JP2007168337A - Ink-jet head and recording device with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バルク上の圧電素子を加工して形成される圧電振動子を用いてインクに圧力を加えてノズルよりインク滴を飛翔させ、印刷媒体にインク像を形成するインクジェットヘッドに関する。 The present invention relates to an inkjet head that forms an ink image on a print medium by applying pressure to ink using a piezoelectric vibrator formed by processing a piezoelectric element on a bulk to cause ink droplets to fly from a nozzle.
現在、インクジェットプリンタは高速印字、高画質印字の両立などのニーズが高まってきている。特に高速印字に関しては、シリアル方式のインクジェットプリンタに比べ、印字媒体に対して平行に1パスで画像を形成して印刷するライン型ヘッドユニットを用いる方が有利である。 Currently, there is an increasing demand for inkjet printers that achieve both high-speed printing and high-quality printing. Particularly for high-speed printing, it is more advantageous to use a line-type head unit that forms and prints an image in one pass parallel to the print medium, as compared to a serial ink jet printer.
ライン方式のとしての、インクを吐出させるための電気エネルギーを熱エネルギーに変換させ、該熱エネルギーをインク作用させるサーマル(ヒータ加熱)方式のインクジェットプリンタ(例えば、特許文献1参照。)は、長尺のラインプリンタに対しても部品レベルでの寸法制限が無く比較的容易に製造できるが、インク加熱時のヒータ上にコゲーションと呼ばれる堆積物が発生することにより加熱性能が劣化するため、ヘッドの吐出特性製が低下し、ヘッドの長寿命化が困難である。また吐出させる液滴媒体も限定される問題がある。 A thermal (heater heating) type inkjet printer (see, for example, Patent Document 1) that converts electric energy for ejecting ink into thermal energy and causes the thermal energy to act on ink as a line type is long. Although there is no dimensional restriction at the part level for the other line printers, it can be manufactured relatively easily, but the heating performance deteriorates due to the formation of deposits called kogation on the heater during ink heating. Discharge characteristics are reduced, and it is difficult to extend the life of the head. Further, there is a problem that a droplet medium to be discharged is limited.
また、上記のサーマル方式インクジェット方式のプリンタとは別に、積層の圧電素子を用いてインク液滴を吐出させる、積層圧電素子方式(例えば、特許文献2参照。)も知られている。しかし、上記積層型圧電素子は、長手方向の反りやうねり、変形、及び断面内の結晶配向にばらつきを生じることで、圧電特性の面内の均一性が十分に得られず、圧電特性がばらつくなどの問題がある。このような問題は、圧電素子の膜厚が厚くなるほど、また基板サイズが大きくなるほど顕著となる。このような問題を考慮するとバルク上の圧電素子を製造することが可能なノズル配列方向の長さは60mmが限界である。 In addition to the above thermal ink jet printers, there is also known a laminated piezoelectric element method (for example, see Patent Document 2) that ejects ink droplets using laminated piezoelectric elements. However, the above-described multilayer piezoelectric element causes variations in longitudinal warpage, waviness, deformation, and crystal orientation in the cross section, and thus in-plane uniformity of piezoelectric characteristics cannot be obtained sufficiently, and the piezoelectric characteristics vary. There are problems such as. Such a problem becomes more prominent as the thickness of the piezoelectric element increases and the substrate size increases. Considering such a problem, the maximum length in the nozzle arrangement direction in which a piezoelectric element on the bulk can be manufactured is 60 mm.
上記の積層型の圧電振動子を用いたインクジェットヘッドを、ライン方式のプリンタに対応させた例として、複数個のヘッドユニットをひとつの基台上に固定して構成したインクジェットプリンタ(例えば、特許文献3参照。)が知られている。しかし、上記のような方式ではヘッドユニットのユニット間のノズル配列において高精度な位置決めを必要し、高密度ノズル配置をするのに困難性がある。また流路プレートを保持するハウジングの両端部の隔壁の面積が狭くなり、ヘッドユニットを形成すること自体が困難であり、吐出特性もユニット両端部で低下してしまう。 As an example in which an inkjet head using the above-described laminated piezoelectric vibrator is adapted to a line-type printer, an inkjet printer configured by fixing a plurality of head units on a single base (for example, Patent Documents) 3) is known. However, the above-described method requires high-precision positioning in the nozzle arrangement between the units of the head unit, and there is a difficulty in arranging high-density nozzles. In addition, the area of the partition walls at both ends of the housing holding the flow path plate is reduced, making it difficult to form the head unit itself, and the discharge characteristics are also degraded at both ends of the unit.
また、上記のようなヘッドユニット両端のノズル間の位置決め問題を解消するために、複数のヘッドユニットを千鳥状に配列する方法(例えば、特許文献4、5参照。)が知られている。しかし、上記2点のような千鳥上配置の方法ではノズル列直交方向のヘッドユニットが大型化してしまう問題が発生する。 In order to solve the positioning problem between the nozzles at both ends of the head unit as described above, a method of arranging a plurality of head units in a staggered manner (for example, see Patent Documents 4 and 5) is known. However, the above-described two-point arrangement method causes a problem that the head unit in the nozzle row orthogonal direction becomes large.
このような問題を解決するために、積層の圧電素子を用いて一つのヘッドユニットとしてラインヘッドを実現するための方法として、一つのベース基板状にバルク上の圧電素子を一列に並べ、圧電素子同士の継ぎ目の領域をノズル密度ピッチの倍数となる位置に接合し、圧電振動子形成時に継ぎ目の領域を加工することで、バルク上の圧電素子両端部の吐出が均一で、バルク上圧電素子から形成される圧電振動子間のノズル配列を必要としないライン式プリンタ用のインクジェットヘッド(例えば、特許文献6参照。)が知られている。しかし、インクジェットヘッドのノズル密度が高くなるにつれて、バルク上の圧電素子の継ぎ目の領域の隙間をノズルピッチの1/2以内に位置決めする必要があり、高密度ノズル配置になるにつれて、位置決め要求精度も高くなってしまい、困難を要する。また圧電素子を長尺に並べれば並べるほどバルク上の圧電素子の絶対位置長さの累積誤差が大きくなり、圧電素子の継ぎ目のところを加工領域にすることが困難になってくる。そのため、バルク上の圧電素子自体に高精度な寸法公差が要求され、コスト高となる。またノズルピッチの倍数となるように圧電素子の長さを設計しなければならず、開発ヘッド毎に圧電素子の設計が必要となり、部品の共用化ができない。 In order to solve such a problem, as a method for realizing a line head as a single head unit using laminated piezoelectric elements, piezoelectric elements on a bulk are arranged in a line on a single base substrate. By joining the seam area between the nozzles at a position that is a multiple of the nozzle density pitch and processing the seam area when the piezoelectric vibrator is formed, the discharge at both ends of the piezoelectric element on the bulk is uniform. There is known an ink jet head for a line printer that does not require a nozzle arrangement between formed piezoelectric vibrators (see, for example, Patent Document 6). However, as the nozzle density of the inkjet head increases, the gap in the joint area of the piezoelectric elements on the bulk needs to be positioned within ½ of the nozzle pitch. It becomes expensive and difficult. Further, the longer the piezoelectric elements are arranged, the larger the accumulated error of the absolute position lengths of the piezoelectric elements on the bulk, and it becomes difficult to make the joint area of the piezoelectric elements a processing region. Therefore, a highly accurate dimensional tolerance is required for the piezoelectric element itself on the bulk, which increases the cost. In addition, the length of the piezoelectric element must be designed so as to be a multiple of the nozzle pitch, and the piezoelectric element must be designed for each development head, and parts cannot be shared.
上記の問題を解決する方法として、千鳥状に配列し、互いのチャンネル列の両端部を重複させる方法(例えば、特許文献7参照。)がしられている。しかし、上記のような方法でも特許文献4、及び特許文献5と同様にヘッドの大型化となってしまう。
As a method for solving the above problem, there is a method (for example, refer to Patent Document 7) in which the both ends of each channel row are overlapped in a zigzag pattern. However, the method described above also increases the size of the head as in
本発明、上記のような圧電素子の位置決め精度をノズルピッチの1/2以下にする必要が無く、かつ、圧電素子自体の寸法精度を要せず、2列のノズル列を有しても、2ヘッド分のスペースを要しない、小型なインクジェットヘッドを提供することを目的とする。 The present invention does not require the positioning accuracy of the piezoelectric element as described above to be 1/2 or less of the nozzle pitch, and does not require the dimensional accuracy of the piezoelectric element itself, and has two nozzle rows, An object of the present invention is to provide a small inkjet head that does not require space for two heads.
本発明は、インク滴を吐出する複数のノズルを有するオリフィスプレートと、前記ノズルに連通した圧力発生室を有するチャンバプレートと、前記圧力発生室を封止するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートを介して前記圧力発生室の容積を変化させる複数の圧電振動子からなる複数の圧電アクチュエータとを有したインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバプレートの少なくとも一つの圧力発生室群内、前記圧電アクチュエータの少なくとも一つの圧電振動子群内の圧力発生室、および前記圧電振動子がノズル列またはノズル列中間を中心に互いに千鳥状または対向状に配置され、前記複数の圧力発生室群、圧電振動子群が少なくとも一つの固定部材に千鳥状に保持されたことを特徴とする。 The present invention provides an orifice plate having a plurality of nozzles for ejecting ink droplets, a chamber plate having a pressure generation chamber communicating with the nozzle, a diaphragm plate for sealing the pressure generation chamber, and the diaphragm plate through the diaphragm plate. In an inkjet head having a plurality of piezoelectric actuators composed of a plurality of piezoelectric vibrators for changing the volume of the pressure generating chamber, in at least one pressure generating chamber group of the chamber plate, at least one piezoelectric vibrator of the piezoelectric actuator The pressure generation chambers in the group and the piezoelectric vibrators are arranged in a staggered or opposed manner around a nozzle row or the middle of the nozzle row, and the plurality of pressure generation chamber groups and the piezoelectric vibrator groups are at least one fixing member It is characterized by being held in a staggered pattern.
本発明によれば、圧電素子を用いたフルラインプリントヘッドに対応するためノズルユニット間及び圧電素子の継ぎ目間の特性ばらつき少なく、ユニットノズル間の位置決め精度を要せず、さらにはバルク上の圧電素子の配列において精密な位置決め精度を必要としない、高密度実装、高ノズル配列が可能な加工性の良いインクジェットヘッドを提供する事ができる。また、千鳥状に圧力発生室、圧電振動子を配列させ、それぞれの圧電振動子群、対応する圧力発生室群毎に、ノズル配列方向、ノズル列直交方向の延長で重複する領域を有するように配列することにより、ヘッドを小型化できる。 According to the present invention, since it corresponds to a full-line print head using piezoelectric elements, there is little variation in characteristics between nozzle units and between joints of piezoelectric elements, positioning accuracy between unit nozzles is not required, and piezoelectric on the bulk is also required. It is possible to provide an ink jet head with good workability that does not require precise positioning accuracy in the arrangement of elements and enables high-density mounting and high nozzle arrangement. In addition, the pressure generating chambers and piezoelectric vibrators are arranged in a staggered manner so that each piezoelectric vibrator group and the corresponding pressure generating chamber group have overlapping regions extending in the nozzle arrangement direction and the nozzle row orthogonal direction. By arranging, the head can be miniaturized.
さらに、千鳥配置または対向配置した圧力室を有するインクジェットヘッドを用いて2列のノズル列を有する場合、2ヘッド分のスペースをとる必要が無く小さい寸法に集約可能とすることができる。また圧電アクチュエータが大型化しないため、流路を保持するハウジングの剛性を高めることができ、複数同時駆動時の吐出特性の低下によるクロストークの影響を低減でき同一以上の機能を持たせたることが可能である。 Furthermore, when two nozzle rows are formed using an ink jet head having pressure chambers arranged in a staggered manner or opposed to each other, it is not necessary to take a space for two heads, and it is possible to collect them in a small size. In addition, since the piezoelectric actuator does not increase in size, the rigidity of the housing that holds the flow path can be increased, and the influence of crosstalk due to the deterioration of the discharge characteristics when simultaneously driving multiple units can be reduced, so that the same function or more can be provided. Is possible.
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図9に本発明実施のインクジェットヘッドを使用した液滴吐出装置の例を示す。 FIG. 9 shows an example of a droplet discharge device using the inkjet head of the present invention.
インクジェットヘッド26は印刷幅分のユニット幅を有するライン型のインクジェットヘッドで、基台に固定されている。印刷領域上にインクを吐出しながら印刷媒体28を搬送することで印刷を行なう、固定ヘッド印刷方式の液滴吐出装置である。インクジェットヘッド26は該インクジェットヘッド26にインクを供給するインクカートリッジ27を搭載し、印刷時は、インクジェットヘッド26は印刷領域上で静止する。一方、印刷媒体28はインクジェットヘッド26と対向し、記録ユニットノズル列直交方向に搬送ロール29によって搬送される。印刷媒体28にはインクジェットヘッド26のノズルより記録信号に応じてインクが噴射され、画像が形成される。
The
図1は、本発明のインクジェットヘッド26の主要部の斜視図である。図2は、図1の各部材をノズル方向から見た各部品の平面図である。図3から図5は、ノズル方向からみた圧電振動子、圧力発生室、圧電振動子の透視図である。
FIG. 1 is a perspective view of the main part of the
図1〜図5において、2は複数のノズル1を列状に形成したオリフィスプレートである。オリフィスプレート2は後述する圧電アクチュエータ15の圧電振動子群の一つ毎に対応するようにノズル群毎に千鳥状に列配列されている。ノズル1の開口形状の加工精度はインクジェットヘッド26のインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のノズル1間において、これらのノズル精度ばらつきを低く押さえるため、オリフィスプレート2の製法は高い加工精度が要求される。このため、オリフィスプレート2はステンレスの精密プレス法、レーザー加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。
1 to 5, reference numeral 2 denotes an orifice plate in which a plurality of
4は圧力発生室3が形成されたチャンバプレートである。チャンバプレート4は前記圧力発生室3が前記ノズル1に対応するように、また高密度に配置するためにノズル列を中心に千鳥状に配列され、更にノズル列群毎に対応するように圧力発生室群20も同様に千鳥配列されている。この時、千鳥配列した圧力発生室群20はノズル直交方向にそれぞれの圧力発生室群20がオーバーラップするように配列される。
Reference numeral 4 denotes a chamber plate in which the pressure generating chamber 3 is formed. The chamber plates 4 are arranged in a zigzag pattern around the nozzle rows so that the pressure generating chambers 3 correspond to the
6は共通インク供給路10と圧力発生室3とを連結し、圧力発生室3へのインク流入を制御するリストリクタ5を形成したリストリクタプレートである。リストリクタ5も前記圧力発生室3に対応するようにノズル列を中心に千鳥状に配列され、更に圧力発生室群20毎に対応するようにリストリクタ群21も千鳥配列される。この時、千鳥配列したリストリクタ群21はノズル直交方向にそれぞれのリストリクタ群21がオーバーラップするように配列される。
A restrictor plate 6 connects the common
9は圧電アクチュエータ15の変位を効率よく圧力発生室3に伝えるための振動板7と、共通インク通路10からリストリクタ5に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部8とを形成した弾性を有するダイアフラムプレートである。
11は共通インク通路10を形成したマニホールドプレートである。マニホールドプレート11に形成される共通インク通路10はそれぞれ千鳥状に配列したリストリクタ5と連通するように、図のように第1の側凹型に対向して第2列側は凸型の形状をしている。
Reference numeral 11 denotes a manifold plate in which a
前記チャンバプレート4、リストリクタプレート6、ダイアフラムプレート9、マニホールドプレート11はステンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法ねあるいは精密プレス法で作られる。
13は共通インク通路12を形成したハウジングである。ハウジング13はステンレス材の切削加工等で形成され、図示しないインクタンクからインクを共通インク通路10、11まで導くインク導入パイプ14が接合されている。図のハウジング13は後述する圧電アクチュエータ15の挿入開口部が大きく開口しているが、圧電振動子毎に仕切りを有するように開口させ、ヘッド26の剛性を高めても良い。
The chamber plate 4, the restrictor plate 6, the
前記圧力発生室3およびリストリクタ5は、前記ノズル1列を中心に千鳥状に配置し、また後述するそれぞれのダイシング加工前のバルク上圧電素子に対応するノズル群19、圧力発生室群20、リストリクタ群21、振動板群22は、千鳥状に配列され、後述の圧電振動子群23に対応している。
The pressure generating chambers 3 and the
15は圧電振動子17と固定部材18からなる圧電アクチュエータである。圧電振動子17の一端は固定部材の一端面に接着剤を用いて固着され、圧電振動子17の他端面は前記振動板7に接合される。圧電振動子17の固定部材18への配列方法はノズル列に対して千鳥状に配列され、またダイシング加工前のバルク上圧電素子に対応する圧電振動子群23は千鳥状に配列される。圧電アクチュエータ15の個別電極パターン、共通電極パターンには図示しないFPCを介して電気信号が入力され、圧電振動子17に変位を生じさせる。このようにして圧電振動子17の生じた変位を、振動板7を介して圧力発生室の圧力を変化させることによりインク液滴を吐出させ、画像を形成する。
A
上記のように圧力発生室3、リストリクタ5、圧電振動子17を2列の千鳥配列になるように配列し、更に圧力発生室群20、リストリクタ群21、圧電振動子群23をオーバーラップ領域をもつように千鳥配置し、2列のノズル列を形成する事により、図4のようにノズル列を中心に千鳥状に配列したヘッドユニット26を2ヘッド並べるよりヘッドユニット寸法を小さくする事ができる。
As described above, the pressure generating chamber 3, the
本発明で千鳥配列した圧力発生室3、リストリクタ5、圧電振動子17について説明したが、図5のように対向配列した圧力発生室3、リストリクタ5、圧電振動子17でも、同様に圧力発生室群20、リストリクタ群21、圧電振動子群23、を千鳥状に配列する方式にも適用できる。
Although the pressure generating chamber 3, the
図6から図8を用いて、本発明インクジェットヘッドの圧電アクチュエータ15の製造方法の1例を示す。まず、図6に示すように、バルク上圧電素子16を、個別電極パターン18a、共通電極パターン18bがパターンされている固定部材18上にノズル配列方向に千鳥配列をする。バルク状圧電素子16は中央部を不活性領域16aに、その両端部を活性領域16bになる圧電素子16を用いる。この時、千鳥配列するどちらか一方の列の第1のバルク圧電素子16は、対向する第2のバルク状圧電素子16とノズル列方向、ノズル列直交方向延長線上にオーバラップ(重複)する領域を有した配列になるように逃げ切り欠き部16cを形成させる。
An example of a method for manufacturing the
図6の場合、個別電極側パターン18aは対向する圧電素子側に振動子(ノズル)ピッチの2倍以下で溝を形成する。また千鳥配置する2本のバルク状の圧電素子16は対向する面でノズル列直行方向に圧電振動子幅以上ノズル列方向延長線上でオーバーラップする領域を有するように配列する。上記のように構成することにより、圧電素子16の位置決め精度を、ピッチの1/2までする必要が無く、裕度としてノズルピッチの2倍以下まで圧電素子16の配列が可能となる。
In the case of FIG. 6, the individual
図7では、図6のように千鳥状に配列した圧電素子16を不活性領域16aで2列に分断する。分断した中間領域には導電性接着剤25を塗布し、圧電素子16の外部電極の個別電極と共通電極は固定部材18に施された個別電極パターン18aと共通電極パターン18bに導電させる。上記のような圧電素子16を用いるのでノズル列中心に対向している、バルク状圧電素子の位置決め精度を緩和でき、位置決め精度の抑制の効果を高めることができる。
In FIG. 7, the
最後に、図8に示すように、接着固定された圧電素子16を、圧力発生室3のピッチ、及び千鳥配列位置と等しくなるように、ワイヤーソーやダイシング加工により櫛状に分割加工し、圧電振動子17を有する圧電アクチュエータ15となる。
Finally, as shown in FIG. 8, the
圧電アクチュエータ15の製造方法に関しても、圧電振動子群23、圧力発生室群内の圧電振動子17、圧力発生室をノズル列中心毎に対向配列させた構造にしてもよい。対向配置することで、セラミックプレート上に形成した電極パターンの複雑化の問題が発生するが、圧電振動子17をダイシング形成時の加工時間を短縮する事ができる利点がある。
Regarding the manufacturing method of the
本発明の圧電アクチュエータ15の構造にすることで位置決め精度を必要としない、ノズル列直交方向の圧電振動間の寸法が抑制できる圧電アクチュエータを形成する事ができる。ノズル列直交方向の寸法幅は圧電アクチュエータ15を挿入する圧電振動子17のハウジングの開口部を小さくでき、なおかつ流路クミ24性を高めることができる。また、圧電振動子17を複数同時に駆動した時の流路クミ24の変形によって生じる。吐出特性の低下いわゆるクロストークを低減する事が可能となる。
By adopting the structure of the
1:ノズル、2:オリフィスプレート、3:圧力発生室、4:チャンバプレート、5:リストリクタ、6:リストリクタプレート、7:振動板、8:フィルタ部、9:ダイアフラムプレート、10:共通インク通路(マニホールド)、11:マニホールドプレート、12:共通インク通路(ハウジング)、13:ハウジング、13a:開口部、14:インク導入パイプ、15:圧電アクチュエータ、16:バルク状圧電素子、圧電素子、16a:活性領域、16b:不活性領域、17:圧電振動子、18:固定部材、18a:個別電極側パターン18b:共通電極側パターン、19:ノズル列群、20:圧力発生室群、21:リストリクタ群、22:ダイアフラム群、23:圧電振動子群、24:流路クミ、25:導電性接着剤、26:インクジェットヘッド、ヘッドユニット、27:インクカートリッジ、28:印刷媒体、29:搬送ロール。
1: nozzle, 2: orifice plate, 3: pressure generation chamber, 4: chamber plate, 5: restrictor, 6: restrictor plate, 7: diaphragm, 8: filter section, 9: diaphragm plate, 10: common ink Passage (manifold), 11: manifold plate, 12: common ink passage (housing), 13: housing, 13a: opening, 14: ink introduction pipe, 15: piezoelectric actuator, 16: bulk piezoelectric element, piezoelectric element, 16a : Active region, 16b: Inactive region, 17: Piezoelectric vibrator, 18: Fixing member, 18a: Individual
Claims (5)
A droplet discharge device comprising the inkjet head according to claim 1.
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