JPH04341849A - インクジェットプリントヘッド - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電基板の振動を利用し
てインク滴を飛翔させるようにしたインクジェットヘッ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インクミスト流を利用したインク
エジェクタについて種々の模索がなされるようになって
きた。特開昭６２−８５９４８号公報に開示された装置
はその前駆をなすものである。これは超音波振動により
液体インクを霧化させると同時に帯電させ、電界により
記録媒体に付着させるというものである。

【０００３】しかし上記従来例では、記録素子と同数の
独立分離した超音波発生手段を設けているので、装置が
大型になる、解像度を上げられないと言う問題を有して
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる問題
を解決すべくなされたもので、その目的とするところは
、微小な液粒を正確な向きに吐出制御することができる
と同時に、マルチエレメント化して、高密度に集積、実
装することのできる新規なインクジェットプリンタを提
案することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明のインクジ
ェットプリントヘッドはかかる課題を解決するために、
圧電基板と、この圧電基板の表面と裏面に配された少な
くとも１対の電極と、前記電極間にこの圧電基板の共振
周波数に等しい周期で変化する電圧を選択的に印加する
駆動手段と、前記電極対の交差領域に相対峙するノズル
を設けた、前記圧電基板と平行に配されたノズルプレー
トと、前記圧電基板とノズルプレートとのギャップに保
持されたインクとで構成され、前記ギャップが前記イン
ク中の前記共振周波数によるインク中の音波の半波長の
整数倍にほぼ等しいことを特徴とするものである。

【０００６】

【実施例】はじめに、個々の実施例を説明する前に、図
１、図２を参照しつつ本発明に基づくインクジェットプ
リントヘッドによってもたらされるインクミストの飛翔
原理について説明する。図１はインクジェットプリント
ヘッドの吐出部を上面から見た図、図２は側面から見た
図である。

【０００７】図において符号１は片平坦に形成した厚さ
ｄの板状の圧電基板である。圧電基板はあらかじめ、厚
み方向の電界に対して変位するように分極してある。

【０００８】この圧電基板１の裏面に幅Ｗｓを有した記
録電極２が、もう一方の表面には同じく幅Ｗｃを有した
コモン電極３が配置され対となっている。互いの電極は
図中斜線で示すような矩形状のＷｃ×Ｗｓの面積の交差
領域６を形成する。記録電極２はピッチＰｔで並べた。

【０００９】本例では記録電極は前記２本のコモン電極
との間に２個の交差部、即ち振動部を有し、その交差部
は千鳥状に配置した。

【００１０】４は厚みｄｎの板状のノズルプレートであ
り、圧電基板１と平行に距離ｇをおいて配置される。５
はノズルプレートに開けられた内径Ｎｄのノズルであり
、上記電極の矩形の交差領域６に相対応している。また
間隔Ｐｔ１をおいて千鳥状に２列設けた。ノズルプレー
トは電ちゅうにより作製し、ノズル断面は下方へ開いた
形状とした。

【００１１】７はノズルプレート４と圧電基板１との間
に表面張力で保持されるインクである。インク７は毛細
管力により、交差領域６、即ちノズル５直下に導かれる
。

【００１２】今、コモン電極３と記録電極２との間に周
期Ｔ秒で変化する電圧を印加する。周期Ｔが圧電基板１
の厚み方向の縦振動の共振周波数の整数倍の周波数の逆
数に近い時、両面を解放端とする電極間の交差部６に定
在波振動が生じる。上記振動により、交差部６上に供給
されたインクが励振され、図の上方向への放射圧力と、
インク表面に生じた表面波振動の干渉により、各々の直
径が１μｍ乃至５０μｍのミスト柱８となって交差部よ
り若干小さい面積から、ほぼ垂直に放射した。図３、図
４はこのような原理をもとにラインプリンタ用のインク
ジェットプリンタヘッドとして構成した本発明の典型的
な実施例を示したものである。図３はインクジェットプ
リントヘッドを側面から見た図、図４は斜視分解図であ
る。

【００１３】図３において、符号１は有効印字領域を越
える長さを備えた狭巾の圧電基板で、この圧電基板は厚
さ１ｍｍのチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）系圧電セラ
ミクスで形成した。

【００１４】なお本例で用いた材質のほかにＺｎＯ等の
圧電性セラミクスや、ＬｉＮｂＯ３、水晶、ＬｉＴａＯ
３、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０、Ｓｉ１２ＧｅＯ２０などの圧
電性単結晶や、ポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高
分子圧電材料、さらに上記圧電材料を混合したもの、ま
た上記圧電材料を膜状に積層したものを使用することも
可能である。

【００１５】この圧電基板の上面端には、コモン電極３
ａ、３ｂがフォトリソグラフィ法により形成されている
。 コモン電極３ａ、３ｂの電極幅Ｗｃは約１００μｍとし
た。

【００１６】また、圧電基板１の下端には、記録電極２
ａ、２ｂが同じくフォトリソグラフィ法により形成され
ている。記録電極２ａ、２ｂの電極幅Ｗｓは約１００μ
ｍ、電極間ピッチＰｔは１７０μｍ、Ｐｔ１は０．５ｍ
ｍとした。また記録電極２ａと２ｂは互いに記録電極の
配列の垂直方向に８５μｍずらして配置した。記録電極
は１２００本設け、各々の記録電極Ｐｔは１７０μｍと
することにより、解像度３００ｄｏｔ／ｉｎｃｈのライ
ンヘッドを形成することができた。

【００１７】コモン電極と記録電極は、ともに圧電基板
の両面をラップ研磨した後、クロム薄膜を１０ｎｍ形成
しその上に金薄膜を１μｍ形成した。

【００１８】上記２つの圧電基板は配線基板１４の配線
のない裏側にエポキシ系樹脂で接着固定した。

【００１９】上記構成の圧電基板の共振周波数は約１．
８ＭＨｚであった。ノズルプレート４は厚さ３０μｍの
ニッケル板を用いた。またノズル内径Ｎｄは３０μｍと
した。　　１０はノズルプレート４と圧電基板１とのギ
ャップを保持しつつ、ノズルと対応して設けた穴１５に
よってインクを吐出部へ導く流路を形成するためのガイ
ドプレートである。ガイドプレートの厚みは５０μｍと
することにより、ノズルプレートと圧電基板１とのギャ
ップを５０μｍに保持することができた。１３は上記構
成要素を固定するための支持台であり、インク流路をも
兼ねている。

【００２０】支持台には図４に示すごとく、複数本の位
置決めピン１２が設けられている。この位置決めピン１
２に対し、圧電基板１、ガイドプレート１０、ノズルプ
レート４には各々対応して、位置決め穴１１ｃ、１１ｂ
、１１ａをもうけた。プリントヘッドの組み立てる際に
は上記位置決めピンと位置決め穴により、各要素間の位
置が決めることができる。

【００２１】インク７は毛細管力により矢印Ｂ方向へ吐
出部へと導かれる。インクは純水に染料を３重量％と５
重量％のジエチレングリコールを溶解分散したものを用
いた。インクの粘度は１．５ｃｐｓであった。また何種
かのインクで飛翔実験をしたところ、２５℃における粘
度が０．５ｃｐｓから８ｃｐｓ、比重が０．５ｇ／ｃｍ
３から３．０ｇ／ｃｍ３、表面張力が１０ｄｙｎｅｓ／
ｃｍから１００ｄｙｎｅｓ／ｃｍで良好な印字を得るこ
とができた。

【００２２】１６は駆動用のドライバを集積化したドラ
イバＩＣであり、ポリイミド製のＴＡＢ配線フィルム１
７に実装後モールドした。ドライバ１６の出力スイッチ
回路は相補型ＭＯＳ回路で構成し、高電圧出力状態、低
電圧出力状態、ハイインピーダンス状態の３状態出力型
とした。上記ＴＡＢ配線フィルムの一端は圧電基板の外
側端の端子部１８ａ、１８ｂに異方性導電膜を介して電
気的に接合され、もう一方の端は、配線基板１４に同じ
く接続されている。

【００２３】配線基板１４は前述のとおり２枚の圧電基
板の支持固定用基板を兼ね、かつ２層配線により、ドラ
イバＩＣへの電力供給、記録信号、制御信号を行う。

【００２４】配線基板は３層構造のガラスエポキシ配線
基板を用いた。

【００２５】図５に前記ノズルプレートと圧電基板との
ギャップ長と吐出効率の相関を示す。横軸はギャップ長
ｇの液中の音波の波長に対する比を、縦軸は吐出効率を
表す。本例ではインク液中の音速は１４００ｍ／ｓｅｃ
であり、共振周波数は１．８ＭＨｚであったので、波長
λは１４００ｍ／ｓｅｃ　÷１．８ＭＨｚ　　＝　　７
８０μｍであった。

【００２６】図５で明らかなようにギャップ長が半波長
の整数倍のとき、吐出効率は極大値をとる。実際にはギ
ャップ長を 　　　　　　　　λ／２　×　０．８　×　ｎ　　＜　
　ｇ　　＜　　λ／２　×　１．２　×　ｎ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（ｎ　　＝　　０、１、２、．．
．）の範囲内におさめることにより、ほぼ実用的な出力
を得ることができた。

【００２７】図６と図７と図８に本実施例の駆動方法を
示す。図６に等価回路を、図７に駆動信号を図８に駆動
電圧に対する吐出効率の相関を示す。

【００２８】図６において、Ｄｃ１とＤｃ２は２本のコ
モン電極３ａ、３ｂを駆動するためのドライバを、Ｓｃ
１とＳｃ２はＤｃ１、Ｄｃ２への信号を切り変えるスイ
ッチを、〜Ｄｓ５は記録電極２ａ〜２ｅを駆動するため
のドライバを、Ｓｓ１〜Ｓｓ５はＤｓ１〜Ｄｓ５への信
号を切り変えるスイッチを示す。Ｅａ１〜Ｅａ５、Ｅｂ
１〜Ｅｂ５は各々のコモン電極と記録電極との間の交差
部で形成される記録素子単位を示す。 ３１はインバータ、３２はバッファである。

【００２９】図７において（ａ）はＤｃ１の出力電圧、
（ｂ）はＤｃ２の出力電圧、（ｃ）はＤｓ３の出力電圧
、（ｄ）は素子単位Ｅｂ３に印加される電圧、（ｅ）は
素子単位Ｅａ１、Ｅａ２、Ｅａ４、Ｅａ５に印加される
電圧、（ｆ）は素子単位Ｅｂ１、Ｅｂ２、Ｅｂ４、Ｅｂ
５に印加される電圧を示す。

【００３０】図８において、横軸は駆動電圧振幅を、縦
軸は吐出効率を表す。

【００３１】今記録素子単位Ｅｂ３よりインク吐出させ
ようとするとき、コモン電極３ａ、３ｂには（ａ）、（
ｂ）のごとき相対的に位相を１８０度変えた振幅Ｖ０の
電圧を印加し、記録電極２ｃに（ｃ）のごとき電圧を印
加する。他の記録電極の電位は０Ｖとする。この際電圧
Ｖ０は図８に示すように、吐出開始電圧Ｖｔｈを越えな
い電圧とし、Ｖ０の２倍の電圧振幅振幅Ｖ１がＶｔｈを
越えるような値に設定する。

【００３２】記録素子Ｅｂ３には（ｄ）のごときＶ０の
２倍の振幅Ｖ１の電圧が印加され、Ｅａ３には振幅０Ｖ
の電圧が、Ｅａ１、Ｅａ２、Ｅａ４、Ｅａ５には（ｅ）
のごとき振幅Ｖ０の電圧が、Ｅｂ１、Ｅｂ２、Ｅｂ４、
Ｅｂ５には（ｆ）のごとき振幅Ｖ０の電圧が印加される
。

【００３３】従って、Ｖｔｈを越える記録素子Ｅｂ３の
みがインク吐出を行うことができる。

【００３４】また他の記録素子を駆動する場合にも、前
記コモン電極への印加電圧の位相関係に留意して、任意
の記録電極に（ｃ）のごとき電圧を印加することにより
、任意の記録素子よりインクを吐出させることができた
。

【００３５】このような駆動方法を用いることにより、
２４００素子に対しドライバは１２００個でよいので、
ドライバ実装が容易になり、またドライバの総コストも
下げることができた。

【００３６】尚本例ではコモン電極を２本で構成したが
、理論的には総素子数の平方根の本数までコモン電極を
増やすことができる。また本例は駆動電圧を両極性を有
する交流の三角関数波で説明したが、駆動信号は単極性
の脈流であっても、また矩形波や三角波であっても、実
現可能である。

【００３７】尚本例では総てコモン電極側よりインクの
吐出をする構造で説明したが、記録電極側からのインク
吐出も可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば単一の圧電基板とその上
に設けられた電極のみの、簡素な構成により、インクを
選択的な飛翔させることができる。従って、装置の高精
細化、小型化、低価格化ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
吐出部を上面から見た図ある。

【図２】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
吐出部を側面から見た図ある。

【図３】インクジェットプリントヘッドの一実施例の側
面図である。

【図４】インクジェットプリントヘッドの一実施例の斜
視分解図である。

【図５】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
ノズルプレートと圧電基板とのギャップ長と吐出効率の
相関を示す図である。

【図６】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
等価回路を示す図である。

【図７】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
駆動信号をを示す図である。

【図８】本発明によるインクジェットプリントヘッドの
駆動電圧に対する吐出効率の相関を示す図である。

【符号の説明】

ｄ　圧電基板の厚さ ｄｎ　ノズルプレートの厚み ｇ　圧電基板とノズルプレートのギャップＮｄ　ノズル
の内径 Ｐｓ　記録電極間ピッチ １　圧電基板 ２　記録電極 ３　コモン電極 ４　ノズルプレート ５　ノズル ６　交差領域（Ｗｃ×Ｗｓの面積） ７　インク １０　ガイドプレート １１ａ、１１ｂ、１１ｃ　位置決め穴 １２　位置決めピン １３　支持台 １４　配線基板 １６　ドライバＩＣ １７　ＴＡＢ配線フィルム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　圧電基板と、この圧電基板の表面に配
   された複数の電極と、この圧電基板の裏面に配された複
   数の電極と、前記表面電極と裏面電極との間の前記圧電
   基板を介した交差領域にこの圧電基板の共振周波数に等
   しい周期で変化する電圧を選択的に印加する駆動手段と
   、前記交差領域に相対峙するノズルを設けた、前記圧電
   基板と平行に配されたノズルプレートと、前記圧電基板
   とノズルプレートとのギャップに保持されたインクとを
   備え、前記表面電極或は裏面電極の各々が複数の交差領
   域を共有することを特徴とするインクジェットプリント
   ヘッド。
2. 【請求項２】　　前記駆動手段が前記裏面電極の各々に
   接続された、前記共振周波数に等しい周期で変化する電
   圧を選択的に印加する状態と、ある一定電位を出力する
   状態の２状態を選択する駆動素子と、前記表面電極の各
   々に接続された、前記共振周波数に等しい周期で変化す
   る電圧を選択的に印加する第一の状態と、この第一の状
   態に対し、１８０度位相が異なる周期性電圧を出力する
   第二の状態の２つの状態を選択する駆動素子から構成さ
   れることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプ
   リントヘッド。