JP4662023B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インク滴をノズルから吐出して被記録媒体に記録を行う画像記録装置等に適用可能なインクジェットヘッドの構造に関するものである。

先行技術のインクジェットヘッドとしては、例えば、本出願人が、特許文献１等に開示している圧電式インクジェットヘッドのような、列状に配置された複数個のノズル及び各ノズル毎の圧力室を備えたキャビティユニットと、前記各圧力室毎に形成された活性部を有するプレート型の圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに電力を供給するフレキシブルフラットケーブルとを備えた構造が知られている。

前記キャビティユニットには、インク供給源から供給されたインクが、ノズルの列方向に沿って長く設けられた共通インク室に一旦溜められて、背面側に設けられた各圧力室に分配され、前面側に設けられたノズルに至る複雑なインク流通路が形成されている。そして、この複雑なインク流通路を、微小部品であるキャビティユニットにおいて実現するために、大小の貫通孔や凹部がそれぞれに設けられた複数枚のプレートを積層することでキャビティユニットが形成されている。

特許文献１のキャビティユニットは、平板状の複数のプレートが、その各平板面が対向するように積層され、その背面の一方の短辺寄りに、インク供給源からのインクをキャビティユニットに供給する入口としてインク供給口が開口している。そして、このインク供給口から積層方向に沿ってインク供給通路が前面側に延び、キャビティユニットの積層方向の中途のプレートに形成された共通インク室の長手方向の一端部に接続されている。インク供給口は、キャビティユニットへのゴミ等の流れ込みを防止するために、濾過部を有するフィルタ体で覆われている。

特許文献１のインク供給通路を、共通インク室の長手方向に直交する方向から見た模式的な側断面図を図７に示す。前述したように、キャビティユニットが複数枚のプレートで構成されているため、積層方向に延びるインク供給通路１５２は、図７に示すよう、背面側のプレート１７に穿設されたインク供給口４７と、この背面側のプレート１７と共通インク室７が設けられたプレート１４ａ、１４ｂとの間に介挿された２枚のプレート１５，１６に穿設された接続口５０、５１とからなっている。そして、同じ開口形状で穿設されたインク供給口４７及び接続口５０、５１が、その開口の輪郭線を積層方向の上下で一致させて重ねられ、積層方向に沿って平行なインク供給通路１５２が形成されている。このインク供給通路１５２はその延長線が共通インク室７の底面と直角をなすように、共通インク室７の長手方向の一端部７１に接続され、インク供給通路１５２と共通インク室７とは、共通インク室７の長手方向からの側面視でＬ字形状を呈している。
特開２００４−２２３８８０号公報（図２参照）

特許文献１の構成によると、インク供給通路１５２から共通インク室７へインクが入るとき、その流れは、接続部分のＬ字形状に沿って直角に向きを変えなければならないので、インクはＬ字形状における外側よりも内側を通り易くなる。そのため、外周側となる共通インク室７の最上流側の隅部１０１は、インクの流れが滞る止水域となるので、この隅部１０１には、インク中に混入した気泡が集まって溜まり易くなる。さらに、ノズル側あるいはインク供給源側から気泡を除去する吸引動作を行っても、隅部１０１にはインクが流れ難いため、溜まった気泡がインクとともに除去されることも困難であった。

また、隅部１０１に溜まった気泡がインク供給通路１５２で大きく成長しても、インク供給口４７がフィルタ体２０で覆われているため、インク供給口４７側から上流側への気泡の移動がフィルタ体２０で妨げられている。

その結果、気泡によってインク供給通路１５２が狭くなるので、フィルタ体２０を通過したインクが、共通インク室７に速やかに供給されないインク供給不足を生じていた。

また、隅部１０１で、ある程度成長した気泡は、インクの流れによって移動して圧力室を閉塞し、ノズルからの不吐出を引き起こすことがある。

本発明は、上記課題を解消するものであり、キャビティユニットに供給されたインクを、気泡の発生を抑え且つ気泡に妨げられることなく速やかに共通インク室に供給することのできるインクジェットヘッドの提供を目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明におけるインクジェットヘッドは、複数の平板状のプレートを、その各平板面が対向するように積層して構成され、前面に列状に配置された複数のノズルと、前記各ノズル毎に対応して連通する複数の圧力室と、前記各圧力室にインクを分配供給するように前記ノズルの列方向に長く延び平板面に沿って形成された共通インク室と、前記共通インク室にインク供給源からのインクを供給するインク供給通路とを有するキャビティユニットが備えられたインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給通路は、前記キャビティユニットの背面に入口を有し、前記各プレートの積層方向に延びて前記共通インク室の長手方向の一端部に接続し、前記平板面と直交する方向から見て、前記インク供給通路は前記入口を含めて、前記一端部から前記共通インク室の長手方向に向かって長い寸法を有する長孔形状または楕円形状をなし、且つ前記平板面と直交する方向から見て、前記長孔の前記長手方向の寸法が前記入口から前記共通インク室に向かうにつれて短くなるように、前記インク供給通路における前記共通インク室との接続部の開口面積が、前記入口の開口面積よりも小さくなるように形成され、前記インク供給通路が接続された前記共通インク室の前記一端部における底面の最上流点は、前記平板面と直交する方向から見て、前記入口における前記共通インク室の他端部側とは反対側の開口縁部よりも、前記他端部側に位置しているものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給通路は、前記キャビティユニットの背面側のプレートに穿設された入口と、前記背面側のプレートと前記共通インク室を有するプレートとの間に介挿された少なくとも１枚のプレートに穿設された接続口とからなり、前記インク供給通路の内面は、前記接続口と前記入口とが、前記共通インク室の前記一端部上に重ねられて階段状に構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記インク供給通路の入口には、濾過部を有するフィルタ体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に記載の発明によれば、前記インク供給通路は、前記キャビティユニットの背面に入口を有し、前記各プレートの積層方向に延びて前記共通インク室の長手方向の一端部に接続し、前記平板面と直交する方向から見て、前記インク供給通路は前記入口を含めて、前記一端部から前記共通インク室の長手方向に向かって長い寸法を有する長孔形状または楕円形状をなし、且つ前記平板面と直交する方向から見て、前記長孔の前記長手方向の寸法が前記入口から前記共通インク室に向かうにつれて短くなるように、前記インク供給通路における前記共通インク室との接続部の開口面積が、前記入口の開口面積よりも小さくなるように形成され、前記インク供給通路が接続された前記共通インク室の前記一端部における底面の最上流点は、前記平板面と直交する方向から見て、前記入口における前記共通インク室の他端部側とは反対側の開口縁部よりも、前記他端部側に位置しているから、キャビティユニットの背面の前記入口から供給されたインクが、キャビティユニットの積層方向に流れて、プレートの平板面に沿って形成された共通インク室に入り込むときに、直角よりも緩やかに（鈍角）向きを変えて入り込む。そのため、インク供給通路と共通インク室との接続部分においては、最上流点に近い側と遠い側とのインクの流れ（速度）の差が小さくなり、共通インク室の最上流側の側壁隅部であっても、インクが滞ることなく流れる。これにより、前記共通インク室の最上流側の側壁隅部で、気泡が溜まることを防止でき、仮に気泡が溜まっても、ノズル側あるいはインク供給源側から行われる吸引動作で速やかに気泡を除去することが可能となる。その結果、気泡の発生に起因する、インク供給通路から共通インク室へのインク供給不足を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、インク供給通路の内面は、前記接続口と前記入口とが、前記共通インク室の前記一端部上に重ねられて階段状に構成されている、換言すれば、接続口及び入口は、それぞれのプレートの板厚方向にまっすぐに穿設加工され、テーパ形状に形成する必要がない。そのため、接続口及び入口を、コストの嵩む特別な加工で形成しなくても、簡単に請求項１の効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、フィルタ体の濾過部でインクのゴミが分離されるから、キャビティユニットの内部へのゴミの流入を防止できる。そして、共通インク室の最上流側の側壁隅部での気泡の発生が抑制されているから、フィルタ体でインク供給通路の入口を覆っていても、気泡がフィルタ体で閉じ込められてインク供給通路を狭くすることもない。

以下、本発明の基本的な実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は実施形態のインクジェットヘッドの斜視図、図２はインクジェットヘッドの分解斜視図、図３はキャビティユニットの拡大分解斜視図、図４は図１のIV−IV線矢視拡大断面図、図５（ａ）はインク供給通路をフィルタ体を除いた状態で見た平面図、図５（ｂ）はインク供給通路と共通インク室との接続を示す側断面図、図６（ａ）はインク供給通路と共通インク室との接続の応用例を示す側断面図、図６（ｂ）はインク供給通路と共通インク室との接続の他の応用例を示す側断面図である。

図１は、実施形態として本発明が適用された圧電式のインクジェットヘッド１００におけるキャビティユニット１と圧電アクチュエータ２の斜視図であり、金属板製の複数枚のプレートを備えるキャビティユニット１にプレート型の圧電アクチュエータ２が接合され、このプレート型の圧電アクチュエータ２の上面に外部機器との接続のためのフレキシブルフラットケーブル３が重ね接合されている。そして、最下層のキャビティユニット１の下面側に開口されたノズル４から、下向きにインクが吐出するものとする（図４参照）。

前記キャビティユニット１は、図２に示すように、ノズルプレート１１、スペーサプレート１２、ダンパープレート１３、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂ、サプライプレート１５、ベースプレート１６、及びキャビティプレート１７の合計８枚の薄い平板を、その各平板面が対向するように接着剤を介して積層し、重ね接合した構造となっている。

実施形態では、各プレート１１〜１７は５０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１７は４２％ニッケル合金鋼板製である。前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク吐出用のノズル４が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル４は、当該ノズルプレート１１における長辺方向（Ｘ方向）に沿って、千鳥配列状で５列に配列されている。

また、前記キャビティプレート１７には、図３に示すように、複数の圧力室３６がキャビティプレート１７の長辺（前記Ｘ方向）に沿って千鳥配列状で５列に配列されている。実施形態では、前記各圧力室３６は、平面視細長形状に形成され、その長手方向がキャビティプレート１７の短辺方向（Ｙ方向）に沿うようにして穿設され、長手方向の一端部３６ａがノズル４と連通し、他端部３６ｂが後述する共通インク室７と連通する。

各圧力室３６における一端部３６ａは、ベースプレート１６、サプライプレート１５、２枚のマニホールドプレート１４ｂ、１４ａ、ダンパープレート１３、及びスペーサプレート１２に、同じく千鳥配列状にて穿設されている微小径の連通孔３７を介して、ノズルプレート１１における前記各ノズル４に連通している。

キャビティプレート１７の下面に隣接するベースプレート１６には、各圧力室３６の他端部３６ｂに接続する貫通孔３８が穿設されている。

ベースプレート１６の下面に隣接するサプライプレート１５には、後述する共通インク室７から前記各圧力室３６へインクを供給するための接続流路４０が設けられる。そして各接続流路４０には、共通インク室７からインクが入る入口孔と、圧力室３６（貫通孔３８）側に開口する出口孔と、入口孔と出口孔との間にあって、接続流路４０中で最も大きな流路抵抗となるように断面積を小さくして形成された絞り部とが備えられている。

２枚のマニホールドプレート１４ａ，１４ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い５つの共通インク室７が前記ノズル４の各列に沿って延びるように板厚を貫通して形成されている。すなわち、図２及び図４に示すように、２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂを積層し、かつその上面をサプライプレート１５にて覆い、下面をダンパープレート１３にて覆うことにより、合計５つの共通インク室（マニホールド室）７が密閉状に形成される。各共通インク室７は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記圧力室３６の一部と重なって圧力室３６の列方向（ノズル４の列方向）に沿って長く延びている。

図３及び図４に示すように、マニホールドプレート１４ａの下面に隣接するダンパープレート１３の下面側には、共通インク室７と隔絶されたダンパ室４５が凹み形成されている。この各ダンパ室４５の位置および形状は、図２に示すように、前記各共通インク室７と一致させている。このダンパプレート１３は、適宜弾性変形し得る金属素材であるため、ダンパ室４５上部の薄い板状の天井部は、共通インク室７側にも、ダンパ室４５側にも自由に振動することができる。インク吐出時に、圧力室３６で発生した圧力変動が共通インク室７に伝播しても、前記天井部が弾性変形して振動することにより、前記圧力変動を吸収減衰させるというダンパ効果を奏し、圧力変動が他の圧力室３６へ伝播するというクロストークを防止することができるものである。

また、図２に示すように、キャビティプレート１７には、キャビティユニット１へのインクの入口として４つのインク供給口４７（図２の左側から順に個別に４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄと付す）が穿設され、ベースプレート１６には、各インク供給口４７に対応して接続口５０（図２の左側から順に個別に５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄと付す）が穿設され、サプライプレート１５には、各接続口５０に対応して接続口５１（図２の左側から順に個別に５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄと付す）が穿設されている。これらインク供給口４７、接続口５０、５１が、共通インク室７の長手方向の一端部７１の上方に重ねられて、４つのインク供給通路５２が構成される（図１の左側から順に個別に５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄと付す）。このインク供給通路５２についての詳細は後述する。

インク供給口４７からノズル４に至るインク流通路では、インク供給源からのインクが、インク供給口４７からインク供給通路５２を介してインク供給チャンネルとしての共通インク室７に供給された後、図３に示すように、サプライプレート１５の接続流路４０及びベースプレート１６の貫通孔３８を経由して各圧力室３６に分配供給される。そして、圧電アクチュエータ２の駆動により、インクは各圧力室３６内から前記連通孔３７を通って、その圧力室３６に対応するノズル４に至るという構成になっている。

この実施形態では、図２に示すように、インク供給口４７、接続口５０、５１がそれぞれ４つ設けられているのに対して、共通インク室７が５つ設けられており、インク供給口４７ａ及び接続口５０ａ、５１ａで構成されるインク供給通路５２ａだけが、２つの共通インク室７，７に接続されている。インク供給口４７ａ（インク供給通路５２ａ）には、ブラックインクが供給されるように設定されており、ブラックインクがその他のカラーインクに比べて使用頻度が高いことを考慮したものである。他のインク供給口４７ｂ、４７ｃ、４７ｄには、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクがそれぞれ単独に供給される。インク供給口４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄには、それぞれの開口に対応する濾過部２０ａを有するフィルタ体２０が接着剤等で貼着されている（図１参照）。

一方、前記圧電アクチュエータ２は、特開平４−３４１８５３号公報等に開示された公知のものと同様に、図示しないが複数枚の圧電シートを積層した構造で、１枚の厚さが３０μｍ程度の各圧電シートのうち下から偶数段目の圧電シートの上面（広幅面）には、前記キャビティユニット１における各圧力室３６に対応した箇所ごとに細幅の個別電極が長辺方向（Ｘ方向）に沿って列状に形成されている。下から奇数段目の圧電シートの上面（広幅面）には、複数個の圧力室３６に対して共通のコモン電極が形成されており、最上段のシートの上面には、表面電極４８として、前記個別電極の各々に対して電気的に接続される表面電極と、前記コモン電極に対して電気的に接続される表面電極とが設けられている。

そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２における下面（圧力室３６と対面する広幅面）全体に、接着剤としてのインク非浸透性の合成樹脂材からなる接着剤シート（図示せず）を予め貼着し、次いで、前記キャビティユニット１に対して、圧電アクチュエータ２が、その各個別電極を前記キャビティユニット１における各圧力室３６の各々に対応させて接着・固定される。また、この圧電アクチュエータ２における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル３（図４参照）が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル３における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極４８に電気的に接合される。

次に、インク供給通路５２と共通インク室７との接続について、図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）は４つのインク供給通路５２のうちのインク供給通路５２ｄを例に示したものである。

インク供給通路５２ｄは、共通インク室７の長手方向の一端部７１に連通するように接続されているが、共通インク室７の一端部７１における底面７２の最上流点Ｐが、平面視でインク供給通路５２ｄの入口の背面側における開口縁部のうち、共通インク室７の他端部側とは反対側（矢印Ａ側）の開口縁部Ｑよりも、前記他端部側（矢印Ｂ側）に位置している。

前述したように、インク供給通路５２ｄはインク供給口４７ｄ、接続口５０ｄ、５１ｄが上下に重ねられて構成されているが、これらインク供給口４７ｄ、接続口５０ｄ、５１ｄは、いずれも平面視長孔形状で板厚方向にまっすぐに（テーパ形状なしに）穿設されている。そして、それぞれの開口形状は、インク供給口４７ｄ、接続口５０ｄ、接続口５１ｄの順に相似的に小さくなって、階段状で且つその階段の奥行き寸法が均等となるように重ねられている。また、共通インク室７の一端部７１の最上流側となる側壁７１ａは、接続口５１ｄの開口領域の内側に位置している。これにより、インク供給通路５２ｄの内径は、キャビティユニット１の背面側から前面側に向かって段階的に小径となっている。

そして、共通インク室７の長手方向に直交する方向からの側面視で、共通インク室７の最上流点Ｐと、インク供給口４７ｄの開口端縁Ｑとを結ぶ仮想線Ｒが、共通インク室７の底面７２に対して傾斜し、傾斜角度θが９０°より大きく（鈍角）に形成されている。

そのため、インク供給口４７ｄから流入したインクは、インク供給通路５２から共通インク室７に流れ込む際に、従来の直角に向きを変える場合（図７参照）に比べて、緩やかに方向を変えることになるので、接続部分における外側（最上流点Ｐに近い側）と内側（最上流点Ｐに遠い側）とのインクの流れ（速度）の差が小さくなり、図７の隅部１０１のように、インクの流れが滞る領域の発生を抑制でき、その結果、気泡が溜まることを防止できる。

なお、気泡の溜まりをより確実に抑制するために、仮想線Ｒの傾斜角度θは、９０°＜θ≦１３５°であることが望ましい。さらに望ましくは、１２０°＜θ≦１３５°とする。

このインク供給通路５２と共通インク室７との接続は、共通インク室７の最上流点Ｐが、平面視でインク供給通路５２ｄの、共通インク室７の他端部側とは反対側（矢印Ａ側）の開口縁部Ｑよりも、前記他端部側（矢印Ｂ側）に位置していればよく、必ずしも、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すようなインク供給通路５２の内面全体が均等な階段状を呈している必要はない。例えば、図６（ａ）に示すように、インク供給通路５２の内面のうち、矢印Ａ側の部位（共通インク室の最上流点Ｐに対応する上方の部位）のみが階段状を呈していればよく、また、その階段の段差や奥行き寸法は不均等であってもよい。

また、図６（ｂ）に示すように、共通インク室７の最上流点Ｐは、平面視でインク供給口４７ｄの開口の領域を外れたさらなる共通インク室７の他端部側（矢印Ｂ側）に位置していてもよい。さらに、この実施形態では共通インク室７が２枚のマニホールドプレート１４ａ、１４ｂにより構成されているが、前面側のマニホールドプレート１４ａの共通インク室７における最上流側の側壁７１ａを、背面側のマニホールドプレート１４ｂの共通インク室７における最上流側の側壁７１ｂよりも、共通インク室７の他端部側（矢印Ｂ側）に配置して、共通インク室７の最上流側の側壁においても階段形状を設けてもよい。

なお、インク供給口４７、接続口５０、５１をそれぞれ前面側に向かって小径となるテーパ形状に形成してこれらを積層することで、インク供給通路５２の内径を、前面側に向かってなだらかに小径となるテーパ形状に形成してもよい。しかしながら、各プレートに微小なテーパ形状の貫通孔を形成する困難さを考慮すると、上記実施形態のように、インク供給通路５２の内面を階段状に構成する方が、製造コストの削減が可能となる。

また、上記実施形態では、インク供給口４７及び接続口５０、５１を平面視で長孔形状であるとして説明したが、楕円形状であってもよい。

また、上記実施形態のインク供給通路５２ａは、２つの共通インク室７に接続されるが、本発明は、２つあるいは３つ以上の共通インク室７にインク供給通路５２が接続される場合でも、勿論適用することができる。

実施形態のインクジェットヘッドの斜視図である。 インクジェットヘッドの分解斜視図である。 キャビティユニットの拡大分解斜視図である。 図１のIV−IV線矢視拡大断面図である。 （ａ）はインク供給通路をフィルタ体を除いた状態で見た平面図、（ｂ）はインク供給通路と共通インク室と接続を示す側断面図である。 （ａ）はインク供給通路と共通インク室との接続の応用例を示す側断面図、（ｂ）はインク供給通路と共通インク室との接続の他の応用例を示す側断面図である。 インク供給通路と共通インク室との接続の従来例を示す側断面図である。

符号の説明

１ キャビティユニット
２ 圧電アクチュエータ
３ フレキシブルフラットケーブル
４ ノズル
７ 共通インク室
１１ ノズルプレート
１２ スペーサプレート
１３ ダンパープレート
１４ａ マニホールドプレート
１４ｂ マニホールドプレート
１５ サプライプレート
１６ ベースプレート
１７ キャビティプレート
２０ フィルタ体
２０ａ 濾過部
３６ 圧力室
４７ インク供給口
５０、５１ 接続口
５２、１５２ インク供給通路
７１ 一端部
７２ 底面
１００ インクジェットヘッド
１０１ 隅部

Claims (3)

1. 複数の平板状のプレートを、その各平板面が対向するように積層して構成され、前面に列状に配置された複数のノズルと、前記各ノズル毎に対応して連通する複数の圧力室と、前記各圧力室にインクを分配供給するように前記ノズルの列方向に長く延び平板面に沿って形成された共通インク室と、前記共通インク室にインク供給源からのインクを供給するインク供給通路とを有するキャビティユニットが備えられたインクジェットヘッドにおいて、
   前記インク供給通路は、前記キャビティユニットの背面に入口を有し、前記各プレートの積層方向に延びて前記共通インク室の長手方向の一端部に接続し、
   前記平板面と直交する方向から見て、前記インク供給通路は前記入口を含めて、前記一端部から前記共通インク室の長手方向に向かって長い寸法を有する長孔形状または楕円形状をなし、
   且つ前記平板面と直交する方向から見て、前記長孔の前記長手方向の寸法が前記入口から前記共通インク室に向かうにつれて短くなるように、前記インク供給通路における前記共通インク室との接続部の開口面積が、前記入口の開口面積よりも小さくなるように形成され、
   前記インク供給通路が接続された前記共通インク室の前記一端部における底面の最上流点は、前記平板面と直交する方向から見て、前記入口における前記共通インク室の他端部側とは反対側の開口縁部よりも、前記他端部側に位置していることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記インク供給通路は、前記キャビティユニットの背面側のプレートに穿設された入口と、前記背面側のプレートと前記共通インク室を有するプレートとの間に介挿された少なくとも１枚のプレートに穿設された接続口とからなり、
   前記インク供給通路の内面は、前記接続口と前記入口とが、前記共通インク室の前記一端部上に重ねられて階段状に構成され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。
3. 前記インク供給通路の入口には、濾過部を有するフィルタ体が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。

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