JP4453965B2 - インクジェット記録ヘッド、および記録装置 - Google Patents

Description

この発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、またはそれらの複合機などの記録装置に関する。そのうち特に、インクジェット記録ヘッドからインク滴を吐出して、シート・ＯＨＰフィルム等の記録媒体に画像を記録するインクジェット記録装置に関する。および、そのような記録装置において、共通液室から個々の加圧液室へとインクを供給し、各加圧液室の圧力変化に基づき個々の加圧液室のインクをインク滴として、対応するノズルから個別に吐出するインクジェット記録ヘッドに関する。

オンデマンド型のインクジェット記録方式には、インクを充填した加圧液室の壁の一部に振動板を設け、圧電アクチュエータ等の圧力変換手段により振動板を変位して加圧液室の体積を変化し、圧力を高めて加圧液室のインクをノズルから吐出する方式や、通電によって発熱する発熱体を加圧液室に設け、発熱体の発熱によって生じる気泡によって圧力を高め、加圧液室のインクをノズルから吐出する方式などが広く知られている。

インクジョット記録ヘッドは、例えば図１６ないし１８に示すように、高剛性材料よりなるベース部材１上に、通電部材２に接続する圧電素子（圧電変換手段）３を配置し、フレーム４を被せる構成とする。フレーム４は、共通液室４ａを有し、上にカバープレート８の振動板５を接合して共通液室４ａを塞ぐ。振動板５は、下面に上述の圧電素子３を接着して、それぞれ隔壁によって分離した複数の加圧液室６ａを有する流路板６に重ね合わす。流路板６は、個々の加圧液室６ａと対応する複数のノズル７ａを二列に並べて有するノズル板７にさらに重ね合わせ、振動板５に流路板６とノズル板７を順に積層してカバープレート８を構成する。そして、カバープレート８をフレーム４に取り付けて、共通液室４ａと各加圧液室６ａとを連通する。

これにより、通電部材２を介して通電して圧電素子３を変位し、振動板５を変形して加圧液室６ａの圧力を変化し、加圧液室６ａのインクをノズル７ａから吐出する。加圧液室６ａには、共通液室４ａからインクを供給する。

この種のインクジェット記録ヘッドを用いる記録装置は、低価格化、高画質化、汎用化などにより、一般家庭へのパソコンの普及などとともに、近年様々な用途で数多く使用されているが、大きな技術的課題として、高速化と高画質化がある。この課題の解決方法としては、圧電素子３等の圧力変換手段の駆動周波数を上げる方法と、１ヘッドごとのノズル数を増やす方法がある。

しかしながら、圧力変換手段の駆動周波数を上げると、加圧液室６ａから共通液室４ａへと伝播した圧力の反射によって加圧液室６ａにおける圧力の挙動が複雑になり、正確にインク滴を吐出することが難しくなる。このため、共通液室４ａにおける圧力変化を抑え、共通液室４ａから加圧液室６ａへの圧力の伝播を抑える必要がある。

そこで、インクジェット記録装置では、共通液室４ａの容積を大きくする必要があるが、そのようにすると、気泡の排出が困難となるばかりか、小型化の妨げとなった。このため、図１６ないし１８に示すように、共通液室４ａに振動板５を設けてダンパ効果を持たせたものがある。しかし、十分なダンパ効果を得るためには、振動板５の面積を大きくしたり振動板５を薄くしたりする必要があり、やはりヘッドが大型化したり、また強度不足となったり、さらには共振により圧力が上昇したりする問題があった。

よって、従来のインクジェット記録装置の中には、共通液室４ａから加圧液室６ａへの圧力の伝播を抑えるべく、以下のようにしたものがある。
（１）インクジェット記録ヘッドの共通液室にダンパ室を設け、このダンパ室に満たしたダンパエアにより、インクの吐出にともない共通液室に生じる圧力変動を吸収して吐出不良を抑制する。この吸収の際、ダンパエアは振動してダンパ室から分離し、その量を減少してそのままでは自己回復しなくなり、長期にわたってダンパ効果を維持することが困難となる。そこで、発熱体を駆動することによりインク中に気泡を発生してダンパエアとし、ダンパエアの量を常に一定に制御して、その機能を常に適切に発揮させるようにする。

（２）圧電素子板にダンパ室を設け、圧電素子板の振動部と加圧液室との間に備える可撓性の振動板で、ダンパ室と共通液室間を区画してそれらのいずれにも変形できるようにし、インクの圧力波の後退成分を吸収して反射波が生じないようにする。

（３）共通液室の外壁にメニスカスの制御を行う補正用圧電素子を取り付け、この圧電素子を駆動して外壁を変形し、加圧液室の加圧および吸入動作に同期して共通液室の容積を拡大縮小する。これにより、共通液室の圧力の変動を吸収し、加圧液室間の流体圧力の伝播のクロストークによるメニスカスの変動を阻止しまたは低減するようにする。

（４）共通液室の少なくとも一面に可撓性膜を設け、その可撓性膜に設けた圧電素子によって共通液室の圧力変化を検出するとともに、その圧力変化を反転増幅することによって共通液室内の圧力変化を吸収するようにする。

特開平７−１２５２３５号公報 特開平９−１４１８５６号公報 特開平１０−１１９２６０号公報 特開２０００−３０１７１４号公報

しかしながら、（１）では、ダンパ室に保持されるダンパエアの量が常に適正となるように制御するため発熱体を必要とするなどから、電気熱変換式以外の記録装置では実施が困難であったり、部品点数が増えてコスト高となったりする問題がある。また、ダンパ室のエアの量を制御すること自体も難しく、ダンパ室から分離したエアが加圧液室に入り込んで加圧液室の圧力を十分に上げることができず、最悪インク滴の不吐出を引き起こすおそれがある。

（２）では、ダンパ効果を十分に発揮するためにはダンパ壁の面積を十分に大きくする必要があり、ヘッドの小型化を妨げるとともに設計を困難とし、さらにダンパ壁の共振により圧力上昇を招くおそれがある。

（３）では、補正用圧電素子の駆動を制御して圧力を効果的に吸収することは困難であり、さらに部品点数の増加によるコスト上昇を招く。

（４）では、圧電素子の駆動を制御して圧力を効果的に吸収することは困難であり、またそのための制御装置も新たに必要とするなどから、記録装置の構成が複雑化し、コストの上昇を招く。

そこで、この発明の目的は、上述した従来の問題を解消し、大型化したり、例えば部品点数が増えて構成が複雑化し、また設計が困難となってコスト高となったりすることなく、共通液室の圧力変動を吸収し、また圧力の共振をなくして共通液室の圧力上昇を効果的に防ぎ、圧力の反射による加圧液室への影響を少なくすることにある。

かかる目的を達成すべく、第１の発明は、共通液室から個々の加圧液室へとインクを供給し、各加圧液室の圧力変化に基づき個々の加圧液室のインクを、対応するノズルから個別に吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、例えば共通液室を区画する壁を部分的に薄肉として、その共通液室を区画する壁に、撓んで共通液室の圧力変化を吸収するダンパ壁を複数形成し、それら複数のダンパ壁間にリブ状部分を設け、それらリブ状部分の間隔を違えてダンパ壁の大きさを変えるなどにより、それら複数のダンパ壁の弾性をすべて同じにしないで、全部でもよいが少なくとも一部の弾性を異ならしめてなる、ことを特徴とする。

加圧液室が形成された流路板と、加圧液室の一つの壁面を形成する振動板とを有し、
振動板を、共通液室を区画する壁とし、
共通液室は、振動板を挟んで加圧液室とは反対側の面に形成され、
ダンパ壁は、流路板とは対向しない領域に形成されるとよい。
共通液室を区画する壁を、共通液室を有するフレームに取り付けて共通液室を塞ぐカバープレートに設けるとよい。

第２の発明は、第１の発明に係るインクジェット記録ヘッドを備える、ことを特徴とする記録装置である。

請求項１に記載の発明によれば、インクジェット記録ヘッドにおいて、共通液室を区画する壁自体に、撓んで共通液室の圧力を吸収するダンパ壁を複数形成するので、大型化したり、例えば部品点数が増えて構成が複雑化し、また設計が困難となってコスト高となったりすることなく、さらにそれら複数のダンパ壁の少なくとも一部の弾性を異ならしめるので、圧力の共振をなくして共通液室の圧力上昇を効果的に防ぎ、圧力の反射による加圧液室への影響を少なくすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数のダンパ壁の大きさを変えて少なくとも一部の弾性を異ならしめるので、特に簡単に一部のダンパ壁の弾性を違えることができる。

請求項３に記載の発明によれば、共通液室を区画する壁を部分的に薄肉としてダンパ壁を形成するので、ダンピング効果を有するダンパ壁を特に簡便に形成することができる。

請求項５に記載の発明によれば、共通液室を区画する壁を、共通液室を有するフレームに取り付けて共通液室を塞ぐカバープレートに設けるので、部品点数を増やすことなく、カバープレートの形成時にダンパ壁も形成し、そのカバープレートをフレームに取り付けるとき同時にダンパ壁を共通液室に向けるようにし、製造組立てを簡単とすることができる。

請求項６に記載の発明によれば、複数のダンパ壁間にリブ状部分を設けるので、ダンパ壁を可能な限り大きくし、最大限のダンピング効果を有するダンパ壁を簡単に形成することができる。

請求項７に記載の発明によれば、リブ状部分の間隔を違えて複数のダンパ壁の大きさを変えるので、特に複数の大きさを持つダンパ壁を簡単に形成し、簡易に一部のダンパ壁の弾性を変えることができる。

請求項８に記載の発明によれば、記録装置において、請求項１ないし７に記載のインクジェット記録ヘッドを搭載するので、大型化したり、例えば部品点数が増えて構成が複雑化し、また設計が困難となってコスト高となったりすることなく、量産性が高く、かつ圧力の共振をなくして共通液室の圧力上昇を効果的に防ぎ、圧力の反射による加圧液室への影響が少なく、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを搭載した記録装置を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の最良形態につき説明する。
図１には、この発明によるインクジェット記録ヘッドを斜め上から見て示す。図２には、そのインクジェット記録ヘッドを振動板位置で２つに分離して示す。図３には図１のインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線断面を、図４にはＢ−Ｂ線断面をそれぞれ示す。

図中符号１０は、金属、セラミックスのような高剛性材料よりなる直方体形状のベース部材である。ベース部材１０上には、ＦＰＣ等の通電部材１２に接続する圧電素子（圧電変換手段）１３を配置し、フレーム１４を被せる構成とする。フレーム１４は、上部を開放する共通液室１４ａを両側に細長に有し、上にカバープレート２０を取り付けて共通液室１４ａを塞ぐ。カバープレート２０は、下面に上述の圧電素子１３を接着する。圧電素子１３は、溝加工により櫛型に形成し、通電により変位して、後述する振動板１５の対応部分を変形する。

カバープレート２０は、矩形状の振動板１５上に周辺を空けて、それよりも小さな矩形状の流路板１６、それと同じ大きさの矩形状のノズル板１７を順に積層して構成する。振動板１５は、ニッケルによる３層構造とし、例えば厚さを２８μとする。流路板１６には、それぞれ隔壁によって分離した複数の加圧液室１６ａを並べて形成し、それぞれ共通液室１４ａと連通する。また、ノズル板１７には、個々の加圧液室１６ａと対応して個別に連通する複数のノズル１７ａを二列に並べて設ける。

さて、カバープレート２０の、共通液室１４ａを塞いでそれを区画する壁には、図５に示すように共通液室１４ａに面して肉抜きして振動板１５の周辺を部分的に薄肉とし、図１に示すようにそれぞれ６つのダンパ壁２１をｍ、ｎ二列に並べて形成する。各列ｍ、ｎの複数のダンパ壁２１間には、各５つのリブ状部分２２を設ける。この例では、３層構造の振動板１５の１層でダンパ壁２１を形成し、３層でリブ状部分２２を形成する。

そして、図６に示すように、隣り合うリブ状部分２２間の間隔を違えて不等間隔とし、ダンパ壁２１の大きさを変えてそれら６つのダンパ壁２１の弾性をすべて同じにしないで、全部でもよいが少なくとも一部の弾性を異ならしめる。図示例では、リブ状部分２２の間隔を違えて６つのダンパ壁２１の大きさを５：３：４：４：３：５の比率となるようにし、３種類の弾性を保有せしめる。

そして、使用時は、通電部材１２を介して通電して圧電素子１３を選択的に変位し、その変位を高剛性材料よりなるベース部材１０により精度よく作用させて振動板１５を変形し、対応する加圧液室１６ａの圧力を変化してその変化に基づき個々の加圧液室１６ａのインクを、対応するノズル１７ａから個別に吐出する。

インクは、不図示のインクカートリッジからフレーム１４に形成したインク供給路２３を通じて共通液室１４ａに供給し、その共通液室１４ａから個々の加圧液室１６ａにインクを供給する。

インク滴の吐出時、加圧液室１６ａの圧力変化は共通液室１４ａに伝播するが、ダンパ壁２１が撓んでその共通液室１６ａの圧力変化を吸収する。

図７には、このインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子１３に周期電圧を与えたときの、圧電素子１３の振動周波数［Ｐａ］と共通液室１４ａの圧力［ｋＨｚ］との関係を示す。

この図７から判るとおり、共通液室１４ａを不等間隔に配した場合には、図中実線で示すように圧力共振がない。共通液室１４ａを等間隔に配した場合には、図中鎖線で示すように６ｋＨｚ近辺で圧力共振を生ずる。試作の結果、リブ状部分２２を等間隔に設けるインクジェット記録ヘッドを用いたマルチ噴射の印写実験では、ある特定の印写パターン時に不良画像を発生したが、この発明を用いたインクジェット記録ヘッドの印写実験では不良画像を発生することなく良好な結果を得ることができた。

図８には、この発明の他例であるインクジェット記録ヘッドを、振動板位置で２つに分離して斜め上から見て示す。

上述した例では、リブ状部分２２の数を５つとしてダンパ壁２１の面積をなるべく大きく取るようにしたが、工法上はダンパ壁２１の面積はなるべく小さい方がよい。そこで、図８に示す例では、リブ状部分２２の数を９つとし、１０のダンパ壁２１の大きさを図９に示すように４：５：５：５：５：５：５：５：５：４の比率となるようにし、２種類の弾性を保有せしめる。この例では、上述した例で対応部分に使用した符号をそのまま使用する。

図１０には、この例のインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子１３に周期電圧を与えたときの、圧電素子１３の振動周波数［Ｐａ］と共通液室１４ａの圧力［ｋＨｚ］との関係を示す。

この図１０から判るとおり、共通液室１４ａを不等間隔に配した場合には、図中実線で示すように圧力共振がない。共通液室１４ａを等間隔に配した場合には、図中鎖線で示すように６ｋＨz近辺で圧力共振を生ずる。試作の結果、リブ状部分２２を等間隔に設けるインクジェット記録ヘッドを用いたマルチ噴射の印写実験では、ある特定の印写パターン時に不良画像を発生したが、この発明を用いたインクジェット記録ヘッドの印写実験では不良画像を発生することなく良好な結果を得ることができた。

図１１には、第１の比較例であるインクジェット記録ヘッドを、振動板位置で２つに分離して斜め上から見て示す。

この第１の比較例のインクジェット記録ヘッドでは、上述したこの発明によるインクジェット記録ヘッドにおけるリブ状部分２２を取り除き、各列ｍ、ｎで各々１つの大きなダンパ壁２１′を細長に形成する。

各ダンパ壁２１′は、同じく、共通液室１４ａ′に面して肉抜きして、３層構造の振動板１５′の１層分の厚さである３μｍで形成する。

図１２には、このインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子１３′に周期電圧を与えたときの、圧電素子１３′の振動周波数［Ｐａ］と共通液室１４ａ′の圧力［ｋＨｚ］との関係を示す。

この図１２から判るとおり、共通液室１４ａ′を区画する壁を部分的に薄肉として１層のダンパ壁２１′を形成すると、薄肉としない３層のダンパ壁の場合に比し、共振点を除いても圧力値が数十分の１から数千分の１くらい小さくなり、圧力吸収効果を高めることができる。

しかしながら、図１１に示す第１の比較例のように、ダンパ壁を大きくすることは、強度的にも、また製造上からも問題があった。

図１３には、その問題を解消した第２の比較例であるインクジェット記録ヘッドを、振動板位置で２つに分離して斜め上から見て示す。

この第２の比較例のインクジェット記録ヘッドでは、図１１に示す第１の比較例の問題点を解消すべく、各列ｍ、ｎで各々、１つの大きなダンパ壁２１′をリブ状部分２２′で等間隔に仕切って同じ大きさの複数のダンパ壁２１”を形成する。

図１４には、このインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子１３′に周期電圧を与えたときの、圧電素子１３′の振動周波数［Ｐａ］と共通液室１４ａ′の圧力［ｋＨｚ］との関係を示す。

この図１４から判るとおり、リブ状部分２２′などのリブ等の間隔を１本、７本、１５本と増やしていくと、徐々に圧力吸収効果を高めることができる。しかし、いずれにも圧力共振が発生している。

図１５には、リブ等の間隔を増やした場合において、圧電素子に周期電圧を与えたときの、圧電素子の振動周波数［Ｐａ］と共通液室の圧力［ｋＨｚ］との関係を示す。

この図１５から判るとおり、等間隔に設けるリブ状部分２２′の間隔を２３本、３１本、３９本と大きく増やしていくと、徐々に各ダンパ壁２１”の弾性が低下し、トータルの圧力吸収効果も低くなり、圧力が大きくなる。

この発明によるインクジェット記録ヘッドによれば、以上のとおり、共通液室１４ａを区画する壁自体に、撓むことにより共通液室１４ａの圧力を吸収するダンパ壁２１を複数形成するので、大型化したり、例えば部品点数が増えて構成が複雑化し、また設計が困難となってコスト高となったりすることなく、さらにそれら複数のダンパ壁２１の少なくとも一部の弾性を異ならしめるので、圧力の共振をなくして共通液室１４ａの圧力上昇を効果的に防ぎ、圧力の反射による加圧液室１６ａへの影響を少なくすることができる。

また、この発明による記録装置によれば、そのようなインクジェット記録ヘッドを搭載するので、大型化したり、例えば部品点数が増えて構成が複雑化し、また設計が困難となってコスト高となったりすることなく、量産性が高く、かつ圧力の共振をなくして共通液室の圧力上昇を効果的に防ぎ、圧力の反射による加圧液室への影響が少なく、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを搭載した記録装置を提供することができる。

なお、上述した例では、複数のダンパ壁２１のすべてを振動板１５に設けたが、ダンパ壁のすべてまたは一部を、振動板に限らず、共通液室１４ａを区画する他の壁に設けてもよい。このとき、複数のダンパ壁の形状を変えたり大きさを変えたりして少なくとも一部の弾性が異なるようにする。

この発明によるインクジェット記録ヘッドを斜め上から見て示す斜視図である。 そのインクジェット記録ヘッドを振動板位置で２つに分離して示す斜視図である。 図１のインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線断面図である。 Ｂ−Ｂ線断面図である。 図３の部分拡大図である。 図１の列ｍまたはｎに沿う断面図である。 そのインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子に周期電圧を与えたときの、圧電素子の振動周波数と共通液室の圧力との関係図である。 この発明の他例であるインクジェット記録ヘッドを、振動板位置で２つに分離して斜め上から見て示す斜視図である。 図８の列ｍまたはｎに沿う断面図である。 この発明によるインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子に周期電圧を与えたときの、圧電素子の振動周波数と共通液室の圧力との関係図である。 第１の比較例であるインクジェット記録ヘッドを、振動板位置で２つに分離して斜め上から見て示す斜視図である。 この第１の比較例のインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子に周期電圧を与えたときの、圧電素子の振動周波数と共通液室の圧力との関係図である。 第２の比較例であるインクジェット記録ヘッドを、振動板位置で２つに分離して斜め上から見て示す斜視図である。 この第２の比較例のインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子に周期電圧を与えたときの、圧電素子の振動周波数と共通液室の圧力との関係図である。 リブ等の間隔を増やした場合において、圧電素子に周期電圧を与えたときの、圧電素子の振動周波数と共通液室の圧力との関係図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを斜め上から見て示す斜視図である。 そのインクジェット記録ヘッドを振動板位置で２つに分離して示す斜視図である。 図１６のインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１４ フレーム
１４ａ 共通液室
１６ 流路板
１６ａ 加圧液室
１７ ノズル板
１７ａ ノズル
２０ カバープレート
２１ ダンパ壁
２２ リブ状部分

Claims (8)

1. 共通液室から個々の加圧液室へとインクを供給し、各加圧液室の圧力変化に基づき個々の加圧液室のインクを、対応するノズルから個別に吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記共通液室を区画する壁に、撓んで前記共通液室の圧力変化を吸収するダンパ壁を複数形成し、それら複数のダンパ壁の少なくとも一部の弾性を異ならしめてなることを特徴とする、インクジェット記録ヘッド。
2. 複数の前記ダンパ壁の大きさを変えてそれらの少なくとも一部の弾性を異ならしめてな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. 前記共通液室を区画する壁を部分的に薄肉として前記ダンパ壁を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記加圧液室が形成された流路板と、前記加圧液室の一つの壁面を形成する振動板とを有し、
   前記振動板を、前記共通液室を区画する壁とし、
   前記共通液室は、前記振動板を挟んで前記加圧液室とは反対側の面に形成され、
   前記ダンパ壁は、前記流路板とは対向しない領域に形成されたことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記共通液室を区画する壁を、前記共通液室を有するフレームに取り付けて前記共通液室を塞ぐカバープレートに設けることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 複数の前記ダンパ壁間にリブ状部分を設けることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１に記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記リブ状部分の間隔を違えて複数の前記ダンパ壁の大きさを変えることを特徴とする、請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 請求項１ないし７に記載のインクジェット記録ヘッドを搭載することを特徴とする、記録装置。

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