JPS6325942B2

JPS6325942B2 -

Info

Publication number: JPS6325942B2
Application number: JP55050226A
Authority: JP
Inventors: Raasuson Suteitsuhiigeeran
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1980-04-15
Publication date: 1988-05-27
Also published as: GB2047628A; DE3007189A1; DE3007189C2; GB2047628B; CA1140199A; JPS55144174A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、圧電トランスデユーサをインクチヤ
ンネルの軸外に配置したパルス印加式液滴噴射器
に関する。トランスデユーサは、励起されると、
チヤンネルの方へ伸びてチヤンネルが圧縮され、
さらにそのチヤンネル内に含まれるインクが圧縮
される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a pulsed drop ejector in which a piezoelectric transducer is located off-axis of an ink channel. When the transducer is excited,
It stretches towards the channel and compresses the channel.
Additionally, the ink contained within the channel is compressed.

本発明は、任意の圧力パルス式液滴噴射器に利
用することができるが、本発明の平面伸張モード
トランスデユーサ装置をインクジエツト式記録装
置に利用した場合には、最大の利益が得られる。
従つて、本発明をインクジエツト式記録装置につ
いて記載する。 Although the present invention may be utilized with any pressure pulsed drop ejector, the greatest benefit is obtained when the planar stretch mode transducer device of the present invention is utilized in an inkjet recording device.
Accordingly, the present invention will be described with respect to an inkjet recording device.

インクジエツト式記録装置は周知のものであ
り、現在多くの装置が市販されている。通常、こ
れらのインクジエツト式プリンタは、ピストン式
プツシユ・プル作用を利用して小さなノズルから
インクの液滴を噴射して画像を形成する。通常、
圧電トランスデユーサは、このピストン式プツシ
ユ・プル作用を与えるために用いられる。圧電ト
ランスデユーサとは、電気エネルギーを機械エネ
ルギーに変換する装置である。米国特許第
2512743号明細書では、円形圧電トランスデユー
サを伸張モードで用いるインクジエツト方式が記
載されており、この場合、この伸張運動は、イン
クを駆動する軸方向に生じる。この圧電トランス
デユーサは、円錐状ノズルと同軸状に配置され、
この圧電トランスデユーサの軸方向への伸張運動
により圧力波が生じ、ノズルからインクの液滴が
絞り出される。他のトランスデユーサ装置もいく
つか提案されている。基本的な装置は、本発明の
発明者と他の研究者との共著である論文、すなわ
ち電子装置に関するIEEE会報、1973年１月号、
第14頁ないし第19頁にエリツクステム（Erik
Stemme）氏とステイツヒーゲーランラースソ
ン氏（Stig−G¨ran Larsson）が発表した“圧電
式毛管インジエクタ（The Piezoelectric
Capillary Injector）−新しい流体力学的ドツトパ
ターン発生方法（Ａ New Hydrodynamic
Method for Dot Pattern Generation）”に開示
されている。この論文では、二層式圧電金属円板
が該円板と同軸状にインクを駆動させるようにな
つている装置が開示されている。この装置では、
この円板の両側に電圧パルスを印加することによ
り、この内板が内方向、すなわちインクの方向へ
偏向し、この偏向によつてインク液滴がオリフイ
スから押出される。米国特許第3946398号明細書
にも同様な装置が開示されているが、明細書に記
載の通り、円板の偏向がオリフイスを介してイン
クを噴射するようになつており、その液滴噴射の
軸は、円板の軸に対して直交している。 Inkjet recording devices are well known, and many are currently commercially available. Typically, these inkjet printers use a piston-type push-pull action to eject droplets of ink from small nozzles to form images. usually,
A piezoelectric transducer is used to provide this piston-type push-pull action. A piezoelectric transducer is a device that converts electrical energy into mechanical energy. US Patent No.
No. 2,512,743 describes an inkjet system using a circular piezoelectric transducer in extension mode, where the extension movement occurs in the axial direction driving the ink. This piezoelectric transducer is arranged coaxially with the conical nozzle,
This axial extensional movement of the piezoelectric transducer creates a pressure wave that squeezes a droplet of ink from the nozzle. Several other transducer devices have also been proposed. The basic device is described in a paper co-authored by the inventor of the present invention and other researchers: IEEE Bulletin on Electronic Devices, January 1973 issue.
Erik Stem on pages 14-19.
Stemme and Stig-G¨ran Larsson announced “The Piezoelectric Capillary Injector”.
Capillary Injector) - New hydrodynamic dot pattern generation method (A New Hydrodynamic
This paper discloses an apparatus in which a two-layer piezoelectric metal disk drives ink coaxially with the disk. So,
By applying voltage pulses to both sides of the disk, the inner plate is deflected inwardly, toward the ink, and this deflection forces an ink droplet from the orifice. A similar device is disclosed in U.S. Pat. No. 3,946,398, but as described in the specification, the deflection of the disk is such that ink is ejected through an orifice, and the ejection of droplets is The axis is perpendicular to the axis of the disk.

さらに、米国特許第3857049号明細書には他の
装置が２つ示されている。その特許明細書の第１
図ないし第４図に示す装置では、管状トランスデ
ユーサが、インクを含むチヤンネルを囲んでお
り、このトランスデユーサは、電圧パルスの印加
により励起されると、チヤンネルを絞り出して液
滴を噴射する。またその特許明細書の第６図に示
す装置では、電圧パルスに応答して円板が半径方
向に伸張し、その内周部にあるチヤンネル内のイ
ンクを圧縮してインク液滴をノズルから噴射させ
る。このほかに他の装置も知られている。このよ
うに多くの異なる装置が提案されているのは、実
験者がプリンタアレイに用いることのできるほど
経済性、効率、信頼性及び十分なコンパクト性を
備えた装置を提供しようと努力しているからであ
る。さらに清掃及び装填を容易にするために適当
な設計とするのがよい。さらに、発生した気泡が
容易に除去できるような設計とするのがよい。 Additionally, two other devices are shown in U.S. Pat. No. 3,857,049. The first part of the patent specification
In the apparatus shown in Figures 1-4, a tubular transducer surrounds a channel containing ink, and when excited by the application of a voltage pulse, the transducer squeezes the channel and ejects a droplet. . In the device shown in FIG. 6 of that patent specification, a disk expands radially in response to a voltage pulse, compressing ink in a channel at its inner periphery and ejecting ink droplets from a nozzle. let Other devices are also known. These many different devices have been proposed as experimenters strive to provide devices that are economical, efficient, reliable, and compact enough to be used in printer arrays. It is from. In addition, it may be of suitable design to facilitate cleaning and loading. Furthermore, it is preferable that the design is such that generated bubbles can be easily removed.

本発明は、実質的に直方体のトランスデユーサ
の実質上直線状の側縁部がチヤンネルの軸外に配
置され、該側縁部がチヤンネル内のインクを圧縮
してインクの液滴を噴射させる有用な圧力パルス
液滴噴射器を提供しようとするものである。本発
明の主な利点は、インク通路が直線状チヤンネル
であり、それによつてインク巡回路の形成が容易
となることである。また、気泡が捕獲される角の
部分又は空所がないため、気泡の除去が容易であ
る。さらに、本発明は、トランスデユーサの直線
状側縁部をチヤンネルの軸外に設けることによ
り、アレイの実装密度を高める、すなわち従来の
装置よりも多くのトランスデユーサ及びノズルを
小さな領域に配置することができる。この利点
は、高速プリンタ装置にとつて非常に重要なもの
である。 The present invention provides a method in which the substantially straight side edges of the substantially rectangular transducer are positioned off-axis of the channel, and the side edges compress the ink in the channel to eject droplets of ink. It is an object of the present invention to provide a useful pressure pulse droplet ejector. The main advantage of the present invention is that the ink passage is a straight channel, which facilitates the formation of the ink circuit. Also, since there are no corners or voids where air bubbles can be trapped, air bubbles are easier to remove. Furthermore, the present invention increases the packing density of the array by placing the straight side edges of the transducers off-axis of the channel, i.e., placing more transducers and nozzles in a smaller area than in conventional devices. can do. This advantage is very important for high speed printer devices.

以下、特に、添付図面とともに下記の説明を参
照することにより、本発明についてさらに理解を
深められたい。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be better understood by referring, in particular, to the following description in conjunction with the accompanying drawings.

図面中、すべての図において、わかりやすいよ
うに同一部分には同一の参照番号が付されてい
る。 Identical parts in the drawings are given the same reference numerals in all figures for ease of understanding.

第１図を参照すると、直方体の圧電部材１の斜
視図が示されている。この圧電部材１の側面３及
び５は、導電性材料で被覆されている。この導電
性側面３及び５は、電気リード線７及び９により
電圧パルス発生器（図示せず）に接続されてい
る。圧電部材１は、製造の際に、矢印２で示す方
向に分極される。この分極方向２と反対の方向に
電界を加えると、圧電部材１がＺ方向に収縮し、
すなわちＺ方向の厚さが薄くなる。このＺ方向の
収縮が起きると、圧電部材１は、破線で示すよう
に、Ｘ及びＹ方向に膨張すなわち伸張される。本
書では、この直方体の圧電部材１の中心から遠い
端部及び側縁部の平面的運動は、平面の伸張運動
として示されている。電気リード線７と９との間
に印加された電圧パルスにより、励起されると、
圧電部材１のＸ方向及びＹ方向の長さが伸張す
る。本発明では、圧電部材１の一方の側縁部４が
たとえば第３図及び第４図に示すブロツク１１の
ような手段により固定されている。従つて、圧電
部材１のＹ方向の膨張は、ブロツク１１から遠ざ
かる方向のみへの伸張運動を生じる。この伸張運
動は、第２図に示すチヤンネル１５内のインク１
３に伝達される。Ｙ方向運動をさらに増加させる
ために端部６及び８が固定されてもよい。これに
より、圧電部材のＸ方向への平面伸張運動は制限
され、Ｙ方向への運動が約30％増加する。 Referring to FIG. 1, a perspective view of a rectangular parallelepiped piezoelectric member 1 is shown. The side surfaces 3 and 5 of this piezoelectric member 1 are coated with a conductive material. The conductive sides 3 and 5 are connected by electrical leads 7 and 9 to a voltage pulse generator (not shown). The piezoelectric member 1 is polarized in the direction indicated by the arrow 2 during manufacture. When an electric field is applied in the direction opposite to this polarization direction 2, the piezoelectric member 1 contracts in the Z direction,
That is, the thickness in the Z direction becomes thinner. When this contraction in the Z direction occurs, the piezoelectric member 1 is expanded or expanded in the X and Y directions, as shown by the broken line. In this document, the planar motion of the ends and side edges far from the center of the rectangular parallelepiped piezoelectric member 1 is shown as a planar stretching motion. When excited by a voltage pulse applied between electrical leads 7 and 9,
The length of the piezoelectric member 1 in the X direction and the Y direction is expanded. In the present invention, one side edge 4 of the piezoelectric member 1 is fixed by means such as the block 11 shown in FIGS. 3 and 4, for example. Therefore, expansion of the piezoelectric member 1 in the Y direction causes an elongation movement only in the direction away from the block 11. This stretching motion causes the ink 1 in the channel 15 shown in FIG.
3. Ends 6 and 8 may be fixed to further increase Y-direction movement. This limits the planar stretching movement of the piezoelectric member in the X direction and increases the movement in the Y direction by about 30%.

第２図を参照すると、図示しない手段により１
縁部４が堅固に保持された圧電部材１が示されて
いる。圧電部材１の反対側の側縁部には“脚部”
２１が接着されている。この脚部２１により圧電
部材１の有効幅が増加し、かつインク放出体積
が、圧電部材１の幅を増加させない場合よりも大
きくなる。圧電部材１の厚さを厚くするよりも脚
部２１を用いる方が好ましい。というのは、同じ
体積変形を得るにはより厚い部材を駆動するため
により高い電圧が必要とされるからである。ま
た、１つのアレイ内の圧電部材間の電気絶縁がよ
くなる。脚部２１の運動は、さらに可撓性膜１７
を介してチヤンネル１５内のインク１３に伝達さ
れる。この膜１７により、圧電部材１の運動がイ
ンク１３に伝達され、かつインクが脚部２１及び
圧電部材１の周囲からしみ込むのが防止される。
チヤンネル１５は、剛性壁を有し、かつ固定縁部
４に対して堅固に固定されている。圧電部材１の
運動により、インク１３の液滴をオリフイス２３
（第３図及び第４図参照）から放出するのに十分
な圧力体積変形がインクに加えられる。固定用ブ
ロツク１１と固定チヤンネル１５との間にある圧
電部材１の周囲の空間は、絶縁材料１９で満たさ
れている。この絶縁材料１９は、導電性側面３及
び５と接触しているので比較的絶縁性であり、か
つ圧電部材１のＸ、Ｙ及びＺ方向への伸張運動及
び収縮を生じるために比較的可撓性なものでなけ
ればならない。チヤンネル１５は、自立管若しく
はチヤンネル、又は適当な材料の切削、腐食又は
鍛造孔であつてもよい。 Referring to FIG. 2, by means not shown, 1
The piezoelectric member 1 is shown with its edges 4 held firmly. On the opposite side edge of the piezoelectric member 1 are “legs”.
21 is glued. The legs 21 increase the effective width of the piezoelectric member 1, and the ink ejection volume is larger than if the width of the piezoelectric member 1 were not increased. It is preferable to use the leg portions 21 rather than increasing the thickness of the piezoelectric member 1. This is because higher voltages are required to drive thicker members to obtain the same volumetric deformation. Also, electrical insulation between piezoelectric members within an array is improved. The movement of the legs 21 further facilitates the movement of the flexible membrane 17.
is transmitted to the ink 13 in the channel 15 via the ink. This film 17 transmits the movement of the piezoelectric member 1 to the ink 13 and prevents the ink from seeping in from around the leg portions 21 and the piezoelectric member 1 .
The channel 15 has a rigid wall and is firmly fixed to the fixed edge 4. The movement of the piezoelectric member 1 causes droplets of ink 13 to flow into the orifice 23.
Sufficient pressure-volume deformation is applied to the ink to cause it to eject from the ink (see FIGS. 3 and 4). The space around the piezoelectric element 1 between the fixing block 11 and the fixing channel 15 is filled with an insulating material 19. This insulating material 19 is relatively insulating since it is in contact with the conductive side surfaces 3 and 5, and relatively flexible to cause stretching movements and contractions of the piezoelectric member 1 in the X, Y and Z directions. It has to be sexual. Channel 15 may be a free-standing tube or channel, or a cut, etched or forged hole in a suitable material.

本発明の平面伸張モードトランスデユーサから
得られる体積変形は、次の式を用いて概算でき
る。 The volumetric deformation resulting from the planar extension mode transducer of the present invention can be approximated using the following equation.

ΔV＝−l_xl_yＷ（d₃₁E＋Ｗ／l_zS₁₁ ^EＰ）ここで、ΔVは体積変形、Ｐはインク内の圧
力、Ｅは圧電部材１に加えられた電界、l_x、l_y及
びl_zはそれぞれ圧電部材１の長さ、高さ、及び厚
さ、Ｗは脚部２１の幅、S₁₁ ^Eは圧電材料のコンプ
ライアンス定数、d₃₁は圧電部材の圧電定数であ
る。 ΔV=−l _x l _y W (d ₃₁ E+W/l _z S ₁₁ ^E P) Here, ΔV is the volumetric deformation, P is the pressure inside the ink, E is the electric field applied to the piezoelectric member 1, l _x , l _y and l _z are the length, height, and thickness of the piezoelectric member 1, W is the width of the leg 21, S ₁₁ ^E is the compliance constant of the piezoelectric material, and d ₃₁ is the piezoelectric constant of the piezoelectric member.

上式からわかるように、インクに加わる圧力
は、脚部２１の幅を制御することにより、またそ
の体積変形は圧電部材１のＸ、Ｙ及びＺ方向の大
きさを別々に制御することにより、独立して制御
される。 As can be seen from the above equation, the pressure applied to the ink can be controlled by controlling the width of the leg 21, and the volumetric deformation can be controlled separately by controlling the size of the piezoelectric member 1 in the X, Y, and Z directions. independently controlled.

第３図の構成では、チヤンネル１５は、絶縁性
を有する可撓性部材１９で形成されている。この
チヤンネルは、圧電部材１、リード線７及び９並
びに脚部２１が配置された後に、たとえばせん穴
その他の便利な方法により形成されてもよい。第
３図は、平面伸張モードの圧電トランスデユーサ
を用いることにより設計の簡単化を可能ならしめ
ることを表わしている。インク流は、インク供給
口（図示せず）からチヤンネル１５を介して噴射
ノズル２３まで比較的直線状である。例をあげる
と、オハイオ州、ペツドフオードのベルニトロン
ピエゾエレクトリツクデイビジヨンから市販の
ピエゾセラミツクPZT−5Hから作られており、
その厚さ、高さ及び長さは、それぞれ0.25mm、５
mm及び15mmである。チヤンネル１５は直径約0.75
mmの円形断面を有し、また直径約50μｍのオリフ
イス２３を有する。脚部２１の幅は、約0.75mmで
ある。プリンタの場合には、約50Vの電位を約
8K_zの周波数で印加するのが有効であることがわ
かつている。 In the configuration shown in FIG. 3, the channel 15 is formed of a flexible member 19 having insulation properties. This channel may be formed after the piezoelectric member 1, leads 7 and 9 and legs 21 have been placed, for example by drilling or any other convenient method. FIG. 3 illustrates the possibility of design simplification by using a planar extension mode piezoelectric transducer. The ink flow is relatively straight from an ink supply port (not shown) through channel 15 to ejection nozzle 23 . For example, it is made from piezoceramic PZT-5H, commercially available from Bernitron Piezoelectric Division of Petsford, Ohio.
Its thickness, height and length are 0.25mm and 5mm respectively.
mm and 15mm. Channel 15 has a diameter of approximately 0.75
It has a circular cross-section of mm and an orifice 23 with a diameter of about 50 μm. The width of the leg portion 21 is approximately 0.75 mm. In the case of a printer, a potential of approximately 50V is applied to the
It has been found that application at a frequency of 8K _z is effective.

第４図は、ノズルアレイが第２図の装置を利用
していかに形成されるかを概略的に示したもので
ある。この場合には、多数の圧力パルス式液滴噴
射器が並べて配置されて１つのアレイを形成して
いる。そこには、圧電部材１を固定するために横
棒１１が用いられている。このようなアレイは、
たとえば高速プリンタに有用であろう。 FIG. 4 schematically shows how a nozzle array is formed using the apparatus of FIG. In this case, a number of pressure pulse drop ejectors are arranged side by side to form an array. A horizontal bar 11 is used there for fixing the piezoelectric member 1. Such an array is
For example, it would be useful for high speed printers.

以上、特定の実施例及び構成要素について述べ
てきたが、当業者であれば、その形状の各種変更
及び細部の変更を、本発明の精神及び範囲から外
れることなく行なうことができることが理解され
るであろう。たとえば、チヤンネル１５の断面
は、円形、直方形その他の適当な形状であつても
よい。さらに、圧電部材１は、電歪部材又は磁歪
部材で代用してもよい。 Although specific embodiments and components have been described above, those skilled in the art will understand that various changes in shape and details can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Will. For example, the cross section of channel 15 may be circular, rectangular, or any other suitable shape. Furthermore, the piezoelectric member 1 may be replaced by an electrostrictive member or a magnetostrictive member.

[Brief explanation of the drawing]

第１図は、平面伸張モードトランスデユーサ
の理解を助けるためにＸ、Ｙ及びＺ方向を明示し
た圧電トランスデユーサの斜視図である。第２図
は、平面伸張モードで用いるトランスデユーサが
ほぼ直線状のチヤンネルの軸外にどのように配置
されているかを示す斜視図である。第３図は、イ
ンク充填チヤンネルの軸外にある伸張モードトラ
ンスデユーサを利用する圧力パルス式液滴噴射器
の実施例の側面図である。第４図は、軸外トラン
スデユーサを利用したアレイの端面図の概略的横
断面図である。１……圧電部材、３，５……導電性側面、４…
…側縁部、６，８……端部、７，９……リード
線、１１……固定用ブロツク、１３……インク、
１５……チヤンネル、１７……可撓性膜、１９…
…絶縁材料、２１……脚部、２３……オリフイ
ス。 FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric transducer with the X, Y, and Z directions clearly marked to aid in understanding the planar stretch mode transducer. FIG. 2 is a perspective view showing how a transducer for use in planar extension mode is positioned off-axis in a generally linear channel. FIG. 3 is a side view of an embodiment of a pressure pulsed drop ejector that utilizes an extension mode transducer that is off-axis of the ink fill channel. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an end view of an array utilizing off-axis transducers. 1... Piezoelectric member, 3, 5... Conductive side surface, 4...
...Side edge, 6, 8... End, 7, 9... Lead wire, 11... Fixing block, 13... Ink,
15... Channel, 17... Flexible membrane, 19...
...insulating material, 21...leg, 23...orifice.

Claims

[Scope of Claims] 1. Includes a fixed linear capillary ink channel, one end of which is provided with an ink droplet ejecting nozzle, and the other end is connected to an ink supply source, and at least the above-mentioned a housing having a structure in which a portion of the channel adjacent the nozzle is deformable, the deformable portion having a substantially uniform cross-sectional area with respect to axial flow therethrough; a piezoelectric transducer in the shape of a flat rectangular parallelepiped with opposing parallel ends, elongated side edges and side surfaces, the transducer being positioned perpendicular to the channel axis in the same plane; As if to come,
one of the side edges is in alignment with the channel axis and in contact with the deformable channel portion; a conductive coating is formed on a side of the transducer; polarized in a predetermined perpendicular direction, such that when an electric field is applied in a direction opposite to the direction of polarization of the transducer, the transducer stretches in a plane parallel to its side surface; a side edge of the transducer opposite to the side in contact with the channel is fixedly held by the housing;
a piezoelectric transducer whereby planar extension of the transducer occurs toward the deformable portion away from the fixed transducer side edges; and supplying ink to the ink channel. and means for applying a voltage to a conductive coating on the transducer to extend the planar transducer in a direction away from the channel axis, thereby ejecting an ink droplet. Droplet injection device. 2 the transducer is further fixedly attached to a side edge of the transducer in contact with the deformable channel portion, such that the transducer is located intermediate the transducer and the channel; a leg having a width wider than a side edge of the transducer and substantially the same width as the channel;
2. The device according to claim 1, wherein liquid injection can thereby be performed more efficiently. 3. The transducer has dimensions of 0.25 mm thick, 5 mm high, and 15 mm long, the channel has a circular cross section with a diameter of about 0.75 mm, and the nozzle has an orifice with a diameter of about 50 μm. 2. The device of claim 1, wherein said legs have a width of approximately 0.75 mm. 4. The ends of the transducer are also fixed, thereby restricting the direction of planar transducer extension only towards the channel, resulting in further transducer extension in this pressure generation direction, further increasing efficiency. 2. The apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is capable of ejecting ink droplets.