JPH0752381A

JPH0752381A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH0752381A
Application number: JP20337093A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Oseko; 久秋小瀬古
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-08-17
Filing date: 1993-08-17
Publication date: 1995-02-28

Abstract

(57)【要約】【目的】流路板の流路隔壁を圧電素子によって変化さ
せ、この流路列隔壁の変化によって流路内体積を変化を
するようにし、もって、流路内での体積変化を増加させ
る。【構成】平行且つ一定間隔に固定された上部固定板７
と下部固定板１の間に、両固定板が対向する方向に電気
機械変換素子２、振動板３、流路板４を配設し、流路板
４の流路方向またはその直角方向にノズル部を設けてあ
る。電気機械変換素子２を変位させて前記流路の隔壁６
を湾曲させて流路５内の体積を変化させ、該流路５内の
インクを前記ノズル部よりインク滴として飛翔させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットヘッ
ド、より詳細には、インクジェットプリンターに用いる
オンデマンド型のインクジェットヘッドに関し、例え
ば、インクジェット記録方式を利用したファクシミリ，
複写機等に応用可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０（ａ),(ｂ）は、それぞれ従来の
インクジェットヘッドの例を説明するための要部断面図
で、図中、１は下部固定板、２は圧電素子、３は振動
板、４は流路板、５はインク流路、６は隔壁、７は上部
固定板で、周知のように、印字信号に応じて、圧電素子
２をｄ₃₃方向（矢印Ａ方向）に駆動して、インク流路５
内の体積を急激に減少させて、該インク流路５内のイン
クに圧力を加え、該インクを図示しないノズルより噴射
させて印字を行うものである。

【０００３】而して、図１０（ｂ）に示した例は、図１
０（ａ）に示した例に対して、圧電素子２側にも隔壁８
を設けて圧電素子２の変位が隣りの流路に伝播しないよ
うに工夫したものである。その結果、圧電素子２の幅ｄ
を流路５の幅Ｄより小さくしなければならないため（変
化量は圧電素子の幅による）、ピッチを小さくすると体
積変位量はそれ以上に小さくなってしまう。また、変位
量そのものは積層してかせいでも０．１〜０．２μｍと
小さい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように圧電素子
を用いたインクジェットヘッドにおいては、通常ｄ
₃₃（縦波−縦効果の圧電定数）変位を利用しているが、
その変位量が非常に小さいため、積層構造をとって変位
量を増している。しかし、変位量はたかだか０．１〜
０．２μｍであるため、インク滴を飛翔させるために流
路長方向にかなり距離をとるか流路幅方向を広くとる必
要がある。このため、ヘッドが大きくなり、重くなるた
め、プリンターそのものを小型化できず、ヘッド駆動の
電力消費量が増すとともに、圧電素子を中心として非常
に高価になる。一方、圧電素子のｄ₃₁（縦波−横効果の
圧電定数）変位を利用したものもあるが、この場合は、
電極部を振動板と接合しなければならず、組付け及び耐
久性に問題がある。

【０００５】而して、従来の電気機械変換素子、特に、
圧電素子を利用したインクジェットヘッドは、その変位
を直接利用するものであるため十分な変位が得られず、
ヘッドを大型化せざる得なかった。すなわち、圧電素子
の変位を振動板に伝え、その変位のみで流路内の体積変
化を発生させるものであるため、流路内の他の構成部品
である流路板をできるかぎり圧電素子の変位によって変
位しない構造にする必要があった。そして、振動板は圧
電素子の変位を効率よく流路内に伝播するとともに、流
路板隔壁にはできる限り伝播しない構造、すなわち、で
きるだけ薄くしたり、流路隔壁との接合部近辺を薄肉化
したりする必要があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を解
決するために、（１）平行且つ一定間隔に固定された上
部固定板と下部固定板の間に、両固定板が対向する方向
に電気機械変換素子、流路板、振動板を並べ、流路板の
流路方向またはその直角方向にノズル部を設け、前記電
気機械変換素子の変位による流路隔壁の湾曲によって流
路内の体積を変化させ、前記流路内のインクを前記ノズ
ル部よりインク滴として飛翔させることを特徴としたも
のであり、更には、（２）前記振動板と流路板、また
は、流路板と固定板を同一素材で一体的に形成したこ
と、或いは、（３）前記電気機械変換素子として圧電素
子特に積層構造の圧電素子を用いること、或いは、
（４）電気機械変換素子により流路隔壁が圧縮された時
に、その湾曲変位が流路内に向かう流路内体積縮小を利
用すること、或いは、（５）電気機械変換素子により流
路隔壁が圧縮された時に、その湾曲変位が流路外に向か
う流路内体積膨張を利用すること、或いは、（６）前記
変位に圧電素子のｄ₃₃変位を利用すること、或いは、
（７）前記固定板及び流路板の振動板にヤング率が１０
０ＧＰａ以上の材料を用いること、或いは、（８）前記
流路隔壁の幅をその湾曲方向長さの１／３以下にしたこ
と、或いは、（９）前記流路隔壁を前もって湾曲方向に
曲げておくかまたは曲がった形状にしておくことを特徴
としたものである。

【０００７】

【作用】流路板の流路隔壁を電気機械変換素子によって
変化させ、この流路隔壁の変化によって流路内体積を変
化をするようにし、もって、流路内での体積変化を増加
させる。

【０００８】本発明は、従来の電気機械変換素子の利用
方法とは根本的にちがい、流路板の流路隔壁をこの電気
機械変換素子によって変位させ、この変位の増幅効果に
よって、つまり、流路隔壁を固定化するのではなく可動
化することにより、流路内での変位を増加させ、もっ
て、大きな流路内体積変化を生じさせるようにしたもの
である。

【０００９】

【実施例】図１（ａ),(ｂ）は、それぞれ本発明の実施
例を説明するための要部断面図で、図中、図１０に示し
た従来技術と同様の作用をする部分には図１０の場合と
同一の参照番号を付してある。而して、図１（ａ）に示
した例は、平行且つ一定間隔に固定された上部固定板７
と下部固定板１の間に、両固定板が対向する方向に電気
機械変換素子２、振動板３、流路板４を並べ、流路板４
の隔壁６に、該隔壁６を流路方向に６ａ，６ｂに２分す
る溝６ｃを設け、圧電素子２を駆動した時に、これらの
隔壁部６ａ，６ｂが２点鎖線にて示すように湾曲し、こ
の湾曲によって流路５内の体積を変化させるようにした
ものである。また、図１（ｂ）は振動板と流路板を一体
的に形成し、もって、流路板を省略し、部品数を少なく
した例を示すものであるが、流路板と上部固定板とを一
体的に形成してもよいことは容易に理解できよう。

【００１０】図２（ａ),(ｂ),(ｃ）は、本発明の基本原
理を説明するための図で、同図は、図１の場合と同様、
流路に対して直角方向の断面図で、図２のように、互い
に平行で一定間隔の上部固定板７と下部固定板１の間
に、電気機械変換素子（圧電素子）２と流路板４が密着
接合されている。この場合、振動板は流路板２が兼ねて
いる。この電気機械変換素子２に電圧を加えたり、電流
を流したりすることにより、該電気機械変換素子２は流
路板４を圧縮する方向に変位する。流路板４はその隔壁
６が最も薄く構成されており、その部分が優先的に圧縮
されるが、電気機械変換素子２が圧縮する方向と隔壁６
が圧縮される方向に角度的ずれがあったり、隔壁に偏肉
部があったりすると、図２（ｂ),(ｃ）に示すように、
隔壁６が湾曲してしまう。ところが、この湾曲変位は後
述のように、その断面における面積変化で２６倍にもな
るものであり、本発明は、この変位の増幅効果を利用し
たものである。

【００１１】図１（ａ）に示した実施例は、図２に示し
た型式の流路板４の上下を逆にして配設して流路開放部
が圧電素子側にくるようにし、振動板３を介して圧電素
子２と流路板４とを接合するようにしたもので、この場
合、流路板４と上部隔壁板７とを一体化してもよい。ま
た、図１（ｂ）に示した例は、図２（ａ）に示した圧電
素子２と流路板４とを一体化した構造のものを一定のピ
ッチ間隔で並べたものである。

【００１２】図３は、本発明の動作原理を更に詳細に説
明するための図で、例えば、従来の方法だと、一辺Ｌが
１００μｍの流路で、１００ｎｇのインク滴を得る（１
×１０⁵μｍ³の体積変化を得る）には、流路長は１０ｍ
ｍ必要であった。これに対して、本発明では、図３に示
すように、ａ＝０．１μｍの変位、隔壁の湾曲変化とし
て、ｂ＝１．９６μｍと約２０倍に増幅される。ただ、
この変位は円弧状となるため、断面積Ｓでは１３０μｍ
²となり、両隔壁が変位するから、全体では２６０μｍ²
と２６倍になる。従って、流路長は（１×１０⁵）／
（２６０）≒３８０μｍと非常に短くなる。

【００１３】このことは、流路長が非常に短いヘッドの
作製が可能であることを示すとともに、そのため、図７
に示したタイプのインクジェットヘッドだけでなく、図
８に示したタイプのインクジェットヘッドのノズル位置
でもヘッドの小型化が可能となる。また、流路長を１〜
２ｍｍとし、流路幅を数分の１にして流路ピッチの高密
度化によるヘッドのコンパクト化、高性能化が可能であ
る。すなわち、本発明の方法を用いれば、複雑なヘッド
構造でなくても、圧電素子等の通常の変化を用いてヘッ
ドのコンパクト化だけでなく素子の小型化により大幅な
ヘッドの低コスト化が可能となる。このように、本発明
によると、流路隔壁の湾曲による大きな変位を利用して
いるので、ヘッドを小型化することができる。

【００１４】図４は、従来技術において、流路の幅を、
図４（ａ）に示す幅寸法を、図４（ｂ）に示す１／２の
幅寸法にした場合の例を説明するための図で、この場
合、流路幅半分のｅにしても、隔壁の幅ｃはそのままで
あるので、変位幅ｆは、ｆ＝ｅ−２ｃとなり、１／２以
下になってしまう。

【００１５】図５は、本発明の例を説明するための図
で、図４の場合と同様、図５（ａ）に示す幅寸法を、図
５（ｂ）に示す１／２幅寸法にした場合、この場合に
は、流路の幅を半分のｅにすると、隔壁の幅ｃも半分に
することができるので、流路幅を半分すると、ピッチ幅
も半分になって、ヘッドの小型化が可能となる。

【００１６】上述のように、本発明によると、圧電素子
による変化を隔壁の湾曲変位に増幅しており、従って、
共通液室からのインク供給が問題ない限りの小さな流路
幅にしても体積変位量は変わらない（従来法では幅の減
少以上に体積変化量が低下する）。従って、ピッチ間隔
を大幅に短縮でき、ヘッドの小型化や、同一の大きさで
のノズル数の増加が可能となり、設計の自由度が増すと
ともに、ヘッドの低コスト化ができる。

【００１７】図６は、図１（ｂ）に示した実施例におい
て、隔壁部６が圧電素子２の変位方向と一定の角度をな
し、且つ、流路板４が一体的につながっている例であ
る。この場合、圧電素子１の変位方向と隔壁６の圧縮方
向がちがうため、素子による変位力は隔壁を圧縮するの
ではなく曲げようとする力となって働く。従って、変位
に必要な力を少なくできる。

【００１８】図７，図８はそれぞれ、ヘッドを流路方向
に切断した場合の断面図で、図中、９はノズルプレー
ト、１０はノズル、１１は連結板で、図７の例は、ノズ
ル１０を流路端に配置し、該ノズル１０を一定間隔であ
けたプレート９を接合したものであり、流路板と上部固
定板は一体で形成されている。また、図８の例は、ノズ
ル１０を圧電素子の変位方向に配置したもので、ノズル
プレート９と上部固定板７と流路板４が一体で形成され
ており、部品数が非常に少なくなっている。また、ノズ
ルを流路の真中に配置できるので変位量の損失を小さく
できる。

【００１９】図９は、湾曲した流路隔壁の例で、図示の
ように、初めから隔壁をわずかに湾曲させておくと、圧
電素子の変化力が弱くても容易に湾曲する。図９は、ｄ
／Ｌ＝１０／１００−１／１０の場合である。図９の
（ａ)，(ｂ）の例は作製が難かしいが、（ｃ）〜（ｆ）
は比較的容易となる。材料面からみると固定板や連結板
１１（図７，８参照）は強化樹脂，金属，ガラス，セラ
ミックスが使用できるが、最も良のはセラミックスであ
る。ただ、流路板と一体化したり、ノズル穴加工を考慮
すると、ジルコニアやアルミなどのセラミックスでは難
しく、Ｓｉや金属（Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｕ，ステンレスな
ど）の方が汎用性がある。流路板は、機械加工で作る
が、化学的エッチングを用いるか、電鋳法を利用するか
によって材質が変わってくる。図１，６のパターンなら
Ｓｉエッチングや金属（アルミニウム，ステンレス等）
の機械加工，放電加工で可能だが、図９のパターンにな
ると非常に難しい。

【００２０】小さな変位エネルギーで（圧電素子の負担
を小さくして）、大きな湾曲変位を得るには図９の形状
にするとともに、隔壁の内厚をある程度薄くする必要が
ある。この場合には化学的エッチングした形状に一定厚
さ（例えば１０μｍ）の電鋳をした後、その形状をとり
除く方法が有効となり、流路板としてはＮｉが最適とな
る。また、それほど高周波で使用しない場合には流路板
を低コストな樹脂または強化樹脂で形成してもよい。た
だ、この場合には固定板等もできる限り樹脂化して、温
度による寸法変化に差が生じないように工夫する必要が
ある。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下の効果がある。請求項１に対応する効
果；流路隔壁の湾曲による大きな変位を利用しているの
で、ヘッドの小型化・低コスト化ができる。また、流路
部と素子部を完全に隔壁できるので、素子部電極がイン
ク水分による湿気により変化するのを防ぐことができ
る。請求項２に対応する効果；流路板と振動板または流
路板と固定板を一体的に形成できるので、部品数の低減
ができ、低コスト化・高精度化ができる。ヘッド部品数
は作製、工程数、組み付け精度を含めて少ない方がよ
い。特に、部材の接合部の良否、接着剤の厚さは変位量
を低下させたり、流路間の相互作用を発生させたりして
好ましくない。流路板の流路側が素子側にくるかどうか
で変わるが、一体化によって部品数・工程数の低減が可
能となる。請求項３に対応する効果；圧電素子を用いる
ことにより、ヘッドの小型化ができる。電気エネルギー
を機械エネルギーに変換する素子としては、圧電素子の
他に磁歪素子があり、関接的には形状記憶合金利用もで
きる。しかし、実装密度を上げ、コンパクト化し、簡易
化できるのは圧電素子である。請求項４に対応する効
果；体積縮小する方向の変位を利用することにより、体
積縮小率をアップできるとともに、電圧印加時にインク
滴を一対一で飛ばすことができる。電気機械変換素子が
プラスに変位して、隔壁を圧縮したとき、流路内体積が
縮小する方向に流路板隔壁を変化させれば、変化率は２
６＋１＝２７倍となり、素子に電圧を印加した時に効果
的に液滴を噴射させることができる。請求項５に対応す
る効果；体積拡大する方向の変位を利用しているので、
ノズル近傍での空気の巻き込みを低減できる。隔壁が圧
縮湾曲した時に流路内体積を増加させるように変化する
と、変化体積は２６−１＝２５倍とわずかに低下する
が、素子に電圧が印加された時に流路内の体積増加が生
じ、逆に電圧印加をやめた時にインク滴が噴射させるこ
とができる。請求項６に対応する効果；汎用的に使用さ
れている圧電素子のｄ₃₃方向を利用できるので、素子の
加工が容易で、素子の変化の主査幅がよく、従って、素
子の品質が管理しやすく、寸法精度に優れた素子を用い
ることができる。請求項７に対応する効果；高ヤング率
材料を用いることにより、高周波応答性に優れた、ヘッ
ドを得ることができる。従って、高速印字が可能とな
る。電気機械変換素子による変位が直接流路隔壁に伝わ
るため、上部と下部の固定板は変形をさけるため、でき
る限りヤング率が大きいほうがよい。なお、上部と下部
の固定板が平行で互いの距離が振動によって変動しない
ように、この両者を接着ネジ止め等により固定する必要
がある。また、流路隔壁が高周波駆動に応答して変位す
るためには、ヤング率が高いことが望まれる。振動板を
含め電気機械変換素子の効率の低下を防ぐためには、や
はりヤング率が大きい方がよい。請求項８に対応する効
果；隔壁の幅を規制することにより低エネルギーで大き
な変化を得ることができる。流路隔壁が厚いと電気機械
変換素子による圧縮力によって、隔壁が十分に変形しな
いだけでなく湾曲しなくなる。隔壁を変形させる力が一
定の場合は、隔壁の変形はそのヤング率と、隔壁の幅
（厚さ）によって変わり、ヤング率が小さい場合は圧縮
されるのみで湾曲しづらく、また、振動の高周波応答特
性が低下する。従って、隔壁の幅（ｄ）を狭くし、その
湾曲方向長さ（Ｌ）に対してｄ／Ｌ≦１／３にする必要
がある。請求項９に対応する効果；隔壁を初めから湾曲
しやすい、または、湾曲した形状にすることにより、低
エネルギーで大きな変化を得ることができる。図２に示
した形状では、湾曲してもどちらに湾曲するかわからな
いし、湾曲させるには莫大なエネルギーを必要とするた
め、隔壁の幅（ｄ）をかなり薄くする必要がある。ま
た、図７のように隔壁部長さ（Ｌ）方向を変位方向に対
して一定角度傾けたり、はじめから湾曲した形状とした
り、その両者を組み合わせた形状とすることにより、素
子の小さな変位力で隔壁部の湾曲変位が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッドの一例を説
明するための要部断面図である。

【図２】本発明の動作原理を説明するための要部断面図
である。

【図３】本発明の動作原理を更に詳細に説明するための
要部断面図である。

【図４】従来のインクジェットヘッドの動作例を説明す
るための構成図である。

【図５】本発明によるインクジェットヘッドの動作例を
説明するための構成図である。

【図６】本発明の一実施例を説明するための構成図であ
る。

【図７】本発明に適用されたインクジェットの一例を説
明するための要部断面図である。

【図８】本発明に適用されたインクジェットの他の一例
を説明するための要部断面図である。

【図９】本発明によるインクジェットヘッドの例を示す
要部断面図である。

【図１０】従来のインクジェットの例を説明するための
構成図である。

【符号の説明】

１…下部固定板、２…圧電素子、３…振動板、４…流路
板、５…インク流路、６…隔壁、７…上部固定板、８…
隔壁、９…ノズルプレート、１０…ノズル、１１…連結
板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平行且つ一定間隔に固定された上部固定
板と下部固定板の間に、両固定板が対向する方向に電気
機械変換素子、流路板、振動板を前記流路板の流路方向
またはその直角方向にノズル部を設け、前記電気機械変
換素子を変位させて前記流路の隔壁を湾曲させ、前記流
路内の体積を変化させて該流路内のインクを前記ノズル
部よりインク滴として飛翔させることを特徴とするイン
クジェットヘッド。
【請求項２】前記振動板と流路板、または、流路板と
上部固定板を同一素材で一体的に形成したことを特徴と
する請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】前記電気機械変換素子として圧電素子を
用い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。
【請求項４】前記電気機械変換素子により流路隔壁が
圧縮された時に、その湾曲変位が流路内に向かう流路内
体積縮小を利用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。
【請求項５】前記電気機械変換素子により流路隔壁が
圧縮された時に、その湾曲変位が流路外に向かう流路内
体積膨張を利用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。
【請求項６】前記流路隔壁を変位させるために前記圧
電素子のｄ₃₃変位を利用することを特徴とする請求項３
記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】前記固定板及び流路板の振動板にヤング
率が１００ＧＰａ以上の材料を用い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。
【請求項８】前記流路隔壁の幅をその湾曲方向長さの
１／３以下にした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。
【請求項９】前記流路隔壁を前もって湾曲方向に曲げ
ておくかまたは曲がった形状にしておくことを特徴とす
る請求項１記載のインクジェットヘッド。