JPH10286950A - インクジェットプリンターの印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性の高いインクジェットプリントヘッド
を提供する。 【解決手段】 積層圧電体を変形させて圧力室の一つの
圧力隔壁を形成するダイアフラムを変形させて、圧力室
にインク吐出圧力波を発生させ、圧力室に連通するノズ
ルよりインク滴を噴射するインクジェットヘッドにおい
て、圧力室の共通液室側開口に対応しインク吐出圧力波
反射壁を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプリンターに関し、
更に詳しくは圧電式インクジェットプリンターの印字ヘ
ッドの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電式インクジェットプリンター
の印字ヘッドとしては、圧電素子のバイモルフによるた
わみを利用してインクを充填した圧力室の壁を変形さ
せ、圧力上昇によりインクを吐出させるカイザー方式と
言われるものが例えば特公昭５７−２０９０４号公報に
記載されている。

【０００３】また圧電素子のせん断モードによる変形を
利用して、インクを充填したチャンネル状の圧力室の隔
壁を変形させ、これによる圧力室の圧力上昇によりイン
クを吐出させるせん断モード方式が例えば特開昭６３−
２４７０５１号公報に記載されている。

【０００４】更に圧電素子の厚み方向の寸法変化による
変形を利用してインクを充填した圧力室の容積を変化さ
せ、これによる圧力室の圧力上昇によりインクを吐出さ
せる厚み縦変形モード方式が例えば特願平２−３０３９
５３５の願書に添付した明細書に記載されている。

【０００５】これらのインクジェットヘッドはいずれも
複数の圧力室で構成され、複数の吐出ノズル口と圧電体
が前記圧力室に対応して配置されている。各圧力室はイ
ンク流入側では共通液室に連通している。一般的な構造
の概要を、１２０dpiの分解能を持つ印字ヘッドについ
て図２、図３を用いて説明する。３は圧力室である。圧
力室３の長さは３ｍｍで高さ２００μｍ、平均幅９０μ
ｍとなっている。圧力室３の一つの側面は図３に示され
るダイアフラム２１a,２１bを介して積層圧電アクチュ
エーター２３と接合される。 ５は吐出ノズル口であ
り、通常３０μｍから４０μｍ程度の直径を有してい
る。図２に示されるように圧力室３の共通液室６側の開
口２の構造は、圧電体を駆動することにより得られた吐
出圧力の共通液室６側への損失を減少させ、また、吐出
後のメニスカスの後退を抑制するために、断面積を小さ
くした狭窄構造とし、また、インクの吐出切断後の再供
給が間に合うような流体抵抗の範囲が得られるように開
口２の長さが定められている。代表的寸法としては、前
記開口２の断面形状が高さ５０μｍ、幅６０μｍ、長さ
１００μｍに設定されている。前記開口２の形状の場合
では開口２の断面積が圧力室３の流路断面積の約１７％
となる。高密度印字ヘッドでは、チャンネル間ピッチが
２００μｍ程度となるが、圧電アクチュエーターの微細
加工の制約、及び剛性を保つ目的のために、一つのチャ
ンネル当たりの圧電アクチュエーターの幅は圧力室３の
幅に対して十分狭くできない。したがって、ダイアフラ
ム２１を２層構造とし、代表的には厚さ６μｍ程度の薄
膜２１ａと厚さ２０μｍ、幅６０μｍ程度の高剛性のア
イランド２１ｂで構成する。こうすることによって、望
ましい変位量とダイアフラムの剛性を得ることができ
る。さらに、この２層構造は圧電アクチュエーターとダ
イアフラム２１の接着を容易にしている。

【０００６】インクジェットプリンタヘッドにおけるイ
ンク流体の挙動は、本質的に圧縮性流体として取り扱わ
れる。以下に、圧縮性流体としての説明をする。吐出信
号に従って、図７に示される駆動電圧波形が圧電アクチ
ュエーター２３に印加されると、圧電アクチュエーター
２３が厚み方向に約１μｍ程度伸びる。その結果、ダイ
アフラム２１のアイランド２１ｂを押圧し、圧力室３の
体積が減少し、圧力室３内の液体に圧力が発生する。ノ
ズル口５では、インクは自由表面であるから、数１０ｍ
ｍＨｇ程度の表面張力圧のみの圧力となり、これは内部
に発生する数気圧の吐出圧力に比較して無視できる程度
であり、ノズル５では実質的に圧力＝０の境界条件を課
すことができる。圧縮性流体中では、加えられた圧力パ
ルスが波動として伝播するが、この波動の性質として、
圧力０の状態がノズル５から圧力室３中を音速で後方に
伝播していく。言い換えれば、発生した正の圧力状態は
ノズル開口からインクを吐出させ始め、圧力０となると
同時に、そのエネルギーは液体の速度のエネルギーへと
変換される。この変換過程が音速で伝播していく。前記
共通液室６側の開口２からも波動はノズル口５に向かっ
て伝播し始めるが、共通液室６側の開口２はインクが満
たされているため、ここに課される境界条件は圧力＝０
とは異なる状態である。

【０００７】一般に、圧力室３内部に生じる圧力波は、
圧力室３の前後の境界条件に従うモードを形成し、代表
的には、前記駆動波形に対して、図５に示されるメニス
カスの振動スペクトルが実測値として得られる。ノズル
口５側の境界条件を変位に対して開放端、共通液室６側
の開口２は固定端とすると、この圧力室３を伝播する圧
力波の基本振動周期はT＝（４L／C)となる。ここに、L
は前期圧力室３の長さ、Cは圧力室３中の実効音速であ
る。図５に示される７５ｋＨｚ付近にピークを持つ振動
スペクトルの第一成分がこれに相当する。ノズル口５側
の境界条件を変位に対して開放端、共通液室６側の開口
２においても開放端とすると、この圧力室３を伝播する
圧力波の基本振動周期はT＝（２L／C)となる。図５に示
される１５０ｋＨｚ付近にピークを持つ振動スペクトル
の第二成分がこれに相当する。実効音速は、インクの体
積弾性率と圧力隔壁の剛性、特にダイアフラム２１の剛
性に依存して決まり、通常はインク中の音速より小さ
い。図５に示される３００ｋＨｚにピークを持つ振動ス
ペクトルの第３成分は圧電アクチュエーター２３の振動
に起因するもので、周波数としては大きいが、振幅とし
ては非常に小さいので影響は小さい。

【０００８】従来の構成では圧力室３の共通液室６側の
開口２の構造は、狭窄構造、すなわち圧力室３の流路の
断面積より小さくすることが望ましいとされている。こ
うすることにより発生した圧力の共通液室６側への損失
を減少させる働き、及び、圧力室３の圧力波が共通液室
６側に入射し、共通液室６の壁で反射して他のチャンネ
ルに再び入射し望ましくないクロストークの原因となる
ことを抑制することが期待できる。これらを狭窄効果と
呼んでいる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧力室
３の共通液室６側の開口２の断面積は吐出切断後のイン
クのリフィルの高速応答性を確保するために、極端に小
さくしぼることはできない。したがって、適切なコンダ
クタンスの設定が必要となる。実際、共通液室６側の開
口２の断面積は圧力室３の断面積の１５〜２０％程度に
設定されていた。ところが、このコンダクタンスを与え
る開口条件では、十分な前記狭窄効果が得られなかっ
た。また、共通液室６側の開口２には、境界条件が開放
端とみなされる、振動周期が前記基本振動周期Ｔ＝（４
L／C)の１／２となる成分、すなわち、圧力室３の内部
の圧力波の高調波成分が大きくなっていた。吐出時の液
滴形成は、できるだけ滑らかな時間変動を持つ圧力波が
望ましいが、前記高調波はインク吐出切断の際に、ノズ
ル口５のメニスカスを細かく振動させ、印字品質を低下
させるサテライト発生の原因となっていた。また、頻繁
なサテライトの発生はノズル板４の表面を汚し、結果と
して気泡引き込みなどを引き起こし、印字不良の原因と
もなっていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】積層圧電体を変形させて
圧力室の一つの圧力隔壁を形成するダイアフラムを変形
させて、圧力室にインク吐出圧力波を発生させ、圧力室
に連通するノズルよりインク滴を噴射するインクジェッ
トヘッドにおいて、圧力室の共通液室側の開口に対応し
インク吐出圧力波反射壁を設ける。

【００１１】（作用）共通液室側開口における開放端条
件に依存する振動スペクトルの高調波成分が、圧力波反
射壁を置くことにより固定端条件となることで抑制さ
れ、液滴形成が滑らかに行われ、サテライトの発生を抑
制し、印字品質及び、印字信頼性が向上する。

【００１２】反射壁を用いることにより実効的に固定端
としての効果が増大するため、インクのリフィルがすみ
やかに行なわれる程度の供給口のコンダクタンスを大き
く保ったまま、メニスカスの後退を抑制する効果が得ら
れ、周波数特性が改善される。

【００１３】共通液室６の壁で反射して他のチャンネル
に入射しクロストークを発生することを抑制できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（実施例１）第１図は本発明の実施例を示したものであ
る。 本実施例では１２０dpiの分解能を持つ印字ヘッド
について説明する。３は圧力室である。長さは３ｍｍで
高さ２００μｍ、幅１００μｍとなっている。圧力室の
一つの側面はダイアフラム２１ａ、２１ｂを介して積層
圧電アクチュエーター２３と接合される。

【００１５】共通液室６の高さは、駆動チャンネル数に
依存して生じる表面張力振動周期の変化を原因とする流
体干渉を引き起こさないように概ね圧力室の高さの２．
５倍とする。したがって、本実施例の場合では５００μ
ｍとした。

【００１６】５は吐出ノズル口であり、通常３５μｍの
直径を有している。図１に示されるように圧力室３の共
通液室６側の開口２の構造は、従来から用いられてい
る、断面形状が高さ５０μｍ、幅60μｍで、長さは１０
０μｍである。断面積が圧力室３の断面積の１７％とな
っている。この狭窄構造により圧力の後方への損失は減
少し、また、吐出後のメニスカスの後退は抑制されてい
る。この部分の形状はインクの吐出切断後の供給が間に
合うような流体抵抗を持つように決められている。

【００１７】圧力室３の共通液室６側の開口２に面して
図のように共通液室６内に圧力波反射壁１を配置する。
以下にこの圧力波反射壁１がどのように働くか説明す
る。

【００１８】ノズル口５側の境界条件を液体の位置の変
位に対して開放端、共通液室６側は固定端とすると、こ
の圧力室３を伝播する圧力波の基本振動周期はT＝（４L
／C)となる。ここに、Lは前期圧力室３の長さ、Cは圧力
室３中の実効音速である。実効音速は液体の体積弾性
率、密度、ダイアフラム２１の剛性で主に定まる。 発
生した正の圧力波はノズル開口５からインクを吐出させ
始めると同時に、前記共通液室６側の開口２からも放射
される。

【００１９】本発明では、圧力波反射壁１が設けられて
いるため、前記共通液室６側の開口２から放射された圧
力波１０は反射壁で反射され、前記開口２を通って、再
び同じ圧力室３に入射するので実質的に共通液室６側の
開口２は固定端であるかのように振る舞うことになる。
この結果、圧力室内部に生じる圧力波は、前記共通液室
６側の開口が固定端とみなされる境界条件に従うモード
となり、代表的には、前記駆動波形に対して、図６に示
される改良された振動スペクトルが得られる。このスペ
クトルは従来の場合の図５に示すスペクトルに比べて、
前記共通液室６側の開口が開放端とみなされる境界条件
に従う場合の第2高調波が抑制されたものとなってい
る。したがって、好ましくないメニスカスの運動を引き
起こす第二高調波成分が減少し、インクの吐出切断が第
一成分に支配されるため、スムーズな切断が行われ、サ
テライトの発生が軽減され、印字不良の割合も減少し
た。

【００２０】エネルギー効率の面からは、反射壁１で反
射された圧力波１０の成分は基本振動周期の成分に加算
されることになるので基本振動成分は大きくなり吐出効
率は大きくなる。

【００２１】反射壁１を用いることにより、前記共通液
前室６側の開口２が実効的に固定端としての効果が増大
するため、前記共通液前室６側の開口２のコンダクタン
スをむやみに小さくする必要がない。このため、インク
のリフィルがすみやかに行なわれる程度の共通液室６側
の開口２の断面積を確保することができる。

【００２２】インクのリフィルには４０μｍ程度の間隙
が必要なので反射壁１は４０μｍの間隔をおいて配置す
るのが望ましい。従って、反射壁１の長さは弦長として
１６０μｍになり、前記共通液前室６側の開口２からは
１００μｍ程度の位置に配置される。

【００２３】圧力波反射壁１はもちろんインクの圧縮に
伴う波動の伝播に対しては壁として振る舞うが、インク
のリフィルに対しては、圧力振動の時間周期（代表的に
は１０μｓ）に比べて十分ゆっくりとした表面張力振動
周期の時間（代表的には１４０μｓ）で行われるため邪
魔にならない。また、圧力波反射壁１の間隔は４０μｍ
であるが、反射壁の高さは５００μｍであり十分なコン
ダクタンスを持つことも留意されるべきである。

【００２４】共通液室６に伝播する圧力波１０のエネル
ギは圧力波反射壁１がない場合は圧力室３中の全内部エ
ネルギーの２割程度である。この放射された圧力波１０
は共通液室６の壁で反射され他のチャンネルに再入射さ
れる。この際、他のチャンネルに入射する効率は最大で
も２０％／Ｎｃｈ程度となり、Ｎｃｈを２０チャンネル
とした場合には、単チャンネルのクロストークとして
は、１％程度である。したがって、全チャンネルを駆動
した場合のクロストークとしては２０％程度である。と
ころが、圧力波反射壁１がある場合は、共通液室６に伝
播する圧力波のエネルギは前記放射エネルギーの５％程
度となり、他のチャンネルに入射する効率はさらに５％
／Ｎｃｈ程度となり、単チャンネルのクロストークとし
ては、０．２５％程度である。従って、全チャンネルを
駆動した場合でも５％程度となり、著しくクロストクの
低減に効果を示した。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば圧電式インクジェットプ
リンターにおいて駆動電圧及び駆動手段の諸元を変える
ことなく、振動スペクトルは従来の振動スペクトルに比
べて、前記共通液室６側の開口２が固定端とみなされる
境界条件に従う場合の第2高調波を著しく抑制をするこ
とができた。したがって、好ましくないメニスカスの運
動を引き起こす第二高調波成分が減少し、インクの吐出
切断がスペクトルの第一成分に支配されるため、液滴形
成の際、非常にスムーズな液滴の切断が行われ、不要な
サテライトの発生が軽減された。さらに、インクのリフ
ィルがすみやかに行なわれる程度の共通液室側開口面積
を確保することができるため、インクの出入りの応答性
を上げることが出来、より高速な印字が出来るようにな
った。また、クロストークも、最大でも５％程度に抑制
する事が出来、その利とするところ極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す圧力室長手方向の平面図
である。

【図２】従来の構造を示す圧力室長手方向の平面図であ
る。

【図３】本発明の実施例の動作を説明する圧力室の長手
方向に垂直な断面図である。

【図４】本発明の実施例の動作を説明する共通液室側開
口と圧力波反射壁における圧力波の伝播を示す図であ
る。

【図５】従来の構造における圧力波の振動スペクトルの
測定結果を示す図である。

【図６】本発明における圧力波の振動スペクトルの測定
結果を示す図である。

【図７】本発明で用いた圧電アクチュエーターを駆動す
るための、駆動電圧波形である。

【符号の説明】

１ 圧力反射壁 ２ 圧力室共通液室側開口 ３ 圧力室 ４ ノズル板 ５ ノズル口 ６ 共通液室 ８ 圧力隔壁 １０ 放射圧力波 ２１ａ，２１ｂ ダイアフラム ２３ 積層圧電体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 積層圧電体の変形により、圧力室の一つ
   の圧力隔壁を形成するダイアフラムを変形させて、該圧
   力室にインク吐出圧力波を発生させ、該圧力室に連通す
   るノズルよりインク滴を噴射するインクジェットヘッド
   において、前記圧力室に連通する共通液室側に設けられ
   た前記圧力室の開口に対応して、前記共通液室内に圧力
   波反射壁を設けることを特徴とするインクジェットプリ
   ンターの印字ヘッド。