JP3945097B2

JP3945097B2 - インクジェット式記録ヘッド

Info

Publication number: JP3945097B2
Application number: JP30767299A
Authority: JP
Inventors: 寛成大脇; 貴幸飯島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: JP2001121690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録媒体にインク滴を吐出して記録画像を形成するインクジェット式記録ヘッド、詳細には圧力発生室やリザーバ等の流路を形成する流路基板の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に従来のインクジェット式記録ヘッドの実施例を示し、これを用いて説明する。
【０００３】
従来のインクジェット式記録ヘッド２、例えば圧電素子１を加圧手段として用いたインクジェット式記録ヘッド２においては、複数のノズル開口部１１を有するノズルプレート９の上に流路基板８と封止板としての機能を有する弾性板１０とを積層して流路ユニット５を構成し、この流路ユニット５をケース３に接合する。すなわち、流路基板８には、ノズル開口部１１にそれぞれ連通する圧力室１３と、各圧力室１３に供給するインクを貯蔵するリザーバ１５と、リザーバ１５とそれぞれの圧力室１３との間を連通するインク供給口１４などが隔壁部によって区画することにより形成してあり、この流路基板８の一方の面にノズルプレート９を、他方の面に弾性板１０を接着することにより流路ユニット５が形成されている。そして、圧力室１３に対応させて圧電素子１をケース３側に配置固定し、上記流路ユニット５をケース３に取り付けることにより各圧電素子１を対応した圧力室１３の弾性板１０に固定する。この様に構成されたインクジェット式記録ヘッド２は、外部のインク容器からリザーバ１５にインクを補給し、リザーバ１５からインクを各圧力室１３内に供給して圧電素子１の伸長により、弾性板１０を押圧して圧力室１３内を加圧し、この圧力によりノズル開口部１１からインク滴を吐出する。
【０００４】
圧電素子１の押圧により圧力室１３内の圧力を高めるとノズル開口部１１からインク滴が吐出するだけでなく、圧力室１３とリザーバ１５とを連通しているインク供給口１４からリザーバ１５側にもインク噴流が生じ、リザーバ１５内の圧力が変動し、これにより隣接したノズルの圧力室１３に圧力が伝播して吐出特性が変化してしまい、クロストークが発生する。
【０００５】
さらに、吐出ノズル数や吐出周波数が急激に変化した場合、インクの流量が急激に変化するために外部インク容器に接続するインク導入口１６内に水撃作用による圧力波が発生する。この圧力波はリザーバ１５からインク供給口１４を介して圧力室１３内にも伝播するので、吐出特性にも影響を及ぼす。このため、前記圧力波の振動周期に応じて印字濃度の濃淡となって現れてしまう。
【０００６】
上記の問題を回避軽減するために、弾性板１０は、厚さが２〜１０μｍのＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイト）やポリイミドなどの高分子膜からなる弾性体膜（薄膜部）１８と厚さが数十μｍのステンレス板１７との二層構造であり、ステンレス板１７をエッチング加工して圧電素子１を当接固定するための島部２３を形成するとともに、リザーバ開口部に対応する部分のステンレス板１７を除去してある。これにより弾性板１０のリザーバ開口部に対応する部分のステンレス板１７を除去して弾性体膜（薄膜部）１８のみとし、リザーバ１５のコンプライアンスを大きくしている。これにより、インク供給効率を高め、インク噴流によるリザーバ１５内の圧力変動をステンレス板除去領域で吸収し、流量変化を緩和することによって隣接ノズル間のクロストークを防止するとともに、印字濃淡の発生を防止している。
【０００７】
つまり弾性体膜（薄膜部）１８の露出面積が大きいほど、換言すればリザーバ開口部の面積が大きいほどコンプライアンスが大きくなり、高い印字品質での印刷が可能となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のインクジェット式記録ヘッドにおいては、リザーバ１５のコンプライアンスはまだ不足しており、クロストークや印字濃度の濃淡むらを確実に防止することはできてはいないのが現状である。
【０００９】
金属板に比べて薄い膜を容易に作成可能であってコンプライアンスを大きくすることが可能な弾性体膜としてＰＰＳ等の高分子膜を採用するが、この高分子膜は、流路基板８を構成しているシリコンウェハーや弾性板１０上に厚肉部を形成するステンレス板１７と比較すると、線膨張係数が大きい。このため、フォトエッチング加工でドライフィルム現像後にポストベークした後や流路基板８と弾性板１０を高温で接着した後、室温に戻ると高分子膜に張力が発生してしまう。さらに、ほとんどの高分子膜は、ある室温以上になると収縮し、温度が戻っても元の大きさに戻らない特性がある。これらに起因して、接着した後の高分子膜に張力が作用してコンプライアンスが低下してしまい、これがクロストークや印字濃度のむらの原因となる。このため所定のコンプライアンスを確保するためにはリザーバ開口面積をさらに大きくしなければならない。
【００１０】
しかし、流路基板８のリザーバ開口部を拡大すると、インク流に淀みが生じやすくなり、インク充填時における気泡の排除性が低下する。
【００１１】
本発明では上記した問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、気泡の排除性を低下させることなく、リザーバ１５のコンプライアンスを増大させることができるインクジェット式記録ヘッドを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解決するために、本発明においては、複数のノズル開口部と、
前記ノズル開口部とそれぞれ連通して圧力室隔壁を隔てて列設された複数の圧力室と、各圧力室の少なくとも一端に連通する複数のインク供給口が連通するリザーバと、を形成した流路基板と、
前記流路基板の前記リザーバの開口側に接合される弾性板と、
前記弾性板の前記流路基板の接合される面とは反対側の面に接合されるケースと、
前記圧力室のそれぞれに対応して設けられて前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、を備え、前記リザーバには外部からインクの供給を受けるインク導入口が設けられているインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記リザーバは、長手方向の一端側に前記インク導入口が連通され、また他端側は端部が先細りに形成され、
前記リザーバの前記インク導入口が形成された長手方向の前記一端側には、前記インク導入口側から前記圧力室側にかけて、前記弾性板との間に隙間を有するように段差と、
前記ケースの前記リザーバの開口部に対応した部分に設けられた凹部と、を有し、
前記段差の領域幅は、前記インク導入口側から前記圧力室側に向かうにつれて広くなることを特徴とする。
【００１３】
また、複数のノズル開口を有するノズルプレートが、流路基板の弾性板が接合される面とは反対側の面に接合されていることを特徴とし、インク供給口が流路基板と接合される側及びノズルプレートと接合される側の両方に形成されたことも特徴とする。
【００１４】
さらに、前記インクジェット式記録ヘッドにおいて、流路基板はシリコンウェハーをエッチング処理にて形成されることを特徴とする。また、流路基板は流路基板凹部の底面を境にするように厚み方向に複数の層に分解し、各層の貫通孔に一致する貫通孔を形成したエッチングフィルムを積層することによって形成されることを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記インクジェット式記録ヘッドにおいて、加圧手段は圧電振動子であることを特徴とし、また、加圧手段は圧力発生室のインクを加圧気化させる発熱素子であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は圧力発生手段としてピエゾ素子等の圧電素子１を用いたインクジェット式記録ヘッド２（以下、ヘッドという。）の一実施形態の断面図、図２は図１に示すヘッド２の要部を示す拡大断面図である。
【００１８】
ヘッド２は、図１に示すように、例えばプラスチックからなる箱体状のケース３の表面（下面）に流路ユニット５を接合させ、ケースの裏面（上面）より収納室４内に圧電素子１を挿入して、圧電素子１の櫛歯状先端をそれぞれの流路ユニット５の所定部位に当接固定することにより構成されている。なお、図１中、６はフレキシブルケーブル、７は固定基板である。
【００１９】
流路ユニット５は、流路基板８を間に挟んでノズルプレート９と弾性板１０を両側に積層することにより構成されている。
【００２０】
ノズルプレート９は、ドット形成密度に対応したピッチで複数のノズル開口部１１を列状に開設したプレートであり、本実施形態ではノズル開口部列（以下、ノズル列という。）を２列（短い列を縦に3列並べ、それを大きな1列とする）配置してある。
【００２１】
弾性板１０は、ノズルプレート９とは反対側になる流路基板８の他方の面に積層される。本実施形態では、ステンレス板１７上にＰＰＳ等の高分子体フィルムを弾性体膜形成材としてラミネート加工した二層構造である。そして、弾性板として機能する領域、すなわち圧力室１３に対応した部分は、ステンレス板１７をエッチング加工して圧電素子１を当接固定する為の厚肉部（島部２３）と圧力室の容積を変化させる薄肉部とを形成し、リザーバ１５に対応する部分（リザーバ開口部位）は、ステンレス板１７をフォトエッチング加工で除去して弾性体膜（薄膜部）１８の両面を露出させる。これにより、少なくとも上記圧力室１３の一方の開口面を封止する弾性板として機能し、同じく流路基板８の他方の面に積層され、少なくともリザーバ１５の一方の開口面を封止する弾性体膜（薄膜部）１８として機能する。
【００２２】
ノズルプレート９と弾性板１０の間に介装される流路基板８は、ノズル開口部１１にそれぞれ連通して圧力室隔壁１２を隔てて列設された複数の圧力室１３と、各圧力室１３の少なくとも一端に連通する複数のインク供給口１４が連通するリザーバ１５を形成した板材である。本実施形態では、図３に示すように、所定厚に切り出されたシリコンウェハーを用い、リザーバ１５やインク導入口１６を異方性フルエッチングにより貫通孔として形成し、また圧力室１３やインク供給口１４を異方性ハーフエッチングで凹部を形成することで構成している。シリコンウェハーをエッチング加工することによりリザーバ１５を２列６個所所定の間隔を空けて形成し、各列のリザーバ１５の長手方向に沿って圧力室１３をノズル開口部１１のピッチに合わせて形成し、各圧力室１３とリザーバ１５との間に溝状のインク供給口１４を形成してある。なお、圧力室１３の一端にインク供給口１４が接続し、このインク供給口１４とは反対側の端部近傍でノズル開口部１１が位置するように配置してある。
【００２３】
また、流路基板８はエッチング可能で、かつ耐食性を持つ金属やガラス等の部材を用い、これに貫通領域や凹部をエッチングにより形成したり、また少なくとも凹部の底面を境とするように厚み方向に複数の層に分解し、各層の貫通孔に一致する貫通孔を形成したエッチングフィルムを積層することにより構成することができる。
【００２４】
上記の弾性板１０、流路基板８、及びノズルプレート９を積層して流路ユニット５を構成する場合には、流路基板８を間に挟んで、ノズル開口部１１の小さい口が外側に向く状態でノズルプレート９を流路基板８の一方の面に接着するとともに、ステンレス板１７が外側に位置する状態で弾性板１０を流路基板８の他方の面に接着する。この様にして流路基板８を組み立てると、流路基板８の各圧力室１３およびリザーバ１５の一方の開口面がそれぞれ弾性体膜（薄膜部）１８により封止されるとともに、溝状インク供給口１４の上面開口が弾性体膜（薄膜部）１８で覆われ、また、各圧力室１３およびリザーバ１５の他方の開口面がノズルプレート９によって閉鎖される。
【００２５】
なお、図１および図２に示すように、流路ユニット５を接合するケース３の表面のうち、リザーバ開口部に対応した部分に外部連通孔２０により大気に連通された凹部１９を形成して、弾性体膜（薄膜部）１８部分がケース３に対して接触しないように流路ユニット５を固定する。この凹部１９は弾性体膜（薄膜部）１８が膨張側に変形した場合における移動空間として機能する空部である。
【００２６】
以下に、本実施例の特徴についてさらに説明する。
流路基板８にて形成されるリザーバ１５はインクカートリッジ等のインク容器に貯蔵されたインクを圧力室１３に供給するための室であり、図４に示すようにインク導入口１６をリザーバ１５の長手方向の一方の端部に位置させ、インク導入口１６とは反対のリザーバ端部は先細りとなっている。従来の形態では図５イ）のようにリザーバ開口部は両端側が先細りの羽型の形状をしており長手方向の中心にインク導入口１６が形成されている。しかし、従来の羽型形状のリザーバ１５を図５ロ）に示すように縦に配列した場合、長手方向の長さが短縮されてしまいコンプライアンスが非常に小さくなってしまうのである。
【００２７】
コンプライアンスはリザーバ開口部の狭い側の幅の3乗に概ね比例する。ある一定の長手方向長と幅の場合、図５イ）のような羽型形状で長手方向の中心にインク導入口１６が存在するリザーバ１５ではコンプライアンスは１Ｘ１０^-23ｍ³／Ｐａであった。しかし、図４に示す本発明のようにインク導入口１６をリザーバ端部に位置させた場合、コンプライアンスはおおよそ３Ｘ１０^-23ｍ³／Ｐａとなり従来のものの約3倍の値を示していた。
【００２８】
周知のごとく、インクカートリッジ等のインク容器に貯蔵されたインクが消費されて交換されると、インク容器の挿脱により気泡がリザーバ１５内に侵入する。その場合、ノズルプレート９をキャップ部材で封止して吸引ポンプの負圧を作用させて、インク容器からヘッド２にインクを強制的に吸引してノズル開口部１１から排出させる動作、いわゆるクリーニング操作が行われる。
【００２９】
図６は、クリーニング操作時におけるリザーバ１５のインクの流れを示すものであって、端部Ａで吸引ポンプによりインクがインク供給口１４に引き込まれていく流速は、リザーバ中央部Ｃにおいてインク供給口１４に流れ込んでいくインク流速よりも早い。そのため、端部Ａ付近の気泡は早いインク流に乗って、一気にインク供給口１４へ引き込まれていく。
【００３０】
端部Ｂにおいては端部Ａやリザーバ１５中央部Ｃと同数のインク供給口１４でインクを吸引し気泡を引き込もうとした場合においても、インク導入口１６からインク供給口１４に向かうまでのインク流路幅が広いため、必然的にインク流速が遅くなる。この場合、端部Ｂに流れていくインク流には気泡をインク供給口に引き込む力が弱く、気泡がインク導入口１６からインク供給口１４までの途中の壁に停滞してしまうかインク供給口１４を塞ぐように気泡が入り込んでしまう。この様な気泡の残留を防ぐため、図７に示すようにリザーバ１５端部の壁を気泡がインク供給口１４側に規制できる程度の厚みにハーフエッチングした段差２１が、インク供給口１４とリザーバ１５の境界線に向かうにつれて領域幅が広くなるように形成されている。この段差２１を別の方向から見た図を図８に示す。この場合、気泡は図７中の矢印で示す方向に段差２１によって規制されて流れていき、リザーバ１５中央から先細りとなる先端部に運ばれる。そして前述のように、先細り方向に向かうに連れてインク流は速くなる為、リザーバ１５先端部に運ばれた気泡はインク供給口１４に問題なく引き込まれていく。仮に段差２１と弾性板１０の間の隙間２２にごく小さな気泡が入り込んだとしても、その隙間２２に侵入する気泡の大きさはインク供給口１４の幅と比較しても小さい為、気泡がリザーバ１５に停滞することはない。段差２１とリザーバ１５を封止する弾性板１０との間に隙間２２が確保されていて、この領域の弾性板１０が弾性変形できるので、実質的に図６に示したリザーバ１５のコンプライアンスを確保することができる。また、圧力室１３が加圧されてインクを吐出した際にインク供給口１４から逆流するインクによる端部領域の圧力上昇を、弾性板１０の変位として吸収することが可能となり、コンプライアンスが低くなりがちな端部領域のコンプライアンスの確保に寄与できる。
【００３１】
また、上述の形態においては、インク供給口１４が弾性板１０の側のみに存在する場合について説明したが、図９に示したように、インク供給口１４が弾性板１０側とノズルプレート９側の両面に存在する場合であっても、隙間２２も両面に形成すれば同様の効果を奏する。
【００３２】
さらに、上述の実施例においては、圧力発生室の容積を圧電素子１の伸縮によってインクを加圧するものに例をとって説明したが、本発明はリザーバ１５の形状およびこの形状におけるリザーバ１５の気泡排除に関して述べているもので、気泡の排除には圧力発生室の加圧方法は何ら関与しないため、圧力発生室のインクを加熱して気化させる加圧素子を圧力発生手段とするヘッドのリザーバ１５に適用しても同様の効果を奏することは明らかである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、リザーバ１５は長手方向の一端にインク導入口１６を連通し、他端側は先細りに形成し、インク導入口１６からインク供給口１４へ向かう方向に弾性板１０との間に隙間を設けるように段差２１を設け、流路面積を小さくすることによって、気泡の排除性を低下させることなくリザーバ１５のコンプライアンスを増大させることが可能となる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図２】図１に示すヘッドの要部の拡大断面図である。
【図３】リザーバおよび圧力室等の配置を示す説明図である。
【図４】実施形態におけるリザーバの開口部の形状の拡大図である。
【図５】図（イ）は従来のリザーバ形状例。図（ロ）は従来のリザーバ形状例において、リザーバを長手方向に縦列配置した時のモデル図である。
【図６】実施形態におけるインクの流れのモデル、及びリザーバ端部の位置を示した図である。
【図７】図（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ本発明の実施形態をリザーバ端部の構造で示す平面図と、Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線での断面図である。
【図８】実施形態におけるリザーバに設けられた段差を示す斜視図である。
【図９】図（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ本発明のリザーバ構造が適用可能な他の記録ヘッドの実施形態をリザーバの端部の構造で示す平面図と、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線での断面図である。
【図１０】従来のインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１圧電素子
２インクジェット式記録ヘッド
３ケース
４収納室
５流路ユニット
６フレキシブルケーブル
７固定基板
８流路基板
９ノズルプレート
１０弾性板
１１ノズル開口部
１２圧力室隔壁
１３圧力室
１４インク供給口
１５リザーバ
１６インク導入口
１７ステンレス板
１８弾性体膜（薄膜部）
１９凹部
２０外部連通孔
２１段差
２２隙間
２３島部

Claims

複数のノズル開口部と、
前記ノズル開口部とそれぞれ連通して圧力室隔壁を隔てて列設された複数の圧力室と、各圧力室の少なくとも一端に連通する複数のインク供給口が連通するリザーバと、を形成した流路基板と、
前記流路基板の前記リザーバの開口側に接合される弾性板と、
前記弾性板の前記流路基板の接合される面とは反対側の面に接合されるケースと、
前記圧力室のそれぞれに対応して設けられて前記圧力室内の圧力を変化させる圧力発生手段と、を備え、前記リザーバには外部からインクの供給を受けるインク導入口が設けられているインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記リザーバは、長手方向の一端側に前記インク導入口が連通され、また他端側は端部が先細りに形成され、
前記リザーバの前記インク導入口が形成された長手方向の前記一端側には、前記インク導入口側から前記圧力室側にかけて、前記弾性板との間に隙間を有するように段差と、
前記ケースの前記リザーバの開口部に対応した部分に設けられた凹部と、を有し、
前記段差の領域幅は、前記インク導入口側から前記圧力室側に向かうにつれて広くなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
前記インク供給口が、前記流路基板の前記弾性板と接合される側にのみ形成された請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記複数のノズル開口を有するノズルプレートが、前記流路基板の前記弾
性板が接合される面とは反対側の面に接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式記録ヘッド。
前記インク供給口が、前記流路基板と接合される側及び前記ノズルプレートと接合される側の両方に形成された請求項３記載のインクジェット式記録ヘッド。