(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク吐出ノズルと連通する複数のインク室と各インク室にインクを供給するマニホールドとが形成されたキャビティ部材と、
前記インク室と対向するようにそれぞれ配設され、且つ対応するインク室内のインクに機械的振動を与えてインク小液滴を吐出させる複数の活性部を有するアクチュエータ手段とを備え、
前記インク室と前記マニホールドとを接続する部分を、そのインク室の両端を結ぶ線の延長方向に対して側方に屈曲し、それにともない隣接する前記インク室を隔てる側壁の前記マニホールド近傍が一部屈曲して前記延長方向の線上において前記アクチュエータ手段の下部に位置しており、前記アクチュエータ手段が、前記側壁の屈曲部と、前記キャビティ部材において該屈曲部と反対側の前記インク室が形成されていない外縁部とにまたがって前記キャビティ部材に固定されたことを特徴とするインクジェット式印字ヘッド。
【請求項２】
前記アクチュエータ手段は、前記キャビティ部材の外縁部であって、前記インク室の長手方向の両端に位置する一縁部及び他縁部と、前記側壁の屈曲部との三点にて前記キャビティ部材に固定されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式印字ヘッド。
【請求項３】
前記アクチュエータ手段は、前記インク室に対して変位する前記活性部が、前記インク室の両端間の長さよりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット式印字ヘッド。
【請求項４】
前記アクチュエータ手段は、圧電材料からなる圧電層と電極層とを交互に積層した積層式圧電素子からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインクジェット式印字ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、インク滴を飛翔させて印字媒体上にドットによる文字あるいは図形を形成するインクジェット式印字ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、これまでのインパクト方式の記録装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつあるノンインパクト方式の記録装置の中で、原理が最も単純で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとして、インクジェット方式の記録装置が挙げられる。インクジェットプリンタは高速印字、低騒音、高印字品質であり、且つ比較的簡易な構成で製造コストが低くできるなどの利点があることから注目されている。
【０００３】
インクジェットプリンタに用いられるインクジェット式印字ヘッドには複数の方式が提案されており、中でも記録に使用するインク滴のみを噴射するドロップ・オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコストの安さなどから急速に普及している。
【０００４】
その一例である圧電素子を用いたインクジェット式印字ヘッドは、インク流路の壁面の一部を電圧印加された圧電素子の変位により変形させ、前記インク流路内のインクに圧力を付加することにより、ノズルからインク滴を飛翔させている。
【０００５】
前記インクジェット式印字ヘッドは、図８乃至図１０に示すように、先端部が複数に分割され、その各々が選択的に縦方向に変位する柱状の圧電セラミックス８１と、前記圧電セラミックス８１の先端部の変形に追従する弾力性のある薄板８２と、ノズルに連通するインク室８３及びマニホールドが形成された樹脂製のキャビティプレート８４と、圧電セラミックス８１の変形方向を規制する補強板８５とが接着された構成を有している。前記圧電セラミックス８１の先端部は、それぞれインク流路８３の上部に位置するように配置され、キャビティプレート８４をその外縁部で支持している。
【０００６】
前記圧電セラミックス８１の各先端部には、ワイヤボンディング等でドライバの電気配線が接続されており、駆動電圧は電気配線を介して給される。圧電セラミックス８１の先端部は前記駆動電圧の印加により変位し、薄板８２を変形させてインク流路８３内のインクに圧力を付加させることにより、インク液滴をノズルから吐出させて印字している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記インクジェット式印字ヘッドでは、キャビティプレート８４に高密度に配設されたインク室８３やマニホールドの為の溝や凹部が多数形成されており、キャビティプレート８３の剛性が不足し易い。また、柱状の圧電セラミックス８１の先端部は、各々分離されている上、図９に示すように、その長手方向の両縁部のみでキャビティプレ−ト８４を支持しており、この支持部の間隔Ｌが長くなっている。
【０００８】
そのため、従来のインクジェット式印字ヘッドでは、圧電セラミックス８１とキャビティプレート８４との接合強度が小さく、キャビティプレート８４は外力に対して変形し易い構造となっている。よって、圧電セラミックス８１が駆動されたとき、その圧電セラミックス８１の変位は対応するインク室８３のみでなく、キャビティプレート８４全体に波及し易くなる。つまり、圧電セラミックス８１の変位がインク室８３単体の容積変化を生じさせるのみでなく、キャビティプレート８４全体を外方に湾曲させたり、捻れ方向に変形させるように作用してしまう。
【０００９】
キャビティプレート８４が外方に逃げるように湾曲すると所望のインク室８３の容積変化が阻害されてしまい、インクに効率よく圧力を付加させることが困難となる。逆に、キャビティプレート８４が捻れ方向に変形すると隣接するインク室８３等には無用な圧力変動を生じさせることになる。
【００１０】
この現象は、複数のインク室８３において同時噴射されるとき、即ち一度に大きな変位がキャビティプレート８４に与えられるときに特に顕著に発生する。そして、場合によってはインクの吐出不良やクロストークが頻繁に生じたりして、インクジェット式印字ヘッドとしての充分な特性がでないという問題点があった。
【００１１】
上記吐出不良を解消するために、駆動電圧を高めてインク室８３に付加する圧力を大きくする手法が考えられるが、駆動電圧を高めても問題の根本であるキャビティプレート８４の湾曲や捻れ等の歪みは解消されていない。そのため、依然としてクロストークの問題や、同時駆動される圧電セラミックス８１の数により吐出されるインク液滴の径や速度がばらつく等の問題が残っていた。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、キャビティ部材の印字時の逃げや歪みを抑え、高い印字品質を有する安価なインクジェット式印字ヘッドを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明のインクジェット式印字ヘッドは、インク吐出ノズルと連通する複数のインク室と各インク室にインクを供給するマニホールドとが形成されたキャビティ部材と、前記インク室と対向するようにそれぞれ配設され、且つ対応するインク室内のインクに機械的振動を与えてインク小液滴を吐出させる複数の活性部を有するアクチュエータ手段とを備え、前記インク室と前記マニホールドとを接続する部分を、そのインク室の両端を結ぶ線の延長方向に対して側方に屈曲し、それにともない隣接する前記インク室を隔てる側壁の前記マニホールド近傍が一部屈曲して前記延長方向の線上において前記アクチュエータ手段の下部に位置しており、前記アクチュエータ手段が、前記側壁の屈曲部と、前記キャビティ部材において該屈曲部と反対側の前記インク室が形成されていない外縁部とにまたがって前記キャビティ部材に固定される。
【００１４】
尚、前記アクチュエータ手段は、前記キャビティ部材の外縁部であって、前記インク室の長手方向の両端に位置する一縁部及び他縁部と、前記側壁の屈曲部との三点にて前記キャビティ部材に固定されてもよい。
【００１５】
尚、前記アクチュエータ手段は、前記インク室に対して変位する前記活性部が、前記インク室の両端間の長さよりも短いものでもよい。
【００１６】
尚、前記アクチュエータ手段は、圧電材料からなる圧電層と電極層とを交互に積層した積層式圧電素子からなるものでもよい。
【００１７】
【００１８】
【作用】
上記の構成を有する本発明の請求項１に係わるインクジェット式印字ヘッドにおいては、前記インク室と前記マニホールドとを接続する部分を、そのインク室の両端を結ぶ線の延長方向に対して側方に屈曲し、それにともない隣接する前記インク室を隔てる側壁の前記マニホールド近傍が一部屈曲して前記延長方向の線上において前記アクチュエータ手段の下部に位置しており、その側壁の屈曲部と、キャビティ部材において該屈曲部と反対側のインク室が形成されていない外縁部とにまたがってアクチュエータ手段が固定されている。そのため、キャビティ部材の剛性を向上させられる。その結果、同時噴射時に問題となるインク室内の発生圧力によるキャビティ部材の湾曲や捻れ等の歪みに起因する吐出圧力の抜けやクロストークが抑制され、高い印字品質が得られる。
【００１９】
請求項２に係わるインクジェット式印字ヘッドにおいては、アクチュエータ手段が、キャビティ部材の外縁部であって、インク室の長手方向の両端に位置する一縁部及び他縁部と、前記側壁の屈曲部との三点にてキャビティ部材を支持している。よって、前記アクチュエータ部材とキャビティ部材との接合は確実なものとなり、更にキャビティ部材の剛性を向上させられるため、高品位の印字品質が得られる。
【００２０】
請求項３に係わるインクジェット式印字ヘッドにおいては、アクチュエータ手段は、前記インク室の両端間でのみ変位し、キャビティ部材との接合部やマニホールド対向部では変位しない。よって、アクチュエータ手段の変位を、効率よくインク室内のインクに機械的振動として付加することが出来る。
【００２１】
請求項４に係わるインクジェット式印字ヘッドにおいては、アクチュエータ手段は所謂積層式圧電素子よりなるため、低電圧にても大きな変位が得られる効率のよい駆動を行なうことが出来る。
【００２２】
【００２３】
【実施例】
本発明を具体化した一実施例を、図１乃至図７を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
図７に、本発明の一実施例であるインクジェット式印字ヘッドを搭載するインクジェットプリンタの要部を示す。図中におけるプラテン１０は、軸１２によりフレーム１３に回転可能に取り付けられており、モータ１４によって駆動される。プラテン１０には紙１１がセットされており、プラテン１０に対向してインクジェット式印字ヘッド１５が設けられている。インクジェット式印字ヘッド１５は、インク供給装置１６と共にキャリッジ１８上に載置されている。キャリッジ１８はプラテン１０の軸線に平行に配設された２本のガイドロッド２０に摺動可能に支持されると共に、一対のプーリ２２に巻き掛けられたタイミングベルト２４が結合させらている。そして、一方のプーリ２２がモータ２３によって回転させられ、タイミングベルト２４が送られることによりキャリッジ１８はプラテン１０に沿って移動させられる。
【００２５】
図１乃至図３に、前記インクジェット式印字ヘッド１５に用いられるアレイ３０の構成及び断面を示す。このアレイ３０は、図中紙面に垂直な方向に伸長した複数のインク室３２ａ，３２ｂ，３２ｃ及びマニホールド９０が形成されたキャビティプレート３４と、前記キャビティプレート３４に薄膜状の振動板３５を介して固着された積層式圧電素子３８と、同じくキャビティプレート３４に前記積層式圧電素子３８とは反対側に固着されたオリフィス３７を有するオリフィスプレート３６と、前記積層式圧電素子３８の前記インク室３２ａ〜３２ｃと対向する側に固着された弾性率の高い金属、またはセラミックからなるベースプレート３３とを備えて構成されている。
【００２６】
尚、前記インク室３２ａ〜３２ｃにはインクが充填されており、それぞれマニホールド９０を介してインク供給装置より適宜インクが供給される。本実施例のインクは、常温で固体であり、加熱により溶融される所謂ホットメルトインクを使用する。図示はしないが、本実施例のインクジェットプリンタは、ホットメルトインクを溶融状態で使用する為にインク流路にヒータ等が設けられている。
【００２７】
本実施例のインクジェット式印字ヘッド１５における積層式圧電素子３８は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミックス層４０と、内部負電極層４２と、内部正電極層４４を複数枚積層したものである。そして、積層式圧電素子３８は、図３及び図４に示すように、その一端面が前記インク室３２ａ〜３２ｃに対して１対１で対応するようなピッチでダイサ−等によりスリット加工が施されており、複数に分割されたアクチュエータ３９を備えた櫛歯状構造をとっている。このアクチュエータ３９の幅は、インク室３２の幅より小さくしてあり、前記アクチュエータ３９の自由端が各インク室３２に対応するように配置されている。
【００２８】
各アクチュエータ３９においては、図２及び図４に示すように、内部負電極層４２と内部正電極層４４とが圧電セラミックス層４０を介して、前記アクチュエータ３９の長手方向略中央部でのみ交差するように積層されている。この両電極層４２，４４が交差する領域が圧電活性部４６を、その他の領域が圧電不活性部４８を構成している。尚、各アクチュエータ３９の圧電活性部４６は、インク室３２のオリフィス３７と後述する屈曲部５２とに挟まれた領域に対向する部位に形成されている。
【００２９】
前記圧電セラミックス層４０は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料にて構成されており、積層方向に分極させられている。図２の圧電セラミックス層４０に示されている矢印は分極方向を示している。また、各電極層４２，４４はＡｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、内部負電極層４２はその一部がアクチュエータ３９の長手方向の一端面に露出し、内部正電極層４４はその一部が長手方向の他端面で露出している。そして、各々の電極４２，４４が露出する端面に導電層が形成されて、外部負電極５５及び外部正電極５４が形成されている。アクチュエータ３９の各電極層４２，４４間に電界が印加された場合、前記圧電活性部４６が厚み方向に圧電変形を起こす。但し、その他の領域である圧電不活性部４８では変形を生じない。
【００３０】
一方、キャビティプレート３４は、樹脂材料を用いた射出成形により成形され、図５に示すように、平行に配列された複数のインク室３２とそれらに連通するマニホールド９０とが形成されている。上述の櫛歯状に分割されたアクチュエータ３９に対応するインク室３２ａ〜３２ｃにおいて、隣接するインク室３２を隔てる側壁のマニホ−ルド９０近傍に位置する部位が、前記アクチュエータ３９の下部に位置するように屈曲した構造になっている。結果、この屈曲部５２は振動板３５を挟んでアクチュエータ３９に接合される。
【００３１】
キャビティプレート３４は、図２及び図５に示すように、積層式圧電素子３８に、そのインク室３２及びマニホールド９０の凹部が形成されていない外縁部と前記屈曲部５２にて支持されている。また、インク室３２単位でみれば、前記キャビティプレートの外縁部であって、インク室３２の長手方向に位置する一縁部である第１接着部５１及び他縁部の第２接着部５３と、前記側壁の屈曲部５２との三点にてアクチュエータ３９に支持されることになる。
【００３２】
前記屈曲部５２を形成することによってインク室３２の流体抵抗が増加してマニホールド９０よりのインク補充に支障が出ることが無いように、屈曲部５２の屈曲角度は小さくするのが好ましい。尚、本実施例では、一般に粘度の高いホットメルトインクを使用するため、インク室３２の流体抵抗の変化に依らずマニホールド９０よりのインク供給が確実に行なわれる。
【００３３】
また、上記アレイ３０には、それぞれ図６に示されている電気回路が設けられている。この電気回路において、駆動電源６０の負極側と積層式圧電素子３８の外部負電極５５とは接地されており、前記駆動電源６０の正極側は開閉スイッチ６２ａ，６２ｂ，６２ｃを介して前記積層式圧電素子３８の外部正電極５４ａ〜５４ｃに接続されている。この各スイッチ６２ａ〜６２ｃが図示しないコントローラによって閉じられることにより、駆動電源６０から所定のアクチュエータ３９ａ〜３９ｃに位置する内部負電極層４２と内部正電極層４４間に駆動電圧が印加される。
【００３４】
以上のように構成されたインクジェット式印字ヘッド１５の動作について説明する。尚、説明の便宜上チャンネル数を３つにしてあるが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
【００３５】
所定の印字データに従って、前記コントローラが例えばスイッチ６２ａを閉じると、アクチュエータ３９ａの内部負電極層４２と内部正電極層４４ａとの間に電圧が印加され、それらの間に位置する圧電セラミックス層４０にバイアス電界が印加され、圧電・電歪縦効果の寸法歪に従い前記アクチュエータ３９ａの圧電活性部４６が図中の上下方向に伸張し、前記インク室３２ａの容積を減少させる。そして、インク室３２ａ内のインクがオリフィス３７ａから液滴となって噴射される。また、スイッチ６２ａが開いて電圧の印加が遮断されアクチュエータ３９ａの圧電活性部４６が元の位置まで戻されると、その時のインク室３２ａの容積増加に伴って図示しない別の弁を経て前記インク供給装置１６からインクが補充される。尚、例えば他のスイッチ６２ｂが閉じられた場合には、アクチュエータ３９ｂの圧電活性部が変位させられてインク室３２ｂからインクが噴射される。
【００３６】
すなわち、本実施例のアレイ３０はインクジェット式印字ヘッド１５の３つの噴射装置７０ａ，７０ｂ，７０ｃを構成しているのであり、１つの積層式圧電素子３８はその３つの噴射装置７０ａ〜７０ｃに跨って設けられた圧電アクチュエータとして機能するのである。
【００３７】
ここで、積層式圧電素子３８へ電圧を印加した時のアレイ方向３１における変形の様子を示す。アクチュエータ３９に電圧２５Ｖを印加したとき、内部負電極層４２と内部正電極層４４とが交差した前記圧電活性部４６の部分は２００ｎｍ以上の大きな変位をし、前記圧電活性部４６からはずれた部分（圧電不活性部４８）ではほとんど変位しない。但し、圧電活性部４６の端部では、当該圧電活性部４６の変位に引きずられて幾分変位する。この結果から、積層式圧電素子３８のインク室３２内への変形を効率よくさせるには、前記圧電活性部４６の長手方向の長さが、インク室３２の長手方向における長さよりも小さいことが必要であることが分かる。本実施例においては、アクチュエータ３９の圧電活性部４６の長手方向の長さを、インク室３２の長さよりも小さくしたので、液滴３９を噴射するためにはわずか３０Ｖという低駆動電圧で効率のよい噴射を行うことができる。
【００３８】
ここで問題になるのが、インク室３２を長くするとインク室３２を形成した部分の剛性が低下し、印字時の積層式圧電素子３８の発生圧力によりキャビティプレート３４が歪み易くなる点である。そのため、発生圧力が逃げたり他のインク室３２に波及したりして、インクの吐出性能に悪影響（例えば、インク液適の不揃いや不吐出、クロストーク等）がでやすくなる。しかしながら、本実施例のインクジェット式印字ヘッド１５では、インク室３２のマニホ−ルド９０近傍を屈曲させて屈曲部５２を形成し、この屈曲部５２でもキャビティプレート３４を接着固定出来る構造にした事により、インク室３２の剛性が格段に上がりキャビティプレートの歪みが防止される効果を有する。結果、発生圧力の抜けやクロストークが抑制され、同時噴射時においても高い印字品質のインクジェットプリンタを提供出来る。
【００３９】
また、本実施例の圧電式インクジェットプリンタ１５においては、１つの積層式圧電素子３８が複数の噴射装置７０ａ〜７０ｃの圧電アクチュエータとして機能するため、アレイ３０、更にはそのアレイ３０を多数組み付けることによってインクジェット式印字ヘッド１５の構造が簡略化され、製造工数も少なくなって製造コストが低減されるのである。そして、圧電アクチュエータが積層式圧電素子３８であることに加えて、伸長方向においてインク室３２の長さをアクチュエータ部４６よりも大きくしたため、効率のよい変形が得られるので、駆動電圧が大幅に低減できた。
【００４０】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において数々の変形を加えることもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したことから明かなように、本発明のインクジェット式印字ヘッドにおいては、前記インク室と前記マニホールドとを接続する部分を、そのインク室の両端を結ぶ線の延長方向に対して側方に屈曲し、それにともない隣接する前記インク室を隔てる側壁の前記マニホールド近傍が一部屈曲して前記延長方向の線上において前記アクチュエータ手段の下部に位置しており、その側壁の屈曲部と、キャビティ部材において該屈曲部と反対側のインク室が形成されていない外縁部とにまたがってアクチュエータ手段が固定されている。そのため、キャビティ部材の剛性を向上させることができ、複数のインク室からの同時噴射時に問題となるキャビティ部材の逃げや歪みが抑制され、吐出不良やクロストークの無い高い印字品質が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を具体化した一実施例のインクジェット式印字ヘッドを成すアレイの構成を示す斜視図である。
【図２】  本実施例のアレイの側断面図である。
【図３】  本実施例のアレイの一部破断横断面図である。
【図４】  本実施例のインクジェット式印字ヘッドに用いられる積層式圧電素子の斜視図である。
【図５】  本実施例のインクジェット式印字ヘッドに用いられるキャビティの平面図である。
【図６】  本実施例のアレイに電気回路が設けられた状態を示す説明図である。
【図７】  本実施例のインクジェット式印字ヘッドを搭載するインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。
【図８】  従来のインクジェット式印字ヘッドの構成を示す斜視図である。
【図９】  従来のインクジェット式印字ヘッドの側断面図である。
【図１０】  従来のインクジェット式印字ヘッドの横断面図である。
【符号の説明】
３２  インク室
３４  キャビティプレート
３８  積層式圧電素子
３９  アクチュエータ
４６  圧電活性部
４８  圧電不活性部
５１  第１接着部
５２  屈曲部
５３  第２接着部
９０  マニホ−ルド
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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