JPH10217450A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より多階調の画像を記録することのできるイ
ンクジェット記録ヘッドを提供する。 【解決手段】 圧電素子１０２の厚みｄ方向の歪みによ
ってインク１０６が加圧される際には、インクインレッ
ト１０４からインク１０６が矢印Ｄ１方向とは逆の向き
に流れることは妨げられており、ノズルを有する面と対
向する面１０７を起点として、矢印Ｄ１方向に圧力波が
伝播する。この圧力波の伝播は、インク加圧後のインク
滴のノズルからの飛翔に影響を与える。本インクジェッ
トヘッドの圧電素子１０２では、この圧力波による影響
を考慮し、圧電素子の長さをＬとして、Ｌ≧６・ｄとな
るようにしている。

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
録ヘッドに関し、特に、圧電素子を用いてインク滴を飛
翔させることにより画像を記録するインクジェット記録
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、インクジェットプリンタのプ
リンタヘッドに圧電素子を用いたものがある。このよう
なプリンタヘッドでは、電圧の印加によって駆動される
圧電素子の歪みによって、所定の閉じた空間（インクチ
ャンネル）内のインクが加圧される。加圧されたインク
は、所定の閉じた空間に設けられたノズルよりインクド
ロップとなって記録シートに向かって飛翔する。

【０００３】このようにしてインク滴を吐出するプリン
タヘッドでは、ｄ３３モード（圧電素子に印加される電
圧の方向と圧電素子の歪みの方向とが一致する）で駆動
される、矩形状の圧電素子を用いるものが知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のプリンタヘッドでは、プリンタヘッドから吐出される
インク滴の径の大きさの幅には限度があり、画像品質を
高めるために十分な階調を得ることは困難である。特
に、インクジェットプリンタのプリンタヘッドにおい
て、小径のインク滴を得ることには、非常な困難を伴
う。

【０００５】本発明は、これらのような問題点を解決す
るためになされたもので、その目的は、より多階調の画
像を記録することのできるインクジェット記録ヘッドを
提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、電圧印加方向および圧電素子の歪みの方向が一致す
る矩形状の圧電素子と、圧電素子に沿って対向するイン
ク収容部と、インク収容部の端部に位置するインク吐出
口とを備えたインクジェット記録ヘッドである。

【０００７】本インクジェット記録ヘッドでは、圧電素
子の長辺の長さをＬ、圧電素子の共振周期をＴｒ、イン
ク収容部内のインクの圧力波の伝播速度をｃとしたと
き、Ｌ≧２・Ｔｒ・ｃの関係を満たすことを特徴として
いる。

【０００８】請求項１に記載の発明によると、Ｌ≧２・
Ｔｒ・ｃの関係が満たされ、圧電素子の歪みに伴う圧力
波の伝播がノズルからのインク滴の飛翔に与える影響を
抑えることができるので、ノズルから、より小径のイン
ク滴を安定させて飛翔させることができる。これによ
り、より多階調の画像を記録することができる。

【０００９】請求項２に記載の発明は、電圧印加方向お
よび圧電素子の歪みの方向が一致する矩形状の圧電素子
と、圧電素子に沿って対向するインク収容部と、このイ
ンク収容部の端部に位置するインク吐出口とを備えたイ
ンクジェット記録ヘッドである。

【００１０】本インクジェット記録ヘッドでは、圧電素
子の長辺の長さをＬ、圧電素子の歪み方向の長さをｄと
したとき、Ｌ≧６・ｄの関係を満たすことを特徴として
いる。

【００１１】請求項２に記載の発明によると、Ｌ≧６・
ｄの関係が満たされ、圧力素子の歪みに伴う圧力波の伝
播がノズルからのインク滴の飛翔に与える影響を抑える
ことができるので、ノズルから、より小径のインク滴を
安定させて飛翔させることができる。これにより、より
多階調の画像を記録することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、まず、
本発明における実施の形態の１つであるインクジェット
ヘッドを有するインクジェットプリンタについて説明
し、次に、本発明に関わる圧電素子の形状について説明
する。

【００１３】図１は、本発明における実施の形態の１つ
であるインクジェットヘッド３を有する、インクジェッ
トプリンタ１の概略構成を示す斜視図である。

【００１４】インクジェットプリンタ１は、用紙やＯＨ
Ｐシートなどの記録媒体である記録シート２と、インク
ジェット方式のプリンタヘッドであるインクジェットヘ
ッド３と、インクジェットヘッド３を保持するキャリッ
ジ４と、キャリッジ４を記録シート２の記録面に平行に
往復移動させるための揺動軸５、６と、キャリッジ４を
揺動軸５、６に沿って往復駆動させる駆動モータ７と、
駆動モータ７の回転をキャリッジの往復運動に変えるた
めのタイミングベルト９、アイドルプーリ８とを含んで
いる。

【００１５】また、インクジェットプリンタ１は、記録
シート２を搬送経路にそって案内するガイド板を兼ねる
プラテン１０と、プラテン１０との間の記録シート２を
押さえ浮きを防止する紙押さえ板１１と、記録シート２
を排出するための排出ローラ１２、拍車ローラ１３と、
記録シート２を手動で搬送するための紙送りノブ１４
と、インクジェットヘッド３のノズル部周辺に付着した
インク等の不用物をワイピングするワイピング装置１５
と、これらの不用物を吸引により除去する吸引キャップ
１６を含んでいる。

【００１６】記録シート２は、手差しあるいはカットシ
ートフィーダ等の給紙装置によって、インクジェットヘ
ッド３とプラテン１０とが対向する記録部へ送り込まれ
る。この際、図示しない紙送りローラの回転量が制御さ
れ、記録部への搬送が制御される。

【００１７】インクジェットヘッド３には、インクを飛
翔させるエネルギ源として圧電素子（ＰＺＴ）が用いら
れる。圧電素子には電圧が印加され、歪みが生じる。こ
の歪みは、インクで満たされたチャンネルの容積を変化
させる。この容積の変化により、チャンネルに設けられ
たノズルからインクが吐出され、記録シート２への記録
が行なわれる。

【００１８】キャリッジ４は、駆動モータ７、アイドル
プーリ８、タイミングベルト９により、記録シート２の
桁方向（記録シート２を横切る方向）に主走査し、キャ
リッジ４に取り付けられたインクジェットヘッド３は１
ライン分の画像を記録する。１ラインの記録が終わる毎
に、記録シート２は縦方向に送られ副走査され、次のラ
インが記録される。

【００１９】記録シート２にはこのように画像が記録さ
れ、記録部を通過した記録シート２は、その搬送方向下
流側に配置された排出ローラ１２とこれに圧接される拍
車ローラ１３とによって排出される。

【００２０】図２〜図４は、インクジェットヘッド３の
構成を説明するための図である。図２はインクジェット
ヘッド３を示す上面図であり、図３は図２のＩＩＩ−Ｉ
ＩＩ線断面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図
である。これらの図における圧電素子３１５の形状につ
いてはさらに後に説明する。

【００２１】インクジェットヘッド３は、大径ヘッド部
３０１と小径ヘッド部３０２とからなる。これら大径ヘ
ッド部３０１と小径ヘッド部３０２とは、ノズルプレー
ト３０３、隔壁３０４、振動板３０５、基板３０６とを
一体に重ねた構成となっている。複数のドット径のイン
ク滴のうち、大径ヘッド部３０１からは大きなドット径
のインク滴が吐出され、小径ヘッド部３０２からは小さ
なドット径のインク滴が吐出される。

【００２２】ノズルプレート３０３は、金属またはセラ
ミックなどからなり、表面３２０には撥水コート層を有
する。隔壁３０４との対向面はＮｉ電鋳またはフォトレ
ジスト等により微細加工され、大径ヘッド部３０１と小
径ヘッド部３０２とにはそれぞれインク２４を収容する
複数のインクチャンネル３０８と、各インクチャンネル
３０８をインク供給室３１０に連結するインクインレッ
ト３１１が形成されている。

【００２３】図３に示すように、大径ヘッド部３０１と
小径ヘッド部３０２とのインクチャンネル３０８は、大
径ヘッド部３０１と小径ヘッド部３０２とが対向する方
向に向かって伸びる長溝状にかつ平行に形成されてい
る。また、インク供給室３１０とインクチャンネル３０
８とは中央線３１２をはさんで対称に形成されており、
図示しないインクタンクに接続されている。

【００２４】隔壁３０４には、薄肉フィルムが使用され
ており、ノズルプレート３０３と振動板３０５との間に
固定されている。なお、隔壁３０４は所定の張力が加わ
った状態で固定される。

【００２５】振動板３０５はＰＺＴ３１５を含んでい
る。振動板３０５の加工はまず基板３０６に絶縁接着剤
で固定され、その後ダイサー加工によりセパレート溝３
１８、３１９が形成され分断されることにより行なわれ
る。また、この分断によって、各インクチャンネル３０
８に対応するＰＺＴ３１５と、隣接するＰＺＴ３１５の
間に位置するＰＺＴ柱部３１６と、これらを囲む周囲壁
３１７とが分離される。

【００２６】以上のような構成のインクジェットヘッド
３では、インクカートリッジに接続された図示しないイ
ンクタンクからインク供給室３１０にインク３０７が供
給される。インク供給室３１０のインク３０７は、イン
クインレット３１１を介して各インクチャンネル３０８
に分配される。

【００２７】後述するドライバ５６からはＰＺＴ３１５
の両端に設けられた共通電極と個別電極との間に、印字
信号である所定の電圧が印加され、ＰＺＴ３１５は隔壁
３０４を押す方向に変形する。ＰＺＴ３１５の変形は隔
壁３０４に伝えられ、これによりインクチャンネル３０
８内のインク３０７が加圧され、ノズル３０９を介して
インク滴が記録シート２に向かって飛翔する。

【００２８】本実施の形態では、大径および小径のノズ
ルを持つインクジェットヘッドについて説明している
が、ノズルの径は同じ大きさであってもよい。

【００２９】図５は、インクジェットプリンタ１の制御
部の構成を示すブロック図である。メインコントローラ
５１は、コンピュータ等からの画像データを受け取り、
画像データを１フレーム単位でバッファ用のフレームメ
モリ５２に格納する。記録シート２への印字の際には、
メインコントローラ５１は、モータドライバ５４、５５
を通じて、キャリッジ４の駆動モータ７と紙送りモータ
とを駆動制御する。

【００３０】これらの駆動制御とともに、メインコント
ローラ５１は、フレームメモリ５２から読み出した画像
データをもとに、ドライバコントローラ５３、ヘッドド
ライバ５６とを介して、記録ヘッド３の大径ヘッド部３
０１、小径ヘッド部３０２の圧電素子３１５を駆動す
る。

【００３１】次に、上述のようなインクジェットプリン
タ１のインクジェットヘッド３の圧電素子３１５の形状
について以下で説明する。

【００３２】図６は、圧電素子の変位によるインクの飛
翔を説明するための図である。インクチャンネル１０１
内のインク１０６はインクインレット１０４から供給さ
れ、圧電素子１０２のインクとの接触面１０８が駆動電
圧に応じて矢印Ｄ２方向に変位しインク１０６に圧力を
加えることにより、ノズル１０５からインク滴が飛翔す
る。このインク滴の飛翔は、基板１０３上の配線部から
圧電素子１０２へ伝えられる駆動電圧によって制御され
る。圧電素子１０２への駆動電圧はｄ３３モードで圧電
素子の長辺の長さＬ方向に平行に印加され、圧電素子１
０２に印加される電圧の方向と圧電素子の歪みの方向と
は圧電素子の厚みｄ方向に一致する。

【００３３】圧電素子１０２によってインク１０６が加
圧される際には、インクインレット１０４からインク１
０６が矢印Ｄ１方向とは逆の向きに流れることは妨げら
れており、ノズルを有する面と対向する面１０７を起点
として、矢印Ｄ１方向に圧力波が伝播する。この圧力波
の伝播は、インク加圧後のインク滴のノズルからの飛翔
に影響を与えるものと思われる。

【００３４】図７は、圧電素子に印加される電圧による
圧電素子の変位を説明するための図である。

【００３５】圧電素子１０２への駆動電圧は、所定の振
幅Ｖ０を時刻ｔ１から時刻ｔ３までの時間Ｔｗ継続させ
た、方形パルス電圧である。圧電素子１０２のインクと
の接触面１０８の変位は、この方形パルス電圧の立ち上
がり時刻ｔ１に対し、時間ΔＴｐ遅延して時刻ｔ２で最
大変位ｘ１に達する。

【００３６】駆動電圧が振幅Ｖ０を継続している時間Ｔ
ｗの間、接触面１０８は振幅ｘ０を中心として圧電素子
１０２の共振周期Ｔｒで振動する。その後、方形パルス
電圧の立ち下がり時刻ｔ３に対し、接触面１０８は時間
ΔＴｐ遅延して時刻ｔ４に最小変位ｘ２に達する。時刻
ｔ４の後、接触面１０８は、振幅を減衰させつつ、圧電
素子１０２の共振周期Ｔｒで振動する。

【００３７】ここで、圧電素子１０２のインクとの接触
面１０８が駆動電圧に応じて変位し始める時刻ｔ１か
ら、接触面１０８が駆動電圧に応じて最小変位ｘ２に達
する時刻ｔ４までを、時間Ｔｍとする。以下では、この
時間Ｔｍを圧電素子立ち下がり終了時間とすることがあ
る。

【００３８】当然のことながら、時間Ｔｍ（時刻ｔ１か
ら時刻ｔ４）の違いにより、圧電素子１０２によって飛
翔するインク滴の形状は変化することが推察される。こ
のインク滴を記録シート等へ付着させると付着後のイン
クはドットとなるが、時間Ｔｍを変化させつつ、ドット
径、ドット面積を計測する実験を行なった。

【００３９】図８、図９は、この実験結果である、時間
Ｔｍに対するインクのドット径の変化を示す図である。
図８（ａ）、（ｂ）はＴｍを変化させることによって得
たインクのドット径の実験結果を示し、図９（ａ）、
（ｂ）はそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）の実験結果をグラ
フ化したものである。以下、図８（ａ）、図９（ａ）に
示される結果を得る実験を実験１とし、図８（ｂ）、図
９（ｂ）に示される結果を得る実験を実験２とする。

【００４０】これらの実験においては、圧電素子は、一
層の厚み３５μｍで１７層積層したものを用いた（厚み
ｄ≒６００［μｍ］）。また、圧電素子のインピーダン
ス測定をすることにより圧電素子の共振周期Ｔｒを求め
たが、Ｔｒ＝１．２０［μｍ］であった。さらに、実験
１では、圧電素子の長さＬ＝９［ｍｍ］、印加電圧の振
幅Ｖ０＝１５［Ｖ］であり、実験２では、圧電素子の長
さＬ＝５［ｍｍ］、印加電圧の振幅Ｖ０＝３０［Ｖ］で
あった。

【００４１】先述のようにノズルを有する面に対向する
面から発生する圧力波はインク滴の飛翔に影響を与える
ものと思われるが、この圧力波に対する条件をＬ／ｄで
代表させる。実験１においてはＬ／ｄ＝１５、実験２に
おいてはＬ／ｄ＝８．３であった。また、圧力波のイン
ク中を伝播する速度ｃ＝１５００［ｍ／ｓ］であり、圧
力波が、圧力波の発生面からノズルを有する面までの距
離である、圧電素子の接触面の長辺の長さＬを横切るの
に必要な時間Ｔｉは、実験１においてはＴｉ＝Ｌ／ｃ＝
０．００９／１５００＝６［μｓ］、実験２においては
Ｔｉ＝Ｌ／ｃ＝０．００５／１５００＝３．３［μｓ］
であった。

【００４２】このＴｉを考慮して実験結果である図９
（ａ）、（ｂ）を参照すると、次のようなことがわか
る。時間Ｔｍが圧力波の伝播時間であるＴｉより大きい
とき、ドット面積Ｓはほぼ一定となるが、ＴｍをＴｉよ
り徐々に減少させて行くとドット面積Ｓはこれに従い減
少して行く。さらに、１／２Ｔｉ前後となるＴｍに対し
て、ドット面積Ｓは、Ｔｉに対するドット面積Ｓの１／
２程となる。

【００４３】上のような実験結果によって得られた、小
径のドットを吐出するための条件である第（１）式（以
下、数式については下記の［数１］を参照）と、圧力素
子の変位、インク滴の飛翔とを支配する関係とを用いる
ことによって、Ｌ≧６・ｄ（圧電素子長辺の長さが歪み
方向の長さの６倍以上である）が得られることを以下に
示す。

【００４４】図７を再び参照すると、第（２）式が成り
立つことがわかり、また、第（３）式が成り立つ必要が
あることがわかる。さらに、第（２）式、第（３）式よ
り、第（４）式が導かれる。

【００４５】ところで、圧電素子の応答時間ΔＴｐと圧
電素子の共振周期Ｔｒには、第（５）式なる関係があ
り、圧電素子の応答時間ΔＴｐは、圧電素子の共振周期
の１／２に等しい。

【００４６】また、片面を基板に貼り付けた圧電素子の
共振周期は、圧電素子の厚みに比例し、定数をｋとして
第（６）式が成り立つ。第（５）式、第（６）式からＴ
ｒを消去すると、第（７）式を得る。したがって、第
（１）式、第（４）式より、小径のドットを吐出するた
めの条件は第（８）式が成り立つことであることがわか
る。

【００４７】先述のように、インク内の圧力波の伝播速
度Ｔｉについては、第（９）式が成り立ち、この第
（９）式と第（７）式とを第（８）式に代入すると、第
（１０）式が得られる。これより、第（１１）式が成り
立つことがわかる。ここで、第（６）式によりＴｒを消
去しなければ第（１２）式が得られる。

【００４８】ある圧電素子、インクについて各値を代入
し、この第（１１）式の変数をさらに減らすことができ
る。

【００４９】実験１、２で用いた圧電素子は、厚みｄ＝
６００［μｍ］、Ｔｒ＝１．２０［μｓ］であった。第
（６）式を用いてｋを求めると、ｋ＝０．００２０［ｓ
／ｍ］となった。また、インク内を圧力波が伝播する速
度ｃは、ｃ≒１５００［ｍ／ｓ］である。これらのｋ、
ｃを第（１１）式に代入すると、第（１３）式を得て、
以上のことから、圧電素子の長さＬが厚みｄの６倍以上
であることが、小径のドットを印字するために有効であ
ることがわかる。

【００５０】

【数１】

【００５１】なお、圧電素子の長さＬは上限値を持つ。
圧電素子が変位する際のこの上限を与える要素は、次の
３つであると思われる。（ａ）圧電素子と接合している
基板ごとそらないこと、（ｂ）圧電素子との接合部が変
位の際に生じる応力によって剥離しないこと、（ｃ）圧
電素子全体が均一に時間的遅れがなく変位すること。

【００５２】これらのうち、（ａ）と（ｃ）とを満たす
ためには、剛性の高い基板に、弾性材料を介さずに圧電
素子を貼り付ける必要がある。セラミック基板にエポキ
シ形接着剤を薄層塗布（厚み約１０μｍ）し圧電素子を
貼り付けることは、これら（ａ）、（ｃ）を満たすため
の１つの方策である。

【００５３】（ｂ）に関して、厚みｄが０．６ｍｍの圧
電素子の長さＬを長くしていくと、Ｌ≧１５［ｍｍ］の
とき接着層の剥離が起こることがわかった。この結果か
ら、Ｌ＜２５ｄの範囲でＬ、ｄが設定される必要がある
ことが判断される。

【００５４】以上のような形状の圧電素子３１５を有す
るインクジェットヘッド３からは、より小径のインク滴
が安定して飛翔し、より多階調の画像を記録することが
できる。

【００５５】また、上述の説明では、第（６）式からｋ
＝２．０×１０^-3［ｓ／ｍ］としたが、密度をρ［ｋｇ
／ｍ³ ］、弾性定数をＳ₃₃ ^E ［ｍ² ／Ｎ］とすると、Ｔ
ｒとｄとの理論的関係はＴｒ＝２×２×（ρ×Ｓ₃₃ ^E ）
^1/2 ×ｄであり、ｋ＝４×（ρ×Ｓ₃₃ ^E ）^1/2 となる。

【００５６】ここで、ρについては一般的な圧電素子で
は材料による差はほとんどなく、ρ＝８．０×１０
³ ［ｋｇ／ｍ³ ］が成り立ち、一方、Ｓ３３^E について
は材料による差があり、Ｓ₃₃ ^E ＝５×１０^-12 〜２０×
１０^-12 ［ｍ² ／Ｎ］となる。したがって、理論上はこ
のようなＳ₃₃ ^E に対して、Ｔｒ＝０．４８〜０．９８
［μｓ］となる。

【００５７】ところで、実験に用いた圧電素子について
はＳ₃₃ ^E ＝２０×１０^-12 ［ｍ² ／Ｎ］であり、実際に
は、このときのＴｒは上述のようにＴｒ＝１．２０［μ
ｓ］となっている。このように理論値よりもやや大きめ
な値になるのは、基板の剛性や接着剤の影響によるもの
である。

【００５８】すなわち、材料によって５×１０^-12 〜２
０×１０^-12 ［ｍ² ／Ｎ］の範囲を持つＳ₃₃ ^E に対し
て、理論上ｋの取り得る範囲は、０．８×１０^-3〜１．
６×１０^-3となるが、基板の剛性や接着剤の影響を考慮
して、ｋ＝２．０×１０^-3［ｓ／ｍ］としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施の形態の１つであるインク
ジェットヘッド３を有する、インクジェットプリンタ１
の概略構成を示す斜視図である。

【図２】インクジェットヘッド３を示す上面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【図５】インクジェットプリンタ１の制御部の構成を示
すブロック図である。

【図６】圧電素子の変位によるインクの飛翔を説明する
ための図である。

【図７】圧電素子に印加される電圧による圧電素子の変
位を説明するための図である。

【図８】時間Ｔｍに対するインクのドット径の変化を示
す第１の図である。

【図９】時間Ｔｍに対するインクのドット径の変化を示
す第２の図である。

【符号の説明】

１０１ インクチャンネル １０２ 圧電素子 １０３ 基板 １０４ インクインレット １０５ ノズル １０６ インク １０７ ノズルを有する面と対向する面 １０８ インクとの接触面 ｄ 圧電素子の厚み Ｌ 圧電素子の長さ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電圧印加方向および圧電素子の歪みの方
   向が一致する矩形状の圧電素子と、前記圧電素子に沿っ
   て対向するインク収容部と、前記インク収容部の端部に
   位置するインク吐出口とを備え、前記圧電素子の長辺の
   長さをＬ、前記圧電素子の共振周期をＴｒ、前記インク
   収容部内のインクの圧力波の伝播速度をｃとしたとき、
   Ｌ≧２・Ｔｒ・ｃの関係を満たすことを特徴とする、イ
   ンクジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 電圧印加方向および圧電素子の歪みの方
   向が一致する矩形状の圧電素子と、前記圧電素子に沿っ
   て対向するインク収容部と、このインク収容部の端部に
   位置するインク吐出口とを備え、前記圧電素子の長辺の
   長さをＬ、前記圧電素子の歪み方向の長さをｄとしたと
   き、Ｌ≧６・ｄの関係を満たすことを特徴とする、イン
   クジェット記録ヘッド。