JP2005125601A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡を短時間で確実に除去可能なインクジェットヘッドとする。
【解決手段】記録媒体にインクを吐出するノズル２０１を有するインクジェットヘッド１である。ノズルと当該ノズルにインクを供給するインク流路５の側壁３２との最長距離Ｐが１５０μｍ以下であり、かつノズルを備えた面におけるインク流路の縦横比であるアスペクト比が１．３以上である。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェットプリンタに備えられるインクジェットヘッドに関する。

従来、用紙やプラスチック薄板等の記録媒体にインクを吐出して所定の画像を記録するインクジェットプリンタが提案され、実用化されている。前記インクジェットプリンタは、インクを吐出するノズルを有するインクジェットヘッドを備えており（例えば、特許文献１参照。）、例えばシリアル方式のインクジェットプリンタでは、前記インクジェットヘッドを所定の方向に移動させながらノズルから記録媒体に向けてインクを吐出することにより、記録媒体に所定の画像を記録するようになっている。
特開平１１−３４２６０６号公報

ところで、前記したようなインクジェットプリンタでは、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に気泡が発生してしまうことがある。インク流路内にこのような気泡があると、ノズルからのインク吐出量が不安定になったり、インク吐出に必要な圧力を発生できなかったりする等、インク吐出に不具合が生じる可能性がある。
そのため、発生した気泡を除去する、所謂エア抜きを行う必要がある。

ここで、従来、発生した気泡のエア抜きとしては、ノズルの吐出口からポンプ等で吸引することにより、気泡をインクと共に排出する方法が採られてきた。しかし、例えば直径が５０μｍ以下の小さな気泡や、ノズルからの距離が１５０μｍ以上の遠い位置にある気泡などは、前記したような吸引によるエア抜きで排出させることが難しく、インク流路内に気泡が残留してしまう場合があった。

そこで近年、発生した気泡のエア抜きとして、インク流路内のインクに気泡を溶かすことにより気泡を消滅させる方法が考えられるようになってきた。特に、インクジェットプリンタで使用されるインクが水系インクである場合はインクに気泡が溶けやすいため、有効であるとされている。

しかしながら、インクジェットヘッドにおけるインク流路の大きさや形状等によって気泡が除去されるまでの時間や除去できる気泡の量が異なり、インク流路内に気泡が長く残って不具合が解消されない場合が生じていた。

そこで、本発明はの課題は、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡を短時間で確実に除去可能なインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、
記録媒体にインクを吐出するノズルを有するインクジェットヘッドであって、
前記ノズルと当該ノズルにインクを供給するインク流路の側壁との最長距離が１５０μｍ以下であり、かつノズルを備えた面におけるインク流路の縦横比であるアスペクト比が１．３以上であることを特徴としている。

このように請求項１に記載の発明によれば、ノズルと当該ノズルにインクを供給するインク流路の側壁との最長距離が１５０μｍ以下であるため、インク流路内のインクが滞留せずに入れ替わりやすくなる。これにより、気泡周辺のインクにおける気体の溶解濃度が飽和状態に達する前に、インクを入れ替えることができ、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡を短時間で確実に除去することができる。
また、ノズルを備えた面におけるインク流路の縦横比であるアスペクト比が１．３以上であるため、例えばインクジェットヘッドが高精細な画像形成のために多ノズル化されている場合に、ノズルとインク流路の側壁との最長距離が短くなることによりインク流路とインク流路の間の側壁を必要以上に薄くしないで済む。このようにすることにより、インクジェットヘッドにおけるインク吐出に必要な強度を保ち、高精細な画像形成のために多ノズル化を図りながら、インク流路内に発生した気泡を除去することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記インクが水系インクであることを特徴としている。

このように請求項２に記載の発明によれば、インクが水系インクであるため、インクに気泡が溶けやすく、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡をより短時間で確実に除去することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のインクジェットヘッドにおいて、
凹形状の溝部を複数並べた形状の部材と、
前記溝部を覆うカバープレートと、
を備えており、
前記双方の部材により、前記ノズルを備えた面による断面が長方形状となる複数のインク流路を備える構成となっていることを特徴としている。

このように請求項３に記載の発明によれば、凹形状の溝部を複数並べた形状の部材と、溝部を覆うカバープレートとを備えており、双方の部材により、ノズルを備えた面による断面が長方形状となる複数のインク流路を備える構成となっているため、インク流路内に発生した気泡を請求項１の発明により短時間で確実に除去できるインクジェットヘッドの形状とすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記凹形状の溝部を複数並べた形状の部材が、電圧の印加によって剪断モード型の変位をする複数の溝部を切削加工によって形成した圧電性基板であることを特徴としている。

このように請求項４に記載の発明によれば、凹形状の溝部を複数並べた形状の部材が、電圧の印加によって剪断モード型の変位をする複数の溝部を切削加工によって形成した圧電性基板であるため、インク流路内に発生した気泡を請求項１の発明により短時間で確実に除去できるインクジェットヘッドの構成とすることができる。

請求項１に記載の発明によれば、気泡周辺のインクにおける気体の溶解濃度が飽和状態に達する前に、インクを入れ替えることができ、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡を短時間で確実に除去することができると共に、インクジェットヘッドにおけるインク吐出に必要な強度を保ち、高精細な画像形成のために多ノズル化を図りながら、インク流路内に発生した気泡を除去することができるため、インク吐出に不具合が生じることを防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡をより短時間で確実に除去することができるため、インク吐出に不具合が生じることを確実に防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、インク流路内に発生した気泡を請求項１の発明により短時間で確実に除去できるインクジェットヘッドの形状とすることができるため、インク吐出に不具合が生じることをより確実に防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、インク流路内に発生した気泡を請求項１の発明により短時間で確実に除去できるインクジェットヘッドの構成とすることができるため、インク吐出に不具合が生じることをさらに確実に防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

以下、本発明の一実施形態におけるインクジェットヘッドについて、図面を参照して説明する。ただし、以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
なお、このインクジェットヘッドは、印刷装置として搭載することによってインクジェットプリンタに使用することが可能となっている。

図１は、剪断モード型のインクジェットヘッド１を示す図である。インクジェットヘッド１は、記録媒体に対してインク、特に水系インクを吐出するノズル２０１が形成されたノズルプレート２を備えている。ノズルプレート２は、金属や樹脂、具体的には、ステンレス、ポリイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン等から形成されている。

前記ノズルプレート２には、基板下層３０１と基板上層３０２とを接合して形成された圧電性基板３が固着されている。
この圧電性基板３は、所定の長さを有し平行に並べられた複数の凹形状の溝部３０，…と、平坦な面３１とを有している。複数の溝部３０，…は、図２に示すように、ノズルプレート２の側が開口するとともに、その反対側が浅くなって面３１に連続している。また、前記溝部３０，…は、円盤状の砥石（ダイシングブレード）等の公知の切削機を用いて、所定ピッチで切削又は研削することにより凹形状に形成されている。さらに、溝部３０の内部には金属電極３３が、スパッタリング法、真空蒸着法、電解めっき法、無電解めっき法等により形成され、面３１に形成された金属電極３４と連続している。

この圧電性基板３は、有機材料や非金属材料など、電界を加えることにより変形を生じる公知の圧電性材料から形成されている。
ここで、有機材料としては、ポリフッ化ビニリデン等の有機ポリマーや、有機ポリマーと無機物とのハイブリッド材料等が挙げられる。
非金属材料としては、成形や焼成等の工程を経て形成されるものと、成形及び焼成を必要としないで形成されるものとがある。
このうち、成形や焼成等の工程を経て形成されるものとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックスが好ましいが、ＢａＴｉＯ₃、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃等のセラミックスを用いてもよい。ＰＺＴとしては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃）と、第三成分添加ＰＺＴとがある。添加する第三成分としてはＭｇ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｓｂ、Ｃｏ等がある。
また、成形及び焼成を必要としないで形成されるものとしては、例えばゾル−ゲル法や、積層基板コーティング法等で形成されるものがある。
以下、本実施の形態においては、圧電性基板３はＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃）のセラミックスから形成されていることとして説明する。

圧電性基板３の上面には、カバープレート４が配設されている。
カバープレート４は、溝部３０，…の開放側の一部を閉塞することにより、溝部３０，…との間に、前記ノズル２０１にインクを供給するインク流路５，…を形成するようになっている。当該インク流路５，…は、前記ノズル２０１を備えた面、すなわちノズルプレート２の平面による断面が長方形状となるように構成されている。

また、本実施の形態においては、図３に示すように、前記ノズルプレート２のノズル２０１が、前記インク流路５におけるノズルプレート２に接する面の略中心位置に配置されるようになっている。そして、前記インク流路５においては、前記ノズル２０１と当該インク流路５の側壁３２との最長距離Ｐが１５０μｍ以下となるように、溝部３０が形成されている。
なお、前記最長距離Ｐを算出する場合には、図３におけるインク流路５の左右に位置する側壁３２，３２だけでなく、図３におけるインク流路５の上部に位置する前記カバープレート４及び図３におけるインク流路５の下部に位置する溝部３０の底面も側壁ということとする。
本実施の形態では、図３におけるノズル２０１の周縁部分と、側壁３２とカバープレート４とで形成されるインク流路５の右上又は左上の角部との距離が最長距離Ｐとなっており、この距離が１５０μｍ以下となっている。

さらに、ノズル２０１を備えた面、すなわちノズルプレート２に接する面におけるインク流路５の縦の長さＱと横の長さＲの比（Ｑ／Ｒ）であるアスペクト比が１．３以上となるように溝部３０が形成されている。
本実施の形態のインク流路５の具体的な寸法としては、インクジェットヘッド１におけるノズルピッチが１８０ｄｐｉとなるようにインク流路５の溝部３０が形成されており、インク流路５の縦の長さＱである溝部３０の深さが３００μｍ、インク流路５の横の長さＲである溝部３０の幅が７０μｍとなっており、アスペクト比は４．２９となっている。また、本実施の形態では、ノズル２０１の径が２０μｍであり、前記した最長距離Ｐは１４４μｍとなっている。

また、カバープレート４には、溝部３０，…の開放側の他の一部を覆う切欠部４０が形成されており、この切欠部４０は圧電性基板３との間にインク溜め６を形成している。インク溜め６は、インク流路５と連通しており、インク供給管６０からインクが供給されるようになっている。
なお、カバープレート４は、有機材料からなることとしても良いが、アルミナや窒化アルミニウム、ジルコニア、シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイド、石英、ＰＺＴ等からなることとしても良い。

また、圧電性基板３の底面にはフレキシブルプリント回路（図示省略）が設けられており、フレキシブルプリント回路は導線（図示省略）及び異方性導電フィルム（図示省略）を介して金属電極３４と電気的に接続されている。フレキシブルプリント回路は駆動制御基板（図示省略）に設けられており、金属電極３３に電圧を印加するようになっている。

次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド１の動作について説明する。
このインクジェットヘッド１がインクを吐出する際には、まず、金属電極３３のうちの金属電極３３ａ，３３ｂ（図４（ａ）参照）に正の駆動電圧が印加され、かつ金属電極３３ｃ，３３ｄが接地される。これにより、図４（ｂ）に示すように、それぞれの側壁３２に矢印の方向の駆動電界が発生する。駆動電界の方向は圧電性基板３の分極方向と直交しているため、各側壁３２はインク流路５の内部方向に急激に剪断変形する。そして、この変形によってインク流路５の容積が減少してインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生してノズル２０１からインク滴が吐出される。一方、駆動電圧の印加が停止されると、各側壁３２が変形前の位置（図４（ａ）参照）に徐々に戻るため、インク流路５の内部のインク圧力が徐々に低下する。そして、インク供給管６０からインク流路５にインクが供給される。

ここで、インクジェットヘッド１のインク流路５の中に気泡が発生した場合、そのまま放置しておいても発生した気泡の径によってはインクに溶けて消滅し、除去することができる。特にインクが水系インクの場合にはインクに気泡が溶けやすいため、気泡が消滅しやすい。
例えば、図５の（ａ）に結果を示す、発生した気泡の径と当該気泡を放置して気泡が消滅するまでの時間を計測した実験によれば、５０μｍ以下の径の気泡であれば、そのまま放置しておけば気泡が当該気泡周辺のインクに溶けて、いずれ気泡が消滅することが分かる。しかし、６０μｍ以上の径の気泡が発生した場合には、気泡周辺のインクにおける気体の溶解濃度が飽和状態に達してしまうため、気泡がインクに溶けきらず消滅させることができず、除去できない。また、５０μｍ以下の径の気泡であっても、例えば４０μｍや５０μｍの径の気泡の場合には、消滅するまでに膨大な時間が掛かってしまう。

そのため、インクを流動させて気泡周辺のインクにおける気体の溶解濃度が飽和状態に達する前にインクを入れ替えることにより、大きな径の気泡も消滅させることができ、さらに短時間で気泡を消滅させ、除去することができるようにした。気泡が発生した状態でインクを放置した場合と、気泡が発生した状態のインクを流動させた場合のそれぞれで気泡が消滅するまでの時間を計測した実験の結果を図５の（ｂ）に示す。この実験では、インクを吸引することにより流動させ、単に放置した場合と比較した。なお、インクを吸引するインク排出口（インクジェットヘッド１のノズル２０１に該当する。）と気泡の間の距離は１００μｍとした。その結果、インクを吸引した場合には、インクを放置した場合と比べて、気泡が消滅するまでの時間が短くなることが分かった。特に、径の大きな気泡ほど、放置時に比べて吸引時の気泡消滅時間が短くなる割合が大きくなる。

次に、インクを吸引することで流動させて気泡を消滅させて除去する場合において、インクを吸引する前記インク排出口と気泡の間の距離を変えて、気泡が消滅するまでの時間を比較する実験を行った。なお、この実験では、５０μｍの径の気泡を発生させ、この気泡が消滅するまでの時間を計測した。その実験の結果を図５の（ｃ）に示す。ここで、前記距離が１５０μｍ以下では、気泡周辺のインクが頻繁に入れ替わることから気泡が消滅するまでの時間が１０秒以内となり、インクジェットヘッドとして実用上問題がないと言える。しかし、距離が１８０μｍ以上では、気泡周辺のインクが頻繁に入れ替わらなくなるため気泡消滅時間が５０秒以上となってしまい、インクジェットヘッドとして実用上問題が生じる時間となってしまう。

このような実験結果に基づき、インクジェットヘッド１のノズル２０１と、気泡の発生する可能性のある位置との最長距離が１５０μｍ以下となるように、インクジェットヘッド１のノズル２０１とインク流路５の側壁との最長距離Ｐを１５０μｍ以下と設定した。

また、このとき、ノズルプレート２に接する面におけるインク流路５の縦の長さＱと横の長さＲの比（Ｑ／Ｒ）であるアスペクト比を１．３以上としておけば、例えばインクジェットヘッド１が高精細な画像形成のために多ノズル化されている場合に、ノズル２０１とインク流路５の側壁との最長距離Ｐが短くなってもインク流路５とインク流路５の間の側壁３２を所定値以上の厚さに保つことができる。このようにすることにより、インクジェットヘッド１におけるインク吐出に必要な強度を保ち、高精細な画像形成のために多ノズル化を図りながら、インク流路５内に発生した気泡を除去することができる。

以上のように、本実施の形態におけるインクジェットヘッドによれば、ノズルと当該ノズルにインクを供給するインク流路の側壁との最長距離が１５０μｍ以下であるため、インク流路内のインクが滞留せずに入れ替わりやすくなる。これにより、気泡周辺のインクにおける気体の溶解濃度が飽和状態に達する前に、インクを入れ替えることができ、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡を短時間で確実に除去することができる。
また、ノズルを備えた面におけるインク流路の縦横比であるアスペクト比が１．３以上であるため、例えばインクジェットヘッドが高精細な画像形成のために多ノズル化されている場合に、ノズルとインク流路の側壁との最長距離が短くなることによりインク流路とインク流路の間の側壁を必要以上に薄くしないで済む。このようにすることにより、インクジェットヘッドにおけるインク吐出に必要な強度を保ち、高精細な画像形成のために多ノズル化を図りながら、インク流路内に発生した気泡を除去することができる。
その結果、インク吐出に不具合が生じることを防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

また、本実施の形態では、インクが水系インクであるため、インクに気泡が溶けやすく、インクジェットヘッドにおけるインク流路内に発生した気泡をより短時間で確実に除去することができる。
その結果、インク吐出に不具合が生じることを確実に防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

さらに、本実施の形態では、凹形状の溝部を複数並べた形状の部材と、溝部を覆うカバープレートとを備えており、双方の部材により、ノズルを備えた面による断面が長方形状となる複数のインク流路を備える構成となっているため、インク流路内に発生した気泡を前記した構成により短時間で確実に除去できるインクジェットヘッドの形状とすることができる。
その結果、インク吐出に不具合が生じることをより確実に防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

またさらに、本実施の形態では、凹形状の溝部を複数並べた形状の部材が、電圧の印加によって剪断モード型の変位をする複数の溝部を切削加工によって形成した圧電性基板であるため、インク流路内に発生した気泡を前記した構成により短時間で確実に除去できるインクジェットヘッドの構成とすることができる。
その結果、インク吐出に不具合が生じることをさらに確実に防止して良好なインク吐出を行うことができ、解像度の高い良好な画像形成を行うことができる。

なお、本発明に係るインクジェットヘッドとしては、前記した実施形態に限るものではなく、他の構成のものにも適用可能である。
例えば、インクジェットヘッドは、ヘッドチップに圧電素子を備える構成とは限らず、例えばヒータを備える構成としてもよい。

また、本発明に係るインクジェットヘッドを適用可能なインクジェットプリンタとしては、キャリッジに搭載されたインクジェットヘッドを主走査方向に往復移動させるとともに、記録媒体を副走査方向に搬送させながら、インクジェットヘッドからインクを吐出させて、画像を形成するシリアルヘッド方式のインクジェットプリンタでも良いし、プリンタ本体に固定されたインクジェットヘッドからインクを吐出させるとともに、記録媒体を搬送させて、画像を形成するラインヘッド方式のインクジェットプリンタでも良い。

本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。 図１のインクジェットヘッドにおけるインク流路の一部を示す断面図である。 図１のインクジェットヘッドにおけるインク流路の一部をノズルプレート側から見た図である。 インクジェットヘッドの動作を説明するための図である。 インクジェットヘッドにおける各種気泡除去実験の結果を示す表である。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
３ 圧電性基板
４ カバープレート
５ インク流路
３０ 溝部
３２ 側壁
３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３４ 金属電極
２０１ ノズル
Ｐ ノズルと側壁との最長距離
Ｑ 溝部の深さ（インク流路の縦の長さ）
Ｒ 溝部の幅（インク流路の横の長さ）

Claims (4)

1. 記録媒体にインクを吐出するノズルを有するインクジェットヘッドであって、
   前記ノズルと当該ノズルにインクを供給するインク流路の側壁との最長距離が１５０μｍ以下であり、かつノズルを備えた面におけるインク流路の縦横比であるアスペクト比が１．３以上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に記載のインクジェットヘッドにおいて、
   前記インクが水系インク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又は２に記載のインクジェットヘッドにおいて、
   凹形状の溝部を複数並べた形状の部材と、
   前記溝部を覆うカバープレートと、
   を備えており、
   前記双方の部材により、前記ノズルを備えた面による断面が長方形状となる複数のインク流路を備える構成となっていることを特徴とするインクジェットヘッド。
4. 請求項３に記載のインクジェットヘッドにおいて、
   前記凹形状の溝部を複数並べた形状の部材が、電圧の印加によって剪断モード型の変位をする複数の溝部を切削加工によって形成した圧電性基板であることを特徴とするインクジェットヘッド。

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