JP4281538B2

JP4281538B2 - インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP4281538B2
Application number: JP2003411238A
Authority: JP
Inventors: 聖也佐藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005169757A

Description

本発明は、インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置に関し、特に共通インク室と個別インク室とを連通するインク供給流路の構造に関する。

典型的なインクジェットヘッドは、一般に多数のインクノズルを備えており、各インクノズルがそれぞれ連通している個別インク室にインクを供給するために、各個別インク室はそれぞれインク供給口部（インク供給路）を介して共通インク室に連通している。共通インク室に対しては外部からインクチューブ等を介してインクが供給される。
このようなインクジェットヘッドのインク供給口部において、複数の柱状突起を設けることにより、単一の流路部分と複数の分流路部分を備える構成とされたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−９６７３８号公報

このインク供給口部の構造は、インクジェットヘッドを１つの振動系としてとらえた場合に、音響抵抗とイナータンスに着目し、複数の分流路部分で音響抵抗を大きくし、単一の流路部分でイナータンスを大きくすることができるので、応答速度の速い、しかも印字品質の良いインクジェットヘッドが得られるという効果を狙ったものである。
一方、近年においてはインクジェットヘッドの微小液滴化や高密度化の要求が一段と強くなっており、それに伴いノズル径や流路幅がますます小さくなる傾向にある。しかし、従来のインク供給口部の構造は、複数の柱状突起をインクの流れ方向に対して直交する方向に一列に配置したものであるため、インク供給口部の流路抵抗が上昇し、または異物による閉塞が起きやすくなり、インク吐出不良やインクノズルの目詰まりなどを生じることが問題となっていた。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、インクジェットヘッドの応答性および印字品質の向上はもとより、インク吐出不良やインクノズルの目詰まりなどを防止することができるインクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッドは、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するノズルと、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路とを有し、前記個別インク室の容積変動により前記ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記インク供給路は、単一流路部分と、この単一流路部分の途中位置に形成され、複数の略円柱状の突起をインクの流れ方向に対し直交する方向に沿って等間隔でＶ字型に配置することにより構成される分流路からなる分流路部分とを備え、
前記分流路部分の各分流路は矩形断面となっており、その矩形断面の対角線の長さをノズル口径より小さい寸法とすることを特徴とする。

本発明のインクジェットヘッドでは、共通インク室から個別インク室にインクを供給するためのインク供給路に、インクの流れをひとつにする単一流路部分と、複数の流れに分流させる分流路部分とを備えているので、応答性および印字品質の双方ともに向上し、さらに、分流路部分における各分流路の矩形断面の対角線長さをインクノズルのノズル口径よりも小さい寸法としてあるため、異物や気泡滞留によるインクノズルの目詰まり、吐出不良などを確実に防止することができる。
したがって、インクジェットヘッドの微小液滴化や高密度化の要求に十分に対応することが可能である。
また、本発明において、ノズルの穴形状は円形、三角形、四角形など適宜の形状とすることができ、したがって、本発明において、ノズル口径とは、ノズルが円形の場合はノズル穴の内径、三角形や四角形などの場合はそれらの内接円の内径をいう。

また、前記複数の柱状突起は、略円形の断面を有するものとするのが好ましい。
分流路部分において、インクの流れの淀みがなくなり、気泡滞留を防止することができる。

また、本発明のインクジェットヘッドは、前記個別インク室の底壁からなる振動板と、この振動板に対向して配置される対向電極とを備え、前記振動板と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る静電アクチュエータを備えていることを特徴とする。
静電アクチュエータ方式のインクジェットヘッドとすることにより、微小液滴化や高密度化の要求に十分に対応することが可能である。また、吐出される液体の構成、性質等に左右されないので、あらゆる液体吐出ヘッドとして利用することが可能である。

また、以上に述べた本発明のインジェットヘッドのいずれかを備えたインクジェット記録装置とすることにより、高密度で高印字品質の記録を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態の一例をその代表例であるインクジェットヘッドについて、図面に基づいて説明する。ただし、以下の説明は本発明を限定するものでなく、したがって本発明はフェースイジェクトタイプあるいはエッジイジェクトタイプのインクジェットヘッドに限らず、ノズルより液滴を吐出するあらゆる種類・形式の吐出ヘッド（例えば、遺伝子チップ作製用のヘッド、カラーフィルタ作製用のヘッド、半導体ディバイス作製用のヘッドなど）に適用できるものであることはいうまでもない。また、ここでは静電アクチュエータ方式のインクジェットヘッドについて説明するが、圧力発生手段としてはこの方式に限らず、ピエゾ方式やバブル方式にも適用できるものである。

図１は本発明のインクジェットヘッドの断面図である。なお、ここでは、フェースイジェクトタイプの例を示すが、エッジイジェクトタイプの場合でも同様である。
このインクジェットヘッド１０は、３枚の基板１２、１４、１６を接合した積層構造となっている。
さらに詳しく説明すると、シリコン基板からなる中間のキャビティ基板１４には、底壁を振動板１４１とする独立した複数の個別インク室１４２と、この個別インク室１４２のそれぞれにインク供給路２０を介して連通する１つの共通インク室（リザーバ）１４３が形成されている。共通インク室１４３には下側のアクチュエータ基板１２に設けられたインク供給穴１２４を通じて外部のインクタンク（図示せず）よりインクが供給されるようになっている。
また、キャビティ基板１４の端部は、コ字状の開口部１４４として形成されており、この開口部１４４の両側の外端部にそれぞれ共通電極部１４５が形成されている。

キャビティ基板１４の下面に接合されるアクチュエータ基板１２は、ホウ珪酸系ガラスから構成されており、このアクチュエータ基板１２には上記振動板１４１のそれぞれに対向する位置に溝部１２１が形成されており、この溝部１２１の底面に所定のギャップを介して振動板１４１に対向するようにＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極からなる対向電極１２２が配置されている。対向電極１２２はアクチュエータ基板１２の端部まで延び、上記開口部１４４において個別電極端子１２３に接続している。また、上記ギャップはその開放端部をエポキシ樹脂等の封止用接着剤１８によって封止することにより密閉されている。

キャビティ基板１４の上に接合されるノズル基板１６はシリコン基板からなり、上記個別インク室１４２のそれぞれに連通しインク液滴を吐出するためのノズル１６１と、上記インク供給路２０を形成するための溝部１６２と、共通インク室１４３の上側においてダイヤフラム部１６３が形成されている。
ここで、このインク供給路２０について、さらに図２乃至図４を参照しながら詳しく説明する。図２は図１のＡ−Ａ矢視の拡大上面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図、図４は図３のＣ−Ｃ矢視の拡大断面図である。

キャビティ基板１４には、図３に示すように、各個別インク室１４２と共通インク室１４３とを区画するための台形断面の仕切り壁部分１４６が設けられている。仕切り壁部分１４６は、平坦な上面１４７の両端の側辺１４８、１４９からそれぞれ個別インク室１４２側、共通インク室１４３側に傾斜している。側辺１４８より個別インク室１４２側に傾斜している傾斜面１５０は個別インク室１４２の底面と入り隅１５１で交差しており、側辺１４９より共通インク室１４３側に傾斜している傾斜面１５２は共通インク室１４３の底面と入り隅１５３で交差している。

上記インク供給路２０を形成するための溝部１６２は、図２に一点鎖線で示すように、キャビティ基板１４側の上記仕切り壁部分１４６に対面する部分に平行四辺形に浅くエッチングされて溝状の凹みとして形成されており、溝部１６２の一端１６４は仕切り壁部分１４６の上面１４７の側辺１４８より個別インク室１４２側に入り込んだ位置に形成されている。これによって、個別インク室１４２側にインク供給路２０の第１の開口部２１が形成される。
また、溝部１６２は上記ダイヤフラム部１６３を形成する広い凹部より櫛歯状に延びており、これらの溝部１６２の根元部１６５は仕切り壁部分１４６の上面１４７の側辺１４９より共通インク室１４３側に入り込んでいる。これによって、共通インク室１４３側にインク供給路２０の第２の開口部２２が形成される。

このように形成されたインク供給路２０の途中位置において、それぞれのインク流路幅が同一となるように複数（この例では４個）の柱状突起２３が２個ずつ２列で配置されている。したがって、このインク供給路２０は、前後２つの単一流路部分２４と５つの分流路からなる分流路部分２５とからなっている。
柱状突起２３は、その形状が特に限定されるものではないが、略円形断面に形成することが好ましい。これらの柱状突起２３は溝部１６２をエッチングする際に島状に残すことによって形成される。
また、複数の分流路部分２５を構成する分流路は、深さが単一流路部分２４と同一であり、各分流路の断面は、図４に示すように、ほぼ同じ幅を有する矩形となっており、さらにその矩形断面の対角線２６の長さはノズル１６１のノズル口径よりも小さい寸法に形成されている。
ここで、各分流路の矩形断面の幅が同じであるというのは、図２において、柱状突起２３の中心からインク供給路２０の側壁面（すなわち、溝部１６２の側壁面）に下した垂線上の流路幅、ならびに、隣接する２つの柱状突起２３の中心間を結ぶ線上の流路幅がそれぞれ等しいことを意味している。したがって、柱状突起２３はこのような分流路の流路幅がほぼ等しくなるような位置に、かつ、インク流れ方向に対し直交する方向に、少なくとも２列、あるいはそれ以上の複数列で配置される。
また、ノズル口径とは、ノズル１６１の穴形状が円形の場合はノズル穴の内径をいい、三角形や四角形などの場合はそれらの内接円の内径をいうものとする。

以上のように構成されたインクジェットヘッド１０の動作を簡単に説明すると、図１に示す電圧印加手段１９によってインクジェットヘッド１０の個別電極端子１２３と共通電極部１４５の間に駆動電圧が印加されると、圧力発生手段である振動板１４１と対向電極１２２間に静電気力が発生し、この静電気力によって振動板１４１は対向電極１２２側に引きつけられ、個別インク室１４２の容積が増加する。ついで、駆動電圧をオフにすると、振動板１４１は弾性力で復元し、個別インク室１４２の容積を急減に減少させるため、そのときの個別インク室１４２内の圧力によってインク液滴をノズル１６１より吐出させる。そして、個別インク室１４２内には共通インク室１４３からインクがインク供給路２０を通じて補給され、次の吐出動作に移る。

インク供給路２０におけるインクの流れは、次のようになる。すなわち、図２、図３に示すように、共通インク室１４３内のインクはインク供給路２０の第２の開口部２２から入り、単一流路部分２４をひとつになって流れ、分流路部分２５で複数に分流して流れ、再び単一流路部分２４でひとつに合流して流れ、第１の開口部２１から当該個別インク室１４２内に流入する。
このとき、インク供給路２０において、分流路部分２５では複数の柱状突起２３により各分流路の断面積が小さくなっているため音響抵抗が増加し、その他の単一流路部分２４では流路断面積が大きいためイナータンスが増加する。このため、インクジェットヘッドの応答性および印字品質を向上させることができる。

さらに、このインクジェットヘッドでは、各分流路の断面は矩形であり、その矩形断面の対角線の長さはノズル口径より小さくなっているので、異物混入に起因するノズル１６１の目詰まりを防止することができる。異物混入の場合、異物は分流路部分２５において一部の分流路を詰まらせる可能性があるが、分流路は複数設けられているのでインクの流通上は何ら問題はない。しかも、柱状突起２３は円形断面となっているので、インクの流れに淀みがなく気泡の滞留を防止することができるため、気泡滞留に起因するインク吐出不良や吐出不能を確実に防止することができる。
したがって、インクジェットヘッドの微小液滴化や高密度化の要求に十分に対応することが可能である。
さらにまた、このインクジェットヘッドを利用する液体吐出ヘッドの微小液滴化や高密度化が可能となり、本発明はこれらの液体吐出ヘッドを含むものである。

図５は本発明の別の実施形態を示すインクジェットヘッドのインク供給路の拡大上面図である。
この実施形態におけるインク供給路２０は、単一流路部分２４の途中位置において、複数の柱状突起２３をインクの流れ方向に対して斜めに、しかもそれぞれの分流路の流路幅が同じになるように配置することにより、複数の分流路部分２５を構成したものである。その他の構成は、前述した実施形態と同じである。
このように、複数の柱状突起２３をインクの流れ方向に対して斜めに配列することにより、より多くの分流路を形成することができるので、インクジェットヘッドの応答性および印字品質の更なる向上効果の達成が可能となる。また、異物混入によるノズルの目詰まり防止、ならびに気泡滞留によるインク吐出不良・吐出不能防止の効果は前記実施形態と同様である。
なお、図示は省略するが、柱状突起２３をＶ字型、逆Ｖ字型あるいは千鳥型に配列しても同様の効果が得られる。

本発明の実施形態を示すインクジェットヘッドの断面図。図１のＡ−Ａ矢視の拡大上面図。図２のＢ−Ｂ断面図。図３のＣ−Ｃ矢視の拡大断面図。本発明の別の実施形態におけるインク供給路の拡大上面図。

符号の説明

１０インクジェットヘッド、１２アクチュエータ基板、１４キャビティ基板、１６ノズル基板、１８封止用接着剤、１９電圧印加手段、２０インク供給路、２１第１の開口部、２２第２の開口部、２３柱状突起、２４単一流路部分、２５分流路部分、２６分流路矩形断面の対角線、１２１溝部、１２２対向電極、１２３個別電極端子、１２４インク供給穴、１４１振動板、１４２個別インク室、１４３共通インク室、１４４開口部、１４５共通電極部、１４６仕切り壁部分、１４７仕切り壁部分の上面、１４８上面の側辺、１４９上面の側辺、１５０仕切り壁部分の傾斜面、１５１入り隅、１５２仕切り壁部分の傾斜面、１５３入り隅、１６１ノズル、１６２溝部、１６３ダイヤフラム部、１６４溝部の一端、１６５溝部の根元部。

Claims

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するノズルと、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路とを有し、前記個別インク室の容積変動により前記ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記インク供給路は、単一流路部分と、この単一流路部分の途中位置に形成され、複数の略円柱状の突起をインクの流れ方向に対し直交する方向に沿って等間隔でＶ字型に配置することにより構成される分流路からなる分流路部分とを備え、
前記分流路部分の各分流路は矩形断面となっており、その矩形断面の対角線の長さをノズル口径より小さい寸法とすることを特徴とするインクジェットヘッド。
前記個別インク室の底壁からなる振動板と、この振動板に対向して配置される対向電極とを備え、前記振動板と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る静電アクチュエータを備えていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
請求項１または２に記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。