JP2003019791A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インクを高周波で吐出する際、インク滴の飛
翔速度が大きく変動するという課題を有する。これは、
前のインク滴の吐出後のメニスカスの残留振動が大きい
為であり、場合によっては吐出不能となることもある。
本発明はこの様な課題に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは高周波で吐出可能なインクジェットヘ
ッドを提供することである。 【解決手段】 本発明のインクジェットヘッドは、イン
クを吐出するノズルと、インクを供給する共通インク室
とに連通する圧力発生室と、前記圧力発生室の一壁面を
成す振動板と、振動板を動かす圧電振動子とを有し、前
記圧力発生室と前記共通インク室との間に複数の微細穴
を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノズルからインク
滴を吐出して記録媒体に文字等の記録像を書き込むイン
クジェット式記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット式記録装置は、ノズル開
口部からインク滴を吐出させて紙などの記録媒体に文字
や画像を印刷するものである。近年、より高速、高品質
な印字を行うインクジェット式印刷装置が求められてい
る。そのような印刷装置を実現するには、高周波駆動可
能なインクジェットヘッドを必要とする。高周波駆動可
能なヘッドを構成する技術は種々提案されている。例え
ば、ヘッド寸法等によって定義されるヘルムホルツ周波
数を大きくして、ヘッドを構成する技術などが提案され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インク
を高周波で吐出するとき、インク滴の飛翔速度が大きく
変動するという課題を有する。これは前のインク滴の吐
出後のメニスカスの残留振動が大きい為であり、場合に
よっては吐出不能となることもある。

【０００４】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは高周波で吐出可能なイ
ンクジェットヘッドを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、インクを吐出するノズルと、インクを供給す
る共通インク室とに連通する圧力発生室と、前記圧力発
生室の一壁面を成す振動板と、振動板を動かす圧電振動
子とを有し、前記圧力発生室と前記共通インク室との間
に、リストリクタとして複数の微細穴を設けたことを特
徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一例を図面に基づ
いて詳細に説明する。

【０００７】図１は本発明の一例となるインクジェット
ヘッドを示す断面図であり、図２は従来技術によるイン
クジェットヘッドを示す断面図である。図１、図２にお
いて、インクを吐出するノズル１と、インクを供給する
共通インク室２とに連通する圧力発生室３と、圧力発生
室３の一壁面を成す振動板４と、振動板を動かす圧電振
動子５と、を有し、圧力発生室３と共通インク室２との
間にインク滴吐出後のメニスカスの残留振動を減衰させ
る為の抵抗を発生させるリストリクタ６が配設されてい
る。図２においては、共通インク室内にラストチャンス
フィルタ７が配設されている。

【０００８】本発明の一例の圧力発生室は、従来技術と
比較し、イナータンスＭを大きくすることなく、流体抵
抗Ｒを大きく出来る特徴を有する。このような特徴が必
要となる理由、このような特徴を有する理由は次のよう
にして分かる。高い動作周波数を達成する為には、下記
のヘルムホルツ共振周波数ｆを高くする必要がある。 ｆ＝１／２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｒ）／（（Ｃｃ＋Ｃｄ）（Ｍｎ＋Ｍｒ））｝…（ １） ここで、Ｃｃは圧力発生室内のインクに関するコンプラ
イアンス、Ｃｄは圧力発生室の各壁に関するコンプライ
アンス、Ｍｎはノズルのイナータンス、Ｍｒはリストリ
クタのイナータンスである。この式から、Ｍｎ、Ｍｒが
大きくなると、ｆは小さくなることが分かる。

【０００９】一方、リストリクタの流体抵抗Ｒｎの大き
い方が、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動が小さ
い。メニスカスの残留振動が大きいと、その次に吐出さ
れるインク滴の飛翔速度等の特性が変動し、場合によっ
ては吐出不能となる。特性変動をおさえ、吐出不能を防
ぐ為には、メニスカスの残留振動が十分に減衰するまで
待って、次発を吐出する必要がある。従って、高周波数
駆動の為には、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動
を小さくする、ひいてはリストリクタの流体抵抗Ｒｎを
大きくすることが必要となる。

【００１０】しかし、従来技術では、流体抵抗Ｒを大き
くすると、イナータンスＭも大きくなる、例えば円筒流
路の場合、直径ｄ、単位長さあたり流路のイナータンス
Ｍと流体抵抗Ｒは次の式で表される。 Ｍ＝ρ／（π×ｄ＾２）×１６／３…（２） Ｒ＝１２８×μ／（π×ｄ＾４）…（３） ρはインクの密度、μはインクの粘度である。式
（２）、（３）から半径を小さくして流体抵抗Ｒを大き
くすると、イナータンスＭも大きくなることが分かる。
本発明のヘッドによれば、イナータンスＭをあまり大き
くすることなく、流体抵抗Ｒを大きくすることが出来
る。

【００１１】ノズル部のイナータンスＭｎとリストリク
タ部のイナータンスＭｒを、 ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ…（４） とし、また、ノズル部の流体抵抗Ｒｎとリストリクタ部
の流体抵抗Ｒｒにおいても同様に、 ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎ…（５） とした場合に、実験的にａ、ｂはそれぞれ、 ５＜ａ＜２．０…（６） ４．０＜ｂ＜１６．０…（７） が望ましいことが分かっている。

【００１２】ここで、定数成分をそれぞれＡ，Ｂとおけ
ば式（２）、（３）はそれぞれ、 Ｍ＝Ａ×（１／ｄ）＾２…（８） Ｒ＝Ｂ×（１／ｄ）＾４…（９） と表されるから、ノズルの直径をｄｎ、リストリクタ部
の直径をｄｒとすると、ノズルのイナータンスＭｎ、流
体抵抗Ｒｎ、リストリクタのイナータンスＭｒ、流体抵
抗Ｒｒはそれぞれ、 Ｍｎ＝Ａ×（１／ｄｎ）＾２…（１０） Ｍｒ＝Ａ×（１／ｄｒ）＾２…（１１） Ｒｎ＝Ｂ×（１／ｄｎ）＾４…（１２） Ｒｒ＝Ｂ×（１／ｄｒ）＾４…（１３） となり、（１）、（１０）、（１２）式、（２）、（１
１）、（１３）式より、それぞれ、 ａ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾２…（１４） ｂ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾４…（１５） の関係式が導かれる。

【００１３】図３に、Ｘ軸にｄｒ、左Ｙ軸にａ、右Ｙ軸
にｂをとり、一例としてｄｎを３０μｍとした場合の
ａ、ｂを示す。この範囲を図から（４）、（５）式の範
囲を読みとると、０．５＜ａ＜２．０の範囲は２１＜ｄ
ｒ＜３０、４．０＜ｂ＜１６．０の範囲は１４＜ｄｒ＜
２１となり、（４）、（５）式を両立させるｄｒは存在
しない。

【００１４】ここで、リストリクタ数を並列に増加させ
た場合を図７、８に示すような等価回路に置き換えて考
えると、合成抵抗Ｒは、 １／Ｒ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋１／Ｒ３＋…＋１／Ｒｎ…（１６） で表され、 Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝…＝Ｒｎ…（１７） とすると、式（１６）（１７）から、 Ｒ＝Ｒｎ／ｎ…（１８） となるから、リストリクタ数を並列に増加させた場合の
Ｍｒ'、Ｒｒ'は、個数をＮとするとそれぞれ、 Ｍｒ'＝Ｍｒ／Ｎ…（１９） Ｒｒ'＝Ｒｒ／Ｎ…（２０） で表される。（１）、（１０）、（１９）式、（２）、
（１１）、（２０）式からａ、ｂは、それぞれ、 ａ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾２／Ｎ…（２１） ｂ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾４／Ｎ…（２２） の関係式が導かれる。

【００１５】図４にリストリクタ数を増加させた場合の
ａ、ｂを示す。下表１に図４から読みとった（３）
（４）の成立するｄｒ範囲及び共有範囲を示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】表からも読み取れる様に、リストリクタ数
Ｎを変化させることによって任意の共有範囲を採ること
が出来ることが分かる。

【００１８】一方、インクジェットヘッドにおいては、
従来から異物混入による詰まりの発生が報告されてお
り、インク供給部のフィルタは重要視されてきた。この
為、インクジェットヘッド内部にラストチャンスフィル
タを設けることなどが提案されていると共に、 κ＝ｄｒ／ｄｎ…（２３） とした場合のκは１／２以下、望ましくは１／３以下が
理想とされている。図５にＸ軸に個数Ｎ、左Ｙ軸にａ、
右Ｙ軸にｂをとり、ｄｒをそれぞれ、１５μｍ、１０μ
ｍ、７．５μｍとした場合のａ、ｂを示す。この場合の
（３）、（４）の成立する本数Ｎ範囲及び共有範囲を下
表２に示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】以上のことから、仮に本例におけるｄｎが
３０μｍだとした場合、ｄｒ＝７．５μｍ、Ｎ＝３０本
とすることによって、式（３）、（４）を共に満たすこ
とが出来ることが分かる。更には、Ｎ＝１６でも式
（３）、（４）を共に満たすことが出来ることから、式
（３）、（４）共にを満たすことが出来るＮの最大値を
ｎ、最小値をｎ'とした場合、リストリクタをラストチ
ャンスフィルタとして兼用した場合でも、Ｎ'＝ｎ−ｎ'
＝３０−１６＝１４に相当するまでの範囲でのリストリ
クタの詰まりを許容することが出来ることが分かる。

【００２１】図６に、Ｘ軸にｄｒ、Ｙ軸にリストリクタ
の個数Ｎをとり、ｄｎを３０μｍとした場合の、式
（３）、（４）を満たすａ、ｂの範囲及び共有範囲を示
す。図６からも分かる様に、ａ、ｂは２乗曲線、４乗曲
線となる為、ある点で交差し、ｎ／ｎ'は極大値を採
り、実用範囲としてはｎ／ｎ'＝２〜３が望ましい。

【００２２】また、本例においてはノズル、リストリク
タ共に円筒流路として論じているが、矩形流路やその他
の形状においても、相当直径を考えた場合は本例と同様
に考えることが出来る。

【００２３】また、本例においては、単位長さあたりの
流路について論じているが、ノズルに対して、リストリ
クタの長さを小さくした場合も同様で、その為Ｎ、ひい
てはＮ'を大きくすることが出来、より優位となる。

【００２４】また、本例においては、リストリクタ部を
薄膜構造とすることで、従来デットスペースであった部
分を共通インク室として利用することが出来、ノズルの
高密度実装に対しても有利である。

【００２５】また、本例においては、薄板の積層構造で
あるが、同様な構成をシリコンや水晶などの単結晶材料
をエッチングして形成しても良い。

【００２６】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば高周波で吐
出可能な信頼性の高いインクジェットヘッドを提供する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一例のインクジェットヘッドを示す
断面図

【図２】 従来技術によるインクジェットヘッドを示す
断面図

【図３】 ｄｎを３０μｍとした場合のａ、ｂのグラフ

【図４】 リストリクタ数Ｎを増加させた場合のａ、ｂ
のグラフ

【図５】 ｄｒを１５μｍ、１０μｍ、７．５μｍとし
た場合のａ、ｂのグラフ

【図６】 ｄｒを変化させた場合のリストリクタ数Ｎの
グラフ

【図７】 抵抗を並列に配置した回路図

【図８】 図７の等価回路図

【符号の説明】

１はノズル、２は共通インク室、３は圧力発生室、４は
振動板、５は圧電振動子、６はリストリクタ、７はラス
トチャンスフィルタである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C057 AF09 AG44 AG68 AG77 AQ04 BA03 BA14

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクを吐出するノズルと、該ノズルとイ
   ンクを供給する共通インク室とに連通する圧力発生室
   と、該圧力発生室の一壁面を成す振動板と、該振動板に
   当接し前記圧力発生室を加圧する圧電振動子とを有する
   インクジェットヘッドにおいて、前記圧力発生室と前記
   共通インク室との間に複数の微細穴からなるリストリク
   タを設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】前記の微細穴は、リストリクタと異物除去
   の為のラストチャンスフィルタとを兼ねることを特徴と
   する請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、
   流体抵抗をＲｎ、リストリクタ部におけるイナータンス
   をＭｒ、流体抵抗Ｒｒをとした場合において、ａ＝Ｍｒ
   ／Ｍｎ、ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎ、とした場合に、ａを：０．５
   ＜ａ＜２．０、ｂを：４．０＜ｂ＜１６．０の範囲とす
   るリストリクタ個数Ｎ、の最大値をｎ、最小値をｎ'と
   した場合に、ｎ／ｎ'＝２〜３とすることを特徴とする
   請求項１、２記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】前記リストリクタと共通インク室の一面と
   を兼ねることを特徴とする請求項１、２記載のインクジ
   ェットヘッド。
5. 【請求項５】前記圧力発生室を、薄い材料を積層して構
   成したことを特徴とする請求項１、２記載のインクジェ
   ットヘッド。
6. 【請求項６】前記圧力発生室を、フィルム状の感光性樹
   脂を積層して構成したことを特徴とする請求項５記載の
   インクジェットヘッド。
7. 【請求項７】前記圧力発生室を、シリコンや水晶などの
   単結晶材料をエッチングして形成したことを特徴とする
   請求項１、２記載のインクジェットヘッド。