JP2008001032A - インクジェットヘッドおよびこれを備えたヘッドユニット - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットヘッドのノズル間のインクの温度を均一にして、印刷された画像に濃度むらが生ずるのを防止する。
【解決手段】 本発明のインクジェットヘッド１３は、基板１４、圧力室２６、ノズル１８、駆動素子２７、熱拡散層１７を具備する。圧力室２６は、基板１４の一の面に形成されるとともに内部にインクを貯留する。ノズル１８は、圧力室２６に連通するように形成される。駆動素子２７は、圧力室２６に設けられるとともに、ノズル１８からインクを吐出させる。熱拡散層１７は、基板１４の一の面とは反対側の他の面に積層される。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェット方式のプリンタに用いられるインクジェットヘッドおよびこれを備えたヘッドユニットに関する。

例えば、対象物にインク滴を吐出することが可能なインクジェットヘッドユニットがある。このインクジェットヘッドユニットは、インクジェットヘッドと、インクジェットヘッドが取り付けられるベースと、インクジェットヘッドとベースとの間でこれらを接着する熱伝導接着剤とを備えている。熱伝導接着剤は、自己硬化性の樹脂により構成されている。

このようなインクジェットヘッドにおいて、長時間の画像形成を行うと、インク吐出用の駆動圧電素子（ＰＺＴ）が高熱になることがある。これは、熱伝導性が悪く内部に熱を蓄積してしまう駆動圧電素子（ＰＺＴ）の性質によるところが大きい。このインクジェットヘッドユニットでは、高熱伝導接着剤で駆動圧電素子の熱を吸収するとともに、この熱をインクジェットヘッド全体に供給することで、ノズル間の温度を均一に保っている。これにより、長時間の印刷動作の後であってもノズル間で温度差を生ずることを防いで、インクの吐出量が均一になるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７４８５８号公報

上記従来のインクジェットヘッドユニットでは、熱伝導接着剤を用いているとはいえ、接着剤自体は樹脂であるため、その熱伝導性は十分ではなく改良の余地があった。

本発明の目的は、インクジェットヘッドのノズル間のインクの温度を均一にして、印刷された画像に濃度むらが生ずるのを防止できるインクジェットヘッドおよびこれを備えたヘッドユニットを提供することにある。

本発明のインクジェットヘッドは、基板と、前記基板の一の面に形成されるとともに内部にインクを貯留可能な圧力室と、前記圧力室に連通するように形成されるノズルと、前記圧力室に設けられるとともに、前記ノズルからインクを吐出させる駆動素子と、前記基板の前記一の面とは反対側の他の面に積層された熱拡散層と、を具備する。

この場合、前記熱拡散層は、銅により形成されることが好ましい。前記熱拡散層は、２μｍ以上の厚さを有するとよい。特に、前記熱拡散層は、１０μｍ以上で、２０μｍ以下の厚さであるとさらによい。この場合、前記熱拡散層は、メッキ法によって形成することが好ましい。

本発明のヘッドユニットは、熱伝導性を有するベースと、前記ベースに固定されるインクジェットヘッドと、を具備し、前記インクジェットヘッドは、基板と、前記基板の一の面に形成されるとともに内部にインクを貯留可能な圧力室と、前記圧力室に連通するように形成されるノズルと、前記圧力室に設けられるとともに、前記ノズルからインクを吐出させる駆動素子と、前記基板の前記一の面とは反対側の他の面に積層された熱拡散層と、を備える。この場合、前記インクジェットヘッドは、前記熱拡散層を介して前記ベースに固定されることが好ましい。

本発明によれば、基板の他の面に熱拡散層を備えるため、インクジェットヘッドのノズル間のインク温度を均一にすることができる。このため、ノズル間でインクの吐出量を均一にすることができ、印刷された画像に濃度むらが生ずることを防止できる。

以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態について説明する。
図１と図２に示すように、ヘッドユニット１１は、ベース１２と、ベース１２に固定されるインクジェットヘッド１３とを備えている。ベース１２は、熱伝導性の良好な例えばアルミニウム合金で構成されているが、これに限定されるものではない。ベース１２の材質は、熱伝導性の良いマグネシウム合金等であってもよい。ベース１２とインクジェットヘッド１３とは、例えば接着で固定されているが、これに限定されるものではなく、機械的手段で固定されていてもよい。インクジェットヘッド１３は、後述する熱拡散層１７を介してベース１２に固定される。

図３から図５に示すように、インクジェットヘッド１３は、いわゆるシェアモードタイプのものであり、インク循環型のヘッドで構成されている。インクジェットヘッド１３は、基板１４と、内部にインク流路１５Ａを作りこんだ天板１５と、基板１４と天板１５とにまたがって接着されたノズルプレート１６と、基板１４に積層された熱拡散層１７などを備えている。ノズルプレート１６は、複数のノズル１８を有している。ノズルプレート１６を基板１４および天板１５に対して接着した状態で、各ノズル１８は、各圧力室２６に連通している。

天板１５は、インク流路１５Ａに接続する供給口２１と、インク流路１５Ａからインクを回収する排出口２２とを備えている。

基板１４は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）製の２枚の圧電部材２３を互いの分極方向を対向させるように張り合わせて形成されている。基板１４は、その一の面である表面１４Ａに溝状に切削形成される複数の圧力室２６と、各圧力室２６の両側部に設けられる駆動素子である支柱２７と、各支柱２７の側面および圧力室２６の底部に形成される電極２８とを有している。また、基板１４上には、複数の電気配線２９が設けられている。各電気配線２９は、その一端で電極２８に接続されるとともに、他端で図示しないヘッド駆動用のＩＣに接続されている。

図４に示すように、基板１４のサイズは、例えば、幅が６０ｍｍで、奥行きが１２ｍｍで構成されている。また、ノズルプレート１６には、例えば３１８個のノズル１８が一列に並んでいる。さらに、図５に示すように、駆動素子である支柱２７の奥行きは、１．５ｍｍで構成されている。

熱拡散層１７は、例えば銅により、１０μｍの厚さで、基板１４の表面１４Ａとは反対側の他の面である裏面１４Ｂ全体に均一に形成されている。もっとも熱拡散層１７は、銅に限定されるものではなく、金、銀、ニッケル、アルミニウム等、熱伝導性の良好な材質であればどのような金属でもよい。また、熱拡散層１７の厚さは、１０μｍに限られず、１０μｍ以上であればどのような厚さでもよい。

ここで、図３を参照して、本実施形態のインクジェットヘッド１３の製造方法について説明する。まず、板状の２枚の圧電部材２３を接着剤で張り合わせて基板１４を形成する。接着された両圧電部材２３は、その分極方向を厚み方向で、互いに対向する方向に向けている。このように形成された基板１４の他の面である裏面１４Ｂに、熱拡散層１７を形成する。熱拡散層１７は、無電解メッキ法により形成される。もっとも、熱拡散層１７の形成方法としては、これに限定されるものではなく、スパッタ法や蒸着法などの乾式の薄膜形成方法であってもよい。

基板１４の一の面である表面１４Ａに対して切削加工を行って、圧力室２６と支柱２７とを形成する。さらに、圧力室２６と支柱２７とが形成された基板１４に無電解メッキ法を施して、支柱２７の側面および圧力室２６の底部に電極２８を形成するとともに、基板１４の表面１４Ａに電気配線２９を形成する。この場合、電極２８および電気配線２９を形成するために、支柱２７の上部およびその延長線上の電気配線側にレジストでパターン形成を行った後、無電解メッキ法でパターンを形成する。そして、基板１４に対して天板１５やノズルプレート１６などを接着して、インクジェットヘッド１３が完成する。

上記構成のインクジェットヘッド１３をプリンタに搭載して、このプリンタで印刷処理を行うには、プリンタのインクタンクからインクジェットヘッド１３にインクを供給する必要がある。インクの供給は、供給口２１を介して行われ、インクタンクから流出したインクは、供給口２１を経由してインク流路１５Ａおよび圧力室２６内に満たされる。インク流路１５Ａおよび圧力室２６内で使用されなかったインクは、排出口２２によってインクタンクに回収される。

また、この状態で、ユーザがプリンタに対して印刷を指示すると、プリンタの制御部は、インクジェットヘッド１３に対して印字信号をドライバＩＣに出力する。印刷信号を受けたドライバＩＣは、電気配線２９を介して駆動パルス電圧を支柱２７に印加する。これにより、左右一対の支柱２７は、シェアモード変形を行って湾曲するように離反する。そして、これらを初期位置に復帰させて圧力室２６のインクを加圧することで、ノズル１８からインク滴が勢い良く吐出される。

ここで、図６から図８を参照して、本実施形態のインクジェットヘッド１３の作用について、熱拡散層１７を持たないインクジェットヘッド３１との比較において説明する。

図６に、熱拡散層１７をもたないノーマルのインクジェットヘッド３１の温度分布を示す。室温は２０℃である。同図では、中央部１３Ａ付近に位置するノズル１８を数百回から数千回連続吐出させた後の状態を示している。同図に示すように、インクジェットヘッド３１において、局所的なインク吐出を繰り返すと、吐出箇所の支柱２７付近の温度が高くなる。これは、支柱２７に対して繰り返しシェアモード変形が加えられると、支柱２７内部に熱が蓄積するためである。この場合、吐出駆動を行ったインクジェットヘッド３１の中央部３１Ａ付近の温度は、２７℃まで上昇し、インクジェットヘッド１３内において最も温度が高くなる。一方、インクジェットヘッド３１の幅方向両端部３１Ｂは、最も温度が低くなっており、室温の２０℃を維持している。

図７に、１０μｍの熱拡散層１７を形成した第１の実施形態のインクジェットヘッド１３の温度分布を示している。図７では、上記熱拡散層１７を有しないインクジェットヘッド１３と同じ室温条件（２０℃）で、中央部１３Ａのノズル１８から同じ回数（数百回から数千回）連続吐出させた後の状態を示している。同図に示すように、第１の実施形態のインクジェットヘッド１３では、吐出駆動によってインクジェットヘッド１３の中央部１３Ａに発生した熱が周囲に拡散されるため、中央部１３Ａ付近の温度が２５℃程度に抑えられる。一方、インクジェットヘッド１３の幅方向両端部１３Ｂの温度は、室温に比して若干上昇し、２０．５℃になる。

図８にこれらの実験結果を示している。図８では、インクジェットヘッド１３、３１、４１、５１のノズル１８に対応する箇所の温度を示している。図８に示すように、熱拡散層１７を有しないノーマルのインクジェットヘッド３１は、吐出駆動を行っている中央部３１Ａ付近の温度が局所的に高くなるとともに、両端部３１Ｂにいくにつれて急激に温度が低下している。ノーマルのインクジェットヘッド３１の最高温度と最低温度の温度差は、７℃になっている。

これに対して、１０μｍの熱拡散層１７を有するインクジェットヘッド１３は、吐出駆動を行った中央部１３Ａの最高温度は、２５℃になっている。インクジェットヘッド１３の温度の曲線は、ノーマルのものに比してフラットな勾配をなしており、中央部１３Ａから周囲に行くにつれて徐々に低下し、両端部１３Ｂにおいて２０．５℃になっている。このため、インクジェットヘッド１３の最高温度と最低温度の温度差は、４．５℃になっている。

一般に、インクの温度が低くなると、インクの粘性は高くなり、インク滴として吐出される液量は減少する。また、インクの温度が高くなると、インクの粘性は低下し、インク滴として吐出される量は増加する。通常、上記ノーマルのインクジェットヘッド３１のようにノズル１８間で７℃の温度差があると、インク滴の吐出量としては約７％の誤差を生ずる。一方、１０μｍの熱拡散層１７を有するインクジェットヘッド１３は、ノズル１８間の温度差が４．５℃となっており、インク滴の吐出量の誤差は、約４．２％まで低減される。このため、ノーマルのインクジェットヘッド３１に比して、本実施形態のインクジェットヘッド１３は、インク滴の吐出量の精度が４０％向上している。また、吐出量の誤差が５％以下になると、印刷された際に、濃度ムラとして検出されることはない。

なお、インクジェットヘッド１３のノズル間に温度差が生じていても、他のノズル１８を印刷駆動すれば、数秒間で他のノズル１８の温度も上昇する。しかし、数秒間であっても、一般的なプリンタであれば、印刷用紙数枚分の印刷が可能であるため、その間に印刷された文字、画像は濃度ムラのあるものになる。このため、本実施形態のインクジェットヘッド１３は、各ノズル１８の初動時に、インク吐出量の精度を向上できる点で特に有効である。

本実施形態によれば、基板１４の他の面に熱拡散層１７を設けているため、熱伝導性が悪く熱を蓄積してしまう性質のある圧電部材（ＰＺＴ）を基板１４に用いる場合であっても、ノズル１８間の温度差を小さくしてインクの吐出量の誤差を小さくすることができる。特に、第１の実施形態では、基板１４に熱拡散層１７を積層することにより、熱拡散層１７と基板１４とが面で接触される。このため、熱拡散層１７は、基板１４の熱を容易に吸収して、この吸収した熱を周囲に拡散できる。

熱拡散層１７は、高熱伝導性を有する銅で形成されるため、より一層効率的に熱を拡散できる。本実施形態によれば、銅の１０μｍの熱拡散層１７によって吐出量の誤差を５％以下に抑えることができ、紙等に印刷した際に濃度ムラとして検出されることがなく、印刷品質を向上できる。熱拡散層１７は、メッキ法により形成されるため、乾式のスパッタ法や蒸着法に比して、短時間かつ低コストに形成できる。ヘッドユニット１１は、上記インクジェットヘッド１３の構造に加え、さらに熱伝導性を有するベース１２を具備するため、熱拡散層１７とあいまって、インクジェットヘッド１３のノズル１８間の温度差をより一層小さく抑えることができる。さらに、インクジェットヘッド１３は、熱拡散層１７を介してベース１２に固定されるため、熱拡散層１７で吸収した熱を効率的にベース１２に伝達できる。

続いて、第２の実施形態のインクジェットヘッド４１について説明する。第２の実施形態のインクジェットヘッド４１は、第１の実施形態のものと、熱拡散層４２の厚さが異なっているが他の部分は共通している。このため、主として第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と共通する部分には、共通の符号を付して説明を省略する。

図９に示すように、第２の実施形態のインクジェットヘッド４１は、基板１４、熱拡散層４２、天板１５、およびノズルプレート１６などを備えている。熱拡散層４２は、銅により、例えば２μｍの厚さで形成されている。熱拡散層４２は、例えば、無電解メッキ法によって、基板１４の他の面である裏面１４Ｂに形成される。もっとも熱拡散層４２の形成方法は、無電解メッキ法に限定されるものではなく、スパッタ法や蒸着法などの乾式の薄膜形成方法であってもよい。また、熱拡散層４２の厚さは、２μｍに限定されるものではなく、２μｍ以上の厚さであればどのような厚さであってもよい。

第２の実施形態のインクジェットヘッド４１の作用について説明する。図９は、第２の実施形態に係るインクジェットヘッド４１の温度分布を示している。同図では、第１の実施形態と同じ室温条件（２０℃）で、および同じ回数（数百回から数千回）のインクを吐出させた後の状態を示している。図９に示すように、吐出駆動を行ったインクジェットヘッド４１の中央部４１Ａは、最も温度が高くなり、２６℃になっている。一方、インクジェットヘッド４１の幅方向両端部４１Ｂは、最も温度が低くなり、２０℃から２０．５℃になっている。

図８に示すように、このインクジェットヘッド４１においては、最高温度と最低温度の温度差が６℃になっており、ノーマルのインクジェットヘッド３１に比して、最低温度と最高温度の温度差が１℃小さな値になっている。６℃の温度差は、インクの吐出量にすると、約６％の誤差となるため、ノーマルのインクジェットヘッド３１の誤差である約７％に比して、第２の実施形態のインクジェットヘッド４１は、インク滴の吐出量の精度が１４％程度向上している。

第２の実施形態によれば、インクジェットヘッド４１の熱拡散層４２を２μｍで構成したとしても、インク滴の吐出量の誤差を低減させるのに効果がある。このため、熱拡散層４２の厚さを所定以上大きくすることが困難な方法、例えばスパッタ法や蒸着法などの乾式の薄膜形成方法を用いて熱拡散層４２を形成する場合には、本実施形態の熱拡散層４２が有効である。これらの方法により、熱拡散層４２を少なくとも２μｍ以上の厚さで形成すれば、吐出量の誤差を低減するのに効果がある。

図１０を参照して、本発明のインクジェットヘッド５１の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態のインクジェットヘッド５１は、第１の実施形態のものと、熱拡散層５２の厚さが異なっているが、他の部分は共通している。このため、主として第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と共通する部分には、共通の符号を付して説明を省略する。

図１０に示すように、第３実施形態のインクジェットヘッド５１は、基板１４、熱拡散層１７、天板１５、およびノズルプレート１６などを備えている。熱拡散層５２は、銅により、２０μｍの厚さで形成されている。熱拡散層５２は、例えば、無電解メッキ法によって、基板１４の裏面１４Ｂに積層されている。最も、熱拡散層５２の厚さは、２０μｍに限定されるものではなく、１０μｍ以上で、２０μｍ以下であればどのような値でもよい。

第３の実施形態のインクジェットヘッド５１の作用について説明する。図１０では、中央部５１Ａ周辺の支柱２７を駆動して、ノズル１８から数百回から数千回インクを吐出した後の状態を示している。図１０に示すように、吐出駆動を行ったインクジェットヘッド５１の中央部５１Ａは、最も温度が高くなり、２５℃になっている。一方、インクジェットヘッド５１の幅方向両端部５１Ｂは、最も温度が低くなり、２０．５℃となっている。図８に示すように、第３の実施形態のインクジェットヘッド５１は、最高温度と最低温度の差は、４．５℃となっている。また、中心部５１Ａから２０ｍｍ離れた箇所においては、１０μｍの熱拡散層１７に比して、若干温度が上昇しており、２１℃になっている。このため、本実施形態のインクジェットヘッド５１は、第１の実施形態のインクジェットヘッド１３に比して、温度の分布が若干フラットになっている。

以上により、ノーマルのインクジェットヘッド３１の吐出量の誤差約７％に対して、第３の実施形態のインクジェットヘッド５１の吐出量の誤差は、約４．２％まで低減される。なお、第３の実施形態のインクジェットヘッド５１では、第１の実施形態のインクジェットヘッド１３の熱拡散層１７の厚さ１０μｍに比して、熱拡散層５２の厚さが２０μｍになっているが、熱拡散性の効果においては、第１の実施形態のインクジェットヘッド１３との間に格別な効果の差がみられない結果となった。

第３の実施形態によれば、熱拡散層５２によってノズル１８間の温度差を低減することができ、印刷品質を向上することができる。また、熱拡散層５２は、第１の実施形態の１０μｍの熱拡散層１７に対して、格別有意な効果の差が見られなかったことから、２０μｍ以上の厚さで熱拡散層５２を設けても、製造コストに見合った効果は得られないことが予想される。このため、熱拡散層１７、５２の厚さは、１０μｍ以上で、２０μｍ以下にすることが好ましい。さらに好ましくは、熱拡散層１７、５２をメッキ法により１０μｍの厚さで形成し、製造時間短縮と製造コスト削減とを図るとよい。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。このほか、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

第１の実施形態に係るヘッドユニットを示す斜視図。 図１に示すヘッドユニットを分解して示す斜視図。 図１に示すヘッドユニットのインクジェットヘッドを示す分解斜視図。 図３に示されるインクジェットヘッドを示す斜視図。 図４に示されるインクジェットヘッドを縦方向に切断して示す断面図。 熱拡散層を有しないノーマルのインクジェットヘッドの温度分布を示す斜視図。 図４に示されるインクジェットヘッドの温度分布を示す斜視図。 各実施形態のインクジェットヘッドの温度分布を示すグラフ。 第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの温度分布を示す斜視図。 第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの温度分布を示す斜視図。

符号の説明

１１…ヘッドユニット、１２…ベース、１３、３１、４１、５１…インクジェットヘッド、１４…基板、１４Ａ…表面、１４Ｂ…裏面、１７、４２、５２…熱拡散層、１８…ノズル、２６…圧力室、２７…支柱

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板の一の面に形成されるとともに内部にインクを貯留する圧力室と、
   前記圧力室に連通するように形成されるノズルと、
   前記圧力室に設けられるとともに、前記ノズルからインクを吐出させる駆動素子と、
   前記基板の前記一の面とは反対側の他の面に積層された熱拡散層と、
   を具備することを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記熱拡散層は、銅により形成され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. 前記熱拡散層は、２μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記熱拡散層は、１０μｍ以上で、２０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記熱拡散層は、メッキ法により形成されることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。
6. 熱伝導性を有するベースと、
   前記ベースに固定されるインクジェットヘッドと、
   を具備し、
   前記インクジェットヘッドは、
   基板と、
   前記基板の一の面に形成されるとともに内部にインクを貯留する圧力室と、
   前記圧力室に連通するように形成されるノズルと、
   前記圧力室に設けられるとともに、前記ノズルからインクを吐出させる駆動素子と、
   前記基板の前記一の面とは反対側の他の面に積層された熱拡散層と、
   を備えることを特徴とするヘッドユニット。
7. 前記インクジェットヘッドは、前記熱拡散層を介して前記ベースに固定されることを特徴とする請求項６に記載のヘッドユニット。

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