JP2004330772A - インクジェットヘッド及びそれを搭載した液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精細で耐食性に優れ、信頼性の高いインクジェットプリントヘッド及びそれを搭載した液滴吐出装置を提供する。
【解決方法】 インクを蓄える複数の加圧室が形成されたチャンバプレートと、該チャンバプレートに接着された振動板と、前記加圧室にインクを供給するインク流路を有するハウジングと、前記加圧室からインクを吐出させるオリフィスと前記オリフィスからインク液滴を噴射するための圧力を発生させる縦振動モードの圧電素子を有するインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の板厚が５〜１０μｍの範囲として、圧電素子の振動を効率よく圧力室に伝える。
【選択図】 図２

Description

本発明はインク滴の吐出によって記録を行うインクジェットヘッド及びそれを搭載した液滴吐出装置に関するものである。

インクジェットヘッドは、一般に、インク導入口から加圧室に導入されたインクに、圧電素子や発熱抵抗体等の駆動手段を駆動させて圧力を加えて、オリフィスから吐出させるように構成されている。近年のインクジェット技術の発達により、紙上への印字、印刷のみならず、定量液滴吐出装置として、配線パターンや液晶のカラーフィルタ製造などの産業用途への展開も行われている。これらの用途では吐出液体として水性インクだけではなく、油性や溶剤、あるいは強酸、強アルカリなどの様々な液体が使用されるため、インクジェットヘッドは耐薬品性を有することが要求される。また、微細パターンの描写の要求に答えるべく、微小液滴を吐出させるためにインクジェットヘッドの構造は、高密度化が図られ、小さなインク室から液滴を効率よく吐出させるための技術が求められている。

微小液滴を吐出させるには、その構造上、サーマルインクジェット方式が有利であるが、吐出可能な液体が水性インクのみであるため、上記の産業用途には使用できない。一方で、インク室の壁の外側から圧電素子の変形により圧力変動を与えて、液滴を吐出させるドロップオンデマンドの圧電素子方式のインクジェットヘッドは、吐出可能な液体の幅が広いが、インク室が小さい場合は、効率よく圧力変動を与えることが難しいという問題点があった。

圧電素子を用いて効率よく小さなインク室の振動板を変形させる方法として、撓み変形による膜状の圧電素子を用いて、圧電素子の振動要素と流路系を連結することによって形成される振動系を制御する方法が方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３９６７３号公報

しかしながら、上記従来の技術においては、圧電素子は撓み変形によるため、インク室の高密度化に伴い圧電素子の面積が小さくなった場合には、撓み量不足により液滴の吐出のための駆動条件が限定され、吐出可能な液滴重量範囲が限定される。また、粘度に関しても、撓み変形の場合には圧電素子自体は構造物に支持されていないため高粘度溶液に対しては撓みが抑制され、特に高密度化に伴う小面積の圧電素子の場合には、一般的には粘度が５ｍＰａ・ｓ以上の溶液に対しては吐出が困難であるという問題を有する。

一方、縦振動モードの圧電素子を用いた場合には、圧電素子がインク加圧室とは別の構造物へ機械的に連結されているため、振動子はインク流路の応答とは関係しない。更に、縦振動モードの圧電素子を用いた系ではインク加圧室の振動板が縦振動モードの圧電素子によって別の構造物へ固定されるため、インク加圧室の音響容量が小さく、縦振動モードの圧電素子による外部からの入力に対して、インク流路系の応答が速いという特徴を有する。さらに構造物と機械的に結合されているため、高粘度溶液に対しても、圧電素子の変位は効率よく伝わり、対応粘度範囲が広くなる。

本発明の課題は、このような事情に鑑み、高密度のインクジェットヘッドにおいても効率の良い振動板の変形が可能であり、且つ幅の広い種類のインクが使用でき、高信頼性を有するインクジェットヘッド及び液滴吐出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために本発明は、インクを蓄える複数の加圧室が形成されたチャンバプレートと、該チャンバプレートに接着された振動板と、前記加圧室にインクを供給するインク流路を有するハウジングと、前記加圧室からインクを吐出させるオリフィスと前記オリフィスからインク液滴を噴射するための圧力を発生させる縦振動モードの圧電素子を有するインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の板厚が５から１０μｍの範囲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、縦振動モードの圧電素子の振動を効率よくインク室に伝達することが可能である。

本発明の他の特徴は、上記インクジェットヘッドにおいて、前記振動板の板厚が前記加圧室の幅に対して、０．０３以下の比率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小さなインク室に対して、効率よく微小液滴を吐出できるインク室を設計することが可能となる。

本発明の更に他の特徴は、上記インクジェットヘッドにおいて、粘度が５〜２５ｍＰａ・ｓの溶液を吐出させることを特徴とする。
このように構成することにより、多種の溶液の吐出が可能となる。

本発明の更に他の特徴は、上記のように構成されたインクジェットヘッドを被吐出基板に対向して配置し、前記インクジェットヘッド及び前記被吐出基板が移動する機構を備えたインクジェット式液滴吐出装置を実現したことにある。

以上説明したように、本発明によるインクジェットヘッドは、振動板の厚さを５から１０μｍとすることにより、圧電素子の振動を効率よくインク室に伝達することが可能であり、吐出効率の良い、高性能のヘッドが実現可能である。さらに振動板を金属で形成し、圧力室の幅に対するを振動板の厚さを０．０３以下にすることにより、各種インクに対する耐食性し、かつ効率の良いインクジェットが実現可能である。

以下に、本発明の一例を詳細に説明する。

図１は、本発明に係るインクジェットヘッドのノズル部の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及び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、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を有するハウジング、１６はフィルタ９を形成するフィルタプレートである。

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。

図２は図１のＡ−Ａ断面を示したものである。図に示すように、本発明のインクジェットヘッドでは、圧力室２、オリフィス１及び圧電素子４は等間隔で配置されている。インク吐出の際に、圧電素子４を収縮し、振動板３が図中上方（矢印Ａ方向）に引き上げられる。バイメタル方式に代表される撓みモードの圧電素子を利用して振動板を変形させる際は、個々の圧電素子が分離しているため、隣のインク室への影響は小さいが、本発明のような圧電素子の伸縮を直接振動板の変形に用いる縦振動モードを用いた場合には、個々の圧電素子が圧電素子固定基板６によって連結されているので、インク室変形への影響が大きくなる。この理由は個々の圧電素子が圧電素子基板６によって連結されているため、圧電素子間で振動が伝わるためである。よって、撓みモードの圧電素子の変位によって実際に変形する振動板は図２のＷの範囲であるが、縦振動モードの圧電素子のように振動板の剛性が大きい場合には、圧力室２間の側壁にも力が加わり、圧電素子固定基板６を基準にしてインク室全体が引張られ、吐出特性が低下する。特に、同時に駆動する圧電素子が多い場合には、圧力室列全体が並び方向に変形する現象が生ずる。圧力室列が変形すると圧電素子４で発生した振動が効率よく圧力室２に伝わらず、更なる吐出特性の低下をもたらすことになる。

また、圧力室列の変形量は、振動板３の厚みＴだけではなく、圧力室２の高さＨにも依存する。図３は圧力室２の幅を一定とした時の振動板３の厚さと圧力室２の高さが、圧力室の変形に与える影響を調査した結果である。高さを変えることにより変形量を減少させることが可能であるが、インク室の体積も変化するため、液滴重量が変化することになる。また、図３より、圧力室の変形量に与える影響は振動板３の厚さが薄いほど小さいことが分かる。また、吐出特性に影響を与えない範囲、すなわち圧力室の変形量が１５％以下となる振動板３の厚さＴは１０μｍ以下であることが望ましい。

本実験は吐出溶液の粘度が１０ｍＰａ・ｓであったが最大２５ｍＰａ・ｓの粘度範囲において、圧力室の変形に与える振動板厚さと圧力室高さの関係に変化はなかった。

振動板３の材質は金属や樹脂が用いられることが多いが、耐食性やインクジェットヘッド組立時の精度を考慮すると、金属が望ましい。

代表的な例として図４にステンレススチール製の振動板の製作工程を示す。
最初に圧延により所定の厚さのステンレス薄板１７の製作を行なう（工程ａ）。
次に、インク供給口などの所定の位置に貫通穴を製作するために、レジスト１８を塗布し、パターニングを行なう。（工程ｂ）。
次に、塩化第二鉄などのエッチング液によって、ウェットエッチング処理により貫通穴１９の加工を行なう。（工程ｃ）。
最後に、レジスト１８の剥離を行ない、洗浄及び他部品との接着の際に密着性を向上させるために、１〜５％の硝酸溶液により全体のエッチングを短時間行なう。（工程ｄ）。

以上の工程によって、振動板３は形成されるが、板厚は工程ｄの硝酸エッチングの際に、ピンホールなどの微細穴が発生する可能性があるため、振動板３の厚さは少なくとも５μｍ以上必要である。

上記の特性及び工程上の理由により、振動板３の厚さは５〜１０μｍの範囲が好ましい。また本例では、振動板３としてステンレススチールを用いたが、その材料は金属であれば限定されるものではない。製造方法においても、電鋳法やプレス打抜き、及びレーザ加工法などで製作しても良い。

一方、圧力室４の幅Ｗが変わると最適な振動板３の厚さＴも変化するため、圧力室幅Ｗと振動板厚Ｔの比率と圧力室列の変形量の調査を行った。図５はステンレススチール製振動板を用いた場合の、圧力室幅Ｗと振動板厚Ｔの比率と圧力室列の変形量の関係を示したものである。

図より、吐出特性に影響を与えない圧力室列の変形量、すなわち変形量１５％以下に抑えるためには、Ｔ／Ｗの値が０．０３以下であることがわかる。このように圧力室の幅が変わっても、振動板の厚さの最適値を選ぶことによって、良好な特性を維持することができる。

次に、上述のインクジェットヘッドを用いた本発明の液滴吐出装置の一例について説明する。

図６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１個又は複数個のプリントヘッドを搭載したヘッド組３２が設けられている。ヘッド組３２には吐出溶液供給管３４から、吐出溶液が供給される。ヘッド組３２のノズルのオリフィス１（図１）と対向するように被吐出基板ベース３３が設けられ、液滴吐出基板３５を設置する。本例ではヘッド組３２が図示されているＸ方向に移動できる機構となっており、被吐出基板ベース３３がＹ方向に移動できる機構が備わっていて、任意のパターンが液滴吐出基板３５上に形成可能である。

なお、本例では、カットされた板あるいは紙を被吐出基板として用いているが、連続したシート状の基板を用い、それを搬送する機構を搭載しても何ら問題はない。

本発明の一例となるインクジェットプリントヘッドの断面図である。 図１のＡ-Ａ断面図である。 振動板の厚さ及び圧力室の高さと加圧室の変位量との関係を示す図である。 本発明のインクジェットプリントヘッドに用いる振動板の製作工程を示す図である。 振動板の厚さと加圧室の幅の比率を変えた時の加圧室の変位量示す図である。 本発明のインクジェットヘッドを搭載した液滴吐出装置の概略を示す斜視図である。

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はハウジング、１６はフィルタプレート、１７はステンレス基板、１８はレジスト、１９は貫通穴である。

Claims (8)

1. インクを蓄える複数の加圧室が形成されたチャンバプレートと、該チャンバプレートに接着された振動板と、前記加圧室にインクを供給するインク流路を有するハウジングと、前記加圧室からインクを吐出させるオリフィスと前記オリフィスからインク液滴を噴射するための圧力を発生させる縦振動モードの圧電素子を有するインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の板厚が５から１０μｍの範囲であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の板厚が前記加圧室の幅に対して、０．０３以下の比率であることを特徴とするインクジェットヘッド。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が金属で形成されることを特徴とするインクジェットヘッド。
4. 請求項１または２のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、粘度が５〜２５ｍＰａ・ｓの溶液を吐出させることを特徴とするインクジェットヘッド。
5. インクを蓄える複数の加圧室が形成されたチャンバプレートと、該チャンバプレートに接着され、その板厚が５から１０μｍの範囲である振動板と、前記加圧室にインクを供給するインク流路を有するハウジングと、前記加圧室からインクを吐出させるオリフィスと、前記オリフィスからインク液滴を噴射する圧力を発生させる縦振動モードの圧電素子よりなるインクジェットヘッドを、被吐出基板に対向して配置し、前記インクジェットヘッドもしくは前記被吐出基板が移動する機構を備えたことを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置。
6. 請求項５記載のインクジェットヘッド式液滴吐出装置において、前記振動板の板厚は前記加圧室の幅に対して、０．０３以下の比率であることを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置。
7. 請求項５または６のいずれかに記載のインクジェットヘッド式液滴吐出装置において、前記振動板が金属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式液滴吐出装置。
8. 請求項５または６のいずれかに記載のインクジェットヘッド式液滴吐出装置において、粘度が５〜２５ｍＰａ・ｓの溶液を吐出させることを特徴とするインクジェトプリントヘッド式液滴吐出装置。
   

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