JP2006224375A - 記録ヘッド一体型インクカートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】 水頭差により記録ヘッドに対して負圧を発生し、使用初期から最後まで負圧を一定に制御できる記録ヘッド一体型インクカートリッジを提供する。
【解決手段】 記録ヘッドユニット部とインク貯留ユニット部で構成され、インク貯留ユニット部の底はゴムシールで密閉された可動できる底板で構成される。使用により減量したインク体積分だけ底板を上げることにより、インク液面上面を一定に保ちヘッドユニット部に対する負圧を一定に制御する。使用により減量するインク量は吐出ドット数のカウントと吸引回復で使用した量から計算する、または、インク液面上面を検地できる手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吐出口から液体を噴射して飛翔液滴を形成し、被記録媒体に記録を行う液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。特に、紙、糸、繊維、布、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対して記録を行うプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ、プロッター等の装置、画像読み取り装置やファクシミリ等と組み合わせた複合プリンタ、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用される液体噴射記録ヘッドに係る記録ヘッド一体型インクカートリッジに関する。

なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を付与することも意味する。

インクジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って、インクジェット記録装置にインクを補給するには、その交換作業を容易にするためにカートリッジ化されている。さらに、このインクカートリッジを記録ヘッドと一体化することによりインク供給系の配管やその接続部等をなくすことができ、簡単な構成でかつ安価なインクジェット記録装置が提供されている。

記録ヘッド一体型インクカートリッジを記録装置のキャリッジに搭載し、記録信号に応じてインクを吐出させる、いわゆるオンデマンド型インクジェット記録ヘッドにおいては、記録ヘッドに対してインクを負圧に保つ必要がある。

記録ヘッド一体型インクカートリッジにおいて、インクの負圧の発生手段として、スポンジ等の吸収体にインクを保持させて、吸収体の毛管力を利用して負圧を発生させる方法、容易に変形する袋内にインクを充填し、その袋をバネ等で膨張させて負圧を発生させる方法等が実用化されている。

図６は従来の液体噴射記録ヘッドの分解斜視図である。

以下に図６に基づいて従来例の液体噴射記録ヘッドを説明する。

記録ユニット部１００では、液体を吐出するためのエネルギー発生体である記録素子を備えた記録素子基板１１２が金属等の支持基板１１１上にダイボンディングされている。

支持基板１１１上には記録素子基板１１２の他に液体噴射記録装置との電気的接続を行うためのコンタクト端子１１５ａが形成されている電気配線基板１１５が接着されており、記録素子基板１１２と電気配線基板１１５とはワイヤボンディング等によって電気的に接続されている。

なお、前記記録素子基板１１２上には記録素子の他に駆動用シフトレジスター及び配線パターンが設けられており、これらは記録素子とともにシリコン半導体形成技術によりあらかじめ記録素子に作り込まれている。

また、記録素子基板１１２上には吐出口およびノズルが形成されている流路部材（天板）１１３が押さえバネ１１４で固定され、さらに、インク容器ユニット２００から流路部材（天板）１１３へインクを供給するインク中継容器１１６が支持基板１１１上に固定されている。

一方、インク容器ユニット２００はインク容器２０１と、インクを保持、印字ヘッドに対し負圧を発生させるインク吸収体２１５と、蓋２１６とによりインク貯留室が形成されている。インク容器２０１と蓋２１６とは超音波溶着、接着等により固定され、インクが漏出しない構造を形成している。インク容器ユニット２００と印字ヘッドユニット１００はゴムシール１１９で接続部からのインク漏出を防止し、嵌合、接着、ビス止め（不図示）等により固定される。

特許文献２においては、上記図６に代表される液体噴射記録ヘッドに関しての開示がされている。また特許文献１にはバネ部材における負圧発生機構を有するインクジェットカートリッジについての開示がされている。
特許第３０４８６５１号公報 特開平６−２７８２８６号公報

前記の通り、記録ヘッド一体型インクカートリッジを記録装置のキャリッジに搭載し、記録信号に応じてインクを吐出させる、いわゆるオンデマンド型インクジェット記録ヘッドにおいては、記録ヘッドに対してインクを負圧に保つ必要がある。

記録ヘッド一体型インクカートリッジにおいて、インクの負圧の発生手段として、スポンジ等の吸収体にインクを保持させて、吸収体の毛管力を利用して負圧を発生させる方法、容易に変形する袋内にインクを充填し、その袋をバネ等で膨張させて負圧を発生させる方法等が実用化されているが、スポンジ等の吸収体にインクを保持させる場合はその吸収体に相当する体積分のインクの使用効率が下がるという問題がある。また、袋内にインクを充填し、その袋をバネ等で膨張させて負圧を発生させる方法の場合はカートリッジの構造が複雑になり、安価なカートリッジを製造する上での問題害となっている。

また、記録ヘッドとインク容器を別体にすることで、インク容器を記録ヘッドに対し下側に配置することにより、水頭差により負圧を発生させることができる。この場合は、負圧発生機構は簡単であるが、記録ヘッドとインク容器を接続する機構が必要になり、記録装置が複雑化してしまう。さらに、インク容器の形状によっては、使用によりインクが消費されるに従い水頭差が大きくなり、記録ヘッドから吐出されるインク滴の大きさが変化してしまうという問題もある。

本発明は、以上の点に着目して成されたもので、水頭差により記録ヘッドに対して負圧を発生し、使用初期から最後まで負圧を一定に制御できる記録ヘッド一体型インクカートリッジを提供することを目的とする。

本発明における記録ヘッド一体型インクカートリッジは、カートリッジを構成する記録ヘッドと一体型になっているインク貯留室からなる構成において、記録ヘッドに対しインク貯留室を下側に配置することにより、水頭差で負圧を発生することができる。このインク貯留室内にはスポンジ等の吸収体、バネ等の負圧発生機構はい。

また、消費したインク量に応じて、インク貯留室の底部を上方向に移動（可変）させることによって、記録ヘッドとインク液面上面との位置関係を一定に保つことができ、水頭差の変化による、記録ヘッドから吐出されるインク滴の大きさを一定に保つことができる。

複数個のインク貯留室と複数の可変できる底部により構成されることにより、１つのインクカートリッジで複数色のインクを搭載することが可能となり、いわゆる複数色一体のカラーインクカートリッジを形成することができる。

すなわち、本発明の技術内容は以下の構成を備えることにより前記課題を解決できた。

（１）インクを吐出するための複数の記録素子が設けられた記録素子基板と、前記記録素子基板に外部から電気的記録信号を与えるためのコンタクト端子配線基板と、前記記録素子基板にインクを供給するためのインク供給通路が形成されるインク中継容器を有する記録ヘッドユニットと、インクを保持するインク容器と、前記インク容器の底部が上下に可変移動できるインク容器底部を有するインク貯留ユニットを有し、前記記録ヘッドユニットとインク貯留ユニットが一体となり、記録装置本体から着脱可能な構造をする構成において、
該インクヘッドユニットがインク貯留ユニットに対して上方に配置することにより、記録ヘッドに対して水頭差にて負圧を得て、
使用されたインク液量に応じて該インク貯留ユニットに設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造を特徴とする記録ヘッド一体型インクカートリッジである。

（２）該インクヘッドユニットに印加される吐出信号により吐出されるインク量と、該インクヘッドユニットから吸引されるインク量を演算する機能を有し、
使用されたインク液量に応じて該インク貯留ユニットに設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造を特徴とする（１）項に記載された記録ヘッド一体型インクカートリッジである。

（３）該インク貯留ユニットにインク液面上面を検知する機構を有し、インク面上面が一定になるように該インク貯留ユニットに設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造を特徴とする（１）項に記載された記録ヘッド一体型インクカートリッジである。

（４）該インク貯留ユニット内が複数のインク貯留室に分離され、個々の貯留室に設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造を特徴とする（１）項に記載された記録ヘッド一体型インクカートリッジである。

本発明における記録ヘッド一体型インクカートリッジは、インクを吐出するための複数の記録素子が設けられた記録素子基板と、前記記録素子基板に外部から電気的記録信号を与えるためのコンタクト端子配線基板と、前記記録素子基板にインクであるインクを保持するためのインク貯留室と、インク貯留室とは別部品の可変移動できる貯留室底部を有し、前記記録ヘッド一体型インクカートリッジが着脱可能な構造をする構成において、前記インク貯留室にはインク以外の構成部品はなく、インク貯留室の底部を上下に可変移動出来る構成をしている。

このように、記録ヘッド一体型インクカートリッジにおいて、記録ヘッドに対してインク貯留室を下側に配置することにより、水頭差により負圧を発生する構成ができ、簡単な構成で、かつ、容易に記録装置本体から着脱可能な記録ヘッド一体型インクカートリッジを製作することができるようになる。

また、インク貯留室とは別部品となっているインク貯留室の底部を、使用したインク量に応じて上方向へ移動させることにより、記録ヘッドとインク貯留室内のインク液面上面の位置関係を一定に保ち、記録ヘッドに対する負圧を一定にすることが可能となり、インクカートリッジ内のインクを全て使い終わるまで、一定した良好な印字ができるようになる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

図１は本発明に係る記録ヘッド一体型インクカートリッジの断面図、図２は記録ヘッド一体型インクカートリッジの分解斜視図、図３は本発明に係る記録ヘッド一体型インクカートリッジ使用終了間際の断面図、図４は別形態の記録ヘッド一体型インクカートリッジの断面図、図５は別形態のインク貯留ユニット部の外観斜視図である。

以下に、本発明の実施例を図１乃至図５に基づいて説明する。

本発明形態の記録ヘッド一体型インクカートリッジ５１は、液滴を吐出する吐出口（ノズル）が列を成して形成されたノズル列からプリント信号に従って液滴を吐出する液滴吐出部と、インクジェット記録装置本体との間を伝送されるプリント信号の受け渡しをする電気配線がなされるフレキシブルケーブルやＴＡＢ等のシート配線部材とを有する記録ヘッドユニット部１０と、記録ヘッドユニット部１０に供給されるインク等を収容するインク貯留ユニット部２０とから構成され、インクジェット記録装置本体のキャリッジに対して着脱可能に搭載される、いわゆる記録ヘッド一体型インクカートリッジ方式を採るものとなっている。

まず、記録ヘッドユニット部１０の構成の一例について説明する。

図１乃至図２において、１は記録素子基板、２は支持基板、３はシート電気配線基板、であり、記録素子基板１には、Ｓｉ基板の片面にインクを吐出するための複数の記録素子と、各記録素子に電力を供給するＡｌ等の配線とが半導体成膜技術により形成され、この記録素子に対応した複数のインク流路と複数の吐出口（不図示）とがフォトリソグラフィ技術により形成されると共に吐出口と接続される複数のインク流路にインクを供給するためのインク供給口（不図示）が裏面に開口するように形成されている。

支持基板２に、記録素子基板１の記録素子配列平面の相対位置および傾きをアライメントした後に、記録素子基板１を支持基板２上面に載置接合する。記録素子基板１と支持基板２の相対位置は半導体実装技術によって高精度に設定されるため、記録素子基板１乃至記録素子配列平面の傾き量を小さくして実装することができる。

なお、支持基板２には記録素子基板１にインクを供給するためのインク供給口２ａが形成されている。

一方、シート電気配線基板３は記録素子基板１に対して電気的に接続されるように、支持基板２の上面に接合保持され、リードボンディング、ワイヤボンディング、ＡＣＦなどの手段によって接続される。

シート電気配線基板３は記録素子基板１にインクを吐出するための電気信号を印加するものであり、記録素子基板１に対応する電気配線と、この電気配線端部に位置したインクジェット記録装置本体からの電気信号を受け取るための外部信号入力端子３ａとを有しており、シート電気配線基板３は吐出口配列面端部で折り曲げ、インク貯留ユニット部２０の一側面に位置決め固定されている。

本構成では、電気配線手段として、シート電気配線基板３で、記録装置本体と記録素子基板１の電気的接続を行っているが、コンタクト端子配部分を別部材構成にして、その間を半田付け、ＡＣＦ、リードボンディング、ワイヤボンディング、コネクタなどの手段によって接続しても構わない。

また、支持基板２はインク中継部材４に接着、ビス、加締、勘合等によって固定されており、両者の接合により支持基板２のインク流路とインク中継部材４のインク流路とが接続される。

本構成では記録素子基板１は支持基板２を介してインク中継部材４に接続されたが、支持基板２を用いずに、記録素子基板１を直接インク中継部材４に接着固定する構成にしても構わない。

さらに、インク中継部材４には多孔質部材５が接合されており、多孔質部材５はインク中継部材４に設けられたインク流路の中間に接合されている。そして、この多孔質部材５によってインク供給経路上流側からの塵埃の侵入を防止するようになっている。そして、インク中継部材４に設けられたインク供給路４ａのインク貯留ユニット部側はポリエチレン等の容易に変形できる樹脂部材で構成される。

次に、インク貯留ユニット部２０の構成の一例について説明する。

図１乃至図２において、２１はインク貯留室、２２はインク貯留室底部、２３はゴムシール部材、２４は気液分離膜、２５はカバー、２６はインク（記録液）である。インク貯留室２１の下部にインクを外部に漏出させない為にゴムシール２３を挟んでインク貯留室底部２３を組み付ける。このインク貯留室底部２３は下方向からピン等により突き上げることにより移動できる構造となっており、カバー２５によりインクカートリッジがインクジェット記録装置本体に取り付けられるまでに外力によりインク貯留室底部２３が動かさせない構造となっている。

インク貯留室２１上部には記録ヘッドユニット部１０へインクを供給する供給口２１ａと使用したインクに対する大気を導入するための連通口２１ｂを備える。連通口２１ｂにはインクカートリッジ外部にインクを漏出させない為に気液分離膜２６を熱等により溶着する。気液分離膜２６は４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）膜を延伸した膜であり気体は通過できるが液体は通過しない膜である。

本構成においてはインク貯留室２１への大気導入口に気液分離膜２４を用いたが、インクを外部に漏出させぬように貯留室を設けたキャップ等を組付けることでも構わない。

上記のように組み立てられたインク貯留ユニット部２０のインク貯留室２１に所定量のインク（記録液）２６を充填し、記録ヘッドユニット部１０を組付ける。インク中継部材４のインク貯留室２１への挿入部は圧入となっており、組付けることのみでインクを外部に漏出させない構造となっている。さらに、記録ヘッドユニット部１０はインク貯留ユニット部２０に加締、ビス止め、接着等の手法により（不図示）固定され、物流時の振動や衝撃により分離されない構造となっている。

以上のように組み立てられた記録ヘッド一体型インクカートリッジ５１の液面制御方法について説明する。３１は突き上げピンであり、インクジェット記録装置本体の端部（不図示）に設けられている。突き上げピン３１は２本以上の板状で構成され、インク貯留室底部２３をカバー２５に設けられた貫通穴を通して、インク貯留室２１に対し直角に突き上げて移動させることができる。

インクジェット記録装置本体に装着された記録ヘッド一体型インクカートリッジ５１は記録信号に応じてインク貯留室２１内のインク（記録液）２６が消費される。この消費されたインク量Ｖｉは吐出される液滴の大きさＶｄと印加された駆動信号パルス数Ｐｎにより、
Ｖｉ＝Ｖｄ×Ｐｎ
により算出することが可能である。

また、インク（記録液）２６が、液滴の吐出以外に消費される場合として、インク流路やノズル内に発生した気泡やノズルの目詰まりを除去するために吐出口より吸引される場合、いわゆる回復（クリーニング）時に消費されるインクがある。この回復（クリーニング）で消費されるインク量Ｖｃｌはインクジェット記録装置本体の吸引量で決定される。

従い、記録ヘッド一体型インクカートリッジ５１で消費されるインク消費量Ｖａは、
Ｖａ＝Ｖｉ＋Ｖｃｌ
で算出でき、インクジェット記録装置本体内の記憶素子にその値を記録しつつ動作させる。

一方、インク貯留室底部２２のインクに接する面積Ｓｉとインク消費量Ｖａから、記録ヘッドユニット１０からインク（記録）２６上面のインク液面は、
Ｌｍ＝Ｖａ／Ｓｉ
で得られる距離Ｌｍの長さ分だけインク貯留室底部２２を突き上げピン３１で突き上げることにより一定距離に保つことが可能となる。

図３は終了間際の記録ヘッド一体型インクカートリッジ５１の断面図であり、インク貯留室底部２２が最上部近傍まで突き上げられた状態である。

上記の如く記録ヘッドユニット１０からインク（記録）２６上面のインク液面を一定に保つことにより、記録ヘッドユニット１０に対する負圧（水頭差）はインクカートリッジ使用初期から終了時まで一定に保ち、良好な印字が得ることが可能となる。

別形態の実施例として、以下に説明する。

図４は本発明に係る別形態の記録ヘッド一体型インクカートリッジの断面図である。

記録ヘッドユニット部１０とインク貯留ユニット部２０は実施例１と同じに製造される。

インク貯留室２１の上面から電極ピンＡ２７と、電極ピンＢ２８が設けられている。これら２つの電極はシート電気配線基板３に半田付け、ＡＣＦ、圧接等（不図示）により電気的に接続される。

電極ピンＡ２７と電極ピンＢ２８との間の電気抵抗はインク（記録液）２６が接している状態であればある値となり、インク（記録液）２６が接していない状態であれば無限大である。

前記電気抵抗をインクジェット記録装置から読み取り、電気抵抗が無限大の場合は電気的導通が得られるまで、インク貯留室底部２２を突き上げピン３１で突き上げることによりインク（記録液）２６の液面を電極ピンＡ２７と電極ピンＢ２８に接触した状態で保つことが可能となる。

上記の如く記録ヘッドユニット１０からインク（記録）２６上面のインク液面を一定に保つことにより、記録ヘッドユニット１０に対する負圧（水頭差）はインクカートリッジ使用初期から終了時まで一定に保ち、良好な印字が得ることが可能となる。

本実施形態では、インク（記録液）上面を検知する手段として電気的方法を述べてきたが、別形態として、光学的方法等別手法で液面を検知する手段でも構わない。

前記実施例はインク貯留室が１室の記録ヘッド一体型インクカートリッジについて述べてきた。本実施形態においてはインク貯留室２１が３室ある記録ヘッド一体型インクカートリッジについて説明する。

インク貯留室２１を複数個設けることにより、複数色のインク（記録液）２６を充填することが可能となり、いわゆるカラー印字が可能な記録ヘッド一体型インクカートリッジを製造することが可能となる。インク貯留室２１の室数は３色以上にすることも可能である。

まず、記録ヘッドユニット部１０の構成の別形態について説明する。

実施例１と同じく、記録素子基板、支持基板、シート電気配線基板、インク中継部材、多孔質部材で構成され、その製造方法は実施例１と同じである。本実施例においては前記構成部材が３室に対応して仕切られた３つのインク流路、吐出口列を有している
図５はインク貯留室２１を底面から見た外観斜視図である。

インク貯留室２１内部を壁で３室に区切り、３種類のインク（記録液）２６を充填できる構造となっている。仕切られた其々のインク貯留室に対し、３個のインク貯留室底部（不図示）をゴムシール（不図示）を挟んで固定する構造となっている。

インク貯留ユニット部２０の組立て、記録ヘッドユニット部１０との組付けは実施例１、実施例２と同様である。

また、インクジェット記録装置での液面制御方法は３室それぞれを独立させて実施例１、実施例２と同様である。

本発明に係る記録ヘッド一体型インクカートリッジの断面図 本発明に係る記録ヘッド一体型インクカートリッジの分解斜視図 本発明に係る記録ヘッド一体型インクカートリッジ使用終了間際の断面図 本発明に係る別形態の記録ヘッド一体型インクカートリッジの断面図 本発明に係る別形態のインク貯留室の底面から見た外観斜視図 従来例の液体噴射記録ヘッドの分解斜視図

符号の説明

１ 記録素子基板
２ 支持基板
２ａ インク供給口
３ シート電気配線基板
３ａ 外部信号入力端子
４ インク中継部材
４ａ インク供給路
５ 多孔質部材
１０ 記録ヘッドユニット部
２０ インク貯留ユニット部
２１ インク貯留室
２２ インク貯留室底部
２３ ゴムシール部材
２４ 気液分離膜
２５ カバー
２６ インク（記録液）
２７ 電極ピンＡ
２８ 電極ピンＢ
３１ 突き上げピン
５１ 記録ヘッド一体型インクカートリッジ
１００ 記録ユニット部
１１１ 支持基板
１１３ 流路部材（天板）
１１４ 押さえバネ
１１５ 電気配線基板
１１５ａ コンタクト端子
１１６ 中継容器
１１９ ゴムシール
２００ インク容器ユニット
２０１ インク容器
２１５ インク吸収体
２１６ 蓋

Claims (4)

1. インクを吐出するための複数の記録素子が設けられた記録素子基板と、前記記録素子基板に外部から電気的記録信号を与えるためのコンタクト端子配線基板と、前記記録素子基板にインクを供給するためのインク供給通路が形成されるインク中継容器を有する記録ヘッドユニットと、インクを保持するインク容器と、前記インク容器の底部が上下に可変移動できるインク容器底部を有するインク貯留ユニットを有し、前記記録ヘッドユニットとインク貯留ユニットが一体となり、記録装置本体から着脱可能な構造をする構成において、
   該インクヘッドユニットがインク貯留ユニットに対して上方に配置することにより、記録ヘッドに対して水頭差にて負圧を得て、
   使用されたインク液量に応じて該インク貯留ユニットに設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造であることを特徴とする記録ヘッド一体型インクカートリッジ。
2. 該インクヘッドユニットに印加される吐出信号により吐出されるインク量と、該インクヘッドユニットから吸引されるインク量を演算する機能を有し、
   使用されたインク液量に応じて該インク貯留ユニットに設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造であることを特徴とする請求項１に記載された記録ヘッド一体型インクカートリッジ。
3. 該インク貯留ユニットにインク液面上面を検知する機構を有し、インク面上面が一定になるように該インク貯留ユニットに設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造であることを特徴とする請求項１に記載された記録ヘッド一体型インクカートリッジ。
4. 該インク貯留ユニット内が複数のインク貯留室に分離され、個々の貯留室に設けられたインク容器底部を上方に移動させ、該インクヘッドユニットに対する水頭差を一定にする構造であることを特徴とする請求項１に記載された記録ヘッド一体型インクカートリッジ。

Images