シアモード 1024 ノズルインクジェットヘッドの開発
Development of the KM1024, a 1024-nozzle Shear-mode Inkjet Head奥野哲生

Tetsuo OKUNO渡辺英生

Hideo WATANABE

要旨平野

1

近年，インクジェットプリンターの高速化，高画質化に伴い，インクジェットヘッドには低発熱，低消費電力が求められている。

新開発のシアモード 1024 ノズルインクジェットヘッ

肇志

Tadashi HIRANO

上田正人

Masato UEDA

はじめに昨今，小液滴で高画質の方向はもちろん，大液滴で高速プリントなど，多様な方面のインクジェットヘッド（以下ヘッドと略す。
）が要求されている。
ヘッドには大きく分類して，ヒーターを用いたサーマド製品（KM1024MHB および KM1024MNB）では，従ルタイプと，圧電材料を用いた圧電タイプがあり，我々それぞれ 1024 および 72mm と 2 倍にした。KM1024

ルな構造であるシアモード方式 1）2）を採用している。従来製品である KM512 に対し，ノズル数および印字幅をヘッドには，従来品の「チョッパートラバース構造（CT構造）」に比べて大幅に簡素化した構造である「ハーモニカ構造（HA 構造）」を採用し，低発熱・低消費電力性能を向上した。

本稿では，上記性能を達成した設計アプローチについは圧電タイプの中でも，電気機械変換効率が高くシンプ
来のシアモード方式のヘッド設計では，使用する加工装置依存となる駆動電極の引き回しの点で吐出ノズルの高集積化が難しい事と，ヘッド全般の問題である多ノズル化や高速駆動による消費電力の増大懸念がある。
多ノズル化や高速駆動を進めるにあたり，ヘッドの消て概説し，また商品化した上記ヘッドの紹介を行う。

費電力の削減は必要事項であり，これらのために次期主Abstractを変更し低消費電力，低発熱を達成する必要があった。

力商品である KM 1024 ヘッドではインクチャネル構造

In recent years, with the higher speed and greater image

今回，新構造を実現する配線技術，配線接続技術を開quality of inkjet printers, there has also risen the need to

発し，低消費電力，低発熱を達成した KM1024 ヘッドのgenerate less heat and draw less power.

商品化に至ったのでこれを報告する。

The newly developed and marketed shear-mode KM1024
inkjet heads (KM1024MHB and KM1024MNB) doubled thenumber of nozzles and the print width to 1024 and 72 mm

2開発コンセプト

compared to the previous product KM512. The KM1024

2. 1

ヘッド概要

adopts a harmonica structure (HA structure), in which theFig. 1 は当社の主力製品である KM512 シリーズの内部

structure is significantly simplified compared to the current,の概略図であり，チョッパートラバース構造（CT 構造）

chopper traverse structure (CT structure). HA structure al-と呼ばれるヘッドの構造である。

lows both less generation of heat and lower power consumption.
Actuator plate

This paper describes both the KM1024 head and the design
approach to achieving its superior performance.

Manifold
Curve part
Cover plate
Resonator length

Nozzle＊コニカミノルタ IJ ㈱開発統括部 第 2 開発部

Presser cavity

Fig. 1 KM512 head diagrammatical view.

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.8（2011）143これは圧力室であるインクチャネルを加工する溝加工

つまり，この KM1024 シリーズのヘッドの開発ポイン機の動きに由来する名前である。CT 構造では，圧電材トとしては，ヘッドに使用される圧電材料の削減により，料であるアクチュエーター基板に接着されたカバー基板低静電容量化し，さらには圧力室で発生する圧力波を効の長さが，インクチャネルの共振器長となっている。こ率よく使い，インク吐出における感度向上を図ることでの共振器長はインクジェットヘッドの液滴量や，駆動周ある。

波数などの性能を決めていく重要なパラメーターとなっている。円弧部は，溝加工機の回転ブレードによって形成され，CT 構造の特徴となっており，圧力室から駆動電極の取り出しと，圧力室へのインクの供給に利用され

2. 2

性能予測（駆動周波数，発熱）

HA 構造ヘッドと CT 構造ヘッドの特性の違いを計算した結果を以下に示す。ている。ヘッドの静電容量は圧力室の容量と円弧部の容量からなっている。
Fig. 2 は KM 1024 シリーズの内部の概略図であり，駆加工工程で，基板を短冊状に切断した時の端面の形状が楽器のハーモニカに似ていることより由来している。
HA 構造の KM1024 ヘッドでは，円弧部の構造をなくし，共振器長のみのシンプルな構造で，KM512 シリーズでは円弧部を介して取り出されていた圧力室内部の駆動電Nomalized dropvelocity (%)

動部はハーモニカ構造（HA 構造）と呼ばれる。これは

HA:AL=5.25

極も，KM1024 では，配線基板を介して引き出され，こCT:AL=5.65

こでは図示していない駆動ICへと接続されている。ヘッドの静電容量は圧力室の容量のみである。

Pulse width (μs)
Fig. 3 Ink drop velocity vs. pulse width.

Fig. 3 にパルス幅と標準化された液滴速度の関係を示

Manifold

す計算結果を示す。ここでの計算は，共振器長を同じにした Fig. 1 と Fig. 2 に示される形状のみの違いで比較をしWired plate

Cover plateている。縦軸には極値で標準化を行った液滴速度，横軸Resonator length(Drive part)にはヘッドを駆動させる電圧のパルス幅（μs）を示す。
最も効率の良い（同じ電圧で液滴速度の速い）パルス幅を AL（Acostic Length）と呼んでおり，同じ共振器長の場合には，HA 構造ヘッドの方が 7％程度短い事が分か

NozzlePresser cavity

Fig. 2 KM1024 head HA diagrammatical view.

る。このことにより同じ共振器長のヘッドでは，CT 構造ヘッドに比べ短い駆動波形を適用することになり，高速で射出が可能となっている事が分かる。

KM1024 ヘッドでは，圧力室後端部が開放端であるたよりも効率の良いインク吐出がなされる事が期待される。
その結果ヘッドの駆動電圧に対する射出速度の感度が良好になり，少ないエネルギーでインク吐出が可能である。
また，ヘッドの持っている静電容量も少ないため，以下の 2 つの面でも有利になると考えている。
1.

2.

Drop velocity (m/s)

め，圧力波の反射効率は 100％に近く，KM 512 シリーズ

多チャンネルヘッドを高周波数駆動した時に問題となる発熱→インク温度上昇→粘度低下による吐出不安定が抑えられる為，高速駆動に有利である。
ヘッドの高周波数駆動は，プリントの生産性に関して有利になる事と共に，小液滴化の設計が容易になり印字物の高画質化につながる。

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KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.8（2011）

Drive voltage (V)Fig. 4 Drop velocity vs. voltage.

Fig. 4 に駆動電圧に対するインク滴の速度変化について記す。ここで，AL を同じにするために，HA 構造ヘッドの共振器長を CT 構造ヘッドよりも 8％長くし，CT 構

静電容量は 1600 pf から 800 pf と半分に減り，ヘッドの駆動電圧は 16V から 13V へと低下している。
消費電力はノズルあたり 2.6 mW から 0.87 mW と約1/3 の低消費電力を達成している。

造ヘッドと液滴量を同じ条件にしている。
ここにおいても同じ液滴速度を得るための駆動電圧は

これは当初の目論見通り，チャネル後方が開放端のたCT 構造ヘッドに比べ HA 構造ヘッドの方が低いことがめ，圧力波の反射が 100%に近く高効率になった為，イ示され，効率の良い駆動をしていることが分かる。

ンクの吐出感度が向上し，低駆動電圧となったと考えられる。また HA 構造ヘッドの静電容量は同じ液滴量の CT構造ヘッドと比較して約半分であり，低消費電力・低発

Table 1 Ink refill time after ink ejection.

HA structure head : 60 μsec

熱なヘッドとなっていることが分かる。

Table 1 に射出後におけるインク再充填時間を示す。

これは射出により消費された液滴の体積分がインクチャネルに再び充填される時間を示す。この時間も，より短い方が，高速で駆動できることを示している。ここでも，吐出液滴量を同じにするために，HA 構造ヘッドの共振

Thermal difference (℃ )CT structure head : 75 μsec

器長を CT 構造ヘッドよりも 8％長くし，CT 構造ヘッドと同じ条件にしている｡ 結果，インクの再充填は HA 構造ヘッドの方が早いことが分かる。

Time (sec)

これらの特性の差は，HA 構造と CT 構造でチャネル後ろの形状の差（CT：円弧状仕切りとカバー部材のリFig. 5 Temperature rise at the time of the head drive.

セス構造，HA：リセス構造なし）によるものと考えられる。CT 構造では円弧状の仕切りによるリセス構造のために圧力波の反射の状態が HA 構造とは異なり，かつFig. 5 に示したグラフは，横軸に時間，縦軸に温度上昇流路抵抗が増加するために，シンプルな HA 構造の方がをとっており，全ノズルから最大駆動周波数 12.8 kHz

CT 構造と比べ AL が短く，インク供給速度が速くなってで射出を行った実験データである。HA 構造ヘッドでは，いると思われる。

1℃未満のわずかな温度上昇である。

ヘッド性能（駆動周波数，発熱）

ヘッドの性能を示す測定結果を以下に示す。
Table 2 Performance comparison.

Capacitance(pf)Electricityvoltage consumption
Drive(V)Ink drop velocity (m/s)

2. 3(mW)

KM1024

Drive frequency (kHz)KM512

Fig. 6 Comparison of drive frequency performance.

Electricity consumption: W (1/2) CV 2 × fr
C : Capacitance V : Drive voltage fr : Drive frequency

Fig. 6 は KM512 ヘッドと KM1024 ヘッドの周波数特性を示す。横軸に駆動周波数，縦軸にインク射出速度を表しており，速度変動が高周波側にシフトしているほど，Table 2 は中液滴量ヘッドである KM512MH のヘッドより高速な駆動が出来る事を表している。KM1024ヘッと KM1024MNB のヘッドの 1 ノズルあたりの駆動部のドは同等のインク液量の射出に対して，CT 構造のヘッド静電容量とヘッドの駆動電圧を比較する表である。に比べ，より高周波で射出が可能な事が分かる。

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3Table 3 KM1024MHB/MNB Specifications.

KM1024 ヘッドの紹介
Fig. 7 は KM1024 ヘッドの外観である。

Printhead nameFig. 8，Fig. 9 にはヘッド内部のインク流路の模式図をTechnology

Piezoelectric drop on demand (shared wall 3 cycle)

Resolution

180 dpi × 2 lines = 360 dpi示す。

Number of nozzles

KM1024MNB

KM1024MHB

512 nozzles × 2 lines = 1024 nozzles

Nozzle pitch

70.5μm (141μm 2 lines)

Drop size

14pl

Max. frequency

12.8kHz

Printing width

72mm

Dimensions

W131 × D18 × H89

Weight140g

Grey scale

8 levelsInternal heater

Available

Table 3 に KM1024 ヘッドの仕様を示す。

Fig. 7 KM1024 head appearance.

ヘッドの厚さは 18mm とスリムに抑え，ヘッドの千鳥配置が可能な様に筺体の設計を行っている。KM 1024
ヘッドのノズル数は 1024 ノズル，360dpi の解像度であCross section
Ink

Manifoldり，印字幅は 72 mm。駆動周波数は，液滴サイズによりPresser cavity上限としている。液滴サイズは，代表して 14pl，を示しNozzle応する為に，512 ノズル独立チャネルタイプの高速駆動

Ink drop
Fig. 8 KM1024 head cross section.

Ink port

Longitudinal cross section
Filter

異なるが，代表した 14pl のサイズでは 12.8kHz を射出たが，30 pl，6 pl の液滴サイズや，多様なインク種へ対ヘッドも順次リリース予定である。

4

Ink port
Manifold

まとめ計算により，圧電タイプシアモードヘッドの CT 構造と HA 構造を比較し，HA 構造の有効性を確認した。HA構造のヘッドは，静電容量が約半分で，駆動電圧も従来の CT 構造のヘッドより低下していることが確認され，Presser cavity
NozzleInk drop
Fig. 9 KM1024 head longitudinal cross section.

KM1024 ヘッドはインクポートを 2 つ持っており，プリンター装着時にインクの引き回しの都合に合わせてどちらからでも供給可能である。共通インク室は非常にシンプルな構造を取り，圧力室の上方にあることにより，消費電力低下を達成出来た。駆動時のヘッドの温度上昇はわずかであることが確認された。この HA 構造のヘッドを開発した事により，今後さらなる多チャンネル高速駆動用のヘッドを開発出来る可能性が広がったと考えられる。

●参考文献1）竹内良夫，Konica Tech. Rep., 15, 31（2002）2）竹内良夫，竹内寛，小松克明，西真一Konica Minolta Tech. Rep., 2, 89（2005）

良好なインクの導入と泡抜け性を確保している。使用しないインクポートはインクの循環や泡抜きなどの用途にも使用可能である。

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