JPH1034912A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】保護装置が不要で、インク選択自由度が高く、
小型で信頼性が高く安価なインクジェット記録ヘッドを
提供する。 【解決手段】インクを噴射するノズル27と、ノズル27へ
インクを供給する手段としてのインクタンク30及びイン
ク案内溝28と、加圧気体を発生するための圧縮気体容器
21と、加圧気体をケース23の圧力室25に導く配管22と、
ノズル27への加圧気体の供給を制御する手段としての制
御弁26及び細孔29とを備え、加圧気体によってノズル27
及びその近傍のインクをノズル27から噴射させる。圧力
発生手段と印字制御手段とが独立しているので、インク
噴射のために必要なエネルギーが低減し、保護装置が不
要となり、小型で低コスト化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、産業用や民生用
に広く利用されている記録計やプリンタなどに搭載され
るインクジェット記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ペン式記録計やドットプリンタに
代わり、記録ヘッドが記録媒体に接触しないインクジェ
ット記録ヘッドを備えた記録計やプリンタが広く普及し
てきている。図６は、インクジェット記録装置の従来例
を示す斜視図で、この図を用いてインクジェット記録装
置の構成を説明する。

【０００３】インクジェット記録ヘッド（以下では、記
録ヘッドと略称する）を搭載しているキャリッジ１は、
モータの軸に取り付けられているプーリー４に懸けられ
ているベルト３に接続されており、モータを駆動するこ
とによって、スペーシング軸２に案内されて、往復運動
をすることができる。一方、記録媒体（図では記録紙）
７はプラテン５上に配置され、少なくとも１対以上の紙
送りローラ（図ではローラ）６によって、記録ヘッドの
走査方向に対して垂直方向に送られる。このような構成
において、キャリッジ１を移動して１行の印字を行い、
続いて、紙送りを行うという操作を繰り返して、記録媒
体上に印字を行うことができる。

【０００４】記録媒体上に印字しない時には、キャリッ
ジ１は記録媒体上には位置せず、非印字領域である、記
録媒体の外側にある保護装置上にある。保護装置は、キ
ャップ８、ワイパ９及び図示していないポンプにより構
成されている。保護装置の上にあるキャリッジ１に搭載
されている記録ヘッドは、インクの乾燥を防止するため
に、キャップ８でノズルが覆われた状態にある。保護装
置は、インクジェット記録装置が始めて使用される時
に、記録ヘッド及びインクチューブ10内へインクを導く
インク初期充填操作や記録ヘッド内の気泡やノズル部に
ついたゴミを除去するクリーニング操作にも使用され、
この際にはポンプによってインクが吸引される。

【０００５】次に、記録ヘッドについて説明する。図７
は実用されている記録ヘッドの１例におけるインク流路
を示した平面図であり、図８はその動作原理を説明する
ために流路断面を模擬的に示したものである。記録ヘッ
ドには、インク補充部12と、それに連通しており流路抵
抗を調整するための絞り流路13、インクを加圧するため
のインク加圧室11及びインクを噴射するノズル14からな
る複数のインク流路とが形成されており、インク加圧室
11の振動板16の上面には圧電素子15が固着されている。
実使用状態においては、インク補充部12と複数のインク
流路にはインクが満たされている。インク加圧室11の位
置の振動板上に固着されている圧電素子15の両表面に
は、例えばスパッタリングにより金属からなる電極が形
成されており、上面側の電極には図示されていない可撓
性プリント基板が半田付けされ、振動板16側の電極は振
動板16上に同様の方法で形成された共通電極に接触して
いる。この可撓性プリント基板と共通電極の間に電圧パ
ルスを印加することにより圧電素子が変形し、振動板と
一体となって、面に垂直な方向に変位し、インク加圧室
の体積を変化させ、インクを加圧し、インクを噴射す
る。

【０００６】インクの噴射については、図８を用いて更
に詳しく説明する。（ａ）は初期状態を示す流路に沿っ
ての断面図で、インク噴射前の安定状態を示している。
インク流路内はインクで満たされており、常時は、圧電
素子15の上面電極には所定の直流電圧が印加されてお
り、振動板16と圧電素子15は一体となってインク加圧室
11側に皿状に湾曲している。続いて、直流電圧の印加を
止めたのが（ｂ）の状態で、この状態では、圧電素子15
の変形がなくなるので振動板16と圧電素子15の一体とな
っての皿状の変形がなくなる。この時、インク加圧室11
の体積が増加し、負圧が発生し、インク補充部12から絞
り流路13を介してインクがインク加圧室11に流入する。
同時に、ノズル14側からもインクがインク加圧室11側へ
流れる。しかし、ある程度の時間をおくことによって、
十分にインク加圧室11内がインクによって満たされた状
態になった時に、再度圧電素子15に所定の直流電圧を印
加すると、（ｃ）のように振動板16と圧電素子15は一体
となってインク加圧室11側に皿状に湾曲し、加圧された
インクは、絞り流路13の大きな流体抵抗のために絞り流
路13側へは僅かに流れるのみで、大部分がノズル14側へ
送られ、ノズル14からインク柱17となって噴射される。

【０００７】図９は、図８における各段階のインク加圧
室内の圧力を示した図で、18a で示した部分は図８の
（ａ）に相当しており、圧力を発生していない状態であ
る。18b で示す部分は図８の（ｂ）に相当しており、負
圧を発生している。18c で示す部分は図８の（ｃ）に相
当しており、正圧を発生している。その後は残留振動を
繰り返しながら、インクの粘性によって減衰し安定化す
る。

【０００８】図10は、図７から図９に示したものとは別
の記録ヘッドの従来例を示した図であり、この方式の記
録ヘッドはインクを細管19に通し、細管19内に設けた発
熱素子20を加熱し、インクを気化させてその圧力を用い
てインクをノズルから噴射させるものである。この方式
では通常、水性インクが用いられる。図11は更に別の記
録ヘッドの従来例を示した図である。これは特開平2-27
0563号公報に開示されているもので、超音波振動子46で
インク受け皿45上のインクを霧状に発生させたインクの
霧粒雰囲気44の中にジェット気流43を通過させ、ジェッ
ト気流43の作用でインクの微粒子を形成し、記録紙47上
へそのインクの微粒子を衝突させて印字するものであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術の内、
圧電素子の変形によるインク加圧室の圧力上昇やインク
気化時の圧力上昇を利用してインクをノズルから噴射す
る方式には、 (1) ノズル内のインクによりノズルが目詰まりを生ずる
ことがあり、保護装置を必要とする。 (2) インクが細管中を通過するため、インクの粘性抵抗
の影響を受けやすく、粘度の高いインクの適用が困難で
ある。

【００１０】といった欠点を有する。また、ジェット気
流を用いる方式においては、霧粒雰囲気を作るための手
段や非利用インクの回収手段などを必要とし、小型化と
簡易化には向かないという欠点を有している。この発明
は、上述した従来技術の欠点を解決し、保護装置が不要
で、インクの選択自由度が高く、小型で信頼性が高く安
価なインクジェット記録ヘッドを提供することを課題と
する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明においては、インクを噴射するノズル
と、ノズルへインクを供給する手段と、加圧気体を発生
するための圧縮気体容器と、ノズルへの加圧気体の供給
を制御する手段と、を備え、加圧気体によってノズル及
びその近傍のインクを噴射させる。加圧気体の供給を制
御する手段としては、圧電アクチュエータを用いた弁が
有効であり、圧電アクチュエータを用いた弁の弁座を弾
性材料で形成することが有効である。

【００１２】このようにすると、液体に比べて粘性抵抗
の小さい気体でノズル及びその近傍のインクを噴射する
ので、必要なエネルギーが小さくて済み、小型化でき
る。圧電アクチュエータを弁として使用すると、消費電
力も低減する。更に、液体を加圧して噴射する従来の方
式とは異なり、加圧気体を利用してインクを噴射するた
め、気泡の混入などによる噴射圧力の低下などの問題も
発生しないので、保護装置が不要となる。

【００１３】また、加圧気体の供給源として圧縮気体容
器を内蔵し、その交換あるいは詰め替えを可能としてお
り、その加圧気体発生手段は制御手段と独立することが
できるため、出荷時に圧縮気体容器を収納するなどの方
法により、安価な手段で必要な加圧気体を確保すること
ができる。加圧気体として使う材料には、炭酸ガス、フ
ロンＲ１４１、フロンＲ１２３あるいはフロンＲ１３４
のいずれかが有効である。

【００１４】これらの物質は常温で液化ガスとして入手
でき、耐環境性にも優れた材料である。

【００１５】

【発明の実施の形態】この発明は、インクを噴射するノ
ズルと、ノズルへインクを供給する手段と、加圧気体を
発生するための圧縮気体容器と、ノズルへの加圧気体の
供給を制御する手段と、を備え、加圧気体によってノズ
ル及びその近傍のインクを噴射させることを特徴とす
る。

【００１６】以下に実施例について説明する。 〔第１の実施例〕この発明による記録ヘッドの第１の実
施例について図１を用いて説明する。図１は、この発明
の第１の実施例を示す概念断面図である。この実施例の
記録ヘッドは加圧気体を供給する加圧気体供給部とイン
クの噴射を制御する印字ヘッド部とからなる。

【００１７】加圧気体供給部は、加圧され液化している
気体を封入している圧縮気体容器21と、容器の出口に設
けられている図示していない圧力調整弁と、そこから印
字ヘッド部へ連通する配管22とから構成されている。圧
縮気体容器21の気体は圧力調整弁により２〜３気圧に調
整されて、配管22により印字ヘッド部へ供給される。印
字ヘッド部に連通していない時には圧縮気体容器21内の
弁は閉じており、印字ヘッド部に連通した時には圧縮気
体容器21内の弁は開き、圧力調整弁により圧力調整され
た気体が印字ヘッド内に流入する。圧縮気体容器21内に
収納する気体としては、環境への影響を考慮して、炭酸
ガス、発泡剤に用いられるフロンＲ１４１、エアゾール
として用いられるフロンＲ１２３やフロンＲ１３４など
が用いられる。

【００１８】印字ヘッド部は、インクタンク30と樹脂な
どからなるケース23とケースの加圧気体噴出面に取り付
けられているノズル板32とから構成されている。ケース
23には圧力供給部の配管22が圧力導入口24で接続されて
おり、ケース23の内部には圧力室25があり、複数の制御
弁26が配置されている。制御弁の出口に相当する細孔29
はケース23を貫通して設けられ、その開口部には、ノズ
ル板32のノズル27が配置されている。ノズル板32には、
ノズル27に連通するインク案内溝28が形成されており、
記録ヘッドの上部に配置されているインクタンク30から
ケース23を貫通した孔を通して毛細管力によってインク
をノズル27へ供給する。

【００１９】インクの噴射は制御弁26を開状態にするこ
とによって行う。制御弁26を開くと加圧気体が細孔29を
通して流出し、ノズル27の近傍にあるインクをノズル27
から噴射し、印字媒体上にインクを付着させ印字する。
図２はこの発明による記録ヘッドに用いられる遮断弁の
動作を示し、（ａ）は弁が閉じている状態を示す断面図
であり、（ｂ）は弁が開いている状態を示す断面図であ
る。圧電素子26a と振動板26b よりなる、片方支持形の
圧電アクチュエータからなる弁には、常時は電圧が印加
されておらず、制御弁26は圧力室25の圧力と大気圧との
差圧により弁座部に押しつけられて（ａ）の状態になっ
ている。弁座部にかかる力は、その直径を0.1mm とする
と、0.2gf 前後となり、弁座を押す力は微小な力であ
る。ここで、圧電素子26a に直流電圧を印加し圧電効果
によりその長手方向に縮ませると、圧電素子26a は振動
板26b と一体となっているため圧電素子26a が張られて
いる側へ曲がり、（ｂ）に示すような状態となって制御
弁26が開き、圧力室25の加圧気体が細孔29へと流出し、
ノズル27を通って大気中へ噴射する。

【００２０】図３はこの遮断弁26の変位量と駆動力の関
係を示す特性線図であり、制御弁26の駆動力（図では
力）は、大きさが巾0.26mm、長さ2mm 、厚さ0.035mm の
圧電素子に同一の形状の振動板を張り合わせた圧電アク
チュエータに48Ｖの直流電圧を印加した場合のシミュレ
ーション結果である。シミュレーションから得られた駆
動力は、先に示した弁座部φ0.1mm にかかる0.2gf 前後
の力に比べて充分に大きく（0.02N ≒２gf）、変位量も
0.05mm近い値が得られ、圧力室の気体を充分に噴出する
ことが可能である。

【００２１】〔第２の実施例〕図４は、この発明による
記録ヘッドの第２の実施例を示す概念断面図である。制
御弁26の信頼性を高めるために、弁座部31が圧電アクチ
ュエータからの圧力に対して弾性変形できる弾性材料で
形成されている。他の部分は第１の実施例と同じである
ので説明は省略する。

【００２２】〔第３の実施例〕図５は、この発明による
記録ヘッドの第３の実施例を示す概念断面図である。こ
の実施例は、圧電アクチュエータが前の２つの実施例と
は異なり、両側支持形となっている。圧電アクチュエー
タが両側支持形のものであるため、両支持部の中央部に
弁座部31とそれに続く細孔29が形成され、圧電アクチュ
エータは矢印のように中央部が上に変位するのが特徴で
ある。

【００２３】

【発明の効果】この発明によれば、インクを噴射するノ
ズルと、ノズルへインクを供給する手段と、加圧気体を
発生するための圧縮気体容器と、ノズルへの加圧気体の
供給を制御する手段と、を備え、加圧気体によってノズ
ル及びその近傍のインクを噴射させるので、液体に比べ
て粘性抵抗の小さい加圧された気体を流すために必要な
エネルギーが小さくて済み、小型化できる。圧電アクチ
ュエータを弁として使用すると、消費電力も低減する。
更に、液体を加圧して噴射する従来の方式とは異なり、
加圧気体を利用してインクを噴射するため、気泡の混入
などによる噴射圧力の低下などの問題も発生しないの
で、保護装置が不要となる。

【００２４】また、加圧気体の供給源として圧縮気体容
器を内蔵し、その交換あるいは詰め替えを可能としてお
り、その加圧気体発生手段は制御手段と独立することが
できるため、出荷時に圧縮気体容器を収納するなどの方
法により、安価な手段で必要な加圧気体を確保すること
ができる。このように、この発明によれば、保護装置が
不要で、インクの選択自由度が高く、小型で信頼性が高
く安価なインクジェット記録ヘッドを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による記録ヘッドの第１の実施例を示
す概念断面図

【図２】第１の実施例における制御弁の動作状態を示
し、（ａ）は制御弁が閉じた状態を示す部分断面図、
（ｂ）は制御弁が開いた状態を示す部分断面図

【図３】圧電アクチュエータの変位と力の関係を示す線
図

【図４】この発明による記録ヘッドの第２の実施例を示
す部分断面図

【図５】この発明による記録ヘッドの第３の実施例を示
す部分断面図

【図６】従来技術によるインクジェット記録装置を示す
斜視図

【図７】従来技術による、圧電素子を利用した記録ヘッ
ドのインク流路を示す平面図

【図８】従来技術による、圧電素子を利用した記録ヘッ
ドの動作状態を模擬的に示すもので、（ａ）は初期状態
を示す流路に沿った断面図、（ｂ）はインクの吸入状態
を示す断面図、（ｃ）はインク噴射状態を示す断面図

【図９】図８の各段階におけるインク加圧室内の圧力を
示す線図

【図１０】従来技術による、発熱素子を利用した記録ヘ
ッドを示す概念断面図

【図１１】従来技術による、ジェット気流を利用した記
録ヘッドを示す概念図

【符号の説明】

１ キャリッジ ２ スペーシング軸 ３ ベルト ４ プーリー ５ プラテン ６ ローラ ７ 記録紙 ８ キャップ ９ ワイパ 10 インクチューブ 11 インク加圧室 12 インク補充部 13 絞り流路 14 ノズル 15 振動板 16 圧電素子 17 インク柱 18a 定常状態 18b 負圧状態 18c 加圧状態 19 細管 20 発熱素子 21 圧縮気体容器 22 配管 23 ケース 24 圧力導入口 25 圧力室 26 制御弁 26a 圧電素子 26b 振動板 27 ノズル 28 インク案内溝 29 細管 30 インクタンク 31 弁座部 32 ノズル板 41 ノズル 43 ジェット気流 44 霧粒雰囲気 45 インク受け皿 46 超音波振動子 47 記録紙

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクを噴射するノズルと、ノズルへイン
   クを供給する手段と、加圧気体を発生するための圧縮気
   体容器と、ノズルへの加圧気体の供給を制御する手段
   と、を備え、加圧気体によってノズル及びその近傍のイ
   ンクを噴射させ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】加圧気体の供給を制御する手段が、圧電ア
   クチュエータを用いた弁であることを特徴とする請求項
   １に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】圧電アクチュエータを用いた弁の弁座が、
   弾性材料からなることを特徴とする請求項２に記載のイ
   ンクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】前記圧縮気体容器は、その交換が可能であ
   ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに
   記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 【請求項５】前記圧縮気体容器は、その圧縮気体の詰め
   替えが可能であることを特徴とする請求項１から請求項
   ３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 【請求項６】前記加圧気体が、炭酸ガス、フロンＲ１４
   １、フロンＲ１２３あるいはフロンＲ１３４のいずれか
   であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれ
   かに記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 【請求項７】前記圧縮気体容器とノズルへの加圧気体の
   供給を制御する手段との間に圧力調整手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記
   載のインクジェット記録ヘッド。