JP2007125807A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】共通インク室におけるインクの流れの最下流側に滞留する気泡を、効率よく除去する。
【解決手段】記録用のノズル列におけるノズル４の並び方向の実質的に延長線上であって、インク供給源から供給されたインクを各ノズル４に分配するためにノズル列に沿って長く形成された共通インク室７におけるインクの流れ方向の最下流側に対応する部位には、気泡排出用の排気口５が少なくとも２個設けられ、少なくとも２個の排気口５は、同一の排気用流通路７３を介して共通インク室７における最下流側の部位に接続され、排気口５の１個当たりの開口面積は、前記各ノズル４の開口面積と実質上同等またはそれ以下に形成され、２個以上の排気口を含む排気用流通路の流路抵抗は、ノズルを含むインク流通路の流路抵抗よりも低くされている。
【選択図】図４

Description

本発明は、共通インク室に供給されたインクを分配してノズルから吐出するように構成されたインクジェットヘッドに関するものである。

先行技術のインクジェットヘッドとしては、例えば、特許文献１等に記載されている圧電式インクジェットヘッドのように、列状に配置された複数個のノズル及び各ノズル毎の圧力室を備えたキャビティユニットに対し、全圧力室を覆って弾性板を装着し、その弾性板に各圧力室毎に圧電素子を対応させた構造が知られている。

前記キャビティユニットには、インク供給源から供給されたインクが、キャビティユニットの内部にノズルの列方向に沿って長く設けられた共通インク室に一旦溜められて、キャビティユニットの背面側に設けられた各圧力室に分配された後に、キャビティユニットの前面側に設けられたノズルに至るようになっている。そして、このようなインクの流路を、微小部品であるキャビティユニットにおいて実現するために、大小の貫通孔や凹部がそれぞれに設けられた複数枚のプレートを、平板面同士が対向するようにして積層することでキャビティユニットが形成されている。

特許文献１のキャビティユニットは、インク供給源からのインクをキャビティユニットに供給する入口としてインク供給口が背面側に向かって開口するように形成されており、このインク供給口は共通インク室の長手方向の一方端部に接続されている。そのため、共通インク室に流入したインクは、共通インク室の長手方向の一方端部から他方端部へプレートの面方向に沿って流れながらプレートの積層方向に平行に形成された孔部をへて圧力室に分配されていく。すなわち、インクは、共通インク室における流れ方向から、向きを直角に変えて圧力室に流れ込むから、共通インク室の最下流側となる他方端部には、インクが澱み、インク中に混入した気泡が集まって溜まり易く、メンテナンス時に、インク中の気泡をインクとともに強制的に排出するパージ処理を行っても、前記共通インク室における他方端部に溜まった気泡は除去し難いという問題があった。

そのため、前記特許文献１では、前記孔部（特許文献１では流路制限孔）の配置を工夫して、気泡を排出し易いインクの流れを共通インク室に生じさせている。具体的には、前記孔部のうち画像記録用のノズルに連通する孔部を、共通インク室の長手方向に沿う一方の壁面に沿って列状に並べるとともに、前記孔部のうち排気用のノズル（排気口と記載する）に連通する孔部を排気用孔部として複数個（図では３個）、共通インク室の長手方向の最下流側において当該共通インク室の幅方向に沿って並べている。前記排気口は、排気用孔部の配置と対応して、画像記録用のノズル列の端部にてこのノズル列に直交する向きに沿って並ぶように配置されている。この構造では、排気口及びノズルから強制的にインクを吐出させるパージ処理を行ったときに、共通インク室の最下流側端部においてその幅いっぱいにインクの流れが生じ、気泡が停滞せずに、排気用孔部を介して排気口から速やかに排出される。
特許第３１９６８００号公報（図３及び図４参照）

特許文献１のように、ノズルが開口する面に排気口を有する構造において、排気口からの気泡の排出効率を向上させることが望まれる。排気口は、気泡の排出性を向上させるために、画像記録用のノズルよりも流路抵抗を低くする必要があるが、そのためには、排気口の数を増やすか、排気口の開口面積を画像記録用のノズルの開口面積よりも大きくすることが考えられる。

しかしながら、近年のインクジェットヘッドでは全体の小型化や記録の高密度化に伴い、インクジェットヘッド全体の平面積は小さくなるのに対して、ノズル数やノズルの列数は増加しているため、画像記録用のノズルの列間が狭くなる傾向にある。前述の特許文献１では、排気用孔部及び排気口を共通インク室の幅方向に沿って複数個並べているが、この配置はノズルの列間が狭くなるとスペース的に限界があり、排気用孔部及び排気口の数を増加させるのが困難であった。

一方、排気口を画像記録用のノズルよりも開口面積が大きくなるようにすると、排気口だけメニスカス耐圧が低くなるから、インクジェットヘッド内のインクに公知のように背圧（負圧）が作用していて、さらにインクの圧力変動等があると、容易にメニスカスが破壊し、排気口から外気が共通インク室に進入し、共通インク室にできた気泡塊が、記録用ノズルに連通する孔部（流路制限孔）を閉塞し、インク吐出不良を発生するという問題を招来する。

本発明は、上記問題を解決するものであり、共通インク室におけるインクの流れの最下流側に滞留する気泡を、効率よく除去することのできるインクジェットヘッドを実現することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明におけるインクジェットヘッドは、記録用の複数のノズルが列状に配置されたノズル列と、インク供給源から供給されたインクを前記各ノズルに分配するために前記ノズル列に沿って長く形成された共通インク室と、前記ノズルと前記共通インク室とを接続するインク流通路とを有するキャビティユニットを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記ノズル列におけるノズルの並び方向の実質的に延長線上であって、前記共通インク室におけるインクの流れ方向の最下流側に対応する部位には、気泡排出用の排気口が少なくとも２個設けられ、前記少なくとも２個の排気口は、同一の排気用流通路を介して前記共通インク室における最下流側の部位に接続され、前記排気口の１個当たりの開口面積は、前記各ノズルの開口面積と実質上同等またはそれ以下に形成され、前記２個以上の排気口を含む前記排気用流通路の流路抵抗は、前記ノズルを含む前記インク流通路の流路抵抗よりも低くされていることを特徴とするものである。

また、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、前記キャビティユニットは複数のプレートを積層して形成され、前記ノズル及び前記排気口は同一のプレートに穿設されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記排気用流通路は、前記インク流通路と実質上同じ形状となるように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、気泡排出用の排気口は、記録用のノズル列におけるノズルの並び方向の実質的に延長線上に配置されているから、ノズルの配置が高密度化し、ノズルの列間が狭くなっても、気泡排出用の排気口を問題なく配置することができる。

また、気泡排出用の排気口の１個当たりの開口面積は、各ノズルの開口面積と実質上同等またはそれ以下であるから、排気口のメニスカス耐圧はノズルのメニスカス耐圧と同等またはそれ以上となり、インクに作用する背圧にさらに圧力変動が加わっても、排気口から外気が進入する虞がなく、高い信頼性を得ることができる。

また、排気口が少なくとも２個接続されている排気用流通路は、ノズルが１個接続されるだけのインク流通路に比べて、流路抵抗を小さくしてあるから、パージ処理等でインクを強制的に吸引または加圧した際に、共通インク室の最下流側へ向け大きな量のインクの流れが生じ、共通インク室の最下流側端部に停滞していた気泡を効率的に排出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、排気口とノズルが同一のプレートに穿設されているので、排気口とノズルを、同じ工程、同じ加工方法で形成でき、排気口をノズルの並び方向の延長線上に配置したり、排気口をノズルと同等の開口面積にしたりすることが、容易に加工できる。

請求項３に記載の発明によれば、排気用流通路は、前記インク流通路と実質上同じ形状、換言すれば、インクの流れに直角な方向の断面積及び流通路の長さを同じにしているから、インク流通路として多数形成したうちの１つを排気用流通路として転用でき、排気用流通路の形成のために特別な加工を付加する必要がない。

以下、本発明の基本的な実施形態について、図１から図６に基づいて説明する。

図１は、実施形態として本発明が適用された圧電式のインクジェットヘッド１００におけるキャビティユニット１と圧電アクチュエータ２の斜視図であり、金属板製の複数枚のプレートを備えるキャビティユニット１にプレート型の圧電アクチュエータ２が接合され、このプレート型の圧電アクチュエータ２の上面に外部機器との接続のためのフレキシブルフラットケーブル３が重ね接合されている。そして、キャビティユニット１の下面側に開口されたノズル４から、下向きにインクが吐出するものとする（図３参照）。

前記キャビティユニット１は、図２に示すように、ノズルプレート１１、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、及びキャビティプレート１７の合計８枚の薄い平板を、その各平板面が対向するように接着剤を介して積層し、重ね接合した構造となっている。

実施形態では、各プレート１１〜１７は４０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１７は４２％ニッケル合金鋼板製である。前記ノズルプレート１１には、微小径（２５μｍ程度）の記録用のノズル４が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル４は、当該ノズルプレート１１における長辺方向（Ｘ方向）に沿って５列に配列されている。

各ノズル列では、ノズルの並び方向の延長線上であって、後述する共通インク室７におけるインクの流れ方向の最下流側に対応する部位に、気泡排出用の排気口５が、各列に２個ずつ設けられている。この実施形態では、ノズル４と排気口５とは、ノズルプレート１１に対してレーザ加工により穿設されており、いずれも平面視円形で同じ直径（同じ開口面積）に形成されている。また、図６に示すように、１つのノズル列に配置された２個の排気口５は、ノズルの並び方向の実質、延長線上にあって、その延長線と平行に並んであるいは延長線と交差する方向に並んで配置され、排気口５の開口の中心同士を結ぶ線の中点が、ノズル列のノズル４のピッチと同じピッチに配置されるようになっている。

なお、排気口５の数は、２個以上あればよく、後述する１つの排気用流通路７３に接続できれば任意の数を設定できる。また、その配置も、実質上延長線上に配置されていればよく、例えば、３つの排気口５を配置する場合には、３つが全て延長線上に配置される形態だけでなく、３つの排気口５を三角形に配置しその三角形の中心が前記延長線上に配置される形態でもよい。

ノズル４及び排気口５は、図４，５に示すように、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６に穿設されている貫通路３８を介して、キャビティプレート１７の圧力室３６に接続されている。

キャビティプレート１７には、図２に示すように、複数の圧力室３６がキャビティプレート１７の長辺（Ｘ方向）と平行な５列に配列されている。各圧力室３６は、平面視細長形状でその長手方向がキャビティプレート１７の短辺方向（Ｙ方向）に沿うようにしてキャビティプレート１７の板厚を貫通して穿設されている。各圧力室３６の長手方向の一端３６ａは、図４に示すように、後述する連通孔３７及び接続流路４０を介して共通インク室７と連通している。各圧力室３６の長手方向の他端３６ｂには前記貫通路３８が接続されている。

キャビティプレート１７の下面に隣接するベースプレート１６には、各圧力室３６の一端３６ａに接続する連通孔３７が穿設されている。

ベースプレート１６の下面に隣接するサプライプレート１５には、共通インク室７から前記各圧力室３６へインクを供給するための接続流路４０が設けられる。各接続流路４０には、図３に示すように、共通インク室７からインクが入る入口孔４０ａと、連通孔３７と対向するように開口する出口孔４０ｂと、入口孔４０ａと出口孔４０ｂとの間にあって、接続流路４０中で最も大きな流路抵抗となるように断面積を小さくして形成された絞り部とが備えられている。この絞り部は、ノズル４からインクを吐出させるために、圧力室３６が吐出圧力を受けたときに、共通インク室７側へのインクの後退を防止し、効率よくインクをノズル４側に前進させるために設けたものである。

２枚のマニホールドプレート１４ａ，１４ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い５つの共通インク室７が前記ノズル４の各列に沿って延びるように板厚を貫通して形成されている。すなわち、図２、図３及び図５に示すように、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂを積層し、かつその上面をサプライプレート１５にて覆い、下面をダンパープレート１３にて覆うことにより、合計５つの共通インク室（マニホールド室）７が形成される。各共通インク室７は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記圧力室３６の一部と重なって圧力室３６の列方向（ノズル４の列方向）に沿って長く延びている。

図２、図３及び図５に示すように、マニホールドプレート１４ａの下面に隣接するダンパープレート１３の下面側には、共通インク室７と隔絶されたダンパー室４１が凹み形成されている。この各ダンパー室４１の位置および形状は、図２に示すように、前記各共通インク室７と一致させている。このダンパープレート１３は、適宜弾性変形し得る金属素材であるため、ダンパー室４１上部の薄い板状の天井部は、共通インク室７側にも、ダンパー室４１側にも自由に振動することができる。インク吐出時に、圧力室３６で発生した圧力変動が共通インク室７に伝播しても、前記天井部が弾性変形して振動することにより、前記圧力変動を吸収減衰させるというダンパー効果を奏し、圧力変動が他の圧力室３６へ伝播するというクロストークを抑制する。

また、図２に示すように、キャビティプレート１７の一方の短辺側の端部には、キャビティユニット１へのインクの入口として４つのインク供給口４２が穿設され、これら４つのインク供給口４２と上下の位置を対応させて、ベースプレート１６とサプライプレート１５とにそれぞれ４つの接続口４３が穿設されており、インク供給源からのインクが、インク供給口４２及び接続口４３を介して、図５に示すように、共通インク室７の長手方向の一方端部７１に接続される。４つのインク供給口４２には、それぞれの開口に対応する濾過部２０ａを有するフィルタ体２０が接着剤等で貼着されている。

この実施形態では、インク供給口４２及び接続口４３がそれぞれ４つ設けられているのに対して、共通インク室７が５つ設けられており、図２における左端に位置するインク供給口４２だけが、２つの共通インク室７，７にインクを供給するように構成されている。このインク供給口４２には、ブラックインクが供給されるように設定されており、ブラックインクがその他のカラーインクに比べて使用頻度が高いことを考慮したものである。他のインク供給口４２には、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクがそれぞれ単独に供給される。

前述したように、インク供給口４２は、共通インク室７の長手方向の一方端部７１に接続されているから、共通インク室７では、長手方向の一方端部７１から他方端部７２に向かうインクの流れ（図５及び図６における矢印Ａを参照）が生じ、他方端部７２が最下流側となる。共通インク室７からノズル４までは、前述した接続流路４０、連通孔３７、圧力室３６及び貫通路３８で構成されたインク流通路で接続されており、共通インク室７からインク流通路にインクが分配されるインクの流れ（図３及び図５における矢印Ｂを参照）を生じる。

ノズル４は、図２に示すように、共通インク室７の長手方向に沿う列状に形成されているため、前記インク流通路もノズル４の位置に対応した列状に形成されており、各列において、インク供給口４２から遠い側（以降、末端と記載する）に位置するインク流通路、すなわち、共通インク室７の最下流側の部位に対応する１つのまたは複数（全部ではない一部）のインク流通路が、図４，５に示すように、前記排気口５に接続する排気用流通路７３として使用される。そして、インク流通路の各列の末端に位置する排気用流通路７３に、ノズル列の末端に２つずつ設けられた排気口５が接続されている。このように、排気用流通路７３は、記録用に設けたインク流通路の１つを転用しているので、排気用流通路７３とインク流通路とは、同じピッチで並び、インクの流れに直角な方向の断面積と流路の長さとが同じ、すなわち同じ形状になっている。

一方、前記圧電アクチュエータ２には、特開平４−３４１８５３号公報等に開示された公知のものと同様に、全ての圧力室３６にわたる大きさを有する扁平形状で且つその扁平な方向と直交する方向に積層される複数のセラミックス層と、この複数のセラミックス層の扁平な方向の面上に配置される複数の電極層とが備えられている。ここでは、セラミックス粉末、バインダ、溶剤を混合したものを１枚の厚さが３０μｍ程度になるように扁平に成形した圧電セラミックス素材のシート（グリーンシート）の複数枚のうち適数枚のシート面に導電性ペーストで電極層を印刷法等によって形成し、その複数枚のグリーンシートを積層して焼成することで、圧電アクチュエータ２を形成している。これにより、各グリーンシートは、焼結体のセラミックス層となる。

電極層としては、圧力室２４毎に形成される個別電極４６の電極層と、複数の圧力室２４に跨って形成されるコモン電極の電極層とがセラミックス層の積層方向に対をなす駆動用電極の層と、最上面に配置されフレキシブルフラットケーブル３と電気的に接続される表面電極４８の層（図１参照）とが設けられている。このように電極層が設けられた圧電アクチュエータ２では、公知のように個別電極とコモン電極との間に高電圧を印加することで、両電極に挟まれたセラミックス層の部分が分極され、活性部として形成される。

なお、前述した排気口５はインク吐出に用いないため、排気口５に対応する個別電極４６は省略している（図４，５参照）が、排気口５に対応する個別電極４６を設けて、駆動信号を印加しないように構成してもよい。

このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２における下面（圧力室３６と対面する広幅面）全体に、接着剤としてのインク非浸透性の合成樹脂材からなる接着剤シート（図示せず）を予め貼着し、次いで、前記キャビティユニット１に対して、圧電アクチュエータ２が、その各個別電極を前記キャビティユニット１における各圧力室３６の各々に対応させて接着・固定される。また、この圧電アクチュエータ２における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル３（図３参照）が接合されることにより、このフレキシブルフラットケーブル３における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極４８に電気的に接合される。

上記構成のインクジェットヘッド１００では、共通インク室７に流入したインクは、一方端部７１から他方端部７３へインクが流れ（矢印Ａ方向）ながら、接続流路４０の入口孔側に流れの向き（矢印Ｂ方向）を直角に変えて、各インク流通路に分配され、ノズル４に供給される。共通インク室７の他方端部７２では、インクの流れが生じない止水域が発生し、気泡が滞留し易くなるが、前述したように、止水域に相当する他方端部７２には、排気口５に連通する排気用流通路７３が接続されている。

メンテナンス時のパージ処理として、図４に示すように、キャップ体８０でノズル４の開口面（ノズルプレート１１の前面側）を覆って、インクをノズル４側から吸引する（インク供給口４２側から加圧してもよい）と、インクがノズル４から強制的に排出され、このインクに伴って固化したインクやインク中の気泡が排出される。このとき、前記排気用流通路７３が共通インク室７の止水域に停滞する気泡に近接あるいは接触するようにして開口しているため、前記パージ処理の際に速やかに積極的に共通インク室７の止水域の気泡を排出することができる。

特に、排気用流通路７３は、インク流通路と同じ形状でありながら、１個当たりの開口面積がノズル４と同じである排気口５が２つ連通しているから、インク流通路よりも流路抵抗が低くなっている。従って、パージ処理にて吸引する際に、排気用流通路７３の方が他のインク流通路よりも排出性が高く、共通インク室の最下流側へ向け大きな量のインクの流れが生じ、共通インク室の最下流側端部に停滞していた気泡を速やかに排出することができるのである。

また、排気用流通路７３は、排気専用であってインクの吐出には用いないから、排気用流通路７３における接続流路４０の入口孔４０ａの配置では、気泡の除去のみを考慮して決定することができる。すなわち、インクの吐出性能等を全く考慮する必要がないので、前記入口孔４０ａの位置は、共通インク室７の他方端部７２における壁面に近接してもよく、インクが澱み易い形状に確実に連通するように設定することができる。

また、複数の排気口５は、ノズル列の実質的な延長線上に配置されているから、インクジェットヘッド１００全体の小型化に伴い、隣接するノズル列間が狭くなっても、排気口５の設置が不可能になる心配がない。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 図３のＶ−Ｖ線矢視断面図である。 排気口及びノズルに至る流通路の位置関係を説明する平面図である。

符号の説明

１ キャビティユニット
２ 圧電アクチュエータ
３ フレキシブルフラットケーブル
４ ノズル
５ 排気口
７ 共通インク室
３６ 圧力室
３７ 連通孔
３８ 貫通路
４０ 接続流路
４１ ダンパー室
４２ インク供給口
７３ 排気用流通路
１００ インクジェットヘッド

Claims (3)

1. 記録用の複数のノズルが列状に配置されたノズル列と、インク供給源から供給されたインクを前記各ノズルに分配するために前記ノズル列に沿って長く形成された共通インク室と、前記ノズルと前記共通インク室とを接続するインク流通路とを有するキャビティユニットを備えたインクジェットヘッドにおいて、
   前記ノズル列におけるノズルの並び方向の実質的に延長線上であって、前記共通インク室におけるインクの流れ方向の最下流側に対応する部位には、気泡排出用の排気口が少なくとも２個設けられ、
   前記少なくとも２個の排気口は、同一の排気用流通路を介して前記共通インク室における最下流側の部位に接続され、
   前記排気口の１個当たりの開口面積は、前記各ノズルの開口面積と実質上同等またはそれ以下に形成され、前記２個以上の排気口を含む前記排気用流通路の流路抵抗は、前記ノズルを含む前記インク流通路の流路抵抗よりも低くされていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記キャビティユニットは複数のプレートを積層して形成され、前記ノズル及び前記排気口は同一のプレートに穿設されていることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記排気用流通路は、前記インク流通路と実質上同じ形状となるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。

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