JP4970100B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インク循環式およびインク非循環式の両方に対応するインクジェットヘッドに関する。

例えば、ヘッド内でインクを循環させた状態で、インク滴を吐出できるようにしたインクジェットヘッドが知られている。このインクジェットヘッドは、複数の流体チャンバを有し、各流体チャンバは、ノズル、入口マニホルド、および出口マニホルドに接続されている。このインクジェットヘッドは、入口マニホルド、各流体チャンバ、出口マニホルドに至る流体の流れを生じさせる部材を有する。

このインクジェットヘッドでは、各チャンバを通る流体の流れが、流体内に含まれる異物をノズルから除去するのに十分な流れになっている。また、入口マニホルドから出口マニホルドまで至る際の流路抵抗が、少量だけ変化するようになっている。このため、小滴の射出特性に重大な差をもたらさないようになっている（例えば、特許文献１参照）。

一方、インクジェットヘッドにおいて、ヘッド内でインクを循環させないものが周知である。このインクジェットヘッドでは、インクタンクから供給されたインクは、インクジェットヘッド内の流路を通り、ノズルから小滴として吐出される。
特表２００２−５３３２４７号公報

上記従来のインク循環式のインクジェットヘッドは、その吐出信頼性の高さおよびインク流路の洗浄性の高さから、高信頼性のインクジェットヘッドとして需要が高まっている。一方、より安価なシステムでの印字、すなわちインク非循環式のインクジェットヘッドも要望されている。このため、インクの特性や印刷装置の要求に応じて、インク循環式およびインク非循環式のいずれかが選択されるという実情がある。このため、インク循環式およびインク非循環式のいずれにも対応できるインクジェットヘッドが望まれていたが、上記従来のインクジェットヘッドでは、そのような発想や示唆が一切なかった。

本発明の目的は、簡単な構造で、インク循環式およびインク非循環式のいずれにも対応することができるインクジェットヘッドを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の一つの形態にかかるインクジェットヘッドは、インクが満たされる圧力室と、前記圧力室の一の面に設けられるノズルと、前記圧力室に設けられるとともに、前記圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させる駆動素子と、前記圧力室に前記インクを供給するための第１の供給口および第２の供給口と、前記圧力室から前記インクを排出するための排出口と、前記第２の供給口と前記圧力室との間に設けられるフィルタ部材と、を具備し、前記第１の供給口および前記排出口を閉じた状態で、前記第２の供給口から供給された前記インクが、前記フィルタおよび前記圧力室を経由し、前記ノズルから吐出される第１の使用状態と、前記第２の供給口を閉じた状態で、前記第１の供給口から供給された前記インクが、前記圧力室を経由し、その一部が前記ノズルから吐出されるとともに、その一部が前記排出口から外部に排出される第２の使用状態と、のうちいずれか一方で使用される。

本発明によれば、簡単な構造で、インク循環式およびインク非循環式のいずれにも対応す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。

以下、図面を参照しながら本発明のインクジェットヘッドの実施形態について説明する。インクジェットヘッドは、いわゆるインク循環式の印刷装置に搭載されて使用されるものであるが、インク非循環式の印刷装置に搭載しても使用できるものである。

図１と図２に示すように、インクジェットヘッド１１は、ヘッド本体１２と、ヘッド本体１２に取り付けられた一対の回路基板１３と、ヘッド本体１２の圧力室２１にインク１６を供給するための第１の供給部１４および第２の供給部１５と、ヘッド本体１２の圧力室２１からインク１６を排出するための排出部１７と、を備えている。各回路基板１３は、ヘッド駆動用ＩＣ１８をそれぞれ有している。第１の供給部１４および排出部１７は、インク１６を循環させる第２の使用状態で用いられる。第２の供給部１５は、インク１６を循環させない第１の使用状態で用いられる。

第１の供給部１４は、第１の接続端部１４Ａを有し、この第１の接続端部１４Ａは、図示しない印刷装置に搭載された際に循環式のインクタンクと接続するのに用いられる。同様に、第２の供給部１５は、第２の接続端部１５Ａを有し、第２の接続端部１５Ａは、図示しない印刷装置の非循環式のインクタンクに接続するのに用いられている。排出部１７は、前記循環式のインクタンクに接続してインク１６を戻すための第３の接続端部１７Ａを有している。

図２と図３に示すように、ヘッド本体１２は、内部に形成された圧力室２１と、圧力室２１に連通している複数の貫通孔２２と、圧力室２１に設けられた駆動素子２３と、圧力室２１の一の面に設けられたノズルプレート２４と、第２の供給部１５と圧力室２１との間に設けられたフィルタ部材２５と、第２の供給部１５とフィルタ部材２５の間に設けられる接続部２６と、を有している。ヘッド本体１２は、圧力室２１と第１の供給部１４とを連通させる第１の供給口３１と、接続部２６と第２の供給部１５とを連通させる第２の供給口３２と、圧力室２１と排出部１７とを連通させる排出口３３と、を有している。インクジェットヘッド１１を使用する際には、圧力室２１の内部にインク１６が満たされる。

複数の貫通孔２２は、第１の供給部１４と圧力室２１とを連通するための複数の中央孔２２Ａと、排出部１７と圧力室２１とを連通するための複数の両端部孔２２Ｂと、を含んでいる。図５に示すように、第１の供給部１４と複数の中央孔２２Ａとは、第１の連絡流路２８を介して接続されている。図６に示すように、排出部１７と複数の両端部孔２２Ｂとは、第２の連絡流路２９を介して接続されている。

ノズルプレート２４は、図３に示すように、２列のノズル列３４を有している。各ノズル列３４は、インクジェットヘッド１１の長手方向に沿った方向に延びている。各ノズル列３４は、複数のノズル３５を含んでいるが、図３では、１個のみを示している。各ノズル３５のノズル径（直径）は、２０〜４０μｍで構成されている。各ノズル３５は、圧力室２１の一の面に設けられている。

駆動素子２３は、図４に示すように、分極方向を対向させるようにした第１の圧電素子３６と第２の圧電素子３７とを張り合わせて形成されている。駆動素子２３は、第１と第２の圧電素子３６、３７を駆動するための電極３８をさらに備えている。第１の圧電素子３６と、第２の圧電素子３７とは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系の圧電セラミックス材料でそれぞれ形成されている。この電極３８は、第１、第２の圧電素子３６、３７の表面に対して、例えば無電解ニッケルメッキを施して形成される。各駆動素子２３の間の位置に前記圧力室２１が形成されている。すなわち、駆動素子２３は、圧力室２１に面して設けられている。

フィルタ部材２５は、いわゆる電鋳フィルタで構成されている。フィルタ部材２５の孔径（直径）は、例えば、ノズル３５の直径の１／２から１／３の大きさを有している。

続いて、図３と図４を参照して、このインクジェットヘッド１１を非循環方式の印刷装置に搭載して、印刷を行う第１の使用状態について説明する。すなわち、第１の使用状態では、インクジェットヘッド１１内でインク１６を循環させない非循環方式でインク滴の吐出駆動を行う。印刷装置は、図示しない公知のもので構成されており、例えば、インクジェットヘッド１１にインク１６を供給するためのインクタンクと、インクジェットヘッド１１のインク吐出を制御するための制御部と、を含んでいる。

第１の使用状態では、循環式で使用する第１の供給部１４および排出部１７は使用しない。このため、第１の供給部１４に設けられた第１の接続端部１４Ａと、排出部１７に設けられた第３の接続端部１７Ａとには、それぞれ例えば図９に示すような密閉部材であるゴム栓４２がなされて密閉されており、ヘッド本体１２の内部の圧力が一定になるようにしている。また、ゴム栓４２によって、ヘッド本体１２内のインク１６が外部に漏れ出ないようになっている。

図３に示すように、第２の供給部１５から供給されたインク１６は、第２の供給口３２を経由して、接続部２６内に満たされる。このときフィルタ部材２５上にはメニスカスが形成されている。接続部２６内に十分な量のインク１６が充填され、接続部２６内の圧力が当該メニスカスの破壊圧に到達すると、インク１６はフィルタ部材２５を通って圧力室２１にまで供給される。その際、インク１６中に含まれる微小なゴミやパーティクルがフィルタ部材２５によって除去される。図３に示すように、第１の使用状態においては、３列の貫通孔２２を経由して、インク１６が接続部２６から圧力室２１に供給される。

図４に示すように、圧力室２１にインク１６が満たされた状態で、ユーザが印刷装置に対して印刷開始を指示すると、印刷装置の制御部は、インクジェットヘッド１１に対して印字信号をヘッド駆動用ＩＣ１８に出力する。印刷信号を受けたヘッド駆動用ＩＣ１８は、駆動パルス電圧を駆動素子２３に印加する。これにより、図４に２点鎖線で示すように、左右一対の駆動素子２３は、シェアモード変形を行って湾曲するように互いに離反する。そして、これらを初期位置に復帰させて圧力室２１のインク１６を加圧することで、ノズル３５からインク滴が勢い良く吐出される。

続いて、図５から図９を参照して、このインクジェットヘッド１１を循環方式の印刷装置に搭載して、印刷を行う第２の使用状態について説明する。すなわち、第２の使用状態では、インクジェットヘッド１１内でインク１６を循環させる循環方式でインク滴の吐出駆動を行う。印刷装置は、図示しない公知のもので構成されており、例えば、インクジェットヘッド１１にインク１６を供給するための循環式のインクタンクと、インクジェットヘッド１１のインク吐出を制御するための制御部と、インク１６を循環させるためのポンプなどを含んでいる。

第２の使用状態では、非循環式で使用する第２の供給部１５は使用しない。このため、図９に示すように、第２の使用状態では、第２の供給部１５の第２の接続端部１５Ａには密閉部材であるゴム栓４２がなされている。ゴム栓４２によって、ヘッド本体１２の内部の圧力が一定に維持され、ヘッド本体１２の内部のインク１６が外部に漏れ出すことを防いでいる。

図５と図７に示すように、第１の供給部１４から供給されたインク１６は、第１の供給口３１、複数の中央孔２２Ａを通って、圧力室２１に供給される。すなわち、第２の使用状態において、インク１６はフィルタ部材２５によってろ過されることはない。圧力室２１において、図４に示すように、駆動素子２３が駆動すると、ノズル３５からインク滴が吐出されることは、上記した第１の使用状態と同じである。ただし、第２の使用状態においては、図６と図８に示すように、圧力室２１で使用されなかったインク１６は、排出口３３および排出部１７を経由してインクジェットヘッド１１の外部に排出され、印刷装置のインクタンクに戻される。

このように、インク１６は、印刷装置のインクタンクとインクジェットヘッド１１との間で常時循環されている。一連の印刷処理は、インク１６が循環した状態で行われる。このため、例えばノズル３５にインク１６中に混入したパーティクルが嵌って、ノズル３５が不吐出の状態になってしまっても、ヘッド本体１２の内部のインク１６の循環流によってパーティクルが除去される。

なお、第２の使用状態において、圧力室２１および貫通孔２２内のインク１６がフィルタ部材２５を超えて接続部２６に流れてしまうことは防止される。

以下、この点について具体的に説明する。図９に示すように、第２の使用状態において、接続部２６内には空気２７が貯留されている。また、貫通孔２２および圧力室２１の内部にはインク１６が貯留されている。フィルタ部材２５は、接続部２６内の空気２７と、圧力室２１内のインク１６と、を仕切っている。

第１の供給部１４から送られた中央孔２２Ａの付近のインク１６は、正圧に維持されている。また、両端部孔２２Ｂ付近のインク１６は、負圧に維持されている。このため、これらの中間にある圧力室２１の内部のインク１６は弱負圧に維持されている。このため、意図しないときに、ノズル３５からインク１６が漏れ出さないようになっている。

図９に示すように、中央孔付近のフィルタ部材２５の表面には、インク１６が微小量漏れ出して、接続部２６に向かって凸になったインクメニスカス５１が形成される。本実施形態のフィルタ部材２５は、このインクメニスカス５１の保持圧が圧力室２１の圧力よりも高くなるように設計されている。このため、中央孔２２Ａ付近のインク１６が接続部２６に漏れ出して、当初のとおりにインク１６が循環しなくなる事態が発生するのが防止されている。なお、このインクメニスカス５１の保持圧は、例えば、フィルタ部材２５の孔径、インクメニスカス５１の表面張力・接触角などによって決定される。

また、何らかの原因で、インクメニスカス５１が破壊され、接続部２６を介して中央孔２２Ａから両端部孔２２Ｂにインク１６が流れてしまうことが考えられる。本実施形態では、フィルタ部材２５は、その内部の流路抵抗が圧力室２１の流路抵抗よりも大きくなるように設計されている。これにより、なんらかの事情で接続部２６内にインク１６が漏れ出してしまう場合であっても、漏れ出したインク１６がこの経路で流れ続ける量は、本流（前記循環流）に比べて僅かとなる様になっている。この場合、フィルタ部材２５の流路抵抗は、例えば、フィルタ孔径、管路の長さ、インクの粘性などによって決定される。また、このフィルタ部材２５の流路抵抗によって、中央孔２２Ａ付近のインク１６がフィルタ部材２５の内部を伝って両端部孔２２Ｂに流れてしまう量が僅かな為、本流に与える影響は無視できる。

なお、図９に示すように、両端部孔２２Ｂの近傍では、負圧になっているため、フィルタ部材２５の表面には、両端部孔２２Ｂに向かって凸になったインクメニスカス５２が形成されている。

本実施形態にかかるインクジェットヘッド１１の製造工程には、洗浄工程が含まれる。以下、洗浄工程について説明する。ヘッド本体１２の内部を洗浄する際には、例えば、第１の供給部１４から洗浄液を供給するとともに、排出部１７から洗浄液を排出するようにする。これによって、フィルタ部材２５の下流側の構造を中心に洗浄液で洗浄することができる。また、本実施形態のインクジェットヘッド１１は、循環式のものをベースにしているため、洗浄液の流速も適度に維持される。このため、洗浄工程において、ヘッド本体１２の内部によどみが生ずることを防止して、効率のよい洗浄がなされる。なお、洗浄液としては、真水のほか、アルコールなどであってもよい。また、洗浄工程は、上記のものに限られず、第２の供給部１５から洗浄液を流して、フィルタ部材２５の上流側も洗浄できることはいうまでもない。

以上が、インクジェットヘッド１１の実施形態である。本実施形態によれば、インクジェットヘッド１１は、第１の供給部１４および排出部１７を閉じた状態で、第２の供給部１５から供給されたインク１６が、フィルタ部材２５および圧力室２１を経由し、ノズル３５から吐出される第１の使用状態と、第２の供給部１５を閉じた状態で、第１の供給部１４から供給されたインク１６が、圧力室２１を経由し、その一部がノズル３５から吐出されるとともに、その一部が排出部１７から外部に排出される第２の使用状態と、のうちいずれか一方で使用される。

この構成によれば、インク１６を循環させない第１の使用状態と、インク１６を循環させる第２の使用状態との両方で、インクジェットヘッド１１を用いることができる。これにより、インク循環式の印刷装置と、インク非循環式の印刷装置の両方に対応することが可能なインクジェットヘッド１１を得ることができる。また、通常の非循環式のインクジェットヘッド１１では洗浄することができない箇所、すなわちフィルタ部材２５の下流側の構造についても、本実施形態のインクジェットヘッド１１では効率よく洗浄できる。これによって、洗浄効率を改善して、インクジェットヘッド製造の際の歩留りを向上できる。

また、循環式のインクジェットヘッドにおいて許容されるパーティクルの量は、非循環式のインクジェットヘッドの許容量に比して大きくなっている。これは、インク循環式のインクジェットヘッドでは、吐出動作中でもインクが循環しているため、ノズルにパーティクルが詰まった場合でも、インクの流れによって不吐出状態が解消されることに基づくものである。このため、循環式のインクジェットヘッドでは、そもそも製造過程で許されるゴミ等のパーティクルの量が非循環式のものよりも緩和されている。本実施形態のインクジェットヘッド１１は、循環式のインクジェットヘッドをベースとしているため、許容されるパーティクルの条件もゆるくなっている。この点からも、本実施形態のインクジェットヘッド１１は、非循環式のインクジェットヘッドに比して、歩留りを向上することができる。

この場合、第２の供給部１５とフィルタ部材２５との間に設けられるとともに、第２の使用状態において空気２７を貯留する接続部２６を具備し、フィルタ部材２５は、第２の使用状態において、接続部２６内の空気２７と、圧力室２１内のインク１６と、を仕切っている。この構成によれば、第２の使用状態において、使用されないフィルタ部材２５によってインク流路の一部を兼ねさせることができる。これにより、第２の使用状態において、インクジェットヘッド１１内の流路を規定するための壁部を別途に設ける必要がなく、部品点数を削減と、インクジェットヘッド１１の小型化とを実現できる。

第２の使用状態において、フィルタ部材２５の表面には、接続部２６に向かってインクメニスカス５１が形成されており、フィルタ部材２５は、圧力室２１の圧力よりも大きいインクメニスカス５１の保持圧を有する。この構成によれば、フィルタ部材２５の表面に形成されたインクメニスカス５１が破壊されることがなく、当初予定しない接続部２６を介したインク循環を生じてしまうことを防止できる。

この場合、フィルタ部材２５の流路抵抗は、圧力室２１の流路抵抗よりも大きくなっている。一般に、上記したフィルタ部材２５の表面に形成されたインクメニスカス５１が破壊されることはないが、なんらかの条件でインクメニスカス５１が破壊される可能性も否定できない。この構成によれば、接続部２６を介して第１の連絡流路２８から第２の連絡流路２９にインク１６が流れてしまうことがあっても、この流れが継続してしまうことが防止され、インク１６は流路抵抗の低い圧力室２１に戻される。これにより、インク１６が予期しない方向に循環してしまう事態が発生することを防止することができる。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。このほか、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

第１の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図。 図１に示すインクジェットヘッドのヘッド本体を示す斜視図。 図２に示すヘッド本体のＦ３−Ｆ３線に沿った断面図。 図３に示すヘッド本体の駆動素子を示す断面図。 図２に示すヘッド本体のＦ５−Ｆ５線に沿った断面図。 図２に示すヘッド本体のＦ６−Ｆ６線に沿った断面図。 図５に示すヘッド本体のＦ７−Ｆ７線に沿った断面図。 図６に示すヘッド本体のＦ８−Ｆ８線に沿った断面図。 図５に示すヘッド本体のＦ９−Ｆ９線に沿った断面図。

符号の説明

１１…インクジェットヘッド、１４…第１の供給部、１５…第２の供給部、１６…インク、１７…排出部、２１…圧力室、２３…駆動素子、２５…フィルタ部材、２６…接続部、３５…ノズル、５１…インクメニスカス

Claims (4)

1. インクが満たされる圧力室と、
   前記圧力室の一の面に設けられるノズルと、
   前記圧力室に面して設けられるとともに、前記圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させる駆動素子と、
   前記圧力室に前記インクを供給するための第１の供給部および第２の供給部と、
   前記圧力室から前記インクを排出するための排出部と、
   前記第２の供給部と前記圧力室との間に設けられるフィルタ部材と、
   を具備し、
   インク非循環式の印刷装置に搭載され、前記第１の供給部および前記排出部を閉じた状態で、前記第２の供給部から供給された前記インクが、前記フィルタ部材および前記圧力室を経由し、前記ノズルから吐出される第１の使用状態と、
   インク循環式の印刷装置に搭載され、前記第２の供給部を閉じた状態で、前記第１の供給部から供給された前記インクが、前記圧力室を経由し、その一部が前記ノズルから吐出されるとともに、その一部が前記排出部から外部に排出される第２の使用状態と、
   のうちいずれか一方で使用されることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記第２の供給部と前記フィルタ部材との間に設けられるとともに、前記第２の使用状態において空気が貯留される接続部を具備し、
   前記フィルタ部材は、前記第２の使用状態において、前記接続部内の空気と、前記圧力室内のインクと、を仕切ることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記第２の使用状態において、前記フィルタ部材の表面には、前記接続部に向かってインクメニスカスが形成されており、
   前記フィルタ部材は、前記圧力室の圧力よりも高い前記インクメニスカスの保持圧を有することを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記フィルタ部材の流路抵抗は、前記圧力室の流路抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のインクジェットヘッド。

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