JPH04299151A - インクジェットプリントヘッド - 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】本発明は圧電性基板の振動を利用
してインク滴を飛翔させるようにしたインクジェットヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インクミスト流を利用したインク
エジェクタについて種々の模索がなされるようになって
きた。

【０００３】特開昭６２−８５９４８号公報に開示され
た装置はその前駆をなすものである。これは超音波振動
により液体インクを霧化させると同時に帯電させ、電界
により記録媒体に付着させるというものである。

【０００４】しかし上記従来例では、記録素子と同数の
独立分離した超音波発生手段を設けているので、装置が
大型になる、解像度を上げられないと言う問題を有して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる問題
を解決すべくなされたもので、その目的とするところは
、微小な液粒を正確な向きに吐出制御することができる
と同時に、マルチエレメント化して、高密度に集積、実
装することのできる新規なインクジェットプリンタを提
案することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明のインクジ
ェットプリントヘッドはかかる課題を解決するために、
圧電性基板と、この圧電性基板の表面と裏面に配された
少なくとも１対の電極と、前記電極対の交差領域に相対
峙するノズルを設けた、前記圧電基板と平行に配された
ノズルプレートと、前記圧電性基板とノズルプレートと
のギャップに保持されたインクと、前記電極間にこの圧
電性基板の共振周波数に等しい周期で変化する電圧を選
択的に印加する駆動手段で構成したものである。

【０００７】

【実施例】はじめに、個々の実施例を説明する前に、図
１、図２を参照しつつ本発明に基づくインクジェットプ
リントヘッドによってもたらされるインクミストの飛翔
原理について説明する。図１はインクジェットプリント
ヘッドの吐出部を上面から見た図、図２は側面から見た
図である。

【０００８】図において符号１は片平坦に形成した厚さ
ｄの板状の圧電基板である。圧電基板はあらかじめ、厚
み方向の電界に対して変位するように分極してある。

【０００９】この圧電基板１の下面に幅Ｗｓを有した記
録電極２が、もう一方の上面には同じく幅Ｗｃを有した
コモン電極３が配置され対となっている。互いの電極は
図中斜線で示すような矩形状のＷｃ×Ｗｓの面積の交差
領域６を形成する。記録電極２はピッチＰｔで並べられ
、また間隔Ｐｔ１をおいて千鳥状に２列設ける。

【００１０】４は厚みｄＮの板状のノズルプレートであ
り、圧電基板１と平行に距離ｇをおいて配置される。５
はノズルプレートに開けられた内径Ｎｄのノズルであり
、上記電極の矩形の交差領域６に相対応している。ノズ
ルプレートは電鋳により作製し、ノズル断面は上方へ開
いた形状とした。

【００１１】７はノズルプレート４と圧電基板１との間
に表面張力で保持されるインクである。インク７は毛細
管力により、交差領域６、即ちノズル５直下に導かれる
。

【００１２】今、コモン電極３を電気的に接地し、記録
電極２に周期Ｔ秒で変化する電圧を印加する。周期Ｔが
圧電基板１の厚み方向の縦振動の共振周波数の整数倍の
周波数の逆数に近い時、両面を解放端とする電極間の交
差部６に定在波振動が生じる。上記振動により、交差部
６上に供給されたインクが励振され、図の上方向への放
射圧力と、インク表面に生じた表面波振動の干渉により
、各々の直径が１μｍ乃至５０μｍのミスト柱８となっ
て交差部より若干小さい面積から、ほぼ垂直に放射した
。

【００１３】図３、図４はこのような原理をもとにライ
ンプリンタ用のインクジェットプリンタヘッドとして構
成した本発明の典型的な実施例を示したものである。図
３はインクジェットプリントヘッドを側面から見た図、
図４は斜視分解図である。

【００１４】図３において、符号１は有効印字領域を越
える長さを備えた狭巾の圧電基板で、この圧電基板は厚
さ１ｍｍのチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）系圧電セラ
ミクスで形成した。

【００１５】なお本例で用いた材質のほかにＺｎＯ等の
圧電性セラミクスや、ＬｉＮｂＯ３、水晶、ＬｉＴａＯ
３、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、Ｓｉ１２ＧｅＯ２０などの圧
電性単結晶や、ポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高
分子圧電材料、さらに上記圧電材料を混合したもの、ま
た上記圧電材料を膜状に積層したものを使用することも
可能である。

【００１６】この圧電基板の上面端には、コモン電極３
ａ、３ｂがフォトリソグラフィ法により形成されている
。 コモン電極３ａ、３ｂの電極幅Ｗｃは約１００μｍとし
た。コモン電極は＋５Ｖに固定した。また、圧電基板１
の下端には、記録電極２ａ、２ｂが同じくフォトリソグ
ラフィ法により形成されている。記録電極２ａ、２ｂの
電極幅Ｗｓ（図１参照）は約１００μｍ、電極間ピッチ
Ｐｔは１７０μｍ、Ｐｔ１は０．５ｍｍとした。また記
録電極２ａと２ｂは互いに記録電極の配列の垂直方向に
８５μｍずらして配置した。

【００１７】コモン電極３と記録電極２は、ともに圧電
基板の両面をラップ研磨した後、クロム薄膜を１０ｎｍ
形成しその上に金薄膜を１μｍ形成した。

【００１８】上記圧電基板１は配線基板１４の配線のな
い裏側にエポキシ系樹脂で接着固定した。

【００１９】上記構成の圧電基板１の共振周波数は約１
．８ＭＨｚであった。ノズルプレート４は厚さ３０μｍ
のニッケル板を用いた。またノズル内径Ｎｄは３０μｍ
とした。

【００２０】１０は、ノズルプレート４と圧電基板１と
のギャップを保持しつつ、ノズルと対応して設けた穴１
５によってインクを吐出部へ導く流路を形成するための
ガイドプレートである。ガイドプレートの厚みは５０μ
ｍとすることにより、ノズルプレートと圧電基板１との
ギャップを５０μｍに保持することができた。１３は上
記構成要素を固定するための支持台であり、インク流路
をも兼ねている。

【００２１】支持台には図４に示すごとく、複数本の位
置決めピン１２が設けられている。この位置決めピン１
２に対し、圧電基板１、ガイドプレート１０、ノズルプ
レート４には各々対応して、位置決め穴１１ｃ、１１ｂ
、１１ａをもうけた。プリントヘッドの組み立てる際に
は上記位置決めピンと位置決め穴により、各要素間の位
置が決めることができる。

【００２２】インク７は毛細管力により矢印Ｂ方向へ吐
出部へと導かれる。インクは純水に染料を３重量％と５
重量％のジエチレングリコールを溶解分散したものを用
いた。インクの粘度は１．５ｃｐｓであった。また何種
かのインクで飛翔実験をしたところ、２５℃における粘
度が０．５ｃｐｓから８ｃｐｓ、密度が０．５ｇ／ｃｍ
３から３．０ｇ／ｃｍ３、表面張力が１０ｄｙｎｅｓ／
ｃｍから１００ｄｙｎｅｓ／ｃｍで良好な印字を得るこ
とができた。

【００２３】１６は駆動用のドライバを集積化したドラ
イバＩＣであり、ポリイミド製のＴＡＢ配線フィルム１
７に実装後モールドした。ドライバ１６の出力スイッチ
回路は相補型ＭＯＳ回路で構成し、高電圧出力状態、低
電圧出力状態、ハイインピーダンス状態の３状態出力型
とした。上記ＴＡＢ配線フィルムの一端は圧電基板の外
側端の端子部１８に異方性導電膜を介して電気的に接合
され、もう一方の端は、配線基板１４に同じく接続され
ている。

【００２４】配線基板１４は前述のとおり２枚の圧電基
板の支持固定用基板を兼ね、かつ２層配線により、ドラ
イバＩＣへの電力供給、記録信号、制御信号を行う。配
線基板１４は３層構造のガラスエポキシ配線基板を用い
た。

【００２５】今、所定の電圧と制御信号をドライバＩＣ
１６に与え任意の記録電極２に１．８ＭＨｚの矩形電圧
を加えると、記録電極とコモン電極との間の圧電基板が
共振し、インクが励振され、液滴として飛翔させること
ができた。

【００２６】図５に本実施例の記録電極に印加する駆動
電圧の波形を示す。Ｓｎ−１、Ｓｎ、Ｓｎ＋１はそれぞ
れ並列する任意の３本の記録電極の駆動電位を示す。

【００２７】高圧側電位Ｖｄｄは５Ｖとし、低圧側電位
Ｖｓｓは−２Ｖ、又コモン電極（図示せず）の電位は５
Ｖに固定した。Ｔｂは１ラインの印画時間であり、２ｍ
ｓｅｃとした。本例ではＴｂをＴｂ０とＴｂ１に均等に
２分割し、奇数番の記録電極群と、偶数番の記録電極群
の印画時期を分けた。

【００２８】１ドットの記録の為には、周期Ｔが約１０
０ｎｓｅｃの基本方形波を任意の時間Ｗｂの間、出力す
ることにより成される。バーストパルス幅Ｗｂを０ｓｅ
ｃから１５μｓｅｃ毎に９６０μｓｅｃまで制御させた
ところ、最高濃度（ＯＤ値）１．５で６４階調の滑らか
な濃度階調再現ができた。

【００２９】ある記録電極２の駆動時には、その両端の
記録電極２の電位はコモン電極３の電位に固定する。例
えば記録電極ＳｎにＷｂの時間高周波を印加した時、記
録電極Ｓｎ−１、Ｓｎ＋１の電位はＶｄｄに固定してい
る。これにより、隣接電極に、電界の洩れや、記録電極
Ｓｎから発生する振動の伝搬による振動を抑制すること
ができ、印字の乱れ、クロストークをなくすことができ
た。

【００３０】本発明のインクジェットプリンタを駆動す
る場合、駆動波形と駆動電圧には若干の注意が必要であ
る。図６はノズル部の拡大図であるが、（ａ）は駆動電
圧を加えない状態、（ｂ）は適正な駆動エネルギーを加
えた状態、（ｃ）は課題な駆動エネルギーを加えた状態
を示す。

【００３１】駆動エネルギーを加えない場合には図６（
ａ）のごとく、インク液面はノズルの下エッジ部２０ま
でインク７がノズルプレート４に濡れ、下に凹状の半球
を形成する。

【００３２】駆動エネルギーを加えていくと図６（ｂ）
のごとく、インク内に図の上方向への放射圧力が生じ、
インク液面は上昇する。適正なエネルギーで増加をとど
めれば、上記放射圧力とインクの界面張力とが釣合って
、ノズルの下エッジ部２０を起点とする凸状の半球を形
成することができる。

【００３３】しかしさらに駆動エネルギーを加えていく
と図６（ｃ）のごとく、放射圧力がインクの界面張力と
の釣合が破れ、インクはノズルの下エッジ部２０を越え
てあふれてしまう。一端インクがあふれてしまうと、正
常なインク飛翔が得られないばかりか、駆動信号を切っ
ても迅速に図６（ａ）の状態に戻ることができず、著し
く記録速度が落ちてしまう。

【００３４】図７（ａ）にＰ０、Ｐ１、Ｐ２（Ｐ０＜Ｐ
１＜Ｐ２）である３水準の駆動電力を加えた場合の各々
の液面の挙動を示す。図において、横軸は時間であり、
縦軸は圧電基板からの液面の高さｈを表す。ｇは圧電基
板とノズルプレートのギャップを示し、ｈｍａｘはイン
クがノズルからあふれる直前の限界高さを示す。

【００３５】図７（ａ）で明らかなように、インクをノ
ズルからあふれさせないために、インク高さがｈｍａｘ
に満たない時間にバーストパルス幅Ｗｂを限定する必要
が有る。図７（ｂ）に駆動電力に対するの霧化効率の関
係を示す。図において、横軸は駆動電力であり、縦軸は
霧化効率を表す。インクの霧化にはある一定以上の駆動
電力が必要である。図７（ａ）で明らかなように、イン
クをノズルからあふれさせないために、インク高さがｈ
ｍａｘに満たない時間にバーストパルス幅Ｗｂを限定す
る必要が有り、Ｐ０の電力を加えても霧化は起きない。

【００３６】図７（ａ）、（ｂ）の関係より、より安定
したインク吐出を行うためには、霧化しうる、適性な駆
動電力Ｐ１とその駆動電力をインク高さｈがｈｍａｘを
越えない時間のバーストパルス幅を与えなければならな
い。

【００３７】本例ではノズル径Ｎｄを３０μｍ、ｇを５
０μｍとした時、駆動電力を０．３Ｗ、バーストパルス
幅Ｗｂの最大値を９００μｓｅｃとすることにより、１
．２ｍｓｅｃ周期で安定して印字することが可能と成っ
た。

【００３８】また本例では図６（ａ）の２１に示すイン
クに濡れて欲しくないノズルプレート４の外面を弗素系
樹脂により、撥水処理を施すことによりｈｍａｘを上げ
ることができた。

【００３９】尚本例では総てコモン電極側よりインクの
吐出をする構造で説明したが、記録電極側からのインク
吐出も可能である。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば単一の圧電性基板とその
上に設けられた電極のみの、簡素な構成により、インク
を選択的な飛翔させることができる。従って、装置の高
精細化、小型化、低価格化ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
吐出部を上面から見た図ある。

【図２】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
吐出部を側面から見た図ある。

【図３】インクジェットプリントヘッドの一実施例の側
面図である。

【図４】インクジェットプリントヘッドの一実施例の斜
視分解図である。

【図５】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
駆動信号を説明する図である。

【図６】ノズル部のインク液面の挙動を示す図である。

【図７】駆動電力とノズル部のインク液面の挙動霧化効
率、インク高さの相関を説明する図である。

【符号の説明】

１　圧電基板 ２　記録電極 ３　コモン電極 ４　ノズルプレート ５　ノズル ６　交差領域 ７　インク １０　ガイドプレート １１ａ、１１ｂ、１１ｃ　位置決め穴 １２　位置決めピン １３　支持台 １４　配線基板 １６　ドライバＩＣ １７　ＴＡＢ配線フィルム １８ａ、ｂ　圧電基板の外側端の端子部２０　ノズルの
下エッジ部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　圧電性基板と、この圧電性基板の表面
   と裏面に配され互いに交差する交差領域を有する電極と
   、前記電極の交差領域に相対峙するノズルを設けた、前
   記圧電基板と平行に配されたノズルプレートと、前記圧
   電性基板とノズルプレートとのギャップに保持されたイ
   ンクと、前記電極間にこの圧電性基板の共振周波数に等
   しい周期で変化する電圧を選択的に印加する駆動手段と
   を備えたことを特徴とするインクジェットプリントヘッ
   ド。