JPH08169110A - インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド

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JPH08169110A
JPH08169110A JP6316743A JP31674394A JPH08169110A JP H08169110 A JPH08169110 A JP H08169110A JP 6316743 A JP6316743 A JP 6316743A JP 31674394 A JP31674394 A JP 31674394A JP H08169110 A JPH08169110 A JP H08169110A
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JP
Japan
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ink
buckling
buckling structure
diaphragm
container
Prior art date
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JP6316743A
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English (en)
Inventor
Shingo Abe
新吾 阿部
Tetsuya Inui
哲也 乾
Koji Matoba
宏次 的場
Susumu Hirata
進 平田
Masaharu Kimura
正治 木村
Yorishige Ishii
頼成 石井
Masaru Horinaka
大 堀中
Yutaka Onda
裕 恩田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
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    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14346—Ejection by pressure produced by thermal deformation of ink chamber, e.g. buckling

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 寸法を小さく維持したままインクの吐出力や
吐出速度を大きくできる長寿命のインクジェットヘッド
を提供する。 【構成】 筺体(５)とこの上面を覆うインク吐出口(７
a)をもつノズルプレート(７)からなる容器(６)と、この
容器内の底面に長手方向の両端が固定され,イ上方に向
かって座屈変形し得る座屈構造体(１)と、この座屈構造
体の上方に間隔をあけて重なるように設けられ,容器内
を座屈構造体側の空間とインク室とに液密に区切るとと
もに中央部で結合部材(４)により座屈構造体(１)と結合
されるダイアフラム(２)と、座屈構造体(１)に通電によ
り座屈荷重を生ぜしめて座屈変形させ,インク室内のイ
ンク(100)を加圧,吐出させる電極(１a,１b)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、容器の内部に貯えられ
たインク液に圧力を加えて外部へインク滴として吐出,
飛翔させて記録を行なうインクジェットヘッドに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種のインクジェットヘッド
は、低騒音で比較的高速な印字ができ、装置の小型化や
カラー記録が容易であるなどの利点を有しており、種々
の液滴吐出原理に基づくものが製品化されている。かか
る液滴吐出原理として、例えば、圧電素子の機械的な変
形によってインク室のノズル穴からインクを吐出させる
ようにしたもの(圧電素子方式)、ヒータ加熱によってイ
ンクを沸騰させて泡を形成し、この泡発生による圧力変
化でノズル穴からインクを吐出させるようにしたもの
(バルブジェット方式)がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のイ
ンクジェットヘッドでは、次のような問題がある。すな
わち、圧電素子方式のものでは、圧電素子に電圧を印加
して変形させるが、この変形が小さいため、圧電素子を
積層したり,形状の大きいバイモルフ型の圧電アクチュ
エータを形成し、変形量を大きくしてインク滴を吐出さ
せている。そのため、ノズルピッチよりも遥かに大きな
圧電素子およびインク室が必要になって、ノズルを集約
化したマルチノズルヘッドの作製が困難である。
【０００４】一方、バルブジェット方式のものでは、ヒ
ータ加熱によるインク沸騰時の泡を利用するので、ヒー
タの小型化によりノズルの集約化が比較的容易で記録時
間も短縮できる利点がある反面、きれいな泡を得るのに
ヒータを短時間に1000℃近くまで加熱せねばならず、そ
の結果、ヒータが劣化しやすく、インクジェットヘッド
の寿命が短くなるという問題がある。また、通電による
発熱に伴う熱応力で座屈変形する座屈構造体により、イ
ンク室のインクを加圧して吐出する方式のインクジェッ
トヘッドが提案されているが(特公平２−３０５４３号
公報)、このインクジェットヘッドは、ダイアフラムを
設けていないため、加圧時にインクが座屈構造体の背面
に回り込み、圧力が低下してインクの吐出力や吐出速度
が不足するという問題がある。
【０００５】そこで、本発明の目的は、寸法を小さく維
持したまま、インクの吐出力や吐出速度を大きくするこ
とができる長寿命のインクジェットヘッドを提供すると
ともに、インク吐出のための大きな座屈エネルギを発生
できるインクジェットヘッドとりわけ座屈構造体の寸
法,形状を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に記載のインクジェットヘッド
は、壁部にインク吐出口を有する容器と、この容器内の
壁面に、周縁部のうち少なくとも一方向に関して両端を
なす部分が固定されて配設され、変形し得る構造体と、
この構造体と間隔をあけて重なるように配設され,かつ
上記構造体に少なくとも一部で結合し、インク室を液密
に区切るとともに、上記インク室側に向かって変形し得
るダイアフラムと、上記容器内に配設され、上記構造体
を変形させることにより、上記インク室内のインクを加
圧してインク吐出口から吐出させる圧縮手段とを備えた
ことを特徴とする。
【０００７】また、請求項２に記載のインクジェットヘ
ッドは、壁部にインク吐出口を有する容器と、この容器
内の上記壁部に対向する壁面に、周縁部のうち少なくと
も一方向に関して両端をなす部分が固定されて配設さ
れ、上記インク吐出口に向かって座屈変形し得る板状の
座屈構造体と、この座屈構造体と間隔をあけて重なるよ
うに配設され、上記容器内を座屈構造体側の空間と上記
インク吐出口側のインク室とに液密に区切るとともに、
上記インク吐出口に向かって変形し得るダイアフラム
と、このダイアフラムと上記座屈構造体を中央部付近で
互いに結合する結合部材と、上記空間内に配設され、上
記座屈構造体に圧縮荷重を生ぜしめて座屈変形させるこ
とにより、上記インク室内のインクを加圧してインク吐
出口から吐出させる圧縮手段とを備えたことを特徴とす
る。
【０００８】また、請求項３に記載のインクジェットヘ
ッドは、請求項２の結合部材が、複数あることを特徴と
する。
【０００９】請求項４に記載のインクジェットヘッド
は、請求項２または３に記載のものにおいて、上記座屈
構造体が、中央部から複数の矩形片が放射状に突出して
おり、上記ダイアフラムが、周縁部のうち少なくとも一
方向に関して両端をなす部分が上記容器の内壁に固定さ
れていることを特徴とする。
【００１０】請求項５に記載のインクジェットヘッド
は、請求項２または３に記載のものにおいて、上記ダイ
アフラムが、上記結合部材を介して座屈構造体に結合す
る以外にはどの部材とも結合していないことを特徴とす
る。
【００１１】請求項６に記載のインクジェットヘッド
は、壁部にインク吐出口を有する容器と、この容器内の
上記壁部に対向する壁面に、中央部から２本以上の矩形
片が直線で対をなして放射状に突出し,各矩形片の先端
が上記壁面に固定されて配設され、上記インク吐出口に
向かって座屈変形し得る座屈構造体と、この座屈構造体
に間隔をあけて重なるように配設され、周縁部のうち少
なくとも一方向に関して両端をなす部分が上記容器の内
壁に固定されて、上記容器内を座屈構造体側の空間と上
記インク吐出口側のインク室とに液密に区切るととも
に、上記インク吐出口に向かって変形し得るダイアフラ
ムと、このダイアフラムと上記座屈構造体を中央部で互
いに結合する結合部材と、上記空間内に配設され、上記
座屈構造体に通電して熱応力を生ぜしめて座屈変形させ
ることにより、上記インク室内のインクを加圧してイン
ク吐出口から吐出させる圧縮手段とを備えるとともに、
上記座屈構造体を構成する矩形片のヤング率をＥ,幅を
b,厚さをh,線膨張係数をα,矩形片の直線対の長さ,総数
を夫々l,n,座屈時の座屈構造体の温度変化をtとし、上
記ダイアフラムのばね定数をkとするとき、上記矩形片
の厚さhが、座屈エネルギを発生すべく下式を満たすこ
とをことを特徴とする。 ２l(−p)cos(u／３＋４π／３)＜h＜２l(−p)cos(u／
３) 但し、p＝−αt／π2, q＝３k／nＥbπ4, u＝cos-1{q／
p(−p)1/2}, ０≦u≦π
【００１２】請求項７に記載のインクジェットヘッド
は、請求項６に記載のものにおいて、上記インクの表面
張力をσ,粘性係数をμとし、インク滴の質量をm,吐出
速度をv,表面積をＳとし、インク吐出口の長さをＬとす
るとき、上記矩形片の厚さhが、インク滴の吐出に必要
な座屈エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)を発生すべく下式をさらに満
たすことを特徴とする。 Ｕ1−Ｕ2＝(３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１
８nＥbhl3π4＞mv2／２＋σＳ＋８πμＬ2v
【００１３】請求項８に記載のインクジェットヘッド
は、請求項７に記載のものにおいて、上記矩形片の厚さ
が、インク滴を吐出させる最大座屈エネルギを発生すべ
くさらに下式で与えられる最適値hsであることを特徴と
する。 hs＝l{−s＋(s2＋r3)1/2}1/3＋l{−s−(s2＋r3)1/2}1/3
; s2＋r3＞０ のとき hs＝２l(−r)cos(w／３) ; s2＋r3＜０ のとき 但し、r＝−αt／５π2, s＝−３k／５nＥbπ4, w＝cos
-1{s／r(−r)1/2},０≦w≦π
【００１４】請求項９に記載のインクジェットヘッド
は、壁部にインク吐出口を有する容器と、この容器内の
上記壁部に対向する壁面に、中央部から２本以上の矩形
片が直線で対をなして放射状に突出し,各矩形片の先端
が上記壁面に固定されて配設され、上記インク吐出口に
向かって座屈変形し得る座屈構造体と、この座屈構造体
に間隔をあけて重なるように配設され、周縁部のうち少
なくとも一方向に関して両端をなす部分が上記容器の内
壁に固定されて、上記容器内を座屈構造体側の空間と上
記インク吐出口側のインク室とに液密に区切るととも
に、上記インク吐出口に向かって変形し得るダイアフラ
ムと、このダイアフラムと上記座屈構造体を中央部で互
いに結合する結合部材と、上記空間内に配設され、上記
座屈構造体に通電して熱応力を生ぜしめて座屈変形させ
ることにより、上記インク室内のインクを加圧してイン
ク吐出口から吐出させる圧縮手段とを備えるとともに、
上記座屈構造体を構成する矩形片のヤング率をＥ,幅を
b,厚さをh,線膨張係数をα,矩形片の直線対の全長をＣ,
矩形片の直線対の中央部を除いた実効長,総数を夫々l,
n,座屈時の座屈構造体の温度変化をtとし、上記ダイア
フラムのばね定数をkとするとき、上記矩形片の幅bが下
式で与えられ、上記実効長lが、座屈エネルギを発生す
べく下式を満たすことをことを特徴とする。 b＝(Ｃ−l)／tan{(n−１)π／２n} (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)／３nＥbhπ4＞
０
【００１５】請求項１０に記載のインクジェットヘッド
は、請求項９に記載のものにおいて、上記インクの表面
張力をσ,粘性係数をμとし、インク滴の質量をm,吐出
速度をv,表面積をＳとし、インク吐出口の長さをＬとす
るとき、上記実効長lが、インク滴の吐出に必要な座屈
エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)を発生すべく下式をさらに満たすこ
とを特徴とする。 (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl3
π4＞mv2／２＋σＳ＋８πμＬ2v
【００１６】請求項１１に記載のインクジェットヘッド
は、請求項１０に記載のものにおいて、上記実効長l
が、インク滴を吐出させる最大座屈エネルギを発生すべ
くさらに下式を満たすことを特徴とする。 d{(３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl
3π4}／dl＝０
【００１７】
【作用】請求項１に記載のインクジェットヘッドは、次
のように駆動される。即ち、容器の構造体側の空間内に
配設された圧縮手段は、構造体の面内に圧縮荷重を生ぜ
しめ、これにより構造体は、上記面に垂直な方向に大き
く変形し、この変形力は、結合されて重なるダイアフラ
ムをインク吐出口に向かって変形させる。すると、この
ダイアフラムにより上記空間から液密に区切られたイン
ク室内のインクが圧縮されて、容器壁部のインク吐出口
からインク滴となって外部へ吐出される。圧縮手段によ
り圧縮荷重が除荷されると、構造体およびダイアフラム
は、変形のない元の位置に復帰する。こうして、圧縮手
段による構造体への圧縮荷重の載荷と除荷の繰り返しで
外部へ吐出されたインク滴によって、記録紙への印字が
行われる。ここで、構造体は、面内で一方向に関して両
端をなす部分を容器壁面に固定すれば、面内に加わる圧
縮荷重によって、面内方向の変位量が小さくとも面に垂
直な方向に大きな変位量を生じるので、構造が非常に簡
素化されるうえ、寸法を容易に小さくでき、それ故、寸
法を小さく維持したまま大きな吐出力を得ることができ
る。また、構造体に重なるように結合されてインク室を
液密に区切るダイアフラムを設けているので、インクが
他の空間に漏れ込むことがなく、かつ広い面積のダイア
フラムでインクを加圧できるから、大きな吐出力を得る
ことができる。
【００１８】請求項２に記載のインクジェットヘッド
は、次のように駆動される。即ち、容器の座屈構造体側
の空間内に配設された圧縮手段は、座屈構造体の板状面
内に圧縮荷重を生ぜしめ、これにより座屈構造体は、上
記面に垂直な方向に大きく座屈変形し、この変形力は、
結合部材で中央部付近を結合されて重なるダイアフラム
をインク吐出口に向かって変形させる。すると、このダ
イアフラムにより上記空間から液密に区切られたインク
室内のインクが圧縮されて、容器壁部のインク吐出口か
らインク滴となって外部へ吐出される。圧縮手段により
圧縮荷重が除荷されると、座屈構造体およびダイアフラ
ムは、変形のない元の位置に復帰する。こうして、圧縮
手段による座屈構造体への座屈荷重を超える圧縮荷重の
載荷と除荷の繰り返しで外部へ吐出されたインク滴によ
って、記録紙への印字が行なわれる。ここで、座屈構造
体は、面内で一方向に関して両端をなす部分を容器壁面
に固定すれば、面内に加わる座屈荷重を超える圧縮荷重
によって、面内方向の変位量が小さくとも面に垂直な方
向に大きな変位量を生じるので、構造が非常に簡素化さ
れるうえ、寸法を容易に小さくでき、それ故、寸法を小
さく維持したまま大きな吐出力を得ることができる。ま
た、座屈構造体に重なるように結合部材で結合されてイ
ンク室を液密に区切るダイアフラムを設けているので、
インクが座屈構造体のある空間に漏れ込むことがなく、
かつ広い面積のダイアフラムでインクを加圧できるか
ら、大きな吐出力を得ることができる。
【００１９】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、ダイアフラムと座屈構造体を中央部付近で結合する
結合部材が複数あるので、ダイアフラムに加わる荷重が
分散して応力が緩和され、ダイアフラムの寿命を延ばす
ことができる。
【００２０】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、上記座屈構造体が、中央部から複数の矩形片が放射
状に突出しており、ダイアフラムの周縁部の一方向に関
して両端をなす部分が容器の内壁に固定されているの
で、複数の座屈構造体に伴う単位座屈変形で貯えられる
エネルギの増加およびダイアフラムの大きな変形によっ
て、大きな吐出力を得ることができる。
【００２１】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、ダイアフラムが結合部材を介して座屈構造体に結合
する以外にはどの部材にも結合していないので、インク
室の液密を保持しつつ,ダイアフラムに生じる応力を緩
和でき、ダイアフラムの寿命を延ばすことができる。
【００２２】請求項６に記載のインクジェットヘッドで
は、圧縮手段による通電で座屈構造体に熱応力を生ぜし
めて座屈変形させることができるとともに、座屈構造体
を構成する矩形片の厚さを数式の範囲にして、インク加
圧に必要な座屈エネルギを発し得るインクジェットヘッ
ドを設計することができる。
【００２３】請求項７に記載のインクジェットヘッドで
は、上記矩形片の厚さをさらに数式の範囲にして、イン
ク滴の吐出に必要な座屈エネルギを発し得るインクジェ
ットヘッドを設計することができる。
【００２４】請求項８に記載のインクジェットヘッドで
は、上記矩形片の厚さをさらに数式の範囲にして、イン
ク滴吐出のための最大エネルギを発し得るインクジェッ
トヘッドを設計することができる。
【００２５】請求項９に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項５で述べたと同様、数式で示した幅および数
式の範囲内の直線対の実効長をもつ矩形片によって、イ
ンク加圧に必要な座屈エネルギを発し得るインクジェッ
トヘッドを設計することができる。
【００２６】請求項１０に記載のインクジェットヘッド
では、矩形片の直線対の実効長をさらに数式の範囲にし
て、インク滴の吐出に必要な座屈エネルギを発し得るイ
ンクジェットヘッドを設計することができる。
【００２７】請求項１１に記載のインクジェットヘッド
では、矩形片の直線対の実効長をさらに数式の範囲にし
て、インク滴吐出のための最大エネルギを発し得るイン
クジェットヘッドを設計することができる。
【００２８】
【実施例】以下、本発明を図示の実施例により詳細に説
明する。図１は、請求項２および６に記載のインクジェ
ットヘッドの一実施例の平面図および断面図である。こ
のインクジェットヘッド１０は、筐体５とこの筐体の上
面を覆い,かつ中央にインク吐出口７aをもつノズルプレ
ート７とからなる容器６と、この容器６内のノズルプレ
ート７に対向する底面に取付部材３を介して両端が固定
され,中央部が上方に向かって座屈変形し得る板状で矩
形の座屈構造体１と、この座屈構造体１の上方に間隔を
あけて重なるように配置され,筐体５の内周水平壁に載
置されかつ周縁部が固定されて容器内を下部空間と上部
のインク室とに液密に区切るとともに,上方に向かって
変形し得るダイアフラム２と、このダイアフラム２と上
記座屈構造体１とを中央部で互いに結合する結合部材４
と、スイッチ８を介して外部の電源９につながる座屈構
造体１の一端の電極１aとアースにつながる他端の電極
１bからなり,通電により座屈構造体１に熱応力を生ぜし
めて座屈変形させることにより,ダイアフラム２を介し
てインク室内のインク100を加圧してインク吐出口７aか
ら吐出させる圧縮手段を備えている。なお、図１の平面
図は、便宜上ノズルプレート７を外した状態で描かれて
いる。
【００２９】上記座屈構造体１は、弾性変形するととも
に導電性を有する例えば金属などの材料からなり、スイ
ッチ８のオンで電源９から給電され、発熱,昇温による
膨張が両端の取付部材３で阻止されるため、面内に熱応
力が生じて面に垂直上方へ座屈変形する一方、スイッチ
８のオフで給電が止まると、冷却で収縮して元の状態に
復帰する。座屈構造体１のインク吐出に適した形状,寸
法については、図１１以降で詳述する。上記ダイアフラ
ム２は、両側の長辺および両端の短辺つまり四周が筐体
５の内周水平壁に固定されて、インク室を液密に区切っ
ている。上記インク吐出口７aは、外方に向かって先細
のテーパ状をなす一方、筐体５の側壁には、インク室の
下部に通じるインク供給口５aが設けられている。
【００３０】上記構成のインクジェットヘッド１０は、
次のように駆動される。まず、容器６のインク室内にイ
ンク供給口５aを経てインク100が注入,充填される。次
に、スイッチ８がオンにされ、電源９から両端の電極１
a,１bを介して座屈構造体１に電流が流れると、座屈構
造体１は抵抗発熱により加熱され、熱膨張しようとす
る。しかし、座屈構造体１の長手方向の両端は、取付部
材３を介して筐体５の底面に固定されているため、座屈
構造体１の面内長手方向に圧縮力が蓄積される。この圧
縮力が座屈構造体の材質,寸法で決まる座屈荷重を超え
ると、座屈構造体１は、図２に示すように、面に垂直に
上方に向かって大きく座屈変形を起こす。この座屈変形
に伴う力は、結合部材４を介してダイアフラム２の中央
部に加わり、両端を筐体５の内周水平壁に固定されたダ
イアフラム２も、同様に大きく弾性変形する。すると、
このダイアフラム２により座屈構造体のある下部空間か
ら液密に区切られたインク室内のインク100が圧縮され
て、ノズルプレート７の中央のインク吐出口７aからイ
ンク滴100aとなって外部へ吐出される。
【００３１】次に、スイッチ８がオフにされて通電が止
まると、座屈構造体１は、冷却で収縮して熱応力がなく
なり、図１の元の状態に復帰する。こうして、スイッチ
８のオン,オフの繰り返しで外部へ吐出されたインク滴1
00aによって、記録紙に印字が行なわれる。両端を固定
された座屈構造体１は、面内に加わる座屈荷重を超える
圧縮荷重によって面内長手方向の変位量が少なくとも面
に垂直な方向に大きな変位量を生じるので、構造が非常
に簡素化されるうえ、寸法を容易に小さくでき、それ
故、小型化を図りつつ大きな吐出力を得ることができ
る。また、インク室を液密に区切るダイアフラム２を座
屈構造体１を覆うように設けているので、インクは下部
空間に漏れ込むことがなく、かつ広い面積のダイアフラ
ム２でインク100を加圧できるので、大きな吐出力を得
ることができる。以上の実施例では、容器の１つのイン
ク室内に１個の座屈構造体が、矩形のダイアフラムと１
箇所で結合部材により結合されたインクジェットヘッド
について述べたが、座屈構造体や結合部材の個数および
ダイアフラムの形状は、この実施例に限定されるもので
はなく、任意に選ぶことができる。
【００３２】図３,図４,図５は、座屈構造体,インク室
などを複数配設してなる請求項２および６に記載のイン
クジェットヘッドの実施例の夫々分解斜視図,平面図,断
面図(図４のV-V線矢視図)である。このインクジェット
ヘッド２０は、図３に示すように、容器の下部空間側を
なす筐体１５と、この筐体の上部にインク室側をなして
載るスペーサ１６と、インク吐出口を有して上部の蓋を
なすノズルプレート１７で構成される。上記筐体１５
は、図５にも示すように、共通の下部空間に相当するテ
ーパ状の凹部１８aを有して筐体の主要部をなす基板１
８と、基板１８の上面に取付部材１３を介して長手方向
の両端が固定されて４本並べて配置された略矩形の各座
屈構造体１１と、これら座屈構造体１１の上面に取付部
材１３を介して四周が固定され,かつ結合部材１４を介
して各座屈構造体の中央部と結合する１枚で共通のダイ
アフラム１２とを備える。なお、図４の平面図は、座屈
構造体１１の形状を明示すべく、スペーサ１６および基
板の凹部１８ａの輪郭を破線で描いている。
【００３３】基板１８は、例えば面方位(１００)の単結
晶シリコン板からなり、この上面に設けられた４つの座
屈構造体１１は、図４に示すように、長手方向他端側で
互いにつながるとともに、その両側につながって長手方
向に延びる１対の共通電極片を有し、各座屈構造体の一
端の操作電極１１aをスイッチを介して各電源１９の＋
端子に、各座屈構造体の他端を上記共通電極片の共通電
極１１b,１１bを介して電源１９の−端子に夫々接続し
て、各座屈構造体への給電を行なうようにしている。ス
ペーサ１６は、例えば厚さ１０〜５０μmのステンレス
鋼板からなり、図３に示すように、例えば打ち抜き加工
によって座屈構造体に対応して４つのインク室とインク
供給口を構成する開口１６aを形成している。また、ノ
ズルプレート１７は、例えば厚さ0.2mmのガラス板から
なり、例えばフッ酸を用いたエッチングで外方に向かっ
て先細の円錐状をなす４つのインク吐出口１７aが設け
られており、例えば接着剤によってスペーサ１６を介し
て筐体１５に接合される。
【００３４】上記実施例の筐体１５は、図６および図７
に示すような手順で製造される。まず、図６(a)に示す
ように、面方位(１００)の単結晶シリコンからなる基板
１８を準備し、この基板の表裏面に、６〜８％のリン
(Ｐ)を含む例えば厚さ２μmの酸化シリコン(ＳiＯ2)層
(以下、ＰＳＧ(Ｐhospho-Ｓilicate Ｇlass)と略称す
る))を減圧ＣＶＤ法により形成する。次に、図６(b)に
示すように、基板１８の表面上に、例えば厚さ６μmの
レジストを成膜,パターニングし、レジストのパターニ
ングされていない基板１８の表面上に、図６(c)に示す
ように、例えば電解めっきにより厚さ６μmのニッケル
(Ｎi)層を形成する。以上の工程により、ニッケル層か
らなる座屈構造体１１が形成されたことになる。
【００３５】更に、図６(d)に示すように、座屈構造体
１１の中央部に、例えば厚さ２μmのＰＳＧ層を成膜,パ
ターニングして、ＰＳＧ層からなる結合部材１４を形成
し、次にＰＳＧ層のパターニングされていない座屈構造
体１１の表面上に、図６(e)に示すように、レジストを
結合部材１４と同じ高さになるように塗布する。その
後、図７(f)に示すように、結合部材１４およびレジス
トの表面上に、たとえば電解めっきにより厚さ３μmの
ニッケル(Ｎi)層を成膜し、これによってニッケル層,か
らなるダイアフラム１２が形成されたことになる。
【００３６】続いて、基板１８の裏面の加工に移り、図
７(g)に示すように、裏面のＰＳＧ層をパターニング
し、パターニングされたＰＳＧ層をマスクとして、図７
(h)に示すように、シリコンの基板１８を異方性エッチ
ング液である水酸化カリウム(ＫＯＨ)によってエッチン
グして、基板１８を貫通するテーパ状の凹部１８aを形
成する。次に、図７(i)に示すように、エッチングされ
た基板１８のテーパ状の凹部１８aをマスクとして、Ｐ
ＳＧ層をエッチングして、取付部材１３を形成する。最
後に、レジストを除去して、図７(j)に示すような所望
の構成をもつ筐体１５を完成する。
【００３７】図３以降で述べた実施例のインクジェット
ヘッド２０は、座屈構造体１１やインク室などからなる
４つのインク吐出部が並列に設けられたものであり、個
々のインク吐出部は、夫々のスイッチでオン,オフされ
て図１の実施例と同様に動作して独立にインク吐出口１
７aからインクを吐出して印字を行なう。この実施例で
は、基板１８,ダイアフラム１２,スペーサ１６,ノズル
プレート１７を一体物に共通化し、４つのインク吐出部
を上述の製造工程で同時に作製しているので、独立に制
御できる複数のインク吐出部をコンパクトかつ安価に製
造することができ、機能性を向上させることができる。
なお、この実施例では、４つのインク吐出部をもつマル
チノズルヘッドについて述べたが、本発明の座屈構造体
の個数はこれに限られず、任意に選ぶことができる。
【００３８】図８は、放射状の座屈構造体を有する請求
項４に記載のインクジェットヘッドの実施例の平面図お
よび断面図である。このインクジェットヘッド３０は、
円筒状の筐体５と円板状のノズルプレート７からなる円
筒状の容器６をもち、座屈構造体１が放射状で,ダイア
フラム２が円板状である点が、図１の実施例と異なる。
上記座屈構造体１は、同一平面内において中央部から８
本の矩形片を直径方向に対をなすように放射状(直線対
の数は４本)に突出させてなり、各矩形片の先端が取付
部材３を介して筐体５の底面に固定されるとともに、中
央部の上面が結合部材４によりダイアフラム２に結合さ
れている。座屈構造体１を構成する各直線対の一端は、
電極１aおよび共通のスイッチ８を介して電源９に接続
され、他端は電極１bを介して接地されて、スイッチ８
のオンで各直線対に直径方向に同時に電流が流れるよう
になっている。
【００３９】上記インクジェットヘッド３０において、
スイッチ８がオンされると、座屈構造体１の両端が固定
された４本の直線対は、通電加熱による膨張が阻止され
て、同時に上方へ大きく座屈変形する。座屈変形に伴う
力は、結合部材４を介してダイアフラム２の中央部に加
わり、周縁部の一方向に関して両端をなす部分のみが容
器の環状の内周水平壁に固定され,インク室を液密に保
持するダイアフラム２も同様に大きく弾性変形する。こ
こで、ダイアフラム２の他の周縁部は、上記内周水平壁
に上から当接しているだけで、中央部が結合部材４で結
合されているので座屈構造体１の上述の動作に追従する
が、座屈変形を伴う変位量は中央部でも高々１０μm程
度なうえ、吐出に伴ってインク室のインクから反力を受
けるので、インク室の液密が保たれ、インクが下部空間
に漏れ込むことはない。そして、インク室内のインク10
0が圧縮されて、ノズルプレート７の中央のインク吐出
口７aから吐出され、印字が行なわれる。この実施例で
は、座屈構造体１が放射状の４本の直線対からなるの
で、複数の座屈構造体により単位座屈変形当たりに貯え
られるエネルギの増加し、またダイアフラム２の周縁部
の一方向にのみ両端が固定されているので、大きく変形
することができて、大きな吐出力を得ることができる。
【００４０】図９は、複数の結合部材を用いた請求項３
に記載のインクジェットヘッドの実施例の平面図および
断面図である。このインクジェットヘッド４０は、板状
で矩形の座屈構造体１と同様のダイアフラム２を中央部
付近で４つの結合部材４によって結合した点が、図１の
実施例と異なる。従って、この実施例の座屈構造体１の
通電による座屈変形でダイアフラム２を介してインクを
吐出する動作は、図１で述べた動作と基本的には同じで
あるから、説明を省略する。この実施例では、結合部材
４が４つあるので、ダイアフラム２に加わる荷重が分散
して応力が緩和され、ダイアフラム２の寿命を延ばすこ
とができる。
【００４１】図１０は、ダイアフラムが結合部材のみを
介して他部材と結合される請求項５に記載のインクジェ
ットヘッドの実施例の平面図および断面図である。この
インクジェットヘッド５０は、板状で矩形のダイアフラ
ム２が中央の結合部材４を介して座屈構造体１のみに結
合され、両端が筐体５の内周水平壁に固定されていない
点が、図１の実施例と異なる。上記断面図では、構造の
差異を強調すべくダイアフラム２の両端と内周水平壁と
の間に隙間があるかのように描いたが、この間は実際に
は離れておらず,当接しており、ダイアフラム２は、座
屈変形に伴う変位量が中央部での１０μmほどなうえ、
インク吐出時には液圧によって内周水平壁に向けて押し
付けられるので、インク室の液圧は保持され、インクが
下部空間に漏れ込むことはない。従って、この実施例で
も、座屈構造体１によるインク吐出動作は、図１で述べ
た動作と何ら異ならないから、説明を省略する。この実
施例では、ダイアフラム２が結合部材４を介して座屈構
造体１に結合する以外にはどの部材にも結合していない
ので、インク室の液密を保持しつつ,ダイアフラム２に
生じる応力を緩和でき、ダイアフラムの寿命を延ばすこ
とができる。
【００４２】図１１は、請求項６〜１１に記載したイン
ク吐出に適した座屈構造体の形状,寸法を求めるための
ダイアフラムをもつ力学系のモデル図である。両端を固
定された座屈構造体１と上端を固定されたダイアフラム
２は、座屈構造体１の中央部のみで互いに結合されてお
り、ダイアフラム２の変形量と荷重は、線形関係にある
ものとする。図１１(Ａ)の座屈構造体１に温度変化tが
与えられて、図１１(Ｂ)に示すように変形が生じたとす
ると、系全体のエネルギＵは次式で表わされる。 Ｕ＝{３Ａπ4δ4＋(２Ａh2π4−６Ａl2αtπ2＋１２l
3k)δ2＋１２Ａl4α2t2}／２４l3 …(１) 但し、Ｅ:座屈構造体のヤング率, b:座屈構造体の幅,
h:座屈構造体の厚さ n:座屈構造体の直線対の個数, α:座屈構造体の線膨張
係数 l:座屈構造体の長さ，k:ダイアフラムのばね定数 δ:座屈構造体の中央部の変形量，t:座屈構造体の温度
変化, Ａ＝nＥbh
【００４３】座屈構造体１の中央部の変位量δの変化に
対する力学系全体のエネルギＵの変化は、図１２に示す
ようになる。図１２から、中央部の変形量δがある値δ
cのとき、系のエネルギＵは最小値Ｕ2となり、系はこの
安定状態をとる。式(１)にδ＝０,δcを代入すると、変
形量δが０,δcのときの系のエネルギＵ1,Ｕ2が夫々求
まる。 Ｕ1＝Ａl4α2t2／２l3 …(２) Ｕ2＝{３Ａπ4δc4＋(２Ａh2π4−６Ａl2αtπ2＋１２l
3k)δc2＋１２Ａl4α2t2}／２４l3 …(３） 最小エネルギＵ２を与える変形量δcは、dＵ2／dδc＝
０から、次式で与えられる。 {６Ａπ4δc3＋(２Ａh2π4−６Ａl2αtπ2＋１２l3k)δ
c}／１２l3＝０ この式を満たすδcは、次のようになる。 δc＝０,±{(３Ａl2αtπ2−Ａh2π4−６l3k)／３Ａπ4}1/2 …(４) 前者は解として不適なので後者が解となるが、この解の
根号の中は必ず正でなければならないので、Ａ＝nＥbh
も考慮して次式が成立する。 (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)／３nＥbhπ4＞０ …(５) 式(５)をhについて解けば、最小エネルギＵ2が存在する
ため,つまりインク加圧の前提条件たる座屈エネルギ(Ｕ
1−Ｕ2)を得ることができる座屈構造体の厚さの範囲が
次式のように求まる。 ２l(−p)cos(u／３＋４π／３)＜h＜２l(−p)cos(u／３) …(６) 但し、p＝−αt／π2, q＝３k／nＥbπ4, u＝cos-1{q／
p(−p)1/2}, ０≦u≦π 一方、座屈エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)は、式(２),(３),(４)よ
り次式となる。 Ｕ1−Ｕ2＝(３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl3π4 …(７)
【００４４】座屈構造体の厚さhの変化に対する式(７)
で与えられる座屈エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)の変化の関係は、
図１３に示すようになる。この図で縦軸の座屈エネルギ
が正になる横軸hの範囲が、上記式(６)で示される範囲
となる。また、図１３より、上記hの範囲内で座屈エネ
ルギを最大にする最適値hsが存在し、この値は、式(７)
のhに関する微係数を０とおくことで次のように得られ
る。 hs＝l{−s＋(s2＋r3)1/2}1/3＋l{−s−(s2＋r3)1/2}1/3 ; s2＋r3＞０ のとき hs＝２l(−r)cos(w／３) ; s2＋r3＜０ のとき …(８) 但し、r＝−αt／５π2, s＝−３k／５nＥbπ4, w＝cos
-1{s／r(−r)1/2},０≦w≦π さらに、インク滴を吐出させるに必要なエネルギＵt
は、インク滴の運動エネルギ,表面エネルギおよびイン
クが吐出口を通過する際の摩擦損失エネルギの和として
次式で与えられる。 Ｕt＝mv2／２＋σＳ＋８πμＬ2v …(９) 但し、m:インク滴の質量, v:インク滴の吐出速度, σ:
インクの表面張力 Ｓ:インク滴の表面積, μ:インクの粘性係数, Ｌ:イン
ク吐出口の長さ 従って、座屈構造体がインク滴を吐出できるためには、
座屈構造体の厚さhは次式を満たす範囲になければなら
ない。 Ｕ1−Ｕ2＝(３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl3π4 ＞Ｕt＝mv2／２＋σＳ＋８πμＬ2v …(１０) なお、上記式(６),(１０),(８)は、夫々請求項６,７,８
の限定要件として挙げられている。
【００４５】図１４は、請求項９〜１１に記載した寸法
を求めるための座屈構造体の平面図である。この座屈構
造体１は、同一平面内において中央部から矩形片を円周
方向に９０°の間隔をおいて放射状に４本突出させてな
り、直径方向に直線で対をなす直線対の数は２本とな
る。図中でハッチングを施した中央部は、各矩形片の合
流箇所で殆んど座屈変形を生じないので、座屈構造体の
長さから除外され、座屈構造体(直線対)の一端から他端
までの全長をＣとすると、中央部の寸法に等しい矩形片
の幅bはb＝Ｃ−lとなる(但し、lは座屈構造体の図示の
実効長)。この矩形片の幅bに関する式を直線対の数がn
の場合に拡張すれば、次式となる。 b＝(Ｃ−l)／tan{(n−１)π／２n} …(１１) さて、座屈構造体の実効長lの変化に対する座屈エネル
ギ(Ｕ1−Ｕ2)の変化の関係は、図１５に示すようなもの
になり、座屈エネルギが得られる範囲おいてlの最適値l
sが存在する。即ち、座屈エネルギを得るためには、上
記実効長lは式(７)より下式を満たす範囲でなければな
らない。 (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl3π4＞０ …(１２) また、最大座屈エネルギを与える実効長の最適値lsは、
式(１２)の左辺のlに関する微係数を０として、下式で
与えられる。 d{（３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbh
l3π4}／dl＝０ …(１３) 更に、座屈構造体がインク滴を吐出できるためには、
(Ｕ1−Ｕ2)＞Ｕtより、上記実効長lは次式を満たす範囲
になければならない。 (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl3
π4＞mv2／２＋σＳ＋８πμＬ2v …(１４) なお、上記式(１１),(１２);(１４);(１３)は、夫々請
求項９;１０;１１の限定要件として挙げられている。
【００４６】図１１の力学的モデルに基づいて解析して
きたインク吐出に適した座屈構造体の厚さhおよび長さl
の設計例について次に説明する。直径５０μmのインク
滴を１０m／sの速度で吐出させる場合に必要なエネルギ
は、インクの諸特性を以下のものとすると、式(９)より
略１０nＪとなる。また、座屈構造体,ダイアフラムとも
材質をニッケルとし、材料定数は下記のものを用いた。
また、温度変化tは100℃とする。 σ＝６０×１０-3Ｎ／m, μ＝２cＰ, Ｌ＝３５μm インクの密度(m)＝1000kg／m3 Ｅ＝Ｅd(ダイアフラムのヤング率)＝２１０ＧＰa νd(ダイアフラムのポアソン比)＝0.3, α＝13.4×１０
-6／℃
【００４７】図１６は、第１設計例のインクジェットヘ
ッドの各部の寸法を示している。長方形ダイアフラム２
のばね定数kは、材料力学の板の撓み理論より次式で与
えられる。 k＝Ｅdhd 3／Ａbd 2＝81.8Ｎ/m 但し、bd:ダイアフラムの短辺, hd:ダイアフラムの厚さ Ａ:ダイアフラムの長辺,短辺の比で決まる定数 第１設計例の座屈構造体１の厚さhの変化に対する座屈
エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)の変化の関係を図１７に示す。座屈
エネルギを得るための座屈構造体の厚さhの範囲は、式
(６)より 0.38μm＜h＜15.8μm となる。また、座屈
エネルギを、上記インク滴の吐出に必要なエネルギの２
倍,即ち２０nＪにするためには、図１７より座屈構造体
の厚さhの範囲は、式(１０)に基づき 2.3μm＜h＜13.0
μm でなければならない。さらに、座屈構造体の厚さ
の最適値hsは、式(８)より hs＝7.4μm となり、この
近傍の厚さに設計するのが望ましい。
【００４８】図１８は、第２設計例のインクジェットヘ
ッドの各部の寸法を示している。この例では、座屈構造
体１の直線対の個数nを２とし、直線対の全長Ｃを500μ
mに固定し、座屈構造体の厚さhを最適値とする。半径r
の円形ダイアフラム２のばね定数kは、k＝４πＥdhd 3／
３r2(１−νd 2)＝15.5Ｎ／m となる。第２設計例の座
屈構造体１の実効長lの変化に対する座屈エネルギ(Ｕ1
−Ｕ2)の変化の関係を図１９に示す。座屈エネルギを得
るための座屈構造体の実効長の範囲は、式(１２)より
l＜499μm でなければならない。また、座屈エネルギ
を、上記インク滴の吐出に必要なエネルギの２倍以上に
するためには、図１９より座屈構造体の実効長lの範囲
は、式(１４)に基づき 167μm＜l＜455μm でなけれ
ばならない。さらに、座屈構造体の実効長lの最適値ls
は、式(１３)より ls＝331μm となり、この近傍の長
さに設計することが望ましい。
【００４９】図２０は、第３設計例のインクジェットヘ
ッドの各部の寸法を示している。この例は、座屈構造体
１の直線対の個数nが４になる以外は、第２設計例の構
造と同じであり、ダイアフラム２のばね定数kも、同じ
１５.５Ｎ／mである。第３設計例の座屈構造体１の実効
長lに対する座屈エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)の変化の関係を図
２１に示す。座屈エネルギを得るための座屈構造体の実
効長lの範囲は、式(１２)より l＜499μm となる。ま
た、座屈エネルギを、上記インク定数の吐出に必要なエ
ネルギの２倍以上にするためには、図１９より座屈構造
体の実効長lの範囲は、式(１４)に基づき 186μm＜l＜
441μm でなければならない。さらに、座屈構造体の実
効長lの最適値lsは、式(１３)より ls＝333μm とな
り、この近傍の長さに設計することが望ましい。
【００５０】図１９および図２１より、座屈構造体の全
長Ｃが一定であり、座屈構造体の厚さを最適値hsとする
と、座屈構造体(直線対)の個数nが少ない方が座屈エネ
ルギを大きく取ることができる。しかし、インク吐出時
は、インクの圧力によりダイアフラムが座屈構造体に押
し付けられるので、座屈構造体の個数が少ないと、図１
８,２０の斜線で示すように矩形片で区切られたダイア
フラム１区画の面積が大きくなり、この区画に大きな荷
重が加わってダイアフラムの寿命が短くなることに留意
しなければならない。
【００５１】なお、以上の実施例では、圧縮手段として
座屈構造体１の両端に設けられ、スイッチ８を介する電
源９からの通電で座屈構造体に熱応力を生ぜしめて座屈
変形をさせる電極１a,１bを用いたが、本発明の圧縮手
段は、これに限らず、例えば力学的に座屈構造体に座屈
荷重を超える圧縮荷重を負荷して座屈変形させることに
より、ダイアフラムを介してインク室内のインクを加圧
して吐出させるものを任意に選ぶことができる。
【００５２】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
に記載のインクジェットヘッドは、インク吐出口を壁部
にもつ容器と、この容器内の壁面に周縁部の少なくとも
一方向に関して両端をなす部分が固定され,変形し得る
構造体と、この構造体に間隔をあけて重なるように設け
られ,かつ上記構造体に少なくとも一部で結合し,インク
室を液密に区切るとともにインク室側に向かって変形し
得るダイヤフラムと、構造体を変形させることにより,
インク室内のインクを加圧,吐出させる圧縮手段とを備
えているので、インク室からの漏れを防ぐ広面積のダイ
ヤフラムにより大きな吐出力を得ることができる。
【００５３】請求項２に記載のインクジェットヘッド
は、インク吐出口を壁部にもつ容器と、この容器内の上
記壁部に対向する壁面に周縁部の両端が固定され,イン
ク吐出口に向かって座屈変形し得る座屈構造体と、この
座屈構造体に間隔をあけて重なるように設けられ,容器
内を座屈構造体側空間とインク室とに液密に区切るとと
もに中央部付近で結合部材により座屈構造体と結合され
るダイアフラムと、座屈構造体に圧縮荷重を生ぜしめて
座屈変形させて,インク室内のインクを加圧,吐出させる
圧縮手段とを備えているので、スペースを要さずに大き
な変形を生じうる座屈構造体により構造が簡素化され、
インク室からのインク漏れを防ぐ広面積のダイアフラム
により加圧と相俟って、寸法を小さく維持したまま大き
な吐出力を得ることができる。
【００５４】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、ダイアフラムと座屈構造体を結合する結合部材を複
数にするので、ダイアフラムに加わる荷重の分散で応力
を緩和して、ダイアフラムの寿命を延ばすことができ
る。
【００５５】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体が、中央部から複数の矩形片を放射状に
突出してなり、ダイアフラムの周縁部の一方向に関して
両端をなす部分が容器の内壁に固定されているので、複
数の座屈構造体に伴う単位座屈変形で貯えられるエネル
ギの増加およびダイヤフラムの大きな変形によって、大
きな吐出力を得ることができる。
【００５６】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、ダイアフラムが結合部材を介して座屈構造体に結合
する以外にはどの部材にも結合していないので、インク
室の液密を保持しつつ,ダイアフラムに生じる応力を緩
和でき、ダイアフラムの寿命を延ばすことができる。
【００５７】請求項６に記載のインクジェットヘッドで
は、圧縮手段による通電で座屈構造体に熱応力を生ぜし
めて座屈変形させることができるとともに、座屈構造体
を構成する矩形片の厚さを数式の範囲にして、インク加
圧に必要な座屈エネルギを発し得るインクジェットヘッ
ドを設計することができる。
【００５８】請求項７に記載のインクジェットヘッドで
は、上記矩形片の厚さをさらに数式の範囲にして、イン
ク滴の吐出に必要な座屈エネルギを発し得るインクジェ
ットヘッドを設計することができる。
【００５９】請求項８に記載のインクジェットヘッドで
は、上記矩形片の厚さをさらに数式の範囲にして、イン
ク滴吐出のための最大エネルギを発し得るインクジェッ
トヘッドを設計することができる。
【００６０】請求項９に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項５で述べたと同様、数式で示した幅および数
式の範囲内の直線対の実効長をもつ矩形片によって、イ
ンク加圧に必要な座屈エネルギを発し得るインクジェッ
トヘッドを設計することができる。
【００６１】請求項１０に記載のインクジェットヘッド
では、矩形片の直線対の実効長をさらに数式の範囲にし
て、インク滴の吐出に必要な座屈エネルギを発し得るイ
ンクジェットヘッドを設計することができる。
【００６２】請求項１１に記載のインクジェットヘッド
では、矩形片の直線対の実効長をさらに数式の範囲にし
て、インク滴吐出のための最大エネルギを発し得るイン
クジェットヘッドを設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の請求項１,５に記載のインクジェッ
トヘッドの一実施例を示す平面図および断面図である。
【図２】 座屈構造体が座屈変形した状態の図１の実施
例を示す平面図および断面図である。
【図３】 複数のインク室をもつインクジェットヘッド
の一実施例を示す分解斜視図である。
【図４】 図３の実施例の平面図である。
【図５】 図４のV−V線矢視図である。
【図６】 図３の実施例の筐体の製造手順を示す断面図
である。
【図７】 図３の実施例の筐体の製造手順を示す断面図
である。
【図８】 放射状の座屈構造体をもつ請求項５に記載の
インクジェットヘッドの実施例を示す平面図および断面
図である。
【図９】 複数の結合部材を用いた請求項２に記載のイ
ンクジェットヘッドの実施例を示す平面図および断面図
である。
【図１０】 ダイアフラムが結合部材のみで結合される
請求項４に記載のインクジェットヘッドの実施例を示す
平面図および断面図である。
【図１１】 請求項５〜１０に記載した座屈構造体の形
状,寸法を求めるための力学系のモデル図である。
【図１２】 図１１のモデルにおける中央部の変位量の
変化に対する系のエネルギの変化を示すグラフである。
【図１３】 座屈構造体の厚さの変化に対する座屈エネ
ルギの変化を示すグラフである。
【図１４】 請求項８〜１０に記載した寸法を求めるた
めの座屈構造体の平面図である。
【図１５】 最適厚さの座屈構造体における実効長の変
化に対する座屈エネルギの変化を示すグラフである。
【図１６】 上記モデル解析に基づくインクジェットヘ
ッドの第１設計例を示す平面図および断面図である。
【図１７】 図１６の第１設計例における座屈構造体の
厚さの変化に対する座屈エネルギの変化を示すグラフで
ある。
【図１８】 上記モデル解析に基づくインクジェットヘ
ッドの第２設計例を示す平面図および断面図である。
【図１９】 図１８の最適厚さをもつ第２設計例におけ
る座屈構造体の実効長の変化に対する座屈エネルギの変
化を示すグラフである。
【図２０】 上記モデル解析に基づくインクジェットヘ
ッドの第３設計例を示す平面図および断面図である。
【図２１】 図２０の第３設計例における座屈構造体の
実効長の変化に対する座屈エネルギの変化を示すグラフ
である。
【符号の説明】
１…座屈構造体、２…ダイアフラム、３…取付部材、４
…結合部材、５…筺体、５a…インク供給口、７…ノズ
ルプレート、７a…インク吐出口 １０…インクジェットヘッド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平田 進 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 木村 正治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 石井 頼成 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 堀中 大 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 恩田 裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 壁部にインク吐出口を有する容器と、 この容器内の壁面に、周縁部のうち少なくとも一方向に
    関して両端をなす部分が固定されて配設され、変形し得
    る構造体と、 この構造体と間隔をあけて重なるように配設され,かつ
    上記構造体に少なくとも一部で結合し、インク室を液密
    に区切るとともに、上記インク室側に向かって変形し得
    るダイアフラムと、 上記容器内に配設され、上記構造体を変形させることに
    より、上記インク室内のインクを加圧してインク吐出口
    から吐出させる圧縮手段とを備えたことを特徴とするイ
    ンクジェットヘッド。
  2. 【請求項２】 壁部にインク吐出口を有する容器と、 この容器内の上記壁部に対向する壁面に、周縁部のうち
    少なくとも一方向に関して両端をなす部分が固定されて
    配設され、上記インク吐出口に向かって座屈変形し得る
    板状の座屈構造体と、 この座屈構造体と間隔をあけて重なるように配設され、
    上記容器内を座屈構造体側の空間と上記インク吐出口側
    のインク室とに液密に区切るとともに、上記インク吐出
    口に向かって変形し得るダイアフラムと、 このダイアフラムと上記座屈構造体を中央部付近で互い
    に結合する結合部材と、 上記空間内に配設され、上記
    座屈構造体に圧縮荷重を生ぜしめて座屈変形させること
    により、上記インク室内のインクを加圧してインク吐出
    口から吐出させる圧縮手段とを備えたことを特徴とする
    インクジェットヘッド。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のインクジェットヘッド
    において、上記結合部材が、複数あることを特徴とする
    インクジェットヘッド。
  4. 【請求項４】 請求項２または３に記載のインクジェッ
    トヘッドにおいて、上記座屈構造体は、中央部から複数
    の矩形片が放射状に突出しており、上記ダイアフラム
    は、周縁部のうち少なくとも一方向に関して両端をなす
    部分が上記容器の内壁に固定されていることを特徴とす
    るインクジェットヘッド。
  5. 【請求項５】 請求項２または３に記載のインクジェッ
    トヘッドにおいて、上記ダイアフラムは、上記結合部材
    を介して座屈構造体に結合する以外にはどの部材とも結
    合していないことを特徴とするインクジェットヘッド。
  6. 【請求項６】 壁部にインク吐出口を有する容器と、 この容器内の上記壁部に対向する壁面に、中央部から２
    本以上の矩形片が直線で対をなして放射状に突出し,各
    矩形片の先端が上記壁面に固定されて配設され、上記イ
    ンク吐出口に向かって座屈変形し得る座屈構造体と、 この座屈構造体に間隔をあけて重なるように配設され、
    周縁部のうち少なくとも一方向に関して両端をなす部分
    が上記容器の内壁に固定されて、上記容器内を座屈構造
    体側の空間と上記インク吐出口側のインク室とに液密に
    区切るとともに、上記インク吐出口に向かって変形し得
    るダイアフラムと、 このダイアフラムと上記座屈構造体を中央部で互いに結
    合する結合部材と、 上記空間内に配設され、上記座屈構造体に通電して熱応
    力を生ぜしめて座屈変形させることにより、上記インク
    室内のインクを加圧してインク吐出口から吐出させる圧
    縮手段とを備えるとともに、 上記座屈構造体を構成する矩形片のヤング率をＥ,幅を
    b,厚さをh,線膨張係数をα,矩形片の直線対の長さ,総数
    を夫々l,n,座屈時の座屈構造体の温度変化をtとし、上
    記ダイアフラムのばね定数をkとするとき、上記矩形片
    の厚さhが、座屈エネルギを発生すべく下式を満たすこ
    とをことを特徴とするインクジェットヘッド。 ２l(−p)cos(u／３＋４π／３)＜h＜２l(−p)cos(u／
    ３) 但し、p＝−αt／π2, q＝３k／nＥbπ4, u＝cos-1{q／
    p(−p)1/2}, ０≦u≦π
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のインクジェットヘッド
    において、上記インクの表面張力をσ,粘性係数をμと
    し、インク滴の質量をm,吐出速度をv,表面積をＳとし、
    インク吐出口の長さをＬとするとき、上記矩形片の厚さ
    hが、インク滴の吐出に必要な座屈エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)
    を発生すべく下式をさらに満たすことを特徴とするイン
    クジェットヘッド。 Ｕ1−Ｕ2＝(３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１
    ８nＥbhl3π4＞mv2／２＋σＳ＋８πμＬ２ｖ
  8. 【請求項８】 請求項７に記載のインクジェットヘッド
    において、上記矩形片の厚さが、インク滴を吐出させる
    最大座屈エネルギを発生すべくさらに下式で与えられる
    最適値ｈｓであることを特徴とするインクジェットヘッ
    ド。 hs＝l{−s＋(s2＋r3)1/2}1/3＋l{−s−(s2＋r3)1/2}1/3
    ; s2＋r3＞０ のとき hs＝２l(−r)cos(w／３) ; s2＋r3＜０ のとき 但し、r＝−αt／５π2, s＝−３k／５nＥbπ4, w＝cos
    -1{s／r(−r)1/2},０≦w≦π
  9. 【請求項９】 壁部にインク吐出口を有する容器と、 この容器内の上記壁部に対向する壁面に、中央部から２
    本以上の矩形片が直線で対をなして放射状に突出し,各
    矩形片の先端が上記壁面に固定されて配設され、上記イ
    ンク吐出口に向かって座屈変形し得る座屈構造体と、 この座屈構造体に間隔をあけて重なるように配設され、
    周縁部のうち少なくとも一方向に関して両端をなす部分
    が上記容器の内壁に固定されて、上記容器内を座屈構造
    体側の空間と上記インク吐出口側のインク室とに液密に
    区切るとともに、上記インク吐出口に向かって変形し得
    るダイアフラムと、 このダイアフラムと上記座屈構造体を中央部で互いに結
    合する結合部材と、 上記空間内に配設され、上記座屈構造体に通電して熱応
    力を生ぜしめて座屈変形させることにより、上記インク
    室内のインクを加圧してインク吐出口から吐出させる圧
    縮手段とを備えるとともに、 上記座屈構造体を構成する矩形片のヤング率をＥ,幅を
    b,厚さをh,線膨張係数をα,矩形片の直線対の全長をＣ,
    矩形片の直線対の中央部を除いた実効長,総数を夫々l,
    n,座屈時の座屈構造体の温度変化をtとし、上記ダイア
    フラムのばね定数をkとするとき、上記矩形片の幅bが下
    式で与えられ、上記実効長lが、座屈エネルギを発生す
    べく下式を満たすことをことを特徴とするインクジェッ
    トヘッド。 b＝(Ｃ−l)／tan{(n−１)π／２n} (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)／３nＥbhπ4＞
    ０
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のインクジェットヘッ
    ドにおいて、上記インクの表面張力をσ,粘性係数をμ
    とし、インク滴の質量をm,吐出速度をv,表面積をＳと
    し、インク吐出口の長さをＬとするとき、上記実効長l
    が、インク滴の吐出に必要な座屈エネルギ(Ｕ1−Ｕ2)を
    発生すべく下式をさらに満たすことを特徴とするインク
    ジェットヘッド。 (３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl3
    π4＞mv2／２＋σＳ＋８πμＬ2v
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のインクジェットヘ
    ッドにおいて、上記実効長lが、インク滴を吐出させる
    最大座屈エネルギを発生すべくさらに下式を満たすこと
    を特徴とするインクジェットヘッド。 d{(３nＥbhl2αtπ2−nＥbh3π4−６l3k)2／１８nＥbhl
    3π4}／dl＝０
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