JP3562080B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク吐出ノズルからインクを吐出させて印刷記録するインクジェットヘッドに関し、更に詳細には、インクキャビティからインクマニホールドへ伝播した後退圧力波を吸収するダンパ膜の振動モードや固有振動数を調整し、反射圧力波によるインク吐出性能への影響を抑制したインクジェットヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
インクジェットヘッドは、概略、図4に示すように、キャビティプレート71と圧電素子板72とを振動板73を介して組合せたものである。そして、キャビティプレート71の一端にはノズル孔75を形成したノズルプレート78が備えられており、キャビティプレート71の内部にはノズル孔75に内側からインクを供給するキャビティ室76が設けられている。
【0003】
このキャビティ室76及びノズル孔75は、紙面の厚み方向に多チャンネル並列して設けられている。各キャビティ室76は振動板73を介して圧電素子板72と対面しており、圧電素子板72の振動部72aが振動したときにその振動により選択的に加圧されるようになっている。そしてキャビティプレート71には、各キャビティ室76への共通のインク供給経路であるインクマニホールド77が形成されている。
【0004】
このインクジェットヘッドで圧電素子板72を駆動してその振動部72aを振動させると、各キャビティ室76が選択的に加圧されてその圧力が対応するノズル孔75に伝播されてインク滴の吐出による印刷記録が行われる。しかしながらキャビティ室76に加圧されたことによる圧力波は、ノズル孔75へ向かう前進成分だけでなくインクマニホールド77へ向かう後退成分もある。
【0005】
そしてこの後退成分はインクマニホールド77で反射され、前進成分より遅れてノズル孔75に向かう。この反射波は、インクマニホールド77が各キャビティ室76に共通なため分散されるので、単独の反射波のみでノズル孔75におけるインクの吐出を起こすには至らないが、本来の前進波による吐出で減少したインク量の回復速度に影響を与え、このため次回の吐出の際の吐出量や吐出速度が影響を受けることとなる。しかもその影響の度合は同時に駆動されたチャンネル数によって異なるので、吐出インクの量やスピードは毎回ばらつくことになり、印刷記録の品質低下の要因となる。
【0006】
この対策として例えば特公平3−30502号公報に記載されたもののように、インクマニホールドの壁面の一部(例えば、図4では矢印Aで示す箇所)を可撓性膜材で構成したものがあった。これは、可撓性膜材の振動によりインクマニホールドに容積変動が起こるようにして、圧力波の後退成分を吸収し、反射波の生成を防止して上記弊害を排除しようとするものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載されたインクジェットヘッドのようにインクマニホールドの壁面の一部を可撓性膜材で構成しても、反射波の生成を完全には防止することができない。特に、可撓性膜材の形状や材質によっては、その面内に節ができる複合モードで振動する場合があり、その場合には容積変動効果が大幅に減殺されてしまい、無視できない大きさの反射波が発生してしまう。更に、発生した反射波は、インクマニホールドからキャビティ室を経由してノズル孔へ向かうが、ノズル孔で再び反射されてインクマニホールドに戻って来るので、可撓性膜材の固有振動数によっては共鳴が生じて減衰が著しく遅れることもある。
【0008】
これらのような場合には、無視できない大きさの反射波がインクマニホールドからインクキャビティへのインク補充に影響するので、同時に駆動されたチャンネル数等によって吐出インクの量やスピードがばらつき、印刷記録の品質が低下することとなる。
【0009】
本発明は、従来のインクジェットヘッドの前記した問題点を解消するためになされたものであり、ダンパ膜が複合モード振動を起こさないようにし、また反射波の共鳴が起きないような固有振動数を持たせることにより、反射波の影響によるインクキャビティのインク補充への影響を排除し、印刷記録品質の低下を防止したインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項1の発明は、インクが充填されるインクキャビティと、このインクキャビティに設けられたインク吐出ノズルと、前記インクキャビティに連通されると共にインクを供給するインクマニホールドと、前記インクキャビティに対面するエネルギー発生部とを有し、このエネルギー発生部により前記インクキャビティに加圧して前記インク吐出ノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、前記インクマニホールドを構成する隔壁の少なくとも一部に設けられると共に、そのインクマニホールドに接する面全体が同位相で振動する振動モードを持つダンパ膜を有し、そのダンパ膜が、前記インクマニホールドで反射してインク吐出ノズルへ向かい、インク吐出ノズルで再び反射してインクマニホールドに到達した圧力波と共鳴しない固有振動数を持つことを特徴とする。
【0011】
このインクジェットヘッドでは、エネルギー発生部が駆動されると、インクで充填されたインクキャビティがエネルギー発生部により加圧され、インクに圧力波が発生する。この圧力波の前進成分はインクキャビティからインク吐出ノズルに伝播し、インクを吐出させ印字記録を行わせる。圧力波の後退成分は、インクキャビティからインクマニホールドに伝播し、ダンパ膜を変形させ振動させる。このダンパ膜の振動モードは、インクマニホールドに接する面全体が同位相で振動するモードであるため、インクマニホールドの容積変動効果が大きく、圧力波の後退成分が効率的に吸収される。また、ダンパ膜が、インク吐出ノズルで再び反射された反射波が共鳴しない固有振動数を有しているので、反射波は早期に減衰し、インクマニホールドからインクキャビティへのインク補充に影響を及ぼさない。ここにおいてエネルギー発生部は、例えば圧電素子により実現される。
【0012】
また、請求項2の発明は、請求項1に係るインクジェットヘッドであって、前記ダンパ膜の固有振動数が、次式に記載する範囲内であることを特徴とする。
【0013】
【数1】
【0014】
このインクジェットヘッドでは、ダンパ膜の固有振動数が前記数式で規定される範囲内にあるため、インクマニホールドで反射され、インク吐出ノズルで再び反射されてインクマニホールドに戻っても、ダンパ膜の固有振動と共鳴することがなく、早期に減衰する。
【0015】
また、請求項3の発明は、請求項1または2に記載するインクジェットヘッドであって、前記ダンパ膜の前記インクマニホールドと反対側に設けられたダンパ室を有し、前記ダンパ膜は、前記インクマニホールドと前記ダンパ室とを区画すると共に、前記エネルギー発生部と前記インクキャビティとの間に挟持されて前記エネルギー発生部による加圧を前記インクキャビティに伝達する振動板を兼ねることを特徴とする。
【0016】
このインクジェットヘッドでは、圧力波の後退成分によるダンパ膜の振動は、インクマニホールドとダンパ室との間で生じ、圧力波の吸収が行われる。そして、ダンパ膜がエネルギー発生部による加圧をインクキャビティに伝達する振動板を兼ねているので部品点数が少なく、またダンパ膜がインクジェットヘッドの外形をなすことがない。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図1の断面図に示すように、本実施の形態に係るインクジェットヘッドは、概略、キャビティプレート1と圧電素子板2とを可撓性の振動板3を介して組合せたものである。そして、キャビティプレート1の一端にはノズル孔5を形成したノズルプレート6が備えられており、キャビティプレート1の内部にはノズル孔5に内側からインクを供給するキャビティ室7が設けられている。
【0018】
このキャビティ室7及びノズル孔5は、紙面の厚み方向に多チャンネル並列して設けられている。各キャビティ室7は振動板3を介して圧電素子板2と対面しており、圧電素子板2が振動したときにその振動により選択的に加圧され、インクに圧力波が生じるようになっている。そしてキャビティプレート1には、各キャビティ室7への共通のインク供給経路であるインクマニホールド8が形成されている。インクマニホールド8は、キャビティプレート1を図中上下に貫通して設けられており、圧電素子板2の側(図1中上方)は振動板3で閉じられ、その反対側は、振動板3と同様に可撓性を有するダンパ膜9で閉じられている。
【0019】
また、圧電素子板2は、PZT等のピエゾ効果を有する素材で形成され、振動板3を介して各キャビティ室7に対面する箇所が振動部2aとされている。振動部2aは、各キャビティ室7と同様に、紙面の厚み方向に多チャンネル並列して設けられ一対一で対応し、入力信号に応じて選択的に駆動されるようになっている。これにより各キャビティ室7を選択的に加圧できるようになっている。
【0020】
かかるインクジェットヘッドにおけるダンパ膜9は、インクマニホールド8内のインクに圧力変動が生じた場合には変形し、その弾性により振動することとなるが、その振動モードが、インクマニホールド8に面する部分全体が同位相で振動する単一モードとなるような振動特性が与えられている。このダンパ膜9の振動特性は、材質、膜厚、縦横比、等により決定される。単一モードでのダンパ膜9の振動の状況の一例を、図2に示す。また、その振動の固有振動数は、インクの圧力波を効果的に減衰させ消滅させるため、次式で与えられる範囲内とされている。
【0021】
【数1】
【0022】
この式は、固有振動数frと所要時間ALの2倍との積が0.2〜1.5の範囲内にあることを要求するものであり、より好ましくはその範囲は0.6〜1.2であり、更に好ましくは0.8〜1.1である。理想的には1である。ここで所要時間ALの2倍をとっているのは、インクの圧力波の、インクマニホールド8で反射されてからノズル孔5で再び反射されインクマニホールド8へ戻る往復移動を考慮しているためである。ここで、所要時間ALは、キャビティプレート1におけるインクマニホールド8からノズル孔5までの距離とインク中の音速(900m/s程度)とにより定まる。
【0023】
frと2ALとの積が1に等しいとき、ノズル孔5で反射されインクマニホールド8に戻った圧力波とダンパ膜9の固有振動とが完全にシンクロするが、ノズル孔5が自由端として作用するために位相が逆転しており、相殺して打ち消し合い消滅することになる。そして、当該値が1に近い前記各範囲内にあれば、圧力波は早期に減衰され事実上消滅することになる。逆に、当該値が0.2〜1.5の範囲外にあるときには、圧力波の打ち消しが不十分なために減衰せず残存し、場合によっては定常波が生じることがある。なお、当該値は1であることが理想的だが、インクジェットヘッドの具体的構成上、0.9程度になることが多い。
【0024】
かかるインクジェットヘッドにおいて、インクマニホールド8から各キャビティ室7にインクを供給して充填し、そして圧電素子板2に入力信号を印加して振動部2aを振動させると、振動板3を介して、振動した振動部2aに対応するキャビティ室7が加圧され、圧力波が発生する。この圧力波は、キャビティ室7から対応するノズル孔5へ伝播する前進成分と、逆にインクマニホールド8へ伝播する後退成分とを有している。
【0025】
前進成分の圧力波が当該キャビティ室7からノズル孔5に達すると、そのノズル孔5からインク滴が吐出される。このインク滴が印刷用紙に付着してドットを形成することにより、印刷記録がなされる。なお、インク滴を吐出することにより当該キャビティ室7内のインク量が減少するが、インクマニホールド8からインクが補充されて次回の吐出に備える。
【0026】
一方、後退成分の圧力波が当該キャビティ室7からインクマニホールド8に達すると、その圧力波によりダンパ膜9が変形し振動する。この振動に伴いインクマニホールド8の容積が周期変動し、圧力波の吸収が行われる。そしてこの振動は、インクマニホールド8に面する部分全体が同位相で振動する単一モードの振動であり、単一モード振動ではダンパ膜9に節が生じないので、他のモード(複合モード)の振動の場合と比較して容積変動が大きく振動吸収の効率が高い。
【0027】
かかるダンパ膜9の単一モード振動によってもそれだけで圧力波を完全に吸収できるわけではないので、インクマニホールド8では後退成分の圧力波の反射が生じて各チャンネルのキャビティ室7を経てノズル孔5に向いそこで再度反射されて再びインクマニホールド8に至る。ここでダンパ膜9の固有振動数が前記した範囲内にあるため、インクマニホールド8に戻った圧力波はダンパ膜9の振動と打ち消し合って消滅する。このため、インクの圧力波は早期に消滅し、キャビティ室7へのインクマニホールド8からのインクの補充に影響することはない。従って、前回の吐出の際同時に何チャンネルのノズル孔5からインク滴を吐出したかにかかわらずキャビティ室7の状況が同一であり、毎回同一の吐出量及びインクスピードで印刷記録がなされ、印刷品質がよい。
【0028】
次に、第2の実施の形態について説明する。図3の断面図に示すように第2の実施の形態に係るインクジェットヘッドは、概略、キャビティプレート11と圧電素子板12とを可撓性の振動板3を介して組合せたものである。そして、キャビティプレート11の一端にはノズル孔5を形成したノズルプレート6が備えられており、キャビティプレート11の内部にはキャビティ室7、インクマニホールド18が設けられている。即ち前記した第1の実施の形態のものとほぼ同じ構成を有している。なお、ベース板4はインクジェットヘッドを据え付ける基台である。
【0029】
そして相違点として、図3のものにはダンパ膜9がなく、その部分はキャビティプレート11自体がインクマニホールド18の隔壁をなしている。その代わりに、圧電素子板12にダンパ室19が設けられ振動板3を挟んでインクマニホールド18と対面し、そこでは振動板3がダンパ室19とインクマニホールド18とを区画している。この部分の振動板3はダンパ室19の側とインクマニホールド18の側とのいずれにも変形可能であり、インクの圧力波により振動できるようになっている。即ちこのインクジェットヘッドは、圧電素子板12にダンパ室19が設けることにより、振動板3の一部にダンパ膜9の役割を負わせ、部品点数を削減したものである。振動板3の当該部分の振動モード及び固有振動数については、前記第1の実施の形態のものと同様の特性が与えられている。なお、ダンパ室19を外部と連通する通気孔10が設けられている。
【0030】
このインクジェットヘッドでは、圧電素子板12を駆動してその振動部12aを振動させることにより、第1の実施の形態のものと同様に圧力波の前進成分によりノズル孔5からインク滴の吐出が行われる。そして、圧力波の後退成分については、振動板3のインクマニホールド18とダンパ室19とを区画する部分の振動により吸収され消滅する。ここでその振動は、第1の実施の形態のものと同様に単一モードであり、その固有振動数は前記数式の範囲内のものであるため、圧力波の吸収の効率が高い。
【0031】
また、ダンパ室19が通気孔10により外部と連通されているため、振動板3の振動によりダンパ室19の容積が変動してもその圧力がほとんど変化しないことも、圧力波吸収の効率のよさに貢献している。更に、ダンパ室19が圧電素子板12に覆われているので、可撓性の振動板3はインクジェットヘッドの内部に位置しており外形をなすことはない。
【0032】
以上詳細に説明したように、前記各実施の形態にかかるインクジェットヘッドでは、インクマニホールド8(18)を構成する隔壁の一部にダンパ膜9または振動板3のような可撓性部材を備え、特定の振動モード及び特定の範囲内の固有振動数を与えたので、インクの圧力波が効率よく吸収され早期に消滅する。このため、キャビティ室7におけるインクの補充が圧力波の反射波による影響を受けずに行われるので、前回の吐出の際同時に何チャンネルでインク滴を吐出したかにかかわらず、毎回同一の吐出量及びインクスピードで印刷記録がなされ、品質のよい印刷結果が得られる。
【0033】
更に、第2の実施の形態のものでは圧電素子板12からキャビティ室7への加圧を伝達する振動板3の一部にダンパ膜9の役割を担わせたので、可撓性部材がインクジェットヘッドをなすことはなく、強度面での信頼性が高い。また、通気孔10を設けたので、圧力波吸収の効率が更に高い。また、少ない部品点数で構成できる。
【0034】
尚、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。例えば前記各実施の形態において、圧電素子板2(12)の全体をPZT等のピエゾ効果を有する素材で形成したが、少なくとも振動部2a(12a)が当該素材で形成されていれば足り、第2の実施の形態におけるダンパ室19を囲む部分等は通常のセラミックスや金属、樹脂等で形成してもかまわない。
【0035】
【発明の効果】
以上説明した通り請求項1に係る発明によれば、ダンパ膜が複合モード振動を起こさないようにし、また反射波の共鳴が起きないような固有振動数を持たせることにより、反射波の影響によるインクキャビティのインク補充への影響を排除し、印刷記録品質の低下を防止したインクジェットヘッドが提供されている。
【0036】
特に、請求項2に係る発明によれば、ダンパ膜の固有振動数を、インクが充填されたインクキャビティ内で圧力波がインクマニホールドからインク吐出ノズルまで伝播するための所要時間に対して定まる所定の範囲内としたので、反射波の共鳴が起きることがないインクジェットヘッドが提供されている。
【0037】
更に、請求項3に係る発明によれば、ダンパ膜が、インクマニホールドとその反対側に設けられたダンパ室との区画と、エネルギー発生部からインクキャビティへの加圧の伝達とを兼ねるので、反射波を効率よく吸収して反射波のインクキャビティのインク補充への影響を排除したインクジェットヘッドが少ない部品点数で提供されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図2】ダンパ膜の単一モード振動を説明する概念図である。
【図3】本発明の別の実施の形態に係るインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図4】従来のインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
2、12 圧電素子板
2a、12a 振動部
3 振動板
5 ノズル孔
7 キャビティ室
8、18 インクマニホールド
9 ダンパ膜
19 ダンパ室
Claims (3)
- インクが充填されるインクキャビティと、このインクキャビティに設けられたインク吐出ノズルと、前記インクキャビティに連通されると共にインクを供給するインクマニホールドと、前記インクキャビティに対面するエネルギー発生部とを有し、このエネルギー発生部により前記インクキャビティに加圧して前記インク吐出ノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
前記インクマニホールドを構成する隔壁の少なくとも一部に設けられると共に、そのインクマニホールドに接する面全体が同位相で振動する振動モードを持つダンパ膜を有し、
そのダンパ膜が、前記インクマニホールドで反射してインク吐出ノズルへ向かい、インク吐出ノズルで再び反射してインクマニホールドに到達した圧力波と共鳴しない固有振動数を持つことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 請求項1または2に記載するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダンパ膜の前記インクマニホールドと反対側に設けられたダンパ室を有し、
前記ダンパ膜は、前記インクマニホールドと前記ダンパ室とを区画すると共に、前記エネルギー発生部と前記インクキャビティとの間に挟持されて前記エネルギー発生部による加圧を前記インクキャビティに伝達する振動板を兼ねることを特徴とするインクジェットヘッド。
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