JP3638458B2 - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを噴出して印刷するインクジェットプリンタに用いられるインクジェットプリンタヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディアの発達とともに、情報の記録装置としてのプリンタ、とりわけインクジェットプリンタはパーソナルコンピュータの普及とともに急速に利用範囲が拡大している。
【０００３】
インクジェットプリンタに用いるインクジェットプリンタヘッド（以下、ヘッドという）としては、図３に示すようなジルコン酸チタン酸鉛等を主成分とする圧電セラミックスからなる複数の隔壁２３を等間隔で並設してなり、上記隔壁２３間を加圧室２４としてなる加圧部材２２と、上記隔壁２３上に接合され、各加圧室２４を閉じる天板２５とからなり、上記加圧室２４の一方端側には各加圧室２４と連通するインク噴出孔２７を有するノズル板２８を具備するとともに、上記各隔壁２３の上部側両側面にはその長手方向に沿って駆動用電極２６をそれぞれ備えた剪断モード型のものがあった（特開平９−１６４６７２号公報、特開平７ー１０１０５６等参照）。なお、２９は加圧室２４の他方端側にインクを導くためのインク供給孔である。
【０００４】
そして、このヘッド２１でもって記録媒体（不図示）に印刷するには、隔壁２３を挟んで形成された駆動用電極２６間に通電することで、圧電セラミックスの剪断モード変形を利用して各隔壁２３を屈曲変位させ、各加圧室２４内の圧力をそれぞれ変化させることでインク噴出孔２７よりインクを吐出させるようになっている。即ち、図４（ａ）に示すように、隔壁２３ａ，２３ｂを加圧室２４ａの内側へ、隔壁２３ｄ，２３ｅを加圧室２４ｄの内側へそれぞれ屈曲変位させて加圧室２４ａ，２４ｄ内を同時に加圧することでインク噴出孔２７よりインクを吐出させ、次に、図４（ｂ）に示すように、隔壁２３ｂ，２３ｃを加圧室２４ｂの内側へ、隔壁２３ｅ，２３ｆを加圧室２４ｅの内側へそれぞれ屈曲変位させて加圧室２４ｂ，２４ｅ内を同時に加圧することでインク噴出孔２７よりインクを吐出させ、さらに図４（ｃ）に示すように、隔壁２３ｃ，２３ｄを加圧室２４ｃの内側へ、隔壁２３ｆ，２３ｇを加圧室２４ｆの内側へそれぞれ屈曲変位させて加圧室２４ｃ，２４ｆ内を同時に加圧することでインク噴出孔２７よりインクを吐出させるようになっており、このように、３つの加圧室２４を一つの群とし、順次インクを吐出させるようになっていた。
【０００５】
なお、図４（ａ）において、加圧室２４ｃ，２４ｆでは圧力が減圧されることからインク供給孔２９よりインクが導入されるようになっており、図４（ｂ）において、加圧室２４ａ，２４ｄでは圧力が減圧されることからインク供給孔２９よりインクが導入されるようになっており、図４（ｃ）において、加圧室２４ｂ，２４ｅでは圧力が減圧されることからインク供給孔２９よりインクが導入されるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３に示す従来のヘッド２１では、前述した通り、３つの加圧室２４を一つの群としてインクを順次吐出する構造であるため、一回に吐出させることができる加圧室２４の数が制限されるとともに、２つの加圧室２４おきにしか吐出させることができないため、一回に吐出することができるインク噴出孔２７の間隔が長くなる結果、所定の画像を印刷するのに時間がかかるといった課題があった。
【０００７】
そこで、２つの加圧室４を一つの群としてインクを吐出させることも考えられえるが、このような場合、例えば、図４（ａ）のように、隔壁２３ａ，２３ｂをそれぞれ加圧室２４ａ側に屈曲変位させて加圧室２４ａを加圧してインクを吐出させると、その隣の加圧室２４ｂでは隔壁２３ｂ，２３ｃがそれぞれ加圧室２４ｂに対して外側へ拡がるように屈曲変位することになるため、加圧室２４ｂ内の圧力が急激に減圧され、インク噴出孔２７より加圧室２４ｂ内に空気が侵入して気泡が発生する結果、次に、図４（ｂ）のように、加圧室２４ｂ内を加圧してインクを吐出させようとしても、その圧力が気泡によって吸収されるため、所望のインク容量を吐出することができなかったり、酷いときにはインクを吐出させることができないといった課題があった。
【０００８】
このように、図３に示すようなこれまでの剪断モード型のヘッド２１では、印刷時間を短縮することができなかった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、平行に整列した圧電セラミックスからなる複数の隔壁を有し、該隔壁間を加圧室としてなる加圧部材と、該加圧部材の隔壁の頂部に接合され、上記加圧室を塞ぐ天板とからなり、上記加圧室の一方端側には電気粘性を有するインクを導入するインク供給孔を、他方端側には上記インクを吐出するインク噴出孔をそれぞれ備えるとともに、上記隔壁の両側面にはそれぞれ駆動用電極を有し、上記各隔壁を挟む駆動用電極間に通電して隔壁を屈曲変位させることによって加圧室内の圧力を変化させ、前記インク供給孔からインクを加圧室内に導入するとともに、インク噴出孔からインクを吐出するインクジェットプリンタヘッドであって、各加圧室のインク噴出孔近傍における対向壁面にそれそれ前記電気粘性を有するインクの粘度を調整する制御用電極を設けたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明によれば、加圧室を形成する加圧部材の隔壁を屈曲変位させることで加圧室内の圧力を変化させ、インクを吐出する剪断モード型のヘッドにおいて、インクとして電気粘性を有するインク（以下、ＥＲインクという）を用いるとともに、上記加圧室のインク噴出孔近傍における対向壁面に、上記インクの粘度を調整するための制御用電極をそれぞれ設けたことから、インクの吐出に寄与していない加圧室側において、制御用電極間に通電してＥＲインクの粘度を見かけ上高めることで、加圧室内の急激な圧力減少によるインク噴出孔からの空気の侵入を防ぐことができるため、インク吐出が不能とならず、２つの加圧室を一つの群としてインクを吐出させることができる。その為、一回に吐出させることができる加圧室の数を増やすことができるとともに、インク噴出孔の間隔を短く（インクを吐出する密度が向上する）することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本発明のインクジェットプリンタヘッド１を示す一部を破断した斜視図で、圧電セラミックスからなる複数の隔壁３を等間隔で並設してなり、上記隔壁３間を加圧室４としてなる加圧部材２と、上記隔壁３上に接合され、各加圧室４を閉じる天板５と、上記加圧室４の一方端側を塞ぐように接合され、各加圧室４と連通するインク噴出孔７を備えたノズル板８とからなり、上記各隔壁３の上部側両側面にはその長手方向に沿って駆動用電極６をそれぞれ形成してある。
【００１３】
なお、上記加圧部材２において、加圧室４の他方端側は閉じられた構造となっており、前記天板５に穿孔されたインク供給孔９から加圧室４の他方端側へインクが導入されるようになっている。また、上記隔壁３の両側面に形成された駆動用電極６は、加圧室４の終端から加圧部材２の後端まで延設したリード膜１１を介して通電されるようになっており、ＥＲインクの制御用電極６は、隔壁３の頂部から加圧部材２の後端まで延びるリード膜１２を介して通電されるようになっている。
【００１４】
そして、このインクジェットプリンタヘッド１を用いて記録媒体（不図示）へ印刷するには、まず、インクとしてＥＲインクを用いる。ＥＲインクとは、オイル等の絶縁性の分散媒体に、酸化珪素等の各種セラミックスなどからなる数μｍ程度の微粒子粉末を分散させたもので、このインクに電圧を加えると、見かけ上粘度を高めることができるといった性質を有するものである。
【００１５】
そして、このＥＲインクをインク供給孔９より各加圧室４に充填し、加圧室４ｂ，４ｄを構成する隔壁３ｂ〜３ｅの対向壁面にそれぞれ形成された制御用電極１０間にそれぞれ通電してインク噴出孔７の近傍に位置するインクの粘度を見かけ上高めた状態で、図２（ａ）に示すように、各隔壁３の両側面に形成された駆動用電極６間に通電して隔壁３ａ，３ｂを加圧室４ａ側に、隔壁３ｃ，３ｄを加圧室４ｃ側にそれぞれ屈曲変位させて加圧室４ａ，４ｃ内の圧力を加圧することで、加圧室４ａ，４ｃ内のインクをインク噴出孔７より同時に吐出させることができる。この時、加圧室４ｂ，４ｄ内の圧力は、加圧室４ａ，４ｃ内の圧力の増加に伴って急激に減圧されることになるが、インク噴出孔７の近傍におけるインクの粘度は見かけ上高められているため、インク噴出孔７より加圧室４ｂ，４ｄ内への空気の侵入を効果的に防止することができる。
【００１６】
次に、加圧室４ｂ，４ｄを構成する隔壁３ｂ〜３ｅの対向壁面にそれぞれ形成された制御用電極１０間への通電を止めるとともに、加圧室４ａ，４ｃを構成する隔壁３ａ〜３ｄの対向壁面にそれぞれ形成された制御用電極１０間に通電してインク噴出孔７の近傍に位置するインクの粘度を見かけ上高めた状態で、図２（ｂ）に示すように、各隔壁３の両側面に形成された駆動用電極６間に通電して隔壁３ｂ，３ｃを加圧室４ｂ側に、隔壁３ｄ，３ｅを加圧室４ｄ側にそれぞれ屈曲変位させて加圧室４ｂ，４ｄ内の圧力を加圧することで、加圧室４ｂ，４ｄ内のインクをインク噴出孔７より同時に吐出させることができる。また、この時、加圧室４ａ，４ｃ内の圧力は、加圧室４ｂ，４ｄ内の圧力の増加に伴って急激に減圧されることになるが、インク噴出孔７の近傍におけるインクの粘度は見かけ上高められているため、インク噴出孔７より加圧室４ａ，４ｃ内への空気の侵入を効果的に防止することができる。
【００１７】
このように、図２（ａ）（ｂ）の動作を繰り返すことにより、２つの加圧室４を一つの群としてインクを順次吐出させることができるため、図３に示す従来のヘッド２１と比較して、一回に吐出させることができる加圧室４の数を増やすことができるとともに、インク噴出孔７の間隔を短くすることができるため、所定の画像を印刷するのに要する時間を短縮することができる。
【００１８】
ところで、上記隔壁３を有する加圧部材２を形成する圧電セラミックスとしては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする圧電セラミックス、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする圧電セラミックス、ニッケルニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、チタン酸バリウムを主成分とする圧電セラミックス、さらにはこれら主成分を複合した圧電セラミックスを用いることができ、好ましくはマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスもしくはニッケルニオブ酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスにより形成することが良い。
【００１９】
また、隔壁３の両側面に形成する駆動用電極６及びＥＲインクの制御用電極１０の材質としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属や、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｂ−Ａｇ、Ｐｔ−Ｐｂ等を主体とする合金を用いることができる。
【００２０】
以上のように、図１に示すヘッド１では、ＥＲインクの制御用電極１０を加圧室４を構成する隔壁３の対向壁面にそれぞれ形成した例を示したが、加圧室４の他の対向壁面をなす天板５と加圧室４の底部にそれぞれ形成したものでも同様の作用効果が得られることは言うまでもない。また、本発明のインクジェットプリンタヘッド１は、図１に示すものだけに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲であれば、改良や変更を加えたものであっても良いことを言うまでもない。
【００２１】
次に、本発明のインクジェットプリンタヘッド１の製法について説明する。
【００２２】
まず、加圧部材２を形成するために、前記圧電セラミック体を用意し、その厚み方向に分極処理を行い、ダイシングソーなどを用いた切削加工やブラスト加工等によって、複数の溝を並設し、該溝を加圧室４とするとともに、この加圧室４を構成する壁を隔壁３としてなる加圧部材２を形成する。
【００２３】
次に、各隔壁３の両側面に、蒸着、スパッタリング、メッキ等の膜形成手段によって前記金属材料からなる駆動用電極６とＥＲインクの制御用電極１０をそれぞれ形成するのであるが、制御用電極１０は、ノズル板８が接合される加圧室４の開口部の近傍に位置する隔壁３の壁面に、駆動用電極６は、制御用電極１０を除く上部側壁面に加圧室４の終端まで形成する。なお、制御用電極１０には、隔壁３の頂部から加圧部材２の後端まで延びるリード膜１２を延設してあり、このリード膜１１を介して制御用電極１０へ通電するとともに、駆動用電極６には、加圧室４の終端から加圧部材２の後端まで延びるリード膜１１を延設してあり、このリード膜１２を介して駆動用電極６へ通電するようになっている。
【００２４】
ここで、制御用電極１０の大きさについては特に限定するものではなく、加圧室４内の圧力が減圧された時にインク噴出孔７から空気の侵入がなくかつ隔壁３の駆動特性に影響を与えない範囲で、ＥＲインクの粘度や電気的特性に応じて適宜設定すれば良い。また、駆動用電極６は、隔壁３の上部側壁面にのみ形成した例を示したが、隔壁３の下部側壁面にのみ形成しても良く、さらには制御用電極１０を除く壁面全面に形成することもできる。
【００２５】
さらに、駆動用電極６及び制御用電極１０への他の通電方法として、後述する天板５に複数のスルーホール導体を形成しておき、この天板５を加圧部材２の隔壁３上に接合する際に、天板５のスルーホール導体を隔壁３の駆動用電極６及び制御用電極１０とそれぞれ直接当接させて導通を図るようにすることもできる。
しかるのち、加圧部材２の加圧室４を塞ぐべく、隔壁３の頂部に、セラミックス、ガラス、シリコン等の絶縁材料からなるインク供給孔９を備えた天板５を接着剤やガラスにて接合するとともに、加圧室４の開口部を塞ぐべく、セラミックス、ガラス、シリコンからなるインク噴出孔７を備えたノズル板８を接着剤やガラスにて接合することにより、図１に示すインクジェットプリンタヘッド１を得ることができる。
【００２６】
【実施例】
ジルコン酸チタン酸鉛からなる圧電セラミック体を用意し、ダイシングソーにて溝幅１００μｍ、溝深さ５００μｍ、ピッチ２００μｍの溝加工を施して複数の加圧室４を有する加圧部材２を形成した。
【００２７】
次に、各加圧室４を構成する隔壁３の両壁面に、スパッタリングにてＡｕからなる駆動用電極６とＥＲインクの制御用電極１０をそれぞ形成した。なお制御用電極１０の大きさは加圧室４の深さ方向の長さが５００μｍ、加圧室４の長手方向の長さが８００μｍの長方形とし、駆動用電極６の大きさは、加圧室４の深さ方向の長さが２５０μｍ、加圧室４の長手方向の長さが１５００μｍの帯状とした。
【００２８】
しかるのち、加圧部材２の隔壁３上に、インク供給孔９を備えたアルミナセラミック製の天板５をエポキシ系接着剤にて接合するとともに、加圧室４の開口部に、インク噴出孔７を備えた樹脂製のノズル板８をエポキシ系接着剤にて接合して図１に示すインクジェットプリンタヘッド１を製作した。
【００２９】
そこで、このインクジェットプリンタヘッド１を駆動させ、インクの吐出特性について確認する実験を行った。
【００３０】
まず、インクとしてＥＲインクをインク供給孔９より各加圧室４ａ〜４ｄに導入し、加圧室４ｂ，４ｄを構成する隔壁３ｂ〜３ｅの対向壁面に備える制御用電極１０間に、３０Ｖの直流電圧を印加して、インク噴出孔７近傍のインクの粘度を見かけ上高めるとともに、加圧室４ａ，４ｃを構成する各隔壁３ａ〜３ｄに、周波数５ｋＨｚの矩形波を３０Ｖの電圧で印加して図２（ａ）に示すように隔壁３ａ，３ｂを加圧室４ａ側に、隔壁３ｃ，３ｄを加圧室４ｃ側にそれぞれ屈曲変位させて各加圧室４ａ，４ｃ内を加圧し、加圧室４ａ，４ｃと連通するインク噴出孔７よりインクを吐出させ、次に、加圧室４ｂ，４ｄを構成する隔壁３ｂ〜３ｅの対向壁面に備える制御用電極１０間への通電を止め、加圧室４ａ，４ｃを構成する隔壁３ａ〜３ｄの対向壁面に備える制御用電極１０間に、３０Ｖの直流電圧を印加して、インク噴出孔７近傍のインクの粘度を見かけ上高めるとともに、加圧室４ｂ，４ｄを構成する各隔壁３ｂ〜３ｅに、周波数５ｋＨｚの矩形波を３０Ｖの電圧で印加して図２（ｂ）に示すように隔壁３ｂ，３ｃを加圧室４ｂ側に、隔壁３ｄ，３ｅを加圧室４ｄ側にそれぞれ屈曲変位させて各加圧室４ｂ，４ｄ内を加圧し、加圧室４ｂ，４ｄと連通するインク噴出孔７よりインクを吐出させる、という動作を繰り返したところ、インクの吐出に寄与していない加圧室４側で急激な圧力低下が起こってもインク噴出孔７からの空気の侵入は見られず、２つの加圧室４を一つの群として順次インクを安定して吐出させることができた。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、平行に整列した圧電セラミックスからなる複数の隔壁を有し、該隔壁間を加圧室としてなる加圧部材と、該加圧部材の隔壁の頂部に接合され、上記加圧室を塞ぐ天板とからなり、上記加圧室の一方端側には電気粘性を有するインクを導入するインク供給孔を、他方端側には上記インクを吐出するインク噴出孔をそれぞれ備えるとともに、上記隔壁の両側面にはそれぞれ駆動用電極を有し、上記各隔壁を挟む駆動用電極間に通電して隔壁を屈曲変位させることによって加圧室内の圧力を変化させ、前記インク供給孔からインクを加圧室内に導入するとともに、インク噴出孔からインクを吐出するインクジェットプリンタヘッドであって、各加圧室のインク噴出孔近傍における対向壁面間に前記電気粘性を有するインクの粘度を調整する制御用電極を設けたことによって、インクの吐出に寄与しない加圧室に備える制御用電極間に通電してＥＲインクの粘度を見かけ上高めることで、加圧室内の圧力減少によるインク噴出孔からの空気の混入を防ぐことができ、インク吐出が不能とならないため、２つの加圧室を一つの群としてインクを吐出させることができ、もって、一回に吐出することができるインク噴出孔の数を増やすことができるとともに、インク噴出孔の間隔を短くできるため（インクを吐出する密度が向上する）、所定の画像を印刷するのに要する時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットプリンタヘッドを示す一部を破断した斜視図である。
【図２】（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明のインクジェットプリンタヘッドの駆動原理を説明するための縦断面図である。
【図３】従来のインクジェットプリンタヘッドを示す一部を破断した斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は従来のインクジェットプリンタヘッドの駆動原理を説明するための縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１：インクジェットプリンタヘッド ２，１２：加圧部材
３，１３：隔壁 ４，１４：加圧室 ５，１５：天板
６，１６：駆動用電極 ７，１７：インク噴出孔 ８，１８：ノズル板
９，１９：インク供給孔 １０：制御用電極 １１，１２：リード膜

Claims (1)

1. 平行に整列した圧電セラミックスからなる複数の隔壁を有し、該隔壁間を加圧室としてなる加圧部材と、該加圧部材の隔壁の頂部に接合され、上記加圧室を塞ぐ天板とからなり、上記加圧室の一方端側には電気粘性を有するインクを導入するインク供給孔を、他方端側には上記インクを吐出するインク噴出孔をそれぞれ備えるとともに、上記隔壁の両側面にはそれぞれ駆動用電極を有し、上記各隔壁を挟む駆動用電極間に通電して隔壁を屈曲変位させることによって加圧室内を加圧することによってインク噴出孔からインクを吐出するインクジェットプリンタヘッドであって、各加圧室のインク噴出孔近傍における壁面に前記電気粘性を有するインクの粘度を調整する制御用電極を設けたことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。

Images