JP5672249B2

JP5672249B2 - インクジェットヘッド

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Publication number: JP5672249B2
Application number: JP2012011581A
Authority: JP
Inventors: 洋明香西; 康二郎吉田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013147007A

Description

本発明はノズルからインク滴を吐出するインクジェットヘッドに関し、詳しくは、ノズルの並設方向に沿うヘッド基板の長手方向の反りが抑制されたインクジェットヘッドに関する。

記録紙等の被記録媒体上に微小なインク滴を吐出して画像等を記録する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では、ＰＺＴ等の圧電素子からなる圧力発生手段の駆動によって圧力室内のインクに圧力変化を発生させ、該圧力室内のインクをノズルから吐出させる。

一般的に、インクジェットヘッドは複数の部材が接着剤を用いて接合されることによって構成されるが、これら複数の部材の線膨張係数が異なると、接着時等の加熱による温度変化によって反りが生じてしまう問題がある。このような反りの発生は、接着部に歪みや剥がれ、割れの発生につながるばかりでなく、インクジェットヘッドのノズル面には長手方向に沿って複数のノズルが配列されており、この長手方向で反りが発生してしまうと、吐出されたインク滴に曲がりが発生し、着弾位置が適正位置からずれて印刷品質を低下させてしまう問題がある。

特許文献１には、インクジェットヘッドの構成部品として、フロントヘッドユニットの線膨張係数と略同一の金属製の補強フレームをフロントヘッドユニットの背面に沿って固着させ、更にインク流路形成部材をフロントヘッドユニットの反対側の補強フレームに重ねて一体的に固着させることで、フロントヘッドユニットの剛性を高めて、温度変化に伴うフロントヘッドユニットの変形を防止するようにしている。

特開２００５−１６１７６１号公報

従来、シリコン（以下、Ｓｉという。）を基板材料として用いたインクジェットヘッドが知られている。このようなインクジェットヘッドは、Ｓｉ基板に対してドライエッチングプロセスにより流路やノズルを高精度、高精細な形状に加工できるため、インクの微小液滴吐出、低粘度インク吐出等の数々のメリットがある。

このようなＳｉ基板を用いたインクジェットヘッドを、基板の補強、保持の目的で金属製の保持基板（補強フレーム）を積層して構成すると、線膨張係数に相違があると接着時等の加熱による温度変化によって反りが生じてしまうことが想定されるが、このような反りは、保持基板にＳｉ基板と略同一の線膨張係数を有するガラス基板（例えばテンパックスガラス）を用いることで抑制することができる。

しかしながら、インクジェットヘッドには、Ｓｉ基板に設けられた複数の圧力室にインクを供給するため、内部に比較的多量のインクを収容可能なインク流路部材が設けられるが、このインク流路部材が新たな反りの発生要因となり問題となった。

すなわち、一般に、このようなインク流路部材は、特許文献１に記載のように保持基板のほぼ全面に亘って接合されることが望まれる。内部に多量のインクを貯留可能とすると共に、インク中のゴミや気泡等の不純物が圧力室に供給されることを防止するためのフィルタを配置させる関係上、大きな容積が必要となるためである。このインク流路部材には、基板に比べて内部構造が複雑となるため、線膨張係数を考慮してガラスによって形成すると、構造の複雑化によって割れが発生し易くなり、また高価となる。このためインク流路部材には比較的安価で製造容易な合成樹脂を用いることが望ましい。

しかし、合成樹脂とガラスとでは線膨張係数が異なるため、接着時等の加熱による温度変化によって、基板の反り、特にノズルの配列方向（インクジェットヘッドの長手方向）の反りが発生してしまい、着弾位置ずれの発生によって印刷品質を低下させる問題があった。

そこで、本発明は、多量のインクを貯留できる合成樹脂製のインク流路部材を有しながらも、ノズルの配列方向に沿う反りを抑制でき、印刷品質を向上させることができるインクジェットヘッドを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．インクを吐出するための長手方向に配列された複数のノズルと、前記ノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、複数の前記圧力室に対応してそれぞれ設けられた圧力発生手段と、複数の前記圧力室に共通にインクを供給するための共通流路とを有し、Ｓｉ基板を含む基板材料によって形成されたヘッド基板と、
前記ヘッド基板における前記ノズルの形成面の反対面に接合することで該ヘッド基板を保持固定するＳｉ基板又はガラス基板からなる保持基板と、
前記保持基板における前記ヘッド基板との接合面の反対面に接合され、前記保持基板を介して前記ヘッド基板の前記圧力室に対してインクを供給する又は前記圧力室からのインクを排出するためのインクを収容する合成樹脂からなるインク流路部材と、を備えてなるインクジェットヘッドにおいて、
前記インク流路部材は、前記ノズルの形成領域に対応する前記保持基板上の領域には接合されておらず、該保持基板の長手方向の両端部であって、前記ノズルの形成領域に対応する領域から外れた領域にそれぞれ接合されていることを特徴とするインクジェットヘッド。

２．前記保持基板は、前記ヘッド基板の長手方向の両端からそれぞれ張り出す張り出し部を有し、
前記インク流路部材と前記保持基板との接合領域は、前記張り出し部を含んでいることを特徴とする前記１記載のインクジェットヘッド。

３．前記インク流路部材の内部に、前記共通流路に供給されるインクが通過するフィルタが設けられていることを特徴とする前記１又は２記載のインクジェットヘッド。

本発明によれば、多量のインクを貯留できる合成樹脂製のインク流路部材を有しながらも、ノズルの配列方向に沿う反りを抑制でき、印刷品質を向上させることができるインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明に係るインクジェットヘッドの分解斜視図本発明に係るインクジェットヘッドの正面図本発明に係るインクジェットヘッドを図１中の(iii)-(iii)線に沿う部分で切断した断面図本発明に係るインクジェットヘッドを図１中の(iv)-(iv)線に沿う部分で切断した断面図図１に示すインクジェットヘッドにおけるヘッド基板の層構成を示す部分断面図図１に示すインクジェットヘッドにおけるヘッド基板の部分平面図複数のインクジェットヘッドを並設した状態を説明する図本発明に係るインクジェットヘッドの他の態様を示す正面図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係るインクジェットヘッドの分解斜視図、図２はその正面図、図３は、インクジェットヘッドを図１中の(iii)-(iii)線に沿う部分で切断した断面図、図４は、インクジェットヘッドを図１中の(iv)-(iv)線に沿う部分で切断した断面図、図５は、図１に示すインクジェットヘッドにおけるヘッド基板の層構成を示す部分断面図、図６は、図１に示すインクジェットヘッドにおけるヘッド基板の部分平面図である。

図１において、１はインクジェットヘッドであり、インクジェットヘッド１は、ヘッド基板２と保持基板３と外部配線部材４とインク流路部材５とを有している。

ヘッド基板２は、ボディプレート２１、中間プレート２２、ノズルプレート２３の３枚の基板が積層一体化されることによって構成されている。

ボディプレート２１は、図１中のＡ方向に沿って長さが長く、厚みが１００〜３００μｍ程度のＳｉ基板からなり、一方の面（図１における下面）をエッチングすることによって、平面視で略円形状となる複数の圧力室２１１と、複数の圧力室２１１に対して共通にインクを供給するための凹溝からなる共通流路２１２と、共通流路２１２と各圧力室２１１とを個別に連通し、共通流路２１２内のインクを圧力室２１１に供給するための細溝からなるインク供給路２１３とが凹設された流路形成基板である。

各圧力室２１１は、後述する中間プレート２２に形成された連通孔２２１との連通部となるための、一部が外側に膨出する形状となる膨出部２１１ａを有している。図１では、１６個の圧力室２１１をＡ方向に沿って配列したボディプレート２１を示しており、一つおきの８個ずつの圧力室２１１に対してそれぞれインクを供給するための２本の共通流路２１２が、間に圧力室２１１の列を挟むように配置されている。

ボディプレート２１の他方の面（図１における上面）には、各圧力室２１１の位置に対応するように圧力発生手段であるＰＺＴ等からなる圧電素子２１４が積層されており、この圧電素子２１４の駆動時に、該圧電素子２１４と圧力室２１１との間の壁面を振動板２１５として振動させることで、圧力室２１１内のインクに吐出のための圧力を付与するようになっている。なお、各圧電素子２１４は、上下両面に電極（図示せず）を有しており、上面電極は個別電極となり、下面電極はボディプレート２１上面に設けられた共通電極と接している。

各共通流路２１２は、ボディプレート２１の長手方向であるＡ方向に沿って延びており、その端部は、ボディプレート２１のＡ方向の両端部近傍においてボディプレート２１を表裏に貫通するように形成されている貫通口２１６にそれぞれ連通している。貫通口２１６は、ボディプレート２１の各端部において、２つずつがＡ方向と直交するボディプレート２１の短手方向であるＢ方向に沿うように並んで配置されており、各々共通流路２１２の端部と連通している。

中間プレート２２は、ボディプレート２１と平面視形状が同一形状で、厚みが１００〜３００μｍ程度のガラス基板からなり、ボディプレート２１と積層された際に、ボディプレート２１の圧力室２１１に形成された膨出部２１１ａに対応する位置に、それぞれ中間プレート２２を表裏に貫通し、吐出時のインク流路となる連通孔２２１が個別に形成されている。この中間プレート２２には、ホウケイ酸ガラス（例えばテンパックスガラス）が好ましく用いられる。

ノズルプレート２３は、厚みが１００〜３００μｍ程度のＳｉ基板からなり、中間プレート２２と積層された際に、中間プレート２２の連通孔２２１に対応する位置に、それぞれインク滴を吐出するノズル２３１が形成されている。各ノズル２３１はノズルプレート２３における中間プレート２２とは反対面に開口しており、中間プレート２２側の面からは、ノズル２３１と連通し、該ノズル２３１よりも大径な凹部からなる大径部２３２が凹設されている。

なお、ノズルプレート２３においてノズル２３１が開口するノズルの形成面（ノズル面）２３０には、不図示の撥インク膜が形成されている。

ヘッド基板２は、圧力室２１１の膨出部２１１ａ、連通孔２２１、大径部２３２（ノズル２３１）がそれぞれ連通するように、ボディプレート２１、中間プレート２２及びノズルプレート２３が位置合わせされて積層され、一体に接合されることによって構成される。ボディプレート２１、中間プレート２２及びノズルプレート２３の接合方法としては、一般に陽極接合が用いられる。

これらボディプレート２１、中間プレート２２及びノズルプレート２３の接合により、ボディプレート２１の圧力室２１１、共通流路２１２、インク供給路２１３の下面は閉塞されると共に、各共通流路２１２の両端部にそれぞれ連通する貫通口２１６は、ヘッド基板２の図１中の上面のみに開口し、各共通流路２１２へのインクの供給又は各共通流路２１２からのインクの排出のための開口部となる。

このヘッド基板２において、ノズル２３１は、Ａ方向に沿って１列になるように配列されている。このインクジェットヘッド１では、この全てのノズル２３１を含む図１に示す領域ａがノズルの形成領域である。このノズルの形成領域ａは、ノズル列の両端部に位置するノズル２３１、２３１からその内側のノズル２３１を含む領域であり、インクジェットヘッド１の長手方向であるＡ方向に沿って延びている。

保持基板３は、ヘッド基板２の強度保持のために該ヘッド基板２に対して接着剤を用いて接合され、ヘッド基板２を保持固定する基板であり、厚みが０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度のＳｉ基板又はガラス基板からなる。ガラス基板としては、ヘッド基板２の中間プレート２２と同様、ホウケイ酸ガラス（例えばテンパックスガラス）が好ましく用いられる。

保持基板３の平面視形状は、Ａ方向及びＢ方向のいずれにおいてもヘッド基板２よりも大きく形成されている。特に保持基板３のＡ方向に沿う両端部はヘッド基板２のＡ方向の両端からそれぞれ大きく張り出している。図２中の符号３１、３１は、ヘッド基板２のＡ方向の両端からそれぞれ張り出した保持基板３の張り出し部である。

保持基板３の中央部には、ヘッド基板２と接合された際に、該ヘッド基板２のボディプレート２１上に配列されている全ての圧電素子２１４を取り囲むことができる大きさの一つの開口部３２が貫通形成されている。開口部３２は図１中のＡ方向に沿って延びる矩形状に形成され、その内部にヘッド基板２上の全ての圧電素子２１４を取り囲み得るが、ヘッド基板２の両端部にそれぞれ開口する２つずつの貫通口２１６の位置までには至らない大きさに形成されている。保持基板３を平面から見た場合、ノズルプレート２３に配列されたノズル２３１の形成領域ａは、この開口部３２の領域の内側に含まれている。

保持基板３のＡ方向の両端部近傍には、それぞれヘッド基板２の上面に開口する２つずつの貫通口２１６を取り囲み得る大きさのインク流路となる貫通孔３３が１つずつ形成されている。従って、１つの貫通孔３３は、ヘッド基板２上に並列する２つの貫通口２１６、２１６と連通する。

この保持基板３は、開口部３２内にヘッド基板２上の全ての圧電素子２１４が位置すると共に、各貫通口２１６が貫通孔３３内に位置して連通するようにヘッド基板２と位置合わせされ、接着剤によって一体に接合される。保持基板３はＳｉ基板又はガラス基板からなり、ヘッド基板２を構成するＳｉ基板やガラス基板と線膨張係数が近いため、接着剤として熱硬化性接着剤等の加熱を伴う接合方法を用いた場合でも、この保持基板３とヘッド基板２との間の反りは抑制される。

また、保持基板３がガラス基板からなる場合は、紫外線透過性を有するため、接着剤としてＵＶ硬化性接着剤又はＵＶ熱硬化性接着剤を用いて、初期硬化において加熱を伴わない接合方法を用いてもよい。

なお、保持基板３の下面（ヘッド基板２との接合面）は、Ｂ方向が開口部３２よりも大きな領域に亘る凹部３４が形成されている。この凹部３４は、図３に示すように、保持基板３とヘッド基板２とが接合された際、ヘッド基板２の２本の共通流路２１２を含み得る大きさに形成されている。これにより、ヘッド基板２における全ての圧電素子２１４はもちろんのこと、各圧力室２１１、両端部を除く共通流路２１２、インク供給路２１３は保持基板３の凹部３４内に配置され、該保持基板３と直に接合されないようになっている。

外部配線部材４は、不図示の駆動回路からの駆動信号を各圧電素子２１４に印加するために、該駆動回路との間を電気的に接続する配線（図示せず）が設けられた配線部材であり、例えばＦＰＣ等からなる。外部配線部材４の一端は、保持基板３上のＡ方向に沿う開口部３２の一方側部に接着剤によって接合されている。外部配線部材４の各配線と各圧電素子２１４との間は、図３に示すように、保持基板３の開口部３２を利用して、ボンディングワイヤ４１によってそれぞれ個別に電気的に接続されている。

インク流路部材５は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の合成樹脂材料によって一面（図示下面）が開口する箱型形状に形成されており、保持基板３のＡ方向の両端部にそれぞれ１つずつ配置されている。

各インク流路部材５は、不図示のインクタンク等から供給されるインクを一旦貯留し、保持基板３の貫通孔３３、ボディプレート２１の貫通口２１６、共通流路２１２及びインク供給路２１３を介して、各圧力室２１１内にインクを供給し、又は、その逆に各圧力室２１１内のインクをボディプレート２１のインク供給路２１３、共通流路２１２、貫通口２１６及び保持基板３の貫通孔３３を介して受け入れ、不図示の廃インクタンク等に排出するためのものである。インク流路部材５の上面には、インク供給又はインク排出のための流路口５１が設けられている。

２つのインク流路部材５のうちの一方をインク供給用、他方をインク排出用として機能させてもよいが、両インク流路部材５をインク供給用として機能させてもよい。

インク流路部材５の内部には、貫通孔３３及び貫通口２１６を介して共通流路２１２に供給されるインクが通過し得るように、インク中のゴミや気泡等の不純物を取り除くためのフィルタ５２が設けられている。このフィルタ５２は、例えばＳＵＳ等の金属製メッシュが用いられ、インク流路部材５内の樹脂に対して溶着されている。

これらインク流路部材５は、ノズル２３１の形成領域ａに対応する保持基板３上の領域には接合されていない。ノズル２３１の形成領域ａは、平面視で保持基板３における開口部３２内の領域であるため、各インク流路部材５は、この開口部３２の領域の外側に配置されている。詳しくは、保持基板３のＡ方向の両端部であって、ノズル２３１の形成領域ａに対応する領域から外れた領域にそれぞれ配置され、保持基板３の上面に接着剤によって接合されている。

図１における保持基板３上の領域ｂ、ｂは、インク流路部材５の接合領域を示している。保持基板３の貫通孔３３は、それぞれ接合領域ｂの内側に位置しており、各インク流路部材５の内部と連通している。

従来のインク流路部材は、保持基板上のほぼ全面に対して１つのインク流路部材として接合されるものが一般的であるが、インク流路部材と保持基板との間の線膨張係数の相違によって両者間に長手方向に沿う反りが発生し、特にインク滴曲がりの発生原因となっていた。これはインク流路部材と保持基板との接合面が、ノズルの形成領域上にあり、ノズルの配列方向である保持基板の長手方向のほぼ全体に亘って長尺に形成されるためである。

しかし、本発明によれば、インク流路部材を２つのインク流路部材５、５に分け、これらをノズル２３１の形成領域ａを避けた保持基板３のＡ方向の両端部にそれぞれ接合しているため、最も反りの影響が大きくなるノズル２３１の形成領域ａ上には、インク流路部材５の接合面が存在しない。このため、インク流路部材５と保持基板３との間で発生する線膨張係数の相違に起因する反りの影響をほとんど無視できるようになる。その結果、ノズルの配列方向に沿う反りを抑制でき、インク滴曲がりの発生も抑制できて印刷品質を向上させることができるようになる。

インク流路部材５は２つ配置されるため、両インク流路部材５、５によって多量のインクを貯留できるため、貯留可能なインク量については、従来の１つだけのインク流路部材と比べて何ら遜色はない。

各インク流路部材５は同一形状（同一容積）とするものに限らず、必要に応じて形状（容積）を異ならせるようにしてもよい。また、ノズル２３１の形成領域ａを避けた保持基板３のＡ方向の両端部に配置されていれば、各端部に接合されるインク流路部材５はそれぞれ２つ以上あってもよい。

インク流路部材５の保持基板３に対する接合領域ｂは、図２に示すように、保持基板３の端部の張り出し部３１を含む大きさに形成することで、インク流路部材５の容積を大きくすることができる。この張り出し部３１の張り出し量を適宜設定することで、各インク流路部材５の高さを変化させることなく容積を調整することができる。

各インク流路部材５は、保持基板３のＡ方向の両端部に接合されるため、ノズル２３１の配列方向と直交する方向（Ｂ方向）への張り出し量が従来に対して大きくなることはない。このため、図７に示すように、複数のインクジェットヘッド１をノズル列方向（Ａ方向）と直交するＢ方向に並設しても、該Ｂ方向の幅をコンパクトな状態のままとすることができ、特に複数のインクジェットヘッド１を共通のキャリッジに搭載してＢ方向に沿って主走査移動しながら画像を記録する場合の移動幅をコンパクトにできるため、高速記録を行う上で好ましい。

なお、インクジェットヘッド１の反りは、インク流路部材５と保持基板３との接合面で発生するため、以上説明したように、この接合面がノズル２３１の形成領域ａに対応する領域から外れていればよい。従って、図８に示すように、インク流路部材５、５との内部を連結部材５３によって橋渡しするように連通させるようにしてもよい。これによって、インク流路部材５内（連結部材５３内を含む）に貯留可能なインク量を更に増加させることができる。

この場合、連結部材５３には、可撓性、伸縮性を有する例えば蛇腹管を用いると、インク流路部材５と保持基板３との間の線膨張係数の相違を連結部材５３によって吸収でき、反り抑制効果を減ずることはない。

１：インクジェットヘッド
２：ヘッド基板
２１：ボディプレート
２１１：圧力室
２１１ａ：膨出部
２１２：共通流路
２１３：インク供給路
２１４：圧電素子
２１５：振動板
２１６：貫通口
２２：中間プレート
２２１：連通孔
２３：ノズルプレート
２３０：ノズルの形成面（ノズル面）
２３１：ノズル
２３２：大径部
３：保持基板
３１：張り出し部
３２：開口部
３３：貫通孔
３４：凹部
４：外部配線部材
４１：ボンディングワイヤ
５：インク流路部材
５１：流路口
５２：フィルタ
５３：連結部材
ａ：ノズルの形成領域
ｂ：インク流路部材の接合領域

Claims

インクを吐出するための長手方向に配列された複数のノズルと、前記ノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、複数の前記圧力室に対応してそれぞれ設けられた圧力発生手段と、複数の前記圧力室に共通にインクを供給するための共通流路とを有し、Ｓｉ基板を含む基板材料によって形成されたヘッド基板と、
前記ヘッド基板における前記ノズルの形成面の反対面に接合することで該ヘッド基板を保持固定するＳｉ基板又はガラス基板からなる保持基板と、
前記保持基板における前記ヘッド基板との接合面の反対面に接合され、前記保持基板を介して前記ヘッド基板の前記圧力室に対してインクを供給する又は前記圧力室からのインクを排出するためのインクを収容する合成樹脂からなるインク流路部材と、を備えてなるインクジェットヘッドにおいて、
前記インク流路部材は、前記ノズルの形成領域に対応する前記保持基板上の領域には接合されておらず、該保持基板の長手方向の両端部であって、前記ノズルの形成領域に対応する領域から外れた領域にそれぞれ接合されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
前記保持基板は、前記ヘッド基板の長手方向の両端からそれぞれ張り出す張り出し部を有し、
前記インク流路部材と前記保持基板との接合領域は、前記張り出し部を含んでいることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記インク流路部材の内部に、前記共通流路に供給されるインクが通過するフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェットヘッド。