JP3149663B2 - インク噴射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク噴射装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、これまでのインパクト方式の印字
装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト方式の印字装置のなかで、原理が最も単
純で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとし
て、インクジェット方式の印字装置が上げられる。なか
でも印字に使用するインク滴のみを噴射するドロップ・
オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコス
トの安さなどから急速に普及している。

【０００３】ドロップ・オン・デマンド型として特公昭
５３−１２１３８号公報に開示されているカイザー型、
あるいは特公昭６１−５９９１４号公報に開示されてい
るサーマルジェット型がその代表的な方式としてある。
このうち、前者は小型化が難しく、後者は高熱をインク
に加えるためにインクの耐熱性に対する要求が必要とさ
れ、それぞれに非常に困難な問題を抱えている。

【０００４】以上のような欠陥を同時に解決する新たな
方式として提案されたのが、特開昭６３−２４７０５１
号公報に開示されているせん断モード型である。

【０００５】図５に示すように、上記せん断モード型の
インク噴射装置６００は、底壁６０１、天壁６０２及び
その間のせん断モードアクチュエータ壁６０３からな
る。そのアクチュエータ壁６０３は、底壁６０１に接着
され、且つ矢印６１１方向に分極された下部壁６０７
と、天壁６０２に接着され、且つ矢印６０９方向に分極
された上部壁６０５とからなっている。アクチュエータ
壁６０３は一対となってその間にインク流路６１３を形
成し、且つ次の一対のアクチュエータ壁６０３の間に
は、インク流路６１３よりも狭い空間６１５を形成して
いる。

【０００６】各インク流路６１３の一端には、ノズル６
１８を有するノズルプレート６１７が固着され、各アク
チュエータ壁６０３の両側面には電極６１９、６２１が
金属層として設けられている。各電極６１９、６２１は
インクと絶縁するための絶縁層（図示せず）で覆われて
いる。そして、空間６１５に面している電極６１９、６
２１はアース６２３に接続され、インク流路６１３内に
設けられている電極６１９、６２１は、アクチュエータ
駆動回路を与えるシリコン・チップ６２５に接続されて
いる。

【０００７】次に、このインク噴射装置６００の製造方
法を説明する。まず、矢印６１１に分極された圧電セラ
ミックス層を底壁６０１に接着し、矢印６０９に分極さ
れた圧電セラミックス層を天壁６０２に接着する。各圧
電セラミックス層の厚みは、下部壁６０７、上部壁６０
５の高さに等しい。次に、圧電セラミックス層に、平行
な溝をダイヤモンドカッティング円板の回転等によって
形成して、下部壁６０７、上部壁６０５を形成する。そ
して、真空蒸着によって下部壁６０７の側面に電極６１
９を形成し、その電極６１９上に前記絶縁層を設ける。
同様にして上部壁６０５の側面に電極６２１、前記絶縁
層を設ける。

【０００８】上部壁６０５の天頂部と下部壁６０７の天
頂部とを接着してインク流路６１３と空間６１５とを形
成する。次に、ノズル６１８が穿孔されているノズルプ
レート６１７を、ノズル６１８がインク流路６１３と対
応するように、底壁６０１、天壁６０２及びアクチュエ
ータ壁６０３の一端に接着し、インク流路６１３と空間
６１５との他端をシリコン・チップ６２５とアース６２
３とに接続する。

【０００９】そして、各インク流路６１３の電極６１
９、６２１にシリコン・チップ６２５が電圧を印加する
ことによって、各アクチュエータ壁６０３がインク流路
６１３の容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形し
て、所定時間後電圧印加が停止されてインク流路６１３
の容積が増加状態から自然状態となってインク流路６１
３内のインクに圧力が加えられ、インク滴がノズル６１
８から噴射される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構成のインク噴射装置６００では、空間６１５に面し
ている電極６１９、６２１はアース６２３に接続され、
インク流路６１３内に設けられている電極６１９、６２
１は、アクチュエータ駆動回路を与えるシリコン・チッ
プ６２５に接続されているので、各インク流路６１３内
の電極６１９、６２１に電圧を印加してインクを噴射し
ている。このため、インク流路６１３内の電極６１９、
６２１は、インクと絶縁するための前記絶縁層で被覆し
なければならない。これは、前記絶縁層がないと、導電
性の高いインクであると、短絡する可能性があり、導電
性がそれぼど高いくないインクであっても電気化学的な
腐食により、電極６１９、６２１が劣化されて、アクチ
ュエータ壁６０３変形が十分に行われなくなり、印字品
質が悪くなるといった問題があった。従って、インクと
電極６１９、６２１とを絶縁するための絶縁層が必要と
なり、そのための設備、工程が必要で、生産性が下が
り、コストが上がるといった問題があった。また、イン
ク噴射装置６００を示した特開昭６３−２４７０５１号
公報には、インク流路６１３のみにインクを充填し、空
間６１５にインクを充填しないが、その具体的構成およ
び方法が開示されていない。そこで、例えば、底壁６０
１あるいは天壁６０２に、インク流路６１３に連通する
貫通孔を各インク流路６１３に対応して設けて、インク
流路６１３のみにインクを供給し、空間６１５にインク
を供給しないようにすると、それら貫通孔を形成するこ
とは、大きさが小さいために形成することが難しく、歩
留まりが悪い、また、加工に時間がかかり、大量生産性
に劣るといった問題があった。

【００１１】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、加工が容易で歩留まりが高く、
大量生産性に優れ、またインクと電極とを絶縁する絶縁
層が必要ないインク噴射装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１のインク噴射装置では、一方の面に
形成された複数の第一溝と、その一方の面と反対側の他
方の面において、各第一溝の間に形成された複数の第二
溝とを隔てる複数の隔壁を有し、その隔壁の少なくとも
一部がその隔壁の高さ方向に分極された圧電セラミック
スで形成されたプレートと、前記複数の第一溝の開口部
を塞ぐカバー部材と、前記第一溝にインクを供給するマ
ニホールドと、前記第一溝の側面に形成された電極と、
前記第二溝の側面の高さ方向の少なくともほぼ半分に形
成され、前記第一溝の電極との間の前記隔壁に電界を発
生する電極と、前記複数の第一溝内の電極のすべてを電
気的に接続するとともに接地する第二電極と、前記第一
溝の両外側に位置する前記第二溝内の両電極を互いに接
続するとともに個々に制御部に電気的に接続する接続手
段とを備え、前記第二溝の電極への電圧の印加により、
前記第一溝を挟んで対向する、その第二溝の電極に対応
する前記隔壁のほぼ半分の領域を、それぞれ反対方向に
圧電厚みすべり変形により傾斜状に変形させ、前記第一
溝内のインクに圧力を加えることを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記の構成を有する本発明のインク噴射装置で
は、少なくとも一部が分極された圧電セラミックスで形
成されたプレートの一面に複数の第一溝が形成され、そ
の反対側の他面において各第一溝の間に複数の第二溝が
形成されることで、第一溝と第二溝との間に複数の隔壁
が形成される。複数の第一溝内の電極のすべてが第二電
極に接続され、第二溝の側面の高さ方向の少なくともほ
ぼ半分に形成された電極が、第一溝を挟んで対向する第
二溝の電極と相互に接続されるとともに個々に制御部に
接続され、第二溝側の電極から電圧が印加されると、隣
接した両隔壁のほぼ半分の領域が互いに反対方向に圧電
厚みすべり変形により傾斜状に変形され、インクが噴射
される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００１５】インク噴射装置の構成及び製造方法を説明
する。図１に示すように、インク噴射装置１００は、圧
電セラミックスプレート１０２とカバープレート１１０
とノズルプレート１４から構成されている。

【００１６】その圧電セラミックスプレート１０２は、
チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）等のセラミックス材
料で形成され、矢印１０５の方向に分極されている。圧
電セラミックスプレート１０２には、ダイヤモンドブレ
ード等により表面１１７側から切削加工されて、第一溝
としての複数の溝１０３が形成される。それらの溝１０
３は同じ深さであり、かつ平行である。それらの溝１０
３は、圧電セラミックスプレート１０２の一端面１１６
に開口し、反対側の他端面１１５に開口しないように加
工される。

【００１７】そして、溝１０３の内面全域及び表面１１
７に、メッキ等によって金属電極１０８が形成される。
ここで、溝１０３の内面に形成された金属電極１０８が
第一電極に相当し、表面１１７に形成された金属電極１
０８が第二電極に相当する。アルミナで形成されたカバ
ープレート１１０には、インク導入口１１４及びマニホ
ールド１０１が形成されている。また、カバープレート
１１０のマニホールド１０１が形成された面には金属電
極１１９が形成されている。そして、圧電セラミックス
プレート１０２の溝１０３加工側の面と、カバープレー
ト１１０のマニホールド１０１形成側の面とをエポキシ
系接着剤１２１（図４）によって接着する。これによっ
て、溝１０３の前記表面１１７側の開口部が覆われて、
インク室１０４が形成される。このように形成されたイ
ンク室１０４は、後述するノズルプレート１４に面する
部分以外はほとんど金属電極１０８、１１９によって覆
われている。尚、圧電セラミックスプレート１０２の端
部１１５側において、圧電セラミックスプレート１０２
とカバープレート１１０との間に、後述する第一フレキ
シブル基板（図示せず）が配置されて、圧電セラミック
スプレート１０２とカバープレート１１０とが接着され
る。

【００１８】カバープレート１１０が接着された後に、
図２のようにインク噴射装置１００を裏返し、圧電セラ
ミックスプレート１０２の裏面１１８において、前記各
インク室１０４の間に第二溝としての深溝１１１を、ダ
イヤモンドブレード等によって切削加工する。ここで、
深溝１１１を加工するダイヤモンドブレードは、微細で
相当な深さの加工において破損しないように、先が細く
なった形状である。そして、深溝１１１は、裏面１１８
から表面１１７（図１）の近傍までの深さであり、圧電
セラミックスプレート１０２の両端１１５、１１６に開
口するように加工される。この深溝１１１の加工によっ
て、深溝１１１とインク室１０４とを隔てる隔壁１０６
が形成される。隔壁１０６は矢印１０５方向に分極され
ている。そして、深溝１１１の両側面にはスパッタリン
グ等によって、金属電極１０９が、前記裏面１１８から
前記インク室１０４のおよそ半分程度の高さまでの領域
に形成される。尚、このスパッタリングは矢印１１２ａ
と１１２ｂの２方向から１回ずつ行い、深溝１１１の両
側面及び裏面１１８に金属電極１０９を形成する。ここ
で、深溝１１１の側面に形成された金属電極１０９が第
三電極に相当し、圧電セラミックスプレート１０２の裏
面１１８に形成された金属電極１０９が接続手段に相当
する。このようにして形成された金属電極１０９は、そ
れぞれのインク室１０４の外側の半分の領域を包囲し、
各インク室１０４毎に金属電極１０９は電気的に独立し
ている。

【００１９】次に、図１に示すように、ノズルプレート
１４を、エポキシ系接着剤等を用いて各ノズル１２が各
インク室１０４と連通するように、圧電セラミックスプ
レート１０２及びカバープレート１１０の一端面１１６
に接着する。

【００２０】上述したように配置された前記第一フレキ
シブル基板のパターン（図示せず）が、圧電セラミック
スプレート１０２の表面１１７に形成された金属電極１
０８及びカバープレート１１０の金属電極１１９に電気
的に接続され、また裏面１１８に形成された金属電極１
０９が個々に第二フレキシブル基板（図示せず）のそれ
ぞれのパターン（図示せず）に電気的に接続される。第
一、第二フレキシブル基板のパターンは、後述する制御
部に接続されている。

【００２１】次に、制御部のブロック図を示す図３によ
って、制御部の構成を説明する。前記金属電極１０９
（図１）は、前記フレキシブル基板の第二パターンを介
して電気的に各々個々にＬＳＩチップ１５１に接続さ
れ、前記金属電極１０８（図１）は、前記フレキシブル
基板の第一パターンを介して電気的にＬＳＩチップ１５
１に接続され、クロックライン１５２、データライン１
５３、電圧ライン１５４及びアースライン１５５もＬＳ
Ｉチップ１５１に接続されている。ＬＳＩチップ１５１
は、クロックライン１５２から供給された連続するクロ
ックパルスに基づいて、データライン１５３上に現れる
データから、どのノズル１２からインク滴の噴射を行う
べきかを判断し、噴射するインク室１０４（図１）に対
応する金属電極１０９に、電圧ライン１５４の電圧Ｖを
印加する。また、噴射しないインク室１０４に対応する
金属電極１０９及びインク室４内の金属電極１０８にア
ースライン１５５を接続する。

【００２２】次に、本実施例のインク噴射装置１００の
動作を説明する。図４（ｂ）のインク室１０４ｂからイ
ンク滴を噴射するために、ＬＳＩチップ１５１（図３）
がインク室１０４ｂに対応する金属電極１０９ｂに対し
電圧パルスを与え、他のインク室１０４に対応する金属
電極１０９及びインク室１０４内の金属電極１０８を接
地する。すると、隔壁１０６ｂと隔壁１０６ｃには、矢
印１１３ｂと矢印１１３ｃ方向の電界が、金属電極１０
８と電極１０９ｂとが対面している部分に発生し、隔壁
１０６ｂと１０６ｃとが互いに離れるように動く。この
とき、圧電セラミックスプレート１０２の溝１０３（図
１）の底面より下方の部分にも電界が発生して、その電
界発生部分の圧電セラミックスが変形するが、インク室
１０４ｂの容積には影響を与えない。

【００２３】隔壁１０６ｂ、１０６ｃの変形によりイン
ク室１０４ｂの容積が増えて、インク室１０４ｂ内の圧
力が減少する。この状態をＬ／ａで示される時間だけ維
持する。その間、図示しないインク供給源からインク導
入口１１４、マニホールド１０１を介してインクがイン
ク室１０４ｂに供給される。なお、上記Ｌ／ａは、イン
ク室１０４内の圧力波が、インク室１０４の長手方向
（マニホールド１０１からノズルプレート１４まで、ま
たはその逆）に対して、片道伝播するに必要な時間であ
り、インク室１０４の長さＬとインク中での音速ａによ
って決まる。

【００２４】圧力波の伝播理論によると、前記の立ち上
げからちょうどＬ／ａの時間経つとインク室１０４ｂ内
の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミング
に合わせて電極１０９ｂに印加されている電圧を０Ｖに
戻す。すると、隔壁１０６ｂと１０６ｃは変形前の状態
（図４（ａ））に戻り、インクに圧力が加えられる。そ
の時、前記正に転じた圧力と隔壁１０６ｂ、１０６ｃが
変形前の状態に戻って、発生した圧力とがたし合わさ
れ、比較的高い圧力がインク室１０４ｂ内のインクに与
えられて、インク滴がインク室１０４ｂに対応するノズ
ル１２（図１）から噴出される。

【００２５】また、前記実施例においては、まず駆動電
圧をインク室１０４ｂの容積が増加する方向に印加し、
次に駆動電圧の印加を停止しインク室１０４ｂの容積を
自然状態に減少してインク室１０４ｂからインク滴を噴
射していたが、まず駆動電圧をインク室１０４ｂの容積
が減少するように金属電極１０９に電圧印加してインク
室１０４ｂからインク滴を噴射し、次に駆動電圧の印加
を停止してインク室１０４ｂの容積を前記減少状態から
自然状態へと増加させてインク室１０４ｂ内にインクを
供給してもよい。

【００２６】上述したように、本実施例のインク噴射装
置１００では、インクを噴射するインク室１０４ｂに対
応する金属電極１０９ｂに対して電圧パルスを与え、イ
ンク室１０４内の金属電極１０８を接地してノズル１２
からインク滴を噴射させているので、インクが充填され
たインク室１０４内面の金属電極１０８には電圧が印加
されない。従って、従来のような、インクとインク室内
の電極とを絶縁するための前記絶縁層が必要がなく、そ
のための設備、工程が必要なく、生産性を向上すること
ができ、コストを低減することができる。また、インク
が充填されたインク室１０４内の金属電極１０８には電
圧が印加されないので、金属電極１０８の耐食性がよ
い。このため、金属電極１０８の耐久が長く、インク噴
射装置１００の寿命が長い。

【００２７】また、深溝１１１には、空気が存在してい
るので、隔壁１０６の変形がしやすく、駆動電圧が低く
てよい。また、あるインク室１０４ｂの隔壁１０６ｃ、
１０６ｄの変形が他のインク室１０４に影響を及ぼさな
いので、各インク室１０４から良好にインク滴が噴射さ
れ、印字品質がよい。

【００２８】また、カバープレート１１０のマニホール
ド１０１形成面が接着される圧電セラミックスプレート
１０２の表面１１７には溝１０３のみが開口されている
ので、溝１０３に対応するインク室１０４にインクを供
給するマニホールド１０１の形状が単純でよく、そのた
めの加工が簡単にでき、歩留まりが高く、大量生産性に
優れる。

【００２９】また、各金属電極１０９が、インク噴射装
置１００の長手方向の全長にわたって外部に露出してい
るので、前記フレキシブル基板のパターンとの電気的接
続が容易かつ確実である。

【００３０】また、インク室１０４の内面は金属電極１
０８、１１９によってほぼ覆われているので、インク室
１０４内に電界が進入せず、インクに電界がかかること
はない。したがって、電界によるインクの電気化学的な
変化が起こらなく、インクの劣化が防止される。

【００３１】尚、深溝１１１内にゴミや塵が入らないよ
うに、さらには隔壁１０６が外部からの力によっての破
壊されないように、圧電セラミックスプレート１０２の
裏面１１８に、補強板を設置してもよい。また、金属電
極１０９と電気的に接続するパターンを前記補強板に形
成して、前記フレキシブル基板を用いずに、金属電極１
０９を制御部に接続してもよい。さらに、圧電セラミッ
クスプレート１０２の裏面１１８に、金属電極１０９を
形成せずに、前記補強板に接続手段としてのコネクタを
設けて、それぞれの溝１０３の外側の金属電極１０９を
電気的に接続させてもよい。

【００３２】また、本実施例では、圧電セラミックスプ
レート１０２の表面１１７にカバープレート１１０が接
着されているが、前記溝１０３、前記深溝１１１に対応
する溝、深溝を設けた圧電セラミックスプレートを２枚
用意し、溝が対向するように溝形成側の圧電セラミック
スプレートの面を互いに接着してもよい。

【００３３】また、本実施例では、１枚の圧電セラミッ
クスプレート１０２に溝１０３及び深溝１１１を形成し
ていたが、圧電セラミックスの上にアルミナなどの圧電
変形しないセラミックスを積層して、圧電変形しないセ
ラミックス側から溝１０３を加工し、圧電セラミックス
側から深溝１１１を加工するようにしてもよい。

【００３４】更に、本実施例では、１枚の圧電セラミッ
クスプレート１０２に溝１０３及び深溝１１１を形成
し、溝１０３の全内面に金属電極１０８を形成し、深溝
１１１の側面における、前記裏面１１８から前記インク
室１０４のおよそ半分程度の高さまでの領域に金属電極
１０９を形成して、隔壁１０６に圧電厚みすべり変形さ
せていたが、２枚の圧電セラミックスプレートを分極方
向が反対となるように積層して、溝１０３、深溝１１１
を形成し、溝１０３の内面の全領域に金属電極を形成
し、深溝１１１の側面の全領域に金属電極を形成して、
隔壁の全領域に電界を発生させ、隔壁の上半分の圧電セ
ラミックスと下半分の領域圧電セラミックスとを圧電厚
みすべり変形させて互いに同じ方向に変形させてもよ
い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のインク噴射装置によれば、第一溝がプレートの一
面に形成され、第二溝がプレートの他面に形成されて、
第一溝と第二溝との間に隔壁が形成され、そしてプレー
トの一面にある複数の第一溝内の電極のすべてが第二電
極に接続され、各第一溝の間においてプレートの他面に
ある第二溝内の電極が第一溝を挟んで対向する他の第二
溝内の電極と相互に接続されかつ個々に制御部に接続さ
れることで、第二溝内の電極を広い間隔をもって制御部
に容易に接続することができる。そして、第二溝の側面
の少なくとも半分の高さに電極が形成され、隣接した両
隔壁の半分の部分が互いに反対方向に圧電厚みすべり変
形により傾斜状に変形され、効率よくインクに圧力が加
えられる。このようにインクを噴射するための構成が簡
単に実現でき、加工が容易で歩留まりが高く、大量生産
性に優れる。さらに、第一溝の両外側に位置する第二溝
の両電極が互いに接続されることで、第一溝の両外側の
隔壁に同時に電界を発生するための構成を一層簡単にで
きる。

【００３６】また、上記構成で、第一溝にマニホールド
からインクを供給しかつ第二溝を空間とする構成が容易
に実現でき、加工が容易で、大量生産性に優れる。さら
に好ましくは、第二電極を接地することで、第一の溝の
インクには電圧が印加されず、インクの劣化が防止され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のインク噴射装置を示す斜視
図である。

【図２】前記実施例のインク噴射装置の製造過程を示す
説明図である。

【図３】前記実施例のインク噴射装置の制御部を示すブ
ロック図である。

【図４】前記実施例のインク噴射装置の動作を示す説明
図である。

【図５】従来例のインク噴射装置を示す説明図である。

【符号の説明】

１００ インク噴射装置 １０２ 圧電セラミックスプレート １０３ 溝 １０４ インク室 １０５ 分極方向 １０６ 隔壁 １０８ 金属電極 １０９ 金属電極 １１０ カバープレート １１１ 深溝 １１９ 金属電極

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の面に形成された複数の第一溝
   と、その一方の面と反対側の他方の面において、各第一
   溝の間に形成された複数の第二溝とを隔てる複数の隔壁
   を有し、その隔壁の少なくとも一部がその隔壁の高さ方
   向に分極された圧電セラミックスで形成されたプレート
   と、前記複数の第一溝の開口部を塞ぐカバー部材と 、前記第一溝にインクを供給するマニホールドと 、前記第一溝の側面に形成された電極と 、前記第二溝の側面の高さ方向の少なくともほぼ半分に形
   成され、前記第一溝の電極との間の前記隔壁に 電界を発
   生する電極と、 前記複数の第一溝内の電極のすべてを電気的に接続する
   とともに接地する第二電極と、 前記第一溝の両外側に位置する前記第二溝内の両電極を
   互いに接続するとともに個々に制御部に電気的に接続す
   る接続手段とを備え、前記第二溝の電極への電圧の印加
   により、前記第一溝を挟んで対向する、その第二溝の電
   極に対応する前記隔壁のほぼ半分の領域を、それぞれ反
   対方向に圧電厚みすべり変形により傾斜状に変形させ、
   前記第一溝内のインクに圧力を加えることを特徴とする
   インク噴射装置。