JPH09109386A - インクジェット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インク液室の液室下壁又は液室上壁と液室側
壁との間に位置するコーナ部における亀裂の発生を抑制
したインクジェット装置を提供する。 【解決手段】 インク液室８の液室下壁２より一体的に
立設された下側の液室側壁３の上に、上側の液室側壁５
を接続固定し、さらにその上に上壁をなすカバープレー
ト７を接着固定する。液室下壁２と下側の液室側壁３と
の間に位置するコーナ部８ａ，８ａを所定形状の湾曲部
とする。インク液室８のコーナ部８ａ，８ａは、応力集
中による亀裂の発生を防止すると共にインク液室８の容
積を十分確保するという観点から、５〜１０μｍの範囲
の湾曲部とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク液滴を噴射
して、記録紙等の記録媒体に印字を行うインクジェット
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インク液滴を噴射して、記録紙等
の記録媒体に印字を行うインクジェット装置が広く採用
されつつあり、そして、そのようなインクジェット方式
の印字装置に用いられる印字ヘッドとして、剪断モード
タイプのものが知られている（例えば特開平５ー９２５
６１号公報参照）。

【０００３】そのようなインクジェット方式の印字ヘッ
ドは、インクが供給され、少なくとも一部が２個以上の
圧電部材から構成された液室側壁を有するインク液室
と、上記圧電部材に電界を発生させる電極とを有し、上
記電極への電圧の印加により上記圧電部材を変形させ、
上記インク液室内のインクに圧力を付与してインクを噴
射するように構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
構造の場合には、電極への電圧の印加により２個以上の
圧電部材が「く」字形になるようにそれぞれを変形させ
て、インク液室内のインクに圧力を付与してインクを噴
射するように構成しているので、液室側壁が液室下壁又
は液室上壁から一体的に立設されていると、インクを噴
射させる毎に生ずる液室側壁（圧電部材）の変形によ
り、該液室側壁と液室下壁又は液室上壁との間に位置す
るコーナ部において応力が集中的に作用し、その結果、
インクの噴射が多数回繰り返されると、上記コーナ部に
おいて微小な亀裂が発生して破損し、液室側壁（圧電部
材）が電極への電圧の印加により正常に変形せず、イン
ク液滴の噴射が停止するおそれがある。

【０００５】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、インク液室の液室下壁又は液室上壁と液室側壁との
間に位置するコーナ部における亀裂の発生を抑制したイ
ンクジェット装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、インクが供給
され、少なくとも一部が２個以上の圧電部材から構成さ
れた液室側壁を有するインク液室と、上記圧電部材に電
界を発生させる電極とを有し、上記電極への電圧の印加
により上記圧電部材を変形させ、上記インク液室内のイ
ンクに圧力を付与してインクを噴射するインクジェット
装置を前提とするものである。

【０００７】そして、請求項１の発明は、上記目的を達
成するために、上記インク液室の液室下壁又は液室上壁
と液室側壁との間に位置するコーナ部が湾曲部とされて
いる構成とする。

【０００８】よって、請求項１の発明によれば、インク
液室の液室下壁又は液室上壁と液室側壁との間に位置す
るコーナ部が湾曲部とされているので、該コーナ部での
応力集中が緩和され、それによって亀裂の発生が抑制さ
れる。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、インク液室の液室下壁又は液室上壁と液室側壁との
間に位置するコーナ部が、液室下壁又は液室上壁から液
室側壁が一体的に立設されている部分のコーナ部であ
る。

【００１０】請求項２の発明によれば、液室下壁又は液
室上壁から液室側壁が一体的に立設されている部分のコ
ーナ部での応力集中が緩和され、亀裂の発生が効果的に
抑制される。

【００１１】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、液室側壁が、液室下壁から一体的に立設された下側
の液室側壁と、その側壁の高さ方向に積層固定された上
側の液室側壁とから構成され、下側の液室側壁と上側の
液室側壁とはそれらの積層方向でかつ互いに相反する方
向に分極され、下側の液室側壁と上側の液室側壁とに電
極が形成されている。

【００１２】請求項３の発明によれば、電極に電圧を印
加及びその印加を除去すると、下側の液室側壁と上側の
液室側壁とが圧電厚み滑り効果により、それぞれ傾斜変
形して両者が「く」字形をなし、又は復帰し、インク液
室からインクを噴射する。この際の変形において、上記
のように、下側の液室側壁が立設されている部分のコー
ナ部の湾曲部で応力集中が緩和され、亀裂の発生が効果
的に抑制される。

【００１３】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、下側の液室側壁とは反対側の上側の液室側壁の一側
に、インク液室の一側を覆って上記上側液室上壁を形成
するカバープレートが接着固定されている。

【００１４】請求項４の発明によれば、上記のように、
下側の液室側壁と上側の液室側壁とがそれぞれ傾斜変形
又は復帰する際、下側の液室側壁が立設されている部分
のコーナ部の湾曲部で応力集中が緩和され、また上側の
液室側壁とカバープレートとの間では接着剤で応力が吸
収緩和される請求項５の発明は、請求項３の発明におい
て、上側の液室側壁が、液室上壁から一体的に立設され
ている。

【００１５】請求項５の発明によれば、上側及び下側の
各液室側壁と、液室上壁及び下壁との間のコーナ部のそ
れぞれの湾曲部で応力集中が緩和される。

【００１６】請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれ
かの発明において、インク液室の液室下壁又は液室上壁
と液室側壁との間に位置するコーナ部が、曲率半径５〜
１０μｍの範囲の湾曲部である。

【００１７】請求項６の発明によれば、インク液室の液
室下壁又は液室上壁と液室側壁との間に位置するコーナ
部は、曲率半径５〜１０μｍの範囲の湾曲部とされてい
るので、インク液室の容積を低下させることなく、上記
コーナ部での応力集中が回避され、亀裂の発生が防止さ
れる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１９】図１はインクジェット装置を一部断面にし
て示す斜視図、図２は正面方向から見た断面図である。
図に示すように、インクジェット装置１は、液室下壁２
から一体的に立設された下側の液室側壁３（圧電材料）
と、該液室側壁３の上側即ち高さ方向に積層して接着剤
層４を介して接着固定された上側の液室側壁５（圧電材
料）と、該液室側壁５の上側（下側の液室側壁３と反対
側）に接着剤層６を介して接着固定され液室上壁となる
カバープレート７とを備え、液室下壁２、液室上壁とな
るカバープレート７及び左右の液室側壁３，５，３，５
によって区画されてインク液室８が多数溝状に形成され
ている。各インク液室８は、液室下壁２の後端面１５に
近いところで浅くなっており、後端面１５付近に浅溝１
７が形成されている。カバープレート７には、インク導
入口１６、それに接続したマニホールド１８が形成され
ている。そして、各インク液室８の上面がカバープレー
ト７で覆われることにより、各インク液室８の後端部が
マニホールド１８、インク導入口１６を介してインクカ
ートリッジ等のインク供給源に接続される。液室下壁２
及びカバープレート７の前端面にはノズルプレート１４
が接着固定され、このノズルプレート１４には各インク
液室８に対応してノズル孔１２が形成されている。

【００２０】各インク液室８の液室側壁３，５，３，５
には、電極１１，１１が設けられている。基板４１に
は、各インク液室８に対応した導電パターン４２が形成
され、その導電パターン４２と電極１１，１１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。

【００２１】インク液室８の液室下壁２から液室側壁５
が一体的に立設されてなる左右のコーナ部８ａ，８ａ
は、応力集中を緩和するために、湾曲部とされている。

【００２２】具体的には、インク液室８の液室下壁２と
液室側壁５，５との間に位置するコーナ部８ａ，８ａで
ある湾曲部は、応力集中による亀裂の発生を防止する観
点からは曲率半径５μｍ以上であることが望ましく、こ
のことは後述するように試験結果及び有限要素法による
解析結果からも確認されている。また、インク液室８の
容積を十分確保するという観点からは１０μｍ以下であ
ることが望ましい。よって、上記コーナ部８ａ（湾曲
部）の曲率半径は、５〜１０μｍの範囲であることが望
ましい。

【００２３】尚、インク液室８の幅Ｗは５０〜７０μｍ
の範囲で、高さＨは０．２〜０．３ｍｍの範囲である。
よって、上記コーナ部８ａの曲率半径Ｒは５〜１０μｍ
の範囲であるから、インク液室８の幅Ｗの７〜２０％の
範囲となる。

【００２４】上記下側の液室側壁３及び上側の液室側壁
５は圧電セラミックプレートで、強誘電性を有するチタ
ン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）の圧電セラミック材料で
形成されており、積層方向でかつ互いに相反する方向に
分極されている。

【００２５】上記インクジット装置１を製造するには、
まず、液室下壁２及び下側の液室側壁２並びに上側の液
室側壁５を構成することになるチタン酸ジルコン酸鉛系
（ＰＺＴ）の圧電材料を準備し、ドクターブレード法、
スクリーン印刷法等の手法を用いて、所定の厚さのシー
ト状に形成する。

【００２６】それから、１対のシートを、接着剤層４と
なる接着剤を用いて積層して圧電積層体を形成し、その
後、周知の方法により分極処理を行い（分極方向を矢符
で示す）、これによって上側のシートと下側のシートと
が厚さ方向でかつ互いに相反する方向に分極されるよう
にする。

【００２７】そして、それらに図示しない工具（例えば
ダイヤモンドブレード）によって上記圧電積層体を研削
加工し、それによって上記圧電積層体に、インク液室８
を構成することとなる複数の溝部が平行に形成される。

【００２８】その後、その溝部を構成する側壁（インク
液室８の液室側壁３，５に対応する）に、電極が蒸着等
の周知の方法により形成される。尚、インク液室８の底
面となる溝部底面には電極は形成しない。また、インク
液室８は、インクを噴射するものとインクを非噴射のも
のとが交互に並んでおり、それによって電極１１は、イ
ンクを噴射するものに対応する溝部に形成された接地電
極１１ａと、インクを非噴射のものに対応する溝部に形
成された駆動電極１１ｂとに分類される。

【００２９】そして、複数の溝部が形成され２つの圧電
部材が積層されてなる圧電積層体の上側に、接着剤層６
となる接着剤を用いて、液室上壁となるカバープレート
７が積層され、それによって複数のインク液室８が平行
に形成されたインクジェット装置１が得られる。

【００３０】このようなインクジェット装置１において
は、インク液室８からインク液滴を噴射するために、当
該インク液室８に対応する特定の駆動電極１１ｂに対し
電圧を印加し、他の駆動電極１１ｂを接地すると、液室
側壁３，５には互いに対向する方向の電界が発生し、上
下の各液室側壁３，５が圧電厚み滑り効果により、公知
のようにそれぞれ反対方向に傾斜変形して両者が「く」
字形をなし、インク液室８の容積を増大する。すると、
インク液室８内の圧力が減少する。これによって、イン
ク液室８内に図示しないインク供給源からマニホールド
１８を介してインクが供給される。

【００３１】次に、特定の駆動電極１１ｂへの電圧の印
加が除去されると、インク液室８の容積状態が増加状態
から自然状態へと変化してインク液室８の容積が減少す
ることとなり、その結果、インク液室８内の圧力が増加
する。この圧力の増加によってインク液室８内のインク
がインク液滴となり、ノズル孔１２から噴射される。

【００３２】従って、上記のように構成すれば、上記イ
ンクジェット装置１においてインクを噴射させる毎に、
インク液室８の側壁（液室側壁３，５）が圧電厚み滑り
効果により傾斜変形して、液室下壁２に対して倒れる方
向に揺動することでインクを噴射させることから、その
変形の繰り返しにより、インク液室８の液室下壁２より
液室側壁３が一体的に立設されてなる該両壁２，３の間
に位置するコーナ部８ａに応力が集中し亀裂を発生させ
ようとする傾向となるが、上記コーナ部８ａは、上述し
たごとく湾曲部に形成されているので、変形の繰り返し
による応力の集中が緩和され、その結果、亀裂の発生を
防止することができる。

【００３３】続いて、インク液室８の液室下壁２と液室
側壁５との間に位置するコーナ部８ａを湾曲部とした場
合の影響をみるために、該湾曲部の曲率半径Ｒを１〜４
０μｍの範囲で変化させて、いろいろな種類のインクジ
ェット装置を製作し、電極１１に駆動電圧を印加してイ
ンク液滴の噴射を１０億回程度行い、上記コーナ部８ａ
における亀裂の発生の有無を調べる試験を行った。尚、
インク液室８を構成する溝部を圧電積層体に加工する際
にダイヤモンドブレードが用いられるので、そのダイヤ
モンドブレードの外周のエッジを種々の曲率半径に予め
研削加工しておくことで、インク液室８の液室下壁２と
液室側壁５との間に位置するコーナ部８ａ，８ａの曲率
半径Ｒを変化させるようにした。

【００３４】上述したインクジェット装置によって１０
億回程度のインク液滴の噴射を行った結果、一部のイン
クジェット装置のインク液室８の液室下壁２と液室側壁
５との間に位置するコーナ部８ａ，８ａにおいては微小
な亀裂が発生して破損に至っていることが判明した。こ
のような破損に至ったものでは、電極１１に駆動電圧を
印加しても、側壁（液室側壁３，５）において正常な変
形が起こらず、インク液滴の噴射は停止していた。

【００３５】具体的には、破損に至ったものは、インク
液室８の液室下壁２と液室側壁５との間に位置するコー
ナ部８ａ，８ａの曲率半径Ｒが小さいものに集中してお
り、具体的には、上記コーナ部８ａ，８ａの曲率半径Ｒ
が１μｍのものでは３０％が、２μｍのものでは４％
が、３μｍのものでは０．５％が、４μｍのものでは
０．０５％がそれぞれ破損したが、曲率半径Ｒが５μｍ
以上のものでは破損したものは全くなかった。

【００３６】一方、インク液室８の液室下壁２と液室側
壁５との間に位置するコーナ部８ａ，８ａの曲率半径Ｒ
が０〜４０μｍの範囲の種々の値でもってインクジェッ
ト装置のモデルを製作し、有限要素法による数値解析を
行って、インク液室８の液室下壁２と液室側壁５との間
に位置するコーナ部８ａの曲率半径Ｒ（μｍ）と該コー
ナ部８ａでの主応力σ（ＭＰａ）との関係を調べた。

【００３７】解析結果は、図２に示すように、インク液
室８の液室下壁２と液室側壁５との間に位置するコーナ
部８ａの曲率半径Ｒが小さくなると、上記コーナ部８ａ
での主応力σが急速に増大することがわかる。よって、
上記コーナ部８ａ（湾曲部）の曲率半径Ｒが小さくなる
と、上記コーナ部８ａでの主応力σが急速に増大し、上
記コーナ部８ａでの主応力σが圧電セラミックプレート
（液室下壁２及び下側の液室側壁３）の破壊強度を越え
ると、一部に小さな亀裂が発生し、破損に至ることを示
している。

【００３８】従って、インク液室８の液室下壁２と液室
側壁５との間に位置するコーナ部８ａを湾曲部とすれ
ば、亀裂発生の防止のために効果があることが認めら
れ、上述した試験結果及び有限要素法による解析結果よ
り判断すれば、上記コーナ部８ａ（湾曲部）の曲率半径
Ｒは、亀裂発生の防止のためには、５μｍ以上であるこ
とが望ましい。一方、この曲率半径Ｒを大きくすると、
それに伴いインク液室８の容積が小さくなるので、イン
ク液室８として十分な容積を確保する点からは１０μｍ
以下であることが望ましい。よって、インク液室８の液
室下壁２と液室側壁３との間に位置するコーナ部８ａに
おける亀裂発生の防止を図ると共に、インク液室８とし
て十分な容積を確保して噴射効率を高めるためには、上
記コーナ部８ａの曲率半径Ｒが５〜１０μｍの範囲とな
るように、インク液室８を形成することが望ましい。

【００３９】上記インクジェット装置１においては、イ
ンク液室８の液室下壁２と液室側壁３，３との間に位置
するコーナ部８ａ，８ａのみを湾曲部に形成しているの
は、液室上壁（カバープレート７）と液室側壁５，５と
はそれらよりも柔らかい材質からなる接着剤層６を介し
て連結されているので、液室上壁（カバープレート７）
と液室側壁５，５との間に位置するコーナ部に作用する
応力は接着剤層６によって吸収緩和され、応力集中によ
る亀裂の発生のおそれがほとんどないからである。従っ
て、前掲特開平５ー９２５６１号公報に記載のように、
上記実施の形態とは異なり、液室下壁より下側の液室側
壁を一体的に立設させる一方、液室上壁より上側の液室
側壁を一体的に立設させ、下側の液室側壁の上端面と上
側の液室側壁の下端面とを一致するように接合してイン
ク液室を形成するようなインクジェット装置の場合に
は、液室下壁と下側の液室側壁との間のコーナ部だけで
はなく、液室上壁と液室側壁との間のコーナ部も湾曲部
とする必要がある。さらに側壁を３個以上の圧電材料で
形成するものに対しても、本発明を適用することができ
る。

【００４０】また、上記インクジェット装置１は、駆動
電圧１１ｂをインク液室８の容積が増加する方向に印加
してインクを供給し、次に駆動電圧の印加を停止してイ
ンク液室８の容積を自然状態に減少させてインク液室８
からインクを噴射するようにしているものであるが、そ
れとは逆に、まず、駆動電圧をインク液室の容積が減少
する方向に印加してインク液室からインク液滴を噴射し
てから、駆動電圧の印加を停止してインク液室の容積を
上記減少状態から自然状態へと増加させ、インク液室内
にインクを供給するようにしたものに対しても適用する
ことができるのは勿論である。

【００４１】

【発明の効果】請求項１の発明は、上記のように、イン
ク液室の液室下壁又は液室上壁と液室側壁との間に位置
するコーナ部を湾曲部に形成するようにしているので、
上記コーナ部での応力集中を緩和して、亀裂の発生を抑
制することができる。よって、長期間に亘って安定して
インクの噴射を行うことができる。

【００４２】請求項２の発明は、インク液室の液室下壁
又は液室上壁から液室側壁が一体的に立設されている部
分のコーナ部を湾曲部とするようにしているので、特に
亀裂が発生しやすい上記コーナ部での応力集中を積極的
に緩和して、亀裂の発生を抑制することができる。

【００４３】請求項３の発明は、液室側壁を、液室下壁
から一体的に立設された下側の液室側壁と、その側壁の
高さ方向に積層固定された上側の液室側壁とから構成
し、下側の液室側壁と上側の液室側壁とをそれらの積層
方向でかつ互いに相反する方向に分極したものとし、下
側の液室側壁と上側の液室側壁とに電極を形成している
ので、下側の液室側壁と上側の液室側壁とが圧電厚み滑
り効果により、それぞれ傾斜変形又は復帰する際、下側
の液室側壁が立設されている部分のコーナ部の湾曲部で
応力集中を緩和し、亀裂の発生を抑制することができ
る。

【００４４】請求項４の発明は、下側の液室側壁とは反
対側の上側の液室側壁の一側に、インク液室の一側を覆
って上記液室上壁を形成するカバープレートを接着固定
しているので、上記のように変形又は復帰する際、下側
の液室側壁が立設されている部分のコーナ部では、湾曲
部で応力集中を緩和し、また上側の液室側壁とカバープ
レートとの間では接着剤層で応力を吸収緩和し、亀裂の
発生を抑制することができる。

【００４５】請求項５の発明は、上側の液室側壁が、液
室上壁から一体的に立設されているので、上側及び下側
の各液室側壁と、液室上壁及び下壁との間のコーナ部の
それぞれの湾曲部で応力集中を緩和し、亀裂の発生を抑
制することができる。

【００４６】請求項６の発明は、インク液室の液室下壁
又は液室上壁と液室側壁との間に位置するコーナ部を曲
率半径５〜１０μｍの範囲の湾曲部としているので、イ
ンク液室の容積を大きく低下させることなく、コーナ部
での応力集中を回避して、亀裂の発生を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るインクジェット装置を一部断面に
して示す斜視図である。

【図２】本発明に係るインクジェット装置を正面方向か
ら見た断面図である。

【図３】インク液室のコーナ部の曲率半径と同コーナ部
での主応力との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ インクジェット装置 ２ 液室下壁 ３ 下側の液室側壁 ４ 接着剤層 ５ 上側の液室側壁 ６ 接着剤層 ７ カバープレート（液室上壁） ８ インク液室 ８ａ コーナ部（湾曲部） １１ 電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが供給され、少なくとも一部が２
   個以上の圧電部材から構成された液室側壁を有するイン
   ク液室と、上記圧電部材に電界を発生させる電極とを有
   し、上記電極への電圧の印加により上記圧電部材を変形
   させ、上記インク液室内のインクに圧力を付与してイン
   クを噴射するインクジェット装置であって、 上記インク液室の液室下壁又は液室上壁と液室側壁との
   間に位置するコーナ部が湾曲部とされていることを特徴
   とするインクジェット装置。
2. 【請求項２】 インク液室の液室下壁又は液室上壁と液
   室側壁との間に位置するコーナ部は、液室下壁又は液室
   上壁から液室側壁が一体的に立設されている部分のコー
   ナ部であるところの請求項１記載のインクジェット装
   置。
3. 【請求項３】 液室側壁は、液室下壁から一体的に立設
   された下側の液室側壁と、その側壁の高さ方向に積層固
   定された上側の液室側壁とから構成され、下側の液室側
   壁と上側の液室側壁とはそれらの積層方向でかつ互いに
   相反する方向に分極され、下側の液室側壁と上側の液室
   側壁とに電極が形成されているところの請求項２記載の
   インクジェット装置。
4. 【請求項４】 下側の液室側壁とは反対側の上側の液室
   側壁の一側に、インク液室の一側を覆って上記上側液室
   上壁を形成するカバープレートが接着固定されていると
   ころの請求項３記載のインクジェット装置。
5. 【請求項５】 上側の液室側壁は、液室上壁から一体的
   に立設されているところの請求項３記載のインクジェッ
   ト装置。
6. 【請求項６】 インク液室の液室下壁又は液室上壁と液
   室側壁との間に位置するコーナ部は、曲率半径が５〜１
   ０μｍの範囲である湾曲部であるところの請求項１〜５
   のいずれかに記載のインクジェット装置。