(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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２】
請求項１に記載するインクジェットヘッドにおいて、
前記ダンパ膜の固有振動数が、
【数１】
0003562080.tif 000002
の範囲内であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
0003562080.tif 000003
【図２】
0003562080.tif 000004
【図３】
0003562080.tif 000005
【図４】
0003562080.tif 000006