JP4258142B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルからインク滴を吐出して記録媒体に文字等の記録像を書き込むインクジェット式記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置は、ノズル開口部からインク滴を吐出させて紙などの記録媒体に文字や画像を印刷するものである。近年、より高速、高品質な印字を行うインクジェット式印刷装置が求められている。そのような印刷装置を実現するには、高周波駆動可能なインクジェットヘッドを必要とする。高周波駆動可能なヘッドを構成する技術は種々提案されている。例えば、ヘッド寸法等によって定義されるヘルムホルツ周波数を大きくして、ヘッドを構成する技術などが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インクを高周波で吐出するとき、インク滴の飛翔速度が大きく変動するという課題を有する。これは前のインク滴の吐出後のメニスカスの残留振動が大きい為であり、場合によっては吐出不能となることもある。
【０００４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは高周波で吐出可能なインクジェットヘッドを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の手段は、インクを吐出するノズルと、インクを供給する共通インク室とに連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を成す振動板と、振動板を動かす圧電振動子と、前記圧力発生室と前記共通インク室との間に、リストリクタとして複数の微細穴を設けたインクジェットヘッドにおいて、前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、流体抵抗をＲｎ、リストリクタ部におけるイナータンスをＭｒ、流体抵抗Ｒｒをとし、ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ、ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎとして、ａを０．５＜ａ＜２．０、ｂを４．０＜ｂ＜１６．０の範囲とするリストリクタ個数Ｎの最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合に、２≦ｎ／ｎ ' ≦３とする。
また、インクを吐出するノズルと、該ノズルとインクを供給する共通インク室とに連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を成す振動板と、該振動板に当接し前記圧力発生室を加圧する圧電振動子と、前記圧力発生室と前記共通インク室との間に複数の微細穴からなるリストリクタを設け、前記微細穴は、リストリクタと異物除去の為のラストチャンスフィルタとを兼ねるインクジェットヘッドにおいて、前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、流体抵抗をＲｎ、リストリクタ部におけるイナータンスをＭｒ、流体抵抗Ｒｒをとし、ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ、ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎとして、ａを０．５＜ａ＜２．０、ｂを４．０＜ｂ＜１６．０の範囲とするリストリクタ個数Ｎの最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合に、２≦ｎ／ｎ ' ≦３とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
図１は本発明の一例となるインクジェットヘッドを示す断面図であり、図２は従来技術によるインクジェットヘッドを示す断面図である。図１、図２において、インクを吐出するノズル１と、インクを供給する共通インク室２とに連通する圧力発生室３と、圧力発生室３の一壁面を成す振動板４と、振動板を動かす圧電振動子５と、を有し、圧力発生室３と共通インク室２との間にインク滴吐出後のメニスカスの残留振動を減衰させる為の抵抗を発生させるリストリクタ６が配設されている。図２においては、共通インク室内にラストチャンスフィルタ７が配設されている。
【０００８】
本発明の一例の圧力発生室は、従来技術と比較し、イナータンスＭを大きくすることなく、流体抵抗Ｒを大きく出来る特徴を有する。このような特徴が必要となる理由、このような特徴を有する理由は次のようにして分かる。高い動作周波数を達成する為には、下記のヘルムホルツ共振周波数ｆを高くする必要がある。ｆ＝１／２π×√｛（Ｍｎ＋Ｍｒ）／（（Ｃｃ＋Ｃｄ）（Ｍｎ＋Ｍｒ））｝…（１）
ここで、Ｃｃは圧力発生室内のインクに関するコンプライアンス、Ｃｄは圧力発生室の各壁に関するコンプライアンス、Ｍｎはノズルのイナータンス、Ｍｒはリストリクタのイナータンスである。この式から、Ｍｎ、Ｍｒが大きくなると、ｆは小さくなることが分かる。
【０００９】
一方、リストリクタの流体抵抗Ｒｎの大きい方が、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動が小さい。メニスカスの残留振動が大きいと、その次に吐出されるインク滴の飛翔速度等の特性が変動し、場合によっては吐出不能となる。特性変動をおさえ、吐出不能を防ぐ為には、メニスカスの残留振動が十分に減衰するまで待って、次発を吐出する必要がある。従って、高周波数駆動の為には、インク滴吐出後のメニスカスの残留振動を小さくする、ひいてはリストリクタの流体抵抗Ｒｎを大きくすることが必要となる。
【００１０】
しかし、従来技術では、流体抵抗Ｒを大きくすると、イナータンスＭも大きくなる、例えば円筒流路の場合、直径ｄ、単位長さあたり流路のイナータンスＭと流体抵抗Ｒは次の式で表される。
Ｍ＝ρ／（π×ｄ＾２）×１６／３…（２）
Ｒ＝１２８×μ／（π×ｄ＾４）…（３）
ρはインクの密度、μはインクの粘度である。式（２）、（３）から半径を小さくして流体抵抗Ｒを大きくすると、イナータンスＭも大きくなることが分かる。本発明のヘッドによれば、イナータンスＭをあまり大きくすることなく、流体抵抗Ｒを大きくすることが出来る。
【００１１】
ノズル部のイナータンスＭｎとリストリクタ部のイナータンスＭｒを、
ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ…（４）
とし、また、ノズル部の流体抵抗Ｒｎとリストリクタ部の流体抵抗Ｒｒにおいても同様に、
ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎ…（５）
とした場合に、実験的にａ、ｂはそれぞれ、
５＜ａ＜２．０…（６）
４．０＜ｂ＜１６．０…（７）
が望ましいことが分かっている。
【００１２】
ここで、定数成分をそれぞれＡ，Ｂとおけば式（２）、（３）はそれぞれ、
Ｍ＝Ａ×（１／ｄ）＾２…（８）
Ｒ＝Ｂ×（１／ｄ）＾４…（９）
と表されるから、ノズルの直径をｄｎ、リストリクタ部の直径をｄｒとすると、ノズルのイナータンスＭｎ、流体抵抗Ｒｎ、リストリクタのイナータンスＭｒ、流体抵抗Ｒｒはそれぞれ、
Ｍｎ＝Ａ×（１／ｄｎ）＾２…（１０）
Ｍｒ＝Ａ×（１／ｄｒ）＾２…（１１）
Ｒｎ＝Ｂ×（１／ｄｎ）＾４…（１２）
Ｒｒ＝Ｂ×（１／ｄｒ）＾４…（１３）
となり、
（１）、（１０）、（１２）式、（２）、（１１）、（１３）式より、それぞれ、
ａ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾２…（１４）
ｂ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾４…（１５）
の関係式が導かれる。
【００１３】
図３に、Ｘ軸にｄｒ、左Ｙ軸にａ、右Ｙ軸にｂをとり、一例としてｄｎを３０μｍとした場合のａ、ｂを示す。この範囲を図から（４）、（５）式の範囲を読みとると、０．５＜ａ＜２．０の範囲は２１＜ｄｒ＜３０、４．０＜ｂ＜１６．０の範囲は１４＜ｄｒ＜２１となり、（４）、（５）式を両立させるｄｒは存在しない。
【００１４】
ここで、リストリクタ数を並列に増加させた場合を図７、８に示すような等価回路に置き換えて考えると、合成抵抗Ｒは、
１／Ｒ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋１／Ｒ３＋…＋１／Ｒｎ…（１６）
で表され、
Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝…＝Ｒｎ…（１７）
とすると、式（１６）（１７）から、
Ｒ＝Ｒｎ／ｎ…（１８）
となるから、リストリクタ数を並列に増加させた場合のＭｒ'、Ｒｒ'は、個数をＮとするとそれぞれ、
Ｍｒ'＝Ｍｒ／Ｎ…（１９）
Ｒｒ'＝Ｒｒ／Ｎ…（２０）
で表される。
（１）、（１０）、（１９）式、（２）、（１１）、（２０）式からａ、ｂは、それぞれ、
ａ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾２／Ｎ…（２１）
ｂ＝（ｄｎ／ｄｒ）＾４／Ｎ…（２２）
の関係式が導かれる。
【００１５】
図４にリストリクタ数を増加させた場合のａ、ｂを示す。下表１に図４から読みとった（３）（４）の成立するｄｒ範囲及び共有範囲を示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
表からも読み取れる様に、リストリクタ数Ｎを変化させることによって任意の共有範囲を採ることが出来ることが分かる。
【００１８】
一方、インクジェットヘッドにおいては、従来から異物混入による詰まりの発生が報告されており、インク供給部のフィルタは重要視されてきた。この為、インクジェットヘッド内部にラストチャンスフィルタを設けることなどが提案されていると共に、
κ＝ｄｒ／ｄｎ…（２３）
とした場合のκは１／２以下、望ましくは１／３以下が理想とされている。図５にＸ軸に個数Ｎ、左Ｙ軸にａ、右Ｙ軸にｂをとり、ｄｒをそれぞれ、１５μｍ、１０μｍ、７．５μｍとした場合のａ、ｂを示す。この場合の（３）、（４）の成立する本数Ｎ範囲及び共有範囲を下表２に示す。
【００１９】
【表２】

【００２０】
以上のことから、仮に本例におけるｄｎが３０μｍだとした場合、ｄｒ＝７．５μｍ、Ｎ＝３０本とすることによって、式（３）、（４）を共に満たすことが出来ることが分かる。更には、Ｎ＝１６でも式（３）、（４）を共に満たすことが出来ることから、式（３）、（４）共にを満たすことが出来るＮの最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合、リストリクタをラストチャンスフィルタとして兼用した場合でも、Ｎ'＝ｎ−ｎ'＝３０−１６＝１４に相当するまでの範囲でのリストリクタの詰まりを許容することが出来ることが分かる。
【００２１】
図６に、Ｘ軸にｄｒ、Ｙ軸にリストリクタの個数Ｎをとり、ｄｎを３０μｍとした場合の、式（３）、（４）を満たすａ、ｂの範囲及び共有範囲を示す。図６からも分かる様に、ａ、ｂは２乗曲線、４乗曲線となる為、ある点で交差し、ｎ／ｎ'は極大値を採り、実用範囲としてはｎ／ｎ'＝２〜３が望ましい。
【００２２】
また、本例においてはノズル、リストリクタ共に円筒流路として論じているが、矩形流路やその他の形状においても、相当直径を考えた場合は本例と同様に考えることが出来る。
【００２３】
また、本例においては、単位長さあたりの流路について論じているが、ノズルに対して、リストリクタの長さを小さくした場合も同様で、その為Ｎ、ひいてはＮ'を大きくすることが出来、より優位となる。
【００２４】
また、本例においては、リストリクタ部を薄膜構造とすることで、従来デットスペースであった部分を共通インク室として利用することが出来、ノズルの高密度実装に対しても有利である。
【００２５】
また、本例においては、薄板の積層構造であるが、同様な構成をシリコンや水晶などの単結晶材料をエッチングして形成しても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば高周波で吐出可能な信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一例のインクジェットヘッドを示す断面図
【図２】 従来技術によるインクジェットヘッドを示す断面図
【図３】 ｄｎを３０μｍとした場合のａ、ｂのグラフ
【図４】 リストリクタ数Ｎを増加させた場合のａ、ｂのグラフ
【図５】 ｄｒを１５μｍ、１０μｍ、７．５μｍとした場合のａ、ｂのグラフ
【図６】 ｄｒを変化させた場合のリストリクタ数Ｎのグラフ
【図７】 抵抗を並列に配置した回路図
【図８】 図７の等価回路図
【符号の説明】
１はノズル、２は共通インク室、３は圧力発生室、４は振動板、５は圧電振動子、６はリストリクタ、７はラストチャンスフィルタである。

Claims (2)

1. インクを吐出するノズルと、該ノズルとインクを供給する共通インク室とに連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を成す振動板と、該振動板に当接し前記圧力発生室を加圧する圧電振動子と、前記圧力発生室と前記共通インク室との間に複数の微細穴からなるリストリクタを設けたインクジェットヘッドにおいて、
   前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、流体抵抗をＲｎ、リストリクタ部におけるイナータンスをＭｒ、流体抵抗Ｒｒをとし、ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ、ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎとして、ａを０．５＜ａ＜２．０、ｂを４．０＜ｂ＜１６．０の範囲とするリストリクタ個数Ｎの最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合に、２≦ｎ／ｎ ' ≦３とすることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. インクを吐出するノズルと、該ノズルとインクを供給する共通インク室とに連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を成す振動板と、該振動板に当接し前記圧力発生室を加圧する圧電振動子と、前記圧力発生室と前記共通インク室との間に複数の微細穴からなるリストリクタを設け、前記微細穴は、リストリクタと異物除去の為のラストチャンスフィルタとを兼ねるインクジェットヘッドにおいて、
   前記ノズルにおけるイナータンスをＭｎ、流体抵抗をＲｎ、リストリクタ部におけるイナータンスをＭｒ、流体抵抗Ｒｒをとし、ａ＝Ｍｒ／Ｍｎ、ｂ＝Ｒｒ／Ｒｎとして、ａを０．５＜ａ＜２．０、ｂを４．０＜ｂ＜１６．０の範囲とするリストリクタ個数Ｎの最大値をｎ、最小値をｎ'とした場合に、２≦ｎ／ｎ ' ≦３とすることを特徴とするインクジェットヘッド。

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