JP6359469B2

JP6359469B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP6359469B2
Application number: JP2015025288A
Authority: JP
Inventors: 知実飯島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: JP2016147429A

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドに関する。

工業用のインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドは、インクを射出するための圧電素子を有するヘッドと、ヘッドの圧電素子を駆動するための駆動ＩＣを備えている。駆動ＩＣが実装される基板や、電子部品が実装される基板は、インクや異物の付着を防止する観点から、ケーシングに収容されるのが一般的である。

駆動ＩＣから発生した熱は、ケーシングがヒートシンクとなって外部へ放出される。このため、ヒートシンクとして機能するケーシングを大きくするほど、駆動ＩＣから発生する熱に対する放熱効果を向上させることができる。しかしながら、近年、印字率及び印字速度の増加により、駆動ＩＣへの負荷が増加しており、それに伴い発熱量も増えている。ケーシングを大きくすることでは限界にきている。インクジェットヘッドを効率的に冷却するための技術が種々提案されている。

従来の装置は、インクジェットヘッドが備えるノズルにインクを循環させるための通路部を熱的に接続することにより、ヘッド圧電素子を、通路部を循環するインクで冷却するものである。

しかしながら、従来の装置では、ノズル近傍を流れるインクが加熱されることにより、ノズルに供給されるインクの粘度が、駆動ＩＣの温度の影響を受けて変動してしまい、結果的に印字品質が低下してしまう恐れがある。

特開２０１２−１２５９３６号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、ノズルに流入するインクに影響を与えることなく、インクジェットヘッドを冷却することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係るインクジェットヘッドは、インクを吐出する複数のノズルと、ノズルからインクを吐出させるためのアクチュエータとを有する射出ユニットと、アクチュエータを駆動する駆動回路と、駆動回路を収容する筐体と、射出ユニットへインクを供給するための供給管と、射出ユニットからインクを排出するための複数の排出管と、筐体に接するように設けられ、内部に設けられた孔に排出管が配置されるとともに排出管が接触する放熱部材と、を有し、供給管と排出管は一方向に配列され、排出管は供給管の前記一方向外側に配置される。

本実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。ケースの斜視図である。ケースの斜視図である。マスクプレート、インク循環系、支持ユニット、射出ユニット、及び放熱部材を示す展開斜視図である。射出ユニットの展開斜視図である。射出ユニットとフレキシブル基板の展開斜視図である。射出ユニット、フレキシブル基板、及びリジッド基板の斜視図である。インク循環系の展開斜視図である。支持ユニットの展開斜視図である。放熱部材の斜視図である。インクジェットヘッドの組立手順を説明するための図である。インクジェットヘッドの組立手順を説明するための図である。インクジェットヘッドの組立手順を説明するための図である。インクジェットヘッドの組立手順を説明するための図である。インクジェットヘッドのＹＺ断面を示す図である。放熱部材の機能を説明するための図である。

以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。説明には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を用いる。

図１は、本実施形態に係るインクジェットヘッド１０を示す斜視図である。インクジェットヘッド１０は、インク管路に接続されるインクジェットヘッドである。インクジェットヘッド１０は、１組の筐体２０、マスクプレート４１、支持ユニット７０、インク循環系６０、２つの放熱部材８１などを備えている。

図１に示されるように、筐体２０は、ケース３０とカバー４０から構成されている。

図２は、ケース３０の斜視図である。また、図３は、図２におけるケース３０を＋Ｙ側から見た図である。ケース３０は、例えば熱伝導率が比較的高いアルミニウムからなる。ケース３０は、図２及び図３を見るとわかるように、ＸＺ面に平行な隔壁３２と、隔壁３２に形成されたＵ字状のフレーム部３１の２部分を有している。

ケース３０を構成するフレーム部３１は、隔壁３２の上側の縁と、Ｘ軸方向両側の縁にわたって形成されている。フレーム部３１の下端部には切欠き３７が形成されている。ケース３０では、隔壁３２とフレーム部３１によって空間３０ａが規定される。

フレーム部３１の上部には、空間３０ａに至る切欠き３６が形成されている。

図１に戻り、カバー４０は、四角形板状のプレートである。カバー４０も、ケース３０と同様に、導電率の比較的高いアルミニウムからなる。

図４は、インクジェットヘッド１０を構成するマスクプレート４１、インク循環系６０、支持ユニット７０、射出ユニット５０、及び放熱部材８１を示す展開斜視図である。図４に示されるように、マスクプレート４１は、長手方向をＸ軸方向とする枠状の部材である。マスクプレート４１の下端部には、内側に突出する突出部４１ａが設けられている。

図５は、射出ユニット５０の展開斜視図である。図５に示されるように、射出ユニット５０は、ベース基板５１、フレーム５２、オリフィスプレート５３を有している。

ベース基板５１は、長手方向をＸ軸方向とする長方形板状の部材である。ベース基板５１は、例えばアルミナからなり、Ｙ軸方向中央部には、Ｘ軸に沿って複数の開口５１ａが形成されている。また、開口５１ａの−Ｙ側及び＋Ｙ側には、Ｘ軸に沿って複数の開口５１ｂが形成されている。

ベース基板５１の上面には、２つのアクチュエータ５４，５５が配置されている。図５に示されるように、アクチュエータ５４，５５は、開口５１ａのＹ軸方向両側に配置されている。

アクチュエータ５４，５５は、Ｘ軸に沿って配列された台形の圧電素子から構成され、圧電素子に挟まれる空間が圧力室となっている。また、アクチュエータ５４，５５を構成する圧電素子は、ベース基板５１の−Ｚ側の面に形成される電極パターン（不図示）と接続されている。

フレーム５２は、長手方向をＸ軸方向とする枠状の部材である。フレーム５２は、例えば、セラミックやアルミナ、又は、アルミニウム或いはステンレスからなる。フレーム５２は、ベース基板５１よりも一回り小さい。

オリフィスプレート５３は、ポリイミド等を素材とし、長手方向をＸ軸方向とする長方形のシートである。オリフィスプレート５３には、Ｘ軸に沿って等間隔に円形の開口５３ａが形成されている。また、開口５３ａの＋Ｙ側には、Ｘ軸に沿って等間隔に円形の開口５３ｂが形成されている。開口５３ａ，５３ｂは、インクジェットヘッド１０を循環するインクを、記録媒体としての紙に吐出するためのノズルとして機能する。

上述のように構成されるベース基板５１、フレーム５２、オリフィスプレート５３は、ベース基板５１の−Ｚ側の面にフレーム５２が接着され、フレーム５２の−Ｚ側の面にオリフィスプレート５３が接着されることで一体化される。

図６を参照するとわかるように、射出ユニット５０には、フレキシブル基板９１が接続される。フレキシブル基板９１は、例えば絶縁フィルムと導体層からなるフレキシブル基板である。フレキシブル基板９１は、中央に長手方向をＸ軸方向とする開口９１ａが形成され、開口９１ａの＋Ｙ側及び−Ｙ側には、外縁から中央部に至るＹ軸に平行なスリットが形成されている。また、フレキシブル基板９１の＋Ｚ側の面には、４つの駆動ＩＣ１００が実装されている。

図７に示されるように、フレキシブル基板９１は、開口９１ａに射出ユニット５０のフレーム５２が挿入された状態で、ベース基板５１に接着される。ベース基板５１の−Ｚ側の面に形成される電極パターンと、フレキシブル基板９１の導体層とが電気的に接続される。その結果、駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄと、射出ユニット５０を構成する圧電素子とが接続される。ベース基板５１に形成される電極パターンと駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄは、アクチュエータを駆動するための駆動回路を構成する。射出ユニット５０では、アクチュエータ５５の圧電素子が、駆動ＩＣ１００Ａ，１００Ｂによって駆動される。そして、アクチュエータ５４の圧電素子が、駆動ＩＣ１００Ｃ，１００Ｄによって駆動される。

フレキシブル基板９１の−Ｙ側及び＋Ｙ側には、２枚のリジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂが接続されている。リジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂの表裏面には、コネクタや半導体素子が実装されている。

図８は、インク循環系６０の展開斜視図である。図８に示されるように、インク循環系６０は、マニホールド６３、パイプ６２Ａ〜６２Ｄ、及び４つのコネクタ６１Ａ〜６１Ｄを有している。

コネクタ６１Ａ〜６１Ｄは、パイプ同士を接続するための部材である。コネクタ６１Ａ〜６１Ｄは上端部と下端部が一回り小さくなるように整形されている。コネクタ６１Ａ〜６１Ｄの上端部は、インク管路を介してインクの循環を行う循環ポンプ及びインクが貯留されるインクタンクに接続される。また、コネクタ６１Ａ〜６１Ｄの下端部には、パイプ６２Ａ〜６２Ｄが接続される。

パイプ６２Ａ〜６２Ｄは、長手方向をＺ軸方向とするパイプである。パイプ６２Ａ，６２Ｂは、熱伝導性の良い材料（例えばアルミニウム,銅またはセラミックス）からなる。また、パイプ６２Ｃ，６２Ｄは、弾性を有するゴム或いはフッ素からなる。

マニホールド６３は、内部に流路が形成されたベース６３ａと、ベース６３ａに接着される２つのコネクタ６４Ａ，６４Ｂを有している。

コネクタ６４Ａ，６４Ｂは、＋Ｚ方向へ突出する一対の接続部６４１，６４２を有している。接続部６４１，６４２は、上端部が一回り小さくなるように整形されている。コネクタ６４Ａでは、接続部６４１が接続部６４２の−Ｘ側に配置される。また、コネクタ６４Ｂでは、接続部６４１が接続部６４２の＋Ｘ側に配置される。つまり、マニホールド６３では、接続部６４１が接続部６４２よりも外側に配置される。

ベース６３ａは、射出ユニット５０を構成するベース基板５１に形成された複数の開口５１ａと、コネクタ６４Ａ，６４Ｂの接続部６４２を接続するとともに、ベース基板５１に形成された複数の開口５１ｂと接続部６４１を接続する。

マニホールド６３を構成するコネクタ６４Ａの接続部６４１，６４２には、パイプ６２Ａ，６２Ｃの下端が接続され、コネクタ６４Ｂの接続部６４１，６４２には、パイプ６２Ｂ，６２Ｄの下端が接続される。そして、パイプ６２Ａ〜６２Ｄの上端に、コネクタ６１Ａ〜６１Ｄが接続される。マニホールド６３、パイプ６２Ａ〜６２Ｄ、コネクタ６１Ａ〜６１Ｄが一体化され、インク循環系６０が形成される。

図９は、支持ユニット７０の展開斜視図である。図９に示されるように、支持ユニット７０は、支持プレート７１、シール部材７２、支持部材７３を有している。

支持プレート７１は、長手方向をＸ軸方向とする金属製の部材である。支持プレート７１の両端部７１ｂには、Ｚ軸方向に貫通する開口７１ｃが設けられている。支持プレート７１には、Ｚ軸方向に貫通する４つの開口７１ａが形成されている。

シール部材７２は、長手方向をＸ軸方向とするシート状の弾性部材である。シール部材７２は、例えばゴム或いはフッ素ゴムからなる。シール部材７２には、長手方向をＸ軸方向とする２つの長穴７２ａが形成されている。

支持部材７３は、長手方向をＸ軸方向とする直方体状の部材である。支持部材７３の上面には、上方（＋Ｚ方向）に突出する２つの突出部７３ａが形成されている。突出部７３ａは、シール部材７２に形成された長穴７２ａと同じ形状となるように整形されている。突出部７３ａには、上面から下方に貫通する２つの円形の開口７３ｂが形成されている。２つの開口７３ｂは、Ｘ軸方向に所定距離隔てて配置されている。また、支持部材７３の両端部下方には、切欠き７３ｃが形成されている。

シール部材７２は、支持部材７３の突出部７３ａがシール部材７２の長穴７２ａに挿入された状態で、支持部材７３の上面に配置される。そして、支持プレート７１は、シール部材７２を介して、ボルトなどにより支持部材７３に固定される。支持プレート７１、シール部材７２、支持部材７３が一体化され、支持ユニット７０が形成される。支持ユニット７０では、各部材に形成された開口７１ａ，７３ｂがそれぞれ一致した状態になる。

図１０は、放熱部材８１を示す斜視図である。放熱部材８１は、例えば比較的熱伝導率が高いアルミニウムや銅からなる。図１０に示されるように、放熱部材８１は、長手方向を鉛直方向（Ｚ軸方向）とする部材である。放熱部材８１の一側（＋Ｘ側）には、上面から下面に至る複数のスリットと対をなして放熱フィン８１ａが形成されている。また、放熱部材８１には、上面から下面に至る円形の孔８１ｂが形成されている。

次に、ケース３０、カバー４０、マスクプレート４１、射出ユニット５０、インク循環系６０、支持ユニット７０、放熱部材８１を組み立てる手順を説明する。

まず、図１１に示されるように、フレキシブル基板９１及びリジッド配線基板９２が接続された射出ユニット５０のベース基板５１に、インク循環系６０のマニホールド６３を構成するベース６３ａを接着する。そして、支持ユニット７０を構成する支持プレート７１の開口７１ａから、マニホールド６３の接続部６４１，６４２が突出した状態で、支持ユニット７０の支持部材７３を、接続部６４１，６４２に接着する。

次に、図１２に示されるように、マニホールド６３を構成するコネクタ６４Ａ，６４Ｂの接続部６４１にパイプ６２Ａ，６２Ｂを接続し、接続部６４２にパイプ６２Ｃ，６２Ｄを接続し、パイプ６２Ａ〜６２Ｄにコネクタ６１Ａ〜６１Ｄを接続する。

次に、図１３を参照するとわかるように、パイプ６２Ａ，６２Ｂに、放熱部材８１を装着する。パイプ６２Ａ，６２Ｂと放熱部材８１の間の熱伝導率を上げるために、放熱部材８１に形成された孔８１ｂの内壁面に、パイプ（排出管）６２Ａ，６２Ｂの表面を密着させる。場合によっては、パイプ６２Ａ，６２Ｂの表面と孔８１ｂの内壁面に熱伝導率の高い接着剤や銀ペーストのようなものを塗り、熱伝導率を高める。放熱部材８１の放熱部は、外側に位置した状態になっている。なお。パイプ６２Ａ，６２Ｂと放熱部材８１は一体形成されていてもよい。

次に、支持ユニット７０を構成する支持部材７３の＋Ｙ側の面と−Ｙ側の面に、ゴム或いはフッ素ゴムからなるシール部材９５を介して、ケース３０を、ボルトを用いて固定する。そして、ケース３０を、ボルトを用いて、放熱部材８１に固定する。放熱部材８１は、インクジェットヘッド１０自体の短手方向（Ｙ軸方向）対して２つのケース３０の間に配置されている。放熱部材８１は、インクジェットヘッド１０自体の長手方向（Ｘ軸方向）対して外部に露出している。図１４に示されるように、ケース３０、支持ユニット７０、放熱部材８１が一体化される。ケース３０と放熱部材８１とが面接触することで、ケース３０と放熱部材８１との間の熱抵抗の増加が抑制される。

次に、図１４に示されるように、リジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂに実装されたコネクタ９２１に、フレキシブルケーブル９８Ａ，９８Ｂを接続し、フレキシブル基板９１と、フレキシブル基板９１に接続されたリジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂとを、ケース３０の空間３０ａに収容する。

次に、リジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂが、ケース３０に位置した状態で、図１に示されるように、ケース３０に、カバー４０を、ボルトを用いて取り付ける。そして、マスクプレート４１を下方から射出ユニット５０及びマニホールド６３にかぶせ、マスクプレート４１の突出部４１ａを、射出ユニット５０のベース基板５１の下面に接着する。マスクプレート４１は、突出部４１ａが射出ユニット５０のベース基板５１に当接することで位置決めされ、マスクプレート４１の上端部は、ケース３０に形成された切欠き３７に位置した状態になる。

図１５は、図１に示されるインクジェットヘッド１０のＹＺ断面を示す図である。以上のようにケース３０、マスクプレート４１、射出ユニット５０、インク循環系６０、支持ユニット７０、放熱部材８１が組み立てられた場合には、図１５に示されるように、ケース３０、放熱部材８１によって規定される空間にインク循環系６０が収容される。そして、ケース３０_、カバー４０、支持ユニット７０及びマスクプレート４１によって規定される空間に、フレキシブル基板９１とリジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂが収容される。

インクジェットヘッド１０では、ケース３０とカバー４０が接触する面が平面になっている。図１４の白抜き矢印に示されるカバー４０とマスクプレート４１の隙間に例えば接着剤やシリコン等を用いてシール処理を施す。フレキシブル基板９１とリジッド配線基板９２Ａ，９２Ｂが収容される空間が密閉され、図１に示されるインクジェットヘッド１０が完成する。インクジェットヘッド１０は、支持ユニット７０の開口７１ｃを用いて、ボルトなどでプリンタ本体に固定することができる。

インクジェットヘッド１０では、コネクタ６１Ａ，６１Ｂが、インクの排出系統に接続され、コネクタ６１Ｃ，６１Ｄが、インクの供給系統に接続される。このため、図１６の白抜き矢印に示されるように、インクは、供給管であるパイプ６２Ｃ，６２Ｄを介して、射出ユニット５０に供給される。そして、排出管であるパイプ６２Ａ，６２Ｂを介して、射出ユニット５０から排出される。

図１４に示される駆動ＩＣ１００から発生する熱は、ケース３０や支持ユニット７０を介して、放熱部材８１に伝達される。放熱部材８１は、外気と熱交換を行うとともに、射出ユニット５０から排出されパイプ６２Ａ，６２Ｂを流れるインクと熱交換を行う。インクジェットヘッド１０は、外気と、射出ユニット５０から排出されるインクによって冷却される。

以上説明したように、本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、駆動ＩＣ１００から発生した熱が、放熱部材８１に伝達される。そして、放熱部材８１に伝達された熱が、外気と射出ユニット５０から排出されるインクに放熱される。このため、インクジェットヘッド１０を効率よく冷却することができる。また、放熱部材８１は、主として射出ユニット５０から排出されるインクとの間で熱交換を行う。このため、射出ユニット５０のノズルへ流入するインクが、駆動ＩＣ１００から発生する熱によって受ける悪影響が抑制される。したがって、射出ユニット５０のノズルへ流入するインクが予熱されることにより粘度が変動することが少なくなり、安定的に印字を行うことが可能となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、インクを排出するためのパイプ６２Ａ，６２Ｂ（以下、排出パイプともいう）が、インクを供給するためのパイプ６２Ｃ，６２Ｄ（以下、供給パイプともいう）よりも外側に位置している。そして、排出パイプ６２Ａ，６２Ｂに装着される放熱部材８１の放熱部は、インクジェットヘッド１０の外側に形成されている。このため、放熱部材８１に伝達された熱の大部分を、供給パイプ６２Ｃ，６２Ｄとは反対の方向、すなわち、インクジェットヘッド１０の外側へ向かう方向へ放熱することが可能となる。したがって、射出ユニット５０のノズルへ流入するインクの温度上昇を抑制することができる。その結果、インクの粘度が一定に維持され、安定的に印字を行うことが可能となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、インクジェットヘッド１０からの熱を効率よく放熱することができる。このため、印字速度を向上させることが可能となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、インクジェットヘッド１０を効率よく冷却することができる。支持ユニット７０の急激な熱膨張を抑制することができ、射出ユニット５０を精度よく位置決めすることが可能となる。特に、インクジェットヘッド１０を複数用いるプリンタにおいては、各インクジェットヘッド１０相互間の位置関係の変動を抑制することができる。したがって、印字品質を向上させることが可能となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、図１５に示されるように、ノズルとしての開口５３ａから吐出されるインクの制御を行う駆動ＩＣ１００Ａ，１００Ｂと、ノズルとしての開口５３ｂから吐出されるインクの制御を行う駆動ＩＣ１００Ｃ，１００Ｄとが別々に収容される。このため、４つの駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄをまとめて収容する場合に比較して、１つの駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄに対する放熱効率が向上し、各駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄから発生する熱を効率的に放熱することが可能となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、図１５に示されるように、駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄが、ケース３０に接触している。このため、駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄから発生する熱を、効率的にケース３０に伝えることができる。したがって、ケース３０とカバー４０からなる筐体２０をヒートシンクとして利用することにより、駆動ＩＣ１００Ａ〜１００Ｄから発生する熱を外部へ効率的に放熱することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、インクジェットヘッド１０が、２本の供給パイプ６２Ｃ，６２Ｄと、２本の排出パイプ６２Ａ，６２Ｂを有している場合について説明した。これに限らず、インクジェットヘッド１０は、供給パイプと排出パイプを一本ずつ備えていてもよく、３本以上の供給パイプ及び排出パイプを備えていてもよい。また、供給パイプと排出パイプは、対になっている必要はない。例えば、供給パイプ６２Ｃ，６２Ｄを１本の管路となるように構成してもよい。

上記実施形態では、排出パイプ６２Ａ，６２Ｂが、供給パイプ６２Ｃ，６２Ｄの外側に位置している場合について説明した。放熱効率は落ちるが、供給パイプ６２Ｃ，６２Ｄが、排出パイプ６２Ａ，６２Ｂの外側に位置していてもよい。

上記実施形態に係るインクジェットヘッド１０は一例であり、射出ユニット５０に設けられる開口５３ａ，５３ｂの数や、射出ユニット５０の大きさは、インクジェットヘッド１０の用途や解像度に応じて、適宜変更することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上記実施形態は、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。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、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。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０インクジェットヘッド
２０筐体
３０ケース
４０カバー
４１マスクプレート
５０射出ユニット
５４，５５アクチュエータ
６０インク循環系
６２Ａ〜６２Ｄパイプ
６３マニホールド
７０支持ユニット
８１放熱部材
１００Ａ〜１００Ｄ駆動ＩＣ

Claims

インクを吐出する複数のノズルと、前記ノズルからインクを吐出させるためのアクチュエータとを有する射出ユニットと、
前記アクチュエータを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を収容する筐体と、
前記射出ユニットへインクを供給するための供給管と、
前記射出ユニットからインクを排出するための複数の排出管と、
前記筐体に接するように設けられ、内部に設けられた孔に前記排出管が配置されるとともに前記排出管が接触する放熱部材と、
を有し、
前記供給管と前記排出管は一方向に配列され、前記排出管は前記供給管の前記一方向外側に配置されるインクジェットヘッド。
前記放熱部材は、放熱フィンを有する請求項１に記載のインクジェットヘッド。
前記排出管と前記放熱部材が一体構造になっている請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。