JPH0661936B2 - パルス滴付着装置およびパルス滴付着装置の製造方法 - Google Patents

パルス滴付着装置およびパルス滴付着装置の製造方法

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JPH0661936B2
JPH0661936B2 JP63003663A JP366388A JPH0661936B2 JP H0661936 B2 JPH0661936 B2 JP H0661936B2 JP 63003663 A JP63003663 A JP 63003663A JP 366388 A JP366388 A JP 366388A JP H0661936 B2 JPH0661936 B2 JP H0661936B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明はパルス滴付着装置に関し、典型的には「滴出要
求」インクジエツト・プリンターのようなパルス滴イン
クジエツト・プリンターに関するものである。
＜従来の技術およびその問題点＞ インクジエツト・プリンターは、たとえば米国特許第3,
946,398号、第3,683,212号、第3,747,120号の明細書に
開示されている。これらの技術において、インク又は他
の液体流路がインク噴出ノズルおよび貯液槽に接続され
ている。圧電素子が流路の一部に設けられ、電圧パルス
の印加に応じて振動して流路内の液体にパルスを発生す
るので、液体の圧力が変化して流路から液滴が噴出する
ことになる。
圧電素子の構造は、米国特許第3,683,212号では同軸円
筒状のものが、また米国特許第3,946,398号、第3,747,1
20号ではダイアフラムが開示されている。しかし、ダイ
アフラム式ではたわみの間に顕著な内部仕事によつて作
動するので効果的でない。また、ダイアフラムのような
壊れやすい薄膜の圧電素子は、切られて２枚貼り合わさ
れて液体流路に装着されるので大量生産にも向かない。
円筒構造の圧電素子も薄い円筒状をしているので内部応
力を発生し、圧電物質の量が相当多く使われているの
で、液滴噴出毎の全仕事は相当大きくなる。円筒状圧電
素子の出力インピーダンスは、液体とノズル・アパーチ
ヤによつて表される出力インピーダンスと、よくマツチ
ングしない。さらに、上記ダイアフラム形および円筒形
および円筒形の圧電素子は、ともに、滴付着ヘツドが多
流路配置になつているマルチ・ノズル高解像滴付着装置
を作ることはできない。
他の滴付着装置が米国特許第4,584,590号の明細書に開
示されている。この装置は、圧電物質のシート上に設け
られた直列の電極が、そのシートを電極間に伸びる個々
の変形可能なセクシヨンに分割するという剪断モードで
作動する。そのシートはノーマル方向に極化され、各セ
クシヨンの偏移が極方向に生じる。しかしながら、この
ような配置の素子は大量生産が困難である。また、高級
パルス滴インクジエツト・プリンターのような高密度で
の滴付着が要求される装置における、高密度流路配置を
達成できない。
＜発明の目的＞ 本発明の目的は、圧電素子の効率を改善し、液とノズル
・アパーチヤの出力インピーダンスにマツチした、シン
グル又はマルチ流路のパルス滴付着装置を提供すること
にある。
また、大量生産に適した圧電素子を有する同装置を提供
することにある。また、従来装置よりも容易に高密度の
マルチ流路配置を製造し得る同装置を提供することにあ
る。さらに、たとえば１mmに２本以上の高密度の流路を
有するマルチ流路配置の同装置を提供することにある。
＜発明の構成＞ 本発明のパルス滴付着装置は、液滴噴射ノズルと、該ノ
ズルがそこに接続されそこから液体を供給される圧力チ
ヤンバーと、圧電物質およびそれに電界を印加するため
の電極からなる剪断モード・アクチユエータ（圧電素
子）と、該圧電素子の動作によりノズルから噴射されて
減つた液をチヤンバー内に補充する給液手段とからな
り、電極間に印加された電界によつて圧電素子が剪断モ
ードでチヤンバーに関して動き、チヤンバー内の液圧を
変えることによつてノズルから液滴を噴射することを特
徴とするものである。
本発明の一実施例においては、圧電物質が剪断モードで
偏移する水晶からなつている。マルチ流路配置の同装置
を作るために、多くの適用がある。この装置に圧電素子
を使うのは、その構造が簡単でエネルギー効率が比較的
よいためである。効率上、圧電素子の出力インピーダン
スが流路の液体およびノズル・アパーチヤの出力インピ
ーダンスとマツチすることが必要である。マルチ流路配
置に対し、駆動電圧と電流が安価なＬＳＩシリコンチツ
プを用いてマツチして得られることが必要である。ま
た、高密度の滴付着ヘツドを作ることが有利なので、せ
いぜい１列か２列のノズル・アパーチヤでよい。また、
単一の圧電部分を数百・数千の個々の流路に変換するこ
とにより、マルチ流路配置の滴付着ヘツドを大量生産す
る必要がある。
円筒状圧電素子のエネルギー効率が十分でないことは、
すでに述べた。高密度配置でダイアフラム形の圧電素子
を用いる装置を大量生産することは不可能である。ま
た、高密度配置は従来の剪断モードシステムでは達成で
きない。マルチ流路の滴付着ヘツドに対する要求は、ダ
イアフラム形又は円筒形の圧電素子では満たされない。
本発明の目的は、上記従来技術よりも上記要求をよく満
たすことのできる、改良されたマルチ流路配置の滴付着
装置およびその製造方法を提供することにある。
この目的を達成するため、本発明は、天部・底部および
天部と底部の間に伸びる圧電物質の剪断モード壁−連続
する各対の壁が複数の個々の液体流路を区画する−と、
該流路にそれぞれ接続された複数のノズルを有するノズ
ル手段と、液を各チヤネルに補充する給液手段と、剪断
モード壁に設けられ各電界を印加するための電極手段と
からなり、剪断モードの圧電素子壁が各電界によつて横
に偏移するような方向に置かれて、流路内の液圧を変化
させることにより液滴を噴射させるマルチ流路配置のパ
ルス滴付着装置である。
また本発明は、圧電物質の層を有する底壁を形成し、該
底壁内に圧電物質の層を通して伸びる複数の平行な溝を
形成し、対向する各対の壁がそれぞれ液体流路を形成
し、壁の剪断モード偏移が流路に対し横になるような方
向に電界が印加されるように電極を設け、該電極に電源
を接続し、天壁を前記壁に設けて液体流路および給液手
段を封止するステツプからなるマルチ流路配置のパルス
滴付着装置の製造方法からなる。
以下、図によつて本発明を具体的に説明する。
第１(a)図は本発明の一実施例よりなるシングル流路パ
ルスインク滴プリントヘツドの側断面図、第１(b)図は
第１(a)図のＡ−Ａ矢視断面図、第１(c)図は電圧が印加
された状態を示す同断面図である。
第１(a)〜１(c)図において、シングル流路流路パルスイ
ンク滴プリントヘツド１０は底壁２０および天壁（カバ
ー）２２からなり、その間にシングルインク流路２４が
サンドイツチ状に形成されている。流路は片側を硬壁２
６で、またもう一方の側を剪断モードのアクチュエータ
３０によつて閉じられている。硬壁２６、アクチユエー
タ３０、底壁２０および天壁２２は、それぞれ流路２４
の全長だけ伸びている。
剪断モードアクチユエータは、第１(b)図のようにＺ軸
方向に分極された圧電セラミツク、好ましくは鉛ジルコ
ニウム・チタネート（ＰＺＴ）の壁３０からなつてい
る。壁３０は第１(c)図の矢印３２０、３３０で示され
るように反対方向に分極された上部３２および下部３３
からなつている。上部３２と下部３３は界面３４で互い
に接合し、それぞれ天壁２２と底壁２０に堅く結合され
ている。上部３２と下部３３は、圧電物質のモノリシツ
ク壁の部分を交互になす。壁面３５、３６は金属化され
て、３５、３６の全高・全長を覆う金属電極３８、３９
をなす。
流路２４は一端をノズル４０を有するノズルプレート４
１で閉じられ、もう一端をチユーブ４６でインク溜４４
（図示せず）に接続されているインク供給チユーブ４２
で閉じられている。代表的には流路２４の断面積は（２
０〜２００）μｍ×（１００〜１０００）μｍで長さは
１０〜４０mmであるので、長い外観比を有している。ア
クチユエータ壁３０は、流路の長方形断面の長辺の一つ
を形成している。
壁３０の上部３２と下部３３は、電圧Ｖが印加されたと
き、底壁２０と天壁２２に平行で、固定縁にある軸の回
りに剪断モードで回転する多くの薄層として振舞う。こ
れが、固定縁からの距離が増すにつれ薄層が横に動くと
いう効果を生ずる。こうして、壁３０の上部３２と下部
３３は、第１(c)図のように＞形に偏移する。
シングル流路プリントヘツド１０は、電圧パルスＶを電
極３８、３９に印加することに応じて、インク滴を噴射
することができる。各パルスは、分極Ｚ軸に垂直なアク
チユエータ壁３０の二つの部分においてＹ軸方向に電界
を形成する。これにより圧電セラミツク内に剪断変形を
引きおこし、第１(c)図のようにアクチユエータ壁３０
をＹ軸方向にインクジエツト流路２４内に偏移させる。
この偏移によつて、流路２４の全長にわたつてインクに
圧力を与える。代表的には３０〜３００KPa（キロパス
カル）の圧力がプリントヘツド１０を作動するために加
えられ、これはアクチユエータ壁３０に垂直な小さな平
均偏移によつてのみ得られるので、壁３０に垂直な流路
寸法も小さい。
このようにしてなされるインク内の圧力の分散は、もし
圧力が最低値を越えているなら、ノズル４０から噴射さ
れるべきインクの滴出をもたらす。これはインクおよび
アクチユエータ内に貯えられたエネルギーを分散させる
ために、流路長だけ動く音響圧ステツプ波のせいによ
る。この圧力波がノズルから遠ざかるにつれ、体積歪す
なわち圧縮は周期Ｌ／ａ（ａはインクの音響速度係数、
Ｌは流路長）でノズル出口アパーチヤからインク流を生
ずる。この周期の間、インク滴が噴出する。時間Ｌ／ａ
後に、圧力が負になり、インクの噴出が止み、印加電圧
が除かれる。次に、圧力波が弱められるので、流路から
噴射されたインクはインク供給手段から補充され、滴噴
射サイクルがくり返される。
上記の剪断モードアクチユエータは、アクチユエータと
流路の寸法が最適に選択されたときには、インク内の圧
力および噴射インク滴体積の点で最も効率がよい。アク
チユエータ壁３０を弾性率がセラミツクのそれよりも大
きな物質の薄層で堅くすることにより、改良され得る。
たとえば、金属電極３８、３９の厚さが電極としてのみ
要求される厚さよりも大きく、かつ圧電セラミツクの弾
性率よりも大きな弾性率をもつた金属で構成されている
なら、壁３０は剪断硬さを顕著に増さないで靭性硬度を
実質的に増すことになる。この目的のために、ニツケル
又はロジウムが適する。こうして、壁３０とインク流路
２４の厚みが軽減され、さらにコンパクトなプリントヘ
ツド１０ができる。同様の効果が、酸化アルミニウムAl
2O3や窒化ケイ素Si3N4のような物質−圧電セラミツクよ
りも硬い−を壁面に塗ることにより得られる。
上記剪断モードアクチユエータは従来のダイアフラム形
や円筒形の圧電素子よりもよい点を多く有している。剪
断モードで使われる圧電セラミツクは、他のモードの圧
電歪とは結合しない。剪断モードアクチユエータはプリ
ントヘツドの周囲にエネルギーを分散させることなく、
効率よく流路を変形できる。このようなアクチユエータ
のたわみはインク内に貯えられたエネルギーと結合した
エネルギーを保持し、液滴噴射に利用できるエネルギー
に貢献する。硬い金属電極から得られる利点が、上記ア
クチユエータの形状からくる利点を補強する。音響圧力
波を使つて作動する長い外観比のインク流路内に上記ア
クチユエータが設けられると、アクチユエータのコンプ
ライアンスがインクのコンプライアンスと密接に結合
し、非常に小さなアクチユエータの偏移（５〜２００ｎ
ｍ）がインク滴の変形に十分な体積変形をひきおこす。
これらの理由により、剪断モードアクチユエータは物質
の使用およびエネルギーの点で非常に効率的であり、デ
ザイン上で融通がきき、低電圧電子駆動回路を用いて集
積化できる。
シングル流路剪断モードアクチユエータ（圧電素子）
は、第２〜７図に示すようないろいろな形状に構成でき
る。第２〜５図および第７図に示されている各アクチユ
エータは、分極された物質から形成され、分極軸Ｚが底
壁２０と天壁２２との間に伸びるアクチユエータ壁面に
平行であり、印加電界の方向がＺ軸および流路軸に垂直
であることが特徴である。アクチユエータの偏移は電界
軸Ｙに沿つている。いずれの場合も、アクチユエータが
長い外観比の音響流路の一つの壁を形成しているので、
流路側面に作用する小さな壁の変形によつて振動が達成
される。液滴噴出は音響移動波による圧力分散の結果で
ある。
第２(a)、２(b)図に、ストリツプ・シール・アクチユエ
ータと呼ばれる剪断モードアクチユエータが示されてい
る。この例において、インクジエツト流路２４を囲んで
いる剪断モードアクチユエータは、ストリツプ・シール
５４を有するカンチレバー・アクチユエータである。こ
れは、Ｚ軸方向に分極され、インクジエツト流路の全長
にわたつて伸びる圧電セラミツク５２の単片からなつて
いる。底壁２０と天壁２２との間に伸びるセラミツクの
壁面５５、５６は金属電極５８、５９で全面覆われて金
属化している。セラミツク５２は一端を底壁２０に堅く
結合され、ストリツプ・シール５４によつて天壁２２に
つながつている。
電界を印加することによりアクチユエータ内で剪断モー
ド歪が生じ、流路内のインクの圧力を変化させる。アク
チユエータと流路の寸法を慎重に選び、金属電極５８、
５９の寸法とコンプライアンスをも最適に選ぶと、アク
チユエータは最善の特性を発揮する。
第３(a)、３(b)図においては、ストリツプ・シール５４
１が固定壁２６とアクチユエータ５０にわたつて天壁２
２の全面に設けられている。この例のストリツプ・シー
ル５４１は構造的には有利であるが、上記パラメータを
最適にした後では、第２(a)、２(b)図のストリツプ・シ
ール５４よりも効率が劣る。
第４(a)、４(b)図においては、剪断モードアクチユエー
タ６０が天壁２２・底壁２０に垂直なＺ軸方向に分極さ
れた圧電セラミツク６１の単片からなつている。セラミ
ツク片６１は底壁２０および天壁２２に堅く接合されて
いる。壁面６５、６６は下半分を金属電極６８、６９
で、上半分を金属電極６８′、６９′で覆われて金属化
し、下側の電極６８、６９と上側の電極６８′、６９′
には第４(b)図のようにそれぞれ逆方向に電圧Ｖが印加
される。セラミツク６１内の電界がそれぞれ破壊電圧未
満になるように、電極６８と６８′の間、および電極６
９と６９′との間に十分なギヤツプが設けられている。
第４(a)、４(b)のアクチユエータ６０はセラミツク６１
の単片からできているが、その下部と上部とで互いに逆
方向の電界が印加されるような電極構造なので、第１
(a)、１(b)図の二つのパートをもつアクチユエータ３０
の剪断変形とよく似た剪断変形をする。
第５(a)、５(b)図においては、アクチユエータ４００は
Ｚ軸方向に分極された上部変形部４０１、下部変形部４
０２、およびその間の非変形部４１０を有している。電
極４０３、４０４が上部変形部４０１の両側に、電極４
０５、４０６が下部変形部４０２の両側に設けられてい
る。上部・下部変形部４０１・４０２が逆方向に分極さ
れているなら、電圧Ｖは電極対４０３・４０４と４０５
・４０６を通してＹ軸方向に同一方向に印加されるが、
上部・下部変形部４０１・４０２が同一方向に分極され
ているなら、電圧Ｖは互いに逆方向に印加される。いず
れの場合にも、アクチユエータ４００の変形は第５(b)
図のようになる。
第１〜５図の例において、アクチユエータ壁３０が界面
３４で接合されている第１(b)図の場合以外は、底壁２
０、側壁２６およびアクチユエータ壁は圧電セラミツク
の単片又は１層以上の薄層のラミネートからなる長方形
断面の物質からなり、溝を切つて流路２４と側壁２６を
作り、周知の方法でアクチユエータ壁を電気的に分極す
る。次に、天壁２２を直接又はストリツプ・シールを介
して側壁の上面に設け、流路２４の天部を閉じる。その
後で、ノズル４０を有するノズルプレート４１が流路２
４の一端に固着される。
上記実施例中の圧電セラミツクの代りに、ガドリニウム
・モリブデート（以下、ＧＭＯという）やロッシェル塩
のような物質を用いることもできる。これらの物質は特
定の結晶軸方向に切られて用いられる無極性の物質であ
り、印加電界に垂直な方向に剪断変形する。第６(a)図
に示すように、ＧＭＯの壁５００が上部壁５０２と下部
壁５０４を有し、これらは界面５０６で互いに固着され
ている。上部・下部壁５０２・５０４はそれぞれ矢印
ａ，ｂで示す面でカツトされ、上部壁５０２内の矢印ａ
・ｂと下部壁５０４内の矢印ａ・ｂとはそれぞれ互いに
直交している。上部壁５０２の上面５０８と下部壁５０
４の下面５１０とがそれぞれ固定され、上部・下部壁５
０２・５０４にそれぞれ矢印５１２・５１４の方向に電
界が印加されると、横方向の剪断モードの変形が生じ
る。破線５１６、５１８、５２０で示すように、この変
形は界面５０６で最大であり、上面５０８、下面５１０
にむかつてゼロに減衰している。第５(a)、５(b)図の例
のように上部・下部壁５０２・５０４はその間に非変形
部分を設けてもよい。この配置は変形度がＰＺＴの１０
０倍あるＧＭＯによつて適切である。第６(b)図に、好
ましい電極配置が示されている。すなわち、電極５２
２、５２４が壁５００の両側に設けられ、さらに電極５
２６、５２８が壁に沿つて等間隔位置になるように中間
に設けられている。電極５２２、５２８は端子５３０
に、電極５２４、５２６は端子５３２に接続されてい
る。端子５３０−５３２間に電圧が印加されると、電極
５２２−５２６間には電界５３４、５４０が、電極５２
６−５２８間には電界５３６、５４２が、電極５２８−
５２４間には電界５３８、５４４がそれぞれ矢印の向き
に生じる。ロッシェル塩の場合も、上記ＧＭＯと同様に
なる。
第７図（平面断面図）において、硬壁２６と対向する電
極付きのアクチユエータ壁（３０，５０，６０，４０
０）は平面図で曲りくねつた形状をしており、電極を厚
くしたりコーテイングしたりする代りに、そのわん曲形
状で補強することができる。これは第１〜６図の装置お
よび第９〜１０図の装置にも適用できる。
アクチユエータ壁を補強する別の手段として、単一壁か
らなる壁をテーパーにし、また二つの壁部分からなる壁
の各変形部を根元から先端までテーパーにすることがあ
る。「根元」とは壁又は壁部分の固定位置をさす。テー
パー程度は、先端厚みが根元厚みの８０％以上になるこ
とが好ましい。このようなテーパー配置においては、ア
クチユエータ壁先端にかかる電界の方がアクチユエータ
壁根元にかかる電界よりも大きくなるので、根元よりも
先端の方がより大きな剪断変形が起こる。また、最大た
わみモーメントがかかつたとき、根元の方が厚いので壁
又は壁部分がより補強される。
今迄に説明したものと異なるシングル流路プリントヘツ
ドの形状も、本発明の範囲内でなされ得る。たとえば第
８図において、流路がカツテイング又は他の方法によつ
て三角断面溝８０１を形成され、圧電セラミツク又は圧
電物質薄層からなる二つの同じ圧電物質８０３に囲まれ
ている。圧電物質８０３の層の界面８０５は、圧電物質
８０３の層に電極８０７を設けた後に、接合・固着され
て流路を形成する。このようにして作られたアクチユエ
ータは第１(a)、１(b)図のもののように二つの部分から
なる壁を有しているが、各壁部分は流路の二つの隣接し
た側壁を形成している。
第９(a)、９(b)図において、パルス滴インクジエツトプ
リントヘツド６００は底壁６０１、天壁６０２、および
その間の剪断モードアクチユエータ壁６０３からなり、
アクチユエータ壁６０３は、矢印６０９、６１１で示す
ように天壁・底壁に垂直な方向に互いに逆に分極されて
いる上部壁６０５、下部壁６０７からなつている。アク
チユエータ壁６０３は一対となつてその間に流路６１３
を形成し、かつ、次の一対のアクチユエータ壁６０３の
間には、流路６１３よりも狭い空間６１５を形成してい
る。各流路６１３の一端はノズル６１８を有するノズル
プレート６１７がそれぞれ固着され、各アクチユエータ
壁６０３の両側には電極６１９、６２１が金属化層とし
て設けられている。各電極は絶縁材（図示せず）で受け
られ、空間６１５に面している電極はアース６２３に接
続され、流路６１３内に設けられている電極は、アクチ
ユエータ駆動回路を与えるシリコン・チツプ６２５に接
続されている。すでに第１〜５図で説明したように、電
極を設けられるアクチユエータ壁の壁面は厚みを増すか
コーテイングすることにより補強され、又は第７図のよ
うに波形にわん曲させることにより補強され得る。各流
路の電極に印加された電圧によつて、流路に面した各壁
が流路にむかつて変形し、流路内のインクに圧力が加え
られる。この圧力分散によつて、周期Ｌ／ａ（Ｌ：流路
長、ａ：音響圧力波の速度）で流路からインク滴が噴射
される。音響波の圧縮が完全になされるために、時間Ｌ
／ａだけ、電圧パルスが電極に印加される。時間Ｌ／ａ
が経過する前に電圧パルスを切るか、電圧の大きさを変
えることにより、インク滴の大きさはより小さくなる。
この技術はトーンおよびカラープリンテイングにおいて
有用である。
プリントヘツド６００は、まず、圧電セラミツクの分極
層を底壁６０１・天壁６０２にラミネートすることによ
り作られる。各セラミツク層の厚みは上部壁６０５・下
部壁６０７の高さに等しい。次に、平行な溝がダイアモ
ンド屑を平行に散らした円板の回転によつてカツトさ
れ、又は流路６１３と空間６１５の幅だけ指示されたレ
ーザーによつてカツトされる。流路の線形密度に依存し
て、円板の１以上の回転によりカツテイングがなされ
る。次に、真空蒸着によつて電極が分極壁面に形成さ
れ、続いて絶縁層が設けられ、上部壁６０５と下部壁６
０７が接合・固着されて流路６１３と空間６１５が形成
される。次に、その中にノズル６１８が穿孔されている
ノズルプレート６１７が、流路と空間の一端に接合さ
れ、流路と空間の他端がアース６２３とシリコン・チツ
プ６２５に接続される。
この構造により、１mm当り２以上の線密度で流路を有す
るパルス滴プリントヘツドを作り得るので、従来のプリ
ントヘツドよりも高密度が達成される。プリントヘツド
が、プリントの行を望ましい長さだけ伸ばせられるよう
に相並んで設けられ、プリントの行にむかつて方向づけ
られ密に詰められたプリントヘツドの平行なラインが、
高密度プリンテイングを可能にする。各流路はそれぞれ
独立に作動され、流路をカツトして空間溝を間に設けた
後、各流路の対応する側で壁を脱分極することは可能で
あるけれども、通常は流路毎に二つの変形可能な壁を有
している。
これは通常、レーザーでキユリー点以上に加熱するか、
適切なマスキングによつて脱分極すべき壁を露出して残
し、放射熱によつてその壁をキユリー点以上に上げるか
することによつてなされる。
第１０(a)、１０(b)図において、各流路６１３を変形可
能な壁６０３の一つと非変形壁６３０の一つとによつて
それぞれ区画される側壁をもつ二つの流路に縦に分割す
る非変形壁６３０が形成され得る。壁６３０は既述した
ように脱分極によつて、又は第１０(b)図のような電極
配置、すなわち分極された壁６３０の両側の電極が同電
位なので壁６３０は変形され得ず、変形可能な壁６０３
の両側の電極には電界が印加されるので剪断モード変形
が生ずるという電極配置によつて、壁６３０が非変形壁
となる。
第１０(a)、１０(b)図の構成のアクチユエータは第９
(a)、９(b)図のそれよりも変形度が小さいので、作動に
はより高い電圧とエネルギーが必要である。
剪断モードの変形は、混乱をひきおこすような顕著な縦
方向の応力と歪を流路内に発生しない。また、底壁およ
び天壁にラミネートされた圧電物質のシートに対し分極
方向が垂直なので、圧電物質はシート状で便利に装着さ
れる。
第９〜１０時において、対向分極層を互いに接合・固着
し、底壁と天壁に固着させ、その後で円板又はレーザー
によつてカツテイングすることにより流路６１３と空間
６１５の溝が作られ得る。その後で電極と絶縁層が設け
られ、次にノズルプレート６１７が固着され、最後にア
ースとシリコン・チツプへの接続がなされる。
第９(a)、９(b)図の構造の変形として、圧電物質の単シ
ートが垂直に分極され、分極は隣の上面と下面では逆方
向になつている。逆方向に分極された中間域は非変形域
である。シートが底層にラミネートされ、次に流路がカ
ツトされ空間溝が間に設けられ、対向分極層が底層にラ
ミネートされ、その中に溝が作られる。底壁と天壁は交
互に、それにラミネートされる圧電物質のシートを有
し、圧電物質はそれが固着されるべき天壁の底に対し垂
直に分極されている。圧電物質の各シートにさらに非変
形物質のシートがラミネートされるので、それぞれ３層
のアセンブリーが与えられ、その中で剪断モードアクチ
ユエータ壁を形成すべき溝が切られる。次に電極がアク
チユエータ壁に設けられ、アセンブリーが互いに溝同士
を固着することにより流路を形成し、流路の間に空間を
形成する。
第１〜７図に示された剪断モードアクチユエータを採用
することにより、マルチ流路配置が実現される。
上記実施例ではインク供給手段がノズルプレートから離
れたインク流路の端に接続されているけれども、中間の
他の点にも接続できる。さらに、第１１図に示すよう
に、ノズルによつてインク供給を効果的にすることもで
きる。ノズルプレート７４１は流路から離れた面内に、
各ノズル７４０の周囲に凹部７４３を有している。各凹
部７４３はインク溜７４４に開口している端部を有して
いる。流路がアクチユエータによつて圧力変化をもたら
されると、音響波によつてノズル直上の開いたインク面
からインク滴が噴射される。流路内のインクはインク溜
７４４および凹部７４３を通して補充される。
上記実施例はパルス滴インクジエツトプリンターに関す
るものであつたが、本発明は他の形式のパルス滴付着装
置も含んでいる。例えば、動いているウエブ上に非接触
でコーテイングを施す装置や、フオトレジスト、シーラ
ント、エツチング材、希釈剤、写真現像液、染料その他
の付着装置である。さらに、マルチ流路配置は圧電セラ
ミツクの代りに、ＧＭＯやロツシェル塩のような圧電結
晶を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１(a)図は本発明の一実施例よりなるシングル流路パ
ルスインク滴プリントヘツドの側断面図、第１(b)図は
そのＡ−Ａ矢視断面図、第１(c)は電圧印加時の同断面
図、第２(a)〜５(b)図はそれぞれ本発明の実施例よりな
るプリントヘツドの断面図、第６(a)図は圧電素子の斜
視図、第６(b)は６(a)図の圧電素子に電極を設けた場合
の斜視図、第７図は変形例よりなる流路の平面断面図、
第８図は変形例よりなるプリントヘツドの断面図、第９
(a)図はマルチ流路パルスインクジエツトプリントヘツ
ドの断面図、第９(b)図は同プリントヘツドの平面断面
図、第１０(a)図は変形例よりなるマルチ流路プリント
ヘツドの断面図、第１０(b)図は電極を設けた状態を示
す同断面図、および第１１図は変形例よりなるノズルプ
レート付近の斜視図である。 １０……シングル流路パルスインク滴プリントヘツド、
２４……シングル流路、３０……剪断モードアクチユエ
ータ壁、４０……ノズル、４１……ノズルプレート、５
０，６０，４００，５００，６０３……剪断モードアク
チユエータ壁、６０１……底壁、６０２……天壁、６０
５……上部壁、６０７……下部壁、６１３……流路、６
１５……空間、６１７……ノズルプレート、６１８……
ノズル、６１９，６２１……電極
フロントページの続き (72)発明者 ステファン テンプル イギリス国ケンブリッジ シービー３ オ ーエルエヌ ギルトン ロード 66 (72)発明者 ダブリュー スコット バーキィ アメリカ合衆国イリノイ州 60640 シカ ゴ エヌ シヤリダン ロード 5445 (56)参考文献 特開 昭58−5263（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−159358（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−69455（ＪＰ，Ａ) 米国特許4584590（ＵＳ，Ａ)

Claims (60)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】液滴噴射ノズルと、該ノズルが接続され噴
    射されるべき液体をノズルに供給する圧力チャンバー
    と、分極された圧電物質およびそれに分極方向と直角方
    向の電界を印加する電極手段からなる剪断モードアクチ
    ュエータと、該アクチュエータの作動によりノズルから
    噴射された液体をチャンバー内に補充する給液手段とか
    らなり、前記電極手段間に印加された電界によって前記
    アクチュエータが電界方向に剪断モードで前記チャンバ
    ー内に動き、該チャンバー内の液体の圧力を変化させる
    ことにより前記ノズルから液滴を噴射するようにアクチ
    ュエータが設けられている、パルス滴付着装置。
  2. 【請求項２】前記チャンバーが、前記アクチュエータが
    少なくともその一部を形成する側壁を有し、それにより
    チャンバーの液体とアクチュエータとが密接に結合す
    る、特許請求の範囲第１項記載のパルス滴付着装置。
  3. 【請求項３】前記チャンバーが一対の対向する長辺の側
    壁と一対の対向する短辺の側壁とから形成される長方形
    の断面積を有し、前記アクチュエータが該長辺の側壁の
    少なくとも１つの部分をなす、特許請求の範囲第２項記
    載のパルス滴付着装置。
  4. 【請求項４】前記チャンバーが流路からなり、前記剪断
    モードアクチュエータが前記流路に沿って伸びる内壁面
    と外壁面を有する圧電物質の壁内に設けられ、前記電極
    手段が該壁面に垂直な方向に電界を印加するために該壁
    面に設けられた電極からなり、前記圧電物質が流路を横
    切る電界方向に剪断モードで変形してノズルから液滴を
    噴射するように設けられている、特許請求の範囲第１項
    記載のパルス滴付着装置。
  5. 【請求項５】前記アクチュエータがノズルから流路の大
    部分の長さだけ伸びている、特許請求の範囲第４項記載
    のパルス滴付着装置。
  6. 【請求項６】前記アクチュエータが前記内・外壁面に垂
    直に伸びる対向する平行な端面を有し、該端面に沿って
    アクチュエータが流路が液密状に接続され、該端面の一
    つが流路に堅く接続され、ストリップ・シールが該端面
    のもう一つを流路に接続している、特許請求の範囲第４
    項記載のパルス滴付着装置。
  7. 【請求項７】前記流路が対向する天壁と底壁および該天
    ・底壁の間にはさまれた対向する側壁からなる長方形の
    断面を有し、該側壁の一つが前記アクチュエータを形成
    し、前記ストリップ・シールが側壁に隣接する天壁の面
    全体に広がっている、特許請求の範囲第６項記載のパル
    ス滴付着装置。
  8. 【請求項８】前記流路が対向する天・底壁と対向する側
    壁とからなる長方形断面を有し、該側壁の一つがアクチ
    ュエータを形成し、側壁と底壁が圧電物質を含む単片か
    ら形成されている、特許請求の範囲第６項記載のパルス
    滴付着装置。
  9. 【請求項９】前記アクチュエータが逆方向に分極された
    上部・下部と、前記内・外壁面および流路の長辺に対し
    垂直に伸びる対向する端面とから形成され、該端面が流
    路に液密状に固着され、それによって印加れた電界がア
    クチュエータを流路を横切る方向に変形させる、特許請
    求の範囲第４項記載のパルス滴付着装置。
  10. 【請求項１０】前記アクチュエータが前記逆方向に分極
    された上部と下部との中間に、非変形部を有する、特許
    請求の範囲第９項記載のパルス滴付着装置。
  11. 【請求項１１】前記アクチュエータが、内・外壁面およ
    び流路の長辺に対し垂直に伸び流路に固着された対向す
    る端面から形成され、前記電極手段が二対の対向する電
    極からなり、各対の一つの電極が内・外壁面の各長辺に
    設けられ、各壁面の同一面上の電極が横方向に間隔をあ
    けられ、対向する各対の各電極間にそれぞれ逆方向の電
    界をアクチュエータに印加することにより、アクチュエ
    ータを流路を横切る方向に変形させる、特許請求の範囲
    第４項記載のパルス滴付着装置。
  12. 【請求項１２】前記アクチュエータが上部壁・下部壁と
    その間の非変形部からなる、特許請求の範囲第１１項記
    載のパルス滴付着装置。
  13. 【請求項１３】前記流路が対向する天壁・底壁と対向す
    る側壁からなる長方形断面を有し、該側壁の一つがアク
    チュエータを与え、側壁と底壁が圧電物質を含む単片か
    らなる、特許請求の範囲第９項記載のパルス滴付着装
    置。
  14. 【請求項１４】前記流路が圧電物質の二つの同様な片か
    らなり、該片のそれぞれが三角断面の溝をもった対応す
    る辺に形成され、該片が溝とともに互いに面して固着さ
    れて流路を形成し、流路の二つの隣接する辺がそれぞれ
    圧電物質の同様の片によって与えられている、特許請求
    の範囲第９項記載のパルス滴付着装置。
  15. 【請求項１５】前記ノズルと前記給液手段がそれぞれ流
    路の反対端に設けられている、特許請求の範囲第４項記
    載のパルス滴付着装置。
  16. 【請求項１６】前記給液手段がノズルによって液体を補
    充するために流路に接続されている、特許請求の範囲第
    ４項記載のパルス滴付着装置。
  17. 【請求項１７】前記アクチュエータの内・外壁面が平面
    図で波形状になっている、特許請求の範囲第４項記載の
    パルス滴付着装置。
  18. 【請求項１８】前記アクチュエータの内・外壁面が平行
    に伸びている、特許請求の範囲第１７項記載のパルス滴
    付着装置。
  19. 【請求項１９】前記電極がアクチュエータの弾性率より
    も大きな弾性率を有する物質の層でコーティングされ、
    それによりアクチュエータのたわみ剛性を剪断剛性より
    も大きくしている、特許請求の範囲第１項記載のパルス
    滴付着装置。
  20. 【請求項２０】前記層が絶縁物質の層からなる、特許請
    求の範囲第１９項記載のパルス滴付着装置。
  21. 【請求項２１】前記電極が電極機能として必要とされる
    厚みよりも厚く設けられている、特許請求の範囲第１項
    記載のパルス滴付着装置。
  22. 【請求項２２】前記圧電物質が鉛ジルコニウム・チタネ
    ート（ＰＺＴ）のような分極強誘電セラミックである、
    特許請求の範囲第１項記載のパルス滴付着装置。
  23. 【請求項２３】液滴噴射ノズルと、該ノズルがつながれ
    ノズルに噴射すべき液体を供給する圧力チャンバーと、
    圧電物質およびそれに電界を印加する電極手段からなる
    剪断モードアクチュエータと、該アクチュエータの作動
    によりノズルから噴射された液体をチャンバーに補充す
    る給液手段とからなり、前記アクチュエータが前記電極
    手段により印加された電界の下で該電界に横向きに剪断
    モード変形するように方向づけられた結晶物質からな
    り、電界印加時にチャンバー内で変形してチャンバー内
    の圧力を変化させ、それによりノズルから液滴を噴射さ
    せるように設けられた、パルス滴付着装置。
  24. 【請求項２４】前記チャンバーが、アクチュエータが少
    なくともその一部をなす側壁を有し、チャンバー内の液
    体とアクチュエータとが密接に結合している、特許請求
    の範囲第２３項記載のパルス滴付着装置。
  25. 【請求項２５】前記チャンバーが一対の対向する長辺側
    壁と一対の対向する短辺側壁とからなる長方形断面を有
    し、アクチュエータが該長辺側壁の少なくとも一つを与
    える、特許請求の範囲第２４項記載のパルス滴付着装
    置。
  26. 【請求項２６】前記チャンバーが流路からなり、前記剪
    断モードアクチュエータが流路に沿って伸びる内・外面
    を有する圧電物質の壁であり、前記電極が該壁の長手方
    向に電界を印加するために該面に垂直に置かれ、前記圧
    電物質が電界および流路を横切る方向に剪断モードで変
    形してノズルから液滴を噴射するように配向されてい
    る、特許請求の範囲第２３項記載のパルス滴付着装置。
  27. 【請求項２７】前記アクチュエータ壁がノズルから流路
    の大部分の長さだけ伸びている、特許請求の範囲第２６
    項記載のパルス滴付着装置。
  28. 【請求項２８】前記アクチュエータ壁が、それに沿って
    流路に液密状に接続される内・外壁面に垂直に伸びる対
    向する平行な端面を有し、該端面の１つが流路および端
    面のもう一つを流路につないでいるストリップ・シール
    に固着されている、特許請求の範囲第２６項記載のパル
    ス滴付着装置。
  29. 【請求項２９】前記流路が対向する天・底壁と対向する
    天・底壁の間の側壁とからなる長方形断面を有し、該側
    壁の一つがアクチュエータ壁をなし、ストリップ・シー
    ルが側壁とつながっている天壁の面全体に広がってい
    る、特許請求の範囲第２８項記載のパルス滴付着装置。
  30. 【請求項３０】前記流路が対向する天・底壁と対向する
    側壁とからなる長方形断面を有し、該側壁の一つがアク
    チュエータ壁をなし、側壁と底壁が圧電物質を含む単片
    からなる、特許請求の範囲第２８項記載のパルス滴付着
    装置。
  31. 【請求項３１】前記アクチュエータ壁が長手方向に間隔
    をおかれた直列の電極を与えられ、該電極はそれぞれ内
    ・外壁面に垂直に置かれ、壁の長手方向に互いに反対に
    電界を印加するような配置に電気的に接続されている、
    特許請求の範囲第２６項記載のパルス滴付着装置。
  32. 【請求項３２】前記アクチュエータ壁が互いに逆方向に
    配向された上部・下部壁を有し、その内・外面および流
    路の長手方向に対して垂直に伸びるアクチュエータ壁の
    対向する端面が流路に液密状に固着され、それにより電
    界がアクチュエータ壁を流路を横切る方向に変形させ
    る、特許請求の範囲第２６項記載のパルス滴付着装置。
  33. 【請求項３３】前記上部・下部壁の各々が壁の長手方向
    に沿って対応して間隔をあけられた直列の電極を設けら
    れ、各電極は内・外壁面に対し垂直に設けられ、電極は
    壁の長手方向に互いに逆方向に電界が印加されるような
    配置に電気的に接続され、対応する電極間の上部・下部
    壁に隣接する電界の方向が互いに逆方向になっている、
    特許請求の範囲第３２項記載のパルス滴付着装置。
  34. 【請求項３４】前記流路が対向する天・底壁と対向する
    側壁とからなる長方形断面を有し、該側壁の一つがアク
    チュエータ壁をなし、側壁と底壁が圧電物質を含む単片
    からなっている、特許請求の範囲第３２項記載のパルス
    滴付着装置。
  35. 【請求項３５】前記流路が圧電物質を含む二つの同様な
    片からなり、各片が三角断面の溝をもった対応する辺に
    形成され、該片が互いに対面して溝と共に固着されて流
    路を形成し、その二つの隣接辺がそれぞれ圧電物質の二
    つの同様の片によって与えられている、特許請求の範囲
    第３２項記載のパルス滴付着装置。
  36. 【請求項３６】前記アクチュエータ壁が、前記互いに逆
    方向に配向されている上部・下部壁の中間に非変形部を
    有している、特許請求の範囲第３２項記載のパルス滴付
    着装置。
  37. 【請求項３７】前記中間の非変形部が上部・下部壁のい
    ずれよりも上下方向に長い、特許請求の範囲第３６項記
    載のパルス滴付着装置。
  38. 【請求項３８】前記ノズルと前記給液手段がそれぞれ流
    路の反対端に設けられている、特許請求の範囲第２６項
    記載のパルス滴付着装置。
  39. 【請求項３９】前記給液装置がノズルによって液体を補
    充するために流路につながれている、特許請求の範囲第
    ２６項記載のパルス滴付着装置。
  40. 【請求項４０】前記アクチュエータの内・外面が平面で
    みて湾曲している特許請求の範囲第２６項記載のパルス
    滴付着装置。
  41. 【請求項４１】前記内・外面が平行にのびている特許請
    求の範囲第４０項記載のパルス滴付着装置。
  42. 【請求項４２】前記圧電物質がモリブデン酸ガトリニウ
    ム又はロッシェル塩である、特許請求の範囲第２３項記
    載のパルス滴付着装置。
  43. 【請求項４３】対向する天壁と底壁と、前記天壁と底壁
    間にのびており且つ対になった連続したアクチュエータ
    壁中にこれら対の各々の壁間に複数の分離した液体流路
    を生ずるように配された圧電物質の剪断モードアクチュ
    エータ壁、前記流路から噴射された液滴の補充のために
    前記流路に液体を供給する液体供給手段及びその内に作
    動電界を形成するために前記アクチュエータ壁上に設け
    られた電界電極手段とからなり、前記アクチュエータ壁
    が前記作動電界によって偏向されるように配されていて
    前記流路内の液体に圧力変化をもたらしてそこから液滴
    の噴射を行うようになるマルチ流路アレイ・パルス液滴
    付着装置。
  44. 【請求項４４】前記流路が流路の巾より短い長さで分け
    られている、特許請求の範囲第４３項記載の装置。
  45. 【請求項４５】前記底壁及びアクチュエータ壁が圧電物
    質を含む単一材料片でつくられている、特許請求の範囲
    第４３項記載の装置。
  46. 【請求項４６】前記アクチュエータ壁と面している前記
    天壁の表面上に密封細片がもうけられている、特許請求
    の範囲第４３項記載の装置。
  47. 【請求項４７】前記アクチュエータ壁の各々が上部と下
    部からなり、前記流路に対し剪断モードで変形してそこ
    から液滴を噴射するように設けられてなる、特許請求の
    範囲第４３項記載の装置。
  48. 【請求項４８】前記天壁と前記アクチュエータ壁の上部
    が圧電物質を含む単片でつくられており、前記底壁と前
    記アクチュエータ壁の下部が圧電物質を含む別の単片で
    つくられている、特許請求の範囲第４７項記載の装置。
  49. 【請求項４９】各流路が天壁と底壁間にのびる不活性壁
    によって二つの流路に分かれている、特許請求の範囲第
    ４３項記載の装置。
  50. 【請求項５０】前記圧電物質が、チタン酸鉛ジルコニウ
    ム（ＰＺＴ）のような、前記天壁及び底壁を直角方向に
    ポールした圧電セラミック物質であり、前記電極手段が
    前記天壁及び底壁と直角に配した前記アクチュエータ壁
    の対向面に設けた電極からなる、特許請求の範囲第４３
    項記載の装置。
  51. 【請求項５１】前記圧電物質がガドリニウム・モリブデ
    ート又はロッシェル塩のような結晶であり、前記電極手
    段がアクチュエータ壁および流路に対し垂直に設けられ
    ている電極からなる、特許請求の範囲第４３項記載のマ
    ルチ流路アレイ・パルス滴付着装置。
  52. 【請求項５２】ａ）圧電物質の層で底壁を形成し、 ｂ）該底壁内に、該圧電物質の層を通して伸びる多数の
    平行な溝を形成し、連続する溝の間に圧電物質の壁を形
    成し、該壁の対向する対がその間にそれぞれ液体流路を
    画成し、 ｃ）該壁が流路を横切る方向に剪断モードで変形するよ
    うに電界が印加される位置の壁に電極を設け、 ｄ）該電極に電気駆動回路手段を接続し、 ｅ）前記壁に天壁を固着して液体流路を閉じ、 ｆ）ノズルと給液手段を該液体流路に設ける ステップからなる、マルチ流路アレイ・パルス滴付着装
    置の製造方法。
  53. 【請求項５３】さらに、二層の圧電物質を前記底壁に供
    給し、直立壁を供給するために該二層の両方を通して伸
    びる溝を形成し、流路を横切る同一方向に剪断モードで
    変形させるために電極をそれぞれ設けて電界を印加する
    ときに各直立壁の上部・下部を適合させるステップを有
    する、特許請求の範囲第５２項記載の方法。
  54. 【請求項５４】さらに、圧電物質の層を底・天壁のそれ
    ぞれに設け、該圧電物質の各層内に対応する空間に多数
    の平行な溝を形成して底・天壁に直立壁を設け、天壁に
    設けられた直立壁を底壁に設けられた対応する直立壁に
    固着することにより天壁を底壁の直立壁に固着し、底・
    天壁上の直立壁が、電界を印加されたとき流路を横切る
    方向に変形するように適合されるステップを有する、特
    許請求の範囲第５２項記載の方法。
  55. 【請求項５５】さらに、その間に流路が画成されている
    各対の壁の間に直立非変形壁を設け、それにより各流路
    を縦に二つの流路に分割するステップを有する、特許請
    求の範囲第５３項記載の方法。
  56. 【請求項５６】さらに、電極をそれぞれ前記非変形壁に
    設け、動作の間、該電極を同電位に保つことにより該非
    変形壁に剪断モードの変形を起こさせないようにするス
    テップを有する、特許請求の範囲第５５項記載の方法。
  57. 【請求項５７】前記給液手段がノズルから離れた流路の
    端に設けられている、特許請求の範囲第５３項記載の方
    法。
  58. 【請求項５８】前記給液手段がノズルに隣接した流路の
    各端に設けられて、ノズルから噴射された流路内の液体
    を該ノズルを通して補充する、特許請求の範囲第５３項
    記載の方法。
  59. 【請求項５９】ＰＺＴが圧電物質として使用される、特
    許請求の範囲第５３項記載の方法。
  60. 【請求項６０】ガドリニウム・モリブデート又はロッシ
    ェル塩のような圧電結晶が圧電物質として使用される、
    特許請求の範囲第５３項記載の方法。
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