JPS585271A - インクジエツト印刷装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はインクオンデマンド型インクジェット装置に係
わり、特に駆動電圧な低下させた印字ヘッドに関する。

圧電素子の変形によシ加圧室の容積を減少させ加圧室に
連通し良ノズルよ抄液体インクを射出するインクオンデ
マンド型インクジェットは、印字エネルギが小さく、マ
ルチノズル化が可能な九め注目されている。インク射出
の構造は極めて簡単であるが、インクの射出が過渡的な
状況で行なわれ、まえ印字ヘッド自体の大きさが小さい
ため圧力、流量勢の測定が困−であるなどの理山から、
その理論的解析は完全とはいえなかつ光。

圧電素子と協働して加圧室の容積を変化させる振動板の
厚さについては種々の考え方が提案されているが、その
多くは振動板と圧電素子とによる振動系のみに注目して
振動板の最適値を求めるものである。たとえば特ｍ＠５
ｌ−ｉｓｚｉにおいては振動板と圧電素子の中立軸がそ
れらの中間面にあることが望ましいとして、 （１！！ｔ”）圧電素子−（Ｉｔ冨）振動板によ抄損動
板厚さを求めている。この式ではたとえば弾性係数１が
圧電素子と振動板でほぼ等しい時には圧電素子と振動板
の厚さｔ４＃１ぼ等しくなることを示している。

その他有限要素法などによりある駆動電圧に対し変位が
最大になるように振動板の厚さを求めた例も発表されて
いる。しかしこれも振動系のみに注目しており、流路に
対する最適な振動板を求めたものではない。いずれにし
ても従来発表されているインクオンデマンド型インクジ
（ットにおいては、圧電素子の厚さ：ｔｐキ１ｓ■ない
しｔｐ中（Ｌ７１１１、振動板Ｏ厚さ！ｔｖ中ｔνであ
に、駆動電圧は、友とえば前記特開昭５１−３５２３１
においては１３’ＯＶでＴｏ）、その他の低い例でも数
十７以上である。したがって通常の電池を電源とする携
帯機器においては大きな昇圧比が必要とされ、昇圧回路
の効率が低下し、インクジェットの低エネルギ消費の利
点を生かすことが難しかつ友。ま九安全の面からも低電
圧駆動が望まれていた。

し九がって本発明の目的はインクジェット印刷装置の駆
動電圧を下げる仁とによりエネルギ消費を下げることに
ある。

本発明の他の目的は、インクジェット印刷装置の危険性
管へらすことにある。

本発明のさらに他の目的は、昇圧回路を不要とし装置を
安価にすることにある。

本発明のさらに他の目的は、昇圧回路を不要とすること
で装置を小型化することにある。

前述し良ようにインクオンデマンド型印字ヘッドの理論
的解析はかなり峻しいが、本発明者等は印字ヘッドの眸
価電気回路モデルによって解析を行なり九結果、駆動電
圧をかなり下げられることを見い出し良。

本発明の主旨は、印字時にまず圧電素子に信号を印加し
加圧室の容積を増大させ、流路系と振動系から決まるヘ
ッドの振動に合わせて圧電素子への信号印加を解き、し
か４滝路系に最も適し喪振動系を選ぶことで駆動電圧を
低下しようとするものである。

１１４１図（ａ）　Ｋ印字ヘッドの等価電気回路を示す
。

１１　’Ｉｄ　４ナータンス、Ｃは音響容量、ｒは音響
抵抗である。第１図（ｂ）は印字ヘッドの概略を示し、
１０は圧電素子１１と振動板１２からなる振動系を表わ
し、１は加圧室、２は供給部、３はノズル部を示すもの
とする。なお第１図（ａ）の添字は第１図（ｂ）に示す
各部分を表わす。ただしＣ８はインクタンク４の音響容
量、Ｃ１はノズル３０表面張力を音響容量とみなしたも
のである。ｔた添字０は振動系１０を表わすものとする
。単位として圧カニψＯＪ／ｍ”Ｌ体積速度ｓ　ｕ　［
ｍ”／　８　）　ｅイナータンスｓ　ｍにｔ／ｍ’）　
＊音響容量ｓ　ｃ　［ｍ”７Ｍ　］　ｅ音響抵抗５ｒ（
ａａ／ｍｓ）を用いる。実際に各定数管計算すると、ｍ
＠　ｇ　ｒ＠　＊　ｃ、　ｅ　ｃ、　等は無視でき第２
図のような簡略な等価回路となる。ここでＷ’ｓ　−ｋ
　ｍａ　ｔｒ＊　−ｋｌ”　＊とみなし、圧力ψをステ
ップ関数として解くと、 減衰係数：Ｄｍｒａ／２ｍｌ　　　・・・・・・■とし
て ただし Ｑ　ａｍ　Ｑｇ　十ＣＢ　　　・・・・−・・・■で表
わされる減衰振動となる。

弐〇は圧力ψがステップ関数であるとして解いた場合の
運動を表わしている。本発明ではノ（ルス巾ずの矩形パ
ルスが加わったとして ＋ｅｘｐ［−Ｄｒｔ−ｖ＞　］５ｔｎ（ｘ（ｔ−ｖ）］
　１　−■が実際の運動を表わす。弐〇において種々の
ずに対し、ｔｔ変化させてＴＩ、の最大値を求めると、
結局 １−中ｇ／ｌ・・Φ拳φ曹■ とし九時 ｆａ、ハ最大値をとる。この時に断面積ムのノズルから
インク射出速度ｖＩｌｔｌ−もってインクが射出される
と考えれば、必要圧力−は またインク液体積：ｑは と懺わせる。

また駆動電圧Ｖは ただしＯｐｔ圧電素子容量、ｋ：定数で実験ではに＃′
１ｌ１１からＩｌｓの値であった。ま虎容量ＯｐはＯｐ
＝εＳν／ｌν　　　・・・・・・・・・０ただしｊ：
ｌｌ電率、Ｂｐ：圧電素子面積、ｔｐ；圧電素子厚さで
表わせる。

ま九各定数は次のように与えられる。九だし圧電素子が
円板の場合について示す。

ａｌｄａ Ｃ，ｘａ−・−・・・・・・・Ｏ −ｐ ５２＠、１　　　・・・・・・・・・０日ｄ３ １ｊ ｍ−□　　　　・・・・・・・・・Ｏ ただし、 Ｅ１１！圧電素子の縦弾性係数、訃：振動板の縦弾性係
数、Ｋ、、に、：定数、ａ：圧電素子の半径、ｔｐ冨圧
電素子の厚さ、ｔｖ！振動板の厚さ、（ｌ＠を加圧室の
深さ、Ｖａｔ　インク中の音速、ρ；インク密度、マ：
インク粘度、）：Ｒ路長、８：流路断面積、（１ｇ流路
直径、長方形断面の場合には等価値径（ｄ中２８／（ｂ
ｏｏ））　　ｂ　＊　Ｃ”流路断面の辺である。

以上の定数ｔ−ｍｓ図−）（ｂ）Ｋ示す。

上述の計算式によって求め＋ｎｔ以下に示す。

第４図（ａ）（ｂ）にエツチングによって作ったガラス
のヘッドのノズル部を示す点＠ＳＯで示すような、加圧
室３１からノズル３２に至る流路ｔ１実線で示す流路で
近似し、弐〇、ｏによって求めると、ｂ、　！ｓａμ、
　０１　＝３ｒＪｐ　、　Ｉ、　＝２５０μ、　ｂ、＝
ｌｏｏμ、０１ｍ１００μ、Ｊ１ｘ２＠１．ｙ＝Ｌ８ｃ
Ｐ。

＃−１０００に４ｊｍ”ｏ時 ｍ３ｘＬ８Ｘ１０’　　　　！／ｍ’ ｒｌ　ｘ　ｌ　３　Ｘ　１０”　　　Ｎｏ／ｍ＠となる
。なお精度よく求めるには流路に沿って積分するか、分
割を細かくして微小部分のｍとｒｉ求め加えてゆけば良
い。

９５図に圧電素子としてＰＺＴｆ使っ曳実際の印字ヘッ
ドの圧電素子の振動波形（、Ｌ）と武■を用い計算によ
って求め次振動波形（ｂ）　ｔ−示す。定数は亀ｘ　Ｌ
　２５　ｍ　、　ｋ　ｗ　１．５　＠　ｒｊ　ｗ　４　
Ｘ　１０”　Ｎ　Ｂ／！ＩＩ”ｒｎａ■１５ｘｔ　Ｏ”
　ｈ１０’　、　　ｔｐ＝ｔｖ＝ａｌ　５■。

Ｃ３！α２２Ｘ１０−”ｍ”／Ｎ、Ｃ，＝＆４５Ｘ１０
−”ｍｌ／Ｎである。振動周期が実測値の約１４０μｓ
に対し計算では約１４６μＢであるなど完全に一致はし
ないが、実際の動きが前述し九理論にょってかなに説明
できることがわかる。なお実測振動波形（、）は測定方
法の不完全さの大め１００μＢ以前の変位は測定されて
いない、また（荀と６）の縦軸は同じではない。

次に上記の計算式を用いて駆動電圧を低下させる本発明
の実施例について述べる。

式０〜式［相］において流路系、圧電素子の犀さ、加圧
室の深さ、インク射出遮ｔｔ一定とし、振動系の音響容
量を変化させ九時の駆動電圧の変化を第６図、第７図に
示す、主要な定数は、マーｔ８ｃＰ、ｄａｍα１ｍ、（
１！５０　ｐ＠　ｔｙｘ（Ｌｌ　５ｍ。

Ｖｘａ　　冨　５　　ｍ　／　Ｄ　　ｓ　　Ｋ　冨　α
７４．＃　　冨　２０７０．に！１であり、第６図はノ
ズル匈流路がａ、ＳＯμ。

ｊｅ＝１００μ、従って４中５　Ｘ　１０　”　ｈ／　
ｍ’　ｅｒｌ中１×１０”　）ＪＤ／ｍ’　　の場合を
示し、第７図はｄ＝５０μ、Ｊχ５００μとａ−ｓｏｎ
μ、７ｗ１０■とが直列に連結しているような流路でｍ
１キＳ　ｘ　１Ｇ”　４７ｍ番、ｒａ中４×１０１Ｎ　
Ｄ　／　ｍ’の場合を示す。

図かられかるように圧電素子の径がきまると、駆動電圧
ｖｔ最低にするような最適な音響容ｔｃ。

がある。従って流路系および圧電素子がきまっている時
に振動板の厚さを選び最適な音響容量Ｃｏｔ選べば駆動
電圧を最低にできる。第６図と第７図の比較から、一般
的にノズル長さ會短くシ、イナータンスｍ１音響抵抗ｒ
を小さくシ喪方が駆動電圧はさがる。

なお駆動パルス巾丁を式■を満九すように選んでいるが
、パルス巾ずをこれよシ長くしても、短くしてもヘッド
の固有振動と合わなくなるため駆動電圧は上がる。たと
えば第６図φ４のヘッドでパルス巾ずを半分にすると点
線６１で示すようになる。パルス巾ずを倍にするとヘッ
ドの固有振動を打消すようになる良めさらに電圧は上が
る。なおヘッドの固有振動を利用せず、加圧室の容積を
減少させることでインク射出を行なう一般の駆動方法で
は点＠６２で示す電圧が必要となり、本発明の方法で駆
動電圧が下がるのがわかる。

安全上の見地から、例えばＵＬ規格で規定している、ピ
ークで４２．４１ｆ考え、駆動電圧ｔ−５５Ｖ以下にす
るという条件では、第６図に示しｔノズル長さ１００μ
のヘッドでけφ２の圧電素子で良いが、第７図のノズル
インピーダンスが高いヘッドでは、圧電素子をφ４とし １０−１″ｌ！Ｉｇ／）Ｊ≦０６≦２　Ｘ　１０−　”
　ｍ’／Ｎに選べば良い、なお安定化電源を使う場合は
２４Ｖ以下の駆動電圧が望ましく、第７図の流路系をも
つヘッドでは、φ１０の圧電素子で ２　Ｘ　１　Ｇ”’　”　ｍｓ／Ｎ≦Ｃ・≦１０−”　
ｍ１７Ｍとすれば喪い、ｆ＆電池を電源として直接駆動
することは、原理的には直列に多数つなげることで可能
であるが、実用上は高々６本、すな粉ち１ンガン乾電池
の場合は！ｖ以下で駆動できることが望ましい、これは
第６図の場合φ６の圧電素子で１０−１喝ｍ”／Ｎ≦０
０≦１ｏ　−”　ｍ”／Ｎとすれば良い。

上記の説明ではインク射出速度を５ｍ／Ｄという条件の
下で駆動電圧を求めているが３　ｍ　／　Ｄの条件なら
ばさらに電圧は低くて良い。ただし２ｍ／Ｄ以下では印
字品質上は良い結果が得られない。

なおインク射出速度だけでなくインク液体積の方からも
必要電圧は規定される。これは式■によって解くことが
できる。実際上はインク射出速度によって最適な音響容
量を求め、インク液体積を加味して音響容量の値を選べ
ば良い。良とえば第６図でφ６の場合最適なＣ０はａ、
中４　Ｘ　１０　’？ｍ”／Ｎであるが電圧が約１割高
くなることを許容すればｔ　４　Ｘ　１０−”　ｍ’／
Ｎ≦ｃ、≦１．５　Ｘ　１　Ｇ−”　ｍ”７Ｍの範囲で
選べ、この時インク径は、０＠＝ｗ４Ｘ１Ｇ−”ｍ’／
Ｍの時、約５５μであるのが、５０μから６５μのＩ［
囲で選べるようになる。

なお圧電素子の厚さ１）は小さければ小さい程、圧電素
子容量が増加するため式０で示される駆動電圧Ｖは低下
する。圧電素子の厚さｔｐは加工、組立時の割れなどの
問題から下限が決まる。一般的には第６図、第７図で示
したｔｐｘａ１５園位が妥嚢であるが注意深く扱えばｔ
ｐｗ５０μ程度までは使用可能である。またＰｚＴを薄
膜技術で振動板上に形成するなどすればさらにｔｐを小
さくで自電圧が下がる。

第８図Ｋｔν冨αｔｌ＠、　　ノズル長さ１富５０声と
してさらに電圧を低下させ九例を示す。この時ｍｓ翼２
１Ｘ１０”　、ｒｌ冨４Ｘ１０”となる、φ２でもＣ０
を選ぶことで１０７近い電圧となる。φ６．φ８、φ１
０ではＣ６中１０″″１１ｍ１．／ｗ付近で乾電池２゜
３本での駆動が可能な電圧まで下がる。えだしノズル長
さを余シ短ぐすると加工上のバラツキがヘッドの特性に
大きく影響を与える九めＩ〈５０μとすることは量産上
は好ましくない。

なお供給側を絞って供給側と射出側のインピーダンス比
にの値を大きくするにつれ、後へ逃げるインクが滅る九
め駆動電圧は下がる。第９図にノズル長さｊ富１０口μ
、振動板厚さｔ）諺α１箇、圧電素子径φ４の場合のイ
ンピーダンス比にの変化に対する駆動電圧の変化を示す
、良だし供給側を絞るにつれインクの供給が不足する九
め液滴径が小さくなった抄応答性が低下する。シ良がっ
てｋを大きくすることは応答性の面では不利である。

第９図から、余！を大きくしても電圧は殆んど小さくな
らないことがわかる。上記応答性も考えてｋはＣ５から
３位の値とすることが望ましい。

なお音響容量Ｃは圧力ψ、体積変化ｑとの間にψ−ｑ１
０の関係を持つと定義される。本発明における振動系の
音響容量Ｃ６はし九がって加圧室内に圧力を加え九時の
体積変化と圧力との比で定義される。円板の場合のＣ０
の近似式を式＠として示しであるが、これは振動板周囲
の固足方法、撮動板と圧電素子との接着剤の材質、厚さ
、加圧室形状などにより変わる。たとえば の方が良く実験と合う場合もある。実験では定数に、中
３．に＊中しまたはに、中１　であった、厳密には有限
要素法によりそれぞれのヘッドについて解析することが
できる。

第１０図に式０′を用い、圧電素子厚さｔｐ＝１１簡の
場合の振動板の厚さｔマと音響容量Ｃ０との関係の一例
を示す。ここでは振動板としてガラス（Ｒｖ　＝　６　
Ｘ　１　［１”　１７ｍ”　）會考えている。プラスチ
ックを振動板として用いる場合は同じく０．に対し厚く
なる。

以上述ぺ九説明でわかるように、本発明によれば流路系
に最も良く合つ光振動系を選び、さらにヘッドの固有振
動にあつ九パルス印加ｔすることで駆動電圧を低下でき
、安全面、昇圧回路の効率面、ドライバのコスト面等に
利点を有する。さらに流路インピーダンスの減少、圧電
素子の厚さ減少、圧電素子径の増加をはかることで、電
池を電源として直接印字ヘッドの駆動ができ、電磁トラ
ンス、圧電トランス郷の昇圧回路が不要になる九め、エ
ネルギ効率向上、装置の小型化、価格低下などの利点も
有する。

なお以上述べた実施例では円形の加圧室の場合を説明し
ているが他の形状のヘッドについて屯弐〇、Ｏ等を変形
することで同様の考え方ができる。

良だし余）細長い形状は０．が小さくな）電圧が上がる
。長方形の場合も長辺と短辺の比は２倍をこえない方が
良い、ｆえ圧電材料としてＰＺＴその他を用いることが
できる。マ九バイモルフのような複数の圧電素子によシ
損動系管構成することでさらに駆動電圧を下げることが
可能である。

第１１図に示すようにトランジスタＡＩ、４２で圧電素
子４５を充電しておき印字時トランジスタ４３と４４に
よね圧電素子４５を逆向きに充電すれば駆動電圧はみか
け上電源電圧の倍となり、逆に言えば第１１図のような
駆動にすれば前述し友各実施例の電源は半分で良いこと
になり電源電圧低下の面ではさらに有利であり、超小型
電卓用プリンタ等には最適である。

なお駆動信号が矩形波以外でもそれに合わせて式を変形
すれば実施例と同様に最適なＯａｔ求めることができる
。

壕だ圧電素子に対する信号は圧電素子の極性により正負
いずれでも良い。ただし耐電界強度の面からは圧電素子
がちぢむ向きが良い。

なお流路系のインピーダンス、圧電素子の厚さ、圧電素
子の面積、供給側と射出側のインピーダンス比に要求さ
れる値はそれぞれ関連がある。九とえば他の条件が同じ
として流路インピーダンスが大きい時には圧電素子の面
積を増加する必要があるなど各々に要求される値は他の
条件によって変わる。し九がって一律に各々の値を定め
ることはできないが、およその上限としては、流路系イ
ンピーダンスとしてはｍｌ≦５Ｘ１０”麺／ｍ’　＊　
ｒ＠≦５×１０口ＩＪＤ／ｍ’ｓ圧電素子の厚さとして
はｔｐ≦１５鴫、圧電素子の面積としてはｒｐ≧１−　
インピーダンス比として雌に≧ａ３の中から選ばれ友値
が望しい。とくに電圧【下げ良い場合にはｍ、≦１０”
　Ｑ／ｍ’　、　ｒ＠≦２　ＸＩ　Ｏ”　ＮＤ／ｒｎ”
　、　ｔｐ≦ａｔＳ■、ｒｐ≧２　Ｗ　、　ｋ≧１であ
ることが望しい。

なお、イナータンスｍ８．流路抵抗ｒｍ　ｅ　　圧電素
子厚さｔνは値が小さければ小さい程同−ノズル得のヘ
ッドに対しては電圧が下がり、圧電素子半径ｒν、イン
ピーダンス比には大きいほど電圧は下がる。

したがって流路インピーダンス、圧電素子の厚さをでき
る限り小さくシ、圧電素子の面積、供給側と射出側のイ
ンピーダンス比【できる限り大きくしたうえで、流路系
に最−遍、し光振動系の音響容量を選び、低電圧駆動を
可能とすることが本発鴫の主旨とする所である。

以上の説明でわかるように、本発明によれば、印字時に
まず圧電素子に信号を印加し、加圧室の容積を増大させ
、流路系と振動系から決まるヘッドの固有振動に合わせ
て圧電素子への信号印加を解き、かつ流路系に最適な振
動系を選ぶことで駆動電圧を低下し、安全性の向上、昇
圧回路の効率向上、低価格ドライバの使用を可能とする
。さらには昇圧回路全不要とすることで、エネルギ効率
向上、装置の小型化、低価格化等多くの利点を有し、プ
リンタ、プロッタ、ファクシミリ、コピア等に応用でき
、特に電池を用いた携帯型小型印刷装置に適する。

４　図面の詳ＩＩＡｆｋ説明 第１図（ａ）（ｂ）　、第２図は本発明の考え方を示す
等価電気回路、第Ｓ図（ａ）（ｂ）、第４図（ａ）（→
は本発明の計算に用いられる定数を示す図、第５図（ａ
）（１）は本発明に用いられる計算と実際との比較を示
すグラフ、第６図、第７図、第８図は本発明の計算によ
る駆動電圧のグラフ、第９図は本発明の計算によるイン
ピーダンス比にと駆動電圧の関係を示すグラフ、第１０
図は振動板の厚さと音響容量との関係の一例を示すグラ
フ、第１１図は本発明によるインクジェットヘッドを駆
動する駆動回路の例である。

Ｃ０・・・振動系の音響容量、ｃ、用加圧室の音響容量
、ｍｌ・・・供給部のイナータンス　ｒ、・・・供給Ｗ
６ｔｖ音響抵抗、Ｊ・・・ノズル部のイナータンスｒ１
・・・ノズル部の音響抵抗、　１１・・・圧電素子１２
・・・振動板 以　　　上 代理人　弁理士最上　　務 （ｂ） 第１図 ｊｉ１２凶 ニア４３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ％１１　　圧電素子への信号印加によ抄加圧室の容積を
   増大し、印加信号管解いた時の加圧室の容積減小によ抄
   ノズルからインク射出を行なうインクジェット印刷装置
   に於いて、流路系のインピーダンス、圧電素子の厚さ、
   インクの粘度を所定の値以下に、圧電素子の面積、供給
   側と射出側の流路のインピーダンス比を所定の値以上に
   選び、電源電圧がａＬ４１以下になるようにインクジェ
   ットヘッドの振動系の音響容量を定め元こと１＊＊とす
   るインクジェット印刷装置。 １２１　　電池’ｔ［ｍ的に駆動用電源とすることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のインクジェット印
   刷装置。