JPH05278213A

JPH05278213A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH05278213A
Application number: JP15161791A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Momose; 薫百瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1993-10-26

Abstract

(57)【要約】【目的】インクを選択的にミスト化する事により、ド
ット単位で濃度変調が可能なインクジェットヘッドを実
現する。【構成】機械的品質係数（Ｑｍ）が３０以上である圧
電体基板１の端部に数十μｍ間隔のインク吐出口７を形
成して、駆動電極２と共通電極３間に一定の周波数の駆
動信号を入力することにより、圧電体基板１に端部に厚
さエッジモードの振動を発生させ、それにより、インク
をミスト化してＡ方向に吐出させ記録紙上に記録を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は印写装置の記録ヘッドに
関し、詳しくは、液体インクを選択的に吐出させ、記録
媒体上に記録を得るインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の液体インクを吐出させて記録を得
るインクジェットヘッドとしては、図８（ａ）、図８
（ｂ）に示すようなオンデマンド型インクジェットヘッ
ドがある。このタイプのインクジェットヘッドは、バイ
モルフ型のピエゾ素子１０１を振動させてインクを吐出
させている。図８（ａ）の様にインク室１０６が収縮し
たときに、インク吐出口１０７よりインク滴１１０を吐
出させ、図８（ｂ）の様にインク室１０６が膨張したと
きには、インクをインクタンク（図示せず）より補給し
て、次のインク吐出の準備がなされるものである。図８
（ａ）または図８（ｂ）の構成を１素子とし、数〜数十
素子を並べて配置する事でマルチヘッドを構成して、記
録媒体上の任意の位置にインクを付着させて記録を得る
ことができる。

【０００３】またこのほかに、インク室に気泡を生じさ
せ、気泡の膨張する圧力によりインクを吐出させるタイ
プのヘッドもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したような印写装
置のインクジェットヘッドでは、ピエゾ素子の１回の振
動や、気泡の１回の膨張で吐出するインク粒子の大きさ
が、１００μｍ〜２００μｍ程度である。この粒径だと
文字情報の様な２値記録の場合では、１５０ＤＰＩから
３００ＤＰＩ程度の高解像度の記録が可能である。しか
し、写真や絵等の画像情報では濃度情報が含まれる為、
これを記録媒体上に表現するためには、ディザマトリク
ス等の面積階調で表現する必要がある。従って、１つの
データを複数のインク粒子で表現しなくてはならず、階
調性を向上させると解像度がさがるという問題が生ず
る。このため高解像度と高階調性を両立させることは困
難でった。

【０００５】また各インク吐出口１０７ごとにピエゾ素
子１０１を形成する必要があるために、形成に高精度と
高い集積化が必要である。従って、大型のライン状イン
クジェットヘッドや、さらに高解像度インクジェットヘ
ッドを安価に製造することが非常に困難であった。

【０００６】

【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、一方の面に短冊状の駆動電極を、もう一方の
面の端部に一本の共通電極が形成された圧電体基板と、
前記圧電体基板に平行で、圧電体基板との間にインク吐
出口を形成する様に位置するスリット部材と、前記イン
ク吐出口にインクを供給するインク供給手段と、前記駆
動電極と共通電極の間の電界を周期的に変動させ、圧電
体基板を振動させる信号を発生する駆動回路を備え、前
記圧電体基板の振動が、前記共通電極が形成された端部
で振幅が最大となる振動モード（厚さエッジモード）で
あるごとく構成したインクジェットヘッドにおいて、前
記圧電体基板の機械的品質係数（Ｑｍ）が３０以上であ
ることを特徴とする。

【０００７】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

【０００８】図１は本発明の実施例のインクジェットヘ
ッドを示した説明図である。１は圧電体基板で、一方の
面には短冊状の駆動電極２、もう一方の面の端部には一
本の共通電極３が形成されている。本実施例において
は、圧電体基板１として６００μｍ厚のＰＺＴセラミク
ス（株トーキン製ネペックＮ２１）を使用している。
そしてＰＺＴセラミクスの両面に、スパッタリングによ
りニクロム（ＮｉＣｒ）−金（Ａｕ）の２層の金属層を
形成した後、フォトリソ工程により駆動電極２と共通電
極３をパターニングした。駆動電極２の幅は１５０μ
ｍ、共通電極３の幅は３００μｍで、駆動電極２の並び
間隔は２５４μｍ、駆動電極２の数は４０本である。４
はスリット部材で、その端部に一定の厚さを持つギャッ
プ部材５を形成してある。このギャップ部材５が圧電体
基板１に密着し、かつ駆動電極２の間に位置するように
スリット部材４を接着する。これにより、圧電体基板１
とスリット部材４の間にインク供給手段であるインク室
６とインクの吐出部であるインク吐出口７を形成するイ
ンク吐出口７の断面の長さ（圧電体基板１とスリット部
材４の距離）はインク室６の断面の長さより狭くなって
いる。ただしインクミストを吐出させるには、ギャップ
部材の厚が３０μｍ以下であることが必要である。スリ
ット部材４にはインク供給口８が形成されていて、随時
必要なインクがインクタンク（図示せず）より供給でき
るようになっている。

【０００９】本実施例ではスリット部材として１ｍｍ厚
のパイレックスガラスを使用し、そこに１０μｍ厚のア
ルミ薄膜をスパッタリングにより形成して、このアルミ
薄膜をフォトリソ工程でエッチングし、さらに絶縁の為
ＳｉＯ2をスパッタリングする事によりギャップ部材５
を形成した、ギャップ部材の幅は１００μｍで、厚さが
１０μｍである。

【００１０】図２は本実施例のインクジェットヘッドの
駆動電極３に実効電力値が一定で、周波数の違う駆動信
号を入力した場合の、インクの吐出量を測定した結果を
グラフ化したものである。また表１は圧電体基板として
使用したＰＺＴセラミクス（株トーキンネペックＮ２
１）の振動特性を示す表である。駆動電極と共通電極間
には圧電体基板１であるＰＺＴセラミクスが分極反転に
より破壊されないように、常にＰＺＴセラミクスの分極
方向と同じ方向に電界が加わるように、バイアス電圧Ｖ
ｂが加えられている。本実験ではＰＺＴセラミクスの厚
さを６００μｍ、Ｖｂを１００（Ｖ）で実験を行った。

【００１１】最も効率よくインクの吐出が行われる周波
数は２．２ＭＨｚで、吐出が行われる周波数は２．２Ｍ
Ｈｚにたいして±５％の範囲に限られている。駆動信号
の電圧振幅を変えた他の実験においては、最もインク吐
出の効率の良い２．２ＭＨｚでは、電圧振幅が最低５０
（Ｖ）からインク吐出が行われ、圧電体基板１が振動に
より破壊されてしまう電圧振幅３００（Ｖ）までインク
吐出が可能であった。厚さと共振周波数から計算すると
インク吐出が行われる場合の周波数定数は約１３００Ｈ
ｚ−ｍである。表１の振動形態別の周波数定数を見る
と、周波数定数が１３００Ｈｚ−ｍに近い振動モードは
縦モードまたは厚さエッジモードである。ただし、縦モ
ードの振動は棒状の圧電体にのみ発生するモードで、本
実施例の様な板状の圧電体では発生しない。従って、圧
電体は厚さエッジモードで振動していることになる。こ
こで厚さエッジモードについて図３を用いて簡単に説明
する。図３は圧電体基板１の断面を示した図で、破線は
圧電体基板が厚さエッジモードで振動しているある瞬間
の状態を示している。厚さエッジモードは振動姿態を観
察すると図３に示すように圧電体基板１の角がよくゆれ
る振動であり、断面の中心線５５に対して変位が対象で
ある振動モードである。

【００１２】

【表１】

【００１３】図４に厚さ６００μｍの圧電体基板１を用
いて周波数２．２ＭＨｚで駆動した場合の、駆動電極上
の振幅分布を変位計（オプチカルプローブＢＭＩ社
製）により測定した結果を示した。図の横軸の測定位置
は、共通電極のある基板端部が測定位置０（μｍ）で、
駆動電極に沿って内部方向がプラスとなる。

【００１４】この結果を見ても振幅分布はエッジ部分で
厚さ方向の振幅が最大となっており、圧電体の内部では
変位が急速に減少しており、圧電体が厚さエッジモード
で振動していることが明かである。

【００１５】以上本発明インクジェットヘッドにおいて
は圧電体基板１を厚さエッジモードで共振振動させるこ
とにより、インク吐出が効率よく行われることがわかっ
た。この関係を式に表すと、最もインク吐出の効率がよ
い駆動信号の周波数ｆ（Ｈｚ）、圧電体基板１の厚みエ
ッジモードの周波数定数をＮ（Ｈｚ−ｍ）とし、圧電体
基板１の厚さをｔ（ｍ）とするとｆ＝Ｎ／ｔが成り立
つ。

【００１６】ここで、本発明のインク吐出原理を簡単に
説明する。ギャップ部材５により形成されるインク吐出
口７内には、インク室６のインクがインク自身の表面張
力により供給される。そして共通電極３を接地し、駆動
電極２に駆動回路（図示せず）から出力される一定の周
波数を持つ駆動信号を入力することにより、圧電体基板
１に周期的に変化する電界が加わる。そのとき、圧電体
基板１の逆圧電効果により、圧電体基板１が駆動信号の
周波数と同期して振動する。駆動信号の周波数を圧電体
基板１の厚さと、厚さエッジモードの周波数定数とで決
まる前記の周波数で駆動することにより、圧電体基板１
の共通電極の形成された端部のみが振動する共振状態に
なる。この振動のエネルギーはインク吐出口７内部のイ
ンクに伝搬し、最終的にはインクと空気が接しているイ
ンク表面に表面波を発生させる。圧電体基板１の振幅が
十分大きい場合、表面波は一定の波高値を越え複数のイ
ンク粒子が飛び出すようになる。このインク粒子の粒径
はおもに圧電体基板１の振動周波数とインク特性に大き
な相関関係があり、粘度が数ｍＰａ・ｓの水系インクを
使用した場合は、周波数１ＭＨｚ以上では、インク粒子
の粒径は数μｍ程度のミスト状になる。そしてこれらミ
スト状のインク粒子はインク吐出口７からＡ方向に吐出
し、インク吐出口７から数ｍｍ隔てた位置にある記録媒
体（図示せず）に付着して記録を得る。従ってミストが
吐出するのに必要な電圧振幅を持つ駆動信号を、記録デ
ータに応じて断続的に圧電体基板に印加する事により、
記録紙上に所望の記録を得ることができる。また、印字
濃度に関しても濃度データに応じて駆動電圧を印加する
時間を制御する事により所望の濃度を１ドット単位で表
現できるのである。

【００１７】図５は記録時間を変化させる為の回路構成
を示す図である。発振回路により発生した２．２ＭＨｚ
の基本信号はアンプ６０により増幅される。そしてこの
駆動信号を、データ生成部によって作られシフトレジス
タ６５・・・群に順に蓄えられた記録データと、書き込
み制御部のパルスとの論理積によって振動子６２（圧電
体基板１、駆動電極２、共通電極３から構成される）を
スイッチングするような回路構成となっている。

【００１８】図６は本実施例のインクジェットヘッドを
用いて、記録時間と印写濃度の関係を測定した結果を示
す図である。記録時間の増加とともに印写濃度がなめら
かに変化している。さらに詳しい実験を行うことによ
り、実用しうる表現階調数は２５６階調以上あることが
わかった。従って本発明のインクジェットヘッドを用い
れば、記録時間を変化させることにより、印写ドットの
濃度を１ドット単位で変調可能である。このため解像度
を低下させることなく、画像情報の様な階調情報を含む
情報の記録が可能になる。

【００１９】図７は本実施例のインクジェットヘッドの
圧電体基板の駆動電極上の振幅分布を測定したものであ
る。機械的品質係数（Ｑｍ）は材料の振動により弾性的
に蓄えられているエネルギーと振動の１サイクル中に失
われる弾性的損失の比をあらわすもので、一般的に機械
的品質係数（Ｑｍ）の大きい材料はより大きな振動エネ
ルギーを蓄えられるといえる。従って本発明のインクジ
ェットヘッドの様に基板の共振を利用してインクを吐出
させる方式ではこの機械的品質係数（Ｑｍ）の大きいも
のほど有利であると考えられる。ただし機械的品質係数
（Ｑｍ）の大きいものは駆動信号が入力されてから振動
が安定状態になるまでの時間が長くかかるため、機械的
品質係数（Ｑｍ）が大きいものは、インクを吐出される
ための最低時間が長くなり、記録の応答性が悪くなる傾
向がある。実際に測定結果を見れば機械的品質係数（Ｑ
ｍ）が３０の基板１では基板エッジ部（測定位置０μ
ｍ）での振幅が約３ｎｍであるのに対して機械的品質係
数（Ｑｍ）の高い基板２（Ｑｍ＝７６）、基板３（Ｑｍ
＝１８００）では７ｎｍ、１２ｎｍと大きい値を取って
いる。基板の振幅が小さいとインクを吐出させる為に高
い駆動電圧を必要とすることになる。ラインタイプのイ
ンクジェットヘッドの駆動回路には小型化と低コスト化
を可能にするため、駆動回路をＩＣ化して用いることに
なる。しかし、ＩＣ化した駆動回路では駆動電圧はあま
り高くできないため、駆動電圧が下げられる機械的品質
係数（Ｑｍ）が高い圧電体基板を用いることが望まし
い。さらに詳しい解析では、機械的品質係数（Ｑｍ）が
３０以上の値を示す基板でのインク吐出電圧は３０Ｖ以
下と低く、ラインタイプのヘッドを構成するのに向いて
いる。また、応答性に関しては、駆動信号を入力してか
ら振動が安定状態になるまでの時間は基板１が１０μｓ
ｅｃ、基板２が２０μｓｅｃ、基板３が４００μｓｅｃ
であり、これらの値はラインタイプのヘッドにおいては
問題のない値である。ただし、機械的品質係数（Ｑｍ）
が低い方が安定状態になる時間が短く、高い応答性を可
能にする為、高速印字が可能なシリアルタイプのヘッド
のような特に高い応答性を必要とするヘッドを構成する
場合では、圧電体基板の機械的品質係数（Ｑｍ）は低い
ほうが望ましい。

【００２０】

【表２】

【００２１】表２は本実施例のインクジェットヘッドに
使用したインクの諸特性と吐出するインクミストの粒径
を示した。

【００２２】表である。インク粘度が大きくなるほどイ
ンクミストの粒径は大きくなるが、１０（ｍＰａ・ｓ）
以下の粘度であればインク吐出が可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、圧電体基板とスリット
部材との間にインク吐出口を形成し、そこにインクを供
給して、圧電体基板を厚みエッジモードの共振振動をさ
せることにより、インクをミスト状にして吐出できるた
め、１ドット内での濃度変調が可能になり、解像度を低
下することなく、画像情報を印写できるインクジェット
ヘッドが実現できるという効果を有する。

【００２４】さらに本発明では各インク吐出口を容易に
形成することが可能であるため、安価で高密度なライン
状ヘッドも実現できるという効果も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施例のインクジェットヘッド
を示した説明図である。

【図２】本発明の実施例のインクジェットヘッドの駆動
信号の周波数とインクの吐出量の関係を示すグラフであ
る。

【図３】本発明の実施例のインクジェットヘッドの圧電
体基板１の断面を示した図である。

【図４】本発明の実施例のインクジェットヘッドの圧電
体基板の振幅分布を測定した結果を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例のインクジェットヘッドを駆動
する回路構成を示す説明図である。

【図６】本発明の実施例のインクジェットヘッドの記録
時間と印写濃度の関係を示すグラフである。

【図７】本発明の実施例のインクジェットヘッドの圧電
体基板の振幅分布を測定した結果を示すグラフである。

【図８】従来のインクジェットヘッドを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１・・・圧電体基板２・・・駆動電極３・・・共通電極４・・・スリット部材５・・・ギャップ部材６・・・インク室７・・・インク吐出口８・・・インク供給口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の面に短冊状の駆動電極を、もう一
方の面の端部に一本の共通電極が形成された圧電体基板
と、前記圧電体基板に平行で、圧電体基板との間にイン
ク吐出口を形成する様に位置するスリット部材と、前記
インク吐出口にインクを供給するインク供給手段と、前
記駆動電極と共通電極の間の電界を周期的に変動させ、
圧電体基板を振動させる信号を発生する駆動回路を備
え、前記圧電体基板の振動が前記共通電極が形成された
端部で振幅が最大となる振動モード（厚さエッジモー
ド）であるごとく構成したインクジェットヘッドにおい
て、前記圧電体基板の機械的品質係数（Ｑｍ）が３０以
上であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記圧電体基板の機械的品質係数（Ｑ
ｍ）が２０００以下であ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。