JP2001063039A

JP2001063039A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2001063039A
Application number: JP24120199A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Noto; 信博能登; Takuji Torii; 卓爾鳥居; Keiji Watanabe; 啓司渡辺; Takashi Sato; 隆佐藤; Yoshitaka Akiyama; 佳孝秋山; Shigenori Suematsu; 成規末松; Kenichi Hisagai; 健一久貝
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-13

Abstract

(57)【要約】【課題】インクの吐出効率を制御でき、ヘッド毎のイ
ンク吐出に用いる駆動電圧のばらつきを低減し、実用的
な駆動電圧を確保できるとともに、ヘッドの歩留まりを
向上して、さらには安定した良好な印刷品質を得ること
ができるマルチノズルインクジェットヘッドを提供す
る。【解決手段】変換素子ユニットを構成する圧電素子を
インク流路ユニットの振動板に取付ける際に、振動板の
有効変位領域内で、当接配置された圧電素子が直接加圧
する部分の両側に形成された間隙長さに所定の関係を持
たせる。すなわち、圧電素子が当接して直接加圧する部
分の両側に形成される間隙長さL１、Ｌ2で定義される値
Ｒ＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）を０．２≦Ｒ≦０．７とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電素子を用いたオンデ
マンド型マルチノズルインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】マルチノズルインクジェットヘッドは、
サイズのコンパクト化を図るため、薄板プレートの接着
または接合で形成されたインク流路ユニットと、このイ
ンク流路ユニットに設けられ、ノズルの配置に合わせて
ダイシングされた圧電素子を列状に配設した変換素子ユ
ニットとの組み合わせで製作されている。

【０００３】例えば、特開平１１−７０６５２号公報で
は、1枚の圧電素子固定基板上に６列のダイシングされ
た圧電素子列を配設して変換素子ユニットを形成し、そ
のような変素子ユニットを２枚、インク流路ユニットに
接着固定して、１２列の圧電素子列を備えたインクジェ
ットヘッドを製作する技術が開示されている。

【０００４】上述の方法にて製作されたマルチノズルイ
ンクジェットヘッドは、様々な方法で駆動されている。
例えば、パルス波形に矩形波を用いて、各ノズルにおい
て所望の吐出速度が得られる電圧を求め、各ノズル列で
平均化した電圧をそれぞれのノズル列に印加して駆動す
る方法や、矩形波のパルス幅をノズル毎に変えて吐出速
度を調整する方法などがある。特に、各ノズル列を一定
電圧で駆動する方法は、制御回路が複雑にならないた
め、駆動回路と電源などのコストを安価にできるという
大きな利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、製作された変
換素子ユニットをインク流路ユニットに組み付けたイン
クジェットヘッドの各ズル列を一定電圧で駆動する場
合、変換素子ユニットの製造時の誤差等により、同一パ
ルス幅を使用して所望の吐出速度を得るための駆動電圧
が変換素子ユニット毎に異なることがある。そして、場
合によっては駆動電圧がプリンタ側のヘッド制御電圧の
上限を超えてしまうために、製作した変換素子ユニット
をインクジェットヘッドに搭載できないという問題が生
じる。これは、インクジェットヘッドの歩留まり低下の
原因ともなり、更には、インクジェットヘッド毎の平均
電圧のばらつきが、インク吐出量のばらつきとなって印
字ドットサイズの差を生じ、不安定な印刷品質しか得ら
れないという問題になる。

【０００６】本発明は上述の問題点を解消するためにな
されたもので、変換素子ユニットを構成する圧電素子を
インク流路ユニットの振動板に取付ける際に、振動板の
変位領域内で、当接配置された圧電素子が直接加圧する
部分の両側を形成する間隙長さに所定の関係を具有させ
ることにより、圧電素子が当接配置される位置を制御し
て、変換素子ユニットによる電圧のばらつきを低減し、
ヘッドの歩留まりを向上し、さらには安定した印刷品質
が得られるマルチノズルインクジェットヘッドを提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明では、インクの圧力を高める加圧室と、加圧
室の壁面の少なくとも一部を形成する振動板と、振動板
に弾性料で接着されて電気信号の印加で加圧室内に圧力
変動を発生させる圧電素子と、加圧室へのインク流路を
形成してその量を制限するリストリクタと、リストリク
タにインクを供給する共通インク供給路と、インク吐出
口のオリフィスから構成された複数のノズルを列状に配
設して、インクを吐出するオンデマンド型マルチノズル
インクジェットヘッドにおいて、前記振動板の有効変位
領域内で、前記圧電素子が当接して直接加圧する部分の
両側に形成される間隙長さＬ１、Ｌ２で定義される値Ｒ
＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）が、０．２≦Ｒ≦０．７で設定
されている構成を有する。なお、振動板に当接する圧電
素子はｄ３３方向またはｄ３１方向に変位して、当設面
のエッチ部が面取りされている。特に、積層圧電素子は
低電圧で大きな変位を発生し、形状においてもサイズが
小さなものなので、マルチノズルインクジェットヘッド
をコンパクト化するには好適なものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明につ
いて説明する。

【０００９】図１は、本発明の一例となるマルチノズル
インクジェットヘッドのノズル部の構成を示した断面図
である。このヘッドは、入力信号に応じてインクを吐出
することにより記録を行うことができる。

【００１０】図において、１はオリフィス、２は加圧
室、３は振動板、４は積層圧電素子、５ａと５ｂは信号
入力端子、６はヘッド基板、７はインク流路８と加圧室
２とを連結し加圧室２へのインク流入を制御するリスト
リクタ、８はインク流路、９は振動板３と圧電素子４と
を連結する弾性材料（例えばシリコン系接着剤で、室温
下においてショア硬度７２度［Ａスケール］のDOW CORN
ING社製3-6611、あるいはショア硬度７１度［Ａスケー
ル］の東レダウコーニング社製SE1701など）、１０はリ
ストリクタ７を形成するリストリクタプレート、１１は
加圧室２を形成するチャンバープレート、１２はオリフ
ィス１を形成するオリフィスプレートである。

【００１１】振動板３、リストリクタプレート１０、チ
ャンバープレート１１は例えばステンレス材から作ら
れ、オリフィスプレート１２はニッケル材から作られて
いる。また、ヘッド基板６は、セラミックスやポリイミ
ドなどの絶縁物から作られ、導体ペーストや半田めっき
などで電極が形成されている。

【００１２】インクは、インク流路８、リストリクタ
７、加圧室２、オリフィス１の順に流れ、圧電素子４の
変位により加圧室２の容積が変位することによりオリフ
ィス１からインク液滴となって吐出する。

【００１３】圧電素子４は信号入力端子５ａに正電位が
印加されたときに伸長し、信号入力端子５ａと５ｂ間に
電位差が無くなれば伸長前の状態に戻り、変形しなくな
る。なお、圧電素子の変位方向はｄ₃₃方向、あるいはｄ
₃₁方向のいずれを用いてもよい。

【００１４】ここで、振動板３の有効変位領域長さをＬ
０、振動板３と圧電素子４とが当接して加圧室２を直接
加圧する部分Ｌｓの両側に形成される間隙長さをＬ１、
Ｌ２で示す。なお、圧電素子４の当設面のエッチ部分
は、図５に示すように、Ｃ面、または段差が形成されて
いれば良い。図では段差の場合を記載した。更に、圧電
素子４の当接面長さLｓは、圧電素子４の横幅Lｐ（図５
参照）の幾何学的中心になんら依存されずに形成され、
振動板３に接着されていればよい。

【００１５】次に、本発明のマルチノズルインクジェッ
トヘッドの製作方法について、図３を用いて以下に説明
する。

【００１６】図３は、本発明のインクジェットヘッドの
プレート類の組立順序を示した部品展開図である。

【００１７】まず、ヘッド基板６に、長さ３６ｍｍの積
層圧電素子棒を6本、所定の間隔となるように並べて、
積層圧電素子棒の取付け面にエポキシ系接着剤を塗布
し、ヘッド基板６に固定する。その後、ダイシングソー
やカッタなどでエッチ部の面取りを行う。この際、各圧
電素子４においては振動板３に当設する長さLｓ（本例
では１ｍｍ）が同じ寸法となるように、かつ当設面のエ
ッチ間距離（本例では５．４ｍｍ：図５参照）が等しく
なるように加工される。そして、ダイシングソーやワイ
ヤソー等で積層圧電素子棒を１ノズルの駆動源となる積
層圧電素子の厚さが０．２ｍｍでノズルピッチが０．５
１ｍｍとなるように切断し、１列に３２個の分割された
積層圧電素子を形成する。この時、分割されたそれぞれ
の積層圧電素子は加圧室２及びオリフィス１に一つずつ
に対応するようになっている。この組み合わせ部品が変
換素子ユニットである。

【００１８】次に、オリフィスプレート１２、チャンバ
ープレート１１、リストリクタプレート１０、振動板
３、支持板１３を纏めて接着し、この組み合わせを積層
プレートＡと呼ぶ。

【００１９】さらに、共通インク供給路プレート１４、
１５、共通インク供給路プレートカバー１６の３枚のプ
レートを纏めて接着し、この組み合わせを積層プレート
Ｂと呼ぶ。

【００２０】そして、積層プレートＡと積層プレートＢ
を一体に接着した後にヘッド基板取り付け用プレート１
７を接着固定した組み合わせを積層プレートＣと呼び、
当組み合わせ部品がインク流路ユニットとなる。

【００２１】前述したヘッド基板６の積層圧電素子の先
端に弾性材料を塗布し、積層プレートＣに取付けると、
積層圧電子４が加圧室２に個々に対応した振動板３に弾
性材料９で接着される。ここでは、２枚のヘッド基板６
を積層プレートＣに取付ける。この結果、１２列の圧電
素子列が形成される。その際、ヘッド基板６は、本例で
は当接面長さ１．０ｍｍに対し、振動板の有効変位領域
長さを２．０ｍｍとし、Ｒ＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）が所
定の値となる専用治具にて位置決めされ、接着固定され
ている。そして、ヘッド基板取り付け用プレート１７に
接触するヘッド基板６の周縁部を接着剤（例えば、紫外
線硬化性接着剤、エポキシ系接着剤、シリコン系接着剤
など）で固定すると、前述した図１のヘッド構造を有し
たマルチノズルインクジェットヘッドが作られる。

【００２２】なお、図３ではヒータ１８を共通インク供
給路プレートカバー１６に貼り付けるようになっている
が、これは、インクとして室温で固体であるが吐出時に
は加熱溶融される固体インクを使用することを想定した
場合であり、室温で液体のインクを用いる場合はヒータ
１８を取付ける必要はない。

【００２３】ここで、オンデマンド型マルチノズルイン
クジェットヘッドにおいて、圧電素子が当接して直接加
圧する部分の両側に形成される間隙長さL１、L２で定義
されたR＝L１／（Ｌ１＋Ｌ２）は、振動板への圧電素子
の当接位置に依存したノズルの流体共振に関し鋭意研究
して求められたものであり、ノズル吐出特性に関係付け
られる値である。前式の（Ｌ１＋Ｌ２）は振動板に当接
した圧電素子が直接加圧する部分の両側に生じる間隙部
分の長さの合計であり、この値が小さいほど当接される
圧電素子の吐出性能は大きく、圧電素子の位置ずれによ
る流体特性への影響が小さいことを示す。

【００２４】下記表１は、当接面長さ１．０ｍｍに対
し、振動板の有効変位領域長さを２．０ｍｍとして実際
に製作した３種類のインクジェットヘッドのＬ１、Ｌ
２、Ｒの値を示したものである。なお、Ｌ１の値が０．
２より小さくなると、圧電素子とインク流路ユニットの
縁面距離が短くなり、電気的安定性を確保して組て立る
ことが難しくなる。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１で示した３通りのＲ値でそれぞれ製作
した本発明のマルチノズルインクジェットヘッドにおい
て、一定電圧のもとで駆動波形のパルス幅を変えて吐出
速度を測定した結果を図２に示す。なお、ここで使用し
た駆動波形は矩形波である。

【００２７】図において、Ｒ＝０．２、Ｒ＝０．４５、
Ｒ＝０．７のピーク位置またはピーク高さに違いが見ら
れるが、これはＬ１とＬ２の振動と圧電素子の振動に微
妙な干渉や共振が発生することによる。

【００２８】また、図２から、駆動電圧とパルス幅が同
じであっても液滴速度が異なることが分かる。例えば、
表２に示すように、駆動パルス幅が５μｓ時の各Ｒ値に
おける電圧一定時での液滴速度は夫々相違している。こ
れは、振動板に当接する圧電素子の位置に依存して起こ
るもので、圧電素子の位置を制御することで吐出効率の
選択が可能になることが分かる。

【００２９】

【表２】

【００３０】つまり、図２に示す本例のインクジェット
ヘッドにおいて、比較的短いパルス幅で大きな液滴速度
を得ようとする場合（低電圧で大きな液滴速度を得る場
合）には、圧電素子をＲ＝０．４５を満たすように接着
すればよく、これよりも長いパルス幅で大きな液滴速度
を得ようとする場合には圧電素子をＲ＝０．２を満たす
ように接着すればよい。

【００３１】図４は、本発明のインクジェットヘッドに
おいて、ヘッド基板６をＲ＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝
０．２となるように専用治具にて位置決めして接着固定
した本発明のインクジェットヘッドを、矩形波９μｓ、
吐出速度１０ｍ/ｓとしたときの駆動電圧を示してい
る。３８４ノズル全数において、駆動電圧が３５Ｖ程度
で、実用的な電圧値が得られているのがわかる。ここ
で、実用的な電圧値とは、機器に使用される電子部品の
耐電圧を考慮したもので、およそ５０Ｖ以下である。こ
のように、プリンタに搭載して印刷したところ、良好な
印刷品質を得ることができた。

【００３２】次に、ヘッド基板６をＲ＝Ｌ１／（Ｌ１＋
Ｌ２）＝０．７となるように専用治具にて位置決めして
接着固定した本発明のインクジェットヘッドを、矩形波
９μｓ、吐出速度１０ｍ／ｓとして駆動したところ、電
圧値はＲ＝０．２より高い４５Ｖ程度であるものの、実
用的な電圧値であり、プリンタに搭載して印刷したとこ
ろ、良好な印刷品質を得ることができた。

【００３３】一方、０．７≦Ｒとして、矩形波９ｕｓ、
吐出速度１０ｍ／ｓの条件にて駆動したところ、電圧値
が５０Ｖを超えてしまい、実用性がながった。

【００３４】従って、本例から実用的なＲの値は、０．
２≦Ｒ≦０．７であることがわかった。

【００３５】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドでは、変
換素子ユニットを構成する圧電素子をインク流路ユニッ
トの振動板に取付ける際に、振動板の変位領域内で、当
接配置された圧電素子が直接加圧する部分の両側に形成
された間隙長さに所定の関係を持たせたことにより、イ
ンクの吐出効率を制御することができ、ヘッド毎のイン
ク吐出に用いる駆動電圧のばらつきを低減し、実用的な
駆動電圧を確保できるとともに、ヘッドの歩留まりを向
上して、さらには安定した良好な印刷品質を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いたインクジェットヘッドのノズ
ル断面図である。

【図２】本発明で用いたインクジェットヘッドのノズ
ルの流体振動を示す図である。

【図３】本発明のインクジェットヘッドの組立順序を
示す斜視図である。

【図４】本発明で用いたマルチノズルインクジェット
ヘッドのノズルの駆動電圧を示す図である。

【図５】本発明の圧電素子の配列状態を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１はオリフィス、２は加圧室、３は振動板、４は圧電素
子、５ａと５ｂは信号入力端子、６はヘッド基板、７は
リストリクタ、８はインク流路、９はシリコンゴム、１
０はリストリクタプレート、１１はチャンバープレー
ト、１２はオリフィスプレート、１３は支持板、１４は
共通インク供給路プレートＡ、１５は共通インク供給路
プレートＢ、１６は共通インク供給路プレートカバー、
１７は圧電素子固定板取り付け用プレート、１８はヒー
タ、１９は基板、２０は振動板、２１は流路、２２はノ
ズル、２３は接着層、２４は金属板、２５はピエゾ振動
子、２６薄膜電極、２７は半田バンプ、２８はスイッ
チ、２９は電源、３０はインク、３１はインク液滴、３
２は吐出方向、３３はインク供給口、３４はインク供給
方向である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤隆茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内 (72)発明者秋山佳孝茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内 (72)発明者末松成規茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内 (72)発明者久貝健一茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF23 AF51 AF93 AG40 AG44 AG51 AP02 AP14 AP75 BA04 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクの圧力を高める加圧室と、加圧室の
壁面の少なくとも一部を形成する振動板と、振動板に弾
性材料で接着されて電気信号の印加で加圧室内に圧力変
動を発生させる圧電素子と、加圧室へのインク流路を形
成してその量を制限するリストリクタと、リストリクタ
にインクを供給する共通インク供給路と、インク吐出口
のオリフィスから構成された複数のノズルを列状に配設
してインクを吐出するオンデマンド型マルチノズルイン
クジェットヘッドにおいて、前記振動板の有効変位領域内で、前記圧電素子が当接し
て直接加圧する部分の両側に形成される間隙長さＬ１、
Ｌ２で定義される値Ｒ＝Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）が、０．
２≦Ｒ≦０．７であることを特徴とするインクジェット
ヘッド。
【請求項２】前記振動板に当接する圧電素子がｄ₃₃方向
に変位して、当設面のエッチ部が面取りされている請求
請１のインクジェットヘッド。
【請求項３】前記振動板に当接する圧電素子がｄ₃₁方向
に変位して、当設面のエッチ部が面取りされている請求
請１のインクジェットヘッド。