JP2003039676A

JP2003039676A - インクジェットプリンタヘッド

Info

Publication number: JP2003039676A
Application number: JP2002212965A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kanemoto; 成一金本; Toshiaki Sugiura; 敏彰杉浦; Masatomo Kojima; 正友小島
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】多数の圧電素子が一度に駆動される場合で
も、均一なインク吐出を行うことのできるインクジェッ
トプリンタヘッドを提供すること。【解決手段】インクジェットプリンタヘッドのアクチ
ュエータ４０を、ベース４１と、圧電素子部材４２と、
ダイヤフラム４３と、キャビティプレート４４と、ノズ
ルプレート４５とから構成し、キャビティプレート４４
とベース４１は、圧電素子部材４２よりも、キャビティ
プレート４４の長手方向と直交する方向における撓み量
が小さくなるように、弾性係数と厚さが定められてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジエットプリ
ンタヘッドの技術分野に属する。

【０００２】

【従来の抜術】従来から、インクジェットプリンタに搭
載されるヘッドのアクチュエータとして、アクチュエー
タ内に形成された多数のインク貯留室の容積を、各イン
ク貯留室にそれぞれ対応するように設けられた圧電素子
により膨張・収縮させ、インク貯留室内のインクを加圧
して、インク貯留室と連通するインク吐出孔から外部へ
吐出させるものが知られている。

【０００３】このようなアクチュエータは、従来から種
々のものが提案され、実用化されており、一例として、
ベースプレートと、ベースプレートに取り付けられた圧
電素子部材と、該圧電素子に取り付けられ、インク貯留
室及び該インク貯留室にインクを供給するためのインク
流路が形成されたキャビティプレートとを備えたものが
挙げられる。

【０００４】前記キャビティプレートは、ポリエーテル
サルフォン等で、また、前記ベースプレートはアルミナ
等で形成されており、前記圧電素子の圧電効果による変
位を、効率良くインク吐出に反映させるようになってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固形イ
ンクを加熱溶融して吐出させる、いわゆるホットメルト
型インクジェットプリンタにおいては、前記アクチュエ
ータ部分の温度が１２０℃以上になり、前記キャビティ
プレートと圧電素子との熱膨張係数の差が大きいため
に、前記インク貯留室の位置と圧電素子の位置にずれを
生じ、効率の良いインク吐出が困難になるという問題が
あった。

【０００６】また、前記アクチュエータには、例えば１
２８個のインク吐出孔が形成されており、それぞれのイ
ンク吐出孔に対応して、インク貯留室及び圧電素子が用
意されている。

【０００７】このような構成において、前記材料により
形成されるキャビティプレートは、少数の圧電素子が駆
動されて前記インク貯留室を膨張させる場合には、十分
な剛性を示すが、例えば１２８個の圧電素子の全てが駆
動されて全てのインク貯留室を膨張させるような場合に
は、キャビティプレートの剛性が不足して変形し、その
結果、各インク貯留室の容積に差異を生じて、均一なイ
ンク吐出を行うことができなくなるという問題があっ
た。

【０００８】そこで、本発明は、前記問題点を解決し、
多数の圧電素子が一度に駆動される場合でも、均一なイ
ンク吐出を行うことのできるインクジェットプリンタヘ
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に記載のインク
ジェットプリンタヘッドは、前記課題を解決するため
に、インク流路と、該インク流路から分岐し、インク吐
出孔が設けられた複数のインク貯留室とを有するキャビ
ティプレートと、前記各インク貯留室の容積を個別に変
化させる複数の圧電素子を有する圧電素子部材と、前記
圧電素子部材に対し、前記キャビティプレートとは反対
側に位置するベース部材とを備え、前記圧電素子部材
は、前記キャビティプレートと前記ベース部材により挟
持され、前記キャビティプレートと前記ベース部材は、
前記圧電素子部材よりも、前記キャビティプレートの長
手方向と直交する方向における撓み量が小さくなるよう
に、弾性係数と厚さが定められている。

【００１０】請求項１に記載のインクジェットプリンタ
ヘッドによれば、圧電素子の働きによりインク貯留室の
容積が膨張し、インク貯留室内の内圧が上昇した場合で
も、キャビティプレートの変形が発生せず、インク貯留
室間における容積のばらつきを発生させない。また、前
記キャビティプレートを変化させようとして働く圧電素
子の力は、ベース部材側にも働くことになるが、ベース
部材には前記所定の弾性係数と厚さが設定されているた
め、前記力は適切にキャビティプレート側に働く力とし
て作用し、インク貯留室を必要十分な程度に変化させ
る。

【００１１】請求項２に記載のインクジェットプリンタ
ヘッドは、請求項１に記載のインクジェットプリンタヘ
ッドにおいて、前記キャビティプレートと前記ベース部
材は、セラミック部材により形成されている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１３】図１は、本発明を具体化した一実施形態の
インクジェットプリンタ（単にプリンタと呼ぶこともあ
る）１の内部を示す斜視図である。

【００１４】図１において、プリンタ１は、その筐体３
内に、搬送モータ６により駆動され、被記録媒体として
の記録紙Ｒをプリンタ１上方へ搬送する搬送ローラ５を
備え、記録紙Ｒの搬送経路には、キャリッジ７に支承さ
れたヘッド２０が設けられている。また、キャリッジ７
は、筐体３に固定された支持部材９に、記録紙Ｒの搬送
方向に対して矢印Ａに示すような直交方向に揺動自在に
支持されると共に、キャリッジモータ１０により駆動さ
れるタイミングベルト１１に固定され、矢印Ａに示すよ
うに往復自在になっている。

【００１５】ヘッド２０は、４色のインク（イエロー、
マゼンタ、シアン、ブラック）毎に設けられたインクタ
ンク２１と、各色毎に備えられ、インクを吐出するアク
チュエータ４０と、各インクタンク２１から各アクチュ
エータ４０へインクを搬送するためのフロントパネル２
３とを少なくとも備えたものである。

【００１６】アクチュエータ４０は、図２に示すよう
に、ベース４１と、圧電素子部材４２と、ダイアフラム
４３と、キャビティプレート４４と、ノズルプレート４
５とを備えている。

【００１７】ベース４１は、アクチュエータ４０の上記
各部を支持するものである。

【００１８】圧電素子部材４２は、後述するキャビティ
プレート４４のインク貯留室４４ｂの各々を個別に膨張
・収縮させることができるように、多数（例えば、１２
８個）の圧電素子４２ａを備えたものである。圧電素子
４２ａは駆動電圧を印加されると、アクチュエータ４０
の縦断面図である図３に示すように矢印Ｘ方向に膨張
し、インク貯留室４４ｂの容積を点線Ｙに示すように、
収縮させるようになっており、圧電素子４２ａは印加さ
れた駆動電圧が開放されると収縮し、初期の状態に戻る
ようになっている。

【００１９】ダイヤフラム４３は、圧電素子部材４２及
びキャビティプレート４４の間を隔てるもので、弾性を
有する。

【００２０】キャビティプレート４４は、二組のＬ字型
のインク流路４４ａと、インク流路４４ａから直角に分
岐し、インク吐出孔４５ａの数だけ形成されたインク貯
留室４４ｂとを備えるもので、インク貯留室４４ｂの各
々は、それぞれ対応したインク吐出孔４５ａの一つに通
じている。また、図３に示すように、キャビティプレー
ト４４に形成されたインク貯留室４４ｂは、インク流路
４４ａに連通路４４ｃを通じて連結されており、下部に
は、インク吐出孔４５ａに通じるオリフィス４４ｄが形
成されている。

【００２１】ノズルプレート４５は、多数（例えば、１
２８個）のインク吐出孔４５ａを２列に配した平板であ
る。

【００２２】なお、ベース４１、圧電素子部材４２及び
ダイアフラム４３には、図１に示すインクタンク２１と
インク流路４４ａとにおいて、インクを循環させるため
の往路４１ａ及び復路４１ｂが二箇所ずつ貫通してい
る。

【００２３】以上のように構成されたへッド２０のアク
チュエータ４０からインクを吐出させる動作について説
明する。

【００２４】インクは、インクタンク２１から一対の往
路４１ａを通して一対のインク流路４４ａに圧送され、
インク流路４４ａを満たす。そして、圧電素子４２ａの
駆動電圧を開放することで、圧電素子４２ａを収縮させ
て、インクをインク流路４４ａから連通路４４ｃを通し
てインク貯留室４４ｂに引き込み、インク貯留室４４ｂ
にインクを充填させる。

【００２５】次に、圧電素子４２ａに駆動電圧を印加し
て、インク貯留室４４ｂの容積を収縮させることで、イ
ンクをオリフィス４４ｄを通して、外部へ吐出させる。

【００２６】従って、オリフィス４４ｄ内のインクは、
ノズルプレート４５に形成された微細な径のノズル孔４
５ａを通じて、精度良く突出されることになる。

【００２７】しかしながら、本実施形態のインクジェッ
トプリンタのように、固形のインクを加熱溶解させて吐
出させる従来のホットメルト型のインクジェットプリン
タにおいては、前記アクチュエータ４０も１２０℃以上
に加熱され、圧電素子部材４２はその熱により膨張し、
圧電素子４２ａの位置と各インク貯留室４４ｂの位置に
ずれを生じ、圧電素子４２ａの変位を効率良く吐出に反
映させることができないという問題があった。

【００２８】また、１２８チャンネル全ての圧電素子４
２ａが、インク貯留室４４ｂを膨張させる方向に変位し
た場合には、キャビティプレート４４に大きな力が加わ
り、図４（Ａ）,（Ｂ）に示すようにキャビティプレー
ト４４の長手方向中央部が突出するように変形すること
があった。

【００２９】このような変形を生じると、各インク貯留
室４４ｂ間にてインク貯留室４４ｂの圧力に差が生じ、
各インク吐出孔において均一な吐出特性を得ることがで
きない。

【００３０】そこで、本実施形態では、まず熱膨張によ
る位置ずれの対策として、キャビティプレート４４と、
圧電素子部材４２と、ベース４１とに熱膨張係数の近接
した材料を用い、アクチュエータ４０が加熱されても、
これらが同程度に膨張するように構成した。

【００３１】更に、本実施形態においては、ノズルプレ
ート、ダイアフラムについても、同様に熱膨張係数の近
い材料を用いて形成した。

【００３２】具体例を挙げると、本実施形態では、ノズ
ルプレート４５をジルコニアで形成しており、熱膨張係
数は９．５×１０^−６である。また、キャビティプレー
ト４４とベース４１はアルミナで形成しており、熱膨張
係数はそれぞれ７．５×１０ ^−６である。更に、ダイア
フラム４３はアラミドフィルムにより形成し、熱膨張係
数は２．０×１０^−６である。また、圧電素子部材４２
の熱膨張係数は２．０×１０^−６である。

【００３３】このように、各構成部材の熱膨張係数が近
い値であるため、アクチュエータ４０が１２０℃以上の
温度に加熱された場合でも、膨張率が略等しく、その結
果、圧電素子４２ａの位置とインク貯留室４４ｂの位置
との間のずれを抑えることができる。

【００３４】次に、圧電素子４２ａの変位に対するイン
ク貯留室４４ｂの内圧変化に対しては、キャビティプレ
ート４４及びベース４１の弾性係数を所定値に設定する
ことにより対処した。

【００３５】キャビティプレート４４の長手方向に沿っ
た縦断面において、インク貯留室４４ｂの断面積をＡと
し、キャビティプレート４４の幅方向に沿ったインク貯
留室４４ｂの長さをｌとし、更にキャビティプレート４
４の体積弾性率をＥｖとするとき、インク貯留室４４ｂ
内の圧力ｐの増分は、次式で表され、前記インク貯留室
４４ｂの断面積増分に比例する。

【００３６】

【数１】そして、１個の圧電素子４２ａが駆動された場合の前記
断面積の増分は、圧電素子４２ａがインク貯留室４４ｂ
の容積を収縮させる量と、膨張させる量との差分によっ
て求められる。

【００３７】また、１２８個の圧電素子４２ａのうち、
片側６４個の圧電素子４２ａが駆動された場合の前記断
面積の増分も、圧電素子４２ａがインク貯留室４４ｂの
容積を収縮させる量と、膨張させる量との差分によって
求められるが、当該容積の収縮時においてはキャビティ
プレート４４の変形が生じないために、前記収縮量につ
いては、１個の圧電素子４２ａが駆動される場合と６４
個の圧電素子が駆動される場合とで差が生じない。

【００３８】従って、圧電素子４２ａが変形することに
よるインク貯留室４４ｂの前記断面積収縮量をα、図４
（Ｃ）に示すように、１個の圧電素子４２ａが駆動され
た場合の内圧増加による前記断面積増加量をβ、６４個
の圧電素子４２ａが駆動された場合の内圧増加による前
記断面積増加量をβ’とすると、１個の圧電素子４２ａ
が駆動された場合と６４個の圧電素子４２ａが駆動され
た場合との有効断面積変化比は次式で表される。

【００３９】

【数２】そして、この有効断面積変化比を１に近づけることによ
り、１個の圧電素子４２ａが駆動された場合と６４個の
圧電素子４２ａが駆動された場合とにおけるインク貯留
室４４ｂの圧力変化を小さくすることができる。

【００４０】そこで、キャビティプレート４４の弾性係
数を１００００，２００００，３００００［ｋｇｆ／ｍ
ｍ^２］と変化させた時の前記有効断面積比の変化を調べ
たところ、表１に示すような結果が得られた。

【００４１】

【表１】例えば、キャビティプレート４４の弾性係数を３０００
０［ｋｇｆ／ｍｍ^２］とした時、１つのインク貯留室４
４ｂ内の圧力が５［ａｔｍ］、前記断面積収縮量αが１
７．２×１０^−６［ｍｍ^２］、前記断面積増加量βが
１．１×１０^−６［ｍｍ^２］、前記断面積増加量β’が
３．４×１０^−６［ｍｍ^２］となり、有効断面積変化比
は、０．８６となる。

【００４２】そこで、本実施形態では、有効断面積変化
比が０．８６を超えるように設定するために、キャビテ
ィプレート４４をアルミナで形成し、弾性係数を３５０
００［ｋｇｆ／ｍｍ^２］とすると共に、厚さを２．５ｍ
ｍにした。また、ベース４１についても同様の材料及び
同様の弾性係数を持たせると共に、厚さを４〜４．５ｍ
ｍにした。

【００４３】ベース４１についても同様の弾性係数を持
たせることにしたのは、キャビティプレート４４の剛性
を向上させることにより、ベース４１側への逃げが発生
するので、この逃げを抑えて効率的に圧電素子の変位を
インク吐出に伝えるためである。

【００４４】これに対し、圧電素子部材４２は厚さが１
ｍｍで弾性係数は５０００［ｋｇｆ／ｍｍ^２］程度であ
り、キャビティプレート４４とベース４１の剛性は圧電
素子部材４２に比して極めて大きく設定されている。

【００４５】従って、全ての圧電素子４２ａが駆動され
た場合でも、キャビティプレート４４の変形を最小限に
抑えることができ、各インク貯留室４４ｂの容積の差を
発生させず、均一なインク吐出性能を維持することがで
きる。

【００４６】また、本実施形態では、ノズルプレート４
５についても、ジルコニアを用いて、弾性係数を２２０
００［ｋｇｆ／ｍｍ^２］とした。これにより、インク吐
出部の変形をより一層確実に防止することができる。

【００４７】更に、本実施形態では、ダイアフラム４３
を１６μｍ程度のアラミドフィルムで形成し、弾性係数
を１５００［ｋｇｆ／ｍｍ^２］に設定した。このように
設定したのは、あまりにダイアフラム４３が柔らか過ぎ
ると、圧電素子４２ａの変位をダイアフラム４３で吸収
してしまうことになるためである。従って、本実施形態
によれば、圧電素子４２ａの変位をダイアフラム４３で
吸収することなく、確実にインク貯留室４４ｂに伝える
ことができる。

【００４８】表２に以上に説明した本実施形態における
各要素の弾性係数及び、熱膨張係数等を示す。

【００４９】

【表２】なお、上述したそれぞれの値は、一例であり、本発明は
これらの値に限定されるものではない。特に、剛性につ
いては、高ければ高い程好ましい。また、熱膨張係数に
ついては、それぞれが近い程好ましい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジ
ェットプリンタヘッドによれば、前記キャビティプレー
トと前記ベース部材は、前記圧電素子部材よりも、前記
キャビティプレートの長手方向と直交する方向の撓み量
が小さくなるように、弾性係数と厚さが定められている
ので、キャビティプレートの変形を抑えて、インク貯留
室間における容積のばらつきの発生を防止することがで
きる。また、ベース部材によって圧電素子部材の変形力
を適切にキャビティプレート側に働く力として作用させ
ることができ、インク貯留室を必要十分な程度に変化さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるプリンタ１の内部
を示す斜視図である。

【図２】本発明の一実施形態におけるプリンタ１のアク
チュエータ４０を示す分離斜視図である。

【図３】本発明の一実施形態におけるプリンタ１のアク
ュエータ４０の縦断面図である。

【図４】（Ａ）は従来の圧電素子の駆動前におけるキャ
ビティプレート及びベースの状態を示す図、（Ｂ）は従
来の圧電素子の駆動時におけるキャビティプレート及び
ベースの状態を示す図、（Ｃ）は、従来の圧電素子の駆
動時におけるインク貯留室の容積及び内圧の増加を説明
するための図である。

【符号の説明】

１・・・インクジェットプリンタ２０・・・ヘッド４０・・・アクチュエータ４１・・・ベース４２・・・圧電素子部材４２ａ・・・圧電素子４３・・・ダイアフラム４４・・・キャビティプレート４４ａ・・・インク流路４４ｂ・・・インク貯蔵室４４ｃ・・・連通路４４ｄ・・・オリフィス４５・・・ノズルプレート４５ａ・・・インク吐出孔４５ｂ・・・ノズル孔

フロントページの続き (72)発明者小島正友名古屋市瑞穂区苗代町15番１号ブラザー工業株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF40 AG12 AG44 AG99 AH15 AK01 AQ10 BA04 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク流路と、該インク流路から分岐
し、インク吐出孔が設けられた複数のインク貯留室とを
有するキャビティプレートと、前記各インク貯留室の容積を個別に変化させる複数の圧
電素子を有する圧電素子部材と、前記圧電素子部材に対し、前記キャビティプレートとは
反対側に位置するベース部材とを備え、前記圧電素子部材は、前記キャビティプレートと前記ベ
ース部材により挟持され、前記キャビティプレートと前記ベース部材は、前記圧電
素子部材よりも、前記キャビティプレートの長手方向と
直交する方向における撓み量が小さくなるように、弾性
係数と厚さが定められていることを特徴とするインクジ
ェットプリンタヘッド。
【請求項２】前記キャビティプレートと前記ベース部
材は、セラミック部材により形成されていることを特徴
とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッ
ド。