JP2002086713A - オンデマンド型インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、圧電素子方式のオンデマンド型イ
ンクジェットプリントヘッドにおいて、圧電素子及びそ
れに接続される電気回路を保護し、かつ温度や気圧の変
化に柔軟に対応できる信頼性に優れた長寿命なインクジ
ェットプリントヘッドを提供する。 【解決手段】 本発明のオンデマンド型インクジェット
プリントヘッドは、圧電素子及びそれに接続される配線
の一部を密閉し、その密閉室の一部に圧力調節機構を有
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タが発生する圧力によってインク滴を飛翔させ、記録媒
体にインク像を形成するインクジェットプリンタのプリ
ントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のオンデマンド型インクジェットプ
リンタのプリントヘッドにおいて、インクを噴射する方
式としては電気ヒータによりインク中に気泡を発生させ
てインクを噴射するサーマル方式と、圧電素子を用いて
加圧室の壁面の一部を変形させ、インクを噴射する圧電
素子方式とがある。

【０００３】サーマル方式はホトリソグラフィの技術に
より微細な加工が可能で、ノズルピッチを１００μｍ以
下に出来るという長所があるが、連続噴射の際の周波数
が１０ｋＨｚ程度に限られ、且つ寿命が数億回の噴射に
とどまるという短所がある。

【０００４】一方、圧電素子方式は圧電素子の変位量が
小さいのでインク噴射のためには加圧室の振動板表面積
を大きくする必要があり、そのためノズルピッチを１０
０μｍ程度までしか小さくできない。しかし、駆動周波
数は圧電素子の形状に依存するので２０ｋＨｚ以上にす
ることができ、印刷速度の高速化に適した方式といえ
る。また、サーマル方式と違ってインクの種類を選ばな
いという利点もある。

【０００５】しかし、図９に示すように圧電素子方式
は、圧電素子や導電性接着剤やそれに接続される電極な
どが剥き出しになっており、使用するインクが導電性の
場合、ノズル部材に付着したインク２６の流れ込みやイ
ンクミスト２７がそれらに付着すると、本来圧電素子に
流れるべき電流がリークしたり、あるいは他の圧電素子
に流れ込み、正常なインク吐出量を得られないばかり
か、駆動していないノズルから吐出して出力画像の乱れ
を起し、最悪には、プリンタ制御回路の破損を引き起こ
す。

【０００６】上述したような圧電素子や導電性接着剤や
それに接続される電極など部分とインクとの接触を防止
するために、密閉部材で密閉し、短絡を防ぐことが考え
られる。ところが、圧電素子や導電性接着剤やそれに接
続される電極を密閉すると、長時間連続的にインクを吐
出させることにより圧電素子が発熱し、内気圧が上昇
し、外気圧と圧力差が生じ、振動板に変形が起こり、イ
ンク吐出特性に悪影響を及ぼす問題があった。また、内
気圧と大気圧に差が生じる原因として、使用する地域や
気候によっても大気圧の変動が起こり、プリントヘッド
を空輸する際にも大きな圧力差が生じる。最悪の場合、
圧電素子と振動板との接着剥がれが生じヘッドが破損す
る恐れがあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の課題を解決するものでその目的とするところは、
圧電素子及びそれに接続される配線がインクによってシ
ョートすることを防止し、かつ外部環境や使用条件によ
って特性が変化することがなく信頼性が高い、長寿命の
オンデマンド型インクジェットプリントヘッドを提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、インクを蓄える圧力室と、電気
信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる
圧力発生手段と、圧力室の壁面の少なくとも一部を形成
して前記圧力発生手段と連結されている振動板と、前記
圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、
該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有
するハウジングと、インク滴を前記圧力室から吐出する
ノズルを有するインクジェットプリントヘッドにおい
て、前記振動板、圧力発生手段及びそれに電気信号を印
可するための配線の一部を密閉して大気と連通しない構
造とし、かつ密閉された空間の気圧を大気圧と同じ圧力
に調整する圧力調整機構を具備した。

【０００９】上述した圧力調整機構は、密閉部分を構成
する部材の一部が薄い膜からなる弾性材料で構成されて
いる。または、密閉部を構成する部材の一部に設けられ
た大気と連通する穴と、該穴に不揮発性の高粘度液体が
注入された構造となっている。あるいは、密閉部分を構
成する部材の一部に大気と連通するべく開けられた穴
と、その一部が該穴の内壁形状にならう弾性材料で構成
され、穴の長さ方向に自由に移動し得る部材とで構成さ
れている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一例を図面を参照
して説明する。

【００１１】図１は、本発明のインクジェットプリント
ヘッドの主要部の構造を説明する分解斜視図である。

【００１２】図において、２は複数のノズル１を形成し
たオリフィスプレートである。ノズル１の開口形状の加
工精度はインクジェットプリントヘッドのインク吐出特
性に大きな影響を及ぼす。複数のノズル１間においてこ
れらのノズル精度ばらつきを低く押さえるため、オリフ
ィスプレート２の製法は高い加工精度が要求される。こ
のためオリフィスプレート２はステンレスの精密プレス
法、レーザ加工法またはニッケルの電鋳加工等により形
成する。

【００１３】オリフィスプレート２には、圧力室３が形
成されたチャンバプレート４、及びインク供給路１０と
圧力室３とを連結し、かつ圧力室３へのインク流入を制
御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート
６を、位置決めして接合する。

【００１４】更に、圧電アクチュエータ１３の圧力を効
率よく圧力室に伝えるための振動板７と、共通インク通
路１０からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等
を取り除くフィルタ部８を形成したダイアフラムプレー
ト９と、共通インク通路１０を形成したハウジング１１
とを同じように位置決めして接合する。

【００１５】前述したチャンバプレート４、リストリク
タプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス
材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法に
て作る。ハウジング１１はステンレス材の切削加工等で
形成し、外部インクタンクからインクを共通インク通路
１０まで導くインク導入パイプ２０を接合する。

【００１６】最後に、複数の積層圧電体素子１４と、そ
れを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ
１３を位置決めして接合する。本発明の圧電アクチュエ
ータ１３を製作する順序は、まず支持基板１６に積層圧
電体素子棒を複数本並べて接着・固定し、その後、積層
圧電体素子棒をダイシングソー、ワイヤソー等を利用し
た切断により分割する。この時、分割された各々の積層
圧電体素子１４は圧力室の一つずつに対応するようにな
っている。

【００１７】更には支持基板１６にはそれぞれの積層圧
電体素子１４に外部駆動回路から独立した電気信号を送
るための個別電極１７及び共通電極１８が形成されてい
る。外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電体素子１
４に印可されることにより、圧電体素子１４はひずみを
生じる。圧電体素子１４は高剛性の支持基板１６上に接
合されているため、振動板７に優先的に変位を与え圧力
室３の圧力を高める。

【００１８】以上、本例にて説明するインクジェットプ
リントヘッドはこうした原理によってノズル１からイン
クを吐出して記録媒体上にインク画像を形成する装置に
用いられる。

【００１９】なお、本例では、配列ピッチは３７．５分
の１インチ、約６７７μｍとしたが、ノズル数、列数、
及びユニット構成はどの様な組み合わせでも限定される
ものではない。

【００２０】図２は本発明となるプリントヘッドの部分
断面図である。

【００２１】圧電アクチュエータ１３は支持基板１６と
積層圧電体素子１４とで構成される。積層圧電体素子１
４は弾性材料１２を介して振動板７と接合されている。
振動板７とチャンバプレート４とで圧力室３を構成して
いる。圧力室３内の圧力は振動板７が変形する事により
急激に変動する。支持基板１６には個別電極１７と共通
電極１８が形成されていて、積層圧電体素子１４と導電
性接合部材１５で電気的に接続されている。外部駆動回
路から選択的な電気信号が積層圧電体素子１４に印可さ
れることにより積層圧電体素子１４はノズル１へ向かう
方向に変位を発生する。この変位により弾性部材１２を
介して振動板７が変形し圧力室３内に充填されたインク
は加圧され、ノズル１からインク滴となって吐出する。

【００２２】上述したプリントヘッドにおいて、本発明
では、振動板７及びハウジング１１および密閉部材２１
によって密閉室２１aを構成し、この密閉室２１ａ内の
振動板７に弾性部材１２で接合されている積層圧電体素
子１４と、積層圧電体素子１４、個別電極１７及び共通
電極１８を接続する導電性接着剤１５が外気と遮断され
た構造でとなっている。更に、密閉室２１aの内気圧
と、その外側の大気圧との差を解消するために、ハウジ
ング１１に穴を開け、一部が薄膜で形成された圧力調整
部材２２を装着し、圧力調整を行えるようにした。この
場合、圧力調整部材２２は十分に伸縮性のある弾性体と
し、内外の圧力差に応じて破線２２ａのように自由に変
形するものとする。また、密閉室２１aを構成している
部材の酸化防止及び結露防止のために、密閉室２１aに
乾燥窒素等のガスを封入しても良い。

【００２３】なお、図３に示すように圧力調整部材２２
をジャバラ、もしくは波板構造にすることにより、調整
時に圧力調整部材２２が大きく変形することができるの
で、より多大な圧力変動に対応可能である。

【００２４】例として、密閉したときの気圧を１気圧、
温度を２５℃としたとき、大気圧が２０％減少し、内部
温度が７５℃に変化すると、ボイル・シャルルの法則に
より体積が密閉したときの約１４６％になる。また、大
気圧が２０％増加し、内部温度が−５０℃に変化する
と、密閉したときの体積の約６２％になる。よって約±
３８〜４６％の体積変化が起こることがわかる。これは
極端な例ではあるが、このような体積変化が起こっても
圧力調整部材２２の表面積を十分に広くし、伸縮性に優
れた材質とすることで圧力調整を行うことが可能であ
る。

【００２５】図４は、振動板７、ハウジング１１、密閉
部材２１及び密閉部材２３とによって密閉室２１aを構
成し、この密閉室２１ａ内に、振動板７に弾性部材１２
で接合されている積層圧電体素子１４と、積層圧電体素
子１４と個別電極１７及び共通電極１８を接続する導電
性接着剤１５が外気との連通を遮断した状態となってい
る。本構成において、密閉室２１aの内気圧と、その外
側の大気圧との差を解消するために、ジャバラ構造を有
する密閉部材２３を接着剤２３ａにより固定して圧力調
整を行えるようにした。密閉部材２３は十分に伸縮性の
ある弾性体とし、内外の圧力差に応じて自由に変形する
ものである。また、密閉室２１aを構成している部材の
酸化防止及び結露防止のために、密閉室２１aに乾燥窒
素等のガスを封入しても良い。

【００２６】図５は、振動板７、ハウジング１１及び密
閉部材２１によって密閉室２１aを構成し、この密閉室
２１ａ内に振動板７に弾性部材１２で接合されている積
層圧電体素子１４と、積層圧電体素子１４と個別電極１
７および共通電極１８を接続する導電性接着剤１５が外
気との連通を遮断された構造となっている。そして、密
閉室２１aの内気圧と、その外側の大気圧との差を解消
するために、ハウジング１１に薄肉部１１aを設け、圧
力調整を行えるようにした。この薄肉部１１ａは振動板
７よりも十分に広い表面積で、かつ伸縮性の大きい構造
とし、外気圧の変動によって振動板７が変形することな
く薄肉部１１ａで圧力差を解消することを可能とした。
また、密閉室２１aを構成している部材の酸化防止及び
結露防止のために、密閉室２１aに乾燥窒素等のガスを
封入しても良い。

【００２７】図６は、振動板７、ハウジング１１及び密
閉部材２１によって密閉室２１aを構成し、この密閉室
２１ａ内に振動板７に弾性部材１２で接合されている積
層圧電体素子１４と、積層圧電体素子１４と個別電極１
７及び共通電極１８を接続する導電性接着剤１５が外気
との連通を遮断した状態となっている。ここで、密閉室
２１aの内気圧と、その外側の大気圧との差を解消する
ために、ハウジング１１に穴を開け、そこに流動可能な
高粘度液体（例えばグリース）部材２４を注入し、圧力
調整を行えるようにした。高粘度液体２４は、不揮発性
で粘性が高く、図面上で左右に移動することにより内外
の圧力差を解消することが可能である。

【００２８】また、図６の構成に代えて、図７に示すよ
うにハウジング１１の穴にらせん構造を有する管路部材
２４ａを設け、この管路部材２４ａに高粘度液体２４を
注入することにより、高粘度液体２４の移動距離が大幅
に拡大し、より多大な圧力変動に対応可能である。ま
た、密閉室２１aを構成している部材の酸化防止及び結
露防止のために、密閉室２１aに乾燥窒素等のガスを封
入しても良い。

【００２９】図８は、振動板７、ハウジング１１及び密
閉部材２１によって密閉室２１aを構成し、この密閉室
２１ａ内に振動板７に弾性部材１２で接合されている積
層圧電体素子１４と、積層圧電体素子１４と個別電極１
７および共通電極１８を接続する導電性接着剤１５が外
気との連通を遮断した状態となっている。そして、密閉
室２１aの内気圧とその外側の大気圧との差を解消する
ために、ハウジング１１に穴を開け、ピストン部材２５
を埋め込み、圧力調整を行えるようにした。ピストン部
材２５はガスケットの役割を果たす弾性部材２５ａを有
し、ピストンケース２５ｂとの接点は非常に滑らかで、
図中、左右方向に自由に移動できるものである。その移
動をスムーズに行えるよう補助する目的更に気密性向上
のため、ピストンケース２５ｂと弾性部材２５ａの接触
面に潤滑剤等を塗布しても良い。これにより僅かな圧力
変動に対応することが可能であり、かつピストン部材２
５が十分にストロークすることにより多大な圧力変動に
も対応可能である。また、密閉室２１aを構成している
部材の酸化防止及び結露防止のために、密閉室２１aに
乾燥窒素等のガスを封入しても良い。

【００３０】

【発明の効果】上記のように圧電素子及びそれに接続さ
れる配線を密閉し、かつ圧力調整機構を設けることによ
り、圧電素子及びそれに接続される配線がインクによっ
てショートすることを防止し、更に圧力変動によりダイ
ヤフラムが変形するのを防止できるため、信頼性が高
く、長寿命のオンデマンド型インクジェットプリントヘ
ッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの主要部の構造説明斜視図。

【図２】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図３】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図４】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図５】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図６】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図７】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図８】 本発明の一例となるインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【図９】従来の技術を説明するインクジェットプリント
ヘッドの部分断面図。

【符号の説明】

1はノズル、２はオリフィスプレート、３は圧力室、４
はチャンバプレート、５はリストリクタ、６はリストリ
クタプレート、７は振動板、８はフィルタ部、９はダイ
アフラムプレート、１０は共通インク通路、１１はハウ
ジング、１２は弾性材料、１３は圧電アクチュエータ、
１４は積層圧電体素子、１５は導電性接合部材、１６は
支持基板、１７は個別電極、１８は共通電極、１９は接
続ケーブル、２０はインク導入パイプ、２１は密閉部
材、２２は圧力調整部材、２３は密閉部材、２４はグリ
ース部材、２５はピストン部材、２６はインク、２７は
インクミストである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 町田 治 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF65 AG47 AG99 BA03 BA14

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加
   により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧力発生手
   段と、圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記圧
   力発生手段と連結されている振動板と、前記圧力室にイ
   ンクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリ
   クタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジ
   ングと、インク滴を前記圧力室から吐出するノズルを有
   するインクジェットプリントヘッドにおいて、 前記振動板、圧力発生手段及びそれに電気信号を印可す
   るための配線の一部を密閉して大気と連通しない構造と
   し、かつ密閉された空間の気圧を大気圧と同じ圧力に調
   整する圧力調整機構を具備したことを特徴としたインク
   ジェットプリントヘッド。
2. 【請求項２】前記圧力調整機構は、密閉部分を構成する
   部材の一部が薄い膜からなる弾性材料で構成されたこと
   を特徴とする請求項１記載のインクジェットプリントヘ
   ッド。
3. 【請求項３】前記圧力調整機構は、密閉部を構成する部
   材の一部に設けられた大気と連通する穴と、該穴に不揮
   発性の高粘度液体が注入された構造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プリ
   ントヘッド。
4. 【請求項４】前記圧力機構は、密閉部分を構成する部材
   の一部に大気と連通するべく開けられた穴と、その一部
   が該穴の内壁形状にならう弾性材料で構成され、穴の長
   さ方向に自由に移動し得る部材とで構成されたことを特
   徴とする請求項１記載のインクジェットプリントヘッ
   ド。