シェアモ−ドピエゾヘッドの駆動効率の向上
Improvement of Drive Energy Efficiency in a Shear Mode Piezo Inkjet Head

竹 内 良 夫＊

竹 内寛＊

小 松 克 明＊

西Takeuchi, Yoshio

Takeuchi, Hiroshi

Komatsu, Katsuaki

Nishi, Shinichi

要旨

眞 一＊

面解析が可能な有限差分法シミュレーションソフトを使

近年インクジェットプリンタの高速・高画質化が著し用した。

いが、より一層の高速化にはエネルギー効率のよい多シミュレーションによりアクチュエータに加える電気チャネルヘッドの開発が必要となる。コンピュータシ

エネルギーとチャネル内のインクに与えられる弾性エネ

ミュレーションを用いてシェアモードピエゾヘッドの動ルギー、液滴の運動エネルギーを求め、各種要因（アク作と液滴形成過程の解析を行った。その結果を用いてアチュエータとチャネル形状、ノズル形状、圧電材料、接クチュエータとインクチャネル、ノズル形状の最適化設

着剤層、インク特性、駆動電圧波形）と駆動効率の関係計を行い、漏斗型ノズルを採用した試作ヘッドを作成しを解析した。ここでは主にヘッド形状と駆動効率の関係駆動効率の向上を確認した。

について述べる。

Abstract
The recent acceleration in high print quality and high-２ ヘッド構造と駆動エネルギー

speed inkjet printers commands the development of anenergy efficient multi-channel print head to accommodate
these ever-advancing printers. In response, we havecomputationally simulated a shear mode inkjet head in order to analyze its fluid flow dynamics and jet forming process. As a result, we have been able to optimize the shapeof the actuator, channel, and nozzle of the inkjet head. In
particular, a funnel type nozzle has proven to provide goodenergy efficiency in a prototype print head based on theresults of our simulation and analysis.

Fig.1 Structure of shear mode piezo inkjet head

Fig.１はシェアモードピエゾインクジェットヘッドの構成図である。圧電材料であるPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）基板に機械的に溝を形成することにより、チャネル1 はじめにとチャネル壁であるアクチュエータが形成される。そのインクジェットプリンタの高速化にはヘッドの噴射特性向上は勿論、チャネル数を増やす必要がある。チャネ

上面にカバープレート、前面にノズルプレートを接着し、チャネル内にインクが充填される。

ル数の増加には加工を含めた構造上の課題以外に、液滴噴射時のヘッド温度上昇による画質や安定性の低下を抑制するため、駆動効率を向上させ液滴噴射に要するエネルギーを少なくすることが重要となる。
この課題を解決するため、シェアモードピエゾヘッドの動作をコンピュータシミュレーションにより解析した。シェアモードピエゾヘッドは圧電材料の分極方向と直交する方向に電界を加えて発生するせん断（シェア）応力により駆動するヘッドである。圧電材料で構成されるアクチュエータの特性は構造と電界の連成が可能な有限要素法シミュレーションソフトで解析し、ヘッド内のインクの運動とノズルからの液滴噴射プロセスは自由液＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱

ＩＪＴ開発センター

Fig.2 PZT actuator (cross section)

Fig.２にアクチュエータのチャネル流路方向と直角に切断した断面図を示す。PZTの分極方向に直交する方向に

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電界を加えることにより屈曲変形を与え、チャネル内イ周波数を高くすると総発熱量（駆動回路での発熱を含ンクを加圧する。チャネル内に発生した圧力がノズル、む）は急激に増加する。

インク供給室との各々の境界で反射し、共振することに

Wa=
（1/2）
×C×V2×A×fd×N

よりノズルに加わる圧力が時間変化し、インク液滴が噴

Wa：総発熱量

Ｃ：アクチュエータ静電容量射される。

Ｖ：駆動電圧fd：駆動周波数

Ａ：波形係数

Ｎ：チャネル数

この発熱量の内、アクチュエータを形成する圧電素子の誘電損失や電極の抵抗による発熱がチャネル内インクに伝わり温度上昇を引き起こす。アクチュエータとインクが近接しているため短時間の駆動でインク温度が上昇し、インク特性値の変化により液滴速度や液滴量の変動が生じ画質の低下を招く。更に温度上昇が著しい場合は安定な噴射が出来なくなる恐れがある。

３ ヘッド形状と駆動効率
Fig.3 Droplet ejection process

３．１

アクチュエータとインクチャネル液滴噴射プロセスをシミュレーションした結果をFig.３

電圧を加えた時のアクチュエータ変位量の計算例をFig.５に示す。電圧低減のためFig.３上の駆動波形を用いる。電左に示す。アクチュエータのコンプライアンス（変位/圧が変化するときにチャネル内に圧力が発生し、その後力）は内圧上昇による押し戻し変位量として計算する

共振周波数で減衰振動する（Fig.３中）。最初の電圧立ち（Fig.５右）。１個のアクチュエータのコンプライアンス上がりはチャネル容積が大きくなる方向に加えるので負とチャネル内インクのコンプライアンスの比をコンプラ圧が発生する。発生した負圧が半周期後正圧のピークにイアンス比（kcr）という。コンプライアンス比はチャネ達したとき、正圧が加算されるタイミングでチャネル容

ル内圧力上昇時のアクチュエータの変形容積とインクの積が減少する方向、つまり最初の立ち上がりと反対の極体積変化量の比を表す。

性に電圧を加える波形を用いる。このときのチャネル内圧力の時間変化とノズルからの液滴形成プロセスのシミュレーション結果をFig.３下に示す１）。

Fig.5 Actuator deformation analysis
Fig.4 Resonance frequency vs. droplet ejection

電圧印加によるチャネル内発生圧力Ｐは以下の式で計算できる。ここでλはチャネル駆動パターンにより決ま

高速・高画質化のためにはチャネル内での圧力共振周波数を上げる必要がある。その理由は次式のように液滴２）量が共振周波数に反比例するためである 。
Vd=πr2×ｖ/（２×ｆ）

る定数である。アクチュエータがチャネル内圧上昇により押し戻されるため発生圧力は減少する。
Ｐ＝２×（Δx/Ｗ）
×Ｂ×Ｖ/（１+λ×kcr）
Δx：単位電圧印加によるアクチュエータ平均変位

Vd：液滴体積ｒ：ノズル半径Ｖ：駆動電圧ｖ：液滴速度ｆ：共振周波数

Ｗ：チャネル幅

ノズルに加わる圧力の共振周波数と一定速度の液滴のＢ：インクの体積弾性率

噴射に必要な圧力の値との関係の計算結果をFig.４に示

コンプライアンス比の値によりチャネル内を伝播する

す。周波数が高くなると急激に必要噴射圧力が高くな圧力波の速度も変化する。これはチャネル内圧によるイる、つまり駆動電圧が上昇する。

ンクの体積変化がアクチュエータの変形により実効的にまた高速・高画質化のためにチャネル数の増加や駆動90大きくなる、つまりインクの体積弾性率が見かけ上小さ

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.2（2005）

くなるためである。このため形状変更が共振周波数にもル幅が広くなると電圧感度が低下する。Fig.７にチャネル影響を与えるので注意が必要である。

深さをパラメータとしたチャネル幅と弾性エネルギーの関係を示す。チャネルが浅くなると電圧感度が高くても圧力波の伝播速度
1/2
C0＝（Ｂ/ρ）1/2/（１+λ×kcr）

チャネル断面積が小さくなるので弾性エネルギーは低下する。

ρ： インクの密度

ヘッド特性の目標仕様に対し、入力電気エネルギーから圧力波の共振周波数
ｆ＝C（１+α）
0/４Ｌ

インク弾性エネルギーへの変換効率が良くなるようにアクα：形状補正係数

チュエータとチャネルの形状を設計する必要があるが、アＬ：チャネル長さ

クチュエータの静電容量が形状により変化することに注意

発生圧力はアクチュエータの変位量に比例するので単する必要がある。静電容量はチャネル長や深さに比例し、位印加電圧当りの変位量を大きくする必要がある。変位アクチュエータの厚みに反比例する。また、圧電材料の特量とインクに与える弾性エネルギーの関係は次式で与え性（圧電定数、比誘電率、弾性定数）、インクの特性（体られる。

積弾性率）や接着剤層により最適断面形状が変化する１）。

Ｅ＝（1/2）×Ｂ×（ｘ/Ｗ）2×Ｌ×Ｈ×Ｗ

チャネルの共振周波数は断面形状の影響も受けるが、チャ

Ｅ：インクに与えられる弾性エネルギーネル長に略反比例して変化する。チャネル長さに対し、共ｘ：アクチュエータの平均変位量

振周波数がどのように変化するかをFig.８に示す。

Ｌ：チャネル長さ

Ｗ：チャネル幅

Ｈ：チャネル深さまたチャネル内発生圧力Ｐとエネルギーの関係は次の式で表される。
Ｅ＝（1/2）×Ｐ2×Ｌ×Ｈ×Ｗ/Ｂ

Fig.8 Channel length vs. resonance frequency

３．２ ノズル
ノズル径を小さくすれば液滴量も少なくなるが、ノズル内での粘性抵抗が非常に大きくなりエネルギー損失が大きくなる。Fig.９にインク粘度をパラメータにしたノズ
Fig.6 Voltage sensitivity vs. channel width

ル径と液滴速度の関係を示す。インク粘度が高い場合、ノズル径が小さくなると速度低下が著しい。粘度の効果

チャネル間ピッチ（チャネル幅+アクチュエータ厚み）一定でチャネル幅を変えたとき電圧感度とコンプライアがチャネルとノズルの断面積比による流速向上の効果より大きいためである。

ンス比がどのように変化するかを計算した例をFig.６に示す。チャネルが浅い場合、チャネル幅が大きくなってもコンプライアンス比（破線）があまり大きくならないた
め電圧感度（実線）は低下しない。チャネルが深くなるとコンプライアンス比が急激に大きくなり、特にチャネFig.9 Nozzle diameter vs. droplet velocity

特に高粘度インクの場合ノズルの抵抗を減少させると液滴速度の増加が大きい。Fig.10にノズルのテーパ角度を変えた場合の液滴速度の変化を示す。ノズル径が小さい
Fig.7 Ink elastic energy vs. channel width

ときにテーパ角度の影響が大きい。ノズル抵抗を減少さ

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め３チャネル毎に噴射させ、３サイクルで全チャネルの駆動が完了する所謂３サクル方式を用いた。またインクは比較的高粘度である油性インクを使用した。このヘッドにおける液滴一滴噴射に必要な駆動エネルギーは0.45µJであった。
Table 1 Specifications of prototype head

Fig.10 Taper angle vs. droplet velocity

せるにはノズル長さを短くすることも効果があるが、ノズル板の強度が低下し、コンプライアンス増加によるチャネル内圧力の低下や飛翔方向の不安定性が増える。

５

考察

また、テーパ角度も飛翔方向精度の点で大きくすること

シェアモードピエゾヘッドの駆動エネルギーはアクが出来ない。その他ノズルの抵抗は液滴噴射後のインクチュエータを駆動する電気エネルギーとして与えられ、補給特性や圧力波の減衰にも大きな影響を与えるので設駆動回路で大部分のエネルギーが消費され、残りの一部

１）計時に注意が必要である 。

がアクチュエータの変位によりチャネル内インクに弾性エネルギーとして変換される。この弾性エネルギーは圧力波となってチャネル内を伝播し、定在波を形成する。
そして、ノズル内インクを加圧し液滴を形成し噴射させる。
インク液滴を形成するに必要なエネルギーは液滴表面を形成するに必要なエネルギーと液滴の運動ネルギーであるが、その他にノズル内でのインクの運動によりかなりの割合を消費する。また、液滴噴射後もインクの残留

Fig.11 SEM photograph of nozzle cross section

振動が収まるまでエネルギーは消費される。

エネルギー損失を小さくし且つ飛翔方向を安定化する

試作ヘッドの駆動エネルギーを概算すると、電気入力ためにはFig.11左に示す漏斗型ノズル形状が良い特性を示

エネルギー0.45µJに対し、チャネル内インクの弾性エネルす。Fig.12はテーパ型ノズルと漏斗型ノズルでノズル径をギーは６nJと２桁近く小さく、液滴表面形成エネルギー変えたときの液滴速度を計算した例である。従来の角度は0.08nJ、液滴運動エネルギーは0.22nJ程度である。の小さなテーパ型ノズルに比べて大幅な液滴速度の増加

コンピュータシミュレーション解析を用いアクチュエータとチャネル、ノズル形状の最適化を行った結果、が期待できる。

従来に比べ駆動効率を2倍以上向上させることができた。

６まとめ

シェアモードピエゾヘッドの高効率駆動化を、シミュレーションにより検討した結果、チャネル形状やノズル形状の最適化を行い駆動効率の良いヘッドを試作することが出来た。今後、配線部等の静電容量を減少させることにより更に効率を数倍高くすることが可能である。
Fig.12 Nozzle shape vs. droplet velocity

シェアモードピエゾヘッドはマルチチャネル化が比較的容易であり、また高効率駆動が可能なことより３）、将来の高速・高画質プリンタ用のヘッドとして有望である。

４ 試作ヘッドの特性検討結果を用いてアクチュエータやチャネルの形状を、高駆動効率を目標にしてシミュレーション設計し、ノズル形状を従来のテーパ型から漏斗型に変更したヘッドを作成した。試作ヘッドの仕様をTable １に示す。ヘッ●参考文献
１）竹内良夫、Konica Tech.Rep.,Vol 15, 31（2002）２）岩石晃、宮木明彦、川村匠、加藤雅之、三上知久、Japan Hardcopy 2000 論文集（2000）
３）Alfred Zollner, Peter Moestl、 SPIE 2949, 434（1997）

ドの駆動は、アクチュエータが隣接チャネルと共用のた

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