JP4748228B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。

従来、特開昭６２−１１１７５８号公報に記載されているように、吐出ノズルを有する複数の圧力室を相互に隣接配置し、その各圧力室に対応した複数の圧電素子を１枚の振動板上に配置したアクチュエータユニットを複数の圧力室にまたがって積層したインクジェット記録ヘッドが知られている。また、特開平３−１１４６５４号公報に記載されているように、吐出ノズルを有する複数の圧力室を相互に隣接配置し、その各圧力室に対応した電極を有する積層型の圧電アクチュエータを複数の圧力室にまたがって配置したインクジェット記録ヘッドも知られている。

特開昭６２−１１１７５８号公報 特公平２−４４２９号公報 特公平７−６７８０３号公報

上記インクジェット記録ヘッドでは、圧電素子に電圧を印加することにより、圧力室に対応するアクチュエータの部分が凹または凸に変形してインクに圧力を与え、ノズルからインクを吐出するが、矩形の各圧力室が相互に平行に配置されていてそれらの圧力室にまたがってアクチュエータが位置しているため、図６に示すように、１つの圧力室１１に対するアクチュエータ２０の変形にともない、圧力室間の隔壁１２の上端を支点として、隣の圧力室に対応するアクチュエータの部分が反対方向に変形することが避けられない。このため、隣の圧力室内のインクに不所望な圧力変動が生じ、この後、この圧力室からインクを吐出するときに、圧力変動が重畳し、所期のインク吐出が得られないという、いわゆるクロストークが生じる。

特公平２−４４２９号公報および特公平７−６７８０３号公報には、圧力室を菱形に形成して千鳥状に配置し、多数の圧力室を高密度に配置することが開示されている。このようにすると、菱形の角を隣接して並ぶ２つの圧力室は、アクチュエータの変形が相互に影響しにくくなり、上記クロストークを低減できるが、千鳥状に斜め方向にずれて位置する２つの圧力室は、稜線を平行に対向させているため、先に記載した従来例と同様に、一方の圧力室に対するアクチュエータの変形が、隣接する圧力室にも影響を与え、クロストークを発生することになる。

本発明は、このようなクロストークを低減し、所期のインク吐出を安定して得られ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。

上記目的を達成するために、請求項１のインクジェット記録ヘッドは、一端を吐出ノズルに、他端をインク供給源にそれぞれ接続した複数の圧力室を相互に隣接配置し、振動板上に前記圧力室毎に独立した圧電素子を配設したアクチュエータユニットの前記振動板を前記複数の圧力室にまたがって配置したインクジェット記録ヘッド、又は、一端を吐出ノズルに、他端をインク供給源にそれぞれ接続した複数の圧力室を相互に隣接配置し、前記圧力室の上壁に前記圧力室毎に独立した圧電素子が配設したアクチュエータユニットを有するインクジェット記録ヘッドであって、前記各圧力室は、対向する平行な一対の長い稜線および当該一対の長い稜線より短くて前記一対の長い稜線と交差する他の対の短い稜線によって囲まれたほぼ平行四辺形の形状を有し、前記一対の長い稜線のうち相互に直角の方向に対向する部分の間が前記圧力室の主要部分として画定され、隣接する他の圧力室とその稜線を相互に平行に近接して配置されるとともに、各圧力室の前記主要部分を前記短い稜線に平行な方向に相互にずらせて配置され、前記複数の圧力室は複数列あり、前記圧力室の主要部分が、隣接する他の列の前記圧力室の同部分と、前記一対の長い稜線と直角な方向において対向しないように配置される。

また、請求項２のインクジェット記録ヘッドは請求項１のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記各圧力室は、鋭角部分を有する平行四辺形であって、その平行四辺形の一方の鋭角部分に前記吐出ノズルと接続する連通孔を、他方の鋭角部分に前記インク供給源と接続する連通孔をそれぞれ備える。

また、請求項３のインクジェット記録ヘッドは請求項１又は２のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記アクチュエータユニットの圧力発生部は、前記各圧力室とほぼ相似形とする。

また、請求項４のインクジェット記録ヘッドは請求項１〜３のいずれかのインクジェット記録ヘッドにおいて、前記アクチュエータユニットは、圧電材料と、その圧電材料に電圧を印加する電極とからなり、少なくとも前記圧電材料への電極の投影形状が前記圧力発生部を形成する。

請求項１の発明の構成により、圧力発生部の１つを駆動すると、圧力室に対応するアクチュエータユニットの部分が変形してインクに圧力を与え、ノズルからインクを吐出する。圧力室を、対向する平行な一対の稜線間にそのほぼ主要部分を画定し、隣接する他の圧力室とその稜線を相互に平行に近接して配置するとともに、各圧力室の主要部分を前記稜線と平行な方向に相互にずらせて配置することで、アクチュエータユニットが複数の圧力室にまたがっているとしても、１つの圧力室に対するアクチュエータユニットの変形が、隔壁を介して隣接する他の圧力室に影響することを少なくし、クロストークの発生を抑える。

請求項２の発明の構成により、つまり、平行四辺形の対角線のうち長い方向における圧力波の伝播を利用してインクを吐出させることで、アクチュエータの立ち上げ時間に余裕をもたせ、またアクチュエータの変形を所定量確保する。請求項３の発明の構成により、圧力室に対して効率よく圧力を付与する。請求項４の発明の構成により、圧電材料の変形により、圧力室の容積を増減して圧力を付与する。

本発明の実施の形態を示すインクジェット記録ヘッドの縦断面図で、図２のＡ−Ａ線断面図に相当する。 図１のＢ−Ｂ線位置において見た平面図である。 一部の圧力室を拡大して示す平面図である。 他の実施の形態を示す図２相当の平面図である。 さらに他の実施の形態を示す図２相当の平面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの構成を説明する縦断面図である。

以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの好ましい実施の形態を、図面にしたがって説明する。

インクジェット記録ヘッドは、図１に示すようにインク流路を備えるキャビティユニット１００の上に、圧電式のアクチュエータユニット２００を積層して接着した構造である。キャビティユニット１００は、特開昭６２−１１１７５８号公報に記載されたものと同様に、複数のプレート１１０、１２０、１３０、１４０を相互に接着して積層した構造で、上層のプレート１１０には、後述するようにほぼ平行四辺形の圧力室１１１を複数個備え、最下層のプレート１４０には、複数の吐出ノズル１４１を備える。各圧力室１１１の一端は、プレート１２０、１３０に穿設した連通孔１２１、１３１を介して吐出ノズル１４１に接続し、他端は、プレート１２０に穿設した連通孔１２２を介してプレート１３０に穿設したマニホールド流路１３２に接続している。マニホールド流路１３２は、図１の紙面と直交する方向に延び、同方向に配列した複数の圧力室１１１に連通孔１２２を介してそれぞれ接続し、一端をインクタンク等のインク供給源に接続している。また、マニホールド流路１３２は圧力室１１１の列ごとに独立しており、各列の圧力室にそれぞれ別の色のインクをインク供給源から供給する。なお、１つのマニホールド流路１３２が圧力室１１１の複数の列に接続し、その複数の列に同じインクを供給することもできる。

アクチュエータユニット２００は、特開平３−１１４６５４号公報に記載されたものと同様に、積層構造の複数の圧電セラミックスシート２０１の間に、各圧力室１１１と対応した個別電極２１０と、複数の個別電極２１０の全体をカバーする共通電極２２０とを交互に介挿し、個別電極２１０と共通電極２２０とに挟まれるセラミックスシートに分極処理を施し、それらの電極に挟まれる部分、すなわち個別電極２１０の投影形状の圧電セラミックスシート部分を圧力発生部とした構造である。積層方向の複数の個別電極２１０と共通電極２２０との間に電圧を印加することにより、圧力発生部は圧力室１１１に対して伸張または収縮する。好ましくは、常態で電圧を印加してすべての圧力発生部を圧力室１１１に対して破線で示すように伸張しておき、インクを吐出しようとする圧力発生部の電圧印加を停止して圧力発生部を平坦に復帰し、圧力室１１１の容積を拡大してマニホールド流路１３２からインクを圧力室に導入する。その状態から再び電圧を印加して当該圧力室のインクに圧力を与えることで、吐出ノズル１４１からインクを吐出することができる。あるいは、常態で圧力発生部を平坦にしておき、電圧の印加により圧力発生部を収縮させ、電圧印加を停止して圧力発生部を平坦に復帰することでインクに圧力を与えることもできる。また、圧力発生部を平坦な状態から電圧印加により伸張させてインクに圧力を与えることもできる。

アクチュエータユニット２００は、圧力室１１１と反対側に、電極に挟まれない、すな
わち圧力発生部を構成しないセラミックスシート２０２の層を備え、圧力発生部の変形を上方には抑え、圧力室の側に偏倚させるようにしている。

本実施の形態において、各圧力室１１１は、図２及び図３に示すように、平面形においてほぼ平行四辺形をしている。すなわち、各圧力室１１１は、平行な一対の長い稜線ａと、それに対して傾斜した短い平行な一対の稜線ｂとで囲まれた形状をなし、他の圧力室とそれぞれの稜線をほぼ一直線上に並べ、複数の列、行をなして配列している。本実施の形態では、図において縦方向の列の各圧力室１１１が共通のマニホールド流路１３２に接続している。各圧力室間は、隔壁１１２により隔てている。

長い稜線ａと短い稜線ｂのなす一方の鋭角部ｃに、吐出ノズル１４１に接続する連通孔１２１を、他方の鋭角部ｄにマニホールド流路１３２に接続する連通孔１２２をそれぞれ備える。つまり、平行四辺形の対角線のうち長い方向の圧力伝播を利用して、インクの吐出を行う。

上記のようにしたのは、次の理由による。前述のようにインクを吐出するのに先だって、圧力室１１１を拡大することにより圧力室内のインクに圧力波変動を生じさせ、この圧力が上昇したとき、圧力室１１１を縮小させると、インクに印加された圧力が重畳され、効率よくインクを吐出することができる。インクの吐出周期は、インクの圧力波変動の周期によって決められるので、上記２つの連通孔１２１，１２２間の距離を短くすると、インクの吐出周期を短くすることができるが、圧電素子は電気的にはコンデンサであるので、所定電圧に立ち上がるまでに時間がかかり、上記距離があまり短いと、インクの圧力が上昇するまでの期間に間に合わなくなってしまう。このため、上記距離を所定量確保する必要がある。また、アクチュエータとしての圧電素子の変位量を所定量得るために、圧力室の長さ、幅を所定量確保する一方、複数の圧力室を高密度に配置するために、圧力室の長手方向の両端をテーパ状に狭めているのである。

個別電極２１０は、圧力室１１１の投影形状よりも少し小さい相似形とし、したがってアクチュエータの圧力発生部も同じ形状としている。個別電極２１０は必ずしも圧力室と相似形である必要はないが、圧力室内に大きく効率のよい圧力変動を生じさせるには、上記のように少し小さい相似形であることが好ましい。

個別電極２１０へ電力を供給するリード線は、図示しないが、各個別電極の間（すなわち隔壁１１２に対応する位置）をとおってアクチュエータユニット２００の端部に達するように、セラミックスシート２０２上に個別電極２１０とともにスクリーン印刷等によって形成する。または各個別電極の間においてセラミックスシート２０２を貫通するスルーホールをとおってアクチュエータユニット２００の上面に導き出す。

また、圧力室１１１の主要部分、すなわち長い一対の稜線ａ，ａが相互に直角方向に対向する部分（さらに換言すると、稜線ａ，ｂがなす各鈍角ｅからそれに対向する長い稜線ａにそれぞれおろした２つの垂線ｆと２つの長い稜線ａとに囲まれる矩形部分）は、隣接する他の列の圧力室の同主要部分と、稜線ａと直角方向において対向することなく、隣接する列の２つの圧力室の長短の稜線ａ，ｂに挟まれるテーパ部分と、圧力室の短い稜線ｂ，ｂ間の隔壁１１２とに対向している。つまり、隣接する圧力室の主要部分どうしを、長い稜線ａと平行な方向に相互にずらせて配置し、隣り合う列の圧力室の主要部分が隔壁１２と直交する方向に対向しない。

アクチュエータユニットが圧力室１１１に対して大きく変形するのは、上記主要部分（稜線ａ，ａと垂線ｆ、ｆに囲まれる矩形部分）においてであり、隣接する圧力室においてこの主要部分が垂線ｆ，ｆの延長方向に並んでいると、図６において説明したように１つ
の圧力室に対するアクチュエータユニットの変形が隣の圧力室に及んでしまう。しかし、上記のように構成することによって、圧力室の主要部分に対してアクチュエータユニットが大きく変形しても、その変形部分に対向する、隣接する列の圧力室の短い稜線ｂ，ｂ間の部分のアクチュエータユニットは、隔壁１２に固定されており、またそれに対向する圧力室のテーパ部分においては、その変形量がすくないので隣の圧力室への影響はごく小さい。したがって、クロストークを少なくし、複数の圧力室からそれぞれ所期のインク吐出を安定して行うことができる。

図４は、他の実施の形態を示すもので、前記の実施の形態では圧力室の長い稜線ａの延長方向に列を作っていたが、この実施の形態では短い稜線ｂの延長方向に列を作っている。このようにしても、上記垂線ｆ，ｆの延長方向において圧力室の主要部分が並んでいないから、前記の実施の形態と同様にクロストークを少なくすることができる。

図５は、さらに他の実施の形態を示すもので、上記圧力室の主要部分が、他の列の圧力室の主要部分と一部において対向するが、第１の稜線と直角な方向において対向する幅ｇ（互いに他の列の鈍角ｅから第１の稜線ａにおろした垂線ｋ，ｋ間の部分）を、圧力室の一対の第１の稜線間の間隔ｈよりも小さくしている。このようにすると、圧力室の主要部分のほぼ中央が、他の列の圧力室の短い稜線ｂ，ｂ間の隔壁１１２と対向するようになり、一方の列の圧力室におけるアクチュエータユニットの変形が他方の列の圧力室に対して影響することが少なく、クロストークを少なくすることができる。

なお、アクチュエータユニットは、上記両実施の形態のように複数の圧電セラミックスシートを積層するだけでなく、複数の圧力室にわたる振動板や圧力室の上壁に、圧力室ごとに独立した圧電素子およびその他の圧力発生素子を貼り付けたもので構成することもできる。

以上のように本発明のインクジェット記録ヘッドは、隣接する他の圧力室どうしその稜線を相互に平行に近接して配置するとともに、各圧力室の主要部分をその稜線と平行な方向に相互にずらせて配置、つまり、２つの圧力室の主要部分が隔壁とほぼ直交する方向で隣接しあわないようにしたことで、アクチュエータユニットが複数の圧力室にまたがっているとしても、１つの圧力室に対するアクチュエータユニットの変形が、隔壁を介して隣接する他の圧力室に影響することが少なくなり、クロストークの発生を抑え、複数の圧力室からそれぞれ所期のインク吐出を安定して行うことができる。

また、平行四辺形の圧力室の一方の鋭角部分に吐出ノズルと接続する連通孔を、他方の鋭角部分にインク供給源と接続する連通孔をそれぞれ備えることで、平行四辺形の対角線のうち長い方向における圧力波の伝播を利用してインクを吐出させることができ、その結果アクチュエータの立ち上げ時間に余裕をもたせた圧力室の長さを確保でき、かつ、アクチュエータの変形を所定量確保でき、良好なインク吐出を行うことができる。

１００ キャビティユニット
１１１ 圧力室
ａ，ｂ 稜線
１１２ 隔壁
１２１ 連通孔
１２２ 連通孔
１４１ 吐出ノズル
２００ アクチュエータユニット
２０１ 圧電セラミックスシート
２１０ 個別電極

Claims (4)

1. 一端を吐出ノズルに、他端をインク供給源にそれぞれ接続した複数の圧力室を相互に隣接配置し、振動板上に前記圧力室毎に独立した圧電素子を配設したアクチュエータユニットの前記振動板を前記複数の圧力室にまたがって配置したインクジェット記録ヘッド、又は、一端を吐出ノズルに、他端をインク供給源にそれぞれ接続した複数の圧力室を相互に隣接配置し、前記圧力室の上壁に前記圧力室毎に独立した圧電素子が配設したアクチュエータユニットを有するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記各圧力室は、対向する平行な一対の長い稜線および当該一対の長い稜線より短くて前記一対の長い稜線と交差する他の対の短い稜線によって囲まれたほぼ平行四辺形の形状を有し、前記一対の長い稜線のうち相互に直角の方向に対向する部分の間が前記圧力室の主要部分として画定され、隣接する他の圧力室とその稜線を相互に平行に近接して配置されるとともに、各圧力室の前記主要部分を前記短い稜線に平行な方向に相互にずらせて配置され、
   前記複数の圧力室は複数列あり、
   前記圧力室の主要部分が、隣接する他の列の前記圧力室の同部分と、前記一対の長い稜線と直角な方向において対向しないように配置されたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 請求項１のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記各圧力室は、鋭角部分を有する平行四辺形であって、その平行四辺形の一方の鋭角部分に前記吐出ノズルと接続する連通孔を、他方の鋭角部分に前記インク供給源と接続する連通孔をそれぞれ備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
3. 請求項１又は２のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記アクチュエータユニットの圧力発生部は、前記各圧力室とほぼ相似形をしていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
4. 請求項１〜３のいずれかのインクジェット記録ヘッドにおいて、前記アクチュエータユニットは、圧電材料と、その圧電材料に電圧を印加する電極とからなり、少なくとも前記圧電材料への電極の投影形状が前記圧力発生部を形成していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。