(57)【要約】【課題】マルチドロップ方式で高周波数域にて安定な吐出状態が得られるインクジェットヘッド構造を提供する。【解決手段】駆動パルス発生手段によって発生させた駆動パルスによりインク室ＣｈＡ，ＣｈＢ，ＣｈＣ，・・・内に圧力を発生させることで、インクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドを用い、前記駆動パルス発生手段からの駆動パルスを連続的に印加し、前記駆動パルス数に応じてインク室ＣｈＡ，ＣｈＢ，ＣｈＣ，・・・から吐出する液滴の数を制御してドット径を制御するマルチドロップ方式のインクジェットヘッドにおいて、インク室ＣｈＡ，ＣｈＢ，ＣｈＣ，・・・を画成する隔壁Ｗの壁高さＨと壁幅Ｂとの比Ｈ／Ｂを、１．５≦Ｈ／Ｂ≦３．０・・・（１）式を満たすように設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動パルス発生手段によって発生させた駆動パルスによりインク室内に圧力を発生させることで、インクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドを用い、前記駆動パルス発生手段からの駆動パルスを連続的に印加し、前記駆動パルス数に応じて前記インク室から吐出する液滴の数を制御してドット径を制御するマルチドロップ方式のインクジェットヘッド構造において、
前記インク室を画成する隔壁の壁高さＨと壁幅Ｂとの比Ｈ／Ｂを、
１．５≦Ｈ／Ｂ≦３．０・・・・・・（１）
上記（１）式を満たすように設定したことを特徴とするインクジェットヘッド構造。
【請求項２】
前記駆動パルス発生手段によって発生させた駆動パルスにより前記インク室の隔壁にかかる電界を、３５０ｋＶ／ｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタにおけるインクジェットヘッド構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、インクジェットプリンタは、簡単に鮮やかなカラーのプリントアウトが得られること、安価なこと等の理由から、世間で広く使われている。そのインクジェットプリンタの形式として、サーマルジェット型がある。しかしながら、この方式はヒータの加熱による膜沸騰現象でインクを吐出させるが、膜沸騰は一般に高温を必要とするためエネルギー効率が低く、消費電力が大きくなるという欠点がある。
【０００３】
これに比べて、圧電材料の剪断モード変形を利用する方式では、インク室を構成する隔壁の剪断変形によって直接インクに圧力を作用させて液滴を吐出するため、エネルギー効率がよい（例えば、特許文献１参照）。以下、その剪断モード型のインクジェットヘッドについて説明する。
【０００４】
このインクジェットヘッドは、例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すように、カバープレート１と、圧電材料（以下、ＰＺＴという）２と、インクを吐出するためのノズル４を有するノズルプレート７等によりなる。そのＰＺＴ２に形成された複数の溝にインク室ＣｈＡ、ＣｈＢ、ＣｈＣ…が形成され、各インク室は、溝の上部が開放されてカバープレート１に形成された共通インク室６に連通している。
【０００５】
各インク室ＣｈＡ、ＣｈＢ、ＣｈＣ…の隔壁Ｗの側壁面には電極３が形成されており、各電極３が導電性樹脂９を介して外部電極１０に電気的に接続されている。そして、インクジェットヘッドの後部には、共通インク室６に連通するマニホールド８が設けられ、そのマニホールド８から各インク室内にインクがスムーズに供給されるようになっている。
【０００６】
このような構成にあって、ＰＺＴ２は厚さ（垂直）方向に、図３（ａ）の矢印に示す方向に分極処理が施されており、隔壁Ｗに対して電極３により電位差が与えられることによって、その隔壁Ｗが変形し、それに伴い、隔壁Ｗに挟まれたインク室内の容積が変化することで圧力波が発生し、ノズル４からインクが吐出されることとなる。
【０００７】
図４は、インクを吐出する場合の駆動波形を示し、図４（ａ）は吐出インク室を構成する隔壁内の電極に印加される電圧波形を、図４（ｂ）は吐出インク室の両隣のインク室を構成する隔壁内の電極に印加される電圧波形を示す。なお、図４（ｃ）は図４（ａ）（ｂ）で示した電圧波形が印加された場合、吐出インク室を構成する隔壁Ｗにかかる電位差を示したものである。
【０００８】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、図４に示した駆動波形を印加した時の状態を示し、図５（ａ）は通常状態、図５（ｂ）では、インク室ＣｈＡが膨張するように、図４（ａ）の第１駆動パルスを印加され、インク室ＣｈＡにインクが導入される状態、図５（ｃ）では、インク室ＣｈＡが収縮するように図４（ｂ）の第２駆動パルスが印加され、ノズルよりインク滴が吐出される状態、をそれぞれ示す。
【０００９】
次に、このようなインクジェットヘッドを用いたマルチドロップ方式と呼ばれる吐出方式を説明する。この方式は、例えば、短時間に最大４液滴を連続吐出して液滴量を変調するもので、０を含み５階調の階調表現が可能で、より自然な色合いの印刷が可能である。
【００１０】
剪断モード型インクジェットヘッドは構造上、隣接するインク室から同時にインクを吐出することができない（隔壁Ｗを共有しており、クロストークが発生するため）。そのため、インク室を３つ以上のグループに分け、順次各グループの駆動が行われる。インク室をＡ、Ｂ、Ｃの３つのグループに分け、Ｂグループの駆動を行う場合の隔壁Ｗの動きを図６に示す。
【００１１】
図７には同じノズルから連続して２ドロップを吐出する場合の駆動波形を示す。図６においてＢグループのインク室のうち、例えば、インク室２Ｂ、３Ｂだけ吐出するとする。インク室２Ｂ、３Ｂには各々の隔壁内の電極に、図７（ａ）のように第１駆動パルスの印加を２回繰り返し、残りの吐出しない期間においては第２駆動パルスの印加を２回繰り返す。Ｂグループのインク室のうち、インクを吐出しないインク室１Ｂ、またＡ、Ｃグループのインク室には各々の隔壁内の電極に図７（ｂ）の第２駆動パルスを与える。
【００１２】
以上を、例えばＡ→Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｂ→Ｃ…とグループを遷移させ繰り返すことにより、インクを連続的に吐出する。第１駆動パルス、第２駆動パルスを両隣のインク室に与えることにより、インクを吐出するインク室の隔壁には、図７（ｃ）のように吐出インク室の壁に電位差が与えられる。この電位差により、インクを吐出するインク室２Ｂ、３Ｂは、膨張（インク室内負圧）→膨張状態維持→圧縮（インク室内正圧）　→圧縮状態維持→非変形状態　が行われインクを吐出する。
【００１３】
これらの膨張および圧縮維持時間は、インク吐出後にインク室内の圧力波をうち消すことができるような最適値が設定される。圧縮維持時間Ｔ１は、インク室内で発生する圧力波がインク室の長手方向を片道伝播する時間（以下ＡＬと略す）ＡＬ＝Ｌ／ａ（Ｌはインク室の長さ、ａは圧力波の速度）の２倍程度、Ｔ１＝２×ＡＬに設定される。
【００１４】
第２駆動パルスはインク室内の圧力波をうち消すために与えられるパルスで、そのパルス幅Ｔ２はΔｔの４倍、Ｔ２＝４×ＡＬに設定される。また、次の吐出まで間隔Ｔ３は吐出が安定に持続するように求められ、Ｔ３＝ＡＬ程度に設定される。従って１液滴を吐出する時間は７×ＡＬ、最大４連続液滴を吐出する時間は４×７×ＡＬとなる。上記のように、隣接するノズルを同時に吐出できないため、３グループに分けた駆動を行うと、１ノズルからのノズル吐出周期は３×４×７×ＡＬとなる
例えば、インク室の長さが１．１５ｍｍで、インク室の高さが３００μｍ、幅が７９．３μｍ、隔壁の幅が９０μｍの場合、ＡＬは１．１２５μｓとなり、Ｔ１＝２．２５μｓ、１液適の吐出周期は７．８７５μｓで、最大４連続液滴を吐出する時間は３１．５μｓとなる。従って、ノズル吐出周期は９４．５μｓ、ノズル周波数に変換すると１０．６ｋＨｚである。
【００１５】
【特許文献１】
特開昭６３−２４７０５１号公報（ｐ６右下欄８行〜ｐ７左上欄２行）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなインクジェットヘッド構造でマルチドロップ方式による印字を行うと、１０ｋＨｚという高周波数で最大４滴の液滴を吐出するため、ノズルのメニスカス（ノズル内の液面）の残留振動は大きく不安定となりやすい。その結果、インクがノズル面上にあふれ、印字のドットがばらついたり、最悪の場合、不吐出となり、良好な印字が得られなくなる。
【００１７】
本発明は、このような実情に鑑みてなされ、マルチドロップ方式で高周波数域にて安定な吐出状態が得られるインクジェットヘッド構造を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。
【００１９】
（１）駆動パルス発生手段によって発生させた駆動パルスによりインク室内に圧力を発生させることで、インクを吐出させるようにしたインクジェットヘッドを用い、前記駆動パルス発生手段からの駆動パルスを連続的に印加し、前記駆動パルス数に応じて前記インク室から吐出する液滴の数を制御してドット径を制御するマルチドロップ方式のインクジェットヘッド構造において、
前記インク室を画成する隔壁の壁高さＨと壁幅Ｂとの比Ｈ／Ｂを、
１．５≦Ｈ／Ｂ≦３．０・・・・・・（１）
上記（１）式を満たすように設定したことを特徴とする。
【００２０】
この構成においては、インク室のアスペトク比（Ｈ／Ｂ）を（１）式のように（従来よりも小さく）設定するので、吐出させるチャンネルの隣接チャンネルにおけるメニスカスのノズル出口面からの最大盛り上がり位置（図１の縦軸ＭａｘＭｎ）が４．０以下となり、高周波数での吐出状態が安定化し、良好な印字を得ることができる。なお、ＭａｘＭｎ＝４．０μｍ以下のときには、多階調でも安定な吐出状態が得られることが実験等により確認されている。
【００２１】
他方、アスペトク比（Ｈ／Ｂ）が１．５より小さくなると、吐出は安定する反面、吐出速度が遅くなり、その結果、吐出電圧が大となるため、インク室隔壁にかかる電界が増加して圧電材料（ＰＺＴ）の劣化が促進され、好ましくない。
【００２２】
（２）前記駆動パルス発生手段によって発生させた駆動パルスにより前記インク室の隔壁にかかる電界を、３５０ｋＶ／ｍ以下に設定したことを特徴とする。
【００２３】
この構成においては、駆動パルスによりインク室の隔壁にかかる電界を３５０ｋＶ／ｍ以下に設定するので、圧電材料（ＰＺＴ）の劣化を免れることができる。なお、圧電材料（ＰＺＴ）は高電界を与えると劣化するが、３５０ｋＶ／ｍ以下であれば、劣化しないことが確認されている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態に係るインクジェットヘッド構造について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２５】
本実施形態のインクジェットヘッドの構造は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、図３の従来例と各部の構成は同等であるが、図示のように、各インク室ＣｈＡ・ＣｈＢ、ＣｈＣ…を隔てている隔壁Ｗの寸法が異なる。その寸法の一例を示すと、各インク室の高さ（＝隔壁Ｗの高さＨ）は２４０μｍ、幅Ｂは７９．３μｍ、隔壁Ｗの幅は９０μｍ、インク室の長さＬは１．１５ｍｍ、インク室のピッチは１５０ｄｐｉである。
【００２６】
各インク室ＣｈＡ、ＣｈＢ、ＣｈＣ…の隔壁Ｗの側面に形成される電極３は、例えばＡｌ等の電極材料を真空蒸着等により成膜し、蒸着後隔壁上面に付着した電極材料を研磨して除去することで作製する。また、ノズルプレート７に形成されたノズル４の吐出側の径はφ１５〜３０μｍ程度であり、ポリイミドフィルムに撥水膜を塗布後、エキシマレーザにて形成される。ノズルピッチはインク室のピッチと同じ１５０ノズル／インチである。
【００２７】
ＰＺＴ２は厚さ（垂直）方向、つまり、図２（ａ）の矢印に示す方向に分極処理が施されており、ＰＺＴ隔壁に対し両側面の電極３によって電位差を与えることによって、分極方向と垂直に電界が発生し、圧電剪断歪み効果により、隔壁Ｗが変形する。この変形によって、インク室中に圧力波が発生し、インクが吐出される。この吐出原理は図３の従来例と同じである。
【００２８】
ところで、このようなインクジェットヘッド構造で、マルチドロップ方式にて、１０ｋＨｚという高周波数で４階調吐出させると、前述したように、メニスカスの動きが不安定となり、最悪の場合、インクがノズルからあふれ不吐出となる。その原因は、液滴を吐出する際、その吐出するチャンネルの隣接のメニスカスも動くため、そのメニスカスの動きが収まらない間に液滴を吐出しようとするためである。
【００２９】
その吐出不安定さの指標は、メニスカスの大小と密接に関連し、吐出させるチャンネルの隣接チャンネルのメニスカスのノズル出口面からの最大盛り上がり位置（以下ＭａｘＭｎと略す）により表すことができる。つまり、図２にて示すと、ＣｈＡが吐出する際には、ＣｈＢのＭａｘＭｎで表せる。実験では、そのＭａｘＭｎの値が４．０μｍ以下のとき、高周波数での多階調であっても安定に吐出できることが確認されている。
【００３０】
図１に、横軸にアスペクト比（隔壁Ｗの壁高さ／壁幅）、縦軸にＭａｘＭｎをとったときのシュミレーション結果を示す。計算は、壁幅（Ｂ）、壁高さ（Ｈ）をパラメータとし、それぞれの値を以下のように選択し、電圧は、主吐出チャンネルが８ｍ／ｓ吐出する電圧で固定し、隣接チャンネルのＭａｘＭｎの値を求めた。すなわち、Ｂ＝７９．３，８４．３，８９．３，９４．３，９９．３、Ｈ＝１８０，２００，２２０，２４０，２６０，２８０，３００を選択した。
【００３１】
同図から、ＭａｘＭｎが４．０以下となるためには、アスペクト比（Ｈ／Ｂ）が３以下でなければならないことが判る。つまり、高周波数域にて、安定に吐出するためには、アスペクト比は３以下でなければならない。従来例のヘッド構造では隔壁Ｗの壁高さ（Ｈ）３００μｍ、壁幅（Ｂ）７９．３μｍ、アスペクト比（Ｈ／Ｂ）＝３．８であり、計算の結果、ＭａｘＭｎは４．６μｍであるため、吐出は不安定であることが判る。
【００３２】
本実施形態のヘッド構造では壁高さ２４０μｍ、壁幅７９．３μｍ、アスペクト比＝３．０であり、計算の結果、ＭａｘＭｎは３．８μｍであるため、吐出は安定であることがわかる。実験では、上述の寸法のヘッド構造にて、ＡＬ＝１μｓ，ノズル周波数１１．９ｋＨｚで、全チャンネル４液滴を吐出させ、１１ｍ／ｓまで安定に吐出することを確認することができた。
【００３３】
このように、インク室の隔壁Ｗのアスペクト比（Ｈ／Ｂ）を小さくすることで、吐出は安定するが、その反面吐出速度は小さくなる。その結果、吐出電圧が大きくなりインク室の隔壁Ｗにかかる電界が増加する。ＰＺＴ２は高電界を加えると劣化するため、その電界は劣化をまねかない程度の値にする必要がある。
【００３４】
実験では、電界の強さが３５０ｋＶ／ｍであればＰＺＴ２は劣化しないことが確かめられており、この値以下となるように、アスペクト比を設定しなければならない。本実施形態では、電界の強さは２５２ｋＶ／ｍであり、この要求を満たす。よって、ＰＺＴ２は劣化せず、長寿命のヘッドを提供できる。
【００３５】
以上から、ＰＺＴ２を劣化させることなく、高周波数域での多階調であっても安定した吐出状態を得るためには、インク室の隔壁Ｗのアスペトク比（Ｈ／Ｂ）を下記（１）式を満たすように設定すればよい。
【００３６】
１．５≦Ｈ／Ｂ≦３．０・・・・・・（１）
このような設定により、吐出させるチャンネルの隣接チャンネルにおけるメニスカスのノズル出口面からの最大盛り上がり位置を４．０μｍ以下に抑えることができ、高周波数での吐出状態が安定化し、良好な印字を得ることができ、かつ、吐出電圧を、ＰＺＴ２を劣化させない程度に抑えることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、以下のような効果を奏する。
【００３８】
（１）インク室を画成する隔壁の壁高さＨと壁幅Ｂとの比Ｈ／Ｂを、１．５≦Ｈ／Ｂ≦３．０を満たすように設定するので、吐出させるチャンネルの隣接チャンネルにおけるメニスカスのノズル出口面からの最大盛り上がり位置４．０以下となり、高周波数での吐出状態が安定化し、良好な印字を得ることができる。また、吐出電圧を、ＰＺＴ２を劣化させない程度に抑えることができ、インクジェットヘッドの耐久性を向上させることができる。
【００３９】
（２）前記駆動パルス発生手段によって発生させた駆動パルスにより前記インク室の隔壁にかかる電界を、３５０ｋＶ／ｍ以下に設定するので、圧電材料（ＰＺＴ）の劣化を免れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェットヘッド構造における隔壁のアスペクト比対応のメニスカス量（高さ）を示すシュミレーション図である。
【図２】同インクジェットヘッド構造の構成説明図である。
【図３】従来のインクジェットヘッド構造の構成説明図である。
【図４】同駆動パルスの説明図である。
【図５】同インク吐出動作の説明図である。
【図６】同グループ分けした場合の吐出動作の説明図である。
【図７】同マルチドロップ方式の駆動波形の説明図である。
【符号の説明】
ＣｈＡ，ＣｈＢ，ＣｈＣ−インク室
Ｗ−隔壁
Ｈ−壁高さ
Ｂ−壁幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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