JPH10202895A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ピエゾ素子に電圧を印加してインクを吐出さ
せ、ピエゾ素子への電圧の印加をやめてピエゾ素子を初
期状態に回復させた時、個別インク室の入り口側の小孔
からインクが補充されて個別インク室内をインクが充満
した状態に回復させる時間を短くする。 【解決手段】個別インク室３内底面に存在する共通イン
ク室４に通じるインク入り口とノズル開口部に通じるイ
ンク出口との中間位置より出口側の個別インク室３の高
さを入り口側に比べて低くし、インク入り口の面積をイ
ンク出口の面積よりも大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェット記録
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ノズル開口から微小なインク滴を吐出
し、記録媒体上にインク滴を付着させて形成するドット
の集合により画像を印刷するインクジェット記録装置
は、記録ヘッド内のインクタンクから各ノズル開口に繋
がるインク室にインクを導き、インク室内のインクに運
動エネルギを与えることにより、ノズル開口からインク
滴を吐出させ、そのインクを記録媒体に付着させてドッ
トを形成する構成である。インクに運動エネルギを与え
る駆動方法の一つとして、インク室を構成する壁の一部
に接着したピエゾ素子を駆動部材とし、ピエゾ素子にパ
ルス電圧を印加することによってピエゾ素子を瞬間的に
変形させ、壁を変形させてインク室の体積を減少させる
ことによって発生する圧力でインクを吐出させる方法が
ある。特公平2−51734 号公報には、この方法によって
インクを吐出させる記録ヘッドに使用されるピエゾ素子
の形状，弾性係数，厚さ、及び壁の弾性係数，厚さとの
相関関係について開示されている。また、特開平8−193
3 号公報には、ピエゾ素子の配列方法とピエゾ素子への
電圧印加方法について開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ピエゾ素子を用いたイ
ンクジェットプリンタでの印刷方法は、インクタンクか
ら各ノズル開口に繋がる個別インク室にインクを導き、
ピエゾ素子に電圧を印加することによって変形させ、そ
の応力で個別インク室の壁を変形させた時に個別インク
室の体積が減少することにより、ノズル開口部からイン
クが外部に吐出する。そして、電圧の印加を止めたとき
にピエゾ素子が元の状態に戻り、共通インク室より個別
インク室にインクが供給され、次のインク吐出に備え
る。この個別インク室へのインク供給速度が速いほど、
短周期でインクを吐出させることができる。ピエゾ素子
の変形状態は印加電圧の大きさに依存するため、電圧パ
ルスの立ち上がり（または立ち下がり）にピエゾ素子の
変形が追従する。個別インク室内のインクは個別インク
室の壁の変形に対して遅れて流動し、その遅れ時間はイ
ンクの粘性係数とインクタンクから個別インク室までの
通路の形状に依存する。インクジェットプリンタに用い
られるインクの溶媒は、乾燥してノズルにインクの目詰
まりが発生しない性質を有するもの、かつ粘性係数が低
いものが使用される。したがって、インクジェットプリ
ンタ向けのインクの溶媒はアルコール系のものが多く使
用されており、インクの粘性係数には大きな差がみられ
ない。つまり、個別インク室の形状やインクタンクから
個別インク室までの通路の形状が最適になるように設計
することにより、短周期でインクを吐出させることを検
討する必要があるが、従来のインクジェットプリンタで
はまだ十分に考慮されていなかった。

【０００４】本発明の目的は、個別インク室へのインク
の補給を速くして短周期でインクの吐出が可能な高速の
インクジェットヘッドを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、目的を達成す
るために、ピエゾ素子の変形によってインクに運動エネ
ルギを与えてインクを吐出させる方式のインクジェット
記録装置において、ノズル開口部と同数の個別インク室
の形状、及び個別インク室へ入出するインク通路の大き
さを適切な値に設定するものである。

【０００６】具体的には、インク滴を吐出する多数のノ
ズル開口部と、ノズル開口部ごとに設けた個別インク室
と、個別インク室に供給するインクを一時蓄える共通イ
ンク室と、インクタンクから共通インク室を経て個別イ
ンク室を連結する供給通路を有し、ピエゾ素子の変形に
よってインクに運動エネルギを与えてインクを吐出させ
る方式のインクジェット記録装置において、個別インク
室内の共通インク室側のインク入り口とノズル開口部側
の出口との中間位置より出口側のインク室高さが入り口
側に比べて低いこと、及び出口側の小孔の面積が小さい
ことによって、インクを吐出させた後の個別インク室へ
のインク補給が早くなるので、短周期でインクが吐出可
能となり、高速なインクジェット記録装置を提供するこ
とができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図８は本発明になるインクジェッ
ト記録装置の一実施形態を示している。１０はインクタ
ンク、１１は記録ヘッド、１２は記録ヘッド支持部材、
１３は記録媒体、１４は記録媒体搬送ロール、１５は記
録ヘッド移動手段、１６はモータである。

【０００８】記録ヘッド１１は適当な間隔で配列された
多数のノズル開口部を備え、このノズル開口部を下方に
向けてヘッド支持部材１２に支持され、ノズル開口部の
並び方向が記録媒体１３の搬送方向と交差する方向とな
るように配置される。モータ１６ａの駆動力が記録ヘッ
ド移動手段１５に伝達され、記録ヘッド１１は記録媒体
１３の上方を移動しながら数十μｍの大きさに形成され
ているノズル開口部よりインクを吐出して印刷が実行さ
れる。記録ヘッド移動手段１５としては、ベルト状のゴ
ムなどがよく用いられる。カラー印刷が可能なインクジ
ェット記録装置においては、記録ヘッド１１には、シア
ン，マゼンタ，イエロー，黒の４色分のノズル開口群が
形成される。各ノズル開口部からインク滴を吐出させる
駆動部材を付勢する電気パルスは、パーソナルコンピュ
ータなどのホスト装置から与えられる印刷データに従っ
て、インクジェット記録装置内の制御装置（図示せず）
が発生する。制御装置は、マイクロコンピュータを中心
に構成され、ホスト装置から与えられる印刷データに従
って電気パルスの発生を制御して記録ヘッド１１からイ
ンク滴を発生させ、モータ１６ａやモータ１６ｂを回転
させて記録ヘッド１１や記録媒体搬送ロール１４を駆動
させる機能を有する。

【０００９】図１は本発明に使用されるインクジェット
記録装置の記録ヘッドの断面図である。１はピエゾ素
子、２は隔壁、３は個別インク室、４は共通インク室、
６はノズル開口部、７はインク通路である。インクはイ
ンクタンクより共通インク室４に入り、その先の多数に
分割された個別インク室３に入る。個別インク室３の上
方には厚さ１０μｍ程度の隔壁２が接続され、さらに隔
壁２の上方にはピエゾ素子１が接続されている。ピエゾ
素子１の厚み方向に電圧が印加されると、ピエゾ素子１
は長手方向に収縮するため、隔壁２が変形して個別イン
ク室３の体積が減少する。そのため、個別インク室３内
のインクに圧力がかかり、インクはノズル開口部６より
吐出する。

【００１０】図１のような構成のヘッドを製作する方法
は、薄いステンレスの板にプレス加工によって所定の形
と形状の多数の穴をあけ、その複数枚の穴をあけた板と
隔壁２とを接着した部材の上部にピエゾ素子を接着して
ヘッドを構成する方法や、インク室部分や隔壁をセラミ
ックスで製作して、さらにその後部材を一体焼結した部
材の上に、高温雰囲気中でピエゾ素子１を印刷して積層
する方法（特開平8−1933号公報）などが知られている
が、本発明ではヘッドの製作方法を規定するものではな
い。

【００１１】ここで、図１の構成のヘッドでのインクの
流れを図３〜図５を用いてさらに詳しく説明する。

【００１２】図３は図１での断面ａ−ａ′を示す。隔壁
２の上にノズル開口部数のピエゾ素子１ａ，１ｂ，１ｃ
〜１ｍが並んでいる。ここではピエゾ素子１が一列に並
んだ状態を示しているが、複数列に並べても問題はな
い。また、断面内にはインクタンクと共通インク室を連
結するインク通路７が存在する。

【００１３】図４は図１での断面ｂ−ｂ′を示す。断面
内にはピエゾ素子に対応する位置に個別インク室３ａ，
３ｂ，３ｃ〜３ｍが並んでいる。この個別インク室３
ａ，３ｂ，３ｃ〜３ｍにはインクタンクからインクが流
れ込む小孔とノズル開口部につながる小孔があけられて
いる。また、図３と同様に、断面内にはインクタンクと
共通インク室を連結するインク通路７が存在する。

【００１４】図５は図１での断面ｃ−ｃ′を示す。共通
インク室４からノズル開口部数の連結通路５ａ，５ｂ，
５ｃ〜５ｍに枝分かれしてインクが流れ込む。この連結
通路のインクが毛細管現象によって図４の個別インク室
３ａ，３ｂ，３ｃ〜３ｍに入っていく。また、断面内に
はノズル開口部につながる小孔列８ａ，８ｂ，８ｃ〜８
ｍが存在する。

【００１５】次にインクの吐出時のピエゾ素子の動作と
インクの流れを説明する。

【００１６】図２（ａ）はインク吐出時の個別インク室
の様子を示している。インク吐出時にはピエゾ素子１に
電圧が印加され、その時ピエゾ素子１は長手方向に収縮
するので、隔壁２は下方にたわみ、個別インク室の体積
が減少する。隔壁２は個別インク室の上面の壁であり、
個別インク室３の長手方向の中央部で最も下方にたわむ
ので、個別インク室の形状が直方体である場合には、個
別インク室３内のインクの半分がインクタンク側（個別
インク室入り口側）に流れ、残り半分がノズル開口部側
（個別インク室出口側）に流れ、この出口部に流れたイ
ンクがノズル開口部６より吐出する。インクが吐出した
後は、ピエゾ素子１への電圧の印加を中止してピエゾ素
子を初期状態に回復させる。その時、個別インク室３の
入り口側の小孔からインクが補充されて個別インク室３
内は初期状態に回復する。

【００１７】ところで、インクを連続させて吐出させる
場合、その周期は個別インク室３へのインク補充時間に
依存する。つまり、インクの補充が早いほど連続吐出の
周期が短くなり、高速な印刷が可能となる。図２（ｂ）
は個別インク室３へのインク補充を早くする方法を示し
ている。図２（ａ）との違いは個別インク室３の中央部
より出口側の高さが低くなっていること、及び、出口側
の小孔の面積が小さいことである（ｈ０＜ｈ１，ｗ１＜
ｗ２）。図２（ｂ）のような構成になっていると、ピエ
ゾ素子１が収縮して隔壁２が変形した場合に、出口側の
インクの流速が入り口側に比べて速くなるため、個別イ
ンク室３の中央部よりも入り口側のインクが出口側に流
れ込むようになる。出口側に流れたインクの体積分がノ
ズル開口部より吐出されるので、図２（ｂ）の構成と図
２（ａ）の構成とでインク吐出量が等しいならば、図２
（ｂ）の構成の方が吐出時に入り口側に流れる（共通イ
ンク室側に戻る）インク量が少ない。したがって、ピエ
ゾ素子１が元の状態に戻った際の個別インク室３へのイ
ンク補充量が少なくて済むため、個別インク室３が初期
状態に戻る時間を短縮できる。初期状態に戻るまでの時
間が短縮されれば、吐出周期を短くすることができるの
で、高速印刷が可能となる。

【００１８】図１に示す構成のインクジェットヘッドで
は、図３に示すような形状のピエゾ素子を使用する。縦
幅ａ≪横幅ｂの形状のピエゾ素子に電圧を印加して伸縮
させると、ピエゾ素子１の横幅ｂに依存した共振周波数
で振動する。この振動の周波数は、例えば横幅ｂが２mm
の場合には７００ｋＨｚ程度であり、振動は隔壁２を通
して個別インク室内に入り音速で伝搬する。個別インク
室内の振動はインクを媒体として伝搬するので、インク
室の壁がこの振動を閉じこめるように形成されていれ
ば、個別インク室内にインクを取り込むような流れを作
ることができる。図６は個別インク室の入り口部分を拡
大した図である。個別インク室３の高さｈ１と供給通路
５の高さｈ２の和が、個別インク室３の上面と共通通路
の底面との距離ｈ３より大きいならば個別インク室３内
に振動が閉じこめられるため、個別インク室３内のイン
クがインクタンク側に戻る動きが少ない。

【００１９】しかし、図７のように、個別インク室３の
高さｈ１と供給通路５の高さｈ２の和が、個別インク室
３の上面と共通通路の底面との距離ｈ３よりも小さい構
成とすると、個別インク室３内の振動は供給通路５に漏
れるので、インクタンク側に向かうインクの流れを発生
させ、インク吐出時の個別インク室３内のインク補充時
間を長くなる。したがって、個別インク室３と供給通路
５の位置関係は図６のように設定する必要がある。

【００２０】

【発明の効果】図２（ｂ）のように、個別インク室３の
高さが共通インク室に通じるインク入り口とノズル開口
部に通じるインク出口との中間より出口側の方が低い構
成になっていると、ピエゾ素子１が収縮して隔壁２が変
形した場合に、出口側のインクの流速の方が速くなるた
め、個別インク室３の中央部付近では、入り口側に存在
するインクが出口側に流れ込むようになり、入り口側か
ら共通インク室に戻るインクが少なくなる。出口側に流
れたインクの体積分がノズル開口部より吐出されるの
で、図２（ａ),（ｂ）でインク吐出量が等しい場合で、
図２（ｂ）の構成では図２（ａ）の構成に比べて吐出時
に入り口側に流れるインク量（共通インク室に戻るイン
ク量）が少ない。したがって、ピエゾ素子１が元の状態
に戻った際に個別インク室３へのインク補充量が少なく
て済むため、個別インク室３が初期状態に戻る時間を短
縮できる。初期状態に戻るまでの時間が短縮されれば、
吐出周期を短くすることができるので、高速印刷が可能
となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になるインクジェットヘッドの実施形態
を示す縦断面図。

【図２】図１に示したインクジェットヘッドよりインク
を吐出する際のインク室の状態を示す説明図。

【図３】図１に示したインクジェットヘッドの一横断面
図。

【図４】図１に示したインクジェットヘッドの一横断面
図。

【図５】図１に示したインクジェットヘッドの一横断面
図。

【図６】図１に示したインクジェットヘッドのインク室
のインク供給部の説明図。

【図７】図６と比較対照するインクジェットヘッドのイ
ンク室のインク供給部の説明図。

【図８】本発明になるインクジェット記録装置の実施形
態を示す説明図。

【符号の説明】

１…ピエゾ素子、２…隔壁、３…個別インク室、４…共
通インク室、５…インク供給通路、７…インク通路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インク滴を吐出する多数のノズル開口部
   と、前記ノズル開口部ごとに設けた個別インク室と、前
   記個別インク室に供給するインクを一時的に蓄える共通
   インク室と、インクタンクから前記共通インク室を経て
   前記個別インク室を連結する供給通路を有するインクジ
   ェット記録装置において、前記個別インク室の底面の両
   端部に前記共通インク室に通じるインク入り口とノズル
   開口部に通じるインク出口とが存在し、前記入り口と出
   口との中間位置より出口側の前記個別インク室までの高
   さが入り口側の高さに比べて低いことを特徴とするイン
   クジェット記録装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記個別インク室の底
   部に存在する前記共通インク室側のインク入り口の面積
   がノズル開口部側のインク出口の面積よりも大きいイン
   クジェット記録装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記個別インク室のイ
   ンク入り口部の高さｈ１と、前記共通インク室と前記個
   別インク室とを連結する供給通路の高さｈ２との和が、
   前記個別インク室の上壁と供給通路の底面との距離ｈ３
   よりも大きいインクジェット記録装置。