JP4549622B2

JP4549622B2 - インクジェット式記録ヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置

Info

Publication number: JP4549622B2
Application number: JP2002352127A
Authority: JP
Inventors: 悟飛田; 佳孝秋山; 利治住谷; 吉兼松本
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: JP2004181798A; US20040109047A1; US7090340B2

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高密度実装が可能なインクジェット式記録ヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２０００−２８９２３３号公報
【特許文献２】
特開平６−８４２２号公報
パーソナルコンピュータの普及やグラフィック処理プログラムの進歩により文字だけでなく、画質の高品質なハードコピーの出力が要求されるようになってきている。また、看板や大型のポスター印刷分野もオンデマンド印刷の要求が多く、オンデマンド型インクジェット式記録装置が多用されるようになってきた。
【０００３】
オンデマンド型インクジェット式記録装置に使用される印字ヘッドは、大きく分けて３種類の構造が知られている。第１のものは、ノズル先端にインクを瞬間的に気化させるヒータを設け、気化時の膨張圧力によりインク滴を生成、飛翔させる、いわゆるサーマルインクジェット型印字ヘッドである。
【０００４】
第２の構造は、インク溜部を形成する容器に圧電素子を設け、この圧電素子が印加信号により変形する時に生じる圧力によりインク滴を飛翔させる、圧電素子のシェアモード変形を利用したものである。
【０００５】
第３の構造は、インク溜部なる圧力発生室に対向させて圧電素子を配設し、この圧電素子の伸縮により前記圧力発生室に動圧を生じさせてインク滴を飛翔させるもので、圧電振動子の変わりに静電吸着を利用するものもある。
【０００６】
特許文献２（特開平６−８４２２号公報）には上記第３の形式のオンデマンド型インクジェット式ヘッドの一例が開示されている。この構造は複数のノズル開口部が列状に配設され、複数枚のプレートを積層してインク室を形成してなるチャンバープレートに、前記インク室に対向して圧電素子が実装され、該圧電素子の変形を利用してインク滴を飛翔させるものである。このヘッドの場合、ノズル実装密度、いわゆるノズル間のピッチ間隔を小さくしようとすると、前記インク室のピッチや圧電素子も当然小さくせざるを得ないという問題がある。
【０００７】
この問題を解消するために、特許文献１（特開２０００−２８９２３３号公報）には、１つのヘッド内にノズルを複数列並べ、各列のノズル位置をずらして、１スキャンで印刷可能な印刷密度の向上を図る方式が提案されている。
【０００８】
しかしながらこの方式の場合、１つのプレート内に複数列のノズルを構成しているため、圧電振動子の実装もノズルに対向するため各ノズルの列毎に形成しなければならない。
【０００９】
ノズルの実装密度を向上させる他の従来例として図１２に示す構造も知られている。この記録ヘッドは複数のノズル開口１６を有するノズルプレート１１と、該ノズルプレート１１上に複数並んだノズル開口部１６に対応して、圧力発生室１８が交互に千鳥状に配置されているチャンバープレート１２とを有し、クシ状に分割された圧電素子２３が、振動板１３に封止された圧力発生室１８に対向するように固定配置されている。
【００１０】
このような構成の場合、圧力発生室１８は千鳥状に配置されているため、それぞれに対応する圧電素子２３も千鳥状に配置されることになる。つまり、非常に近接した位置に２つの圧電素子群を精度良く挿入し、固定しなければならないため、組立ての作業性が悪いという問題が発生する。
【００１１】
インクジェット式記録ヘッドのノズルを高密度実装し、多ノズル化するにあたっては、加工性を高めると共に組立て作業性の向上を図る必要がある。部品点数が多くなったり、位置合わせ個所が多くなれば、精度が低下するので、高品質なインクジェット式記録ヘッドを安定的に製造できない。
【００１２】
前述の１枚のプレートに列状に並べたノズル列を複数配列して、実装密度を高める構造は、各ノズル列毎に振動子群が必要となり、位置合わせ個所も多くなり、作業性が悪くコストが上昇する等の問題がある。また、印刷方向はノズルが複数列並んでいる方向のみの印刷に限定されてしまうため、ヘッド固定型のライン方式記録装置の場合、各ヘッドを千鳥状に配列する実装構造に限られてしまう。
また、ヘッド部エリアが大きくなり、ヘッド保全部、ひいては装置全体が大型化されるという問題を避け難い。
【００１３】
また、図１２に示す従来例の場合は、非常に狭い領域において、２つの圧電素子群を精度良くずらして固定する必要があるため前述のように、作業性が悪いという問題がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、このような問題のないインクジェット式記録ヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置を提供することにある。
【００１５】
具体的には本発明の課題はインク室とノズルの関係を効率よく実装でき、しかも組み立ての作業性に優れた構造を有するインクジェット式記録ヘッド及びそれを用いたインクジェット式記録装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、インク滴を吐出するノズルを所定の列方向に配列したノズルプレートと、上記ノズルに連通する複数の圧力発生室と、該圧力発生室の一面に形成された振動板と、上記複数の圧力発生室にインク供給路を介してインクを供給するための共通インク室と、上記振動板を変位させる圧電素子とを備え、上記ノズル列の一方の側に第１の圧力発生室を配置し、他方の側に第２の圧力発生室を配置したインクジェット式記録ヘッドにおいて、上記第１及び第２の圧力発生室は、前記列方向に幅の広い幅広部と、上記ノズルに向かうに従って幅が狭くなる連通流路部とよりなり、上記第１の圧力発生室の幅広部を、前記列方向と直角方向の中心線が、上記第２の圧力発生室の幅広部の中心線と一致するように配列し、上記連通流路部の一部を、前記幅広部の前記列方向の側壁面より外側に位置するように形成したことに一つの特徴を有する。
【００１７】
本発明の他の特徴は、前記圧力発生室は、互いに隣接するノズル間の前記連通流路の側壁を、前記幅広部の側壁よりも剛性を小さくしたことにある。
【００１８】
本発明の他の特徴は、前記圧力発生室の連通流路部のコーナ部を曲線形状としたことにある。
【００２７】
【発明の実施形態】
図１は、インクジェット式記録装置の一実施例を示す。本実施例は、シリアルスキャン印刷方式の例を示しているが、ヘッドを固定してなるライン印刷方式にも本発明は適用される。また、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、印刷装置以外にも、例えば、産業用のディスペンサー、インクジェット方式の３次元造形機等のヘッドとしても使用することができる。
【００２８】
図１において、１はインクジェット式のヘッド、２はサブインクタンク、３は印刷用紙、４はヘッド保全部を示す。ヘッド１は、ガイド軸８(a)、８(b)上を往復運動しながら、印刷用紙３上にインク滴を吐出して、文字や図形等を印刷する。
【００２９】
ヘッド１へのインクの供給は、メインインクタンク７から供給チューブ５を経由してサブインクタンク２へ送られ、さらに、供給チューブ５を介して、ヘッド１へ供給される。ヘッド保全部４は、印刷をしていない時にヘッド１のノズルからのインクが乾燥したり異物が付着するのを防止するためにキャップ６を有する。また、図示していないが、ノズル面に付着したインクなどを除去するためのワイパーブレードなどが配設されている。前記キャップ６は、サブインクタンク２からヘッド１内にインクを充填する時やヘッド１内に停滞した気泡等を除去する目的で実施されるパージ動作をする時の吸引キャップとしても使用される。
【００３０】
次に、本発明にかかるヘッド部１の詳細を説明する。図２は、本発明にかかるインクジェット式記録装置のヘッド１の部品構成図を示し、図３は、該ヘッド１の部分断面図を示す。
【００３１】
ヘッド部１は、圧電素子群１５とインク流路基板２２と、該基板２２を固定する高剛性を有するハウジング１４とから構成されている。
上記インク流路基板２２は、振動板１３、チャンバープレート１２及びノズルプレート１１とよりなる。ノズルプレート１１にはインク滴を吐出するためのノズル開口１６が複数個配設されている。チャンバープレート１２には、前記ノズル開口１６に連通する圧力発生室１８と、該圧力発生室１８にインク２０を供給する流路となるリストリクタ１７（図４）と、該リストリクタ１７と接続される共通インク室１９が、前記ノズル開口部１６を中心に対向する様に配設されている。前記圧力発生室１８の一壁面には弾性を有する振動板１３が形成されており、その振動により圧力発生室１８の容積を容易に変化させることができる。
【００３２】
圧電素子群１５は圧電素子２３と基板２４とより構成される。圧電素子２３の一端はベース基板２４に固定され、他端は振動板１３に接合されているため圧電素子２３の振動に応じて振動板１３が変位する。
個々の圧電素子２３には例えば図５に示すような電圧Ｖが印加される。電圧が下降するＴ１区間で圧電素子が収縮し、圧力室１８内の容積が膨張し、共通インク室１９よりインク２０が流入する。その後、ノズル１６面のインクメニスカス振動のタイミング見計らって、電圧が上昇するＴ２区間で圧電素子を伸長させ、圧力室１８を収縮させる。その圧力を利用して、ノズル開口部１６より、インク滴が吐出される。
【００３３】
図４に前記チャンバープレート１２の部分拡大平面図を示す。
図からわかるように本発明の実施例では列状に配設されたノズル開口１６の両側に圧力発生室１８がそれぞれ対向するように配置されている。つまり図１２の従来例では圧力発生室１８が千鳥状に配置されているが、この実施例ではノズル開口１６の列を挟んで対向する圧力発生室１８の中心線がほぼ一致するように配置されている。また圧力発生室１８とリストリクタ１７からなるインク流路は、その中心線が隣接する２個のノズル開口１６のほぼ中間の位置にくるように配置されている。従って、該圧力発生室１８に対向する位置に接続された圧電素子２３（図中の２点鎖線で示す位置にある）も、ノズル１６の列に対して互いに対向する様にベース基板２４に配置されている。圧力発生室間ピッチつまり隣接する圧力発生室１８の中心線間の距離をＣｐとし、ノズル間ピッチ、つまり隣接するノズル１６間の距離をＮｐとすると、Ｎｐ＝ＣＰ／２となっている。
【００３４】
また、ノズル開口１６に連通するインク流路は、圧力発生室１８からノズル開口１６に向けて狭くなるように形成し、ノズル開口１６は、隣接する圧力発生室１３の中心線間に２個ずつ配置されている。そして一方のノズル開口はノズル列の一方の側にある圧力発生室１８に連通し、他方のノズル開口はノズル列の他方の側にある圧力発生室１８を連通している。この構成は、対向する圧力発生室１８から隣接ノズルの流路を確保すると共に、狭くなった部分でインク流速が高まるので流路に気泡が停滞することを防止するこという効果がある。
【００３５】
図６は本発明の別の実施形態を示すもので前記圧力発生室１８からノズル開口１６に向けての連通流路は、圧力発生室１８を形成する側面壁よりも外側に若干はみ出したような位置に形成されている。これは、例えばノズルプレート１１を接着する際に、接着剤の流れ出しに対する裕度を高める効果がある。通常ノズルプレート１１とチャンバープレート１２を接着する場合、接着剤のはみ出しが少なくとも５μｍから１０μｍ程度発生してしまう。ノズル開口１６部付近は、インク流路壁が非常に近いためノズル開口１６部に接着材が流れ出さないようにスペースを確保しなければならない。そこで、図６の実施形態のように連通流路を圧力発生室１８の側面壁より若干はみ出すような形状に構成することで、接着剤の流れ出しに対する裕度が向上する。
【００３６】
また、圧力発生室１８からノズル開口１６に向けての連通通路の圧力は圧力発生室１８の中心から遠ざかるのでその中心部の圧力より小さくなる。従って、隣接するノズル開口１６との隔壁の剛性は、隣接する圧力発生室１８の隔壁の剛性より小さくても良く、特性に影響を与えない程度まで小さく設計することができる。尚、圧力発生室１８からノズル開口１６部への流路形状は、先細りであればどんな形状でも良いが、気泡の排除性やインクの流動性を考慮すれば、図６に示すようにコーナ部を曲線形状とすることが望ましい。
【００３７】
また上記のように構成されたチャンバープレート１２は、金属製の薄板を複数枚積層して形成しても良いし、より精度を高めるためにシリコンウエハーをエッチング加工にて一体で形成しても良い。更には、ノズルプレート１１とチャンバープレート１２をシリコンウエハー等のエッチング加工により一体で形成することも可能であり、この場合はノズル１６近傍の接着材のはみ出しの心配もなく、ノズル実装ピッチをより高めることが容易となる。
【００３８】
次に本発明にかかる記録ヘッドの実装方法について、ラインヘッド方式印刷装置を例にとり説明する。
図７は、ノズル１６が、リニア上に１列に並んだヘッド１を複数個ライン状に配列して、ライン方式記録装置を構成した場合のヘッド組の一例を示す。
【００３９】
現在、ノズル１６のピッチＮｐは、圧電素子を用いるヘッド構成の場合、圧電素子を狭ピッチで加工することが難しいため、最大でも180dpi程度を実現できるに過ぎない。上記ヘッド１を固定してライン方式で印刷する場合、最大印刷密度Ｄｐを得るためには図７に示す如く、ヘッド１を並列に並べる方式と、図８に示す如くヘッド１を斜めに複数個配列してヘッド組１００を構成する方式の２通りがある。
【００４０】
しかし、図７のような実装の場合、記録装置の最大印刷密度Ｄｐは、１ヘッド内のノズルピッチＮｐの整数倍になり、その倍数に相当する数のヘッド１を並列に並べ実装する必要がある。例えば、ノズルピッチＮｐが、１００dpiの場合Ｄｐ＝３００dpiを実現するには、３個のヘッドを１／３００dpiづつずらして配列し、最大印刷幅Ｗｐの分だけ千鳥状に実装することが必要である。この場合、ヘッド１の幅Ｈｗサイズは、比較的自由に設計できるが、ヘッド組１００全体の実装スペース効率があまり良くない。
【００４１】
一方、図８に示す様に複数のヘッド１を斜めに実装すると、実装スペースをより有効に使うことが可能になる。しかし、ノズル数とノズルピッチの関係から決定されるヘッド間のピッチＭｐにより、実装可能なヘッド１の幅Ｈｗの寸法に限界が生じてくる。それは、以下のような関係になる。
【００４２】
図８に示すようにヘッド１を斜めに実装するときの、ノズル数をＮ、ノズルピッチをＮｐ（npi）、印刷解像度をＤｐ（dpi）とする。ここに単位npiは、１インチ当りのノズル数（nozzle per inch）、単位dpiは、１インチ当りのドット数（dot per inch）を表す。
【００４３】
また、印刷解像度Ｄｐはライン上に配列したヘッド１で印刷するときの副走査方向、即ち用紙の搬送方向に直交する方向（図８の矢印方向）での印刷密度である。ヘッド１を斜めに実装して、必要印刷解像度Ｄｐを実現するためには、まず、ヘッドの傾き角θは、
θ＝ＡＣＯＳ（Ｎｐ／Ｄｐ）・・(1)
また端部にあるＮ番目のノズル１６と、次に隣接するヘッド１の最初のノズル１６とが、印刷解像度Ｄｐで実装できなければならない。従って、斜めに実装されるヘッド１の間の寸法Ｍｐが決まり、ヘッド個々の幅寸法Ｈｗは、Ｈｗ＜Ｍｐである必要がある。従って、ヘッド幅寸法Ｗｈは、
Ｈｗ＜[Ｍｐ＝ＳＩＮθ×｛（１／Ｄｐ）×（Ｎ−１）＋１／Ｎｐ｝]]・・（２）
となる。例えば、ノズル数Ｎを２５６、ノズルピッチを１００npi、印刷解像度Ｄｐを６００dpiとすると、式(1)よりヘッド１の傾斜角θは、約80degとなる。式(2)より、Ｈｗは、約０．４３inch(約１１mm)となる。この幅の中にノズル１６を１列に実装し、圧力発生室１８を含むインク流路を互いに向き合うように２列実装する。
【００４４】
この様にヘッド幅Ｈｗを決定することで、図７に示すような並列実装方式や図８に示す斜め配列実装方式のどちらでも容易に採用可能となり、印刷方式や装置の大きさなどの自由度が大きくなる。また、ノズル１６の位置をヘッド１の中央部付近に実装できるのでヘッド保全等に用いられるキャップ設計が容易となる。
【００４５】
図９は、図２に示された本発明の圧電素子群１５の拡大図を示す。その加工方法について、以下説明する。
【００４６】
先ず、棒状に圧電材料と導電材料を積層してなる圧電素子２３をベース基板２４の一端に平行になるように２本並べ、ベース基板２４に接着する。接着剤としては、非導電性接着剤を使用する。次に、平行に並べられた圧電素子２３間に導伝性接着剤４０、例えば、エイブルスティック製９６５−１Ｆを塗布し、ベース基板２４と導通させる。これが共通電極となる。３０は、個別電極となるフレキシブルケーブルでいわゆるＦＰＣである。個別電極となる側(図中Ａ面及びＢ面)は、前記ベース基板２４との導通はなく、完全に分断されている。
【００４７】
上記のように平行に並べられた２本の圧電素子２３は圧力発生室１８のピッチと等しくなるように、ワイヤーソーや砥石を用いたダイシング技術により櫛状に分割加工される。分割加工する前に前記振動板１３に接続する面を同時に研磨してもよい。この場合は、前記振動板１３に接着する際の該振動板１３と圧電振動子２３先端との間隙を均一にすることができ、特性の安定化が図れる。
【００４８】
尚、図９の実施形態では圧電素子２３は圧電材料と導電材料をベース基板２４の面と平行な面に積層したｄ_３３型の構造を有するが、図１０に示すようにベース基板２４の面と直角な方向に積層するｄ_３１型の構造の圧電素子を用いてもよい。
【００４９】
図１１は、本発明のインクジェット式ヘッド１に用いられる圧電素子群１５の別の構成例を示す。先ず、ベース基板２４と棒状の圧電素子２３を固定し、個々の圧電素子体を形成する。この際、共通電極側（図中Ｃ面）に段差を設けて置くと良い。この圧電振動素子体を互いに向き合うようにベース基板部２４で接着固定する。その後、棒状の圧電素子を分割加工することにより図１０に示すような個別の圧電素子２３を得ることができる。本実施形態のベース基板２４は、導伝性を有する材料とＦＰＣとを組み合わせて構成してもよい。またベース基板２４上に電極を予めパターニングして形成してもよいし、圧電素子２３を固定してからパターニングして形成してもよい。
【００５０】
また、前記圧電素子２３を固定するベース基板２４とハウジング１４との固定は、強固であっても良いが、前記ベース基板２４のヤング率及び比重が、圧電素子２３より大きく、全体の質量も大きいものであれば、圧電素子２３の変位に対抗する反力に対して、前記ベース基板２４は十分耐えられるものとなり、ハウジング１４との固定は、強固にしなくても良い。従って、前記圧電素子群１５を挿入するハウジング１４の穴部の加工精度を比較的ラフにすることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドは、インク滴の吐出ノズル列の両側に、圧力発生室を配置し、しかもそれぞれ対向する圧力発生室の中心線が略一致するような位置関係に上記圧力発生室を配置したので圧力発生室の間隔を狭めることができ、高密度実装が容易となる。また、互いに対向した位置に並んでいるため圧電振動子の加工性を向上でき、精度良くヘッドを組み立てることが可能となる。更に、一体に構成された圧電振動子は、インク流路基板を固定しているハウジングの穴より、容易に挿入可能となり、対向する圧力室の位置と圧電振動子の位置ずれを少なくできるので、吐出バラツキを小さくできる。
【００５２】
また、ノズルの実装密度に対し、圧力室の実装密度が１／２のため比較的大きな圧力発生室の容積を確保できるので、同じノズル実装密度を有する従来のヘッドに比べ、大きなインク滴を飛翔させることも可能となり、広範囲なインク滴量飛翔の記録装置を提供できる。
【００５３】
また、ヘッドの幅寸法を最大印刷解像度に見合った幅にすることで、ヘッド実装の裕度が増し、インクジェット式印刷装置として、自由度の高い装置設計が可能となる。さらに、ノズルの位置がヘッド中央部付近に設計できるので、ヘッドを保護するキャップの設計が容易となるともに、ヘッド保全も容易となり、信頼性の高いインクジェット式記録装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の記録ヘッドが搭載されたインクジェット式記録装置の一実施例を示す概略構成図。
【図２】本発明にかかるインクジェット式記録ヘッドの一実施例を示す部品構成図。
【図３】本発明にかかる記録ヘッドの一実施例を示す部分断面図。
【図４】本発明にかかる記録ヘッドを構成するチャンバープレートの部分拡大図。
【図５】本発明にかかる記録ヘッドを駆動する電圧の一例を示す波形図。
【図６】本発明にかかる記録ヘッドを構成するチャンバープレートの他の実施例を示す部分拡大図。
【図７】本発明記録ヘッドを用いた、ライン方式記録装置のヘッド配列例を示す説明図。
【図８】本発明記録ヘッドを用いた、ライン方式記録装置の他のヘッド配列例を示す説明図。
【図９】本発明にかかる記録ヘッドに搭載される圧電素子群の一実施例を示す概略構成図。
【図１０】本発明にかかる記録ヘッドに搭載される圧電素子群の他の実施例を示す概略構成図。
【図１１】本発明にかかる記録ヘッドに搭載される圧電素子群の他の実施例を示す概略構成図。
【図１２】従来の記録ヘッドを構成するインク流路基板を示す構成図。
【符号の説明】
１はヘッド、１１はノズルプレート、１２はチャンバープレート、１３は振動板、１４はハウジング、１５は圧電素子群、１６はノズル、１７はリストリクタ、１８は圧力発生室、２０はインク、２３は圧電素子、２４はベース基板、３０はＦＰＣ

Claims

インク滴を吐出するノズルを所定の列方向に配列したノズルプレートと、
上記ノズルに連通する複数の圧力発生室と、
該圧力発生室の一面に形成された振動板と、
上記複数の圧力発生室にインク供給路を介してインクを供給するための共通インク室と、
上記振動板を変位させる圧電素子とを備え、
上記ノズル列の一方の側に第１の圧力発生室を配置し、他方の側に第２の圧力発生室を配置したインクジェット式記録ヘッドにおいて、
上記第１及び第２の圧力発生室は、前記列方向に幅の広い幅広部と、上記ノズルに向かうに従って幅が狭くなる連通流路部とよりなり、
上記第１の圧力発生室の幅広部を、前記列方向と直角方向の中心線が、上記第２の圧力発生室の幅広部の中心線と一致するように配列し、
上記連通流路部の一部を、前記幅広部の前記列方向の側壁面より外側に位置するように形成した
ことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項１において、前記圧力発生室は、互いに隣接するノズル間の前記連通流路の側壁を、前記幅広部の側壁よりも剛性を小さくしたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項１において、前記圧力発生室の連通流路部のコーナ部を曲線形状としたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載されたインクジェット式記録ヘッドを用いたインクジェット式記録装置。