JPH06238887A - インク噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 駆動回路系の製造コストが低く、絶縁対策コ
ストの低いインク噴射装置を提供すること。 【構成】 圧電セラミックスからなる側壁の一部に形成
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による変形を用いて、前記側壁に
隣接する溝の内部の容積を変化させることにより、該溝
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、圧電セラミックスからなる側壁の高さＨと幅Ｗ
の比Ｈ／Ｗが２以上９以下であり、かつ圧電セラミック
スの圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ
₁₅／Ｓ^E ₄₄が１０以上であるため、インクを噴射するた
めの駆動電圧が低減され、駆動回路の小型化が実現で
き、インク噴射装置および電源回りの絶縁も安価となる
ため、製造コストの低いインク噴射装置を提供できるの
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、特に圧電セラミックスからなる側壁の形状及び圧電
特性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（インク流
路）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
うなインク噴射機構を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噴射機構からインク液滴
を噴射させることにより、噴射装置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７、図８、図９及び図１０
にそれら従来例の概略図を示す。

【０００４】以下、インク噴射装置の断面図を示す図７
によって、従来例の構成を具体的に説明する。複数の側
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、横
方向に互いに間隔を有する複数のインク液室１２が構成
される。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。全てのインク液室内には、インクが充
填される。

【０００５】次に、インク噴射装置の断面図を示す図８
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に徐々
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１
４ｃ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１
２ｂの外部方向にに変形する。この変形によってインク
液室１２ｂの容積が増大してインク圧力が減少し、イン
ク供給口２１（図９）からマニホールド２２（図９）を
通してインク液室１２ｂ内にインクが供給される。ま
た、駆動電圧の印加を急激に停止すると、側壁１１ｂ及
び１１ｃが変形前の位置に急速に戻るためインク液室１
２ｂ内のインク圧力が急激に増大し、圧力波が発生し
て、インク液室１２ｂに連通するノズル３２（図９）か
らインク液滴が噴射される。

【０００６】次に、インク噴射装置の斜視図を示す図９
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を構成する平行な溝１２を
作製する。溝１２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１５に近づく
につれて徐々に浅くなり、端面１５付近では浅く平行な
溝１６である。この溝１２及び溝１６の内面には、前記
の金属電極１３をスパッタリング等によって形成する。
溝１２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、溝１６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。

【０００７】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を作製
する。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、各々の溝が前記の形状のイ
ンク液室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の端面に、各イ
ンク液室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、溝１６の底面の金属電極と導電層のパターン４
２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１０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、上述し
たような従来のインク噴射装置において、噴射特性と圧
電セラミックス材料の特性値との関係が明確化されてお
らず、製造担当者の経験に頼って材料の選択をしていた
ため、結果として駆動条件とのマッチングの悪い圧電セ
ラミックス材料を選択し、駆動電圧が高すぎて駆動回路
系が大きくなったり、絶縁対策のためのコストが増加す
るという問題がよくみられた。

【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、駆動回路系の製造コストが低
く、絶縁対策コストの低い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、圧電セラミックスからな
る側壁の高さＨと幅Ｗの比Ｈ／Ｗが２以上９以下であ
り、かつ圧電セラミックスの圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプ
ライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄が１０以上、より好ま
しくは１２以上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、圧電セラミックスからなる側壁の高さＨと幅Ｗ
の比Ｈ／Ｗが２以上９以下であり、かつ圧電セラミック
スの圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ
₁₅／Ｓ^E ₄₄が１０以上であるため、側壁の単位駆動電圧
あたりの駆動発生力が大となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して詳細に説明する。なお都合上、従来例と同一部
位、及び均等部位には同一符合をつけて説明する。

【００１４】まず、本実施例のインク噴射装置の断面図
を図１に示す。高さＨが０．４ｍｍで幅Ｗが０．１ｍｍ
の高さＨと幅Ｗの比Ｈ／Ｗが４である複数の側壁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、横方向に互
いに間隔を有する複数のインク液室１２が構成される。
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。全てのインク液室内には、ＴＰＭ（トリプロピ
レングリコールモノメチルエーテル）をベースとした顔
料系インクが充填される。

【００１５】ところで、側壁１１の高さと幅の比Ｈ／Ｗ
を、本実施例においては４としたが、この値とインク液
室内に発生する圧力Ｐとの間には何らかの関係が存在す
ると思われるため、種々の側壁の高さと幅の比Ｈ／Ｗ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Ｐを測
定した。製作したインク噴射装置の側壁１１の幅Ｗは
０．０４ｍｍから０．１２ｍｍ、高さは０．１ｍｍから
０．６ｍｍの範囲であり、また金属電極１３の長さは側
壁１１の高さＨのほぼ１／２であり、印加される駆動電
圧は４０Ｖ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／Ｗ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／Ｗ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／Ｗ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／Ｗ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
置においては、溝を隔てる側壁の高さＨと側壁の幅Ｗの
比Ｈ／Ｗ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以下の範囲とすることで、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
きることがわかった。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〜
５０Ｖ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。従っ
て、本実施例においては比Ｈ／Ｗを４とした。

【００１９】次に、前記圧電セラミックスプレート１と
して、平均結晶粒径が５μｍで空孔率が３％であり、圧
電定数ｄ₁₅と弾性コンプライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ₁₅／Ｓ^E
₄₄が異なる７種の組成のチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電
セラミックスを用いた実験用サンプルを作製した。図３
に、実際に作製した７種の圧電セラミックス材料の比ｄ
₁₅／Ｓ^E ₄₄と、図１０に示した従来例と同様の駆動回路
を用いて噴射速度が印字品質に問題が無い５（ｍ／ｓ）
であるインクの噴射するのに必要な駆動電圧の測定結果
を示す。

【００２０】図３から明かなように、圧電セラミックス
材料の圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプライアンスＳ^E ₄₄の比
ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄とインク噴射のための駆動電圧とは相関関
係があり、ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄が大きいほど前記駆動電圧を低
くできることが分かる。そして、駆動電圧を低減させる
ほど駆動電源回路のコストを低減できる。具体的には、
駆動電圧が６０Ｖ以下であればモノリシックＩＣ化が容
易となり、さらに駆動電圧が４８Ｖ以下であれば安全規
格ＵＬによる絶縁のための特別な保護が必要なくなるの
である。そのために、本実施例においては、ｄ₁₅／Ｓ^E
₄₄が１０以上、より好ましくは１２以上となるような組
成の圧電セラミックスによりインク噴射装置を構成し
た。

【００２１】尚、この測定を前記比Ｈ／Ｗが２であるイ
ンク噴射装置と９であるインク噴射装置の両者について
も行ったが、上記とほぼ同様の傾向の測定結果が得られ
た。従って、比Ｈ／Ｗが２以上９以下の構成のインク噴
射装置のいずれについても、駆動電圧を低減させるに
は、ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄が１０以上、より好ましくは１２以上
となるような組成の圧電セラミックス材料を用いること
が好ましいと言える。

【００２２】また、印字品質に影響を与えることの一因
として、側壁を構成する圧電セラミックス材料によって
特性がばらつき、噴射速度が各噴射機構間で異なること
があげられる。一般に各噴射機構間でインクの噴射速度
を±０．５（ｍ／ｓ）以内とすれば印字品質に問題がな
いとされている。しかしながら、噴射速度のばらつきが
±０．５（ｍ／ｓ）を越えるような場合には、各噴射機
構に印加する駆動電圧をそれぞれ調整することにより、
該噴射速度のばらつきを均一化しなければならない。そ
こで、上述したｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄が異なる７種の圧電セラミ
ックス材料を用い、駆動電圧を６０Ｖに固定したときの
インクの噴射速度を測定した。その測定結果を図４に示
す。

【００２３】図４の測定結果によれば、駆動電圧を一定
にしたときにインク噴射速度のばらつきを±０．５（ｍ
／ｓ）以内とするためには、図４のグラフの傾き（約
０．２５ｍ²Ｖ／ｓＮ）より圧電セラミックス材料の圧
電定数ｄ₁₅と弾性コンプライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ₁₅／Ｓ^E
₄₄のばらつきを４以内にすることが望ましいことがわか
った。

【００２４】従って、本実施例においては、比ｄ₁₅／Ｓ
^E ₄₄のばらつきが４以内となるような圧電セラミックス
によりインク噴射装置を構成した。

【００２５】さらにインク噴射装置の信頼性に対して、
前記圧電セラミックスの強度が大きな影響を与えている
ことが以下の測定により分かった。ある組成の圧電セラ
ミックス材料粉末の成形体に対し１０００℃程度の低温
でかつ９００ｋｇ／ｍｍ²高圧力下にてホットプレス処
理をし、平均結晶粒径が１μｍ以下のセラミックスを用
意し、その後の熱処理温度、処理時間を変えて１μｍ以
下から１５μｍの平均結晶粒径を有し、かつ空孔率が２
％以下の圧電セラミックス材料を得て、該圧電セラミッ
クス材料の抗折強度の測定結果、およびこの圧電セラミ
ックス材料にて作製したインク噴射装置の耐久駆動実験
の結果を図５に示す。上記した手法および前記圧電セラ
ミックス材料粉末の成形体の樹脂バインダ量を変えるこ
とにより、空孔率が１〜２０％、かつ平均結晶粒径が３
〜４μｍの圧電セラミックス材料を得て、該圧電セラミ
ックス材料の抗折強度、およびこの圧電セラミックス材
料にて作製したインク噴射装置の耐久駆動実験の結果を
図６に示す。尚、空孔率が１５％を越える材料では、分
極処理ができず圧電セラミックス材料の特性を示さなか
った。

【００２６】図５及び図６から明らかなように、抗折強
度が９００（kgf/cm²）を越える前記圧電セラミックス
材料では１０億回連続駆動しても破壊することがなく、
インク噴射装置としての信頼性が高い。さらに抗折強度
が１０５０（kgf/cm²）を越える前記圧電セラミックス
材料では３０億回連続駆動でも破壊することがなくイン
ク噴射装置としての信頼性は十分である。このように前
記圧電セラミックス材料の強度がインク噴射装置の信頼
性に大きく影響しているが、信頼性の高いインク噴射装
置を作製するためには抗折強度が９００（kgf/cm²）を
越える材料が望ましく、すなわち平均結晶粒径が１０μ
ｍ以下（図５参照）で、空孔率が１０％以内（図６参
照）であることが望ましい。

【００２７】従って、本実施例においては、平均結晶粒
径が１０μｍ以下で、かつ空孔率が１０％以内となるよ
うな圧電セラミックス材料により、抗折強度が９００
（kgf/cm²）を越えるインク噴射装置を構成した。

【００２８】上記の構成により、噴射速度が５（ｍ／
ｓ）のインクを噴射するのに必要な駆動電圧を６０Ｖ以
下に低減させることが可能であり、さらに印字品質が良
好であり、１０億回連続駆動しても破壊することがない
耐久性の高いインク噴射装置を実現することが出来た。

【００２９】

【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、圧電セラミックスから
なる側壁の高さＨと幅Ｗの比Ｈ／Ｗが２以上９以下であ
り、かつ圧電セラミックスの圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプ
ライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄が１０以上であるた
め、インクを噴射するための駆動電圧が低減され、駆動
回路の小型化が実現でき、インク噴射装置および電源回
りの絶縁も安価となるため、製造コストの低いインク噴
射装置を提供できる。

【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／Ｗとインク液室内の圧
力Ｐとの関係を示す図である。

【図３】圧電セラミックスの圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプ
ライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄とインク噴射の駆動電
圧との関係を示す図である。

【図４】ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄とインクの噴射速度との関係を示
す図である。

【図５】圧電セラミックスの平均結晶粒径と抗折強度と
耐久試験結果との関係を示す図である。

【図６】圧電セラミックスの空孔率と抗折強度と耐久試
験結果との関係を示す図である。

【図７】従来例におけるインク噴射装置の一部の断面図
である。

【図８】上記インク噴射装置の動作を説明する断面図で
ある。

【図９】上記インク噴射装置の構成、製造法を説明する
斜視図である。

【図１０】上記インク噴射装置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（圧電セラミックスプレート） １１ 側壁 １２ インク液室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックスからなる側壁の一部に
   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による変形を用いて、前記側
   壁に隣接する溝の内部の容積を変化させることにより、
   該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、 前記圧電セラミックスからなる側壁の高さＨと幅Ｗの比
   Ｈ／Ｗが２以上９以下であり、かつ圧電セラミックスの
   圧電定数ｄ₁₅と弾性コンプライアンスＳ^E ₄₄の比ｄ₁₅／
   Ｓ^E ₄₄が１０以上であることを特徴とするインク噴射装
   置。
2. 【請求項２】 前記比ｄ₁₅／Ｓ^E ₄₄が１２以上である請
   求項１記載のインク噴射装置。