JP6033803B2

JP6033803B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP6033803B2
Application number: JP2014025133A
Authority: JP
Inventors: 知実飯島
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: JP2015150740A

Description

一実施形態はインクジェットヘッドに関する。

インクジェット記録装置は、インクジェットヘッドと、このインクジェットヘッドへのインクのタンクと、これらのインクジェットヘッド及びタンク間のインクの循環機構とを有する（例えば特許文献１参照）。インクジェットヘッドはノズル数と同数の圧力室を有する圧電部材を基板上に設けており、圧力室に配線回路を介して電気信号が供給されると、圧力室の体積が変化し、この体積の変化によりノズルから用紙に向けてインクが吐出される。

インクジェットヘッドのヘッド本体には、このヘッド本体をプリンタ装置本体側の取付け板に位置決め固定する基準プレート及びヒートシンクが取付けられており、ドライバＩＣによる吐出駆動によってこれらの基準プレート及びヒートシンクの温度が上昇する。ヒートシンク及び基準プレートの熱膨張率が取付け板の熱膨張率よりも大きい場合、基準プレートには熱膨張によってノズルピッチに対して無視できない寸法の位置ずれが生じる。従来、放熱のため、複数本のヒートパイプをそれぞれドライバＩＣに接続し、各ドライバＩＣの放熱性を向上させる液滴吐出ユニットが知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００９−１８５４０号公報特開２００７−２０３５２８号公報

しかし、インク循環型のインクジェットヘッドにおいて、駆動ＩＣの発熱によってヘッド構造体と、プリンタ本体側構造体との熱膨張率による取付部分によるずれが生じ、インクへの影響が生じ、圧力室の温度を均一に保つことができない。ヒートパイプ及びヒートシンクによる放熱を行っても、ドライバＩＣにより発生した熱は、インクの供給パイプ、排出パイプに金属製の連結部分（コネクション）に伝熱する。発熱が連結部分を通じてこれらの供給パイプ、排出パイプを流れるインクの温度を上昇させる。インク粘度は温度特性を有し、インク温度の上昇は印字品質に影響を及ぼす。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、複数のノズル穴およびインクの液室を有するヘッド本体と、このヘッド本体の前記液室に開口する複数のインク流路、前記複数のインク流路のうちのインク供給路及びインク排出路、これらのインク供給路及びインク排出路への前記インクの供給口及び排出口を有するベース部と、このベース部に設けられ前記ヘッド本体を吐出駆動する駆動回路と、この駆動回路の発熱を放熱するヒートシンクと、これらのヒートシンク、駆動回路、ベース部およびヘッド本体を固定する基準プレートと、この基準プレートに接続されたヒートパイプと、を備えるインクジェットヘッドが提供される。

一実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドのヘッド本体の一例を示す上面斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの縦断面図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの部分的な分解斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの締結前の分解斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの三面図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドとインクパスとの位置関係を示す斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドとインクパスとの位置関係を示す別方向からの斜視図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの図６のＣＣに沿う縦断面図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの図９のＤＤに沿う縦断面図である。

以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドについて、図１乃至図１０を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（一実施形態）
図１は一実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、複数のノズル穴５１およびインクの液室を有するヘッド本体１１と、それぞれこのヘッド本体１１の液室に開口する複数のインク流路、これらのインク流路のうちのインク供給路８０及び液室からの２経路のインク排出路８１、インク供給路８０へのインクの供給口８２およびインク排出路８１へのインクの排出口８３を有するベース部１２とを備える。このインクジェットヘッドはこのベース部１２に設けられヘッド本体１１を吐出駆動するドライバＩＣ２１を含む一対の駆動回路１８と、駆動回路１８の発熱を放熱する一対のヒートシンク１４、１５と、これらのヒートシンク１４、１５、駆動回路１８、ベース部１２およびヘッド本体１１を固定する基準プレート（データムプレート：ＤＡＴＵＭ−ＰＬＡＴＥ−ＢＬＯＣＫ）１３と、それぞれこの基準プレート１３に接続され冷媒を封止した２本のヒートパイプ６６、６７とを備えている。

図２はヘッド本体１１の一例を示す上面斜視図である。図３はインクジェットヘッドの図２中のＺＺ線の縦断面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。なお図２には枠部材５３は示されておらず、図３では複数対の圧電素子のうちの一つのみが示されている。

ヘッド本体１１はインクを吐出するインクジェットヘッド本体であり、複数のノズル穴５１が形成されたオリフィスプレート５２と、枠部材５３とを有する。オリフィスプレート５２はポリイミド製の矩形のフィルムである。ノズル穴５１はそれぞれノズル配列方向に２列に形成される。枠部材５３は例えばニッケル合金製であり、ベースプレート５４の主面とオリフィスプレート５２とにそれぞれ接着されている。

ベース部１２は、インク供給路８０に連通する孔８５およびインク排出路８１に連通する他の孔８６を有するベースプレート５４と、これらの孔８５、８６、インク供給路８０、２本のインク排出路８１、これらの２本のインク排出路８１を結合した更に１本のインク排出路と、供給口８２および排出口８３を内部に形成されたマニフォールド２２とを備える。マニフォールド２２は、インク流路の分岐部兼結合部である。マニフォールド２２は供給路８２からインク供給路８０、孔８５を通って液室５５にインクを供給する。マニフォールド２２は液室５５から圧力室８７を経た孔８６からのインクを、１本に結合されたインク排出路によりインクを排出口８３へ排出する。

また、ベースプレート５４、オリフィスプレート５２及び枠部材５３は液室５５を形成している。複数のノズル穴５１の下方にそれぞれ圧電素子８７が設けられている。２列のノズル配列方向に沿って複数個の圧電素子８７が設けられており、図３左方にその一方の列が示されている（他方の列の圧電素子８７は不図示）。ノズル配列方向で隣接する２つの圧電素子８７の側壁が一つの圧力室８８を形成する。圧電素子８７間の一つの圧力室８８と、液室５５との間でインクが流動可能になっている。ベースプレート５４上の配線パターン８４は圧力室内部の側壁及び底面に形成された電極８９に接続されている。圧電素子８７はドライバＩＣ２１により駆動され、圧力室８８の容積を変化させる。インクは圧力室８８に充填され、圧力室８８を通過する。インクがノズル穴５１から被記録媒体へ突出される。

図４は一実施形態に係るインクジェットヘッドの部分的な分解斜視図であり、図１の例とは天地を反対にして表示している。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ベース部１２のマニフォールド２２はベースプレート５４に供給パイプ１６を介して上方からインクを供給し、排出パイプ１７を介して下方からのインクを排出する。ベース部１２はこのマニフォールド２２上にシール用の部材２４を介してこれらの供給パイプ１６および排出パイプ１７を設けている。供給パイプ１６および排出パイプ１７はそれぞれチューブに接続される。

また、一対の駆動回路１８がベースプレート５４を挟んで対称に設けられており、これらの駆動回路１８はヘッド本体１１とプリンタ本体側との間で制御信号を送受信し複数の圧電素子８７を駆動する。片方の駆動回路１８は、リジットプリント配線板（ＰＣＢ）１９と、耐熱性の２枚のフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）２０と、複数個の駆動制御用のドライバＩＣ（Ｄｒ．ＩＣ）２１とを備えている。フレキシブルプリント配線板２０は例えばポリイミド製のフィルム配線であり、その一端部がリジットプリント配線板１９に接続され、他端部は配線パターン８４（図３）に接続されている。ドライバＩＣ２１はＣＯＦ（ｃｈｉｐｏｎｆｉｌｍ）によりフレキシブルプリント配線板２０にパッケージ化されている。ドライバＩＣ２１は、複数の電極８９（図３）にそれぞれパルス電圧を印加可能にされている。他方の駆動回路１８も一方の駆動回路１８と同じ構成を有する。各駆動回路１８はリジットプリント配線板１９にプリンタ本体側のコントローラへのコネクタ３２、受動部品３３類を有する。

図５は一実施形態に係るインクジェットヘッドの締結前の分解斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ヒートシンク１４はネジ５４やボルト３８、３９類によって基準プレート１３の左側面に固定されており、ヒートシンク１５も同様に基準プレート１３の右側面に固定される。これらのヒートシンク１４、１５はネジ５４やボルト３８、３９等によって互いにカシメ合い、ヒートシンク１４の内壁面及びヒートシンク１５の内壁面間に、基準プレート１３、インク供給用のチューブ４７及びインク排出用のチューブ４８及び２本のヒートパイプ６６、６７を覆う。ヒートシンク１４には例えばアルミニウム又は熱伝導に優れたモールドの成型品が用いられる。ヒートシンク１４には複数のフィンが形成されてもよい。ヒートシンク１５もヒートシンク１４と同様である。これらのヒートシンク１４、１５が互いに取付けられた状態で、フレキシブルプリント配線板２０がその根元から上方へ折り曲げられる。チューブ４７、４８の各下方の一端は供給パイプ１６、排出パイプ１７にそれぞれ接続される。チューブ４７、４８の各上方の他端はパイプ３４、３５にそれぞれ連結される。これらのパイプ３４にはそれぞれインク供給管６８、インク排出管６９の各一端が接続されており、インク供給管６８、インク排出管６９の各他端は接続部６４、６５を介して第２のインク経路６３、第１のインク経路６２に接続されている。

インク供給管６８は第２のインク経路６３からインクの供給口８２（図３）へインクを供給する。インク排出管６９はこのインク供給管６８に並設されインクの排出口８３（図３）から第１のインク経路６２へインクを排出する。第１のヒートパイプ６６及び第２のヒートパイプ６７はそれぞれこれらのインク供給管６８およびインク排出管６９の並設位置よりも外側に設けられている。

図６は一実施形態に係るインクジェットヘッドの三面図である。図６（ａ）はインクジェットヘッドの上面図である。図６（ｂ）は図６（ａ）の正面図である。図６（ｃ）は図６（ｂ）のＢＢ線による右側面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。基準プレート１３は図６（ｂ）のようにインクジェットヘッドをプリンタ本体側の鉄製の取付け板４０に固定し、プリンタ本体に対して位置決めをするための金属プレートである。基準プレート１３には例えばアルミニウム製の成型品が用いられており、取付け板４０の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する。熱膨張率とは体積膨張率又は線膨張率であり、温度（摂氏）の逆数の次元により表される。基準プレート１３（図４）は、それぞれパイプ３４、３５に挿通される貫通孔２５、２６と、それぞれヒートパイプ６６、６７にそれぞれ挿通される貫通孔２９、３０と、その長尺方向両端の締結部２７、２８とを有する。締結部２８（図６）はボルト４４によってこの締結部２８の貫通穴、取付け板４０側のボルト孔、及び取付け板４０上のスペーサ兼ねスタッド４２のそれぞれに螺合することでプリンタ本体側にインクジェットヘッドを固定する。締結部２７もその貫通穴、取付け板４０側のボルト孔及びスタッド４３のそれぞれにボルト４５を螺合させる。

図７は一実施形態に係るインクジェットヘッドとインクパスとの位置関係を示す斜視図である。図８は一実施形態に係るインクジェットヘッドとインクパスとの位置関係を示す別方向からの斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。このインクジェットヘッドが設けられるプリンタ本体側には、インクタンク１００と、図示しないインク循環機構とが設けられている。インク循環機構は、インクタンク１００からのインクをインク循環方向に循環させてインクジェットヘッドにインクを供給し、このインクジェットヘッドからのインクをインク循環方向に循環させてインクタンク１００へ排出する機構である。インク循環機構は複数本のインク経路を有する。

図７、図８の上方には、ヘッド本体１１からの排出インクをインクタンク１００へ排出する第１のインク経路（インクパス［ｏｕｔ-ｐｏｒｔ］）６２と、インクタンク１００からの供給用インクをヘッド本体１１へ供給する第２のインク経路（インクパス［ｉｎ-ｐｏｒｔ］）６３とが設けられている。第１のヒートパイプ６６はその上端が第１のインク経路６２及び第２のインク経路６３に接続されており、その下端が基準プレート１３に接続されている。第１のヒートパイプ６６の上端はヒートパイプガイド６０により第１のインク経路６２及び第２のインク経路６３に接続されてもよい。第２のヒートパイプ６７はその上端が第１のインク経路６２及び第２のインク経路６３に接続されており、その下端が基準プレート１３に接続されている。第２のヒートパイプ６７の上端はヒートパイプガイド６１により第１のインク経路６２及び第２のインク経路６３に接続されてもよい。

第１のヒートパイプ６６は管内の流路と、この流路を上昇又は下降する冷媒とを有する。第１のヒートパイプ６６の一端側、即ち下方において液相の冷媒が基準プレート１３からの熱の吸収により気化してこの第１のヒートパイプ６６の他端側、即ち上方に移動する。気相の冷媒は第１のインク流路６２又は第２のインク流路６３への熱の放出により冷却されて凝縮して第１のヒートパイプ６６の下方へ流れ落ちる。第２のヒートパイプ６７もその下方において液相の冷媒が基準プレート１３からの熱の吸収により気化して第２のヒートパイプ６７の上方に移動し、気相の冷媒が第１のインク流路６２又は第２のインク流路６３への熱の放出により冷却されて凝縮して第２のヒートパイプ６７の下方へ流れ落ちる。

また、ドライバＩＣ２１がヒートシンク１４、１５の背面下部に密着する。４つのドライバＩＣ２１（図７、図８では２つのドライバＩＣ２１が示されている）はケーブル３６、３７によってプリンタ本体側のコントローラと信号を授受する。

図９は本実施形態に係るインクジェットヘッドの図６（ａ）のＣＣに沿う縦断面図である。図１０は本実施形態に係るインクジェットヘッドの図９のＤＤに沿う縦断面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。第１のヒートパイプ６６、第２のヒートパイプ６７の各下端部は屈曲し、これらの下端部はマニフォールド２２の片面と基準プレート１３の片面との空隙に挟まれた状態で固定される。つまり、第１のヒートパイプ６６及び第２のヒートパイプ６７は基準プレート１３と、マニフォールド２２との双方に接続されている。

次に上述の構成の本実施形態に係るインクジェットヘッドの作用動作について述べると、吐出についてはプリンタ本体からの駆動信号を各駆動回路１８が受信し、何れかのドライバＩＣ２１は複数の圧力室８８へパルス電圧信号を印可して電界を発生させ、これらの圧力室８８の側壁を変形させる。ヘッド本体１１では圧力室８８の容積が拡張し縮小することにより、インクが加圧され、ヘッド本体１１は液滴をノズル穴５１から吐出する。このインクジェットヘッドが吐出時にドライバＩＣ２１にて発生した熱はヒートシンク１４、１５、第１のヒートパイプ６６及び第２のヒートパイプ６７に伝わり、ヒートシンク１４、１５及び基準プレート１３は放熱する。

ここで締結部２７、２８が強い力でボルト締めされており駆動回路１８の駆動期間が短い場合、発熱によりボルト４４、４５の軸芯の位置が基準プレート１３の長尺方向外方へ変位しても冷却により元に戻り、ヘッド本体１１が印字品質に影響を及ぼす程度に変形することはない。基準プレート１３は長尺方向と直交する印字送り方向にも伸びるが、この送り方向のプレート寸法が伸びても冷却によりこのプレート寸法は元に戻る。あるいは印字ずれに実質的に寄与しない程度のずれにとどまる。

駆動回路１８による発熱量の増大によりドライバＩＣ２１が放熱すると、ヒートシンク材質はアルミニウム製であるため高い熱伝導効率によって基準プレート１３と取付け板４０とがヒートシンク１４、１５からの伝熱によって図６（ｂ）の左右へと膨張する。締結部２７、２８が強い力でボルト締めされた状態では基準プレート１３は長尺方向外方へ向かって取付け板４０よりも大きく膨張する。発熱対策を何らしないと、ヘッド本体１１のノズル穴５１の位置が長尺方向外方にずれる可能性がある。

その結果、インクジェットヘッドのプリンタ本体に対する位置ずれが発生し、印字に影響を及ぼす可能性がある。また、ドライバＩＣ２１において発生した熱が、ヒートシンク１４、１５、基準プレート１３、供給パイプ１６及び排出パイプ１７といった金属製の連結部分（コネクション）を通じて、これらのコネクション内を流れるインクの温度に影響を与え、インク粘度を変化させて印字品質に影響を及ぼす。

インクジェットヘッドがインク循環を用いる目的は、圧力室８８をインク循環により、第１にオリフィスプレート５２上に開けられたノズル穴５１への目詰まりを防止するためである。第２にＩＣ駆動により発熱した圧力室８８の温度をインク循環により、温度を均一に保つという目的もある。しかし、インク循環量にも限界があり、駆動条件（印字速度、パルスオンオフのＤＵＴＹ比）によってはインク温度を均一に保つことが難しくなる。

そこで、熱膨張時に発生する締結部２７、２８といった取付部分による位置ずれをなくす為、及び、ドライバＩＣ２１の発熱によるインクへの影響を少なくする為、圧力室８８の温度を均一に保つ為、実施の形態に係るインクジェットヘッドは図４〜図１０に示すような構造を採用した。

図９に示さるように、第１のヒートパイプ６６及び第２のヒートパイプ６７の各端部が、マニフォールド２２及び基準プレート１３に接触し、これらのヒートパイプ６６、６７のもう片側端部がヒートパイプガイド６４、６５を通じて、第１のインク経路６２、第２のインク経路６３に接触し、熱交換を行っている。

これらのインク経路６２、６３は、複数のインクジェットヘッドをプリンタ本体の取付け板４０に取付ける場合、これらのインクジェットヘッドのそれぞれとの間でインクを供給し、排出するために設けられている。第１のインク経路６２、第２のインク経路６３中には、インク循環機構に設けられたポンプによって複数のインクジェットヘッドへ供給及び排出されるインクが流れており、インク温度は一定になるように調整される。ヒートパイプガイド６４、６５は、熱伝導率の良い材質で作成されており、インク経路６２、６３中のインクの温度による熱を伝熱しやすい構造となっている。

この様な構造にすることにより、マニフォールド２２の温度及び基準プレート１３の温度をインク温度により促成することができ、マニフォールド２２及び基準プレート１３それぞれに接しているベースプレート５４、圧力室８８、ドライバＩＣ２２の温度上昇を調整することができる。

このように本実施形態に係るインクジェットヘッドによれば、循環型インクジェットヘッドにおいて、ヘッド構造体と、プリンタ本体側構造体との熱膨張率による取付部によるずれを少なくすることができる。ドライバＩＣ２１の発熱によるインクへの影響を少なくすることができ、圧力室８８の温度を均一に保つことができるようになる。

上記実施形態では、図３の断面構造は一例であり、インクの供給路、インクの排出路の構造は種々変形可能である。第１のヒートパイプ６６の各端部は上下に接続されていたが、第１のヒートパイプ６６の各端部が接続される方向は、上下方向と異なる方向に接続あるいは連結されることがあることは言うまでも無い。第２のヒートパイプ６７も第１のヒートパイプ６６と同様である。これらの変更をして実施をしたに過ぎない実施品に対して実施形態に係るインクジェットヘッドの優位性は何ら損なわれるものではない。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…ヘッド本体、１２…ベース部、１３…基準プレート、１４，１５…ヒートシンク、１８…駆動回路、２１…ドライバＩＣ、６６…第１のヒートパイプ、６７…第２のヒートパイプ。

Claims

複数のノズル穴およびインクの液室を有するヘッド本体と、
このヘッド本体の前記液室に開口する複数のインク流路、前記複数のインク流路のうちのインク供給路及びインク排出路、これらのインク供給路及びインク排出路への前記インクの供給口及び排出口を有するベース部と、
このベース部に設けられ前記ヘッド本体を吐出駆動する駆動回路と、
この駆動回路の発熱を放熱するヒートシンクと、
これらのヒートシンク、駆動回路、ベース部およびヘッド本体を固定する基準プレートと、
この基準プレートに接続されたヒートパイプと、
を備えるインクジェットヘッド。
インクタンクと、前記ヘッド本体から前記インクタンクへ前記インクを排出する第１のインク経路と、前記インクタンクから前記ヘッド本体へ前記インクを供給する第２のインク経路と、を更に備え、
前記ヒートパイプは、
前記第１のインク経路および前記基準プレートに接続された第１のヒートパイプと、
前記第２のインク経路および前記基準プレートに接続された第２のヒートパイプと、を設けた請求項１記載のインクジェットヘッド。
前記第１のヒートパイプおよび前記第２のヒートパイプはそれぞれ管内の流路と、前記流路を上昇又は下降する冷媒とを有し、
各一端側において液相の前記冷媒が前記基準プレートからの熱の吸収により気化して各他端側に移動し、気相の前記冷媒が前記第１のインク流路又は前記第２のインク流路への熱の放出により冷却されて凝縮して各一端側へ移動する請求項２記載のインクジェットヘッド。
前記ベース部は、前記インク供給路に連通する孔および前記インク排出路に連通する他の孔を有するベースプレートと、これらの孔、前記インク供給路、前記インク排出路、前記供給口および前記排出口を有するマニフォールドとを備え、
前記ヒートパイプは前記マニフォールドに接続された請求項１乃至請求項３の何れか１項記載のインクジェットヘッド。
前記第２のインク経路および前記インクの供給口間のインク供給管と、
このインク供給管に並設され前記第１のインク経路および前記インクの排出口間のインク排出管と、を更に備え、
前記第１のヒートパイプおよび前記第２のヒートパイプはそれぞれこれらのインク供給管およびインク排出管の並設位置よりも外側に設けられた請求項３記載のインクジェットヘッド。