JPH04294146A - 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、発生させた
表面弾性波の伝搬する幅によってそのヘッドによって記
録できるドット密度が決定されていた。すなわち、分解
能をあげようとするなら、発生させる一つの表面弾性波
の伝搬幅を狭くする必要がある。従来用いられていた、
代表的な表面弾性波伝搬体としては、リチュームニオベ
ート（ＬｉＮｂＯ３）などがあるが、これら伝搬体上に
おいて、拡散することなく表面弾性波を直進伝搬させる
ためには、その伝搬幅が、伝搬体上における表面弾性波
の波長λの３倍以上は必要である。

【０００３】図９は、表面弾性波を用いたインクジェッ
トヘッドにおける従来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は櫛
形電極９２へ電力を供給するための高周波駆動部、９５
は表面弾性波伝搬体９１の表面端縁部から吐出している
インクミストの状態を表した吐出インクミスト柱、９６
は表面弾性波伝搬体９１の表面端縁部にインクを導くた
めに設けたインク導流路である。

【０００４】図９（ａ）の方式は、表面弾性波伝搬体９
１の表面端縁部にインクを導く際、特に隣接ドットとの
間に隔壁を設けないものである。この方式だと、単純な
構造とはなるが、印字する画素１つに対して、１つの表
面弾性波９３を対応させて、発生、伝搬させる必要があ
る。図９（ｂ）の方式は、表面弾性波伝搬体９１の表面
端縁部に、記録ドット毎に分割された、インクの流れを
制限するインク導流路を配したものである。何れも、１
記録ドットに対して、１つの表面弾性波を選択的に発生
伝搬させている。

【０００５】表面弾性波伝搬体９１として、リチューム
ニオベートを用いた場合、表面弾性波の伝搬速度はおよ
そ４０００ｍ／秒である。もし、１インチあたり３００
ドットの密度で記録をおこなう場合、ドット間距離は約
８５μｍになる。表面弾性波を８５μｍの幅で伝搬させ
る場合、その波長は少なくともその伝搬幅の３分の１以
下である必要があるので、およそ２８μｍ以下でなけれ
ばならない。この波長を実現するためには、駆動励振周
波数を、１４３ＭＨｚ以上に設定しなければならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、記録画素密度を上げようとした場合、表面弾性波
の波長を短くする、すなわち駆動励振周波数を上げなけ
ればならない点にある。駆動周波数が高くなると、表面
弾性波伝搬体上を表面弾性波が伝搬する際の伝搬減衰も
増加し、効率低下を招く。さらに、表面弾性波を発生さ
せる手段に印加する高周波信号を励振するための駆動回
路も、高速、高周波信号に対応する必要が発生する。ま
た、表面弾性波を発生させる手段の一つである櫛形電極
を形成させる場合、波長低下にともなって、相似的に小
さく作らねばならず、より高精度で加工する必要がある
。

【０００７】本発明の目的は、上記課題を解決し、表面
弾性波発生手段の敷設密度に係わらず、高ドット密度の
インクジェットヘッドを実現することにある。

【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体と、この表面弾性波伝搬体の
表面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、前記表面弾性波発生手段一
つに対して、複数個のインク供給制御機構を具備したこ
とを特徴とする。

【０００９】

【実施例】図２は、本発明のインクジェットヘッドの実
施例の斜視図である。１は表面弾性波伝搬体、２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、９ａは管
状の空間で構成されたインク導流路で、供給されるイン
クが充填されている部分と、表面弾性波伝搬体１の表面
端縁部分とを結合しているが、インク供給制御機構によ
り、結合が遮断され、表面弾性波伝搬体１の表面端縁部
分と迎合する場所にはインクが導かれていない。９ｂは
、前記インク導流路９ａのインク制御機構が開いた状態
になり、表面弾性波伝搬体１の表面端縁部にインクが導
かれ、同表面端縁部に保持されている。１０は、前記イ
ンク導流路９ｂと表面弾性波伝搬体１の表面端部との迎
合点に保持されているインクに、伝搬してきた表面弾性
波３が到達し、表面弾性波のエネルギーによってミスト
化し、吐出している吐出インクミスト柱である。

【００１０】図１は、図２に示した本実施例の斜視図に
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
おけるインク導流路９ａの部分、すなわちインクミスト
柱１０が吐出していない部分の断面図で、図１（ｂ）は
、図２におけるインク導流路９ｂ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。

【００１１】また、４は表面弾性波伝搬面、５ａ及び５
ｂ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真っ直ぐに
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。

【００１２】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、インク導流路９ｂに到達し、インク導流路９
ｂの周縁部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、インク導流路９ａにインクが導かれていないため、
インクの霧化及び吐出は行われていない。

【００１３】従来、インクミスト柱１０の吐出制御方法
としては、インク導流路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、インク導流路を介して導くインク供給系を制御
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。インク導流路９ａおよび９ｂは、その内径が数十μ
ｍ以下の管状に作ってあるため、インク導流路下端にイ
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、インク導流路９ａ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とインク導流路９ａをつなぐ窓の部
分をふさぎ、インク８がインク導流路９ａ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。

【００１４】一方、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、インク導流路９
ｂ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とインク導流路９ｂ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
ンク導流路９ｂ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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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１８０ｄｐｉ相当のヘッドに対応しており
、４１ａ〜４１ｉの可動片幅が１００μｍ、可動片ピッ
チが約１４０μｍで製造した。可動片間は、ダイシング
ＳＡＷで幅４０μｍ、深さ約１ｍｍの切り込みをいれて
製造してある。ここで、１可動片が１記録画素に対応し
ている。すなわち、記録画素密度を高める場合、前記可
動片ピッチを細かくすることによって、容易に実現でき
る。同様に、任意の記録画素密度用の流路制御用バイモ
ルフ圧電体を容易に作ることができる。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
。

【００１９】図５は、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。５１は補助板、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、
５９は記録画素毎に対応して設けたインク導流路である
。

【００２０】ここで、５５ａは、図３で説明した圧電体
３１、５５ｂは、図３での圧電体２０にした方が好まし
い。

【００２１】図９にて説明した従来の構造では、一つの
表面弾性波発生手段に対して、同時に一つの記録画素し
か印字できなかった。そのため、記録画素密度を上げよ
うとするなら、表面弾性波発生手段の敷設密度を上げ、
個々に発せられる表面弾性波の幅を絞り込む必要がある
。本発明の実施例を用いれば、図５の如く１つの表面弾
性波発生手段から発生した表面弾性波を、複数の記録画
素に対応させているため、表面弾性波の幅を絞り込む必
要はない。

【００２２】本実施例において試作した、１８０ｄｐｉ
相当のインクジェットヘッドでは、表面弾性波発生手段
である櫛形電極に印加した周波数は、約１０ＭＨｚであ
る。印加周波数は、数メガヘルツ以下に設定することも
可能である。従来の、記録画素毎に表面弾性波を発生さ
せる方法で、１８０ｄｐｉ相当の解像度を得ようとする
なら、表面弾性波の伝搬幅を１４０μｍ以下にしなけれ
ばならない。表面弾性波の伝搬幅は、一般に伝搬波長の
３倍以上必要であるので、波長は４６μｍ以下でなけれ
ばならない。ここで、波長４０μｍの表面弾性波を、表
面弾性波伝搬体として、音速４０００ｍ／秒のリチュー
ムニオベートをもちいて発生させるためには、励振周波
数として１００ＭＨｚの信号で励振する必要がある。伝
搬音速の低い材料を、表面弾性波伝搬体として用いるこ
とによって、励振周波数を下げることはできるが、代表
的な低音速材料であるＰＺＴなどでも、２０００ｍ／秒
程度で、周波数は２分の１程度にしか下げられない。何
れにせよ、従来の方法では数十ＭＨｚ以上の超高周波で
励振する必要がある。本発明の実施例では、１０ＭＨｚ
の信号で励振している。すなわち、リチュームニオベー
ト上において、波長は４００μｍである。従来の方式を
用いた場合の１０分の１の波長の表面弾性波を用いてい
るため、表面弾性波伝搬体上での、伝搬損失も１０分の
１以下に減り、また、駆動励振回路の高速高帯域性も要
求されないので、一般的な回路構成部品が使用できるよ
うになり、回路内での損失も減少した。

【００２３】図６（ａ）及び（ｂ）は、図５におけるイ
ンク導流路５９を製造する際の方法例を示したものであ
る。図６（ａ）は、表面弾性波伝搬体にインク導流路を
設けた例で、５９は記録画素毎に設けたインク導流路の
インク吐出側出口である。インク導流路５９を製造する
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５９は円柱状の形状でもよい。図６（ｂ）は、
表面弾性波伝搬体１にあいたいして、インク導流路形成
用の補助板５１を接合させた例である。この場合、あら
かじめ補助板５１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１と接合さ
せている。図６（ｂ）では、接合前の、分離された状態
を示している。表面弾性波伝搬体１及び補助板５１は、
有機系接着剤で接合した。また、本図では、補助板５１
側にインク導流路５９を加工形成したが、表面弾性波伝
搬体１側にインク導流路５９を形成した場合にも、同様
の結果が得られている。

【００２４】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。

【００２５】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、印字ドット毎に階調性
をもたせることができる。

【００２６】図７は、本発明の実施例で試作したインク
ジェットで印字した１印字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以下
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、印字ドットの濃度によらずほ
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
。

【００２７】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Ｏ
Ｄ値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。

【００２８】

【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、一つの表面弾性波発生手段に対して複
数のインク導流路を敷設し、インク導流路へ流入させる
インクを制御する方法をとることによって、高密度で敷
設させることが困難な表面弾性波発生手段の敷設密度に
関係なく、印字ドット密度を高くすることが可能となる
。また、表面弾性波を印字ドットに対応させる必要がな
いので、表面弾性波の波長は任意のものでよくなり、す
なわち、表面弾性波発生手段への駆動励振周波数が十分
低く設定できるという利点も有する。

【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表した斜視図である。

【図３】本発明の実施例で試作し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】本発明の実施例のインク導流路近傍の構造を示
した説明図である。

【図６】本発明の実施例で試作した、インク流路の製造
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】本発明を使用しない従来例を示した図である。

【符号の説明】

１　　表面弾性波伝搬体 ２　　櫛形電極 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 ９ａ　　インク導流路（非吐出部分） ９ｂ　　インク導流路（吐出部分） 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 Ａ　　圧電体３０の分極方向 Ｂ　　圧電体３１の分極方向 Ｃ　　圧電体３０、３１の伸縮方向 ａ、ｂ、ｃ　　スイッチ３５の端子 ４０　　バイモルフ圧電体 ４１ａ〜４１ｉ　　画素対応可動片 １　　表面弾性波伝搬体 ５１　　補助板 ３　　表面弾性波伝搬方向 ５５ａ、５５ｂ　　バイモルフ圧電体 ５９　　インク導流路 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　　高周波駆動部 ９５　　吐出インクミスト柱 ９６　　インク導流路

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体と、この表面弾性波伝
   搬体の表面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ことを特徴とするインクジ
   ェットヘッド。
2. 【請求項２】　　前記表面弾性波発生手段一つに対して
   、複数個のインク供給制御機構を具備した、請求項１記
   載のインクジェットヘッド。