JP3185428B2

JP3185428B2 - インクジェット式印字ヘッド

Info

Publication number: JP3185428B2
Application number: JP34885592A
Authority: JP
Inventors: 孝浩片倉; 強北原; 聡細野; 浩一鳥羽; 秀明曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 2001-07-09
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JPH06198871A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、印字信号が入力した時
点で、圧力室のインクをノズル開口から記録媒体として
飛翔させ、このインク滴により記録媒体にドットを形成
させて印字を行うオンデマンド型のインクジェット式印
字ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
米国特許公報４４３９７８０号に示されたように、一端
が基台に固定された圧電素子の他端に脚部材が結合され
ており、脚部材は軸受けにより横方向に変形しないよう
に支持されており、また、脚部材の先端は圧力室を形成
する振動膜に結合されて構成され、圧電素子の伸縮によ
り振動膜を変形させて圧力室のインクをノズル開口から
液滴として飛翔されるように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前述の従
来技術では、圧電素子を固定する部材がインク供給流路
を構成する部材と積層構造で構成されていたため、イン
ク供給流路構成部材の厚み方向の寸法に限界があった。
従ってインク供給流路の寸法を大きくとることができな
い。インクを吐出する吐出口の数が多数配列されるよう
な印字ヘッド、特に印字媒体の記録幅とほぼ同等の幅に
わたってインク吐出口が配列されている、いわゆるライ
ンヘッドの場合には非常に困難になるといった課題を有
していた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このような問題を解決す
るために、ノズル開口を有する複数の圧力室と、一端が
固定部材に固定され他端が自由端となっており所望の幅
で切断された棒状の圧力変換器が配列した圧力変換器列
とで構成されており、前記圧力変換器を動作させ前記圧
力室のインクの圧力を高めノズル開口よりインク滴を吐
出させるオンデマンド型インクジェット式印字ヘッドに
おいて、前記圧力室にインクを供給する流路となる溝部
を有する流路板を有し、前記流路板は前記固定部材を挿
入する穴部を有するとともに複数の前記圧力変換器が前
記固定部材を介して前記流路板と固着され、前記固定部
材の先端面に前記圧力変換器列が固着されていることを
特徴とする。さらに、前記固定部材は、アルミナあるい
は快削性セラミックあるいは金属シリコンからなること
を特徴とする。

【０００５】

【０００６】あるいは、前記固定部材は板状に形成され
ており、前記圧力変換器は該固定部材の端面に結合され
ていることを特徴とする。あるいは、前記板状の固定部
材と前記圧力変換器の前記圧力室からみた幅はほぼ同等
であることを特徴とする。

【０００７】

【作用】圧力発生器を固定している固定板は流路形成部
材の穴部に挿入、固着されているため、流路形成部材に
形成されているインク供給流路の寸法を大きくとること
ができるようになる。従って多数インク吐出口が配列さ
れているような印字ヘッドにおいても、インク供給流路
内でのインクの圧力変動を小さくすることができ、イン
ク滴の吐出性能を安定させ、印字品質の優れたインクジ
ェット式印字ヘッドを提供することが可能となる。

【０００８】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明の印字ヘッドの概要を示す斜視図であ
り、図２は印字ヘッドのノズル配列方向に沿った断面を
示す図であり、図３はノズル方向からみた透視図であ
り、図４はノズル配列方向と直交する方向の断面を示す
図である。図面において１は圧力室であり、インク滴を
吐出するノズル開口２を有するノズルプレート３と、隣
接する圧力室間を仕切る隔壁４と、振動板５によって囲
まれて構成されている。ノズル開口２は印字媒体の印字
幅とほぼ同等と長さに渡って配列されている。

【０００９】振動板５は例えばポリイミドフィルムから
なる低弾性材層６と、金属からなる高弾性材層７の積層
構造となっている。高弾性材層７は図３に示すように、
圧力室１の幅よりもわずかに小さい形状に形成されてい
る振動部８と、その周囲を囲う形状に形成されている支
持部９とによってなっている。

【００１０】振動部８は第１の圧力発生器である第１の
圧電素子１０に接合されている。支持部９は第２の圧力
発生器である第２の圧電素子１１に接合されている。第
１および第２の圧電素子は固定板１２に結合されてい
る。第１および第２の圧電素子１０、１１は、電極と圧
電材料とを交互にサンドイッチ状に積層した積層型圧電
素子を用いている。積層型圧電素子の側面には外部電極
２０、２１が形成されている。一方の外部電極は圧電材
料をサンドイッチしている電極のどちらか一方と、もう
一方の外部電極はサンドイッチしている電極の他方と電
気的に接続されている。この積層型圧電素子によれば電
極間距離を可及的に小さくすることが出来るため、駆動
信号の電圧を下げることが出来るという効果がある。

【００１１】固定板１２は図４に示すように、流路板１
３の穴１４に挿入、固着されている。

【００１２】流路板１３のノズルプレート３側にはイン
クを圧力室１に供給するための溝１５が形成されてお
り、その壁面１６の先端１７で振動板５の支持部９が支
持されている。固定板１２には、音響インピーダンスが
大きな材料、例えばアルミナや快削性セラミック、金属
シリコン等が用いられる。これは圧電素子１０内で生じ
た弾性波を固定板１２の表面で積極的に反射させて、不
正振動を防止してインク吐出に有効な振動成分を振動板
５に伝達することができるためである。固定板１２は板
状に形成されており、板の端面に圧電素子１０、１１が
固着されている。固定板１２に用いる前述のような材料
は、通常板状に形成される。また、固定板１２には後述
するように電極を形成するのが望ましいが、板状のもの
に電極形成するのが一般的であり、品質や製造コストに
おいて優れる。固定板１２の片面１６には縞状に形成さ
れた分割電極１７が形成されており、固定板１２の反対
面１８には共通電極１９が形成されている。そして第１
の圧電素子１０の一方の外部電極２０と分割電極１７
が、またもう一方の外部電極２１と共通電極１９がそれ
ぞれ電気的に接続されている。固定板１２上には、第１
の圧電素子１０に印字信号を電圧として印加することを
制御するためのドライバーＩＣ２２が搭載されている。
ドライバーＩＣ２２は、分割電極１７、共通電極１９を
介して圧電素子１０に接続されている。さらに、図示し
ていないＦＰＣを介して、記録装置の図示していない制
御基板とドライバーＩＣが接続されている。

【００１３】このような構成を採った結果、インクは比
較的流体抵抗の小さな溝１５から圧力室１に流れ込み、
第１、第２の圧電素子１０、１１をインクから隔離でき
るため、導電性インクを用いた場合にも圧電素子の電極
間で短絡が生じるのを防止することができる。

【００１４】次にインク滴を吐出する動作について簡単
に説明する。第１の圧電素子１０に駆動電圧を印加する
と、第１の圧電素子１０は長さｌ方向に縮小変位するた
め、圧電素子１０の先端に固定されている振動板５もノ
ズルプレート３に対して弾性変形により後退する。この
結果、圧力室が拡大され、溝１５からインクが流れ込む
と同時にノズル開口２に形成されていたインクのメニス
カスもノズル開口２の表面から後退する。所定のタイミ
ングで駆動電圧を開放すると圧電素子１０が伸長するた
め、振動板５がノズル開口２側に弾性変形することにな
り、この時に発生する圧力により圧力室１のインクが液
滴となってノズル開口２から飛翔する。駆動電圧を開放
するのは、ノズル開口２から後退したメニスカスが再び
ノズル開口２側に向かってから行うのが好ましく、さら
に好的にはメニスカスが初期の位置まで復帰した時に開
放するのが望ましい。

【００１５】流路板１３に形成された溝１５の断面積は
ある程度以上広くすることが必要である。なぜならば、
溝１５は圧力室１にインクを供給するためのインク供給
流路であるが、この溝１５をインクが流れることによっ
て、溝１５内のインク圧力は圧力損失により低下する。
圧力損失によるインク供給路の圧力低下は、インク吐出
時の圧力室内のインク圧力変動に影響を及ぼし、インク
の吐出性能を大きく左右する。圧力損失量△Ｐは溝の断
面形状によっても異なるが、例えば円形断面を有すると
すると、一般に次式により表される。

【００１６】 △Ｐ＝λ×ｌs／ｄs×ｖ²／ｇ・・・ただし、λは管摩擦係数、ｌsは溝長さ、ｄsは溝の内
径、ｖはインクの平均流速、ｇは重力加速度である。イ
ンク供給路である溝の中のインクの流れは一般に遅いた
め、通常層流である。この時、管摩擦係数λは、λ＝６
４／Ｒe で表される。ただし、Ｒeは慣性力ρ×ｖ²×
ｄs²と粘性力μ×ｖ×ｄsとの比で決まるレイノルズ数
であり、Ｒe＝ｄs×ｖ×ρ／μで表される。ただし、ρ
はインクの比重であり、μはインクの粘度である。以上
より圧力損失量△Ｐは △Ｐ＝３２×μ×ｌs×ｖ／（ｄs²×ρ×ｇ）・・・で表される。インクの体積速度をＶとすると、Ｖ＝π×
ｄs²×ｖであるため、式２は、 △Ｐ＝３２×μ×ｌs×Ｖ／(π×ｄs⁴×ρ×ｇ) ・・・と書換えられる。すなわち、体積速度Ｖに比例し、供給
路の直径ｄsの４乗に反比例し、供給路の長さｌsに比例
する。体積速度Ｖは、インクを吐出するノズルの本数
や、インク吐出周波数によって異なる。そのため圧力損
失量△Ｐは小さい程、吐出本数や吐出周波数によるイン
クの吐出性能への影響が小さく、印字品質の安定した印
字ヘッドとすることができる。特にノズルが多数配列さ
れた、例えば印字媒体の記録幅のほぼ全域にわたってノ
ズルが配列されているいわゆるラインヘッドの場合、Ｖ
およびｌsが大きくなり、ｄsが従来のシリアル走査プリ
ンタの印字ヘッド並であると、圧力損失量△Ｐは大きく
なってしまう。そのため、ｄsを大きくすることによっ
て、圧力損失量△Ｐを小さくする必要がある。ここでの
説明では、供給路すなわち溝の断面形状を簡単のため仮
に円形として説明したが、例えば長方形のような形状で
も全く同様であり、△Ｐは長方形断面長辺の１乗に反比
例し、短辺の３乗に反比例する。すなわち、インク供給
流路の断面は長辺を長くしても圧力損失量△Ｐを小さく
することには効果が小さく、短辺を大きくすることが効
果的である。例えば同じ断面積を有するインク供給流路
であれば、各辺の寸法が同じ長さ、すなわち正方形が最
も圧力損失量△Ｐを小さくすることができる。

【００１７】このように、圧力損失量△Ｐを小さくする
ように構成する必要あるため、流路板１３の厚み、図４
中では上下方向寸法を大きくする必要があるが、前述の
従来例の構成においては流路板１３の厚みには制約があ
り、厚くとも圧電素子の自由長さ以上には出来なかっ
た。本発明においては、流路板１３に形成されている穴
１４に圧電素子を固着する固定板１２を挿入、固着する
構成であるため、圧電素子の自由長さには制約されず、
充分な溝の断面積を確保することが可能となる。

【００１８】第１の圧電素子１０が収縮、伸長すること
により、圧力室１の容積が変化する。この時の圧力によ
って、例えば圧電素子が伸長する時を考えると、圧力室
１内のインク圧力が高まり、圧電素子そのものが図４中
下方向に押し下げられる力が働く。この力の一部は圧電
素子を支持している固定板１２を押し下げる力となって
働く。この時固定板１２と流路板１３との結合が充分で
ない構造であると、固定板１２が下方に押し下げられ、
結果的に圧力室１の容積変化が小さくなってしまう。そ
の結果、インク滴の吐出性能が劣化してしまう。これは
ノズル開口２が多数配列されたヘッドの場合には大きな
問題となり、特に印字媒体の印字幅とほぼ同等の長さに
渡ってノズル開口２が配列された、いわゆるラインヘッ
ドの場合には顕著である。

【００１９】このような問題を解決するために、本発明
においては固定板１２のほぼ全周にわたって流路板１３
と結合される構成となっている。このように構成するこ
とにより、固定板１２は流路板１３に強固に、かつ均一
に固着することができ、インク吐出時の圧力室１内の圧
力を効率よく変化させることができる。接合材料として
は、作業性や信頼性を考慮してエポキシ系接着剤やアク
リル系接着剤、ポリイミド系接着剤等の有機材料を用い
ている。これらの接着剤のヤング率Ｅaは、およそ１×
１０⁹Ｎ／ｍ²＜Ｅa＜１×１０¹⁰Ｎ／ｍ²の範囲にある。
この圧力室１の容積変化の減少は、接合材の厚みにほぼ
比例し、接合長さと接合材料のヤング率にほぼ反比例す
る。接合材のヤング率が約２×１０⁹Ｎ／ｍ²、約５×１
０⁹Ｎ／ｍ²、約９×１０⁹Ｎ／ｍ²の３種類について、イ
ンク吐出性能を比較実験したところ、表１のような結果
を得た。

【００２０】

【表１】

【００２１】表中各条件のインク吐出速度のデータは、
ノズル数１６個の試験ヘッドを用いて、各３ヘッドずつ
計４８ノズルの値の平均値である。この結果より、さら
に高効率にするためには、接合材の厚みと接合長さの比
を１：５０以上とすることにより、実質的に問題ないレ
ベルにすることができることが実験により確認すること
ができた。

【００２２】実際には、固定板１２と流路板１３の製造
精度や接合材の充填性等を考慮すると、接合厚みｄはお
よそ３０μｍ以下にすることは困難である。そのため、
Ｌ／ｄを５０以上確保するためには、固定板１２と流路
板１３との接合長さＬを１．５ｍｍ程度以上必要とな
る。従って固定板１２が長くなってしまうが、本発明で
は圧電素子１０、１１と固定板１２との幅がほぼ同等に
構成されており、固定板１２の端面に圧電素子１０、１
１が固定されているため、固定板１２の体積を小さくす
ることができ、小型化、軽量化が可能となる。

【００２３】本実施例においては流路板１３は１部材で
形成されていたが、図５に示すように２部材で形成され
ていたり、数部材の積層構造であっても本発明は問題な
く適用できる。図中１１０は圧力発生器である圧電素子
であり、固定板１１２に一端がこていされている。イン
ク供給流路１１５が形成されている流路板は流路壁面構
成部材１１３と流路底面構成部材１１４の積層で形成さ
れている。固定板１１２は流路板に形成されている穴部
１１７に挿入、固着されている。このように構成するこ
とにより、流路板の形状が簡単になり、部品の安定化、
低コスト化が図ることができる。また、図６に示すよう
に固定板２１２の幅の方を圧電素子２１０の幅よりも小
さくなるように構成し、インク供給流路２１５が形成さ
れている流路板であり流路壁面構成部材２１４と流路底
面構成部材２１３の積層形成してなる流路板に固定板２
１２が固着されている構成を採ることもできる。このよ
うに構成することで、圧電素子２１０の不活性部、すな
わち内部電極の交差していない領域が固定板１２によっ
て規制されていないため、圧電素子２１０の変形効率を
さらに高めることが可能となる。また、図７に示すよう
に流路板３１３の穴部３１７に接合材溜り部３１９が形
成されていてもよい。このような構成をとることによ
り、接合部材の厚さを所望の値で均一にすることが容易
とすることができる。また、図６までの実施例において
は、インク流路が２本形成されて構成されていたが、本
実施例のように、インク供給流路３１５が一本のみ形成
されている構成でもよい。

【００２４】さらに、図８に示すように流路板４１３の
圧力室と対向する面と反対面側にばね部材４２０を配置
し、ネジ４２１等で流路板４１３に固定し、固定板４１
２を図中上方に力を加えることにより、さらにインクの
吐出性能を向上させることも可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
ノズル開口を有する複数の圧力室と、一端が固定部材に
固定され他端が自由端となっており所望の幅で切断され
た棒状の圧力変換器が配列した圧力変換器列とで構成さ
れており、前記圧力変換器を動作させ前記圧力室のイン
クの圧力を高めノズル開口よりインク滴を吐出させるオ
ンデマンド型インクジェット式印字ヘッドにおいて、前
記圧力室にインクを供給する流路となる溝部を有する流
路板を有し、前記流路板は前記固定部材を挿入する穴部
を有するとともに複数の前記圧力変換器が前記固定部材
を介して前記流路板と固着され、前記固定部材の先端面
に前記圧力変換器列が固着されているのでインク供給流
路の断面寸法を所望の面積確保することが容易となり、
インクを吐出することにより発生するインク供給流路中
の圧力低下を問題ないレベルにすることが可能となる。
さらに、固定部材の先端面に圧力変換器列が固着されて
いるので、固定部材と圧力変換器列を接合したユニット
として溝部に挿入可能なため比較的簡単な工程で高精度
なインクジェット式印字ヘッドを製造可能となる。ま
た、前記固定部材は、音響インピーダンスの高いアルミ
ナあるいは快削性セラミックあるいは金属シリコンから
なることにより、圧電素子内で生じた弾性波を、固定板
の表面で積極的に反射させて不正振動を防止してインク
吐出に有効な振動成分を振動板に伝達することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの第一の
実施例の概要を示す斜視図である。

【図２】第１の実施例のノズル配列方向の断面構成を示
す部分断面図である。

【図３】第１の実施例のノズル方向から見た透視図であ
る。

【図４】第１の実施例のノズル配列方向と直交する方向
の断面構成を示す断面図である。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの流路構
成部材の他の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの流路構
成部材の他の実施例を示す断面図である。

【図７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの流路構
成部材の他の実施例を示す断面図である。

【図８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの流路構
成部材と固定板の支持方法の実施例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１圧力室２ノズル開口３ノズルプレート４隔壁５振動板１０第１の圧電素子１１第２の圧電素子１２固定板１３流路板１５溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鳥羽浩一長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内 (72)発明者曽根原秀明長野県諏訪市大和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４−347643（ＪＰ，Ａ) 特開平４−368852（ＪＰ，Ａ) (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】ノズル開口を有する複数の圧力室と、一
端が固定部材に固定され他端が自由端となっており所望
の幅で切断された棒状の圧力変換器が配列した圧力変換
器列とで構成されており、前記圧力変換器を動作させ前
記圧力室のインクの圧力を高めノズル開口よりインク滴
を吐出させるオンデマンド型インクジェット式印字ヘッ
ドにおいて、前記圧力室にインクを供給する流路となる溝部を有する
流路板を有し、前記流路板は前記固定部材を挿入する穴部を有するとと
もに複数の前記圧力変換器が前記固定部材を介して前記
流路板と固着され、前記固定部材の先端面に前記圧力変換器列が固着されて
いることを特徴とするインクジェット式印字ヘッド。
【請求項２】前記固定部材は、アルミナあるいは快削
性セラミックあるいは金属シリコンからなることを特徴
とする請求項１に記載のインクジェット式印字ヘッド。