JPS61141566A - Ink jet head - Google Patents

Ink jet head

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Publication number
JPS61141566A
JPS61141566A JP25455785A JP25455785A JPS61141566A JP S61141566 A JPS61141566 A JP S61141566A JP 25455785 A JP25455785 A JP 25455785A JP 25455785 A JP25455785 A JP 25455785A JP S61141566 A JPS61141566 A JP S61141566A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric element
ink
acoustic
voltage
inertance
Prior art date
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Pending
Application number
JP25455785A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Haruhiko Koto
小藤 治彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP25455785A priority Critical patent/JPS61141566A/en
Publication of JPS61141566A publication Critical patent/JPS61141566A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters 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
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14298Structure of print heads with piezoelectric elements of disc type

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

PURPOSE:To reduce the size of a piezoelectric element without adverse effects such as a rise in a driving voltage and to contrive a reduction in the size of a printing head, by a construction wherein the acoustic capacity of a vibration system consisting of a piezoelectric element and a vibrating plate is set to be not higher than a specified value, and the inertance and acoustic resistance of liquid-ejecting passage are limited. CONSTITUTION:In the equivalent electric circuit of a printing head shown, (m) is inertance, c is acoustic capacity, r is acoustic resistance, 10 is the vibration system consisting of the piezoelectric element 11 and the vibrating plate 12, 1 is a pressure chamber, 2 is a supplying part and 3 is a nozzle part. Generally, the ink droplet diameter D1 is preferably about 50-150mum, and particularly in the case of high-density printing such as the case of 24 nozzles, an excessively large droplet diameter is unfavorable in view of printing quality. When m3 and r3 expressed in mks units of the SI system satisfy the relationship r3>10<4>Xm3, ink droplets with a diameter of not larger than 150Xm can be ejected, and the value of C0 which gives the minimum voltage is in the range of 1X10<-18>m<5>/N<=C0<=9X10<-17>m<5>/N.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、インクオンデマント屋インクジェットヘッド
に係わり、特に小屋化され几印字ヘッドに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ink-on-demand inkjet head, and more particularly to a compact print head.

圧電素子の変形により加圧室の容積を減少させ、加圧室
に連通し次ノズルエり液体インク金射出するインクオン
デマンド屋インクジェットは、印字エネルギが小さく、
マルチノズル化が可能なtめ注目されている。インク射
出の構造ri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、ま九印字ヘッド自体の大きさが小
さい几め圧力・流量等の測定が困離であるなどの理由か
ら、その理論的解析は完全とはいえなかつ友。
Ink-on-demand inkjet reduces the volume of the pressurized chamber by deforming the piezoelectric element, communicates with the pressurized chamber, and then ejects liquid ink from the next nozzle.
It is attracting attention because it can be made into multiple nozzles. The structure of ink ejection is extremely simple, but ink ejection is performed in a transient situation, and the print head itself is small, making it difficult to measure pressure, flow rate, etc. , the theoretical analysis is far from complete.

漢字プリンタ等に必要とされる24ノズル以上の烏集積
化され次マルチノズルヘッドにおいては、個々の加圧室
お工び圧電素子はなるべく小さいことが望ましい、しか
しながら前述し友理論的屏析の不完全さから、加圧室の
大きさの下限については明らかでなかった。そして一般
的KFi、圧電素子の厚さt p 4″(L S wH
、圧電素子の直径り中5m11程度以上の大きさの圧電
素子が用いられていた。
In integrated multi-nozzle heads with 24 or more nozzles required for kanji printers, etc., it is desirable that the individual pressure chambers and piezoelectric elements be as small as possible. Due to completeness, the lower limit of the size of the pressurized chamber was not clear. And for general KFi, the thickness of the piezoelectric element t p 4'' (L S wH
A piezoelectric element having a diameter of about 5 m11 or more was used.

また圧電素子を小さくすれば駆動力が小さくなるため、
電圧を上げなければならず、実用上不利であると考えら
れていた。九とえばst@ma・ 等は1111   
Trangacton  on  1!lectrom
D@vices、lID−2041、14(1975)
において、上記のtp=α31111、D = 5 M
の例を述べており、松山等は昭和55年面画像子学会第
8回全国大会予稿集−子稿6にお−て、短冊型の圧電素
子でtp=l13.が最も変形効率が嵐いと述べている
。この場合、圧電素子の大きさは約2.Xi5.程度と
推定され、ヘッド小型化の几めKは。
Also, if the piezoelectric element is made smaller, the driving force will be smaller, so
The voltage had to be increased, which was considered to be disadvantageous in practice. For example, st@ma, etc. is 1111
Transacton on 1! electrom
D@vices, ID-2041, 14 (1975)
, the above tp = α31111, D = 5 M
Matsuyama et al. described an example of tp=l13. states that Arashi has the highest deformation efficiency. In this case, the size of the piezoelectric element is approximately 2. Xi5. It is estimated that the size of the head will be reduced.

かならずしも滴定なものではなかつ穴。また圧電素子の
面積が大きくなることは、それだけ圧電素子お工びヘッ
ド本体を構成する基板の価格があが9、特に高集積ヘッ
ドにおいては、多数の圧電素子管使う九め影響が大きか
つ九、ま几マルチノズルの場合、圧電素子が大きくなる
と、配置の関係からノズル先端から加圧室までの距離が
遠くなり、流路抵抗が増加する。抵抗増加に対してさら
に圧電素子の駆動力を増す必要から、圧電素子の面積を
増さねばならないという悪盾環におちいるという欠点が
あった。
It's not necessarily a titration thing, it's a hole. In addition, as the area of the piezoelectric element increases, the cost of the substrate that makes up the piezoelectric element head body increases accordingly.Especially in highly integrated heads, the effect of using a large number of piezoelectric element tubes is large. In the case of a multi-nozzle, when the piezoelectric element becomes larger, the distance from the nozzle tip to the pressurizing chamber becomes longer due to the arrangement, and the flow path resistance increases. Since it is necessary to further increase the driving force of the piezoelectric element in response to the increase in resistance, there is a disadvantage that the area of the piezoelectric element must be increased.

し友がって本発明の目的は、駆動電圧を上げることなし
に印字ヘッドを小屋化することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to reduce the size of the print head without increasing the drive voltage.

本発明の他の目的は、流路抵抗の増加がなく、効率の良
いマルチノズルヘッドを得ることにある。
Another object of the present invention is to obtain an efficient multi-nozzle head without increasing flow path resistance.

本発明のさらに他の目的は、印字ヘッドの価格を下げる
ことにある。
Yet another object of the invention is to reduce the cost of printheads.

前述し文ように、インクオンデマンド屋印字ヘッドの理
論的解析にか彦クーしいが、本発明者等は、印字ヘッド
の等価電気回路モデルにLらて解析を行なつ几結果、駆
動電圧上昇等の悪影響なし゛に圧電素子を小型化できる
ことを発見した。
As mentioned above, the theoretical analysis of the ink-on-demand print head is cool, but the inventors of the present invention conducted an analysis based on the equivalent electric circuit model of the print head, and as a result, the drive voltage increased. It has been discovered that piezoelectric elements can be miniaturized without any negative effects such as.

第1図(a)K印字ヘッドの等価電気回路金示す。FIG. 1(a) shows the equivalent electrical circuit of the K print head.

mはイナータンス、Cは音響容量*rti音響抵抗であ
る。fs1図(1))は印字ヘッドの概略を示し、10
は圧電素子11と振動@12からなる振動系を表わし、
11Ii加圧室、2は供給部、3Fiノズル部會示すも
のとする。なお第1図(a)の添字は、第1図(りに示
す各部分を表わす。ただしC5tiインクタンク4の音
響容量、Csはノズル30表面張力會音響容量とみなし
比ものである。ま几添字0は、振動系10t−表わすも
のとする。単位として圧カニψ(N/j)、体積速度:
u(11//8)。
m is inertance, and C is acoustic capacitance*rti acoustic resistance. fs1 figure (1)) shows the outline of the print head, 10
represents a vibration system consisting of piezoelectric element 11 and vibration @12,
11Ii is a pressurizing chamber, 2 is a supply section, and 3Fi is a nozzle section. Note that the subscripts in FIG. 1(a) represent the respective parts shown in FIG. The subscript 0 represents the vibration system 10t.The unit is pressure crab ψ (N/j), volume velocity:
u(11//8).

イナータンス:m(匂/m’)、音響容量:C〔m″7
N〕、音響抵抗: r (N117m )’&用いる。
Inertance: m (odor/m'), acoustic capacity: C [m''7
N], acoustic resistance: r (N117m)'& used.

実際に各定数を計算すると、”(16rl @ C2*
 C8等は無視でき、第2図のような簡略な等価回路と
なる。
When we actually calculate each constant, we get “(16rl @ C2*
C8 etc. can be ignored, resulting in a simple equivalent circuit as shown in FIG.

ここでl!11=Kllkl 、 rl =k rl 
 とみなし、圧力ψをステップ関数′とじて解くと、 減衰係数: D =rl / 2 m2  ・・・・・
・・・・・・・■として ただし C=Co+CI  ・・・・・・・・・・・・…・・・
・・・・・・・・・・・・・・・■で表わされる減衰振
動となる。
Here l! 11=Kllkl, rl=krl
If we divide the pressure ψ into a step function and solve it, we get the damping coefficient: D = rl / 2 m2...
・・・・・・・・・As ■C=Co+CI ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
It becomes a damped vibration represented by ・・・・・・・・・・・・・・・■.

弐〇から必要圧力ψは 穴だし、Vm:必要速度、A:ノズル断面積と表わせる
From 2〇, the required pressure ψ can be expressed as the hole, Vm: required speed, and A: nozzle cross-sectional area.

ま九インク滴体積qri ただし tm=−…←・・…争◆・…・−−−・・拳・1+−…
…………■と表わせる。
Ma9 ink droplet volume qri However, tm=−…←・・…Conflict◆・…・−−−・・Fist・1+−...
It can be expressed as …………■.

九だし、Cp:圧電素子容量、K=定数で、実験でl’
j Klj (L 1から(Llの値であつ几。また容
量pri Cp= g Bp /l p  ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■穴だし、
−:誘電率、8p:圧電素子面積、tp:圧電素子厚さ
で表わせる。
9, Cp: piezoelectric element capacitance, K = constant, l' in the experiment
j Klj (L 1 to (Ll value). Also, the capacity pri Cp= g Bp /l p ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■It's a hole,
-: dielectric constant, 8p: piezoelectric element area, tp: piezoelectric element thickness.

ま上告定数は次のように与えられる。ただし、圧電素子
が円板の場合について示す。
The appeal constant is given as follows. However, the case where the piezoelectric element is a disk is shown.

52ηL r″″a1 °−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−−−−−。
52ηL r″″a1 °
−−−−−−−−−−−−−−−−.

次だし、 Ep:圧電素子の縦弾性係数、lv:振動板の縦弾性係
数、にI * x= ”定数で、実験でrjxl中5゜
K!は約1a〜2Gの値であり7j、a:圧電素子の半
径、tp:圧電素子の厚さ、tv:振動板の厚さ、dC
:加圧室の深さ、va:インク中の音速、ρ:インク密
度、IF:インク粘度、t:流路長、8:流路断面積、
d:流路直径、長方形断面の場合には等価直径(d中2
s/(b+c))、b。
Ep is the longitudinal elastic modulus of the piezoelectric element, lv is the longitudinal elastic modulus of the diaphragm, and I*x='' is a constant, and in experiments, 5°K! in rjxl is a value of about 1a to 2G, and 7j, a : radius of piezoelectric element, tp: thickness of piezoelectric element, tv: thickness of diaphragm, dC
: Depth of pressurized chamber, va: Sound velocity in ink, ρ: Ink density, IF: Ink viscosity, t: Channel length, 8: Channel cross-sectional area,
d: Channel diameter, equivalent diameter in case of rectangular cross section (2 in d
s/(b+c)), b.

C:流路FIR面の辺である。C: Side of the flow path FIR surface.

以上の定数を第5図(a) 、 (b)に示す。The above constants are shown in FIGS. 5(a) and 5(b).

上述の計算式によって求め比例を以下に示す。The proportion obtained using the above calculation formula is shown below.

第4図(、) 、 (b)に、エツチングによって作つ
九ガラスのヘッドのノズル部を示す。点線sOで示すL
うな加圧室31からノズル32に至る流路t、実線で示
す流路で近似し、弐〇、@に1って求めると、bl=a
oμm 、 cm=50μm 、 A1=250am 
、 b露=5007All 、 cg=100μ@ 、
 tg=2mm。
Figures 4(a) and 4(b) show the nozzle portion of a nine-glass head made by etching. L indicated by dotted line sO
The flow path t from the pressurized chamber 31 to the nozzle 32 is approximated by the flow path shown by the solid line, and if we calculate 1 for 2 and @, then bl=a
oμm, cm=50μm, A1=250am
, b dew=5007All, cg=100μ@,
tg=2mm.

η=j、5 CP 、ρx100(1M4/m’の時m
” x L 8 X 10”      [1/II’
r” =&3X10”      Ns/m’となる。
η=j, 5 CP, ρx100 (m when 1M4/m'
” x L 8 x 10” [1/II'
r"=&3X10"Ns/m'.

なお、精度工く求めるには、流路に沿って積分するか、
分割t−細かくして微小部分の−とtp求め、加えてゆ
けば良い。
In addition, to find it with precision, you can integrate it along the flow path, or
All you have to do is find the division t-- and tp of the minute parts and add them.

第5図に、圧電素子としてpz’rt−使つ几実際の印
字ヘッドの圧電素子の振動波形(、)と、計算に1って
求め九振動波形(荀を示す。定数はax t25w 、
 k z t S 、 r3=4X 10” Ha/+
m  s  m5=15X10%/*’、tp=tv=
lL15M 、C1==122X−II  l    
             −II   尋10  m
/N、C@=A45X10  /m/Nである。
Fig. 5 shows the vibration waveform (,) of the piezoelectric element of the actual print head used as a piezoelectric element, and the calculated vibration waveform (1).The constant is ax t25w,
k z t S , r3=4X 10” Ha/+
m s m5=15X10%/*', tp=tv=
lL15M, C1==122X-II l
-II fathom 10 m
/N, C@=A45X10 /m/N.

振動周期が実測値の約140μaに対し、計算では約1
46μSであるなど、完全に一致はしないが、実際の動
きが前述し几理論によってかなり説明できることがわか
る。なお、実測振動波形葎)は、測定方法の不完全さの
几め100μm以前の変位は測定されていない。また、
(、)と(すの縦軸は同じではない。
The vibration period is about 140 μa in actual measurement, but it is calculated to be about 1
Although it is not a perfect match, as it is 46 μS, it can be seen that the actual movement can be explained to a large extent by the above-mentioned theory. Note that, due to imperfections in the measurement method, displacements of less than 100 μm were not measured in the actually measured vibration waveform. Also,
The vertical axes of (,) and (su are not the same.

次に、上記の計算式を用いて、圧電素子を小型化する本
発明の実施例について述べる。
Next, an embodiment of the present invention will be described in which the piezoelectric element is miniaturized using the above calculation formula.

1.中2 X 1 u ’ K4/m’ s rs中5
 X 1 G’ Ns/mとし1Vm=5m/a、人=
2.4 X 10−  m” 、 K:α2 。
1. Middle 2 X 1 u'K4/m' s rs Middle 5
X 1 G' Ns/m, 1Vm=5m/a, person=
2.4 x 10-m”, K: α2.

ε=2070XIL854X10  F/!11.IE
p−&9X1 (J” N7m” 、 I!V= 7 
X 1 (1” M/−、K1−44 。
ε=2070XIL854X10 F/! 11. IE
p-&9X1 (J”N7m”, I!V=7
X 1 (1” M/-, K1-44.

Kg−11、dcwll 113 、 V s=146
0 m/a 。
Kg-11, dcwall 113, Vs=146
0 m/a.

k=1とし、t p = t vとして圧電素子の厚さ
tpと、半径aを変化させt時の必要電圧Vの計算結果
を、第6図のグラフに示す。
The calculation results of the required voltage V at time t are shown in the graph of FIG. 6 by setting k=1 and changing the thickness tp and radius a of the piezoelectric element as tp=tv.

この結果から、最も低い重圧で印字する几めには、流路
系のm+rが一定の時には、圧電素子の厚さtpに対し
て最適な半径aがあり、その条件では最低電圧はほぼ一
定の値をとることが判る。
From this result, when printing with the lowest pressure, when m+r of the flow path system is constant, there is an optimal radius a for the thickness tp of the piezoelectric element, and under that condition, the minimum voltage is almost constant. It turns out that it takes a value.

これを別の見方から説明すると、m+rの流路系が一定
の条件のもとでCot−固定すれば、式■においてCI
 <<  COゆえC* C@ となす、弐〇からCO
が一定であればEもほぼ一定の値をとる。
To explain this from another perspective, if the flow path system of m+r is fixed at Cot- under certain conditions, CI
<< CO therefore C* C@ and Nasu, 2〇 to CO
If is constant, E also takes a nearly constant value.

従って、式■から9も一定の値をとる。ま上式■から円
板の場合には、 Cp−g・πa ” / t p・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・■′となる。一方、式■
においてtl) = t vとすれば、co一定より一
/l”  が一定となり、式■′からcp %一定とな
る。結局、式■においてCot−固定すれば、流路系に
関する定数等が一定であれば1、他の各定数がほぼ一定
の値となり、V%変化しないことがわかる。
Therefore, 9 from equation (2) also takes a constant value. From the above formula ■, in the case of a disk, Cp-g・πa ” / t p・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・■'. On the other hand, the formula ■
If tl) = tv, then 1/l'' becomes constant from co constant, and cp% becomes constant from equation ■'.In the end, if Cot- is fixed in equation If it is 1, it can be seen that the other constants are approximately constant values and V% does not change.

以上述べ九ことは、a”/lpの値がある範囲にあれば
、電圧を上げることなしに圧電素子を小さくできること
を示している。
The above description shows that if the value of a''/lp is within a certain range, the piezoelectric element can be made smaller without increasing the voltage.

また、インク滴体積qも、弐〇よりCOO値が一定なら
ば、はぼ一定になることがわかる。
Furthermore, it can be seen from 20 that the ink droplet volume q also becomes approximately constant if the COO value is constant.

次に、通常の流路で曳く使われるが、W&3が” = 
” ” ” Kf/vm’からS X 1 G ” K
l/溝’ の間で、rl lj1%10”Na/−から
12 X 1 G llN m 7−まで変え九時に、
第6図と同様の条件で弐〇のVを最低にするCOO値t
、第7図に示す。つまり流路系が決まった時に、H7図
に示すCOとなるように振動系を選ぺば、駆動電圧を最
低にできる。
Next, it is used for towing in a normal flow path, but W&3 is
” ” ” Kf/vm' to S X 1 G ” K
l/groove', change from rl lj1%10''Na/- to 12 X 1 G llN m 7- and at 9 o'clock,
COO value t that minimizes V of 20 under the same conditions as in Figure 6
, shown in FIG. In other words, when the flow path system is determined, if the vibration system is selected so that CO as shown in diagram H7 is obtained, the driving voltage can be minimized.

まt、この時の粒径D1t−第8図に示す。一般にイン
ク径D1は、50μmから150A溝程度が望ましく、
特に24ノズル等の高密度印字の場合は、粒径が余り大
きいと印字品質上好ましくない。従って、例えば第8図
でD1≦150μ割という条件をつければ、購@ =I
 X 10 ” Kg’s’の場合にはrl≧I X 
1 G” Ha/n*  となり、@、x2×l Q”
V溝4の場合にはrl≧2 X 10’ Ha/wt 
 となり、mg = 3 X 10畠Ill/ss’の
場合にはrl≧3×10町i/渦 となる。つまり、第
7図の実線で示した範囲が望ましいことになる。すなわ
ち、aX系mka単位で表わし九時解3とr3の関係は
rl≧104X、3であればφ150μ隋・以下のイン
クを射出することができる。
The particle size D1t at this time is shown in FIG. Generally, the ink diameter D1 is preferably about 50 μm to 150 A groove,
Particularly in the case of high-density printing using 24 nozzles or the like, if the particle size is too large, it is not desirable in terms of print quality. Therefore, for example, if we set the condition that D1≦150μ in Figure 8, purchase @ = I
X 10 ” In the case of Kg's', rl≧I
1 G” Ha/n*, @, x2×l Q”
In the case of V groove 4, rl≧2 X 10' Ha/wt
In the case of mg = 3 × 10 Ill/ss', rl≧3 × 10 Ill/ss'. In other words, the range shown by the solid line in FIG. 7 is desirable. That is, expressed in aX system mka units, the relationship between nine-time solution 3 and r3 is rl≧104X, and if 3, ink of φ150 μm or less can be ejected.

しtがって、第7図に示した流路系の範囲では最低電圧
を与えるC(1の値は、グラフエリsr  H IXlo  7N≦06≦9×10  惰/N・・・・
・・[相]の範囲にある。ただし、さらに高密度な印字
を要求される場合等は、coの値がより小さく、粒径の
より小さいヘッドが望ましい。
Therefore, in the range of the flow path system shown in Fig. 7, C (the value of 1 is the graph error sr H IXlo 7N≦06≦9×10 inert/N...
... is in the range of [phase]. However, if higher density printing is required, a head with a smaller co value and smaller particle size is desirable.

tvとtpの間に%最適な関係があり、実験によると とすれば、良い結果が得られる。There is a % optimal relationship between tv and tp, and according to experiments If you do, you will get good results.

式◎會[相]に代入すると、 が得られる。Substituting into the expression ◎ 會 [phase], we get is obtained.

式[株]を式OK代入し、K、=4.4 、 IEp=
5.9X1a謔N/甫3 とすれば、 α074y’T丁< a <α16 v’TT  −・
−・@が得られる。
Substituting the formula [stock] into the formula OK, K, = 4.4, IEp =
5.9
−・@ is obtained.

tp=[lL2.とすると1wm≦a≦2−2asip
=a1s、、とすると(Lea≦a≦2.ol1mtp
=11mとすると(L7.≦a≦t6−となる。
tp=[lL2. Then, 1wm≦a≦2-2asip
= a1s, , (Lea≦a≦2.ol1mtp
=11m, (L7.≦a≦t6-).

この結果から、流路系が決まっている時、それに対して
iIkも適しft−Cot選べば、電圧を最低にでき、
Cotla’/l”p、 t、友がってa ” / t
 pの値によって決まることが判る。第7図に示しt一
般的な流路系に対しては、式0t−満九す範囲に最適な
aの値が存在する。
From this result, when the flow path system is determined, if ft-Cot is selected as appropriate for iIk, the voltage can be minimized.
Cotla'/l"p, t, friend a"/t
It can be seen that it is determined by the value of p. For a typical flow path system shown in FIG. 7, there is an optimum value of a within the range of the equation 0t-9.

ま几圧電素子の半径aを小さくするには、厚さtpi小
さくすれば良いことが判る。
It can be seen that in order to reduce the radius a of the piezoelectric element, it is sufficient to reduce the thickness tpi.

一方、圧電素子の厚さtpの下限は、例えば1’ZTの
場合、加工上は約11藺、組立取扱い上の強度からは約
a15msといわれている。第6図の@1=2X 1 
r:J”K4/m’ 、 r3==e3 X 1 G”
 lfa/m  の条件では、最低電圧を与えるCot
j、第7図より00中2.I X I U””@’ 7
Nとなり、式[相]からa=1123V’TTが得られ
る。
On the other hand, the lower limit of the thickness tp of the piezoelectric element is said to be about 11 mm in terms of processing and about a15 ms in terms of strength in assembly and handling, for example in the case of 1'ZT. Figure 6 @1 = 2X 1
r: J"K4/m', r3==e3 X 1 G"
Under the condition of lfa/m, Cot giving the lowest voltage
j, 2 out of 00 from Figure 7. I X I U""@' 7
N, and a=1123V'TT is obtained from the equation [phase].

i p=(L 15.  に対し a:t5mtp=(
11g   に対し a m 1.2 waが最低電圧
を与える半径とまる。第6図で最低電圧を与える半径a
とは異なるが、とれrilIi6図では、tv=tpと
しているのに対し、上記の計算でtrtpとtvri式
[相]にxl=t4.gp=a9xtot・、 K、!
11 、1y=7X1 Ol” −ii代入して、tv
=17tpとしていることによる。なお、式[株]から
はty ;[1である方がaを小さくできるはずである
が、実際には式0に示すような量適値tVする。逆に言
えば、tv((tpでは弐〇が成立tなくなり、電圧は
かえって上がる。、これは圧電素子の変形が振動板の友
わみに有効に働らか々くなる几めである。
i p=(L 15. for a:t5mtp=(
For 11g, a m 1.2 wa is the radius that gives the lowest voltage. Radius a that gives the lowest voltage in Figure 6
However, in the TorerilIi6 diagram, tv=tp, whereas in the above calculation, xl=t4. gp=a9xtot・, K,!
11, 1y=7X1 Ol” -ii Substituting, tv
This is due to the fact that =17tp. It should be noted that from the formula [stock], a should be smaller if ty; Conversely, in tv((tp, 2〇 does not hold t, and the voltage increases.) This is because the deformation of the piezoelectric element effectively works to improve the diaphragm and makes it stiffer.

音響容量Co rjs加圧室に圧力を加え九時の加圧室
の体積変化と圧力との比で表わされるが、印字ヘッドの
形状、圧電素子の接層方法、損勤板の接着方法・材質な
どにより、式[相]とは少し異なる値をとることもあり
、たとえば の方が良く実験と合う場合もある。実験でに、定数:x
1中5.I2中tL4又はX!中1 であツ几。
Acoustic capacity CorjsIt is expressed as the ratio of the volume change in the pressurizing chamber and the pressure when pressure is applied to the pressurizing chamber at 9 o'clock, but it depends on the shape of the print head, the method of layering the piezoelectric element, and the bonding method and material of the loss plate. For example, it may take a slightly different value from the formula [phase], and for example, it may be better suited to the experiment. In the experiment, constant: x
1 out of 5. tL4 or X in I2! I was in 1st year of junior high school.

友だし、式[相]′を用いる場合%、tv=tpとして
考えれば、式@を用いた場合と同様な考え方ができる。
When using the formula [phase]', if we consider %, tv=tp, we can think of the same way as when using the formula @.

′を文第6図から、ある圧電素子の厚さtpに対し、最
低電圧を与える半径aの近くでは急激な電圧の上昇はな
いから、半径at−より小さく選ぶことが可能である。
6, it is possible to select a value smaller than the radius at-, since there is no sudden voltage increase near the radius a that provides the lowest voltage for a given piezoelectric element thickness tp.

たとえば第6図でtpxα15uに対し最適な半径ai
j約1.75.であるが、駆動電圧が約aOVから10
0Vまで上昇することを許容すれば、a中1.2■とす
ることができる・同様にt=11闘に対しては、& *
 l 9 gとすることができる。さらに第7図の例の
工うに、tv=α7tpとすれば、上記の値よりもさら
にalz小さくできる。
For example, in Fig. 6, the optimal radius ai for tpxα15u
j about 1.75. However, the driving voltage is about aOV to 10
If it is allowed to rise to 0V, it can be set to 1.2■ in a.Similarly, for t=11 battles, & *
19 g. Further, in the example shown in FIG. 7, if tv=α7tp, alz can be made even smaller than the above value.

次に、圧電素子の厚さtpの下限に対する別の検討を行
なう。前述した下限は、圧電素子の強度的な面での下限
であるが、耐電圧による下限管考える必要がある。
Next, another study will be made regarding the lower limit of the thickness tp of the piezoelectric element. The aforementioned lower limit is the lower limit in terms of the strength of the piezoelectric element, but it is necessary to consider the lower limit based on the withstand voltage.

第9図に、第6図と同じ条件下で電界の強さV/1pt
−計算し次結果を示す。一般的にPZTの絶縁破壊強度
は約3KV/、ないし4KV/關といわ九ており、第9
図からt p = 25μmヤtp=50μmでも使え
ることになる。したがって製造技術などの進歩により、
25μm、50μmの圧電素子が使えれば、さらに半径
ai小さくすることが可能である。′tt蒸*、スパッ
タなどによるpz’rなどの薄膜でも、半@aの小さい
印字ヘッドを得ることは可能である。次だし、一般的に
湿度の上昇などにより耐電圧は低下し、高湿度の条件下
でも安全にインク射出を行なうには、電界はIKV/、
以下で用いる方が望ましい。この条件の下では、第9図
からt px5 oμJツえずtp=α1藺に対しては
(L9−≦a≦1.7藺、tp=(L15.に対し一1
tjα8 ax ≦!L ≦L 2 B、tp=12鰭
に対してはα8111J1≦a≦λ6uである必要があ
る。
Figure 9 shows the electric field strength V/1pt under the same conditions as Figure 6.
- Calculate and show the following results. Generally, the dielectric breakdown strength of PZT is said to be about 3KV/ to 4KV/9.
From the figure, it can be used even if t p = 25 μm or t p = 50 μm. Therefore, due to advances in manufacturing technology,
If piezoelectric elements of 25 μm or 50 μm are used, it is possible to further reduce the radius ai. It is also possible to obtain a print head as small as half a by using a thin film such as pz'r formed by 'tt vaporization* or sputtering. Generally, the withstand voltage decreases due to increases in humidity, etc., and in order to safely eject ink even under high humidity conditions, the electric field must be IKV/,
It is preferable to use it below. Under this condition, from FIG.
tjα8 ax ≦! For L≦L 2 B, tp=12 fins, it is necessary that α8111J1≦a≦λ6u.

以上述べ几こと金まとめると、 t 流路系が決まると、駆動電圧t−最低にするCoが
存在する。
To summarize the above, once the t flow path system is determined, there is Co that makes the drive voltage t-the lowest.

2、  a@は一/ipK!り決まる。したがってat
−小さくするKr1tpt小さくす九ば良い。
2. a@ is one/ipK! Determined. Therefore at
- Make it smaller Kr1tpt Just make it smaller.

五 tpの下限は、耐電圧の点からはtpw25μmで
も良い。しかし湿度の影響などを考えると、tp≧11
闘が望ましい。
5. The lower limit of tp may be 25 μm from the viewpoint of withstand voltage. However, considering the influence of humidity, etc., tp≧11
Fighting is desirable.

4、加工上、取扱上の下限は、tp=11.ないしtp
=(115gである。さらに安全側にみれば、tp=1
20である。
4. The lower limit for processing and handling is tp=11. or tp
= (115g. On the safer side, tp = 1
It is 20.

!L、tp=α12u+に対し、1闘くa≦12藺、t
p=115藺に対しくL9.≦& < L Om、tp
=α111mに対しα7謔≦a < 1.6 wa K
最適なaが存在する。
! L, tp=α12u+, 1 fight a≦12藺, t
L9. against p=115. ≦&<L Om,tp
= α7 for α111m ≦ a < 1.6 wa K
There is an optimal a.

& 少しの電圧上昇′I!−許容すれば、上記&で述べ
几範囲エク小さなat−選ぶことが可能である。
& Slight voltage increase'I! - If allowed, it is possible to choose at- a small range as described in & above.

以上述べ几説明では、圧電素子、加圧室を円板状である
としているが、楕円、多角形等についても同様な考え方
ができる。もちろん形状に合わせて、式@褥を変形させ
ることは必要である。なお、細長い長方形の圧を素子と
すると、剛性があがりCoが小さくなる几め、円板ない
しは正方形の圧゛4素子にくらべ厚さ七薄くするか、逆
に面積を増加させねばならず、大きさの面では不利とな
る。
In the above detailed explanation, the piezoelectric element and the pressurizing chamber are assumed to be disk-shaped, but the same concept can be applied to ellipses, polygons, etc. Of course, it is necessary to transform the expression @bed according to the shape. In addition, if a long rectangular pressure element is used, in order to increase the rigidity and reduce Co, the thickness must be made 7 times thinner compared to a disk or square pressure element, or conversely, the area must be increased. It is disadvantageous in terms of quality.

し九がって長方形の場合でも幅と長さl:tl : 2
t−こえないことが望ましい。
Therefore, even in the case of a rectangle, the width and length l: tl: 2
t- It is desirable not to hear it.

第10図に、本発明により小型化し几加圧室を有するガ
ラス製の印字ヘッドの実施例を示す。この例では、PZ
’l’100の半径a = t 25 闘、厚さtp=
cL1s、、であり、図゛のように円板状の加圧室10
1を交互に組合わせることで、さらに小屋化している。
FIG. 10 shows an embodiment of a glass print head which is miniaturized according to the present invention and has a pressurized chamber. In this example, PZ
'l' 100 radius a = t 25, thickness tp =
cL1s, , as shown in the figure, a disk-shaped pressurizing chamber 10
By combining 1 alternately, it becomes even more like a hut.

この例では、片面12ノズルを両11iに形属した22
WX18麿×2霧の寸法の24ノズルヘツド會得ている
。なお各加圧室一連通する供給m 102と流出路10
5のイナータンスm。
In this example, 12 nozzles on one side are connected to 22 nozzles on both sides 11i.
It has a 24 nozzle head assembly with dimensions of WX18mm x 2 mist. In addition, a supply m 102 and an outflow path 10 that communicate with each pressurizing chamber
5 inertance m.

音響抵抗rは、各加圧室間で長さ1幅等に二つて略同−
にしてあり、各ノズル毎のインク速度、インク粒径等を
そろえている。なお104はゴミの侵入を防ぐフィルタ
、105fi加圧室101円のインクの流れを均一にす
る高部で、エツチングにより他の流路と同時に作られる 以上の実施例でわかる工うに、本発明に工れば、厚さt
pの小さい圧電素子を選ぶことで、駆動電圧を上げるこ
となく圧電素子のm!*r小さくできる。
The acoustic resistance r is approximately the same between two pressurized chambers, such as length and width.
The ink speed, ink particle size, etc. for each nozzle are the same. Note that 104 is a filter that prevents dirt from entering, and 105fi is a high part that uniformizes the flow of ink in the pressurizing chamber 101, and is created at the same time as other flow channels by etching. If machined, thickness t
By selecting a piezoelectric element with a small p, the m! of the piezoelectric element can be increased without increasing the drive voltage. *r Can be made smaller.

なお以上の説明では、現状で最も望ましい圧電材料とし
てpzτで説明しているが、−の圧電材料においてt本
発明と同様の考え方によって、印字ヘッドを小型化する
ことが考えられる。
In the above description, pzτ is used as the currently most desirable piezoelectric material, but it is conceivable to miniaturize the print head using the same concept as in the present invention using a negative piezoelectric material.

また本発明では、1枚の圧電素子と1枚の振動板にLっ
て振動系を構成しているが、バイモルフのLうな複数の
圧電素子にLり振動系t−構成したり、加圧室の両面に
振動系を設けたすすることで、印字ヘッドtさらに小型
にすることも考えられる。
In addition, in the present invention, one piezoelectric element and one diaphragm constitute a vibration system, but it is also possible to construct an L vibration system with a plurality of piezoelectric elements, such as a bimorph L, or to apply pressure. It is also possible to make the print head even more compact by providing vibration systems on both sides of the chamber.

なお以上の実施例では、印字4g号に1り加圧室の容積
を減少させて印字を行なう例で説明し友。
In the above embodiment, the volume of the pressurizing chamber is reduced by 1 for every 4g of printing and printing is performed.

その池に、印字信号に19加圧室の′J積を増加させ、
振動系や流体の動的な運動を利用しつつ加圧室の容積の
復元に1v印字七行なう方法も提案されている。この方
法に1れば、前記の容積減少に19直接的にインク射出
を行なう方法L9も駆動電圧の下がる可能性があり、こ
の場合に応用すれば、さらに電圧が下がるため、半径a
t−最適値よりもさらに小さくすることが可能となる。
In that case, increase the 'J product of the 19 pressurizing chamber in the print signal,
A method has also been proposed in which the volume of the pressurized chamber is restored by performing seven 1V printing operations using a vibration system or dynamic movement of fluid. If this method is used, there is also a possibility that the drive voltage will be lowered by the method L9 in which ink is directly ejected to reduce the volume, and if applied to this case, the voltage will further decrease, so the radius a
It becomes possible to make it even smaller than the t-optimal value.

以上述べ几工うに、本発明によれば、流路系に適した振
動系t−選ぶことで駆動電圧管下げ、圧電素子を薄くす
ることで圧1E素子の面積を小さくし、印字ヘッド全体
の面積をへらすとともに、ノズルから加圧室までの距離
を短かくすることで流路のインピーダンスを下げて、さ
らに駆動電圧低下に役立つ。また小さい圧電素子を使う
ことと、印字ヘッド自体を小さくすることでヘッド製造
コストを下げ、さらには印字ヘッドの移動に用いられる
モータを印字ヘッドが小型化される究め小皿低価・格に
できるなど、多くの利点′t−有し、高集積化され几マ
ルチヘッドのシリアルプリンタだけでなく、各種プリン
タ、プロッタ、ファクシミリなどに広く応用できる。
As described above, according to the present invention, by selecting a vibration system suitable for the flow path system, the drive voltage tube can be lowered, and by making the piezoelectric element thinner, the area of the pressure 1E element can be reduced, and the entire print head can be reduced. By reducing the area and shortening the distance from the nozzle to the pressurizing chamber, the impedance of the flow path is lowered, which further helps in lowering the driving voltage. In addition, by using a small piezoelectric element and making the print head itself smaller, head manufacturing costs can be lowered, and the motor used to move the print head can be made smaller and cheaper. It has many advantages and can be widely applied not only to highly integrated multi-head serial printers, but also to various printers, plotters, facsimile machines, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図(a)(b) 、第2図は、本発明の考え方を示
す等価電気回銘、第3図(a)(b)、第4図(a)(
すは、本発明の計算に用いられる定数を示す図、第5図
(a)(→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図は本発明の計算にする駆動電圧のグ
ラフ、t47図は本発明の計算による最適音響容量管示
すグラブ、fsa図ri第7図と同条件での粒径を示す
図、第9図は第6図と同条件での電界の強さを示す図、
第10図は本発明を応用し几印字ヘッドの一実施例を示
す平面図である。 co・・・・・・振動系の音響容量 C1・・・・・・加圧室の音響容量 購コ・・・・・・供給部の1−す−タ、ンスT2・・・
・・・供給部の音響抵抗 m3・・・・・・ノズル部のイナータンスr3・・・・
・・ノズル部の音響抵抗 11・・・・・・圧電素子 12・・・・・・振動板 1[JO・・・・・・PZT 以  上 (b) 第1図 第2図 O 第6図 rコ     %IO” N54s 第7図
Figures 1 (a) and (b), Figure 2 are equivalent electric circuit diagrams showing the concept of the present invention, Figures 3 (a) and (b), and Figure 4 (a) (
Figure 5(a) is a graph showing the constants used in the calculations of the present invention (→ is a graph showing the comparison between the calculations used in the invention and the actual situation), and Figure 6 is the graph showing the constants used in the calculations of the present invention. The voltage graph, T47 is a graph showing the optimum acoustic capacity tube calculated by the present invention, and the fsa diagram is a graph showing the particle size under the same conditions as in Fig. 7. Fig. 9 is the electric field graph under the same conditions as Fig. 6. Diagram showing strength,
FIG. 10 is a plan view showing an embodiment of a printing head to which the present invention is applied. co...Acoustic capacity of the vibration system C1...Acoustic capacity of the pressurized chamber Purchasing co...1-Status of the supply section, T2...
... Acoustic resistance m3 of the supply section ... Inertance r3 of the nozzle section ...
...Acoustic resistance of the nozzle section 11...Piezoelectric element 12...Vibration plate 1 [JO...PZT Above (b) Fig. 1 Fig. 2 O Fig. 6 %IO” N54s Figure 7

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 加圧室の圧力を高めて液滴射出路より液体インタを射出
し、記録媒体に記録を行なうインクオンデマンド型印刷
装置のインクジェットヘッドにおいて、加圧室に直接連
通する液体射出路と、前記加圧室に直接連通する供給路
と、前記加圧室の壁面を形成する平板状の振動板と、該
振動板に積層された平板状の圧電素子からなり、前記圧
電素子と振動板とからなる振動系の音量容量Coが9×
10^1^7m^5/N以下であり、かつSI系mKs
単位で表わした時、前記液体射出路のイナータンスm_
3と音響抵抗r_3がr_3≧10^4×m_3である
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
In an inkjet head of an ink-on-demand printing device that records on a recording medium by increasing the pressure in a pressurizing chamber and ejecting a liquid inter from a droplet ejecting path, the liquid ejecting path directly communicates with the pressurizing chamber and the pressurizing chamber. It consists of a supply path that directly communicates with the pressure chamber, a flat diaphragm forming the wall of the pressure chamber, and a flat piezoelectric element laminated on the diaphragm, and the piezoelectric element and the diaphragm. The volume capacity Co of the vibration system is 9×
10^1^7m^5/N or less, and SI type mKs
When expressed in units, the inertance m_ of the liquid injection path
3 and acoustic resistance r_3 is r_3≧10^4×m_3.
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