JPH0584908A

JPH0584908A - インクジエツトヘツド

Info

Publication number: JPH0584908A
Application number: JP24916791A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Momose; 薫百瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】インクミスト流を利用したインクジェットヘ
ッドの駆動を低電圧化する。【構成】圧電体基板１と、この圧電体基板１の表面と
裏面に配された少なくとも１対の電極２、３と、この電
極間に前記圧電体基板１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１１と、前記圧
電体基板１と平行に配されたノズルプレート４と、前記
圧電体基板１とノズルプレート４のギャップに保持され
たインク７とを備え、前記インク７をノズルプレートの
ノズルからインクミスト８として吐出するインクジェッ
トヘッドにおいて、前記圧電体基板１とインク７の間に
圧電体基板の音響インピータンスより小さく、インクの
音響インピータンスより大きい音響インピータンスを有
する整合層を設けたことを特徴とし、圧電体基板１で発
生する超音波を効率よくインク中に放射できるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はノンインパクト記録装置
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】インクジェットヘッドを用いた記録装
置、特にオンデマンド方式のインクジェットヘッドを用
いた記録装置は、高速印字、低騒音、安いランニングコ
スト、高印字品質等の特徴をもち、有望な記録装置とし
て近年注目されている。

【０００３】現在、オンデマンド方式のインクジェット
ヘッドとしては、圧電体を使用してインクキャビティー
を変形させ、インクを各インクキャビティーに設けられ
たノズルから吐出させる方式や、ノズルと圧電体基板の
間にインクをみたし、圧電体の変形によりインクをノズ
ルから吐出させる方式や、インクキャビティー内のイン
クを発熱素子により気化させ、その圧力によりインクを
ノズルから吐出させる方式がある。

【０００４】しかし、このような方式のインクジェット
ヘッドでは吐出するインク粒子の大きさが一定であるた
め、写真や絵等の画像情報のように濃度情報が含まれる
データを記録媒体上に表現するためには、ディザ法等の
面積階調法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、印字速度
が遅くなると共に、階調性を向上させると解像度がさが
るという問題が生じる。

【０００５】そこで、このような従来のインクジェット
ヘッドの欠点を解決するために、図５に示すようなイン
クミスト流を利用した新規なインクジェットヘッドを開
発した。この新規なインクジェットヘッドは、インク１
０７をミスト状にして吐出するため、ミスト量を制御す
る事により階調表現が可能であり、前記の問題をほぼ解
決する事ができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の方式は圧電体基
板１０１で発生する超音波をインク１０７中に放射して
インクミストを吐出させるものであるが、圧電体基板と
して代表的な、ＰＺＴ（ジルコン−チタン酸鉛、以下Ｐ
ＺＴと略記）を使用した場合は、ＰＺＴとインク１０７
の音響インピータンスの違いから、効率よくインク中に
超音波を発生できない。また圧電体基板１０１としてイ
ンクと音響インピータンスの近いＰＶＤＦ（ポリフッ化
ビニリデン以下ＰＶＤＦと略記）等の圧電性高分子フ
ィルムを使用した場合はＰＶＤＦの内部損失が大きいた
め、やはり効率よくインク中に超音波を発生できない。

【０００７】従ってこの方式はインクミストを吐出させ
るための駆動電圧が比較的高くなり、駆動素子のコスト
アップが避けられないという問題を有していた。そこで
本発明のインクジェットヘッドはこのような問題点を解
決するもので、その目的とするところは、インクミスト
流を利用したインクジェットヘッドの駆動を低電圧化す
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、圧電体基板と、この圧電体基板の表面と裏面
に配された少なくとも１対の電極と、前記電極間にこの
圧電体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、前記圧電体基板と平行に
配されたノズルプレートと、前記圧電体基板とノズルプ
レートのギャップに保持されたインクとを備え、前記イ
ンクをノズルプレートのノズルからインクミストとして
吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記圧電体基
板とインクの間に圧電体基板の音響インピータンスより
小さく、インクの音響インピータンスより大きい音響イ
ンピータンスを有する整合層を設けたことを特徴とす
る。また、本発明のインクジェットヘッドは、前記整合
層の厚さが前記圧電体基板により発生する超音波の波長
の１／４の奇数倍であることを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明のインクジェットヘッド
は、前記整合層の音響インピータンスが前記圧電体基
板の音響インピータンスより小さく、前記インクの音響
インピータンスより大きい事を特徴とする。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

【００１１】図１は本発明の実施例のインクジェットヘ
ッドの断面図を示した図である。１は圧電体基板、２、
３は圧電体基板１を駆動するための電極で、２が各素子
ごとに形成された駆動電極、３は各素子共通に形成され
た共通電極である。圧電体基板１としては圧電効果を持
つ材料、例えばＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム等を使
用できる。それぞれの電極２、３は駆動回路１１に接続
されていて、電極間に圧電体基板１の厚さｄで決まる共
振周波数と等しい周波数を持つ電圧振幅を加えることに
より、圧電体基板１を共振させ、超音波９を発生させ
る。発生した超音波９は整合層６を通りインク７中に放
射される。４はノズルプレートでインクミスト８を吐出
するノズル５が形成されている。

【００１２】インク７中の超音波はインク中を伝搬しノ
ズル５内のインク表面に表面波を発生させる。この表面
波が一定以上の振幅を越えて大きくなることにより、イ
ンクがインクミスト８となってノズル５から吐出する。

【００１３】整合層６は、圧電体基板１から発生した超
音波を効率よくインク７に伝ぱんする為に設けられてい
る。異種材料間の超音波の伝ぱんは一般的に材料間の音
響インピータンスの差に関係する。音響インピータンス
は材料の密度ρと音速Ｃの積ρＣで表される特性値で、
材料間での超音波の透過率は超音波が境界面に対して垂
直に入射する場合、以下の式であらわされる。

【００１４】（４×Ｚ２／Ｚ１）／（Ｚ２／Ｚ１＋１）² 上記の式のＺ１、Ｚ２は各材料の音響インピータンス
で、超音波はＺ１からＺ２に伝ぱんするものとする。

【００１５】この式から、音響インピータンスの差の大
きい材料間では超音波の透過率が低く、材料の境界面で
超音波のほとんどが反射してしまう。この音響インピー
タンスは気体、液体、固体の順に大きくなり、固体であ
る圧電体基板１から液体であるインク７に超音波を伝ぱ
んする場合は、その音響インピータンスの差が大きいた
め超音波を伝ぱんしにくいのである。このような場合、
圧電体基板１から直接インク７に超音波を伝ぱんするよ
りも、整合層６としてインク７と圧電体の中間の音響イ
ンピータンスの層を設けることにより、境界面での音響
インピータンスの差が小さくなり超音波の反射が少なく
なる。

【００１６】また整合層６の厚さｄ１を整合層の内部で
の超音波の波長の１／４の奇数倍にすることにより、各
境界面で反射した超音波が打ち消しあうことを防ぐ。整
合層６の材質としては、超音波の内部損失を少なくする
ために、機械的品質係数Ｑの大きい材質を使用するのが
望ましい。

【００１７】図２は本発明のインクジェットヘッドをラ
イン状ヘッドとして構成した時の実施例の部分省略平面
図と断面図とを同時に示した図である。圧電体基板１と
して１ｍｍ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。この材料の音響インピー
タンスは２５×１０⁹（ｇ／ｍ²ｓ）である。そしてＰＺ
Ｔ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および共通電極３
をパターニングする事により形成した。ネットワークア
ナライザーによりこの圧電体基板１の周波数−インピー
タンス特性を測定をした結果、共振周波数は２．２ＭＨ
ｚであった。圧電体基板１の中央部にはインクを外部か
らノズル部へ供給するため、孔またはスリットである供
給口１０が形成されている。

【００１８】さらに電極２を形成した圧電体基板１の表
面に整合層６として５６０μｍ厚のガラスを配置し、そ
の上にノズルプレート４を接着することによりライン状
のインクジェットヘッドを作製した。整合層６と圧電体
基板１との接着層は超音波の損失をできるだけ少なくす
るために、できるだけ薄くする必要がある。ガラスの厚
さはガラス中の超音波の波長のちょうど１／４の値であ
る。また、このガラスの音響インピータンスは１４×１
０⁹（ｇ／ｍ²ｓ）、インクの音響インピータンスは、２
×１０⁹（ｇ／ｍ²ｓ）であった。この構成での圧電体基
板１からインク７中の超音波の透過率は３２％で、整合
層のない場合の２４％から大きく向上した。

【００１９】ノズル５は図に示す様に２本のラインｌ
１、ｌ２上に形成され、ぞれぞれのライン上のノズル間
のピッチｐに対してラインの違うノズル間のピッチｐ１
がｐ＝２×ｐ１の関係をなすように形成されている。そ
して、ラインｌ１、ｌ２のノズルの印字タイミングを記
録紙上で記録像が同一ラインになるように調整すること
により、記録紙上ではノズルピッチｐの２倍の解像度を
得ることができ、記録の高解像度化が容易に行える。

【００２０】インクミスト８の大きさは圧電体基板１に
加えられる電圧振幅の周波数と関係があり、周波数が高
くなるほどインクミスト８の大きさが小さくなる。本実
施例では、周波数が約２．２ＭＨｚで、インクミストの
大きさは３μｍ〜１０μｍであったが、目的に応じて周
波数をかえてインクミストの大きさを変化させることも
できる。

【００２１】図２で示す実施例では製造を簡単にするた
め、一枚の整合層６で全ての電極交差部（駆動電極と共
通電極の交差部分）をおおうように形成してあるが、各
電極交差部に相当する部分だけに個別に整合層を形成す
ることで、素子間の振動のクロストークを減少させるこ
とが可能である。

【００２２】また図２で示す実施例では整合層６は一層
で形成したが、２層以上であってもかまわない。ただし
その場合も各整合層の音響インピータンスは圧電体基板
１の音響インピータンスより小さく、インクの音響イン
ピータンスより大きい必要がある。また圧電体基板１に
近い整合層ほど音響インピータンスが大きくなるように
する必要がある。

【００２３】また、整合層として、音響インピータンス
が圧電体基板側からインク側にかけて連続的に低くなる
様な材料を使用することもできる。このような材料を使
用することでさらに超音波のインク中への放射効率を高
めることができる。

【００２４】さらにまた、整合層を接着により形成した
が、スパッタリング等の薄膜技術、またはガラスペース
トを使用した圧膜技術により形成する事も可能で、この
場合接着層がないため、超音波のインク中への放射効率
をより向上させることができる。

【００２５】図３は本発明のインクジェットヘッドを駆
動する為の回路構成の一例を示す図である。発振回路２
０により発生した２．２ＭＨｚの基本信号Ｓ１はアンプ
６０により増幅されて駆動信号Ｓ２となる。そしてこの
駆動信号Ｓ２を、データ生成部２１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２２のパルスＳ３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。

【００２６】図４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なったとこ
ろ、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。従って本実施例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。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、圧電体基板とノズルプ
レートのギャップに保持されたインクをノズルからイン
クミストとして吐出するインクジェットヘッドにおい
て、圧電体基板とインクの間に整合層を設けたことによ
り、従来に比べて圧電体基板で発生する超音波をインク
中に効率よく放射できるため、圧電体基板を駆動する電
圧を低くする事ができると言う効果をが得られる。

【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
の断面図を示した説明図である。

【図２】本発明における実施例のインクジェットヘッド
の部分省略平面図と断面図とを同時に示した図である。

【図３】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４】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５】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・・・ノズルプレート５・・・ノズル６・・・整合層７・・・インク８・・・インクミスト９・・・超音波１０・・・供給口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体基板と、この圧電体基板の表面と
裏面に配された少なくとも１対の電極と、この電極間に
前記圧電体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、前記圧電体基板と平
行に配されたノズルプレートと、前記圧電体基板とノズ
ルプレートのギャップに保持されたインクとを備え、前
記インクをノズルプレートのノズルからインクミストと
して吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記圧電
体基板とインクの間に圧電体基板の音響インピータンス
より小さく、インクの音響インピータンスより大きい音
響インピータンスを有する整合層を設けたことを特徴と
するインクジェットヘッド。
【請求項２】前記整合層の厚さが前記圧電体基板によ
り発生する超音波の波長の１／４の奇数倍であることを
特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。