JPH0499630A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はインク滴を飛翔させ記録紙等の媒体上にインク
像を形成するインクジェット方式の記録装置に関し、さ
らに詳細にはインクジェットヘッドに関する。

［従来の技術］ 従来のインクジェットヘッドの構成としては、複数のノ
ズル開口を有するノズルプレートとこの背後にインクと
直接接触する圧電変換器を有するＩｉ造が知られている
。（特公昭６０−８９５３号公報）この構造では圧電変
換器を構成する振動子がノズルプレートと概ね直交する
方向に変位するごとく振動することと各ノズル間のイン
ク流路が短い距離で通じていることによりインク滴吐出
効率および安定性が高く、インク中に気泡、ゴミ等異物
が混入した場合でもこの影響を受けず正常動作が可能で
あるという特徴を有する。更に振動子はノズル板と微少
な間隙を保って配された片持ち梁状または両支持端近傍
を軟構造にした両持ち梁が用いられている。また櫛歯形
状をした片持ち梁振動子としては、（特開昭６１−２８
３５５３号公報）、（特開昭５９−１５９３５９号公報
）等が知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術のインクジェットヘッドは、インク滴の吐
出を安定化するため必要な、ノズルプレートと振動子と
の微少な間隙を高精度に管理することが困難であり、複
数の高精度部品を必要とするため、製造歩留まりが低い
、高コストになるという間頌点を有していた。

また、インクジェットヘッドが高温に置かれた場合、イ
ンクシェツトヘッドの構成部材が持つ線膨張率の相異か
ら、ソリ、歪み等が発生し、インク滴吐出特性が安定化
しない、耐久性がないという問題点を有していた。

本発明の目的は１、これらの問題声、を解決して、ノズ
ルプレートと振動子との微少な間隙を高精度に管理され
た、インク滴吐出特性の安定した、製造歩留まりの高い
、低コストのインクジェットヘッドを実現することにあ
る。

また、本発明の別の目的は、インクジェットヘッドが高
温下に置かれた場合、または、ホットメルトインクを用
いた場合、線膨張率の相異に起因してインクジェットヘ
ッドが著しく変形することがなく、常温状態以上にノズ
ルプレートと振動子との微少な間隙が高精度に管理され
たインクシェツトヘッドを実現することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明のインクジェットヘッドは、インク供給手段を有
し記録媒体に対向するように配！された筺体と、この筺
体に接合され前記インク供給手段の上部に配置されたベ
ース部材と、このベース部材の上部に列設され固定端部
を接合された片持ち梁構造をした複数の振動子と、この
振動子の上部に接合され振動子の自由端部に対向してノ
ズル開口を有するノズル形成部材とからなるインクジェ
ットヘッドにおいて。

前記ベース部材と、振動子と、ノズル形成部材とが振動
子の列設方向に対して線対称的に配置されていることを
特徴とする。さらにホットメルトインクを用いることを
特徴とする。

［実　施　例１ 次に、実施例に基づいて本発明を説明する。第１図は本
発明のインクジェットヘッドの一実施例を用いたブリン
クの斜視図である。同図において記録媒体である記録紙
１０は紙案内軸１１．１２て案内されると同時に送りロ
ーラ軸１３．１４によって押圧される。ガイド軸１５．
１６に案内され紙案内軸１１．１２に平行な方向に移動
可能なキャリッジ１７上にインクジェットヘッド（以下
ヘッドと記す）１８が搭載されている。

ヘッド１８は独立にインク滴を吐出制御可能な複数のノ
ズル間口３４を有し、上記記録紙１０と所要の間隔を保
持されたまま紙案内軸１１．１２方向に走査される。そ
して、上記ノズル開口３４から選択的にインク滴を吐出
し記録紙１０上にインク像を形成する。記録紙１０は、
送りローラ軸１３．１４の回転により走査方向と直交す
る副走査方向に搬送され、記録紙１０上への印字が行な
われる。

第２図（ａ）（ｂ）は本発明のインクジェットヘッドの
一実施例を示す縦断面図とｂ−ｂ断面図である。容器状
のヘッドフレーム２１はアルミニウム、ＳＵＳ等の金属
材料や、ポリサルホン、ボッアセタール、ＡＢＳ等の高
分子材料からなる６ヘツドフレーム２１の上部には上ケ
ーシング２２が縛結され、ヘッド１８の筺体が構成され
でいる。ヘッドフレーム２１の内部は、隔壁２４により
下部が連通した二基に分割され、一方はインク３７を収
納するインクタンクとして、もう一方はインク供給手段
４０の格納庫としての機能を有する。インク供給手段４
０は供給板２５を複数枚積層することにより構成しであ
る６供紹板２５は第２図（ｂ）にも示すように供給板ホ
ルダー２６により挟持され、積層された供給板２５の内
部には図中下部から上部に亙って一連のインク流路２５
ａが形成される。インク３７のインク供紹手段４０への
入り口に相当する、供給板ホルダー２６の下部には、数
１０μｍの多数の小孔を有するフィルター２７とパツキ
ン２９を介してホルダーカバー３０が固定されている。

ホルダーカバー３０とヘッドフレーム２１の底面間には
バネ３１が介在し、供給板２５の上端を上ケーシング２
２および背面フレーム２８に押圧する如き方向に力を作
用させている。ベース部材である振動子ベース３６の凹
面には背面フレーム２８が配設されており、振動子３２
の底面および振動子ベース３６の凹部側面と所望の間隔
を保っている。ここで、所要の間隔は、インクタンク内
のインク３７を後述する圧力発生手段４１まで上昇させ
るのに必要な毛細管力を充分発揮するような間隔であり
、かつインク３７の流れに伴い発生する負圧がインク滴
吐出特性に大きな影響を及ぼさない程度の間隔となって
いる。圧力発生手段４１は、振動子ベース３６と振動子
ベース３６上に接着された電気機械変換手段である振動
子３２と、ノズル形成部材であるノズルプレート３３と
により構成されている。振動子ベース３６はＳＵＳ、ア
ルミナ、鉄等からなり、振動子３２やノズルプレート３
３と比較して充分な剛性を有するよう０．５〜３ｍｍの
厚さとなっている。振動子３２は電気機械変換手段とし
て１００μｍ厚のＰＺＴと５０ＬＬｍ厚のＮ１箔の積層
により構成された片持ち梁のユニモルフ構造をとる。ノ
ズルプレート３３はＮ１よりなり、前記振動子３２の先
端と１対１に対応する径３０〜７０μｍのノズル開口３
４が複数列設されている。また、圧力発生手段４１の上
部は保護カバー３５により覆われている。

第３図は、第２図中の圧力発生手段４１である、ノズル
プレート３３、振動子３２．振動子ベース３６のみを彷
き出して表した斜視図である。振動子３２は片持ち梁の
自由端部をそれぞれ対向させるように、振動子ベース３
６上に２列状に列設されている。ノズルプレート３３は
振動子３２を覆うよう（二振動子３２の固定端部に接合
される。圧力発生手段没を接合する接着材は、ポリイミ
ド系接着材、エポキシ系接着材、共晶接合材等を用いる
。但し、いづれの接着材を使用しても、充分な接合強度
を得るためには、接着工程において１５０〜３００℃の
高温状態に圧力発生手段を放置する必要がある。そのた
め、接着後常温に戻された圧力発生手段の内部には、熱
応力が残留する。ここで、本実施例のヘッドは、逆に、
熱応力を利用して、ノズルプレート３３と振動子３２間
の微少な間隙４３を高精度に管理している。

つまり、振動子ベース３６が路線対称的（第２図対称線
ａ−ａ）な断面形状であることと同時に、振動子３２．
ノズルプレート３３も同じ対称線（第２図対称線ａ−ａ
）に沿って配設されているために、熱応力に伴い発生す
る変形は、前記対称線を基準に線対称的に発生する。し
たがって、熱応力に伴い発生する変形は、ヘッド個体内
の間隙４３のばらつきの直接的要因とはなっていない。

また、振動子ベース３６の構成部材の線膨張率をノズル
プレート３３の構成部材の線膨張率よりも小さくなるよ
うに設定しであるので、接合後常温に戻されたノズルプ
レート３３は、収縮しようとする動作を振動子ベース３
６の剛性により妨げられ、引っ張り応力が作用する。こ
の引っ張り応力によりノズルプレート３６に初期的に存
在し、間隙４３の寸法精度に少なからぬ影響を及ぼすウ
ネリ等の微少変形が矯正される。その結果１間隙４３が
高精度に管理された、インク滴吐出特性の良好なヘッド
となっている。

次にインク供給動作について説明する。カバ２３を開け
て、隔壁２４とヘッドフレーム２１との間に形成された
インクタンク内にインク３７が投入される。インクタン
ク内において、インク３７のレベルの下限は供給板２５
の下端よりも上方になければならない。そこで本実施例
では、インク３７のレベルが下限近傍に達すると、イン
クエンド検出手１９．３Ｂにより検出がなされ、新たな
インク３７の投入が要求されるようになっている。

また、インクタンクは通気孔３９を介して大気に開放さ
れている。インク３７は隔壁２４の下部を通過し、イン
ク供給手段４０の入口部に達し、フィルター２７により
濾過されて供給板２５の下端に到達する。多数の供給板
２５の積層により構成されたインク流路２５ａは毛細管
力によりインク３７を圧力発生手段４１まで上昇させる
のに充分な程狭い間隙を有している。より具体的には、
表面張力３０ｍＮｍ、密度７５０Ｋｇ／ｍ”のインク３
７を３０ｍｍ上昇させるのに必要な間隙はＱ、２ｍｍ程
度である。但し、供給板２５の積層部の全長に互って０
．２ｍｍ以下の間隙とする必要はない、すなわち、０．
２ｍｍの間隙が必要なのは圧力発生手段４１の近傍のみ
であり、そこよりも低い位置においでは毛細管力により
インク３７を上昇可能な範囲内より狭い間隙に設定する
ことが可能である。背面フレーム２８の間隙の説明にお
いて言及したように、上記間隙が狭すぎることは望まし
くない６それは、インク流に伴い圧力発生手段４１近傍
に発生する負圧が増大するためである。そして、負圧の
増大は、インク滴の飛翔に影響を及ぼし、インク滴体積
、インク滴飛翔速度を減少させ、最悪の場合、連続的な
インク滴の飛翔を不可能とするからである。この様な事
情から本実施例では、インク供給手段４０の構造に対応
して定常的に流すことができる最大インク流量を決定し
ている。また、毛細管力によりインクを上昇させる必要
かあるのは、インク供給手段４０内に初めてインク３７
を充填する場合と、インク供給手段４０内への気泡等の
侵入により連続したインク３７が分断されて新たに充填
を必要とする場合である。供給板２５を積層して構成し
たインク流路部を通過したインク３７は振動子ベース３
６の開口と、背面フレーム２８周囲にそって形成された
インク供給路を経て圧力発生手段４１に至る。

次に、インク濶吐出動作について説明する。インク供給
手段４０により供給されたインク３７は、背面フレーム
２８と振動子３２とノズルプレート３３によって構成さ
れた狭隙５４を満たし、ノズル開口３４において大気に
開放されている。振動子３２は、それを構成する圧電素
子ＰＺＴに選択的に電界を印加することによりＰＺＴが
収縮変形し、またその変形を抑えようとするＮｉ箔の弾
性変形により、ノズルプレート３３面と垂直な方向に撓
み変位する。この撓み変位により、振動子３２とノズル
プレート３３の間に存在するインク３７が排除されると
共に圧力が発生し、その一部がノズル開口３４よりイン
ク滴となって飛翔する、ここで、前記撓み変位量は微少
であり、またノズル開口３４に発生するメニスカスはイ
ンク供給に伴う負圧の影響を強く受けで拡大縮小するた
め、インク滴飛翔速度やインク滴体積も負圧の変化の影
響を大きく受けることになる。従って、印字品質が良好
で高速応答が可能なヘッド１８を提供する為には、負圧
の発生の少ないインク供給手段４０を実現することが必
要である。本実施例では、インク供給手段４０が、供給
板２５を複数校積層することにより構成されでいるので
、ヘッド１８の走査方向への移動により生ずるインク圧
の影響が低減され、負圧発生の少ないインク供給手段が
実現されている。また、振動子３２とノズルプレート３
３によって形成される微少な間１１）ｊｆ４３は高精度
に管理されている必要がある。すなわち、インク滴の吐
出に必要な前記圧力は、振動子３２がノズルプレート３
３と直交する方向に運動することにより発生する。但し
、振動子３２の振幅、周波数が同じだと仮定すれば１間
隙４３の寸法の３乗に比例した圧力が間隙４３のインク
３７に発生することになる。逆に、それは振動子３２の
運動に伴い振動子３２自身へ作用するインク３７からの
反力も間隙４３の寸法の３乗に比例して太き（なること
を意味している。したがって、間隙４３が狭すぎれば、
振動子３２の振動を伴う運動は減衰が速く、また振幅も
小さくなりインク滴飛行速度の低下、インク滴体積の減
少、ノズル開口３４内へのインク３７の供給時間の増大
等の悪影響を招く６間隙４３が広すぎれば、振動子３２
の振動を伴う運動は減衰が遅く、発生する圧力も小さい
ため、インク滴飛行速度の低下、インク滴体積の減少、
圧力リンギングにおいて２度目の圧力ピーク時にもイン
ク滴を吐出してしまう２度打ち現象等の悪影響を招く。

本発明者らは、実験により、良好なインク滴゛吐出が可
能な前記間隙４３の範囲は１０μｍ〜２０Ｌｉｍ程度で
あることを確認している。

次に、インク３７が常温では固相のホットメルトインク
を用いた場合について説明する。この場合第２図の実施
例中の構成部品が熱伝導性および耐熱性に優れた材料で
ある必要があり、ヘッドフレーム２１の下部にヘッド加
熱手段としてのヒータ４２を設ける。記録液としてのホ
ットメルトインクは、常温では固相状態であり、ヘッド
１８の温度上昇と共に溶融液化し、実使用温度である８
０℃〜１６０°Ｃ間の所望温度ではインク嫡吐出に最適
な２〜２０ｍＰａ５ｅｃの粘度となる。ノズル開口３４
からインク滴として吐出されたインク３７は記録紙に到
達付着すると同時に急速に固化するため紙面上でにしむ
ことなく鮮明なインク像の形成が可能である。ホットメ
ルトインクを使用した本実施例によるヘッドは、常温か
らインク滴の吐出ｉＭ度である高温までの環境温度にヘ
ッドがさらされることになる。しかし、環境温度の変化
により発生する圧力発生手段４１の熱応力は、前述した
とおり、圧力発生手段４１の線対称性によりノズルプレ
ート３３と振動子３２間の間隙４３の変化ばらつきの直
接原因とはならない。したがって、温度変化により発生
する、クリープ等の経時的な変形は、対称軸に対して対
称に発生しｌ＼ラッド８は間隙４３の精度を恒久的に安
定に保つことが可能になっている。

［発明の効果１ 以上述べたように本発明の上記構成によれば振動子、ノ
ズル形成部材、ベース部材よりなる圧力発生手段が、線
対称に構成されているため、ノズル形成部材と振動子の
間の空隙を、高精度に管理することが可能であり、良好
なインク滴吐出特性を確保したインクシェツトヘッドが
実現できるという効果を有する。

また、ホットメルトインクを用いて、インクシェツトヘ
ッドが温度変化をうける場合においでも、ノズルプレー
トと振動子間の空隙寸法が経時的変化を受けることのな
い、信頼性の高いインクシエンドが実現できるという効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により一実施例であるインクシェツトヘ
ッドを用いたプリンタの斜視図。 第２図（ａ）、（ｂ）は本発明にょる一実施例を示すイ
ンクジェットヘッドの縦断面図とｂ−ｂ断面図。 第３図は圧力発生手段の要部斜視図。 ４１　・ ４３　・ インクジェットヘッド 背面フレーム 振動子 ノズルプレート ノズル開口 振動子ベース インク インク供給手段 圧力発生手段 間隙 第２図（ｂ） 第３図 ／′ ３２−娠ｔ７７−） ３計−ツ疋ルア゛シート ３６−−−２辰初子ベース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）インク供給手段を有し記録媒体に対向するように
   配置された筺体と、この筺体に接合され前記インク供給
   手段の上部に配置されたベース部材と、このベース部材
   の上部に列設され固定端部を接合された片持ち梁構造を
   した複数の振動子と、この振動子の上部に接合され振動
   子の自由端部に対向してノズル開口を有するノズル形成
   部材とからなるインクジェットヘッドにおいて、 前記ベース部材と、振動子と、ノズル形成部材とが振動
   子の列設方向に対して線対称的に配置されていることを
   特徴とするインクジェットヘッド。
2. （２）インクが常温では固相のホットメルトインクであ
   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。