JP2007168337A - インクジェットヘッド及びそれを備えた記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子の位置決め精度をノズルピッチの１／２以下にする必要が無いとともに、圧電素子自体の寸法精度を必要要とせず、２列のノズル列を有しても２ヘッド分のスペースを要しない、小型なインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】 チャンバプレートの少なくとも一つの圧力発生室群内、前記圧電アクチュエータの少なくとも一つの圧電振動子群内の圧力発生室、および前記圧電振動子がノズル列またはノズル列中間を中心に互いに千鳥状または対向状に配置され、前記複数の圧力発生室群、圧電振動子群が少なくとも一つの固定部材に千鳥状に保持されたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バルク上の圧電素子を加工して形成される圧電振動子を用いてインクに圧力を加えてノズルよりインク滴を飛翔させ、印刷媒体にインク像を形成するインクジェットヘッドに関する。

現在、インクジェットプリンタは高速印字、高画質印字の両立などのニーズが高まってきている。特に高速印字に関しては、シリアル方式のインクジェットプリンタに比べ、印字媒体に対して平行に１パスで画像を形成して印刷するライン型ヘッドユニットを用いる方が有利である。

ライン方式のとしての、インクを吐出させるための電気エネルギーを熱エネルギーに変換させ、該熱エネルギーをインク作用させるサーマル（ヒータ加熱）方式のインクジェットプリンタ（例えば、特許文献１参照。）は、長尺のラインプリンタに対しても部品レベルでの寸法制限が無く比較的容易に製造できるが、インク加熱時のヒータ上にコゲーションと呼ばれる堆積物が発生することにより加熱性能が劣化するため、ヘッドの吐出特性製が低下し、ヘッドの長寿命化が困難である。また吐出させる液滴媒体も限定される問題がある。

また、上記のサーマル方式インクジェット方式のプリンタとは別に、積層の圧電素子を用いてインク液滴を吐出させる、積層圧電素子方式（例えば、特許文献２参照。）も知られている。しかし、上記積層型圧電素子は、長手方向の反りやうねり、変形、及び断面内の結晶配向にばらつきを生じることで、圧電特性の面内の均一性が十分に得られず、圧電特性がばらつくなどの問題がある。このような問題は、圧電素子の膜厚が厚くなるほど、また基板サイズが大きくなるほど顕著となる。このような問題を考慮するとバルク上の圧電素子を製造することが可能なノズル配列方向の長さは６０ｍｍが限界である。

上記の積層型の圧電振動子を用いたインクジェットヘッドを、ライン方式のプリンタに対応させた例として、複数個のヘッドユニットをひとつの基台上に固定して構成したインクジェットプリンタ（例えば、特許文献３参照。）が知られている。しかし、上記のような方式ではヘッドユニットのユニット間のノズル配列において高精度な位置決めを必要し、高密度ノズル配置をするのに困難性がある。また流路プレートを保持するハウジングの両端部の隔壁の面積が狭くなり、ヘッドユニットを形成すること自体が困難であり、吐出特性もユニット両端部で低下してしまう。

また、上記のようなヘッドユニット両端のノズル間の位置決め問題を解消するために、複数のヘッドユニットを千鳥状に配列する方法（例えば、特許文献４、５参照。）が知られている。しかし、上記２点のような千鳥上配置の方法ではノズル列直交方向のヘッドユニットが大型化してしまう問題が発生する。

このような問題を解決するために、積層の圧電素子を用いて一つのヘッドユニットとしてラインヘッドを実現するための方法として、一つのベース基板状にバルク上の圧電素子を一列に並べ、圧電素子同士の継ぎ目の領域をノズル密度ピッチの倍数となる位置に接合し、圧電振動子形成時に継ぎ目の領域を加工することで、バルク上の圧電素子両端部の吐出が均一で、バルク上圧電素子から形成される圧電振動子間のノズル配列を必要としないライン式プリンタ用のインクジェットヘッド（例えば、特許文献６参照。）が知られている。しかし、インクジェットヘッドのノズル密度が高くなるにつれて、バルク上の圧電素子の継ぎ目の領域の隙間をノズルピッチの１／２以内に位置決めする必要があり、高密度ノズル配置になるにつれて、位置決め要求精度も高くなってしまい、困難を要する。また圧電素子を長尺に並べれば並べるほどバルク上の圧電素子の絶対位置長さの累積誤差が大きくなり、圧電素子の継ぎ目のところを加工領域にすることが困難になってくる。そのため、バルク上の圧電素子自体に高精度な寸法公差が要求され、コスト高となる。またノズルピッチの倍数となるように圧電素子の長さを設計しなければならず、開発ヘッド毎に圧電素子の設計が必要となり、部品の共用化ができない。

上記の問題を解決する方法として、千鳥状に配列し、互いのチャンネル列の両端部を重複させる方法（例えば、特許文献７参照。）がしられている。しかし、上記のような方法でも特許文献４、及び特許文献５と同様にヘッドの大型化となってしまう。

特開２０００−２５５０６４号公報

特開昭６３‐２９５２６９号公報

特公平３−５８９１７号公報

特開２００４−２０９９６４号公報

特許第２７５２８４３号公報

特許第３１５６４１１号公報

特開２００５‐１９３６０２号公報

本発明、上記のような圧電素子の位置決め精度をノズルピッチの１／２以下にする必要が無く、かつ、圧電素子自体の寸法精度を要せず、２列のノズル列を有しても、２ヘッド分のスペースを要しない、小型なインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

本発明は、インク滴を吐出する複数のノズルを有するオリフィスプレートと、前記ノズルに連通した圧力発生室を有するチャンバプレートと、前記圧力発生室を封止するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートを介して前記圧力発生室の容積を変化させる複数の圧電振動子からなる複数の圧電アクチュエータとを有したインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバプレートの少なくとも一つの圧力発生室群内、前記圧電アクチュエータの少なくとも一つの圧電振動子群内の圧力発生室、および前記圧電振動子がノズル列またはノズル列中間を中心に互いに千鳥状または対向状に配置され、前記複数の圧力発生室群、圧電振動子群が少なくとも一つの固定部材に千鳥状に保持されたことを特徴とする。

本発明によれば、圧電素子を用いたフルラインプリントヘッドに対応するためノズルユニット間及び圧電素子の継ぎ目間の特性ばらつき少なく、ユニットノズル間の位置決め精度を要せず、さらにはバルク上の圧電素子の配列において精密な位置決め精度を必要としない、高密度実装、高ノズル配列が可能な加工性の良いインクジェットヘッドを提供する事ができる。また、千鳥状に圧力発生室、圧電振動子を配列させ、それぞれの圧電振動子群、対応する圧力発生室群毎に、ノズル配列方向、ノズル列直交方向の延長で重複する領域を有するように配列することにより、ヘッドを小型化できる。

さらに、千鳥配置または対向配置した圧力室を有するインクジェットヘッドを用いて２列のノズル列を有する場合、２ヘッド分のスペースをとる必要が無く小さい寸法に集約可能とすることができる。また圧電アクチュエータが大型化しないため、流路を保持するハウジングの剛性を高めることができ、複数同時駆動時の吐出特性の低下によるクロストークの影響を低減でき同一以上の機能を持たせたることが可能である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図９に本発明実施のインクジェットヘッドを使用した液滴吐出装置の例を示す。

インクジェットヘッド２６は印刷幅分のユニット幅を有するライン型のインクジェットヘッドで、基台に固定されている。印刷領域上にインクを吐出しながら印刷媒体２８を搬送することで印刷を行なう、固定ヘッド印刷方式の液滴吐出装置である。インクジェットヘッド２６は該インクジェットヘッド２６にインクを供給するインクカートリッジ２７を搭載し、印刷時は、インクジェットヘッド２６は印刷領域上で静止する。一方、印刷媒体２８はインクジェットヘッド２６と対向し、記録ユニットノズル列直交方向に搬送ロール２９によって搬送される。印刷媒体２８にはインクジェットヘッド２６のノズルより記録信号に応じてインクが噴射され、画像が形成される。

図１は、本発明のインクジェットヘッド２６の主要部の斜視図である。図２は、図１の各部材をノズル方向から見た各部品の平面図である。図３から図５は、ノズル方向からみた圧電振動子、圧力発生室、圧電振動子の透視図である。

図１〜図５において、２は複数のノズル１を列状に形成したオリフィスプレートである。オリフィスプレート２は後述する圧電アクチュエータ１５の圧電振動子群の一つ毎に対応するようにノズル群毎に千鳥状に列配列されている。ノズル１の開口形状の加工精度はインクジェットヘッド２６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、レーザー加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。

４は圧力発生室３が形成されたチャンバプレートである。チャンバプレート４は前記圧力発生室３が前記ノズル１に対応するように、また高密度に配置するためにノズル列を中心に千鳥状に配列され、更にノズル列群毎に対応するように圧力発生室群２０も同様に千鳥配列されている。この時、千鳥配列した圧力発生室群２０はノズル直交方向にそれぞれの圧力発生室群２０がオーバーラップするように配列される。

６は共通インク供給路１０と圧力発生室３とを連結し、圧力発生室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である。リストリクタ５も前記圧力発生室３に対応するようにノズル列を中心に千鳥状に配列され、更に圧力発生室群２０毎に対応するようにリストリクタ群２１も千鳥配列される。この時、千鳥配列したリストリクタ群２１はノズル直交方向にそれぞれのリストリクタ群２１がオーバーラップするように配列される。

９は圧電アクチュエータ１５の変位を効率よく圧力発生室３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とを形成した弾性を有するダイアフラムプレートである。

１１は共通インク通路１０を形成したマニホールドプレートである。マニホールドプレート１１に形成される共通インク通路１０はそれぞれ千鳥状に配列したリストリクタ５と連通するように、図のように第１の側凹型に対向して第２列側は凸型の形状をしている。

前記チャンバプレート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９、マニホールドプレート１１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ねあるいは精密プレス法で作られる。
１３は共通インク通路１２を形成したハウジングである。ハウジング１３はステンレス材の切削加工等で形成され、図示しないインクタンクからインクを共通インク通路１０、１１まで導くインク導入パイプ１４が接合されている。図のハウジング１３は後述する圧電アクチュエータ１５の挿入開口部が大きく開口しているが、圧電振動子毎に仕切りを有するように開口させ、ヘッド２６の剛性を高めても良い。

前記圧力発生室３およびリストリクタ５は、前記ノズル１列を中心に千鳥状に配置し、また後述するそれぞれのダイシング加工前のバルク上圧電素子に対応するノズル群１９、圧力発生室群２０、リストリクタ群２１、振動板群２２は、千鳥状に配列され、後述の圧電振動子群２３に対応している。

１５は圧電振動子１７と固定部材１８からなる圧電アクチュエータである。圧電振動子１７の一端は固定部材の一端面に接着剤を用いて固着され、圧電振動子１７の他端面は前記振動板７に接合される。圧電振動子１７の固定部材１８への配列方法はノズル列に対して千鳥状に配列され、またダイシング加工前のバルク上圧電素子に対応する圧電振動子群２３は千鳥状に配列される。圧電アクチュエータ１５の個別電極パターン、共通電極パターンには図示しないＦＰＣを介して電気信号が入力され、圧電振動子１７に変位を生じさせる。このようにして圧電振動子１７の生じた変位を、振動板７を介して圧力発生室の圧力を変化させることによりインク液滴を吐出させ、画像を形成する。

上記のように圧力発生室３、リストリクタ５、圧電振動子１７を２列の千鳥配列になるように配列し、更に圧力発生室群２０、リストリクタ群２１、圧電振動子群２３をオーバーラップ領域をもつように千鳥配置し、２列のノズル列を形成する事により、図４のようにノズル列を中心に千鳥状に配列したヘッドユニット２６を２ヘッド並べるよりヘッドユニット寸法を小さくする事ができる。

本発明で千鳥配列した圧力発生室３、リストリクタ５、圧電振動子１７について説明したが、図５のように対向配列した圧力発生室３、リストリクタ５、圧電振動子１７でも、同様に圧力発生室群２０、リストリクタ群２１、圧電振動子群２３、を千鳥状に配列する方式にも適用できる。

図６から図８を用いて、本発明インクジェットヘッドの圧電アクチュエータ１５の製造方法の１例を示す。まず、図６に示すように、バルク上圧電素子１６を、個別電極パターン１８ａ、共通電極パターン１８ｂがパターンされている固定部材１８上にノズル配列方向に千鳥配列をする。バルク状圧電素子１６は中央部を不活性領域１６ａに、その両端部を活性領域１６ｂになる圧電素子１６を用いる。この時、千鳥配列するどちらか一方の列の第１のバルク圧電素子１６は、対向する第２のバルク状圧電素子１６とノズル列方向、ノズル列直交方向延長線上にオーバラップ（重複）する領域を有した配列になるように逃げ切り欠き部１６ｃを形成させる。

図６の場合、個別電極側パターン１８ａは対向する圧電素子側に振動子（ノズル）ピッチの２倍以下で溝を形成する。また千鳥配置する２本のバルク状の圧電素子１６は対向する面でノズル列直行方向に圧電振動子幅以上ノズル列方向延長線上でオーバーラップする領域を有するように配列する。上記のように構成することにより、圧電素子１６の位置決め精度を、ピッチの１／２までする必要が無く、裕度としてノズルピッチの２倍以下まで圧電素子１６の配列が可能となる。

図７では、図６のように千鳥状に配列した圧電素子１６を不活性領域１６ａで２列に分断する。分断した中間領域には導電性接着剤２５を塗布し、圧電素子１６の外部電極の個別電極と共通電極は固定部材１８に施された個別電極パターン１８ａと共通電極パターン１８ｂに導電させる。上記のような圧電素子１６を用いるのでノズル列中心に対向している、バルク状圧電素子の位置決め精度を緩和でき、位置決め精度の抑制の効果を高めることができる。

最後に、図８に示すように、接着固定された圧電素子１６を、圧力発生室３のピッチ、及び千鳥配列位置と等しくなるように、ワイヤーソーやダイシング加工により櫛状に分割加工し、圧電振動子１７を有する圧電アクチュエータ１５となる。

圧電アクチュエータ１５の製造方法に関しても、圧電振動子群２３、圧力発生室群内の圧電振動子１７、圧力発生室をノズル列中心毎に対向配列させた構造にしてもよい。対向配置することで、セラミックプレート上に形成した電極パターンの複雑化の問題が発生するが、圧電振動子１７をダイシング形成時の加工時間を短縮する事ができる利点がある。

本発明の圧電アクチュエータ１５の構造にすることで位置決め精度を必要としない、ノズル列直交方向の圧電振動間の寸法が抑制できる圧電アクチュエータを形成する事ができる。ノズル列直交方向の寸法幅は圧電アクチュエータ１５を挿入する圧電振動子１７のハウジングの開口部を小さくでき、なおかつ流路クミ２４性を高めることができる。また、圧電振動子１７を複数同時に駆動した時の流路クミ２４の変形によって生じる。吐出特性の低下いわゆるクロストークを低減する事が可能となる。

本発明によるインクジェットヘッドの斜視図である。 本発明にインクジェットヘッドのノズル側から見た各部品の平面図である。 本発明のインクジェットヘッドにおけるノズル側から圧電振動子、圧力発生室、圧電振動子の透視図である。 ノズル列を中心として千鳥状に圧電振動子、圧力発生室を配列したヘッドにおいて２列のノズル配置をした場合のノズル側から見た透視図である。 本発明による圧電振動子群、圧力発生室群を千鳥配列したヘッドのノズル側から見た透視図である。 本発明による圧電アクチュエータの製造法を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 本発明による圧電アクチュエータの製造法を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 本発明による圧電アクチュエータの製造法を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 本発明を用いたヘッドユニットを使用した液滴吐出装置の概略図である。

符号の説明

１：ノズル、２：オリフィスプレート、３：圧力発生室、４：チャンバプレート、５：リストリクタ、６：リストリクタプレート、７：振動板、８：フィルタ部、９：ダイアフラムプレート、１０：共通インク通路（マニホールド）、１１：マニホールドプレート、１２：共通インク通路（ハウジング）、１３：ハウジング、１３ａ：開口部、１４：インク導入パイプ、１５：圧電アクチュエータ、１６：バルク状圧電素子、圧電素子、１６ａ：活性領域、１６ｂ：不活性領域、１７：圧電振動子、１８：固定部材、１８ａ：個別電極側パターン１８ｂ：共通電極側パターン、１９：ノズル列群、２０：圧力発生室群、２１：リストリクタ群、２２：ダイアフラム群、２３：圧電振動子群、２４：流路クミ、２５：導電性接着剤、２６：インクジェットヘッド、ヘッドユニット、２７：インクカートリッジ、２８：印刷媒体、２９：搬送ロール。

Claims (5)

1. インク滴を吐出する複数のノズルを有するオリフィスプレートと、前記ノズルに連通した圧力発生室を有するチャンバプレートと、前記圧力発生室を封止するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートを介して前記圧力発生室の容積を変化させる複数の圧電振動子からなる複数の圧電アクチュエータとを有したインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバプレートの少なくとも一つの圧力発生室群内、前記圧電アクチュエータの少なくとも一つの圧電振動子群内の圧力発生室、および前記圧電振動子がノズル列またはノズル列中間を中心に互いに千鳥状または対向状に配置され、前記複数の圧力発生室群、圧電振動子群が少なくとも一つの固定部材に千鳥状に保持されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記圧電振動子列は少なくとも３列、ノズル列は少なくとも２列で構成されている事を特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 前記一つの圧電振動子群は１のバルク状の圧電素子が複数の圧電振動子に分割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ヘッド。
4. 前記圧電振動子を形成する圧電素子の両端部はノズル列方向、ノズル列直交方向に延長線上で重複しているインク滴を吐出する複数のノズルを有するオリフィスプレートと、前記ノズルに連通した圧力発生室を有するチャンバプレートと、前記圧力発生室を封止するダイアフラムプレート、該ダイアフラムプレートを介して前記圧力発生室の容積を変化させる複数の圧電振動子からなる複数の圧電アクチュエータとを有したインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバプレートの少なくとも一つの圧力発生室群内、前記圧電アクチュエータの少なくとも一つの圧電振動子群内の圧力発生室、および前記圧電振動子がノズル列またはノズル列中間を中心に互いに千鳥状または対向状に配置され、前記複数の圧力発生室群、圧電振動子群が少なくとも一つの固定部材に千鳥状に保持されたことを特徴とする域を有する事を特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
   

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