JP4995470B2 - インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、インク滴を吐出してイメージを被記録媒体に記録するインクジェット記録装置に用いるインクジェットヘッドに関するものである。

従来より、インクを吐出する複数のノズルを有するインクジェットヘッドを用いて被記録媒体に文字や画像を記録するインクジェット記録装置が知られており、このインクジェットヘッドは多数のノズル、圧力発生部やインク導入孔で構成された１つのユニットとするものがよく使用される。このようなインクジェットヘッドのうち、複数列に配したノズル群や圧力発生群を有するインクジェットヘッドは公知であり、その一例として位置をずらして２列に配したノズル列を有するインクジェットヘッドユニットの概略断面図を図１２、ヘッドチップブロックの平面図を図１３、インクジェットヘッド全体の概略断面図を図１４、に示す。

図に示すように、圧電セラミックプレート２および５には、複数の溝３が並設され、各溝３は、側壁で分離されている。
各溝３の長手方向一端部は圧電セラミックプレート２および圧電セラミックプレート５の一端面まで延設されており、他端部は、他端面までは延びておらず、深さが徐々に浅くなっている。

また、圧電セラミックプレート２および５の溝３の開口側には、各溝３の浅くなった端部と連通する共通インク室３２、３３を構成するインク室プレート７および１０がそれぞれ接合されて２つのヘッドチップが形成され、この2つのヘッドチップの圧電セラミックプレート２、５同士を接合し、ヘッドチップブロック５０が構成されている。

ヘッドチップブロック５０の端面には、ノズルプレート１５が接合されており、ノズルプレート１５の各溝３に対向する位置にはノズル孔１６が形成されている。ノズルプレート１５とヘッドチップブロック５０はヘッドキャップ１７によって固定され、圧電セラミックプレート２、５上に形成された図示しない電極と駆動回路基板はフレキシブル基板によって接続されている。

さらに、２つのインク室プレート７、１０上には、共通インク室３２、３３にインクを供給するためのインク流路３４、３５がそれぞれ固定され、インク流路３４、３５の中央部にはインク導入のためのインク導入ジョイント３９、４０が形成されている。インク導入ジョイント３９、４０には印字中の圧力変動を吸収するための圧力緩和ユニット４１、４２がそれぞれ接続されている。また、このインク流路３４、３５には、ノズル孔１６に異物が流れ込むことを防ぐためのフィルタ３６、３７が固定されている。

このように構成されるインクジェットヘッドでは、圧力緩和ユニット４１、４２、インク流路３４、３５を介し、各溝３内にインクを充填し、所定の駆動電界を作用させると、溝３内の容積が変化し、これにより、溝３内のインクがノズル孔１６から吐出する。つまり、インク流路３４、インク室プレート７と圧電セラミックプレート２にインクが流れる経路が一組となっており、同様にしてインク流路３５、インク室プレート１０と圧電セラミックプレート５にインクが流れる経路が一組となって、それぞれ独立する構成となっている。つまり、積層したヘッドチップブロック５０に対して、2つのインク流路を有する構造となっている。
特開２００１−３１５３３３号公報

しかしながら、従来のインクジェットヘッドの場合、インク流路３４、インク室プレート７と圧電セラミックプレート２にインクが流れる経路が一組で、同様にしてインク流路３５、インク室プレート１０と圧電セラミックプレート５にインクが流れる経路が一組となって、それぞれ独立する構成となっているので、一つのヘッドチップブロック５０に対し、2つのインク流路が必要であり、さらにそれに付随する圧力緩和ユニットも２つ必要となる。これによって、インクジェットヘッドの厚み方向のサイズが大きくなり、重量も軽量化できず、かつ部品点数も多くなるためコストも大きくなるという問題がある。

また、このようなインクジェットヘッドを複数搭載し、インクジェット記録装置を構成しようとする場合、取り付け面積が大きくなり、また、重量も大きくなるという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、インクジェットヘッドの小型・軽量化が可能で、かつ安価にてインクジェットヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第一の態様は、ノズル孔に連通して並設された複数の溝を有する第一のアクチュエータ基板と、溝のそれぞれにインクを供給する第一のインク室を有する第一のインク室プレートと、からなる少なくともひとつの第一のヘッドチップと、
インク供給部と第一のインク室とをつなぐインク流路と、ノズル孔に連通して並設された複数の溝を有する第二のアクチュエータ基板と、第二のアクチュエータ基板に設けられた溝のそれぞれにインクを供給する第二のインク室を有する第二のインク室プレートと、
インク流路と第二のインク室とをつなぐインク供給手段とからなる、ひとつ以上の第二のヘッドチップと、からなるインクジェットヘッドにある。このような構成にすることによって、インク供給部と直接個別につながっていないヘッドチップにもインクを供給することが出来る。

以上説明したように本発明では、たとえば一つのインク流路から導入したインクがヘッドチップブロックを構成するすべてのヘッドチップに対しインクを導入できる構造とするため、インクジェットヘッドを小型軽量化ができ、かつ、部品点数も減らすことができるため、安価にてインクジェットが提供できる。

以下、本発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、実施形態１に係るインクジェットヘッド全体の正面図で、図２は、本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッド全体の概略断面図である。図３は、実施形態１に係る本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの吐出圧力発生部周辺を示す分解図、図４（ａ）は実施形態１にインクジェットヘッドのヘッドチップブロックの平面図、図４（ｂ）実施形態１にインクジェットヘッドのヘッドチップブロックのA−A′矢視断面図である。図５は、実施形態１に係るインクジェットヘッドの要部の概略正面図で、図６、図７はそれぞれ図５のC-C'矢視断面図、D−D′矢視断面図である。

図示するように、本実施形態１のインクジェットヘッド１は、ヘッドチップブロック５０と、この一方面側に設けられるインク流路１２と、ヘッドを駆動するための駆動回路等が搭載された回路基板２２と、ヘッドチップブロック５０内の圧力変化を緩和させる圧力緩和ユニット１９とを有し、これらの各部材は、それぞれベース１８に固定されている。この圧力緩和ユニット１９は、インク流路１２の中央に設けられている流路ジョイント２６を介し、インク流路１２に接続され、ヘッドチップブロック５０内にインクを導入する構造となっている。

続いて吐出のための圧力発生源となるヘッドチップブロック５０周辺の詳細について説明する。ヘッドチップブロック５０を構成するアクチュエータ基板である圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５には、ノズル孔１６に連通する複数の溝３が並設され、各溝３は、側壁６で隔離されている。

各溝３の長手方向の一端部は圧電セラミックプレートA2および圧電セラミックプレートB５の一端面まで延設されており、他端部は、他端面まで延びておらず、深さが徐々に浅くなっている。
また、各溝３の幅方向両側の側壁６には、溝３の開口側に長手方向に亘って駆動電界印加用の電極４が形成されている。

圧電セラミックプレートA2および圧電セラミックプレートB５に形成される各溝３は、例えば、円盤状のダイスカッターにより形成され、深さが徐々に浅くなった部分は、ダイスカッターの形状により形成されてしまう。また、各溝３内に形成される電極４は、例えば、公知の斜め方向からの蒸着により形成される。このような溝３の両側の側壁６の開口側に設けられた電極４には、フレキシブル基板２０の一端が接合され、フレキシブル基板２０の他端側は、回路基板２２上の図示しない駆動回路に接合されることで、電極４は駆動回路に電気的に接続されている。

圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の溝３の外側にはそれぞれ２箇所ずつインク孔１４が形成されており、また、インク室プレートA７およびインク室プレートB１０の外側にはそれぞれ２箇所ずつインク室孔９と１１が形成されている。

さらに、圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の溝３の開口側には、インク室プレートA７およびインク室プレートB１０がそれぞれ接合されている。インク室プレートA７およびインク室プレートB１０には、厚さ方向に貫通して形成されたインク室A８およびインク室B２１が並設された溝３全体に亘って設けられている。圧電セラミックプレートA２とインク室プレートA７が接合された部材と、圧電セラミックプレートB５とインク室プレートB１０が接合された部材が、それぞれの圧電セラミックプレートA２と圧電セラミックプレートB１０の溝３が加工されていない面同士を向かい合わせ積層され、ヘッドチップブロック５０が形成され、インク室A８およびインク室B２１が外側になるようになっている。

また、本実施形態では、インク流路１２と接合されているヘッドチップ（圧電セラミックプレートＡ２、インク室プレートＡ７）を第一のヘッドチップとし、インク流路１２と接合されていないヘッドチップ（圧電セラミックプレートＢ５、インク室プレートＢ１０）を第二のヘッドチップとしている。

また、本実施形態では、ヘッドチップを２個結合させてインクジェットヘッドを形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のヘッドチップを結合させ、そのうちの少なくともひとつのヘッドチップにインク流路を設けることに特徴がある。

そして、本実施形態では圧電セラミックプレートA２と圧電セラミックプレートB１０の溝３が等間隔でずれるように千鳥状に配列する位置に接合され、同時にインク孔１４とインク室孔９、１１がそれぞれ重なり合い、貫通する位置になっている。本実施形態では溝３が千鳥状に配列したが使用目的に合わせて同一位置に接合しても全く問題ない。また、本実施形態では、ヘッドチップブロック５０の両端2ヵ所にインク孔１４およびインク室孔９、１１を設けた場合について説明したが、どちらか一方でも、2つ以上であっても問題なく、貫通する孔の数に限定されるものではない。そして、インク室９、１１はインク室A８およびインク室B２１の一部に設けた場合について説明したが、特に位置に限定されるものではない。

さらに、インク室プレートA７およびインク室プレートB１０は、セラミックプレート、金属プレートなどで形成することができるが、圧電セラミックプレートとの接合後の変形を考えると、熱膨張率の近似したセラミックプレートを用いることが好ましい。

また、圧電セラミックプレートA２、圧電セラミックプレートB５とインク室プレート７、インク室プレートB１０とで形成されるヘッドチップブロック５０の溝３が開口している端面には、ノズルプレート１５が接合されており、ノズルプレート１５の各溝３に対向する位置にはノズル孔１６が形成されている。

本実施形態では、ノズルプレート１５は、ヘッドチップブロック５０の溝３が開口している端面の面積よりも大きくなっている。このノズルプレート１５は、ポリイミドフィルムなどに、例えば、エキシマレーザ装置を用いてノズル孔１６を形成したものである。また、図示しないが、ノズルプレート１５の被印刷物に対向する面には、インクの付着等を防止するための撥水性を有する撥水膜が設けられている。

さらに、ヘッドチップブロック５０の各溝３が開口している端面側の外周面には、ノズルプレート１５を支持するヘッドキャップ１７が接合されている。このヘッドキャップ１７は、ノズルプレート１５の接合体端面の外側と接合されて、ノズルプレート１５を安定して保持するためのものである。そして、このような構成のヘッドチップブロック５０、ヘッドキャップ１７は、ベース１８に接合固定されている。

一方、このインク室プレートA７、インク室プレートB１０のうち、一方面のインク室プレートA７に、インク流路１２が接合されている。インク流路１２は、中央に流路ジョイント２６が設けられており、圧力緩和ユニット１９に接続され、実際のインクは流路ジョイント２６を介しインクを供給する仕組みとなっている。また、インク流路１２には、インク室プレートA７に相対向する部分に、インク内に混在した、例えば、ゴミ等を除去するための孔径８ミクロンの流路フィルタ１３が各溝３の並設方向に亘って設けられている。

そして、本実施形態のインクジェットヘッドでは、例えば、初期充填時等にインク供給部であるインクタンクからのインクが圧力緩和ユニット１９に充填され、更に、流路ジョイント２６を介しインク流路１２内にインクが導入される。さらに、インクは、流路フィルタ１３を通過し、インク室プレートA７に到達して、一部はインク室A８に流れ圧電セラミックプレートA２の各溝３に充填される。また、もう一部のインクはインク室プレートA７の両端に形成されたインク室孔９、インク孔１４およびインク室プレートB１０の両端に形成されたインク室孔１１を通過し、インク室B２１にインクが満たされ、圧電セラミックプレートB５の各溝３にインクが充填される。圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の各溝３に通過したインクは、ノズル孔１６に到達し、インクの吐出が可能な状態になる。尚、ここではインク充填のための方法について詳細な説明を省略したが、ノズル孔１６側からの吸引ポンプ（図示せず）による減圧によって行う場合でも、また、圧力緩和ユニット１９側からの加圧ポンプ（図示せず）による加圧によって行う場合のどちらも問題なく、インク充填は可能である。

以上説明したように、本実施形態のインクジェットヘッドでは、ヘッドチップブロック５０を貫通するインク室孔９、１１およびインク孔１４で構成するインク供給手段が設けられているため、インク室プレートA７、または、インク室プレートB１０のどちらか一方に一つのインク流路１２を設置すれば圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の両方の溝３にインクを充填できる仕組みとなっており、インクジェットヘッドを小型軽量化ができ、かつ、部品点数も減らすことができるため、安価にてインクジェットが提供できる。

次に、実施形態１に係るインクジェットヘッドに関連して、より印字の均一性を向上させた場合について説明する。図８は実施形態２に係るインクジェットヘッドの要部の概略正面図で、図９は実施形態２に係る図８のE−E′矢視断面図である。図示するように、本実施形態２のインクジェットヘッドは、実施形態１の構造に類似しているが、インク流路１２を接合したインク室プレートA７ともう一方のインク室プレートB１０にかかるインクの流路抵抗を均一化するために、インク室プレートA７にはインク導入孔２５が設けられた流路調整板A２３を接合し、もう一方のインク室プレートB１０には流路調整板B２４を接合した構造とした。そして、本実施形態のインクジェットヘッドでは、例えば、初期充填時等にインクタンクからのインクが圧力緩和ユニット１９に充填され、更に、流路ジョイント２６を介しインク流路１２内にインクが導入される。さらに、インクは、流路フィルタ１３を通過し、インク流路１２と流路調整板A２３で形成される空隙に満たされる。続いてインクは流路調整板A２３の両端に形成されたインク導入孔２５を通過し、インク室プレートA７に到達して、一部はインク室A８に流れ圧電セラミックプレートA２の各溝３に充填される。また、もう一部のインクはインク室プレートA７の両端に形成されたインク室孔９、インク孔１４およびインク室プレートB１０の両端に形成されたインク室孔１１を通過し、流路調整板２４とインク室プレートB１０で形成される空隙となるインク室B２１にインクが満たされ、圧電セラミックプレートB５の各溝３にインクが充填される。したがって、流路調整板A２３とインク室A８で形成される空隙と、流路調整板B２４とインク室B２１で形成される空隙がインク流路１２から受ける圧力がより均一にできるため、圧電セラミックプレートA２と圧電セラミックプレートB５の駆動によって吐出する性能の均一化が可能となる。

尚、本実施形態ではインク室プレートB１０上に流路調整板２４を設けたが、ベース１８に直接インク室プレート面を接合し、流路調整板２４を省略しても機能上は問題ない。

次に、図１０は、実施形態３に係るインクジェットヘッドの要部の概略正面図で、図１１（ａ）は、実施形態３に係るインクジェットヘッドのヘッドチップブロックの平面図、図１１（ｂ）Ｂ−Ｂ´矢視断面図である。

図示するように、本実施形態３のインクジェットヘッドは、実施形態１のインクジェットヘッドと基本構成は類似しており、積層したヘッドチップブロック５１の一方面側に設けられるインク流路３１の構造が変わっており、2つの圧電セラミックプレートA２とB５にインクを供給する経路が違っている構造である。

さらに詳細について説明する。圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の溝３の開口側には、インク室プレートA５２およびインク室プレートB５３がそれぞれ接合されており、インク室プレートA５２およびインク室プレートB５３には、厚さ方向に貫通して形成されたインク室A５４およびインク室B５５が並設された溝３全体に亘って設けられ、インク室A５４とインク室B５５の外側に外周部と繋がるようにチップ側壁溝A２７とチップ側壁溝B２８がそれぞれ設けられている。

圧電セラミックプレートA２とインク室プレートA５２が接合された部材と、圧電セラミックプレートB５とインク室プレートB５３が接合された部材が、それぞれの圧電セラミックプレートA２と圧電セラミックプレートB５の溝３が加工されていない面同士を向かい合わせ積層され、ヘッドチップブロック５１が形成され、インク室A５４およびインク室B５５が外側になるようになっている。そして、本実施形態では圧電セラミックプレートA２と圧電セラミックプレートB１０の溝３が等間隔でずれるように千鳥状に配列する位置に接合されている。

さらに、インク室プレートA５２およびインク室プレートB５３にそれぞれインク室カバーA２９インク室カバーB３０が接合され、チップ側壁溝A２７とチップ側壁溝B２８の両側が開口した構造となっている。

一方、このインク室プレートA５２、インク室プレートB５３のうち、一方面のインク室プレートA５２側から、インク流路３１が接合されており、インク流路３１の両端はチップ側壁溝A２７とチップ側壁溝B２８で形成される開口部を被うような構造となっている。

そして、本実施形態のインクジェットヘッドでは、例えば、初期充填時等にインクタンクからの供給されたインクがインク流路３１内にインクが導入され、インクは、流路フィルタ１３を通過し、インク室カバーA２９に到達して、さらに、インク導入路５６を経由し、チップ側壁溝A２７とチップ側壁溝B２８にインクが満たされる。続いて、インクはインク室A５４およびインク室B５５に導入された後、圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の各溝３に通過したインクは、ノズル孔１６に到達し、インクの吐出が可能な状態になる。尚、ここではインク充填のための方法について詳細な説明を省略したが、ノズル孔１６側からの吸引ポンプ（図示せず）による減圧によって行う場合でも、また、圧力緩和ユニット１９側からの加圧ポンプ（図示せず）による加圧によって行う場合のどちらも問題なく、インク充填は可能である。

以上説明したように、本実施形態のインクジェットヘッドでは、インク室プレートA５２、または、インク室プレートB５３のどちらか一方に一つのインク流路３１を設置すれば圧電セラミックプレートA２および圧電セラミックプレートB５の両方の溝３にインクを充填できる仕組みとなっているため、インクジェットヘッドを小型軽量化ができ、かつ、部品点数も減らすことができるため、安価にてインクジェットヘッドが提供できる。

ここで、図１５に本願のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置を示す。インクジェットヘッド１は、一対のガイドレール７２ａ，７２ｂ上の軸方向に移動自在なキャリッジ８１に搭載されており、インクチューブ７１を介してインク供給部であるインクタンク８０からインクを供給し、ガイドレール７２ａ，７２ｂの一端側に設けられてキャリッジ駆動モータ７３に連結されたプーリ７４ａと、他端側に設けられたプーリ７４ｂとに掛け渡されたタイミングベルト７５を介して搬送される。インクジェットヘッド１の搬送方向と直交する方向の両側には、ガイドレール７２ａ，７２ｂに沿ってそれぞれ一対の搬送ローラ７６及び７７（被記録媒体搬送手段）が設けられている。これらの搬送ローラ７６、７７は、インクジェットヘッド１の下方に当該インクジェットヘッド１の搬送方向とは直交する方向に被記録媒体Ｓを搬送するものである。

このようなインクジェット記録装置により、被記録媒体Ｓを送りつつインクジェットヘッド１をその送り方向とは直交方向に走査することにより、被記録媒体Ｓ上に文字及び画像を記録することができる。

本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッド全体の正面図 本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッド全体の概略断面図 本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの吐出圧力発生部周辺を示す 分解図 本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドのヘッドチップブロックの平 面図及びA−A′矢視断面図 本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの要部の概略正面図 本発明の実施形態１に係る図５のC−C′矢視断面図 本発明の実施形態１に係る図５のD−D′矢視断面図 本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの要部の概略正面図 本発明の実施形態２に係る図８のE−E′矢視断面図 本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの要部の概略正面図 本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドのヘッドチップブロックの 平面図及びE−E′矢視断面図 従来のインクジェットヘッド要部の概略断面図 従来のインクジェットヘッドのヘッドチップブロックの平面図 従来のインクジェットヘッド全体の概略断面図 本発明のインクジェット記録装置

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ 圧電セラミックプレートＡ（第一のヘッドチップ）
３ 溝
４ 電極
５ 圧電セラミックプレートＢ（第二のヘッドチップ）
６ 側壁
７ インク室プレートＡ（第一のヘッドチップ）
８ インク室Ａ
９ インク室孔
１０ インク室プレートＢ（第二のヘッドチップ）
１１ インク室孔
１２ インク流路
１３ 流路フィルタ
１４ インク孔
１５ ノズルプレート
１６ ノズル孔
１７ ノズルキャップ
１８ ベース
１９ 圧力緩和ユニット
２１ インク室B
２３ 流路調整板A
２４ 流路調整板B
２５ インク導入孔
２９ インク室カバーA
３４、３５ インク流路
４１、４２ 圧力緩和ユニット
５０ ヘッドチップブロック
５６ インク導入路
８０ インクタンク（インク供給部）

Claims (3)

1. ノズル孔に連通して並設された複数の溝を有する第一のアクチュエータ基板と、前記溝のそれぞれにインクを供給する第一のインク室を有する第一のインク室プレートと、からなる少なくともひとつの第一のヘッドチップと、
   インク供給部と前記第一のインク室とをつなぐインク流路と、
   ノズル孔に連通して並設された複数の溝を有する第二のアクチュエータ基板と、前記溝のそれぞれにインクを供給する第二のインク室を有する第二のインク室プレートと、からなる少なくともひとつの第二のヘッドチップと、
   前記インク流路と前記第二のインク室とをつなぐインク供給手段とからなるインクジェットヘッドであって、
   前記インク供給手段は、前記複数の溝の並設方向において該複数の溝が形成されない領域、かつ前記複数の溝のうち最も外側に位置する一方の溝と該溝より外側に位置するアクチュエータ基板の端部との間で前記第一のアクチュエータ基板および前記第二のアクチュエータ基板に設けた貫通孔であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記第一のヘッドチップの個数が１つである請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 請求項１または２記載のインクジェットヘッドと、
   前記インクジェットヘッドにインクを供給するインク供給部と、前記インクジェットヘッドからインクが吐出される被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段と、からなるインクジェット記録装置。
   
   

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