JP3060595B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を飛翔させ、
記録紙等の記録媒体上にインク像を形成するプリンタ等
のインクジェット記録装置に関し、さらに詳細には、イ
ンクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】複数のノズルを有するノズル形成基板
と、ノズルに対向して配置される圧電材料と導電材料か
らなる圧力発生素子と、前記圧力発生素子と前記ノズル
形成基板との間隙、及び前記圧力発生素子の周辺を充た
すインクとを備え、印加電圧により前記圧力発生素子を
変位させてインクをノズルから吐出させるオンデマンド
型インクジェットヘッドは、特開昭６０−８９５３号公
報に開示されている。

【０００３】さらに従来の技術として、ガラス基板とガ
ラス薄板との間に複数のインクキャビティを形成し、電
極を両面に形成した圧力発生素子の板をインクキャビテ
ィの面積程度に切断加工した後、各インクキャビティの
上にガラス薄板をはさんで接着したインクジェットヘッ
ドがある。

【０００４】この様な形式の印字ヘッドに於いては、液
滴の形成効率、及び飛翔力が大きいことが望ましい。し
かしながら、圧力発生素子の単位長さ、及び単位電圧当
りの伸縮率は極めて小さいため、印字に要求される飛翔
力を得るためには、高印加電圧が必要となり駆動回路や
絶縁対策が複雑化するという問題を有している。

【０００５】この様な問題を解決するため、特開昭６３
ー２９５２６９号公報に示されている様に圧電材料と導
電材料とを交互に積層したインクジェット印字ヘッド用
の圧力発生素子が提案されている。また、特開平１ー１
１５６３８号公報に、図５に示すような積層振動子を用
いたインクジェットヘッドが開示されている。このよう
な積層振動子を用いた圧力発生素子によれば電極間距離
を非常に小さくする事ができるので、印字に要求される
飛翔力を得ながらも、駆動信号の電圧を下げることがで
きるという効果を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】適正なインク吐出量と
インク吐出速度を安定して得るために必要なノズル対向
面積を積層振動子からなる圧力発生素子にもたせようと
する時、低電圧駆動を前提として圧電材料層の厚さを数
十μｍ程度とすると、圧電材料層の数と幅が増加し、こ
れに伴う自由容量値の増加によって、駆動回路に流れる
電流が増加してしまい、回路素子の高コスト化、圧力発
生素子の発熱といった問題が生じてしまう。

【０００７】これらの問題点は、ノズルの数を多くする
ほど、あるいは、ノズルの密度を高くするほど顕著にな
る。

【０００８】そこで、本発明は、こうした問題を解決す
るもので、その目的は、高密度化、高ノズル数に対応す
ると共に、高精度で簡易組立が可能であり、さらには、
動作効率が高く、耐久性に優れたインクジェットヘッド
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、インクを吐出する複数のノズルを備えたノズ
ル形成基板と、ノズル形成基板と一定の間隔をおいて配
設されインクに圧力を伝達する低弾性絶縁フィルムと、
低弾性絶縁フィルム上にノズルに対応して配設された圧
力板と、圧力板と接合され圧力を発生させる圧力発生素
子とを備えたインクジェットヘッドにおいて、圧力板の
ノズル対向面の面積をＡｐ、圧力発生素子のノズル対向
面の面積をＡｂとした時、Ａｂ≦Ａｐであることを特徴
とする。また、係るインクジェットヘッドにおいて、圧
力発生素子と圧力板の質量比が０．２以下であることを
特徴とする。

【００１０】また、前記圧力発生素子のノズル対向面上
に備わる該圧力板のノズル対向面の面積をＡｐ、前記圧
力発生素子のノズル対向面の面積をＡｂとした時、Ａｂ
≦Ａｐであることを特徴とする。

【００１１】さらに、前記圧力発生素子の質量をｍｂ、
圧力板の質量をｍｐとした時、ｍｐ／ｍｂが１以下であ
ることを特徴とする。

【００１２】

【実施例】以下に本発明による実施例の詳細を図面を参
照して説明する。

【００１３】図１は、本発明の実施例を示すインクジェ
ットヘッド主要部の断面図、図２は、本発明による圧力
板１を構成要素に加えたインクジェットヘッドの一例を
示す構成説明図である。

【００１４】図１に示すように、ベース９に備わる圧力
発生素子２は、不活性部２ｂの周囲のみが、高弾性絶縁
接着剤７によって固定されている。本発明による圧力板
１は、ノズル形成基板３に複数個備わるノズル４に対向
する圧力発生素子２の自由端面に固定されており、活性
部２ａの周囲には低弾性絶縁部材６が充填されている。
さらに圧力板４のノズル対向面には、弾性フィルム５が
貼られている。また、図２に示すノズル配列に平行に３
列備わっている溝は、インク供給路８である。図３は、
図１及び図２に示す圧力発生素子２の拡大斜視図であ
る。圧力発生素子２の内部には、交互に配置された櫛歯
状の正電極２Ｂと負電極２Ｃの間を埋めるように圧電材
料層２Ａが積層されいる。これらの電極に電圧が印加さ
れると圧電材料層２Ａは、電界方向に膨張し、電界方向
と直角な方向には収縮する。この原理によって、交差指
状に電極が構成され電界が発生する活性層２ａは、矢印
Ａの方向に変位を発生する。一般に、こうした圧力発生
素子２の自由容量Ｃｆは式１に示すように、圧電材料の
長さｌ，幅ｂ、積層数ｎに比例し、圧電材料層の厚さｔ
に反比例する。

【００１５】

【数１】

【００１６】また、圧力発生素子駆動回路に流れる電流
Ｉｐは、式２に示すように自由容量Ｃｆと印加電圧Ｖの
積に比例する。

【００１７】

【数２】

【００１８】よって、本発明の請求項１の構成によれ
ば、印加された電圧によって変位を発生し、インクを吐
出させる為の圧力を発生する圧力発生素子２の圧力発生
面上に圧力板１を備えることを特徴としているので、圧
力発生素子２を低自由容量化の為に小さくしても、圧力
板１によってノズル対向面積を大きくすることができ
る。

【００１９】こうした構成にすることによって、圧力発
生素子の大きさにかかわらず、圧力板１によって一定の
ノズル対向面積を得ることが容易であり、ノズルに対し
て一定の圧力とインク移動体積を得ることができる。こ
うして、要求されるインク吐出量、インク吐出速度を得
ることができ、低電圧、低電流駆動が可能なインクジェ
ットヘッドを構成することができる。

【００２０】また、圧力発生素子２のノズル対向面上に
備わる該圧力板１のノズル対向面の面積をＡｐ、前記圧
力発生素子のノズル対向面の面積をＡｂとした時、Ａｂ
≦Ａｐとしているので、ノズル対向面積を圧力板１によ
って得ることにより、圧力発生素子２を小さくすること
ができる。よって、圧電材料層２Ａの積層数を少なく、
幅も小さくすることができるので、要求される圧力発生
素子の変位と発生力を有しながらも、自由容量値が低
く、低電圧、低電流駆動が可能な優れたインクジェット
ヘッドを実現することが可能である。

【００２１】図４は、圧力板１の質量と圧力発生素子２
の質量比と、圧力板１が備わった圧力発生素子２の固有
振動周期の関係を示した特性図である。インク吐出速度
と固有周期とは正の相関関係があるため、要求されるイ
ンク吐出速度を得るために必要な固有振動周期の限界で
圧力板１と圧力発生素子２の質量比が０．２以下でなけ
ればならないことを示している。本特性は、インク圧力
室の形状、要求される最大インク吐出周期、インク物
性、圧力発生素子の寸法等によって、大きく異なること
は明かであるが、圧力発生素子の残留振動を抑制させる
ためにも、圧力板１の構成材料としてできる限り軽く、
硬いものが理想とされる。よって少なくとも圧力板１の
質量が、これを駆動する圧力発生素子２の質量より小さ
い。

【００２２】ここで、圧力板１の質量をｍｐ、圧力発生
素子の質量をｍｂとすると、振動数係数λは式３のよう
に近似的に示すことができる。

【００２３】

【数３】

【００２４】さらに、圧力板１を備えた圧力発生素子２
の固有振動数ｆは式４に示すようになる。ここで、圧力
発生素子２の活性層２ａの長さをｌ、圧力発生素子２の
ヤング率をＥ、圧力発生素子２の比重をρとしている。
よって、圧力板１の質量ｍｐが圧力発生素子２の質量ｍ
ｂに対して大きくなるほど、固有振動周期ｆは遅くなる
ことが明らかである。

【００２５】

【数４】

【００２６】こうして、圧力発生素子２の質量と圧力板
１の質量比をできる限り小さくすることによって、圧力
板１の質量ｍｐによる圧力発生素子２の固有振動周期の
減少割合を小さくし、要求されるインク吐出速度を得る
ことができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドは、イン
クを吐出する複数のノズルを備えたノズル形成基板と、
ノズル形成基板と一定の間隔をおいて配設されインクに
圧力を伝達する低弾性絶縁フィルムと、低弾性絶縁フィ
ルム上にノズルに対応して配設された圧力板と、圧力板
と接合され圧力を発生させる圧力発生素子とを備えたイ
ンクジェットヘッドにおいて、圧力板のノズル対向面の
面積をＡｐ、圧力発生素子のノズル対向面の面積をＡｂ
とした時、Ａｂ≦Ａｐであることにより、圧力発生素子
が発生する圧力を圧力板によって増加させることがで
き、圧力発生素子を小型化してもインクを吐出するため
の所望の圧力を充分に得ることができる。従って、圧力
発生素子を小型化させることが可能となることよって駆
動時の電力を大幅に低減することができると共に、イン
クジェットヘッドに充分なスペースを確保することがで
き、多ノズル化及びヘッドの高密度化を図れるという効
果を有する。また、圧力板によって増加された圧力を、
低弾性絶縁フィルムを介することで効率良くインクに伝
達することができ、上記作用効果と併せて要求されるイ
ンク吐出量、インク吐出速度を低電力で得ることができ
るという効果を有する。また、係るインクジェットヘッ
ドにおいて、圧力発生素子と圧力板の質量比が０．２以
下であることにより、圧力板の剛性を保ちつつ、圧力発
生素子の固有振動周期の減少割合を小さくすることがで
き、圧力発生素子の残留振動を抑制させインク吐出速度
をさらに向上することができるという効果を有する。

【００２８】さらに、圧力発生素子２の質量と圧力板１
の質量比を１以下とすることによって、圧力板１の質量
ｍｐによる圧力発生素子２の固有振動周期の減少割合を
小さくし、要求されるインク吐出速度を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッド主要部の構
造説明図である。

【図２】本発明によるインクジェットヘッドの構成例の
構造説明図である。

【図３】インクジェットヘッド主要部を構成する圧力発
生素子の構造説明図である。

【図４】本発明による圧力板と圧力発生素子の質量比と
固有振動周期の関係を示した特性図である。

【図５】従来例による積層振動子を用いたインクジェッ
トヘッドの構造説明図である。

【符号の説明】

１ 圧力板 ２ 圧力発生素子 ２Ａ圧電材料層 ２Ｂ正電極 ２Ｃ負電極 ２ａ活性部 ２ｂ不活性部 ３ ノズル形成基板 ４ ノズル ５ 弾性フィルム ６ 低弾性絶縁部材 ７ 高弾性絶縁接着剤 ８ インク供給路 ９ ベース

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出する複数のノズルを備えた
   ノズル形成基板と、前記ノズル形成基板と一定の間隔を
   おいて配設され前記インクに圧力を伝達する低弾性絶縁
   フィルムと、前記低弾性絶縁フィルム上に前記ノズルに
   対応して配設された圧力板と、前記圧力板と接合され圧
   力を発生させる圧力発生素子とを備えたインクジェット
   ヘッドにおいて、 前記圧力板のノズル対向面の面積をＡｐ、前記圧力発生
   素子のノズル対向面の面積をＡｂとした時、Ａｂ≦Ａｐ
   であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記圧力発生素子と前記圧力板の質量比
   が０．２以下であ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。