JPH0929963A - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多数ピン同時印字においてもクロスト−ク及
び吐出不良の虞の無い高い印字品質を有するインクジェ
ット式印字ヘッドを提供するものである。 【構成】 キャビティプレート３４のインク室２のマニ
ホ−ルド９０近傍が曲がり、隣接するインク室３２を隔
てる側壁の一部がアクチュエータ３９の下部に位置する
ように構成されているため、キャビティプレート３４と
アクチュエータ３９とを外縁部の接着部５１，５３だけ
でなく、インク室３２とマニホ−ルド９０との間の屈曲
部５２でも接合でき、キャビティプレート３４の剛性が
上げられる。その結果、同時噴射時に問題となるキャビ
ティプレート９０の逃げや歪みが抑制され、高い印字品
質が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を飛翔させて
印字媒体上にドットによる文字あるいは図形を形成する
インクジェット式印字ヘッドに備えられたキャビティの
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、これまでのインパクト方式の記録
装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト方式の記録装置の中で、原理が最も単純
で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとして、
インクジェット方式の記録装置が挙げられる。インクジ
ェットプリンタは高速印字、低騒音、高印字品質であ
り、且つ比較的簡易な構成で製造コストが低くできるな
どの利点があることから注目されている。

【０００３】インクジェットプリンタに用いられるイン
クジェット式印字ヘッドには複数の方式が提案されてお
り、中でも記録に使用するインク滴のみを噴射するドロ
ップ・オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニン
グコストの安さなどから急速に普及している。

【０００４】その一例である圧電素子を用いたインクジ
ェット式印字ヘッドは、インク流路の壁面の一部を電圧
印加された圧電素子の変位により変形させ、前記インク
流路内のインクに圧力を付加することにより、ノズルか
らインク滴を飛翔させている。

【０００５】前記インクジェット式印字ヘッドは、図８
乃至図１０に示すように、先端部が複数に分割され、そ
の各々が選択的に縦方向に変位する柱状の圧電セラミッ
クス８１と、前記圧電セラミックス８１の先端部の変形
に追従する弾力性のある薄板８２と、ノズルに連通する
インク室８３及びマニホールドが形成された樹脂製のキ
ャビティプレート８４と、圧電セラミックス８１の変形
方向を規制する補強板８５とが接着された構成を有して
いる。前記圧電セラミックス８１の先端部は、それぞれ
インク流路８３の上部に位置するように配置され、キャ
ビティプレート８４をその外縁部で支持している。

【０００６】前記圧電セラミックス８１の各先端部に
は、ワイヤボンディング等でドライバの電気配線が接続
されており、駆動電圧は電気配線を介して給される。圧
電セラミックス８１の先端部は前記駆動電圧の印加によ
り変位し、薄板８２を変形させてインク流路８３内のイ
ンクに圧力を付加させることにより、インク液滴をノズ
ルから吐出させて印字している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記イ
ンクジェット式印字ヘッドでは、キャビティプレート８
４に高密度に配設されたインク室８３やマニホールドの
為の溝や凹部が多数形成されており、キャビティプレー
ト８３の剛性が不足し易い。また、柱状の圧電セラミッ
クス８１の先端部は、各々分離されている上、図９に示
すように、その長手方向の両縁部のみでキャビティプレ
−ト８４を支持しており、この支持部の間隔Ｌが長くな
っている。

【０００８】そのため、従来のインクジェット式印字ヘ
ッドでは、圧電セラミックス８１とキャビティプレート
８４との接合強度が小さく、キャビティプレート８４は
外力に対して変形し易い構造となっている。よって、圧
電セラミックス８１が駆動されたとき、その圧電セラミ
ックス８１の変位は対応するインク室８３のみでなく、
キャビティプレート８４全体に波及し易くなる。つま
り、圧電セラミックス８１の変位がインク室８３単体の
容積変化を生じさせるのみでなく、キャビティプレート
８４全体を外方に湾曲させたり、捻れ方向に変形させる
ように作用してしまう。

【０００９】キャビティプレート８４が外方に逃げるよ
うに湾曲すると所望のインク室８３の容積変化が阻害さ
れてしまい、インクに効率よく圧力を付加させることが
困難となる。逆に、キャビティプレート８４が捻れ方向
に変形すると隣接するインク室８３等には無用な圧力変
動を生じさせることになる。

【００１０】この現象は、複数のインク室８３において
同時噴射されるとき、即ち一度に大きな変位がキャビテ
ィプレート８４に与えられるときに特に顕著に発生す
る。そして、場合によってはインクの吐出不良やクロス
トークが頻繁に生じたりして、インクジェット式印字ヘ
ッドとしての充分な特性がでないという問題点があっ
た。

【００１１】上記吐出不良を解消するために、駆動電圧
を高めてインク室８３に付加する圧力を大きくする手法
が考えられるが、駆動電圧を高めても問題の根本である
キャビティプレート８４の湾曲や捻れ等の歪みは解消さ
れていない。そのため、依然としてクロストークの問題
や、同時駆動される圧電セラミックス８１の数により吐
出されるインク液滴の径や速度がばらつく等の問題が残
っていた。

【００１２】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、キャビティ部材の印字時の逃げ
や歪みを抑え、高い印字品質を有する安価なインクジェ
ット式印字ヘッドを提供することを目的とする。

【００１３】

【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式印字ヘッドは、インク吐出
ノズルと連通する複数のインク室と各インク室にインク
を供給するマニホールドとが形成されたキャビティ部材
と、前記インク室と対向するようにそれぞれ配設され、
且つ対応するインク室内のインクに機械的振動を与えて
インク小液滴を吐出させる複数のアクチュエータ手段と
を備え、隣接するインク室を隔てる側壁の前記マニホー
ルド近傍が一部屈曲しており、前記アクチュエータ手段
が、前記側壁の屈曲部とキャビティ部材のインク室が形
成されていない外縁部とにより前記キャビティ部材を支
持するように構成される。

【００１４】尚、前記アクチュエータ手段は、前記キャ
ビティ部材の外縁部であって、インク室の長手方向に位
置する一縁部及び他縁部と、前記側壁の屈曲部との三点
にて前記キャビティ部材を支持してもよい。

【００１５】尚、前記アクチュエータ手段は、前記イン
ク室のインク吐出ノズルと前記屈曲部とに挟まれた領域
に対向する部位でのみ変位するものでもよい。

【００１６】尚、前記アクチュエータ手段は、圧電材料
からなる圧電層と電極層とを交互に積層した積層式圧電
素子からなるものでもよい。

【００１７】尚、前記インクは、常温時に固体であり、
印字時においては加熱により溶融される熱溶融性インク
であってもよい。

【００１８】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１に係わる
インクジェット式印字ヘッドにおいては、キャビティ部
材のインク室を構成する側壁のマニホ−ルド側近傍が屈
曲しており、その側壁の屈曲部でもアクチュエータ手段
に支持されるように構成されている。そのため、アクチ
ュエータ手段と、インク吐出ノズルからマニホ−ルドに
至るまでの中間部にても接合でき、キャビティ部材の剛
性を向上させられる。その結果、同時噴射時に問題とな
るインク室内の発生圧力によるキャビティ部材の湾曲や
捻れ等の歪みに起因する吐出圧力の抜けやクロストーク
が抑制され、高い印字品質が得られる。

【００１９】請求項２に係わるインクジェット式印字ヘ
ッドにおいては、アクチュエータ手段が、キャビティ部
材の外縁部であって、インク室の長手方向に位置する一
縁部及び他縁部と、前記側壁の屈曲部との三点にてキャ
ビティ部材を支持している。よって、前記アクチュエー
タ部材とキャビティ部材との接合は確実なものとなり、
更にキャビティ部材の剛性を向上させられるため、高品
位の印字品質が得られる。

【００２０】請求項３に係わるインクジェット式印字ヘ
ッドにおいては、アクチュエータ手段は、前記インク室
のインク吐出ノズルと前記屈曲部とに挟まれた領域に対
向する部位でのみ変位し、キャビティ部材との接合部や
マニホールド対向部では変位しない。よって、アクチュ
エータ手段の変位を、効率よくインク室内のインクにに
機械的振動として付加することが出来る。

【００２１】請求項４に係わるインクジェット式印字ヘ
ッドにおいては、アクチュエータ手段は所謂積層式圧電
素子よりなるため、低電圧にても大きな変位が得られる
効率のよい駆動を行なうことが出来る。

【００２２】請求項５に係わるインクジェット式印字ヘ
ッドにおいては、比較的粘性の高い熱溶融性インクを用
いるため、前記屈曲部を形成することによるインク室の
流体抵抗の変化に依らず、マニホールドよりのインク供
給が確実になされる。

【００２３】

【実施例】本発明を具体化した一実施例を、図１乃至図
７を参照しながら詳細に説明する。

【００２４】図７に、本発明の一実施例であるインクジ
ェット式印字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１０は、軸１２に
よりフレーム１３に回転可能に取り付けられており、モ
ータ１４によって駆動される。プラテン１０には紙１１
がセットされており、プラテン１０に対向してインクジ
ェット式印字ヘッド１５が設けられている。インクジェ
ット式印字ヘッド１５は、インク供給装置１６と共にキ
ャリッジ１８上に載置されている。キャリッジ１８はプ
ラテン１０の軸線に平行に配設された２本のガイドロッ
ド２０に摺動可能に支持されると共に、一対のプーリ２
２に巻き掛けられたタイミングベルト２４が結合させら
ている。そして、一方のプーリ２２がモータ２３によっ
て回転させられ、タイミングベルト２４が送られること
によりキャリッジ１８はプラテン１０に沿って移動させ
られる。

【００２５】図１乃至図３に、前記インクジェット式印
字ヘッド１５に用いられるアレイ３０の構成及び断面を
示す。このアレイ３０は、図中紙面に垂直な方向に伸長
した複数のインク室３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及びマニホ
ールド９０が形成されたキャビティプレート３４と、前
記キャビティプレート３４に薄膜状の振動板３５を介し
て固着された積層式圧電素子３８と、同じくキャビティ
プレート３４に前記積層式圧電素子３８とは反対側に固
着されたオリフィス３７を有するオリフィスプレート３
６と、前記積層式圧電素子３８の前記インク室３２ａ〜
３２ｃと対向する側に固着された弾性率の高い金属、ま
たはセラミックからなるベースプレート３３とを備えて
構成されている。

【００２６】尚、前記インク室３２ａ〜３２ｃにはイン
クが充填されており、それぞれマニホールド９０を介し
てインク供給装置より適宜インクが供給される。本実施
例のインクは、常温で固体であり、加熱により溶融され
る所謂ホットメルトインクを使用する。図示はしない
が、本実施例のインクジェットプリンタは、ホットメル
トインクを溶融状態で使用する為にインク流路にヒータ
等が設けられている。

【００２７】本実施例のインクジェット式印字ヘッド１
５における積層式圧電素子３８は、圧電・電歪効果を有
する圧電セラミックス層４０と、内部負電極層４２と、
内部正電極層４４を複数枚積層したものである。そし
て、積層式圧電素子３８は、図３及び図４に示すよう
に、その一端面が前記インク室３２ａ〜３２ｃに対して
１対１で対応するようなピッチでダイサ−等によりスリ
ット加工が施されており、複数に分割されたアクチュエ
ータ３９を備えた櫛歯状構造をとっている。このアクチ
ュエータ３９の幅は、インク室３２の幅より小さくして
あり、前記アクチュエータ３９の自由端が各インク室３
２に対応するように配置されている。

【００２８】各アクチュエータ３９においては、図２及
び図４に示すように、内部負電極層４２と内部正電極層
４４とが圧電セラミックス層４０を介して、前記アクチ
ュエータ３９の長手方向略中央部でのみ交差するように
積層されている。この両電極層４２，４４が交差する領
域が圧電活性部４６を、その他の領域が圧電不活性部４
８を構成している。尚、各アクチュエータ３９の圧電活
性部４６は、インク室３２のオリフィス３７と後述する
屈曲部５２とに挟まれた領域に対向する部位に形成され
ている。

【００２９】前記圧電セラミックス層４０は、強誘電性
を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミッ
クス材料にて構成されており、積層方向に分極させられ
ている。図２の圧電セラミックス層４０に示されている
矢印は分極方向を示している。また、各電極層４２，４
４はＡｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、内部負電極層４
２はその一部がアクチュエータ３９の長手方向の一端面
に露出し、内部正電極層４４はその一部が長手方向の他
端面で露出している。そして、各々の電極４２，４４が
露出する端面に導電層が形成されて、外部負電極５５及
び外部正電極５４が形成されている。アクチュエータ３
９の各電極層４２，４４間に電界が印加された場合、前
記圧電活性部４６が厚み方向に圧電変形を起こす。但
し、その他の領域である圧電不活性部４８では変形を生
じない。

【００３０】一方、キャビティプレート３４は、樹脂材
料を用いた射出成形により成形され、図５に示すよう
に、平行に配列された複数のインク室３２とそれらに連
通するマニホールド９０とが形成されている。上述の櫛
歯状に分割されたアクチュエータ３９に対応するインク
室３２ａ〜３２ｃにおいて、隣接するインク室３２を隔
てる側壁のマニホ−ルド９０近傍に位置する部位が、前
記アクチュエータ３９の下部に位置するように屈曲した
構造になっている。結果、この屈曲部５２は振動板３５
を挟んでアクチュエータ３９に接合される。

【００３１】キャビティプレート３４は、図２及び図５
に示すように、積層式圧電素子３８に、そのインク室３
２及びマニホールド９０の凹部が形成されていない外縁
部と前記屈曲部５２にて支持されている。また、インク
室３２単位でみれば、前記キャビティプレートの外縁部
であって、インク室３２の長手方向に位置する一縁部で
ある第１接着部５１及び他縁部の第２接着部５３と、前
記側壁の屈曲部５２との三点にてアクチュエータ３９に
支持されることになる。

【００３２】前記屈曲部５２を形成することによってイ
ンク室３２の流体抵抗が増加してマニホールド９０より
のインク補充に支障が出ることが無いように、屈曲部５
２の屈曲角度は小さくするのが好ましい。尚、本実施例
では、一般に粘度の高いホットメルトインクを使用する
ため、インク室３２の流体抵抗の変化に依らずマニホー
ルド９０よりのインク供給が確実に行なわれる。

【００３３】また、上記アレイ３０には、それぞれ図６
に示されている電気回路が設けられている。この電気回
路において、駆動電源６０の負極側と積層式圧電素子３
８の外部負電極５５とは接地されており、前記駆動電源
６０の正極側は開閉スイッチ６２ａ，６２ｂ，６２ｃを
介して前記積層式圧電素子３８の外部正電極５４ａ〜５
４ｃに接続されている。この各スイッチ６２ａ〜６２ｃ
が図示しないコントローラによって閉じられることによ
り、駆動電源６０から所定のアクチュエータ３９ａ〜３
９ｃに位置する内部負電極層４２と内部正電極層４４間
に駆動電圧が印加される。

【００３４】以上のように構成されたインクジェット式
印字ヘッド１５の動作について説明する。尚、説明の便
宜上チャンネル数を３つにしてあるが、本発明は本実施
例に限定されるものではない。

【００３５】所定の印字データに従って、前記コントロ
ーラが例えばスイッチ６２ａを閉じると、アクチュエー
タ３９ａの内部負電極層４２と内部正電極層４４ａとの
間に電圧が印加され、それらの間に位置する圧電セラミ
ックス層４０にバイアス電界が印加され、圧電・電歪縦
効果の寸法歪に従い前記アクチュエータ３９ａの圧電活
性部４６が図中の上下方向に伸張し、前記インク室３２
ａの容積を減少させる。そして、インク室３２ａ内のイ
ンクがオリフィス３７ａから液滴となって噴射される。
また、スイッチ６２ａが開いて電圧の印加が遮断されア
クチュエータ３９ａの圧電活性部４６が元の位置まで戻
されると、その時のインク室３２ａの容積増加に伴って
図示しない別の弁を経て前記インク供給装置１６からイ
ンクが補充される。尚、例えば他のスイッチ６２ｂが閉
じられた場合には、アクチュエータ３９ｂの圧電活性部
が変位させられてインク室３２ｂからインクが噴射され
る。

【００３６】すなわち、本実施例のアレイ３０はインク
ジェット式印字ヘッド１５の３つの噴射装置７０ａ，７
０ｂ，７０ｃを構成しているのであり、１つの積層式圧
電素子３８はその３つの噴射装置７０ａ〜７０ｃに跨っ
て設けられた圧電アクチュエータとして機能するのであ
る。

【００３７】ここで、積層式圧電素子３８へ電圧を印加
した時のアレイ方向３１における変形の様子を示す。ア
クチュエータ３９に電圧２５Ｖを印加したとき、内部負
電極層４２と内部正電極層４４とが交差した前記圧電活
性部４６の部分は２００ｎｍ以上の大きな変位をし、前
記圧電活性部４６からはずれた部分（圧電不活性部４
８）ではほとんど変位しない。但し、圧電活性部４６の
端部では、当該圧電活性部４６の変位に引きずられて幾
分変位する。この結果から、積層式圧電素子３８のイン
ク室３２内への変形を効率よくさせるには、前記圧電活
性部４６の長手方向の長さが、インク室３２の長手方向
における長さよりも小さいことが必要であることが分か
る。本実施例においては、アクチュエータ３９の圧電活
性部４６の長手方向の長さを、インク室３２の長さより
も小さくしたので、液滴３９を噴射するためにはわずか
３０Ｖという低駆動電圧で効率のよい噴射を行うことが
できる。

【００３８】ここで問題になるのが、インク室３２を長
くするとインク室３２を形成した部分の剛性が低下し、
印字時の積層式圧電素子３８の発生圧力によりキャビテ
ィプレート３４が歪み易くなる点である。そのため、発
生圧力が逃げたり他のインク室３２に波及したりして、
インクの吐出性能に悪影響（例えば、インク液適の不揃
いや不吐出、クロストーク等）がでやすくなる。しかし
ながら、本実施例のインクジェット式印字ヘッド１５で
は、インク室３２のマニホ−ルド９０近傍を屈曲させて
屈曲部５２を形成し、この屈曲部５２でもキャビティプ
レート３４を接着固定出来る構造にした事により、イン
ク室３２の剛性が格段に上がりキャビティプレートの歪
みが防止される効果を有する。結果、発生圧力の抜けや
クロストークが抑制され、同時噴射時においても高い印
字品質のインクジェットプリンタを提供出来る。

【００３９】また、本実施例の圧電式インクジェットプ
リンタ１５においては、１つの積層式圧電素子３８が複
数の噴射装置７０ａ〜７０ｃの圧電アクチュエータとし
て機能するため、アレイ３０、更にはそのアレイ３０を
多数組み付けることによってインクジェット式印字ヘッ
ド１５の構造が簡略化され、製造工数も少なくなって製
造コストが低減されるのである。そして、圧電アクチュ
エータが積層式圧電素子３８であることに加えて、伸長
方向においてインク室３２の長さをアクチュエータ部４
６よりも大きくしたため、効率のよい変形が得られるの
で、駆動電圧が大幅に低減できた。

【００４０】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において数々の変
形を加えることもできる。

【００４１】

【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式印字ヘッドにおいては、キャビ
ティ部材に形成されたインク室のマニホ−ルド近傍を屈
曲させ、前記インク室を構成する側壁の一部がアクチュ
エータ手段と重なる様に構成されている。そのため、キ
ャビティ部材とアクチュエータ手段を外縁部のみでな
く、インク室とマニホ−ルドとの間でも接合でき、キャ
ビティ部材の剛性を向上させる。その結果、複数のイン
ク室からの同時噴射時に問題となるキャビティ部材の逃
げや歪みが抑制され、吐出不良やクロストークの無い高
い印字品質が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施例のインクジェット
式印字ヘッドを成すアレイの構成を示す斜視図である。

【図２】本実施例のアレイの側断面図である。

【図３】本実施例のアレイの一部破断横断面図である。

【図４】本実施例のインクジェット式印字ヘッドに用い
られる積層式圧電素子の斜視図である。

【図５】本実施例のインクジェット式印字ヘッドに用い
られるキャビティの平面図である。

【図６】本実施例のアレイに電気回路が設けられた状態
を示す説明図である。

【図７】本実施例のインクジェット式印字ヘッドを搭載
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。

【図８】従来のインクジェット式印字ヘッドの構成を示
す斜視図である。

【図９】従来のインクジェット式印字ヘッドの側断面図
である。

【図１０】従来のインクジェット式印字ヘッドの横断面
図である。

【符号の説明】

３２ インク室 ３４ キャビティプレート ３８ 積層式圧電素子 ３９ アクチュエータ ４６ 圧電活性部 ４８ 圧電不活性部 ５１ 第１接着部 ５２ 屈曲部 ５３ 第２接着部 ９０ マニホ−ルド

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク吐出ノズルと連通する複数のイン
   ク室と各インク室にインクを供給するマニホールドとが
   形成されたキャビティ部材と、 前記インク室と対向するようにそれぞれ配設され、且つ
   対応するインク室内のインクに機械的振動を与えてイン
   ク小液滴を吐出させる複数のアクチュエータ手段とを備
   え、 隣接するインク室を隔てる側壁の前記マニホールド近傍
   が一部屈曲しており、前記アクチュエータ手段が、前記
   側壁の屈曲部とキャビティ部材のインク室が形成されて
   いない外縁部とにより前記キャビティ部材を支持するよ
   うに構成されたことを特徴とするインクジェット式印字
   ヘッド。
2. 【請求項２】 前記アクチュエータ手段は、前記キャビ
   ティ部材の外縁部であって、インク室の長手方向に位置
   する一縁部及び他縁部と、前記側壁の屈曲部との三点に
   て前記キャビティ部材を支持することを特徴とする請求
   項１に記載のインクジェット式印字ヘッド。
3. 【請求項３】 前記アクチュエータ手段は、前記インク
   室のインク吐出ノズルと前記屈曲部とに挟まれた領域に
   対向する部位でのみ変位することを特徴とする請求項１
   又は２に記載のインクジェット式印字ヘッド。
4. 【請求項４】 前記アクチュエータ手段は、圧電材料か
   らなる圧電層と電極層とを交互に積層した積層式圧電素
   子からな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式印字ヘッド。
5. 【請求項５】 前記インクは、常温時に固体であり、印
   字時においては加熱により溶融される熱溶融性インクで
   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
   式印字ヘッド。