JP3342344B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク流路内のイ
ンクに圧力を作用させることによりインクをノズルから
噴射させるインクジェットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ファクシミリ装置等の通信装置やパーソ
ナルコンピュータ等の情報処理装置は、通常、文字や図
形からなるデータを視覚情報として記録するように、こ
れらのデータを用紙に記録可能な記録装置を有してい
る。この記録装置には、インパクト方式や感熱方式、イ
ンクジェット方式等の各種の印字方式が採用されている
が、近年においては、静粛性に優れていると共に各種材
質の用紙に印字可能なインクジェット方式を採用したイ
ンクジェット記録装置が注目されている。

【０００３】上記のインクジェット記録装置は、用紙に
文字や図形を印字するように、用紙に対してインク滴を
噴射する多数のノズルを有したインクジェットヘッドを
有している。インクジェットヘッドは、通常、図９に示
すように、ノズル１００に連通されたインク流路１０５
の側壁１０１を分極処理した圧電材料で構成すると共に
側壁面に電極１０２を形成することにより構成されてお
り、電極１０２を介して駆動電界を側壁１０１に印加す
ることにより側壁１０１を屈曲させてインク流路１０５
の容積を変化させることによって、インク圧力の増減に
よりインク流路１０５に対するインクの排出（噴射）と
供給とを行うようになっている。

【０００４】この際、インク流路１０５に気泡１０３が
存在していると、インク流路１０５の容積が変化したと
きに、この容積の変化分を気泡１０３が圧縮および膨張
により吸収してしまうため、インク流路１０５の容積変
化がインク圧力の増減に十分に反映されずにインク滴の
噴射が不十分なものになったり、気泡１０３が成長する
とインク流路１０５やノズル１００を塞ぎ不噴射の原因
になる。従って、従来、印字の開始時や不噴射の検出時
においては、ノズル１００の外に吸引手段を密着させて
インク流路１０５内のインクと共に気泡１０３を吸引す
る吸引処理が行われるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のように、吸引処理を行うだけでは、気泡１０３がノ
ズルプレート１０４とインク流路１０５との隅部に存在
していた場合に、気泡１０３の除去が不十分になり易い
ため、確実に気泡１０３を除去しようとすると、これら
の処理を多数回繰り返して行うことが必要であるという
問題がある。

【０００６】また、インク流路１０５の底面をノズル１
００近傍に立ち上げながら湾曲させることによって、イ
ンクの流れを円滑にして気泡１０３がノズルの噴射と共
に排出される構成も提案されているが（特開平６−１７
１０９６号公報）、これは常に断面積を縮小しているだ
けであって、どのような形状にすれば、気泡１０３の排
出を十分に行えるのかは不明であった。

【０００７】従って、本発明は、インク流路を適正な形
状に設定することにより、少ない回数の吸引処理で気泡
を十分に除去することができるインクジェットヘッドを
提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、インク流路を有する部材の先端
にノズルプレートを接合し、該ノズルプレートには、前
記インク流路側の端面において当該インク流路の流路断
面に内接しまたは当該流路断面より小さい口径とした円
形状のノズルを設け、前記インク流路内のインクに圧力
を作用させることによって、インクを前記ノズルから噴
射させるインクジェットヘッドであって、前記部材に形
成されるインク流路は、前記ノズルから離れた位置の平
坦部から前記先端側に向けて浅くなるように立ち上げら
れた形状とされ、インク流路の前記平坦部の深度を第１
深度、インク流路の先端部の深度を第２深度としたとき
に、前記第１深度に対する第２深度の比率が、０．１〜
０．８の範囲に設定されていることを特徴としている。

【０００９】これにより、インク流路の第２深度Ｈ２に
対する第１深度Ｈ１を上記の比率範囲に設定する立ち上
げ量とすることによって、インク流路に存在する殆どの
気泡を、少ない回数の吸引処理によりノズルから除去す
ることができる。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載のインク
ジェットヘッドであって、前記インク流路を有するアク
チュエータ基板のインク流路先端側の端面に、前記ノズ
ルを有するノズルプレートが接合されていることを特徴
としている。

【００１１】これにより、ノズルプレートのノズル周囲
とインク流路の先端とで形成される隅部に溜まる気泡を
吸引処理により容易に除去することができる。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１または２記載
のインクジェットヘッドであって、前記インク流路の側
壁は、そのインク流路の断面積を変化させる方向に変形
することによって、インクに圧力を作用させるように構
成されていることを特徴としている。

【００１３】これにより、インク流路においてノズルか
ら離れた部分で側壁を大きく変形させてインクに圧力を
作用させるので、ノズルと近接する部分において断面積
が小さく形成されていても、十分に大きな圧力でインク
を噴射させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１ないし
図８に基づいて以下に説明する。本実施の形態に係るイ
ンクジェットヘッドは、図１に示すように、アクチュエ
ータ基板２とプレート部材４とノズルプレート６とマニ
ホールド部材７とを有している。アクチュエータ基板２
は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス
材料からなる圧電材料で形成されており、上面にダイヤ
モンドブレード等により切削加工された複数のインク溝
１４が形成されている。尚、上記の圧電材料には、チタ
ン酸鉛系（ＰＴ）のセラミックス材料を用いることもで
きる。

【００１５】上記のインク溝１４は、図２に示すよう
に、大部分が平坦な底面を有しており、このインク溝１
４の底面１４ａは、アクチュエータ基板２の後端から中
間部にかけて第１深度Ｈ１となるように形成された後、
中間部から先端にかけてなだらかな曲面でもって浅くな
るように立ち上げられ、先端部１４ｂにおいて第２深度
Ｈ２となるように形成されている。また、インク溝１４
は、後述のインク流路１０の側壁間距離を先端から後端
にかけて同一距離にするように、同一幅に設定されてい
る。尚、インク溝１４の底面は、半円形状や凹形状に湾
曲されていても良い。そして、インク溝１４は、アクチ
ュエータ基板２の厚さ方向２７Ｌに分極処理された側壁
２０を介して並列配置されており、側壁２０の壁面上部
には、分極方向２７Ｌに対して直交方向に電界を印加す
るように、側壁２０の両端にかけて電極２２が蒸着やメ
ッキにより形成されている。

【００１６】上記のアクチュエータ基板２の一方面に
は、セラミックス材料や樹脂材料からなる平板状のプレ
ート部材４がエポキシ系の接着剤を用いて接合されてい
る。プレート部材４は、図２に示すように、接着層２４
を介して側壁２０の一方面に液密状態に密接されてお
り、インク溝１４の一方面を覆うことによって、流路断
面が矩形形状のインク流路１０を形成させている。そし
て、このようにインク流路１０を形成するアクチュエー
タ基板２およびプレート部材４の一方端（先端）には、
ノズルプレート６が上述のエポキシ系の接着剤を用いて
接合されている。尚、ノズルプレート６は、ポリアルキ
レンや（例えばエチレン）テレフタレート、ポリイミ
ド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエ
ーテルスルホン、ポリカーボネイト、酢酸セルロース等
のプラスチックにより形成されている。

【００１７】上記のノズルプレート６には、インク流路
１０に対応してノズル３０が形成されている。ノズル３
０は、略円錐台形状に形成されており、図２に示すよう
に、出口側からインク流路１０側にかけて口径が拡大さ
れ、インク流路１０側の端面においてインク流路１０の
流路断面で設定可能なほぼ最大径となるように形成され
ている。つまり、インク流路１０の流路断面にほぼ内接
する径に形成されている。この場合、ノズル径は、ノズ
ルプレートの接着の際の位置ずれを考慮して流路断面よ
りも若干小さくしても良い。そして、このようなノズル
３０が連通されるインク流路１０は、少ない回数の吸引
処理で気泡９２をノズル３０を介して十分に除去するこ
とができるように、ノズル３０から離れた位置における
第１深度Ｈ１に対するノズル３０と近接した位置におけ
る第２深度の比率が、０．１〜０．８の範囲に設定され
ている。尚、インク流路１０の先端側の流路断面は、気
泡９２の除去を一層十分に行うことができるように、側
壁高さに対する側壁間距離の比率が０．５〜２．０の範
囲に設定されていることが望ましい。

【００１８】一方、アクチュエータ基板２およびプレー
ト部材４の他方端（後端）には、マニホールド部材７が
接合されている。マニホールド部材７の一部には、イン
ク供給口３１が形成されており、図示しないインクタン
クからインクが供給されるようになっている。そして、
マニホールド部材７は、全インク流路１０に連通した共
通インク室９を形成しており、インク流路１０が容積を
拡大したときに、このインク流路１０にインクを供給す
るようになっている。

【００１９】上記の構成において、インクジェットヘッ
ドの動作について説明する。先ず、インクジェット記録
装置が印字を行う場合には、図６（ａ）に示すように、
与えられた印字データに従って、例えば特定のインク流
路１０Ｂが選択されると、選択されたインク流路１０Ｂ
の電極２２Ｂ・２２Ｃが接地されると共に、このインク
流路１０Ｂの両側に位置するインク流路１０Ａ・１０Ｃ
の電極２２Ａ・２２Ｄに駆動電圧が印加される。そし
て、インク流路１０Ｂの側壁２０Ａ・２０Ｂにおいて、
インク流路１０Ｂ方向に向かう駆動電界がそれぞれ発生
することによって、分極された側壁２０Ａ・２０Ｂが圧
電厚みすべり効果により互いに接近するように屈曲す
る。従って、インク流路１０Ｂが両側壁２０Ａ・２０Ｂ
の屈曲により容積を減少させることから、インク流路１
０Ｂ内のインクが加圧されることによりノズル３０から
インク滴が噴射することになる。

【００２０】この後、駆動電圧が停止されると、側壁２
０Ａ・２０Ｂが屈曲前の状態に復帰することによって、
インク流路１０Ｂ内のインク圧力が低下する。これによ
り、共通インク室９のインクがインク流路１０Ｂ内に供
給され、インク滴の噴射量に相当するインクが補充され
ることによって、次回のインク滴の噴射に備えられる。
また、分極方向を逆にするか、電界方向を逆にすると、
図６（ｂ）に示すように、両側壁２０を、インク流路１
０が拡大する方向に変形させることができる。これによ
って、共通インク室９からインク流路１０にインクを供
給し、その後、側壁２０に印加した電界を解除すると、
側壁が直線状に復帰してインク流路１０のインクに圧力
を加え、ノズル３０からインク滴を噴射させるように構
成しても良い。さらにインク流路１０の容積変化方法を
複数組み合わせることにより、インク滴の噴射の安定化
を図ったり、インク滴の体積や飛翔速度を制御すること
もできる。

【００２１】このようにしてインク滴を噴射して印字を
行っているときや、インク切れにより図示しないインク
カートリッジを交換したときに、インク流路１０に気泡
９２が進入すると、インク流路１０の容積が側壁２０の
屈曲により拡縮しても、インク流路１０内の気泡９２が
膨張および圧縮することによって、適正なインク圧力が
得られなくなったり、気泡９２の成長によりインク流路
１０やノズル３０が塞がれたりする。そして、この場合
には、印字不良が発生することになり、インクジェット
記録装置がこのような不良を生じたときに、気泡９２を
インク流路１０から除去するように、吸引処理を行うこ
とになる。

【００２２】即ち、吸引処理は、図示しないが公知のよ
うにノズルプレート６の前面にノズル３０を囲んでキャ
ップを密着し、そのキャップを通じてノズル３０からイ
ンク流路１０内のインクをポンプで吸引するものであ
る。あるいはやはり図示しないが、インクタンク側に加
圧手段を設け、その圧力によりインク流路１０内のイン
クをノズル３０から押し出す操作でも同等の効果を得る
ことができ、これも本明細書では吸引処理に含める。そ
して、１回もしくは１サイクルの吸引処理で、インク流
路１０内の容積と同等かそれ以上のインクを吸引し、イ
ンク流路１０内の気泡９２をインクと共に排出させる。
本実施形態では、図２に示すように、第１深度Ｈ１に対
する第２深度Ｈ２の比率が０．１〜０．８の範囲に設定
されているため、例えば１回の吸引処理で８０％以上の
気泡９２を除去することが可能になる。

【００２３】次に、第１深度Ｈ１に対する第２深度Ｈ２
の比率が０．１〜０．８の範囲に設定されていれば、少
ない回数の吸引処理で殆どの気泡９２を除去できること
を以下のように確認した。

【００２４】即ち、図２ないし図４に示すように、第１
深度Ｈ１に対する第２深度Ｈ２の比率が０．０５〜１．
０の範囲となる各種のインクジェットヘッドを用意し
た。尚、インク溝１４の立ち上げ開始位置１４ｃは、比
率の増減に拘わらず同一位置とした。そして、これらの
各インクジェットヘッドに対して所定量の気泡９２を存
在させた後、上述の吸引処理を各インクジェットヘッド
に対して行うことによって、１回の吸引処理で気泡９２
を除去できる確率を求めた。この結果、図５に示すよう
に、第１深度Ｈ１に対する第２深度Ｈ２の比率が０．１
〜０．８の範囲に設定されていれば、１回の吸引処理で
ほぼ８０％以上の気泡９２を除去できることが確認され
た。気泡９２の除去率を１００％にすることは困難であ
り、またインク流路１０への気泡の侵入頻度は比較的少
ないため、除去率が８０％あれば実用上問題にならな
い。

【００２５】以上のように、本実施形態のインクジェッ
トヘッドは、図１に示すように、インク流路１０（イン
ク流路）の先端に、インク流路１０の流路断面で設定可
能なほぼ最大径のほぼ円形状のノズル３０を設け、イン
ク流路１０内のインクに圧力を作用させることによっ
て、インクをノズル３０から噴射させるものであり、イ
ンク流路１０は、ノズル３０から離れた位置において第
１深度Ｈ１からノズル３０と近接した位置において第２
深度Ｈ２となるように形成されており、第１深度Ｈ１に
対する第２深度Ｈ２の比率が０．１〜０．８の範囲に設
定された構成にされている。このように、第１深度Ｈ１
に対する第２深度Ｈ２の比率を０．１〜０．８の範囲に
設定するように構成すれば、インク流路１０に存在する
殆どの気泡９２を、少ない回数の吸引処理によりノズル
３０から除去することができる。

【００２６】尚、本実施形態においては、分極処理され
た側壁２０を電界の印加で屈曲させることによりインク
に対して圧力を作用させるようになっているが、これに
限定されることはなく、インクを加熱して泡を発生し、
この泡の膨張圧力により圧力を作用させるようになって
いても良いし、インク流路１０に沿って振動板を設け、
この振動板を圧電素子或いはその他の手段により振動さ
せて圧力を作用させるようになっていても良い。

【００２７】また、本実施形態においては、インク流路
１０を有するアクチュエータ基板２の先端側の端面に、
ノズル３０を有するノズルプレート６が接合された構成
にされている。これにより、ノズルプレート６のノズル
３０の周囲とインク流路１０の先端とで形成される隅部
に留まる気泡９２を吸引処理により容易に除去すること
ができる。

【００２８】尚、本実施形態においては、インク流路１
０の側壁間距離がインク流路１０の先端から後端にかけ
て同一距離に設定されているが、インク流路１０の側壁
２０は、インク流路１０の断面積を変化させる方向に変
形することによって、インクに圧力を作用させるように
構成されていても良い。そして、この場合には、ノズル
３０と近接する部分において流路断面の断面積が縮小さ
れていても、側壁２０の変形によってインクに大きな圧
力を作用させることができ、効率の良い噴射を行うこと
ができる。

【００２９】また、本実施形態においては、インク流路
１０を形成する側壁２０が−方向２７Ｌにのみ分極処理
されたインクジェットヘッドを用いて説明しているが、
これに限定されることはない。即ち、インクジェットヘ
ッドは、例えば図７に示すように、方向２７Ｌに分極処
理されたアクチュエータ基板２に対してそれと反対方向
２７Ｕに分極処理された圧電部材２５を接着層２６を介
して接合した後、この圧電部材２５とアクチュエータ基
板２とを切削加工してインク溝１４を形成し、２層構造
からなる側壁２０に電極２２Ｌ・２２Ｕを形成した構成
にされていても良い。

【００３０】また、インクジェットヘッドは、図８に示
すように、インク溝１４Ｕ・１４Ｌの側壁２０Ｕ・２０
Ｌに電極２２Ｕ・２２Ｌが形成されたアクチュエータ基
板２Ｕ・２Ｌを上下一対に接合することによって、相互
に反対方向２７Ｕ・２７Ｌに分極処理された側壁２０Ｕ
・２０Ｌを有した構成にされていても良い。さらに、各
インク流路１０間に、インクがその中に入らずインク滴
を噴射しない空間が設けられた構成にされても良い。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の発明は、インク流路を有する
部材の先端にノズルプレートを接合し、該ノズルプレー
トには、前記インク流路側の端面において当該インク流
路の流路断面に内接しまたは当該流路断面より小さい口
径とした円形状のノズルを設け、前記インク流路内のイ
ンクに圧力を作用させることによって、インクを前記ノ
ズルから噴射させるインクジェットヘッドであって、前
記部材に形成されるインク流路は、前記ノズルから離れ
た位置の平坦部から前記先端側に向けて浅くなるように
立ち上げられた形状とされ、インク流路の前記平坦部の
深度を第１深度、インク流路の先端部の深度を第２深度
としたときに、前記第１深度に対する第２深度の比率
が、０．１〜０．８の範囲に設定された構成である。

【００３２】このように、インク流路の第２深度Ｈ２に
対する第１深度Ｈ１を上記の比率範囲に設定する立ち上
げ量とすることによって、インク流路に存在する殆どの
気泡を、少ない回数の吸引処理によりノズルから除去す
ることができ、これによって早期に印字動作に入ること
ができると共に、吸引処理によって捨てられるインク量
を少なくできる等、実用上優れたインクジェットヘッド
を提供することができるという効果を奏する。

【００３３】請求項２の発明は、請求項１記載のインク
ジェットヘッドであって、前記インク流路を有するアク
チュエータ基板のインク流路先端側の端面に、前記ノズ
ルを有するノズルプレートが接合されている構成であ
る。これにより、ノズルプレートのノズル周囲とインク
流路の先端とで形成される隅部に溜まる気泡を吸引処理
により容易に除去することができるという効果を奏す
る。

【００３４】請求項３の発明は、請求項１または２記載
のインクジェットヘッドであって、前記インク流路の側
壁は、そのインク流路の断面積を変化させる方向に変形
することによって、インクに圧力を作用させるように構
成されている。

【００３５】これにより、インク流路においてノズルか
ら離れた部分で側壁を大きく変形させてインクに作用さ
せるので、ノズルと近接する部分において断面積が小さ
く形成されていても、十分に大きな圧力でインクを噴射
させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェットヘッドの分解斜視図である。

【図２】インクジェットヘッドの縦断面図である。

【図３】インクジェットヘッドの横断面図である。

【図４】インクジェットヘッドの横断面図である。

【図５】深度比率（Ｈ２／Ｈ１）と気泡除去の確率との
関係を示すグラフである。

【図６】インク流路の状態を示す説明図である。

【図７】インクジェットヘッドの分解斜視図である。

【図８】インクジェットヘッドの分解斜視図である。

【図９】従来のインクジェットヘッドの縦断面図であ
る。

【符号の説明】

２ アクチュエータ基板 ４ プレート部材 ６ ノズルプレート ７ マニホールド部材 ９ 共通インク室 １０ インク流路 １１ ダミーインク室 １４ インク溝 １５ ダミーインク溝 ２０ 側壁 ２２ 電極 ３０ ノズル ３１ インク供給口

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク流路を有する部材の先端にノズル
   プレートを接合し、該ノズルプレートには、前記 インク流路側の端面におい
   て当該インク流路の流路断面に内接しまたは当該流路断
   面より小さい口径とした円形状のノズルを設け、前記 インク流路内のインクに圧力を作用させることによ
   って、インクを前記ノズルから噴射させるインクジェッ
   トヘッドであって、 前記部材に形成されるインク流路は、前記ノズルから離
   れた位置の平坦部から前記先端側に向けて浅くなるよう
   に立ち上げられた形状とされ、インク流路の前記平坦部
   の深度を第１深度、インク流路の先端部の深度を第２深
   度としたときに、前記第１深度に対する第２深度の比率
   が、０．１〜０．８の範囲に設定されていることを特徴
   とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記インク流路を有するアクチュエータ
   基板のインク流路先端側の端面に、前記ノズルを有する
   ノズルプレートが接合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ヘッド。
3. 【請求項３】 前記インク流路の側壁は、そのインク流
   路の断面積を変化させる方向に変形することによって、
   インクに圧力を作用させるように構成されていることを
   特徴とする請求項１または２記載のインクジェットヘッ
   ド。