JP4013625B2

JP4013625B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP4013625B2
Application number: JP2002121278A
Authority: JP
Inventors: 恭裕関口
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: JP2003019796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録紙上.にインク滴を吐出して記録を行うインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタに用いられているインクジェットプリンタヘッドとして、圧電素子をインク流路の一部（すなわち圧力室）に隣接させ、圧電素子に所定の駆動パルスを印加することで圧力室の容積を変化させ、インク滴をノズルから吐出させるものが知られている。
【０００３】
このインクジェットプリンタヘッドにおいては、圧電素子によって圧力室内のインクに圧力を付与した際、インクはノズルに向かう方向に移動すると同時に、圧力室からインク供給源側すなわち上流側にも移動しようとする。この吐出方向と逆方向に向かうインクの動きは、吐出効率を悪くするので、できるだけ制限する必要がある。また、インク吐出した後においては、圧力室内の圧力を減少させて、余分なインクが吐出されないように構成する必要がある。
【０００４】
そこで、従来は、インクジェットプリンタヘッド内に構成されるインク流路のうち、圧力室、もしくはノズルにおける流路抵抗の比重を他の部分よりも高くすることにより、前記インク吐出後の圧力室内の圧力を減少させ、安定したインク滴の吐出を行っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の方法では、圧力室で十分な流路抵抗を得ようとした場合、圧力室の長さを十分に長くするか、あるいは圧力室の断面積を極めて小さくする必要があるため、次のような問題があった。
【０００６】
まず、圧力室の長さを長くすることは、ヘッド全体の形状が大きくなる他、圧力の変動周期が長くなり、高速印字に対応できないという問題がある。次に、圧力室の断面積を極めて小さくした場合には、所定の体積のインク滴を得るために圧力室に大きな圧力を与えなければならず、圧力室内に非常に大きな負圧が発生し、そのことにより、吐出安定性が損なわれてしまう。
【０００７】
また、ノズル側における流路抵抗の比重を高くした場合には、発生させた圧力に対する吐出容量の割合が小さくなり、その結果、吐出速度が上がり過ぎて、ノズル内のメニスカスが壊れ易くなってしまう。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、高速印字に対応させることができ、吐出安定性を損なうことなく、かつ、適切な速度で吐出が可能なインクジェットヘッドを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のインクジェットヘッドは、前記課題を解決するために、インクを収容するインク室と、該インク室からインクが供給される圧力室と、該圧力室に連通するノズルと、前記圧力室内の圧力を変動せしめるアクチュエータとを備えたインクジェットヘッドであって、前記インク室と前記圧力室との間には、前記圧力室よりも流路の狭い絞り部が設けられており、その絞り部の流路抵抗を、その絞り部と前記圧力室と前記ノズルからなる流路全体の流路抵抗の５０〜７０％とし、前記絞り部の断面積は、前記圧力室の断面積に対して１０〜２０％に設定されており、前記インク室、前記圧力室、及び前記ノズルは、それぞれ異なる薄板材料に設けられた貫通孔によって形成されるとともに、これら複数の薄板材料と前記アクチュエータとが積層されてインクジェットヘッドが構成されており、前記アクチュエータは、前記圧力室となる貫通孔を塞ぐように前記圧力室が形成された薄板材料に隣接してその上方に積層されており、前記絞り部は、前記圧力室が形成された薄板材料にハーフエッチングによって、断面が半楕円形で前記アクチュエータと反対側の面に開口するように形成され、前記絞り部と前記インク室との連通は、前記圧力室が形成された薄板材料に前記アクチュエータとは反対側において隣接してその下方に積層された薄板材料に形成された貫通孔によってなされることを特徴とする。
【００１０】
これにより従来のように圧力室の長さを必要以上に長くしたり、圧力室の断面積を極めて小さくしなくても十分な流路抵抗が得られ、その結果、アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与した際、ノズルに向かうインクの流れが効率よく生成され、また、インク吐出した後においては、圧力室内の圧力が減少されて余分なインクが吐出されるのが抑えられ、吐出効率の良い印字が高速で行われる。
また、前記絞り部の流路抵抗の割合を流路全体の流路抵抗の５０〜７０％とすることにより、圧力室の長さを必要以上に長くしたり、また、圧力室の断面積を極めて小さくする必要がないため、十分な流路抵抗が得られ、効率のよい高速印字が行われることになる。
さらに、前記絞り部の断面積は、前記圧力室の断面積に対して１０〜２０％に設定されているので、製造上の歩留まりが抑えられる。また、ヘッドをコンパクトに製造することができ、高速印字を可能にする。
【００１１】
請求項２記載のインクジェットヘッドは、前記課題を解決するために、請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、前記絞り部の流路抵抗を前記流路全体の流路抵抗の６０％としたことを特徴とする。
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。以下の説明は、圧電式インクジェットヘッドに対して本発明を適用した場合の実施形態である。
【００１７】
図１、図２は、第１の実施形態におけるインクジェットヘッド１を示す概略図で、このインクジェットヘッド１は、キャビティプレート１０と、圧電アクチュエータ２０とから構成されている。
【００１８】
キャビティプレート１０は、複数の薄板材料１０ａ〜１０ｄを積層した構造からなり、各薄板材料１０ａ〜１０ｄにプレス加工またはエッチング加工で形成した開口および凹部を相互に連通してインク流路を形成している。インク流路には、共通のインク室１２、そのインク室１２に絞り部１３を介して連通する複数の圧力室１４、その各圧力室１４に連通孔１５を介して連通する複数のノズル１６が形成される。
【００１９】
複数の圧力室１４は、キャビティプレート１０の最上層の薄板材料１０ｄに板厚方向に貫通して形成され、絞り部１３は、同じ薄板材料１０ａに圧力室１４の長手方向の一端に接続して、その板厚方向に壁面を貫通しないハーフエッチングにより形成されている。ノズル１６は、最下層の薄板材料１０ａに板厚方向に貫通して形成され、中間の薄板材料１０ｂ、１０ｃに板厚方向に貫通形成した連通孔１５を介して圧力室１４の長手方向の他端に接続している。共通のインク室１２は、下から２番目の薄板材料１０ｂに板厚方向に貫通して形成され、薄板材料１０ｃに板厚方向に貫通形成した開口部２７を通して絞り部１３の圧力室１４とは反対側の端部に接続している。
【００２０】
このキャビティプレート１０を構成する薄板材料１０ａ〜１０ｄは、例えば４２％ニッケル合金鋼板（４２合金）製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さに形成し、それぞれを接着剤にて重ね接合して積層した構造となっている。但し、金属に限らず、例えば、樹脂により形成してもよい。
【００２１】
圧電アクチュエータ２０は、例えば特開平３−２７４１５９号公報に記載されたものと同様に、圧電シートと圧力室１４に対応した駆動電極が複数積層された構成となっており、各圧力室１４に対応する圧電シートの部分が個々に変形するようになっている。
【００２２】
このような構成において、圧電アクチュエータ２０における駆動電極に、図示しない駆動装置により駆動パルスを供給すると、圧電効果による積層方向の歪みが発生する。そして、この歪みによる圧力にて、圧力室１４の内容積が縮小されることにより、この圧力室１４内のインクが、ノズル１６から液滴状に吐出して、所定の印字が行われる。
【００２３】
このときのインクの流路は、上流から共通インク室１２、絞り部１３、圧力室１４、連通孔１５、及びノズル１６により構成される。そして、絞り部１３からノズル１６に至るインク流路内の各部の流路抵抗は、次のようになるように構成されている。
【００２４】
ノズル部１６：圧力室１４：絞り部１３＝２５：１５：６０
【００２５】
また、インクの流れ方向に直交する（紙面と直交する）インク流路の断面積において、圧力室１４の断面積に対し、絞り部１３の断面積を、１１．８％とするように構成している。
【００２６】
より具体的には、ノズル１６を、直径２５μｍ、長さ７５μｍ、テーパ角９°とし、圧力室１４を、幅２５０μｍ、深さ５０μｍ、長さ４０００μｍとしたとき、絞り部１３を、幅６７μｍ、深さ２８μｍの半楕円形で、長さ３４５μｍに形成した。図１のＡ−Ａ’線における絞り部の拡大断面図である図２に、絞り部１３の断面を示す。
【００２７】
このように、絞り部１３の流路抵抗の割合を以上のように設定することにより、圧力室１４を長くすることなく、良好に圧力制御を行うことができた。従って、インクジェットヘッド１の大型化を防止することができる。また、高速印字に対応することが可能である。更に、吐出効率を向上させることができる。また、絞り部１３の断面積を以上のように設定することにより、製造上の歩留まりを抑えることができると共に、ヘッドをコンパクトに製造することができ、高速印字を可能にする。
【００２８】
更に、本実施形態の絞り部１３は、薄板材料１０ｄにハーフエッチングにより凹状に形成するので、安価で効率良く絞り部を形成することができる。
【００２９】
また、半楕円形の絞り部１３の大きさを、幅７２μｍ、深さ３０μｍ、長さ４５７μｍとした場合でも、安定して液滴吐出が可能であることが確認された。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面積比は１３．６％、絞り部１３からノズル１６に至るインク流路の流路抵抗に対する絞り部１３の流路抵抗は６０．１％であった。
【００３０】
また、絞り部１３の断面形状を、長方形とし、幅５０μｍ、深さ３０μｍ、長さ３８７μｍとした場合でも、安定して液滴吐出が可能であることが確認された。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面積比は１２．０％、前記インク流路の流路抵抗に対する絞り部１３の流路抵抗は６０．４％であった。
【００３１】
同様に、長方形の絞り部１３の大きさを、幅７０μｍ、深さ３０μｍ、長さ６７２μｍとした場合でも、安定して液滴吐出が可能であることが確認された。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面積比は１６．８％、前記インク流路の流路抵抗に対する絞り部１３の流路抵抗は６０．１％であった。
【００３２】
但し、長方形の絞り部１３の大きさを、幅９０μｍ、深さ３０μｍ、長さ９９２μｍとした場合には、液滴吐出が不安定になることが確認された。このときの、圧力室１４に対する絞り部１３の断面積比は２１．６％、前記インク流路の流路抵抗に対する絞り部１３の流路抵抗は６０．１％であった。
【００３３】
図３は、前記インク流路の流路抵抗に対する絞り部１３の流路抵抗と、絞り部１３の圧力室１４に対する断面積比とをそれぞれ変えてインクを吐出した実験結果を示すものである。
【００３４】
以上の結果から、絞り部１３の上記流路に対する流路抵抗の割合は、５０〜７０％が好ましく、また、絞り部１３の圧力室１４に対する断面積の比は１０〜２０％に設定することが好ましいことが明らかになった。
【００３５】
図４から図７は、第２の実施形態のインクジェットヘッド１０６を示す概略図で、このインクジェットヘッド１０６は、キャビティプレート１２０と、圧電アクチュエータ１３０と、圧電アクチュエータ１３０の駆動電極に駆動パルスを供給するためのフレキシブルケーブル１４０から構成されている。
【００３６】
キャビティプレート１２０は、図５及び図６に示すように構成されている。すなわち、ノズル板１２３、マニホールド板１２４、１２５、スペーサ板１２６及び圧力室板１４の５枚の薄板を接着にて重ねて接合して積層した構造である。ノズル板１２３には、微小径のインク吐出用のノズル１２２が、当該ノズル板１２３における第１の方向（長辺方向）に沿って２列の千鳥配列状に設けられている。
【００３７】
マニホールド板１２４，１２５には、共通インク室１３１，１３３が、ノズル１２２の列の両側に沿って延びるように穿設されている。下側のマニホールド板１２４の共通インク室１３１は、上向き開放するように凹設され、上下に重なる共通インク室１３１，１３３が一体となって１つの共通インク室を形成している。
【００３８】
また、圧力室板１２７には、その長辺（前記第１の方向）に沿う中心線に対して直交する第２の方向（短辺方向）に延びる細幅の圧力室１２８の多数個が穿設されている。そして、前記中心線を挟んで左右両側にて平行状の長手基準線１２７ａ、１２７ｂを設定すると、前記中心線より左側の圧力室１２８の先端１２８ａは前記右側の長手基準線１２７ａ上に位置し、逆に前記長手中心線より右側の圧力室１２８の先端１２８ａは前記左側の長手基準線１２７ｂ上に位置し、かつこの左右の圧力室１２８の先端１２８ａが交互に配置されているので、左右両側の圧力室１２８は一つおきに互いに逆方向に延びるように交互に配置されていることになる（図６参照）。
【００３９】
この各圧力室１２８の先端１２８ａは、前記ノズル板１２３における千鳥状配列のノズル１２２に、スペーサ板１２６、及びマニホールド板１２４，１２５に同じく千鳥状配列にて穿設されている微小径の貫通孔１３２，１３２を介して連通している。一方、各圧力室１２８の他端は、絞り部１１３、凹部１２８ｂ、およびスペーサ板１２６に穿設された貫通孔１２９を介して、マニホールド板１２４，１２５における共通インク室１３１，１３３に連通している。なお、前記絞り部１１３、凹部１２８ｂは、図６および図７に示すように、圧力室板１２７の下面側にのみ開口するようにハーフエッチングにより凹み形成されている。また、最上層の圧力室板１２７の一端部に穿設された供給孔１９ａの上面には、インク供給源（図示しない）から供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２９が張設されている。
【００４０】
これにより、インクは、インク供給源から圧力室板１２７及びスペーサ板１２６の一端部に穿設した供給孔１９ａ，１９ｂを介して左右両マニホールド室１３１，１３３内に流入し、各貫通孔１２９を通って各圧力室１２８内に分配されたのち、この各圧力室１２８内から貫通孔１３２を通って、当該圧力室１２８に対応するノズル１２２に至るという構成になっている（図６および図７参照）。
【００４１】
圧電アクチュエータ１３０は、前記実施形態と同様に圧電シートと圧力室１２８に対応した駆動電極が複数積層された構成となっている。
【００４２】
絞り部１１３は、前記実施形態の絞り部１３と同様の機能を有するもので、絞り部１１３からノズル１２２に至るインク流路の流路抵抗に対する絞り部１１３の流路抵抗の割合は５０〜７０％、および圧力室１２８に対する絞り部１１３の断面積の比は１０〜２０％にそれぞれ設定されている。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絞り部の断面積をインク室の断面積の１０〜２０％にしたので、製造上の歩留まりを抑えることができると共に、ヘッドをコンパクトに製造することが出来、高速印字を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における圧電式インクジェットヘッドの断面図でである。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における絞り部の拡大断面図である。
【図３】インク流路の流路抵抗に対する絞り部の流路抵抗と、絞り部の圧力室に対する断面積比とをそれぞれ変えてインクを吐出した実験結果を示すものである。
【図４】本発明の他の実施形態における圧電式インクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図５】図４のヘッドのキャビティプレートの分解斜視図である。
【図６】図５の一部拡大図である。
【図７】図４のヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１インクジェットヘッド
１０キャビティプレート
１２６絞り部
１２７圧力室
１２８ノズル
２０圧電アクチュエータ

Claims

インクを収容するインク室と、該インク室からインクが供給される圧力室と、該圧力室に連通するノズルと、前記圧力室内の圧力を変動せしめるアクチュエータとを備えたインクジェットヘッドであって、
前記インク室と前記圧力室との間には、前記圧力室よりも流路の狭い絞り部が設けられており、その絞り部の流路抵抗を、その絞り部と前記圧力室と前記ノズルからなる流路全体の流路抵抗の５０〜７０％とし、
前記絞り部の断面積は、前記圧力室の断面積に対して１０〜２０％に設定されており、
前記インク室、前記圧力室、及び前記ノズルは、それぞれ異なる薄板材料に設けられた貫通孔によって形成されるとともに、これら複数の薄板材料と前記アクチュエータとが積層されてインクジェットヘッドが構成されており、
前記アクチュエータは、前記圧力室となる貫通孔を塞ぐように前記圧力室が形成された薄板材料に隣接してその上方に積層されており、
前記絞り部は、前記圧力室が形成された薄板材料にハーフエッチングによって、断面が半楕円形で前記アクチュエータと反対側の面に開口するように形成され、
前記絞り部と前記インク室との連通は、前記圧力室が形成された薄板材料に前記アクチュエータとは反対側において隣接してその下方に積層された薄板材料に形成された貫通孔によってなされることを特徴とするインクジェットヘッド。
前記絞り部の流路抵抗を前記流路全体の流路抵抗の６０％と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。