】
キャビティ基板２の下側に接合される電極基板３は、例えばホウ珪酸ガラスからなり、その上面には各振動板４に対峙する位置に、浅くエッチングされた凹部１０が形成されている。この凹部１０の底面には、振動板４に対峙する個別電極１１が形成されている。また、インク取入れ口１２が設けられており、キャビティ基板２を接合したときに、共通インク室６の下側にくるように配置されている。インクは外部のインクタンク（図示せず）からインク供給チューブ（図示せず）を介してインク取入れ口１２に供給され、共通インク室６、深さの浅い共通インク室１６、インク供給口部９、個別インク室５を満たしている。
【００２３】
上記３枚の基板を順に接合し、電極基板３に設けた凹部１０を樹脂などの封止材１３を用いて外気から気密封止してインクジェットヘッドの形状が出来上がる。
【００２４】
各個別電極１１の端部は電極端子１４となっており、この電極端子１４と共通電極７に、ドライバＩＣが搭載されたＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）ケーブル（図示せず）が接続される。
【００２５】
個別電極１１と振動板４の間隔は１μｍ以下の寸法に保持されており、ドライバＩＣから各電極端子１４と共通電極７との間に駆動電圧パルスを印加することによって、振動板４が静電気力によって個別電極１１の方へ弾性変形して撓み、個別電極１１の表面に当接する。この時、個別インク室５の容積が増加するため、インクが共通インク室６から深さの浅い共通インク室１６、インク供給口部９を通って個別インク室５に流入する。
【００２６】
次に、駆動電圧パルスをオフすることによって静電気力が解除され、振動板４はそのバネ力によって元の位置に戻る。この復元動作によって個別インク室５の容積が急激に減少し、それに伴って個別インク室５内の内圧が急激に上昇し、個別インク室内の一部のインクがインクノズル８から図１の上方へ向けてインク液滴（図示せず）として吐出される。さらに振動板４がバネ力の反動で再び個別電極１１側に撓むことによって、再びインクが共通インク室６から深さの浅い共通インク室１６、インク供給口部９を通って個別インク室５に供給される。
【００２７】
図２は、本発明のインクジェットヘッドのインク供給口部９、および深さの浅い共通インク室１６が形成されている部分を部分的に拡大した平面図であり、図３は図２のｓ−ｓ線で切断した部分断面図である。
【００２８】
図３に示すように、個別インク室５と共通インク室６はキャビティ基板２の表面に異方性エッチングを施すことにより形成された凹部によって規定されており、異方性エッチングによって残ったこれら共通インク室６および個別インク室５の間を仕切っている仕切り壁部２０は台形の断面形状となっている。この仕切り壁部２０はほぼ平行四辺形をした上面２０ａを備え、その両側辺２０ｂ、２０ｃからは、共通インク室６の側に傾斜している傾斜面２０ｅ、および個別インク室５の側に傾斜している傾斜面２０ｄが延びている。側辺２０ｃは共通インク室６のインク供給路側の開口縁部であり、側辺２０ｂは個別インク室５のインク供給路側の開口縁部分である。また、傾斜面２０ｅと共通インク室６の底面６ａは入り隅２０ｆで交差し、傾斜面２０ｄと個別インク室５の底面５ａは入り隅２０ｇで交差している。
【００２９】
ノズル基板１におけるキャビティ基板２との合わせ面には、図２において２点鎖線で示すように、各仕切り壁部２０に対峙している部分を浅く矩形状にエッチングすることにより、溝部７０が形成されている。この溝部７０は、各仕切り壁部２０の上面２０ａの両側辺２０ｂ、２０ｃからそれぞれ共通インク室６の側、および個別インク室５の側に延びている。この溝部７０の底面７１と、仕切り壁部２０の上面２０ａの間に、ほぼ個別インク室５と同一幅のインク供給路口部９、および深さの浅い共通インク室１６が形成されている。
【００３０】
このインク供給口部９における個別インク室５側の縁７２は、仕切り壁部２０の辺２０ｂよりも個別インク室５の側にせり出した位置にある。従って、この縁７２と仕切り壁部２０の辺２０ｂとにより区画される連通部７３を介して、インク供給口部９は個別インク室５に連通している。
【００３１】
一方、深さの浅い共通インク室１６における共通インク室６の側は、共通インク室６の形状に対応した形状となるように形成された溝部７４に連続している。従って、深さの浅い共通インク室１６は、仕切り壁部２０の辺２０ｃと溝部７４の底面７４ａとにより区画されている連通部７５を介して、共通インク室６に連通している。
【００３２】
ここで、深さの浅い共通インク室１６の途中位置には、さらに深さの浅い単一流路部７８が形成されていて、その途中位置に長円形断面の柱状突起７７が、インク流れ方向に直交する方向に等間隔で複数本形成されている。
【００３３】
また、インク供給口部９の途中位置には、長円形断面の柱状突起７６が、インク流れ方向に直交する方向に等間隔で３個形成されている。
【００３４】
これらのさらに深さの浅い単一流路部７８、柱状突起７７、柱状突起７６は、ノズル基板１に溝部７０、７４を形成する際に島状に残したものである。
【００３５】
インク取入れ口（図示せず）から、共通インク室６に供給されたインクは、縁２０ｃの側に形成された溝部７４、連通部７５、深さの浅い共通インク室１６、さらに深さの浅い単一流路部７８を通って柱状突起７７の形成位置で複数本の分流路とされ、インク供給口部９の側の、さらに深さの浅い単一流路部７８において再び単一流路とされ、溝部７０を通ってインク供給口部９に入り、個別インク室毎に複数本に分割される。
【００３６】
インク供給口部９に入って個別インク室毎に分割されたインクは、溝部分７０の単一流路部を通って柱状突起７６の形成位置で４つの分流路とされ、個別インク室側の連通部７３の側において再び単一流路とされている。
【００３７】
このインク供給口部９では、柱状突起７６によりインク通路断面積が小さくなっている部分は音響抵抗の増加に寄与する部分であり、それ以外の部分はインク通路断面積が大きいので、イナータンスの増加に寄与する部分である。
【００３８】
一方、深さの浅い共通インク室１６部では、さらに深さの浅い単一流路部７８、柱状突起７７が存在するが、インク供給口部９の手前側の各個別インク室毎に複数本に分割される前であるので、音響抵抗、イナータンスにはほとんど寄与しない部分である。
【００３９】
ここで、柱状突起７７が形成されている各分流路部の矩形断面の対角線長さは、インクノズル８のノズル径よりも小さい寸法としてある。
【００４０】
本例のインクジェットヘッドを用いて実験を行ったところ、単一流路部分７０および柱状突起７６が形成されている部分の分流路の深さ、幅などを適切に設定することにより、インクジェットヘッドの応答速度を高め、しかも良好な印字品質を得るために必要なインク吐出スピードを確保可能なことが確認された。
【００４１】
また、柱状突起７７が形成されている部分の各分流路矩形断面の対角線長さがインクノズル８のノズル径よりも小さいので、インクノズル８の目詰まりの原因となるような大きさの異物は、当該深さの浅い共通インク室１６において捕捉され、インク供給口部９、個別インク室５の側に侵入することが阻止される。よって、インクノズル８の目詰まりを防止できる。
【００４２】
さらに、異物を捕捉する分流路部分が深さの浅い共通インク室１６部に形成されているため、柱状突起７７が形成されている部分の分流路部に流れ込むインクの流れに淀みが発生し、分流路部の手前部分（共通インク室６側）に気泡が滞留したとしても、また、インクに混入している異物が捕捉されたとしても、インク供給口部９、個別インク室５へのインクの供給は、近傍の分流路部から可能となるため、インクの供給不足によるインクノズル８のインク液滴の吐出不良、不能が引き起こされることを防止できる。
【００４３】
次に本発明の他の実施の形態を図４にて説明する。この図に於いては、上述の実施の形態の図２と対応するものであり、同一の機能を有するものに同符号を付している。
【００４４】
図４はキャビティ基板２における深さの浅い共通インク室１６、インク供給口部９が形成されている部分を部分的に拡大した平面図である。
【００４５】
本例では、深さの浅い共通インク室１６の柱状突起７７が形成されている部分の各分流路、およびさらに深さの浅い単一流路部７９の配列方向を、矢印Ａで示すインクの流れ方向に対して傾斜（図にθで示す）した方向としてある。また、各分流路の矩形断面の対角線長さを、インクノズル８のノズル径よりも小さい寸法としてある。
【００４６】
各分流路を斜めに配列すると、同一幅の部分により多くの分流路を形成できる。このように分流路部分でのインク流路断面積を大きく取れるので、第一の実施例と同様に、深さの深い単一流路部の共通インク室６から当該分流路部を経由してインク供給口部９、個別インク室５に流れ込むインクに混入している異物のうち、インクノズル８に目詰まりを起こす惧れのある大きさのもが、ここで捕捉でき、捕捉された異物によるインクの供給不足も確実に防止できる。さらに、分流路部に流れ込むインクの流れに淀みが発生し、分流路部の手前部分（共通インク室６側）に気泡が滞留したとしても、インクの供給不足によるインクノズル８のインク液滴の吐出不良、不能が引き起こされることをより確実に防止できる。
【００４７】
なお、上記の例では、柱状突起７６、７７の形成された分流路部分を矩形断面としてあるが、それ以外の断面形状にすることも可能である。同様に、柱状突起７６、７７は長円形断面であるが、円形、楕円形や菱形、流線型などの断面形状にすることも可能である。さらに、これらの突起の個数、すなわち、分流路の数は、ここに実施例に応じて設定されるべき性質のものであり、上記の各実施例に限定されるものではない。
【００４８】
また、上述の各例は、インク液滴を基板上面に設けたノズル孔から吐出させるフェイスイジェクトタイプを示したが、基板の端部に設けたノズル孔から吐出させるエッジイジェクトタイプでも適用可能である。
【００４９】
また、上述の各例は静電駆動式のインクジェットヘッドに関するものであるが、圧電式のインクジェットヘッドにも適用可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドでは、共通インク室と個別インク室を連通しているインク供給口部に、音響抵抗およびイナータンスが異なる部分を形成してある。また、共通インク室のインク供給口部側に、矩形断面の対角線長さがインクノズルのノズル径よりも小さな分流路を複数備えた分流路部分を形成してある。
【００５１】
従って、本発明によれば、インクジェットヘッドの応答性および印字品質を双方ともに改善することができると共に、異物混入に起因するインクノズルの目詰まりを防止でき、しかも、気泡滞留に起因するインク吐出不良・不能を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットヘッドの断面図である。
【図２】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給口部を説明するための部分平面図である。
【図３】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給口部を説明するための部分断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の説明図であり、図２に対応した部分平面図である。
【符号の説明】
１・・ノズル基板
２・・キャビティ基板
３・・電極基板
４・・振動板
５・・個別インク室
５ａ・・個別インク室の底面
６・・共通インク室
６ａ・・共通インク室の底面
７・・共通電極
８・・インクノズル
９・・インク供給口部
１０・・凹部
１１・・個別電極
１２・・インク取入れ口
１３・・封止材
１４・・電極端子
１６・・深さの浅い共通インク室
２０・・仕切り壁部
２０ａ・・仕切り壁部の上面
２０ｂ、２０ｃ・・仕切り壁部の辺（開口縁部）
２０ｄ、２０ｅ・・仕切り壁部の傾斜面
２０ｆ、２０ｇ・・入り隅
７０、７４・・溝部
７１、７４ａ・・溝部底面
７２・・縁
７３、７５・・連通部
７６、７７・・柱状突起
７８、７９・・さらに深さの浅い共通インク室

Claims

共通インク室と、個別インク室と、この個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共通インク室から前記個別インク室にインクを供給するための、単一流路部分と、複数の分流路部分とを備えたインク供給口部を有し、前記個別インク室の容積変動により前記インクノズルからインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
前記共通インク室は深さの異なる流路部分から成り、深さの浅い流路部分は、単一流路部分と、この単一流路部分の途中位置に形成された複数の分流路からなる分流路部分を備え、各分流路の断面は矩形であり、当該矩形断面の対角線長さは、前期インクノズルのノズル径よりも小さい寸法と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において、
前記共通インク室に形成される複数の分流路部分の配列方向は、インクの流れに対して傾斜した方向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または２の項において、
対向電極の間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって、前記個別インク室に容積変動を発生させて、前記インクノズルからインク液滴を吐出させることを特徴とする静電駆動式のインクジェットヘッド。
請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、
表面に異方性エッチングまたはＩＣＰプラズマエッチングによって加工された複数の凹部を備えた第１および第２の半導体基板が相互に接合され、これらの半導体基板の間に、前記共通インク室、前記個別インク室および前記インク供給路が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。