JP2009051145A - 液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドの製造方法及び液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のノズル口9を備えたノズルプレート4と、ノズルプレートの内側面に接合されてノズル口が連通する圧力室8を形成するスリット状の空所を備えた圧延金属板から成るチャンバープレート5と、チャンバープレートの内側面に接合されてノズルプレートとの間で圧力室を形成する振動板6と、圧力室内の液体を加圧する圧力を発生させる圧力発生手段7と、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、チャンバープレートは、その圧延方向とスリット状の圧力室の長手方向とが略直交している。
【選択図】 図1
Description
特許文献1に係る液体吐出ヘッドにおいては、複数枚のプレートを積層することによりインク流路を形成したキャビティユニットが構成されている。これらのプレートは複数個のノズルを備えたノズルプレートと、各ノズルごとに圧力室を備えたベースプレートと、インク供給源に接続され、且つ各圧力室に接続するマニホールド室を有するマニホールドプレート等とから構成されている。圧力室を有するベースプレートを金属製圧延板材にて形成し、この圧延板を圧延加工する際の圧延方向を圧力室の列方向と略直交させ、且つ各圧力室の長手方向と平行状としている。これにより、凹凸条の圧延条痕の長手方向が隣接する圧力室に跨がることなくインクのリークを防止できる。
また、圧力室数を増やしてプレートを細長い形状にすると、圧力室の長手方向の剛性の低下が顕著になる。剛性の低下により、プレートの反りやたわみが発生しやすくなる。さらに、プレスなどの機械的工法で圧力室を形成した場合には、加工時のストレスによって、部品に反りや撓みが発生しやすい。特許文献1による構成ではそのような反りや撓みが大きくなる。また、圧力室数を増やすためには長いプレートが必要となるが、長いプレートを得るためには、幅広の圧延材が必要となる。幅広の圧延材は製造装置も大型となり、コスト高となってしまう。
特許文献2には、インクジェットヘッドのノズルプレートの製造方法が開示されているが、特許文献1と同様の欠点を有している。
請求項2の発明は、請求項1記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記チャンバープレートは略長方形状であり、その長辺を前記圧延方向と略平行にしたことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1、又は2記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記圧力室は前記圧延金属板をプレス装置によって加工することによって形成されることを特徴とする。
請求項4の発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、請求項3記載の液体吐出ヘッドの製造方法において、複数の前記圧延金属板をその圧延方向に沿って前記プレス装置に順次供給することにより各圧延金属板を連続してプレス加工することを特徴とする。
請求項5の発明に係る液体吐出装置は、請求項1乃至3の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
本発明では、圧力室の形成により剛性が小さくなる方向を、材料として剛性の大きい方向(圧延方向)に一致させている。そのため圧力室の形成によって低下する剛性の影響を小さくすることができる。剛性を確保することによってプレートの反りや撓みも抑制することができ、プレートの搬送、保持、接合、アライメントなどでの製造上の不具合を防止することができる。
チャンバープレートの圧力室をプレス加工によって形成することにより、チャンバープレートの長さが多種にわたっていても、ロール方向の長さを調整するだけで、複数の幅を有した圧延金属板を用意する必要がない。特に、複数のチャンバープレートを連続して作製する場合にも、ワークの送り、位置決めを行うリニアは一軸でよく、装置コストが低く、装置の大きさも小さくてすむ。また、圧延方向に複数のチャンバープレートを連続してプレス加工するので、大量に生産する場合には特に生産性の向上が図れる。
また、材料低コスト、製造コストが低く、精度のよい本発明の液体吐出ヘッドを利用することにより、低コストで高画質な液体吐出装置が実現できる。
なお、この実施形態ではインクジェットプリンタとしての液滴吐出装置に使用する液滴吐出ヘッドを例示して説明する。
この液体吐出ヘッドは、流路ユニット1とアクチュエータユニット(圧力発生手段)2とフレーム3とを一体に固定して構成されている。
流路ユニット1は、ノズルプレート4、チャンバープレート5、及び振動板6を順次積層し、アクチュエータユニット2を構成する圧力発生手段である個々の圧電振動子7の伸縮により圧力室8を縮小、膨張させてインク滴をノズル口9から前方(図面では上方)へ吐出するように構成されている。
即ち、最前面に位置するノズルプレート4の背面側には、これと一体化されて圧力室8等を形成するチャンバープレート5が配置され、更にチャンバープレート5の背面側には振動板6が固定配置されている。
また、振動板6には、フレーム3内に設けられた共通液室11と圧力室8とを連通させる液体供給口15が形成されている。また各共通液室11に対面する振動板の領域(ダンパー室23と対面する領域)にも上述のダイヤフラム部13と同様のダイヤフラム部14が配置されている。両ダイヤフラム部13、14は、一枚の可撓性板材により構成されている。
即ち、図2に示したチャンバープレート5は、剛性が高く、かつエッチングが可能な材料、例えばステンレス鋼を一方向に圧延した厚さ30乃至60μm程度の圧延金属板16により構成されている。圧力室8、流体抵抗部10、ダンパー室23となる部分には貫通口(空所)が形成されている。
本発明では、圧力室8の形成により剛性が小さくなる方向Bを、材料として剛性の大きい方向(圧延方向A)に一致させている。そのため圧力室の形成によって低下するチャンバープレート5の剛性の影響を小さくすることができる。剛性を確保することによってチャンバープレートの反りや撓みも抑制することができ、チャンバープレートの搬送、保持、接合、アライメントなどでの製造上の不具合を解消することができる。
本発明では、圧力室8の形成により剛性が小さくなる方向Bを、材料として剛性の大きい方向(圧延方向A)に一致させているので、圧力室の形成によって低下する剛性の影響を小さくすることができる。
振動板6は、圧延金属板に対して、圧電振動子7の変位により弾性変形が可能で、インク(吐出液体)に対する耐蝕性を備えた例えばポリイミド(PI)やポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂等の高分子フィルムを積層して構成されている。振動板6を構成する圧延金属板の要所に貫通孔からなる図示しない位置決め孔が穿設されており、ダイヤフラム部13、14を形成すべき領域をエッチングして圧延金属板により凸部12を形成している。
このように構成された振動板6は、一方の面にノズルプレート4が積層されたチャンバープレート5の他方の面に対して、各凸部12、及びダイヤフラム部13が圧力室8に対して規定の位置となるように位置決め孔37を用いて位置合わせして積層される。
振動板6の内側(圧力室8と反対面側)には、アクチュエータユニット2が配置されており、各圧力室8に対応して圧力発生手段としての圧電振動子7を接合している。これらの振動板6と圧電振動子7によって振動板6の可動部分であるダイヤフラム部13を変形させる圧電型アクチュエータを構成している。
この液体吐出ヘッドでは、圧電振動子7を溝加工(スリット加工)によって分断することなく形成する。また、圧電振動子7の一端面には各圧電振動子7aに駆動波形(交番電流)を与えるためのFPCケーブル20を接続している。
なお、圧電振動子7の圧電方向としてd33方向の変位を用いて圧力室8内の液体を加圧する構成とすることも、圧電振動子の圧電方向としてd31方向の変位を用いて圧力室内の液体を加圧する構成とすることもできる。本実施形態ではd33方向の変位を用いた構成をとっている。
また、自己発熱によりヘッド内部の温度上昇が発生し、液体温度が上昇するが、液体の温度が上昇すると、液体粘度が低下し、噴射特性に大きな影響を与える。したがって、ベース部材21を金属材料で形成して圧電振動子7の自己発熱による蓄熱を防止することで、これらの接合強度の低下、液体粘度の低下による噴射特性の劣化を防止することができる。
また、FPCケーブル20には各チャンネル(各圧力室8に対応する)を駆動する駆動波形(電気信号)を印加するためのドライバIC22を複数搭載している。
チャンバープレート5に形成されたダンパー室23は、ノズルプレート4と振動板6の一部であるダイヤフラム部14とによって密封されており、ダンパー室23は、ダイヤフラム部14を介して共通液室11と対面している。ダンパー室23は、ノズルからの液体吐出によって共通液室11内に発生する圧力波を減衰させ、液体吐出を安定させる役割を果たす。
圧電振動子7は、圧電層(圧電材料層)24の内部に内部電極25A及び内部電極25Bとを交互に積層し、両端面に共通側外部電極26と個別側外部電極27とを設けた状態で、スリット加工(溝加工)を施して図示しない溝を入れることにより、複数の圧電素子を形成している。
液滴の吐出に伴って圧力室8内の液圧力が低下し、このときの液流れの慣性によって圧力室8内には若干の負圧が発生する。この状態の下において、圧電振動子7への電圧の印加をオフ状態にすることによって、ダイヤフラム13、14が元の位置に戻って圧力室8が元の形状になるため、さらに負圧が発生する。このとき、液体貯留室と連通した液供給路29から共通液室11、流体抵抗部10を経て圧力室8内に液体が充填される。そこで、ノズル口9のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の液滴吐出のために圧電振動子7aにパルス電圧を印加し液滴を吐出させる。
なお、ここでは、押し打ちで液滴を吐出させる方式で説明したが、引き打ちや、引き−押し打ちで液滴を吐出させる方式とすることもでき、これらは駆動波形によって任意に選択設定することができる。
このようにチャンバープレート5に細長いスリット状の圧力室8を多数並べて、ノズル数を増やすことにより高速化を実現することができる。その場合、図3に示すように、チャンバープレート5の全体形状は圧力室の配列方向Aに沿って細長い形状となる。
本発明ではプレート外形の長辺を、圧延方向Aと略平行としている点が特徴的である。圧延板の剛性は、圧延方向に平行方向は、圧延方向と直交する方向よりも剛性が大きい。長尺化に伴いプレート部品の反りや撓みが問題となってくるが、本発明では、プレート外形の長辺を圧延方向Aと略平行としているので、細長い長尺プレートの長尺方向の剛性を大きくすることができ、反りや撓みを小さくすることができる。
まず、工程(1)では、基材となる厚さ40μmの板材30(SUS材)の両面にディッピングによりレジスト31を塗布し、ベーク乾燥する。
工程(2)では、アライメントされた圧力室、流体抵抗などのパターンが形成された2枚のマスク32間に板材30を挟み込み、両面から露光する。これにより、マスク32の開口から露出したレジスト31が露光する。
工程(3)では、現像により露光部分のレジスト31を開口する。
工程(4)では、エッチング液をスプレーによって噴射して、レジスト開口部分の板材30をエッチングすることによって、圧力室、流体抵抗などの貫通パターンが形成される。高密度に配列されたパターンを形成する場合、両面からのエッチングが有効である。
工程(5)では、レジスト31を剥離液で除去する。大判シートあるいはロール状態で工程を流していた場合には、この後に各チップに分割する。
以上のようにエッチング加工により圧力室8、流体抵抗部10の各パターンが形成されたチャンバープレート5が作製できる。ここで、圧延方向に対して直交する方向が、個々の圧力室8の長手方向となるように形成し、プレート外形の長辺を、圧延方向と略平行としているので、細長い長尺チャンバープレートの長尺方向の剛性を大きくすることができ、反りや撓みを小さくすることができる。
このプレス装置は、上面にワークとなる板材30を支持して矢印方向Cに移動させるダイ34と、ダイ34に設けた穴34a内に上方から押し込まれて先端の刃部で板材30を切断、打ち抜きするパンチ33と、パンチによる打ち抜き時に板材30をダイ34との間で押さえ込むストリッパー35と、を概略備えている。
SUSなどの圧延金属板30は矢印C方向にリニアで精度良く送られる。所定位置でストリッパー35が降下して板材をダイ34とで挟んで固定し、パンチ33が降下して板材30を打ち抜く。打ち抜かれたカス36は下に落下する。パンチ33、ダイ34、ストリッパー35は圧力室、流体抵抗等を構成する空所に対応した形状になっている。ここで圧延金属板30の圧延方向は矢印A方向になっている。
図2、図3の場合と同様に圧延方向Aに対して直交する方向Bが、個々の圧力室8の長手方向となるように形成し、プレート外形の長辺を、圧延方向と略平行としているので、細長い長尺チャンバープレートの長尺方向の剛性を大きくすることができ、反りや撓みを小さくすることができる。特にプレスで加工した場合、圧延金属板に加工時の応力が発生しやすく、完成したチャンバープレートに反りや撓みが発生しやすいが、本発明の構成によれば、長尺方向の剛性が大きいために反りや撓みを小さくすることができる。
製品のラインナップのためにノズル数の少ない低価格機、ノズル数の多い高速機などを製造する場合、各機種に応じてチャンバープレートの長さが変わってくる。圧力室の長手方向を圧延方向と平行とした場合には、チャンバープレートの長さに応じた複数の幅の圧延金属板を準備する必要がある。
これに対して、本発明のように圧延方向Aに対して直交する方向が個々の圧力室8の長手方向となるように形成する(圧力室の配列方向をロールの長手方向と一致させる)ことによって、チャンバープレートの長さが多種にわたっていても、ロール方向の長さを調整するだけで、圧延金属板は複数の幅を用意する必要がない。
さらに、複数の圧延金属板をプレス装置に供給して連続してプレス加工することによってチャンバープレートを連続して製造することもでき、大量に生産する必要がある場合には特に生産性の向上が図れる。
なお、図5には、図3に示されている位置決め孔37やダンパー室23などが省略されているが、これらの形状に対応したパンチとダイもプレス装置に備えることによって、位置決め孔やダンパー室を形成できることは言うまでもない。
図1の実施形態に係る液体吐出ヘッドでは、振動板6、チャンバープレート5、ノズルプレート4を積層することによって流路ユニット1を構成していたが、本実施形態では、図6に示すように、振動板6、チャンバープレート5、リストリクタプレート38、ノズルプレート4によって流路ユニット1を構成している。
図7はチャンバープレート5とリストリクタプレート38の要部平面図であり、何れもほぼ同形状、同寸法、同配置で、圧力室8となるスリット8を有している。各プレートを重ねた時に各スリット8は整合状態で連通した状態となる。リストリクタプレート38側のスリット8には流体抵抗部10が設けられている。
圧力室8を狭ピッチで配列することによる高密度化実現のためには、製造方法としてエッチングを採用するか、或いはプレスを採用するかに関わらず、工法上、圧延金属板の板厚は薄い方が好ましいが、板厚が薄くなると圧力室8の高さが低くなり、圧力室の流体抵抗値が大きくなる。その結果、液吐出周波数を大きくしてゆくと液の供給が液吐出に追いつかなくなり吐出不良が生じる。
本実施形態においても、チャンバープレート5とリストリクタプレート38は個々の圧力室8の長手方向Bが圧延方向Aと直交する方向となるように形成し、プレート外形の長辺を圧延方向と略平行としているので、細長い長尺チャンバープレートの長尺方向の剛性を大きくすることができ、反りや撓みを小さくすることができる。
次に、各実施形態では圧電振動子7をd33方向へ変位させる例を示したが、d31方向の変位を用いることも可能である。
この際、治具などを用いてベース部材21のエッジと圧電振動子7が平行となるように位置合わせされる。ダイシングあるいはワイヤーソーなどを用いて、圧電振動子7とベース部材21上の薄膜電極39を同時に切断し、等ピッチで並ぶ個別圧電振動子を形成するとともに、薄膜電極39をも分割して各個別圧電振動子ごとの引き出し電極を設ける。引き出し電極にFPC20を半田やACFなどによって接合する。
上述の実施形態においては、圧力室列を2列としたものを一例として説明したが、圧力室列数は2列に限らず1列、或いは4列、6列等々にも適用することができ、多列のものであっても本発明は有効である。
なお、上記各実施形態においては、圧延金属板としてステンレス(SUS)鋼を使用した例を示したが、圧延加工及びエッチングが可能で、しかも接着性が高い他の金属、例えば銅、ニッケル、鉄を使用してもよく、同様の効果を得ることができる。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部82等を収納し、装置本体81の下方部には前方側から多数枚の用紙83を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)84を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙83を手差しで給紙するための手差しトレイ85を開倒することができ、給紙カセット84或いは手差しトレイ85から給送される用紙83を取り込み、印字機構部82によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ86に排紙する。
またキャリッジ93にはヘッド94に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ95を交換可能に装着している。
インクカートリッジ65は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド64を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ63は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド91に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド92に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ93を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ97で回転駆動される駆動プーリ98と従動プーリ99との間にタイミングベルト100を張装し、このタイミングベルト100をキャリッジ93に固定しており、主走査モータ97の正逆回転によりキャリッジ93が往復駆動される。
そして、キャリッジ93の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ104から送り出された用紙83を記録ヘッド94の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材109を設けている。この印写受け部材109の用紙搬送方向下流側には、用紙83を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ111、拍車112を設け、さらに用紙83を排紙トレイ86に送り出す排紙ローラ113及び拍車114と、排紙経路を形成するガイド部材115、116とを配設している。
記録時には、キャリッジ93を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド94を駆動することにより、停止している用紙83にインクを吐出して1行分を記録し、用紙83を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙83の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙83を排紙する。
キャリッジ93は印字待機中にはこの回復装置117側に移動されてキャッピング手段でヘッド94をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド94の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
本発明の液体吐出ヘッドは、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対して記録を行うプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置に適用することができる。
以上のように本発明の液体吐出ヘッドは、液体吐出ヘッドを構成する圧延金属板としての金属プレートが、圧延金属板の圧延方向と、該圧延金属板に形成された圧力室の長手方向とが略直交するように構成されているので、スリット状の圧力室8を多数配列した場合、チャンバープレートの剛性は圧力室の長手方向と直交する方向が構造的に剛性が小さくなる。
本発明では、圧力室の形成により剛性が小さくなる方向を、材料として剛性の大きい方向(圧延方向)に一致させている。そのため圧力室の形成によって低下する剛性の影響を小さくすることができる。剛性を確保することによってプレートの反りや撓みも抑制することができ、プレートの搬送、保持、接合、アライメントなどでの製造上の不具合を防止することができる。
チャンバープレートの圧力室をプレス加工によって形成することにより、チャンバープレートの長さが多種にわたっていても、ロール方向の長さを調整するだけで、複数の幅を有した圧延金属板を用意する必要がない。特に、複数のチャンバープレートを連続して作製する場合にも、ワークの送り、位置決めを行うリニアは一軸でよく、装置コストが低く、装置の大きさも小さくてすむ。また、圧延方向に複数のチャンバープレートを連続してプレス加工するので、大量に生産する場合には 特に生産性の向上が図れる。
また、材料低コスト、製造コストが低く、精度のよい本発明の液体吐出ヘッドを利用することにより、低コストで高画質な液体吐出装置が実現できる。
なお、振動板は必須ではなく、本発明は振動板を有しないサーマルタイプ(熱吐出)のヘッドにも適用することができる。
Claims (5)
- 液体を吐出する複数のノズル口を備えたノズルプレートと、該ノズルプレートの内側面に接合されて前記ノズル口が連通する圧力室を形成するスリット状の空所を備えた圧延金属板から成るチャンバープレートと、前記圧力室内の液体を加圧する圧力を発生させる圧力発生手段と、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記チャンバープレートは、その圧延方向とスリット状の前記圧力室の長手方向とが略直交していることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項1記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記チャンバープレートは略長方形状であり、その長辺を前記圧延方向と略平行にしたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 請求項1、又は2記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記圧力室は前記圧延金属板をプレス装置によって加工することによって形成されることを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 請求項3記載の液体吐出ヘッドの製造方法において、複数の前記圧延金属板をその圧延方向に沿って前記プレス装置に順次供給することにより各圧延金属板を連続してプレス加工することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項1乃至3の何れか一項に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
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