JP3044863B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインク滴を飛翔させ記録
紙等の媒体上にインク像を形成するインクジェット方式
の記録装置に関し、さらに詳細には、そのインクジェッ
トヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェットヘッドの構成とし
ては、（ＵＳＰ３２１１０８８）、（ＵＳＰ４３０３９
２７）、（ＵＳＰ４２８２５３３）、（特開昭５７―１
７８７７８）等が公知である。いずれも、ノズル開口の
形状は、アスペクト比１の円形あるいは、矩形である。

【０００３】図１２は、従来のノズルを使用したインク
ジェットヘッドの駆動周波数とインクスピードの関係を
表した実験結果のグラフである。駆動周波数を横軸１０
１、インクスピードを縦軸１０２にしてある。単位は、
横軸１０１が（ｋＨｚ）、縦軸１０２が（ｍ／ｓ）であ
る。曲線１０３は、５ｋＨｚから変化を始め８ｋＨｚに
おいては、４ｋＨｚの場合のスピードに対して半分のイ
ンクスピードになってしまう。

【０００４】図１３は、従来例のノズルを使用したイン
クジェットヘッドの駆動周波数とインク滴の体積の関係
を表した実験結果のグラフである。駆動周波数を横軸１
０４、インク滴の体積を縦軸１０５にしてある。単位
は、横軸１０４が（ｋＨｚ）、縦軸１０５が（μｃｃ）
である。曲線１０６は、同じく５ｋＨｚから変化を開始
する。図１２と図１３の結果は、従来のインクジェット
ヘッドが、４ｋＨｚまで安定したインク滴の吐出特性を
有している事を示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のノズル
を使用したインクジェットヘッドは、高い吐出効率と高
い駆動周波数に対する応答性を両立させることが困難で
あるという問題点を有していた。ここで、高い吐出効率
とは、圧力室が排除したインク体積に対してノズルから
インク滴となり吐出されるインクの体積の割合が大きい
ことを意味する。また、高い駆動周波数に対する応答性
とは、単位時間に安定的にノズルから吐出できるインク
滴の数が多いことを意味している。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的とするところは、高い吐出効率
と高い駆動周波数に対する応答性を有するインクジェッ
トヘッドを提供することにある。

【０００７】

【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、複数のノズル開口が形成されたノズルプレー
トと、ノズルプレートとの間に圧力室を形成する様に配
設された圧力板と、一端が自由端として圧力板に接合さ
れ、他端がベース板に圧電素子とを具備したインクジェ
ットヘッドにおいて、ノズルプレートは、圧力室側のノ
ズル開口が形成された周囲の領域において段差部が形成
されており、且つノズル開口が１：１より大きいアスペ
クト比を有していることを特徴とする。また、係るイン
クジェットヘッドにおいて、ノズル開口の断面形状が、
インク滴吐出側から圧力室側に向かって、除々に拡大し
た形状であることを特徴とする。また、係るインクジェ
ットヘッドにおいて、段差部はＮｉの２段階電鋳で形成
されていることを特徴とする。また、係るインクジェッ
トヘッドにおいて、ノズル開口は、楕円形状であること
を特徴とする。また、係るインクジェットヘッドにおい
て、ノズル開口は、長方形であることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明の構成によれば、ノズルのイナータンス
が小さくなるため、圧力室の排除体積を有効にインク滴
としてノズルから吐出させることができる。また、ノズ
ルの流路抵抗を大きくすることができるので、インク滴
を吐出した後のメニスカスのリンギングを速く抑えるこ
とができる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明のインクジェットヘッドの一
実施例を示す斜視図である。２０は、ノズルプレートで
あり、縦８列、横１６列、合計１２８個のノズル２１、
２１、２１．．．．が配設されている。ノズル２１は、
図示しない記録紙に対向している。ノズルプレート２０
の外縁は、フレーム１９に接合されている。フレーム１
９の内部には、後述するインク滴形成手段が構成されて
いる。インク導入パイプ１８ａ、１８ｂは、図示しない
インクタンクに連通しており、インク３０をインク滴形
成手段に供給する役割を果たす。ドライバーＩＣ１７
は、図示しない回路基盤からの電気信号をフレキシブル
配線板１５を介して受取り、図２に示す圧電素子２４を
駆動する。

【００１０】図２は、本実施例のインクジェットヘッド
（以下ヘッド１という）の断面図であり、図１のＢ―
Ｂ’方向の断面をＡ方向から見た断面図である。また、
図３は、図２のＣ―Ｃ’断面図である。これらの図に示
すように、圧電素子２４、２４、２４．．．．の片面
は、ベース板２７上に形成されたセグメント電極２８、
２８、２８．．．．に接着されている。この接着は、圧
電素子２４の表面電極と電気的導通を確保する様に、ま
た、接着面が圧電素子２４の固定端として機能する様に
なっている。圧電素子２４、２４、２４．．．．の他の
片面には、共通電極３９（図３参照）が接合されてい
る。セグメント電極２８と共通電極３９は、ドライバー
ＩＣ１７に繋がれている。圧電素子２４の自由端部３１
は、例えば４ｍｍの長さであり、電気機械変換手段とし
ての機能を果たすようになっている。ノズルプレート２
０には、列設されたノズル２１の他に、隔壁３２が設け
られている。圧力室２３の空間は、隔離板２５を介して
ノズルプレート２０と支持板２６を接合することにより
構成されている。ここで、ノズルプレート２０から隔離
板２５までの距離は例えば９０μｍ、隔壁３２から隣の
隔壁３２までの距離は例えば０．５ｍｍである。圧力室
２３及びノズル２１の内部は、インク３０で満たされて
いる。隔離板２５を挟んで圧力室２３、２３、２
３．．．．に対向するように、圧力板２２、２２、２
２．．．．が隔離板２５に接合されている。したがっ
て、支持板２６の開口部は、圧力室２３と対向するよう
になっている。圧力板２２、２２、２２．．．．の他の
面には、自由端部３１、３１、３１．．．．の端面が接
合されている。ここで、圧力板２２の端面から支持板２
６の壁面に至る距離ｄ１は、例えば０．１２ｍｍになる
様に管理されている。隔壁板２５は、例えば厚さ２５μ
ｍのポリイミドフィルムにより構成されており、圧電素
子２４の変形を有効に圧力室２３に伝達することが可能
となっている。本実施例のヘッド１では、１枚のベース
板２７に１６個の圧電素子２４が列設され１ユニットを
構成している。８セットのユニットを、フレーム１９の
内部に配設することによりヘッド１を構成する。

【００１１】圧力室２３、２３、２３．．．．には、ノ
ズル２１の他に、図３に示すようにそれぞれ２箇所の開
口部３３、３３、３３．．．．が設けられている。圧力
室２３、２３、２３．．．．は、開口部３３、３３、３
３．．．．においてインク流路２９、２９、２
９．．．．と連通している。インク流路２９、２９、２
９．．．．は、インク導入パイプ１８ａ、１８ｂを経て
インクタンクと連結している。インク流路２９は、支持
板２６に形成された溝とノズルプレート２０とにより構
成される。ここで、圧力板２２の端面から支持板２６の
壁面に至る距離ｄ２も、例えば０．１２ｍｍになる様に
管理されている。

【００１２】図４は、本実施例のインクジェットヘッド
の基本動作を表したグラフであり、駆動電圧、圧力室の
内部の排除体積、ノズルの内部のインクの体積変位と体
積速度を表している。波形Ｗ１は、圧電素子２４に印加
する電圧の波形を表している。波形Ｗ２は、圧力室２３
の内部において、圧電素子２４の運動に伴い圧力板２２
が排除したインク３０の体積変化の波形を表している。
波形Ｗ３は、ノズル２１を通過した、インク３０の体積
変化の波形を表している。波形Ｗ４は、ノズル２１を通
過する、インク３０の体積速度の波形を表している。

【００１３】以下、図４を元に本実施例のヘッド１の動
作の説明を行なう。時間ｔ１以前において、圧電素子２
４には、例えば電圧３０ｖｏｌｔが印加されている。但
し、圧電素子２４は静的な釣り合いの状態にあり、電圧
を印加していない状態と比較して、約１．５μｍ収縮し
た状態にある。また、時間ｔ１以前において、圧力室２
３の内部とノズル２１の内部のインク３０は、静止した
状態である。時間ｔ１において、圧電素子２４が、波形
Ｗ１に示すような台形波状に駆動される。時間ｔ１を起
点として、圧電素子２４が運動を開始するため、圧力室
２３は、内部の体積が縮小する方向に変形する。この変
形により排除されたインク３０の体積変化を表している
のが、波形Ｗ２である。圧力室２３から押し出されたイ
ンク３０は、開口部３３とノズル２１の方向に流れる。
圧力室２３により排除された最大インク体積は、ＱＡで
ある。時間ｔ２は、圧電素子２４の変形が最大に到達す
る時間である。時間ｔ１から時間ｔ２に至る所要時間
は、圧電素子２４の固有振動周期に依存する。本実施例
の圧電素子２４の固有振動周期は、約８μｓｅｃである
ので、時間ｔ１から時間ｔ２に至る所要時間は、約４μ
ｓｅｃになる。波形Ｗ４において、時間ｔ２を境とし
て、ノズル２１を流れるインク３０の体積速度が正から
負に移行する。波形Ｗ３に示すように、時間ｔ２におい
てノズル２１へ流れたインク３０の体積が不連続とな
る。これは、体積ＱＮのインク滴が、ノズル２１から離
れて飛翔を開始したことを意味している。次に、時間ｔ
３において、再び圧電素子２４に電圧が印加される。パ
ルス幅ＰＷを、ｔ１からｔ３までの所要時間と定義す
る。パルス幅ＰＷは、圧電素子２４の固有振動周期以上
になるように設定される。時間ｔ３以降、圧電素子２４
の振動的な運動は次第に減衰する。時間ｔ３において、
波形Ｗ３に示す通り、メニスカスはノズル２１の内部に
大きく引き込まれる。しかし、メニスカスの圧力の作用
により、時間ｔ４においてノズル２１の内部にインク３
０が満たされる。ＱＯは、メニスカスがノズル２１の外
部にオーバーシュートした最大体積を表している。すな
わち、ノズル２１を満たそうとするインク３０の流れが
慣性流れとなり、メニスカスはノズル２１の外部に突出
する。このオーバーシュートを伴うメニスカスの運動
は、ノズル２１と圧力室２３の抵抗により次第に減衰す
る。最終的には、時間ｔ１以前と同様の静止状態とな
る。後述するように、本実施例のヘッド１は、オーバー
シュートＱＯが小さいため、メニスカスがノズル２１を
最初に満たす時間ｔ４において、圧電素子２４を駆動し
てインク滴を吐出させることが可能である。

【００１４】図５は、前述したノズルプレート２０の断
面図である。図２のノズル２１のみを抜き出して表して
いる。ノズルプレート２０は、Ｎｉの２段階の電鋳によ
り形成されることにより、ノズルの断面形状がノズル開
口から徐々に拡大した形状を有している。４０は、イン
ク滴が飛翔する方向を表している。本出願人は、既に２
段階構造を有するノズルプレートについて出願済み（特
願平３−１３２８９５号）であるので、２段構造のノズ
ルプレートに関する詳細な説明は省略する。

【００１５】図６は、図５の４４矢視方向から視たノズ
ルプレートの平面図である。ノズル開口４３は、長円の
形状を呈している。アスペクト比は、ノズル開口第１の
幅４１とノズル開口第２の幅４２から求められる。例え
ば、第１の幅４１が２０μｍ、第２の幅４２が８０μｍ
の時、アスペクト比は１：４となる。本実施例のノズル
プレート２０は、インク滴の吐出効率を高める為の小さ
いイナータンスと、メニスカスの減衰を促進するための
充分な流路抵抗を備えた構造となっている。以下、イナ
ータンスと流路抵抗について説明する。

【００１６】ノズルプレート２０に要求される条件とし
て、イナータンスがある。イナータンスは、ヘッド１の
吐出効率を決定する重要な要因である。一般に、ヘッド
１の構造から計算で吐出効率を求める場合、ヘッド１を
図７に示すような音響回路としてモデル化する。ここ
で、５１は、圧電素子２４の変形により圧力室２３に発
生する圧力Ｖである。５２は、圧力室２３の音響インピ
ーダンスＺｐである。５３は、ノズル２１の音響インピ
ーダンスＺｎである。吐出効率は、インピーダンスの比
として与えられ、以下の式１となる。

【００１７】

【数１】

【００１８】音響インピーダンスは、流路抵抗を表す第
１項と、（角周波数）×（イナータンス）を表す第２項
から構成されている。本実施例のヘッド１では、基本と
なる角周波数は、圧電素子２４の角固有振動数である。
すなわち、２×π×１２５ｋＨｚである。この周波数の
領域では、第２項が第１項の５倍以上の大きさとなる。
従って、音響インピーダンスＺｐ、Ｚｎは第２項が支配
的になり、イナータンスにより決定される。

【００１９】一般に、圧力室２３のイナータンスＭｐは
以下の式２で与えられる。ここで、ρは、インクの比重
である。Ｌｐは、圧力室２３の長さであり、開口部３３
から他の開口部３３までの距離である。ｄｐは、圧力室
２３の深さであり、ノズルプレート２０から隔離板２５
までの距離である。Ｗｐは、圧力室２３の幅であり、１
方の隔壁３２から他方の隔壁３２までの距離である。

【００２０】

【数２】

【００２１】一般に、ノズル２１のイナータンスＭｎは
以下の式３で与えられる。ここで、Ｄｎは、ノズルが真
円としたときの直径である。

【００２２】

【数３】

【００２３】本実施例のノズル２１は長円構造であるた
め、第１の幅４１と第２の幅４２の積がＤｎの２乗に相
当すると考える。ヘッド１の吐出効率を向上させる為に
は、ノズル２１のイナータンスを小さく抑える必要があ
る。本実施例のノズル２１は、５×１０７Ｋｇ／ｍ３程
度の小さいイナータンスを実現している。小さいイナー
タンスを有するノズル２１を備えた、本実施例のヘッド
１は、最大６０％の吐出効率を有する。

【００２４】ヘッド１の吐出効率が向上したことによ
り、以下の２つの効果が得られる。第１点は、３０ｖｏ
ｌｔ以下の低い電圧で圧電素子２４を駆動しても所望の
インク滴を吐出することができる点である。第２点は、
圧力室２３を小さく設計しても所望のインク滴を吐出す
ることができるため、高密度に実装した、コンパクトな
ヘッドを構成できる点である。

【００２５】ノズルプレート２０に要求される他の条件
として、流路抵抗がある。流路抵抗は、ヘッドの駆動周
波数に対する応答性（以下周波数応答性という）を決定
する重要な要因である。一般に、圧力室２３の流路抵抗
Ｒｐは以下の式４で与えられる。ここで、ηは、インク
の粘度である。

【００２６】

【数４】

【００２７】一般に、ノズル２１の流路抵抗Ｒｎは以下
の式５で与えられる。

【００２８】

【数５】

【００２９】本実施例のノズル２１は長円構造であるた
め、第１の幅４１の３乗と第２の幅４２の積がＤｎの４
乗に相当すると考える。図４の時間ｔ３における波形Ｗ
３は、ノズル２１の内部に大きく引き込まれたメニスカ
スの体積を表している。メニスカスは、ノズル２１の内
部にインク３０を満たそうとする圧力を発生する。この
メニスカスの圧力は、インク３０の持つ表面張力の作用
により発生する。流路抵抗は、メニスカスの圧力の作用
により、インク３０がノズル２１に充填され動作に影響
を及ぼす。流路抵抗が小さい程、短時間でノズル２１へ
のインク３０の充填が完了する。但し、ノズル２１の流
路抵抗が小さ過ぎると図１２および図１３の従来例に示
したように、メニスカスのオーバーシュートの影響を受
けて周波数特性を高める事ができなくなる。本実施例の
ヘッド１では、圧電素子２４の振動とは別に、メニスカ
スの圧力と圧力室２３のイナータンスとノズル２１のイ
ナータンスとからインクの振動系が形成される。この振
動系の自由振動を減衰させる為には、流路抵抗が大きな
役目を果たしている。流路抵抗を増加させるためには、
圧力室２３の深さｄｐを調整する第１の手段と、ノズル
２１のアスペクト比を調整する第２の手段がある。しか
し、圧力室２３の深さｄｐが狭い領域では深さｄｐの僅
かな精度ばらつきがインク滴の体積やインクスピードや
周波数応答性に大きく影響してしまうこと、複数の部材
から構成されている深さｄｐの寸法を精度良く管理して
製造することが困難であることから、第１の手段を採用
するのは適切ではない。逆に、ノズルプレート２０は、
電鋳やエッチングといった方法により精度良く製造可能
であるため、第２の手段は有効な手段である。ノズルプ
レートにメニスカスの振動防止のための流路抵抗を付加
する具体的手段は、ノズル開口４３のアスペクト比を大
きくすることである。式５に示したように、流路抵抗Ｒ
ｎはノズル開口の寸法に大きく依存している。すなわ
ち、アスペクト比１：１のノズルに対して、ノズル開口
の面積を等しくしたままアスペクト比を１：４に変化さ
せた場合、式３よりイナータンスＭｎは変化しないが、
式５より流路抵抗Ｒｎは１６倍大きくなる。

【００３０】図８に、駆動周波数を横軸５４、インクス
ピードを縦軸５５にした実験結果のグラフを示す。実験
に使用したノズル開口のアスペクト比は、１：４であ
る。単位は横軸５４が（ｋＨｚ）、縦軸５５が（ｍ／
ｓ）である。曲線５６は、８ｋＨｚまでは殆どフラット
な特性を示し、８ｋＨｚ以降僅かに変化している。

【００３１】図９に、駆動周波数を横軸５７、インク滴
の体積を縦軸５８にした実験結果のグラフを示す。実験
に使用したノズル開口のアスペクト比は、１：４であ
る。単位は横軸５７が（ｋＨｚ）、縦軸５８が（μｃ
ｃ）である。図８の曲線５６と同様に、曲線５９は、８
ｋＨｚまでは殆どフラットな特性を示し、８ｋＨｚ以降
僅かに変化している。本実施例による図８と図９に示し
た実験結果は、図１２と図１３の従来例の実験結果と比
較して起伏の無いフラットな特性を示している。そのた
め、周波数応答性は４ｋＨｚから８ｋＨｚに向上した。
また、８ｋＨｚ以上において、インクスピードが減少し
インク滴の体積が僅かに増加したのは、メニスカスのオ
ーバーシュートに起因している。すなわち、メニスカス
がオーバーシュートしている状態で次のインク滴を吐出
した場合、ノズル開口より外部に存在しているインクが
インク滴の飛翔の負荷になり、インクスピードは減少す
る。また、ノズル開口より外部に存在しているインクの
体積が、曲線５９の僅かな増加の原因となる。以上述べ
たように、アスペクト比を大きくするほど、メニスカス
の振動の減衰を早める効果がある。逆に、アスペクト比
が大きくなるほど、インク滴を吐出した後のノズル２１
へのインク３０の充填が遅くなる。また、アスペクト比
が１：６以上になると、インクの飛翔方向のブレが発生
することが実験により判明している。以上のことから、
ノズル開口のアスペクト比は、１：１より大きく１：６
より小さいことが好ましい。

【００３２】図１０は、本発明の他の実施例であり、イ
ンクジェットヘッドの１つのノズルのみを抜き出して表
した平面図である。本実施例のノズル開口６０は、長方
形の形状を呈している。ノズルプレート６１は、シリコ
ンである。ノズル開口６０は、ノズルプレート６１をエ
ッチングすることにより製造される。ノズル開口６０の
第１の幅６２と第２の幅６３のアスペクト比は、１：１
より大きくなるように設定されている。

【００３３】図１１も、本発明の他の実施例であり、イ
ンクジェットヘッドの１つのノズルのみを抜き出して表
した平面図である。本実施例のノズル開口６４は、楕円
形の形状を呈している。ノズルプレート６５は、ニッケ
ルの電鋳により製造される。ノズル開口６４の第１の幅
６６と第２の幅６７のアスペクト比は、１：１より大き
くになるように設定されている。

【００３４】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドは、複数
のノズル開口が形成されたノズルプレートと、ノズルプ
レートとの間に圧力室を形成する様に配設された圧力板
と、一端が自由端として圧力板に接合され、他端がベー
ス板に圧電素子とを具備したインクジェットヘッドにお
いて、ノズルプレートは、圧力室側のノズル開口が形成
された周囲の領域において段差部が形成されており、且
つノズル開口が１：１より大きいアスペクト比を有して
いることにより、ノズルプレートはノズル開口が形成さ
れる周囲の領域に薄肉部となる段差が設けられ該薄肉部
にノズル開口が形成されている為、ノズル開口の軸長さ
を短くすることでノズル開口部のイナータンスを低減さ
せることができると共に、薄肉部以外の領域であるノズ
ルプレート自体の厚みは厚く形成することができるため
ノズルプレートの機械的強度を保つことができる。同時
に、ノズル開口のアスペクト比を１：１より大きくした
構成と併せることでノズル開口部のイナータンスを更に
低減させることができ、よりインクの吐出効率を向上さ
せ、またノズル開口の流路抵抗を適度に大きくすること
で、メニスカスのオーバーシュートを防止することがで
きるという効果を有する。従って、本発明のインクジェ
ットヘッドは、高い吐出効率、高い駆動周波数に対応す
る応答性を有すると共にノズルプレートの強度向上を両
立することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
の斜視図である。

【図２】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
の断面図である。

【図３】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
の断面図である。

【図４】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
の動作を説明する為のグラフである。

【図５】本発明の一実施例であるノズルプレートの拡大
断面図である。

【図６】本発明の一実施例であるノズル開口の形状を表
した拡大平面図である。

【図７】本発明の一実施例に適用したインクジェットヘ
ッドの音響回路を示す図である。

【図８】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
の駆動周波数とインクスピードの関係を表すグラフであ
る。

【図９】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
の駆動周波数とインク滴の体積の関係を表すグラフであ
る。

【図１０】本発明の変形実施例であるノズル開口の平面
図である。

【図１１】本発明の変形実施例であるノズル開口の平面
図である。

【図１２】本発明の従来例であるインクジェットヘッド
の駆動周波数とインクスピードの関係を表すグラフであ
る。

【図１３】本発明の従来例であるインクジェットヘッド
の駆動周波数とインク滴の体積の関係を表すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ インクジェットヘッド ２０ ノズルプレート ２１ ノズル ２３ 圧力室 ２４ 圧電素子 ３０ インク ４３ ノズル開口

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のノズル開口が形成されたノズルプ
   レートと、前記ノズルプレートとの間に圧力室を形成す
   る様に配設された圧力板と、一端が自由端として前記圧
   力板に接合され、他端がベース板に圧電素子とを具備し
   たインクジェットヘッドにおいて、 前記ノズルプレートは、前記圧力室側の前記ノズル開口
   が形成された周囲の領域において段差部が形成されてお
   り、且つノズル開口が１：１より大きいアスペクト比を
   有していることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記ノズル開口の断面形状が、インク滴
   吐出側から圧力室側に向かって、除々に拡大した形状で
   あ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】 前記段差部はＮｉの２段階電鋳で形成さ
   れていることを特徴とする請求項１または請求項２記載
   のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記ノズル開口は、楕円形状であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の
   インクジェット式記録ヘッド。
5. 【請求項５】 前記ノズル開口は、長方形であることを
   特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のイ
   ンクジェットヘッド。