JP2002103605A - オンデマンド型マルチノズルインクジェットヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズル配列が３列以上のマトリックスタイプ
のヘッドを用いた場合においても、列間の振動の影響に
よる不吐出ノズルを発生させることなく、７０ｎｇ以上
のインク重量を安定して得られるオンデマンド型マルチ
ノズルインクジェットヘッドの駆動方法を提供する。 【解決手段】 オリフィス径を３５μｍ〜４５μｍ、加
圧室の容積を０.０５６ｍｍ³以上とするとともに、２個
の単位パルスを繰返して１回の噴射を行うダブルパルス
とし、単位パルスの幅を６μｓ〜１１μｓ、単位パルス
間の休止時間を４μｓ以下に規定してオンデマンド型マ
ルチノズルインクジェットヘッドを駆動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オンデマンド型マ
ルチノズルインクジェットヘッドの駆動方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】オンデマンド型インクジェットにはイン
クを噴射する方式として、電気ヒータによりインク中に
気泡を発生させてインクを噴射するサーマル方式と、圧
電素子を用いて加圧室の壁面の一部を変形させてインク
を噴射する圧電素子方式とがある。

【０００３】サーマル方式はリソグラフィ技術により微
細な加工が可能で、ノズルピッチを１００μｍ以下にで
きる長所があるが、噴射する液体の沸点が１００℃程度
に限定され、連続噴射の際の周波数が１０ｋＨｚ程度に
限られるという短所がある。上記沸点の制限は使用可能
なインクの種類を制限するため、産業応用の面では支障
になることがある。

【０００４】圧電素子方式は圧電素子の変位量が小さい
ので、インク噴射のためには加圧室の振動板表面積を大
きくする必要があり、そのためノズルピッチを１４０μ
ｍ程度までし小さくできない。しかし、駆動周波数は圧
電素子の形状に依存するので２０ｋＨｚ以上にすること
ができ、印刷速度の高速化に適した方式といえる。ま
た、サーマル方式と違ってインクの種類を選ばないとい
う利点もあり、産業応用に適しているといえる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に印刷密度３００
ｄｐｉを満足するにはドット径で１２０μｍ、インク重
量ではインクまたは記録するメディアにより異なるもの
の７０ｎｇ以上必要である。従来、１列または２列のラ
インタイプのヘッドでは、オリフィス径を５０μｍ以上
と大きくして、駆動電圧を高くするかもしくは同時にパ
ルス幅を長くすることにより、単位パルス1回による噴
射で７０ｎｇ以上を噴射可能であった。

【０００６】しかし、ノズル配列が３列以上で構成され
るマトリックスタイプのヘッドでは、列間の振動の影響
が問題となる。ここでヘッドは非動作時には、オリフィ
スのメニスカスの表面張力とインク流路の静圧力によ
り、インクは平衡状態を保ちオリフィスからインクが漏
れたり逆に空気を吸いこむことはない。しかし、各オリ
フィス間はある部分において連通しており、共通のイン
ク通路を通して、インク噴射時の圧力変動の影響を受け
る。また、ヘッドを構成する部品を通して機械的な振動
の影響を受ける。機械的振動は圧電駆動素子の振動につ
ながりインク流路の圧力変動を引き起こす。その結果、
オリフィス径を大きくすると、耐えられる圧力変動値は
当然小さくなり、他のノズルのインク流路の圧力変動及
び機械的振動の伝播による圧電駆動素子の振動の影響に
よって、オリフィスのメニスカスが壊れやすい。特に３
列以上では７０ｎｇ以上噴射させようとした場合、隣接
する列の振動によりオリフィスのメニスカスが破壊され
不吐出ノズルを生じてしまう。例えばノズル配列が３列
で構成される場合、中央の列が最も振動の影響を強く受
け、不吐出ノズルを発生しやすい。これは駆動周波数が
高くなるほど顕著であり、一般に８ｋＨｚ以上で発生す
る。一方、オリフィス径５０μｍ未満とし駆動電圧を上
げた場合は、インクの吐出速度が必要以上に速くなりイ
ンク滴の形状が不安定になり、正確なインク飛翔を確保
できず、サテライトつまり複数のインク滴が発生するな
ど印字品質に問題が発生する。

【０００７】また、駆動電圧を上げるとともにパルス幅
を長くして適当なインク吐出速度を得ることは可能であ
るが、パルス幅を長くすることは１回の噴射に長時間を
要することであり、高い周波数での動作に制限が出てく
る。従って単位パルス1回の噴射いわゆるシングルパル
スでは、７０ｎｇ以上を噴射することは困難である。

【０００８】従って、本発明の目的は、ノズル配列が３
列以上のマトリックスタイプのヘッドを用いた場合にお
いても、列間の振動の影響による不吐出ノズルを発生さ
せることなく、７０ｎｇ以上のインク重量を安定して得
られるオンデマンド型マルチノズルインクジェットヘッ
ドの駆動方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、インクを
蓄える加圧室と、電気信号の印加により前記加圧室内に
圧力変動を発生させる圧電素子と、前記加圧室の壁面の
少なくとも一部を形成し、前記圧電素子と弾性材料で連
結されている振動板と、前記加圧室にインクを供給する
流路となるリストリクタと、前記リストリクタにインク
を供給する共通インク流路と、インク滴を加圧室から噴
射するオリフィスと、前記圧電素子を固定する圧電素子
固定板等によって構成された複数のノズルおよびノズル
配列が３列以上で構成されるマトリックスタイプのオン
デマンド型マルチノズルインクジェットヘッドの駆動方
法において、前記オリフィス径を３５μｍ〜４５μｍ、
前記加圧室の容積を０.０５６ｍｍ³以上とするととも
に、２個の単位パルスを繰返して１回の噴射を行うダブ
ルパルスとし、単位パルスの幅を６μｓ〜１１μｓ、単
位パルス間の休止時間を４μｓ以下に規定することによ
り達成される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図１は、本発明で用いたマルチノズルイ
ンクジェットヘッドのノズル部の構成を示す断面図であ
る。このヘッドは、入力信号に応じてインクを噴射する
ことにより記録を行うことができる。

【００１１】図１において、１はオリフィス、２は加圧
室、３は振動板、４は圧電素子、５は圧電素子固定板、
６は共通インク供給路７と加圧室２とを連結し、加圧室
２へのインク流入を制御するリストリクタ、７は共通イ
ンク供給路、８はリストリクタ６を形成するリストリク
タプレート、９は加圧室２を形成する加圧室プレート、
１０はオリフィス１を形成するオリフィスプレート、１
１は共通インク供給路プレート、１２はフィルタであ
る。

【００１２】振動板３、リストリクタプレート８、加圧
室プレート９は、例えばステンレス材から作られ、オリ
フィスプレート１０はニッケル材から作られている。ま
た、圧電素子固定版５はセラミックス、ポリイミドなど
の絶縁物から作られている。

【００１３】インクは上流から下流へ向かって、図示し
ないインクタンクから共通インク流路７、リストリクタ
6、加圧室２、オリフィス１の順に流れる。

【００１４】圧電素子４は電位差が生じると伸長するよ
うに取り付けられている。このため、圧電素子４の収縮
時においては、振動板３は図中上方へ縮み、これによっ
て加圧室２内にインクが充填され、次いで再び電位差が
生じると圧電素子４は復元し、振動板３もこれに追従し
て変形する。そのため、インクインク滴がオリフィス１
から噴射される。

【００１５】図２は、本発明のインクジェットヘッドの
ノズル配列を示す外観図の一例である。１２列で構成さ
れるマトリックスタイプヘッドである。図に示すように
1列につき３２個のノズルが並べられており、１２列で
総数３８４個のノズルが配列されている。

【００１６】ここで、インク重量は、駆動条件に因り、
同時にヘッドの構造すなわちオリフィス径及び加圧室容
積に因るものである。従って、本実施例を用い、ノズル
配置が３列以上で構成されるオンデマンド型マルチノズ
ルインクジェットヘッドにおいてインク重量７０ｎｇ以
上を噴射可能とする方法を説明する。

【００１７】図３は上記構造のインクジェットヘッドに
おいて、同一の電圧で矩形波でパルス幅を変化させた時
のインク滴速度の一例である。図において、特定のパル
ス幅のときにインク滴速度が最大値（ピーク値）となる
のがわかる。

【００１８】このピークはインク流路系、振動系、圧電
素子等の寸法、材料系、物性値等で決まるノズルのヘル
ムホルツ固有振動の共振点である。使用するパルス幅の
選択においては、ノズル間の速度ばらつきを抑えるた
め、共振点であるピーク位置は避けるため６μｓ以上が
望ましい。一方、高い周波数で駆動するにはパルス幅は
短い方が良い。

【００１９】一方、この矩形波のパルス幅を変えて、そ
れぞれのパルス幅で比較的低い周波数である２ｋＨｚで
インク滴速度が１０ｍ／ｓとなる電圧を選び、この電圧
でもって周波数を２０ｋＨｚにして駆動した場合のイン
ク滴速度を測定した。図４はかかる測定結果を示したも
のである。

【００２０】すなわち、図において２ｋＨｚと記載され
ている線は２ｋＨｚでの速度を示しているが、各パルス
幅ではこの速度条件を満たし得る任意の電圧を選択し、
図は該電圧下でのノズル液滴速度を調べたものである。
そして、この図から、パルス幅が６μｓ〜１１μｓの場
合に駆動周波数を２０ｋＨｚにしても各ノズル間の液滴
速度の変動が小さいことが分かる。

【００２１】二つの単位パルス間の休止時間は以下の手
順で最適化した。図５は横軸に駆動周波数、縦軸にイン
ク滴先頭速度を示したグラフであり、２個の単位パルス
の間に休止時間をおいた時のインク滴速度の状態の変化
を表したものである。ここで、それぞれの曲線は休止時
間２μｓ〜８μｓとした場合の各々のインク滴速度の変
化を示している。なお、圧電駆動素子にかかる駆動波形
は、駆動回路内でやや鈍ることは必須であり、少なくと
も２μｓ以上の休止時間は必要である。

【００２２】図から、休止時間が５μｓ以上ではインク
滴速度にばらつきが見られるが、２μｓ〜４μｓでは２
５ｋＨｚまで周波数が変化してもインク滴速度の変化が
小さいことが分かる。一般に、複数の駆動パルスを組み
合わせて噴射する場合、休止時間は短い方が全体の駆動
パルス印加時間を短くし、駆動周波数を向上できる。

【００２３】図6は、パルス数と噴射されるインク重量
の関係及び駆動波形を示したものである。図に示すよう
に単位パルスの幅は７μｓとし、２回繰返す場合、単位
パルス間の休止時間は２μｓとした。このとき、オリフ
ィス径は４０μｍでインク加圧室容積は０.０７ｍｍ³と
した。その結果、パルス数が1回のときインク重量は４
２ｎｇに対し、パルス数が２のときは８１ｎｇと約２倍
になることがわかる。

【００２４】図７は、単位パルスを２回繰返したときの
オリフィス径と噴射されるインク重量の関係を示したも
のである。図６と同じく、インク加圧室容積は０.０７
ｍｍ³、単位パルスの幅は７μｓとし、単位パルス間の
休止時間は２μｓとした。オリフィス径に比例してイン
ク重量も増加する。７０ｎｇ以上のインク重量を得るに
は、オリフィス径は３５μｍ以上必要であることがわか
る。

【００２５】図８にパルス数1回と２回で噴射させた場
合の駆動電圧とインク重量及び1列３２ノズルのみの場
合と３列９６ノズル噴射させたときの不吐出ノズル発生
の有無を示す。ここで加圧室容積は０.０７ｍｍ³、駆動
周波数は２０ｋＨｚで、隣接ノズルの振動の影響を低減
すべく偶数ノズルと奇数ノズルは半周期つまり２５μｓ
噴射タイミングをずらしている。その結果、１列のみの
噴射では、オリフィス径５０μｍにおいて、パルス数１
回でも、駆動電圧を高くすればインク重量７０ngを得る
ことができる。しかし、３列同時に噴射させた場合、不
吐出ノズルが発生し使用に耐えない。さらにこの場合、
駆動電圧は６０Ｖを超えており、圧電駆動素子への負担
が大きく、素子の寿命が短くなる場合がある。

【００２６】一方、オリフィス径を４０μｍとし、パル
ス数を２回とした本発明法によれば、インク重量８１ｎ
ｇを得られ、３列同時駆動しても不吐出ノズルを発生し
ない。しかも、駆動電圧は４０Ｖと比較的低い値であ
り、圧電素子への負担も少ない。

【００２７】図９は３列９６ノズル噴射させたときのオ
リフィス径と不吐出ノズル発生の関係を示す。駆動周波
数は２０ｋＨｚで、隣接ノズルの振動の影響を低減すべ
く偶数ノズルと奇数ノズルは２５μｓ噴射タイミングを
ずらしている。その結果、不吐出ノズルは、オリフィス
径が４５μｍ以下の場合発生しないが、４７μｍ以上で
は発生することがわかる。

【００２８】従って、単位パルスを２回繰り返して１回
の噴射を行う場合、オリフィス径が３５μｍ以上であれ
ば７０ｎｇ以上噴射でき、また４５μｍ以下であれば不
吐出ノズルを生じない。次に、インク重量は、ヘッドの
構造としては、オリフィス径とともに加圧室容積に支配
されることから７０ｎｇ以上を得られる加圧室容積の値
を求めた。

【００２９】図１０は、オリフィス径４５μｍで、単位
パルスを２回繰返したときの、加圧室の容積とインク重
量の関係を示したものである。図５、図６と同じく単位
パルスの幅は７μｓとし、単位パルス間の休止時間は２
μｓとした。インク重量は構造的にはオリフィス径に大
きく支配され、加圧室の影響はオリフィス径に比べ小さ
い。加圧室の容積が２倍になってもインク重量の変化は
およそ１.２倍である。７０ｎｇ以上のインク重量を得
るには、加圧室容積は０.０５６ｍｍ³以上必要であるこ
とがわかる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明のオンデマンド
型マルチノズルインクジェットヘッドの駆動方法によれ
ば、ノズル配列が３列以上のマトリックスタイプのヘッ
ドを用いた場合においても、列間の振動の影響による不
吐出ノズルを発生させることなく、７０ｎｇ以上のイン
ク重量を安定して得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル
断面図。

【図２】本発明で用いたインクジェットヘッドのオリフ
ィスの配置図。

【図３】同一電圧におけるパルス幅とインク滴速度の関
係を示すグラフ。

【図４】単位パルスを２個つなぐ場合の休止時間を変え
た場合の周波数とインク滴速度の関係を示すグラフ。

【図５】インク滴速度と周波数との関係を示すグラフ。

【図６】パルス数とインク重量との関係を示すグラフ。

【図７】オリフィス径とインク重量重量の関係を示すグ
ラフ。

【図８】インク重量および噴射列数と不吐出ノズル発生
の関係を示すグラフ。

【図９】オリフィス径と不吐出ノズル発生の関係を示す
グラフ。

【図１０】加圧室容積とインク重量の関係を示すグラ
フ。

【符号の説明】

１…オリフィス、２…加圧室、３…振動板、４…圧電素
子、５…圧電素子固定板、6…リストリクタ、７…共通
インク供給路、８…リストリクタプレート、9…加圧室
プレート、１０…オリフィスプレート、１１,１５…共
通インク供給路プレート、１６…共通インク供給路カバ
ー、１７…導電性接着剤、１８…フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 佳孝 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF23 AF40 AG14 AM18 AM21 AR08 BA04 BA14

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを蓄える加圧室と、電気信号の印
   加により前記加圧室内に圧力変動を発生させる圧電素子
   と、前記加圧室の壁面の少なくとも一部を形成し、前記
   圧電素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記加
   圧室にインクを供給する流路となるリストリクタと、前
   記リストリクタにインクを供給する共通インク流路と、
   インク滴を加圧室から噴射するオリフィスと、前記圧電
   素子を固定する圧電素子固定板等によって構成された複
   数のノズルおよびノズル配列が３列以上で構成されるマ
   トリックスタイプのオンデマンド型マルチノズルインク
   ジェットヘッドの駆動方法において、前記オリフィス径
   を３５μｍ〜４５μｍ、前記加圧室の容積を０.０５６
   ｍｍ³以上とするとともに、２個の単位パルスを繰返し
   て１回の噴射を行うダブルパルスとし、単位パルスの幅
   を６μｓ〜１１μｓ、単位パルス間の休止時間を４μｓ
   以下に規定したことを特徴とするオンデマンド型マルチ
   ノズルインクジェットヘッドの駆動方法。