(57)【要約】【課題】高精度、高密度に形成された円筒状のチューブを具備したインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】本発明のインクジェットヘッドは、複数の円管状チューブ５と、圧電素子６と、固定用プレート３と、ノズルプレート１とを有する。円管状チューブ５は、ガラスからなり、一端側５ｂからその内部にインクが供給される。圧電素子６は、円管状チューブ５の外壁５ｄを変形させて円管状チューブ５内のインクに圧力を印加するためのものであり、円管状チューブ５の外壁５ｄに設けられている。固定用プレート３は、円管状チューブ５の他端側５ｃが挿入されて固定される穴４が所定のピッチＰ３で複数形成されている。ノズルプレート１は、固定用プレート３の穴４が形成された位置と対応した位置に複数のノズル２が形成され、固定用プレート３に対して積層されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスからなり、一端側から内部にインクが供給される複数のチューブと、前記チューブの外壁を変形させて前記チューブの内部に供給されたインクに圧力を印加する、前記チューブの外壁に設けられたエネルギー変換素子とを有するインクジェットヘッドにおいて、
複数の穴が所定のピッチで形成された固定用プレートであって、前記チューブの他端側が前記穴に挿入され、かつ固定されている固定用プレートと、
前記固定用プレートの各前記穴が形成されたそれぞれの位置と対応する位置にノズルが形成され、前記固定用プレートに対して積層されたノズルプレートと、を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記チューブの中心軸と、前記ノズルプレートの前記ノズルの中心軸とが一致するように前記チューブを固定する固定治具を有する、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
各前記チューブの各前記一端側に接続され、各前記チューブ内に供給するインクを貯留する共通インク室を有する、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記ノズルにおける前記固定用プレート側の口径よりも大きく、かつ前記固定用プレートの前記穴の内径よりも小さい径の貫通穴が、前記固定用プレートの前記穴が形成された位置と対応する位置に形成された中間板を有し、前記中間板は、前記固定用プレートと前記ノズルプレートとの間に挟持されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記チューブは、前記固定用プレートの前記穴の内壁に接着剤により固定されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記エネルギー変換素子が圧電素子からなる、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記圧電素子がエアロゾルデポジッション法により形成されている、請求項６に記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個のノズルを有するインクジェットヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドの方式において、インクに接した振動板を振動板に密接したＰＺＴに電圧を印加し変位させることにより、インクに圧力を印加するピエゾ方式が知られている。さらに、ピエゾ方式には、ピエゾ素子と振動板のバイメタル効果による撓み変形を利用したカイザー型や、ピエゾ素子を積層し、直接振動板を変形させる直接押印型が知られている。また、さらにピエゾ方式には、ピエゾの変形方向にｄ１５を利用し、斜め方向に変形させるシェア−モード方式や、円管状の振動板に円管状のＰＺＴにより円管状の振動板を収縮変形させるグールド方式もが知られている。
【０００３】
図４にグールド方式のインクジェットヘッドの一従来例における単ノズルの概略図を示す。
【０００４】
円筒状チューブ３３は一般にはガラス等から形成されており、この円筒状チューブ３３の先端は絞られることでノズル３２を形成している。ノズル３２の最先端はインクを吐出させ、微小液滴３８を形成させるための吐出口３１が形成されている。
円筒状チューブ３３は、ノズル３２が形成された側とは反対側に、インクを供給するためのチューブ３７を有する。
また、円筒状チューブ３３は、ノズル３２とチューブ３７との間に円筒状チューブ３３全体を囲むようにして設けられた圧電素子３４接着固定されている。この圧電素子３４は、円筒状チューブ３３を加圧変形させるためのエネルギー変換素子である。この圧電素子３４には、円筒形状を有しており、その外周面と内周面との間に電圧を印加すると、円筒の内径が縮む方向に変形し、電圧を除去すると変形が戻る性質を有している。圧電素子３４の内周側の電極と繋がっている内周電極３５と外部電極３６の間に電圧を印加することにより円筒状チューブ３３を縮小変形することができる。変形した円筒状チューブ３３はその内部のインクを加圧し、インクはノズル３２の方向に流れ、吐出口３１から微小液滴として吐出される。電圧のパルスパターンはインクの粘度や表面張力の物性値や所望の吐出量に対し、最適化が図られる。
【０００５】
グールド方式のヘッドは、振動板である円筒管を簡単に作成できるため、比較的多ノズル化が容易である。しかし、グールド型インクジェットヘッドの円筒状チューブは個別に形成されており、多ノズル化を実現するためには、個別のグールドヘッドの円筒状チューブを並べる必要がある。例えば、特許文献１に記載されているように、同一方向に開口した複数個の貫通穴を列状に設けたＰＺＴに電圧を印加するための接点を備えたエネルギー変換ブロックに円筒状チューブを固定し、高密度化が図られている。ここで、図５に、図４に示すノズルを備えたインクジェットヘッドの一従来例の概略図を示す。
【０００６】
複数の円筒状チューブ３３は、圧電素子３４が設けられた部分を保持するように、固定治具２３に接着固定されている。
【０００７】
なお、図４に示す円筒状チューブ３３には、ノズル３２が形成された側とは反対側に、インクを供給するためのチューブ３７を有する構成を例示した。これに対して、図５に示すインクジェットヘッドでは、個々の円筒状チューブ３３にチューブ３７を備える構成ではなく、インクを供給するための共通インク室２４が複数の円筒状チューブ３３に接続されている。共通インク室２４には、インク供給用の供給チューブ２５が接続されている。また、共通インク室２４内には、フィルタが設けられている。
【特許文献１】特公平６−９８７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、この方式だけでは、高密度化は実現できるが、高精度の位置合わせは困難である。近年の高精細化に対しては、円筒状チューブの組み付け時のアライメント精度を極めて高くする必要があり、この方式では高精度化に対して限界がある。
【０００９】
また、一般には、グールド型のインクジェットヘッドのノズルは個別にノズルが形成されている。円筒状のチューブの材質は一般にガラスであり、ノズルはこのガラスを加熱溶融し、引っ張り、微小径を形成し顕微鏡で観察しながらダイサーなどで切断することによって形成されている。さらに、ノズル面の均一化には、さらに研磨工程が付加されている。ノズル形成は、１つずつ個別に形成されるため、ノズルの絞り部の形状とノズルの形状を同一に制御し、形成することも非常に困難である。
【００１０】
そこで本発明は、高精度、高密度に形成された円筒状のチューブを具備したインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のインクジェットヘッドは、ガラスからなり、一端側から内部にインクが供給される複数のチューブと、チューブの外壁を変形させてチューブ内のインクに圧力を印加するための、チューブの外壁に設けられたエネルギー変換素子とを有する。特に、本発明のインクジェットヘッドは、固定用プレートとノズルプレートとを有する。固定用プレートには複数の穴が所定のピッチで複数形成されており、チューブの他端側が各穴に挿入され、かつ固定されている。ノズルプレートは、固定用プレートの穴が形成された位置と対応する位置にノズルが形成され、固定用プレートに対して積層されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高精度、高密度に形成された円筒状のチューブを具備したインクジェットヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例であるインクジェットヘッドの概略図である。
【００１４】
本実施例のインクジェットヘッドは、複数のノズル２が形成されているノズルプレート１に円筒状チューブ５を固定保持するための固定用プレート３が積層して配置されている。
【００１５】
複数のノズル２の断面形状は、いずれも同一の形状を有しており、インクが流入する流入側２ａからインクが吐出される吐出側２ｂに向けて窄まった形状に形成されている。ノズルプレート１に形成された各ノズル２は所定のピッチＰ１の間隔を空けて形成されている。ノズル２の形成方法は、ノズルプレート１の材質により異なってくる。本実施例では、ノズルプレート１として、ポリイミドを基体とし、その上にテフロン（登録商標）をスピンコートにより０．１μｍコーティングした。次に、裏面に金属のマスクを位置決めした後、レーザ照射によりノズル２を形成した。
【００１６】
固定用プレート３には、円筒状チューブ５の他端側５ｃを挿入して固定するための複数の穴４が形成されている。各穴４の内径は、円筒状チューブ５の外径よりも大きく、本実施例における穴４の内径４ａは、円筒状チューブ５の外径に対して＋０．０５ｍｍ大きいものとし、また、ノズル２の流入側２ａの口径よりも大きいものとした。また、各穴４は所定のピッチＰ４の間隔を空けて形成されている。ノズルプレート１におけるノズル２のピッチＰ１と、固定用プレート３における穴４のピッチＰ４とは等しい。すなわち、ノズルプレート１の各ノズル２は、固定用プレート３の穴４が形成された位置に対応して形成されている。このような構成の固定用プレート３をノズルプレート１に積層し、さらに固定用プレート３の穴４の中心軸４ｂとノズル２の中心軸２ｃとが一致するように位置決めする。その後、固定用プレート３とノズルプレート１とを接着剤により接着した。接着剤としてはエポキシ系の材料を用いた。
【００１７】
複数の円筒状チューブ５は、いずれもガラスから形成されており、本実施例では、ガラスの肉厚を５０μｍとした。円筒状チューブ５の一端側５ｂにはインクチューブ９が接続されており、インクチューブ９を介して、円筒状チューブ５の内部にインクが供給される。内部に供給されたインクは、他端側５ｃに配置されたノズル２より吐出される。各円筒状チューブ５は、固定用プレート３の穴４の内壁に固定されることによりピッチＰ４で配列される。
【００１８】
円筒状チューブ５の外壁５ｄであって、一端側５ｂと他端側５ｃとの間にはエネルギー変換素子である円筒状の圧電素子６が設けられている。この圧電素子６は、チューブの外壁５ｄの一部を変形させるためのものである。圧電素子６は、円筒状チューブ５を変形させインクに圧力を印加するためのエネルギー変換素子であり、その材質はＰＺＴからなる。圧電素子６の形成方法は以下のとおりである。まず、圧電体を円柱状もしくは円筒状の型にてプレス加工し、その後、焼成する。その後、中心部に機械加工により穿孔、もしくは内径加工し、所望の肉厚の円筒状圧電体を形成する。さらにその後、下電極と上電極をめっき等により形成する。このように形成した円筒状の圧電素子６を円筒状チューブ５に接着固定している。接着剤にはエポキシ系接着剤を用いた。
【００１９】
圧電素子６が形成されている複数の円筒状チューブ５は、円筒状チューブ５の吐出側が固定用プレート３の穴４内に挿入されている。円筒状チューブ５の他端側（吐出側とは反対側）は、固定治具７に挿入、固定されている。円筒状チューブ５は、円筒状チューブ５の中心軸５ａとノズル２の中心軸２ｃとが一致するように位置決めされた後、固定治具７に接着固定される。接着剤には、エポキシ系接着剤を用いた。圧電素子６は、固定用プレート３と固定治具７との間に位置している。円筒状チューブ５の他端には、インクを供給するためのインクチューブ９が接続されている。すなわち、固定治具７は、圧電素子６とインクチューブ９との間に位置している。このインクチューブ９は、円筒状チューブ５に接続されている側との反対側が不図示のインクタンクに接続されている。
【００２０】
本実施例のインクジェットヘッドは、以下のようにしてノズル２からインクを吐出する。インクは、不図示のインクタンクからインクチューブ９を介して円筒状チューブ５内に供給される。そして、円筒状チューブ５内にインクが供給された状態で圧電素子６に電圧が印加される。圧電素子６に電圧が印加されることで円筒状チューブ５の内径が縮む方向に変形する。これにより、円筒状チューブ５内のインクが加圧され、インクはノズル２の方向に押されて、最終的にノズル２からインクが吐出される。電圧のパルスパターンはインクの粘度や表面張力の物性値や所望の吐出量に対し、最適化が図られる。
【００２１】
上述した製造方法により製造された本実施例のインクジェットヘッドは、以下の効果を奏する。
【００２２】
本実施例のインクジェットヘッドは、複数のノズル２が同一のノズルプレート１上に形成されている。このため、ノズル間のノズルピッチや、ノズル２の形状は同一のものを形成することができる。インクの吐出状態にもっとも影響を与えるのはノズルの状態であるが、各ノズル２の形状が比較的同一形状に加工することができるため、各ノズル２におけるインクの吐出状態を均一なものとすることが可能となる。
【００２３】
さらに、本実施例の場合、圧電素子６の特性評価を、インクジェットヘッドに組み込む前に予め行うことができるため、良品の圧電素子６を備えた円筒状チューブ５のみ予め選別することが可能となる。
【００２４】
さらに、本実施例のインクジェットヘッドは、円筒状チューブ５がインク供給側にて固定治具７に位置決め固定されている。このため、ノズル２の中心軸と円筒状チューブ５の中心軸とを一致させるように組み立てることが可能となる。その結果、吐出したインク液滴の飛翔方向を、ノズル２の中心とほぼ同一方向とすることが可能となり、インクの着弾精度を向上させることができる。
【００２５】
また、円筒状チューブ５が固定治具７に固定されていることで、圧電素子６により円筒状チューブ５を変形させる際に生じる振動を抑えることが可能となり、その結果、より高周波数でインクを吐出することが可能となる。
【００２６】
なお、本実施例のインクジェットヘッドを外部の電源を用いて駆動し、インクの吐出を行い、ナノパルス光源を利用したストロボ観察系で液滴の状態及び安定性を確認した。これによると、複数のノズルから吐出されるインクの吐出方向のばらつきはほとんど観察されず、また、その吐出状態の安定性も良好であった。また、駆動周波数に対する安定性も非常に安定であり、１０ｋＨｚまで問題なく吐出できることを確認した。
（第２の実施例）
図２は、本発明の第２の実施例であるインクジェットヘッドの概略図である。なお、本実施例のインクジェットヘッドの製造方法及び構造は、基本的には第１の実施例と同様であるため、以下の説明では、第１の実施例と異なる点のみ説明するものとする。
【００２７】
本実施例の圧電素子６は、例えば、特開昭５９−８０３６１号公報に記載のエアロゾルデポジッション法により形成されている。圧電素子に電圧を印加するための下電極は圧電素子を形成する前にスパッタ法などにより形成し、その後圧電素子を形成し、最後に上電極をスパッタ法などにより形成する。
【００２８】
第１の実施例では、円筒状チューブ５には、ノズル２が形成された側とは反対側に、インクを供給するためのインクチューブ９を有する構成を例示した。これに対して、本実施例に示すインクジェットヘッドでは、個々の円筒状チューブ５にインクチューブ９を備える構成ではなく、インクを供給するための共通インク室１０が複数の円筒状チューブ５に接続されている例を示す。共通インク室１０には、インク供給用の供給チューブ１１が接続されている。また、共通インク室１０内には、フィルタが設けられている。
【００２９】
本実施例のインクジェットヘッドを外部の電源を用いて駆動し、インクの吐出を行い、ナノパルス光源を利用したストロボ観察系で液滴の状態及び安定性を確認した。これによると、複数のノズルから吐出されるインクの吐出方向のばらつきはほとんど観察されず、また、その吐出状態の安定性も良好であった。また、駆動周波数に対する安定性も非常に安定であり、１０ｋＨｚまで問題なく吐出できることを確認した。また、バルクの圧電体に比べて駆動周波数に対する安定性もさらに安定化され、１５ｋＨｚまで問題なく吐出できることを確認した。
【００３０】
本実施例のインクジェットヘッドは、圧電素子６をエアロゾルデポジッション法で形成している。このため、圧電素子６の肉厚を薄くすることができ、よって、より高密度でインクジェットヘッドを形成することが可能となる。また、本実施例のインクジェットヘッドは、円管状チューブ５内に供給するインクを貯留するための共通インク室１０を有する。共通インク室１０を設けることによりインク供給系のフィルタの共通化や簡便化が達成される。
【００３１】
さらに、本実施例のインクジェットヘッドは、図３に示すように、ノズルプレート１と固定用プレート３との間に中間板１２を挟んで接着する構成としてもよい。中間板１２には、固定用プレート３の各穴４に対応する位置に連通穴１３が形成されている。中間板１２は、連通穴１３の中心軸１３ａがノズル２の中心軸２ｃと一致するようにして、ノズルプレート１と固定用プレート３とに挟持されている。連通穴１３の中心軸１３ａと円管状チューブ５の中心軸５ａも一致している。なお、連通穴１３の内径１３ｂは、ノズルプレート１の流入側２ａの口径よりも大きく、かつ固定用プレート３の穴４の内径４ａよりも小さい。この中間板１２は、円筒状チューブ５のコンダクタンスとノズル２のコンダクタンスとの中間のコンダクタンスを備えるものとしてもよい。このような中間板１２を設けることで、インクの流れの乱れを抑制することができ、より高周波数で安定に動作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッドの概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例のインクジェットヘッドの概略図である。
【図３】本発明の第２の実施例における他の構成のインクジェットヘッドの概略図である。
【図４】グールド方式のインクジェットヘッドの一従来例における単ノズルの概略図である。
【図５】図４に示すノズルを備えたインクジェットヘッドの一従来例の概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    ノズルプレート
２    ノズル
３    固定用プレート
４    穴
５    円管状チューブ
５ｂ    一端側
５ｃ    他端側
５ｄ    外壁
６    圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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