JP2015080922A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】高品質の印刷が可能なインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】インクジェットヘッド１１は、一定の間隔で並んだ複数のノズル２４，２５を有するノズルプレート１５であって、複数のノズルは、複数の通常ノズル２４と、複数のノズルの並んだ方向において複数の通常ノズルよりも外側に位置する複数の不吐出ノズル２５と、を含み、不吐出ノズルの直径は、通常ノズルの直径よりも大きいノズルプレートと、複数のノズルに連通するように設けられる複数の圧力室と、複数の圧力室に連通した共通液室と、複数の圧力室に隣接して設けられるとともに複数の圧力室内の液を複数の通常ノズルから液滴として吐出させる複数の駆動素子と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、液滴を吐出させて印刷を行うことができるインクジェットヘッドに関する。

インクジェットプリンタのインクジェットヘッドは、駆動素子とノズルプレートとを備えている。駆動素子は、例えば二つの圧電材を貼り合わせて形成され、複数の溝状の圧力室が形成されている。各圧力室を隔てる柱部は、駆動素子に電圧が印加されるとシェアモード変形し、圧力室のインクを加圧する。加圧された圧力室のインクは、ノズルプレートに設けられたノズルから吐出される。

印刷時には、インクジェットヘッド内のインクの圧力は、弱負圧（大気圧よりも若干低い圧力）に保たれている。ノズルから液滴を吐出させると、インクジェットヘッド内の負圧が変動する。

特開２００１−２７７５０３号公報

インクジェットヘッド内の負圧を適切に管理することは、印刷時の不吐出を防止して高品質の印刷が可能なインクジェットヘッドを得るために有用である。

本発明が解決しようとする課題は、高品質の印刷が可能なインクジェットヘッドを提供することである。

実施形態のインクジェットヘッドは、一定の間隔で並んだ複数のノズルを有するノズルプレートであって、前記複数のノズルは、複数の通常ノズルと、前記複数のノズルの並んだ方向において前記複数の通常ノズルよりも外側に位置する複数の不吐出ノズルと、を含み、前記不吐出ノズルの直径は、前記通常ノズルの直径よりも大きいノズルプレートと、前記複数のノズルに連通するように設けられる複数の圧力室と、前記複数の圧力室に連通した共通液室と、前記複数の圧力室に隣接して設けられるとともに前記複数の圧力室内の液を前記複数の通常ノズルから液滴として吐出させる複数の駆動素子と、を備える。

実施形態のインクジェットヘッドを模式的に示す斜視図。 図１に示すインクジェットヘッドのＦ２−Ｆ２線に沿った断面図。 図２に示すインクジェットヘッドのＦ３−Ｆ３線に沿った断面図。

以下に、インクジェットヘッドの実施形態について、図１から図３を参照して説明する。インクジェットヘッドに用いられる液（インク）としては、画像を形成するための各種の顔料を含むインクのほか、種々の機能を発揮する機能性インクを含んでいる。

図１に示すように、インクジェットヘッド１１は、いわゆるエンドシュータ方式のインクジェットヘッドである。インクジェットヘッド１１は、基部１２と、蓋部材１３と、蓋部材１３に設けられた一対の液注入口１４と、ノズルプレート１５とを備えている。液注入口１４は、図示しない印刷装置に搭載された際に、チューブ等を介して印刷装置の供給源２０（タンク、インクタンク）に接続される。印刷装置に搭載された状態で、インクジェットヘッド１１の内部は、供給源２０から供給された液（インク）で満たされる。なお、図１では、実際のインクジェットヘッド１１よりも複数のノズル１６（通常ノズル２４、不吐出ノズル２５）を大きく誇張して示している。図１では、実際のインクジェットヘッド１１よりも少ない数のノズル１６を示している。

図２に示すように、蓋部材１３は、基部１２の上面に取り付けられている。蓋部材１３の内側には、各圧力室１７と連通する共通液室１８が設けられている。

基部１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）製の２枚の圧電板を互いの分極方向を反対向きとするように貼り合わせて形成されている。図３に示すように、基部１２には、複数の圧力室１７がインクジェットヘッド１１の長手方向Ｌに並ぶように設けられている。また、基部１２の圧力室１７同士の間には、複数の柱部２１が設けられている。複数の圧力室１７は、後述するノズルプレート１５の複数のノズル１６（通常ノズル２４および不吐出ノズル２５）に連通するように設けられている。すなわち、複数の圧力室１７は、複数のノズル１６に１対１で対応するように設けられている。各圧力室１７は、基部１２の表面から図２に示すように、一部に円弧を含む形状に窪んでおり、いわゆる溝状に形成されている。

図３に示すように、各圧力室１７は、一対の柱部２１の間の位置で、柱部２１と隣接して設けられる。図２、図３に示すように、各圧力室１７の内面（圧力室１７を構成する溝の底面および側面）には、電極２２が設けられている。電極２２は、柱部２１に電圧を印加して柱部２１を駆動素子として駆動するために用いられる。電極２２は、例えばニッケル薄膜によって形成されているが、これに限らず、例えば金や銅で形成されていても良い。複数の電極２２は、上記複数の配線２３に接続されている。柱部２１は、圧力室１７内の液を通常ノズル２４から液滴として吐出させる駆動素子の一例である。

基部１２上には、圧力室１７の内面に形成された電極２２に接続される複数の配線２３が設けられている。電極２２および配線２３は、例えば基部１２の上面に形成されたニッケル薄膜を、レーザー加工でパターニングして形成されている。

ノズルプレート１５は、基部１２および蓋部材１３の前面に取り付けられている。ノズルプレート１５は、例えば、ポリイミド製のフィルムで形成されている。なお、ノズルプレート１５の材料はポリイミドに限定されるものではない。通常ノズルおよび不吐出ノズルは、例えばレーザー加工で形成されるが、両ノズルの形成方法はこれに限定されるものではない。通常ノズルおよび不吐出ノズルは、例えばプレス加工で形成されていてもよい。

ノズルプレート１５は、インクジェットヘッド１１の長手方向Ｌに一定の間隔で並んだ複数のノズル１６を有している。複数のノズル１６は、液滴（インク）の吐出を実際に行う複数の通常ノズル２４と、複数のノズル１６の並んだ方向において複数の通常ノズル２４よりも外側に位置した複数の不吐出ノズル２５と、を含んでいる。なお、通常ノズル２４間の間隔と、通常ノズル２４と不吐出ノズル２５との間の間隔と、不吐出ノズル２５間の間隔とは、すべて同一の長さで構成されている。複数の不吐出ノズル２５は、複数のノズル１６で構成したノズル列の端部（両端部）に設けられると言い換えることができる。なお、図３に示すように、ノズルプレート１５上の通常ノズル２４に対応する部分には、吐出エリア２６が構成されており、ノズルプレート１５上の不吐出ノズル２５に対応する部分には、不吐出エリア２７が構成される。

通常ノズル２４は、円形をなしており、通常ノズル２４の直径は、例えば３０μｍで構成される。不吐出ノズル２５は、円形をなしており、通常ノズル２４の直径よりも大きい直径を有する。不吐出ノズル２５の直径は、例えば、３５μｍで構成される。不吐出ノズル２５の形状は、円形に限定されるものではなく、四角形やその他の任意の形状であってもよい。

ノズルのメニスカス保持圧力は、ノズルの円周の長さと反比例する関係にある。このため、直径の大きい不吐出ノズル２５のメニスカス保持圧力の大きさは、直径の小さい通常ノズル２４のメニスカス保持圧力よりも小さくなる。本実施形態では、通常ノズル２４のメニスカス保持圧力を１としたときに、不吐出ノズル２５のメニスカス保持圧力は、０．８５７となる。したがって、印刷中にインクジェットヘッド１１内の負圧が大きくなると、まず不吐出ノズル２５側でメニスカスの破壊が起こる。不吐出ノズル２５においてメニスカスの破壊が起こると、不吐出ノズル２５からインクジェットヘッド１１内（不吐出ノズル２５と連通する圧力室１７内）に気泡が流入する。

続いて、実際に印刷装置に搭載された状態の、実施形態のインクジェットヘッド１１の作用について説明する。

インクジェットヘッド１１が印刷装置に搭載されると、供給源２０からインクジェットヘッド１１内に液（インク）が供給され、インクジェットヘッド１１の内部が液で満たされる。インクジェットヘッド１１内部のインクの初期圧力（初期負圧）は、例えば、−１ＫＰａである。

ユーザによって印刷装置が操作されると、インクジェットプリンタの制御部は、配線２３に接続されたＩＣに印字信号を入力する。ＩＣは、この印字信号に基づき、配線２３を介して圧力室１７の電極２２に所定の電圧を印加する。電極２２に駆動パルス電圧が印加されると、柱部２１がシェアモード変形し、圧力室１７の容積が膨張する。そして、圧力室１７の電極２２に印加されていた電圧が解除されることで、柱部２１が元の形状に戻り、圧力室１７の容積が縮小して元の大きさに戻る。これにより、圧力室１７内の液（インク）が加圧され、通常ノズル２４から印刷対象に向けて液滴が勢いよく吐出される。複数の通常ノズル２４から液滴が吐出されることで、印刷対象（用紙）に画像が形成される。なお、不吐出ノズルからの液滴の吐出はなされない。

連続して画像の形成（液滴の吐出）を行うと、インクジェットヘッド１１内の液（インク）が多量に消費され、供給源２０からの液の供給が間に合わず、インクジェットヘッド１１内の圧力（負圧）が−４ＫＰａ程度まで変化する場合がある。この状態では、インクジェットヘッド１１内の圧力（負圧）は、通常ノズル２４のメニスカス保持圧力を超えてはいないが、不吐出ノズル２５のメニスカス保持圧力を超えた状態となる。この状態では、不吐出ノズル２５でメニスカスが破壊されてインクジェットヘッド１１内に気泡が侵入する。不吐出ノズル２５から気泡がインクジェットヘッド１１内に侵入すると、インクジェットヘッド１１内の負圧が小さくなり、大気圧付近までインクジェットヘッド１１内の圧力が上昇する。

このように本実施形態では、積極的に不吐出ノズル２５からインクジェットヘッド１１内部に気泡を侵入させることで、通常ノズル２４から気泡を吸い込んでしまうことが防止される。なお、不吐出ノズル２５から侵入した気泡は、通常ノズル２４側に移動することなく、不吐出ノズル２５と対向した圧力室１７内に保持されて、気泡が少量の場合は時間経過とともに液（インク）中に吸収され気泡が大きい場合は共通液室１８へと移動する。このため、不吐出ノズル２５から侵入した気泡がインクジェットヘッド１１内の他の部分に悪影響を及ぼすことはない。

実施形態のインクジェットヘッド１１は、一定の間隔で並んだ複数のノズル１６を有するノズルプレート１５であって、前記複数のノズル１６は、複数の通常ノズル２４と、前記複数のノズル１６の並んだ方向において前記複数の通常ノズル２４よりも外側に位置する複数の不吐出ノズル２５と、を含み、前記不吐出ノズル２５の直径は、前記通常ノズル２４の直径よりも大きいノズルプレート１５と、前記複数のノズル１６に連通するように設けられる複数の圧力室１７と、前記複数の圧力室１７に連通した共通液室１８と、前記複数の圧力室１７に隣接して設けられるとともに前記複数の圧力室１７内の液を前記複数の通常ノズル２４から液滴として吐出させる複数の駆動素子と、を備える。

この構成によれば、気泡の侵入を生じやすく且つ実際には液滴の吐出は行わない不吐出ノズル２５をインクジェットヘッド１１に設けているため、連続して液滴の吐出を行ってインクジェットヘッド１１内の負圧が大きくなった場合に、不吐出ノズル２５側で積極的に気泡の侵入を生じさせることができる。これによって、簡単な構造によって、インクジェットヘッド１１内の負圧を適正な範囲内に管理することができる。

また、不吐出ノズル２５は、元々液滴の吐出には用いられないために、不吐出ノズル２５に気泡を抱き込んだ状態となったとしても印刷に問題を生ずることがない。なお通常、このようにノズルに気泡を抱き込んでしまうと（ノズル付近に気泡が引っ掛かって滞留状態となると）液（インク）のパージ・メンテナンスによる気泡の排出をしなければ、吐出不能状態からノズルを回復させることはできない。本実施形態によれば、通常ノズル２４からの気泡の侵入を防いで、通常ノズル２４に対するこのようなパージ・メンテナンスの回数を低減できる。

さらに、不吐出ノズル２５を含む複数のノズル１６は、インクジェットヘッド１１の長手方向Ｌに一定の間隔で並んでいるので、吐出エリア２６にある通常ノズル２４と同じ条件で不吐出ノズル２５を設けることができる。これによって、不吐出ノズル２５に対しては、その直径だけが影響することとなり、それ以外の要因は通常ノズル２４と同じにすることができる。これによって、意図した通りに、不吐出ノズル２５において優先的に気泡を侵入させて、通常ノズル２４において気泡が侵入することを防止できる。

この場合、不吐出ノズル２５の直径は、通常ノズル２４の直径の１．２倍以下である。不吐出ノズル２５の直径を大きくすると、気泡を吸い込みやすくできるが、不吐出ノズル２５の直径が大きすぎると正常な印刷状態でも気泡を吸い込むようになり印刷が不安定となる。上記の構成によれば、不吐出ノズル２５で気泡の吸い込みを生ずる頻度を少なくして、印刷を安定的に行うことができる。

なお、上記の実施形態では、一例として、通常ノズルの直径を３０μｍで形成し、不吐出ノズル２５を３５μｍで形成したが、通常ノズル２４に対する不吐出ノズル２５の大きさの比率は、これに限定されるものではない。不吐出ノズル２５の直径は、通常ノズル２４の直径に対して、１００％よりも大きく、１２０％以下の範囲（具体的には、不吐出ノズル２５の直径が、３０μｍよりも大きく３６μｍ以下の範囲内）であれば、どのような大きさでもよい。

不吐出ノズル２５の直径は、更に好ましくは、通常ノズル２４の直径に対して、１１０％から１２０％以下の範囲（具体的には、不吐出ノズル２５の直径が、３３μｍから３６μｍの範囲内）であるとよい。この範囲であれば、不吐出ノズル２５のメニスカス保持圧力を通常ノズル２４のメニスカス保持圧力に比して１０％から２０％小さくすることができる。

上記実施形態のインクジェットヘッド１１では、ノズル列が１列のものを開示しているが、複数のノズル列を有するインクジェットヘッド１１にも当然に適用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…インクジェットヘッド、１５…ノズルプレート、１６…ノズル、１７…圧力室、１８…共通液室、２１…柱部（駆動素子）、２４…通常ノズル、２５…不吐出ノズル

Claims (2)

1. 一定の間隔で並んだ複数のノズルを有するノズルプレートであって、前記複数のノズルは、複数の通常ノズルと、前記複数のノズルの並んだ方向において前記複数の通常ノズルよりも外側に位置する複数の不吐出ノズルと、を含み、前記不吐出ノズルの直径は、前記通常ノズルの直径よりも大きいノズルプレートと、
   前記複数のノズルに連通するように設けられる複数の圧力室と、
   前記複数の圧力室に連通した共通液室と、
   前記複数の圧力室に隣接して設けられるとともに前記複数の圧力室内の液を前記複数の通常ノズルから液滴として吐出させる複数の駆動素子と、
   を備えるインクジェットヘッド。
2. 前記不吐出ノズルの直径は、前記通常ノズルの直径の１．２倍以下である請求項１に記載のインクジェットヘッド。