JPH0557891A - インクジエツトプリントヘツド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】圧電基板の共振により、選択的にインクを霧化
させ、濃度階調画像を得る。 【構成】圧電性基板１に設けた電極４、５の交差領域に
対峙するようにノズル３を設けたノズルプレート２１を
配置する。ノズルプレート２１は、第１の振動機構によ
り矢印３１のように振動させる。電極４、５間に圧電性
基板１の共振周波数に等しい周期で変化する電圧を選択
的に印加する第２の振動機構である高周波電圧源２８を
備え、定在波振動３４を圧電性基板１に生じさせる。２
つの振動機構でインク２４に表面張力波振動３１０が生
じ、メニスカス２９が矢印３２０のように振動する。３
つの振動の干渉により、インクミスト３０を放射させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電性基板の振動を利用
してインク滴を飛翔させるようにしたインクジェットヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インクミスト流を利用したインク
エジェクタについて種々の模索がなされるようになって
きた。

【０００３】特開昭６２−８５９４８号公報に開示され
た装置はその前駆をなすものである。これは超音波振動
により液体インクを霧化させると同時に帯電させ、電界
により記録媒体に付着させるというものである。

【０００４】しかし上記従来例では、記録素子と同数の
独立分離した超音波発生手段を設けているので、装置が
大型になる、解像度を上げられないと言う問題を有して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる問題
を解決すべくなされたもので、その目的とするところ
は、微小な液粒を正確な向きに吐出制御することができ
ると同時に、マルチエレメント化して、高密度に集積、
実装することのできる新規なインクジェットプリンタを
提案することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】圧電性基板と、この圧電
性基板の表面と裏面に配された少なくとも１対の電極
と、前記電極対の交差領域に相対峙するノズルを設け
た、前記圧電基板と平行に配されたノズルプレートと、
前記圧電性基板とノズルプレートとのギャップに保持さ
れたインクと、前記電極間にこの圧電性基板の共振周波
数に等しい周期で変化する電圧を選択的に印加する駆動
手段と、前記ノズルプレートの振動機構で構成したもの
である。

【０００７】

【実施例】はじめに、個々の実施例を説明する前に、図
１を参照しつつ本発明に基づくインクジェットプリント
ヘッドによってもたらされるインクミストの飛翔原理に
ついて説明する。図１はインクジェットプリントヘッド
の一素子分の吐出部を上面から見た図、図２は側面から
見た図である。

【０００８】図において符号１は片平坦に形成した厚さ
ｄの板状の圧電基板である。圧電基板はあらかじめ、厚
み方向の電界に対して変位するように分極してある。

【０００９】この圧電基板１の下面に幅Ｗsを有したセ
グメント電極２が、もう一方の上面には同じく幅Ｗcを
有したコモン電極３が相対峙して配置され対となってい
る。互いの電極は図中斜線で示すような矩形状のＷc×
Ｗsの面積の交差領域３２を形成する。

【００１０】２は厚みｄnの板状のノズルプレートであ
り、圧電基板１と平行に距離ｇをおいて配置される。３
はノズルプレートに開けられた内径Ｎdのノズルであ
り、上記電極の矩形の交差領域３２に相対応している。
ノズルプレートは電ちゅうにより作製し、ノズル断面は
下方へ開いた形状とした。

【００１１】２４はノズルプレート４と圧電基板１との
間に表面張力で保持されるインクである。インク２４は
毛細管力により、交差領域３２、即ちノズル３直下に導
かれる。

【００１２】今、コモン電極４を電気的に接地し、セグ
メント電極５に周期Ｔ秒で変化する電圧を印加する。周
期Ｔが圧電基板１の厚み方向の縦振動の共振周波数の整
数倍の周波数の逆数に近い時、両面を解放端とする電極
間の交差部３２に定在波振動３４が生じる。

【００１３】同時にノズルプレート２１を矢印３１方向
に別の振動機構(図示せず)で振動させる。

【００１４】上記２つの振動により、交差部３２上に供
給されたインクが励振され、図の上方向への放射音圧３
３と、インク表面に表面張力波振動３１０が生じ、加え
てメニスカス２９が矢印３２０のごとく振動する。

【００１５】これらの３つの振動の干渉により、各々の
直径が１μｍ乃至５０μｍのミスト３０となってノズル
開口面積より若干小さい面積から、ほぼ垂直に放射し
た。

【００１６】図３、図４はこのような原理をもとにライ
ンプリンタ用のインクジェットプリンタヘッドとして構
成した本発明の典型的な実施例を示したものである。図
３はインクジェットプリントヘッドを側面から見た図、
図４はノズル側上面から見た図である。

【００１７】図３において、符号１は有効印字領域を越
える長さを備えた狭巾の圧電基板で、この圧電基板は厚
さ１ｍｍのチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）系圧電セラ
ミクスで形成した。

【００１８】なお本例で用いた材質のほかにＺnＯ等の
圧電性セラミクスや、ＬiＮbＯ3、水晶、ＬiＴaＯ3、Ｂ
i12ＧeＯ20、Ｓi12ＧeＯ20などの圧電性単結晶や、ポリ
弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高分子圧電材料、さら
に上記圧電材料を混合したもの、また上記圧電材料を膜
状に積層したものを使用することも可能である。

【００１９】圧電基板１には幅１００μｍ、深さが圧電
基板の７０％の溝２３を設けた。この溝に対し上部はイ
ンクを励振するための振動部７であり、下部はノズルプ
レート２を励振するためのノズルプレート励振部８であ
る。上記２つの励振部は独立して駆動するが、この溝２
３により振動は分離される。

【００２０】この圧電基板のインク励振部７には、コモ
ン電極４がフォトリソグラフィ法により形成されてい
る。コモン電極４の電極幅Ｗcは約１００μｍとした。
コモン電極は０Ｖに固定した。また、圧電基板１の下端
には、セグメント電極５が同じくフォトリソグラフィ法
により形成されている。セグメント電極５の電極幅Ｗs
は約１００μｍ、電極間ピッチＰtは１７０μｍとし
た。

【００２１】コモン電極とセグメント電極は、ともに圧
電基板の両面をラップ研磨した後、クロム薄膜を１０ｎ
ｍ形成しその上に金薄膜を１μｍ形成した。

【００２２】９、１０は上記ノズルプレート励振部８の
両面に設けた励振用電極である。このうちは９は０Ｖに
固定した。

【００２３】２はノズルプレートであり３はこのノズル
プレートに穿かれた複数のノズルである。ノズルは各々
のコモン電極とセグメント電極の交差部に対応してい
る。ノズルプレート４は厚さ３０μｍのニッケル板を用
いた。またノズル内径Ｎdは３０μｍとした。

【００２４】３３はノズルプレート２と圧電基板１との
ギャップを保持しつつ、ノズルと対応して設けた穴１５
によってインクを吐出部へ導く流路を形成するための段
差である。段差の厚みは１５μｍとすることにより、ノ
ズルプレートと圧電基板１とのギャップを１５μｍに保
持することができた。

【００２５】１１は前記インク励振部の各素子を駆動す
るためのドライバＩＣ１２を実装したＴＡＢ基板であ
る。ＴＡＢ基板の一端は部位２５においてセグメント電
極群と異方性導電膜を介して電気的に一括接続され、他
端は部位２６において共通電極群３４に同じく異方性導
電膜を介して接続されている。ドライバ１６の出力スイ
ッチ回路は相補型ＭＯＳ回路で構成し、高電圧出力状
態、低電圧出力状態、ハイインピーダンス状態の３状態
出力型とした。

【００２６】共通電極群３４はドライバＩＣ１２へ、電
力、制御信号、記録信号などを供給する。

【００２７】１３は前記共通電極群並びにノズルプレー
ト励振用電極９、１０に接続されたフィルム状の回路基
板であり、他端はコネクタ１４と接続する。

【００２８】６は上記構成要素を固定するための支持基
板である。またインク供給路をも兼ねている。支持基板
の上部にはパッキン１６を介してチューブ１５が圧入さ
れこのチューブを通してインクが供給される。支持基板
はアルミニウムを成形して作製した。

【００２９】上記インクジェットを組み立てる際には、
まずセグメント電極５、コモン電極４、ノズルプレート
励振電極９、１０、共通電極群３４、溝２３を形成した
圧電基板１にタブ基板１１とテープ基板１３を実装す
る。この圧電基板１を支持基板６に接着し、さらにノズ
ルプレート励振部８にノズルプレート２をエポキシ系接
着剤で加熱圧接し接着して、形成した。

【００３０】インク２４は毛細管力により矢印Ｂ方向へ
吐出部へと導かれる。インクは純水に染料を３重量％と
５重量％のジエチレングリコールを溶解分散したものを
用いた。インクの粘度は１．５ｃｐｓであった。また何
種かのインクで飛翔実験をしたところ、２５℃における
粘度が０．５ｃｐｓから８ｃｐｓ、比重が０．５ｇ／ｃ
ｍ³から３．０ｇ／ｃｍ³、表面張力が１０ｄｙｎｅｓ／
ｃｍから１００ｄｙｎｅｓ／ｃｍで良好な印字を得るこ
とができた。

【００３１】今、所定の電圧と制御信号をドライバＩＣ
１２に与え任意のセグメント電極２に１．５ＭＨｚの矩
形電圧を加えると、セグメント電極とコモン電極との間
の圧電基板が共振する。加えてノズルプレート励振用電
極９、１０間にも同様の信号を印加すると、ノズルプレ
ート励振部が振動し、それに接着されたノズルプレート
が振動する。この両方の振動によりインクを液滴として
飛翔させることができた。

【００３２】図５に本実施例のセグメント電極５とノズ
ルプレート励振用電極１０に印加する駆動電圧の波形と
メニスカス振動の時間的な相関を示す。ａ）は図２の３
２に示したメニスカス振動の変位、ｂ）はノズルプレー
ト励振用電極１０の駆動電位、ｃ）は任意のセグメント
電極５の駆動電位を示す。横軸は全て時間軸である。メ
ニスカス振動ａ）はノズルプレート励振電極信号ｂ）の
周期的な断続波から誘起されるノズルプレートの振動に
より発生する。この振動はノズル近傍の流体系と固体振
動系で決る固有振動数で振動を繰り返しながら減衰す
る。本実施例ではこの固有周期は約１２０μｓｅｃであ
った。印字周期Ｔｐは１ｍｓｅｃに設定したので、次の
印字タイミングでは殆ど減衰する。このようなメニスカ
ス振動では駆動後約３０μｓｅｃで矢印Ｃの極大点に達
する。この時メニスカスにはインクが飛び出す方向に最
大の加速度がかかっている。このＣ点に同期してセグメ
ント電極にＣ）のごとく記録信号を与えることにより、
最も効率良くインクを霧化・飛翔させることができた。

【００３３】上記構成により、一素子当たりの駆動電力
を０．０３Ｗ、駆動電圧２５Ｖで安定して印字すること
が可能であった。

【００３４】尚本例では総てコモン電極側よりインクの
吐出をする構造で説明したが、セグメント電極側からの
インク吐出も可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば単一の圧電性基板とその
上に設けられた電極とノズルプレートのみの、簡素な構
成により、インクを選択的な飛翔させることができる。
従って、装置の高精細化、小型化、低価格化ができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
吐出部を上面から見た図ある。

【図２】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
吐出部を側面から見た図ある。

【図３】インクジェットプリントヘッドの一実施例の側
面図である。

【図４】インクジェットプリントヘッドの一実施例の正
面図である。

【図５】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
駆動信号を説明する図である。

【符号の説明】

１ 圧電基板 ２ ノズルプレート ３ ノズル ４ コモン電極 ５ セグメント電極 ６ 支持基板 ７ インク励振部 ８ ノズルプレート励振部 ９ ノズルプレート励振用電極ａ １０ ノズルプレート励振用電極ｂ １１ ＴＡＢ基板 １２ ドライバＩＣ １３ テープ基板 １４ コネクタ １５ チューブ １６ パッキン １７ インクジェットヘッド １８ 紙 ２３ 溝 ２４ インク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性基板と、この圧電性基板の表面と
   裏面に配された少なくとも１対の電極と、前記電極対の
   交差領域に相対峙するノズルを設けた、前記圧電基板と
   平行に配されたノズルプレートと、前記圧電性基板とノ
   ズルプレートとのギャップに保持されたインクと、前記
   電極間にこの圧電性基板の共振周波数に等しい周期で変
   化する電圧を選択的に印加する駆動手段と、前記ノズル
   プレートの振動機構を備えたことを特徴とするインクジ
   ェットプリントヘッド。
2. 【請求項２】 前記ノズルプレートの振動機構がノズル
   プレートに直付けされた圧電振動子であることを特徴と
   する請求項１記載のインクジェットプリントヘッド。