JP2000198226A - インクジェット印刷機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高画質、高速化に必要とされるインク滴質量
又は径の大きな変更が容易に実現できない。 【解決手段】吐出口３からインク滴８を吐出させるイン
クジェット印刷機であって、吐出口３（Ｌ１）からイン
ク流路内部に向かって流路断面積が小さくなり、その断
面積が最小断面積径Ｌ２と同等になった後、さらに流路
内部に向かって断面積が大きく（Ｌ３）なっている流路
と、インク先端位置を流路内部に引き込む手段と、イン
ク先端位置を流路外部に押し出す手段により構成された
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録媒体上に形成
するインクドットの大きさを可変にすることによって、
画像の階調表現力を高めたインクジェット印刷機に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピューターの普及
により、パソコンの出力装置であるプリンタの需要も飛
躍的に向上している。特にここ数年、カラープリンタの
占める割合が伸びており、カラー画像印刷は高速・高画
質化の要求が大きい。

【０００３】そこで、従来のインクジェット印刷機で
は、印刷ヘッドから吐出されるインク滴を小さくすると
同時に、記録媒体上におけるドット密度を高くすること
により高画質化を実現してきた。以下に図面を参照しな
がら従来のインクジェット印刷機として、圧電体を用い
てインクを吐出させるピエゾ方式の一例について説明す
る。

【０００４】図１９は従来のインクジェット印刷機を示
すものであるが、２１はコの字型の流路枠で、開口面を
振動板２５で閉じることにより、内部に流路２２を形成
している。そしてこの振動板２５には、両面に電極２７
の形成された圧電体２６が固着されており、電極２７に
電圧を印加することにより圧電体２６を伸縮させて振動
板２５をたわませ、流路２２の体積を拡大、あるいは縮
小させる構成としている。

【０００５】圧電体２６に緩やかに電圧を印加すると、
圧電体２６は緩やかに流路２２外側の方向に変形して流
路２２の体積を拡大させ、インク供給口２４を通して流
路２２にインクを吸引する。その後、急激に印加した電
圧を除去すると、圧電体２６は急激に元の形状に復元し
て流路２２の体積を急激に縮小させられる。その結果、
流路内のインクは急激に加圧され、この加圧されたイン
クが流路枠２１に設けられた吐出口２３を通してインク
滴２８として吐出される。

【０００６】また、高画質化の他の方法として、吐出口
から吐出されるインク滴の質量又は径を変化させる方法
が考えられている（例えば、特開平５−２６１９２５号
公報）。このようにして、インク滴径を変化させる方法
を用いれば、一つの吐出口から吐出されるインク滴によ
り階調表現が可能となり、低解像度で高画質な画像を実
現できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インク
ジェット印刷機の従来の構造で高画質を実現しようとす
れば、小さいインク滴を安定に多数吐出させる必要があ
る。これは画像の高解像度化につながり、従来と同様な
印刷速度を得ようとすれば、吐出口の高密度化と吐出口
の数の増加、あるいは吐出の繰り返し速度の高速化など
の方法が必要となる。この吐出口の高密度化と数の増
加、吐出の繰り返し速度の高速化には、製造コストの増
加あるいは耐用年数の短縮をまねき必ずしも満足のいく
ものではなく、インクジェット印刷機の高画質化と高速
化を高い次元で両立するには限界があった。

【０００８】また、吐出口から吐出されるインク滴の質
量又は径を変化させる方法においても、製造上あるいは
耐久性、吐出口の高密度化の面から見て必ずしも満足の
いくものは得られていない。

【０００９】さらに、特開平５−２６１９２５号公報に
開示のインクジェット印刷機用印刷ヘッドは、吐出口先
端の断面積を大きくして、簡単な構成でインク滴の質量
又は径を変化させようとする方法であるが、インク先端
位置をある手段を用いて変化させ、別の手段を用いてイ
ンクに吐出エネルギーを与える方法となっているため、
吐出口内部の流路に存在する断面積の小さい部分よりさ
らに小さい径のインク滴を吐出すことが困難であり、さ
らには断面積の大きな吐出口よりも大きな径のインク滴
を吐出することが困難あった。

【００１０】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、インクジェット印刷機の高画質、高速化に必要とさ
れるインク滴質量又は径を変化させることができるイン
クジェット印刷機を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、吐出口からイ
ンク滴を吐出させるインクジェット印刷機であって、本
発明の第１のインクジェット印刷機は、吐出口からイン
ク流路内部に向かって流路断面積が小さくなり、その断
面積が最小断面積径と同等になった後、さらに流路内部
に向かって断面積が大きくなっている流路と、インク先
端位置を流路内部に引き込む手段と、インク先端位置を
流路外部に押し出す手段により構成されたものである。

【００１２】本発明の構成は、流路断面積を吐出口から
流路内部に向かって大から小さらに大と変化させてある
ため、第１に小さいインク滴を吐出させる場合には、引
き込む手段を用いてもっとも断面積の小さい流路よりさ
らに内部の断面積の大きい流路側にインク先端位置を引
き込み、その後押し出す手段を用いてもっとも断面積の
小さい部分から、インク滴を吐出させることにより、吐
出口の断面積よりもさらに小さいインク滴を吐出させる
ことが可能となる。

【００１３】第２に、大きいインク滴を吐出させる場合
には、引き込む手段を用いて断面積の小さい流路までイ
ンク先端位置を引き込み、その後押し出す手段を持ちい
て断面積の大きな吐出口からインクを吐出させることに
より、吐出口断面積よりもさらに大きいインク滴を吐出
させることが可能となる。このようにしてインク滴の質
量又は径を吐出させる断面積比よりもさらに大きくする
ことが可能となるため、より高階調度の画像を形成する
ことができるインクジェット印刷機となる。

【００１４】また、本発明の第２の構成は、最小断面積
の部分から流路内部に向かって断面積が大きくなる流路
壁面を親水性にするものである。

【００１５】この第２の構成は、最小断面積径より内側
の部分を親水性にしているため、待機状態でのインク滴
先端位置が断面積最小径の部分となり、大きいインク滴
を飛ばす場合には引き込む手段を用いずに、インク滴を
吐出する手段を用いて大きいインク滴を吐出させること
も可能となる。

【００１６】さらに、本発明の第３の構成は、吐出口か
ら流路内部に向かって断面積が小さくなる部分の壁面を
撥水性にするものである。

【００１７】この第３の構成は、吐出口から流路内部に
向かって断面積が小さくなっている部分を撥水性にして
いるため、待機状態でのインク滴先端が断面積径の小さ
な部分となり、第２の方法と同様に大きいインク滴を吐
出することが可能となる。また、吐出口までの部分が撥
水性になっているため、吐出口近傍に残留するインク滴
を低減することが可能となり、大きいインク滴と小さい
インク滴をさらに安定に吐出することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を、図面
を参照しながら、以下に説明する。

【００１９】本発明において、インク先端位置を流路内
部に引き込む手段と、押し出す手段は、発熱体や圧電
体、ポンプ等が使用されている。

【００２０】本発明の第１の実施の形態は、（ａ）吐出
口から流路内部に向かって流路断面積が小さくなり、最
小断面積の部分を境にしてさらに流路内部に向かって断
面積が大きくなる吐出流路と、（ｂ）インク先端位置を
流路内部に引き込む引き込み手段と、（ｃ）インク先端
位置を流路外部に押し出す押し出し手段と、を具備し、
小さいインク滴を吐出させる場合は、前記引き込み手段
により、前記インク先端位置を前記断面積が大きくなる
場所まで引き込み、その後、前記押し出し手段により、
前記最小断面積の部分の、前記吐出口側の端縁におい
て、前記インクが剥離する程度の速度で、前記インクを
押し出すこと、を特徴とするインクジェット印刷機であ
る。

【００２１】以下に、本第１の実施の形態の各実施例に
ついて説明する。

【００２２】［実施例１−１］図１は、本発明の第１の
実施の形態におけるインクジェット印刷機として、圧電
体をインク先端位置を流路５内部に引き込む手段と、押
し出す手段として用いた構成の断面図である。

【００２３】図１は、インクジェット印刷機の定常状態
を示した断面図であり、吐出口３で、インク２の表面張
力と外圧とが平衡状態にある。

【００２４】本インクジェット印刷機は、流路枠１にイ
ンク供給口４と吐出口３の２つの開口部を有し、上部に
振動板９が固着されている。この振動板９上には、イン
ク先端位置を引き込む手段６とインク先端位置を押し出
す手段７として、圧電セラミック基板を固着している。
本実施例では圧電セラミックとしてＰＺＴ（ジルコン酸
チタン酸鉛）を用いており、このＰＺＴ基板の上面に図
示していない電極と、ＰＺＴ基板の下面に位置するステ
ンレス製の振動板９により、圧電アクチュエータ１０を
形成している。また、このステンレス振動板９は、ＰＺ
Ｔ基板の下面電極の役割も果たしている。

【００２５】また、インク供給口４と吐出口３は連通し
ており、インクはインク供給口より供給されて流路枠１
内のインク溜まり２を通り、吐出口３からインク滴８と
して外部に吐出される。

【００２６】次に、この圧電アクチュエータ１０の動作
原理を図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。

【００２７】図２（ａ）、（ｂ）は、図１のＸ１領域の
拡大図である。この圧電アクチュエータ１０として用い
られる圧電セラミック基板は、板厚方向にパルス電圧が
印加されると、基板の長手方向に伸縮するという特性を
有する。このため、振動板９と貼り合わせることで、図
２（ａ）又は（ｂ）に示すよう屈曲変位を得ることが可
能となる。例えば、正のパルス電圧を印加した場合に圧
電アクチュエータ１０は伸び、負のパルス電圧を印加し
た場合に圧電アクチュエータ１０が縮んだ場合、図２
（ａ）、（ｂ）に示すように上下方向に屈曲変位をす
る。

【００２８】従って、図２（ａ）の方向に圧電体が屈曲
変位を起こすようにパルス電圧を印加すると、インク滴
先端位置は流路５内部に後退し、圧電アクチュエータ１
０はインク先端位置を引き込む手段として働く。また、
図２（ｂ）の方向に圧電体が屈曲変位を起こすようにパ
ルス電圧を印加すると、インク先端位置は流路５外部に
前進し、圧電アクチュエータ１０はインク先端位置を押
し出す手段として働く。また、圧電アクチュエータ１０
の変位量は、印加電圧により変化する。

【００２９】次に、吐出動作について、図３および図４
を用いて説明する。

【００３０】まず、図３は図１のＸ２部の拡大図であ
り、小さいインク滴を吐出口３から吐出させるための動
作原理を示している。また、本実施例では吐出口３から
流路５内部に向かって直径Ｌ１，Ｌ２、Ｌ３の断面を有
した流路形状をしている。

【００３１】図３（ａ）はインク先端位置の制御を行っ
ていないときのインク先端の初期値（定常状態）を示し
ている。この状態で、圧電アクチュエータ１０にパルス
電圧を印加して図３（ｂ）に示す状態になるように比較
的大きい屈曲変位を与えると、インク先端位置は図３
（ｂ）に示すように流路径Ｌ２の部位よりもさらに流路
５内側に後退する。次に圧電アクチュエータ１０に、セ
ラミックに先ほどとは逆のパルス電圧を印加することに
より、屈曲変位は図３（ｃ）に示すようになり、図３
（ｃ）に示すようにインク滴は流路Ｌ２の断面部位から
小さいインク滴８として吐出される。

【００３２】次に、図４は図３と同様に図１のＸ２部の
拡大図であり、大きいインク滴を吐出口３から吐出させ
るための動作原理を示している。また、吐出口近傍の流
路形状は図３と同様である。。

【００３３】図４（ａ）はインク先端位置の制御を行っ
ていないときのインク先端の初期値（定常状態）を示し
ている。この状態で、圧電アクチュエータ１０にパルス
電圧を印加して図４（ｂ）に示す状態になるように比較
的小さな屈曲変位を与えると、インク先端位置は図４
（ｂ）に示すように流路径Ｌ１とＬ２の間の位置まで後
退する。次に圧電アクチュエータ１０に先ほどとは逆の
パルス電圧を印加することにより、屈曲変位は図４
（ｃ）に示すようになり、図４（ｃ）に示すようにイン
ク滴は流路Ｌ１の断面部位、つまり吐出口３から大きい
インク滴８として吐出される。

【００３４】例えば本実施例では吐出口近傍の流路の形
状を、Ｌ１：１２０μｍ、Ｌ２：８０μｍ、Ｌ３：２５
０μｍとし、駆動条件をパルス電圧±２５Ｖ、駆動周波
数３ｋＨｚとした。

【００３５】この条件で、小さいインク滴を吐出させる
方法を用いて駆動すると、流路Ｌ２の断面から、Ｌ２の
直径より小さな約６０μｍのインク滴が吐出した。これ
は、断面をＬ３からＬ２に変化させることにより、イン
クの流速がＬ２の中心付近で速くなり、結果としてＬ２
の断面よりも小さい部分に速度分布が集中し、小さいイ
ンク滴として吐出されるのである。

【００３６】次に、同様にして大きいインク滴を吐出さ
せる方法を用いて駆動すると、流路Ｌ１の断面からＬ１
の直径より大きい約１４０μｍのインク滴が吐出した。
これは、断面をＬ２からＬ１に変化させることにより、
インクの速度分布がＬ１の断面よりも広がり、結果とし
てＬ１の断面より大きいインク滴として吐出されるので
ある。

【００３７】以上に示すように本実施例によれば、圧電
アクチュエータ１０に印加するパルス電圧および波形を
変化させることにより、インク先端位置を任意に変化さ
せることがでる。また、吐出させるインク滴８の大きさ
は、前記した小さいインク滴と大きいインク滴の間で、
印加するパルス電圧および波形を変化させることにより
アナログ的に変化させることが可能となる。例えば大き
いインク滴を吐出させる場合と同様の方法で印加するパ
ルス電圧波形を変化させることにより容易に１００μｍ
のインク滴を吐出することが可能である。また、本実施
例によればインク先端位置を引き込む手段６と押し出す
手段７として用いた圧電アクチュエータ１０を振動板９
によりインク２と完全に分離した構造となるため、特に
圧電アクチュエータ１０のように水分により性能が劣化
する素子を使用する場合、素子の劣化を防止し、インク
先端位置制御の信頼性を向上することができる。

【００３８】なお、本実施例では引き込む手段６と押し
出す手段７として圧電アクチュエータ１０を用いたが、
これに限ることなく例えば圧電アクチュエータのかわり
に磁歪素子を用いることも可能であり、さらには所望の
特性を有するものであれば、インク先端位置を流路５内
部に引き込む手段として減圧機、押し出す手段として熱
源を用いてもよい。

【００３９】さらに、本実施例で用いた流路径は一例で
あり、寸法および形状を変化させることにより吐出させ
るインク滴８の大きさを変えることが可能である。

【００４０】〔実施例１−２〕本発明の第１の実施の形
態について、別の実施例を以下に示すが、図５は、この
実施例を示す構成図である。ここで、図１と同様に構成
できる各部については対応箇所に同一符号を付してい
る。

【００４１】本実施例が実施例１と異なる点は、圧電ア
クチュエータ１０として直接接合型単結晶圧電基板を用
いたことである。

【００４２】本実施例では、直接接合型圧電アクチュエ
ータとしてニオブ酸リチウム基板６，７の分極方向を反
転させて接合した基板を用いている。また、この接合さ
れた２枚のニオブ酸リチウム基板の両面には、図示して
いない電極を蒸着を用いて形成している。図１における
振動板９は用いていない。

【００４３】ここで用いた直接接合法とは、鏡面研磨さ
れた２枚の無機基板に親水化処理をして表面にＯＨ基等
の親水基を生成させ、両面を直接的に面接して加熱処理
することにより２枚の無機基板を接合させるものであ
る。そして、直接接合とは、この処理により生じる接合
表面のＯＨ基による水素結合や、それぞれの基板表面を
構成する元素間ないしＯＨ基に起因する酸素を介した共
有結合やイオン結合などの原子レベルの強固な接合をい
う。

【００４４】基板の材料によっては直接接合処理中に、
接合界面に酸化膜が形成され、バッファ層となる場合も
ある。このような材料には、現在のところ、シリコン、
石英、ガラス、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リ
チウム、ホウ酸リチウムなどがある。

【００４５】次に、この単結晶圧電アクチュエータ１０
の動作原理であるが、基本的には実施例１と同様にパル
ス電圧を印加することにより図２（ａ）又は（ｂ）のよ
うに屈曲変位する。

【００４６】実施例１の場合と異なる点は、大きく分け
て２カ所あり、一つが２枚の単結晶基板を分極を反転さ
せて接合することにより、パルス電圧を印加することに
より一方の圧電基板が伸びの方向に変化すればもう一方
の圧電基板は縮みの方向に変化することにより、圧電ア
クチュエータ１０全体として屈曲変位を発生する点、も
う一つは、単結晶圧電基板を直接接合法を用いて接合し
ているため、特性のばらつきが非常に小さく、かつアク
チュエータの制御性が非常によいという点である。

【００４７】以上のように本実施例によれば、実施例１
と同様の効果を得ることができる。また、アクチュエー
タの制御性はインクの先端位置を精密に制御する上で非
常に重要な要素であり、この直接接合型アクチュエータ
を用いることより、実施例１の場合よりもさらにインク
滴を制御性よく吐出することが可能となり、高画質の画
像を安定に得ることができる。

【００４８】〔実施例１−３〕以下に本発明の第３の実
施例について、図６の構成図を用いて説明する。ここで
図１と同様に構成できる各部については同一符号を付し
ている。

【００４９】本実施例が実施例１と異なるのは、吐出口
３近傍の流路５の壁面が楕円形状になったことである。
この、吐出口近傍の形状を変化させることにより吐出動
作に違いが生まれる。

【００５０】次に、この吐出動作について図７および図
８を用いて説明する。

【００５１】まず、図７は図６のＸ部の拡大図であり、
小さいインク滴を吐出口３から吐出させるための動作原
理を示している。本実施例では吐出口から流路５内部に
向かって直径Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の断面を有しており、そ
の断面形状の変化が楕円形状をしている。

【００５２】図７（ａ）は、インク先端位置の制御を行
っていないときのインク先端位置の初期値を示してい
る。実施例１の場合と同様圧電アクチュエータ１０にパ
ルス電圧を印加してインク先端位置を図７（ｂ）に示す
ように流路径Ｌ２の部位よりもさらに流路５内部に後退
させる。次に圧電アクチュエータ１０に逆のパルス電圧
を印加することにより、図７（ｃ）に示すようにインク
先端位置は流路５外部に押し出され、流路径Ｌ２の断面
部位から小さいインク滴８として吐出される。

【００５３】次に、図８は図７と同様に図６のＸ部の拡
大図であり、大きいインク滴を吐出口３から吐出させる
ための動作原理を示している。また、吐出口近傍の流路
形状は図６と同様である。

【００５４】図８（ａ）は、インク先端位置の制御を行
っていないときのインク先端位置の初期値を示してい
る。実施例１の場合と同様圧電アクチュエータ１０にパ
ルス電圧を印加してインク先端位置を図８（ｂ）に示す
ように流路径Ｌ１とＬ２の間の部位に後退させる。次に
圧電アクチュエータ１０に逆のパルス電圧を印加するこ
とにより、図８（ｃ）に示すようにインク先端位置は流
路外部に押し出され、流路径Ｌ１の断面から大きいイン
ク滴８として吐出される。

【００５５】例えば本実施例では吐出口近傍の流路の形
状を、Ｌ１：１２０μｍ、Ｌ２：８０μｍ、Ｌ３：２５
０μｍとし、駆動条件をパルス電圧±２５Ｖ、駆動周波
数３ｋＨｚとした。

【００５６】この条件で小さいインク滴を吐出させる方
法を用いて駆動すると、流路Ｌ２の断面からＬ２の直径
より小さい約５５μｍのインク滴が吐出した。これは、
流路断面をＬ３からＬ２に変化させているため、Ｌ２近
傍の流速分布が中心付近ほど速くなり、結果として流路
径Ｌ２よりも小さいインク滴が吐出すると考えられる。
さらに、実施例１の場合よりも吐出するインク滴が小さ
くなるのは、流路壁を楕円形状に変化させることによ
り、さらに流速分布が中心部に偏るためである。

【００５７】次に、同様にして大きいインク滴を吐出さ
せる方法を用いて駆動すると、流路Ｌ１の断面からＬ１
の直径より大きい約１３０μｍのインク滴が吐出した。
これは、断面をＬ２からＬ１に楕円形状に変化させてい
るため、Ｌ１近傍の流速分布が吐出口で均一になり、流
路径よりも大きいインク滴８が吐出すると考えられる。
また、本実施例は実施例１とは異なり、吐出口３での
速度分布が一定となっているため、ノズル径に対するイ
ンク滴８の拡大率は減少しているものの、速度分布が一
定であるため実施例１の場合よりもさらに安定した吐出
を得ることが可能となる。

【００５８】以上のように本実施例によれば、実施例１
の場合と同様の効果を得ることができる。また、吐出口
近傍の流路形状を変化させることにより、吐出されるイ
ンク滴８の変調範囲が小さい領域にシフトしているた
め、より細かいドットを用いた画像形成が可能となり、
さらなる高画質化につながる。

【００５９】次に、本発明の第２の実施の形態を説明す
る。

【００６０】この第２の実施の形態は、最小断面積の部
分から流路内部に向かって断面積が大きくなる流路壁面
を親水性にする、あるいは吐出口から流路内部に向かっ
て断面積が小さくなり、最小断面積に到達するまでの流
路壁面を撥水性にすることを特徴とするものである。

【００６１】この第２の実施の形態の各実施例を説明す
る。

【００６２】〔実施例２−１〕以下本発明の第２の実施
の形態について図９を参照しながら、より具体的に説明
する。

【００６３】本インクジェット印刷機は、流路枠１にイ
ンク供給口４と吐出口３の二つの開口部を有している。
吐出口２の内側の流路にはインク滴を流路外部に押し出
す手段７としてヒーターを有し、この部分に対応して電
気熱変換体にパルス電圧を印加してインク２を膜沸騰さ
せて、吐出口からインク滴８を吐出する。また、インク
供給口４の外部には、インク滴を流路内部に引き込む手
段としてポンプを設置している。

【００６４】また、吐出口３近傍の流路壁の一部に二酸
化シリコン皮膜をスパッタ法を用いて堆積させることに
より、一部分だけ親水性にしている。流路壁の親水化の
場所に関しては、次の吐出動作の項で説明する。

【００６５】次に、吐出動作について、図１０および図
１１を用いて説明する。

【００６６】まず図１０は、図９のＸ部の拡大図であ
り、小さいインク滴を吐出口３から吐出させるための動
作原理を示している。また、本実施例では吐出口３から
流路内部に向かって直径Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の断面を有し
た流路形状をしている。また、前記したように、流路断
面Ｌ２の部位からＬ３の部位の間は二酸化シリコン皮膜
により親水化処理を行っている。

【００６７】図１０（ａ）は、インク先端位置の制御を
行っていないときのインク先端の初期値を示している。
この初期値は、上述した実施例１−１から１−３の場合
とは異なり、インク先端位置が流路断面Ｌ２の部位にあ
る。この初期状態は、流路の一部が親水性を持つことで
実現される。

【００６８】この状態で、インク先端位置を引き込む手
段６であるポンプにより、インク先端位置が図１０
（ｂ）の状態になるように制御する。次に、インク先端
位置を押し出す手段７である電気熱変換体にパルス電圧
を印加してインク２に膜沸騰を発生させ、図１０（ｃ）
に示すように流路Ｌ２の断面部位から小さいインク滴８
を吐出させる。

【００６９】次に図１１は図１０と同様に図９のＸ部の
拡大図であり、大きいインク滴を吐出口３から吐出させ
るための動作原理を示している。また、吐出口近傍の流
路形状に関しては図１０と同様である。

【００７０】図１１（ａ）はインク先端位置の制御を行
っていないときのインク先端位置の初期値を示してい
る。前記した小さいインク滴を吐出させる場合と同様
に、インク滴先端位置は流路Ｌ２の断面部位にある。実
施例１−１から１−３の場合は、インク滴を吐出させる
前にインク先端位置を引き込む手段６を用いて、インク
先端位置を変化させる必要があったが、この場合は、最
初からインク先端位置が流路Ｌ２の断面にあるため、本
実施例ではこの動作が不要となる。従って、インク先端
位置を引き込む手段６を用いずに、直接インク先端位置
を押し出す手段７の電気熱変換体にパルス電圧を印加し
て、インク２に膜沸騰を発生させ、図１１（ｂ）に示す
ように流路Ｌ１の断面から大きいインク滴８を吐出させ
る。

【００７１】例えば本実施例では吐出口近傍の流路形状
を、Ｌ１：６０μｍ、Ｌ２：３０μｍ、Ｌ３：２００μ
ｍとした。

【００７２】この条件で小さいインク滴を吐出させる方
法を用いて駆動すると、流路Ｌ２の断面部位から、Ｌ２
の直径より小さな約２８μｍのインク滴が吐出した。

【００７３】次に、同様にして大きいインク滴を吐出さ
せる方法を用いて駆動すると、流路Ｌ１の断面部位から
Ｌ１の直径よりも大きい６３μｍのインク滴が吐出し
た。

【００７４】以上に示すように、本実施例によれば実施
例１と同様に１つの吐出口３から大きさの違うインク滴
を吐出することが可能である。

【００７５】また、流路断面の形状を図１０および図１
１に示すように曲面を有する形状にすることにより、実
施例１の場合よりは変調範囲が小さくなるものの、吐出
安定性がよくなり、インク滴８の大きさをさらに精密に
制御することが可能である。

【００７６】さらに、本実施例では親水化の方法として
二酸化シリコン膜のスパッタ法を用いたが、断面の一部
を親水化できる他の方法でも、同様に初期位置を断面Ｌ
の部位に出来る。

【００７７】〔実施例２−２〕以下に本第２の実施の形
態の第２−２の実施例について、図１２を用いて説明す
る。ここで図９と同様に構成できる各部については同一
符号を付している。

【００７８】本実施例が実施例２−１と異なるのは、吐
出口３近傍の流路５の壁面の曲面の形状と、実施例２−
１では流路壁の１部を親水処理していたのに対し、本実
施例では吐出口近傍の流路壁の１部を撥水処理した点で
ある。撥水処理は、撥水スプレーを塗布することにより
行い、その撥水処理の場所に関しては、次の吐出動作の
項で説明する。

【００７９】次に、吐出動作について、図１３および図
１４を用いて説明する。

【００８０】この図１３と図１４は、図１２のＸ部の拡
大図であり、小さいインク滴と大きいインク滴を吐出口
３から吐出させるための動作原理を示している。また、
本実施例では吐出口３から流路内部に向かって直径Ｌ
１、Ｌ２、Ｌ３の断面部位を有した流路形状をしてい
る。また、前記したように、流路断面Ｌ１の部位からＬ
２の部位間は撥水スプレーを用いて撥水処理を行ってい
る。

【００８１】吐出動作の実施例２−１との違いは、実施
例２−１では流路Ｌ２からＬ３の断面を親水化すること
により、インク滴の初期位置を流路Ｌ２の断面部位にし
ていたが、本実施例では、流路Ｌ１部位からＬ２部位の
断面を撥水化することにより流路Ｌ２の断面部位にイン
ク初期位置がきている点である。

【００８２】以上のように本実施例２−２によれば実施
例２ー１と同様の効果を得ることができる。さらに、実
施例２−１と比較して、吐出口近傍の流路形状の曲がり
形状が逆転しているため、大きなインク滴８の大きさ
を、より大きくできるものである。なお、小さなインク
滴８については、実施例２−１と実施例２−２とは同じ
である。

【００８３】このように、実施例２−２は、実施例２−
１に対して、インク滴８の変調幅を大きくとれることに
なる。

【００８４】また、本実施例では吐出口近傍に撥水処理
を施しているため、吐出口近傍に残留するインクを低減
することが可能となり、より安定吐出を行うことが可能
である。

【００８５】なお、本実施例では流路壁の一部を撥水処
理して初期状態のインク先端位置を流路Ｌ２の断面部位
にしているが、実施例２−１で用いた親水化の方法と組
み合わせることにより、より確実に流路Ｌ２の断面部位
にインクの先端位置がくるようになり、さらに安定した
吐出を得ることが可能となる。

【００８６】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。この第３の実施の形態は、流路断面積が変化してい
る部分の断面に段差をもうけることを特徴とするもので
ある。

【００８７】〔実施例３−１〕以下本発明の第３の実施
の形態について図１５を参照しながら、より具体的に説
明する。

【００８８】本インクジェット印刷機は、流路枠１に、
インク供給口４と、吐出口３と、下部開口部を有し、下
部の開口部にはインク先端位置を流路の内で変化させる
手段６、７として実施例１−２に示した直接接合型単結
晶圧電アクチュエータ１０が固着され、上部には振動板
９が配置されている。この上部の振動板９には、インク
先端位置を流路の内で変化させる手段６、７として実施
例１−１に示した圧電セラミック基板が固着されてい
る。この上下のインク先端位置制御手段を用いて、吐出
口３から質量または径を変化させたインク滴８を吐出さ
せる。

【００８９】また、吐出口３近傍の流路壁の一部に段差
が設けられている。この段差に関しては、次の吐出動作
の項で説明する。

【００９０】次に、吐出動作について、図１６および図
１７を用いて説明する。

【００９１】まず、図１６は図１５のＸ部の拡大図であ
り、小さいインク滴を吐出口３から吐出させるための動
作原理を示している。また、本実施例では他の実施例と
は違い、吐出口から流路５内部に向かって直径Ｌ１、Ｌ
２、Ｌ３の断面の他に、Ｌ１とＬ２の断面の間にさらに
二つのＬ１１、Ｌ１２の断面を有した流路形状をしてい
る。

【００９２】図１６（ａ）はインク先端位置の制御を行
っていないときのインク先端の初期値（定常状態）を示
している。この状態で、圧電セラミックを用いた圧電ア
クチュエータ１０にパルス電圧を印加して図２（ａ）に
示す状態になるように大きく屈曲変位を与えると、イン
ク先端位置は図１６（ｂ）に示すように流路径Ｌ２の部
位よりもさらに流路５内側に後退する。次に下部の直接
接合型単結晶圧電アクチュエータ１０にパルス電圧を印
加して屈曲変位させることにより、図３（ｃ）に示すよ
うにインク滴は流路Ｌ２の断面部位から小さなインク滴
８として吐出される。

【００９３】次に、図１７は図１６と同様に図１５のＸ
部の拡大図であり、大きいインク滴を吐出口３から吐出
させるための動作原理を示している。また、吐出口近傍
の流路形状は図１６と同様である。。

【００９４】図１７（ａ）はインク先端位置の制御を行
っていないときのインク先端の初期値（定常状態）を示
している。この状態で、下部の直接接合型単結晶圧電ア
クチュエータ１０にパルス電圧を印加して屈曲変位を与
えると、インク先端位置は図１７（ｂ）に示すように流
路径Ｌ１２とＬ２の間の流路５まで後退する。次に上部
の圧電セラミックを用いた圧電アクチュエータ１０に圧
電セラミックにパルス電圧を印加することにより、図１
７（ｃ）に示すようにインク滴は流路Ｌ１またはＬ１
１、Ｌ１２の断面からインク滴８として吐出される。

【００９５】例えば本実施例では吐出口近傍の流路の形
状を、Ｌ１：１２０μｍ、Ｌ１１：９０μｍ、Ｌ１２：
６０μｍ、Ｌ２：３０μｍ、Ｌ３：２００μｍとし、駆
動条件をパルス電圧±１５から５０Ｖ、駆動周波数３ｋ
Ｈｚとした。

【００９６】この条件で、小さいインク滴を吐出させる
方法を用いて駆動すると、流路Ｌ２の断面から、Ｌ２の
直径より小さな約２６μｍのインク滴が吐出した。これ
は、断面をＬ３からＬ２に変化させることにより、イン
クの流速がＬ２の中心付近で速くなり、結果としてＬ２
の断面よりも小さい部分に速度分布が集中し、小さいイ
ンク滴として吐出されるのである。次に、同様にして大
きいインク滴を吐出させる方法を用いて駆動すると、流
路Ｌ１の断面からＬ１の直径より大きい約１４０μｍの
インク滴が吐出した。これは、断面をＬ２からＬ１に変
化させることにより、インクの速度分布がＬ１の断面よ
りも広がり、結果としてＬ１の断面より大きいインク滴
として吐出されるのである。

【００９７】また、印加するパルス電圧を変化させるこ
とにより、段差の流路Ｌ１１又はＬ１２の断面部位から
インク滴８を吐出させることが可能であり、流路Ｌ１１
の断面部位からは９８μｍ、流路Ｌ１２の断面部位から
は６５μｍのインク滴が吐出した。このように段差を設
けることによって、色々な径のインク滴を吐出できる。

【００９８】以上に示すように本実施例によれば、実施
例１−１と同様の効果を得ることができる。また、流路
断面の段差の数を増やすことにより、インク滴８の質量
または径を容易に変化させることが可能となる。

【００９９】さらに、本実施例では大きいインク滴８と
小さいインク滴８を吐出させるときに用いているインク
先端位置を引き込む手段６と、押し出す手段７に２種の
圧電基板、すなわち小さいインク滴８を吐出する場合に
は、引き込む手段として圧電セラミックアクチュエータ
を用い、押し出す手段として単結晶圧電アクチュエータ
を用い、大きいインク滴８を吐出する場合には、反対に
引き込む手段として単結晶圧電アクチュエータを用い、
押し出す手段として圧電セラミックアクチュエータを用
いている。このような構成にすることにより、２つのア
クチュエータの特性のよい点だけを用いて駆動すること
が可能となり、さらにインク滴８吐出時の安定性が向上
する。

【０１００】なお、本実施例では２つの圧電アクチュエ
ータ１０を１つずつ用いたが、両方を同時に用いて制御
することも可能である。

【０１０１】さらに、実施例２−１または２−２に示し
た、吐出口近傍の流路５内部の壁面を親水化、あるいは
撥水化処理するとにより、実施例４または５と同様の効
果を得ることが可能である。

【０１０２】さらにまた、本実施例１−１から３ー１に
示した、小さいインク滴と大きいインク滴に対して、公
知の駆動波形の最適化法を適用することによりさらに変
調幅を拡大することが可能である。

【０１０３】さらに、実施例１−１から３−１に示した
形状以外の吐出口近傍の形状を有したものであっても、
その形状が吐出口から流路内部に向かって流路の断面積
が小さくなり、最小断面積の部分を境にしてさらに流路
内部に向かって断面積が大きくなる形状を有したもので
あれば、同様の効果を得ることが可能である。

【０１０４】次に、第４の実施の形態を説明する。

【０１０５】本第４の実施の形態の発明は、（ａ）吐出
口から流路内部に向かって流路断面積が小さくなり、最
小断面積の部分が所定の長さを有し、それからさらに流
路内部に向かって断面積が大きくなる流路と、（ｂ）イ
ンク先端位置を流路内部に引き込む手段と、（ｃ）イン
ク先端位置を流路外部に押し出す手段と、を具備するも
のである。

【０１０６】図１８（ａ），（ｂ）、（ｃ）はその内容
を示すものである。図１８（ａ）において、Ｐ１は、吐
出口から断面積が流路内部に向かって小さくなる場所の
面である。Ｐ２は最小断面積部分の場所の面であり、Ｐ
３は断面積が流路内部に向かって大きくなる場所の面で
ある。

【０１０７】面P1と面Ｐ２との境界は、最小断面積の部
分の吐出口３側の端縁である。つまり、Ｐ１，Ｐ２はそ
の端縁の両側の面である。そして、面P1，面Ｐ２のなす
角度αは、小さいインク滴を吐出する際、剥離をスムー
ズに行わせるため、２０度以上が望ましい。

【０１０８】他方、面Ｐ２と面Ｐ３との境界は、最小断
面積の部分の吐出口３側とは反対側の端縁である。つま
り、Ｐ２，Ｐ３はその端縁の両側の面である。そして、
面P２，面Ｐ３のなす角度βは、インクのいわゆる絞り
込み効果を効果的にするため、２０度以上が望ましい。

【０１０９】なお、その面Ｐ２と面Ｐ３との境界でイン
クは絞り込まれるので、インクの流れる速度はその境界
から吐出口側へいくほど増す。しかし、最小断面積の部
分が長さを有する場合、その内壁との摩擦によって徐々
に速度が遅れ始める。従って、その最小断面積の部分の
長さは、インクの速度が理論上最大となる部位と等しい
あるいはより短いことが望ましい。すなわち、（ｂ）に
示すように、最小断面積の部分の吐出口３側の端縁に、
理論上の最大速度点が存在することが望ましい。しか
し、本発明はそれに限定されることはもちろん無い。

【０１１０】なお、図１８（ｃ）は、断面積が大きくな
る面Ｐ３が平面でなく、屈曲した面である場合である。
このような形状でも、インクは面Ｐ３から面Ｐ２に流れ
ることによって、インクの絞り込みが起こり、速度が増
す。

【０１１１】なお、本発明は、一般のインクジェット印
刷機のみならず、ファクシミリ、ワードプロセッサ、レ
ジスター等の印刷機器を備えた機器と組み合わせて用い
てもよい。また、工業製品への刻印や描画、薬液の塗布
など、製造ラインで用いる装置としても適用できる。ま
た、本発明の被記録媒体は、紙のみならず、金属、ガラ
ス、樹脂、陶器、木材、布、皮革などとしてもよい。

【０１１２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば吐出口近
傍の流路形状を変化させ、インク先端位置を流路内部に
引き込む手段と押し出す手段を用いて、インク滴を制御
することにより、今まで以上に高階調で、高速度の記録
を行うことが可能となる。

【０１１３】また、流路の形状ならびに処理を変えて、
インク先端位置の制御手段と組み合わせることにより、
様々な特性を有したのインク滴を吐出することが可能と
なる。

【０１１４】さらに、本構成を用いることにより、イン
クジェット印刷機のヘッド構造を複雑化が生じないよう
にすることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるインクジェット
印刷機の模式的断面図。

【図２】図１の圧電アクチュエータの動作を示す説明
図。

【図３】本発明の一実施例における小さいインク滴を吐
出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図４】本発明の一実施例における大きいインク滴を吐
出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図５】本発明の他の実施例に係わるインクジェット印
刷機の模式的断面図。

【図６】本発明の他の実施例に係わるインクジェット印
刷機の模式的断面図。

【図７】本発明の一実施例における小さいインク滴を吐
出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図８】本発明の一実施例における大きいインク滴を吐
出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図９】本発明の他の実施例に係わるインクジェット印
刷機の模式的断面図。

【図１０】本発明の一実施例における小さいインク滴を
吐出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図１１】本発明の一実施例における大きいインク滴を
吐出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図１２】本発明の他の実施例に係わるインクジェット
印刷機の模式的断面図。

【図１３】本発明の一実施例における小さいインク滴を
吐出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図１４】本発明の一実施例における大きいインク滴を
吐出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図１５】本発明の他の実施例に係わるインクジェット
印刷機の模式的断面図。

【図１６】本発明の一実施例における小さいインク滴を
吐出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図１７】本発明の一実施例における 大きいインク滴
を吐出させる場合の吐出動作を示すための説明図。

【図１８】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の他の実
施の形態における流路の模式的断面図。

【図１９】従来のインクジェット印刷機の模式的断面図

【符号の説明】

１ 流路枠 ２ インク ３ 吐出口 ４ インク供給口 ５ 流路 ６ 引き込む手段 ７ 押し出す手段 ８ インク滴 ９ 振動板 １０ 圧電アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡野 祐幸 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 川▲さき▼ 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吐出口からインク滴を吐出させ、記録媒
   体上にこれを着弾させドットを形成することで画像を形
   成するインクジェット印刷機において、（ａ）吐出口か
   ら流路内部に向かって流路断面積が小さくなり、最小断
   面積の部分を境にしてさらに流路内部に向かって断面積
   が大きくなる吐出流路と、（ｂ）インク先端位置を流路
   内部に引き込む引き込み手段と、（ｃ）インク先端位置
   を流路外部に押し出す押し出し手段と、を具備し、 小さいインク滴を吐出させる場合は、前記引き込み手段
   により、前記インク先端位置を前記断面積が大きくなる
   場所まで引き込み、その後、前記押し出し手段により、
   前記最小断面積の部分の、前記吐出口側の端縁におい
   て、前記インクが剥離する程度の速度で、前記インクを
   押し出すこと、 を特徴とするインクジェット印刷機。
2. 【請求項２】 前記最小断面積の部分の、前記吐出口側
   の端縁の両側の２つの面がなす角度が、２０度以上であ
   ることを特徴とする請求項１記載のインクジェット印刷
   機。
3. 【請求項３】 前記最小断面積の部分の、前記吐出口側
   とは反対側の端縁の両側の２つの面がなす角度が、２０
   度以上であることを特徴とする請求項１記載のインクジ
   ェット印刷機。
4. 【請求項４】 前記最小断面積の部分は所定の長さを有
   し、さらに、前記流路の中心線上での速度が、前記最小
   断面積の部分の、前記吐出口側の端縁において、最大と
   なることを特徴とする請求項１記載のインクジェット印
   刷機。
5. 【請求項５】 前記吐出流路は、前記最小断面積の部分
   から流路内部に向かって断面積が大きくなる流路壁面
   が、親水性を有することを特徴とする請求項１〜４のい
   ずれかに記載のインクジェット印刷機。
6. 【請求項６】 前記吐出流路は、前記吐出口から流路内
   部に向かって断面積が小さくなり、前記最小断面積に到
   達するまでの部分が、撥水性を有することを特徴とする
   請求項１〜５のいずれかに記載のインクジェット印刷
   機。
7. 【請求項７】 前記吐出流路は、その流路断面積が変化
   している部分の断面に段差が形成されていることを特徴
   とする請求項１から６のいずれかに記載のインクジェッ
   ト印刷機。
8. 【請求項８】 前記吐出流路は、その流路断面積が変化
   している部分の断面に屈曲面が形成されていることを特
   徴とする請求項１から６のいずれかに記載のインクジェ
   ット印刷機。
9. 【請求項９】 前記吐出流路は、その流路断面積の変化
   が連続的であることを特徴とする請求項１から６のいず
   れかに記載のインクジェット印刷機。
10. 【請求項１０】 前記インク先端位置を流路内部に引き
    込む手段と、流路外部に押し出す手段が同一の手段で兼
    ねられていることを特徴とする請求項１から９のいずれ
    かに記載のインクジェット印刷機。
11. 【請求項１１】 印刷の待機状態において、インク先端
    位置が、前記吐出流路内で適宜選択されることによっ
    て、インクの大きさが選択されることを特徴とする請求
    項１〜１０のいずれかに記載のインクジェット印刷機。