JP3424690B2 - 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、液滴噴射装置に関する
ものである。 【０００２】 【従来の技術】従来、圧電セラミックス素子を用いた液
滴噴射装置では、例えば、ドロップオンデマンド方式の
液滴噴射装置が提案されている。これは、インク流路内
の容積を変化させ、その容積減少時にインク流路内のイ
ンクをノズルから噴射し、その容積増大時にインク供給
口よりインク流路内にインクを導入するようにしたもの
である。そして、印字データに従って所定の位置の噴射
装置からインクを噴射させることにより、所望する文字
や画像を形成するのである。 【０００３】このような液滴噴射装置としては、例えば
特開昭６３−２４７０５１号公報、特開昭６３−２５２
７５０号公報および特開平２−１５０３５５号公報に記
載されているものがある。以下、その液滴噴射装置の概
略構成を説明する。 【０００４】図３に示すように、インクジェットプリン
タヘッド１は、圧電セラミックスプレート２とカバープ
レート３とノズルプレート３１と基板４１とから構成さ
れている。 【０００５】その圧電セラミックスプレート２には、薄
い円板状のダイヤモンドブレード等により切断された複
数の溝８が形成されている。また、その溝８の側面とな
る側壁１１は矢印５の方向に分極されている。それらの
溝８は同じ深さであり、かつ平行である。それら溝８の
深さは圧電セラミックスプレート２の一端面１５に近づ
くにつれて徐々に浅くなっており、一端面１５付近には
浅溝１６が形成されている。そして、溝８の内面には、
その両側面の上半分に金属電極１３がスパッタリング等
によって形成されている。また、浅溝１６の内面には、
その側面及び底面に金属電極９がスパッタリング等によ
って形成されている。これにより、溝８の両側面に形成
された金属電極１３は浅溝１６に形成された金属電極９
によって連結されている。 【０００６】次に、カバープレート３は、セラミックス
材料または樹脂材料等から形成されている。そして、カ
バープレート３には、研削または切削加工等によって、
インク導入口２１及びマニホールド２２が形成されてい
る。そして、圧電セラミックスプレート２の溝８加工側
の面とカバープレート３のマニホールド２２加工側の面
とがエポキシ系等の接着剤４（図６参照）によって接着
される。従って、インクジェットプリンタヘッド１に
は、溝８の上面が覆われて横方向に互いに間隔を有する
複数のインク流路１２（図６）が構成される。図６に示
すように、そのインク流路１２は長方形断面の細長い形
状であり、全てのインク流路１２内には、インクが充填
される。 【０００７】図３に示すように、圧電セラミックスプレ
ート２及びカバープレート３の端面に、各インク流路１
２の位置に対応した位置にノズル３２が設けられたノズ
ルプレート３１がエポキシ系等の接着剤３３（図４参
照）によって接着されている。このノズルプレート３１
は、ポリアルキレン（例えばエチレン）テレフタレー
ト、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケ
トン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネイト、酢酸
セルロース等のプラスチックによって形成されている。 【０００８】そして、圧電セラミックスプレート２の溝
８の加工側に対して反対側の面には、基板４１が、エポ
キシ系等の接着剤（図示せず）によって接着されてい
る。その基板４１には各インク流路１２の位置に対応し
た位置に導電層のパターン４２が形成されている。その
導電層のパターン４２と浅溝１６の底面の金属電極９と
は、周知のワイヤボンディング等によって導線４３で接
続されている。 【０００９】次に、制御部のブロック図を示す図５によ
って、制御部の構成を説明する。基板４１に形成された
導電層のパターン４２は各々個々にＬＳＩチップ５１に
接続されている。また、クロックライン５２、データラ
イン５３、電圧ライン５４及びアースライン５５もＬＳ
Ｉチップ５１に接続されている。ＬＳＩチップ５１は、
クロックライン５２から供給される連続したクロックパ
ルスに基づいて、データライン５３上に現れるデータに
応じて、どのノズル３２からインク滴の噴射を行うべき
かを判断する。そして、駆動するインク流路１２内の金
属電極１３に導通する導電層のパターン４２に、電圧ラ
イン５４の電圧Ｖを印加する。また、駆動するインク流
路１２以外の金属電極１３に導通する導電層のパターン
４２にはアースライン５５の電圧０Ｖを印加する。 【００１０】次に、図５，図６によって、インクジェッ
トプリンタヘッド１の動作を説明する。ＬＳＩチップ５
１が、所要のデータに従って、インクジェットプリンタ
ヘッド１のインク流路１２ｂからインクの噴出を行なう
と判断する。すると、金属電極１３ｅと１３ｆとに正の
駆動電圧Ｖが印加され、金属電極１３ｄと１３ｇとが接
地される。図６に示すように、側壁１１ｂには矢印１４
ｂの方向の駆動電界が発生し、側壁１１ｃには矢印１４
ｃの方向の駆動電界が発生する。すると、駆動電界方向
１４ｂ及び１４ｃは分極方向５とが直交しているため、
側壁１１ｂ及び１１ｃは、圧電厚みすべり効果により、
この場合、インク流路１２ｂの内部方向に急速に変形す
る。この変形によってインク流路１２ｂの容積が減少し
てインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生して、イン
ク流路１２ｂに連通するノズル３２（図３）からインク
滴が噴射される。 【００１１】また、駆動電圧Ｖの印加が停止されると、
側壁１１ｂ及び１１ｃが変形前の位置（図５参照）に徐
々に戻るためインク流路１２ｂ内のインク圧力が徐々に
低下する。すると、インク供給口２１（図６）からマニ
ホールド２２（図６）を通してインク流路１２ｂ内にイ
ンクが供給される。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の液滴噴射装置では、圧電厚みすべり効果による側壁
１１の変形によって、インク流路１２の容積を変化させ
てインク滴を噴射しているので、十分なインク流路１２
の体積変化を必要とする。このためには、図４における
ノズルプレート３１と、圧電セラミックスプレート２及
びカバープレート３とを接着する接着剤３３の弾性が問
題となる。つまり、接着剤３３の弾性が小さい、つまり
剛性が大きいと、側壁１１の端面とノズルプレート３１
とが固定されて、側壁１１の前記圧電厚みすべり効果に
よるインク流路１２の体積変化が十分に行われず、イン
ク滴の噴射に影響を及ぼし、所望するインク滴の噴射速
度が得られなかったり、インク滴が噴射しなかったりす
るといった問題があった。 【００１３】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、常時安定したインク滴の噴射が
行える液滴噴射装置を提供することを目的とする。 【００１４】 【００１５】 【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明では、端部が開放されたインク流路を複数の側
壁間に形成した流路部材と、前記流路部材の側壁の端部
に接着剤により接着され、前記インク流路と連通するよ
うにノズルが形成されたノズルプレートとを有し、前記
インク流路の側壁の変形により前記インク流路の容積を
変化させ、そのインク流路内に充填されたインクを前記
ノズルから１ｍ／ｓ以上の噴射速度で噴射する液滴噴射
装置において、前記ノズルプレートを前記流路部材の側
壁の端部に接着するための接着剤のヤング率を、その接
着剤の接着層の厚さで割った値が、１×１０^６ｋｇ／ｍ
ｍ^３以下であることを特徴とする。 【００１６】 【作用】上記の構成を有する本発明の液滴噴射装置にお
いて、前記ノズルプレートを接着する接着剤のヤング率
を接着層の厚さで割った値が、１×１０^６ｋｇ／ｍｍ^３
以下にすることより、側壁の変形によるインク流路の体
積変化を所定の変化量得て、１ｍ／ｓ以上の噴射速度で
噴射する。 【００１７】 【実施例】以下、図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。なお都合上、従来例と同一部位、及び均等部位には
同一符合をつけるとともに、その詳細な説明は省略す
る。 【００１８】圧電セラミックスプレート２の側壁１１の
上面とカバープレート３とを接着する接着剤４について
説明する。上述したように、接着剤４のヤング率が小さ
かったり、接着剤４の接着層が厚かったりして、接着剤
４の接着層の弾性が大きい、つまり剛性が小さいと、図
８に示すように、側壁１１が変形する方向と反対方向に
接着剤４が変形するので十分なインク流路１２の体積変
化が得らない。 【００１９】そこで、ヤング率（硬化後）の異なるエポ
キシ系の接着剤４を複数用いて、接着層の厚みを変化さ
せて、それぞれについてインクジェットプリンタヘッド
１のインク滴噴射実験を行った。尚、実験に用いた接着
剤４は、硬化後のヤング率が重要であり、他の性質は今
回の実験においては考慮しなくてもよい。その実験の結
果を図１に示す。実験における接着剤４の接着層の厚さ
は顕微鏡で測定した。インクジェットプリンタヘッド１
の評価は、インク滴の噴射速度がインク流路１２の体積
変化に比例するので、インク滴の噴射速度を測定して評
価した。 【００２０】ここで、インク滴の噴射速度とインク噴射
の安定性について、実験による経験に基づいて説明す
る。まず、噴射速度が１ｍ／ｓ未満の場合は、インクが
噴射されない（インク滴が分離されない）か、されたと
しても、ノズル３２と用紙との間における空気流等の影
響により所望の位置にインク滴が付着しなく、印字品質
が悪化する。従って、液滴噴射装置を製品化するにあた
っては、噴射速度は少なくとも１ｍ／ｓ以上は必要であ
る。 【００２１】更に、インク噴射速度が液滴噴射装置に与
える影響として、以下のことがあげられる。まず、ノズ
ル形状が不均一であったりノズル付近にゴミやインクが
付着してしまった場合、噴射速度が小さいとインクの直
進性に影響が出る。また、キャリッジ走査型の液滴噴射
装置においては、キャリッジ移動によりノズル３２と用
紙との間における空気流が激しくなり、噴射速度が小さ
いとインクの着弾点にずれが生じやすく、更にこのずれ
は、高速印字のためにキャリッジ移動速度を高速化する
場合や、厚紙に印字できるようノズルとプラテンの距離
を大きくする場合に、より顕著に現われる。 【００２２】従って、上記のいくつかの条件を考慮する
場合、安定した噴射を実現するためには、噴射速度は好
ましくは３ｍ／ｓ以上必要であり、噴射速度が５ｍ／ｓ
以上であれば上記のすべての条件を考慮しても、安定し
た噴射を実現することができる。 【００２３】これらのことを踏まえて、図１におけるイ
ンクジェットプリンタヘッド１の評価は、インク滴の噴
射速度を、５ｍ／ｓ以上、３〜５ｍ／ｓ、１〜３ｍ／
ｓ、及び１ｍ／ｓ未満にわけて評価した。 【００２４】図１からわかるように、直線Ｌ３の上方領
域ではインク滴の噴射速度が５ｍ／ｓ以上となり、直線
Ｌ３とＬ２の間の領域では噴射速度が３〜５ｍ／ｓ、直
線Ｌ２とＬ１の間の領域ではの噴射速度が１〜３ｍ／
ｓ、直線Ｌ１の下方領域では噴射速度が１ｍ／ｓ未満と
なる。ここで、前記直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の傾きは、接
着剤４のヤング率を接着剤４の厚さで割った値であり、
この値は順に５×１０^３ｋｇ／ｍｍ^３、５×１０^４ｋｇ
／ｍｍ^３、１．２×１０^５ｋｇ／ｍｍ^３である。従っ
て、接着剤４のヤング率を接着剤４の厚さで割った値が
５×１０^３ｋｇ／ｍｍ^３以上、好ましくは５×１０^４ｋ
ｇ／ｍｍ^３以上、より好ましくは１．２×１０^５ｋｇ／
ｍｍ^３以上であれば、安定したインク滴の噴射が行え
る。ここで、上記の結果から接着層の厚さは、薄いほど
剛性が増し好ましいが、カバープレート３と側壁１１の
上面とを完全に接合させるだけの厚さは必要であり、ま
た接着層を薄くするための技術的限界も存在する。従っ
て、接着層の厚さをある程度厚くする場合は、要求され
る噴射速度に応じてヤング率の大きい接着剤を用いれば
よい。 【００２５】以上説明したように、圧電セラミックスプ
レート２の側壁１１の上面とカバープレート３とを接着
する接着剤４のヤング率を接着剤４の厚さで割った値が
５×１０^３ｋｇ／ｍｍ^３以上、好ましくは５×１０^４ｋ
ｇ／ｍｍ^３以上、より好ましくは１．２×１０^５ｋｇ／
ｍｍ^３以上となるように接着剤の材質及び厚さを選定す
れば、圧電厚みすべり効果による側壁１１の変形によっ
て、十分なインク流路１２の体積変化が得られ、安定し
たインク滴の噴射が行われる。 【００２６】次に、圧電セラミックスプレート２及びカ
バープレート３の端面に、ノズルプレート３１を接着す
る接着剤３３（図４参照）について説明する。 【００２７】図４に示すように、接着剤３３は側壁１１
を含む圧電セラミックスプレート２の端面とノズルプレ
ート３１との間に形成されており、前記ノズル３２が連
通するインク流路１２（図６）とノズルプレート３１と
の間には接着剤３３は形成されていない。一般にノズル
プレート３１はノズル３２の形成等を考慮して、樹脂ま
たは金属材料が用いられ、セラミックス材料を用いる圧
電セラミックスプレート２とは線膨張係数が異なる。そ
こで、圧電セラミックスプレート２とノズルプレート３
１とを接着する接着剤３３は、圧電セラミックスプレー
ト２の線膨張係数とノズルプレート３１の線膨張係数と
の差を緩衝するために、ある程度の弾性が必要である。
また、接着剤３３の弾性が小さい、つまり剛性が大きい
と、側壁１１の端面とノズルプレート３１とが固定され
て、側壁１１の前記圧電厚みすべり効果によるインク流
路１２の体積変化が十分に行われず、インク滴の噴射に
影響を及ぼす。 【００２８】そこで、ヤング率（硬化後）の異なるエポ
キシ系の接着剤３３を複数用いて接着層の厚みを変化さ
せて、それぞれについてインクジェットプリンタヘッド
１のインク滴噴射実験を行った。尚、実験に用いた接着
剤３３は、硬化後のヤング率が重要であり、他の性質は
今回の実験においては考慮しなくてもよい。また、イン
クジェットプリンタヘッド１の評価はインク滴の噴射速
度を測定して評価した。インク滴の噴射速度は、上述し
た理由から５ｍ／ｓ以上、３〜５ｍ／ｓ、１〜３ｍ／
ｓ、及び１ｍ／ｓ未満にわけて評価した。また、接着剤
３３の厚さは、噴射実験後にインクジェットプリンタヘ
ッド１をインク流路１２方向に切断して顕微鏡で測定し
た。その実験の結果を図２に示す。図２は、ヤング率の
異なる４種類の接着剤を用い、かつ接着剤層の厚みを変
化させてノズルプレート３と圧電セラミックスプレート
２を接着したインクジェットプリンタヘッドを製作し、
各ヘッドについてインク滴の噴射速度を測定した結果
を、接着剤のヤング率、厚みとの関係で表したものであ
る。 【００２９】図２からわかるように、直線Ｍ３の下方領
域ではインク滴の噴射速度が５ｍ／ｓ以上となり、直線
Ｍ３とＭ２の間の領域では噴射速度が３〜５ｍ／ｓ、直
線Ｍ２とＭ１の間の領域ではの噴射速度が１〜３ｍ／
ｓ、直線Ｍ１の上方領域では噴射速度が１ｍ／ｓ未満と
なる。ここで、前記直線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の傾きは、接
着剤３３のヤング率を接着剤３３の厚さで割った値であ
り、この値は順に１×１０^６ｋｇ／ｍｍ^３、５×１０^５
ｋｇ／ｍｍ^３、３×１０^５ｋｇ／ｍｍ^３である。従っ
て、接着剤３３のヤング率を接着剤３３の厚さで割った
値が１×１０^６ｋｇ／ｍｍ^３以下、好ましくは５×１０
^５ｋｇ／ｍｍ^３以下、より好ましくは３×１０^５ｋｇ／
ｍｍ^３以下であれば、安定したインク滴の噴射が行え
る。 【００３０】以上説明したように、圧電セラミックスプ
レート２及びカバープレート３の端面に、ノズルプレー
ト３１を接着する接着剤３３のヤング率を接着剤３３の
厚さで割った値が１×１０^６ｋｇ／ｍｍ^３以下、好まし
くは５×１０^５ｋｇ／ｍｍ^３以下、より好ましくは３×
１０^５ｋｇ／ｍｍ^３以下となるように接着剤の材質及び
厚さを選定すれば、圧電厚みすべり効果による側壁１１
の変形によって、十分なインク流路１２の体積変化が得
られ、安定したインク滴の噴射が行われる。 【００３１】以上の実験結果に基づいて、本実施例のイ
ンクジェットプリンタヘッド１を作成し、キャリッジ走
査型の液滴噴射装置として印字を試みることにした。
尚、液滴噴射装置の仕様としてキャリッジ移動速度は
０．６３５ｍ／ｓ、ノズルと用紙の紙面との距離は１．
５ｍｍとした。 【００３２】ところで、このインクジェットプリンタヘ
ッド１を作成する際に、圧電セラミックスプレート２に
対し、カバープレート３を接着する接着剤４と、ノズル
プレート３１を接着する接着剤３３の材質や接着工程を
異ならせることは、製造コストや製造時間の浪費につな
がるため、本実施例においては同じ材質の接着剤を用い
同じ接着工程にて接着することにした。従って、接着剤
のヤング率と厚さも等しくなるため、上記の２つの実験
結果をともに満足するようにヤング率と厚さを設定する
必要がある。そして、上記の実験結果から最も好ましい
ヤング率と厚さの関係は、ヤング率を厚さで割った値が
１．２×１０^５ｋｇ／ｍｍ^３以上、３×１０^５ｋｇ／ｍ
ｍ^３以下である。従って本実施例では、ヤング率が７３
０ｋｇ／ｍｍ^２の接着剤を用い、接着剤の厚さを３μｍ
とした。この場合のヤング率を厚さで割った値は、２．
４３×１０^５ｋｇ／ｍｍ^３となるため、両者の条件を満
たし得るものである。 【００３３】このようにして作成されたインクジェット
プリンタヘッド１により、液滴噴射装置として印字させ
た場合の印字サンプルを、インクの着弾点のずれを中心
に評価した結果、ほとんどずれの無い良好な印字が行わ
れたことが確認できた。 【００３４】尚、本実施例では、エポキシ系の接着剤を
用いたが、アクリル系、フェノール系等の接着剤を用い
てもよい。 【００３５】 【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明の液滴噴射装置では、インク流路を形成する流路部
材の端部と、ノズルプレートとを接着する接着剤のヤン
グ率を接着層の厚さで割った値が、１×１０^６ｋｇ／ｍ
ｍ^３以下にすることより、側壁の変形によりインク流路
の十分な容積変化が得られ、１ｍ／ｓ以上の噴射速度で
安定したインクの噴射が行うことができる。また、流路
部材とノズルプレートとで線膨張係数に差がある場合に
も有効である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施例における圧電セラミックスプ
レートとカバープレートとを接着する接着剤のヤング率
と接着層の厚さとの関係を示すグラフである。 【図２】前記実施例における圧電セラミックスプレート
とノズルプレートとを接着する接着剤のヤング率と接着
層の厚さとの関係を示すグラフである。 【図３】前記実施例及び従来技術のインクジェットプリ
ンタヘッドの構成を示す斜視図である。 【図４】前記実施例及び従来技術のインクジェットプリ
ンタヘッドをインク流路の流路方向に切断した断面図で
ある。 【図５】前記実施例及び従来技術のインクジェットプリ
ンタヘッドの制御部を示す説明図である。 【図６】前記実施例及び従来技術のインクジェットプリ
ンタヘッドの構成を示す断面図である。 【図７】前記実施例及び従来技術のインクジェットプリ
ンタヘッドの作動状態を示す説明図である。 【図８】インクジェットプリンタヘッドの側壁とカバー
プレートとの接着層の弾性が大きい場合における側壁の
圧電厚みすべり効果時の接着層の状態を示す説明図であ
る。 【符号の説明】 ２ 圧電セラミックスプレート １１ 側壁 １２ インク流路 ３１ ノズルプレート ３３ 接着剤

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−348949（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−282254（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−357037（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−345417（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−132949（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 端部が開放されたインク流路を複数の側
   壁間に形成した流路部材と、前記流路部材の側壁の端部
   に接着剤により接着され、前記インク流路と連通するよ
   うにノズルが形成されたノズルプレートとを有し、前記
   インク流路の側壁の変形により前記インク流路の容積を
   変化させ、そのインク流路内に充填されたインクを前記
   ノズルから１ｍ／ｓ以上の噴射速度で噴射する液滴噴射
   装置において、 前記ノズルプレートを前記流路部材の側壁の端部に接着
   するための接着剤のヤング率を、その接着剤の接着層の
   厚さで割った値が、１×１０^６ｋｇ／ｍｍ^３以下である
   ことを特徴とする液滴噴射装置。