JP3021820B2 - 液滴噴射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液滴噴射装置に係り、
特に圧電トランスデューサとして圧電厚みすべり効果に
より変形する圧電素子を用いたプリンタヘッド（液滴噴
射装置）の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プリンタヘッドに圧電式インクジ
ェットを利用したタイプのものが提案されている。この
タイプのプリンタヘッドは、圧電アクチュエータの寸法
変位に基づきインク流路の容積を変化させることによ
り、その容積減少時にインク流路内のインクをオリフィ
スから噴射し、逆に容積増大時に他方の弁からインク流
路内にインクを導入するようにしたものであり、ドロッ
プオンデマンド方式と呼ばれる。かかる噴射装置を多数
互いに近接配置し、所定位置の噴射装置からインクを噴
射させることにより、所望する文字や画像を形成するよ
うにしている。

【０００３】この種の液滴噴射装置としては、本出願人
が先に提案した特願平３−５４６６９号（特開平４−２
９０７５０号）がある。この液滴噴射装置のアレイの例
の断面図を図６に示す。図６に示すように、１個のイン
ク流路４は変形可能な６個の側壁５に囲まれ、この側壁
５はインク流路４方向（図中紙面に垂直方向）に分極さ
れ、かつ、厚み方向に電極６を介して駆動電界が印加さ
れる。分極方向と駆動電界方向とが直交しているので、
前記６個の側壁５は圧電厚みすべりモードの変形により
前記インク流路４内側に変形し、インク流路４内のイン
ク圧を増加させてオリフィス（図示せず）から液滴を噴
射する。

【０００４】この液滴噴射装置は、前述の如く圧電素子
に複数の貫通孔を設け貫通方向に分極し、その貫通孔表
面に駆動用電極を設けることにより、ヘッドのマルチ
化、高解像度化、小形化、単純構造化を図り、製造コス
トの低減を実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の液滴噴射装置（特願平３−５４６６９号（特開平４
−２９０７５０号））は、圧電セラミックスからなるイ
ンク流路の側壁の形状に応じて必要駆動電圧が大きく変
化するという問題点がある。例えば、前記図６に示した
従来例の場合、６個の側壁５が駆動時に共通のインク流
路４内側に変形する際に、隣合う側壁５同志の接点（イ
ンク流路４の正六角形断面の頂点部分）が殆ど当該イン
ク流路４内側に変形せず、固定端となるため側壁５を厚
みすべり変形させるには高い駆動電圧が必要となってし
まう。

【０００６】かかる問題点を解決する手段として固定端
間距離を長くすること、即ち、流路方向に対して垂直方
向に側壁を長くすることが有効であるが、このようにす
るとオリフィス間距離が増大し、印字の解像度が低下し
たり、側壁の強度が下がり装置の信頼性が低くなるとい
う問題点が発生する。

【０００７】そこで本発明は上記問題点を解決するため
になされたものであり、強度および信頼性が高く、か
つ、低電圧で駆動可能な高解像度で製造コストの低い液
滴噴射装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、圧電トランスデューサの分極方向と平行に
複数のインク流路を配列形成し、個々のインク流路にお
ける分極方向と垂直に駆動電界を印加することにより前
記前記圧電トランスデューサを変形してインク流路の容
積を変化せしめ、前記インク流路中に滞留されたインク
を噴射するようにした液滴噴射装置であって、隣接した
インク流路間の圧電トランスデューサがなす側壁の内、
前記複数のインク流路の配列方向において対向する側壁
が互いに鋭角に交わるように前記複数のインク流路の配
列方向に対して傾斜するように構成した。

【０００９】

【作用】本発明によれば、例えば、図２（Ｂ）に示すよ
うに、インク流路の断面を二等辺三角形に形成すると、
対向する側壁の延長線が交わる。このようにすると、Ｌ
／Ｗが３以上にできるので、駆動電圧を低く抑えること
ができる。また、インク流路配列１５に対する側壁の角
度を例えば７２度にしているので、「くの字」に変形さ
せるに必要な側壁の幅Ｗを確保し、かつ、インク流路配
列方向（電界印加方向）１５の外形寸法を低く抑えるこ
とができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。なお、図６で説明した部分と同一部分および均等
部分には同一符号を付し、重複記載を省略する。

【００１１】図１（Ａ）に圧電式液滴噴射装置に用いる
アレイ１の断面図を示し、図１（Ｂ）にアレイ１の縦断
面図（図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ縦断面図）を示す。図
１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、アレイ１は、上部圧電
セラミックス板２と下部圧電セラミックス板３とを接合
してなる。

【００１２】上部圧電セラミックス板２は、矢印２６方
向に分極処理を施し（分極方向）、かつ、高さ０．７５
ｍｍ、底辺０．５ｍｍの二等辺三角形断面の貫通孔を中
心間距離０．５ｍｍで１個おきに上下を逆にして横方向
１５に１１個配置し、縦方向に２列に配置した厚さ１．
５ｍｍの板である。

【００１３】下部圧電セラミックス板３は、矢印２８方
向に分極処理を施し、かつ、前記上部圧電セラミックス
板２と同様に高さ０．７５ｍｍ、底辺０．５ｍｍの二等
辺三角形断面の貫通孔を中心間距離０．５ｍｍで１個お
きに上下を逆にして横方向１５に１１個配置し、縦方向
に２列に配置した厚さ１．５ｍｍの板である。

【００１４】ここに前記貫通孔により形成されるインク
流路４の流路長さは３．０ｍｍ、流路をインク流路配列
方向（前記横方向）１５に分ける両圧電セラミックス板
２、３の側壁５、７は、インク流路配列方向１５に対し
て約７２度の角度を有し、幅が約０．２４ｍｍ、長さが
約０．８ｍｍであり、前記インク流路配列方向１５と平
行方向に伸びる側壁９、１１は幅が０．２５ｍｍ、長さ
が０．５ｍｍである。

【００１５】全てのインク流路４の内壁表面には電極６
を形成し、更に電極６の表面はインクとの絶縁のための
絶縁処理を施してある。また、上部圧電セラミックス板
２の上部表面には各インク流路４に対応するオリフィス
１０を有するオリフィスプレート８、下部圧電セラミッ
クス板３の下部表面には、各インク流路４に対応する図
示しないインク供給装置に連結するインク供給路１３を
有する底プレート１２が接合されている。

【００１６】噴射装置３４は、液滴を噴射するオリフィ
ス１０と、インク流路４と、インク供給路１３と、流路
内容積を変化させインクに圧力を与えるための圧電セラ
ミックス板２、３からなり、アレイ１は２２個の噴射装
置３４を有する圧電式液滴噴射装置を構成している。

【００１７】次に図２（Ａ）、（Ｂ）に基づいて前記ア
レイ１の製造方法を説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）に示
すように、先ず強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）系のセラミック材料により、前記インク流路
４を形成する貫通孔を有する圧電セラミックス板２、３
の成形体を射出成形により作成する。前記射出成形後、
脱脂工程・焼結工程・板の厚み方向への分極処理・無電
解銅（またはニッケル）めっき処理による電極形成・電
極の絶縁処理を行う。次いで、点線Ｐに沿った切断工程
と、圧電セラミックス板上下表面に付着した余分な電極
を除き、かつ、平面度を良好にするための上下端面加工
を経て圧電セラミックス板２、３を得る。かかる場合に
成形法としては押出し成形法、或いは予め焼結した圧電
セラミックス板に機械加工により孔を穿設してもよい。
また、電極形成法として銅またはニッケルのスパッタ法
（孔の内部表面に電極形成のために前記孔の軸と金属原
子の平行ビームとを傾斜させるとよい）を用いても同様
な圧電セラミックス板２、３が得られる。

【００１８】このようにして得た上部圧電セラミックス
板２と下部圧電セラミックス板３と、各インク流路に対
応するオリフィス１０を形成したオリフィスプレート８
と、各インク流路４に対応するインク供給路１３を形成
し且つ流路内の電極と駆動用ＬＳＩチップ１６とを電気
的に連結するための配線を下部表面に施した底プレート
１２とを、圧電セラミックス板２、３の分極が低下しな
いように当該圧電セラミックス板２、３のキュリー温度
より十分低い温度で接合する。この接合後、駆動用ＬＳ
Ｉチップ１６を装着してアレイ１が得られる。

【００１９】前述のようにして得られたアレイ１に、図
３（Ｂ）に示すような電気回路を設ける。この電気回路
において前記切断工程により得られた表面の電極６ｅ
（図３（Ａ））は全て接地されている。電極６ａ〜６ｄ
がそれぞれ別々に駆動用ＬＳＩチップ１６に接続され、
クロックライン１８、データライン２０、電圧ライン２
２およびアースライン２４も駆動用ＬＳＩチップ１６に
接続されている。

【００２０】インク流路４は前記図１（Ａ）に示したよ
うに互いに隣合わないＡ、Ｂのグループに分けられ、ク
ロックライン１８から供給された連続するクロックパル
スがこのＡ、Ｂのグループを順次駆動する。データライ
ン２０上に現れる多ビット・ワード形式のデータが各グ
ループの内、どのインク流路４を作動すべきかを決定
し、駆動用ＬＳＩチップ１６の回路により選択されたグ
ループのインク流路４の電極６に電圧ライン２２の電圧
Ｖを印加する。このとき作動されていない同一グループ
のインク流路４の電極６と、他のグループに属する全て
のインク流路４の電極６は接地される。これにより選択
されたインク流路４と隣合うインク流路４の各々に電極
間に両圧電セラミックス板２、３の分極方向と垂直な方
向に電界が印加され、電界の印加された両圧電セラミッ
クス板２、３の流路壁が圧電厚みすべり効果に基づく変
形をなし、前記選択されたインク流路４の容積を変化さ
せる。従って各グループにおいて全てのインク流路４が
作動可能になる。

【００２１】次に、図３（Ａ）、（Ｂ）に基づき所定の
印字データにより噴射装置３４ｂが選択された場合の噴
射装置の動作を説明する。図３（Ａ）はアレイ１の断面
図でありインク流路４の断面を示し、図３（Ｂ）は図３
（Ａ）におけるＸ₁−Ｘ₁線に沿う縦断面図である。

【００２２】図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、インク
流路４ｂ内の電極６ｂに電圧ライン２２の電圧Ｖが印加
され、他の電極６ａ、６ｃを始めとするインク流路４ｂ
と隣合うインク流路４の電極６は全て接地され、側壁５
ｂ、７ｂ、５ｃ、７ｃを始めとするインク流路４ｂを囲
む側壁５、７、９、１１に矢印３２方向に駆動電界が印
加される。駆動電界と分極方向とが直交しているため圧
電厚み効果の変形により側壁５ｂ、７ｂ、５ｃ、７ｃを
始めとするインク流路４ｂを囲む側壁５、７、９、１１
が「くの字」にインク流路４ｂの内側に向かって変形す
る。この変形によりインク流路４ｂの容積が減少し、イ
ンク３０がオリフィス１０ｂから噴射される。また、電
圧の印加が遮断され側壁５ｂ、７ｂ、５ｃ、７ｃを始め
とするインク流路４ｂを囲む側壁５、７、９、１１が元
の位置まで戻されると、その際のインク流路４ｂの容積
増加に伴いインク供給路１３ｂを経て図示しないインク
供給装置からインクが補充される。なお、例えば他の噴
射装置３４ｃが選択された場合は、側壁５ｃ、７ｃ、５
ｄ、７ｄを始めとするインク流路４ｃを囲む側壁５、
７、９、１１が「くの字」にインク流路４ｃ内側に向か
って変形し、インク流路４ｃ内のインクが噴射される。

【００２３】ここで、図４（Ａ）、（Ｂ）に基づいて厚
みすべりモードによる変形について説明する。図４
（Ａ）は基盤４１に固定した壁４０の斜視図であり、こ
の壁４０の分極方向２８における寸法を高さＨ、一対の
電極４２により印加される駆動電界方向における寸法を
厚さＷ、分極方向２８と駆動電界方向の双方に垂直な方
向の寸法を長さＬとした場合に、駆動電界方向が図中右
向きであるときに点線Ｔで示すように、壁４０は図中左
向きに剪断変形する。この剪断変形により前述の如くイ
ンク流路４の容積を変化させる場合、その容積変化量は
厚さＷと駆動電圧を一定としたとき、長さＬに比例し、
高さＨの２乗に比例するので容積変化量を増加するには
高さＨをより高くした方が有利である。

【００２４】また、図４（Ｂ）は前記壁４０を長さＬ方
向の両端部４４において横基盤４３に固定した場合の平
面図であり、実際に液滴噴射装置のアレイ１に応用する
場合には図示の構成となる。この場合の変形は点線Ｔ1
により示すように、両端部４４を固定端として壁４０が
変形方向に反った形状となり、前記図４（Ａ）で示した
長さＬ方向の両端部がフリーの場合に比較し、壁４０に
働く応力の分だけ余分なエネルギ（駆動電圧）を必要と
する。この余分に必要な駆動電圧はＬ／Ｗ比が大きいほ
ど少なくなる。計算によれば長さ方向の両端部４４を固
定した場合に或る容積変化を得るために、両端部フリー
の場合に比較しＬ／Ｗ＝１のとき数１００倍になり、Ｌ
／Ｗ＝２のとき数１０倍にもなるが、Ｌ／Ｗが３以上に
なると数倍〜１０倍程度になることが確認された。

【００２５】そのため少なくともＬ／Ｗの比は３以上は
必要である。但し、単純にＬ／Ｗの比を大きくするため
に、圧電セラミックス２、３にＬ方向に非常に細長い側
壁５、７、９、１１（図３参照）を設け、更にＨ方向に
も側壁を延ばすと、射出成形法による成形時、機械加工
による穴開け加工時、あるいは駆動時の強度・信頼性が
著しく低下したり、オリフィス１０のピッチおよびイン
ク流路配列方向１５に垂直方向におけるアレイ１の外形
寸法が増大する。そこで、図１（Ａ）に示すように、イ
ンク流路配列方向１５に垂直な側壁を設けない構造とす
ることにより前述の問題点を回避できる。

【００２６】即ち、図１（Ａ）に示すように、側壁５、
７を分極方向２６、２８と、この分極方向２６、２８に
垂直で且つインク流路配列方向１５に約７２度の方向に
伸びるように構成し、側壁９、１１を分極方向２６、２
８と、この分極方向２６、２８に垂直で且つインク流路
配列方向１５に伸びるように構成した。このように構成
すると強固な構造となり、射出成形法における成形時、
機械加工における穴開け加工時、駆動時における強度、
信頼性の低下を抑えることができ、そのため側壁５、７
の高さＨを十分得られるので、無理に側壁５、７、９、
１１の長さＬを大きくしなくても駆動電圧を下げること
ができる。また、側壁５、７をインク流路配列方向１５
に約７２度の方向に伸ばしたので、同一寸法の側壁をイ
ンク流路配列方向に垂直に伸ばした場合に比較し、イン
ク流路配列方向１５のオリフィス１０のピッチは、イン
ク流路配列方向１５に垂直にしたアレイ１の外形寸法を
約９４％に抑えることができる。

【００２７】以上説明したように、本実施例の圧電式液
滴噴射装置においては、２２個の噴射装置３４を駆動す
るための圧電トランスデューサが２枚の圧電セラミック
ス板２、３からなり、アレイ１の構造が簡略化されてい
るので、アレイ１、更にアレイ１を多数組み付けること
により圧電式液滴噴射装置の製造工程が少なくなり、製
造コストも低減される。また、圧電セラミックス２、３
に、側壁５、７がインク流路配列１５の直交しないよう
に構成した貫通孔からなるインク流路４を多数密集させ
ることにより、噴射装置３４の数の増加、アレイ１の小
形化、印字の解像度の向上、駆動電圧の低減を図ること
ができる。

【００２８】例えば、本実施例のアレイ１は２２個の噴
射装置３４を有するマルチヘッドを構成するが、横６ｍ
ｍ、縦２．７５ｍｍ、厚さ３ｍｍ程度の小形化を実現で
きた。また、本実施例のアレイ１は１個のインク流路４
を囲む側壁５、７、９、１１が合計６個あり、各々の側
壁５、７の寸法はＨが１．５ｍｍ、Ｗが約０．２４ｍ
ｍ、Ｌが約０．８ｍｍであり、インク流路配列方向１５
と平行に伸びる側壁９、１１は、Ｈが１．５ｍｍ、Ｗが
０．２５ｍｍ、Ｌが０．５ｍｍであるように、Ｈが最大
で、Ｌ／Ｗ≧３である条件を選択したので、約９０ｐｌ
のインク液滴を噴射するための駆動電圧は３５Ｖであ
り、従来約１２０〜１７０Ｖの駆動電圧が必要とされて
いたものを大幅な低電圧駆動化を実現した。

【００２９】なお、本実施例ではインク流路の断面形状
を二等辺三角形としたが、台形状でもよい。また、図５
（Ａ）に示すように、コーナーに丸みをつけてもよく、
このようにすれば、射出成形および機械加工による流路
形成が容易になり、また駆動時の応力集中が減少し信頼
性の向上に寄与する。

【００３０】また、インク流路を形成する貫通孔は内径
を一定にする必要はない。即ち、図５（Ａ）におけるＸ
₂−Ｘ₂線に沿う断面図を示した図５（Ｂ）のように、貫
通孔の内径の細い部分をオリフィス１０およびインク供
給路１３とし、太い部分をインク流路とすれば、更に簡
単な構成にすることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、イ
ンク流路の対向する側壁の延長線が互いに交わるように
しているので、「くの字」変形に必要な側壁の幅を確保
でき、Ｌ／Ｗの比率を３以上にとることにより、駆動電
圧を下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の実施例に使用するアレイの断
面図、（Ｂ）は前記アレイのＸ−Ｘ線に沿う断面図であ
る。

【図２】（Ａ）は前記アレイに使用する圧電セラミック
ス板の正面図、（Ｂ）は前記アレイの分解斜視図であ
る。

【図３】（Ａ）は前記アレイの駆動状態の断面図、
（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ₁−Ｘ₁線に沿う断面の駆動状
態を示す図である。

【図４】（Ａ）は圧電厚みすべりモードによる壁の変形
を示す斜視図、（Ｂ）は圧電厚みすべりモードによる両
端固定の壁の変形を示す平面図である。

【図５】（Ａ）は変形例のアレイの断面図、（Ｂ）は前
記アレイのＸ₂−Ｘ₂線に沿う断面図である。

【図６】従来の液滴噴射装置を構成するアレイの断面図
である。

【符号の説明】 １…アレイ ２…上部圧電セラミックス（圧電トランスデューサ） ３…下部圧電セラミックス（圧電トランスデューサ） ４…インク流路 ５、７…側壁 ６…電極 １０…オリフィス １３…インク供給路１５…インク流路配列方向 ２６、２８…分極方向 ３４…噴射装置 Ｈ…インク流路の深さをなす分極方向長さ Ｗ…インク流路の横断面形状における幅方向をなす駆動
電界方向の長さ Ｌ…インク流路の横断面形状における長手方向をなす長
さ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電トランスデューサの分極方向と平行
   に複数のインク流路を配列形成し、個々のインク流路に
   おける分極方向と垂直に駆動電界を印加することにより
   前記前記圧電トランスデューサを変形してインク流路の
   容積を変化せしめ、前記インク流路中に滞留されたイン
   クを噴射するようにした液滴噴射装置であって、 隣接したインク流路間の圧電トランスデューサがなす側
   壁の内、前記複数のインク流路の配列方向において対向
   する側壁が互いに鋭角で交わるように前記複数のインク
   流路の配列方向に対して傾斜するように構成したことを
   特徴とする液滴噴射装置。