JP3733224B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、圧電振動子をアクチュエータとして弾性変形可能な圧力発生室の容積を膨張、収縮させてノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
記録ヘッドの記録密度の向上を図るためにノズル開口列のピッチが小さくなる傾向にあり、このためシリコン単結晶のウエハーを異方性エッチングし、これに他の方法で製作されたノズルプレートや弾性板を接着剤で固定して流路ユニットを構成し、これに圧電振動子の変位を伝達して圧力発生室に圧力を発生させ、この圧力によりインク滴をノズル開口から吐出させるように構成されている。
【０００３】
圧力発生室の配列密度が大きくなると、圧力発生室の幅が極めて小さくなるため、圧力発生室の長手方向全体を効率的に変形させる必要上、弾性変形可能な板材に圧力発生室の長手方向に延びる凸部、いわゆるアイランド部をエッチング等により形成し、このアイランド部の剛性により圧電振動子の変位を弾性板に伝達している。このため、アイランド部は、圧力発生室の容積を効率的に変化させるために或程度の剛性を必要とするため、通常、不錆鋼等の金属材料により構成されている。
【０００４】
しかしながら、金属材料のエッチングは、レジストによりパターニングして等方性エッチングが施されるため、エッチングに形成される対象物の絶対精度は、プラスマイナス１５μｍ程度であるため、圧力発生室のサイズが小さくなるとダイヤフラム部の相対的精度が低下する。このため、各圧力発生室のコンプライアンスに大きなばらつきが生じて、これに支配されるヘルムホルツ共振周波数が一定せず、インク滴吐出時のメニスカスの位置がばらつきいて印字品質の低下を招くという問題がある。
本発明はこのような問題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圧力発生室のコンプライアンスを可及的に均一化してインク滴吐出特性を均一にすること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。
【０００５】
【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、リザーバ、複数のインク供給口、及び複数の圧力発生室を区画する流路形成基板と、該流路形成基板の一方の面を封止して圧電振動子の変位を受ける弾性板と、前記圧力発生室に連通するノズル開口を備え、前記流路形成基板の他方の面を封止するノズルプレートとからなるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室に非連通で、かつ弾性膜部により区画された空洞が前記各圧力発生室内の前記ノズルプレート側に形成されている。
【０００６】
【作用】
圧力発生室毎に弾性膜部により区画された空洞が存在するため、各圧力発生室の弾性膜部が各圧力発生室に対して大きなコンプライアンスを持ち、圧電振動子の変位を受ける弾性板により形成される圧力発生室のコンプライアンスの割合が相対的に低下し、したがって弾性板によるコンプライアンスのバラツキが少なくなり、圧力発生室相互間でのヘルムホルツ共振周波数の変動率を抑えて各圧力発生室のインク滴吐出特性を均一にする。
【０００７】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例を示すものであって、軸方向に伸縮する圧電振動子１は、その先端を流路ユニット２を構成する弾性板３に当接した状態でヘッドホルダ４に固定されている。この流路ユニット２は、圧電振動子１に当接するアイランド部３ａと、弾性変形可能なダイヤフラム部３ｂが形成された弾性板３と、後述する流路形成基板５と、ノズル開口６を備えたノズルプレート７とを積層して構成されている。
【０００８】
流路形成基板５は、貫通孔として形成されるリザーバ８と、圧電振動子側に凹部として形成された圧力発生室９と、圧力発生室９に連通する凹部として形成されたインク供給口１０と、ノズル開口６に対向する貫通孔からなるノズル連通孔１１と、圧力発生室９に対向する位置にインク滴吐出時の圧力により弾性変形可能な弾性膜部１２を形成する、ノズルプレート側が開口する凹部１３を設けて構成されている。
【０００９】
この実施例において、圧電振動子１が収縮して圧力発生室９が膨張すると、リザーバ８のインクがインク供給口１０から圧力発生室９に流れ込み圧力発生室９にインクが供給される。
【００１０】
圧電振動子１が伸長してアイランド部３ａがノズルプレート側に押圧されると、圧力発生室９の容積が縮小してインクが加圧され、ノズル開口６からインク滴が吐出する。
【００１１】
インク滴吐出後、ノズル開口９のメニスカスは、圧力発生室９のコンプライアンス等の要因で支配されるヘルムホルツ共振周波数ｆにより振動を開始する。
【００１２】
ところで、インクジェット式記録ヘッドのヘルムホルツ共振振動の周波数ｆは、周知のように圧力発生室９のインクの圧縮性に起因する流体コンプライアンスをＣｉ、また圧力発生室９を形成している弾性板３、ノズルプレート７等の材料自体による剛性コンプライアンスをＣｖ、ノズル開口６のイナータンスをＭｎ、インク供給口４のイナータンスをＭｓとすると、
ｆ=1/2π×√｛(Ｍｎ+Ｍｓ)/（Ｍｎ×Ｍｓ）(Ｃｉ+Ｃｖ)｝
により表される。
また、メニスカスのコンプライアンスをＣｎとすると、メニスカスの固有振動周期Ｔｍは次式で示される。
Ｔｍ＝２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｓ）Ｃｎ｝
また、圧力発生室９の体積をＶ、インクの密度をρ、インク中での音速をｃとすると、流体コンプライアンスＣｉは次式で示される。
Ｃｉ＝Ｖ／ρｃ2
さらに圧力発生室９の剛性コンプライアンスＣｖは、圧力発生室９に単位圧力を印加したときの圧力発生室２の静的な変形率に一致する。
【００１３】
なお、弾性膜部１２の変形スパンは、弾性板３のダイヤフラム部３ｂの変位スパンに比較して可及的に大きく構成されるため、弾性膜部１２の形成誤差に起因するコンプライアンスのばらつきは小さく抑えられている。
【００１４】
いうまでもなく、弾性膜部１２によるコンプライアンスは、弾性板３のダイヤフラム部３ｂによるコンプライアンスよりも大きいから、アイランド部３ａの形成誤差による弾性板３のコンプライアンスのばらつきが相対的に小さくなり、ヘルムホルツ共振周波数ｆが一定となる。
【００１５】
このため、総ての圧力発生室２のメニスカスの振動位相が一致することになり、インク滴のインク量や飛行速度を一定とすることができる。
【００１６】
図２は、本発明の他の実施例を示すものであって、流路形成基板２０は、流路形成基板として必要な厚みのほぼ１／２程度の厚みの第１部材２１と、第２部材２２と、これに弾性膜２３を介装し、第２部材２２の凹部２４を弾性膜２３により封止することで、弾性膜部２５が形成されている。
【００１７】
図３は、上述の流路形成基板２０の一実施例を示すものであって、第１部材２１は、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、圧力発生室９及びリザーバ８、及び圧力発生室９とリザーバ８を接続するインク供給口１０の形状を備えた貫通孔２６、２７２８を形成して構成されている。
【００１８】
また第２部材２２は、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル連通孔１１、凹部２４、及びリザーバ８の形状に一致する貫通孔２９、３０、３１を、さらに、弾性膜２３は、ノズル連通孔１１、及びリザーバ８の形状に一致する貫通孔３２、３３を形成して構成されている。
【００１９】
なお、弾性膜部２５は、弾性膜２３を介して一方の面が圧力発生室９のインクに、他方の面が凹部２４の空気に接しているため、弾性膜２３がインクを構成する溶媒の蒸気や空気に対して透過性を有する場合には、凹部２４内の圧力が変化し、これに起因して弾性膜部２５のコンプライアンスも変化することになる。このため、弾性膜２３は、不錆鋼等の耐インク性を備えた金属や、ポリイミド等の高分子材料に遮気用の金属膜を形成した材料により構成するのが望ましい。
【００２０】
この実施例によれば、弾性膜部を第２部材２２に貫通孔３０を形成し、この貫通孔３０を弾性膜２３により封止することにより構成できるため、エッチング量の管理が比較的困難なハーフエッチング処理が不要で、かつエッチング時の膜厚の管理が不要となって、高い精度がコンプライアンスを付与することができる。
【００２１】
また、金属等の等方性エッチングに比較してエッチング精度が高いシリコン単結晶基板の異方性エッチングを使用することができる。
【００２２】
なお、上述の実施例においては流路形成基板をシリコン単結晶基板を異方性エッチングして構成しているが、感光性ガラスに所要のパターンを露光して、エッチングしても同等の精度を備えた流路形成基板を構成することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、各圧力発生室の弾性膜部が大きなコンプライアンスを付与でき、弾性板によるコンプライアンスの圧力発生室全体のコンプライアンスに占める割合が低下してヘルムホルツ共振周波数の変動率を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの一実施例を、圧力発生室の中心線での断面構造を示す図である。
【図２】本発明の他の実施例を、圧力発生室の中心線での断面構造を示す図である。
【図３】同上記録ヘッドの流路形成基板の一実施例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 流路ユニット
３ 弾性板
４ ヘッドホルダ
５ 流路形成基板
７ ノズルプレート
８ リザーバ
９ 圧力発生室
１０ インク供給口
１１ ノズル連通孔
１２ 弾性膜部
１３ 凹部
【発明の属する技術の分野】
本発明は、圧電振動子をアクチュエータとして弾性変形可能な圧力発生室の容積を膨張、収縮させてノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
記録ヘッドの記録密度の向上を図るためにノズル開口列のピッチが小さくなる傾向にあり、このためシリコン単結晶のウエハーを異方性エッチングし、これに他の方法で製作されたノズルプレートや弾性板を接着剤で固定して流路ユニットを構成し、これに圧電振動子の変位を伝達して圧力発生室に圧力を発生させ、この圧力によりインク滴をノズル開口から吐出させるように構成されている。
【０００３】
圧力発生室の配列密度が大きくなると、圧力発生室の幅が極めて小さくなるため、圧力発生室の長手方向全体を効率的に変形させる必要上、弾性変形可能な板材に圧力発生室の長手方向に延びる凸部、いわゆるアイランド部をエッチング等により形成し、このアイランド部の剛性により圧電振動子の変位を弾性板に伝達している。このため、アイランド部は、圧力発生室の容積を効率的に変化させるために或程度の剛性を必要とするため、通常、不錆鋼等の金属材料により構成されている。
【０００４】
しかしながら、金属材料のエッチングは、レジストによりパターニングして等方性エッチングが施されるため、エッチングに形成される対象物の絶対精度は、プラスマイナス１５μｍ程度であるため、圧力発生室のサイズが小さくなるとダイヤフラム部の相対的精度が低下する。このため、各圧力発生室のコンプライアンスに大きなばらつきが生じて、これに支配されるヘルムホルツ共振周波数が一定せず、インク滴吐出時のメニスカスの位置がばらつきいて印字品質の低下を招くという問題がある。
本発明はこのような問題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圧力発生室のコンプライアンスを可及的に均一化してインク滴吐出特性を均一にすること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。
【０００５】
【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、リザーバ、複数のインク供給口、及び複数の圧力発生室を区画する流路形成基板と、該流路形成基板の一方の面を封止して圧電振動子の変位を受ける弾性板と、前記圧力発生室に連通するノズル開口を備え、前記流路形成基板の他方の面を封止するノズルプレートとからなるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室に非連通で、かつ弾性膜部により区画された空洞が前記各圧力発生室内の前記ノズルプレート側に形成されている。
【０００６】
【作用】
圧力発生室毎に弾性膜部により区画された空洞が存在するため、各圧力発生室の弾性膜部が各圧力発生室に対して大きなコンプライアンスを持ち、圧電振動子の変位を受ける弾性板により形成される圧力発生室のコンプライアンスの割合が相対的に低下し、したがって弾性板によるコンプライアンスのバラツキが少なくなり、圧力発生室相互間でのヘルムホルツ共振周波数の変動率を抑えて各圧力発生室のインク滴吐出特性を均一にする。
【０００７】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例を示すものであって、軸方向に伸縮する圧電振動子１は、その先端を流路ユニット２を構成する弾性板３に当接した状態でヘッドホルダ４に固定されている。この流路ユニット２は、圧電振動子１に当接するアイランド部３ａと、弾性変形可能なダイヤフラム部３ｂが形成された弾性板３と、後述する流路形成基板５と、ノズル開口６を備えたノズルプレート７とを積層して構成されている。
【０００８】
流路形成基板５は、貫通孔として形成されるリザーバ８と、圧電振動子側に凹部として形成された圧力発生室９と、圧力発生室９に連通する凹部として形成されたインク供給口１０と、ノズル開口６に対向する貫通孔からなるノズル連通孔１１と、圧力発生室９に対向する位置にインク滴吐出時の圧力により弾性変形可能な弾性膜部１２を形成する、ノズルプレート側が開口する凹部１３を設けて構成されている。
【０００９】
この実施例において、圧電振動子１が収縮して圧力発生室９が膨張すると、リザーバ８のインクがインク供給口１０から圧力発生室９に流れ込み圧力発生室９にインクが供給される。
【００１０】
圧電振動子１が伸長してアイランド部３ａがノズルプレート側に押圧されると、圧力発生室９の容積が縮小してインクが加圧され、ノズル開口６からインク滴が吐出する。
【００１１】
インク滴吐出後、ノズル開口９のメニスカスは、圧力発生室９のコンプライアンス等の要因で支配されるヘルムホルツ共振周波数ｆにより振動を開始する。
【００１２】
ところで、インクジェット式記録ヘッドのヘルムホルツ共振振動の周波数ｆは、周知のように圧力発生室９のインクの圧縮性に起因する流体コンプライアンスをＣｉ、また圧力発生室９を形成している弾性板３、ノズルプレート７等の材料自体による剛性コンプライアンスをＣｖ、ノズル開口６のイナータンスをＭｎ、インク供給口４のイナータンスをＭｓとすると、
ｆ=1/2π×√｛(Ｍｎ+Ｍｓ)/（Ｍｎ×Ｍｓ）(Ｃｉ+Ｃｖ)｝
により表される。
また、メニスカスのコンプライアンスをＣｎとすると、メニスカスの固有振動周期Ｔｍは次式で示される。
Ｔｍ＝２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｓ）Ｃｎ｝
また、圧力発生室９の体積をＶ、インクの密度をρ、インク中での音速をｃとすると、流体コンプライアンスＣｉは次式で示される。
Ｃｉ＝Ｖ／ρｃ2
さらに圧力発生室９の剛性コンプライアンスＣｖは、圧力発生室９に単位圧力を印加したときの圧力発生室２の静的な変形率に一致する。
【００１３】
なお、弾性膜部１２の変形スパンは、弾性板３のダイヤフラム部３ｂの変位スパンに比較して可及的に大きく構成されるため、弾性膜部１２の形成誤差に起因するコンプライアンスのばらつきは小さく抑えられている。
【００１４】
いうまでもなく、弾性膜部１２によるコンプライアンスは、弾性板３のダイヤフラム部３ｂによるコンプライアンスよりも大きいから、アイランド部３ａの形成誤差による弾性板３のコンプライアンスのばらつきが相対的に小さくなり、ヘルムホルツ共振周波数ｆが一定となる。
【００１５】
このため、総ての圧力発生室２のメニスカスの振動位相が一致することになり、インク滴のインク量や飛行速度を一定とすることができる。
【００１６】
図２は、本発明の他の実施例を示すものであって、流路形成基板２０は、流路形成基板として必要な厚みのほぼ１／２程度の厚みの第１部材２１と、第２部材２２と、これに弾性膜２３を介装し、第２部材２２の凹部２４を弾性膜２３により封止することで、弾性膜部２５が形成されている。
【００１７】
図３は、上述の流路形成基板２０の一実施例を示すものであって、第１部材２１は、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、圧力発生室９及びリザーバ８、及び圧力発生室９とリザーバ８を接続するインク供給口１０の形状を備えた貫通孔２６、２７２８を形成して構成されている。
【００１８】
また第２部材２２は、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル連通孔１１、凹部２４、及びリザーバ８の形状に一致する貫通孔２９、３０、３１を、さらに、弾性膜２３は、ノズル連通孔１１、及びリザーバ８の形状に一致する貫通孔３２、３３を形成して構成されている。
【００１９】
なお、弾性膜部２５は、弾性膜２３を介して一方の面が圧力発生室９のインクに、他方の面が凹部２４の空気に接しているため、弾性膜２３がインクを構成する溶媒の蒸気や空気に対して透過性を有する場合には、凹部２４内の圧力が変化し、これに起因して弾性膜部２５のコンプライアンスも変化することになる。このため、弾性膜２３は、不錆鋼等の耐インク性を備えた金属や、ポリイミド等の高分子材料に遮気用の金属膜を形成した材料により構成するのが望ましい。
【００２０】
この実施例によれば、弾性膜部を第２部材２２に貫通孔３０を形成し、この貫通孔３０を弾性膜２３により封止することにより構成できるため、エッチング量の管理が比較的困難なハーフエッチング処理が不要で、かつエッチング時の膜厚の管理が不要となって、高い精度がコンプライアンスを付与することができる。
【００２１】
また、金属等の等方性エッチングに比較してエッチング精度が高いシリコン単結晶基板の異方性エッチングを使用することができる。
【００２２】
なお、上述の実施例においては流路形成基板をシリコン単結晶基板を異方性エッチングして構成しているが、感光性ガラスに所要のパターンを露光して、エッチングしても同等の精度を備えた流路形成基板を構成することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、各圧力発生室の弾性膜部が大きなコンプライアンスを付与でき、弾性板によるコンプライアンスの圧力発生室全体のコンプライアンスに占める割合が低下してヘルムホルツ共振周波数の変動率を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドの一実施例を、圧力発生室の中心線での断面構造を示す図である。
【図２】本発明の他の実施例を、圧力発生室の中心線での断面構造を示す図である。
【図３】同上記録ヘッドの流路形成基板の一実施例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動子
２ 流路ユニット
３ 弾性板
４ ヘッドホルダ
５ 流路形成基板
７ ノズルプレート
８ リザーバ
９ 圧力発生室
１０ インク供給口
１１ ノズル連通孔
１２ 弾性膜部
１３ 凹部
Claims (9)
- リザーバ、複数のインク供給口、及び複数の圧力発生室を区画する流路形成基板と、該流路形成基板の一方の面を封止して圧電振動子の変位を受ける弾性板と、前記圧力発生室に連通するノズル開口を備え、前記流路形成基板の他方の面を封止するノズルプレートとからなるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室に非連通で、かつ弾性膜部により区画された空洞が前記各圧力発生室内の前記ノズルプレート側に形成されているインクジェット式記録ヘッド。
- 前記弾性膜部が、前記流路形成基板の前記ノズルプレート側に凹部を形成することにより構成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記流路形成基板が、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより構成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記流路形成基板が、感光性ガラスをエッチングして構成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記流路形成基板が、第１部材、第２部材、及び弾性膜を積層して構成され、前記弾性膜部が前記ノズルプレート側に位置する第２部材に貫通孔を形成することにより構成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 第１部材、及び第２部材が、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより構成されている請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 第１部材、及び第２部材が、感光性ガラスをエッチングすることにより構成されている請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記弾性膜が、金属により構成されている請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
- 前記弾性膜が、高分子膜と金属薄膜との積層により構成されている請求項５に記載のインクジェット式記録ヘッド。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31651597A JP3733224B2 (ja) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | インクジェット式記録ヘッド |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31651597A JP3733224B2 (ja) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | インクジェット式記録ヘッド |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11129467A JPH11129467A (ja) | 1999-05-18 |
| JP3733224B2 true JP3733224B2 (ja) | 2006-01-11 |
Family
ID=18077976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31651597A Expired - Fee Related JP3733224B2 (ja) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | インクジェット式記録ヘッド |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3733224B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4582173B2 (ja) | 2008-03-28 | 2010-11-17 | ブラザー工業株式会社 | 液体移送装置 |
-
1997
- 1997-10-31 JP JP31651597A patent/JP3733224B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11129467A (ja) | 1999-05-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030129 |
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| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050901 |
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| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
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| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
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