JP6031054B2

JP6031054B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP6031054B2
Application number: JP2014025134A
Authority: JP
Inventors: 知実飯島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: US20150224764A1; JP2015150741A; US9132633B2

Description

一実施形態はインクジェットヘッドに関する。

インクジェットプリンタ本体にはインクジェットヘッドが設けられており、インクジェットヘッドから用紙に向けてインクを吐出する。従来、複数のヘッド本体を紙幅（用紙長さ又は用紙幅）方向に並べて配置したインクジェット記録装置が知られており（例えば特許文献１参照）、ヘッド本体と別のヘッド本体との隣接する端部での吐出口の位置が調節される。それぞれ吐出口の列が主走査方向と平行になるようにして複数のヘッド本体がプリンタ本体に対して位置決めされ、画像記録領域が得られる。位置決め固定ではヘッド本体を支持するインクジェット構造体がプリンタ本体側の取付け板に基準プレートを介して取付けられており、この基準プレートの位置を基準に複数個のヘッド本体が並列配置される。基準プレートの熱膨張率は考慮されていないものの、吐出駆動ではドライバＩＣの発熱によりヘッド本体及びインクジェット構造体が熱膨張する。複数のヘッドを長手方向に並べて配設したときに熱膨張によって隣り合うヘッドの間で相対的な位置ずれの発生や熱ひずみの発生によって低下する印写品質を防止するインクジェットプリンタが知られている（例えば特許文献２参照）。

基準プレートの熱膨張率が取付け板の熱膨張率よりも大きい場合、基準プレートの長尺方向の伸び量が取付け板の伸び量よりも大きい。

特開２００５−３２９５５１号公報特開２００６−１４２８４１号公報

基準プレートの熱膨張率が取付け板の熱膨張率よりも大きい場合、基準プレートの長尺方向の伸び量が取付け板の伸び量よりも大きいため、基準プレートそのものが変形し、ノズルピッチに対して許容できない寸法の位置ずれが生じる。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、ノズル配列方向に配列された複数の吐出口およびインクの液室を有するヘッド本体と、このヘッド本体の前記液室への前記インクの供給路およびその排出路を有するベース部と、このベース部に設けられ前記ヘッド本体を吐出駆動する駆動回路と、この駆動回路の発熱を放熱するヒートシンクと、これらのヒートシンクおよび駆動回路による発熱が伝熱され、プレート長方向両端部でそれぞれプリンタ本体側の構造体に固定される基準プレートと、この基準プレートの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有し、前記基準プレートに対して前記ヘッド本体を前記ノズル配列方向が主走査方向に平行に位置決めして前記ヒートシンクおよび前記ベース部を一体化する被固定体と、を備えるインクジェットヘッドが提供される。

一実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。一実施形態に係る一実施形態に係るインクジェットヘッドの部分的な分解斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの締結前の分解斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの基準プレートおよびプレート台の単体の斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドを複数設けたプリンタ本体の部分的な斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの組立て後の斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの縦断面図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドに生じる変形の方向例を示す図である。

以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドについて、図１乃至図８を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（一実施形態）
図１は一実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、ノズル配列方向に配列された複数の吐出口５１およびインクの液室を有するヘッド本体１１と、このヘッド本体１１の液室へのインクの供給路およびインクの排出路を有するベース部１２と、このベース部１２に設けられヘッド本体１１を吐出駆動するドライバＩＣ２１を含む一対の駆動回路１８とを備えている。更にインクジェットヘッドは一対の駆動回路１８の発熱を放熱する一対のヒートシンク１４、１５と、これらのヒートシンク１４、１５および駆動回路１８による発熱が伝熱され、プレート長方向両端部でそれぞれプリンタ本体側の取付け板４０（図５）上に固定される基準プレート１３と、基準プレート１３の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有し、この基準プレート１３に対してヘッド本体１１をノズル配列方向が主走査方向に平行に位置決めしてヒートシンク１４、１５およびベース部１２を一体化するプレート台２３（被固定体）とを備えている。

ヘッド本体１１はインクを吐出するインクジェットヘッド本体であり、２列の吐出口（ノズル穴）５１を有するオリフィスプレート５２と、このオリフィスプレート５２を下方から支持する枠部材とを備えている。この枠部材の下部にはベース部１２内のベースプレート５４の上面が接着されている。枠部材、ベースプレート５４及びオリフィスプレート５２により空間が形成され、この空間にインク液室が形成されている。この空間には、複数の圧力室と、これらの圧力室で共通の共通液室と、圧力室ごとに室の容積を変化させる複数の圧電素子と、圧電素子ごとに圧力室及び吐出口５１間に設けられたノズルとが設けられている。

図２は一実施形態に係るインクジェットヘッドの部分的な分解斜視図であり、図１の例とは天地を反対にして表示している。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ベース部１２は、そのプレート面にインクを供給する為の溝が形成されたベースプレート５４と、内部インク供給路および内部インク排出路を有するマニフォールド２２とを備える。マニフォールド２２は、インク流路の分岐部兼結合部であり、ベースプレート５４の他面に貼付けられている。マニフォールド２２上には部材２４を介してそれぞれ内部インク供給路に連通する供給パイプ１６と、内部インク排出路に連通する排出パイプ１７とが接着されている。これらの供給パイプ１６および排出パイプ１７はチューブに接続される。

各駆動回路１８はベースプレート５４を挟んで一対対称に設けられており、電気的にはプリンタ本体側との間で制御信号を送受信し複数の圧電素子を駆動する。片方の駆動回路１８は、リジットプリント配線板（ＰＣＢ）１９と、耐熱性の２枚のフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）２０と、複数個の駆動制御用のドライバＩＣ（Ｄｒ．ＩＣ）２１とを備えている。フレキシブルプリント配線板２０は例えばポリイミド製のフィルム配線であり、その一端部がリジットプリント配線板１９に接続され、他端部はベースプレート５４内に配線された各圧力室への信号線パターンに接続されている。ドライバＩＣ２１はＣＯＦ（ｃｈｉｐｏｎｆｉｌｍ）によりフレキシブルプリント配線板２０にパッケージ化されている。ドライバＩＣ２１は、共通液室内の複数の電極にそれぞれパルス電圧を印加可能にされている。他方の駆動回路１８も一方の駆動回路１８と同じ構成を有する。各駆動回路１８はリジットプリント配線板１９にプリンタ本体側のコントローラへのコネクタ３２、受動部品３３類を有する。

図３は一実施形態に係るインクジェットヘッドの締結前の分解斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ヒートシンク１４、１５はプレート台２３（ＤＡＴＵＭ−ＰＬＡＴＥ−ＢＬＯＣＫ）のプリンタ本体への取付け面と異なる面に、取付けられており、ヒートシンク１４はプレート台２３の左側面に固定され、ヒートシンク１５も同じプレート台２３の右側面に固定されている。プレート台２３およびヒートシンク１４間と、プレート台２３及びヒートシンク１５間とには、それぞれ弾性を有する熱遮断体が設けられてもよい。これらのヒートシンク１４、１５はネジ５４やボルト３８、３９等によって互いにカシメ合い、ヒートシンク板の内壁面側に、基準プレート１３、プレート台２３、インク供給用のチューブ４７及びインク排出用のチューブ４８を覆う。ヒートシンク１４には例えばアルミニウム又はモールドの成型品が用いられる。ヒートシンク１４には内壁面側に複数のフィンが形成されてもよい。ヒートシンク１５もヒートシンク１４と同様である。これらのヒートシンク１４、１５が互いに取付けられた状態で、フレキシブルプリント配線板２０がその根元から上方へ折り曲げられるようになっている。チューブ４７、４８の各一端が供給パイプ１６、排出パイプ１７に接続され、チューブ４７、４８の各他端はパイプ３４、３５に連結される。

図４は一実施形態に係るインクジェットヘッドの基準プレート１３およびプレート台２３の単体の斜視図である。図５は本実施形態に係るインクジェットヘッドを複数設けたプリンタ本体の部分的な斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。基準プレート１３は本実施形態に係るインクジェットヘッドをプリンタ本体側の取付け板４０（図５）に固定し、プリンタ本体に対して位置決めをするためのプレートである。プリンタ本体にはそれぞれ主走査方向に配置された２又は３個のインクジェットヘッド１が副走査方向に配列されている。

図４においてプレート台２３はプレート長方向中央部で基準プレート１３と共締めされている。プレート台２３がプレート長方向両端部でそれぞれ基準プレート１３に固定締め付けされずに係止され、基準プレート１３がプレート台２３に対して微小量ずれ動くことが許容されている。これらのプレート台２３および基準プレート１３間には、弾性シート１０１（弾性を有するシート部材）が設けられてもよい。プレート台２３の左右両側面に他の弾性シート９０、９１を設けてもよい。

基準プレート１３にはその両端部が鉄製の取付け板４０に保持されたときに撓みや屈曲など変形しない程度の強度が要求される。基準プレート１３にはアルミニウムの熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する材質が用いられ、例えばステンレス綱や、鉄鋼などが用いられている。熱膨張率とは線膨張率を差し、この線膨張率は長さ１ｍの棒体が１℃の温度上昇により、何μｍ伸びるかで表される。基準プレート１３は切断又は打ち抜き加工されたものである。

プレート台２３には、伝熱量をなるべく小さくするために、熱伝導率が低い材質が用いられ、例えば中空状のプラスティック成型品が用いられている。熱伝導率とは温度差がある２つの面間を運ばれる熱の速度であり、例えば温度差１Ｋ、断面積１ｍ^２、厚さ１ｍｍの物体を流れる熱量（Ｗ／ｍ・Ｋ）で表される。熱伝導率が低いとは、鉄、ステンレス鋼のそれが８３．５、１６．７〜２０．９であるのに対して樹脂材料の熱伝導率は０．１〜１．０程度のスケールであることを指す。

基準プレート１３及びプレート台２３の構造については、基準プレート１３はそれぞれプレート長方向両端部に設けられる締結部２７、２８と、これらの締結部２７、２８間に設けられた５つの貫通孔９２、９３、９４、９５及び９８とを有する（締結部２７、２８の形状は適宜変えて表示してある）。締結部２７、２８はボルト孔へのボルト挿通によってそれぞれ取付け板４０に締結される。

５つのうちの中央の貫通孔９８のネジ軸方向には、ネジ９７、座金９９、弾性シート１０１の開口１０４、プレート台２３の厚み部１０６及びネジ受け孔１０５が位置する。ネジ９７のネジ軸、ネジ受け孔１０５の内壁にはネジ溝が形成されてもよく、ネジ溝へのネジ９７の螺合によって基準プレート１３及びプレート台２３は弾性シート１０１を挟み込んで締結し合ってもよい。貫通孔９３、９４はそれぞれパイプ３４、３５（コネクション）の挿通用であり、貫通孔９３、９４の内壁はパイプ３４、３５の筒部に接着される。またプレート台２３上面においてプレート長方向両側にはスペーサを兼ねるスタッド１０９、１１０が設けられており、これらのスタッド１０９、１１０が基準プレート１３の貫通孔９２、９５に挿通され、ネジ９６、座金９９によって係止されている。貫通孔９２、９５によって基準プレート１３がプレート台２３に抑え付けられず締め付けられないため、基準プレート１３には発熱に対して逃げスペースが与えられている。基準プレート１３の熱膨張の発生に対して、この基準プレート１３の上部への抜け、反り防止、及び基準プレート１３の回転が防止されるようになっている。弾性シート１０１の両端にはスタッド１０９、１１０に当接しないように開口部１０２、１０３が設けられてもよい。

図６は本実施形態に係るインクジェットヘッドの組立て後の斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ヒートシンク１４、１５が起立して向かい合った状態では、ドライバＩＣ２１がそれぞれヒートシンク１４、１５の背面下部に密着し、各ドライバＩＣ２１からヒートシンク１４、１５へ伝熱されるようになっている。インクジェットヘッドはケーブル３６、３７によってプリンタ本体側のコントローラと信号を授受する。

図７は本実施形態に係るインクジェットヘッドの図６のＡＡ′に沿う縦断面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。基準プレート１３の左方の締結部２８は、取付け板４０側のボルト孔４１に埋込まれ取付け板４０上に起立するスペーサ兼用のスタッド４２と、このスタッド４２に螺合するボルト４４と、このボルト４４のボルト径よりも大きい孔径を有するボルト孔４９とを備える。右方の締結部２７は右方のボルト孔４１に埋込まれたスペーサ兼用のスタッド４３と、ボルト４５と、ボルト孔４６とを備える。また、プレート台２３は、左右それぞれに設けられた肉盗み空間１１１、１１２と、これらの肉盗み空間１１１、１１２間の中央部に設けられたネジ受け部１１３と、このネジ受け部１１３、供給パイプ１６、排出パイプ１７及びチューブ４７、４８間で流路２５、２６を形成する接続部１１４、１１５とを有する。

次に上述の構成の本実施形態に係るインクジェットヘッドの作用動作について述べると、吐出についてはプリンタ本体からの駆動信号を駆動回路１８が受信し、何れかのドライバＩＣ２１がパルス電圧信号を生成して電界を発生させ、ヘッド本体１１内の圧力室の側壁を変形させる。ヘッド本体１１では圧力室の容積が拡張し縮小することにより、インクが加圧され、ヘッド本体１１は液滴を吐出口５１から吐出する。このインクジェットヘッドが吐出時にドライバＩＣ２１にて発生した熱はヒートシンク１４、１５に伝わり、ヒートシンク１４、１５及び基準プレート１３は発熱し続ける。

締結部２７、２８は強い締結力でボルト締めされており駆動回路１８の駆動期間が短い場合、発熱によりボルト４４、４５の軸芯の位置が基準プレート１３の長尺方向外方へ変位しても冷却により元に戻り、ヘッド本体１１が印字品質に影響を及ぼす程度に変形することはない。基準プレート１３は長尺方向と直交する印字送り方向にも伸びるが、この印字送り方向のプレート寸法が伸びても冷却によりこのプレート寸法は元に戻る。あるいは印字ずれに実質的に寄与しない程度のずれにとどまる。

図８は本実施形態に係るインクジェットヘッドに生じる変形の方向例を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ドライバＩＣ２１が放熱すると、ヒートシンク材質はアルミニウム製であるため高い熱伝導率によって基準プレート１３と取付け板４０とがヒートシンク１４、１５からの伝熱によって同図左右（矢印参照）へと膨張する。締結部２７、２８が強い力でボルト締めされた状態では基準プレート１３は長尺方向外方へ向かって取付け板４０の延び変形よりも大きく膨張する。発熱対策を何らしないと、ヘッド本体１１の吐出口５１の位置が長尺方向外方にずれる可能性がある。発熱対策無しではインクジェットヘッドのプリンタ本体に対する位置ずれが発生する。ドライバＩＣ２１において発生した熱が、ヒートシンク１４、１５、基準プレート１３、供給パイプ１６及び排出パイプ１７といった金属製の連結部分（コネクション）を通じて、これらのコネクション内を流れるインクの温度に影響を与え、インク粘度を変化させて印字品質に影響を及ぼす可能性がある。

本実施形態に係るインクジェットヘッドは図４等に示すような構造により、取付け板４０への取付け部分を基準プレート１３とプレート台２３とに分割し、熱膨張時における基準プレート１３の長尺方向外方へのずれをなくし、及び、ドライバＩＣ２１の発熱によるインクへの影響を少なくした。インクジェットヘッドがそれぞれ中央部一か所において締結部材（ネジ９７、座金９９）で締結したため、熱膨張の影響を避けるようにした。

分割された基準プレート１３は発熱時、プレート長方向外方へ延びる。仮に両サイドの締結部２７、２８をきつく締め付けると、熱膨張によって基準プレート１３の両端部が上方に湾曲してネジ抜けが発生し、基準プレート１３に反りが発生し、あるいは、基準プレート１３に異なる方向への力のモーメントが加わって回転力が作用するといった変形が起こる。このインクジェットヘッドでは両サイド２か所のネジ９９（締結部材）が、上部への抜け、反り防止、回転防止の為に、抑えているだけで締め付けない構造としている。上部への抜け、反り防止、回転が吸収され、熱膨張の影響が左右方向に伝わらないようにできる。

例えばステンレス鋼（ＳＵＳ４１０）の線膨張率は１０．４（×１０^-6［Ｋ］）であり、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の線膨張率は１７．３（×１０^-6［Ｋ］）、鉄鋼のそれは１０〜１１（×１０^-6［Ｋ］）である。ステンレス鋼や鉄鋼の線膨張率はアルミニウムの線膨張率２３（×１０^-6［Ｋ］）よりも小さく、ステンレス鋼や鉄鋼の強度はアルミニウムの強度よりも大きい。基準プレート１３はステンレス製や鉄鋼製のものを用いることによって、強度を発揮し、及び熱膨張をなるべく小さい値に抑えることが可能になる。

また、仮に基準プレート１３がアルミニウム製など線膨張率が大きいものを使ったとすると、ドライバＩＣ２１の発熱及び冷却の繰返しによって、基準プレート１３の伸び量が取付け板４０の伸び量を上回り、その場合、締結部２７では基準プレート１３のボルト孔４６の中心線とボルト軸芯とがずれ、ボルト孔４６の長尺方向の位置が基準位置よりも右、つまり外方にずれてしまう。締結部２８は締結部２８のずれ方向と反対方向に長尺方向にずれてしまう。基準プレート１３がアルミニウム製であると、基準プレート１３及びヒートシンク１４、１５が同じ材質であるため、締結部２７、２８間においては、基準プレート１３及びヒートシンク１４、１５が熱膨張し、基準プレート１３及び取付け板４０の各伸び量の差による応力が基準プレート１３内部に発生する。

これに対して本実施形態に係るインクジェットヘッドでは、ステンレス鋼や鉄鋼からなる基準プレート１３を用いており、アルミニウムを使ったときに生じる基準プレート１３及び取付け板４０の各伸び量の差による応力は発生しない。このインクジェットヘッドは更にボルト孔４６にボルト径よりも大きい孔径を与えており、スタッド４３による締結はボルト４５をそのボルト軸心下半分において固定した締結である。ボルト孔４９の例もボルト孔４６と同様である。基準プレート１３及び取付け板４０の各伸び量の差は小さく、この差が発生したとしても、ボルト孔４６の孔径が余裕を持つため、誤差を吸収できる。基準プレート１３を取付け板４０へミクロン単位の調整によってボルト固定することが精度良く行えるようになる。

更に図４で分割されたプレート台２３は中空状のプラスティック成型品である。室温付近では、例えば空気の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）は０．０２４１であり、鉄８３．５、ステンレス鋼１６．７〜２０．９であるのに対して高分子樹脂材料の熱伝導率は０．１〜１．０程度のスケールである。プレート台２３には熱伝導率が低い部材で作られており、金属製の供給パイプ１６及び排出パイプ１７の筒部にプレート台２３が接着固定されているため、熱の伝わりを小さくすることができるようになる。熱が伝わらないので冷却効果を高められる。

また、図５のようにカラープリンタでは、取付け板４０に、用紙Ｐに対して色ごとに例えば５個のインクジェットヘッド１が千鳥状に配列して設けられる。前列（又は後列）の２つのインクジェットヘッド１のヘッド中心線間の等分位置に、後列（又は前列）のインクジェットヘッド１のヘッド中心線が合致するように、各インクジェットヘッド１が配置されている。隣接する２つのヘッド本体１１どうしでは、一方のヘッド本体１１と別のヘッド本体１１との隣接する各端部での吐出口５１の位置が合うように調節されて取付け板４０に取付けられる。本実施形態に係るインクジェットヘッドによれば、上記図４の構造によってプリンタ本体側に対する複数のヘッド本体１１の位置ズレを高い精度で抑えることができ、印字に影響が出るほどの位置ズレを防止できる。

以上のように本実施形態に係るインクジェットヘッドは図４に示すような構造により、取付け板４０への取付部分を基準プレート１３とプレート台２３とに分割し、熱膨張時における基準プレート１３の長尺方向外方へのずれをなくし、発熱によるインクへの影響を少なくした。基準プレート１３が中央部一か所でプレート台２３に係止締結により、基準プレート１３の変形が生じず、熱膨張の影響が避けられる。

プリンタ本体側の取付け部材はプレート（取付け板４０）であったが、取付け部材としては、プリンタ本体側のフレーム、枠体、ホルダ、取付け具あるいは棒状や片状又はこれらの組合わせなどを用いても良い。インク供給、排出用のチューブ４７、４８の位置は互いに逆に設けられることもある。ヒートシンク１４、１５にはフィンを設けるほかに、表面積を拡大させるための表面処理を施しても良いことは言うまでも無い。これらの変更をして実施をしたに過ぎない実施品に対して実施形態に係るインクジェットヘッドの優位性は何ら損なわれるものではない。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…ヘッド本体、１２…ベース部、１３…基準プレート、１４，１５…ヒートシンク、１８…駆動回路、２１…ドライバＩＣ、２３…プレート台（被固定体）、４０…プリンタ本体側の取付け板。

Claims

ノズル配列方向に配列された複数の吐出口およびインクの液室を有するヘッド本体と、
このヘッド本体の前記液室への前記インクの供給路およびその排出路を有するベース部と、
このベース部に設けられ前記ヘッド本体を吐出駆動する駆動回路と、
この駆動回路の発熱を放熱するヒートシンクと、
これらのヒートシンクおよび駆動回路による発熱が伝熱され、プレート長方向両端部でそれぞれプリンタ本体側の構造体に固定される基準プレートと、
この基準プレートの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有し、前記基準プレートに対して前記ヘッド本体を前記ノズル配列方向が主走査方向に平行に位置決めして前記ヒートシンクおよび前記ベース部を一体化する被固定体と、
を備えるインクジェットヘッド。
前記被固定体は前記プレート長方向中央部で前記基準プレートに共締めされた請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記被固定体は前記プレート長方向両端部でそれぞれ前記基準プレートに係止された請求項１又は請求項２記載のインクジェットヘッド。
前記被固定体および前記基準プレート間に、弾性を有するシート部材が設けられた請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記ヒートシンクは前記被固定体を挟んで一対設けられ、
前記被固定体およびこの一対のヒートシンク間に、弾性を有する熱遮断体が設けられた請求項１記載のインクジェットヘッド。