JP2005088285A - インクジェットヘッドおよびインクジェット式画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノズルの更なる狭ピッチ化を可能とする。
【解決手段】 各圧電素子２６の伸長軸方向から見た断面形状は、ノズル２３の配列方向（矢印Ａ方向）に沿った方向の長さ寸法Ｂ１が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法Ｂ２よりも小さい横長な長方形とし、圧電素子２６の伸長軸方向から見た各ダイヤフラム２５の形状は、ノズル２３の配列方向に沿った方向の長さ寸法Ｃ１が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法Ｃ２よりも小さい楕円形とする。これにより、圧電素子２６およびダイヤフラム２５部分を従来構成に比べ更に高密度配置することができるので、ノズル２３の更なる狭ピッチ化が可能となり、インクジェット式画像形成装置においては、従来に比べて高精細な画像を形成することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子の伸長軸方向への伸縮に基づき対応するノズルからインク滴を吐出する構成のオンデマンド型のインクジェットヘッドおよびインクジェット式画像形成装置に関する。

従来、インクジェットヘッドにおいて、列状に配置される複数のノズルの狭ピッチ化（ノズルの配列ピッチを狭くすること）をするために、図４および図５に示す構成が知られている。これは次のような構成となっている。インクジェットヘッドのヘッド本体１における図５の下面側にはノズルプレート２が配置されていて、このノズルプレート２に、複数のノズル３が、図４に示すように列状に配置されている。各ノズル３には、当該ノズル３の配列方向（矢印Ａ方向）に対して直交する方向に延びるインク案内路４を介してインク加圧室５が連通するように設けられている。この場合、インク案内路４は、隣り合ったノズル３に対して、図４および図５において左方向と右方向とに交互に配置されている。従って、インク加圧室５は、ノズル３を中心としてそのノズル３の配列方向に千鳥状に配置されている。

そして、各インク加圧室５に対応して圧電素子６が設けられている。この圧電素子６は、図５において上下方向に長くなっていて、その長手方向を伸長軸としている。各圧電素子６は、内面側の一面に共通電極７ａが設けられていると共に、これとは反対の外面に個別電極７ｂが設けられていて、伸長軸に対して直交する方向の電界に応じて伸長軸に沿って伸縮する構成となっている。この場合圧電素子６は、共通電極７ａと個別電極７ｂとの間に電圧が印加されると伸長軸方向に収縮し、その電圧がなくなると収縮がなくなり、元の長さに戻る。

ヘッド本体１のインク加圧室５側の面には金属膜８が設けられていて、この金属膜８に、各圧電素子６に対応してダイヤフラム９が設けられている。各ダイヤフラム９と対応する圧電素子６との間には弾性樹脂１０が設けられている。圧電素子６の伸縮が、対応するダイヤフラム９を介してインク加圧室５に伝達され、これに基づきインク加圧室５内のインクがインク案内路４を介して対応するノズル３から吐出される。なお、インク加圧室５には、共通インク室１１から順次インクが供給されるようになっている。

上記した構成においては、インク加圧室５、ダイヤフラム９および圧電素子６を、ノズル３を中心にしてそのノズル３の配列方向（矢印Ａ方向）に千鳥状に配置していて、それらインク加圧室５、ダイヤフラム９および圧電素子６は、左右の隣同士で約半分ずつ重なるように配置できるため、ノズル３の配列方向での狭ピッチ化が可能となる。これと同様な構成は、例えば特許文献１に開示されている。

そして、その特許文献１には明記されてはいないが、各圧電素子６とダイヤフラム９との関係は、一般には図４に示すような構成となっている。すなわち、各ダイヤフラム９は、圧電素子６の伸長軸方向から見た形状は円形であり、また、各圧電素子６の伸長軸方向から見た断面形状は、ノズル３の配列方向に長い長方形形状となっている。
米国特許第５，７６７，８７３号

ところで、ノズル３の配置を更に狭ピッチ化しようとする場合、アクチュエータ部である圧電素子６およびダイヤフラム９部分を更に高密度配置する必要がある。しかしながら、上記した従来構成のものでは、ノズル３の配列方向に隣接する圧電素子６およびダイヤフラム９同士が接触してしまうため、これ以上狭ピッチ化することは困難である。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ノズルの更なる狭ピッチ化を可能とするインクジェットヘッド、およびインクジェット式画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、列状に配置されそれぞれインク滴を吐出する複数のノズルと、このノズルの配列方向に対して交差する方向に延びるインク案内路を介して対応するノズルに連通するように設けられ、前記ノズルを中心としてそのノズルの配列方向に千鳥状に配置された複数のインク加圧室と、各インク加圧室に対応して設けられ、伸長軸に対して交差する方向の電界に応じて伸長軸に沿って伸縮する複数の圧電素子と、各圧電素子に対応して設けられ、対応する圧電素子の伸縮を前記インク加圧室に伝達する複数のダイヤフラムと、を備えたオンデマンド型のインクジェットヘッドにおいて、
前記各圧電素子の伸長軸方向から見た断面形状は、前記ノズルの配列方向に沿った方向の長さ寸法が、ノズルの配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法よりも小さい形状をなしていることを特徴とする。

この場合、圧電素子の伸長軸方向から見た各ダイヤフラムの形状は、ノズルの配列方向に沿った方向の長さ寸法が、ノズルの配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法よりも小さくなる形状とすることが好ましい（請求項２の発明）。
また、本発明のインクジェット式画像形成装置は、請求項１または２記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするものである。

本発明のインクジェットヘッドによれば、圧電素子の、ノズルの配列方向に沿った方向の長さ寸法を小さくでき、これによりノズルの更なる狭ピッチ化が可能となる。
また、請求項２の発明によれば、ダイヤフラムの、ノズルの配列方向に沿った方向の長さ寸法を小さくでき、これによりノズルの更なる狭ピッチ化が可能となる。
そして、上記したインクジェットヘッドをインクジェット式画像形成装置に用いることで、高精細な画像を形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。図３には、インクジェット式画像形成装置２０の概略構成が示されている。この図３において、インクジェット式画像形成装置２０は、インクジェットヘッド２１とステージ２２とを備えていて、これらインクジェットヘッド２１とステージ２２が相対的に移動されると共に、後述する圧電素子の伸縮が制御されることに基づき、ステージ２２に設けられた対象物（図示せず）に、インクジェットヘッド２１に設けられたノズル２３からインクが吐出されて画像が形成される構成となっている。インクジェットヘッド２１には、圧電素子の伸縮を制御する制御回路２４が接続されている。

図１はノズル２３と、ダイヤフラム２５と、圧電素子２６との配置関係を示している。図２は、図１においてＸ１−Ｘ１線に相当する部分でのインクジェットヘッド２１の断面図を示している。インクジェットヘッド２１のヘッド本体２７における図２の下面側にはノズルプレート２８が配置されていて、このノズルプレート２８に、複数のノズル２３が、図１に示すように１列状に配置されている。各ノズル２３には、当該ノズル２３の配列方向（矢印Ａ方向）に対して直交する方向に延びるインク案内路２９を介してインク加圧室３０が連通するように設けられている。この場合、インク案内路２９は、隣り合ったノズル２３に対して、図１および図２において左方向と右方向とに交互に配置されている。従って、インク加圧室３０は、ノズル２３を中心としてそのノズル２３の配列方向に千鳥状に配置されている。

そして、各インク加圧室３０に対応して圧電素子２６が設けられている。この圧電素子２６は、図２において上下方向に長くなっていて、その長手方向を伸長軸としている。各圧電素子２６は、内面側の一面に共通電極３１ａが設けられていると共に、これとは反対の外面に個別電極３１ｂが設けられていて、伸長軸に対して直交する方向の電界に応じて伸長軸に沿って伸縮する、ｄ₃₁モードを利用したものである。この場合圧電素子２６は、共通電極３１ａと個別電極３１ｂとの間に電圧が印加されると伸長軸方向に収縮し、その電圧がなくなると収縮がなくなり、元の長さに戻る。また、各圧電素子２６は、上部において共通電極３１ａおよび導電性接着剤３２を介してヘッド本体２７に接着され、下部においては、圧電素子２６とヘッド本体２７との間には隙間３３が形成されている。

ヘッド本体２７のインク加圧室３０側の面には金属膜３４が設けられていて、この金属膜３４に、各圧電素子２６に対応してダイヤフラム２５が設けられている。各ダイヤフラム２５と対応する圧電素子２６との間には弾性樹脂３５が設けられていて、ダイヤフラム２５は、対応する圧電素子２６が収縮することに基づき弾性樹脂３５を介して、インク加圧室３０の体積が増加する方向に変形し、逆に、対応する圧電素子２６が伸長することに基づき弾性樹脂３５を介して、インク加圧室３０の体積が減少する方向に変形する。従って、圧電素子２６の伸縮が、対応するダイヤフラム２５を介してインク加圧室３０に伝達され、これに基づきインク加圧室３０内のインクがインク案内路２９を介して対応するノズル２３から吐出されるようになる。なお、上記金属膜３４の下面側にはリストリクタプレート３６が設けられていて、このリストリクタプレート３６には、各ダイヤフラム２５に対応する部分に開口部３７が形成されている。また、インク加圧室３０には、共通インク室３８から順次インクが供給されるようになっている。

さて、インク加圧室３０、ダイヤフラム２５および圧電素子２６は、図１に示すように、ノズル２３を中心にしてそのノズル２３の配列方向（矢印Ａ方向）に千鳥状に配置されている。そして、各圧電素子２６の伸長軸方向から見た断面形状は、図１に示すように、ノズル２３の配列方向（矢印Ａ方向）に沿った方向の長さ寸法Ｂ１が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法Ｂ２よりも小さい（Ｂ１＜Ｂ２）、横長な長方形形状をなしている。また、圧電素子２６の伸長軸方向から見た各ダイヤフラム２５の形状は、ノズル２３の配列方向に沿った方向の長さ寸法Ｃ１が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法Ｃ２よりも小さい（Ｃ１＜Ｃ２）、楕円形状をなしている。

上記したように、各圧電素子２６の伸長軸方向から見た断面形状は、ノズル２３の配列方向（矢印Ａ方向）に沿った方向の長さ寸法Ｂ１が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法Ｂ２よりも小さい（Ｂ１＜Ｂ２）、横長な長方形形状をなす構成としたので、圧電素子２６の、ノズル２３の配列方向に沿った方向の長さ寸法Ｂ１を小さくできる。しかも、圧電素子２６の伸長軸方向から見た各ダイヤフラム２５の形状は、ノズル２３の配列方向に沿った方向の長さ寸法Ｃ１が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法Ｃ２よりも小さい（Ｃ１＜Ｃ２）、楕円形状をなす構成としたので、ダイヤフラム２５の、ノズル２３の配列方向に沿った方向の長さ寸法Ｃ１を小さくできる。これにより、アクチュエータ部である圧電素子２６およびダイヤフラム２５部分を従来構成に比べ更に高密度配置することができるので、ノズル２３の更なる狭ピッチ化が可能となる。これに伴い、インクジェット式画像形成装置２０においては、従来に比べて高精細な画像を形成することが可能となる。

また、図１のように、圧電素子２６の断面形状を横長な長方形にすると共に、ダイヤフラム２５を楕円形にすることにより、ダイヤフラム２５の形状が圧電素子２６の形状に近くなる。これに伴い、圧電素子２６の伸縮をダイヤフラム２５に伝達する弾性樹脂３５の量を従来構成に比べて少なくすることができ、圧電素子２６の伸縮を効率良くダイヤフラム２５へ伝達することが可能になり、従来よりもインク吐出効率を向上させることが可能となる。

なお、圧電素子２６の伸長軸方向から見た、ダイヤフラム２５の形状は、楕円形に限られず、ノズル２３の配列方向に沿った方向の長さ寸法が、ノズル２３の配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法よりも小さい形状であれば、長方形やひし形であっても良い。
また、上記した実施形態においては、圧電素子２６の両電極３１ａ，３１ｂは当該圧電素子２６の断面形状における短辺側に配置されていると共に、共通電極３１ａは導電性接着剤３２を介してヘッド本体２７の金属部に接着するようにしているので、ヘッド本体２７を共通電極とすることができ、配線を簡素化することができる。

さらに、圧電素子２６の静電容量は、次の（１）式で表すことができる。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ …（１）
（ただし、Ｃ：静電容量、ε：誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間距離）
両電極３１ａ，３１ｂを圧電素子２６の短辺に配置すると、従来の場合に比べて電極面積Ｓが小さくなると共に、電極間距離ｄは大きくなるので、静電容量Ｃは小さくなる。これに伴い、圧電素子２６を含めた駆動回路の時定数が小さくなるため応答性が向上し、圧電素子２６を駆動する駆動周波数を高めることができるため、インク吐出時間間隔を短くすることができ、従来よりも短時間での画像形成が可能となる。

本発明の一実施形態を示すノズルとダイヤフラムと圧電素子との配置関係を示す図 図１のＸ１−Ｘ１線に相当する部分でのインクジェットヘッドの縦断面図 インクジェット式画像形成装置の概略構成を示す図 従来構成を示す図１相当図 図４のＸ２−Ｘ２線に相当する部分でのインクジェットヘッドの縦断面図

符号の説明

図面中、２０はインクジェット式画像形成装置、２１はインクジェットヘッド、２２はステージ、２３はノズル、２５はダイヤフラム、２６は圧電素子、２７はヘッド本体、２９はインク案内路、３０はインク加圧室、３１ａは共通電極、３１ｂは個別電極、３８は共通インク室、Ａはノズルの配列方向を示す。

Claims (3)

1. 列状に配置されそれぞれインク滴を吐出する複数のノズルと、
   このノズルの配列方向に対して交差する方向に延びるインク案内路を介して対応するノズルに連通するように設けられ、前記ノズルを中心としてそのノズルの配列方向に千鳥状に配置された複数のインク加圧室と、
   各インク加圧室に対応して設けられ、伸長軸に対して交差する方向の電界に応じて伸長軸に沿って伸縮する複数の圧電素子と、
   各圧電素子に対応して設けられ、対応する圧電素子の伸縮を前記インク加圧室に伝達する複数のダイヤフラムと、を備えたオンデマンド型のインクジェットヘッドにおいて、
   前記各圧電素子の伸長軸方向から見た断面形状は、前記ノズルの配列方向に沿った方向の長さ寸法が、ノズルの配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法よりも小さい形状をなしていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 圧電素子の伸長軸方向から見た各ダイヤフラムの形状は、ノズルの配列方向に沿った方向の長さ寸法が、ノズルの配列方向に対して直交する方向に沿った長さ寸法よりも小さくなる形状をなし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ヘッド。
3. 請求項１または２記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット式画像形成装置。
   
   

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