JPH07304171A

JPH07304171A - インク噴射装置

Info

Publication number: JPH07304171A
Application number: JP9887994A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Sugawara; 宏人菅原
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1994-05-12
Filing date: 1994-05-12
Publication date: 1995-11-21
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JP3248808B2

Abstract

(57)【要約】【目的】安定した液滴の噴射を可能にすること。【構成】側壁１１の接合層４付近の側壁１１上部から
側壁１１中央部までの両表面に電極１３が形成された
後、側壁１１の中央部の両表面に、アクチュエータプレ
ート２を構成する圧電材料よりも弾性係数が低い材料の
薄層１１１が形成される。そして、駆動電圧を印加し
て、側壁をインク液室１２の内部方向に変形させてイン
クを噴射した後、駆動電圧の印加を停止してインク液室
１２内のインク圧力を低下させてインクをインク液室１
２内に供給するとき、側壁１１の中央部では、薄層１１
１が変形することによって側壁１１の表面付近のインク
に作用する瞬間的な負圧のピークが減衰され、キャビテ
ーション効果による気泡の発生、成長が防止される。

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６３−２４７０５１
号公報、特開昭６３−２５２７５０号公報及び特開平２
−１５０３５５号公報に開示されているせん断モード型
である。図３、図４、図５、図６及び図７にそれら従来
例の概略図を示す。

【０００５】以下、インク噴射装置の断面図を示す図３
によって、従来例の構成を具体的に説明する。インク噴
射装置１は、アクチュエータプレート２とカバープレー
ト３とノズルプレート３１（図５）とから構成されてい
る。アクチュエータプレート２は、強誘電性を有する圧
電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセ
ラミックス材料等で形成され、矢印５方向に分極処理が
施されており、複数の溝１５及び該溝１５を隔てる側壁
１１を有する。カバープレート３はセラミックス材料ま
たは樹脂材料等で形成される。前記アクチュエータプレ
ート２とカバープレート３とを、接着剤、例えばエポキ
シ系接着剤等からなる接合層４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の接合層４付近の側壁１１上部
から側壁１１中央部までの両表面には、駆動電圧印加用
の電極１３が形成されている。

【０００６】次に、インク噴射装置１の断面図を示す図
４によって、従来例の動作を説明する。該インク噴射装
置１において、所望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、電極１３ｃと１３ｄに急速
に正の駆動電圧が印加され、電極１３ｂと１３ｅは接地
される。これにより側壁１１ａには矢印１４ａの方向の
駆動電界が、側壁１１ｂには矢印１４ｂの方向の駆動電
界が作用する。このとき駆動電界方向１４ａ及び１４ｂ
と分極方向５とが直交しているため、側壁１１ａ及び１
１ｂ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１
２ｂに連通するノズル３２（図５）からインク液滴が噴
射される。また、駆動電圧の印加を停止すると、側壁１
１ａ及び１１ｂが変形前の位置（図３参照）に戻るため
インク液室１２ｂ内のインク圧力が低下し、インク供給
口２１（図５）からマニホールド２２（図５）を通して
インク液室１２ｂ内にインクが供給される。

【０００７】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
をインク液室１２ｂの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駆動電圧
の印加を停止して、側壁１１ａ及び１１ｂを変形前の位
置（図３参照）に戻してインクを噴射させることもあ
る。

【０００８】従来例では、隣接する２つのインク液室に
連通する２つのノズルから同時にインク液滴を噴射する
ことができないため、例えば、インク液室１２ｂ及び１
２ｄに連通するノズルからインク液滴を噴射した後、イ
ンク液室１２ｃに連通するノズルからインク液滴を噴射
し、次に再びインク液室１２ｂ及び１２ｄに連通するノ
ズルからインク液滴を噴射するというように、インク液
室１２及びノズル３２を複数のグループに分割してイン
ク液滴の噴射を行う。

【０００９】次に、インク噴射装置１の斜視図を示す図
５によって、従来例の構成及び製造法を説明する。分極
処理を施したアクチュエータプレート２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はアクチュエータプレート２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
な浅溝１８となるよう作製される。この溝１５及び浅溝
１８の内面には、電極が真空蒸着やスパッタリング等に
よって形成される。この電極形成時には、側壁１１の天
頂部にも電極が形成されるため、側壁１１の両側の電極
を分離する必要があり、そのために側壁１１の天頂部の
電極をラッピング等により除去している。それにより、
溝１５の内面にはその側面の上半分のみに電極１３が形
成され、浅溝１８の内面にはその側面及び底面全体に電
極１９が形成される。この電極１９によって、溝１５の
両側の側壁１１に形成された電極１３は電気的に接続さ
れている。

【００１０】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３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。

【００１１】次に、アクチュエータプレート２の溝１５
加工側の面とカバープレート３のマニホールド２２加工
側の面とを、エポキシ系接着剤等からなる接合層４（図
３）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、アクチュエータ
プレート２及びカバープレート３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。アクチュエータプ
レート２の溝１５加工側と反対側の面には、各浅溝１８
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。

【００１２】そして、浅溝１８の底面の電極１９と導電
層のパターン４２とを導線４３で接続する。通常、この
ような接続には、周知のワイヤボンディングという手法
が用いられている。この導線４３の直径は通常非常に小
さく機械的強度が小さいため、隣接する導線４３どうし
の接触や断線、また大気中の水分や粉塵による腐食を防
ぐために、一般的にはエポキシ系などの樹脂を用いて保
護膜（図示せず）の形成（ポッティング）を行なう。そ
の保護膜は加熱硬化される。

【００１３】次に、制御部のブロック図を示す図６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３２からインク液滴の噴射を行うべきかを判
断する。そして、ＬＳＩチップ５１は、インクを噴射す
るインク液室１２内の電極１３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、ＬＳＩチップ５１は、前記インク液室１２以外の電
極１３に導通する導電層のパターン４２にアースライン
５５を接続する。

【００１４】次に、プリンタの斜視図を示す図７によっ
て、従来例の構成及び動作を説明する。インク噴射装置
１及びノズルプレート３１は、図３、図４、図５及び図
６で説明した構成、動作をもつものである。インク噴射
装置１はキャリッジ６２上に固定され、インク供給チュ
ーブ６３はインク供給口２１（図５）に連通し、ＬＳＩ
チップ５１（図６）はキャリッジ６２に内蔵され、フレ
キシブルケーブル６４は図６に示したクロックライン５
２、データライン５３、電圧ライン５４及びアースライ
ン５５に対応している。キャリッジ６２はスライダ６６
に沿って矢印６５方向に記録紙７１の全幅にわたって往
復移動し、インク噴射装置６１はキャリッジ６２が移動
している時にプラテンローラ７２に保持された記録紙７
１に対して、ノズルプレート３１に設けられたノズル３
２（図５）からインク液滴を噴射し、記録紙７１上にイ
ンク液滴を付着させる。

【００１５】また、記録紙７１はインク噴射装置１がイ
ンク液滴を噴射しているときは静止しているが、キャリ
ッジ６２が往復動作を行う度に紙送りローラ７３及び７
４によって矢印７５方向に一定量ずつ移送される。これ
によって、インク噴射装置１は記録紙７１の全面に所望
の文字や画像を形成することが可能となる。

【００１６】

【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１では、駆動電圧の印加を
停止して側壁１１ａ及び１１ｂをインク液室１２ｂの内
部方向に変形した状態から変形前の位置に戻し、インク
液室１２ｂ内のインク圧力を低下させるとき、瞬間的に
非常に大きな負圧が側壁１１ａ及び１１ｂの表面付近の
インクに発生し、これがインク液室１２ｂ内のインク全
体に伝播していく。このとき、側壁１１ａ及び１１ｂの
表面付近のインクに瞬間的に非常に大きな負圧が作用す
ることにより、キャビテーション効果によりインクの内
部に溶解した空気やインクの成分等が気泡となり、その
気泡が負圧の繰り返しにより徐々に成長していく。この
気泡が、側壁１１ａ及び１１ｂをインク液室１２ｂの内
部方向に急速に変形させたときに発生する正圧を吸収し
て、圧力が上昇しなくなり、インク液室１２ｂに連通す
るノズル３２からインク液滴が噴射できなくなるという
問題点があった。

【００１７】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、キャビテーション効果により気
泡が発生、成長することがなく、安定した液滴の噴射が
可能なインク噴射装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１では、インクが供給され、少なくと
も一部が圧電材料で構成された壁を有するインク液室
と、前記圧電材料に電界を発生させる電極とを有し、前
記電極への電圧の印加により前記圧電材料を変位させ、
前記インク液室内のインクに圧力を与えてインクを噴射
するインク噴射装置であって、前記圧電材料を有する前
記壁の表面のうち、少なくとも壁の変位が最大となる部
分に、前記圧電材料よりも弾性係数が低い材料で形成さ
れた薄層を備えている。

【００１９】請求項２では、前記薄層が、前記インク液
室の内面の２／３以下の領域に形成されていることを特
徴とする。

【００２０】請求項３では、前記薄層の少なくとも一部
が、前記電極の上に形成されることを特徴とする。

【００２１】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１のインク
噴射装置では、前記壁の表面のうち、少なくとも変位が
最大となる部分に、前記圧電材料よりも弾性係数が低い
材料で形成された薄層が、圧電材料の変形時に、インク
に作用する瞬間的な負圧のピークを減衰する。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を図面を参
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。

【００２３】まず、インク噴射装置の断面図を示す図１
によって、本発明の第一実施例の構成を具体的に説明す
る。側壁１１の接合層４付近の側壁１１上部から側壁１
１中央部までの両表面に駆動電圧印加用の電極１３が形
成された後、側壁１１の中央部の両表面に、アクチュエ
ータプレート２を構成する圧電材料よりも弾性係数が低
い材料の薄層１１１が形成される。この薄層１１１の材
料としては、例えば、エポキシ系樹脂、フェノール系樹
脂等の樹脂材料や、多孔質のアルミニウム、ニッケル、
鉄、クロム等の金属材料、樹脂材料中に金属材料の粉末
を混合した複合材料、樹脂材料中にセラミックス材料の
粉末を混合した複合材料等がよい。

【００２４】また、この薄層１１１の形成方法として
は、溝１５の底部に低融点の金属や樹脂を充填し、その
上からスピンコート等で溝１５の内面及び頂部全体に薄
層を形成した後、温度を上昇させて前記低融点の金属や
樹脂を融解して溝１５の底部の薄層と共に除去し、さら
にエキシマレーザを溝１５の斜め上方から照射して側壁
１２の影を利用して溝１５の上部及び頂部の薄層を除去
する方法や、薄層を形成する材料を真空蒸着などによっ
て溝１５の斜め上方から飛行させ、側壁１１の影を利用
して側壁１１の上部、中央部及び頂部に薄層を付着させ
た後、エキシマレーザを溝１５の斜め上方から照射して
側壁１１の影を利用して側壁の上部及び頂部の薄層を除
去する方法等がある。

【００２５】そして、このインク噴射装置１０１では、
従来と同様にして、駆動電圧を印加して側壁１１をイン
ク液室１２内部方向に変形させてインクを噴射する。そ
の後、駆動電圧の印加を停止して側壁１１をインク液室
１２の内部方向に変形した状態から変形前の位置に戻し
て、インク液室１２内のインク圧力を低下させて、イン
ク液室１２内にインクを供給する。このとき、側壁１１
の中央部では、側壁１１の表面付近のインクに負圧が発
生すると共に、薄層１１１に引っ張り応力が作用して厚
さが増加する方向に変形する。このように、圧電材料よ
りも弾性係数が低い薄層１１１が変形することによりイ
ンクに作用する瞬間的な負圧のピークが減衰され、気泡
の発生、成長が起こらなくなる。

【００２６】ここで、薄層１１１がインク液室１２の内
部全体に形成されていると、負圧が大きく減衰し、ま
た、インクに作用する負圧のエネルギーの一部が薄層１
１１の歪エネルギーに変化してしまうため、インク液室
１２ｂ内にインクを供給するためのエネルギー自体が減
少して、円滑にインクの供給が行われなくなる。このた
め、薄層１１１は前記圧電材料の表面のうち、少なくと
も変位が最大となる部分付近のみに生成されていること
が望ましい。尚、薄層１１１は、圧電材料の表面のうち
変位が最大となる部分を含む領域で、インク液室１２の
内面の２／３以下の領域に形成されていると効果的であ
る。

【００２７】次に、インク噴射装置の断面図を示す図２
によって、本発明の第二実施例の構成を具体的に説明す
る。側壁１１の接合層４付近の側壁１１上部から側壁１
１中央部までの両表面に駆動電圧印加用の電極１３が形
成された後、側壁１１の中央部、上部、頂部の表面に、
アクチュエータプレート２を構成する圧電材料よりも弾
性係数が低い材料の薄層１１２が形成される。この薄層
１１２の形成方法としては、溝１５の底部に低融点の金
属や樹脂を充填し、スピンコート等で溝１５の内面及び
頂部全体に薄層を形成した後、温度を上昇させて底部に
充填した低融点の金属や樹脂を融解して溝１５の底部の
薄層と共に除去する方法や、薄層を形成する材料を真空
蒸着などによって溝１５の斜め上方から飛行させ、側壁
１２の影を利用して溝１５の上部、中央部及び頂部に薄
層を付着させる方法等がある。

【００２８】このような構成であっても、第一実施例と
同様な効果が得られる。更に、第二実施例では電極１３
の全体が薄層１１２で覆われるため、電極１３がインク
液室１２内のインクに接触しない。このため、電極１３
がインク中に含まれる水分などによって腐食されること
がなく、電極の寿命が長く、インク噴射装置の信頼性が
高いという効果もある。

【００２９】尚、第一、第二実施例では、全てのインク
液室１２が隣接していたが、各インク液室の間に、イン
クを噴射しない非噴射領域を設けてもよい。

【００３０】また、第一、第二実施例では、駆動電圧を
印加して側壁１１をインク液室１２内部方向に変形させ
てインクを噴射した後、駆動電圧の印加を停止して側壁
１１をインク液室１２の内部方向に変形した状態から変
形前の位置に戻して、インク液室１２内にインクを供給
していたが、まず駆動電圧をインク液室１２の容積が増
加する方向に印加し、先にインク液室１２にインクを供
給させた後に駆動電圧の印加を停止して、側壁１１を変
形前の位置に戻してインクを噴射させるようにしてもよ
い。

【００３１】また、第一、第二実施例では、側壁１１が
圧電セラミックスで形成されていたが、側壁の高さ方向
の半分の領域を圧電セラミックスで形成し、他の半分の
領域をアルミナ等の非圧電材料で形成してもよい。この
場合、側壁の側面全面に電極が形成されていてもよい。

【００３２】また、第一、第二実施例では、側壁１１が
圧電セラミックスで形成され、側壁１１の上半分の領域
に電極１３が形成されて、側壁１１の上半分の圧電変形
によって下半分の領域を変形させてインクを噴射してい
たが、側壁の高さ方向の半分の領域を分極された圧電セ
ラミックスで形成し、他の半分を前記分極方向と反対方
向に分極された圧電セラミックスで形成し、側壁の側面
全面に電極を形成して、側壁の上半分及び下半分の圧電
変形によって、インクを噴射してもよい。

【００３３】また、第一、第二実施例では、アクチュエ
ータプレート２の片面のみに溝１５を形成していたが、
アクチュエータスプレートの厚さを厚くして、両面に溝
を形成して、２列のインク液室を設けてもよい。

【００３４】

【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、前記壁の表面のうち、
少なくとも変位が最大となる部分に、前記圧電材料より
も弾性係数が低い材料で形成された薄層が設けられてい
るので、圧電材料の変形時に、薄層が変形して、インク
に作用する瞬間的な負圧のピークが減衰される。このた
め、キャビテーション効果によりインクの内部に溶解し
た空気やインクの成分等が気泡となったり、気泡が成長
したりすることが防止され、安定した液滴の噴射が可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のインク噴射装置を示す断
面図である。

【図２】本発明の第二実施例のインク噴射装置を示す断
面図である。

【図３】従来例のインク噴射装置を示す断面図である。

【図４】従来例のインク噴射装置の動作を示す説明図で
ある。

【図５】従来例のインク噴射装置を示す斜視図である。

【図６】従来例の制御部を示すブロック図である。

【図７】従来例のプリンタを示す斜視図である。

【符号の説明】

２アクチュエータプレート１１側壁１２インク液室１３電極１０１インク噴射装置１０２インク噴射装置１１１薄層１１２薄層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクが供給され、少なくとも一部が圧
電材料で構成された壁を有するインク液室と、前記圧電
材料に電界を発生させる電極とを有し、前記電極への電
圧の印加により前記圧電材料を変位させ、前記インク液
室内のインクに圧力を与えてインクを噴射するインク噴
射装置であって、前記圧電材料を有する前記壁の表面のうち、少なくとも
壁の変位が最大となる部分に、前記圧電材料よりも弾性
係数が低い材料で形成された薄層を備えたことを特徴と
するインク噴射装置。
【請求項２】前記薄層が、前記インク液室の内面の２
／３以下の領域に形成されていることを特徴とする請求
項１記載のインク噴射装置。
【請求項３】前記薄層の少なくとも一部が、前記電極
の上に形成されることを特徴とする請求項１記載のイン
ク噴射装置。