JPH06305136A - インクジェットプリンターの印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子材料からなる隔壁の変形の応答を速
くして、圧力の応答性を速くして信頼性が高く、印字精
度の良好なインクジェットプリンターの印字ヘッドを提
供する。 【構成】 溝に形成する電極の誘電損失を１０ｋＨｚの
正弦波で測定したときの損失値が０．１以下であること
を特徴とする。 【効果】 圧力室に充填されたインクの駆動時の圧力の
応答性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクジェットプリンタ
ーに関し、さらに詳しくは圧電式のインクジェットプリ
ンターの印字ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術における圧電式のインクジェッ
トプリンターの印字ヘッドとしては、圧電素子のバイモ
ルフによるたわみを利用してインクを充填した圧力室の
壁を変形させ、圧力室内の圧力上昇によりインクを突出
させるカイザー方式と言われるものが、たとえば特公昭
５７−２０９０４号公報に記載されている。

【０００３】またさらに圧電素子のせん断モードによる
変形を利用して、インクを充填したチャンネル状の圧力
室の隔壁を変形させ、この隔壁の変形を利用して圧力室
の圧力上昇によって、インクを突出させるせん断モード
方式が、たとえば特開昭６３−２４７０５１号公報に記
載されている。

【０００４】さらに圧電素子の厚さ方向の寸法変化によ
る変形を利用してインクを充填した圧力室の容積を変化
させ、この容積変化による圧力室の圧力上昇によりイン
クを突出させる、厚さ縦変形モード方式が、たとえば特
開平４−１７６６５４号公報に記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のカイザイー方式
やせん断モード方式や厚さ縦変形モード方式のどの方式
においても、吐出特性のばらつきの低減は、インクジェ
ットプリンターの信頼性の向上や、印字パターンの分解
能の向上のために要求されるところである。

【０００６】一方、高精度化が進むために、インクジェ
ットプリンターの構造自体が精細になり、圧電素子の駆
動のための電極形成方法として、真空蒸着法や、スパッ
タリング法などが用いられるようになっている。

【０００７】しかしながら、真空蒸着法により形成した
印字ヘッドの溝内部の電極薄膜は、一般に抵抗値が大き
い。したがって、抵抗値が大きい電極と静電容量の大き
い圧電体とは、図４に示すような分布定数回路を構成し
てしまう。

【０００８】このため、印加電圧に対する圧電素子の隔
壁の応答は、時定数ＲＣで評価される時間遅れが生じる
ことになる。

【０００９】その結果、最も噴射孔に近い付近の隔壁が
ゆっくりと変位することになり、発生圧力の立ち上がり
が遅く、インク吐出力が低下することが問題となってい
る。

【００１０】本発明の目的は、上記課題を解決して、圧
電素子からなる隔壁の変形の応答性を速くして、信頼性
が高く、印字精度の良好なインクジェットプリンターの
印字ヘッドを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のインクジェットプリンターの印字ヘッド
は、下記記載の手段を採用する。

【００１２】本発明のインクジェットプリンターの印字
ヘッドは、圧電素子材料からなる基板と、基板に形成す
る溝の内面に電極を設け、溝間の隔壁を変形させて圧力
を加える圧力室と、圧力室の一端に設けるノズル板と、
圧力室にインクを供給するインク供給手段とを有するイ
ンクジェトプリンターの印字ヘッドにあって、溝に設け
る電極の誘電損失を周波数が１０ｋＨｚの正弦波で測定
したときの誘電損失の値が０．１以下であることを特徴
とする。

【００１３】

【作用】本発明のインクジェトプリンターの印字ヘッド
は、溝に設ける電極の誘電損失を周波数が１０ｋＨｚの
正弦波で測定したときの誘電損失の値が０．１以下とし
ている。このため圧電素子材料からなる隔壁の変形の応
答性が速くなるので、発生圧力が大きくなり、圧力の応
答性も速くなり信頼性の向上と、印字精度の向上を図る
ことが可能となり、高速印字に適する印字ヘッドが得ら
れる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。本実施例は圧電素子のせん断モードによる変形を
利用して圧力室の隔壁を変形させるせん断モード方式の
印字ヘッドに適用される。まず、本発明の実施例のイン
クジェットプリンターの印字ヘッドの構造を説明する。
図２は本発明の実施例におけるインクジェットプリンタ
ーの印字ヘッドの圧力室の長手方向に垂直な断面の断面
図を示し、図３は本発明の実施例におけるインクジェッ
トプリンターの印字ヘッドを示す斜視図である。以下図
２と図３とを交互に用いて説明する。

【００１５】圧電素子材料からなる基板１に、複数の圧
力室９１、９２、９３を構成する溝３１、３２、３３
と、隔壁５１、５２、５３とを設ける。

【００１６】この隔壁５１、５２、５３の上端面には、
弾性部材９を介して蓋６を設ける。隔壁５１、５２、５
３は、図２に示す矢印７１の方向に分極されている。

【００１７】溝３１、３２、３３の内面には、それぞれ
電極４１、４２、４３を設ける。

【００１８】圧力室９１、９２、９３を構成する溝３
１、３２、３３の一方の端部を連結して、図３に示すよ
うにインクを供給するためのインク供給手段として共通
溝８１を形成する。そして共通溝８１はジョイント８２
を介して、外部より圧力室にインクを供給する。

【００１９】圧力室の溝３１、３２、３３の共通溝８１
と反対側の端部は、開口している。そしてこの溝３１、
３２、３３の開口部を塞ぐように、基板１の端面にノズ
ル板６０を取り付ける。

【００２０】このノズル板６０には、溝３１、３２、３
３に対応して、噴射孔６１、６２、６３をそれぞれ設け
ている。

【００２１】つぎに以上の構成に基づくインクジェット
プリンターの印字ヘッドの動作を、図２（ａ）と図２
（ｂ）とを用いて説明する。

【００２２】図２（ａ）は電極４１、４２、４３に電圧
が印加される前の状態を示す断面図である。いま電極４
１と４２とに正の電圧を印加すると、隔壁５１と５２と
は、それぞれ図２（ｂ）に示すように、紙面に平行な面
において時計方向と反時計方向のせん断モードによる変
形を起こす。

【００２３】この結果、溝３２により構成される圧力室
９２の容積は減少し、圧力室９２内に充填されたインク
の圧力が高まり、ノズル板６０に設けられた噴射孔６２
よりインクを噴射する。

【００２４】本実施例では溝３１、３２、３３のピッチ
寸法が、１２０ＤＰＩの高精細な分解能を持つ構造にな
っている。

【００２５】したがって、溝３１、３２、３３の構造自
体が高精細になっているので、電極４１、４２、４３と
しては電気抵抗の小さい、安定な金（Ａｕ）の薄膜をス
パッタリング法を用いて形成した。

【００２６】それでも、電極４１、４２、４３は、有る
程度の電気抵抗を持つため、正の電圧を印加すると、隔
壁５１と隔壁５２とは、それぞれ図２（ｂ）に示す位置
まで変形するのに、回路の時定数ＲＣで定まる時間だけ
要する。

【００２７】このため、流体に発生する圧力の初期的な
逃げが大きく、吐出圧力の減少や、吐出能力のチャンネ
ル毎のばらつきが発生する。そこで、電極４１、４２、
４３の最適な抵抗値を決めることが必要となる。

【００２８】電極４１、４２、４３の抵抗値と、静電容
量値は分布定数回路となっているため、時定数ＲＣを決
める電気抵抗Ｒは外部からは測定できない。

【００２９】本発明では誘電損失Ｄと電気抵抗Ｒと静電
容量Ｃとの間には、Ｄ＝２πｆＣＲという関係があるこ
とを用いて、誘電損失Ｄが電極に印加される実効電圧の
立ち上がりと考えられる時定数ＲＣを表したものと等価
であることに注目し、誘電損失Ｄを測定することによ
り、時定数を評価することとした。

【００３０】電極の膜厚の異なる複数の印字ヘッドを作
製し、標準的なＬＣＲメータを用いて誘電損失を測定
し、さらにインクの吐出速度を測定した。

【００３１】その結果、図１に示すように、誘電損失Ｄ
の測定値が０．１以下の印字ヘッドでは駆動時の吐出特
性がほとんど変化しない。これに対して、誘電損失Ｄの
測定値が０．１を越えると、急に吐出特性がばらつき、
しかも全体的にも吐出速度が低下するようになった。

【００３２】なお実際の駆動信号の主成分が周波数１０
ｋＨｚであるため、誘電損失Ｄの測定には、周波数１０
ｋＨｚのテスト信号を用いた。

【００３３】誘電損失の測定値が０．１ということは、
時定数ＲＣ＝１．７マイクロ秒であり、印加電圧のパル
ス幅２０〜３０マイクロ秒に対して１０％程度となり、
影響が現れ始める時間であることが分かった。

【００３４】さらに、時定数ＲＣから実効的な電気抵抗
Ｒを求めると、約２ｋΩであった。金（Ａｕ）の抵抗率
０．０２１Ω・ｃｍから膜厚換算すると、電極の膜厚と
しては０．１μｍとなり、下地の粗さの影響や、膜形成
条件の影響が現れ始める膜厚であることが分かった。

【００３５】したがって、電極の膜厚としては誘電損失
Ｄを０．１以下に抑える程度の膜厚で形成する。

【００３６】誘電損失Ｄの限界値は、溝の長さや、溝の
深さなどの形状パラメタには依存しない。なぜならば、
吐出特性は主に初期発生圧力で決まり、この初期発生圧
力は実際に電極に印加される電圧の時間応答に依存す
る。

【００３７】したがって、電極に印加する電圧パルスの
立ち上がりに時間を要すると、実効的な圧力が低下す
る。

【００３８】電圧パルスの立ち上がり時間は、溝の長さ
や、溝の深さなどの形状パラメタが変化しても、誘電損
失によって決まる。したがって、誘電損失の限界値０．
１が実際的な意味を持つことは明白である。

【００３９】以上のことより、誘電損失Ｄの値を０．１
以下に抑えることで、最適な特性が得られることが分か
る。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば圧電式のインクジェットプリンターにおいて、駆
動電圧や駆動手段の諸元を変えることなく、そしてこれ
らの駆動電圧や駆動手段の諸元とは独立して、圧力室に
充填されたインクの駆動時の圧力の応答性を従来より高
めることができる。またさらに、インクの出入りの応答
性を上げることができる。

【００４１】したがって本発明によれば、従来この種の
インクジェットプリンターの課題とされてきたインクの
吐出不良の発生を防止し、さらに駆動電源の電圧の低下
を抑え、印字パタンの分解能を上げるための噴射手段の
問題点を解決することができようになり、さらにまた、
より高速な印字が可能となる効果を備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で得られたインクジェットプリ
ンターの印字ヘッドの誘電損失に対する吐出速度の関係
を示すグラフである。

【図２】本発明の実施例におけるインクジェットプリン
ターの印字ヘッドの圧力室の長手方向に垂直な断面を示
す断面図である。

【図３】本発明の実施例におけるインクジェットプリン
ターの印字ヘッドを示す斜視図である。

【図４】本発明の原理を示す駆動電極と圧電体とからな
る分布定数回路を示す回路図である。

【符号の説明】

１ 基板 ６ 蓋 ９ 弾性部材 ３１ 溝 ３２ 溝 ３３ 溝 ４１ 電極 ４２ 電極 ４３ 電極 ５１ 隔壁 ５２ 隔壁 ５３ 隔壁 ６０ ノズル板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子材料からなる基板と、基板に形
   成する溝の内面に電極を設け、溝間の隔壁を変形させて
   圧力を加える圧力室と、圧力室の一端に設けるノズル板
   と、圧力室にインクを供給するインク供給手段とを有す
   るインクジェトプリンターの印字ヘッドにあって、溝に
   設ける電極の誘電損失を周波数が１０ｋＨｚの正弦波で
   測定したときの誘電損失の値が０．１以下であることを
   特徴とするインクジェットプリンターの印字ヘッド。