JPH10202864A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気機械変換素子を用いるインクジェットヘ
ッドの分野において、ヘッド自体を大型化することな
く、多ノズル化、および高密度ノズル配列を実現するも
のであり、画像記録速度の高速化、印字品質の向上を実
現した画像記録装置を提供する。 【解決手段】 パルス信号に応じて膨張または収縮する
電気機械変換素子７と機械的に結合した可撓壁１０によ
って圧力室４の容積を可変してノズル１からインク滴を
吐出するインクジェットヘッドであって、電気機械変換
素子７を支持する支持部材９のヤング率をEb、比重をρ
bとし、電気機械変換素子７のヤング率をEa、比重をρa
とするとき、Eb×ρb≧Ea×ρaなる関係を満たすインク
ジェットヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を飛翔さ
せ、記録紙等の記録媒体上にインク像を形成するプリン
タ、複写機、FAX、複合機等の画像記録装置に関し、さ
らに詳細には、インクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット方式による画像記録装置
は、以下に示す様な数々の優れた特徴を有している。

【０００３】（１）動作音が静かであること、（２）装
置コスト及びランニングコストを安価にできること、
（３）フルカラ−画像出力装置としての構成が容易であ
ること、近年、こうした特徴からコンピュータ等によっ
て作成される文書や画像の記録装置として、その商品開
発が活発に行われ、市場規模を急速に拡大している。

【０００４】インクジェットヘッドは、その記録方式か
ら、コンティニュアスタイプとオンデマンドタイプに大
別される。

【０００５】前者は荷電制御型と呼ばれるものが代表的
である。連続的に電荷を帯びた微小インク滴を発生させ
る要素と、画像信号に応じて電界を制御する偏向板によ
り、インク滴の飛行経路を選択的に記録媒体へ向ける要
素とによって画像を出力する装置である。

【０００６】一方、後者は、電気熱変換素子（ヒータ）
によってノズルに連通する圧力室に気泡を発生させ、圧
力室を加圧し、画像信号に応じたインク滴を得るバブル
ジェット（サーマルジェット）方式と、電気機械変換素
子（ピエゾ素子）の作用によって機械的に圧力室を加圧
し、画像信号に応じたインク滴を得る電気機械変換方式
が代表的である。

【０００７】電気機械変換方式のインクジェットヘッド
では、電気機械変換素子の変位、及び固有振動数が、そ
の性能を大きく左右するが、近年、こうした性能に優れ
る電気機械変換方式が提案され、商品化されている。そ
れは、圧電材料と導電材料を交互に積層した積層圧電素
子の縦振動を用いたインクジェットヘッドである。詳細
は、特開平4-1052号公報（ヨーロッパ特許第443628号）
に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】積層圧電素子を用いた
インクジェットヘッドは、一般に電気熱変換素子を用い
たインクジェットヘッドに比べ、弾性率の大きな部材の
機械振動を直接的に用いて圧力変化を発生させる構成を
有しているので、その固有振動周期を速くすることが容
易であり、高速画像記録に適した構成を得ることができ
る。

【０００９】しかしながら、さらに高速、且つ高密度画
像記録を目指すとき、ノズルを、より多く高密度に配置
した構成を実現する必要がある。こうした要求から各ノ
ズルに対応する電気機械変換素子を多数、且つ非常に狭
い間隔で配列させる必要がある。しかしながらこうした
場合、前述のごとく電気機械変換素子は弾性率の大きな
部材から構成されているので、個々の電気機械変換素子
の発生力は非常に大きく、隣り合う素子へ機械的な振動
が伝搬し相互干渉が顕著になる。圧力室に変位を伝達す
る電気機械変換素子の機械的な相互干渉は、個々のノズ
ルから選択的に吐出するインク量、インク速度の変動要
因となり、さらには、待機状態にあるノズルからもイン
クを吐出させかねない。

【００１０】より美しく、より速い画像記録装置を安価
に提供するためには、電気機械変換素子の機械的な変位
量を変動させることなく、多ノズル化、ノズル配列の高
密度化を実現させることが重要である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の特徴を
有するインクジェットヘッドを構成し、前述した課題を
効果的に解決するものである。

【００１２】（１）パルス信号に応じて伸張または収縮
する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子が機械
的に結合する可撓壁と、前記可撓壁の作用によって容積
を可変する圧力室と、該圧力室に連通するノズルと、前
記圧力室へインクリザーバからインクを供給するインク
供給路を有し、前記電気機械変換素子の作用によって、
前記ノズル開口からインク滴を吐出させて画像記録を行
うインクジェットヘッドに於て、前記電気機械変換素子
を支持する支持部材のヤング率をEb、比重をρbとし、
前記電気機械変換素子のヤング率をEa、比重をρaとす
るとき、Eb×ρb≧Ea×ρaなる関係を有することを特徴
とするインクジェットヘッド。

【００１３】（２）前記電気機械変換素子を支持する支
持部材のヤング率をEb、比重をρbとし、前記電気機械
変換素子のヤング率をEa、比重をρaとするとき、Eb／
ρb≧Ea／ρaなる関係を有することを特徴とするインク
ジェットヘッド。

【００１４】（３）前記支持部材が、電気的絶縁材料で
あることを特徴とするインクジェットヘッド。

【００１５】（４）前記支持部材が、窒化アルミ粒子の
焼結材料であることを特徴とするインクジェットヘッ
ド。

【００１６】（５）前記電気機械変換素子が、圧電材料
と導電材料を交互に積層して成る積層圧電材料から構成
されることを特徴とするインクジェットヘッド。

【００１７】

【作用】電気機械変換素子を用いるインクジェットヘッ
ドにおいて、ノズル配列の高密度化と、多ノズル化を具
現化し、画像記録速度の高速化、印字品質の向上を安価
に且つ確実に実現するものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例の詳細を図
面を参照して説明する。

【００１９】図１は、本発明による第１の実施例を示す
インクジェットヘッドの構造説明図である。

【００２０】複数のノズル１を形成したノズル形成部材
２と、それぞれのノズル１に連通する圧力室４、インク
供給路５、インクリザーバ６を形成した流路形成部材３
と、厚さ２０〜３０（μm）のステンレスシ−トと厚さ
３〜６（μm）の樹脂フィルムに選択的なパターンニン
グ（エッチング）加工を施し、樹脂フィルムのみから成
る低弾性部１１と、ステンレス層を残す高弾性部１２を
形成し、可撓壁を成す可撓壁部材１０が、ケース８に固
着されている。

【００２１】ノズル１の開口面積、ノズル形成部材２の
厚さ、ノズル断面形状、圧力室４、インク供給路５を構
成する流路形成部材３の形状精度は、インク吐出特性
（インク吐出速度・インク吐出量）に大きな影響を及ぼ
すので、高精度な加工技術が要求される。こうした要求
から、ノズル形成部材２と流路形成部材３は、精密プレ
ス加工、エキシマレーザー加工、ニッケル等の電鋳加
工、または、シリコンウエハ等の異方性エッチング加
工、等により形成されるものである。

【００２２】可撓壁部材１０に、形成される高弾性部１
２には、積層圧電素子７の自由端が接着等により機械的
に接合されている。

【００２３】積層圧電素子７は、厚さ１５〜３０（μ
m）程度の圧電材料と、厚さ１〜５（μm）程度の電極材
料を交互に積層して成る電気機械変換素子である。これ
は、支持部材９に単板の状態で接合された後、ダイシン
グ加工等によりノズル１の配列ピッチに合わせて複数に
切断され、アクチュエータユニット２６を構成してい
る。

【００２４】アクチュエータユニット２６は、ケース部
材８に形成される挿入溝に沿って積層圧電素子７の自由
端が可撓壁部材１０に接触するまで挿入される。

【００２５】電気信号を伝えるセグメント線は、フレキ
シブルケーブル１９に個々の積層圧電素子７と同ピッチ
でパターン印刷されており、コモン線は、寸断された複
数の積層圧電素子７を横断するように接合されている。

【００２６】こして電気信号が印加され、積層圧電素子
７が変位を発生し、圧力室４の容積を拡大または縮小さ
せ、圧力室４内部に発生する圧力によってインクがノズ
ル１から選択的に吐出して画像記録を行うことができ
る。

【００２７】本発明の第１の特徴は、前記アクチュエー
タユニットを構成する支持部材に関するものである。以
下に図２、図３を用いて本発明の範囲による支持部材を
用いた場合の効果を説明する。

【００２８】図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実
施例による効果を説明する積層圧電素子の変位特性図で
ある。横軸に時間、縦軸に変位量を示している。

【００２９】図３（ａ）、（ｂ）は、公知技術による課
題を説明する積層圧電素子の変位特性図である。横軸に
時間、縦軸に変位量を示している。

【００３０】図２（ａ）、図３（ａ）は、支持部材９に
積層圧電素子７が180dpiピッチ（180素子／25.4mm）で
４８素子配列した場合の、中央素子（＃２４）の経時的
な変位量を、１素子のみ駆動した場合と４８素子駆動し
た場合との比較を示している。

【００３１】図３（ｂ）、図３（ｂ）は、支持部材９に
積層圧電素子７が180dpiピッチで４８素子配列した場合
の、端部素子（＃１）、中央素子（＃２４）、およびそ
の間に位置する素子（＃１２）の経時的な変位量の比較
を示している。

【００３２】図２（ｃ）、図３（ｃ）は、駆動電圧波形
を示している。

【００３３】公知支持部材であるアルミナ系快削セラミ
ックを用いて、支持部材９に積層圧電素子７を180dpiピ
ッチで４８素子配列した場合、図３（ａ）に示すよう
に、４８素子同時駆動状態と１素子のみ駆動した場合と
で積層圧電素子７の変位振幅が異なる為、圧力室の圧力
変化に差が生じ、インク量およびインク速度が異なる現
象が観察されている。

【００３４】また、図３（ｂ）に示すように、４８素子
同時駆動した場合においても、端部に位置する＃１素子
から中央部に位置する＃２４素子にかけて変位振幅が異
なるため、インク量、インク速度が、ノズル位置によっ
て異なる現象が観察されており、さらには、高駆動周波
数にて駆動した場合、残留振動の振幅が大きく減衰が遅
い中央部に位置するノズル群からは、不安定なインク吐
出が観察されている。

【００３５】しかしながら、本発明の範囲による支持部
材を用いた場合は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、
駆動条件による変位振幅、残留振動の差異が減少し、そ
れぞれのノズルに於いて安定したインク量、インク速
度、および高駆動周波数を実現できることが確認されて
いる。

【００３６】図４は、積層圧電素子７と公知技術におけ
る支持部材９の比重：ρ、および、ヤング率：Eを示
し、これらの積を示す定数１（＝E・ρ）と商を示す定
数２（＝E／ρ）を併記した比較表である。

【００３７】定数１は、その平方根が音響インピーダン
スを示すものである。

【００３８】また、定数２の平方根は、個体の音速を示
し、さらにこれに係数（２・π・自由端長さの逆数）を
掛ければ固有振動数を示すものである。

【００３９】支持部材９は、積層圧電素子７の機械的な
固定端として考えられることが理想的であるため、硬く
て重い部材が望ましい。つまりは、下記の条件に適合で
きる設計が望ましい。

【００４０】（条件１）積層圧電素子による力の作用に
対して支持部材の変形が非常に小さいこと、 （条件２）支持部材の低次のモードにおける固有振動周
期が積層圧電素子の残留振動周期より速いこと、つまり
は、支持部材自体が動的に大きな振幅で発振しないこ
と、（支持部材の定数２≧積層圧電素子の定数２） （条件３）積層圧電素子の外郭に電極を有し、且つ支持
部材と接合面に該電極が存在する場合、支持部材は、電
気的な絶縁部材であること、 公知支持部材は、積層圧電素子７と同等のヤング率を有
し、且つ絶縁材料にて構成されているため、適切な寸法
設計によって条件１から条件３を満たすことが可能であ
った。

【００４１】しかしながら、多ノズル化・ノズル配列の
高密度化、インク吐出周期の高速化を実現していくため
には、上記３つの条件に加え、個々の積層圧電素子７が
発生する残留振動が隣り合う積層圧電素子へ伝搬しない
ようにしなければならない。

【００４２】つまりは、支持部材の定数１≧積層圧電素
子の定数１なる関係を有することが必要である。

【００４３】図５は、積層圧電素子７と本発明における
具体例を示す支持部材９の比重：ρ、および、ヤング
率：Eを示し、これらの積を示す定数１（＝E・ρ）と商
を示す定数２（＝E／ρ）を併記した比較表である。

【００４４】図５に示すように本発明の範囲にある窒化
アルミニウム系の支持部材では、定数１、定数２がいず
れも積層圧電素子７のそれより大きくなることを特徴と
しているので、多ノズル化・ノズル配列の高密度化を実
現しながら、非常に安定した印字を実現できるととも
に、インク吐出周期の高速化をも可能にできることが確
認されている。

【００４５】

【発明の効果】本発明は、電気機械変換素子を用いるイ
ンクジェットヘッドの分野において、ヘッド自体を大型
化することなく、多ノズル化、および高密度ノズル配列
を実現するものであり、画像記録速度の高速化、印字品
質の向上を実現した画像記録装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例を示すインクジェッ
トヘッドの構造説明図である。

【図２】本発明の第１の実施例による効果を説明する積
層圧電素子の変位特性図である。

【図３】公知技術による課題を説明する積層圧電素子の
変位特性図である。

【図４】積層圧電素子と公知技術における支持部材の比
重：ρ、および、ヤング率：Eを示し、これらの積を示
す定数１（＝E・ρ）と商を示す定数２（＝E／ρ）を併
記した比較表である。

【図５】積層圧電素子と本発明における具体例を示す支
持部材の比重：ρ、および、ヤング率：Eを示し、これ
らの積を示す定数１（＝E・ρ）と商を示す定数２（＝E
／ρ）を併記した比較表である。

【符号の説明】

１ ノズル ４ 圧力室 ７ 積層圧電素子 ８ ケース部材 ９ 支持部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス信号に応じて伸張または収縮する
   電気機械変換素子と、この電気機械変換素子が機械的に
   結合する可撓壁と、この可撓壁の作用によって容積を可
   変する圧力室と、この圧力室に連通するノズル開口と、
   前記圧力室へインクリザーバからインクを供給するイン
   ク供給路を有し、前記電気機械変換素子の作用によっ
   て、前記ノズル開口からインク滴を吐出させて画像記録
   を行うインクジェットヘッドに於て、 前記電気機械変換素子を支持する支持部材のヤング率を
   Eb、比重をρbとし、前記電気機械変換素子のヤング率
   をEa、比重をρaとするとき、 Eb×ρb≧Ea×ρa なる関係を有することを特徴とするインクジェットヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 前記電気機械変換素子を支持する支持部
   材のヤング率をEb、比重をρbとし、前記電気機械変換
   素子のヤング率をEa、比重をρaとするとき、 Eb／ρb≧Ea／ρa なる関係を有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。
3. 【請求項３】 前記支持部材が、電気的絶縁材料である
   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。
4. 【請求項４】 前記支持部材が、窒化アルミ粒子の焼結
   材料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。
5. 【請求項５】 前記電気機械変換素子が、圧電材料と導
   電材料を交互に積層して成る積層圧電材料から構成され
   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。