JP2001121690A

JP2001121690A - インクジェット式記録ヘッド

Info

Publication number: JP2001121690A
Application number: JP30767299A
Authority: JP
Inventors: Hironari Owaki; 寛成大脇; Takayuki Iijima; 貴幸飯島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: JP3945097B2

Abstract

(57)【要約】【課題】気泡の排除性を低下させることなく、リザーバ
のコンプライアンスを増大させる。【解決手段】ノズルプレート９と、リザーバ１５や複数
の圧力室１３を形成した流路基板８と、弾性板１０とを
重ねて流路ユニット５を構成し、リザーバ１５にはイン
クの供給を受けるインク導入口１６が設けられているイ
ンクジェット式記録ヘッド２において、リザーバ１５は
長手方向の一端にインク導入口１６を連通し、他端側が
先細りになるよう形成され、インク導入口１６からノズ
ル供給口１４に向かう方向には、弾性板１０との間に隙
間２２を設けるように段差２１を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録媒体にインク
滴を吐出して記録画像を形成するインクジェット式記録
ヘッド、詳細には圧力発生室やリザーバ等の流路を形成
する流路基板の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０に従来のインクジェット式記録ヘ
ッドの実施例を示し、これを用いて説明する。

【０００３】従来のインクジェット式記録ヘッド２、例
えば圧電素子１を加圧手段として用いたインクジェット
式記録ヘッド２においては、複数のノズル開口部１１を
有するノズルプレート９の上に流路基板８と封止板とし
ての機能を有する弾性板１０とを積層して流路ユニット
５を構成し、この流路ユニット５をケース３に接合す
る。すなわち、流路基板８には、ノズル開口部１１にそ
れぞれ連通する圧力室１３と、各圧力室１３に供給する
インクを貯蔵するリザーバ１５と、リザーバ１５とそれ
ぞれの圧力室１３との間を連通するインク供給口１４な
どが隔壁部によって区画することにより形成してあり、
この流路基板８の一方の面にノズルプレート９を、他方
の面に弾性板１０を接着することにより流路ユニット５
が形成されている。そして、圧力室１３に対応させて圧
電素子１をケース３側に配置固定し、上記流路ユニット
５をケース３に取り付けることにより各圧電素子１を対
応した圧力室１３の弾性板１０に固定する。この様に構
成されたインクジェット式記録ヘッド２は、外部のイン
ク容器からリザーバ１５にインクを補給し、リザーバ１
５からインクを各圧力室１３内に供給して圧電素子１の
伸長により、弾性板１０を押圧して圧力室１３内を加圧
し、この圧力によりノズル開口部１１からインク滴を吐
出する。

【０００４】圧電素子１の押圧により圧力室１３内の圧
力を高めるとノズル開口部１１からインク滴が吐出する
だけでなく、圧力室１３とリザーバ１５とを連通してい
るインク供給口１４からリザーバ１５側にもインク噴流
が生じ、リザーバ１５内の圧力が変動し、これにより隣
接したノズルの圧力室１３に圧力が伝播して吐出特性が
変化してしまい、クロストークが発生する。

【０００５】さらに、吐出ノズル数や吐出周波数が急激
に変化した場合、インクの流量が急激に変化するために
外部インク容器に接続するインク導入口１６内に水撃作
用による圧力波が発生する。この圧力波はリザーバ１５
からインク供給口１４を介して圧力室１３内にも伝播す
るので、吐出特性にも影響を及ぼす。このため、前記圧
力波の振動周期に応じて印字濃度の濃淡となって現れて
しまう。

【０００６】上記の問題を回避軽減するために、弾性板
１０は、厚さが２〜１０μｍのＰＰＳ（ポリフェニレン
サルファイト）やポリイミドなどの高分子膜からなる弾
性体膜（薄膜部）１８と厚さが数十μｍのステンレス板
１７との二層構造であり、ステンレス板１７をエッチン
グ加工して圧電素子１を当接固定するための島部２３を
形成するとともに、リザーバ開口部に対応する部分のス
テンレス板１７を除去してある。これにより弾性板１０
のリザーバ開口部に対応する部分のステンレス板１７を
除去して弾性体膜（薄膜部）１８のみとし、リザーバ１
５のコンプライアンスを大きくしている。これにより、
インク供給効率を高め、インク噴流によるリザーバ１５
内の圧力変動をステンレス板除去領域で吸収し、流量変
化を緩和することによって隣接ノズル間のクロストーク
を防止するとともに、印字濃淡の発生を防止している。

【０００７】つまり弾性体膜（薄膜部）１８の露出面積
が大きいほど、換言すればリザーバ開口部の面積が大き
いほどコンプライアンスが大きくなり、高い印字品質で
の印刷が可能となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
インクジェット式記録ヘッドにおいては、リザーバ１５
のコンプライアンスはまだ不足しており、クロストーク
や印字濃度の濃淡むらを確実に防止することはできては
いないのが現状である。

【０００９】金属板に比べて薄い膜を容易に作成可能で
あってコンプライアンスを大きくすることが可能な弾性
体膜としてＰＰＳ等の高分子膜を採用するが、この高分
子膜は、流路基板８を構成しているシリコンウェハーや
弾性板１０上に厚肉部を形成するステンレス板１７と比
較すると、線膨張係数が大きい。このため、フォトエッ
チング加工でドライフィルム現像後にポストベークした
後や流路基板８と弾性板１０を高温で接着した後、室温
に戻ると高分子膜に張力が発生してしまう。さらに、ほ
とんどの高分子膜は、ある室温以上になると収縮し、温
度が戻っても元の大きさに戻らない特性がある。これら
に起因して、接着した後の高分子膜に張力が作用してコ
ンプライアンスが低下してしまい、これがクロストーク
や印字濃度のむらの原因となる。このため所定のコンプ
ライアンスを確保するためにはリザーバ開口面積をさら
に大きくしなければならない。

【００１０】しかし、流路基板８のリザーバ開口部を拡
大すると、インク流に淀みが生じやすくなり、インク充
填時における気泡の排除性が低下する。

【００１１】本発明では上記した問題点に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、気泡の排除性を低下させ
ることなく、リザーバ１５のコンプライアンスを増大さ
せることができるインクジェット式記録ヘッドを提供す
ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような問題を解決す
るために、本発明においては複数のノズル開口部と、ノ
ズル開口部とそれぞれ連通して圧力室隔壁を隔てて列設
された複数の圧力室と、各圧力室の少なくとも一端に連
通する複数のインク供給口が連通するリザーバを形成し
た流路基板と、流路基板のリザーバ開口側に接合される
封止板と、圧力室のそれぞれに対応して設けられて圧力
室内の圧力を変化させる圧力発生手段とを備え、リザー
バには外部からインクの供給を受けるインク導入口が設
けられているインクジェット式記録ヘッドにおいて、リ
ザーバは、長手方向の一端にインク導入口が連通され、
また他端側は端部が先細りに形成され、リザーバのイン
ク導入口が形成された長手方向端部には、弾性板との間
に隙間を設けるように段差が設けられることを特徴とす
る。また、前記段差の領域が、インク供給口とリザーバ
の境界線に向かうにつれて領域幅が広くなるように形成
されることを特徴とする。さらに、前記インクジェット
式記録ヘッドにおいて、インク供給口が、流路基板の弾
性板と接合される側にのみ形成されたことを特徴とす
る。

【００１３】また、複数のノズル開口を有するノズルプ
レートが、流路基板の弾性板が接合される面とは反対側
の面に接合されていることを特徴とし、インク供給口が
流路基板と接合される側及びノズルプレートと接合され
る側の両方に形成されたことも特徴とする。

【００１４】さらに、前記インクジェット式記録ヘッド
において、流路基板はシリコンウェハーをエッチング処
理にて形成されることを特徴とする。また、流路基板は
流路基板凹部の底面を境にするように厚み方向に複数の
層に分解し、各層の貫通孔に一致する貫通孔を形成した
エッチングフィルムを積層することによって形成される
ことを特徴とする。

【００１５】さらに、前記インクジェット式記録ヘッド
において、加圧手段は圧電振動子であることを特徴と
し、また、加圧手段は圧力発生室のインクを加圧気化さ
せる発熱素子であることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１７】図１は圧力発生手段としてピエゾ素子等の
圧電素子１を用いたインクジェット式記録ヘッド２（以
下、ヘッドという。）の一実施形態の断面図、図２は図
１に示すヘッド２の要部を示す拡大断面図である。

【００１８】ヘッド２は、図１に示すように、例えばプ
ラスチックからなる箱体状のケース３の表面（下面）に
流路ユニット５を接合させ、ケースの裏面（上面）より
収納室４内に圧電素子１を挿入して、圧電素子１の櫛歯
状先端をそれぞれの流路ユニット５の所定部位に当接固
定することにより構成されている。なお、図１中、６は
フレキシブルケーブル、７は固定基板である。

【００１９】流路ユニット５は、流路基板８を間に挟ん
でノズルプレート９と弾性板１０を両側に積層すること
により構成されている。

【００２０】ノズルプレート９は、ドット形成密度に対
応したピッチで複数のノズル開口部１１を列状に開設し
たプレートであり、本実施形態ではノズル開口部列（以
下、ノズル列という。）を２列（短い列を縦に3列並
べ、それを大きな1列とする）配置してある。

【００２１】弾性板１０は、ノズルプレート９とは反対
側になる流路基板８の他方の面に積層される。本実施形
態では、ステンレス板１７上にＰＰＳ等の高分子体フィ
ルムを弾性体膜形成材としてラミネート加工した二層構
造である。そして、封止板として機能する領域、すなわ
ち圧力室１３に対応した部分は、ステンレス板１７をエ
ッチング加工して圧電素子１を当接固定する為の厚肉部
（島部２３）と圧力室の容積を変化させる薄肉部とを形
成し、リザーバ１５に対応する部分（リザーバ開口部
位）は、ステンレス板１７をフォトエッチング加工で除
去して弾性体膜（薄膜部）１８の両面を露出させる。こ
れにより、少なくとも上記圧力室１３の一方の開口面を
封止する封止板として機能し、同じく流路基板８の他方
の面に積層され、少なくともリザーバ１５の一方の開口
面を封止する弾性体膜（薄膜部）１８として機能する。

【００２２】ノズルプレート９と弾性板１０の間に介装
される流路基板８は、ノズル開口部１１にそれぞれ連通
して圧力室隔壁１２を隔てて列設された複数の圧力室１
３と、各圧力室１３の少なくとも一端に連通する複数の
インク供給口１４が連通するリザーバ１５を形成した板
材である。本実施形態では、図３に示すように、所定厚
に切り出されたシリコンウェハーを用い、リザーバ１５
やインク導入口１６を異方性フルエッチングにより貫通
孔として形成し、また圧力室１３やインク供給口１４を
異方性ハーフエッチングで凹部を形成することで構成し
ている。シリコンウェハーをエッチング加工することに
よりリザーバ１５を２列６個所所定の間隔を空けて形成
し、各列のリザーバ１５の長手方向に沿って圧力室１３
をノズル開口部１１のピッチに合わせて形成し、各圧力
室１３とリザーバ１５との間に溝状のインク供給口１４
を形成してある。なお、圧力室１３の一端にインク供給
口１４が接続し、このインク供給口１４とは反対側の端
部近傍でノズル開口部１１が位置するように配置してあ
る。

【００２３】また、流路基板８はエッチング可能で、か
つ耐食性を持つ金属やガラス等の部材を用い、これに貫
通領域や凹部をエッチングにより形成したり、また少な
くとも凹部の底面を境とするように厚み方向に複数の層
に分解し、各層の貫通孔に一致する貫通孔を形成したエ
ッチングフィルムを積層することにより構成することが
できる。

【００２４】上記の弾性板１０、流路基板８、及びノズ
ルプレート９を積層して流路ユニット５を構成する場合
には、流路基板８を間に挟んで、ノズル開口部１１の小
さい口が外側に向く状態でノズルプレート９を流路基板
８の一方の面に接着するとともに、ステンレス板１７が
外側に位置する状態で弾性板１０を流路基板８の他方の
面に接着する。この様にして流路基板８を組み立てる
と、流路基板８の各圧力室１３およびリザーバ１５の一
方の開口面がそれぞれ弾性体膜（薄膜部）１８により封
止されるとともに、溝状インク供給口１４の上面開口が
弾性体膜（薄膜部）１８で覆われ、また、各圧力室１３
およびリザーバ１５の他方の開口面がノズルプレート９
によって閉鎖される。

【００２５】なお、図１および図２に示すように、流路
ユニット５を接合するケース３の表面のうち、リザーバ
開口部に対応した部分に外部連通孔２０により大気に連
通された凹部１９を形成して、弾性体膜（薄膜部）１８
部分がケース３に対して接触しないように流路ユニット
５を固定する。この凹部１９は弾性体膜（薄膜部）１８
が膨張側に変形した場合における移動空間として機能す
る空部である。

【００２６】以下に、本実施例の特徴についてさらに説
明する。流路基板８にて形成されるリザーバ１５はイン
クカートリッジ等のインク容器に貯蔵されたインクを圧
力室１３に供給するための室であり、図４に示すように
インク導入口１６をリザーバ１５の長手方向の一方の端
部に位置させ、インク導入口１６とは反対のリザーバ端
部は先細りとなっている。従来の形態では図５イ）のよ
うにリザーバ開口部は両端側が先細りの羽型の形状をし
ており長手方向の中心にインク導入口１６が形成されて
いる。しかし、従来の羽型形状のリザーバ１５を図５
ロ）に示すように縦に配列した場合、長手方向の長さが
短縮されてしまいコンプライアンスが非常に小さくなっ
てしまうのである。

【００２７】コンプライアンスはリザーバ開口部の狭い
側の幅（図４に示す寸法Ａ）の3乗に概ね比例する。あ
る一定の長手方向長と幅の場合、図５イ）のような羽型
形状で長手方向の中心にインク導入口１６が存在するリ
ザーバ１５ではコンプライアンスは１Ｘ１０^-23ｍ³／Ｐ
ａであった。しかし、図４に示す本発明のようにインク
導入口１６をリザーバ端部に位置させた場合、コンプラ
イアンスはおおよそ３Ｘ１０^-23ｍ³／Ｐａとなり従来の
ものの約3倍の値を示していた。

【００２８】周知のごとく、インクカートリッジ等のイ
ンク容器に貯蔵されたインクが消費されて交換される
と、インク容器の挿脱により気泡がリザーバ１５内に侵
入する。その場合、ノズルプレート９をキャップ部材で
封止して吸引ポンプの負圧を作用させて、インク容器か
らヘッド２にインクを強制的に吸引してノズル開口部１
１から排出させる動作、いわゆるクリーニング操作が行
われる。

【００２９】図６は、クリーニング操作時におけるリザ
ーバ１５のインクの流れを示すものであって、端部Ａで
吸引ポンプによりインクがインク供給口１４に引き込ま
れていく流速は、リザーバ中央部Ｃにおいてインク供給
口１４に流れ込んでいくインク流速よりも早い。そのた
め、端部Ａ付近の気泡は早いインク流に乗って、一気に
インク供給口１４へ引き込まれていく。

【００３０】端部Ｂにおいては端部Ａやリザーバ１５中
央部Ｃと同数のインク供給口１４でインクを吸引し気泡
を引き込もうとした場合においても、インク導入口１６
からインク供給口１４に向かうまでのインク流路幅が広
いため、必然的にインク流速が遅くなる。この場合、端
部Ｂに流れていくインク流には気泡をインク供給口に引
き込む力が弱く、気泡がインク導入口１６からインク供
給口１４までの途中の壁に停滞してしまうかインク供給
口１４を塞ぐように気泡が入り込んでしまう。この様な
気泡の残留を防ぐため、図７に示すようにリザーバ１５
端部の壁を気泡がインク供給口１４側に規制できる程度
の厚みにハーフエッチングした段差２１が、インク供給
口１４とリザーバ１５の境界線に向かうにつれて領域幅
が広くなるように形成されている。この段差２１を別の
方向から見た図を図８に示す。この場合、気泡は図７中
の矢印で示す方向に段差２１によって規制されて流れて
いき、リザーバ１５中央から先細りとなる先端部に運ば
れる。そして前述のように、先細り方向に向かうに連れ
てインク流は速くなる為、リザーバ１５先端部に運ばれ
た気泡はインク供給口１４に問題なく引き込まれてい
く。仮に段差２１と弾性板１０の間の隙間２２にごく小
さな気泡が入り込んだとしても、その隙間２２に侵入す
る気泡の大きさはインク供給口１４の幅と比較しても小
さい為、気泡がリザーバ１５に停滞することはない。段
差２１とリザーバ１５を封止する弾性板１０との間に隙
間２２が確保されていて、この領域の弾性板１０が弾性
変形できるので、実質的に図６に示したリザーバ１５の
コンプライアンスを確保することができる。また、圧力
室１３が加圧されてインクを吐出した際にインク供給口
１４から逆流するインクによる端部領域の圧力上昇を、
弾性板１０の変位として吸収することが可能となり、コ
ンプライアンスが低くなりがちな端部領域のコンプライ
アンスの確保に寄与できる。

【００３１】また、上述の形態においては、インク導入
口１６が弾性板１０の側のみに存在する場合について説
明したが、図９に示したように、インク供給口１４が弾
性板１０側とノズルプレート９側の両面に存在する場合
であっても、隙間２２も両面に形成すれば同様の効果を
奏する。

【００３２】さらに、上述の実施例においては、圧力発
生室の容積を圧電素子１の伸縮によってインクを加圧す
るものに例をとって説明したが、本発明はリザーバ１５
の形状およびこの形状におけるリザーバ１５の気泡排除
に関して述べているもので、気泡の排除には圧力発生室
の加圧方法は何ら関与しないため、圧力発生室のインク
を加熱して気化させる加圧素子を圧力発生手段とするヘ
ッドのリザーバ１５に適用しても同様の効果を奏するこ
とは明らかである。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
リザーバ１５は長手方向の一端にインク導入口１６を連
通し、他端側は先細りに形成し、インク導入口１６から
インク供給口１４へ向かう方向に弾性板１０との間に隙
間を設けるように段差２１を設け、流路面積を小さくす
ることによって、気泡の排除性を低下させることなくリ
ザーバ１５のコンプライアンスを増大させることが可能
となる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの断面
図である。

【図２】図１に示すヘッドの要部の拡大断面図であ
る。

【図３】リザーバおよび圧力室等の配置を示す説明図
である。

【図４】実施形態におけるリザーバの開口部の形状の
拡大図である。

【図５】図（イ）は従来のリザーバ形状例。図（ロ）
は従来のリザーバ形状例において、リザーバを長手方向
に縦列配置した時のモデル図である。

【図６】実施形態におけるインクの流れのモデル、及
びリザーバ端部の位置を示した図である。

【図７】図（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ本発明
の実施形態をリザーバ端部の構造で示す平面図と、Ａ−
Ａ線、Ｂ−Ｂ線での断面図である。

【図８】実施形態におけるリザーバに設けられた段差
を示す斜視図である。

【図９】図（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ本発明
のリザーバ構造が適用可能な他の記録ヘッドの実施形態
をリザーバの端部の構造で示す平面図と、Ｃ−Ｃ線、
Ｄ−Ｄ線での断面図である。

【図１０】従来のインクジェット式記録ヘッドの断面
図である。

【符号の説明】

１圧電素子２インクジェット式記録ヘッド３ケース４収納室５流路ユニット６フレキシブルケーブル７固定基板８流路基板９ノズルプレート１０弾性板１１ノズル開口部１２圧力室隔壁１３圧力室１４インク供給口１５リザーバ１６インク導入口１７ステンレス板１８弾性体膜（薄膜部）１９凹部２０外部連通孔２１段差２２隙間２３島部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のノズル開口部と、前記ノズル開口部
とそれぞれ連通して圧力室隔壁を隔てて列設された複数
の圧力室と、各圧力室の少なくとも一端に連通する複数
のインク供給口が連通するリザーバを形成した流路基板
と、前記流路基板の前記リザーバ開口側に接合される封
止板と、圧力室のそれぞれに対応して設けられて圧力室
内の圧力を変化させる圧力発生手段とを備え、前記リザ
ーバには外部からインクの供給を受けるインク導入口が
設けられているインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記リザーバは、長手方向の一端に前記インク導入口が
連通され、また他端側は端部が先細りに形成され、前記
リザーバの前記インク導入口が形成された長手方向端部
には、前記弾性板との間に隙間を設けるように段差が設
けられることを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項２】前記隙間の領域が、インク供給口と前記リ
ザーバの境界線に向かうにつれて領域幅が広くなるよう
に形成されることを特徴とする請求項１記載のインクジ
ェット式記録ヘッド。
【請求項３】前記インク供給口が、前記流路基板の前記
弾性板と接合される側にのみ形成された請求項１記載の
インクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】前記複数のノズル開口を有するノズルプレ
ートが、前記流路基板の前記弾性板が接合される面とは
反対側の面に接合されていることを特徴とする請求項１
記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】前記インク供給口が、前記流路基板と接合
される側及び前記ノズルプレートと接合される側の両方
に形成された請求項４記載のインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項６】請求項１記載のインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記流路基板はシリコンウェハーをエッチ
ング処理にて形成されることを特徴とするインクジェッ
ト式記録ヘッド。
【請求項７】請求項１記載のインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、前記流路基板は前記流路基板凹部の底面を
境にするように厚み方向に複数の層に分解し、各層の貫
通孔に一致する貫通孔を形成したエッチングフィルムを
積層することによって形成されることを特徴とするイン
クジェット式記録ヘッド。
【請求項８】請求項１記載のインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、加圧手段は圧電振動子であることを特徴と
するインクジェット式記録ヘッド。
【請求項９】請求項１記載のインクジェット式記録ヘッ
ドにおいて、加圧手段は圧力発生室のインクを加圧気化
させる発熱素子であることを特徴とするインクジェット
式記録ヘッド。