JPH1120163A

JPH1120163A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JPH1120163A
Application number: JP19195297A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Shiratsuki; 好之白附
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 1999-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】ノズルを用いず、かつ、発熱などを生じにく
い低周波低電圧駆動方式により、微小な液滴を吐出する
ことができるインクジェット記録ヘッドを提供するこ
と。【解決手段】画素信号に対応して振動する複数の振動
発生手段４と、記振動発生手段４の励振に応じて曲げ振
動する複数の突出部が一体的に形成された弾性部材１と
を備え、弾性部材１の所定の突出部の振動によりインク
の表面にキャピラリ波を発生させ、インクを飛翔させて
記録媒体に付着させることを特徴とするインクジェット
記録ヘッドによる。突出部の先端部は、突出部の基端部
より曲げこわさが小さいことが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被印字面にインク
ドロップなどの液滴を吐出して印字を行うインクジェッ
ト記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】被印字面にインクドロップなどの液滴を
吐出して印字を行うインクジェット記録方式としてはノ
ズルを用いる方式が代表的である。ノズル式の記録方式
にはオンデマンド型と連続流型とがある。

【０００３】オンデマンド型は記録情報に対応してノズ
ルから間欠的にインクを吐出させて印字を行う方式であ
る。オンデマンド型の代表的なものとしてピエゾ振動子
型とサーマル型とがある。ピエゾ振動子型はインク室に
付設した圧電素子にパルス電圧を印加して圧電素子を変
形させることにより、インク室内のインク液圧を変化さ
せ、ノズルからインクドロップを吐出させて記録紙上に
ドットを記録するものである。サーマル型はインク室内
に設けた加熱素子によりインクを加熱し、これにより発
生したバブルによりノズルからインクドロップを吐出さ
せて記録紙上にドットを記録するものである。

【０００４】一方、連続流型はインクに圧力を加えてノ
ズルから連続的にインクを吐出させると同時にピエゾ振
動子などにより振動を加えて吐出インク柱を液滴化し、
液滴に対して選択的に帯電、偏向を行うことによって記
録を行うものである。

【０００５】これらの各方式においてはインクのドロッ
プ径は主としてノズルの径によって決まる。そして、ノ
ズル径を小さくすると、ゴミ・チリやノズル部のインク
表面の乾燥によるノズル詰まりが発生したり、ノズル円
周部へのインク残滓の付着によるインク吐出方向の変化
が生じたりするなどの問題が発生する。

【０００６】これに対して、ノズルを用いないで被印字
面にインクドロップを吐出して印字を行う記録方式がい
くつか提案されている。

【０００７】米国特許第４３０８５４７号明細書には凹
状にカーブした球面形状の圧電体シェルをインク中に配
置し、この圧電体シェルに電極を介して電圧を印加する
方式が示されている。この方式では圧電体シェルからイ
ンク中に放射された縦波がインク自由表面の一点に集め
られ、インク自由表面からインクドロップが吐出する。

【０００８】また、特公平６−４５２３３号公報にはガ
ラスなどの基板上に球面状の凹部を設けてこれを音響レ
ンズとし、基板の裏面に圧電体と、圧電体に電圧を印加
するための電極からなる振動子とを形成して、この振動
子をインク中に配置する方式が示されている。

【０００９】さらに、特開平３−２００１９９号公報に
は、凹状レンズの代わりにより安価、かつ、シャープに
焦点を合わせられる薄膜平板状の位相フレネルレンズを
基板上に設けることが示されている。

【００１０】ノズルを用いない他の記録方式の例として
は、吐出力として静電力を用いるいわゆる静電吸引方式
がある。静電吸引方式の一例として、インクメニスカス
（インク隆起）を形成するために振動を用いるものが知
られている。

【００１１】例えば、特開昭６２−２２２８５３号公報
には記録針をインク表面から突出させて、記録針に対し
て軸方向に伝搬する超音波エネルギーを与える方式が示
されている。これによると超音波流動（ａｃｏｕｓｔｉ
ｃｓｔｒｅａｍｉｎｇ）現象により、記録針に接する
インクは記録針の先端方向に移動して、記録針の先端に
凸状のインクメニスカスが形成される。その状態で記録
針と背面電極との間に静電界を印加してインクを引きち
ぎり、記録針と背面電極との間に配置された記録媒体上
にインクドロップを着弾させる。この方式によれば、記
録針の先端にインクメニスカスを形成するため、従来の
静電吸引方式に比べてより小さいインクドロップを形成
できる。

【００１２】また、特開昭５６−２８８６７号公報に
も、針電極と背面電極との間に静電界を印加した状態で
針電極に画像信号を印加すると同時に、針電極を振動さ
せる静電吸引方式が示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】縦波をインク自由表面
に集束させて、インク自由表面からインクドロップを吐
出させる方式では、インクドロップ径は縦波の集束径に
ほぼ等しい。ここで、インクドロップ径または縦波の集
束径ｄは、振動子の駆動周波数をｆ、レンズのＦ値をＦ
とすると、略ｄ＝Ｆ／ｆとなる。なお、インク中を伝搬
する縦波の波長をλ、その伝搬速度をｖとすると、これ
らと振動子の駆動周波数ｆとの間には、ｖ＝ｆ・λの関
係がある。

【００１４】例えば、インクドロップ径ｄが１５μｍ程
度の非常に小さなインクドロップを吐出させたい場合
に、レンズのＦ値を１と仮定すると、縦波の伝搬速度ｖ
＝１５００ｍ／秒程度である従来の低粘度・水性インク
を用いれば、振動子の駆動に必要な駆動周波数ｆは約１
００ＭＨｚという非常に高い値になる。レンズのＦ値
は、種々の問題から上記の仮定した値よりも著しく小さ
くすることは実際上困難であるため、インクドロップ径
ｄを小さくしようとすると、一般的には極めて高い周波
数で振動子を駆動しなければならないことになる。

【００１５】このように、縦波をインク自由表面に集束
させて、インク自由表面からインクドロップを吐出させ
る方式では１００ＭＨｚ前後の高い周波数で複数の振動
子を駆動しなければならないため、駆動手段が高価にな
るというコスト上の問題を生じる。また、吸収による発
熱でインク粘度が変化してドロップ径が変動したり、記
録素子内でインク自体の乾燥や固化を生じてインクを吐
出できなくなるという問題がある。

【００１６】一方、静電吸引方式では湿度などによる記
録媒体の誘電体の厚みの変動や、記録媒体の表面の粗さ
のばらつきなどによって、形成されるドロップ径が変動
しやすいといった欠点がある。

【００１７】そこで、本発明の目的は、ノズルを用い
ず、かつ、発熱などを生じにくい低周波低電圧駆動方式
により、微小な液滴を吐出することができるインクジェ
ット記録ヘッドを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、画
素信号に対応して振動する振動発生部と、所定の間隔で
形成された突出部を有し、振動発生部の振動に応じて振
動する弾性部材とを備え、弾性部材の振動によりインク
の表面にキャピラリ波を発生させ、インクを飛翔させて
記録媒体に付着させることを特徴とするインクジェット
記録ヘッドによって達成される。本発明のインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、突出部の先端部の曲げこわさ
は、突出部の基端部の曲げこわさより小さいことが望ま
しい。

【００１９】弾性部材は所定の間隔で突出部を有してお
り、その突出部に対応した部分で振動発生部に接続され
ている。弾性部材の突出部は少なくともその先端近傍が
インクと接触している。弾性部材の突出部が曲げ振動で
共振する周波数で振動発生部が弾性部材を励振すると、
弾性部材の突出部の先端近傍は共振により大きな振幅で
振動する。突出部と接触している曲げ振動の振動方向の
インク液厚は、弾性部材の突出部の先端近傍において、
インクと突出部の濡れと重力の効果により数μｍ〜数百
μｍとなる。これによって、インクは振動の作用を強く
受け、キャピラリ波がインクの表面に発生する。このキ
ャピラリ波の作用により、微小滴の生成が可能となる。
振動発生部の駆動条件を所定の値に設定することによっ
て、１インク滴毎の飛翔が可能となる。振動発生部の励
振は１画素信号に応じて１インク滴の飛翔を実現するよ
うに、１インク滴の飛翔に必要な励振数を終了するごと
に間欠的に励振を区切るものである。これにより、ノズ
ルなしでインクの微小滴が生成され、インク目詰まりが
なく、高画質を実現可能な記録ヘッドが実現できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態によるイン
クジェット記録ヘッドを図１乃至図７を用いて説明す
る。

【００２１】図１は本実施の形態によるインクジェット
記録ヘッドの基本的構成を示した側面図である。弾性部
材１としては、エレクトロフォーミングによって形成さ
れたおよそ７μｍ厚のニッケルを用いた。弾性部材１は
およそ１００μｍ厚のセラミック基板２ａ、２ｂとの間
に挟まれるように接着され、その先端の少なくとも一部
がインク３中に埋没するように構成される。振動発生部
４はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラ
ミック薄膜５と、これに電圧を印加するための電極６
ａ、６ｂからなり、弾性部材１と対応する位置に、セラ
ミック基板２ａ、２ｂのインク３側の面と反対側の面に
接着される。ＰＺＴからなる圧電セラミック薄膜５は分
極処理が施されており、電極６ａ、６ｂ間に電圧が印加
されたとき、セラミック基板２ａ、２ｂの面に対して垂
直な方向に振動する。なお、電極６ａ、６ｂは０．０５
μｍの厚さのクロムと、１μｍの厚さの金の２層からな
る。インク室７はセラミック材料で作成されたインク室
壁８ａ、８ｂおよび天板９により形成される。インク３
はインク供給路１０を通して、図示しないインクタンク
からインク室７に供給される。このとき、インク３によ
って弾性部材１の先端部分までが濡れるようにする。イ
ンク滴吐出口１１はインク室壁８ａと天板９により形成
される。

【００２２】セラミック基板２ａ、２ｂ、インク室壁８
ａ、８ｂ、天板９、隔壁１２は、全て同一のセラミック
材料で作製することが望ましく、一体形成による方法、
または、個別に形成してから接着する方法のいずれかで
作製することができる。セラミック基板の代わりにプラ
スチック基板を用いてもよい。

【００２３】弾性部材１の材料としては各種金属材料ま
たはその合金で形成してもよい。また、弾性部材１は金
属材料ではなくポリイミドのような樹脂材料を用いても
よい。さらに、弾性部材１はＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの
各種無機材料で形成してもよい。

【００２４】圧電セラミック薄膜５はＰＺＴ以外に、チ
タン酸バリウムＢａＴｉＯ₃や、ニオブ酸鉛ＰｂＮｂ₂Ｏ
₆、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃、タンタル酸リチウム
ＬｉＴａＯ₃などの多結晶体や単結晶体、またはＺｎＯ
やＡｌＮなどの圧電薄膜材料を用いてもよい。

【００２５】図２は本実施の形態によるインクジェット
記録ヘッドの基本的構成を示した正面図である。理解を
容易にするため、図１で説明したインク室壁８ａおよび
８ｂは図示を省略している。

【００２６】弾性部材１はインク滴が吐出するピッチに
対応して、突出部１ａを有している。突出部１ａの先端
は尖った先鋭形状に形成されている。複数の振動発生部
４ａ、４ｂ、４ｃはそれぞれの弾性部材の突出部１ａ、
１ｂ、１ｃに対応する位置に形成される。それぞれの振
動発生部４ａ、４ｂ、４ｃは一体の圧電セラミック薄膜
５を電極６ａおよび電極６ｂでそれぞれ挟んで形成され
ている。弾性部材１の突出部１ａ、１ｂ、１ｃの間に
は、天板９とセラミック基板２ａ、２ｂとを接続する隔
壁１２が配置されている。また、振動発生部４ａ、４
ｂ、４ｃの間は、一の振動発生部で発生する振動が他の
振動発生部上の弾性部材を励振させてしまうことがない
ように、アルミ板からなる支持基板１３に固定されてい
る。

【００２７】また弾性部材１は、弾性部材１の片持ち梁
構造の自由端の先端部近傍における曲げ振動の振動方向
に対して垂直な面の幅Ｗ（図２参照）が、ほぼ２λの長
さとなる領域を有している。但し、λは以下の式１で与
えられる。 λ＝｛８πσ／（ρｆｅ²）｝^1/3×１０⁴（μｍ）・・・式１ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³）ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ）である。こうすることにより、幅Ｗにおいて２山のキャ
ピラリ波を生成でき、その後１山のインク隆起部が形成
されて次の瞬間これが分離して正確に１インク滴を飛翔
させることができるようになる。

【００２８】図３に弾性部材１の全形を示す。弾性部材
１は突出部２１と、インク滴が吐出する突出部の先端部
分２２、およびセラミック基板の厚みに対応する共通部
分２３から構成される。突出部２１だけを個別に形成し
て、図１および図２のような構成に組み立てることは可
能である。しかし、弾性部材の厚みが薄く、サイズも小
さいことから、個別の突出部２１を精度よく並べて組み
立てることは非常に難しい。そこで、図３に示すように
一体のものとして形成するほうが、組み立て方法の簡易
性や組立精度の点ではるかに優れる。実際の形成方法と
しては、前述したエレクトロフォーミングの他に、レー
ザー加工、放電加工、プラスチック成型など、使用する
材料に応じた形成方法を用いることができる。

【００２９】振動発生部４についても同様である。圧電
セラミック薄膜を一体に形成しなくても、個別に形成し
て個別に電極を形成すれば、同様の機能をもたせること
ができる。しかし、図２に示したような一体のものとし
て形成するほうが、組み立て方法の簡易性や組立精度の
点ではるかに優れる。

【００３０】次に、本実施の形態のインクジェット記録
ヘッドの動作について図４を用いて説明する。図４は振
動発生部４で振動を発生させた時の弾性部材１の突出部
２１の様子を示した側面図である。振動発生部４はセラ
ミック基板２ａ、２ｂの剛性、圧電セラミック薄膜５の
厚さ、圧電特性から決まる共振周波数ｆｏを有する。外
部駆動機構１４から振動発生部４に対して、ｆｏまたは
その整数倍の周波数ｆの交番電圧を印加して振動発生部
４を励振する。なお、この駆動周波数はいかなる値でも
よいが、共振周波数ｆｏまたはその整数倍の周波数ｆで
駆動すると効率よく振動させられる。

【００３１】このようにして振動発生部４で発生した振
動は、セラミック基板２ａ、２ｂに接続された弾性部材
１を振動させ、その結果、弾性部材の突出部２１は図４
に示すような曲げ振動をする。弾性部材１の突出部２１
も弾性部材の剛性・大きさ、インクとの接し方などから
決まる固有の共振周波数ｆｅを有する。共振周波数ｆｅ
は図３に示す弾性部材の共通部分２３を考慮しない突出
部だけの共振周波数である。弾性部材の共通部分２３は
セラミック基板２ａ、２ｂによって挟むように接着して
あるためほとんど考慮する必要はない。固有の共振周波
数ｆｅまたはこの整数倍の値が、振動発生部４を励振す
る駆動周波数と一致するように、弾性部材の剛性、突出
部の大きさ、インクとの接し方などを決めることによっ
て、弾性部材１を効率よく曲げ振動させることができ
る。本実施の形態では、図２を参照して、弾性部材の突
出部は幅ａ＝３００μｍ、インク室内の高さｂ＝２６０
μｍとした。

【００３２】図５に外部駆動機構１４から振動発生部４
に対して印加した交番電圧波形を示す。本実施の形態に
おいては、１９２ｋＨｚ、４０Ｖｐ−ｐ（最高最低振
幅）のサイン波状の交番電圧を５２μ秒の間だけ、バー
スト波として振動発生部に印加して励振した。従って、
１９２ｋＨｚのサイン波状の交番電圧を１０バースト数
分印加したことになる。図５に示す波形はサイン波状で
あるが、矩形波や三角波でも駆動することができる。

【００３３】図６は曲げ振動している弾性部材１の突出
部２１の先端部の側面の拡大図を示す。弾性部材の突出
部２１が図４に示すような曲げ振動をしているとき、弾
性部材の突出部２１の先端部は、破線矢印で示すように
左右に大きく振動する。先端部の振動方向に垂直な面に
対してインク３の表面までの距離ｔ（以下、インク液厚
みという）を数μｍ〜数百μｍにすると、インク表面に
キャピラリ波が発生する。インク３は例えば、粘度２ｍ
Ｐａ・ｓの黒色水性インクである。インク液厚みｔは弾
性部材の突出部の先端部２１の形状、インク高さ、先端
部のインクに対する濡れ性などを制御することで変える
ことができる。

【００３４】先端部２１の振幅を十分大きくすることに
よって、キャピラリ波の波頭はちぎれインク滴１５とな
って飛翔する。本実施の形態では、インク滴１５の直径
はおよそ２０μｍであった。振動発生部４に印加する交
番電圧の電圧値Ｖやバースト波の数は、使用するインク
の粘度、インク液厚み等、いくつかの条件によって決ま
る。これらの条件が適正な値からずれると、複数のイン
ク滴が吐出したり、インク滴が吐出しないなどの不具合
が発生する。

【００３５】インク滴１５の飛翔する方向は先端部の振
動する方向とほぼ等しい。本実施の形態では先端部に対
して一方向のみ（右方向）に飛翔させるため、飛翔させ
ない側（左側）のインク液厚みを厚くするようにしてキ
ャピラリ波の発生を抑制した。インク液厚みを片側だけ
厚くする方法としては、図１に示すインク室壁８ｂのイ
ンクの濡れ性を制御してもよいし、インクの高さを決め
るような部材を配置してもよい。インク滴１５を一方向
のみに飛翔させるための他の方法として、飛翔させない
方向の弾性部材の先端部にインクが全く供給されない構
成にすることもできる。キャピラリ波が発生する領域を
制限するため、弾性部材の先端部２１の形状は図３に示
すような先鋭状とし、一か所のキャピラリ波のみからイ
ンク滴が吐出するような構成とした。

【００３６】図５に示すように、交番電圧の印加はイン
ク滴が吐出した後に停止させる。そして所定の時間が経
過した後、再び交番電圧を印加して次のインク滴を吐出
させる。インク滴を吐出する時間間隔Ｔを短くすること
で高速印字が可能となる。本実施の形態ではインク滴を
吐出できる間隔はおよそ１０ｋＨｚであった。

【００３７】次に、本実施の形態のインクジェット記録
ヘッドを設置した記録機構の主要部であるアレイヘッド
の一実施例を図７に示す。図７は、本実施例のアレイヘ
ッドの斜視図である。図７において、アレイヘッド１７
は図中上下方向に４段に重ねられたインクジェット記録
ヘッド部１７ａ〜１７ｄと、インクジェット記録ヘッド
部１７ａ〜１７ｄの背面に取り付けられたインク供給部
１６ａ〜１６ｄとを有している。インクジェット記録ヘ
ッド部１７ａ〜１７ｄの間、およびインク供給部１６ａ
〜１６ｄの間には、上述の支持基板１３が設けられてい
る。これらインクジェット記録ヘッド部１７ａ〜１７ｄ
のそれぞれには、インク供給部１６ａ〜１６ｄのそれぞ
れに一色ずつ格納された黒、イエロー、マゼンタ、シア
ンのインクが供給され、上述の本実施の形態で説明した
動作に基づいて所定のインク滴吐出口１１から所定の色
のインクを吐出する。

【００３８】図８は本実施の形態のインクジェット記録
ヘッドを設置した記録機構の一実施例を示す。本実施例
の記録機構には、図７で示したアレイヘッド１７がキャ
リッジ１８に固定され、インクカートリッジ１９と接続
される。インクカートリッジ１９はその内部に黒、イエ
ロー、マゼンタ、シアンの４色のインクを保持したもの
である。キャリッジ１８はガイド２０に案内されて往復
移動する。印字紙３１はローラ３２のまわりに巻き付け
られ、ローラ３２の回転とキャリッジの動きによって、
印字紙３１の全面にわたって画像が印刷される。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、ノズルを用いずに、微
小なインク液滴を吐出することができるから、ノズル詰
まりなどの問題を生じることなく、画像の高解像度化の
要求を満たすことができる。本発明はキャピラリ波を利
用するので低周波による駆動ができ、かつ、圧電材料を
用いるため低電力で駆動することができる。従って、本
発明はエネルギー効率がよく、本発明に使用可能なイン
クの物性範囲も広い。さらに、構成する部品を一体形成
して組み立てるようにしたため、簡単な組立方法で、精
度の高いインクジェット記録ヘッドを安価に作ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの側面図である。

【図２】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの正面図である。

【図３】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの弾性部材の全形を示す図である。

【図４】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの振動発生部により弾性部材を振動させたとき
の弾性部材の突出部の様子を示した側面図である。

【図５】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの振動発生部に対して外部駆動機構から印加さ
れた交番電圧波形を示す図である。

【図６】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの弾性部材の突出部が曲げ振動しているときの
側面の拡大図である。

【図７】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドを設置した記録機構のアレイヘッドの一実施例
を示す図である。

【図８】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドを設置した記録機構の一実施例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１弾性部材２基板３インク４振動発生部５圧電セラミック薄膜６電極７インク室８インク室壁９天板１０インク供給路１１インク滴吐出口１２隔壁１３支持基板１４外部駆動機構１５インク滴１６インク供給部１７アレイヘッド１８キャリッジ１９インクカートリッジ２０ガイド２１突出部２２先端部分２３共通部分３１印字紙３２ローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素信号に対応して振動する振動発生手段
と、前記振動発生手段の励振に応じて曲げ振動する複数の突
出部が一体的に形成された弾性部材とを備え、前記突出部のいずれかの振動によりインクの表面にキャ
ピラリ波を発生させ、前記インクを飛翔させて記録媒体
に付着させることを特徴とするインクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項２】請求項１記載のインクジェット記録ヘッド
において、前記突出部の先端部は、前記突出部の基端部より曲げこ
わさが小さいことを特徴とするインクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項３】請求項１または２に記載のインクジェット
記録ヘッドにおいて、前記振動発生手段は、前記複数の突出部のそれぞれに対
応する複数の電極が１つの圧電材料に形成されているこ
とを特徴とするインクジェット記録ヘッド。