JPH0410939A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技監分災 本発明は、インクジェット記録装置に関し、より詳細に
は、そのヘッド部の構成に関する。

髪米五東 米国特許第４０７２９５９号明細書には、オリフィスに
近接して押し出しビンを設け、曲げ変位でオリフィス直
前のインクを押し出す点が開示されており、また、特開
昭６３−２５２７５０号公報には、圧電部材のアレイ方
向に平行な横変形を利用して流路のインクを吐出する点
が開示されている。

また、ｒ　Ｉ　ＭＣ１９８６Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　
Ｋｏｂｅ、　Ｊ（Ｍａｙ２８−３０　１９８６）にはグ
リーンシートを積層し、積層内に空孔部を設け、この空
孔部を上部に設けられた圧電部材の曲げモーメントで変
位を生じさせ、インクを吐出することが開示されている
。− 以上のように、オンデマシド型インクジェットヘッドは
、従来から多くの方式が考えられてきた。

前記米国特許第４０７２９５９号明細書に記載のものは
、片持ちあるいは両持ちの梁で、そのアクチュエータ部
に押し出しブロックを設けるなど、部品構成が複雑で、
加工の点でも難しいという欠点がある。また、前記特開
昭６３−２５２７５０号公報に記載のものは、変位定数
が大きい方式で、低電圧駆動には適しているが、高密度
化すると側壁の剛性も弱くなり、吐呂時の内圧上昇で変
形を生じて吐出効率が低下する。又、側壁を駆動するた
めに両側の流路に容積変化が生じ、隣接間のオリフィス
は同時駆動できず、実効周波数は１／２と高速化に不利
となる。加工製作の点でも流路側壁に電極を設けねばな
らないことや、さらに、水性インクを使用する時は、電
極面上に絶縁層を設けねばならないなど、溝の側壁に膜
形成するという難しさがある。

また、前記ＩＭＣ文献の構成は、技術的なおもしろさは
あるが、平担構造の電極部のみを変位させるためにコン
プライアンスが小さく、低電圧化が難しい。又、加工面
でも空孔形成するのに脱泡条件制御や時間（約１ｗ）が
かかるなど困難な点が多い。

その他の従来技術として、前述しなかったが、流路上に
ヒーターを設け、電気信号に応してヒータ一部に爆発的
に気泡を成長させて、この容積変化で吐呂させる方式も
あるが、流路に応力ストレスが加わることや、ヒータ一
部にインク染料が焦げつくなど信頼性の点で問題があっ
た。

■−−汐 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
圧電素子を新規な形状に構成することで、高集積化、駆
動電圧の低減化、さらに実効周波数の向上などの性能面
の改良を図ること、また、構成部品を単純でかつ少量化
することで加工性や組立性を向上させ、コストの低減化
を図ること、さらに、アクチュエータ部のコンプライア
ンスを最適化することで相互干渉の低減化を図り、か−
）、組立性の容易化でコストの低減化を図るようにした
インクジェット記録装置を提供することを目的としてな
されたものである。

碧−一一服 本発明は、上記目的を達成するために、流路の長手方向
に対して互いに間隔をあけた多数の平行流路と、液滴噴
射のために該平行流路に接続された各ノズルと、該平行
流路に給液するための接続手段と、ある平行流路のアク
チュエーションが選択された時に、該選択された平行流
路の上壁又は下壁の少なくともどちらかが該平行流路の
長手方向に垂直な厚み変位を生じさせる電気的アクチュ
エート手段と、スリットが設けられた積層圧電体とから
成り、該スリット間で形成される凸部をアクチュエータ
とし、該凸部に対応して前記平行流路が設けられ、該平
行流路の面に垂直方向に厚み変位を生じさせることで前
記平行流路に対応接続されているノズルから液滴を噴射
させるインクジェット記録装置において、前記スリット
部に弾性率が１０ｋｇ／１２以下の弾性体を充填するこ
とを特徴としたものである。以下、本発明の実施例に基
づいて説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明によるインクジェット
記録装置の一実施例を説明するためのヘッド部の構成図
で、図（ａ）は正面斜視図、図（ｂ）は背面斜視図であ
る８図中、１は積層圧電体、２は流路プ１ノート、３は
ノズルプレート、４は駆動ＩＣ体、５は共通電極、６は
インク流入口、７は信号ライン、８は背向板である。

構成としては電気アクチュエータとして積層圧電体１を
用い、該積層圧電体１は個別にアクチュエーション可能
なようにスリットが設けられている。

前記積層圧電体１のアクチュエート部に対応して、流路
プレート２に平行流路が設けられている。

該流路プレート２の長手方向の延長上にノズルプレート
３が配設されている。該ノズルプレート３の後方には、
背面斜視図（ｂ）に示すようにインク流入口６を設け、
インクは背向板８によって形成される共通流路から各流
路に給液される。電気信号は、本発明の実施例において
は、正面部に共通電極５を設け、背面部に信号ライン７
を配設し、前記積層圧電体１の上部に駆動ＩＣ体４を搭
載して、ヘッドの小型化を図った構成としている。又、
本発明の実施例においては、より高密度化を図るために
、前記流路プレート２の上下方向に流路を千鳥配列した
例を示す。駆動ＩＣ体４は積層圧電体上に直載されるの
で放熱効果が良く、かつ組付は時もチップフローなどで
容易に信号ラインとの接続も可能となる。

第２図は、アクチュエータの動作を説明するための図で
、図中、９は流路、１０は充填剤である。

選択されたアクチュエータに電気信号が入力されると、
それに対応した流路９はＱだけ容積変化し、その変化分
だけがノズルプレートの対応オリフィスから噴射する。

Ｑは以下のように表わせられるわ Ｑ＝ｔＸ　δ　Ｘ−Ｌ δ＝　ｎ　Ｘ　ｄ、３Ｘ　Ｖｐ ｔ：アクチュエータの巾 δ：電圧（Ｖｐｖｏｌｔ）印加時の変位ｄ、３：厚み方
向の圧電定数 ｎ：積層枚数 Ｌ：圧電体の実効作動長さ 上式で、ＶＰのみを低減させるならば、積層枚数ｎ、圧
電体の実効作動長さＬを大きくすればよいが、積層枚数
ｎを単に大きくすることは、スリット加工時の困難さが
あることや、又、圧電体の実効作動長さＬを単に大きく
することは、ヘット自体の大きさ、コンプライアンスが
大きくなり応答性などに問題が生じる。

しかし、各パラメータを最適化することで、ＩＣチップ
で駆動可能なほどの電圧の低減化が可能となる。さらに
、図からも分かるように、電気信号が入力されて駆動す
るアクチュエータ（両側のスリットによって形成される
凸部）は、対応する流路９のみに作用するため、隣接す
る流路への影響は少なく、独立駆動が可能でしかも実効
周波数は高くなる。又、変位することで生じる内圧増加
でのアクチュエータ自身の変位量は、受圧面積がホさい
ために極めて小さく、高密度化しても効率は低下しない
。

第３図は、アクチュエータの変化拡大図を示す。

電圧印加時の変位δの動きやすさは、アクチュエータが
動く時に充填剤によって阻止されるように働く力（Ｆ）
と、内圧増加分くΔＰ）によって働く力が考えられる。

ここで内圧増加分によって受ける力は、アクチュエータ
が発生する力（Ｆｏ）に比べ無視できる位小さい、又、
内圧増加分（ΔＰ）によって充填剤が変形するため、Δ
Ｑだけ容積損失する。

上述の阻止する力（Ｆ）は剪断応力としてアクチュエー
タと充填剤の間で作用し、充填剤の弾性率が大きいと動
きずらくなり、変位が減少するが、弾性率が小さいと、
前述のようにΔＱによって逆変形が生じるという結果と
なる。

これらの最適値は、充填剤の材質（弾性係数）及び構造
寸法で規定されるもので、一義的に決定されるものでは
ない。

第４図は、実験的に求められる弾性率と容積変位の関係
を示す図である。この第４図からも分かるように、弾性
率１０〜３００ｋｇ／■２の範囲で変位容積が大きく得
られる。

ところで駆動アクチュエータの隣接する流路への影響を
考えたとき、アクチュエータ部を高密度化し、特に多数
のアクチュエーションが同時に行なわれたときに、特に
相互干渉の影響は無視できなくなり、画像品質を劣化さ
せることもある。従って、駆動電圧の低減化と同時に駆
動アクチュエータの隣接する流路への相互干渉にも十分
考慮をはらう必要が生じる。

相互干渉の主因は充填剤によるものであり、前述したよ
うに、力（Ｆ）との関係から弾性率が大きいほど干渉も
大きくなる。よって相互干渉の問題を考慮したとき、充
填剤の弾性率は小さくする方が望ましい。

具体的には、各種ゴム材料やシリコンゲル等のゲル材料
が低弾性率の充填剤として優れている。

前述したように、弾性率を小さくすると容積変化Ｑが減
少するというデメリットな傾向はあるものの、スリット
巾、深さ、アクチュエータ巾等の寸法値を適当に選択す
ることにより容積変化Ｑの減少をおさえることは可能で
あり、特にアクチュエータ部を高密度化したヘッドでは
、相互干渉を低減できるメリットは非常に大きい。本発
明の実施例においては、スリット部に充填される弾性体
の弾性率をｌｏｋｇ／■２以下にするものである。

第５図は、流路プレートの両側に積層圧電体を配設した
場合の他の実施例を示す。電気信号の入力方法としては
、各アクチュエータの電極部にスルーホール１３の設け
られた背向板８を用いて電極と接続するとともに、該背
向板８によって流路も形成する。該背向板８はセラミッ
ク系の材質を使用することで耐触性も良く、かつ、駆動
ＩＣ体４の放熱基板としての効果をもたせることも可能
となる。かつ駆動ＩＣ体が１箇所でまとめられることで
信号処理が有利となる。

第６図（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に他の実施例を示
す図で、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は図（ａ）のＡ部
の拡大図である。

図中、２１は積層圧電体、２２は流路プレート、２３は
ノズルプレート、２４は駆動ＩＣ体、２５は流路、２６
は供給基台、２７はインク、２８は電極部、２９は充填
材、３０は信号ラインである。

インク２７は、前記実施例のごとく、後方からの供給で
なく、流路プレート２２の上下方向から供給することで
、圧電体２１の後方にスペースをもたせることができる
。駆動ＩＣ体２４は、前記流路プレート２２上に、信号
ライン３０としてあらかじめパターニングされていると
ころに直載する。流路プレート２２は、感光性ガラスや
シリコンウェハなどの材質を用いることで、容易に流路
の溝加工をハーフエツチングでき、かつ電極パターン形
成もスパッタなどで容易に可能である。

第７図（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に他の実施例を示
す図で、圧電体の両側に流路プレートを配設したもので
、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ部の拡大
図である。図中、３１は背向板、３２はスルーホール、
その他第６図の場合と同様の作用をする部分は同し参照
番号を付しである。

コスト的に高価な圧電体２１を１つにして、該圧電体２
１の厚さ方向の両側にスリット加工でアクチュエータ部
を形成し、該アクチュエータ部に対応して流路プレート
２２を設ける。前記圧電体２１を１体で使用することで
、駆動源の剛性が大きくなり、アクチュエートされた時
に隣接する他の流路への影響が緩和される。

電気信号は、ノズルプレート２３の反対面にある。平面
上の電極部２８にスルーホール３２によって導通化され
た背向板３１を設けることで、駆動ＩＣ体２４と直結す
ることも可能となり、信頼性の向上が図れる。

丸−一来 以上の説明から明らかなように、本発明によると、以下
のような効果がある。

（１）構成部品を単純で小量化し、かつ、加工。

組立性を容易にし、コストの低減化を図る。

（２）積層構造で、分割形状にすることで駆動電圧の低
減化と隣接間に影響されず、流路間の相互干渉がないた
め実効駆動周波数が低下しない。

（３）弾性係数を最適化することで、隣接する他の流路
への干渉が大きく低減される。

（４）圧電体上に駆動ＩＣ体を直載することで、ヘッド
本体が小形軽量化が可能となる。

（５）分離されて配置している圧電体をソリッドステー
トされている背向板を用いることで駆動ＩＣ体が搭載で
き、信頼性が向上する。

（６）平担な流路プレートに流路と電気信号ラインを一
体形成することで、組立て効率が向上する。

（７）圧電体の両側にアクチュエート箇所を設けること
で部品の低減化が図れるとともに、アクチュエータの剛
性が高められ、他の流路への干渉が低下する。さらに駆
動ＩＣ体との接続も容易となり、組立て効率や信頼性が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明によるインクジェット
記録装置の構成図、第２図は、アクチュエータの動作を
説明するための図、第３図は、アクチュエータの変位拡
大図、第４図は、弾性率と容積変位の関係を示す図、第
５図〜第７図は、本発明のさらに他の実施例を示す図で
ある。 １・積層圧電体、２・流路プレート、３・・ノズルプレ
ート、４・・駆動ＩＣ体、５・・共通電極、６・インク
流入口、 ７・・・信号ライン、 ８・・・背向板。 第 図 第 図 第 区 第 図 ＜Ｏ） 第 図 （ａン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、流路の長手方向に対して互いに間隔をあけた多数の
   平行流路と、液滴噴射のために該平行流路に接続された
   各ノズルと、該平行流路に給液するための接続手段と、
   ある平行流路のアクチュエーションが選択された時に、
   該選択された平行流路の上壁又は下壁の少なくともどち
   らかが該平行流路の長手方向に垂直な厚み変位を生じさ
   せる電気的アクチュエート手段と、スリットが設けられ
   た積層圧電体とから成り、該スリット間で形成される凸
   部をアクチュエータとし、該凸部に対応して前記平行流
   路が設けられ、該平行流路の面に垂直方向に厚み変位を
   生じさせることで前記平行流路に対応接続されているノ
   ズルから液滴を噴射させるインクジェット記録装置にお
   いて、前記スリット部に弾性率が１０ｋｇ／ｍｍ＾２以
   下の弾性体を充填することを特徴とするインクジェット
   記録装置。