JP4151226B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

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    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14411Groove in the nozzle plate

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク液滴を記録媒体上に吐出して印刷を行うインクジェットヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
インクを貯溜しているインク室の容積変動によって、当該インク室に連通しているインクノズルからインク液滴を吐出させる静電駆動式、圧電式のインクジェットヘッドが知られている。
【0003】
静電駆動式のものでは対極電極間に発生する静電気力により振動する振動系を備え、この振動系の振動によってインク室の容積変動を起こし、インク液滴をインクノズルから吐出させるようになっている。また、圧電式のものでは、圧電素子と振動板からなる振動系を備えている。
【0004】
このような振動系を備えたインクジェットヘッドの特性は、そのイナータンス、音響容量、および音響抵抗を用いて電気的等価回路として表すことが可能であり、例えば、圧電式のインクジェットヘッドの電気的等価回路として特開昭58−5269号公報、特開昭61−141566号公報に開示されている。インク流路の長さおよび断面形状が同一の場合には、その電気的等価回路の性質から、インク流路の音響抵抗およびイナータンスは一義的に決ってしまう。
【0005】
このようなインクジェットヘッドにおいては、応答性の改善と印字品質の改善とを両立させることが困難であるが、その解決手段として特願平11−277533に記載されているように、共通インク室と、個別インク室と、この個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共通インク室から前記個別インク室にインクを供給するためのインク供給口部とが設けられており、前記インク供給口部は前記共通インク室に連通している第1の連通部と、前記個別インク室に連通している第2の連通部と、これら第1および第2の連通部を繋ぐ連通路とを備え、前記連通路は、単一流路部分と、複数の分流路部分が形成された方式が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように構成されたインクジェットヘッドにおいて、気泡の入り込み、気泡の抜け、異物の入り込み、異物の抜け等の対策として、インク供給口部の複数の分流路部分の個々の流路断面積をさらに小さくし、インクノズルの断面積と同等程度にしようとした場合、インクジェットヘッドの応答性の改善と印字品質の改善を両立させることは困難となる。
【0007】
例えば、本発明者らのある設計によれば、インク供給口部の流路断面積を小さくした分流路部分の数量を増やすことによって、インク流路の音響抵抗を最適化することは可能となるが、インク流路のイナータンスが小さくなってしまうため、インク吐出後の共通インク室の圧力振動が吐出インクのインクスピードに影響を及ぼし、所望の印字品質を満足するインクスピードを得ることができなくなる。
【0008】
一方、インク供給口部の流路断面積を小さくした分流路部分の数量を増やすことによって、インク流路のイナータンスを最適化すると、インク流路の音響抵抗が大きくなってしまうため、メニスカスの復帰速度が低下してしまい、インクジェットヘッドの応答周波数が向上しなくなる。
【0009】
このように、インクジェットヘッドの応答性を改善するためには音響抵抗を小さくすることが望ましいが、音響抵抗を小さくすると、イナータンスも小さくなってしまい、印字品質の向上を図ることができない。
【0010】
本発明の課題は、この点に鑑みて、個別インク室と共通インク室を連通しているインク供給口部の構造を工夫することにより、応答速度が速く、しかも印字品質の良いインクジェットヘッドを実現することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、共通インク室と、個別インク室と、この個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共通インク室から前記個別インク室にインクを供給するための、単一流路部分と、複数の分流路部分とを備えたインク供給口部を有し、前記個別インク室の容積変動により前記インクノズルからインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
前記インク供給口部の単一流路部分は、深さが異なる複数の流路部分を備えていることを特徴としている。
【0012】
さらに、前記インク供給口部の単一流路部分は、幅が異なる複数の流路部分を備えたものとしてもよい。
【0013】
本発明のインクジェットヘッドでは、そのインク供給口部にある分流路部分、および単一流路の深さの浅い部分で音響抵抗が大きく、単一流路の深さの深い部分ではイナータンスが大きい。本発明者らの実験によれば、上記形状の長さ、幅、深さ寸法を、音響抵抗とイナータンスが適正になるように設定することによって、応答速度と印字品質を両立させることができることが確認できた。
【0014】
また、単一流路部分に深さが異なる複数の流路部分を設けることによって、分流路部分の個々の流路の断面積を、ノズル断面積と同程度まで小さくすることが出来た。そのため、従来、共通インク室に入った異物が、供給口を通過してノズルに詰まり、インクの吐出不良を引き起こしていたが、その異物を供給口にトラップすることができるようになり、インク液滴がノズルから吐出しなくなる不良を無くすことが出来ることを確認できた。 また、単一流路部に幅が異なる複数の流路部分を備えることによって、イナータンスをさらに大きくすることが出来る。つまり、単一流路部の単位長さ当たりのイナータンスを大きくすることが出来るため、設計目標のイナータンス値を実現するためには、単一流路長を短くすることが可能となることを確認できた。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【0016】
図1は本例のインクジェットヘッドの断面図である。本例のインクジェットヘッドは3枚のノズル基板1、キャビティ基板2、電極基板3を順に積層した3層構造をしている。
【0017】
中間のキャビティ基板2は、例えばシリコン基板であり、その表面に一端から平行に等しい間隔で形成された複数本の、底壁が薄肉で、面外方向(図において上下方向)に弾性変位可能な振動板4として機能する個別インク室5と、1つの共通インク室6とがエッチングによって形成されている。また、キャビティ基板2の上面には共通電極7が形成されている。
【0018】
キャビティ基板2の上側に接合されるノズル基板1は、キャビティ基板2と同様に例えばシリコン基板であり、個別インク室5の上面部分には各個別インク室に対応してノズル孔8が個別インク室5の先端部付近に形成されており、各ノズル孔8は対応する個別インク室5に連通している。また、個別インク室5と共通インク室6の中間部分の上面には、共通インク室6を各個別インク室5に連通させているインク供給口部9としての溝がエッチングによって形成されている。
【0019】
キャビティ基板2の下側に接合される電極基板3は、例えばホウ珪酸ガラスからなり、その上面には各振動板4に対峙する位置に、浅くエッチングされた凹部10が形成されている。この凹部10の底面には、振動板4に対峙する個別電極11が形成されている。
【0020】
また、インク取入れ口12が設けられており、キャビティ基板2を接合したときに、共通インク室6の下側にくるように配置されている。インクは外部のインクタンク(図示せず)からインク供給チューブ(図示せず)を介してインク取入れ口12に供給され、共通インク室6、インク供給口部9、個別インク室5を満たしている。
【0021】
上記3枚の基板を順に接合し、電極基板3に設けた凹部10を樹脂などの封止材13を用いて外気から気密封止してインクジェットヘッドの形状が出来上がる。
【0022】
各個別電極11の端部は電極端子14となっており、この電極端子14と共通電極7に、ドライバICが搭載されたFPC(フレキシブルプリント基板)ケーブル(図示せず)が接続される。
【0023】
個別電極11と振動板4の間隔は1μm以下の寸法に保持されており、ドライバICから各電極端子14と共通電極7との間に駆動電圧パルスを印加することによって、振動板4が静電気力によって個別電極11の方へ弾性変形して撓み、個別電極11の表面に当接する。
【0024】
この時、個別インク室5の容積が増加するため、インクが共通インク室6からインク供給口部9を通って個別インク室5に流入する。次に、駆動電圧パルスをオフすることによって静電気力が解除され、振動板4はそのバネ力によって元の位置に戻る。
【0025】
この復元動作によって個別インク室5の容積が急激に減少し、それに伴って個別インク室5内の内圧が急激に上昇し、個別インク室内の一部のインクがノズル孔8から図1の上方へ向けてインク液滴(図示せず)として吐出される。さらに振動板4がバネ力の反動で再び個別電極11側に撓むことによって、再びインクが共通インク室6からインク供給口部9を通って個別インク室5に供給される。
【0026】
図2は、本発明のインクジェットヘッドのインク供給口部9が形成されている部分を部分的に拡大した上面図であり、図3は図2のs−s線で切断した部分断面図である。
【0027】
図に示すように、キャビティ基板2に形成された個別インク室5と共通インク室6の間は台形断面形状の仕切り壁部20によって仕切られている。この仕切り壁部20は上面20aが平行四辺形形状をしており、その両側のエッジ20b、20cから個別インク室5、および共通インク室6に向かって傾斜している傾斜面20d、20eを備えている。
【0028】
ノズル基板1には、台形断面形状の仕切り壁部20の平行四辺形形状をした上面20aに面した部分にインク供給口部9が形成されており、平行四辺形形状に深くエッチングされた溝部21、22と、浅くエッチングされた溝部23、24と、浅くエッチングされた溝部23、24の途中位置に設けられた、断面が長円形状をした柱部25で構成されている。この長円形断面形状をした柱部25は、図2に示すs−s断面線と直角方向に等間隔に5個配列されており、ノズル基板1の浅くエッチングされた溝部23、24をエッチングする工程において、柱として残したものである。
【0029】
インクタンク(図示せず)からインク供給チューブ(図示せず)を介してインク取入れ口(図示せず)、共通インク室6に供給されたインクは、エッジ20cの側に形成された連通部26を通ってインク供給口部9に供給される。
【0030】
インク供給口部9に入ったインクは、深くエッチングされた溝部21と、台形断面形状の仕切り壁部20の平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第1の単一流路部、浅くエッチングされた溝部23と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第2の単一流路部を通り、図2において矢印で示すように、柱部25の部分で6つの流路に分割された分流路部を通って分流路となる。
【0031】
その後、再び浅くエッチングされた溝部24と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第3の単一流路部に入って単一流路となり、深くエッチングされた溝部22と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第4の単一流路部を通り、エッジ20bの側に形成された連通部27を通って個別インク室5に供給される。
【0032】
このインク供給口部9では、柱部25によりインク通路断面積が小さくなっている部分は音響抵抗の増加に寄与する部分であり、それ以外の部分、特に深くエッチングされた溝部21、22付近の単一流路部はインク通路断面積が大きいので、イナータンスの増加に寄与する部分である。
【0033】
本構成のインク供給口部9を備えたインクジェットヘッドにおいて実験を行ったところ、柱部25の大きさ、間隔、個数、および深くエッチングされた溝部21、22、浅くエッチングされた溝部23,24の長さ、深さなどを適切に設定することにより、インクジェットヘッドの応答速度を速め、しかも、良好な印字品質を確保するために必要なインク吐出スピードを確保できることが確認できた。
【0034】
本発明者等の実験によれば、例えば、インク供給口部9における摂氏25度での音響抵抗を13×1012(Ns/m5)以下とし、そのイナータンスを1.2×108(kg/m4)以上とした場合に、応答速度が速く、しかも良好な印字品質が得られるインクジェットヘッドを実現可能なことが確認できた。
【0035】
このように、本発明のインクジェットヘッドでは、そのインク供給口部にある分流路部分、および単一流路の深さの浅い部分で音響抵抗が大きく、単一流路の深さの深い部分ではイナータンスが大きくなることから、その形状の長さ、幅、深さ寸法を変化させることにより、音響抵抗とイナータンスの設定範囲を広げ最適な値にすることができる。
【0036】
また、単一流路部分に分流路部分より深さが深い流路部分を設けてイナータンスを大きくすることによって、分流路部分の個々の流路の断面積を、ノズル断面積と同程度まで小さくすることが出来た。そのため、従来、共通インク室に入った異物が、供給口を通過してノズルに詰まり、インクの吐出不良を引き起こしていたが、その異物を供給口にトラップすることができるようになり、インク液滴がノズルから吐出しなくなる不良を無くすことが出来ることができた。
【0037】
図4、図5に、インク供給口部の第2の実施例を示す。図4はインク供給口部9を部分的に拡大した上面図であり、図5は図4のt−t線で切断した部分断面図である。
【0038】
この第2の実施例では、共通インク室6、個別インク室5、インク供給口部9の深さ方向形状は、上述の第1のインク供給口部の実施例と同一であるが、単一流路部の幅方向の形状を工夫し、幅の異なる複数の単一流路部を形成したものである。
【0039】
すなわち、ノズル基板1に形成されたインク供給口部9は、深さが深く、幅が狭くエッチングされた溝部31と、台形断面形状の仕切り壁部20の平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第1の単一流路部51、深さが深く、幅が狭い部分から広い部分に傾斜を持たせてエッチングされた溝部32と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第2の単一流路部52、深さが深く、幅が広くエッチングされた溝部33と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第3の単一流路部53、深さが浅く、幅が広くエッチングされた溝部34と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第4の単一流路部54、深さが浅く、幅が広く5つの柱部25を残してエッチングされた部分と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成され、6本の流路に分割される第1の分流路部41、深さが浅く、幅が広くエッチングされた溝部35と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第5の単一流路部55、深さが深く、幅が広くエッチングされた溝部36と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第6の単一流路部56、深さが深く、幅が広い部分から狭い部分に傾斜を持たせてエッチングされた溝部37と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第7の単一流路部57、深さが深く、幅が狭くエッチングされた溝部38と、平行四辺形形状をした上面20aの一部で構成される第8の単一流路部58で構成されている。
【0040】
このインク供給口部9では、上述のインク供給口部第一の実施例と同様に、柱部25によりインク通路断面積が小さくなっている部分は音響抵抗の増加に寄与する部分であり、それ以外の単一流路部は、イナータンスの増加に寄与する部分である。
【0041】
柱部25の大きさ、間隔、個数、および深くエッチングされた溝部31、3233、36,37,38、浅くエッチングされた溝部34,35の長さ、深さ、幅などを適切に設定することにより、音響抵抗とイナータンスの設定範囲を広げ最適な値にすることができる。このように本構成によって、インクジェットヘッドの応答速度を速め、良好な印字品質を確保するために必要なインク吐出スピードを確保できることが実験によって確認できた。
【0042】
上述の各例は、インク液滴を基板上面に設けたノズル孔から吐出させるフェイスイジェクトタイプを示したが、基板の端部に設けたノズル孔から吐出させるエッジイジェクトタイプでも適用可能である。
【0043】
また、上述の各例は静電駆動式のインクジェットヘッドに関するものであるが、圧電式のインクジェットヘッドにも適用可能である。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドでは、共通インク室と個別インク室を連通しているインク供給口部に、深さ、幅が異なる単一流路部分と、断面積が小さい複数本の分流路部分とを形成している。このように音響抵抗およびイナータンスが異なる部分をインク供給口部に形成し、音響抵抗とイナータンスのバランスを取ることにより、応答速度が速く、しかも、良好な印字品質が得られるインクジェットヘッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のインクジェットヘッドの断面図である。
【図2】図1に示すインクジェットヘッドのインク供給口部を説明するための部分上面図である。
【図3】図1に示すインクジェットヘッドのインク供給口部を説明するための部分断面図である。
【図4】図1に示すインクジェットヘッドのインク供給口部の第2の実施例を説明するための部分上面図である。
【図5】図1に示すインクジェットヘッドのインク供給口部の第2の実施例を説明するための部分断面図である。
【符号の説明】
1・・ノズル基板
2・・キャビティ基板
3・・電極基板
4・・振動板
5・・個別インク室
6・・共通インク室
7・・共通電極
8・・ノズル孔
9・・インク供給口部
10・・凹部
11・・個別電極
12・・インク取入れ口
13・・封止材
14・・電極端子
20・・仕切り壁部
20a・・仕切り壁部の上面
20b、20c・・仕切り壁部のエッジ
20d、20e・・仕切り壁部の傾斜面
21、22・・深い溝部
23、24・・浅い溝部
25・・柱部
26、27・・連通部
31、32、33、34、35、36、37、38・・溝部
41・・分流路部
51、52、53、54、55、56、57、58・・単一流路部

Claims (3)

  1. 共通インク室と、個別インク室と、この個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共通インク室から前記個別インク室にインクを供給するためのインク供給口部とが設けられており、前記インク供給部は、前記共通インク室に連通している第1の連通部と、前記個別インク室に連通している第2の連通部と、これらを第1及び第2の連通部を繋ぐ第3の連通部とを備え、前記第3の連通部は、単一流路部分と複数の分流路部分が形成されており、前記個別インク室の容積変動により前記インクノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
    前記第2の連通部の流路部分の深さは、前記第1の連通部の流路部分の深さと同じで、前記第3の連通部の流路部分の深さは、前記第1の連通部の流路部分の深さより浅く設定されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 請求項1において、
    前記単一流路部分は、幅が異なる複数の流路部分を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
  3. 請求項1または2のいずれかの項において、
    対向電極の間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって、前記個別インク室に容積変動を発生させて、前記インクノズルからインク液滴を吐出させることを特徴とする静電駆動式のインクジェットヘッド。
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