(57)【要約】【課題】  ノズルの実装密度が高集積化しても圧電振動子の加工性を確保しつつ、かつ振動板のコンプライアンスも十分に確保することで、高速印刷かつ高密度なオンデマンド型のインクジェット式記録ヘッドを提供する。【解決手段】  インク滴を吐出させるノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室にインクを供給するインク供給路と、前記圧力発生室の一面を封止する振動板と、前記圧力発生室を前記振動板に設けられた凸部を介して加圧する縦振動モードを有する圧電振動子とを有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記振動板上の凸部は前記圧電振動子が複数個形成されていて、前記複数個の凸部の振動板との境界稜線領域内の平面積が、前記圧電振動子が前記凸部に当接する端面の長手方向の長さを最大としたときに形成される１個の凸部前記平面積に対し６０％〜８０％であることを特徴とする。【選択図】  図４
2010036545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出させるノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室にインクを供給するインク供給路と、前記圧力発生室の一面を封止する振動板と、前記圧力発生室を前記振動板に設けられた凸部を介して加圧する縦振動モードを有する圧電振動子とを有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記振動板上の凸部は前記圧電振動子が複数個形成されていて、前記複数個の凸部の振動板との境界稜線領域内の平面積が、前記圧電振動子が前記凸部に当接する端面の長手方向の長さを最大としたときに形成される１個の凸部の前記平面積に対し、６０％〜８０％であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
前記振動板上に形成された凸部は、前記圧力発生室の長手方向に少なくとも４つ以上あり、インク供給路側からノズル開口に向かってとほぼ等間隔で配置され、かつ前記圧電振動子が当接する先端面の平面積領域内に配置されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印字信号に応じて圧力発生手段により圧力発生室内のインクに圧力を印加してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力発生室の一面を封止する振動板に縦振動モードを有する圧電振動子を当接させて、前記圧電振動子に電圧を印加し伸縮変位させて前記圧力発生室内に生じる圧力変化を利用してインク滴をノズル開口より吐出さえるインクジェット式記録ヘッドの構造は、種々提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１記載のインクジェット式記録ヘッドに示されるように、圧電振動子に電圧が印加されていない状態では、メニスカスがノズル開口の表面にほぼ位置している。この状態で、前記圧電振動子に対して収縮させる方向に電圧を印加すると振動板もノズル開口から離れる方向に弾性変形する。この結果、圧力発生室が拡張して前記メニスカスが圧力発生室内に引き込まれると同時にインクがインク供給路から圧力発生室に流れ込む。
【０００４】
前記圧電振動子を収縮させた状態を維持すると、圧力発生室内のインクは慣性によりノズル開口へと向かう流れを生じ、これによりメニスカスもノズル開口へ向かう。このメニスカスがノズル開口へと向かう過程で前記圧電振動子を伸長させる方向に電圧を印加すると、振動板もノズル開口側へ弾性変形して圧力発生室を縮小させる。これによって発生した圧力が、前の慣性流に足されノズル開口からインク滴が吐出される。このとき、圧力発生室からインク供給路に向かう流れも同時に発生するが、前の工程で発生した圧力発生室に向かうインクの流れによる慣性流及びインク流路の形状から決まる流体抵抗によりある程度阻止することができ、ノズル開口へ向かう圧力の減少を少なくすることができる。
【０００５】
上述したように、ノズル開口より吐出するインク滴量は、圧力発生室の膨張量、ひいては圧電振動子の伸縮によって振動板が伸長するときによって生じる圧力発生室の変形体積であって、そして圧電振動子の伸縮量による発生圧力に左右される。より多く吐出させるためには、圧力発生室の変形量と発生圧力の確保が必要となる。そこで、より多くの変形体積を確保するために、圧電振動子の先端部の面積よりも大きな面積を有し、かつ高剛性の圧力伝達部材を介して前記振動板を弾性変形させる手段がある。しかしながら、前記高剛性部と振動板の薄肉部との境界には、弾性変形にともなう応力が発生する。
【０００６】
特許文献２によれば、圧力発生室のノズル開口領域のコンプライアンスをインク供給口側のコンプライアンスより大きくなうようにすることで振動板上のアイランド部と薄肉境界の耐久性を向上させることができ、凸部なる厚肉部であるアイランド部をノズル開口側からインク供給口側に伸びる１本の連続体として形成しても、また前記アイランド部の中央部がくびれた形状、あるいは、複数に分離したアイランド部を形成することでも同じであるとしている。
【０００７】
特許文献３によれば、ノズル開口側からインク供給口側に向けて複数に分割されたアイランド部の長手方向の端面に少なくとも２つ以上の曲面を形成することで、特許文献１と同様にアイランド部と薄肉境界の耐久性の向上を図る構成が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−３１８７３１号公報
【特許文献２】特開平６−３２０７２５号公報
【特許文献３】特開平８−２５６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したようなインクジェット式記録ヘッドから吐出されるインク滴量は、圧力発生室内のインクを、振動板を弾性変形させて圧力発生室の容積を拡大させ、その体積量に応じて吐出される液滴の体積が決定される。その変形速度によっては前記圧力発生室内な負圧に向かう。そのときに発生する凸部との境界部の応力を緩和させるために特許文献２或いは特許文献３のようにアイランドを複数に分割させ応力の低減を図っている。分割された各アイランド間に存在する薄肉部の隙間が狭いと応力の緩和はほとんどない。
【００１０】
また、その隙間に適度なコンプライアンスを付与することで、印刷品質が優れたヘッドを提供できるとある。近年のインクジェット式印刷装置の画質を向上させるために、ノズル間のピッチを狭くし、インク滴の微小化が進んでいる。それに伴い圧力発生室の短手方向の幅が狭くなってきている。しかしながら、機械的変換を行う圧電振動子の加工には加工後の剛性の面で限界がある。このため、圧電振動子が当接する凸部の面積を小さくしなければならないという問題が発生してしまう。
【００１１】
本発明の目的は、ノズルの実装密度が高集積化しても圧電振動子の加工性を確保しつつ、かつ振動板のコンプライアンスも十分に確保することで、高速印刷かつ高密度なオンデマンド型のインクジェット式記録ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、インク滴を吐出させるノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室にインクを供給するインク供給路と、前記圧力発生室の一面を封止する振動板と、前記圧力発生室を前記振動板に設けられた凸部を介して加圧する縦振動モードを有する圧電振動子とを有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記振動板上の凸部は前記圧電振動子が複数個形成されていて、前記複数個の凸部の振動板との境界稜線領域内の平面積が、前記圧電振動子が前記凸部に当接する端面の長手方向の長さを最大としたときに形成される１個の凸部の前記平面積に対し、６０％〜８０％であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記振動板上に形成された凸部は、前記圧力発生室の長手方向に少なくとも４つ以上あり、インク供給路側からノズル開口に向かってとほぼ等間隔で配置され、かつ前記圧電振動子が当接する先端面の平面積領域内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は前述したように、振動板上に配置された凸部を少なくとも４個以上に分割し、そのピッチや間隔を変更することによって、圧電振動子の周囲にある薄肉部のばね定数を小さくすると共に液滴の吐出特性に影響を与える薄肉部のコンプライアンスを確保することができ、吐出される液滴の安定性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１ないし図３は、本発明の実施例に係るオンデマンド型インクジェット式記録ヘッドの詳細を示す図で、図１はインクジェットヘッドの分解斜視図、図２はインクジェットヘッド組立後の長手方向の断面図、図３はインクジェットヘッド内のノズルの流路経路を示すヘッドの断面図である。
【００１６】
これらの図において符号７１はノズル、７２はノズルプレート、７３は圧力発生室、７４は圧力発生室プレート、７５はインク供給路、７６はインク供給路プレート、７７は薄肉部、７８は振動板凸部、７９は振動板、８２は共通インク通路、８３はハウジング、８５は圧電振動子、８６は圧電アクチュエータ、８９は支持基板、９３は共通インク通路へのインク導入パイプである。
【００１７】
ノズルプレート７２に形成された複数のノズル７１は、ニッケル材の電鋳加工法や、厚さ１００μｍ以下のステンレス製薄板を精密プレス加工法またはレーザ加工法などによって製作される。圧力発生室プレート７４には、前記ノズル７１に１対１で対応した個数の圧力発生室７３が形成され、前記ノズル７１と連通している。インク供給路プレート７６は図３に示すように共通インク通路８２と前記圧力発生室７３を連通し、圧力発生室７３への液流入量を制御するインク供給路７５が形成されている。圧力発生室プレート７４とインク供給路プレート７６は、厚さ１００μｍ以下のステンレス製の薄板をエッチング加工法や精密プレス加工法またはニッケル材の電鋳加工法などによって製作される。或いはシリコンウェハーをエッチング加工し、上記圧力発生室プレート７４とインク供給路プレート７６を一体で形成しても良い。
【００１８】
振動板７９には、圧電振動子８５の伸縮による変位を効率良く圧力発生室７３に伝達するための前記圧電振動子８５に当接する領域に厚肉部なる振動板凸部７８と、前記圧力発生室７３の容積を拡張・収縮させるべく弾性変形する薄肉部７７と、共通インク通路８２からインク供給路７５に流入する液中のゴミなどを除くフィルタ８０が形成されている。
【００１９】
振動板７９は、ニッケル材の電鋳加工法、または薄い樹脂と薄膜のステンレス板を積層してステンレス部をエッチング加工法などによって製作することができる。金属材料を機械加工または合成樹脂を成形加工する方法で製作されるハウジング８３にはインク導入通路９３が設けられており、この共通インク通路８２に接続されている。
【００２０】
図１、図２及び図３を用いて、インクが液滴として吐出されるまでの工程の概要を説明する。
【００２１】
図１に示されるインク導入通路９２ら供給されたインクは、ヘッドの共通インク通路８２、振動板７９に形成されたフィルタ８０を通過して、インク供給路プレート７６に位置する流体抵抗部７５ａを通り、振動板７９直下のインク流路７５ｂを経由し、圧力発生室７３、ノズル開口７１へと順に流れる。圧電振動子８５に所定のパルス電圧を印加することにより圧電振動子８５が伸縮し、パルス電圧の印加を止めると圧電振動子８５は伸縮前の状態に戻る。このような圧電振動子８５の変形により前記凸部７８を介して薄肉部７７が弾性変形する。
【００２２】
前記圧電振動子８５が収縮する方向に変位すると、インク流路７５ｂや圧力室７３内にインクが導入され、その直後に圧電振動子８５が伸長する方向に変位するとインク流路７５ｂや圧力室７３内インクに瞬間的に圧力が加わり、その圧力波によってノズル開口７１からインクが液滴となって紙やプラスチックなどのメディア上に着弾する。
【００２３】
図４は、本発明のインクジェットヘッドを振動板７９上面（凸部がある方向）からみた平面図の一部を示す。図４（ａ）、（ｂ）に示す点線は、インク供給路７５の稜線であり、振動板７９の薄肉部７７が拘束される境界部である。
【００２４】
圧電振動子８５の伸縮に応じて、圧電振動子８５の先端部に当接された凸部７８と薄肉部７７が動き、圧力発生室７３の体積を変化させる。このときの両端に位置する凸部７８間を結んだときの総平面積Ｓ１（図４（ａ）に示す斜線部）と図４（ｂ）に示される凸部７８の総平面積Ｓ２の面積比率（Ｓ２／Ｓ１）をＡｉとする。
【００２５】
図５には、３次元のシミュレーションにより前記平面積Ａｉに対応した凸部７８を介して前記圧電振動子８６がある一定量変位したときの薄肉部７７と凸部７８を含む振動板７９の体積変化量を計算した結果を示したものである。図５（ａ）は、圧力発生室７３に位置する薄肉部７７と凸部７８が圧電振動子８５の伸縮によって膨張側に弾性変形したときの図４（ａ）の状態での体積変化量Ｖ１を示す。図５（ｂ）は、図４（ｂ）のときの体積変化量Ｖ２を示し、それぞれの体積変化比率Ｖ２／Ｖ１を体積比率Ｖｉとする。
【００２６】
図６は、凸部７８の総面積比率Ａｉと前記体積変化率Ｖｉの関係を示した図である。前記凸部７８の全平面積比率Ａｉは、図４（ａ）に示すように圧電振動子８５の直下にある凸部７８が最大面積を有した形状の時の平面積Ｓ１を１００％としている。ここで、凸部７８の形状は、四角形にしてあるが、円形やそのたの形状であってもよい。
【００２７】
図６からもわかる様に、凸部７８の平面積Ａｉが小さくなればなるほど体積変化率Ｖｉは小さくなる。それは、圧電振動子８６の直下に位置する凸部７８、７８、７８、・・・間に存在する薄肉部７７が圧肉部である凸部７８より変形の追従性が悪いため体積変化が小さくなるためである。
【００２８】
図５（ｂ）でも示されるように、圧電振動子８５が収縮したときの凸部７８間にある薄肉部７７の変形は、凸部７８の比較して小さいことがわかる。このことは、それぞれの凸部７８間に存在する薄肉部７７をコンプライアンスとして機能させることができる。
【００２９】
本例の場合、圧電振動子８５の先端部のサイズは、長手方向が１．７ｍｍ、短手方向が０．０６ｍｍ、圧力発生室７３の短手方向の長さを０．１１ｍｍ、長手方向の長さを１．９ｍｍと、凸部の短手方向の長さを０．０５ｍｍとし長手方向の長さを変化させることとしている。
【００３０】
このように、一つの圧力発生室７３に対応する圧電振動子８５のほぼ直下にある凸部７８の長さを変えることで薄肉部７７の面積を容易に変えることができ、インクの吐出性能に応じて前記薄肉部７７のコンプライアンスを変えることができる。
【００３１】
しかしながら、前記凸部７８の平面積比率Ａｉを小さくしすぎると体積変化率Ｖｉも低下する。インク滴量を確保するためには、圧電振動子８５に印加する電圧を高めれば良いことであるが、その分、薄肉部７７の弾性変形量が大きくなり凸部７８との境界部で応力が高まり、機械的故障を引き起こす可能性がある。そこで、薄肉部７７の変形体積Ｖｉを８０％以上確保する程度が良い。また、Ｖｉが９５％以上となると飽和領域となり、前記コンプライアンスを変える効果が薄れる。その結果、凸部の平面積比率Ａｉは、およそ６０％から８０％であれば良いことになる。
【００３２】
一方で、圧電振動子の長手側面に位置する振動板薄肉部は、ノズル間ピッチが狭くなるほどその隙間も狭くなる。圧電振動子の変位を十分の発揮するためには、前記薄肉部のばね定数を小さくする必要がある。また、圧力発生室７３の長手方向の長さも小さくなる。そのための振動板７９に圧電振動子８５の周囲の薄肉部７７を確保することが困難となってくる。そこで、厚肉部を複数に分割することで、そのピッチや間隔を変更することによって、薄肉部のばね定数を小さくすると共に液滴の吐出特性に影響を与える薄肉部のコンプライアンスを確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、インクジェット記録装置のヘッド部に関するもので、記録用紙にインクで記録する印刷装置や生産物へのマーキング装置や記録用インクの代わりに特殊な液体、例えばナノ粒子インクを吐出して配線パターンを形成する装置などの工業用途に使われる液滴塗布装置にも適用可能なヘッドである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】そのインクジェット式記録ヘッドの組立後のヘッド長手方向の断面図である。
【図３】そのインクジェット式記録ヘッドの組立後の1ノズルの流路を示す断面図である。
【図４】そのインクジェット式記録ヘッドを振動板部側から見た平面図である。
【図５】そのインクジェット式記録ヘッドの圧電素子を伸縮させたときの振動板の弾性変形の形状を示した３Ｄシミュレーション図である。
【図６】そのインクジェット式記録ヘッドの振動板を変位させたときの凸部面積比率と体積変化率を示した特性図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    インクジェット式記録ヘッド
７１  ノズル（開口）
７２  ノズルプレート
７３  圧力発生室
７４  圧力発生室プレート
７５  インク供給路
７５ａインク流路
７５ｂ流体抵抗部
７６  インク供給路プレート
７７  薄肉部
７８  凸部
７９  振動板
８２  共通インク通路
８５  圧電振動子
８６  圧電アクチュエータ
８３  ハウジング
９２  インク導入パイプ
【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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【図６】
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