JP2002096464A - オンデマンド型インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 圧電素子方式のオンデマンド型インクジェッ
トプリントヘッドにおいて、列の両端に位置するノズ
ル、あるいは列の両端に位置するノズルとその付近のノ
ズルのインク滴量を、列の中央部の平均的な水準まで引
き上げ、複数個のノズルより吐出されるインク滴量をほ
ぼ等しくすることによって、高品位の画質を得ることを
課題とする。 【解決手段】 オンデマンド型インクジェットプリント
ヘッドは、列の両端近傍に位置するノズルのヘルムホル
ツ固有振動周期を、他のノズルのヘルムホルツ固有振動
周期よりも若干低くすることで、インク滴量を調整す
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、圧電アクチュエー
タが発生する圧力によってインク滴を飛翔させ、記録媒
体にインク像を形成するインクジェットプリンタのプリ
ントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のオンデマンド型インクジェットプ
リンタのプリントヘッドにおいて、インクを噴射する方
式としては電気ヒータによりインク中に気泡を発生させ
てインクを噴射するサーマル方式と、圧電素子を用いて
加圧室の壁面の一部を変形させ、インクを噴射する圧電
素子方式とがある。

【０００３】サーマル方式はホトリソグラフィの技術に
より微細な加工が可能で、ノズルピッチを１００μｍ以
下に出来るという長所があるが、連続噴射の際の周波数
が１０ｋＨｚ程度に限られ、且つ寿命が数億回の噴射に
とどまるという短所がある。

【０００４】一方、圧電素子方式は圧電素子の変位量が
小さいので、インク噴射のためには加圧室の振動板表面
積を大きくする必要があり、そのためノズルピッチを１
００μｍ程度までしか小さくできない。しかし、駆動周
波数は圧電素子の形状に依存するので２０ｋＨｚ以上に
することができ、印刷速度の高速化に適した方式といえ
る。また、サーマル方式と違ってインクの種類を選ばな
いという利点もある。

【０００５】上述した圧電素子方式を用いたオンデマン
ド型インクジェットプリントヘッドの具体例としては例
えば特開平１−１１５６３８号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】複数個のノズルからイ
ンク滴を吐出し、記録用媒体にインクを着弾させる場
合、高品位の画質を得るには、各ノズルより吐出される
インク吐出速度及びインク滴量が等しいことが望まし
い。しかしながら、インクジェットプリントヘッドの各
部品精度、あるいは製造工程のばらつきにより、各ノズ
ルより吐出されるインク滴量にばらつきが生じる。この
ばらつきは、特に列の両端に位置するノズル、あるいは
列の両端に位置するノズルとその付近のノズルのインク
滴量が少なくなる場合が多くみられた。

【０００７】また、熱溶融式インクを用いたソリッドイ
ンクジェットプリントヘッドにおいては、列をなすノズ
ルのうち両端に位置するノズルが列の中央部にあるノズ
ルに比べて大気と接触する度合いが大きくなるため、両
端に位置するノズル、あるいいは列の両端に位置するノ
ズルとその付近のノズルのインク温度が下がり易くな
り、そのためインク粘度が上昇し、中央部に比べインク
滴量が少なくなる傾向にある。

【０００８】本発明は、このような従来の問題を解決す
るもので、その目的とするところは、列の両端に位置す
るノズル、あるいは列の両端に位置するノズルとその付
近のノズルのインク滴量を、列の中央部の平均的な水準
まで引き上げ、複数個のノズルより吐出されるインク滴
量をほぼ等しくすることによって、高品位の画質を得る
ことのできるインクジェットプリントヘッドを提供する
ことを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、インクを蓄える圧力室と、電気
信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる
圧力発生手段と、圧力室の壁面の少なくとも一部を形成
して前記圧力発生手段と連結されている振動板と、前記
圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、
該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有
するハウジングと、インク滴を前記圧力室から吐出する
オリフィスを有するノズルが多数配列されたインクジェ
ットプリントヘッドにおいて、前記のうち、列の両端近
傍に位置するノズルのヘルムホルツ固有振動周期を、他
のノズルのヘルムホルツ固有振動周期よりも若干低くす
るようにした。なお、上述したヘルムホルツ固有振動周
期を低くするたの方法として、前記ノズルの圧力室の体
積を増加するとよい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一例を図面を参照
して説明する。

【００１１】図１は、インクジェットプリントヘッドの
主要部の構造を説明する分解斜視図である。

【００１２】図において、２は複数のオリフィス１を形
成したオリフィスプレートである。オリフィス１の開口
形状の加工精度はインクジェットプリントヘッドのイン
ク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のオリフィス１
間においてこれらのオリフィス精度ばらつきを低く押さ
えるため、オリフィスプレート２の製法は高い加工精度
が要求される。このためオリフィスプレート２はステン
レスの精密プレス法、レーザ加工法またはニッケルの電
鋳加工等により形成する。

【００１３】オリフィスプレート２には、圧力室３が形
成されたチャンバプレート４、及びインク供給路１０と
圧力室３とを連結し、かつ圧力室３へのインク流入を制
御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート
６を、位置決めして接合する。

【００１４】更に、圧電アクチュエータ１３の圧力を効
率よく圧力室に伝えるための振動板７と、共通インク通
路１０からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等
を取り除くフィルタ部８を形成したダイアフラムプレー
ト９と、共通インク通路１０を形成したハウジング１１
とを同じように位置決めして接合する。

【００１５】前述したチャンバプレート４、リストリク
タプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス
材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法に
て作る。ハウジング１１はステンレス材の切削加工等で
形成し、外部インクタンクからインクを共通インク通路
１０まで導くインク導入パイプ２０を接合する。

【００１６】最後に、複数の積層圧電体素子１４と、そ
れを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ
１３を位置決めして接合する。本発明の圧電アクチュエ
ータ１３を製作する順序は、まず支持基板１６に積層圧
電体素子棒を複数本並べて接着・固定し、その後、積層
圧電体素子棒をダイシングソー、ワイヤソー等を利用し
た切断により分割する。この時、分割された各々の積層
圧電体素子１４は圧力室の一つずつに対応するようにな
っている。

【００１７】更には支持基板１６にはそれぞれの積層圧
電体素子１４に外部駆動回路から独立した電気信号を送
るための個別電極１７及び共通電極１８が形成されてい
る。外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電体素子１
４に印可されることにより、圧電体素子１４はひずみを
生じる。圧電体素子１４は高剛性の支持基板１６上に接
合されているため、振動板７に優先的に変位を与え圧力
室３の圧力を高める。

【００１８】以上、本例にて説明するインクジェットプ
リントヘッドはこうした原理によってオリフィス１から
インクを吐出して記録媒体上にインク画像を形成する装
置に用いられる。

【００１９】なお、本例では、配列ピッチは３７．５分
の１インチ、約６７７μｍとしたが、オリフィス数、列
数、及びユニット構成はどの様な組み合わせでも限定さ
れるものではない。

【００２０】図２はプリントヘッド（ノズル部）の断面
図である。

【００２１】圧電アクチュエータ１３は支持基板１６と
積層圧電体素子１４とで構成される。積層圧電体素子１
４は弾性材料１２を介して振動板７と接合されている。
振動板７とチャンバプレート４とで圧力室３を構成して
いる。圧力室３内の圧力は振動板７が変形する事により
急激に変動する。支持基板１６には個別電極１７と共通
電極１８が形成されていて、積層圧電体素子１４と導電
性接合部材１５で電気的に接続されている。外部駆動回
路から選択的な電気信号が積層圧電体素子１４に印可さ
れることにより積層圧電体素子１４はオリフィス１へ向
かう方向に変位を発生する。この変位により弾性部材１
２を介して振動板７が変形し圧力室３内に充填されたイ
ンクは加圧され、オリフィス１からインク滴となって吐
出する。

【００２２】図３は図２のＡ−Ａ断面図である。一枚の
オリフィスプレート１には、複数個のオリフィス穴
Ｈ₁、Ｈ₂、Ｈ₃、…Ｈ_nが横一列に配設され、これらのオ
リフィスＨ₁〜Ｈ_nに個々に連通する圧力室Ｐ₁〜Ｐ_nによ
り複数個のノズルが形成される。

【００２３】このような構造のプリントヘッドにおい
て、個別電極１７及び共通電極１８より同一の駆動波形
を印加させ、各ノズルより吐出させるインク滴量を測定
した結果を図４に示す。なお、この図は上記構成による
プリントヘッドの代表的な例である。図において、ノズ
ルＮｏ.１及びＮｏ.９６はプリントヘッドの両端にあ
り、ノズルＮｏ.１〜Ｎｏ.９６はオリフィスＨ₁〜Ｈ₉₆
及び圧力室Ｐ₁〜Ｐ₉₆室に相当する。９６ノズルの平均
インク滴量は５８ｎｇであるが、列の両端に位置するノ
ズルとその付近のノズルＮｏ.１〜Ｎｏ.５の５ノズル
と、Ｎｏ.９４〜Ｎｏ.９６の３ノズルは、中央部の平均
的なノズルに比べ１０〜１２％程度インク滴量が少ない
ことが分かる。これは、オリフィスプレートをニッケル
の電鋳加工により製造する際、電解液中の電流密度が不
均一となり、列の両端付近のオリフィス穴径が小さくな
るためである。

【００２４】一方、同一の電圧で駆動波形のパルス幅を
変化させたときのインク吐出速度の一例を図５に示す。
測定ノズルは列の両端に位置するノズルＮｏ.１とＮｏ.
９６及び中央部のＮｏ.４８である。

【００２５】図において、特定のパルス幅の時に、イン
ク吐出速度が最大値（ピーク値）となるのが分かる。こ
のピークは接合された数種類の薄板によるインク流路
系、振動系、圧電素子の寸法、材料系、物性値等で決ま
るノズルのヘルムホルツ固有振動の共振点である。この
場合には、パルス幅７.５μｓ及び２０μｓ付近でピー
ク値が生じており、 １／（２０μｓ−７.５μｓ）＝８０ｋＨｚ すなわち本例のノズルのヘルムホルツ固有振動周期はお
よそ８０ｋＨｚである。

【００２６】このヘルムホルツ固有振動周期に支配され
ながらインクは流路内を流れ、オリフィスよりインク滴
を吐出している。すなわち、ヘルムホルツ固有振動周期
とインク滴量とは大きく関係している。このためヘルム
ホルツ固有振動周期とインク滴量の関係を前述の構成に
関する数値解析を試みた。この結果を図６に示す。図
中、横軸はヘルムホルツ固有振動周期、左縦軸は吐出す
るインク滴量であり、右縦軸はその時のインク吐出速度
も併記している。

【００２７】この図より、ヘルムホルツ固有振動周期が
低くなるとインク滴量が増加することがわかる。よっ
て、列の両端に位置するノズルとその付近のノズルより
吐出されるインク滴量が、中央部にあるノズルに比べイ
ンク滴量が少ない場合、そのノズルのヘルムホルツ固有
振動周期を中央部のノズルのヘルムホルツ固有振動周期
より若干低くすることでインク滴量が増加するため、吐
出量のばらつきを低減させるのに有効な手段であること
がわかる。なお、ヘルムホルツ固有振動周期が変化する
ことでインク吐出速度が大きく変わった場合、インクを
吐出して記録媒体上にインク画像を形成すると、インク
滴の着弾位置がずれることになり、画質を低下させるこ
とになる。このため、インク吐出速度の変化が小さい範
囲でヘルムホルツ固有振動周期を選択することが好まし
い。

【００２８】次に、このヘルムホルツ固有振動周期を変
化させる手段として、圧力室の体積を変化させることを
試みた。この数値解析結果を図７に示す。図７（ａ）は
圧力室の体積とヘルムホルツ固有振動周期の関係を示
し、図７（ｂ）は圧力室の体積変化によるヘルムホルツ
固有振動周期におけるインク滴重量及びインク吐出速度
を示している。

【００２９】この図より圧力室の体積増加とヘルムホル
ツ固有振動周期の低下にはほぼ比例関係があり、圧力室
の体積が大きくなるとヘルムホルツの固有振動周期は低
下し、それと共にインク滴量が増加することがわかる。
つまり、圧力室の体積を変化させることでヘルムホルツ
固有振動周期を制御し、インク滴量を変化させることが
可能ということである。本例においても、列の両端に位
置するノズルとその付近のノズルより吐出されるインク
滴量が中央部のノズルのインク滴量に比べて少ない場
合、そのノズルの圧力室の体積を若干大きくすることで
ヘルムホルツ固有振動周期が低下し、インク滴量を増加
させることができる。なお、前述したように、ヘルムホ
ルツ固有振動周期が変化することでインク吐出速度が大
きく変わった場合、インクを吐出して記録媒体上にイン
ク画像を形成すると、インク滴の着弾位置がずれ、画質
を低下させることになる。このためインク吐出速度の変
化が小さい範囲で圧力室の体積を選択することが望まし
い。

【００３０】以上の検討結果に基づき得られた本発明の
構成を図８に示す。図８は図２のＡ−Ａ断面図である。
従来の図３の構成とは、列の両端のオリフィス穴Ｈ₁、
Ｈ_n、あるいは両端のノズルとその付近オリフィス穴Ｈ₂
の圧力室及びリストリクタ幅の体積をを中央部よりも増
加させている点が相違する。

【００３１】上記図４においては、列の両端とその付近
のノズルのインク吐出量が中央部よりも約１０％程度少
なかった。この場合、本発明の圧力室の体積を中央ノズ
ルよりも若干大きくし、平均的な水準まで引き上げる方
法の一例を、以下説明する。

【００３２】図４で用いられたプリントヘッドのヘルム
ホルツ固有振動周期は約８０ｋＨｚであり、圧力室の体
積は全ノズル等しく、１ノズルあたり、縦幅０.７ｍｍ
×横幅０.５ｍｍ×高さ０.３５ｍｍ≒０.１２ｍｍ³であ
る。図７（ｂ）において、ヘルムホルツ固有振動周期８
０ｋＨｚのインク滴量５７ｎｇを、１０％の約６３ｎｇ
に増加させるには、ヘルムホルツ固有振動周期を７７.
５ｋＨｚまで低下させるとよい。そして、図７（ａ）に
示すように、ヘルムホルツ固有振動周期７７.５ｋＨｚ
を得る圧力室の体積は０.１４ｍｍ³となる。これを、図
８に示す高さ０.３５ｍｍの高さの圧力室とするために
は、断面積が０.４ｍｍ必要となる。この断面積を圧力
室の横幅のみ大きくして得るためには、０.５ｍｍを０.
５７ｍｍとすればよく、縦幅のみを大きくして得るに
は、０.７ｍｍを０.８ｍｍとすればよい。

【００３３】なお、本例のインク吐出速度は、図７
（ｂ）においてヘルムホルツ固有振動周期が８０ｋＨｚ
から７７.５ｋＨｚに変化しても１０.２ｍ／ｓから１０
ｍ／ｓに２％変化するだけで、インク滴の着弾位置には
ほとんど影響がない範囲である。圧力室の最大断面積は
ノズルピッチ、プリントヘッドの外形寸法から制限され
る場合でも、高さや圧力室の形状を変えることにより、
圧力室の体積を変えることは可能である。

【００３４】以上の通り、両端部のノズルのヘルムホル
ツ固有振動周期の中央部よりも低くして、インク吐出量
を増加することができるため、列の中央部のノズルと端
部のノズルのインク滴量のばらつきを低減し、高品位の
画質を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、多数配列されたノズル
のうち、列の両端、あるいは両端付近の若干数のものを
含めて、他のノズルより圧力室を若干大きくする等の簡
易で安価な構造とすることにより、両端及びその付近の
ノズルの特性を平均的な水準まで引き上げることができ
るため、列が均一な特性となり、プリントヘッドの性能
の向上を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 インクジェットプリントヘッドの主要部の構
造説明斜視図。

【図２】 インクジェットプリントヘッド（ノズル部）
の部分断面図。

【図３】 従来の例を示す図２のＡ−Ａ断面図。

【図４】 従来構成におけるノズル位置とインク滴量の
関係を示すグラフ。

【図５】 圧電アクチュエータの駆動波形を変えた場合
のパルス幅と液滴速度の関係を示すグラフ。

【図６】 ヘルムホルツ固有振動周期とインク滴量、イ
ンク吐出速度の関係を示すグラフ。

【図７】 圧力室の変化によるヘルムホルツ固有振動周
期とインク滴量、インク吐出速度の関係を示すグラフ。

【図８】 本発明の一例となる図２のＡ−Ａ断面図。

【符号の説明】 1はオリフィス、２はオリフィスプレート、３は圧力
室、４はチャンバプレート、５はリストリクタ、６はリ
ストリクタプレート、７は振動板、８はフィルタ部、９
はダイアフラムプレート、１０は共通インク通路、１１
はハウジング、１２は弾性材料、１３は圧電アクチュエ
ータ、１４は積層圧電体素子、１５は導電性接合部材、
１６は支持基板、１７は個別電極、１８は共通電極、１
９はハウジング、２０はインク導入パイプ、２１は接続
ケーブルである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能登 信博 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 山田 健二 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF23 AG47 AG99 BA04 BA14

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加
   により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧力発生手
   段と、圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記圧
   力発生手段と連結されている振動板と、前記圧力室にイ
   ンクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリ
   クタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジ
   ングと、インク滴を前記圧力室から吐出するオリフィス
   を有するノズルが多数配列されたインクジェットプリン
   トヘッドにおいて、 前記のうち、列の両端近傍に位置するノズルのヘルムホ
   ルツ固有振動周期を、他のノズルのヘルムホルツ固有振
   動周期よりも若干低くすることを特徴とするオンデマン
   ド型インクジェットプリントヘッド。
2. 【請求項２】請求項１記載のオンデマンド型インクジェ
   ットプリントヘッドにおいて、 ヘルムホルツ固有振動周期を低くするため前記ノズルの
   圧力室の体積を増加するようにしたことを特徴とするオ
   ンデマンド型インクジェットプリントヘッド。