JP3821221B2

JP3821221B2 - Ink jet head and recording apparatus using the same

Info

Publication number: JP3821221B2
Application number: JP2002094667A
Authority: JP
Inventors: 悟飛田; 真也富田; 俊孝小川
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003291333A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルからインク滴を吐出して記録媒体に文字等の記録像を書き込むインクジェット式記録ヘッドおよびこれを用いた記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置は、ノズル開口部からインク滴を吐出させて紙などの記録媒体に文字や画像を印刷するものである。近年、より高速、高品質な印字を行うインクジェット式印刷装置が求められている。そのような印刷装置を実現するには、実装密度の向上や高周波駆動可能なインクジェットヘッドを必要とする。高周波駆動可能なヘッドを構成する技術は種々提案されている。例えば、ヘッド寸法等によって定義されるヘルムホルツ周波数を大きくして、ヘッドを構成する技術などが提案されている。
【０００３】
また、特開平０８−２９０５７１号公報に、ノズル開口部とインクが供給されるリストリクタ部、其々のイナータンスの関係を規定することで高周波駆動可能な方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、単にイナータンスのみの関係を維持するだけでは、例えば、インク室を膨張収縮させてインク滴を吐出させる場合の駆動波形において、膨張或いは収縮させる工程の時間が短い場合などにインク室の膨張工程後の慣性によるインクの流入が遅れたりして、最悪の場合、吐出不良を引き起こす。また、インクの流入を確保するために膨張保持する時間を長くすると、駆動波形全体が長くなり、周波数応答時間に限界が生じてしまう。
【０００５】
また、インクを高周波で吐出する際に、インク滴の飛翔速度が大きく変動してしまっていた。これは、直前に吐出されたインク滴のメニスカスの残留振動が大きいことによるものであり、場合によっては吐出不能となることもあった。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは高周波でも吐出可能なインクジェットヘッドを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、インクを吐出するノズルと、そのノズルに連通する圧力発生室と、その圧力発生室へインクタンクからのインクを供給する共通インク室と、前記圧力発生室と前記共通インク室との間に位置し、複数の微細穴からなるリストリクタと、前記圧力発生室の一壁面を成す振動板と、その振動板に当接して前記圧力発生室を加圧する圧電素子とを有するインクジェットヘッドにおいて、前記リストリクタは前記振動板の板面と対向してほぼ平行に設置される薄板に複数の微細穴が形成されたものであって、かつ前記微細穴の形成領域の平面積が前記振動板の平面積に対し３０％以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、流体抵抗をＲｎ、リストリクタ部におけるイナータンスをＭｒ、流体抵抗Ｒｒをとした場合において、ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ、ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎ、とした場合に、ａを：０．５＜ａ＜２．０、ｂを：４．０＜ｂ＜１６．０の範囲とするリストリクタの個数Ｎ、の最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合に、ｎ／ｎ'＝２〜３とすることを特徴とする。
【００１１】
また、前記リストリクタを構成する部材が、共通インク室と、圧力発生室の一面とを兼ねることを特徴とする。
【００１２】
また、前記ノズル、圧力発生室、リストリクタ、共通インク室、振動板を形成する流路形成部を、フィルム状の感光性樹脂を積層して構成したことを特徴とする。
【００１３】
また、前記ノズル、圧力発生室、リストリクタ、共通インク室、振動板を形成する流路形成部を、金属製の薄板を積層して構成したことを特徴とする。
【００１４】
また、前記ノズル、圧力発生室、リストリクタ、共通インク室、振動板を形成する流路形成部を、シリコンや水晶などの単結晶材料をエッチングして一体形成したことを特徴とする。
【００１５】
更に、上記のインクジェットヘッドを適用した記録装置であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図９に、一般的なシリアル方式インクジェット記録装置について説明する。
【００１７】
図９は、インクジェット記録装置の正面図であり、斜線部は断面を表す。
【００１８】
後に詳述するインクジェットヘッド１０１と、そのインクジェットヘッド１０１にインクを供給するインクカートリッジ１０２を搭載した記録ユニット１０３は、ガイドシャフト１０４に対して摺動自在に支持されると共に、動力伝達部材１０５に連結されており、駆動源６によりガイドシャフト１０４に沿って往復運動する。
【００１９】
一方、被記録物１０７はインクジェットヘッド１０１のノズル面１０８と対向し、記録ユニット１０３の移動方向に直交する方向に搬送ローラ１０９によって搬送される。被記録物１０７にはインクジェットヘッド１０１のノズル１１０より記録信号に応じてインクが噴射され、画像が形成される。
【００２０】
記録領域外に設けられた１１１は、複数のノズル１を有するノズル面１０８をキャッピングするゴムなどの弾性体からなるキャップ部材である。非記録時には、記録ユニット１０３がキャップ部材１１１の上方まで移動し、キャップ部材１１１が図示していない動力源によりノズル面１０８をキャッピングする。多くの場合、キャップ内にはインク吸引の際の吸引容易化、キャップ内雰囲気湿潤化等のため、インク吸収シート１１２が備えられている。
【００２１】
また、キャップ部材１１１には底面に２本のチューブ１１３，１１４が連結しており、チューブ１１３は大気開放弁１１５と繋がっている。チューブ１１４は吸引ポンプ１１６を介してキャップ内に負圧を供給でき、大気開放弁１１５を閉じることでインクジェットヘッド１０１内のインクを吸引し、大気開放弁１１５を開放することでキャップ内の空間１１７に溜まったインクを吸引する。吸引されたインクは、チューブ１１４の先端に設けられた排インク室１１８に排出される。
【００２２】
このような記録装置に搭載されるインクジェットヘッドについて、以下に、本発明の一例を図面に基づいて詳細に説明する。また、本例では、シリアル方式記録装置について記載しているが、ヘッドが固定されたラインヘッド方式の記録装置であっても同様に適用可能である。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
図１は本発明の一例となるインクジェットヘッドを示す断面図であり、図２は従来技術によるインクジェットヘッドを示す断面図である。
【００２５】
図１および図２に、インクを吐出するノズル１と、インクを供給する共通インク室２とに連通する圧力発生室３と、圧力発生室３の一壁面を成す振動板４と、振動板を動かす圧電振動子５とを有し、圧力発生室３と共通インク室２との間にインク滴吐出後のメニスカスの残留振動を減衰させる為の抵抗を発生させるリストリクタ６が配設されている。なお、共通インク室へのインク流路は図示していないが、従来と同様、共通インク室の一部にインクタンクからのインクを注入可能な穴を設け、インクを充填する。
【００２６】
前記共通インク室２は、図１０中の破線で示すように、圧力発生室３のほぼ直下の領域にまで存在している。図２において、共通インク室２内にラストチャンスフィルタ７が配設され、リストリクタ６とは独立して構成されている。
【００２７】
本発明の一例の圧力発生室３は、従来技術と比較し、イナータンスＭを大きくすることなく、流体抵抗Ｒを大きく出来る特徴を有する。このような特徴が必要となる理由は次のようにして分かる。
【００２８】
高い動作周波数を達成する為には、下記式で定義されるヘルムホルツ共振周波数ｆを高くする必要がある。
ｆ＝１／２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｒ）／（（Ｃｃ＋Ｃｄ）（ＭｎｘＭｒ））｝…（１）
ここで、Ｃｃは圧力発生室内のインクに関するコンプライアンス、Ｃｄは圧力発生室の各壁に関するコンプライアンス、Ｍｎはノズルのイナータンス、Ｍｒはリストリクタのイナータンスである。この式から、Ｍｎ、Ｍｒが大きくなると、ｆは小さくなることが分かる。
【００２９】
一方、リストリクタの流体抵抗Ｒｎの大きい方が、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動が小さい。これは、音響モデルにおける集中定数回路より算出される振動の時定数（≒減衰時間）は、τ＝２ｘ（Ｍ／Ｒ）で表されることからも容易に分かる。メニスカスの残留振動が大きいと、その次に吐出されるインク滴の飛翔速度等の特性が変動し、場合によっては吐出不能となる。特性変動をおさえ、吐出不能を防ぐ為には、メニスカスの残留振動が十分に減衰するまで待って、次発を吐出する必要がある。従って、高周波数駆動の為には、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動を小さくする、ひいてはリストリクタの流体抵抗Ｒｎを大きくすることが必要となる。
【００３０】
しかし、従来技術では、流体抵抗Ｒを大きくすると、イナータンスＭも大きくなる、例えば、円筒流路の場合、直径ｄ、単位長さあたり流路のイナータンスＭと流体抵抗Ｒは次の式で表される。
Ｍ＝ρ／（π×ｄ＾２）×４／３…（２）
Ｒ＝１２８×μ／（π×ｄ＾４）…（３）
ρはインクの密度、μはインクの粘度である。式（２）、（３）から半径を小さくして流体抵抗Ｒを大きくすると、イナータンスＭも大きくなることが分かる。本発明のヘッドによれば、イナータンスＭをあまり大きくすることなく、流体抵抗Ｒを大きくすることが出来る。
【００３１】
ノズル部のイナータンスＭｎとリストリクタ部のイナータンスＭｒを、
ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ…（４）
とし、また、ノズル部の流体抵抗Ｒｎとリストリクタ部の流体抵抗Ｒｒにおいても同様に、
ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎ…（５）
とした場合に、実験的にａ、ｂはそれぞれ、
０．５＜ａ＜２．０…（６）
４．０＜ｂ＜１６．０…（７）
が望ましいことが分かっている。
【００３２】
ここで、定数成分をそれぞれＡ，Ｂとおけば式（２）、（３）はそれぞれ、
Ｍ＝Ａ×（１／ｄ）＾２…（８）
Ｒ＝Ｂ×（１／ｄ）＾４…（９）
と表されるから、ノズルの直径をｄｎ、リストリクタ部の直径をｄｒとすると、ノズルのイナータンスＭｎ、流体抵抗Ｒｎ、リストリクタのイナータンスＭｒ、流体抵抗Ｒｒはそれぞれ、
Ｍｎ＝Ａ×（１／ｄｎ）＾２…（１０）
Ｍｒ＝Ａ×（１／ｄｒ）＾２…（１１）
Ｒｎ＝Ｂ×（１／ｄｎ）＾４…（１２）
Ｒｒ＝Ｂ×（１／ｄｒ）＾４…（１３）
となり、
（１）、（１０）、（１２）式、（２）、（１１）、（１３）式より、それぞれ、
ａ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾２…（１４）
ｂ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾４…（１５）
の関係式が導かれる。
【００３３】
図３に、Ｘ軸にｄｒ、左Ｙ軸にａ、右Ｙ軸にｂをとり、一例としてｄｎを３０μｍとした場合のａ、ｂを示す。この範囲を図から（４）、（５）式の範囲を読みとると、０．５＜ａ＜２．０の範囲は２１＜ｄｒ＜３０、４．０＜ｂ＜１６．０の範囲は１５＜ｄｒ＜２１となり、（４）、（５）式を両立させるｄｒは存在しない。
【００３４】
ここで、リストリクタ数を並列に増加させた場合を図７、８に示すような等価回路に置き換えて考えると、合成抵抗Ｒは、
１／Ｒ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋１／Ｒ３＋…＋１／Ｒｎ…（１６）
で表され、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝…＝Ｒｎ…（１７）
とすると、式（１６）（１７）から、
Ｒ＝Ｒｎ／ｎ…（１８）
となるから、リストリクタ数を並列に増加させた場合のＭｒ'、Ｒｒ'は、個数をＮとするとそれぞれ、
Ｍｒ'＝Ｍｒ／Ｎ…（１９）
Ｒｒ'＝Ｒｒ／Ｎ…（２０）
で表される。
（１），（１０），（１９）式、（２），（１１），（２０）式からａ，ｂは、それぞれ、
ａ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾２／Ｎ…（２１）
ｂ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾４／Ｎ…（２２）
の関係式が導かれる。
【００３５】
図４に、リストリクタ数を増加させた場合のａ，ｂを示す。下表１に図４から読みとった（４），（５）の成立するｄｒ範囲及び共有範囲を示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表からも読み取れる様に、リストリクタ数Ｎを変化させることによって任意の共有範囲を採ることが出来ることが分かる。
【００３８】
一方、インクジェットヘッドにおいては、従来から異物混入による詰まりの発生が報告されており、インク供給部のフィルタは重要視されてきた。この為、インクジェットヘッド内部にラストチャンスフィルタを設けることなどが提案されていると共に、
κ＝ｄｒ／ｄｎ…（２３）
とした場合のκは１／２以下、望ましくは１／３以下が理想とされている。
【００３９】
図５にＸ軸に個数Ｎ、左Ｙ軸にａ、右Ｙ軸にｂをとり、ｄｒをそれぞれ、１５μｍ，１０μｍ，７．５μｍとした場合のａ，ｂを示す。この場合の（４），（５）の成立する本数Ｎ範囲及び共有範囲を下表２に示す。
【００４０】
【表２】

【００４１】
以上のことから、仮に本例におけるｄｎが３０μｍとした場合、ｄｒ＝７．５μｍ、Ｎ＝３０本とすることによって、式（４），（５）を共に満たすことが出来ることが分かる。更には、Ｎ＝１６でも式（４），（５）を共に満たすことが出来ることから、式（４），（５）共にを満たすことが出来るＮの最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合、リストリクタをラストチャンスフィルタとして兼用した場合でも、Ｎ'＝ｎ−ｎ'＝３０−１６＝１４に相当するまでの範囲でのリストリクタの詰まりを許容することが出来ることが分かる。
【００４２】
つまり、リストリクタの径ｄｒを小さくすることで、共有可能なリストリクタ本数を増やすことが可能となり、フィルター機能としてより効果を発揮することが可能となる。
【００４３】
ここで、従来技術として、特許公報第２７２７１９６号では、インク加圧室の直前部分（上流側）に複数の通路口を有するインクジェット記録装置のヘッド構成が開示されているが、複数の通路口を設けられる領域は、加圧室の順方向の流路幅に限られ、その本数も４〜９本と少ない。また、インク吐出口であるノズルとの流体抵抗のバランスを考えているので、前記通路口に異物が付着するとそのバランスが早い段階で崩れてしまい、吐出不良を起こす原因となってしまう。また、加圧室を形成する流路に対し、フィルターを兼ねた通路口を配置することは容易でなく、流路形成部材と一体で形成することができないため、製造コストが大幅に増加してしまう。
【００４４】
図６に、Ｘ軸にｄｒ、Ｙ軸にリストリクタの個数Ｎをとり、ｄｎを３０μｍとした場合の、式（４），（５）を満たすａ，ｂの範囲及び共有範囲を示す。図６からも分かる様に、ａ，ｂは２乗曲線、４乗曲線となる為、ある点で交差し、ｎ／ｎ'は極大値を採り、実用範囲としてはｎ／ｎ'＝２〜３が望ましい。
【００４５】
また、本例においてはノズル、リストリクタ共に円筒流路として論じているが、矩形流路やその他の形状においても、相当直径を考えた場合は本例と同様に考えることが出来る。
【００４６】
また、本例においては、単位長さあたりの流路について論じているが、ノズルに対して、リストリクタの長さを小さくした場合も同様で、その為Ｎ、ひいてはＮ'を大きくすることが出来、より優位となる。
【００４７】
また、本例においては、リストリクタ部を薄膜構造とし、振動板と対向し圧力発生室のほぼ直下の従来デットスペースであった部分を共通インク室として利用することが出来、ヘッドの小型化が可能となると共に、ノズルの高密度実装に対しても有利である。
【００４８】
さらに、其々の振動板に対向する範囲に配設されたリストリクタの微細穴の開けられている範囲は、振動板に対向する部分に対し、全面であっても、一部であっても構わない。そして、微細穴の加工性を考えると、その微細穴の範囲は振動板に対向する範囲の３０％以上であることが望ましい。また、３０％付近から急激にリストリクタの本数に対するフィルタ機能として発揮するリストリクタの本数を増やすことができ、リストリクタの目詰まり等による不吐出に対する信頼性が向上する。
【００４９】
また、本例においては、ノズル、圧力発生室、リストリクタ、共通インク室、振動板を形成する流路形成部を、薄板を積層して形成し、その部材としてシリコンや水晶などの単結晶材料を用いて、エッチングして一体形成することで安価なヘッドを提供することができる。また、単結晶材料に替えて、フィルム状の感光性樹脂や、金属製の薄板を用いて積層して流路形成部を形成しても良い。形成方法はさまざまであるが、一例として、図に示すように複数のノズルを有するノズルプレートと、共通インク室の大部分及び圧力発生室の一部を構成する第１チャンバープレートと、リストリクタプレートと、圧力発生室の大部分および共通インク室の一部を形成する第２チャンバープレートと、振動板を形成するダイアフラムプレートと、振動板の範囲を定義するサポートプレートとを順に積層することで流路形成部が形成される。ここで、より安価に製作するために、フィルム状の感光性樹脂や、金属製の薄板、或いはシリコンや水晶などの単結晶材料を用いて、其々を組わせて形成しても良いことは、当然のことである。
【００５０】
また、本例においては、リストリクタは振動板とほぼ平行に設置したが、振動板に対し斜めであっても構わない。振動板と平行に設置することで、リストリクタの微細穴は同一の大きさで良く、更に平行である場合、積層状の板に微細穴を設ければよく、加工性及び設置性に優れる。そして、従来の振動板と垂直に設ける構成に比べ、より表面積を広くすることが可能となる。
【００５１】
また、斜めに設置した場合は、それぞれの微細穴がリストリクタのどの部分に相当するかにより、微細穴の開口大きさを段階的に変更する必要があるものの、より表面積を稼ぐことが可能となる。
【００５２】
また、図１ではリストリクタがある部分は一平面としたが、圧力発生室と共通インク室とを隔てる壁全体に微細穴を適宜設けてもよい。この場合、微細穴の大きさについて別途検討する必要があるものの、振動板と平行な面のみに微細穴を設ける場合よりも、より大きくリストリクタの表面積をとることが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、振動板と対向する位置に複数の微細穴からなるインク供給口なるリストリクタと、そのリストリクタを介して、複数のノズルへインクを供給する共通インク室を設け、複数のノズルを有するノズルプレートにより封止されている構成とすることで、従来の振動板と垂直に設ける構成に比べ、より表面積を広くでき、共通インク室から圧力発生室へのインクの流入が円滑になる。
【００５４】
また、リストリクタを振動板と平行に設置することにより、積層板への微細穴加工で済み、また、従来の振動板と垂直に設ける構成に比べ、より表面積を広くすることが可能となる。
【００５５】
また、微細穴の設けられている面積は、リストリクタの全面積の３０％以上とすることにより、リストリクタ及びフィルタ機能としての性能が向上する。
【００５６】
また、リストリクタが共通インク室と圧力発生室との間の一面となることにより、新たに別部材を設ける必要がなく、安価に製造可能となる。
【００５７】
また、シリコンウェハーなどの単結晶材料をエッチングにより一体で加工することで、高精度な加工を実現できるので吐出特性の安定化及び製作コストが少なくて済み安価で信頼性の高いインクジェット記録ヘッド及び記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例のインクジェットヘッドを示す断面図である。
【図２】従来技術によるインクジェットヘッドを示す断面図である。
【図３】ｄｎを３０μｍとした場合のａ、ｂのグラフである。
【図４】リストリクタ数Ｎを増加させた場合のａ、ｂのグラフである。
【図５】ｄｒを１５μｍ、１０μｍ、７．５μｍとした場合のａ、ｂのグラフである。
【図６】ｄｒを変化させた場合のリストリクタ数Ｎのグラフである。
【図７】抵抗を並列に配置した回路図である。
【図８】図７の等価回路図である。
【図９】本発明となるインクジェット記録装置の一例を示す。
【図１０】図１のＡ−Ａから見た平面図である。
【符号の説明】
１はノズル、２は共通インク室、３は圧力発生室、４は振動板、５は圧電振動子、６はリストリクタ、７はラストチャンスフィルタである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head that discharges ink droplets from a nozzle to write a recording image such as a character on a recording medium, and a recording apparatus using the ink jet recording head.
[0002]
[Prior art]
The ink jet recording apparatus prints characters and images on a recording medium such as paper by ejecting ink droplets from a nozzle opening. In recent years, there has been a demand for ink jet printing apparatuses that perform higher-speed and higher-quality printing. In order to realize such a printing apparatus, an ink jet head capable of improving mounting density and driving at high frequency is required. Various techniques for constructing a head capable of high-frequency driving have been proposed. For example, a technique for configuring a head by increasing the Helmholtz frequency defined by the head dimensions and the like has been proposed.
[0003]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-290571 proposes a method capable of high-frequency driving by defining the relationship between the nozzle openings, the restrictor portions to which ink is supplied, and the respective inertances.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, simply maintaining the inertance relationship, for example, when the time for the expansion or contraction process is short in the drive waveform when the ink chamber is expanded and contracted to eject ink droplets, the ink chamber expansion process Inflow of ink due to later inertia is delayed, and in the worst case, ejection failure occurs. Further, if the time for expansion and holding is increased in order to ensure the inflow of ink, the entire drive waveform becomes longer, and the frequency response time is limited.
[0005]
In addition, when ink is ejected at a high frequency, the flying speed of ink droplets greatly fluctuates. This is due to the large residual vibration of the meniscus of the ink droplets ejected immediately before, and in some cases, ejection may become impossible.
[0006]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an ink jet head capable of discharging even at a high frequency.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, a nozzle that ejects ink, a pressure generation chamber that communicates with the nozzle, a common ink chamber that supplies ink from an ink tank to the pressure generation chamber, and the pressure generation chamber located between the common ink chamber, pressure and Brighter Sutorikuta such a plurality of fine holes, a diaphragm which forms one wall of the pressure generating chamber, said pressure generating chamber in contact with the vibration plate pressing in the ink-jet head having a piezoelectric element, wherein the restrictor is a one plurality of fine holes in the sheet that will be placed substantially parallel to, and plate surface facing said diaphragm is formed, and formation of the fine holes The area of the area is 30% or more with respect to the area of the diaphragm .
[0010]
Further, when the inertance in the nozzle is Mn, the fluid resistance is Rn, the inertance in the restrictor section is Mr, and the fluid resistance Rr is a = Mr / Mn, b = Rr / Rn, a is N: When the maximum value of the number N of restrictors in the range of 0.5 <a <2.0 and b: 4.0 <b <16.0 is n and the minimum value is n ′, n / N ′ = 2 to 3.
[0011]
Further, the member constituting the restrictor serves as both a common ink chamber and one surface of the pressure generating chamber.
[0012]
The flow path forming part for forming the nozzle, the pressure generating chamber, the restrictor, the common ink chamber, and the diaphragm is formed by laminating a film-like photosensitive resin.
[0013]
Further, the flow path forming part for forming the nozzle, the pressure generating chamber, the restrictor, the common ink chamber, and the vibration plate is configured by laminating metal thin plates.
[0014]
Further, the flow path forming portion for forming the nozzle, the pressure generating chamber, the restrictor, the common ink chamber, and the vibration plate is integrally formed by etching a single crystal material such as silicon or quartz.
[0015]
Further, the present invention is a recording apparatus to which the above-described inkjet head is applied.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 9 illustrates a general serial type ink jet recording apparatus.
[0017]
FIG. 9 is a front view of the ink jet recording apparatus, and the hatched portion represents a cross section.
[0018]
An ink jet head 101, which will be described in detail later, and a recording unit 103 on which an ink cartridge 102 for supplying ink to the ink jet head 101 is mounted are slidably supported by a guide shaft 104 and connected to a power transmission member 105. The drive source 6 reciprocates along the guide shaft 104.
[0019]
On the other hand, the recording medium 107 faces the nozzle surface 108 of the inkjet head 101 and is conveyed by the conveying roller 109 in a direction orthogonal to the moving direction of the recording unit 103. Ink is ejected from the nozzles 110 of the inkjet head 101 to the recording material 107 in accordance with a recording signal, thereby forming an image.
[0020]
111 provided outside the recording area is a cap member made of an elastic material such as rubber for capping the nozzle surface 108 having the plurality of nozzles 1. At the time of non-recording, the recording unit 103 moves to above the cap member 111, and the cap member 111 capping the nozzle surface 108 with a power source (not shown). In many cases, an ink absorbing sheet 112 is provided in the cap for facilitating suction during ink suction, moistening the atmosphere in the cap, and the like.
[0021]
Two

tubes

113 and 114 are connected to the bottom surface of the cap member 111, and the tube 113 is connected to the air release valve 115. The tube 114 can supply a negative pressure into the cap via the suction pump 116, the ink in the inkjet head 101 is sucked by closing the atmosphere release valve 115, and the space 117 in the cap is opened by opening the atmosphere release valve 115. The ink collected in the is sucked. The sucked ink is discharged into a discharge ink chamber 118 provided at the tip of the tube 114.
[0022]
An ink jet head mounted on such a recording apparatus will be described in detail below with reference to the drawings. In this example, the serial type recording apparatus is described. However, the present invention can be similarly applied to a line head type recording apparatus having a fixed head.
[0023]
Next, an embodiment of the present invention will be described.
[0024]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an ink jet head as an example of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a conventional ink jet head.
[0025]
1 and 2, a pressure generating chamber 3 that communicates with a nozzle 1 that ejects ink, a common ink chamber 2 that supplies ink, a diaphragm 4 that forms one wall surface of the pressure generating chamber 3, and a diaphragm A restrictor 6 is disposed between the pressure generating chamber 3 and the common ink chamber 2 to generate a resistance for attenuating residual vibration of the meniscus after ink droplet ejection. . Although the ink flow path to the common ink chamber is not shown, a hole through which ink from the ink tank can be injected is provided in a part of the common ink chamber and filled with ink as in the conventional case.
[0026]
The common ink chamber 2 exists in a region almost immediately below the pressure generating chamber 3 as indicated by a broken line in FIG. In FIG. 2, a last chance filter 7 is disposed in the common ink chamber 2 and is configured independently of the restrictor 6.
[0027]
The pressure generation chamber 3 according to an example of the present invention has a feature that the fluid resistance R can be increased without increasing the inertance M, as compared with the prior art. The reason why such a feature is necessary can be understood as follows.
[0028]
In order to achieve a high operating frequency, it is necessary to increase the Helmholtz resonance frequency f defined by the following equation.
f = 1 / 2π × √ {(Mn + Mr) / ((Cc + Cd) (MnxMr))} (1)
Here, Cc is a compliance regarding ink in the pressure generating chamber, Cd is a compliance regarding each wall of the pressure generating chamber, Mn is an inertance of the nozzle, and Mr is an inertance of the restrictor. From this equation, it can be seen that as Mn and Mr increase, f decreases.
[0029]
On the other hand, the larger the fluid resistance Rn of the restrictor, the smaller the residual vibration of the meniscus after ink droplet ejection. This can be easily understood from the fact that the time constant of vibration (≈attenuation time) calculated from the lumped constant circuit in the acoustic model is expressed by τ = 2x (M / R). When the residual vibration of the meniscus is large, characteristics such as the flying speed of the ink droplet ejected next change, and in some cases, ejection becomes impossible. In order to suppress the characteristic variation and prevent the discharge failure, it is necessary to wait until the residual vibration of the meniscus is sufficiently attenuated and then discharge the next one. Therefore, in order to drive at a high frequency, it is necessary to reduce the residual vibration of the meniscus after ink droplet ejection, and to increase the fluid resistance Rn of the restrictor.
[0030]
However, in the prior art, when the fluid resistance R is increased, the inertance M also increases. For example, in the case of a cylindrical flow path, the diameter d and the inertance M of the flow path per unit length and the fluid resistance R are expressed by the following equations. The
M = ρ / (π × d ^ 2) × 4/3 (2)
R = 128 × μ / (π × d ^ 4) (3)
ρ is the density of the ink, and μ is the viscosity of the ink. From equations (2) and (3), it can be seen that the inertance M increases when the radius is decreased and the fluid resistance R is increased. According to the head of the present invention, the fluid resistance R can be increased without increasing the inertance M so much.
[0031]
Inertance Mn of the nozzle part and inertance Mr of the restrictor part,
a = Mr / Mn (4)
Similarly, in the fluid resistance Rn of the nozzle part and the fluid resistance Rr of the restrictor part,
b = Rr / Rn (5)
Where a and b are experimentally
0.5 <a <2.0 (6)
4.0 <b <16.0 (7)
Is known to be desirable.
[0032]
Here, if the constant components are A and B, respectively, equations (2) and (3)
M = A × (1 / d) ^ 2 (8)
R = B × (1 / d) ^ 4 (9)
Therefore, when the nozzle diameter is dn and the restrictor portion diameter is dr, the nozzle inertance Mn, fluid resistance Rn, restrictor inertance Mr, and fluid resistance Rr are respectively:
Mn = A × (1 / dn) ^ 2 (10)
Mr = A × (1 / dr) ^ 2 (11)
Rn = B × (1 / dn) ^ 4 (12)
Rr = B × (1 / dr) ^ 4 (13)
And
From the equations (1), (10), (12), (2), (11), (13),
a = (dn / dr) ^ 2 (14)
b = (dn / dr) ^ 4 (15)
The following relational expression is derived.
[0033]
FIG. 3 shows a and b when dr is taken on the X axis, a is taken on the left Y axis, b is taken on the right Y axis, and dn is 30 μm as an example. When this range is read from the ranges of formulas (4) and (5), the range of 0.5 <a <2.0 is 21 <dr <30, the range of 4.0 <b <16.0 is 15 <Dr <21, and there is no dr that satisfies both the expressions (4) and (5).
[0034]
Here, when the case where the number of restrictors is increased in parallel is replaced with an equivalent circuit as shown in FIGS.
1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + ... + 1 / Rn (16)
Represented by
R1 = R2 = R3 = ... = Rn (17)
Then, from equations (16) and (17),
R = Rn / n (18)
Therefore, when the number of restrictors is increased in parallel, Mr ′ and Rr ′ are N, respectively.
Mr ′ = Mr / N (19)
Rr ′ = Rr / N (20)
It is represented by
From the expressions (1), (10), (19), (2), (11), and (20), a and b are respectively
a = (dn / dr) ^ 2 / N (21)
b = (dn / dr) ^ 4 / N (22)
The following relational expression is derived.
[0035]
FIG. 4 shows a and b when the number of restrictors is increased. Table 1 below shows the dr range and shared range in which (4) and (5) hold, as read from FIG.
[0036]
[Table 1]

[0037]
As can be seen from the table, it is understood that an arbitrary sharing range can be taken by changing the restrictor number N.
[0038]
On the other hand, the occurrence of clogging due to contamination of foreign matter has been reported in the past in ink jet heads, and the filter of the ink supply unit has been regarded as important. For this reason, it has been proposed to provide a last chance filter inside the inkjet head,
κ = dr / dn (23)
Is ideally ½ or less, preferably ３ or less.
[0039]
FIG. 5 shows a and b when the number N is on the X axis, a is on the left Y axis, b is on the right Y axis, and dr is 15 μm, 10 μm, and 7.5 μm, respectively. The number N range and the shared range in which (4) and (5) are established in this case are shown in Table 2 below.
[0040]
[Table 2]

[0041]
From the above, it can be seen that, when dn in this example is 30 μm, it is possible to satisfy both equations (4) and (5) by setting dr = 7.5 μm and N = 30. Further, since both of the expressions (4) and (5) can be satisfied even when N = 16, the maximum value of N that can satisfy both the expressions (4) and (5) is n, and the minimum value is n ′. In this case, even when the restrictor is also used as the last chance filter, it is possible to allow the restrictor to be clogged in a range corresponding to N ′ = n−n ′ = 30−16 = 14. .
[0042]
That is, by reducing the diameter dr of the restrictor, it is possible to increase the number of restrictors that can be shared, and it is possible to more effectively exhibit the filter function.
[0043]
Here, as a conventional technique, Japanese Patent Publication No. 2727196 discloses a head configuration of an ink jet recording apparatus having a plurality of passage ports immediately before the ink pressurizing chamber (upstream side). The area provided is limited to the flow path width in the forward direction of the pressurizing chamber, and the number thereof is as small as 4 to 9. In addition, since the balance of fluid resistance with the nozzle that is the ink discharge port is considered, if a foreign substance adheres to the passage port, the balance is destroyed at an early stage, which causes a discharge failure. In addition, it is not easy to arrange a passage opening that also serves as a filter for the flow path that forms the pressurizing chamber, and it cannot be formed integrally with the flow path forming member. End up.
[0044]
FIG. 6 shows the ranges of a and b and the shared range satisfying equations (4) and (5) when dr is taken on the X axis, the number N of restrictors is taken on the Y axis, and dn is 30 μm. As can be seen from FIG. 6, a and b are a square curve and a quadratic curve, so they intersect at a certain point, n / n ′ takes a maximum value, and n / n ′ = 2 to 2 as a practical range. 3 is desirable.
[0045]
In this example, both the nozzle and the restrictor are discussed as a cylindrical flow path. However, in the case of a rectangular flow path and other shapes, the equivalent diameter can be considered in the same manner as in this example.
[0046]
In this example, the flow path per unit length is discussed, but the same applies to the case where the length of the restrictor is reduced with respect to the nozzle. For this reason, N and thus N ′ can be increased. Can be more advantageous.
[0047]
In this example, the restrictor portion has a thin film structure, and the portion that was a conventional dead space directly opposite the pressure generating chamber and facing the vibration plate can be used as a common ink chamber, thereby reducing the size of the head. This is possible and is advantageous for high-density mounting of nozzles.
[0048]
Furthermore, the range in which the fine holes of the restrictor disposed in the range facing each diaphragm are perforated on the entire surface or part of the portion facing the diaphragm. I do not care. In consideration of the workability of the fine holes, the fine hole range is preferably 30% or more of the range facing the diaphragm. In addition, the number of restrictors that can be used as a filter function for the number of restrictors can be increased rapidly from around 30%, and the reliability against non-ejection due to clogging of the restrictors and the like is improved.
[0049]
In this example, a nozzle, a pressure generating chamber, a restrictor, a common ink chamber, and a flow path forming portion for forming a vibration plate are formed by laminating thin plates, and the member is a single crystal material such as silicon or quartz. A low-cost head can be provided by integrally forming by etching. Moreover, it may replace with a single crystal material and may laminate | stack using a film-like photosensitive resin or a metal thin plate, and may form a flow-path formation part. There are various forming methods, but as an example, as shown in the figure, a nozzle plate having a plurality of nozzles, a first chamber plate constituting most of the common ink chamber and a part of the pressure generating chamber, and a restrictor plate And a second chamber plate that forms most of the pressure generation chamber and a part of the common ink chamber, a diaphragm plate that forms a diaphragm, and a support plate that defines the range of the diaphragm, A path forming part is formed. Here, in order to manufacture at a lower cost, a film-like photosensitive resin, a metal thin plate, or a single crystal material such as silicon or quartz may be formed by combining them. Of course.
[0050]
In this example, the restrictor is installed substantially parallel to the diaphragm, but may be inclined with respect to the diaphragm. By installing the restrictor in parallel with the diaphragm, the fine holes of the restrictor may be the same size, and in the case of being parallel, the fine holes may be provided in the laminated plate, which is excellent in workability and installability. In addition, the surface area can be further increased as compared with the configuration provided perpendicular to the conventional diaphragm.
[0051]
In addition, when installed obliquely, it is necessary to change the opening size of the fine hole step by step depending on which part of the restrictor each fine hole corresponds to, but it is possible to earn more surface area Become.
[0052]
In FIG. 1, the portion where the restrictor is provided is a single plane, but a fine hole may be appropriately provided in the entire wall separating the pressure generating chamber and the common ink chamber. In this case, although it is necessary to separately examine the size of the fine hole, it is possible to take a larger surface area of the restrictor than when the fine hole is provided only on a plane parallel to the diaphragm.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the restrictor that is an ink supply port including a plurality of fine holes at a position facing the diaphragm, and the common ink chamber that supplies ink to the plurality of nozzles via the restrictor are provided. By providing and sealing with a nozzle plate having a plurality of nozzles, the surface area can be increased compared to the configuration provided perpendicular to the conventional diaphragm, and ink from the common ink chamber to the pressure generating chamber can be increased. The inflow becomes smooth.
[0054]
Further, by installing the restrictor in parallel with the diaphragm, fine holes can be formed in the laminated plate, and the surface area can be increased compared to a configuration in which the restrictor is provided perpendicular to the conventional diaphragm.
[0055]
Moreover, the performance as a restrictor and a filter function improves by making the area in which the fine hole is provided into 30% or more of the total area of the restrictor.
[0056]
In addition, since the restrictor becomes one surface between the common ink chamber and the pressure generating chamber, it is not necessary to newly provide a separate member, and it can be manufactured at low cost.
[0057]
In addition, single-crystal materials such as silicon wafers are integrally processed by etching, so that high-precision processing can be realized, so that the ejection characteristics are stabilized and the manufacturing cost is low, and the inkjet recording head and recording are inexpensive and highly reliable. An apparatus can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ink jet head according to an example of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an inkjet head according to a conventional technique.
FIG. 3 is a graph of a and b when dn is 30 μm.
FIG. 4 is a graph of a and b when the number of restrictors N is increased.
FIG. 5 is a graph of a and b when dr is 15 μm, 10 μm, and 7.5 μm.
FIG. 6 is a graph of the number of restrictors N when dr is changed.
FIG. 7 is a circuit diagram in which resistors are arranged in parallel.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of FIG.
FIG. 9 shows an example of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a plan view seen from AA in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
1 is a nozzle, 2 is a common ink chamber, 3 is a pressure generating chamber, 4 is a diaphragm, 5 is a piezoelectric vibrator, 6 is a restrictor, and 7 is a last chance filter.

Claims

A nozzle for ejecting ink, located between the pressure generating chambers communicating with the nozzles, and the ink common ink chamber for supplying from the ink tank to the pressure generating chamber, and the common ink chamber and the pressure generating chamber a Brighter Sutorikuta such a plurality of fine holes, a diaphragm which forms one wall of the pressure generating chamber, the ink-jet head having a piezoelectric element for pressurizing the pressure generating chamber in contact with the vibration plate,
The restrictor be those plurality of fine holes in the sheet that will be placed substantially parallel to, and facing the plate surface of the diaphragm is formed, and plane area of the formation region of the fine holes of the diaphragm An inkjet head characterized by being 30% or more based on a flat area .

The inertance of the nozzle Mn, the fluid resistance Rn, the inertance of the restrictor section Mr, when the fluid resistance was Rr, a = Mr / Mn, in the case of a b = Rr / R n, the a 0. 5 <a <2.0, b is 4 . 0 <b <the maximum number N of the restrictor in the range of 16.0 n, the minimum value 'when a, n / n' n claim, characterized in that a = 2 to 3 1 serial mounting the ink-jet head of.

3. The ink jet head according to claim 1, wherein the member constituting the restrictor serves as both a common ink chamber and one surface of the pressure generating chamber.

4. The flow path forming part for forming the nozzle, pressure generating chamber, restrictor, common ink chamber, and diaphragm is formed by laminating a film-like photosensitive resin . The inkjet head according to one item .

The nozzle, the pressure generating chamber, a restrictor, a common ink chamber, a flow path forming unit which forms a diaphragm, any one of claims 1 to 3, characterized by being configured by laminating a metal sheet The inkjet head described in 1.

4. The nozzle, the pressure generating chamber, the restrictor, the common ink chamber, and the flow path forming portion for forming the vibration plate are integrally formed by etching a single crystal material such as silicon or quartz. The inkjet head as described in any one of these .

A nozzle for ejecting ink, located between the pressure generating chambers communicating with the nozzles, and the ink common ink chamber for supplying from the ink tank to the pressure generating chamber, and the common ink chamber and the pressure generating chamber , jet using a Brighter Sutorikuta such a plurality of fine holes, a diaphragm which forms one wall of the pressure generating chamber, an ink jet head having a piezoelectric element for pressurizing the pressure generating chamber in contact with the vibration plate In the recording device ,
The restrictor be those plurality of fine holes in the sheet that will be placed substantially parallel to, and facing the plate surface of the diaphragm is formed, and plane area of the formation region of the fine holes of the diaphragm An ink jet recording apparatus characterized by being 30% or more with respect to a flat area .

The inertance of the nozzle Mn, the fluid resistance Rn, the inertance of the restrictor section Mr, when the fluid resistance was Rr, a = Mr / Mn, in the case of a b = Rr / R n, the a 0. 5 <a <2.0, b is 4 . 0 <b <the maximum number N of the restrictor in the range of 16.0 n, the minimum value 'when a, n / n' n claim 7, characterized in that a = 2-3 serial mounting of the ink jet recording apparatus.

9. The ink jet recording apparatus according to claim 7, wherein the member constituting the restrictor serves as both the common ink chamber and one surface of the pressure generating chamber.

10. The flow path forming part for forming the nozzle, pressure generating chamber, restrictor, common ink chamber, and diaphragm is formed by laminating a film-like photosensitive resin . The inkjet head according to one item .

The nozzle, the pressure generating chamber, a restrictor, a common ink chamber, any one of claims 7 to 9, characterized in that the flow path forming portion for forming a vibration plate was formed by laminating a thin metal plate The inkjet head described in 1.

The nozzle, the pressure generating chamber, a restrictor, a common ink chamber, claims 7 to 9 in which the flow path forming portion for forming a diaphragm, a single crystal material such as silicon or quartz is etched, characterized in that integrally molded The inkjet head as described in any one of these .