JP3982054B2 - Inkjet head - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電気力で振動板を変形させてインクを飛翔させる方式のインクジェットヘッドとその駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、インクジェット式記録装置に用いられるインクジェットヘッドの形態の一つに、静電アクチュエータを利用したものが知られている(特開平7−214769号、特開平7−214770号公報等参照)。
【0003】
このインクジェットヘッドは、次のような動作原理によりインクを吐出して記録媒体上に画像形成を行うようにしている。
【0004】
まず、対向する位置に間隙を有して設けられた一対の電極間に電圧を印加すると電極間に静電気力が発生し、この静電気力によって振動板を、ノズルに連通した加圧室と反対方向に引き付ける。これにより、インクは共通インク室から加圧室内に引き込まれて充満する。そして、対向電極間に印加した電圧を除去することにより、振動板が自身の剛性による復元力によって元の位置に戻り、加圧室の容積を急峻に収縮させる。このとき発生する圧力により、加圧室内に充填されたインクは、ノズルから液滴として吐出、飛翔し、記録媒体上にこのインク液滴が着弾して画像形成が行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の静電アクチュエータを利用したインクジェットヘッドにあっては、一対の電極間のギャップは空隙部になっていた。このため、低電圧にて振動板を変形させてインクジェットヘッドを駆動するためには、上記ギャップ間隔をかなり狭くせざるを得ず(例えば0.3μm)、そのため、非常に精度の高い加工が必要であるという問題があった。
【0006】
また、振動板の変形により押圧されたインクの一部が、ノズル方向とは別に、インク供給用の共通インク室(インク供給室)に連通するインレット方向にも移動するので、インク吐出効率が低く、かつインクジェットヘッドの駆動周波数に対する追随性も上がらないという問題があった。ここで、インクジェットヘッドの駆動周波数とは、連続印字させる場合における一対の電極間に印加される電圧の周波数をいう。
【0007】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工の容易化を図ると共に、インクの吐出効率を高め、インクジェットヘッドの駆動周波数に対する追随性を向上させることにある。
【0008】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、ノズルと、該ノズルに連通した加圧室と、該加圧室内の圧力を変えるための第1電極である振動板と、前記第1電極である振動板に対し対向する位置に間隙を有して形成された第2電極と、を備え、前記第1電極である振動板および前記第2電極間に電圧を印加することにより前記第1電極である振動板を変形させることで、前記加圧室内のインクを前記ノズルから液滴として吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記第1電極である振動板と前記第2電極との間にインクが充填されると共に、前記第1電極である振動板にインクが通過可能な貫通孔が形成され、前記第1電極である振動板に対し前記第2電極側と反対側の対向する位置に間隙を有して第3電極を設け、前記第1電極である振動板は、可撓性を有し、前記第2電極の前記加圧室に臨む面に平行な面内におけるインクの吐出方向と直交する方向から見てS字状を呈するシート状の導電体であり、一端が前記第2電極側近傍に固定されると共に他端が前記第3電極側近傍に固定され、前記ノズルを前記第2電極と前記第3電極との間の側方に設けたことを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【0015】
(実施形態1)
図1は、インクジェットプリンタ1の概略構成を説明するための斜視図である。
【0016】
インクジェットプリンタ1は、用紙やOHPシートなどの記録媒体である記録シート2に印字するものであって、インクジェットヘッド走査系と記録シート送り系とから構成される。
【0017】
インクジェットヘッド走査系は、インクジェット方式のプリントヘッドを単色あるいは複数色(例えば3色、4色または7色等)分含むヘッドユニット3と、ヘッドユニット3を保持するキャリッジ4と、キャリッジ4を記録シート2の記録面に平行に往復移動させるためのスキャンシャフト5及びガイド軸6と、キャリッジ4をガイド軸6に沿って往復駆動するパルスモータ7と、パルスモータ7の回転をキャリッジ4の往復運動に変えるためのアイドルプーリ8、タイミングベルト9とから構成される。
【0018】
一方、記録シート送り系は、記録シート2を搬送経路に沿って案内するガイド板を兼ねるプラテン10と、プラテン10との間の記録シート2を押さえて浮きを防止する紙押さえ板11と、記録シート2を排出するための排出ローラ12、排紙押さえローラ13と、ヘッドユニット3のインクを吐出するノズル面を洗浄しインク吐出不良を良好な状態に回復させるメンテナンス装置14と、記録シート2を手動で搬送するための紙送りノブ15とから構成される。
【0019】
記録シート2は、図示しない手差しあるいはカットシートフィーダ等の給紙装置によって、ヘッドユニット3とプラテン10とが対向する記録部へ送り込まれる。この際、図示しない紙送りローラの回転量が制御され、記録部への搬送が制御される。紙送りローラは図示しない紙送りモータにより駆動されている。
【0020】
ヘッドユニット3のプリントヘッドには、後に詳細に説明するインクジェットヘッド31を用いており、このインクジェットヘッド31から吐出したインク液滴が記録シート2に着弾して画像形成が行われるようになっている。
【0021】
キャリッジ4は、パルスモータ7、アイドルプーリ8、タイミングベルト9により、記録シート2を横方向に走査(主走査)し、キャリッジ4に取り付けられたヘッドユニット3は1ライン分の画像を記録する。1ライン分の記録が終わるごとに、記録シート2は縦方向に送られ(副走査)、次のラインへの記録がされる。
【0022】
このようにして記録シート2に画像が記録され、記録部を通過した記録シート2は、その搬送方向下流側に配置された排出ローラ12とこれに一定の圧力で接する排紙押さえローラ13とによって排出されるように構成されている。
【0023】
図2は、図1に示したヘッドユニット3の1色分のインクジェットヘッド31を含むキャリッジ4周辺の構成を説明するための斜視図である。
【0024】
キャリッジ4周辺には、インクを収容し通気口404を有するインクカートリッジ403と、インクカートリッジ403を収納するケーシング401、ケーシング蓋405と、インクカートリッジ403を着脱可能にしつつインクをインクジェットヘッド31に供給するインク供給管402と、ケーシング蓋405を閉じた際ケーシング401にケーシング蓋405を固定するためのフック406、蓋止め407と、インクカートリッジ403を収納する向き(矢印D3の向き)とは反対の向きにインクカートリッジ403を付勢しつつインクカートリッジ403をケーシング蓋405との間でケーシング401内に保持する押さえバネ408とが設けられる。
【0025】
このような構成のキャリッジ4がスキャン方向(矢印D1の向き)に移動することによって記録シート2は主走査されることになる。また、記録シート2が送られることによって副走査方向(矢印D2の向き)に印字されることになる。
【0026】
図3は、本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドの全体斜視図、図4は、同分解斜視図、図5は、図3におけるV−V線に沿う断面図である。なお、各図においては、理解を容易にするため、ノズルが上方に位置した状態で示している。
【0027】
図示のように、インクジェットヘッド31は、ノズルプレート50、チャネルプレート60、振動板70、対向基板80、およびインク供給プレート90を有しており、これら5つの要素部材の積層構成となっている。
【0028】
ノズルプレート50は、例えばニッケルまたはその合金製であり、電鋳法により製造される。このノズルプレート50には、その表面上に等間隔でノズル51となる孔が複数形成される。
【0029】
チャネルプレート60は、例えば樹脂製であり、型により成形される。このチャネルプレート60には、ノズル51に対応する位置に、加圧室としてのインクチャンネル61が形成されている。インクチャンネル61は断面方形の貫通孔である。
【0030】
振動板70は、例えばノズルプレート50と同様にニッケルまたはその合金製で、電鋳法により製造される。この振動板70には、インクチャンネル61に対応する位置のそれぞれに、インクが通過可能な複数の貫通孔71が形成される。振動板70は、本実施形態では第1電極そのものでもあり、図示の通り、共通電極として形成されている。なお、振動板70は、ニッケル電鋳で製造する以外に、ニッケルやステンレス等の金属板に対してポンチ孔開けや放電加工で孔開けを行ったものでもよく、さらに、樹脂やセラミック等の板(フィルム)にドリルやYAGレーザーなどで孔開け加工を行ったものでもよい。
【0031】
対向基板80としては、あらかじめインクチャンネル61に対応する位置のそれぞれに、インクが通過可能な複数の連通孔81が形成されたガラスプレートが使用される。この対向基板80に連通孔81を形成することによって、インク供給室91からノズル51へ向かうインクの流れが直線状になると共に、インクジェットヘッドのコンパクト化を図ることができる利点がある。
【0032】
そして、このガラスプレートの電極間ギャップを形成する部分に、所定の深さで周知のエッチング処理を施すことにより、空間82が形成される。また、空間82の内部の底面のみに、スパッタリングまたは無電解めっきにより、個別電極として第2電極83が形成されている。この第2電極83には、絶縁性被膜として、例えばSiCが真空蒸着で成膜されており、これにより、インク中に電流が流れてしまうことを防止することができる。なお、インクが絶縁性のものであれば、上記被膜を形成する必要はない。
【0033】
インク供給プレート90は、例えばチャネルプレート60と同様に樹脂製であり、型により成形される。このインク供給プレート90には、対向基板80側に開口したインク供給室91が形成される。インク供給室91の底部には接続孔92が開設されており、接続孔92にはインク供給管93が接続される。
【0034】
第1電極である振動板70と第2電極83との間の空間82により形成される電極間ギャップ寸法D1は、従来に比べてかなり大きく採ることができ、ここでは、3μmとなるように設定した。また、振動板70に形成された貫通孔71は、径10μmとして1つのインクチャンネル61に対してそれぞれ12個ずつ設け、対向基板80に形成された連通孔81は、幅30μm×長さ100μmの長孔として1つのインクチャンネル61に対してそれぞれ5個ずつ設けた。また、チャネルプレート60に形成されたインクチャンネル61は、幅300μmとして隣接ピッチ564μmで形成し、ノズル51の径は23μmとした。但し、上記寸法等は、一実施例であり、適宜変更することが可能である。
【0035】
以上のようにそれぞれ形成した各要素部材を図示したようなサンドイッチ構造となるように貼り合わせ、第1電極である振動板70と、対向基板80に形成した第2電極83のコンタクトラインとにそれぞれ配線72,84を接続して、インクジェットヘッド31が完成する。なお、インクジェットヘッド31の上記各要素部材の製造方法は種々の方法を採ることができ、ここでは、その一例について説明したものである。
【0036】
振動板70は、ノズル51からインクを吐出させるために、その変形によりインクチャンネル61の内圧を可変する機能を果たす。また、インク供給室91は、インクチャンネル61へインクを供給するためにインクを蓄えておくものである。連通孔81を通って空間82に充填されるインクは、振動板70に形成された貫通孔71を通ってインクチャンネル61へ導かれるようになっている。
【0037】
第1電極である振動板70および第2電極83は、それぞれ配線72,84によって振動板駆動手段としてのヘッド吐出駆動部105に接続される。本実施形態では、第1電極である振動板70からの配線72はアースされており、また、第2電極83には配線84によってヘッド吐出駆動部105からの電圧が印加されるようになっている。そして、両電極間に所定の電圧を印加することにより、振動板70を変形させる構成とされている。なお、図3における符号85は、インクの外部への漏れを防止するための封止部材を示す。
【0038】
次に、本実施形態において使用したインクについて説明する。
本実施形態で使用したインクの組成は、下記表1に示すようなもので、黒(K)、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、およびシアン(C)の4色のインクを使用しており、表に示す通り、染料により各色調整したものであるが、染料に代わり顔料を用いたものであっても良い。
【0039】
【表1】
【0040】
次に、インクジェットプリンタ1の制御部について脱明する。
図6は、インクジェットプリンタ1の制御部の構成を説明するためのブロック図である。
【0041】
インクジェットプリンタ1の制御部は、CPU101、RAM102、ROM103、データ受信郭104、ヘッド吐出駆動部105、ヘッド移動駆動部106、紙送りモータ駆動部107、回復系モータ駆動部108、および各種センサ部109を含んでいる。
【0042】
全体を制御するCPU101は、必要に応じてRAM102を用い、ROM103に記憶されているプログラムを実行する。このプログラムには、ホストとなるコンピュータ等に接続され記録すべき画像データを受信する、データ受信部104から読み込まれる画像データに基づいて、ヘッド吐出駆動部105、ヘッド移動駆動部106、紙送りモータ駆動部107、各種センサ部109を制御し記録シート2上に画像を記録するための部分と、必要な際に、各種センサ部109からの情報を処理し、回復系モータ駆動部108を制御して、ヘッドユニット3のノズル面を良好な状態に回復させるための部分とが含まれる。
【0043】
CPU101の制御に基づいて、ヘッド吐出駆動部105は、画像データに対応するパルス電圧を印加することによりヘッドユニット3内のインクジェットヘッド31を駆動する。具体的には、ヘッド吐出駆動部105から画像データに対応するパルス電圧が第2電極83に所定のタイミングで印加される。なお、ヘッド吐出駆動部105には、図示しない充放電回路、反転回路、反転増幅回路が含まれる。
【0044】
また、CPU101の制御に基づいて、ヘッド移動駆動部106はヘッドユニット3を保持するキャリッジ4を移動させる駆動モータ7を駆動し、紙送りモータ駆動部107は紙送りローラを駆動する。さらに、CPU101の制御に基づいて、回復系モータ駆動部108は、ヘッドユニット3のノズル面を良好な状態に回復させるために必要なモータ等を駆動する。
【0045】
本発明は、上記のように構成されており、次に、インクジェットヘッドの動作について説明する。
【0046】
図7は、インク液滴を吐出させる際の動作を説明するための図、図8は、インク液滴を吐出させる際の駆動電圧の波形とこのときの諸量の変化とを示す図である。
【0047】
インク液滴の吐出を行う場合には、まず図7A(図8のTA区間)の状態から、ヘッド吐出駆動部105内の各回路に基づく制御により、第1電極である振動板70と第2電極83との間に、所定の駆動電圧を印加する(図8のTB区間)。この駆動電圧を印加したことによって生じる静電気力により、図7Bに示すように、振動板70を第2電極83側に引き付ける。このインク吸引動作時には、振動板70を比較的ゆっくり動かすようにする。そして、図示のように振動板70は第2電極83側に撓み変形する。
【0048】
なお、本実施形態では、第1電極である振動板70をアースとしているので、駆動電圧は、第2電極83に+の電位を印加している。この駆動電圧により振動板70には、図7における下方に、次式により算出される力Fが作用する。
F=1/2・{εrεoS(V/d)2 } ……(1)
ただし式中、εrは第1電極および第2電極間の比誘電率、εoは真空の比誘電率(=8.854×10-12 F/m)、Sは電極の面積、Vは電圧、dは第1電極および第2電極間の長さである。
【0049】
これにより、インク供給室91から連通孔81を通って空間82に充填されているインクは、振動板70に形成された貫通孔71を通りインクチャンネル61内に流入する。このとき振動板70が比較的ゆっくり動かされるので、貫通孔71を通過するインクは、層流に近い流れとなる。したがって、流路抵抗が低いので、インクはほとんど逆方向に引き込まれることがなく、貫通孔71を通ってインクチャンネル61内にスムーズに供給される。
【0050】
このとき、図8に示すように、振動板70の変形体積ΔX1 が徐々に変化するにともなって(図8のTB区間)、振動板70の貫通孔71を通過するインク体積ΔX2 がスムーズに変化し、ノズル51の先端に形成されるインクのメニスカス39の変化体積ΔX3 も比較的変化が小さいことがわかる。
【0051】
そして、一定時間(数μsec〜数十μsec)駆動電圧を印加した状態で保持してから、駆動電圧を遮断停止する(図8のTC区間)。この駆動電圧の遮断により、第2電極83側に引き付けられていた振動板70は、図7Cに示すように、振動板70自身の剛性によって元の位置の方へ引き戻される。
【0052】
このように、インク吐出動作時には、上記インク吸引動作時と比較して振動板70を急速に動かすようにしたため、貫通孔71を通るインクは乱流に近い流れになる。したがって流路抵抗が高くなり、貫通孔71を通って逆方向に戻るインクはごく僅かであり、ほとんどが吐出に寄与するようになる。一方、対向基板80には、振動板70の貫通孔71よりも十分大きな連通孔81を設けてあるため、インクの流れをほとんど阻害することがない。
【0053】
こうしてインクチャンネル61の容積が収縮し、このとき発生する圧力により、インクチャンネル61内に充填されたインクは、ノズル51から液滴として飛翔し、記録シート2上に着弾して所定の画像が形成される。
【0054】
このように本実施形態によれば、電極間ギャップにインクが充填されるような構成にしたので、電極間ギャップに何も充填しない場合と比べて、同じ電極間ギャップ距離であっても電界強度を大幅に向上することができる。すなわち、上記式(1)からわかるように、電極間物質の誘電率が大きくなるほど所定の力Fを得るための電圧値は低くなるので、低電圧で駆動することができる。インクの比誘電率は例えば水系インクの場合は約60なので、同じ電界強度でよければ電極間ギャップを約8倍に広げることが可能となる。このように、電界強度の面でギャップ間が空気の時と比べて有利となるため、電極間ギャップを3μmと従来例と比較して広く形成でき、加工が大幅に容易になる。
【0055】
また、振動板70にインクが通過可能な貫通孔71を開け、この貫通孔71の裏側からインクを供給することによって、インクはほとんど一方向に移動させられることになるので、インク吐出(飛翔)効率が高くなり、かつインクジェットヘッドの駆動周波数に対する追随性の向上を達成することができる。
【0056】
さらに、上記インクジェットヘッドの構成において、インク吐出動作時とインク吸引動作時における振動板70に設けた貫通孔71の流路抵抗の違いについて実験を行った。図9は、貫通孔をストレート孔とした場合のその形状と印加圧力に対する流路抵抗とを示す図、図10は、貫通孔をテーパ孔とした場合のその形状と印加圧力に対する流路抵抗とを示す図である。
【0057】
この実験では、孔形状の違う2種類の振動板に対してそれぞれ、所定の圧力でインクを通過させ、その時の流速から、流路抵抗Rの印加圧力P依存性を求めたものである。この図9および図10の結果から、まず、印加圧力Pが大きい時ほど流路抵抗Rが大きくなることが確認できた。このことは、振動板70の速度が速いほど乱流が起こりやすく流路抵抗Rが大きくなるので、インクを通しにくくなることを裏付けるものである。したがって、インク吸引動作時には、振動板70をゆっくり動かし、インク吐出動作時には、振動板70を急速に動かすことで、インクの流れが吐出方向に向かうことがわかる。
【0058】
また、図10から、振動板70に開ける貫通孔71の形状は、吐出方向に対して断面積が拡大していく形状の方が、インク流れの一方向化の観点から好ましいことがわかる。これは、図示のように、インク吐出時にインクが通過する可能性のある方向2の方が、インク吸引時にインクが通過する方向1よりも流路抵抗Rが大きくなるからである。
【0059】
(実施形態2)
図11は、本発明の実施形態2に係るインクジェットヘッドの断面図である。上記実施形態1と共通した機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0060】
この実施形態2では、図11に示すように、第2電極83は、第1電極である振動板70に対しノズル51側に形成されている点で、上記実施形態1と相違しており、その他の点については上記実施形態1と同様である。すなわち、振動板70と対向基板80の位置関係が上記実施形態1と逆になっている。なお、実施形態2では、第2電極83が形成された対向基板80に、インクが通過可能な連通孔81を有することが必須となる。
【0061】
したがって、上記実施形態1では駆動電圧の遮断時(放電時)にインクを吐出するが、この実施形態2では、逆に駆動電圧の印加時に、静電吸引力によって直接インクを吐出することができる。これにより、上記実施形態1と同様の効果を得ることができるほか、印加する駆動電圧の波形によって振動板70の過渡的な挙動を比較的容易に制御することが可能となる。
【0062】
(実施形態3)
図12は、本発明の実施形態3に係るインクジェットヘッドの断面図である。上記実施形態1と共通した機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0063】
この実施形態3では、図12に示すように、第1電極である振動板70と第2電極83との間の側方から図示矢印方向にインクが供給されるようにした点で、上記実施形態1と相違しており、その他の点については上記実施形態1と同様である。このようにすれば、上記実施形態1と同様の効果を得ることができるほか、第2電極83が形成された対向基板80に、インクが通過可能な連通孔81を形成する必要がなくなり、インクジェットヘッドの製造が一層容易となる。
【0064】
(実施形態4)
図13は、本発明の実施形態4に係るインクジェットヘッドの断面図である。上記実施形態1と共通した機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0065】
この実施形態4では、図13に示すように、第1電極である振動板70に対し第2電極83側と反対側の対向する位置に間隙を有して第3電極86が設けられる。この第3電極86は、第2電極83と同様に金属スパッタなどにより成膜される。これら第2電極側83および第3電極86の表面には、樹脂蒸着などで成膜することにより、所定厚さの絶縁層83a,86aが形成される。振動板70は、可撓性を有するシート状の導電体である導電性フィルムで構成され、その一端が第2電極83側近傍に固定されると共に他端が第3電極86側近傍に固定され、S字状を呈して、インクチャンネル61内に設置されている。そして、ノズル51は、第2電極83と第3電極86との間の側方に設けられている。その他の点については上記実施形態1と同様である。
【0066】
この実施形態4にあっては、図示上下に設けた第2電極側83または第3電極86に駆動電圧を印加することで、導電性フィルムである振動板70を、図示2点鎖線で示すように、静電吸着力により前後に動かす。振動板70には、インクが通過可能な貫通孔71が設けられているので、上記実施形態と同様の原理によりインクをノズル51に向けて前方へ押し出すことができる。このようにすれば、上記実施形態1と同様の効果を得ることができる。
【0067】
なお、以上説明した実施形態は、本発明を限定するために記載されたものではなく、本発明の技術的思想内において当業者により種々変更が可能である。
【0068】
例えば上述した実施形態では、振動板70ないし対向基板80に対して孔71,83を開けるようにしたが、その代わりに、メッシュが形成された板を用いてもよい。このようにすれば、多数の孔が均一に分布しているので、インクジェットヘッドの組み立て時に、振動板70の位置合せの必要性をなくすことができる。また、万一1つの孔が詰まったとしてもその影響が少ない利点がある。
【0069】
また、インク吐出動作時に、高周波振動により、振動板70を複数回振動させて、1滴のインク滴を飛翔させるようにしてもよい。インクジェットヘッドの構成において、振動板70の固有振動周期を、インクの固有振動周期よりも十分速くなるように設計しておき(例えば振動板70の厚みを厚くすると、変位量は減るが固有振動周期を速くすることができる。)、振動板70の固有振動周期に合った高周波で駆動すると、―回の振動あたり所定量ずつインクが前方に送られるので、印加信号としてあたえられた振動数によってインク滴の体積を変調することも可能になる。
【0070】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項1に記載の発明によれば、電極間ギャップにインクが充填されるような構成にしたので、電界強度の面でギャップ間が空気の時と比べて有利となるため、電極間ギャップを従来と比較して広く形成でき、加工が大幅に容易になる。
【0071】
また、振動板にインクが通過可能な貫通孔を開け、この貫通孔の裏側からインクを供給することにより、インクはほとんど一方向に移動させられることになるので、インク吐出効率が高くなり、かつインクジェットヘッドの駆動周波数に対する追随性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 インクジェットプリンタの概略構成を説明するための斜視図である。
【図2】 図1に示したヘッドユニットの1色分のインクジェットヘッドを含むキャリッジ周辺の構成を説明するための斜視図である。
【図3】 本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドの全体斜視図である。
【図4】 同分解斜視図である。
【図5】 図3におけるV−V線に沿う断面図である。
【図6】 インクジェットプリンタの制御部の構成を説明するためのブロック図である。
【図7】 インク液滴を吐出させる際の動作を説明するための図である。
【図8】 インク液滴を吐出させる際の駆動電圧の波形とこのときの諸量の変化とを示す図である。
【図9】 貫通孔をストレート孔とした場合のその形状と印加圧力に対する流路抵抗とを示す図である。
【図10】 貫通孔をテーパ孔とした場合のその形状と印加圧力に対する流路抵抗とを示す図である。
【図11】 本発明の実施形態2に係るインクジェットヘッドの断面図である。
【図12】 本発明の実施形態3に係るインクジェットヘッドの断面図である。
【図13】 本発明の実施形態4に係るインクジェットヘッドの断面図である。
【符号の説明】
1…インクジェットプリンタ、
2…記録シート(記録媒体)、
3…ヘッドユニット、
31…インクジェットヘッド、
51…ノズル、
61…インクチャンネル(加圧室)、
70…振動板(第1電極)、
71…貫通孔、
91…インク供給室、
81…連通孔、
82…空間、
83…第2電極、
86…第3電極、
105…ヘッド吐出駆動部(振動板駆動手段)。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet head of a type in which a diaphragm is deformed by electrostatic force to fly ink and a driving device thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, one of ink jet heads used in an ink jet recording apparatus is known that uses an electrostatic actuator (see JP-A-7-214769, JP-A-7-214770, etc.).
[0003]
This ink jet head forms an image on a recording medium by ejecting ink according to the following operation principle.
[0004]
First, when a voltage is applied between a pair of electrodes provided with a gap at opposite positions, an electrostatic force is generated between the electrodes, and this electrostatic force causes the diaphragm to move in the direction opposite to the pressurizing chamber communicating with the nozzle. Attract to. As a result, the ink is drawn into the pressure chamber from the common ink chamber and is filled. Then, by removing the voltage applied between the opposing electrodes, the diaphragm returns to its original position by the restoring force due to its own rigidity, and the volume of the pressurizing chamber is contracted rapidly. Due to the pressure generated at this time, the ink filled in the pressurizing chamber is ejected and flying as droplets from the nozzles, and the ink droplets land on the recording medium to form an image.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the ink jet head using the conventional electrostatic actuator, the gap between the pair of electrodes is a gap. For this reason, in order to drive the ink jet head by deforming the diaphragm at a low voltage, the gap interval has to be considerably narrowed (for example, 0.3 μm), and therefore, highly accurate processing is required. There was a problem of being.
[0006]
In addition, a part of the ink pressed by the deformation of the diaphragm moves in the inlet direction communicating with the common ink chamber (ink supply chamber) for supplying ink separately from the nozzle direction, so that the ink ejection efficiency is low. In addition, there is a problem that the followability to the drive frequency of the inkjet head does not increase. Here, the drive frequency of the inkjet head refers to the frequency of the voltage applied between a pair of electrodes when continuous printing is performed.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and its object is to facilitate processing, increase the ink ejection efficiency, and improve the followability to the drive frequency of the inkjet head. There is.
[0008]
[Means for solving the problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is directed to a nozzle, a pressurizing chamber communicating with the nozzle, and a pressure for changing the pressure in the pressurizing chamber.The first electrodeA diaphragm,Said1st electrodeIs a diaphragmA second electrode formed with a gap at a position facing the first electrode, and the first electrodeDiaphragm that is an electrodeandSaidBy applying a voltage between the second electrodes,The first electrodeIn the inkjet head that causes the ink in the pressure chamber to be ejected as droplets from the nozzle by deforming the diaphragm,The first electrodeInk is filled between the diaphragm and the second electrode, andThe first electrodeA through-hole through which ink can pass is formed in the diaphragm, and the first electrodeIs a diaphragmA third electrode with a gap at a position opposite to the second electrode side with respect to the second electrode side,The first electrodeThe diaphragm has flexibility,The second electrode is viewed from a direction perpendicular to the ink ejection direction in a plane parallel to the surface facing the pressurizing chamber.An S-shaped sheet-like conductor, one end of which is fixed in the vicinity of the second electrode side and the other end thereof is fixed in the vicinity of the third electrode side, and the nozzle is connected to the second electrode and the third electrode. It is provided on the side between the electrodes.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0015]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view for explaining a schematic configuration of the ink jet printer 1.
[0016]
The ink jet printer 1 prints on a recording sheet 2 which is a recording medium such as paper or an OHP sheet, and includes an ink jet head scanning system and a recording sheet feeding system.
[0017]
The ink jet head scanning system includes a
[0018]
On the other hand, the recording sheet feeding system includes a
[0019]
The recording sheet 2 is sent to a recording unit where the
[0020]
The print head of the
[0021]
The
[0022]
In this way, the image is recorded on the recording sheet 2, and the recording sheet 2 that has passed through the recording unit is discharged by the
[0023]
FIG. 2 is a perspective view for explaining a configuration around the
[0024]
In the vicinity of the
[0025]
When the
[0026]
3 is an overall perspective view of the inkjet head according to the first embodiment of the present invention, FIG. 4 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. In each figure, for easy understanding, the nozzle is shown in a state where it is positioned above.
[0027]
As illustrated, the
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
The
[0031]
As the
[0032]
A
[0033]
The
[0034]
The interelectrode gap dimension D1 formed by the
[0035]
The element members formed as described above are bonded together so as to have a sandwich structure as shown in the figure, and the
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
Next, the ink used in this embodiment will be described.
The composition of the ink used in the present embodiment is as shown in Table 1 below, using four color inks of black (K), yellow (Y), magenta (M), and cyan (C). As shown in the table, each color is adjusted with a dye, but a pigment may be used instead of the dye.
[0039]
[Table 1]
[0040]
Next, the control unit of the ink jet printer 1 is unlighted.
FIG. 6 is a block diagram for explaining the configuration of the control unit of the inkjet printer 1.
[0041]
The control unit of the inkjet printer 1 includes a
[0042]
The
[0043]
Based on the control of the
[0044]
Further, based on the control of the
[0045]
The present invention is configured as described above. Next, the operation of the ink jet head will be described.
[0046]
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation when ejecting ink droplets, and FIG. 8 is a diagram showing the waveform of the drive voltage when ejecting ink droplets and changes in various quantities at this time. .
[0047]
When ink droplets are ejected, the
[0048]
In this embodiment, since the
F = 1/2 · {εrεoS (V / d)2} …… (1)
Where εr is the relative dielectric constant between the first electrode and the second electrode, and εo is the relative dielectric constant of vacuum (= 8.854 × 10-12F / m), S is the area of the electrode, V is the voltage, and d is the length between the first electrode and the second electrode.
[0049]
As a result, the ink filled in the
[0050]
At this time, as shown in FIG. 8, as the deformation volume ΔX1 of the
[0051]
Then, after the drive voltage is held for a certain time (several μsec to several tens of μsec), the drive voltage is cut off and stopped (TC interval in FIG. 8). Due to the interruption of the drive voltage, the
[0052]
As described above, when the ink ejection operation is performed, the
[0053]
Thus, the volume of the
[0054]
As described above, according to the present embodiment, since the gap between the electrodes is filled with ink, the electric field strength is the same even when the gap distance between the electrodes is the same as compared with the case where nothing is filled in the gap between the electrodes. Can be greatly improved. That is, as can be seen from the above formula (1), the voltage value for obtaining the predetermined force F decreases as the dielectric constant of the interelectrode substance increases, so that it can be driven at a low voltage. Since the relative dielectric constant of the ink is about 60 in the case of water-based ink, for example, the gap between the electrodes can be expanded by about 8 times if the same electric field strength is sufficient. As described above, the gap between the gaps is more advantageous than the case of air in terms of electric field strength, so that the gap between the electrodes can be formed as wide as 3 μm as compared with the conventional example, and the processing is greatly facilitated.
[0055]
Also, by opening a through
[0056]
Further, in the configuration of the ink jet head, an experiment was conducted on a difference in flow path resistance of the through
[0057]
In this experiment, ink was passed through two types of diaphragms having different hole shapes at a predetermined pressure, and the dependence of the channel resistance R on the applied pressure P was determined from the flow velocity at that time. From the results of FIG. 9 and FIG. 10, it was confirmed that the flow path resistance R increases as the applied pressure P increases. This confirms that the higher the speed of the
[0058]
Further, it can be seen from FIG. 10 that the shape of the through
[0059]
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a cross-sectional view of an inkjet head according to Embodiment 2 of the present invention. Members having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0060]
In the second embodiment, as shown in FIG. 11, the
[0061]
Therefore, in Embodiment 1 described above, ink is ejected when the drive voltage is interrupted (during discharge). However, in Embodiment 2, ink can be directly ejected by electrostatic attraction when a drive voltage is applied. . As a result, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the transient behavior of the
[0062]
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a cross-sectional view of an inkjet head according to
[0063]
In the third embodiment, as shown in FIG. 12, the ink is supplied in the direction indicated by the arrow from the side between the
[0064]
(Embodiment 4)
FIG. 13 is a cross-sectional view of an inkjet head according to
[0065]
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 13, the
[0066]
In the fourth embodiment, by applying a driving voltage to the
[0067]
The embodiments described above are not described for limiting the present invention, and various modifications can be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention.
[0068]
For example, in the embodiment described above, the
[0069]
Further, during the ink ejection operation, the
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, since the gap between the electrodes is filled with ink, the gap between the gaps is advantageous in comparison with air in terms of electric field strength. Therefore, the gap between the electrodes can be formed wider than in the prior art, and the processing is greatly facilitated.
[0071]
Also, by opening a through-hole through which ink can pass through the diaphragm and supplying ink from the back side of the through-hole, the ink can be moved almost in one direction, so that the ink ejection efficiency is increased, and The followability with respect to the drive frequency of the inkjet head is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view for explaining a schematic configuration of an ink jet printer.
2 is a perspective view for explaining a configuration around a carriage including an inkjet head for one color of the head unit shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is an overall perspective view of the inkjet head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is an exploded perspective view of the same.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
FIG. 6 is a block diagram for explaining a configuration of a control unit of the inkjet printer.
FIG. 7 is a diagram for explaining an operation when ink droplets are ejected.
FIG. 8 is a diagram illustrating a waveform of a driving voltage when ink droplets are ejected and changes in various amounts at this time.
FIG. 9 is a diagram showing the shape and flow path resistance against applied pressure when the through hole is a straight hole.
FIG. 10 is a diagram showing the shape and flow path resistance with respect to applied pressure when the through hole is a tapered hole.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an inkjet head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of an inkjet head according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of an inkjet head according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Inkjet printer,
2. Recording sheet (recording medium),
3 ... head unit,
31. Inkjet head,
51 ... Nozzle,
61: Ink channel (pressure chamber),
70: Diaphragm (first electrode),
71 ... through hole,
91 ... Ink supply chamber,
81 ... communication hole,
82 ... space,
83 ... the second electrode,
86 ... third electrode,
105: Head ejection drive unit (vibration plate drive means).
Claims (1)
前記第1電極である振動板と前記第2電極との間にインクが充填されると共に、前記第1電極である振動板にインクが通過可能な貫通孔が形成され、
前記第1電極である振動板に対し前記第2電極側と反対側の対向する位置に間隙を有して第3電極を設け、
前記第1電極である振動板は、可撓性を有し、前記第2電極の前記加圧室に臨む面に平行な面内におけるインクの吐出方向と直交する方向から見てS字状を呈するシート状の導電体であり、一端が前記第2電極側近傍に固定されると共に他端が前記第3電極側近傍に固定され、
前記ノズルを前記第2電極と前記第3電極との間の側方に設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。Includes a nozzle, a pressure chamber communicating with the nozzle, a diaphragm is a first electrode for changing the pressure in the pressurized chamber, a gap at a position opposing to the vibration plate is the first electrode and a second electrode formed Te, said by deforming the vibration plate is the first electrode by applying a voltage between the first electrode and a diaphragm and the second electrode, the pressure In an inkjet head that ejects ink in the chamber as droplets from the nozzle,
Ink is filled between the diaphragm that is the first electrode and the second electrode, and a through-hole through which ink can pass is formed in the diaphragm that is the first electrode ,
A third electrode is provided with a gap at a position opposite to the second electrode side with respect to the diaphragm which is the first electrode,
The diaphragm as the first electrode has flexibility, and has an S-shape when viewed from a direction perpendicular to the ink ejection direction in a plane parallel to the surface of the second electrode facing the pressurizing chamber. Sheet-like conductor to be exhibited, one end is fixed near the second electrode side and the other end is fixed near the third electrode side,
An ink jet head, wherein the nozzle is provided on a side between the second electrode and the third electrode.
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