JPH03281252A

JPH03281252A - 液滴吐出装置

Info

Publication number: JPH03281252A
Application number: JP23674490A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yamamori; 山森　清司; Shigesaku Yamaguchi; 恵作山口; Kunio Nakamura; 中村　邦雄; Yoshimasa Ito; 伊東　良将; Shiyuuko Kanematsu; 兼松　修子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-03-29
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1991-12-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、液体の小滴を電気信号に応じて吐出させ、吐
出液量を制御したり、記録媒体上に文字、図形等を記録
するインクジェッ上記録等に用いる液滴吐出装置に関す
る。

従来の技術従来、短冊状のピエゾ振動子の長さ方向の伸縮を利用し
て液体の小滴を吐出させるようにした例としてインクジ
ェットヘッドがある。例えば、エクソン・プリンティン
グ・システムズ社所有の米国特許筒４．　６４６．　１
０６号（１９８７，２，２４登録）およびデータ・プロ
ダクツ社所有の米国特許筒４、７６８．２６６号（１９
８８，９，６登録）の明細書に開示された構成が知られ
ている。以下、図面を参照しながら上記従来のインクジ
ェットヘッドの概略について説明する。

第８図は従来のインクジェットヘッドの一例を示す断面
図である。第８資に示すように、ハウジング部材１０１
に圧力室１０２と、この圧力室１０２に連通するノズル
１０３が形成され、ハウジング部材１０１の背方には圧
力室１０２の一壁面を形成するダイヤフラム１０４が接
合されている。圧力室１０２にはインク供給流路１０５
の一端が連通され、インク供給流路１０５の他端はイン
ク溜め（図示省略）に連通されている。ダイヤフラム１
０４には短冊状のピエゾ板１０６の一端が接合され、ピ
エゾ板１０６はピエゾ電極１０７および１０８を有して
いる。

以上の構成において、以下、その動作について説明する
。

ピエゾ電極１０７および１０８に信号電圧を印加すると
、ピエゾ板１０６が長手方向に伸縮する。これにより、
圧力室１０２の一壁面を形成しているダイヤフラム１０
４に変位を与え、ダイヤフラム１０４の増幅作用により
、圧力室１０２内のインクを加圧、５　べ−７または減圧してノズル１０３からインク小滴を吐出させ
、または圧力室１０２にインク供給流路１０５からイン
クを供給する。

第９図は従来のインクジェットヘッドの他の例を示す断
面図である。第９図に示すように、ヘッドボディ１１１
の前面にインク供給流路形成部材１１２を介してチャン
バ一部材１１３が固定されている。チャンバ一部材１１
３には圧力室１１４が形成され、チャンバ一部材１１３
の前面にノズル板１１５が固定され、ノズル板１１５に
形成されたノズル１１６が圧力室１１４に連通されてい
る。ヘッドボディ１１１には圧力室１１４の後方で円筒
形の室１１７が形成され、この室１１７には円筒状部材
１１８が挿入され、室１１７の内壁と円筒状部材１１８
の外壁との隙間には弾性のあるポツティング材１１９が
充填されている。円筒状部材１１８には短冊状のピエゾ
板１２０の電極面１２１の一端が接合され、電極面１２
１の他端はへラドボディ１１１の後側部に導電性エポキ
シ接着剤１２３で接合され、他方の電極面１２２からは
リード線１２４が取り出されている。

以上の構成において、以下、その動作について説明する
。リード線１２４とへラドボデ４１１１間に信号電圧を
印加すると、ピエゾ板１２０が長手方向に伸縮する。こ
れに対応して円筒状部材１１８も前後に移動し、これに
より、ピエゾ板１２０の微小変位を増幅させ、圧力室１
１４内のインクに圧力変化を生じさせ、ノズル１１７か
らインク小滴を吐出させ、または圧力室１１４にインク
を供給する。

発明が解決しようとする課題しかしながら、上記従来例のように、短冊状のピエゾ板
１０６、若しくは１２０の先端にダイヤフラム１０４、
若しくは円筒状部材１１８からなる増幅部材を接合して
用いると、製造工程が複雑になるため、コストが高くな
る。また、接合に接着剤を用いるため、ノズル１０３間
、若しくは１１６間における吐出電圧のバラツキ、１０
０℃前後の高温で駆動するホットメルトインク使用時の
熱ストレスによる接合部の劣化等の原因になっていた。

また、接着面積を大きく取ることができないため、ヘッ
ドの信頼性や寿命に劣る。更に、ピエゾ板１０６、７　
　・１２０や増幅部材１０４．１１８の水平方向の寸法に制
限があるだめ、ノズルの集積度を高めるのが難しいなど
の問題があった。

本発明は、−［−記のような従来技術の問題を解決する
ものであり、構成を簡素化すると共（で、高粘度の液体
の吐出に充分な圧力変化を生じさせることができ、した
がって、製造コストの低下、ノズル間特性のバラツキ解
消による駆動回路のコスト負荷防止、ノズルの高集積性
および熱に対する寿命−や信頼性の向上等を図ることが
できるようにしだ液滴吐出装置を提供することを目的と
するものである。

課題を解決するための手段ｌ−゛記目的を達成するための本発明の技術的解決手段
は、幅より深さ方向の寸法が大で、深さより長さ方向の
寸法が大となるよ５に形成された室と、少なくとも上記
室の前側部に形成された圧力室と、この圧力室に連通さ
れた液体供給流路と、上記圧力室の前側に形成された吐
出ノズルと、厚みおよび幅の手法が上記室の幅および深
さ寸法よりも小さく、長さ寸法が上記室の長さ寸法の１
〜２倍であり、かつ電極が上記室の深さ方向の面と平行
となる両側面に配され、上記室に挿入され、伸縮により
上記圧力室内の液体に圧力変化を生じさせるピエゾ板と
を備えたものである。

または、Ｊ配室室と上記エビゾ板と１で液体が満たされ
る隙間が形成されたものである。

そして、−４−記ビエゾ板は厚み０．１〜ｉ、ｏｍｍ、
幅１．０〜４．０ｍｍ、長さ１０〜５０ｒ＋＋ｍの寸法
範囲に設定するのが好ましい。

また、上記ピエゾ板の一端に液体供給流路を形成するた
めの切り欠き部を設けることができる。

そして、この切り欠き部は縦０．１〜０．４　＋ｎｍ、
横０．１〜１．０ｍｍ（ピエゾ板厚み）、長さ１−１０
ｍｍの寸法範囲に設定するのが好ましい。また、上記圧
力室へ液体を供給する液体供給口が、上記ビエソ板の切
り欠き部に対向してピエゾ板の先端から０５〜９，５ｍ
の位置に配するのが好ましい。また、−］二配室は幅−
ピエゾ板厚み＋００２〜０．２　ｍｍ、深さニビエゾ板
幅＋００２〜０．２　ｍｍ、長さ＝ピエゾ板長さの１〜
・２倍の寸法範囲に設定するのが好ましい。また、吐出
液体として、油性インク、ホットメルトインク、液晶、
各種ニスデルで成る香料等を用い、ピエゾ電極がインク
に直接接触していても電気分解やショートが起こらない
ように液体の比抵抗が、液体状態（動作状態）において
、１０゜Ω鉗以上であるのが好ましい。

作用したがって、本発明によれば、厚みが薄く、幅の広いピ
エゾ板を用い、油性インクや液晶のように比抵抗の十分
高い不良導電性液体を用いることにより、ピエゾ板の長
さ方向の変位だけで増幅部材を用いることなく、出力室
に高粘度液体の吐出に十分な圧力変化を生じさせること
ができる。このように、構成を簡素化して微小液滴の吐
出を行うことができる。

実施例以ｒ、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する３、まず、本発明の第１の実施例について説明する。

第１図ないＩ−第５図は本発明の第１の実施例における
液滴吐出装置を示し、第１図は斜視図、第２図は分解斜
視図、第３図（ａ）は縦断面図、第３図（ｂ）は第３図
（ａ）のＸ部分の拡大図、第４図は第３図（ａｌＫおけ
る■−■線に沿う部分拡大断面図、第５図はピエゾ板の
斜視図である。

第１図ないし第４図に示すように、溝形成部材１は不良
導電性材料製で、溝２が複数条、平行に形成されている
。溝形成部材１の谷溝２の長手方向側の開放部は不良導
電性材料製の蓋部材３により閉塞され、圧力室の一部を
形成する室４が形成されている。谷溝２、すなわち、各
室４は幅より深さ方向の寸法が大で、深さより長さ方向
の寸法が犬となるように設定されている。ピエゾ板５は
特に、第５図から明らかなように、長子縁側の一側先端
部に切り欠き部６を有し、長手方向で、室４の深さ方向
の面と平行となる両側面に電極７．８を有している。電
極７．８を有するピエゾ板５は厚みおよび幅の寸法が室
４の幅および深さ寸法よりも小さく、長さ寸法は室４の
長さ寸法の−ム〜１１へ７２倍（図示例では、室４より長い）を有している。

各ピエゾ板５は切り欠き部６の反対側の後端部でピエゾ
当接部材９に当接され、その端面はエポキシ系接着剤で
接着され、ピエゾ変位の際の後方への逃げが防止される
ようになっている。各ピエゾ板５の電極７と９０後端部
から半田、金、アルミ線によるボンティング等により、
それぞれリード線ｆ＋１１０とリード線ｃ）１１が取り
出されている。各室４に電極７．８を有するピエゾ板５
が挿入され、室４とピエゾ板５とに隙間１２が形成され
、ピエゾ当接部材９の下部が蓋部材３の上面に形成され
た溝１３に嵌合されて固定されている。蓋部材３の下側
に貯液槽１４が固定され、溝形成部材１と貯液槽１４の
前側にノズル部材１５が固定されている。貯液槽１４の
液溜め１６の前側には蓋部材３の前側に位置する液体供
給流路形成部材１７が設けられ、貯液槽１４には液体流
路形成部材１７の反対側で通気孔１８が形成されている
。液体供給流路形成部材１７には隔壁１９により縦方向
に複数条の液体供給流路２０が形成され、この液体供給
流路２０の一端はフィルタ２３を介して液溜め１６の底
部に連通され、他端はピエゾ板５の切り欠き部６の貯液
槽１４の前側上面とで形成された液体供給流路２２に液
体供給口２１を介して連通されている。各室４とノズル
部材１５に跨るように圧力室２４が形成され、この圧力
室２４に液体供給流路２２が連通されている。ノズル部
材１５には圧力室２４の前側で吐出ノズル２５が形成さ
れている。

上記リード線１０と１１の端部は上記と同様に信号入力
端子板２６の電極２７と２８にボンディングされ、溝形
成部材１の後端部と、室４から露出したピエゾ板５の後
端部と、ピエゾ当接部材９と、リード線１０．１１と、
信号入力端子板２６の前側部が粘弾性を有するシリコー
ン樹脂系のシール部材２９で接着被覆されている。この
シール部材２９はピエゾ板５と室４との隙間１２からの
液漏れを防止し、リード線１０．１１の損傷を防止し、
ピエゾ板５を安定に固定する役目を果たしている。信号
入力端子板２６の電極２７．２８はコネクタ（図示省略
）に接続されている。そして、液溜め１６内の液３０が
液体供給口２１のフィルタ２３、液体供給流路２０．２
２を介して圧力室１３　へ−７２４および圧力室２４の一部を形成する室４とピエゾ板
５との隙間１２に満たされている。上記各構成部品は接
着、機械的かしめ、熱融着等の工法によって簡単に組み
立てることができる。

以上の構成において、以下、その動作について説明する
。

まず、入力信号３１が信号入力端子板２６の電極２７．
２８、リード線１０．１１を介してピエゾ板５の電極７
．８に印加されると、ピエゾ板５は長さ方向に伸長する
。これに伴い、圧力室２４内には印加した電界強度、ピ
エゾ先端部の断面積および材料の圧電定数（ｄ、、）に
応じた圧力上昇を生じ、吐出ノズル２５から微小液滴が
吐出する。次に、信号電圧の降下に応じてピエゾ板５は
元の長さに戻り、圧力室２４は減圧されるが、吐出ノズ
ル２５は液体のメニスカスの表面張力保持力により空気
の吸入が阻止されるので、液溜め１６内の液３０が液体
供給口２１のフィルタ２３、液体供給流路２０．２２を
経て圧力室２４内に供給される。以上の動作を繰り返す
ことによって液滴吐出ヘッドとしての機能を発揮する。

すな１４　・わち、ピエゾ板５自身の伸縮によりそのまま圧力室２４
の圧力変化（体積変化）を生じさせるようにし、他の部
材による増幅作用を必要とせずに吐出ノズル２５から微
小液滴を吐出させるものである。

なお、上記のように液体供給流路２０は隔壁１９により
区画しているので、相互干渉を防止することができる。

また、後部のシール部を除いた室４とピエゾ板５との隙
間１２には液３０が充填されているので、ピエゾ板５の
駆動に伴う発熱を液３０により放熱冷却することができ
る。

具体例として、ピエゾ板５は住友特殊金属■製の圧電セ
ラミック（商品名：　ＳＵＭＩＰＩＥＺＯＳＰＥＭ）で
、両面にＮｉ−Ａｕ電極７．８を付けたＳＰＥＭ−５（
：。

およびＳＰＥＭ−Ｈ５Ｃを用い、長さ１０〜５０ＩｒＩ
ＩＴｌ、幅１．０〜４．０　ｍｍ、厚さ０．１〜１．０
ｍの短冊状に形成し、その先端部に長さ１〜１０ＩＴＩ
ＩＴ１１縦０．１〜０．４価の切欠き部６を形成した。

溝形成部材１は石原薬品■製のマシナブルセラミック（
商品名：マコール）にダイザ−で溝２を加工し、同マコ
ール製の蓋部材３と液体供給流路形成部材１７と貯液槽
１４とを用い、溝２、すなわち、室４の長さが１０〜５
０１ＴＩｍ、幅が」−記ビエゾ板５の厚み一ト０．０２
〜０．２　ｍｍ、高さ（深さ）が上記ピエゾ板５の幅＋
０．０２〜０．２ｍｍの角形に形成し、その先端に開口
面積が０．０００７〜０．００３ａ　ｎｄ、実効長さが
０．０１〜０．１　ｍｍの吐出ノズル２５を有する５Ｕ
Ｓ３０４製のノズル部材１５を接合した。１−かる後、
上記ピエゾ板５を切り欠き部６がＦ向きになるように、
かつ切り欠き部６の先端から０４５〜９．５画の位置１
で０．０１〜０．６　＠ＦＩの開口面積を有し、その長
さが００３〜０．５　ｍｍである液体供給口２１の出「
］が対向するように配した。これらのヘッドにおいて、
吐出時の粘度８〜１５センチポイズ、比抵抗１０°〜１
０゛Ωｃｍの液体を用いた場合、第６図に示す駆動波形
（１，は２〜５μｓ、ｔ２は２〜１５１１ｓ　　Ｌ３は
２５〜２００／７Ｓ）で、印加電圧３０〜１５０Ｖにお
いて、最高応答周波数１８ｋＨ２以上の吐出性能を得る
ことができた。

なお、溝形成部材１や蓋部材３等の部材はマシナブルセ
ラミックスに限らず、加工性の良いガラス−やプラスチ
ックス等の不良導電性材料を使用することもできる。

次に一本発明の第２の実施例について説明する。

第７図は本発明の第２の実施例における液滴吐出装置を
示す縦断面図である。

本実施例においては、液３０の液面の位置が吐出ノズル
２５より高い位置となるように設定したものである。す
なわち、溝形成部１とピエゾ板５とノズル部材］５が上
下逆向きに配置され、溝形成部材１上に貯液槽１４が配
置されて溝形成部材１と貯液槽１４の底面とで室４が形
成され、ピエゾ当接部材９が溝形成部材１に固定され、
貯液槽１４の後端部と、室４から露出したピエゾ板５の
後端部と、ピエゾ当接部材９と、リード線１０．１１と
、信号入力端子板２６の前側部がシール部材２９で接着
被覆されたものであり、その他の構成や動作原理等につ
いては上記第１の実施例と同様であるので、同一部分に
は同一符号を付してその説明を省略する。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。

第８図は本発明の第３の実施例における液滴吐出装置を
示す縦断面図である。

本実施例においては、例えば、液３０に液晶を用い、ガ
ラス基板である被塗布媒体３２に一定量の液量の小滴を
スポット装置きするために、吐出ノズル２５を下向きに
配置〜だものである。

この場合、液滴吐出装置は固定されており、被塗布媒体
３２であるガラス基板がＸ−Ｙ方向に移動し、所定の位
置に小滴が吐出されるようになっている。。

液晶をガラス基板に塗布する場合、塗布量のバラツキを
最小限におさえることが最も重要な要素の一つである。

通常、液晶の場合、常温での粘度は数ＩＱｃ、Ｐもある
。このだめ、常温での駆動ではフィルり２３、液体供給
口２１や吐出ノズル２５部等の流動抵抗のためほとんど
吐出することはできない。このため、粘度を吐出可能な
範囲まで下げるのと吐出量を一定に制御するため、溝形
成部材１に隣接してヒータホルダ３３が設けられている
。このホルダ３３にはヒータ差込み穴３４と温度制御用
センサ差込穴３５が設けられ、各々ヒータ３６と温度制
御センサ３７が差込まれており、図示していない制御回
路にて所定の温度にコントロールされる。動作温度は４
０〜７０℃で、温度制御は設定温度に対して±１℃以内
にコントロールする。

まだ、貯液槽１４内の液３０の液面位置を一定に保ち、
液面の変化による吐出量のバラツキをなくずため、貯液
槽１４に液循環口３１及び３１′を設け、図示していな
い液循環装置により液３０の液面位置を常時一定に保っ
ている。さらに、液３０を循環することにより液３０が
撹拌されるため、液３０の温度が均一化される。

さらに、貯液槽１４に設けた通気孔１８にファンやエア
ポンプのような調圧手段４０を接続することにより吐出
ノズル２５部にかかる液圧を自在に制御することができ
、例えば液溜１６部を負圧にすることによって動作中や
非動作中の液だれを防止することができ、より吐出量の
バラツキをおさえることができる。なお、この調圧手段
４０を前記第１及び第２の発明の実施例に適用できるこ
とはもちろんである。

１９　　・＼−・発明の効果以上述べたように、本発明によれば、板厚が薄く、幅の
広いピエゾ板を用い、油性インク、ホットメルトインク
、液晶やエステル類等のような比抵抗の大きな油性液体
を用いることにより、ピエゾ板の長さ方向の変位だけで
増幅用の部材を用いることのなく、圧力室に液体の吐出
に十分な圧力変化を生じさせることができる。このよう
に、構成を簡素化して微小液滴の吐出を行うことができ
る。したがって、製造コストの低下を図ることができ、
また、高集積性を図ることができる。また従来のような
増幅部材の接着のバラツキに起因するピエゾアクチーエ
ータのバラツキが極めて小さいので、各吐出ノズル間お
よび各ヘッド間の駆動電圧のバラツキを調整する調整回
路が不必要になり、駆動回路のコストの低下を図ること
ができる。

また、ピエゾ板の伸縮方向にストレスが作用するような
接合構造がないので、常温と１００℃前後の温度変化（
熱衝撃）を頻繁に繰り返すホットメルト型インクジェッ
トヘッド等においては、ヘッドの劣化を大幅に抑えるこ
とができ、寿命や信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１の実施例における液
滴吐出装置を示し、第１図は斜視図、第２図は分解斜視
図、第３図（ａｔは縦断面図、第３図（ｂｌは要部拡大
図、第４図は第３図におけるＬ−ＩＶ線に沿う断面図、
第５図はピエゾ板の斜視図、第６図は上記実施例におけ
る駆動波形図、第７図は本発明の第２の実施例における
液滴吐出装置を示す縦断面図、第８図は本発明の第３の
実施例における液滴吐出装置を示す縦断面図、第９図お
よび第１０図はそれぞれ従来の液滴吐出ヘッドを示す断
面図である。１・・・溝形成部材、２・・・溝、３・・・蓋部材、４
・・・室、訃・・ピエゾ板、６・・・切り欠き部、１２
・・・隙間、１４・・貯液槽、１５・・・ノズル部材、
２０．２２・・・液体供給流路、２４・・・圧力室、２
５・・・吐出ノズノペ２９・・・シール部材、３１．３
１′・・・液循環口、３６・・・ヒータ、３７・・・温
度センサ、４０・・・調圧手段。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）幅より深さ方向の寸法が大で、深さより長さ方向
の寸法が大となるように形成された室と、少なくとも上
記室の前側部に形成された圧力室と、この圧力室に連通
された液体供給流路と、上記圧力室の前側に形成された
吐出ノズルと、厚みおよび幅の寸法が上記室の幅および
深さ寸法よりも小さく、長さ寸法が上記室の長さ寸法の
１／２〜２倍であり、かつ電極が上記室の深さ方向の面
と平行となる両側面に配され、上記室に挿入され、伸縮
により上記圧力室内の液体に圧力変化を生じさせるピエ
ゾ板とを備えた液滴吐出装置。
（２）室とピエゾ板とに液体が満たされる隙間が形成さ
れた請求項１記載の液滴吐出装置。
（３）ピエゾ板が以下の寸法範囲である請求項１または
２記載の液滴吐出装置。厚さ０．１〜１．０ｍｍ幅１．０〜４．０ｍｍ長さ１０〜５０ｍｍ
（４）ピエゾ板が一端に液体供給流路を形成するための
切り欠き部を有する請求項１ないし３のいずれかに記載
の液滴吐出装置。
（５）ピエゾ板の切り欠き部が以下の寸法範囲である請
求項４記載の液滴吐出装置。縦０．１〜０．４ｍｍ横０．１〜１．０ｍｍ（ピエゾ板厚み）長さ１〜１０ｍｍ
（６）圧力室へ液体を供給する液体供給口が、ピエゾ板
の切り欠き部に対向してピエゾ板の先端から０．５〜９
．５ｍｍの位置に配され、かつ前記液体供給口の開口面
積が０．０１〜０．６ｍｍ＾２で、その長さが０．０３
〜０．５ｍｍである請求項４または５記載の液滴吐出装
置。
（７）室が以下の寸法範囲である請求項１ないし６のい
ずれかに記載の液滴吐出装置。幅＝ピエゾ板厚み＋０．０２〜０．２ｍｍ深さ＝ピエゾ板幅＋０．０２〜０．２ｍｍ長さ＝ピエゾ板長さ×（０．５〜２）ｍｍ
（８）液体の比抵抗が、液体状態において、１０＾５Ω
ｃｍ以上である請求項１ないし７のいずれかに記載の液
滴吐出装置。