JP3341911B2 - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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】この種のインクジェット式印字ヘッド
は、米国特許ＵＳＰ４４３９７８０号や日本特許公報
特開平３−２９３１４３号公報に示されたように、一端
が基台に固定された圧電素子の他端を、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第
１の従来技術では、隣接する圧力室を仕切る隔壁は支持
されていない、あるいは薄い板状の軸受け部材によって
支持されているだけであった。このような構成では、圧
電素子の動作、特に複数の圧電素子が同時に動作するこ
とより発生する圧力によって、隔壁を構成する隔壁部材
が変形してしまい、所望するインク滴吐出性能が得られ
ない危険が高かった。特にノズル開口の数が多い印字ヘ
ッド、例えば印字媒体の幅と同等の幅を有するラインヘ
ッドの場合には非常に困難であった。

【０００４】このような問題点を解決するために、前述
の第２の実施例では、図７に示すように圧電素子３〜４
個毎に側壁を支持するための支持用圧電素子を有してい
た。しかしながらこのような構成においても、３〜４個
毎にしか支持用圧電素子が配置されていないため、圧電
素子の圧力による隔壁部材の変形に対しては不十分であ
った。また、支持用圧電素子の断面積は、圧力室を加圧
するための駆動用圧電素子の断面積と比較して小さく構
成されていた。そのため、駆動用圧電素子によって発生
した発生圧力を支持用圧電素子では充分に支持すること
ができず、隔壁部材の変形を抑えることに対してさらに
不十分であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明のインクジェット式印字ヘッドは、イ
ンク滴を吐出するノズル開口が複数配置されたノズルプ
レートと、ノズルプレートに積層されてノズル開口と連
通し隔壁によって区画された複数の圧力室が配置された
流路板と、流路板のノズルプレート積層面とは反対面に
積層されて圧力室の一面を封止する振動板と、一端が固
定され他端が自由端として圧力室に対向して配列された
複数の第１の圧力変換器とを備え、第１の圧力変換器を
動作させ振動板を変形させることで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であって、隣り合う
第１の圧力変換器の間には、第１の圧力変換器の幅方向
における断面積より大きい断面積を有する第２の圧力変
換器が隔壁に対向して配置され、振動板は、低弾性材層
と高弾性材層とを積層して構成され、高弾性材層には、
第１の圧力変換器と当接する領域に振動部が形成され、
第２の圧力変換器と当接する領域に支持部が形成されて
おり、振動部の圧力室側の面の幅は、圧力室の幅より小
さく且つ第１の圧力変換器の幅より大きく、支持部の隔
壁側の面の幅は、隔壁の幅より大きいことを特徴とす
る。

【０００６】

【作用】隣接する圧力室を仕切る隔壁は、振動板により
構成される支持部を介して全て支持用圧力変換器によっ
て支持されており、支持部の隔壁側の面は、隔壁の幅よ
り大きいことにより、隣接する第２の圧電素子間で支持
部により確実に、且つ強固に隔壁を支持して、圧力室内
のインク圧力によるノズルプレートの押し上げを抑え
る。

【０００７】

【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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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１
２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１
７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、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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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、ノズルプレート３が図３中
上方向に押し上げられる力が働く。この力の一部はノズ
ルプレート３を支持している隔壁４を押し上げる力とな
って働く。この時隔壁４が支持されていない構造である
と、隔壁４、ノズルプレート３が上方に押し上げられ、
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。この問題を解決するために、
隔壁部材の剛性を高める、すなわち隔壁部材をヤング率
の大きな材料を用いる、隔壁部材の厚さを厚くするとい
ったことが考えられる。しかしながら隔壁の厚さを大き
くすることは、圧力室の容積を大きくしてしまうことに
なってしまう。圧力室の容積はインク滴の吐出性能に影
響し、ある適正な容積以上にすることは望ましくなく、
従って隔壁の厚さを前述の圧力に対して充分な剛性にな
るような厚さにすることは困難であった。

【００１５】この圧力室１の容積変化の減少は、ノズル
プレート３の支持長さの５乗にほぼ比例し、厚さの３乗
にほぼ反比例する。本発明においては、隣接する第１の
圧電素子１０、１０の間に第２の圧電素子１１が配置さ
れている。第２の圧電素子１１の先端は振動板５の支持
部９に固定されている。さらに支持部９は低弾性層を介
して隔壁４に固定されている。その結果、ノズルプレー
ト３は隣接する第２の圧電素子１１、１１の間で支持さ
れており、支持長さをノズル開口２の配列ピッチ以下の
近接させた長さにすることができる。

【００１６】図５は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。本実施例におては、弾性板１０５は低弾性層だけで
構成されている。第１、第２の圧力発生器である第１、
第２の圧電素子１１０、１１１は、弾性板１０５に結合
されている。弾性板１０５は、流路板１１３の溝１１５
をの１側壁１１６の先端に支持されている。

【００１７】圧力室１０１のインクには、瞬間的には最
大で第１の圧電素子１１０が発生する力分の圧力が加わ
る。この時の圧力は式１で簡略的に表される。

【００１８】 Ｐ＝α×（Ｅ×△ｌ1／ｌ×Ｓ1）／Ｓ …（式１） Ｐは瞬間最大圧力、Ｅは圧電素子の縦弾性係数、△ｌ1
は第１の圧電素子１１０の変位量、ｌは第１の圧電素子
１１０の変位方向の長さ、Ｓ1は第１の圧電素子１１０
の変位方向と直交する方向の断面積、Ｓは圧力室１のノ
ズル開口１０２からの投影面積である。αはノズル開口
１０２や溝１０５との連通口の形状、あるいは圧力室１
０１を構成する剛性コンプライアンス等、あるいは、第
１の圧電素子１１０を駆動させる駆動波形等により決ま
る係数であり、α＜１である。

【００１９】圧力室１０１に発生した圧力Ｐは、ノズル
プレート１０３やそれ以外の圧力室を構成する部材全て
に加わる。ノズルプレート１０３の圧力の加わる面積
は、圧力室の面積Ｓにほぼ一致しているため、その力の
総和はＰ×Ｓとなる。

【００２０】本実施例における印字ヘッドにおいては、
圧力室の剛性コンプライアンスを小さくすることで、イ
ンク滴の吐出性能を向上させることを出来ることが実験
的に確認されている。剛性コンプライアンスを高くする
と係数αは大きくなっていく。そのため、式１における
係数αは構成条件によって異なるが、およそ０．２〜
０．５程度になる。仮にα＝０．３となるように構成す
ると、ノズルプレート１０３に加わる力の総和Ｐ×Ｓは Ｐ×Ｓ＝０．３×（Ｅ×△ｌ1／ｌ×Ｓ1）…（式２） となる。このノズルプレート１０３に加わる力は、隔壁
１０４、振動板１０５を介して第２の圧電素子１１２に
加わることになる。ノズルプレート１０３が上方に押し
上げられる力によって、第２の圧電素子１１１が伸長す
る方向に力が加わるが、第２の圧電素子１１２の剛性が
小さいと、第２の圧電素子１１２が伸長してしまい、結
果的に圧力室１０１の容積変化量が小さくなってしま
う。すなわち、第２の圧電素子の剛性が充分大きい場合
には、容積変化量はおよそ△ｌ1×Ｓで 表されるが、容
積変化量は第２の圧電素子１１２の伸長量に影響され、
（△ｌ1 −△ｌ2）×Ｓとなる。ここで△ｌ2は、ノズル
プレート１０３に上方に押し上げられる力が加わった時
の、第２の圧電素子１１１が伸長する量である。インク
吐出性能に実質的に影響ないようにするためには、△ｌ
2≦０．３×△ｌ1である必要があることが実験的に確認
できている。ノズルプレート１０３に加わる力Ｐ×Ｓに
よって第２の圧電素子が伸長する量△ｌ2は、△ｌ2＝
（Ｐ×Ｓ×ｌ）／（Ｅ×Ｓ2）で表される。ここで、Ｓ2
は第２の圧電素子１１１のＰ×Ｓの力が加わる方向と直
交する方向の断面積である。前述の通り、△ｌ2≦０．
５△ｌ1を満足するためには、式２より、 Ｓ2≧Ｓ1 …（式３） とする必要がある。すなわち、第２の圧電素子１１１の
断面積は第１の圧電素子１１０の断面積以上である必要
があることがわかる。

【００２１】以上説明したように、第２の圧電素子１１
１により隔壁１０４を支持することによって吐出性能を
向上させることができる。さらに第２の圧電素子１１１
の断面積を第１の圧電素子１１０の断面積よりも大きく
とることで、さらに向上させることができる。これは第
１の実施例においても同様である。

【００２２】また、板状の圧電素子を固定板に固着した
後にダイシング等により第１の圧電素子１０を所望の幅
に加工する時と同時に第２の圧電素子１１が形成できる
ため、新たな支持部品等を必要とせず、安価に印字ヘッ
ドを提供することが可能となる。

【００２３】以上の実施例においては、圧電素子は圧力
室を加圧する方向に積層されて構成されていたが、第１
および第２の圧電素子２１０、２１１は図６に示すよう
に、圧力室２０１を加圧する方向と直交する方向に積層
されて構成されていても、全く同様な効果を有する。ま
た、第１、第２の実施例では、圧力室の両側にインクを
供給するための溝が形成されていたが、本実施例では、
圧力室２０１は１つの連通口で溝２０５と連通してい
る。２０４は隔壁であり、例えば感光性樹脂を複数層積
層して構成されている。

【００２４】以上の実施例ではインクの飛翔は圧電素子
の変位方向と平行な方向であったが、本発明はこれに限
定されるものではなく、例えば圧電素子の変位方向と垂
直な方向にインクが飛翔づるように構成されていてもよ
い。圧力変換器列は櫛歯状に構成されていても同様であ
る。また、圧力変換器は積層型圧電素子だけではなく、
単層の棒状圧電素子やあるいは、発熱、冷却により膨
張、収縮する熱振動子等を用いても全く同様な効果が得
られることは明らかである。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジ
ェット式印字ヘッドは、インク滴を吐出するノズル開口
が複数配置されたノズルプレートと、ノズルプレートに
積層されてノズル開口と連通し隔壁によって区画された
複数の圧力室が配置された流路板と、流路板のノズルプ
レート積層面とは反対面に積層されて圧力室の一面を封
止する振動板と、一端が固定され他端が自由端として圧
力室に対向して配列された複数の第１の圧力変換器とを
備え、第１の圧力変換器を動作させ振動板を変形させる
ことで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
ヘッドであって、隣り合う第１の圧力変換器の間には、
第１の圧力変換器の幅方向における断面積より大きい断
面積を有する第２の圧力変換器が隔壁に対向して配置さ
れ、振動板は、低弾性材層と高弾性材層とを積層して構
成され、高弾性材層には、第１の圧力変換器と当接する
領域に振動部が形成され、第２の圧力変換器と当接する
領域に支持部が形成されており、振動部の圧力室側の面
の幅は、圧力室の幅より小さく且つ第１の圧力変換器の
幅より大きく、支持部の隔壁側の面の幅は、隔壁の幅よ
り大きいことにより、隣接する第２の圧電素子間で支持
部により確実に、且つ強固に隔壁を支持させることがで
き、圧力変換器が伸長する方向にインク滴を吐出するイ
ンクジェット式印字ヘッドにおいて、インク滴吐出時に
圧力室内のインク圧力により圧力変換器の伸長方向にノ
ズルプレートが押し上げられたとしても、隔壁を厚くす
ることなくノズルプレートを強固に支持することができ
る。またノズルプレートをより強固に支持するために第
２の圧力変換器の断面積を可及的に大きくしても、支持
部によりノズル開口間ピッチを増大することなく支持す
ることができ、ノズル開口間ピッチが高密度なインクジ
ェット式印字ヘッドにおいても、圧力室の容積変化量を
所望な量に確保、及び維持することができる。従って、
高密度でインク滴吐出性能に優れ、印字品質に優れたイ
ンクジェット式印字ヘッドを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】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第２の
実施例の構成を示す断面斜視図である。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの第３の
実施例の断面斜視図である。

【図７】従来のインクジェット式印字ヘッドの例を示す
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

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク滴を吐出するノズル開口が複数配
   置されたノズルプレートと、前記ノズルプレートに積層
   されて前記ノズル開口と連通し隔壁によって区画された
   複数の圧力室が配置された流路板と、前記流路板のノズ
   ルプレート積層面とは反対面に積層されて前記圧力室の
   一面を封止する振動板と、一端が固定され他端が自由端
   として前記圧力室に対向して配列された複数の第１の圧
   力変換器とを備え、前記第１の圧力変換器を動作させ前
   記振動板を変形させることで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であって、隣り合う前記第１の圧力変換器の間には、前記第１の圧
   力変換器の幅方向における断面積より大きい断面積を有
   する第２の圧力変換器が前記隔壁に対向して配置され、 前記振動板は、低弾性材層と高弾性材層とを積層して構
   成されており、 前記高弾性材層には、前記第１の圧力変換器と当接する
   領域に振動部が形成され、前記第２の圧力変換器と当接
   する領域に支持部が形成されており、 前記振動部の圧力室側の面の幅は、 前記圧力室の幅より
   小さく且つ前記第１の圧力変換器の幅より大きく、前記支持部の隔壁側の面の幅は、前記隔壁の幅より大き
   い ことを特徴とするインクジェット式印字ヘッド。