JP2015196345A - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく高速でインクを吐出できるインクジェットプリンタヘッドを提供する。【解決手段】インクジェットヘッド１１は、分極方向が相反する圧電部材１５に溝状に形成される複数の圧力室２４と、圧力室２４の側面に剛性が高い蓋部２７を介してノズルプレート１４が配設されている。蓋部２７は、圧力室２４を覆う部分に厚みを３０〜６０μｍで設け、ヤング率を１００〜２００Ｇｐａに設定する。ノズルプレート１４は、厚み２５〜７５μｍの樹脂材料にて形成する。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、インクジェットプリンタヘッドに関する。

インクジェットプリンタヘッドとして、例えばシェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリンタヘッドで、圧力室の側面にノズルを有するサイドシューター型と言われる構造の装置が知られている。このインクジェットヘッドは、基板と、基板に接着された枠部材と、枠部材に接着されたノズルプレートと、枠部材の内側の位置で基板に接着された圧電部材と、圧電部材を駆動するためのヘッド駆動用のＩＣと、を有している。そして、印刷時には圧電部材が駆動され、圧電部材内の各圧力室の両側部に設けられる駆動素子である支柱がシェアモード変形を行って湾曲することにより、圧力室内のインクを加圧することで、ノズルからインク滴が吐出される。

特開２００２−３２１３６１号公報

従来のインクジェットプリンタヘッドで、圧電部材に柔らかい樹脂製のノズルプレートが固定されている場合は、圧電部材内の各圧力室の変形時にはノズルプレートも一緒に変形する現象が生じている。そのため、圧電部材の駆動力の一部がノズルプレートの変形のために使われてしまう可能性がある。

また、圧電部材とノズルプレートとの間に例えば剛性の高い金属製の蓋部材を介設させた構成のインクジェットプリンタヘッドもある。この場合は、圧力室と蓋部材との固定部を強固に連結することで、圧電部材の駆動力の一部がノズルプレートの変形のために使われてしまうことを防止してインクの吐出効率の低下を防ぐことが考えられる。しかしながら、従来のインクジェットプリンタヘッドでは、1回のインク吐出時に使用される圧力室内のインクの圧力変動の振動が蓋部材に伝達され、インク吐出時に使用されない他の圧力室側が振動してしまう可能性がある。この場合は、インク吐出時に使用されない他の圧力室側が振動している状態で次回のインク吐出に使用される可能性があるので、次回のインク吐出時にクロストークが生じ、インク吐出量や、吐出速度などの制御精度が低下し、印刷の安定性が低下する。

実施形態によれば、インクジェットヘッドは、分極方向が相反する圧電部材に溝状に形成される複数の圧力室と、前記圧力室の側面に剛性が高い蓋部を介してノズルプレートが配設されている。前記蓋部は、前記圧力室を覆う部分に厚みを３０〜６０μｍで設け、ヤング率を１００〜２００Ｇｐａに設定する。前記ノズルプレートは、厚み２５〜７５μｍの樹脂材料にて形成することを特徴とする。

第１の実施の形態に係るインクジェットヘッドを一部破断して示す斜視図。 図１に示すＦ２−Ｆ２線の位置で切断した断面図。 第１の実施の形態のインクジェットヘッドの動作を説明したもので、（Ａ）は圧力室の周辺の構成を示す要部の縦断面図、（Ｂ）は圧力室を減圧させた状態を示す要部の縦断面図、（Ｃ）は圧力室を加圧させてインクを吐出させる状態を示す要部の縦断面図。 第１の実施の形態のインクジェットヘッドを表1の組み合わせで試作した場合に圧力室密度が１５０ｄｐｉの場合における吐出電圧と、圧力伝播時間とを評価した実験結果を示す特性図。 第１の実施の形態のインクジェットヘッドを表1の組み合わせで試作した場合に圧力室密度が３００ｄｐｉの場合における吐出電圧と、圧力伝播時間とを評価した実験結果を示す特性図。

［第１の実施の形態］
（構成）
図１乃至図５は、本発明の第１の実施の形態を示す。本実施の形態のインクジェットヘッド１１は、いわゆるシェアモードシェアウォール方式のインク循環式のインクジェットヘッドで、サイドシューター型と言われる構造である。図１と図２に示すように、インクジェットヘッド１１は、基板１２と、基板１２に接着された枠部材１３と、枠部材１３に接着されたノズルプレート１４と、枠部材１３の内側の位置で基板１２に接着された圧電部材１５と、圧電部材１５を駆動するためのヘッド駆動用のＩＣ１６と、を有している。

ノズルプレート１４は、厚み２５〜７５μｍの樹脂材料、例えば方形のポリイミド製のフィルムで形成されている。ノズルプレート１４は、一対のノズル列２１を有している。各ノズル列２１は、複数のノズル２２を含んでいる。

圧電部材１５は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）製の２枚の圧電板２３を互いの分極方向を対向させるように張り合わせて形成されている。圧電部材１５は、断面台形状で、棒状に形成されている。圧電部材１５は、表面に溝状に切削形成される複数の圧力室２４と、各圧力室２４の両側部に設けられる駆動素子である柱部２５と、各柱部２５の側面および圧力室２４の底部に形成される電極２６とを有している。

そして、ノズルプレート１４は、金属・セラミックス等の剛性の強い材料からなる蓋部２７を介して圧電部材１５の柱部２５に接合されている。ここで、圧電部材１５は、ノズルプレート１４上のノズル列２１に対応するように基板１２に接着される。圧力室２４および柱部２５は、ノズル２２に対応して形成されている。

また、蓋部２７には、各圧力室２４と連通する連通穴２８が形成されている。本実施の形態では、蓋部２７は、圧電部材１５の表面の外縁形状と対応させた細長い長方形の平板によって形成されている。そして、蓋部２７は、圧力室２４を覆う部分のみに形成されている。さらに、蓋部２７は、厚みを３０〜６０μｍ、ヤング率を１００〜２００Ｇｐａにそれぞれ設定されている。ノズルプレート１４のノズル２２は、各連通穴２８と連通する状態で開口させてある。また、基板１２上には、複数の電気配線２９が設けられている。各電気配線２９は、その一端で電極２６に接続されるとともに、他端でヘッド駆動用のＩＣ１６に接続されている。

基板１２は、例えばアルミナなどのセラミックスによって、方形の板状に形成されている。基板１２は、孔でそれぞれ構成される供給口３１および排出口３２を有している。供給口３１は、図示しないプリンタのインクタンクに連結され、排出口３２は図示しないインクタンクに連結されている。そして、インクジェットヘッド１１の動作時には、インクの供給は、供給口３１を介して行われ、インクタンクから流出したインクは、供給口３１を経由して圧力室２４内に満たされる。圧力室２４内で使用されなかったインクは、排出口３２によってインクタンクに回収される。本実施の形態のインクジェットヘッド１１は、圧力室２４内のインクを循環させて、混入した気泡等を自動的に除去できる特徴を有する循環式のヘッドである。

図３（Ａ）〜（Ｃ）はインクジェットヘッド１１の動作を説明した図である。ここで、図３（Ａ）は圧力室２４の周辺の構成を示す要部の縦断面図、図３（Ｂ）は圧力室２４を減圧させた状態（圧力室２４を拡大させた状態）を示す要部の縦断面図、（Ｃ）は圧力室２４を加圧させてインクを吐出させる状態（圧力室２４を収縮させた状態）を示す要部の縦断面図である。ユーザがプリンタに対して印刷を指示すると、プリンタの制御部は、インクジェットヘッド１１に対して印字信号をヘッド駆動用のＩＣ１６に出力する。印刷信号を受けたヘッド駆動用のＩＣ１６は、電気配線２９を介して駆動パルス電圧を柱部２５に印加する。これにより、最初に左右一対の柱部２５は、シェアモード変形を行って「く」の字に変形（湾曲する）ように離反する。このとき、図３（Ｂ）に示すように圧力室２４を減圧（圧力室２４を拡大）させる。次に、図３（Ｃ）に示すようにこれらを初期位置に復帰させて圧力室２４内の圧力を高くする（圧力室２４を収縮させる）。これにより、圧力室２４内のインクが蓋部２７の連通穴２８を経てノズルプレート１４のノズル２２に供給され、ノズル２２からインク滴が勢い良く吐出される。

このようなインクジェットヘッド１１において、蓋部２７は圧力室２４の１壁面を構成するので、圧力室２４の剛性に影響を与える。蓋部２７の剛性が強いほど（固いほど・厚いほど）、圧力室２４の剛性が強くなるので、圧電部材１５の発生する圧力が効率よくインク吐出に利用され、また、インク内の圧力伝播速度も速くなり、高速で駆動することができる。ここで、蓋部２７には、ノズル２２に連通する連通穴２８の開口を設ける必要があるため、蓋部２７の厚さが厚すぎるとノズル２２までの流体抵抗が大きくなり吐出効率が落ちる。逆に、吐出効率が落ちないよう蓋部２７の連通穴２８の開口を大きくすると圧力室２４の剛性が落ち、圧力室２４も大きくなるので圧力伝播速度が落ちてしまう。したがって、蓋部２７の厚さと連通穴２８の穴の大きさには最適値が存在することが考えられる。

本実施の形態のインクジェットヘッド１１は、ノズル２２から吐出されるインクの吐出電圧と、蓋部２７の連通穴２８における圧力室２４の長手方向に沿う方向の長さ（図２のＬ６参照）と圧力室２４の長手方向の長さ（図２のＬ３参照）との長さ比との関係が極小となる長さ比（図４（Ａ２）の極小値Ｘ１および図５（Ｂ２）の極小値Ｙ１参照）を中心としてその前後の１０〜２５％の範囲に設定したものである。

（インクジェットヘッド１１の試作）
次の表１の組み合わせでインクジェットヘッド１１を試作した。

ヘッド１１は大きく２種に分類され、圧力室密度が１５０ｄｐｉ、３００ｄｐｉと、代表的な２種を試作した。表１中で、サンプルＮｏ．１〜６０は、圧力室２４のピッチ（Ｌ１）が１６９μｍ、幅（Ｌ２）が８０μｍ、長さ（Ｌ３）が２０００μｍ、深さ（Ｌ４）が３００μｍである。また、サンプルＮｏ．６１〜１２０は、圧力室２４のピッチ（Ｌ１）が８４．５μｍ、幅（Ｌ２）が４０μｍ、長さ（Ｌ３）が１５００μｍ、深さ（Ｌ４）が１５０μｍである。そして、蓋部２７は、ヤング率（Ｇｐａ）と、厚さ（Ｌ５）と、連通穴２８の開口長さ（Ｌ６）とがそれぞれ表１に示す通り設定されている。ここで、蓋部２７の材質は、ヤング率が約５０ＧＰａであるＰＺＴ、約１５０ＧＰａであるＮｉ−Ｆｅ合金（４２Ａｌｌｏｙ）、約２５０ＧＰａである９２アルミナを用い、蓋部２７の連通穴２８の幅は圧力室２４の幅（Ｌ２）と略等しくした。

（試験）
上記サンプルＮｏ．１〜１２０のインクジェットヘッド１１毎に、吐出電圧（一定量のインク滴を所定の駆動速度で吐出させるのに必要な電圧）、圧力伝播時間（圧力室内を圧力が伝播する時間で圧力伝播速度に反比例）を評価した。試験結果を次の表２に示す。

また、蓋部２７の各パラメータ毎に集計した結果を次の図４、５に示す。図４は、圧力室密度が１５０ｄｐｉの場合における吐出電圧Ｖ１（Ｖ）と、圧力伝播時間Ｔ１（μｓｅｃ）とを評価した実験結果を示す特性図である。ここで、図４（Ａ１）は、Ｔ１と、蓋部２７の連通穴２８における圧力室２４の長手方向に沿う方向の長さ（Ｌ６）と圧力室２４の長手方向の長さ（Ｌ３）との長さ比Ｘ（％）との関係を示す特性図である。図４（Ａ２）は、吐出電圧Ｖ１とＸとの関係を示す特性図である。図４（Ａ３）は、Ｔ１と蓋部２７の厚さＬ５との関係を示す特性図である。図４（Ａ４）は、吐出電圧Ｖ１とＬ５との関係を示す特性図である。図４（Ａ５）は、Ｔ１と蓋部２７のヤング率との関係を示す特性図である。図４（Ａ６）は、吐出電圧Ｖ１と蓋部２７のヤング率との関係を示す特性図である。

図５は、圧力室密度が３００ｄｐｉの場合における吐出電圧Ｖ２（Ｖ）と、圧力伝播時間Ｔ２（μｓｅｃ）とを評価した実験結果を示す特性図である。ここで、図５（Ｂ１）は、Ｔ２と、蓋部２７の連通穴２８における圧力室２４の長手方向に沿う方向の長さ（Ｌ６）と圧力室２４の長手方向の長さ（Ｌ３）との長さ比Ｙ（％）との関係を示す特性図である。図５（Ｂ２）は、吐出電圧Ｖ２とＹとの関係を示す特性図である。図５（Ｂ３）は、Ｔ２と蓋部２７の厚さＬ５との関係を示す特性図である。図５（Ｂ４）は、吐出電圧Ｖ２とＬ５との関係を示す特性図である。図５（Ｂ５）は、Ｔ２と蓋部２７のヤング率との関係を示す特性図である。図５（Ｂ６）は、吐出電圧Ｖ２と蓋部２７のヤング率との関係を示す特性図である。

（作用・効果）
上記図４および図５の各特性図を見て明らかなように、特性に最も影響を与えるパラメータは蓋部２７の連通穴２８における圧力室２４の長手方向に沿う方向の長さ（Ｌ６）であり、２種のインクジェットヘッド１１とも、圧力室２４の長さ比ＸとＹが１０〜２５％の範囲で好適に使用することを見出した。

蓋部２７の厚さ（Ｌ５）は、薄いほど好適であるが、連通穴２８の穴の長さ（Ｌ６）に比べ影響が少ないので、取扱い性、製造性、コスト等から適宜選択すればよい。蓋部２７のヤング率に関しては大きいほど（固いほど）好適であるが、製造上ではあまり固すぎると加工が困難となるので、１５０ＧＰａ程度あれば十分である。

更には、インクジェットヘッド１１では、種々のインクを用いるので、耐インク性を考慮し、熱硬化性の接着剤で蓋部２７を接着する。そのため、蓋部２７の熱膨張率は圧電部材１５に近いほうが、ヘッド１１の反りが小さくなり望ましい。もし常温硬化接着剤で接着可能でも、使用中にヘッド１１の温度が上がることで、高温にして低粘度化したインクを吐出させることが考えられる。そのため、熱膨張率は圧電部材１５と近いほうが望ましいため、４２Ａｌｌｏｙ、インバー、コバールなどが好適である。

なお、これら導電性の蓋部２７の場合、圧力室２４の電極２６と接着剤を介して接触するため、ＳｉＯ_２等の絶縁薄膜を接合面に形成する。

そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のインクジェットヘッド１１では、蓋部２７の厚さ（Ｌ５）、ヤング率、連通穴２８の開口長さ（Ｌ６）の大きさの各パラメータにおいて、連通穴２８の開口長さ（Ｌ６）の大きさがインクジェットヘッド１１の特性に最も影響が大きいことを見出した。本実施の形態のインクジェットヘッド１１では、ノズル２２から吐出されるインクの吐出電圧と、蓋部２７の連通穴２８における圧力室２４の長手方向に沿う方向の長さ（図２のＬ６参照）と圧力室２４の長手方向の長さ（図２のＬ３参照）との長さ比との関係が極小となる長さ比（図４（Ａ２）のＸ１および図５（Ｂ２）のＹ１参照）を中心としてその前後の１０〜２５％の範囲に設定されている。これにより、連通穴２８の開口長さ（Ｌ６）の大きさを最適化することで、インク吐出効率が向上し、駆動電圧を小さく、駆動周波数を高速にすることが可能となる。

また、本実施の形態では、蓋部２７は、圧力室２４を覆う部分のみに形成され、圧力室２４を覆う部分に厚みを３０〜６０μｍで設け、ヤング率を１００〜２００Ｇｐａに設定したものである。これにより、圧力室２４間の共通液室４１にダンパー効果を得ることができるので、１回のインク吐出時に使用される圧力室２４内のインクの圧力変動の残留振動を減衰させることができる。そのため、１回のインク吐出時に使用される圧力室２４内のインクの圧力変動が蓋部２７に伝達され、インク吐出時に使用されない他の圧力室２４側が振動してしまうことを防止できる。したがって、インク吐出時に使用されない他の圧力室２４側が振動している状態で次回のインク吐出に使用されることを防止できるので、次回のインク吐出時にクロストークを抑制することができ、印刷の安定性を高めることができる。

本実施の形態では、蓋部２７を圧電部材１５の表面の外縁形状と対応させた細長い長方形の平板によって形成したので、材料を少なくすることができ、材料費の低減を図ることができる。

さらに、圧力室２４の蓋部２７を接合した後にノズルプレート１４を形成することでインク流路を構築することができる。

上記実施形態によれば、効率よく高速でインクを吐出できるインクジェットプリンタヘッドを提供することができる。

また、圧電部材１５を積層せずに電極２６を半分まで設けた構造でも構わない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…インクジェットヘッド、１２…基板、１３…枠部材、１４…ノズルプレート、１５…圧電部材、１６…ヘッド駆動用のＩＣ、２１…ノズル列、２２…ノズル、２３…圧電板、２４…圧力室、２５…柱部、２６…電極、２７…蓋部、２８…連通穴、２９…電気配線、４１…共通液室。

Claims (5)

1. 分極方向が相反する圧電部材に溝状に形成される複数の圧力室と、
   前記圧力室の側面に剛性が高い蓋部を介してノズルプレートが配設され、前記ノズルプレートに形成された複数のノズルに連通する複数の連通穴が前記蓋部に形成されているインクジェットプリンタヘッドにおいて、
   前記蓋部は、前記圧力室を覆う部分に厚みを３０〜６０μｍで設け、ヤング率を１００〜２００Ｇｐａに設定するとともに、
   前記ノズルプレートは、厚み２５〜７５μｍの樹脂材料にて形成する
   ことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
2. 前記蓋部は、前記圧力室を覆う大きさの平板によって形成した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。
3. 前記蓋部は、低熱膨張金属であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットプリンタヘッド。
4. 前記インクジェットプリンタヘッドは、サイドシュータ型シェアモードシェアウォール方式であ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プリンタヘッド。
5. 前記圧電部材は、分極方向が相反する２枚のＰＺＴの積層板であ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プリンタヘッド。