JP2006069106A - インクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置 - Google Patents
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Images
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プリンタを提供する。
【解決手段】
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とを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記フィルタ部と前記振動板が同一部材からなり、かつ、前記フィルタ部の隣接するフィルタ孔の中心間距離が等しく、フィルタ部厚さが前記フィルタ孔の最小距離の３倍以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
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プリンタを提供する。
【解決手段】
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とを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記フィルタ部と前記振動板が同一部材からなり、かつ、前記フィルタ部の隣接するフィルタ孔の中心間距離が等しく、フィルタ部厚さが前記フィルタ孔の最小距離の３倍以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、インクジェットヘッド、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。
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、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。また、インク内に気泡が存在するとインクの流れが阻害されるとともに、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。
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。
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知られている（例えば、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。
さらに、ステンレスなどの金属の薄板をエッチング法により微小な穴をあけることも提案されているが、エッチング液の濃度、温度や圧力の管理が困難であること、および、フィルタ孔径が小さくなると、金属の結晶状態や表面の酸化膜によりエッチング速度のわずかな変化が生じる。したがって、フィルタとして有効な微小な孔を均一、高開口率で加工することが難しく、孔径としては３０μｍ、開口率１０％程度が限界とされている。
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、吐出させる液体が強酸性や極性を有する溶剤の場合にはニッケルが侵されるという問題がある。
また、ステンレスなどの金属の薄板をエッチング法により微小な穴をあける方法では、フィルタ孔径が小さくなると、エッチング液の濃度、温度や圧力の変動や、金属の結晶状態や表面の酸化膜の影響によりエッチング面内でエッチング速度のわずかな変化が生じる。その結果、フィルタとして有効な微小な孔を均一、高開口率で加工することが難しく、孔径としては３０μｍ、開口率１０％程度が限界といわれている。
また、ヘッド内部にフィルタを設けることは、組み立て途中、及び、保管中でのヘッド内部への異物の混入を防ぐために信頼性の向上に有効に作用するが、フィルタ部材を設け、部品点数が増加することは、ヘッドの組み立て性や組み立て精度の低下につながる。
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、部品点数を増やすことなく精度良く形成し、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インクジェット式記録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と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を、前記加圧室の一面と同一部材としたことを特徴とする。また、前記フィルタプレートはポリイミドフィルムにより形成され、前記フィルタ部を構成するフィルタ孔はレーザー加工により形成することを特徴とする。また、前記隣接するフィルタ孔の中心間距離を等しく配置することを特徴とする。
本発明は更に、上記のように構成されたインクジェットヘッドを単数または複数個配列してなるヘッド組と、前記オリフィスと対向するように被印刷物を配置し、前記ヘッド組と被印刷物との相対位置を移動させる機構を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、インクジェットヘッドのフィルタ部を振動板上に構成し、加圧室の一面と同一部材としたので、新たにフィルタ部材を設けることなく、高精度で信頼性の高いインクジェットヘッドを供給できる。また、フィルタ部と加圧室の一面が耐食性の優れたポリイミドフィルムを用いることにより、吐出させる液体が強酸性や極性を有する溶剤の場合にも、インクの安定供給を実現できる。さらに、隣接するフィルタ孔の中心間隔を等しくすることで、フィルタ部の開口率を高くすることができ、フィルタ部厚さがフィルタ孔の最小距離の３倍以下とすることで高精度のフィルタ孔加工を行うことが可能である。
以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るインクジェットヘッドのノズル部構成の一実施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とを連結し外加圧室２へのインク流入を制御するリストリクタ、９は振動板３と同一部材上に設けられたフィルタ部、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、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である。
リストリクタプレート１１、加圧室プレート１２は、例えばステンレス材のエッチング加工または精密プレス加工により作られ、また、オリフィスプレート１３はステンレス材に精密プレス加工によりノズル口を形成する。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の途中でフィルタ部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。
振動板３は、有機フィルムと金属の２層構造からなる。金属部分はステンレスの薄板からなり、有機フィルムとしては、熱可塑性ポリイミドを用いている。これらを熱圧着して張り合わせることで、接着剤を用いることなくステンレスとポリイミドの２層構造を形成することができる。また、これらの材料は、熱膨張率がほぼ等しい為、２層構造にした場合も内部に応力が残らず、反りなどの変形を起こすことがない。更に、他のインク流路を構成する部材もステンレスを用いる為、流路部を構成する際に加熱して接着しても熱膨張による部品間の位置ずれが発生しにくくなる。
図２は、上記の振動板３の平面図を示す。振動板３は、ステンレスの部分がエッチングにより取り除かれ、かつ、フィルタ孔を多数加工したフィルタ部９の部分と、加圧室２に対応してステンレスの部分をエッチングにより取り除かれて、加圧室２の一面を構成する部分１６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。
図３は、振動板３の部分１６を拡大した図である。部分１６は加圧室２に対応した部分のステンレスをエッチングにより窓状に取り除いてある。ポリイミド面を加圧室側として配置することにより、エッチングして取り除くことなく残したステンレスの部分が、圧電素子４と振動板３を接着する為の接着剤１０が隣接するチャネルと結合することを防ぐ堤防の役目をする。
次に、振動板３のフィルタ部９、加圧室２の一面を構成する部分１６の具体的な加工方法を説明する。
ステンレス部のエッチングには高精度のエッチング制御が必要であり、半導体のリードフレームなどを製作する場合に用いるスプレー式ウェットエッチング法を用いて製作する。スプレーによりエッチング液を加圧しエッチング面に吹き付けることにより、エッチング壁面の垂直性が得られる。また、片面からのエッチングとなるため、エッチング面を下側とし、下側からエッチング液を吹き付けることでエッチング液がエッチング面にとどまりエッチング分布を生じることを防いでいる。
フィルタ孔の大きさは、除去したいインク中の異物や気泡の大きさにより決定される。本実施例においてインク流路中最も狭い部分はノズル孔部であり、その大きさは約２０μｍφである。また、インクの吐出安定性に影響する気泡の混入を防ぐことから、フィルタ孔径は１０μｍの円形とした。このような小さなフィルタ孔の加工にはレーザーを用いる。レーザー加工法のうち、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザーのような熱加工の場合、加工時に多量のスミアが発生しフィルタ孔に付着してしまう。また、熱の影響により孔が変形しやすい為、フィルタ孔間隔に限界が生じ、開口率を高く加工できない。また、孔径についても、波長により焦点を絞れない為、２０μｍ程度が限界である。したがって、本実施例においては、エキシマレーザを用いて加工を行った。エキシマレーザの場合、ポリイミドの分子構造を断ち切りガス化するため、熱の影響が極めて小さい。したがって、フィルタ孔間隔を小さく取ることができ、また、マスクを用いて多数の孔加工を同時に行うことができる為、他の方式に比べ短時間で加工が可能となる。また、スミアの発生も非常に小さく抑えることができる。
図４は、フィルタ部９の拡大図である。図中１０１の点線で示すとおり、隣接する３個の孔の中心は、中心間の距離が各々等しくになるように配置されている。フィルタ部全面において前記の関係が成り立つように、フィルタ孔を配置する。
つまり、隣接孔間の最小距離はすべて一定となるよう配置することとなる。これにより、フィルタの開口率をもっとも大きく取れる。また、エキシマレーザ加工時のわずかな熱影響による孔径のばらつきや、加工装置の機械精度を考慮した設計が容易となる。たとえば格子状にフィルタ孔を配置した場合に比べて、最近接距離を等しくした場合約１．７倍の孔配置密度とすることができる。
孔加工にレーザーを用いた場合、レーザー光の入射側と出射側とで、レーザー強度と焦点が変わることで２から５度程度のテーパが発生し、入射側の孔径が大きくなる。本実施例において用いたポリイミドの厚さは、約１５μｍのものを使用し、レーザー光の出射側を１０μｍ±０．５μｍに対して入射側は１３μｍ±０．５μｍとして加工を行った。
つまり、フィルタ部が厚くなると、単位面積あたりに投入するレーザーエネルギが多くなり、フィルタ部材の温度上昇が発生して、加工孔寸法と形状のコントロールが困難となる。本実施例では、フィルタ部厚さがフィルタ孔の最小距離の３倍以下としている。これにより、隣接フィルタ孔間で加工時の干渉による孔形状の乱れを起こすことなく、高い開口率にてポリイミドフィルム上にフィルタ孔を作成することができる。
フィルタ孔の最小間隔については、前述の加工孔のテーパ発生量から、フィルタ部厚みの約１／５以上必要である。また、フィルタ部が厚くなると、熱影響の極めて小さいエキシマレーザを用いた場合でも、単位面積あたりに投入するレーザーエネルギが多くなり、フィルタ部材の温度上昇が発生して加工孔形状の乱れを生じる。加工孔径の公差などを考慮すると、フィルタ孔の最小間隔は、フィルタ部厚みの１／３以上は必要となる。本実施例では、中心間距離は１９μｍとし、フィルタ孔間の平均最小距離は、レーザー入射側で６μｍ、出射側で９μｍとなる。このときの、フィルタ部分の開口率は、約２５．１％である。
前記構成のフィルタを備えた振動板を用いて、プリントヘッドを製作し、インク供給特性を測定した。その結果、全ノズルを最大３０ｋＨｚで駆動した場合に、インク供給不足による吐出液滴の吐出特性変動は発生しなかった。また、ノズル回復動作における、フィルタ部の圧力損失は、インク供給系全体の圧力損失の約１／４の値となり、スムーズなノズル回復動作を行うことができた。インクの流れる方向を考慮し、インク上流側に、フィルタ孔径の大きい側が配置されるようにレーザー加工を行うことで、フィルタ部での流路抵抗による圧力損失をさらに抑えることができる。
図５に他の実施例を示す。フィルタ孔１０２の形状は加工マスク形状によるため、任意の形状が選択可能であり、加工上においては円形や多角形どちらも加工可能である。本実施例においては、フィルタ部の強度が保たれる８角形に加工した。また、６角形に加工した場合、隣接孔間を実施例１の場合よりもさらに近づけることができ、開口率をもっとも大きく加工できる。
図６に、更に他の実施例を示す。本実施例は、実施例１において、振動板３以外の流路構成部材を、ステンレスに代えて、シリコンウエハにドライエッチング法を用いて加工したものである。この場合、チャンバプレートなどを構成する他の部材はシリコン製で、振動板と熱膨張率が異なる。したがって、組み立て時に部品間の位置ずれが生じる可能性がある。そこで、本実施例の場合、各部材の接着に低温硬化型の接着剤を用い、また、熱膨張による位置ずれを考慮して、形状を補正することで部品精度を確保できる。
次に、上述のインクジェットヘッドを用いた本発明のインクジェット式記録装置の一実施例を図７で説明する。
図７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３３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１参照）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。
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上を支持体３５、３６がロッドが３７、３８の軸方向に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４１の位置まで移動することができる。
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。
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はフィルタ部、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、１５は共通インク供給路部材、１０２はフィルタ孔、１１０は振動板上のステンレス残り部、１１１はポリイミド露出部である。
Claims (4)
- 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とを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記フィルタ部と前記振動板が同一部材からなり、かつ、前記フィルタ部の隣接するフィルタ孔の中心間距離が等しく、フィルタ部厚さが前記フィルタ孔の最小距離の３倍以下であることを特徴とするインクジェットヘッド。
- 前記振動板はポリイミドフィルムからなり、前記フィルタ孔はレーザーにより加工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。
- 前記フィルタ孔形状は多角形であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のインクジェットヘッド。
- 請求項１、２、３の何れかに記載のインクジェットヘッドを単数または複数個配列してなるヘッド組と、前記オリフィスと対向するように被印刷物を配置し、前記ヘッド組と被印刷物との相対位置を移動させる機構を備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。
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| JP2012056262A (ja) * | 2010-09-11 | 2012-03-22 | Ricoh Co Ltd | 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 |
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-
2004
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