JP4238968B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット記録ヘッドに係り、より詳しくは、列状に並ぶ複数のノズルを有するインクジェット記録ヘッドの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先行技術のオンディマンド型のインクジェット記録ヘッドにおいては、特開平９−７０９６６号公報や特開２００２−１９１０２号公報等に開示されているように、複数枚のプレートを積層して、インク流通路を有するキャビティユニットが構成され、これらのプレートは複数個のノズルを列状に備えたノズルプレートと、この各ノズルごとの圧力室を備えたベースプレートと、インク供給源に接続され、且つ前記各圧力室に接続するマニホールド室を有するマニホールドプレート等とから構成されている。圧電アクチュエータは、圧電セラミックス素子を電極間に構成され、キャビティユニット上に接合されている。
【０００３】
一般に、圧力室の配置間隔とノズルの配置間隔は、同じに形成され、圧力室からノズルまでの各インク流路の長さが互いに等しく形成されている。圧力室と対応するアクチュエータの活性部の配列間隔もノズルの配置間隔と同じに形成されている。
【０００４】
ところで、高密度の印字を可能にするため、圧力室の容積または圧電アクチュエータの性能を維持して、ノズルの配置間隔を小さくする要請がある。また、ノズルの配置間隔を一定にしたまま、圧電アクチュエータを小さくする要請もある。
【０００５】
このようにすると、ノズル配置間隔と圧力室の配置間隔が一致しなくなり、各圧力室とノズルとを結ぶ各インク流路の長さがそれぞれ異なって、各ノズルからのインクの噴射特性が揃わなくなる。これを解決するため、特開昭５８−１１２７５４号公報に記載のように、圧力室、ノズル及びその両者を結ぶインク流路が一平面内に形成されるものでは、圧力室を円弧状に配置して、インク流路の長さを揃えることが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２００２−１９１０２号公報に記載のように、ノズルと圧力室とを別のプレートに形成し、そのノズルと圧力室を結ぶインク流路を更に別のプレートに貫通形成するものでは、上記のような解決策をとることができない。
【０００７】
本発明は、ノズル、圧力室及びその両者を結ぶインク流路を、積層したプレートによって形成するインクジェット記録ヘッドにおいて、ノズルの配置間隔と圧力室の配置間隔とを異ならせても、各圧力室からノズルまでのインク流路の長さを略等しくなるように工夫し、各ノズルのインクの噴射特性を略等しくできるインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ベースプレートに複数の同一形状で、同じピッチで所定の直線の列状に並ぶように形成された圧力室と、この各圧力室に対応し、ノズルプレートの平面に列状に配置された複数個のノズルと、前記各圧力室の先端から前記各ノズル毎に連通するように他の複数のプレートを貫通して形成されたインク流路と、インク供給源からインクを溜めたのち前記各圧力室における後端にインクを補充するマニホールド室とを有し、複数のプレートを積層して構成したキャビティユニットと、前記圧力室毎に選択的に駆動可能な活性部を有してインクを噴射させるアクチュエータとを設けてなるインクジェット記録ヘッドにおいて、前記一列状の圧力室における前記先端が前記ベースプレートの平面の所定方向に直線状となる基準線に沿って同一配置間隔にて配置され、前記先端が並ぶ前記基準線と直交し、且つ前記各プレートの平面と平行な方向の投影視において、前記各ノズル列における前記ノズルの配置間隔を前記先端の前記基準線に沿った配置間隔と異なるように設定し、前記各圧力室の前記先端から対応するノズルまでのインク流路の長さが互いに略等しくなるように、前記各ノズルの位置を、前記基準線の延びる方向と直交し、且つ前記ノズルプレートの平面に沿う方向に偏倚させたことを特徴とするものである。
【０００９】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記各ノズル列におけるノズルの前記配置間隔が前記対応する前記一列状の圧力室における前記先端の前記配置間隔より小さくなるように設定され、前記ノズルの列の中央から離れるに従って、そのノズルの偏倚量が前記ノズルの列の中央側に位置するノズルの偏倚量よりも順次小さくなるように設定されているものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記各ノズル列におけるノズルの前記配置間隔が前記対応する前記一列状の圧力室における前記先端の前記配置間隔より大きくなるように設定され、前記ノズルの列の中央から離れるに従って、そのノズルの偏倚量が前記ノズルの列の中央側に位置するノズルの偏倚 量よりも順次小さくなるように設定されているものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、複数のアクチュエータが前記基準線の延びる方向に沿って適宜隔てて縦列配置されているものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面について説明する。本発明の圧電式インクジェットプリンタヘッドは、図１〜図３に示すように、キャビティユニット１に対して接合されるプレート型の圧電アクチュエータ２の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル３が重ね接合されているものであり、キャビティユニット１の下面側に開口されたノズル１５から下向きにインクが噴射するものとする。
【００１１】
実施の形態によるキャビティユニット１は、図２及び図３に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート９、２枚のマニホールドプレート１１，１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の５枚の薄板を接着にて重ねて接合して積層した構造である。実施形態では、ノズルプレート９を除く各プレート１１、１２、１３、１４は４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さである。この各プレートには、電解エッチング、レーザ加工、プラズマジェット加工、等により、以下の各流路または室を構成する開口または凹部が形成されている。合成樹脂製等のノズルプレート９には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク噴出用のノズル１５が、当該ノズルプレート９における第１の方向（長辺方向）に沿って２列の千鳥配列状に設けられている。即ち、ノズルプレート９の前記第１の方向と平行な左右の基準線９ａ、９ｂに沿って、微小ピッチＰ１の間隔で千鳥状配列にて多数個のノズル１５が穿設されている。
【００１２】
また、前記各ノズル１５に対応する後述の圧力室１６と、後述する圧電アクチュエータ２における圧電素子の活性部とは各プレートの平面視において上下に重なり対応する位置となるように配列され、前記各圧力室１６は前記第１の方向（ノズルの列方向でもある）と交差（直交）する方向に延びるように形成されて、圧力室１６の列は前記第１の方向に沿って延びる。
【００１３】
即ち、前記ベースプレート１４には、その長辺（前記第１の方向）に沿う中心線に対して直交する第２の方向（短辺方向）に延びる細幅の圧力室１６の多数個が穿設されている。その場合、前記中心線を挟んで左右両側にて平行状の基準線１４ａ、１４ｂを設定すると、前記中心線より左側の圧力室１６の細幅の先端１６ａは前記右側の基準線１４ｂ上に位置し、逆に前記長手中心線より右側の圧力室１６の先端１６ａは前記左側の基準線１ａｂ上に位置し、且つこの左右の圧力室１６の先端１６ａが交互に配置されているので、左右両側の圧力室１６は一つおきに互いに逆方向に延びるように交互に千鳥配列状に配置されていることになる（図１参照）。そして、前記左右両側の圧力室１６の前記ノズルの列方向の配置間隔Ｐ２とするとき、Ｐ２＞Ｐ１となる。即ち、圧力室１６の配置間隔をノズル１５の配置間隔Ｐ１より大きく設定する。
【００１４】
そして、前記２枚のマニホールドプレート１１、１２には、インク通路としての一対のマニホールド室１１ａ、１２ａが、前記ノズル１５の列の両側に沿って延びるように穿設されている。その場合、上位置のマニホールドプレート１２におけるマニホールド室１２ａの深さは当該マニホールドプレート１２の板厚さに等しく貫通形成されており、下位置のマニホールドプレート１１にはその上面にのみ開放するように、その下面側に薄い厚さの底板部を残して凹み形成されている。従って、前記マニホールド室１１ａ、１２ａは、上側のスペーサプレート１３の下位置のマニホールドプレート１１とにより、密閉される構造になっている。各マニホールド室１１ａ，１２ａの平面視形状は、前記圧力室１６の列と重なり且つ圧力室１６の列を跨ぐように延びている（図１参照）。
【００１５】
前記各圧力室１６の先端１６ａは、前記ノズルプレート９における前記千鳥状配列のノズル１５に、前記スペーサプレート１３、マニホールドプレート１２、１１、ダンパープレート１１及びカバープレートに同じく千鳥状配列にて穿設されている微小径のインク流路１７、１７を介して連通している。一方、前記各圧力室１６の他端１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記マニホールドプレート１２におけるマニホールド室１２ａに連通している。なお、前記他端１６ｂは、図１に示すように、ベースプレート１４の下面側にのみ開口するように凹み形成されているものである。
【００１６】
これにより、図示しないインク供給源（インクタンク）から前記前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部に穿設の供給孔１９ａ，１９ｂを介して前記左右両マニホールド室１１ａ，１２ａ内に流入したインクは、前記各貫通孔１８を通って前記各圧力室１６内に分配されたのち、この各圧力室１６内から前記インク流路１７を通って、当該圧力室１６に対応するノズル１５に至るという構成になっている（図２参照）。
【００１７】
アクチュエータ２は、特開平３−２７４１５９号公報に記載されているものと同様に、複数枚の圧電セラミックスシートを積層して構成され、各圧電セラミックスシート間に、各圧力室１６と対応した電極２ａが介挿されている。積層方向の各電極２ａに挟まれた部分を活性部として、その電極に電圧を印加することにより、各圧力室１６に対して圧電歪みを発生し、圧力室１６内のインクに噴射エネルギーを与える。なお、アクチュエータ２は、圧電素子に代えて、他の形式のものを採用しても良い。
【００１８】
次に、本発明の構成である、アクチュエータ２による各圧力室１６に付与するエネルギーを同一にし、且つ、圧力室１６の配置間隔をノズル１５の配置間隔よりも大きくしながらも、各圧力室１６からノズル１５までのインク流路の長さを略等しくなるように形成する実施形態について説明する。
【００１９】
前記実施形態では、千鳥状配列された一方（右側）の圧力室１６とそれに対応するノズル１５との間の前記インク流路１７の形態について説明する。例えば、図１において、前記一方の基準線１４ａに位置する圧力室１６の先端部１６ａの列と、その下方であって、ノズルプレート９における対応する一方の基準線９ａに位置するノズル１５の列では、ノズルの列方向に隣接するノズル９の配置間隔は２Ｐ１（前記ピッチＰ１の二倍の長さ）であり、同様にそのノズルの列方向に隣接する圧力室１６の先端部１６ａの配置間隔は２Ｐ２（前記ピッチＰ２の二倍の長さ）となる。
【００２０】
そこで、前記各圧力室から対応するノズルまでのインク流路の長さが互いに略等しくなるように、前記各ノズルの位置を、当該ノズルの列方向と直交する方向に偏倚させること、及び前記複数個のノズルのうち、当該ノズルの列の中央側に位置するノズルの前記偏倚量を、前記ノズルの列の前後側に位置するノズルの前記偏倚量よりも大きくなるように設定することについて、図１の III −III 線（一方の基準線１４ａ及び基準線９ａ）に沿って切断した断面図である図３及び作用説明図である図４を参照しながら説明する。
【００２１】
図３及び図４において、多数個のノズル１５からなる列において、その列の中央に位置するノズル１５の位置をＡ０とし、その位置より後側のノズル１５の位置を順番にＡ１，Ａ２，Ａ３‥‥とし、前記Ａ０の位置より手前側のノズル１５の位置を−Ａ１，−Ａ２，−Ａ３とする。他方、前記Ａ０の位置から鉛直線上の先端１６ａの位置をＢ０とし、その位置より後側の先端１６ａの位置を順番にＢ１，Ｂ２，Ｂ３‥‥とし、前記Ｂ０の位置より手前側の先端１６ａの位置を−Ｂ１，−Ｂ２，−Ｂ３とする。そして、前記先端１６ａの列（−Ｂ３〜Ｂ０〜Ｂ３）は前記基準線１４ａに沿って配置されているとする。また、ノズル１５の列のうち、最前位置−Ａ３及びＡ３を前記基準線９ａ上に置くとする。そして、圧力室１６の先端１６ａから対応するノズル１５までのインク流路の符号を、それぞれ１７（−Ｂ３）、１７（−Ｂ２）、１７（−Ｂ１）、１７（Ｂ０）、１７（Ｂ１）、１７（Ｂ２）、１７（Ｂ３）とするとき、これらのインク流路の長さを略等しくするため、前記ノズル１５の列の中央側のＡ０は、前記基準線９ａからＣ０の寸法だけ横方向（前記基準線９ａと直交する方向）に偏倚させる。そして、この中央のノズル１５に隣接するＡ１及び−Ａ１の位置では、前記基準線９ａからＣ１（＜Ｃ０）の寸法だけ横方向に偏倚させる。同様にして、Ａ２及び−Ａ２の位置では、前記基準線９ａからＣ２（＜Ｃ１＜Ｃ０）の寸法だけ横方向に偏倚させるのである。これらの偏倚量（Ｃ２＜Ｃ１＜Ｃ０）の差異は、幾何級数的になるものと思われる。
【００２２】
以上のように、インク流路の長さを略等しくすることより、その内部流れるインク流の抵抗値を略等しくすることができるから、圧電アクチュエータ２の各活性部の作動に必要な駆動電圧を同じにして、各ノズル１５のインクの噴射力を略等しくでき、印字性能が安定したインクジェット記録ヘッドを提供することができるのである。
【００２３】
このように構成した場合、インクジェット記録ヘッドが基準線と直交する方向に走査しながら、記録媒体に対して印字を行うとき、図示しない制御装置において、基準線９ａ上に位置するノズルに対応する圧電アクチュエータの電極への電圧の印加に対して、他のノズルに対応する電極への電圧の印加を、基準線９ａからの偏倚量Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２に応じた時間だけずらすように制御する。
【００２４】
次に、本発明の他の実施形態を図５、図６で説明する。この実施の形態では、ノズルの配置間隔２Ｐ′１よりも圧力室１６の配置間隔２Ｐ′２を小さくしている。このようにしたのは、複数圧力室１６を列方向に複数の群に分け、各群ごとに圧電アクチュエータ２を分けて製作したためである。
【００２５】
つまり、圧電セラミックス製の圧電アクチュエータ２は焼成して製作するために、焼成による収縮があり、圧力室１６の列が長くなると、アクチュエータ２内の電極２ａと圧力室１６とが一致しにくくなる。このため、複数の圧力室１６を列方向に複数の群に分け、各群ごとに短い圧電アクチュエータ２を配置する。このとき、圧電アクチュエータ２をその両端の電極よりも外に、配置間隔２Ｐ′２の半分よりも小さい余裕を持たせて製作することは困難であるので、圧力室の群問に配置間隔２Ｐ′２よりも大きい間隔Ｐａを持たせる必要がある。一方、すべてのノズルの配置間隔は２Ｐ′１で均一である必要があるので、ノズルの配置間隔２Ｐ′１よりも圧力室１６の配置間隔２Ｐ′２を小さくしているのである。
【００２６】
この場合も、インク流路１７の長さが略等しくなるように、図６に示すように、基準線９ａに対して直行する方向にノズル１５を偏倚して配置する。基準線９ａと平行な方向のノズルの配置間隔は２Ｐ′１のままである。
【００２７】
この実施の形態の構成は、圧電アクチュエータ２が１個のみの場合でも、コスト低減のために圧電アクチュエータを小さく製作することに利用することができる。
【００２８】
【発明の作用・効果】
以上に説明したように、請求項１に記載の発明は、ベースプレートに複数の同一形状で、同じピッチで所定の直線の列状に並ぶように形成された圧力室と、この各圧力室に対応し、ノズルプレートの平面に列状に配置された複数個のノズルと、前記各圧力室の先端から前記各ノズル毎に連通するように他の複数のプレートを貫通して形成されたインク流路と、インク供給源からインクを溜めたのち前記各圧力室における後端にインクを補充するマニホールド室とを有し、複数のプレートを積層して構成したキャビティユニットと、前記圧力室毎に選択的に駆動可能な活性部を有してインクを噴射させるアクチュエータとを設けてなるインクジェット記録ヘッドにおいて、前記一列状の圧力室における前記先端が前記ベースプレートの平面の所定方向に直線状となる基準線に沿って同一配置間隔にて配置され、前記先端が並ぶ前記基準線と直交し、且つ前記各プレートの平面と平行な方向の投影視において、前記各ノズル列における前記ノズルの配置間隔を前記先端の前記基準線に沿った配置間隔と異なるように設定し、前記各圧力室の前記先端から対応するノズルまでのインク流路の長さが互いに等しくなるように、前記各ノズルの位置を、前記基準線の延びる方向と直交し、且つ前記ノズルプレートの平面に沿う方向に偏倚させたものである。
【００２９】
このように構成することにより、インク流路の長さを略等しくすることより、その内部流れるインク流の抵抗値を略等しくすることができるから、アクチュエータの各活性部の作動に必要な駆動電圧を同じにして、各ノズルのインクの噴射力を略等しくでき、印字性能が安定したインクジェット記録ヘッドを提供することができるという効果を奏する。
【００３０】
そして、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記各ノズル列におけるノズルの前記配置間隔が前記対応する前記一列状の圧力室における前記先端の前記配置間隔より小さくなるように設定され、前記ノズルの列の中央から離れるに従って、そのノズルの偏倚量が前記ノズルの列の中央側に位置するノズルの偏倚量よりも順次小さくなるように設定されている。他方、請求項３に記載の発明では、前記各ノズル列におけるノズルの前記配置間隔が前記対応する前記一列状の圧力室における前記先端の前記配置間隔より大きくなるように設定され、前記ノズルの列の中央から離れるに従って、そのノズルの偏倚量が前記ノズルの列の中央側に位置するノズルの偏倚量よりも順次小さくなるように設定されているものであるから、いずれの場合にも、ノズルの列の中央部を起点にして前後方向の偏倚量を対称に設定することができ、インク流路の設計が簡単になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるキャビティユニットの分解斜視図である。
【図２】図１のII−II線矢視断面図である。
【図３】図１の III−III 線矢視断面図である。
【図４】本発明のインク流路の形態を示す説明図である。
【図５】他の実施の形態における図３相当の断面図である。
【図６】図５の実施の形態における図４相当の説明図である。
【符号の説明】
１ キャビティユニット
２ 圧電アクチュエータ
９ ノズルプレート
１１、１２ マニホールドプレート
１３ スペーサプレート
１４ ベースプレート
１５ ノズル
１６ 圧力室
１７ インク流路

Claims (4)

1. ベースプレートに複数の同一形状で、同じピッチで所定の直線の列状に並ぶように形成された圧力室と、この各圧力室に対応し、ノズルプレートの平面に列状に配置された複数個のノズルと、前記各圧力室の先端から前記各ノズル毎に連通するように他の複数のプレートを貫通して形成されたインク流路と、インク供給源からインクを溜めたのち前記各圧力室における後端にインクを補充するマニホールド室とを有し、複数のプレートを積層して構成したキャビティユニットと、前記圧力室毎に選択的に駆動可能な活性部を有してインクを噴射させるアクチュエータとを設けてなるインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記一列状の圧力室における前記先端が前記ベースプレートの平面の所定方向に直線状となる基準線に沿って同一配置間隔にて配置され、
   前記先端が並ぶ前記基準線と直交し、且つ前記各プレートの平面と平行な方向の投影視において、前記各ノズル列における前記ノズルの配置間隔を前記先端の前記基準線に沿った配置間隔と異なるように設定し、
   前記各圧力室の前記先端から対応するノズルまでのインク流路の長さが互いに等しくなるように、前記各ノズルの位置を、前記基準線の延びる方向と直交し、且つ前記ノズルプレートの平面に沿う方向に偏倚させたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記各ノズル列におけるノズルの前記配置間隔が前記対応する前記一列状の圧力室における前記先端の前記配置間隔より小さくなるように設定され、
   前記ノズルの列の中央から離れるに従って、そのノズルの偏倚量が前記ノズルの列の中央側に位置するノズルの偏倚量よりも順次小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記各ノズル列におけるノズルの前記配置間隔が前記対応する前記一列状の圧力室における前記先端の前記配置間隔より大きくなるように設定され、
   前記ノズルの列の中央から離れるに従って、そのノズルの偏倚量が前記ノズルの列の中央側に位置するノズルの偏倚量よりも順次小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 複数のアクチュエータが前記基準線の延びる方向に沿って適宜隔てて縦列配置されていることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。