JP2865621B2 - インクジェットシステム - Google Patents
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Description
に関する。このインクジェットシステムはインク溜めと
ノズルと間にインクチャンネルを含み、インクチャンネ
ルを伝播する音響圧をインク液中に発生させるための加
圧手段をインクチャンネルに隣接して含むことにより、
上記ノズルからインク液滴が発射される。
ンクジェットプリンターのプリントヘッドに使用され
る。
n demand、ドロップオンデマンド)上記の型のインクジ
ェットシステムは、例えばEP-B1-0 402 172
に開示されている。この公知システムでは、カバープレ
ートと底部プレートによってそれぞれインクチャンネル
の頂部面と底部面とが形成されるように底部プレートと
カバープレート間にサンドイッチされている基板内にイ
ンクチャンネルが形成されている。このインクチャンネ
ルはノズルの高さと同一寸法の一定の深さを有するが、
ノズルよりは大きな幅を有し、チャンネル端には幅がノ
ズル幅にまで次第に小さくなるテーパーが付けてある。
加圧手段は、インクチャンネルの領域内にある底部プレ
ートの下側に配置された板状のピエゾ電気素子を含む。
このピエゾ電気素子は剛体の支持板上に支持され、その
頂部面は直接にインクチャンネルの底部板に係合する。
ピエゾ電気素子の電極に電圧が印加されると、ピエゾ材
料が鉛直方向に拡大し、弾性のある底部板がインクチャ
ンネルの内側へ湾曲し、その結果インク液滴がノズルか
ら発射される。
的プリントヘッドでは共通基板上に複数のインクジェッ
トシステムが集積されている。ヘッドを大規模集積化す
ることあるいは液滴発生最大周波数を高めること等の目
的を達成するためには、インクジェットシステムはでき
る限り小型化すべきである。他方、インクジェットシス
テムは適当な電圧で作動できるようにすべきであり、従
って小型化の要求にも拘わらず、適切な大きさの液滴を
発生するのに十分なエネルギーを与えることができるの
みならず液滴を適切な速度で加速して高い精度で液滴を
記録媒体上に沈着できなければならない。それゆえピエ
ゾ電気素子によって与えられる力学的エネルギーが液滴
の運動エネルギーに変換される効率を最適化することが
望まれる。
く依存する:(1)インク液滴内を伝播する音響波のエ
ネルギーにピエゾ電気素子の力学的エネルギーが変換さ
れる効率、および(2)ノズルで発生される液滴に音響
エネルギーが与えられる効率。
ンクチャンネルの深さの比によって決定される。理想的
にはこの比をピエゾ電気材料とインク液の弾性率の比よ
りも著しく小さくすべきでない。ピエゾ電気材料は一般
に比較的大きな弾性率をもっており、他方、素子の厚さ
は実用上遭遇する条件によって制限されるので、この因
子を考慮するとインクチャンネルの深さはかなり小さく
なければならない。
ルの断面積の比に依存する。理想的には反射による音響
波のエネルギー損失を回避するため、音響波の「インピ
ーダンスマッチ」が得られるようにこの比を選択すべき
である。ノズルの断面は必要とされる液滴寸法によって
決定されるが、インクチャンネルの幅が大きすぎてはな
らないので、この因子を考慮するとインクチャンネルの
深さをを比較的大きくすることが望ましい。
とき、上記2つの因子間の妥協点を求めなければなら
ず、全エネルギー効率は粗末な結果に終わる。
ィン26巻10B号は、管状のピエゾ電気素子内部にイ
ンクチャンネルが確定されるいろいろの型のインクジェ
ットシステムを開示している。この管状ピエゾ電気素子
の外周面は、作動電極として働く複数の離散的環状導体
によって囲まれており、このためインクチャンネルの長
さにわたって分布する複数のピエゾ電気変換器(piezoe
lectric transducers)が形成される。適切なタイミン
グで各変換器を作動させれば、インクチャンネル内をノ
ズルに向けて進行する圧力波は各変換器の下を通過する
際にエネルギーを蓄積してゆく。
ステムは製造が困難であり、特にこの型の複数インクジ
ェットシステムを集積化して高速印刷用および高解像度
印刷用多重ノズルプリントヘッドにすることは困難であ
る。加えて、各インクジェットシステムの各ピエゾ電気
素子に対する複数伝導帯に個別にエネルギーを与えなけ
ればならないので、複雑な制御ロジックが必要とされ、
集積化したプリントヘッド内のノズル数が増大すると各
伝導帯に適切な電圧を印加するために必要な配線システ
ムが非常に複雑化する。
が簡単でありながら高いエネルギー効率を与えることが
できるインクジェットシステムを与えることである。
る本発明のインクジェットシステムにより達成される。
請求項1に記載したインクジェットシステムでは変換器
がネスト化されたパルス(入れ子状のパルス)により作
動されるが、その際、インクチャンネルに沿ってシーケ
ンス状に配置された変換器がノズルからインク溜めに向
けて1つづつ逐次収縮され、その後反対方向に1つづつ
逐次拡大される。
ンネルが長方形断面をもち、変換器が板状の拡大可能な
部材であるため、製造容易であり、直ちに多重ノズルプ
リントヘッドに集積化できる。エネルギー効率を最適化
するため、インクチャンネルの深さdはインクチャンネ
ルおよびノズルの断面積の最適比を考慮して選択され
る。この場合、比H/dは理論的最適値からずれること
も許容される。しかしこの理論的最適値は、第一変換器
の圧縮ストロークを受けるインク体積(インクの占める
体積)内に圧力バイアスを生じさせることにより小さめ
のH/d値にシフトされることが証明できる。したがっ
て高い全エネルギー効率が達成できる。
シネルギー効果(synergetic effect)が生ずる。これ
が意味するところは、変換器に印加する電圧を特定した
場合、液滴に与えられる運動エネルギーは、全体的寸法
が同じとなるようにして2つ以上の変換器を使う方が、
単一の変換器を使うときよりも大きい、ということであ
る。その理由は、第2変換器で生ずる圧力バイアスが、
第1変換器によるインク体積へのエネルギー伝達の効率
を高めるからである。
手方向の異なる位置に配置される。この場合、第2変換
器により発生された正の(バイアス化)圧力波が第1変
換器の位置しているインクチャンネル部分を伝播すると
きに第1変換器がその圧縮ストロークを行うように、変
換器をいろいろのタイミングで作動させなければならな
い。もちろんインクチャンネルに沿って3つ以上の変換
器を採用することができる。さらに、複数対の変換器
を、各対の変換器がインクチャンネルの頂部側および底
部側で相互に対向するとともに同時的に作動するよう
に、インクチャンネルに沿って配置することが可能であ
る。
さ全体にわたって一定である必要はない。例えば、イン
クチャンネルの深さをノズルに向けて増大させることが
できる。こうすると、ノズルから遠方に位置する変換器
はインクチャンネルの浅い部分と協同するので高い効率
をもつ一方、ノズル付近に位置する変換器はインクチャ
ンネルの関連部分のインク体積の圧力バイアスがあるた
めに高い効率をもつ。また、ノズルでの反射損失を最小
限にするため、ノズルのすぐ近くのインクチャンネル部
分に大きな深さをもたせる。
は、ノズルに最近接の変換器が最初に収縮され、最後に
拡大されるよう、変換器はネスト化された電圧パルス
(nestedvoltage pulses)で作動される。他方、インク
溜めに最近接の変換器は最後に収縮し、最初に拡大され
る。この場合、これらの変換器は逐次的に吸入ストロー
クを行う。その結果、ノズルからインク溜めに向く方向
に負の圧力波が伝播し、変換器を通過する度に増幅され
る。この負の圧力波は次いでインク溜めに隣接するイン
クチャンネル開口端で反射される。その結果、反射され
た正の圧力波がノズルに向けて伝播し、逐次的に変換器
の圧縮ストロークで増幅される。この変換器作動パター
ンを使用することにより、インクチャンネルの上流側の
開口における圧力波の反射を利用して音響波をさらに効
率よく増幅することができる。
ンデマンドインクジェットシステムでは、液滴要求信号
に応答して変換器の少なくとも1つが作動され、少なく
とも1つの他の変換器が周期的に、すなわち液滴要求信
号の有無によらず、作動される。
ギーがあるしきいレベル未満であると、インク液滴は全
くノズルから発射されない。したがって、周期的に作動
される変換器によってのみ発生される音響波がこのしき
いレベル未満であるようにこの変換器を配置し、および
または制御するときは、液滴要求信号が存在するときの
みインク液滴が発生される。
に作動させるための高電力を与える制御ロジックが著し
く簡単化できる、という利点を有する。その理由は、こ
の制御ロジックは液滴要求信号に応答する必要がなく、
周期的パルス信号を与えるだけでよいからである。加え
て、関連するインクチャンネルおよび変換器群を含む集
積化した複数ノズルでは、すべてのノズルに対して周期
的に作動する変換器への電力は共通の電極または制御線
で供給することができ、したがって電気接続が著しく簡
単になる。これは小型の大集積デバイスの場合、特に有
利である。
ンネルが長方形断面をもつ場合に限られない。従って本
発明の目的は一般に、インク溜めとノズルとの間に設け
たインクチャンネルと、インクチャンネルに隣接配置さ
れた圧力手段にしてインクチャンネル内を伝播する音響
圧力波をインク液内に発生させるための圧力手段とを含
み、この圧力手段がいろいろのタイミングで作動される
少なくとも2つの電気力学的変換器を含み、これらの変
換器の少なくとも1つが液摘要求信号の有無によらず周
期的に作動され、少なくとも1つの他の変換器が液摘要
求信号に応答することにより、液摘要求信号に応答して
ノズルからインク液滴が発射されるインクジェットシス
テムによって達成できる。
は、液摘要求信号が存在しないときはこれを無応答状態
を保つことができる。しかし、この変換器に印加された
信号もまた周期的パルス信号から導くことができること
が好ましく、またこのパルス信号の極性は液摘要求信号
に応答して反転されることが好ましい。したがって、変
換器全体によって発生される音響波は、液摘要求信号が
存在するときはインク液滴を発生すべく強め合う干渉を
示し、液摘要求信号が無いときは液滴が全く発生されな
いように弱め合う干渉を示す。この場合、周期的に作動
される変換器のみによって発生される音響波はしきいレ
ベルを超える比較的に大きな振幅をもつことができ、そ
の結果、液滴の発生が必要であるときは高レベルの音響
エネルギーが達成できる。さらに、電気制御ロジックが
いっそう簡単化できる。なぜならばすべての変換器に印
加すべき高電圧パルス信号は周期的信号から導くことが
できるとともに、液摘要求信号はその唯一の効果として
これらパルス信号の一つの極性を変更するだけであるか
らである。液摘要求信号に応答して極性を反転させるタ
イミングは臨界的な重要性をもたない。なぜならば、変
換器を作動させる厳密なタイミングは周期的信号のパル
スによって決定され、したがって単一の制御ロジックで
安定した液滴発生が達成できるからである。
に特定してある。
がら以下に説明する。
形態をしたインクジェットシステムを示す。これは共通
の基板12上に配置された複数の液滴発生ユニットを有
する。各液滴発生ユニットはノズル14、関連のノズル
を共通のインク溜め18に接続するインクチャンネル1
6、およびインクチャンネル16の頂部側に沿って配置
されてインクチャンネル16内のインク液を加圧するた
めの電気力学的変換器として働く2つのピエゾ電気素子
20、22を含む。個々の液滴発生ユニットのインクチ
ャンネル16は基板12の頂部面に設けた溝により形成
され、鉛直壁(図示してなし)により相互に離隔されて
いる。ノズル14およびインクチャンネル16の頂部側
は柔軟なカバー板24により確定される。
ているインクチャンネル16の主部は長方形断面を有
し、インクチャンネルの正面端はノズル14に向けてテ
ーパーを付けられている。インクチャンネル16の深さ
は、ノズル14の高さよりも大きく、ノズル14とイン
クチャンネル16の断面積比が適切になるように選択さ
れている(インクチャンネルの幅は液滴発生ユニットの
ピッチにより制限される)。
料で作製した、拡大性のある板状部材で形成され、頂部
面に作動電極26、28を、また底部面に共通の接地電
極(図示してなし)が与えられている。これらのピエゾ
電気素子22は相互に離隔されていることが好ましく、
また各ピエゾ電気素子22はインクチャンネル16を覆
うように位置していることが好ましい。
クチャンネル16の深さdよりも僅かに大きい。高さH
は実用上の制限事項によって上限が決まる。例えば、そ
の厚さを大きくすると、ピエゾ電気素子を所望の大きさ
に切断することが一層困難になる。
すると、ピエゾ電気素子22が拡大し、柔軟なカバー板
24に圧力Ppが加わり、この圧力はさらにインクチャン
ネル16内のインク体積に作用する。その結果、カバー
板24はある量Xだけ下方に湾曲し、その分、インクチ
ャンネル16の体積が減少する。
て加えられら圧力Ppおよびインク液の圧力Piがどのよう
にカバー板24の変位Xに依存するかを示す、(カバー
板24の弾性力を無視した)理想的な線図である。ピエ
ゾ電気素子の圧力Ppは、作動電極28に電圧が印加され
るがカバー板24がまだ変位されていない瞬間における
かなり高い値P0から始まり、次いで変位Xと共に線形に
減少する。曲線Ppの傾きはEp/Hで与えられる。ここにE
pはピエゾ電気材料の弾性率である。他方、インク液の
圧力Piは当初ゼロであるが、変位Xと共に線形に増大す
る。その傾きはEi/dで与えられる。ここにEiはインク
液の弾性率である。カバー板24の変位は、圧力PpとPi
との間に平衡が存在するとき、値Xeに達する。インク液
に与えられる単位面積あたりの力学的仕事は、図2
(a)に斜線を付けた面積Wで表される。
力すなわちバイアス圧力Pbを有する状況を例示する。こ
の圧力のため、インク液の圧力を表す曲線Pi′は量Pbだ
け移動している。インク液に与えられる仕事W′図2
(b)の斜線部の面積)は図2(a)に示す場合よりも
顕著に大きい。
効果を次のように利用する。
ゾ電気素子の下側のインクチャンネル16内に初期バイ
アス圧力Pbを生じさせる。次に、より大きなピエゾ電気
素子エネルギー(仕事W′に相当する)をインク液に与
えるため、他のピエゾ電気素子の電極を作動させる。こ
れらのピエゾ電気素子の力学的エネルギーはこうして高
い効率で音響エネルギーに変換される。インクチャンネ
ル16内を伝播する高い圧力波の波面がノズル14に達
すると、このエネルギーは効率よくインク液滴の運動エ
ネルギーに変換される。なぜならばインクチャンネル1
6の断面積はノズル14における音響波の反射によるエ
ネルギー損失が最小限になるような大きさにされている
からである。
ットのピエゾ電気素子20に共通する作動電極26は駆
動回路30に接続されており、各々の作動電極28は液
摘要求信号Dを受信する別の駆動回路32に接続されて
いる。
路30、32の出力信号S30、S32を例示するタイ
ミングチャートである。駆動回路30は液摘要求信号D
の有無にかかわらずある固定周期Tおよびパルス幅PW1
をもつ周期パルス信号を出力する。駆動回路32は同じ
周期Tのパルス信号を発生する。このパルス信号のパル
スの中心は信号S30のパルスの中心と同じであるが、
信号S32のパルス幅PW2はパルス幅PW1の三分の一しか
ない。信号S32のパルスは、液摘要求信号Dが存在す
るときは信号S30のパルスと同じ極性を有し、液摘要
求信号Dが存在しないときは反対の極性をもつ。
3および図4を参照して詳細に説明する。図4は図3に
示す時刻t0 - t7の各時刻においてインクチャンネル
16内を伝播する音響圧力波を、ピエゾ電気素子20、
22を基準として象徴的に表す。
極26に印加された電圧は、ピエゾ電気素子20が収縮
されるように変化する。その結果、図4(a)に示すよ
うな負の圧力波がピエゾ電気素子20下方に発生され
る。この負の圧力波は両方向に拡がる。
がピエゾ電気素子22の右端、すなわちインク溜め18
につながる端、に到達した。この時刻にピエゾ電気素子
22も収縮するように信号S32(すなわち液摘要求信
号Dが存在する液滴発生システムの電極28に印加され
る電圧)も変化する。その結果、ピエゾ電気素子22下
方の負の圧力波が増幅される(図4(b))。
め18に隣接するインクチャンネル16の上流端に到達
する。この開口端で負の圧力波が180°の位相シフト
を伴って反射され、そのため反射波は正の圧力をもつ。
エゾ電気素子20、22間の境界線に到達すると、信号
S32はゼロに低下する。その結果、ピエゾ電気素子2
2は拡大し、高圧力波は図4(c)に示すように再び増
幅される。
20下方のインクチャンネル16部分に到達している。
この瞬間、信号S30はゼロに低下し、ピエゾ電気素子
20が拡大され、正の圧力波がもう一度増幅される。こ
のようにして大量のエネルギーを運ぶ音響波がノズル1
4に向けて伝播し、所望のインク液滴を発生させる。
素子の動作が図4(e)-(h)に例示してある。
たと同じ方法で作動される。それゆえ図4(e)は図4
(a)と等価である。
の結果、関連のピエゾ電気素子22が拡大する。その結
果として、弱め合う干渉により、時刻t4に発生した負
の圧力波が実質的に相殺される(図4(f))。
昇し、そのため、ピエゾ電気素子22がその休止位置ま
で収縮する。その結果、図4(g)に示すように負の圧
力波がピエゾ電気素子20に向けて伝播する。
ピエゾ電気素子20が拡大する。その結果弱め合う干渉
によって負の圧力波が相殺される。このようにしてノズ
ル14では実質的に何の圧力も生じない。
インク液のメニスカス(湾曲面)内のインクは、ある種
の安定性をもっているので、液摘要求信号が無いときに
音響波が完全に相殺される必要はない。液滴が発生され
ない程度に音響波の振幅が低減されれば十分である。
気素子22よりも大きな仕事率を与えるように本構成を
修正することが有利である。これは、駆動回路30の出
力電圧を駆動回路32のそれよりも増大することにより
達成することができる。駆動回路32は液摘要求信号D
に応答しなければならないので、この駆動回路をより低
電圧で動作できれば有利であることに注目されたい。
例えば、ピエゾ電気素子20、22が異なる長さをもつ
ようにしうる。上述した理由から、より大きな長さをピ
エゾ電気素子20に与えることが好ましい。もちろん、
信号S30、S32のタイミングはこれらピエゾ電気素
子のそれぞれの長さに適応させなければならない。
号であるが、図3に点線で示すような2状態信号も使用
できる。この設計変更した信号S32の波形は周期パル
ス信号から、液摘要求信号Dに基づいて周期パルス信号
の極性を反転することにより、導くことができる。この
場合、ピエゾ電気素子22は例えば図3に時刻tdに示
すように、後退ストロークおよび拡大ストロークを追加
的に行う。しかしながら、これらの追加的ストロークは
インク液滴を生ずるほどに強くなく、従って本システム
の性能にとって不利な効果を与えない。
Qを与えるパルス発生器34および液摘要求信号Dに応
答してこのパルス発生器の出力Qおよび反転した出力Q
を交互に作動電極28に接続する電子スイッチ36によ
って、与えることができる。この場合、すべてのピエゾ
電気素子を作動させる電力デバイスは、固定した周波数
およびパルス幅で動作する簡単なパルス発生器で形成す
ることができ、そのときは液摘要求信号Dが電子スイッ
チ36にも印加される。これらのスイッチは比較的に遅
くてよい。なぜならばt3とt4との間の任意時刻に信号
S32の反転が起きうるからである。
しておき、その結果この素子が単独ではインク液滴を発
生させることができないようにしておけば、液摘要求信
号Dがないときの信号S32のパルスを完全に抑制する
ことも可能である。
ることは当業者には直ちに明らかであろう。例えば、上
述した主な機能が各インクチャンネル毎に3つ以上のピ
エゾ電気素子を具えた構成で得られるように容易に拡張
できる。また、変換器22が変換器20よりもノズルに
近づくよう、周期的に作動される変換器20および液摘
要求信号に応答して作動される変換器22の位置を変更
することができる。この場合、変換器の作動を相応に変
更すべきことは明らかであろう。
限定されず、前記特許請求の範囲に属するあらゆる設計
変更を含むことに留意されたい。
り斜視図である。
ク体積の圧力変位図である。
気素子に印加される信号のタイミングチャートである。
ける音響波の伝播および増幅を例示する図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 インクジェットシステムであり、 インク液を貯留するインク溜め(18)と、 前記インク液を射出するノズル(14)と、 前記インク溜め(18)を前記ノズル(14)へ接続
し、前記インク溜め(18)から或る体積の前記インク
液を受け入れるインクチャンネル(16)と、 前記インクチャンネル(16)に隣接し、且つ前記イン
クチャンネル(16)に沿ってシーケンス状に配置され
て、前記インクチャンネル(16)内を伝搬する音響圧
力波を前記インク液内に発生させて前記ノズル(14)
からインク液滴を発射させる電気力学的変換器(20,
22)とを備え、 前記インクチャンネル(16)が、前記インクチャンネ
ル(16)から前記ノズル(14)への遷移部における
音響波の反射によるエネルギー損失が最小限になるよう
に、実質的に矩形状の断面と、前記ノズル(14)の高
さよりも大きな深さdとを有し、 前記電気力学的変換器(20,22)が、前記インクチ
ャンネル(16)の深さ方向に高さHを有する板状の拡
大自在な部材を含み、その高さHは、前記拡大自在な部
材の弾性率(Ep)と前記インク液の弾性率(Ei)と
の比よりも、比H/dが小さくなるようにされており、 前記電気力学的変換器(20,22)は、第1の電気力
学的変換器(20)と、少なくとも一つの第2の電気力
学的変換器(22)とを含み、その第2の電気力学的変
換器(22)を、前記インクチャンネル(16)内の前
記インク液が第1の電気力学的変換器(20)により加
圧される前に、該インク液内に圧力バイアス(Pb)を
生じるように作動させるために、前記電気力学的変換器
(20,22)は、前記ノズル(14)から前記インク
溜め(18)に向かう順序で順次に前記インクチャンネ
ル(16)に対して収縮され、次いで前記順序の逆順で
順次に前記インクチャンネル(16)に対して拡大され
るように、ネスト化されたパルス状電圧信号(S30,
S32)で作動されるインクジェットシステム。 - 【請求項2】 請求項1に記載のインクジェットシステ
ムにおいて、該変換器の少なくとも1つ(22)が、液
滴要求信号(D)に応答して作動されるが、他方の変換
器(20)は該液滴要求信号の有無に拘わらず周期的に
作動されることを特徴とするインクジェットシステム。 - 【請求項3】 請求項2に記載のインクジェットシステ
ムにおいて、周期的に作動される該変換器(20)が、
ノズル(14)に最近接して配置されていることを特徴
とするインクジェットシステム。 - 【請求項4】請求項2または3に記載のインクジェット
システムにおいて、前記液滴要求信号(D)に応答して
作動される前記変換器(22)が、前記他方の変換器
(20)に印加される前記パルス信号(S30)のタイ
ミングと極性とのうちの少なくとも一方に対する関係
で、前記液滴要求信号(D)が存在するときには各々の
前記変換器(20,22)によって発生された音響波が
強め合うように干渉し、且つ前記液滴要求信号(D)が
存在しないときには前記音響波が弱め合うように干渉す
るようなタイミングと極性とのうちの少なくとも一方で
パルス信号(S32)を受信するインクジェットシステ
ム。 - 【請求項5】 請求項4に記載のインクジェットシステ
ムにおいて、該液滴要求信号(D)の状態に応じて、該
液滴要求信号に応答して該変換器(22)に印加された
該信号(S32)がゼロポテンシャルを基準とする正ま
たは負のパルスのいずれかを含む3状態信号であること
を特徴とするインクジェットシステム。 - 【請求項6】 請求項4または5に記載のインクジェッ
トシステムにおいて、該液滴要求信号(D)に応答して
該変換器(22)を作動させるための駆動回路(32)
が、周期パルス信号(Q)を発生するためのパルス発生
器(34)と、該液滴要求信号の有無に応じてこのパル
ス信号を反転させる手段(36)とを含むことを特徴と
するインクジェットシステム。
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