JP2001270104A

JP2001270104A - 液滴射出デバイス

Info

Publication number: JP2001270104A
Application number: JP2000085248A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tajima; 修田島
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】設計自由度を有し、生産性に優れ、かつ信頼
性に優れたアクチェータを備えた液滴射出デバイスを提
供する。【解決手段】液滴射出デバイス１において、ノズル２
０を有するノズルプレート２と、ノズルプレート２を電
磁力により振動させ、ノズル２０から液滴６０を射出さ
せるノズル駆動回路４とを備える。ノズルプレート２に
は、それ自体が可動部となるように、可撓性並びに透磁
性を備えている。ノズル駆動回路４は、少なくとも永久
磁石４１と、ノズルプレート２と永久磁石４１との間に
配設され、かつ永久磁石４１の磁力を制御する電磁コイ
ル体４０と、電磁コイル体４０のコイル４０Ｂに電流を
供給する電流供給部４３と、電流の供給を制御する制御
部４４とを備えて構築されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液滴射出デバイス
に関し、特にプリンタ、ファクシミリ等の印刷装置を構
築する液滴射出デバイスに関する。特に本発明は、液体
より液滴を形成し、この液滴をノズルから射出させる液
滴射出デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ等の印刷装置を
構築する液滴射出デバイスに採用されている代表的イン
クジェット方式は、インクの微小液滴を射出させるノズ
ルと、このノズルからインクを射出させるためのアクチ
ェータとを備えている。このアクチェータとしては、ピ
エゾセラミック、又はインク溶媒を沸騰膨張させ射出力
を得る発熱素子が使用されている。前者はピエゾ方式、
後者はバブルジェット（登録商標）方式と呼ばれてい
る。これらの方式の共通点は、アクチェータによりイン
クチャンバ容積を縮小して圧力を高め、微小なノズルか
らインクを瞬時に射出することにより微小なインク滴を
生成していることである。

【０００３】ところが、この種の方式は、インクチャン
バ内の圧力を高めてノズルからインクを射出させてお
り、インク供給路への圧力の逃げを抑えるために、イン
ク供給路を細く長くさらに屈曲させてインクの流動抵抗
を高く設定している。このため、ノズルからのインクの
射出後、インクチャンバ内の負圧によりインクを供給す
ることができるように、インクの流動性を高くする必要
がある。しかしながら、粘度の高い顔料インク、油性イ
ンク等を高いレートで射出させる液滴射出デバイスを実
現することは困難である。

【０００４】そこで、液滴射出デバイスにおいては、高
流動性の水性インクが多用されている。ところが、水性
インクの使用は以下の様々な問題点を生じる。第１に、
水性インクの耐水性や耐侯性が不足しており、普通紙に
おいては水性インクの滲み、フェザーリング、裏面浸出
等が発生する。第２に、粘性の低い水性インクを使用し
ても水性インク中に存在する微小な泡により、前述のよ
うに長く細くさらに屈曲させてインクの流動抵抗を高く
設定したインク供給路はその機能を失ってしまう。第３
に、インク供給路が一度詰まると修復することは極めて
困難である。第４に、インク供給路、インクチャンバは
複雑な構造で高価である。そして、第５に、ノズル、イ
ンクチャンバ、ピエゾセラミック又は発熱素子、屈曲し
た細く長いインク供給路（暗渠）が多層の錯綜した構造
で構成されており、超精密加工を要する複雑な構造なの
で、長尺で多連ノズル構造を有する液滴射出デバイスの
実現が困難であり、廉価な高速印字プリンタを実現する
ことが難しかった。

【０００５】上記技術的課題を解決することが可能な液
体吐出装置（LIQUID PROJECTION APPARATUS）が、国際
公開番号ＷＯ９９／５５１４０号公報に開示されてい
る。この液体吐出装置は、ノズルプレートにピエゾセラ
ミックを固着して、このピエゾセラミックでノズルプレ
ートを屈曲させることで、液体を加圧することなく、ノ
ズル口から液滴を射出させるという特徴を備えており、
このような特徴から液体に生ずる速度水頭（動圧）によ
って液滴の形成並びに射出を行うことができるものと推
察することができる。

【０００６】一般的に、一定数の流線で構成される流管
内においては、次式＜１＞で表されるベルヌーイの定理
が成り立つ。

【０００７】ｐ＋ρｖ^２／２＋ρｇｈ＝一定 … ＜１＞ｐ：流体圧力 ρ：流体密度ｖ：流体速度ｇ：重力加速度ｈ：流管高さ静止状態から速度ｖｍ／ｓｅｃで駆動されるノズルプレ
ート上の液体に生ずる流体圧力ｐは上記式＜１＞の第２
項の速度水頭(速度落差)に相当しており、この流体圧力
ｐがノズルの液面に印加されるようになっている。従っ
て、上記液体吐出装置においては、インク液滴の射出の
ためのインクチャンバの内圧印加、インク供給路からの
圧力抜けの抑止構造（例えば、細く長くさらに屈曲させ
て流動抵抗を高めたインク供給路）、液滴吐出後のイン
クチャンバ内へのインク吸入工程等が不要になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本件発明者は、上記国
際公開公報に開示された発明に鑑み、高レート、高効率
及び高密度の液滴射出を可能とし、さらに生産性並びに
信頼性に優れた液滴射出デバイスを開発すべく、公知技
術ではないが、以下のような基礎研究を実施した。すな
わち、ステンレス板にポリイミドシートをコーティング
したノズルプレート又はポリイミドシートのノズルプレ
ートを準備し、ピエゾセラミックのバイモルフ若しくは
モノモルフをトランスジューサとして使用し、４ｋＨｚ
〜１０ｋＨｚの制御周波数により１００ｋＨｚ付近の共
振周波数の駆動周波数をノズルプレートに与え、ノズル
プレートの振動状態を測定し、その考察を行った。

【０００９】（１）共振周波数で励振するとノズルプレ
ートの振幅は高倍率になるが、大振幅に達するまでの振
動サイクルを要すことから、高速化には制限が生じる。
ここでの基礎研究においては、ピエゾセラミックを使用
したトランスジューサの駆動周波数と制御周波数との周
波数差を１桁〜２桁程度相違させている。トランスジュ
ーサの共振周波数付近において振動させる振幅を大きく
することにより液滴射出限界を越えて液滴射出を行って
おり、トランスジューサの振動回数を稼ぐためには、又
は振動の収まる時間を確保するためには、低い制御周波
数が必要であると考えられる。共振周波数が高くなるの
は、可動部が厚くしかも硬いピエゾセラミックが強固に
接着された高剛性構造を備えているためである。

【００１０】（２）多連ノズル（マルチノズル）構造を
有する液滴射出デバイスにおいては、トランスジュー
サ、ノズルプレート、接着部の寸法、質量等のそれぞれ
の微小な誤差により、共振周波数、共振倍率等に大きな
ばらつきが発生する。このような共振周波数等のばらつ
きは印刷の斑の原因になり、高品質の印刷出力を得るこ
とができない。さらに、大量生産における液滴射出デバ
イス間のばらつきも大きくなり、液滴射出デバイス毎に
印刷出力に斑が発生する。

【００１１】（３）また、ノズル径、液体粘性及び表面
エネルギーによる液滴生成周期とメニスカス共振周波数
とに駆動周波数が近づくと液滴射出能率は上昇するが、
この液滴射出能率もノズル間、液滴射出デバイス間のば
らつきの要因となる。

【００１２】（４）さらに、駆動周波数は液体の特性に
よっても制限を受け、過度に高い共振周波数を用するこ
とができない。アクチェータ（トランスジューサ及びノ
ズルプレートの組立体）の出力に対して液体の動圧を発
生させるノズルプレートの速度は共振周波数の増大とと
もに小さくなる。従って、必要以上の高周波数で励振さ
せることは高速化には不利である。

【００１３】（５）ピエゾセラミックとノズルプレート
との接着体は極めて剛性が高いので１００ｋＨｚレベル
の高い共振周波数を持っている。図１１に示すように、
剛性が増大し、共振周波数が１桁上がれば共振点以下の
周波数で速度は１桁下がる。図１１はバネ定数ｋを変え
て共振周波数を変えた複数のデータが示されている。共
振周波数が変化しても共振ピークは変化しない。共振倍
率比の上昇が基本的速度(共振倍率１の場合)の低下を補
っている。共振倍率が高いとき共振峰は高く鋭いが、こ
の対数軸上の鋭さ、狭さが各ノズルの共振周波数のばら
つきによる射出特性のばらつきの発生を増大させること
を示している。

【００１４】（６）アクチェータの可動部の質量を変え
て共振周波数を変えることも可能である。しかし、質量
を増加し共振周波数を下げると共振倍率が高くなり、質
量を減少させて共振周波数を上げると速度倍率は低くな
るので、もともと必要な出力設計をしたアクチェータに
は適用することができない。

【００１５】（７）本発明者が行った基礎研究において
は、共振周波数を約１００ｋＨｚに下げ（それでも共振
周波数はかなり高い）、振幅を上げるために長さ９ｍ
ｍ、幅１ｍｍの細長い梁状のノズルプレートの試作が試
みられた。このノズルプレートを使用し、１２ｄｏｔｓ
／ｍｍの多連ノズル構造の液滴射出デバイスを試作して
みると、ノズルプレートの全体の長さ（９ｍｍ×１２）
は１０８ｍｍにも達する。これでは廉価な汎用プリンタ
には到底適用することができない。上記国際公開公報に
は液体吐出装置の小型化の工夫も開示されてはいるが、
この開示内容のいずれも実用的な水準まで改善できる手
段とはならない。

【００１６】このようにピエゾセラミックをトランスジ
ューサとする速度水頭(動圧)型液体射出デバイスにおい
ては、実用上の種々の課題を抱えており、実用化が非常
に難しかった。

【００１７】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものである。従って、本発明の目的は、設計自由度を
有し、生産性に優れ、かつ信頼性に優れたアクチェータ
を備えた液滴射出デバイスを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の特徴は、液滴を射出させるノズルを有し、
可撓性及び透磁性を有するノズルプレートと、ノズルプ
レートを電磁力により振動させ、ノズルから液滴を射出
させるノズル駆動手段と、を少なくとも備えた液滴射出
デバイスとしたことである。

【００１９】ここで、「可撓性」とは、少なくとも液滴
を射出させるために必要な板厚方向に撓むことができる
性質という意味で使用され、ノズルプレートはノズルを
備えるとともに液滴の射出に必要な振動板としての機能
を備えている。「透磁性」とは、液滴を射出させるべく
ノズルプレートを電磁力により撓ませる（又は振動させ
る）ために、電磁石により吸引又は反発する性質という
意味で使用される。従って、ノズルプレートは少なくと
も強磁性金属板を主体として構成することが好ましい。
さらに、「ノズル駆動手段」は、ノズルプレートに対向
して配設された永久磁石と、ノズルプレートと永久磁石
との間に配設され電磁力を制御する電磁コイルと、電磁
コイルに電流を供給する電流供給部と、電流の供給を制
御する制御部とを少なくとも備えて構築されることが好
ましい。すなわち、本発明に係る液滴射出デバイスは、
ノズルプレートを可動部とする電磁型アクチェータを備
えている。可動部としてのノズルプレートの質量、ばね
定数等が小さい程、一定の入力エネルギに対して大きい
速度を得ることができる。

【００２０】本発明に係る液滴射出デバイスにおいて
は、ノズルプレートに可撓性並びに透磁性を備えたこと
により、ノズルプレート自体を液滴を射出させるための
可動部とすることができ、さらにノズルプレート自体の
軽量化を実現することができる。従って、共振周波数、
共振倍率を低く設定することが容易に行え、液滴形成限
界速度に見合う最適な駆動周波数において不安定な共振
点を避け、かつその共振点の近傍で高い速度を発生させ
ることができるアクチェータを実現することができる。
さらに、低い周波数に共振点を持つアクチェータにおい
ては、液滴吐出可能速度を維持する時間を長く確保する
（速度振幅を大きくする）ことができるので、この速度
維持時間を最適に制御することにより、１回の液体吐出
量の制御を行うことができる。すなわち、設計自由度の
高い電磁型アクチェータを備えた液滴射出デバイスを実
現することができる。

【００２１】さらに、ノズルプレート自体を可動部とし
たことにより、従来例で説明したようなピエゾセラミッ
クとノズルプレートとの間に強大な繰り返し剪断応力や
引張り応力に耐える強力な接着層を設ける必要がなくな
る。従って、生産性に優れ、信頼性の高いアクチェータ
を備えた液滴射出デバイスを実現することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２３】［液滴射出デバイスの構造］図１及び図２
に示すように、本発明の実施の形態に係る液滴射出デバ
イス１は、液滴６０を射出させるノズル２０を有し、可
撓性及び透磁性を有するノズルプレート２と、ノズルプ
レート２を磁力により振動させ、ノズルから液滴を射出
させるノズル駆動機構４とを少なくとも備えて構成され
ている。ノズル駆動機構４は本発明に係る「ノズル駆動
手段」の一具体例に対応するものである。ノズル機構４
は、ノズルプレート２に対向し離間配設された永久磁石
４１と、ノズルプレート２と永久磁石４１との間にスペ
ーサ層３を介在させて配設され、かつノズルプレート２
に形成されたノズル２０と中心位置を合わせてコイル４
０Ｂを配設することにより永久磁石４１の磁力を制御す
る電磁コイル体４０と、電磁コイル体４０のコイル４０
Ｂに電流を供給する電流供給部４３と、電磁コイル体４
０のコイル４０Ｂへの電流の供給を制御する制御部４４
とを少なくとも備えて構成されている。

【００２４】ノズルプレート２には、本発明の実施の形
態において、高透磁性金属、具体的にはパーマロイ、セ
ンダスト、アモルファス高透磁率材料等で形成した板状
部材を実用的に使用することができる。ノズルプレート
２の外面（図１中及び図２中、下側表面）には液体を撥
くように例えば弗化シリコン膜等の薄膜がコーティング
されており、液体６はノズル２０においてメニスカスを
形成することができるが、ノズルプレート２の外面に液
体が浸出拡散されることは無い。

【００２５】ノズル２０は、ノズルプレート２の所定箇
所に所定ピッチで規則的に配列された貫通孔で構成され
ている。ここで、「所定箇所」とは、例えば６００ｄｐ
ｉの高品質のプリンタの場合、画素１ドットに対応する
位置にノズル２０が配設されるという意味である。「所
定ピッチ」とは、１平方インチメートル内に６００ｄｏ
ｔｓのノズル２０が配列できる間隔という意味である。
ノズル２０の直径は好ましくは最小液滴球径のほぼ１．
７倍に設定されている。

【００２６】永久磁石４１は、図１中及び図２中、下側
をＳ極、上側をＮ極とする平板形状で構成されており、
この永久磁石４１にはノズル２０に対応する位置におい
て複数の液体供給経路となる貫通孔４１Ａが配設されて
いる。永久磁石４１は、ノズルプレート２内面上にスペ
ーサ層３、電磁コイル体４０のそれぞれを介在して配設
されている。永久磁石４１上にはさらにバックプレート
４２が配設されている。

【００２７】図３に示すように、スペーサ層３は、板状
の非磁性体、例えばアルミニウム、銅若しくはそれらの
合金等の非磁性金属材料、又はポリアセタール、ポリカ
ーボネイト、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂材料を用
いて形成されている。このスペーサ層３にはノズル２０
に対応する領域に多数の円形孔３Ａが配設されている。
電磁コイル体４０は、中央に貫通孔４０Ａを有するコイ
ル４０Ｂを所定ピッチで多数埋め込んだ板状の形態で構
成されているか、又はプリント配線基板上にコイル４０
Ｂを所定ピッチで多数プリントした形態で構成されてい
る。図１及び図２に示すバックプレート４２は、ノズル
プレート２と同様に高透磁性金属で形成されており、ノ
ズルプレート２とは異なり硬質性を備えるためにノズル
プレート２よりも厚い板厚で形成されている。バックプ
レート４２にはノズル２０に対応する領域に貫通孔４２
Ａが配設されている。

【００２８】スペーサ層３の円形孔３Ａ、電磁コイル体
４０の貫通孔４０Ａ、永久磁石４１の貫通孔４１Ａ、バ
ックプレート４２の貫通孔４２Ａのそれぞれとノズル２
０の中心位置は一致させてある。これらの円形孔３Ａ、
貫通孔４０Ａ、４１Ａ、貫通孔４２Ａのそれぞれは液体
供給経路を形成するようになっている。スペーサ層３の
円形孔３Ａの内径と電磁コイル体４０のコイル４０Ｂの
外径とは等しく設定されており、スペーサ層３に貼り付
けられたノズルプレート２を撓ませることができる空間
３Ｂを生成している。

【００２９】バックプレート４２上の周縁においてはチ
ャンバケース７が配設されており、このチャンバケース
７の内部空間内にインク等の液体６が充填されている。
この液体６は、上記円形孔３Ａ、貫通孔４０Ａ、４１Ａ
及び貫通孔４２Ａで形成される液体供給経路を通してノ
ズル２０に供給されるようになっている。符号６Ｓは液
体６の液面である。チャンバケース７は例えばステンレ
ス鋼等の金属材料で形成されており、このチャンバケー
ス７はバックプレート４２に例えば溶接等の取付手段に
より取り付けられている。

【００３０】ここで、液体６がノズル２０から漏出する
限界落差ｈは次式＜２＞で表すことができる。

【００３１】ｈ＝２σ／ｒρｇ … ＜２＞ σ：液体表面張力ｒ：ノズル半径 ρ：流体密度ｇ：重力加速度例えば、液体６にシリコンオイル（液体表面張力σは
０．０２Ｎ／ｍ、流体密度ρは１０００ｋｇ／ｍ^３）を
使用し、ノズル半径ｒを１５μｍとする場合、上記式＜
２＞から限界落差ｈはほぼ２７０ｍｍになり、１０ｍｍ
程度の液面６Ｓに対しては充分な余裕がある。

【００３２】電磁コイル体４０の貫通孔４０Ａの内径を
例えば０．５ｍｍとした場合、この貫通孔４０の内径で
保持される液体６の限界落差ｈは僅か８μｍであるから
液体６は液体供給経路を構築する各部材が撥液性であろ
うとも重力でスペーサ層３２より形成された空間３Ｂ内
に流入させることができる。

【００３３】このように液体６が自重で流入する空間３
Ｂの内部は圧力を蓄積しないものであり、また液体６の
供給に加圧力若しくは吸引圧力は不必要である。つま
り、従来の加圧型インクジェット方式の半密閉型チャン
バに対して、本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイ
ス１は開放型チャンバを使用している。さらに、液体６
は自重で流下するので、液体６内に泡が含まれていて
も、この泡は自然に抜くことができる。

【００３４】［液滴射出デバイスの組立］上記説明にお
いて理解されるように、本発明の実施の形態に係る液滴
射出デバイス１は、スペーサ層３、複数のコイル４０Ｂ
を有する電磁コイル体４０、永久磁石４１、バックプレ
ート４２の各板状部材を積層し、さらにスペーサ層３に
同様に板状部材であるノズルプレート２を取り付けるこ
とにより、容易に組み立てることができる。すなわち、
液滴射出デバイス１は複数の板状部材を積層したアクチ
ェータにより形成されている。

【００３５】さらに、液滴射出デバイス１においては、
永久磁石４１の吸引力によりバックプレート４２、ノズ
ルプレート２のそれぞれが吸着されるので、組み立ては
容易に行うことができる。電磁コイル体４０の基板とス
ペーサ層３とは、非磁性体で形成されているので永久磁
石４１に吸着されないが、ノズルプレート２の吸着力で
押さえ付けられるので、接着による相互の固定を容易に
行うことができる。

【００３６】さらに、電磁コイル体４０のコイル４０Ｂ
で発生させる電磁力よりも永久磁石４１の吸引力を大き
くして、この永久磁石４１の吸引力により、常にノズル
プレート２を吸引する方向に働くように設定されてお
り、電磁コイル体４０とスペーサ層３との間の接着を剥
離する力は皆無であり、電磁コイル体４０とスペーサ層
３との間の接着寿命は永久的である。

【００３７】バックプレート４２上にはチャンバケース
７が最後に接合されることで、液滴射出デバイス１を完
成させることができる。

【００３８】［液滴射出デバイスの動作］次に、上記本
発明の実施の形態に係る液滴射出デバイス１の動作を説
明する。

【００３９】液滴射出デバイス１の永久磁石４１により
発生した磁力線４１Ｍは、図１に示すように、ノズルプ
レート２、バックプレート４２の双方に達するループを
描く。ここで、ノズル２０側から見て時計回り方向の電
流ｉを電磁コイル体４０のコイル４０Ｂに流すと、コイ
ル４０Ｂには同図１に示すような磁力線４０Ｍを発生さ
せることができる。この場合、永久磁石４１により発生
した磁力線４１Ｍとコイル４０Ｂにより発生した磁力線
４０Ｍとは方向が逆向きになるので、双方の磁束は互い
に打ち消し合う。永久磁石４１により発生する磁束Φ_１
及びコイル体４０Ｂにより発生する磁束Φ_２によるノズ
ルプレート２の吸引力は、次式＜３＞に示すように比例
する。

【００４０】Φ^２＝（Φ_１+Φ_２）^２ … ＜３＞ここで、永久磁石４１により発生する磁束Φ_１はコイル
４０Ｂにより発生する磁束Φ_２よりも遥かに大きく、Φ
２^２≒０として無視することができるので、上記式＜３
＞は次式＜４＞のように書き換えることができる。

【００４１】Φ^２＝Φ_１ ^２+２Φ_１Φ_２ … ＜４＞コイル４０Ｂにより発生するの磁束Φ_２の起磁力はコイ
ル電流ｉとコイル巻き数Ｎとの積に比例するので、磁束
Φの二乗は次式＜５＞に表されるようにコイル電流ｉに
よって制御することができる。

【００４２】 Φ^２＝Φ_１ ^２+２Φ_１ｉＮ／Ｒ_ｍ … ＜５＞Ｒ_ｍ：コイル磁束に対する磁気回路抵抗従って、コイル電流ｉが０のとき（ｉ＝０）、ノズルプ
レート２は、図１に符号２１を付けて一点鎖線で示すよ
うに、永久磁石４１の変動しない磁束Φ_１(磁力線４１
Ｍ)によって吸引され、空間３Ｂの内側に撓ませられた
状態にある。コイル体４０Ｂのコイル電流ｉによる磁束
Φ_２が永久磁石４１により発生する磁束Φ_１と逆方向の
ときは、ノズルプレート２の吸引力は減少し、図１に符
号２２を付けて破線で示すように、ノズルプレート２の
撓みは減少した状態にある。

【００４３】図示していないが、コイル４０Ｂにより発
生する磁束Φ_２が永久磁石４１により発生する磁束Φ_１
と同一方向になるように、コイル４０Ｂにコイル電流ｉ
を流すと、磁束Φ_１ ^２は増加し、ノズルプレート２の撓
みは符号２１で示す一点鎖線よりもさらに空間３Ｂ内部
に向かって大きくなる。

【００４４】以上説明したように、液滴射出デバイス１
においては、コイル４０Ｂに流すコイル電流ｉの大きさ
と方向とを制御することにより、ノズルプレート２に印
加される磁力（吸引力）を制御することができ、ノズル
プレート２の撓みを制御することができる。

【００４５】スペーサ層３を透磁性体とした場合、永久
磁石４１により発生する磁力線４１Ｍ及びコイル４０Ｂ
により発生する磁力線４０Ｍは磁気抵抗の低いスペーサ
層３を通過するので、液滴射出デバイス１のアクチェー
タとしての能率は上昇させることができるが、逆にイン
ダクタンスの増大により高周波数特性は低下してしま
う。従って、この点においてスペーサ層３は非磁性体と
することが好ましい。

【００４６】［ノズルプレートの変形例］本発明の実施
の形態に係る液滴射出デバイス１においては、アクチェ
ータとしての可動部は可撓性を有するノズルプレート２
としているので、このノズルプレート２は薄く、撓みや
すく、質量も小さく形成することができる。図４に示す
ように、ノズルプレート２おいてノズル２０の周囲の円
形可動面に多数のスリット２３を配設することにより、
ノズルプレート２の特にノズル２０の領域は桁違いに撓
みやすくすることができる。これは、良く知られている
ように、周辺固定の円板の撓みと両端固定梁の撓みの公
式により理解することができる。スリット２３の幅寸法
はノズル２０の内径寸法の数分の１程度に設定すること
により、スリット２３からの液体漏出落差ｈは数倍にな
り、ノズル２０から液滴を射出する場合においても上記
式＜２＞から理解できるようにスリット２３からの液体
６の流出を防止することができる。なお、ノズル２０の
内径寸法は例えば３０μｍを実用的に使用することがで
きる。スリット２３は、ノズルプレート２の製作過程に
おいて、ノズル２０と同一のエッチング工程２より、又
は同一の機械的打ち抜き工程により製作されることが、
生産性を向上させる上で好ましい。

【００４７】［液滴射出原理］先の従来技術で説明した
上記図１１から明らかなように、ノズルプレート２を撓
みやすくするとき、質量は変わらないので、共振周波数
ω₀は低下し、共振周波数ω₀の近傍の速度振幅は増大す
る。図１に示すように、ノズルプレート２が同図２中矢
印Ａ方向に駆動される（撓みを生じる）と、このノズル
プレート２の撓みが生じた領域に接する液体６も撓み分
と同体積の液体６が駆動（流動）され、ノズル２０から
液滴６０が射出される。ノズル２０のメニスカスにおい
てはノズルプレート２の速度ｖｍ/ｓと同じ速度を得る
ことができるので、上記式＜１＞の流管高さｈの変化を
無視すると、次式＜６＞のように動圧ｐを求めることが
できる。

【００４８】ｐ＝ρｖ^２／２ … ＜６＞上記式＜６＞で表される動圧ｐによって、図５（Ｂ）及
び図５（Ｃ）に示すように、ノズル２０のメニスカスが
表面エネルギに抗して膨らみ６’を生成する。この突出
した膨らみ６’が所定の高さとなったときノズルプレー
ト２の速度ｖを落とせば膨らみ６’への液体６の供給は
止まり、膨らみ６’は、慣性力を持っているのでその慣
性力で切断され、液滴６０となって射出される。図５
（Ａ）にはノズル２０を通過する流体６の流速が示され
ている。

【００４９】図６（Ａ）にノズルプレート２の２つの実
用例の数値データを示す。同図６（Ａ）において、ノズ
ルプレート形式の「スリット有り」とは上記図４に示す
スリット２３を配設したノズルプレート２であり、「ス
リット無し」とはスリット２３を配設していないノズル
プレート２である。

【００５０】ノズルプレート２にスリット２３を配設し
た場合には、ノズルプレート２の剛性は下がり、共振点
速度ｖ、速度圧力ｐｖがともに大きくなり、液滴形成に
必要な圧力アクチェータの限界射出駆動力Ｆは２.７９
ｍＮと小さくすることができる。さらに、スリット２３
を配設したノズルプレート２においては、共振周波数共
振周波数ω₀を約７.２３ｋＨｚと低く設定することがで
きる。さらに、例えばノズルプレート２の厚さをより薄
くすることにより、この薄さに比例して共振周波数ω₀
をより低く設定することができる。ノズルプレート２の
可動部半径ａ（図１参照。）においては、この可動部半
径ａの二乗に反比例して共振周波数ω₀を下げることが
できる。このようにバネ定数ｋを下げて共振周波数
ω₀、共振倍率ｖを低く設定することは容易に行うこと
ができるので、液滴６０の形成限界速度に見合う最適な
駆動周波数において不安定な共振点を抑えかつその共振
点の近傍で高い速度を発生するアクチェータ、すなわち
液滴射出デバイス１を実現することができる。なお、上
記のように剛性を下げたノズルプレート２において、図
５（Ｂ）乃至図５（Ｄ）に示すように、その外面上にポ
リイミド樹脂膜等のプラスチックシート２５を例えばラ
ミネートによりコーティングすることにより、より一層
アクチェータとしての減衰定数を上昇させることがで
き、共振ピークを容易に押さえることができる。

【００５１】図１、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す矢
印Ａ方向のノズルプレート２の撓みにより液滴６０の射
出動作を行った後、電磁コイル体４０のコイル４０Ｂに
コイル電流ｉを流して磁力線４０Ｍを発生させ、永久磁
石４１により発生した磁力線４１Ｍを打ち消す磁束を発
生させることにより、ノズルプレート２の撓みが急速に
戻され、ノズルプレート２のノズル２０の近傍の内面上
に接する液体６０は負圧になるので、ノズル２０のメニ
スカス面は図５（Ｄ）に示すように凹面になる。このメ
ニスカス面の凹面は矢印Ｂ方向の歪みエネルギを蓄えて
いるので、このメニスカス面が凹面から平面に戻るタイ
ミングにおいて図１に符号２１を付け一点鎖線で示すよ
うにノズルプレート２を吸引すれば液滴射出効率を上げ
ることができる。ノズルプレート２の矢印Ｂ方向への戻
りはノズルプレート２の撓みエネルギの開放であるか
ら、１滴の液滴６０の射出時間は共振周波数ω₀の１周
期にほぼ等しくなる。

【００５２】［液滴射出デバイスのアクチェータ多連構
造］以上説明した本発明の実施の形態に係る液滴射出デ
バイス１において、アクチェータ多連構造を実現する場
合を説明する。

【００５３】図７に示すように、液滴射出デバイス１の
電磁コイル体４０は、この層数に限定されるものではな
いが、４層の電磁コイル層４０１〜４０４を順次積層し
て構築されている。これらの電磁コイル層４０１〜４０
４は、いずれも、例えばプリント配線基板で構成されて
いる。すなわち、電磁コイル層４０１は、絶縁基板４１
０と、絶縁基板４１０上の入力端子４１１と、絶縁基板
４１０上のコイル配線４１２と、絶縁基板４１０の表面
から裏面に通じる接続孔配線（スルーホール配線）４１
３と、絶縁基板４１０の裏面上の出力端子４１４とを備
えて構成されている。同様に、電磁コイル層４０２は、
絶縁基板４２０と、絶縁基板４２０上の入力端子４２１
と、絶縁基板４２０上のコイル配線４２２と、絶縁基板
４２０の表面から裏面に通じる接続孔配線４２３と、絶
縁基板４２０の裏面上の出力端子４２４とを備えて構成
されている。電磁コイル層４０３は、絶縁基板４３０
と、絶縁基板４３０上の入力端子４３１と、絶縁基板４
３０上のコイル配線４３２と、絶縁基板４３０の表面か
ら裏面に通じる接続孔配線４３３と、絶縁基板４３０の
裏面上の出力端子４３４とを備えて構成されている。電
磁コイル層４０４は、絶縁基板４４０と、絶縁基板４４
０上の入力端子４４１と、絶縁基板４４０上のコイル配
線４４２と、絶縁基板４４０の表面から裏面に通じる接
続孔配線４４３と、絶縁基板４４０の裏面上の出力端子
４４４とを備えて構成されている。

【００５４】最上層の電磁コイル層４０１の出力端子４
１４と上から２段目の電磁コイル層４０２の入力端子４
２１との間は相互に電気的に接続されている。２段目の
電磁コイル層４０２の出力端子４２４と上から３段目の
電磁コイル層４０３の入力端子４３１との間は相互に電
気的に接続されている。そして、３段目の電磁コイル層
４０３の出力端子４３４と最下層の電磁コイル層４０４
の入力端子４４１との間は相互に電気的に接続されてい
る。すなわち、奇数段目の電磁コイル層と偶数段目の電
磁コイル層との間の接続は外側で行われ、偶数段目の電
磁コイルと奇数段目の電磁コイル層との間の接続は内側
で行われている。

【００５５】最上層の電磁コイル層４０１の入力端子４
１１にコイル電流ｉが供給されると、各層のコイル配線
４１２、４２２、４３２、４４２のそれぞれには反時計
回りにコイル電流ｉが流れる。絶縁基板４１０、４２
０、４３０、４４０のそれぞれの厚さを例えば数１０μ
ｍに設定し、コイル配線４１２、４２２、４３２、４４
２のそれぞれの厚さを数１０μｍとして周回パターンと
し、このような電磁コイル層４０１〜４０４を積層化す
ることにより、数ボルトの低電圧駆動するのに好適なイ
ンピーダンス巻き数の電磁コイル体４０を製作すること
ができる。

【００５６】図８に示すように、電磁コイル体４０の最
上層の電磁コイル層４０１の入力端子４１１には、行方
向に延在しかつ列方向に所定間隔で配列された信号線Ｓ
Ｌ１〜ＳＬ３のそれぞれが電気的に接続され、最下層の
電磁コイル層４０４の出力端子４４４には、列方向に延
在しかつ行方向に所定間隔で配列されたアクセス線ＡＬ
１〜ＡＬ３のそれぞれが電気的に接続されている。図示
しないが、信号線ＳＬ１〜ＳＬ３のそれぞれに駆動トラ
ンジスタを配設し、アクセス線ＡＬ１〜ＡＬ３のそれぞ
れにスイッチングトランジスタを配設することにより、
２次元的に配列された電磁コイル層をランダムアクセス
することができる、２次元配列のアクチェータを備えた
液滴射出デバイス１を実現することができる。このよう
な液滴射出デバイス１においては、信号線ＳＬ１〜ＳＬ
３に短く高いパルス信号を印加し、ノズルプレート２に
１回の射出動作を行わせることができる。ノズルプレー
ト２は機械的時定数に応じて１つのパルス信号に対して
１往復するようになっているが、パルス信号を短く設定
することにより、次段ラインへのアクセス速度を高速化
することができる。１周期のラインのアクセスが終了す
るまでに最初のラインのノズルプレート２が無信号位置
まで復帰していればよいので、１ラインヘッドと同じ高
速駆動を実現することができる。例えば６０ラインを１
周期τｎ秒で印字する場合、１ライン当たりの信号印加
時間はτｎ/６０秒と短くすることができる。なお、こ
の例は多階調印字ではなく２値の印字である。

【００５７】図６（Ｂ）に２次元配列のアクチェータの
２つの実用例の数値データを示す。同図６（Ｂ）におい
て、「スリット有り」、「スリット無し」とは、図６
（Ａ）で説明した通り、ノズルプレート２のスリット２
３の有無である。

【００５８】ライン周回時間はアクチェータの共振周期
と等しくすることができるので、スリット２３を有する
場合でも共振周波数は７.２３ｋＨｚと低く周期は比較
的長くなるが、高速印字を実現することができる。全て
のラインのアクセスタイミングを共振半周期として遅く
（３０倍、充分な階調が得られる速度。）しても、印字
時間は５２秒であり、かなりの高速印字を行うことがで
きる。

【００５９】図９は減衰係数ζが０.５のアクチェータ
への入力パルス信号幅に対するノズルプレート２の出力
速度をシミュレーションした線図、図１０は減衰係数ζ
が０.２のアクチェータへの入力パルス信号幅に対する
ノズルプレート２の出力速度をシミュレーションした線
図である。電磁コイル体４０による電磁力の印加は０で
立ち上がり、共振周波数ωｎの周期τｎに対して２％、
８％、１２％持続するステップ波形である。ｖ(ｔ)は
持続するステップ入力に対する速度出力である。出力速
度の大きさはパルス持続時間に比例しており４分の１周
期を超えると小さくなることを理解することができる。
但し、０.５周期までは出力速度の面積が増加してゆく
（なお、０.５周期に近づくと変化は鈍くなる。）。出
力速度が所定値に達して液滴６０の押し出しが始まれば
射出される液滴６０の体積はこの面積に対応する。この
ようにして１回のノズルプレート２の運動で所望の体積
の液滴６０を射出することができる。このように液滴６
０の体積の制御はほぼ４分の１周期の範囲で行うのが好
ましい。この減衰係数ζを０.５とすることで１周期後
の振動はほぼ収まっている。上記したようにラインアク
セスタイミングを０.５周期とする余裕は充分である。
図１０は減衰係数ζを０.２とした場合である。この減
衰係数ζは図１１のばね定数ｋ＝０.１の場合（減衰係
数ζ＝０.１６）よりも大きいが第２サイクルまで大き
な速度振幅を残している。このような状態では単サイク
ルで確実な量の射出制御を行うことができない。図９に
示すような高い減衰係数ζを０.５を有するアクチェー
タが有用である。このアクチェータの周波数特性が図１
１のばね定数ｋ=０.０１に相当する。

【００６０】以上説明したように、ばね定数ｋを低くし
て、共振周波数ωｎを下げ、減衰係数ζを上げパルス信
号幅を制御した１つの射出パルス信号を供給し、射出さ
れる液滴６０の大きさを制御することにより、射出レー
トを高くすることができる。

【００６１】［液滴射出デバイスの効果］以上説明した
ように、本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイス１
においては、ノズル２０を有し、可撓性及び透磁性を有
するノズルプレート２と、ノズル駆動機構４とを備え、
ノズルプレート２の内面に液体６を接触保持させ、ノズ
ルプレート２を内面側に駆動し（撓ませ）、液体６内に
速度圧力を発生させ、ノズル２０より液体６を押し出し
液滴６０を射出させるようにしたので、以下の効果を得
ることができる。

【００６２】（１）可撓性の大きいノズルプレート２に
おいて、望ましい最適な周波数に共振点の設定を容易に
行うことができる。望ましい周波数は、射出レート、必
要射出圧力、最小、最大液滴重量を主なパラメータとし
てそれらの均衡により決定することができる。

【００６３】（２）ノズルプレート２の駆動に低い共振
周波数を設定することができるので、大きな速度が得ら
れ、液滴射出圧力も大きくでき、射出効率を向上するこ
とができる。

【００６４】（３）共振倍率は低く設定することがで
きるので、共振点及び共振点近傍の振幅を安定させるこ
とができ、マルチノズルアクチェータを容易に実現する
ことができる。

【００６５】（４）可動部としてのノズルプレート２が
駆動用電線の無い単一の金属性可撓板で構成され、しか
も大きな繰り返し応力が加わる接着部が無いので、信頼
性が高く長寿命化を図ることができる。

【００６６】（５）可動部としてのノズルプレート２
は、可撓性を持たせるために薄く形成され、結果的に軽
量化されているので、加速度、速度出力効率を高めるこ
とができる。

【００６７】（６）二次元配置アクチェータは、配線基
板、具体的には汎用性の高い多層プリント配線基板で実
現することができるので、生産性を向上することができ
る。

【００６８】（７）ノズルプレート２の可撓部分（撓む
部分）の占める面積は大きくないので、超微細な二次元
配列のアクチェータを実現することができる。

【００６９】（８）ノズルプレート２に配設された複数
のノズル２０の相互間はスペーサ層３で区分されている
ので、ノズル２０間のクロストークを減少させることが
できる。

【００７０】（その他の実施の形態）本発明は上記複数
の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をな
す論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解
すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実
施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

【００７１】例えば、上記実施の形態に係る液滴射出デ
バイス１において、電磁コイル体４０の電磁コイル層の
層数を４層としたが、本発明は、４層未満又は５層以上
の電磁コイル層で電磁コイル体４０を構築してもよい。

【００７２】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従っ
て、本発明の技術的範囲は上記の妥当な特許請求の範囲
に係る発明特定事項によってのみ定められるものであ
る。

【００７３】

【発明の効果】本発明は、設計自由度を有し、生産性に
優れ、かつ信頼性に優れたアクチェータを備えた液滴射
出デバイスを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスの
要部の拡大断面構造図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスの
断面構造図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスの
要部の斜視図である。

【図４】本発明の実施の形態の変形例に係る液滴射出デ
バイスのノズルプレートの要部の平面図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスの
液滴射出原理を説明するための図であり、（Ａ）はノズ
ルと液体流速との関係を示す図、（Ｂ）、（Ｃ）及び
（Ｄ）は液滴射出動作を段階的に示す図である。

【図６】（Ａ）は本発明の実施の形態に係る液滴射出デ
バイスにおいてノズルプレートの実用例の数値データを
示す図、（Ｂ）は本発明の実施の形態に係る液滴射出デ
バイスにおいて２次元配列のアクチェータの実用例の数
値データを示す図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスの
アクチェータ多連構造を実現する電磁コイルの概念斜視
図である。

【図８】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスの
アクチェータ多連構造を実現する電磁コイルの平面図で
ある。

【図９】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイスに
おいて、減衰係数ζを０.５とした場合の入力パルス信
号幅と速度出力との関係を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態に係る液滴射出デバイス
において、減衰係数ζを０.２とした場合の入力パルス
信号幅と速度出力との関係を示す図である。

【図１１】液滴射出デバイスのアクチェータの共振周波
数と速度倍率比との関係を示す図である。

【符号の説明】

１液滴射出デバイス２ノズルプレート２０ノズル２３スリット３スペーサ層４ノズル駆動機構（ノズル駆動手段）４０電磁コイル体４０Ｂコイル４１永久磁石４２バックプレート４３電流供給部４４制御部４０１〜４０４電磁コイル層６液体６０液滴７チャンバケースＳＬ１〜ＳＬ３センス線ＡＬ１〜ＡＬ３アクセス線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液滴を射出させるノズルを有し、可撓性
及び透磁性を有するノズルプレートと、前記ノズルプレートを電磁力により振動させ、前記ノズ
ルから液滴を射出させるノズル駆動手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする液滴射出デバイ
ス。
【請求項２】前記ノズルプレートは少なくとも強磁性
金属板を含み、前記ノズル駆動手段は、前記ノズルプレートに対向して配設された永久磁石と、前記ノズルプレートと永久磁石との間に配設され、前記
永久磁石の磁力を制御する電磁コイルと、前記電磁コイルに電流を供給する電流供給部と、前記電流の供給を制御する制御部とを少なくとも備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴射出デバイス。