JP2901920B2 - インクジェット装置 - Google Patents

インクジェット装置

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JP2901920B2
JP2901920B2 JP8112825A JP11282596A JP2901920B2 JP 2901920 B2 JP2901920 B2 JP 2901920B2 JP 8112825 A JP8112825 A JP 8112825A JP 11282596 A JP11282596 A JP 11282596A JP 2901920 B2 JP2901920 B2 JP 2901920B2
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    • B41J2202/11—Embodiments of or processes related to ink-jet heads characterised by specific geometrical characteristics

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Ink Jet (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、インク溜めとノズ
ルとの間のインク通路と、インク通路に隣接して配置さ
れ、インク通路の容積を急激に減少させることにより前
記ノズルを介してインク小滴を排出させる膨張可能部材
よりなる電気機械変換器とを備えるインクジェット装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】かかるインクジェット装置は、インクジ
ェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる。上記した型
式の随意滴下型（drop-on-demand）インクジェット装置
は、例えば、EP-B1-0 402 172 より公知である。この公
知の装置においては、インク通路は底プレートとカバー
プレートとの間に挟まれた基板に形成され、従って、イ
ンク通路の上面および底面はそれぞれ、カバープレート
および底プレートにより形成される。インク通路はノズ
ルの高さに等しい一定の深さを有する一方、ノズルより
も大きな幅を有しており、前端においてテーパ状に形成
され、その幅は徐々にノズルの幅にまで減少されてい
る。電気機械変換器の膨張可能部材は、底プレートのイ
ンク通路領域の下方に配設されたプレート状の圧電素子
により形成されている。この圧電素子は剛性を有する支
持プレート上に支持されており、その頂部端面はインク
通路の底プレートと直接係合している。電圧が圧電素子
に付与されると、圧電材料は鉛直方向に膨張し、弾性を
有する底プレートがインク通路の内側に向けて撓んで、
インク小滴がノズルから発射される。
【０００３】US-A-5 119 116には、インク通路に段構造
を設けることにより、ノズルの高さをインク通路の主部
の深さよりも小さくした熱式インクジェット装置が開示
されている。インク小滴をノズルから発射するのに必要
な圧力は、段構造よりも上流のインク通路底部に形成さ
れた穴に配設されたバブル生成加熱素子により生成され
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】高速・高解像度の印刷
を行う実際の印刷ヘッドにおいては、多数のインクジェ
ット装置が共通の基板の上に集積される。大規模集積、
および、高い最大周波数での小滴の生成等の目的を達成
するため、インクジェット装置をできる限り小型に形成
すべきである。一方、インクジェット装置は、適度の電
圧で動作すべきでありながら、適切な大きさの小滴を生
成すると共に、これらの小滴が適切な速度に加速され、
小滴が記録媒体に高精度で付着するのに十分なエネルギ
ーを供給できなければならない。
【０００５】従って、本発明の目的は、インクジェット
装置のエネルギー効率を改善することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
目的は、インク溜めとノズルとの間のインク通路と、該
インク通路に隣接して配置され、該インク通路の容積を
突然減少させることにより前記ノズルからインク小滴を
発射させる膨張可能部材を備える電気機械変換器とを備
えるインクジェット装置であって、膨張可能部材とノズ
ルとの間のインク通路の一部の深さが、膨張可能部材に
隣接する部位およびノズルの高さの何れよりも大きいイ
ンクジェット装置により達成される。
【０００７】かかる構成によれば、変換器に付与される
電気エネルギーの、小滴の運動エネルギーへの変換効率
が大幅に改善されることがわかった。総エネルギー効率
は、主に、次の２つの要因に依存する：（１）変換器の
電気エネルギーがインク液内を伝搬する音響波に変換さ
れる際の効率、及び（２）音響エネルギーがノズルで生
成された小滴に伝達される際の効率。
【０００８】第１の要因はインク通路の深さと、変換器
の膨張可能部材、例えば圧電素子の厚みとの比により決
定される。理想的には、この比は、圧電材料とインク液
との弾性率の比にほぼ等しくなければならない。一般
に、圧電材料は比較的大きな弾性率を有しており、一
方、圧電素子の厚みは実際的な制限により規制されるた
め、第１の要因によれば、インク通路の深さを小さくす
ることが要求される。
【０００９】第２の要因はノズルとインク通路との断面
積の比により決定される。理想的には、この比は、音響
波の反射によるエネルギー損失が生じないように、音響
波に対して最適な「インピーダンス整合」が与えられる
ように選択されるべきである。ノズルの断面積は所望の
小滴寸法により決定され、また、インク通路の幅を大き
くし過ぎるべきではないため、この要因の観点からはイ
ンク通路の深さを比較的大きく設けることが望ましい。
【００１０】本発明によれば、インク通路の変換器に隣
接する部位の深さを小さくすると共に、より良好なイン
ピーダンス整合が得られるようにインク通路のノズルに
隣接する部位の深さを増加させることにより、上記要因
の双方を最適な状態に近づけることができる。コンピュ
ータシミュレーションによれば、この方法により、総エ
ネルギー効率が一桁上昇することが示されている。
【００１１】本発明のより詳細な特徴は請求項の従属項
に示されている。一実施例においては、インク通路の変
換器とノズルとの間の部位の深さは、変換器からノズル
に向けて徐々に増加している。この場合、ノズルより上
流での通路の深さには、なだらかな変化しか存在しない
ため、音響波の反射によるエネルギー損失を減少させる
ことができる。
【００１２】しかしながら、インク通路のノズルより上
流での反射構造を排除することが常に必要とされるわけ
ではなく、実際には、かかる反射構造がエネルギー効率
の点で有利に働くことさえあることがわかっている。従
って、別の実施例においては、インク通路の変換器とノ
ズルとの間の部位は、その上流端と下流端において音響
波の部分的な反射を生じさせる空洞となるように構成さ
れている。この場合、空洞は、小滴が生成される際に最
大の動力が得られるように音響エネルギーを捕捉あるい
は蓄積するエネルギー蓄積器として機能する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例に
ついて、添付の図面を参照して説明する。図１に示すイ
ンクジェット装置は、基板１０、支持構造１２、及びこ
れらの間に画成されたインク溜め１４を備えている。イ
ンク通路１６はインク溜め１４を、インク小滴が発射さ
れるノズル１８に接続している。インク通路１６及びノ
ズル１８は、基板１０の上面に形成された溝により画成
され、弾性カバープレート２０により覆われている。プ
レート状の圧電素子２２は、支持構造１２とカバープレ
ート２０との間の、インク通路１６の上流部２４の上方
に配設されている。
【００１４】インク通路の水平方向の幅は、前端のテー
パ部を除くほぼ全長に渡って、例えば２００μｍであ
る。インク通路のテーパ部においては、その幅は徐々
に、正方形の断面形状（例えば３０×３０μｍ）を有す
るノズル１８の幅にまで減少されている。圧電素子２２
に隣接する上流部２４においては、インク通路は、例え
ば、５０μｍの一定の深さを有している。しかしなが
ら、圧電素子２２の下流側端部とノズル１８との間に位
置する下流部２６においては、インク通路の深さは、概
して、上流部２４における深さよりも大きく、従って、
ノズル１８の高さよりも大きい。この下流部２６におい
ては、インク通路の底面は、上流部２４の底面からノズ
ル１８の上流側端部の段差３０に向けて下降する斜面２
８を形成している。従って、インク通路の下流部２６の
深さは、５０μｍから段差３０における約１７０μｍま
で徐々に増加している。
【００１５】図１において、鉛直方向の寸法は、長さ方
向の寸法に対して大幅に誇張されている。実際には、圧
電素子２２の高さＨは５００μｍであり、軸方向の長さ
は約７ｍｍである。本実施例のインクジェット装置は随
意滴下型の装置であり、高温融解インクを用いることを
意図するものである。動作中には、インクが加熱装置
（図示せず）で加熱されることにより、インク溜め１４
及びインク通路１６は融解インクで充満される。ノズル
１８内では、インク液が毛管力により保持さることによ
り、インク液がノズル開口から漏れ出すことが防止され
ている。
【００１６】圧電素子２２には電極（図示せず）が設け
られており、電極に電圧が付与されているか否かに応じ
て図１における上下方向に伸縮するように分極されてい
る。通常（非動作）状態では、圧電素子２２が膨張する
ことにより、カバーブレート２０は下方に僅かに撓ん
で、インク通路１６の上流部の容積が減少される。イン
ク小滴が要求されると、圧電素子２２の電極にパルス信
号が付与されることにより、圧電素子２２は収縮し、イ
ンクはインク溜め１４からインク通路の上流部２４へ吸
い込まれる。これと同時に、インク通路の下流部２６及
びノズル１８内に存在するインクには、負圧が作用す
る。この結果、ノズル１８内での空気／液体メニスカス
は僅かに内側へ移動する。しかしながら、ノズル１８の
長さはメニスカスが段差３０より上方へは移動しないよ
うに設けられている。
【００１７】パルス信号の後方エッジで、圧電素子２２
が再び膨張することにより、インク通路の隣接部２４に
は正の圧力波が生成される。この圧力波はインク通路１
６内を両方向、すなわち、インク溜め１４に向かう方向
と、ノズル１８に向かう方向とに伝搬する。ノズル１８
に向けて伝搬する波面はインク通路の下流部２６を通過
し、インク通路のテーパ部（図示せず）によりノズル１
８に水平方向に収束される。インク通路の深さは部位２
６において徐々に変化するだけなので、圧力波が段差３
０に到達する前には反射によるエネルギー損失は殆ど生
じない。
【００１８】インク通路１６の断面積は段差３０におい
て大きく減少され、また、ノズル１８内で静止している
インクは所定の体積及び粘性を有しているため、段差３
０は音響導波管の閉塞端のように振る舞う。かかる閉塞
端は、正の圧力波を、その符号を反転させることなく反
射する。従って、到来波が反射波と重畳することによ
り、段差３０には高圧が生成される。一方、ノズル１８
の開口部における圧力はゼロに等しいので、ノズル１８
の長さ方向には大きな圧力勾配が生成され、ノズル内の
液体が効率的に加速されることにより、図１に矢印で示
す方向に発射されるインク小滴が生成される。
【００１９】圧電素子２２に付与される電気パルスによ
り生成される音響波の波長は圧電素子の長さの２倍のオ
ーダであり、従って、ノズル１８の軸方向の長さよりも
十分大きいことに留意されたい。従って、ノズル１８内
の液体がかなりの速度まで加速された際、段差３０での
圧力はなお上昇していることになる。この加速されてい
るノズル１８内の液体の高速流は、音響波により運ばれ
るエネルギーの大部分を吸収し、段差３０における圧力
を緩和しようとする。エネルギーの一部はインクの粘性
により消失する一方、他部はインク小滴を生成し、更に
インク小滴を加速するのに用いられる。この結果、段差
３０の性質は閉塞端から開放端へと変化する。従って、
高圧波の後部の段差３０における反射は、開放端におけ
る反射に類似する。すなわち、高圧波は低圧波として反
射され、到来波及び反射波は段差３０における反射損失
が最小となるように重畳される。
【００２０】かかる機構により、段差３０及びノズル１
８における高圧波の反射は大幅に抑制され、音響エネル
ギーの大部分がインク小滴の形成及び加速に用いられる
ようになる。小滴へのエネルギーの伝達は、段差３０の
高さをノズル１８の寸法及びインクの粘性に応じて適正
に調整することにより最適化される。比較するに、も
し、段差３０及び斜面２８が存在しなければ、インク通
路の部位２６とノズル１８との間の断面の変化が小さく
なり、ノズル１８は当初から、より開放端らしく振る舞
うようになる。この結果、音響エネルギーのかなりの部
分は、小滴の運動エネルギーに変換されるよりも、イン
ク溜め１４に向けて反射されることになる。
【００２１】上記した段差３０の効果は、勿論、インク
通路１６の全長にわたり２００μｍという大きな深さを
与えることによっても実現される。しかしながら、この
場合には、以下、図２を参照して説明するように別の問
題が生ずる。図２に示す曲線３２は、音響エネルギーが
小滴の運動エネルギーへ変換される際の効率係数ｈの、
インク通路１６のノズル１８近傍での深さｄへの依存性
を示している。上記実施例における如く、ノズル１８の
大きさ（高さ）が３０μｍである場合、この効率係数は
深さｄがインク通路の段差３０近傍の部位２６の深さに
一致する２００μｍ付近において最大に達する。
【００２２】図２の曲線３４は、インク通路の深さｄ
と、圧電素子２２の電気エネルギーの音響エネルギーへ
の変換効率との関係を示す。この効率は、所定の電圧が
付与され、カバープレート２０を介してインクに圧縮力
が加えられた場合に、圧電素子２２がなす仕事にほぼ一
致している。この力は突然生ずるので、インクを、それ
自身の弾性力が圧電素子の力と釣り合うまで体積が減少
する圧縮性固体媒体とみなすことができる。従って、カ
バープレート２０の変位量は、圧電素子２２及びインク
の弾性力の平衡条件から計算することができ、この変位
は、インクと圧電材料との弾性係数の比、及び、インク
通路の深さｄと圧電素子２２の高さＨとの比に依存する
ことがわかっている。
【００２３】インク液に対してなされる仕事は、圧電素
子の力をカバープレート２０の変位で積分することによ
り計算され、圧電素子に所定の電圧が付与された場合、
この仕事は、インク通路の深さと圧電素子２２の高さと
の比ｄ／Ｈがインクと圧電材料との弾性係数の比に等し
い場合に最大となることがわかっている。典型的な圧電
材料の弾性係数は、典型的なインク液、特に、高温溶融
インクの弾性係数よりもはるかに大きく、また、圧電素
子２２の高さを５００μｍより大きくすることは現実的
ではないので、エネルギーの消失を考慮すると、インク
通路の深さｄの最適値は、図２の曲線３４に示す如く２
５μｍのオーダである。
【００２４】総エネルギー効率は、曲線３２及び３４で
示される効率の積である。この積は、図３に曲線３６で
示されている。曲線３２及び３４のピークは互いに離れ
ているので、曲線３６は１００〜１５０μｍ付近に非常
に緩やかな最大値を有するに過ぎない。このことは、イ
ンク通路が全長にわたって一定の深さを有する場合、総
エネルギー効率は相当低くなることを意味している。
【００２５】本発明によれば、インク通路の段差３０近
傍の部位２６の深さが増加され、インク通路の圧電素子
２２に隣接する部位２４の深さは相当に減少されてい
る。深さｄを最適値に設定することが常に可能というわ
けではないが、これにより摩擦抵抗及び反射が増加する
ため、深さｄを曲線３４の最大値に相当近づけることが
可能である。
【００２６】図１に示す例においては、深さとして５０
μｍが用いられた。この値により、電気エネルギーの音
響エネルギーへの変換に対する比較的大きな効率係数が
得られる。この場合、対応する総エネルギー効率は図２
の曲線３８により表される。この曲線は曲線３２に似て
おり、その最大値は曲線３２よりも僅かに小さな値へ移
動されている。曲線３６及び３８のそれぞれの最大値を
比較することにより、本発明においてエネルギー効率が
大幅に向上されていることが明らかであろう。
【００２７】図１に示す実施例は、本発明の原理を例示
するために与えられたものであり、また、本構成の詳細
は種々の方法で修正され得ることに留意されたい。例え
ば、段差３０を比較的急な斜面に置き換えてもよい。一
方、なだらかな斜面２８の代わりにを階段状等のパター
ンを用いてもよい。更に、インク通路、ノズル、及びピ
エゾ素子２２の寸法を状況に応じて変更してもよい。斜
面２８の長さの変更は、インク通路１６の全長の変更を
伴い、あるいは、ピエゾ素子２２の長さの変更により補
償される。
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】本発明の特定の実施例について上述した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、請求項の範囲内に含まれ、当業者が考えつくであろ
う種々の変更を含むものであることに留意されたい。例
えば、上記実施例においては、圧電素子２２は弾性カバ
ーブレート２０を介してインク通路１６の部位２４内の
インクに作用するが、インク通路の部位２４の上側の壁
を、圧電素子２２の底面により直接構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わるインクジェット装置
の長手方向断面図である。
【図２】図１に示す構造の膨張効果を示す図である。
【符号の説明】
１４ インク溜め １８ ノズル １６ インク通路 ２０ 弾性カバープレート ２２ 圧電素子 ２８ 斜面 ３０ 段差
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インク溜め（１４）とノズル（１８）と
    の間のインク通路（１６）と、該インク通路に隣接して
    配置され、該インク通路の容積を急激に減少させること
    により前記ノズルからインク小滴を発射させる膨張可能
    部材（２２）よりなる電気機械変換器とを備え、前記イ
    ンク通路の前記膨張可能部材（２２）と前記ノズル（１
    ８）との間の部位（２６）の深さは、前記膨張可能部材
    に隣接する部位（２４）の深さ、および、前記ノズル
    （１８）の高さの何れよりも大きいインクジェット装置
    であって、前記膨張可能部材（２２）と前記ノズル（１８）との間
    の前記部位（２６）の深さは、前記インク通路（１６）
    の、前記ノズル（１８）に隣接するその端部（３０）よ
    り上流の全長にわたって反射構造が実質的に存在しない
    ように、前記膨張可能部材から前記ノズルに向けて徐々
    に増加されている ことを特徴とするインクジェット装
    置。
  2. 【請求項２】 前記インク通路の前記膨張可能部材（２
    ２）と前記ノズル（１８）との間の前記部位（２６）の
    底面は滑らかな斜面（２８）により構成されている請求
    項１記載のインクジェット装置。
  3. 【請求項３】 前記インク通路の前記膨張可能部材（２
    ２）に隣接する前記部位（２４）の深さ（ｄ）は、前記
    膨張可能部材（２２）によるインク内での音響波の生成
    効率が最適化されるように、前記膨張可能部材（２２）
    およびインクの夫々の弾性率、およびインクの粘性に応
    じて選択され、前記インク通路の前記ノズル（１８）に
    直接隣接する前記部位（２６）の深さは、前記音響波の
    エネルギーがインク小滴の運動エネルギーへ変換される
    際の効率が最適化されるように、前記ノズル（１８）の
    寸法に応じて選択される請求項１又は２記載のインクジ
    ェット装置。
  4. 【請求項４】 前記インク通路の前記膨張可能部材（２
    ２）と前記ノズル（１８）との間の前記部位（２６）
    は、前記膨張可能部材（２２）によりインクに付与され
    た音響エネルギーが蓄積される空洞として形成されてい
    る請求項１記載のインクジェット装置。
  5. 【請求項５】 前記変換器の前記膨張可能部材は圧電素
    子（２２）である請求項１乃至４のうち何れか１項記載
    のインクジェット装置。
  6. 【請求項６】 前記インク通路（１６）は、弾性カバー
    プレート（２０）により覆われた基板（１０）に成形さ
    れた溝により形成され、前記膨張可能部材（２２）は前
    記カバーブレート（２０）に隣接して配置されている請
    求項１乃至５のうち何れか１項記載のインクジェット装
    置。
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