JP2003019796A

JP2003019796A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2003019796A
Application number: JP2002121278A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sekiguchi; 恭裕関口
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2003-01-21
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: JP4013625B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速印字に対応させることができ、吐出安定
性を損なうことなく、かつ、適切な速度で吐出が可能な
インクジェットヘッドを提供すること。【解決手段】共通インク室１２から絞り部１３を介し
て圧力室１４にインクを供給し、アクチュエータにより
該圧力室１４内の圧力を変動して連通孔１５を通ってノ
ズル１６から吐出する。絞り部１３からノズル１６に至
る流路全体に対する絞り部１３の流路抵抗の割合を、５
０〜７０％とし、また、圧力室１４に対する絞り部１３
の断面積の比を１０〜２０％に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録紙上にインク
滴を吐出して記録を行うインクジェットヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットプリンタに用いられてい
るインクジェットプリンタヘッドとして、圧電素子をイ
ンク流路の一部（すなわち圧力室）に隣接させ、圧電素
子に所定の駆動パルスを印加することで圧力室の容積を
変化させ、インク滴をノズルから吐出させるものが知ら
れている。

【０００３】このインクジェットプリンタヘッドにおい
ては、圧電素子によって圧力室内のインクに圧力を付与
した際、インクはノズルに向かう方向に移動すると同時
に、圧力室からインク供給源側すなわち上流側にも移動
しようとする。この吐出方向と逆方向に向かうインクの
動きは、吐出効率を悪くするので、できるだけ制限する
必要がある。また、インク吐出した後においては、圧力
室内の圧力を減少させて、余分なインクが吐出されない
ように構成する必要がある。

【０００４】そこで、従来は、インクジェットプリンタ
ヘッド内に構成されるインク流路のうち、圧力室、もし
くはノズルにおける流路抵抗の比重を他の部分よりも高
くすることにより、前記インク吐出後の圧力室内の圧力
を減少させ、安定したインク滴の吐出を行っていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の方法では、圧力室で十分な流路抵抗を得ようとした
場合、圧力室の長さを十分に長くするか、あるいは圧力
室の断面積を極めて小さくする必要があるため、次のよ
うな問題があった。

【０００６】まず、圧力室の長さを長くすることは、ヘ
ッド全体の形状が大きくなる他、圧力の変動周期が長く
なり、高速印字に対応できないという問題がある。次
に、圧力室の断面積を極めて小さくした場合には、所定
の体積のインク滴を得るために圧力室に大きな圧力を与
えなければならず、圧力室内に非常に大きな負圧が発生
し、そのことにより、吐出安定性が損なわれてしまう。

【０００７】また、ノズル側における流路抵抗の比重を
高くした場合には、発生させた圧力に対する吐出容量の
割合が小さくなり、その結果、吐出速度が上がり過ぎ
て、ノズル内のメニスカスが壊れ易くなってしまう。

【０００８】本発明は、前記問題に鑑みてなされたもの
で、高速印字に対応させることができ、吐出安定性を損
なうことなく、かつ、適切な速度で吐出が可能なインク
ジェットヘッドを提供することを課題としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のインクジ
ェットヘッドは、前記課題を解決するために、インクを
収容するインク室と、該インク室からインクが供給され
る圧力室と、該圧力室に連通するノズルと、前記圧力室
内の圧力を変動せしめるアクチュエータとを備えたイン
クジェットヘッドであって、前記インク室と前記圧力室
との間には、前記圧力室よりも流路の狭い絞り部が設け
られており、絞り部の流路抵抗の割合を、その絞り部と
前記圧力室と前記ノズルからなる流路全体の流路抵抗に
対して半分以上としたことを特徴とする。

【００１０】これにより従来のように圧力室の長さを必
要以上に長くしたり、圧力室の断面積を極めて小さくし
なくても十分な流路抵抗が得られ、その結果、アクチュ
エータによって圧力室内のインクに圧力を付与した際、
ノズルに向かうインクの流れが効率よく生成され、ま
た、インク吐出した後においては、圧力室内の圧力が減
少されて余分なインクが吐出されるのが抑えられ、吐出
効率の良い印字が高速で行われる。

【００１１】請求項２記載のインクジェットヘッドは、
前記課題を解決するために、請求項１記載のインクジェ
ットヘッドにおいて、前記絞り部の流路抵抗の割合を流
路全体の流路抵抗の５０〜７０％とすることを特徴とす
る。これにより、圧力室の長さを必要以上に長くした
り、また、圧力室の断面積を極めて小さくする必要がな
いため、十分な流路抵抗が得られ、効率のよい高速印字
が行われることになる。

【００１２】請求項３記載のインクジェットヘッドは、
前記課題を解決するために、請求項１または２記載のイ
ンクジェットヘッドにおいて、前記絞り部は、ハーフエ
ッチングにより、前記絞り部を形成する部材の壁面を貫
通しない状態で形成されていることを特徴とする。これ
により、安価で効率良く絞り部の形成が行われる。

【００１３】請求項４記載のインクジェットヘッドは、
前記課題を解決するために、請求項１ないし３のいずれ
かに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記絞り部
の断面積は、前記圧力室の断面積に対して１０〜２０％
に設定されていることを特徴とする。これにより、製造
上の歩留まりが抑えられる。また、ヘッドをコンパクト
に製造することができ、高速印字を可能にする。

【００１４】請求項５記載のインクジェットヘッドは、
前記課題を解決するために、請求項１ないし４のいずれ
かに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記インク
室、前記圧力室、前記ノズル、前記絞り部を形成した複
数の薄板材料を積層して構成されている。これにより、
前記インク室、前記圧力室、前記ノズル、前記絞り部が
容易に製造され、特に所定の流路抵抗を有する前記絞り
部の形成が容易に行われる。

【００１５】請求項６記載のインクジェットヘッドは、
前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジ
ェットヘッドにおいて、前記絞り部は、前記圧力室と同
じ薄板材料に、ハーフエッチングにより形成されている
ことを特徴とする。これにより、前記圧力室に対し所定
の流路抵抗を有する前記絞り部の形成が容易に行われ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて説明する。以下の説明は、圧電式
インクジェットヘッドに対して本発明を適用した場合の
実施形態である。

【００１７】図１、図２は、第１の実施形態におけるイ
ンクジェットヘッド１を示す概略図で、このインクジェ
ットヘッド１は、キャビティプレート１０と、圧電アク
チュエータ２０とから構成されている。

【００１８】キャビティプレート１０は、複数の薄板材
料１０ａ〜１０ｄを積層した構造からなり、各薄板材料
１０ａ〜１０ｄにプレス加工またはエッチング加工で形
成した開口および凹部を相互に連通してインク流路を形
成している。インク流路には、共通のインク室１２、そ
のインク室１２に絞り部１３を介して連通する複数の圧
力室１４、その各圧力室１４に連通孔１５を介して連通
する複数のノズル１６が形成される。

【００１９】複数の圧力室１４は、キャビティプレート
１０の最上層の薄板材料１０ｄに板厚方向に貫通して形
成され、絞り部１３は、同じ薄板材料１０ａに圧力室１
４の長手方向の一端に接続して、その板厚方向に壁面を
貫通しないハーフエッチングにより形成されている。ノ
ズル１６は、最下層の薄板材料１０ａに板厚方向に貫通
して形成され、中間の薄板材料１０ｂ、１０ｃに板厚方
向に貫通形成した連通孔１５を介して圧力室１４の長手
方向の他端に接続している。共通のインク室１２は、下
から２番目の薄板材料１０ｂに板厚方向に貫通して形成
され、薄板材料１０ｃに板厚方向に貫通形成した開口部
２７を通して絞り部１３の圧力室１４とは反対側の端部
に接続している。

【００２０】このキャビティプレート１０を構成する薄
板材料１０ａ〜１０ｄは、例えば４２％ニッケル合金鋼
板（４２合金）製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さ
に形成し、それぞれを接着剤にて重ね接合して積層した
構造となっている。但し、金属に限らず、例えば、樹脂
により形成してもよい。

【００２１】圧電アクチュエータ２０は、例えば特開平
３−２７４１５９号公報に記載されたものと同様に、圧
電シートと圧力室１４に対応した駆動電極が複数積層さ
れた構成となっており、各圧力室１４に対応する圧電シ
ートの部分が個々に変形するようになっている。

【００２２】このような構成において、圧電アクチュエ
ータ２０における駆動電極に、図示しない駆動装置によ
り駆動パルスを供給すると、圧電効果による積層方向の
歪みが発生する。そして、この歪みによる圧力にて、圧
力室１４の内容積が縮小されることにより、この圧力室
１４内のインクが、ノズル１６から液滴状に吐出して、
所定の印字が行われる。

【００２３】このときのインクの流路は、上流から共通
インク室１２、絞り部１３、圧力室１４、連通孔１５、
及びノズル１６により構成される。そして、絞り部１３
からノズル１６に至るインク流路内の各部の流路抵抗
は、次のようになるように構成されている。

【００２４】ノズル部１６：圧力室１４：絞り部１３＝
２５：１５：６０

【００２５】また、インクの流れ方向に直交する（紙面
と直交する）インク流路の断面積において、圧力室１４
の断面積に対し、絞り部１３の断面積を、１１．８％と
するように構成している。

【００２６】より具体的には、ノズル１６を、直径２５
μｍ、長さ７５μｍ、テーパ角９°とし、圧力室１４
を、幅２５０μｍ、深さ５０μｍ、長さ４０００μｍと
したとき、絞り部１３を、幅６７μｍ、深さ２８μｍの
半楕円形で、長さ３４５μｍに形成した。図１のＡ−
Ａ’線における絞り部の拡大断面図である図２に、絞り
部１３の断面を示す。

【００２７】このように、絞り部１３の流路抵抗の割合
を以上のように設定することにより、圧力室１４を長く
することなく、良好に圧力制御を行うことができた。従
って、インクジェットヘッド１の大型化を防止すること
ができる。また、高速印字に対応することが可能であ
る。更に、吐出効率を向上させることができる。また、
絞り部１３の断面積を以上のように設定することによ
り、製造上の歩留まりを抑えることができると共に、ヘ
ッドをコンパクトに製造することができ、高速印字を可
能にする。

【００２８】更に、本実施形態の絞り部１３は、薄板材
料１０ｄにハーフエッチングにより凹状に形成するの
で、安価で効率良く絞り部を形成することができる。

【００２９】また、半楕円形の絞り部１３の大きさを、
幅７２μｍ、深さ３０μｍ、長さ４５７μｍとした場合
でも、安定して液滴吐出が可能であることが確認され
た。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面
積比は１３．６％、絞り部１３からノズル１６に至るイ
ンク流路の流路抵抗に対する絞り部１３の流路抵抗は６
０．１％であった。

【００３０】また、絞り部１３の断面形状を、長方形と
し、幅５０μｍ、深さ３０μｍ、長さ３８７μｍとした
場合でも、安定して液滴吐出が可能であることが確認さ
れた。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断
面積比は１２．０％、前記インク流路の流路抵抗に対す
る絞り部１３の流路抵抗は６０．４％であった。

【００３１】同様に、長方形の絞り部１３の大きさを、
幅７０μｍ、深さ３０μｍ、長さ６７２μｍとした場合
でも、安定して液滴吐出が可能であることが確認され
た。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面
積比は１６．８％、前記インク流路の流路抵抗に対する
絞り部１３の流路抵抗は６０．１％であった。

【００３２】但し、長方形の絞り部１３の大きさを、幅
９０μｍ、深さ３０μｍ、長さ９９２μｍとした場合に
は、液滴吐出が不安定になることが確認された。このと
きの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面積比は２
１．６％、前記インク流路の流路抵抗に対する絞り部１
３の流路抵抗は６０．１％であった。

【００３３】図３は、前記インク流路の流路抵抗に対す
る絞り部１３の流路抵抗と、絞り部１３の圧力室１４に
対する断面積比とをそれぞれ変えてインクを吐出した実
験結果を示すものである。

【００３４】以上の結果から、絞り部１３の上記流路に
対する流路抵抗の割合は、５０〜７０％が好ましく、ま
た、絞り部１３の圧力室１４に対する断面積の比は１０
〜２０％に設定することが好ましいことが明らかになっ
た。

【００３５】図４から図７は、第２の実施形態のインク
ジェットヘッド１０６を示す概略図で、このインクジェ
ットヘッド１０６は、キャビティプレート１２０と、圧
電アクチュエータ１３０と、圧電アクチュエータ１３０
の駆動電極に駆動パルスを供給するためのフレキシブル
ケーブル１４０から構成されている。

【００３６】キャビティプレート１２０は、図５及び図
６に示すように構成されている。すなわち、ノズル板１
２３、マニホールド板１２４、１２５、スペーサ板１２
６及び圧力室板１４の５枚の薄板を接着にて重ねて接合
して積層した構造である。ノズル板１２３には、微小径
のインク吐出用のノズル１２２が、当該ノズル板１２３
における第１の方向（長辺方向）に沿って２列の千鳥配
列状に設けられている。

【００３７】マニホールド板１２４，１２５には、共通
インク室１３１，１３３が、ノズル１２２の列の両側に
沿って延びるように穿設されている。下側のマニホール
ド板１２４の共通インク室１３１は、上向き開放するよ
うに凹設され、上下に重なる共通インク室１３１，１３
３が一体となって１つの共通インク室を形成している。

【００３８】また、圧力室板１２７には、その長辺（前
記第１の方向）に沿う中心線に対して直交する第２の方
向（短辺方向）に延びる細幅の圧力室１２８の多数個が
穿設されている。そして、前記中心線を挟んで左右両側
にて平行状の長手基準線１２７ａ、１２７ｂを設定する
と、前記中心線より左側の圧力室１２８の先端１２８ａ
は前記右側の長手基準線１２７ａ上に位置し、逆に前記
長手中心線より右側の圧力室１２８の先端１２８ａは前
記左側の長手基準線１２７ｂ上に位置し、かつこの左右
の圧力室１２８の先端１２８ａが交互に配置されている
ので、左右両側の圧力室１２８は一つおきに互いに逆方
向に延びるように交互に配置されていることになる（図
６参照）。

【００３９】この各圧力室１２８の先端１２８ａは、前
記ノズル板１２３における千鳥状配列のノズル１２２
に、スペーサ板１２６、及びマニホールド板１２４，１
２５に同じく千鳥状配列にて穿設されている微小径の貫
通孔１３２，１３２を介して連通している。一方、各圧
力室１２８の他端は、絞り部１１３、凹部１２８ｂ、お
よびスペーサ板１２６に穿設された貫通孔１２９を介し
て、マニホールド板１２４，１２５における共通インク
室１３１，１３３に連通している。なお、前記絞り部１
１３、凹部１２８ｂは、図６および図７に示すように、
圧力室板１２７の下面側にのみ開口するようにハーフエ
ッチングにより凹み形成されている。また、最上層の圧
力室板１２７の一端部に穿設された供給孔１９ａの上面
には、インク供給源（図示しない）から供給されるイン
ク中の塵除去のためのフィルタ２９が張設されている。

【００４０】これにより、インクは、インク供給源から
圧力室板１２７及びスペーサ板１２６の一端部に穿設し
た供給孔１９ａ，１９ｂを介して左右両マニホールド室
１３１，１３３内に流入し、各貫通孔１２９を通って各
圧力室１２８内に分配されたのち、この各圧力室１２８
内から貫通孔１３２を通って、当該圧力室１２８に対応
するノズル１２２に至るという構成になっている（図６
および図７参照）。

【００４１】圧電アクチュエータ１３０は、前記実施形
態と同様に圧電シートと圧力室１２８に対応した駆動電
極が複数積層された構成となっている。

【００４２】絞り部１１３は、前記実施形態の絞り部１
３と同様の機能を有するもので、絞り部１１３からノズ
ル１２２に至るインク流路の流路抵抗に対する絞り部１
１３の流路抵抗の割合は５０〜７０％、および圧力室１
２８に対する絞り部１１３の断面積の比は１０〜２０％
にそれぞれ設定されている。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
流路抵抗のうち、半分以上を絞り部の流路抵抗により賄
うので、高速かつ吐出効率の良い印字を行うことができ
る。また、ハーフエッチングを用いて絞り部を形成する
ので、安価で効率良く絞り部を形成することができる。
更に、絞り部の断面積をインク室の断面積の１０〜２０
％にしたので、製造上の歩留まりを抑えることができる
と共に、ヘッドをコンパクトに製造することが出来、高
速印字を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における圧電式インクジェ
ットヘッドの断面図でである。

【図２】図１のＡ−Ａ’線における絞り部の拡大断面図
である。

【図３】インク流路の流路抵抗に対する絞り部の流路抵
抗と、絞り部の圧力室に対する断面積比とをそれぞれ変
えてインクを吐出した実験結果を示すものである。

【図４】本発明の他の実施形態における圧電式インクジ
ェットヘッドの分解斜視図である。

【図５】図４のヘッドのキャビティプレートの分解斜視
図である。

【図６】図５の一部拡大図である。

【図７】図４のヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１インクジェットヘッド１０キャビティプレート１２６絞り部１２７圧力室１２８ノズル２０圧電アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを収容するインク室と、該インク
室からインクが供給される圧力室と、該圧力室に連通す
るノズルと、前記圧力室内の圧力を変動せしめるアクチ
ュエータとを備えたインクジェットヘッドであって、前記インク室と前記圧力室との間には、前記圧力室より
も流路の狭い絞り部が設けられており、その絞り部の流
路抵抗の割合を、その絞り部と前記圧力室と前記ノズル
からなる流路全体の流路抵抗に対して半分以上とした、ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記絞り部の流路抵抗の割合を前記流路
全体の流路抵抗の５０〜７０％とすることを特徴とする
請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】前記絞り部は、ハーフエッチングによ
り、前記絞り部を形成する部材の壁面を貫通しない状態
で形成されていることを特徴とする請求項１または２記
載のインクジェットヘッド。
【請求項４】前記絞り部の断面積は、前記圧力室の断
面積に対して１０〜２０％に設定されていることを特徴
とする請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェ
ットヘッド。
【請求項５】前記インク室、前記圧力室、前記ノズ
ル、前記絞り部を形成した複数の薄板材料を積層して構
成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいず
れかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】前記絞り部は、前記圧力室と同じ薄板材
料に、ハーフエッチングにより形成されていることを特
徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。