JPH06226973A

JPH06226973A - インク噴射装置

Info

Publication number: JPH06226973A
Application number: JP1454293A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Sugawara; 宏人菅原
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1993-02-01
Filing date: 1993-02-01
Publication date: 1994-08-16

Abstract

(57)【要約】【目的】低い駆動電圧で文字や画像を形成するのに十
分な速度及び体積のインク液滴を噴射することが可能な
インク噴射装置を提供することを目的とする。【構成】圧電セラミックスプレート１に設けられた溝１
５の内部の一部に形成された電極１３に駆動電圧を印加
し、前記圧電セラミックスプレート１の圧電厚みすべり
効果を用いて前記溝１５の内部の容積を変化させること
により、前記溝１５の内部に充填されたインクを噴射す
るインク噴射装置において、インク液室を構成する溝１
５の内、直線状に徐々に深さが変化する溝の底部が前記
圧電セラミックスプレート１の面方向となすテーパの絶
対値が、好ましくは０．０２以下の範囲、より好ましく
は０．０１２以下の範囲である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク噴射装置に係わ
り、さらに詳しくは圧電セラミックスの変形を利用した
インク噴射装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、プリンタヘッドとして、圧電セラ
ミックスを応用したドロップオンデマンド方式のインク
ジェットプリンタヘッドが提案されている。これは、圧
電セラミックスの変形によってインク液室の容積を変化
させることにより、その容積減少時にインク液室内のイ
ンクをノズルから液滴として噴射し、容積増大時に他方
のインク導入路からインク液室内にインクを導入するよ
うにしたものである。そして、このようなインク液室を
多数互いに近接して配置し、所要の印字データに従って
所要の位置のノズルからインク液滴を噴射させることに
より、そのノズルと対向する紙面上等に所望する文字や
画像を形成するものである。

【０００３】この種のインク噴射装置としては、例えば
特開昭６３−２４７０５１号公報、特開昭６３−２５２
７５０号公報及び特開平２−１５０３５５号公報に記載
されているものがある。図１５、図１６、図１７及び図
１８にそれら従来例の概略図を示す。以下、インク噴射
装置の断面図を示す図１５によって、従来例の構成を具
体的に説明する。複数の溝１５及び該溝を隔てる側壁１
１を有し、かつ矢印４の方向に分極処理を施した圧電セ
ラミックスプレート１と、セラミックス材料または樹脂
材料等からなるカバープレート２とを、エポキシ系接着
剤等からなる接合層３を介して接合することで、溝１５
は横方向に互いに間隔を有する複数のインク液室１２と
なる。インク液室１２は長方形断面の細長い形状であ
り、側壁１１はインク液室１２の全長にわたって伸びて
いる。側壁１１の接着層３付近の側壁上部から側壁中央
部までの両表面には、駆動電界印加用の金属電極１３が
形成されている。全てのインク液室１２内には、インク
が充填される。

【０００４】次に、インク噴射装置の断面図を示す図１
６によって、従来例の動作を説明する。該インク噴射装
置において、所要の印字データに従って例えばインク液
室１２ｂが選択されると、金属電極１３ｅと１３ｆに急
速に正の駆動電圧が印加され、金属電極１３ｄと１３ｇ
は接地される。これにより側壁１１ｂには矢印１４ｂの
方向の駆動電界が、側壁１１ｃには矢印１４ｃの方向の
駆動電界が作用する。このとき駆動電界方向１４ｂ及び
１４ｃと分極方向４とが直交しているため、側壁１１ｂ
及び１１ｃは、圧電厚みすべり効果によってインク液室
１２ｂの内部方向に急速に変形する。この変形によって
インク液室１２ｂの容積が減少してインク液室１２ｂの
インク圧力が急速に増大し、圧力波が発生して、インク
液室１２ｂに連通するノズル３２（図１７）からインク
液滴が噴射される。また、駆動電圧の印加を徐々に停止
すると、側壁１１ｂ及び１１ｃが変形前の位置に戻るた
めインク液室１２ｂ内のインク圧力が徐々に低下し、イ
ンク供給口２１（図１７）からマニホールド２２（図１
７）を通してインク液室１２ｂ内にインクが供給され
る。

【０００５】但し、上記の動作は従来例の基本動作に過
ぎず、製品として具体化される場合には、まず駆動電圧
を容積が増加する方向に印加し、先にインク液室１２ｂ
にインクを供給させた後に上記の動作を行うこともあ
る。

【０００６】次に、インク噴射装置の斜視図を示す図１
７によって、従来例の構成及び製造法を説明する。分極
処理を施した圧電セラミックスプレート１に、薄い円板
状のダイヤモンドブレードを使用した研削加工等によっ
て、前記の形状のインク液室１２を形成する平行な溝１
５を作製する。溝１５は圧電セラミックスプレート１の
ほぼ全域で同じ深さの平行な溝であるが、端面１７に近
づくにつれて徐々に浅くなり、端面１７付近では浅く平
行な溝１８となるよう作成される。この溝１５及び浅く
平行な溝１８の内面には、前記の金属電極１３がスパッ
タリング等によって形成される。溝１５の内面にはその
側面の上半分のみに金属電極が形成されるが、浅く平行
な溝１８の内面にはその側面及び底面全体に金属電極が
形成される。また、セラミックス材料または樹脂材料等
からなるカバープレート２に、研削または切削加工等に
よって、インク導入口２１及びマニホールド２２を作成
する。

【０００７】次に、圧電セラミックスプレート１の溝加
工側の面とカバープレート２のマニホールド加工側の面
とを、エポキシ系接着剤等によって、各々の溝１５が前
記の形状のインク液室１２を形成するように接着する。
次に、圧電セラミックスプレート１及びカバープレート
２の端面１６に、各インク液室１２の位置に対応した位
置にノズル３２が設けられたノズルプレート３１を接着
する。圧電セラミックスプレート１の溝加工側と反対側
の面には、各インク液室１２の位置に対応した位置に導
電層のパターン４２が設けられた基板４１を、エポキシ
系接着剤等によって接着する。そして、浅く平行な溝１
８の底面の金属電極と導電層のパターン４２を、ワイヤ
ボンディングによって導線４３で接続する。

【０００８】次に、制御部のブロック図を示す図１８に
よって、従来例の制御部の構成を説明する。基板４１に
設けられた導電層のパターン４２は各々個々にＬＳＩチ
ップ５１に接続され、クロックライン５２、データライ
ン５３、電圧ライン５４及びアースライン５５もＬＳＩ
チップ５１に接続されている。ＬＳＩチップ５１は、ク
ロックライン５２から供給された連続するクロックパル
スに基づいて、データライン５３上に現れるデータか
ら、どのノズルからインク液滴の噴射を行うべきかを判
断し、駆動するインク液室内の金属電極に導通する導電
層のパターン４２に、電圧ライン５４の電圧Ｖを印加す
る。また、前記インク液室以外の金属電極に導通する導
電層のパターン４２にアースライン５５の電圧０を印加
する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のインク噴射装置は、金属電圧に印加した電
気エネルギーと比較してインク液滴の噴射速度が小さ
く、噴射されるインク液滴の速度及び体積が噴射装置と
対向する紙面上等に文字や画像を形成するのに不十分で
あるという問題点があった。このような装置で文字や画
像を形成するのに十分な速度及び体積のインク液滴を噴
射するためには高い駆動電圧が必要となり、駆動回路が
複雑化、大型化し、装置の低コスト化、小型化に限界が
あった。

【００１０】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、低い駆動電圧で文字や画像を形
成するのに十分な速度及び体積のインク液滴を噴射する
ことが可能なインク噴射装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインク噴射装置は、圧電セラミックスに設け
られた溝の内部の一部に形成された電極に駆動電圧を印
加し、前記圧電セラミックスの圧電厚みすべり効果を用
いて前記溝の内部の容積を変化させることにより、前記
溝の内部に充填されたインクを噴射するインク噴射装置
において、インク液室を構成する溝の内、直線状に徐々
に深さが変化する溝の底部が前記圧電セラミックスの面
方向となすテーパの絶対値が、０．０２以下であること
を特徴とする。

【００１２】

【作用】上記の構成を有する本発明のインク噴射装置に
よれば、インク液室を構成する溝の内、直線状に徐々に
深さが変化する溝の底部が前記圧電セラミックスの面方
向となすテーパの絶対値を０．０２以下とすることによ
り、それ以外の値を採る場合と比較して、インク液滴の
噴射速度が格段と高くなる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。尚、従来技術と同一の部材には同一
の符号を付し、その説明を省略する。

【００１４】１．側壁の高さと幅の比Ｈ／Ｂとインク液
室内の圧力Ｐとの関係の説明まず、インク噴射装置の一部の断面図を示す図１によっ
て、側壁１１及び金属電極１３の形状を表すパラメータ
を説明する。圧電セラミックスプレート１に設けられた
側壁１１の高さをＨ、幅をＢ、ピッチをＺ、底部の曲率
をＲ、側壁１１の表面に形成された金属電極１３の上端
から下端までの長さをＤとする。

【００１５】次に、側壁の高さと幅の比Ｈ／Ｂとインク
液室内の圧力Ｐとの関係を説明する図２によって、本発
明の実施例の構成を説明する。種々の側壁の高さと幅の
比Ｈ／Ｂをもつインク噴射装置を製作し、金属電極１３
に同じ駆動電圧を印加してインク液室１２内に発生する
圧力を測定した。製作したインク噴射装置の側壁１１の
幅Ｂは４０μｍから１２０μｍ、高さは１００μｍから
６００μｍの範囲であり、また金属電極１３の長さＤは
側壁１１の高さＨのほぼ１／２である。圧電セラミック
ス１の材料にはチタン酸バリウム系圧電セラミックス、
金属電極１３には真空蒸着によって形成した厚さ１μｍ
程度のアルミニウム層、カバープレート２の材料にはホ
ウケイ酸ガラス、接着剤３にはエポキシ系接着剤を使用
した。インクはトリプロピレングリコールモノメチルエ
ーテル（ＴＰＭ）をベースとした顔料インクで、金属電
極１３に印加する駆動電圧は４０ボルトである。

【００１６】インク液室１２内の圧力は以下に示す方法
で測定した。平行なレーザ光線を、金属顕微鏡の対物レ
ンズを通して透明なカバープレート２の上方からインク
液室１２の内部に照射し、レーザ光線がインク液室１２
の底部で集光している状態で、インク液室１２の底部で
反射し再び対物レンズを通るレーザ光線と照射したレー
ザ光線の位相差を検出する。インク液室１２内のＴＰＭ
の圧力の変化により屈折率が変化するとレーザ光線がイ
ンク液室１２内を通過する時間が変化し、前記の位相差
の変化を検出することによりインク液室１２内の圧力を
測定することができる。図２に示すように、測定結果
は、側壁１１の高さと幅の比Ｈ／Ｂが２．５以上８以下
でインク液室１２内の圧力がほぼ最大になることを示し
ている。

【００１７】一方、圧電セラミックスプレート１、側壁
の高さと幅の比Ｈ／Ｂが１から１０の範囲の種々の値で
ある側壁１１、接着層３及びカバープレート２のモデル
を作成し、有限要素法による数値解析を行って側壁の高
さと幅の比Ｈ／Ｂとインク液室内の圧力Ｐとの関係を調
べた。インク液室内の圧力Ｐは、インク液室１２内にイ
ンクが導入されていない場合に金属電極１３に駆動電圧
を印加したときの側壁１１の静的な変形量即ちインク液
室１２内の体積減少量をΔＶ、側壁１１の表面に圧力Ｐ
を作用させたときの側壁１１の静的な変形量即ち側壁１
１のコンプライアンスをＣ、圧電セラミックスプレート
１の圧電特性及び機械的特性、インクの圧縮特性などで
決まる定数をＫとすると、Ｐ＝Ｋ・ΔＶ／Ｃで推定する
ことができる。解析結果は、図２に示すように、側壁１
１の高さと幅の比Ｈ／Ｂが２．５以上８以下の範囲でイ
ンク液室１２内の圧力が最大値の８５％程度以上の値を
とり、また２以上９以下の範囲でインク液室１２内の圧
力が最大値の７０％程度以上の値をとることを示してい
る。これは前述の測定結果と一致している。

【００１８】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置は、溝を隔てる側壁の高さＨと側壁の幅Ｂの比Ｈ／Ｂ
が、好ましくは２以上９以下の範囲、より好ましくは
２．５以上８以下の範囲となるよう構成した。ここで仮
に、前述の範囲以外の値を採る場合を考えると、金属電
圧１３に印加する駆動電圧に対するインク液室１２内に
発生するインク圧力の比率が小さく、噴射されるインク
液滴の速度及び体積が、噴射装置と対向する紙面上等に
文字や画像を形成するのに不十分となる。従って、高い
駆動電圧を得るために、駆動回路の複雑化、大型化を招
くことになる。これに対し、本実施例によれば、インク
液室１２内に発生する圧力を効率的に大きくすることが
できる。即ち、低い駆動電圧でインク液室１２内に高い
圧力を発生することができ、文字や画像を形成するのに
十分な速度及び体積のインク液滴を噴射することができ
る。このインク噴射装置によると、２０〜５０ボルト程
度の低い駆動電圧において、インク液滴の速度は３〜８
ｍ／秒、体積は３０〜９０ｐｌ程度とすることができ、
駆動回路を簡素化、小型化でき、インク噴射装置全体を
低コスト化、小型化することができる。

【００１９】２．側壁の幅とピッチの比Ｂ／Ｚとインク
液室内の圧力Ｐとの関係の説明本実施例の側壁の幅とピッチの比Ｂ／Ｚとインク液室内
の圧力Ｐとの関係を、図３によって具体的に説明する。
種々の側壁の幅とピッチの比Ｂ／Ｚをもつインク噴射装
置を製作し、金属電極１３に同じ駆動電圧を印加してイ
ンク液室１２内に発生する圧力を測定した。尚、製作し
たインク噴射装置の寸法条件、材料、製造方法、及び圧
力測定方法は上記項目１と同様である。

【００２０】図３に示すように、測定結果は、側壁１１
の幅とピッチの比Ｂ／Ｚが０．３以上０．８以下でイン
ク液室１２内の圧力が最大になることを示している。

【００２１】一方、圧電セラミックスプレート１、側壁
の幅とピッチの比Ｂ／Ｚが０．１から０．９の範囲の種
々の値である側壁１１、接着層３及びカバープレート２
のモデルを作成し、有限要素法による数値解析を行って
側壁の幅とピッチの比Ｂ／Ｚとインク液室内の圧力Ｐと
の関係を調べた。インク液室内の圧力Ｐの推定方法も上
記項目１と同様である。解析結果は、図３に示すよう
に、側壁１１の幅とピッチの比Ｂ／Ｚが０．３以上０．
８以下の範囲でインク液室１２内の圧力が最大値の８５
％程度以上の値をとり、また０．２以上０．９以下の範
囲でインク液室１２内の圧力が最大値の７０％程度以上
の値をとることを示している。これは前述の測定結果と
一致している。

【００２２】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置は、溝を隔てる側壁の幅Ｂと側壁のピッチＺの比Ｂ／
Ｚが、好ましくは０．２以上０．９以下の範囲、より好
ましくは０．３以上０．８以下の範囲となるよう構成し
た。ここで仮に、前述の範囲以外の値を採る場合を考え
ると、金属電圧１３に印加する駆動電圧に対するインク
液室１２内に発生するインク圧力の比率が小さく、噴射
されるインク液滴の速度及び体積が、噴射装置と対向す
る紙面上等に文字や画像を形成するのに不十分となる。
従って、高い駆動電圧を得るために、駆動回路の複雑
化、大型化を招くことになる。これに対し、本実施例に
よれば、インク液室１２内に発生する圧力を効率的に大
きくすることができる。即ち、低い駆動電圧でインク液
室１２内に高い圧力を発生することができ、文字や画像
を形成するのに十分な速度及び体積のインク液滴を噴射
することができる。このインク噴射装置によると、２０
〜５０ボルト程度の低い駆動電圧において、インク液滴
の速度は３〜８ｍ／秒、体積は３０〜９０ｐｌ程度とす
ることができ、駆動回路を簡素化、小型化でき、インク
噴射装置全体を低コスト化、小型化することができる。

【００２３】３．側壁底部の曲率Ｒと側壁底部での主応
力σとの関係の説明種々の側壁底部の曲率Ｒをもつインク噴射装置を製作
し、金属電極１３に駆動電圧を印加してインク液滴の噴
射を１０億回程度行った。尚、製作したインク噴射装置
の寸法条件、材料は上記項目１と同様である。但し、溝
１５の作製は、溝１５の幅よりも若干小さな幅の円板状
のダイヤモンドブレードを使用した研削加工によって行
ったが、ダイヤモンドブレードの外周のエッジを種々の
曲率に予め研削加工しておくことで、側壁底部の曲率Ｒ
が３μｍから４０μｍの範囲の側壁１１を作製した。

【００２４】上述のインク噴射装置で１０億回程度のイ
ンク液滴の噴射を行った結果、一部の側壁の底部に微小
き裂が発生し破壊に至っていることが判明した。このよ
うな側壁では金属電極１３に駆動電圧を印加しても側壁
の正常な変形が起こらず、インク液滴の噴射が停止して
いた。破壊した側壁は側壁底部の曲率Ｒが小さいものに
集中しており、曲率Ｒが３μｍの側壁では試験を行った
側壁の８％に達し、４μｍの側壁では１％、５μｍの側
壁では０．２％、６μｍの側壁では０．０２％が破壊し
た。曲率Ｒが７μｍ以上の側壁では破壊したものは一例
もなかった。

【００２５】一方、圧電セラミックスプレート１、側壁
底部の曲率Ｒが３μｍから４０μｍの範囲の種々の値で
ある側壁１１、接着層３及びカバープレート２のモデル
を作成し、有限要素法による数値解析を行って側壁底部
の曲率Ｒと側壁底部での主応力σとの関係を調べた。解
析結果は、図４に示すように、側壁底部の曲率Ｒが小さ
くなると側壁底部での主応力σが急速に増大することを
示している。以上の試験結果及び解析結果は、側壁底部
の曲率Ｒが小さくなると側壁底部での主応力σが急速に
増大し、側壁底部での主応力σが圧電セラミックスプレ
ート１の破壊強度を越えると一部の側壁の底部に微小き
裂が発生し破壊に至ることを示している。

【００２６】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置においては、溝を隔てる側壁の底部の曲率が、好まし
くは５μｍ以上、より好ましくは７μｍ以上となるよう
に構成した。本実施例のインク噴射装置によれば、イン
ク液滴の噴射を１０億回程度行っても、側壁の底部に微
小き裂が発生せず破壊が起こらない。このため、多数回
インク液滴の噴射を行ってもインク液滴の噴射が停止し
ない、信頼性のあるインク噴射装置を提供することがで
きる。

【００２７】４．側壁のテーパＴとインク液室内の圧力
Ｐとの関係の説明まず、インク噴射装置の一部の断面図を示す図５によっ
て、本実施例の構成を説明する。複数の溝１５及び該溝
を隔てる側壁１１を有し、かつ矢印４の方向に分極処理
を施した圧電セラミックスプレート１と、セラミックス
材料または樹脂材料等からなるカバープレート２とを、
エポキシ系接着剤等からなる接合層３を介して接合する
ことで、溝１５は横方向に互いに間隔を有する複数のイ
ンク液室１２となる。側壁１１は、カバープレート２と
接する上部で幅が狭く下部で幅が広い台形断面の細長い
形状であり、インク液室１２の全長にわたって伸びてい
る。側壁１１の接着層３付近の側壁上部から側壁中央部
までの両表面には、駆動電界印加用の金属電極１３が形
成されている。全てのインク液室１２内には、インクが
充填される。次に、側壁１１及び金属電極１３の形状を
表すパラメータを説明する。側壁１１の高さをＨ、上部
の幅をＢｕ、下部の幅をＢｌ、ピッチをＺ、底部の曲率
をＲ、側壁１１の表面に形成された金属電極１３の上端
から下端までの長さをＤとする。側壁のテーパＴは式Ｔ
＝（Ｂｌ−Ｂｕ）／Ｈで表される。

【００２８】次に、電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／Ｈ
とインク液室内の圧力Ｐとの関係を説明する図６及び側
壁のテーパＴとインク液室内の圧力Ｐとの関係を説明す
る図７によって、本実施例の構成を説明する。側壁のテ
ーパＴが０から０．２の種々の値で、電極の長さと側壁
の高さの比Ｄ／Ｈが０．２から０．８の種々の値である
インク噴射装置を製作し、金属電極１３に同じ駆動電圧
を印加してインク液室１２内に発生する圧力を測定し
た。尚、製作したインク噴射装置の電極の長さ以外の寸
法条件、材料、製造方法及び圧力測定方法は上記項目１
と同様である。

【００２９】図６に、側壁のテーパＴが０．０５のイン
ク噴射装置における、電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／
Ｈとインク液室内の圧力Ｐとの関係を示す。測定結果
は、この場合、電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／Ｈが
０．５程度のときインク液室１２内の圧力が最大になる
ことを示している。

【００３０】一方、圧電セラミックスプレート１、側壁
のテーパＴが０から０．２の種々の値で、電極の長さと
側壁の高さの比Ｄ／Ｈが０．２から０．８の種々の値で
ある側壁１１、接着層３及びカバープレート２のモデル
を作成し、有限要素法による数値解析を行って側壁のテ
ーパＴ及び電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／Ｈとインク
液室内の圧力Ｐとの関係を調べた。インク液室内の圧力
Ｐの推定方法も上記項目１と同様である。

【００３１】図６に、側壁のテーパＴが０．０５のイン
ク噴射装置における、電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／
Ｈとインク液室内の圧力Ｐとの関係を示す。解析結果
は、この場合、電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／Ｈが
０．５程度のときインク液室１２内の圧力が最大になる
ことを示している。これは前述の測定結果と一致してい
る。

【００３２】以上の結果から、側壁のテーパＴが０．０
５のインク噴射装置においては、電極の長さと側壁の高
さの比Ｄ／Ｈが０．５程度のときインク液室１２内の圧
力が最大になることを示している。

【００３３】以上のような測定及び解析を、側壁のテー
パＴが０から０．２の種々の値であるインク噴射装置で
行い、各々の形状の側壁で電極の長さと側壁の高さの比
Ｄ／Ｈを変化させたときのインク液室内の圧力Ｐの最大
値を調べた。図７に示すように、側壁のテーパＴが０の
ときインク液室内の圧力Ｐは最大で、これと比較して側
壁のテーパＴが０．１のときインク液室内の圧力Ｐは１
５％程度の低下にとどまっているが、側壁のテーパＴが
０．１６以上になるとインク液室内の圧力Ｐは３０％以
上低下し、金属電圧１３に印加する電気エネルギーと比
較してインク液室１２内に発生するインク圧力が小さ
く、噴射されるインク液滴の速度及び体積が噴射装置と
対向する紙面上等に文字や画像を形成するのに不十分で
あるという問題点がある。このような装置で文字や画像
を形成するのに十分な速度及び体積のインク液滴を噴射
するためには高い駆動電圧が必要となり、駆動回路が複
雑化、大型化し、装置の低コスト化、小型化に限界があ
る。

【００３４】更に、側壁のテーパＴが負の場合、即ち逆
テーパにおける上記と同様の測定及び解析を行った。そ
の結果、テーパＴの絶対値で考えれば、上記とほぼ同様
の傾向となることがわかった。

【００３５】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置においては、溝を隔てる側壁のテーパの絶対値Ｔが、
好ましくは０．１６以下の範囲、より好ましくは０．１
以下の範囲となるよう構成した。これにより本実施例の
インク噴射装置では、インク液室１２内に発生する圧力
を効率的に大きくすることができる。即ち、低い駆動電
圧でインク液室１２内に高い圧力を発生することがで
き、文字や画像を形成するのに十分な速度及び体積のイ
ンク液滴を噴射することができる。このインク噴射装置
によると、２０〜５０ボルト程度の低い駆動電圧におい
て、インク液滴の速度は３〜８ｍ／秒、体積は３０〜９
０ｐｌ程度とすることができ、駆動回路を簡素化、小型
化でき、インク噴射装置全体を低コスト化、小型化する
ことができる。

【００３６】５．側壁高さ方向と分極方向とのなす角度
θとインク液室内の圧力Ｐとの関係の説明まず、インク噴射装置の一部の断面図を示す図８によっ
て、側壁１１及び金属電極１３の形状を表すパラメータ
を説明する。圧電セラミックスプレート１に設けられた
側壁１１の高さをＨ、幅をＢ、ピッチをＺ、底部の曲率
をＲ、側壁１１の表面に形成された金属電極１３の上端
から下端までの長さをＤ、側壁１１の高さ方向と分極方
向４とのなす角度をθとする。

【００３７】次に、図示矢印Ａ方向と分極方向とのなす
角度θとインク液室内の圧力Ｐとの関係を説明する図９
によって、本実施例の構成を説明する。側壁１１の高さ
方向である図示矢印Ａ方向と分極方向とのなす角度θが
種々の値であるインク噴射装置を製作し、金属電極１３
に同じ駆動電圧を印加してインク液室１２内に発生する
圧力を測定した。尚、製作したインク噴射装置の寸法条
件、製造方法、及び圧力測定方法は上記項目１と同様で
ある。但し、圧電セラミックス１の素材は、分極済みの
チタン酸バリウム系圧電セラミックスのブロックからブ
ロックの分極方向に対し９０−θ度の面方向をもつウェ
ハをスライサによって切り出すことによって製作した。
金属電極１３には真空蒸着によって形成した厚さ１μｍ
程度のアルミニウム層、カバープレート２の材料にはホ
ウケイ酸ガラス、接着剤３にはエポキシ系接着剤を使用
した。θは０度から２０度の範囲である。

【００３８】図９に示すように、図示矢印Ａ方向と分極
方向とのなす角度θが０度のときインク液室内の圧力Ｐ
は最大で、これと比較してθが１４度のときインク液室
内の圧力Ｐは１５％程度の低下にとどまっているが、θ
が１８度以上になるとインク液室内の圧力Ｐは３０％以
上低下し、金属電圧１３に印加する電気エネルギーと比
較してインク液室１２内に発生するインク圧力が小さ
く、噴射されるインク液滴の速度及び体積が噴射装置と
対向する紙面上等に文字や画像を形成するのに不十分で
あるという問題点がある。このような装置で文字や画像
を形成するのに十分な速度及び体積のインク液滴を噴射
するためには高い駆動電圧が必要となり、駆動回路が複
雑化、大型化し、装置の低コスト化、小型化に限界があ
る。

【００３９】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置においては、溝を隔てる側壁の高さ方向と分極方向と
のなす角度が、好ましくは１８度以下、より好ましくは
１４度以下の範囲となるよう構成した。これにより、本
実施例のインク噴射装置では、インク液室１２内に発生
する圧力を効率的に大きくすることが出来る。即ち、低
い駆動電圧でインク液室１２内に高い圧力を発生するこ
とができ、文字や画像を形成するのに十分な速度及び体
積のインク液滴を噴射することができる。このインク噴
射装置によると、２０〜５０ボルト程度の低い駆動電圧
において、インク液滴の速度は３〜８ｍ／秒、体積は３
０〜９０ｐｌ程度とすることができ、駆動回路を簡素
化、小型化でき、インク噴射装置全体を低コスト化、小
型化することができる。

【００４０】６．曲率ｒと液滴の噴射速度ｖとの関係の
説明まず、インク噴射装置の一部の断面図を示す図１０によ
って、本実施例の構成及び溝１５の形状を表すパラメー
タを説明する。インク液室１２を形成する溝１５は、端
面１６から圧電セラミックスプレート１の内部の点５１
までは同じ深さの平行な溝であるが、点５１から端面１
７の方向に曲率Ｒで徐々に浅くなり、端面１７付近では
浅く平行な溝１８である。点５１のインク液室長手方向
の位置は、側壁１１の駆動部の長さをできるだけ長く
し、且つマニホールド２２の体積をできるだけ大きく
し、カバープレート２をできるだけ小さくできるよう
に、マニホールド２２のノズルプレート３１側の端部２
３と一致している。この溝１５及び浅く平行な溝１８の
内面には、金属電極１３をスパッタリング等によって形
成する。溝１５の内面にはその側面の上半分のみに金属
電極が形成されるが、浅く平行な溝１８の内面にはその
側面及び底面全体に金属電極が形成される。

【００４１】次に、曲率ｒと液滴の噴射速度ｖとの関係
を説明する図１１によって、本実施例の構成を説明す
る。種々の曲率ｒをもつインク噴射装置を製作し、金属
電極１３に同じ駆動電圧を印加してノズル３２からの液
滴の噴射速度ｖを測定した。なお、製作したインク噴射
装置の寸法条件、材料、製造方法は上記項目１と同様で
ある。

【００４２】図１１に示すように、曲率ｒが１５ｍｍ以
上のとき液滴の噴射速度ｖはほぼ一定で最大となり、こ
れと比較して曲率ｒが７ｍｍのとき液滴の噴射速度ｖは
１０％程度の低下にとどまっているが、曲率ｒが５ｍｍ
以下になると液滴の噴射速度ｖは１５％以上低下し、金
属電圧１３に印加する電気エネルギーと比較して液滴の
噴射速度が小さく、液滴の噴射速度が噴射装置と対向す
る紙面上等に文字や画像を形成するのに不十分であると
いう問題点がある。このような装置で文字や画像を形成
するのに十分な速度のインク液滴を噴射するためには高
い駆動電圧が必要となり、駆動回路が複雑化、大型化
し、装置の低コスト化、小型化に限界がある。

【００４３】この原因は、曲率ｒが小さくなると、イン
ク供給口２１からマニホールド２２を通してインク液室
１２内にインクが供給される場合、マニホールド２２か
ら溝１５の底部が曲率ｒである部分を通してインク液室
１２にインクが流れるときのインクの流動抵抗が大きく
なる。そして、インクの供給量が液滴として噴射される
インクの量に追いつかなる結果、インク液室１２内に負
圧が発生し、金属電極１３に駆動電圧を印加した場合に
インク液室１２内に発生する圧力が低下するためであ
る。そして、インク液室１２内の圧力が小さいほど液滴
の噴射速度は小さくなる。

【００４４】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置においては、インク液室を構成するほぼ一定の深さの
溝に連続する溝の曲率が、好ましくは５ｍｍ以上、より
好ましくは７ｍｍ以上の範囲となるよう構成した。これ
により本実施例のインク噴射装置では、液滴の噴射速度
を効率的に大きくすることが出来る。即ち、低い駆動電
圧で文字や画像を形成するのに十分な速度及び体積のイ
ンク液滴を噴射することができる。このインク噴射装置
によると、２０〜５０ボルト程度の低い駆動電圧におい
て、インク液滴の速度は３〜８ｍ／秒、体積は３０〜９
０ｐｌ程度とすることができ、駆動回路を簡素化、小型
化でき、インク噴射装置全体を低コスト化、小型化する
ことができる。

【００４５】７．溝底部のテーパｔと液滴の噴射速度ｖ
との関係の説明まず、インク噴射装置の断面図を示す図１２によって、
本実施例の構成及び溝１５の形状を表すパラメータを説
明する。インク液室１２を形成する溝１５は、端面１６
から圧電セラミックスプレート１の内部の点５１までは
同じ深さの平行な溝または溝の長手方向に対して直線状
に徐々に深さが変化する溝で、ノズルプレート３１と当
接する部分での深さがＨｎ、マニホールド２２に近接す
る部分での深さがＨｍである。溝１５底部のテーパｔは
溝１５のノズルプレート３１と当接する部分から点５１
までの長さをＬとすると、式ｔ＝（Ｈｎ−Ｈｍ）／Ｌで
表される。溝１５は点５１から端面１７の方向に曲率Ｒ
で徐々に浅くなり、端面１７付近では浅く平行な溝１８
である。この溝１５及び浅く平行な溝１８の内面には、
金属電極１３をスパッタリング等によって形成する。溝
１５の内面にはその側面の上半分のみに金属電極が形成
されるが、浅く平行な溝１８の内面にはその側面及び底
面全体に金属電極が形成される。

【００４６】次に、溝１５底部のテーパｔと液滴の噴射
速度ｖとの関係を説明する図１３によって、本実施例の
構成を説明する。種々のｔをもつインク噴射装置を製作
し、金属電極１３に同じ駆動電圧を印加してノズル３２
からの液滴の噴射速度ｖを測定した。製作したインク噴
射装置の側壁１１の幅Ｂは４０μｍから１２０μｍ、高
さは直線状に徐々に高さが変化する部分の一番高いとこ
ろで２００μｍから１０００μｍの範囲、一番低いとこ
ろで１００μｍから４００μｍの範囲であり、また金属
電極１３の長さＤは金属電極１３が形成されているとこ
ろの側壁１１の高さＨのほぼ１／２で、側壁１１の高さ
が直線状に徐々に変化する部分では金属電極１３の長さ
Ｄは直線状に徐々に変化する。圧電セラミックス１の材
料にはチタン酸バリウム系圧電セラミックス、金属電極
１３には真空蒸着によって形成した厚さ１μｍ程度のア
ルミニウム層、カバープレート２の材料にはホウケイ酸
ガラス、接着剤３にはエポキシ系接着剤を使用した。イ
ンクはトリプロピレングリコールモノメチルエーテル
（ＴＰＭ）をベースとした顔料インクで、金属電極１３
に印加する駆動電圧は４０ボルトである。

【００４７】図１３に示すように、溝１５底部のテーパ
ｔが０のとき液滴の噴射速度ｖは最大となり、これと比
較してｔが０．０１２のとき液滴の噴射速度ｖは１０％
程度の低下にとどまっているが、ｔが０．０２以上にな
ると液滴の噴射速度ｖは１５％以上低下し、金属電圧１
３に印加する電気エネルギーと比較して液滴の噴射速度
が小さく、液滴の噴射速度が噴射装置と対向する紙面上
等に文字や画像を形成するのに不十分であるという問題
点がある。このような装置で文字や画像を形成するのに
十分な速度のインク液滴を噴射するためには高い駆動電
圧が必要となり、駆動回路が複雑化、大型化し、装置の
低コスト化、小型化に限界がある。

【００４８】この原因としては以下のことが考えられ
る。溝１５底部のテーパｔが大きくなると、金属電極１
３に駆動電圧を印加したとき、溝１５のノズルプレート
３１と当接する部分で発生するインクの圧力とマニホー
ルド２２に近接する部分で発生するインクの圧力に差が
生じ、溝１５の内部の各位置で発生した圧力波がノズル
に到達するにつれてノズルでのインクの圧力が変動して
しまう。このため、ノズル内を流れるインクの流速が駆
動電圧印加直後にインクの圧力の変化の影響を受けて変
化し、インクの流速が一定である場合と比較して慣性抵
抗などのインクの流体抵抗によるエネルギーの損失が大
きくなり、液滴の噴射速度ｖが低下してしまう。

【００４９】また、テーパｔが負の場合、即ち逆テーパ
の場合も、ｔの絶対値をとれば上記と同様の傾向となる
ことがわかっている。

【００５０】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置においては、インク液室を構成する溝の内、直線状に
徐々に深さが変化する溝の底部が前記圧電セラミックス
プレートの面方向となすテーパの絶対値が、好ましくは
０．０２以下、より好ましくは０．０１２以下の範囲と
なるよう構成した。これにより本実施例のインク噴射装
置では、液滴の噴射速度を効率的に大きくすることが出
来る。即ち、低い駆動電圧で文字や画像を形成するのに
十分な速度及び体積のインク液滴を噴射することができ
る。このインク噴射装置によると、２０〜５０ボルト程
度の低い駆動電圧において、インク液滴の速度は３〜８
ｍ／秒、体積は３０〜９０ｐｌ程度とすることができ、
駆動回路を簡素化、小型化でき、インク噴射装置全体を
低コスト化、小型化することができる。

【００５１】８．側壁の表面粗さＲｚと液滴の噴射速度
ｖとの関係の説明本実施例の、側壁の表面粗さＲｚと液滴の噴射速度ｖと
の関係を図１４によって具体的に説明する。種々の側壁
の表面粗さＲｚをもつインク噴射装置を製作し、金属電
極１３に同じ駆動電圧を印加してインク液室１２内に発
生する圧力を測定した。溝１５を加工する薄い円板状の
ダイヤモンドブレードのダイヤモンド砥粒の粒径を変え
ることにより、２μｍから８μｍの範囲の種々の表面粗
さＲｚをもつ側壁を製作した。尚、製作したインク噴射
装置の寸法条件、材料、製造方法、及び圧力測定方法は
上記項目１と同様である。

【００５２】図１４に示すように、測定結果は、側壁の
表面粗さＲｚが３μｍ以下のとき液滴の噴射速度ｖは最
大でほぼ一定となり、これと比較してＲｚが５μｍのと
き液滴の噴射速度ｖは１０％程度の低下にとどまってい
るが、Ｒｚが６．５μｍ以上になると液滴の噴射速度ｖ
は１５％以上低下し、金属電圧１３に印加する電気エネ
ルギーと比較して液滴の噴射速度が小さく、液滴の噴射
速度が噴射装置と対向する紙面上等に文字や画像を形成
するのに不十分であるという問題点がある。このような
装置で文字や画像を形成するのに十分な速度のインク液
滴を噴射するためには高い駆動電圧が必要となり、駆動
回路が複雑化、大型化し、装置の低コスト化、小型化に
限界がある。この原因は、側壁の表面粗さＲｚが大きく
なるとインク液室１２内をマニホールド２２からノズル
３２に流れるインクの流体抵抗が増加し、金属電極１３
に印加した電気エネルギーの損失が大きくなることであ
る。

【００５３】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置においては、溝を隔てる側壁の表面粗さＲｚが、好ま
しくは６．５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下の範
囲となるよう構成した。これにより本実施例のインク噴
射装置では、インク液室１２内に発生する圧力を効率的
に大きくすることが出来る。即ち、低い駆動電圧で文字
や画像を形成するのに十分な速度及び体積のインク液滴
を噴射することができる。このインク噴射装置による
と、２０〜５０ボルト程度の低い駆動電圧において、イ
ンク液滴の速度は３〜８ｍ／秒、体積は３０〜９０ｐｌ
程度とすることができ、駆動回路を簡素化、小型化で
き、インク噴射装置全体を低コスト化、小型化すること
ができる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のインク噴射装置によれば、インク液室を構成する
溝の内、直線状に徐々に深さが変化する溝の底部が前記
圧電セラミックスの面方向となすテーパの絶対値を０．
０２以下とすることにより、低い駆動電圧で文字や画像
を形成するのに十分な速度及び体積のインク液滴を噴射
することができる。このため、駆動回路を簡素化、小型
化でき、装置を低コスト化、小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のインク噴射装置の一部の断
面図である。

【図２】側壁の高さと幅の比Ｈ／Ｂとインク液室内の圧
力Ｐとの関係を説明する図である。

【図３】側壁の幅とピッチの比Ｂ／Ｚとインク液室内の
圧力Ｐとの関係を説明する図である。

【図４】側壁底部の曲率Ｒと側壁底部での主応力σとの
関係を説明する図である。

【図５】本発明の一実施例のインク噴射装置の一部の断
面図である。

【図６】電極の長さと側壁の高さの比Ｄ／Ｈとインク液
室内の圧力Ｐとの関係を説明する図である。

【図７】側壁のテーパＴとインク液室内の圧力Ｐとの関
係を説明する図である。

【図８】本発明の一実施例のインク噴射装置の一部の断
面図である。

【図９】側壁長手方向と分極方向とのなす角度θとイン
ク液室内の圧力Ｐとの関係を説明する図である。

【図１０】本発明の一実施例のインク噴射装置の一部の
断面図である。

【図１１】曲率ｒと液滴の噴射速度ｖとの関係を説明す
る図である。

【図１２】本発明の一実施例のインク噴射装置の一部の
断面図である。

【図１３】溝底部のテーパｔと液滴の噴射速度ｖとの関
係を説明する図である。

【図１４】側壁の表面粗さＲｚと液滴の噴射速度ｖとの
関係を説明する図である。

【図１５】従来例のインク噴射装置の断面図である。

【図１６】従来例のインク噴射装置の断面図である。

【図１７】従来例のインク噴射装置の斜視図である。

【図１８】従来例の制御部のブロック図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックスプレート１１側壁１２インク液室１３金属電極１５溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミックスに設けられた溝の内部
の一部に形成された電極に駆動電圧を印加し、前記圧電
セラミックスの圧電厚みすべり効果を用いて前記溝の内
部の容積を変化させることにより、前記溝の内部に充填
されたインクを噴射するインク噴射装置において、インク液室を構成する溝の内、直線状に徐々に深さが変
化する溝の底部が前記圧電セラミックスの面方向となす
テーパの絶対値が、０．０２以下であることを特徴とす
るインク噴射装置。