JP3070625B2 - インクジェット記録ヘッド、及びその駆動方法 - Google Patents

インクジェット記録ヘッド、及びその駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は液滴の吐出によって
記録を行うインクジェット記録装置に適したインクジェ
ット記録ヘッド、及び駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電素子の長手方向変位を利用してその
変位方向に圧力室の一部を構成している壁を変位させて
圧力室内のインクを加圧し、この圧力室に連通するノズ
ルからインク滴を噴射させるインクジェット記録ヘッド
は、たとえば特開昭58ー119872号公報に開示さ
れている。すなわち、円錐状の圧力室の一端を封止する
壁を予め圧力室側に変位させるように、プレートに穿設
した孔によりガイドされた脚部を介して圧電素子を取付
け、圧電素子の付勢により圧電素子を収縮させて圧力室
を膨張させ、消勢により元の状態、つまり圧力室を収縮
させる状態に戻してインク滴を吐出させるように構成さ
れている。
【0003】このインクジェット式記録ヘッドは、比較
的厚みが大きな板材に厚さ方向の断面形状が変化する円
錐孔を形成して圧力室を構成するため、構造が複雑で、
微小なものを加工するのが困難である。また、円錐孔の
拡開側を封止する壁を変位させる必要上、円形状の壁の
中心部を正確に押圧する必要があり、圧電素子の位置決
めに高い精度が要求される。さらに圧電素子と圧力室の
壁との間に脚部が介装されているため、また高密度配列
に対応するには複数のノズルを高密度に配列するために
は構造が複雑過ぎるという問題がある。
【0004】一方、加圧手段である圧電素子の固有振動
周期が非常に短く、かつ変位速度が速いため、高速駆動
が可能となる反面、インク滴の吐出時には圧力室を膨張
させる必要があるため、ノズルから空気を吸引して圧力
室に気泡を発生しやすく、インク滴を安定に吐出させる
ことが困難であるばかりでなく、膨張状態から収縮する
ため、吐出されたインク滴が柱状となり、記録ヘッドと
記録用紙との相対移動に起因してドットが細長く形成さ
れ、印字品質が低いという問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題に鑑みてなされたものであって、その目的とするとこ
ろは、構造の複雑化を招くことなく、ノズル開口の高密
度配列に対応できるインクジェット式ヘッドを提供する
ことである。本発明の他の目的は、上記記録ヘッドに適
した駆動方法を提案することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明においては、軸方向に伸縮する圧電素子
の変位を利用してその変位方向に圧力室の壁を変位させ
て該圧力室内のインクを加圧し、前記圧力室に連通する
ノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘ
ッドにおいて、前記圧力室が、一方向を長軸とする扁平
な凹部として形成され、前記圧力室を区画する境界から
一定の距離をおいて前記圧力室の長軸方向に延び、かつ
前記圧力室の中心線上に位置する細長い凸部を有する壁
に封止され、前記圧電素子の変位を前記凸部を介して前
記壁に伝達するようにした。
【0007】
【作用】一方向を長軸とする扁平な凹部で圧力室を形成
し、その中心線に形成された細長い凸部を介して壁を圧
電素子により変位させて、圧力室を膨張、収縮させてイ
ンク滴を吐出させる。
【0008】
【発明の実施の形態】そこで以下に本発明の詳細を図示
した実施例に基づいて説明する。図1、図5は本発明の
一実施例を示すものであって、圧力室1は、ほぼ長方形
状に形成されていて、その一端4が通孔5を通じてノズ
ル3に連通し、また他端6がは絞り供給口2を通じて共
通のインク室7に連通している。通孔5は、圧力室1の
幅w1、w2と等しい直径を有する円形流路として構成
されている。これら圧力室1、通孔5等の流路は、ドラ
イフィルムなど感光性樹脂により構成されている。共通
のインク室7は、供給口8を通じて図示しないインクタ
ンクからインクの供給を受ける。
【0009】ノズルプレート10は、エレクトロフォー
ミングや金属プレートのプレス加工によりノズル3が形
成されている。図示の例ではノズルを2列に千鳥状に配
置したが、さらに複数列を配置することは簡単である。
【0010】圧力室1が長方形状に形成されているた
め、隣接ノズル間隔を短くして、高密度に配列でき、し
かも軸方向の長さを大きくして容積を確保できるため、
印字に適したインク量を得ることができる。また、圧力
室1の一端にインクの流入口である供給口2を、他端に
流出口であるノズル3に連通する通孔5を配置したた
め、インクが圧力室1の軸方向に流れやすくなり、圧力
室内の気泡をノズル3から排出し易くなる。
【0011】図2は、圧力室1の一部を形成する変位板
の一実施例を示すもので、変位板11は圧力室を封止す
る金属フィルム12、及び後述する圧電素子15と当接
する島状の凸部13を形成する外周部14とを積層して
構成されている。
【0012】金属フィルム12は、厚さは1〜10μ
m、望ましくは2〜5μm程度のステンレス、ニッケ
ル、ベリリウム、チタンにより構成されていて、全ての
圧力室1に対して均一な厚みを備えた弾性膜を形成する
ことができ、金属フィルム12に加わる応力を管理して
各圧力室からのインク滴の吐出特性を均一化することが
できる。
【0013】島状の凸部13は、圧力室1の幅w1、w
2の1/2以下の幅w3、w4に形成されているて、圧
力室1の流路線上で、かつ圧力室1の外周から一定の間
隔となるよう配置され、またその厚みも一定となるよう
に管理されている。
【0014】凸部13及び外周部14は、金属フィルム
12と感光性樹脂とを積層した材料を用い、感光性樹脂
を露光、現像して構成することにより、凸部13および
外周部14の位置や厚みの精度を向上することができ
る。
【0015】図3は、駆動部20の一実施例を示すもの
であって、積層型の圧電素子15を、各圧力室1の配列
ピッチに一致するように片側約半分の両電極の非重なり
部分を固定板16に接着により固定されている。そし
て、固定板16は第2の固定板17に強固に接着または
機械的に接合されている。
【0016】これら圧電素子15は、その自由端面18
が第2の固定板17の端面19と同一面、または数μm
〜10μm程度突出するように、治具を使って第2の固
定板17に固定されている。圧電素子15が直接接着さ
れる固定板16は、セラミック材料、金属、またはプラ
スチック材料が使用でき、圧電素子15はその積層方向
が圧力室1の長尺方向となるように設置される。
【0017】また第2の固定板17は、固定板16に固
定された複数の圧電素子15を囲むように形成されてい
る。
【0018】図4、図5に示したように、変位板11は
圧力室1等の流路上に精確に位置決めされた上で接合さ
れ、図3の駆動部20は変位板11上にこれも精確に位
置決めされた上で接着剤を介して設置される。
【0019】すなわち変位板11は、その凸部13が圧
力室1の中心線上に位置し、圧電素子15の端面18が
凸部13上に位置するように位置決めされる。圧電素子
15の端面18と凸部13は、また第2の固定板17の
端面19と変位板11の外周部14で接合されている。
特に圧力室1の外側で且つ出来るだけ圧力室1の近傍で
端面19が外周部14に接合、固定されている。しかも
変位板11にたわみが生じないようにインク室7を避け
て絞り供給口2の上で固定されている。
【0020】後述するように駆動部20を組み付け時、
及びインク滴の吐出時には、駆動部20の組み付け力
や、圧電素子15の変位を受けて流路やノズルプレート
10を変形させる力が作用するが、図に示したように圧
力室1の両端に固定板17を当接させることにより、こ
れらの変形を防止することができる。
【0021】図6は、圧電素子15と変位板11との組
み付け状態を示すものであって、圧電素子15の自由端
面18に接着剤を塗布し、圧力室を封止している変位板
11が、圧力室側に0〜15μm位の範囲で予めたわむ
ように固定板16を固定板17に固定する。このように
変位板11がたわむ状態で圧電素子15を位置決めする
ことにより、凸部13の高さの数μm程度のばらつきに
対しても固定板16の圧電素子15の全てを凸部13に
確実に当接、接着することができる。
【0022】図7は一本の積層形圧電素子15の一実施
例を示すものであって、薄層の圧電材料28を電極層2
1を介して複数層、積層したもので、一方の電極23と
他方の電極24との間に電界を加えると、圧電素子15
は、充電を受けて圧電定数d31に比例して長手方向に収
縮し、また充電された電荷を放電すると伸長して元に状
態に復帰する。
【0023】次に、このように構成したインクジェット
式記録ヘッドの駆動方法について説明する。図8は、駆
動信号の一実施例を示すものであって、圧電素子15が
充電された待機状態を形成する信号25と、圧電素子1
5の電荷を放電させる放電信号26と、インク滴の吐出
後に上述の待機状態を形成するための再充電信号27と
が組みとなるように構成されている。そして再充電信号
27は、図8からも明らかなようにその時間変化率が放
電信号26の時間変化率の絶対値よりも小さくなるよう
に設定されている。
【0024】再充電信号27により図6に示す待機状
態、つまり変位板11が若干圧力室にするように圧電素
子15が伸長した状態において、放電信号26が印加さ
れると、圧電素子15が伸長して変位板11が圧力室側
に急速に変位(図中、矢印A)して、圧力室のインクを
加圧し、ノズル3からインク滴が吐出を吐出させる。
【0025】インク滴の吐出後、圧電素子15が再充電
されて元の状態に復帰し、変位板11が図6に示す待機
状態、つまり圧力室を若干縮小させた状態に復帰して、
次の放電信号26の入力を待つ。
【0026】このように若干圧力室側に変位板11を少
なくとも圧電素子側に変位させることなく、大きな剛性
の圧電素子15により凸部13を介して変位板11を圧
力室1側に変位させるため、圧力室1のインクが急激な
加圧を受けることになる。
【0027】言うまでもなく、流体が瞬間的に加圧を受
けると、だれが少なくなるため、団塊として飛び出すか
ら、液滴は、ほとんどが主部となり、副滴が極めて小さ
くなる。換言すれば変位板11を外側に変位させてから
圧力室側に縮小させると、加圧工程における定常状態の
時間が長くなるため、長時間に渡ってインクが押し出さ
れ、液滴が柱状となる。
【0028】このようにインク滴が柱状となるのを防止
して可及的に玉状のインク滴を吐出させると、記録ヘッ
ドと記録用紙との相対移動によるインク滴の着弾継続時
間を短縮して円形状のドットを紙面に形成することがで
きる。
【0029】また、玉状のインク滴の吐出に随伴する副
インク滴は、そのインク量が少ないから、たとえ飛行速
度が低く、飛行方向に曲がりが生じたとしても、目立ち
難く、印字に与える影響は小さい。
【0030】さらに、インクの吐出工程と圧力室1への
インクの供給工程との間に、一定の時間が存在し、しか
もインクの供給工程ではインク滴吐出時よりも変化率の
小さな信号27が印加されて、圧力室1がゆるやかに膨
張し、さらにインク滴の吐出時には膨張工程が伴わない
から、ノズル3から空気の吸い込みによる圧力室1での
気泡の発生を確実に防止でき、長時間、安定してインク
滴を吐出させることができる。
【0031】
【発明の効果】以上に説明したように本発明において
は、軸方向に伸縮する圧電素子の変位を利用してその変
位方向に圧力室の壁を変位させて圧力室内のインクを加
圧し、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させ
るインクジェット記録ヘッドにおいて、圧力室が、一方
向を長軸とする扁平な凹部として形成され、圧力室を区
画する境界から一定の距離をおいて圧力室の長軸方向に
延び、かつ圧力室の中心線上に位置する凸部を有する壁
に封止され、圧電素子の変位を凸部を介して壁に伝達さ
せるようにしたので、圧力室の幅を可及的に小さく形成
して高密度配列した場合にでも中心線に形成された凸部
により圧力室の中心を圧電素子により確実に膨張、収縮
させることができ、高密度印刷に適した記録ヘッドを実
現することができる。また凸部は、壁に形成されている
ため、圧電素子の変位により弾性変形する板材上にフォ
トリソグラフィ等により高い精度で、簡単に作りつける
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のインクジェット記録ヘッドの一実施例
を流路構造で示す図である。
【図2】同上記録ヘッドの変位板の一実施例を示す図で
ある。
【図3】同上記録ヘッドの駆動部の一実施例を示す図で
ある。
【図4】同上記録ヘッドの固定板と変位板、及びノズル
プレートの取付け構造を示す図である。
【図5】図4のA−A線における断面構造を示す図であ
る。
【図6】図4のB−B線における断面構造を示す図であ
る。
【図7】同上記録ヘッドの駆動部の一実施例を示す図で
ある。
【図8】同上記録ヘッドの駆動に用いる信号の一実施例
を示す波形図である。
【符号の説明】
1 圧力室 2 絞り供給口 3 ノズル 7 インク室 10 ノズルプレート 11 変位板 12 金属フィルム 13 凸部 15 圧電素子 16、17 固定板 20 駆動部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 修 長野県諏訪市大和3丁目3番5号セイコ ーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−15555(JP,A) 特開 昭55−17589(JP,A) 特開 昭55−121078(JP,A) 特開 平3−264360(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軸方向に伸縮する圧電素子の変位を利用
    してその変位方向に圧力室の壁を変位させて該圧力室内
    のインクを加圧し、前記圧力室に連通するノズルからイ
    ンク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドにおい
    て、 前記圧力室が、一方向を長軸とする扁平な凹部として形
    成され、前記圧力室を区画する境界から一定の距離をお
    いて前記圧力室の長軸方向に延び、かつ前記圧力室の中
    心線上に位置する細長い凸部を有する壁に封止され、前
    記圧電素子の変位を前記凸部を介して前記壁に伝達する
    インクジェット記録ヘッド。
  2. 【請求項2】 前記圧力室は、その軸方向の一端でノズ
    ルに、また他端でインク供給口を介して前記共通のイン
    ク室に連通されている請求項1に記載のインクジェット
    記録ヘッド。
  3. 【請求項3】 前記凸部の幅が、前記圧力室の幅の1/
    2以下である請求項1に記載のインクジェット記録ヘッ
    ド。
  4. 【請求項4】 同一列の前記凸部を取り囲むように弾性
    変形可能な領域を隔てて前記凸部と同一の厚みの領域が
    周縁に形成されている請求項1に記載のインクジェット
    記録ヘッド。
  5. 【請求項5】 同一列の前記凸部を取り囲むように弾性
    変形可能な領域を隔てて前記凸部と同一の厚みに形成さ
    れた領域が形成され、前記凸部と同一の厚みに形成され
    た領域の前記圧力室側が第2の固定板に当接している請
    求項4に記載のインクジェット記録ヘッド。
  6. 【請求項6】 前記圧電素子が、前記圧力室に対向する
    ように第1の固定板に固定されている請求項1に記載の
    インクジェット記録ヘッド。
  7. 【請求項7】 第1の固定板が、金属、またはセラミッ
    クにより形成されている請求項6に記載のインクジェッ
    ト記録ヘッド。
  8. 【請求項8】 前記圧電素子が、第1の固定板に固定さ
    れ、前記圧電素子を取り囲むように形成された第2の固
    定板を介して前記圧力室に対向するように固定されてい
    る請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド。
  9. 【請求項9】 前記圧電素子が、第1の固定板を第2の
    固定板に固定することにより前記壁に変位を作用させる
    ように組み付けられている請求項1に記載のインクジェ
    ット記録ヘッド。
  10. 【請求項10】 前記圧電素子が、前記壁を前記圧力室
    側に押圧可能な程度に前記壁を予め変形させた状態で組
    み付けられている請求項1に記載のインクジェット記録
    ヘッド。
  11. 【請求項11】 前記圧電振動子が、その前記壁側の先
    端を第2の固定板の端部と同一面か、突出するように位
    置決めされている請求項1に記載のインクジェット記録
    ヘッド。
  12. 【請求項12】 前記壁が、前記圧力室を封止する弾性
    変形可能な板材と、第2の板材との積層体の、第2の板
    材の弾性変形領域を除去することにより構成されている
    請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド。
  13. 【請求項13】 前記凸部が、前記第2の板材により構
    成されている請求項12に記載のインクジェット記録ヘ
    ッド。
  14. 【請求項14】 第2の板材が、前記圧力室の外周を取
    り囲むように形成されている請求項12に記載のインク
    ジェット記録ヘッド。
  15. 【請求項15】 第2の板材の前記圧力室の長手方向の
    端部が、第2の固定板に当接している請求項12に記載
    のインクジェット記録ヘッド。
  16. 【請求項16】 前記当接領域が、前記圧力室に連通す
    る前記供給口に対向する領域である請求項6または請求
    項15に記載のインクジェット記録ヘッド。
  17. 【請求項17】 前記圧電素子が、電極と圧電材料とを
    前記固定板の面に垂直な方向に積層されて圧電定数d31
    を有する請求項1に記載のインクジェット記録ヘッド。
  18. 【請求項18】 軸方向に伸長する圧電素子を非インク
    滴吐出工程で収縮させてる待機工程と、インク滴の吐出
    時に前記圧電素子を伸長させるインク適吐出工程と、イ
    ンク滴の吐出後に前記待機工程に復帰する復帰工程とか
    らなるインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
  19. 【請求項19】 前記待機工程で前記圧電素子が予め充
    電されている請求項18に記載のインクジェット記録ヘ
    ッドの駆動方法。
  20. 【請求項20】 前記インク滴吐出工程よりも復帰工程
    での信号の変化率の絶対値が小さい請求項18に記載の
    インクジェット式記録ヘッドの駆動方法。
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