JP2011110933A - 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を提供する。
【解決手段】本発明に係るインクジェットヘッドは、それぞれインクを吐出する複数の吐出セルを備えたインクジェットヘッドであって、それぞれの吐出セルはインクを供給する共通リザーバに連結され、共通リザーバの内部には共通リザーバの底面から上面に延長されて共通リザーバの上面を支持し、共通リザーバ内に伝達される圧力波を消散させる柱が形成され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に関する。

最近、ピエゾ方式の産業用インクジェットヘッドは高い生産性を確保するために単位長さ当たり多数ノズルを含む高ＮＰＩ（high nozzle per inch）構造を有する。この場合、多数のノズルが互いに隣接することにより、各吐出セル間の干渉によるクロストーク（crosstalk）からノズル間の吐出特性にばらつきが生じる。特に、近来の２５６個、５１２個のノズルを単一ヘッド内に配置する場合、このようなクロストークの問題はヘッドにおける高周波数の吐出を阻害する要因となる。したがって、高周波数で高ＮＰＩピエゾ方式のインクジェットヘッドの吐出を可能とし、高い吐出信頼性を確保するためには、ヘッドのクロストークを除去する必要がある。

通常、クロストークは、インクを通して圧力波が伝達される流体クロストークと、基準セルの構造的変形が隣接セルに構造的変化を引き起こす構造クロストークに分けられる。これらの中、高ＮＰＩヘッドにおいては流体クロストークが支配的である。

こうした従来技術の問題点に鑑み、本発明は、共通リザーバ内で発生する流体クロストークを低減することにより印刷品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態によれば、それぞれのインクを吐出する複数の吐出セルを備えたインクジェットヘッドであって、それぞれの上記吐出セルはインクを供給する共通リザーバに連結され、上記共通リザーバの内部には、上記共通リザーバの底面から上面に延長されて上記共通リザーバの上面を支持し、上記共通リザーバ内に伝達される圧力波を消散させる柱が形成されることを特徴とするインクジェットヘッドが提供される。

上記柱は複数であってもよく、このとき、上記複数の柱は上記共通リザーバの内部全体において等間隔で配置することができる。また、上記複数の柱は複数の列をなすことができる。

上記柱の縦断面は、菱形、楕円形、または円形であってもよく、上記複数の吐出セルの間を仕切るセパレータが存在しなくてもよい。

上記吐出セルは、上記共通リザーバからのインクの供給を受ける圧力チャンバと、上記共通リザーバと上記圧力チャンバとの間に介在されるリストリクタと、上記圧力チャンバに圧力を供給するアクチュエータと、上記圧力によりインクを吐出するノズルと、を含むことができる。

本発明の好ましい実施例によれば、共通リザーバを有する圧電方式のインクジェットヘッドにおいて共通流路から発生する流体クロストークを素早く消散させることにより、共通リザーバ内に圧力波が成長することを抑制することができる。その結果、クロストークによる吐出セル間の吐出液滴の速度および大きさのばらつきを改善することができる。また、クロストークを最小化して高周波数領域でもより安定してインク液滴を吐出することができる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、本発明となりうる。

本発明の一実施例に係るインクジェットヘッドを示す断面図である。 複数の吐出セルがそれぞれ共通リザーバに連結されている状態を示す図面である。 インクジェットヘッドの共通リザーバから圧力波が生成される状態を示す図面である。 本発明の一実施例に係るインクジェットヘッドの柱の一変形例を示す平面図である。 本発明の一実施例に係るインクジェットヘッドの柱の他の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施例に係るインクジェットヘッドの柱のまた他の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施例に係るインクジェットヘッドの柱のまた他の変形例を示す平面図である。 本発明の他の実施例に係るインクジェットヘッドの柱の配置構造を示す平面図である。

本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明の説明において、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明瞭にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

以下、本発明に係るインクジェットヘッドの実施例を添付図面を参照して詳しく説明するが、添付図面を参照して説明することにおいて、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。

図１は、本発明の一実施例に係るインクジェットヘッドを示す断面図である。図１を参照すると、共通リザーバ１１、リストリクタ１２、圧力チャンバ１３、ダンパ１４、ノズル１５、アクチュエータ２０、柱３０、基板１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、メンブレイン１０ｄが示されている。

圧力チャンバ１３はインクを収容し、メンブレイン１０ｄの上面に形成される圧電体などを用いたアクチュエータ２０により圧力が加えられると、収容しているインクをノズル１５側に移動させてインクが吐出されるようにする手段である。圧力チャンバ１３は１つのインクジェットヘッド１００に１２８個または２５６個などの複数個が並列に配置され、これらのそれぞれの圧力チャンバ１３に圧力を提供するためにアクチュエータ２０も圧力チャンバ１３の数だけ備えられる。

共通リザーバ１１は流入口（図２の１７参照）などを介して外部から供給されたインクを貯留し、上述した圧力チャンバ１３にインクを供給する手段である。図２の参照番号「１８」はインクの排出口を示す。共通リザーバ１１の内部には、共通リザーバ１１内に伝達される圧力波を消散させるための柱３０が形成される。柱３０は共通リザーバ１１の底面から上面に延長されて上記共通リザーバ１１の上面を支持する形状を有する。すなわち、共通リザーバ１１の上面及び下面となる基板１０ａ，１０cを互いに連結する形状を有する。柱３０の機能については、具体的に後述する。

リストリクタ１２は上述した共通リザーバ１１と圧力チャンバ１３とを連通させ、共通リザーバ１１と圧力チャンバ１３との間のインクの流れを調節する機能を行う。このようなリストリクタ１２は共通リザーバ１１及び圧力チャンバ１３よりも小さい断面積を有するように形成され、アクチュエータ２０によりメンブレイン１０ｄが振動する場合、共通リザーバ１１から圧力チャンバ１３に供給されるインクの量を調節することができる。

ノズル１５は、圧力チャンバ１３に連結されて圧力チャンバ１３から供給されるインクを噴射する機能を行う。アクチュエータ２０により発生した振動がメンブレイン１０ｄを介して圧力チャンバ１３に伝達されると、圧力チャンバ１３には圧力が加えられ、この圧力によりノズル１５がインクを噴射することができる。

一方、上述した圧力チャンバ１３とノズル１５との間にはダンパ１４が形成される。ダンパ１４は圧力チャンバ１３から発生したエネルギーをノズル１５側に集中させて急激な圧力変化を緩衝する機能を行う。

以上で説明したそれぞれの構成要素は、図１に示すように、該当する構成要素が加工されているシリコンまたはセラミックなどの材質の基板１０ａ，１０ｂ，１０ｃを積層してもよく、または一枚の基板に形成されてもよい。

図２は、複数の吐出セル１００ａ，１００ｂがそれぞれ共通リザーバ１１に連結されている状態を示す。図２に示すように、それぞれの吐出セル１００ａ，１００ｂはそれぞれ圧力チャンバ(図１の１３参照)、ダンパ(図１の１４参照)、ノズル(図１の１５参照)、リストリクタ（図１の１２参照）を備え、全てが共通リザーバ１１に連結されていてインクの供給を受ける。これら吐出セル１００ａ，１００ｂの間にはそれぞれセパレータ１６が配置されて吐出セル１００ａ，１００ｂの間を仕切る。

アクチュエータ２０が駆動されると、インクがノズル１５とリストリクタ１２に対して同時に流入及び流出することを繰り返すことになり、これによりインクジェットヘッドの内部では正圧と負圧とを繰り返すことになる。ここで、正圧状態ではインクがノズル１５側から流出されて液滴のヘッド部分が生成され、次の負圧状態ではインクがノズル１５側からダンパ１４側に流入されることにより液滴のネック（neck）部分が形成される。このように形成されたネック部分で液滴が切れる。

ここで注目すべき点は、インクがノズル１５とリストリクタ１２に対して同時に流入及び流出することを繰り返すということである。このことを共通リザーバ１１の観点から見ると、結局インクがリストリクタ１２を介して共通リザーバ１１へ流入、流出することにより、リザーバ全体の圧力を変化させることができることを意味する。特に、全体セルからインクが吐出される場合、例えば２５６個のノズル１５から同時に同じパターンの圧力波を発生させると、共通リザーバ１１の全体のインクが脈動する（pulsate）。

図３に示すように、全体の吐出セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ からインクが吐出される場合、インクの脈動は中央部の吐出セルと外郭の吐出セルとの間の共通リザーバ１１に圧力差を発生させ、これにより外郭部と中心部の吐出液滴の大きさ及び速度の一定のパターンを有するばらつきが発生する。

また、全体セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅからインクが吐出される場合、一般的に共通リザーバ１１内の圧力が増加するため、これにより大部分の場合吐出速度が速くなる。

全ての吐出セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅからインクが吐出される場合、リストリクタ１２において周期的にインクの流入／流出が繰り返され、これはインクジェットヘッドの共通リザーバ１１に圧力波を生成させる。図３はこの現象を示している。結局、ｉ番目の吐出セル１００ｃから発生した圧力をＰｉ（ｘ、ｔ）とすると、時間による共通リザーバ内の圧力変化Ｐ（ｘ、ｔ）は、それぞれのＰｉ（ｘ、ｔ）の和で表すことができる。 図３はこのような圧力の重畳現象を式と図で示している。

ここで、興味ある点は、圧電方式のインクジェットヘッドのように微小なマイクロチャンネル内の音響波は素早く消散されるということである。したがって、時間による圧力波の減衰は非常に素早く進行する。このような各吐出セル１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅから発生する圧力波の重畳は、共通リザーバ１１内に一定の圧力分布を発生させ、これにより中心部と外郭部の吐出セルにおける吐出液滴の大きさと速度にばらつきが発生することになる。

これを解決するために本実施例は、共通リザーバ１１内の圧力波の生成を抑制し、生成された圧力波の消散を促進する構造を提案する。図３に示すように、それぞれの吐出セルから発生した圧力波は共通リザーバ１１に沿って両側方向に伝播されるが、このとき、共通リザーバ１１内で圧力波が重畳してその大きさが増加することがある。

本実施例では、圧力波の重畳による圧力振幅の成長を防ぐために、図４ａから図４ｄに示すように、共通リザーバ１１内に圧力波を消散させるための柱３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを形成したインクジェットヘッドを提示する。

このような柱３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、共通リザーバ１１の底面から上面に延長されて共通リザーバ１１の上面を支持する形状を有する。すなわち、共通リザーバ１１の上面及び下面となる基板１０ａ，１０ｃを互いに連結する形状を有する。このような構造により、柱３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄがインクジェットヘッドの内部において支持体としての機能を行い、その結果、インクジェットヘッドの信頼度を確保することができる。

図４ａに菱形の縦断面を有する柱３０ａが示されており、図４ｂに円形の縦断面を有する柱３０ｂが示されている。これら柱３０ａ，３０ｂの幅は吐出セル間の間隔の約１／３〜１／２程度で、複数の列をなして配置されることができる。このとき、図４ａ及び図４ｂに示すように、吐出セル間隔で互いに食い違うように配置されてもよい。この場合、各吐出セルから発生した圧力波は複数の柱３０ａ，３０ｂにより消散されて共通リザーバ１１内の圧力波の成長を抑制することができる。また、より効率的に圧力波を消散させるために、複数の柱を共通リザーバ１１の内部の全体に等間隔で均等に配置することもできる。

一方、図４ｃ及び図４ｄには単一吐出セルごとに１つの菱形または楕円形の柱３０ｃ，３０ｄが設けられた状態が示されている。

図５にはセパレータ（図３の１６参照）を除いて、その場に圧力波を消散させるための柱３０ｄが配置された構造が示されている。ともするとリストリクタ１２に対して周期的に流入流出するインクによる圧力波をセパレータが増幅させるおそれがあるため、セパレータを除く、その場に柱３０ｄを所定間隔で離隔配置することもできる。

図５には図４ｂに示された楕円形の柱３０ｄが示されているが、他の形状の柱を適用できることは明らかである。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１１ 共通リザーバ（common reservoir）
１２ リストリクタ（restrictor）
１３ 圧力チャンバ（pressure chamber）
１４ ダンパ（damper）
１５ ノズル（nozzle）
２０ アクチュエータ（actuator）
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ 柱（pillar）
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 基板（substrate）
１０ｄ メンブレイン（membrane）

Claims (7)

1. それぞれインクを吐出する複数の吐出セル（jetting cell）を備えたインクジェットヘッドであって、
   それぞれの前記吐出セルがインクを供給する共通リザーバに連結され、
   前記共通リザーバの内部には、
   前記共通リザーバの底面から上面に延長されて前記共通リザーバの上面を支持し、前記共通リザーバ内に伝達される圧力波（pressure wave）を消散させる柱が形成されることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記柱が複数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. 前記複数の柱が前記共通リザーバの内部全体に等間隔で配置され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. 前記複数の柱が複数の列をなすことを特徴とする請求項２または３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記柱の縦断面が菱形、楕円形、または円形であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記複数の吐出セルの間を仕切るセパレータ（separator）が存在しないことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記吐出セルが、
   前記共通リザーバからのインクの供給を受ける圧力チャンバと、
   前記共通リザーバと前記圧力チャンバとの間に介在されるリストリクタと、
   前記圧力チャンバに圧力を供給するアクチュエータと、
   前記圧力によりインクを吐出するノズルと、を含むことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のインクジェットヘッド。

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