JP4792890B2

JP4792890B2 - インクジェット式記録ヘッド及びその印刷装置

Info

Publication number: JP4792890B2
Application number: JP2005275369A
Authority: JP
Inventors: 悟飛田; 智彦甲田; 良太松藤; 隆佐藤
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007083563A

Description

本発明はインク滴をノズル開口より噴射させるインクジェット式記録ヘッド及びその印刷装置に関するものである。

個々の薄板材に共通のインク供給部や圧力発生室などノズル開口へ至る流路を形成した後に、これを積層して構成する積層型インクジェット式記録ヘッドが種々採用されている（例えば、特許文献１参照）。これは、圧力発生室からノズル開口に至るまでの流路を複数枚の薄板材を積層して構成している。しかしながら、このような構成の記録ヘッドは圧力発生室の断面幅に対しノズル開口に至るまでの流路での気泡を排除できるが、ノズル開口に至るまでの流路は長く、その過程で圧力損失が大きくなり十分な流速が稼げなくなる。このため細長い流路に対して十分に大きな容積をもつ圧力発生室に残留した気泡、特にノズル開口側の角部の気泡を除去することは、容易ではない。また、複数枚の薄板材を積層して流路を徐々にノズル開口へと連通させているが、夫々の連通部の段差部に気泡が残りやすくなる。

これを改善すると同時に、小型化かつノズルの実装密度の向上を図るため、インク供給部から圧力発生室を経てノズルに至る一連のインク流路を部分的に形成した複数の薄板材をオリフィスプレートの背面から順に積層することにより構成した、いわゆる積層型のインクジェット記録ヘッドが採用されている（例えば、特許文献２参照）。個々の薄板材のそれぞれにインク供給部や圧力発生室或いはノズルへ至るインク流路開口を形成し、これをノズルプレートの背面に順に積層して構成している。

この記録ヘッドは、ヘッド自体を小型に構成することができるばかりでなく、圧力発生室を互いに交互に千鳥状に配置することでノズルの実装密度を高められることが出来る。しかしながら、圧力発生室からノズルに至るインク流路は、薄板材に明けられた連通穴をずらして少なくとも３枚の薄板を積層して徐々にノズルの開口穴へと連通するような構成となっているので、インク中に混入した微細な気泡が各薄板材に形成された隅部に入り込んで滞留する。特に、インクと各流路壁との接触角が高いと、前述した残留の気泡がなかなか抜けず、これがインク滴の吐出特性に悪影響を及ぼし、場合によってはインク滴が噴射しない問題を有している。更に、圧力発生室が交互に千鳥状に配置されているので、伸縮型の積層圧電素子を用いて駆動する場合、圧電素子も千鳥状に配置しなければならず、加工が難しいという問題がある。

また、圧力発生室とノズル開口を結ぶ流路を１枚のシリコンウェハー上に一体で成形したプレートを積層するインクジェット式ヘッドが提案されているが（例えば、特許文献３参照）、インク滴の吐出量の微調整を行ったり、ノズル径を変えて吐出量を変える場合に、再度連通流路を含めた形で作り直しが必要となる。また、この構成の場合、千鳥状に並んだ圧力発生室が対向する側に共通のインク室が配置されているので、ノズル開口列が実質２列配置されることになるのでヘッドが大きくなる。

特許第２６０６９５５号公報

特開平７−１９５６８５号公報

特開２００２−２０５３９４号公報

本発明はこのような問題を鑑みてなされたもので、本発明の目的とするところは、圧力
発生室からノズル開口へ至るインク流路において気泡の滞留を可能な限り抑えつつ、ノズ
ルの実装密度の向上が図れる新たな積層型のインクジェット式記録ヘッド及びその印刷装置を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するため、少なくとも１列に並んだ複数のノズル開口を有するノズルプレートと、前記ノズル開口に対応した連通流路を有する連通路プレートと、前記連通流路に接続する圧力発生室を有するチャンバープレートと、前記圧力発生室を封止するダイアフラムプレートとを互いに積層することで構成されたインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ダイアフラムプレート側から前記チャンバープレートを見たときに、前記圧力発生室は、前記1列のノズル開口を挟んで相対し、前記１列のノズル開口の方向と直角方向を長手方向として、該長手方向に平行な中心線を隣接する前記ノズル開口間の中心に位置するように配置され、前記連通路プレートには、前記圧力発生室の前記ノズル開口側の一端部と、前記ノズル開口とを連通させる前記連通流路となる開口穴が、前記１列のノズル開口を挟んで相対するように２列で、前記圧力発生室の長手方向に平行な中心線に対して所定角度の傾きをもって千鳥状に配置され、かつ前記開口穴の長手方向の長さが前記圧力発生室の長手方向の長さより短く、かつ前記開口穴の長手方向の幅が前記圧力発生室の長手方向の幅より狭く、かつ前記開口穴の深さが前記圧力発生室の深さより浅いことを主要な特徴とする。

また、本発明の他の特徴は、連通路プレートが金属製の薄板をエッチング法または精密プレス法によって加工成形されることにある。

本発明の他の特徴は、連通路プレートが、少なくとも１枚のプレートよりなることにある。

本発明の他の特徴は、印刷装置が前記インクジェット式記録ヘッドを備えることにある

少なくとも１列に並んだ複数のノズル開口を挟んで配置された細長い圧力発生室が隣接する前記ノズル開口間のほぼ中心に位置し、前記圧力発生室の長手方向のほぼ中心線上に互いに対向する位置に配置されると共に、互いに対向する圧力発生室のノズル開口側の一端部に接続されている連通流路が千鳥状に配置され隣接するノズル開口へ交互に接続され、且つ前記連通流路は少なくとも１枚の薄板材で成形したので、ノズル開口にいたるまでの流路部での気泡の残留することが無くなり、インク滴吐出の信頼性を向上することが出来る。

また、圧力発生室を同一中心線延長上に配置し、連通流路を交互に千鳥状に配置してノズル開口に連通するようにしたので、圧力発生室の幅の制約を排してノズルの実装密度を向上できる。さらには、圧力発生室に対応した圧電素子を２列対向として２列同時に加工することが出来る。その結果、記録ヘッドを小型化することができる。

また、連通流路の幅を圧力発生室の幅よりも狭くし、薄板材を積層したときの寸法誤差によるずれの許容幅を大きくとれるようにしたのでインク滴の吐出特性のバラツキを低減できる。

圧力発生室からノズル開口へ至るインク流路において気泡の滞留を可能な限り抑えつつ、ノズルの実装密度の向上を図るという目的を、ほぼ１列に並んだ複数のノズル開口を挟んで配置された細長い圧力発生室が前記ノズル開口間のほぼ中心に位置し、前記圧力発生室の長手方向のほぼ中心線上に互いに対向する位置に配置されると共に、互いに対向する圧力発生室のノズル開口側の一端部に接続されている連通流路が千鳥状に配置され隣接するノズル開口へ交互に接続され、且つ前記連通流路は少なくとも１枚の薄板材で成形することで実現した。

図１に本発明となる積層型のインクジェト式記録ヘッド一実施例となる部分分解斜視図を、図２のその断面図を示す。

本発明のインクジェット式記録ヘッド１は、複数のノズル開口１１を少なくとも１列を有するノズルプレート１０と、ノズル開口１１へ連通する連通流路２１を有する連通路プレート２０と、リストリクタ３２と圧力発生室３１を兼ねた開口穴３３を有するチャンバープレート３０と、圧力発生室３１及びリストリクタ３２を封止する薄板のダイアフラムプレート４０と、圧力発生室３１部のみを大きく変位させるためにダイアフラムプレート４０を振動板４１として保持する領域部５１と共通のインク溜まり５２に開口穴を有するサポートプレート５０と、各ノズル開口１１までの流路への異物の進入を防止するために設けたフィルター６１を有するフィルタープレート６０、よりなる流路基板５と、流路基板５を保持し、且つ外部からのインクを導入し貯留する共通インク室７１を有する高剛性プレート７０を有する。高剛性プレート７０に開けられた開口溝７２には、複数に分割された圧電素子８１を有する圧電アクチュエータクミ８０が振動板４０に当接するように固着される。

ここで、ノズルプレート１０は、インク滴の飛翔直進性を得るために高精度に穴加工される。具体的には、ニッケルのエレクトフォーミング法やステンレスの薄板を精密プレス法によって穴加工する方法で成形される。

連通路プレート２０には、細長い開口穴が２列で、互いの開口穴列が交互に千鳥状に交差する複数の連通流路２１が形成されている、この連通流路２１は圧力発生室３１の配置に対して傾いて形成されている。そして、連通流路２１の開口穴列同士が交互に交差した一方の側にノズル開口穴１１が位置する。

チャンバープレート３０は、圧力発生室３１及びリストリクタ３２の流路となる細長い開口穴３３が２列に、しかも互いの列の開口穴３３がその長手方向の中心線延長上に対向するように開けられている。開口穴３３のピッチは、ノズルプレート１０上に配置されたノズル開口１１のピッチの２倍のピッチである。また、開口穴３３の中心位置は、ノズル開口１１の間のほぼ中心位置に合うように形成されている。そして、開口穴３３は、各列の互いに対向する側が連通流路２１の他方の側に連通される。

以上説明した連通流路プレート２０とチャンバープレート３０は、ステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工成形される。

開口穴３３を封止するダイアフラムプレート４０は、およそ１５μｍ以下の薄板からなるステンレスプレートやエレクトフォーミング法によるニッケル材で成形されている。あるいは、薄板のプラスチックフィルムであってもよい。

サポートプレート５０は、ダイアフラムプレート４０の振動板４１として使用する領域と、共通のインク室７１となる領域とに開口穴が開けられている。サポートプレート５０もステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工形成される。

高剛性プレート７０は、ステンレスの棒材等を切削加工で容易に形成することができる。

チャンバープレート３０やサポートプレート５０に開けられたお互いに対向する開口穴を精密プレス法で形成する場合、開口穴の形状を有したパンチで其々を順次送りで穴を形成しても良いが、お互いが対向した２本のパンチで開けることにより、穴を開ける工数を１／２にすることができると同時に、互いに対向する開口穴を同時に形成できるので夫々の対向する開口穴が同じ中心線延長上に配置するように形成することができる。

次に、本発明となる流路構成について詳述する。図３は、ダイアフラムプレート４０より上部のプレート類、圧電素子アクチュエータクミ８０及び高剛性プレート７０側を取り外して示した背面図である。ほぼ同一中心線上に互いに対向するように配置された圧力発生室３１の対向側の先端部からノズル開口１１に向かって連通路プレート２０上の連通流路２１が、やや傾きを持って構成されている。連通流路２１は、ノズル開口部１１近傍において互いに交差するように千鳥状に配置され、ほぼ１列に並んだノズル開口１１に交互に接続するように構成したものである。このとき、圧力発生室３１の位置は、ノズル開口１１間のほぼ中間の位置に位置するようにしている。これにより、圧力発生室３１の配列ピッチを高めることなくノズル開口１１の配列密度を２倍にすることが出来る。さらには、圧力発生室３１間の隔壁幅を大きく取れるので隔壁剛性も高めることができ、構造の変形による隣接ノズルのクロストークを小さくできる。

また、連通流路２１の幅は、圧力発生室３１の幅よりも狭くしている。これにより、チャンバープレート３０と連通路プレート２０を積層接着したときに寸法公差によるずれを許容できるようにしている。このことは、流路のピッチが狭くなるほど液滴の吐出を安定させるために重要なこととなる。更に、連通流路２１の長さは、圧力発生室３１よりも短く、その深さは、圧力発生室３１よりも浅く構成されている。これにより、インクを流路内に充填するときや流路内に残留した気泡を除去する際にノズル開口１１からインクを吸引して行なう、いわゆるヘッドメンテナンス動作時に連通流路２１部での流速を高めることができ、圧力発生室３１からノズル開口１１に至るまでの流路の流れを良くし、流路内に残留した気泡を除去しやすくすることができる。

図４は、本発明の流路構成に用いられる圧電アクチュエータクミ８０の構成及び製造工程を示す斜視図である。

導電材料８２と圧電材料８３を交互に積層した棒状の２本の圧電体８５を平行に支持基板８６の一端面に固着する。圧電体８５の長手面には圧電体８５の内部の導電材料８２層と導通する様に外部電極８４が形成されている。支持基板８６の端部には共通電極８７、その中央部には溝９０が形成されており、圧電体８５の外部電極８４と共通電極８７が導通するように２本の圧電体８５の間と溝とに導電性接着剤８９aが充填されている。一方、支持基板８６の個別電極となる電極８８は圧電体８５の外部電極８４と導電性接着剤８９ｂにて接続されている（図４（ａ））。なお、本例の場合は、支持基板８６の共通電極８８と個別電極８７が予めスクリーン印刷法等によって印刷されている。

次に、ダシングソーやワイヤーソーなどのスライサーを用いて２本の圧電体８５を所定のピッチ毎に櫛歯状にカットする。これにより、個別電極８８側は導電性接着剤ｂを含め個別に分離され、共通電極８７側は支持基板８６の溝９０内の導電性接着剤８９ａが接続された状態を維持することが可能となっている。これにより、夫々に分離された圧電素子８１が個別のアクチュエータとして動作出来るようになる（図４（ｂ））。

櫛歯状に分離された圧電素子８１は、圧力発生室２１に対応するように同一ピッチで加工されている。最後に、夫々の個別電極８８及び共通電極８７をフレキシブルケーブル９１に接続し、圧電アクチュエータクミ８０となる（図４（ｃ））。

本実施例では、１つの支持基板８６に２つの圧電体を取り付けたが、図５に示すように、１つの支持基板１８６と１列の圧電体１８５とで形成した圧電アクチュエータ１８０を、中間支持部材１９２を介して抱き合わせるようにしても良い。このようにすることで、互いに対向した圧力発生室３１に対応した圧電素子８１を同時に加工することが可能となり、安価な圧電アクチュエータクミ１８０を提供することができる。

以上説明した本例においては圧力発生室を１枚の薄板材で構成しているが、図６に示すように薄板材の圧力発生室３１ｂを有するチャンバープレート３０ｂを連通路プレート２０とチャンバープレート３０との間に積層して流路を構成してもよい。これにより、流路を構成している流路基板５の剛性が高まり、圧電素子８１の伸縮に伴い圧力発生室３１内のインクを介して伝播される力を保持できる。

本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、ノズル開口が高密度化することができコンパクトなヘッド構成が可能となるので高速印刷が可能で、かつ微小インク滴の噴射が可能となり高精細な印刷品質を得ることができ、オフィスユースの印刷装置から産業用の印刷分野への用途拡大が可能となる。

本発明のインクジェット式記録ヘッドを示した斜視図である。本発明のインクジェット式記録ヘッドの流路部の部分断面図である。本発明のノズルプレートと流路プレートとチャンバープレートの組み合わせ平面図である。本発明のインクジェット式記録ヘッドのアクチュエータ製造方法を示す図である本発明に使用される圧電アクチュエータの別の実施例である。本発明の他の実施例となる記録ヘッド流路部を示す平面図である。

符号の説明

１記録ヘッド
５流路基板
１０ノズルプレート
１１ノズル開口
２０連通路プレート
２１連通流路
３０チャンバープレート
３１、３１ｂ圧力発生室
３２リストリクタ
３３開口穴
４０ダイアフラムプレート
４１振動板
５０サポートプレート
５１開口穴
５２共通のインク溜まり
６０フィルタープレート
６１フィルター
７０高剛性プレート
７１共通インク室
７２開口溝
８０圧電アクチュエータ
８１圧電素子
８２導電材料
８３圧電材料
８７共通電極
８８個別電極
８９ａ、８９ｂ導電性接着剤
９０フレキシブルケーブル

Claims

少なくとも１列に並んだ複数のノズル開口を有するノズルプレートと、
前記ノズル開口に対応した連通流路を有する連通路プレートと、
前記連通流路に接続する圧力発生室を有するチャンバープレートと、
前記圧力発生室を封止するダイアフラムプレートとを互いに積層することで構成されたインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記ダイアフラムプレート側から前記チャンバープレートを見たときに、
前記圧力発生室は、
前記1列のノズル開口を挟んで相対し、
前記１列のノズル開口の方向と直角方向を長手方向として、該長手方向に平行な中心線を隣接する前記ノズル開口間の中心に位置するように配置され、
前記連通路プレートには、
前記圧力発生室の前記ノズル開口側の一端部と、前記ノズル開口とを連通させる前記連通流路となる開口穴が、
前記１列のノズル開口を挟んで相対するように２列で、
前記圧力発生室の長手方向に平行な中心線に対して所定角度の傾きをもって千鳥状に配置され、
かつ前記開口穴の長手方向の長さが前記圧力発生室の長手方向の長さより短く、
かつ前記開口穴の長手方向の幅が前記圧力発生室の長手方向の幅より狭く、
かつ前記開口穴の深さが前記圧力発生室の深さより浅いことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
前記連通路プレートは、金属製の薄板をエッチング法または精密プレス法によって加工成形されたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記連通路プレートは、少なくとも１枚のプレートよりなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のインクジェット式記録ヘッド。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインクジェット式記録ヘッドを備えたことを特徴とする印刷装置。