JP3484841B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

インクジェット式記録ヘッド

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JP3484841B2
JP3484841B2 JP26223795A JP26223795A JP3484841B2 JP 3484841 B2 JP3484841 B2 JP 3484841B2 JP 26223795 A JP26223795 A JP 26223795A JP 26223795 A JP26223795 A JP 26223795A JP 3484841 B2 JP3484841 B2 JP 3484841B2
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ノズル開口からインク
滴を記録紙等の記録媒体に吐出させてインク像を形成す
るプリンタ、複写機、ＦＡＸ、及びこれらの複合機等に
適した画像記録用のインクジエツトヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】インクジエツト記録ヘッドを用いた画像
記録装置は、 （１）動作音が低いこと、 （２）装置コスト及びランニングコストを安価であるこ
と、及び （３）カラ一画像の印刷が容易であること などの理由により急速に普及している。このような特徴
を有するインクジェット式記録ヘッドは、例えば特開平
4-1052号公報（ヨーロッパ特許第443628号）に開示さて
いるように、圧力発生室の一方の面をその両端で固定支
持した可撓壁部材で封止するとともに、この可撓壁部材
上に形成された高弾性領域を介して、圧電振動材料と電
極材料とを交互に積層して構成された圧電振動子等の電
気機械変換手段の変位を圧力発生室に伝達し、もって圧
力発生室を膨張、収縮させて圧力発生室のインクをイン
ク滴としてノズル開口から吐出させるように構成されて
いる。
【０００３】このような電気機械変換素子を用いたイン
クジェットヘッドは、弾性率の大きな部材の機械振動に
より圧力を生じさせている関係上、電気機械変換素子の
変位を圧力発生室の容積変化に変換するための弾性変形
可能な低弾性領域を必要とする。
【０００４】この低弾性領域は、通常圧力発生室のノズ
ル開口近傍やインク供給口の近傍に薄肉部を形成するこ
とにより付与されている。このように圧力発生室に或程
度大きな低弾性領域を持たせると、電気機械変換素子の
変位量に比してインク滴のインク量を増加させることが
可能となる反面、低弾性領域により生じるコンプライア
ンスに起因して圧力発生室の固有振動周期が長くなって
しまい、応答速度を下げざるを得ないという問題があ
る。
【０００５】一方において、印刷の高密度化が要望され
ていて、これに対応するために１画素を、複数のインク
滴の重ね打ちにより印刷して面積階調で表現し、もって
実質的な記録密度の向上を図ることが考えられている。
【０００６】しかし、上述したように圧力発生室に比較
的面積の大きな低弾性領域を形成しているため、このよ
うな複数のインク滴で面積階調を表現するべく微小なド
ットを形成しようとして電気機械変換素子の変位量を小
さくすると、圧力発生室のコンプライアンスが電気機械
変換素子の変位量に見合う値よりも大き過ぎるため、イ
ンク滴の吐出に不良を来したり、また全く吐出できない
という問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情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、１回の吐出によるインク滴の少量化と、高速駆
動を可能ならしめて、面積階調による印刷ができるイン
クジェット式記録ヘッドを提供することである。
【０００８】
【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、圧力発生室と、該圧力発生
室に連通するインク供給路と、該インク供給路に連通す
るリザーバとを区画する流路形成部材と、前記流路形成
部材の一方の面を封止するとともに前記圧力発生室に連
通するノズル開口を備えたノズルプレートと、前記流路
形成部材の他方の面を封止して前記圧力発生室の容積を
変化させる可撓壁部材と、該可撓壁部材に当接してこれ
を弾性的に変形させる縦振動モードを備えた電気機械変
換素子とからなるインクジェット式記録ヘッドにおい
て、前記可撓壁部材が、前記電気機械変換素子に当接し
て前記電気機械変換素子の伸縮により前記圧力発生室の
容積を変化させる高弾性領域と、前記電気機械変換素子
の伸縮による前記高弾性領域に追従して弾性変形する低
弾性領域とを備え、前記低弾性領域は、前記高弾性領域
の周囲及び少なくとも前記インク供給路に対向する領域
に形成され、また前記高弾性領域は、一端が前記ノズル
開口の側の非伸縮領域に対向する領域に形成されている
前記高弾性領域に延長され、他端が前記インク供給路と
対向する近傍の領域まで延長して形成されていて、前記
電気機械変換素子の伸縮により前記圧力発生室の低弾性
領域を変位させて前記圧力発生室の容積を変化させ、か
つ前記インク供給路の領域の低弾性領域を変位させて前
記インク供給路の流体抵抗を変化させるようにした。
【０００９】
【作用】電気機械変換素子に当接して伸縮を受ける高弾
性領域が、伸縮領域とインク供給路との間に形成されて
いるため、圧力発生室のコンプライアンスが小さくな
り、圧力発生室の容積変化を少なくしてインク滴の少量
化が可能となり、また圧力発生室のコンプライアンスの
減少によりインク滴吐出周期を短縮できて１画素を複数
のインク滴により面積階調でも高速で印刷できる。
【００１０】
【実施例】そこで以下に本発明の詳細を実施例に基づい
て説明する。図１、図２は、それぞれ本発明の一実施例
を示すものであって、複数のノズル開口１を形成したノ
ズル形成部材２と、それぞれのノズル開口１に連通する
圧力発生室４、インク供給路５、リザーバ６を形成した
流路形成部材３と、厚さ２０〜３０μｍのステンレスシ
ートにエッチング等により選択的にパターンニング加工
を施し、厚さ２μｍ程度の低弾性領域１１と、高弾性領
域１２を形成した可撓壁部材１０とを積層してフレーム
部材８（図２）に固着されている。
【００１１】可撓壁部材１０は、圧力発生室４の一側の
外端と、他側に配置されているリザーバ６の外端とでフ
レーム部材８に支持されている。高弾性領域１２は、圧
電振動子７の変位を圧力発生室４に確実に伝達できる程
度の剛性を備え、ノズル開口１の側となる端部１２ａが
流路形成部材３と対向する位置まで延長され、また他端
１２ｂは少なくともインク供給口５に到達する箇所まで
延長されている。
【００１２】この結果、低弾性領域１１は、圧力発生室
４に対向する領域の一部に形成されている高弾性領域１
２の側部と、少なくともインク供給路５を越えてリザー
バ６の近傍に到達する位置にわたって形成されている。
なお、図中符号９は、圧力発生室４を区画する隔壁を示
す。
【００１３】ノズル開口１の開口面積、ノズル形成部材
２の厚さやその断面形状、さらには圧力発生室４、イン
ク供給路５を構成する流路形成部材３の精度は、インク
滴の飛翔速度や、インク量等のインク吐出特性に大きな
影響を及ぼすので、高い精度での加工が必要となる。こ
のため、ノズル形成部材２及び流路形成部材３は、精密
プレス加工、エキシマレーザー加工、ニッケル等の電鋳
加工、またはシリコンウエハ等の異方性エッチング加工
等により形成するのが望ましい。
【００１４】可撓壁部材１０に形成される高弾性領域１
２には、積層型圧電振動子７の先端が接着等により機械
的に接合されている。
【００１５】この積層型圧電振動子７は、図３（ａ）、
（ｂ）に示したように厚さ２０〜３０μｍ程度の圧電材
料と、厚さ２〜５μｍ程度の電極材料を交互に積層して
極が異なる電極１５、１６により圧電層１４を挟むよう
に構成されていて、この実施例では積層方向と直角方向
に変位する、いわゆるｄ31モードの振動子として構成さ
れている。
【００１６】これら振動子７、７、７‥‥は、ヘッドへ
の組込みの便宜を考慮して一端をベース部材１３にほぼ
ノズル開口１の配列ピッチに合わせて固定されてユニッ
トに纏められている。
【００１７】これら電極１５、１５‥‥、及び電極１
６、１６は、それぞれ圧電振動子７の先端と後端とで外
部電極１７、１８に接続され、一方の外部電極１７を個
別電極に、また他方の外部電極１８を導電材１９で並列
接続して共通電極とされている。
【００１８】高弾性領域１２の一端１２ａから積層型圧
電振動子７までの距離Ｌ12aは、積層型圧電振動子７の
変位力に対する可撓性部材１０からの反力が１／１００
以下に減少する長さに選択されている。なお、機構的に
は距離Ｌ12aを短く設定する方が、高弾性領域１２の他
端１２ｂの変位を大きくすることができるが、変位効率
及び各接合面に作用する応力とのバランスを考えて最適
な値に設定する必要がある。
【００１９】このように構成した記録ヘッドにおいて、
積層型圧電振動子７に駆動信号が印加されると、圧電振
動子７が収縮して、一端１２ａがノズル開口１の先から
他端１２ｂがインク供給路５近傍まで延びる高弾性領域
が、インク供給口５、及びリザーバ６の低弾性領域１１
のコンプライアンスで変形して圧力発生室４を可及的に
膨張させる。
【００２０】所定の時間が経過して圧電振動子７への駆
動信号の印加が停止すると、圧電振動子７が伸長して圧
力発生室４を収縮させる。この場合にも一端１２ａが圧
力発生室４のノズル開口１の先から他端１２ｂがインク
供給路５を越えてリザーバ６にまで達している高弾性領
域１２が、インク供給口５及びリザーバ６のコンプライ
アンスに助けられて変位し、コンプライアンスの低い圧
力発生室４を圧縮する。
【００２１】もとより、圧力発生室４に対向する低弾性
領域１１の面積が極めて小さいから、圧力発生室４のコ
ンプライアンスが小さく、１回のインク滴の吐出による
インク量が少なく、また圧電振動子７の伸縮に十分に追
従できて高速駆動が可能となる。
【００２２】なお、上述の実施例においては、高弾性領
域１２の他端１２ｂをインク供給口の近傍まで延長して
いるが、図４に示したように高弾性領域の両端１２ａ、
１２ｂを共に流路形成部材３にまで延長してもよい。
【００２３】この実施例によれば、圧力発生室４のコン
プライアンスをさらに小さくできて、１回のインク滴の
インク量を少なくし、かつ高速応答を可能ならしめるこ
とができる。
【００２４】図５は、本発明の第２の実施例を示すもの
であって、図中符号３０は、圧力発生室３１と、これを
挟む２つのリザーバ３２、３３、及びこれらリザーバ３
２、３３と圧力発生室３１とを接続するインク供給路３
４、３５とを区画する流路形成部材で、一方の面をノズ
ル開口３６を備えたノズルプレート３７により、また他
方の面を後述する可撓壁部材３８により封止されてい
る。
【００２５】３８は、前述の可撓壁部材３８で、高弾性
領域４０がフレーム部材４１に到達する長さとして形成
され、また低弾性領域３９が圧力発生室３１の幅方向に
高弾性領域４０を挟むように形成されている。
【００２６】一方、高弾性領域４０は、積層型圧電振動
子４２の先端の、圧力発生室３１の長手方向に延びる圧
力伝達部材４２ａを介して積層型圧電振動子４２の変位
を受け、圧力発生室３１の容積を変化させるように構成
されている。
【００２７】この実施例においては、高弾性領域４０が
圧力発生室３１の一端からインク供給路３４、３５、及
びリザーバ３２、３３を越えてフレーム部材４１まで及
ぶ領域まで形成され、またその両側に低弾性領域３９が
形成されているため、圧力発生室３１のコンプライアン
スがその両側に形成されている低弾性領域３９で賄われ
るだけで極めて小さく、したがってインク滴の少量化と
高速応答が可能となる。
【００２８】なお、上述の実施例においては、圧電振動
子４２が圧力伝達部材４２ａを備えていて、高弾性領域
４０全体に均等に変位力を伝達できるため、高弾性領域
４０をフレーム部材４１に到達する連続体として構成し
ているが、このような圧力伝達部材４２ａを使用しない
場合には、図６に示したように圧力発生室３１から離れ
たリザーバ３２、３３の領域に低弾性領域４４を形成し
て、高弾性領域４５による圧力発生室３１の容積変化を
助けるのが望ましい。
【００２９】また、上述の実施例においては、電界と直
交する方向の変位（ｄ３１）を利用しているが、図７に
示したように所望する変位の方向と平行に電極５１、５
２、及び圧電材料５３を交互に積層した、いわゆるｄ33
モードの圧電振動子５４も使用できることは明らかであ
る。
【００３０】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
電気機械変換素子に当接して変位を受ける高弾性領域の
少なくとも一端が非変位領域まで延長して形成されてい
るため、圧力発生室のコンプライアンスが小さくなり、
圧力発生室の容積変化を少なくしてインク滴の少量化が
可能となるばかりでなく、圧力発生室のコンプライアン
スの減少によりインク滴吐出周期を短縮できて１画素を
複数のインク滴により面積階調でも高速で印刷できる。
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の記録ヘッドの一実施例を示す断面斜視
図である。
【図２】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施
例を、圧力発生室の近傍の断面構造、及び可撓壁部材の
上面構造を示す図である。
【図３】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ同上記録ヘッド
に使用する積層型圧電振動子の一実施例を示す斜視図
と、断面図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す断面斜視図である。
【図５】図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の他の実
施例を、圧力発生室の近傍の断面構造、及び可撓壁部材
の上面構造を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ ノズル開口 ４ 圧力発生室 ５ インク供給路 ６ インクリザーバ ７ 積層型圧電振動子 ８ フレーム部材 １０ 可撓壁部材 １１ 低弾性領域 １２ 高弾性領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−64163（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−143651（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−91872（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−1052（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−118241（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開573055（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧力発生室と、該圧力発生室に連通する
    インク供給路と、該インク供給路に連通するリザーバと
    を区画する流路形成部材と、前記流路形成部材の一方の
    面を封止するとともに前記圧力発生室に連通するノズル
    開口を備えたノズルプレートと、前記流路形成部材の他
    方の面を封止して前記圧力発生室の容積を変化させる可
    撓壁部材と、該可撓壁部材に当接してこれを弾性的に変
    形させる縦振動モードを備えた電気機械変換素子とから
    なるインクジェット式記録ヘッドにおいて、 前記可撓壁部材が、少なくとも前記圧力発生室に対向す
    る領域に形成され、かつ前記電気機械変換素子に当接し
    て前記電気機械変換素子の伸縮により前記圧力発生室の
    容積を変化させる高弾性領域と、前記電気機械変換素子
    の伸縮による前記高弾性領域に追従して弾性変形する低
    弾性領域とを備え、 前記低弾性領域は、前記高弾性領域の周囲及び少なくと
    も前記インク供給路に対向する領域に形成され、 また前記高弾性領域は、一端が前記ノズル開口の側の非
    伸縮領域に対向する領域に形成されている前記高弾性領
    域に延長され、他端が前記インク供給路と対向する近傍
    の領域まで延長して形成されていて、前記電気機械変換
    素子の伸縮により前記圧力発生室の低弾性領域を変位さ
    せて前記圧力発生室の容積を変化させ、かつ前記インク
    供給路の領域の低弾性領域を変位させて前記インク供給
    路の流体抵抗を変化させるインクジェット式記録ヘッ
    ド。
  2. 【請求項２】 前記電気機械変換素子に当接する前記高
    弾性領域の一端だけがフレーム部材で支持され、その周
    囲に前記低弾性領域が形成されている請求項１のインク
    ジェット式記録ヘッド。
  3. 【請求項３】 前記低弾性領域が、前記圧力発生室から
    前記リザーバの領域まで形成されている請求項２に記載
    のインクジェット式記録ヘッド。
JP26223795A 1994-09-26 1995-09-14 インクジェット式記録ヘッド Expired - Lifetime JP3484841B2 (ja)

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US08/533,934 US5784085A (en) 1994-09-26 1995-09-26 Ink jet print head with flexible wall member having low and high elasticity portions

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