JP3024466B2 - 液滴噴射装置 - Google Patents
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Description
ものである。
滴噴射装置では、例えば、ドロップオンデマンド方式の
液滴噴射装置が提案されている。これは、インク流路内
の容積を変化させ、その容積減少時にインク流路内のイ
ンクをノズルから噴射し、その容積増大時にインク供給
口よりインク流路内にインクを導入するようにしたもの
である。そして、印字データに従って所定の位置の噴射
装置からインクを噴射させることにより、所望する文字
や画像を形成するのである。
特開昭63−247051号公報、特開昭63−252
750号公報および特開平2−150355号公報に記
載されているものがある。以下、その液滴噴射装置の概
略構成を説明する。
タヘッド1は、圧電セラミックスプレート2とカバープ
レート3とノズルプレート31と基板41とから構成さ
れている。
い円板状のダイヤモンドブレード等により切断された複
数の溝8が形成されている。また、その溝8の側面とな
る側壁11は矢印5の方向に分極されている。それらの
溝8は同じ深さであり、かつ平行である。それら溝8の
深さは圧電セラミックスプレート2の一端面15に近づ
くにつれて徐々に浅くなっており、一端面15付近には
浅溝16が形成されている。そして、溝8の内面には、
その両側面の上半分に金属電極13がスパッタリング等
によって形成されている。また、浅溝16の内面には、
その側面及び底面に金属電極9がスパッタリング等によ
って形成されている。これにより、溝8の両側面に形成
された金属電極13は浅溝16に形成された金属電極9
によって連結されている。
材料または樹脂材料等から形成されている。そして、カ
バープレート3には、研削または切削加工等によって、
インク導入口21及びマニホールド22が形成されてい
る。そして、圧電セラミックスプレート2の溝8加工側
の面とカバープレート3のマニホールド22加工側の面
とがエポキシ系等の接着剤4(図6参照)によって接着
される。従って、インクジェットプリンタヘッド1に
は、溝8の上面が覆われて横方向に互いに間隔を有する
複数のインク流路12(図6)が構成される。図6に示
すように、そのインク流路12は長方形断面の細長い形
状であり、全てのインク流路12内には、インクが充填
される。
ート2及びカバープレート3の端面に、各インク流路1
2の位置に対応した位置にノズル32が設けられたノズ
ルプレート31がエポキシ系等の接着剤33(図4参
照)によって接着されている。このノズルプレート31
は、ポリアルキレン(例えばエチレン)テレフタレー
ト、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケ
トン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネイト、酢酸
セルロース等のプラスチックによって形成されている。
8の加工側に対して反対側の面には、基板41が、エポ
キシ系等の接着剤(図示せず)によって接着されてい
る。その基板41には各インク流路12の位置に対応し
た位置に導電層のパターン42が形成されている。その
導電層のパターン42と浅溝16の底面の金属電極9と
は、周知のワイヤボンディング等によって導線43で接
続されている。
って、制御部の構成を説明する。基板41に形成された
導電層のパターン42は各々個々にLSIチップ51に
接続されている。また、クロックライン52、データラ
イン53、電圧ライン54及びアースライン55もLS
Iチップ51に接続されている。LSIチップ51は、
クロックライン52から供給される連続したクロックパ
ルスに基づいて、データライン53上に現れるデータに
応じて、どのノズル32からインク滴の噴射を行うべき
かを判断する。そして、駆動するインク流路12内の金
属電極13に導通する導電層のパターン42に、電圧ラ
イン54の電圧Vを印加する。また、駆動するインク流
路12以外の金属電極13に導通する導電層のパターン
42にはアースライン55の電圧0Vを印加する。
トプリンタヘッド1の動作を説明する。LSIチップ5
1が、所要のデータに従って、インクジェットプリンタ
ヘッド1のインク流路12bからインクの噴出を行なう
と判断する。すると、金属電極13eと13fとに正の
駆動電圧Vが印加され、金属電極13dと13gとが接
地される。図6に示すように、側壁11bには矢印14
bの方向の駆動電界が発生し、側壁11cには矢印14
cの方向の駆動電界が発生する。すると、駆動電界方向
14b及び14cは分極方向5とが直交しているため、
側壁11b及び11cは、圧電厚みすべり効果により、
この場合、インク流路12bの内部方向に急速に変形す
る。この変形によってインク流路12bの容積が減少し
てインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生して、イン
ク流路12bに連通するノズル32(図3)からインク
滴が噴射される。
側壁11b及び11cが変形前の位置(図5参照)に徐
々に戻るためインク流路12b内のインク圧力が徐々に
低下する。すると、インク供給口21(図6)からマニ
ホールド22(図6)を通してインク流路12b内にイ
ンクが供給される。
来の液滴噴射装置では、圧電厚みすべり効果による側壁
11の変形によって、インク流路12の容積を変化させ
てインク滴を噴射しているので、十分なインク流路12
の体積変化を必要とする。このためには、図8に示すよ
うに側壁11の上面とカバープレート3とが接着剤4に
よって、完全に接着されていなければならない。つま
り、接着剤4のヤング率が小さかったり、接着剤4の接
着層が厚かったりして、接着剤4の接着層の弾性が大き
い、つまり剛性が小さいと、図9に示すように、側壁1
1が変形する方向と反対方向に接着剤4が変形するので
十分なインク流路12の体積変化が得られず、所望する
インク滴の噴射速度が得られなかったり、インク滴が噴
射しなかったりするといった問題があった。
になされたものであり、常時安定したインク滴の噴射が
行える液滴噴射装置を提供することを目的とする。
に本発明では、複数の溝が形成された圧電セラミックス
プレートと、インク流路を構成するために前記溝の側面
をなす側壁の上面に接着剤により接着されるカバープレ
ートとを有し、前記側壁の変形により前記インク流路の
容積を変化させ、そのインク流路内に充填されたインク
を噴射する液滴噴射装置において、前記接着剤のヤング
率を、その接着剤の接着層の厚さで割った値が、5×1
03kg/mm3以上であることを特徴としている。
ヤング率を、前記接着層の厚さで割った値が、5×10
4kg/mm3以上であることを特徴とする。
グ率を、前記接着層の厚さで割った値が、1.2×10
5kg/mm3以上であることを特徴とする。
向と直交する方向に駆動電界を発生するための電極を側
面に有し、その駆動電界の印加により圧電厚みすべり効
果により変形するものであることを特徴とする。
た圧電セラミックスプレートと、インク流路を構成する
ために前記溝の側面をなす側壁の上面に接着剤により接
着されるカバープレートと、前記側壁の端面に接着剤に
より接着されインク流路と対応するノズルを有するノズ
ルプレートとを有し、前記側壁の変形により前記インク
流路の容積を変化させ、そのインク流路内に充填された
インクを前記ノズルから噴射する液滴噴射装置におい
て、前記側壁の上面とカバープレートとを接着する接着
剤、および前記側壁の端面とノズルプレートとを接着す
る接着剤のヤング率を、その接着剤の接着層の厚さで割
った値が、1.2×10 5 kg/mm 3 以上、3×10 5
kg/mm 3 以下であることを特徴とする。
いて、前記接着剤のヤング率をその接着剤の接着層の厚
さで割った値を、5×103kg/mm3以上にすること
により、接着層おいて所定の剛性を得ることができ、前
記壁の変形によるインク流路の体積変化が所定の変化量
を得る。
着する接着剤は、圧電セラミックスプレートの線膨張係
数とノズルプレートの線膨張係数との差を緩衝するた
め、および側壁の変形を妨げないように、ある程度の弾
性が必要であるが、前記値を、1.2×10 5 kg/m
m 3 以上、3×10 5 kg/mm 3 以下にすることで、前
記側壁の上面とカバープレートとを接着する接着剤と前
記側壁の端面とノズルプレートとを接着する接着剤とに
同じ材料の使用を可能にする。
る。なお都合上、従来例と同一部位、及び均等部位には
同一符合をつけるとともに、その詳細な説明は省略す
る。
上面とカバープレート3とを接着する接着剤4について
説明する。上述したように、接着剤4のヤング率が小さ
かったり、接着剤4の接着層が厚かったりして、接着剤
4の接着層の弾性が大きい、つまり剛性が小さいと、図
9に示すように、側壁11が変形する方向と反対方向に
接着剤4が変形するので十分なインク流路12の体積変
化が得らない。
キシ系の接着剤4を複数用いて、接着層の厚みを変化さ
せて、それぞれについてインクジェットプリンタヘッド
1のインク滴噴射実験を行った。尚、実験に用いた接着
剤4は、硬化後のヤング率が重要であり、他の性質は今
回の実験においては考慮しなくてもよい。その実験の結
果を図1に示す。実験における接着剤4の接着層の厚さ
は顕微鏡で測定した。インクジェットプリンタヘッド1
の評価は、インク滴の噴射速度がインク流路12の体積
変化に比例するので、インク滴の噴射速度を測定して評
価した。
の安定性について、実験による経験に基づいて説明す
る。まず、噴射速度が1m/s未満の場合は、インクが
噴射されない(インク滴が分離されない)か、されたと
しても、ノズル32と用紙との間における空気流等の影
響により所望の位置にインク滴が付着しなく、印字品質
が悪化する。従って、液滴噴射装置を製品化するにあた
っては、噴射速度は少なくとも1m/s以上は必要であ
る。
える影響として、以下のことがあげられる。まず、ノズ
ル形状が不均一であったりノズル付近にゴミやインクが
付着してしまった場合、噴射速度が小さいとインクの直
進性に影響が出る。また、キャリッジ走査型の液滴噴射
装置においては、キャリッジ移動によりノズル32と用
紙との間における空気流が激しくなり、噴射速度が小さ
いとインクの着弾点にずれが生じやすく、更にこのずれ
は、高速印字のためにキャリッジ移動速度を高速化する
場合や、厚紙に印字できるようノズルとプラテンの距離
を大きくする場合に、より顕著に現われる。
場合、安定した噴射を実現するためには、噴射速度は好
ましくは3m/s以上必要であり、噴射速度が5m/s
以上であれば上記のすべての条件を考慮しても、安定し
た噴射を実現することができる。
ンクジェットプリンタヘッド1の評価は、インク滴の噴
射速度を、5m/s以上、3〜5m/s、1〜3m/
s、及び1m/s未満にわけて評価した。
域ではインク滴の噴射速度が5m/s以上となり、直線
L3とL2の間の領域では噴射速度が3〜5m/s、直
線L2とL1の間の領域ではの噴射速度が1〜3m/
s、直線L1の下方領域では噴射速度が1m/s未満と
なる。ここで、前記直線L1、L2、L3の傾きは、接
着剤4のヤング率を接着剤4の厚さで割った値であり、
この値は順に5×103kg/mm3、5×104kg/
mm3、1.2×105kg/mm3である。従って、接
着剤4のヤング率を接着剤4の厚さで割った値が5×1
03kg/mm3以上、好ましくは5×104kg/mm3
以上、より好ましくは1.2×105kg/mm3以上で
あれば、安定したインク滴の噴射が行える。ここで、上
記の結果から接着層の厚さは、薄いほど剛性が増し好ま
しいが、カバープレート3と側壁11の上面とを完全に
接合させるだけの厚さは必要であり、また接着層を薄く
するための技術的限界も存在する。従って、接着層の厚
さをある程度厚くする場合は、要求される噴射速度に応
じてヤング率の大きい接着剤を用いればよい。
レート2の側壁11の上面とカバープレート3とを接着
する接着剤4のヤング率を接着剤4の厚さで割った値が
5×103kg/mm3以上、好ましくは5×104kg
/mm3以上、より好ましくは1.2×105kg/mm
3以上となるように接着剤の材質及び厚さを選定すれ
ば、圧電厚みすべり効果による側壁11の変形によっ
て、十分なインク流路12の体積変化が得られ、安定し
たインク滴の噴射が行われる。
バープレート3の端面に、ノズルプレート31を接着す
る接着剤33(図4参照)について説明する。
を含む圧電セラミックスプレート2の端面とノズルプレ
ート31との間に形成されており、前記ノズル32が連
通するインク流路12(図6)とノズルプレート31と
の間には接着剤33は形成されていない。一般にノズル
プレート31はノズル32の形成等を考慮して、樹脂ま
たは金属材料が用いられ、セラミックス材料を用いる圧
電セラミックスプレート2とは線膨張係数が異なる。そ
こで、圧電セラミックスプレート2とノズルプレート3
1とを接着する接着剤33は、圧電セラミックスプレー
ト2の線膨張係数とノズルプレート31の線膨張係数と
の差を緩衝するために、ある程度の弾性が必要である。
また、接着剤33の弾性が小さい、つまり剛性が大きい
と、側壁11の端面とノズルプレート31とが固定され
て、側壁11の前記圧電厚みすべり効果によるインク流
路12の体積変化が十分に行われず、インク滴の噴射に
影響を及ぼす。
キシ系の接着剤33を複数用いて接着層の厚みを変化さ
せて、それぞれについてインクジェットプリンタヘッド
1のインク滴噴射実験を行った。尚、実験に用いた接着
剤33は、硬化後のヤング率が重要であり、他の性質は
今回の実験においては考慮しなくてもよい。また、イン
クジェットプリンタヘッド1の評価はインク滴の噴射速
度を測定して評価した。インク滴の噴射速度は、上述し
た理由から5m/s以上、3〜5m/s、1〜3m/
s、及び1m/s未満にわけて評価した。また、接着剤
33の厚さは、噴射実験後にインクジェットプリンタヘ
ッド1をインク流路12方向に切断して顕微鏡で測定し
た。その実験の結果を図2に示す。
域ではインク滴の噴射速度が5m/s以上となり、直線
M3とM2の間の領域では噴射速度が3〜5m/s、直
線M2とM1の間の領域ではの噴射速度が1〜3m/
s、直線M1の上方領域では噴射速度が1m/s未満と
なる。ここで、前記直線M1、M2、M3の傾きは、接
着剤33のヤング率を接着剤33の厚さで割った値であ
り、この値は順に1×106kg/mm3、5×105k
g/mm3、3×105kg/mm3である。従って、接
着剤33のヤング率を接着剤33の厚さで割った値が1
×106kg/mm3以下、好ましくは5×105kg/
mm3以下、より好ましくは3×105kg/mm3以下
であれば、安定したインク滴の噴射が行える。
レート2及びカバープレート3の端面に、ノズルプレー
ト31を接着する接着剤33のヤング率を接着剤33の
厚さで割った値が1×106kg/mm3以下、好ましく
は5×105kg/mm3以下、より好ましくは3×10
5kg/mm3以下となるように接着剤の材質及び厚さを
選定すれば、圧電厚みすべり効果による側壁11の変形
によって、十分なインク流路12の体積変化が得られ、
安定したインク滴の噴射が行われる。
ンクジェットプリンタヘッド1を作成し、キャリッジ走
査型の液滴噴射装置として印字を試みることにした。
尚、液滴噴射装置の仕様としてキャリッジ移動速度は
0.635m/s、ノズルと用紙の紙面との距離は1.
5mmとした。
ッド1を作成する際に、圧電セラミックスプレート2に
対し、カバープレート3を接着する接着剤4と、ノズル
プレート31を接着する接着剤33の材質や接着工程を
異ならせることは、製造コストや製造時間の浪費につな
がるため、本実施例においては同じ材質の接着剤を用い
同じ接着工程にて接着することにした。従って、接着剤
のヤング率と厚さも等しくなるため、上記の2つの実験
結果をともに満足するようにヤング率と厚さを設定する
必要がある。そして、上記の実験結果から最も好ましい
ヤング率と厚さの関係は、ヤング率を厚さで割った値が
1.2×105kg/mm3以上、3×105kg/mm3
以下である。従って本実施例では、ヤング率が730k
g/mm2の接着剤を用い、接着剤の厚さを3μmとし
た。この場合のヤング率を厚さで割った値は、2.43
×105kg/mm3となるため、両者の条件を満たし得
るものである。
プリンタヘッド1により、液滴噴射装置として印字させ
た場合の印字サンプルを、インクの着弾点のずれを中心
に評価した結果、ほとんどずれの無い良好な印字が行わ
れたことが確認できた。
用いたが、アクリル系、フェノール系等の接着剤を用い
てもよい。
発明の液滴噴射装置では、圧電セラミックスプレートの
溝の側面をなす側壁の上面とカバープレートとを接着す
る接着剤のヤング率を、その接着剤の接着層の厚さで割
った値が、5×103kg/mm3以上であるので、前記
側壁の変形によりインク流路の十分な容積変化が得ら
れ、安定したインクの噴射が行うことができる。
m 3 以上、3×10 5 kg/mm 3 以下にすることで、前
記側壁の上面とカバープレートとを、上記のようにイン
ク流路の十分な容積変化が得られるように剛性をもって
接着できるとともに、側壁の端面とノズルプレートと
を、その両者の線膨張係数との差を緩衝し、また側壁の
変形を妨げることなく接着できる。
レートとカバープレートとを接着する接着剤のヤング率
と接着層の厚さとの関係を示すグラフである。
とノズルプレートとを接着する接着剤のヤング率と接着
層の厚さとの関係を示すグラフである。
ンタヘッドの構成を示す斜視図である。
ンタヘッドをインク流路の流路方向に切断した断面図で
ある。
ンタヘッドの制御部を示す説明図である。
ンタヘッドの構成を示す断面図である。
ンタヘッドの作動状態を示す説明図である。
みすべり効果時における側壁とカバープレートとの接着
層の状態を示す説明図である。
プレートとの接着層の弾性が大きい場合における側壁の
圧電厚みすべり効果時の接着層の状態を示す説明図であ
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 複数の溝が形成された圧電セラミックス
プレートと、インク流路を構成するために前記溝の側面
をなす側壁の上面に接着剤により接着されるカバープレ
ートとを有し、前記側壁の変形により前記インク流路の
容積を変化させ、そのインク流路内に充填されたインク
を噴射する液滴噴射装置において、 前記接着剤のヤング率を、その接着剤の接着層の厚さで
割った値が、5×103kg/mm3以上であることを特
徴とする液滴噴射装置。 - 【請求項2】 前記接着剤のヤング率を、前記接着層の
厚さで割った値が、5×104kg/mm3以上であるこ
とを特徴とする請求項1記載の液滴噴射装置。 - 【請求項3】 前記接着剤のヤング率を、前記接着層の
厚さで割った値が、1.2×105kg/mm3以上であ
ることを特徴とする請求項2記載の液滴噴射装置。 - 【請求項4】 前記側壁は、分極方向と直交する方向に
駆動電界を発生するための電極を側面に有し、その駆動
電界の印加により圧電厚みすべり効果により変形するも
のであることを特徴とする請求項1記載の液滴噴射装
置。 - 【請求項5】 複数の溝が形成された圧電セラミックス
プレートと、インク流路を構成するために前記溝の側面
をなす側 壁の上面に接着剤により接着されるカバープレ
ートと、前記側壁の端面に接着剤により接着されインク
流路と対応するノズルを有するノズルプレートとを有
し、前記側壁の変形により前記インク流路の容積を変化
させ、そのインク流路内に充填されたインクを前記ノズ
ルから噴射する液滴噴射装置において、 前記側壁の上面とカバープレートとを接着する接着剤、
および前記側壁の端面とノズルプレートとを接着する接
着剤のヤング率を、その接着剤の接着層の厚さで割った
値が、1.2×10 5 kg/mm 3 以上、3×10 5 kg
/mm 3 以下であることを特徴とする液滴噴射装置。
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