JPH04263951A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面弾性波を利用して
インクをミスト状にして飛翔させるインクジェットヘッ
ドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】表面弾性波を用いてインクミストを発生
し記録を行うインクジェットヘッドでは、主に表面弾性
波を発生させる手段、例えば櫛型電極あるいはくさび型
振動子に印加する信号を制御し、記録画素を制御してい
た。また、表面弾性波発生源に印加する信号は、最高数
百メガヘルツの高周波信号である。

【０００３】図９は、表面弾性波を用いたインクジェッ
トヘッドの構成を示した図である。９１は表面弾性波伝
搬体、９２は表面弾性波を発生させる手段である櫛形電
極、９３は表面弾性波伝搬方向、９４は記録画素毎に配
置された櫛形電極に対応し、その櫛形電極９２に供給す
る電力を制御する高周波電力スイッチ部、９５は各櫛形
電極９２に供給する高周波信号を発振、増幅する高周波
電力発生部、９６は印画情報を解釈し、各素子毎の吐出
タイミング信号を作り出し、それぞれの画素を受け持つ
櫛形電極９２に接続する高周波電力スイッチ部９４へ制
御情報を与えている印画制御部、９７は前記印画制御部
９６によって作り出された制御情報信号の流れを示して
いる印画制御信号、９８は前記高周波電力発生部によっ
て発生した高周波信号の流れを示している高周波電力信
号、９９は印画制御信号９７の情報を受け、櫛形電極９
２の駆動周波数で高周波発振及び増幅を行い直接櫛形電
極９２を駆動する高周波駆動部である。

【０００４】図９（ａ）の方式は、高周波電力発生部９
５において駆動用の高周波信号９８を発生し、印画制御
部９６からの印画制御信号９７により、駆動が必要とさ
れる櫛形電極９２に対応する高周波電力スイッチ部９４
が開き、高周波電力信号９８が櫛形電極９２へ供給され
、表面弾性波が発生して９３方向へ伝搬し、インクと迎
合した時点でインクミスト柱となって吐出が起こる。 ここで問題となるのは、ヘッドを構成する素子数を増や
そうとするとき、対応する高周波電力スイッチ部９４の
数も同数増やしてやる必要があることである。ここで、
この高周波電力スイッチ部９４に要求される能力は、櫛
形電極９２へ供給する高周波信号が、およそ数メガヘル
ツ乃至数百メガヘルツであるので、まず、数百メガヘル
ツの信号を通過させる帯域を持った構成である必要があ
る。また、素子を駆動する電力を通過させるため、最大
１乃至２ワットの電力を通過させる耐力を持った構成で
ある必要がある。

【０００５】図９（ｂ）の方式は、印画制御部９６から
の印画制御信号９７により、駆動が必要とされる櫛形電
極９２に対応する高周波駆動部９９が起動し、個別に発
振、増幅した高周波電力が櫛形電極９２へ供給され、表
面弾性波が発生し、９３方向へ伝搬し、インクと迎合し
た時点でインクミスト柱となって吐出が起こる。ここで
問題となるのは、ヘッドを構成する素子数を増やそうと
するとき、対応する高周波電力駆動部９９の数も同数増
やしてやる必要があることである。ここで、この高周波
電力駆動部９９に要求される能力は、櫛形電極９２へ供
給する高周波信号が、およそ数メガヘルツ乃至数百メガ
ヘルツであるので、まず、数百メガヘルツの信号を発振
し、かつ櫛形電極９２一組を駆動するのに十分な電力増
幅能力を持った構成である必要がある。

【０００６】これらの能力を持った高周波電力スイッチ
部９４あるいは高周波駆動部９９を、例えば１０００乃
至２０００素子のラインヘッドとして構成する場合、構
成回路素子を小型集積回路化することが困難であること
から、非現実的な容積を必要とし、またコスト的にも不
利になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記課題を解
決することを目的とし、記録画素を制御するために、表
面弾性波を発生させる手段に印加する高周波信号を直接
制御している点にある。すなわち、上記の方式では、表
面弾性波を発生させる手段に印加している、数メガヘル
ツ乃至数百メガヘルツの駆動用高周波信号を断続制御し
なければならず、ヘッド制御回路、特に駆動回路部分に
大きな負担がかかることにある。具体的には、高速、つ
まり高周波特性に優れ、かつヘッドを駆動する電力に耐
え得る素子を選定し、用いなければならず、コスト的に
も不利になり、また小型化、集積化が困難になる点にあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、表面弾性波を発生させる手段と、この表面弾
性波を発生させる手段により発生させた表面弾性波を伝
搬させる表面弾性波伝搬面と、この表面弾性波伝搬面の
端縁部分にインクを保持するインク保持機構と、このイ
ンク保持機構に供給するインクを制御するインク供給制
御機構を具備し、または、前記インク保持機構にインク
を供給するインク流路を、記録画素毎に配設したことを
特徴とする。

【０００９】

【実施例】図２は、本発明の一実施例の全体図である。 １は表面弾性波伝搬体、２ａ及び２ｂは、表面弾性波を
発生させる手段である櫛形電極、３は発生した表面弾性
波の伝搬方向を模式的に表した矢印、９はスリット状の
空間で構成されたインク保持機構であるインク保持スリ
ット、１０は吐出したインクミスト柱を表している。

【００１０】図１は、図２に示した本実施例の全体図に
対して、櫛形電極の中心に沿って、表面弾性波伝搬方向
３に切断した断面を表している。図１（ａ）は、図２に
おける櫛形電極２ｂの部分、すなわちインクミスト柱１
０が吐出していない部分の断面図で、図１（ｂ）は、図
２における櫛形電極２ａの部分、すなわちインクミスト
柱１０が吐出している部分の断面図である。図１中１〜
３及び９、１０は図２と同様である。また、４は表面弾
性波伝搬面、５ａ及び５ｂはインク供給制御機構である
バイモルフ圧電体である。図１（ａ）中の５ａはバイモ
ルフ圧電体が直線にのびた状態を表しており、インク供
給が絶たれ、インクミスト柱１０が吐出していない。図
１（ｂ）中の５ｂはバイモルフ圧電体が弓状に変形し、
インク供給が行われ、インクミスト柱１０が吐出してい
る状態を表している。６は、５ａ及び５ｂを一端で固定
している圧電体支持部、７はヘッドの共体を構成し、内
部にインクを保持しているインク保持室、８はインクで
ある。

【００１１】図１（ｂ）において、インクミスト柱１０
の吐出は、リチュームニオベートなどの圧電体で構成さ
れた表面弾性波伝搬体１上に形成された櫛形電極２によ
って発生された表面弾性波３が、表面弾性波伝搬面４上
を伝搬し、インク保持スリット９に到達し、インク保持
スリット９に保持されているインクを、表面弾性波の振
動エネルギーが励振することによって、霧化及び吐出エ
ネルギーが与えられ、実現される。図１（ａ）において
は、インク保持スリット９にインクが保持されていない
ために、インクの霧化及び吐出は行われていない。

【００１２】インクミスト柱１０の吐出制御方法として
は、インク保持スリット９に常にインクを保持させてお
き、発生させる表面弾性波を制御する方法が一般的であ
った。本発明の実施例では、表面弾性波３は常に発生さ
せておき、インク保持スリット９に供給するインクを制
御することによってインクミスト柱１０の吐出制御を行
った。インク保持スリット９は、その間隔が数十μｍ以
下の細い間隔に作ってあるため、スリット下端にインク
が導かれていれば、毛細管現象によって表面、すなわち
表面弾性波３到達点までインクが満たされる。図１（ａ
）の状態では、インクミスト柱１０が吐出されない。す
なわち、インク保持スリット９にインクが満たされてな
いため、表面弾性波のエネルギーがインクに到達してい
ないためである。これは、バイモルフ圧電体５ａによっ
て、インク保持室７とインク保持スリット９をつなぐ窓
の部分をふさぎ、インク８がインク保持スリット９内に
流入することを阻止することによって実現している。図
１（ｂ）の状態では、インクミスト柱１０が吐出されて
いる。すなわち、インク保持スリット９にインクが満た
されており、表面弾性波のエネルギーがインクに到達し
ているためである。これは、インク保持室７とインク保
持スリット９とをつなぐ窓の部分をふさいでいたバイモ
ルフ圧電体５ｂをインク保持室７の方向に弓なりに変形
させ、インク保持室７内のインク８が、インク保持スリ
ット９内に流入できるようにすることによって実現して
いる。以上のように、バイモルフ圧電体の変形を利用し
、インク供給を制御する弁の機能をもたせ、供給インク
量を制御することによって、吐出インクミスト柱の制御
を実現した。

【００１３】図３は、本発明の実施例に用いたバイモル
フ圧電体の構造を示した図である。３０及び３１は圧電
体、３２、３３、３４は電極、３５はスイッチである。

【００１４】ここで、図３を用いて、バイモルフ圧電体
の動作について説明する。図中Ａ及びＢは、それぞれ圧
電体３０、３１の分極方向を示すもので、Ａ及びＢは電
極３２、３３、３４に垂直で、かつ同じ方向に配してあ
る。スイッチ３５を図３に示した状態、すなわち、端子
ａ及び端子ｃを短絡した状態にすることによって、電極
３２、３３、３４はすべて同電位に保たれる。通常はこ
の状態に保たれ、バイモルフ圧電体の変形は起こらず、
図３のように直線状になっている。これが、図１（ａ）
の５ａの状態を表している。ここで、スイッチ３５を切
り替え、端子ｂ及び端子ｃを短絡する状態にすることに
よって、電極３３に対して、電極３２及び３４は低い電
位におかれることになり、結果として、電極３３から電
極３２方向へ、及び電極３３から電極３４方向へ電界が
印加される。ここで、圧電体３０及び３１は同じ圧電定
数をもつ材料を用いているため、分極方向及び印加電界
方向によって決まる方向に変形が生じる。一般に、ＰＺ
Ｔセラミックスを用いた場合、分極方向と同一方向の電
界を印加した場合、電界方向、すなわち厚み方向に伸び
る方向で変形し、逆方向の電界を印加した場合、厚み方
向に縮む変形が生じる。ここで、厚み方向に縮む方向の
電界を印加した場合には、長さ方向、すなわち図３にお
けるＣ方向については伸びが生じ、反対に厚み方向に伸
びる方向の電界を印加した場合には、長さ方向には縮み
が生じる。図３における圧電体３０及び３１にはそれぞ
れＡおよびＢ方向に分極処理がなされている。圧電体３
０については、電極３３及び３２によって、分極方向と
同一の電界が印加されるため、前記によりＣ方向に縮み
が生じ、圧電体３１については、電極３３及び３４によ
って、分極方向と逆方向の電界が印加されるため、同様
の理由からＣ方向に伸びが生じる。もし、図３に記した
バイモルフ圧電体の左端を固定しておいたなら、右端が
図３において上向きの反り変形をおこすことになる。

【００１５】このバイモルフ圧電体は、図１においてイ
ンク保持室７内部に配置され、圧電体支持部６によって
インク保持室７にその１端を固定されている。前述の原
理により、５ａ及び５ｂの状態に変形し、インク供給を
制御している。ここで、液体インクを阻止するために、
バイモルフ圧電体及びインク保持室７内部のインク保持
スリット９に相対する面について、表面の平滑性を上げ
、または樹脂、ゴム等で、弾性を持つ層をコーティング
等により形成し、密着性を高めることによって、よりす
ぐれたインク遮断特性が得られている。

【００１６】図４は、本発明の実施例で試作したインク
流路制御用のバイモルフ圧電体の加工例で、４０は図３
に示した断面構造を持つバイモルフ圧電体、４１ａ〜４
１ｉはそれぞれインクミスト吐出部に対応した可動片を
示している。図４の例では、９素子分を一つのバイモル
フ圧電体４０板から作り出した。本実施例での試作では
、素子密度が９０ｄｐｉ相当のヘッドに対応しており、
４１ａ〜４１ｉの可動片幅が２００μｍ、可動片ピッチ
が２８２μｍで製作した。可動片間は、ダイシングＳＡ
Ｗで幅８２μｍ、深さ約１ｍｍの切り込みをいれて製作
してある。表面の電極は、フォトリソグラフィーにより
４１ａ〜４１ｉに分離し、各々個別に通電し、変形でき
るようにしてある。ここで、分離する電極は図３におけ
る電極３２及び電極３４で、電極３３については、全素
子共通として接続してある。

【００１７】図５は、本発明の請求項２に関する実施例
を表した図で、図１におけるミスト柱吐出部分付近に相
当する透視図である。５１ａは表面弾性波伝搬体、５１
ｂはインク保持室、５３は表面弾性波伝搬方向、５５ａ
及び５５ｂはインク供給制御機構であるバイモルフ圧電
体、５６は圧電体支持部、５９は記録素子毎に設けたイ
ンク導流路である。図１及び図２の実施例で説明したモ
デルは、インクを供給し、保持するためのインク保持ス
リット９がインクミスト柱吐出単位に分割されていない
ものである。前述の構造では、記録画素単位にインク流
路を分割する必要がないので単純な構造であり、容易に
製作することができるが、ドット間ピッチを狭くしてい
くと、隣接ドットのインク供給制御用バイモルフ圧電体
の動作の影響を受け、意図したとおりのインクミスト吐
出制御が困難になってくる。そこで、インクミスト吐出
単位毎にインク導流路５９を設け、隣接ドットとの干渉
を排除した。これにより、ドット間ピッチ１４１μｍ相
当の密度で製作が可能となった。すなわち、図４に示し
たバイモルフ圧電体で、４１ａ〜４１ｉの可動片幅が１
００μｍ、可動片ピッチが１４１μｍで製作したものが
使用できる。

【００１８】図６（ａ）及び（ｂ）は、図５におけるイ
ンク導流路５９を製作する際の方法例を示したものであ
る。図６（ａ）は、表面弾性波伝搬体上にインク導流路
を設けた例で、６１は表面弾性波伝搬体、６２は表面弾
性波を発生させる手段である櫛形電極、６３は表面弾性
波伝搬方向、６９ａは記録画素毎に設けたインク導流路
のインク吐出出口である。インク導流路６９ａを製作す
る方法として、エッチング法等が用いられる。また、イ
ンク導流路６９ａは円柱状の形状でもよい。図６（ｂ）
は、表面弾性波伝搬体６１ａにあいたいして、インク導
流路形成用の補助板６１ｂを接合させた例である。この
場合、あらかじめ補助板６１ｂにインク導流用のスリッ
トをダイシングＳＡＷで切り込み、後に表面弾性波伝搬
体６１ａと接合させている。

【００１９】本実施例において使用したインク供給制御
機構であるバイモルフ圧電体を変形させるのに必要な電
圧は、圧電体３０及び３１に１００μｍのＰＺＴセラミ
ックスを使用した場合、１５Ｖから２０Ｖであった。従
来の記録ヘッドの場合、インク吐出をバイモルフ圧電体
の変形のエネルギーにより行っているため１００Ｖ程の
駆動電圧が必要であったことから、制御を必要とする系
の駆動電圧の低電圧化が実現できたことになる。

【００２０】本実施例のヘッドでは、バイモルフ圧電体
を変形させている間、インクミストは連続的に吐出され
る。すなわち、バイモルフ圧電体の変形している時間を
管理することによって、ドット毎に吐出するインク量が
制御可能となる。さらに、このこととインクミストの印
字特性を利用することによって、ドット毎に階調性をも
たせることができる。図７は、本発明の実施例で試作し
たヘッドで印字したドットを模式的に拡大したものであ
る。バイモルフ圧電体を変形させ、インクを供給する時
間、すなわち記録時間に対する印字ドットの様子を表し
ているが、記録時間が増加するのに比例し、印字ドット
の濃度が上昇している。これは、直径数μｍの微細ミス
ト状インクにより印字を行っているために、濃度階調的
なドットが得られるためである。さらに、印字されたド
ットの直径はほとんど変化しない。記録時間を連続的に
増加させることによって、印字されるドットの濃度も比
例して増加する。図８に示したグラフは、バイモルフ圧
電体の変形時間、すなわち記録時間に対する、印写濃度
をＯＤで表したものである。以上の結果より、本発明の
インクジェットヘッドは、中間調記録特性に優れている
ことがわかる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジ
ェットヘッドは、インクミスト柱の吐出制御方法として
、表面弾性波伝搬路に導出するインク流路を制御する方
法をとることによって、大電力、高周波信号を扱ってい
る表面弾性波発生系を制御する必要がなくなり、ヘッド
制御系、特にヘッドドライバ回路を大幅に簡略化するこ
とができるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドのインク流路制
御機構を表した説明図である。

【図２】本発明の実施例の概観を示した全体図である。

【図３】本発明の実施例で用いたバイモルフ圧電体の基
本構造を示した説明図である。

【図４】本発明の実施例で試作したバイモルフ圧電体の
例を示した説明図である。

【図５】本発明の、記録画素毎にインク流路を設けた場
合の実施例を示した説明図である。

【図６】本発明の実施例で試作した、画素毎にインク流
路を製作した例を示した説明図である。

【図７】本発明の実施例で試作したインクジェットヘッ
ドを用いて印字した、記録時間を変えることによって変
化する印字ドットの様子を示した図である。

【図８】本発明の実施例で試作したインクジェットヘッ
ドを用いて印字したドットの、記録時間に対する印写濃
度の変化を示したグラフである。

【図９】インクジェットヘッドを示した図である。

【符号の説明】

１　　表面弾性波伝搬体 ２　　櫛形電極 ２ａ　　櫛形電極（吐出部分） ２ｂ　　櫛形電極（非吐出部分） ３　　表面弾性波伝搬方向 ４　　表面弾性波伝搬面 ５ａ　　バイモルフ圧電体（閉じた状態）５ｂ　　バイ
モルフ圧電体（開いた状態）６　　圧電体支持部 ７　　インク保持室 ８　　インク ９　　インク保持スリット １０　　吐出インクミスト柱 ３０、３１　　圧電体 ３２、３３、３４　　電極 ３５　　スイッチ ４０　　バイモルフ圧電体 ４１ａ〜４１ｉ　　画素対応可動片 ５１ａ、６１、６１ａ　　表面弾性波伝搬体５２、６２
　　櫛形電極 ５３、６３　　表面弾性波伝搬方向 ５５ａ、５５ｂ　　バイモルフ圧電体 ５６　　圧電体支持部 ５９、６９ａ、６９ｂ　　インク導流路６１ｂ　　補助
板 ９１　　表面弾性波伝搬体 ９２　　櫛形電極 ９３　　表面弾性波伝搬方向 ９４　　高周波電力スイッチ部 ９５　　高周波電力発生部 ９６　　印画制御部 ９７　　印画制御信号 ９８　　高周波電力信号 ９９　　高周波駆動部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　表面弾性波を発生させる手段と、この
   表面弾性波を発生させる手段により発生させた表面弾性
   波を伝搬させる表面弾性波伝搬面と、この表面弾性波伝
   搬面の端縁部分にインクを保持するインク保持機構と、
   このインク保持機構に供給するインクを制御するインク
   供給制御機構を具備したインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】　　前記インク保持機構にインクを供給す
   るインク流路を、記録画素毎に配設した、請求項１記載
   のインクジェットヘッド。