JP2007210340A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】高ノズル密度配置、高周波駆動ができ、ノズル間の相互干渉のないインクジェットヘッドを実現すること。
【解決手段】圧力を発生する圧力発生室と、インクを吐出するノズルと、インクを溜めるリザーバと、圧力発生室とリザーバとを連通する供給口とを有するインクジェットヘッドにおいて、リザーバはフィルム壁を含み、ノズルと圧力室と供給口とで決まる固有振動数ｆの振動によって起こるフィルム壁の振動波長λと、フィルム壁のスパンｗとが以下の式の関係を満たす。

【選択図】なし

Description

本発明は、インク滴を飛翔させ、記録紙等の記録媒体上にインク像を形成するインクジェット式記録ヘッドに関する。

インクジェット記録方法は微小な径を持つノズルからインク滴を吐出させて、紙等の記録媒体に付着させて記録を行なう方法である。この方法によるインクジェットヘッドは、前述のノズルと、それに連通する圧力室、供給口、リザーバ等により構成される。駆動時に圧力室の圧力を増加させ、インクをノズルから押し出し、小滴として飛翔させる。

近年、より高速、高品質印字を行うインクジェット式印写装置が求められている。そのような印写装置を実現するのに、高密度に配置され、高周波駆動のできるインクジェットヘッドが必要である。

高周波駆動のできるヘッドを構成する技術は種々提案されている。例えば、ヘッドの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は米国特許第４，６９７，１９３号明細書で開示されている（発明の実施の形態参照）。

この技術によれば、同じノズル、圧力室に対し、ヘルムホルツ周波数を大きくするためには供給口を大きくする必要がある。しかし、ヘッドの駆動時に圧力室の圧力増加によってインクはノズルの方へ押されるのと同時に供給口を介してリザーバへも押し出される。供給口を大きくすると、リザーバへ押し出されるインク量が多く（飛翔するインク滴と同じもしくはそれ以上）なり、リザーバ内の圧力変動をもたらす。

一方、リザーバ内の圧力変動の影響を緩和するのに、リザーバに圧力・体積変換体を設ける技術、リザーバをフィルム壁で構成する技術などが開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平１−３０８６４４号公報 特公平４−３６０６７号公報

しかしながら、高密度（１８０ｄｐｉ以上）に配置された圧力室を持つヘッドを高周波（１０ＫＨｚ以上）で駆動するとき、供給口からの圧力振動はリザーバ全体に伝わらず、近辺にある圧力室に影響を与える問題がある。その結果として、飛翔するインク滴の速度やインク量などの吐出特性に変動が生じ、印字品質が劣化する。この問題は１ノズルのみ駆動するケースを考えると分かりやすい。圧力室が１８０ｄｐｉで配置されるとき、圧力室間の距離は１４０ミクロンである。供給口から出る振動はリザーバ内で広がるため、圧力は距離の逆数に、速度は距離の逆数の２乗に比例して小さくなる（音響の広がりに関して、日本音響学会編、基礎音響工学、コロナ社出版、参照）。１４０ミクロン離れた隣接の供給口での圧力、速度は１．４ｍｍ（例えば）離れた場所でのそれらと比較して相当大きいことが分かる。

特許文献１に開示の技術は、圧力・体積変換体がスペース的問題で特定の場所にしか設置できず、圧力がリザーバ全体に広がらなければ効果がない課題を有する。

また、特許文献２に開示の技術は、圧力室側とリザーバ側とのインピーダンスのみを関係付けしており、ヘッドの構造やパラメータによっては十分な効果のあるリザーバ、または、最適なリザーバとならない課題を有する。

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密度で構成され高周波駆動可能なインクジェットヘッドを提供することである。

本発明のインクジェットヘッドは、圧力を発生する圧力発生室と、インクを吐出するノズルと、インクを溜めるリザーバと、前記圧力発生室とリザーバとを連通する供給口とを有するインクジェットヘッドであって、
前記リザーバはフィルム壁を含み、ノズルと圧力室と供給口とで決まる固有振動数ｆの振動によって起こるフィルム壁の振動波長λと、フィルム壁のスパンｗとが以下の式の関係を満たすことを特徴とする。

本発明のインクジェットヘッドは高ノズル密度（１８０ｄｐｉ以上）で、高周波駆動（１０ＫＨｚ以上）可能なように構成でき、供給口６に隣接して設けられるフィルム壁２０によって圧力室１からの圧力振動が吸収されノズル間の相互干渉がない。また、フィルム壁２０のパラメータが最適に設計されコンパクトな装置が構成できる。

以下本発明の詳細を実施例に基づいて図示して説明する。
まず、本発明のインクジェットヘッドの一実施例の構造について説明する。図１は本実施例の断面図を示す。圧力発生室１の形成された圧力室基材５は、ノズル２が形成されたノズルプレート３と、振動板４とに挟まれて構成されている。
そして、後述の圧力発生素子としての圧電振動子７の先端は振動板４に形成された突起部に当接している。振動子７は固定基板１１に固定されている。これら、圧電振動子７を固定する固定基板１１、振動板４、圧力室基材５、及び、ノズルプレート３は、基台１２を介して一体に固定されてインクジェットヘッドとしてまとめ上げられている。

インクは、共通のリザーバ１４から、１４０μｍ間隔（１８０ｄｐｉ）で並ぶそれぞれの供給口６を介して、同じ間隔で並ぶそれぞれの圧力発生室１に供給されるように成っている。リザーバ１４は図示しないインクタンクに連結しており、インクの供給を受けられるようになっている。

前述の圧電振動子７は、圧電材料８と電極形成材料９、１０を交互にサンドイッチ状に挟んで積層構造となっており、電極９しか存在しない不活性領域（図１で示す圧電振動子７の下の部分）が固定基板１１に固定されている。

インク滴を吐出させるには、圧電振動子７の電極９、１０に図示しない配線を通して電圧信号を印加する。電圧を印加すると、圧電振動子７が縮んで、圧力室１の体積が大きくなる。そのため、まず一定の電圧を印加し、圧力発生室を膨張させておき、印字を行うとき印加電圧を下げて圧電振動子７を伸長させる。圧電振動子７が伸長すると、振動板４によって圧力発生室１が圧縮され、圧力発生室１に存在するインクの一部がノズル２から吐出される。

高い作動周波数を達成するために、下記のヘルムホルツ（Helmholtz）共振周波数ｆが高い方が好ましい（米国特許第４，６９７，１９３号明細書）。

ここで、Ｃcは圧力発生室１内のインクの形成するコンプライアンス、Ｃdは圧力発生室１の各壁の形成するコンプライアンス、Ｌnはノズル２のイナータンス、Ｌiは供給口６のイナータンスである。この式から、供給口６を広げＬnを小さくすると、周波数ｆが高くなることが分かる。本実施例のヘッドは所定のインク滴飛翔速度、インク量、そして、作動周波数を満たすため、ノズル２のイナータンスＬnと供給口６のイナータンスＬiとがほぼ等しくなるように設計されている。

本実施例ではノズル２から飛び出すインクとリザーバ１４へ逆流するインクとの割合はだいたい１対１になる（簡易モデルによるシミュレーションの結果）。
この割合は上述のイナータンスＬn、Ｌiの他にノズル２のレジスタンスＲn、そして、供給口６のレジスタンスＲiによって決まるが、作動周波数が高い場合、ほぼイナータンスＬn、Ｌiの比に等しい。

本実施例では、図１で示すようにインク供給口６の出口に隣接してフィルム壁２０が設けられている。フィルム壁の材質は弾性体であり、そのため圧力を増減させると、膨らんだり、へこんだりする。上述したリザーバ１４へのインクの逆流はリザーバ１４内の圧力変動をもたらそうとするが、フィルム壁２０が出口にあるため、その圧力変動が有効に吸収される。隣のインク供給口にも大きな影響を与えることはない。

ただし、フィルム壁２０のサイズ等によっては、インク供給口６の出口に設けても、十分な効果が得られない場合もあることが実験で観察されている。

図２は、数値シミュレーションから得た駆動中のフィルム壁２０の形状の一断面を示す。フィルム壁をシェルで厚さがないとしているため、断面は線となる。
線の右端は供給口６に近い端で、左端はその反体側の端に対応する（図１参照）。数値シミュレーションは、インク（流体）とフィルム壁（構造体）の連成振動問題を有限差分法と有限要素法で解いて行なった。供給口６からの圧力波によって供給口６付近のフィルム壁２０に波が形成され、時間の経過と共に離れていく。波の形、波長λ、速度ｖなどは分散性のため、理論的には時間とともに変化し一定ではない。

数値シミュレーション結果を用いた調査によって、主な波の波長λと速度ｖとは次の式によって多少の誤差を含むが、概算できることが分かった。

ここで、Ｅはフィルム壁のヤング率、ρはフィルム壁の質量密度、ｈはフィルム壁の厚さ、Ｔは信号の周期である。ヘッドを駆動をすると前述のヘルムホルツ周波数ｆの振動が励起されるため、供給口６からの主な信号成分の周期Ｔは

となる。これらの式ははりの運動方程式を用いて単一周波数の正弦波が移動すると言う仮定のもとで得られる。

波長λとフィルム壁２０のスパンｗ（図２参照）との比がリザーバ１４内の圧力上昇との間に密接な関係がある。図３は波長λとスパンｗとの比とリザーバ１４の供給口６付近の圧力との関係を上記のシミュレーション結果を用いてプロットしたものである。図３で示すようにその比が２を越えると圧力が急劇に上昇する。逆に２以下の場合あまり変化しない。本実施例では

となるようにスパンｗ、厚さhなどのパラメータを決めている。十分な圧力吸収効果があることは実験で確認されている。逆にこの不等式を満たさない場合には十分な効果が得られなかった。

上記の不等式が成り立つようにするためには、下記の理由でスパンwを広くする必要がある。上記の式から波長λは物性定数と信号の周期Ｔ＝１／ｆとフィルム壁の厚さｈで計算されることが分かる。ｆはヘッドの必要な特性（吐出するインク滴のインク量、飛翔速度など）を得るため、圧力室１、ノズル２、供給口６の設計で決まる。フィルム壁２０の厚さｈは生産技術などで薄くするには限界がある。そのため、波長λをある一定の値より短くするのは困難であり、スパンwを広くする必要がある。

さらに、駆動しない圧力室内の圧力が、他の圧力室の駆動時の振動波の影響でかなり高くなることもシミュレーションから分かった。圧力室の駆動後固有振動周波数ｆを持つ振動が残る。この振動が供給口６を介してリザーバ１４に漏れ出し、隣接の駆動しない圧力室に対応する供給口６に伝わる。駆動しない圧力室の固有振動数もｆであり、共鳴現象が起こり、圧力室内の圧力が供給口の圧力より遥かに高くなる。一実施例では駆動圧力室の駆動時の最大圧力が５ａｔｍ、供給口での圧力は０．１ａｔｍ、駆動されない圧力室内の圧力は０．７５ａｔｍであった。この圧力もフィルム壁２０の寸法に深く関わる。図４は、波長λとフィルム壁２０のスパンｗとの比と、駆動圧力室に隣接し駆動されない圧力室内の最大圧力との関係のシミュレーション結果を示す（波長λは一定としている、それらの比はスパンｗの変動によって変わる）。その比が２より大きい場合図３で示されるようにリザーバ内の圧力が高くなるので、駆動されない圧力室内の圧力も高くなる。２より小さい場合、リザーバのフィルム壁を介して伝わる圧力波がフィルム壁の端で反射されるため、２分の１波長を周期に高くなったり低くなったりする。スパンｗが４分の１波長の偶数倍のときは高く、奇数倍のときは低くなる。つまり、下記上の式のときは高く、下の式のときは低い。

上記二つの式の内の下の式が満たされれば圧力が低いが、その中でn＝２、４の間にあるm＝３のときスパンｗが最も狭い。その結果、ヘッドを小さく構成することができ、コンパクトで安価なインクジェット装置ができる。本実施例ではm＝３の近辺にスパンwを設定し、圧力室間の相互干渉を低いレベルに抑えている。

本発明のインクジェットヘッドの一実施例を示す図である。 本発明のインクジェットヘッドの駆動時のフィルム壁の形状を示す図である。 本発明のインクジェットヘッドにおいて波長λとスパンｗとの比とインク供給口出口の圧力との関係を示す図である。 本発明のインクジェットヘッドにおいて波長λとスパンｗとの比と駆動圧力室に隣接の駆動されない圧力室の圧力との関係を示す図である。

符号の説明

１ 圧力発生室
２ ノズル
６ 供給口
１４ リザーバ
２０ フィルム壁

Claims (1)

1. 圧力を発生する圧力発生室と、インクを吐出するノズルと、インクを溜めるリザーバと、前記圧力発生室とリザーバとを連通する供給口とを有するインクジェットヘッドにおいて、
   前記リザーバはフィルム壁を含み、ノズルと圧力室と供給口とで決まる固有振動数ｆの振動によって起こるフィルム壁の振動波長λと、フィルム壁のスパンｗとが以下の式の関係を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。
   

   

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