JPH07117225A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体の共振を利用してインク滴を飛翔させ、
駆動電圧の低減化を図る。 【構成】 基板１１の面上には圧電体１２及び該圧電体
１２を取り囲むように配置したフレーム１３が接合され
ている。前記圧電体１２及びフレーム１３の上面はほぼ
同一平面上に位置出しされており、弾性板１４が接合さ
れている。さらに、該弾性板１４の上面にはノズル１５
と加圧液室流路１６と共通液室１８とを配置した流路板
１７が接合され、流路部１９を構成している。前記加圧
液室の流路１６は複数個が平行に配置されており、その
各々に対応するように、実質的に分割し、独立した圧電
体が対応して配置されている。従って、加圧液室の流路
内のインクに対し、インクの共振振動数を周波数の主成
分とした交番電圧を圧電体に印加して励振をさせること
により、ノズルよりインク滴を吐出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットに関
し、より詳細には、流体の共振を利用してインク滴を飛
翔させ、駆動電圧の低減化を可能としたインクジェット
ヘッドに関する。例えば、各種印写装置に適用されるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェットヘッドを記載した
公知文献としては、例えば、特開平４−１４１４２８
号公報、特開平４−３４１８４９号公報、特開平５
−５０８号公報がある。前記のものは、圧力発生部材
の厚み振動の固有周期で励振させるものである。すなわ
ち、圧力発生部材の固有周期が極めて高く、また、その
固有周期で圧力材料が振動し、その駆動時間を制御する
ことにより解像度を落すことなく十分な階調性を得るよ
うにしたものである。

【０００３】また、前記のものは、圧電基板の共振周
波数で電圧を印加するものである。すなわち、圧電基板
の表面と裏面に１対の電極を配し、該電極間に前記圧電
基板の共振周波数に等しい周期で変化する電圧を選択的
に印加することにより、微小な液粒を正確な向きに吐出
制御するようにしたものである。さらに、前記のもの
は、エッジモードで振動可能な圧電体基板を共振させる
ものである、すなわち、電極にエッジモードでの振動を
生じさせる交番電圧を印加し、圧電体基板で生じた振動
が間隙に保持されているインク中に伝播し、インクと大
気との境界まで表面波となってインクをミストとして飛
翔させるものである。これにより、ミスト化されるイン
ク量は交番電圧の印加時間に比例し、ドット自体の光学
的濃度が連続的に変化するものである。

【０００４】従来のオンデマンド方式のインクジェット
ヘッドとしては、独立したインク液室を圧電素子により
変形させ、その圧力により、それぞれのインク液室に対
応したノズルからインクを突出させるカイザー、ステム
メ、グールドなどの方式（前者）がその基本形となって
いる。さらには、また、圧電素子の振動をレンズ音響、
レンズ等で集束させたり（例えば、特開昭６３−１６６
５４７号公報）、また、表面弾性波の集束効果を利用し
たりしたものとして、例えば、米国特許第４７５１５３
０号明細書、米国特許第４６９７１９号明細書等の方式
（後者）がある。前者の方式は構造が簡単であり、小型
化が可能で普通紙への印字が可能というような利点を有
しており、後者の方式は、ノズルが不要であり、気泡、
ゴミ等の混入による信頼性の低下を避けられるという利
点を有している。

【０００５】しかし、前者の方式では、駆動周波数の上
限が１０ＫＨｚ程度であるめ、階調データ等の印刷をす
ると大変時間がかかり、そのため解像度を落とさざるを
得ないのが実情であり、実用的なフルカラー印刷装置を
実現することは大変難しい。また、後者の方式の場合
は、駆動周波数がメガヘルツ以上であり、原理的には前
者の方式の欠点は改善されると考えられるが、音響レン
ズを用いる場合には、圧力発生部材と音響レンズとの整
合等が難しく、音響レンズでのエネルギーロスも大き
い。また、表面弾性波をもちいたものは、数１０ＭＨｚ
以上の駆動周波数でないと十分なエネルギー密度を得る
ための効率が非常に悪くなり、これらの理由により多大
のコストアップは避けられない。

【０００６】さらにまた、これらを改善する手段とし
て、前述した特開平４−３４１８４９号公報や特開平５
−５０８号公報にみられるような、圧電素子により形成
された基板をその共振周波数の周期によって駆動させた
り、さらに、圧電体の振動をエッジモードで振動可能と
することにより、高い効率で、インク滴を発生させるこ
とができるようになり、構造の簡易化を図ることが提案
された。しかし、これらの手段は、ヘッドの構造体であ
る基板を圧電素子として共振周波数を利用して駆動する
ので、機械的振動が液室間で伝播することによる相互干
渉や、駆動信号の印加終了後に、機械的振動が残留しや
すく、これにより、印字品質を劣化させることがある。

【０００７】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、流体の共振を利用してインク滴を飛翔させ、駆
動電圧の低減化を図るようにしたインクジェットヘッド
を提供することを目的としてなされたものである。

【０００８】

【構成】本発明は上記目的を達成するために、（１）イ
ンクを飛翔させて記録像を得るインクジェトヘッドにお
いて、圧電材料を配した圧力発生部材と、該圧力発生部
材により壁の一部を形成した加圧液室と、前記圧電材料
に電圧を印加する電圧印加手段とを有し、前記加圧液室
の流路長による液室内のインクの共振振動数を周波数の
主成分としたパルス群で、前記電圧印加手段が前記圧電
材料を励振させることにより画素を形成すること、さら
には、（２）前記パルス群は、複数のインク液滴を飛翔
させる駆動主パルス部の印加パルス数を制御することに
より、一画素を形成するインク滴量を可変として階調記
録を行うこと、更には、（３）前記パルス群は、複数の
インク液滴を飛翔させる駆動主パルス部の直前に、駆動
主パルス部よりも電圧値を低く設定するか、駆動主パル
ス部と異なる周波数を主成分とした予備圧発生パルス部
を有すること、更には、（４）前記パルス群は、複数の
インク液滴を飛翔させる駆動主パルス部と逆位相を有す
る残留振動打消パルス部を有すること、更には、（５）
前記加圧液室内のインク共振振動数が１００ＫＨｚ〜１
ＭＨｚであること、更には、（６）前記圧電材料が薄膜
ＰＺＴであることを特徴としたものである。以下、本実
施例に基づいて説明する。

【０００９】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明によるイン
クジェットヘッドの一実施例を説明するための構成図
で、図１（ａ）は断面図、図（ｂ）は平面図である。図
中、１１は基板、１２は圧電体、１３はフレーム、１４
は弾性板、１５はノズル、１６は加圧液室の流路、１７
は流路板、１８は共通液室、１９は流路板である。以
下、図１（ａ），（ｂ）の構成に基づき、インクジェッ
トプリントヘッドによってもたらされるインク滴飛翔の
原理について説明する。

【００１０】セラミック、シリコン、金属等より形成さ
れる基板１１の面上には、圧電体１２および該圧電体１
２を取り囲むように配置した樹脂、セラミック、金属等
により形成されるフレーム１３が接合されている。前記
圧電体１２及びフレーム１３の上面は、ほぼ同一平面上
に位置出しされており、樹脂フィルムや薄膜金属部材等
により形成される弾性板１４が接合されている。さら
に、該弾性板１４の上面には、Ｓｉや金属材料等より形
成したノズル１５と加圧液室流路１６と共通液室１８を
配置した流路板１７とが接合され、流路部１９を構成し
ている。前記加圧液室の流路１６は複数個が平行に配置
されており、その各々に対応するように実質的に分割
し、独立した圧電体が対応して配置されている。

【００１１】ここで、加圧液室の流路１６は両端が開放
端となった管と近似的に等価となる。すなわち、加圧液
室の流路内のインクの第１次モードでの固有振動数ｆは ｆ＝Ｃ／２Ｌ （ただし Ｃ:インク中の音速、Ｌ：加
圧液室流路） となる。ここで、インク中の音速：Ｃは加圧液室の流路
構成部材のヤング率等により変化するが、概略 Ｃ＝１
２００〜１５００ｍ／ｓ となり、 加圧液室流路長：Ｌ＝２mmとすれば、固有振動数：ｆ＝
３００〜３７５ＫＨｚとなる。

【００１２】したがって、加圧液室の流路内のインクに
対し、概略上記固有振動数ｆで表される周波数を主成分
とした交番電圧を、前記圧電体に印加して、励振をさせ
ることによりノズルより前記周波数でインク滴を吐出す
ることになる。このとき、圧電体自体の共振周波数は、
前述の加圧液室の流路の固有振動数に対し、十分大きく
設定しておくことで、駆動電圧波形に対して、時間遅れ
することなく応答することができる。

【００１３】共振周波数は、各加圧液室毎にバラツキを
生じるため、吐出インク滴にバラツキが生じる。これを
均一化するためには駆動電圧値を調整するのが好まし
い。また、液室の構成部材の材質を適当に選択すること
により、共振点でのＱ値を制御できる。したがって、効
率との兼ね合いで適正化することにより上記のバラツキ
を低減化できる。前述した流路板１７の材質としてその
一部に樹脂を使用することがＱ値の制御に好適である。

【００１４】共振周波数は、実用的には１００ＫＨｚ〜
１ＭＨｚ程度に設定することが好ましい。これについて
は後述するが、１画素を形成するためのパルス数および
階調数、また、印写用紙とヘッドとの相対的な移動速度
等に起因する印字品質からの制約、印写速度、さらに駆
動回路のコンパクト化やコスト低減化等を確保するため
に適しているレベルである。また、該共振周波数のレベ
ルは前述したようにヘッドの形状や大きさに関しても、
また、設計および加工上からも適正なサイズである。

【００１５】図２（ａ），（ｂ）及び、図３（ａ），
（ｂ）は、本発明によるインクジェトヘッドの圧電体に
印加する駆動電圧波形について説明するための図であ
る。前述したように、駆動電圧波形は、加圧電液室内の
インクの共振振動数を主成分とした連続パルス群で構成
される。従って、複数パルスで複数滴を飛翔させること
となり、該複数滴で一画素を形成する。このとき、必ず
しもパルス数と滴数は同一でない。

【００１６】この時に、駆動する連続パルス群のパルス
数を制御することにより、飛翔させるインク滴数、すな
わちインク滴量を可変とすることができる。したがっ
て、記録媒体上での画素径を多値化することができ、階
調性を有した記録が容易に可能となる。この一画素を形
成するための連続パルス群は、予備圧発生パルス部（図
２中のＡ）の駆動主パルス部（図２中のＢ）、残留振動
打消パルス部（図２中のＣ）の３つの部分に分かれて構
成されている。

【００１７】予備圧発生パルス部は連続パルス群の先頭
にあって、インクを滴化飛翔まで至らない状態に加圧液
室内部を励振させ、ノズル近傍のインク圧の上昇を行
う。すなわちインクダレや気泡の吸入を抑制することが
できる。駆動主パルス部は、予備発生パルス部に引き続
き、印加パルスに対応して、インク滴を飛翔させる。従
って、前述のインク滴量の制御はこの部分で実行する。
前記パルス群は、加圧液室内のインクの共振振動数を主
成分としたものとなる。

【００１８】残留振動打消パルス部は駆動主パルス部の
直後で、駆動主パルス部の主の周波数成分に対し、逆位
相の周波数成分を印加することにより、加圧液室内のイ
ンク圧を急速に抑制させる。これにより、次の連続パル
ス群が印加される時には、ノズル近傍でのインク圧やノ
ズル内のインクのメニスカス面を、初期状態レベルまで
復帰させることができる。すなわち、駆動パルス群の応
答周波数を上げることができる。

【００１９】一連の駆動電圧波形は、図２（ａ）に示す
ような正弦波状でも、図２（ｂ）に示すような矩形波で
も良い。また、三角波等でも良い。その周波数成分が前
述した加圧液室内のインクの共振振動数を主成分とした
ものであれば良い。現実的には、圧電素子自体の容量成
分に応じて波形自体が時定数をもって立上、立下で遅れ
を生じるので、矩形波で十分実用性を得られる。また、
予備発生パルス部は、図２に示すように、駆動主パルス
部と同じ周波数成分で電圧レベルのみ低く設定したり、
図３に示すように、同じ電圧レベルで周波数成分のみ異
ならせて設定したりすることが可能である。残留振動数
打消パルス部に対しても同様である。さらには、簡略化
のために、駆動主パルス部の先頭部分が予備圧発生パル
ス部を兼ねるようにさせて、予備圧発生パルス部を省く
こともできる。

【００２０】前述した例では、駆動主パルス部での周期
は約３μｓ程度であるので、１画素を１〜１０滴程度で
構成し、実質的な駆動周波数を１０ＫＨｚ程度に設定し
て多階調を得るのが良い。また、第１滴目の吐出の安定
性にバラツキがある場合は、最小画素を２〜３滴として
設定することにより画像の劣化を防ぐことができる。

【００２１】以上説明したとおり、本発明によるヘッド
は、圧電素子の変位量を直接液室内の容積変位に変換し
て、インク滴を吐出させるものではなく、インクの流体
共振を利用するものであるので、駆動エネルギーの著し
い低減化が図れる。従って、圧電素子としては従来用い
られてきた単板及び積層の圧電素子の他に薄膜上の圧電
体を使用することができる。

【００２２】図４は、本発明によるインクジェットの他
の実施例を示す図で、図中、２０は薄膜圧電体（ＰＺ
Ｔ）、２１は保護層で、その他、図１と同じ作用をする
部分は同一の符号を付してある。基板１１の面上には薄
膜圧電体２０が設けられ、該薄膜圧電体２０は、保護層
２１で被覆されている。該保護層２１の上面には、図１
に示したような流路部１９が構成されている。この構成
により、ヘッドがバッチ処理により量産することが容易
となるため、ヘッド加工上からも非常に優位化すること
ができる。

【００２３】図５は、本発明によるインクジェットヘッ
ドのヘッド形態を示す断面図で、図１に示す構成のイン
クジェットを左右対象につき合わせた構成となってお
り、ノズル１５は流路板１７の上面に開口を有してい
る。このような構成により、ヘッドを複数列に配置した
もの等への展開や、フルライン型のヘッド形態への応用
も可能である。この他の構成として、更にはヒータ装置
と組み合わせることにより、ホットメルトインクを使用
するヘッドとしての応用も可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下のような効果がある。 （１）請求項１に対応する効果：流体の共振を利用して
インク滴を飛翔させるので、駆動電圧（駆動エネルギ
ー）の低減化が可能となる（駆動部の変位の振動量が小
であってもよいので、消費エネルギーが小）。また、加
圧液室流路の管路長の共振点を利用するので、記録ヘッ
ドを大型化することなく、集積化が容易となる。また、
駆動部（圧電体）の機械的共振点を利用しないため、液
室間での機械的振動伝播による相互干渉が著しく低減化
できる。さらに、駆動部の機械的な変位量・振動量が小
であっても、インクへの十分な圧力発生が得られるた
め、駆動部の耐久性や信頼性が著しく向上する。 （２）請求項２に対応する効果：１画素を形成するのに
要するパルス数を可変とすることにより、画素径を多値
化することができ、階調性を有した記録が可能となる。 （３）請求項３、４に対応する効果：駆動主パルス部の
前後に予備圧発生パルス部や残留振動打消パルス部を設
けたので、インクダレや気泡の吸入の防止より安定した
インク吐出が可能である。また、残留振動を速やかに減
衰させ、駆動周波数を上げることができる。 （４）請求項５に対応する効果：駆動する交番パルスの
周波数は１００〜１ＭＨｚオーダであるので、駆動回路
が複雑化や大型化することなく、比較的容易に回路を構
成できる。 （５）請求項６に対応する効果：駆動エネルギー低減化
が図れるので、バルク型の圧電体だけでなく、薄膜上に
形成した圧電体での対応も可能となる。これにより、量
産性の向上に著しく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッドの一実施例
を説明するための構成図である。

【図２】本発明によるインクジェットヘッドの圧電体に
印加する駆動電圧波形について説明するための図（その
１）である。

【図３】本発明によるインクジェットヘッドの圧電体に
印加する駆動電圧波形について説明するための図（その
２）である。

【図４】本発明によるインクジェットヘッドの他の実施
例を示す図である。

【図５】本発明によるインクジェットヘッドのヘッド形
態を示す図である。

【符号の説明】

１１…基板、１２…圧電体、１３…フレーム、１４…弾
性板、１５…ノズル、１６…加圧液室の流路、１７…流
路板、１８…共通液室、１９…流路板。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを飛翔させて記録像を得るインク
   ジェトヘッドにおいて、圧電材料を配した圧力発生部材
   と、該圧力発生部材により壁の一部を形成した加圧液室
   と、前記圧電材料に電圧を印加する電圧印加手段とを有
   し、前記加圧液室の流路長による液室内インクの共振振
   動数を周波数の主成分としたパルス群で、前記電圧印加
   手段が前記圧電材料を励振させることにより画素を形成
   することを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記パルス群は、複数のインク液滴を飛
   翔させる駆動主パルス部の印加パルス数を制御すること
   により、一画素を形成するインク滴量を可変として階調
   記録を行う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】 前記パルス群は、複数のインク液滴を飛
   翔させる駆動主パルス部の直前に、駆動主パルス部より
   も電圧値を低く設定するか、駆動主パルス部と異なる周
   波数を主成分とした予備圧発生パルス部を有することを
   特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記パルス群は、複数のインク液滴を飛
   翔させる駆動主パルス部と逆位相を有する残留振動打消
   パルス部を有す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。
5. 【請求項５】 前記加圧液室内のインク共振振動数が１
   ００ＫＨｚ〜１ＭＨｚ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。
6. 【請求項６】 前記圧電材料が薄膜ＰＺＴ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。