JP4696487B2

JP4696487B2 - 記録ヘッド及びこれを備えたインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP4696487B2
Application number: JP2004208070A
Authority: JP
Inventors: 剛裕山田; 利治住谷; 智彦甲田; 信也小林; 悟飛田
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: JP2006027035A; US20060012647A1; US7494210B2

Description

本発明はインクジェット記録装置に関し、特に高品位な画像を高速に高信頼で記録可能なインクジェット記録装置に関する。

多数のノズルを集積したマルチノズル・オンデマンド型インクジェット記録ヘッドで高品位な画像を高速に高信頼で記録を行うためには、インク滴の吐出速度を速くすることと、高い周波数まで安定にインク滴を吐出可能なことが重要である。

インク滴を速い吐出速度で、高周波数まで吐出するためのノズル構造としては、ノズル孔を開口とするインク室の壁をダイヤフラムで構成し、このダイヤフラムを棒状圧電素子の縦振動で押し、インク室の体積を減少させてインク滴を吐出させる、所謂プッシュ型圧電素子方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このプッシュ型圧電素子方式で、ノズルの構成部品である前記棒状圧電素子は、少なくともノズル数と同数分１列に並べられ、棒状圧電素子のダイヤフラムと反対側が圧電素子支持基板に固着されている。そしてこの圧電素子支持基板はヘッドハウジングに接着固定される。このような構造の記録ヘッドでは、記録信号入力データに応じて圧電素子駆動パルス信号の印加で駆動されると、圧電素子の縦振動が圧電素子支持基板やヘッドハウジング等を振動させ、インク滴の吐出特性が不安定になる。

また、このような問題を回避するため、圧電素子の振動を受け止めるために、圧電素子支持基板を比較的高い剛性の部材で構成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−２７０４０３号公報

特開２００２−３６１８６８号公報

しかしながら、上記従来の圧電素子支持基板の剛性適正化等では、特定周波数領域において、インク滴を吐出する際に、インクミストが発生したり、インク吐出方向が所定の方向からずれたり、ノズル口からインクがはみ出してノズル孔周辺を濡らし、不吐出を起こしたりするという課題があった。

本発明は、上記した従来の課題を解決し、高品位な画像を高速に高信頼で記録可能なインクジェット記録装置を提供するという目的を有する。

上記課題を解決するため、本発明は、圧電素子の一端が圧電素子支持基板に支持され、前記圧電素子の他端が弾性を有する接着剤にてインク加圧室の一部を形成するダイヤフラムに取り付けられて、前記圧電素子の変位で前記ダイヤフラムを変形させるインクジェット記録ヘッドを備え、記録信号入力データに応じて圧電素子駆動パルス信号で前記圧電素子を駆動させ、インク滴を吐出して記録するインクジェット記録装置において、前記圧電素子支持基板が圧電素子により加振される最高周波数がｆｍａｘ以下になるように、圧電素子駆動パルス信号の駆動周波数がｆｍａｘ以下に設定された記録ヘッド駆動装置を備え、ｆｍａｘ以下の周波数領域で起こる圧電素子支持基板の共振による振動を減衰させために、剛体と前記圧電素子支持基板とを前記弾性を有する接着剤にて接着してなる動吸振器を設けたことを特徴とする。

また、前記剛体は、圧電素子支持基板の圧電素子取り付け部と、圧電素子伸縮方向に対し反対側の位置に前記接着剤にて接続されることを特徴とする。

また、前記接着剤は、柔軟性を有し、動吸振器を構成する規定の接着層厚みと接着面積を有することを特徴とする。

また、前記剛体は、圧電素子支持基板の圧電素子配列方向に延びる棒状体であり、動吸振器を構成する規定の質量を有することを特徴とする。

また、前記棒状の剛体が、圧電素子支持基板に複数の接着層で取り付けられることを特徴とする。

前記棒状の剛体を複数備え、圧電素子支持基板の複数箇所に接着されることを特徴とする。

更に、前記いずれか一つに記載のインクジェット記録ヘッドを備えてなるインクジェット記録装置であることを特徴とする。

本発明によれば、記録に悪影響を与える、圧電素子支持基板の異常振動が減衰するので、メニスカスの異常振動が無くなり、安定なインク滴が吐出可能になり、高品位な画像を高速に高信頼で記録可能なインクジェット記録装置が提供できる。

以下、本発明の実施例について、図を参考にしながら説明する。

図１は、本発明実施例による記録装置の構成と動作を説明する図であり、図２は、図１の記録ヘッド断面と直角方向のＸ−Ｘ’断面図であり、図３は記録ヘッドの構造と動作を説明する部分斜視拡大図である。

本発明による記録装置は、記録ヘッド１０と記録ヘッド駆動装置２０とを備える。そして、記録ヘッド１０はインク滴吐出本体部１００と吸振器部２００とを備える。

まず、インク滴吐出本体部１００の構成と動作を説明する。インク滴吐出本体部１００はインク流路ユニット１０１と、該ユニットを保持するヘッドハウジング１０２、そして圧電素子ユニット１０３とから構成される。このうち、インク流路ユニット１０１は、図３に示すように、オリフィス板１３０、インク流路形成板１４２、ダイヤフラム形成板１２２がこの順に貼り付けられて成り、圧電素子ユニット１０３は棒状圧電素子１１０を櫛歯状に圧電素子支持基板１１３に固着して成る。該構造により、インク滴吐出本体部１００には、ｎ個のノズル素子が構成される。

即ち、各ノズル素子は、図３のオリフィス板１３０に所定ピッチで列状に配置したｎ個のノズル孔１３１を開口としている。そして、ノズル孔１３１を開口端とするインク加圧室１４０、このインク加圧室１４０にインクを導くインク流入口１４５、このインク流入口１４５にインクを供給する共通インク室１５０で構成される。

また、ダイヤフラム形成板１２２の貼り付けにより、インク加圧室１４０の少なくとも１壁面はダイヤフラム１２０で形成される。そして、ダイヤフラム１２０のインク加圧室１４０と反対面には、圧電素子ユニット１０３の棒状圧電素子１１０の一端が取り付けられている。即ち、棒状圧電素子１１０の先端部がダイヤフラム１２０に突き当てられ、接着剤層１１５を介してダイヤフラムに取り付けられている。各ノズルの構造は同一構造である。

各ノズル素子の棒状圧電素子１１０は、圧電素子支持基板１１３に接着等で取り付けられ圧電素子ユニット１０３を構成する。そして、圧電素子支持基板１１３の圧電素子配列方向の両側には柱状の圧電素子支持基板固定部１１４があり、その底面がインク流路ユニット１０１に圧電素子支持基板固定部接着層１１６で接着固定される。一方、インク流路ユニット１０１は、前記接着固定部の近傍でヘッドハウジング１０２に接着固定されているため、圧電素子支持基板固定部１１４の底面がヘッドハウジング１０２に対して固定されていることになる。

以上の構造のインク吐出本体部１００は、記録ヘッド駆動装置２０からの信号で駆動される。この記録ヘッド駆動装置２０は、記録制御信号作成回路３０２、圧電素子駆動パルス信号作成回路３０３、圧電素子ドライバ３０４、タイミング信号発生回路３０１、圧電素子駆動パルスタイミング信号作成回路３０５を備える。図示しない上位装置（例えば、パーソナルコンピュータ）からの記録信号入力データに応じて、記録制御信号作成回路３０２で記録制御信号が作製され、該制御信号と圧電素子駆動パルスタイミング信号作成回路３０５からのタイミング信号をもとに、圧電素子駆動パルス信号作成回路３０３で圧電素子駆動パルス信号が作成される。そして、該駆動パルス信号が、圧電素子ドライバ３０４により圧電素子を駆動するのに好適な電力に増幅され、各圧電素子１１０が駆動される。尚、タイミング信号発生回路３０１は記録制御信号作成回路３０２や、圧電素子駆動パルスタイミング信号作成回路３０５に接続され、動作に必要なタイミング源信号を供給する。そして、圧電素子駆動タイミング信号作成回路３０５からのタイミング信号により、圧電素子駆動パルス信号作成回路３０３で作成される圧電素子駆動パルス信号の周波数の最高値がｆｍａｘ以下に定められている。このように、圧電素子駆動パルスの周波数の最高値がｆｍａｘ以下に設定された記録ヘッド駆動装置で駆動される。

本発明による記録ヘッドでは、インク滴吐出本体部１００に吸振器部２００が取り付けられていることを特徴としており、以下その構造と動作を説明する。

吸振器部２００は、棒状の剛体２０１が弾性体２０２により、圧電素子支持基板１１３の圧電素子１１０取り付け部と反対側に取り付けられた構造である。棒状の剛体２０１はＳＵＳ等の金属やセラミックス等が使用可能であり、質量を所定値ｍに設定してある。

また、弾性体２０２は、柔軟で強靭な性質のあるエポキシ系接着剤等であり、棒状の剛体２０１を圧電素子支持基板１１３に所定の面積とギャップにより取り付けられている。即ち、中央部を面積Ｓ１で、両端部を面積Ｓ２で、ギャップをｇとして３箇所で取り付けられている。これにより、圧電素子支持基板１１３と剛体２０１を繋ぐ弾性体２０２のトータルのバネ定数が所定値ｋに設定される。発明者らの吸振器部の一例では、質量ｍは約５ｇ、ギャップｇは0.4mm、中央部を面積Ｓ１は0.5ｃｍ^2、両端部を面積Ｓ２は0.2ｃｍ²
に設定した。

次に、吸振器部２００の動作と効果について、図４と図５も参照して説明する。

図４のグラフは、横軸に圧電素子１１０に印加した一定電圧の正弦波駆動信号の周波数をとり、縦軸に圧電素子１１０の伸縮縦方向への、圧電素子支持基板１１３の振動変位量をとって、圧電素子支持基板振動変位の周波数特性例を示したものである。

図４（ａ）は、吸振器部２００が取り付けられていない場合の周波数特性例であり、（ｂ）は吸振器部２００を取り付けた場合の周波数特性例である。

図４（ａ）では、２０ｋＨｚ近辺で振動変位量が急激に大きくなる共振特性が見られる。
この共振は、図５で示した主共振系によるものである。即ち、質量Ｍ１の圧電素子ユニット１０３と、質量Ｍ０のヘッドハウジング１０２がバネ定数Ｋの圧電素子支持基板固定部接着層１１６で連結された機械共振系が、圧電素子１１０により加振されて共振を起こす。なお、図５（ｂ）の等価回路では、ヘッドハウジング１０２の質量Ｍ０が圧電素子ユニット１０３の質量Ｍ１に比べて充分大きいため、圧電素子支持基板固定部接着層１１６のバネの一端が固定端として近似回路で表示してある。

このような共振特性を有する記録ヘッドを、圧電素子駆動パルスの周波数の最高値が２０ｋＨｚに設定された記録ヘッド駆動装置で駆動すると、この共振による振動が圧電素子支持基板１１３を大きく振動させる。そして、この共振による振動がインク室中のインクに伝わり、メニスカスの異常振動を引き起こし、インク滴を吐出する際に、インクミストが発生させたり、インク吐出方向を所定の方向にずらし、ビーム曲がりを起こさせたり、あるいはノズル孔からインクをはみ出させてノズル孔周辺を濡らし、不吐出を起こさせたりして、高品位な画像を高速に高信頼で記録が出来なくなる。

これに対し、図４（ｂ）では２０ｋＨｚ近辺での振動変位量のピーク値が、図４（ａ）に比べて１／３以下に減衰している。これは、図５で示した主共振系に、圧電素子駆動パルスの周波数の最高値が２０ｋＨｚでの共振を減衰させる動吸振器部を取り付けたからである。即ち、剛体２０１の質量ｍと弾性体２０２のバネ定数ｋが、前記２０ｋＨｚでの共振を減衰させるように設定されている。このため、共振周波数で、剛体２０１は圧電素子支持基板１１３に対して逆の位相の動的抗力を発生させるとともに、弾性体２０２の粘性減衰係数ｃのダンパー作用により圧電素子支持基板１１３の振動を減衰させる。

これにより、メニスカスの異常振動も無くなるため、安定なインク滴吐出が可能になり、高品位な画像を高速に高信頼で記録することが可能となる。

本実施例では、剛体２０１の質量ｍを、圧電素子支持基板１１３の質量Ｍ１とほぼ等しく設定したが、棒状の剛体２０１の圧電素子支持基板１１３への接着面積ｓとギャップｇを調整してバネ定数ｋを適正化することで、目的周波数の共振を減衰させる動吸振器を構成することが可能である。

また、本実施例では、弾性体２０２と圧電素子支持基板固定部接着層１１６の材質として、同一の接着剤を使用している。これにより、接着剤が時間経過と共に硬度を増す等の経時変化や温度変化により硬度が変化する等の温度変化があっても、弾性体２０２のバネ定数ｋと圧電素子支持基板固定部接着層のバネ周波数Ｋが同傾向で変化するため、経時変化や温度変化に強い動吸振器が実現できる。

さらに、本実施例では、剛体２０１を圧電素子支持基板１１３に所定の面積とギャップで取り付けるのに、図１のように３箇所で取り付けている。この構造により、剛体２０１を接着して弾性体２０２を形成組み立てた後において、吸振特性を計測し、弾性体２０２のバネ定数ｋが大きすぎる場合には、ギャップの隙間にカッター歯先等の工具を挿入し、弾性体２０２の一部を切断しながら、接着面積を適正に調整することが容易である。もちろん弾性体２０２の形成箇所数は本発明を制約するものではないし、圧電素子支持基板１１３の上端面の全面にわたって弾性体２０２を形成してもよい。

また、剛体２０１の形状や、圧電素子支持基板１１３への取り付け位置については種々の変形が可能である。

例えば、図６、７の実施例では、剛体２０１の高さを低くし、剛体２０１取り付けによる記録ヘッドの高さの増加を少なくした実施例である。

８の実施例では、記録ヘッドの高さの増加をされに抑えるため、圧電素子支持基板１１３の側面に剛体２０１を接着した例である。

図９の実施例は、剛体２０１の材質を圧電素子支持基板１１３の材質や形状と等しくした実施であり、剛体２０１と圧電素子支持基板１１３の振動特性が合わせ易いため、吸振特性が向上する。

図１０、図１１の実施例では、剛体２０１、あるいは圧電素子支持基板１１３に凹凸を設け、凹部に弾性体２０２を形成した例であり、弾性体の面積Ｓを凹部で規定できるので、弾性体２０２のバネ定数ｋを設計値に設定することが容易である。

図１２、１３は、圧電素子支持基板１１３に複数個の剛体２０１と弾性体からなる吸振器部を設けた実施例である。図１２では２種類の共振周波数で、図１３では３種類の共振周波数に同調してそれぞれの共振を減衰させることが可能である。

図１４は、クロストーク軽減等のため、圧電素子１１０が２位相の圧電素子駆動パルス信号で駆動される場合の実施例である。本実施例では、圧電支持基板１１３への圧電素子１１０の加振周波数が、圧電素子駆動パルス信号の周波数ｆの２倍になる。したがって記録ヘッド駆動装置２０の圧電素子駆動パルス信号の最高駆動周波数は、圧電素子１１０が１位相の圧電素子駆動パルス信号で駆動される場合の１／２に設定される。即ち前記圧電素子支持基板が圧電素子により加振される最高周波数がｆｍａｘ以下になるようにするためには、前記圧電素子駆動パルス信号の最高駆動周波数はｆｍａｘ／２に設定される。これにより、ｆｍａｘ以下の周波数領域で起こる圧電素子支持基板の共振による振動を減衰させる動吸振器を備えることで、圧電素子支持基板１１３の異常振動がなくなり、安定なインク滴吐出が可能になって、高品位な画像を高速に高信頼で記録ができるようになる。更に、ｎ位相駆動の場合には、記録ヘッド駆動装置２０の圧電素子駆動パルス信号の最高駆動周波数は、圧電素子１１０が１位相の圧電素子駆動パルス信号で駆動される場合の１／ｎに設定される。即ち本発明の記録装置では、前記圧電素子支持基板が圧電素子により加振される最高周波数がｆｍａｘ以下になるように圧電素子駆動パルス信号の駆動周波数がｆｍａｘ以下に設定された記録ヘッド駆動装置と、ｆｍａｘ以下の周波数領域で起こる圧電素子支持基板の共振による振動を減衰させる動吸振器を、支持基板に装着することを特徴とする。

本発明による記録ヘッド駆動装置を備えた記録ヘッドは、シリアル走査型インクジェット記録装置やライン走査型インクジェット記録装置に好適である。

シリアル走査型インクジェット記録装置では、本発明による記録ヘッドのオリフィス板面を記録用紙に対向させて設置し、該記録ヘッドを連続記録用紙の連続方向と交叉する横方向に、インク滴を記録信号に応じて吐出しながら移動（主走査）させて一行分を記録し、その後連続記録用紙の連続方向に記録用紙を所定量紙送り（副走査）し、続いて次の行の画像を主走査して記録する。この主走査と副走査を繰り返して画像を記録する。またライン走査型インクジェット記録装置では、本発明による記録ヘッド多数を、連続記録用紙の幅方向に、幅いっぱいに記録用紙面に対向して配置し、インク滴を記録信号に応じて噴射する。同時に記録用紙を連続記録用紙の長手方向に高速移動させて主走査する。この主走査とインク滴の吐出制御で走査線への記録ドット形成の制御を行い、記録画像を記録用紙上に得る。このような本発明によるインクジェット記録装置によれば、高品位画像を高速で印刷することが可能になる。

本発明は、記録用紙にインクで記録するインクジェット記録装置に限定することなく、生産物へのマーキング装置や塗膜装置等の工業用液体分配装置にも適用可能である。

本発明の実施例におけるインクジェット記録装置の構成図である。本発明の実施例における記録ヘッドの構造と動作を説明する記録ヘッド断面図である。本発明の実施例における記録ヘッドの構造と動作を説明する記録ヘッド斜視図である。本発明の実施例における記録ヘッドの動作特性と動作原理を説明する図である。本発明の動作モデルおよび等価回路である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する断面図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する断面図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する断面図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する断面図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する断面図である。本発明の他の実施例として、吸振器部の他の変形例を説明する断面図である。本発明の実施例における圧電素子２位相駆動時の実施例を説明する図である。

符号の説明

１０は記録ヘッド、２０は記録ヘッド駆動装置、３０はインク滴、４０は記録媒体、１００はインク吐出本体部、１０１はインク流路ユニット、１０２はヘッドハウジング、１０３は圧電素子ユニット、１１０は圧電素子、１１３は圧電素子支持基板、１１４は圧電素子支持基板固定部、１１５は圧電素子自由端部接着剤層、１２０はダイヤフラム、１２２はダイヤフラム形成板、１３０はオリフィス板、１３１はノズル孔、１４０はインク加圧室、１４２はインク流路形成板、１４５はインク流入口、１５０は共通インク室、２００は吸振器部、２０１は剛体、２０２は弾性体、３０１はタイミング信号発生回路、３０２は記録制御信号作成回路、３０３は圧電素子駆動パルス信号作成回路、３０４は圧電素子ドライバ、３０５は圧電素子駆動パルスタイミング信号発生回路である。

Claims

圧電素子の一端が圧電素子支持基板に支持され、前記圧電素子の他端が弾性を有する接着剤にてインク加圧室の一部を形成するダイヤフラムに取り付けられて、前記圧電素子の変位で前記ダイヤフラムを変形させるインクジェット記録ヘッドを備え、記録信号入力データに応じて圧電素子駆動パルス信号で前記圧電素子を駆動させ、インク滴を吐出して記録するインクジェット記録装置において、
前記圧電素子支持基板が圧電素子により加振される最高周波数がｆｍａｘ以下になるように、圧電素子駆動パルス信号の駆動周波数がｆｍａｘ以下に設定された記録ヘッド駆動装置を備え、ｆｍａｘ以下の周波数領域で起こる圧電素子支持基板の共振による振動を減衰させために、剛体と前記圧電素子支持基板とを前記弾性を有する接着剤にて接着してなる動吸振器を設けたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記剛体は、圧電素子支持基板の圧電素子取り付け部と、圧電素子伸縮方向に対し反対側の位置に前記接着剤にて接続されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
前記接着剤は、柔軟性を有し、動吸振器を構成する規定の接着層厚みと接着面積を有することを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録ヘッド。
前記剛体は、圧電素子支持基板の圧電素子配列方向に延びる棒状体であり、動吸振器を構成する規定の質量を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のインクジェット記録ヘッド。
前記棒状の剛体が、圧電素子支持基板に複数の接着層で取り付けられることを特徴とする請求項４記載のインクジェット記録ヘッド。
前記棒状の剛体を複数備え、圧電素子支持基板の複数箇所に接着されることを特徴とする請求項４記載のインクジェット記録ヘッド。
請求項１乃至６のいずれか一つに記載のインクジェット記録ヘッドを備えてなるインクジェット記録装置。