JP3182915B2

JP3182915B2 - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP3182915B2
Application number: JP25142892A
Authority: JP
Inventors: 宣昭岡沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH0699578A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェット記録ヘ
ッドに関し、特に、インク吐出ノズルの高密度化と小型
化を図ったインクジェット記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】縦振動型圧電素子を利用してインク吐出
を行うインクジェット記録ヘッドは特開平１−１１５６
３８号公報に開示されている。その構成を、図９に示
す。縦方向、換言すると、振動面に対し垂直な方向に振
動する圧電素子である積層型振動子５の振動面はそれぞ
れ複数の圧力室９に対向し、各々の圧力室の弾性板４に
固定される。一方、振動子の他端は振動子ホルダ６に固
定される。振動子ホルダは、圧力室、弾性板、インク吐
出ノズル７を有する１枚あるいは多層の板から成るイン
ク流路構成部材に固定されており、振動子はインク流路
構成部材と振動子ホルダに挟み込まれた構造となる。イ
ンク流路構成部材は前記構造では、複数の圧力室が形成
されている領域を除く面で振動子ホルダにより固定さ
れ、圧力室の形成されている領域は振動子でのみ固定さ
れており、他に支持するものは何もない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の構造に於て、イ
ンク吐出ノズル、および圧力室を高密度化していくと、
ノズル形成部材を支える圧力室の構成壁が薄くなって行
き、ついにはその剛性をノズル形成部材に依存するよう
になる。また、インク吐出ノズルを高密度化していけ
ば、必要なインクドット量を得るために圧力室内の圧力
を高めなければならない。

【０００４】一方、インクジェット記録ヘッド全般にお
いては、印字品質を支配するインク飛行特性が非常に重
要であり、各ノズルより吐出するインク滴は均一な形状
を確保しなければならない。そのため、インク吐出ノズ
ルの形状と位置は極めて高い精度を要求される。ゆえ
に、ノズル形成部は、加工精度上、薄く設計した方が良
い。インク吐出ノズルを精度良く開口するには、シリコ
ンウエハー、ガラス、ステンレス等耐インク性の高い材
料をエッチングする方法があげられる。但し、エッチン
グによる成形方法では、孔径精度を得るためには板の両
側からエッチングすることが望ましく、工程数が増えコ
ストが上がる。

【０００５】別の方法として、高分子樹脂のフィルムに
エキシマレーザー等で孔開けをするか、ステンレス等の
金属にプレスで孔開けする方法がある。これらの方法に
おいては、いづれも薄いプレートを用いる事でインク吐
出ノズルの精度が保障され、また、工程数も少なく、コ
スト上のメリットもある。

【０００６】しかし、前記従来構造では、前述の制約の
あるノズル形成部材のインク吐出ノズルを精度良く開口
しても、振動子の他何も支持部材のない、圧力室が形成
されている領域において、振動子の駆動力と、圧力室内
のインクにかかる圧力により、振動子を多数本駆動した
場合には、振動子は圧力室構成領域を変形させる働きが
多くなる。つまり、インク飛行特性は同じノズルにおい
ても振動子の駆動本数によって変化してしまう。また、
ノズル形成部材の変形により各ノズルより吐出するイン
ク滴の飛行速度が均一でなくなる。さらに、ノズル形成
部材の振動によりインク滴の形状が劣化する。このた
め、著しくインク飛行特性が悪くなり、印字品質の劣化
を招く。

【０００７】従来構造におけるインク流路構成部材の変
形モードを図１０、１１に示した。インク流路構成部材
の構成内容はノズル形成部に厚さ６０μｍのステンレ
ス、圧力室形成部材に感光性樹脂、弾性壁に厚さ２μｍ
のニッケルを使用している。ノズルは２４個でピッチ
０．１４１１ｍｍである。図１０は振動子を２４本駆動
した場合、図１１は振動子を３本駆動した場合である。
振動子を２４本駆動した場合の最大変位量は１．５μｍ
であり、３本駆動した場合の最大変位量は０．１μｍで
ある。また、その変位分布は、振動子ホルダによる固定
部（図中斜線部）を支点としてドーム状になり、最大変
位を起こす場所は振動子が弾性壁に接合された面をイン
ク流路構成部材に投影した部分である。この変形はイン
ク吐出と同期しており、変形方向と吐出方向も同じなの
で、この変形により、ノズル毎のインク流路構成部材の
変形量が異なると、各ノズルから吐出するインクスピー
ドが異なることになる。

【０００８】実際のインク吐出状態を図１２にインクの
吐出スピードで示す。振動子ホルダーによる固定部に近
い場所ほどインクスピードが速く、遠い場所ほど遅くな
っている。

【０００９】もう一つの問題としては振動子の駆動パタ
ーンによって、振動子を駆動させていないノズルからイ
ンクが吐出する現象が現れる。これはインク流路形成部
材の弾性板が薄いことと、インク流路構成部材の変形に
よって起こる現象である。図１３においてこの現象を詳
しく説明する。図１３は振動子を２４本中２３本駆動さ
せた場合の、駆動していない振動子を有するインク流路
構成部の動きを示す。図１３の（ａ）は待機状態であ
る。図１３の（ｂ）において、インク流路構成部材は振
動子側に引かれる。このときは１００μｓｅｃ程度で振
動子を収縮させているので圧力室内の容積が小さくなっ
てもインクは吐出しない。次に駆動している振動子は１
０μｓｅｃ程度の時間内に元の長さに戻る（図１３
（ｃ））。その時インク流路構成部材はオーバーシュー
トするのだが、振動子は固定されているために弾性板が
伸び、圧力室内の容積が増加する（図１３（ｄ））。そ
の後２０μｓｅｃ程度の周期でインク流路構成部材は反
復し、圧力室の容積変化を起こすためにインクが吐出し
てしまう（図１３（ｅ））。尚、図１２中イ−イ線は、
ノズル面の待機状態における位置を示す。

【００１０】さらに別の問題として、印字品質上吐出イ
ンク滴は大きな径で１粒であることが理想であるが、イ
ンク滴の形状がノズル形成部材の振動により図１４に示
すような２段形状となりインク滴径の小さな長い液滴と
なってしまう。このような吐出インク滴では、インクの
速乾性において不利であり、また、記録媒体に印字した
ときのドット径も小さくなる。

【００１１】懸かる問題に対し、複数の圧電素子の接合
面を、インク流路構成部材のノズル形成部材に投影した
領域に、強化部材を付加し、安定かつ信頼性の高いイン
ク吐出を実現し、さらには多数高密度ノズルヘッドにお
いて、各ノズル間の均一なインク吐出速度の実現およ
び、インク流路構成部材の振動によるインク滴形状の劣
化防止を実現することが本発明の目的とするところであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明のインク
ジェット記録ヘッドはインク吐出ノズルを有するノズル
形成部材と、ノズルと連通するノズル連通路を有するノ
ズル連通路形成部材と、ノズル連通路と連通する圧力室
を有する圧力室形成部材と、圧力室の一壁面であり圧力
発生部材からのエネルギーを圧力室に伝える弾性板と、
を有するインクジェット記録装置において、ノズル連通
路形成基板は強化部材と一体的に形成されており、強化
部材は、ノズル連通路が形成された領域外で、且つ圧力
発生部材と弾性板の接合面に対向する領域に設けられて
いることを特徴とする。

【００１３】また、係るインクジェット記録ヘッドにお
いて、強化部材はノズル形成部材と圧力室形成部材間に
密着されていることを特徴とする。

【００１４】また、係るインクジェット記録ヘッドにお
いて、強化部材は、共通のインク室は覆わないことを特
徴とする。

【００１５】また、係るインクジェット記録ヘッドにお
いて、ノズル形成部材は、高分子樹脂から成ることを特
徴とする。

【００１６】また、係るインクジェット記録ヘッドにお
いて、強化部材は、圧電素子の変形によって生じるノズ
ル形成部材の最大撓み量が、圧電素子の最大変位量の１
０％以下になる剛性を有することを特徴とする。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照し、詳
細に説明する。

【００１８】図１は本発明によるインクジェット記録ヘ
ッドの第１実施例の基本構造を示す分解斜視図である。
図中１のノズル形成部材１に、強化部材２、圧力室９と
共通インク室１０を備えた圧力室形成部材３、圧力室９
に振動子５の変位を伝える弾性板４をそれぞれ積層して
インク流路構成部材を形成する。１１は、インク供給口
であり、図示していないがインク供給管に連結される。
強化部材２は圧力室９からインク吐出ノズル７へインク
を通すノズル連通路８が開けてある。振動子５は圧力室
９のほぼ中央に接合されている。振動子ホルダ６は振動
子５とインク流路構成部材を固定する。本実施例におい
ては、インク流路構成部材の材質は、ノズル形成部材１
として、厚さ０．０６ｍｍのステンレスを、強化部材２
として厚さ０．１ｍｍのステンレス板を、弾性板４とし
ては、厚さ２μｍのニッケルを使用し、他は感光性樹脂
で形成した。強化部材の連通路８はピッチ０．１４１１
ｍｍである。穴径はφ０．０８〜φ０．１ｍｍとする。

【００１９】ノズル形成部材１の材質としては、ステン
レス等の耐インク性の高い金属の他に、耐インク性の高
い高分子樹脂、例えば、ポリサルホン、ポリイミド、ポ
リカーボネイト、ポリアセタール、ポリエーテルイミ
ド、ポリエーテルエーテルケトン、ＡＢＳ樹脂、エポキ
シ樹脂、シリコン樹脂等も使用できる。高分子樹脂をノ
ズル形成部材１として使用する場合は、樹脂の弾性率に
より強化部材２の厚みを変更する必要がある。圧力室
形成部材３の材質は、感光性樹脂の他、その他の耐イン
ク性を有す高分子樹脂、ガラス、シリコンウエハー、金
属等、低コストで精度良く圧力室９が形成される材料で
あればいずれでも良い。

【００２０】図１に示す構成で印字密度３６０ｄｐｉ、
２４ノズル２列配置のインクジェット記録ヘッドの飛行
状態を図２にインクの吐出スピードで示す。強化部材２
を用いたことによってインク滴の飛行分布は一定となっ
た。このときの強化部材２の厚みは０．１ｍｍである。
インク滴の飛行状態は図３に示すように、１つの球形に
なり、瓢箪型の長い液柱にはならない。また、このとき
のノズル形成部材１の最大変位量は０．１μｍであっ
た。このとき、インク流路構成部材の流路形成領域にか
かる圧力は、インク流路構成部材を１枚の平板と考える
と、１．５気圧であった。このときの圧電素子５の最大
変位量は１μｍであり、強化部材２を設計するには、強
化部材２を合わせたインク流路構成部材の最大変位量が
振動子５の最大変位量の１０％以下になるような強化部
材２の強度を算出する。

【００２１】前記第１実施例では、図４に示すような、
振動子５の振動面をノズル孔開口部に対向して配置した
構成においても同様の効果を有する。

【００２２】図５は別の実施例を示す分解斜視図であ
る。前記第１実施例と異なる点は、ノズル形成部材１に
ノズル連通路形成部材となる感光性樹脂１２をラミネー
トし、予め強化部材２を入れ込む穴１３とノズル連通路
１４を形成した後、穴１３に強化部材２を挿入し、ノズ
ル形成部材１に接合する点と、さらに圧力室９を密閉す
るために感光性樹脂１５を積層し、ノズル連通路１６を
開ける点である。強化部材２のインク吐出ノズル７側の
端面は振動子５の弾性板４に接合している面がノズル形
成部材１に投影した領域よりインク吐出ノズル１側であ
れば良いが、本実施例ではノズル連通路１４、１６をφ
０．１ｍｍとし、ノズル連通路１４と強化部材２の隔壁
を０．１５ｍｍとして、強化部材２の端面をインク吐出
ノズル７から０．２ｍｍとした。この場合強化部材２の
厚みは０．２ｍｍ必要であった。ノズル形成部材１の材
質は前記第１実施例と同様であるが、特に高分子樹脂を
ノズル形成部材１とする場合は、強化部材２は振動子ホ
ルダ６の固定端に架かるように設計しなければならな
い。本実施例によれば、穴あけしにくい強化部材２に敢
えてノズル連通路を形成する必要がないという効果があ
る。また、図６に示すように、共通インク室１０から圧
力室９のインク供給部（弾性壁として作用しない場所）
に振動子ホルダ６の端部を固定するようにして、強化部
材２を共通インク室１０を覆わないようにすれば、共通
インク室１０の圧力吸収能力が増し、安定したインク供
給を犠牲にすることもないという効果も生じる。

【００２３】図７は本発明の別の実施例である。本発明
が第１実施例と異なる点は、強化部材２、ノズル形成部
材１、圧力室形成部材３の順に積層されている点であ
る。強化部材２には、インク吐出用の窓１７が開けてあ
り、図７に示すように、ノズル面１８のクリーニングの
ために、強化部材２の窓１７は、ノズル７の近傍から傾
斜をなしている。ノズル７付近に紙ケバ、ごみ等が堆積
すると吐出するインクはそれらに引かれ、飛行曲がりを
起こす、そのためにノズル７部のクリーニングが必要な
のである。クリーニングはゴム製の平板等で行われるた
め、本実施例の様に強化部材２には傾斜が必要となる。
また、この補強部材２はノズル面１８を記録媒体（紙
等）による損傷を防止し、紙けば等が直接ノズル７に付
着する事を防ぐ効果も有する。

【００２４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明のインクジ
ェット記録ヘッドは、インク吐出ノズルを有するノズル
形成部材と、ノズルと連通するノズル連通路を有するノ
ズル連通路形成部材と、ノズル連通路と連通する圧力室
を有する圧力室形成部材と、圧力室の一壁面であり圧力
発生部材からのエネルギーを圧力室に伝える弾性板と、
を有するインクジェット記録装置において、ノズル連通
路形成基板は強化部材と一体的に形成されており、強化
部材は、ノズル連通路が形成された領域外で、且つ圧力
発生部材と弾性板の接合面に対向する領域に設けられて
いることにより、圧力室形成部材の振動によるインク滴
形状の劣化を防止することができるため、安定かつ信頼
性の高いインク吐出が可能となりノズルを多数高密度化
しても各ノズル間で均一なインク吐出速度を得られる。
また、圧力室とノズルの位置合わせや気泡排出性の向上
のため非常に精度を要するノズル連通路は、強化部材と
は別部材で形成する構成であるため、強化部材は比較的
加工しづらい部材、つまり精度が出にくい部材であって
も使用することができ設計の自由度を増すことができ
る。

【００２５】従って、インクの吐出特性が安定した信頼
性の高いインクジェット記録ヘッドを容易に提供するこ
とができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の基本構造を示す分解斜視図。

【図２】各ノズルとインク吐出スピードの関係図。

【図３】吐出インク飛行状態を示す図。

【図４】別の実施例を示す分解斜視図。

【図５】第２実施例の分解斜視図。

【図６】第３実施例の分解斜視図。

【図７】第３実施例の断面図。

【図８】図７のＡ−Ａ断面図。

【図９】従来例の基本構造を示す断面図。

【図１０】２４本の振動子を駆動したときのインク流路
構成部材の変形図。

【図１１】３本の振動子を駆動したときのインク流路構
成部材の変形図。

【図１２】従来例における各ノズルとインク吐出スピー
ドの関係図。

【図１３】圧力室の容積変化状態説明図。

【図１４】従来例における吐出インク飛行状態を示す
図。

【符号の説明】

１．ノズル形成部材２．強化部材３．圧力室形成部材４．弾性板５．縦方向に振動する積層型圧電素子（振動子）６．振動子ホルダ７．インク吐出ノズル８．ノズル連通穴９．圧力室 10．共通インク室 11．インク供給口 12．感光性樹脂 13．穴 14．ノズル連通路 15．感光性樹脂 16．ノズル連通路 17．強化部材の窓 18．ノズル面 19．インク流路構成部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】インク吐出ノズルを有するノズル形成部
材と、前記ノズルと連通するノズル連通路を有するノズ
ル連通路形成部材と、前記ノズル連通路と連通する圧力
室を有する圧力室形成部材と、前記圧力室の一壁面であ
り圧力発生部材からのエネルギーを圧力室に伝える弾性
板と、を有するインクジェット記録装置において、前記ノズル連通路形成基板は強化部材と一体的に形成さ
れており、前記強化部材は、ノズル連通路が形成された
領域外で、且つ前記圧力発生部材と弾性板の接合面に対
向する領域に設けられていることを特徴とするインクジ
ェット記録ヘッド。
【請求項２】前記強化部材は前記ノズル形成部材と前
記圧力室形成部材間に密着され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記録ヘッド。
【請求項３】前記強化部材は、共通のインク室は覆わ
ないことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記
録ヘッド。
【請求項４】前記ノズル形成部材は、高分子樹脂から
成ることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記
録ヘッド。
【請求項５】前記強化部材は、前記圧電素子の変形に
よって生じる前記ノズル形成部材の最大撓み量が、前記
圧電素子の最大変位量の１０％以下になる剛性を有する
ことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘ
ッド。