JPH08309971A - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多段階の階調表現や、解像度変更など、ドロ
ップ速度を変更することなく同一の駆動条件で、明確な
多段階のドロップ容量を吐出することができるインクジ
ェットプリンタヘッドを提供する。 【構成】 インクジェットプリンタヘッド１０は、１つ
のノズル１４に対して、ポンピングチャンバー１７が複
数接続していると共に、前記ポンピングチャンバー１７
を構成する側壁は、各々同じ回転方向を有する渦巻形状
を成しながら連通孔１２と結合している。よって、ＰＺ
Ｔ素子１６より生ぜしめられたインク流は、前記側壁に
より回転が付与されて渦流となって連通孔１２に流れ込
み、ノズル１４からインクを吐出させる。更に、複数の
ポンピングチャンバー１７より同時にインク流を生ぜし
めても、各々の流束は互いに干渉・相殺することがな
く、連通孔１２にて渦流を重畳させて、ノズル１４から
大粒のインクを吐出させることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を吐出して印
字記録を行なうインクジェット記録装置に用いられるイ
ンクジェットプリンタヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェットヘッドとしては、
ドロップオンデマンド方式がよく知られており、例え
ば、エネルギー発生素子として圧電セラミックスを用
い、その圧電セラミックスの変形によってインク流路の
容積を変化させることにより、その容積減少時にインク
流路内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積増
大時にインク導入口から溝内にインクを導入するように
したものがある。そして、所要の印字データに従って所
要の位置のノズルからインク滴を噴射させることによ
り、インクジェットヘッドと対向する紙面上等に所望す
る文字や画像を形成するものである。

【０００３】この種のインクジェットヘッドとしては、
例えば、特開昭６３−２４７０５１号公報、特開昭６３
−２５２７５０号公報及び特開平２−１５０３５５号公
報に記載されているものがある。

【０００４】従来、インクジェットプリンタヘッドのア
クチュエータ部分は、主に、インクを吐出するノズルを
備えたノズルプレートと、インク流路を成すインクキャ
ビティが形成されたキャビティプレートと、インク流路
内のインクを吐出させる為のエネルギー素子等からなる
駆動源と、インクマニホールドなどのインク供給系とか
ら構成されており、各構成部品は接着などの手法で組み
立てられていた。そして、エネルギー発生素子として電
気−熱変換素子である発熱素子を利用した、いわゆるバ
ブルジェット方式印字ヘッドや、上記のような電気−機
械変換素子である圧電素子を利用したピエゾ方式印字ヘ
ッド等が実用化されている。

【０００５】また、個別のインク流路となる複数の凹溝
部を持つキャビティプレートは、金属プレートのエッチ
ングや樹脂成形、感光性樹脂の光造形などの手法で形成
されていた。このような手法で形成されたインク流路
は、精度良く均一な寸法で形成できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おけるインクジェットヘッドは、均一な安定したインク
ドロップを吐出できるものの、ドロップ径を変化させる
ために駆動条件を大きく変更することは難しかった。特
に、インクドロップの速度を変えずにドロップ容量をコ
ントロールして明確な階調表現をしたり、解像度を変え
たりする事が充分にはできなかった。

【０００７】ドロップ径を変化させる方法として、エネ
ルギー発生素子に供給する電圧信号を変化させる方法が
ある。具体的には、印加するパルス電圧の大きさ並びに
パルス幅を変化させることによってドロップ径を制御す
るものである。しかし、その為には複数の電源を備えさ
せる必要があったり、出力調整可能な電源を必要とし、
電源に係る回路構成や制御が複雑となると共にコストが
高くなる問題点を内包していた。

【０００８】また、実公昭５４−８７４７号公報におい
ては、１つの噴射孔に対して複数のインク流路が結合さ
れ、各々のインク流路に対応して圧電振動子を配設した
インク滴噴射装置が開示されている。複数の圧電振動子
による圧力変化を重畳して噴射孔からインク滴を噴射さ
せることが出来、従って、駆動させる圧電振動子の数を
調整することで噴射孔から得られるインク滴の大きさを
制御することが可能であるとしている。

【０００９】しかし、上記インク噴射装置のように、た
だ１つの噴射孔に対して複数のインク流路が結合されて
いるものにおいて、圧電振動子を１つ駆動させた場合に
噴出されるインク滴の容量と、複数の圧電素子を同時に
駆動させた場合に噴出されるインク滴の容量とを比較し
ても、駆動した圧電振動子の数だけ乗算してにインク容
量が多くなるとは限らなかった。それは、圧電振動子の
与える圧力変化が相互干渉して減衰されるためである。

【００１０】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、流路構成により明確な階調表現
や解像度変更を可能とする吐出特性が得られるドロップ
オンデマンド方式のインクジェットプリンタヘッドを提
供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインクジェットプリンタヘッドは、インクを
吐出するためのノズルと、そのノズルに連通する連通孔
を有し且つインクが充填されたインクキャビティと、前
記インクキャビティ内のインクを噴射する為のエネルギ
ーを付加するエネルギー発生素子とを備えたものであ
り、さらに、１つのノズルに対して、前記インクキャビ
ティが１つの連通孔を介して複数接続していると共に、
前記インクキャビティを構成する少なくとも前記連通孔
付近の側壁は、各々同じ回転方向を有する渦巻形状を成
しながら前記連通孔と結合している。

【００１２】尚、前記インクキャビティは、前記連通孔
に対して、それぞれの一側面がインボリュート曲線を成
しながら結合していてもよい。

【００１３】尚、ノズルにつながる各々の前記連通孔に
対して、前記インクキャビティは２つずつ接続され、前
記連通孔を中心として、前記２つのインクキャビティは
対向するとともに、互いに逆方向にオフセットして前記
連通孔に結合していてもよい。

【００１４】尚、前記連通孔は、ノズルに向かって次第
に細くなるテーパ形状を有してもよい。

【００１５】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１に係るイ
ンクジェットプリンタヘッドによれば、１つのノズルに
対して、インクキャビティが１つの連通孔を介して複数
連通していると共に、前記インクキャビティを構成する
少なくとも前記連通孔付近の側壁は、各々同じ回転方向
を有する渦巻形状を成しながら前記連通孔と結合してい
る。よって、インクキャビティにてエネルギー発生素子
より生ぜしめられたインク流は、前記側壁により回転が
付与されて渦流となって連通孔に流れ込み、ノズルから
インクを吐出させる。更に、複数のインクキャビティよ
り同時にインク流を生ぜしめても、各々の流速は互いに
干渉・相殺することがなく、前記連通孔にて渦流を重畳
させて、ノズルから大粒のインクを吐出させることが出
来る。それにより、ノズルより吐出されるインクドロッ
プの大きさの種類は、単一のインクキャビティの場合に
比べて多くなり、たとえば多段階の階調表現や、解像度
変更など、ドロップ速度を変更することなく同一の駆動
条件で、明確な多段階のドロップ容量を吐出することが
できる。

【００１６】また、キャビティからノズルに向かって流
れるインク流に回転を付与することにより、気泡の滞留
を防ぎ、併せて、ノズルからのドロップの吐出方向およ
び吐出特性の安定化を可能とする。

【００１７】請求項２に係るインクジェットヘッドにお
いては、インクキャビティが、前記連通孔に対して、そ
れぞれの一側面がインボリュート曲線を成しながら結合
されている。よって、エネルギー発生素子より生ぜしめ
られたインク流は、前記側壁により案内されてその勢い
を殺すことなく高い効率で連通孔へ流れ込み、そこで回
転速度の高い渦流を発生させる。従って、より強力に気
泡の滞留を防ぐと共に、ノズルからのドロップの吐出方
向および吐出特性を高精度で安定化できる。

【００１８】請求項３に係るインクジェットヘッドにお
いては、インクキャビティが、ノズルにつながる各々の
連通孔に対して２つずつ接続され、前記連通孔を中心と
して、前記２つのインクキャビティは対向するととも
に、互いに逆方向にオフセットして前記連通孔に結合さ
れている。つまり、各々のインクキャビティからのイン
ク流が互いに干渉しない最も効果的な配置が成されてい
る。また、マルチノズル化した場合に、きわめて高密度
にノズルを配列することが出来る。

【００１９】請求項４に係るインクジェットヘッドにお
いては、連通孔は、ノズルに向かって次第に細くなるテ
ーパ形状を有する。よって、インクはノズル方向に進む
につれてその吐出圧力が次第に高められるため、勢いの
良いインクドロップを前記ノズルより吐出でき、前記ド
ロップの吐出方向および吐出特性を高精度で安定化でき
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００２１】図４に、本発明の一実施例であるインクジ
ェットヘッドを搭載するインクジェットプリンタの要部
を示す。図中におけるプラテン１１０は、軸１１２によ
りフレーム１１３に回転可能に取り付けられており、モ
ータ１１４によって駆動される。プラテン１１０には紙
１１１がセットされており、プラテン１１０に対向して
インクジェットヘッド１０が設けられている。インクジ
ェットプリンタヘッド１０は、インク供給装置１１６と
共にキャリッジ１１８上に載置されている。キャリッジ
１１８はプラテン１１０の軸線に平行に配設された２本
のガイドロッド１２０に摺動可能に支持されると共に、
一対のプーリ１２２に巻き掛けられたタイミングベルト
１２４が結合させらている。そして、一方のプーリ１２
２がモータ１２３によって回転させられ、タイミングベ
ルト１２４が送られることによりキャリッジ１１８はプ
ラテン１１０に沿って移動させられる。

【００２２】図１に、本発明の実施例のインクジェット
プリンタヘッド１０の断面図を示し、図２に、本実施例
のキャビティプレート１１のインク流路の構成図を示
す。キャビティプレート１１は感光性ガラスであり、そ
の厚さは０.５〜２ｍｍである。そのキャビティプレー
ト１１には、ノズル１４につながる連通孔１２が、所定
のノズル数だけ所定の位置に形成されている。連通孔１
２には、それぞれ１つに対して２つのインクキャビティ
（ポンピングチャンバー１７）が互いに対向する位置に
形成されており、さらに、ポンピングチャンバー１７は
連通孔１２に対して互いに逆方向にオフセットされ設置
されている。そして、各々のポンピングチャンバー１７
を構成する少なくとも連通孔１２付近の側壁は、各々同
じ回転方向を有する渦巻形状（図中でいうと時計回りの
渦流）を成しながら前記連通孔１２と結合している。

【００２３】前記キャビティプレート１１の連通孔１２
には、ノズル１４の列を有するノズルプレート１３がエ
ポキシ系接着剤により接着され、さらに、キャビティプ
レート１１のノズルプレート１３と相対する面には振動
板１５が同じくエポキシ系接着剤により接着されてい
る。又、連通孔１２は各々ノズル１４に向かって次第に
細くなるテーパ形状を有している。

【００２４】振動板１５のポンピングチャンバー１７に
相当する位置には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）素
子１６がやはりエポキシ系接着剤により接着され設置さ
れている。なお、キャビティプレート１１の材質は感光
性ガラスに限定されるものではなく、たとえば金属エッ
チングやセラミックス成形などによっても形成できる。
また、接着剤もエポキシ系接着剤に限定されるものでは
なく、用途に応じてシリコン系やその他の接着剤を用い
ることも可能である。

【００２５】このような構造のインクジェットプリンタ
ヘッド１０は、インク供給管１９、インクフィルター
(図示せず)、インクタンク(図示せず)などを装着するこ
とにより、ヘッドユニットとして完成する。インクタン
ク中のインクは、途中、インクフィルターによってゴミ
や気泡を除去されてインク供給孔２０よりマニホールド
１８に導かれ、個別のポンピングチャンバー１７に分岐
されて各々に充填される。

【００２６】次に、上記構成を有するインクジェットプ
リンタヘッド１０の動作を説明する。プリンタヘッド１
０は、それぞれのＰＺＴ素子１６の所定の駆動により生
ぜしめられたインク流は、前記側壁により回転が付与さ
れて渦流となって連通孔に流れ込み、インク滴が、所定
の容量／速度でそれぞれのノズル１４より均一に安定し
て吐出される。特に、本実施例の連通孔は、連通孔がノ
ズルに向かって次第に細くなるテーパ形状を有している
ため、インクはノズル方向に進むにつれてその吐出圧力
が次第に高められるため、勢いの良いインクドロップを
前記ノズルより吐出でき、前記ドロップの吐出方向およ
び吐出特性を高精度で安定化できる。

【００２７】更に、同一の連通孔１２に連通されたポン
ピングチャンバー１７より同時にインク流を生ぜしめて
も、各々のインク流は同一回転方向を連通孔１２で取る
ため、各々のインク流は殆ど互いに干渉・相殺すること
がなく、前記連通孔にて渦流を重畳させて、ノズルから
大粒のインクを吐出させることが出来る。この時、イン
クドロップの速度は、ＰＺＴ素子１６の駆動電圧波形が
一定である為、容量によらずほぼ安定したものとなる。

【００２８】このように、１つの連通孔１２につながる
２つのポンピングチャンバー１７上に設置された２つの
ＰＺＴ素子１６のうち、所定のパルス電圧波形にていず
れか一方のみを駆動するか、２つ同時に駆動するかの選
択により、ノズル１４から吐出するインクドロップの容
量を、安定して２段階に変更することが可能となる。そ
して、この２段階のインクドロップ容量変化により、た
とえば２段階の階調表現や、たとえば３００ｄｐｉと６
００ｄｐｉの解像度変更が可能となるため、高精細な印
字イメージを実現でき、高品質で高機能なプリンタを提
供することができる。

【００２９】又、本実施例のインクジェットプリンタヘ
ッド１０は、上述の通り、それぞれ１つの連通孔１２に
対して２つのポンピングチャンバー１７が互いに対向す
る位置に形成されており、さらに、ポンピングチャンバ
ー１７は連通孔１２に対して互いに逆方向にオフセット
され設置されている。そのため、一方のポンピングチャ
ンバー１７より生じたインク流が、他のポンピングチャ
ンバー１７に影響を与えたり、或は影響を受けたりして
乱されることが無い。また、各ポンピングチャンバー１
７がこの配置を取ることにより、図２に示すようにノズ
ルを高密度に配列することが可能となり、更なる高解像
度の印字を行なう小型のヘッドを提供することができ
る。

【００３０】更に、上記効果を向上させるには、ポンピ
ングチャンバー１７の連通孔付近の側面はインボリュー
ト曲線形状を成しているのが好ましい。インボリュート
曲線は次式（インボリュート関数）で表される。図３に
はその形状を示す。

【００３１】θ ＝ ｉｎｖ α ＝ ｔａｎ α ＋ α 尚、図３では１つのポンピングチャンバー１７のみ図示
したが対向側にもう１つのポンピングチャンバー１７を
同様な形状で備えているものとする。インボリュート曲
線形状にすると、ポンピングチャンバー１７より生じた
インク流束が効率よく連通孔で渦流を生じ、特にノズル
が設けられたその中心部へとインクは導かれる。従っ
て、より強力に気泡の滞留を防ぐと共に、ノズルからの
ドロップの吐出方向および吐出特性を高精度で安定化で
きる。

【００３２】尚、本発明は上記実施例中に示される構造
に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範
囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施例にお
いては１つの連通孔１２に対して２つのポンピングチャ
ンバー１７が連通されていたが、１つの連通孔１２に対
して３つ以上の多数のポンピングチャンバーが連通され
るようにしてもよい。

【００３３】また、本発明に係るインクジェットプリン
タヘッド１０は、上記実施例に例示されたＰＺＴ素子１
６の変形を用いてインク吐出を行なうものに限定される
ことなく、電気−熱変換素子を用いてインク吐出を行な
う所謂バブルジェット方式のインクジェットプリンタヘ
ッドであってもよい。また、ドロップオンデマンド方式
の吐出形式をとるインクジェットプリンタヘッドに限定
されることなく、コンティニュアスジェット式の吐出形
式をとるものでもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のインクジェットプリンタヘッドによれば、剛性の
高い部材でインク流路を形成する従来手法に加え、１つ
のノズルに対して複数のインクキャビティが１つの連通
孔を介して接続する構造とし、さらに、前記インクキャ
ビティを構成する少なくとも前記連通孔付近の側壁は、
各々同じ回転方向を有する渦巻形状を成しながら前記連
通孔と結合している。これにより、複数ののインク流路
は互いの駆動により干渉することがなく、それにより、
たとえば多段階の階調表現や、たとえば３００ｄｐｉと
６００ｄｐｉとの解像度変更など、ドロップ速度を変更
することなく同一の駆動条件で、明確な多段階のドロッ
プ容量を吐出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のインクジェットプリンタヘッ
ドの断面図である。

【図２】本発明の実施例のキャビティプレートのインク
流路の構成図である。

【図３】本発明の他の実施例のキャビティプレートの連
通孔付近の要部拡大図である。

【図４】本発明の一実施例のインクジェットプリンタヘ
ッドを搭載するインクジェットプリンタの要部を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１０ インクジェットプリンタヘッド １１ キャビティプレート １２ 連通孔 １３ ノズルプレート １４ ノズル １５ 振動板 １６ ＰＺＴ素子 １７ ポンピングチャンバー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出するためのノズルと、その
   ノズルに連通する連通孔を有し且つインクが充填された
   インクキャビティと、前記インクキャビティ内のインク
   を噴射する為のエネルギーを付加するエネルギー発生素
   子とを備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、 １つのノズルに対して、前記インクキャビティが１つの
   連通孔を介して複数接続していると共に、 前記インクキャビティを構成する少なくとも前記連通孔
   付近の側壁は、各々同じ回転方向を有する渦巻形状を成
   しながら前記連通孔と結合していることを特徴とするイ
   ンクジェットプリンタヘッド。
2. 【請求項２】 前記インクキャビティは、前記連通孔に
   対して、それぞれの一側面がインボリュート曲線を成し
   ながら結合していることを特徴とする請求項１に記載の
   インクジェットプリンタヘッド。
3. 【請求項３】 ノズルにつながる各々の前記連通孔に対
   して、前記インクキャビティは２つずつ接続され、前記
   連通孔を中心として、前記２つのインクキャビティは対
   向するとともに、互いに逆方向にオフセットして前記連
   通孔に結合することを特徴とする請求項１もしくは２に
   記載のインクジェットプリンタヘッド。
4. 【請求項４】 前記連通孔は、ノズルに向かって次第に
   細くなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれかに記載のインクジェットプリンタヘッ
   ド。