JP3776317B2 - オンデマンド滴下インクジェット印刷装置及びインクジェット印刷方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はオンデマンド滴下インクジェット印刷装置に関するものであり、一例として、２次元配列のインク・チャンバーを有するオンデマンド滴下インクジェット印刷装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
出願人が出願中のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９８／０１９５５号は、剪断モードに偏向するように並べられた圧電アクチュエート−ディスクを用いるオンデマンド滴下インクジェット装置を開示している。この装置はインク・チャンバーを区切るように配列された複数のラミネート板からなる。アクチュエータはチャンバーの一方の側をなし、チャンバーの他方の側をなすノズル板内に設けられたノズルに向かって偏向する。アクチュエータ上に設けられた電極間に電圧が加えられると、剪断モードでノズル板に向かって圧電ディスクが偏位する。チャンバー内を放射状に伝わる音響圧力波は、チャンバーの両側壁から反射してインク内とアクチュエータ内にたまったエネルギーを消費し、再びチャンバーの中心に収束してチャンバーからインクを放出させる。ノズルから圧力波が退くときの体積歪すなわち圧縮により、時間Ｒ／ｃだけノズル出口開口部からインク流が発生する。ここでｃはチャンバー内のインクの有効音響速度およびＲはチャンバーの壁までの半径方向の距離である。この時間だけ、インク小滴が放出される。時間Ｒ／ｃがたつと、圧力が負になってインク放出がやみ、印加電圧を除き得る。次に、圧力波が弱まると、チャンバーから放出されたインクが補充され、小滴放出サイクルがくり返される。短時間に続けていくつかのパルスを加えることにより、放出小滴の大きさを増していくつかの灰色レベルを増強することができる。
【０００３】
【発明の開示】
本発明の好ましい実施態様は、上記の概念を拡張して、オンデマンド滴下インクジェット印刷における一層の改良を提供するものである。第１の面において、本発明はノズル軸上のノズル、該ノズルと連通するインク・チャンバー、ノズル軸の周りにノズル軸方向に延展されている圧電アクチュエート構造体、チャンバーを区切ってノズルに向かって面するアクチュエート面、前記構造体が該アクチュエート面をノズル軸の方向に動かしてノズルから小滴を放出することができるようにアクチュエート可能でありおよび該アクチュエート構造体にアクチュエート電界を印加するための電極からなるオンデマンド滴下インクジェット印刷装置を提供する。
【０００４】
好ましくは、電極はインク・チャンバーに接するアクチュエート構造体の面上にある第１電極およびインク・チャンバーと離れているアクチュエート構造体の対向面上にある第２電極からなる。
第２の面において、本発明はノズル軸上のノズル、該ノズルに連通するインク・チャンバー、ノズル軸の方向に延展されている圧電アクチュエート構造体、チャンバーを画成し、ノズルに対向するアクチュエート面、前記構造体が該アクチュエート面をノズル軸の方向に向かってノズルから小滴を放出することができるように、アクチュエート可能でありおよび該アクチュエート構造体に電界を印加するための電極からなり、該電極がインク・チャンバーに接するアクチュエート構造体の表面上にある第１電極およびインク・チャンバーから離れているアクチュエート構造体の反対側の表面上にある第２電極からなるオンデマンド滴下インクジェット印刷装置を提供する。第１電極はアースされていることが好ましい。
【０００５】
インク・チャンバーはノズル軸の周りに放射状に延展せしめられており、アクチュエート構造体はノズル軸の方向にアクチュエート面を動かして、ノズル軸の周りに放射状にインク・チャンバー内を伝わる音響波によって、ノズルから小滴を放出させるようにアクチュエート可能である。
好ましくは、インク・チャンバーはノズルに軸から半径方向の距離Ｒだけ延展せしめられ、アクチュエート構造体は最長で、時間Ｒ／ｃの半分の時間の間、ノズル軸の方向に動くようにアクチュエート可能である。ここでｃはインク・チャンバー内のインクを通る音の速さである。
インク・チャンバーは一般に円形の構造体によって区画され、この構造体はノズル軸の周りに放射状にインク・チャンバー内を伝わる音響波を反射するのに使われる音響インピーダンスを変化させる。このインピーダンスの変化は、ノズル軸の方向のインク深さの変化によって生じる。
【０００６】
円形構造体はインク・チャンバーの周りにインクの環を作って、この環はノズル軸の方向にインク・チャンバーの深さとは異なる深さを有する。
好ましくは、本装置はさらに、インク・チャンバーと液状で連通し、小滴放出を続けるインク・チャンバーの補充をするためのインク供給部材からなる。
このインク供給部材は、インク・チャンバーの周りに周囲に配置される複数の位置に配置され得る。
インク供給部材は実質的にインク・チャンバーの全周において、インク・チャンバーにインクを供給し得る。
アクチュエート構造体の少なくとも一部はノズル軸に向かってテーパー状であり得る。
【０００７】
１つの好ましい実施態様においてアクチュエート構造体は均質で直接モードで偏位するようにアクチュエート電界に対する極性を有する。アクチュエート構造体は図 1 及び図２に示す様にその表面に対して横切る方向に極性をかけられ、電界はアクチュエート構造体の表面に対し横切る方向に印加される。
あるいは、アクチュエート構造体は均質で、剪断モードで偏向するように電界に対する極性を有する。アクチュエート構造体はノズル軸に向かって収束する方向に極性を有し、電界がアクチュエート構造体の表面に対し横切る方向に印加される。
アクチュエート構造体は圧電物質のディスクからなり、この圧電ディスクはノズル軸の方向に極性を有して、電界が印加されるとすぐ直接モードで偏位する。
【０００８】
本装置は、それぞれ平行なノズル軸をもつ複数のノズル、それぞれノズル軸の周りに延展されている複数のインク・チャンバーおよびそれぞれ該インク・チャンバーと当接したアクチュエート構造体の２次元配列を有する均質な圧電シートからなる。
第３の面において、本発明はノズル軸をもつノズルに連接されてノズル軸の周りに放射状に延展されているインクを受け入れるための扁平状空間部を作り、ノズル軸の周辺に延展されているインピーダンス境界を該扁平状空間部内に供給しおよびノズル軸の周りと該ノズル軸方向に延展せしめられて、インク・チャンバー内でノズル軸の周りに放射状に伝わってインピーダンス境界によって反射されることによりノズルからインク小滴を放出させる音響波を作るように、ノズル軸方向にアクチュエート面を動かす圧電アクチュエート構造体を選択的にアクチュエートするステップからなるインクジェット印刷方法を提供する。
【０００９】
第４の面において本説明は、それぞれ平行なノズル軸をもつノズルの２次元配列を有するノズル・プレートを形成し、それぞれ各ノズル軸の周りに各ノズル軸方向に延展せしめられ、それぞれノズルと対応しているアクチュエート構造体の２次元配列を基板上に形成し、アクチュエート面が各アクチュエート構造体に対して設けられ、各壁の選択作動を可能にする電極をアクチュエート構造体に付けおよびノズル・プレートと基板を積層するステップからなり、該積層された構造体がそれぞれ各ノズル軸の周りに延展せしめられて各ノズルと連接され、製造された装置において選択された構造体の作動によってノズルからインク滴が射出されるオンデマンド滴下インクジェット印刷装置の製造方法を提供する。
本発明の装置面について述べた上記特性は方法面にも適用され、その逆もいえる。
【００１０】
本発明はノズル軸上のノズル、ノズル軸の周りに放射状に延展されているインク・チャンバー、該インク・チャンバーにつながったインク供給部材、アクチュエート面およびノズル軸方向に延展されている長さをもつアクチュエート面に対するアクチュエータからなり、該アクチュエータがノズル軸方向にアクチュエート面を動かして、ノズル軸の周りに放射状にインク・チャンバー内に伝わる音響波によってノズルからインク滴を射出させ、インク・チャンバーにインクを補充するように作動するオンデマンド滴下インクジェット印刷装置も提供する。
また本発明は、それぞれ互いに並列に配置されているノズル軸を持つ複数個のノズルが２次元配列されているノズル群、それぞれが個々のノズル軸の周りに延展せしめられており且つそれぞれが対応する個々のノズルと連接している複数のディスク状インク・チャンバー、それぞれ個々のノズル軸方向に延展された所定の長さをもち、個々のインク・チャンバーと連接している複数個の２次元配列された円形状で対称的なアクチュエート構造体を含む均質な圧電シートであって、且つ当該個々のアクチュエート構造体における壁がそれぞれ対応するディスク状ルーフ材によって架橋されている圧電シート、および当該それぞれの壁を選択的に作動させて対応するノズルから小滴を射出するために圧電シート上に設けられた電極とから構成されているオンデマンド滴下インクジェット印刷装置も提供する。
【００１１】
また本発明は、それぞれ互いに並列に配置されているノズル軸を持つ複数個のノズル群が２次元配列されているノズル・プレートを形成する工程、それぞれが個々のノズル軸方向に延展された所定の長さをもち、個々のノズルと連接している複数個の２次元配列された円形状で対称的なアクチュエート構造体を含む均質な圧電シートであって、且つ当該個々のアクチュエート構造体における壁がそれぞれ対応するディスク状ルーフ材によって架橋されている圧電シートを形成する工程、当該それぞれの壁を選択的に作動するために圧電シート上に電極を設ける工程、及び当該ノズル・プレートと当該圧電シートを積層する工程とから構成されており、当該積層された構造体が、それぞれノズル軸の周りに延展せしめられており、且つそれぞれのノズルと連接されている複数のディスク状インク・チャンバーを提供し、それによって製造された装置において選択された当該圧電シートの壁による作動によって、選択された関連するノズルからインク滴を射出させるようにするオンデマンド滴下インクジェット印刷装置の製造方法も提供する。
【００１２】
複数のインク・チャンバーは、圧電シート内に形成された２次元的に配列されている複数個の円形状で対称的な凹部によって提供され、各凹部のルーフ材はそれぞれのインク・チャンバーの少なくとも一部の底壁を含んでいる。
個々の電極への電気接続は、圧電シート上に装着された相互接続プレート上でなされる。ノズル・プレートと相互接続プレートは、圧電物質から構成されても良い。あるいは、当該ノズル・プレートと当該相互接続プレートは、それらは圧電シートと熱的に互換性のある物質から構成されても良い。
インク・チャンネルの配列は、インク・チャンバーにインクを供給するために圧電シート内に形成されても良い。
各インク・チャンバーは、一般に円形の構造体によって境界を区切られており、この構造体は、完成された装置内に於いて、各ノズル軸の周りに放射状に延展されているインク・チャンバー内を伝播する音響波を反射する機能を発揮する音響インピーダンスに変化を与える。
【００１３】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、図によって本発明の実施例を説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施例よりなるオンデマンド滴下インクジェット印刷装置の圧電シート１４内に形成された単一のアクチュエータ３０の部分断面図である。圧電シート１４、介挿プレート１７およびノズルプレート１８がインク・チャンバー２２を画成し、インク・チャンバー２２はノズル・プレート１８内に形成されたノズル１９の軸の周りに放射状に延展されている。インク・チャンバー２２は、介挿プレート１７内に形成されたオリフィス２０を経てノズル１９に連接されている。図１（ａ）に示すように、圧電シート１４は介挿プレート１７、ノズル・プレート１８および基板４４を含む積層構造体の一部を示している。
インク・チャンバー２２は、圧電シート内に形成されたインク・チャンバー２２の周りに配置された一対のインク・チャンネル１５によってインクが供給される。図（ｂ）に示すように、インク・チャンネル１５は圧電シート１４内に形成されたマニホルド１０２と液体が流通できる様に相互に連接されており、次にダクト３６を経てインク溜め（図示せず）から供給される。
【００１４】
さらに、当該双方のインク・チャンネル１５をインク・チャンバー２２の両側の端部に連接することにより、一般に当業界で知られているように、ごみと空気を取り除くため、インクを複数個のインク・チャンバー２２の列を介して循環させる事を可能とする。これは、図１（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図である図１（ａ）の断面図に示されるアクチュエータからなる２次元配列体の斜視図によって一層明瞭に示されている。また図１（ｂ）はインク流れ特性を変えるために設けられた任意方向で支持壁１０１も示している。
図１（ａ）に示すように、アクチュエータ３０の壁３１は中央空洞３２の周りに実質的にノズル１９の軸に対して同軸に延展せしめられており、その上部は直径ｒ１の円形ルーフ部３４に覆われている。好ましくは、ルーフ部はモールドによって壁３１と一体成形され、このため壁３１はチャンバー軸に対してテーパ状になっている。カレンダリングや機械研磨のような他の加工法も、適切に用いることができ、ルーフ部３４を円形ディスクから作り、組立時にそれを壁３１の頂に取り付けることももちろん可能である。
【００１５】
電極２４・２５はスパッタリングや他の適当な方法により、圧電シート１４の両側に形成され、電極が必要でない部分のシートはスピン・コーティングで付けられる従来のリソグラフィーレジストによって保護され、電極が必要でない部分硬化処理し、非硬化レジストを取り除くため洗浄される。図１（ａ）に示すように、電極２４はノズル軸方向に延展されている空洞３２の表面に形成され、電極２５はインク・チャンバー２２に接するアクチュエータ３０の面上に形成されている。
この実施例において、電極はルーフ部３４の表面部分を除く圧電シート１４の実質的に全表面にわたって延展され、且つ、当該電極は圧電シート１４の下側で壁３１の底部１０の一部および内面にわたって延展されている。
電極２４・２５により、分極と作動の双方のため、電界が壁３１の圧電物質に印加される。分極の場合、図１（ａ）の矢印３０′で示すように、圧電物質の双極子を整列させるように高い電位差が印加される。このようなプロセスは当業界においてよく知られており、これ以上詳しい説明はしない。しかし、ルーフ部が実質的に分極せず、小滴射出には寄与しないことには注意すべきである。ルーフ部３４を分極させることはもちろん可能であるが、これは製造を複雑にする。
【００１６】
電極２４・２５は次に、分極した圧電壁を作動させるために導通せしめられる。
導電性の介挿プレート１７によって、電極２５は共通アースにつながれ、一方電圧はコンタクト４０と基板４４内に形成されたトラック４３を通じて電極２４に選択的に印加される。図１（ｃ）は図１（ｂ）の配列の後面透視図で、基板につながれる電極２４の環部が明確に見て取れる。
電極２４と２５の間に電界を印加すると、壁３１はいわゆる「直接モード」で作用するので、極性方向に対する電界方向に依存して、壁はノズル１９に向かって狭まり長くなるか、あるいは厚くなり収縮してノズル１９から離れる。この動きにより、インク・チャンバー２２内にチャンバー内を放射状に伝わる音響波が生じ、インク・チャンネル１５内で反射され、インク・チャンバー２２の中央に収束してノズル１９からインクを射出する。圧力波がノズルから退くときの体積歪すなわち圧縮により、時間Ｒ／ｃだけノズル出口開口部からインク流を生ずる。
ここでｃはチャンバー内のインクの有効音響速度、Ｒはチャンバーの壁までの半径方向距離である。インク小滴がこの時間だけ出される。時間Ｒ／ｃ後、圧力は負となり、インク放出が止み、印加電圧が除かれる。次に、圧力波が弱まると、インク・チャンバー２２から射出されたインクはインク・チャンネル１５から補充され、小滴サイクルがくり返される。当業界で知られているように、媒体上に対応する大きさのインク小滴を堆積するために、高速で連続的なパルス数が適用される。
【００１７】
図２（ａ）と２（ｂ）は本発明の第２実施例によるオンデマンド滴下インクジェット印刷装置を示す。本質的に、これらの装置の層と物質は第１実施例のそれらと同様である。しかし、この第２実施例では、アクチュエータ３０の分極方法と分極方向が第１実施例のそれらと異なっており、正確な分極配列を達成するため次のステップを要する。
図２（ａ）において、初期分極電極３８・３９がルーフ部３４の頂面と底面に置かれている。ここで前記と同様の分極方法を用い、圧電シートは矢印４０の方向に分極している。底電極３９は次に取り除かれ、新電極４２が壁３１の底に取り付けられ、分極電位差が当該壁３１の軸方向４１沿って印加される。分極電極は次に双方とも除かれ、射出電極２４・２５が図２（ｂ）のように組み立てられたプリントヘッドの圧電シート１４の頂・底面のすべてにわたって取り付けられる。
【００１８】
操作の間、壁３１はいわゆる「剪断モード」で中央空洞３２の中央に対して近づいたり離れたりして偏位し、一方ルーフ部３４は直接モードでノズルに対して近づいたり離れたりするので、当該ルーフ部の偏位の結果が、インク内に放射状の音響波が発生する。
第１実施例と同様に、このアクチュエータ３０は２つの異なった部材からなる。
図１及び図２の実施例において、インク・チャンバー２２は介挿プレート１７内のオリフィス２０を通して、ノズルプレート１８内のノズル１９と連接されている。介挿プレート１７は好ましくは圧電シート１４の膨張係数とよく似た係数をもつ金属プレートである。オリフィス２０はフォトリソグラフィ法を使って、あるいはドリルや電気化学的エッチングによって作られることが好ましい。ノズル・プレート１８はポリイミド、たとえば宇部興産のＵｐｉｌｅｘ（商標）から作られることが好ましく、介挿プレート１７に取り付けられる。ポリイミド製ノズル・プレートが好ましいけれど、他のポリマーや金属成分も適当に使い得る。
ノズル・プレートは非濡れ性を改善する撥水性コーティング剤をコートすることができる。
【００１９】
これらの実施例において、当該ルーフ部の頂面を当該支持壁の頂面より下方に下げることが、インク・チャンバー２２を形成する事になる。図３の別の具体例では、ルーフ部３４と支持壁３６のそれぞれ頂面が平面で、事実、平坦性を確保するために平坦化処理されている。インク・チャンバー２２はこのようにして、介挿プレート１７内のオリフィス２０の直径を支持壁３７の内面の空間の直径と実質的に等しくなるように広げることによって形成される。好ましくは支持壁３７の該直径は９００μｍで、これは介挿プレートのオリフィスの直径と同一である。
このような構造において、インク・チャンバーの高さは、当該圧電部材のルーフ部と支持壁の相対寸法よりもむしろ介挿プレートの厚みによって決められる。
これにより、インク・チャンバーの大きさをインク射出配列全体にわたって正確に、かつ均一にすることができるという利点がある。なぜなら、介挿プレートはモールドされる圧電シート１４よりも許容度が高く製造することができるからである。第２の利点は、介挿プレートの厚みを変えることにより、簡単にインク・チャンバーの高さを変えられ、したがってチャンバーから射出される小滴の速度を変えることができることである。これにより、プリントヘッドを特定の高速或いは低速でのインク射出を要する印刷用途に対して仕立てることができる。
介挿プレートの厚みは１００μｍのオーダーが好ましいが、２５〜１５０μｍの範囲ならよい。
【００２０】
図３の実施例では、単一のポリイミド製ノズルプレートが比較的広い間隔で形成されているが、このノズル・プレートを支持固定するため、さらに介挿材を用いてもよい。そのような介挿プレートを図４に示す。図４で、ノズル・プレート１８、第１介挿層５、第２介挿層１７、圧電層１４および回路基板４４が５層の積層体をなしている。この積層体は支持プレート７、８のチューブ６を通してインク供給装置につながっている。これらはアルミニウム・シャーシ９に取り付けられている。
ノズル・プレート１８は、第１介挿層を第２介挿層に取り付ける前か、或いはその後に、第１介挿層に結合される。第１、第２介挿層はともに、標準光リソグラフィ法によってその中にオリフィスを作るようにエッチングされる金属プレートであることが好ましい。介挿層双方の厚みは５０μｍが好ましいが、射出特性を変えるために変更することも出来る。
第２介挿層内のオリフィスは直径９００μｍが好ましいが、これはインク・チャンバー２２の直径に対応している。
【００２１】
ノズル・プレート内のノズルは、２つの介挿層とインク・チャンバー内のオリフィスの直径に関して中央にあり、スキャン方向において１／３６０インチだけ離れ、紙フィード方向において１７／２５６インチだけ離れていることが好ましい。このＸ−Ｙ方向における不等間隔により、チップ上の過負荷と電力サージが軽減される。もちろん、インク・チャンバーの中心間距離を変えることによって簡単に１／３６０インチ以外のドット間隔にすることもできる。しかし、このドット間隔を２倍に拡大することは、同一の紙上に於いて、同じドット密度を得る為に、ヘッド数を増加させることが要求される事を意味する。
一方向にドット間隔を増すと他方向のドット間隔に影響を与えるので、必要な パスの数が２倍だけ増えるので、ページを印刷し終えるのが遅くなる。ドット間隔の最適範囲は１／７２０〜１／１８０インチであると考えられている。
【００２２】
各アクチュエータのルーフ部３４は直径７００μｍであることが好ましい。ノズル軸方向のアクチュエータの高さは７００μｍが好ましく、壁３１の厚みは７０μｍが好ましい。アクチュエータの大きさがこのようであれば、２０Ｖ入力に対するノズル・プレートの方向にアクチュエータを３０ｎｍ変位させることができる。
第１〜第３実施例のアクチュエータは、単一のインク・マニホルド１０２と液体が流通する様に連接されており、それゆえ、単色（のインク）を射出する。もちろん、多色ヘッドを製造するため、２以上のマニホルドおよび分割壁を提供することは可能である。
図５は、オンデマンド滴下インクジェット印刷装置と結合した駆動回路の間の好ましい電気接続方法を示している。
【００２３】
圧電シート１４、介挿プレート１７およびノズル・プレート１８が、厚膜状のハイブリッド回路基板４４の頂面に装着されている。このような回路基板は、当業者に知られている。集積回路（チップ）１０５が回路基板４４の反対側に装着され、そこで導電パッド５０と接続されている。この導電パッド５０は、回路基板４４の多層構造のため（端部においてよりも）チップの表面の全体にわたって分布されている。チップ面の配置の一例を図７に示す。２５個の入力端子部が中央に位置する導電パッドを通して形成され、一方、３２個のアクチュエータに対する出力端子部がチップ周辺に位置する２つの列の各々によって形成される。このことは、チップが厚膜ハイブリッド回路基板と所定の密度で相互接続され、すべての接続がノズル配列の領域の範囲内で行われことを意味している。
又、図５の実施例では、当該チップは、インクとの直接接触によって冷却されることを意味している。
【００２４】
回路基板４４にカバー１０６が付けられて、当該カバーは、又、チップ１０５ を保護するとともに、インク導入孔１１０と当該回路基板に形成されている穴１０８との間に形成されているインク用の導管として機能するもので有り、且つ当該圧電シート１４のマニホールド１０２と連接されているものであっても良い。 これにより、インクによってチップが冷却され、このため、チップはインクによる化学侵食に対し保護される様に、たとえばパラレンが塗布されていることが好ましい。あるいは、信頼性に対する配慮としては、穴１０８へのインク供給がカバー１０６およびその中の電子部材に無関係に保持されるようにすることが必要である。
図６は厚膜状ハイブリッド回路基板４４の裏面上のチップの可能な配置を示す。入力コンタクト５１が、それぞれ２つのチップ１０５を有するプラスチック・マニホルドの外側に位置している。インクは供給チューブの１つを介して供給され、他の供給チューブの出口から排出され、それによってプリントヘッドを通して連続インク循環を行う。
インクはプリントヘッドにもどってリサイクルされる前に、冷却され、加熱され、排ガスされ、あるいは濾過される。
【００２５】
アクチェエータはほとんど完全に予備テスト可能である。圧電シート１４の裏面上でチップ・パッドを作ることにより、射出特性がチップ装着の前にテスト・測定され、同様にチップが圧電シートを付加する前に一度テストされる。回路基板４４および圧電シート１４が試験され、結合されると、この２つは完全に自己含有モジュールを形成し、電気的及び機械的なシャーシに接続する仕方に依存して交換可能である。このことは、特にそのようないくつかのモジュールからなるページ幅の配列の場合、有利である。
図８（ａ）は、オンデマンド滴下インクジェット印刷装置の単一アクチュエータに関する第４実施例の断面図である。このアクチュエータの斜視図を図８（ｂ）に示す。この第４実施例において、アクチュエータ１３０はノズル・プレート１８のノズル１９の軸方向に延展されている圧電物質の壁１３１からなる。壁１３１の底は回路基板４４に、一体的に或いは接合方法によって結合されている。図８（ｂ）にさらに明確に示すように、壁１３１は壁１３１内の空洞１３２を囲み、この空洞は壁１３１がノズル軸の周りに延展されているノズル軸と同軸である。
【００２６】
壁１３１は円形ディスク状のルーフ部１３４によって頂点部を覆われている。このディスクは組み立ての間、壁頂部に取り付けられ、図８（ｂ）に示されているＹ軸方向に延展されている、すなわちノズル軸に対して実質的に直交する方向に延展されている壁の長さと同等かそれ以上長い直径をもつ。このディスク（１３４）も、圧電物質あるいは当該ディスクが移動する間、たわまないだけ十分に剛性のある他の適当な物質からなる。
電極１２４は壁１３１の空洞１３２内に形成される。チャンネル１３６が回路基板４４内に形成されて、電極１２４を電源に接続し、電極１２４に電圧を選択的に印加させるようにする。電極１２５はインク・チャンバー２２に接する壁１３１の双方の側（更に可能であれば、当該アクチュエータの全表面に）及び当該回路基板４４の上表面とに、スパッタあるいは他の適当な方法で形成される。
当該電極１２５は一般にアースされる。
【００２７】
分極および作動プロセス双方のため、電極１２４、１２５により電界が壁１３１の圧電物質に印加される。分極の場合、図８（ａ）の矢印１３０′のように圧電物質の双極子を整列させるため、高圧の電位差が印加される。このようなプロセスは当業界で公知であり、これ以上詳細に述べない。しかし、ディスク１３４は実質的には分極せず、小滴射出に寄与しないことに注意すべきである。もちろん、ディスク１３４を分極させることはできるが、製造を複雑にする。
図８（ｂ）において、電極１２４、１２５は分極した圧電壁を作動させるために導通される。電界が電極１２４、１２５間に印加されると、壁１３１はいわゆる「直接モード」で作動するので、分極方向に対する電界方向に依存して、ノズル１９に対して狭まって伸長されるか、厚くなって縮む。これにより、チャンバー１２２と流体が移動可能に連接されているインク射出チャンバー１４０内に音響波が発生する。このチャンバー１４０内を放射状に伝わる音響波は、介挿プレート１７、１１６によってチャンバー１２２及び１４０間に区画されたインク・チャンネル１４２によって反射され、ノズル１９の下方で収束し、ノズル１９からインクを射出させる。ノズルから圧力波が退くとき、体積歪すなわち圧縮により時間Ｒ／ｃだけノズル出口開口部からインク流を出させる。ここでは、ｃはチャンバー１４０内のインクの有効音響速度およびＲはチャンバー１４０の壁１１６までの半径方向の距離である。インク小滴がこの時間だけ射出される。時間Ｒ／ｃの後、圧力が負になり、インク放出が止み、印加電圧が除かれる。次に、圧力波が弱まると、インク・チャンバー１４０から射出されたインクがインク・チャンバー１２２から補充され、小滴サイクルがくり返される。当業界で知られているように、媒体上に対応する大きさのインク小滴を堆積するために、高速で連続的なパルス数が適用される。
【００２８】
図８（ｃ）は、この第４実施例によるアクチュエータ配列を単純化して示す図である。図示する様に、隣接するアクチュエータが共通のインク・チャンバー１２２を共有している。隣接するアクチュエータ間でのクロストークはディスク１３４にわたるインクの局在化した流れによって最小化される。インク・チャンバー１２２の大きさは２次元配列の両端の間の圧力差を減らすように供され、より大きな印刷幅にわたってより多量のインクが堆積するテキスタイル印刷を改善する。
図８（ｄ）はアクチュエータ１３０の１製造方法を説明する。まず、未加工の鋳造ＰＺＴのテープのような圧電物質の層２００が置かれる。２番目に、電極トラック２０２のパターンがスクリーン印刷、あるいはそれと同様の技術によって層２００上に形成される。（ 図８（ｄ）では、２個の電極トラックが示されているが如何なる数の電極トラックでもこの段階では形成可能である。）３番目に、圧電物質の第２層２０４が各電極トラック２０２が圧電物質によって囲まれるように層２００と２０４の頂部に置かれる。さらに別の電極トラックのパターンが層２０４上に形成され、必要な数の圧電物質の層を有する積層ブロックを形成する必要のあるとき、このプロセスがくり返される。次にこのブロックは焼成されて直方体のブロック（一般に１８ｍｍ×２５ｍｍ×１００ｍｍ）を形成し、線２０８−２１０−２１２に沿って加工され、個々のあるいは結合したアクチュエータを形成する。
【００２９】
図９（ａ）はオンデマンド滴下インクジェット印刷装置に於いて、単一アクチュエータを有する第５実施例の斜視図である。第４実施例と似ており、異なる点はアクチュエータがノズルに対してテーパ状の一種の円錐台体（ｆｒｕｓｔｒｏ−ｃｏｎｉｃａｌ）アクチュエート構造体２３１に替えられている点である。このアクチュエート構造体２３１は回路基板４４に一体化し、あるいは回路基板４４に接続されている。第４実施例と同様にアクチュエート構造体はノズル軸の周りに延展せしめられており、電極（図９（ａ）には図示せず）が空洞２３２内とアクチュエート構造体２３１の外面とが設けられ、それによって電界が、分極と作動の双方の目的のため、アクチュエート構造体２３１の圧電物質に印加される。
図９（ｂ）はオンデマンド滴下印刷装置内のそのようなアクチュエータの配列を示し、この配列は図８（ａ）に示されているものと同様である。
空洞２３２は、たとえばレーザーを使って図９（ａ）のようにアクチュエート構造体２３１と基板４４を通して実質的に円形断面の空洞を穿孔することにより、あるいは代わりに図８（ｂ）のようなトレンチ状の空洞を形成するといった適当な方法で、アクチュエート構造体２３１内に形成される。次に電極が、上記により形成された空洞内に、メッキ液を当該空洞内を介して送りこみ且つ固化させることにより形成される。
【００３０】
図１０（ａ）は第６実施例よりなるオンデマンド滴下印刷装置内の同様のアクチュエータ配列を示す。これらのアクチュエータは、第５実施例のそれらと同様だが、異なる点は第５実施例のそれらに対してアクチュエート構造体が逆さになっている点である。これらの構造体は回路基板と一体化し、あるいは回路基板と結合される。構造体は当該構造体及び回路基板内に各空洞が作られる前に回路基板に結合され、あるいは電極が当該構造体及び回路基板内の各空洞内に作られた後、結合される。この配列において図１０（ｂ）に示すように、各構造体３３１は非等方性接着剤３００によって回路基板４４に結合され、それによって、当該 構造体に於ける空洞内の電極３２４と回路基板内のコンタクト３４０の間の導通は許するが、電極３２４、３２５間の短絡は防ぐ。
本明細書（特許請求の範囲を含む）内に開示された各特徴および／または図面に示された各特徴は、他の開示されたおよび／または図示された特徴とは無関係に本発明において具体化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のオンデマンド滴下インクジェット印刷装置を示す。（ａ）は単一アクチュエータの第１実施例よりなる破断断面図、（ｂ）は圧電シート内のアクチュエータ配列の破断斜視図、（ｃ）は（ｂ）の裏面の破断斜視図。
【図２】 同装置の単一アクチュエータの第２実施例よりなる破断断面図。
【図３】 同装置の単一アクチュエータの第３実施例よりなる破断断面図。
【図４】 図３のアクチュエータ配列を含む同装置の分解斜視図。
【図５】 同装置の空気接続を説明するための一部破断断面図。
【図６】 厚膜ハイブリッドの後面上のチップの配置を示す平面図。
【図７】 チップ面のコンタクトの配置を示す平面図。
【図８】 同装置の単一アクチュエータの第４実施例よりなる破断断面図（ａ）、（ｂ）は（ａ）のアクチュエータの斜視図、（ｃ）は（ａ）のアクチュエータの配列を単純化した破断断面図、（ｄ）は（ａ）のアクチュエータの製造方法を説明するための斜視図。
【図９】 同装置の単一アクチュエータの第５実施例よりなる斜視図（ａ）、（ｂ）は（ａ）のアクチュエータの配列を単純化した破断断面図。
【図１０】 同装置の第６実施例よりなるアクチュエータの配列を単純化した破断断面図（ａ）、（ｂ）は（ａ）のアクチュエータを基板に結合する技術を提供するための断面図。
【符号の説明】
１４ 圧電シート
１５ インク・チャンネル
１７ 介挿プレート
１８ ノズル・プレート
１９ ノズル
２２ インク・チャンバー
２４・２５ 電極
３０ アクチュエータ
３１ 壁
３４ ルーフ部
４４ 基板
１０２ マニホルド
１０５ 集積回路（チップ）
１３０ アクチュエータ
２３１ アクチュエート構造体
３３１ アクチュエート構造体

Claims (20)

1. ノズル軸を有するノズルと、
   当該ノズルに連接されたインク・チャンバーと、
   当該ノズル軸に直交するように設けられ、当該ノズルに対向するように設けられたアクチュエート面と、
   当該ノズル方向に延展している圧電材料からなる壁であって、該ノズル軸に関して放射状に対称的に形成した壁とを含むアクチュエート構造体と、
   圧電材料からなる当該壁にアクチュエート用の電界を印加するための電極とからなり、
   電界が印加されると、該アクチュエート面をノズル方向に動かし、該ノズルを介して液滴を射出することを特徴とするオンデマンド滴下インクジェット印刷装置。
2. 当該圧電材料からなる壁は、先端を切った円錐形で形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記電極は、インク・チャンバーと当接する当該アクチュエート構造体の１つの面上にある第１電極と、当該インク・チャンバーには当接しない当該アクチュエート構造体の対向面上にある第２電極とからなることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 第１電極がアースされていることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. インク・チャンバーがノズル軸の周りに放射状に延展せしめられており、当該壁が、当該アクチュエート面をノズル軸方向に動かすようにアクチュエート可能で、それによって当該ノズル軸に対し放射状にインク・チャンバー内を伝わる音響波を介して、当該ノズルから小滴を射出させる様に構成されている事を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. インク・チャンバーがノズル軸から半径方向距離Ｒだけ延展され、アクチュエート構造体が最長で、時間Ｒ／ｃ（ｃはインク・チャンバー内のインク内の音響波の速さ）の半分の時間で、ノズル軸方向に動くようにアクチュエート可能であることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 当該インク・チャンバーが、当該ノズル軸に対し放射状にインク・チャンバー内を伝わる音響波を反射する働きをするように音響インピーダンスに変化を与える円形の構造体によって区画されていることを特徴とする請求項５又は６記載の装置。
8. 音響インピーダンスの変化が当該ノズル軸方向におけるインク・チャンバーの深さの変化により生じることを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 当該装置は、さらに、小滴射出操作後に続くインク・チャンバーへのインクの補充のため、インク・チャンバーと連結されたインク供給手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 当該圧電材料からなる壁が、ノズル軸に対してテーパ状であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 当該アクチュエート面と壁とは、圧電材料からなる同じ部材で形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 当該圧電材料からなる壁が、偏位するようにアクチュエート電界に対して分極していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 当該圧電材料からなる壁が、剪断モードで偏位するようにアクチュエート電界に対して分極していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
14. 当該アクチュエート面が圧電物質のディスクからなり、該圧電ディスクが、電界の印加によって偏位することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
15. それぞれ相互に並列に配列された個別のノズル軸を有する複数のノズルと、
    複数のインク・チャンバーと、
    ２次元的に配列されている該壁を有する圧電シートであって、それぞれの該壁が個別のインク・チャンバーと結合している圧電シートと、
    からなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
16. インクでインク・チャンバーを満たし、ノズル軸を有するノズルに連接する扁平状のインク体を形成し、当該インク体を、当該ノズル軸の周りに放射状に延展せしめる工程と、
    当該ノズル軸の周りに円周状に延展される当該インク体の音響インピーダンスに変化を与え、インピーダンス境界を形成する工程と、
    当該ノズル軸の周りに放射状に延展せしめられると同時に、当該ノズル軸方向にも延展せしめられている壁を選択的にアクチュエートして、当該ノズル軸に直交するように設けられ、当該ノズルに対向するように設けられたアクチュエート面を当該ノズル軸方向に動かし、当該インク・チャンバー内の該ノズル軸に対して放射状に伝わる音響波を形成し、当該音響波を当該インピーダンス境界により反射させることで、当該ノズルからインク小滴を射出させる工程と、
    からなることを特徴とするインクジェット印刷方法。
17. アクチュエート構造体が、前記壁とアクチュエート面とを含み、当該インク体が当該ノズル軸から半径方向距離Ｒだけ延展せしめられ、当該アクチュエート構造体が最長で、時間Ｒ／ｃ（ここでｃはインク・チャンバー内のインク内の音響波の速さ）の半分の時間の間、当該ノズル軸方向に動かされることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. さらに、インク小滴射出に続いてインクを供給することによって当該インク体を補充する工程を有することを特徴とする請求項１６〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 当該インピーダンス境界は、当該ノズル軸方向での該インク体の深さを変えることによって形成されることを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. それぞれ相互に並列に配列された個別のノズル軸を有する複数のノズルが二次元的に配置されているノズル・プレートを形成する工程と、
    基板上に円錐形のアクチュエート構造体を配置した２次元配列体を形成する工程であって、それぞれのアクチュエート構造体が該ノズル軸と直交するように形成したアクチュエート面を有し、それぞれのアクチュエート構造体を、個別のノズル軸の周りに放射状に対称的に形成する工程と、
    選択的にアクチュエートさせる様に、当該アクチュエート構造体上に電極を取り付ける工程と、
    当該ノズル・プレートと当該基板とを積層し、当該積層された構造体が、それぞれノズル軸の周りに延展せしめられており、且つそれぞれのノズルと連接されている複数のディスク状インク・チャンバーを形成する工程とからなり、
    それによって製造された装置において、選択されたアクチュエート構造体の作動によって、選択された関連するノズルからインク滴を射出させるように構成したことを特徴とするオンデマンド滴下インクジェット印刷装置の製造方法。

Images