JP2006068916A

JP2006068916A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2006068916A
Application number: JP2004251677A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hida; 悟飛田; Toshiji Sumiya; 利治住谷; Ryota Matsufuji; 良太松藤
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US7654652B2; US20060044364A1

Abstract

【課題】本発明は、インク滴の吐出周波数を高めることができると共に、必要最小限の変更で吐出周波数を調整できるインクジェットヘッドを提供することにある。
【解決手段】本発明は、共通インク室６からインク供給路を経由して圧力室１５にインクを導き、この圧力室１５のインクを圧力室１５の圧力変化によってノズル２２から吐出させるように、複数の薄板材を積層してインクジェットヘッド１を構成し、かつ前記インク供給路を、前記圧力室と同じ高さに形成された第１のインク供給路１６，２６、と、この第１のインク供給路と同機能を有する少なくとも一つの第２インク供給路（１７−２０−１８）とを並設して構成したのである。
【選択図】図１

Description

本発明は大判のポスター印刷装置やフラットパネルディスプレイの薄膜形成用の特殊溶液を吐出させる装置などに適用されるインクジェットヘッドに関する。

近年、インクジェットヘッドを用いた装置は用途が拡大してきており、同時に高速で高品質の印刷を行うことが要求されてきている。これらの要求に対応するには、インク滴を高い周波数で駆動することが必要であり、そのためには周波数応答性の高い、云い代えればインク滴の吐出周波数の高いインクジェットヘッドを得ることである。

そして、インク滴の吐出周波数を高めるために、特許文献１や特許文献２に開示の技術が既に提案されている。

特開平８−８５２０７号公報特開２００１−９６７３８号公報

上記特許文献１，２に記載の技術によれば、高いインク滴の吐出周波数を得ることができるが、僅かな仕様変更、例えば顧客要求を満足させるためのインク滴吐出周波数の微調整に対しては、流路基板全体を作り直さなければならないばかりか、インクジェットヘッドの製作上、精密な加工技術が必要となり、生産性の向上を期待できなかった。

本発明の目的は、インク滴の吐出周波数を高めることができると共に、必要最小限の変更で吐出周波数を調整できるインクジェットヘッドを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、共通インク室からインク供給路を経由して圧力室にインクを導き、この圧力室のインクを圧力室の圧力変化によってノズルから吐出させるように、複数の薄板材を積層してインクジェットヘッドを構成し、かつ前記インク供給路を、前記圧力室と同じ高さに形成された第１のインク供給路と、この第１のインク供給路と同機能を有する少なくとも一つの第２インク供給路とを並設して構成したのである。

上記構成によれば、インク供給路を、圧力室と同じ高さに形成された第１のインク供給路と、この第１のインク供給路と同機能を有する少なくとも一つの第２インク供給路との並設構成としたので、インク供給路のイナータンスやレジスタンスを決定するに際し、自由度の高い設計を行うことができ、その結果、インク滴の吐出周波数の高いインクジェットヘッドを得ることができる。また、インク供給路を複数の同一の薄板材を積層して構成したことで、前記インク供給路を複数並設することが容易となり、ノズル側のイナ−タンスやレジスタンスに応じてインク供給路側のイナ−タンスやレジスタンスの調整が容易となるので、必要最小限の変更で吐出周波数の調整を行うことができるインクジェットヘッドを得ることができる。

以下本発明によるインクジェットヘッドの第１の実施の形態を、図１及び図２に示すオンデマンド型のラインヘッド方式印刷装置に基づいて説明する。

インクジェットヘッド１は、インクジェットヘッド１を構成するハウジング２と、複数の薄板材を積層してインクの流路を形成した流路基板群３とを有する。ハウジング２には、圧電素子群４を収納する駆動室５が上下方向に設けられていると共に、図示しないインク供給部から供給されるインクを貯める共通インク室６が設けられている。流路基板群３は、前記ハウジング２の下端に、補強プレート７、ダイアフラムプレート８、リストリクタプレート９、チャンバープレート１０，１１、ノズルプレート１２の順に接着等により積層固着されている。

前記補強プレート７には、前記駆動室５に連通し後述するノズルの数と同じ数の駆動室孔５Ａと、前記共通インク室６に連通するインク室孔６Ａが形成されている。前記ダイアフラムプレート８は、前記駆動室孔５Ａを塞いで前記インク室孔６Ａには連通するように形成されており、前記インク室孔６Ａとの連通部には必要に応じてフィルタ１３を設けてインクに混じった異物が共通インク室６外に流出しないようにしている。そして、ダイアフラムプレート８は、圧電素子群４の伸縮変位に伴って容易に変位できるように、例えば１５μｍ以下の薄い板材から形成され、エレクトロフォーミングやエッチング処理等によって形成される。前記リストリクタプレート９には、前記ダイアフラムプレート８を介してインク室孔６Ａ及び駆動室孔５Ａに連通する連通孔１４が後述するノズルの数と同じ数だけ形成されており、これら連通孔１４の前記駆動室孔５Ａに対向する部分を圧力室１５とし、この圧力室１５と前記インク室孔６Ａに対向する部分を除く部分を第１のインク供給路１６としている。前記チャンバープレート１０には、前記インク室孔６Ａに対向する連通孔１７と、前記圧力室１５の端部に連通する連通孔１８と、前記圧力室１５の連通穴１８とは反対側の端部に連通する連通孔１９とが形成されている。連通孔１８，１９は後述するノズルの数と同じ数だけ形成されている。また別のチャンバープレート１１には、前記連通孔１７と前記連通孔１８を連通する連通孔２０と、前記連通孔１９と連通する連通孔２１とが夫々少なくとも後述するノズルの数と同じ数だけ形成されている。尚、本実施の形態においては、前記連通孔２０は、１つの連通孔１８に対し２条となるように形成されている。そして、前記ノズルプレート１２には、複数の連通孔２１に連通するノズル２２が列をなして複数開口している。そして、ノズル２２の大気に触れる側には、安定したインク滴を吐出させるために、撥水膜を形成してもよい。

上記構成とすることで、共通インク室６から圧力室１５に至る第１のインク供給路１６のほかに、共通インク室６から至る連通孔１７，２０，１８を経由して圧力室１５に至る第２のインク供給路が形成される。

このように形成された流路基板群３の各板は、温度上昇等による各板間の歪みを最小限とするために、線膨張係数が等しいか、それに近い材料を用いることが望ましく、例えばステンレス薄鋼板により形成されることが望ましい。

次に、上記構成のインクジェットヘッド１からインクを吐出させる動作を、図３を用いて説明する。

まず、図３（Ａ）に示すように、共通インク室６内には図示しないインク供給部から供給されたインクが貯められており、圧力室１５、第１のインク供給路１６、第２のインク供給路（１７，２０，１８）、連通孔１９，２１内にもインクが満たされている状態で、圧電素子群４に、図９に示す電圧を印加（図９のａ）すると、圧電素子群４は図３（Ｂ）に示すように収縮し、ばね４Ｓを介して接続されているダイアフラムプレート８を実線矢印方向に引き上げる。このダイアフラムプレート８の引き上げにより圧力室１５の容積が膨脹し、周辺に満たされたインクは圧力室１５内に引き寄せられる。そのまま電圧を維持する（図９のｂ）と、ノズル２２近傍のインクのメニスカスの引き込みが終了し、逆に反動でインクがノズル２２側へ戻ろうとする。その時点で、今度は圧電素子群４が伸張するように印加した電圧を短時間で開放する（図９のｃ）。電圧開放による圧電素子群４の伸張によってダイアフラムプレート８は元に戻り、圧力室１５の容積を縮小させ、図３（Ｃ）に示すように圧力室１５内のインクを加圧する。加圧されたインクは圧力室１５外に勢いよく流出し、そのとき、ダイアフラムプレート８の変形によって第１のインク供給路１６、第２のインク供給路（１７，２０，１８）から隔離された連通孔１９，２１内のインクは、図３（Ｄ）に示すように、ノズル２２からインク滴２３となって飛翔する。

このような一連の動作において、圧力室１５の容積が膨脹するときには、前記インクのメニスカスの引き込みよりもインク供給路からインクが多く流入されることが重要である。即ち、メニスカスの引き込みが大きすぎると、ノズル２２でのメニスカスを維持できなくなってノズル２２から外気を導入して内部に気泡を混在させることになり、その結果、圧力室１５の容積が縮小したときに気泡のみ吐出してインクを吐出させないことになる。また、圧力室１５の容積縮小時にインク供給路へ逆流するインク量が多すぎると、必要量のインクが吐出されないことになる。そのためには、圧力室１５が膨脹するときにはインク供給路からのインク流入量を多くし、圧力室１５が縮小するときにはインク供給路への漏れ出し量を少なくする必要がある。そして、これら一連の動作によってインク供給路内に発生する振動を如何に早く減衰させるかがインクの吐出周波数を高めるポイントとなる。云い代えれば、圧力室１５へのインク流入時はインク供給路のイナータンスを小さくしてノズル２２のイナータンスを大きくし、インク吐出時にはインク供給路のレジスタンスを大きくし、ノズル２２のレジスタンスを小さくすることが必要条件である。しかし、本実施の形態においては、インク供給路を、第１のインク供給路１６と第２のインク供給路（１７，２０，１８）とで構成することで、上記必要条件を満足させることができる。即ち、インク供給路を並列回路的に増やすことで、音響モデルにおける集中定数回路より算出される振動の時定数τ（≒減衰時間）が、τ＝２ｘ（Ｍ／Ｒ）で表現されているように、イナータンスＭを変えずにレジスタンスＲを大きくすることで小さくなり、減衰を早めることができるので、駆動周期を短くしてもノズル２２近傍のインクのメニスカスを安定した位置に保持することができ、その結果、インクの吐出周波数を高めることができる。

図４は、第１の実施の形態の変形例を示すものであり、図１〜図３と同符号は同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、チャンバープレート１０Ａ，１０Ｂ及び１１Ａ，１１Ｂを交互に積層して、連通孔１７Ａ，２０Ａ，１８Ａを経由する第２のインク供給路と、連通孔１７Ｂ，２０Ｂ，１８Ｂを経由する第２のインク供給路とを形成したのである。このように、第２のインク供給路を２つ形成することで、インクの吐出周波数を高めるために第２のインク供給路のイナータンスやレジスタンスを決定する際に、自由度の高い設計が可能となる。さらには、フィルタ１３の下方に気泡が残留したとしても、第１のインク供給路１６及び２つのインク供給路を介して容易に除去することができる。

図４及び図５は、本発明による第２の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態におけるリストリクタプレート９及びチャンバープレート１０の代わりにリストリクタプレート２４を介在させたのである。そして、このリストリクタプレート２４には、補強プレート７のインク室孔６Ａと対向する位置に連通孔２５が形成されていると共に、駆動室孔５Ａに対向する位置に圧力室１５を形成しており、さらに、これら圧力室１５と連通孔２５とを狭幅の第１のインク流路２６で連通している。尚、連通孔２５は、下側に位置するチャンバープレート１１の２条の連通孔２０をカバーする幅を有し、第１のインク流路２６は２条の連通孔２０間に位置して連通孔２０とは不連続に形成されている。

このようなリストリクタプレート２４を積層することで、ダイアフラムプレート８とチャンバープレート１１との間に、フィルタ１３を介してインク室孔６Ａに連なる連通孔２５から圧力室１５に至る第１のインク供給路２６が形成され、ノズルプレート１２及びリストリクタプレート２４の間には、連通孔２５から２条の連通孔２０を経由して圧力室１５に至る第２のインク供給路が形成される。

ここで、第１のインク供給路２６と２条の連通孔２０の流路幅は、圧力室１５の幅の１／３以下に形成されている。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同等の効果を奏することができるほか、第１の実施の形態によるチャンバープレート１０を不要とした分、第１の実施の形態に比べて流路基板群３の積層厚さを低くすることができる。

図７及び図８は、本発明による第３の実施の形態を示すもので、第２に実施の形態に示すチャンバープレート１１の下に別のチャンバープレート２７を介在させたものである。このチャンバープレート２７は、チャンバープレート１１の２条の連通孔２０の両端部に対向する位置に夫々連通孔２８Ａ，２８Ｂを形成し、これら連通孔２８Ａ，２８Ｂは連通孔２９によってつながれており、全体としてＩ型状に形成されている。さらに、このチャンバープレート２７には、チャンバープレート１１の連通孔２１に対向する位置に同形状の連通孔３０を設けている。尚、連通孔２８Ａ，２８Ｂはチャンバープレート１１の２条の連通孔２０をカバーする幅を有し、連通孔２９はリストリクタプレート２４の第１のインク供給路２６と同じように、２条の連通孔２０の間に位置して連通孔２０とは不連続に形成されている。

このようなチャンバープレート２７を積層することで、ダイアフラムプレート８とチャンバープレート１１との間に、フィルタ１３を介してインク室孔６Ａに連なる連通孔２５から圧力室１５に至る第１のインク供給路２６が形成され、チャンバープレート２７及びリストリクタプレート２４の間には、連通孔２５から２条の連通孔２０を経由して圧力室１５に至る第２のインク供給路が形成され、さらに、チャンバープレート１１及びノズルプレート１２の間には、連通孔２５に２条の連通孔２０の一端部を介して連通する連通孔２８Ａから連通孔２９，２８Ｂ及び２条の連通孔２０の他端部を経由して圧力室１５に至る第３のインク供給路が形成される。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同等の効果を奏することができるほか、共通インク室から圧力室１５に至るインク供給路を３つとしたので、インクの吐出周波数を高めるための設計をより自由に行うことができる。

例えば、インク滴の吐出量を変えようと、ノズル２２の径を変えたときに、ノズル２２の径の変更のみでは第１のインク流路２６，連通孔２０，２９とのイナ−タンス及びレジスタンスのバランスが崩れ、インク滴の吐出周波数の低下を招くことになる。しかしながら、上述のように、薄板材を積層してチャンバープレート１１，２７を構成することで、複数のインク流路を容易に形成できる。そのために、ノズル２２のイナ−タンス及びレジスタンスに応じてインク供給路の数を容易に変更することができ、その結果、ノズル２２とインク供給路とのイナ−タンスやレジスタンスのバランス設定が容易となり、必要最小限の変更でインク滴の吐出周波数の調整が可能となるのである。

以上説明した各実施の形態及び変形例において、各プレートの接合に関しては、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いてもよいが、金属プレート同士を直接接合する拡散接合であってもよい。そうすることで、インクに含まれるバインダーや界面活性剤、さらには他の溶剤に対して強い耐薬品性を持たせることができ、例えば、技術向上の著しい薄膜ディスプレー等の検討に用いられる配硬膜や有機ＥＬ等の液体の吐出に使用することも可能となる。

また、プレートの材質は、インクに侵されなければ特に限定されるものではないが、接着や拡散接合する際の接合温度を考慮して線膨張係数が同じの同一材質が望ましい。本発明は、ステンレス薄鋼板を用いた各プレートの積層構造であるが、より精密な加工が望まれる場合には、プレートとしてシリコンウェハをエッチング加工し、各プレートを陽極接合技術によって接合するようにしてもよい。また、本発明において、圧電素子群は、圧電材料と電極を複数積層したピエゾ素子であるが、振動板上に薄膜素子を積層したものや、静電方式を用いた駆動方式でも差支えない。

次に、上記構成のインクジェットヘッドを用いた記録装置について図１０及び図１１に基づいて説明する。

ノズル２２を一方向に多数開口させたインクジェットヘッド１を複数個同じ向きに並設してヘッドユニット３２を構成し、このヘッドユニット３２をフレーム（図示せず）に固定した直線状のガイドレール３３によって往復移動できるように案内している。このように案内されたヘッドユニット３２の下方には、搬送ユニット３４によって、ロール状に巻かれた印刷用紙３５が通過するように構成されている。印刷用紙３５は、ヘッドユニット３２の両側に設置されたローラ３６Ａ，３６Ｂによって、浮き沈みを防止されてヘッドユニット３２との距離を一定に保持されている。そして、ヘッドユニット３２のインクジェットヘッド１は、各ノズル２２間のピッチＰが印刷解像度に一致するように配置されている。ヘッドユニット３２は、斜めに配置されたインクジェットヘッド１を複数平行に並べてライン印刷が可能なようにしている。インクジェットヘッド１の傾斜角度によって、１ヘッドあたりのノズルピッチＰが決まり、隣接するインクジェットヘッド１のノズル２２とのピッチＰも同じになるように設置する。

ヘッドユニット３２は、印刷位置において停止固定された状態で、インク供給部（図示せず）からインクが供給され、最大印刷幅に対して直交する方向に搬送される印刷用紙３５にオンデマンドでインク滴を吐出させて記録する。

このようなラインヘッド方式の高速記録装置の場合、毎分５０〜１００ｍの高速印刷が要求されるが、その性能はインクジェットヘッド１のインク吐出周波数で決定される。例えば、印刷用紙３５の搬送速度を１００ｍ／分とし、搬送方向の印刷解像度を６００ｄｐｉ（ｄｏｔ／ｉｎｃｈ）とした場合、ヘッドの要求されるインク吐出周波数は約４０ｋHz相当となり、ドロップオンデマンド方式のインクジェットヘッドとしては、極めて高速な吐出周波数が要求されることになる。

しかし、本発明は前記実施の形態及びその変形例に説明したインクジェットヘッド１とすることで、高速の吐出周波数を得ることができるので、本発明によるインクジェットヘッドを高速記録装置へ容易に適用することができる。

上記説明の記録装置は、記録用紙３５に印刷する装置であるが、印刷用紙以外にも速乾性インクを用いることで、ビニール等へ印刷する装置等にも本発明によるインクジェットヘッドの適用は可能である。

本発明によるインクジェットヘッドの第１の実施の形態を示す縦断面図。図１に示す流路基板群の分解斜視図。図１に示すインクジェットヘッドの動作説明図。本発明によるインクジェットヘッドの第１の実施の形態の変形例を示す図１相当図。本発明によるインクジェットヘッドの第２の実施の形態を示す図２相当図。図５に示す流路基板群の平面図。本発明によるインクジェットヘッドの第３の実施の形態を示す図２相当図。図７に示す流路基板群の平面図。インクを吐出するための印加電圧の負荷例の説明図。本発明によるインクジェットヘッドを適用した記録装置を示す概略図。図１０のヘッドユニットを構成するインクジェットヘッドの配置図。

符号の説明

１…インクジェットヘッド、２…ハウジング、３…流路基板群、４…圧電素子群、６…共通インク室、７…補強プレート、８…ダイアフラムプレート、９，２４…リストリクタプレート、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１１，１１Ａ，１１Ｂ，２７…チャンバープレート、１２…ノズルプレート、１５…圧力室、１６，２６…第１のインク供給路、１７〜２１，１７Ａ〜２１Ａ，１７Ｂ〜２１Ｂ，２５，２８Ａ，２８Ｂ，２９，３０…連通孔、３２…ヘッドユニット、３５…印刷用紙。

Claims

インク供給部から供給されるインクを貯める共通インク室と、この共通インク室に貯められたインクを供給するインク供給路と、このインク供給路によってインクを供給される圧力室と、この圧力室のインクを圧力室の圧力変化によって吐出するノズルとを備え、これらを複数の薄板材を積層して構成したインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給路を、前記圧力室と同じ高さに形成された第１のインク供給路と、この第１のインク供給路と同機能を有する少なくとも一つの第２インク供給路とを並設して構成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記第１のインク供給路と第２のインク供給路とは、共通の連通路を介して前記圧力室に連通されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
インク供給部から供給されるインクを貯める共通インク室と、この共通インク室に貯められたインクを供給するインク供給路と、このインク供給路によってインクを供給される圧力室と、この圧力室よりも低位置に圧力室の圧力変化によってインクを吐出する下向きのノズルとを備え、これらを複数の薄板材を積層して構成したインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給路を、前記圧力室と同じ高さに形成された第１のインク供給路と、この第１のインク供給路より低位置に設けられた第２のインク供給路とで形成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記第１のインク供給路の幅と前記第２のインク供給路の幅とは、前記圧力室の幅よりも狭く形成されていることを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッド。
前記第１のインク供給路と前記第２のインク供給路との数をｎとしたとき、前記第２のインク供給路の幅は、前記圧力室の幅の１／ｎ以下であることを特徴とする請求項４記載のインクジェットヘッド。
前記複数の薄板材は、ほぼ同じの線膨張係数を有する材料であることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のインクジェットヘッド。
インク供給部から供給されるインクを貯める共通インク室と、この共通インク室に貯められたインクを供給するインク供給路と、このインク供給路によってインクを供給される圧力室と、この圧力室のインクを圧力室の圧力変化によって吐出するノズルとを備え、これらを複数の薄板材を積層して構成したインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給路を複数並設したことを特徴とするインクジェットヘッド。