JP3677771B2

JP3677771B2 - インクジェット記録ヘッド及びインクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP3677771B2
Application number: JP29189999A
Authority: JP
Inventors: 薫百瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP2001105595A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタの記録ヘッドの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録ヘッド、例えば圧電素子を用いてインク吐出の圧力を発生するタイプの記録ヘッドは、用紙に面する前面に、多数のノズル孔が穿たれたプレート（「ノズルプレート」という）を有し、このノズルプレートの背面に、ノズル孔へインクを分配するためのインク流路をもった部品（「流路モジュール」という）が接合されており、更に、この流路基板の背面に、インク吐出圧を流路基板に印可するための圧電素子が結合されている。
【０００３】
さて、ノズルプレートは一般に金属製であり、典型的には、ステンレスティールの圧延プレートである。また、その背面に接合されている流路モジュールは、圧電素子からの強い衝撃に耐えられる高い剛性もつ材料、典型的にはシリコンで作られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
記録ヘッドの製造工程において、一般に、６５℃のような高い温度雰囲気中で、そのような高温で硬化する接着剤を用いて、ノズルプレートと流路モジュールの接着などの作業が行われる。一方、記録ヘッドの動作保証が要求される使用環境の温度域の低温側リミットは約−２０℃である。そのため、記録ヘッドには、６５℃〜−２０℃という広い温度域にわたって、故障しないことが要求される。
【０００５】
ここで第１に問題となることは、ノズルプレートと流路モジュールとの熱膨張率の違いによる記録ヘッドの破壊の虞れである。ステンレススティール製のノズルプレートと、シリコン製の流路モジュールとでは、線膨張係数がノズルプレートの方が遥かに大きい。そのため、６５℃の高温度雰囲気中で組み立てられた記録ヘッドは、特に環境温度が低温になったときに、ノズルプレートと流路モジュールの収縮量の違いにより、両者の接着が壊れるおそれがある。
【０００６】
また、第２の問題は、インクの凍結による記録ヘッドの破壊の虞れである。プリンタ用のインクは一般に、温度が−５℃位にまで下がるとシャーベット状に凍結する。水性染料インクまたは水性顔料インクが使用される流路モジュール内に溜まっているインクのうち、ノズルの直ぐ背後の場所に存在するインクが、外気温度の影響を最も受け易いため、最初に凍結し始めると推測される。このノズルの直ぐ背後の場所は、流路モジュールがもつ「圧力室」と呼ばれる部屋の中にある。この場所からインクの凍結が始まって圧力室内のインク凍結が進んでいくと、凍結によってインクが体積膨張して圧力室の壁を外側へ押し広げようとするため、圧力室の壁とノズルプレートとの接着箇所が壊れてしまう虞れがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、温度変化に起因するインクジェット記録ヘッドの破壊を防止するすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に従うインクジェット記録ヘッドは、インク吐出用のノズルを有したノズルプレートと、ノズルプレートに接着された、インク流路をもつ流路モジュールとを備え、ノズルプレートは長短の外寸法をもつ平面形状を有する金属の圧延プレートであり、ノズルプレートの平面形状の長い方の外寸法の方向が圧延方向と略直交している。
【０００９】
金属の圧延プレートの線膨張係数は、圧延方向で最も大きく、圧延方向に直交する方向で最も小さい。そのため、ノズルプレートの平面形状がもつ長短の外寸法のうち長い方の方向（典型的には、長方形のプレートの長辺の方向）を圧延方向と直交させることにより、圧延プレートの温度変化による線膨張、収縮の量は小さくなる。そのため、圧延プレートと、それより線膨張係数の小さい材料製の流路モジュールとの接着面が、両者の線膨張係数の違いにより壊れる虞が低減される。
【００１０】
本発明の第２の観点に従うインクジェット記録ヘッドは、前面と背面とをもち、圧力室と、リザーバ室と、リザーバ室から圧力室へインクを供給するためのインク供給路とを有する流路モジュールと、この記流路モジュールの前面に接着され、圧力室に対応する位置にインク吐出用のノズルを有したノズルプレートと、流路モジュールの背面に接着された振動板と、この振動板の背面の圧力室に対応する場所に当接した圧電振動子とを備える。そして、圧力室は、流路モジュールを前面から背面へ貫通した圧力室貫通部と、流路モジュールの背面に、圧力室貫通部と連通した溝として形成された圧力室背溝部とを有する。また、インク供給路は、流路モジュールの背面に、圧力室背溝部とリザーバ室とを繋ぐ溝として形成された背側インク供給路と、流路モジュールの前面に、圧力室とリザーバ室とを繋ぐ溝として形成された前側インク供給路とを有する。背側インク供給路も前側インク供給路も共に圧力室背溝部よりも細く、また、前側インク供給路は背側インク供給路よりも長い。
【００１１】
このインクジェット記録ヘッドによれば、圧力室とリザーバ室とが、流路モジュールの前面と背面に溝として形成された２系統の流路を通じて繋がっている。そのため、低温環境で圧力室内のインクが凍結していくとき、凍結によるインクの体積膨張分に相当するインクが、圧力室からリザーバ室へ、前面と背面の２系統の流路を通って容易に逃げることができる。その結果、インク凍結時の圧力室の内圧の上昇が抑制され、圧力室周囲における流路モジュールとノズルプレートとの接着面の破壊が防止される。
【００１２】
また、このインクジェット記録ヘッドでは、圧力室とリザーバ室とを繋ぐインク供給路が、流路モジュールの背面に溝として形成された背側インク供給路と、流路モジュールの前面に溝として形成された前側インク供給路とから構成される。背側インク供給路と前側インク供給路は共に圧力室背溝部よりも細く、且つ、前側インク供給路は背側インク供給路よりも長い。この流路構成によれば、流路モジュールの背面と前面に２系統の流路を設けてはいても、圧力室の体積が不必要に大きくなることがないため、高速印刷に容易に対応でき、また、特に気泡の停留し易い背面側の流路でのインクの流れも良いため、気泡を除去できる能力も良好である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態にかかるインクジェットプリンタで用いられる記録ヘッドの全体構成を示す分解斜視図である。
【００１４】
なお、インクジェットプリンタは、記録ヘッドのほかに、記録ヘッドを移動させるキャリッジ機構、用紙を搬送する用紙搬送機構、これらの機構を駆動する駆動回路、ホスト装置から印刷データを受けて印刷イメージを作成し駆動回路を制御する制御回路などを備えるが、これらの記録ヘッド以外の構成要素については、特に説明せずとも当業者は理解できるから、本明細書では説明を省略する。
【００１５】
図１に示す記録ヘッドは、合成樹脂製のヘッドケース１０を有する。このヘッドケース１０の前面１３に、インク噴射ユニット９が接着剤などで固定される。インク噴射ユニット９は、ノズルプレート６と、プレート状の流路モジュール（以下、流路プレートという）４と、可撓性の振動板８とが積層され接着剤などで接着されたものである。
【００１６】
ノズルプレート６は、ステンレススティールの圧延プレートである。ノズルプレート６には、多数のノズル孔５が、複数の列（この例では５列）をなす配列で穿たれている。流路プレート４は、シリコン単結晶板から作られている。流路プレート４には、ノズルプレート６の多数のノズル孔５にそれぞれ連通する多数の圧力室１と、ヘッドケース１０の方から供給されるインクを一時的に蓄えるリザーバ室２と、リザーバ室２から圧力室１へインクを送るインク供給路３とが、エッチングによって形成されている。
【００１７】
圧力室１は、ノズル孔５にそれぞれ対応する配置で複数列（この例では５列）に配列されている。リザーバ室２は、圧力室１の各列に１室づつ、各列に沿って細長く延びた形状に形成されている。後に図４を参照して詳細に説明するように、リザーバ室２と圧力室１の一部分は、フルエッチングにより流路プレート４を上下に完全に貫通するよう形成されており、インク供給路３と圧力室１の大部分は、ハーフエッチングにより流路プレート４の上面と下面に浅い溝として形成されている。流路プレート４には、さらに、向かい合う圧力室１の列と列の間に、流路プレート４を上下に完全に貫通する細長いスリット１１を有している。
【００１８】
振動板８は、薄い合成樹脂シートとステンレススティールシートとの複合板であり、可撓性を有している。振動板８には、リザーバ室２の中央に相当する位置に、インク導入口１２が穿たれている。
【００１９】
ヘッドケース１０は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂の射出成形により作られたもので、その前面１３のインク導入口１２に対応した位置に、リザーバ室２にインクを導入するためのインク供給管１４の出口が設けられている。また、リザーバ室２に対応する領域に、リザーバ室２の形状と略一致する形状の凹部１５が形成されている。この凹部１５の底面のインク供給管１４の両側には、ノズル孔５の列方向に延びた空気抜き孔１７が上記底面を貫通して穿たれている。凹部１５は、リザーバ室２の下側開口を封止する振動板８の変形空間である。インク吐出時のリザーバ室２内の圧力変動は、振動板８の変形によって吸収される。
【００２０】
ヘッドケース１０の前面１３の圧力室１の各列に対応する位置に、圧電振動子７の先端を前面１３に露呈させるための窓１６が形成されている。圧電振動子７はヘッドケース１０の内部に固定されており、圧電振動子７の先端が窓１６を通って振動板８に接着されている。
【００２１】
図２はノズルプレート６の平面図である。
【００２２】
ノズルプレート６は、ステンレススティールの圧延プレートであり、図示のように長方形の平面形状をもち、その短辺の方向が圧延方向と一致している、つまり、長辺の方向が圧延方向に直交している。金属の圧延プレートの線膨張率は一般に、圧延方向で大きく、それに直交行する方向で小さい。ゆえに、圧延方向を長辺方向と直交させることにより、温度変化によるノズルプレート６の線膨張、収縮の量は最小限に抑えられる。そのため、ノズルプレート６と、それより遥かに小さい線膨張率をもつシリコン製の流路プレート４との接着が、温度変化による線膨張又は収縮により壊される虞が最小限に抑えられる。
【００２３】
図３に示すように、ノズル孔５が本実施形態とは異なる方向に並んでいるノズルプレート１０６においても、ノズル孔５の配列方向とは関係無しに、圧延方向と直交する方向に長辺方向が選ばれる。また、仮に方形とは異なる平面形状をもつノズルプレートを用いる場合には、上記の原理に従がい、ノズルプレートの平面形状がもつ長短の外寸法のうち、長い方の外寸法（例えば、三角形や台形の底辺と高さのうち長い方、楕円の長径など）の方向が圧延方向に直交するように選ばれる。
【００２４】
図４は、この記録ヘッドの流路プレート４を中心とした部分の断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図６は図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。尚、図４は、図５及び図６のＣ−Ｃ線に沿った断面図である（流路に沿って切断したため、図５と図６ではＣ−Ｃ切断ラインの位置が部分的に異っていることに注意されたい）。
【００２５】
インクジェット記録ヘッドは、通常、図４に示すように、ノズル孔５を下方に向けた姿勢で配置される。既に説明したように、流路プレート４には、圧力室１と、リザーバ室２と、両者を結ぶインク供給路３とが形成されている。
【００２６】
図４に示すように、圧力室１は、フルエッチングにより流路プレート４を貫通して形成された貫通部１ａと、ハーフエッチングにより流路プレート４の前面（図中の下面）に浅い溝として形成された前溝部１ｂと、ハーフエッチングにより流路プレート４の背面（図中の上面）に浅い溝として形成された背溝部１ｃとから構成される。貫通部１ａは、ノズル孔５の背後に位置している。この貫通部１ａの背溝部１寄りの一部分と背溝部１の大部分の背面に、振動板８を介して圧電振動子７からの振動が加わるようになっている。
【００２７】
図５及び図６に示すように、圧力室１はどの部分も、圧電振動子７の前面の幅に見合う十分な幅W1を有している。図６に示すように、背溝部１ｃは、圧電振動子７の前面の長さに見合う十分な長さL１ｃを有し、リザーバ室２の近くまで延びている。一方、図５に示すように、前溝部１ｂの長さL１ｂは、背溝部１ｃに比べて遥かに短く、圧力室１の前溝部１ｂの体積は、背溝部１ｃや貫通部１ａに比較して遥かに小さい。
【００２８】
リザーバ室２はフルエッチングにより流路プレート４を貫通して形成された貫通部２ａと、ハーフエッチングにより流路プレート４の前面に浅いテラスのように形成された前庭部２ｂと、ハーフエッチングにより流路プレート４の背面に浅いテラスのように形成された背庭部２ｃとから構成される。
【００２９】
インク供給路３は、圧力室１の前溝部１ｂとリザーバ室２の前庭部２ｂとを繋ぐように、ハーフエッチングにより流路プレート４の前面に浅い溝として形成された前供給路３ａと、圧力室１の背溝部１ｃとリザーバ室２の背庭部２ｃとを繋ぐように、ハーフエッチングにより流路プレート４の背面に浅い溝として形成された背供給路３ｂとから構成される。図６に示すように、背供給路３ｂは、極めて細く且つ短い２本の流路から成り、その太さはこの２本の流路を足し合わせても圧力室１の背溝部１ｃに比べて遥かに細い。図５に示すように、前供給路３ａは、細く且つ長い一本の流路であり、その長さは背供給路３ｂより遥かに長く、また、その太さは圧力室１の前溝部１ａよりも遥かに細い。
【００３０】
上記流路構成において、リザーバ２からノズル孔５へ至るインク流れの経路には、流路プレート４の前面側の溝を通る経路、つまり図５に示すように、リザーバ２の前庭部２ｂから前供給路３ａを通り圧力室１の前溝部１ｂを経てノズル孔５へ至る前側経路と、流路プレート４の背面側の溝を通る経路、つまり、図６に示すように、リザーバ２の背庭部２ｃから背供給路３ｂを通って圧力室１の背溝部１ｂには入り貫通部１を経てノズル孔５へ至る背側経路とがある。この２つの経路は、両者の流路抵抗（圧損）を比較した場合、前側経路の方が背側経路より若干抵抗が大きくなるようになっている。つまり、前側経路の方が背側経路より若干インクが流れ難くなっている。前側経路の流路抵抗を背側経路より大きくするために、前側経路の前供給路３ａの長さが、背側経路の背供給路３ｂより遥かに長くなっている。
【００３１】
上述した流路構成によれば、インクが凍結するような低温環境におかれた場合でも、インク凍結による体積膨張分のインクを圧力室１から効果的に逃がして、圧力室１周囲における流路プレート４とノズルプレート６の接着部の破壊を抑制することができる。すなわち、インクの凍結は、外気温度の影響を最も受け易いノズル孔５の直ぐ背後の付近から始まって圧力室１内に広がっていくであろうが、その過程で、インク凍結によって膨張した体積分のインクが、上述した前側経路と背側経路の２つの経路を通じてリザーバ室２へ逃げる。そのため、凍結が生じても圧力室１の内圧は上昇しにくく、接着部に加わるストレスは過大になりにくい。
【００３２】
このように、上述した流路構成によれば、流路プレート４に前側経路と背側経路の２つのインク流路を設けることにより、凍結による接着部の破壊という問題を解決している。ところが、流路プレート４に２つの流路を設けると、一般的には、次の２つの副作用の発生が懸念される。第１は、圧力室１の体積が増大し、高速印刷に対応することが難しくなる虞である。第２は、流路内のインク流速が低下し、流路内から気泡を除去する能力が低下する虞である。
【００３３】
しかし、上述した流路構成によれば、上述の副作用を最小限に抑えて、記録ヘッドの高い性能を維持することが可能である。すなわち、まず第１の点については、高速印刷を実現するには、高い周波数で圧力室１を駆動する必要があり、そのため、圧力室１の体積が十分小さいことが必要である。一般に、圧力室１の貫通部１ａと背溝部１ｃは、そのサイズが圧電振動子７のサイズに依存して決まるので、与えられた圧電振動子のサイズの下で圧力室１がもち得る最小の体積は、貫通部１ａと背溝部１ｃを合わせた体積ということになる。上述した流路構成によれば、圧力室１の前溝部１ｂの体積が非常に小さいため、圧力室１全体の体積は、貫通部１ａと背溝部１ｃを合わせた体積に近い値となる。つまり、圧力室１全体の体積は、与えられた圧電振動子のサイズの下での最小の体積に近い値となるので、高速駆動に対応することが容易である。
【００３４】
次に、第２の副作用については、気泡は、流路プレート４中では最も高い位置にある背側経路内に溜まり易い。上述した流路構成によれば、背側流路の方を前側流路よりインクが流れ易くしているので、気泡除去の目的でノズル孔５からインク強制吸引などを行ったとき、背側流路内をインクが高速に流れるので、そこに停留した気泡が効果的に除去することができる。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなしに、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるインクジェットプリンタで用いられる記録ヘッドの全体構成を示す分解斜視図。
【図２】同実施形態のノズルプレートの平面図。
【図３】別のノズルプレートの平面図。
【図４】同実施形態の記録ヘッドの流路プレート４を中心とした部分の断面図。。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図６】図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１圧力室
１ａ圧力室の貫通部
１ｂ圧力室の前溝部
１ｃ圧力室の背溝部
２リザーバ室
３インク供給路
３ａ前側インク供給路
３ｂ背側インク供給路
４流路プレート（流路モジュール）
５ノズル孔
６ノズルプレート
７圧電振動子
８振動板

Claims

インク吐出用のノズルを有したノズルプレートと、ノズルプレートに接着された、インク流路をもつ、前記ノズルプレートの平面形状と略同一の平面形状を呈する流路モジュールとを備え、前記ノズルプレートは長短の外寸法をもつ平面形状を有する金属の圧延プレートであり、前記ノズルプレートの平面形状の長い方の外寸法の方向が圧延方向と略直交しているインクジェット記録ヘッド。
前記流路モジュールがシリコン単結晶基板で作られている請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
インクジェット記録ヘッドと、前記記録ヘッドを移動させるキャリッジ機構と、前記用紙を搬送する用紙搬送機構と、これらの機構を駆動する駆動回路と、ホスト装置から印刷データを受けて印刷イメージを作成し前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、
前記記録ヘッドは、インク吐出用のノズルを有したノズルプレートと、ノズルプレートに接着された、インク流路をもつ、前記ノズルプレートの平面形状と略同一の平面形状を呈する流路モジュールとを備え、前記ノズルプレートは長短の外寸法をもつ平面形状を有する金属の圧延プレートであり、前記ノズルプレートの平面形状の長い方の外寸法の方向が圧延方向と略直交しているインクジェットプリンタ。
前記流路モジュールがシリコン単結晶基板で作られている請求項３記載のインクジェットプリンタ。
前面と背面とをもち、圧力室と、リザーバ室と、前記リザーバ室から前記圧力室へインクを供給するためのインク供給路とを有する流路モジュールと、
前記流路モジュールの前面に接着され、前記圧力室に対応する位置にインク吐出用のノズルを有した、前記流路モジュールの平面形状と略同一の平面形状を呈するノズルプレートと、
前記流路モジュールの背面に接着された振動板と、
前記振動板の背面の前記圧力室に対応する場所に当接した圧電振動子とを備え、
前記圧力室が、
前記流路モジュールを前面から背面へ貫通した圧力室貫通部と、
前記流路モジュールの背面に、前記圧力室貫通部と連通した溝として形成された圧力室背溝部とを有し、
前記インク供給路が、
流路モジュールの背面に、前記圧力室背溝部と前記リザーバ室とを繋ぐ溝として形成された、前記圧力室背溝部よりも細い背側インク供給路と、
流路モジュールの前面に、前記圧力室と前記リザーバ室とを繋ぐ溝として形成された、圧力室背溝部よりも細く且つ前記背側インク供給路よりも長い前側インク供給路とを有するインクジェット記録ヘッド。
インクジェット記録ヘッドと、前記記録ヘッドを移動させるキャリッジ機構と、前記用紙を搬送する用紙搬送機構と、これらの機構を駆動する駆動回路と、ホスト装置から印刷データを受けて印刷イメージを作成し前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、
前記記録ヘッドは、
前面と背面とをもち、圧力室と、リザーバ室と、前記リザーバ室から前記圧力室へインクを供給するためのインク供給路とを有する流路モジュールと、
前記流路モジュールの前面に接着され、前記圧力室に対応する位置にインク吐出用のノズルを有した、前記流路モジュールの平面形状と略同一の平面形状を呈するノズルプレートと、
前記流路モジュールの背面に接着された振動板と、
前記振動板の背面の前記圧力室に対応する場所に当接した圧電振動子とを備え、
前記圧力室が、
前記流路モジュールを前面から背面へ貫通した圧力室貫通部と、
前記流路モジュールの背面に、前記圧力室貫通部と連通した溝として形成された圧力室背溝部とを有し、
前記インク供給路が、
流路モジュールの背面に、前記圧力室背溝部と前記リザーバ室とを繋ぐ溝として形成された、前記圧力室背溝部よりも細い背側インク供給路と、
流路モジュールの前面に、前記圧力室と前記リザーバ室とを繋ぐ溝として形成された、圧力室背溝部よりも細く且つ前記背側インク供給路よりも長い前側インク供給路とを有するインクジェットプリンタ。
前記記録ヘッドに使用するインクが水性染料インクまたは水性顔料インクである請求項６記載のインクジェットプリンタ。