JPH04175167A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ドロップ・オン・デマンド（ＤＯＤ）型のイ
ンクジェットヘッドに関するものである。

〔従来の技術〕

今日その市場を大きく拡大しつつあるノンインパクト・
プリンターの内で、原理が最も単純で、且つカラー印刷
に好適なものとしてインクジェット・プリンターがある
。歴史的には始めに連続噴射型が現れ、間もなくドツト
を形成する時にのみインク液滴を吐出するいわゆるＤＯ
Ｄ型が中心となり現在に至っている。

ＤＯＤ型としては特公昭５３−１２１３８号公報に開示
されているカイザー型、あるいは、撃公昭６１−５９９
１４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である。

このうち、前者は小型化が難かしく、後者は高熱をイン
クに加えるためにインクが焦げ付くと言う、それぞれに
非常に困難な問題を抱えている。

以上のような欠陥を同時に解決する新たーな方式として
提案されたのが、特開昭６３−２５２７５０号公報に開
示されているせん断モード型である。

構造及び動作原理を第９図に示す。第９図（ａｌは非駆
動時の断面構造図で、ガラスあるいはセラミックス等の
絶縁性基板１上に隔壁９５ａｂ。

９５ｂｃ、９５ｃｄなどが接着層８により等間隔かつ平
行に接着され、インク室兼インク流路の細長い溝９２ａ
、９２ｂ、９２ｃが多数形成される。

そして、溝９２ａ、９２ｂ、９２ｃの一方の端は共通の
インクだめよりインクが供給できるようにしてあり、他
方の端には小さなノズル穴９３ａ。

９３ｂ、９３Ｃのあるノズル板が接着されている。

更に、前記隔壁は弾性部材９によりガラスあるいはセラ
ミックス等の蓋乙に柔軟に接着される。ここで、隔壁と
しては例えばＰＺＴ　（チタン酸ジルコン酸鉛）の様な
圧電性素材を用い、矢印７で示されるように（あるいは
逆方向）一方向に揃えて分極しておく。また、隔壁の壁
面全体には電極９４ａ２．９４ｂ１．９４ｂ２．９４ｃ
１．９４Ｃ２を形成する。

ここで、第９図（ａ）の電極９４ａ２に電極９４ｂ１に
対し十分大きな正の電位を与えるならば隔壁９５ａ　ｂ
は第９図（ｂ）のようにせん断モードの変形をおこす。

ここで、通常は接着層８に比べて弾性部材９の柔軟性が
高いので、隔壁９５ａｂの変形はおもに蓋６に対する変
位となって現れる。

同様のことを、隔壁９５ｂＣ（通常９４ｂ１．９４ｂ２
は同電位とする）についても行えば、インク室兼インク
流路の溝９２ｂの断面積は初期状態第９図（ａ）から第
９図（ｂ）のように減少する。すなわち、溝内にインク
を充填しておけば、この溝の体積減少によってインクの
圧力は瞬間的に上昇し、インク滴がノズル穴９３ｂより
飛び出す。

第７図は第９図の原理に基づき、６ノズルを集積しだせ
ん断モード型ヘッドで、絶縁性基板１、溝２ａ〜２ｆ、
ノズル穴３ａ〜３ｆ、圧電性素材の隔壁５ａｂ　〜５ｅ
ｆ、電極４ａ２〜４ｆ１、蓋６から構成されている。ま
た８は接着層、９は弾性部材、７は隔壁の分極方向であ
る。溝の間隔を十分に小さくとるならば、サーマルジェ
ット型と同等の小型化が容易で、しかもカイザー型と同
様に高熱による問題が全くない。第１０図はこのように
して構成されたインクジェットヘッドの斜視図で特開昭
６３−２５２７５０号公報において開示されたものであ
る。ここで、１０１は絶縁性基板、１０２はインク室兼
インク流路の細長い溝、１０５は圧電性素材の隔壁、１
００はノズル板、１０３はノズル穴、１０４はインク滴
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

第７図のヘッドの駆動を考える。溝２ｂ〜２ｅの４本は
第９図で示した通りの機構でインク滴の吐出を行なうこ
とができるが、溝２ｍ、２ｆの両端の２本でのインク吐
出は、それぞれ１つの隔壁５ａｂまたは５ｅｆのみの駆
動によっている。このため、隔壁５ａｂまたは５ｅｆの
駆動を他の隔壁５ｂｃ等と同じにすると、両端の溝での
実効的な駆動力が小さくなり、インク滴体積とその吐出
速度が低下し、極端な場合にはインク吐出そのものがで
きなくなる。このことは、ドツトサイズの不揃いやドツ
ト抜けにつながり、印刷品質の著しい低下を招来するこ
とになるっ この様な駆動力の低下は、第８図のように、隔壁に印加
する駆動電圧を、中央部と端部の隔壁とで異なるものに
することで防止できる。すなわち第８図において、隔壁
５ｍｂ、５ｂｃ、５ｃｄｌＣ印加される電圧波形が、そ
れぞれ直線８７．８８．８９を電圧Ｏ■レベルとし、縦
軸を電圧、横軸を時間として８１．８４などのように示
される。この場合、第９図で説明したように、相隣合う
隔壁には反対の位相の信号が印加される。又、インク吐
出時には隔壁を急激に動かし、戻す時には穏やかに動か
す必要があることから、波形は非対称の形とする。さて
ここで、重要なことは隔壁５ａｂのみ他の８１．８３．
８４．８５．８６などの約２倍の絶対値の電圧波形８゛
２を印加しなげればならないことである。このような波
形をとることで、両端の溝に於ける上記の吐出力の減少
を防止することが一応可能とはなるが、一方で次のよう
な新たな問題を生じることになる。

（１）電圧波形８２による隔壁５ａｂの変位量が大きい
ために、溝２ａの昇圧時に隣の溝２ｂの減圧が著しくな
り、溝２ｂ内のインクに気泡が発生してインク吐出がう
まくできなくなるというトラブルが発生しやすい。

（２）電圧波形８２による隔壁５ａｂの変位量が太きい
ために、該電圧印加後の該隔壁の反動による溝２ｂ側へ
の変位量も大きくなり、ノズル６ｂからの誤吐出が起こ
りやすくなる。

（３）電圧波形８１と８２とが非対称で且つ８２の電圧
の、絶対値が大きいことから、隔壁５ａｂ内に電極４ａ
２から４ｂ１の方向の新たな分極を生じやすい。これは
隔壁５ａｂの駆動力を低下させる。

本発明は、かかる従来構造のヘッドが持つインクの吐出
特性の不均一性と、これを除去せんとした場合に新たに
発生する吐出特性の不安定性とを、−挙に解決し、高い
印刷品質のインクジェットヘンドを提供せんとするもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明では、第７図の従来例
での印字にかかわるノズル数と同数のインク室兼インク
流路の溝の他に、その両外側に各１本又は複数本のダミ
ーの溝を形成するものである。この結果、全てのインク
室兼インク流路の溝には、各隔壁に同一の絶対値の電圧
を印加する事で、はぼ同等の駆動力を与えることができ
ることになり、吐出インク滴の速度やサイズは均一）Ｃ
なって印刷品質が向上することになるっしかも、全ての
インク室兼インク流路の溝が実質的に同等に動作するこ
とから、ヘッドの全体の駆動が極めて安定となる。

〔実施例〕

以下本発明による実施例を図面に基づいて説明する。第
１図は本発明によるインクジェット・ヘッドの構成の一
例であり、第７図に対応する図となっている。すなわち
、第１図はノズル穴３ａ〜６ｆの６ノズルを集積したせ
ん断モード型ヘッドで、ガラスあるいはセラミックス等
の絶縁性基板１上に隔壁５ａｂ、５ｂｃ、５ｃｃｌなど
が接着層８により等間隔かつ平行に接着され、インク室
兼インク流路の細長い溝２８〜２ｆが形成される。

そして、これらの溝は共通のインクだめにより連通して
いる。更に、前記隔壁は弾性部材９によりガラスあるい
はセラミックス等の蓋乙に柔軟に接着される。また、隔
壁の壁面全体には電極４ａ２．４ｂｌ、４ｂ２．４Ｃ１
などが形成される。ここまでは第７図と本質的には全く
同一と言える。−方、第１図に於いて第７図に対して新
たに加えたのが本発明に係わるダミー溝１２ａ、１２ｂ
である。この例では見かけ上は単に隔壁５ａｂ〜５ｅｆ
と同じ隔壁であるダミー隔壁１５ａａ。

１５ｆｂを同じピッチで両側に１本ずつ増やした構成と
なっている。従って、追加したダミー隔壁にはその壁面
全体にダミー電極４ａｌ、１４ａ２．４ｆ２．１４ｂｌ
が形成されており、ダミー溝１２ａ、１２ｂの一方の端
は前記共通のインクだめにつながり、そこからインクが
供給できるようにしである。他方の端は塞がれているが
、場合によってはダミー溝中へのインクの導入を容易な
らしめるための小穴をノズル穴６ａと同様に設けてもよ
い。この場合の小穴の形状及び大きさは、インクの漏れ
が起こらない範囲においては自由に選んでよい。更に、
ノズル穴６ａ〜３ｆの配置は、例えば、特開昭６３−２
５２７５０号公報に開示されているような制約を受ける
のに対して、この小穴の配置はダミー溝１２ａ、１２ｂ
の端部にさえ位置していれば全く問題ない。ここでは基
板１はアルミナを用い、５本の隔壁及び２本のダミー隔
壁は全て矢印７のように分極されたＰＺＴであり、アル
ミナとＰＺＴとの接着層８はエポキシ樹脂、溝はすべて
幅１００μｍ、深さ１５０μｍで、電極とダミー電極は
すべて蒸着によるクロムと金の積層膜で合計膜厚は０．
８μｍである。また、蓋６はアルミナ板で、シリコン樹
脂の弾性部材９により隔壁と接着され、ノズル穴はステ
ンレス板のノズル板をエツチングした直径３５μｍの丸
穴である。

第２図はこの駆動波形であり、ダミー隔壁１５ａａ、隔
壁５ａｂ、５ｂｃに印加される電圧波形がそれぞれ直線
２９．２７．２８を電圧Ｏｖレベルとし、縦軸を電圧、
横軸を時間として２０．２１．２４などのように示され
る。この場合、第８図の従来例との顕著な違いは、隔壁
５ａｂに対する波形であり、本発明の第２図に於いては
従来例での第８図の８２のような大きな絶対値の電圧を
印加する必要はなく、２４と同じ大きさの２２を印加す
れば充分である。ダミー隔壁１５ａａに電圧波形２０を
印加することで、溝２ａにおいて中央部の溝２ｂなどと
同等の体積変化が引き起こされることは自明と言えよう
。また、このダミー隔壁に反対の位相の電圧波形を印加
する必要性の無いこと、ダミー隔壁１５ａｂの議論がそ
のままダミー隔壁１５ｆｂに適用できることも自明であ
ろう。

以上、印刷に係わる両端部の溝２ａ、２ｆにおいても実
効的な駆動力は中央部と殆ど変わらない。

しかも駆動電圧は全ての隔壁で実質的に同一にできるこ
とから、従来例で述べたような理由によってヘッド全体
の駆動安定性が損なわれるということはない。従って、
良好且つ安定した印刷特性が得られることになる。

第３図は本発明の異なる実施例である。ここでは、第１
図における絶縁性基板１と隔壁５ａｂ等とを一体に形成
した圧電素材基板６１を用いる。

隔壁５　ａ　ｂ　〜５　ｅ　ｆ　、ダミー隔壁１５１１
＆。

１５ｆｂは第１図同様、矢印７のように一方向に分極す
る。また、インク室兼インク流路の溝は２８〜２ｆ１ダ
ミー溝は１２ａ、１２ｂ、蓋は６であり、隔壁の壁面の
電極は溝内電極４８〜４ｆ、ダミー隔壁の壁面の電極は
溝内ダミー電極１４ａ。

１４ｂである。ここで、第１図に於いて溝内の電極を例
えば４ａｌ、４ａ２のように分離していたのに対して、
本発明で４ａとしたのは、駆動に際しては、電極４ａｌ
、４ａ２を一般に同電位として用いるためであるが、第
１図のように分離しても一向に構わない。さて、本発明
に係わる、第１図での絶縁性基板１と隔壁５ａｂ等との
一体化の意味するところは、等制約に第１図に於ける接
着層８を高剛性化することにある。高剛性化の必要性は
、第９図（ｂ）の駆動時のせん断モードの変形で、接着
層８に生じる応力が、高解像度用のヘッドでは無視しに
くくなることにある。その理由は以下の通りである。

例えば、現在主流となっている３００ｄｐｉ（ｄｏｔｓ
　ｐｅｒ　１ｎｃｈ　）の解像度のヘッドを想定する。

隔壁のピッチぼ約８０μｍで、隔壁幅は約４０μｍとな
り、必然的に弾性部材９の厚みは最大でも１０μｍ程度
が限度となる。一方、接着層は、まず絶縁性が要求され
、しかも隔壁の分極を保持するために圧電性素材のキー
リー温度以下（通常１５０℃以下）での接着と言う制約
がある。このため、該接着層はエポキシ等の高分子系に
限定せざるをえないが、厚みは数μｍになってしまう。

この結果以下のような大きな問題を生じることになる。

（１）上記のごとく弾性部材９に対する接着層８の厚み
が無視できるほど薄くはならないと、隔壁のせん断モー
ドの変形による応力で接着層も弾性部材に対して無視で
きないレベルの変形を受ける事になるっこの場合、接着
層の変形は第９図（ｂｌから分かるように、インク室兼
インク流路の溝９２ｂの断面積の減少を抑制するように
働く。

この結果、接着層８の変形分だけインク吐出の駆動力が
弱まることになる。

（２）　　インク吐出の動作を高速で反復させようとし
た時、振動系としての隔壁のスチフネスの高さが必要で
あるが、これに対する弾性部材９の寄与は小さく接着層
８の硬さに支配される。しかしながら、高分子系の接着
剤では、十分なスチフネスは得られない。

このように、インク吐出力と吐出周波数の低下が予想さ
れ、プリンターとしての印刷の安定性とスピードの低下
を招くことになるのである。

第４図は本発明の更に異なる実施例で、特開昭６３−２
５２７５０号公報第２図に於て既に開示された駆動原理
にもとづく。本構造はおもに第３図に対応しているが、
第１図に対応した構造でも全（同様の議論が可能である
。ここでは、第３図に於て用いた蓋６の代わりに基板３
１と同様の溝形成ずみの圧電性素材基板４１を用いるも
のである。このような２枚の圧電性素材を重ねることに
より、前の実施例における溝に相当する溝２ａ〜２ｆ、
および１２ａ、１２ｂが形成される。この様に２枚の圧
電性素材を用いる理由は、第３図に比べてインク吐出の
駆動力を大きくすることにある。ここで注意を要する点
は、各圧電性素材の分極方向を図の隔壁５　ａ　ｂ、５
２ａｂの分極方向７及び２７の様に相互に相反する方向
にすることで、又当然、上下の基板の溝の位置は第４図
のように一致させなければならないっ 第４図の本発明に係わるポイントは、やはりダミー溝１
２ａ、１２ｂを設けることで、この溝は２枚の圧電性基
板６１．４１に設げられた溝が一体となって構成される
。この一体化は通常２枚の基板の接着により達成される
。そして、該ダミー溝内壁に形成した電極１４ａ、２４
ａ、１４ｂ。

２４ｂをもちいてダミー隔壁１５ａ＆、　２５ａａ、１
５ｆｂ、　２５ｆｂを駆動するならば第３図に於て説明
したと全く同じ効果が得られることは明らかである。

第５図は本発明による別の実施例で、こ二では第３図の
構成でのダミー溝の更に外側に新たに第２のダミー溝１
２Ｃ１１２ｄを設けるものである。

この発明の意味するところは、第１図、第３図、第４図
の構成ではダミー溝１２ａ、１２ｂの外側の啼（隔壁１
５ａａ、または１５ｆｂの反対側）が固定壁となり、イ
ンクを充填した時の該ダミー溝のコンプライアンスが他
の溝２ａ、２ｂ等に比べて小さくなり、駆動時にダミー
隔壁１５ａａ、１５ｆｂが他の隔壁５ａ、５ｂ等よりも
堅くなって、この結果としてインク吐出性能に不均一性
が残ると言う問題を改善することにある。従って、該第
２のダミー溝は単に力学的なバッファーとして機能する
ことだけが必要なので、第３図のように、溝内壁に電極
を形成する必要性はないし、外側のダミー隔壁１５ｃａ
、　　１５ｂｄは分極されている必要性もない。しかし
、製造工程上の理由で電極が残ったり分極がなされたり
したとしても、何ら問題にはならない。また、これらの
ダミー溝端部のノズル板に小穴を設けるかどうかについ
ては、第１図での説明がそのママ適用できる。更に、一
端に３本以上のダミー溝を設けることが有効なことも、
以上の議論から明白であろう。

第６図は第５図と同様の効果を持つ、本発明の更に別の
実施例で、第２のダミー溝を形成するのではなく、溝２
ａ、２ｂ等より断面積の大きなダミー溝４２ａ、４２ｂ
を隔壁４５ａ＆、４５ｆｂを介して形成することで、第
１図又は、第３図に示す実施例において生じたダミー溝
のコンプライアンスの低下を補正するものである。断面
積を大きくするのは、溝幅を広げるか、溝の深さを深く
することで容易に達成される。

尚、第６図において、４４ａ、４４ｂは溝内ダミー電極
である。

〔発明の効果〕

以上、本発明の構造によれば、せん断モード型インクジ
ェットヘッドにおける一つの重大な課題であった両端部
と中央部のノズル穴とでのインク滴吐出特性の不均一性
の問題を解決し、結果的に印刷特性を大幅に向上せしめ
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のせん断モード型インクジェットヘッド
の断面図、第２図はその駆動波形、第３図〜６図は本発
明の別の構成を示すヘッドの断面図、第７図は従来のせ
ん断モード型インクジェットヘッドの断面図、第８図は
その駆動波形、第９図はせん断モード型の駆動原理を示
す図、第１０図はせん断モード型インクジェットヘッド
の斜視図である。 １・・・・・・絶縁性基板、 ６１．４１・・・・・・圧電素材基板、２ａ〜２ｆ・・
・・・・溝、 ６ａ〜６ｆ・・・・・ノズル穴、 ４ａ〜４ｆ・・・・・・電極、 １２　ａ　〜１２　ｄ、　　４２　ａ、　　４２　ｂ・
・・・・・ダミー溝、５ａｂ〜５ｅｆ、１５ａａ、１　
５　ｆ　ｂ−・−隔壁。 第１ピ 第２［１ 一３阿 第４図 第７に 第８に ト一 第９図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電物質の隔壁で分離された印字にかかわるＮ本
   の溝を有し、各溝が一方の端で共通インクだめで連通し
   、他方の端にノズル穴を有し、前記隔壁が該隔壁の壁面
   に形成された電極に印加される電圧によりせん断モード
   の変位を起こすことで、前記溝内のインクを前記ノズル
   穴より吐出せしめるせん断モード・インクジェットヘッ
   ドにおいて、前記Ｎ本の溝の両外側に圧電物質の隔壁を
   介してインク吐出を伴わないダミー溝を設けることを特
   徴とするインクジェットヘッド。
2. （２）ダミー溝をそれぞれの側に２本以上設けることを
   特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. （３）ダミー溝の断面積が前記Ｎ本の各溝の断面積より
   も大きいことを特徴とする請求項１記載のインクジェッ
   トヘッド。