JPS58187365A - オンデマンド型インクジエツト記録ヘツド - Google Patents
オンデマンド型インクジエツト記録ヘツドInfo
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- JPS58187365A JPS58187365A JP57070958A JP7095882A JPS58187365A JP S58187365 A JPS58187365 A JP S58187365A JP 57070958 A JP57070958 A JP 57070958A JP 7095882 A JP7095882 A JP 7095882A JP S58187365 A JPS58187365 A JP S58187365A
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- JP
- Japan
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- nozzle
- ink
- pressure chamber
- ink pressure
- piezoelectric element
- Prior art date
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- Pending
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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
- B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
- B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D15/00—Component parts of recorders for measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
- G01D15/16—Recording elements transferring recording material, e.g. ink, to the recording surface
- G01D15/18—Nozzles emitting recording material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
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- B41J2002/14379—Edge shooter
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、オンデマンド型インクジェットを利用した記
録ヘッドに関する。
録ヘッドに関する。
従来、電気機械変換作用を利用して電気信号をインク圧
゛カに変換しノズルからインク粒を１出させるオンデマ
ンド型インクジェットを、ヘット基板上に複数個並べた
マルチノズルタイプのオンデマンド型インクジェット記
録ヘッドが知られてし、る。
゛カに変換しノズルからインク粒を１出させるオンデマ
ンド型インクジェットを、ヘット基板上に複数個並べた
マルチノズルタイプのオンデマンド型インクジェット記
録ヘッドが知られてし、る。
第１図は、従来のマルチノズルタイプのオンデマンド型
インクジェット記録人ノドの例で、１はインク供給路、
２はインク圧力室、３はノズル、６はヘッド基板である
。
インクジェット記録人ノドの例で、１はインク供給路、
２はインク圧力室、３はノズル、６はヘッド基板である
。
オンデマンド型インクジェットは、電気、＠械。
流体要素の複合系であり、その解析は麹しく、結局試行
錯誤を繰り返して経験的にインクツエン１の各寸法を決
定する場合も多く、同図に示すインク圧力室の巾Ｗｃに
関してｉえば、その寸法を小さくすると駆動電圧が上昇
する事かわかっており、これまで見、ＷｃをｉＷ程度に
設計すると圧電床Ｔ・が絶縁破壊を起こしていた。その
結果、従来の記録ヘッドにおいては、記録密度をＥげる
ために、同図に示す如くノズルを曲げて集束させる必要
があったが、この様に構成された記録ヘッドには、イン
クジェットの特性が不均一になるという欠点があった。
錯誤を繰り返して経験的にインクツエン１の各寸法を決
定する場合も多く、同図に示すインク圧力室の巾Ｗｃに
関してｉえば、その寸法を小さくすると駆動電圧が上昇
する事かわかっており、これまで見、ＷｃをｉＷ程度に
設計すると圧電床Ｔ・が絶縁破壊を起こしていた。その
結果、従来の記録ヘッドにおいては、記録密度をＥげる
ために、同図に示す如くノズルを曲げて集束させる必要
があったが、この様に構成された記録ヘッドには、イン
クジェットの特性が不均一になるという欠点があった。
さらに、この様に構成された記録ヘッドにおいては、マ
ルチノズル化のレベルを上げるに従いノズルの長さＬｎ
を長くする必要が生じるが、後述する如＜、Ｌｎを長く
する事はノズルのイナータンスＭｎおよびレジスタンス
Ｒｎを増加させる事になり、Ｌｎが一定値を越えるとイ
ンク粒噴出が不可能となる事が言えるため、結局、この
様に構成された記録ヘッドには、マルチノズル化自体に
限界があるという致命的な欠点があった。
ルチノズル化のレベルを上げるに従いノズルの長さＬｎ
を長くする必要が生じるが、後述する如＜、Ｌｎを長く
する事はノズルのイナータンスＭｎおよびレジスタンス
Ｒｎを増加させる事になり、Ｌｎが一定値を越えるとイ
ンク粒噴出が不可能となる事が言えるため、結局、この
様に構成された記録ヘッドには、マルチノズル化自体に
限界があるという致命的な欠点があった。
本発明の目的は、かかる欠点の無いマルチノズルタイプ
のオンデマンド型インクジェット記録ヘッドを提供する
事にあり、具体的にはインク圧力室の巾Ｗｅが１Ｗ以下
のオンデマンド型インクジェットを実現する事にある。
のオンデマンド型インクジェット記録ヘッドを提供する
事にあり、具体的にはインク圧力室の巾Ｗｅが１Ｗ以下
のオンデマンド型インクジェットを実現する事にある。
本発明の主旨は、本発明者等によるオンデマンド型イン
クジェットの理論的解析に基づき、インクジェットの振
動系、流路糸の各パラメータを最適化する事で、上記目
的を達へしようとするものである。
クジェットの理論的解析に基づき、インクジェットの振
動系、流路糸の各パラメータを最適化する事で、上記目
的を達へしようとするものである。
第２図は、本発明に用いる′オンデマンド型インクシェ
ツトの寸法に関するパラメータを指定スるための図であ
る。１はインク供給路、２はイ／り圧力室、３はノズル
を示す。インク圧力室２の壁の一部は、振動板４とその
上に貼り合わされた圧電素子５から構成される２層板に
なっている。圧電素子５に電気パルスが印加されると、
この２ Ｉｖｆ板にそりを生じ、インク圧力室２の容積
が変化し、そこで発生するインク圧力によ−、で、ノズ
ル６からインク粒が噴出する。オンデマンド型インクジ
ェットの寸法に関するバラノー１夕を同図に示Ｊ−１ｆ
！Ｚに定める。
ツトの寸法に関するパラメータを指定スるための図であ
る。１はインク供給路、２はイ／り圧力室、３はノズル
を示す。インク圧力室２の壁の一部は、振動板４とその
上に貼り合わされた圧電素子５から構成される２層板に
なっている。圧電素子５に電気パルスが印加されると、
この２ Ｉｖｆ板にそりを生じ、インク圧力室２の容積
が変化し、そこで発生するインク圧力によ−、で、ノズ
ル６からインク粒が噴出する。オンデマンド型インクジ
ェットの寸法に関するバラノー１夕を同図に示Ｊ−１ｆ
！Ｚに定める。
ここで、各記号は、
Ｌ：長さ
Ｗ：巾−２
Ｄ：深さ
Ｔ：厚さ
Ｓ 断面積
Ｕ二断１０１の周囲長
を＃味し、各記号についている添字は、それらが各・女
、 Ｃ；インク供給路 Ｃ、イ〕り圧すＪ室 １１：ノス°ル ■、振動板 ｐ’ＥＥ電素子 に関するものである事を表わす。
、 Ｃ；インク供給路 Ｃ、イ〕り圧すＪ室 １１：ノス°ル ■、振動板 ｐ’ＥＥ電素子 に関するものである事を表わす。
なお、艶Ｉ）板の長さＬｖおよび圧電素子の長さＬ ｐ
ｉ、′ｔインク圧力室の長さＬｃで、振動板の巾Ｗ
ｖ ｆ）よぴＦＥ’！素子の巾Ｗｐはインク圧力室の巾
Ｗして、各々代表させる事にする。
ｉ、′ｔインク圧力室の長さＬｃで、振動板の巾Ｗ
ｖ ｆ）よぴＦＥ’！素子の巾Ｗｐはインク圧力室の巾
Ｗして、各々代表させる事にする。
第２１〆１にボしたオンデマンド型インクジェット機渦
は、適当、１７１近似、省略を行なった結果、第３図に
示Ｔ等価モデルで表わされる。
は、適当、１７１近似、省略を行なった結果、第３図に
示Ｔ等価モデルで表わされる。
ここで、
ｔ；ｔ＋：ｆｉ動板４と圧電素子５から構成される２騎
板の弾性変形に基づくコンブライアン鳶工：２層板の、
単位長さあたりの曲 げ剛性 ／（ｍ、ｎ） ｍ３ｎ５−１−５ｕ＋２ｎ’ ＋４ｍｎ３＋６ｍ２ｎ’
＋６＋ｎｎ”−）−４ｍ”ｎ２＋５ｍｎ ｍｎ’ （ｍｎ−１−１）２ Ｅｐ：圧電素子５のヤング中 Ｅｖ：撮動ＪｆＪ４のヤング中 α：振動板４とヘッド基板６とり）固定状態を示すパラ
メータ Ｃ１、インク圧力室２内のインクの体積弾性に基づくコ
ンプライアンス αニーヤング中の音速 ρ、インク密度 Ｍｓ、＋Ｊｎ・インク供給路１およびノズル３のイナー
タンス Ｒｓ、Ｒロ イ／り供給路１およびノズル３のレジスタ
ンス η・１〜り粘度 Ｍｅｓ、Ｍａｎ：インク供給路１およびノズル６に等価
的に配分・付加されるインク 圧力室２のイナータンス Ｍ ｃ ｓ ＝β８ＭＣ・・°・・・・・・・（７）Ｍ
ｃｎ＝βｎＭｃ ・・・・・・・・・・・
・（８＋ＭＣ：インク圧力室２のイナータンス ｒｋ： インク圧力室２内のインク の流れの分布に起因する補 正パラメータ ０′くγｕ １１ βＢ、βｎ：インク圧ＪＪ室２のイナータンスＭＣお・
よひレジスタンスＲｅ を、インク供給明およびノズル 側に配分するパラメータ β日、βｎ〉０．β８＋βｎ＝１ Ｍｓ＝Ｍｎ、Ｒｓ＝Ｒｎならは、 Ｒａｓ、Ｒａｎ：インク供給路１およびノズル３に等価
的に配分・付加されるインク・圧力室２のレジスタンス Ｒａａ＝β８ＲＣ・・・番・・・・・＋φ・（９）Ｒｃ
ｎ＝βｎＲｃ −・・・・・−・・−・
（２）ＲＣ：インク圧力室２のレジスタンス γＲ：インク圧力室２内のインクの 流れの分布に起因する補正パフ メータ ０くγＢ ＜１ 以下では、ｒＲ＝了と置イ Φ：圧電素子５の上に、等価的にかかる圧力Φ＝ｇＶ
・・・・・・・・・・・・ＩＧ Ｖ：印加電圧 ６：単位印加電圧あたりのインク圧力室２の静的容積変
化量。この式はバイ メタルの彎曲の計算大を応用する事 により求められる。。
板の弾性変形に基づくコンブライアン鳶工：２層板の、
単位長さあたりの曲 げ剛性 ／（ｍ、ｎ） ｍ３ｎ５−１−５ｕ＋２ｎ’ ＋４ｍｎ３＋６ｍ２ｎ’
＋６＋ｎｎ”−）−４ｍ”ｎ２＋５ｍｎ ｍｎ’ （ｍｎ−１−１）２ Ｅｐ：圧電素子５のヤング中 Ｅｖ：撮動ＪｆＪ４のヤング中 α：振動板４とヘッド基板６とり）固定状態を示すパラ
メータ Ｃ１、インク圧力室２内のインクの体積弾性に基づくコ
ンプライアンス αニーヤング中の音速 ρ、インク密度 Ｍｓ、＋Ｊｎ・インク供給路１およびノズル３のイナー
タンス Ｒｓ、Ｒロ イ／り供給路１およびノズル３のレジスタ
ンス η・１〜り粘度 Ｍｅｓ、Ｍａｎ：インク供給路１およびノズル６に等価
的に配分・付加されるインク 圧力室２のイナータンス Ｍ ｃ ｓ ＝β８ＭＣ・・°・・・・・・・（７）Ｍ
ｃｎ＝βｎＭｃ ・・・・・・・・・・・
・（８＋ＭＣ：インク圧力室２のイナータンス ｒｋ： インク圧力室２内のインク の流れの分布に起因する補 正パラメータ ０′くγｕ １１ βＢ、βｎ：インク圧ＪＪ室２のイナータンスＭＣお・
よひレジスタンスＲｅ を、インク供給明およびノズル 側に配分するパラメータ β日、βｎ〉０．β８＋βｎ＝１ Ｍｓ＝Ｍｎ、Ｒｓ＝Ｒｎならは、 Ｒａｓ、Ｒａｎ：インク供給路１およびノズル３に等価
的に配分・付加されるインク・圧力室２のレジスタンス Ｒａａ＝β８ＲＣ・・・番・・・・・＋φ・（９）Ｒｃ
ｎ＝βｎＲｃ −・・・・・−・・−・
（２）ＲＣ：インク圧力室２のレジスタンス γＲ：インク圧力室２内のインクの 流れの分布に起因する補正パフ メータ ０くγＢ ＜１ 以下では、ｒＲ＝了と置イ Φ：圧電素子５の上に、等価的にかかる圧力Φ＝ｇＶ
・・・・・・・・・・・・ＩＧ Ｖ：印加電圧 ６：単位印加電圧あたりのインク圧力室２の静的容積変
化量。この式はバイ メタルの彎曲の計算大を応用する事 により求められる。。
ｄｌ、；圧電素子５の圧電定数
＋６ ｍ ｎ、＋ １ ）
Ｕｌ、Ｕ、 ：インク供給路１およびノズル６を流れる
インクの体積速度 である。
インクの体積速度 である。
さらに、ステップ状の電圧を印加してインク粒を噴出さ
せる場合に必要となる駆動電圧を、第３図に示したモデ
ルに基づいて計算を行なうと、次の様に求める事ができ
る。
せる場合に必要となる駆動電圧を、第３図に示したモデ
ルに基づいて計算を行なうと、次の様に求める事ができ
る。
ここで、
０＝０゜＋０１
Ｍ、＝ｈＬｎ十Ｍａｎ
Ｒ３＝Ｒｎ−）−Ｒａｎ
δ＝ａｒａｔａ九（−）
Ｖ：所望のイン、り粒速度
■：所望のインク粒速度を得るために必要とされる駆動
電圧 である。
電圧 である。
第４図は、インク圧力室の巾ＷＯを小さくしていった時
に必要となる駆動電圧■を、式αｌから計算した結果で
ある。ここで、Ｌ！ｌ＝Ｌ日＝１０ｍ、Ｗ ｎ＝Ｗ ａ
＝１００ μｍ、Ｄ ｎ ＝ Ｄ ｓ ＝ ４０μ９
、Ｌｃ＝１０ｍ、Ｄｃ＝１０（１１４ｍ１’］”ｐ＝Ｔ
ｙ＝５ＱＱ１１ｎｓ、ρ＝＝１０３Ｋｇ／ｒｎ３．７７
＝ ｔ ８ Ｘ １０−３１１ｓ／（α＝ １５０
ｍ ／ ｓ、ｖ＝５ｍ／８、と置いた。また、撮動板に
はガラスを想定し１１８ ｖ ＝ ６． ＯＸ １０１
０ ＩＩ／／′ＩＩ１％圧電素子にはＰＺＴを想定しＥ
ｐ ＝ ５．９ Ｘ １０１０Ｍ／１１′、ｄ １１
： ２５０ Ｘ １０−”ｍ／ｖと置いた。
に必要となる駆動電圧■を、式αｌから計算した結果で
ある。ここで、Ｌ！ｌ＝Ｌ日＝１０ｍ、Ｗ ｎ＝Ｗ ａ
＝１００ μｍ、Ｄ ｎ ＝ Ｄ ｓ ＝ ４０μ９
、Ｌｃ＝１０ｍ、Ｄｃ＝１０（１１４ｍ１’］”ｐ＝Ｔ
ｙ＝５ＱＱ１１ｎｓ、ρ＝＝１０３Ｋｇ／ｒｎ３．７７
＝ ｔ ８ Ｘ １０−３１１ｓ／（α＝ １５０
ｍ ／ ｓ、ｖ＝５ｍ／８、と置いた。また、撮動板に
はガラスを想定し１１８ ｖ ＝ ６． ＯＸ １０１
０ ＩＩ／／′ＩＩ１％圧電素子にはＰＺＴを想定しＥ
ｐ ＝ ５．９ Ｘ １０１０Ｍ／１１′、ｄ １１
： ２５０ Ｘ １０−”ｍ／ｖと置いた。
同図を見ると、インク圧力室の巾Ｗｅを小さくすると駆
動電圧が急激に上昇する事がわかる。これる事による。
動電圧が急激に上昇する事がわかる。これる事による。
圧電素子にかかる電界は ■ で求ｐ
められ、その許容電界は図中に破線で示しである。
この図より、インク圧力室の巾Ｗ’ｃを１ｍ以下にしよ
うとすると、従来提案されている一般のインクジェット
ヘッドでは圧電素子の許容電界を越え圧電素子゛が絶縁
破壊を起こす事が、理論計算の上からもわかる。
うとすると、従来提案されている一般のインクジェット
ヘッドでは圧電素子の許容電界を越え圧電素子゛が絶縁
破壊を起こす事が、理論計算の上からもわかる。
逆に、上記理論計算に基づいて各パラメータを最適化す
る事によって、従来不可能と考えられていたインク圧力
室の巾Ｗｅが１！Ｉ１１以下のインクジェット記録ヘッ
ドが実現できる。
る事によって、従来不可能と考えられていたインク圧力
室の巾Ｗｅが１！Ｉ１１以下のインクジェット記録ヘッ
ドが実現できる。
計算の結果、最適化にあたって鰻も効果的なパラメータ
は、圧電素子の厚さＴ’ｐ、振動板の厚さＴｖ、および
ノズルのイナータンスＭｎ、レジスタン不Ｒｎである事
がわかった。
は、圧電素子の厚さＴ’ｐ、振動板の厚さＴｖ、および
ノズルのイナータンスＭｎ、レジスタン不Ｒｎである事
がわかった。
Ｔｐ、ＴＶが有効なパラメータとなるのは、Ｗ ｃ ＝
１腸として式（１）および式（２）から００と０□を
計算してみると、Ｃｊ ６ ＝ ７７８ Ｘ １０−２
０−７ｗ。
１腸として式（１）および式（２）から００と０□を
計算してみると、Ｃｊ ６ ＝ ７７８ Ｘ １０−２
０−７ｗ。
ｃ、 ＝４．２５Ｘ １０−１９ ｍ５７Ｈという凰
に、０゜＜＜ ａ 、の関係があり、この様な関係があ
る時には式０３が と畜ける事に起因する。
に、０゜＜＜ ａ 、の関係があり、この様な関係があ
る時には式０３が と畜ける事に起因する。
なお、この０゜＜＜ ｃ 、の関係は、Ｃ０がＶｏの５
乗に、Ｃ８がＷｃの一乗に比例する事より、ＷＯを小さ
くしていくと必然的に生じてくる現象である。
乗に、Ｃ８がＷｃの一乗に比例する事より、ＷＯを小さ
くしていくと必然的に生じてくる現象である。
第５図は、圧電素♀の厚さＴｊ、振動板の厚さＴＶおよ
びノズル長さＩ＋ｎを変化させた時に必要とされる駆動
電圧Ｖを弐Ｑ３から計算した結果である。 ここで、
寸法に関する残りのパラメータはＬｓ＝１００ｕｍＳＶ
ｎ＝Ｗｓ＝４０μｍ％Ｄｎ＝＝Ｄｓ＝１ （１μｍ、
Ｌｃ＝１ ａｓｌｓ、 Ｗｅ ＝１１謡、Ｄａ＝３０μ
ｍと置いた。
びノズル長さＩ＋ｎを変化させた時に必要とされる駆動
電圧Ｖを弐Ｑ３から計算した結果である。 ここで、
寸法に関する残りのパラメータはＬｓ＝１００ｕｍＳＶ
ｎ＝Ｗｓ＝４０μｍ％Ｄｎ＝＝Ｄｓ＝１ （１μｍ、
Ｌｃ＝１ ａｓｌｓ、 Ｗｅ ＝１１謡、Ｄａ＝３０μ
ｍと置いた。
同図を見ると、Ｔｐ、ＴＶ 、Ｌｎをうまく選んでや
ると、インク圧力室の巾Ｗｅが０． Ｉ ｍという従来
は不可能と考えられていたオンデマンド形インクジェッ
トが実現できる事がわかる。すなわち、同図より、圧電
素子の許容電界が５ ｋｙ’ｍの場合だと、Ｔ ｐ ＝
Ｔ ｖ ＝ ５０ ｐ ｍに対してはＬｎく５５ｐｒ
ｎ、Ｔｐ＝Ｔｖ＝２５μｍに対してはＬ ｎ ＜、 ５
５０となる様にすれば、ざらに圧電素子の許容電界が６
ｋｖ／鵬の場合だと、Ｔ ｐ ＝ Ｔ ｖ ＝ １００
ｆｉ Ｉｆｆに対してはＬｎく５２μｎ、Ｔ７＋＝Ｔ
ｖ＝５０μｍに対してはＬ ｎ ＜４００ μｍ 、
Ｔ ｐ ： Ｔ ｖ ＝ ２５ μｍに対してはＬ Ｈ
＜１ ｍとなる様にすれば、Ｗｃ＝０、１ ｍのインク
ジェットが実現できる事がわかる。
ると、インク圧力室の巾Ｗｅが０． Ｉ ｍという従来
は不可能と考えられていたオンデマンド形インクジェッ
トが実現できる事がわかる。すなわち、同図より、圧電
素子の許容電界が５ ｋｙ’ｍの場合だと、Ｔ ｐ ＝
Ｔ ｖ ＝ ５０ ｐ ｍに対してはＬｎく５５ｐｒ
ｎ、Ｔｐ＝Ｔｖ＝２５μｍに対してはＬ ｎ ＜、 ５
５０となる様にすれば、ざらに圧電素子の許容電界が６
ｋｖ／鵬の場合だと、Ｔ ｐ ＝ Ｔ ｖ ＝ １００
ｆｉ Ｉｆｆに対してはＬｎく５２μｎ、Ｔ７＋＝Ｔ
ｖ＝５０μｍに対してはＬ ｎ ＜４００ μｍ 、
Ｔ ｐ ： Ｔ ｖ ＝ ２５ μｍに対してはＬ Ｈ
＜１ ｍとなる様にすれば、Ｗｃ＝０、１ ｍのインク
ジェットが実現できる事がわかる。
ここで、３ｋｖ／ｍおよび６ｋｖ／Ｉｓという値は、各
々通常の製法によるＰＺＴの絶縁耐量、ＨＩＰ（Ｈｏｔ
工５ｏａｔａｔｉｏ Ｐｒａａｓ ）法によって
製造されたＰＺＴの絶縁耐量である。
々通常の製法によるＰＺＴの絶縁耐量、ＨＩＰ（Ｈｏｔ
工５ｏａｔａｔｉｏ Ｐｒａａｓ ）法によって
製造されたＰＺＴの絶縁耐量である。
同図より、ノズル長Ｌｎが短い程駆動電圧Ｖは小さくて
済む傾向にある事がわかるが、製造およびインク噴出時
の安定性等の観点より、Ｌ・ｎは１０μｍ以上が望まし
く、また上限については、同図よ１１ Ｌ ｎが１ｍ以
上だとインク噴出が不可能となる事がわかるため、結局
ノズル長さＬｎは、１０μｍ ＜Ｌ ｎ ＜１腸の範囲
で決定するのが良いと言える。
済む傾向にある事がわかるが、製造およびインク噴出時
の安定性等の観点より、Ｌ・ｎは１０μｍ以上が望まし
く、また上限については、同図よ１１ Ｌ ｎが１ｍ以
上だとインク噴出が不可能となる事がわかるため、結局
ノズル長さＬｎは、１０μｍ ＜Ｌ ｎ ＜１腸の範囲
で決定するのが良いと言える。
また、ノズル長Ｌｎは式（４）および式（６）に示され
る如くノズルのイナータンスＭｎおよびレジスタンスＲ
ｎのみに関与するパラメータであるので、先にあげたＬ
ｎとＶの関係は、そのまま、ＭｎおよびＲｎとＶの関係
全表わしている。すなわち、ＭｎおよびＲｎを小さくす
ればＶを小さくする事ができる。このＭｎとＲｎは、イ
ンク圧力室からヘッド面に至るまでのノズルの断面形状
を変化させる事によっても小さくする事ができるが、こ
の場合に警ま、次式に示す等価ノズル長さＬｎｌｉおよ
びＬｎＲを導入すれば、このＬｎＭおよびＬｕ５ｔに対
して、第５図において行なったと同様の議論を進める事
ができる。
る如くノズルのイナータンスＭｎおよびレジスタンスＲ
ｎのみに関与するパラメータであるので、先にあげたＬ
ｎとＶの関係は、そのまま、ＭｎおよびＲｎとＶの関係
全表わしている。すなわち、ＭｎおよびＲｎを小さくす
ればＶを小さくする事ができる。このＭｎとＲｎは、イ
ンク圧力室からヘッド面に至るまでのノズルの断面形状
を変化させる事によっても小さくする事ができるが、こ
の場合に警ま、次式に示す等価ノズル長さＬｎｌｉおよ
びＬｎＲを導入すれば、このＬｎＭおよびＬｕ５ｔに対
して、第５図において行なったと同様の議論を進める事
ができる。
Ｍｎに対する等価ノズル＆ｇＬｎＭ：
Ｒｎに対する等価ノズル長’ｇ Ｌ ｎ ｘ ：ここで
、 Ｌ：インク圧力室（Ｌ：０）がらヘッド面（Ｌ＝Ｌｎ）
に至るまでのノズルの流線に沿った座標 ５ｎ（Ｌ）：Ｌにおけるノズル断面積 Ｕｎ（Ｌ）：ｙ、におけるノズル断面の周囲長である。
、 Ｌ：インク圧力室（Ｌ：０）がらヘッド面（Ｌ＝Ｌｎ）
に至るまでのノズルの流線に沿った座標 ５ｎ（Ｌ）：Ｌにおけるノズル断面積 Ｕｎ（Ｌ）：ｙ、におけるノズル断面の周囲長である。
第６図は、ＴｐおよびＴｖの最適の組み合せを求める目
的でＬｎを１００μｍに固定しこの２つのパラメータを
変化させた時に必要となる駆動電圧Ｖを式（１３から計
算した結果である。
的でＬｎを１００μｍに固定しこの２つのパラメータを
変化させた時に必要となる駆動電圧Ｖを式（１３から計
算した結果である。
同図を見ると、例えば’ｒｐ−ｔｏｏμｍの時にはＩ’
ｖ ＝ ５０ μｍ 、 Ｔ ｐ ＝ ８０１ｔ ｍ
の時にはＴｖ＝ ４０ ｔｔ ｍ 、 Ｔ ｐ ＝ ６
０ Ａ ｍの時にはＴ ｖ ＝ ３０μｍ１ｌｉｊに選
べば、駆動電圧■は各々最小となる事かわかる。
ｖ ＝ ５０ μｍ 、 Ｔ ｐ ＝ ８０１ｔ ｍ
の時にはＴｖ＝ ４０ ｔｔ ｍ 、 Ｔ ｐ ＝ ６
０ Ａ ｍの時にはＴ ｖ ＝ ３０μｍ１ｌｉｊに選
べば、駆動電圧■は各々最小となる事かわかる。
命１にも述べた様に、駆動電圧には、圧電素子の絶縁破
壊に対する強度の方からの制限がつく。この事は、式の
上では、弐α３を変形して得られる。
壊に対する強度の方からの制限がつく。この事は、式の
上では、弐α３を変形して得られる。
圧１１Ｅ＊子に加わる電界を表わす式
を、一定以下に保つ事に対応し
１１Ｚｐ←−→＜Ｗｐ ｅ ｒｍｉ ｔ ・−・
・Ｈ−δ と表わす事ができる。ここでｍｐｍｒ＊ｓｔは圧電素子
の許容１１ｉ界である。
・Ｈ−δ と表わす事ができる。ここでｍｐｍｒ＊ｓｔは圧電素子
の許容１１ｉ界である。
第６図の破梅は、圧電素子にかかる電界が一定となる様
な、等電界線を示したものである。同図を見ると、式ａ
梯を満たす’１’ｐ、’ｒｖの組み合せｌま、領域の形
で与えられる事がわかる。
な、等電界線を示したものである。同図を見ると、式ａ
梯を満たす’１’ｐ、’ｒｖの組み合せｌま、領域の形
で与えられる事がわかる。
通常のＰＺＴのＢｐａｒｍｉｔを３．ｋｖ／ｍとすれば
、図中では最も内側の破線で囲まれた領域に対応し、例
えば、Ｔ ｐ ＝ ５０ Ｊｊ ｍの時には２０μｍく
Ｔｖり３６ μｍ 、 Ｔ ｐ ＝ ４０ μｍの時に
は９μｍ〈Ｔ ｖ ＜４７μｍの範囲にＴｖを選べば圧
電素子−こかかる電界を許容範囲内におさえる事ができ
る。
、図中では最も内側の破線で囲まれた領域に対応し、例
えば、Ｔ ｐ ＝ ５０ Ｊｊ ｍの時には２０μｍく
Ｔｖり３６ μｍ 、 Ｔ ｐ ＝ ４０ μｍの時に
は９μｍ〈Ｔ ｖ ＜４７μｍの範囲にＴｖを選べば圧
電素子−こかかる電界を許容範囲内におさえる事ができ
る。
さらに、ＨＩＰ法により製造されたＰＺＴを用いると、
前述した如＜Ｅｐｍｒｎａｉｔは６ ｋｖ／塾以上に高
くなり、この時のＴｐ、ＴＶの組み合せσ〕とれる範囲
は、図中、最も外側の破線で囲まれた傾城にまで広がり
、例えばＴ ）ｅ、＝ １００μｍの時には３５μｍく
Ｔｖ く７４μｍ、 Ｔｐ＝５Ｑμｚの時には５μｍ
＜Ｔ ｖ ＜１００μｍの範囲でＴｖを選べば良い事に
なる。この様に、通常のＰＺＴの代りにＨＩＰ法により
製造されたＰＺＴを用いれば厚めの圧電素子と振動板を
用いる事ができる結果、製造および取扱いが容易になる
という効果が得られる。
前述した如＜Ｅｐｍｒｎａｉｔは６ ｋｖ／塾以上に高
くなり、この時のＴｐ、ＴＶの組み合せσ〕とれる範囲
は、図中、最も外側の破線で囲まれた傾城にまで広がり
、例えばＴ ）ｅ、＝ １００μｍの時には３５μｍく
Ｔｖ く７４μｍ、 Ｔｐ＝５Ｑμｚの時には５μｍ
＜Ｔ ｖ ＜１００μｍの範囲でＴｖを選べば良い事に
なる。この様に、通常のＰＺＴの代りにＨＩＰ法により
製造されたＰＺＴを用いれば厚めの圧電素子と振動板を
用いる事ができる結果、製造および取扱いが容易になる
という効果が得られる。
またこの時、余裕を見てｇ、、 、、、ｉ ｊ ＝＝
５ ｋｖ／ｍとしておけば、同図より、例えばＴ１２８
０μｍの時には２５ｕｍ＜；：Ｔｖく６層μｍ、Ｔｐ＝
５０ＪＪｍの時には６．４μｍ ＜ Ｔ ｖ ＜８８μ
ｍの範囲にＴＶを選べば良い事がわかり、この様なＴｐ
、Ｔｖの組み合せで実現されたインクジェットは一湿
度・温度・経時変化等に起因する絶縁耐量の降下が起き
た時でも正常に作動するため、信頼性が増すという効果
が得られる。
５ ｋｖ／ｍとしておけば、同図より、例えばＴ１２８
０μｍの時には２５ｕｍ＜；：Ｔｖく６層μｍ、Ｔｐ＝
５０ＪＪｍの時には６．４μｍ ＜ Ｔ ｖ ＜８８μ
ｍの範囲にＴＶを選べば良い事がわかり、この様なＴｐ
、Ｔｖの組み合せで実現されたインクジェットは一湿
度・温度・経時変化等に起因する絶縁耐量の降下が起き
た時でも正常に作動するため、信頼性が増すという効果
が得られる。
第７図は、他の寸法はそのままで、ノズル長さＬｎを１
００μｍから５０μｍに変化させた時に必要となる駆動
電圧を式αＪから計算した結果である。第７図と第６図
を見比べると、前述した如く、ノズル長さＬｎを短くシ
、ノズル部分のイナータ／スＭｎおよびレジスタンスＲ
ｎを小さくした事によって駆動電圧が下がっている事が
確認できる。
００μｍから５０μｍに変化させた時に必要となる駆動
電圧を式αＪから計算した結果である。第７図と第６図
を見比べると、前述した如く、ノズル長さＬｎを短くシ
、ノズル部分のイナータ／スＭｎおよびレジスタンスＲ
ｎを小さくした事によって駆動電圧が下がっている事が
確認できる。
また必要駆動電圧が下がった事により、Ｔｐ。
Ｔｖのとれる組み合せの範囲も広がりＨＩＰ法により製
造されたＰＺＴを用いる場合には、例えばＴ ｐ ＝
１００ ｐ ｍの時には２３ μｍ＜Ｔｖ＜’ １００
μｍ、Ｔｐ＝５０μｍの時には４μｍくＴｖく１２０μ
ｍの範囲でＴｖを選べばよい事がわかる。
造されたＰＺＴを用いる場合には、例えばＴ ｐ ＝
１００ ｐ ｍの時には２３ μｍ＜Ｔｖ＜’ １００
μｍ、Ｔｐ＝５０μｍの時には４μｍくＴｖく１２０μ
ｍの範囲でＴｖを選べばよい事がわかる。
第８図は、振動板にＳＵＳ等の金属板を用いた時に必要
となる駆動電圧を弐〇３）より計算した結果である。こ
こで、インクジェットの寸法に関するパラメータ４ま第
６図の場合と同じとし、振動板のヤング率Ｋ ｖ ＝
２． ＯＸ １０ ” Ｎ／＋ｉ’と置いた。
となる駆動電圧を弐〇３）より計算した結果である。こ
こで、インクジェットの寸法に関するパラメータ４ま第
６図の場合と同じとし、振動板のヤング率Ｋ ｖ ＝
２． ＯＸ １０ ” Ｎ／＋ｉ’と置いた。
第８図と第６ＦＩ！Ｊを見比べると、例え゛ば’ｒｐ：
＝１ｏ。
＝１ｏ。
μｍに対し、ガラスの振動板の場合最小駆動電圧はＴ
ｖ ＝ ５０μｍの時５８０ｖ必要であるσ）に比べ、
金属の振動板の場合最小駆動電圧はＴｖ＝５０μｍの時
４８０■で済むという様にガラスの振動板の代りに金属
等ヤング率の高い振動板を用いると、同じ圧電素子の厚
さに対し振′動板の厚さを最適にした時の駆動電圧が小
さくて済むという効果が得られる。
ｖ ＝ ５０μｍの時５８０ｖ必要であるσ）に比べ、
金属の振動板の場合最小駆動電圧はＴｖ＝５０μｍの時
４８０■で済むという様にガラスの振動板の代りに金属
等ヤング率の高い振動板を用いると、同じ圧電素子の厚
さに対し振′動板の厚さを最適にした時の駆動電圧が小
さくて済むという効果が得られる。
また、振動板にも圧電素子を用い、２層の圧電素子の一
方が伸びる方向、他方が縮む方向に駆動電圧を印加する
様にすれば、これは式Ｑ３の２（ｍ、 ｎ ） 牙大き
くする事につながるので、式α荀より駆動寛１←；が小
さくて済むという効果が得られる。、以上をまとめると
、Ｗｃが１’１ｌｌｌｌｉ以下のオンデマンド型インク
ジェットを実現するための鍵となるパラメータは、’Ｉ
’７）、ＴＶおよびＭｎ 、 Ｒｎ （即ちＬｎ）であ
り、所望のＷｃに対し、先ず製造およびインク粒噴出時
の安定性が許す範囲でＬｎを短く決定、次にＴｐ、ＴＶ
、Ｌｎを除く他の、＜ラメータを決定、最後に式（Ｉ＆
を満足する範囲でＴｊＴｖの組み合わせを決定すれば、
所望のインク田力至σ）巾Ｗｅを有するオンデマンド型
インクシェフ）か実現できる事になる。
方が伸びる方向、他方が縮む方向に駆動電圧を印加する
様にすれば、これは式Ｑ３の２（ｍ、 ｎ ） 牙大き
くする事につながるので、式α荀より駆動寛１←；が小
さくて済むという効果が得られる。、以上をまとめると
、Ｗｃが１’１ｌｌｌｌｉ以下のオンデマンド型インク
ジェットを実現するための鍵となるパラメータは、’Ｉ
’７）、ＴＶおよびＭｎ 、 Ｒｎ （即ちＬｎ）であ
り、所望のＷｃに対し、先ず製造およびインク粒噴出時
の安定性が許す範囲でＬｎを短く決定、次にＴｐ、ＴＶ
、Ｌｎを除く他の、＜ラメータを決定、最後に式（Ｉ＆
を満足する範囲でＴｊＴｖの組み合わせを決定すれば、
所望のインク田力至σ）巾Ｗｅを有するオンデマンド型
インクシェフ）か実現できる事になる。
第９ＶＩは、本発明におけるマルチノズルタイプのオシ
デマンド型インクジェット記録ヘッドの一実施例を示１
７たもσ）である。本実施例においては、ヘッド線板６
の両面にインクジェットをチドリ配置する串により、記
録密度の向上をはかってし）る。
デマンド型インクジェット記録ヘッドの一実施例を示１
７たもσ）である。本実施例においては、ヘッド線板６
の両面にインクジェットをチドリ配置する串により、記
録密度の向上をはかってし）る。
ここで例えば、第６図を参考にＬ ｎ ＝ Ｌ ８ ：
”＋ ０１１ 、ｖ ｍ 、 Ｗ ｎ ＝ Ｗ ｓ ：
＝＝ ４０μｍ、Ｄｎ＝＝Ｄ日＝ Ｉ Ｕ ｔｒ ｍ
、 Ｌ ｃ ＝ １０ ｍ 、 Ｄ ｃ ＝＝ ３０μ
ｍとし、振動板にはＴ ｖ ＝ ６０μｍのガラス、圧
電素子にはＴ ｐ ＝ ６０μｍのＨＩＰ法により製造
されたＰＺＴを用いる事にすれば、インク圧力室の巾Ｗ
ｃが１１１１１１のインクジェットが実現できる。そし
てこの時、隣り合うインク圧力室の間隔を例えば００５
−に設計すると、１３．３ ｄｏｔｓ、７ｍの高密度記
録が行なえる記録ヘッドが実現できる。
”＋ ０１１ 、ｖ ｍ 、 Ｗ ｎ ＝ Ｗ ｓ ：
＝＝ ４０μｍ、Ｄｎ＝＝Ｄ日＝ Ｉ Ｕ ｔｒ ｍ
、 Ｌ ｃ ＝ １０ ｍ 、 Ｄ ｃ ＝＝ ３０μ
ｍとし、振動板にはＴ ｖ ＝ ６０μｍのガラス、圧
電素子にはＴ ｐ ＝ ６０μｍのＨＩＰ法により製造
されたＰＺＴを用いる事にすれば、インク圧力室の巾Ｗ
ｃが１１１１１１のインクジェットが実現できる。そし
てこの時、隣り合うインク圧力室の間隔を例えば００５
−に設計すると、１３．３ ｄｏｔｓ、７ｍの高密度記
録が行なえる記録ヘッドが実現できる。
こうして実現されたオンデマンド型インクジェット記録
ヘッドは、ノズルピッチとインク圧力室ピッチが等しい
事によって、ノズルを屈曲させる必要もなく、その結果
全てのインクジェットの特性を均一にする事が可能であ
り、さらにノズルを屈曲させる事によるノズル長さの増
加も排除する事ができるので、高いレベルのマルチノズ
ル化が可能となる。
ヘッドは、ノズルピッチとインク圧力室ピッチが等しい
事によって、ノズルを屈曲させる必要もなく、その結果
全てのインクジェットの特性を均一にする事が可能であ
り、さらにノズルを屈曲させる事によるノズル長さの増
加も排除する事ができるので、高いレベルのマルチノズ
ル化が可能となる。
この様な、高密度記録が行なえ、フルマルチノズル化が
可能なオンデマンド型インクジェット記録ヘッドは、ラ
インプリンタをはじめ、７アクンミリ、フビアといった
情報関連機器に応用展開をはかる事ができる。
可能なオンデマンド型インクジェット記録ヘッドは、ラ
インプリンタをはじめ、７アクンミリ、フビアといった
情報関連機器に応用展開をはかる事ができる。
第１図は、従来のマルチノズルタイプのオンデマンド型
インクジェット記録ヘッドの例を示す図。
インクジェット記録ヘッドの例を示す図。
第２図は、本発明に用いるオンデマンド型インクジェッ
トの寸法に関するパラメータを指定するための図。
トの寸法に関するパラメータを指定するための図。
第６図は、本発明に用いるオンデマンド型インクジェッ
トの等価電気制路図。
トの等価電気制路図。
第４図は、ＷＣとＶの関係を表わしたグラフ。
第５図は、Ｔｐ、ＴＶ 、Ｌｎと■の関係を表わした
グラフ。
グラフ。
第６図、第７図、第８図は、Ｔｐ、ＴＶとＶの関係を表
わしたグラフ。
わしたグラフ。
第９図は、本発明におけるマルチノズルタイプのすンＴ
マント型インクジェット記録ヘッドの一実Ｆｈ例である
。
マント型インクジェット記録ヘッドの一実Ｆｈ例である
。
１ ・インク供給路 ２・・・・−インク圧力室５
ノズル ４・・・・・・振動板５・・・・圧
電素子 ６・・・・・・ヘッド基板Ｗａ・・・・
インク圧力室の巾 Ｔ９・・・・・・圧電素子の厚さ ＴＶ・・・・・振動板の厚さ 以 上 出願人 信州精器株式会社 株式会社諏訪精工舎 代理人 弁理士 最上 務 ３
ノズル ４・・・・・・振動板５・・・・圧
電素子 ６・・・・・・ヘッド基板Ｗａ・・・・
インク圧力室の巾 Ｔ９・・・・・・圧電素子の厚さ ＴＶ・・・・・振動板の厚さ 以 上 出願人 信州精器株式会社 株式会社諏訪精工舎 代理人 弁理士 最上 務 ３
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 長辺方向の壁が隣り合う如く配された略長方形の複数の
インク圧力室、該インク圧力室に連通ずるインク供給路
およびノズル、前記インク圧力室の壁の一部を構成する
積層された圧電素子および振動板からなるオンデマンド
型インクジヱ、７ ト記録ヘッドにおいて、下式を満足
する幀囲で選ばれる厚さＴＰの圧電素子、厚さＴＶの振
動板から構成され、前記ノズルの長さＬｎは１謹以下で
あり、前記インク圧力室の短辺方向の巾Ｗｃが１藤以下
であることを特徴とするオンデマント型インクジ但し
Ｌｃ：イ／り圧力室の長辺方向の長さｄ３１ ’圧電素
子の圧電定数 ■ ・インク粒速度 Ｓｎ：ノズルの断面積 Ｍ３： ｕｎ ＋ Ｍｅｎ Ｍｎ：ノス°ルのイナータンス Ｍｅｎ：ノズルに等価・的に配分付加されるインク圧力
室のイナータ ンス ０：Ｃｏ−１−０゜ Ｃｏ：振動板と圧電素子から構成さ れる２層板の弾性変形に基づ くコンプライアンス Ｃ１，インク圧力室内のインクの体 積弾性に基づくコンプライア ンス にｐｇｒｍｉｔ：圧電素子の許容電界
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57070958A JPS58187365A (ja) | 1982-04-27 | 1982-04-27 | オンデマンド型インクジエツト記録ヘツド |
| US06/488,580 US4525728A (en) | 1982-04-27 | 1983-04-25 | Ink jet recording head |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57070958A JPS58187365A (ja) | 1982-04-27 | 1982-04-27 | オンデマンド型インクジエツト記録ヘツド |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58187365A true JPS58187365A (ja) | 1983-11-01 |
Family
ID=13446531
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57070958A Pending JPS58187365A (ja) | 1982-04-27 | 1982-04-27 | オンデマンド型インクジエツト記録ヘツド |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4525728A (ja) |
| JP (1) | JPS58187365A (ja) |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4525728A (en) | 1985-06-25 |
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