JP2004299121A - Piezoelectric inkjet head - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にプリンター、コピア、ファクシミリ、およびそれらの複合機などに好適に用いることのできる圧電インクジェットヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えばオンデマンド型のインクジェットプリンタなどに用いる、圧電素子の電歪効果を駆動源とする圧電インクジェットヘッドにおいては、当該圧電素子と、圧電素子を支持する振動板とを含む駆動部が、圧電素子が発生する力を加圧室内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室に連通するノズル部からインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。それと同時に駆動部は、加圧室内のインクの圧力を受けることによって振動板が撓むため、ヘッド内のインクの振動に対して弾性体としての役割も持っている。
【0003】
圧電素子に電圧を印加して力を発生させると、ヘッド内のインクは、振動板を介して駆動部から受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、駆動部と加圧室とを弾性、加圧室にインクを供給する供給口、加圧室とノズル部とを繋ぐノズル流路、およびノズル部を慣性として発生する。この振動における、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、駆動部の寸法と物性値とによって決まる。
【0004】
そして圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル部内でのインクメニスカスの振動を利用してインク滴を発生させている。
そのため、特許文献1で説明されているように圧電素子に印加する駆動電圧の、駆動電圧波形のパルス幅は、従来、インクの体積速度の固有振動周期に合わせて決定されていた。例えば、いわゆる引き打ち方式の駆動方法においては、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期の1/2倍を基準として、またいわゆる押し打ち方式の駆動方法においては、上記固有振動周期の1倍を基準として、それぞれ駆動電圧波形のパルス幅を設定してきた。
【0005】
引き打ち方式の駆動方法の場合を例にとって、さらに詳しく説明する。
図5は、引き打ち方式の駆動方法において圧電素子に印加する駆動電圧VPの駆動電圧波形(太線の一点鎖線で示す)と、かかる駆動電圧波形が与えられた際の、ノズル部におけるインクの体積速度(太線の実線で示す、正がインクの吐出方向)との関係を簡略化して示すグラフである。
図に見るように引き打ち方式の駆動方法では、待機時(図5中のt1より以前)には、たとえば横振動モードの圧電素子の場合、印加する駆動電圧VPを所定値VHに維持(VP=VH)して圧電素子を面方向に収縮させつづけることによって、振動板を、加圧室の容積を減少させた状態を維持するべく撓ませ続けており、この間、ヘッド内のインクは静止状態、すなわちノズル部でのインクの体積速度は0を維持する。
【0006】
ノズル部からインク滴を吐出させて紙面にドットを形成するには、まずその直前のt1の時点で、駆動電圧VPを所定値VHから放電(VP=0)させて圧電素子を面方向に伸長させることによって振動板の撓みを解除する。
そうするとノズル部内のインクは、加圧室の容積が増加する分、インクメニスカスが加圧室の側に引き込まれた状態となる。その際の体積速度は、図5のt1とt2の間の部分に示すように一旦、負の側に大きくなった後、徐々に低下してやがて0に近づく。これは、太線の実線で示すインクの体積速度の固有振動周期T1の、ほぼ半周期分に相当する。
【0007】
そして、ノズル部でのインクの体積速度が限りなく0に近づいた時点で、駆動電圧VPを再び所定値VHまで充電(VP=VH)して圧電素子を面方向に収縮させて振動板を撓ませる。この操作は、太線の一点鎖線で示すように、パルス幅T3が固有振動周期T1の1/2倍である駆動電圧波形を有する駆動電圧VPを、圧電素子に印加していることに相当する。
このとき、ノズル部内のインクは、インクメニスカスが加圧室の側に最も大きく引き込まれた静止状態(体積速度が0の状態)から、逆に正の方向へ戻ろうとする状態であるところに、振動板を撓ませて加圧室の容積を減少させることによって当該加圧室から押し出されたインクが加わることになる。このためインクは、ノズル部の先端から大きく正の側に突出し、その先端からインク滴が分離する。そして分離したインク滴が飛翔して紙面に到達することで、紙面にドットを形成する。
【0008】
また特許文献2では、上記引き打ち方式の駆動方法において、駆動部の残留振動を抑えるために、駆動電圧波形の立ち下がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の0.9倍以上、立ち上がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の0.9倍から1.2倍にするのが好ましいとしている。
【0009】
【特許文献1】
特開平2−192947号公報(第3頁左上欄第8行〜同頁左下欄第12行、第16図(a)〜(c))
【特許文献2】
特開平5−318731号公報(請求項3、4、第0035欄)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部の固有振動の周期は、駆動電圧波形のパルス幅に比して数十分の1から数分の1という小さな値である。しかし図6に示したように、インク滴形成時の、インクの体積速度の振動に、上記の固有振動が残留振動として乗ってしまう。そして駆動電圧波形の立ち上がりのタイミングと残留振動の位相とがずれることによって、形成されるインク滴の体積や飛翔速度が変動してしまうという問題を生じる。
【0011】
すなわち残留振動の振動速度が加圧室方向に増加している際に、駆動電圧波形が立ち上がると、インク滴の体積は大きく、飛翔速度は大きくなる。逆に残留振動の振動速度が加圧室方向に減少している際に駆動電圧波形が立ち上がると、インク滴の体積は小さく、飛翔速度は小さくなる。
このため、例えば駆動電圧波形のパルス幅がごく僅かでも変動すると、インク滴の体積、飛翔速度が大きく変動する。
【0012】
また、圧電インクジェットヘッド上に複数個、配置されている圧電素子ごとに、厚みや振動板に接着される際の条件などがどうしてもばらついてしまうため、それぞれの駆動部ごとの固有振動周期にばらつきを生じる。このため、駆動電圧波形のパルス幅をすべて一定に保っても、ノズル部ごとにインク滴の体積や飛翔速度がばらついてしまう。
そのため、駆動部の残留振動を抑えるべく特許文献2では、前記のように駆動電圧波形の立ち下がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の0.9倍以上、立ち上がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の0.9倍から1.2倍にするとしている。
【0013】
確かに、立ち下がり/立ち上がりの時定数を大きくすることで駆動部の残留振動を抑えることはできる。
しかし、立ち下がり/立ち上がりの時定数を大きくすると、インク滴の飛翔速度が低下してしまう。とりわけ特許文献2では縦振動モードの圧電素子を使っているために駆動部の固有振動周期が小さいが、横振動モードの圧電素子の場合は駆動部の固有振動周期が大きいため、駆動電圧波形の立ち下がり/立ち上がりの時定数を駆動部の固有振動周期と同じくらいに長くすると、インク滴の飛翔速度が著しく低下してしまう。
【0014】
このように、駆動電圧波形の調整だけでは、最適なインク吐出を実現することができないのが現状である。
本発明の目的は、インク滴の飛翔速度の低下を抑制しつつ、横振動モードの圧電素子を備えた駆動部の残留振動を確実に抑えることができる、新規な圧電インクジェットヘッドを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記課題を解決するため、発明者は、駆動部の固有振動周期(T2とする)と、前述したヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1との関係について検討した。
その結果、駆動部の固有振動周期T2を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1に対してできるだけ小さくするのが、インク滴の飛翔速度の低下を抑制しつつ、駆動部の残留振動を抑制するために有効であることを見出した。
【0016】
具体的には、駆動部の固有振動周期T2が、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1の1割程度またはそれ以下になるように駆動部の設計を行うと、駆動部の残留振動の影響を小さくできる。そしてパルス幅が変動しても、またノズルごとに駆動部の固有振動周期T2が多少ばらついても、インク滴の飛翔速度や体積をばらつきにくくすることが可能となる。
したがって請求項1記載の発明は、
(A) インクが充てんされる加圧室と、
(B) この加圧室に連通したノズル部と、
(C) 横振動モードの圧電素子と、この圧電素子の、駆動電圧波形の印加による面方向の収縮によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズル部を通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む駆動部と、
を備えた圧電インクジェットヘッドであって、
上記駆動部の固有振動周期を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期の1割程度またはそれ以下に設定したことを特徴とする圧電インクジェットヘッドである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
図1は、本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。
図の例の圧電インクジェットヘッドは、1枚の基板1上に、加圧室2とそれに連通するノズル部3とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
【0018】
また図2(a)は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部を取り付けた状態での、1つのドット形成部を拡大して示す断面図、図2(b)は1つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
各ドット形成部のノズル部3は、図1に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図の例では4列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは90dpiであって、圧電インクジェットヘッドの全体として360dpiを実現している。
【0019】
各ドット形成部は、基板1の、図2(a)において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有する加圧室2と、上記基板1の下面側の、加圧室2の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル部3とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路4で繋ぐとともに、上記加圧室2の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口5を介して、加圧室2を、基板1内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路6(図1に破線で示す)に繋ぐことで構成してある。
【0020】
また上記各部は、図の例では、加圧室2を形成した第1基板1aと、ノズル流路4の上部4aと供給口5とを形成した第2基板1bと、ノズル流路4の下部4bと共通供給路6とを形成した第3基板1cと、ノズル部3を形成した第4基板1dとを、この順に積層、一体化することで形成してある。
また第1基板1aと第2基板1bには、図1に示すように、第3基板1cに形成した共通供給路6を、基板1の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部11を構成するための通孔11aを形成してある。
【0021】
さらに各基板1a〜1dは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
基板1の上面側には、当該基板1と同じ大きさを有する1枚の振動板7と、少なくとも各ドット形成部を覆う大きさを有する1枚の薄膜状の共通電極8と、図1中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室2の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子9と、各圧電素子9上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極10とを、この順に積層することで駆動部を構成してある。
【0022】
なお圧電素子9を、いくつかのドット形成部の加圧室2にまたがる大きさに一体形成して、個別電極10のみ、図1中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室2の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
上記のうち振動板7は、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また振動板7には、先の基板1の通孔11aとともにジョイント部11を構成する通孔11bを形成してある。
【0023】
共通電極8、個別電極10は、ともに金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板7を、例えば白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極8を省略してもよい。
圧電素子9を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT)や、当該PZTにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の1種または2種以上を添加したもの、例えばPLZTなどの、PZT系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【0024】
薄板状の圧電素子9は、従来と同様にして形成することができる。
例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、共通電極8上の所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法(またはMOD法)によって、共通電極8上に、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは共通電極8上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、圧電素子9を形成することができる。
【0025】
圧電素子9を横振動モードとするためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子9の厚み方向、より詳しくは個別電極10から共通電極8に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子9をエージング処理してもよい。
圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電素子9は、共通電極8を接地した状態で、個別電極10から正の駆動電圧VPを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子9は、共通電極8を介して振動板7に固定されているため、結果的に、圧電素子9と振動板7とが加圧室方向に撓むことになる。
【0026】
このため、撓みが発生する際の力が加圧室2内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口5、加圧室2、ノズル流路4、およびノズル部3内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル部3の外に向かうことによって、ノズル部3内のインクメニスカスが外部へと押し出されて、インク柱が形成される。
インク柱は、やがて振動の速度がノズル部内方向に向かうことによってノズル部3内のインクメニスカスに吸収されるが、その際、前記のようにインク柱の先端部が切り離されて、インク滴となって紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【0027】
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル部3内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部11、共通供給路6、供給口5、加圧室2、およびノズル流路4を介してノズル部3に再充てんされる。
この例では、上記各部のうち振動板7、共通電極8、圧電素子9および個別電極10にて構成される駆動部の固有振動周期T2を、前記のようにヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1の1割程度またはそれ以下に設定する。
【0028】
そしてこれにより、前記のようにインク滴の飛翔速度の低下を抑制しながら、駆動部の残留振動を確実に抑制することが可能となる。
なお駆動部の残留振動をより確実に抑制するためには、駆動部の固有振動周期T2を、上記の範囲内でもとくに、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1の0.1倍以下に設定するのがさらに好ましい。
駆動部の固有振動周期T2を上記の範囲に調整するためには、当該駆動部を構成する各部の材質や寸法、形状などを変更すればよい。
【0029】
本発明の圧電インクジェットヘッドは、前述した引き打ち方式、および押し打ち方式のいずれの駆動方法によって駆動してもよい。
【0030】
【実施例】
以下に本発明を、実施例に基づいて説明する。
圧電インクジェットヘッドの作製
図1および図2(a)(b)に示す構造を有し、なおかつ加圧室2の面積が0.2mm2、幅が200μm、深さが100μm、ノズル部3の直径が25μm、長さが30μm、ノズル流路4の直径が200μm、長さが800μm、供給口5の直径が25μm、長さが30μmである圧電インクジェットヘッドを作製した。
【0031】
ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1は7.2μsecであった。
また駆動部としては、前記のように当該駆動部を構成する各部の材質や寸法、形状などを変更することによって、固有振動周期T2が1.26μsec(T1の0.18倍)であるものと、固有振動周期T2が0.63μsec(T1の0.09倍)であるものの2種を用いた。
【0032】
そして固有振動周期T2が1.26μsecである駆動部を用いた圧電インクジェットヘッドをヘッドA、固有振動周期T2が0.63μsecである駆動部を用いた圧電インクジェットヘッドをヘッドBとした。
電気等価回路の作成
上記ヘッドA、Bについて、上記各部を集中定数で近似して、図3に示す音響系の電気等価回路を作成した。
【0033】
図の電気等価回路において駆動部は、等価的に音響容量CaとイナータンスMaと音響抵抗Raで表すことができ、加圧室2は音響容量Ccで表すことができる。
また供給口5は、イナータンスMsと音響抵抗Rsで表すことができるとともに、ノズル部3のインクメニスカスの液面と、図示しないインクカートリッジ内のインクの液面との高低差に基づく水頭圧が作用している。
【0034】
さらにノズル部3は、イナータンスMnと音響抵抗Rnで表すことができるとともに、当該ノズル部3のインクメニスカスの表面張力が作用している。
上記の電気等価回路においては、駆動部に駆動電圧VPを印加して圧を発生させると、ノズル部3に、図中に矢印で示す方向のインクの流れが発生する。そしてその体積速度を求めることができる。また求めた体積速度と、ノズル部3の直径やインクの表面張力などから、インク滴の飛翔速度と、インク滴の体積とを、演算により求めることができる。
【0035】
インク滴の飛翔速度、および体積の演算
ヘッドA、Bをそれぞれ引き打ち方式の駆動方法で駆動することとし、図5に示す駆動電圧波形を有し、かつ駆動電圧VPの所定値VHが20Vである駆動電圧を、パルス幅T3を2μsecから5μsecの間(前記固有振動周期T1の0.28倍〜0.7倍の間)で振った状態で印加した際の、インク滴の飛翔速度〔m/s〕の変化、およびインク滴の体積〔pl(ピコリットル)〕の変化を、前記の電気等価回路を用いて演算した。インク滴の飛翔速度の変化を図4(a)、体積の変化を図4(b)に示す。
【0036】
結論
図4(a)(b)の結果から、ヘッドA、Bはともに、駆動電圧のパルス幅T3が変動しても、インクの飛翔速度と体積の変動を抑制できることが判った。また両ヘッドを比較すると、駆動部の固有振動周期T2を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期T1の0.1倍以下にしたヘッドBの方が、ヘッドAに比べて、インクの飛翔速度と体積の変動をより一層、確実に抑制できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電インクジェットヘッドの一例における、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。
【図2】同図(a)は、図1の例の圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部を取り付けた状態での、1つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図(b)は、1つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【図3】本発明の、実施例で作製した圧電インクジェットヘッドを構成する各部を集中定数で近似して作成した電気等価回路を示す回路図である。
【図4】本発明の、実施例で作製した2種の圧電インクジェットヘッドについて、駆動電圧のパルス幅を変動させた際の、インク滴の飛翔状態の変化をシミュレートした結果を示すグラフであって、同図(a)は、インク滴の飛翔速度の変化を示すグラフ、同図(b)は、インク滴の体積の変化を示すグラフである。
【図5】引き打ち方式の駆動方法において圧電素子に印加する駆動電圧VPの駆動電圧波形と、かかる駆動電圧波形が与えられた際の、ノズル部におけるインクの体積速度との関係を簡略化して示すグラフである。
【図6】従来の圧電インクジェットヘッドにおいて、ノズル部におけるインクの体積速度の振動に、駆動部の固有振動が、残留振動として乗っている状態を示すグラフである。
【符号の説明】
2 加圧室
3 ノズル部
7 振動板
9 横振動モードの圧電素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric inkjet head that can be suitably used particularly for a printer, a copier, a facsimile, and a multifunction peripheral thereof.
[0002]
[Prior art]
For example, in a piezoelectric inkjet head that uses an electrostrictive effect of a piezoelectric element as a drive source, which is used for an on-demand type inkjet printer or the like, a driving unit including the piezoelectric element and a vibration plate that supports the piezoelectric element has a piezoelectric element. By transmitting the generated force to the ink in the pressurized chamber as pressure, it plays a role as a drive source for ejecting ink droplets from a nozzle communicating with the pressurized chamber. At the same time, the driving unit also has a role as an elastic body against the vibration of the ink in the head because the vibration plate is bent by receiving the pressure of the ink in the pressurizing chamber.
[0003]
When a voltage is applied to the piezoelectric element to generate a force, the ink in the head vibrates due to the pressure received from the driving unit via the diaphragm. This vibration occurs due to the elasticity of the driving unit and the pressurizing chamber, the supply port for supplying ink to the pressurizing chamber, the nozzle flow path connecting the pressurizing chamber and the nozzle unit, and the nozzle unit as inertia. In this vibration, the natural oscillation period of the volume velocity of the ink in the head is determined by the dimensions of the above-described parts and the physical properties of the ink, and the dimensions and the physical properties of the driving unit.
[0004]
In the piezoelectric inkjet head, ink droplets are generated by using the vibration of the ink meniscus in the nozzle portion due to the vibration of the ink.
Therefore, as described in
[0005]
This will be described in further detail with reference to an example of a driving method using a pulling method.
5, the drive voltage waveform of the drive voltage V P applied to the piezoelectric element in the driving method of the fill-before-fire (indicated by dashed line in bold line), when this driving voltage waveform is applied, the ink in the
In the fill-before-fire method of driving methods as seen in the figure, the standby (formerly than t 1 in FIG. 5), for example in the case of the piezoelectric elements of the lateral vibration mode, the driving voltage V P applied to the predetermined value V H By maintaining ( VP = VH ) and continuing to shrink the piezoelectric element in the plane direction, the diaphragm is continuously deflected to maintain a state where the volume of the pressurizing chamber is reduced. Keeps the ink in a stationary state, that is, the volume velocity of the ink at the nozzle portion is zero.
[0006]
By ejecting ink droplets to form dots on the paper surface from the nozzle portion, first at the time of t 1 immediately before the discharge driving voltage V P from the predetermined value V H and (V P = 0) is allowed to the piezoelectric element The flexure of the diaphragm is released by extending in the plane direction.
Then, the ink in the nozzle portion is in a state where the ink meniscus is drawn toward the pressurizing chamber as much as the volume of the pressurizing chamber increases. Volume velocity at that time, once as shown in the portion between the t 1 and t 2 in FIG. 5, after the increased negative side, gradually approaching zero eventually decreases. This is the natural vibration period T 1 of the volume velocity of the ink indicated by the thick solid line, corresponding to approximately a half cycle.
[0007]
Then, when the volume velocity of the ink in the nozzle portion is close to 0 as possible, and the piezoelectric element is contracted in the surface direction is charged again to a predetermined value V H of the drive voltage V P (V P = V H ) Flex the diaphragm. This operation, as indicated by the dashed line in bold lines, a driving voltage V P of the pulse width T 3 has a driving voltage waveform which is 1/2 times the natural vibration period T 1, that are applied to the piezoelectric element Equivalent to.
At this time, the ink in the nozzle portion is in a state in which the ink meniscus is about to return in the positive direction from a stationary state in which the ink meniscus is drawn most toward the pressure chamber (a state in which the volume velocity is 0). By bending the diaphragm to reduce the volume of the pressure chamber, the ink pushed out from the pressure chamber is added. Therefore, the ink protrudes largely toward the positive side from the tip of the nozzle portion, and the ink droplet separates from the tip. Then, the separated ink droplets fly and reach the paper surface to form dots on the paper surface.
[0008]
Further, in
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-2-192947 (
[Patent Document 2]
JP-A-5-318731 (
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the piezoelectric ink jet head, the period of the natural vibration of the drive unit is a small value of several tenths to one-tenth of the pulse width of the drive voltage waveform. However, as shown in FIG. 6, the above-described natural vibration is superimposed on the vibration of the ink volume velocity at the time of ink droplet formation as residual vibration. When the timing of the rise of the driving voltage waveform is shifted from the phase of the residual vibration, there arises a problem that the volume and the flying speed of the formed ink droplet fluctuate.
[0011]
That is, if the drive voltage waveform rises while the vibration speed of the residual vibration is increasing in the direction of the pressure chamber, the volume of the ink droplet is large and the flying speed is large. Conversely, if the drive voltage waveform rises while the vibration speed of the residual vibration is decreasing in the direction of the pressure chamber, the volume of the ink droplet is small and the flying speed is small.
Therefore, for example, if the pulse width of the drive voltage waveform fluctuates even slightly, the volume and the flying speed of the ink droplet fluctuate greatly.
[0012]
In addition, the thickness and conditions for bonding the piezoelectric element to the diaphragm are inevitably varied for each of the plurality of piezoelectric elements arranged on the piezoelectric inkjet head. Occurs. For this reason, even if all the pulse widths of the drive voltage waveform are kept constant, the volume of the ink droplet and the flying speed vary from nozzle to nozzle.
Therefore, in order to suppress the residual vibration of the drive unit, in
[0013]
Certainly, by increasing the time constant of the rise / fall, the residual vibration of the drive unit can be suppressed.
However, if the falling / rising time constant is increased, the flying speed of the ink droplet is reduced. In particular, in
[0014]
As described above, at present, optimal ink ejection cannot be realized only by adjusting the drive voltage waveform.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel piezoelectric inkjet head capable of reliably suppressing a residual vibration of a driving unit including a piezoelectric element in a transverse vibration mode while suppressing a decrease in a flying speed of an ink droplet. is there.
[0015]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
To solve the above problems, the inventor and the natural vibration period of the drive unit (and T 2), the ink in the head as described above, was examined the relationship between the natural vibration period T 1 of the volume velocity.
As a result, the natural vibration period T 2 of the drive unit, the ink in the head, to as small as possible with respect to the natural vibration period T 1 of the volumetric rate, while suppressing the decrease in the flying speed of the ink droplet, the driving unit Has been found to be effective in suppressing residual vibrations of.
[0016]
Specifically, the natural vibration period T 2 of the drive unit, the ink in the head, when the about 10% or driver designed to be less than the natural vibration period T 1 of the volume velocity, driver Can reduce the effect of residual vibration. And even if the pulse width varies, also be the natural period T 2 of the drive unit slightly varies for each nozzle, it is possible to make it difficult variation of flight speed and volume of ink droplets.
Therefore, the invention described in
(A) a pressurized chamber filled with ink;
(B) a nozzle portion communicating with the pressurizing chamber;
(C) The piezoelectric element in the lateral vibration mode, and the piezoelectric element deflects by contraction in the surface direction due to the application of the drive voltage waveform to reduce the volume of the pressurizing chamber, thereby allowing the ink in the pressurizing chamber to pass through the nozzle section. A driving unit including a diaphragm for discharging ink droplets,
A piezoelectric inkjet head comprising:
A piezoelectric ink jet head, wherein a natural oscillation cycle of the driving unit is set to about 10% or less of a natural oscillation cycle of a volume velocity of the ink in the head.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described.
FIG. 1 is a plan view showing an example of a piezoelectric inkjet head according to the present invention before a driving section including a piezoelectric element and a diaphragm is attached.
The piezoelectric ink jet head of the example shown in the figure has a plurality of dot forming sections including a pressurizing
[0018]
FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view showing one dot forming unit in a state where a driving unit is mounted in the piezoelectric ink jet head of the above example, and FIG. 2B is a diagram showing one dot forming unit. It is a perspective view which shows the overlapping state of each part which comprises.
The
[0019]
Each dot forming part is formed on the upper surface side of the
[0020]
In the example shown in the figure, each of the above-described units includes a
As shown in FIG. 1, a
[0021]
Further, each of the
On the upper surface side of the
[0022]
The piezoelectric element 9 is integrally formed to have a size extending over the pressurizing
Among the above, the diaphragm 7 is a plate-like plate having a predetermined thickness made of a single metal such as molybdenum, tungsten, tantalum, titanium, platinum, iron, nickel, or an alloy of these metals, or a metal material such as stainless steel. It is formed in. The diaphragm 7 has a through-
[0023]
Each of the
As a piezoelectric material for forming the piezoelectric element 9, for example, lead zirconate titanate (PZT) or one or more oxides of lanthanum, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, and the like are added to the PZT. Examples thereof include PZT-based piezoelectric materials such as PLZT. In addition, those containing, as main components, lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimony stannate, lead titanate, barium titanate, etc. You can also.
[0024]
The thin plate-shaped piezoelectric element 9 can be formed in the same manner as in the related art.
For example, a chip having a predetermined planar shape obtained by polishing a sintered body formed by sintering the above-described piezoelectric material into a thin plate shape is bonded and fixed at a predetermined position on the
[0025]
In order to set the piezoelectric element 9 in the transverse vibration mode, the polarization direction of the piezoelectric material is oriented in the thickness direction of the piezoelectric element 9, more specifically, in the direction from the
The polarization direction of the piezoelectric material is oriented in the direction of the piezoelectric element 9, while grounding the
[0026]
For this reason, the force at which the deflection occurs is transmitted as a pressure change to the ink in the pressurizing
The ink column eventually absorbs the ink meniscus in the
[0027]
The amount of ink reduced by the flying ink droplets is transferred from the ink cartridge to the piping of the ink cartridge, the
In this example, the vibration plate 7 of the respective units, the
[0028]
Thus, it is possible to reliably suppress the residual vibration of the driving unit while suppressing the drop in the flying speed of the ink droplet as described above.
Note in order to more reliably suppress the residual vibration of the drive section, the natural vibration period T 2 of the drive unit, in particular also in the above-mentioned range, the ink in the head, 0 of the natural vibration period T 1 of the volume velocity. More preferably, it is set to 1 or less.
The natural vibration period T 2 of the drive unit in order to adjust the range of the above, each part of the material and dimensions constituting the driving unit may be changed or the like shape.
[0029]
The piezoelectric inkjet head of the present invention may be driven by any of the above-described pulling and pushing driving methods.
[0030]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
1. Fabrication of Piezoelectric Ink Jet Head The structure shown in FIG. 1 and FIGS. 2A and 2B is used, and the area of the
[0031]
The ink in the head, the natural vibration period T 1 of the space velocity was 7.2Myusec.
As the drive unit, the material and size of each part constituting the driving portion as described above, by changing the like shape, the natural vibration period T 2 is a 1.26μsec (0.18 times the T 1) and stuff, the natural vibration period T 2 is using two but a 0.63μsec (0.09 times the T 1).
[0032]
The natural period T 2 has a head B of the piezoelectric ink jet head using the driving unit is a piezoelectric ink jet head of the head A, the natural vibration period T 2 0.63μsec using the driving unit is 1.26Myusec.
Preparation of Electrical Equivalent Circuit With respect to the heads A and B, the above-described components were approximated by lumped constants, and an electrical equivalent circuit of an acoustic system shown in FIG. 3 was prepared.
[0033]
In the electric equivalent circuit shown in the figure, the drive unit can be equivalently represented by the acoustic capacitance Ca, the inertance Ma, and the acoustic resistance Ra, and the pressurizing
The
[0034]
Further, the
In the above-described electric equivalent circuit, when a driving voltage VP is applied to the driving unit to generate pressure, ink flows in the
[0035]
Flying speed of the ink droplet, and the volume of the operational head A, and to drive B at each pull fill-before-fire method of driving method, a driving voltage waveform shown in FIG. 5, and the predetermined value V H of the drive voltage V P is the driving voltage is 20V, while the pulse width T 3 from 2μsec of 5μsec in applying in a state of shaking in (the natural vibration period T 1 of the 0.28-fold to 0.7-fold during), the ink droplets The change in the flying speed [m / s] and the change in the volume [pl (picoliter)] of the ink droplet were calculated using the above-mentioned electric equivalent circuit. FIG. 4A shows the change in the flying speed of the ink droplet, and FIG. 4B shows the change in the volume.
[0036]
Results Conclusions Figure 4 (a) (b), the head A, the B both pulse width T 3 of the drive voltage be varied, it was found that it is possible to suppress the variation of the flying velocity and the volume of the ink. Further, when comparing the two heads, the natural vibration period T 2 of the drive unit, the ink in the head, the direction of the head B which is below 0.1 times the natural vibration period T 1 of the volume velocity, as compared with the head A It has been confirmed that the fluctuations in the flying speed and volume of the ink can be more reliably suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an example of a piezoelectric inkjet head according to the present invention before a driving unit including a piezoelectric element and a diaphragm is attached.
FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view showing one dot forming unit in a state where a driving unit is attached in the piezoelectric inkjet head of the example of FIG. 1, and FIG. It is a perspective view which shows the overlapping state of each part which comprises one dot formation part.
FIG. 3 is a circuit diagram showing an electric equivalent circuit created by approximating each part constituting the piezoelectric inkjet head manufactured in the embodiment of the present invention by a lumped constant.
FIG. 4 is a graph showing a result of simulating a change in a flying state of an ink droplet when a pulse width of a driving voltage is changed for two types of piezoelectric inkjet heads manufactured in the examples of the present invention. FIG. 3A is a graph showing a change in the flying speed of the ink droplet, and FIG. 3B is a graph showing a change in the volume of the ink droplet.
[5] and the driving voltage waveform of the drive voltage V P applied to the piezoelectric element in the driving method of the fill-before-fire method, when this driving voltage waveform is applied, the relationship between the volume velocity of the ink in the nozzle unit is simplified FIG.
FIG. 6 is a graph showing a state in which, in a conventional piezoelectric ink-jet head, natural vibration of a driving unit rides on vibration of volume velocity of ink in a nozzle as residual vibration.
[Explanation of symbols]
2
Claims (1)
(B) この加圧室に連通したノズル部と、
(C) 横振動モードの圧電素子と、この圧電素子の、駆動電圧波形の印加による面方向の収縮によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズル部を通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む駆動部と、
を備えた圧電インクジェットヘッドであって、
上記駆動部の固有振動周期を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期の1割程度またはそれ以下に設定したことを特徴とする圧電インクジェットヘッド。(A) a pressurized chamber filled with ink;
(B) a nozzle portion communicating with the pressurizing chamber;
(C) The piezoelectric element in the lateral vibration mode, and the piezoelectric element deflects by contraction in the surface direction due to the application of the drive voltage waveform to reduce the volume of the pressurizing chamber, thereby allowing the ink in the pressurizing chamber to pass through the nozzle section. A driving unit including a diaphragm for discharging ink droplets,
A piezoelectric inkjet head comprising:
A piezoelectric ink jet head, wherein a natural oscillation cycle of the driving unit is set to about 10% or less of a natural oscillation cycle of a volume velocity of ink in the head.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2006150845A (en) * | 2004-11-30 | 2006-06-15 | Kyocera Corp | Method of driving piezoelectric inkjet head |
JP2013091215A (en) * | 2011-10-25 | 2013-05-16 | Kyocera Corp | Liquid ejection head apparatus, and recording device and printing method using the same |
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