JP4923815B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、複数種類のインクをインク供給口からノズル孔に移送して噴射するインクジェットヘッドに関するものである。

圧電方式のインクジェットヘッドは、インク供給口から複数のノズル孔までの流路中に各ノズル孔に夫々対応する複数の圧力室が設けられた流路ユニットと、この流路ユニットの上に積層されて圧力室の容積を選択的に変動させる圧電アクチュエータとを備えている（例えば、特許文献１参照）。また、圧電アクチュエータは、振動板と、この振動板の上面に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電層の積層体と、この圧電層間に介挿された複数の電極とを有している。このようなインクジェットヘッドによれば、圧電アクチュエータの電極に対して選択的に駆動電圧が印加されると、その電極で挟まれた圧電層の活性部に電界が作用して厚み方向の変形が生じる。そして、この圧電層の変形が振動板に伝達されて圧力室の容積が変動し、圧力室内のインクに生じた圧力変動によりインク液滴がノズル孔より噴射されることとなる。

さらに、インクの種類によって記録媒体に着弾したときの液滴の広がりが異なる場合、媒体上のドット径を揃えるために、あらかじめインク種類ごとに噴射量を変えたり、階調などの記録のためにインクの噴射量を変えることがある。具体的には、圧力室とそれに対応する圧電アクチュエータとの組を、インクの噴射量ごとに大きさを変えて複数種類並べた構成とする（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−１４６９６８号公報 特開平９−３００６１２号公報

しかしながら、インク吐出量を圧電アクチュエータと圧力室の大きさにより調節する構成とすると、１つのインクジェットヘッドの中に、複数種類の特性のものが存在することになり、製造が難しくなる。また、圧電アクチュエータと圧力室の大きさに基づくインクの固有周期がインク種類ごとにそれぞれ異なると、それぞれの駆動制御や、全体としての駆動周期の設定が難しくなる。

そこで、本発明は、複数種類のインクを用い、そのうち少なくとも一種類のインクの噴射量を他と異ならせるインクジェットヘッドにおいて、その製造を容易にし、駆動制御を容易にすることを目的としている。

本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、第１の発明に係るインクジェットヘッドは、複数種類のインクごとに、インク供給口から複数のノズル孔までの流路中に前記ノズル孔に夫々対応する圧力室が設けられた流路ユニットと、前記流路ユニットに重ねられ前記圧力室の容積を変動させるアクチュエータとを備え、前記アクチュエータは、前記各圧力室に対面して設けられた振動板と、前記振動板の前記各圧力室に対応する部分を夫々変位させるように変形可能な複数の活性部と、前記振動板の前記圧力室に対応する領域の少なくとも一方面上において前記領域の周辺部を残して前記振動板の変形を拘束するように所定範囲に配置された変形拘束体とを有し、前記各活性部の夫々の面積は全種類のインクについて同一であり、前記複数種類のインクのうち、少なくとも一種類のインクに対応する前記変形拘束体の前記振動板に対する変形拘束面積を、他の種類のインクに対応する前記変形拘束体の前記振動板に対する変形拘束面積と相違させていることを特徴とする。

このようにすると、アクチュエータの活性部の変形が振動板に伝達される際には、振動板の変形拘束体により変形が拘束された箇所全体が変位して圧力室の容積を変動させる。圧力室の変動容積は、振動板の変位量及び振動板の変位箇所面積に比例するが、変形拘束体の振動板に対する変形拘束面積が少なくとも一種類のインクについて他の種類のインクと相違しているので、圧力室の変動容積がインク種類に応じて相違することとなる。したがって、アクチュエータの各活性部の夫々の面積が例えば全種類のインクについて同一であってもインク種類に応じて噴射量を変えることが可能となる。これにより、インクの噴射量が他と異なるインクジェットヘッドの製造が容易になり、駆動制御が容易になる。

前記変形拘束面積が大の種類のインクに対応する前記ノズル孔は、前記変形拘束面積が小の種類のインクに対応する前記ノズル孔よりも、孔径が大であってもよい。

このようにすると、変形拘束面積が大で噴射量が多いインクについてはノズル孔の孔径が大きいので十分な噴射性能が得られる。

前記振動板における、前記変形拘束体によって変形を拘束される変形拘束面積が、前記変形拘束体における、前記活性部からの圧力を受ける受圧面積よりも大であってもよい。

このようにすると、変形拘束体により変形を拘束される振動板の変形拘束面積が、活性部からの圧力を受ける変形拘束体の受圧面積よりも大であるので、変形拘束体の存在により活性部の変位箇所面積よりも振動板の変位箇所面積を大きくさせる増幅効果が得られる。したがって、アクチュエータの活性部の変位量が小さくても圧力室に大きな容積変動を与えることができ、駆動効率が向上する。

第２の発明に係るインクジェットヘッドは、複数種類のインクごとに、インク供給口から複数のノズル孔までの流路中に前記ノズル孔に夫々対応する圧力室が設けられた流路ユニットと、前記流路ユニットに重ねられ前記圧力室の容積を変動させるアクチュエータとを備え、前記アクチュエータは、前記各圧力室に対面して設けられた振動板と、前記振動板の前記各圧力室に対応する部分を夫々変位させるように変形可能な複数の活性部と、前記振動板の前記圧力室に対応する領域の少なくとも一方面上において前記領域の周辺部を残して前記振動板の変形を拘束するように所定範囲に配置された変形拘束体とを有し、前記変形拘束体は、その前記振動板の変形を拘束する変形拘束面積が、前記活性部からの圧力を受ける受圧面積よりも大となる構成であり、前記各活性部の夫々の面積は全種類のインクについて同一であり、前記複数種類のインクのうち一部の種類のインクのみに対応して前記変形拘束体が設けられていることを特徴とする。

このようにすると、アクチュエータの活性部の変形が振動板に伝達される際には、振動板の変形拘束体により変形が拘束された箇所全体が変位して圧力室の容積を変動させる。圧力室の変動容積は、振動板の変位量及び振動板の変位箇所面積に比例するが、本発明の変形拘束体は一部の種類のインクのみに対応して設けられているので、圧力室の変動容積がインク種類に応じて相違することとなる。したがって、アクチュエータの各活性部の夫々の面積が例えば全種類のインクについて同一であってもインク種類に応じて吐出量を変えることが可能となる。これにより、インクの噴射量が他と異なるインクジェットヘッドの製造が容易になり、駆動制御が容易になる。

前記変形拘束体が設けられている種類のインクに対応する前記ノズル孔は、他の種類のインクに対応する前記ノズル孔よりも、孔径が大であってもよい。

このようにすると、変形拘束体が設けられて噴射量が多いインクについてはノズル孔の孔径が大きいので十分な噴射性能が得られる。

前記変形拘束体が、前記活性部との接合面積よりも前記振動板との接合面積を大きくした形状であってもよい。

このようにすると、変形拘束体により変形を拘束される振動板の変形拘束面積が、活性部からの圧力を受ける変形拘束体の受圧面積よりも大である構成を容易に形成することができ、簡素かつ安価に駆動効率を向上させることが可能となる。より具体的には、変位伝達体は、前記振動板と平行な方向と直交する方向に切断した断面視で凸形状を呈したものとすると好適である。

前記流路ユニットは、複数の前記圧力室をその間に隔壁を介在して列状に配置して有し、前記アクチュエータは、前記複数の圧力室にわたって連続して設けられた前記振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側で前記振動板と平行に前記複数の圧力室にわたって設けられた圧電体とを有し、前記圧電体は、前記複数の圧力室にわたる大きさであって前記振動板と平行な方向と直交する方向に重ねられる圧電材シートと、前記圧電材シートに重ねられて前記複数の圧力室に対応して連続配置された共通電極と、前記共通電極との間で前記圧電材シートを挟み前記複数の圧力室の夫々に対応するように個別配置された複数の個別電極とを有し、前記個別電極は、前記直交する方向から見た平面視で前記圧力室よりも小さい面積であり、前記圧電体は、前記平面視で前記個別電極に対応する領域であって前記共通電極と前記個別電極との間に生じる電界により変形する前記活性部と、前記活性部以外の部分である不活性部とを有し、前記振動板と平行な方向に扁平で前記振動板側の面が前記圧力室の列方向に平坦に形成されており、前記振動板と前記圧電体との間に、前記不活性部と前記隔壁とを連結する固定体が介設され、前記変形拘束体はその外周部と前記固定体との間に隙間をあけて配置されていてもよい。

このようにすると、圧電体の不活性部と圧力室の隔壁との間に介設された固定体に対して変形拘束体が隙間をあけて配置されているため、圧電体の不活性部が固定体に、組み立て上多少ずれて連結され、活性部が変形拘束体に対してずれて位置しても、活性部の変形は振動板を所期量確実に変形させることができる。また、アクチュエータの活性部の変形が変形拘束体に伝達されると、変形拘束体とともに振動板が変形して圧力室の容積が変動することとなる。そうすると、アクチュエータの活性部の変形状態にかかわらず振動板の変形拘束体による変形拘束面積分が安定して変位する。

前記圧電体における、前記振動板側の面が前記圧力室の列方向に平坦に形成され、前記固定体および前記変形拘束体における、前記圧電体との接合面が前記振動板から同じ高さにあってもよい。

このようにすると、圧電体の振動板側の面が圧力室の列方向に平坦に形成され、かつ、固定体および変形拘束体の圧電体との接合面が振動板から同じ高さであるので、平坦なプレートによりアクチュエータの積層構造を容易に形成することができ、生産性が向上する。

前記変形拘束体が前記振動板の前記流路ユニットと対面する側の面に設けられ、前記活性部と前記振動板との間の前記変形拘束体に対応する位置に変位伝達体が設けられていると共に、前記振動板と前記流路ユニットとの間で前記固定体と前記平面視で重なる位置に第２固定体が設けられ、前記変位伝達体が、その外周部と前記第２固定体との間に隙間をあけて前記振動板の所定範囲にわたって配置されていてもよい。

このようにすると、第２固定体に対して変位伝達体が隙間をあけて配置されているため、第２固定体が圧力室間の隔壁に、組み立て上多少ずれて連結されても、振動板がその変形を妨げられることなく所要量確実に変形される。また、アクチュエータの活性部の変形が変位伝達体に伝達されると、変位伝達体の移動により振動板も変位する。その際、振動板は変形拘束体で変形拘束された部分全体が変位して圧力室の容積が変動することとなる。したがって、アクチュエータの活性部及び変位伝達体の変位量が小さくても圧力室に安定した容積変動を与えることができ、駆動効率が向上する。

前記変位伝達体及び前記第２固定体は、前記振動板から同じ高さに突出していてもよい。

このようにすると、第２固定体および変位伝達体が振動板から同じ高さであるので、平坦なプレートを利用してアクチュエータの積層構造を容易に形成することができ、生産性が向上する。

前記変形拘束体の前記振動板に対する接合面積は、前記変形拘束体に対応する前記電極間に挟まれた活性部の面積よりも大であってもよい。

このようにすると、振動板に対する変形拘束体の接合面積が、アクチュエータの活性部よりも大であるので、アクチュエータの変位箇所面積よりも振動板の変位箇所面積が大きくなる増幅効果が得られる。したがって、アクチュエータの変位量が小さくても圧力室に大きな容積変動を与えることができ、駆動効率が向上する。

なお、圧力室の夫々の容積は、全種類のインクについて同一であると好適である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、変形拘束体によりインク種類に応じてインク噴射量を変えることが可能となる。これにより、インクの噴射量が他と異なるインクジェットヘッドの製造が容易になり、駆動制御が容易になる。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッド１を示す分解斜視図である。図１に示すように、インクジェットヘッド１は、複数枚のプレートが積層された流路ユニット２と、その流路ユニット２に対して重ねて接着される圧電式のアクチュエータ３とを備えている。流路ユニット２は、最下層の下面側に開口したノズル孔１７ａ，１７ｂ（図３参照）から下向きにインクが噴射される構成となっている。アクチュエータ３は、電界が選択的に付与されることで所要箇所が選択的に変形する圧電体５と、圧電体５の下面に配置される振動板ユニット４とを備えている。圧電体５の上面には表面電極７が形成されており、外部機器との電気的接続を行うためのフレキシブルフラットケーブル６が重ねて配置されている。フレキシブルフラットケーブル６の下面に露出した端子（図示せず）は、圧電体５の表面電極７に導通接続されている。

図２は図１に示すインクジェットヘッド１の流路ユニット２及び振動板ユニット４の分解斜視図である。図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２及び図３に示すように、インクジェットヘッド１は５列に並べた多数のインク流路を有しており、図中右側３列はシアン・マゼンダ・イエローのいずれかのカラーインクを噴射するためのカラーインク列ＣＬで、左側２列はブラックインクを噴射するためのブラックインク列ＢＫである。

図４は図３の左側から２列目のブラックインク列ＢＫ及び３列目のカラーインク列ＣＬを拡大して示す要部拡大図である。図２及び図４に示すように、流路ユニット２は、圧力室プレート１０と、第１接続流路プレート１１と、第２接続流路プレート１２と、第１マニホールドプレート１３と、第２マニホールドプレート１４と、ダンパープレート１５と、カバープレート１６と、ノズルプレート１７とがそれぞれ接着積層された構成となっている。ノズルプレート１７はポリイミド等の樹脂シートで、それ以外の各プレート１０〜１６は４２％ニッケル合金鋼板（４２合金）等の金属板であり、各々５０〜１５０μｍ程度の肉厚を有している。各プレート１０〜１７には、電解エッチング、レーザ加工、プラズマジェット加工等により、流路を構成する開口又は凹部が形成されている。

図２に示すように、圧力室プレート１０は、長辺に沿うように５列に並べられた多数の圧力室孔１０ａと、インク供給口（液体流入口）１０ｃとを有し、圧力室層を構成している。圧力室孔１０ａは、平面視で列方向と直交する方向の長軸を有する長円形状となっており（図５参照）、列方向及びそれと直交する方向に隣接する他の圧力室孔とは隔壁１０ｂによって隔てられている。

図２及び図４に示すように、第１接続流路プレート１１は、圧力室孔１０ａの端部に夫々連通する連通孔１１ａと、圧力室孔１０ａの反対側の端部に連通する流出用貫通孔１１ｂと、インク供給口１０ｃに同形状で連通するインク供給口１１ｃとを有している。第２接続流路プレート１２は、連通孔１１ａに一端が連通され圧力室孔１０ａの長軸方向に沿って形成された凹部１２ａと、その凹部１２ａの他端に形成された連通孔１２ｂと、流出用貫通孔１１ｂに連通する流出用貫通孔１２ｃと、インク供給口１１ｃに同形状で連通するインク供給口１２ｄとを有している。そして、前記した第１接続流路プレート１１と第２接続流路プレート１２とで接続流路層が構成されている。

第１マニホールドプレート１３は、圧力室孔１０ａの各列にそれぞれ連通孔１２ｂを介して連通するように圧力室孔１０ａの下方で列方向に延在する第１マニホールド孔１３ａと、流出用貫通孔１２ｃにそれぞれ連通する流出用貫通孔１３ｂとを有している。第２マニホールドプレート１４は、第１マニホールド孔１３ａに連通する第２マニホールド孔１４ａと、流出用貫通孔１３ｂに連通する流出用貫通孔１４ｂとを有している。そして、前記した第１マニホールドプレート１３と第２マニホールドプレート１４とでマニホールド層が構成されている。

ダンパープレート１５は、マニホールド孔１４ａとは反対側から凹部を形成することで薄肉化されたダンパー壁１５ａと、流出用貫通孔１４ｂに連通する流出用貫通孔１５ｃとを有し、ダンパー層を構成している。即ち、図４に示すように、ダンパー層は、各ダンパー壁１５ａを境にマニホールド孔１４ａの反対側に形成された空隙部１５ｂを有している。カバープレート１６は、流出用貫通孔１５ｃに連通する流出用貫通孔１６ａを有している。ノズルプレート１７は、流出用貫通孔１６ａに連通して外部にインクを噴射するノズル孔（液体流出口）１７ａ，１７ｂを有している。ただし、ブラックインク列ＢＫのノズル孔１７ｂは、カラーインク列ＣＬのノズル孔１７ａよりも孔径が大となっている。

図４に示すように、アクチュエータ５は、１枚の厚さが略３０μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる多数枚の圧電材シート２２〜２８と、絶縁性を有するトップシート２９とが積層されている。圧電材シート２２〜２８は、振動板１９と平行な方向に扁平であり、該平行な方向と直交する方向に積層されている。各圧電材シート２２〜２６のうち最下層の圧電材シート２２から上方へ数えて奇数番目の圧電材シート２２，２４，２６の上面には、多数の圧力室孔１０ａに対応して連続配置された共通電極３０が印刷形成されている。各圧電材シート２２〜２６のうち最下層の圧電材シート２２から上方へ数えて偶数番目の圧電材シート２３，２５の上面には、各圧力室孔１０ａの夫々に対応するよう配置された多数の個別電極３１が５列に印刷形成されている。圧電体５は、個別電極３１に対応する変形可能な部分が活性部Ａ１であり、その他の部分が不活性部Ａ２となっている。個別電極３１は、ブラックインク列ＢＫとカラーインク列ＣＬの両者とも共通で、平面視の面積が互いに同一となっている。さらに、共通電極３０及び個別電極３１は各圧電材シート２２〜２８及びトップシート２９の側端面またはスルーホール（図示せず）に設けた中継導電体（図示せず）を介して最上層のトップシート２９の上面の表面電極７（図１参照）に導通されている。

振動板ユニット４は、厚さが２０〜５０μｍ程度のポリイミド等の平坦な樹脂シートからなる振動板１９と、振動板１９の上面に重ねて接着された厚さが５０〜１５０μｍ程度の４２％ニッケル合金鋼板（４２合金）等の金属板が用いられた中間プレート２０とを備えている。また、図２に示すように、振動板ユニット４は、平面視で流路ユニット２と同じ外形であり、圧力室プレート１０のインク供給口１０ｃに対応する位置にインク供給口１９ａ，２０ｄを有し、そのインク供給口１９ａ，２０ｄにはインクタンク（図示せず）から供給されるインクに混入した塵を除去するためのフィルタ２１が被せられている。

図５は図１に示すインクジェットヘッド１の振動板ユニット４を含む要部分解斜視図である。図６は図１に示すインクジェットヘッド１の振動板ユニット４の変形拘束体３７，３８の配置を説明する要部平面図である。図４乃至図６に示すように、中間プレート２０は、平面視で圧力室孔１０ａの外周に沿った環状の隙間２０ａ，２０ｂで囲まれた変形拘束体３７，３８と、圧電体５の不活性部Ａ２を振動板１９を介して圧力室プレート１０の隔壁１０ｂに連結する固定体２０ｃとを備えている。固定体２０ｃは、圧力室孔を囲む隔壁１０ｂと平面視においてほぼ一致した形状を備えている。変形拘束体３７，３８は、平面視で圧力室孔１０ａの内部に収まった長円形状である変形拘束部３７ｂ，３８ｂと、変形拘束部３７ｂ，３８ｂより上方に突出した平面視で変形拘束部３７ｂ，３８ｂの内部に収まった長円形状である受圧部３７ａ，３８ａとを備えている。即ち、図４に示すように、変形拘束体３７，３８は、断面視で凸形状を呈しており、受圧部３７ａ，３８ａと圧電体５の活性部Ａ１との接合面積Ｓ１（受圧面積）よりも、変形拘束部３７ｂ，３８ｂと振動板１９との接合面積Ｓ２，Ｓ３（変形拘束面積）が大きい形状となっている。換言すれば、変形拘束体３７，３８の受圧部３７ａ，３８ａの圧電体５に対する接合面積Ｓ１は、その変形拘束体３７，３８に活性部すなわち個別電極３１の面積Ｓ１と同一である一方、変形拘束体３７，３８の変形拘束部３７ｂ，３８ｂの振動板１９に対する接合面積Ｓ２，Ｓ３は、その変形拘束体３７に対応する活性部すなわち個別電極３１の面積Ｓ１よりも大となっている。

さらに、ブラックインク列ＢＫの変形拘束体３８の変形拘束部３８ｂの振動板１９に対する接合面積Ｓ３は、カラーインク列ＣＬの変形拘束体３７の変形拘束部３７ｂの振動板１９に対する接合面積Ｓ２よりも大となっている。但し、ブラックインク列の変形拘束体３８の受圧部３８ａの圧電体５に対する接合面積Ｓ１と、カラーインク列ＣＬの変形拘束体３７の受圧部３７ａの圧電体５に対する接合面積Ｓ１とは互いに同一である。また、固定体２０ｃと変形拘束体３７，３８は、中間プレート２０と振動板１９を接着した状態で、中間プレート２０をエッチング加工する等して、隙間２０ａ，２０ｂに相当する部分を除去することでつくられる。このため、固定体２０ｂ及び変形拘束体３７，３８の圧電体５との接合面は、振動板１９から略同一高さにある。なお、変形拘束体３７，３８は振動板１９よりも材質的又は構造的に剛性が高ければよく、例えば、変形拘束体と振動板とが同材質で且つ変形拘束体を平面視でハニカム構造等にすることで剛性を高めてもよい。また、受圧部３７ａ，３８ａ及び変形拘束部３７ｂ，３８ｂの厚みは特に限定されないが、本実施形態では夫々互いに同一となっている。

振動板ユニット４は、流路ユニット２と圧電体５との間に介挿されるに際して、まず圧電体５と接着され、アクチュエータ３を形成する。このとき、振動板ユニット４の変形拘束体３７，３８と固定体２０ｃの上面が同じ高さにあり、圧電体５の下面が平坦であるので、その両者間に接着剤を介挿しで振動板ユニット４と圧電体５とを上下からそれぞれ平坦な治具で挟んで押圧することで、確実に接着できる。また、圧電体５の活性部と変位伝達体３７，３８とは正確に対応することが望ましいが、組み立て上、多少ずれても、固定体２０ｃに対し隙間２０ａ，２０ｂを介して変形拘束体３７，３８の位置が正確に確保されているので、圧力室３５に対する振動板１９の変位量が十分に確保される。そして、振動板ユニット４と圧電体５とからなるアクチュエータ３が、複数のプレートをあらかじめ積層固定した流路ユニット２に接着される。

次に、流路ユニット２内におけるインクの流路を図４に基づいて説明する。インク供給口１０ｃ，１１ｃ，１２ｄ，１９ａ，２０ｄ（図２参照）に連通する共通液室３３が、マニホールド孔１３ａ，１４ａの上下を第２接続流路プレート１２とダンパープレート１５とで閉鎖することで形成されている。この共通液室３３は、後述する圧力室３５に平面視で重なるように列方向に延在している。共通液室３３の下面は、平面視で共通液室３３と略同一形状のダンパー壁１５ａにより形成されている。ダンパー壁１５ａを境に共通液室３３とは反対側に位置する空隙部１５ｂは、その下側がカバープレート１６で閉鎖されることで密閉されている。

共通液室３３は、クランク状の接続流路３４を介して上方にある圧力室３５の一端部に連通している。接続流路３４は、第１接続流路プレート１１の連通孔１１ａ、第２接続流路プレート１２の凹部１２ａ及び連通孔１２ｂにより形成されている。接続流路３４は、共通液室３３から圧力室３５までの流路中で最も狭い流路断面積で最も大きい流路抵抗となる絞り部３４ａを有している。圧力室３５は、圧力室孔１０ａの上下が振動板１９及び第１接続流路プレート１１で閉鎖されることで形成されている。圧力室３５の他端部には流出路３６が連通している。流出路３６は、流出用貫通孔１１ｂ，１２ｃ，１３ｂ，１４ｂ，１５ｃ，１６ａ，１７ａ，１７ｂにより形成されており、下方のノズル孔１７ａ，１７ｂに向けて徐々に縮径する形状で積層方向（プレート面に直交する方向）に真っ直ぐ垂設されている。

次に、インクジェットヘッド１の作用について説明する。図７は図４に示すインクジェットヘッドのインク噴射動作を説明する要部拡大図である。図７に示すように、圧電体５の個別電極３１に選択的に電圧が印加されて共通電極３０との間に電位差が生じることで、圧電材シート２３〜２６の各電極３０，３１間に位置する活性部Ａ１に電界が作用して積層方向の歪み変形が発生する。この活性部Ａ１の変形が変形拘束体３７，３８の受圧部３７ａ，３８ａに伝達されると、変形拘束体３７，３８が下方に変位して変形拘束部３７ｂ，３８ｂが振動板１９を押圧して変形させる。そして、この振動板１９の変形により圧力室３５内のインクに圧力が付与され、該インクが流出路３６を通ってノズル孔１７ａ，１７ｂより噴射される。

その際、圧力室３５の変動容積は、振動板１９の下方への変位量及び振動板１９の変位箇所面積に比例するが、ブラックインク列ＢＫの変形拘束体３８の振動板１９に対する変形拘束面積Ｓ３が、カラーインク列ＣＬの変形拘束体３７の振動板１９に対する変形拘束面積Ｓ２よりも大きいので、カラーインク列ＣＬよりもブラックインク列ＢＫの方が圧力室３５の変動容積が大きくなる。したがって、圧電体５の各活性部Ａ１の夫々の変形面積が全種類のインクについて同一であっても、ブラックインクの噴射量をカラーインクの噴射量よりも多くすることが可能となり、１種類の圧電体５で複数種類のインクジェットヘッド１を容易に形成することができる。

例えば、ブラックインクとして顔料インク、カラーの各インクとして染料インクをそれぞれ用いたとき、顔料インクは、記録媒体上で拡がりにくいため、ブラックインクとカラーインクとで一液滴あたりの噴射量を同じにすると、ブラックインクの方がカラーインクよりも記録媒体上のドット径が小さくなる。上記実施形態では、両者のドット径がほぼ同じになるように、ブラックインクの圧力室での容積変動を大きくし、またノズル径を大きくすることで、噴射量を多くしている。なお、記録媒体上でのドット径を積極的に異ならせるように構成しても良い。

また、ブラックインクとカラーインクとで活性部の面積、圧力室の容積が同じになるから、圧力室内でのインクの固有振動数がほぼ同じになる。この結果、両者で電極に印加する電圧波形信号のパルス幅、電圧値をほぼ同じに設定でき、装置全体としての駆動周期の設定も容易にできる。

さらに、活性部Ａ１からの圧力を受ける変形拘束体３７，３８の受圧部３７ａ，３８ａの受圧面積Ｓ１よりも、変形拘束体３７，３８の変形拘束部３７ｂ，３８ｂにより変形を拘束される振動板１９の変形拘束面積Ｓ２，Ｓ３が大であるので、活性部Ａ１の変位箇所面積よりも振動板１９の変位箇所面積を大きくさせる増幅効果が得られる。したがって、アクチュエータ３の圧電体５の活性部Ａ１の平面視での変位面積が小さくても圧力室３５に大きな容積変動を与えることができ、駆動効率が向上する。また、それにより活性部Ａ１の面積を小さくしても圧力室３５に十分な容積変動を与えることができるので、圧電材シート２２〜２８の静電容量を小さくして消費電力を低減することができ、アクチュエータ３の発熱量も抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では変形拘束体３７は一体に形成されているが、その受圧部３７ａと変形拘束部３７ｂとを夫々別体で形成してもよい。また、本実施形態では、変形拘束体３７の受圧部３７ａと圧電体５との接合面積Ｓ１は受圧面積と同一であるが、変形拘束体を例えば平面視でハニカム構造のようにすることで、当該接合面積よりも受圧面積が大きくなるようにしてもよい。同様に、変形拘束体３７の変形拘束部３７ｂと振動板１９との接合面積Ｓ２は変形拘束面積と同一であるが、変形拘束体を例えば平面視でハニカム構造のようにすることで、当該接合面積よりも変形拘束面積が大きくなるようにしてもよい。

（第２実施形態）
図８は第２実施形態のインクジェットヘッド４０の要部断面図である。なお、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付して以下の説明を省略している。図８に示すように、振動板ユニット４１は、厚さが２０〜５０μｍ程度のポリイミド等の樹脂シートからなる振動板１９と、振動板１９の上面に重ねて接着された厚さが５０〜１５０μｍ程度の４２％ニッケル合金鋼板（４２合金）等の金属板が用いられた第１中間プレート４２と、振動板１９の下面に重ねて接着された厚さが３０〜１００μｍ程度の４２％ニッケル合金鋼板（４２合金）等の金属板が用いられた第２中間プレート４３を備えている。

第１中間プレート４２は、平面視で圧力室孔１０ａの外周に沿った環状の隙間４２ａで囲まれた変位伝達体４４と、圧電体５の不活性部Ａ２を振動板１９及び第２中間プレート４３を介して圧力室プレート１０の隔壁１０ｂに連結する固定体４２ｂとを備えている。変位伝達体４４は、平面視で圧力室孔１０ａの内部に収まった平坦な長円柱形状であり、圧電体５の活性部Ａ１との接合面積Ｓ１（受圧面積）と、振動板１９との接合面積Ｓ１とが略同一となっている。そして、ブラックインク列ＢＫとカラーインク列ＣＬの両者に用いる変位伝達体４４は互いに同一である。

第２中間プレート４３は、平面視で圧力室孔１０ａの外周に沿った環状の隙間４３ａ，４３ｂで囲まれた変形拘束体４５，４６と、圧電体５の不活性部Ａ２を振動板１９を介して圧力室プレート１０の隔壁１０ｂに連結する第２固定体４３ｃとを備えている。変形拘束体４５，４６は、平面視で圧力室孔１０ａの内部に収まった平坦な長円柱形状であり、平面視で変位伝達体４４よりも大きい面積を有している。即ち、変位伝達体４４の圧電体５の活性部Ａ１との接合面積Ｓ１（受圧面積）よりも、変形拘束体４５，４６の振動板１９との接合面積Ｓ２，Ｓ３（変形拘束面積）の方が大きい構成となっている。換言すれば、変位伝達体４４の圧電体５に対する接合面積Ｓ１は、その変位伝達体４４に対応する活性部すなわち個別電極３１の面積と同一である一方、変形拘束体４５，４６の振動板１９に対する接合面積Ｓ２，Ｓ３は、その変形拘束体４５，４６に対応する活性部すなわち個別電極３１の面積よりも大となっている。

さらに、ブラックインク列ＢＫの変形拘束体４６の振動板１９に対する接合面積Ｓ３は、カラーインク列ＣＬの変形拘束体４５の振動板１９に対する接合面積Ｓ２よりも大となっている。また、中間プレート４２，４３と振動板１９とを接着した状態で、前記実施形態と同様に中間プレート４２，４３をエッチング加工する等して、固定体４２ｂ，４３ｃ、変位伝達体４４、変形拘束体４５，４６がつくられる。このため、変形拘束体４５，４６及び第２固定体４３ｃは、振動板１９から下方へほぼ同じ高さに突出している。また、固定体４２ｂ，４３ｃは、圧力室孔１０ａを囲む隔壁１０ｂと平面視においてほぼ一致した形状を備えている。

また、圧力室プレート１０の圧力室孔１０ａの上方が振動板１９及び変形拘束体４５，４６で閉鎖され、圧力室孔１０ａの下方が第１接続流路プレート１１で閉鎖されることで、圧力室孔１０ａ及び隙間４３ａ，４３ｂに圧力室４６，４７が形成されている。なお、変形拘束体４５，４６は振動板１９よりも材質的又は構造的に剛性が高ければよく、例えば、変形拘束体と振動板とが同材質で且つ変形拘束体を平面視でハニカム構造等にすることで剛性を高めてもよい。

前記実施形態と同様に、振動板ユニット４１は圧電体５と接着され、アクチュエータ４９を形成する。このとき、振動板ユニット４１の変位伝達体４４と固定体４２ｂの上面が同じ高さにあり、変形拘束体４５と固定体４３ｃの下面が同じ高さにあり、圧電体５の下面が平坦であるので、振動板ユニット４と圧電体５とを上下からそれぞれ平坦な治具で挟んで押圧することで、確実に接着できる。

そして、振動板ユニット４１と圧電体５とからなるアクチュエータ４９が、複数のプレートをあらかじめ積層固定した流路ユニット２に接着される。圧電体５の活性部と変位伝達体４４とが多少ずれても、振動板１９の変位量が確保されるのは前記実施形態と同様である。さらに、固定体４３ｃが流路ユニットの隔壁１０ｂに対して多少ずれて接着されても、固定体４３ｃに対し隙間４３ａを介して変形拘束体４５の位置が正確に確保されているので、振動板１９の変位を妨げることはない。

次に、インクジェットヘッド４０の作用について説明する。図８に示すように、ブラックインク列ＢＫの変形拘束体４６の振動板１９に対する変形拘束面積Ｓ３が、カラーインク列ＣＬの変形拘束体４５の振動板１９に対する変形拘束面積Ｓ２よりも大きいので、カラーインク列ＣＬの圧力室４７よりもブラックインク列ＢＫの圧力室４８の方が変動容積が大きくなる。したがって、圧電体５の各活性部Ａ１の夫々の変形面積が全種類のインクについて同一であっても、ブラックインクの吐出量をカラーインクの吐出量よりも多くすることが可能となる。

また、圧電体５の活性部Ａ１からの圧力を受ける変位伝達体４４の受圧面積Ｓ１よりも、変形拘束体４５，４６により変形を拘束される振動板１９の変形拘束面積Ｓ２，Ｓ３が大であるので、活性部Ａ１の変位箇所面積よりも振動板１９の変位箇所面積を大きくさせる増幅効果が得られる。したがって、アクチュエータ４９の圧電体５の活性部Ａ１の変位面積が小さくても圧力室４７，４８に大きな容積変動を与えることができ、駆動効率が向上する。また、それにより活性部Ａ１の面積を小さくしても圧力室４７，４８に十分な容積変動を与えることできるので、アクチュエータ４９の静電容量を小さくして発熱量も抑制することが可能となる。

（第３実施形態）
図９は第３実施形態のインクジェットヘッド５０の要部断面図である。なお、第１実施形態又は第２実施形態と共通する部分については同一符号を付して以下の説明を省略している。図９に示すように、振動板ユニット５１は、振動板１９と、振動板１９の上面に重ねて接着された第１中間プレート２０と、振動板１９の下面に重ねて接着された第２中間プレート４３を備えている。即ち、第１中間プレート２０は第１実施形態と同一のものであり、第２中間プレート４３は第２実施形態のものと同一である。

第１中間プレート２０に形成された変形拘束体３７，３８は、断面視で凸形状を呈しており、その受圧部３７ａ，３８ａと圧電体５の活性部Ａ１との接合面積Ｓ１（受圧面積）よりも、変形拘束部３７ｂ，３８ｂと振動板１９との接合面積Ｓ２，Ｓ３（変形拘束面積）が大きい形状となっている。かつ、ブラックインク列ＢＫの変形拘束体３８の変形拘束部３８ｂによる振動板１９の変形拘束面積Ｓ３が、カラーインク列ＣＬの変形拘束体３７の変形拘束部３７ｂによる振動板１９の変形拘束面積Ｓ２より大となっている。

第２中間プレート４３に形成された変形拘束体４５，４６は長円柱形状であり、その振動板１９との接合面積Ｓ２，Ｓ３（変形拘束面積）が、変形拘束体３７，３８の振動板１９に対する接合面積Ｓ２，Ｓ３と略同一となっている。即ち、変形拘束体４５，４６は、平面視で変形拘束体３７，３８の変形拘束部３７ｂ，３８ｂと夫々ほぼ重なる位置に設けられている。

次に、インクジェットヘッド５０の作用について説明する。図９に示すように、ブラックインク列ＢＫの変形拘束体３８，４６の振動板１９に対する変形拘束面積Ｓ３が、カラーインク列ＣＬの変形拘束体３７，４５の振動板１９に対する変形拘束面積Ｓ２よりも大きいので、カラーインク列ＣＬの圧力室４７よりもブラックインク列ＢＫの圧力室４８の方が変動容積が大きくなる。したがって、圧電体５の各活性部Ａ１の夫々の変形面積が全種類のインクについて同一であっても、ブラックインクの吐出量をカラーインクの吐出量よりも多くすることが可能となる。

また、圧電体５の活性部Ａ１からの圧力を受ける変形拘束体３７，３８の受圧部３７ａ，３８ａの受圧面積Ｓ１よりも、変形拘束体３７，３８の変形拘束部３７ｂ，３８ｂ及び変形拘束体４５，４６により変形を拘束される振動板１９の変形拘束面積Ｓ２，Ｓ３が大であるので、活性部Ａ１の変位箇所面積よりも振動板１９の変位箇所面積を大きくさせる増幅効果が得られる。この際、振動板１９は上下から変形が拘束されるので、変形拘束効果がより一層安定して得られることとなる。

以上により、アクチュエータ５２の圧電体５の活性部Ａ１の変位量が小さくても圧力室４７，４８に大きな容積変動を与えることができ、駆動効率が向上する。また、それにより活性部Ａ１の面積を小さくしても圧力室４７，４８に十分な容積変動を与えることできるので、アクチュエータ５２の静電容量を小さくして発熱量も抑制することが可能となる。

次に、本発明のインクジェットヘッドのインクジェットプリンタにおける使用例について説明する。図１０は本発明のインクジェットヘッドの使用例を説明する平面図である。図１０に示すように、本使用例では、２つのインクジェットヘッド１００，２００が圧力室３５の列方向と直交する方向に並べて配置されている。なお、インクジェットヘッド１００，２００の構成は、圧力室３５が５列でなく４列であること以外は前述した第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。

図中左側のインクジェットヘッド１００は、左側２列の圧力室３５をブラックインク用とし、右側２列の圧力室３５をシアンインク用としている。図中右側のインクジェットヘッド２００は、左側２列の圧力室３５をマゼンダインク用とし、右側２列の圧力室３５をイエローインク用としている。ブラックインク列ＢＫには前述した変形拘束面積の大きい変形拘束体３８が用いられ、シアンインク列Ｃ、マゼンダインク列Ｍ及びイエローインク列Ｙには前述した変形拘束面積の小さい変形拘束体３７が用いられている。

前記構成とすると、各インクジェットヘッド１００，２００の振動板ユニット１０１，２０１の上面に積層する圧電体（図示せず）が、各インク列ＢＫ，Ｃ，Ｍ、Ｙの全てに共通した変形量の活性部を有するものであっても、ブラックインク列ＢＫのインク吐出量を他のインク列Ｃ，Ｍ，Ｙよりも多くすることが可能となる。これにより、圧電体の活性部のパターンを共用化しながらも、変形拘束体３７，３８の配置を適宜変えるだけで、各インク列ＢＫ，Ｃ，Ｍ、Ｙの位置関係、即ち、インク種類ごとのノズル孔の位置関係を容易に変更することができる。したがって、図１０のように同種類のインク列は隣接配置して、同種インクのノズル孔の位置を容易に近接配置することができる。

以上のように、本発明に係るインクジェットヘッドは、ノズル配置の設計自由度が向上する優れた効果を有し、インクジェットプリンタ等に適用すると有益である。

本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドを示す分解斜視図である。 図１に示すインクジェットヘッドの流路ユニット及び振動板ユニットの分解斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図３の要部拡大図である。 図１に示すインクジェットヘッドの振動板ユニットを含む要部分解斜視図である。 図１に示すインクジェットヘッドの変形拘束体の配置を説明する要部平面図である。 図４に示すインクジェットヘッドのインク噴射動作を説明する図面である。 第２実施形態のインクジェットヘッドの要部断面図である。 第３実施形態のインクジェットヘッドの要部断面図である。 本発明のインクジェットヘッドの使用例を説明する平面図である。

１ インクジェットヘッド
２ 流路ユニット
３，４９，５２ アクチュエータ
４，４１，５１ 振動板ユニット
５ 圧電体
１０ｂ 隔壁
１０ｃ，１１ｃ，１２ｄ，１９ａ，２０ｄ インク供給口
１７ａ，１７ｂ ノズル孔
１９ 振動板
２０ｂ，４２ｂ 固定体
２２〜２８ 圧電材シート
３０ 共通電極
３１ 個別電極
３５，４７，４８ 圧力室
３７，３８，４５ 変形拘束体
４３ｃ 第２固定体
４４ 変位伝達体
Ａ１ 活性部
Ａ２ 不活性部
Ｓ１ 受圧面積
Ｓ２，Ｓ３ 変形拘束面積

Claims (13)

1. 複数種類のインクごとに、インク供給口から複数のノズル孔までの流路中に前記ノズル孔に夫々対応する圧力室が設けられた流路ユニットと、前記流路ユニットに重ねられ前記圧力室の容積を変動させるアクチュエータとを備え、
   前記アクチュエータは、前記各圧力室に対面して設けられた振動板と、前記振動板の前記圧力室に対応する部分を夫々変位させるように変形可能な複数の活性部と、前記振動板の前記圧力室に対応する領域の少なくとも一方面上において前記領域の周辺部を残して前記振動板の変形を拘束するように所定範囲に配置された変形拘束体とを有し、
   前記各活性部の夫々の面積は全種類のインクについて同一であり、
   前記複数種類のインクのうち、少なくとも一種類のインクに対応する前記変形拘束体の前記振動板に対する変形拘束面積を、他の種類のインクに対応する前記変形拘束体の前記振動板に対する変形拘束面積と相違させていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記変形拘束面積が大の種類のインクに対応する前記ノズル孔は、前記変形拘束面積が小の種類のインクに対応する前記ノズル孔よりも、孔径が大である請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記振動板における、前記変形拘束体によって変形を拘束される変形拘束面積が、前記変形拘束体における、前記活性部からの圧力を受ける受圧面積よりも大である請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
4. 複数種類のインクごとに、インク供給口から複数のノズル孔までの流路中に前記ノズル孔に夫々対応する圧力室が設けられた流路ユニットと、前記流路ユニットに重ねられ前記圧力室の容積を変動させるアクチュエータとを備え、
   前記アクチュエータは、前記各圧力室に対面して設けられた振動板と、前記振動板の前記圧力室に対応する部分を夫々変位させるように変形可能な複数の活性部と、前記振動板の前記圧力室に対応する領域の少なくとも一方面上において前記領域の周辺部を残して前記振動板の変形を拘束するように所定範囲に配置された変形拘束体とを有し、
   前記変形拘束体は、その前記振動板の変形を拘束する変形拘束面積が、前記活性部からの圧力を受ける受圧面積よりも大となる構成であり、
   前記各活性部の夫々の面積は全種類のインクについて同一であり、
   前記複数種類のインクのうち一部の種類のインクのみに対応して前記変形拘束体が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
5. 前記変形拘束体が設けられている種類のインクに対応する前記ノズル孔は、他の種類のインクに対応する前記ノズル孔よりも、孔径が大である請求項４に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記変形拘束体が、前記活性部との接合面積よりも前記振動板との接合面積を大きくした形状である請求項３乃至５のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
7. 前記変位伝達体は、前記振動板と平行な方向と直交する方向に切断した断面視で凸形状を呈している、請求項６に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記流路ユニットは、複数の前記圧力室をその間に隔壁を介在して列状に配置して有し、
   前記アクチュエータは、前記複数の圧力室にわたって連続して設けられた前記振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側で前記振動板と平行に前記複数の圧力室にわたって設けられた圧電体とを有し、
   前記圧電体は、前記複数の圧力室にわたる大きさであって前記振動板と平行な方向と直交する方向に重ねられる圧電材シートと、前記圧電材シートに重ねられて前記複数の圧力室に対応して連続配置された共通電極と、前記共通電極との間で前記圧電材シートを挟み前記複数の圧力室の夫々に対応するように個別配置された複数の個別電極とを有し、前記個別電極は、前記直交する方向から見た平面視で前記圧力室よりも小さい面積であり、
   前記圧電体は、前記平面視で前記個別電極に対応する領域であって前記共通電極と前記個別電極との間に生じる電界により変形する前記活性部と、前記活性部以外の部分である不活性部とを有し、前記振動板と平行な方向に扁平で前記振動板側の面が前記圧力室の列方向に平坦に形成されており、
   前記振動板と前記圧電体との間に、前記不活性部と前記隔壁とを連結する固定体が介設され、前記変形拘束体はその外周部と前記固定体との間に隙間をあけて配置されている請求項１乃至７のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
9. 前記固定体および前記変形拘束体における、前記圧電体との接合面が前記振動板から同じ高さにある請求項８に記載のインクジェットヘッド。
10. 前記変形拘束体が前記振動板の前記流路ユニットと対面する側の面に設けられ、前記活性部と前記振動板との間の前記変形拘束体に対応する位置に変位伝達体が設けられていると共に、前記振動板と前記流路ユニットとの間で前記固定体と前記平面視で重なる位置に第２固定体が設けられ、
    前記変位伝達体が、その外周部と前記第２固定体との間に隙間をあけて前記振動板の所定範囲にわたって配置されている請求項８又は９に記載のインクジェットヘッド。
11. 前記変位伝達体及び前記第２固定体は、前記振動板から同じ高さに突出している請求項１０に記載のインクジェットヘッド。
12. 前記変形拘束体の前記振動板に対する接合面積は、前記変形拘束体に対応する前記電極間に挟まれた活性部の面積よりも大である請求項１１に記載のインクジェットヘッド。
13. 前記圧力室の夫々の容積が、全種類のインクについて同一である請求項１乃至１２のいずれかに記載のインクジェットヘッド。

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