JP4466331B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置に関する。
現在市販されている水性インクジェットプリンターは、概ね粘度5cps前後、高々10cpsオーダの染料インクや顔料インクを採用している。媒体に着弾した際のインク滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制/短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度を増加することによってプリント性能は向上できることが知られている。
反面、高粘度インクを吐出するには、高出力な圧力発生機構が必要であり、コストやヘッドサイズ増加等の弊害を招く。従来からイジェクターにヒーターを別途設け、吐出時のインク粘度を強制的に下げる技術は公知である(例えば、特許文献1参照)が、インクを加熱する上記の方法はインク劣化や流路のダメージを早める根本課題があり、また使用できるインクも熱による劣化のないものに制限される。
このほか、インク吐出する際の逆方向へのインク流を梁状の弁によって抑制し、より高粘度なインクを吐出する技術(例えば、特許文献2参照)が開示されている。
大変形が得られる座屈曲がりを利用し、圧力発生機構自体をパワーアップする方法として、発熱体層との熱膨張差で変形するダイヤフラム状アクチュエータを使用した技術(例えば、特許文献3参照)、また、同様の構成で片持ち梁状のアクチュエータを使用した技術(例えば、特許文献4参照)が開示されている。
例えば図8に示すインクジェット記録ヘッド100はインク室106中のインク101をアクチュエータ102を図8(a)から図8(b)のように変形させることによって急激に加圧し、ノズル104からインク滴108として吐出させる。
しかしながら、上記の従来技術でも、粘度10cpsを大きく上回る50〜100cpsのような高粘度インクを、常温において安定吐出することは極めて困難である。本発明の目的は、これらの課題を解決し、特に常温で50〜100cpsオーダの高粘度インクが吐出可能なインクジェット記録ヘッドを提供することにある。具体的には、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用し、ノズルからインク滴を慣性離脱させるインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を提供する。
特開2003−220702号公報 (図1、第4頁〜第6頁) 特開平9−327918号公報 (図1、第8頁〜第9頁) 特開2003−118114号公報 (図3、第4頁〜第5頁) 特開2004−34710号公報 (図13、第6頁〜第8頁)
本発明は上記事実を考慮し、常温で高粘度インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載のインクジェット記録ヘッドは、内部にインク流路を備えたインク流路部材と、前記インク流路部材と接合され一体に変形する梁部材と、前記インク流路部材の長手方向略中央に設けられ、インク滴を吐出するノズルと、を備え両側から押圧され両端を保持された前記梁部材長手方向両側から押圧すると共にインク滴吐出方向に凹となるように弾性曲げ変形させた後、インク滴吐出方向に凸となるように弾性曲げ変形させて前記梁部材を座屈反転変形させ前記ノズル内部のインクに吐出方向の慣性を与え、インク滴として前記ノズルより吐出させる駆動手段を有することを特徴とする。
上記構成の発明では、ノズルが設けられたインク流路部材と接合され、一体に変形する梁部材長手方向両側から押圧すると共にインク滴吐出方向に凹から凸となるように弾性曲げ変形させ、座屈反転変形させることで、ノズルからインク滴を慣性離脱させて吐出する方法を用いたので、従来のサーマルあるいはピエゾ方式などに比較してインクの粘性が高くても吐出可能となる。
請求項2に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記駆動手段は前記梁部材の長手方向両端または一端を保持して回動自在であり、前記梁部材がインク滴吐出方向に凹となるように回動したのち、前記梁部材がインク滴吐出方向に凸となるように座屈反転変形させ、前記ノズル近傍のインクに吐出方向の慣性を与えノズルより吐出させることを特徴とする。
上記構成の発明では、駆動手段によって吐出方向に凹となるように予備変形させた梁部材を凸に座屈反転させインク滴を吐出させることで、予備変形の有無によって座屈反転の有無すなわちインク滴の吐出の有無を制御できる。
請求項3に記載のインクジェット記録ヘッドは、内部にインク流路を備えたインク流路部材と、前記インク流路部材と接合され一体に変形する梁部材と、前記インク流路部材の長手方向略中央に設けられ、インク滴を吐出するノズルと、前記梁部材の両端を保持する保持部材と、前記保持部材の一方または両方を支持し、回動して前記梁部材を押圧する回転エンコーダと、を備え、前記保持部材は前記回転エンコーダの回転中心よりオフセットして支持されることにより、前記回転エンコーダの回転によって前記梁部材を長手方向両側から押圧すると共にインク滴吐出方向に凹となるように弾性曲げ変形させた後、インク滴吐出方向に凸となるように曲げ変形させて前記梁部材を座屈反転変形させ前記ノズル内部のインクに吐出方向の慣性を与え、インク滴として前記ノズルより吐出させることを特徴とする。
上記構成の発明では、梁部材に加える圧縮量すなわちエンコーダの回転量によって梁部材の座屈反転の有無、つまりインク滴の吐出の有無を制御できる。
請求項4に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記回転エンコーダの回転角度を変更することで前記梁部材の前記ノズル近傍におけるインク滴吐出方向の移動距離を制御し、前記移動距離の長短で前記ノズル近傍のインクに加わる慣性の大小を制御することにより、吐出されるインク滴の大小を制御することを特徴とする。
上記構成の発明では、梁部材に加える圧縮量すなわちエンコーダの回転量によってインク滴に加わる慣性の大きさ、つまりインク滴の大小を制御できる。
請求項5に記載のインクジェット記録ヘッドは、内部にインク流路を備えたインク流路部材と、前記インク流路部材の長手方向略中央に設けられ、インク滴を吐出するノズルと、前記インク流路部材と接合され、もしくは前記インク流路部材を含み、予め長手方向両側から押圧されると共に、インク滴吐出方向と反対側に、インク滴吐出方向に凹となる方向に曲げて配置された梁部材と、前記梁部材をインク滴吐出方向に凸となる方向に撓ませるアクチュエータと、を備え、前記アクチュエータはインク滴吐出方向に凹となった前記梁部材を、インク滴吐出方向に凸となる方向に座屈反転させ、前記インク流路内部のインクに吐出方向の慣性を与えることで前記ノズルからインク滴を吐出させることを特徴とする。
上記構成の発明では、吐出方向に凹となる予備変形を加えた梁部材をアクチュエータで凸方向に座屈変形させてインク滴を吐出させることで、単純な構造で高粘度インクを吐出可能とできる。
請求項6に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記アクチュエータは、前記梁部材の長手方向長さの略半分にわたって設けられたことを特徴とする。
上記構成の発明では、アクチュエータを梁部材の略半分の長さとしたことで、座屈反転の撓みが最も大きくなる梁中央部においてアクチュエータが破損することが防止され、座屈変形を起こす箇所を梁部材の中央近傍に規定できる。
請求項7に記載のインクジェット記録ヘッドは、前記アクチュエータはピエゾアクチュエータであることを特徴とする。
上記構成の発明では、比較的低い応答速度でよいアクチュエータに大変位が得られるピエゾ素子を用いることで、安価で信頼性の高いインクジェット記録ヘッドとすることができる。
請求項8に記載のインクジェット記録装置は、請求項1〜請求項7のいすれか1項に記載のインクジェット記録ヘッドを使用したことを特徴とする。
上記構成の発明では、高粘度のインクを記録媒体に吐出させることができる。従来のインクジェット記録装置と比較して、滲みのない優れた品質の記録を行うことができる。
本発明は上記構成としたので、常温で高粘度インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置とすることができた。
図1には、本発明の第1実施形態に係るインクジェット記録ヘッドが示されている。
図1に示すようにインクジェット記録ヘッド10は、内部にインク流路13を備え長さ方向略中央にノズル16を備えたインク流路部材12と、インク流路部材12を支持する梁部材14とが接合され、両端を保持部材18が支持する構造となっている。インク流路部材12は、インク吐出方向(図中白矢印)および逆方向に撓み可能であり、インクプール24から供給されインク流路13を通ってノズル16まで達したインクを慣性によって吐出方向にインク滴として吐出する。
ここで用いられるインクは前述のように、媒体に着弾した際のインク滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制/短時間乾燥、あるいは、そうした高品質インクをトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度の極めて高い、具体的には粘度10cpsを大きく上回るような(例えば50〜100cps)高粘度インクである。
保持部材18は回転エンコーダ20に設けられたアーム22に固定され、回転エンコーダ20の回転中心からアーム22の長さ分だけオフセットされた位置にて両側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられインク吐出方向あるいは逆方向に梁部材14と接合したインク流路部材12を撓ませる。
保持部材18は図1(b)のように、保持部材18に複数のインク流路部材12が設けられた梯子状の構造であってもよい。
以下に実際の動作について説明する。
図2(a)のようにインク流路部材12が予めインク吐出方向(図中上)に撓みを持たせた状態であり、この状態での回転エンコーダ20の角度を0度とした場合、図2(b)のように回転エンコーダ20を矢印方向に、例えば0度〜プラス20度に回転させると、図2(c)、図2(d)のようにインク流路部材12はインク吐出方向に撓むのみであって、撓み量が最大となる図2(d)に至るまでインク流路部材12は常にインク吐出方向に凸であり続ける。
すなわち図2(a)から図2(d)まで変位するまでの間にインク流路部材12内部のインクに吐出方向への十分な加速度が加わらないため、インク滴としてノズル16から吐出されることはない(拡大図(e))。
一方、図3(a)に示すように、インク流路部材12が予めインク吐出方向(図中上)に撓みを持たせた状態であっても、逆回転方向(図中矢印方向)に回転エンコーダ20を、例えばマイナス5度に回転させると、インク流路部材12はインク吐出方向に凸から凹へと撓み方向が変化する(図3(b))。
次に図3(c)で、ここから再び回転エンコーダ20をマイナス5度〜プラス20度に正転(図中矢印方向)させるとインク流路部材12は回転エンコーダ20に近い方から次第に吐出方向(図中上)に凸へと撓み方向が変化する。この変化が両端から中央に近付くと、インク流路部材12(あるいは梁部材14)はある点で急峻な座屈反転を起こし、インク吐出方向(図中上)へと急激に変形する(図3(d))。
インク流路部材12の長さ方向略中央にはノズル16が設けられているため、ノズル16まで達しているインクはこの座屈反転によるインク流路部材12の吐出方向への変形に伴い、ノズル16からインク滴2として吐出される。
この座屈反転による変形の速度は通常のアクチュエータなどによる変位と比較すれば非常に大きなものであり、本発明に採用した高粘度インクであっても十分にインク滴2として吐出することが可能である。
図3(c)から図3(d)間のインク流路部材12(梁部材14)の変位とインク滴2の吐出の関係を図4に示す。
図4にはインク流路部材12が座屈反転を起こす直前からインク滴を吐出した直後までのインク流路部材12(梁部材14)の、ノズル16近傍の移動距離の時間による変化が示されている。
梁部材14が座屈反転を起こす直前(a’)はインク吐出方向に対して略静止状態なのでノズル16内のインクの液面に変動はない(a)。
座屈反転が起こり始めると(b)、吐出方向に向けて急激に移動が始まるので、インクは慣性のため反対方向に押圧される形となり、ノズル16内のインク面は内側に凹となる。
このまま座屈反転による変形が続き、やがて梁部材14の変形が最大量となる手前で吐出方向への変位速度が落ち始める(c)。内部のインクは慣性のため等速度で吐出方向に進もうとするので、両者の速度差によりノズル16からインク滴2が突出し始める。
梁部材14の変形が最大量となれば吐出方向への変位は停止するので(d’)、インク滴2のみがノズル16から突出し(d)、そのまま慣性に従ってインク滴2は吐出方向に撃ち出される(e)。
梁部材14の座屈反転による(a)〜(e)までの変位は極めて短い時間のあいだに起こるので、インクの粘性が高い本発明においても極めて良好な吐出性能が得られる。また、回転エンコーダ20は保持部材18の片方のみに設けてもインク滴2を吐出させることができる。
具体的には、梁部材14は20μm厚で、長さ10mmのSUSプレート、流路部材12は50μm厚の樹脂フィルムを使用し、フォトリソ法で流路13をパタニングした後、梁部材14に積層接合する。流路部材12をパタニングした後の流路13の幅は50μmとした。ノズル16は25μm厚のポリイミドフィルムにレーザ加工を利用してφ30μmの孔を穿孔加工する。フィルム間はエポキシ系接着剤を用いて接合し、さらに剛体で製作した保持部材18にエポキシ系接着剤で接合したものを使用する。
回転エンコーダ20と保持部材18は、回転エンコーダ20の回転中心から2.5mmオフセットさせた状態で接合し、インクを吐出させる時(梁座屈反転させる時)は回転エンコーダ20をマイナス5〜プラス20度に回転させる。この時、梁部材14の中央部は、インク吐出方向に約10m/sの速度で、1mm程移動する。グリセリンの混合比を増加させて50cps粘度に調整したインクは約25μm径、100cps粘度のインクは約20μm径のインク滴2としてノズル16から吐出する。
吐出実験では吐出周期は3Hzで駆動し、ストロボ法によってインク滴2を観察した。なお、回転エンコーダ20をマイナス5〜プラス30度回転に回転角度を増やすと、吐出するインク量は増大し、50cps粘度のインクは約30μm径、100cps粘度のインクは約25μm径のインク滴2として吐出した。
上記のように梁部材14の座屈曲がり反転を利用し、慣性でインク滴2を吐出する本方法は、従来技術では極めて困難であった50〜100cpsの高粘度インクを、加熱することなく吐出することが可能である。
また梁部材14に加える圧縮と回転の量、すなわち回転エンコーダ20の回転角度によって、インク滴2を吐出させる/吐出させない(座屈反転が起こるか/起こらないか)を制御することが可能であり、また梁部材14に加える圧縮と回転の量によってインクに加える慣性の大きさを可変でき、吐出するインク滴2の液量を変えることが可能となる。
図5には、本発明の第2実施形態に係るインクジェット記録ヘッドが示されている。
図5に示すようにインクジェット記録ヘッド11は、内部にインク流路13を備え長さ方向略中央にノズル16を備えたインク流路部材12と、インク流路部材12を支持する梁部材14とが接合され、両端を保持部材18が支持する構造となっている。インク流路部材12は、インク吐出方向(図中白矢印)および逆方向に撓み可能であり、インクプール24から供給されインク流路13を通ってノズル16まで達したインクを慣性によって吐出方向にインク滴として吐出する。
梁部材14にはピエゾ素子30が長さ方向の片側の略半分まで接合され、ピエゾ素子30によって梁部材14は曲げ方向に力が加えられインク吐出方向あるいは逆方向に梁部材14および梁部材14と接合したインク流路部材12を撓ませる。
ピエゾ素子30には個別電極32が形成されており、さらに信号線34が設けられている。信号線34は図示しないスイッチングICへ接続され、ON/OFF制御によってインク滴を吐出する/しないの制御を受ける。
梁部材14はピエゾ素子30の共通電極を兼ねており、一方でピエゾ素子30と接続され、他方で図示しない電源と接続されている。ピエゾ素子30、個別電極32、梁部材14を併せてアクチュエータ36として扱うことができる。
以下に実際の動作について説明する。
図6には、本発明の第2実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作が示されている。
図6(a)のようにインク流路部材12(梁部材14等は省略)は予めインク吐出方向と逆(図中下)に撓みを持たせた状態で保持されている。
ここでピエゾ素子30(アクチュエータ36を構成する他の要素は省略)が図示しないスイッチングICからの信号により駆動され、インク流路部材12をインク吐出方向(図中上)に撓ませる(図6(b))。
これによりインク流路部材12は保持部材18に保持された両端部から、インク吐出方向(図中上)に撓み始める。ノズル16の設けられた中央近傍はこの段階では反吐出方向(図中下)に凸すなわち吐出方向に凹となっている。
ピエゾ素子30による変形がさらに進み、インク流路部材12がインク吐出方向に座屈反転すると(図6(c))、インク流路部材12は保持部材18に近い方から次第に吐出方向(図中上)に凸へと撓み方向が変化する。この変化が両端から中央に近付くと、インク流路部材12(あるいは梁部材14)はある点で急峻な座屈反転を起こし、インク吐出方向(図中上)へと急激に変形する。
インク流路部材12の長さ方向略中央にはノズル16が設けられているため、ノズル16まで達しているインクはこの座屈反転によるインク流路部材12の吐出方向への変形に伴い、ノズル16からインク滴2として吐出される(図6(d))。
この座屈反転による変形の速度は通常のアクチュエータなどによる変位と比較すれば非常に大きなものであり、本発明に採用した高粘度インクであっても十分にインク滴2として吐出することが可能である。すなわち、アクチュエータ36による変位がゆっくりとしたものであっても、座屈反転による変形は十分に高速なので、高粘度のインクを使用していてもノズル16からインク滴2を吐出させることが可能となる。
本実施形態においてはインク滴2を吐出する/しないの制御はピエゾ素子30への信号のON/OFFのみなので、単純な構造で高粘度のインクを吐出するインクジェット記録ヘッドとすることができる。
図7には、本発明に係るインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置が示されている。
図7に示すようにインクジェット記録装置50はヘッド支持部材54を備え、本発明のインクジェット記録ヘッド10ないしは11がヘッド支持部材54に保持される。ヘッド支持部材54はインクジェット記録ヘッド10ないしは11を保持し、かつインク吐出動作を妨げない構造となっている。ヘッド支持部材54の下には状記録媒体Pを載置し保持するテーブル52が設けられている。
記録媒体Pをテーブル52にセットして、テーブル52を平面内でXおよびY方向(図中白矢印)に移動させるとともに、インクジェット記録ヘッド10ないしは11を駆動し、高粘度インクのインク滴2を吐出する。前述のように高粘度インクを使用しているので記録媒体Pに着弾した際のインク滴2の滲みは防止でき、高品質な記録が行える。
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施の形態では、アクチュエータはピエゾ素子30と梁部材14とからなっているが、ピエゾ素子30のかわりに発熱抵抗体を利用し、熱膨張差で撓み変形するアクチュエータであっても良いし、静電力や磁力を利用したものであっても良い。或いは、その他の形態のアクチュエータであっても良い。
また、上記実施の形態では、ノズル16とインク流路13は、それぞれ別々の樹脂フィルムに形成して接着接合したが、これに限定されない。例えば、ノズル、インク供給路を一体に形成しても良い。或いは、さらに梁部材14が一体の構造であっても良い。或いは、その他の形態であっても良い。
また、上記実施の形態では、インクジェット記録ヘッド10ないしは11を固定し、記録媒体Pを移動させながら記録を行うが、例えば、記録媒体Pを固定し、インクジェット記録ヘッド10ないしは11をキャリッジに搭載して搬送しながら記録を行っても良いし、双方を搬送しながら記録を行ってもよい。あるいは記録媒体Pをドラムに巻き付けて回転させる構造としてもよい。
また、本明細書におけるインクジェット記録とは、記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明を利用することが可能である。
本発明の第1形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す図である。 本発明の第1形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作を示す図である。 本発明の第1形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作を示す図である。 本発明の第1形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作を示す図である。 本発明の第2形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す図である。 本発明の第2形態に係るインクジェット記録ヘッドの動作を示す図である。 本発明に係るインクジェット記録装置を示す図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを示す図である。
符号の説明
10 インクジェット記録ヘッド
11 インクジェット記録ヘッド
12 インク流路部材
14 梁部材
16 ノズル
18 保持部材
20 回転エンコーダ
30 ピエゾ素子
50 インクジェット記録装置

Claims (8)

  1. 内部にインク流路を備えたインク流路部材と、
    前記インク流路部材と接合され一体に変形する梁部材と、
    前記インク流路部材の長手方向略中央に設けられ、インク滴を吐出するノズルと、
    を備え
    両側から押圧され両端を保持された前記梁部材長手方向両側から押圧すると共にインク滴吐出方向に凹となるように弾性曲げ変形させた後、インク滴吐出方向に凸となるように弾性曲げ変形させて前記梁部材を座屈反転変形させ
    前記ノズル内部のインクに吐出方向の慣性を与え、インク滴として前記ノズルより吐出させる駆動手段を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
  2. 前記駆動手段は前記梁部材の長手方向両端または一端を保持して回動自在であり、
    前記梁部材がインク滴吐出方向に凹となるように回動したのち、前記梁部材がインク滴吐出方向に凸となるように座屈反転変形させ、前記ノズル近傍のインクに吐出方向の慣性を与えノズルより吐出させることを特徴とする請求項1に記載されたインクジェット記録ヘッド。
  3. 内部にインク流路を備えたインク流路部材と、
    前記インク流路部材と接合され一体に変形する梁部材と、
    前記インク流路部材の長手方向略中央に設けられ、インク滴を吐出するノズルと、
    前記梁部材の両端を保持する保持部材と、
    前記保持部材の一方または両方を支持し、回動して前記梁部材を圧縮する回転エンコーダと、
    を備え、
    前記保持部材は前記回転エンコーダの回転中心よりオフセットして支持されることにより、前記回転エンコーダの回転によって前記梁部材を長手方向両側から押圧すると共にインク滴吐出方向に凹となるように弾性曲げ変形させた後、インク滴吐出方向に凸となるように曲げ変形させて前記梁部材を座屈反転変形させ
    前記ノズル内部のインクに吐出方向の慣性を与え、インク滴として前記ノズルより吐出させることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
  4. 前記回転エンコーダの回転角度を変更することで前記梁部材の前記ノズル近傍におけるインク滴吐出方向の移動距離を制御し、前記移動距離の長短で前記ノズル近傍のインクに加わる慣性の大小を制御することにより、吐出されるインク滴の大小を制御することを特徴とする請求項3に記載されたインクジェット記録ヘッド。
  5. 内部にインク流路を備えたインク流路部材と、
    前記インク流路部材の長手方向略中央に設けられ、インク滴を吐出するノズルと、
    前記インク流路部材と接合され、もしくは前記インク流路部材を含み、予め長手方向両側から押圧されると共に、インク滴吐出方向と反対側に、インク滴吐出方向に凹となる方向に曲げて配置された梁部材と、
    前記梁部材をインク滴吐出方向に凸となる方向に撓ませるアクチュエータと、
    を備え、
    前記アクチュエータはインク滴吐出方向に凹となった前記梁部材を、インク滴吐出方向に凸となる方向に座屈反転させ、前記インク流路内部のインクに吐出方向の慣性を与えることで前記ノズルからインク滴を吐出させることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
  6. 前記アクチュエータは、前記梁部材の長手方向長さの略半分にわたって設けられたことを特徴とする請求項5に記載されたインクジェット記録ヘッド。
  7. 前記アクチュエータはピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項5または請求項6に記載されたインクジェット記録ヘッド。
  8. 請求項1〜請求項7のいすれか1項に記載のインクジェット記録ヘッドを使用したことを特徴とするインクジェット記録装置
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