JPH07501500A - 2つのu字型チャンネル駆動装置を持つ高密度インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

2つのu字型チャンネル駆動装置を持つ高密度インクジェットプリンタヘッド

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 2つのU字型チャンネル駆動装置を持つ高密度インクジェットプリンタヘッド 本発明は高密度インクジェットプリンタヘッドに関し、特にプリンタヘッドを軸 方向に貫くインク搬送チャンネルを作動させるため2つのU字型チャンネル駆動 装置を持つ高密度インクジェットプリンタヘッドに関する。
プリンタは、永久的な記録を人が読み得る形で生み出す手段を備えている。そし てプリント技術は典型的には、インパクトプリンティングとノンインパクトプリ ンティングに類別することができる。
このうちインパクトプリンティングでは、用紙の表面近くに置かれたインキリボ ンを叩くことによって像は形成される。インパクトプリンティング技術はさらに 、フォームドキャラクタプリンティングとドツトプリンティングとに類別するこ とができる。このうちフォームドキャラクタプリンティングでは、上記像を生み 出すためにリボンを叩く部材が所望の文字を持つ浮き出たミラーイメージから成 る。またドツトプリンティングでは、準備されたワイヤまたは複数のワイヤをリ ボンに打ちつけることによって文字は生じる。複数の文字は、上記゛準備された ワイヤまたは複数のワイヤをリボンに打ちつけることによって発生する、互いに 極めて接近したl連のドツトで形成される。上記準備されたワイヤをリボンに選 択的に打ちつけることにより、如何なる文字もドツトの行列で表わすことができ る。
次にノンインパクトプリンティングは、プリンティンググラフィクスやハーフト ーン像層に、より高い適応性がある点のほか、より早いプリンティング速度が得 やすいという点から、インパクトプリンティングよりも好まれることが多い。ノ ンインパクトプリンティング技術にはマトリックス型、静電型および電子写真型 プリンティング技術がある。このうちマトリックス型プリンティングでは、ワイ ヤは電気パルスで選択的に加熱され、これにより生じた熱が、マークを用紙、通 常は特別に処理された用紙に発生させる。次に静電型プリンティングでは、プリ ンティング素子と導電用紙との間の電弧が用紙上の不透明な被覆を取り除いて、 対照的な色彩を持つ下層を露出させる。最後に電子写真型プリンティングでは、 光伝導材料が例えばレーザのような光源を使用して選択的に荷電される。次に粉 末のトーナーが荷電領域にひきつけられ、このトーナーが用紙と接触すると、こ の用紙の表面に移転する。なお上記トーナーは、そのあと用紙に溶着させるため に加熱される。
ノンインパクトプリンティングのその他の型は、は)゛インクジェットプリンテ ィングとして類別される。このインクジェットプリンティングのシステムは、非 常に小さいインク滴を像を生み出すために排出させる手段をとる。装置は、高度 に再生産可能でかつ制御可能に小滴を発生し、ディジタルに貯蔵された像のデー タに従って、これらの小滴を特定の位置にプリントする。市場にある大半のイン クジェットプリンティングシステムは、「連続噴射」型インクジエンドブリンテ ィングシステムと、「要求時噴滴」型インクジェットプリンティングシステムと にはマ類別することができる。そして上記「連続噴射j型のものでは、プリンタ ヘッドから小滴が連続的に排出され、生み出されるべき所望の像に従って用紙に 向けられるか、あるいはこの用紙から外れる方向に向けられる。また「要求時噴 滴」型のものでは、小滴は生み出されるべき像についての特別の指令に応えてプ リンタヘッドから排出される。
連続噴射型インクジェットプリンティングシステムは、オリフィスから出る液流 から、均一な小滴が出来る現象に基礎を置いている。
約50〜80μm径のオリフィスから加圧排出される液体は、均一な小満に分か れる傾向にあることが既に観察されていた。この現象は、例えば液体を貫き圧力 振動を伝播させる機械電気式装置により、噴流に誘起される毛管力波が増幅され ることに原因がある。
例えば連続噴射型インクジェットプリンタlOを図1に示すが、この図でポンプ 12は、インク供給源14からノズルアセンブリ16にインクを供給する。また このノズルアセンブリ16は、駆動装置20によって供給される電圧で、連続的 に駆動されるピエゾクリスタル18を有する。上記ポンプ12は、ノズルアセン ブリ16に供給されたインクを、ノズル22から連続な流れとして排出させるよ うに働く。また連続的に駆動するピエゾクリタル18は、インクに圧力の乱れを 発生させて、インクの連続流を均一な小滴に分断すると共に、荷電装置25によ って電極24間に発生する静電場(これはしばしば荷電基と言われる)により正 電気が付与されるように働く。静電荷を持った小滴のうち、選択されないものは 高電圧のそらせ板26によって用紙28からそらされ、再使用のために貯蔵槽3 0に送られる。小滴の寸法が小さく、しかも精密な弾道制御が行われるために、 連続噴射型インクジェットプリンティングシステムの性能は、フォームドキャラ クタインパクトプリンティングシステムのそれに近付けることができるが、この 連続噴射型インクジェットプリンティングシステムの欠点の1つは、はとんどま たは全くプリンティングが行われないときでさえ、インクを噴出していなければ ならないということにある。これはインクを減少させると共にブリンティングシ ステムの信頼性を低下させる。
かくして機械電気的に誘起される圧力波により小滴を生産する手段への関心が、 上述の欠点に起因して漸増して来ている。この型のシステムでは、インクに直接 または間接的に結び付けられた圧電材料に電圧パルスが適用されることによって 、上記インク内に容量変化が誘発される。この容量変化は圧力/速度遷移をイン ク内に起こさせ、その結果これらは、上記オリフィスから出る小滴を生産するよ うに方向付けられる。電圧は、小滴が望まれるときにだけ与えられるから、この 型のインクジェットプリンティングシステムは「要求時噴滴J型システムとして 注目される。この要求時噴滴型インクジェットプリンタ32は、例えば図2にそ の概略が示される。ノズルアセンブリ34はインクを貯蔵槽(図示省略)から汲 み出す。駆動装置36は文字についてのデータを受け取り、これに応えて圧電材 料38を作動させる。若し所望の文字を形成するために、上記受は取られた文字 データが上記ノズルアセンブリ34からインク小滴を排出するように要求するな ら、上記駆動装置36は上記圧電材料38に電圧を掛けるだろう。またこれによ ってこの電圧は、上記圧電材料3Bを変換器として作動させるだろう。すなわち 圧電材料38は、オリフィス40からインク小滴を排出するために、上記ノズル アセンブリ34を変形させるだろう。かくして排出されるインク小滴は、用紙4 2を打つことになる。
インクジェットプリンタに圧電材料を使用することは公知である。
そしてその殆んどのばあいに、圧電材料は圧電変換器の形で使用されている。ま たこの場合に電気エネルギは、圧電材料と交差する電場を与えられることにより 機械的エネルギに変換される。
即ち上記電場の作用で上記圧電材料に変形を起させる。圧電材料を歪ませるこの 能力は、インクジェットプリンタヘッドのインク搬送チャンネルからインクを排 出させるためにしばしば利用されて来た。インクを排出させるために圧電材料の 歪を利用するインクジェットプリンタヘッドのこのような1例では、インク搬送 チャンネルを囲む円筒状の圧電変換器が使用されている。この変換器に電圧パル スが印加されてチャンネルが励起されると、上記インク搬送チャンネルは圧縮さ れ、インク小滴がこのチャンネルから排出される。
例えば円筒状変換器を使用するインクジェットプリンタヘッドは、ゾルタン(Z oltan)の米国特許第3,857,045号が参考になるだろう。しかしな がら圧電変換器と、これに関連するインク搬送チャンネルとの比較的複雑な配列 は、装置の生産に比較的多くの時間と費用とを必要とすることになる。
インクジェットプリンタヘッド、特に圧電型の駆動装置を持つ上述のインクジェ ットプリンタヘッドで、インク搬送チャンネル(または「ジェット」)毎の生産 価格を低減するために、チャンネル間の間隔が比較的小になるように各チャンネ ルを配置したチャンネル配列を持つインクジェットプリンタヘッドの出現が長い 間望まれてきた。例えば相隣のチャンネルが約4〜8ミルの間隔を持つチャンネ ル配列を備えたインクジェットプリンタヘッドを提供することが極めて強く望ま れているだろう。このようなインクジェットプリンタヘッドはそれ故に、「高密 度インクジェットプリンタヘッド」と定義される。インク搬送チャンネル毎の生 産価格の低減という利益に加えて今1つの利益、すなわち高いチャンネル密度を 持つインクジェットプリンタヘッドが生産されるということから生じるであろう もう1つの利益は、プリンタ速度の向上ということにあるだろう。しかしながら 提案された高密度インクジェットプリンタヘッドにおける非常に接近したチャン ネル間隔は、長い間、このようなプリンタヘッドの生産に関して解決されるべき 主要な課題であった。
最近、剪断方式を採用したインクジェットプリンタヘッド装置用圧電変換器が、 些々一般的となって来ている。例えばフィシュベック等(Fischbeck  et al、)の米国特許第4,584.590号および第4,825.22. 7号は、平行なチャンネル配列を持つインクジェットプリンタヘッド用の圧電変 換器を開示している。上記フィシュベック等による2つの特許では、端が開きか つ平行なl連のインク圧力チャンバが、その頂部に沿う圧電材料薄板によって被 われている。電極は、その正極が圧力室を隔てる垂直壁の上方に、また負極が上 記圧力室それ自体の直上に位置決めされるように、上記圧電材料薄板の対向辺上 に用意されている。若し電場が上記電極と交差して用意されるなら、この電場に 直角に配された圧電材料は剪断で歪み、インク圧力室を圧縮する。しかしながら これらの場合に圧電材料の多くは不活性のままであり、しかもこの圧電材料の変 形は小範囲に留まる。
平行なチャンネル配列を有し、然もインク搬送チャンネルの側壁に圧電材料を用 いたインクジェットプリンタヘッドはエルシン(Ni1sson)の米国特許第 4.536.097号に開示されている。このエルシンの場合のインクジェット チャンネルの行列は、間隔を置いて平行な関係に置かれると共に、対向辺が第1 、第2の板で被われたl連の圧電材料で形成される。そして上記板の一方は導電 材料からなりかつすべての上記圧電材料片のために共用の電極となる。上記圧電 材料片の他方の片では、電気接触子がこれらの圧電材料片の対を形成する電気接 触チャンネルとして使用される。上記チャンネルで形成された2個の圧電材料片 に電圧が印加されると、これらの辺の幅が狭くなり、背は高くなるから、上記囲 われたチャンネルの断面積は拡大し、その結果、インクがチャンネル内に引き込 まれる。そして電圧が除去されると、上記圧電材斜辺は旧の形に復し、チャンネ ル容積は減り、インクがチャンネルから排出される。
平行なインク搬送チャンネルを備え、チャンネルの垂直壁を作動させる剪断方式 の駆動装置を形成するために圧電材料を利用したインクジェットプリンタヘッド は、他にも開示例がある。例えばバートキイ等(Bartky et al、) の米国特許第4.879゜568号およびミバエリス等(Michaelis  et al、)の米国特許第4,887,100号は、インクジェットプリンタ ヘッド用のチャンネル配列を開示しているが、このチャンネル配列の各チャンネ ルでは、その垂直壁の全長に亘って圧電材料を使用している。これらの例におい ては、上記垂直壁は互いに隣り合いかつ対向して配された2枚の圧電材料片から 成り、これらはインクチャンネルを形成するために上下の壁の間に挟まれている 。そしてこのインクチャンネルが形成されると、上記チャンネルの垂直壁の全高 に沿い、電極が設けられる。上記圧電材料片の極を示す方向に直角な電場を電極 間に発生させると、上記チャンネルの垂直壁は歪み、剪断変形によってインクジ ェットチャンネルは圧縮される。
本発明の1実施例では、インクジェットプリンタヘッドは下本体部分と上本体部 分とを有し、これらは圧電材料から作られる。上記下本体部分は基体部と、この 基体部に沿って縦方向に延びかっこの基体部から上方に延びると共に、互いには マ平行で、相互に間隔を置いた複数の突起とを有する。またこれと同様に上記上 本体部分も上体部と、この上体部に沿って縦方向に延びかつこの上体部から下方 に延びると共に、互いには一′平行で、相互に間隔をおいた複数の突起とををす る。なお上本体部分のこれらの突起は、上記下本体部分の突起と対応する。上記 下本体部分の突起の頂面は、上記上本体部分の突起の底面に導通の有る状態で装 着され、は\゛平行かつ軸方向に延びる複数のインク搬送チャンネルを形成する 。上記実施例の1態様では、上記下本体部分は平行な複数のチャンネルの軸方向 の延びには\゛直交る第1の方向に分極される。またこの実施例の他の態様では 、上記上本体部分も上記第1の方向に分極される。さらに上記実施例の他の態様 では、導電接着剤層から成る断片状部分が上記上下の突起の装着に使用され、こ れらの断片状部分にはコントローラが電気的に接続される。そして正、零、負の 電圧が、導電接着剤層から成るこれらの断片状部分にそれぞれ印加される。
本発明の第2の実施例では、インクジェットプリンタヘッドはは\゛U0字形た 第1のアクチュエータと、は\゛U0字形た第2のアクチュエータとから成る。
そして上記第1のアクチュエータは第1、第2の頂面を有し、また上記第2のア クチュエータは上記第1のアクチュエータの第1、第2の頂面に、導通のある状 態で装着される第1、第2の底面を有する。なおインクを閉じ込める細長い断面 のチャンネルは上記第1、第2のアクチュエータの間に形成される。この実施例 の1態様では、上記細長いチャンネルに第1の圧力パルスを掛けるために、上記 第11第2のU字形アクチュエータを電気的に接続するための手段が用意される 。この実施例の他の態様では、上記インクジェットプリンタヘッドはさらに、上 記第1のU字形アクチュエータの第1の頂面および上記第2のU字形アクチュエ ータの第1の底面を導通のある状態で互いに装着するための第1の導電接着剤片 と、上記第1のU字形アクチュエータの第2の頂面および、上記第2のU字形ア クチュエータの第2の底面を導通のある状態で互いに装着するための第2の導電 接着剤片とを有する。この実施例のさらに他の態様では、上記第1の導電接着剤 片に、正電圧を選択的に印加するための手段と、上記第2の導電接着剤片に、負 電圧を選択的に印加するための手段とがさらに設けられている。
上記実施例のさらに他の態様では、上記第1のU字形アクチュエータは、上記細 長いチャンネルの方向には\′直交する第1の方向に分極される圧電材料を使用 して形成されてよい。まて上記第2のU字形アクチュエータは、同様に上記第1 の方向に分極される圧電材料で形成されてよい。上記第1の導電接着剤に正電圧 を、また上記第2の導電接着剤に負電圧をかけることによって、第1、第2、第 3および第4の電場が発生し、これらの電場は、インクを閉じ込めた上記チャン ネルの第1の側壁を、チャンネルが拡がる第1の方向に変形させ、また上記チャ ンネルの第2の側壁を、チャンネルが拡がる第2の方向に同様に変形させる。
添付図面を参照することによって本発明はさらに良く理解され、またこの発明の 種々の目的、特徴および利益は、当業者に明らかとなるであろう。なお図面で図 1は、連続噴射型インクジェットプリンタヘッドの概略図であり、 図2は、要求時噴滴型インクジェットプリンタヘッドの概略図であり、 図3は、本発明の実施例を示すインクジェットプリンタヘッドの概略的斜視図で あり、 図4は、図3のインクジェットプリンタヘッドの概略的側面図であり、 図5aは、インクジェットプリンタヘッドの平行なチャンネル配列が非作動時で ある場合の図3における部分的かつ拡大された5a−5a線断面図であり、 図5bは、第1モード操作で作動された図5aのチャンネル配列の部分的かつ拡 大された断面図であり、図50は、第2モード操作で作動された図5aのチャン ネル配列の部分的かつ拡大された断面図であり、図6aは、図5bに示す作動さ れたチャンネル配列の一部についての電圧分布図であり、 図6bは、図5bに示す作動されたチャンネル配列の一部についての電場の変位 図であり、 図60は、図5bに示す作動されたチャンネル配列の一部についての圧力分布図 である。
厚さやその他の寸法が、説明のために必要と考えられて種々の図面で誇張され、 またいくつかの図面では、同一あるいは類似した要素に同一の符号を付するよう にした図面を参照すると、本発明の実施例であるインクシェツトプリンタヘッド 50は先つ図3で理解される。このインクジェットプリンタヘッド50は類似し た寸法の上下の本体部分54.52を備え、これらの部分のそれぞれは頂面54 a、54bおよび底面52a、52bを有する。そして上記面のうち52aおよ び54bの上には、さらに以下に詳述する金属被覆導電面82.84が形成され 、それぞれ底部および頂部となる上記本体部分54および52は、整列されかつ 合わされて、導電接着剤の層57により結合される。かくして金属被覆導電面8 2.84は互いに接着される。
所定の幅および深さを持ちかつ横方向に延びる複数の溝が、上記下本体部分52 および上本体部分54を貫いてそれぞれ設けられ、その結果、これらの本体部分 が相互に結合されると、(図3では省略した)複数の圧力チャンバまたはインク 搬送チャネルが形成される。そしてこれによって、インクジェットプリンタヘッ ド50用のチャンネル配列が形成される。また多岐管が上記上本体部分54を貫 き、上記チャンネルには\゛直交て設けられるのが好ましい。さらに以下に述べ るように、この多岐管は外部インク導管56と連通し、この導管56に接続され たインク槽58から上記チャンネルにインクを供給する手段を用意する。
図3に示す上記インクジェットプリンタヘッドを形成するために、は\゛矩形状 の第11第2のブロックが圧電材料から作られるが、これらのブロックは、は\ ′同様な寸法を有することが必要である。またこのようなブロックを形成するた め粉末化された圧電材料が、は\゛矩形所望形状になるように加圧される。
そして所望形状に加圧したこの圧電材料は焼かれ、その後公知の研削手段によっ てその表面が仕上げられることにより、圧電材料から成るはゾ所望形状の矩形ブ ロックとなる。この圧電材料として、チタン酸ジルコニウム鉛(またはrPZT J )を上記ブロックの材料に使用するのが好ましいが、これに匹敵するその他 の圧電材料を、こ\に開示されたインクジェットプリンタヘッドの生産に、本発 明の範囲から逸脱することなく使用することは可能である。
上記圧電材料から成る矩形ブロックは、そのあと選択された方向に分極される。
この分極のために対向する表面は、例えば蒸着処理で導電金属材料層を各面上に 作ることにより、先づ金属被覆される。
次に所定値の高電圧が、上記矩形ブロックを分極するために上記金属層間に印加 される。なお生み出される分極の方向は、上記金属層間の電圧降下方向と対応す る。そしてこの分極が終ると、上記金属層は公知の手段を使って除去される。上 記下本体部分52についてはその側面52c、52dが金属被覆され、側面52 cに正の電圧が印加される。これによって上記下本体部分52は、式1方向(図 5a)に分極される。逆に、上記上本体部分54については側面54c、54d が金属被覆され、側面54cに正電圧が印加されるべきである。またこれによっ て、上記上本体部分54は式2方向(図5a)に分極される。
上記分極処理が終わると、上記下本体部分52の上面52aと、上記上本体部分 54の下面54bとが金属被覆され、それぞれに金属導電面82.84が形成さ れる。なおこの金属被覆処理は、ニクロム−金合金の層を上記頂面52a、52 bのそれぞれに設けることで行うのが好ましいが、上記蒸着処理が上記頂面52 a、52bに導電材料から成る層を設ける単に1つの方法であるにすぎないこと 、そして他の種々な導電材料および/または処理が、これに適用が可能であるこ とが留意されるべきである。
次に前記1連の溝が上記上下の本体部分54.52のそれぞれに機械加工で形成 される。上記下本体部分52の頂面52a上に設けられた金属被覆導電面82お よび、上記上本体部分54の底面54bに設けられた金属被覆導電面84からそ れぞれ発し、これらの上下本体部分54.52の全長に亘って本体部分54.5 2の各分極方向5x、52とは\゛直交、しかも軸方向に延設されかつ互いには 一゛平行な1連の溝が、上下の本体部分54.52にそれぞれ形成される。これ らの溝は上記金属被覆導電面82.84をそれぞれ下方に貫きかつ上記上下の本 体部分54.52内に所定の深さで設けられ、しかもこれら上下の本体部分54 .52の上記溝が合わせられるとき一直線になり得るように形成されるだろう。
そして若し望まれるのなら、これら上下本体部分の溝は同時に形成されてよい。
つぎにエポキシまたは適当なその他の導電接着剤のような導電接着剤から成る層 が上記下本体部分52に設けられ、この下本体部分52の金属被覆導電面82の 残余の部分が、上記上本体部分54の金属被覆導電面84の残余の部分に、導通 のある状態で装着される。
上記導電接着剤層57は、典型的には非常に薄く、通常は、厚さが1ミルの約1 0分の2から半分のオーダであり、しかもそれは、金属被覆導電面82の残余の 部分に設けられるだけであろう。そしてこれによって、導電接着剤から成るl連 の断面状部分が形成される。
その後上記上下本体部分54.52内に形成された溝は、誘電材料から成る薄層 63にて被覆されてよい。そのあと合わされて、例えばリサーチデバイシズ(R esearch Devices)の製造する。フリップチップボンディング装 置を使用する事により結合される。なお上記下本体部分52の金属被覆導電面8 2の残余の部分と、上記上本体部分54の金属被覆導電面84との間の結合は、 これら金属被覆導電面82.84を交互的に互いに半田付けすることにより、導 電接着剤を使用しないようにしてもよい。
上記上本体部分54の底面54bと、上記下本体部分52の頂面52aとが導通 のある状態で合わされ、電圧が上記面間に存在する導電接着剤に容易に印加でき さえすれば、前記高密度インクジェットプリンタヘッド50の満足な作用の維持 される限り、この発明の1実施例では上記金属被覆導電面82.84を完全に除 いてもよいことが考えられる。かくしてこの発明の1実施例では、面52a、5 2bを導通のある状態に互いに結合するために、導電接着剤から成る1つの層5 7の利用が期待される。しかしながら上記金属被覆導電面82.84を除くとき は、半田の使用は不可能であることに留意すべきである。
上述の方法により本発明のインクジェットプリンタヘッド50は互いに平行な複 数のチャンネル70から成るチャンネル配列を有し、また各チャンネルは、軸方 向に延びるこのチャンネルの壁を2つながらに形成し、またその内部にインク排 出圧パルスを発生させるは\゛UU字型1第2のアクチュエータを、各チャンネ ルに組合わされた形で備えることになる。
さらに図3によると、上記インクジェットプリンタヘッド50は前壁60を有し 、この前壁は前側面62、背面64および貫通する複数のテーパ付きオリフィス 66を有する。なお上記前壁60の背面64は、前記上下本体部分52.54に 合わされて結合されるため、各オリフィス66は、上記上下本体部分52.54 の結合により形成された前記複数のチャンネルと1対lの対応で連通される。
なお各オリフィス66は対応するチャンネルの端の中心に位置決めされるように 構成するのが好ましい。しかしながら各チャンネルの端は、上記前壁60および オリフィス66の用意がなくても、インク滴排出用のオリフィスとしてプリンテ ィング工程で機能し得るであろうことは、良く理解されるべきである。また上記 オリフィス66から成るオリフィス配列68の寸法は、特に想定されたインクジ ェットプリンタヘッド50のチャンネルについての要望次第で、上記前壁60に 沿う選択された種々の長さに亘って変更され得るであろうことが考えられる。例 えばある構成では、上記オリフィス配列68の高さは約0.064インチ、長さ は約0.193インチ、またオリフィス66の数は約28個であるだろうことが 考えられる。
なおこの場合にオリフィス66は、相互の間隔が約0.0068インチの千鳥状 に配される。
上記チャンネルは、上記導電性接着剤層57から成る断片状部分に電圧信号を送 るためのコントローラ80、例えばマイクロプロセッサやその他の集積回路によ って作動される。なお上記コントローラ80は、チャンネル数に見合った数の配 線を使用して接続されるが、図3にはそのうちの4本が、説明のために示されて いる。上記インクジェットプリンタヘッド50の各チャンネル用に用意された第 1、第2のU字型アクチュエータに、さらに後で詳述される筈の所望の電圧パタ ーンを伝え得るように、各配線86は導電接着剤層57から成る断片状部分の1 つに接続される。上記コントローラ80は、導電接着剤層57から成る上記断片 状部分の選択された1つに1連の正または負の電圧を送ることによって上記イン クジェットプリンタヘッド50を作動させる。この供給電圧は、軸方向に延びる チャンネル70の壁を形成する上記第1、第2のU字型アクチュエータに、一定 方向の変形をひき起こさせる。
かくして上記第1、第2のU字型アクチュエータを分離する上記断片状部分に対 し選択された電圧を選択的に与えることによって、上記チャンネルを選択的に「 作動」させることができる。すなわちインクを所与のパターンで排出することに より所望の像を生み出すことができる。上記チャンネルを選択的に作動させるた めのパルス列の正確な形は、この発明の教えるところから離れることなく変更が 可能である。例えば適当なパルス列は、“A Method 。
f Characteristic Model of a Drop−on− Demand Ink−Jet Device Using an Integ ral Method Drop F。
rmation Model”という題のワレス、デービット ビイ(Wall ace、David B)による論文(89−WA/FE−4(1989) ) に見られる。そのもっとも一般的な意味で上記駆動装置用のパルス列は、正に働 らく(又は「+」)部分と負に働らく (又は「−」)と部分から成る。このう ち正に働らく部分は、上記駆動装置をして膨張圧パルスを上記チャンネルに与え る。
またその結果、上記チャンネルが作動する。また負に働らく部分は、上記アクチ ュエータをして圧縮圧パルスを上記チャンネルに与えさせる。なおこの圧縮圧パ ルスは、境界、たとえば複合材料から成る第1.第2のブロック76.78で形 成された境界により反射されかつ逆にされた上記膨張圧パルスを強めるように時 間を合わせられる。最後に、ここに開示したこの発明の実施例では、上記コント ローラ80はプリンタヘッドから離れた位置に置かれているが、その他の実施例 の場合、このコントローラ80は上記下本体部分52の後部あるいは、上記組立 てられたインクジェットプリンタヘッド50の頂部または側部に取付けられてよ いことは留意されるべきである。
次に図4に示す上記高密度インクジェットプリンタヘッド50の側面図を参照す れば、インク供給源58からインクをチャンネル70に供給する手段がより明瞭 となる。図によるとインク供給源58に貯蔵されたインクは外部インク導管56 を経由し、上記上本体部分54を垂直に貫いた内部インク搬送チャンネル72に 供給される。
なお上記垂直に延びるインク搬送チャンネル72は、上記インクジェットプリン タヘッド50の上本体部分54内のどこにあってもよいが、本発明の好ましい実 施例では、このチャンネル72は上記上本体部分54のは一′中心を貫いている 。次にこのインク搬送チャンネル72を経て供給されたインクは、上記チャンネ ル70には\゛直交て延設されると共に、各チャンネル70と連通された多岐管 74におくられる。この多岐管74は、上記底面54bに沿って水平に延びるチ ャンネルを形成することによって得られる。なおこの水平に延びるチャンネルは 各チャンネル70と、垂直に延びるインク搬送チャンネル72とに連通されてい る。最後に、上記チャンネル70が形成されるときは、上記インクジェットプリ ンタヘッド50の全長に亘ってこれらのチャンネル70が設けられるため、上記 チャンネル70の上下部分の終端は、複合材料から成る第1ブロツク76および 第2ブロツク78によって塞がれる。またその結果、上記チャンネル70内のイ ンクは、チャンネル70が作動されると前方に押される。そしてそこでインクは 、テーバ付きオリフィス66の対応する1つを通って排出される。
次に図5aには、複数のチャンネル70−1,70−2.7〇−3,70−4, 70−5,70−6,70−7,70−8,70−9,7O−1oおよび70− 11から成るチャンネル配列を示すが、これらのチャンネルのそれぞれは上記イ ンクジェットプリンタヘッド50を貫いて軸方向に延びかつ第1、第2のU字型 アクチュエータにより作動させることができる。なお、図示された互いに平行な チャンネルの数は純粋に例示的なものであって、上記インクジェットプリンタヘ ッド50には任意のかずのチャンネル70を設けることができる。また図から明 らかなごとく、上記上下本体部分54.52内にそれぞれ設けられた溝は、l連 の下本体部分肉突起59−L 59−2.59−3.59−4.59−5.59 −6.59−7.59−8.59−9.59−10と、l連の上本体部分肉突起 61−1.61−2.61−3.61−4.61−5.61−6.61−7.6 1−8.61−9.61−10とによってそれぞれ形成される。そしてこれらの 突起は、導電材料層57から成る断片状部分57−1.57−2.57−3.5 7−4.57−5.57−6.57−7.57−8.57−9.57−10によ ってそれぞれ結合され、上記チャンネル配列を構成する各チャンネルになる。例 えばチャンネル70−3は、突起59−2、断片状部分57−2および突起61 −2の組合せによって形成される第1の側壁と、上本体部分54の一部と、突起 59−3、断片状部分57−3および突起61−3の組合せによって形成される 第2の側壁と、下本体部分52の一部とによって形成される。なおチャンネル7 0−1〜70−10の各内部は、は\゛一様な約2〜lOμmの厚さを持つ誘電 体材料層63で被覆されるが、この被覆は、上記上下本体部分54.52に溝を 設けた後でかつ両者が結合される前に行われるのが好ましい。
平行なチャンネル配列の各チャンネルをこ\に記載された方法で形成することに より、各チャンネルをは\゛U0字形る1対のアクチュエータで作動ができるよ うなインクジェットプリンタヘッドが用意される。なお上記1対のアクチュエー タのうち第1のU字型アクチュエータは、上記チャンネルを形成する下本体部分 52の一部によって形成され、また第2のU字型アクチュエータは、上記チャン ネルを形成する上本体部分54の一部によって形成される。例えばチャンネル7 0−3は、は\゛U0字形1のアクチュエータ96と、は10字形の第2のアク チュエータ98とによって作動させることができる。
前記断片状部分57−1〜57−10は、正または負の電圧パルスを印加できる ようにコントローラ80に接続される。チャンネル70−1〜70−10のうち の1つまたはそれ以上を選択的に動かすことによりインクジェットプリンタヘッ ドを作動させるために、コントローラ80は望まれるプリント像を表わすこの像 についての入力信号に反応し、導電接着剤層57から成る断片状部分57−1〜 57−10のうちの所定のものに所定の大きさおよび向きの電圧を印加する。そ してその結果、所望の像を生み出すために作動の必要なチャンネルが、その側壁 に歪を受けるだろう。例えば若し負電圧が断片状部分57−2に、また正電圧が 断片状部分57−3にそれぞれ印加されるなら、分極方向t2には\゛直角電場 ざlが断片状部分57−3と上本体部分54との間に作られ、また分極方向式l には\゛直角電場ε3が断片状部分57−3と下本体部分52との間に作られる ことになる。そして突起59−3.61−3は、互いに反対側でかつチャンネル 70−3にいづれも直角な第11第2の方向にそれぞれ剪断変形をしようとする だろう。しかしながら突起59−3.61−3は一体に形成されているから、そ れぞれが本体部分52.54から抑制を受け、上記突起59−3および61−3 は極性を表わす場および電場に対して45°の剪断変形をそれぞれ受けるだろう 。そしてこの変形は、チャンネル70−3の容積を拡大する。
以上は単一のチャンネルに発生する歪について延べて来たが、以下にインクジェ ットプリンタヘッド50の作動について述べる。インクジェットプリンタヘッド 50については、種々のモードでの作動が考えられるが、N=4モードとして表 わされるそのうちの1つのモードを図5bに示す。N=4モードではコントロー ラ80は次の表1に示すような順次(+、−1O10)電圧を発生する。
表1 TI T2 T3 T4 57−1 0 0 +1 −1 57−2 −4 0 0’ +1 57−3 +1 −1 0 0 このモードでは各4番目のチャンネルが、時限Tの間、電圧を加えられたあとに 作動するだろう。このようにするためにコントローラ80は、導電片57−3お よび57〜7に+1の電圧パルスを加え、導電片57−2.57−6および57 −10に−1の電圧パルスを加えるだろう。またその間、導電片57−1,57 −4.57−5.57−8および57−9は非作動状態(0電圧)に保持される 。これは片57−3および57−2の間に形成された第1のU字形アクチュエー タ96と交差する+2Vの電圧降下を生み、また片57−3および57−2の間 に形成された第2のU字形アクチュエータ98と交差する+2Vの電圧を生む。
そして分極p2の方向に直角な電(または“e”)場d1およびd2並びに、分 極ゴ1の方向に直角な電場ざ3およびt4が生じるだろう。そしてU字形アクチ ュエータ96−1.98−1.96−2および98−2をそれぞれに形成する突 起59−2および59−3並びに61−2および61−3.59−6および59 −7並びに61−6および61−7は、チャンネル70−3.70−7にそれぞ れ直角な第1、第2の方向に剪断変形しようとするだろう。再び述べるが、突起 59−2.59−3.61−2.61−3と、59−6.59−7.61−6. 61−7とは一体に形成され、それ故にそれぞれは、上下の本体部分54.52 によって抑制を受けるから、突起59−2.59−3.61−2.61−3と、 59−6.59−7.61−6.61−7とは、パルス列が正に働らく部分にあ る間、図5bに示す如く極性を表わす場および電場の両者のベクトルに関して4 5°の剪断変形を受けるだろう。
その結果、第1および第2のU字形アクチュエータ96−1.98−1および9 6−2.98−2によってそれぞれ形成されるチャンネル70−3および70− 7は拡大するだろう。またこれによって各チャンネル70−3.70−7内の圧 力は低下することになる。
第1、第2のU字形アクチュエータ96−2.98−2と同様に第1、第2のU 字形アクチュエータ96−1.98−1は互いに抑制され合っているから、第1 、第2のU字形アクチュエータ96−2.98−2の場合同様に、上記第1、第 2のU字形アクチュエータ9B−1,98−1のそれぞれのたわみによって生み 出される圧力低下は付加的である。この方法で圧力パルスが生み出され、この圧 力パルスは境界で反射、反転した後、圧縮力パルスで補強されて、インク小滴を チャンネル70−3.70−7から排出するのに充分な圧力になる。チャンネル 70−1.70−5および70−9は、この間消極的な状態を保つ。なおチャン ネル70−2.70−4.70−6.70−8および70−10はこれらのチャ ンネルに近いU字形アクチュエータから圧縮力パルスを受けるが、これらの圧力 パルスはチャンネルの両壁ではなく片壁にだけ掛るから、この圧力パルスはチャ ンネルを作動させるには不十分である。
上述したモードでは、各4番目のチャンネルだけが同時に作動されるから、チャ ンネル間には非常に低い干渉が生じる。したがってチャンネルを意図することな くN=4モードで作動させることは起こりそうにない。しかしながらN=4モー ドで稼動するインクジェットプリンタヘッドのインク供給速度は、稼動のパラメ ータの影響を受けて望まれる速度よりも低いことが予想される。したがってイン クジェットプリンタヘッドは、より早いインク供給速度と、より高い相互干渉の 両方で象徴される交互モードによって稼動される場合が考えられる。N=3モー ドとして表わされるこのようなモードの1例が次表で述べられる。
表2 このモードでコントローラは、各3番目のチャンネルが時限Tの間、電圧を加え られた後に作動するような順次(−1士、0)電圧パターンを発生する。インク ジェットプリンタヘッドのこの順序での作動状態は、図50に示される。同図に よると時限T1でチャンネル70−2.70−5.70−8および70−11が 作動している。
残りのチャンネルの全部(70−1,70−3,70−4,7〇−6,70−7 ,70−9および7O−10)が圧縮パルスを受けているが、前述のようにこれ らの圧縮パルスは、チャンネルを作動させるのには不充分であろう。既に明らか なごとく、このようにすれば、より多くの非作動チャンネルが圧力パルスを受け 、その結果、チャンネル相互間の干渉レベルは上昇することになるが、インク供 給速度は向上する。
さらにインクジェットプリンタヘッドは、N==2モードとして表されるもう1 つの交互モードでの稼動が考えられる。ここでは(−1+)順序が各地のチャン ネルを作動する。このような稼動モードは、ここに述べた3つのモードのうちで 最も早いインク供給速度を提供するが、このN=2モードはさらにより高いレベ ルの相互干渉を生じるから、適用が望まれない場合がある。
各チャンネル用としてU字形アクチュエータを持ち、平行に並ぶチャンネル配列 を備えた上記高密度インクジェットプリンタヘッドは、本発明の範囲内でその変 更が容易であるが、実施例では次の寸法で構成されたことが特に言及される。
オリフィス径: 40μm PZT長さ: 15mm PZT高さ+ 120μm チャンネル高さ: 356μm チャンネル幅= 91μm 側壁幅= 81μm 次に図6a〜6cには、各チャンネル用に第1、第2のU字形アクチュエータを それぞれ備えたインクジェットプリンタヘッド50の図的な作動解析結果を示す 。なお図6a〜6Cは、上記インクジェットプリンタヘッド50を両端または後 端から見た図である。特に図6a〜6cは、インク搬出チャンネルがこのチャン ネルで形成される第1、第2のU字形アクチュエータによって作動されるときに 、このインク搬出チャンネルの挙動を解析したものである。図6aは、+1の電 圧が導電性の断片状部分57−3に、また−1の電圧が導電性の断片状部分57 −2に掛けられた際における上記インクジェットプリンタヘッド50の一部につ いての電圧分布を示す。
図によると断片状部分57−2と上下本体部分54.52の突起部分でない部分 との間にはそれぞれ約lvの電圧降下が生じ、また断片状部分57−2と57− 3との間には約2Vの電圧降下を生じている。なお図6bは、図6aの電圧分布 と対応する電場の分布を示している。
図60は圧力分布を示す。図から、作動されるチャンネル7〇−3内の膨張圧力 は4019〜4325Pa/Vの範囲にある。また逆に作動しないチャンネル7 0−2および70−4内の圧縮圧力は1484〜1789Pa/Vの範囲にある 。このレベルは、前述のごとくチャンネルを作動させるには不充分である。なお 作動しないチャンネル70−1,70−5内の圧縮圧力は566〜872Pa/ Vの範囲にあった。かくして歯状体から歯状体への、またチャンネルからチャン ネルへの干渉の比較的に低いレベルは、インク小滴を作動されるチャンネル以外 のチャンネルから不測に排出させる程度の干渉よりも充分に小さい。
インク搬送チャンネルを作動させるために、いわゆる「2倍のU字Jの形状を持 つ第1、第2のU字形アクチュエータを使用するインクジェットプリンタヘッド 50では、その内部に発生する圧力は、本願出願人が1991年8月16日に出 願した先の出願筒07/746.521号に例えば開示された、単一のU字形ア クチュエータ(r1倍のU字」形状)を持つインクジェットプリンタヘッド内の 作動されるチャンネルの圧力4100Pa/Vと比較されるのが相応しい。その 挙動の類似性は2つの派生する効果の結果である。2倍のU字形アクチュエータ における最大の電気変位は、1倍のU字形アクチュエータにおける最大の電気変 位よりも小さい。何故なら側壁頂部の接地面が除去されているからである。また 図6aから明らかなように、プリンタヘッドの本体部分の電圧は0.0−+/− o、ivの範囲にある。対照的に、PZTから成る活性薄片を側壁の中間部分と して使用することは、側壁の端で接地される接続部分を備えた1倍のU字形アク チュエータに帰着した。結果として、側壁の中心と端との間における電圧降下は 、2倍のU字形アクチュエータに較べると、この1倍のU字形アクチュエータの 方が大きかった。これは、側壁のより強力な歪に役立つであろう。またその結果 、チャンネル内にはより大きな圧縮力が発生する。他方、2倍のU字形アクチュ エータでは、側壁の上部は上本体部分と一体に形成されている。対照的に、1倍 のU字形アクチュエータは、側壁の中間部分としてPZTの薄片の使用を必要と した。ところで上記PZTの薄片は、この薄片をプリンタヘッドの本体に装着す るために接着剤片の使用を必要とした。結果として、2倍のU字形アクチュエー タの側壁上部の歪は、1倍のU字形アクチュエータの類似した歪と比較すると、 より大きな機械的変位に変えられる。なお上記1倍のU字形アクチュエータの場 合は、上記中間部分が、接着剤片上で「浮き上がる」かまたは滑る傾向にあった 。1倍のU字形アクチュエータはこのような理由のために、より少ない機械的変 位を生む傾向がある。
しかしながらこれらの派生する効果は、上記1倍のU字形アチュ二一夕と、2倍 のU字形アクチュエータとに似たような挙動を起こさせるが、確かな外因的要件 は、2倍のU字形アクチュエータの使用が望ましいとする。特にインクジェット プリンタヘッド用のアクチュエータを2倍のU字形状にすることによって、PZ T薄片の使用を回避することができる。なおこの薄片は、通常、厚さが100〜 200μmの範囲にあり、また4〜8ミルの範囲の寸法を有する。
したがってこの薄片の生産は困難であり、しかも費用がかがることが証明されて いる。
上述の詳細な説明は、図面および実施例のためにのみ与えられたものであること を明確に理解すべきである。この発明の思想および範囲は、添付した請求の範囲 のみによって限定される。
特表千7−501500 (10) Flに、6a 補正書の写しく翻訳文)提出書(特許法第184条の8)i平成 6年 9月3 0日

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.基体部および、互いに間隔を置いてこの基体部の縦方向に沿いかっこの基体 部から上方にほゞ平行して延び、そのそれぞれが頂面を有する複数の突起を具備 すると共に、圧電材料から成る下本体部分と、 頂部および、互いに間隔を置いてこの頂部の縦方向に沿いかっこの頂部から下方 にほゞ平行して延び、そのそれぞれが底面を有する複数の対応する突起を具備す ると共に、圧電材料から成る上本体部分とを有し、 上記下本体部分の突起の頂面と、上記上本体部分の対応する突起の底面とが導通 のある状態でそれぞれ結合され、軸方向にほゞ平行に延びると共にインク限排出 できるインク搬送チャンネルを形成するインクジェットプリンタヘッド。
  2. 2.上記下本体部分は上記複数の平行なチャンネルの軸方向にほゞ直交する第1 の方向に分極される請求項1記載のインクジェットプリンタヘッド。
  3. 3.上記上本体部分も上記第1の方向に分極される請求項2記載のインクジェッ トプリンタヘッド。
  4. 4.導電接着剤層から成る複数の対応する断片状部分が、上記下本体部分の各突 起と上記上本体部分の対応する各突起との間にそれぞれ設けられる請求項3記載 のインクジェットプリンタヘッド。
  5. 5.上記導電接着剤層から成る各断片状部分と電気的にそれぞれ接続されたコン トローラは、上記断片状部分のそれぞれに正、零、負の電圧の何れかを同時に与 え得るように形成された請求項4記載のインクジェツタプリンタヘッド。
  6. 6.上記コントローラは上記正、零および負の電圧を各3番日毎のチャンネルに 与えて、同時に作動させる請求項5記載のインクジェットプリンタヘッド。
  7. 7.上記インク搬送チャンネルのそれぞれは誘電体材料層で被覆される請求項4 記載のインクジェットプリンタヘッド。
  8. 8.上記インク搬送チャンネルは上記下本体部分の1対の相隣る突起と、この1 対の相隣る突起間の底部の部分と、上記上本体部分の1対の対応する相隣る突起 と、この1対の相隣る突起間の頂部の部分と、上記下本体部分の1対の突起限上 記上本体部分の1対の対応する突起にそれぞれ装着するための第1、第2の導電 接着剤層から成る断片状部分とから形成される請求項1記載のインクジェッタプ リンタヘッド。
  9. 9.上記下本体部分は上記複数の平行なチャンネルの軸方向にほゞ直角な第1の 方向に分極されると共に、上記上本体部分も上記第1の方向に分極される請求項 8記載のインクジェットプリンタヘッド。
  10. 10.上記下本体部分の1対の突起と交差する第1、第2の電場をそれぞれ発生 させる手段が設けられ、これら第1、第2の電場は上記下本体部分の分極方向に ほゞ直交すると共に、互いに逆向きの第1、第2の方向にある請求項9記載のイ ンクジェットプリンタヘッド。
  11. 11.上記上本体部分の1対の突起と交差する第3、第4の電場をそれぞれ発生 させる手段が設けられ、これら第3、第4の電場は上記上本体部分の分極方向に ほゞ直交すると共に、互いに逆向きの第3、第4の方向にある請求項10記載の インクジェットプリンタヘッド。
  12. 12.第1、第2の頂壁を持ちかっほゞU字形の第1のアクチュエータと、 この第1のアクチュエータの上記第1、第2の頂壁に導通のある状態で装着され る第1、第2の底壁を持ちかっほゞU字形限した第2のアクチュエータとを具備 し、 液体を閉じ込める細長いチャンネルが上記ほゞU字形の第1、第2のアクチュエ ータにより形成されるインクジェットプリンタヘッド。
  13. 13.上記第1、第2のU字形アクチュエータ限電気的に接続する手段が設けら れ、これによって上記細長いチャンネルに第1の圧力パルスが選択的に与えられ る請求項12記載のインクジェットプリンタヘッド。
  14. 14.上記第1のU字形アクチュエータの第1の頂壁を上記第2のU字形アクチ ュエータの第1の底壁に導通のある状態で装着するための第1の導電接着剤片と 、 上記第1のU字形アクチュエータの第2の頂壁を上記第2のU字形アクチュエー タの第2の底壁に導通のある状態で装着するための第2の導電接着剤片とを有す る請求項12記載のインクジェットプリンタヘッド。
  15. 15.上記第1の導電接着剤片に正電圧を選択的に与える手段と、上記第2導電 接着剤片に負電圧を選択的に与える手段とをさらに備えた請求項14記載のイン クジェットプリンタヘッド。
  16. 16.上記第1のU字形アクチュエータは圧電材料から成ると共に、上記液を閉 じ込める細長いチャンネルの方向にほゞ直交した第1の方向に分極され、 上記第2のU字形アクチュエータも、圧電材料から成ると共に上記第1の方向に 分極される請求項14記載のインクジェットプリンタヘッド。
  17. 17.上記第1のU字形アクチュエータは第1の頂面で終る第1の突起部材と、 第2の頂面で終る第2の突起部材とを有し、これらの第1、第2の突起部材は互 いにほゞ平行でありかつ共通の基部部材によって一体に形成され、 上記第一の導電接着剤片に正電圧を選択的に与える手段と、上記第2の導電接着 剤片に負電圧を選択的に与える手段とは上記第1および第2の突起部材内に互い に逆向きに第1および第2の電場をそれぞれ発生させる請求項16記載のインク ジエットプリンタヘッド。
  18. 18.上記第2のU字形アクチュエータは第1の底面で終る第1の突起部材と、 第2の底面で終る第2の突起部材とを有し、これらの第1、第2の突起部材は互 いにほゞ平行でありかつ共通の頂部部材によって一体に形成され、 上記第1導電接着剤片に正電圧を選択的に与える手段と、上記第2の導電接着剤 片に負電圧を選択的に与える手段とは上記第1および第2の突起部材内に互いに 逆向きの第3および第4の電場をそれぞれ発生させる請求項17記載のインクジ ェッタプリンタヘッド。
JP5517509A 1992-03-30 1993-03-22 2つのu字型チャンネル駆動装置を持つ高密度インクジェットプリンタヘッド Expired - Fee Related JP2715001B2 (ja)

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