JP2007223251A - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 積層したヘッドチップで構成されるインクジェットヘッドにおいて、安定した吐出性能を提供する。
【解決手段】 積層したヘッドチップの間に伝熱部材を挟み、伝熱部材を介してヘッドチップの温度検出を行う構成とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、プリンタ、ファックスなどに適用されるインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置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としては、例えば、ノズル開口と連通する溝状のチャンバを並行に設け、このチャンバの両側の側壁に電極を形成した圧電素子からなる圧電セラミックプレートに、共通インク室を形成するインク室プレートを張り合わせてアクチュエータを形成し、側壁に電界を印加することで、チャンバの容積を変化させてノズル開口からインク滴を吐出させるヘッドチップが提案されている。このようなヘッドチップを駆動させると、アクチュエータ自身が圧電セラミックプレートの変形時のエネルギーロスにより発熱する。インクジェットヘッドから吐出されるインクの粘度は温度条件に応じて変化するため、インクの流れやすさやノズル開口に形成されるメニスカスの強度が変化する。このため、特開平５−１５５０２６号公報に示されるように、温度変化に応じて駆動条件を変化させないと、吐出が不安定になり、記録される画像の濃度なども不安定になる。

このようなインクジェットヘッドのうち、特開２００１−３１５３３３号公報に示されるように、圧電セラミックプレート同士を貼り合わせて、複数列に配したノズル開口群や圧力発生部群を有するインクジェットヘッドが知られている。このような構成の場合、特開２００１−３１５３５５号公報に示されるように、インク室プレートの外側に温度検出器を設置することが提案されている。
特開平５−１５５０２６号公報 特開２００１−３１５３３３号公報 特開２００１−３１５３５５号公報

しかしながら、圧電セラミックプレートは一般的に熱伝導性が悪く、発熱箇所であるアクチュエータの極めて近い部分に温度検出器を設置しなければ温度変化を敏感に検出することが難しい。特に吐出開始時などは一気に温度が上昇するため、温度変化を敏感に検出しなければ、吐出と画質を安定させることが困難である。

上記の課題を解決するために本発明は、ノズル開口に連通して並設された複数の溝を有する第一の圧電セラミックプレートと、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、ノズル開口に連通して並設された複数の溝を有する第二の圧電セラミックプレートと、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、からなるひとつ以上の第二のヘッドチップと、第一のヘッドチップと第二のヘッドチップの双方に接触して設置した熱伝導性の高い伝熱部材と、伝熱部材に設置した温度検出器、から構成される。

前記構造をとることにより、発熱部となる圧電セラミックプレートから熱伝導性の高い伝熱部材を介して、温度検出器により温度を検出できるため、圧電セラミックプレートの温度変化を敏感に検出することができる。温度変化を敏感に検出することにより、駆動条件の細やかな制御が可能となり、結果として安定した吐出性能を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態におけるインクジェットヘッドの斜視図である。図２は本実施形態に用いるヘッドチップの概略斜視図である。図３は本実施形態におけるヘッドチップブロックの概略斜視図であり、図４は従来のヘッドチップブロックの概略斜視図である。また、図５にその他の実施形態の例を示す。ヘッドチップブロックは概ね同一の構成からなる第一のヘッドチップ１０と第二のヘッドチップ２０を積層して構成しており、第一のヘッドチップ１０および第二のヘッドチップ２０は図２のような構成となっている。このように複数のヘッドチップを積層して設けることにより、インクの吐出密度を上げることができ、結果として印字の高速化を実現できる。

図１及び図２に示すように、本実施形態のインクジェットヘッド１はヘッドチップ１０（２０）と、ヘッドチップ１０（２０）のインク供給口１１２（２１２）と連通するように設けられるインク流路２と、ヘッドチップ１０（２０）を駆動するための駆動回路等が搭載された配線基板３０と、ヘッドチップ１０（２０）内の圧力変化を緩和させる圧力緩和機構７とを有し、これらの各部材はそれぞれベースプレート３に固定されている。

図２に示すようにヘッドチップ１０（２０）に設けた圧電セラミックプレート１０１（２０１）には、複数の溝状の溝１０２（２０２）が並設され、各溝１０２（２０２）は、側壁１０３（２０３）で分離されている。各溝１０２（２０２）の長手方向一端部は圧電セラミックプレート１０１（２０１）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、各溝１０２（２０２）内の両側壁１０３（２０３）の開口側表面には、長手方向に亘って、駆動電界印加用の電極１０５（２０５）が形成されている。

また、圧電セラミックプレート１０１（２０１）の溝１０２（２０２）の開口側には、インク室プレート１０７（２０７）が接着剤を介して接合されている。インク室プレート１０７（２０７）には、各溝１０２（２０２）の浅くなった他端部と連通する凹部となる共通インク室１１１（２１１）と、この共通インク室１１１（２１１）の底部から溝１０２（２０２）とは反対方向に貫通するインク供給口１１２（２１２）とを有する。

また、圧電セラミックプレート１０１（２０１）とインク室プレート１０７（２０７）との接合体の溝１０２（２０２）が開口している端面には、ノズルプレート１１５が接合されており、ノズルプレート１１５の各溝１０２（２０２）に対向する位置にはノズル開口５が形成されている。

なお、圧電セラミックプレート１０１（２０１）のノズルプレート１１５とは反対側でカバープレート１０７（２０７）とは反対側の面には、配線基板３０が固着されている。配線基板３０には、各電極１０５（２０５）とボンディングワイヤ１２１等で接続された配線パターン１２２が形成され、この配線パターン１２２を介して電極１０５（２０５）に駆動電圧を印加できるようになっている。

このように構成されるヘッドチップ１０（２０）では、インク供給口１１２（２１２）から各溝１０２（２０２）内にインクを充填し、所定の溝１０２（２０２）の両側の側壁１０３（２０３）に電極１０５（２０５）を介して所定の駆動電界を作用させると、側壁１０３（２０３）が変形して所定の溝１０２（２０２）内の容積が変化し、これにより、溝１０２（２０２）内のインクがノズル開口５から吐出する。このとき、圧電セラミックプレート１０１（２０１）は変形時のエネルギーロスにより発熱するため、連続してインク吐出を行う際などには、ヘッドチップ１０（２０）の温度が上昇し、それに伴ってインクの温度が上昇することになる。

図４に示すように、従来のヘッドチップブロックは、ノズル開口５に連通して並設された複数の溝を有する第一の圧電セラミックプレート１０１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１０７と、からなる少なくともひとつの第一のヘッドチップ１０と、ノズル開口５に連通して並設された複数の溝を有する第二の圧電セラミックプレート２０１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２０７と、からなるひとつ以上の第二のヘッドチップ２０と、第一のヘッドチップ１０あるいは第二のヘッドチップ２０の外周面に設置された温度検出器４、から構成されていた。第一のヘッドチップ１０と第二のヘッドチップ２０を積層した場合、インク供給口１１２（２１２）を確保するため第一の圧電セラミックプレート１０１と第二の圧電セラミックプレート２０１が対向して（背中合わせに）設置される。そのため温度検出器４は第一のインク室プレート１０７もしくは第二のインク室プレート２０７に設置されることになる。

先に説明した通り、ヘッドチップ１０（２０）の駆動をおこなうとヘッドチップ１０（２０）の温度上昇に伴い、ヘッドチップ１０（２０）を流れるインクの温度が上昇する。一般的にインクは温度変化に伴い粘度が変化し、ノズル開口５に形成されるメニスカスの強度や、インク流路２やヘッドチップ１０（２０）内における圧力損失が変化する。このため、駆動条件を一定としたまま吐出を続けると吐出が不安定になる恐れがある。ここで、ヘッドチップ１０（２０）に設置した温度検出器４によりヘッドチップ１０（２０）の温度を検出することにより、ヘッドチップ１０（２０）の温度に応じて駆動条件を制御することで、安定した吐出を実現することができる。しかしながら、圧電セラミックプレート１０１（２０１）は一般的に熱伝導性が悪く、温度変化を敏感に検出することが難しい。インク室プレート１０７（２０７）に熱伝導性の高い素材を選ぶこともできるが、第一のインク室プレート１０７に温度検出器４を設置した場合は、第二の圧電セラミックプレート２０１のみ駆動する条件下において、第一のセラミックプレート１０１を介して温度検出をおこなうことになり、やはり敏感に温度検出をおこなうことが難しい。

図３に示すように、本発明のヘッドチップブロックは、ノズル開口５に連通して並設された複数の溝を有する第一の圧電セラミックプレート１０１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１０７と、からなる少なくともひとつの第一のヘッドチップ１０と、ノズル開口５に連通して並設された複数の溝を有する第二の圧電セラミックプレート２０１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２０７と、からなるひとつ以上の第二のヘッドチップ２０と、第一のヘッドチップ１０と第二のヘッドチップ２０の双方に接触して設置した熱伝導性の高い伝熱部材６と、伝熱部材６に設置した温度検出器４、から構成される。本発明の伝熱部材としては、すくなくとも圧電セラミックプレートよりも熱伝導性が高く、ＰＺＴ等からなる圧電セラミックプレートと近い熱膨張率を有する材料が望ましい。ここで伝熱部材６は、例えば窒化アルミなどを用いる。本発明の構成では、第一の圧電セラミックプレート１０１と第二の圧電セラミックプレート２０１の双方に接触して伝熱部材６が設置されているため、一方のヘッドチップ１０（２０）を駆動した場合でも、敏感に温度変化を検出することができる。

特に、本実施形態においては、第一の圧電セラミックプレート１０１と第二の圧電セラミックプレート２０１の間に挟まれる構造として伝熱部材６を設けたため、効率的に双方の圧電セラミックプレートの温度を検出することが出来る。伝熱部材６の設置には熱伝導材のシリコーン系接着剤などを用いることにより、熱伝導性の低下を防ぐことができる。

また本発明の他の実施形態として、図５に示すように、第一のヘッドチップ１０の印字範囲と第二のヘッドチップ２０の印字範囲を一定距離ずらして設置し、第一のヘッドチップ１０と第二のヘッドチップ２０のお互いが接しない領域に伝熱部材６を設置するような構成とすることにより、同様に敏感な温度検出が可能となる。このとき、双方の印字範囲をずらす量は、インクジェットヘッド１が搭載されるインクジェット記録装置の被記録媒体の送り量により決定される。図５では伝熱部材６を分割しており、温度検出器４を複数としているが、伝熱部材６を一体とすることにより温度検出器４を一つにすることも可能である。

以上のような構成とすることにより、インクの粘度変化に対して敏感に吐出条件を制御することが可能となり、結果として安定した吐出を実現できる。

また、このように形成されたインクジェットヘッドは、例えば、インクジェット記録装置に装備されて使用される。この使用態様の一例の概略を図６に示す。

図６に示すように、インクジェットヘッド１は、一対のガイドレール４２ａ，４２ｂ上のキャリッジ４１に軸方向に移動自在に搭載されており、インクカートリッジ５０からインクチューブ５１を介してインクを供給し、ガイドレール４２ａ，４２ｂの一端側に設けられてキャリッジ駆動モータ４３に連結されたプーリ４４ａと、他端側に設けられたプーリ４４ｂとに掛け渡されたタイミングベルト４５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４２ａ，４２ｂに沿ってそれぞれ一対の搬送ローラ４６及び４７が設けられている。これらの搬送ローラ４６，４７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。

本図の形態はシリアル型のインクジェット記録装置おける印刷１色に対応した一つのインクジェットヘッド１を含む構成について説明したが、ヘッド固定型のライン型プリンタや被記録物を移動させるフラットベッド型のプリンタにおいても同様の効果が得られるものであり、本実施形態の主旨に沿うものであれば他の実施形態を排除するものではない。

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッド全体の斜視図 本発明の実施形態に係るヘッドチップ単体の概略斜視図 本発明の実施形態に係るヘッドチップブロックの概略斜視図 従来のヘッドチップブロックの概略斜視図 本発明のその他の実施形態に係るヘッドチップブロックの概略斜視図 本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置の概略斜視図

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ インク流路
３ ベースプレート
４ 温度検出器
５ ノズル開口
６ 伝熱部材
７ 圧力緩和部材
１０，２０ ヘッドチップ （第一のヘッドチップ 第二のヘッドチップ）
１０１，２０１ 圧電セラミックプレート（第一の圧電セラミックプレート 第二の圧電セラミックプレート）
１０２，２０２ 溝
１０３，２０３ 側壁
１０５，２０５ 電極
１０７，２０７ インク室プレート（第一のインク室プレート 第二のインク室プレート）
１１１，２１１ 共通インク室（第一の共通インク室 第二の共通インク室）
１１２，２１２ インク供給口
１１５ ノズルプレート

Claims (6)

1. ノズル開口に連通して並設された複数の溝を有する第一の圧電セラミックプレートと、
   前記溝のそれぞれにインクを供給する第一の共通インク室を有する第一のインク室プレートと、からなる第一のヘッドチップと、
   ノズル開口に連通して並設された複数の溝を有する第二の圧電セラミックプレートと、
   前記第二の圧電セラミックプレートに設けた溝のそれぞれにインクを供給する第二の共通インク室を有する第二のインク室プレートと、
   からなる第二のヘッドチップと、
   前記第一のヘッドチップと前記第二のヘッドチップの双方に接触して設置した伝熱部材と、
   前記伝熱部材に設置した温度検出器と、からなるインクジェットヘッド。
2. 前記伝熱部材を、前記第一のヘッドチップと前記第二のヘッドチップの間に挟まれる構造とした、請求項１のインクジェットヘッド。
3. 前記伝熱部材を、前記第一の圧電セラミックプレートと、前記第二の圧電セラミックプレートとの双方に接触して設置した、請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
4. 前記伝熱部材が、少なくとも圧電セラミックプレートよりも熱伝導性が高い伝熱部材であ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。
5. 前記伝熱部材を、窒化アルミとした、請求項１乃至４のいずれか１項記載のインクジェットヘッド。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項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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