JP3108774B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印字信号に応じてイン
ク滴を吐出して、記録紙等の記録媒体上にインク像を形
成するインクジェットヘッド、特に必要な時にだけイン
ク滴を吐出するオンデマンド型インクジェットヘッドに
関する。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を必要な時にだけ吐出するオン
デマンド型インクジェットヘッドとしては、圧電素子に
電気エネルギーを与え変形させインク室の圧力を高めて
インク吐出口からインクを吐出させる方式と、発熱体に
電気エネルギーを与え発熱により気化したインクの膨張
によりインク室の圧力を高めてインクを吐出口から吐出
する方式が一般に知られている。圧電素子による方式に
おいては、特開平２ー２７６６４９号のように、流路を
形成するガラスや金属からなる基板と振動板と圧電素子
の積層構造で構成されている。（図１０）そして圧電素
子に電気エネルギーを選択的に印加、放電することによ
り、圧電素子が収縮、伸張する。圧電素子は振動板に固
着されているため、圧電素子の収縮、伸張振動は振動板
のたわみ振動に変換され、圧力室の容積が変化すること
により、インクがインク吐出口から吐出される。振動板
と流路形成基板との接合は、例えばポリイミドフィルム
にふっ素樹脂膜を被覆し、加熱圧着する。インク室内は
インク充填性、インク吐出性よりインクと濡れ性のよい
材料で構成する必要がある。そのため、その後インクと
接触する部分のふっ素樹脂膜をふっ素樹脂除去材により
除去する必要がる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動板
のインクと接触している部分は前述したようにインクと
の濡れ性がよい必要がある。例えば、インクをインク流
路に毛細管力による自然充填をさせるためには、少なく
ともインクとの接触角は９０゜以下である必要がある。
そのため、前述の従来技術においては、インクと接触す
る部分のふっ素樹脂膜を除去する必要があり、結果的に
インクと圧電素子との間にはポリイミドフィルムが介在
するだけである。使用するインクにもよるが、インクの
主溶媒を水で構成するインクは最も一般的であるが、ポ
リイミドは吸水率が高くまた水蒸気透過率が高い。その
ため、インク中の水分が振動板を透過し、外部に浸透し
てしまう。圧電素子の周囲に浸透した場合、圧電素子の
電極間が短絡してしまいインクジェットヘッドの破壊を
招いてしまう可能性が非常に高いという課題を有してい
た。また、ポリイミドフィルム以外の一般的な有機材
料、例えばポリサルフォン、ポリカーボネイト、ポリフ
ェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、
アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体等の
材料を用いた時においても、程度の差はあるがポリイミ
ドを用いた時と同様な現象が発生する。

【０００４】このような課題を解決するために、本出願
人は特公昭６２ー３３０７６号に示すような構造を考案
した（図１１）。すなわち、振動板は低弾性率材料によ
り作られており、この振動板上にインク室間に対応した
部分に振動分離部を設けた高弾性部材が配置されてお
り、この高弾性部材上にインク室に対応した位置に圧電
素子を配置する構成である。高弾性部材は例えばステン
レス等の金属でなっており、気体透過率は実質的にな
い。そのためインクの外部への漏れ、蒸発が極めて少な
い構造である。さらに、隣接するインク室への振動の伝
搬を最小に抑える等の効果にも優れ、高密度にインク吐
出口が配列したインクジェットヘッドにも適している。

【０００５】圧電素子の変位効率をより高めるために
は、振動板の剛性を低くする必要がある。特に圧電素子
の変形をたわみ変形に変換せず、圧電素子の収縮、伸張
振動、すなわち厚みまたは長さの振動をそのままインク
室への圧力変化に変換する構成のインクジェットヘッド
においては、振動板の剛性は低い程変位効率を高くする
ことができる。しかしながら、高弾性部材の剛性を低く
することは前述のようにインクの外部への漏れ、蒸発の
問題が発生してしまう。すなわち、高弾性部材の剛性を
低下させる１手段として厚さを薄くする方法が考えられ
るが、一般に金属の厚みを薄くしていくに従って、金属
に微小なピンホールが発生しやすくなり、インクの外部
との遮断が困難になっていくという課題を有している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、インク室の圧力を高めインク吐出口からイン
ク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、少な
くともインク室を構成する基板と、該基板上に積層され
る少なくとも２層構造から成る蓋板と、インク室に対応
して蓋板上に配設される圧力発生器とを備え、蓋板のイ
ンク室側の層はインクとの接触角が９０゜以下であり、
圧力発生器側の層はインクとの接触角が９０゜以上であ
ることを特徴とする。また、係るインクジェットヘッド
において、蓋板は、インク室側の層であるインクとの接
触角が９０゜以下の第１の層、インクとの接触角が９０
゜以上の第２の層、第３の層の順で積層される構成であ
り、第１の層及び／または第３の層は、第２の層より高
剛性であることを特徴とする。また、係るインクジェッ
トヘッドにおいて、圧力発生器は、圧力発生方向と平行
な方向に伸縮する圧電素子であり、圧電素子の端部と、
前記第２の層より高剛性である第３の層とが接合されて
いることを特徴とする。また、係るインクジェットヘッ
ドにおいて、圧電素子と接合する第３の層は、インク室
に対応した位置に島部を形成していることを特徴とす
る。また、本発明のインクジェットヘッドは、インク室
の圧力を高めインク吐出口からインク滴を吐出させるイ
ンクジェットヘッドにおいて、少なくとも流路とインク
室を構成する基板と、インク室内に設けられた発熱素子
と、流路及びインク室を封止する蓋板とを具備し、蓋板
は、流路に当接するインクとの接触角が９０゜以下であ
る第１の層、インクとの接触角が９０゜以上の第２の
層、第３の層の順で積層された構成であり、第３の層
は、第２の層よりも高剛性であることを特徴とする。

【０００７】

【実施例】図１は本発明を適用したインクジェットプリ
ンタの実施例の構成を示す斜視図、図２は本実施例のイ
ンク吐出部を示す断面図、図３は本実施例の振動板の詳
細を示す斜視図、図４は本実施例の振動板の詳細を示す
部分断面図である。

【０００８】これらの図において、１は印字ヘッドであ
り、インク室２内のインク３の圧力を圧電素子４を駆動
することにより高め、インク吐出口５からインク滴とし
て吐出させるものである。圧電素子４は第１の固定板６
ａと第２の固定板６ｂに挟まれて固定されており、第１
の固定板６ａ上には圧電素子４に駆動信号を電圧として
与えるための駆動回路７が設置されている。インク室２
はインク吐出口５が形成されているノズルプレート８と
隣接するインク室間を隔離する壁部９と振動板１０とで
囲まれて形成されている。圧電素子４は振動板１０に固
着されており、圧電素子４が変形することにより振動板
１０が変位し、インク室２内の圧力が高まりインク吐出
口からインクが吐出する。インク室２は第１の供給口１
１を介して第１のリザーバ部１２と連通しており、第１
のリザーバ部１２からインク３がインク室２に供給され
るようになっている。第１のリザーバ部１２は図示して
いないインクタンクと連通している。

【０００９】さらに、インク室２には第１の供給口１１
と対向する位置に第２の供給口１３が設けられており、
この第２の供給口１３を介してインク室２と第２のリザ
ーバ部１４とが連通している。

【００１０】このような構成をとることにより、一方の
リザーバ部例えば第１のリザーバ部１２の圧力をポンプ
手段等により高めることにより、インク室２内のインク
は第１の供給口１１、インク室２、第２の供給口１３を
介して第２のリザーバ部１４にインクを流すことがで
き、インク室２内の気泡あるいは増粘等劣化したインク
をインク室外に排除することができる。この時例えばイ
ンク吐出口５にキャッピング等閉塞手段を講じることに
より、インク吐出口５からのインクを排出することなし
にインク室２内の気泡あるいは劣化インクをインク室外
に排除することができる。

【００１１】振動板１０は図４に示されるような３層の
積層構造となっており、最もインク室側の第１の層１５
は例えば厚さ０．０１２ｍｍのポリイミドフィルムであ
り、中間の第２の層１６は例えば厚さ０．０１２５ｍｍ
の４ふっ化エチレン樹脂層、圧電素子４側の第３の層１
７は例えば厚さ０．１ｍｍのステンレス等からなる金属
層である。本実施例において使用するインクは主溶媒と
して水を用いており、色材として顔料を分散したインク
であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、色
材に染料を用いたもの、あるいは主溶媒として有機溶剤
を用いたもの等のインクにおいても可能であることは明
白である。本実施例におけるインクにおいて、インクと
第１、第２の層１５、１６との接触角の測定結果を下記
に示す。

【００１２】 第１の層１５とインクとの接触角 ５１゜ 第２の層１６とインクとの接触角 ９８゜ この測定結果から明かなように、インク３と接触する振
動板１０の第１の層１５はインク３との接触角は９０゜
より十分小さく、インクのインク室２内への充填性に問
題ない。また、第２の層１６とインクとの接触角は９０
゜より大きい材質となっている。第２の層１６に用いた
４ふっ化エチレンは、水蒸気の透過は実質的に皆無であ
り、インクの外部への蒸発、透過等を防ぐことができ
る。また、第２の層１６に微小なピンホールが発生して
いた場合においても、インクとの接触角が９０゜以上あ
るため、インク物性値やピンホールの大きさと第２の層
の厚みによるが、図５に示すようにピンホールを通過し
てインクが外部に浸入する確率を極めて低くすることが
できる。すなわち、液体とピンホールとの接触角が９０
゜を境界にして、ピンホールへの液体の浸入状態が大き
く変化する。ピンホールは一般的に非常に小さい（０．
００１ｍｍ程度以下が大半）が、接触角９０゜以下にお
いては、ピンホールの大きさが小さいほどピンホール内
部へ液体が浸入しやすくなる。しかし、接触角９０゜以
上においては、ピンホールが小さいほどピンホール内部
への浸入はしにくくなる。少なくとも毛細管力だけでは
浸入は不可能であり、液体と大気との間に圧力差を発生
させないとピンホール内には浸入しない。０．００１ｍ
ｍ程度の大きさのピンホールであれば、第２の層の厚み
が０．００５ｍｍ程度以上あれば実質的にインクの外部
への漏れは発生しない。

【００１３】振動板１０の第３の層１７の振動部１８は
図４に示すようにインク室２と対応する位置に島状に形
成されている。さらに、振動部１８とある適正な間隔Ｌ
をもって、固定部１９が梯子状に形成され、第３の層１
７が形成されている。振動部１８と圧電素子４とが接合
されており、固定部１９と圧電素子４とは接合されてい
ない。また、振動部１８と固定部１９とは間隔Ｌをもっ
て配置されているため、間隔Ｌの部分は第１の層１５と
第２の層１６のみである。前述したように、第１の層１
５は厚さ０．０１２ｍｍのポリイミドで形成、第２の層
は厚さ０．０１２５ｍｍの４ふっ化エチレン樹脂で形成
されている。ポリイミドの弾性率は約３×１０⁹Ｎ／
ｍ²、４ふっ化エチレン樹脂の弾性率は約４×１０⁸Ｎ／
ｍ²であり、圧電素子の弾性率約６×１０¹⁰Ｎ／ｍ²やス
テンレスの弾性率２×１０¹¹Ｎ／ｍ²と比較して十分小
さいため、圧電素子による振動を阻害することなく振動
効率の優れた構成とすることができる。

【００１４】梯子状の固定部１９は、流路を構成する基
板２０および壁部９に接合されている。この固定には本
実施例ではエポキシ系接着材を用いて接合したが、使用
するインクや各部の材質、寸法、環境条件等を考慮し、
例えばポリイミド系接着剤やふっ素系の樹脂、セラミッ
ク微粉末をバインダーに混合した接着剤等適宜選択する
ことができる。また、第１の層１５よりもさらに流路側
にふっ素樹脂層の第４の層を設け、加熱加圧接合する方
法もある。この場合には接合後流路中のふっ素樹脂を取
り除き、流路内のインク充填性を上げることが望まし
い。基板２０は図６に示すようにインク室２と対応する
ように開口部２１が固定部１９と同様な形状で形成され
ている。そして、開口部２１の両側に第１のリザーバ部
と第２のリザーバ部が溝状に形成されている。基板２０
は例えばエポキシ樹脂系の材質を成形により形成されて
いる。このように隣接するインク室間を構成することに
より、隣接インク室への振動の伝搬を抑えることができ
る。基板２０はエポキシ系樹脂以外にも他のプラスチッ
ク材料の成形、あるいはガラスのエッチング加工、感光
性セラミックスのエッチング加工、金属のエッチング加
工、金属のプレス加工、金属の粉末成形等によっても同
様であるが、隣接インク室への振動の伝搬を抑えるため
には、弾性率の高い材料であることが望ましい。振動板
の第１の層１５としては、本実施例に用いたポリイミド
フィルムの他にも例えば、ポリサルフォン（ＰＳ）、ポ
リカーボネイト（ＰＣ）、ポリフェニレンサルファイド
（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合
体（ＡＢＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥ
Ｔ）、ポリエチレン等の有機材料やステンレス箔、ニッ
ケル箔等の金属材料を用いてもよい。以下に本実施例に
用いたインクといくつかの部材との接触角、および弾性
率を示す。

【００１５】 第１の層１５として一般的な有機材料を用いる場合には
弾性率が低いため、その厚さは例えば０．０１ｍｍ前後
において最適な寸法を得られるが、金属を用いた場合に
は弾性率が高いため、その厚みは非常に薄くする必要が
あり、例えば０．００３ｍｍ程度にする必要がある。こ
のように薄肉の金属箔を微小なピンホールなしで形成す
るのは困難であり、微小なピンホールが発生してしまう
可能性がある。本発明によれば、図７に示すように微小
なピンホールの発生している第１の層１１５に４ふっ化
エチレン樹脂からなる第２の層１１６を被覆し、加熱溶
融することにより、ピンホールを塞ぐことができる。前
述したように４ふっ化エチレンは水分を実質的に透過す
ることがないため、インクの外部への漏れ、蒸発を防ぐ
ことができる。この場合インク室２内には第２の層１１
６が一部露出するが、一般的に第１の層１１５のピンホ
ールは非常に小さいため、実質的にインク３のインク室
２内への充填性を阻害することはない。

【００１６】図８は本発明の第２の実施例を示す部分透
視図であり、図９は部分断面図である。図面において２
０５はインク吐出口であり、インク室２０２のインク２
０３の圧力を高めインクを吐出するものである。２２０
は流路形成基板であり、例えばシリコン上に感光性樹脂
を所望形状に形成してなっている。流路形成基板２２０
上には発熱体２０４が形成されている。インク室２０２
は流路形成基板２２０と、隣接するインク室２０２間を
遮断する壁部２０９と、蓋板２１０とで形成されてい
る。蓋板２１０は第１の実施例と同様にインク室２０２
側より順次第１の層２１５、第２の層２１６、第３の層
２１７の３層の積層構造となっており、第１の層は低剛
性のインクとの接触角が９０゜以下の材質からなり、第
２の層は低剛性のインクとの接触角が９０゜以上の材質
からなっている。第３の層はリザーバ部２１２の上部に
対応した位置が部分的に開口部２１３を有する高剛性部
材である。本実施例においては、インク室２０２のイン
ク圧力を高める圧力発生手段として、発熱体２０４が振
動板を形成してなっている。発熱体２０４に電極２２１
を介して図示していない信号発生回路から電気エネルギ
ーを選択的に与えることにより、発熱体周囲のインクが
急速に気化し、その膨張によりインク室２０２内のイン
ク圧力を高め、インク吐出口２０５よりインクを吐出す
るものである。第３の層２１７は例えば厚さ０．５ｍｍ
のガラスよりなっており、インク室２０２内の圧力変動
に対して実質的に十分な剛性をもっている。インク室２
０２内に発生した圧力波はインク吐出口２０３方向に伝
搬すると同時にリザーバ部２１２方向にも伝搬する。リ
ザーバ部２１２に伝搬した圧力波は例えば隣接するイン
ク室２０２’にも伝搬し、２０２’内の圧力変動をも引
き起こし、印字品質を著しく低下させる可能性がある。
しかしながら、本実施例においては、蓋板２１０の第３
の層２１７がリザーバ部２１２上に設けられた開口部２
２１を有する。そのため、開口部においては低剛性であ
る第１の層と第２の層の積層部分があるだけであり、リ
ザーバ部２１２に伝搬した圧力波を低剛性部分に一時的
に待避させることができ、隣接するインク室２０２’へ
の圧力伝搬を抑えることが可能となる。なお、低剛性部
分は第１の実施例と同様に、インクとの接触角が９０゜
以下の材質と９０゜以上の材質との積層構造であるた
め、インクの充填性を阻害することなく、またインクの
外部への漏れ、蒸発を防ぐことが可能であることは、前
述の第１の実施例で述べた通りである。本実施例では第
３の層が高剛性部材であるが、例えば第１の層を開口部
を有する高剛性部材とし、第３の層を低剛性部材として
構成することも可能である。この場合、インクとの接触
角が９０゜以上ある第２の層がインクと接触するのを防
ぐために、第１の層と第２の層の間にインクとの濡れ性
がよく低剛性の第４の層を設けることが望ましい。

【００１７】本明細書に示した実施例においては、１列
のほぼ印字幅全体の長さをもつラインヘッドであるが、
本発明はこれに限定されるものではなく、例えば２列以
上の千鳥配列されたラインヘッドや、印字幅方向に印字
ヘッドが移動するシリアルヘッド、あるいは異なる色毎
に印字ヘッドを配置したカラーインクジェットプリンタ
の場合にも適合することは明かである。

【００１８】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドは、イン
ク室の圧力を高めインク吐出口からインク滴を吐出させ
るインクジェットヘッドにおいて、少なくともインク室
を構成する基板と、該基板上に積層される少なくとも２
層構造から成る蓋板と、インク室に対応して蓋板上に配
設される圧力発生器とを備え、蓋板のインク室側の層は
インクとの接触角が９０゜以下であり、圧力発生器側の
層はインクとの接触角が９０゜以上であることにより、
流路内においてインクとの濡れ性がよく、インクの充填
性、気泡排出性に優れ、しかも、流路外、特には蓋板と
当接する圧力発生器への漏れ、蒸発等による透過がな
く、信頼性の高いインクジェットヘッドを提供すること
ができるという効果を有する。また、係るインクジェッ
トヘッドにおいて、蓋板は、インク室側の層であるイン
クとの接触角が９０゜以下の第１の層、インクとの接触
角が９０゜以上の第２の層、第３の層の順で積層される
構成であり、第１の層及び／または第３の層は、第２の
層より高剛性であることにより、圧力発生器が圧力発生
方向と平行な方向に伸縮する圧電素子であれば、該圧電
素子の先端と高剛性である第３の層で形成された島部と
を接合させることで、上記作用効果に併せて圧電素子の
発生する振動を効率良くインク室に伝達することができ
るという効果が得られる。また、本発明のインクジェッ
トヘッドは、インク室の圧力を高めインク吐出口からイ
ンク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、少
なくとも流路とインク室を構成する基板と、インク室内
に設けられた発熱素子と、流路及びインク室を封止する
蓋板とを具備し、蓋板は、流路に当接するインクとの接
触角が９０゜以下である第１の層、インクとの接触角が
９０゜以上の第２の層、第３の層の順で積層された構成
であり、第３の層は、第２の層よりも高剛性であること
により、流路内においてインクとの濡れ性がよく、イン
クの充填性、気泡排出性に優れ、しかも、流路外へのイ
ンクの漏れ、または蒸発等による透過がなく、信頼性の
高いインクジェットヘッドを提供することができる。ま
た、発熱素子が発生する圧力に対して、インク室に充分
な剛性を持たせることができ、上記作用効果に併せてイ
ンク室内のインクに効率良く圧力を伝達することができ
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施例のインク吐出部の部分断面図で
ある。

【図３】本発明の実施例の振動板の詳細を示す斜視図で
ある。

【図４】本発明の実施例の振動板の詳細を示す断面図で
ある。

【図５】本発明の実施例のインクのピンホールへの浸入
を説明する図である。

【図６】本発明の実施例の流路形成基板を示す上面図で
ある。

【図７】本発明の実施例のピンホールの発生した第１の
層への第２の層の塗布状況を示す図である。

【図８】本発明の第２の実施例を示す部分透視図であ
る。

【図９】第２の実施例の部分断面図である。

【図１０】従来のインクジェットヘッドの構成を示す断
面図である。

【図１１】従来のインクジェットヘッドの構成を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ …印字ヘッド ２ …インク室 ３ …インク ４ …圧電素子 ５ …インク吐出口 １０ …振動板 １５ …振動板の第１の層 １６ …振動板の第２の層 １７ …振動板の第３の層 １８ …振動板の振動部 １９ …振動板の固定部 ２０ …基板 １１５ …ピンホールの発生した振動板の第１の層 １１６ …振動板の第２の層 ２０４ …発熱体 ２１０ …蓋板 ２１２ …リザーバ部 ２１５ …蓋板の第１の層 ２１６ …蓋板の第２の層 ２１７ …蓋板の第３の層 ２２１ …蓋板の第３の層に設けられた開口部

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク室の圧力を高めインク吐出口から
   インク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、少なくともインク室を構成する基板と、該基板上に積層
   される少なくとも２層構造から成る蓋板と、前記インク
   室に対応して前記蓋板上に配設される圧力発生器とを備
   え、 前記蓋板のインク室側の層はインクとの接触角が９０゜
   以下であり、圧力発生器側の層はインクとの接触角が９
   ０゜以上であることを特徴とするインクジェットヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 前記蓋板は、インク室側の層であるイン
   クとの接触角が９０゜以下の第１の層、インクとの接触
   角が９０゜以上の第２の層、第３の層の順で積層される
   構成であり、 前記第１の層及び／または前記第３の層は、前記第２の
   層より高剛性であ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. 【請求項３】 前記圧力発生器は、圧力発生方向と平行
   な方向に伸縮する圧電素子であり、前記圧電素子の端部
   と、前記第３の層とが接合されていることを特徴とする
   請求項２記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記圧電素子と接合する第３の層は、イ
   ンク室に対応した位置に島部を形成していることを特徴
   とする請求項３記載のインクジェットヘッド。
5. 【請求項５】 インク室の圧力を高めインク吐出口から
   インク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、 少なくとも流路とインク室を構成する基板と、前記イン
   ク室内に設けられた発熱素子と、前記流路及びインク室
   を封止する蓋板とを具備し、 前記蓋板は、流路に当接するインクとの接触角が９０゜
   以下である第１の層、インクとの接触角が９０゜以上の
   第２の層、第３の層の順で積層された構成であり、 前記第３の層は、前記第２の層よりも高剛性であること
   を特徴とするインクジェットヘッド。