JP4221930B2

JP4221930B2 - インクジェットヘッド

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Publication number: JP4221930B2
Application number: JP2001572308A
Authority: JP
Inventors: 知久新海; 修司小池; 義明坂本
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: WO2001074593A1; US6786585B2; US20030025769A1

Description

【０００１】
【技術の分野】
本発明は、圧力室に圧力を与えて、インクを噴射するインクジエットヘッドに関し、特に、圧力室へのインク再充填速度を向上するためのインクジエットヘッドに関する。
【０００２】
【背景技術】
インクジェットヘッドは、記録媒体に、インク滴を噴射して、記録を行うものであり、小型のプリンタとして、広く利用されている。図２１、図２２は、従来のインクジェットヘッドの構成図である。このヘッド１０は、駆動素子として、振動板１０２に、ピエゾ素子１０１を積層したバイモルフ・アクチュエータの適用例を示している。
【０００３】
このヘッド１０では、インクタンク１０８からヘッド１０へインクが供給され、更にヘッド１０内では共通インク路１０７およびインク供給路１１０を通って各圧力室１０４とノズル１０６にインクが供給される。
【０００４】
駆動回路から駆動信号を、ピエゾ１０１上の個別電極（各ノズルに対応する電極）に与えると、ピエゾ１０１の圧電効果により、振動板１０２が圧力室１０４内に向けて撓み、ノズル１０６よりインクを噴射する。このインクが印字媒体上でドットを形成し、所望の画像を形成する。
【０００５】
このように、マルチノズルヘッド１０では、各圧力室１０４は、共通インク路（室）１０７に、各インク供給路１１０を介し接続され、共通インク路１０７から圧力室１０４にインクが供給される。従って、ノズル１０６からインクを噴出後、共通インク室１０７からインク供給路１１０を介し圧力室１０４に、インクが再充填される。共通インク室１０７には、各圧力室１０４の圧力変動を吸収し、緩和するため、音響容量部１０９が設けられている。
【０００６】
この構成のヘッドの音響等価回路は、図２３で表される。そして、インク噴射時は、図２４に示すような等価回路に、インク再充填時は、図２５に示すような等価回路に近似できる。即ち、インク噴射時は、ピエゾ１０１により、圧力室１０４が動作するため、ピエゾ１０１と圧力室１０４の音響容量Ｃ２が付加され、インク再充填時は、ノズル１０６と供給路１１０の音響抵抗Ｒ１，イナータンスＬ１，ノズルのメニスカスの音響容量Ｃ１のＬＣＲの二次遅れ系で表される。
【０００７】
メニスカスの音響容量Ｃ１は、ピエゾと圧力室の音響容量に比べて桁違いに大きいため、インクの噴射の固有周波数は、数十〜百数十ＫＨｚであり、１０マイクロ秒オーダーに高速化できるのに対し、噴射されたインクの再充填の固有周波数は、数〜数十ＫＨｚであり、１００マイクロ秒オーダーである。従って、インクジェットヘッドの動作周波数は、インクの再充填周波数で制限され、十数ＫＨｚ以上に向上するのが困難である。
【０００８】
このことは、図２６に示す図２５の近似等価回路の電荷流の周波数特性からも明らかである。即ち、図２５のＬＣＲの二次遅れ系の固有周波数をω０とし、ω／ω０を横軸にとり、縦軸に、正規化された電荷流をとる。この電荷流は、インクジエットヘッドの場合に、インクの体積変位に相当する。パラメータのダンピングファクタδは、下記式で定義される。
【０００９】
δ＝０．５＊（Ｒｎ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）＊√（Ｃｎ／（Ｌｎ＋Ｌｃ＋Ｌｓ））
従って、通常最適値とされるダンピングファクタδ＝０．５では、ω／ω０が、「１」を越えると、急激に電荷流が小さくなり、即ち、インクの体積変位が小さくなるため、固有周波数ω０以上での周波数での使用は、インクの供給不足を招き、インク噴出量が大幅に少なくなる。例えば、ノズル径２０ミクロンで、２．０ｐｌのインク粒を噴射する実施例のヘッドの場合には、インク噴射の固有周波数は、１１１．９ＫＨｚであるが、インク再充填の固有周波数は、３４．５ＫＨｚであり、後者の固有周期は、前者のそれの３．２倍もかかる。このため、インク噴射の能力を生かして、高速印字を行うことが困難である。又、高速に印字を行うには、インクの噴射を行うノズル数を増加（例えば、数百以上に）する必要があり、装置価格が上昇する要因となっていた。
【００１０】
【発明の開示】
本発明の目的は、インク再充填の動作周波数を向上して、高速印刷を可能とするためのインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１１】
又、本発明の他の目的は、コスト高の能動素子等を使用せずに、インク再充填速度を高め、安価に高速印刷を実現するためのインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、簡単な構成により、インク再充填の動作周波数を向上するためインクジエットヘッドを提供することにある。
【００１３】
この目的の達成のため、本発明のインクジェットヘッドは、ノズルからインクを噴出するインクジェットヘッドにおいて、前記ノズルの各々に個別に連通する圧力室と、前記圧力室にインク噴射エネルギーを付与するエネルギー生成部と、前記圧力室の各々に連通するインク室と、前記インク室に接続される前記圧力室の各々に個別に設けられ、前記インク室から前記圧力室の各々にインクを供給する供給路とを有し、前記供給路は、個別ダンパと、前記個別ダンパと前記圧力室を接続する第１のインク供給路と、前記個別ダンパと前記インク室を接続する第２のインク供給路とを有し、個別ダンパの音響容量Ｃｄ、ノズルのメニスカスの音響容量の最小値Ｃｎ、第２のインク供給路のイナータンスＬｓ２、ノズルのイナータンスＬｎ、第１のインク供給路のイナータンスＬｓ１、第２のインク供給路の音響抵抗Ｒ２’、ノズルの音響抵抗Ｒｎ、ノズル及び第１のインク供給路の音響抵抗Ｒ１’、第１のインク供給路の音響抵抗Ｒｓ１とするとき、
Ｃｄ＝ｋ１・Ｃｎであって１≦ｋ１≦√２
Ｌｓ２＝Ｌｎ＋Ｌｓ１
Ｒ２’＝ｋ３√（Ｌｓ２／Ｃｄ）であって０．５≦ｋ３≦１
Ｒ１’＝ｋ４・（Ｒｎ＋Ｒｓ１）であって０＜ｋ４≦０．１
の条件を満たすことを特徴とする。
【００１４】
本発明では、インク供給路に、個別ダンパを設け、インク供給路に音響容量を持たせた。このため、圧力室とインク供給路に相互作用を生じ、インク再充填動作を励振できる。従って、インク供給路に能動素子を設けることなく、インク再充填周波数を、約√３倍に拡大でき、インク噴射速度を向上できる。
【００１５】
又、本発明のインクジェットヘッドでは、前記個別ダンパは、前記ノズルのメニスカスとほぼ等しい音響容量を有することにより、個別ダンパの構成により、インク再充填周波数を向上できる。
【００１６】
又、本発明のインクジェットヘッドでは、前記個別ダンパの音響容量Ｃｄは，前記メニスカスの音響容量の最小値Ｃｎの１倍から√２倍の範囲に設定されたことにより、容易に実現できる。
【００１７】
更に、本発明のインクジェットヘッドでは、前記ノズルのメニスカスの音響容量の変化が、２倍以内になるように、前記ノズルを構成することにより、ノズルの音響容量の変化が、インク再充填周波数に影響するのを防止できる。
【００１８】
又、本発明のインクジェットヘッドでは、インクの流動方向に垂直な断面の面積に関して、前記第１のインク供給路の断面積は、前記圧力室と前記個別ダンパの断面積よりも小さく、前記第２のインク供給路の断面積は、前記インク室と前記個別ダンパの断面積よりも小さいことにより、インクの流体抵抗の影響を防止できる。
【００１９】
更に、本発明のインクジェットヘッドでは、前記個別ダンパは、可撓性部材で覆われた構造を有することにより、小さな室でも大きな音響容量を実現でき、ヘッドの大型化を防止する。
【００２０】
又、本発明のインクジェットヘッドでは、前記個別ダンパは、メニスカス形成部で構成されたことにより、ノズルメニスカスの音響容量を、インク供給路に簡単に実現できる。
【００２１】
更に、本発明のインクジェットヘッドでは、前記エネルギー生成部は、圧電素子を含むことにより、圧電型ヘッドの高速性を生かすことができる。
【００２２】
更に、本発明のインクジェットヘッドでは、前記第１のインク供給路は、並行する複数の流路から構成することができる。又、本発明のインクジェットヘッドでは、前記第２のインク供給路は、並行する複数の流路から構成することができる。
【００２３】
本発明の他の目的、形態は、以下の図面及び実施の形態からあきらかとなる。
【００２４】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、本発明の一実施の形態のマルチノズルインクジェットヘッドの上面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図、図３は、インク再充填時の音響等価回路図、図４は、その周波数特性図、図５は、図１のヘッドの音響等価回路図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、このヘッド１では、インクタンク２からヘッド１のインク共通路１５へインクが供給される。更に、ヘッド１内では、共通インク路１５と各圧力室１６とノズル１７とが、インク供給路１８を介し接続される。このインク供給路１８は、個別ダンパ（音響容量素子）１３と、個別ダンパ１３と圧力室１６とを接続する第１の供給路１２と、個別ダンパ１３と共通インク室１５とを接続する第２の供給路１４とで構成されている。圧力室１６上には、ピエゾ（圧電素子）１１、個別電極、振動板が設けられている。
【００２６】
駆動回路から駆動信号を、ピエゾ１１上の個別電極（各ノズルに対応する電極）に与えると、ピエゾ１１の圧電効果により、振動板が圧力室１６内に向けて撓み、ノズル１７よりインクを噴射する。このインクが印字媒体上でドットを形成し、所望の画像を形成する。ノズル１７からインクを噴出後、共通インク室１５からインク供給路１８を介し圧力室１６に、インクが再充填される。共通インク室１５には、各圧力室１６の圧力変動を吸収し、緩和するため、音響容量部１９が設けられている。
【００２７】
本発明の特徴的な点は、共通インク路１５と各圧力室１６を接続するインク供給路１８に、個別ダンパ１３を設けた点にある。この個別ダンパ１３は、音響容量素子で構成される。従って、図１及び図２のヘッドの音響等価回路は、図５に示すようになる。即ち、図２３の回路に、個別ダンパ１３の音響容量Ｃｄを２つの供給路１２，１４の間に、設けたものとなる。
【００２８】
この構成のヘッドでは、インク噴射時は、個別ダンパ１３が作用しないため、図５の等価回路は、図２３の等価回路と同一であり、インク噴射時の近似等価回路は、図２４で示したものに等しい。即ち、インク噴射には、個別ダンパ１３は、影響しない。一方、インク再充填時の近似等価回路は、図３に示すように、図２５の回路に対し、個別ダンパ１３の音響容量Ｃｄ（Ｃ２）を２つの供給路１２，１４の間に、設けたものとなる。
【００２９】
この図３の近似等価回路は、入力側に、コンデンサを並列接続した回路に相当し、動作周波数を高めることができる。即ち、アナログ電話機の分野においては、図２５のようなＬＣＲからなる二次遅れ系の伝送周波数帯域を広げるため、入力側に、コンデンサを並列接続することが知られている（例えば、早川、吉川；音響振動論第１９６ページから第１９７ページ、丸善）。
【００３０】
この方法によれば、図３の回路において、Ｃ１＝Ｃ２，Ｌ２’＝Ｌ１，Ｒ２’＝√（Ｌ２’／Ｃ２）、Ｒ１’＝０の関係に選ぶことにより、電荷流は、破線で示すＬＣＲの二次遅れ系（図２６のδ＝０．５の場合で説明する）に比べ、感度を少しも減じることなく、平坦な周波数特性を√３倍に拡大できる。
【００３１】
この理論をインクジエットヘッドに適用することにより、インク再充填速度、即ち、固有振動数を√３倍に拡大できる。図３のヘッドの等価回路に戻り、前述の条件のヘッドへの適用を検討する。
【００３２】
図３のヘッドの等価回路において、図５を参照すると、Ｃ２は、個別ダンパ１３の音響容量Ｃｄであり、Ｃ１は、ノズル１７の音響容量Ｃｎである。従って、前記理論の第１の条件に従って、個別ダンパ１３の音響容量Ｃｄをノズル１７の音響容量Ｃｎと等しくすれば良い。
【００３３】
また、Ｌ１は、ノズル１７と第１の供給路１２のイナータンスであるため、前記理論の第２の条件に従い、第２の供給路１４のイナータンスＬ２’（Ｌｓ２）を、（Ｌｎ＋Ｌｓ１）に等しくすれば良い。
【００３４】
更に、第３の条件に従い、第２の供給路１４の音響抵抗Ｒ２’は、√（Ｌ２’／Ｃｄ）と等しくすれば良い。第４の条件に従うと、Ｒ１’は、ノズル１７と第１の供給路１２の音響抵抗の和（Ｒｎ＋Ｒｓ１）をゼロにする。
【００３５】
これらの条件を満たせば、前述のように、√３倍の周波数帯域が得られ、インク再充填速度を向上できる。しかし、これらの条件をヘッドの構造（ノズル、圧力室、供給路の構造）で実現するには、困難な点があり、実現容易な構成を検討する。
【００３６】
第１に、ノズル１７の音響容量Ｃｎは、インクメニスカスの音響容量であり、非線形であり、且つピエゾ１１の音響容量に対し、２桁以上も大きな値である。このため、従来のインク噴射の音響回路解析（線形解析）においては、短絡とみなし、インク再充填動作については、音響回路以外の方法で非線形解析を行い、一次遅れ系で近似せざるを得なかった（例えば、ＵＳＰ４，４４３，８０７）。
【００３７】
しかし、本発明者等の検討では、前述のメニスカスの音響容量Ｃｎの非線形性を、大幅に低減できる手法を見出した。そして、メニスカスの音響容量Ｃｄの非線形性を素子値変動とみなし、素子値の変動許容値を極大化することにより、線形のままで図３（図５）の回路素子の最適値が計算できる。即ち、第１の条件を、ヘッドの構造に具体化できる。図６乃至図９により説明する。
【００３８】
図６は、ノズル１７におけるメニスカス１７−１の状態を示し、ノズル１７の半径をｒｎで示し、接触角をΘで示してある。図７は、横軸に接触角をとり、縦軸に、接触角Θが９０度の場合の音響容量を「１」とした時の、各接触角における音響容量の比をとったものである。図７は、前述のノズル１７の半径ｒｎが、１０μｍの計算値である。図７に示すように、ノズルの音響容量は非線形に大きく変化していることがわかる。
【００３９】
図８は、各接触角におけるメニスカスの位置と、メニスカスの体積の変位を示す。尚、接触角が９０度の場合のメニスカスの位置、体積の変位をゼロとしており、メニスカスの後退に従い、体積変位が増加する。又、図８では、前述のノズル１７の半径ｒｎが、１０μｍで、２μｍのインク粒を噴射する場合の計算値である。
【００４０】
通常の設計では、インク再充填時のメニスカスの後退量の最大の適正値は、メニスカスの体積の変位が、インク粒子の体積の約３０パーセント程度の変位の時の後退量であるとされている。従来の６００ｄｐｉのヘッドでは、約２０ｐｌのインク粒子を、直径３０μｍ程度のノズルから噴射する設計であり、メニスカスの後退時に、接触角の変化する範囲は、９０度から２０度と広い。従って、図７の特性からも理解されるように、メニスカスの音響容量の変化は、接触角９０度の値を基準に、最大６倍程度である。
【００４１】
これに対し、噴出粒子量に対し、大きな直径のノズルでは、図８から明らかなように、前述の体積変位が３０パーセントの範囲は、接触角の変化が９０度から４５度と狭くなる。図７から、この接触角の範囲での、音響容量の変化は、接触角９０度の値（これを最小値とする）を基準に、２倍以内の範囲である。このように、２ｐｌのインク粒子を、直径２０μｍの比較的大きな直径のノズル１７から噴射するヘッドを設計することにより、メニスカスの後退時の体積変位が小さくなり、接触角の変化の範囲が、９０度から４５度までと小さくして、音響容量の変化を２倍以内と、従来の約３分の１に小さくできる。
【００４２】
ここまで、変動幅を減らすことにより、メニスカスの音響容量の非線形性を素子値の変動とみなすことができる。この素子値の変動許容値を極大化するように、各素子の設計を行う。図９は、個別ダンパ１３の音響容量Ｃ１（Ｃｄ）に対するヘッドの電荷流の周波数特性図である。即ち、個別ダンパ１３の音響容量を、メニスカスの音響容量Ｃｎの１．０倍（ケースａ），０．４０８倍（ケースｂ）、１／√２倍（０．７０７倍）（ケースｃ），√２倍（１．４１４倍）（ケースｄ）、２．４４９倍（ケースｅ）に設定した各場合での周波数特性を計算したものである。
【００４３】
図９からも、音響容量が２倍の範囲内では、即ち、ケースｃからケースｄの範囲内では、ケースａの場合に比較して、全体的に電荷流の変化が、３０パーセント以内であり、カットオフ周波数（ω／ω０＝√３）での電荷流は、殆ど変化していない。このカットオフ周波数でのインク再充填は、可能である。従って、メニスカス１７−１の最大音響容量をｋｂ・Ｃｎとすると、前述の音響容量２倍以内の範囲、即ち、ｋｂ≦２の範囲内において、ｋｂ／√２Ｃｎ≦Ｃｄ≦√２Ｃｎの関係が成立する。
【００４４】
ここで、Ｃｄ＝ｋ１・Ｃｎとおくと、前述の式より、ｋｂ／√２≦ｋ１≦√２の関係が成立する。ｋｂ≦２であるから、１≦ｋ１≦√２となる。このような条件により、インク再充填周波数の広帯域化が可能となる。
【００４５】
第２に、室温（０度〜４０度程度の範囲）の変化により、インクの粘度は、常温の０．５〜２倍程度に変化する。このため、室温の変化により、前述の図３の回路素子Ｒ２’（第２の供給路１４の音響抵抗）の条件（√（Ｌ２’／Ｃｄ）と等しい）は、特定の温度でしか成立しない。このインク粘度の変化によるＲ２’の変動により、周波数特性は変化する。これによるインク再充填への影響について検討する。
【００４６】
図１０は、回路素子Ｒ２’を、標準値Ｒ２の１倍、０．５倍、０．２５倍、０．１２５倍とした場合の図３の等価回路の電荷流の周波数特性のシミュレーション結果を示した図である。尚、回路素子Ｒ１は、前述の第４の条件に従い、「０」に設定している。
図１０から、明らかなように、Ｒ２’の変動により、電荷流の周波数特性は大きく変動する。しかし、各ケースａ，ｂ，ｃ，ｄとも、カットオフ周波数（ω／ω０＝√３）での電荷流は、殆ど変化していない。このカットオフ周波数でのインク再充填は、可能である。従って、Ｒ２’＝ｋ３√（Ｌ２’／Ｃ２）の関係式において、ｋ３＝１である必要はなく、０＜ｋ３≦１であればよい。又、図１０の結果から、好ましくは、０．５≦ｋ３≦１であると、電荷流の変動が小さく、なお良い。
【００４７】
第３に、前述の条件４では、図３の回路素子Ｒ１’の値は、ゼロである。しかし、インクジェットヘッドでは、回路素子Ｒ１’は、ノズル及び第１の供給路の流体抵抗に相当し、これをゼロに出来ない。この音響抵抗Ｒ１’がどの程度の値を持てば、前述の広帯域化が可能であるかを検討する。
【００４８】
図１１は、回路素子Ｒ１’を、標準値Ｒ１の０倍、０．１００倍、０．１７８倍、０．３１６倍、０．５６２倍、１．０００倍とした場合の図３の等価回路の電荷流の周波数特性のシミュレーション結果を示した図である。
【００４９】
図１１から、明らかなように、Ｒ１’の変動により、電荷流の周波数特性は変動し、カットオフ周波数（ω／ω０＝√３）での電荷流の値は、Ｒ１’／Ｒ１が大きい程小さくなる。しかし、Ｒ１’／Ｒ１が、０．１倍以内（ケースｂ）であれば、電荷流の減少は、約７パーセント以内である。この範囲では、カットオフ周波数でのインク再充填は、十分可能である。
【００５０】
従って、Ｒ１’＝ｋ４・（Ｒｎ＋Ｒｓ１）の関係（図５参照）において、ｋ４をゼロとする必要はなく、０＜ｋ４≦０．１の範囲であれば良い。即ち、ノズル１７及び第１の供給路に前記範囲内で、音響抵抗を持たすことができる。従って、ノズル及び供給路の寸法により、ゼロでなくても、広帯域化が実現できる。又、前述の図２５で説明したように、ダンピングファクタδを「０．５」と設定すると、最適な噴射特性が得られ、前述のダンピングファクタの計算式に代入すると、（Ｒｎ＋Ｒｓ１）＝ｋ４・√（Ｌｎ＋Ｌｃ＋Ｌｓ１）／Ｃｎが得られ、これによっても、ノズル及び第１の供給路の寸法を規定できる。
【００５１】
図１２は、これら要件を組み合わせた場合の、図３の等価回路の電荷流の周波数特性のシミュレーション結果を示した図である。図中、全ての場合に、前述の第１のノズルの音響容量の条件を満足している。ａは、ｋ４（＝Ｒ１’／Ｒ１）＝０、ｋ３（＝Ｒ２’／Ｒ２）＝１の理想的条件の場合を示し、ｂは、ｋ４（＝Ｒ１’／Ｒ１）＝０．１、ｋ３（＝Ｒ２’／Ｒ２）＝１の条件の場合，ｃは、ｋ４（＝Ｒ１’／Ｒ１）＝０．１、ｋ３（＝Ｒ２’／Ｒ２）＝０．４の条件の場合を示す。
【００５２】
ケースｂの場合は、ケースａの理想的場合と殆ど変わりがなく、ケースｂのように、ノズル及び供給路が流体抵抗を持つ場合でも、インク再充填周波数が広帯域化できる。更に、設計を容易にするため、インク粘度の温度変化を加味したケースｃでも、カットオフ周波数（ω／ω０＝√３）での電荷流は、ケースａの理想的場合と殆ど変化していない。従って、このカットオフ周波数でのインク再充填は、可能である。
【００５３】
例えば、後述する２．０ｐｌのインク粒子を噴出するヘッドでは、カットオフ周波数（ω／ω０＝√３）である５９．８ｋＨｚでのインク粒子の体積は、１．８ｐｌであり、低周波数での２．０ｐｌの９０パーセントであった。従って、インク粒子の変動幅は小さいため、この広帯域化された周波数での印字は、十分可能である。
【００５４】
次に、このヘッドの構造の実施例を説明する。図１３は、本発明の一実施例のマルチノズルインクジェットヘッド（以下、ヘッドという）１の断面図、図１４は、図１３のヘッドの上面図、図１５は、図１３のヘッドのＡ−Ａ断面図である。図１４に示すように、ヘッド１は、複数のノズルを持つ。即ち、共通インク室１５に対し、インク供給路１８を介して、複数の圧力室１６、複数の圧電素子（ピエゾ）１１が設けられている。図１３に示すように、駆動素子として、振動板２０に、ピエゾ素子１１を積層したバイモルフ・アクチュエータを用いている。このヘッドの作製方法は、図示しないＭｇＯ基板上にスパッタにて複数の個別電極２１を形成し、更にピエゾ１１を数μｍ厚積層、パターニング形成する。この後、共通電極兼振動板２０となる金属（Ｃｒ等）を全面に渡って数μｍ形成して、バイモルフ構造体を形成する。
【００５５】
これと別に用意した、圧力室形成部材（ドライフィルムレジスト）２２とノズル形成部材２３，２４を、バイモルフ構造体の個別電極２０に対応する位置に合わせて接合する。その後、ＭｇＯ基板をエッチング除去して、マルチノズルヘッド板１が完成する。
【００５６】
このヘッド１では、ドライフィルムレジスト２２に、圧力室１６と、第１のインク供給路１２と、個別ダンパ室１３と、第２のインク供給路１４と、共通インク室１５とが形成される。このヘッド１の動作は、図１のインクタンク２からヘッド１へインクが供給され、更にヘッド１内では、共通路１５およびインク供給路１８を通って各圧力室１６とノズル１７にインクが供給される。振動板２０をグラウンドに接地し、駆動回路から駆動信号を個別電極（各ノズルに対応する電極）２１に与えると、ピエゾ１１の圧電効果により、振動板２０が圧力室１６内に向けて撓み、ノズル１７よりインクを噴射する。このインクが印字媒体上でドットを形成し、所望の画像を形成する。
【００５７】
又、個別ダンパ室１３は、可撓性フィルム１９で覆い、所定の音響容量を持たせている。即ち、個別ダンパ室１３は、メニスカスの音響容量と同等の音響容量を持つ必要があるが、メニスカスの音響容量は極めて大きい。このため、個別ダンパ室１３を大きくすれば良いが、そうするとヘッド１の大型化につながり、好ましくない。ここでは、小さな容積でも、大きな音響容量を持たせるため、可撓性フィルム１９を使用している。例えば、ポリイミド（ＰＩ）が好適である。
【００５８】
図１６乃至図１８は、本発明のヘッドの実施例の寸法を示したものであり、１５０ｄｐｉの圧電型ヘッドを示している。図１６に示すように、圧電体１１は、ＰＺＴを使用し、幅１００μｍ，長さ７００μｍ，厚さ２μｍである。振動板２０は、Ｃｒを使用し、幅１００μｍ，長さ７００μｍ，厚さ１．５μｍである。
図１７に示すように、ノズル径は、２０μｍ，第１のインク供給路１２は、幅７１μｍ，長さ７６１μｍ，深さ７３μｍである。第２のインク供給路１４は、幅１６μｍ，長さ３４μｍ，深さ１７μｍである。圧力室１６は、幅１００μｍ，長さ７００μｍ，深さ１２３μｍである。
【００５９】
図１８に示すように、個別ダンパ１３は、幅１００μｍ，長さ２６８μｍ，深さは圧力室と同じ１２３μｍであり、厚み３．５μｍのポリイミド１９で覆った。この構成のヘッド１に、図１９の特性のインクを使用し、図１７に示すように、印加電圧１０．０Ｖ，インク粒子体積２．０ｐｌ，粒子飛翔速度８．０ｍ／ｓの性能を持たせた。
【００６０】
この条件で、周知の音響計算式により、図３の各回路素子の値を計算すると、Ｃｄ＝１．１８ｅ−１９，Ｃ１＝８．３６ｅ−２０〜１６．７２ｅ−２０，Ｌ１＝２．５４ｅ８，Ｒ１’＝８．０７ｅ１２，Ｃ２＝１．１８ｅ−１９，Ｌ２’＝１．２７ｅ８，Ｒ２’＝３．３８ｅ１３であった。
【００６１】
この条件で、図３の回路の周波数帯域幅を計算すると、５９．８ｋＨｚであり、従来の１．７３倍に高速化できることを確認した。
【００６２】
図２０は、本発明の他の実施の形態の個別ダンパ１３の構成を示す。個別ダンパ１３は、ノズルと同一の形状のメニスカス形成部１３−１で構成してある。これによれば、直接的にノズルと同一の音響容量を実現できる。但し、目詰まりの可能性がある。
【００６３】
又、オンデマンド型ヘッドで説明したが、インクを常時噴出するコンテニュアス型にも適用できる。更に、水性インクを使用したが、油性インクにも同様に適用可能である。しかも、常温で固体のソリッドインクにも適用できる。ソリッドインクでは、インク通路及び圧力室がヒータで一定温度に加熱されるため、インク粘度は、室温によらず一定である。このため、インク粘度変化に対する考慮が不要のため、各素子値の設計はより容易となる。
【００６４】
更に、圧電型に限らず、発熱素子を用いたヘッドにも適用できる。
以上、本発明を実施例により、説明したが、本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲内から排除するものではない。
【００６５】
【産業上の利用性】
本発明では、インク供給路に、個別ダンパを設け、インク供給路に音響容量を持たせたため、圧力室とインク供給路に相互作用を生じ、インク再充填動作を励振できる。従って、インク供給路に能動素子を設けることなく、インク再充填周波数を、約√３倍に拡大でき、インク噴射速度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態のインクジェットヘッドの構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態のヘッドの断面図である。
【図３】図３は、図２のヘッドのインク再充填時の近似等価回路図である。
【図４】図４は、図３の回路の周波数特性図である。
【図５】図５は、図２のヘッドの音響等価回路図である。
【図６】図６は、図２のヘッドのメニスカスの説明図である。
【図７】図７は、メニスカスの接触角と音響容量の関係図である。
【図８】図８は、メニスカスの接触角と体積変位、位置の関係図である。
【図９】図９は、図７のメニスカスの音響容量における周波数特性図である。
【図１０】図１０は、図２のヘッドの音響抵抗における周波数特性図である。
【図１１】図１１は、図２のヘッドの音響抵抗比における周波数特性図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施の形態の周波数特性図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施例のヘッドの断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施例のヘッドの上面図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施例のヘッドのＡ−Ａ断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施例のヘッドの圧電体のサイズの説明図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施例のヘッドのサイズの説明図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施例のヘッドの個別ダンパのサイズの説明図である。
【図１９】図１９は、本発明の一実施例のヘッドに用いるインクの物性値の説明図である。
【図２０】図２０は、本発明の他の実施例のヘッドの断面図である。
【図２１】図２１は、従来のマルチノズルインクジェットヘッドの構成図である。
【図２２】図２２は、従来技術のヘッドの断面図である。
【図２３】図２３は、従来のマルチノズルインクジェットヘッドの音響等価回路図である。
【図２４】図２４は、従来技術のヘッドのインク噴射時の近似等価回路図である。
【図２５】図２５は、従来のマルチノズルインクジェットヘッドのインク再充填時の近似音響等価回路図である。
【図２６】図２６は、従来技術のヘッドのインク再充填時の周波数特性図である。

Claims

ノズルからインクを噴出するインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルの各々に個別に連通する圧力室と、
前記圧力室にインク噴射エネルギーを付与するエネルギー生成部と、
前記圧力室の各々に連通するインク室と、
前記インク室に接続される前記圧力室の各々に個別に設けられ、前記インク室から前記圧力室の各々にインクを供給する供給路とを有し、
前記供給路は、
個別ダンパと、
前記個別ダンパと前記圧力室を接続する第１のインク供給路と、
前記個別ダンパと前記インク室を接続する第２のインク供給路とを有し、
個別ダンパの音響容量Ｃｄ、ノズルのメニスカスの音響容量の最小値Ｃｎ、第２のインク供給路のイナータンスＬｓ２、ノズルのイナータンスＬｎ、第１のインク供給路のイナータンスＬｓ１、第２のインク供給路の音響抵抗Ｒ２’、ノズルの音響抵抗Ｒｎ、ノズル及び第１のインク供給路の音響抵抗Ｒ１’、第１のインク供給路の音響抵抗Ｒｓ１とするとき、
Ｃｄ＝ｋ１・Ｃｎであって１≦ｋ１≦√２
Ｌｓ２＝Ｌｎ＋Ｌｓ１
Ｒ２’＝ｋ３√（Ｌｓ２／Ｃｄ）であって０．５≦ｋ３≦１
Ｒ１’＝ｋ４・（Ｒｎ＋Ｒｓ１）であって０＜ｋ４≦０．１
の条件を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求の範囲１項記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルのメニスカスの音響容量の変化が、２倍以内になるように、前記ノズルを構成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求の範囲１項記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記個別ダンパは、可撓性部材で覆われた構造を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
請求の範囲１項記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記個別ダンパは、メニスカス形成部で構成されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求の範囲１項記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記エネルギー生成部は、圧電素子を含むことを特徴とするインクジェットヘッド。
請求の範囲１項乃至５項の何れか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第１のインク供給路は、並行する複数の流路から構成されることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求の範囲１項乃至６項の何れか１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記第２のインク供給路は、並行する複数の流路から構成されることを特徴とするインクジェットヘッド。