JP4396349B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子によりインクに圧力を加えてインク滴を飛翔させ、印刷媒体にインク像を形成するインクジェットプリンタの高密度化および高周波数での吐出特性の改善に関する。

従来から、圧電素子などの圧力発生手段により、圧力室の容積を変化させ、ノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１０に圧電素子を用いたインクジェットヘッドの例を示す。インク流路は一枚以上の薄板を接合して形成する。図１０の例では、ノズル１を有するノズルプレート２、圧力室４が形成されたチャンバプレート５、及び共通インク通路１３と圧力室４とを連結して圧力室４へのインク流入を制御するリストリクタ６を形成したリストリクタプレート７とを位置決めして接合する。更に、圧電アクチュエータ１４の圧力を圧力室４に伝えるための振動板８を形成したダイアフラムプレート１０と、振動板８の振動領域を規定する穴部１１ａを有するサポートプレート１１とを位置決めして接合する。これらの薄板を貼り合わせることで流路形成基板３を形成し、共通インク通路１３を形成したハウジング１２を同じように位置決めして接合する。

最後に、複数の圧電素子１５とそれを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ１４を位置決めして接合する。圧電アクチュエータ１４は複数の圧電素子１５からなり、各々の圧電素子１５は圧力室４の一つずつに対応するようになっている。各圧電素子１５は個別電極１７及び裏側に共通電極が接続されており、個別電極１７に選択的な電気信号を加えることで、圧電素子１５を変形させる。圧電素子１５の変形が振動板８を介し圧力室４に伝わり、インクはノズル１からインク滴として吐出する。

しかしながら、この圧電素子１５の変形を利用したインクジェットヘッドは、高密度化に伴い、２つの原因により、単独駆動時のインク滴吐出速度と複数ノズル駆動時のインク滴吐出速度とが異なってしまう、クロストークの課題を有している。さらに、高周波数で駆動した時、駆動ノズル自身の影響を受けて速度が変化してしまう周波数依存性、いわゆる自分自身とのクロストークの課題を有している。

１つ目の原因による第１のクロストークは、流路形成基板３の剛性が不足し、圧電素子１５の駆動本数に応じて振動板８だけでなく、流路形成基板３自体が変形してしまう問題である。流路形成基板３が変形してしまうと、圧電素子１５の見かけの変形量が減少してしまい吐出速度の低下となる。流路形成基板３の剛性はハウジング１２の開口部の幅に大きく依存する。ハウジング１２の開口部の精度は、一般的な機械加工の場合、±０．１ｍｍ程度である。開口部の広いものはクロストーク特性が悪く、狭いものは相対的に良くなる結果となり、インクジェットヘッド毎にもクロストーク特性がばらついてしまっていた。

２つ目の原因による第２のクロストークは、圧電素子１５を用いたインクジェットヘッドには、圧電素子１５同士が接着剤で繋がり、繋がった接着剤を介して隣接する圧電素子１５の変形が振動板８に伝わってしまう問題である。隣接する圧電素子１５の変形が振動板８に伝わってしまうと、圧電素子１５の見かけの変形量が増加してしまい速度の増加となる。

自分自身とのクロストークは、第１のクロストークと同様の原因で発生する。流路形成基板３の剛性不足により、吐出後も流路形成基板３に残留振動が発生する。残留振動によりノズル１内のインクのメニスカス全体が振動し、高周波数で駆動すると吐出速度が低下してしまった。従って、インクジェットヘッドをより高い駆動周波数で駆動する妨げとなっていた。

上記したクロストークを解決するものとして、従来、以下のような発明が開示されている。

上記１つ目の原因によるクロストークを解決するものとしては、圧電素子と不動圧電素子を交互に列状に配置して流路形成基板の変形を防ぐ方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。その例を、図１１に示す。圧電素子１１５の間に配置される不動圧電素子１３０が流路形成３を直接支えるため、圧電素子１１５の駆動による変形を防ぐ効果がある。しかしながら、この方法では圧電素子１１５のピッチを倍にする必要があり、高密度化には不向きである。

また、流路形成基板の隔壁に厚肉部を設け、流路形成基板自体の剛性を高める方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。その例を、図１２に示す。隣接する圧力室１０４を隔てる隔壁１０５の一部に厚肉部１０５ａを設けることで剛性を高めている。しかしながら、この方法では、圧力室１０４の構造が限定される上、高密度化の制約下で、剛性を高めるには限界が有り、クロストークを有効に防止できない。

また、圧力室形成部材とノズル形成部材の間に強化部材を設ける方法も知られている（例えば、特許文献４参照）。その例を、図１３に示す。複数の圧力室をもつ圧力室形成部材１０５と各圧力室に対応した複数のノズル１０１の間に、ノズル１０１に対応した連通穴１４１を有する強化部材１４０を設けることで剛性を高めている。しかしながら、この方法も強化部材１４０がインク流路の一部を形成するため、剛性を高めようと厚みを増せば、圧力室からノズルまでの距離を延ばすこととなり、充分な吐出性能が得られない。

また、ノズル基板１０１上に強化部材１４０を設ける方法もあるが、ノズル１０１と印刷媒体との間を広げることとなり、インク着地位置精度の悪化の要因となる。

また、弾性板の圧電素子が接着される面側に枠状の弾性板を配置する方法も知られている（例えば、特許文献５参照）。その例を、図１４に示す。枠１１１ａは、圧力室１０４の隔壁を支持し、流路形成基板の剛性を補う。且つ、枠１１１ａは、振動板１０８の長手方向の振動領域を規定する。しかしながら、振動領域はコンプライアンスを確保するために、高密度化と共に低密度の場合と比べ細長くなり、枠１１１ａが細くなる。一方で、枠１１１ａを両端で支えるハウジング開口部１１２ａ、１１２ｂを狭めるのは困難である。従って、高密度化により、枠１１１ａの剛性が低下してしまう。さらに、ステンレス材の薄板単体のエッチング加工法、精密プレス法、レーザ加工等で枠１１１ａを製作する場合、厚さが０．２ｍｍ程度までとなり、枠１１１ａのみで十分な強度が得られない問題があった。さらに、枠１１１ａは振動板１０８の振動領域を規定し、間に圧電素子１１５が挿入されることから精度が必要である。板の厚さと精度の間にトレードオフの関係があるため、十分な剛性と精度とを同時に両立させることが困難であった。

また、上記２つ目の原因によるクロストークを解決するものとして、従来、以下のような発明が開示されている。

接着剤の広がりを規定する枠を設置する方法が知られている（例えば、特許文献６参照）。図１５に、その例を示す。接着剤１５０は硬化時に振動板１０８上に広がるが、枠１１１ａにより広がりが規定される。接着剤１３０は枠１１１ａ内の振動板１０８を全面覆うことでインク吐出のばらつきが低減される。しかしながら、振動板１０８全面を覆う程接着剤１５０を塗布すると、従来の枠１１１ａでは、枠１１１ａを乗り越えて接着剤１５０同士で繋がり、圧電素子１１５の駆動時に接着剤１５０を介して隣接する振動板１０８に変形が伝わり、結果、第２のクロストークを引き起こす問題があった。

特開平１−１１５６３８号公報 特開平９−１７４８３７号公報 特開２００１−１９９０６３号公報 特開平６−９９５７８号公報 特開平６−２９７７１０号公報 特開２００２−３３１６７１号公報

解決しようとする問題点は、インクジェットヘッドの高密度化に伴う、流路形成基板の変形及び圧電素子間の接着剤を介したクロストークの増大である。

上記課題を解決するため、本発明では、インク滴を吐出するノズルが複数個列状に配列されるノズル基板と、前記ノズルに対応してインクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の一部を形成して前記圧電素子と接着剤で連結されている振動板と、前記振動板上に配置され、前記圧力室に対向する部分に前記圧電素子が挿入される穴部を有し、該穴部により振動板の少なくとも一部の変形領域を規定するサポート部と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、前記リストリクタにインクを供給する共通インク通路及び前記圧電素子群が挿入される開口部を有するハウジングと、を有するインクジェットプリンタにおいて、前記サポート部に設けられた穴部に対応するスリット穴部を有し、該スリット穴部の長手方向長さが前記サポート部の穴部の長手方向長さよりも小さく形成され、かつ前記サポート部よりも高剛性を有する補強部材を、前記サポート部と前記ハウジングとの間に少なくとも１枚以上配置したことを特徴とする。

また、前記ノズル基板および圧力室、リストリクタ、振動板、サポート部からなる流路形成基板と、前記補強部材とを合わせた剛性は、圧電素子の変形によってノズル基板表面に発生する静的な変形量を、圧電素子の変形量の５％以下とする剛性を有することを特徴とする。

また、前記補強部材のスリット穴部の短手方向幅は、前記サポート部の穴部の短手方向幅以上であることを特徴とする。

また、前記圧電素子と振動板とを接合する接着剤は、前記サポート部によって囲まれる振動板全面を覆うことを特徴とする。

さらに、前記接着剤の厚さはサポート部の厚さ以上で、かつ、サポート部と補強部材の合計の厚さ以下であることを特徴とする。

本発明により、クロストークを抑制することができ、これによってノズル毎のインク吐出速度や吐出重量のばらつきを小さくすることが可能である。従って、例えば、ベタ印刷を行なう場合に、一定の吐出量で印刷濃度や膜厚のバラツキの小さい印刷が可能となる。

高密度化を図りつつ、クロストークを抑制する目的を、インク流路の設計に制約を与えることなく、実現した。

以下、本発明の一例について図面を参考にしながら説明する。

図１は、本発明のインクジェットヘッドの主要部の構造を説明する分解斜視図である。
流路形成基板３は一枚以上の薄板を接合して形成する。
複数のノズル１が形成されたノズル基板２と、圧力室４が形成されたチャンバプレート５とを位置決めして接合する。次に、共通インク通路１３と圧力室４とを連結して圧力室４へのインク流入を制御するリストリクタ６を形成したリストリクタプレート７と接合する。また、圧電アクチュエータ１４の圧力を効率よく圧力室４に伝えるための振動板８と共通インク通路１３からリストリクタ６に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部９を形成したダイアフラムプレート１０と、振動板８の振動領域を規定する穴部１１ａを有するサポートプレート１１とを位置決めして接合する。これらの薄板を貼り合わせることで流路形成基板３を形成する。

また、複数の圧電素子１５とそれを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ１４を備え、圧電アクチュエータ１４をハウジング１２に形成された穴部に挿入して、振動板８に接合する。

流路形成基板３とハウジング１２との間には、前記サポートプレートより高剛性の補強プレート２０が少なくとも１枚配置され、同じように位置決めして接合されている。補強プレート２０は、サポートプレート１１の穴部１１ａに対応するスリット穴部２０ａを有する。

ノズル基板２は、ステンレスの精密プレス法、レーザ加工法、あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。チャンバプレート５、リストリクタプレート７、ダイアフラムプレート１０、サポートプレート１１、補強プレート２０は、ステンレス材のエッチング加工法、精密プレス法、レーザ加工またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。

ハウジング１２は、共通インク通路１３を有し、ステンレス材の切削加工等で形成され、図示されないインクカートリッジからインクを共通インク通路１３まで導くインク導入パイプ１８が接合されている。

図５に、従来の例として、補強プレート２０のない従来構造において、同時に駆動する圧電素子の駆動本数を増やしていった時の、ノズルプレート２表面の変形及び吐出速度の変化を示す。

本従来例において各流路基板３を構成する各プレートの材質はステンレス材とし、ダイアフラムプレートを除いて、各々の厚さは０．０７５から０．２５ｍｍ程度で、流路形成基板全体の厚さは約０．５ｍｍである。ノズルプレート２の変形量は有限要素法を用いた解析により求めた。図５の横軸は、同時に駆動する圧電素子の本数を示している。左側の縦軸は、単独駆動の時の吐出速度を１００％とした時の複数ノズル駆動時の吐出速度（％）を示す。右側の縦軸は、圧電素子の変形量を１００％とした時のノズルプレート２表面に発生する変形量（％）を示す。同時に駆動する圧電素子の本数増加に伴い、クロストークにより吐出速度が低下する。吐出速度の低下にあわせて、ノズルプレート２の変形量が増加している。図５の例では、単独駆動時に比べて、３０％程にまで吐出速度が低下している。

ノズルプレート２の変形は圧電素子１５が収縮した時に、振動板８を介して流路形成基板３に力がかかるために発生する。流路形成基板３の剛性が不足する程、ノズルプレート２表面の変形は大きくなる。流路形成基板３が変形すると、振動板８の変形量が減少し、圧力室４の圧力変動が小さくなり吐出速度の減少となる。

図６は、流路形成基板３の剛性を変えたサンプルによる実験及び剛性解析の結果を示す。
図６の縦軸は、単独駆動で吐出速度に対する複数ノズル駆動時の吐出速度の比（％）を、横軸は圧電素子の変形量に対するノズルプレート２表面の最大変形量の比（％）を示している。これより、ノズルプレートに発生する変形が小さくなればなるほど、吐出速度の変動が小さくなることが分かる。

一般的に、インクジェットヘッドの実用的な速度変動の許容値は、１０％以内であることが知られている。この実験結果より、クロストークによる速度変動を１０％以内に抑えるためにはノズルプレート２の変形を圧電素子の変形量の５％以下に抑えることが必要であることが分かった。

補強プレート２０の厚さの設計は以下の手順で行えばよい。初めに、流路形成基板３を構成する各薄板の板厚や流路の幅等の寸法を、吐出速度や重量など所望のインク吐出特性が得られるよう設計する。次に、補強プレート２０を含めた剛性解析により、必要な補強プレート２０の厚さを計算すればよい。

図７は、補強プレート２０の厚さを変えた時の、ノズルプレート２に発生する変形を示す。
この例の場合、流路形成基板３と補強プレート２０とで十分な剛性を有するためには、補強プレートは少なくとも０．３ｍｍ以上必要であるといえる。ただし、ここで示した補強プレート２０の厚さは一例であり、必要な厚さは圧電素子１５のピッチやハウジング１２の開口部の幅、流路形成基板３の各薄板の材質や形状に依存する。

サポートプレート１１と補強プレート２０を分けて構成することで、サポートプレート１１は精度を重視した加工法、例えばより薄い板厚でのエッチング加工や精密プレス加工等が可能となる。振動板８の振動領域をサポートプレート１１で精度良く規定しつつ、独立して補強プレート２０で剛性を持たせることができる。

十分な剛性を持つ厚さでステンレス等の薄板を、エッチング加工法、精密プレス法、レーザ加工等により精度よく加工するのは困難な場合がある。いずれも０．１から０．２５ｍｍ程度の厚さが加工の限界である。この場合、補強プレート２０は、必要な剛性が得られるよう複数枚重ねて構成してもよい。

図８は、補強プレート２０を設けない従来の場合と、設けた本発明の場合の、駆動本数と速度変動の関係を示す図である。◆印は補強プレート２０を設けない場合で、□印は補強プレート２０を設けた場合の速度変動である。補強プレート２０を設けることで、クロストーク特性が大幅に改善されることが分かる。

さらに、補強プレート２０を設けることで、クロストークを抑制できることに加えて、インクジェットヘッド毎のクロストーク特性のバラツキを抑えることができる。ハウジング１２開口部の幅の精度が、±０．１ｍｍ程度であるのに対し、補強プレート２０の精度は一般に０．０１から０．０５ｍｍ程度である。補強プレート２０自身に剛性があり、クロストーク特性のバラツキは補強プレート２０の幅の精度により依存するため、ヘッド毎のクロストーク特性のバラツキが小さくなる効果がある。

また、ハウジング１２より補強プレート２０の方が、加工精度が高いため、圧電素子１５または支持基板１６との距離を小さくでき、流路形成基板３を支える効果をより高めることができる。すなわち、ハウジングがブロック形状で比較的厚みを有する構成であるのに対し、補強プレートは例えば、厚さ０．２ｍｍの板状であって、補強プレート２０の加工精度をハウジングより高くすることは、比較的容易である。そのため、ハウジングの開口部の精度（±０．１ｍｍ）よりも、補強プレートの穴寸法の加工を高精度に作製することで、圧電素子１５との距離を小さくでき、流路形成基板３を支える効果をより高めることが可能となる。

図２、図３は本実施例のインクジェットヘッドの断面図であり、図４は圧電素子側から見た構造図である。

図２は、ノズル列に垂直な方向での断面図を示している。
補強プレート２０のスリット穴部２０ａの長手方向長さＬ１は、サポートプレート１１の穴部１１ａの長手方向長さＬ２以下である。このような構造とすることで、補強プレート２０の剛性がより高くなり、同じ厚さで比較した際に、クロストークの発生をより抑える効果がある。Ｌ１の長さは、位置ずれや寸法誤差、組立精度等の累積誤差を見込んだときに、補強プレート２０と圧電素子１５とが触れない程度とすればよい。

図３は、ノズル列方向での断面図を示している。
補強プレート２０のスリット穴部２０ａの短手方向の幅Ｗ１は、サポートプレート１１の穴部１１ａの短手方向の幅Ｗ２以上である。補強プレート２０内の位置ずれや寸法誤差、及びサポートプレート１１との貼り合わせずれにより、補強プレート２０のスリット穴部２０ａとサポートプレート１１の穴部１１ａとにずれが生じる。ずれが生じると補強プレート２０と圧電素子１５とが接触する可能性がある。補強プレート２０のスリット穴部２０ａの幅Ｗ１をサポートプレート１１の穴部１１ａの幅Ｗ２以上とすることで、補強プレート２０と圧電素子１５とが接触することがなくなる。幅Ｗ１は補強プレート２０の位置ずれ、寸法誤差、貼り合わせ精度等の累積誤差を見込んだときに、補強プレート２０が穴部１１ａ上にかからないようにすればよい。

図４は、圧電素子側から見た構造図である。図２および図３で説明したように、補強プレート２０は長手方向においてはサポートプレート１１のスリット穴部２０ａを覆う。また、短手方向においては、サポートプレート２０のスリット穴部２０ａにかからない。

図９は、補強プレート２０を設けない従来の場合と設けた本発明の場合の、駆動周波数と吐出速度の関係を示している。

従来例においては、いわゆるヘルムホルツ振動に起因する速度の変動に加えて、駆動周波数が高くなるにつれて徐々に吐出速度が低下している。一方、本発明においては、ヘルムホルツ振動による速度変動はあるが、吐出速度の全体的な低下はない。

流路形成基板３の剛性を補強プレート２０で補っているため、圧電素子１５の駆動による流路形成基板３の残留振動が小さく、メニスカス振動が小さくなり速度の低下が少なくなる。従って、従来例と比べより高い周波数まで使用が可能となる。

図１６に、圧電素子１５と振動板８との間の接着剤５０を考慮した概略図を示す。

接着剤５０は一定の厚さに管理し、圧電素子１５に転写することで、均一な量で圧電素子１５と振動板８とを接着する。

ここで、接着剤５０が少なくサポートプレート１１の穴部１１ａで囲まれた振動板８を埋めない場合、接着剤の流れ出しのばらつきにより、振動板８と接着剤５０とを合わせたコンプライアンスがばらつく。コンプライアンスがばらつくとノズル毎のインク吐出特性がばらつく。

従って、ノズル毎の吐出特性をそろえるためには、接着剤５０で振動板８全面を覆うことが望ましい。さらに、接着剤５０と振動板８とを合わせた時のコンプライアンスを確保するため、接着剤５０はショア硬度８０度以下の柔らかい接着剤であることが望ましい。

振動板８全面を埋める程度の量の接着剤５０を圧電素子１５に転写した場合、圧電素子１５の間にも接着剤５０が入りこむ。さらには、接着剤５０の厚さがサポートプレート１１の穴部１１ａを越えてしまう場合がある。

従来構造の場合、圧電素子１５が接着剤５０で繋がると、隣接する振動板８に変形が伝播してしまい、第２のクロストークが発生してしまっていた。

しかし、本発明の場合、圧電素子１５の間に補強プレート２０を有する構造としたため、補強プレート２０が無い場合と比べて、隣り合う圧電素子１５の変形が伝わりにくくなる。補強プレート２０が圧電素子１５同士を仕切る効果があり、接着剤５０を介して発生する第２のクロストークを効果的に抑制できる。また、接着剤５０の厚さは、サポートプレート１１の厚さ以上塗布することが可能で、望ましくはサポートプレート１１と補強プレート２０の合計の厚さ以下とすればよい。

クロストークは駆動本数のみならず、駆動するノズルの位置でもその影響度が異なる。本発明により、クロストークを抑制することで、ノズル毎のインク吐出速度や吐出重量のばらつきも小さくすることが可能である。従って、例えば、ベタ印刷を行なう場合に、一定の吐出量で印刷濃度や膜厚のバラツキの小さい印刷が可能となる。

本発明インクジェットヘッドの一実施例を示した斜視図である。（実施例１） 本発明インクジェットヘッドの一実施例を示した平面図である。（実施例１） 本発明インクジェットヘッドの一実施例を示した断面図である。（実施例１） 本発明インクジェットヘッドの一実施例を示した断面図である。（実施例１） 従来のインクジェットヘッドのノズルプレートの変形および速度の変化を示す図である。 クロストークによるノズルプレートの変形と速度変化を示す図である。 補強プレートの厚さとノズルプレートの変形を示す図である。 本発明のインクジェットヘッドの速度変化を示す図である。 従来例と本発明のインクジェットヘッドの周波数特性を示す図である。 従来例を示した斜視図である。 従来例を示した断面図である。 従来例を示した平面図及び断面図である。 従来例を示した斜視図である。 従来例を示した斜視図である。 従来例を示した断面図である。 接着剤を考慮した本発明の実施例を示した断面図である（実施例２）

符号の説明

１はノズル、２はノズルプレート、３は流路形成基板、４は圧力室、５はチャンバプレート、６はリストリクタ、７はリストリクタプレート、８は振動板、９はフィルタ部、１０はダイアフラムプレート、１１はサポートプレート、１２はハウジング、１３は共通インク通路、１４は圧電アクチュエータ、１５は圧電素子、１６は支持基板、１７は個別電極、１８はインク導入パイプ、２０は補強プレート、５０は接着剤である。

Claims (5)

1. インク滴を吐出するノズルが複数個列状に配列されるノズル基板と、前記ノズルに対応してインクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の一部を形成して前記圧電素子と接着剤で連結されている振動板と、前記振動板上に配置され、前記圧力室に対向する部分に前記圧電素子が挿入される穴部を有し、該穴部により振動板の少なくとも一部の変形領域を規定するサポート部と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、前記リストリクタにインクを供給する共通インク通路及び前記圧電素子群が挿入される開口部を有するハウジングと、を有するインクジェットプリンタにおいて、
   前記サポート部に設けられた穴部に対応するスリット穴部を有し、該スリット穴部の長手方向長さが前記サポート部の穴部の長手方向長さよりも小さく形成され、かつ前記サポート部よりも高剛性を有する補強部材を、前記サポート部と前記ハウジングとの間に少なくとも１枚以上配置したことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記ノズル基板および圧力室、リストリクタ、振動板、サポート部からなる流路形成基板と、前記補強部材とを合わせた剛性は、圧電素子の変形によってノズル基板表面に発生する静的な変形量を、圧電素子のへ変形量の５％以下とする剛性を有することを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 前記補強部材のスリット穴部の短手方向幅は、前記サポート部の穴部の短手方向幅以上であることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
4. 前記圧電素子と振動板とを接合する接着剤は、前記サポート部によって囲まれる振動板全面を覆うことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 前記接着剤の厚さはサポート部の厚さ以上で、かつ、サポート部と補強部材の合計の厚さ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のインクジェットヘッド。

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