JP3236736B2

JP3236736B2 - 圧電式インクジェットプリンタ用印字ヘッド

Info

Publication number: JP3236736B2
Application number: JP19150194A
Authority: JP
Inventors: 良樹岩倉
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1994-08-15
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH0852871A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクオンデマント型の
圧電式インクジェットプリンタ用印字ヘッドの構造およ
び設計技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を記録紙に吹き付けて画像を形
成するインクジェットプリンタは、比較的高速で低騒音
で、分解能も高いため画質も良く、さらに低コスト化も
進んできたことから広く利用されてきている。またイン
クジェットプリンタには、その吐出のエネルギー源とし
て電熱変換素子を用いるものと電気機械変換素子を用い
るものとがある。

【０００３】後者の圧電式インクジェットプリンタ用印
字ヘッドは、後者の電気機械変換素子である圧電素子に
電圧を印加することにより圧電素子を変形させ、圧力室
に充填されているインクを圧縮しノズルよりインク滴を
吐出して印字を行う。この時の吐出に於ける液滴吐出速
度と液滴径とは記録紙上での画素径を決定するためプリ
ンタの仕様と密接な関係がある。

【０００４】図８は従来例の圧電式インクジェットプリ
ンタの印字ヘッドの構成を示す斜視図である。図８に示
す印字ヘッドはいくつもの凹状の溝の圧力室８５を形成
する圧電体８１と、圧電体８１の上側を覆う上蓋８２
と、圧力室８５に充填されるインクを圧電体８１の変形
によりインク滴を吐出するノズル孔８７を形成するノズ
ル板８３と、圧力室８５及びインク供給口８６を形成す
る封止板８４とで構成している。

【０００５】図９は従来例の圧電式インクジェットプリ
ンタの印字ヘッドをノズル孔側からみた断面図である。
図９に示す断面図を用いて印字ヘッドの構成を詳しく説
明する。印字ヘッドは分極方向がそれぞれ１８０度異な
る第１の圧電体９１と第２の圧電体９２と、第１の圧電
体９１と第２の圧電体９２とを上下に貼り合わせる第１
の接着剤９３と、第１の圧電体９１と第２の圧電体９２
とからなる凹状の溝を形成する導電体の電極膜９４と、
その電極膜９４と第１の圧電体９１と第２の圧電体９２
とを覆う例えばパリレン膜のような絶縁膜９５と、上蓋
９６と第２の圧電体９２とを貼り合わせる第２の接着剤
９７と、インクを充填する第１の圧力室９８とインクを
充填しない第２の圧力室９０とで構成している。

【０００６】またインクが充填している第１の圧力室９
８とインクが充填していない第２の圧力室９０とは一個
おきに配置し、各々の第１の圧力室９８の電極膜９４は
第１の圧力室９８を駆動信号Ｐｎ・・・・Ｐｎ＋２に接続
し、第２の圧力室９０の電極膜９４は共通に接地する。

【０００７】この第１の圧電体９１と第２の圧電体９２
との電圧印加時の変形はせん断モードを利用しており、
非印加時の第１の圧力室９８の容積に対し印加時は圧電
体９１、９２が図９に示す矢印のごとく変形し、圧力室
９９のように容積が収縮することより圧力増加となりイ
ンク滴の吐出を行う。また図に示してないが逆電圧を印
加すれば圧力室の容積膨張の方向へ第１の圧電体９１と
第２の圧電体９２とは変形することになる。

【０００８】図１０は図８と図９とで示す印字ヘッドの
１つの圧力室を横から見た断面図である。圧力室１０１
と、ノズル孔１０３を有するノズル板１０２と、インク
の供給口１０４とで構成している。従って図８と図９と
図１０より明らかなように圧力室の容積構造はインク滴
の吐出方向に長さ（奥行）Ｌと、巾Ｗと、高さＨとの直
方体である。

【０００９】図１１は圧電式印字ヘッドを駆動するため
の回路と波形とを示す図である。図１１（ａ）は駆動回
路を示す回路図であり、図１１（ｂ）は駆動回路の入力
信号と出力信号とを示す波形図である。

【００１０】入力信号Ｓはインク滴の吐出と非吐出とを
決める元の信号であり、出力信号Ｐｄは圧電素子１１４
に印加する信号である。入力信号Ｓを入力信号Ｓの反転
信号を出力するインバータ回路１１１に入力し、インバ
ータ回路１１１の出力はｐチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下
ｐＦＥＴと記載する）１１２のゲートとｎチャネルＭＯ
ＳＦＥＴ（以下ｎＦＥＴと記載する）１１３のゲートと
に接続し、ｐＦＥＴ１１２のソースは高電圧Ｅｈに接続
し、ｎＦＥＴ１１３のソースは接地している。

【００１１】ｐＦＥＴ１１２のドレインは抵抗Ｒｃを介
して圧電素子１１４の一方の電極に接続し、およびｎＦ
ＥＴ１１３のドレインは抵抗Ｒｄを介して圧電素子１１
４の一方の電極に接続し、圧電素子１１４の他方の電極
は接地している。圧電素子１１４の一方の電極は図９に
示すインクの充填している第１の圧力室９８側の電極膜
９４を示し、圧電素子１１４の他方の電極は図９に示す
インクの充填していない第２の圧電室９０側の電極膜９
４を示している。

【００１２】従って図１１（ｂ）に示すように、入力信
号Ｓが”Ｈｉｇｈ”電圧になるとｐＦＥＴ１１２がＯＮ
し、圧電素子１１４の充電が抵抗Ｒｃを介して始まり同
時に変形が起こり圧力室の収縮によりインク滴が吐出す
る。つぎに入力信号Ｓが”Ｌｏｗ”電圧に戻るとｎＦＥ
Ｔ１１３がＯＮし、抵抗Ｒｄを介して圧電素子１１４の
放電により元に戻る。抵抗Ｒｃと抵抗ＲｄとはＭＯＳＦ
ＥＴの電流制限や吐出調整等に使われる。

【００１３】前記のように図９に示すインクの充填して
いる第１の圧力室９８の圧電素子に矩形状の電圧を選択
的に印加すると、圧電素子の変形により第１の圧力室９
８内の容積が収縮し圧力が増加しノズルよりインク滴の
吐出が起こる。

【００１４】図１２はインク滴の経過時間ごとの吐出状
況を示す図である。時刻ｔ０より吐出が始まりｔ３でイ
ンク滴となって飛んでいく。その後印加電圧が下がると
圧電素子の変形も元に戻り時刻ｔ４で圧力室内は吐出前
の状態に戻る。この時吐出したインク滴の体積だけイン
クのノズル側の表面（以下メニスカスと記載する）は圧
力室側へ後退し、後にノズルの先端の表面張力によりメ
ニスカスは時刻ｔ７でノズル先端近くまで移動しインク
の補給が終了する。

【００１５】この吐出時のインク滴の体積はインクジェ
ットプリンタの仕様に合致していることが必要で、例え
ば図１３に示すように縦横３６０ｄｐｉ（記録紙上で１
インチあたりに３６０ドットの解像度があることを意味
する）の解像度では記録紙上にインク滴の着弾により形
成する画素１３０の間隔は約７０μｍであるので、コン
トラストを上げるには画素径は７０μｍφより大きくし
たほうが良いことは明らかである。

【００１６】単色文字印字の際、できる限り下地の紙の
白色を消すには画素径は約１００μｍφ必要であり、ま
た多色文字およびカラー画像印刷の際は若干小さくす
る。どちらの場合もこれより大きくするとグラフィック
印刷時における階調表現の劣化、カラー印刷時の色ずれ
および記録紙のしわ等の原因となってしまう。

【００１７】通常、記録紙上で１００μｍφの画素径を
得るのに必要な液滴径ｄはおよそ３０〜６０μｍφで、
厳密には記録紙、インクの種類、液滴吐出速度等を考慮
することにより、液滴径ｄが決まる。

【００１８】一方、吐出速度は遅過ぎると記録紙に到着
する時間が長くなるため、飛行中の外乱による影響が増
し着弾精度は低下する。しかも必要な画素径を得るには
液滴径を大きくする必要がありインク使用効率も下が
る。

【００１９】図１４は微小サテライトを含む吐出状況を
示す図である。吐出速度が高過ぎると図１４のごとく、
吐出時のノズルからのインク柱１４０の切断の際長い尾
をひき、その直後に非常に細かいサテライトが多数発生
し画質の低下を招く。

【００２０】以上の理由から、インクの特性（粘度、表
面張力など）により多少異なるものの、印字中のヘッド
のキャリッジ移動速度が０．数ｍ／ｓであることも考慮
し、通常吐出速度は少なくとも５〜１０ｍ／ｓの間に設
定している。

【００２１】図１５は圧電式インクジェットプリンタの
駆動波形Ｐｄと、ノズル内のメニスカスの動きの変位を
縦軸に、時間を横軸にして示す波形図である。圧電素子
に矩形状の高電圧を加えると波形Ｍ２のようなメニスカ
スの動きが起こる。

【００２２】波形Ｍ１は仮にインク滴の吐出が起こらな
い架空のメニスカスの変位を示すもので、図１５に示す
時間Ｔ１でインクが圧力増加により前進し、時間Ｔ２で
再び元に戻る様子を示している。しかし通常は同時に振
動波１５１が残留する。この振動波１５１は圧電体と圧
力室の構造とインクの特性と圧力伝搬の仕組み等で定ま
り、その印字ヘッド特有の固有振動周期Ｔｐを有する。

【００２３】ここでこの固有振動周期Ｔｐは圧力室にイ
ンクを充填していない時の圧電素子単体の共振周波数の
周期とは異なり、あくまでヘッド特有のインクの圧縮性
と圧力伝搬まで含む振動で、圧電体の共振周波数よりも
低い周波数の周期である。従って実際はこの圧電素子単
体の共振による振動も僅かな振幅ではあるが図１５の波
形Ｍ１、波形Ｍ２に加算しているが、影響が非常に小さ
いので省いて説明を進める。

【００２４】波形Ｍ２は実際のインク滴の吐出も考慮し
た時のメニスカスの動きの一例で、高電圧印加中にイン
ク滴が吐出し切断が起こる。その時メニスカスは一瞬は
ノズル面近くとなるが、その後圧電素子の変形を復帰さ
せることにより、吐出したインク滴の液滴体積だけノズ
ル面より供給側に後退する。

【００２５】その後ノズルの表面張力によりなだらかに
メニスカスはノズル面に復帰してくるが、復帰する慣性
力により逆にノズル面より前面に少し突出し、今度は逆
方向の表面張力によりメニスカスは後退しこれを繰り返
しながら減衰し平衡状態に落ちつく。

【００２６】この表面張力によりおこる表面張力振動周
期Ｔｈは、ノズルの径や構造、ノズル近傍の親水撥水
性、圧力室の構造、インクの特性等から決まるが、あく
まで表面張力による振動系で固有振動周期Ｔｐとは異な
る。そしてこの表面張力振動に前述の固有振動が加わっ
た状態で図１５の如くメニスカスはインクの供給を行い
ながら復帰していく。

【００２７】ここで前述したメニスカスの後退はノズル
裏の構造にも依るが、急激に変化すると気泡をノズルよ
り圧力室側に巻き込み特性に悪影響を与えたり吐出不能
に陥ることがあり注意を要する。従って圧電素子を駆動
する波形は完全な理想の矩形波ではなく、前述の図１１
または図１５の波形Ｐｄのごとく多少波形の鈍ったもの
を用いる。

【００２８】次に周波数特性について説明する。図１６
は図８に示すヘッドの液滴吐出速度と液滴径の周波数特
性の一例である。低周波での液滴吐出速度および液滴径
は、周波数を上げていくとある周波数から液滴吐出速度
の低下および液滴径の増大が起こり（領域Ａ１）、さら
に上げていくと液滴吐出速度および液滴は復活してくる
が共に振動が起きてくる（領域Ｂ１）。これは図１５に
示す吐出後のメニスカスの時間的変位と密接な関係があ
り、それまでの吐出、特に直前の吐出によるメニスカス
の様子によって次の吐出特性が影響をうける。

【００２９】図１７はメニスカスの状態を示す図であ
る。図１７（ａ）はメニスカスの平衡状態を示す図であ
り、図１７（ｂ）はメニスカスがとび出している状態を
示す図であり、図１７（ｃ）はメニスカスが圧力室側に
引っ込んでいる状態を示す図である。

【００３０】図１５と図１６と図１７とをもちいてそれ
ぞれの図の関係を説明する。図１５に示す表面張力振動
による最初のメニスカスの凸部である領域Ａは図１６の
吐出速度低下を示す領域Ａ１にほぼ一致し、これは図１
７（ｂ）に示すようにインクがノズル面より溢れかかっ
ている状態にメニスカスがあるため同じエネルギーで圧
力を受けると大きな液滴が通常よりも遅く吐出するから
で、特にノズル先端の表面の撥水性が悪いと顕著で、か
つその撥水性が均一でないと吐出方向も悪化してくる。

【００３１】この特性を改善するには、理想的にはイン
クの供給力を上げ表面張力振動によるメニスカスの凸部
の出現を早めて平衡点へ復帰させることであるが、それ
は表面張力振動系の周波数を高くすることである。

【００３２】例えばノズル面積を小さくし表面張力によ
る供給圧力を上げたり、ノズル面積を大きくすることな
く形状を変えインクとの接触長さを増やしたり、または
この振動に関与する圧力室の寸法をできる限り小さくし
たり、インクの特性（表面張力、粘度等）を変更するこ
とより可能であるが、実際はサテライトの増加やノズル
先端の流体抵抗が大きくなったり圧力室内の体積変化量
が小さくなったりしてしまい単純ではない。

【００３３】また表面張力振動の振幅を小さくすること
も一つの手段で、インクの粘度を上げたり後端の供給側
の流体抵抗を上げたりすることも考えられるが、あまり
変え過ぎると振幅は小さくなっても供給力が下がってし
まい周波数を高くした時にインクの供給不足となり易く
なる。

【００３４】また吐出直後のメニスカスの後退をいかに
少なくするかということも表面張力振動を抑えることに
おいて重要で、実際の吐出効率は圧力の増加に対しイン
ク滴が吐出する方向の圧力と後端の供給口側への圧力の
漏れとに影響を受け、理想は一方通行的な流れが良く、
吐出時の瞬間的な圧力に対しては後端への漏れなくノズ
ル側へ、インク供給時のこのようななだらかな圧力には
流体抵抗を小さくしすばやく供給できるヘッド構造が良
いが、現実は製作上難しい面がある。

【００３５】また図１５の表面張力振動におけるインク
供給中である領域Ｂは、図１６の速度の振動の激しい領
域Ｂ１とほぼ一致し、図１７（ｃ）に示すようなメニス
カスがノズル先端の静的平衡点より供給口側に凹んでい
る時に次の吐出パルスが発生する場合で、その時は小さ
い液滴径で高速に吐出する。

【００３６】これは供給不足状態に成りかけているわけ
で、しかも前に吐出した液滴による固有振動の残留振動
が大きく残っているため、その干渉により周波数特性に
振動が起きている。この振動を抑制する手段として、矩
形パルスのパルス巾を固有振動周期Ｔｐと一致させると
良いということは知られている（特開平４−１５６３３
３号公報）。

【００３７】これは振動系のパルス応答においてプラス
駆動時の残留振動を打ち消すようにマイナス駆動のタイ
ミングを与えることの効果による。実際は減衰振動特性
が加わるので完璧に抑えることは難しい。

【００３８】

【発明が解決しようとする課題】これまでに述べてきた
ように、インクジェットプリンタ用印字ヘッドの吐出特
性は多数の要素が複雑に影響を及ぼしており、製作時に
特性改善、コストダウン、仕様変更などによる寸法変更
が行われると、時により完成したヘッドの吐出特性が所
望の値からずれてしまうことがある。

【００３９】例えば所望の液滴吐出速度に対し液滴径が
所望の径より小さかったり大きかったりした時は、電圧
を調整し径を合わせ込むことはできるがその時は吐出速
度のほうがずれてしまう。これは本来の最適液滴吐出速
度、液滴径を同時に満足しないために前述したような画
質の低下を引き起こしてしまうという課題がある。

【００４０】本発明の目的は圧電式インクジェットプリ
ンタ用印字ヘッドのこの調整の難しさを改善し、簡単な
手段によりヘッドの良好な吐出特性が得られるための設
計手法と構造を提供するものである。

【００４１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、プリンタの解像度より決まる記録紙上の最
適な画素径を達成するためのインクの特性を考慮した最
適なインクの液滴体積Ｖと液滴吐出速度υと、次に吐出
液滴が球状に保たれるために必要なノズル先端面積Ｓ
と、ノズル先端から供給口までの圧力室の構造・寸法と
圧力室を満たすインクの特性から定まるヘッドの固有振
動周期Ｔｐが

【数３】を満足するような印字ヘッド構造とする。

【００４２】また、円形ノズルの時は数１を、角形ノズ
ルの時は数２を満足するノズル先端面積Ｓとすることを
特徴とする。

【００４３】

【作用】本発明において円形ノズルで説明すると、吐出
方向への圧力が加わっている時間（約Ｔｐ／２）にイン
クの先端が移動する距離を、ノズルの直径の約１〜３倍
にすることで、インク滴の飛行中での表面張力による球
化がほぼ正常におこなわれる。このため、記録紙上での
着弾後の画素の品質低下が非常に少なく、しかも簡単な
調整でインクと記録紙との最適画素形成となる所望の液
滴吐出速度υおよび液滴体積Ｖとを同時に設定でき、製
造時は無調整も可能である。

【００４４】

【実施例】以下に本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の実施例の基となる液滴吐出速度、液
滴体積およびその際の記録紙上の画素径との相関を示す
実験結果である。本発明の実施例では図８に示す圧電式
インクジェットプリンタの印字ヘッドを使用し、インク
は粘度３．１c.p.で表面張力４５dyne/cm の黒色インク
を用い、記録紙はXerox 4024紙を用いた例である。

【００４５】斜線部１０がプリンタの解像度から決まる
記録紙上での必要な最適画素径Ｄ（３６０ｄｐｉを前提
に１００μｍφとする）を形成するためのインクの液滴
吐出速度と液滴体積の満足する領域である。

【００４６】図１に示すｃ点は、ほぼ液滴吐出速度１０
ｍ／ｓで液滴体積６５ｐｌであり、ａ点はほぼ液滴吐出
速度５ｍ／ｓで体積１１０ｐｌ必要であり、さらにこの
範囲において、必要な画素径を得るための液滴吐出速度
と液滴体積との相関を知ることができる。

【００４７】仮に、より滲み易いインクを用いるなら、
その関係は点線斜線領域１１のようにずれる。液滴吐出
速度が１０ｍ／ｓよりも高くなると小さい液滴を高速で
紙面に衝突させ押し広げその後滲むことから、紙面の凸
凹の影響を受け易くなり画素の円形度係数及び濃度等が
悪化してしまう。

【００４８】一方あまりに吐出速度が遅すぎるとフェザ
リングが発生し易くなったりインクの乾燥時間が長くな
ったりすることから、インクの特性にも依るが実験に用
いたインクでは液滴吐出速度は３〜１０ｍ／ｓが許容範
囲である。この液滴のの吐出速度はインクの特性により
許容範囲は前述の値から前後にシフトする。

【００４９】さらに実際のプリンタに搭載したときの実
験から着弾精度の向上、微小サテライトの低減及びイン
クの使用効率等を考慮し、上述の範囲において設定液滴
吐出速度をυ、液滴体積をＶ（径ではｄ）とする。

【００５０】図２は駆動パルス巾に対する液滴吐出速度
と液滴径との関係を示す図である。横軸を駆動パルス巾
として、実線が液滴吐出速度、点線が液滴径を示す。こ
れは図８に示すヘッドを用いた場合である。

【００５１】図２に示すように加えたパルス巾がほぼ固
有振動周期Ｔｐの半分以下ではパルス巾に従って液滴吐
出速度および液滴径が上がるが、およそ固有振動周期Ｔ
ｐの半分以上では液滴吐出速度および液滴径に影響を与
えない。

【００５２】このため一般にパルス巾変調によるドット
階調などを行う場合はパルス巾を固有振動周期Ｔｐの半
分以下で用いるが、通常の吐出の有無を利用する時はば
らつき等を考え固有振動周期Ｔｐの半分以上で用いる。

【００５３】駆動パルス巾が固有振動周期Ｔｐを越えす
ぎると、ひとつの電圧印加に対し固有振動の残留による
希望しない第２の吐出が起こることがあり、通常駆動パ
ルス巾は固有振動周期Ｔｐの半分〜固有振動周期Ｔｐの
間で使用する。

【００５４】この状態では、駆動パルス巾または固有振
動周期Ｔｐが多少変動しても液滴吐出速度および液滴径
は一定である。従って液滴吐出速度および液滴径を調整
するには高電圧Ｅｈまたは充電抵抗Ｒｃを用いるが、そ
れでは液滴吐出速度および液滴径が同時に変化してしま
う。

【００５５】図３は吐出しない程度の階段波駆動時にお
けるメニスカスの変位と速度の実測応答波形を示す図で
ある。波形ｘはメニスカス変位、波形ｖはその変位速度
を示す。これは固有振動周期Ｔｐの半分までの間、メニ
スカスの変位速度はほぼ一定となっている。

【００５６】実際はパルス巾を狭くしていくと液滴が切
断する際ノズル側に引っ張られ失速するため、図２に示
すように液滴速度は低下していくが液滴径よりはパルス
巾に対し特性が平坦である。すなわち吐出される液滴速
度υは固有振動周期Ｔｐの半分の間ほぼ一定とみなす
と、ノズルの先端の面積をＳとしてυ×Ｓ×Ｔｐ／２で
表される体積をもつ液滴が速度υで飛んでいくことにな
る。

【００５７】そこで吐出する液滴体積Ｖは矩形波駆動で
は前述のごとく固有振動周期Ｔｐの約半分で吐出するこ
とから、ノズル先端の断面積Ｓが定まれば

【数４】の関係にあるので、固有振動周期Ｔｐは数３を満足する
ように設計することが必要となる。

【００５８】図４はノズル先端の断面積と吐出状況の様
子を示す模式図である。図４（ａ）はノズルの直径Ｒに
対してインクが吐出する長さが約１倍の場合の図で、図
４（ｂ）はノズルの直径Ｒに対してインクが吐出する長
さが約３倍の場合の図で、図４（ｃ）はノズルの直径Ｒ
に対してインクが吐出する長さが約３倍以上の場合の図
である。

【００５９】記録紙上に形成される画素の形はできる限
り円形が良く、細長い楕円状や、液滴が飛行中分割しそ
の結果複数の液滴で形成されることは印字品質上好まし
くない。発明者の実験では円形ノズルの場合、その直径
Ｒに対し吐出圧力が加わっている間（約Ｔｐ／２）にイ
ンクが円柱上に移動する長さＬが、およそＲ≦Ｌ≦３Ｒ
の範囲であれば印字品質は保てるが、図４（ｃ）のごと
く細長く吐出した時は液滴の飛行中に表面張力等により
多数の小さな液滴に分割してしまい紙面上でサテライト
だらけとなり画質低下となる。

【００６０】ここで長さＬがノズルの直径Ｒの１倍およ
び３倍となる時のノズルの直径をＲ_maxおよびＲ_minと
すると、ノズルの面積Ｓ×長さＬ＝液滴体積Ｖからそれ
ぞれＲ_max＝（４Ｖ／π）^1/3およびＲ_min＝（４Ｖ／
３π）^1/3である。

【００６１】そこでノズル先端面積Ｓを数１を満足する
ように設定すれば印字品質の悪化は最小限に抑えること
ができる。

【００６２】数１を満足するノズル先端面積Ｓの最小値
をＳ_min 、最大値をＳ_max とし、その時の固有振動周期
Ｔｐの取り得る値をＴp_max、Ｔp_minとして数３より次式
のようになる。

【数５】

【数６】

【００６３】次に、図１に示すａ、ｂ，ｃの３種類につ
いて液滴径ｄと固有振動周期Ｔｐとの実際の計算結果を
下に示す。Ｖ＝１１３ｐｌ（ｄ＝６０μｍφ）、υ＝５ｍ／ｓの時、Ｒ_min≒３６μｍφ、Ｓ_min≒１０４０μｍ²、Ｔp_max≒４４μｓＲ_max≒５２μｍφ、Ｓ_max≒２１６０μｍ²、Ｔp_min≒２１μｓＶ＝８７ｐｌ（ｄ＝５５μｍφ）、υ＝７．５ｍ／ｓの時、Ｒ_min≒３３μｍφ、Ｓ_min≒ ８７０μｍ²、Ｔp_max≒２７μｓＲ_max≒４８μｍφ、Ｓ_max≒１８１０μｍ²、Ｔp_min≒１３μｓＶ＝６５ｐｌ（ｄ＝５０μｍφ）、υ＝１０ｍ／ｓの時、Ｒ_min≒３０μｍφ、Ｓ_min≒ ７２０μｍ²、Ｔp_max≒１８μｓＲ_max≒４４μｍφ、Ｓ_max≒１５００μｍ²、Ｔp_min≒ ９μｓ

【００６４】図５は本発明の第１の実施例の液滴径ｄと
固有振動周期Ｔｐとの上述の計算結果を示す図である。
これにより必要なノズル径をＲ_max 〜Ｒ_min の間で定
め、数３より求まる固有振動周期Ｔｐとなるヘッド構造
にすれば所望の吐出特性を得る。

【００６５】しかしノズル径は他の要因からも限定され
る。例えば非吐出時にノズルよりインクが溢れないよう
にするため負圧（メニスカスを圧力室側に少し下げる方
向の圧力）をかける。

【００６６】また、インクの貯蔵として使われるカート
リッジは一般にインクが少なくなってくると負圧が増し
てくるため、ノズルでのインクのメニスカスが急激に後
退し気泡叉は空気が圧力室側に入ってしまい、その時は
メニスカスはノズル先端まで正常復活しない。その負圧
限界を大きくするにはノズル径は小さいほど良い。

【００６７】一方、ノズル径を小さくすると数３より固
有振動周期Ｔｐを大きくする必要がでてくるが、後に述
べるが図１６で示す周波数特性において高周波での吐出
低下をなるべく高周波側にもっていくには（周波数特性
を良くするには）メニスカスの表面張力振動周期Ｔｈを
小さくしたほうが良く、そのために圧力室の小型化が必
要で通常小さくするほど固有振動周期Ｔｐは小さくな
る。よってその両者のバランスと、体積変化量と関係す
る駆動電圧も考慮し、ノズル径Ｒと固有振動周期Ｔｐを
定めなければならない。

【００６８】図６は図９と図１０とに示す圧力室の構造
において固有振動周期Ｔｐと圧力室の長さＬの関係の測
定結果である。

【００６９】前述した液滴吐出速度υおよび液滴体積Ｖ
をそれぞれ図１におけるｂ点、つまり液滴吐出速度υ＝
７．５ｍ／ｓ、液滴径ｄ＝５５μｍの場合で考える。カ
ートリッジの取り得る最大静的負圧を仮に余裕をもって
−４０ｍｂとし、それに対しメニスカスが後退しないノ
ズル径Ｒはノズル裏の親水性が良い場合で約４０μｍφ
である。よってその時の設定される固有振動周期Ｔｐは
数３よりＴｐ≒１８μｓであるので図６よりＬ≒８ｍｍ
に設定することにする。

【００７０】図７は本発明の実施例における印字ヘッド
の吐出特性を示す図である。横軸を駆動電圧、縦軸を速
度と液滴径として表している。この結果が示すように上
述の設計手法により目標の液滴速度υ、液滴体積Ｖが得
られ、記録紙上で画素径１００μｍφを達成している。

【００７１】つぎに製造上角形ノズルにせざるを得ない
場合の実施例を説明する。基本的にノズルの面積を決め
るまでの方法は前述の実施例と同様である。インクの供
給を速めるために、同じ面積でも長方形の方が表面張力
圧力を上げられるが、飛行中の好ましい液滴の球化を考
慮すると通常は正方形に近い角型が用いられることか
ら、ここでは一辺をａとする正方形のノズルで説明す
る。

【００７２】前述の実施例と同様、吐出後の液滴の球化
を考え吐出中の長さＬの許される範囲はほぼ実験的にａ
≦Ｌ≦３ａであり、数１同様角型ノズルにおいてもノズ
ル面積Ｓの範囲は数２のごとくである。その時の固有振
動周期のＴp_maxとＴp_minとは数５と数６と同様になる。

【００７３】実際の計算結果を次に示す。Ｖ＝１１３ｐｌ（ｄ＝６０μｍφ）、υ＝５ｍ／ｓの時、ａ_min≒３４μｍ、Ｓ_min≒１１２０μｍ²、Ｔp_max≒４０μｓａ_max≒４８μｍ、Ｓ_max≒２３４０μｍ²、Ｔp_min≒１９μｓＶ＝８７ｐｌ（ｄ＝５５μｍφ）、υ＝７．５ｍ／ｓの時、ａ_min≒３１μｍ、Ｓ_min≒ ９４０μｍ²、Ｔp_max≒２５μｓａ_max≒４４μｍ、Ｓ_max≒１９７０μｍ²、Ｔp_min≒１２μｓＶ＝６５ｐｌ（ｄ＝５０μｍφ）、υ＝１０ｍ／ｓの時、ａ_min≒２８μｍ、Ｓ_min≒ ７８０μｍ²、Ｔp_max≒１７μｓａ_max≒４０μｍ、Ｓ_max≒１６２０μｍ²、Ｔp_min≒ ８μｓその結果、角型ノズルの一辺の長さａは実施例１と同様
の理由でａ≒３５μｍを選択するとＴｐ≒１９μｓとな
り圧力室の長さＬはＬ≒８ｍｍと定まる。吐出特性は前
述の実施例の円形ノズルの時とほぼ同様となる。

【００７４】以上本発明に関しふたつの実施例で説明し
たが、最適な液滴速度υおよび液滴体積Ｖは記録紙の特
性、インクの特性、プリンタの解像度などによって変化
し得るもので、本発明はその場合においても何等問題な
く対処できる設計手法である。また圧力素子の変形方式
においても本発明のせん断モードに限らず多種の方式に
適用でき、あくまで固有振動周期Ｔｐとノズル面積Ｓと
の関係を特徴とするものである。

【００７５】また本発明の実施例は、非吐出時の状態に
対しいきなり圧力室を収縮することによりインク滴を吐
出させ、その後元に戻すことよりノズルの表面張力によ
りインクの供給を行なう場合であるが、非吐出時に対し
徐々に（固有振動周期Ｔｐの数倍以上の時間をかけて）
圧力室を膨張させながらノズルの表面張力によりインク
の供給を行いその後急激に元に戻すか収縮させてインク
滴を吐出させる場合でも、ほぼ固有振動周期Ｔｐの半分
の時間で吐出特性が決定することより吐出動作は同じで
あり本発明が有効に寄与する。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、プリンタの解像度及び
目標とする記録紙上での最適画素形成を考慮した時のイ
ンクの特性にあった液滴吐出速度υおよび液滴体積Ｖを
基に、ノズルの先端面積Ｓと固有振動周期Ｔｐとを前述
の相関の上で設計することより、微小サテライトが少な
く変形画素も少ない良好な画素を形成し、さらに所望の
特性が複雑な調整無く成し遂げられる印字品質の高いイ
ンクジェットプリンタを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における液滴吐出速度、液滴体
積と画素径の相関を示す図である。

【図２】印字ヘッドの駆動パルス巾に対する液滴吐出速
度と液滴径との関係を示す図ある。

【図３】階段波駆動時におけるメニスカスの変位と速度
の実測応答波形を示す図である。

【図４】ノズル先端の断面積と吐出状況の様子を示す模
式図である。

【図５】本発明の実施例における液滴径と固有振動周期
との計算結果を示す図である。

【図６】本発明の実施例における印字ヘッドの長さＬと
固有振動周期Ｔｐとの関係の実験結果を示す図である。

【図７】本発明の実施例における印字ヘッドの吐出特性
を示す図である。

【図８】従来例の圧電式インクジェットプリンタの印字
ヘッドの構成を示す斜視図である。

【図９】従来例の圧電式インクジェットプリンタの印字
ヘッドのノズル側から見た断面図である。

【図１０】従来例の圧電式インクジェットプリンタの印
字ヘッドの圧力室を横からみた断面図である。

【図１１】圧電式印字ヘッドを駆動するための回路と波
形とを示す図である。

【図１２】インク滴の経過時間ごとの吐出状況を示す図
である。

【図１３】圧電式インクジェットプリンタにより形成さ
れた記録紙上の画素を示す図である。

【図１４】微小サテライトを含む吐出状況を示す図であ
る。

【図１５】図８に示す印字ヘッドのメニスカス振動の時
間的変位を示す形図である。

【図１６】図８に示す印字ヘッドの液滴吐出速度と液滴
径の周波数特性である。

【図１７】図１６に関するメニスカスの状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０最適液滴吐出速度と液滴体積を示す領域８１圧電体８２上蓋８３ノズル板８４封止板８５圧力室８６インク供給口８７ノズル孔９０第２の圧力室９１第１の圧電体９２第２の圧電体９３第１の接着剤９４電極膜９５絶縁膜９６上蓋９７第２の接着剤９８第１の圧力室９９圧縮された第１の圧力室

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子の変形により圧力室の容積の収
縮および膨張をおこなうことにより圧力室に充填された
インクを圧縮しノズルからインク滴を吐出するインクオ
ンデマント型の圧電式インクジェットプリンタ用印字ヘ
ッドに於いて、圧電式インクジェットプリンタの解像度
から決定する記録紙上での画素径を満足するインク滴の
液滴吐出速度υと、液滴体積Ｖと、該ノズルの先端の面
積Ｓと、圧電素子を含む圧力室と供給口およびノズルの
構造とインクの特性とから定まる固有振動周期Ｔｐは、
Ｔｐ≒２Ｖ／（Ｓ×υ）の関係にあって、ノズルの先端
の面積Ｓと液滴体積Ｖとの関係が、【数１】を満足する円形ノズルを有することを特徴とする圧電式
インクジェットプリンタ用印字ヘッド。
【請求項２】圧電素子の変形により圧力室の容積の収
縮および膨張をおこなうことにより圧力室に充填された
インクを圧縮しノズルからインク滴を吐出するインクオ
ンデマント型の圧電式インクジェットプリンタ用印字ヘ
ッドに於いて、圧電式インクジェットプリンタの解像度
から決定する記録紙上での画素径を満足するインク滴の
液滴吐出速度υと、液滴体積Ｖと、該ノズルの先端の面
積Ｓと、圧電素子を含む圧力室と供給口およびノズルの
構造とインクの特性とから定まる固有振動周期Ｔｐは、
Ｔｐ≒２Ｖ／（Ｓ×υ）の関係にあって、ノズルの先端
の面積Ｓと液滴体積Ｖとの関係が、【数２】を満足する角形ノズルを有することを特徴とする圧電式
インクジェットプリンタ用印字ヘッド。