JP4259514B2 - インク噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、インク噴射装置に関するものである。

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挙げられる。なかでも印字に使用するインク液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。

ドロップ・オン・デマンド型として特公平６−６１９３９号公報に開示されている圧電セラミックスを利用したインク噴射装置がある。この装置は、インク流路の両側に位置する圧電材料製の一対の側壁の両側面に、電極を形成し、電極間に電圧を印加することで、圧電材料の分極方向と直交する方向の電界を生成して、側壁を、インク流路の容積が増減する方向に剪断変形させる。このものを製作するにあたって、インク流路は、圧電材料をダイヤモンドカッターまたはレーザ光によって溝状に切断することによって加工し、その後、真空蒸着またはメッキ等の方法で電極を被着する。

同様の原理を用いたもので、特開平８−１５６２５１号公報に開示されたものがある。この構成では、電極を一側に形成した圧電材料のブロックをインク流路の配列方向に複数個積層して、該積層体にインク流路を切削加工し、流路間の側壁内に前記電極を埋設状態に残すが、側壁の両側面にも、電圧印加用の電極をスパッタリング等によって形成する。

特公平６−６１９３９号公報 特開平８−１５６２５１号公報

従来、この種のインク噴射装置は、前記インク流路の内面に均一に良質の電極を形成することが困難であった。また、真空蒸着、メッキまたはスパッタリング等によって形成した電極は、各インク流路ごとに独立させる必要があり、このための研削加工等の後処理にも多くの工数を必要とする。電極が形成できたとしても該インク流路内の電極と制御回路を電気的に接続することが困難であり、ワイヤボンディング法によって接続をしたり、例えば特開平７−１３２５８９号公報に開示されているように、インク流路とは別の溝を形成し該溝内部に接続用の電極を形成し、制御回路と接続しやすい面に電極を引き出すなどの工夫をしているが、いずれの場合もコストが高いという問題がある。

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、制御回路との電気的な接続が容易で低コストのインク噴射装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために請求項１の発明では、アクチュエータ基板に、分極された圧電材料で少なくとも一部が構成された側壁によって挟まれたインク流路を平行に複数個備え、前記複数のインク流路を画定する複数の側壁の各々に設けられた一対の駆動電極をとおして前記圧電材料に電圧を印加することにより、前記側壁を変形させ前記インク流路内のインクに圧力を与えてそのインクを噴射するインク噴射装置において、前記側壁を、前記インク流路の長さ方向に延びる複数の部材を該インク流路の配列方向に積層して構成するとともに、前記側壁を構成する圧電材料を前記配列方向に分極し、前記複数の部材間の接合面に、前記側壁に対応する位置における前記インク流路の長さおよび配列方向と直交する高さ方向の一端側に前記一対の駆動電極の一方を配置し、前記側壁の前記高さ方向の他端側に前記一対の駆動電極の他方を配置し、前記側壁に前記両駆動電極をとおして印加した電圧により、前記分極方向と直交する方向に電界を発生して前記側壁を前記配列方向に変形させるようにし、前記駆動電極の一部は、前記アクチュエータ基板の前記インク流路が開口した面とは反対側の面に、制御回路と接続するための電気接点として露出し、隣接する駆動電極の電気接点を、前記インク流路の長さ方向に相互にずらして配置したことを特徴とする。

請求項２の構成は、請求項１に記載のインク噴射装置において、前記駆動電極の一方は、前記側壁の前記高さ方向の途中に位置し、前記両駆動電極間における部分の側壁が分極されており、該部分が電圧の印加により変形するのに追従して、前記側壁の残りの部分も変形することを特徴とする。

請求項３の構成は、請求項１に記載のインク噴射装置において、前記側壁における両駆動電極間の、前記高さ方向の２部分が相互に反対方向に分極されており、該両部分が電圧の印加により相互に反対方向に変形することを特徴とする。

請求項４の構成は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のインク噴射装置において、前記インク流路が開口したアクチュエータ基板の一側を覆ってカバー板を設け、該カバー板と前記側壁との接合面に、前記駆動電極の他方を設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明は、側壁を構成する複数の部材間の接合面に側壁の高さ方向の一端側に一対の駆動電極の一方を形成し、側壁の高さ方向の他端側には駆動電極の他方を形成したものであるから、該駆動電極のパターンをほぼ自由かつ容易に設計することができ、該駆動電極を直接、制御回路との接続面に露出することができる。したがって、製作が容易でかつ工数を著しく節減することが可能で、インク噴射装置を安価に製作することができる。また、露出した駆動電極の電気接点を、隣接するものに対してインク流路の長さ方向に相互にずらすことで、各電気接点の相互の間隔を大きくすることができ、制御回路と接続する際、相互間の電気的な短絡を少なくし、電気接続の信頼性を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、駆動電極の一方が側壁の高さ方向の途中に位置し、両駆動電極間における部分の側壁が分極されており、該部分を電圧の印加により変形させるとそれに追従して、側壁の残りの部分も変形させることができる。従来、側壁の高さ方向のほぼ半分を剪断変形させるには、側壁を高さ方向に別々の材料で積層したもので製作したり、インク流路の内面の上半分のみに電極を被着する等、非常に多くの工数がかかっていたが、この構成によれば、駆動電極のパターンをほぼ自由に設計することができるので、容易に側壁の任意の部分を変形させることができる。

請求項３に記載の発明は、側壁における両駆動電極間の、高さ方向の２部分が相互に反対方向に分極されており、電圧の印加により該両部分を相互に反対方向に変形させることができる。上記のように、側壁を、インク流路の長さ方向に延びる複数の部材を該インク流路の配列方向に積層して構成することで、１つの部材であっても、高さ方向の２部分を相互に反対方向に分極することが可能で、側壁の２部分を相互に反対方向に変形させる構成を容易に実現することができる。

請求項４に記載の発明は、インク流路が開口したアクチュエータ基板の一側を覆ってカバー板を設け、該カバー板と前記側壁との接合面に、駆動電極の他方を設けることで、駆動電極の形成を一層容易にできる。

以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、インク噴射装置は、平行な複数のインク流路２１と非噴射溝２２を有するアクチュエータ基板１０と、その上面を覆うカバー板３０と、インク流路２１に連通する複数のノズル孔３３を有するノズル板３２と、インク流路２１に供給源からのインクを分配するマニホ−ルド３１とからなる。

アクチュエータ基板１０は、圧電材料（例えばチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料）製の部材１５，１５・・・を、複数個積層して構成され、インク流路２１および非噴射溝２２となる平行な多数の溝が、部材１５の１つおきの接合部に沿ってその長さ方向に形成され、インク流路２１と非噴射溝２２との間を隔てる複数の側壁２４が形成されている。つまり、各部材１５は、インク流路２１と非噴射溝２２の配列方向に積層され、かつそれらの長さ方向に延びている。インク流路２１は、図１に示すようにその長さ方向（すなわちインク噴射方向）の前後両端をアクチュエータ基板の前後両端に開放して形成され、非噴射溝２２は、前端面１０ａに開放するが、後端面１０ｂにおいて閉塞するように、立ち上げ部２３を残して形成されている。

各側壁２４は、積層した２つの部材１５，１５によって構成され、その幅方向（すなわちインク流路２１、非噴射溝２２の配列方向）に分極（図２，３のＰ）されている。各側壁２４は、その高さ方向（すなわちインク流路２１、非噴射溝２２の長さおよび配列方向と直交する方向）のほぼ中間位置に、長さ方向に延びる駆動電極２６を内装している。この駆動電極２６は、後述するように該側壁を構成する部材１５，１５間に介装されている。

カバー板３０の下面には、複数の側壁２４の上端に接触するように駆動電極２５が形成されている。該カバー板３０は、インク流路２１および非噴射溝２２の長さ方向に沿った開放面を覆って接着固定され、アクチュエータ基板１０の前端面１０ａおよびカバー板３０の前端面には、インク流路２１と対応するノズル孔３３を有するノズル板３２が接着固定され、またそれらの後端面には、マニホールド３１が接着固定されている。

インクの供給源からマニホールド３１に導入されたインクは、インク流路２１に供給されるが、非噴射溝２２には、立ち上がり部２３によって供給されない。
１つのインク流路２１とその両側の側壁２４，２４は、１組のアクチュエータを構成する。図示しない制御回路により両側壁２４，２４上端の駆動電極２５を共通の電位例えばアースに接続し、両側壁２４，２４内の駆動電極２６，２６に電圧を印加すると、駆動電極２６，２５間に圧電材料の分極方向と直角方向（側壁の高さ方向と平行な方向）の電界Ｅが発生し、図３に示すように、駆動電極２６，２５間の側壁２４，２４の上半分２４ａ，２４ａがそれぞれ反対方向に剪断変形、すなわちほぼ菱形に変形する。その変形に追従して、側壁２４，２４の下半分２４ｂ，２４ｂも下端を支点として変形し、その結果、インク流路２１内の容積を拡大する。そして、電圧の印加を停止すると、側壁２４、２４が復帰する際にインク流路２１内のインクに圧力を加え、インクをノズル孔３３から噴射する。

次に、上記インク噴射装置の製造方法を図４〜７にしたがって説明する。

アクチュエータ基板１０を構成する複数の部材１５，１５・・・は、それぞれ圧電材料のグリーンシートからなる。各部材１５は、インク流路２１、非噴射溝２２のピッチの半分の厚さで、かつアクチュエータ基板１０の厚さおよび長さに対応する高さ、長さを有する。アクチュエータ基板１０の左右両端（インク流路２１、非噴射溝２２の配列方向の両端）に位置する２つの部材１５は、変形する側壁を形成しないから、上記の厚さよりも十分に厚くてもよく、かつ圧電材料である必要はない。

複数の部材のうち１つおきのもの１５ｂの側面には、駆動電極２６を印刷法によって形成する。駆動電極２６は部材１５ｂの長さ方向に帯状に延び、その上縁が側壁２４の高さ方向のほぼ中間に位置しており、また一部分から部材１５ｂの下縁に向かって導電線部分２６ａが延びている。該部材１５ｂの両側に積層される部材１５ａ，１５ｃには、該部材の上縁から側壁２４の高さ方向のほぼ中間位置までの高さで、該部材のほぼ長さ方向にわたって帯状の分極用電極２７，２８を印刷法によって形成する。

そして、それら部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃを図５に示すように各電極２６，２７，２８がそれらの部材間に位置するように積層して、高温度で焼結し一体化する。この状態で、分極用電極２７の前端２７ａはアクチュエータ基板の前端面１０ａに露出し、分極用電極２８の後端２８ａは、後端面１０ｂに露出する。アクチュエータ基板の前端面１０ａおよび後端面１０ｂに高電圧発生装置の端子を当て、分極用電極２７，２８に高電圧を印加すると、両分極用電極２７，２８間の部材１５の部分、特に駆動電極２６よりも上の部分が図５、図６（ａ）に示すように、インク流路２１、非噴射溝２２の配列方向に分極Ｐされる。この分極方向は、積層方向において交互に反対方向となる。

この後、図６（ｂ）、図７に示すようにアクチュエータ基板１０にインク流路２１および非噴射溝２２となる溝を、ダイヤモンドブレード等によって切削加工する。各溝は、分極用電極２７，２８の位置する部材１５の接合部分に沿って形成し、該分極用電極２７，２８を除去する。溝の深さは、アクチュエータ基板の上面１０ａから駆動電極２６の上縁までの距離のほぼ２倍である。駆動電極２６の位置する部材１５の接合部分は、溝を形成せず、側壁２４として残す。つまり、側壁２４を、駆動電極２６を内装した状態で形成する。

カバー板３０の下面には駆動電極２５を形成し、その駆動電極２５が側壁２４の上端に接触するようにカバー板３０をアクチュエータ基板１０に接着固定する。さらに、ノズル板３２、マニホールド３１を前述のように接着固定する。

駆動電極２６は、その導電線部分２６ａの先端を電気接点２６ｂとしてアクチュエータ基板の下面１０ｄ（インク流路２１、非噴射溝２２が開口した上面１０ｃとは反対側の面）に露出している。このため、この電気接点２６ｂに図示しない制御回路から延びるフレキシブルな印刷配線部材２９を容易に接続することができる。とくに、図４に示すように、隣接する駆動電極２６の導電線部分２６ａをインク流路２１の長さ方向に相互にずらして形成することにより、図８に示すように、アクチュエータ基板の下面１０ｄの下面における各電気接点２６ｂの位置も同方向にずれ、相互間の距離を大きくすることができ、配線部材２９上の各信号線の端子部分２９ａをろう付け等で接続する際に短絡することを少なくし、電気接続の信頼性を向上することができる。

駆動電極２５は、カバー板３０とアクチュエータ基板１０との間で露出した部分を、配線部材２９から枝分かれした部分の端子２９ｂに接続するか、図示しない導電性材料のフレームに当接してアースに接続する。

駆動電極２５は、カバー板３０の下面全体に形成する必要はなく、側壁２４の上端に対応する部分のみに形成してもよく、またカバー板３０側でなく側壁２４の上端に形成してもよい。その場合、変形させる側壁２４に対応する駆動電極２５に電圧を印加し、駆動電極２６をアースに接続するようにしてもよい。

図９〜１２は、本発明の他の実施の形態を示す。

この実施の形態では、側壁２４の高さ方向の上半分２４ａと下半分２４ｂとを相互に反対方向に分極Ｐしている。駆動電極２６は、ほぼ側壁２４の下端に位置して内装する。他の構成は、前記実施の形態と同様である。

駆動電極２５，２６間に電圧を印加すると、側壁の上半分２４ａと下半分２４ｂの分極方向とそれぞれ直交する電界Ｅが発生する。上半分２４ａと下半分２４ｂとは分極方向が逆であるから、図１０のようにそれぞれ反対方向に変形し、隣接する側壁との間のインク流路２１を拡大する。電圧の印加を停止して側壁２４、２４が復帰する際、インク流路２１内のインクに圧力を加え、インクをノズル孔３３から噴射する。この実施の形態では、側壁の上半分２４ａと下半分２４ｂとがともに積極的に変形するため、効率よく大きな噴射圧力を得ることができる。また前記実施の形態と同程度の変形を得るならば、電圧が半分でよい。

この実施の形態の製造方法を説明すると、図１１に示すように、分極用電極は、上下２列２７−１，２７−２，２８−１，２８−２形成する。各列の分極用電極はそれぞれ側壁の上半分２４ａと下半分２４ｂに対応している。分極処理は、図１２（ａ）に示すように上列２７−１，２８−１に電圧を印加して、側壁の上半分２４ａに対応する部分を分極する工程、図１２（ｂ）に示すように上列２７−２，２８−２に電圧を印加して、側壁の下半分２４ｂに対応する部分を分極する工程を順次行う。

その後、図１２（ｃ）に示すように前記実施の形態と同様に、溝を、分極用電極２７−１，２７−２，２８−１，２８−２の位置する部材１５の接合部分に沿って形成し、該分極用電極２７，２８を除去する。同時に、側壁２４を、駆動電極２６の上方に対応する位置に形成する。これにより、側壁２４は、上半分２４ａと下半分２４ｂとで分極方向が逆になって形成される。

図１３〜１４は、本発明のさらに他の実施の形態を示す。

この実施の形態では、駆動電極２５は、カバー板３０の下面でなく、側壁２４の上端部分に内装している。側壁２４は前記２番目の実施の形態のように上下をそれぞれ反対方向に分極してもよいが、最初の実施の形態のように側壁の高さ方向の途中に駆動電極を形成して、上半分のみを分極してもよい。

このインク噴射装置の製造に際して、図１４に示すように部材１５ｂの側面に、駆動電極２５，２６を、側壁２４の高さ方向に間隔をあけて配置し、両電極２５，２６のそれぞれ一部から導電線部分２５ａ，２６ａを部材１５ｂの下縁に向けて延ばしておく。これにより、アクチュエータ基板の下面１０ｄに駆動電極２５，２６に給電するための複数の電気接点を整列して露出させることができ、前記配線材２９との接続が一層容易となる。駆動電極２５，２６の一方は共通電位でよいから、そのための電気接点は、配線材２９の１つの端子に共通に接続すればよい。他の製造方法は、前記各実施の形態と同様である。

以上詳述したように、各実施の形態のインク噴射装置では、溝加工後に溝内表面に駆動電極を形成する必要がないため、蒸着装置およびメッキ処理装置などが不要となる。また図示しない制御回路との電気的な接続は、アクチュエータ基板１０の下面に露出した電気接点を介して直接行うことができ、製造工数、コストを著しく低減することができる。

なお、本発明の実施の形態では、インク流路の両側に非噴射溝を配置したが、解像度の高い印字を実現するために、全ての溝をインク流路としてもよい。ただしこの場合は隣接するインク流路どおしは同時に噴射することはできないので、タイミングをずらして駆動する必要がある。

また、最初の実施の形態は側壁の上半分のみを分極しているが、下半分を分極するようにしてもよい。たとえば、３番目の実施の形態において下列の分極用電極２７−２，２８−２のみを形成し、上側の駆動電極２５を上列の分極用電極２７−１，２８−１にほぼ対応する位置に設ければよい。

本発明の一実施の形態のインク噴射装置の分解斜視図である。 上記インク噴射装置を正面方向から見た断面図である。 図２の動作状態の説明図である。 上記インク噴射装置のアクチュエータ基板を構成する部材の分解斜視図である。 上記アクチュエータ基板の製造過程を説明する斜視図である。 図５のアクチュエータ基板を正面方向から見た断面図である。 上記アクチュエータ基板の製造過程を説明する斜視図である。 上記インク噴射装置を下方から見た分解斜視図である。 本発明の他の実施の形態のインク噴射装置を正面方向から見た断面図である。 図１０の動作状態の説明図である。 上記インク噴射装置のアクチュエータ基板を構成する部材の分解斜視図である。 上記アクチュエータ基板の製造工程示す正面方向から見た断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態のインク噴射装置を正面方向から見た断面図である。 上記インク噴射装置のアクチュエータ基板を構成する部材の分解斜視図である。

符号の説明

１０ アクチュエータ基板
１５ 部材
２１ インク流路
２４ 側壁
２５，２６ 駆動電極
２７，２８ 分極用電極

Claims (4)

1. アクチュエータ基板に、分極された圧電材料で少なくとも一部が構成された側壁によって挟まれたインク流路を平行に複数個備え、前記複数のインク流路を画定する複数の側壁の各々に設けられた一対の駆動電極をとおして前記圧電材料に電圧を印加することにより、前記側壁を変形させ前記インク流路内のインクに圧力を与えてそのインクを噴射するインク噴射装置において、
   前記側壁を、前記インク流路の長さ方向に延びる複数の部材を該インク流路の配列方向に積層して構成するとともに、前記側壁を構成する圧電材料を前記配列方向に分極し、前記複数の部材間の接合面に、前記側壁に対応する位置における前記インク流路の長さおよび配列方向と直交する高さ方向の一端側に前記一対の駆動電極の一方を配置し、
   前記側壁の前記高さ方向の他端側に前記一対の駆動電極の他方を配置し、
   前記側壁に前記両駆動電極をとおして印加した電圧により、前記分極方向と直交する方向に電界を発生して前記側壁を前記配列方向に変形させるようにし、
   前記駆動電極の一部は、前記アクチュエータ基板の前記インク流路が開口した面とは反対側の面に、制御回路と接続するための電気接点として露出し、隣接する駆動電極の電気接点を、前記インク流路の長さ方向に相互にずらして配置したことを特徴とするインク噴射装置。
2. 前記駆動電極の一方は、前記側壁の前記高さ方向の途中に位置し、前記両駆動電極間における部分の側壁が分極されており、該部分が電圧の印加により変形するのに追従して、前記側壁の残りの部分も変形することを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
3. 前記側壁における両駆動電極間の、前記高さ方向の２部分が相互に反対方向に分極されており、該両部分が電圧の印加により相互に反対方向に変形することを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
4. 前記インク流路が開口したアクチュエータ基板の一側を覆ってカバー板を設け、該カバー板と前記側壁との接合面に、前記駆動電極の他方を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のインク噴射装置。

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