JP2003019794A - 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents
液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置Info
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- JP2003019794A JP2003019794A JP2001208276A JP2001208276A JP2003019794A JP 2003019794 A JP2003019794 A JP 2003019794A JP 2001208276 A JP2001208276 A JP 2001208276A JP 2001208276 A JP2001208276 A JP 2001208276A JP 2003019794 A JP2003019794 A JP 2003019794A
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
ストが高い。 【解決手段】 振動板2は薄肉部21と中央厚肉部22
及び周囲厚肉部23を有し、薄肉部分は中央厚肉部22
で2つの薄肉部21に分離した。
Description
クジェット記録装置に関する。
ロッタ等の画像記録装置(画像形成装置)として用いる
インクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズル
と、このノズルが連通する液室(インク流路、吐出室、
圧力室、加圧液室、流路等とも称される。)と、この液
室内のインクを加圧するための駆動手段(圧力発生手
段)とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェット
ヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドと
しては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐
出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出
ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを
中心に説明する。
インクを加圧する圧力を発生するための駆動手段として
圧電素子などの電気機械変換素子を用いて、駆動手段の
変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変
形させて液室内容積/圧力を変化させてインク滴を吐出
させるいわゆるピエゾ型のものが知られている(特開平
2−51734号公報参照)。
充放電することで変形させ、圧電素子に当接した振動板
を変位させ、振動板が加圧液室の容積を収縮するように
変位することで加圧液室内部の圧力が上昇し、インク滴
をノズルから吐出させるものであり、インク滴を吐出し
た後は、加圧液室の容積を膨張させるように振動板に変
位を与えるべく、圧電素子を変形させる。
図18及び図19に示している。なお、図18は同ヘッ
ドの液室長手方向に沿う断面説明図、図19は同ヘッド
の液室短手方向に沿う断面説明図である。
11とノズル板118とを接合して、インク滴を吐出す
るノズル113に連通した加圧液室114、加圧液室1
14に連通部120を介してインクを供給する共通液室
119を形成し、加圧液室114の壁面の一部を形成す
る振動板116の面外側にベース基板112に設けた圧
電素子117を接合している。
形に伴い弾性変形するが、圧電素子117の変位を効率
よく加圧液室114の容積変化にするために、振動板1
16は通常、加圧液室114を構成する他の面よりも剛
性を小さく(=コンプライアンスを大きく)している。
また、共通液室119は図示しないインクタンクに接続
され、液室基板111とベース基板112との間には支
持部材121を設けている。
回路から電圧を加えることで圧電素子117は変形を生
じ、振動板116を加圧液室114の容積が増加または
減少するように変形させる。加圧液室114の容積を増
加させた場合は加圧液室114の内部圧力は減少するの
で、共通液室119から連通部120を通ってインクが
加圧液室114に補充される。
させるような駆動を行う。すなわち、加圧液室114の
容積を減少させるように圧電素子117を駆動させた場
合は、加圧液室114の内部圧力が増加するので、ノズ
ル113からインクが押し出されてインク滴122とな
って飛翔し、図示しない記録媒体(紙など)にインク滴
が付着することで記録を行うことができる。
トヘッドにおけるインク滴の形成は、振動板の変位がそ
の源であり、さらにその駆動源である圧電素子との接合
部分の構成は、インクジェットヘッドの特性を左右する
重要な要素であるといえる。
いては、特許第3147132号公報や特許第3070
625号公報等に開示されているように、振動板に圧電
素子と接合するための島状凸部を形成することが行われ
ている。
構成について図20乃至図21を参照して説明する。な
お、図20は同ヘッドの斜視説明図、図21は図20の
要部拡大説明図、図22は他の例の振動板の斜視説明
図、図23は同ヘッドの模式的斜視図である。なお、図
18及び図19に対応する部分には同一符号を付して説
明を簡略化する。
114の壁面の一つを形成している振動板116には凹
部123が設けられて薄肉部126を形成している。圧
電素子117が振動板116に当接する部分には厚肉部
である島状凸部124が形成されている。すなわち、薄
肉部126は厚肉部である島状凸部124の全周を均一
な厚さで取り巻いている。
ており、厚肉部125によって圧電素子117が当接す
る島状凸部124を隔てている凹部123を区画してい
る。なお、図22の振動板116は薄肉部126を形成
し、その中に厚肉部である島状凸部124を形成したも
のである。
圧電素子を駆動することで、駆動した圧電素子の振動が
隣接する他の加圧液室に伝播する量が少なくなり、ま
た、圧電素子の変位を効率的に加圧液室の容積変化、す
なわち圧力変化へと変換することができる。
た従来のインクジェットヘッドにあっては、振動板に形
成する島状凸部は、加圧液室を区画する境界から一定の
距離を置いて形成する必要があるため、島状凸部の全周
にわたって均一な幅の薄肉部を形成しなければならず、
製造上、一段高い寸法精度や位置決め精度が要求され
る。
の長辺よりも長く、さらに薄肉部の間隔も必要とされる
ことから、ヘッド全体を小型化することが困難であると
いう問題があり、高密度配列への対応が課題となる。し
かも、液室内部の容積変化は凸部の寸法と圧電素子の変
位量から決まるので、凸部の寸法は高精度にする必要が
あるが、長い寸法のものを高精度に作製することが難し
く、歩留まりが低下し、コストが高くなる。
成要素としている加圧液室は、加圧液室全体としての剛
性が小さくなり(=コンプライアンスが大きくなり)、
加圧液室の内部圧力を増加させる際の効率が悪くなると
ともに、インク滴噴射時のメニスカスの制御性に劣ると
いう課題もある。
凸部は、全周の薄肉部で弾性変形による歪みが発生して
おり、凸部または薄肉部の形成時のバラツキ等の予期せ
ぬ不具合によって起こった応力集中で、振動板が破断す
るおそれもある。多数の加圧液室をバラツキなく形成す
るためには、製造工程が煩雑になりかねず、様々な装置
の開発が求められ、また、コストの上昇を招くという課
題もある。
であり、駆動手段の効率を損なうことなく液室内部圧力
を増減させるとともに、メニスカスの制御性ひいては液
滴の噴射特性を向上させ、更には小型化、特性のバラツ
キを低減した液滴吐出ヘッドを提供するとともに、この
液滴吐出ヘッドを搭載することで画像品質を向上したイ
ンクジェット記録装置を提供することを目的とする。
め、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板は薄肉部と
厚肉部とからなり、薄肉部の領域は駆動手段が当接され
る厚肉部で分離されているものである。
が当接する側に張り出していることが好ましい。この場
合、厚肉部は液室長手方向に沿って設けられていること
が好ましい。また、厚肉部で領域が分離された薄肉部
は、液室長手方向に沿って細長い形状をなすことが好ま
しい。
厚肉部に当接している駆動手段の液室長手方向の長さよ
りも長いことが好ましい。さらに、薄肉部の領域は、厚
肉部に対して対称な位置に形成されていることが好まし
い。さらにまた、振動板の厚肉部の厚さは薄肉部の周囲
全てにおいて略同じ厚さであることが好ましい。
位が、d33方向である圧電素子で構成されていること
が好ましい。この場合、圧電素子は、複数枚の圧電素子
の層と電極層が積層された構造であり、液室長手方向の
端部に電界が生じない不活性域を有し、この不活性域が
液室間の隔壁に対向して当接していることが好ましい。
この場合、圧電素子の不活性域は前記液室の長手方向の
両端の隔壁に対向して当接していることが好ましい。ま
た、圧電素子の活性域は液室の長手方向の両端の隔壁に
対向した領域には存在しないことが好ましい。さらに、
圧電素子の不活性域は振動板の駆動領域に対向した領域
にも存在することが好ましい。
液室長手方向の長さが液室の長手方向の長さよりも短い
ことが好ましい。この場合、圧電素子は、液室長手方向
で圧電素子の端部が当接する領域は、液室の振動板の厚
肉部の長手方向の長さよりも短いことが好ましい。
手方向の長さは、振動板の厚肉部の液室短手方向の長さ
よりも長いことが好ましい。
接する第1の厚肉部と、この第1の厚肉部及び薄肉部と
は異なる厚さであって、第1の厚肉部と液室の隔壁と連
結する第2の厚肉部とからなることが好ましい。
インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明
に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
図面を参照して説明する。本発明の液滴吐出ヘッドの第
1実施形態に係るインクジェットヘッドについて図1乃
至図5を参照して説明する。なお、図1は同ヘッドの分
解斜視説明図、図2は同ヘッドの液室長手方向に沿う断
面説明図、図3は図2の要部拡大説明図、図4は同ヘッ
ドの液室短手方向に沿う断面説明図、図5は同ヘッドの
部分拡大斜視説明図である。
コン基板で形成した流路形成基板(液室基板)1と、こ
の流路形成基板1の下面に接合した振動板2と、流路形
成基板1の上面に接合したノズル板3とを有し、これら
によってインク滴を吐出するノズル5が連通する流路
(インク液室)である加圧液室6、加圧液室6に流体抵
抗部となるインク供給路7を介してインクを供給する共
通液室8を形成している。
面側)に各加圧液室6に対応して駆動手段としての積層
型圧電素子12を接合し、この積層型圧電素子12はベ
ース基板13に接合して固定し、このベース基板13の
圧電素子12の列の中央部にはインク供給口形成部材1
4をベース基板13に接合している。なお、インク供給
口形成部材14はベース基板13をエッチングすること
でベース基板13と一体形成することもできる。
極とを交互に積層したものである。この場合、圧電素子
12の圧電方向としてd33方向の変位(ここでは積層
方向と直交する方向の変位)を用いて加圧液室6内イン
クを加圧する構成とすることも、圧電素子12の圧電方
向としてd31方向の変位(ここでは積層方向と直交す
る方向の変位)を用いて加圧液室6内インクを加圧する
構成とすることもできる。ベース基板13及びインク供
給口形成部材14には共通液室8に外部からインクを供
給するためのインク供給口9を形成する貫通穴を形成し
ている。
2の下面側外縁部をエポキシ系樹脂或いはポリフェニレ
ンサルファイトで射出成形により形成したヘッドフレー
ム17に接着接合し、このヘッドフレーム17とベース
基板13とは図示しない部分で接着剤などで相互に固定
している。なお、ヘッドフレーム17は2つの部品に分
けているが1つの部品で構成することもできる。
るために半田接合又はACF(異方導電性膜)接合若し
くはワイヤボンディングでFPCケーブル18を接続
し、このFPCケーブル18には各圧電素子12に選択
的に駆動波形を印加するための駆動回路(ドライバI
C)19を実装している。
(110)の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶
液(KOH)などのアルカリ性エッチング液を用いて異
方性エッチングすることで、各加圧液室6となる貫通
穴、インク供給路7となる溝部、共通液室8となる貫通
穴をそれぞれ形成している。この場合、各加圧液室6は
隔壁20によって区画している。
から形成したものであるが、この他、樹脂部材或いは樹
脂部材と金属部材の積層部材などで形成することができ
る。この振動板2は加圧液室6に対応する部分に変形を
容易にするための薄肉部21及び圧電素子12と接合す
るための中央厚肉部22を形成するとともに、隔壁20
に対応する部分にも周囲厚肉部23を形成し、平坦面側
を流路形成基板1に接着剤接合し、周囲厚肉部23をヘ
ッドフレーム17に接着剤接合している。
6、6間の隔壁20)に対応する周囲厚肉部23とベー
ス基板13との間には支持部材などを設けず空間として
いる。この場合、上部の加圧液室6の剛性を保つととも
に圧電素子12の変形による振動板2の中央厚肉部22
の変位効率を確保するために、加圧液室6、すなわち、
隔壁20やノズル板3及び振動板6の剛性を高くし、ま
た、それぞれの接合部分の強度を十分に確保している。
10〜30μmのノズル5を形成し、流路形成基板1に
接着剤接合している。このノズル板3としては、ステン
レス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィ
ルムなどの樹脂との組み合せ、シリコン、及びそれらの
組み合わせからなるものを用いることができる。また、
ノズル面(吐出方向の表面:吐出面)には、インクとの
撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コ
ーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
このノズル板3の周囲とヘッドフレーム17との間には
封止剤26を充填している。この封止剤26は接着の役
割も兼ねている。
においては、圧電素子12に対して選択的に20〜50
Vの駆動パルス電圧を印加することによって、パルス電
圧が印加された圧電素子12が積層方向(d33方向を
用いる場合)に変位して振動板2をノズル5方向に変形
させ、加圧液室6の容積/体積変化によって加圧液室6
内のインクが加圧され、ノズル5からインク滴が吐出
(噴射)される。
6内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性に
よって加圧液室6内には若干の負圧が発生する。この状
態の下において、圧電素子12への電圧の印加をオフ状
態にすることによって、振動板2が元の位置に戻って加
圧液室6が元の形状になるため、さらに負圧が発生す
る。このとき、インク供給口9から共通液室8、流体抵
抗部であるインク供給路7を経て加圧液室6内にインク
が充填される。そこで、ノズル5のインクメニスカス面
の振動が減衰して安定した後、次のインク滴吐出のため
に圧電素子12にパルス電圧を印加しインク滴を吐出さ
せる。
る振動板2の構成の詳細について図6をも参照して説明
する。なお、図6は圧電素子当接部分の模式的斜視図で
ある。振動板2は、薄肉部21と中央厚肉部22及び周
囲厚肉部23から構成され、圧電素子12が当接する
(ここでは接合する)中央厚肉部22によって、薄肉部
分は2つの薄肉部21、21に領域を分離している。
(液室長手方向)に沿って形成し、薄肉部21は中央厚
肉部22を挟んで対称な位置に、加圧液室6の長手方向
に沿って細長く設けている。これにより、駆動時におけ
る加圧液室6内の圧力変化が対称となって相互干渉を防
止することができる。
部21及び中央厚肉部22を1つずつ(1チャンネル毎
に)区画している厚肉部である。この周囲厚肉部23と
中央厚肉部22との厚みは異ならせ、中央厚肉部22の
厚みを周囲厚肉部23の厚みより薄く形成している。
12を接合し、前述したように、ドライバICからの駆
動信号を与えることで圧電素子12が伸縮して、加圧液
室6の内部圧力を適切に制御することでインク滴が噴射
する。このとき、圧電素子12の変形は、中央厚肉部2
2の変形にも用いられることから、効率の低下について
の数値シミュレーションを行った。
接する部分の中央厚肉部の形状のみが異なるものを4種
類実施した。すなわち、実施例として中央厚肉部で薄肉
部が分離されているもの、比較例1として従来(図23
参照)の島状凸部のもの、比較例2として島状凸部の幅
を狭くしたもの、比較例3として島状凸部の幅を更に狭
くしたものについて実施した。
圧力の最大値と、ノズルプレート(ノズル板3)変位の
最大値である。これは、振動板2の剛性が大きすぎた場
合には、加圧液室6の内部圧力の上昇は小さくなる一
方、加圧液室6全体を変位させることでノズルプレート
3が動いてしまうと予想されるからである。
は、従来の島状凸部を有する比較例1の結果に対する相
対比較を行った指標値を横軸にとっており、100より
も大きい場合に性能が向上したことを示している。
6の内部圧力は十分上昇していることが分かる。ノズル
プレート3の変位の指標値が100以下なので、島状凸
部の形状に比較すると若干悪い(=変位量が大きい)傾
向にあるが、20%以下であり、問題はない。なお、こ
の数値シミュレーションは、圧電素子を駆動してからの
過渡応答解析を行ったので、図示はしていないが、加圧
液室内部圧力の時間変化も評価しており、実施例のもの
は従来のものと比較して、大きな位相変化や圧力変化量
の特異点等も見られなかった。
当接部分を厚肉化する場合、当接部分をその周囲を薄肉
部で取り巻いた島状凸部にせず、加圧液室6の長手方向
に沿って形成した厚肉部22で薄肉部21を分離した当
接部であっても、良好なインク滴の噴射速度や噴射滴体
積などの特性を得ることができる。
に比べて、次のような利点がある。すなわち、本発明に
よれば、厚肉部の面積を増加させつつ、振動板の変位量
を確保できることになり、加圧液室の剛性を高めて滴噴
射の制御性を向上することができる。また、島状凸部を
形成しないので、凸部の寸法精度に起因する加圧液室の
容積変動量を抑えることができ、特性バラツキが低減す
る。
面模式図で示すように、従来例に比較して、振動板2に
形成した薄肉部21の面積が小さいので、加圧液室6の
剛性が高くなる。したがって、固有振動数が大きくな
り、より高い周波数での駆動が可能になる。また、圧電
素子12の駆動変位に対する加圧液室6の内部圧力の追
随性が向上することにもなり、内部圧力、すなわちイン
ク滴噴射に関する高精度な制御が可能となる。特に、ノ
ズル5を加圧液室6の端部に設置した場合、周囲厚肉部
23があるためにノズル5直下の振動板2の剛性を高く
することができる。
で駆動する部分以外の構成要素は、印字動作時の振動
等、ヘッド外部からの不要な外力の影響を排除するた
め、できるだけ剛性を高めることが好ましい。したがっ
て、振動板2も、圧電素子12が当接する部分(中央厚
肉部22)以外の周囲厚肉部23の厚さはできるだけ厚
くすることが好ましい。
2が振動板2に当接する端部部分の液室長手方向の長さ
Lpは、振動板2に圧電素子12が当接する中央厚肉部
22の液室長手方向の長さLsよりも短くする。
子12の接合時に位置ずれを生じる場合がある。そこ
で、図8に示すように、圧電素子12が中央厚肉部22
に当接する長さLpを、中央厚肉部22の長さLsより
も短くする、つまり薄肉部21の液室長手方向の長さを
圧電素子12の長さよりも長くすることで、接合する位
置が同図で左右方向に多少ずれても、両者が当接する領
域の面積を一定に確保することができるので、特性のバ
ラツキを抑えることができる。
当接する液室長手方向の長さは加圧液室6の長手方向の
長さよりも短くすることで、中央厚肉部22の厚さより
も周囲厚肉部23の厚さを厚くすることができ、ヘッド
の剛性を高くすることができて外部の振動に対する耐性
が向上し、品質の高いヘッドが得られる。
肉部が当接する部分を接着剤接合する場合、厚肉部が従
来のような島状凸部形状のときには、接着剤がはみ出し
た場合には全周に流れ出すことになってしまい、薄肉部
の領域に侵入するおそれが高くなる。これに対して、本
発明のように圧電素子12が当接している中央厚肉部2
2の領域を圧電素子12よりも細長くすることで、はみ
出した接着剤は中央厚肉部22の長手方向に沿っていく
ため、薄肉部21へのはみ出しを防ぐことができる。
加圧液室6の容積変化量は、圧電素子12の変位量と圧
電素子12の長さLpで決定される。振動板2に圧電素
子12が当接する部分が島状凸部である場合には、凸部
の長さが重要となる。ところで、ベース基板13と振動
板2の接合に、隣接する加圧液室6を区画する隔壁(液
室間隔壁)20対向する位置に支持部材を持たずに空間
とし、圧電素子12だけである場合、振動板2の剛性確
保と圧電素子12の変位量確保を同時に達成するために
は、振動板2の材料としては樹脂を用いることが好まし
いが、振動板2を樹脂で形成する場合に島状凸部の長さ
を精度よく仕上げるのは非常に困難である。
の接合に、隣接する加圧液室6を区画する隔壁(液室間
隔壁)20対向する位置に支持部材を持たずに空間と
し、圧電素子12だけとして、振動板2を樹脂材料で形
成する場合にも、本発明は振動板2に島状凸部を設けな
いので、特性バラツキの少ない良好なヘッドを容易に実
現することができる。
ジェットヘッドについて図9を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの圧電素子を接合する前の1つの加
圧液室を振動板側から見た模式的斜視説明図である。こ
のインクジェットヘッドにおいても、振動板2には薄肉
部21と中央厚肉部22及び周囲厚肉部23を形成して
いるが、上記第1実施形態とは異なり、液室長手方向に
沿って設けられていて、薄肉部21を分離している中央
厚肉部22の厚さは、チャンネル毎に1つずつ区画して
いる周辺厚肉部23の厚さと同じにしている。
薄い部分(薄肉部21)と厚い部分の2種類だけなの
で、製造工程が簡単になり、コストや精度を大きく向上
することができる。
態と同様に中央厚肉部22に圧電素子12を接合し、ド
ライバICからの駆動信号に従って伸縮させて、加圧液
室6の内部圧力を適切に制御することで、インク滴を噴
射する。このとき、圧電素子12の変位が振動板2の中
央厚肉部22を変形させるので、中央厚肉部22の剛性
は低い、すなわち中央厚肉部22の厚さは薄い方が圧電
素子12の効率は向上する。しかし、中央厚肉部22の
厚さを薄くすると、周囲厚肉部23の厚さも薄くなって
しまい、ヘッド全体の剛性も小さくなってしまうおそれ
があるが、振動板2は流路形成基板1や図示しないヘッ
ドフレーム17に接合されているので、その接合部分を
強固にすることで、ヘッド全体の剛性の低下は防止でき
る。
と、圧電素子12は、振動板2が加圧液室6の内部圧力
を増減するように駆動するので、ベース基板13と振動
板2との距離を伸縮するように構成する。低電圧での駆
動が好ましいので、前述したように、圧電材料と電極材
料を交互に複数積層して形成した積層型圧電素子を用い
ることが好ましく、その際、圧電方向としてd31とd
33のいずれを用いても上述した作用効果を得ることが
できる。
第3実施形態に係るインクジェットヘッドについて図1
0を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの液室長
手方向に沿う模式的断面説明図である。このインクジェ
ットヘッドの圧電素子32は圧電層33と電極層(内部
電極)34とを交互に積層した積層型圧電素子であり、
内部電極33は交互に反対の端面に引き出している。こ
の圧電素子32においては、内部電極34、34で圧電
層33が挟まれた部分(領域)が電界を発生して変位を
生じる活性域35となり、液室長手方向の両端部では一
方端面からの内部電極34のみで他方端面からの内部電
極34が存在しないので、その両端部分は電圧を印加し
ても変位を生じない不活性域36、36となる。
2の一方の不活性域36は、加圧液室6を区画する隔壁
(外壁部を含む)20に対向した位置に配置している。
この場合、圧電素子32の長さLpと中央厚肉部22の
長さLsとの関係は、いずれが長くても良い。圧電素子
32の活性域35の変位は、不活性域36の近傍では元
々小さいので、隔壁20による圧電素子32の変位の抑
制には大きな影響を与えない。
36のみを隔壁20で抑制する構成にすることで、圧電
素子32と振動板2の接合時に位置ずれを生じたとして
も、振動板2の変位領域のずれが小さくなり、特性のバ
ラツキを抑制することができる。
ジェットヘッドについて図11を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの液室長手方向に沿う模式的断面説
明図である。このインクジェットヘッドでは、圧電素子
32の各不活性域36、36は、加圧液室6を区画する
隔壁(外壁部を含む)20に対向した位置に配置してい
る。この場合、圧電素子32の長さLpは中央厚肉部の
長さLsよりも長くなる。圧電素子32の活性域35の
変位は、不活性域36、36の近傍では元々小さいの
で、隔壁20による圧電素子32の変位の抑制には大き
な影響を与えない。逆に、圧電素子32の不活性域3
6、36が、ベース基板13と振動板2を接合する支持
部材として働くので、流路形成基板1を強固にすること
ができ、ヘッド全体の剛性を向上できる。
圧液室6を構成/区画する長手方向両側の隔壁20に対
向した位置には存在しないように構成すると、圧電素子
32の駆動時に隔壁20に変位を与えることがないの
で、不要な振動変位が加圧液室6に生じることがなく、
また、圧電素子32の変位効率を阻害することもなくな
る。
ジェットヘッドについて図12を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの液室長手方向に沿う模式的断面説
明図である。このインクジェットヘッドにおいては、圧
電素子32の活性域35の液室長手方向の長さを振動板
2の中央厚肉部22の液室長手方向の長さよりも短く
し、不活性域36が中央厚肉部22に対応する領域まで
入り込むようにしている。
6、36は、加圧液室6を区画する隔壁(外壁部を含
む)20に対向した位置に配置するとともに、活性域3
5の変形によって振動板2が変位する領域にも不活性域
36、36を配している。この場合も、圧電素子32の
長さLpは中央厚肉部22の長さLsよりも長くなる。
に小さいので、圧電素子32の不活性域36、36が、
ベース基板13と振動板2を接合する支持部材として働
き、流路形成基板1を強固にすることができる。その
上、圧電素子32と振動板2の接合時に位置ずれを生じ
たとしても、加圧液室6の内部から見た圧電素子32の
活性域35の大きさは変わらないことになり、特性のバ
ラツキを抑制することができる。
ジェットヘッドについて図13を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの液室短手方向に沿う模式的断面説
明図である。このインクジェットヘッドにおいては、圧
電素子12が振動板2に当接する部分の、加圧液室6の
短手方向の長さ(=幅Wp)は、振動板2に設けた中央
厚肉部22の加圧液室6の短手方向の長さ(=幅Ws)
より長くなっている。
を周囲厚肉部23に接合する位置が図13の左右方向に
多少ずれても、両者が当接する領域の面積を一定に確保
することができるので、特性のバラツキを抑えることが
できる。
ジェットヘッドについて図14を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの圧電素子を接合する前の1つの加
圧液室を振動板側から見た模式的斜視説明図である。
び周囲厚肉部23から構成されているが、前記第2実施
形態とは異なり、加圧液室長手方向に沿って設けられて
いて薄肉部21を分離し、圧電素子12と当接する領域
となっている第1の中央厚肉部(第1厚肉部)42が、
周囲厚肉部23と連結している第2厚肉部である厚肉連
結部43の厚さは、薄肉部21の厚さとは異なった厚さ
に形成している。
り、中央厚肉部41は均一の厚さである薄肉部21で全
周を取り囲まれてはいない。したがって、圧電素子12
が伸縮駆動する際、振動板2に生じる最大応力を厚肉連
結部43を設けることで小さくしながら、圧電素子12
の効率もできるだけ減少させずに、かつ、加圧液室6全
体の剛性も確保することができる。
5を参照して説明する。この実施形態は、ヘッド一体型
インクカートリッジのヘッド部に本発明を適用したもの
であり、インクカートリッジ50は、ノズル51等を有
する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド
52と、このインクジェットヘッド52に対してインク
を供給するインクタンク53とを一体化したものであ
る。
インクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装
置の一例について図16及び図17を参照して説明す
る。なお、図16は同記録装置の斜視説明図、図17は
同記録装置の機構部の側面説明図である。
本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッ
ジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェット
ヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給
するインクカートリッジ等で構成される印字機構部11
2等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から
多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは
給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着す
ることができ、また、用紙113を手差しで給紙するた
めの手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カ
セット114或いは手差しトレイ115から給送される
用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要
の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ1
16に排紙する。
板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と
従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方
向(図17で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、この
キャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、
マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を
吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェ
ットヘッドからなるヘッド124を複数のインク吐出口
を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方
向を下方に向けて装着している。またキャリッジ123
にはヘッド124に各色のインクを供給するための各イ
ンクカートリッジ125を交換可能に装着している。
連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへイン
クを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多
孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジ
ェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持
している。
ッド124を用いているが、各色のインク滴を吐出する
ノズルを有する1個のヘッドでもよい。
搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に
嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッ
ド122に摺動自在に載置している。そして、このキャ
リッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査
モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動
プーリ129との間にタイミングベルト130を張装
し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に
固定しており、主走査モーター127の正逆回転により
キャリッジ123が往復駆動される。
紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給
紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ロ
ーラ131及びフリクションパッド132と、用紙11
3を案内するガイド部材133と、給紙された用紙11
3を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送
ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及
び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を
規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ1
34は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転
駆動される。
移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された
用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙
ガイド部材である印写受け部材139を設けている。こ
の印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙
113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送
コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排
紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車1
44と、排紙経路を形成するガイド部材145,146
とを配設している。
ながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動するこ
とにより、停止している用紙113にインクを吐出して
1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記
録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記
録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を
終了させ用紙113を排紙する。この場合、ヘッド12
4を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはイン
ク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されている
ので、安定して高い画像品質の画像を記録することがで
きる。
の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良
を回復するための回復装置147を配置している。回復
装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手
段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこ
の回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘ
ッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に
保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。
また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出す
ることにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、
安定した吐出性能を維持する。
ング手段でヘッド124の吐出口を密封し、チューブを
通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸
い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニ
ング手段により除去され吐出不良が回復される。また、
吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜
(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体
に吸収保持される。
ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明
したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドと
して、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴
吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐
出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
振動板変位方向と液滴吐出方向が同じになるサイドシュ
ータ方式のヘッドに適用したが、振動板変位方向とイン
ク滴吐出方向とが直交するエッジシュータ方式のヘッド
にも同様に適用することができる。
吐出ヘッドによれば、振動板は薄肉部と厚肉部とからな
り、薄肉部の領域は駆動手段が当接される厚肉部で分離
されているので、液室の剛性を高めて滴噴射の制御性を
向上でき、特性バラツキが低減し、安定した滴吐出特性
が得られる。
が当接する側に張り出していることで液室側の液の流れ
が阻害されることが防止される。この場合、厚肉部は液
室長手方向に沿って設けられていることで、液室の剛性
を高めるとともに振動板の変位量を確保できる。また、
厚肉部で領域が分離された薄肉部は、液室長手方向に沿
って細長い形状をなすことで、振動板の変位を確実に確
保できる。
部に当接している駆動手段の液室長手方向の長さよりも
長いので、厚肉部と駆動手段の接合位置ずれによる特性
変化を抑制でき、振動板の変位量を確保できる。さら
に、薄肉部の領域は、厚肉部に対して対称な位置に形成
されていることで、液室内の圧力変化の偏りを防止でき
て、相互干渉を防止できる。さらにまた、振動板の厚肉
部の厚さは薄肉部の周囲全てにおいて略同じ厚さである
ことで、製造コストの低減、高精度化が図れる。
位が、d33方向である圧電素子で構成されていること
で、高速駆動が可能になる。この場合、圧電素子は、複
数枚の圧電素子の層と電極層が積層された構造であり、
液室長手方向の端部に電界が生じない不活性域を有し、
この不活性域が液室間の隔壁に対向して当接しているこ
とで、接合位置ずれによる特性変動を抑制できる。この
場合、圧電素子の不活性域は液室の長手方向の両端の隔
壁に対向して当接していることで、不活性域を振動板と
ベース基板との間の支持部材として機能させてヘッド全
体の剛性を高めることができる。また、圧電素子の活性
域は液室の長手方向の両端の隔壁に対向した領域には存
在しないことで、不要な振動変位を隔壁に与えることが
なく、圧電素子の変位効率を阻害することがなくなる。
さらに、圧電素子の不活性域は振動板の駆動領域に対向
した領域にも存在することで、接合時の位置ずれに対す
る特性バラツキをより確実に防止できる。
液室長手方向の長さが液室の長手方向の長さよりも短い
ことで、当接部分の厚肉部の厚さよりも液室周囲に対応
する部分の厚さを厚くしてヘッド剛性をより高めること
ができる。この場合、圧電素子は、液室長手方向で圧電
素子の端部が当接する領域は、液室の振動板の厚肉部の
長手方向の長さよりも短いことで、圧電素子を確実に厚
肉部に接合することができる。
手方向の長さは、振動板の厚肉部の液室短手方向の長さ
よりも長いので接合時の位置ずれによる特性ばらつきを
低減できる。
接する第1の厚肉部と、この第1の厚肉部及び薄肉部と
は異なる厚さであって、第1の厚肉部と液室の隔壁と連
結する第2の厚肉部とからなることで、圧電素子が当接
しない部分の剛性を下げつつ液室全体の剛性を高くする
ことができる。
れば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして
本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したので、安定して
高品質の画像を記録することができる。
ッドの分解斜視説明図
に供する説明図
さの説明に供する模式的断面説明図
ッドの要部拡大模式的斜視説明図
ヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
ヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
ヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
ヘッドの液室長手方向に沿う要部拡大模式的断面説明図
ヘッドの要部模式的斜視説明図
ンクカートリッジの斜視説明図
を示す斜視説明図
る液室長手方向に沿う模式的断面説明図
斜視説明図
ズル、6…加圧液室、7…インク供給路、8…共通液
室、9…インク供給口、12、32…圧電素子、13…
ベース基板、17…ヘッドフレーム、20…隔壁、21
…薄肉部、22、41…中央厚肉部、23…周囲厚肉
部、42…第1厚肉部、43…第2厚肉部。
Claims (17)
- 【請求項1】 液滴を吐出するノズルと、このノズルが
連通する液室と、この液室の少なくとも一部の壁面を形
成する振動板と、この振動板に当接されて前記液室内の
液体を加圧する圧力を発生するための駆動手段と、前記
振動板に連接させずに前記駆動手段の一端が接合されて
いる支持基板とを備え、前記液室の隔壁に対応する位置
では前記支持基板と振動板との間が空間になっている液
滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板は薄肉部と厚肉部と
からなり、前記薄肉部の領域は前記駆動手段が当接され
る前記厚肉部で分離されていることを特徴とする液滴吐
出ヘッド。 - 【請求項2】 請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおい
て、前記厚肉部は、前記液室に対向する前記駆動手段が
当接する側に張り出していることを特徴とする液滴吐出
ヘッド。 - 【請求項3】 請求項2に記載の液滴吐出ヘッドにおい
て、前記厚肉部は、液室長手方向に沿って設けられてい
ることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項4】 請求項3に記載の液滴吐出ヘッドにおい
て、前記厚肉部で領域が分離された前記薄肉部は、液室
長手方向に沿って細長い形状をなすことを特徴とする液
滴吐出ヘッド。 - 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドにおいて、前記薄肉部の前記液室長手方向の
長さが前記厚肉部に当接している前記駆動手段の液室長
手方向の長さよりも長いこと特徴とする液滴吐出ヘッ
ド。 - 【請求項6】 請求項1乃至5のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドにおいて、前記薄肉部の領域は、前記厚肉部
に対して対称な位置に形成されていることを特徴とする
液滴吐出ヘッド。 - 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドにおいて、前記振動板の前記厚肉部の厚さ
は、前記薄肉部の周囲全てにおいて略同じ厚さであるこ
とを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項8】 請求項1乃至7のいずれかに記載の液滴
吐出ヘッドにおいて、前記駆動手段は、前記振動板の法
線方向の変位が、d33方向である圧電素子で構成され
ていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項9】 請求項8に記載の液滴吐出ヘッドにおい
て、前記圧電素子は、複数枚の圧電素子の層と電極層が
積層された構造であり、液室長手方向の端部に電界が生
じない不活性域を有し、この不活性域が前記液室間の隔
壁に対向して当接していることを特徴とする液滴吐出ヘ
ッド。 - 【請求項10】 請求項9に記載の液滴吐出ヘッドにお
いて、前記圧電素子の不活性域は前記液室の長手方向の
両端の隔壁に対向して当接していることを特徴とする液
滴吐出ヘッド。 - 【請求項11】 請求項9又は10に記載の液滴吐出ヘ
ッドにおいて、前記圧電素子の活性域は前記液室の長手
方向の両端の隔壁に対向した領域には存在しないことを
特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項12】 請求項11に記載の液滴吐出ヘッドに
おいて、前記圧電素子の不活性域は前記振動板の駆動領
域に対向した領域にも存在することを特徴とする液滴吐
出ヘッド。 - 【請求項13】 請求項1乃至8のいずれかに記載の液
滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子は、当接する端部
の液室長手方向の長さが前記液室の長手方向の長さより
も短いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項14】 請求項13に記載の液滴吐出ヘッドに
おいて、前記圧電素子は、液室長手方向で前記圧電素子
の端部が当接する領域は、前記液室の前記振動板の厚肉
部の長手方向の長さよりも短いことを特徴とする液滴吐
出ヘッド。 - 【請求項15】 請求項1乃至12のいずれかに記載の
液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子は、当接する端
部の液室短手方向の長さは、前記振動板の厚肉部の前記
液室短手方向の長さよりも長いことを特徴とする液滴吐
出ヘッド。 - 【請求項16】 請求項1乃至15のいずれかに記載の
液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の厚肉部は、前記
駆動手段が当接する第1の厚肉部と、この第1の厚肉部
及び前記薄肉部とは異なる厚さであって、前記第1の厚
肉部と前記液室の隔壁と連結する第2の厚肉部とからな
ることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 【請求項17】 インク滴を吐出するインクジェットヘ
ッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記
インクジェットヘッドが請求項1乃至16のいずれかに
記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジ
ェット記録装置。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE60201300T DE60201300T2 (de) | 2001-07-09 | 2002-07-09 | Flüssigkeitstropfenstrahlkopf und Tintenstrahlaufzeichnungsgerät |
EP02254779A EP1275507B8 (en) | 2001-07-09 | 2002-07-09 | Liquid drop jet head and ink jet recording apparatus |
US10/192,249 US6729716B2 (en) | 2001-07-09 | 2002-07-09 | Liquid drop jet head and ink jet recording apparatus |
ES02254779T ES2227399T3 (es) | 2001-07-09 | 2002-07-09 | Cabezal de inyeccion de gotas de liquido y aparato de registro de inyeccion de tinta. |
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