JPH08224873A - インクジェット記録ヘッドおよび印刷方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】インク流路が短く、小型のインクジェット記録
ヘッドおよびこれを用いて走査距離の短く、印刷装置の
幅を小さくできる印刷方式を提供する。 【構成】インク吐出ノズル２，インク供給路３、加圧室
４，インク供給路５およびフィルタ流路６が連通してな
るインク流路が形成されており、加圧室４の外側面に電
気機械変換素子１０を有し、その運動により吐出させる
インクジェット記録ヘッドＨ１において、インク吐出ノ
ズル２は、加圧室４の幅以上でドットピッチの整数倍の
一定間隔で、被印刷物の幅相当の長さにわたり一直線上
に配列されている。前記ヘッドＨ１は、前記インク吐出
ノズル２の配列方向が、被印刷面Ｐと平行で被印刷面の
移動方向Ｂに垂直な方向に一致し、この方向Ａに前記一
定間隔だけ走査され、走査中は、記録ヘッドＨ１はイン
クを吐出し、被印刷面は静止している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プリンタやファックス
などの印刷装置に用いられるインクジェット記録ヘッド
およびその印刷方法に関する。

【０００２】

【従来技術】インクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘ
ッドと略記する）機構を用いた印刷装置は構成が簡単で
あるという利点から、小型軽量性が要求される卓上プリ
ンタ、ファクス等の分野に広く用いられている。記録ヘ
ッド機構にはいくつかの方法が提案されているが、振動
板に圧電素子を接着し、圧電素子に電界を印加すること
により圧電素子を伸縮させ振動板を振動させる方法は、
ヘッド寿命が半永久的でありランニングコストが低い等
の長所を有するものであり、今後広く用いられようとし
ている。 この場合、表面にインク供給路、フィルタ流
路、加圧室、インクノズル等からなるインク流路が溝部
として形成される基板（キャビティ板と言う）にシート
状振動板を接合してインク流路を形成させ、この振動板
の加圧室の外側に圧電素子を接着してその伸縮運動と振
動板とのバイモルフ作用によりインクを噴出させる方法
が一般的である。圧電素子と振動板は接着強度、信頼
性、作業性の観点から、熱硬化性接着剤により接着する
のが一般的である。

【０００３】図６は従来例の記録ヘッドであり、（ａ）
はキャビティ板の平面図、（ｂ）は記録ヘッドのインク
流路に沿っての断面図である。キャビティ板１の一方の
平面には、インクノズル２、噴射流路３、インク加圧室
４、インク供給路５，フィルター流路６、インク溜７か
らなるインク流路が溝部として形成されている。キャビ
ティ板１に振動板８は重ね合わせられ、接着されてイン
ク流路が完成し、記録ヘッドＨは形成される。

【０００４】そして、インク加圧室４に対応する、振動
板８のインク流路の外側の面に電気機械変換素子として
の圧電素子１０が、導電層９を介して接着され、記録ヘ
ッドは形成される。なお、圧電素子１０の接着面と反対
側の面は電極である。導電層９と圧電素子１０の電極に
は駆動電源１１が接続される。圧電素子１０に適正波形
の駆動電圧を印加し変形させバイモルフ作用により振動
板を面に垂直な方向に振動させインク加圧室４の体積を
急激に減少させ、インクノズル２よりインク液滴を吐出
させて記録紙等の被印刷面に到達させ印刷がなされる。
通常は、１インクノズルからの１パルス駆動による１回
のバイモルフ作用により、被印刷面上の１ドットが記録
される。

【０００５】記録ヘッドとその走査方向と、被印刷面と
の関係などを図７によって説明する。図７はインクジェ
ット記録装置の要部破断斜視図である。記録ヘッドＨ
は、モータＰ２により駆動されるベルトＰ３に取り付け
られ、枠Ｐ１に固定されているガイドＰ４に沿って、方
向Ａの直進走査できる。記録紙Ｐは方向Ａに垂直な方向
Ｂにフィードされる。ヘッドＨのインクノズル（この場
合ヘッドの下面にあり図には現れていない）は記録紙Ｐ
から常に一定の距離にある。インクノズルから高速で吐
出されるインク液滴が記録紙Ｐに到達して印刷が行われ
る。インクの記録ヘッドＨへの供給は、他の位置に固定
されているインク容器Ｐ５からインクチューブＰ６を介
して行われる。

【０００６】上記のような構造の記録ヘッドでは、バイ
モルフ運動の振幅は加圧室幅Ｗの２乗に比例しているこ
とが知られている。この振幅はμm 程度と小さいにもか
かわらず、インクノズルの径は１０μm 程度と大きいの
で、印刷に必要なインク吐出量を得るためには、加圧室
幅Ｗはインクノズルの径よりかなり大きくなくてはなら
ない。すなわち、インク加圧室４の寸法が、所要のドッ
ト密度を得るためのドットピッチに対して大きい事が必
要である。例えば、４００ｄｐｉ（dot per inchの略）
のドット密度の場合について試算すると、印刷ドットピ
ッチは約０．０６４mmであるが、この場合の加圧室幅Ｗ
は、最低でも０．５mm以上が必要である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このことは、記録ヘッ
ド当たりのインクノズルの数を増やし、記録ヘッドの走
査回数を減らして、印刷速度を向上させる場合や、記録
ヘッドのサイズ、重量の削減を図る場合に問題となって
いる。以下にその例を挙げ説明する。従来は次に例を示
すような記録ヘッドおよび印刷方法が行われていたが、
これらの記録ヘッドのノズルの配置方法にはそれぞれ問
題点がある。いずれの記録ヘッドにおいても、同じ構成
要素からなっているので、前記の従来記録ヘッドと同じ
符号を付すことにする。それぞれの記録ヘッドに対応す
る印刷方法も、印刷に際しては被印刷物の移動方向（Ｂ
方向）に垂直に（Ａ方向）、被印刷物の幅相当の距離を
ヘッドが走査する。

【０００８】図８は従来の記録ヘッドｈ１の平面図であ
る。記録ヘッドｈ１の場合は、ドットピッチと同じ密度
でインクノズル２を直線配置しノズル列ｎ１とされ、ヘ
ッドを走査して印刷を行うものである。ノズル列Ｎは走
査方向Ａに垂直である。この記録ヘッドでは、加圧室の
ピッチに比してノズルのピッチが小さいため、加圧室と
ノズルを結ぶための長いインク噴射路３とインク供給路
５を形成する必要があり、必然的にヘッド面積が大きく
なり、かつインク流路が長くなる。これにより、基板と
振動板の接合歩留りの低下、流体抵抗増加によるインク
吐出特性の低下等の問題が生じる他、ヘッド全体が大型
化して製造コストも上昇する。

【０００９】図９は記録ヘッドｈ１と被印刷物との関係
を示した図である。Ｈｓ，Ｈｅはそれぞれ記録ヘッドは
走査開始位置Ｈｓおよび走査終了位置Ｈｅの間を走査さ
れる。記録ヘッドｈ１の場合は、走査終了位置Ｈｅで、
記録ヘッドの大部分が被印刷物Ｐの外側にはみだし、は
み出し分だけ印刷装置の幅は大きくなる。図１０は従来
の他の記録ヘッドｈ２の平面図である。記録ヘッドｈ２
の場合は、ノズル２の密度をドット密度の整数分の１と
し、走査方向Ａに垂直なノズル列ｎ２はその整数本だけ
備えられ、ノズル列間のノズル列方向のノズル位置のず
れは１ドットピッチである。この記録ヘッドｈ２をＡ方
向に走査することにより、所要のドット密度を得るもの
である。この場合、インク流路が長くなるという問題は
回避できるものの、複数のノズル列を形成するため、そ
れぞれのノズル列に対応したインク溜め系を形成する必
要があり、インクタンクの設計が煩雑になる。またヘッ
ドが大型化するという問題点は避けられない。例えば、
上記の４００ｄｐｉの場合、この方法ではノズルの密度
はドット密度の１／８〜１／１０（分母≒加圧室幅０．
６／ドットピッチ０．０６４）となり８〜１０個のノズ
ル列が必要となる。

【００１０】図１１は記録ヘッド２と被印刷物との関係
を示した図である。この場合は、記録ヘッドの被印刷物
Ｐからのはみ出しは走査開始位置Ｈｓおよび走査終了位
置Ｈｅの両側となり、はみ出し分だけ印刷装置の幅は大
きくなる。図１２は従来の記録ヘッドｈ３の平面図であ
り、図１３は記録ヘッドｈ３と被印刷物との関係を示し
た図である。記録ヘッドｈ３の場合は、ノズル間隔が１
ドットピッチ以上で直線に配置されているノズル列ｎ３
をヘッドの走査方向に対して傾斜させてＡ方向に走査
し、Ｂ方向に所要のドット密度を得るものである。この
場合、必然的にヘッドが走査方向に長くなる。印刷装置
としては、被印刷物の幅に加えてその両側にヘッドの長
さ分の幅を確保する必要があるため、印刷装置本体の幅
も大きくなるという問題がある。

【００１１】この他、図１４はさらに別の従来の記録ヘ
ッドｈ４と被印刷物との関係を示した図である。記録ヘ
ッドｈ４の場合は、従来の記録ヘッドｈ２のノズル配列
の方向を９０度回転させたものであり、ノズル列ｎ４の
長さを被印刷物Ｐの幅相当の長さで配置する方法であ
る。この場合はヘッドを走査する必要はなく、印刷装置
設計は簡単になるが、基本的には記録ヘッドｈ１、ｈ２
の方法において膨大なノズル数のヘッド（例えばＡ４横
幅約２０５mm、４００ｄｐｉで約３２００ノズル）を備
えたものであり、実用的ではない。

【００１２】以上に述べたように、既に提案されている
インクジェットヘッド構造ではそれぞれ、インク流路
が長くなる、複数のノズル列へのインク供給、印刷
装置本体の幅の長大化等の問題点があり、印刷装置性能
の向上、低コスト化の障害となっていた。本発明の目的
は、前記の問題点の無い、インク供給路およびインク噴
射路が短く、印刷装置本体の幅を小さくできる記録ヘッ
ドおよびこれを用いた走査距離のの短い印刷方法を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は前記の目的を
達成するために、インク溜、加圧室およびインクノズル
が連通してインク流路を形成し、加圧室の外側面に電気
機械変換素子を有してその運動作用によりインクを吐出
させるインクジェット記録ヘッドにおいて、インクノズ
ルは、加圧室の幅以上でドットピッチの整数倍の一定間
隔で一直線上に配列されているものとする。

【００１４】また、ドットピッチの整数倍の一定間隔で
一直線上に配列された複数のインクノズルの配列方向
が、被印刷面と平行で被印刷面の移動方向に垂直な方向
に一致するインクジェット記録ヘッドによる印刷方法に
おいて、前記配列方向に前記一定間隔だけ走査して、走
査中に前記複数のインクノズルからインクを選択的に吐
出して静止された被印刷面に各ドットを印刷し、走査
後、被印刷面をドットピッチだけ移動する動作を繰り返
すことにより、印刷を行うこととする。

【００１５】

【作用】本発明によれば、インクノズルは、加圧室の幅
以上でドットピッチの整数倍の一定間隔で一直線上に配
列されるので、記録ヘッドの走査は前記一定間隔で良
く、さらに次の作用が生ずる。インク加圧室間隔とノズ
ル間隔とを一致させることができるため、加圧室とノズ
ルとを連絡するインク流路を極めて短く、精度良く同じ
長さにすることが可能である。そのため、インク流れの
抵抗を低く、抵抗のばらつきを小さくでき、高速のイン
ク吐出が可能であり、印刷品質が高く、高速印刷のでき
る印刷装置が可能となる。

【００１６】また、インク加圧室が一直線上に配置され
るため、構造が単純であり、インク供給が容易となる。
さらに、本発明のヘッドでは走査距離がノズル間の短い
距離に限定されるため、本ヘッドの被印刷物からのはみ
出し部は小さく、印刷装置として被印刷物の幅に加えて
確保すべき幅が小さくてすむ可能性がある。

【００１７】

【実施例】本発明の記録ヘッドについて、代表的なドッ
ト密度４００ｄｐｉの場合の、インクノズル数とノズル
間隔および走査ドット数との関係の試算を行った。その
結果のいくつかは実施し後述する。図１は本発明に係る
記録ヘッドＨ１の平面図である。各流路の名称は従来の
記録ヘッドと同じなので説明を省略する。記録ヘッドＨ
１の加圧室の配列は従来の記録ヘッドｈ３（図１２参
照）と同様直線であり、ノズル２は加圧室１０の極く近
傍に形成可能であり、噴射流路３およびインク供給路５
はほとんど不必要となる。図２は記録ヘッドＨ１と被印
刷物との関係を示した図である。インクノズル列Ｎ１の
方向と記録ヘッドＨ１の走査方向Ａとは一致しており、
被印刷物Ｐの移動方向Ｂは走査方向Ａに垂直である。

【００１８】ノズル間隔Ｗの下限値は、必要吐出インク
量とそれに依存した加圧室幅の下限値により決定され
る。例えば、ドット密度４００ｄｐｉに対する加圧室幅
の下限値は前述のように約０．５mmとなるので、ノズル
間隔Ｗの下限値は、隣接する加圧室間の境界壁が加圧時
に変形しない下限値約０．１mmを加えた、約０．６mmと
なる。被印刷物４２の幅を２０５mm（Ａ４サイズの横幅
に相当）とした場合の、ノズル間隔とノズル数、及び走
査必要ドット数の関係を表１に示す。

【００１９】

【表１】 すなわち、ヘッドＨがＡ方向に走査する間に、各ノズル
より最大、ノズル間隔Ｗに相当した走査ドット数分の回
数の吐出を行う。走査距離はノズル間隔Ｗである。この
間、被印刷物Ｐは静止しているが、１走査完了後、Ｂ方
向へ1 ドット分だけ移動し、その後記録ヘッドＨは再度
走査し印刷を行う。以降、その動作の繰り返しにより印
刷を行う。記録ヘッドＨ１の走査は往復運動となるが、
往復路とも印刷動作をしてもよいし、往路のみ印刷動作
とし、被印刷物Ｐの移動時に復路走査をする構成として
もよい。

【００２０】次に、ドット密度４００ｄｐｉ、ノズル数
１００個の場合の本発明および従来の３方法での記録ヘ
ッド寸法、必要プリンタ幅等の試算結果を表２に示す。

【００２１】

【表２】 試算に用いた条件は次の〜である。

【００２２】 加圧室寸法 ：0.5mm x 4mm とした。 ヘッド横幅 ： 従来の記録ヘッド１の方法では、 加圧室寸法(4mm) + インク溜まり等(2mm) + 噴射流路(4mm) 従来の記録ヘッド２の方法では、 加圧室寸法(4mm) + インク溜まり等(2mm))×ノズル列数 従来の記録ヘッド３の方法では、 ノズル間隔 × ノズル数 走査： 従来の記録ヘッド１の方法では、A4幅 従来の記録ヘッド２，３の方法では、A4幅＋ヘッド横幅。

【００２３】 本発明の方法では、ノズル間隔 印刷装置幅：走査距離＋ヘッド横幅。 走査距離、印刷装置幅とも、本発明の方法が最小であ
る。また、ノズル数が増えるに従い、従来の方法ではヘ
ッドが大型化し、印刷装置幅も増加する方向になるが、
本発明の方法ではヘッドは変わらず、走査幅が減少する
分だけ印刷装置幅は減少する方向になる。

【００２４】このように、本発明の方法を用いることに
より、ヘッドの印刷性能の向上、印刷装置の小型、低コ
スト化が可能となる。 実施例１ 表面にインク供給路、フィルタ流路、加圧室、インクノ
ズル等からなるインク流路が溝部として形成される非結
晶性熱可塑性樹脂等のプラスチック材料からなる基板
（キャビティ板と言う）を射出成形等により作製し、こ
れにシート状振動板を接合してインク流路を形成させ、
この振動板の加圧室の外側に圧電素子を接着してヘッド
を作製した。圧電素子と振動板は、熱硬化性接着剤によ
り接着した。振動板、基板材料としてはポリサルホンを
用いた。

【００２５】ヘッド仕様は、Ａ４幅対応、ドット密度４
００ｄｐｉ、ノズル数は２００個とした。この時のノズ
ル間隔は１．０２mmであり、ドット間隔では１６ドット
分に相当する。印刷装置幅の下限値は２０６mmとなる。
各ノズルの吐出周波数を５ｋＨｚとすることにより、一
走査の所要時間は３．２ｍｓ，Ａ４１枚の印刷は被印刷
物の移動時間を含めて２０秒で可能であった。 実施例２ 実施例１と同様の流路、加圧室構成を用い、Ａ４幅対
応、ドット密度４００ｄｐｉの記録ヘッドＨ２を作製し
た。記録ヘッドＨ２はノズル数５０個の部分ヘッドＨ
ｐ、４個を連結し、ノズルを一列配置としたものであ
る。図３は本発明の他の実施例に係る部分ヘッド連結型
の記録ヘッドＨ２と被印刷物との関係を示した図であ
る。部分ヘッドＨｐは連結され、ノズル列は４本の部分
ノズル列Ｎｐからなり、等間隔で一直線である。この様
に部分ヘッドを連結することにより、部分ヘッドのアラ
インメントの必要は生ずるが、ヘッド製造の歩留りが向
上しコストの更なる低減が可能となる。 実施例３ 実施例１と同様の流路、加圧室構成を用い、Ａ４幅対
応、ドット密度４００ｄｐｉで、２本のノズル列の記録
ヘッドＨ３を作製した。図４は本発明の別の実施例に係
る２本のノズル列の記録ヘッドＨ３と被印刷物との関係
を示した図である。ノズル列Ｎ３のノズル数を２００個
とした。２本のノズル列のノズル位置は走査方向Ａには
ずらしていない。この様な記録ヘッドＨ３を用いて、印
刷時の走査距離は１．０２mm、一走査の所要時間は１．
６msとなり、Ａ４１枚の印刷は被印刷物の移動時間を含
めて１５秒で可能となった。

【００２６】２本のノズル列のノズル位置を走査方向Ａ
にはノズル間隔の半分だけずらし、記録ヘッドの走査距
離をノズル間隔の半分とすることも可能である。 実施例４ 実施例１と同様の流路、加圧室構成を用い、Ａ４幅対
応、ドット密度４００ｄｐｉのカラー用記録ヘッドＨ４
を作製した。図５はの異なる実施例に係るカラー用記録
ヘッドと被印刷物との関係を示した図である。ノズル列
Ｎ４は４色に対応して４列とし、各列に２００個のノズ
ルを並べた。これにより、Ａ４版フルカラー印刷が、２
０秒で可能となった。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、インクノズルは、加圧
室の幅以上でドットピッチの整数倍の一定間隔で、被印
刷物の幅相当の長さにわたり一直線上に配列されてい
て、記録ヘッドの走査は前記一定間隔で良いため、次の
効果が得られる。加圧室とノズルとを連絡するインク流
路を極めて短く、精度良く同じ長さにすることが可能で
ある。そのため、インク流れの抵抗を低く、抵抗のばら
つきを小さくでき、高速のインク吐出が可能であり、印
刷品質が高く、高速印刷のできる印刷装置が得られる。

【００２８】また、インク加圧室が一直線上に配置され
るため、構造が単純であり、インク供給が容易である。
さらに、本発明のヘッドでは走査距離がノズル間の短い
距離に限定されるため、本ヘッドの被印刷物からのはみ
出し部は小さく、印刷装置として被印刷物の幅に加えて
確保すべき幅が小さくてすむ。

【００２９】上記効果より、記録ヘッドの印刷性能の向
上、印刷装置の高速化、小型、低コスト化ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る記録ヘッドＨ１の平面図

【図２】本発明に係る記録ヘッドＨ１と被印刷物との関
係を示した図

【図３】本発明の他の実施例に係る部分ヘッド連結型の
記録ヘッドＨ２と被印刷物との関係を示した図

【図４】本発明の別の実施例に係る２本のノズル列の記
録ヘッドＨ３と被印刷物との関係を示した図

【図５】本発明の異なる実施例に係るカラー用記録ヘッ
ドＨ４と被印刷物との関係を示した図

【図６】従来例の記録ヘッドであり、（ａ）はキャビテ
ィ板の平面図、（ｂ）は記録ヘッドのインク流路に沿っ
ての断面図

【図７】インクジェット記録装置の要部破断斜視図

【図８】従来の記録ヘッドｈ１の平面図

【図９】従来の記録ヘッドｈ１と被印刷物との関係を示
した図

【図１０】従来の記録ヘッドｈ２の平面図

【図１１】従来の記録ヘッドｈ２と被印刷物との関係を
示した図

【図１２】従来の記録ヘッドｈ３の平面図

【図１３】従来の記録ヘッドｈ３と被印刷物との関係を
示した図

【図１４】従来の記録ヘッドｈ４と被印刷物との関係を
示した図

【符号の説明】

１ キャビティ板 ２ インクノズル ３ 噴射流路 ４ インク加圧室 ５ インク供給路 ６ フィルター流路 ７ インク溜め ８ 振動板 ９ 導電膜 １０ 圧電素子 １１ 電源 Ｐ 被印刷物 Ａ ヘッド走査方向 Ｂ 被印刷物移動方向 Ｈ１ 記録ヘッド Ｈｐ 部分ヘッド ｈ１ 記録ヘッド Ｈｓ ヘッド走査開始位置 Ｈｅ ヘッド走査終了位置 Ｗ ノズル間隔 Ｎ ノズル列 Ｎｐ 部分ノズル列 ｎ ノズル列 Ｐ１ 枠 Ｐ２ モータ Ｐ３ ベルト Ｐ４ ガイド Ｐ５ インク容器 Ｐ６ インクチューブ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インク溜、加圧室およびインクノズルが連
   通してインク流路を形成し、加圧室の外側面に電気機械
   変換素子を有してその運動作用によりインクを吐出させ
   るインクジェット記録ヘッドにおいて、インクノズル
   は、加圧室の幅以上でドットピッチの整数倍の一定間隔
   で一直線上に配列されていることを特徴とするインクジ
   ェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】ドットピッチの整数倍の一定間隔で一直線
   上に配列された複数のインクノズルの配列方向が、被印
   刷面と平行で被印刷面の移動方向に垂直な方向に一致す
   るインクジェット記録ヘッドによる印刷方法において、
   前記配列方向に前記一定間隔だけ走査して、走査中に前
   記複数のインクノズルからインクを選択的に吐出して静
   止された被印刷面に各ドットを印刷し、走査後、被印刷
   面をドットピッチだけ移動する動作を繰り返すことによ
   り、印刷を行うことを特徴とするインクジェット記録ヘ
   ッドによる印刷方法。