JPH06234210A

JPH06234210A - インク噴射装置

Info

Publication number: JPH06234210A
Application number: JP2256593A
Authority: JP
Inventors: Kimei Chiyou; 棄名張
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-23

Abstract

(57)【要約】【目的】インク室内の圧力が充分に保たれ、印字品質
が良好であるインク噴射装置を提供すること。【構成】深さＨの溝と、厚さｋのカバープレートとで
構成されるインク室にインクを充填し、側壁の変形によ
ってインク室内のインクに圧力をあたえてインクを噴射
させるとき、カバープレートも変形するので、圧力の低
下がみられる。この圧力低下がインク噴射に対する影響
を無視できる程度に抑えるためのＨとｋとの関係を実験
的に求めた。それによると溝の深さとカバープレートの
厚さとの積Ｈ×ｋが大きいほどよいが、少なくとも０．
２（ｍｍ×ｍｍ）以上にしなければならない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク噴射装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、これまでのインパクト方式の印字
装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト方式の印字装置のなかで、原理が最も単
純で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとし
て、インクジェット方式の印字装置が上げられる。なか
でも印字に使用するインク滴のみを噴射するドロップ・
オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコス
トの安さなどから急速に普及している。

【０００３】ドロップ・オン・デマンド型として特公昭
５３−１２１３８号公報に開示されているカイザー型、
あるいは特公昭６１−５９９１４号公報に開示されてい
るサーマルジェット型がその代表的な方式としてある。
このうち、前者は小型化が難しく、後者は高熱をインク
に加えるためにインクの耐熱性に対する要求が必要とさ
れ、それぞれに非常に困難な問題を抱えている。

【０００４】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
号公報に開示されているせん断モード型である。

【０００５】図１６に示すように、上記せん断モード型
のインク噴射装置１は、圧電セラミックスプレート２と
カバープレート１０とノズルプレート１４と基板４１と
から構成されている。

【０００６】その圧電セラミックスプレート２には、ダ
イヤモンドブレード等により切削加工され、複数の溝３
が形成されている。また、その溝３の側面となる側壁６
は矢印５の方向に分極されている。それらの溝３は同じ
深さであり、かつ平行である。それら溝３の深さは圧電
セラミックスプレート２の一端面１５に近づくにつれて
徐々に浅くなっており、一端面１５付近には浅溝７が形
成されている。そして、溝３の内面には、その両側面の
上半分に金属電極８がスパッタリング等によって形成さ
れている。また、浅溝７の内面には、その側面及び底面
に金属電極９がスパッタリング等によって形成されてい
る。これにより、溝３の両側面に形成された金属電極８
は浅溝７に形成された金属電極９によって連結されてい
る。

【０００７】次に、カバープレート１０は、セラミック
ス材料または樹脂材料等から形成されている。そして、
カバープレート１０には、研削または切削加工等によっ
て、インク導入口１６及びマニホールド１８が形成され
ている。そして、圧電セラミックスプレート２の溝３加
工側の面とカバープレート１０のマニホールド１８加工
側の面とがエポキシ系接着剤２０（図１８参照）によっ
て接着される。従って、インク噴射装置１には、溝３の
上面が覆われて横方向に同じ間隔を有する複数のインク
流路であるインク室４（図１８参照）が構成される。図
１８に示すように、そのインク室４は長方形断面の細長
い形状であり、全てのインク室４内には、インクが充填
される。

【０００８】図１６に示すように、圧電セラミックスプ
レート２及びカバープレート１０の端面に、各インク室
４の位置に対応した位置にノズル１２が設けられたノズ
ルプレート１４が接着されている。このノズルプレート
１４は、ポリアルキレン（例えばエチレン）、テレフタ
レート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテ
ルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネイト、
酢酸セルロース等のプラスチックによって形成されてい
る。

【０００９】そして、圧電セラミックスプレート２の溝
３の加工側に対して反対側の面には、基板４１が、エポ
キシ系接着剤等によって接着されている。その基板４１
には各インク室４の位置に対応した位置に導電層のパタ
ーン４２が形成されている。その導電層のパターン４２
と浅溝７の底面の金属電極９とは、ワイヤボンディング
によって導線４３で接続されている。

【００１０】次に、制御部のブロック図を示す図１７に
よって、制御部の構成を説明する。基板４１に形成され
た導電層のパターン４２は各々個々にＬＳＩチップ５１
に接続されている。また、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Ｌ
ＳＩ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から供給される連続したクロッ
クパルスに基づいて、データライン５３上に現れるデー
タに応じて、どのノズル１２からインク滴の噴射を行う
べきかを判断する。そして、駆動するインク室４内の金
属電極８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、駆動するインク室４
以外の金属電極８に導通する導電層のパターン４２には
アースライン５５の電圧０Ｖを印加する。

【００１１】次に、図１８，図１９によって、インク噴
射装置１の動作を説明する。ＬＳＩチップ５１が、所要
のデータに従って、インク噴射装置１のインク室４ｂか
らインクの噴出を行なうと判断する。すると、金属電極
８ｅと８ｆとに正の駆動電圧Ｖが印加され、金属電極８
ｄと８ｇとが接地される。図１９に示すように、側壁６
ｂには矢印１３ｂの方向の駆動電界が発生し、側壁６ｃ
には矢印１３ｃの方向の駆動電界が発生する。すると、
駆動電界方向１３ｂ及び１３ｃは分極方向５とが直交し
ているため、側壁６ｂ及び６ｃは、圧電厚みすべり効果
により、この場合、インク室４ｂの内部方向に急速に変
形する。この変形によってインク室４ｂの容積が減少し
てインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生して、イン
ク室４ｂに連通するノズル１２（図１６）からインク滴
が噴射される。

【００１２】また、駆動電圧Ｖの印加が停止されると、
側壁６ｂ及び６ｃが変形前の位置（図１８参照）に徐々
に戻るためインク室４ｂ内のインク圧力が徐々に低下す
る。すると、図示しないインクタンクからインク供給口
１６（図１６）及びマニホールド１８（図１６）を通し
てインク室４ｂ内にインクが供給される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述した構成のインク
噴射装置１を用いてインクを噴射するときに、図８に示
すように側壁６が破線のように変形すると、カバープレ
ート１０は微少ながら図中の破線で書かれたように変形
する。そして、このカバープレート１０の変形した部分
の体積がインク室４の体積に対して大きいほど、インク
室４内の圧力上昇が少なくなり、インク滴の飛翔速度が
遅くなる。極端な場合は、インク室４内の圧力がインク
を噴射するのに必要な最小圧力までも上昇できず、イン
クの噴射が不能となる。

【００１４】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、インク噴射時のインク室内の圧
力上昇が常にインクを噴射するのに充分な圧力を得られ
るように保たれ、印字品質が良好であるインク噴射装置
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明では、圧電素子に形成され、深さＨである複数
の溝と、インク室を形成するために前記溝の開口部を被
覆する厚さｋのカバープレートと、前記カバープレート
に形成され、インク供給源からインクを導入するインク
導入口と、前記インク導入口に連通され、前記導入され
たインクを前記複数のインク室に充填するマニホールド
とを有し、前記各インク室の側壁を変形させることによ
って、前記インク室内のインクを噴射するインク噴射装
置において、前記カバープレートの厚さが、前記溝の深
さと前記カバープレートの厚さとの積Ｈ×ｋが０．２
（ｍｍ×ｍｍ）以上を満たす。

【００１６】

【作用】上記の構成を有する本発明のインク噴射装置
は、インクを噴射するときのカバープレートの変形がイ
ンク室内の圧力上昇にほとんど影響しないようにし、圧
力の減少を押さえる。

【００１７】

【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。

【００１８】図１は本実施例のインク導入口１６とマニ
ホールド１８を拡大して示す図である。図１（ａ）はイ
ンク噴射装置の側面からみた時の断面であり、図１
（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａの断面である。

【００１９】図１（ｂ）に示すように、インク噴射装置
１は、圧電セラミックスプレート２とカバープレート１
０とを有している。その圧電セラミックスプレート２に
は、複数の溝３と、それら溝３を隔てる側壁６とが形成
されている。また、カバープレート１０には、インク導
入口１６とマニホールド１８とが形成されている。そし
て、圧電セラミックスプレート２とカバープレート１０
とが接着剤２０によって接着されて、インク流路である
インク室４が構成される。

【００２０】図１（ａ）に示すように、インクは矢印３
０のようにインクタンクからインク供給チューブ（共に
図示しない）を経て、直径ｄのインク導入口１６に流入
し、マニホールド１８によって各インク室４に供給され
る。図に示したようにマニホールド１８はインク導入口
１６に比べ断面積が大きいので、インク導入口１６から
マニホールド１８に出たインクは噴流状態になる。従っ
て、インクには流路の急拡大による拡流損失が生じる。
一方、インク導入口１６からマニホールド１８に流入す
るインクに生じる全流動損失は、上記噴流の状態によっ
て変化する。噴流が層流状態であれば全流動損失は上記
拡流損失に等しい。また、噴流が乱流状態であれば全流
動損失は上記拡流損失に乱流損失を加えたものになる。

【００２１】全流動損失を減らし、且つ細かな変動を含
まない安定したインクの流れを得るためには、噴流の状
態を層流に保たなければならない。そのためには、流体
の流れの状態を決める重要なパラメータであるレイノル
ズ数Ｒｅを周知のように約３０以下に押さえなければな
らない（著者：生井武文，井上雅弘、出版社：理工学
社、「粘性流体の力学」のＰ２０６に記載）。そして、
レイノルズ数ＲｅはＲｅ＝ｕｄ／νという式で与えられ
ている。上記式においてｕはインク導入口１６から出る
インクの速度、ｄは図示インク導入口１６の直径、νは
インクの動粘性係数である。一方、インクの単位時間の
消費量が決まっていれば、上記流速ｕはインク導入口１
６の直径ｄの２乗に反比例するから、図２に示すように
レイノルズ数Ｒｅがインク導入口１６の直径ｄに反比例
することになる。

【００２２】本実施例では、単位時間あたりの最大イン
ク消費量を２５個のノズルから体積４０ｐｌのインク滴
が５ｋＨｚの周波数で同時に噴射するものとして算出し
た。またインクの動粘性係数ν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
インクの常温における値１０ｃｐｓを用いた。そして、
インク導入口１６の直径ｄの値を変化させてレイノルズ
数Ｒｅを求めると、図２に示す実線３２の関係が得られ
た。

【００２３】ここで、前記レイノルズ数Ｒｅはインク導
入口１６の直径ｄ以外にもインクの単位時間の消費量と
インクの動粘性係数νの影響を受ける。しかし、前者は
印字速度および鮮明度を保つために小さくできない、後
者はインク滴の安定噴射、特に不必要なインク小滴いわ
ゆるサテライトの発生防止という面から大幅に増加させ
ることができない。従って、印字速度やインク粘性の変
化に対応して、前記レイノルズ数Ｒｅとインク導入口径
ｄの関係が図２に示す破線３４のように右上方にシフト
することがあっても、最小限の印字速度およびインクの
粘性を用いて算出された実線３２からさらに左下へシフ
トすることはない。

【００２４】図２に示す実線３２の関係を利用してイン
ク導入口１６の直径ｄの下限を求めると、前記噴流の状
態を乱流にならないようにするためには、すなわちレイ
ノルズ数Ｒｅを３０以下にするためには、インク導入口
１６の直径ｄが大きいほどよいが少なくとも０．２ｍｍ
以上にしなければならない。

【００２５】以上説明したように、インク導入口１６の
直径ｄを０．２ｍｍ以上に形成すれば、インク導入口１
６からマニホールド１８に出たインクの流れは層流状態
である。このため、インク導入口１６からマニホールド
１８に流入するインクに生じる全流動損失は上記拡流損
失に等しいので、全流動損失を最小にすることができ、
マニホールド内のインクの流れに乱れが生じない。よっ
て、マニホールド内のインクの圧力は一定であるので、
インク室４内のインクの圧力が一定であり、噴射される
インク滴の体積や飛翔速度が一定である。従って、印字
品質が良好である。また、供給されるべきインク量がイ
ンク室４に供給されるので、噴出されるインク滴の体積
が所定の体積となり印字品質が良好である。

【００２６】尚、本実施例では、インク導入口１６の形
状が円形であったので、レイノルズ数Ｒｅを３０以下と
してインク導入口１６の大きさを求めたが、インク導入
口１６の形状が四角形や楕円等の形状の場合には、実験
をしてインクが乱流にならないレイノルズ数Ｒｅを求め
てインク導入口１６の大きさを求めればよい。

【００２７】前記本実施例のインク噴射装置１では、電
極８に印加する駆動電圧に対してインク室４内に発生す
る圧力の比率が大きく、また、インク室４へ流れるイン
クも安定し、受ける抵抗も小さい。このため、低い駆動
電圧でインク室４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
滴を噴射することができる。このインク噴射装置１を用
いた実験によると、２０〜５０ボルト程度の低い駆動電
圧において、インク液滴は速度が３〜８ｍ／秒、体積が
３０〜９０ｐｌ程度で安定して噴射でき、駆動回路の低
コスト化、小型化ができ、インク噴射装置１全体を低コ
スト化、小型化することができる。

【００２８】次に、マニホールド１８の深さについて説
明する。

【００２９】図３（ａ）に示すように、インクは矢印３
０のようにインクタンクからインク供給チューブ（共に
図示しない）を経て、インク導入口１６に流入し、マニ
ホールド１８によってインク室４に供給される。この
時、マニホールド１８では、図３（ｂ）に示す各矢印３
１のようにインクが流れ、各インク室４に供給される。
インク室４ａ，４ｂはインク導入口１６に直接面してい
るので、インク室４ａ，４ｂ内のインクの圧力は、イン
ク導入口１６から流入されたインクの噴流によって変化
する。

【００３０】図４はインク噴流がインク導入口１６から
出て、インク導入口１６に直接面しているインク室４
ａ，４ｂに流入するときの中心速度の変化を示す。この
図４における横軸はマニホールド１８の深さｈ、縦軸は
噴流の中心速度である。本実施例の実験では、インク導
入口１６の直径ｄの値を３種類用いて、単位時間あたり
の最大インク消費量を２０個のノズルから体積４０ｐｌ
のインク滴が５ｋＨｚの周波数で同時に噴射するとして
実験した。図４の実線３５，３６，３７はそれぞれイン
ク導入口１６の直径ｄが０．７，１．０，１．４ｍｍを
した時の実験結果である。

【００３１】図４から明らかなように、マニホールド１
８の深さｈが０の時、インク導入口１６からインクが出
る時の噴流の中心速度ｕは最も大きい。この時、噴流の
中心速度ｕは、周知の通り、インク導入口１６の直径ｄ
の２乗に反比例した値である。そして、ｈが増大すると
ｕは比較的速く減少するが、ｈが約０．２ｍｍ以上、特
にｈが０．３ｍｍ以上になると、どのｄの場合もｕが十
分減少し、それ以上の減少もほとんどない。尚、インク
導入口１６の直径ｄが０．２ｍｍ以上であれば、図４と
同様の傾向となる。

【００３２】ここで、噴流の流速は単位時間あたりのイ
ンク消費量に比例し、インク消費量は印字パターンによ
って変化するので、インク導入口１６から流入されるイ
ンクの噴流の影響を十分減衰できる程度のマニホールド
１８の深さｈをとらないと、印字パターンによってイン
ク導入口１６に直接面しているインク室４ａ，４ｂ内の
インクの圧力が変化し、安定したインク滴の噴射ができ
ない。

【００３３】以上の説明した結果から、本実施例のイン
ク噴射装置１では、インク導入口１６から流れ込んだイ
ンクを前記各インク室４に分配するマニホールド１８の
深さが０．３ｍｍ以上、少なくとも０．２ｍｍ以上であ
る。

【００３４】このように、本実施例のマニホールド１８
では、深さが０．２ｍｍ以上、好ましくは０．３ｍｍ以
上に形成されているので、各インク室４へ流れるインク
が安定し、かつ均一となる。そのため、電極８に駆動電
圧を印加したときに各インク室４内に発生する圧力が均
一で、文字や画像を形成するのに十分な速度及び均一な
体積のインク滴を噴射することができる。そして、この
インク噴射装置１を用いた実験によると、２０〜５０ボ
ルト程度の駆動電圧において、インク滴は速度が３〜８
ｍ／秒、体積が３０〜９０ｐｌ程度で安定かつ均一に噴
射できる。また、各インク室４へ流れるインクが安定
し、かつ均一であって、駆動回路には特に補正する機能
を備える必要性がなく、駆動回路の簡素化、小型化がで
き、インク噴射装置１の安定化、低コスト化、小型化す
ることができる。

【００３５】次に、マニホールド１８の断面積とインク
室４の全断面積との関係について説明する。

【００３６】図５（ａ）に示すように、インクは矢印３
０のようにインクタンクからインク供給チューブ（共に
図示しない）を経て、インク導入口１６に流入し、マニ
ホールド１８によってインク室４に供給される。この
時、マニホールド１８では、図５（ｂ）に示す各矢印３
１のようにインクが流れ、各インク室４に供給される。

【００３７】ここで、マニホールド１８は図示のように
断面積Ｓ１＝ｗ×ｈを有する長方形の流路である。ま
た、インク室４は各々断面積Ｓ２＝ｂ×Ｈを有する長方
形の流路である。そして、インクがこれらの流路の中を
流れるときは流動抵抗を受ける。この流動抵抗は一般的
に流路の長さに比例して増大し、流路の断面積の減少に
つれて急に増大する。マニホールド１８及びインク室４
のような長方形の断面を持つ場合は、断面の大きさが変
化したときに、縦横比がほぼ一定に保たれていれば、イ
ンクの流路単位長さの受ける流動抵抗がほぼその流路の
断面積の２乗に反比例し、例えば図６に示すようにな
る。但し、長方形の縦と横との長さが極めて大きく異な
るときは、図６のようにはならない。上記マニホールド
１８及びインク室４の断面の縦と横との長さが極めて大
きく異ならないとすると、双方の断面積と流動抵抗との
関係は図６とほぼ同じ傾向を示すことになる。

【００３８】一方、インク供給口１６から流入したイン
クは、図示しないノズルにたどり着くまではマニホール
ド１８とインク室４の両方の流動抵抗を受ける。すなわ
ち、インクの受ける全抵抗はマニホールド１８によるも
のとインク室４によるものとをたし合わせたものにな
る。図５（ｂ）に示したように、例えばインク室４ｃに
流入するインクはインク室４ａに流入するインクより、
マニホールド１８内で流れる距離が長いので、インク室
４ｃに流入するインクはインク室４ａに流入するインク
より大きい流動抵抗を受ける。更に、インク導入口１６
から離れた場所のインク室４まで流れるインクは、更に
大きい流動抵抗を受ける。

【００３９】従って、各インク室４へ流入するインクを
均一化するためには、インク室４の位置によらず流動抵
抗が同じようになるマニホールドを設けるか、マニホー
ルド１８内の流動抵抗がインク室４内の流動抵抗に比べ
て無視できるぐらいの断面積を持つマニホールド１８を
設けれるかである。しかし、前者は一般的にマニホール
ド１８の形状や加工を複雑にするもので非実用的である
ので、ここでは後者について説明する。

【００４０】図７は本実施例におけるインクの全流動抵
抗の変化を示すものであり、横軸にはマニホールド１８
と全インク室４との断面積比Ｓ１／ＳＡをとった。全イ
ンク室４の断面積ＳＡは各々のインク室４の断面積Ｓ２
にインク室４の数をかけたものである。本実施例の実験
では、単位時間あたりの最大インク消費量を５０個のノ
ズルから体積４０ｐｌのインク滴が２．５ｋＨｚの周波
数で同時に噴射するとして算出した。またインクの動粘
性係数ν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の常温における
値１０ｃｐｓを用いた。インク室４の寸法は高さＨ＝４
００μｍ、幅ｂ＝８０μｍ、長さ＝１２ｍｍとした。

【００４１】図７の実線３８はインクの全流動抵抗を示
す曲線であり、水平に引かれている点線３９はマニホー
ルド１８の抵抗がなく、インク室４の抵抗のみを示す線
である。全流動抵抗は前記断面積比Ｓ１／ＳＡが約１の
ところを境に図中左側つまり断面積比が小さくなるにつ
れて急激に増大している。また、図中右側つまり断面積
比が大きくなると、前記全流動抵抗が急に点線３９で示
すインク室４のみの抵抗値に近づく。つまり、断面積比
Ｓ１／ＳＡが１以下になると、マニホールド１８におけ
る流動抵抗が急増し、断面積比Ｓ１／ＳＡが１以上にな
るとマニホールド１８における流動抵抗の割合が急に減
少する。

【００４２】従って、マニホールド１８の流動抵抗を減
少するためには断面積比Ｓ１／ＳＡを１以上にする必要
がある。また、本実施例のような構造を持つインク噴射
装置においては、隣合うインク室４から同時に噴射する
ことはないから、見かけ上のインク室４の断面積が半分
になる。それを考慮にいれても、前記断面積比Ｓ１／Ｓ
Ａを０．５以上にする必要がある。

【００４３】一方、前記断面積比Ｓ１／ＳＡを大きくと
るのは流動抵抗を減少させる意味ではよいことである
が、断面積比Ｓ１／ＳＡが約５以上にするとマニホール
ド１８による流動抵抗がインク室４によるものの１％以
下になるから、ほぼ無視できる。従って、断面積比が約
５以上にしても、インク噴射装置１が大きくなるだけ
で、流動抵抗を減少させる効果がほとんど期待できな
い。インク噴射装置１の小型化やコストの面から、上記
断面積Ｓ１／ＳＡの比が５までが妥当である。

【００４４】尚、本実施例の実験において、インク室４
の寸法は高さＨ＝４００μｍ、幅ｂ＝８０μｍ、長さ＝
１２ｍｍとしたが、インク室４の寸法を変化させた場合
でも、図７の圧力損失を示す曲線３８が横軸を基準に、
図中の破線３８ａ，３８ｂで示すように縦方向に伸縮す
るだけで、上記好適な断面積比Ｓ１／ＳＡは変わらな
い。

【００４５】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置１では、インク導入口１６から流れ込んだインクを前
記各インク室４に分配するマニホールド１８の断面積が
前記インク室４の全断面積の０．５から５倍程度であ
る。

【００４６】このように、マニホールド１８の断面積が
インク室４の全断面積に対して０．５から５倍程度に形
成されているので、供給されるインクがマニホールド１
８によってほぼ均一に各インク室４に分配され、しかも
受けいる抵抗も小さい。このため、インクの導入がスム
ーズで、低い駆動電圧でインク室４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
及び均一な体積のインク滴を噴射することができる。こ
のインク噴射装置を用いた実験によると、２０〜５０ボ
ルト程度の低い駆動電圧において、インク滴は速度が３
〜８ｍ／秒、体積が３０〜９０ｐｌ程度で安定して噴射
でき、駆動回路の簡素化、小型化ができ、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。

【００４７】次に、本実施例のインク室４を構成する溝
３の深さ及びカバープレート１０の厚さについて説明す
る。

【００４８】図８はインク噴射装置１の一部の断面図を
示し、溝３、側壁６、金属電極８及びカバープレート１
０の形状を表す。圧電セラミックスプレート２に形成さ
れた溝３の幅をｂ、溝３の深さをＨとする。こうする
と、上述したように側壁６の上半分に金属電極８が形成
されているので、金属電極８の上端から下端までの長さ
は溝８の深さの半分Ｈ／２となる。また圧電セラミック
スプレート２と同一の材料で作成されたカバープレート
１０の厚さをｋとする。

【００４９】安定した印字に必要とするインク滴の速度
を得るための、インク室４である溝３の深さＨとカバー
プレート１０の厚さｋとの関係を調べた。

【００５０】実験に使用した圧電セラミックスプレート
２は側壁６の幅が８０μｍ、溝３の幅ｂが８０μｍ、深
さＨが０．２ｍｍのものと、溝３の深さＨが０．４，
０．６ｍｍのものとの３種類のであった。圧電セラミッ
クスプレート２及びカバープレート１０の材料にはチタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミックス、金属
電極８には真空蒸着によって形成した厚さ１μｍ程度の
アルミニウム膜、接着剤２０にはエポキシ系接着剤を使
用した。また、カバープレート１０は０．２５，０．
５，１，２ｍｍの４種類の厚さのものを用意して、前記
３種類の溝３の深さＨを持つ基板と組み合わせて計１２
種類のインク噴射装置１を組み立てた。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８に印加する駆動電
圧は４０ボルトである。インクの噴射速度は、駆動電圧
パルスと同期して発光ダイオードを発光させて、インク
滴の静止像を形成し、駆動電圧パルスに対する発光のタ
イミングをずらした場合のインク滴静止像の移動距離か
ら算出した。

【００５１】次に、前記各種のインク噴射装置１を用い
て、インク滴の飛翔速度を測定した。測定結果は図９に
示し、横軸は溝３の深さＨとカバープレートの厚さｋと
の積Ｈ×ｋであり、縦軸はインク滴の飛翔速度である。
図中の実線４０，４２及び４４はそれぞれ溝の深さＨが
０．２，０．４及び０．６ｍｍのインク噴射装置１に対
応する。

【００５２】図９からわかるように、溝３の深さＨが増
大するとインク滴の飛翔速度が増加するが、いずれの場
合もＨ×ｋが約０．２以下になると飛翔速度が急に小さ
くなってしまう。その理由は、図８において、側壁６が
インク噴射の時に破線のように変形すると、カバープレ
ート１０は微少ながら図中の破線で書かれたように変形
するためである。そして、このカバープレート１０の変
形がインク室４の体積に対して大きいほど、インク室４
内の圧力上昇が少なくなり、インク滴の飛翔速度が遅く
なる。インク室４の体積に対するカバープレート１０の
変形を少なくするためには、溝３の深さＨを大きくする
か、またはカバープレート１９の厚さｋを大きくするか
である。すなわちＨ×ｋを大きくすればよい。図９から
わかるように、インク滴の飛翔速度を極端に減少させな
いためにはＨ×ｋを０．２以上にするのが好ましい。

【００５３】尚、本実施例の実験において、側壁６の幅
を８０μｍとしたが、側壁６の幅を変化させた場合で
も、図９と同様の傾向となる。

【００５４】また、本実施例の実験において、溝３の幅
ｂを８０μｍとしたが、溝３の幅ｂが８０μｍ程度であ
れば、図９と同様な傾向となる。

【００５５】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置１では、前記溝３の深さと前記カバープレート１０の
厚さとの積は、０．２（ｍｍ×ｍｍ）以上である。

【００５６】このように、溝３の深さと前記カバープレ
ート１０の厚さとの積が０．２（ｍｍ×ｍｍ）以上であ
るので、側壁６の変形によるカバープレート１０の変形
を可及的に防止される。よって、金属電極８に印加する
駆動電圧に対して、インク室４内に発生する圧力の比率
が大きい。このため、低い駆動電圧でインク室４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滴を噴射することができ
る。このインク噴射装置１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、
駆動回路の低コスト化、小型化ができ、インク噴射装置
１全体を低コスト化、小型化することができる。

【００５７】次に、カバープレート１０の表面粗さがイ
ンク噴射特性にもたらす影響を説明する。

【００５８】図１０（ａ）に示すように、側壁６は、圧
電セラミックスプレート２と一体になっているが、カバ
ープレート１０とは接着剤２０を用いて粘着されてい
る。そして、カバープレート１０の表面が滑らかな場合
は接着剤２０が非常に薄く形成され、その接着部の剛性
が高い。また、カバープレート１０の表面が粗い場合は
図１０（ｂ）に示すように接着剤２０が多量になって、
接着部の剛性が低くくなってしまい、インク噴射の時
に、インク室４内の圧力が十分に上昇できず、所定のイ
ンク滴体積が得られない。

【００５９】ここで、種々の表面粗さのカバープレート
１０を使って噴射されたインク滴の体積を測定した。

【００６０】この実験に用いたインク噴射装置１では、
側壁６の幅Ｗが８０μｍ、側壁６の高さである溝４の深
さＨが４００μｍ、溝３の幅ｂが８０μｍであった。圧
電セラミックスプレート２及びカバープレート１０の材
料にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミッ
クス、金属電極８には真空蒸着によって形成した厚さ１
μｍ程度のアルミニウム膜、接着剤２０にはエポキシ系
接着剤を使用した。そして、カバープレート１０は厚さ
ｋが１ｍｍのものを用いて、側壁６と接着する面の表面
粗さを１から８μｍに変化させた。また、表面粗さ以外
の影響をなくすために、接着剤２０はすべて均一かつ薄
く塗布するように工夫した。インク滴の体積は高精度分
析天秤を用いて所定のインク滴数の重量を測定し、イン
クの密度を使って算出した。

【００６１】図１１から明らかなように、カバープレー
ト１０の表面粗さが３μｍ以下のときインク滴の体積は
最大であり、且つほぼ一定である。これに比べて表面粗
さが約４μｍのときインク滴の体積は１０％程度の低下
が見られ、さらに表面粗さが５μｍ以上になるとインク
滴の体積は２０％以上低下し、インク滴の形成効率が著
しく低下する。

【００６２】尚、上記以外の寸法を持つインク噴射装置
１を用いた噴射実験も実施した。その結果インク滴体積
の絶対量は変わるが、カバープレート１０の表面粗さに
よる変化の様相は図１１に示すものとほとんど変わらな
い。

【００６３】また、接着剤２０にエポキシ系以外、例え
ばフェノール系の接着剤を用いても、図１１と同様の傾
向となる。

【００６４】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置１では、カバープレート１０の表面粗さは、好ましく
は３μｍ以下、少なくとも５μｍ以下である。

【００６５】このように、カバープレート１０の表面粗
さが５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下であるので、金
属電極８に印加した駆動電圧に対してインク室４内に発
生する圧力の比率が大きい。このため、低い駆動電圧で
インク室４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滴を噴
射することができる。このインク噴射装置１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
滴の速度は３〜８ｍ／秒、体積はインク室４の長さにも
よるが、３０〜９０ｐｌ程度とすることができ、駆動回
路の低コスト化、小型化ができ、インク噴射装置１全体
を低コスト化、小型化することができる。

【００６６】次に、圧電セラミックスプレート２とカバ
ープレート１０との材質の違いによる影響を説明する。

【００６７】図１２（ａ）に示すように、インク噴射装
置１の圧電セラミックスプレート２には、インク室４を
構成する溝３が複数形成されると共に、それら溝３を隔
てる側壁６が形成されている。その溝３は幅ｂが８０μ
ｍ，深さＨが４００μｍであり、側壁６は幅Ｗが８０μ
ｍである。そして、側壁６の上面とカバープレート１０
とが接着剤２０によって接着されている。その接着剤２
０には加熱硬化性接着剤、例えばエポキシ系接着剤が用
いられている。そして、接着剤２０は約１６０℃まで加
熱されて硬化されている。なお、カバープレートの厚さ
は１ｍｍである。

【００６８】このようなインク噴射装置１の圧電セラミ
ックスプレート２及びカバープレート１０は必ずしも同
一の素材とは限らないから、素材の線膨張係数が異なる
場合では、接着剤２０が硬化して温度を常温に戻したと
きに両者の変形は不均一になる。そのため約１６０℃で
図１２（ａ）で示すように各側壁６がお互い平行になる
ように接着しても、常温になると図１２（ｂ）のように
側壁６が変形し、側壁６及び接着剤２０の内部に残留応
力が生じ、特に接着部の強度が落ちる。

【００６９】そして、前記内部残留応力の大きさは、線
膨張係数の相異だけでなく、一般的に素材の弾性率（ヤ
ング率）にも左右されるが、本実施例のインク噴射装置
１では側壁６に比べカバープレート１０が十分厚いの
で、カバープレート１０の材質の違いによるヤング率の
変化の影響がほぼ無視できる。

【００７０】ここで、インク噴射装置１の寿命に対する
上記の現象の影響を調べる。線膨張係数がそれぞれ１，
２，４ｐｐｍ／℃の３種類のチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）系の素材をそれぞれ用いて、線膨張係数の異なる
３種類の圧電セラミックスプレート２を形成した。ま
た、上記圧電セラミックスプレート２と同一の素材のカ
バープレート１０を形成した。更に、マグネシア（Ｍｇ
Ｏ）、ジルコニア（ＺrＯ₂）、アルミナ（ＡＬ₂Ｏ₃）の
３種類の材質のカバープレート１０を形成した。従っ
て、線膨張係数の異なる６種類のカバープレート１０を
形成した。

【００７１】前記の各種の圧電セラミックスプレート２
及びカバープレート１０を用いて、種々のインク噴射装
置１を構成した。そして、それらインク噴射装置１に電
圧レベルが４０ボルトの駆動パルスを８ｋＨｚの周波数
で印加し続けた。この時、インク噴射装置１の噴射機能
が低下して、インク滴が形成できなくなるまで印加した
駆動パルスの回数を測定した。

【００７２】測定結果は図１３に示すように、圧電セラ
ミックスプレート２とカバープレート１０の線膨張係数
の差が６．０ｐｐｍ／℃以下の場合はインク噴射装置１
の寿命は３０億回以上あるのに対して、前記線膨張係数
の差が８．５ｐｐｍ／℃になると、寿命は２０億回に減
少してしまう。そして、線膨張係数の差がさらに大きく
なると、寿命はより著しく減少することがわかる。

【００７３】尚、接着剤２０にエポキシ系を用いたが、
加熱硬化性接着剤であれば、例えばフェノール系であっ
ても、図１３と同様な傾向となる。

【００７４】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置１では、圧電セラミックスプレート２とカバープレー
ト１９との線膨張係数の差は８．５ｐｐｍ／℃以下、好
ましくは６．０ｐｐｍ／℃以下である。

【００７５】このように、圧電セラミックスプレート２
とカバープレート１９との線膨張係数の差が８．５ｐｐ
ｍ／℃以下、好ましくは６．０ｐｐｍ／℃以下のインク
噴射装置１では、実用上十分多い３０億回、少なくとも
約２０億回の噴射寿命であるので、文字キャラクタの印
刷にだけでなく、インクの噴射回数が飛躍的に多く必要
とするグラフィックスの印刷にも十分対応できる。従っ
て、インク噴射装置１の交換回数が減少して、印刷装置
の信頼性が高い。

【００７６】次に、インク室４とマニホールド１８との
相対位置について説明する。

【００７７】図１４はインク噴射装置の側面からみた時
の断面である。インクは矢印３０のようにインクタンク
からインク供給チューブ（共に図示しない）を経て、イ
ンク導入口１６に流入し、マニホールド１８によって各
インク室４に振り分けられる。実験に使用したインク噴
射装置１では、圧電セラミックスプレート２及びカバー
プレート１０の材料には共にチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）系圧電セラミックスを用いた。インク室４の全長
Ｌは１７ｍｍで、マニホールド１８とインク室４との相
対位置の変化によるインク滴の体積変化を調べるため
に、図中のマニホールド１８の前部側面とインク室４の
後部端面と相対位置ｘの値が異なるものを用意した。な
お、マニホールド１８の深さｈはすべて０．５ｍｍと
し、その幅ｗはすべて５ｍｍとした。インク滴の体積は
高精度分析天秤を用いて所定のインク滴数を噴射してそ
の重量を測定し、インクの密度を使って算出した。

【００７８】次に、前記マニホールド１８とインク室４
との相対位置が異なる複数のインク噴射装置１を用い
て、そのインク噴射装置１が噴射するインク滴の体積を
測定した。測定結果は図１５に示し、横軸はマニホール
ド１８とインク室４との相対位置ｘをとり、縦軸はイン
ク滴の体積をとった。図１５からわかるように、ｘが１
ｍｍから６ｍｍの間はインク滴の体積が最大の６０ｐｌ
に達し、ほぼ一定である。

【００７９】また、ｘが１ｍｍ以下になるとインク滴の
体積が急に減少し、ｘが約０．２ｍｍでインクが噴射不
能になってしまう。これはｘ＝１でマニホールド１８と
インク室４の重なるところが１ｍｍしかなく、ｘをさら
に小さくにすると、インクが急にインク室４内に流れ難
くなるからである。

【００８０】一方、ｘが６ｍｍ以上にすると、それほど
急ではないが、インク滴の体積が減少していく。これは
ｘが大きくなると、マニホールド１８がノズルプレート
１４に近づき、マニホールド１８前部側面とノズルプレ
ート１４との距離ｙが短くなる。つまり、インク室４内
の圧力を上昇させてインク滴を噴射させるとき、インク
をノズル１２から押し出すと同時に、マニホールド１８
からもインク導入口１６へインクが逆流し、マニホール
ド１８付近の圧力が急減小して、負の圧力波が発生す
る。この負の圧力波がノズル１２に到達すると、ノズル
１２からのインク流出は停止するが、ｙが短いほど上記
負の圧力波がノズル１２に到達する時間が短くなる。こ
のため、インクの流出が速く停止し、結果としてインク
滴の体積が減少する。

【００８１】図１５からｘが約１１ｍｍ（ｙ＝Ｌ−ｘ＝
６ｍｍ）でインク滴の体積が約半分の３０ｐｌになり、
さらにｘ＝１４ｍｍ以上（ｙ＝３ｍｍ以下）にすると、
インク滴の噴射ができなくなる。従って、インク滴の体
積が印加する駆動パルスを調整することで多少調整でき
ることを考慮にいれても、マニホールド１８とインク室
４との相対位置はｘが０．２ｍｍ以上、且つｙが３ｍｍ
以上、好ましくはｙが６ｍｍ以上にする必要がある。

【００８２】尚、マニホールド１８の深さｈが０．５ｍ
ｍ、幅ｗが５ｍｍであったが、マニホールド１８の寸法
を変化させても図１５と同様の傾向を示す。

【００８３】また、インク室４の全長Ｌが１７ｍｍ以外
であっても、図１５と同様の傾向を示す。

【００８４】以上の結果から、本実施例のインク噴射装
置１では、前記カバープレート１０に形成されるマニホ
ールド１８の位置は、その前部側面とインク室４の後部
端面との距離が０．２ｍｍ以上、かつノズルプレート１
４との距離が６ｍｍ以上、少なくとも３ｍｍ以上の範囲
である。

【００８５】このように、マニホールド１８の前部側面
とインク室４の後部端面との距離が０．２ｍｍ以上、か
つマニホールド１８の前部側面とノズルプレート１４と
の距離が６ｍｍ以上、少なくとも３ｍｍ以上であるの
で、効率よくインク滴の噴射ができ、且つインクの補充
がスムーズにできて、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滴を噴射することができる。この
インク噴射装置１によると、２０〜５０ボルト程度の低
い駆動電圧において、インク滴の速度は３〜８ｍ／秒、
体積は３０〜９０ｐｌ程度とすることができ、低電圧駆
動による駆動回路の低コスト化、小型化ができ、インク
噴射装置１全体を低コスト化、小型化することができ
る。

【００８６】尚、本発明は以上詳述した実施例に限定さ
れるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲の変更は
可能である。

【００８７】本実施例では、圧電セラミックスである側
壁６のせん断モードによる変形によって、インク室４内
のインクを噴射していたが、上述したカイザー型やサー
マルジェット型等の噴射方式であってもよい。

【００８８】

【発明の効果】本発明のインク噴射装置によれば、イン
ク噴射時のカバープレートの変形が可及的に防止されて
いるので、カバープレートによるインク室体積の変化が
インク室体積に比べ充分小さい。よって、カバープレー
トの変形によるインク室内の圧力上昇に対する影響が無
視でき、所定の圧力が得られ、噴射されたインク滴の体
積や飛翔速度に対する影響もほとんどない。従って、噴
射効率が良く、印字品質が良好である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例のインク噴射装置を
示す断面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であ
る。

【図２】前記実施例のインク導入口の直径とレイノルズ
数との関係線図である。

【図３】（ａ）は前記実施例のインク噴射装置を示す断
面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図４】前記実施例のマニホールドと噴流中心流速との
関係線図である。

【図５】（ａ）は前記実施例のインク噴射装置を示す断
面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図６】流路断面積と圧力損失との関係線図である。

【図７】前記実施例のマニホールドとインク室の断面積
との比と、圧力損失との関係線図である。

【図８】前記実施例のインク噴射装置を示す断面図であ
る。

【図９】前記実施例のインク室とカバープレートの厚さ
との積と、液滴速度との関係線図である。

【図１０】（ａ）は前記実施例のカバープレートの表面
が滑らかなインク噴射装置を示す断面図である。（ｂ）
は前記実施例のカバープレートの表面が粗いインク噴射
装置を示す断面図である。

【図１１】前記実施例のカバープレートの表面粗さとイ
ンク滴体積との関係線図である。

【図１２】（ａ）は前記実施例の接着剤を加熱させて硬
化させたときのインク噴射装置を示す断面図である。
（ｂ）は前記実施例の常温時のインク噴射装置を示す断
面図である。

【図１３】前記実施例のインク噴射装置の耐久試験の結
果を示す説明図である。

【図１４】前記実施例のインク噴射装置を示す断面図で
ある。

【図１５】前記実施例のマニホールドの位置とインク滴
体積との関係線図である。

【図１６】従来技術のせん断モード型インク噴射装置を
示す斜視図である。

【図１７】従来技術の制御部を示す説明図である。

【図１８】従来技術のせん断モード型インク噴射装置を
示す断面図である。

【図１９】従来技術のせん断モード型インク噴射装置の
動作を示す説明図である。

【符号の説明】

２圧電セラミックスプレート４インク室６側壁１０カバープレート１６インク導入口１８マニホールド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子に形成され、深さＨである複数
の溝と、インク室を形成するために前記溝の開口部を被
覆する厚さｋのカバープレートと、前記カバープレート
に形成され、インク供給源からインクを導入するインク
導入口と、前記インク導入口に連通され、前記導入され
たインクを前記複数のインク室に充填するマニホールド
とを有し、前記各インク室の側壁を変形させることによ
って、前記インク室内のインクを噴射するインク噴射装
置において、前記カバープレートの厚さが、前記溝の深さと前記カバ
ープレートの厚さとの積Ｈ×ｋが０．２（ｍｍ×ｍｍ）
以上を満たして、可及的にカバープレートの変形を防ぐ
ことを特徴とするインク噴射装置。