JPH07156383A

JPH07156383A - オンデマンド型インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH07156383A
Application number: JP30204793A
Authority: JP
Inventors: Masanori Horiie; 正紀堀家; Shinichi Tsunoda; 慎一角田; Masanori Hirano; 政徳平野; Masayuki Iwase; 政之岩瀬; Tomoaki Nakano; 智昭中野; Takesada Hirose; 武貞広瀬; Minoru Ameyama; 実飴山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1995-06-20
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JP3231523B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高集積配列密度、高効率で信頼性の高い、組
立の容易性を図る。【構成】液室ユニットは、インクの供給、加圧、吐出
動作を行い、積層ＰＺＴ８の面に接合し、該積層ＰＺＴ
８の変位に応じてインク液室４を変位加圧する振動板領
域３を有する隔壁部材７を設ける。該隔壁部材７の上面
には、インク液室４とインク共通液室５とを有する液室
部材６を接合する。更に、ノズル２を有するノズルプレ
ート１を接合する。これにより、液室配列密度を１／２
以下に構成でき、複数で微細な液室部品の製造を容易に
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オンデマンド型インク
ジェットヘッドのマルチノズルヘッド構成に関し、より
詳細には、圧電素子を利用したアクチュエータユニット
と液室ユニットとノズルユニットの高密度配列を備えた
オンデマンド型インクジェットヘッドに関する。例え
ば、インクジェットプリント方式による複写機、プリン
タ、ファクシミリ（ＦＡＸ）等の印写装置に適用される
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト記録法であるインクジェ
ット記録方式は、記録時の騒音が原理的に発生しないこ
と、また、プロセスが非常にシンプルであるため小型・
高信頼性・高耐久性達成が容易である等、多くの特徴が
あるため、極めて有力な記録方法とされている。そのた
め、従来から各種の方式が提案されているが、中でも、
液滴形成のためのインク加圧手段として発熱抵抗体を利
用する方式として、例えば、特公昭６１−６１９８４
号公報のものがある。この公報のものは、発熱抵抗体が
半導体製造プロセスにより実現可能であることにより、
小型・高集積のヘッド構成が可能である特徴を有する。

【０００３】また、圧電素子を利用する方式として、例
えば、特公昭６０−８９５３号公報がある。この公報
のものは、圧電運動を発生させる圧電変換器が棒状に形
成されて櫛の歯のように互いに平行に配置され、この棒
状圧電変換器がその少くとも一端部で支持され、その
際、少くとも２つの相並列した棒が櫛の背部を介して結
合され、棒の振動領域部分がノズルの入口開口部の前方
に直面するようにしたものである。

【０００４】また、圧電素子を利用する他の例として、
例えば、特公平４−５２２１３号公報、特公平１−１
１５６３８号公報、特開平４−１０５２号公報がある。
これらの公報において、圧電材料と電極材料を交互に複
数組積層して成る圧電素子を利用している点は共通であ
るため、いずれの例も１列の圧電素子列に対し、１列の
ノズル列と１列のインク室を設けた配列であり、圧電素
子とノズル、インク室の配列密度が等しい構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
インクジェット記録装置において、前記の公報のもの
は、インクの吐出原理が熱エネルギー印加とその時発生
するバブルを利用するため、連続印写の場合の蓄熱によ
る特性変化や部材の劣化が発生するため、繰り返し応答
速度に限界があり、高速印写や連続印写に向かない。ま
た、インク加圧形態をコントロールすることが困難であ
るため、インク滴形成を理想の形状とすることは不可能
である等の大きな欠点を有する。

【０００６】また、前記の公報のものは、液滴吐出に
必要なＰＺＴサイズがまだ大きく、高集積が困難でヘッ
ドサイズが大きくなる。さらに、必要な電界強度を与え
るための印加電圧が高く、多チャンネル化等においても
高耐圧部品のアレイを必要とすることはドライバーの占
める面積が大きく、コスト的にも問題があるという欠点
を有する。

【０００７】また、前記の公報のものは、ＰＺＴ配列
密度のピッチ寸法に対し、インク室配列方向のピッチ寸
法はそれ以下となり、液室形状が制約され、インク流体
としての理想形状が構成出来ないため、インク吐出効率
が上がらないという欠点がある。また、高密度配列にな
った場合、複雑な液室部品の高精度が要求され、工法・
材料が限定される。さらに、組立の高精度も要求される
という問題がある。

【０００８】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、高集積配列密度、高効率で信頼性の高い、組
立容易で低コストなオンデマンド型インクジェットヘッ
ドを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、（１）複数のノズルと、各ノズルに連通
する複数のインク室と、前記各インク室を加圧するため
に配置した複数の圧電素子とを備えたオンデマンド型イ
ンクジェットヘッドにおいて、圧電材料と電極材料を交
互に複数組積層して成る圧電素子を所定のピッチで１列
に配列されたアクチュエータユニットと、該アクチュエ
ータユニットに対して複数列設けられた液室ユニット
と、該液室ユニットに連通されたノズルユニットとを具
備したこと、更には、（２）前記アクチュエータユニッ
トが、前記圧電材料と電極材料を交互に複数組積層して
成る圧電素子を積層の厚みと直角方向の変位を利用した
構成で１列に配列されたものであること、更には、
（３）前記アクチュエータユニットが、前記圧電材料と
電極材料を交互に複数組積層して成る圧電素子を積層の
厚み方向である変位を利用した構成で１列に配列された
ものであること、更には、（４）前記圧電材料と電極材
料を交互に複数組積層して成る圧電素子を所定のピッチ
で１列に配列したアクチュエータユニットに対し、前記
液室ユニットおよびノズルユニットを千鳥配置に構成し
たこと、或いは、（５）複数のノズルと、各ノズルに連
通する複数のインク室と、前記各インク室を加圧するた
めに配置した複数の積層型圧電素子とを備えたオンデマ
ンド型インクジェットヘッドにおいて、各圧電素子の伸
縮でインク室隔壁を変形さすことにより加圧するための
変形領域に対し、該変形領域のほぼ中心軸上に各ノズル
を配置したこと、更には、（６）前記（５）において、
前記各圧電素子の伸縮でインク室隔壁を変形さすことに
より加圧するための変形領域の形状を、ほぼ円形または
長円形とし、長円形については短径１に対し長径４以下
の比としたことを特徴としたものである。

【００１０】

【作用】本発明によるオンデマンド型インクジェットヘ
ッドは、複数のノズルと連通する複数のインク室と、前
記各インク室を加圧するために配置した複数の圧電素子
を備えており、アクチュエータユニットは、圧電材料と
電極材料を交互に複数組積層して成る圧電素子を所定の
ピッチで１列に配列したものである。該アクチュエータ
ユニットに対して、複数列の液室ユニットおよびノズル
ユニットを配置した構成となっているので液室の配列方
向のピッチ寸法を大きくすることが可能となり、液室形
状の制約がなくインク吐出効率の高いヘッドが得られ
る。

【００１１】また、圧電材料と電極材料を交互に複数組
積層して成る圧電素子を積層の厚みと直角方向のｄ₃₁変
位、または厚み方向であるｄ₃₃変位を利用した構成で１
列に配列したアクチュエータユニットとすることで、低
電圧で大きな振動変位が得られ、小型で低コストのイン
クジェットヘッドが得られる。

【００１２】また、前記圧電素子として積層型圧電素子
を備え、各圧電素子の伸縮でインク室隔壁を変形さすこ
とにより加圧するための変形領域に対し、該変形領域の
ほぼ中心軸上に各ノズルを配置した構成とするので、圧
電素子からの振動伝搬効率を上げ、低電圧駆動化または
圧電素子の積層数を減らした小型化とすることができ
る。

【００１３】さらに、各圧電素子の伸縮でインキ室隔壁
を変形さすことにより加圧するための変形領域の形状
を、ほぼ円形又は長円形とし、長円形については短径１
に対して長径４以下の比とした構成とするので、インク
室における隔壁変形領域の応力歪みを小さくし、ヘッド
の高耐久や高信頼性化が図れる。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明によるオンデマンド型インク
ジェットヘッドの一実施例を説明するための構成図で、
図中、１はノズルプレート、２はノズル、３は振動板領
域、４はインク液室、５はインク共通液室、６は液室部
材、７は隔壁部材、８は積層圧電素子（ＰＺＴ）、９は
フレーム、１０は基板である。

【００１５】ベースである基板１０の上に、各チャンネ
ルのピッチに対応した寸法に分離加工された積層ＰＺＴ
８が構成されている。その周辺に液室ユニットを固定接
合するためのフレーム９を接合する。ここで、基板１０
とフレーム９の材質は、アルミナ等のセラミック部材、
ガラス、無機材を添加して高ヤング率で成型時の収縮を
押さえられる金属部材、またはＳＵＳ等の金属部材であ
れば良い。そして、各ＰＺＴの上面とフレーム上面を同
一高さ面に構成しておく。

【００１６】次に、インクの供給、加圧、吐出動作を行
う液室ユニットの構成としては、ＰＺＴ面に接合し、Ｐ
ＺＴの変位に応じてインク液室４を変位加圧する振動板
領域３を有する隔壁部材７を設ける。更に、その上面に
インク液室４とインク共通液室５を有する液室部材６を
接合する。最後にインク吐出量、速度、方向を決定する
ノズルを有するノズルプレート１を接合した構成であ
る。

【００１７】ここで、隔壁部材７は耐腐食性の強い金
属、例えばＳＵＳやニッケル等のプレートをエッチング
加工で作る。ニッケルであれば、電鋳技術で高精度に製
造可能である。特に、振動板領域のＰＺＴと接合する凸
を除いた領域は、金属プレートの場合、加圧変形時の応
力負荷を低減するためには数μｍの厚さが要求されるた
めに、微細加工技術が要求される。そのため、高精度な
薄層プレートが比較的容易に製造可能なニッケル電鋳プ
レートによって構成することがここでは最適である。

【００１８】また、液室部材はＰＰＳ（ポリフェニレン
サルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）材等
の材料を用いた射出成型部材、ＳＵＳ、ニッケル等の金
属プレートをエッチングした金属部材、Ｓｉ、ガラス等
の無機材をエッチングした部材、さらにドライフィルム
レジスト等の部材を用いて構成するのが良い。ノズルプ
レートは微細な穴加工技術が必要であり、先のニッケル
電鋳技術によるプレート、感光性ガラスをフォトマスク
を用いて露光・エッチングして製造したプレート、また
は高精度な加工が可能である。マキシマレーザを用いて
樹脂プレートにアブレーション加工したプレートを用い
れば良い。

【００１９】図１において、１列にＰＺＴ配列した液室
ユニットに対して、振動板とインク液室４とノズル２と
を複数列、ここでは２列設けた構成を示してある。この
２列間距離Ｄに対し、液室ユニットとの接合面寸法のｂ
を大きく構成する。すなわち、千鳥状にある隔壁部の凸
部がＰＺＴ面にピッチＰで千鳥で接合されることにな
る。この構成により、インク液室４については配列方向
のピッチが２Ｐとなり、Ｄ×２Ｐの領域内にインク液室
を構成すればよいことになる。

【００２０】例えば、図２に示すように、８個／ｍｍの
ＰＺＴの配列の場合、Ｐ寸法は0.125ｍｍであるが、液
室の配列方向のピッチは0.25ｍｍとなる。なお、図中の
１１はＰＺＴ接合領域である。従って、ＰＺＴのｂ寸法
を0.5ｍｍ、ａ寸法を0.1ｍｍとし、２列間距離Ｄを0.3
ｍｍとすれば、振動板変位領域はφ0.2ｍｍの円形形状
が可能となり、これに対応してインク液室も円錐形状が
構成でき、流体にとって理想の形状を構成できることに
なる。この円形部を正方形とすることも可能であり、ま
た長円形も可能である。

【００２１】これらの形状は、液室部材の工法に応じて
選定すれば良く、例えば、Ｓｉ異方性エッチングで作っ
た液室部材の場合、正方形の振動板形状が整合性がよ
い。ただし、円形振動板領域の隔壁部材に対してＳｉ異
方性エッチングの液室部材を用いても、狙いの効果は充
分達成することができる。また、Ｎｉ電鋳で作った液室
部材も円形形状が容易に製造可能である。

【００２２】図３は、図１における基板及び積層ＰＺＴ
の構成図で、図中、２１は一方のＰＺＴ端面電極、２２
は他方のＰＺＴ端面電極、２３は基板個別電極、２４は
基板共通電極で、その他、図１と同じ作用をする部分は
同一の符号を付してある。

【００２３】アルミナ、チタバリ等のセラミック基板の
一部に段差を設け、その長辺方向の両サイドに蒸着やス
パッタ等によるＡｕ電極を予め設ける。又は、厚膜印刷
による電極であっても可能である。この基板状に積層Ｐ
ＺＴ８を図のように接合する。例えば、６４ノズルのマ
ルチノズルヘッドの場合、ＰＺＴ長手方向の寸法はＰ×
６４より0.125×64＝8ｍｍ、ｂ寸法は0.5ｍｍ、基板面
よりの高さはインク吐出体積に応じた寸法、ここでは３
ｍｍとする。すなわち、８×０．５×３ｍｍのＰＺＴを
接合することになる。同時に、ＰＺＴ８と基板１０の長
手方向接合のコーナー部に導電性接着剤を付着し、ＰＺ
Ｔ端面電極２１，２２と基板面電極２３，２４との電気
的導通を取る。

【００２４】該ＰＺＴ端面電極２１，２２は、断面から
も分かるように上下方向に櫛歯状に内層電極があり、各
内層電極間で印加電圧に応じた電界が発生し、ＰＺＴに
変位が発生する。その内層電極を両端面で導通し、基板
に導通させているのが端面電極である。その後、ダイヤ
モンドソーやワイヤーソー等による機械加工により、基
板面まで微小量切り込み、１〜６４チャンネルに応じた
ＰＺＴを分離独立する。この構成では、電圧材料と電極
材料を交互に複数組積層して成る圧電素子を積層の厚み
と直角方向のｄ₃₁変位を利用した構成であり、変位量を
確保し易いのが特徴である。

【００２５】図４は、電圧材料と電極材料を交互に複数
組積層して成る圧電素子を積層の厚み方向であるｄ₃₃変
位を再利用した構成で、１列に配列したアクチュエータ
ユニットの構成の他の実施例である。図中の参照番号は
図３と同じである。この実施例は、ＰＺＴ駆動力が得ら
れやすいのが特徴である。

【００２６】図５は、ヘッド上面から見たノズル配置の
構成図で、図中、１２はダイアフラム領域である。１列
にＰＺＴ配列した液室ユニットに対して、振動板とイン
ク液室とノズルとを複数列、ここでは３列設けた構成で
ある。配列密度が上がり、１チャンネル当たりのピッチ
Ｐが小さくなった場合でも、この列においてはインク液
室の配列方向ピッチは３Ｐとなり、液室形状を円形、又
は長円形を保つことが可能となる。この長円形は積層Ｐ
ＺＴの変位に追従して変形するダイヤフラムを構成して
おり、インクジェット記録ヘッドとしての耐久性、例え
ば、通常のプリンタの場合、最小１０⁹回以上の振動耐
久性においても疲労のないものが要求される。

【００２７】そこで本実施例のように、円形または長円
形、それも短径１に対して長径４以下の比とした構成に
することで、積層ＰＺＴの１〜３μｍの大きな変位に対
しても振動板変形領域の応力集中を避け、前記駆動耐久
性を大きく向上することができる。

【００２８】以上の実施例では、振動板領域が、円形ま
たはほぼ円形に近い形状であるため、全て振動変形領域
のほぼ中心軸上にノズルを配置した構成が可能と成って
おり、インクの吐出効率やインク充填性、気泡の排出性
に対して非常に有利な構成である。

【００２９】

【発明の効果】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）請求項１に対応する効果：実質の液室配列密度１
／２以下に構成でき、複雑で微細な液室部品の製造が容
易に構成できる。また、流体であるインクに対して有利
な液室形状が容易に構成でき、インク吐出効率の大幅向
上が可能となる。（２）請求項２に対応する効果：圧電素子として、積層
ＰＺＴの利用により印加電圧が低電圧での駆動が可能と
なり、ドライバの低コストが可能となる。また、ここで
はｄ₃₁変位を利用しており、大きなＰＺＴ変位が得られ
るため、ＰＺＴの小型化や低コストが可能である。（３）請求項３に対応する効果：圧電素子として、積層
ＰＺＴの利用により印加電圧が低電圧での駆動が可能と
なり、ドライバの低コスト化が可能となる。また、ここ
ではｄ₃₃変位を利用しており、ＰＺＴ変位時の大きな駆
動力が得られるため、剛性の高い振動板の駆動も可能と
なり、結果としてメカ共振が高周波数となり、高速応答
のインクジェットヘッドが可能となる。（４）請求項４に対応する効果：実質の液室配列密度１
／２以下に構成でき、複雑で微細な液室部品の製造が容
易に構成できる。また、流体であるインクに対して有利
な液室形状が容易に構成でき、インク吐出効率の大幅向
上が可能となる。（５）請求項５に対応する効果：振動板領域が、円形ま
たはほぼ円形に近い形状であるため、全て振動変形領域
のほぼ中心軸上にノズルを配置した構成が可能となって
おり、振動時の圧力伝搬効率が上がり、インクの吐出効
率、またインク充填性や気泡の排出性に対して非常に有
利な構成となる。（６）請求項６に対応する効果：積層ＰＺＴの大きな変
位に対しても振動板の変形領域の応力集中を避け、駆動
耐久性を大きく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるオンデマンド型インクジェット
ヘッドの一実施例を説明するための構成図である。

【図２】図１における振動板とインク液室とノズル配
列を示す図である。

【図３】図１における基板と積層ＰＺＴの構成図であ
る。

【図４】図１における基板と積層ＰＺＴの他の構成図
である。

【図５】本発明における振動板とインク液室とノズル
配列の他の構成図である。

【符号の説明】

１…ノズルプレート、２…ノズル、３…振動板領域、４
…インク液室、５…インク共通液室、６…液室部材、７
…隔壁部材、８…積層圧電素子（ＰＺＴ）、９…フレー
ム、１０…基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩瀬政之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者中野智昭東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者広瀬武貞東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者飴山実東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のノズルと、各ノズルに連通する複
数のインク室と、前記各インク室を加圧するために配置
した複数の圧電素子とを備えたオンデマンド型インクジ
ェットヘッドにおいて、圧電材料と電極材料を交互に複
数組積層して成る圧電素子を所定のピッチで１列に配列
されたアクチュエータユニットと、該アクチュエータユ
ニットに対して複数列設けられた液室ユニットと、該液
室ユニットに連通されたノズルユニットとを具備したこ
とを特徴とするオンデマンド型インクジェットヘッド。
【請求項２】前記アクチュエータユニットが、前記圧
電材料と電極材料を交互に複数組積層して成る圧電素子
を積層の厚みと直角方向の変位を利用した構成で１列に
配列されたものであることを特徴とする請求項１記載の
オンデマンド型インクジェットヘッド。
【請求項３】前記アクチュエータユニットが、前記圧
電材料と電極材料を交互に複数組積層して成る圧電素子
を積層の厚み方向である変位を利用した構成で１列に配
列されたものであることを特徴とする請求項１記載のオ
ンデマンド型インクジェットヘッド。
【請求項４】前記圧電材料と電極材料を交互に複数組
積層して成る圧電素子を所定のピッチで１列に配列した
アクチュエータユニットに対し、前記液室ユニットおよ
びノズルユニットを千鳥配置に構成したことを特徴とす
る請求項１記載のオンデマンド型インクジェットヘッ
ド。
【請求項５】複数のノズルと、各ノズルに連通する複
数のインク室と、前記各インク室を加圧するために配置
した複数の積層型圧電素子とを備えたオンデマンド型イ
ンクジェットヘッドにおいて、各圧電素子の伸縮でイン
ク室隔壁を変形さすことにより加圧するための変形領域
に対し、該変形領域のほぼ中心軸上に各ノズルを配置し
たことを特徴とするオンデマンド型インクジェットヘッ
ド。
【請求項６】前記各圧電素子の伸縮でインク室隔壁を
変形さすことにより加圧するための変形領域の形状を、
ほぼ円形または長円形とし、長円形については短径１に
対し長径４以下の比としたことを特徴とする請求項５記
載のオンデマンド型インクジェットヘッド。