JPH06246918A

JPH06246918A - インク噴射装置

Info

Publication number: JPH06246918A
Application number: JP3788493A
Authority: JP
Inventors: Manabu Yoshimura; 学吉村
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-06

Abstract

(57)【要約】【目的】印字品質および大量生産性に優れたインク噴
射装置を提供すること。【構成】ノズルのインク流路側断面部よりインク噴射
側断面部へと、ノズル径が減少変化する割合であるテー
パ角θが５°から３０°の間の範囲に存在するときは、
インク滴の飛翔スピードが速く、比較的安定しているこ
とがわかった。このため、各ノズルのテーパ角が異なっ
ていても、前記領域内の比で作製されていればよいの
で、インクジェットプリンタヘッドの製造時における不
良品の数を低下することができ、印字品質および大量生
産性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミックスの変
形によりインク流路の壁を変形して、その容積を変化さ
せ、そのインク流路に充填されたインクをインク流路に
対応して配置されたノズルから噴射するインク噴射装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のインク噴射装置が、例え
ばインクジェットプリンタ等に利用されている。図６を
参照して、かかるインク噴射装置の第一の従来例を説明
する。インク室７０を形成しているハウジング７２の側
壁７４には圧電セラミックス素子７６が設けられてい
る。その圧電セラミックス素子７６の両表面には電極７
７が形成されており、その電極７７には駆動回路７９が
接続されている。

【０００３】そして、駆動回路７９により電極７７に駆
動電圧が印加されると、圧電セラミックス素子７６が変
形する。この時、圧電セラミックス素子７６の変形と共
に側壁７４が一点鎖線で示されているように変形してイ
ンク室７０の容積が減少させられ、そのインク室７０内
に充填されている噴射液としてのインクがインク滴８０
となってノズル８２から噴出する。

【０００４】その後、駆動電圧の印加が停止されると、
圧電セラミックス素子７６が変形前の形状に戻り、イン
ク室７０の容積が増大してインク供給通路８４からイン
ク室７０内にインクが流入する。尚、インクジェットプ
リンタとして用いる場合には、このようなインク室７０
を多数備えて構成される。

【０００５】次に、圧電セラミックス素子を用いたイン
ク噴射装置の第二の従来例を説明する。

【０００６】図７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。

【０００７】その圧電セラミックスプレート２には、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
よって電気的に接続されている。

【０００８】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
とがエポキシ系接着剤等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１
２（図９）が構成される。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。

【０００９】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１２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。

【００１０】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
キシ系接着剤等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、ワイヤボンデ
ィングによって導線４３で接続されている。

【００１１】次に、制御部のブロック図を示す図８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に電気的に接続された導電層
のパターン４２にはアースライン５５の電圧０Ｖを印加
する。

【００１２】次に、図９，図１０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
５１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からインク滴の噴出を行
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１０に示すように、側壁１１ｂには矢
印１４ｂの方向の駆動電界が発生し、側壁１１ｃには矢
印１４ｃ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４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７）か
らインク滴が噴射される。

【００１３】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９参照）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７）からマニ
ホールド２２（図７）を通してインク流路１２ｂ内にイ
ンクが供給される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように従来のインク噴射装置におけるノズル３２の形
状としては、一般にインク流路１２側がインク噴射側よ
り大きい穴径となるテーパを持つ方が、インク流路１２
側がインク噴射側より小さい穴径となるテーパの場合
や、インク流路１２側とインク噴射側との穴径が同じ場
合すなわち、テーパの無いストレートなノズル穴より
も、インク滴の量及び噴射速度が安定して得られると考
えられている。しかし、ノズル３２のインク流路１２側
断面部よりインク噴射側断面部へと、ノズル径が減少変
化する割合であるテーパ角θについては、はっきりと決
められていなかった。このため、テーパ角θが極端に大
きかったり、小さかったりすると、インク滴の飛翔スピ
ードが異なる恐れがありインクジェットプリンタヘッド
１毎により印字速度が異なることがあった。従って、印
字品質が悪く、またインクジェットプリンタヘッド１の
大量生産性に優れていなかった。

【００１５】また、一つのインクジェットプリンタヘッ
ド１においてもノズル３２のテーパ角が大きく異なった
ものが存在すると、ノズル３２毎によってインク滴の飛
翔スピードが異なることがあるため、インクジェットプ
リンタヘッド１における印字品質が大幅に低下したり、
ヘッドとしての機能を果たさないといった問題点があっ
た。従って、インクジェットプリンタヘッド１の大量生
産時にでる不良品の数が多かった。

【００１６】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、印字品質の良い大量生産性に優
れたインク噴射装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【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、圧電セラミックスの変形によりインク流
路の壁を変形して、その容積を変化させ、そのインク流
路に充填されたインクをインク流路に対応して配置され
たノズルから噴射するインク噴射装置において、前記ノ
ズルのインク流路側断面部よりインク噴射側断面部へ
と、ノズル径が減少変化する割合であるテーパ角θが５
°から３０°の間の範囲にある。

【００１８】

【作用】上記の構成を有する本発明では、圧電セラミッ
クスの変形によりインク流路の壁を変形して、その容積
を変化させ、そのインク流路に充填されたインクをイン
ク流路に対応して配置されたノズルから噴射するインク
噴射装置において、前記ノズルのインク流路側断面部よ
りインク噴射側断面部へと、ノズル径が減少変化する割
合、すなわちテーパ角θを５°から３０°の間の領域に
したので、インク滴の飛翔スピードが速くなる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例の基本的
な構成及び動作は、従来技術の第二の例の構成及び動作
と同一であるので、その説明を省略する。

【００２０】まず、インク流路１２に対するノズル３２
の中心位置について説明する。

【００２１】インク流路１２に対するノズル３２の中心
位置を変化させ、その時のインク滴の飛翔スピードを測
定した。そのインク滴の飛翔スピードは、等間隔時間に
発光するストロボを用いて、そのストロボの発光間隔を
変化させ、インク滴がストロボに同調した時の発行間隔
を測定して、そのインク滴の飛翔スピードを求めた。こ
のように測定したインク滴の飛翔スピードとインク流路
１２に対するノズル３２の中心位置との関係を図２に示
す。

【００２２】その図２には、ノズル３２の直径Ｄ₁が３
０μｍの場合と直径Ｄ₂が４５μｍの場合とが示されて
いる。この時、インク流路１２の幅である側壁１１間の
長さＬは９０μｍであり、高さは３００μｍである。そ
して、ノズル３２の中心位置の高さを３００μｍにし
て、ノズル３２の中心位置をインク流路１２の側壁１１
とその側壁１１との対向する方向に、一方の側壁１１か
ら他方の側壁１１へ側壁間長さの１／１２である７．５
μｍずつ変化させた。

【００２３】図２より明らかなように、ノズル３２の直
径Ｄ₁が３０μｍの場合では、１５．０μｍ〜７５．０
μｍの間にノズル３２の中心位置が配置されているとき
に、インク滴の飛翔スピードが速く、比較的安定してい
る。ノズル３２の直径Ｄ₂が４５μｍの場合では、２
２．５μｍ〜６７．５μｍの間にノズル３２の中心位置
が配置されているときに、インク滴の飛翔スピードが速
く、比較的安定している。

【００２４】このように、ノズル３２の中心位置が前記
対向する方向に対して、側壁１１間の中心より、側壁１
１間長さＬの１／２長さからノズル３２の直径Ｄの１／
２の長さを除いた距離の間に存在するときは、インク滴
の飛翔スピードが速く、比較的安定しているということ
である。

【００２５】また、図示はしないが、ノズル３２の中心
位置を前記対向する方向に、一方の側壁１１から他方の
側壁１１へ７．５μｍずつ変化させたときのインク滴の
飛翔スピードの測定をノズル３２の中心位置の高さを変
えて行ったが、同様な傾向の結果が得られた。従って、
インク流路１２に対するノズル３２の中心位置は、イン
ク流路１２の高さ方向には影響されない。

【００２６】更に、ノズル３２の直径Ｄを変えて、上述
したようにノズル３２の中心位置を前記対向する方向及
び高さ方向に変化させてインク滴の飛翔スピードの測定
をしたが、直径Ｄ₁が３０μｍの場合と直径Ｄ₂が４５μ
ｍの場合と同様な傾向の結果が得られた。

【００２７】すなわち、ノズル３２の中心位置が前記対
向する方向に対して、側壁１１間の中心より、側壁１１
間長さＬの１／２長さからノズル３２の直径Ｄの１／２
の長さを除いた長さの領域９０（図１に示す網線領域）
に存在するときは、インク滴の飛翔スピードが速く、比
較的安定しているということである。

【００２８】尚、上述した寸法の側壁１１の変形量は３
０ｎｍ程度であり、側壁１１の変形量はノズル３２の大
きさに対して非常に小さい。従って、側壁１１の変形量
が変わってもノズル３２の大きさに対して、無視できる
ほどの大きさであるので、側壁１１の変形量が変わって
も、図２と同様の傾向となる。

【００２９】したがって、ノズル３１の中心位置が前記
領域内に配置されるように、ノズル３２をノズルプレー
ト３１に形成すれば、インク滴の飛翔スピードが速く、
比較的安定するので、ノズル３２の形成時におけるノズ
ル３２の中心位置精度が高くなくてもよい。また、ノズ
ル３１の中心位置が前記領域内に配置されるように、ノ
ズルプレート３１を接着すれば、インク滴の飛翔スピー
ドが速く、比較的安定するので、インク流路１２に対す
るノズル３２の中心位置合わせ精度が高くなくてもよ
い。このように、各インク流路１２に対してノズル３２
の中心位置が異なっていても、前記領域内に配置されれ
ばよいので、インクジェットプリンタヘッド１の製造時
における不良品の数が少なくなる。従って、印字品質お
よび大量生産性に優れる。

【００３０】次に、ノズル３２の形状について説明す
る。ノズル形状としては一般に、インク流路側がインク
噴射側より大きい穴径となるテーパを持つ方が、インク
流路側がインク噴射側より小さい穴径となるテーパの場
合や、インク流路側とインク噴射側との穴径が同じ場合
すなわち、テーパの無いストレートなノズル穴よりも、
インク滴の量及び噴射速度が安定して得られると考えら
れている。

【００３１】そこで、ノズル３２のインク噴射側断面積
とインク流路１２側断面積について、これら面積の比を
変えて、インク滴の飛翔スピードを測定した。測定方法
は上述した方法である。その測定結果を図３に示す。

【００３２】その図３には、ノズル３２のインク噴射側
の直径を３０μｍに固定して、ノズル３２のインク流路
１２側の直径を変化させた場合が示されている。この
時、ノズル３２の中心位置はインク流路１２に対してほ
ぼ中央に配置されている。また、インク流路１２の幅は
９０μｍであり、高さは３００μｍである。

【００３３】図３から明らかなように、ノズル３２のイ
ンク噴射側断面積とインク流路１２側断面積の比が１対
２から１対５０の間では比較的インク飛翔スピードが速
く、安定している。また、より好ましくは１対２から１
対１５の範囲である。

【００３４】また、ノズル３２の中心位置を上述した領
域内において移動させて、同様の測定をしたが、同様の
結果が得られた。

【００３５】更に、ノズル３２のインク噴射側の直径を
変えて、同様の測定をしたが、同様な傾向の結果が得ら
れた。

【００３６】このように、ノズル３２のインク噴射側断
面積とインク流路１２側断面積の比が１対２から１対５
０の間では、インク滴の飛翔スピードが安定し、且つ速
いので、ノズル３２の設計自由度が広がる。また、製造
誤差によってノズル３２の形状が異なっても、インク噴
射側断面積とインク流路１２側断面積の比が１対２から
１対５０の間であれば、各ノズルから噴射されるインク
滴の飛翔スピードは安定しているので、インク滴の飛翔
インクジェットプリンタヘッド１の製造時における不良
品の数を少なくなる。従って、印字品質および大量生産
性に優れる。

【００３７】次に、図４（ａ）に示すノズル３２のテー
パ角θを変えて、インク滴の飛翔スピードを測定した。
測定方法は上述した方法である。その測定結果を図４
（ｂ）に示す。

【００３８】その図４（ｂ）には、ノズル３２のインク
噴射側の直径を３０μｍに固定して、ノズル３２のテー
パ角θを変化させた場合が示されている。但し、ノズル
３２のインク噴射側断面積とインク流路１２側断面積と
の比が１対１．５から１対１５の範囲について測定を行
った。この時、ノズル３２の中心位置はインク流路１２
に対してほぼ中央に配置されている。また、インク流路
１２の幅は９０μｍであり、高さは３００μｍである。

【００３９】図４（ｂ）より明らかなように、ノズル３
２のテーパ角θが５゜から３０゜の時が比較的インク滴
の飛翔スピードが速く安定している。またより好ましく
はテーパ角θが５゜から２０゜の範囲である。

【００４０】また、ノズル３２のインク噴射側の直径を
変えて、同様の測定をしたが、同様の結果が得られた。

【００４１】更に、ノズル３２の中心位置を上述した領
域内において移動させて、同様の測定をしたが、同様の
結果が得られた。

【００４２】このように、ノズル３２のテーパ角θが５
゜から３０゜の間では、インク滴の飛翔スピードが安定
し、且つ速いので、ノズル３２の設計自由度が広がる。
また、製造誤差によってノズル３２の形状が異なって
も、ノズル３２のテーパ角θが５゜から３０゜の間であ
れば、各ノズルから噴射されるインク滴の飛翔スピード
は安定しているので、インク滴の飛翔インクジェットプ
リンタヘッド１の製造時における不良品の数が少なくな
る。従って、印字品質および大量生産性に優れる。

【００４３】ここで、インク成分中の固形分の最大投影
面積とノズル３２の最小断面部分の面積とについて説明
する。種々のインク成分中に含まれる固形分の大きさが
異なるインクを用意して、インク滴の飛翔スピードを測
定した。その結果を図５に示す。

【００４４】その図５には、ノズル３２のインク噴射側
の直径を３０μｍに固定して、インク成分中に含まれる
固形分の大きさを変化させた場合が示されている。但
し、ノズル３２のインク噴射側断面積とインク流路１２
側断面積との比が１対１．５から１対１５の範囲、且つ
テーパ角が５゜から２０゜の範囲のノズル３２について
測定を行った。この時、ノズル３２の中心位置はインク
流路１２に対してほぼ中央に配置されている。また、イ
ンク流路１２の幅は９０μｍであり、高さは３００μｍ
である。

【００４５】図５より明らかなように、ノズル３２のイ
ンク噴射側断面積がインク成分中の固形分の最大投影面
積の４倍以上であれば、インク飛翔スピードが速くて安
定する。さらに好ましくは１６倍以上の時である。これ
は、インク滴の噴射時にインク成分中の固形分がノズル
３２と接触するために、インク滴に抵抗が発生し、ノズ
ル３２のインク噴射断面積がインク成分中の固形分の最
大投影面積の４倍以下では、インク滴の飛翔スピードが
低下するものと考えられる。

【００４６】また、ノズル３２の中心位置を上述した領
域内において移動させて、同様の測定をしたが、同様の
結果が得られた。

【００４７】更に、ノズル３２のインク噴射側の直径を
変えて、同様の測定をしたが、同様な傾向の結果が得ら
れた。

【００４８】尚、ノズル３２の最小断面部分がノズル３
２のインク噴射側面積であったが、ノズル３２の最小断
面部分がノズル３２のどの部分にあっても図５と同様な
傾向となる。

【００４９】このように、ノズル３２の最小断面部分の
面積がインク成分中の固形分の最大投影面積の４倍以上
であれば、インク滴の飛翔スピードが安定しているの
で、１つのインクジェットプリンタヘッド１が複数種類
のインクを噴射することが出来る。また、カラー印刷に
用いられる複数のインクに対応した複数のインクジェッ
トプリンタヘッド１に同一の形状のノズル３２を使用す
ることができ、生産性に優れる。更に、ノズル３２の最
小断面部分の面積がインク成分中の固形分の最大投影面
積の４倍以上であれば、インク滴の飛翔スピードが安定
し、且つ速いので、ノズル３２の設計自由度が広がる。
また、製造誤差によってノズル３２の形状が異なって
も、ノズル３２の最小断面部分の面積がインク成分中の
固形分の最大投影面積の４倍以上であれば、各ノズルか
ら噴射されるインク滴の飛翔スピードは安定しているの
で、インク滴の飛翔インクジェットプリンタヘッド１の
製造時における不良品の数が少なくなる。従って、印字
品質および大量生産性に優れる。

【００５０】尚、以上説明したインク滴の飛翔スピード
の測定を従来技術の第一の例と同一の構成及び動作のも
のに行った。その結果は、図２，図３，図４（ｂ），図
５と同様な傾向のものであった。

【００５１】また、インク流路１２の幅及び高さを変え
て、同様の測定をしたが、図２，図３，図４（ｂ），図
５と同様な傾向の結果が得られた。

【００５２】また、ノズル３２は円形であったが、四角
形や楕円形であっても、図２，図３，図４（ｂ），図５
と同様な傾向の結果が得られた。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のインク噴射装置によれば、ノズルのインク流路側
断面部よりインク噴射側断面部へと、ノズル径が減少変
化する割合であるテーパ角θが５°から３０°の間の範
囲にあるので、ノズルから噴出されるインク滴の飛翔ス
ピードは、どのノズルでも均一となり、印字品質が優れ
る。また、個々のノズル毎による特別な調整が不用とな
り、大量生産性に優れているといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるノズル中心位置を配
置する領域を示す説明図である。

【図２】前記実施例におけるノズル中心位置とインク飛
翔スピードとの関係を示す説明図である。

【図３】前記実施例におけるノズルのインク噴射側断面
積とインク流路側の断面積との比と、インク飛翔スピー
ドとの関係を示す説明図である。

【図４】（ａ）は、前記実施例におけるノズルのテーパ
角を示す説明図である。（ｂ）は、前記実施例における
ノズルテーパ角とインク飛翔スピードとの関係を示す説
明図である。

【図５】前記実施例におけるノズルのインク噴射側断面
積とインク成分中固形分の最大投影面積の比と、インク
飛翔スピードとの関係を示す説明図である。

【図６】本発明の第一の従来例のインク噴射装置の構成
を示す断面図である。

【図７】本発明の第二の従来例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８】前記第二の従来例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９】前記第二の従来例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１０】前記第二の従来例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。

【符号の説明】

２圧電セラミックスプレート１２インク流路１１側壁３２ノズル３１ノズルプレート９０ノズル中心位置領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミックスの変形によりインク流
路の壁を変形して、その容積を変化させ、そのインク流
路に充填されたインクをインク流路に対応して配置され
たノズルから噴射するインク噴射装置において、前記ノズルのインク流路側断面部よりインク噴射側断面
部へと、ノズル径が減少変化する割合であるテーパ角θ
が５°から３０°の間の範囲にあることを特徴とするイ
ンク噴射装置。
【請求項２】前記ノズルの中心位置が、前記インク流
路の壁とその壁に対する対向壁の中心より、その壁と対
向壁との対向する方向における両壁間の長さの１／２の
長さからノズルの前記対向する方向における長さの１／
２の長さを除いた長さの領域にあることを特徴とする請
求項１記載のインク噴射装置。