JP4631474B2 - 液滴吐出ヘッド、及び、液滴吐出装置 - Google Patents

液滴吐出ヘッド、及び、液滴吐出装置 Download PDF

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本発明は、液滴を吐出するノズル、ノズルと連通するとともに液体が充填される圧力室、及び、圧力室に供給する液体を貯留するプール室、を有する液滴吐出ヘッド、及び、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に関する。
従来から、液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッド(以下、単に「記録ヘッド」という場合がある)の複数のノズルから選択的にインク滴を吐出し、記録紙等の記録媒体に文字や画像等を印刷するインクジェット記録装置は知られている。
ところで、インクジェット記録装置において、通常、インクは、インクタンクから一旦インクプール室へ供給され、インクプール室から供給路を経てインク吐出ノズルへと供給される。
このような構成のインクジェット記録ヘッドにおいて、近年では、低コストで小型でありながら、高解像度な印刷が可能とされることが求められている。この要求に応えるためには、ノズルを高密度に配設することが必要となり、このため、例えば、特許文献1に記載の液体吐出装置では、インクプール室(液体リザーバ)からノズルへ液体を供給するための供給口の配列ピッチをノズルの配列ピッチよりも大きくしている。しかしながら、特許文献1に記載の技術では、液体リザーバは、各ノズル毎に設けられているため、供給口の配列ピッチを小さくすることができず、結果的に、ヘッドのサイズが大きくなってしまう。
一方、インクジェット記録ヘッドの小型化のため、インクプール室を複数のノズルへのインク供給のために共通のものとすると、インクプール室が剛性不足となり、組立工程時における残留応力で反り変形したり、吐出動作時に撓み振動したりするなどの問題の発生も考えられる。特に、記録紙の全幅にわたる画像記録が可能とされている、いわゆるFull Width Array(FWA)などは、インクジェット記録ヘッドのサイズが大きく、上記問題が顕著となってしまう。
特開2002−286735号公報
本発明は、このような問題点に鑑み、ノズルの高密度化と、小型化が図れるとともに、剛性も確保された液滴吐出ヘッド、及び、この液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載の液滴吐出ヘッドは、所定方向に等間隔に配列され液滴が吐出される複数のノズルと、前記複数のノズルの各々と連通し、液体が充填される圧力室と、複数の前記圧力室に供給する液体を貯留する共通プール室を構成すると共に、前記圧力室の各々に液体を供給する複数の供給孔が形成された共通プール室部材と、前記共通プール室部材の強度を補強する補強部材と、を備え、前記複数の供給孔のうちの少なくとも一部の長間隔供給孔が、隣接する1の供給孔との距離が隣接する他の供給孔との距離よりも遠くなる位置に配置され、この長間隔供給孔と隣接する前記1の供給孔との間に長間隔領域が構成され、前記共通プール室部材の前記長間隔領域に前記補強部材が配置されていること、を特徴とするものである。
請求項1に記載の発明では、共通プール室は、複数の圧力室に供給する液体を貯留している、すなわち、複数の圧力室に共通のものとされているので、圧力室毎に個別プール室を形成する場合と比較して、高密度に配置されたノズルに対応させて共通プール室からノズルへと液体を供給する供給孔についても高密度に配置することができる。したがって、液滴吐出ヘッドを構成する共通プール室部材も小さくすることができ、液滴吐出ヘッドの小型化を図ることができる。
ところで、本発明では、共通プール室の強度を補強するために、共通プール室に補強部材が備えられている。この補強部材を、高密度に配置された供給孔の間に配置するのは困難であり、例えば、図11に示すように、ノズルNのピッチにあわせて、圧力室Cに対応する位置に等間隔に供給孔Aが配置されていたのでは、補強部材Bが供給孔を塞いでしまう。そこで、図10に示すように、補強部材自体の幅を狭くして、供給孔Aを塞がないようにすることが考えられるが、これでは共通プール室部材の剛性を高めることが難しい。
そこで、請求項1に記載の発明では、複数の供給孔のうちの少なくとも一部の供給孔を、長間隔供給孔として隣接する1の供給孔との距離が隣接する他の供給孔との距離よりも遠くなる位置に配置する。したがって、長間隔供給孔とその隣接する1の供給孔との間の距離は長くなり、長間隔領域が構成される。そして、この長間隔領域に補強部材を配置するのである。
これにより、供給孔が整列されている場合と比較して、補強部材の幅を広くすることができ、共通プール室部材の剛性を高くすることができ、液滴吐出ヘッドの剛性を確保することができる。
請求項2に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記複数のノズルがマトリクス状に配置されていること、を特徴としている。
このように、複数のノズルがマトリクス状に配置されている場合には、特に補強部材の配置が難しいため、請求項1の液滴吐出ヘッドとすることが好ましい。また、ノズルがマトリクス状に配置されたヘッドでは、一列状に配置された場合よりもヘッド幅が大きくなるので剛性が低下しやすいという課題があるが、本発明によれば、マトリクス状配列のヘッドでも効果的に剛性を確保することができる。
請求項3に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項2に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、少なくとも一列分の前記供給孔が前記長間隔供給孔とされ、前記補強部材が前記共通プール室部材の幅方向を横断するように配置されていること、を特徴とするものである。
上記構成によれば、共通プール室部材の幅方向を横断するように補強部材が配置されているので、共通プール室部材を効果的に補強することができる。
請求項4に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項3に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記補強部材が、前記共通プール室を複数のプール室に分割する隔壁とされていること、を特徴とするものである。
上記構成によれば、補強部材が隔壁を兼ねており、隔壁により共通プール室が分割されて各プール室の容量が小さくなるので、プール室内での液体の流れをスムーズにすることができる。また、共通プール室にインクを注入する注入口とそれぞれの供給孔との距離に大きな差があると流路抵抗の差となって吐出特性バラツキの原因となるが、本構成によればその差が小さくなるので、特性をより均一にすることができる。
請求項5に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項3に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記補強部材が、前記共通プール室内で液体の流路を構成する整流板とされていること、を特徴とするものである。
上記構成によれば、補強部材が整流板を兼ねているので、共通プール室内での液体の流れをスムーズにすることができ、混入した気泡やゴミの排出性が向上し、さらにインク充填作業時のインク消費量を低減できる。
請求項6に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、液滴吐出方向から見て、前記ノズル、このノズルと連通された圧力室、及びこの圧力室に液体を供給する供給孔、の相対位置関係が、すべての組み合わせにおいて同じであること、を特徴とするものである。
上記構成によれば、イジェクタを構成する圧力室、ノズル、供給孔の相対位置関係が、すべてのイジェクタについて同じ構成とされているので、相対位置関係が異なることによる液滴の吐出特性のバラツキが生ぜず、均一な液滴を吐出させることができる。
請求項7に記載の液滴吐出装置は、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたものである。
上記液滴吐出装置によれば、液滴吐出ヘッドの剛性を確保することができるので、信頼性の高い液滴吐出装置とすることができる。
以上、本発明によれば、液滴吐出ヘッドのノズルの高密度化と、小型化が図れるとともに、剛性も確保することができる。
インクジェット記録装置10は、図1に示すように、用紙を送り出す用紙供給部12と、用紙の姿勢を制御するレジ調整部14と、インク滴を吐出して用紙に画像形成する記録ヘッド部16と、記録ヘッド部16のメンテナンスを行なうメンテナンス部18とを備える記録部20と、記録部20で画像形成された用紙を排出する排出部22とから基本的に構成される。
用紙供給部12は、用紙が積層されてストックされているストッカ24と、ストッカ24から1枚ずつ枚葉してレジ調整部14に搬送する搬送装置26とから構成されている。
レジ調整部14は、ループ形成部28と用紙の姿勢を制御するガイド部材29が備えられており、この部分を通過することによって用紙のコシを利用してスキューが矯正されると共に搬送タイミングが制御されて記録部20に進入する。
排出部22は、記録部20で画像が形成された用紙を排紙ベルト23を介してトレイ25に収納するものである。
記録ヘッド部16とメンテナンス部18の間には、記録紙Pが搬送される用紙搬送路104が構成されている(搬送方向を矢印Hで示す)。スターホイール17と搬送ロール19とで記録紙Pを挟持しつつ連続的に(停止することなく)搬送する。そして、この用紙に対して、記録ヘッド部16からインク滴が吐出され当該記録紙Pに画像が形成される。
メンテナンス部18は、インクジェット記録ヘッド32に対して対向配置されるメンテナンス装置21で構成されており、インクジェット記録ヘッド32に対するキャッピングや、ワイピング、さらにダミージェットやバキューム等の処理を行うことができる。
図2に示すように、インクジェット記録ユニット30のそれぞれは、用紙搬送方向と直交する方向に配置された、複数のインクジェット記録ヘッド32を備えている。インクジェット記録ヘッド32には、マトリックス状に複数のノズル84が形成されている。用紙搬送路104を連続的に搬送される記録紙Pに対し、ノズル84からインク滴を吐出することで、記録紙P上に画像が記録される。なお、インクジェット記録ユニット30は、たとえば、いわゆるフルカラーの画像を記録するために、YMCKの各色に対応して、少なくとも4つ配置されている。
図3に示すように、それぞれのインクジェット記録ユニット30のノズル84による印字領域幅は、このインクジェット記録装置10での画像記録が想定される記録紙Pの用紙最大幅PWよりも長くされており、インクジェット記録ユニット30を紙幅方向に移動させることなく記録紙Pの全幅にわたる画像記録が可能とされている(いわゆるFull Width Array(FWA))。ここで、印字領域とは、用紙の両端から印字しないマージンを引いた記録領域のうち最大のものが基本となるが、一般的には印字対象となる用紙最大幅PWよりも大きくとっている。これは、用紙が搬送方向に対して所定角度傾斜して(スキューして)搬送されるおそれがあること、また縁無し印字の要請が高いためである。
以上のような構成のインクジェット記録装置10において、次にインクジェット記録ヘッド32について詳細に説明する。図4はインクジェット記録ヘッド32の断面構成を示す概略図である。
本実施形態のインクジェット記録ヘッド32は、図5に示すように、流路基板80、圧電素子基板50、及び、インクプール部材90を、この順に下側から積層配置して構成されている。
流路基板80には、インク滴を吐出するノズル84がマトリクス状(図2、図5参照)に、走査方向S、及び、走査方向と直交する方向Hに等間隔で形成されている。そして、ノズル84毎にノズル84と連通した圧力室86がマトリクス状に形成されており(図5参照)、圧力室86には、インクが充填されている。
インクプール部材90は、天板90A、側壁部材90B、及び、下部基板90Cを含んで構成されている。天板90Aには、図示しないインクタンクと連通するインク供給ポート92が設けられている。インクプール部材90は、天板90A、側壁部材90B、及び、下部基板90Cで囲まれた所定の形状及び容積を有する共通インクプール室94を構成している。インク供給ポート92から注入されたインクは、共通インクプール室94に貯留される。
下部基板90Cには、共通インクプール室94に貯留されているインクを圧力室86に供給するための供給孔73が形成されている。図5(A)に示すように、供給孔73は、圧力室86毎に形成されている。下部基板90Cをインクの吐出方向から平面視して長手方向(矢印Hの方向)の中央を境に左右の領域に2分すると、左側の領域の供給孔73は、圧力室86の左端に対応する位置に形成され、右側の領域の供給孔73は、圧力室86の右端に対応する位置に形成されている。すなわち、図5(A)において、左端から6列目までの供給孔73は、圧力室86の左端に対応する位置に形成され、左端より7列目〜右端の供給孔73は、圧力室86の右端に対応する位置に形成されている。
上記の位置に供給孔73が形成されていることから、左端から6列目の供給孔73と7列目の供給孔73との間隔は、他の供給孔73同士の間隔よりも長くなり、下部基板90C上に長間隔領域E1が構成される。
図4及び図5(B)に示すように、インクプール部材90には、インクプール部材90の強度を補強する補強部材96が設けられている。補強部材96は、長間隔領域E1にインクプール部材90を横断するように配置されており、側壁部材90Bと接合されている。また、補強部材96は、天板90Aとも接合されており、共通インクプール室94を2つのプール室に2分している。補強部材96の矢印H方向の幅Wは、長間隔領域E1を挟んだ両側の供給孔73間の距離とほぼ同じとされている。
上記構成によれば、供給孔73を矢印H方向に等間隔に配列するのではなく、ピッチを変化させて配列するので、等間隔に配列した場合には構成されない、隣接する供給孔73間の幅の広い長間隔領域E1を構成することができる。そして、この長間隔領域E1へ補強部材96を設けることにより、補強部材96の矢印H方向の厚みを厚くすることができ、インクプール部材90を効果的に補強することができる。
下部基板90Cの下側面には、駆動IC77が実装されている。駆動IC77は、下部基板90Cの端部の、後述する圧電素子54と対向しない位置に配置されており、圧電素子基板50と下部基板90Cとの間に収納されている。
また、下部基板90Cの下側面には、駆動IC77へ通電するための金属配線(不図示)が形成されている。
圧電素子基板50は、振動板52、及び、圧電素子54、を含んで構成されている。振動板52は、流路基板80の上側に配置され、各圧力室86の上部を構成している。振動板52は、SUS等の金属で成形され、少なくとも上下方向に弾性を有し、圧電素子54に通電されると(電圧が印加されると)、上下方向に撓み変形する(変位する)構成になっている。なお、振動板52は、ガラス等の絶縁性材料であっても差し支えはない。 圧電素子54は、マトリクス状に配置され、平面視した場合に圧力室86をカバーするように、各圧力室86毎に設けられている。圧電素子54の下面には一方の極性となる下部電極が配置され、圧電素子54の上面には他方の極性となる上部電極が配置されている。
圧電素子54の上部電極上には、バンプ78が接続されている。このパンプ78により、駆動IC77と圧電素子54とが金属配線を介して電気接続される。これにより、圧電素子基板50上での個別配線が不要となる。駆動IC77から所定のタイミングで圧電素子54に電圧が印加され、振動板52が上下方向に撓み変形することにより、圧力室86内に充填されたインクが加圧されて、ノズル84からインク滴が吐出する。
振動板52には、圧力室86と連通される供給孔50Aが形成されている。供給孔50Aは、微細でかつ精密な孔となっており、インクの流路抵抗を調整する機能を有している。
図4に示すように、供給孔50Aの上側には、供給孔50Aと連通されると共に、下部基板90Cの供給孔73とも連通された供給路68Aを構成するリブ隔壁68が設けられている。リブ隔壁68により構成される供給路68Aは、インクプール部材90の下部基板90Cに形成された供給孔73の各々と連通されている。
また、リブ隔壁68により、圧電素子基板50とインクプール部材90(下部基板90C)との間に、中空が形成されている。この中空により、圧電素子54の変位が阻害されず、また、圧電素子54をインクから隔離することができる。
以上のような構成のインクジェット記録ヘッド32を備えたインクジェット記録装置10において、次に、その作用を説明する。まず、インクジェット記録装置10に印刷を指令する電気信号が送られると、ストッカ24から記録紙Pが1枚ピックアップされ、搬送装置26により、記録部20へ搬送される。
一方、インクジェット記録ユニット30では、すでにインクタンクからインク供給ポート92を介してインクジェット記録ヘッド32の共通インクプール室94にインクが注入(充填)され、共通インクプール室94に充填されたインクは、供給孔73、供給路68A、供給孔50Aを経て、圧力室86へ供給(充填)されている。このとき、ノズル84の先端(吐出口)では、インクの表面が圧力室86側に僅かに凹んだメニスカスが形成されている。
そして、記録紙Pを所定の搬送速度で搬送しつつ、インクジェット記録ヘッド32の複数のノズル84から選択的にインク滴を吐出することにより、記録紙Pに、画像データに基づく画像を記録する。すなわち、駆動IC77により、所定のタイミングで、所定の圧電素子54に電圧を印加し、振動板52を上下方向に撓み変形させて(面外振動させて)、圧力室86内のインクを加圧し、所定のノズル84からインク滴として吐出させて、画像形成が行なわれる。
記録紙Pは、画像形成されながら排出部22方向へ搬送され、排紙ベルト23によりトレイ25へ排出される。これにより、記録紙Pへの印刷処理(画像記録)が完了する。
なお、本実施形態では、インクプール部材90の中央に一本だけ補強部材96を配置した例について説明したが、補強部材96を複数本配置することともできる。
例えば、図6(A)に示すように、3列毎に供給孔73の形成位置を圧力室86の左端に対応する位置と右端に対応する位置に切換え、左端から3列目と4列目の間と、右端から3列目と4列目の間の2箇所に長間隔領域E2を構成する。これにより、図6(B)に示すように、長間隔領域E2に2本の補強部材96を配置することができる。
また、図7(A)に示すように、1列毎に供給孔73の形成位置を圧力室86の左端に対応する位置と右端に対応する位置に切換え、左端から2列目と3列目の間、左端から4列目と5列目の間、左端から6列目と7列目の間、左端から8列目と9列目の間、及び、左端から10列目と11列目の間の5箇所に長間隔領域E3を構成する。これにより、図7(B)に示すように、長間隔領域E3に5本の補強部材96を配置することができる。
また、上記実施形態では、補強部材96を、天板90A及び側壁部材90Bと接合して、共通インクプール室94を複数のプール室に分割したが、補強部材96は、必ずしも天板90A及び側壁部材90Bと接合される必要はなく、接触されているだけでもよい。こうすることで、天板のたわみ変形が容易となり、吐出駆動時に圧力室内に発生した圧力波がプール内に混入しても効果的に減衰させるダンパ機能が高まり、クロストークの低減効果が得られる。さらには、図8に示すように、補強部材96を側壁部材90Bと離間させて、整流板としての機能を兼ねるようにしてもよい。これにより、共通インクプール室94内でのインクの流れをスムーズにすることができ、気泡や混入したゴミの抜けもよくすることができ、またインク充填作業時のインク消費量を低減できる。
そのほかの例として、補強部材96を側壁部材90Bと接合して共通インクプール室94を複数のプール室に分割し、それぞれのプール室内において、補強部材96を側壁部材90Bと離間させて整流板を設ける組み合わせとすることもできる。この構成によれば、整流板によりインクの流れをスムーズにする効果と、流路抵抗の差が小さいことによる特性均一化の効果を両立することが可能となる
また、上記実施形態では、供給孔73が圧力室86に対して左端に配置された場合には、右端に配置された場合と比較して、ノズル84との距離が遠くなり、ノズル84、圧力室86、及び、供給孔73の相対位置が変化していたが、供給孔73の圧力室86に対する位置を変化させても、ノズル84、圧力室86、及び、供給孔73の相対位置が変化しないようにすることもできる。
例えば、図9に示すように、インクジェット記録ヘッドをインク吐出方向から平面視した場合に、略二等辺三角形の頂部にノズル84を配置し、前記二等辺三角形の底角部の左または右に供給孔73を形成することにより、ノズル84、圧力室86、及び、供給孔73の相対位置を変化させない構成とすることができる。この構成により、相対位置関係が異なることによる液滴の吐出特性のバラツキを低減することができる。
なお、本実施形態では、紙幅対応のFWAの例について説明したが、本発明のインクジェット記録ヘッドは、これに限定されず、主走査機構と副走査機構を有するPartial Width Array(PWA)の装置にも適用することができる。特に、本発明は、高密度ノズル配列を実現するのに有効なものであるため、1パス印字を必要とするFWAには好適である。
その他、上記実施例のインクジェット記録装置10では、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各色のインクジェット記録ユニット30がそれぞれキャリッジ12に搭載され、それら各色のインクジェット記録ヘッド32から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録紙Pに記録されるようになっているが、本発明におけるインクジェット記録は、記録紙P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、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド32を適用することができる。
本実施形態のインクジェット記録装置の全体構成を示す概略図である。 本実施形態のインクジェット記録ユニットの配置を示す概略図である。 本実施形態のインクジェット記録ユニットによる印字領域を示す図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの構成を示す断面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの共通インクプール室部材の(A)平面図であり、(B)は斜視図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの共通インクプール室部材の変形例を示す図ある。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの共通インクプール室部材の他の変形例を示す図ある。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの共通インクプール室部材の他の変形例を示す図ある。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの共通インクプール室部材の他の変形例を示す図ある。 ノズルと供給孔が等間隔で配列されているインクジェット記録ヘッドの構造を示す概略断面図である。 ノズルと供給孔が等間隔で配列されているインクジェット記録ヘッドの構造を示す概略平面図である。
符号の説明
10 インクジェット記録装置
32 インクジェット記録ヘッド
50 圧電素子基板
50A 供給孔
52 振動板
54 圧電素子
68 リブ隔壁
68A 供給路
73 供給孔
80 流路基板
84 ノズル
86 圧力室
90 インクプール部材
90C 下部基板
90B 側壁部材
90A 天板
94 共通インクプール室
96 補強部材
E1 長間隔領域
E2 長間隔領域
E3 長間隔領域

Claims (7)

  1. 所定方向に等間隔に配列され液滴が吐出される複数のノズルと、
    前記複数のノズルの各々と連通し、液体が充填される圧力室と、
    複数の前記圧力室に供給する液体を貯留する共通プール室を構成すると共に、前記圧力室の各々に液体を供給する複数の供給孔が形成された共通プール室部材と、
    前記共通プール室部材の強度を補強する補強部材と、
    を備え、
    前記複数の供給孔のうちの少なくとも一部の長間隔供給孔が、隣接する1の供給孔との距離が隣接する他の供給孔との距離よりも遠くなる位置に配置され、この長間隔供給孔と隣接する前記1の供給孔との間に長間隔領域が構成され、前記共通プール室部材の前記長間隔領域に前記補強部材が配置されていること、を特徴とする液滴吐出ヘッド。
  2. 前記複数のノズルがマトリクス状に配置されていること、を特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。
  3. 少なくとも一列分の前記供給孔が前記長間隔供給孔とされ、前記補強部材が前記共通プール室部材の幅方向を横断するように配置されていること、を特徴とする請求項2に記載の液滴吐出ヘッド。
  4. 前記補強部材が、前記共通プール室を複数のプール室に分割する隔壁とされていること、を特徴とする請求項3に記載の液滴吐出ヘッド。
  5. 前記補強部材が、前記共通プール室内で液体の流路を構成する整流板とされていること、を特徴とする請求項3に記載の液滴吐出ヘッド。
  6. 液滴吐出方向から見て、前記ノズル、このノズルと連通された圧力室、及びこの圧力室に液体を供給する供給孔、の相対位置関係が、すべての組み合わせにおいて同じであること、を特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
  7. 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
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