JP4466333B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置に関する。

現在市販されている水性インクジェットプリンターは、概ね粘度５cps前後、高々１０cpsオーダの染料インクや顔料インクを採用している。媒体に着弾した際のインク滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制／短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度を増加することによってプリント性能は向上できることが知られている。

反面、高粘度インクを吐出するには、高出力な圧力発生機構が必要であり、コストやヘッドサイズ増加等の弊害を招く。従来からイジェクターにヒーターを別途設け、吐出時のインク粘度を強制的に下げる技術は公知である（例えば、特許文献１参照）が、インクを加熱する上記の方法はインク劣化や流路のダメージを早める根本課題があり、また使用できるインクも熱による劣化のないものに制限される。

このほか、インク吐出する際の逆方向へのインク流を梁状の弁によって抑制し、より高粘度なインクを吐出する技術（例えば、特許文献２参照）が開示されている。

大変形が得られる座屈曲がりを利用し、圧力発生機構自体をパワーアップする方法として、発熱体層との熱膨張差で変形するダイヤフラム状アクチュエータを使用した技術（例えば、特許文献３参照）、また、同様の構成で片持ち梁状のアクチュエータを使用した技術（例えば、特許文献４参照）が開示されている。

例えば図１４に示すインクジェット記録ヘッド１００はインク室１０６中のインク１０１をアクチュエータ１０２を図８（ａ）から図８（ｂ）のように変形させることによって急激に加圧し、ノズル１０４からインク滴１０８として吐出させる。

しかしながら、上記の従来技術でも、粘度１０cpsを大きく上回る５０〜１００cpsのような高粘度インクを、常温において安定吐出することは極めて困難である。

また、従来技術のヘッド構造では、多ノズルヘッドを低コスト狭ピッチに製造することは難しく、インクを加圧するための圧力室や、圧力室にインクを供給するための供給路などで構成されるインク流路は内部に段差が存在し、インク充填性や気泡排出性に問題を含んでいる。

本発明の目的は、これらの課題を解決し、特に常温で５０〜１００cpsオーダの高粘度インクが吐出可能な狭ピッチのインクジェット記録ヘッドを提供することにある。具体的には、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用し、中空チューブ構造のインク流路部材に設けたノズルからインク滴を慣性離脱させるインクジェット記録ヘッドとその製造方法を提供する。
特開２００３−２２０７０２号公報 （図１、第４頁〜第６頁） 特開平９−３２７９１８号公報 （図１、第８頁〜第９頁） 特開２００３−１１８１１４号公報 （図３、第４頁〜第５頁） 特開２００３−３４７１０号公報 （図１３、第６頁〜第８頁）

本発明は上記事実を考慮し、常温で高粘度インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。

請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、前記ノズルが長手方向略中央に設けられ、略等間隔で複数配列され、両端が保持された中空チューブ状のインク流路部材と、両端が保持され、前記インク流路部材と接合され一体変形する梁部材と、前記梁部材に接合して設けられ、前記梁部材をインク吐出方向に凹となるように撓ませる第１駆動手段と、両側から押圧され両端を保持された前記梁部材を長手方向両側から押圧すると共に前記梁部材をインク滴吐出方向に凸となるように弾性曲げ変形させる第２駆動手段と、を備え、前記第１駆動手段が前記梁部材をインク滴吐出方向に凹となるように弾性曲げ変形させた後、前記第２駆動手段が長手方向両側から押圧すると共に前記梁部材をインク滴吐出方向に凸となるように曲げ変形させてノズル部分の前記梁部材を座屈反転変形させ、前記ノズル内部のインクに吐出方向の慣性を与え、インク滴として前記ノズルより吐出させることを特徴とする。

上記構成の発明では、中空で細長のチューブからなるインク流路部材を、短手方向に略等ピッチで多数本整列して多ノズルヘッドとすることにより、狭ピッチで隣接流路間が独立に上下運動可能な多ノズルヘッドを低コストかつ容易に実現できる。また、積層構造の流路と比べ、チューブ流路には内部の段差等が存在せず、インク充填性や気泡排出性に優れる。

請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材は樹脂製であることを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材を樹脂製とすることで梁の座屈反転の変形に耐え、かつ梁の座屈変形を阻害しないようにすることができる。

請求項３に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は円形であることを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材に円形断面のチューブを用いることにより、安価でインク充填性の良好なインクジェット記録ヘッドとすることができる。

請求項４に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は多角形であり、前記多角形の一辺が前記梁部材との接合面であることを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材の断面の一辺を梁部材との接合面とすることで、接合面を広くとることができる。

請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は四角形であり、前記四角形はインク吐出方向に長い長方形であることを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材の断面を吐出方向に長い長方形としたことで、狭ピッチで接合面積を保ち、断面積当たりのインク流路抵抗を減らすことができる。

請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は半円形であり、前記半円形の弦が前記梁部材との接合面であり、弧の頂点に前記ノズルが設けられたことを特徴とする。

上記構成の発明では、半円形断面のインク流路部材とすることにより、接合面積を維持しながら、ノズル中心の位置精度を高精度に保つことができる。

請求項７に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の両端からインクを供給することを特徴とする。

上記構成の発明では、中空チューブ状のインク流路部材の両端からインクを供給することにより、インク充填効率をたかめることができる。

請求項８に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材は仮固定基板上に設けられた等間隔のＶ溝に沿わせて仮固定された後、前記梁部材に反転接合され固定されたのち、前記仮固定基板より取外されることを特徴とする。

上記構成の発明では、梁部材に固定する前にＶ溝を用いてインク流路部材の位置決めをすることにより、微細なインク流路部材を精度よく固定できる。

請求項９に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたことを特徴とする。

上記構成の発明では、ノズル位置を長手方向略同位置に設けたことによりレーザースキャンやダイシングによって少ない回数で高精度に一括加工できる。

請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、前記スリットは前記インク流路部材の長手方向に短く、前記インク流路部材の配列方向に長い形状であり、ダイシング法によりスキャン加工されたことを特徴とする。

上記構成の発明では、スリット状のノズルをダイシング法によりスキャン加工することで、ノズル角部のダレ、流路内の凹みなどを発生させずに精度よく加工できる。

請求項１１に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、前記スリットは前記インク流路部材の太さ方向略半分まで設けられた切込みであり、前記インク流路部材の配列方向から見て略矩形形状であることを特徴とする。

上記構成の発明では、スリットの切込みを太さ中央までとすることで、加工ばらつきに対するスリット開口面積のバラツキを最小に止めることができる。

請求項１２に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、前記スリットは前記インク流路部材の配列方向から見て略三角形状であることを特徴とする。

上記構成の発明では、チューブの内径の範囲内で自由にノズルの大きさを決定できる。

請求項１３に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、前記スリット部分はインク吐出方向反対側の肉厚を残して前記流路部材を切断し形成したことを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材内径がノズル径となるため、加工時の切り込み深さのバラツキを無視できる。

請求項１４に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、前記スリット部分で前記インク流路部材を切断し前記スリットを形成したことを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材内径がノズル径となるため、加工時の切り込み深さのバラツキを無視できる上、ノズル配置を高密度にできる。

請求項１５に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられ、前記スリット部分で前記インク流路部材を長手方向に対して所定の角度をもって切断し、前記スリットを形成したことを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材内径がノズル径となるため、加工時の切り込み深さのバラツキを無視できるとともに、インク吐出方向から見たノズル開口の大きさを自由に設定できる。

請求項１６に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズルは前記インク流路部材の断面と同形状の端面であり、前記端面同士を突き合わせ対向する２列の配列をなす前記インク流路部材が、互いに配列方向にずれて配置されたことを特徴とする。

上記構成の発明では、２列のノズルを交互に配置することにより狭ピッチ化が可能となる。

請求項１７に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記ノズル同士が所定の間隔を隔てて突き合わせ対向配置されたことを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材の長手中央をブレードカットする等の方法で加工可能であり、単純な工程で形成できる。

請求項１８に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の太さが前記梁部材よりも太いことを特徴とする。

上記構成の発明では、インク流路部材を太く設けてインク充填性を良好に保つとともに、隣接するインク流路部材同士を交互配置することで吐出方向から見たスペースを有効利用できる。

請求項１９に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記梁部材の、前記インク流路部材と接合される部分は太く、そうでない部分は細くしたことを特徴とする。

上記構成の発明では、実際のノズルピッチをインク流路部材の外径とクリアランスから算出されるピッチよりも狭く設定できる。

請求項２０に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の前記ノズル近傍の断面積を上流側の断面積に対して小さくしたことを特徴とする。

上記構成の発明では、ノズル近傍をテーパ構造としたことで、インクの流路抵抗を抑えインク充填性を良好に保ちながらノズル径を小さくすることができる。

請求項２１に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記インク流路部材の前記ノズル近傍に断面積の等しい部分を一定長設けたことを特徴とする。

上記構成の発明では、ノズル近傍に直管部分を設けたことで、ノズル加工時の位置ずれによるノズル径の変動を抑えることができる。
請求項２２に記載のインクジェット記録装置は、請求項１乃至請求項２１に記載のインクジェット記録ヘッドを使用したことを特徴とする。

上記構成の発明では、請求項１乃至は請求項２１に記載のインクジェット記録ヘッドを使用しているので、高粘度のインクを記録媒体に吐出させることができ、従来のインクジェット記録装置と比較して、滲みのない優れた品質の記録を行うことができる。

本発明は上記構成としたので、常温で高粘度インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置とすることができた。

図１には、本発明の第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドが示されている。

図１（ａ）、（ｂ）に示すようにインクジェット記録ヘッド１０は、内部にインク流路１３を備え長さ方向略中央にノズル１６を備えた中空チューブ状のインク流路部材１２と、インク流路部材１２を支持する梁部材１４とが接合され、両端を保持部材１８が支持する構造となっている。

梁部材１４にはピエゾ素子３０が接合され、さらにピエゾ素子３０には信号電極３２が接合され梁部材１４、ピエゾ素子３０、信号電極３２でアクチュエータ３６を構成している。梁部材１４はピエゾ素子３０の共通電極を兼ねており、梁部材１４と信号電極３２とでピエゾ素子３０を挟む構造となっている。信号電極３２の一方の端には電極パッド３３が設けられ、配線３４にて図示しないスイッチングＩＣと接続されている。このスイッチングＩＣからの信号によりピエゾ素子３０は駆動され、梁部材１４を撓ませる／撓ませないの制御が行われる。

インク流路部材１２は、インク吐出方向（図中上）および逆方向に撓み可能であり、インクプール２４から供給されインク流路１３を通ってノズル１６まで達したインクを慣性によって吐出方向にインク滴として吐出する。

ここで用いられるインクは前述のように、媒体に着弾した際のインク滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制／短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度の極めて高い、具体的には粘度１０cpsを大きく上回るような（例えば５０〜１００cps）高粘度インクである。

保持部材１８は回転エンコーダ２０に設けられたアーム２２に固定され、回転エンコーダ２０の回転中心からアーム２２の長さ分だけオフセットされた位置にて両側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられインク吐出方向あるいは逆方向に梁部材１４と接合したインク流路部材１２を撓ませる。

保持部材１８は、図１（ａ）の紙面前後方向に長い棒状でもよく、保持部材１８に複数のインク流路部材１２が設けられた梯子状の構造であってもよい。 図１（ｂ）は、ノズル１６の周囲だけを切り出した斜視図である。図１（ｂ）に示すようにインク流路部材１２は中空チューブ状の部材を複数並べ、長さ方向の略同一位置にノズル１６を切り欠いて設けることで、以下のような効果を有する。

すなわち、例えばノズル孔を設けた薄板あるいはフィルム材を積層して製造したヘッド構造では、多ノズルヘッドを低コスト／狭ピッチに製造できないが、予め分離されたチューブを多数本整列しヘッドアレイとすることによって、これを容易に実現できる。

また、積層構造によって形成される流路と比べ、チューブ内の流路には内部の段差等が存在せず、インク充填性や気泡排出性に優れる。

以下に実際の動作について説明する。

図２には、本発明の第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作が示されている。

図２（ａ）のようにまず回転エンコーダ２０が反転（インク流路部材１２を引き伸ばす方向へ回転）し、初期状態では吐出方向へ凸形状となっているインク流路部材１２を真っ直ぐに伸ばし、撓みのない状態とする。

次いで図２（ｂ）のようにインク流路部材１２に吐出を指示する信号がスイッチングＩＣより送られた場合はアクチュエータ３６が駆動され、吐出方向に凹となるように撓んだ状態となる。

さらに図２（ｃ）で回転エンコーダ２０を矢印方向に正回転させると、インク流路部材１２は回転エンコーダ２０に近い方、すなわち両端から次第に吐出方向（図中上）に凸へと撓み方向が変化する。

この変化が両端から中央に近付くと、インク流路部材１２（あるいは梁部材１４）はある点で急峻な座屈反転を起こし、インク吐出方向（図中上）へと急激に変形する（図２（ｄ））。

インク流路部材１２の長さ方向略中央にはノズル１６が設けられているため、ノズル１６まで達しているインクはこの座屈反転によるインク流路部材１２の吐出方向への変形に伴い、ノズル１６からインク滴２として吐出される。

さらに図２（ｄ）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転してインク流路部材１２を平坦にする（図２（ａ））ことでインク流路部材１２は初期位置図２（ａ）へ復帰する。

この座屈反転による変形の速度は通常のアクチュエータなどによる変位と比較すれば非常に大きなものであり、本発明に採用した高粘度インクであっても十分にインク滴２として吐出することが可能である。

図３には、本発明の第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの加工法が示されている。

図３（ａ）のように中空チューブ状のインク流路部材１２を所定の間隔を置いて配置する。後述のようにＶ溝を設けた基板を用いて間隔・方向を規定してもよい。

梁部材１４（アクチュエータ３６）上にインク流路部材１２を所望の位置に固定した後、本実施例ではノズル１６となるスリットをレーザ４０によるスキャン加工で形成する。このとき、ノズル１６の位置はインク流路部材１２の長さ方向同一位置に並んでいるので、レーザ４０によるスキャン加工でノズル１６を同時に一括形成することができる。

次いで図３（ｃ）のようにブレード４２で裏面側（インク吐出面と反対側）から梁部材１４をインク流路部材１２一個ごとに切断し、個別に分離した構造とする。これにより梁部材１４、インク流路部材１２はノズル１６ごとに独立して駆動できるので、インク流路部材１２の数だけノズル１６を備えたヘッドアレイとすることができる。

また、このときインク流路部材１２を一個ずつ梁部材１４に固定せず、図４のように基板４４（仮固定基板）のＶ溝に並べ、仮接合した後に梁部材１４に反転接合することでインク流路部材１２の取付位置精度を高め、工数を削減することができる。なお、他の形態として、インク流路部材１２の両端を固定する保持部材１８にＶ溝を予め形成し、インク流路部材１２を仮固定してから、保持部材１８およびインク流路部材１２と、梁部材１４とを接合しても同様の効果が得られた。

さらに、インク流路部材１２として円断面のチューブではなく図５のように長方形、あるいは図６のように半円形の断面を持つチューブを用いてもよい。

長方形断面のチューブは梁部材１４との接合に１辺をそのまま用いることができるので接合性に優れ、半円形断面のチューブは半円の頂点にノズル１６を設けるのでノズル１６の位置精度に優れている。

具体的には、梁部材１４は２０μｍ厚のＳＵＳプレート、梁の長さは１０ｍｍ、インク流路部材１２は内径８０μｍ／外径１０５μｍのポリイミド樹脂を用いた。ピエゾ素子３０は５０μｍ厚のフィルム状ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン樹脂）にスパッタ電極を形成し、梁部材１４にこれを接合した後にダイシングで梁間の分離を行った。

ノズル１６のチューブ状インク流路部材１２の長手方向の寸法は２０μｍ幅とし、流路部材１２に対してハーフ切込み加工をすることで、スリット状のノズル１６を形成した。梁部材１４は、３０μｍ厚のブレードでスルー切込み加工することによって、幅約１３０μｍに分離した。

上記の条件では、グリセリンの混合比を増加させてで５０ｃｐｓ粘度に調整したインクを吐出させ、ストロボ法によってインク滴の吐出を観察したところ、約３０μｍ径のインク滴となった。１００ｃｐｓ粘度のインクでは約２５μｍ径のインク滴２がノズル１６から吐出した。以上の実施例では、吐出周期は３Hzで駆動したが、１００ｃｐｓの方が少し小滴となった。

本発明は上記の構成により、従来技術では極めて困難であった常温で５０ｃｐｓ〜１００ｃｐｓの高粘度インクを、加熱することなくオンデマンド吐出することが可能となる。

従来から公知のピエゾ駆動やサーマル駆動の吐出方式と異なり、アクチュエータ３６は僅かな撓みを発生するのみであり、大きな変位を必要としない。また中空チューブ部材を並べてインク流路部材１２としたことで加工工数を削減しコストも低減できた。

図７には、本発明の第１実施形態および第１実施形態の他の例に係るインクジェット記録ヘッドのノズル形状が示されている。

図７（ａ）に示すように、梁部材１４上に略等間隔に並べられたインク流路部材１２にブレード４６でダイシング加工を行い、ノズル１６を形成する。ブレード４６の移動方向より見た（図中白矢印）ノズル１６の形状を図７（ｂ）〜（ｆ）に示す。

図７（ｂ）のように略矩形断面スリットのノズル１６は、底側の角部にアールがあってもよく、スリット切り込み深さとインク流路部材１２の長手方向のスリット幅をきめることで、インク流路部材１２の内径に関係なくノズル１６の開口面積の大きさを決めることができる。

図７（ｃ）のような略逆三角形状スリットのノズル１６もまたインク流路部材１２の内径に関係なくノズル１６の大きさを決めることができ、また切り込み深さによって吐出方向から見たノズル１６の開口面積を決めることもできる。

図７（ｄ）、（ｅ）のようにインク流路部材１２を完全に切断した状態のノズル１６は内径がそのままノズル１６の径となり、ブレード４６による切り込み加工精度を吸収することができる。またチューブ端面がノズル１６となる図７（ｅ）は、インク滴吐出方向（図中の上側で僅かに左方向）から見たノズル１６の開口面積が小さくなり、インク滴の量を小さく設定できる。

図７（ｆ）のような斜め切断面に形成されたノズル１６は、角度θの設定によって吐出方向から見たノズル１６の開口面積を決めることができ、またブレード４６による切り込み加工精度を吸収することができる。

図８には、本発明の第１実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの加工法によるノズル形状の違いが示されている。

図８（ｂ）〜（ｅ）には比較としてレーザ加工によるインク流路部材１２の、加工レート増加に伴う断面形状の変化が示されている。

レーザスキャンによるノズル１６の加工が行われた場合、物理接触ではないので加工抵抗がほとんど無く、インク流路１３の潰れが生じない利点がある。また、切削加工ではないのでバリが少なく、高精度な加工が可能となる。

しかし図８（ｃ）〜（ｅ）のようにレーザ照射方向は壁面となる部分まで削られるため壁面の角部５０のダレが発生し、ノズル１６の形状精度が低下する。またインク流路１３内部においてもレーザの照射によって凹み４８が発生し、ノズル１６の底面が肉薄になってしまう。

本発明においては、この凹みによって、インク充填性や気泡排出性が低下したり、ノズル１６部分の座屈反転変形によってインク滴を飛ばす構造上、この部分の強度低下は問題となる可能性がある。

これに対して図８（ｆ）〜（ｉ）のようにダイシング加工によるノズル１６の形成においては、加工抵抗による流路１３の潰れが発生する可能性があり、また切削加工なのでバリが発生し易く、加工屑が流路１３内に残留しやすいといった問題がある。また加工条件の設定精度でもレーザ加工に劣る。

しかし図８（ｆ）〜（ｉ）のように切り込み深さを増加してもダレやインク流路１３内に凹みは発生せず、ノズル１６部分の底面が肉薄になってしまう恐れはない。

図９、図１０には、本発明の第２実施形態に係るインクジェット記録ヘッドが示されている。特に、ノズル１６の周囲だけを切り出して示した図であり、保持部材１８や、インクプール２４は図示しない。

図９に示すようにインクジェット記録ヘッド１１は、内部にインク流路１３を備え長さ方向端面にノズル１６を備えた中空チューブ状のインク流路部材１２と、インク流路部材１２を支持する梁部材１４とが接合され、両端を保持部材１８が支持する構造となっている。

インク流路部材１２は、インク吐出方向（図中上）および逆方向に撓み可能であり、インクプール２４から供給されインク流路１３を通ってノズル１６まで達したインクを慣性によって吐出方向にインク滴として吐出する。

図９（ａ）に示すインク流路部材１２をインク流方向（図中白矢印１）から見た図を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）のようにインク流路部材１２は互い違いにオーバーラップする配置となっており、配列方向に狭く配置することでノズル１６のピッチを狭く設定することができる。このとき梁部材１４の幅よりインク流路部材１２の外径を太くすることでノズル１６のピッチをさらに狭く設定可能となる。

図９（ａ）のノズル１６部分を配列方向から（図中白矢印２）見た図を図９（ｃ）に示す。図９（ｃ）のように、隣接するノズル１６は開口面同士が互いに対向するように交互配置とすることで、ノズル１６のピッチをせまくすることが可能となる。また、ノズル１６の開口部同士に隙間を設けることで、レーザやダイシング加工によるスキャン加工でノズル１６の一括成形が可能となる。

図１０には、本発明の第２実施形態の他の形態に係るインクジェット記録ヘッドが示されている。

図１０に示すようにインクジェット記録ヘッド１１は、内部にインク流路１３を備え長さ方向端面にノズル１６を備えた中空チューブ状のインク流路部材１２と、インク流路部材１２を支持する梁部材１４とが接合され、両端を保持部材１８が支持する構造となっている点は図９に示した第３実施形態と同様である。

図１０（ｂ）のインク流路部材１２、梁部材１４をインク吐出方向から見た平面図を図９（ａ）に示す。図１０（ｂ）のようにインク流路部材１２は互い違いにオーバーラップする配置となっており、梁部材１４の細い側の（インク流路部材１２が無い側の）幅を配列方向に狭く配置することでノズル１６のピッチを狭く設定することができる。

梁部材１４の幅はインク流路部材１２の外径よりも細くなければオーバーラップ構造とすることはできないが、図１０（ａ）のようにインク流路部材１２と接合した梁部材１４ａと、隣接するインク流路部材１２と干渉を避けるため細くした梁部材１４ｂとが互い違いになるように配置すれば、インク流路部材１２の外径と、梁部材１４同士のクリアランスｄから算出されるピッチよりもノズルピッチを狭くできる。

本形態ではインク流路部材１２と接合された梁部材１４ａは十分な幅を残しているので、アクチュエータ３６の強度、駆動力を犠牲にせずノズルピッチを狭くすることが可能である。

図１１には、本発明の第２実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作が示されている。

図１１（ｂ）のようにまず回転エンコーダ２０が反転（インク流路部材１２を引き伸ばす方向へ回転）し、初期状態では吐出方向へ凸形状となっているインク流路部材１２を真っ直ぐに伸ばし、撓みのない状態とする。

次いで図１１（ｃ）のようにインク流路部材１２に吐出を指示する信号が図示しないスイッチングＩＣより送られた場合はアクチュエータ３６が駆動され、吐出方向に凹となるように撓んだ状態となる。

さらに図１１（ｄ）で回転エンコーダ２０を矢印方向に正回転させると、インク流路部材１２は回転エンコーダ２０に近い方、すなわち両端から次第に吐出方向（図中上）に凸へと撓み方向が変化する。

この変化が両端から中央に近付くと、インク流路部材１２（あるいは梁部材１４）はある点で急峻な座屈反転を起こし、インク吐出方向（図中上）へと急激に変形する（図１１（ｅ））。

このとき、梁部材１４の略中央付近までインク流路部材１２が接合されているため梁部材１４の強度は不均一となるが、インク流路部材１２の材質を柔軟な樹脂などにすることで、あるいは梁部材１４の幅を調節することで、所望の位置にて座屈反転を起こすことができる。

インク流路部材１２の端部、すなわち梁部材１４の長さ方向略中央にはノズル１６が設けられているため、ノズル１６まで達しているインクはこの座屈反転によるインク流路部材１２の吐出方向への変形に伴い、ノズル１６からインク滴として吐出される。

さらに図１１（ｅ）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転してインク流路部材１２を平坦にする（図１１（ｂ））ことでインク流路部材１２は初期位置へ復帰する。

この座屈反転による変形の速度は通常のアクチュエータなどによる変位と比較すれば非常に大きなものであり、本発明に採用した高粘度インクであっても十分にインク滴として吐出することが可能である。

図１２には、本発明の第３実施形態に係るインクジェット記録ヘッドが示されている。

図１２（ａ）に示すようにインクジェット記録ヘッド１５は、内部にインク流路１３を備え長さ方向端面にノズル１６を備えたインク流路部材１２と、インク流路部材１２を支持する梁部材１４とが接合され、両端を保持部材１８が支持する構造となっている。

梁部材１４にはピエゾ素子３０が接合され、さらにピエゾ素子３０には信号電極３２が接合され梁部材１４、ピエゾ素子３０、信号電極３２でアクチュエータ３６を構成している。梁部材１４はピエゾ素子３０の共通電極を兼ねており、梁部材１４と信号電極３２とでピエゾ素子３０を挟む構造となっている。信号電極３２の一方の端には電極パッド部３３が設けられ、配線３４にて図示しないスイッチングＩＣと接続されている。このスイッチングＩＣからの信号によりピエゾ素子３０は駆動され、梁部材１４を撓ませる／撓ませないの制御が行われる。

図１２（ｂ）に示すように、ノズル１６近傍のインク流路部材１２はノズル１６に向けて細くなる、いわゆるテーパ構造となっており、インク流路１３の断面積を大きく保ちながらノズル１６の開口面積を小さくし、吐出するインク滴の滴径を小さくすることができる。これは、本発明に用いるインクが極めて粘性の高いものであるため、インク流路１３内部の抵抗を減らす必要があるために、小滴径と内部抵抗低下を両立させるために効果的な構造である。

図１２（ｃ）に示すように、ノズル１６近傍に太さ一定のストレート部分１７を設けてもよい。これはノズル１６の加工位置がインク流路部材１２の長さ方向にずれた場合でも、ストレート部分１７の長さ範囲のズレであればノズル１６の開口面積に影響しないので、加工バラツキによるノズル１６の開口面積の変動を抑えることができる。

あるいは図１２（ｄ）に示すようにノズル１６部分を角度θで斜めにカットしてもよい。このとき、角度θの設定により吐出方向から見たノズル１６の開口面積を制御することができる。

図１３には、本発明に係るインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置が示されている。
図１３に示すようにインクジェット記録装置５０はヘッド支持部材５４を備え、本発明のインクジェット記録ヘッド１０ないしは１５がヘッド支持部材５４に保持される。ヘッド支持部材５４はインクジェット記録ヘッド１０ないしは１５を保持し、かつインク吐出動作を妨げない構造となっている。ヘッド支持部材５４の下には状記録媒体Ｐを載置し保持するテーブル５２が設けられている。
記録媒体Ｐをテーブル５２にセットして、テーブル５２を平面内でＸおよびＹ方向（図中白矢印）に移動させるとともに、インクジェット記録ヘッド１０ないしは１５を駆動し、高粘度インクのインク滴２を吐出する。前述のように高粘度インクを使用しているので記録媒体Ｐに着弾した際のインク滴２の滲みは防止でき、高品質な記録が行える。

尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、アクチュエータはピエゾ素子３０と梁部材１４とからなっているが、ピエゾ素子３０のかわりに発熱抵抗体を利用し、熱膨張差で撓み変形するアクチュエータであっても良いし、静電力や磁力を利用したものであっても良い。或いは、その他の形態のアクチュエータであっても良い。

また、上記実施の形態では、インク流路部材１２と梁部材１４は、それぞれ別々の材料で形成して接合したが、これに限定されない。例えば、梁部材１４がインク流路部材１２に含まれたり、一体の構造であっても良い。或いは、その他の形態であっても良い。
また、上記実施の形態では、インクジェット記録ヘッド１０ないしは１５を固定し、記録媒体Ｐを移動させながら記録を行うが、例えば、記録媒体Ｐを固定し、インクジェット記録ヘッド１０ないしは１５をキャリッジに搭載して搬送しながら記録を行っても良いし、双方を搬送しながら記録を行ってもよい。あるいは記録媒体Ｐをドラムに巻き付けて回転させる構造としてもよい。

また、本明細書におけるインクジェット記録とは、記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明を利用することが可能である。

本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの加工法を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの加工法を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの変形例を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの変形例を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの加工法を示す図である。 本発明の第１形態に係るインクジェット記録ヘッドの加工法を示す図である。 本発明の第２形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す図である。 本発明の第２形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す図である。 本発明の第２形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作を示す図である。 本発明の第３形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す図である。 本発明に係るインクジェット記録装置を示す図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを示す図である。

符号の説明

１０ インクジェット記録ヘッド
１１ インクジェット記録ヘッド
１５ インクジェット記録ヘッド
１２ インク流路部材
１３ インク流路
１４ 梁部材
１６ ノズル
１８ 保持部材
２０ 回転エンコーダ
３０ ピエゾ素子

Claims (22)

1. インク滴を吐出するノズルと、
   前記ノズルが長手方向略中央に設けられ、複数配列され、両端が保持された中空チューブ状のインク流路部材と、
   両端が保持され、前記インク流路部材と接合され一体変形する梁部材と、
   前記梁部材に接合して設けられ、前記梁部材をインク吐出方向に凹となるように撓ませる第１駆動手段と、
   両側から押圧され両端を保持された前記梁部材を長手方向両側から押圧すると共に前記梁部材をインク滴吐出方向に凸となるように弾性曲げ変形させる第２駆動手段と、
   を備え、
   前記第１駆動手段が前記梁部材をインク滴吐出方向に凹となるように弾性曲げ変形させた後、前記第２駆動手段が前記梁部材を長手方向両側から押圧すると共にインク滴吐出方向に凸となるように弾性曲げ変形させて前記梁部材を座屈反転変形させ、前記ノズル内部のインクに吐出方向の慣性を与え、インク滴として前記ノズルより吐出させることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記インク流路部材は樹脂製であることを特徴とする請求項１に記載されたインクジェット記録ヘッド。
3. 前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は円形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたインクジェット記録ヘッド。
4. 前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は多角形であり、前記多角形の一辺が前記梁部材との接合面であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたインクジェット記録ヘッド。
5. 前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は四角形であり、前記四角形はインク吐出方向に長い長方形であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項４に記載されたインクジェット記録ヘッド。
6. 前記インク流路部材の、長手方向と直交する断面は半円形であり、前記半円形の弦が前記梁部材との接合面であり、弧の頂点に前記ノズルが設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたインクジェット記録ヘッド。
7. 前記インク流路部材の両端からインクを供給することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
8. 前記インク流路部材は仮固定基板上に設けられたＶ溝に沿わせて仮固定された後、前記梁部材に反転接合され固定されたのち、前記仮固定基板より取外されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
9. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
10. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、
    前記スリットは前記インク流路部材の長手方向に短く、前記インク流路部材の配列方向に長い形状であり、ダイシング法によりスキャン加工されたことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
11. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、
    前記スリットは前記インク流路部材の太さ方向略半分まで設けられた切込みであり、前記インク流路部材の配列方向から見て略矩形形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
12. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、
    前記スリットは前記インク流路部材の配列方向から見て略三角形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
13. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、
    前記スリット部分はインク吐出方向反対側の肉厚を残して前記流路部材を切断し形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
14. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられたスリットであり、
    前記スリット部分で前記インク流路部材を切断し前記スリットを形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
15. 前記ノズルは前記インク流路部材の外周面に長手方向略同位置に設けられ、
    前記スリット部分で前記インク流路部材を長手方向に対して所定の角度をもって切断し、前記スリットを形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
16. 前記ノズルは前記インク流路部材の断面と同形状の端面であり、
    前記端面同士を突き合わせ対向する２列の配列をなす前記インク流路部材が、互いに配列方向にずれて配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
17. 前記ノズル同士が所定の間隔を隔てて突き合わせ対向配置されたことを特徴とする請求項１６に記載されたインクジェット記録ヘッド。
18. 前記インク流路部材の太さが前記梁部材よりも太いことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載されたインクジェット記録ヘッド。
19. 前記梁部材の、前記インク流路部材と接合される部分は太く、そうでない部分は細くしたことを特徴とする請求項１６乃至請求項１８のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
20. 前記インク流路部材の前記ノズル近傍の断面積を上流側の断面積に対して小さくしたことを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載されたインクジェット記録ヘッド。
21. 前記インク流路部材の前記ノズル近傍に断面積の等しい部分を一定長設けたことを特徴とする請求項２０に記載されたインクジェット記録ヘッド。
22. 請求項１乃至請求項２１のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを使用したことを特徴とするインクジェット記録装置。

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