JP2010143171A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットヘッドにおいて、インクの吐出効率を低下させることなく、気泡を除去する効果を高めること。
【解決手段】インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートの一面と接合されノズルのそれぞれに連通する複数の開口部を有する板状部材と、開口部に各々連通するとともに一端からインクが供給され他端からインクが排出される複数の圧力室と、圧力室の容積を可変させて圧力室内のインクを加圧する圧力発生手段とを有し、圧力室の一面が板状部材の一面で構成されたインクジェットヘッドにおいて、開口部は圧力室と接する開口面積がノズルプレートと接する開口面積より大きく、かつ開口部の圧力室の長手方向の断面におけるテーパー角が開口部の圧力室の配列方向の断面におけるテーパー角より大きくした。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクをノズルから吐出して画像を形成するインクジェットヘッドに関するものである。

特許文献１には、圧力室の一端からインクが供給され、圧力室の他端からインクが排出され、圧力室の中央部にインクを吐出するノズルが設けられた圧電式のインクジェットヘッドが開示されている。この構成では、インクが圧力室の一端から供給され他端から排出されるため、そのインクの流れが気泡を除去しやすい。

また、特許文献１には、圧力室が形成された本体とノズルプレートの間に開口部を有する部材を介した構造が開示されている。この部材の開口部はテーパー状に形成され得るが、開口部上に装着されるノズルプレート内でテーパー形状を形成することが望ましいことが記載されている。

特許文献２には、ヘッド本体に接着されるノズルプレートの接着面側に傾斜形状（テーパー形状）の凹部を形成し、凹部の底面にノズルが形成されたノズルプレートが開示されている。その凹部はヘッド本体のインク流路に連通するようにノズルプレートとヘッド本体は接着され、インクは凹部からノズルを通して吐出される。そのインク流路とノズルプレートの凹部との間に段差を設けることで、ノズルプレート接着時にはみ出した接着剤がノズルプレートの凹部を塞ぐ不良を防止することが開示されている。
特表２０００−５１２２３３ 特開２００４−１８８６８７

特許文献１に開示されているインクジェットヘッドは、圧力室の一端から他端へのインクの流れが気泡を除去する効果が不十分なため、気泡によるインク不吐出を十分に解消できない、あるいはノズルの流体抵抗が大きいためインクの吐出効率が低下し、高い駆動電圧を必要とする課題がある。この課題を図１１及び図１２を用いて説明する。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、各々特許文献１に開示されているインクジェットヘッドの圧力室の長手方向の断面図及び圧力室の配列方向の断面図を示している。圧力室９の上面には開口部５を有する補強部材７が接着され、さらに補強部材7の上面には開口部５に対応する位置にノズル４が形成されたノズルプレート６が接着されている。インク１が圧力室９の一端から供給され（図１１（ａ）では左端部から供給）、圧力室９の他端から排出されると（図１１（ａ）右端部へ排出）、圧力室９内部のインクには符号２に示す定常的なインクの流れが発生する。開口部５は圧力室９に対して直交しかつノズル4より内径が大きい円筒形状に加工されている。開口部５の内壁が圧力室に対して直交しまたその内径もノズル４より少し大きい程度であるため、図１１（ａ）に示すように、開口部５の内部にはインクの流れ２が及ばない。気泡３が開口部５の内部にある場合、開口部５内ではインクの流れ２がないため、気泡３はインクの流れ2に沿って開口部５から圧力室の他端に向かって移動することが殆どない。そのため、気泡３の除去する効果が不十分な課題がある。

また、特許文献２には、開口部５の内面が傾斜形状（テーパー形状）に加工されたインクジェットヘッドが開示されている。その圧力室9の長手方向及び配列方向の断面図を各々図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示す。この場合、開口部５にはインクの流れ２が及ぶため、気泡3を圧力室の多端へ移動させ除去する効果はある。しかし、図１２（ｂ）に示すように、開口部５の側面にテーパーがあるためノズル４の圧力室９側の開口径の寸法が制約され、ノズル４に十分なテーパー角をつけることができない。この結果、ノズル４の流体抵抗が大きくなり、インクの吐出効率が低下する。そのため、インクの吐出に高い駆動電圧を必要とする課題がある。

本発明は、圧力室の一端からインクが供給され、圧力室の他端からインクが排出され、圧力室の長手方向の一部にインクを吐出するノズルが設けられたインクジェットヘッドにおいて、インクの吐出効率を低下させることなく、気泡を除去する効果を高めることを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートの一面と接合されノズルのそれぞれに連通する複数の開口部を有する板状部材と、開口部に各々連通するとともに一端からインクが供給され他端からインクが排出される複数の圧力室と、圧力室の容積を可変させて圧力室内のインクを加圧する圧力発生手段とを有し、圧力室の一面が板状部材の一面で構成されたインクジェットヘッドにおいて、開口部は圧力室と接する開口面積がノズルプレートと接する開口面積より大きく、かつ開口部の圧力室の長手方向の断面におけるテーパー角が開口部の圧力室の配列方向の断面におけるテーパー角より大きいことを特徴としたインクジェットヘッドとした。

本発明では、インク吐出用の圧力を発生させる圧力室とインクを吐出するノズル間に、圧力室とノズルを連通させる開口部を備えたインクジェットヘッドにおいて、圧力室の長手方向における開口部のテーパー角を圧力室の配列方向における開口部のテーパー角より大きくした。この構成により、開口部の内部にインクの流れが発生し、開口部５の内部にある気泡を開口部５からインク排出側へ搬送除去する効果を有し、かつノズルの圧力室側における開口径の寸法上の制約を回避した。また、この構成では、インクの吐出効率を低下させることなく、気泡を除去する効果を高めることができた。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施形態のインクジェットヘッドの構成について説明する。図１はインクジェットヘッド１１の縦断面図である。図２はインクジェットヘッド１１の図１のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ横断面図である。図３はノズル４及び開口部５の縦断面図である。図４と図５はノズル４および開口部５が形成されたノズルプレート６と補強部材７の斜視図である。図６はインクジェットヘッド１１の平面図である。ただし、図６ではノズルプレート６、補強部材７、フレキシブルケーブル１７、接着剤１８を省略している。

インクジェットヘッド１１は、圧電部材１５、基板１２、ノズルプレート６、補強部材７、枠部材１６で構成されている。基板１２、圧電部材１５と補強部材７で囲まれた図１の中央部の空間はインク供給路２２を形成している。インク供給路２２を通して圧力室９へインクが供給される。基板１２、圧電部材１５、枠部材１６と補強部材７で囲まれた空間はインク排出路２３を形成している。複数の圧力室９から排出されたインクはインク排出路２３を通ってインクジェットヘッド１１外部へ排出される。図１では、圧力室９が２列構成となっており、２列の中間部にはインク供給路２２が、２列の外側には２つのインク排出路２３が形成されている。なお、図１の構成に代えて、基板１２、圧電部材１５と補強部材７で囲まれた空間をインク排出路２３とし、基板１２、圧電部材１５、枠部材１６と補強部材７で囲まれた空間をインク供給路２２とすることも可能である。

基板１２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを用いることが可能である。圧電部材１５の膨張係数との差異と誘電率を考慮して、基板１２として低誘電率のＰＺＴを用いている。圧電部材１５は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などである。この実施形態では、圧電定数の高いＰＺＴを用いている。

基板１２には、圧電部材１５上に形成された電極２１とフレキシブルケーブル１７とを電気的に接続する配線電極２０が形成されている。また、基板１２にはインク供給路２２に連通するインク供給口１３とインク排出路２３に連通するインク排出口１４が形成されている。

基板１２の上には圧電部材１５が接合されている。圧電部材１５は板厚方向に沿って互いに方向が反対向きに分極４０、４１された圧電部材１５ａと圧電部材１５ｂを積層することにより形成されている。圧電部材１５にはインク供給路２２からインク排出路２３へ繋がる複数の長溝が並列に形成され、その各長溝の内面には電極２１が形成されている。長溝と、圧電部材１５上に設けられた長溝を覆う補強部材７の一面で囲まれた空間が圧力室９となる。電極２１は配線電極２０、フレキシブルケーブル１７を通してインクジェットヘッド駆動回路５０に接続されている。長溝部にインクが流入してインクの圧力室９を形成する。隣接する圧力室９の間の圧電部材１５は各圧力室９に設けられた電極２１によって挟まれ、アクチュエータ１９を形成している。インクジェットヘッド駆動回路５０にて生成した駆動信号をフレキシブルケーブル１７、配線電極２０と電極２１を介してアクチュエータ１９に印加することにより、アクチュエータ１９は圧電部材１５ａと圧電部材１５ｂの接合部を頂部として「く」の字型にせん断変形する。このアクチュエータ１９の変形によって、圧力室９の容積は変化し、インクを加圧する。

電極２１はニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２層構造になっている。電極２１を長溝内に均一に成膜するために、メッキ法によって形成した。電極２１の形成方法として、メッキ法以外にスパッタ法、蒸着法を用いることも可能である。圧力室９は深さ３００μｍ幅８０μｍの形状で、１６９μｍのピッチで平行に配列されている。

なお、圧力室９内をインクが流れる方向を長手方向と呼び、長溝により形成される圧力室９に直交し圧力室９が並ぶ方向を配列方向と呼んでいる。

圧電部材１５の上には補強部材７とノズルプレート６が接着されている。ノズルプレート６にはノズル４が圧力室９の長手方向において中央部に形成され、補強部材７には各々の圧力室９とノズル４を流体的に連通する開口部５が形成されている。

補強部材７は高剛性のニッケル板を用いている。補強部材７を高い剛性の材質で形成することにより、アクチュエータ１９は堅固に支持されるので、アクチュエータ１９は十分にインクを加圧することができる。すなわち、補強部材７はアクチュエータ１９による圧力の発生効率を高め、インクを吐出するのに必要な駆動電圧を低くする作用がある。補強部材の材質はニッケルなどの金属の他、単結晶シリコンやセラミック等であっても良い。補強部材７はエレクトロフォーミングやプレス加工、モールド成型、エッチングなどの周知の加工技術により形成できる。

補強部材７と圧電部材１５との接着面には電極２１の短絡を防止する絶縁層が形成されている。絶縁層は、例えばシリコン酸化膜を成膜するか、あるいは単に補強部材７と圧電部材１５との間の接着層の厚みを所定値以上にしても良い。

補強部材７に形成される開口部５の構成について説明する。図２Ａ−Ａ断面すなわち圧力室９の配列方向での断面および図３すなわち圧力室９の長手方向での断面で示すように、開口部５の断面形状が圧力室９の長手方向と配列方向では異なっている。開口部５は圧力室９に面する側の面積がノズルプレートに面する側の面積より大きくなるように開口部５の側面が圧力室９に対して傾斜（テーパー形状）して形成されている。圧力室配列方向での開口部５側面の圧力室９に対する傾斜角をθ１とし、圧力室の長手方向での開口部５側面の圧力室９に対する傾斜角をθ２とする。θ２はθ１より大きい角度で形成されている。

補強部材７は厚さ３０μｍのニッケル板を用いている。開口部５の側面の角度θ１は１０度、θ２は６０度となるように形成した。図４に示すように、開口部５の形状は圧力室９側の開口面が楕円形である円錐台のような形状となっている。開口部５は、図４の形状に代えて、図５に示すような角錐台のような形状とすることも可能である。θ１およびθ２の角度は、圧力室９の幅、インクの流量、インク吐出量などを考慮して、決定される。

開口部５は圧力室９の長手方向の一部に設けることが可能である。この実施形態では、圧力室９のインク供給路２２側端部と圧力室９のインク排出路２３側端部間の中央部に開口部５を設けている。すなわち、圧力室９の長手方向の中央部になっている。開口部５を中央部に設けることにより、インクを吐出するために駆動信号が電極２１に印加されアクチュエータ１９が変形した時、圧力室９の内部には開口部５を境にしてインク供給側とインク排出側に左右対称な圧力波が発生し、開口部５で左右の圧力波が重なり合うので、効率良くインクを吐出できる。

開口部５のノズルプレート側の開口面積がノズル４の開口面積より大きくなるように開口部５は形成されている。

補強部材７の上面にはポリイミドフィルムの樹脂材料で形成されたノズルプレート６が接合している。ノズルプレート６には補強部材７の各々の開口部５に対応する位置に複数のノズル４が形成されている。ノズル４はノズルプレート６と補強部材７を接着した後にエキシマレーザで孔加工を施すことにより形成されている。ノズルプレート６をポリイミドフィルム等の樹脂材料とすることにより、レーザ加工による高精度なノズル４の形成を容易に行なうことができる。ノズルプレート６と補強部材７とを接着した後、補強部材７を圧電部材１５の頂部に接着している。補強部材１７の接着で開口部５の内面にハミ出した接着剤はノズル４の形成時にレーザにより除去されるので、接着剤がノズル４に流入して目詰まりやインク吐出方向の乱れが生じる懸念がない。

ノズル４は圧力室９側からインク吐出側に向けて先細りの形状になっている。すなわち、ノズル４の開口部５側の面積が吐出側の面積より広くなるように形成されている。ノズル４のインク吐出側開口径は３０μｍ、圧力室側開口径は５０μｍになるよう加工されている。開口部５のノズルプレート６と接する部分の開口面積は、ノズル４の圧力室側開口面積より大きくなっている。開口部５のノズルプレート６と接する部分の開口面を、ノズル４の圧力室側開口面より広くすることで、エキシマレーザによるノズル加工の位置精度を緩和することができる。

ポリイミドフィルムからなるノズルプレート６とニッケル板の補強部材７との剛性の異なる組合せによって、ノズルプレート６のレーザ孔加工（ノズル４の形成）の加工精度を保ちながら、高い剛性の補強部材７により、アクチュエータ１９は堅固に支持されるので、アクチュエータ１９は十分にインクを加圧することができる。

インクジェットヘッド１１にインクを供給するインク供給装置２９について説明する。図７はインクジェットヘッド１１にインクを供給するインク供給装置２９の構成を示している。インク供給装置１１は、供給側インクタンク２４、排出側インクタンク２５、供給側圧力調整ポンプ２６、輸送ポンプ２７、排出側圧力調整ポンプ２８とこれらを流体的に接続するチューブ５１とから構成されている。

供給側インクタンク２４はインク１を貯蔵し、供給側圧力調整ポンプ２６によってインク１をインク供給口１３に供給する。インクジェットヘッド１１のインク排出口１４から排出されたインク１は排出側インクタンク２５に貯蔵される。排出側インクタンク２５に貯蔵されたインク１は輸送ポンプ２７により供給側インクタンク２４に還流される。供給側インクタンク２４の内部の気圧は供給側圧力調整ポンプ２６により制御されており、気圧が大気圧より高い状態に保たれている。排出側インクタンク２５の内部の気圧は排出側圧力調整ポンプ２８により制御されており、気圧が大気圧より低い状態に保たれている。供給側インクタンク２４と排出側インクタンク２５の内部の気圧は、各々供給側圧力調整ポンプ２６と排出側圧力調整ポンプ２８とにより、圧力室９の中央、すなわちノズル４と連通する位置において静圧力が大気圧に対して−１０００Ｐａ程度になり、なおかつ圧力室９内のインクの流量がノズル４から吐出するインクの最大流量に対して１０倍程度になるように調整されている。

インクジェットヘッドの動作について説明する。図８は圧力室９内のインク１の流れを示している。供給側インクタンク２４に貯蔵されたインク１は供給側インクタンク２４の正圧によりインクジェットヘッド１１に供給される。供給されたインクはインク供給口１３とインク供給路２２を経て圧力室９内を流れ、ノズル４から吐出されなかったインク１はさらにインク排出路２３とインク排出口１４を経て排出側インクタンク２５に貯蔵される。排出側インクタンク２５に貯蔵されたインク１は輸送ポンプ２７により再び供給側インクタンク２４に貯蔵される。このように圧力室９を介してインクを循環させることにより、圧力室９内には定常的なインクの流れが発生する。

開口部５の圧力室９の配列方向でのテーパー角θ１に比べ、開口部５のテーパー角θ２は圧力室９の長手方向に対して大きく形成されているので、圧力室９内の定常的な流れの一部が開口部５に流れ込み、開口部５でも定常的な流れが生じている。この状態でフレキシブルケーブル１７から駆動信号が供給されると、アクチュエータ１９が変形して圧力室９内のインクを加圧し、ノズル４から所定の量のインクが吐出する。しかし、圧力室９にはノズル４から吐出するインクの流量の１０倍程度のインクが供給されているので、ノズル４からのインク吐出の有無にかかわらず定常的なインクの流れは大きく変化しない。

インクジェットヘッド１１が印字動作を長時間行なっていると、ノズル４から気泡が巻き込まれる場合がある。ノズル４から巻き込まれた気泡は、開口部５に生じている定常的な流れにより、圧力室９内に移動し、さらに圧力室９内を移動してインク排出路２３に排出される。気泡３が開口部５や圧力室９の内部にある間はインクの不吐出が発生するが、気泡がインク排出路２３に排出されると、ノズル４からのインク吐出が再び可能になる。すなわち、ノズル４から気泡が巻き込まれた場合でも、速やかに不吐出状態から吐出状態に回復するため、不良の印刷物の発生を抑えることができる。

以上、本発明の実施形態についてノズルプレート６と圧力室９との間に補強部材７を備えたインクジェットヘッド１１について述べた。本発明の第２の実施形態では、図９及び図１０に示すように、ノズルプレート６を高剛性のニッケル板で構成し、補強部材７を用いないインクジェットヘッド１１となっている。ノズルプレート６以外の構成は実施例１と同様である。

ノズルプレート６の凹部３０の圧力室９の長手方向の断面のテーパー角θ２を圧力室９の配列方向の断面のテーパー角θ１より大きく形成している。ノズル形状については第１の実施形態の開口部５とノズル４で形成されるインク吐出口と同様な構成とすることが可能である。

ノズルプレート６の材質はニッケルなどの金属の他、単結晶シリコンやセラミック等であっても良い。ノズルプレート６はエレクトロフォーミングやプレス加工、モールド成型、エッチングなどの周知の加工技術により形成できる。

ノズルプレート６と圧電部材１５との接着面には電極２１の短絡を防止する絶縁層となるシリコン酸化膜が形成されている。シリコン酸化膜を成膜する代わりに、絶縁層はノズルプレート６と圧電部材１５との間の接着層の厚みを所定値以上にしても、絶縁性能を発揮することが可能である。

ノズルプレート６とアクチュエータ１９との接合面では接合に用いる接着剤がはみ出すが、接合面は凹部の深さの分だけノズル４から離れているため、はみ出した接着剤がノズル４の内部に流入してノズル４の目詰まりやインク吐出方向の乱れが発生することは回避できる。

ノズル４は圧力室９側からインク吐出側に向けて先細りの形状になっている。すなわち、ノズル４の凹部３０側の面積がインク吐出側の面積より広くなるように形成されている。ノズル４のインク吐出側開口径は３０μｍ、圧力室側開口径は５０μｍになるよう加工されている。凹部３０のノズル４と繋がる部分の開口面積は、ノズル４の圧力室側開口面積より大きくなっている。凹部３０のノズル４と繋がる部分の開口をノズル４の圧力室側開口より広くすることで、ノズル４の加工における位置精度を緩和することができる。

本発明の第１の実施形態のインクジェットヘッドの縦断面図である。 本発明の第１の実施形態のインクジェットヘッドの横断面図である。 本発明の第１の実施形態のノズル及び開口部の縦断面図である。 本発明の第１の実施形態のノズル及び開口部の斜視図である。 本発明の第１の実施形態のノズル及び開口部の斜視図である。 本発明の第１の実施形態のインクジェットヘッドの平面図である。 本発明の第１の実施形態のインク供給装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態の圧力室内のインクの流れを示す図である。 本発明の第２の実施形態のインクジェットヘッドの横断面図である。 本発明の第２の実施形態のインクジェットヘッドの縦断面図である。 従来技術のインクジェットヘッドの断面図である。 従来技術の他の形態のインクジェットヘッドの断面図である。

符号の説明

１ インク
２ インクの流れ
３ 気泡
４ ノズル
５ 開口部
６ ノズルプレート
７ 補強部材
８ 本体
９ 圧力室
１１ インクジェットヘッド
１２ 基板
１３ インク供給口
１４ インク排出口
１５ 圧電部材
１６ 枠部材
１７ フレキシブルケーブル
１８ 接着剤
１９ アクチュエータ
２０ 配線電極
２１ 電極
２２ インク供給路
２３ インク排出路
２４ 供給側インクタンク
２５ 排出側インクタンク
２６ 供給側圧力調整ポンプ
２７ 輸送ポンプ
２８ 排出側圧力調整ポンプ
２９ インク供給装置
３０ 凹部

Claims (7)

1. インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートの一面と接合され前記ノズルのそれぞれに連通する複数の開口部を有する板状部材と、前記開口部に各々連通するとともに一端からインクが供給され他端からインクが排出される複数の圧力室と、前記圧力室の容積を可変させて前記圧力室内のインクを加圧する圧力発生手段とを有し、前記圧力室の一面が前記板状部材の一面で構成されたインクジェットヘッドにおいて、
   前記開口部は前記圧力室と接する開口面積が前記ノズルプレートと接する開口面積より大きく、かつ前記開口部の前記圧力室の長手方向の断面におけるテーパー角が前記開口部の前記圧力室の配列方向の断面におけるテーパー角より大きいことを特徴としたインクジェットヘッド。
2. 開口部は前記圧力室の長手方向の中央部で圧力室と結合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。
3. 板状部材の前記ノズルプレートと接する開口面積が前記ノズルの前記板状部材と接する側の開口面積より大きい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。
4. 板状部材の弾性率が前記ノズルプレートの弾性率より大きい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。
5. インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、長手方向の一部で前記ノズルに各々連通するとともに一端からインクが供給され他端からインクが排出される複数の圧力室と、前記圧力室の容積を可変させて前記圧力室内のインクを加圧する圧力発生手段とを有し、前記ノズルプレートが前記圧力室の一面を構成するインクジェットヘッドにおいて、
   前記ノズルプレートは、前記圧力室と接する面の前記ノズルに対応する位置に圧力室側の開口面積がインク吐出側の底部面積より大きいテーパー状の凹部が形成され、前記凹部の前記圧力室の長手方向の断面におけるテーパー角が前記凹部の前記圧力室の配列方向の断面におけるテーパー角より大きいことを特徴としたインクジェットヘッド。
6. 開口部は前記圧力室の長手方向の中央部で圧力室と結合されていることを特徴とする請求項５記載のインクジェットヘッド。
7. インク吐出側の前記底部面積が前記ノズルの開口面積より大きいことを特徴とする請求項５記載のインクジェットヘッド。

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