JP4118781B2 - マイクロスプレーを用いたプリンタヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリンタヘッドに関し、より詳しくは、プリンタヘッドの高周波空洞共振器（ｃａｖｉｔｙ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を用いたマイクロスプレーに関する。

一般に、液体を液滴の状態で噴霧する装置は、インクジェットプリンタヘッド及びマイクロ冷却装置等に使用される。
インクジェットプリンタヘッドの駆動方式としては、熱駆動方式、圧電体を用いた機械的駆動方式等がある。
図１は、従来の技術による圧電素子を用いたプリンタヘッドの断面図である。

同図に示すように、従来の技術のプリンタヘッドは、板状の圧電体７、圧電体７の下部に形成され圧電体７の長手方向の伸縮運動を曲げ運動に変換する振動板６、振動板６の下部に形成されインクを収容する液室２を有する液室層１、及び液室層１を覆う状態でインクを液滴状に噴霧するノズル５ａを有するノズルプレート５から構成される。ノズルプレート５は、多数列のノズル５ａが一定の行間距離を維持している。

多層の金属板が圧接により密着された液室層１の内部にインクが収容される液室２とインクの流れを制御する絞り弁３が備えられる。そして、液室層１の下端にノズル５ａが形成されたノズルプレート５が備えられる。液室層１の上端には、圧力室４を覆う振動板６が備えられる。ここで、絞り弁３は、液室２と圧力室４とを連結する役割を果たす。ノズル５ａは圧力室４に連結され、振動板６の上部に電極で作動する圧電体７が配設される。

圧電体７がポーリング（ｐｏｌｌｉｎｇ；電場を印加すると圧電体に方向性が形成される現象）して長手方向に伸縮すると振動板６が曲げ変形し、この際、圧力室４の内圧が増大することでインクがノズル５ａから液滴状に噴霧される。そして、インクが噴霧される間、絞り弁３によりインクが液室２の方に流入することを防止し、また振動板６が元に戻ると、絞り弁３を通って液室２の内部のインクが圧力室４の方に補充される。

振動板６の製造方法は、ＺｒＯ₂を薄いグリーンシート（ｇｒｅｅｎ ｓｈｅｅｔ）状にした後、必要な部分に孔を開け適宜の大きさで張って高温（約１０００℃以上）で焼成する。薄くて精度よい大きさで形成されたＺｒＯ₂板に下部電極を形成する。
圧電体７の製造方法は、下部電極が形成されたＺｒＯ₂板に圧電体ペーストを精度よく整列してスクリーンプリントする。ＺｒＯ₂板上にスクリーンプリントされた圧電体を高温で焼成し、圧電体上に上部電極を形成する。

しかし、前記のような従来の圧電体を用いたインクジェットプリンタヘッドでは、圧電体の動作速度の限界により印刷速度が落ち、インクの吐出量の制御が容易ではない。そして、その製造過程が容易ではなく、且つ構造が複雑であって高集積化が容易ではない。
一方、熱駆動方式のインクジェットプリンタヘッドは、液体が入っている薄い管に熱が加えられると、管の内部に泡が発生することで管の内圧が増大し、増大する管の内圧で液体を吐き出す原理を用いるものである。

即ち、半導体の内部にインクが通れる通路を形成し、その周辺に加熱抵抗を配設し、この抵抗に電流を流すと抵抗が加熱して通路に泡が発生する。この時に発生した泡が通路の内圧を増大させ、それによりインクが外へと吐き出される。
インクジェットプリンタプリンタを用いた出力装置の出力物の品質は、インクの材質と吐き出されるインクの量によって大きく異なる。カラーイメージを印刷する場合、インクの噴霧量が過剰に多くなると、イメージが全般的に暗く印刷され、鮮明度が低下するようになる。

反面、インクの噴霧量が少ないと、出力物が薄目になったり、幾つかのノズルからインクが吐き出されなくて出力物の品質が劣化する。従って、熱加熱駆動方式のインクジェットプリンタヘッドでは、インクを吐き出すにおいて、加熱抵抗に印加する電圧を調節したり、或いは加熱する時間を調節したりして適宜のインク噴霧量を得ている。
しかし、前記のような加熱駆動方式のインクジェットプリンタヘッドは、周辺の温度及び湿度に多大な影響を受け、高温・多湿の環境下では出力イメージが濃い目になったり、低温・乾燥した環境下ではインクが吐き出されなかったり薄目になるという不具合がある。そして、前記プリンタヘッドでは、インクの吐出量を精度よく制御し難く、且つ加熱抵抗の動作反応速度の限界によりインクの吐出反応速度が遅いという不具合がある。また、前記プリンタヘッドは、その構造が複雑であって多数のノズル装置の高集積化が容易でないことから出力物の解像度に限界があるという不具合がある。

前記した問題点を解決するために、本発明は、インクの吐出反応速度が速く、インクの吐出量を精度よく制御可能であり、且つ、その構造が簡単であって高集積化が容易なマイクロスプレーを用いたインクジェットプリンタヘッドを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、内部が空洞の多数の空洞共振器と、前記空洞共振器の内部にインクを供給する液室と、外部から入力される制御信号により前記多数の空洞共振器のそれぞれに対して前記空洞共振周波数信号を発生し、前記空洞共振器の内部に入力する信号印加部と、前記空洞共振器のそれぞれに形成され、前記空洞共振器に流入されているインクを吐き出す液体吐出口と、前記多数の空洞共振器が所定の間隔で配設されている状態で、前記液体吐出口が設けられている前記空洞共振器の一方の面に接合され、前記液体吐出口の位置に対応してノズルがそれぞれ形成されている基板と、前記信号印加部が前記空洞共振周波数信号を前記空洞共振器に入力すると、前記空洞共振器内のインクに前記空洞共振周波数信号が伝わり、前記インクの体積が増大することにより前記空洞共振器の内圧が上昇し、前記空洞共振器内のインクが前記空洞共振器から前記液体突出口を介して吐出することを特徴とするプリンタヘッドを提供する。

発明２は、発明１において、前記空洞共振器は、前記基板と接する面に形成され、前記信号印加部で発生した前記空洞共振周波数信号を前記空洞共振器の内部に入力させるカップリングスロットを備えることを特徴とするプリンタヘッドを提供する。
発明３は、発明２において、前記信号印加部は、前記基板を挟んで前記カップリングスロットと相互向かい合う位置に対応してそれぞれ配設されていることを特徴とするプリンタヘッドを提供する。
発明４は、発明３において、前記信号印加部は、前記空洞共振周波数信号を発生し出力する信号発生器、及び前記カップリングスロットと向かい合う位置に配設され、前記空洞共振周波数信号を前記カップリングスロットを通って前記空洞共振器の内部に入力する信号入力端子と、を備えることを特徴とするプリンタヘッドを提供する。

発明５は、発明４において、前記信号印加部は、前記信号発生器から出力される空洞共振周波数信号を増幅し出力する信号増幅器を更に含むことを特徴とするプリンタヘッドを提供する。
発明６は、発明１において、前記信号印加部は、前記基板を挟んで前記液体吐出口と相互向かい合う位置の前記基板に配設され、前記ノズルに対応する位置に前記信号入力端子が延設され、前記液体吐出口を通って前記空洞共振器の内部に前記空洞共振周波数信号を入力することを特徴とするプリンタヘッドを提供する。

発明７は、発明１において、前記空洞共振器は、前記空洞共振器の一方の面に形成され、前記信号印加部で発生した前記空洞共振周波数信号を前記空洞共振器の内部に入力させるカップリングスロットを備えることを特徴とするプリンタヘッドを提供する。
発明８は、発明１において、前記空洞共振器の内部に液体を流入するための液体流入口を更に備え、前記空洞共振器の内圧の上昇時、前記空洞共振器の内部の液体が前記液体流入口を通って前記液室に逆流しないように防止することを特徴とするプリンタヘッドを提供する。

本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドによると、インクの吐出反応速度が速く、且つインクの吐出量を精度よく制御可能であり、しかも、その構造が簡単であって高集積化が容易なプリンタヘッドを提供することができる。

以下、本発明の好適な一実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図２ａは、本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの第１の実施例の断面図であり、図２ｂは、図２ａのプリンタヘッドの背面図である。
同図に示すように、本発明に係るマイクロスプレーは、その内部に内圧室２７が設けられ、上部面に液体流入口２１が設けられ、その下側面に空洞共振周波数信号を入力されるためのカップリングスロット２３及び液体吐出口３０が設けられている空洞共振器２０を備える。

そして、本発明に係るマイクロスプレーは、空洞共振器２０の下部面に接合され液体吐出口３０、３０に対応する位置にノズル２２が設けられている基板２９を備え、基板２９の下部面に接合されている信号印加部３１を備える。
信号印加部３１は、基板２９を挟んでカップリングスロット２３と向い合う位置に配設されている信号入力端子２４、信号入力端子２４の一方の面に配設され空洞共振周波数信号を発生する信号発生器２５、及び発生した空洞共振周波数信号を増幅する信号増幅器２６を備える。

空洞共振器２０が共振可能な空洞共振周波数は、空洞の体積等に対する関数であって、これは公知の技術であるためその詳細は省く。
空洞共振器２０がその内部の物質を吐き出す原理は次の通りである。
即ち、空洞共振器２０は、封じ止められている構造のメタル素材からなり、空洞共振周波数信号がその内部に入力されると共振を行い、その共振が当該内部の物質に伝わり内部物質の体積が膨張しながら空洞共振器２０の内圧を上昇させる。その結果、内部物質が小さい吐出口から外部に噴霧される。

空洞共振器２０の空洞の体積が略２．８６×１０^-14mm³の場合、これに対応する空洞共振周波数信号を空洞共振器２０に入力する時のその入力エネルギーは、３．９〜８．０μＪの範囲にするのが好ましく、この時、空洞共振器２０の内部の液体が外部に吐き出されるエネルギーである出力エネルギーは約５×１０^-17Ｊである。
空洞共振器２０は、その下部面に所定の大きさを有するカップリングスロット２３を備えるが、このカップリングスロット２３は、空洞共振器２０の内部に空洞共振周波数信号を入力されるためのものである。

空洞共振器２０は、その上部面に空洞共振器２０の内部への液体の流入経路となる液体流入口２１を備える。
液体流入口２１は、空洞共振器２０の内部の液体が内圧室２７の内圧の上昇時に液体流入口２１から外部に逆流することを防止する。
そして、空洞共振器２０は、その下部面に液体吐出口３０を備える。

空洞共振器２０が空洞共振周波数信号を入力され共振すると内圧室２７の内圧が増大し、その結果、内圧室２７の液体が液体吐出口３０から外部に吐き出される。
空洞共振器２０の下部面には、空洞共振器２０と相互接合される基板２９が設けられる。
基板２９は、空洞共振器２０の液体吐出口３０に対応する位置にノズル２２を備え、内圧室２７の液体は、このノズル２２から液滴の状態で外部に吐き出される。

基板２９の下部面には、信号発生器２５、信号増幅器２６及び信号入力端子２４を備える信号印加部３１が配設される。
信号発生器２５は、外部から入力される制御信号（図示せず）により空洞共振器２０が共振可能な空洞共振周波数信号を発生して信号増幅器２６に出力する。
信号増幅器２６は、外部から入力される制御信号により信号発生器２５から出力される空洞共振周波数信号を入力され、これを増幅して信号入力端子２４に印加する。

信号入力端子２４は、基板２９の下部面のカップリングスロット２３と向い合う位置に配設される。
信号増幅器２６から印加される空洞共振周波数信号は、導体は通過できないものの基板２９を通過してカップリングスロット２３から空洞共振器２０の内部に入力される。
その結果、液体流入口２１から流入されていた液体は、その体積が増大することにより内圧室２７の内圧を上昇させ、液体吐出口３０及びノズル２２から液滴の状態で外部に噴霧される。

そして、空洞共振器２０の内部への信号入力が止まると、内圧室２７の内部に残留している液体の体積が再び縮小し、その結果、内圧室２７の内圧が減少し液体流入口２１から内圧室２７の内部に液体が再び流入する。
本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドは、前記マイクロスプレーを多数含み、それぞれの液体流入口２１から内圧室２７にインクを供給するために空洞共振器２０の上部に配設されている液室２８を備える。

単一の色相に対応する多数の空洞共振器２０に対し一つの液室２８が設けられる。
かかる構造を有するマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの動作において、多数の空洞共振器２０に対応するそれぞれの信号印加部３１は、外部から入力される制御信号により空洞共振周波数信号を発生して空洞共振器２０の内部に入力して空洞共振器２０を共振させる。その結果、内圧室２７の内圧が上昇し、内圧室２７の内部の液体が液体流入口２１から外部に逆流することなく液体吐出口３０及びノズル２２から液滴の状態で空洞共振器２０の外部に噴霧される。

好ましくは、信号増幅器２６の増幅率と空洞共振器２０に空洞共振周波数信号を印加する時間を微調節することにより、内圧室２７の内圧を容易に制御することができ且つインクの吐出量を精度よく制御することができる。

図３ａ及び図３ｂを参照して本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの第２の実施例について説明する。
図３ａは、本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの第２の実施例の断面図であり、図３ｂは、図３ａのプリンタヘッドの背面図である。
同図に示すように、前記プリンタヘッドの第２の実施例は、前記第１の実施例の構造のうちのカップリングスロット２３を備えず、信号入力端子２４がノズル２２の下部面まで延設している構造である。

信号増幅器２６から印加される空洞共振周波数信号は、インク吐出口２１から空洞共振器２０の内部に入力され、かかる構造を有するマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの動作は、本発明の第１の実施例と同一である。
即ち、信号発生器２５で発生した空洞共振周波数信号は、信号増幅器２６により増幅され、液体吐出口２１から空洞共振器２０の内部に流入して空洞共振器２０を共振する。その結果、内圧室２７の内圧が上昇し、内圧室２７の内部の液体が液体流入口２１から外部に逆流することなく液体吐出口３０及びノズル２２から液滴の状態で空洞共振器２０の外部に噴霧される。

以上では、本発明の好適な実施例について図示し説明したが、本発明は、前述の特定の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する技術分野における通常の知識を有するものであれば誰でも各種の変形実施が可能であることはもとより、そのような変更は、請求の範囲記載の範囲内にあることが自明である。

本発明は、液体を液滴の状態で噴霧するインクジェットプリンタヘッド及びマイクロ冷却装置等に適用し得る。

従来の技術によるプリンタヘッドの断面図である。 本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの第１の実施例の断面図である。 図２ａのプリンタヘッドの背面図である。 本発明に係るマイクロスプレーを用いたプリンタヘッドの第２の実施例の断面図である。 図３ａのプリンタヘッドの背面図である。

符号の説明

２０：空洞共振器
２１：インク流入口
２２：ノズル
２３：カップリングスロット
２４：信号入力端子
２５：信号発生器
２６：信号増幅器
２７：内圧室
２８：液室
２９：基板
３０：液体吐出口
３１：信号印加部

Claims (8)

1. 内部が空洞の多数の空洞共振器と、
   前記空洞共振器の内部にインクを供給する液室と、
   外部から入力される制御信号により前記多数の空洞共振器のそれぞれに対して前記空洞共振周波数信号を発生し、前記空洞共振器の内部に入力する信号印加部と、
   前記空洞共振器のそれぞれに形成され、前記空洞共振器に流入されているインクを吐き出す液体吐出口と、
   前記多数の空洞共振器が所定の間隔で配設されている状態で、前記液体吐出口が設けられている前記空洞共振器の一方の面に接合され、前記液体吐出口の位置に対応してノズルがそれぞれ形成されている基板と、
   前記信号印加部が前記空洞共振周波数信号を前記空洞共振器に入力すると、前記空洞共振器内のインクに前記空洞共振周波数信号が伝わり、前記インクの体積が増大することにより前記空洞共振器の内圧が上昇し、前記空洞共振器内のインクが前記空洞共振器から前記液体突出口を介して吐出することを特徴とするプリンタヘッド。
2. 前記空洞共振器は、前記基板と接する面に形成され、前記信号印加部で発生した前記空洞共振周波数信号を前記空洞共振器の内部に入力させるカップリングスロットを備えることを特徴とする請求項１に記載のプリンタヘッド。
3. 前記信号印加部は、前記基板を挟んで前記カップリングスロットと相互向かい合う位置に対応してそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項２に記載のプリンタヘッド。
4. 前記信号印加部は、前記空洞共振周波数信号を発生し出力する信号発生器、及び前記カップリングスロットと向かい合う位置に配設され、前記空洞共振周波数信号を前記カップリングスロットを通って前記空洞共振器の内部に入力する信号入力端子と、を備えることを特徴とする請求項３に記載のプリンタヘッド。
5. 前記信号印加部は、前記信号発生器から出力される空洞共振周波数信号を増幅し出力する信号増幅器を更に含むことを特徴とする請求項４に記載のプリンタヘッド。
6. 前記信号印加部は、前記基板を挟んで前記液体吐出口と相互向かい合う位置の前記基板に配設され、前記ノズルに対応する位置に前記信号入力端子が延設され、前記液体吐出口を通って前記空洞共振器の内部に前記空洞共振周波数信号を入力することを特徴とする請求項１に記載のプリンタヘッド。
7. 前記空洞共振器は、前記空洞共振器の一方の面に形成され、前記信号印加部で発生した前記空洞共振周波数信号を前記空洞共振器の内部に入力させるカップリングスロットを備えることを特徴とする請求項１に記載のプリンタヘッド。
8. 前記空洞共振器の内部に液体を流入するための液体流入口を更に備え、前記空洞共振器の内圧の上昇時、前記空洞共振器の内部の液体が前記液体流入口を通って前記液室に逆流しないように防止することを特徴とする請求項１に記載のプリンタヘッド。

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