JPH05318730A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】インク吐出力の大きいせん断モード型のインク
ジェットヘッドを提供すること。 【構成】せん断モード型インクジェットヘッドで、圧電
性素材の基板上に深さの異なる溝を交互に形成し、一方
の深さの溝１２ａ、１２ｂを空隙とし、インクを満たし
た他方の深さの溝２ａ、２ｂよりノズル穴を通してイン
クを吐出せしめる。 【効果】空隙側の溝の深さとインク吐出側の溝の深さと
を変える事で、せん断モードの変形を打ち消すように作
用する圧電性基板の基部への漏れ電界に起因する該基部
の変形を抑制できる。この結果、インク吐出速度をあげ
ることができ、安定した印字品質を与えるインクジェッ
トヘッドが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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
リンターがあり、そのうちでも、ドット形成時にのみイ
ンク液滴を吐出するいわゆるＤＯＤ型が主流といえる。
ＤＯＤ型としては特公昭５３−１２１３８に開示されて
いるカイザー型、あるいは、特公昭６１−５９９１４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
として有る。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為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。

【０００３】以上のような欠陥を同時に解決する新たな
方式として提案されたのが、特開昭６３−２５２７５０
に開示されているせん断モード型である。構造及び動作
原理を図７、図８に示す。図７は非駆動時の断面構造図
で、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の様な圧電性素材
の基板１上に細長い溝７２ａ、７２ｂ、７２ｃなどを等
間隔かつ平行に多数形成する。そして、該溝間に残った
隔壁７５ａｂ、７５ｂｃ、７５ｃｄなどの上面部と、ガ
ラス、セラミックあるいはプラスチック等の蓋８とを、
弾性部材７により柔軟に接着する。。この結果、前記溝
はインク室兼インク流路の細長いチャネルとなる。そし
て、該溝７２ａ、７２ｂ、７２ｃ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７３ａ、７３ｂ、７３ｃのある
ノズル板が接着される。前記圧電性素材の基板は前記隔
壁も含めて、矢印９で示されるように（あるいは逆方向
に）一方向に揃えて分極しておく。また、前記溝の内面
には電極７４ａ、７４ｂ、７４ｃなどを形成する。

【０００４】ここで、図７の電極７４ａに電極７４ｂに
対し十分大きな正の電位を与えるならば、図８のように
隔壁７５ａｂは該隔壁内での電気力線８２と分極９とが
直交することによりせん断モードの変形をおこす。同様
の事を、隔壁７５ｂｃについても行えば、インク室兼イ
ンク流路の溝７２ｂの断面積は初期状態の図７から図８
のように減少する。すなわち、溝７２ｂ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７３ｂより飛び
出す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図８で純粋なせん断モ
ードの変形を起こすためには、電極７４ａ、７４ｂ間の
電界は隔壁７５ａｂ中のみに集中することが最も好まし
い。しかしながら、現実には、基板１の基部に電界が漏
れることによって電気力線８３が生じる。そして、溝７
２ｂの底部付近に於いては該電気力線８３が基部での分
極９とほぼ平行で同方向を向くため、この方向での伸び
変形が起こり、一点鎖線８１で示したように溝７２ｂの
底部が盛り上がるようになる。一方、溝７２ａの底部付
近に於いては、電気力線８３と分極９とがほぼ平行で逆
方向となり、この方向での縮み変形が起こり、一点鎖線
８１で示したように該底部が窪むような変形となる。
尚、この問題に付いては特公平２−１５０３５５に於い
ても既に論じられている。

【０００６】さて、この様な基板基部の変形は、隔壁７
５ａｂと隔壁７５ｂｃとのせん断モードでの変形を打ち
消すような方向に作用する。このことは、図８より容易
に理解できるものであり、インクジェットヘッドとして
の吐出力を低下せしめることになるが、一方では、溝７
２ｂの底部が隆起することで、該溝の断面積を減少さ
せ、前記吐出力を増加させるる効果も見込める。この収
支を明らかにするため、本発明者らはレーザー計測によ
る隔壁７５ａｂの変位量測定を行った。実験は該隔壁の
上面に微小な鏡を接着し、隔壁の両側の溝内の電極に印
加する電圧を変化させながら、鏡に照射したレーザー光
より該鏡の移動量を測定し、前記隔壁の変形量に換算す
るものである。そして本実験により、前記打ち消し効果
の方が勝ることが判明した。本結果によれば、仮想的な
せん断モードだけでの場合に対して、図８での溝７２ｂ
の体積変化量は約２／３とかなり小さくなっていた。こ
の結果、ノズル穴７３ｂからのインクの吐出力が大幅に
減少し、インク滴の吐出速度が低下するという問題が発
生するのである。この吐出速度の低下は、インク滴の吐
出方向の不安定性を誘発し、印字したドットの位置ズレ
を引き起こすばかりでなく、ノズル穴付近で高粘度化し
たインクを吐出できなくなり、印字ドット抜けと言う致
命的な欠陥にもつながるものである。本発明は、かかる
従来のヘッド構造に起因したインク滴吐出速度の低下と
いう問題を除去し、高信頼かつ高品質の印字が得られる
インクジェットヘッドを提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為、
従来、インク室兼インク流路のチャネルとなる細長い溝
を互いに隣り合うように平行に配していたのに対し、本
発明では、該隣合う溝の中間にインク吐出に係わらない
ダミー溝を配するものである。更に、該ダミー溝の深さ
は、前記インク室兼インク流路のチャネルとなるインク
吐出に係わる細長い溝の深さと異なるものにするもので
ある。

【０００８】

【作用】従来例における圧電性素材の基板の基部での漏
れ電界による、上述の好ましからざる効果は、電圧を印
加する隔壁の両側の溝の深さを異なるものにすることで
後述するように抑制しうる。しかしながら、従来の構造
に於いては、各ノズル穴からのインク吐出特性の均一化
のために、各溝の寸法は同一にする必要がありこのよう
な事は出来なかった。本発明の構造に於いては、隔壁の
せん断モードでの変形がダミー溝内の電極とインク吐出
に係わる溝内の電極との間に印加した電圧により引き起
こされることになり、該ダミー溝と該インク吐出に係わ
る溝との深さを別個に設定できる。溝の深さを異ならし
めることによる作用は、浅い方の溝の底部での漏れ電界
と分極との相互作用は従来とほぼ同様ながら、深い方の
溝の底部においては漏れ電界と分極とがほぼ直交するた
めに、従来例での基板基部の変形が概ね無視できること
にある。この為、せん断モードでの変形を打ち消す効果
を持つ溝底部付近での変形量をほぼ１／２に減少せしめ
ることができる。こうして、隔壁の変形量が確保できる
ことで、インク吐出性能の良いインクジェットヘッドが
得られるものである。

【０００９】

【実施例１】以下本発明による実施例を図面に基づいて
説明する。図１は従来例の図７に対応する本発明による
インクジェットヘッドの構成の一例である。ここでは、
インク吐出に係わる溝２ａ、２ｂ、２ｃがそれぞれ図７
での溝７２ａ、７２ｂ、７２ｃに対応するもので、各溝
の端部にノズル穴３ａ、３ｂ、３ｃが設けられるのは図
７と同様である。本発明で従来例と最も異なる点は、前
記溝２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれの間にダミー溝１２
ａ、１２ｂを設けた点で、しかも、該ダミー溝の深さは
前記溝２ａなどよりも浅いことである。そして、溝２
ａ、２ｂ、２ｃ中はインクで満たすのであるが、ダミー
溝１２ａ、１２ｂ中は空間として保持するものである。
更に、前記各溝の内面には、それぞれ電極４ａ、４ｂ、
１４ａ、１４ｂなどを形成しておく。

【００１０】図２は本発明の効果を説明するための、従
来の図８に対応する図である。ここで、電極１４ａに電
極４ｂに対し十分大きな正の電位を与えるならば、隔壁
５ａｂは該隔壁内での電気力線２２と分極９とが直交す
ることにより図８の場合と同様にせん断モードの変形を
おこす。同様の事を、隔壁５ｂｂについても行えば、イ
ンク吐出に係わる溝２ｂの断面積は減少し、インク滴が
ノズル穴３ｂより飛び出すことは、図８での説明と同様
である。さてここで、本発明による効果である基板基部
の変形の抑制作用に付いて説明する。せん断モードによ
る隔壁の変形を打ち消すように働く基板基部の変形は、
該基板基部への漏れ電界によることは図８に於いて述べ
た。図２に於いて、これを考えると、該漏れ電界は電気
力線２３となるが、この場合、深い方のインク吐出に係
わる溝２ｂの底部に於ける該電気力線２３と該底部での
分極９と平行な成分は図８に比べて事実上無視できるほ
ど小さい。この結果、溝２ｂ底部付近での基板基部の厚
み方向への伸び変形は極めて小さく、一点鎖線２１で示
したように該底部の盛り上がりは僅かとなる。一方、浅
い方のダミー溝１２ａの底部に於いては、従来例とほぼ
同程度に厚み方向に縮み、一点鎖線２１で示したように
なる。この結果、本発明の構造によれば、従来問題であ
った、せん断モードでの隔壁の変形を打ち消すように働
く基板基部の変形量を、概ね１／２に軽減しうるもので
ある。尚ここで、ダミー溝１２ａの幅は溝２ｂに比べて
狭くしてあるが、これは該ダミー溝が単に空間として存
在することが本構造を成立させる条件なので、不必要な
空間をなるべく縮小する為の意味である。

【００１１】図３は本発明によるインクジェットヘッド
の斜視図である。本ヘッドは、圧電性素材の基板３１に
インク吐出に係わる溝３２と、これよりも幅が狭くかつ
浅いダミー溝１３２とを交互に平行に多数形成し、該溝
や該ダミー溝の端部を塞ぐように接着されたノズル板３
３、更に溝部全体を覆う蓋３８より構成される。そし
て、ノズル板には溝３２の端部にノズル穴があいてお
り、インク滴３０が吐出する。尚、インクはインク供給
口３９より導入され、共通のインクだめ３４を通して前
記インク吐出に係わる溝３２に供給されるが、一方で前
記ダミー溝を空間として保つためにインク流入防止の充
填物３７を設ける。段加工による浅い溝の部分３６は外
部との電気的接続のために用い、該段加工部へのインク
の流出を防ぐために封止板３５を設けるものである。

【００１２】作成したヘッドは以下の通りである。ま
ず、分極した厚さ１ｍｍのＰＺＴの基板３１をダイシン
グソーによる切削加工で、幅１００μｍ、高さ２５０μ
ｍのインク吐出に係わる溝３２と、幅５０μｍ、高さ１
５０μｍのダミー溝１３２とを交互に形成する。各溝の
長さはいずれも１０ｍｍである。これらの溝の内面に
は、蒸着によりクロムと金の合計０．８μｍの積層膜で
電極を形成した。そして、直径３５μｍのノズル穴を有
するステンレス製のノズル板３３をエポキシ系の接着剤
で、またプラスチックの蓋３８をシリコン樹脂の弾性部
材でそれぞれ接着した。

【００１３】本実施例での効果を確認するため、図３の
構成のヘッドの、ダミー溝の深さに対するインク吐出溝
の深さの比を変えて、両溝が同じ深さの場合のインク吐
出速度に対するインクの相対吐出速度を求めてみた。こ
こでは、ダミー溝の深さを１５０μｍに固定し、インク
吐出溝の深さを変えて吐出実験を行なった。結果を表１
に示す。

【００１４】インク吐出に係わる溝とダミー溝との深さ
の比が大きい領域に於いては、実効的な隔壁５ａｂの高
さが小さくなり、本来のせん断モードでの変形量の低下
が優勢となり、最終的には吐出速度は低下する。一方、
この比が小さい領域では、深い方の溝底部での電気力線
と分極のと平行成分が大きくなり従来例との差異が認め
られなくなる。従って、この比の最適領域が存在し、そ
の値は１．２以上１．８以下であった。

【００１５】

【実施例２】図４は本発明の第２の実施例で、ダミー溝
４１２ａ、４１２ｂをインク吐出に係わる溝４２ｂ、４
２ｃよりも深くしたものである。その他の基本的な部分
は図１での実施例と同様である。本図は、図２に対応す
る駆動時を示したものであり、基板基部での漏れ電界４
２３により、インク吐出に係わる浅い溝４２ｂの底部で
は従来例と同様一点鎖線４２１のように伸び変形を起こ
し、該底部が盛り上がる。一方、深いダミー溝４１２ａ
の底部では既に図２において説明したのと同様の理由で
殆ど変形が起こらず、インク吐出力向上に寄与する。

【００１６】本実施例での効果を確認するための実験
を、表１での場合と同様に実施し、表２に示した。

【００１７】本実施例の場合には、インク吐出に係わる
溝とダミー溝との深さの比が小さい領域に於いては、実
効的な隔壁４５ａｂの高さ一定となり、かつダミー溝４
１２ａの底部での変形も無視できるようになることか
ら、最終的には吐出速度は一定値となる。一方、この比
が１に近い領域では、深い方の溝底部での電気力線と分
極のと平行成分が大きくなり従来例との差異が認められ
なくなる。従って、この比のいかなる値においても、従
来例よりも吐出性能は上がるものであるが、より好まし
くは表２より、０．８以下といえる。

【００１８】

【実施例３】図５は本発明の第３の実施例で、ダミー溝
１５２ａの幅をインク吐出に係わる溝５２ｂの幅と等し
くした。その他の構成に関しては図２と同様である。こ
の構成に於いても、図１、図２を用いた本発明の場合の
説明がそのまま適用できることはあきらかである。本発
明での効果は、図１の製造方法に於いて説明したダイシ
ングソーによる切削加工の際、同一のブレードを用いて
加工できるという点にあり、製造工程の大きな合理化と
なるものである。

【００１９】

【実施例４】図６は本発明による第４の実施例で、特開
昭６３−２５２７５０第２図に於て既に開示された駆動
原理にもとづく。本構造は本質的には図１に対応してい
るが、図１において用いた圧電性素材の基板１を、分極
方向が９ａ、９ｂのように逆転した２枚の圧電性素材の
基板６１、６２を接着してなる一体化基板６３に置き換
えたものである。本構造は、インク室吐出に係わる溝６
２ａ、６２ｂおよびダミー溝１６２ａなどからなり、隔
壁６５ａｂは ”く”の字型の変形をする点で図２の場
合とは異なる。しかしながら、本実施例に於いても、図
２で述べた本発明の効果はそのまま成り立つものであ
る。

【００２０】

【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、圧電性基板の基部への電界の漏れに起因する
隔壁の該せん断モード変形の打ち消し効果を大幅に抑制
しうるものである。この結果として、インク吐出能力が
向上し、安定した印字品質のヘッドが得られるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッドの第１の実
施例の説明図で、断面図である。

【図２】本発明によるインクジェットヘッドの第１の実
施例の説明図で、駆動状態に於ける断面図である。

【図３】本発明によるインクジェットヘッドの第１の実
施例の説明図で、斜視図である。

【図４】本発明によるインクジェットヘッドの第２の実
施例の説明図で、駆動状態に於ける断面図である。

【図５】本発明によるインクジェットヘッドの第３の実
施例の説明図で、断面図である。

【図６】本発明によるインクジェットヘッドの第４の実
施例の説明図で、断面図である。

【図７】従来技術の説明図で、断面図である。

【図８】従来技術の説明図で、駆動状態に於ける断面図
である。

【符号の説明】

１、３１ 圧電性素材の基板 ２ａ インク吐出に係わる溝 ３ａ ノズル穴 ５ａｂ 隔壁 ８ 蓋 ９ 分極方向 １２ａ ダミー溝 ２２、２３ 電気力線 ３０ インク滴 ３４ 共通のインクだめ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性素材の基板に、内面に電極が形成
   された複数の溝を形成し、前記電極間に電圧を印加し
   て、溝と溝との間の隔壁をせん断モードの変形をさせ、
   共通のインクだめより溝に供給されたインクをノズル穴
   から吐出させるインクジェットヘッドに於いて、前記イ
   ンク吐出に係わる溝を第一の溝とした時、該第１の溝の
   間に第１の溝と深さが異なり、内面に電極が形成された
   第２の溝を設け、該第１と第２の溝の間の隔壁を変形さ
   せて第１の溝からインクを吐出させることを特徴とする
   インクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 第１の溝の深さと第２の溝の深さとの比
   が、１．２以上１．８以下であることを特徴とする、請
   求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 第１の溝の深さと第２の溝の深さとの比
   が、０．８以下であることを特徴とする、請求項１に記
   載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 第２の溝の中が空隙になっていることを
   特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。